JP2018049424A - 触覚呈示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直方向と垂直方向から傾いた方向のピンの駆動を組み合わせて多様な触覚を呈示することができる触覚呈示装置を提供する。【解決手段】触覚呈示装置１のアクチュエータ層３２は、第１の加熱領域３２３ｃ又は第２の加熱領域３２３ｄが加熱されたことによる第１の加熱領域３２３ｃ又は第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ層３２０の形状回復によって垂直方向から傾いて開口３６０からピン３４５を突出させるように構成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、触覚呈示装置に関する。

従来の技術として、ピエゾ素子、指関節部位の掌側に向けてスライドするように取り付けられている刺激子、及び一端がピエゾ素子の端部に連結していると共に他端が刺激子に連結しており、ピエゾ素子の変位量を拡大して刺激子をスライドさせるレバーアームを備えた触覚ディスプレイが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この触覚ディスプレイの刺激子は、指関節部位に向かってスライドし、当該指関節部位を押圧する。

特開２０１２−１３３４４３号公報

しかし従来の触覚ディスプレイは、刺激子を指関節部位に向かってスライドさせる、つまり指関節部位に向かって垂直方向に駆動するのみであって他方向への駆動ができない。

従って本発明の目的は、垂直方向と垂直方向から傾いた方向のピンの駆動を組み合わせて多様な触覚を呈示することができる触覚呈示装置を提供することにある。

本発明の一態様は、開口を有するキャップ層と、キャップ層の下に配置され、開口を移動するピンを有するスプリング層と、スプリング層の下に配置されてピンの下部の接触によって湾曲し、また形状記憶合金層、ヒータ層の順に積層され、ピンの下部が接触する接触領域を介して対向する第１の加熱領域及び第２の加熱領域が加熱されたことによる第１の加熱領域及び第２の加熱領域の下方の形状記憶合金層の形状回復によって垂直方向に開口からピンを突出させ、第１の加熱領域又は第２の加熱領域が加熱されたことによる第１の加熱領域又は第２の加熱領域の下方の形状記憶合金層の形状回復によって垂直方向から傾いて開口からピンを突出させるアクチュエータ層と、を有するアクチュエータ素子を備えた触覚呈示装置を提供する。

本発明によれば、垂直方向と垂直方向から傾いた方向のピンの駆動を組み合わせて多様な触覚を呈示することができる。

図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、１つのアクチュエータ素子の一例を示す概略図である。 図２（ａ）は、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置のアクチュエータ層の全体像の一例を示す概略図であり、図２（ｂ）は、１つのアクチュエータ素子のヒータ層の一例を示す概略図であり、図２（ｃ）は、このヒータ層の一例の断面図であり、図２（ｄ）は、スプリング層の一例を示す概略図である。 図３（ａ）は、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置の基準状態の一例を示す要部断面図であり、図３（ｂ）は、触覚呈示装置の垂直駆動状態の一例を示す要部断面図であり、図３（ｃ）は、触覚呈示装置の傾き駆動状態の一例を示す要部断面図である。 図４（ａ）〜図４（ｆ）は、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置の基板層及びアクチュエータ層の製造方法の一例を示す概略図である。 図５（ａ）は、第２の実施の形態に係る触覚呈示装置の基準状態の一例を示す要部断面図であり、図５（ｂ）は、触覚呈示装置の垂直駆動状態の一例を示す要部断面図であり、図５（ｃ）は、触覚呈示装置の傾き駆動状態の一例を示す要部断面図である。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る触覚呈示装置は、開口を有するキャップ層と、キャップ層の下に配置され、開口を移動するピンを有するスプリング層と、スプリング層の下に配置されてピンの下部の接触によって湾曲し、また形状記憶合金層、ヒータ層の順に積層され、ピンの下部が接触する接触領域を介して対向する第１の加熱領域及び第２の加熱領域が加熱されたことによる第１の加熱領域及び第２の加熱領域の下方の形状記憶合金層の形状回復によって垂直方向に開口からピンを突出させ、第１の加熱領域又は第２の加熱領域が加熱されたことによる第１の加熱領域又は第２の加熱領域の下方の形状記憶合金層の形状回復によって垂直方向から傾いて開口からピンを突出させるアクチュエータ層と、を有するアクチュエータ素子を備えて概略構成されている。

この触覚呈示装置は、ピンを垂直方向及び傾いた方向に駆動することができるので、垂直方向にのみ駆動する場合と比べて、垂直方向と垂直方向から傾いた方向のピンの駆動を組み合わせて操作者に多様な触覚を呈示することができる。

[第１の実施の形態]
（触覚呈示装置１の概要）
図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、１つのアクチュエータ素子の一例を示す概略図である。図２（ａ）は、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置のアクチュエータ層の全体像の一例を示す概略図であり、図２（ｂ）は、１つのアクチュエータ素子のヒータ層の一例を示す概略図であり、図２（ｃ）は、このヒータ層の一例の断面図であり、図２（ｄ）は、スプリング層の一例を示す概略図である。図３（ａ）は、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置の基準状態の一例を示す要部断面図であり、図３（ｂ）は、触覚呈示装置の垂直駆動状態の一例を示す要部断面図であり、図３（ｃ）は、触覚呈示装置の傾き駆動状態の一例を示す要部断面図である。なお、以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。

触覚呈示装置１は、図１（ａ）に示すように、本体１０と、プリント基板１２と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）であるアクチュエータアレイ２と、を備えて概略構成されている。この本体１０は、一例として、合成樹脂によって形成されている。またプリント基板１２は、表面１２０にアクチュエータアレイ２が設けられ、またアクチュエータアレイ２を囲むように複数の電極１４が設けられている。この触覚呈示装置１は、一例として、指示された触覚の呈示が行われるようにアクチュエータアレイ２に電流を供給するための駆動回路が電極１４を介して電気的に接続される。

この触覚呈示装置１は、図１（ａ）に示すように、アクチュエータ素子３が格子状に高密度で並んで配置されてアクチュエータアレイ２を形成している。このアクチュエータアレイ２は、一例として、５×５個のアクチュエータ素子３が並んでいる。このアクチュエータ素子３は、独立して駆動される。なおアクチュエータ素子３の数や配列は、これに限定されない。

この触覚呈示装置１は、アクチュエータ素子３の開口３６０からピン３４５のピン上部３４７を突出させ、操作者の操作指に触覚を呈示するように構成されている。触覚呈示装置１は、開口３６０が作る面の法線方向、言い換えるなら開口３６０に対して垂直方向にピン３４５を突出させる（垂直駆動）と共に垂直方向から傾いた方向に突出させ（傾き駆動）、この組み合わせによって操作者に多様な触覚を呈示する。この多様な触覚とは、一例として、布や革の表面などのテクスチャー、操作指の誘導、操作に対するフィードバックなどである。

アクチュエータ素子３は、図１（ｂ）に示すように、キャップ層３６と、キャップ層３６の下に配置されたスプリング層３４と、スプリング層３４の下に配置されたアクチュエータ層３２と、アクチュエータ層３２の下に配置された基板層３０と、を備えて概略構成されている。

アクチュエータ素子３のピッチＰは、一例として、１ｍｍ以下である。このピッチＰは、皮膚の２点弁別閾に基づいて定められている。この２点弁別閾とは、先端の尖った２つの物で皮膚を刺激した場合、この２点の刺激の強さや性質を区別し感じうる刺激差の最小の精度を示している。なお指先の２点弁別閾は、およそ２ｍｍ程度である。

また図３（ｂ）に示すピン３４５の突出量Ｌは、一例として、２０μｍである。またアクチュエータ素子３は、周期的に駆動される。この駆動の周波数は、一例として、３０Ｈｚである。そして突出させる力（発生力）は、一例として、５ｍＮである。この突出量Ｌと発生力は、垂直駆動状態の際の値である。

突出量Ｌと駆動の周波数は、操作指のマイスナー小体の最小検出変位量と感度により定められている。また発生力は、皮膚が検出できる最小の力（およそ１ｍＮ）に基づいて定められている。

上述の傾き駆動では、ピン３４５は、円弧を描きながら操作指を刺激する。この傾き駆動は、水平成分を有する駆動であるので、平行にスライドする方向（せん断方向）の刺激を操作指に与える。なお平行とは、垂直方向に直行する方向を示している。なおマイスナー小体は、表面の粗さのような細かい凹凸の知覚に関与し、水平変位、つまりせん断方向の駆動に敏感に応答する。従って触覚呈示装置１は、せん断方向にピン３４５を駆動することにより、マイスナー小体に効果的に刺激を与えることができる。

（基板層３０の構成）
基板層３０は、一例として、銅（Ｃｕ）を加工して形成されている。この基板層３０は、格子状に並んだ複数のアクチュエータ素子３に対応して同じ構成が並んで形成されている。基板層３０は、図１（ｂ）に示すように、外枠３００に囲まれて形成された凹部３０１を有している。この外枠３００上には、アクチュエータ層３２が配置される。

凹部３０１は、図３（ａ）に示すように、ピン３４５の下部（ピン下部３４６）の押し付け、つまりスプリング層３４のバイアス力によるアクチュエータ層３２の湾曲の逃げとして形成されている。このバイアス力は、組み付け後のスプリング層３４の弾性力によるものであり、アクチュエータ層３２に常時付加されている。

（アクチュエータ層３２の構成）
アクチュエータ層３２は、図２（ａ）に示すように、格子状に並んだ複数のアクチュエータ素子３に対応して同じ構成が並んで形成されている。この格子状に並んだ同じ構成の周囲には、縦に複数のパッド４０、横に複数のパッド４１が形成されている。このパッド４０及びパッド４１は、図１（ａ）に示すプリント基板１２の上に配置された電極１４と電気的に接続されている。以下では、１つのアクチュエータ素子３のアクチュエータ層３２について説明する。

なおアクチュエータ層３２は、基板層３０と共に形成される。この製造方法については、後述する。

アクチュエータ層３２は、図２（ｃ）に示すように、形状記憶合金層としてのＳＭＡ（Shape memory alloy）層３２０、ヒータ層３２１の順に積層されている。なおアクチュエータ層３２は、さらにヒータ層３２１の上に縦配線４１０、及び縦配線４１０の上に絶縁層３２９を備えている。

そしてアクチュエータ層３２は、ピン３４５の下部（ピン下部３４６）が接触する接触領域３２５を介して対向する第１の加熱領域３２３ｃ及び第２の加熱領域３２３ｄが加熱されたことによる第１の加熱領域３２３ｃ及び第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ層３２０の形状回復によって垂直方向に開口３６０からピン３４５を突出させるように構成されている。

またアクチュエータ層３２は、第１の加熱領域３２３ｃ又は第２の加熱領域３２３ｄが加熱されたことによる第１の加熱領域３２３ｃ又は第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ層３２０の形状回復によって垂直方向から傾いて開口３６０からピン３４５を突出させるように構成されている。

このＳＭＡ層３２０は、一例として、ＴｉＮｉＣｕ合金などの形状記憶合金によって形成された層である。ＳＭＡ層３２０は、図２（ｃ）に示す湾曲のない形状、つまり直線的な形状が記憶されている。本実施の形態における形状回復とは、ＳＭＡ層３２０が温度の上昇によって形状回復温度に到達し、湾曲のない形状に復帰することを示している。このＳＭＡ層３２０の厚みは、一例として、１０μｍである。このＳＭＡ層３２０の形状回復温度は、一例として、６０〜６５℃程度である。

ヒータ層３２１は、絶縁層３２２及び絶縁層３２４によって配線層３２３を挟んで形成されている。この絶縁層３２２及び絶縁層３２４は、一例として、絶縁性を有するポリイミドなどの合成樹脂材料を用いて形成されている。

配線層３２３は、一例として、プラチナ（Ｐｔ）によって形成されている。この配線層３２３には、例えば、図２（ｂ）に示すように、第１のヒータ配線３２３ａと、第２のヒータ配線３２３ｂと、横配線４００と、パッド４０１と、が形成されている。

第１のヒータ配線３２３ａは、第１の加熱領域３２３ｃのＳＭＡ層３２０を加熱して形状回復させるものである。この第１のヒータ配線３２３ａは、図２（ｂ）に示すように、効率よく広い範囲を加熱できるように折返し形状を有している。第１のヒータ配線３２３ａは、一端がパッド４０１と電気的に接続され、他端が横配線４００と電気的に接続されている。第１の加熱領域３２３ｃは、例えば、図２（ｂ）において点線で示され、大小の矩形を組み合わせた形状を有する。

第２のヒータ配線３２３ｂは、第２の加熱領域３２３ｄのＳＭＡ層３２０を加熱して形状回復させるものである。この第２のヒータ配線３２３ｂは、図２（ｂ）に示すように、第１のヒータ配線３２３ａと同様に、効率よく広い範囲を加熱できるように折返し形状を有している。第２のヒータ配線３２３ｂは、一端がパッド４０１と電気的に接続され、他端が横配線４００と電気的に接続されている。第２の加熱領域３２３ｄは、例えば、図２（ｂ）において点線で示され、第１の加熱領域３２３ｃと同様に大小の矩形を組み合わせた形状を有する。

図２（ｂ）に示すように、この第１の加熱領域３２３ｃと第２の加熱領域３２３ｄを挟むように対向して開口３２６が形成されている。開口３２６は、例えば、第１の加熱領域３２３ｃと第２の加熱領域３２３ｄの側面に沿って長く形成され、端部と中央が第１の加熱領域３２３ｃと第２の加熱領域３２３ｄ方向に突出している。

この開口３２６は、第１の加熱領域３２３ｃと第２の加熱領域３２３ｄにおけるＳＭＡ層３２０の形状回復を容易にするために形成されている。従って第１の加熱領域３２３ｃと第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ層３２０は、パッド４０１側の幅が中央側よりも狭く形成されている。

また第１の加熱領域３２３ｃ及び第２の加熱領域３２３ｄには、それぞれ開口３２７が形成されている。この開口３２７は、例えば、Ｔ字形状を有している。開口３２６及び開口３２７は、ヒータ層３２１及びＳＭＡ層３２０を貫通する開口である。

図２（ｂ）に示すように、アクチュエータ層３２には、第１の加熱領域３２３ｃ及び第２の加熱領域３２３ｄを連結するような連結部３２３ｅが設けられている。ピン３４５のピン下部３４６は、この連結部３２３ｅを中心とする接触領域３２５に接触する。

縦配線４１０は、図２（ｂ）に示すように、ヒータ層３２１に設けられたスルーホール４１１を介して配線層３２３のパッド４０１と電気的に接続されると共に、パッド４１と電気的に接続されている。

（スプリング層３４の構成）
スプリング層３４は、キャップ層３６の下に配置され、開口３６０を移動するピン３４５を有している。このスプリング層３４のばね定数は、一例として、２５０Ｎ／ｍである。

スプリング層３４は、一例として、ネガティブレジストであるＳＵ−８（登録商標：MicroChem社）を用いてキャップ層３６と共に形成されている。スプリング層３４及びキャップ層３６は、このネガティブレジストを用いたフォトリソグラフィ法によって露光されて架橋した部分である。この架橋した部分は、エポキシ樹脂となっている。なおスプリング層３４は、例えば、ポジティブレジストなどの他のレジストを用いても良い。

スプリング層３４は、図２（ｄ）に示すように、外枠３４０と、Ｓ字スプリング部３４１と、ピン３４５と、を備えて概略構成されている。Ｓ字スプリング部３４１は、薄い板形状を有している。そしてＳ字スプリング部３４１は、両端部（端部３４２及び端部３４３）が外枠３４０に支持され、ピン３４５の移動方向と逆向きの弾性力を生成する。この端部３４２及び端部３４３は、外枠３４０と一体とされている。

ピン３４５は、Ｓ字スプリング部３４１の中央に形成されている。このピン３４５の下部であるピン下部３４６は、アクチュエータ層３２と接触する。またピン３４５の上部であるピン上部３４７が駆動によりキャップ層３６の開口３６０から突出する。

外枠３４０及びピン下部３４６は、アクチュエータ層３２に接着剤を介して接合されている。この接着剤は、一例として、エポキシ樹脂系の接着剤である。

スプリング層３４は、例えば、キャップ層３６及びピン上部３４７が第１の基板から形成され、外枠３４０、Ｓ字スプリング部３４１及びピン下部３４６が第２の基板から形成され、これらが接着されて形成される。

（キャップ層３６の構成）
キャップ層３６は、上述のようにスプリング層３４と同じ材料を用いてスプリング層３４と共に形成される。キャップ層３６は、開口３６０を有し、この開口３６０をピン３４５が移動する。

以下に、基板層３０及びアクチュエータ層３２の製造方法の一例について説明する。

（基板層３０及びアクチュエータ層３２の製造方法）
図４（ａ）〜図４（ｆ）は、第１の実施の形態に係る触覚呈示装置の基板層及びアクチュエータ層の製造方法の一例を示す概略図である。図４（ａ）〜図４（ｆ）は、上が平面図、下が図４（ｂ）に示す一点鎖線で切断した断面を矢印方向から見た断面図である。

図４（ａ）に示すように、フラッシュ蒸着法により、銅（Ｃｕ）からなる基板層３０の表面に、ＴｉＮｉＣｕ合金からなるＳＭＡ層３２０を形成する。そしてＳＭＡ層３２０に形状を記憶させるため、５００℃で３時間、アニールを行う。この基板層３０の厚みは、一例として、３００μｍである。ＳＭＡ層３２０の厚みは、一例として、１０μｍである。

次に図４（ｂ）に示すように、ＳＭＡ層３２０の表面に感光性の絶縁材料を塗布し、フォトリソグラフィ法により、開口パターン３２２ａを有する絶縁層３２２を形成する。絶縁材料の厚みは、一例として、２μｍである。この感光性の絶縁材料は、一例として、ポリイミドである。

次に図４（ｃ）に示すように、スパッタ法及びリフトオフ法に基づいて横配線４００、パッド４０１、第１のヒータ配線３２３ａ及び第２のヒータ配線３２３ｂを有する配線層３２３を形成する。配線層３２３の厚みは、一例として、２μｍである。

次に図４（ｄ）に示すように、配線層３２３を保護するため、フォトリソグラフィ法により、開口パターン３２２ａ及びスルーホール４１１を有する絶縁層３２４を形成する。

次にスパッタ法及びリフトオフ法に基づいて絶縁層３２４上に縦配線４１０を形成し、さらに縦配線４１０を保護するため、フォトリソグラフィ法によって絶縁層３２９を形成する。この絶縁層３２９は、一例として、ポリイミドである。縦配線４１０を形成する際、スルーホール４１１に配線材料が充填され、縦配線４１０とパッド４０１とが導通することにより、縦配線４１０と第２のヒータ配線３２３ｂとが導通する。

次に図４（ｅ）に示すように、開口パターン３２２ａに基づくレジストパターン３２８ａを有するレジスト３２８を形成した後、ＬｉＣｌ−エタノール電解液を用いた電解エッチング法により、開口パターン３２２ａに応じてＳＭＡ層３２０をエッチングする。

次に図４（ｆ）に示すように、ウエットエッチング法により、第１の加熱領域３２３ｃ及び第２の加熱領域３２３ｄの下方の基板層３０を等方エッチングによりサイドエッチング（アンダーエッチング）を行って中空化し、その後レジスト３２８を除去して基板層３０及びアクチュエータ層３２を得る。

なお変形例として上述の基板層３０の中空化は、基板層３０の裏面３０５に新たにレジストパターンを設け、裏面３０５側からウエットエッチング法あるいはドライエッチング法によって基板層３０を貫通させて行われても良い。この中空化が行われた後、当該レジストパターンを除去して基板層３０及びアクチュエータ層３２を得る。

続いて、以下に本実施の形態の触覚呈示装置１の動作の一例について説明する。

（動作）
・垂直駆動について
触覚呈示装置１は、第１のヒータ配線３２３ａ及び第２のヒータ配線３２３ｂに電流が供給されると、この配線の温度が上昇すると共に、第１の加熱領域３２３ｃ及び第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ層３２０の温度が上昇する。この電流は、周期的に供給される。この供給の周波数は、上述のように、一例として、３０Ｈｚである。

第１の加熱領域３２３ｃ及び第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ層３２０は、形状回復温度に達すると、図３（ａ）に示す基準状態における湾曲した状態から図３（ｂ）に示す垂直駆動状態における記憶された湾曲が少ない状態へと形状回復を行う。この形状回復の結果、図３（ｂ）に矢印で示すように、ピン３４５が開口３６０から垂直方向に突出するように駆動され、操作指９に刺激を与える。

そして触覚呈示装置１は、電流の供給が停止すると、ＳＭＡ層３２０の温度が低下してスプリング層３４の弾性力によってアクチュエータ層３２が湾曲して基準状態へと移行する。触覚呈示装置１は、電流の供給が周期的に行われることにより、図３（ａ）に示す基準状態と図３（ｂ）に示す垂直駆動状態とを繰り返し、操作指９に垂直方向の触覚を呈示する。

・傾き駆動について
次に傾き駆動について説明する。この傾き駆動における電流の周波数は、垂直駆動と同じように、一例として、３０Ｈｚである。

触覚呈示装置１は、第１のヒータ配線３２３ａに電流が供給されると、第１のヒータ配線３２３ａの温度が上昇すると共に、第１の加熱領域３２３ｃの下方のＳＭＡ層３２０の温度が上昇する。

第１の加熱領域３２３ｃの下方のＳＭＡ層３２０は、形状回復温度に達すると、図３（ａ）に示す基準状態における湾曲した状態から図３（ｃ）に示す傾き駆動状態における記憶された湾曲が少ない状態へと形状回復を行う。

図３（ｃ）に示すように、第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ３２０は、加熱されていないので、スプリング層３４の弾性力によって湾曲したままであり、この状態で第１の加熱領域３２３ｃの下方のＳＭＡ層３２０が形状回復を行うと、ピン３４５が垂直に駆動されず、図３（ｃ）の矢印で示すせん断方向に、傾いて駆動される。従って操作指には、せん断方向の刺激が与えられる。このせん断方向は、例えば、図３（ｃ）の紙面右方向である。

そして触覚呈示装置１は、電流の供給が停止すると、第１の加熱領域３２３ｃの下方のＳＭＡ層３２０の温度が低下してスプリング層３４の弾性力によってアクチュエータ層３２が湾曲して基準状態へと移行する。触覚呈示装置１は、電流の供給が周期的に行われることにより、図３（ａ）に示す基準状態と図３（ｃ）に示す傾き駆動状態とを繰り返し、操作指９にせん断方向の触覚を呈示する。

また触覚呈示装置１は、第２のヒータ配線３２３ｂに電流が供給されると、第２のヒータ配線３２３ｂの温度が上昇すると共に、第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ層３２０の温度が上昇する。

第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ層３２０は、形状回復温度に達すると、基準状態における湾曲した状態から傾き駆動状態における記憶された湾曲が少ない状態へと形状回復を行う。ピン３４５は、第２の加熱領域３２３ｄが形状復帰した場合、図３（ｃ）に示す方向とは逆の方向（左方向）に傾き駆動される。

そして触覚呈示装置１は、電流の供給が停止すると、第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ層３２０の温度が低下してスプリング層３４の弾性力によってアクチュエータ層３２が湾曲して基準状態へと移行する。触覚呈示装置１は、電流の供給が周期的に行われることにより、図３（ａ）に示す基準状態と傾き駆動状態とを繰り返し、操作指９にせん断方向の触覚を呈示する。このせん断方向は、例えば、図３（ｃ）の紙面左方向である。

なお触覚呈示装置１は、垂直駆動と傾き駆動とが組み合わされて行われても良い。

（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態に係る触覚呈示装置１は、垂直方向と垂直方向から傾いた方向のピンの駆動を組み合わせて多様な触覚を呈示することができる。触覚呈示装置１は、第１の加熱領域３２３ｃ又は第２の加熱領域３２３ｄを加熱することによって加熱された加熱領域の下方のＳＭＡ層３２０を形状回復させてピン３４５を傾き駆動することができるので、垂直駆動のみ行うものと比べて、垂直駆動と傾き駆動とを組み合わせて多様な触覚を呈示することができる。

触覚呈示装置１は、ピン３４５が単純な傾きの往復変位ではなく、垂直方向の成分も生じて行きと戻りではピン３４５の軌道が異なるので、ピンの単純な水平移動と比べて、操作指を所定の位置に誘導するなどの多様な触覚の呈示ができる。

触覚呈示装置１は、高密度でアクチュエータ素子３を配置することができるので、小型化が容易である。そして触覚呈示装置１は、狭ピッチでありながら垂直方向及び傾き方向に触覚を呈示することができる。また触覚呈示装置１は、薄く形成することができるので、車載用操作機器や携帯機器などの設置スペースが限られたところにも配置することができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、触覚呈示装置１がスプリング層を備えていない点で第１の実施の形態と異なっている。

図５（ａ）は、第２の実施の形態に係る触覚呈示装置の基準状態の一例を示す要部断面図であり、図５（ｂ）は、触覚呈示装置の垂直駆動状態の一例を示す要部断面図であり、図５（ｃ）は、触覚呈示装置の傾き駆動状態の一例を示す要部断面図である。なお以下に記載する実施の形態において、第１の実施の形態と同じ機能及び構成を有する部分は、第１の実施の形態と同じ符号を付し、その説明は省略するものとする。

本実施形態の触覚呈示装置１は、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、スプリング層３４を備えていない構成となっている。

具体的には、触覚呈示装置１は、開口３６０を有するキャップ層３６と、開口３６０を移動するピン３４５と、キャップ層３６の下に配置されてピン３４５の下部（ピン下部３４６）の接触によって湾曲し、またＳＭＡ層３２０、ヒータ層３２１の順に積層され、ピン３４５の下部が接触する接触領域３２５を介して対向する第１の加熱領域３２３ｃ及び第２の加熱領域３２３ｄが加熱されたことによる第１の加熱領域３２３ｃ及び第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ層３２０の形状回復によって垂直方向に開口３６０からピン３４５を突出させ、第１の加熱領域３２３ｃ又は第２の加熱領域３２３ｄが加熱されたことによる第１の加熱領域３２３ｃ又は第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ層３２０の形状回復によって垂直方向から傾いて開口３６０からピン３４５を突出させるアクチュエータ層３２と、を有するアクチュエータ素子３を備えて概略構成されている。

続いて本実施の形態の触覚呈示装置１の動作の一例について図５（ａ）〜図５（ｃ）を参照しながら説明する。

（動作）
・垂直駆動について
触覚呈示装置１は、第１のヒータ配線３２３ａ及び第２のヒータ配線３２３ｂに電流が供給されると、この配線の温度が上昇すると共に、第１の加熱領域３２３ｃ及び第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ層３２０の温度が上昇する。

第１の加熱領域３２３ｃ及び第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ層３２０は、形状回復温度に達すると、図５（ａ）に示す基準状態における湾曲した状態から図５（ｂ）に示す垂直駆動状態における記憶された湾曲が少ない状態へと形状回復を行う。この形状回復の結果、図５（ｂ）に矢印で示すように、ピン３４５が開口３６０から垂直方向に突出するように駆動され、操作指９に刺激を与える。

そして触覚呈示装置１は、電流の供給が停止すると、ＳＭＡ層３２０の温度が低下し、操作指９によって受動的にピン４３５が押し下げられてアクチュエータ層３２が湾曲して基準状態へと移行する。触覚呈示装置１は、電流の供給が周期的に行われることにより、図５（ａ）に示す基準状態と図５（ｂ）に示す垂直駆動状態とを繰り返し、操作指９に垂直方向の触覚を呈示する。

・傾き駆動について
触覚呈示装置１は、第１のヒータ配線３２３ａに電流が供給されると、第１のヒータ配線３２３ａの温度が上昇すると共に、第１の加熱領域３２３ｃの下方のＳＭＡ層３２０の温度が上昇する。

第１の加熱領域３２３ｃの下方のＳＭＡ層３２０は、形状回復温度に達すると、図５（ａ）に示す基準状態における湾曲した状態から図５（ｃ）に示す傾き駆動状態における記憶された湾曲が少ない状態へと形状回復を行う。

図５（ｃ）に示すように、第２の加熱領域３２３ｄの下方のＳＭＡ３２０は、加熱されていないので湾曲したままであり、この状態で第１の加熱領域３２３ｃの下方のＳＭＡ層３２０が形状回復を行うと、ピン３４５が垂直に駆動されず、図５（ｃ）の矢印で示すせん断方向に、傾いて駆動される。従って操作指には、せん断方向の刺激が与えられる。このせん断方向は、例えば、図５（ｃ）の紙面右方向である。

そして触覚呈示装置１は、電流の供給が停止すると、第１の加熱領域３２３ｃの下方のＳＭＡ層３２０の温度が低下し、操作指９によって受動的にピン４３５が押し下げられてアクチュエータ層３２が湾曲して基準状態へと移行する。触覚呈示装置１は、電流の供給が周期的に行われることにより、図５（ａ）に示す基準状態と図５（ｃ）に示す傾き駆動状態とを繰り返し、操作指９にせん断方向の触覚を呈示する。

なお左方向の傾き駆動は、第１の実施の形態に示すように、第２のヒータ配線３２３ｂに電流が供給することによって行われる。

（第２の実施の形態の効果）
本実施の形態の触覚呈示装置１は、スプリング層３４を備えないので、製造コストを抑制することができる。

以上述べた少なくとも１つの実施の形態の触覚呈示装置１によれば、垂直方向と垂直方向から傾いた方向のピンの駆動を組み合わせて多様な触覚を呈示することが可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…触覚呈示装置、２…アクチュエータアレイ、３…アクチュエータ素子、９…操作指、１０…本体、１２…プリント基板、１４…電極、３０…基板層、３２…アクチュエータ層、３４…スプリング層、３６…キャップ層、４０，４１…パッド、１２０…表面、３００…外枠、３０１…凹部、３０５…裏面、３２０…ＳＭＡ層、３２１…ヒータ層、３２２…絶縁層、３２２ａ…開口パターン、３２３…配線層、３２３ａ…第１のヒータ配線、３２３ｂ…第２のヒータ配線、３２３ｃ…第１の加熱領域、３２３ｄ…第２の加熱領域、３２３ｅ…連結部、３２４…絶縁層、３２５…接触領域、３２６，３２７…開口、３２８…レジスト、３２８ａ…レジストパターン、３２９…絶縁層、３４０…外枠、３４１…Ｓ字スプリング部、３４２，３４３…端部、３４５…ピン、３４６…ピン下部、３４７…ピン上部、３６０…開口、４００…横配線、４０１…パッド、４１０…縦配線、４１１…スルーホール

Claims (5)

1. 開口を有するキャップ層と、
   前記開口を移動するピンと、
   前記キャップ層の下に配置されて前記ピンの下部の接触によって湾曲し、また形状記憶合金層、ヒータ層の順に積層され、前記ピンの下部が接触する接触領域を介して対向する第１の加熱領域及び第２の加熱領域が加熱されたことによる前記第１の加熱領域及び前記第２の加熱領域の下方の前記形状記憶合金層の形状回復によって垂直方向に前記開口から前記ピンを突出させ、前記第１の加熱領域又は前記第２の加熱領域が加熱されたことによる前記第１の加熱領域又は前記第２の加熱領域の下方の前記形状記憶合金層の形状回復によって垂直方向から傾いて前記開口から前記ピンを突出させるアクチュエータ層と、
   を有するアクチュエータ素子を備えた触覚呈示装置。
2. 開口を有するキャップ層と、
   前記キャップ層の下に配置され、前記開口を移動するピンを有するスプリング層と、
   前記スプリング層の下に配置されて前記ピンの下部の接触によって湾曲し、また形状記憶合金層、ヒータ層の順に積層され、前記ピンの下部が接触する接触領域を介して対向する第１の加熱領域及び第２の加熱領域が加熱されたことによる前記第１の加熱領域及び前記第２の加熱領域の下方の前記形状記憶合金層の形状回復によって垂直方向に前記開口から前記ピンを突出させ、前記第１の加熱領域又は前記第２の加熱領域が加熱されたことによる前記第１の加熱領域又は前記第２の加熱領域の下方の前記形状記憶合金層の形状回復によって垂直方向から傾いて前記開口から前記ピンを突出させるアクチュエータ層と、
   を有するアクチュエータ素子を備えた触覚呈示装置。
3. 複数の前記アクチュエータ素子が格子状に並べられた請求項１又は２に記載の触覚呈示装置。
4. 前記アクチュエータ層は、前記形状記憶合金層が金属材料により形成された基板層上に設けられ、
   前記スプリング層は、加熱される前の状態において、前記基板層及び前記キャップ層に挟まれて配置されることで前記ピンを前記アクチュエータ層に押し付ける方向の弾性力を生成して前記アクチュエータ層を湾曲させる、
   請求項２又は３に記載の触覚呈示装置。
5. 前記第１の加熱領域及び前記第２の加熱領域には、配線が配置され、前記配線を囲むように前記ヒータ層に開口が形成され、
   前記基板層には、前記第１の加熱領域及び前記第２の加熱領域の下方に凹部が形成された、
   請求項４に記載の触覚呈示装置。

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