JP6160123B2

JP6160123B2 - 触覚装置

Info

Publication number: JP6160123B2
Application number: JP2013040343A
Authority: JP
Inventors: 有木　史芳; 史芳有木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: JP2014170266A

Description

本発明は、超音波素子と、該超音波素子に生体の触覚受容器を刺激する刺激超音波を発生させる制御部と、を備える触覚装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、超音波を発振する複数の超音波素子が基板上に配置されて成る触覚提示素子アレイを備える触覚提示装置が提案されている。この触覚提示装置では、複数の超音波素子を発振させて、触覚提示位置に超音波の集中点を生成し、触覚提示位置に生体が位置した時に、生体の触覚受容器を刺激して触覚を提示（提供）する。

基板上には、複数組の触覚提示素子アレイが配置されており、複数組の触覚提示素子アレイそれぞれは、触覚提示位置が互いに異なるように設定されている。これにより、複数組の触覚提示素子アレイがそれぞれ独立して異なる位置に超音波の集中点を生成できるため、広がりのある生体の異なる位置に触覚が提供される。

特開２０１２−４８３７８号公報

上記したように、特許文献１に示される触覚提示装置では、広がりのある生体の異なる位置に触覚を提供させるために、複数組の触覚提示素子アレイそれぞれは、触覚提示位置が互いに異なる位置に設定されている。この構成の場合、触覚提示位置と同数の触覚提示素子アレイが必要となり、触覚提示装置の体格の増大が懸念される。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、体格の増大が抑制された触覚装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明は、基板（１０）と、該基板の一面（１０ａ）に設けられた複数の超音波素子（２１）から成る超音波素子群（２０）と、生体の皮膚にある触覚受容器（５０）を刺激する刺激超音波を、複数の超音波素子それぞれから発生させる制御部（３０）と、を有し、制御部は、複数の超音波素子の発振タイミングが決定された位相制御信号を、複数の超音波素子それぞれに出力することで、基板の一面の上方の触覚提供位置（Ａ〜Ｄ）に、複数の超音波素子から発せられる刺激超音波の位相が高めあう集中点を形成し、触覚提供位置に生体が位置した時に、触覚受容器を刺激して、生体に触覚を提供しており、制御部は、互いに異なる複数の触覚提供位置それぞれに対応した位相制御信号を生成し、生成した複数の位相制御信号のパルスを、超音波素子群を構成する複数の超音波素子それぞれに順次出力しており、制御部から順次出力される生成した複数の位相制御信号のパルスの出力間隔は、複数の位相制御信号によって複数の触覚提供位置に形成される集中点それぞれを、生体が時間的に別々に知覚するのではなく、同時に知覚するように、決定されていることを特徴とする。

このように本発明によれば、１つの超音波素子群（２０）によって、互いに異なる複数の触覚提供位置（Ａ〜Ｄ）それぞれに集中点が形成される。したがって、複数の超音波素子群（２０）によって、互いに異なる複数の触覚提供位置（Ａ〜Ｄ）それぞれに集中点が形成される構成と比べて、触覚装置（１００）の体格の増大が抑制される。

また、本発明では、制御部（３０）から順次出力される複数の位相制御信号のパルスの出力間隔は、複数の位相制御信号によって複数の触覚提供位置（Ａ〜Ｄ）に形成される集中点それぞれを、生体が時間的に別々に知覚するのではなく、同時に知覚するように、決定されている。これによれば、生体に、平面的、立体的な知覚を提供することができる。

第１実施形態に係る触覚装置の概略構成を示す上面図である。超音波素子と第１触覚提供位置Ａを説明するための断面図である。触覚受容器を説明するための断面斜視図である。触覚受容器の反応と周波数の関係を示すグラフである。触覚提供位置Ａ〜Ｄを示す上面図である。位相制御信号を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１〜図６に基づいて、本実施形態に係る触覚装置を説明する。以下においては、互いに直交の関係にある３方向を、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向と示す。

図１及び図２に示すように、触覚装置１００は、基板１０と、超音波素子群２０と、制御部３０と、を有する。基板１０の一面１０ａに、複数の超音波素子２１が設けられ、これら複数の超音波素子２１によって、超音波素子群２０が構成されている。超音波素子群２０を構成する複数の超音波素子２１それぞれは、制御部３０によって駆動制御される。図２に曲線で示すように、複数の超音波素子２１それぞれから超音波が発振されるが、超音波は山と谷とを有するので、各超音波素子２１から出力された超音波は互いに強めあったり、弱めあったりする。超音波が互いに強めあう位置や、互いに弱めあう位置は、各超音波素子２１から出力される超音波の出力タイミングによって決定される。図２は、一面１０ａの上方の第１触覚提供位置Ａにおいて、特に超音波が強めあうように、超音波素子２１の超音波の出力タイミングが制御部３０によって調整されている状態を示している。

基板１０は、絶縁性を有するものであり、本実施形態では、平板形状を有する。基板１０の一面１０ａは、ｘ方向とｙ方向とによって規定されるｘ−ｙ平面に沿っており、この一面１０ａに超音波素子２１が形成されている。これにより、超音波は、一面１０ａから離れる方向に発振される。

超音波素子２１は、圧電素子２２、及び、所定の周波数に設定された共振器２３（音響整合層）から成る。圧電素子２２に後述する位相制御信号のパルスが断続的に入力されることで、圧電素子２２が振動し、共振器２３から超音波が発せられる。図１に示すように、複数の超音波素子２１は、一面１０ａ上に、アレイ状に配置されている。この一面１０ａに形成された全ての超音波素子２１によって超音波素子群２０が構成されている。１つの触覚提供位置（例えば、図２に示す触覚提供位置Ａ）に形成される集中点は、超音波素子群２０を構成する全ての超音波素子２１によって形成される。本実施形態では、複数の超音波素子２１から出力される超音波の強度と周波数が同一になっている。

超音波素子２１は、図３に示す、生体（人間）の皮膚にある触覚受容器５０を刺激する刺激超音波を発振する。人間の皮膚は、表層から内側に向かって、表皮、真皮、皮下組織がある。触覚受容器５０として、真皮に位置するメルケル細胞５１とマイスナー小体５２、及び、皮下組織に位置するパチニ小体５３がある。図４に実線、破線、一点鎖線で示すように、これら触覚受容器５１〜５３それぞれは、超音波の周波数に応じて、反応する量が異なる。図４に一点鎖線で示すように、メルケル細胞５１は、どのような周波数でも、ほぼ一定の反応を示す。しかしながら、図４に破線で示すように、マイスナー小体５２は、およそ５０Ｈｚで最も大きく反応する。そして、図４に実線で示すように、パチニ小体５３は、およそ１００Ｈｚで最も大きく反応する。本実施形態では、刺激超音波の周波数として、１００Ｈｚを採用しており、主として、パチニ小体５３を刺激することで、生体に触覚を提供する。

制御部３０は、刺激超音波を、複数の超音波素子２１それぞれから発生させるものである。制御部３０は、複数の超音波素子２１の発振タイミングが決定された位相制御信号を、複数の超音波素子２１それぞれに出力する。位相制御信号は、パルス信号であり、複数の超音波素子２１それぞれに入力されるパルス信号の立ち上がりエッジは、触覚提供位置に応じて決定される。これら、立ち上がりエッジの調整されたパルス信号を各超音波素子２１に入力することで、触覚提供位置に、複数の超音波素子２１から発せられる超音波の位相が高めあう集中点を形成する。これにより、触覚提供位置に生体が位置した時に、触覚受容器５１〜５３が刺激され、生体に触覚が提供される。

制御部３０は、図５に示す、互いに異なる位置である複数の触覚提供位置Ａ〜Ｄそれぞれに対応した位相制御信号を生成する。そして、生成した複数の位相制御信号のパルスを、超音波素子群２０を構成する複数の超音波素子２１それぞれに順次出力する。こうすることで、触覚提供位置Ａ〜Ｄに連続的に集中点を形成する。

制御部３０から順次出力される複数の位相制御信号の出力間隔（各位相制御信号のパルスの出力間隔）は、複数の位相制御信号によって複数の触覚提供位置Ａ〜Ｄに形成される集中点それぞれを、生体が時間的に別々に知覚するのではなく、同時に知覚するように、決定されている。人間は、振動体の周波数がある周波数を超えると、その振動体と触れたとしても、振動体が断続的に触れているとは感じず、連続して触れていると感じる。このため、複数の位相制御信号のパルスの出力間隔は、触覚提供位置Ａ〜Ｄに形成される集中点の形成間隔が、人間が連続して感じる周波数に基づいて、決定される。以下、説明を簡単にするために、第１触覚提供位置Ａに対応する位相制御信号を第１位相制御信号、第２触覚提供位置Ｂに対応する位相制御信号を第２位相制御信号、第３触覚提供位置Ｃに対応する位相制御信号を第３位相制御信号、第４触覚提供位置Ｄに対応する位相制御信号を第４位相制御信号とする。

図６に、１つの超音波素子２１に対応する第１〜第４位相制御信号を示す。第１〜第４位相制御信号それぞれの周波数は、刺激超音波の周波数と同一であり、本実施形態では、１００Ｈｚとなっている。したがって、第１〜第４位相制御信号それぞれの周期Ｔ１は、０．０１ｓｅｃとなっている。また、第１〜第４位相制御信号それぞれの出力時間τ１（パルス幅τ１）は、パルス出力待機時間（Ｔ１−τ１）よりも短く、デューティ比Ｄが５０％よりも小さくなっている。本実施形態では、パルス幅τ１は、０．００２ｓｅｃとなっており、デューティ比Ｄが２０％になっている。

制御部３０は、第１位相制御信号のパルスを出力した後、第１位相制御信号のパルス出力待機時間の間に、第２位相制御信号、第３位相制御信号、第４位相制御信号それぞれのパルスを順次出力する。詳しく言えば、制御部３０は、第１位相制御信号のパルスの立ち下がり直後、第２位相制御信号のパルスを立ち上げる。そして、制御部３０は、第２位相制御信号のパルスの立ち下がり直後、第３位相制御信号のパルスを立ち上げ、第３位相制御信号のパルスの立ち下がり直後、第４位相制御信号のパルスを立ち上げる。この後、制御部３０は、新たに第１位相制御信号のパルスを出力し、以下、上記したパルスの出力を順次繰り返す。

これにより、第１触覚提供位置Ａに集中点が形成された０．００２ｓｅｃ直後、第２触覚提供位置Ｂに集中点が形成される。また、第２触覚提供位置Ｂに集中点が形成された０．００２ｓｅｃ直後、第３触覚提供位置Ｃに集中点が形成され、第３触覚提供位置Ｃに集中点が形成された０．００２ｓｅｃ直後、第４触覚提供位置Ｄに集中点が形成される。このように、触覚提供位置Ａ〜Ｄに、０．００２ｓｅｃ間隔で、集中点が順次形成される。上記したように、制御部３０は、１つの位相制御信号のパルスを出力した直後、別の位相制御信号のパルスを出力する。そのため、第１〜第４位相制御信号のパルスの出力間隔が、第１〜第４位相制御信号のパルス幅τ１とほぼ等しくなっている。なお、第１〜第４制御信号それぞれのパルス幅τ１を合算した時間ｔ１（＝０．００２×４ｓｅｃ）の間に、触覚提供位置Ａ〜Ｄに集中点が順次形成される。

以上、示したように、触覚提供位置Ａ〜Ｄに集中点が形成されるタイミングは、それぞれ同時ではない。しかしながら、集中点が順次形成される０．００２ｓｅｃという間隔は、人間が連続的であると知覚できる程度の間隔となっている。そのため、例えば人間が、触覚提供位置Ａ〜Ｄに手のひらを位置させた場合、触覚提供位置Ａ〜Ｄそれぞれに位置する部位に、触覚を同時に得る。

次に、本実施形態に係る触覚装置１００の作用効果を説明する。上記したように、１つの超音波素子群２０によって、互いに異なる複数の触覚提供位置Ａ〜Ｄそれぞれに集中点が形成される。したがって、複数の超音波素子群によって、互いに異なる複数の触覚提供位置それぞれに集中点が形成される構成と比べて、触覚装置１００の体格の増大が抑制される。

また、制御部３０から順次出力される第１〜第４位相制御信号のパルスの出力間隔は、第１〜第４位相制御信号によって触覚提供位置Ａ〜Ｄに形成される集中点それぞれを、生体が時間的に別々に知覚するのではなく、同時に知覚するように、決定されている。これによれば、生体に、平面的、立体的な知覚を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、特に触覚装置１００の適用について述べなかった。しかしながら、触覚装置１００の適用としては、例えば、車載操作系、ゲーム、携帯電話、３Ｄテレビ、インターネットショッピングなどに適用することができる。いずれに適用した場合においても、空中に画像表示されたスイッチなどを人間が触れた際、その画像を触れている触覚を人間に提供することができる。

本実施形態では、超音波素子２１が、圧電素子２２、及び、共振器２３から成る例を示した。しかしながら、超音波素子２１としては、上記例に限定されず、超音波を発振することができるものであれば、適宜採用することができる。

本実施形態では、複数の超音波素子２１が、アレイ状に配置された例を示した。しかしながら、複数の超音波素子２１の配置としては、上記例に限定されない。図示しないが、例えば、複数の超音波素子２１が同心円状に配置された構成を採用することができる。

本実施形態では、一面１０ａに形成された全ての超音波素子２１によって超音波素子群２０が構成された例を示した。しかしながら、一面１０ａに形成された一部の超音波素子２１によって超音波素子群２０が形成された構成を採用することもできる。若しくは、複数の基板１０を用意し、各基板１０に１つの超音波素子群２０が形成された構成を採用することもできる。この場合、複数の超音波素子群２０の触覚提供位置それぞれは異なる。

本実施形態では、複数の超音波素子２１から出力される超音波の強度は同一になっている例を示した。しかしながら、複数の超音波素子２１から出力される超音波の強度は異なっていても良い。

本実施形態では、超音波素子２１から出力される刺激超音波の周波数が、１００Ｈｚである例を示した。しかしながら、刺激超音波の周波数としては、上記例に限定されない。例えば、マイスナー小体５２を刺激するべく、５０Ｈｚを採用することもできる。

本実施形態では、制御部３０が、４つの触覚提供位置Ａ〜Ｄそれぞれに対応した第１〜第４位相制御信号を生成する例を示した。しかしながら、制御部３０が生成する位相制御信号の数としては、上記例に限定されず、複数であれば良い。

本実施形態では、第１〜第４位相制御信号それぞれのパルス幅τ１が、０．００２ｓｅｃである例を示した。しかしながら、第１〜第４位相制御信号それぞれのパルス幅τ１としては上記例に限定されず、例えば、０．００１ｓｅｃを採用することもできる。パルス幅τ１は、触覚提供位置の数に応じて決定される。なお、上記変形例の場合、デューティ比Ｄは１０％になる。

本実施形態では、特に触覚提供位置Ａ〜Ｄの配置について述べなかった。しかしながら、図５に示すように、触覚提供位置Ａ〜Ｄがマトリックス状に配置されていなくともよく、提供したい触覚に応じて、触覚提供位置Ａ〜Ｄの配置位置は決定される。また、本実施形態では、触覚提供位置Ａ，Ｂが対角線上に位置し、触覚提供位置Ｃ，Ｄが対角線上に位置する例を示した。しかしながら、触覚提供位置Ａ〜Ｄの配置順としては上記例に限定されず、例えば、直線上において、触覚提供位置Ａ，Ｃ，Ｂ，Ｄが順次並んだ構成を採用することもできる。この並びの場合、直線状の物体を触れた場合に得られる触覚を、生体に提供することができる。

１０・・・基板
１０ａ・・・一面
２０・・・超音波素子群
２１・・・超音波素子
３０・・・制御部
５０・・・触覚受容器
Ａ〜Ｄ・・・触覚提供位置
１００・・・触覚装置

Claims

基板（１０）と、
該基板の一面（１０ａ）に設けられた複数の超音波素子（２１）から成る超音波素子群（２０）と、
生体の皮膚にある触覚受容器（５０）を刺激する刺激超音波を、複数の前記超音波素子それぞれから発生させる制御部（３０）と、を有し、
前記制御部は、複数の前記超音波素子の発振タイミングが決定された位相制御信号を、複数の前記超音波素子それぞれに出力することで、前記基板の一面の上方の触覚提供位置（Ａ〜Ｄ）に、複数の前記超音波素子から発せられる前記刺激超音波の位相が高めあう集中点を形成し、前記触覚提供位置に前記生体が位置した時に、前記触覚受容器を刺激して、前記生体に触覚を提供しており、
前記制御部は、互いに異なる複数の前記触覚提供位置それぞれに対応した前記位相制御信号を生成し、生成した複数の前記位相制御信号のパルスを、前記超音波素子群を構成する複数の前記超音波素子それぞれに順次出力しており、
前記制御部から順次出力される生成した複数の前記位相制御信号のパルスの出力間隔は、複数の前記位相制御信号によって複数の前記触覚提供位置に形成される集中点それぞれを、前記生体が時間的に別々に知覚するのではなく、同時に知覚するように、決定されていることを特徴とする触覚装置。
前記位相制御信号のデューティ比（Ｄ）が５０％よりも小さくなっており、
複数の前記位相制御信号の内の任意の１つを第１位相制御信号とし、残りを第２位相制御信号とすると、
前記制御部は、前記第１位相制御信号のパルスを出力した後、前記第１位相制御信号のパルス出力待機時間の間に、前記第２位相制御信号のパルスを出力することを特徴とする請求項１に記載の触覚装置。
互いに異なる複数の前記触覚提供位置それぞれに集中点を形成する前記超音波素子群を複数有し、
各超音波素子群による前記触覚提供位置は、それぞれ異なることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の触覚装置。