JP7093103B2 - 触覚デバイス - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 平成２９年１１月１０日に月刊「Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｔａｇｅ」２０１７年１１月号（第１７巻第８号）にて公開

特許法第３０条第２項適用 平成２９年１２月８日に月刊「Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｔａｇｅ」２０１７年１１月号抜刷（第１７巻第８号）にて公開

本発明は触覚デバイスに関し、より詳細にはゲルアクチュエータを利用した触覚デバイスに関する。

近年、遠隔地において触感覚を実体験することを可能にするハプティクス技術が注目されている。このハプティクス技術は、利用者に力、振動、動きなどを与えることで、皮膚感覚のフィードバックを得る技術である。このハプティクス技術を使って、たとえば種々の触感を呈示することができるタッチスクリーンを構築することで、いろいろな触感を呈示させたり、タッチパネルに指先を接触したときに指先に振動を返すことで接触した感覚を感知させるといったことが可能になる。

ハプティクス技術を利用して触感を呈示する触覚デバイスとしては、変形可能な触覚テキスチャーを使用してさまざまな触覚を呈示できるようにしたもの（特許文献１）、圧電アクチュエータを使用してタッチセンサへの接触を感知させるもの（特許文献２）、近接センサを用いてタッチパネルに指が接近したことを検知してアクチュエータを駆動することで触覚感覚を生じさせるもの（特許文献３）、ピンを利用して触覚を感知させるもの（特許文献４）等が提案されている。
なお、指等に触感覚を感知させる触覚デバイスとして、従来はソレノイドや圧電素子を用いた触覚デバイスが提案されているが、近年は高分子アクチュエータを用いた触覚ディスプレイが提案されている（特許文献５、６、非特許文献１、２）。

特表２０１１－５１９０８２号公報 特開２０１２－１２８４９９号公報 特開２０１５－１５８９１２号公報 特開２００６－３５１０１２号公報 特開２０１３－５１９１５３号公報 特開２０１３－５０８９１３号公報

S. Chiba, S. Stanford, R. Kornbluh and H. Prahlad : "Electroactive Polymer Artificial Muscle,"日本ロボット学会誌，Vol. 24, No. 4, pp. 446-470, 2006 昆陽雅司：高分子アクチュエータの基礎と応用～ICPFアクチュエータを用いた触覚ディスプレイ，日本バーチャルリアリティ学会誌，Vol. 13, No. 2, pp. 83-86, 2008

上述したように、ハプティクス技術を利用して触感覚を呈示する技術は、従来は機械的なボタンを利用するものから、コンピュータやスマートフォン等の操作が触覚ディスプレイを用いる操作に移行しつつあることから、今後、ますます需要が高まることが予想され、それに合わせて、より使い勝手のよい触覚デバイスが求められる。
なお、人の触覚受容器の間隔や空間分解能は1～2mmと言われており、このような微小で密に配置された受容器に対して所要の機械的刺激を与えるためには、ミリ間隔で配置することが小型アクチュエータが必要である。
本発明は、低電圧で駆動することができ、小型軽量化、微細化を図ることが可能で、利用者に的確に触感覚を感知させることを可能にする触覚デバイスを提供することを目的とする。

本発明に係る触覚デバイスは、クリープ作用を備える誘電性材料からなるゲルシートを厚さ方向に挟む配置に、陽極と陰極とが設けられたアクチュエータ素子を備えるユニット素子と、前記陽極と陰極との間に電圧を印加する電源と、前記ユニット素子の陽極と陰極との間に印加する電圧をON-OFF制御する制御部とを備える触覚デバイスであって、前記ユニット素子は、視覚ディスプレイの平面領域内に埋設され、前記制御部は、前記ユニット素子に外力が作用した際に、当該外力が作用した領域にあるユニット素子のうちの一または複数を選択して当該ユニット素子の陽極と陰極との間に、周期的に電圧を印加して、該ユニット素子のアクチュエータ素子を厚さ方向に振動変位させることを特徴とする。
なお、クリープ作用を備える誘電材料からなるゲルシートとは、ゲルシートを電極で挟んで、電圧を印加すると陽極側にゲルシートが乗り上げる（裾を引く）ように作用する（クリープ作用という）シート材であり、クリープ作用が大きく表れるシート材としては PVC（ポリ塩化ビニル）からなるゲルシートがある。

また、触覚デバイスは、前記アクチュエータ素子が、前記ゲルシートと該ゲルシートを厚さ方向に挟んで配置される陽極と陰極とを単位として、複数層に積層して形成されていることで振動変位を大きくすることができる点で有効である。

また、前記陽極は、メッシュ状、あるいは導電板を波形または凹凸形状として形成され、前記陰極は、平坦状に形成されている触覚デバイスが好適に用いられ、また、前記陽極と陰極は、ともに平坦状に形成され、前記ゲルシートは、一方の面が凹凸面に形成され、該凹凸面の頂部を前記陽極に接触させ、陽極とゲルシートとの間に隙間を設けて装着されている触覚デバイスが好適に用いられる。

また、前記ゲルシートとしてPVCゲルシートが用いられている触覚デバイスが好適に用いられる。

本発明に係る触覚デバイスはゲルシートを用いたアクチュエータ素子を駆動源とすることにより、低電圧で駆動される小型軽量化した触覚デバイスとして提供される。本発明に係る触覚デバイスを構成するゲルシートは透明であり、視覚ディスプレイ等と組み合わせることで振動等の触感覚を呈示するデバイスとして利用することができる。

ゲルアクチュエータの構成を示す断面図である。 触覚デバイスを構成するユニット素子の外観写真である。 触覚デバイスを構成するユニット素子について、変位量、収縮率、応答性を測定した結果を示すグラフである。 複数個のユニット素子を用いて構成した触覚デバイスを示す図(a)、ユニット素子を覆うようにカバーシートを設けた触覚デバイスの図(b)である。 触覚デバイスを構成するすべてのユニット素子に電圧を印加した状態(a)、一部のユニット素子に電圧を印加した状態(b)を示す図である。 実験で使用した触覚デバイス（触覚ディスプレイ）の外観写真である。 触覚デバイス（触覚ディスプレイ）の構成を示す平面図と断面図である。 縦横４列に配置したユニット素子を用いて呈示する触覚パターンの例を示す図である。

（ゲルアクチュエータ）
図１は本発明に係る触覚デバイスを構成するユニット素子で用いられるゲルアクチュエータ（アクチュエータ素子）の基本的な構成とその作用を示す。ゲルアクチュエータはメッシュ状に形成した陽極１０をゲルシート１２ａ、１２ｂにより厚さ方向に挟み、ゲルシート１２ａ、１２ｂの各々の外面に層状に陰極１４ａ、１４ｂを設けた構成を備える。
図１(a)は陽極１０と陰極１４ａ、１４ｂとの間に電圧を印加していない状態、図１(b)は陽極１０と陰極１４ａ、１４ｂとの間に電圧を印加した状態である。

陽極１０と陰極１４ａ、１４ｂとの間に電圧を印加すると（図１(ｂ)）、ゲルシート１２ａ、１２ｂのクリープ作用により、ゲルシート１２ａ、１２ｂはメッシュ状に形成した陽極１０の隙間部分に引き込まれ、ゲルアクチュエータは全体の厚さが薄くなる。また、陽極１０と陰極１４ａ、１４ｂとの間に印加した電圧を解除すると、ゲルシート１２ａ、１２ｂの弾性により、ゲルアクチュエータは元の厚さに復帰する。こうして、陽極１０と陰極１４ａ、１４ｂとの間に印加する電圧をON-OFFすることにより、ゲルアクチュエータは厚さ方向に往復して変位する動作をなす。
なお、クリープ作用とは電圧が印加された際に負電荷が陽極の近傍に集まり、クーロン力によってゲルシートが陽極に引き込まれる作用である。

ゲルアクチュエータは、上記のように、ゲルシートと、陽極と、陰極とからなるアクチュエータ素子と、アクチュエータ素子の陽極と陰極とに電圧を印加する電源と、陽極と陰極とに印加する電圧をON-OFF制御する制御部とから構成される。制御部は陽極と陰極との間に印加する電圧を制御するとともに、印加する電圧の周波数も制御し、アクチュエータ素子は厚さ方向に繰り返し収縮－回復する作用をなす。

図１に示したゲルアクチュエータは、陽極１０をゲルシート１２ａ、１２ｂで厚さ方向に挟むゲルアクチュエータの基本構成（ユニットを示すもので、ゲルアクチュエータはこのゲルアクチュエータのユニットを厚さ方向に積層した積層構造のゲルアクチュエータとして構成することができる。積層構造とすることで、単一構成の場合と比較して、厚さ方向の変位量を大きくすることができ、出力（駆動力）を大きくすることができる。

ゲルアクチュエータを構成するゲルシートはクリープ作用を備える誘電体材料を用いて構成することができる。ゲルシートとしては、たとえば高分子誘電体材料であるポリ塩化ビニル（PVC）を用いて形成したものを好適に使用することができる。PVCゲルシートはクリープ作用が大きいという利点と、大気中で比較的低電圧で駆動でき、長期間にわたって安定して使用することができ、耐久性に優れるという利点がある。

図１に示すゲルアクチュエータでは、陽極１０をメッシュ状に形成することにより、電圧を印加した際に、クリープ作用によってゲルシートが陽極１０に引き込まれる隙間を設けたもので、陽極１０としてはメッシュ状としたものに限らず、薄い導電体を波形形状としたもの、凹凸形状にしたもの等の、陽極を挟んで配置されるゲルシート１２a、１２ｂの対向面間に隙間（空間）が形成されるものであれば、任意の形態の陽極を使用することができる。また、陽極として柔軟性、可撓性のあるものを用いることももちろん可能である。

また、ゲルアクチュエータに用いるゲルシートの他の形態としては、ゲルシートの表面を凹凸面とし、陽極を平坦な電極層とすることで、陽極とゲルシートとの間に隙間（空間）を設ける構成とすることもできる。この場合は、ゲルシート１２ａ、１２ｂに設けた凸部の頂部を平坦な陽極面に接触させたときに、凸部の頂部と基部との間に隙間（空間）が形成される。陽極と陰極との間に電圧を印加すると、クリープ作用によりゲルシートの凸部が陽極の表面に吸い付き（凸部の頂部が陽極面に向けて裾を引く形態となる）、アクチュエータは厚さ方向に収縮する。

（触覚デバイスの構成）
本発明に係る触覚デバイスは、上述したゲルアクチュエータを利用して触覚デバイスとして構成したものである。
図２は触覚デバイスを構成する一つの素子（ユニット素子）の構成例を示す。図２(ａ)は触覚デバイスを構成するユニット素子の外観写真、図２(ｂ)はユニット素子の断面図である。この触覚デバイスのユニット素子２０は、アクチュエータ素子３０を収容するケース２２と、アクチュエータ素子３０との間で相互作用力を及ぼす作用部材２４とを備える。

アクチュエータ素子３０はゲルシート３２を、陽極３４と陰極３６とで交互に厚さ方向に挟む配置としたもので、図２に示す例は、アクチュエータ素子３０を３層構成（陽極を３段設けた構成）としたものである。
ケース２２は平面形状が四角形の筒状に形成したもので、アクチュエータ素子３０はケース２２の平面形状と同様の平面形状が四角形状に形成され、ケース２２内周側面にその外周側面が摺接して、ケース２２内でスライド自在となっている。

作用部材２４は、ケース２２の上蓋２２ａとアクチュエータ素子３０の上面との間に挿入され、ケース２２の内周側面と作用部材２４の外周側面とが相互に摺接し、ケース２２内で上下方向（アクチュエータ素子３０の厚さ方向）にスライド自在となる。
作用部材２４の中央部には円柱状の凸部２４ａが設けられ、ケース２２に作用部材２４を装着した状態で、凸部２４ａがケース２２の上蓋２２ａの中央に設けた透孔２２ｂから突出するように設けられている。

ケース２２の下部には下蓋２２ｃが固定され、下蓋２２ｃとアクチュエータ素子３０の下面との間にスライド板２６を介在させる。下蓋２２ｃに調節用のねじ２８を装着し、ねじ２８はスライド板２６の高さ位置を調節するためのもので、ねじ２８を調節することで、作用部材２４の上面に起立させて設けた凸部２４ａがケース２２の上蓋２２ａから突出する突出量を調節することができる。

なお、実験用に製作した図２に示すユニット素子２０は、ゲルシートとして厚さ200μｍのPVCゲルシートを使用し、陽極３４にはメッシュ電極（厚さ220μm）を使用し、陰極３６には厚さ10μｍのSUS箔を使用した。電極の寸法は5mm×5mmである。
ケース２２は、外形寸法が7ｍｍ×7ｍｍ×7ｍｍの立方体形状であり、作用部材２４に設けた凸部２４ａは径2.0ｍｍ、凸部の高さは2.5ｍｍである。

図３に、触覚デバイスを構成するユニット素子について印加電圧を変えたときの変位量、収縮率と、応答特性について測定した結果を示す。
図３(a)は、印加電圧を変えたときの変位量を測定した結果で、印加電圧を増大させるとともに変位量が増大する。印加電圧が200Vのときの変位量は100μmである。図３(b)は横軸を印加電圧としてアクチュエータ素子の収縮率を示す。印加電圧が200Ｖのときの収縮率が5％である。
図３(c)は、横軸を印加する電圧の周波数、縦軸がゲインである。周波数特性は、電極に矩形波の電圧を印加して測定した。図３(c)の測定結果から、このユニット素子の応答特性は8Hzであるといえる。

図４は上述したユニット素子２０を用いて触覚デバイスを構成した例を示す。
ユニット素子２０を単独で使用して触覚デバイスとすることも可能であるが、操作者に種々の触感覚を感知させるには、ユニット素子２０を複数個組み合わせ、個々のユニット素子２０の凸部２４ａが突出入するパターンを制御することにより触覚デバイスとして構成する方法が有効である。

図４は、複数個のユニット素子２０を用いて触覚デバイスを構成した例を示す。図２に示した触覚デバイスのユニット素子２０は、平面形状が四角形に形成されている。この触覚デバイス４０は、相互に外側面を当接させ、ユニット素子２０を縦横に整列して配置することにより、複数個のユニット素子２０が縦横に整列して、平面的に配置された触覚デバイス４０として構成される（図４(a)）。
図４では、触覚デバイス４０全体の平面形状を四角形としているが、ユニット素子２０の配列方法、配列数は適宜設定することが可能であり、触覚デバイスの平面形状は、円形状、六角形等の多角形状等の任意の形態とすることができる。

図４に示す触覚デバイス４０では、複数個のユニット素子２０を並列配置するとともに、配置されているユニット素子２０全体にわたってユニット素子２０の上部全面を覆うようにカバーシート４２を設けている（図４(b)）。カバーシート４２にはユニット素子２０の作用部材２４に設けられている凸部２４ａが挿入される挿入孔が設けられている。挿入孔にユニット素子２０の凸部２４ａを挿入してユニット素子２０を配置することにより、ユニット素子２０の配置位置が位置決めされる。アクチュエータ素子３０を駆動した際に、挿入孔から凸部２４ａが突出入するように、凸部２４ａが突出入するストロークと、カバーシート４２の厚さとを設定することにより、個々のユニット素子２０の駆動を制御することでさまざまな触感覚を感知させることができる。

図５（ａ）は、触覚デバイス４０を構成するすべてのユニット素子２０に電圧を印加した状態を示す。ユニット素子２０に電圧を印加するとアクチュエータ素子は厚さ方向に収縮し、凸部２４ａはカバーシート４２の挿入孔内に引き込まれた状態にある。図５（ｂ）は触覚デバイス４０を構成する一部のユニット素子２０に印加する電圧を解除した状態を示している。印加電圧が解除（除去）されたユニット素子２０については、凸部２４ａがカバーシート４２の挿入孔から突出する。
このように触覚デバイス４０を構成するユニット素子２０について、それぞれ印加する電圧をON-OFF制御することにより触覚デバイス４０によりさまざまな触感覚パターンを呈示することが可能になる。

（検証実験）
触覚デバイスの作用を検証するため、図２に示した触覚デバイスのユニット素子２０と同様な構成のユニット素子を作製し、このユニット素子を縦横に４個ずつ、１６個配置した触覚ディスプレイ（触覚デバイス）を製作し、その作用を検証する実験を行った。図６に製作した触覚ディスプレイの外観写真を示す。
図７は触覚ディスプレイの構成を示す平面図と断面図である。触覚ディスプレイで使用したユニット素子は、ケースの平面寸法が縦横７mm、凸部の高さ2.5mm、アクチュエータ素子は厚さ1mm、陽極と陰極の平面寸法縦横4mmである。アクチュエータ素子は３層構造で駆動時の振幅が約８０μmである。ユニット素子は7.5mm間隔で配置され、触覚ディスプレイの平面寸法は縦横29.5mmである。カバーシートの厚さは2mmである。

図８は縦横４列に配置したユニット素子を用いて呈示する触覚パターンの呈示例を示す。この触覚ディスプレイを用いて呈示することができる触覚パターンはこの他にも種々のパターンがあるが、図８に示した例は、製作した触覚ディスプレイが、実際に触感覚のパターンを弁別して感知し得るか否かを試験する例として用いたパターン例である。

触覚ディスプレイを用いた触感覚の弁別試験は、健常者6 名（男性3 名，女性3 名：平均年齢26.33 歳）を被験者とし、図８に示した4通りのパターンを呈示し、弁別の正答率、反応時間（接触から口頭での正答まで）を計測した。4パターンのうち3つをランダムに出力し、被験者が利き手人差し指でその呈示パターンを評価した。
弁別試験の結果、4 パターンともに正答率100％であった。被験者によって反応時間に個人差はあるものの、全員が弁別できたことからアクチュエータ素子を用いた触覚デバイスの有用性が確認された。

（触覚デバイスの変形例）
上述した実験で使用した触覚ディスプレイ（触覚デバイス）は、ユニット素子２０を整列して配置した範囲範囲の全面をカバーシート４２により被覆し、カバーシート４２にユニット素子２０の上蓋２２ａから突出する凸部２４ａが挿入される挿入孔を設けたものである。カバーシート４２に凸部２４ａが挿入される挿入孔を設けた場合には、凸部２４ａを突出入させることで、突起パターンによって点的なパターンを呈示することができる。したがって、この方式を利用する場合は、点字等の点的なパターンを利用して特定の標識（パターン）を表示する呈示方法として有効に利用することができる。

カバーシート４２として十分に薄いシートを用いたり、カバーシート４２の素材を選択することにより、カバーシート４２に凸部２４ａを進入させる挿入孔を設けることなく、カバーシート４２の上から点状のパターンを感知させたり、ユニット素子２０による駆動により凸部２４ａの振動を感知させるように構成することも可能である。凸部２４ａの振動を感知させるような用途の場合には、点的なパターンを呈示する必要はなく、単に機械的な振動を感知させるのみであるから、ユニット素子の配置も、たとえば指が接触する範囲で適宜個数配置すればよい。

カバーシートで被覆した状態で振動状態を感知させる例としては、パソコンのディスプレイのような、いろいろな視認パターン（アイコン）を表示する視覚ディスプレイに応用することが可能である。ディスプレイのカバーシート（保護シート）の下側にアクチュエータ素子を内蔵したユニット素子を埋設し、ディスプレイの表面を指で押した際に、指に振動をフィードバックするといった制御を行うことにより、アイコンを指で押した操作を使用者に確実に感知させることができる。ディスプレイを押した操作を振動のフィードバックによって感知する方法は、視覚ディスプレイの視認パターンが変化したことを見て確認する方法よりも確実で高速な操作が可能である。

カバーシートの下側に前述したユニット素子を配列する方法とは別に、カバーシートが設けられる平面内に、ゲルシートを厚さ方向に挟んで陽極と陰極とを交互に積層した構成としたアクチュエータ素子を、縦横に離散的な配置（マトリックス状）として組み込み、複数個のアクチュエータ素子が配置されている範囲を、それぞれ別個の駆動単位（振動を生じさせる単位）とし、駆動単位ごとに印加電圧を作用させるように電気的接続（配線）を設けることで、駆動単位ごとに振動をフィードバックする触覚デバイスを構築することができる。

触覚デバイスは、操作者が、カバーシートに触れた際に、もしくはカバーシートを設けない場合には触覚デバイスのユニット素子にに触れた際に、操作者に対し振動がフィードバックする（作用する）ように制御する。触覚デバイスにより特定の触覚パターンを呈示する方法としては、触覚デバイスのユニット素子の振動（突出入）を制御部で制御することにより点字等の特定のパターンを能動的に呈示する方法も可能であるし、カバーシートやユニット素子に触れたことを制御部で検知し、検知結果に基づいてユニット素子を振動させ、接触状態を呈示する（フィードバックする）という方法も可能である。また、場合によってはユニット素子に指等が近づいたことを検知して、ユニット素子を振動させるように制御部で制御することも可能である。

指等がユニット素子を接触したことを検知する方法としては、カバーシートに指等が接触したことを検知する導体パターンを形成するといった方法や、ゲルアクチュエータは荷重をセンシングする機能を備えているから、操作者がカバーシートに触れたことをゲルアクチュエータで検知し、操作者に振動をフィードバックするように制御することも可能である。ゲルアクチュエータが荷重をセンシングする機能は、陽極と陰極との間に電圧を作用させるとゲルシートが厚さ方向に収縮する作用の逆作用による（特開2014-032162）。

なお、前述した実施例ではカバーシート４２でユニット素子２０を被覆する配置としているが、用途によってはカバーシートを設けずにユニット素子２０のみを所定配列で配置して触覚デバイスとして構成することも可能である。
本発明に係る触覚デバイスは駆動源としてゲルアクチュエータを使用しているから、低電圧での駆動が可能で、小型軽量化ができ、微細構造に形成することができ、駆動音がなく耐久性に優れるという利点がある。また、ゲルシートは透明であることから視覚ディスプレイに組み込んで使用することが可能であるといった利点を備える。

１０ 陽極
１２ａ、１２ｂ ゲルシート
１４ａ、１４ｂ 陰極
２０ ユニット素子
２２ ケース
２２ａ 上蓋
２２ｂ 透孔
２２ｃ 下蓋
２４ 作用部材
２４ａ 凸部
２６ スライド板
３０ アクチュエータ素子
３２ ゲルシート
３４ 陽極
３６ 陰極
４０ 触覚デバイス
４２ カバーシート

Claims (5)

1. クリープ作用を備える誘電性材料からなるゲルシートを厚さ方向に挟む配置に、陽極と陰極とが設けられたアクチュエータ素子を備えるユニット素子と、
   前記陽極と陰極との間に電圧を印加する電源と、
   前記ユニット素子の陽極と陰極との間に印加する電圧をON-OFF制御する制御部とを備える触覚デバイスであって、
   前記ユニット素子は、視覚ディスプレイの平面領域内に埋設され、
   前記制御部は、前記ユニット素子に外力が作用した際に、当該外力が作用した領域にあるユニット素子のうちの一または複数を選択して当該ユニット素子の陽極と陰極との間に、周期的に電圧を印加して、該ユニット素子のアクチュエータ素子を厚さ方向に振動変位させることを特徴とする触覚デバイス。
2. 前記アクチュエータ素子が、前記ゲルシートと該ゲルシートを厚さ方向に挟んで配置される陽極と陰極とを単位として、複数層に積層して形成されていることを特徴とする請求項１記載の触覚デバイス。
3. 前記陽極は、メッシュ状、あるいは導電板を波形または凹凸形状として形成され、前記陰極は、平坦な層状に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の触覚デバイス。
4. 前記陽極と陰極は、ともに平坦な層状に形成され、
   前記ゲルシートは、一方の面が凹凸面に形成され、該凹凸面の頂部を前記陽極に接触させ、陽極とゲルシートとの間に隙間を設けて装着されていることを特徴とする請求項１または２記載の触覚デバイス。・
5. 前記ゲルシートとしてPVCゲルシートが用いられていることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項記載の触覚デバイス。

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