JP6705015B2 - 触覚呈示装置 - Google Patents

Description

本発明は、指などの操作体が接触したときに、温冷情報や振動情報を呈示する触覚呈示装置に関する。

特許文献１においては、ボイスコイルまたは圧電体等の振動発生による触覚呈示装置と、温覚を呈するペルチェ素子と、皮膚温を測定するセンサとが台座上に載置された装置が開示されている。触覚呈示装置とセンサは台座上にそれぞれ直接載置され、ペルチェ素子は触覚呈示装置上に載置される。この構成より、触覚の呈示に、振動だけでなく温度の影響も付加することで、より高い表現力をもった触覚伝達装置を実現することが可能であるとしている。

特開平７−７２０１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置では、ペルチェ素子が触覚呈示装置上に載置されただけの構成であるため、ペルチェ素子で発生した熱は触覚呈示装置の各部に伝達され、これにより、ペルチェ素子とは独立して配置されたセンサにも、ペルチェ素子と同様の温冷情報が呈示されてしまうおそれがある。このため、温冷情報を呈示したい領域以外にも温冷情報が呈示されることがあり、細かい触覚呈示の実現が困難であった。

そこで本発明は、所望の領域のみに温冷情報を呈示でき、これによって、より細かな触覚呈示を実現することができる触覚呈示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の触覚呈示装置は、呈示領域に温冷情報を呈示する温冷呈示素子と、振動情報を呈示する振動素子と、断熱性部材で構成され、開口部を有する枠体とを備え、温冷呈示素子において、呈示領域の少なくとも一部の領域が枠体の開口部から露出し操作体が前記呈示領域に接触可能となっており、かつ、露出した領域の周囲は枠体で覆われており、振動素子が呈示する振動情報は温冷呈示素子に伝達され、呈示領域に温冷情報と振動情報とを含む触覚を呈示させるとともに、熱伝導性を有する側壁部の上部に前記枠体を配置したケースを備え、前記温冷呈示素子と前記振動素子は、前記ケース内に収容されることを特徴としている。

これにより、断熱性の枠体の開口部から露出した領域のみで、温冷情報に基づく温感・冷感が操作体に呈示されるため、所望の領域のみに温冷情報を呈示でき、また、温冷情報を与える範囲が小さくてすむため、温冷情報の変更を迅速に行うことが可能となり、細かい触覚の呈示が可能となる。

また、温冷呈示素子で発生した熱を熱伝導性を有する側壁部で伝導させて放熱しやすくなり、細かい触覚の呈示が可能となる。

本発明の触覚呈示装置において、振動素子は金属製の筐体を有し、温冷呈示素子と振動素子との間には伝導部材を配置し、伝導部材は、振動素子が温冷情報を呈示した際に発生する熱を振動素子に伝導する熱伝導部材を備えることが好ましい。また、本発明の触覚呈示装置において、振動素子は熱伝導部材を介してケース内に載置されることが好ましい。

これにより、温冷呈示素子で発生した熱を効率よく放熱することができる。

本発明の触覚呈示装置において、伝導部材は粘着性を有し、振動素子をケースに結合していることが好ましい。

これにより、振動素子を確実に保持することができる。

本発明の触覚呈示装置において、振動素子は、防振部材を介してケース内に載置されることが好ましい。

これにより、振動素子の振動がケース側へ伝わりにくくなるため、振動素子で発生した振動が温冷呈示素子に効率よく伝わる。

本発明の触覚呈示装置において、振動素子の側面と、これに対向する側壁部は互いに離間していることが好ましい。

これにより、振動素子で発生した振動がケース側へ伝導しづらくなることから、振動素子で発生した振動が温冷呈示素子に効率よく伝わる。

本発明によると、所望の領域のみに温冷情報を呈示することができるため、より細かな触覚呈示を実現することができる。

本発明の実施形態に係る触覚呈示装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る触覚呈示装置の機能ブロック図である。 図１に示す触覚呈示装置の上面図である。

以下、本発明の実施形態に係る触覚呈示装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。図１は、本発明の実施形態に係る触覚呈示装置１０の構成を示す断面図、図２は、触覚呈示装置１０の機能ブロック図、図３は触覚呈示装置１０の上面図である。図１において、振動素子２２、ペルチェ素子２３、および、検知部２３ａの内部構造の表示は省略している。

図１と図２に示す触覚呈示装置１０は、操作体である操作者の指に、振動による操作感触と、熱の変化による感覚を与える。例えば、触覚呈示装置１０は、バーチャルリアリティを呈示する機器の操作部に設置される。触覚呈示装置１０は、操作部の操作釦の一部として１個または複数個並べて用いられ、あるいは単に手で触れる接触部に１個または複数個並べて配置される。

触れた手や指（操作体）に温かい温度を感じさせるように温刺激を与える温刺激部としての触覚呈示装置１０と、冷たい温度を感じさせるように冷刺激を与える冷刺激部としての触覚呈示装置１０とを交互に並置した場合、痛覚の生じない温度刺激の組み合わせ（２０°Ｃと４０°Ｃなど）でも痛覚が生起する（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｇｒｉｌｌ Ｉｌｌｕｓｉｏｎ）。例えば４°Ｃ／ｓ以上などある程度以上の強い温刺激と冷刺激を、上述の温刺激部と冷刺激部のそれぞれから同時に呈示することで、痛覚を生じさせることができる。

図１に示すように、触覚呈示装置１０は、ケース３０内に触覚生成部２０が配置された構成を備える。

触覚生成部２０は、基材２１上に振動素子２２が載置され、この振動素子２２上に伝導部材２４を介してペルチェ素子２３が載置された構成を備える。ペルチェ素子２３の表面には検知部２３ａが設けられている。基材２１、振動素子２２、ペルチェ素子２３、および、検知部２３ａは、Ｚ方向に沿って上側から見た平面視において、同心状に配置され、かつ、同一の直径を有する円板状（図３参照）であり、Ｚ方向に沿って積み上げることによって、全体として円柱状となる。ただし、これらが平面視で長円形や矩形状であってもよい。

図２に示すように、検知部２３ａによる検知結果は制御部２５へ出力され、制御部２５は振動素子２２、ペルチェ素子２３のそれぞれに対して制御信号を出力する。

基材２１は、合成樹脂材料からなり、所定の弾性を有する。この弾性によって基材２１は防振材として機能し、基材２１上の振動素子２２の振動が、基材２１が載置されるケース３０の底壁部３１へ伝わるのを抑えることができる。そのため、基材２１はゴム材やエラストマーや発泡樹脂などで構成される。

なお、基材２１を高剛性の合成樹脂材料で構成し、基材２１と、ケース３０の底壁部３１との間に、防振材料として、例えばゴム材やエラストマーや発泡樹脂などを配置してもよい。

振動素子２２は、例えば、振動子が筐体内で板バネなどの弾性部材によって、振動自在に支持された構成を備える。振動子にはコイルが巻かれており、筐体内には前記コイルに対向する磁石が固定されている。制御部２５から、コイルに対して制御信号としての交流電流を与えることで、振動子が振動し、これによって振動素子２２は所定の振動情報を呈示することが可能となる。すなわち、振動素子２２は、制御部２５の制御によって所定の振動情報を呈示する。制御部２５が与える制御信号は、検知部２３ａにおける検知結果などに応じて変更することができ、振動の強弱、周期などを制御できる。

振動素子２２の筐体は熱伝導性材料、例えば金属材料で構成することが好ましい。これにより、ペルチェ素子２３で発生した熱が伝達されやすくなるため、放熱効果を高めることができる。

また、振動素子２２としては、振動子を磁石で形成し、振動子に対向するコイルを筐体内に固定した構成でもよい。また、振動素子２２を圧電素子で構成し、制御部２５からの制御信号にしたがって振動する構成としてもよい。

伝導部材２４は、例えば両面テープのような粘着性のテープ材であって、振動素子２２の上面に配置され、その粘着性によって、振動素子２２上に固定され、かつ、その上に配置された、ペルチェ素子２３を固定する。伝導部材２４により、振動素子２２とペルチェ素子２３が互いに結合される。

伝導部材２４は、熱伝導部材として、ペルチェ素子２３が温冷情報を呈示した際に発生する熱を振動素子２２の金属製のケースへ伝導する。また、伝導部材２４は、振動伝導部材として、振動素子２２が呈示した振動情報をペルチェ素子２３に伝導する。

このように伝導部材２４が粘着性および振動伝導性を有するため、ペルチェ素子２３の表面に、振動素子２２が呈示した振動情報を効率よく伝えることができる。さらに、伝導部材２４が熱伝導性を有するため、ペルチェ素子２３で発生した熱を自身で拡散できるとともに、ペルチェ素子２３の裏面から振動素子２２の特に金属製のケースへ熱を効率よく伝導させ、金属製のケースをヒートシンクとして利用することで放熱効率を高めることができる。

温冷呈示素子としてのペルチェ素子２３は伝導部材２４上に配置されている。ペルチェ素子２３は、例えば、Ｚ方向において対向する２枚の金属板の接合部に制御部２５から直流電流を与えたときのペルチェ効果の熱の移動を利用したものであり、電流方向に応じて２枚の金属板の表面における熱量が変化する。与える電流の方向と電流量を制御することで、ペルチェ素子２３の表面に位置する検知部２３ａの上面２３ｃの全領域（呈示領域）に触れた指に温かい温度や冷たい温度を感じさせることが可能であり、温冷情報を呈示することができる。

ここで、温冷呈示素子としては、ペルチェ素子のほかに、トムソン効果を用いた熱電素子を用いることもでき、また、温冷呈示素子に代えて、温感情報を呈示する素子、例えばヒータを用いることもできる。

図１に示すように、ペルチェ素子２３の表面（Ｚ方向の上面）には、検知部２３ａが固定されている。検知部２３ａは、ペルチェ素子２３の熱を、操作体としての指に伝達できるように薄い構造となっている。

検知部２３ａは、その上面２３ｃが操作体としての指が接触可能な接触部を構成する。検知部２３ａは、静電容量型センサであり、Ｚ方向に直交する面に配置された、樹脂フィルムの基板上において、互いに直交するように延びる、複数の第１電極及び複数の第２電極を有している。第１電極と第２電極は互いに絶縁されて交差しており、その表面は絶縁層で覆われている。第１電極と第２電極の相互容量の変化により、操作体である指の接近や接触を検知でき、または接触位置も検知できる。また、検知部２３ａが単一または複数の電極を有し、電極と指との間の自己容量の変化を検知して、操作体である指の接近や接触を検知するものであってもよい。また、検知部２３ａは、指が触れることによる抵抗値の変化を検知するものであってもよい。

検知部２３ａによる検知結果は制御部２５へ出力され、制御部２５は、検知結果に基づいて、振動情報を呈示させるために振動素子２２へ制御信号を与え、また、温冷情報を呈示させるためにペルチェ素子２３に対して制御信号を与え、これらの結果、温冷情報と振動情報とを含む触覚がペルチェ素子２３を通じて指に対して呈示される。

また、検知部２３ａに温度センサを設け、ペルチェ素子２３の表面温度を測定し、測定した温度と設定温度との差に基づいてペルチェ素子２３に与える制御信号を調整することが好ましい。

さらにまた、ペルチェ素子２３による温冷刺激前の指の皮膚温度（順応温度）は、温感と冷感の感じやすさ（閾値）に影響を与える。ここで、順応温度とは、温感を呈示したいときは、ペルチェ素子に接触した指先の温度が高い方が温感を感じやすくなり、冷感を呈示したいときは、ペルチェ素子に接触した指先の温度が低い方が冷感を感じやすくなる温度のことである。別言すれば、指は、順応温度が高いほど温刺激を感じやすくなり、また、順応温度が低いほど冷刺激を感じやすくなる。したがって、温度センサ（不図示）により指の皮膚温度を正確に把握し、その結果を元にペルチェ素子を駆動させ皮膚温度を上昇させる、もしくは下降させと、小さな温度変化で温冷刺激を明瞭に呈示できる。例えば、温感を呈示したい場合、指先温度が３２°Ｃであれば、２°Ｃ高い３４°Ｃにすると「温かい」と感じ、また、指先温度が３５°Ｃであるときは、１°Ｃ高い３６°Ｃにするだけで「温かい」と感じる。一方、冷感を呈示したい場合、指先温度が３２°Ｃであれば、１°Ｃ低い３１°Ｃにすると「冷たい」と感じ、また、指先温度が２９°Ｃの場合、０．５°Ｃ低い２８．５°Ｃにするだけで「冷たい」と感じる。

ケース３０は、図１に示すように、触覚生成部２０が載置される底壁部３１と、底壁部３１の外縁部から上方向へ立ち上がる第１側壁部３２と、第１側壁部３２上に配置される第２側壁部３３と、第２側壁部３３の上面に配置される枠体３４とからなる。

底壁部３１は、平面視において円形状をなしており、その外周に沿ってＺ方向に沿って立ち上がる第１側壁部３２は中空の円筒状に設けられている。底壁部３１と第１側壁部３２は、熱伝導性を有する材料、例えば金属材料で構成され、別個で形成して接着等によって互いに固定してもよいし、一体で成形してもよい。第１側壁部３２の内側において、底壁部３１の上面３１ａには、触覚生成部２０の基材２１が載置される。

第１側壁部３２は、図１に示すように、内周面３２ａが、一定の間隔ｄをおいて、基材２１、振動素子２２、伝導部材２４、及び、ペルチェ素子２３のそれぞれの外周面２１ｂ、２２ｂ、２４ｂ、２３ｂと対向するように配置される。

このように熱導電性を有する第１側壁部３２を、振動素子２２、伝導部材２４、及びペルチェ素子２３と対向させたことによって、ペルチェ素子２３の熱を直接に、又は、伝導部材２４若しくは振動素子２２を介して第１側壁部３２へ伝導させて放熱しやすい構造としている。

第２側壁部３３は、Ｚ方向に沿って第１側壁部３２に連なる円筒状に形成される。第２側壁部３３は、断熱性の樹脂材料で形成される。第２側壁部３３は、図１に示すように、内周面３３ａが、一定の間隔ｄをおいて、触覚生成部２０のペルチェ素子２３の外周面２３ｂと対向するように配置される。ここで、第１側壁部３２と第２側壁部３３は全体として同じ厚みの円筒状に形成されており、第１側壁部３２の内周面３２ａと振動素子２２の外周面２２ｂも間隔ｄで互いに離間している。

触覚生成部２０とケース３０との間に間隔ｄを空けているため、振動素子２２で発生した振動がケース３０側に伝導しづらくなる。これにより、振動素子２２で発生した振動がペルチェ素子２３に効率よく伝わりやすくなり、振動情報がペルチェ素子２３の上側に呈示され、その周囲の枠体３４上に呈示されることを抑えることが可能となるため、細かな触覚呈示が可能となる。

第２側壁部３３の上面３３ｂには、断熱性の樹脂材料で形成された枠体３４が接着等によって固定されている。ただし、第２側壁部３３と枠体３４とが断熱性の樹脂材料で一体に形成されているものであってもよい。また、枠体３４は、断熱性材料であれば樹脂以外の材料で構成してもよい。

図３に示す平面視において、枠体３４は、中央の開口部３４ａの内径が検知部２３ａの直径よりも小さく、かつ、外径が第２側壁部３３の外径に等しい円環の板材であって、検知部２３ａと同心状に配置されている。この構成により、枠体３４は、検知部２３ａの外周部近傍を上から覆っており、円形の開口部３４ａによって、検知部２３ａの中央の円形の領域Ａが外部に露出している。操作体としての指は、検知部２３ａの上面２３ｃの全領域のうち、領域Ａのみに接触可能である。

このように、断熱性材料で形成された枠体３４及び第２側壁部３３で触覚生成部２０の上部の一部および第１側壁部３２の上部を覆っているため、ペルチェ素子２３で発生した熱は枠体３４上には伝達されず、露出された領域Ａのみで温冷情報として指に呈示される。

ここで、領域Ａの大きさを定める開口部３４ａの平面視における形状や大きさは、想定される指の形状・大きさなどに応じて適宜設定される。また、開口部３４ａは、図３に示す例のように、検知部２３ａおよびペルチェ素子２３よりも小さく設定してもよいが、検知部２３ａと同じ大きさとしてもよい。

なお、第１側壁部３２を、ペルチェ素子２３と対向する範囲は熱伝導性材料で構成し、振動素子２２と対向する範囲は弾性材料で構成してもよい。この構造では、ペルチェ素子２３の熱を放熱しやすく、かつ、振動素子２２で発生した振動が枠体３４へ伝達されづらくなる。

また、第２側壁部３３を設けずに、Ｚ方向においてペルチェ素子２３の検知部２３ａの位置まで第１側壁部３２を設け、第１側壁部３２上に直接枠体３４を配置すると、放熱性が高まるため好ましい。

さらに、底壁部３１を断熱性の樹脂材料で形成し、第１側壁部３２を金属材料で形成してもよい。

次に触覚呈示装置１０の操作と触覚呈示の例について説明する。 ペルチェ素子２３の表面の検知部２３ａに指が接触したことが検知されると、制御部２５は、触覚制御信号として、ペルチェ素子２３に温冷情報を呈示させるための温冷制御信号と、振動素子２２に振動情報を呈示させるための振動制御信号とを生成する。

温冷制御信号はペルチェ素子２３に与えられ、ペルチェ素子２３の表面において熱量が変化し、これによって、検知部２３ａを伝わって指で感じる温度が上下する。

振動制御信号は振動素子２２に与えられ、この信号にしたがって振動素子２２で振動が発生し、この振動は検知部２３ａを経て指に与えられる。ペルチェ素子２３における温冷情報の呈示と、振動素子２２における振動情報の呈示とは、同時に行われても良いし、別々に行われても良い。

ここで、検知部２３ａに対する指の接触時間や接触圧に応じて、ペルチェ素子２３で呈示する温冷情報や振動素子２２で呈示する振動情報を変化させてもよい。例えば、接触時間が長くなるほど、上昇させた温度をさらに上昇させ、または、下降させた温度をさらに下降させたり、振動強度をさらに強くしたりする。また、指の移動を検知して、その移動の方向や距離に基づいて、振動の周波数やデューティ比を変化させたり、温度を変化させる。

上記実施形態の触覚呈示装置１０は、領域Ａの周囲が断熱性であるため、主に領域Ａにおいて指へ温感または冷感を与えることができ、指の限られた領域に温感または冷感を強く感じさせることが可能である。また、振動素子２２から、領域Ａの周囲の枠体３４までの経路に、防振材料（防振構造）が設けられているため、振動素子２２から発せられる振動が、主に領域Ａから指に与えられ、領域Ａの周囲の振動が規制される。これにより、温感または冷感を強く感じる領域と振動を感じる領域とをほぼ一致させることができ、指に、温感または冷感と振動との相乗効果による触覚を与えることが可能になる。

また、インターフェース（不図示）を介して制御部２５を外部の表示装置（不図示）に接続し、表示装置に模擬的な接触動作の対象となる物体の情報が呼び出されている状態で、検知部２３ａに指が接触したことを検知したときに、その検知結果に応じて、ペルチェ素子２３における温冷情報や振動素子２２における振動情報を変化させ、これによって、表示装置に表示された物体に実際に触れているかのような触覚を呈示することができる。さらに、指の接触の強度や時間に対応した信号を制御部２５から表示装置へ与え、この信号に基づいて、表示装置で表示された物体の画像を変化させてもよい。

触覚呈示装置１０によれば、上述の作用効果のほか、細かな触覚呈示と高い放熱効果を実現しつつ、装置全体の小型化・低背化を可能としている。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る触覚呈示装置は、所望の領域のみに温冷情報を呈示でき、より細かな触覚呈示を実現することができる点で有用である。

本出願は２０１６年１１月２８日に出願した日本国特許出願第２０１６−２３０４４６号に基づくものであり、その全内容は参照することによりここに組み込まれる。

１０ 触覚呈示装置
２０ 触覚生成部
２１ 基材
２２ 振動素子
２３ ペルチェ素子（温冷呈示素子）
２３ａ 検知部
２３ｃ 上面（接触部、呈示領域）
２４ 伝導部材
２５ 制御部
３０ ケース
３１ 底壁部
３２ 第１側壁部
３３ 第２側壁部
３４ 枠体
３４ａ 開口部
Ａ 領域（露出した領域）
ｄ 離間した間隔

Claims (6)

1. 呈示領域に温冷情報を呈示する温冷呈示素子と、
   振動情報を呈示する振動素子と、
   断熱性部材で構成され、開口部を有する枠体とを備え、
   前記温冷呈示素子において、前記呈示領域の少なくとも一部の領域が前記枠体の前記開口部から露出し操作体が前記呈示領域に接触可能となっており、かつ、露出した領域の周囲は前記枠体で覆われており、
   前記振動素子が呈示する振動情報は前記温冷呈示素子に伝達され、
   前記呈示領域に前記温冷情報と前記振動情報とを含む触覚が呈示されるとともに、
   熱伝導性を有する側壁部の上部に前記枠体を配置したケースを備え、
   前記温冷呈示素子と前記振動素子は、前記ケース内に収容されることを特徴とする触覚呈示装置。
2. 前記振動素子は金属製の筐体を有し、前記温冷呈示素子と前記振動素子との間には伝導部材を配置し、
   前記伝導部材は、前記振動素子が温冷情報を呈示した際に発生する熱を前記振動素子に伝導する熱伝導部材を備える請求項１に記載の触覚呈示装置。
3. 前記振動素子は、熱伝導部材を介して前記ケース内に載置される請求項１又は請求項２に記載の触覚呈示装置。
4. 前記伝導部材は粘着性を有し、前記振動素子を前記ケースに結合している請求項２に記載の触覚呈示装置。
5. 前記振動素子は、防振部材を介して前記ケース内に載置される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。
6. 前記振動素子の側面と、これに対向する前記側壁部は互いに離間している請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の触覚呈示装置。

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