JP2012048378A

JP2012048378A - 触覚提示装置

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Publication number: JP2012048378A
Application number: JP2010188416A
Authority: JP
Inventors: Fumiyoshi Ariki; 史芳有木; Yasuyuki Okuda; 泰行奥田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: JP5343946B2

Abstract

【課題】超音波の音圧で生体に触覚を提示する触覚提示装置であって、触覚提示だけでなく生体の位置検出が可能で、小型かつ安価な触覚提示装置を提供する。
【解決手段】第１超音波を発振する複数の第１超音波素子２１が基板２０ａ上に配置され、複数の第１超音波素子２１の少なくとも一部を同時に発振させて、上方の触覚提示位置Ｐ１に第１超音波の音圧の集中点を生成し、生体５１の皮膚にある触覚受容器を前記音圧で刺激して触覚を提示する触覚提示装置であって、パルス変調された第２超音波を発振する第２超音波素子２２と、生体５１で反射される第２超音波を受信する第３超音波素子２３とで、生体５１の位置を検出する位置検出素子対が構成され、第２超音波素子２２と第３超音波素子２３が、第１超音波素子２１と共に基板２０ａ上に配置されて、超音波素子パネル２０が構成されてなる触覚提示装置１００とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を利用した触覚提示装置に関する。

超音波を利用した触覚提示装置が、例えば、特開２００３−２９８９８号公報（特許文献１）とProceedings of the 2009 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Fukuoka, Japan, May 24-26, 2009 1A1-A14（非特許文献１）に開示されている。

図９は、特許文献１に開示された触覚提示装置を説明する図で、図９（ａ）は、１次元配列型の触覚提示装置１の構成を模式的に示した図であり、図９（ｂ）は、２次元配列型の超音波発生素子アレイ９を模式的に示した図である。

図９（ａ）において、符号２はＰＺＴ等の圧電素子からなる超音波発生素子（発振子）、符号３は超音波を集束させるための音響レンズ、符号４は各超音波発生素子を駆動する信号線、符号６は触覚を提示する人間の皮膚、符号７は信号増幅器、符号８は信号を発生する制御装置（信号発生用コンピュータ）である。

また、図９（ｂ）において、符号９は２次元配列型の超音波発生素子アレイ、１０ａは超音波発生素子、符号１１は超音波発生素子１０ａを駆動する信号線、符号１２は駆動する素子を選択するマルチプレクサ回路装置、符号１３は制御装置（信号発生用コンピュータ）（図示なし）からの信号線である。

図９（ａ）の触覚提示装置１においては、超音波発生素子２を１次元に配列し、各素子２への電気信号を制御装置（コンピュータ）８で作成し、信号増幅器７を介して、各素子２を独立に制御する。各素子２の信号の位相を適切に制御することによって、素子２配列の方向に自在の音圧分布を実現することが可能となる。また、この超音波発生素子の配列を、図９（ｂ）に示すように２次元にすれば、図９（ａ）に示した音響レンズ３は不要となり、皮膚の内部にある触覚受容器へ、自在の強度で音圧を伝達することが可能となる。

特開２００３−２９８９８号公報

Proceedings of the 2009 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Fukuoka, Japan, May 24-26, 2009 1A1-A14

上記したように、触覚提示装置は、超音波による人工的な刺激を空中で人間の皮膚に与えて、あたかも物体に触れているかのように感じさせることができる装置である。該触覚提示装置によれば、例えば三次元映像と組み合わせることで、目の前に浮かんでいるバーチャル物体を、様々な触感を伴いながら自分の手で操作することが可能となる。

一方、上記のような応用においては、バーチャル物体の操作位置を任意に与えたり、様々な操作感（触感）を与えたりするためには、操作する側の手の位置検出が必要となってくる。このため、非特許文献１に記載された触覚提示装置では、赤外線カメラによる三次元位置計測システムを組み合わせて、試験的なインタラクションシステムが構成されている。しかしながら、該システム構成は、全体として大型で高価あり、実用化には適していない。

そこで本発明は、超音波の音圧で生体に触覚を提示する触覚提示装置であって、触覚提示だけでなく生体の位置検出が可能で、小型かつ安価な触覚提示装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、第１超音波を発振する複数の第１超音波素子が基板上に配置されて、触覚提示素子アレイが構成されてなり、位相制御された電気信号により、前記複数の第１超音波素子の少なくとも一部を同時に発振させて、前記触覚提示素子アレイの上方の触覚提示位置に前記第１超音波の音圧の集中点を生成し、前記触覚提示位置に生体が位置した時に、該生体の皮膚にある触覚受容器を前記音圧で刺激して触覚を提示する触覚提示装置であって、パルス変調された第２超音波を発振する第２超音波素子と、生体で反射される前記第２超音波を受信する第３超音波素子とで、前記生体の位置を検出する位置検出素子対が構成され、前記第２超音波素子と前記第３超音波素子が、前記第１超音波素子と共に前記基板上に配置されて、超音波素子パネルが構成されてなることを特徴としている。

上記触覚提示装置においては、複数の第１超音波素子で構成される触覚提示素子アレイの上方の触覚提示位置に第１超音波の音圧の集中点を生成し、該触覚提示位置に位置する生体の触覚受容器を刺激して、生体に触覚を提示すことができる。また、上記触覚提示素子アレイが構成される同じ基板上には、パルス変調された第２超音波を発振する第２超音波素子と、生体で反射される前記第２超音波を受信する第３超音波素子とで構成される、位置検出素子対が配置されている。従って、上記触覚提示装置においては、第２超音波素子による第２超音波の発振から第３超音波素子による受信までに要した時間を計測することにより、生体の位置を検出することが可能である。

また、位置検出素子対である上記第２超音波素子と第３超音波素子は、複数の第１超音波素子で構成される触覚提示素子アレイと同じ基板上に配置して、一枚の超音波素子パネルにまとめられている。従って、上記触覚提示装置は、生体の位置を検出する機能を有しているにも関わらず、小型の触覚提示装置とすることができる。また、上記超音波素子パネルの構成要素の第１超音波素子、第２超音波素子および第３超音波素子は、いずれも超音波を発振または受信する素子であり、後述するように、同じような構造を採用することができるため、安価な触覚提示装置とすることができる。

以上のようにして、上記触覚提示装置は、超音波の音圧で生体に触覚を提示する触覚提示装置であって、触覚提示だけでなく生体の位置検出が可能で、小型かつ安価な触覚提示装置とすることができる。

上記触覚提示装置においては、請求項２に記載のように、前記第２超音波素子と前記第３超音波素子とが、前記触覚提示素子アレイが構成された領域に隣接して配置されてなることが好ましい。

上記第２超音波素子と第３超音波素子は、上記基板における別位置に配置するようにしてもよいが、上記のように触覚提示素子アレイが構成された領域に隣接して配置することで、該触覚提示装置をより小型化することができる。

上記触覚提示装置においては、請求項３に記載のように、前記第１超音波が、パルス変調された超音波であり、前記位置検出素子対による前記第２超音波の発振と受信が、前記第１超音波の隣り合うパルス間の隙間時間で行なわれる構成とすることが好ましい。これによれば、第１超音波による触覚提示と第２超音波による位置検出を交互に切換えて、生体への触覚提示機能と生体の位置検出機能を独立した状態で実施することができる。

この場合、請求項４に記載のように、前記隙間時間は、１ｍｓｅｃ以下であることが好ましい。これによれば、触覚を提示する第１超音波に位置検出のための隙間時間を設けているにもかかわらず、連続的な触覚を生体に感知させることができる。

また、請求項５に記載のように、前記第１超音波と第２超音波は、異なる周波数に設定されてなることが好ましい。

触覚提示用の第１超音波と位置検出用の第２超音波は、同じ周波数であってもよいが、上記のように異なる周波数とすることで、第１超音波と第２超音波の識別が容易になると共に互いの干渉を抑制することができ、より正確な位置検出が可能となる。尚、第１超音波の周波数と第２超音波の周波数が大きく異なる場合には、第１超音波の発信中に、第２超音波による位置検出が可能となる。

上記触覚提示装置においては、請求項６に記載のように、前記第１超音波素子、第２超音波素子および第３超音波素子が、それぞれ、同一構造の圧電素子と、所定の周波数に設定された共振器とで構成されてなることが好ましい。

第１超音波素子、第２超音波素子および第３超音波素子として、同一構造の圧電素子を共通部品として採用することで、部品コストを低減することができる。また、上記共振器の長さを変えるだけで所望の周波数を設定することができるため、これによっても部品コストを低減することができる。

請求項７に記載のように、前記圧電素子は、積層構造のＰＺＴ素子であることが好ましい。これによれば、小型であるにもかかわらず、低電圧で高出力とすることができる。

上記触覚提示装置においては、請求項８に記載のように、前記第３超音波素子が、前記基板に、３個以上配置されてなることが好ましい。

これによれば、上記３個以上の第３超音波素子でそれぞれ受信する第２超音波の発振から受信までに要した時間から、生体の位置を３次元で特定することができる。

上記触覚提示装置は、例えば請求項９に記載のように、前記触覚提示素子アレイが構成された領域が、四角形状であり、前記第２超音波素子が、前記四角形状の領域の中心に配置され、前記第３超音波素子が、前記四角形状の領域における四つの角に配置されてなる構成とすることができる。

また、請求項１０に記載のように、前記触覚提示素子アレイが構成された領域が、六角形状であり、前記第２超音波素子が、前記六角形状の領域の中心に配置され、前記第３超音波素子が、前記六角形状の領域における一つ置きの角に配置されてなる構成としてもよい。

上記のように触覚提示素子アレイが構成された領域を四角形状や六角形状とすることで、それぞれ、複数個の超音波素子パネルを隣接して配置することが可能となる。また、該複数個の超音波素子パネルがそれぞれ生成する第１超音波の集中点も、隣接した触覚提示位置とすることができる。また、上記四角形状や六角形状の領域の中心に位置検出用の第２超音波を発振する第２超音波素子を配置し、該領域の角に生体で反射された第２超音波を受信する第３超音波素子を配置することで、第２超音波素子や第３超音波素子を他の位置に配置する場合に較べて、該領域上にある生体の位置をより正確に検出することができる。

上記触覚提示装置は、例えば請求項１１に記載のように、前記第２超音波の周波数が互いに異なる値に設定された複数対の前記位置検出素子対が、前記基板上に配置されてなる構成としてもよい。

これによれば、上記複数対の位置検出素子対がそれぞれ独立して、広がりのある生体の異なる位置を検出することができ、生体が上記基板上で占める領域を把握することができる。

この場合、請求項１２に記載のように、前記触覚提示位置が互いに異なる位置に設定された複数組の前記触覚提示素子アレイが、前記基板上に配置されてなる構成としてもよい。

これによれば、上記複数組の触覚提示素子アレイがそれぞれ独立して異なる位置に第１超音波の集中点を生成できるため、広がりのある生体の異なる位置に触覚を提示することができる。

また、一枚の基板（超音波素子パネル）に複数対の位置検出素子対や複数組の触覚提示素子アレイを構成するだけでなく、請求項１３に記載のように、前記超音波素子パネルが複数枚集められて、パネルアレイが構成されてなり、前記パネルアレイにおいて、該パネルアレイを構成している前記超音波素子パネルの前記第２超音波の周波数が、互いに異なる値に設定されてなる構成とすることもできる。

さらに、請求項１４に記載のように、前記パネルアレイにおいて、該パネルアレイを構成している前記超音波素子パネルに構成された前記触覚提示素子アレイの前記触覚提示位置が、互いに異なる位置に設定されてなる構成としてもよい。

これらによっても、広がりのある生体の異なる位置を検出することができ、生体が上記基板上で占める領域を把握することができると共に、広がりのある生体の異なる位置に触覚を提示することができる。尚、上記パネルアレイを構成する場合には、複数枚の超音波素子パネルを平面状に並べて配置するだけでなく、隣接する超音波素子パネルに任意の角度をつけて立体的に配置することも可能である。これによれば、広がりのある生体の異なる位置をより立体的に把握することができると共に、広がりのある生体の異なる位置により立体的に触覚を提示することができる。

本発明の一例である触覚提示装置１００の構成を模式的に示したブロック図である。図１の触覚提示装置１００の要部である超音波素子パネル２０をより詳細に示した図で、（ａ）は、超音波素子パネル２０の上面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ、（ａ）における一点鎖線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃでの断面図である。図１の触覚提示装置１００の動作を説明する図である。（ａ）は、第２超音波素子２２による位置検出用の第２超音波（周波数ｆ２）の発振状態を示した図である。（ｂ）は、第３超音波素子２３による位置検出用の第２超音波（周波数ｆ２）の受信状態を示した図である。また、（ｃ）は、第１超音波素子２１による触覚提示用の第１超音波（周波数ｆ１）の発振状態を示した図である。触覚提示素子アレイにより生成される触覚提示位置での触覚提示用の第１超音波の合成波形、第２超音波素子２２による位置検出用の第２超音波の発振波形、および第３超音波素子２３ａ〜２３ｄによる生体５１で反射された第２超音波の受信波形を示したタイムチャートである。別構成の超音波素子パネル２４を示した模式的な上面図である。（ａ），（ｂ）は、それぞれ、別構成の超音波素子パネル６０，７０を示した模式的な上面図である。図６（ｂ）に示した超音波素子パネル７０の変形例で、超音波素子パネル８０の模式的な上面図である。触覚提示装置の別の構成例を模式的に示した断面図で、パネルアレイ９０による触覚提示の様子を示した図である。特許文献１に開示された触覚提示装置を説明する図で、（ａ）は、１次元配列型の触覚提示装置１の構成を模式的に示した図であり、（ｂ）は、２次元配列型の超音波発生素子アレイ９を模式的に示した図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の一例である触覚提示装置１００の構成を模式的に示したブロック図である。

図２は、図１の触覚提示装置１００の要部である超音波素子パネル２０をより詳細に示した図で、図２（ａ）は、超音波素子パネル２０の上面図であり、図２（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ、図２（ａ）における一点鎖線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃでの断面図である。

図３は、図１の触覚提示装置１００の動作を説明する図である。図３（ａ）は、図２（ｃ）に対応し、第２超音波素子２２による位置検出用の第２超音波（周波数ｆ２）の発振状態を示した図である。図３（ｂ）は、図２（ｄ）に対応し、第３超音波素子２３による位置検出用の第２超音波（周波数ｆ２）の受信状態を示した図である。また、図３（ｃ）は、図２（ｂ）に対応し、第１超音波素子２１による触覚提示用の第１超音波（周波数ｆ１）の発振状態を示した図である。

図４は、触覚提示素子アレイにより生成される触覚提示位置での触覚提示用の第１超音波の合成波形、第２超音波素子２２による位置検出用の第２超音波の発振波形、および第３超音波素子２３ａ〜２３ｄによる生体５１で反射された第２超音波の受信波形を示したタイムチャートである。

図１に示す触覚提示装置１００は、その要部である超音波素子パネル２０を備えている。

触覚提示装置１００の超音波素子パネル２０においては、図１および図２（ａ）に示すように、周波数ｆ１の第１超音波を発振する粗い点の塗りパターンで示した複数の第１超音波素子２１が、基板２０ａ上に等間隔に並んで配置されて、該複数の第１超音波素子２１からなる触覚提示素子アレイが略四角形状に構成されている。該触覚提示素子アレイは、図１に示す第１超音波発振回路３０、Ｘ方向マルチプレクサ３１およびＹ方向マルチプレクサ３２で駆動され、各第１超音波素子２１へ供給される位相制御された電気信号により、複数の第１超音波素子２１の少なくとも一部を同時に発振させる。そして、図３（ｃ）と図４に示すように、触覚提示素子アレイの上方設定された触覚提示位置Ｐ１に第１超音波の音圧の集中点を生成し、触覚提示位置Ｐ１に生体５１が位置した時に、該生体５１の皮膚にある触覚受容器を前記音圧で刺激して触覚を提示する。

また、触覚提示装置１００の超音波素子パネル２０においては、図１に示すように、密な点の塗りパターンで示した第２超音波素子２２と第３超音波素子２３とが、上記複数の第１超音波素子２１と共に、同じ基板２０ａ上に配置されている。より詳細には、図２（ａ）に示すように、１個の第２超音波素子２２が、複数の第１超音波素子２１からなる触覚提示素子アレイの四角形状の領域における中心に配置され、４個の第３超音波素子２３ａ〜２３ｄが、前記四角形状の領域における四つの角に配置されている。第２超音波素子２２は、図１に示す第２超音波発振回路４０、Ｘ方向マルチプレクサ４１およびＹ方向マルチプレクサ４２で駆動され、図３（ａ）と図４に示すように、パルス変調された周波数ｆ２の第２超音波を発振する。４個の第３超音波素子２３ａ〜２３ｄは、図１に示すＸ方向マルチプレクサ４１、Ｙ方向マルチプレクサ４２および第２超音波受信回路４３と共に用いられて、図３（ｂ）と図４に示すように、生体５１で反射される前記第２超音波素子２２で発振された第２超音波を受信する。このようにして、第２超音波素子２２と第３超音波素子２３ａ〜２３ｄとで、生体５１の位置を検出する位置検出素子対が構成されている。

尚、上記触覚提示装置１００においては、位置検出用の第２超音波の周波数ｆ２と、触覚提示用の第１超音波の周波数ｆ１とが、異なる周波数に設定されている。また、触覚提示装置１００では、図１に示すように、要部である上記超音波素子パネル２０を除いた、触覚提示用の第１超音波発振回路３０、Ｘ方向マルチプレクサ３１、Ｙ方向マルチプレクサ３２および位置検出用の第２超音波発振回路４０、Ｘ方向マルチプレクサ４１、Ｙ方向マルチプレクサ４２、第２超音波受信回路４３の各ブロックが、破線の両端矢印で示したように、コンピュータ５０で制御されている。

前述したように、上記触覚提示装置１００においては、位置検出素子対である第２超音波素子２２と第３超音波素子２３ａ〜２３ｄとが、複数の第１超音波素子２１で構成される触覚提示素子アレイと同じ基板２０ａ上に配置されて、一枚の超音波素子パネル２０としてまとめられている。従って、上記触覚提示装置１００は、生体５１の位置を検出する機能を有しているにも関わらず、小型の触覚提示装置とすることができる。また、超音波素子パネル２０の構成要素の第１超音波素子２１、第２超音波素子２２および第３超音波素子２３ａ〜２３ｄは、いずれも超音波を発振または受信する素子であり、次に示す同じような構造を採用することができるため、安価な触覚提示装置とすることができる。

上記触覚提示装置１００の超音波素子パネル２０においては、図２に示すように、第１超音波素子２１、第２超音波素子２２および第３超音波素子２３ａ〜２３ｄが、それぞれ、同一構造の圧電素子１９と、所定の周波数に設定された共振器（音響整合層）１８ａ，１８ｂとで構成されている。該構成によれば、第１超音波素子２１、第２超音波素子２２および第３超音波素子２３ａ〜２３ｄとして、同一構造の圧電素子１９を共通部品として採用することで、部品コストを低減することができる。また、第１超音波の周波数ｆ１と第２超音波の周波数ｆ２を設定する場合には、上記共振器１８ａ，１８ｂの長さを変えるだけで、所望の周波数を設定することができる。このため、これによっても部品コストを低減することができる。

また、第１超音波素子２１、第２超音波素子２２および第３超音波素子２３ａ〜２３ｄに共通する圧電素子１９は、積層構造のＰＺＴ素子からなる。該圧電素子１９によれば、小型であるにもかかわらず、低電圧で高出力とすることができる。

以上のようにして、図１に示す触覚提示装置１００においては、複数の第１超音波素子２１で構成される触覚提示素子アレイの上方の図３に示した触覚提示位置Ｐ１に第１超音波の音圧の集中点を生成し、該触覚提示位置Ｐ１に位置する生体５１の触覚受容器を刺激して、生体５１に触覚を提示すことができる。

尚、上記触覚提示装置１００においては、位相制御された電気信号により、各第１超音波素子２１で、パルス変調された超音波を発振させる。このため、触覚提示位置Ｐ１での合成波形も、図４に示すように、パルス変調された超音波となる。そして、第２超音波素子２２と第３超音波素子２３ａ〜２３ｄとで構成される位置検出素子対による第２超音波の発振と受信が、図４に示す第１超音波の隣り合うパルス間の隙間時間ｔｓで行なわれる構成となっている。

上記構成によって、第１超音波による触覚提示と第２超音波による位置検出を交互に切換えて、生体５１への触覚提示機能と生体５１の位置検出機能を独立した状態で実施することができる。この場合、図４に示す第１超音波の隣り合うパルス間の隙間時間ｔｓは、１ｍｓｅｃ以下であることが好ましい。これによれば、触覚を提示する第１超音波に位置検出のための隙間時間ｔｓを設けているにもかかわらず、連続的な触覚を生体５１に感知させることができる。

そして、触覚提示装置１００においては、第２超音波素子２２による第２超音波の発振から第３超音波素子２３ａ〜２３ｄによる受信までに要した、図４に示す時間ｔａ〜ｔｄを計測することにより、生体５１の位置を検出する。

以上のようにして、図１〜図４で例示した触覚提示装置１００は、超音波の音圧で生体５１に触覚を提示する触覚提示装置であって、触覚提示だけでなく生体５１の位置検出が可能で、小型かつ安価な触覚提示装置とすることができる。

次に、上記した触覚提示装置１００の細部について、より詳細に説明する。

上記触覚提示装置１００においては、図２（ａ）に示したように、位置検出のための第２超音波素子２２と第３超音波素子２３ａ〜２３ｄとが、複数の第１超音波素子２１からなる触覚提示素子アレイが構成された領域に隣接して配置されている。位置検出のための第２超音波素子２２と第３超音波素子２３は、大きな基板を用いて触覚提示素子アレイとは別位置に配置するようにしてもよい。しかしながら、上記触覚提示装置１００のように、触覚提示素子アレイが構成された領域に隣接して配置することで、該触覚提示装置をより小型化することができる。

また、上記触覚提示装置１００においては、前述したように、触覚提示用の第１超音波と位置検出用の第２超音波とが、異なる周波数に設定されていた。触覚提示用の第１超音波と位置検出用の第２超音波は、同じ周波数であってもよいが、上記触覚提示装置１００のように異なる周波数とすることで、第１超音波と第２超音波の識別が容易になると共に互いの干渉を抑制することができ、より正確な位置検出が可能となる。尚、第１超音波の周波数と第２超音波の周波数が大きく異なる場合には、触覚提示用の第１超音波の発信中に、第２超音波による位置検出も可能となる。

上記触覚提示装置１００においては、１個の第２超音波素子２２に対して、４個の第３超音波素子２３ａ〜２３ｄが基板２０ａに配置されて、位置検出素子対が構成されていた。このように、１個の第２超音波素子に対しては、第３超音波素子が基板に３個以上配置されていることが好ましい。これによれば、上記３個以上の第３超音波素子でそれぞれ受信する第２超音波の発振から受信までに要した時間から、生体の位置を３次元で特定することができる。

上記触覚提示装置１００の超音波素子パネル２０では、図２（ａ）に示したように、複数の第１超音波素子２１からなる触覚提示素子アレイが構成された領域が、四角形状であり、位置検出のための第２超音波を発振する第２超音波素子２２が、前記四角形状の領域の中心に配置され、生体５１で反射された前記第２超音波を受信するための第３超音波素子２３ａ〜２３ｄが、前記四角形状の領域における四つの角に配置されてなる構成としていた。

図５は、別構成の超音波素子パネル２４を示した模式的な上面図である。

図５の超音波素子パネル２４では、六角形状の基板２４ａが用いられ、複数の第１超音波素子２１からなる触覚提示素子アレイが構成された領域が、六角形状である。そして、位置検出のための第２超音波を発振する第２超音波素子２２が、前記六角形状の領域の中心に配置され、生体５１で反射された前記第２超音波を受信するための第３超音波素子２３ｅ〜２３ｇが、前記六角形状の領域における一つ置きの角に配置されてなる構成としている。

図２（ａ）の超音波素子パネル２０や図５の超音波素子パネル２４のように、複数の第１超音波素子２１からなる触覚提示素子アレイが構成された領域を四角形状や六角形状とすることで、それぞれ、複数個の超音波素子パネル２０，２４を隣接して配置することが可能となる。また、該複数個の超音波素子パネル２０，２４がそれぞれ生成する第１超音波の集中点も、隣接した触覚提示位置とすることができる。

また、図２（ａ）の超音波素子パネル２０や図５の超音波素子パネル２４のように、上記四角形状や六角形状の領域の中心に位置検出用の第２超音波を発振する第２超音波素子２２を配置し、該領域の角に生体５１で反射された第２超音波を受信する第３超音波素子２３ａ〜２３ｄ，２３ｅ〜２３ｇを配置することで、第２超音波素子や第３超音波素子を他の位置に配置する場合に較べて、該領域上にある生体５１の位置をより正確に検出することができる。

図６（ａ），（ｂ）は、それぞれ、別構成の超音波素子パネル６０，７０を示した模式的な上面図である。

図６（ａ），（ｂ）に示す超音波素子パネル６０，７０では、いずれも四角形状の基板６０ａ，７０ａが用いられ、複数の第１超音波素子６１からなる触覚提示素子アレイが四角形状に構成されている。そして、図６（ａ）の超音波素子パネル６０では、位置検出のためのそれぞれ異なる塗りパターンで示した周波数の異なる第２超音波を発振する第２超音波素子６２，６４，６６，６８が、前記四角形状の領域の中心に配置され、生体５１で反射された前記第２超音波を受信するための第３超音波素子６３，６５，６７，６９が、前記四角形状の領域における四つの角に配置されている。該超音波素子パネル６０では、中心に配置された１個の第２超音波素子６２と角に配置された４個の第３超音波素子６３とが、一対の位置検出素子対を構成している。同様に、中心に配置された第２超音波素子６４と角に配置された４個の第３超音波素子６５とが、中心に配置された第２超音波素子６６と角に配置された４個の第３超音波素子６７とが、中心に配置された第２超音波素子６８と角に配置された４個の第３超音波素子６９とが、それぞれ、一対の位置検出素子対を構成している。

一方、図６（ｂ）の超音波素子パネル７０では、１個の第２超音波素子６２と４個の第３超音波素子６３とで構成される一対の位置検出素子対が、四角形状に構成された複数の第１超音波素子６１からなる触覚提示素子アレイの左上領域に配置されている。同様に、１個の第２超音波素子６４と４個の第３超音波素子６５とで構成される一対の位置検出素子対が前記四角形状の右上領域に配置され、１個の第２超音波素子６６と４個の第３超音波素子６７とで構成される一対の位置検出素子対が前記四角形状の右下領域に配置され、１個の第２超音波素子６８と４個の第３超音波素子６９とで構成される一対の位置検出素子対が前記四角形状の左下領域に配置されている。

図６（ａ），（ｂ）の超音波素子パネル６０，７０に例示するように、上記した触覚提示装置における超音波素子パネルは、第２超音波の周波数が互いに異なる値に設定された複数対の前記位置検出素子対が、基板上に配置されてなる構成としてもよい。これによれば、上記複数対の位置検出素子対がそれぞれ独立して、広がりのある生体の異なる位置を検出することができ、生体が上記基板上で占める領域を把握することができる。

図７は、図６（ｂ）に示した超音波素子パネル７０の変形例で、超音波素子パネル８０の模式的な上面図である。

図６（ｂ）の超音波素子パネル７０と図７に示す超音波素子パネル８０とでは、複数の第１超音波素子６１、１個ずつの第２超音波素子６２，６４，６６，６８および４個ずつの第３超音波素子６３，６５，６７，６９が、それぞれ、四角形状の基板７０ａ，８０ａに同じように配置されている。

一方、図６（ｂ）に示した超音波素子パネル７０では、複数の第１超音波素子６１が全体で一組の触覚提示素子アレイを構成し、１個の音圧の集中点を生成して、１つの触覚提示位置で触覚を提示していた。これに対して、図７に示す超音波素子パネル８０においては、四角形状の基板８０ａに配置されている複数の第１超音波素子６１で、点線で囲った４組の異なる触覚提示素子アレイ８１ａ〜８１ｄを構成し、触覚提示素子アレイ８１ａ〜８１ｄの各組が、異なる触覚提示位置で触覚を提示するよう設定している。

尚、図７に示す超音波素子パネル８０では、４組の触覚提示素子アレイ８１ａ〜８１ｄが、１種類の第１超音波素子６１による同じ周波数の第１超音波で、走査状態を変えることにより、異なる触覚提示位置で触覚を提示するようにしている。しかしながらこれに限らず、異なる位置に触覚を提示する各触覚提示素子アレイ８１ａ〜８１ｄの互いの干渉を避けるため、各触覚提示素子アレイ８１ａ〜８１ｄで利用する第１超音波の周波数が互いに異なるようにしてもよい。

図７に示す超音波素子パネル８０のように、上記した触覚提示装置における超音波素子パネルは、触覚提示位置が互いに異なる位置に設定された複数組の触覚提示素子アレイが一枚の基板上に配置されてなる構成としてもよい。これによれば、上記複数組の触覚提示素子アレイがそれぞれ独立して異なる位置に第１超音波の集中点を生成できるため、広がりのある生体の異なる位置に触覚を提示することができる。

図８は、触覚提示装置の別の構成例を模式的に示した断面図で、パネルアレイ９０による触覚提示の様子を示した図である。

図８に示す触覚提示装置の構成では、複数枚の超音波素子パネル２５〜２７が集められて、パネルアレイ９０が構成されている。該パネルアレイ９０を構成している各超音波素子パネル２５〜２７の位置検出のための第２超音波の周波数は、互いに異なる値に設定されている。また、該パネルアレイ９０を構成している各超音波素子パネル２５〜２７に構成された触覚提示素子アレイの触覚提示位置は、図８に示すように、互いに異なる位置Ｐ１〜Ｐ３に設定されている。

尚、図８に示すパネルアレイ９０において、それぞれの超音波素子パネル２５〜２７の触覚提示位置が、同じ位置となるように設定してもよい。また、図８の超音波素子パネル２５〜２７からなるパネルアレイ９０では、１種類の第１超音波素子６１による同じ周波数ｆ１の第１超音波で、異なる位置Ｐ１〜Ｐ３で触覚を提示するようにしている。しかしながらこれに限らず、異なる位置に触覚を提示する各超音波素子パネル２５〜２７の互いの干渉を避けるため、各超音波素子パネル２５〜２７で利用する第１超音波の周波数が互いに異なるようにしてもよい。

図８に示す超音波素子パネル２５〜２７ように、上記した触覚提示装置は、一枚の基板（超音波素子パネル）に複数対の位置検出素子対や複数組の触覚提示素子アレイを構成するだけでなく、超音波素子パネルが複数枚集められて、パネルアレイが構成されてなり、該パネルアレイにおいて、該パネルアレイを構成している超音波素子パネルの第２超音波の周波数が、互いに異なる値に設定されてなる構成とすることもできる。

さらに、図８に示す超音波素子パネル２５〜２７ように、上記パネルアレイにおいて、該パネルアレイを構成している超音波素子パネルに構成された触覚提示素子アレイの触覚提示位置が、互いに異なる位置に設定されてなる構成としてもよい。

これらによっても、広がりのある生体５１の異なる位置を検出することができ、生体５１が上記基板上で占める領域を把握することができると共に、広がりのある生体５１の異なる位置に触覚を提示することができる。尚、上記パネルアレイを構成する場合には、複数枚の超音波素子パネルを平面状に並べて配置するだけでなく、図８に示すように、隣接する超音波素子パネル２５〜２７に任意の角度をつけて立体的に配置することも可能である。これによれば、広がりのある生体５１の異なる位置をより立体的に把握することができると共に、広がりのある生体の異なる位置により立体的に触覚を提示することができる。

以上のようにして、上記した本発明の触覚提示装置は、いずれも、超音波の音圧で生体に触覚を提示する触覚提示装置であって、触覚提示だけでなく生体の位置検出が可能で、小型かつ安価な触覚提示装置とすることができる。

１００触覚提示装置
２０，２４〜２７，６０，７０，８０超音波素子パネル
２１，６１第１超音波素子
８１ａ〜８１ｄ触覚提示素子アレイ
Ｐ１〜Ｐ３触覚提示位置
２２，６２，６４，６６，６８第２超音波素子
２３，２３ａ〜２３ｇ，６３，６５，６７，６９第３超音波素子
５１生体

Claims

第１超音波を発振する複数の第１超音波素子が基板上に配置されて、触覚提示素子アレイが構成されてなり、
位相制御された電気信号により、前記複数の第１超音波素子の少なくとも一部を同時に発振させて、前記触覚提示素子アレイの上方の触覚提示位置に前記第１超音波の音圧の集中点を生成し、
前記触覚提示位置に生体が位置した時に、該生体の皮膚にある触覚受容器を前記音圧で刺激して触覚を提示する触覚提示装置であって、
パルス変調された第２超音波を発振する第２超音波素子と、生体で反射される前記第２超音波を受信する第３超音波素子とで、前記生体の位置を検出する位置検出素子対が構成され、
前記第２超音波素子と前記第３超音波素子が、前記第１超音波素子と共に前記基板上に配置されて、超音波素子パネルが構成されてなることを特徴とする触覚提示装置。
前記第２超音波素子と前記第３超音波素子とが、前記触覚提示素子アレイが構成された領域に隣接して配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の触覚提示装置。
前記第１超音波が、パルス変調された超音波であり、
前記位置検出素子対による前記第２超音波の発振と受信が、前記第１超音波の隣り合うパルス間の隙間時間で行なわれることを特徴とする請求項１または２に記載の触覚提示装置。
前記隙間時間が、１ｍｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項３に記載の触覚提示装置。
前記第１超音波と第２超音波が、異なる周波数に設定されてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の触覚提示装置。
前記第１超音波素子、第２超音波素子および第３超音波素子が、それぞれ、同一構造の圧電素子と、所定の周波数に設定された共振器とで構成されてなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の触覚提示装置。
前記圧電素子が、積層構造のＰＺＴ素子であることを特徴とする請求項６に記載の触覚提示装置。
前記第３超音波素子が、前記基板上に、３個以上配置されてなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の触覚提示装置。
前記触覚提示素子アレイが構成された領域が、四角形状であり、
前記第２超音波素子が、前記四角形状の領域の中心に配置され、
前記第３超音波素子が、前記四角形状の領域における四つの角に配置されてなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の触覚提示装置。
前記触覚提示素子アレイが構成された領域が、六角形状であり、
前記第２超音波素子が、前記六角形状の領域の中心に配置され、
前記第３超音波素子が、前記六角形状の領域における一つ置きの角に配置されてなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の触覚提示装置。
前記第２超音波の周波数が互いに異なる値に設定された複数対の前記位置検出素子対が、前記基板上に配置されてなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の触覚提示装置。
前記触覚提示位置が互いに異なる位置に設定された複数組の前記触覚提示素子アレイが、前記基板上に配置されてなることを特徴とする請求項１１に記載の触覚提示装置。
前記超音波素子パネルが複数枚集められて、パネルアレイが構成されてなり、
前記パネルアレイにおいて、
該パネルアレイを構成している前記超音波素子パネルの前記第２超音波の周波数が、互いに異なる値に設定されてなることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の触覚提示装置。
前記パネルアレイにおいて、
該パネルアレイを構成している前記超音波素子パネルに構成された前記触覚提示素子アレイの前記触覚提示位置が、互いに異なる位置に設定されてなることを特徴とする請求項１３に記載の触覚提示装置。