JP3402649B2 - 触覚呈示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直接触れることができ
ない対象物を操作する場合に、その対象物の触覚情報を
操作者の触覚器官に呈示する触覚呈示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】操作者が直接触れることが出来ない微細
対象物や極限環境にて作業を行う装置であって、操作者
が操作を行う操作部と、それによってマニピュレータ等
が対象物に対して直接作業を行う動作部の２つの部分に
大きく分類され、その対象物を間接的に取り扱う操作装
置として例えば以下のようなものが存在する。

【０００３】図１は顕微鏡に設置して用いられるマイク
ロマニピュレータを示す図で、（ａ）は全体を示す図で
あり、（ｂ）は部分拡大図である。

【０００４】本拡大図は、受精卵等の微細な細胞をピペ
ットによって吸引して固定しておき、刺針によって細胞
内に試薬を注入したり、異なる遺伝情報を持った遺伝子
を注入する状況の概略を示したものである（計測と制
御；Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．９Ｐ３２−３８ 細胞微細操
作：鹿野 参照）。

【０００５】当該顕微鏡は、顕微鏡本体１ａに細胞１ｂ
を固定するピペット１ｃ及び、その対象物に対して作業
を行う刺針１ｄとが操作可能に取り付けられている。

【０００６】顕微鏡本体１ａには、前記ピペット１ｃ及
び刺針１ｄをそれぞれ手元で操作するためのジョイステ
ィック１ｅ，１ｆが取り付けられている。

【０００７】そして、細胞１ｂを顕微鏡で観察しながら
ピペット１ｃ及び刺針１ｄとをジョイスティック１ｅ，
１ｆを操作することにより、把持、切断、注入等の作業
を行う。

【０００８】上記の作業は、細胞や生体高分子等の操作
技術として、近代のバイオテクノロジーの研究にはなく
てはならない支援技術といえる。

【０００９】また、図２はロボットのマニピュレータシ
ステムを示す図で、センサを備えた複数の関節２ａ及び
処置部２ｂを有するスレイブアーム２ｃと、このスレイ
ブアーム２ｃの構成に対応して、センサを備えた複数の
関節２ｄ及び処置部２ｅを有するマスタアーム２ｆと、
このマスタアーム２ｆと操作者の腕の動作自由度の整合
を採るため、マスタアーム２ｆに操作者の腕を固定する
ように設けられた固定部材２ｇ、及びマスタアーム２ｆ
の動作とスレイブアーム２ｃの動作が同じになるよう処
置を行う信号処理回路を含む制御系２ｈより構成されて
いる（機械技術研究所所報；Ｖｏｌ．４６（１９９
２），Ｎｏ．２Ｐ１７０−１８２ インピーダンス制御
型マスタ・スレーブ・システム−基本原理と伝送遅れへ
の応用−：館、榊 参照）。

【００１０】操作者がマスタアーム２ｆに腕を固定し、
任意に操作することによりその動作状態がセンサの情報
を制御し、対応するスレイブアーム２ｃを駆動する。

【００１１】そして、操作者の動作をマスタアーム２ｆ
を介してスレイブアーム２ｃで再現し、また、スレイブ
アーム２ｃが受ける外力をマスタアーム２ｆを介して操
作者が直接力として受ける。

【００１２】上記のような、一連のマニピュレータシス
テムは、ロボットのマニピュレータシステムを始めとし
て現在数多く発表されている。

【００１３】ところで、上記したような従来の装置に於
ては、以下のような問題点が存在する。

【００１４】まず、図１の従来例に於て動作部が試料に
正確に接触しているか否かの情報は、動作部の動作は３
次元であるにもかかわらず、顕微鏡の観察画像は２次元
的で奥行き方向の情報は像のピント情報でしか得られな
いために、観察画像からでは動作部がどのような状況で
対象物に接触しているか等の判断には相当な技術が要求
され、熟練者しか使用できないような状況が現実には存
在する。

【００１５】更に、医療やバイオ分野等の研究対象は細
胞から細胞内物質へ、より微細なものへと変化してきて
いる。

【００１６】これにより対象物の観察及び操作部位はま
すます微小化する傾向にあり、これに伴ってマニピュレ
ータの操作も、より高度で正確な操作が要求されるよう
になってきた。

【００１７】また、図２のロボットマニピュレータに関
しては、これらの対象物の把持時に抵抗感が増加するこ
とにより、把持を認識するもので、対象物の硬さ、柔ら
かさ等の情報をマスタに表現するといったような通常の
人間が物体を把持する場合に得る状況を再現しようとす
るものではないため、対象物の搬送等のおおまかな動作
時にはこのレベルの感覚表示で十分であるが、精密で微
細な動作や判断が要求されるマイクロマニピュレータ等
に於ては、抵抗感の表示による操作性向上や把持対象の
正確な認識を望むには不十分である。

【００１８】このように、上述のような従来の操作装置
は操作時に対象物、或は組織に動作部のマニピュレータ
がどのような状況で接触しているのか、或は、対象物を
どれくらいの力量で把持しているのかという、接触もし
くは把持状態を認識すること、及び対象物の表面粗さや
表面温度等の各種の接触情報を得ることはできなかっ
た。

【００１９】つまり、従来例においては、対象物に対す
る触覚情報や把持状態、対象物の表面粗さや表面温度等
の各種の触覚情報を操作者にフィードバックすることは
行なわれておらず、そのため、人間の触覚に基づく微妙
でかつ正確な操作を行なうことは不可能であった。

【００２０】このような状況から鑑みて、本発明者ら
は、上記問題を解決するため、以下に示すような装置の
提案を行なった（特願平５−７１９６号）。

【００２１】それは、操作者が自分の手によって、あた
かも実際に対象を操作しているような感覚を操作者に触
覚として伝達することにより、現状で問題となっている
操作の乖離感を無くして装置の機能向上と、より正確で
操作性の良い装置を提供することを目的とした触覚呈示
装置に関して、そのシステムと、特に触覚呈示部、デバ
イス構造についてである。

【００２２】その提案の中では、本発明者らは図３に示
すような台座３ａ、コイル３ｂ、磁石３ｃ、ストッパ３
ｄ、触覚呈示部３ｅから構成された電気−機械変換トラ
ンスデューサを提案した。

【００２３】これは触覚呈示部３ｅをコイル３ｂと磁石
３ｃで構成されたボイスコイルを用いて、人間の触覚の
時間応答限界以上の周波数で駆動し、触覚呈示部３ｅ上
に置いた操作者の指先に、対象の硬さ、柔らかさの情報
を伝達し、且つ、ボイスコイルに流れる電流量を変化さ
せることによって、触覚呈示部３ｅの保持力を変化させ
対象を潰すような力をかけた場合の対象からの反発力を
も伝達して、操作者が自分の手によって、あたかも実際
に対象を操作しているような感覚を得ることが可能にな
った。

【００２４】

【発明が解決すべき課題】しかし、上記の既提案の触覚
呈示装置では、対象の硬さ、柔らかさ、反力感といった
知覚しか伝達できず、滑べり感や表面粗さ等の表面情報
を操作者に伝達することは、その構成上不可能であっ
た。

【００２５】また、滑べり感や表面粗さ等の表面情報
も、人間が物を把持し、操作する時の重要な制御パラメ
ータである。

【００２６】つまり、通常人間が物を把持、操作する時
にかける力の最適化は、対象が指先を滑べる感覚をも含
めてフィードバックして決定されている。

【００２７】そのため、対象とその操作に見合った操作
力を決定するためには、滑べり感や表面情報を伝達する
ことも大変重要である。

【００２８】本発明は、操作者が対象物を最適な操作力
で操作、あるいは判断できるように、滑べり感や表面粗
さ等の表面情報を含めて、操作者に触覚情報を伝達する
ことにより、操作者が自分の手によってあたかも実際に
対象物を操作しているかのような感覚を得ることができ
るため、現状で問題となっている操作の乖離感を無くし
て装置の操作性の向上を図り、より正確で操作性の良い
触覚呈示装置を提供することを目的とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題を解決するために、操作者が接触するための表面を有
する伝達部材と、進行波または定在波の少なくとも一方
を生じさせる手段とを具備し、対象物との接触情報を操
作者に伝達する触覚呈示装置において、 前記進行波若し
くは定在波の一方、またはこれらの混在したものを前記
伝達部材に伝達させ、前記進行波または定在波の波の頂
点の変位の振幅または方向を変えることによって、前記
伝達部材上に接触した操作者に前記対象物の触覚情報を
伝達することを特徴とする触覚呈示装置が提供される。
また、本発明によると、前記進行波または定在波を生じ
させる手段は、対を成す圧電素子であることを特徴とす
る触覚呈示装置が提供される。 また、本発明によると、
前記操作者が接触するための前記伝達部材の表面または
同部材の裏面に溝が形成されていることを特徴とする触
覚呈示装置が提供される。先ず、本発明に至る経緯とそ
の原理的背景について説明する。

【００３０】本発明者らは、前述の既提案で対象の硬
さ、柔らかさの伝達が可能な触覚呈示装置を提案した
が、この提案の中にて、操作者に伝達する知覚は指先に
対して垂直な方向の触覚である。

【００３１】それに対し、滑べり覚や表面状態の認識
は、指先の皮膚面に沿った方向の知覚であり、且つ、こ
の知覚は面内で方向性を持つことに着目し、この２つの
条件を満足して、情報伝達できる有効な手法を種々検討
した結果、弾性板を伝達媒体とした進行波あるいは定在
波を用いることが有効であることに気が付いた。

【００３２】図４は進行波及び、定在波による表面の質
点の変位状況を示した図である。

【００３３】進行波の頂点は、進行波の進行方向と逆向
きに回転する楕円軌跡を描きながら進行しているのであ
るが、この楕円軌跡の頂点は常に同方向に変位し、進行
波の進行方向と逆向きの力を発生しているので、楕円軌
跡の頂点に配置されたものはこの力を受けて移動する。

【００３４】そのため、この楕円軌跡の頂点に指先を置
くと、指先は進行波の伝播に伴い伝播方向と逆方向に動
かされる。

【００３５】この時、意図的に指の移動を防いで固定し
ていれば、指先を順次、進行波が伝播していくため、指
先を物体が滑べっていくような感覚を知覚することがで
きる。

【００３６】これに対して定在波は、進行波と異なり波
の振幅方向にしか力を発生しない。

【００３７】そのため、この波の頂点に指をおいても移
動させられることは無いが、代わりに垂直方向の力を受
けることにより、表面の粗い、ざらざらしたものに触れ
ているような感覚を知覚することができる。

【００３８】上記課題を解決するため、本発明の触覚呈
示装置は、図５に示すように触覚呈示デバイス部５ａと
それを動作させる駆動回路部５ｂから構成される。

【００３９】触覚呈示デバイス部５ａは圧電素子５ａ１
と、その圧電素子５ａ１の振動を伝達する伝達部材５ａ
２とから構成されて、圧電素子５ａ１の加振により伝達
部材５ａ２の表面に励起される進行波によって滑べり感
を、あるいは定在波、または定在波の混在した進行波を
操作者の指先に呈示させることにより、操作対象物の表
面粗さ等の表面情報を操作者に伝達させることによっ
て、対象の材質感を認識し操作性を向上させる。

【００４０】なお、駆動回路部５ｂは一例としてセンサ
５ｃからの信号を処理する処理回路５ｂ１と、この処理
回路５ｂ１に発振回路５ｂ２と位相調整回路５ｂ３を介
して結合される選択回路５ｂ４とを含み、この選択回路
５ｂ４からの出力により圧電素子５ａ１，５ａ１を駆動
する。

【００４１】進行波の励起方法について超音波モータを
例にして以下説明する。

【００４２】図６は一般的な超音波モータを構成する圧
電素子の分極状態を示す図である。

【００４３】超音波モータのステータは通常図示のよう
に、分極方向が＋／−／＋／−…のように交互に逆向き
になるように、リング状圧電体を分極するか、または分
極した複数の圧電素子を分極方向が互いに逆向きになる
ように配置される。

【００４４】このような配置において、分極方向が互い
に逆向きになった隣合う１組を１波長に対応させる。

【００４５】そして、１８０°異なる位置に各々、３／
４λ、１／４λ長の未分極６ａ，６ｂを配し、これらを
結んだ中心線に対して対称に分極体をｎλ個ずつ配置す
る。

【００４６】但し、分極の向きは、円周方向に分極方向
が交互に逆向きになるように連続的に配置する。

【００４７】このような分極配置のうち、３／４λ、１
／４λ未分極部６ａ，６ｂを間に挟んだ左半分の振動板
に接していない面を同じく図７のように別の電極で被
い、これを一方の片側共通電極７ａとし、右半分の振動
板に接していない面を同じく図７のように別の電極で被
い、これを他の片側共通電極７ｂとする。

【００４８】そして、片側の振動板の電極７ｃはもう一
方の振動板と導通させ、全ての圧電素子のアース側電極
として共通化している。

【００４９】以上のような構造体への電気信号入力端子
は、図７に示すように３端子ａ，ｂ，ｃを有する構造と
なる。

【００５０】このような分極配置、電極配置を有した構
造体を駆動する場合には、端子ａ−ｃ間とｂ−ｃ間を互
いにπ／２位相差を有し、λ及び、円環の内、外径、厚
み、圧電セラミックスと振動板の平均弾性定数、密度で
決定される固有振動数ωを有する電気信号を入力する。
今、端子ａ−ｃ間に印加する電圧を Ｖ₀ ｓｉｎωｔ とすると、端子ｂ−ｃ間には Ｖ₀ ｃｏｓωｔ なる電圧が印加されることになる。一方、進行波による
円環状のある点の変位ｙは一般に ｙ＝Ａｓｉｎ（ｃｐ−ωｔ）…（１） で表される。ここでＡは最大変位量、ｃは２π／λ、ω
は固有周波数、ｐは円環状のある点の位置を示してい
る。

【００５１】（１）式より、 ｙ＝Ａｓｉｎ２π／λｐｃｏｓωｔ＋Ａｓｉｎ（２π／λｐ−π／２）ｓｉｎ ωｔ…（２） となる。

【００５２】従って、 ｙ₁ ＝Ａｓｉｎ２π／λｐｃｏｓωｔ なる振動と ｙ₂ ＝Ａｓｉｎ２π／λ（ｐ−λ／４）ｓｉｎωｔ なる振動を、点ｐにおいて重ね合わせれば進行波が得ら
れることになる。

【００５３】時間項ｓｉｎωｔとｃｏｓωｔは、点ｐに
おいて位相がπ／２ずれた振動であり、またｓｉｎ２π
ｐ／λとｓｉｎ２π／λ（ｐ−λ／４）は位置的にλ／
４ずらすことを意味している。

【００５４】図６に於て、電極配置がλ／４、３λ／４
の未電極部を有しているのは以上の理由によっている。

【００５５】以上のように電極配置をλ／４ずらすこ
と、及び電気的入力信号をπ／２ずらすことによって進
行波が得られる。

【００５６】次に、このような進行波励起状態において
ステータ表面の各点が、進行波の進行方向変位成分ｘｐ
と、表面に垂直な変位成分ｙｐとに於て、図８に示すよ
うな楕円軌跡を描くことについて説明する。

【００５７】進行波の振動は圧電セラミックスと金属板
の張り合わせによる屈曲振動によって得られる波動であ
るが、その屈曲が板厚方向に沿って同等の屈曲をするも
のであると、表面点ｐの変位成分ｙ_p は ｙ_p ＝Ａｓｉｎ（２π／λπｘ_p −ωｔ）−ｅ（１−ｃｏｓθ_p ）…（３） と表される。

【００５８】ただし、ここでθ_p は点ｐにおける環状体
の中立軸に垂直な軸とｘ軸とのなす角、ｅは板厚の１／
２である。

【００５９】今、θ_p ≠０であり、従って（３）式は ｙ_p ≒Ａｓｉｎ（２π／λｘ_p −ωｔ）…（４） となる。

【００６０】また、変位成分ｘ_p はθ_p ≒０として ｘｐ＝ｅｓｉｎθ_p ≒ｅθ_p であるが、（４）式より θ_p ＝ｄｙ_p ／ｄｘ_p ＝ＡＣｃｏｓ（２π／λｘ_p −ωｔ） ｘ_p ＝ＡＣｅｃｏｓ（２π／λ_tp−ωｔ）…（５） となる。

【００６１】したがって（４）、（５）式より （λｘ_p ／２Ａｅπ）² ＋（ｙ_p ／Ａ）² ＝１…（６） となり、楕円軌跡を描くことがわかる。

【００６２】そして、この楕円軌跡の頂点は常に同方向
に向って変位しているので、楕円軌跡の頂点に配置され
たものは移動することになる。

【００６３】通常の超音波モータでは、この楕円軌跡の
頂点にロータを設置してロータを移動させるが、ロータ
のかわりに指先を置いても同様で、指先は進行波の伝播
に伴い、伝播方向と逆方向に動かされる。またこの時に
意図的に指を動かさないで、固定していれば、指先を順
次進行波が伝播していくため、指先を物体が滑べってい
くような感覚を知覚することができる。

【００６４】以上の説明は、回転型の超音波モータに関
してのものであるが、リニア型の超音波モータに於いて
も同様のことがいえる。

【００６５】また、機械的に上述と同様の構成を取れ
ば、形状としては、円盤状に限らず、棒状あるいは板状
の形状を採用しても、ステータ上に進行波を形成するこ
とが可能である。

【００６６】次に、他の構造にて進行波を発生する例に
ついて、ランジュバン振動子を用いた超音波モータを例
にして説明する。

【００６７】図９は、ランジュバン振動子を用いた超音
波モータの一例を示した図で、９ａ，９ｂはランジュバ
ン振動子であり、このランジュバン振動子を振動させ、
伝達部材９ｃに進行波を発生させることによって可動子
９ｄを移動させる。

【００６８】リニア型の超音波モータは、このように振
動を発生させるデバイスとその振動によって発生する進
行波を伝達する弾性体から簡単に構成できる。

【００６９】しかし、上記の回転型の超音波モータと異
なり、ステータである弾性体に端を持つため、その端部
で進行波が反射せず、吸収されて、順次伝達される進行
波の波動を妨げないようにしなければならない。

【００７０】この問題は片側のランジュバン振動子の振
動の位相を進行波に合わせて駆動することで解決でき
る。

【００７１】今、仮に、９ａから９ｂ方向に伝達部材９
ｃ上に進行波を伝播させる場合には、９ｂの振動子は９
ａによって発生した進行波と同位相、同周期で振動させ
ることによって、見かけ上、進行波が吸収されるように
なり、９ａからの進行波の伝播を妨げることなく、波の
伝達を連続的に持続することができる。

【００７２】逆に位相、周期が進行波と合わなければ、
進行波は伝達部材の端部で反射してしまい、次々に伝播
される進行波と干渉して定在波が部分的に発生し、進行
波と定在波が混在したようなランダムな波形になるた
め、この場合に伝達部材に指先を置いた場合は、指先は
動かされることはなく、変わりにランダムな変位を指先
に受けることで、表面の粗い、ざらざらしたものに触れ
ているような感覚を受けることになる。

【００７３】この進行波あるいは、定材波の励起は単独
あるいは別々に励起できるため、滑べり感、表面粗さの
呈示に非常に有効である。

【００７４】更に、上記の手段と本発明者らによる前述
の既提案における電気−機械変換トランスデューサを用
いた触覚呈示機構を組み合せることによって、対象の表
面情報のみならず、対象の変形に対する反発力の情報で
ある硬さ、柔らかさの情報も同時に操作者に伝達するこ
とができる。

【００７５】

【作用】以上のような手段により、本発明では検出手段
が対象物に接触した場合、その対象物との接触状態を検
出してその接触状態信号を出力し、接触状態信号を信号
処理手段によって接触状態に基づく対象物の滑ベリ感や
表面粗さ、硬さ、柔らかさ等の各種の触覚情報に変更す
る信号処理を行ない、その信号に応じて本発明の触覚呈
示表置を駆動することによって、触覚情報を操作者に伝
達して、対象物と接触した場合の接触状態と対象物の特
徴を操作者に知覚させる。すなわち、本発明は、従来呈
示することができなかった触覚、滑べり感などを呈示す
るために、具体的には、図４に示されているように、操
作者が接触する伝達部材の表面を変位させる（複数の頂
点（谷）を形成する）。 このために、本発明は、圧電素
子で発生され、伝達部材を伝播される進行波または定在
波を制御することによって、上記変位の振幅や変位の方
向を変え、対象物の表面の滑べり感や粗さを擬似的に再
現し、この滑べり感などの触覚を呈示することを可能と
している。

【００７６】

【実施例】以下図面に従って本発明に係わる触覚伝達装
置の実施例を詳細に説明する。

【００７７】図１０は本発明の第１実施例を示す図であ
る。

【００７８】１０ａは進行波の伝達部材である振動板、
１０ｂ，１０ｃはそれぞれ進行波を発生させる圧電素子
を示す。

【００７９】このような構成を採り、１０ｂを発振用の
圧電素子、１０ｃを吸振用の圧電素子として、圧電素子
１０ｂの駆動によって、伝達部材１０ａを伝播する波と
位相の整合を採るように駆動することによって、伝達部
材１０ａの表面には進行波が伝播し、その表面は楕円軌
跡を描く変位を示す。

【００８０】この時、伝達部材１０ａの表面に指先を接
触させると、上記の楕円軌跡の波頭の接線力の影響をう
けて、指は、１０ｂから１０ｃの方向へ動かされる。

【００８１】ここで指を動かさずに固定していれば、指
先を進行波が伝播してゆき、指先には波の伝播の感触だ
けが伝わる。

【００８２】この楕円軌跡の回転速度は、圧電素子１０
ｂにかける印加電圧と周波数によって可変でき、その楕
円軌跡の回転速度を変えることにより指が受ける滑らか
さの知覚を変えることができる。

【００８３】また、吸振用の圧電素子１０ｃを、伝達部
材１０ａを伝播する波と位相の整合を採るように駆動せ
ずに適当な位相で駆動したり、駆動周波数をずらしたり
すると、伝達部材１０ａ上を伝播する波は進行波と定在
波が混在したような形となり、表面変位の振幅、変位方
向はランダムとなる。

【００８４】この状態で指先を伝達部材１０ａ上に接触
させると、指先には、ランダムな力が伝達され、操作者
は粗い面に指先を接触させているように知覚する。

【００８５】図１１は本発明の第２実施例を示す図であ
る。

【００８６】１１ａは進行波の伝達部材である振動板、
１１ｂ，１１ｃはそれぞれ進行波を発生させる圧電素子
を示す。

【００８７】本実施例の駆動原理は上記第１実施例と同
様であるが、振動板１１ａには、圧電素子１１ｂ，１１
ｃを結んだ方向と直交する方向つまり、進行波の伝播方
向に対して直角方向に溝が切ってある。

【００８８】このような構成をとることによって、進行
波の伝播方向を、圧電素子１１ｂ，１１ｃを結んだ方向
に正確に合わすことができる。

【００８９】また、この構造体としての振動モードを溝
を切ることによって最適化し、不必要なモード成分が発
生しないようにすることが可能となるため効率良く進行
波を伝播することが可能となる。

【００９０】このため、この実施例によれば明瞭な滑べ
り感あるいは表面情報等の伝達が可能となる。

【００９１】図１２は本発明の第３実施例を示す図であ
る。

【００９２】１２ａは進行波の伝達部材である振動板、
１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅはそれぞれ進行波を発
生させる圧電素子を示す。

【００９３】１２ｄ，１２ｅの圧電素子は１２ｂ，１２
ｃの圧電素子の配置と直角になるように配置されてい
る。

【００９４】このように構成して１２ｂ，１２ｄを発振
用の圧電素子、１２ｃ，１２ｅを吸振用の圧電素子と
し、１２ｂ，１２ｃを組に１２ｄ，１２ｅを組にして進
行波を伝達させることにより、伝達部材１２ａ上を伝播
する進行波は９０°角度の違う２種類の波を構成するこ
とが可能になる。

【００９５】これによって、第１実施例で示した、滑べ
る感覚は指先に対して縦方向あるいは、横方向なのかの
差異までも知覚することが可能になる。

【００９６】図１３は本発明の第４実施例を示す図であ
る。

【００９７】１３ａは進行波の伝達部材である振動板、
１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅはそれぞれ進行波を発
生させる圧電素子を示す。

【００９８】本実施例の駆動原理は上記第３実施例と同
様であるが、振動板１３ａには、圧電素子１３ｂ，１３
ｃを結んだ方向、及び圧電素子１３ｄ，１３ｅを結んだ
方向、つまり、それぞれの進行波の伝播方向に対して直
角方向にそれぞれ溝が切ってある。

【００９９】このような構成をとることによって、進行
波の伝播方向を、圧電素子１３ｂ，１３ｃを結んだ方
向、あるいは圧電素子１３ｄ，１３ｅを結んだ方向に正
確に合わすことができる。

【０１００】また、この構造体としての振動モードを溝
を切ることによって最適化し、不必要なモード成分が発
生しないようにすることが可能となるため効率良く進行
波を伝播することが可能となる。

【０１０１】このため、この実施例によれば明瞭な滑べ
り感あるいは表面情報等の伝達が可能となる。

【０１０２】図１４は本発明の第５実施例として、第４
実施例をさらに拡張して構成した場合を示す図である。

【０１０３】１４ａは進行波の伝達部材である振動板、
１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１
４ｈ，１４ｉは圧電素子を示す。

【０１０４】振動板１４ａにはあらかじめ進行波を正確
に伝播させる作用を持つ溝が切られている。

【０１０５】また、圧電素子１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，
１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉはそれぞれの
振動が、隣合う圧電素子によって影響を受けないよう互
いに離して設置されている。

【０１０６】本構成では、圧電素子１４ｂと１４ｆ、１
４ｃと１４ｇ、１４ｄと１４ｈ、１４ｅと１４ｉが組に
なっており、それぞれ発振側の圧電素子、吸振側の圧電
素子として機能して進行波を伝播させる。

【０１０７】それぞれの組は４５°ずつずれているため
本構成をとることによって、４方向の滑べり感を知覚す
ることが可能であり、且つ、それぞれの組の圧電素子の
振動位相を全く逆転させて、発振側と吸振側を入れ替え
ることによって、合計８方向の滑べり感を知覚すること
が可能である。

【０１０８】なお、この逆転は本発明で示す全ての実施
例で可能である。

【０１０９】本実施例では計８個の圧電素子で４組の発
振−吸振の組み合わせを構成した例を示したが、圧電素
子を個数を増やして、発振−吸振の組を増やすことによ
って、より多方向の滑べり感の知覚が可能となる。

【０１１０】図１５は本発明の第６実施例として、第５
実施例を応用して構成した場合を示す図である。

【０１１１】１５ａは進行波の伝達部材である振動板、
１５ｂは圧電素子を示す。

【０１１２】圧電素子１５ｂは図１６に示すように配置
され、１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ，１６ｇ，１６
ｈ，１６ｉ，１６ｊはそれぞれ進行波を発生させる圧電
素子を示す。

【０１１３】また、圧電素子１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，
１６ｆ，１６ｇ，１６ｈ，１６ｉ，１６ｊ及び、これら
を接合した弾性部材部分はそれぞれの振動が、隣合う圧
電素子によって影響を受けないよう互いに離して設置さ
れている。

【０１１４】本構成では、圧電素子１６ｃと１６ｇ、１
６ｄと１６ｈ、１６ｅと１６ｉ、１６ｆと１６ｊが組に
なっており、進行波を発生する。

【０１１５】本実施例のごとく、伝達部材を円盤状に構
成し、それに伴って圧電素子を円弧形に構成しても、上
記第５実施例で示した機能を満足することが可能であ
る。

【０１１６】本実施例の場合も合計８方向の滑べり覚の
呈示が可能であるが、圧電素子の個数を増やして、発振
−吸振の組みを増やすことによって、より多方向の滑べ
り感の知覚が可能となる。

【０１１７】図１７は本発明の第７の実施例として第６
実施例で示した進行波の伝達部材である振動板１５ａ上
に、それぞれの圧電素子の組が発生させる進行波の伝播
方向に対して直角方向に溝を切った場合の図を示す。

【０１１８】これによって、構造体としての振動モード
を最適化し、不必要なモード成分が発生しないようにし
て、効率良く進行波を伝播することが可能となり、明瞭
な滑べり感あるいは表面情報等の伝達が可能となる。

【０１１９】また、上記第７実施例で示した溝は、図１
８の本発明の第８の実施例で示すような、同心円状の形
状でも有効な作用を発揮する。

【０１２０】図１９は本発明の第９実施例を示した図で
ある。

【０１２１】１９ａは進行波の伝達部材である振動板、
１９ｂ，１９ｃはそれぞれ進行波を発生させる圧電素子
を示す。

【０１２２】振動板１９ａ上には、板上の部材１９ｄが
複数、固定されている。

【０１２３】部材１９ｄは圧電素子１９ｂ，１９ｃによ
って励起される進行波の振幅を増幅する機能を持ち、よ
り明確な進行波を形成することが可能となる。

【０１２４】また、この部材１９ｄは前記第２，第４，
第７，第８実施例で示したような振動モードの最適化の
機能も持っており、不必要なモード成分が発生しないよ
うになるため明瞭な滑べり感あるいは表面情報等の伝達
が可能となる点でも有効である。

【０１２５】図２０は本実施の第１０実施例を示した図
である。

【０１２６】２０ａは進行波の伝達部材である振動板、
２０ｂ，２０ｃはそれぞれ進行波を発生させる圧電素子
を示す。

【０１２７】前記第２，第４，第７，第８あるいは第９
実施例で示した振動モードの最適化を可能として、明瞭
な滑べり感あるいは表面情報等の伝達が可能となる点で
も有効であるが、図２０に示すこの実施例のように振動
の伝達部材表面でなく、裏面に構成しても、前記第２，
第４，第７，第８あるいは第９実施例と同一の機能を持
つため、溝を伝達部材表面に形成できない場合に有効で
ある。

【０１２８】図２１は本発明の第１１実施例を示す。

【０１２９】２１ａは進行波の伝達部材である振動板、
２１ｂ，２１ｃはそれぞれ進行波を発生させる圧電素
子、２１ｄ，２１ｅは超音波遮断部材を示す。

【０１３０】本発明の各実施例で示してきたように弾性
板を伝達媒体とし、圧電素子を駆動して、伝達媒体表面
に進行波あるいは定在波を励起する手法においては、い
かに圧電素子の振動を効率良く、伝達媒体に伝達できる
かという点が大きな問題となる。

【０１３１】本実施例はこの問題に対する解決手法を示
したもので、圧電素子２１ｂ，２１ｃは２１ｄ，２１ｅ
の超音波遮断部材に乗るように構成されており、また圧
電素子２１ｂ，２１ｃと超音波遮断部材２１ｄ，２１ｅ
との接触点は圧電素子２１ｂ，２１ｃの振動の節の位置
と一致するように配置されている。

【０１３２】このため、この接触点では、圧電素子２１
ｂ，２１ｃの振動に伴う変位は発生しないので、超音波
遮断部材２１ｄ，２１ｅには振動が伝播せず、接触に伴
う振動の減衰がないため、圧電素子２１ｂ，２１ｃの振
動は効率良く、伝達部材２１ａに伝達され、進行波ある
いは定在波を励起することが可能となる。

【０１３３】図２２は本発明の第１２実施例を示す。

【０１３４】２２ａは進行波の伝達部材である振動板、
２２ｂ，２２ｃはそれぞれ進行波を発生させる圧電素
子、２２ｄは超音波遮断部材を示す。

【０１３５】前記第１１実施例で示したように圧電素子
の振動を効率良く、伝達部材に伝達する手法としては、
図２２に示すこの実施例の構成でも可能で、ここでは超
音波の伝達効率の低い超音波遮断部材２２ｄを用いる。

【０１３６】この超音波遮断部材２２ｄの上に圧電素子
２２ｂ，２２ｃを配置すれば、圧電素子２２ｂ，２２ｃ
の振動は効率良く、伝達部材２２ａに伝達され、進行波
あるいは定在波を励起することが可能となる。

【０１３７】図２３は本発明の第１３実施例である。

【０１３８】２３ａは進行波の伝達部材である振動板、
２３ｂ，２３ｃはそれぞれ進行を発生させる圧電素子、
２３ｄはコイル、２３ｅ，２３ｆは永久磁石、２３ｇは
軸、２３ｈはベース、２３ｉは基盤、２３ｊは超音波遮
断部材を示す。

【０１３９】圧電素子２３ｂ，２３ｃは超音波遮断部材
２３ｊを介して、基盤２３ｉ上に配置され、圧電素子２
３ｂ，２３ｃの振動は効率良く振動板２３ａに伝達され
るよう構成されている。

【０１４０】さらに、本構成はコイル２３ｄと永久磁石
２３ｅ，２３ｆとで構成されたボイスコイルと前記第１
乃至第１２実施例で述べてきた触覚呈示装置が組合わさ
った構成になっている。

【０１４１】伝達部材２３ａはその下部に構成された磁
気回路と共にボイスコイルを構成し、この系にかかる電
流によって伝達部材２３ａは上下振動、或は突出が可能
である。

【０１４２】ボイスコイルによる触覚伝達に関しては、
本発明者らが既に提案した機能であり、人間の触覚に関
する時間応答限界の周波数で伝達部材２３ａを駆動する
ことによって、対象の硬さ、柔らかさを知覚し、且つ、
伝達部材２３ａが電流によって保持される力によって操
作対象を押し込んだ場合の反発力を表現できる。

【０１４３】そのため、本実施例の構成を採用すること
により、操作者に対して対象の硬さ、柔らかさ、表面情
報、そして滑べりを伝達することが可能となる。

【０１４４】図２４は本発明の第１４実施例である。

【０１４５】図２４は図２３の第１３実施例を例にとっ
た本発明に関する代表的な回路構成の概略を説明した図
である。

【０１４６】この回路構成はセンサ回路２４ｂ、知覚信
号化処理回路２４ｃ、知覚信号−発振周波数値変換回路
２４ｄ、知覚信号−位相値変換回路２４ｅ、発振回路２
４ｆ、位相調整回路２４ｇ、選択回路２４ｈ、駆動回路
２４ｋから構成され、圧電素子２４ｉ，２４ｊ、ボイス
コイル２４ｌをそれぞれ駆動する。

【０１４７】信号の伝達経路としては、センサ２４ａか
らの信号は、センサの出力を処理するセンサ回路２４ｂ
に入り、その後、センサ回路２４ｂの出力を硬さ、柔ら
かさ、滑べり感等の知覚信号に変換且つ分岐処理される
知覚信号化処理回路２４ｃに入る。

【０１４８】この後、硬さ、柔らかさの知覚信号はボイ
スコイルの駆動回路２４ｋへ伝達され、そこで処理され
た駆動信号に基づきボイスコイル２４ｌを駆動する。

【０１４９】また、滑べり感、表面粗さの知覚信号は、
知覚信号−発振周波数値変換回路２４ｄと、知覚信号−
位相値変換回路２４ｅを経て、その発振周波数値、位相
値は発振回路２４ｆと位相調整回路２４ｇに伝送され
る。

【０１５０】また、触覚信号に基づく位相情報つまり、
表面変位の振幅および変位方向を制御する情報は、知覚
信号−位相値変換回路２４ｅを経た後、進行波あるいは
定在波を励起させるための駆動位相を調整する位相調整
回路２４ｇに伝送される。

【０１５１】そして、それぞれの信号は、第６実施例で
示したように、複数配置された圧電素子の、どの組み合
わせの圧電素子を駆動するのか選択するための選択回路
２４ｈを経て、圧電素子対２４ｉ，２４ｊを駆動し、伝
達部材である振動板に進行波あるいは定在波を呈示す
る。

【０１５２】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、操作者
に触覚情報を伝達することにより、操作者が自分の手に
よってあたかも実際に対象物を操作しているかのような
感覚を得ることができるため、従来技術で示したような
装置において、操作の乖離感を無くして装置の操作性の
向上を図り、より正確で操作性の良い触覚呈示装置を提
供することができる。すなわち、本発明は、従来呈示す
ることができなかった触覚、滑べり感などを呈示するた
めに、操作者が接触する伝達部材の表面を変位させる
（複数の頂点（谷）を形成する）。 このために、本発明
では、圧電素子で発生され、伝達部材を伝播される進行
波または定在波を制御することによって、上記変位の振
幅や変位の方向を変え、対象物の表面の滑べり感や粗さ
を擬似的に再現し、この滑べり感などの触覚を呈示する
ことを可能としているので、本発明は従来技術には無い
明らかな効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】顕微鏡に関する従来技術を示す図。

【図２】ロボットのマニピュレータに関する従来技術を
示す図。

【図３】本出願人の既提案の触覚呈示装置の説明図。

【図４】進行波と定在波の伝播状況の説明図。

【図５】本提案の構成説明図。

【図６】一般的な超音波モータを構成する圧電素子の構
成図。

【図７】一般的な超音波モータの電極配置図。

【図８】進行波の伝播状況を示す図。

【図９】一般的な超音波リニアモータに関する従来技術
を示す図。

【図１０】本発明の第１実施例を示す図。

【図１１】本発明の第２実施例を示す図。

【図１２】本発明の第３実施例を示す図。

【図１３】本発明の第４実施例を示す図。

【図１４】本発明の第５実施例を示す図。

【図１５】本発明の第６実施例を示す図。

【図１６】本発明の第６実施例の圧電素子の構成図。

【図１７】本発明の第７実施例を示す図。

【図１８】本発明の第８実施例を示す図。

【図１９】本発明の第９実施例を示す図。

【図２０】本発明の第１０実施例を示す図。

【図２１】本発明の第１１実施例を示す図。

【図２２】本発明の第１２実施例を示す図。

【図２３】本発明の第１３実施例を示す図。

【図２４】本発明の第１４実施例として代表的回路構成
を示す図。

【符号の説明】

１ａ 顕微鏡本体 １ｂ 細胞 １ｃ ピペット １ｄ マニピュレータ １ｅ，１ｆ ジョイスティック ２ａ 関節 ２ｂ 処置部 ２ｃ スレイブアーム ２ｄ 関節 ２ｅ 処置部 ２ｆ マスタアーム ２ｇ 固定部材 ２ｈ 制御系 ３ａ 台座 ３ｂ コイル ３ｃ 磁石 ３ｄ ストッパ ３ｅ 触覚呈示部 ５ａ 触覚デバイス部 ５ｂ 回路部 ３ａ ３／４λ未分極部 ３ｂ １／４λ未分極部 ４ａ，４ｂ 片側共通電極 ４ｃ 電極 ６ａ，６ｂ ランジュバン振動子 １０ａ 振動板 １０ｂ，１０ｃ 圧電素子 １１ａ 振動板 １１ｂ，１１ｃ 圧電素子 １２ａ 振動板 １２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ 圧電素子 １３ａ 振動板 １３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ 圧電素子 １４ａ 振動板 １４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１
４ｈ，１４ｉ圧電素子 １５ａ 振動板 １５ｂ 圧電素子 １６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ，１６ｇ，１６ｈ，１
６ｉ，１６ｊ圧電素子 １９ａ 振動板 １９ｂ，１９ｃ 圧電素子 １９ｄ 部材 ２０ａ 振動板 ２０ｂ，２０ｃ 圧電素子 ２１ａ 振動板 ２１ｂ，２１ｃ 圧電素子 ２１ｄ，２１ｅ 超音波遮断部材 ２２ａ 振動板 ２２ｂ，２２ｃ 圧電素子 ２２ｄ 超音波遮断部材 ２３ａ 振動板 ２３ｂ，２３ｃ 圧電素子 ２３ｄ コイル ２３ｅ，２３ｆ 永久磁石 ２３ｇ 軸 ２３ｈ ベース ２３ｉ 基盤 ２３ｊ 超音波遮断部材 ２４ａ センサ ２４ｂ センサ回路 ２４ｃ 知覚信号化処理回路 ２４ｄ 知覚信号−発振周波数値変換回路 ２４ｅ 知覚信号−位相値変換回路 ２４ｆ 発振回路 ２４ｇ 位相調整回路 ２４ｈ 選択回路 ２４ｉ，２４ｊ 圧電素子 ２４ｋ 駆動回路 ２４ｉ ボイスコイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−292879（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−208881（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−14495（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−74174（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C12M 1/00 B25J 3/00 B25J 19/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 操作者が接触するための表面を有する伝
   達部材と、進行波または定在波の少なくとも一方を生じ
   させる手段とを具備し、対象物との接触情報を操作者に
   伝達する触覚呈示装置において、前記 進行波若しくは定在波の一方、またはこれらの混在
   したものを前記伝達部材に伝達させ、前記進行波または
   定在波の波の頂点の変位の振幅または方向を変えること
   によって、前記伝達部材上に接触した操作者に前記対象
   物の触覚情報を伝達することを特徴とする触覚呈示装
   置。
2. 【請求項２】 前記進行波または定在波を生じさせる手
   段は、対を成す圧電素子であることを特徴とする請求項
   １に記載の触覚呈示装置。
3. 【請求項３】 前記操作者が接触するための前記伝達部
   材の表面または同部材の裏面に溝が形成されていること
   を特徴とする請求項１に記載の触覚呈示装置。