JP2019125310A

JP2019125310A - 触感提示装置

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Publication number: JP2019125310A
Application number: JP2018007259A
Authority: JP
Inventors: 悠二米原; Yuji Yonehara; 雅俊島田; Masatoshi Shimada; 藤原　武史; Takeshi Fujiwara; 武史藤原
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2038-01-19
Also published as: DE112018005840T5; JP6888558B2; US11037415B2; WO2019142619A1; US20210020003A1

Abstract

【課題】皮膚の感覚受容器のうちメルケル細胞及びマイスナ小体が反応し得る物理的刺激を与えることができる触感提示装置を提供する。【解決手段】触感提示装置１は、ユーザーの手に装着されるグローブ２と、グローブ２の基布３に取り付けられている高分子アクチュエータ４と、高分子アクチュエータ４を制御する制御装置５と、高分子アクチュエータ４によって駆動される力覚提示アレイ６と、を備えている。触感提示装置１は、制御装置５による高分子アクチュエータ４に対する電圧の印加を通じて同高分子アクチュエータ４で力覚提示アレイ６を駆動し、その力覚提示アレイ６の駆動によりユーザーの手の皮膚に対する触感の提示を行う。高分子アクチュエータ４は、印加される電圧の周波数が１〜３０Hzであるときに、より好ましくは１〜１００Hzであるときに、力覚提示アレイ６を少なくとも１００μm変位させることが可能となるよう構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、触感提示装置に関する。

特許文献１に示されるように、皮膚に対する触感の提示を行う触感提示装置は、皮膚に接触する接触部を備え、その接触部を駆動して皮膚を物理的に刺激することにより、皮膚の感覚受容器（受容細胞）に対し擬似的に物に触れている感覚である触覚や物に圧されている感覚である圧覚を与えるようにしている。

特許文献１の触感提示装置では、接触部を駆動するために偏心モータが設けられており、その偏心モータで接触部を振動させることによって同接触部が接触する皮膚に対し物理的に刺激を与えている。また、特許文献２、３には、触感提示装置の接触部を駆動するために圧電素子や高分子アクチュエータを設けることが開示されている。この場合、それら圧電素子や高分子アクチュエータに対し、所定周波数の電圧を印加して接触部を振動させることによって、同接触部が接触する皮膚に対し、物理的に刺激を与えることが可能となる。

ところで、皮膚の感覚受容器としては、皮膚の比較的深い位置にあるルフィニ終末及びパチニ小体や、皮膚の比較的浅い位置にあるメルケル細胞及びマイスナ小体が知られている。これら各種の感覚受容器はそれぞれ、接触部の振動という物理的な刺激に対し、反応し得る振動の周波数及び変位量（振幅）が異なっている。

図５における実線Ｌ１、破線Ｌ２、一点鎖線Ｌ３、及び二点鎖線Ｌ４はそれぞれ、接触部の振動という物理的な刺激に対し、振動の周波数変化に伴うメルケル細胞（Ｌ１）、マイスナ小体（Ｌ２）、ルフィニ終末（Ｌ３）、及びパチニ小体（Ｌ４）が反応し得る接触部の振動の振幅の最小値の推移を表している。

図５において、皮膚の比較的深い位置にあるルフィニ終末及びパチニ小体が反応し得る振動の振幅の最小値の推移（Ｌ３、Ｌ４）から分かるように、それら推移の最小値は比較的小さい。一方、図５において、皮膚の比較的浅い位置にあるメルケル細胞及びマイスナ小体が反応し得る振動の振幅の最小値（Ｌ１、Ｌ３）から分かるように、それらの推移の最小値は比較的大きい。触感提示装置においては、皮膚に対し提示する触感の多様性を確保する観点から、各種の感覚受容器に対しそれぞれ反応し得る物理的な刺激（振動）を与えることが望まれており、特にメルケル細胞及びマイスナ小体のような比較的皮膚の浅いところに位置する感覚受容機が反応し得る振動を与えることが望まれている。

特開２０１０−３３１２号公報特開２０１７−２０１５３３号公報特許第４９５５６１８号公報

しかし、特許文献２、３には圧電素子及び高分子アクチュエータの具体的な構造が開示されていないため、それら圧電素子及び高分子アクチュエータによって接触部をメルケル細胞及びマイスナ小体のような感覚受容器が反応し得るよう振動させることができるかどうかは不明である。また、接触部を振動させるために特許文献１の偏心モータを用いた場合、その偏心モータが大きく且つ重いものであって同偏心モータ自身の重さが接触部に作用する関係から、その接触部をメルケル細胞及びマイスナ小体のような感覚受容器が狙った触感を呈するよう振動させることは難しい。

本発明の目的は、皮膚の感覚受容器のうちメルケル細胞及びマイスナ小体のような比較的皮膚の浅いところに位置する感覚受容器が反応し得る物理的刺激を与えることができる触感提示装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する触感提示装置は、皮膚に接触する接触部を駆動する高分子アクチュエータを備え、その高分子アクチュエータに対する制御装置による電圧の印加を通じて同高分子アクチュエータで上記接触部を駆動し、その接触部の駆動により皮膚に対する触感の提示を行う。上記高分子アクチュエータは、印加される電圧の周波数が１〜３０Hzであるときに上記接触部を少なくとも１００μm変位させることが可能となるよう構成されている。

この構成によれば、高分子アクチュエータに対し１〜３０Hzという周波数の電圧を印加すると、高分子アクチュエータによって駆動される接触部が１〜３０Hzという低周波数領域で振動するとともに、同振動の振幅（変位量）が少なくとも１００μmとなり、そうした接触部の振動が皮膚に対し物理的な刺激として与えられる。これにより、皮膚におけるメルケル細胞及びマイスナ小体のような感覚受容器に対し、それらが反応し得る振動（物理刺激）を上記接触部によって与えることができる。なお、高分子アクチュエータは小さく且つ軽いため、触感提示装置を小型且つ軽量にすることができるとともに、高分子アクチュエータの重さが接触部の振動に影響を及ぼすことを抑制できるようにもなる。

なお、上記高分子アクチュエータは、印加される電圧の周波数が１〜１００Hzであるときに接触部を少なくとも１００μm変位させることが可能となるよう構成されていることが好ましい。

また、上記制御装置については、高分子アクチュエータに対し電圧を印加するとき、周波数１〜３０Hzで少なくとも１２００ｖの電圧を印加することが可能なものとすることが考えられる。

上記触感提示装置において、高分子アクチュエータは、皮膚に対し直交する方向に伸縮することにより、前記接触部を皮膚に対し直交する方向に変位させるよう駆動するものとすることが考えられる。

この構成によれば、高分子アクチュエータで駆動された接触部が皮膚に対して直交する方向に変位するため、高分子アクチュエータによる駆動を通じての接触部の振動（変位）を皮膚に対し物理的な刺激として与えやすくなる。

上記高分子アクチュエータは、誘電エラストマ層の表裏両面に設けられた導電ゴム層に対する電圧の印加を通じて前記誘電エラストマ層を厚さ方向に伸縮させるものであり、誘電エラストマ層及び導電ゴム層が厚さ方向に交互に重なるよう積層されているものとすることが考えられる。

上記構成によれば、誘電エラストマ層及び導電ゴム層を薄く形成できるため、それら誘電エラストマ層及び導電ゴム層を厚さ方向に交互に重なるよう積層したとしても、高分子アクチュエータが大型化することはないため、ユーザーが触感提示装置を身に付けて用いることができる。

なお、上記高分子アクチュエータの厚さ方向の長さについては、５cm以下とすることが考えられ、３cm以下とすることがより好ましい。
また、上記誘電エラストマ層は、他のエラストマより誘電率が高い架橋されたポリロタキサンによって形成されているものとすることが、装置の小型化、軽量化の面から望ましい。

上記触感提示装置において、上記接触部は、柔軟性を有していて皮膚に接するよう人体に取り付けられる基材における皮膚と反対側の面に高分子アクチュエータによって支持されるものであり、基材に形成された孔を貫通して皮膚に接触する軸部を備えるものとすることが考えられる。

また、上記接触部の軸部は、高分子アクチュエータに形成されて基材の孔と連通する別の孔も貫通するものとすることが考えられる。

本発明によれば、皮膚の感覚受容器のうちメルケル細胞及びマイスナ小体のような比較的皮膚の浅いところに位置する感覚受容器が反応し得る物理的刺激を与えることができる。

触感提示装置全体を示す略図。（ａ）及び（ｂ）は、図１のグローブを矢印Ａ−Ａ方向から見た状態を示す断面図。高分子アクチュエータの誘電エラストマ層並びに第１導電ゴム層及び第２郵電ゴム層を示す斜視図。第１導電ゴム層及び第２導電ゴム層に対し所定周波数の電圧を印加したとき、その周波数の変化に対する誘電エラストマ層の振幅（変位量）の変化を示すグラフ。メルケル細胞、マイスナ小体、ルフィニ終末、及びパチニ小体が反応し得る振動の振幅（変位量）の最小値であって、その振動の周波数の変化に対する上記最小値の変化を示すグラフ。

以下、触感提示装置の一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１に示す触感提示装置１は、ユーザー（人体）の手に装着されるグローブ２と、グローブ２の基布３に取り付けられている高分子アクチュエータ４と、高分子アクチュエータ４を制御する制御装置５と、高分子アクチュエータ４によって駆動される力覚提示アレイ６と、を備えている。なお、上記グローブ２の基布３は、柔軟性を有する材料によって形成されており、ユーザーの手の皮膚に接するよう人体に取り付けられる基材としての役割を担う。触感提示装置１は、制御装置５による高分子アクチュエータ４に対する電圧の印加を通じて同高分子アクチュエータ４で力覚提示アレイ６を駆動し、その力覚提示アレイ６の駆動によりユーザーの手の皮膚に対する触感の提示を行う。

図２は、図１のグローブ２を矢印Ａ−Ａ方向から見た状態を示す断面図である。図２から分かるように、力覚提示アレイ６は、グローブ２の基布３における皮膚と反対側の面に高分子アクチュエータ４によって支持されている平板部６ａと、同平板部６ａから基布３側に突出する軸部６ｂと、を供えている。高分子アクチュエータ４は、基布３と力覚提示アレイ６の平板部６ａとの間に位置しており、それら基布３及び平板部６ａに対し固定されている。また、力覚提示アレイ６の軸部６ｂは、高分子アクチュエータ４に形成されている孔７、及び、その孔７と連通するよう基布３に形成されている孔８を貫通してユーザーにおける手の皮膚に接触する。こうした軸部６ｂを備える力覚提示アレイ６は、皮膚に接触する接触部としての役割を担う。

高分子アクチュエータ４は、図３に模式的に示すように、多数の誘電エラストマ層９と、各誘電エラストマ層９の表裏に配置され正負の電極を構成する第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１とで構成されている。なお、高分子アクチュエータ４には、図中における最も上側に位置する第１導電ゴム層１０を隠蔽する保護層１２、及び、最も下側に位置する第２導電ゴム層１１を隠蔽する保護層１３が設けられている。

本実施形態では、厚さ約７mmのアクチュエータユニットを３つ積層した厚さ約２１mmの高分子アクチュエータ４を使用した。各アクチュエータユニットは、１００層の誘電エラストマ層９及び保護層１２，１３を厚さ約５０μmの架橋されたポリロタキサンで作成し、第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１を厚さ約２０μｍの導電性シリコンエラストマで作成したものである。

第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１に正負の電圧を印加すると、各誘電エラストマ層９は両導電ゴム層１０，１１により圧縮変形させられ、それによって図２（ａ）のように高分子アクチュエータ４が上記各層の積層方向に縮む。また、上記電圧の印加を中止すると、誘電エラストマ層９が復元し、図2（ｂ）のように高分子アクチュエータ４は元の厚さに戻る。この一連の動作を周期的に行えば、軸部６ｂを介して、皮膚が振動される。

こうした高分子アクチュエータ４に対する電圧の印加は、図１に示す制御装置５を通じて行われる。制御装置５は、印加電圧の大きさを時間に基づく変化量とした矩形波のデータを記憶部５ａに持っており、このデータに基づき第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１に静的又は周期的に電圧を印加する。そして、本実施形態の制御装置５は、少なくとも１Hzから１００Hzに亘り、少なくとも最大１２００ｖの矩形波を出力できるものとなっている。

高分子アクチュエータ４で力覚提示アレイ６（軸部６ｂ）を駆動して皮膚を物理的に刺激することにより、皮膚の感覚受容器（受容細胞）に対し擬似的に物に触れている感覚である触覚や物に圧されている感覚である圧覚が与えられる。ちなみに、このときのユーザーの手の皮膚に対し提示される触感は、制御装置５の記憶部５ａに記憶されている上記矩形の波形データに対応したものとなる。従って、制御装置５の記憶部５ａに記憶されている上記波形データを書き換えることにより、触感提示装置１によってユーザーの手の皮膚に対し提示される触感を変えることができる。

なお、記憶部５ａに上記矩形波のデータを持たせる代わりに、軸部６ｂの移動量を時間に基づく変化量としたデータを持たせ、そのデータに対応した軸部６ｂの移動量を得るための電圧を逐次算出し、同算出された電圧を第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１に対し印加するようにしてもよい。

図４は、本実施形態で用いた１００層の誘電エラストマ層９を有するアクチュエータユニットに、１２００ｖの矩形波を、０．１Hz、１Hz、１０Hz、２０Hz、３０Hz、１００Hzの各周波数にて印加した時の変位量(振幅)をプロットしたものである。本実施形態では、このアクチュエータユニットを３つ積層させた高分子アクチュエータ４を用いているので、約２１mmの薄さで、０．１Hz〜１００Hzに亘り、最大１２００ｖの印加電圧で、皮膚との接触している軸部６ｂに１００μm以上の振幅を与えることができる。従って、本実施形態では、軸部６ｂの振動を、メルケル細胞やマイスナ小体を介して触感として提示することができる。

なお、高分子アクチュエータ４は小さく且つ軽いため、触感提示装置１を小型且つ軽量にすることができるとともに、高分子アクチュエータ４の重さが力覚提示アレイ６の振動に影響を及ぼすことを抑制できるようにもなる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す作用効果が得られるようになる。
（１）高分子アクチュエータ４によって駆動される力覚提示アレイ６が０．１Ｈz〜１００Hzに亘って１００μm以上という振幅で振動し、そうした力覚提示アレイ６の振動が皮膚に対し物理的な刺激として与えられる。このときの力覚提示アレイ６の振動は、皮膚におけるメルケル細胞及びマイスナ小体が反応し得る振動（図５に斜線で示す領域での振動）となる。このため、皮膚におけるメルケル細胞及びマイスナ小体に対し、それらが反応し得る物理刺激を触感提示装置１を用いて与えることができる。

（２）高分子アクチュエータ４は、誘電エラストマ層９の表裏両面に設けられた第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１に対する電圧の印加を通じて誘電エラストマ層９を厚さ方向、言い換えれば皮膚に対し直交する方向に伸縮させ、その伸縮によって力覚提示アレイ６をユーザーの手の皮膚に対し直交する方向に変位させるものである。この場合、高分子アクチュエータ４で駆動された力覚提示アレイ６が皮膚に対して直交する方向に変位するため、高分子アクチュエータ４による駆動を通じての力覚提示アレイ６の振動（変位）を皮膚に対し物理的な刺激として与えやすくなる。

（３）高分子アクチュエータ４は、誘電エラストマ層９の表裏両面に設けられた第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１に対する電圧の印加を通じて誘電エラストマ層９を厚さ方向に伸縮させるものであり、誘電エラストマ層９並びに第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１が厚さ方向に交互に重なるよう積層されている。この場合、誘電エラストマ層９並びに第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１を薄く形成できるため、それら誘電エラストマ層９並びに第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１の組を厚さ方向に積層したとしても、高分子アクチュエータ４が大型化することはないため、ユーザーが触感提示装置１を身に付けて用いることができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・触感提示装置１は、ユーザーの手に装着するグローブ型のものに限らず、例えばユーザーが手で握る棒状のタイプのものや、固定された基台上に配置されて、その上に手を載せる据え置きタイプであってもよい。

・触感提示装置１は、車両のハンドル等に取り付けられるものであってもよい。この場合、触感提示装置１によるユーザーの手の皮膚に対する触感の提示を、ユーザーに対する警告や報知に用いることができる。

・制御装置５は、高分子アクチュエータ４に対し少なくとも１２００ｖの電圧を印加することが可能なものとしたが、その印加可能な電圧の値を適宜変更してもよい。
・高分子アクチュエータ４における誘電エラストマ層９並びに第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１の厚さ方向の長さを適宜変更してもよい。この場合、高分子アクチュエータ４における上記厚さ方向についての長さを５cm以下とすることが好ましく、３３cm以下とすることがより好ましい。

・高分子アクチュエータ４とは別に力覚提示アレイ６を駆動する偏心モータ等を設け、その偏心モータ等によって１００Hz以上といった高周波数領域での力覚提示アレイ６の駆動（振動）を実現するようにしてもよい。

・物品を持ったりする力の作用によって誘電エラストマ層９が厚さ方向に伸縮したとき、導電ゴム層１０，１１間で生じる静電容量の変化に基づき上記力の作用を検知するセンサとして、触感提示装置１を用いるようにしてもよい。

１…触感提示装置、２…グローブ、３…基布、４…高分子アクチュエータ、５…制御装置、５ａ…記憶部、６…力覚提示アレイ、６ａ…平板部、６ｂ…軸部、７…孔、８…孔、９…誘電エラストマ層、１０…第１導電ゴム層、１１…第２導電ゴム層、１２…保護層、１３…保護層。

図５において、皮膚の比較的深い位置にあるルフィニ終末及びパチニ小体が反応し得る振動の振幅の最小値の推移（Ｌ３、Ｌ４）から分かるように、それら推移の最小値は比較的小さい。一方、図５において、皮膚の比較的浅い位置にあるメルケル細胞及びマイスナ小体が反応し得る振動の振幅の最小値（Ｌ１、Ｌ２）から分かるように、それらの推移の最小値は比較的大きい。触感提示装置においては、皮膚に対し提示する触感の多様性を確保する観点から、各種の感覚受容器に対しそれぞれ反応し得る物理的な刺激（振動）を与えることが望まれており、特にメルケル細胞及びマイスナ小体のような比較的皮膚の浅いところに位置する感覚受容器が反応し得る振動を与えることが望まれている。

触感提示装置全体を示す略図。（ａ）及び（ｂ）は、図１のグローブを矢印Ａ−Ａ方向から見た状態を示す断面図。高分子アクチュエータの誘電エラストマ層並びに第１導電ゴム層及び第２導電ゴム層を示す断面図。第１導電ゴム層及び第２導電ゴム層に対し所定周波数の電圧を印加したとき、その周波数の変化に対する誘電エラストマ層の振幅（変位量）の変化を示すグラフ。メルケル細胞、マイスナ小体、ルフィニ終末、及びパチニ小体が反応し得る振動の振幅（変位量）の最小値であって、その振動の周波数の変化に対する上記最小値の変化を示すグラフ。

図２は、図１のグローブ２を矢印Ａ−Ａ方向から見た状態を示す断面図である。図２から分かるように、力覚提示アレイ６は、グローブ２の基布３における皮膚と反対側の面に高分子アクチュエータ４によって支持されている平板部６ａと、同平板部６ａから基布３側に突出する軸部６ｂと、を備えている。高分子アクチュエータ４は、基布３と力覚提示アレイ６の平板部６ａとの間に位置しており、それら基布３及び平板部６ａに対し固定されている。また、力覚提示アレイ６の軸部６ｂは、高分子アクチュエータ４に形成されている孔７、及び、その孔７と連通するよう基布３に形成されている孔８を貫通してユーザーにおける手の皮膚に接触する。こうした軸部６ｂを備える力覚提示アレイ６は、皮膚に接触する接触部としての役割を担う。

・制御装置５は、高分子アクチュエータ４に対し少なくとも１２００ｖの電圧を印加することが可能なものとしたが、その印加可能な電圧の値を適宜変更してもよい。
・高分子アクチュエータ４における誘電エラストマ層９並びに第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１の厚さ方向の長さを適宜変更してもよい。この場合、高分子アクチュエータ４における上記厚さ方向についての長さを５cm以下とすることが好ましく、３cm以下とすることがより好ましい。

Claims

皮膚に接触する接触部を駆動する高分子アクチュエータを備え、その高分子アクチュエータに対する制御装置による電圧の印加を通じて同高分子アクチュエータで前記接触部を駆動し、その接触部の駆動により前記皮膚に対する触感の提示を行う触感提示装置において、
前記高分子アクチュエータは、印加される電圧の周波数が１〜３０Hzであるときに前記接触部を少なくとも１００μm変位させることが可能となるよう構成されている
ことを特徴とする触感提示装置。
前記高分子アクチュエータは、印加される電圧の周波数が１〜１００Hzであるときに前記接触部を少なくとも１００μm変位させることが可能となるよう構成されている請求項１に記載の触感提示装置。
前記制御装置は、前記高分子アクチュエータに対し電圧を印加するとき、周波数１〜３０Hzで少なくとも１２００ｖの電圧を印加することが可能なものである請求項１に記載の触感提示装置。
前記高分子アクチュエータは、皮膚に対し直交する方向に伸縮することにより、前記接触部を皮膚に対し直交する方向に変位させるよう駆動するものである請求項１〜３のいずれか一項に記載の触感提示装置。
前記高分子アクチュエータは、誘電エラストマ層の表裏両面に設けられた導電ゴム層に対する電圧の印加を通じて前記誘電エラストマ層を厚さ方向に伸縮させるものであり、前記誘電エラストマ層及び前記導電ゴム層が厚さ方向に交互に重なるよう積層されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の触感提示装置。
前記高分子アクチュエータの前記厚さ方向の長さが５cm以下とされている請求項５に記載の触感提示装置。
前記高分子アクチュエータの前記厚さ方向の長さが３cm以下とされている請求項６に記載の触感提示装置。
前記誘電エラストマ層は、架橋されたポリロタキサンによって形成されている請求項５〜７のいずれか一項に記載の触感提示装置。
前記接触部は、柔軟性を有していて前記皮膚に接するよう人体に取り付けられる基材における前記皮膚と反対側の面に前記高分子アクチュエータによって支持されるものであり、前記基材に形成された孔を貫通して前記皮膚に接触する軸部を備えている請求項５〜８のいずれか一項に記載の触感提示装置。
前記接触部の軸部は、前記高分子アクチュエータに形成されて前記基材の孔と連通する別の孔も貫通している請求項９に記載の触感提示装置。