JP6194599B2 - 触覚装置 - Google Patents

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。基板は、平面形状を成し、その一面に、複数の超音波素子が等間隔に並んで配置されている。

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、平面形状を成す基板の一面に、複数の超音波素子が配置されている。超音波素子から発生される超音波には指向性があるので、上記構成の場合、超音波は、主として一面に直交する方向に発生される。そのため、基板上の触覚提示位置に形成される集中点は、主として、その集中点と対向する超音波素子から発せられる超音波によって形成される。このように、複数の超音波素子の一部によって集中点が形成されるので、集中点の強度を確保することが難しかった。特定の強度（強度）を確保するためには、超音波の強度を上げなくてはならず、エネルギー効率が悪い、という問題がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、エネルギー効率が改善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（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）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、基板は、一面側が凹となり、一面の裏面（１０ｂ）側が凸となるように湾曲しており、一面（１０ａ）に設けられた複数の超音波素子それぞれから発生された刺激超音波が、基板の幾何学的中心（ＣＰ）を通り一面に直交する中心線（ＣＬ）、及び、触覚提供位置（Ａ）それぞれに向かっており、基板は、形状記憶合金からなる支持基板（１１）と、絶縁性を有する第１絶縁膜（１２）と、を有し、超音波素子は、第１絶縁膜を介して、支持基板上に設けられており、湾曲するように形状が記憶された支持基板を平板状にした状態で、第１絶縁膜を介して超音波素子を支持基板上に設けた後、支持基板を元の湾曲した状態に戻すことで、複数の超音波素子それぞれの刺激超音波の発振口が、中心線に向かっていることを特徴とする。また、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（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）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、基板は、一面側が凹となり、一面の裏面（１０ｂ）側が凸となるように湾曲しており、一面（１０ａ）に設けられた複数の超音波素子それぞれから発生された刺激超音波が、基板の幾何学的中心（ＣＰ）を通り一面に直交する中心線（ＣＬ）、及び、触覚提供位置（Ａ）それぞれに向かっており、基板は、支持基板（１１）と、絶縁性を有し、支持基板よりも収縮率の高い材料からなる第１絶縁膜（１２）と、を有し、超音波素子は、第１絶縁膜を介して、支持基板上に設けられており、第１絶縁膜が収縮することで、支持基板が湾曲し、複数の超音波素子それぞれの刺激超音波の発振口が、中心線に向かっていることを特徴とする。

このように本発明によれば、基板（１０）が湾曲しているために、複数の超音波素子それぞれから発生された刺激超音波が、中心線（ＣＬ）と触覚提供位置（Ａ）それぞれに向かっている。これによれば、複数の超音波素子それぞれから発生された刺激超音波の一部が触覚提供位置に向かう構成と比べて、触覚提供位置（Ａ）に形成される集中点の強度が確保される。このため、上記比較構成と比べて、特定の強度を確保するために、超音波の強度を上げなくても良く、エネルギー効率が改善される。

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。 超音波素子の配置の変形例を示す上面図である。 超音波素子の配置と基板の変形例を示す上面図である。 基板の変形例を示す上面図である。

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４に基づいて、本実施形態に係る触覚装置を説明する。なお、後述するように、基板１０は湾曲しているが、図１では、湾曲していない、平板状の基板１０を示している。

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２０が設けられており、これら複数の超音波素子２０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２０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２０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２０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。一面１０ａの上方の触覚提供位置Ａにおいて、特に超音波が強めあうように、超音波素子２０の超音波の出力タイミングが制御部３０によって調整される。

基板１０は、超音波素子２０が設けられる一面１０ａ側が凹となり、その裏面１０ｂ側が凸となるように湾曲している。また、基板１０は、自身の幾何学的中心ＣＰを通り、一面１０ａに直交する中心線ＣＬを介して対称な形状を成している。そして、一面１０ａに設けられた複数の超音波素子２０は、中心線ＣＬを介して対称となるように配置されており、触覚提供位置Ａは、中心線ＣＬ上に位置している。

基板１０は、形状記憶合金からなる支持基板１１と、絶縁性を有する第１絶縁膜１２と、を有する。支持基板１１は、湾曲するように形状が記憶されており、支持基板１１における第１絶縁膜１２との接着面側が凹となり、その裏面側が凸となるように湾曲している。第１絶縁膜１２は、支持基板１１を平板状にした状態で、支持基板１１に形成される。また、この状態で、第１絶縁膜１２に、超音波素子２０が設けられる。この後、支持基板１１を元の湾曲した状態に戻す。こうすることで、超音波素子２０における超音波の発振口が中心線ＣＬ側に向かい、複数の超音波素子２０それぞれから発生された刺激超音波が、中心線ＣＬに向かう構成と成っている。なお、一面１０ａは、所定の半径を有する球体と同一の曲率になっており、触覚提供位置Ａは、複数の超音波素子２０それぞれと同じ距離離れている。触覚提供位置Ａと超音波素子２０との距離は、一面１０ａの曲率を決定する半径と正比例の関係にある。

超音波素子２０は、圧電素子２１、及び、所定の周波数に設定された共振器２２（音響整合層）から成る。圧電素子２１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２１が振動し、共振器２２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２０は、平板形状の基板１０の一面１０ａ上に、格子状に配置される。触覚提供位置Ａに形成される集中点は、一面１０ａに設けられた全ての超音波素子２０によって形成される。本実施形態では、複数の超音波素子２０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２０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２０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２０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２０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２０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２０に入力することで、触覚提供位置Ａに、複数の超音波素子２０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Ａ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。なお、位相制御信号の周波数は、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、位相制御信号の周期Ｔ１は、０．０１ｓｅｃとなっている。また、位相制御信号それぞれの出力時間τ１（パルス幅τ１）は、０．００５ｓｅｃとなっており、デューティ比Ｄが５０％になっている。

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、基板１０が湾曲しているために、複数の超音波素子２０それぞれから発生された刺激超音波が、中心線ＣＬに向かっている。これによれば、複数の超音波素子それぞれから発生された刺激超音波の一部が中心線に向かう構成と比べて、中心線ＣＬ上に位置する触覚提供位置Ａに形成される集中点の強度が確保される。このため、上記比較構成と比べて、特定の強度を確保するために、超音波の強度を上げなくても良く、エネルギー効率が改善される。

基板１０は、中心線ＣＬを介して対称な形状を成し、複数の超音波素子２０は、中心線ＣＬを介して対称となるように配置され、触覚提供位置Ａは、中心線ＣＬ上に位置している。これによれば、基板が中心線を介して非対称な形状を成し、複数の超音波素子が中心線を介して非対称となるように配置された構成と比べて、中心線ＣＬに位置する触覚提供位置Ａに形成される集中点が、強まる。これにより、エネルギー効率が改善される。

一面１０ａは、所定の半径を有する球体と同一の曲率になっており、触覚提供位置Ａは、複数の超音波素子２０それぞれと同じ距離離れている。これによれば、超音波素子２０を同時に発振させるだけで、触角提供位置Ａに集中点を形成することができる。そのため、複数の超音波素子２０それぞれに入力される位相制御信号のパルスの立ち上がりを同一とすることができる。これにより、位相制御信号が簡素化される。

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２０が、圧電素子２１、及び、共振器２２から成る例を示した。しかしながら、超音波素子２０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２０が、格子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２０の配置としては、上記例に限定されない。例えば、図５に示すように、複数の超音波素子２０が、ハニカム状に配置された構成を採用することもできる。また、図６に示すように、複数の超音波素子２０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、図１に示すように、湾曲していない基板１０の平面形状が平板状である例を示した。しかしながら、図６に示すように、湾曲していない基板１０の平面形状が円板状である構成を採用することもできる。また、図示しないが、湾曲していない基板１０の平面形状が楕円状である構成を採用することもできる。図６に示すように、湾曲していない基板１０の平面形状が円板状の場合、湾曲していない基板１０の平面形状が平板状である構成とは異なり、基板１０の幾何学的中心ＣＰとその縁部との距離が一定なので、基板１０を所望の形状に湾曲させ易くなる。

本実施形態では、基板１０は、形状記憶合金からなる支持基板１１と、絶縁性を有する第１絶縁膜１２と、を有する例を示した。しかしながら、基板１０が、支持基板１１と、絶縁性を有し、支持基板１１よりも収縮率の高い材料からなる第１絶縁膜１２と、を有する構成を採用することもできる。この場合、第１絶縁膜１２が収縮することで、支持基板１１が湾曲し、複数の超音波素子２０それぞれから発生された刺激超音波が、中心線ＣＬに向かう。

基板１０は、図７に示すように、支持基板１１と第１絶縁膜１２の他に、人工筋肉１３と、第２絶縁膜１４と、を有しても良い。図７に示す変形例では、第２絶縁膜１４を介して、人工筋肉１３が支持基板１１上に位置し、人工筋肉１３における第２絶縁膜１４との接触面１３ａの裏面１３ｂが、第１絶縁膜１２と接触している。この人工筋肉１３を駆動させることで、基板１０の湾曲を調整することができる。これにより、触覚提供位置Ａに形成する集中点の強度を微調整することができる。

本実施形態では、一面１０ａは、所定の半径を有する球体と同一の曲率になっている例を示した。しかしながら、一面１０ａの形状としては、上記例に限定されず、一面１０ａ側が凹となり、その裏面１０ｂ側が凸となるように、一面１０ａが曲面を有すればよい。例えば、一面１０ａが、所定の焦点を有する偏球と同一の曲率になっていてもよい。

本実施形態では、触覚提供位置Ａが中心線ＣＬ上に位置する例を示した。しかしながら、触覚提供位置Ａとしては、中心線ＣＬの近傍であればよい。

本実施形態では、複数の超音波素子２０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２０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２０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、位相制御信号それぞれのパルス幅τ１が、０．００５ｓｅｃである例を示した。しかしながら、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、０．００２ｓｅｃを採用することもできる。この場合、デューティ比Ｄは２０％になる。

１０・・・基板
１０ａ・・・一面
１０ｂ・・・裏面
２０・・・超音波素子
３０・・・制御部
５０・・・触覚受容器
Ａ・・・触覚提供位置
ＣＰ・・・幾何学的中心
ＣＬ・・・中心線
１００・・・触覚装置

Claims (5)

1. 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（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）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、
   基板は、一面側が凹となり、一面の裏面（１０ｂ）側が凸となるように湾曲しており、一面（１０ａ）に設けられた複数の超音波素子それぞれから発生された刺激超音波が、基板の幾何学的中心（ＣＰ）を通り一面に直交する中心線（ＣＬ）、及び、触覚提供位置（Ａ）それぞれに向かっており、
   基板は、形状記憶合金からなる支持基板（１１）と、絶縁性を有する第１絶縁膜（１２）と、を有し、
   超音波素子は、第１絶縁膜を介して、支持基板上に設けられており、
   湾曲するように形状が記憶された支持基板を平板状にした状態で、第１絶縁膜を介して超音波素子を支持基板上に設けた後、支持基板を元の湾曲した状態に戻すことで、複数の超音波素子それぞれの刺激超音波の発振口が、中心線に向かっていることを特徴とする触覚装置。
2. 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（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）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、
   基板は、一面側が凹となり、一面の裏面（１０ｂ）側が凸となるように湾曲しており、一面（１０ａ）に設けられた複数の超音波素子それぞれから発生された刺激超音波が、基板の幾何学的中心（ＣＰ）を通り一面に直交する中心線（ＣＬ）、及び、触覚提供位置（Ａ）それぞれに向かっており、
   基板は、支持基板（１１）と、絶縁性を有し、支持基板よりも収縮率の高い材料からなる第１絶縁膜（１２）と、を有し、
   超音波素子は、第１絶縁膜を介して、支持基板上に設けられており、
   第１絶縁膜が収縮することで、支持基板が湾曲し、複数の超音波素子それぞれの刺激超音波の発振口が、中心線に向かっていることを特徴とする触覚装置。
3. 基板は、支持基板と第１絶縁膜の他に、人工筋肉（１３）と、第２絶縁膜（１４）と、を有し、
   第２絶縁膜を介して、人工筋肉が支持基板上に位置し、人工筋肉における第２絶縁膜との接触面（１３ａ）の裏面（１３ｂ）が、第１絶縁膜と接触しており、
   人工筋肉を駆動させることで、基板の湾曲を調整す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。
4. 基板は中心線を介して対称な形状を成し、
   一面に設けられた複数の超音波素子は、中心線を介して対称となるように配置されており、
   触覚提供位置は、中心線上に位置することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の触覚装置。
5. 一面は、所定の半径を有する球体と同一の曲率になっており、
   触覚提供位置は、複数の超音波素子それぞれと同じ距離離れていることを特徴とする請求項４に記載の触覚装置。

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