JP2016035645A - 触覚ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】ゴミの付着を抑制しつつ超音波によって触感をユーザーに提供する触覚ディスプレイを提供する。【解決手段】中空に画像を表示するディスプレイ１０と、画像の表示領域に、生体の皮膚にある触覚受容器を刺激する刺激超音波を発生する触覚部３０と、触覚部を収納空間に収納する収納部７０と、を有する。表示領域は収納空間の外に位置しており、収納部は、刺激超音波を集音して、表示領域に刺激超音波を出力する音響レンズ７１を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、画像とともに触感をユーザーに提供する触覚ディスプレイに関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、皮膚表面に空気を介して超音波を照射し、皮膚の触覚受容器を刺激することによって触感を人工的に生成する触覚装置が提案されている。

特開２００３−２９８９８号公報

上記した触覚装置にゴミなどが付着した場合、それによって超音波を照射することが困難となる虞がある。これに対して触覚装置を収納部内に設けることも考えられるが、この収納部を構成する壁面のために触覚受容器に出力される超音波の出力が弱まり、触感が小さくなる虞がある。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、ゴミの付着を抑制しつつ超音波によって触感をユーザーに提供する触覚ディスプレイを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するための第１発明は、中空に画像を表示するディスプレイ（１０）と、画像の表示領域に、生体の皮膚にある触覚受容器（２００）を刺激する刺激超音波を発生する触覚部（３０）と、触覚部を収納空間に収納する収納部（７０）と、を有し、表示領域は収納空間の外に位置しており、収納部は、刺激超音波を集音して、表示領域に刺激超音波を出力する音響レンズ（７１）を有することを特徴とする。

これによれば収納部（７０）によってゴミなどの異物が触覚部（３０）に付着することが抑制される。また収納部（７０）は音響レンズ（７１）を有するので、触覚部（３０）を収納部（７０）の収納空間に配置しつつ、音響レンズ（７１）を介して刺激超音波を収納空間の外に位置する表示領域に出力することができる。これにより、単に収納空間内に触覚部が配置された構成と比べて、表示領域における刺激超音波の出力が弱まることが抑制される。

なお、特許請求の範囲に記載の請求項、および、課題を解決するための手段それぞれに記載の要素に括弧付きで符号をつけている。この括弧付きの符号は実施形態に記載の各構成要素との対応関係を簡易的に示すためのものであり、実施形態に記載の要素そのものを必ずしも示しているわけではない。括弧付きの符号の記載は、いたずらに特許請求の範囲を狭めるものではない。

触覚ディスプレイを示す模式図である。 触覚部の概略構成を示す上面図である。 超音波素子と触覚提供位置Ａを説明するための断面図である。 触覚受容器を説明するための断面斜視図である。 触覚受容器の反応と周波数の関係を示すグラフである。 触覚ディスプレイの概略構成を示す断面斜視図である。 触覚ディスプレイの概略構成を示す断面図である。 触覚ディスプレイの変形例を示す断面斜視図である。

以下、本発明を車両のディスプレイに適用した場合の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図７に基づいて、本実施形態に係る触覚ディスプレイ１００を説明する。この触覚ディスプレイ１００は車両に設けられるものであり、図１に示すように車両のシートに着座したユーザーによって操作される。触覚ディスプレイ１００は、ディスプレイ１０、判定部２０、触覚部３０、および、収納部７０を有する。ディスプレイ１０は画像を中空に表示するものであり、判定部２０は画像の表示領域に例えばユーザーの指などが位置したか否かを判定するものである。触覚部３０は刺激超音波をユーザーに印加することで触感をユーザーに与えるものであり、収納部７０は触覚部３０を収納するものである。図示しないが表示領域におけるユーザーの指の有無を判定する静電センサがディスプレイに埋め込まれており、この静電センサの検出信号に基づいて判定部２０は表示領域にユーザーの指が位置するか否かを判定する。判定部２０は表示領域にユーザーの指が位置したか否かの判定信号を触覚部３０へ出力する。触覚部３０は判定部２０の判定信号に応じて刺激超音波を発生する。すなわち触覚部３０は表示領域にユーザーの指が位置する旨の含まれた判定信号を受信した場合、画像に応じた刺激超音波を発生する。こうすることで画像に応じた触感をユーザーに与える。これとは反対に触覚部３０は表示領域にユーザーの指が位置しない旨の含まれた判定信号を受信した場合、刺激超音波を発生しない。

図２および図３に示すように触覚部３０は、基板４０、超音波素子群５０、および、制御部６０を有する。基板４０の一面４０ａに複数の超音波素子５１が設けられ、これら複数の超音波素子５１によって超音波素子群５０が構成されている。超音波素子群５０を構成する複数の超音波素子５１それぞれは、制御部６０によって駆動制御される。図３に曲線で示すように、複数の超音波素子５１それぞれから超音波が発振されるが、超音波は山と谷とを有するので、各超音波素子５１から出力された超音波は互いに強めあったり、弱めあったりする。超音波が互いに強めあう位置や、互いに弱めあう位置は、各超音波素子５１から出力される超音波の出力タイミングによって決定される。図３は、一面４０ａの上方の触覚提供位置Ａにおいて特に超音波が強めあうように、超音波素子５１の超音波の出力タイミングが制御部６０によって調整されている状態を示している。

基板４０は、絶縁性を有するものであり、本実施形態では平板形状となっている。基板４０の一面４０ａは、互いに直交の関係にあるｘ方向とｙ方向とによって規定されるｘ−ｙ平面に沿っており、この一面４０ａに超音波素子５１が形成されている。これにより、超音波は一面４０ａから離れる方向に発振される。

超音波素子５１は、圧電素子５２、および、所定の周波数に設定された共振器５３（音響整合層）から成る。圧電素子５２に後述する位相制御信号のパルスが断続的に入力されることで圧電素子５２が振動し、共振器５３から超音波が発せられる。図１に示すように複数の超音波素子５１は、一面４０ａ上にアレイ状に配置されている。この一面４０ａに形成された全ての超音波素子５１によって超音波素子群５０が構成されている。１つの触覚提供位置（例えば、図２および図３に示す触覚提供位置Ａ）に形成される集中点は、超音波素子群５０を構成する一部の超音波素子５１によって形成される。具体的に言えば、形成する集中点の下方に位置する所定範囲に含まれる複数の超音波素子５１によって、集中点が形成される。この所定範囲は集中点の強度と他に形成する集中点の位置と数に応じて決定される。制御部６０は、触覚提供位置が変動する度に、その変動に応じて位相制御信号を出力する超音波素子５１を変動する。なお本実施形態では複数の超音波素子５１から出力される超音波の強度は同一になっている。

超音波素子５１は、図４に示す生体（人間）の皮膚にある触覚受容器２００を刺激する刺激超音波を発振する。人間の皮膚は表層から内側に向かって、表皮、真皮、皮下組織がある。触覚受容器２００として、真皮に位置するメルケル細胞２０１とマイスナー小体２０２、および、皮下組織に位置するパチニ小体２０３がある。図５に実線、破線、一点鎖線で示すように、これら受容器２０１〜２０３それぞれは、超音波の周波数に応じて反応する量が異なる。図５に一点鎖線で示すようにメルケル細胞２０１は、どのような周波数でもほぼ一定の反応を示す。しかしながら図５に破線で示すように、マイスナー小体２０２はおよそ５０Ｈｚで最も大きく反応する。そして図５に実線で示すように、パチニ小体２０３はおよそ１００Ｈｚで最も大きく反応する。本実施形態では刺激超音波の周波数として、１００Ｈｚと２００Ｈｚを採用しており、主としてパチニ小体２０３を刺激することで生体に触覚を提供する。

制御部６０は、上記した刺激超音波を複数の超音波素子５１それぞれから発生させるものである。制御部６０は、複数の超音波素子５１それぞれの発振タイミングが決定された位相制御信号を複数の超音波素子５１それぞれに出力する。位相制御信号はパルス信号であり、複数の超音波素子５１それぞれに入力されるパルス信号の立ち上がりエッジは、触覚提供位置に応じて決定される。これら立ち上がりエッジの調整されたパルス信号を各超音波素子５１に入力することで、触覚提供位置に複数の超音波素子５１から発せられる超音波の位相が高めあう集中点を形成する。これにより触覚提供位置に生体が位置した時に受容器２０１〜２０３が刺激され、生体に触覚が提供される。後述するように超音波素子５１から出力された刺激超音波は音響レンズ７１によって集音される。したがって制御部６０は上記した集中点が音響レンズ７１によって集音された結果生じるように、位相制御信号に含まれるパルス信号の立ち上がりエッジを決定している。

制御部６０は判定部２０と電気的に接続されている。制御部６０は判定部２０から入力される判定信号に基づいて、位相制御信号を出力するタイミングを調整する。すなわち制御部６０は、表示領域にユーザーの指が位置する旨の含まれた判定信号を受信した場合、画像に応じた触覚提供位置に集中点が形成されるように位相制御信号を複数の超音波素子５１に出力する。これとは反対に表示領域にユーザーの指が位置しない旨の含まれた判定信号を受信した場合、制御部６０は位相制御信号を超音波素子５１に出力せず、刺激超音波を発生させない。また上記したように制御部６０は、触覚提供位置が変動する度に、その変動に応じて位相制御信号を出力する超音波素子５１を変動する。こうすることで触覚提供位置に応じた超音波素子５１から超音波が出力される。本実施形態では触覚提供位置が主として形成される領域が３つあり、この３つの領域それぞれに応じた複数の超音波素子５１それぞれが独立して超音波を出力することが可能となっている。

上記したように収納部７０は触覚部３０を収納するものである。図６および図７において点線で囲って示すように、ディスプレイ１０によって画像の表示される表示領域は収納部７０の収納空間の外に位置している。収納部７０には音響レンズ７１が形成されており、この音響レンズ７１によって破線で示す刺激超音波が集音され、表示領域に刺激超音波が出力される。収納部７０はシリコンから成り、音響レンズ７１も同様にしてシリコンからなる。本実施形態では収納部７０における触覚部３０の上方に位置する上壁部に３つの音響レンズ７１が形成されている。ディスプレイ１０は３つの音響レンズ７１それぞれの上方に画像としてスイッチを表示する。音響レンズ７１は触覚部３０から出力された刺激超音波を中空に表示されたスイッチに出力して集中点を形成する。これにより中空に表示されたスイッチにユーザーの指が触れると、ユーザーにスイッチに触れた触感が提供される。なお、画像に表示されたスイッチにユーザーが触れることが上記した静電センサによって検出されると、ディスプレイ１０に内蔵されたＣＰＵはユーザーによってスイッチの選択がなされたと判断し、ディスプレイ１０に新たな第１画像を表示する。

本実施形態では図７に示すように収納部７０の上壁部に圧力センサ７２が設けられており、この圧力センサ７２によって音響レンズ７１に印加された圧力が検出される。音響レンズ７１に圧力が印加されたことが圧力センサ７２によって検出されると、ディスプレイ１０に内蔵されたＣＰＵはユーザーによってスイッチの選択がなされたと判断し、ディスプレイ１０に新たな第２画像を表示する。この第２画像は上記した第１画像とは異なっている。このようにディスプレイ１０によって中空に表示されるスイッチと、音響レンズ７１によって構成されるスイッチとは互いに異なる画像を表示するためのスイッチとなっている。

次に本実施形態に係る触覚ディスプレイ１００の作用効果を説明する。上記したように触覚部３０は収納部７０に収納されている。これによればゴミなどの異物が触覚部３０に付着することが抑制される。また収納部７０には音響レンズ７１が形成されている。これによれば触覚部３０を収納部７０の収納空間に配置しつつ、音響レンズ７１を介して刺激超音波を収納空間の外に位置する表示領域に出力することができる。これにより、単に収納空間内に触覚部が配置された構成と比べて、表示領域における刺激超音波の出力が弱まることが抑制される。さらに言えば触覚部１０をユーザーが視認することが抑制される。

触覚部３０は表示領域にユーザーの指などが位置する旨の含まれた判定信号を受信した場合、画像に応じた刺激超音波を発生して触感をユーザーに与える。これとは反対に表示領域にユーザーが位置しない旨の含まれた判定信号を受信した場合、触覚部３０は刺激超音波を発生しない。これによれば画像が表示されている間、常時刺激超音波が出力される構成と比べて、刺激超音波の出力とともに生成される可聴域の音響ノイズをユーザーが聴覚することが抑制される。

ディスプレイ１０によって中空に表示されるスイッチと、音響レンズ７１によって構成されるスイッチとは互いに異なる画像を表示するためのスイッチとなっている。このように音響レンズ７１が画像を切り換えるためのボタンとして活用されるので、音響レンズとは別のボタンが収納部に設けられる構成と比べて、部品点数の増大が抑制される。

触覚部３０は、触覚提供位置が変動する度に、その変動に応じて位相制御信号を出力する超音波素子５１を変動する。これによれば全ての超音波素子から刺激超音波が出力される構成と比べて、消費電力が低減される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では触覚ディスプレイ１００が車両に設けられる例を示した。しかしながら触覚ディスプレイ１００の適用としては上記例に限定されない。例えば、ゲーム、携帯電話、３Ｄテレビ、インターネットショッピングなどに適用することができる。いずれに適用した場合においても、ディスプレイ１０によって中空に画像表示されたスイッチなどを人間が触れた際、その画像を触れている触覚を人間に提供することができる。

本実施形態ではディスプレイに埋め込まれた静電センサによって表示領域におけるユーザーの指などの有無を判定する例を示した。しかしながら表示領域にユーザーの指が位置するか否かを判定する素子としては上記例に限定されず、例えばカメラを採用することもできる。

本実施形態では触覚部３０は表示領域にユーザーの指が位置する旨の含まれた判定信号を受信した場合に刺激超音波を発生する例を示した。しかしながら触覚部３０はディスプレイ１０によって中空に画像が表示された際、その表示領域にユーザーの指が位置するか否かに依らずに刺激超音波を発生してもよい。

本実施形態では超音波素子５１が、圧電素子５２、および、共振器５３から成る例を示した。しかしながら超音波素子５１としては上記例に限定されず、超音波を発振できるものであれば適宜採用することができる。

本実施形態では複数の超音波素子５１がアレイ状に配置された例を示した。しかしながら複数の超音波素子５１の配置としては上記例に限定されない。例えば複数の超音波素子５１が同心円状に配置された構成を採用することができる。

本実施形態では図２に示すように基板４０の一面４０ａが矩形である例を示した。しかしながら一面４０ａの形状として上記例に限定されず、例えば図８に示すように一面４０ａが円形である構成を採用することもできる。

本実施形態では触覚提供位置に応じた複数の超音波素子５１から超音波が出力される例を示した。しかしながら図８に示すように全ての触覚提供位置に対して全ての超音波素子５１から刺激超音波が出力される構成を採用することもできる。若しくは複数の基板４０を用意し、各基板４０に１つの触覚提供位置に応じた複数の超音波素子５１が形成された構成を採用することもできる。

本実施形態では超音波素子５１から出力される刺激超音波の周波数が、１００Ｈｚ，２００Ｈｚである例を示した。しかしながら刺激超音波の周波数としては上記例に限定されない。例えばマイスナー小体２０２を刺激するべく、５０Ｈｚや７５Ｈｚを採用することもできる。

本実施形態ではユーザーが着座状態で触覚ディスプレイ１００を操作する例を示した。しかしながらユーザーが立ちながら触覚ディスプレイ１００を操作してもよい。

本実施形態では３つの音響レンズ７１が収納部７０に形成された例を示した。しかしながら音響レンズ７１の数としては上記例に限定されず、１つでも、２つでも、４つ以上でもよい。

収納部７０はシリコンから成り、音響レンズ７１も同様にしてシリコンからなる例を示した。しかしながら収納部７０の壁部を構成する材料と、音響レンズ７１を構成する材料とを異ならせてもよい。すなわち、収納部７０の壁部と音響レンズ７１とを一体的に形成しなくともよい。

本実施形態では音響レンズ７１が形成された収納部７０の上壁部に圧力センサ７２が設けられた例を示した。しかしながら圧力センサ７２は無くともよい。すなわち、音響レンズ７１がスイッチとしての機能を果たさなくともよい。

本実施形態では静電センサによって画像に表示されたスイッチにユーザーが触れることが検出された場合に表示される新たな第１画像と、圧力センサ７２によって音響レンズ７１に圧力が印加されたと検出された場合に表示される新たな第２画像とが異なる例を示した。しかしながらいずれの場合においても同一の新たな画像がディスプレイ１０に表示される構成を採用することもできる。

１０…ディスプレイ
３０…触覚部
７０…収納部
７１…音響レンズ
１００…触覚ディスプレイ
２００…触覚受容器

Claims (5)

1. 中空に画像を表示するディスプレイ（１０）と、
   前記画像の表示領域に、生体の皮膚にある触覚受容器（２００）を刺激する刺激超音波を発生する触覚部（３０）と、
   前記触覚部を収納空間に収納する収納部（７０）と、を有し、
   前記表示領域は前記収納空間の外に位置しており、
   前記収納部は、前記刺激超音波を集音して、前記表示領域に前記刺激超音波を出力する音響レンズ（７１）を有することを特徴とする触覚ディスプレイ。
2. 前記ディスプレイによって中空に表示された前記画像の前記表示領域に生体が位置したか否かを判定する判定部（２０）を有し、
   前記触覚部は、前記判定部によって前記画像の前記表示領域に生体が位置したことが検出された場合に、前記刺激超音波を発生することを特徴とする請求項１に記載の触覚ディスプレイ。
3. 前記音響レンズに印加される圧力を検出する圧力センサ（７２）を有し、
   前記ディスプレイは、前記判定部によって前記画像の前記表示領域に生体が位置したと検出された場合に前記画像を切り換えて新たな第１画像を表示し、前記圧力センサによって前記音響レンズに圧力が印加されたと検出された場合に前記画像を切り換えて前記第１画像とは異なる新たな第２画像を表示することを特徴とする請求項２に記載の触覚ディスプレイ。
4. 前記触覚部は、複数の超音波素子（５１）と、前記刺激超音波を複数の前記超音波素子から発生させる制御部（６０）と、を有することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の触覚ディスプレイ。
5. 前記制御部は、発振タイミングが決定された位相制御信号を複数の前記超音波素子に出力することで、触覚提供位置（Ａ）に複数の前記超音波素子から発せられる前記刺激超音波の位相が高めあう集中点を形成し、前記触覚提供位置に前記生体が位置した時に前記触覚受容器を刺激して、前記生体に触覚を提供しており、
   前記制御部は、前記触覚提供位置が変動する度に、その変動に応じて前記位相制御信号を出力する前記超音波素子を変動することを特徴とする請求項４に記載の触覚ディスプレイ。

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