JP2008262478A - 形状記憶合金の機械振動を情報伝達手段とする触覚による情報伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】情報伝達装置において、触覚子の応答性が良い振動現象を呈し、小型軽量化及びエネルギー効率の向上を図ると共に、製造を容易にし、かつ、振動振幅を大きくすることを可能とする。
【解決手段】情報伝達装置は、振動現象を行なうアクチュエータ４とパルス発生器と電圧増幅器とを備え、アクチュエータ４は形状記憶合金本体５と基板６と触覚子７とを備えている。形状記憶合金本体５は両端部５１が基板６に取り付けられており、中間部５２が触覚子７の一端によって押圧され、張力を与えられている。形状記憶合金本体５はパルス発生器からパルス電圧を印加されて振動し、触覚子７がその振動を生体に伝達する。振動現象の応答性が良く、情報伝達装置が小型軽量化し、エネルギー効率も良い。また、情報伝達装置の製造が容易であり、振動振幅を大きくすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、形状記憶合金を用いて、生体に触覚の情報を伝達する情報伝達装置に関する。

従来から、振動モータや圧電素子などを振動源とし、人体の触覚を刺激することにより情報を伝達する情報伝達装置が知られている。従来の情報伝達装置の例を説明する。図１７に示されるように、情報伝達装置１０１は、握り棒１９１の形状をし、内部に振動モータ１０４と駆動アンプ１９２と有しており、駆動アンプ１９２が振動モータ１０４に電源を供給することにより振動モータ１０４が振動し、人体Ｍ１０３に情報を伝達する。また、例えば特許文献１に示されるように形状記憶合金と弾性体を備え、形状記憶合金自体への通電による加熱や形状記憶合金に沿って設置された発熱体による加熱、又はレーザ光の照射による加熱等により、形状記憶合金を相変化により変形させ、また、冷却により弾性体の弾力により元の形状に戻すことにより、人体の触覚に情報を伝達する情報伝達装置が知られている。また、例えば、特許文献２に示されるように、形状記憶合金の近傍に熱源を設け、この熱源への電圧、電流値を制御することにより形状記憶合金の伸縮を制御し、触力覚呈示を行なう装置が知られている。

しかしながら、従来の振動モータを用いる情報伝達装置１０１では、機械振動部の寸法が大きいために、指の一部などの微小な触覚部への情報伝達ができず、また、複数個所へ情報伝達するのに複数個の振動モータ１０４を駆動させると相互に振動が干渉し、隣接した複数箇所に細かい情報を伝達することが困難であるという問題がある。また、高周波数の振動ができず、エネルギー効率も悪い。圧電素子を用いる情報伝達装置では、その変位量が小さいために十分に情報を伝達することができない。

また、特許文献１に示されるような触力覚呈示装置においては、形状記憶合金の形状変化により情報を伝達するが、このような形状変化では応答が遅く、振動現象を呈することは困難で、情報伝達には十分なものとは言えない。

また、特許文献２に示されるような触力覚呈示装置においては、形状記憶合金を熱源により加熱するので、加熱、冷却に時間を要し、上記と同様、振動現象を呈することは不可能である。

また、特許文献３に示されるように、形状記憶合金にパルス電圧を印加することにより情報を伝達する情報伝達装置が知られている。その情報伝達装置の小型振動アクチュエータを、図１８を参照して説明する。小型振動アクチュエータ１１４は２本のリード線部１０９と、リード線部１０９を固定している絶縁部１０６と、２本のリード線部１０９の先端に馬蹄形に曲げられて接続されている形状記憶合金本体１０５とを備えており、形状記憶合金本体１０５はリード線部１０９からパルス電圧を印加されると、伸縮を繰り返して振動する。そして、形状記憶合金本体１０５の頂点１５３に接触する人体に振動を伝えて情報を伝達する。この情報伝達装置により、小型軽量で効率が良く、生体に高度な情報を十分に伝達することができる。

しかしながら、特許文献３に示される情報伝達装置においては、形状記憶合金本体１０５の馬蹄形の形状によって人体が感じる感覚が非常に異なり、最適な形状に製造するのが困難である。また、形状記憶合金本体１０５の振動の振幅が小さいために、人体がその接触面と形状記憶合金１０５との距離を微妙に調整する必要がある。また、人体の触覚は皮膚の表面より少し内部にあるので、振動が触覚に達するには接触に圧力が必要であるが、形状記憶合金は直径５０μｍ程度の糸状のものであるため、少しの圧力で屈曲し、振動を十分に伝達することが困難である。
特開平１１−２１９１４３号公報 特開平１１−２０３０４０号公報 特開２００７−４８２６８号公報

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであり、触覚子が応答性良く振動現象を呈することが可能で、小型軽量でエネルギー効率が良く、かつ、製造が容易であり、振動振幅を大きくすることが可能な情報伝達装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、形状記憶合金を用いた情報伝達装置において、形状記憶合金本体と、前記形状記憶合金本体に取り付けられた触覚子と、前記形状記憶合金本体に、情報伝達のための、オン・オフデューティを有し、又は波高値の異なるパルス電圧を印加するパルス発生器と、を備え、前記形状記憶合金本体は屈曲自在な形状であり、弛緩した状態で両端部が固定され、中間部に前記触覚子の一端、又は一部が取り付けられており、前記触覚子の他端側は、生体に接触可能に構成され、前記形状記憶合金本体は、前記触覚子によって押圧又は牽引されて張力を与えられた状態において前記パルス電圧印加により機械振動を生じ、前記触覚子が振動して前記他端側の生体の触覚に情報を伝達するものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の情報伝達装置において、前記形状記憶合金本体は、複数個が線状又は面状又は立体的に配置され、各触覚子の前記他端側が生体に接触するように、該触覚子の長さが異なっているものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載の情報伝達装置において、前記形状記憶合金本体は、複数個が線状又は面状又は立体的に配置され、前記パルス発生器は、それら隣り合う複数の形状記憶合金本体に、同時に、又は時間差をもってパルス電圧を印加することにより、生体に触覚移動を与えるようにしたものである。

請求項１の発明によれば、形状記憶合金にパルス電圧を印加することにより、触覚子が応答性良く振動現象を呈することが可能であり、簡単な構成であるので情報伝達装置を小型軽量にすることができる。また、振動モータを用いるよりエネルギー効率も良い。また、従来の形状記憶合金に直接接触して振動を伝達する方式では、形状記憶合金の形状のバラツキの影響を強く受けるが、本発明の情報伝達装置では、形状記憶合金に張力を与えた状態で、形状記憶合金の振動を触覚子によって生体に伝達する方式であるので、形状記憶合金の形状に関係なく張力だけ与えればよい。形状記憶合金の形状の影響がないので、情報伝達装置の製造が容易である。また、形状記憶合金に張力を与えた状態で振動を行なわせるので、振動振幅を大きくすることができる。

請求項２の発明によれば、形状記憶合金の振動を曲面の生体に容易に伝達することができる。

請求項３の発明によれば、隣り合う複数の形状記憶合金本体に時間差をもってパルス電圧を印加することにより、生体に触覚移動の感覚を与えることができ、例えば文字をなぞったように情報を伝達するといったことも可能となる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る情報伝達装置について図１乃至図４を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る情報伝達装置の構成を示す。本実施形態に係る情報伝達装置１は、パルス電圧を発生するパルス発生器２と、パルス発生器２が発生したパルス電圧を増幅する電圧増幅器３と、電圧増幅器３からパルス電圧を印加されて振動運動を行なう小型振動アクチュエータ４（以下、アクチュエータという）と、を備えている。図２（ａ）は、アクチュエータ４の外観を、図２（ｂ）は、アクチュエータ４の断面を示す。アクチュエータ４は、パルス電圧を印加されて振動運動を行なう形状記憶合金本体５と、形状記憶合金本体５が取り付けられる基板６と、形状記憶合金本体５の振動を生体の触覚に伝達する触覚子７と、触覚子７を保持するサポータ８と、基板６と対向して触覚子７を保持する上板６１と、を有している。

形状記憶合金本体５は、屈曲自在な形状であり、弛緩した状態で基板６に取り付けられており、例えば、直径５０μｍ、長さ６ｍｍであり、５ｍｍの間隔で両端部５１が基板６に半田によって固定されている。基板６は基板穴６２を有して、触覚子７を貫通させている。触覚子７は、一端側が形状記憶合金本体５の中間部５２に取り付けられており、他端側が生体に接触するように構成されている。サポータ８は、弾性を有し、例えば樹脂やゴムから成っている。サポータ８は、触覚子７と基板６とに接合しており、触覚子７を弾性により形状記憶合金本体５に押圧し、形状記憶合金本体５に張力を与えている。上板６１はスペーサ６３を挟んで基板６と対向しており、上板穴６４を有して、触覚子７を貫通させ、触覚子７を軸方向に移動自在に保持している。触覚子７はストッパ７１を基板６と上板６１の内側に有しており、基板穴６２及び上板穴６４から抜け出さない。また、形状記憶合金本体５は抵抗値が２Ωであり、両端部５１がリード線９に接続されて電圧増幅器３に繋がっており、電圧増幅器３を介してパルス発生器２から電圧を印加されると自身の抵抗により自己発熱して昇温し、形状記憶合金は収縮する。

次に、上記のように構成された情報伝達装置１の動作について説明する。パルス発生器２は、アクチュエータ４の形状記憶合金本体５を振動させるパルス波を発生し、電圧増幅器３は、該パルス波を所定の電圧に増幅する。パルス波が印加されたときの形状記憶合金本体５の動作を、図３を参照して説明する。図３は、形状記憶合金本体５の温度と長さの関係を示す。横軸は形状記憶合金本体５の温度を示し、縦軸は形状記憶合金本体５の長さを示す。形状記憶合金本体５は、抵抗値を有しているので電圧が印加されているときは発熱し、温度Ｔ２以上になると長さが７％収縮し、元の長さＬから長さ０．９３Ｌに短くなる。そして、電圧が印加されていないときは放熱し、温度Ｔ１以下に冷却されると元の長さＬに戻る。そして、温度Ｔ２以上の加熱と、温度Ｔ１以下の冷却とがパルス波の印加により繰り返される間、形状記憶合金本体５の長さは、長さＬと長さ０．９３Ｌとの間で伸縮を繰り返し、形状記憶合金本体５は振動する。

そして、形状記憶合金本体５を押圧している触覚子７は触覚子７の軸方向である方向Ａの向きに振動する（図２参照）。図４は、アクチュエータ４の使用状況を示す。アクチュエータ４は、触覚子７に接触した指Ｍ１に振動を伝達する。このように、触覚子７によって形状記憶合金本体５を三角形状に形成し、パルス電圧を印加して振動させる方式を本明細書において三角駆動法という。

次に、アクチュエータを振動させるパルス波の印加方法について図５を参照して説明する。図５（ａ）乃至（ｅ）は、パルス波の印加の状態を示す。これらの図において横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図５（ａ）は、パルス波のオンとオフの時間の比率を示す。形状記憶合金本体は、加熱して収縮すると、一旦放熱して冷却してからでないと再加熱して収縮をさせることができないので冷却時間が必要である。形状記憶合金本体が加熱される電圧印加時間と、形状記憶合金本体が冷却される電圧無印加時間の比率であるオン・オフデューティは、印加電圧が１Ｖのとき１：２０程度が効果的であり、電圧無印加時間をこれより短くすると冷却が不十分で振動が起きない。図５（ａ）での電圧印加時間を１〜１００ｍｓにすると電圧無印加時間は２０〜２０００ｍｓとなる。

図５（ｂ）は、形状記憶合金本体を余熱するときの電圧印加方法を示す。オフセット電圧として０．３Ｖを印加しておくと、形状記憶合金本体は余熱され、パルス波の波高値を低くして、形状記憶合金本体を振動させることができる。

図５（ｃ）は、パルス波の波高値を変化させた電圧印加方法を示す。波高値を１Ｖ、１．２Ｖ、０．５Ｖ、１．５Ｖ、０．７Ｖ、及び１．２Ｖと変化させている。波高値が低いと形状記憶合金本体は、弱く振動し、波高値が高いと形状記憶合金本体は、強く振動する。波高値の高さを変えることにより、形状記憶合金本体の振動の強さを調整することができる。

図５（ｄ）は、パルス波を断続的に印加するときに、パルス波を印加する時間を一定にし、パルス波を印加する間隔を変化させる電圧印加方法を示す。パルス波を印加する時間は、１０ｍｓ〜５００ｍｓの間の一定時間とし、パルス波を印加する間隔時間を１０ｍｓ〜１ｓの間で変化させる。間隔時間が短いと生体に与える刺激は、強くなり、間隔時間が長いと生体に与える刺激は、弱くなる。パルス波を印加する間隔時間を変えることにより、生体に与える刺激を調整することができる。

図５（ｅ）は、パルス波を断続的に印加するときに、パルス波を印加する間隔を一定にし、パルス波を印加する時間を変化させる電圧印加方法を示す。パルス波を印加する間隔時間は、１０ｍｓ〜１ｓの間の一定時間とし、パルス波を印加する時間を１ｍｓ〜５０ｍｓの間で変化させる。印加する時間が長いと生体に与える刺激は、強くなり、印加する時間が短いと生体に与える刺激は、弱くなる。パルス波を印加する時間を変えることにより、生体に与える刺激を調整することができる。

上述のようにパルス波を形状記憶合金本体に印加することにより形状記憶合金本体を振動させ、生体の触覚に情報を伝達することができる。三角駆動法において形状記憶合金本体を振動させたときの振幅について、特許文献３の情報伝達装置における形状記憶合金本体と比較して図６（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）は、本実施形態における形状記憶合金本体の振動動作を示し、図６（ｂ）は、特許文献３における形状記憶合金本体１０５の振動動作を示す。図中において形状記憶合金本体が伸びている状態を２点鎖線で、収縮している状態を実線で示し、６ｍｍ程度の長さの形状記憶合金本体が０．２ｍｍ収縮したときの振幅を比較する。本実施形態における形状記憶合金本体５は、両端部５１を固定されており、頂点５３が触覚子によって図中上向きに押圧され、三角形状になっている（図６（ａ）参照）。両端部５１が固定されている長さｄ１を６ｍｍとする。また、形状記憶合金本体５が伸びているときの長さを２×１０^１／２（約６．３２ｍｍ）とし、加熱したとき０．２ｍｍ収縮して、６．１２ｍｍになるとする。すると、形状記憶合金本体５が伸びているときの頂点５３の高さｈ１はピタゴラスの定理により１ｍｍとなり、収縮しているときの高さｈ２は同様に０．６１４ｍｍとなるので、形状記憶合金本体５の加熱時と冷却時の高さの差、即ち振幅ｈ３は０．３８６ｍｍとなる。

特許文献３における形状記憶合金本体１０５は、両端部１５１を固定されており、形状記憶合金本体１０５が伸びているときの形状を半径ｒ１が２ｍｍの半円とする（図６（ｂ）参照）。このとき、形状記憶合金本体１０５の長さは、図６（ａ）における形状記憶合金本体５とほぼ同等の長さの６．２８ｍｍとなる。また、形状記憶合金本体１０５の頂点１５３の高さｈ４は２ｍｍとなる。そして、形状記憶合金本体１０５が収縮により、図６（ａ）における形状記憶合金本体５と同様に加熱により０．２ｍｍ短くなるとする。このとき、形状記憶合金本体１０５は円弧形状を維持するとする。すると、形状記憶合金本体１０５は、中心点Ｏ２が図中下方向に長さｄ２（０．１０４ｍｍ）離れたところにあり、半径が２．００３ｍｍの円弧になる。すると、収縮しているときの形状記憶合金本体１０５の頂点１５３の高さｈ５は１．８９９ｍｍとなるので、形状記憶合金本体５の振幅ｈ６は０．１０１ｍｍとなり、本実施形態に係る形状記憶合金本体５の振幅の約１／４となる。

上述のように本実施形態に係る情報伝達装置における三角駆動法による形状記憶合金本体５の頂点５３の振幅が、特許文献３に係る情報伝達装置における形状記憶合金本体１０５の頂点１５３の振幅よりも約４倍の大きさとなっており、振動を機械的に増幅することができる。

上述した本実施形態の情報伝達装置１によれば、形状記憶合金本体５にパルス電圧を印加することにより、応答性良く振動現象を呈することが可能であり、振動モータを用いるよりもエネルギー効率を良くすることができる。また、構成が簡単であるので情報伝達装置１を小型軽量にすることができる。また、形状記憶合金本体５に張力を与えた状態で、形状記憶合金本体５の振動を触覚子７によって生体に伝達する構成であるので、形状記憶合金本体５の形状のバラツキの影響を受け難く、情報伝達装置１の製造が容易であり、振動の振幅も大きくすることができる。また、形状記憶合金本体５が屈曲することもなく、生体にも直接触れないので、形状記憶合金本体５の損傷も防ぐことができる。

また、本実施形態のアクチュエータ４は、小型にすることができるので、極めて微小な部分への刺激が可能である。アクチュエータ４を手に装着するときは、敏感な部分として中指、小指の付け根、人差し指の先端などが確認されているので、その部分に重点的に配置すればよい。また、触覚子を介しており、形状記憶合金本体に触れることがないので、形状記憶合金本体に加えられる電圧による感電や、過熱によるやけどの心配もない。

本実施形態に係るアクチュエータ４の機械振動を情報伝達手投とする情報伝達装置１は、小型軽量で、エネルギー効率が良く、高周波まで応答可能であり、振動源の分解能も極めて高い。また、単体で０．５Ｈｚ程度の振動を与えれば人の脈の様に感じ、１０〜２００Ｈｚの振動を加えるとびりびりした触覚を与えることができる。

このアクチュエータ４には、種々な用途がある。例えば、人が使用する杖に配設し、杖に信号を送信するときや、犬の首輪に付けて指示をするにはアクチュエータ４を単体で使用すればよい。アクチュエータ４を単体でなく、複数組み合わせることにより高度な情報を振動により伝達することも可能である。医療教育用の脈発生装置、携帯電話の情報伝送、身障者への情報伝送、アミューズメントなどへの利用も可能である。

次に、本実施形態のアクチュエータの第１の変形例を、図７を参照して説明する。本変形例では、形状記憶合金本体は触覚子によって牽引されている。形状記憶合金本体５は基板６の上板６１側に固定されており、形状記憶合金本体５の中間部５２が触覚子７の一端に取り付けられている。触覚子７はサポータ８によって上板６１側へ押し上げられており、形状記憶合金本体５は触覚子７に牽引されて張力を与えられている。この構成により、基板６に穴を開けなくてもよく、また、ストッパ７１も一つでよいので、構成を簡素化することができる。また、形状記憶合金本体５がアクチュエータ４の内部にあるので、形状記憶合金本体５が外部と接触して損傷することを防ぐことができる。

本実施形態のアクチュエータの第２の変形例を、図８（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。本変形例では、触覚子７は、上板６１に埋め込まれたインシュレータ６５で固定されている。インシュレータ６５は、弾性を有しており、例えばゴムや樹脂から成っている。インシュレータ６５は、基板６に取り付けられた形状記憶合金本体５に対して垂直方向に触覚子７を押圧し、形状記憶合金本体５に張力を与える。本変形例のアクチュエータはサポータやストッパを有していないので、構成が簡単となり、アクチュエータを小型にすることができる。

本実施形態のアクチュエータの第３の変形例を、図９を参照して説明する。本変形例では、触覚子７は、触覚子の軸の垂直方向に振動（ゴマすり運動）する。触覚子７は、一端部７２が傾倒自在に基板６に固定されている。形状記憶合金本体５は、中間部５２が触覚子７を囲んだ状態で両端部５１が基板６に固定されている。サポータ８は、触覚子７を形状記憶合金本体５の方向に押圧しており、形状記憶合金本体５は触覚子７によって張力を与えられている。形状記憶合金本体５にパルス電圧が印加されると、形状記憶合金本体５が伸縮して振動し、触覚子７は方向Ｂに振動する。この構成により、アクチュエータ４全体を薄くすることができる。携帯電話や時計などの薄さが要求される機器に有効である。

本実施形態のアクチュエータの第４の変形例を、図１０を参照して説明する。本変形例は複数のアクチュエータを用いる場合であり、アクチュエータの触覚子の長さが異なっている。複数のアクチュエータ４が線状に、又は面状に並設されており、各アクチュエータ４の触覚子７の先端が生体Ｍ２に沿って接触するように、触覚子７の長さが異なっており、上板６１の形状も生体Ｍ２に沿った曲面形状となっている。振動を伝達される生体Ｍ２が曲面である場合に、その生体に合わせて基板６を曲面形状にし、アクチュエータ４を製造するのは難しいが、本変形例の構成のように触覚子７の長さを異ならせることにより、基板６を平面形状のままで、曲面の生体Ｍ２に振動を容易に伝達することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る情報伝達装置について図１１を参照して説明する。本実施形態に係る情報伝達装置は、上述した第１の実施形態に係る情報伝達装置のアクチュエータ４を複数個用いて生体に情報を与えるものである。本実施形態に係る情報伝達装置１は、握り棒９１の形状をしており、複数のアクチュエータ４と、アクチュエータ４を駆動させる駆動アンプ９２と、アクチュエータ４と駆動アンプ９２を接続する配線９３とを備えている。アクチュエータ４は、握り棒９１を握持したときに掌Ｍ３の触覚の敏感な部位である指先の腹Ｍ４に触覚子が当接するように握り棒９１に貼着されている。このとき、形状記憶合金本体５に駆動アンプ９２を介して０．１Ｈｚ〜１ｋＨｚでの電気信号を印加すると機械振動が発生し、触覚子に当接する指先の腹Ｍ４にその振動が伝達される。さらに、電気信号の強弱やその周期を時系列に変化させて、例えば、ＰＷＡＭ波として印加すると、その触覚子に当接した指先の腹Ｍ４に様々な機械振動の組み合わせを、時系列で体感させることができる。予めその機械振動の強弱、周期及び組み合わせに何らかの意味を持たせておけば、それが複雑な意味を備えた情報として伝達される。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る情報伝達装置について図１２を参照して説明する。本実施形態に係る情報伝達装置は、上記第１の実施形態に係る情報伝達装置のアクチュエータにより人体の背中に情報を伝達するものである。本実施形態に係る情報伝達装置１は、複数のアクチュエータ４と、アクチュエータ４を駆動させる駆動アンプ９２と、アクチュエータ４と駆動アンプ９２を接続する配線９３とを備えている。アクチュエータ４を人体の背中Ｍ５全体に貼着し、第２の実施形態と同様に駆動アンプ９２を介して電気信号を印加すると、複雑な情報を背中Ｍ５に伝達することができる。このアクチュエータ４を直接人体に貼着せずに、人体の触覚に敏感な部位が触れる生活用具、例えば、椅子の背もたれ、杖、携帯電話などに複数のアクチュエータ４を適宜貼着する構造とすることもできる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る情報伝達装置について図１３乃至図１６を参照して説明する。本実施形態に係る情報伝達装置は、上述第１の実施形態に係る情報伝達装置のアクチュエータを複数個用いて生体に触覚の動的感覚を与えるものである。図１３は、本実施形態に係る情報伝達装置の構成を示す。本実施形態に係る情報伝達装置１は、複数のアクチュエータ４と、アクチュエータ４に印加するパルス電圧を発生するマルチパルス発生器２１と、パルス電圧を増幅するマルチ電圧増幅器３１と、を備えている。複数のアクチュエータ４は、複数の列となって面状に配置され、それぞれの触覚子が生体に触れるように配設されている。アクチュエータ４は、それぞれがマルチ電圧増幅器３１に接続されており、個別にパルス波を印加されるので、該情報伝達装置１に覆われた任意の箇所のアクチュエータ４の触覚子を振動させ、生体に情報を与えることができる。

本実施形態に係る情報伝達装置へのパルス波の印加方法を図１４（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明する。図１４（ａ）乃至（ｄ）は、生体の６０ｍｍ程離れた２箇所（Ｃ、Ｄ点）に装着したアクチュエータを同時に振動させたときの、生体が感じる触感を示す。横軸は時間を示し、縦軸は２箇所（Ｃ、Ｄ点）それぞれに装着されたアクチュエータの形状記憶合金本体に印加されたパルス波の波高値を示す。また、Ｃ、Ｄ点に与えられた刺激の大きさと生体が感じる刺激の位置とをグラフの横に刺激Ｅと触覚点Ｆの記号で示す。刺激Ｅの記号の大きさは、刺激の大きさを表し、触覚点Ｆの記号の位置は、生体が感じた振動源の位置を示す。図１４（ａ）は、Ｃ点及びＤ点のパルス波の波高値が同じ１Ｖであるときの状態を示し、生体は、Ｃ、Ｄ点の中間点に振動源が有るように感じる。図１４（ｂ）は、Ｃ点の波高値が１ＶでＤ点の波高値が０．５Ｖであるときの状態を示し、生体は、Ｃ点に近い方に振動源が有るように感じる。図１４（ｃ）は、Ｃ点の波高値が０．５ＶでＤ点の波高値が１Ｖであるときの状態を示し、生体は、Ｄ点に近い方に振動源が有るように感じる。図１４（ｄ）は、Ｃ点の波高値が０．２ＶでＤ点の波高値が１Ｖであるときの状態を示し、生体は、図１４（ｃ）のときよりもさらにＤ点に近い方に振動源が有るように感じる。このようにして実際には振動源が存在していない箇所に振動源が有るように触覚に感じさせるファントムセンセーションを起こすことができる。

次に、Ｃ、Ｄ点に同じ高さの波高値のパルス波を、時間差をもって印加したときの生体に与える触感を、図１５（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明する。図１５（ａ）乃至（ｄ）において、横軸は時間を示し、縦軸はパルス波の波高値を示す。また、振動源の移動速度の触感を移動感覚Ｇの記号で示す。移動感覚Ｇの矢印の記号のうねりで生体が感じた振動源の移動速度の様子を示し、うねりが多いほど遅く感じたことを表す。図１５（ａ）乃至（ｄ）において、Ｃ、Ｄ点のパルス波の波高値は１Ｖであるが、Ｃ点にパルス電圧を印加してからＤ点にパルス電圧を印加するまでの時間差が異なっている。図１５（ａ）は、時間差が１００ｍｓのときの状態を示す。以下、同様に図１５（ｂ）は、２００ｍｓのときの、図１５（ｃ）は３５０ｍｓのときの、図１５（ｄ）は５００ｍｓのときの状態を示す。そして、図１５（ａ）における印加条件においては、生体の触覚に、振動源がＣ点からＤ点へ速く移動したように感じさせることができる。そして、Ｃ、Ｄ点にパルス波を印加する時間差を大きくするにつれて、生体の触覚に、振動源がＣ点からＤ点へ遅く移動したように感じさせる仮現運動を起こすことができる。

上述のように２箇所のアクチュエータへの印加条件により、生体の触覚に種々の情報を伝達することができる。本実施形態に係る情報伝達装置の動作について再び図１３を参照して説明する。図１３において、アクチュエータ４の配置位置は、座標で示される。図中の左下の基準点Ｌに配置されているアクチュエータ４の位置座標を（０，０）とし、基準点Ｌから方向Ｘに順に配置されているアクチュエータ４の位置座標を順に（１，０）（２，０）としていく。また、基準点Ｌから方向Ｙに順に配置されているアクチュエータ４の位置座標を順に、（０，１）（０，２）としていく。アクチュエータ４それぞれに波高値の差異、時間差、印加時間などを適宜制御した信号を与えることにより、アクチュエータ４を配置した面全体に対し、振動源が移動しているかのような触感を与え、文字をなぞったように情報を伝達することができる。例えば、位置座標（０，２）のアクチュエータ４に波高値１Ｖのパルス波を印加して振動させ、次に、５００ｍｓ後に位置座標（１，２）のアクチュエータ４に波高値１Ｖのパルス波を印加して振動させる。続けて同様に位置座標（２，２）（３，２）（４，２）（５，２）（６，２）のアクチュエータ４に順にパルス波を印加して振動させる。この情報伝達装置１を装着された生体の触覚は、位置座標（０，２）の位置から順に位置座標（１，２）（２，２）（３，２）（４，２）（５，２）（６，２）の位置にかけて、振動源が移動し、なぞられたように感じる。このことを利用して、生体の触覚に文字情報を伝達することができる。

文字情報の具体的な伝達方法を、図１６を参照して説明する。パルス波を印加するアクチュエータ４を枠で囲み、斜線を施して示している。例えば、「Ａ」の文字を伝達するとき、まず波高値１Ｖのパルス波を位置座標（３，６）から位置座標（２，５）（２，４）（１，３）（１，２）（０，１）（０，０）へ５００ｍｓ間隔で順に印加して振動させる。次に数秒後に同様に位置座標（３，６）から位置座標（４，５）（４，４）（５，３）（５，２）（６，１）（６，０）へ順に印加して振動させる。さらに、数秒後に位置座標（１，２）から位置座標（２，２）（３，２）（４，２）（５，２）へ順に印加して振動させる。このようにアクチュエータ４にパルス波を印加すると、生体は位置座標（３，６）から位置座標（０，０）へ、位置座標（３，６）から位置座標（６，０）へ、位置座標（１，２）から位置座標（５，２）へかけて振動源が移動し、なぞられたように感じて「Ａ」の文字を認識することができる。「Ａ」の文字の位置にあるアクチュエータ４に同時にパルス波を印加して振動させても、生体は複数個所に振動を感じるだけで文字を認識することができないが、このように印加する時間の間隔をあけてアクチュエータ４に順にパルス波を印加することにより文字をなぞったように情報を生体に伝達することができる。

本実施形態に係る情報伝達装置により、画像情報の伝送が可能である。また、音階情報や会話などの複雑な情報を人間の触覚に伝達することができる。具体的な適用例を次に挙げる。第１の適用例は、音声データや文字データを点字や文字情報として呈示し、また、点字ブロック、階段、ゲート及び交差点等から発信される信号データや任意の対象物の形状を触覚への情報に変換して呈示する情報伝達装置であって、身障者の人に有効な情報を伝達することができる。本適用例では、アクチュエータが配設されている部分が情報伝達装置本体部分と一体であっても、分離していても構わない。第２の適用例は、第１の適用例における情報伝達装置であって、カメラ部を備えており、画像データを触覚への情報に変換するものである。第３の適用例は、パソコン等とＵＢＳ接続をすることができ、パソコンの画面中から文字や記号を読取り、文字情報に変換し、また、任意の対象物の形状を触覚への情報に変換して呈示するものであって、パソコンからの情報を触覚で知ることができる。第４の適用例は、腕時計への適用で、複数のアクチュエータを備え、時間を文字情報として人体に伝達する情報伝達装置であり、装着している人は、腕時計を見なくても触覚により時間を知ることができる。第５の適用例は、自動車のハンドルへの適用であり、アクチュエータをハンドル部分に配設する。情報伝達装置は、居眠り運転の警告やカーナビゲーションからの自動車の進行方向の情報を運転者の触覚へ伝達する。

本発明に係る情報伝達装置は、アクチュエータを線状に配置してもよく、線状に配置すれば小型化することができ、必要な部位のみに情報を伝達することができる。また、アクチュエータを立体的に配置してもよく、生体に沿わせて立体的に配置すれば、生体により多くの情報を伝達することができる。

この情報伝達装置は、目、耳などに障害のある障害者に対する情報伝達手段や意志の疎通手段として、その機能を最大限に発揮させることができる。また、他人には騒音になるなどの制約から音情報による伝達が規制される環境下において、有効に機能させることができる。また、機械振動による触覚の疑似体験ができるので医療、各種訓練、ゲーム、それにマジックハンドなど隔壁内の現象の再現などにも活用することができる。

なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば形状記憶合金本体は、直径５０μｍ、長さ６ｍｍで２Ωの線状としたが、直径や長さや抵抗値に拘らず、パルス波を印加したときに振動が発生するように調整すればよい。また、形状記憶合金本体の形状は、薄片板に成形したものでもよい。また、形状記憶効果によって所定の温度以上になると、形状記憶合金本体が屈曲することにより振動を起こすようにしてもよい。また、振動により情報を伝える生体は人間のみに限らず犬などの動物でもよい。また、パルス波の波高値や印加時間や無印加時間等の印加条件も、形状記憶合金本体が振動するように調整すればよい。

本発明の第１の実施形態に係る情報伝達装置の構成図。 （ａ）は同上装置におけるアクチュエータの斜視図、（ｂ）はアクチュエータの断面図。 同上装置における形状記憶合金本体の特性図。 同上装置におけるアクチュエータの使用状況を示す図。 同上装置におけるパルス波の印加条件を示す図。 （ａ）は同上装置における形状記憶合金本体の振幅を示す図、（ｂ）は特許文献３の情報伝達装置における形状記憶合金本体の振幅を示す図。 同上装置における第１の変形例によるアクチュエータの断面図。 （ａ）は同上装置における第２の変形例によるアクチュエータの斜視図、（ｂ）はアクチュエータの断面図。 （ａ）は同上装置における第３の変形例によるアクチュエータの斜視図、（ｂ）は同アクチュエータの断面図。 同上装置における第４の変形例によるアクチュエータの断面図。 本発明の第２の実施形態に係る情報伝達装置の斜視図。 本発明の第３の実施形態に係る情報伝達装置の使用状況を示す図。 本発明の第４の実施形態に係る情報伝達装置の構成図。 同上装置におけるパルス波の同時刺激の印加条件を示す図。 同上装置におけるパルス波の同一波高値の印加条件を示す図。 同上装置における文字の伝達方法の説明図。 従来の情報伝達装置の斜視図。 特許文献３の情報伝達装置におけるアクチュエータの斜視図。

符号の説明

１ 情報伝達装置
２ パルス発生器
４ アクチュエータ
５ 形状記憶合金本体
５１ 形状記憶合金本体の両端部
５２ 形状記憶合金本体の中間部
７ 触覚子

Claims (3)

1. 形状記憶合金を用いた情報伝達装置において、
   形状記憶合金本体と、
   前記形状記憶合金本体に取り付けられた触覚子と、
   前記形状記憶合金本体に、情報伝達のための、オン・オフデューティを有し、又は波高値の異なるパルス電圧を印加するパルス発生器と、を備え、
   前記形状記憶合金本体は屈曲自在な形状であり、弛緩した状態で両端部が固定され、中間部に前記触覚子の一端、又は一部が取り付けられており、
   前記触覚子の他端側は、生体に接触可能に構成され、
   前記形状記憶合金本体は、前記触覚子によって押圧又は牽引されて張力を与えられた状態において前記パルス電圧印加により機械振動を生じ、前記触覚子が振動して前記他端側の生体の触覚に情報を伝達することを特徴とする情報伝達装置。
2. 前記形状記憶合金本体は、複数個が線状又は面状又は立体的に配置され、
   各触覚子の前記他端側が生体に接触するように、該触覚子の長さが異なっていることを特徴とする請求項１に記載の情報伝達装置。
3. 前記形状記憶合金本体は、複数個が線状又は面状又は立体的に配置され、
   前記パルス発生器は、それら隣り合う複数の形状記憶合金本体に、同時、又は時間差をもってパルス電圧を印加することにより、生体に触覚移動を与えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の情報伝達装置。
   
   
   

Images