JP2005530215A - 触覚装置 - Google Patents

Abstract

本発明は導電液体（３，４）を収容する液体素子（１）を複数有する触覚装置に関する。各液体素子における液体レベルは該液体素子に電力を印加するアクチュエータ手段（Ｖ，６）によって変動可能である。各液体素子はその一方の端部において液体と接触していてユーザに該液体素子の液体レベルを示す触覚素子（７）を具備する。更に液体素子は毛管（２）を有し、液体レベルは電気毛管圧力によって変動可能に構成される。

Description

導電液体を含む液体素子で、該導電液体の液体レベルは変動可能であるような液体素子を複数有し、且つ前記複数の液体素子の中から選択された一部の液体素子に電力を印加することによって前記液体素子の液体レベルを変動させるアクチュエータ手段を有する触覚装置であって、更に各液体素子はそれぞれに含まれる液体と接触していてユーザに対して同液体の液体レベルを示す触覚素子を有する触覚装置に関する。

一般に触覚装置はユーザの触覚を触発することによって情報を伝送する。実際に使用される触覚装置にはいくつかの形態があって、その１つとしてジョイスティック、マウス、コントロールパッドなどに力フィードバックを供給する、あるいは携帯電話を振動させる触覚装置がある。また別の形態の触覚装置として、点字読取装置などに適用されてより複雑な情報を伝送するように構成されるものがある。

このような形態の装置の構成は例えば特許文献１に開示される。ここで開示される装置は液晶が充填される液体チャンバーを複数有する。ここで各チャンバーはそれぞれ１対の袖を有し、この袖は液体に電界を印加してマクスウェル・ファラデイ効果によって同液体の液体レベルを変動させる電極として機能する。また、ここでは液体に浮遊するピストンピンが設けられ、これは液体レベルを示す触覚（フィーラ）として機能する。このように形成される装置は点字読取機の一部を構成する。

上述の既知装置の欠点として、このような装置は多大な電力を消費するという点が挙げられる。更に可動機械ピンは音を発生するという問題もある。また、実用においてこのような装置は信頼度が低く且つ高価であるという欠点を有する。
英国特許公報２２１２３３６号

したがって本発明は上記の従来技術における問題点を解決することをその目的とする。

上記目的を達成するために本発明による装置は、各液体素子に毛管を設け、各液体素子内の液体レベルが電気毛管圧力によって変動可能であるように構成されることによって特徴付けられる。

毛管を導入して電気毛管圧力を利用することにより液体レベルは少量の電力で変更されることが可能になる。本発明による装置はその適用対象や設計に応じて適正な個数の液体素子を具備することができるのと同時に動的且つプログラミングが容易な構成を実現可能である。なお、液体素子のサイズは非常に小さくすることが可能であるため、例えば１００×１００のセルを手のひらに収容することが可能であり、よってこれらセルを用いてそこに情報を伝達することができる。

本発明による触覚装置の第１の好適実施形態によると、アクチュエータ手段は液体レベルが新たな位置に変化したのに応じて所定時間触覚素子を振動させるように構成される。このような構成によりユーザの触覚はより自然に触発され、ユーザへの情報伝達の質が向上されうる。

本発明の更なる実施形態によると、触覚素子は可撓性材料で形成されるダイヤフラムから構成される。よってダイヤフラムは迅速且つ無音で変動可能となり、ノイズなどが発生されることなく信頼度が高く迅速な情報伝達が実現可能になる。

また、更なる好適な実施形態として、ユーザの触覚を増強するためにダイヤフラムは少なくとも１つの接触スポットを有する。

また、更なる実施形態によると、１又は複数の毛管の他方の端部には可撓性材料からなる更なるダイヤフラムが設けられる。よって毛管はそれぞれ区分され、クロストークが効果的に抑制されうる。

また、更なる実施形態によると、アクチュエータ手段は選択された１又は複数の毛管の液体レベルを所定のプレストレスレベルに設定するように構成され、本装置は更にこの選択された毛管内の液体レベルの変化を検知するための検知手段を有する。よってこの実施形態による装置はユーザからの信号をピックアップするセンサとして機能することも可能である。

また、実用的な実施形態として、この検知手段は選択された毛管内の電気キャパシタンスの変化を検知するように構成される。このような検知手段を適用する装置は小型な構成にも好適に搭載されうる。

更なる好適な実施形態によると、１又は複数の毛管は相互に異なる導電性を有し且つ実質的に不混和である第１液体及び第２液体を有する。この実施形態では、触覚素子の変動の度合いを制御するために毛管に電圧依存圧力を印加することが可能である。また、更なる実施形態によると、該第１液体又は第２液体のうちの一方は導電性の液体であって、他方は電気絶縁性の液体である。よって触覚素子の変動を最大限にすることが可能であり、よって触覚装置の感度を最適化することが可能である。

また、実用的な実施形態によると、クチュエータ手段は電源及び複数の電極を有する。このような構成により信頼度が高く且つ比較的安価なアクチュエータ手段を最小限の構成要素で形成することが可能となり、
また、更なる好適な実施形態によると、検知手段は電圧源及び電流測定部を有する。なお、ここでは電圧源は既に具備されているため、電流測定部を追加するだけで検知手段によるセンサ機能が実現されうる。

また、更なる好適な実施形態によると、１又は複数の毛管は該毛管の壁に付着される電極を１以上有する。

以下において添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

図１及び図２は本発明による装置の一部を構成する液体素子１の好適な実施例の概略を示す。液体素子１は第１導電液体３が充填される毛管２を有する。この導電液体の上には電気絶縁液体４が設けられる。なお、液体３と４とは基本的に非混和であって、これは液体／液体メニスカス５によって示される。また、別の例として、液体３を電気絶縁液体にし、液体４を導電液体にすることも可能である。なお、導電液体の例としては水溶性の液体などがある。また、電気絶縁液体としては例えばガソリンや無極性油などが適用されうる。

またここでは毛管２に電力を供給するためのアクチュエータ手段が設けられる。これによって電気毛管圧力が導入され、毛管内の液体レベル液体レベルが変更される。このアクチュエータ手段は電源Ｖ及び複数の電極から構成される。図示される実施例では、各毛管２の毛管壁のそれぞれに１つの電極６が設けられる。この電極６は導電材料層を有する。ここには絶縁層及び疎水性コーティングが追加されることも可能である。

また各毛管２は、液体と接触していてユーザが液体レベルを認識できるようにする触覚素子７を有する。この接触素子は液体の上に配置され毛管２の一端を実質的に封鎖する可撓性材料からなるダイヤフラム７によって構成される。図示される好適な実施例においては、ダイヤフラム７は可撓性ホイルから構成される。このダイヤフラム７に適切な材料としては例えば可撓性プラスチックなどがある。この可撓性ホイルは毛管の壁に接着又は密封される。またこのダイヤフラム７は例えばより硬性のプラスチックなどの材料からなる接触スポット８を有する。この接触スポット８はダイヤフラム７よりも小さく、ドット又は円盤など任意の形状を有することが可能である。

電源Ｖ及び電極６によって毛管２に電力が印加されると、電気毛管圧力が導入され、これによって液体レベルが操作可能となる。液体レベルの変化に応じてダイヤフラム７の位置は変更される。なお、図１はダイヤフラム７が上向きに湾曲している第１状態の毛管２を示す。図２はダイヤフラム７が下向きに湾曲している第２状態の毛管２を示す。ダイヤフラム７はフィーラとして機能し、触覚の触発に基づいてユーザに情報を伝達する。

この電気毛管圧力の現象自体はこの産業分野においては周知の技術である。すなわち液体／液体メニスカス５にかかる毛管圧力は二界面間の張力の差によって確定される。これらの張力の一方は毛管２の壁と導電液体３との間の界面における張力に相当し、他方は導電液体３と絶縁液体４との間の界面における張力に相当する。この張力は液体／液体メニスカス５の位置に影響を及ぼし、よってダイヤフラム７の位置をも左右する。なお、電気毛管圧力の現象についての詳細は例えばここにおいて参照により本願に挿入される以下の論文に記載される。”Fluid Control in Multichannel Structures by Electrocapillary Pressure”, Prins et al., Science, Volume 291, 12 January 2001.
アクチュエータ手段Ｖ及び６はダイヤフラム７を所定時間振動させるように構成される。典型的にはこの振動は液体レベルの変更によってダイヤフラム７が異なる状態に変化した場合に適用される。この振動は触覚をより自然に引き起こすことを可能にする。なお、同業者であればこのような機能を実現するためのアクチュエータ手段としては様々な好適な構成を適用することが可能である。この一例として上記の所定時間において電源Ｖによって供給される電圧を振動させる手段などがある。

図３は本発明による毛管２のアレイからなる装置１０の概略を示す。各ダイヤフラム７の位置はそれぞれに対応する毛管２の電圧によって左右される。ここで例示される装置１０は８つの毛管２の列からなるが、本発明はこのような形態に限定されず、毛管の数及び構成は可変である。ある好適な実施形態によると、装置内の毛管はマトリックス状に構成される。なお、毛管の数は基本的に装置の大きさや電気接続の数などの実用上の制限などによって限定されるのみである。液体素子は毛管などの小さなマイクロチャンネルを有するため、本発明による装置は多数の液体素子を具備していても取り扱いが容易となる。なお、毛管の物理的な特性を変更することにより毛管の閾値的な働きを実現することが可能である。毛管をその物理的特性が閾値的な働きを促すように設計することで、トランジスタやダイオードなどの追加的な素子が不要となり、装置の大きさを更に縮小することが可能になる。なお、ここにおいて本願に参照により挿入される国際特許公報ＷＯ０２／３９４６２号は閾値的な働きを示すセグメント化された電極を有する毛管のマトリックスからなる装置の一例を示す。

電気接続の数はいわゆるマトリックス・アドレッシング方式を適用することで好適に低減することが可能である。各毛管がそれぞれ別個のワイヤに接続されている場合所要の電子制御素子はＮ^２となる。マトリックス・アドレッシング方式はこの電子制御素子の数を低減するための方法として知られている。マトリックス・アドレッシングにおいてはインデックスｉの横列（ｉ∈｛１，．．．，Ｎ｝、電圧Ｖ_ｉ）の要素が１つずつ起動される間に、対応するインデックスｊの縦列ワイヤ（ｊ∈｛１，．．．，Ｎ｝、電圧Ｖ_ｊ）の要素にプログラム信号が設置される。このマトリックス・アドレッシング方式を触覚装置に適用するには、各毛管において電気マトリックス構成が要される。すなわち各毛管（ｉ，ｊ）はそれぞれ電圧Ｖ_ｉ及びＶ_ｊに接続される必要がある。上記の国際特許公報ＷＯ０２／３９４６２号はこのような方法を適用する３つの例を示す。

上述のアクチュエータ機能に加えて、本発明による装置はセンサとして機能することも可能である。この場合電圧源及び電流測定器Ｉからなる検知手段が各毛管２に接続され、電気キャパシタンスの変化を検知するように構成される。ダイヤフラム７の位置が例えばユーザによってかけられる圧力などに応じて動的に変更されると、この結果対応する毛管２内の電気キャパシタンスの変化が生じ、この変化が検知手段によって検知される。なお、電源Ｖがこの電圧源として機能して例えば電圧リップル又は電圧パルスなどを供給することが可能である。電流測定器Ｉを用いて電流を測定することによってあらゆる電気キャパシタンスの変化が検知されうる。これによって選択された１又は複数の毛管２のダイヤフラム７に単純に圧力を付与することで情報が伝達されることが可能となる。なお、ダイヤフラムにはアクチュエータ手段によって容易に供給されうる範囲内の適度なプレストレスが付与される。電気キャパシタンスの変化を検出するための検知手段についての詳細は例えば以下の論文において記載される。”Contact angles and wetting velocity measured electrically”, H. J. J. Verheijen and M. W. J. Prins, Rev. Sci. Instr. 70(9), 3668-73 (1999); “Fluid control in multichannel structures by electro capillary pressure”, M. W. J. Prins, W. J. J. Welters, and J. W. Weekamp, Science 291 (5502), 277-280 (2001).なお、同業者には理解されうるようにこれ以外の好適な構成を有する検知手段を適用することも可能である。例えばダイヤフラム７又はメニスカス５の変形を光学的に検知するための光学検知手段などを適用することも可能である。

装置１０において各毛管２それぞれの底部は第２ダイヤフラム９によって封鎖される。このダイヤフラム９はダイヤフラム７と同様の特性を有することが可能である。このような構成により毛管２はそれぞれ別々の素子となり、静水クロストークが十分に回避されうる。また、別の実施例において毛管２は第１液体の共有リザーバを利用するように構成されうる。この場合生産コストは削減されうるが、クロストークの発生は回避できないため、この実施例はそれほど高い精度を要さない応用例においてのみ適用されうる。なお、これらの実施例のいずれにおいてもダイヤフラム９が最上限の湾曲位置に達さないように液体に一定の下限圧力を設定することが有用である。同業者に理解されうるように、下限圧力を生成するためには例えば毛管の壁に疎水性のコーティングを塗布するなど、様々な手段を適用することが可能である。

一般に本発明による装置は毛管を適用する触覚装置であって、液体レベルが電気毛管圧力によって操作することで情報を伝達する触覚装置に関する。この触覚装置はアクチュエータもしくはセンサまたはこれらの組み合わせとして機能することが可能である。

本発明による触覚装置は様々な応用例において適用可能であり、これらの一例を以下において示す。本発明を適用する第１応用例として通信装置がある。この例による通信装置は特に例えば飛行機内、手術室内、車両内など視覚システムがオーバーロードされている状況において追加的な情報を手供するための通信装置に相当しうる。第２応用例としてはバーチャルリアリティ装置がある。具体例としてはユーザの手のひらや指先に触覚を提供する手袋などが挙げられる。また別の例として、テレロボット操作機、視覚障害者用の電子本などにも本発明を適用することが可能である。

なお、本発明は上記の具体的実施例に限定されることはなく、上述の好適な実施例及び添付図面を踏まえて本発明の請求の範囲内で構想しうるあらゆる実施形態をも包含する。

本発明の好適な実施例による装置の一部を形成する液体素子が第１状態の場合を示す概略構成図である。 本発明の好適な実施例による装置の一部を形成する液体素子が第２状態の場合を示す概略構成図である。 本発明の好適な実施例による装置の概略構成図である。

Claims (12)

1. 導電液体を含む液体素子で、前記導電液体の液体レベルは変動可能であるような液体素子を複数有し、且つ前記複数の液体素子の中から選択された１又は複数の液体素子に電力を印加することによって前記液体素子の液体レベルを変動させるアクチュエータ手段を有する触覚装置であって、更に各液体素子は一方の端部においてそれぞれに含まれる液体と接触していてユーザに対して該液体の液体レベルを示す触覚素子を有するような触覚装置において、
   前記液体素子は毛管を有し、前記液体レベルは電気毛管圧力によって変動可能であることを特徴とする触覚装置。
2. 前記アクチュエータ手段は所定時間中において前記触覚素子を振動させるように構成されることを特徴とする請求項１記載の触覚装置。
3. 前記触覚素子は可撓性材料で形成されるダイヤフラムから構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の触覚装置。
4. 前記ダイヤフラムは少なくとも１つの接触スポットを有することを特徴とする請求項３記載の触覚装置。
5. １又は複数の前記毛管の他方の端部には可撓性材料からなる更なるダイヤフラムが設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の触覚装置。
6. 前記アクチュエータ手段は選択された１又は複数の前記毛管の液体レベルを所定のプレストレスレベルに設定するように構成され、前記装置は更に前記選択された毛管内の液体レベルの変化を検知するための検知手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の触覚装置。
7. 前記検知手段は前記選択された毛管内の電気キャパシタンスの変化を検知するように構成されることを特徴とする請求項６記載の触覚装置。
8. １又は複数の前記毛管は相互に異なる導電性を有し且つ実質的に不混和である第１液体及び第２液体を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の触覚装置。
9. 前記第１液体又は前記第２液体のうちの一方は導電性の液体であって、他方は電気絶縁性の液体であることを特徴とする請求項８記載の触覚装置。
10. 前記アクチュエータ手段は電源及び複数の電極を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の触覚装置。
11. 前記検知手段は電圧源及び電流測定部を有することを特徴とする請求項６乃至１０のいずれかに記載の触覚装置。
12. １又は複数の前記毛管は前記毛管の壁に付着される電極を１以上有することを特徴とする請求項１０又は１１記載の触覚装置。
    

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