JP5796427B2 - 触感呈示装置 - Google Patents

Description

本発明は、触感呈示装置に関する。

従来から振動モーター、圧電素子や形状記憶合金などを振動源とした刺激素子にて、皮下組織の受容器を刺激することにより、触感情報を呈示する装置が知られている。皮膚に刺激（振動）が加わると、皮下組織の数種類の受容器が刺激される。
図８は、各受容器の周波数に対する感度を示す図である。受容器には、図８に示すように、１００Ｈｚ以下の振動を知覚し順応が速く受容野が狭いマイスナー小体、１００〜３００Ｈｚ程度の振動を知覚し順応が速く受容野が広いパチニ小体、受容野が狭く圧力に反応するメルケル細胞、圧力や伸びに反応するルフィニ終末などがある。パチニ小体は、３００Ｈｚ程度の振動に最も敏感に反応し、マイスナー小体は、３０Ｈｚ程度の振動に最も敏感に反応するとされている。これらの受容器を的確に刺激することで様々な触感が呈示できる。

従来の技術のうち、開口部を持つ弾性体にアクチュエーターを用い変位と力とを加えることで、開口部に弾性体の突起状の刺激素子を形成する技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−５５４８９号公報

しかしながら、特許文献１において、比較的体積のある弾性体を変形させるには、その圧縮性のために大きなアクチュエーターが必要となり、スペース効率が良くない虞がある。また、複数の突起状刺激素子を形成するには、それに対応するアクチュエーターをそれぞれ用意する必要がある。そのため、アクチュエーターの配置や配線が複雑になったり、アクチュエーターの駆動制御が複雑になったりしてしまい、コストが高くなる虞がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る触感呈示装置は、開口部を持つ基板の開口を塞ぐ振動膜の変形により形成される振動刺激素子と、前記振動膜を間接的に変形させ、前記振動刺激素子を間接的に振動させるための変位と力とを加えるアクチュエーターと、前記アクチュエーターにより発生した前記変位と力とを前記振動膜及び前記振動刺激素子に伝達させるエネルギー伝達媒体と、を備えることを特徴とする。

本適用例によれば、アクチュエーターにより発生した変位と力とをエネルギー伝達媒体を介して低損失で振動刺激素子に伝達する。これによって、アクチュエーターで振動刺激素子を振動させことができるため、スペース効率が高く、低コストの触感呈示装置が提供できる。

［適用例２］上記適用例に記載の触感呈示装置において、前記振動刺激素子は、複数設けられ、前記複数の振動刺激素子は、少なくとも一つの前記アクチュエーターにより振動していることを特徴とする。

本適用例によれば、複数の振動刺激素子に対して、アクチュエーターは少なくとも一つであるため、少なくとも一つのアクチュエーターで選択的に振動刺激素子を振動させことができる。

［適用例３］上記適用例に記載の触感呈示装置において、前記複数の振動刺激素子のうち、少なくとも一つは固有振動数が異なることを特徴とする。

本適用例によれば、複数の振動刺激素子の固有振動数は少なくとも一つは異なっているため、アクチュエーターの駆動周波数と一致した振動刺激素子だけが共振し、振幅が大きくなる。

［適用例４］上記適用例に記載の触感呈示装置において、前記アクチュエーターは、少なくとも一つの前記振動刺激素子の固有振動数と一致する振動数で駆動することを特徴とする。

本適用例によれば、アクチュエーターの駆動周波数と一致した振動刺激素子だけが共振し、振幅が大きくなる。

［適用例５］上記適用例に記載の触感呈示装置において、前記アクチュエーターの駆動波形は、振幅変調波であることを特徴とする。

本適用例によれば、アクチュエーターの駆動波形は振幅変調波であるため、搬送波の振動数は、振動刺激素子の固有振動数と一致させ、変調波の振動数は、各受容器の感度が最も高い振動数とすることが可能となり、これによって、振動刺激素子を共振させやすく、また各受容器を効率良く刺激することが可能となる。

［適用例６］上記適用例に記載の触感呈示装置において、前記開口の総面積は、前記アクチュエーターにより振幅するダイヤフラムの総面積よりも小さいことを特徴とする。

本適用例によれば、すべての振動刺激素子の総断面積よりも、アクチュエーターによって振幅するダイヤフラムの面積のほうが大きい。これによって、アクチュエーター（ダイヤフラム）の振幅よりも振動刺激素子の振幅は拡大される。

本実施形態に係る触感呈示装置の構造を示す図。 本実施形態に係る触感呈示装置の凸形状刺激素子の形成・消失を示す図。 本実施形態に係るアクチュエーターの駆動波形のイメージを示す図。 本実施形態に係る開口部の他のパターンを示す図。 本実施形態に係る触感呈示装置の作製フローを示す図。 本実施形態に係る触感呈示装置の作製フローを示す図。 本実施形態に係る触感呈示装置の作製フローを示す図。 各受容器の周波数に対する感度を示す図。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
先ず、本実施形態に係る触感呈示装置の構造について図１で説明する。
図１は、本実施形態に係る触感呈示装置の構造を示す図である。
本実施形態に係る触感呈示装置２は、図１に示すように、振動刺激素子としての凸形状刺激素子１０と、アクチュエーター１２と、エネルギー伝達媒体としての液体１４と、を備える。

触感呈示装置２は、円筒形状のケース１５の内部に円形のダイヤフラム１７を配置している。ダイヤフラム１７は、外周縁がケース１５に固定支持されて弾性変形自在となっている。ダイヤフラム１７の底面には、ダイヤフラム１７を動かすためのアクチュエーター１２として、円形のピストン１９を介して図面の上下方向に伸縮する圧電素子が配置されている。

ケース１５の上部は開口しており、その開口に円形の液体封止上板（基板）１８を配置している。液体封止上板１８は、外周縁がケース１５に固定支持されている。液体封止上板１８の中央には、開口部１６が複数設けられている。液体封止上板１８の上面には、複数の開口部１６の開口を塞ぐ円形の振動膜２２が配置されている。振動膜２２の上面には、円形の押さえ板２１が配置されている。押さえ板２１の中央には、液体封止上板１８の開口部１６と重なる箇所に開口部２３が設けられている。振動膜２２は、液体封止上板１８と押さえ板２１とにより固定支持され、開口部１６，２３の箇所は弾性変形自在となっている。

ダイヤフラム１７とケース１５の側壁と液体封止上板１８と振動膜２２との間の狭い空間が液体室２５であり、この液体室２５に液体１４が充満している。

液体封止上板１８の開口部１６は、複数設けられている。押さえ板２１の開口部２３は、複数設けられている。例えば、図１に示すように、押さえ板２１の中央部に１つの開口部２３ａ、それを中心とする円周上に均等間隔で、中央部より小径のものが４つの開口部２３ｂとして設けられている。開口部２３ａの直径ａは、例えば２．０ｍｍである。開口部２３ｂの直径ｂは、例えば１．０ｍｍである。開口部２３ａと開口部２３ｂとの中心間寸法ｃは、例えば３．０ｍｍである。液体封止上板１８の開口部１６の構成も同様である。

ダイヤフラム１７の厚さは、例えば２０μｍである。振動膜２２の厚さは、例えば７０μｍである。ケース１５、ダイヤフラム１７、液体封止上板１８、押さえ板２１、及びピストン１９の材料は、ＳＵＳであり、他にセラミックス、樹脂等であってもよい。振動膜２２の材料は、フッ素ゴムであり、他にシリコンゴム、ニトリルゴム等のゴム材であってもよい。

アクチュエーター１２は、積層圧電素子であり、他に電磁アクチュエーター、静電アクチュエーターであってもよい。

液体１４は、アクチュエーター１２により発生した変位と力とを低損失で振動膜２２及び凸形状刺激素子１０に伝達させる。液体１４は、非圧縮性流体の水であり、他にシリコンオイル等であってもよい。

図２は、本実施形態に係る触感呈示装置２の凸形状刺激素子１０の形成・消失を示す図である。図２（Ａ）は、凸形状刺激素子１０が消失した状態を示し、図２（Ｂ）は、凸形状刺激素子１０が形成された状態を示している。

本実施形態に係る触感呈示装置２は、図２（Ｂ）に示すように、ピストン１９を上方に押すようにアクチュエーター１２を駆動させると、封止された液体１４は、液体封止上板１８の開口部１６の振動膜２２を押し上げ凸形状刺激素子１０を形成する。そして、図２（Ａ）に示すように、アクチュエーター１２の駆動をｏｆｆすると凸形状刺激素子１０は消失する。これらを繰り返すことで、振動する凸形状刺激素子１０を形成する。

アクチュエーター１２の駆動波形は、振幅変調波が好ましく、正弦波、三角波、矩形波、台形波であってもよい。アクチュエーター１２は、振動膜２２を間接的に変形させ、凸形状刺激素子１０を間接的に振動させるための変位と力とを加える。アクチュエーター１２は、少なくとも一つの凸形状刺激素子１０の固有振動数と一致する振動数で駆動する。アクチュエーター１２により発生した変位と力とは、液体１４により低損失で振動膜２２及び凸形状刺激素子１０に伝達させる。

凸形状刺激素子１０は、開口部１６を持つ液体封止上板１８の開口部１６の開口を塞ぐ振動膜２２の変形により形成される。凸形状刺激素子１０は、複数設けられている。複数の凸形状刺激素子１０は、少なくとも一つのアクチュエーター１２により振動している。複数の凸形状刺激素子１０のうち、少なくとも一つは固有振動数が異なる。

ダイヤフラム１７の総面積Ｓ１は、複数の開口部２３の開口の総面積Ｓ２よりも大きい。言い換えると、複数の開口部２３の開口の総面積Ｓ２は、ダイヤフラム１７の総面積Ｓ１よりも小さい。これによって、ダイヤフラム１７の振幅ｈ１よりも振動刺激素子１０の振幅ｈ２は拡大される。

次に、凸形状刺激素子１０の固有振動数について説明する。
この凸形状刺激素子１０は、液体１４に接し周辺が固定された円形板とみなすことができ、この円形板の固有振動数ｆは以下のように表すことができる。

ここで、ａ：円形板の半径、Ｄ：円形板の曲げ剛性、ｈ：円形板の厚さ、α：節円数（節直径数によって決まる定数）、β：接している液体１４の影響を示す係数、γ：円形板の密度、η：円形板に生じる張力の影響を示す係数である。

ここで、Ｅ：円形板の弾性係数、ν：ポアソン比である。

円形板の固有振動数ｆは、半径の二乗に反比例し、厚さに比例することがわかる。よって、凸形状刺激素子１０ごとに開口部１６及び開口部２３の寸法を変えることで、凸形状刺激素子１０の固有振動数ｆを異なるようにすることができる。本実施形態では、直径１ｍｍの凸形状刺激素子１０の固有振動数ｆは約１７ｋＨｚ、直径２ｍｍの凸形状刺激素子１０の固有振動数ｆは約３ｋＨｚと算出された。

ここでアクチュエーター１２を約３ｋＨｚの正弦波で駆動すると、直径２ｍｍの凸形状刺激素子１０は共振し、直径１ｍｍの凸形状刺激素子１０よりも振幅が大きくなる。共振した直径２ｍｍの凸形状刺激素子１０の振幅のみが、押さえ板２１の厚みを超えるようにアクチュエーター１２の駆動振幅を設定すれば、押さえ板２１の開口部２３上方に位置した皮膚を直径２ｍｍの凸形状刺激素子１０のみで刺激することができる。

このようにアクチュエーター１２の駆動周波数を任意に設定することで選択的に凸形状刺激素子１０の振幅を大きくし、皮膚を刺激することができる。

尚、直径１ｍｍと直径２ｍｍとの凸形状刺激素子１０の両方で皮膚を刺激する場合は、二つの凸形状刺激素子１０の固有振動数ｆと異なる振動数でアクチュエーター１２を駆動すればよい。

（第２の実施形態）
図３は、本実施形態に係るアクチュエーター１２の駆動波形のイメージを示す図である。
本実施形態に係るアクチュエーター１２は、図３（Ａ）に示す搬送波と、図３（Ｂ）に示す変調波とからなる図３（Ｃ）に示す振幅変調波で駆動される。

搬送波の振動数は、先の凸形状刺激素子１０の固有振動数ｆと同じである。例えば、直径１ｍｍの凸形状刺激素子１０の１７ｋＨｚとする。

また、変調波の振動数は、受容器の最も感度が高い周波数である。例えば、マイスナー小体の３０Ｈｚである。このようにすることで、直径１ｍｍの凸形状刺激素子１０は共振し、直径２ｍｍの凸形状刺激素子１０に比べ大きく振幅するので、押さえ板２１の上部の皮膚を刺激することができる。人の受容器は、振幅変調波の稜線の振動を感じるため（例えば、３０Ｈｚ）、マイスナー小体を効率良く刺激することができる。

搬送波及び変調波の振動数を任意に設定することで、選択的に凸形状刺激素子１０の振幅を大きくし、的確に各受容器を刺激することができる。

尚、直径１ｍｍの凸形状刺激素子１０と直径２ｍｍの凸形状刺激素子１０とで同時に刺激する場合は、各受容器の最も感度の高い周波数（例えば、マイスナー小体であれば３０Ｈｚ）の正弦波でアクチュエーター１２を駆動すればよい。

以上の方法により、中央部の凸形状刺激素子１０のみ、中央部と周辺との凸形状刺激素子１０というように皮膚を刺激する面積を変えることができる。これは硬軟感を呈示するのに必要となる。

図４は、本実施形態に係る開口部１６の他のパターンを示す図である。上記実施形態における開口部１６は、液体封止上板１８の中央部に１つ、それを中心とする円周上に均等間隔で、中央部より小径のものが４つ設けられていたが、これに限定するものではなく、図４に示すように、液体封止上板１８の中央部に１つの開口部１６ａ、それを中心とする正方形の外周に、中央部より小径の開口部１６ｂが８つ設けられていてもよい。

以上の構成において、ダイヤフラム１７の形状は円形に限定されるものではない。また、ダイヤフラム１７を動かすアクチュエーター１２には伸縮するものであれば何を使用してもよい。

以上説明した触感呈示装置２の作製工程のうち液体室２５への液体１４の封止までを、以下に説明する。
図５〜図７は、本実施形態に係る触感呈示装置２の作製フローを示す図である。尚、ダイヤフラム１７の形状は矩形である。
（工程１：２液混合）
先ず、図５（Ａ）に示すように、原液２４：硬化剤２６＝１００：５（ｗｔ）の割合で混合し、混合溶液２８を得る。原液２４は、例えばフッ素系ゴム塗料原液である。硬化剤２６は、例えばフッ素系ゴム塗料硬化剤である。

（工程２：塗工）
次に、図５（Ｂ）に示すように、ＰＥＴフィルム３０上にギャップ１００μｍのアプリケーター３１を用いて混合溶液２８を塗工し、塗工膜３２を形成する。

（工程３：張り合わせ）
次に、図５（Ｃ）に示すように、１ｍｉｎ程度のオープンタイム後、ＳＵＳ土台３４を張り合わせ、１ｈ以上放置し、塗工膜３２を仮乾燥させる。

（工程４：硬化）
次に、図６（Ａ）に示すように、１００℃、３ｈ以上で塗工膜３２を硬化させ、ゴムフィルム３６とする。

（工程５：転写）
次に、図６（Ｂ）に示すように、ＰＥＴフィルム３０を剥がして、ゴムフィルム３６をＳＵＳ土台３４に転写する。

（工程６：脱気）
次に、図６（Ｃ）に示すように、ゴムフィルム３６付きＳＵＳ土台３４、ピエゾ素子４０を液体中に浸漬し、真空脱気する。

（工程７：液体封止）
次に、図７（Ａ）に示すように、大気開放後、液体中でゴムフィルム３６付きＳＵＳ土台３４とピエゾ素子４０とをネジ止めし、液体室２５に液体１４を封止する。

（工程８：完成）
次に、図７（Ｂ）に示すように、乾燥させて完成となる。以降、ゴムフィルム３６としての振動膜２２の上面に押さえ板２１を設けている。

本実施形態によれば、アクチュエーター１２により発生した変位と力とをエネルギー伝達媒体を介して低損失で振動刺激素子１０に伝達する。これによって、アクチュエーター１２で振動刺激素子１０を振動させことができるため、スペース効率が高く、低コストの触感呈示装置２が提供できる。

本実施形態に係る触感呈示装置２は、特に視角障害者支援、医療、コンピューターインタフェイス、バーチャルリアリティー、アミューズメント、教育、設計支援の分野において使用者の皮膚を刺激して使用者に触感情報を呈示する装置に適用可能である。

２…触感呈示装置 １０…凸形状刺激素子（振動刺激素子） １２…アクチュエーター １４…液体（エネルギー伝達媒体） １５…ケース １６…開口部 １７…ダイヤフラム １８…液体封止上板（基板） １９…ピストン ２１…押さえ板 ２２…振動膜 ２３…開口部 ２４…原液 ２５…液体室 ２６…硬化剤 ２８…混合溶液 ３０…ＰＥＴフィルム ３１…アプリケーター ３２…塗工膜 ３４…ＳＵＳ土台 ３６…ゴムフィルム ４０…ピエゾ素子。

Claims (4)

1. 開口部を持つ基板の開口を塞ぐ振動膜の変形により形成される振動刺激素子と、
   前記振動膜を間接的に変形させ、前記振動刺激素子を間接的に振動させるための変位と力とを加えるアクチュエーターと、
   前記アクチュエーターにより発生した前記変位と力とを前記振動膜及び前記振動刺激素子に伝達させるエネルギー伝達媒体と、
   を備え、
   前記振動刺激素子は、複数設けられ、
   前記複数の振動刺激素子は、少なくとも一つの前記アクチュエーターにより振動していることを特徴とする触感呈示装置。
2. 請求項１に記載の触感呈示装置において、
   前記複数の振動刺激素子のうち、少なくとも一つは固有振動数が異なることを特徴とする触感呈示装置。
3. 請求項１又は２に記載の触感呈示装置において、
   前記アクチュエーターは、少なくとも一つの前記振動刺激素子の固有振動数と一致する振動数で駆動することを特徴とする触感呈示装置。
4. 請求項３に記載の触感呈示装置において、
   前記アクチュエーターの駆動波形は、振幅変調波であることを特徴とする触感呈示装置。