JP2005055489A

JP2005055489A - 触覚ディスプレイ及び直動機構

Info

Publication number: JP2005055489A
Application number: JP2003205899A
Authority: JP
Inventors: Satoru Kondo; 悟近藤; Tadahiro Sakai; 忠裕坂井; Toshihiro Shimizu; 俊宏清水; Yuriko Suzuki; 百合子鈴木
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2003-08-05
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2023-08-05
Also published as: JP4402389B2

Abstract

【課題】スペース効率が良く、消費電力が小さく、生産コストが低い、図形を触覚に提示する触覚ディスプレイを提供することにある。
【解決手段】突起形成部を複数配列してなる触覚ディスプレイであって、前記突起形成部は弾性体の変形により突起を形成する手段を備え、前記突起が点及び前記点の集合群として触覚に図形を提示する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触覚ディスプレイ及び直動機構に関し、特に、点及びそれらの集合群にて図形を提示する二次元触覚ディスプレイのアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上下運動を行う点及びそれらの集合群で形成される二次元触覚ディスプレイの、各点の動作機構としては、圧電バイモルフ及びピン、加圧された電気粘性流体及びバルーン、形状記憶合金バネ及びピン、磁力及びピン、温度制御による気体・液体・固体の膨張・収縮を用いたもの、バネ状に形成された圧電材料及びピン等が存在する。
【０００３】
従来の技術のうち、圧電バイモルフを用いたものは既に市販されているが（例えば、非特許文献１参照）、一つ一つのピンの動作方向に対してアクチュエータの長手方向が垂直になるため、ピンの直動方向から俯瞰したときに、アクチュエータの専有する面積が大きくなりスペース効率が良くない。
【０００４】
加圧された電気粘性流体及びバルーンを用いた方式（例えば、特許文献１参照）は、ピンの近傍に流量を制御する電気的なバルブを形成しているため制御部が占める俯瞰面積は小さいが、流体を加圧するためのコンプレッサーが別途必要であり、装置全体の構成は大きくなり、やはりスペース効率は悪い。ただしこれら二つの機構は高電圧小電流によって動作するため、磁気や熱を用いたアクチュエータに比べ消費電力を低く抑えられるという特徴を持つ。
【０００５】
形状記憶合金バネ及びピン、磁力及びピン、気体・液体・固体の膨張・収縮を用いたもの（例えば、特許文献２、非特許文献２、非特許文献３参照）は、いずれもピンの直下にアクチュエータを収納できるためスペース効率という点で優れるが、形状記憶合金を動作させる熱の発生、磁力の発生、気体・液体・固体の膨張・収縮を行わせる熱の発生のためには大きな電力を要し、消費電力という観点ではデメリットが大きい。
【０００６】
スペース効率が良く消費電力が小さい物として、バネ状に形成された圧電材料及びピンを用いた方式が挙げられるが（例えば、本出願人による先行出願１参照）、工程上、一本一本のバネを配置・配線しなければならず生産コストが格段に高いという短所を持つ。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３１６９８２２号公報
【特許文献２】
特開昭５９−１９８４８３号公報
【先行出願１】
特願２００２−１７０７１号
【非特許文献１】
ゲージーエス株式会社、視覚障害者用点字セルカタログ、［平成１５年６月２３日検索］、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｇｓ−ｊｐｎ．ｃｏ．ｊｐ／ｂ＿ｓｃ．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献２】
筑波技術短期大学、触覚ディスプレイ素子の構造、［平成１５年６月２３日検索］、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｓｕｋｕｂａ−ｔｅｃｈ．ａｃ．ｊｐ／ｉｎｆｏ／ｋｅｎｋｙｕ／ｋａｋｅｎ／ｄｓ３３．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献３】
（株）アイシン・コスモス研究所、光駆動塗布デバイス、［平成１５年６月２３日検索］、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｍｃ．ｏｒ．ｊｐ／ｗｈａｔ−ｊ／ｆｒｕｉｔｓ／Ａｉｓｈｉｎ．ｐｄｆ＞
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術はそれぞれに特長をもつが、スペース効率（小型化）と低消費電力化、低コスト化の全てを並立させることが難しい。またピンを用いた物の場合、部品点数が増え、材料・組み立ての両コスト面でやはり不利である。
【０００９】
本発明は、これらの問題に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、スペース効率が良く、消費電力が小さく、生産コストが低い、図形を触覚に提示する触覚ディスプレイを提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、スペース効率が良く、消費電力が小さく、生産コストが低い、ピン直動機構を提供することにある。
【００１１】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００１３】
（１）突起形成部を複数配列してなる触覚ディスプレイであって、前記突起形成部は弾性体の変形により突起を形成する手段を備え、前記突起が点及び前記点の集合群として触覚に図形を提示する触覚ディスプレイ。
【００１４】
（２）前述した（１）に記載の触覚ディスプレイにおいて、前記突起を形成する手段は、開口部を持つ空間内に閉じこめた前記弾性体と、前記弾性体を変形させるための変位と力を加えるアクチュエータとを備える触覚ディスプレイ。
【００１５】
（３）前述した（２）に記載の触覚ディスプレイにおいて、前記開口部の面積が前記アクチュエータの面積よりも小さい触覚ディスプレイ。
【００１６】
（４）突起形成部を複数配列してなる触覚ディスプレイであって、前記突起形成部は棒状の弾性体で形成され、前記弾性体が変形する動作により弾性体本体を上下運動させて突起を形成する手段を備え、前記突起が点及び前記点の集合群として触覚に図形を提示する触覚ディスプレイ。
【００１７】
（５）開口部を持つ空間内に閉じこめられた弾性体と、磁気、圧電、電歪、熱、光、などを用いたアクチュエータデバイスと、前記アクチュエータデバイスによって間接的に前記弾性体に変位を発生させる手段とを備えた直動機構。
【００１８】
（６）開口部を持つ空間内に閉じこめられた弾性体と、光または化学反応によって前記弾性体を直接変形させる手段とを備えた直動機構。
【００１９】
前述した手段により、突起形成部に、ゲル状物質やエラストマー等の弾性体を用いることで上記課題を解決する。
【００２０】
また、突起形成部に変位拡大機能を併せ持たせることにより、圧電材料でできた省スペース化が可能な小変位量アクチュエータを用いる事ができ、また通常は電力を要するアクチュエータであっても、変位量を抑えられるため全体の構成を小さくして消費電力を低くすることが可能となる。またマイクロマシニングを用いた一括生産工程が適用できるため、一つ一つのピンについての組み立てがいらず、低コスト化を図ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の触覚ディスプレイの概略構成を説明するための図である。図１（ａ）は２×７の突起アレイとした本発明の俯瞰図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡＡ’を結ぶ線での断面図である。シリコンエッチングでピラミッド型にエッチングされた空洞部と開口部を持つシリコン筐体１と、同じく所定の部分に穴を空けてあるガラス筐体４を接合して−体化し、それらで囲まれた開口部を持つ器状の領域へゲル状のエラストマー２を閉じこめ、微小変位を発生する積層型圧電アクチュエータ３を配置し封入する。
【００２３】
ここで積層型圧電アクチュエータ３を駆動して上方への変位を発生させエラストマー２に変位を与えると、押された体積とほぼ同じ体積のエラストマー２が開口部より突出し、図２の左側に示すように突起５が形成される。図２の左側が動作状態、右側が図１（ｂ）と同じ静止状態を表している。このときピラミッド型の底部と上部の横方向断面積の違いから、この構造自体が変位拡大機構となり、積層型圧電アクチュエータ３の上方への直線変位量よりも開口部から突出するエラストマー２の上方への変位量が大きくなる。これによって通常触覚で認識できない程度の小さな変位を拡大して触覚で認識させることが可能となる。なお、エラストマーとしては、例えばパラフィン系エラストマーが適用可能であるが、他のエラストマーも適用可能である。
【００２４】
このように、実施の形態１の触覚ディスプレイは、シリコン筐体１とガラス筐体４を接合した際に形成される空洞部（シリコン筐体１に形成されたピラミッド型の空洞部と、ガラス筐体４に形成された空洞部とからなる空洞部）と、ガラス筐体４の空洞部の下面側に配置され下端が固定された積層型圧電アクチュエータ３とからなる空間にゲル状のエラストマー２が封入され、触覚に文字・点字等を含む図形を提示する点（突起５）を突出・沈降させる突起形成部が複数配列して形成されている。
【００２５】
例えば、図２の左側に示す積層型圧電アクチュエータ３に電圧が印加されると、Δｈで示す高さだけ左側の積層型圧電アクチュエータ３の上面が上方に変位しエラストマー２が封入される空間の体積が減少することとなるので、この体積減少分に相当するエラストマー２が突起５としてシリコン筐体１の上面側に形成される開口部から押し出されることとなり、この突起５が触覚に図形を提示する。
【００２６】
また、実施の形態１では、シリコン筐体１に形成される空洞部の形状がピラミッド型となっており、底部よりも面積の小さい上部の開口部から突起５が突出される構成となっている。すなわち、エラストマー２が積層型圧電アクチュエータ３に押圧される面積よりも突起５が突出する開口部の面積が小さい構成となっているので、積層型圧電アクチュエータ３の上方への直線変位量Δｈよりも開口部から突出するエラストマー２の上方への変位量を大きくできる。
【００２７】
一方、積層型圧電アクチュエータ３への電圧の印加が停止され、積層型圧電アクチュエータ３の変位が元の位置に戻ると、空洞部の体積の減少分も元に戻るので、エラストマー２は空洞内に収まり突起５も沈降することとなる。
【００２８】
また、実施の形態１の触覚ディスプレイでは、周知のエッチング技術によってシリコン筐体１に空洞部を隔成する工程と、ガラス筐体４に空洞部を隔成する工程と、上部がシリコン筐体１の空洞部と同じピラミッド形状であり他の部分がガラス筐体４の空洞部と同じ円柱状となるようにエラストマー２を成型する工程と、周知の圧電素子を積層した積層型圧電アクチュエータ３を製造する工程と、シリコン筐体１とガラス筐体４とを接合する工程と、接合で形成された空洞部に成型されたエラストマー２を挿入する工程と、ガラス筐体４側に積層型圧電アクチュエータ３を取り付けてエラストマー２を封入する工程と、積層型圧電アクチュエータ３に駆動部からの信号線を接続する工程等が必要となる。ここで、エラストマー２を封入するための隔成されたピラミッド型の空洞を形成する工程等で、マイクロマシニングを用いた一括生産工程が適用できる。また、一つ一つのピンについての組み立てがいらず、簡易な工程で触覚ディスプレイを作成できるので、触覚ディスプレイの低コスト化を図ることができる。
【００２９】
なお、実施の形態１の触覚ディスプレイでは、アクチュエータデバイスとして積層型圧電アクチュエータ３を用いる構成としたが、突起形成部を構成するデバイス自体が変位拡大機構となっているので、他の圧電素子（バルク、バイモルフ、ユニモルフ）でも適用可能である。
【００３０】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２の触覚ディスプレイの概略構成及びその動作状態と静止状態を説明するための図である。実施の形態１では一体化された筐体に開口部を設けるなどのマイクロマシニング的手法で、デバイスを作製することを前提にしていたが、図３（ａ）は一つ一つの部品として組み立てることも可能であることを示した一つの例の全体俯瞰図である。図３（ｂ）、（ｃ）は、図３（ａ）におけるＢＢ’を結ぶ線での断面図である。これは２枚の圧電バイモルフアクチュエータ６ａ、６ｂとそれらに垂直に配置された板７で囲まれた空間内にエラストマー２が存在し、圧電バイモルフアクチュエータ６ａ、６ｂが変形することによって、エラストマー２に圧力が加わり上下の開口部からエラストマーが突出し、突起８が形成される仕組みになっている。
【００３１】
実施の形態２の触覚ディスプレイでは、図３（ｂ）に示すように、対向配置される一対の圧電バイモルフアクチュエータ６ａ、６ｂへの駆動信号の印加により、圧電バイモルフアクチュエータ６ａ、６ｂが角柱の中心軸方向に反る向きに配置されている。圧電バイモルフアクチュエータ６ａ、６ｂの変形により、圧電バイモルフアクチュエータ６ａ、６ｂと板７とで囲まれた空間内の体積が減少することとなり、この体積減少分に相当するエラストマー２が突起８として上下の開口部から押し出されることとなる。したがって、図３（ａ）に示す実施の形態２の直動機構を例えばマトリクス状に配列した触覚ディスプレイを形成することによって、触覚に図形等の情報を提示することができる。なお、実施の形態２の触覚ディスプレイでは、角柱から押し出されたエラストマー２により形成された何れか一方の突起８でも触覚に図形等の情報を提示することができるが、下端部が下方に移動しないように支持し、角柱を上下移動可能に構成しておくことによって、下側部分の突起によって角柱本体を上方向に移動させることができるので、突起５の突出量を大きくすることができる。
【００３２】
前述した実施の形態１、２の触覚ディスプレイでは、エラストマー材料を変形させるためのアクチュエータとして積層型圧電アクチュエータまたは圧電バイモルフアクチュエータを用い、このアクチュエータの変形によりエラストマーに変位を発生させる構成としたが、エラストマー材料を変形させるためのアクチュエータとして、例えば特許文献１、２、先行出願１、または非特許文献１〜３に記載された磁気、圧電、電歪、熱、光、などを用いたアクチュエータデバイスを用い、これらのデバイスよって生じた歪み、気体圧、液体圧、温度勾配などによりエラストマーに間接的に変位を発生させるようにしてもよい。さらには、光や化学反応によってエラストマーを直接変形させるようにしてもよい。
【００３３】
また、実施の形態１、２の触覚ディスプレイでは、弾性体としてゲル状のエラストマーを用いる構成としたが、エラストマーに限定されることはなく、例えばスライム（四ホウ酸ナトリウム＋ポリビニルアルコール（糊））等のゲル状物質でも適用可能である。
【００３４】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００３５】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００３６】
本発明では、ゲル状のエラストマー等の弾性体を用いて変位拡大機構を併せ持つ突起形成を採用することで、小型で消費電力が小さなピンアクチュエータを簡易な工程で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の触覚ディスプレイの概略構成を説明するための図である。
【図２】実施の形態１のデバイスの動作状態と静止状態を比較して表している図である。
【図３】本発明の実施の形態２の触覚ディスプレイの概略構成及びその動作状態と静止状態を説明するための図である。
【符号の説明】
１…シリコン筐体２…エラストマー
３…積層型圧電アクチュエータ４…ガラス筐体
５、８…突起
６ａ、６ｂ…圧電バイモルフアクチュエータ
７…板

Claims

突起形成部を複数配列してなる触覚ディスプレイであって、
前記突起形成部は弾性体の変形により突起を形成する手段を備え、
前記突起が点及び前記点の集合群として触覚に図形を提示することを特徴とする触覚ディスプレイ。
請求項１に記載の触覚ディスプレイにおいて、
前記突起を形成する手段は、
開口部を持つ空間内に閉じこめた前記弾性体と、
前記弾性体を変形させるための変位と力を加えるアクチュエータと
を備えることを特徴とする触覚ディスプレイ。
請求項２に記載の触覚ディスプレイにおいて、
前記開口部の面積が前記アクチュエータの面積よりも小さいことを特徴とする触覚ディスプレイ。
突起形成部を複数配列してなる触覚ディスプレイであって、
前記突起形成部は棒状の弾性体で形成され、前記弾性体が変形する動作により弾性体本体を上下運動させて突起を形成する手段を備え、
前記突起が点及び前記点の集合群として触覚に図形を提示することを特徴とする触覚ディスプレイ。
開口部を持つ空間内に閉じこめられた弾性体と、
磁気、圧電、電歪、熱、光、などを用いたアクチュエータデバイスと、
前記アクチュエータデバイスによって間接的に前記弾性体に変位を発生させる手段と
を備えたことを特徴とする直動機構。
開口部を持つ空間内に閉じこめられた弾性体と、
光または化学反応によって前記弾性体を直接変形させる手段と
を備えたことを特徴とする直動機構。