JP7113586B1 - 温冷触覚提示装置、ウェアラブル端末、かゆみ抑制装置、アイシング装置、マッサージ装置、口内保持具、及び食器 - Google Patents
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Abstract
【課題】同時に複数の温度情報をユーザに伝達できる温冷触覚提示装置及びウェアラブル端末を提供する。【解決手段】本発明による温冷触覚提示装置２は、ｘ，ｙ方向のそれぞれに沿って並置することによりマトリクス状に配置された複数の熱電素子１０と、それぞれｘ方向に延在する複数のロウ＿ヒート線ＲＬｈと、それぞれｙ方向に延在する複数のカラム線ＣＬと、を備える。複数のロウ＿ヒート線ＲＬｈはそれぞれ、ｘ方向に並ぶ複数の熱電素子１０それぞれの一端に接続され、複数のカラム線ＣＬはそれぞれ、ｙ方向に並ぶ複数の熱電素子１０それぞれの他端に接続される。【選択図】図３
Description
本発明は、温冷触覚提示装置、ウェアラブル端末、かゆみ抑制装置、アイシング装置、マッサージ装置、口内保持具、及び食器に関する。
ペルチェ素子などの熱電素子によって構成される温冷触覚提示装置が知られている。携帯電話やウェアラブル端末などのユーザ端末にこの種の装置を組み込めば、視聴覚や振動などに比べてアウェアネス（認知性）の高い温冷感によって、ユーザに情報を伝達することが可能になる。
特許文献１，２には、そのようなユーザ端末の例が開示されている。特許文献１に記載のユーザ端末は、バーチャルに接触した物体の温度情報をユーザに伝達するために使用されるグローブ型の端末であり、指先に１つの温熱素子、又は、温熱素子及び冷却用素子の組み合わせを有して構成される。特許文献２のユーザ端末は、着信があったことを温度変化によって通知する携帯電話であり、側面にペルチェ素子を有して構成される。
特許文献３には、携帯電話端末のリアカバーの裏側に配置した複数のペルチェ素子を用いてユーザの手を加熱又は冷却し、それによって携帯電話端末の操作性を向上する技術が開示されている。特許文献３にはまた、同時に動作させるペルチェ素子の個数を可変制御することにより、目標温度を可変にすることも開示されている。
特許文献４には、２×２のマトリクス状に配置した４つのペルチェ素子を手首ベルトに取り付けることにより、リュウマチを抱えるユーザの手首を温める技術が開示されている。
非特許文献１には、冷刺激又は温刺激を単独で与えられても人間は痛みを感じない一方で、冷刺激及び温刺激を同時に与えられると人間は痛みを感じることが開示されている。
A. D. Craig and M. C. Bushnell，"The Thermal Grill Illusion: Unmasking the Burn of Cold Pain"，ＳＣＩＥＮＣＥ，１９９４年７月８日，VOL. 265，p. 252-255
ところで、特許文献１，２に記載のユーザ端末によれば、同時に一種類の温度情報しかユーザに伝えることができない。これでは温冷感により伝達可能な情報が限られてしまうので、本願の発明者は、複数のペルチェ素子によって温冷触覚提示装置を構成し、各ペルチェ素子を個別に制御することにより、同時に複数の温度情報をユーザに伝達可能とすることを検討している。
ここで、特許文献３，４には、温度情報の伝達を目的とするものではないが、１つの装置内に複数のペルチェ素子を設けることが開示されている。しかしながら、これらの文献に記載の技術によっても、同時に複数の温度情報をユーザに伝達することはできない。
したがって、本発明の目的の一つは、同時に複数の温度情報をユーザに伝達できる温冷触覚提示装置、ウェアラブル端末、かゆみ抑制装置、アイシング装置、マッサージ装置、口内保持具、及び食器を提供することにある。
本発明による温冷触覚提示装置は、第１及び第２の方向のそれぞれに沿って並置することによりマトリクス状に配置された複数の熱電素子と、それぞれ前記第１の方向に延在する複数の第１のロウ線と、それぞれ前記第２の方向に延在する複数のカラム線と、を備え、前記複数の第１のロウ線はそれぞれ、前記第１の方向に並ぶ複数の前記熱電素子それぞれの一端に接続され、前記複数のカラム線はそれぞれ、前記第２の方向に並ぶ複数の前記熱電素子それぞれの他端に接続される、温冷触覚提示装置である。
本発明の一側面によるウェアラブル端末は、上記温冷触覚提示装置を備えるウェアラブル端末である。
本発明の他の一側面によるウェアラブル端末は、第１及び第２の方向のそれぞれに沿って並置することによりマトリクス状に配置された複数の熱電素子と、それぞれ前記第１の方向に延在する複数の第１のロウ線と、それぞれ前記第２の方向に延在する複数のカラム線と、それぞれ前記第１の方向に延在する複数の第２のロウ線と、を備え、前記複数の第１のロウ線はそれぞれ、前記第１の方向に並ぶ複数の前記熱電素子それぞれの一端に接続され、前記複数の第２のロウ線はそれぞれ、前記第１の方向に並ぶ複数の前記熱電素子それぞれの一端に接続され、前記複数のカラム線はそれぞれ、前記第２の方向に並ぶ複数の前記熱電素子それぞれの他端に接続される、温冷触覚提示装置と、前記第１のロウ線及び前記第２のロウ線のいずれか一方に対して電源電位及び接地電位の一方を印加する第１のドライバ回路と、前記カラム線に対して前記電源電位及び前記接地電位の他方を印加する第２のドライバ回路と、を備えるウェアラブル端末である。
本発明によるかゆみ抑制装置は、上記温冷触覚提示装置を備えるかゆみ抑制装置である。
本発明によるアイシング装置は、上記温冷触覚提示装置を備えるアイシング装置である。
本発明によるマッサージ装置は、上記温冷触覚提示装置を備えるマッサージ装置である。
本発明による口内保持具は、上記温冷触覚提示装置を備える口内保持具である。
本発明による食器は、上記温冷触覚提示装置を備える食器である。
本発明によれば、ロウ線とカラム線の組み合わせにより個々の熱電素子の温度を制御できるので、同時に複数の温度情報をユーザに伝達することが可能になる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態によるウェアラブル端末１及び温冷触覚提示装置２を示す図である。ウェアラブル端末１は例えばスマートウオッチであり、時計盤の裏面１ａ、ベルトの内側表面１ｂのように、ユーザに密着する部分を有している。なお、本実施の形態によるウェアラブル端末１として、例えばヘッドマウントディスプレイやスマートグラスなどスマートウオッチ以外の端末を用いてもよいのは勿論である。また、スマートフォンなどのコンピューティング機能を有する装置とは別体の装置としてウェアラブル端末１を構成し、コンピューティング機能を有する装置からウェアラブル端末１を制御することとしてもよい。
温冷触覚提示装置２は、マトリクス状に配置された複数の熱電素子１０を有する装置である。図１に示すように、各熱電素子１０は、フレキシブル基板やストレッチャブル基板などの柔軟性のある基板上に、ｘ方向及びｙ方向のそれぞれに沿って、かつ、ｘ方向及びｙ方向のそれぞれに間隔を空けて並置される。このように各熱電素子１０を間隔を空けて柔軟性のある基板上に配置するとともに、後述するように各熱電素子１０自体も柔軟性を有していることから、温冷触覚提示装置２は高い柔軟性を有しており、ｚ方向に屈曲可能に構成される。温冷触覚提示装置２は、この柔軟性を利用して、上述した裏面１ａ又は内側表面１ｂのように、ウェアラブル端末１内のユーザに密着する任意の部分に組み込まれる。
図２は、個々の熱電素子１０の構造を示す図である。同図に示すように、熱電素子１０は、ポリイミドなどの絶縁体からなるフレキシブル基板又はエラストマーなどの弾性をもった高分子材料からなるストレッチャブル基板である基板１１と、基板１１上に間隔を空けて配置された複数の電極１２と、隣接する２つの電極１２の上面に跨がるように配置された複数の単位熱電素子１３とを有して構成される。
図２に示したノードｎ１，ｎ２はそれぞれ熱電素子１０の外部端子であり、各電極１２は、これらノードｎ１，ｎ２の間に等間隔で一列に配置されている。なお、図２から理解されるように、各電極１２によって構成される列（以下「電極列」と称する）は一直線ではなく、各単位熱電素子１３の配置がマトリクス状となるように、基板１１上で蛇行している。
各単位熱電素子１３は、隣接する２つの電極１２のうち電極列内でノードｎ１寄りに位置する一方の電極１２に導電性ペーストなどを用いて接着されたｎ型半導体２０と、隣接する２つの電極１２のうち電極列内でノードｎ２寄りに位置する他方の電極１２に導電性ペーストなどを用いて接着されたｐ型半導体２１と、ｎ型半導体２０とｐ型半導体２１の間に配置され、これらを電気的に切り離す絶縁体２２と、ｎ型半導体２０、ｐ型半導体２１、及び絶縁体２２の上面（基板１１と反対側の表面）に導電性ペーストなどを用いて接着された電極２３と、電極２３の上面を覆う基板２４とを有して構成される。なお、基板２４は、ポリイミドなどの絶縁体からなるフレキシブル基板をレーザーなどによって細かく切断したものである。各単位熱電素子１３は間隔を空けて配置されており、その結果として、熱電素子１０には高い柔軟性が付与されている。また、各単位熱電素子１３の間は、電極列を介して電気的に接続されている他は、電気的に切り離されている。
以上の構成により、電極２３及び基板２４の温度は、ノードｎ１からノードｎ２に対して電流を流すと上がり、ノードｎ２からノードｎ１に対して電流を流すと下がることになる。逆に、電極１２及び基板１１の温度は、ノードｎ１からノードｎ２に対して電流を流すと下がり、ノードｎ２からノードｎ１に対して電流を流すと上がる。温冷触覚提示装置２は、この温度変化により、ウェアラブル端末１を着用しているユーザの皮膚に温冷触覚を与える役割を果たす。なお、ウェアラブル端末１に温冷触覚提示装置２を組み込む際には、基板２４側がユーザ側になるように組み込んでもよいし、基板１１側がユーザ側になるように組み込んでもよいが、以下では、基板２４側がユーザ側になるように組み込むこととして説明を続ける。この場合、ノードｎ１からノードｎ２に対して電流を流すとユーザに温感が伝達され、ノードｎ２からノードｎ１に対して電流を流すとユーザに冷感が伝達されることになる。
図３は、ウェアラブル端末１及び温冷触覚提示装置２の回路構成を示す図である。同図に示すように、温冷触覚提示装置２は、複数の熱電素子１０の他に、それぞれｘ方向に延在する複数のロウ＿ヒート線ＲＬｈ（第１のロウ線）及び複数のロウ＿クール線ＲＬｃ（第２のロウ線）と、それぞれｙ方向に延在する複数のカラム線ＣＬと、複数の熱電素子１０のそれぞれに対応して設けられる複数のダイオードＤｈ（第１のダイオード）と、複数の熱電素子１０のそれぞれに対応して設けられる複数のダイオードＤｃ（第２のダイオード）とを有して構成される。
図３には、６４個の熱電素子１０が８行８列のマトリクス状に配置されてなる温冷触覚提示装置２の例を示している。各熱電素子１０の符号に右下付きで示した数字は、各熱電素子１０のマトリクス内における座標を示している。ただし、熱電素子１０の配置及び個数は８行８列の計６４個に限られず、ｍ行ｎ列（１≦ｍ，１≦ｎ）の計ｍ×ｎ個であればよい。
ロウ＿ヒート線ＲＬｈ及びロウ＿クール線ＲＬｃはそれぞれ、マトリクスの各行に対して１本ずつ設けられる。ロウ＿ヒート線ＲＬｈは、対応する行内に並ぶ複数の熱電素子１０のそれぞれに、ダイオードＤｈを介して接続される。ロウ＿ヒート線ＲＬｈに接続されるダイオードＤｈの電極は、アノードとなる。ダイオードＤｈのカソードは、対応する熱電素子１０のノードｎ１に接続される。また、ロウ＿クール線ＲＬｃは、対応する行内に並ぶ複数の熱電素子１０のそれぞれに、ダイオードＤｃを介して接続される。ロウ＿クール線ＲＬｃに接続されるダイオードＤｃの電極は、カソードとなる。ダイオードＤｃのアノードは、対応するダイオードＤｈのカソードと同じノードｎ１に接続される。
カラム線ＣＬは、マトリクスの各列に対して１本ずつ設けられる。各カラム線ＣＬは、対応する列内に並ぶ複数の熱電素子１０それぞれのノードｎ２に共通に接続される。
ウェアラブル端末１は、ロウ＿ヒート線ＲＬｈ及びロウ＿クール線ＲＬｃの組み合わせごとに１つのドライバ回路４（第１のドライバ回路）と、カラム線ＣＬごとに１つのドライバ回路５（第２のドライバ回路）と、ドライバ回路４，５を制御するプロセッサ３とを有して構成される。このうちプロセッサ３はウェアラブル端末１の中央処理装置であり、図示しないメモリからプログラムを読み出して実行することにより、後述する各処理を実行するように構成される。また、ドライバ回路４，５はそれぞれ、プロセッサ３による制御に従って、接続される配線に流れる電流を制御する回路である。
図４（ａ）は、ドライバ回路４の内部構成を示す図である。同図に示すように、ドライバ回路４は、トランジスタ４０～４３と、分圧回路４４～４７とを有して構成される。トランジスタ４０～４３はそれぞれバイポーラトランジスタであり、トランジスタ４０，４１の組み合わせ、及び、トランジスタ４２，４３の組み合わせにより、それぞれコレクタ出力型のＳＥＰＰ(Single Ended Push-Pull)を構成している。具体的に説明すると、トランジスタ４０，４２はＰＮＰ型のバイポーラトランジスタによって構成され、トランジスタ４１，４３はＮＰＮ型のバイポーラトランジスタによって構成される。トランジスタ４０，４２のエミッタは電源電位に接続され、トランジスタ４１，４３のエミッタは接地電位に接続される。トランジスタ４０～４３のベースは、それぞれ分圧回路４２～４７を介して、各ＳＥＰＰの入力端であるノードｎ３に接続される。ノードｎ３には、プロセッサ３から制御信号が供給される。トランジスタ４０とトランジスタ４１それぞれのコレクタは相互に接続され、トランジスタ４０，４１によって構成されるＳＥＰＰの出力端であるノードｎ４ｃを構成している。ノードｎ４ｃには、対応するロウ＿クール線ＲＬｃが接続される。同様に、トランジスタ４２とトランジスタ４３それぞれのコレクタは相互に接続され、トランジスタ４２，４３によって構成されるＳＥＰＰの出力端であるノードｎ４ｈを構成している。ノードｎ４ｈには、対応するロウ＿ヒート線ＲＬｈが接続される。
図４（ｂ）は、ドライバ回路５の内部構成を示す図である。同図に示すように、ドライバ回路５は、トランジスタ５０，５１と、分圧回路５２，５３とを有して構成される。トランジスタ５０，５１はそれぞれバイポーラトランジスタであり、図４（ａ）に示したトランジスタ４０，４１と同様に、コレクタ出力型のＳＥＰＰを構成している。具体的に説明すると、トランジスタ５０はＰＮＰ型のバイポーラトランジスタによって構成され、トランジスタ５１はＮＰＮ型のバイポーラトランジスタによって構成される。トランジスタ５０のエミッタは電源電位に接続され、トランジスタ５１のエミッタは接地電位に接続される。トランジスタ５０，５１のベースは、それぞれ分圧回路５２，５３を介して、ＳＥＰＰの入力端であるノードｎ５に接続される。ノードｎ５には、プロセッサ３から制御信号が供給される。トランジスタ４０とトランジスタ４１それぞれのコレクタは相互に接続され、ＳＥＰＰの出力端であるノードｎ６を構成している。ノードｎ６には、対応するカラム線ＣＬが接続される。
図５は、温冷触覚提示装置２を用いてユーザに温冷感を伝達するためにプロセッサ３が行う処理を示す処理フロー図である。以下、この図５を参照しながら、温冷触覚提示装置２を用いてユーザに温冷感を伝達する方法について、具体的に説明する。
図５に示すように、プロセッサ３はまず、所定状態の発生を検出する（ステップＳ１）。所定状態の具体的な例としては、例えば、運転時のいねむり、作業中のふらつき、地震や台風などの災害の発生、近隣における事故の発生、電話やショートメッセージングサービスの着信、点字による情報伝達が必要となる状態などが考えられる。なお、プロセッサ３は、ウェアラブル端末１の中又は外に設けられるセンサによって検出された状態に基づいて、運転時のいねむりや作業中のふらつきを検出すればよい。また、プロセッサ３は、緊急地震速報や交通情報などのネットワークサービスから受信される情報を参照することにより、災害や事故の発生を検出すればよい。
所定状態の発生を検出したプロセッサ３は次に、検出した状態に基づいて、ユーザに伝達する温度のパターンを決定する（ステップＳ２）。具体的な例では、状態と温度パターンの対応付けを示すテーブルをウェアラブル端末１内のメモリに予め格納しておき、プロセッサ３は、検出した状態に基づいてこのテーブルを参照することによって、温度パターンを決定すればよい。ステップＳ２で決定される温度パターンには、熱電素子１０のマトリクス内における１以上の温度分布、各温度分布の繰り返しの回数及び順序、行選択の順序などが含まれる。
図６（ａ）及び図６（ｂ）はそれぞれ、ステップＳ２において決定されるパターンに含まれる温度分布の一例を示す図である。図６（ａ）に示すパターンは、運転時のいねむり、作業中のふらつき、地震や台風などの災害の発生、近隣における事故の発生などの危険な状態をユーザに警告するために好適に用いられるパターンであり、図示した温度分布Ａ及び温度分布Ｂを所定時間間隔で交互に再現するよう構成される。温度分布Ａはすべての熱電素子１０の温度を１度上げるというものであり、温度分布Ｂは、すべての熱電素子１０の温度を１度下げるというものとなっている。
図６（ｂ）に示すパターンは、電話やショートメッセージングサービスの着信を通知するために好適に用いられるパターンであり、図示した温度分布Ｃ及び温度分布Ｄを所定時間間隔で交互に再現するよう構成される。温度分布Ｃは、上半分の行について、左端の列から右端の列にかけて＋１℃から－１℃まで等しい温度間隔で温度を設定し、下半分の行について、左端の列から右端の列にかけて－１℃から＋１℃まで等しい温度間隔で温度を設定する、というものである。温度分布Ｄは、温度分布Ｃの上下（又は左右）を反転させたものとなっている。
ステップＳ２で決定されるパターンとしては、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示したパターンの他にも各種のものが考えられる。例えば、温度分布を点字のように用いることにより、１文字ずつテキストデータを伝達することも可能である。こうして温冷感による情報の伝達を行うことで、視聴覚や振動に比べ、高いアウェアネスをもって情報を伝達することが可能になる。また、視聴覚や振動による伝達と異なり、ウェアラブル端末１を装着している人以外に情報が伝達されてしまうおそれが小さいので、高い秘匿性を保つことも可能になる。
図５に戻る。温度のパターンを決定したプロセッサ３は、決定したパターンに従い、まず１以上の行を選択する（ステップＳ３）。この選択では、行単位で同じ温度分布での制御となる１以上の行が選択される。例えば図６（ａ）の温度分布Ａ，Ｂでは、８行すべてが選択される。一方、図６（ｂ）の温度分布Ｃ，Ｄでは、上４行又は下４行が選択される。なお、ステップＳ３において１つの行を選択することとしてもよいのは勿論である。
続いてプロセッサ３は、変数ｎに１を代入し（ステップＳ４）、ｎ番目の列を選択する（ステップＳ５）。そして、決定したパターンに従い、選択した行及び列に対応する１以上の熱電素子１０により伝達する温度を決定する（ステップＳ６）。一例として、図６（ｂ）に示した温度分布Ｃの再現中であり、かつ、ステップＳ３（又は、後述するステップＳ１１）で選択した行が上４行である場合について説明すると、選択した列が一番左の列であれば、ステップＳ６で決定される温度は＋１℃となる。また、選択した列が一番右の列であれば、ステップＳ６で決定される温度は－１℃となる。さらに、選択した列が左から２番目の列であれば、ステップＳ６で決定される温度は＋０．７１（≒１－２／７）℃となる。
次にプロセッサ３は、決定した温度に従ってドライバ回路４，５を制御することにより、対応する熱電素子１０の温度を制御する（ステップＳ７）。具体的に説明すると、プロセッサ３は、決定した温度がプラスである場合には、対応するロウ＿ヒート線ＲＬｈから対応するカラム線ＣＬに向かって電流が流れるよう、ドライバ回路４，５を制御する。すなわち、図４（ａ）に示したトランジスタ４２、及び、図４（ｂ）に示したトランジスタ５１がそれぞれオンとなり、図４（ａ）に示したトランジスタ４３、及び、図４（ｂ）に示したトランジスタ５０がそれぞれオフとなるようにドライバ回路４，５を制御する。このとき、図４（ａ）に示したトランジスタ４０もオンとなるが、ダイオードＤｃの存在により、対応するロウ＿クール線ＲＬｃに電流が流れることはない。これにより、対応する熱電素子１０内をノードｎ１からノードｎ２に向かって電流が流れるので、熱電素子１０の温度を上げ、ユーザに温感を伝達することが可能になる。この場合においてプロセッサ３は、トランジスタ４２，５１のベース－エミッタ間電圧を適宜制御して熱電素子１０内を流れる電流の大きさを制御することにより、任意の温度を実現する。
また、決定した温度がマイナスである場合、プロセッサ３は、対応するカラム線ＣＬから対応するロウ＿クール線ＲＬｃに向かって電流が流れるよう、ドライバ回路４，５を制御する。すなわち、図４（ａ）に示したトランジスタ４１、及び、図４（ｂ）に示したトランジスタ５０がそれぞれオンとなり、図４（ａ）に示したトランジスタ４１、及び、図４（ｂ）に示したトランジスタ５１がそれぞれオフとなるようにドライバ回路４，５を制御する。このとき、図４（ａ）に示したトランジスタ４３もオンとなるが、ダイオードＤｈの存在により、対応するロウ＿ヒート線ＲＬｈに電流が流れることはない。これにより、対応する熱電素子１０内をノードｎ２からノードｎ１に向かって電流が流れるので、熱電素子１０の温度を下げ、ユーザに冷感を伝達することが可能になる。この場合においてもプロセッサ３は、トランジスタ４１，５０のベース－エミッタ間電圧を適宜制御して熱電素子１０内を流れる電流の大きさを制御することにより、任意の温度を実現する。
次にプロセッサ３は、すべての列を処理したか否かを判定する（ステップＳ８）。ここで処理していないと判定したプロセッサ３は、変数ｎに１を加算したうえで（ステップＳ９）、ステップＳ５に戻る。この繰り返し処理により、すべての列が順に処理されることになる。
ステップＳ８においてすべての列を処理したと判定したプロセッサ３は、続いてすべての行を処理したか否かを判定する（ステップＳ１０）。ここで処理していないと判定したプロセッサ３は、ステップＳ２で決定したパターンに従って次の１以上の行を選択したうえで（ステップＳ１１）、ステップＳ４に戻る。例えば、図６（ｂ）に示した温度分布Ｃの再現中であり、かつ、ステップＳ３で上４行を選択していた場合であれば、プロセッサ３は、ステップＳ１１では下４行を選択することになる。また、ステップＳ３で１つの行を選択していた場合であれば、プロセッサ３は、ステップＳ３及びステップＳ３の実行後に実行した過去のステップＳ１１においてまだ選択していない行を、今回のステップＳ１１において選択することになる。
ステップＳ１０においてすべての行を処理したと判定したプロセッサ３は、ステップＳ２で決定したパターンに従い、温度伝達を終了するか否かを決定する（ステップＳ１２）。この判定の結果は、ステップＳ２で決定したパターンに含まれる各温度分布の再現回数が同パターンに含まれる繰り返し回数に達した場合に、肯定となる。ステップＳ１２で肯定的な判定結果を得たプロセッサ３は、ユーザに温冷感を伝達するための処理を終了する。一方、ステップＳ１２で否定的な判定結果を得たプロセッサ３は、ステップＳ３に戻って処理を続ける。
以上説明したように、本実施の形態によるウェアラブル端末１及び温冷触覚提示装置２によれば、ロウ＿クール線ＲＬｃ又はロウ＿ヒート線ＲＬｈとカラム線ＣＬとの組み合わせにより、以下で説明するスネークパスを回避しつつ個々の熱電素子１０の温度を制御できるので、同時に複数の温度情報をユーザに伝達することが可能になる。また、例えばウェアラブル端末１としてヘッドマウントディスプレイを用いれば、同時に複数の温度情報をユーザに伝達することで、仮想現実体験への没入感を向上させることも可能になる。
ここで、スネークパスについて説明する。図７は、スネークパスについて説明するための図であり、温冷触覚提示装置２を構成する複数の熱電素子１０のうちの４つの熱電素子１０３３，１０３４，１０４３，１０４４と、これらに対応するロウ＿ヒート線ＲＬｈ３，ＲＬｈ４及びカラム線ＣＬ３，ＣＬ４とを示している。ただし同図には、ダイオードＤｈを設けない場合を示している。
熱電素子１０３３が温度の制御対象である場合、プロセッサ３は、図７（ａ）に破線で示す電流を流す必要がある。そのためにプロセッサ３が、ドライバ回路４，５を用いて、図７（ａ）に示すように、ロウ＿ヒート線ＲＬｈ３に電源電位ＶＤＤを印加し、カラム線ＣＬ３に接地電位ＧＮＤを印加し、他のロウ＿ヒート線ＲＬｈ及びカラム線ＣＬをハイインピーダンス（Ｈｉｇｈ－ｚ）の状態にしたとすると、図７（ｂ）に破線で示すように、熱電素子１０３３以外の熱電素子１０にも電流が流れてしまう。これを防ぐため、例えば図７（ｃ）に示すように他のカラム線ＣＬにも電源電位ＶＤＤを印加することとしても、同図に示すように、やはり熱電素子１０３３以外の熱電素子１０に電流が流れてしまう。このように、意図しない熱電素子１０を通過する電流パスを「スネークパス」と称する。
スネークパスが生じていては、各熱電素子１０を個別に制御することはできない。そこで本実施の形態による温冷触覚提示装置２では、各ロウ＿ヒート線ＲＬｈと対応する各熱電素子１０との間に、ダイオードＤｈを挿入することとしている。こうすることで、図７（ｂ）や図７（ｃ）に示したようなスネークパスの発生を回避できるので、各熱電素子１０を個別に制御することが可能になる。各ロウ＿クール線ＲＬｃと対応する熱電素子１０の間にダイオードＤｃを挿入するのも、同様の理由による。
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。
例えば、上記実施の形態では、ロウ＿クール線ＲＬｃ及びロウ＿ヒート線ＲＬｈを設けることにより温感と冷感の両方を伝達できるように構成した温冷触覚提示装置２を説明したが、ロウ＿クール線ＲＬｃ及びロウ＿ヒート線ＲＬｈの一方のみを設けることにより温感と冷感の一方のみを伝達できるように温冷触覚提示装置２を構成してもよい。この場合、ドライバ回路４，５内にＳＥＰＰを設ける必要はなく、それぞれ１つのバイポーラトランジスタを含むように構成すればよい。
また、上記実施の形態では、ロウ＿クール線ＲＬｃと熱電素子１０の間にダイオードＤｃを設け、ロウ＿ヒート線ＲＬｈと熱電素子１０の間にダイオードＤｈを設ける例を説明したが、ダイオードＤｈ，Ｄｃに代えてスイッチ素子を設け、プロセッサ３によりオンオフ制御することとしてもよい。また、ロウ＿クール線ＲＬｃと各熱電素子１０の間、及び／又は、ロウ＿ヒート線ＲＬｈと各熱電素子１０の間にダイオード及びスイッチ素子のいずれも設けず、これらを直接接続することとしてもよい。この場合、スネークパスの形成は避けられないが、ある程度の温度制御を行うことは可能である。
また、上記実施の形態では、図１に示したｘ方向、ｙ方向、ｚ方向がそれぞれ互いに直交する１次元の方向（直線）であることを前提として説明したが、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は直交していなくてもよく、それぞれ３次元の方向（３次元空間内に延在する曲線）であってもよい。別の言い方をすれば、各熱電素子１０は電気的にマトリクス状に配置されていればよく、物理的に碁盤の目状に配置されていなくてもよい。
また、上記実施の形態では、基板１１上に電極１２や単位熱電素子１３を実装した例を説明したが、基板１１を省略することとしてもよい。この場合、各電極１２及び各単位熱電素子１３をエラストマー樹脂内に埋め込むことにより、柔軟性を確保しつつ立体的に構造を固定することとすればよい。さらに、このエラストマー樹脂内にロウ＿ヒート線ＲＬｈ、ロウ＿クール線ＲＬｃ、カラム線ＣＬも埋め込み、温冷触覚提示装置２を全体として一塊のエラストマー樹脂により固定することとしてもよい。
また、上記実施の形態では、ウェアラブル端末１に組み込まれる温冷触覚提示装置２に本発明を適用する例を説明したが、本発明は、他の種類の装置等に組み込まれる温冷触覚提示装置にも適用可能である。以下、そのような装置等にかかる上記実施の形態の変形例を具体的に説明する。
図８は、上記実施の形態の第１の変形例によるかゆみ抑制装置６０の外観を示す図である。同図に示すように、かゆみ抑制装置６０は、棒状の筐体６１と、筐体６１の先端に設けられた平面部６２と、筐体６１の中ほどに設けられた電源スイッチ６３とを有して構成される。平面部６２の表面には、複数の熱電素子１０がマトリクス状に配置されている。図８には示していないが、筐体６１の内部には、図３に示した回路を構成するために必要な装置（プロセッサ３、ドライバ回路４，５など）が配置される。
かゆみ抑制装置６０は、筐体６１を手に持ち、電源スイッチ６３をオンにして平面部６２をユーザの患部に当てることにより、ユーザのかゆみを軽減する役割を果たす装置である。もし、複数の熱電素子１０のすべてが同じ温度で発熱した状態で平面部６２をユーザの患部に当てたとすると、ユーザのかゆみはむしろ増大してしまう。これに対し、本発明を用いれば、図８に例示するように複数の熱電素子１０の温度を個別に制御できるので、ユーザに冷刺激及び温刺激を同時に与えることができる。したがって、非特許文献１に記載されているようにユーザに痛みを与えることができるので、本変形例によるかゆみ抑制装置６０によれば、ユーザのかゆみを軽減することが可能になる。
なお、本変形例では、平面部６２に４つの熱電素子１０を配置する例を説明したが、平面部６２には２つ以上の熱電素子１０を配置すればよい。また、図８には、４つの熱電素子１０の一方の対角に沿って冷刺激を与え、他方の対角に沿って温刺激を与える例を示しているが、他のパターンにより冷刺激及び温刺激を同時に与えることとしてもよい。
また、図１に示したウェアラブル端末１をかゆみ抑制装置として機能させることも可能である。この場合、ユーザの動きを検知するためのセンサ（例えば、加速度センサやジャイロセンサなど）をウェアラブル端末１に搭載し、図５に示した処理を実行するプロセッサ３は、このセンサを用いて所定の引っ掻き動作を検出し（ステップＳ１）、所定の引っ掻き動作を検出したことに応じて、ユーザに伝達する温度のパターンとしてユーザに冷刺激及び温刺激を同時に与えることのできるパターンを決定し（ステップＳ２）、決定したパターンに従ってステップＳ３～Ｓ１２の処理を実行すればよい。この例では、例えばユーザが右手にウェアラブル端末１をはめた状態で右足の表面を掻く動作をした場合、ユーザは、掻こうとした右足の表面ではなく右手に痛みを感じることになるが、一般に痛みはかゆみに勝ることから、ウェアラブル端末１によってユーザに右足の表面のかゆみを忘れさせること、すなわち、患部のかゆみを抑制することが可能になる。
図９は、上記実施の形態の第２の変形例によるアイシング装置７０の使用状態を示す図である。同図に示すように、アイシング装置７０は、それぞれ複数の熱電素子１０が一列に取り付けられた２本のバンド７１，７２と、各熱電素子１０と電気的に接続された回路部７３とを有して構成される。回路部７３内には、図３に示した回路を構成するために必要な装置（プロセッサ３、ドライバ回路４，５など）が配置される。
アイシング装置７０は、図９に示すように、バンド７１，７２を人間のふくらはぎに装着した状態で使用されるもので、その基本的な役割は、運動などによって疲弊したふくらはぎをアイシングする点にある。各熱電素子１０は、バンド７１，７２が人間のふくらはぎに装着されているとき、図２に示した基板２４側（又は基板１１側）で人体に密着することとなるように、バンド７１，７２に取り付けられる。
アイシング装置７０は、上記のようにふくらはぎをアイシングするための装置であるが、各熱電素子１０の温度を一斉に下げるだけでは、身体が冷えすぎて逆効果になってしまう場合がある。この点、本発明を用いて複数の熱電素子１０の温度を個別に制御すれば、例えばふくらはぎの周回方向に冷刺激と温刺激を交互に循環させることにより、身体が冷えすぎることを防止するとともに、マッサージ効果をも得ることが可能になる。したがって、本変形例によるアイシング装置７０によれば、より効果的に、ふくらはぎの疲れを取り除くことが可能になる。また、冷刺激と温刺激を同時に与えることで、第１の変形例と同様に痛みを与え、ユーザのかゆみを軽減することも可能になる。
なお、本変形例では、２本のバンド７１，７２を有するアイシング装置７０の例を説明したが、アイシング装置７０は、１つ以上のバンドを有していればよい。また、各バンドに取り付ける熱電素子１０の数は特に制限されず、アイシング装置７０は、全体として２つ以上の熱電素子１０を有していればよい。
また、本変形例では、ふくらはぎ用のアイシング装置７０に本発明を適用する例を説明したが、本発明は、その他のアイシング装置や、アイシングを目的としないマッサージ装置にも広く適用可能である。例えば、目（アイマスク）、耳（イヤホン）、顔面、首、背中、肩、胸、腕、太ももなどをアイシング又はマッサージする装置に対して本発明を適用することにより、これらの部位を効果的にアイシング又はマッサージすることが可能になる。部位によっては、睡眠改善、瞑想効果向上、熱中症予防、心臓への刺激による緊張緩和などの更なる効果を得ることも可能になる。
図１０は、上記実施の形態の第３の変形例による口内保持具８０を示す図である。同図に示すように、口内保持具８０はいわゆるフォークであり、持ち手を構成する筐体８１と、筐体８１の先端に取り付けられた櫛状先端部８２と、櫛状先端部８２の中央を口内保持具８０の軸方向に貫いて設けられる断熱材料８３と、櫛状先端部８２のうち筐体８１の内部に延在する部分の両側に配置された複数の熱電素子１０とを有して構成される。各熱電素子１０は、図２に示した基板２４側（又は基板１１側）で櫛状先端部８２に密着するように配置される。なお、図１０には筐体８１の内部を図示しているが、筐体８１は不透明な筒状の部材であり、実際には筐体８１内の構成を外から見ることはできない。また、図示していないが、筐体８１の内部には、図３に示した回路を構成するために必要な装置（プロセッサ３、ドライバ回路４，５など）も配置される。
櫛状先端部８２の中央に断熱材料８３を設けていることから、櫛状先端部８２は、断熱材料８３の一方側（以下、単に「一方側」という）と断熱材料８３の他方側（以下、単に「他方側」という）とで別々に温度制御可能に構成される。また、複数の熱電素子１０は、櫛状先端部８２の一方側に密着する１以上の第１の熱電素子１０ａと、櫛状先端部８２の他方側に密着する１以上の第２の熱電素子１０ｂとを含んで構成される。したがって、第１の熱電素子１０ａと第２の熱電素子１０ｂとで異なる温度制御を行うことにより、櫛状先端部８２の一方側でユーザに冷刺激を与え、他方側でユーザに温刺激を与えることができるので、本変形例による口内保持具８０によれば、痛覚刺激によりユーザの味覚を操作することが可能になる。
なお、本変形例では、フォークである口内保持具８０に本発明を適用した例を説明したが、口内に保持することのある道具であれば、本発明はどのような道具にも適用可能である。例えば、スプーンや箸など他の種類のカトラリー、ストロー、タバコなどにも、本変形例と同様に本発明を適用することが可能である。カトラリーに本発明を適用すれば、本変形例で説明したように、ユーザの味覚を操作することが可能になる。ストローやタバコに本発明を適用すれば、清涼感やアロマ感を向上することが可能になる。
図１１は、上記実施の形態の第４の変形例による食器９０を示す図である。同図に示すように、食器９０は円形の皿であり、マトリクス状に配置された複数の熱電素子１０を底面に有して構成される。なお、図１１には食器９０が円形である例を示しているが、食器９０の形状は円形に限られない。各熱電素子１０は、図２に示した基板２４側（又は基板１１側）が上面となり、かつ、上面が食器９０の底面と面一になるように、食器９０の表面に埋め込まれる。また、図示していないが、食器９０の内部には、図３に示した回路を構成するために必要な装置（プロセッサ３、ドライバ回路４，５など）が埋め込まれる。
食器９０に液状又は粉状の食品を搭載した状態で複数の熱電素子１０の温度を個別に制御すると、食品に対して位置ごとに異なる温度を与えることができる。例えば、図１１には、Ａの文字形を構成する複数の熱電素子１０が相対的に高い温度を示し、他の熱電素子１０が相対的に低い温度を示すように、複数の熱電素子１０の温度を個別に制御する例を示している。このような制御を行うことで、食品の表面に文字や図形などを浮き上がらせることが可能になるので、本発明による食器９０によれば、食品ディスプレイを実現することが可能になる。
１ ウェアラブル端末
１ａ 時計盤の裏面
１ｂ ベルトの内側表面
２ 温冷触覚提示装置
３ プロセッサ
４，５ ドライバ回路
１０ 熱電素子
１１，２４ 基板
１２ 電極
１３ 単位熱電素子
２０ ｎ型半導体
２１ ｐ型半導体
２２ 絶縁体
２３ 電極
４０～４３，５０，５１ トランジスタ
４４～４７，５２，５３ 分圧回路
６０ かゆみ抑制装置
６１，８１ 筐体
６２ 平面部
６３ 電源スイッチ
７０ アイシング装置
７１，７２ バンド
７３ 回路部
８０ 口内保持具
８２ 櫛状先端部
８３ 断熱材料
９０ 食器
ＣＬ カラム線
Ｄｈ，Ｄｃ ダイオード
ＲＬｃ ロウ＿クール線
ＲＬｈ ロウ＿ヒート線
１ａ 時計盤の裏面
１ｂ ベルトの内側表面
２ 温冷触覚提示装置
３ プロセッサ
４，５ ドライバ回路
１０ 熱電素子
１１，２４ 基板
１２ 電極
１３ 単位熱電素子
２０ ｎ型半導体
２１ ｐ型半導体
２２ 絶縁体
２３ 電極
４０～４３，５０，５１ トランジスタ
４４～４７，５２，５３ 分圧回路
６０ かゆみ抑制装置
６１，８１ 筐体
６２ 平面部
６３ 電源スイッチ
７０ アイシング装置
７１，７２ バンド
７３ 回路部
８０ 口内保持具
８２ 櫛状先端部
８３ 断熱材料
９０ 食器
ＣＬ カラム線
Ｄｈ，Ｄｃ ダイオード
ＲＬｃ ロウ＿クール線
ＲＬｈ ロウ＿ヒート線
Claims (14)
- 第１及び第２の方向のそれぞれに沿って並置することによりマトリクス状に配置された複数の熱電素子と、
それぞれ前記第１の方向に延在する複数の第１のロウ線と、
それぞれ前記第２の方向に延在する複数のカラム線と、
それぞれ前記第１の方向に延在する複数の第２のロウ線と、を備え、
前記複数の第１のロウ線はそれぞれ、前記第１の方向に並ぶ複数の前記熱電素子それぞれの一端に接続され、
前記複数の第２のロウ線はそれぞれ、前記第１の方向に並ぶ複数の前記熱電素子それぞれの一端に接続され、
前記複数のカラム線はそれぞれ、前記第２の方向に並ぶ複数の前記熱電素子それぞれの他端に接続される、
温冷触覚提示装置。 - 第１及び第２の方向のそれぞれに沿って並置することによりマトリクス状に配置された複数の熱電素子と、
それぞれ前記第１の方向に延在する複数の第１のロウ線と、
それぞれ前記第２の方向に延在する複数のカラム線と、
前記複数の熱電素子のそれぞれに対応して設けられ、対応する前記熱電素子の一端に一方の電極が接続されてなる複数の第１のダイオードと、を備え、
前記複数の第１のロウ線はそれぞれ、前記第１の方向に並ぶ複数の前記熱電素子それぞれの一端に、対応する前記第１のダイオードを介して接続され、
前記複数のカラム線はそれぞれ、前記第２の方向に並ぶ複数の前記熱電素子それぞれの他端に接続される、
温冷触覚提示装置。 - それぞれ前記第１の方向に延在する複数の第２のロウ線、をさらに備え、
前記複数の第２のロウ線はそれぞれ、前記第１の方向に並ぶ複数の前記熱電素子それぞれの一端に接続される、
請求項２に記載の温冷触覚提示装置。 - 前記複数の熱電素子のそれぞれに対応して設けられ、対応する前記熱電素子の一端に他方の電極が接続されてなる複数の第２のダイオード、をさらに備え、
前記複数の第２のロウ線はそれぞれ、前記第１の方向に並ぶ複数の前記熱電素子それぞれの一端に、対応する前記第２のダイオードを介して接続される、
請求項１又は３に記載の温冷触覚提示装置。 - 前記複数の熱電素子は、間隔を空けてフレキシブル基板上に並置される、
請求項１乃至４に記載の温冷触覚提示装置。 - 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の温冷触覚提示装置を備えるウェアラブル端末。
- 請求項１に記載の温冷触覚提示装置と、
前記第１のロウ線及び前記第２のロウ線のいずれか一方に対して電源電位及び接地電位の一方を印加する第１のドライバ回路と、
前記カラム線に対して前記電源電位及び前記接地電位の他方を印加する第２のドライバ回路と、
を備えるウェアラブル端末。 - センサにより検出された状態又はネットワークサービスから受信される情報に基づいて温度のパターンを決定し、決定したパターンに従って前記第１及び第２のドライバ回路を制御するプロセッサ、
をさらに備える請求項７に記載のウェアラブル端末。 - 前記プロセッサは、前記センサにより所定の引っ掻き動作を検出したことに応じて、ユーザに冷刺激及び温刺激を同時に与えることのできるパターンを前記温度のパターンとして決定する、
請求項８に記載のウェアラブル端末。 - 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の温冷触覚提示装置を備えるかゆみ抑制装置。
- 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の温冷触覚提示装置を備えるアイシング装置。
- 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の温冷触覚提示装置を備えるマッサージ装置。
- 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の温冷触覚提示装置を備える口内保持具。
- 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の温冷触覚提示装置を備える食器。
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|---|---|---|---|
| JP2021009579 | 2021-01-25 | ||
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