JP5472539B2

JP5472539B2 - 指刺激呈示装置

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Publication number: JP5472539B2
Application number: JP2013521517A
Authority: JP
Inventors: 昭三大寺
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2032-06-04
Also published as: WO2012176610A1; JPWO2012176610A1

Description

本発明は、指刺激呈示装置に関し、より詳細には、指に装着された状態で機械的刺激を与える指刺激呈示装置に関する。

従来、ユーザが手指に装着して使用するタイプ（以下、「指装着型」とも言う）の装置の１つとして、指入力デバイスが知られている（特許文献１を参照のこと）。この指入力デバイスは、指の中程に固定された固定部材から延びたフレーム部によって、指の先端前方にて突起部を支持するように構成され、この突起部は、フレーム部に設けた穴を通って指先方向にスライド可能に設けられ、フレーム部の外側に接触用突起部が配置され、フレーム部の内側に（指の先端に対向するように）刺激用突起部が配置される（特許文献１の図１〜４を参照のこと）。かかる指入力デバイスは、タッチパネルと組み合わせて使用され、ユーザが接触用突起部でタッチパネルに触れると、位置情報（座標系列データ）がコンピュータに入力されると共に、接触用突起部がフレーム部の穴に押し込まれることによって、突起部全体が穴内でスライドし、刺激用突起部が指に向かって飛び出し、指の先端に当接して触覚を刺激し、ユーザは触覚を通じて操作感を得ることができるようになっている。このような指入力デバイスによれば、フレーム部は、指の下面（腹側）を覆うことなく、指の側面または上面（爪側）を辿って、突起部を指の先端前方にて支持できるので、指の下面を露出させることが可能となり、ユーザは指の束縛をあまり感じないという利点がある。

特開２００８−２５７２９７号公報

近年、バーチャルリアリティの実現のため、指の下面（腹側）を機械的に刺激してテキスチャ感などを再現することが研究されており、例えば、複数の上下動可能なピンをアレイ状に配置した触覚ディスプレイが開発されている。しかしながら、このような触覚ディスプレイは、アレイ構造が複雑である上、指に装着すると指の下面が覆われてしまうため、指を自由に使用できないという問題がある。

そこで、上述した従来の指入力デバイスを利用して、指先を機械的に刺激することが考えられ得る。この指入力デバイスは、突起部の押し込みによるポイント刺激であるため、高背のアクチュエータを用いたものとなる。そして、ユーザが触覚を感じるには、突起部が指の先端に十分接触するようにスライドさせることが必要である。また、受動的触知により触覚を起こさせるには、突起部のスライド動作をアクチュエータなどで制御することが必要である。よって、突起部を指の先端に十分接触させることが可能な長ストロークのアクチュエータが求められるが、かかる要件を満たす小型で軽量のアクチュエータは知られていない。加えて、指のポイント刺激を確実に行うには、長ストロークを確保した上、突起部を十分に大きな力で押し込むことが求められ、アクチュエータの消費電力が大きくなるという難点もある。また、アクチュエータが指からずれると、突起部が指に当たらなくなり易いという難点もある。

本発明は、指の作業性をできるだけ損なうことなく、指に装着された状態で機械的刺激を与えることが可能な指刺激呈示装置を提供することを目的とする。

本発明者は、指の側面を機械的に擦ると、指の下面（腹側）が刺激されているかのように感じられること、および、指の側面を擦る力は、指の先端や下面を押す力に比べて弱い力であっても触覚により知覚可能であることを独自に見出し、更なる鋭意検討を行った結果、本発明を完成するに至った。

本発明の１つの要旨によれば、指に装着された状態で機械的刺激を与える指刺激呈示装置であって、指刺激呈示装置を指に固定するための固定部材と、リニアアクチュエータの先端部が指の側面に沿って摺動するように、固定部材によって支持される少なくとも１つのリニアアクチュエータとを含む、指刺激呈示装置が提供される。

本発明の上記指刺激呈示装置は、リニアアクチュエータの先端部が指の側面に沿って摺動すればよく、よって、リニアアクチュエータを指の側面側に配置して支持できるので、指の下面を露出させることが可能となり、指の作業性が損なわれるのを最小限に留めることができる。かかる本発明の指刺激呈示装置を用いれば、リニアアクチュエータを駆動して指の側面に機械的刺激を与えることができ、これにより、ユーザに指の下面が刺激されているかのような触覚を感じさせることができる。

かかる本発明の指刺激呈示装置は、リニアアクチュエータを用いて先端部を摺動させているので、従来の指入力デバイスを利用した場合のように高背なアクチュエータを要することがない。更に、本発明の指刺激呈示装置は、リニアアクチュエータが指から多少ずれたとしても、摺動動作に実質的に影響せず、機械的刺激を与えることが可能である。また、摺動動作は、指の先端や下面を押す力に比べて弱い力であっても触覚により知覚可能であるので、リニアアクチュエータの消費電力を低く抑えることができる。

本発明の１つの態様において、上記指刺激呈示装置は、摺動方向が互いに直交する２つの上記リニアアクチュエータを含む。このような２つのリニアアクチュエータを駆動して指の側面に２方向から機械的刺激を与えることにより、ユーザに、これらの力が合成された方向に指の下面が刺激されているかのような触覚を感じさせることができる。そして、摺動方向が直交していることにより、合成される方向を任意の方向に設定することができる。

本発明の１つの態様において、上記リニアアクチュエータは、電歪材料層と、電歪材料層の両面に各々配置された２つの電極と、いずれか一方の電極を介して電歪材料層の片面に接合された基材とにより構成された電歪素子であって、電歪材料層および基材のいずれか一方の側を凸側にして少なくとも部分的に湾曲している電歪素子を含む電歪アクチュエータである。かかる電歪素子は、ユニモルフ構造を有する電歪素子である。

上記電歪アクチュエータにおいて、電歪素子は電歪材料層および基材のいずれか一方の側を凸側にして少なくとも部分的に湾曲しているので、この電歪素子の電極間に電圧を印加すると、電歪素子の先端部は、長手方向に収縮または伸長する動きをし、電圧を除去すると元の状態に戻る。電圧印加時にいずれの動きをするかは湾曲方向によって決まり、電歪材料層の側を凸側にして湾曲している場合には長手方向に収縮し、基材の側を凸側にして湾曲している場合には長手方向に伸長する。かかる電歪アクチュエータは、小型で軽量かつ低消費電力であるので、本発明の指刺激呈示装置においてリニアアクチュエータとして好適に使用できる。

本発明によれば、指の作業性が損なわれるのを最小限に留め、指に装着された状態で機械的刺激を与えることが可能な指刺激呈示装置が提供される。

本発明の１つの実施形態における指刺激呈示装置を指に装着した状態を示す図であって、図１（ａ）は概略斜視図、図１（ｂ）は概略上面図である。図１の実施形態における指刺激呈示装置の１つの例を示す概略断面図であって、図２（ａ）は電圧を印加していない状態（非駆動状態）、図２（ｂ）は電圧を印加した状態（駆動状態）を示す。図１の実施形態における指刺激呈示装置の別の例を示す概略断面図であって、図３（ａ）は電圧を印加していない状態（非駆動状態）、図３（ｂ）は電圧を印加した状態（駆動状態）を示す。図１の実施形態における指刺激呈示装置の構成部材である電歪アクチュエータを製造するために使用されるユニモルフ（ユニモルフ構造を有するシート）を示す図であって、図４（ａ）はユニモルフの概略断面図を示し、図４（ｂ）はユニモルフの屈曲動作を説明する図である。本発明のもう１つの実施形態における指刺激呈示装置を指に装着した状態を示す概略上面図である。

本発明のいくつかの実施形態における指刺激呈示装置について、以下、図面を参照しながら詳述する。

（実施形態１）
本実施形態は、１つの電歪アクチュエータを用いた指刺激呈示装置に関する。

図１を参照して、本実施形態の指刺激呈示装置３０は、指刺激呈示装置３０を指４０に固定するための固定部材２１と、リニアアクチュエータとして電歪アクチュエータ２３とを含み、電歪アクチュエータ２３は、その先端部Ａが指４０の側面４１に沿って（図中、両矢印Ｐにて示す方向に）摺動するように、固定部材２１によって支持されている。

本実施形態において用いる電歪アクチュエータ２３は、図２および３に例示するように、１つの電歪素子１０を含み、この電歪素子１０は、電歪材料層１と、電歪材料層１の両面に各々配置された２つの電極３ａ、３ｂと、これら電極３ａ、３ｂのいずれか一方（図示する態様では電極３ａ）を介して電歪材料層１の片面に接合された基材５とにより構成され、電歪材料層１および基材５のいずれか一方の側を凸側にして（図２に示す例では、電歪材料層１の側を凸側にし、図３に示す例では、基材５の側を凸側にして）少なくとも部分的に湾曲している。電歪素子１０の一端１０ａが電歪アクチュエータ２３の先端部Ａである。電歪素子１０の他端１０ｂおよび／またはその近傍において、電歪アクチュエータ２３が固定部材２１により支持される。

電歪素子１０において、電歪材料層１は、高分子電歪材料から形成される。高分子電歪材料は、永久双極子を有する高分子材料であれば、特に限定されない。高分子電歪材料の例としては、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオロイド）、ＰＶＤＦ系の共重合体、例えば、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＶＦ）などのコポリマーや、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＤＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＡ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＰ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＶＣ）などのターポリマーが挙げられる（Ｐはポリを、ＶＤＦはビニリデンフルオライドを、ＴｒＦＥはトリフルオロエチレンを、ＣＦＥはクロロフルオロエチレンを、ＣＴＦＥはクロロトリフルオロエチレンを、ＣＤＦＥはクロロジフルオロエチレンを、ＨＦＡはヘキサフルオロアセトンを、ＨＦＰはヘキサフルオロプロピレンを、ＶＣはビニルクロライドを、ＶＦはビニルフルオライドを意味する）。なかでも、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）が、大きな歪みが得られる点で特に好ましい。電歪材料層１の厚さは適宜設定してよいが、例えば数μｍ〜１００μｍ程度とし得る。

また、電歪素子１０において、２つの電極３ａ、３ｂは、電極として機能し得る限り、任意の適切な導電性材料から形成してよい。かかる導電性材料の例としては、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｐｔ−Ｐｄ（白金−パラジウム合金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ａｕ−Ｐｄ（金−パラジウム合金）などの金属材料、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）、ＰＰｙ（ポリピロール）、ＰＡＮＩ（ポリアニリン）など（これらは、適宜、有機スルホン酸系化合物、例えばポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリアリルスルホン酸、ポリアクリルスルホン酸、ポリメタクリルスルホン酸、ポリ−２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、ポリイソプレンスルホン酸などのドーパントがドープされ得る）の有機導電性材料などが挙げられる。このうち、有機導電性材料は、クラックが導入され難いので好ましい。電極３ａ、３ｂの厚さは、使用する導電性材料などに応じて適宜設定してよいが、例えば２０ｎｍ〜１０μｍ程度とし得る。電極３ａ、３ｂは、使用する導電性材料および厚さが、同じであっても、異なっていてもよい。また、図示する態様では、電極３ａ、３ｂは、電歪材料層１の全面をそれぞれ被覆しているが、このことは必ずしも本発明に要せず、電極３ａ、３ｂは、適宜、パターニングされていてもよい。例えば、電極３ａ、３ｂは、一端１０ａおよび他端１０ｂから離間するように、電歪材料層１の中央部を被覆するものであってよい。

また、電歪素子１０において、基材５は、後述する湾曲成形を実施し得る限り、任意の適切な可撓性材料から形成してよい。かかる可撓性材料の例としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、セロファン、塩化ビニル、ポリイミド、ポリエステルなどが挙げられる。また、基材５は、上述したような電歪材料から形成してもよい。基材５の厚さは適宜設定してよいが、例えば数μｍ〜１００μｍ程度とし得る。

電歪素子１０は、少なくとも部分的に湾曲している。電歪素子１０の湾曲部分は、電極３ａ、３ｂが配置された部分を含むことが好ましい。電歪素子１０の湾曲部分は、円弧状の断面形状を有することが好ましい。しかしながら、本発明はこれに限定されず、電歪素子１０の湾曲部分は、円弧状以外の他の断面形状（例えば半楕円状など）に湾曲していてもよい。

固定部材２１は、電歪アクチュエータ２３の先端部Ａが指４０の側面に沿って摺動するように、電歪アクチュエータ２３を支持して、指刺激呈示装置３０の全体を指４０に固定し得る限り、その材料、形状、配置、支持方法などについて、特に限定されない。

次に、かかる電歪アクチュエータ２３を用いた指刺激呈示装置３０の製造方法について説明する。

まず、ユニモルフ構造を有する可撓性のシート（以下、本明細書において単に「ユニモルフ」と呼ぶ）を準備する。図４（ａ）を参照して、ユニモルフ７は、電歪材料層１と、電歪材料層１の両面に各々配置された２つの電極３ａ、３ｂと、これら電極３ａ、３ｂのいずれか一方（図示する態様では電極３ａ）を介して電歪材料層１の片面に接合された基材５とにより構成され、全体として可撓性を有するものとされる。なお、かかるユニモルフ７は、これら２つの電極３ａ、３ｂ間に電圧を印加すると、電歪材料層１が厚さ方向（電界方向）に縮み、面内方向で伸びるため、電歪材料層１と基材５との間で寸法差が生じて、図４（ｂ）に示すように、電歪材料層１を外側とし、基材５を内側として屈曲するものである。

このようなユニモルフ７は、例えば以下のようにして作製可能である。電歪材料層１の両面に電極３ａ、３ｂを形成する。電極材料に金属材料を用いる場合には、蒸着またはスパッタリングなどによって電極を形成できる。電極材料に有機導電性材料を用いる場合には、シルクスクリーン印刷、インクジェット印刷、刷毛塗布などによって電極を形成できる。図示する態様では、電極３ａ、３ｂは電歪材料層１の全面にそれぞれ形成されるものとしているが、このことは必ずしも本発明に要せず、電極３ａ、３ｂは、適宜、パターニングされていてもよい。これにより得られた電極３ａ、３ｂ付き電歪材料層１の片面に（図示する態様では電極３ａを介して）基材５を接合させる。この接合は、例えば、熱硬化型または紫外線硬化型などの接着剤を用いて実施できる。これにより、ユニモルフ７が作製される。しかしながら、ユニモルフ７の作製方法はかかる例に限定されず、例えば、基材５の上に電極３ａを予め形成しておき、その電極３ａの上に電歪材料を塗布またはキャスティングすることにより電歪材料層１を形成し、更に、その電歪材料層１の上に電極３ｂを形成してもよい。

次に、このユニモルフ７を湾曲成形して、電歪素子１０を得る。具体的には、シート状のユニモルフ７を、例えば半円筒状の表面を有する型を用いて、電歪材料層１および基材５のいずれかが凸側になるように湾曲させ、そのまま熱処理に付して基材５を熱成形し、その後、型から外すことによって、湾曲成形を実施できる。熱処理の温度および時間は、使用する基材５の材料に応じて適宜設定し得る。例えば、基材５がＰＥＴから成る場合、８０〜１００℃で５〜１０分間の熱処理により熱成形できる。

これにより、電歪素子１０が得られる。電歪素子１０の寸法、湾曲形状（曲率半径）などは、所望される指刺激の大きさや態様などに応じて適宜設定し得る。

電極３ａ、３ｂに、引出し線２５ａ、２５ｂをそれぞれ接続し、これにより、電歪アクチュエータ２３が製造される。

かかる電歪アクチュエータ２３は、可撓性の（柔らかい）電歪素子１０を用いているため、耐衝撃性が高く、壊れにくいという利点がある。また、かかる電歪素子１０を用いた電歪アクチュエータ２３は、小型で軽量、かつ低消費電力であるという利点もある。

得られた電歪アクチュエータ２３を、他端１０ｂおよび／またはその近傍にて、固定部材２１に接合して支持させる。この接合は、例えば、熱硬化型または紫外線硬化型などの接着剤を用いて実施できる。

以上のようにして、指刺激呈示装置３０が製造される。固定部材２１は、指刺激呈示装置３０を指４０に固定できればよいが、例えば、指４０の寸法に応じて調整可能なバンドなどであってよい。

次に、指刺激呈示装置３０の使用方法（動作）の例について説明するが、本発明の指刺激呈示装置は、かかる使用方法に限定されるものではない。

まず、図１に示すように、指刺激呈示装置３０を指４０に、固定部材２１を用いて固定することにより装着する。図示する態様では、電歪アクチュエータ２３が指４０の側面４１を辿りながら指４０と反対側に湾曲（突出）し、（好ましくは少なくともその先端部Ａの摺動面が側面４１に対して好ましくは略平行に位置して）先端部Ａが指４０の側面４１に接するようにして装着しているが、これに限定されるものではない。例えば、先端部Ａが最終的に指４０の側面４１に沿って摺動可能である限り、先端部Ａは指４０の側面４１からごく僅かに離間していてもよい。

電歪材料層１が基材５よりも凸側になるように湾曲させた電歪アクチュータ２３を用いる場合、指刺激呈示装置３０は、非駆動状態（電圧を印加していない状態）では、図２（ａ）に示す形態を取っている。そして、電極３ａ、３ｂ間に電圧を印加することにより、電歪アクチュエータ２３を駆動すると、図２（ｂ）を参照して、電歪素子１０は一層屈曲する動きを示し（長手方向に縮み、凸方向に高くなる）、これにより、電歪アクチュエータ２３は、長手方向に収縮して、先端部Ａが指４０の側面４１に沿って、矢印Ｐ_１にて示す方向に摺動する。電圧印加を除去すると、電歪素子１０は元の状態に戻る動きを示し、これにより、電歪アクチュエータ２３は、矢印Ｐ_２にて示す方向に摺動する。

あるいは、基材５が電歪材料層１よりも凸側になるように湾曲させた電歪アクチュータ２３を用いる場合、指刺激呈示装置３０は、非駆動状態（電圧を印加していない状態）では、図３（ａ）に示す形態を取っている。そして、電極３ａ、３ｂ間に電圧を印加することにより、電歪アクチュエータ２３を駆動すると、図３（ｂ）を参照して、電歪素子１０は伸びる動きを示し（長手方向に伸び、凸方向に低くなる）、これにより、電歪アクチュエータ２３は、長手方向に伸長して、先端部Ａが指４０の側面４１に沿って、矢印Ｐ_２にて示す方向に摺動する。電圧印加を除去すると、電歪素子１０は元の状態に戻る動きを示し、これにより、電歪アクチュエータ２３は、矢印Ｐ_１にて示す方向に摺動する。

以上より、いずれの場合にも、電歪アクチュエータ２３はリニアな動作をし、指４０の側面４１に沿って電歪アクチュエータ２３の先端部Ａを摺動させる動作（擦る動作）が可能である。先端部Ａの動きは、印加する電圧に応じて異なり、例えば交流電圧を印加することによって、先端部Ａを周期的に変位させることができる。

かかる指刺激呈示装置３０を用いれば、指４０の側面４１に機械的刺激を与えることができる。そして、指刺激呈示装置３０を用いて、指４０の側面４１に沿って先端部Ａを摺動させる（擦る）ことにより、ユーザに指４０の下面（腹側）が、両矢印Ｐにして示す方向と平行な方向に擦られているかのような触覚を感じさせることができる。指４０の側面４１を摺動する力は、指の先端や下面を押す力に比べて弱くても、知覚可能な触覚を起こさせることができる。指刺激呈示装置３０は、指４０の下面（腹側）を露出させたままで使用できるので、これを装着した状態で、指先で物に触れたり、何か物を持ったりすることができ、指の作業性が実質的に損なわれることはない。

また、指刺激呈示装置３０は、電歪アクチュエータ２３の先端部Ａが指４０の側面４１に沿って摺動する面刺激であるため、電歪アクチュエータ２３が当初の固定位置から多少ずれても、先端部Ａと指４０の側面４１との接触を確保することができ、装着が容易である。

（実施形態２）
本実施形態は、２つの電歪アクチュエータを用いた指刺激呈示装置に関する。

図５を参照して、本実施形態の指刺激呈示装置３１は、指刺激呈示装置３１を指４０に固定するための固定部材２１と、リニアアクチュエータとして２つの電歪アクチュエータ２７、２９とを含み、電歪アクチュエータ２７、２９は、いずれも、各先端部Ｂ、Ｃが指４０の側面４１に沿って（図中、両矢印Ｑ、Ｒにてそれぞれ示す方向に）摺動するように、固定部材２１によって支持されている。これら２つの電歪アクチュエータ２７、２９は、これらの摺動方向Ｑ、Ｒが直交するように配置される。図示する態様では、電歪アクチュエータ２７、２９が折れ曲がって指４０の側面４１に近づきながら指４０と反対側に湾曲（突出）し、（好ましくは少なくともそれらの先端部Ｂ、Ｃの各摺動面が側面４１に対して好ましくは略平行にそれぞれ位置して）先端部Ｂ、Ｃが指４０の側面４１にそれぞれ接するようにして装着しているが、これに限定されるものではない。例えば、先端部Ｂ、Ｃが最終的に指４０の側面４１に沿って摺動可能である限り、電歪アクチュエータ２７、２９は折れ曲がっていても、いなくてもよい。

電歪アクチュエータ２７、２９は、実施形態１にて上述した電歪アクチュエータ２３と同様の構成であってよい。電歪アクチュエータ２７、２９において、電歪材料層、電極、基材について、材料および厚さなどの条件は同じであっても、異なっていてもよい。また、電歪アクチュエータ２７、２９には、図２を参照して上述した電歪材料層の側を凸側にして湾曲させた電歪アクチュエータを２つ用いても、図３を参照して上述した基材の側を凸側にして湾曲させた電歪アクチュエータを２つ用いても、あるいは、これらを１つずつ組み合わせて用いてもよい。

固定部材２１は、電歪アクチュエータ２７、２９の各先端部Ｂ、Ｃが、指４０の側面４１に沿って、互いに直交する方向に摺動するように、電歪アクチュエータ２７、２９を支持して、指刺激呈示装置３１の全体を指４０に固定する。本実施形態の指刺激呈示装置３１は、２つの電歪アクチュエータ２７、２９を使用して、所定の配置で固定部材２１に接合して支持させることにより、製造可能である。

かかる指刺激呈示装置３１を用いれば、電歪アクチュエータ２７、２９の各先端部Ｂ、Ｃが、指４０の側面４１に沿って、互いに直交する方向に摺動させる（擦る）ことができ、これにより、ユーザに、これらの力が合成された方向に指４０の下面（腹側）が擦られているかのような触覚を感じさせることができる。これらの摺動方向Ｑ、Ｒは直交しているので、ある方向に擦られているかのような触覚を起こさせるには、摺動方向Ｑ、Ｒに分解してそれぞれ所定の大きさの力で摺動させるようにすればよい。よって、本実施形態によれば、ユーザに、任意の所望の方向に指４０の下面（腹側）が擦られているかのような触覚を感じさせることができる。

以上、本発明の２つの実施形態における指刺激呈示装置およびその使用方法について詳述したが、本発明は種々の改変が可能であろう。

例えば、実施形態１および２では、１つの電歪アクチュエータが電歪素子を１個含む構成としたが、１つの電歪アクチュエータが、複数個の積層された電歪素子を含む構成としてもよい。複数個の電歪素子を積層して用いれば、指に与える機械的刺激を増すことができる。

また、例えば、電歪アクチュエータ以外の他のリニアアクチュエータを使用してよい。かかるリニアアクチュエータとしては、イオン導電性高分子膜（ICPF: Ionic Conductive Polymer Film）や、バッキーゲルなどを利用したアクチュエータが挙げられる。

イオン導電性高分子膜を利用する場合、概略的には、上記電歪材料層に代えて、イオン交換樹脂層を用いることにより、リニアアクチュエータを作製することができる。より詳細には、イオン交換樹脂層（例えば、デュポン株式会社製の「ナフィオン」（登録商標）など）の両面にＡｕ、Ｐｔなどの金属材料を化学めっきして電極を形成して、イオン性ポリマー−金属複合体（IPMC: Ionic Polymer Metal Composite）を得る。ここで、イオン交換樹脂層が電歪材料層に代わるものである。得られた複合体の片面を（よって、いずれか一方の電極を介して）ＰＥＴなどから成る基材に接合する。これにより得られる構造体を上述した湾曲成形方法と同様にして成形する（例えば半円筒状の表面を有する型を用いて、イオン交換樹脂層および基材のいずれか一方が凸側になるように湾曲させ、そのまま熱処理に付して基材を熱成形する）ことによって、素子を得ることができる。そして、この素子を、上述した接合方法と同様にして、一端を先端部とし、他端および／またはその近傍にて固定部材に接合することができる。この場合、素子の電極間に印加する電圧の極性を正または負とすることにより、伸びる動作または縮む動作を提供することができる。

バッキーゲルは、イオン性液体とカーボンナノチューブとのゲル状複合体である。バッキーゲルを利用する場合、概略的には、上記電極に代えて、バッキーゲルを利用したシートを用いることにより、リニアアクチュエータを作製することができる。より詳細には、まず、３つのシートを次のようにして準備する。イミダゾリウム系イオン液体（例えば１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＢＭＩＴＦＳＩ））に単層カーボンナノチューブおよびフッ素系材料（例えばＰ（ＶＤＦ−ＨＦＰ））を加えた懸濁液を乳鉢で、乳棒を使ってすり潰し、これをキャスティングすることにより、カーボンナノチューブを含んだ第１のシートを２つ作製する。また、イオン液体およびフッ素系材料を混合し、これをキャスティングすることにより、イオン液体およびフッ素系材料からなる第２のシートを１つ作製する。そして、これら３つのシートを、２つの第１のシートの間に第２のシートを配置した状態で重ね合わせ、これを熱プレスすることにより、三層構造を有する複合シートを作製する。ここで、第２のシートが電歪材料層に代わるものであり、その両面に各々配置された２つの第１のシートが２つの電極に代わるものである。そして、この複合シートの片面を（よって、いずれか一方の電極を介して）ＰＥＴなどから成る基材に接合する。これにより得られる構造体を上述した湾曲成形方法と同様にして成形する（例えば半円筒状の表面を有する型を用いて、第２のシートおよび基材のいずれか一方が凸側になるように湾曲させ、そのまま熱処理に付して基材を熱成形する）ことによって、素子を得ることができる。そして、この素子を、上述した接合方法と同様にして、一端を先端部とし、他端および／またはその近傍にて固定部材に接合することができる。

電歪材料層として、厚さ５μｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）から成る層を用い、その両面にＡｌを蒸着して、厚さ２０ｎｍのＡｌ電極をそれぞれ形成した。電極を形成した電歪材料層の片面に、厚さ１２μｍのＰＥＴから成る基材を、熱硬化型の接着剤を用いて接合した。これにより、幅８ｍｍ、長さ２０ｍｍのユニモルフを得た。このユニモルフを、約５ｍｍの曲率半径を有する半円筒状の表面を有する型を用いて、電歪材料層が基材よりも凸側になるように湾曲させた。そのまま８０℃の空気雰囲気中に５分間維持し、その後、自然冷却して、型から外して、電歪素子を得た。上記のようにして得られた電歪素子の２つの電極にそれぞれ引出し線を接続して電歪アクチュエータとし、得られた電歪アクチュエータの他端側を、バンドから成る固定部材に熱硬化型の接着剤を用いて接合し、これにより、本実施例の指刺激呈示装置を作製した。

本実施例の指刺激呈示装置を人間の指に装着して、指の側面を擦ってみた。具体的には、電歪アクチュエータの先端部を指の側面に接触させ、電歪素子の電極間に４００Ｖ_０−Ｐの交流成分を持つ電圧を印加して、先端部を指の側面に沿って摺動させた。５Ｈｚの交流電圧を印加した場合には、先端部は長手方向に１ｍｍ程度の変位を示した。１０Ｈｚ以上の交流電圧を印加した場合には、先端部は長手方向に０．５ｍｍ程度の変位を示した。いずれの場合にも、摺動動作の間、指の下面（腹側）が擦られているような触覚を感じることができた。指先には指紋が存在し、指紋の間隔（０．１〜０．５ｍｍ）以上に亘って擦る（変位させる）ことにより、触覚が感じられることが確認された。

基材が電歪材料層よりも凸側になるように湾曲させたこと以外は上記と同様にして、もう１つの指刺激呈示装置を作製した。この場合にも、先の指刺激呈示装置と同様の結果を示した。

本発明の指刺激呈示装置は、特に制限されるものではないが、ウェアラブル触覚インターフェース、バーチャルリアリティ機器などに組み込まれ得、医療、福祉、ロボット産業、エンターテイメント産業、メカトロニクス、化学、電気などの様々な分野において幅広く利用され得る。

１電歪材料層
３ａ、３ｂ電極
５基材
７ユニモルフ
１０電歪素子
１０ａ一端
１０ｂ他端
２１固定部材
２３、２７、２９電歪アクチュエータ（リニアアクチュエータ）
２５ａ、２５ｂ引出し線
３０、３１指刺激呈示装置
４０指
４１側面
Ａ、Ｂ、Ｃ先端部
Ｐ、Ｑ、Ｒ摺動方向

Claims

指に装着された状態で機械的刺激を与える指刺激呈示装置であって、指刺激呈示装置を指に固定するための固定部材と、リニアアクチュエータの先端部が指の側面に沿って摺動するように、固定部材によって支持される少なくとも１つのリニアアクチュエータとを含む、指刺激呈示装置。
摺動方向が互いに直交する２つの前記リニアアクチュエータを含む、請求項１に記載の指刺激呈示装置。
前記リニアアクチュエータは、電歪材料層と、電歪材料層の両面に各々配置された２つの電極と、いずれか一方の電極を介して電歪材料層の片面に接合された基材とにより構成された電歪素子であって、電歪材料層および基材のいずれか一方の側を凸側にして少なくとも部分的に湾曲している電歪素子を含む電歪アクチュエータである、請求項１または２に記載の指刺激呈示装置。