JPWO2010058538A1 - 力覚提示装置 - Google Patents

Abstract

圧力板を介して使用者に力覚を知覚させることが可能な力覚提示装置であって、交流電界の印加により径が拡大および収縮する方向に振動する筒形のアクチュエータと、前記アクチュエータの振動を伝搬する液体の媒質と、前記媒質中を伝搬する圧力および変位によって振動する前記圧力板と、を備えている。典型的には、前記アクチュエータは、中空円筒形圧電振動子である。

Description

本発明は、人の手や指に力覚を知覚させることが可能な力覚提示装置に関するものである。
本願は、２００８年１１月２１日に出願された特願２００８−２９８１２７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

マルチモーダル・インターフェースの進展に伴って、視覚や聴覚以外の五感の情報を提供可能な情報提示装置が注目されている。
中でも、物体を触ったときの感触（触覚）や物体からの反力（力覚）を情報提供に利用した力覚提示装置は、インターフェースの操作性や情報の知覚・理解を向上する上で有効と考えられており、各種職業技術訓練、バーチャルリアリティ技術、遠隔医療、ゲーム機器などへの応用が期待されている。

一般的に力覚提示装置は様々な方式・構造によるものが提案されているが、特に、液体を媒質として人の手や指に力覚を知覚させることが可能な力覚提示装置としては、特許文献１のような物体に接触している指先にかかる振動感を再現するものが知られている。
特許文献１に示された力覚提示装置は、ポンプによって電気粘性流体に脈圧を発生させ、指先への接触面となる導電性ゴムに対して設けられた電極群の電極に与えられる電圧を制御し、電気粘性流体の粘度および脈圧の圧力と周期を制御して接触物体の形状の感覚を提示するものである。
また、特許文献２に示された力覚提示装置は、内部に流体が封入された多数の袋体の間に電磁石を配置し、隣り合う電磁石の間に働く引力又は斥力によって袋体の間隔を狭くしたり広くしたりすることで、手や指に接触する部分の形状や表面圧を変化させるものである。

特許第３０７３７１２号公報 特開２００１−５４８９１号公報

しかしながら、従来の力覚提示装置では、接触した物体の形状や手触り感をアクチュエータの振動により提示しているだけであり、アクチュエータにより駆動される力覚提示部の変位は、人が力覚として知覚できるほど大きくない。

本発明の目的は、上述の問題点を解決するために、人の手や指に力覚を知覚させることが可能な力覚提示装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明は、圧力板を介して使用者に力覚を知覚させることが可能な力覚提示装置であって、交流電界の印加により径が拡大および収縮する方向に振動する筒形のアクチュエータと、前記アクチュエータの振動を伝搬する液体の媒質と、前記媒質中を伝搬する圧力および変位によって振動する前記圧力板と、を備えている力覚提示装置を提供する。

本発明によれば、アクチュエータと圧力板の間の媒質を液体とすることによって、アクチュエータにより駆動される力覚提示部の変位を大きくすることが可能となる。

本発明の第１実施形態の力覚提示装置の断面図である。 図１のＢ−Ｂ矢視平面図である。 第１実施形態の力覚提示装置に用いる圧電振動子の動作説明図である。 同様に、第１実施形態の力覚提示装置に用いる圧電振動子の動作説明図である。 力覚提示装置の動作原理の説明図である。 本発明の第２実施形態の力覚提示装置に用いる圧電振動子の平面図である。 第２実施形態の力覚提示装置に用いる圧電振動子の断面図である。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１実施形態の力覚提示装置の断面図である。
図２は、図１のＢ−Ｂ矢視平面図である。
図３Ａ、３Ｂは、図１の力覚提示装置に用いる中空円筒形圧電振動子の動作説明図であり、図３Ａは中空円筒形圧電振動子の平面図、図３Ｂは中空円筒形圧電振動子の断面図である。

図１において、符号４１は中空円筒形圧電振動子（アクチュエータ）、符号４２は下部構造体（下部筐体）、符号４３は弾性部材、符号４４は上部構造体（上部筐体）、符号４６ａ、４６ｂは圧力板、符号４７は媒質（液体）である。

中空円筒形圧電振動子４１は、中空円筒形に形成された圧電材料の内周面及び外周面に図示略の電極を形成し、この２つの電極に交流電圧を印加することにより、圧電材料を変形、振動させるようにしたものである。
図３Ａ、３Ｂに示すように、中空円筒形圧電振動子４１は、半径方向（図３Ａ、３Ｂの矢印の方向）に分極処理が施されており、中空円筒の外周面と内周面に交流電界を印加（電極は図示せず）すると、図３Ａに点線で示したように径が拡大および収縮する方向に振動する。この振動モードは呼吸モードと呼ばれる。

本実施形態の力覚提示装置は、例えば、次の方法により製造される。
まず、中空円筒形圧電振動子４１の軸方向の上下どちらか一方の面に圧力板４６ａまたは４６ｂを接着等により固定し、中空円筒形圧電振動子４１の内側に媒質４７を入れ、もう一方の面も圧力板４６ａまたは４６ｂを接着等により固定する。これにより、中空円筒形圧電振動子４１、圧力板４６ａ、４６ｂで形成される閉空間に媒質４７を封入する。
次に、媒質４７が封入された中空円筒形圧電振動子４１を下部構造体４２の上に載置し、中空円筒形圧電振動子４１の外周部と下部構造体４２の隙間に弾性部材４３を挟み、その上に上部構造体４４を載置し、ネジ（図示せず）等により締め付け固定する。ただし、ネジの締め付け力は圧電振動子４１の振動を拘束しない程度の締め付け力としている。

尚、中空円筒形圧電振動子４１と圧力板４６ａ、４６ｂで形成される閉空間への媒質４７の注入方法については、上記で説明した方法は一例にすぎず、この方法に限定されるものではない。
中空円筒形圧電振動子４１の圧電材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等が挙げられるが、これらの材料に限定されるものではない。
また、圧力板４６ａ、４６ｂとして、シリコン、フッ素等のゴム材料、ステンレスやアルミ等の薄い金属板、ＰＥＴ等の樹脂材料、あるいはＰＥＴフィルムにアルミを蒸着したような複合材料などを用いることができるが、これらの材料に限定されるものではない。
さらに、媒質４７として使用する液体は、水、プロピレングリコール等の不凍液などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
また、中空円筒形圧電振動子４１と圧力板４６ａおよび４６ｂの固定方法については、接着に限定されるものではない。

次に、本実施形態の力覚提示装置の動作原理について説明する。
中空円筒形圧電振動子４１は電圧を印加すると径が拡大および収縮する方向に変形する性質を有しているため、交流電界を印加すると径が拡大した状態と径が収縮した状態を交互に繰り返し、振動する。
このとき、中空円筒形圧電振動子４１に接している部分の媒質の変位は、密度（体積）の変化を引き起こすので、圧力の変化が生じ、それによって次の瞬間の媒質の変位をもたらすことになる。この過程の連鎖によって、圧力や変位が波として伝搬する。

例えば、図４に示したように一定の断面積で一軸方向に伸びる円筒形の管の中の媒質の振動として考えると、ＡＢ間の領域の圧力変化は、ｐを圧力の変化分とすると、
ｐ＝−ＫΔＶ／Ｖ 式（１）
と表せる。ここで、ＶはＡＢ間の領域の体積、ΔＶは体積の変化分、Ｋは体積弾性率である。
また、管内を伝わる音速ｖは、密度ρと体積弾性率Ｋより
ｖ＝（Ｋ／ρ）^１／２
と表せることから、体積弾性率Ｋは
Ｋ＝ρｖ^２ 式（２）
となる。

水中の音速１４８３ｍ／ｓ、空気中の音速３３１．４５ｍ／ｓ、水の密度１０００ｋｇ／ｍ^３、空気の密度１．２９ｋｇ／ｍ^３とすると、式（２）より水と空気の体積弾性率はそれぞれ２．２ＧＰａ、１４２ｋＰａとなるため、式（１）より圧力変化は空気中に比べて水中の方が大きいと考えられる。
上記の理論に基づいて、中空円筒形圧電振動子４１の振動は媒質４７を介して圧力板４６ａおよび４６ｂに伝搬する。
また、中空円筒形圧電振動子４１の駆動周波数を約１０Ｈｚ程度の低周波領域とすることにより、圧力板４６ａおよび４６ｂを指や手で触れた時に振動のような感覚ではなく力覚として知覚することが可能である。

なお、駆動周波数としては１０Ｈｚ以下の低周波領域を用いることもできる。振幅が大きく周波数が小さければ、押され感（力覚）が得られる。例えば、１Ｈｚ以上１０Ｈｚ以下の駆動周波数であれば、確実に力覚を知覚させることができる。

［第２の実施の形態］
図５Ａ、５Ｂは、本発明の第２実施形態の力覚提示装置に用いる中空円筒形圧電振動子の平面図（図５Ａ）および断面図（図５Ｂ）である。
本実施形態において第１実施形態と相違する点は、第１実施形態では、圧電振動子が半径方向に分極処理されていたのに対して、本実施形態では、円周方向に分割された各圧電振動子が円周方向に分極処理されている点にある。

図５Ａ、５Ｂに示したように、円周方向に８分割された圧電振動子は、各圧電材料４５と、各圧電材料４５の間に配置された電極５０（５０ａ、５０ｂ）で構成されている。
分割された各圧電材料４５には電極５０ａ、５０ｂを介して交流電圧が印加される。この交流電圧によって各圧電材料４５を変形、振動させることにより、圧電振動子として機能するようになっている。
円周方向に８分割された圧電振動子は、時計回り方向に分極処理が施された分割圧電振動子４８ａと反時計回り方向に分極処理が施された分割圧電振動子４８ｂとが交互に配置された構造を有し、各分割圧電振動子４８ａ，４８ｂは、電極５０を挟んで固着され、中空円筒形圧電振動子４９を形成する。
中空円筒形圧電振動子４９を構成する８枚の電極５０も、電極５０ａと電極５０ｂが交互に配置された構造を有する。そして、電極５０ａと電極５０ｂとの間に交流電界を印加すると、径が拡大した状態と径が収縮した状態を交互に繰り返し、呼吸モードで振動する。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、中空円筒形圧電振動子４９の軸方向の上下両面を圧力板（図示せず）として、接着等により固定し、中空円筒形圧電振動子４９と圧力板により形成される閉空間に媒質（液体）を封入する。
そして、第１実施形態と同様に、媒質が封入された中空円筒形圧電振動子４９を下部構造体の上に載置し、中空円筒形圧電振動子４９の外周部と下部構造体の隙間に弾性部材を挟み、その上に上部構造体を載置し、ネジ（図示せず）等により締め付け固定して、力覚提示装置を完成する。
圧力板の材料および媒質として使用する液体は、第１実施形態で説明したのと同様とする。また、第１実施形態と同様に、中空円筒形圧電振動子４９の駆動周波数を約１０Ｈｚ程度の低周波領域とすることにより、圧力板を指や手で触れた時に振動のような感覚ではなく力覚として知覚することが可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記の実施形態では、アクチュエータとして筒形の圧電振動子を用いたが、これ以外の原理、構造を有するアクチュエータを用いても良い。
また、筒形アクチュエータの軸方向の上下両面を圧力板として、筒形アクチュエータと圧力板により形成される閉空間に媒質を封入したが、媒質を封入する構造はこれに限定されない。
アクチュエータ及び圧力板を固定する筐体の構造は、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

本発明の活用例として、携帯端末等の出力インターフェースやバーチャルリアリティ等の触力覚ディスプレイなどに利用される。

４１…圧電振動子（アクチュエータ）、４２…下部構造体、４３…弾性部材、４４…上部構造体、４５…圧電材料、４６ａ…圧力板ａ、４６ｂ…圧力板、４７…媒質（液体）、４８ａ…分割圧電振動子、４８ｂ…分割圧電振動子、４９…圧電振動子（アクチュエータ）、５０…電極

Claims (4)

1. 圧力板を介して使用者に力覚を知覚させることが可能な力覚提示装置であって、
   交流電界の印加により径が拡大および収縮する方向に振動する筒形のアクチュエータと、
   前記アクチュエータの振動を伝搬する液体の媒質と、
   前記媒質中を伝搬する圧力および変位によって振動する前記圧力板と、
   を備えていることを特徴とする力覚提示装置。
2. 前記アクチュエータは中空円筒形圧電振動子であることを特徴とする請求項１に記載の力覚提示装置。
3. 前記圧力板は前記アクチュエータの軸方向の上下両面に固定され、
   前記アクチュエータと前記圧力板とで形成される閉空間に前記媒質が封入されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の力覚提示装置。
4. 前記圧力板は前記アクチュエータの軸方向の上下両面に固定され、
   前記アクチュエータと前記圧力板とで形成される閉空間に前記媒質が封入されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の力覚提示装置。

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