WO2007119603A1 - 触覚ディスプレイ装置、多自由度アクチュエータ、及び、ハンドリング装置 - Google Patents

Abstract

触知ピン３３を用いる構成であって、物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示することができる触覚ディスプレイ装置を提供する。触覚ディスプレイ装置１は、触覚呈示部材３１と、触知ピン３３を備える。触覚呈示部材３１は、所定の第１面上にヒトの手７の指を配置し、第１面に複数の孔を形成する。触知ピン３３は、触覚呈示部材３１の複数の孔からそれぞれ突出し、少なくとも触覚呈示部材３１の第１面に平行な方向に移動可能で、突出端をヒトの手７の指に当接させ、ヒトの手７の指に物体の表面性状感及び物体のトルク感に相当する触覚を呈示する。

Description

明細書 触覚ディスプレイ装置、 多自由度ァクチユエータ、 及び、 ハンドリング装置 技術分野 '

本発明は、 触覚ディスプレイ装置、 多自由度ァクチユエータ、 及び、 ハンドリ ング装置に関するものである。 背景技術

近年、 遠隔地の環境やコンピュータ内部に構成された仮想の世界に、 実際に自 分が存在しているかのような感覚を呈示するバーチャルリアリティーの技術が高 い注目を集めている。 例えば、 ロボットなどの産業機器、 医療機器、 ゲーム機器 などに適用が検討されている。

そして、 このパーチャルリアリティー技術の一つに、 触覚ディスプレイ装置が ある。 この触覚ディスプレイ装置としては、 例えば、 特許文献 1に開示された技 術がある。 この触覚ディスプレイ装置は、 触覚呈示プレートから突出量が異なる ように動作する触知ピンが、 アレイ状に集約的に配列されている。 つまり、 ヒト の指を触覚呈示プレートの表面に配置した場合に、 指表面に対して垂直方向に触 知ピンを動作させる。 これにより、 触覚呈示プレートの表面に配置した指に対し て、 擬似的に凹凸感に相当する触覚を呈示することができる。

し力 し、 指表面に対して垂直方向に触知ピンを動作させるのみでは、 ザラザラ 感 ·ツルツル感などの物体の表面性状感に相当する触覚を擬似的に呈示すること は困難であった。

このような物体の表面性状感に相当する触覚を擬似的に呈示する触覚ディスプ レイ装置としては、例えば特許文献 2に開示されたものがある。特許文献 2には、 触覚呈示面に静電吸引力を発生させることで、 触覚呈示面に物体の表面性状感に 相当する触覚を呈示することが記載されている。

[特許文献 1 ] 特開平 1 0— 1 8 7 0 2 5号公報

[特許文献 2 ] 特開 2 0 0 3— 2 4 8 5 4 0号公報 発明の開示

し力 し、 特許文献 2に開示された触覚ディスプレイ装置のような静電吸引力に よるものでは、 より正確な物体の表面性状感に相当する触覚を呈示することは困 難である。 さらには、 物体のトルク感に相当する触覚を呈示することも困難であ る。 ここで、 物体のトルク感とは、 例えば、 ヒ トの指で物体を把持している場合 に、 物体が接触している指表面に垂直な軸回りに物体が指表面に対して相対的に 回転する際の感覚である。

従って、 複数の触知ピンを用いる構成において、 物体の表面性状感及ぴ物体の トルク感に相当する触覚を呈示することが望まれる。 そして、 特許文献 2に開示 された触覚ディスプレイ装置は、 複数の触知ピンを用いる構成とは異なる構成か らなるため、 複数の触知ピンを用いる構成からなる触覚ディスプレイ装置に、 特 許文献 2に開示された技術を適用することはできない。

また、 触知ピンを用いる構成からなる触覚ディスプレイ装置では、 触知ピンが アレイ状に集約的に配列されている。 従って、 触知ピンを動作させるァクチユエ ータには、 小型化、 及ぴ、 配列のし易さなどが要求される。

本発明は、 このような事情に鑑みてなされたものであり、 触知ピンを用いる構 成であって、 物体の表面性状感及ぴ物体のトルク感に相当する触覚を呈示するこ とができる触覚ディスプレイ装置を提供することを目的とする。 さらに、 当該触 覚ディスプレイ装置に用いることが可能な新規な構成からなる多自由度ァクチュ エータ、 及び、 当該多自由度ァクチユエータを用いたハンドリング装置を提供す ることを目的とする。

( 1 ) 第 1発明

( 1 . 1 ) 触覚ディスプレイ装置の全体構成

そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、 触知ピンをヒトの皮膚に対してせん断方向に移動させるようにする構成にするこ とを思いつき、 本発明を完成するに至った。

すなわち、 第 1発明の触覚ディスプレイ装置は、 触覚呈示部材と、 複数の触知 ピンとを備えることを特徴とする。ここで、触覚呈示部材は、ヒトの皮膚に対し、 接触可能な第 1面に複数の孔を備える。 触知ピンは、 複数の孔からそれぞれ突出 し、 少なくとも触覚呈示部材の第 1面に平行な方向に移動可能で、 突出端をヒト の皮膚に当接させ、 ヒトの皮膚に物体の表面性状感及ぴ物体のトルク感に相当す る触覚を呈示する。

ここで、 触覚呈示部材の第 1面に平行な方向とは、 ヒ トの指を触覚呈示部材の 第 1面上に配置した場合に、 指表面に対してせん断方向 （水平方向） となる。 こ のように、指表面に対してせん断方向に触知ピンを移動させることができるので、 物体の表面性状感に相当する触覚を呈示することができる。 例えば、 複数の触知 ピンを指表面に対して同一せん断方向に同一量移動させることにより、 物体の表 面性状感に相当する触覚を呈示できる。

さらに、 触知ピンは、 複数配列されている。 従って、 これら複数の触知ピンを 指表面に対してせん断方向に移動することにより、 物体のトルク感に相当する触 覚（回転触覚）を呈示することもできる。物体のトノレク感とは、上述したように、 例えば、 指で物体を把持している場合に、 物体に接触している指表面に垂直な軸 回りに、 物体が指表面に対して相対的に回転する場合の触覚である。 この物体の トルク感に相当する触覚を呈示するためには、 例えば、 指元側に配置される触知 ピンのせん断方向の移動量と指先側に配置される触知ピンのせん断方向の移動量 とを異なるようにすればよい。 これは、 物体が回転する際に、 回転中心は全く移 動せず、 回転中心から遠ざかるほど移動量が大きくなる。 そこで、 このことを触 知ピンにて呈示することにより、 物体のトルク感に相当する触覚を呈示すること ができる。

ここで、 例えば、 触覚呈示部材の第 1面に平行な 1軸方向のみに触知ピンが移 動可能である場合には、 ヒトの皮膚と仮想物体とが相対的に一方向に移動する場 合における物体の表面性状感に相当する触覚を呈示できる。 さらには、 触覚呈示 部材の第 1面に平行な 1軸方向のみに触知ピンが移動可能である場合には、 ヒト の皮膚と仮想物体との回転角度が微小である場合における物体のトルク感に相当 する触覚を呈示できる。

し力 し、 より複雑にヒ トの皮膚と仮想物体とが相対移動する場合、 及び、 ヒ ト の皮膚と仮想物体との回転角度が大きくなる場合には、 触覚呈示部材の第 1面に 平行な 1軸方向のみに触知ピンが移動するのでは、 十分に上記触覚を呈示できな い場合がある。

そこで、 触知ピンは、 触覚呈示部材の第 1面に平行な直交 2軸方向に移動可能 な第 1触知ピンを備えるようにするとよい。これにより、上記の場合であっても、 十分に物体の表面性状感及ぴトルク感に相当する触覚を呈示することができる。 ここで、 物体の表面性状感に相当する触覚をより正確に呈示するには、 ヒ トの 皮膚に対して触知ピンがせん断方向及び垂直方向への移動の組み合わせが必要と なる。 具体的には、 直値ピンのせん断方向の移動量と垂直方向の移動量との比を 変化させることで、 種々の物体の表面性状感に相当する触覚を呈示できると考え られる。 例えば、 物体の表面性状感のうちザラザラ感に相当する触覚は、 触知ピ ンのせん断方向の移動量に対する垂直方向の移動量の割合が大きい場合であると 考えられる。 また、 物体の表面性状感のうちツルツル感に相当する触覚は、 触知 ピンのせん断方向の移動量に対する垂直方向の移動量の割合が小さい場合である と考えられる。

そこで、 触知ピンは、 触覚呈示部材の第 1面に平行な直交 2軸方向に移動可能 な第 1触知ピンと、 触覚呈示部材の第 1面に垂直方向に移動可能な第 2触知ピン とを備えるようにするとよレ、。このように第 1触知ピンと第 2触知ピンとにより、 全体として直交 3軸方向へ移動することができるので、 より正確に物体の表面性 状感に相当する触覚を呈示できる。

この場合、 第 1触知ピン及び第 2触知ピンは、 それぞれ複数からなり、 複数の 第 1触知ピン及び複数の第 2触知ピンは、 それぞれ市松模様状に配列されるよう にするとよい。 市松模様状とは、 第 1触知ピンと第 2触知ピンが交互に配列され た状態である。 これにより、 触知ピンのせん断方向の移動と垂直方向の移動とを バランス良く行うことができる。

また、 表面性状感のうち、 ヒ トの皮膚と仮想物体とが相対的に一方向に移動す る場合における物体の表面性状感のみに相当する触覚をすればよいケースがある。 このような場合に、 触知ピンは、 触覚呈示部材の第 1面に平行な第 1の軸方向及 び第 1面に垂直方向に移動可能な第 3触知ピンを備えるようにすればよい。 すな わち、 第 3触知ピンは、 触覚呈示部材の第 1面に平行な第 1の軸方向及び触覚呈 示部材の第 1面に垂直方向に移動するので、 ヒ トの皮廢と仮想物体とが相対的に 一方向に移動する場合には、 より正確に物体の表面性状に相当する触覚を呈示で きる。

この場合、 触知ピンは、 触覚呈示部材の第 1面に平行な第 1の軸方向に移動可 能な第 3触知ピンと、 第 1面に平行であって前記第 1の軸方向に垂直な第 2の軸 方向及び前記第 1面に垂直方向に移動可能な第 4触知ピンと、 を備えるようにす るとよい。 つまり、 第 3触知ピンと第 4触知ピンとにより、 ヒトの皮膚に対して 全体として直交 3軸方向へ移動することができる。 従って、 より複雑にヒ トの皮 膚と仮想物体とが相対移動する場合における物体の表面性状感、 及び、 ヒ トの皮 膚と仮想物体との回転角度が大きくなる場合の物体のトルク感に相当する触覚を 呈示できる。

この場合、 第 3触知ピン及び第 4触知ピンは、 それぞれ複数からなり、 複数の 第 3触知ピン及ぴ複数の第 4触知ピンは、 それぞれ市松模様状に配列されるよう にするとよい。 これにより、 触知ピンのせん断方向のうちの直交 2軸方向への移 動をパランス良く行うことができる。

また、 上述において、 ヒ トの皮膚に対して全体として触知ピンを直交 3軸方向 へ移動する構成としては、 移動方向が異なる複数種類の触知ピンを組み合わせる こととした。 この他に、 触知ピンは、 第 1面に平行な直交 2軸方向及び第 1面に 垂直方向に移動可能な第 5触知ピンを備えるようにしてもよい。 つまり、 第 5触 知ピン自身が、 直交 3軸方向へ移動することができるようにしている。 これによ り、 より正確な物体の表面性状感及びトルク感に相当する触覚を呈示することが できる。

( 1 . 2 ) 触覚ディスプレイ装置のァクチユエータ構成

また、 上述した触覚ディスプレイ装置は、 さらに、 基台に対して少なくとも直 交 2軸方向に移動可能な作用部材を有する複数の多自由度ァクチユエータを備え、 触知ピンは、 それぞれの作用部材に連結され、 作用部材の基台に対する動作に伴 い触覚呈示部材に対して移動するようにしてもよい。

この場合の多自由度ァクチユエータは、 ァクチユエ一タ部材を複数備える。 そ して、 それぞれのァクチユエ一タ部材は、 たわみ変形可能な基部と、 基部の少な くとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより基部の一端側に対して 他端側を揺動自在に駆動する圧電素子とを備える。

ここで、 ァクチユエ一タ部材の動作は、 次のようになる。 圧電素子に電圧を印 加することで、圧電素子の長手方向が収縮する。また、圧電素子の長手方向とは、 基部の延在方向、'すなわち基咅 15の一端側から他端側への方向である。 そして、 圧 電素子の長手方向が収縮することに伴って、 基部のうち圧電素子が配置されてい る面が収縮する。 従って、 基部は、 圧電素子が配置されている面の方にたわむ。 そして、 圧電素子の収縮量は、 印加電圧に応じて異なる。 つまり、 圧電素子への 印加電圧に応じて、 圧電素子の収縮量が変化し、 その結果、 基部のたわみ量が異 なる。 従って、 圧電素子への印加電圧に応じて、 基部の一端側から他端側を見た 場合には、 揺動していることになる。

なお、 圧電素子を基部の両面に配置するようにしてもよい。 この場合には、 一 方の圧電素子に電圧を印加する場合に、 当該一方の圧電素子側に基部が揺動し、 他方の圧電素子に電圧を印加する場合に、 当該他方の圧電素子側に基部が揺動す る。 つまり、 圧電素子を基部の両面に配置した場合には、 圧電素子を基部の片面 に配置した場合に比べて、 基部の一端側に対する他端側のたわみ量が 2倍に増大 する。

このように、 圧電素子への電圧印加により、 一つのァクチユエ一タ部材は、 基 部の一端側に対して他端側が、 揺動軸回りに揺動する。 そして、 多自由度ァクチ ユエータは、 このァクチユエ一タ部材を複数備えるので、 複数の自由度、 特に直 交 2軸方向に移動可能とすることができる。 なお、 ァクチユエ一タ部材の揺動軸 とは、 ァクチユエ一タ部材の基部の他端側が一端側に対して揺動する回転軸を意 味する。

そして、 このァクチユエ一タ部材は、 全体として、 非常に薄いプレート状とす るとよい。 具体的には、 ァクチユエ一タ部材を構成する基部及ぴ圧電素子が、 何 れも肉厚の薄いシート状からなるようにする。 従って、 近年の半導体製造に用い られているナノ構造形成技術を適用すれば、 このような薄型のァクチユエータ部 材により多自由度ァクチユエータを構成することで、 多自由度ァクチユエータの 小型化を図ることができ、 且つ、 配列の自由度が増す。 さらに、ァクチユエ一タ部材は、微少な動作を制御することができる。つまり、 触知ピンの微少な動作を制御することができる。 つまり、 当該多自由度ァクチュ エータは、 複数の触知ピンを駆動するための多き由度ァクチユエータに適用する ことができる。

ここで、 多自由度ァクチユエータの詳細な構成としては、 いわゆるシリアル型 とパラレル型の 2種類がある。

( 1 . 3 ) シリアル型の多自由度ァクチユエータ

まず、 シリアル型の多自由度ァクチユエータについて説明する。 シリアル型の 多自由度ァクチユエータは、 次のようになる。 一のァクチユエ一タ部材の基部の 一端側を他のァクチユエータ部材の基部の他端側に、 当該一のァクチユエータ部 材の摇動軸が当該他のァクチユエ一タ部材の揺動軸と異なるように固定する。 つ まり、 複数のァクチユエ一タ部材が、 連続的に連結される。 さらに、 それぞれの ァクチユエータ部材の摇動軸が異なるようにしている。

具体的に、 2自由度 （ここでは直交 2軸方向の自由度） の場合のシリアル型の 多自由度ァクチユエータは、 次のようになる。 すなわち、 第 1のァクチユエータ 部材の基部の一端側を基台に固定し、 第 2のァクチユエ一タ部材の基部の一端側 を第 1のァクチユエータ部材の基部の他端側に、 当該第 2のァクチユエ一タ部材 の摇動軸が第 1のァクチユエータ部材の摇動軸と異なるように固定し、 作用部材 は、 第 2のァクチユエ一タ部材の基部の他端側に固定されるようにして、 多自由 度ァクチユエータは 2自由度を有する。 このように構成することで、 確実に 2自 由度を有する多自由度ァクチユエータとすることができる。

特に、直交 2軸方向の 2自由度をより容易に有することができる構成としては、 次のようにするとよい。 すなわち、 第 2のァクチユエ一タ部材の基部の一端側を 第 1のァクチユエ一タ部材の基部の他端側に、 第 2のァクチユエ一タ部材の揺動 軸が第 1のァクチユエ一タ部材の揺動軸に対して直交するように固定するとよい。 特に、 基部の一端側に対する他端側の揺動量が微少の場合には、 上述のように構 成することで、 第 1のァクチユエ一タ部材が 1軸方向の自由度を有し、 第 2のァ クチュエータ部材が他の 1軸方向の自由度を有するようにできる。 これにより、 基台に対する作用部材の位置制御が非常に容易となる。 つまり、 触知ピンの指表 面に対する位置を容易に制御することができる。

また、 3自由度 （ここでは直交 3軸方向の自由度） の場合のシリアル型の多自 由度ァクチユエータは、 次のようになる。 すなわち、 第 1のァクチユエ タ部材 の基部の一端側を基台に固定し、 第 2のァクチユエ一タ部材の基部の一端側を第

1のァクチユエータ部材の基部の他端側に、 当該第 2のァクチユエータ部材の摇 動軸が第 1のァクチユエータ部材の摇動軸と異なるように固定し、 第 3のァクチ ユエータ部材の基部の一端側を第 2のァクチユエータ部材の基部の他端側に、 当 該第 3のァクチユエ一タ部材の揺動軸が第 1及び第 2のァクチユエータ部材の摇 動軸と異なるように固定し、 作用部材は、 第 3のァクチユエ一タ部材の基部の他 端側に固定されるようにして、 多自由度ァクチユエータは 3自由度を有する。 こ のように構成することで、 確実に 3自由度を有する多自由度ァクチユエータとす ることができる。

特に、直交 3軸方向の 3自由度をより容易に有することができる構成としては、 次のようにするとよい。 すなわち、 第 2のァクチユエ一タ部材の基部の一端側を 第 1のァクチユエータ部材の基部の他端側に、 当該第 2のァクチユエータ部材の 揺動軸が第 1のァクチユエータ部材の摇動軸に対して直交するように固定し、 第 3のァクチユエ一タ部材の基部の一端側を第 2の前記ァクチユエ一タ部材の基部 の他端側に、 当該第 3のァクチユエ一タ部材の揺動軸が第 1及び第 2のァクチュ エータ部材の摇動軸に対して直交するように固定するとよい。 特に、 基部の一端 側に対する他端側の揺動量が微少の場合には、 上述のように構成することで、 第 1のァクチユエ一タ部材が 1軸方向の自由度を有し、 第 2のァクチユエ一タ部材 が他の 1軸方向の自由度を有し、 第 3のァクチユエ一タ部材がさらに他の 1軸方 向の自由度を有するようにできる。 これにより、 基台に対する作用部材の位置制 御が非常に容易となる。 つまり、 触知ピンの指表面に対するせん断方向の位置及 び垂直方向の位置を容易に制御することができる。

( 1 . 4 ) パラレル型の多自由度ァクチユエータ

次に、 パラレル型の多自由度ァクチユエータについて説明する。 パラレル型の 多自由度ァクチユエータは、 次のようになる。 それぞれのァクチユエ一タ部材の 基部の一端側を基台に固定し、 多自由度ァクチユエータは、 一端側をそれぞれの 基部の他端側に回転可能に連結し、 他端側を回転可能に相互に連結し合う複数の 連結部材をさらに備え、 作用部材は、 一の連結部材の他端側に固定され、 且つ、 他の連結部材の他端側に回転可能に連結される。 つまり、 ァクチユエ一タ部材は 何れも基台に固定され、 それぞれのァクチユエ一タ部材は連結部材を介して連結 される。

具体的に、 2自由度 （ここでは直交 2軸方向の自由度） の場合のパラレル型の 多自由度ァクチユエータは次のようにするとよい。 すなわち、 ァクチユエータ部 材及び連結部材は、 それぞれ 2個であり、 それぞれのァクチユエ一タ部材の揺動 軸は、 平行であり、 それぞれの連結部材の一端側は、 ァクチユエ一タ部材の揺動 軸に平行な軸回りに回転可能に連結され、 それぞれの連結部材の他端側は、 ァク チュエータ部材の摇動軸に平行な軸回りに回転可能に相互に連結し合うようにす る。

つまり、 2個のァクチユエ一タ部材の揺動軸、 ァクチユエ一タ部材と連結部材 との回転軸、 2個の連結部材の回転軸が、 全て平行となるようにされている。 従 つて、 作用部材は、 これらの揺動軸又は回転軸に垂直な平面に平行な方向に移動 する。 すなわち、 作用部材は、 基台に対して、 当該平面上の直交 2軸方向に移動 することができる。 さらに、 基台に対する作用部材の位置制御が容易できる。 つ まり、 触知ピンの指表面に対する位置を容易に制御することができる。

また、 3自由度 （ここでは直交 3軸方向の自由度） の場合のパラレル型の多自 由度ァクチユエータは、 次のようにするとよい。 すなわ.ち、 ァクチユエ一タ部材 及び連結部材は、 それぞれ 3個であり、 それぞれの連結部材の一端側は、 それぞ れの基部の他端側にボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して連結 され、 それぞれの連結部材の他端側は、 ボールジョイント又はユニバーサルジョ イントを介して相互に連結し合うようにする。 これにより、 作用部材は、 基台に 対して、 直交 3軸方向に移動することができる。 さらに、 基台に対する作用部材 の位置制御は容易である。 つまり、 触知ピンの指表面に対するせん断方向の位置 及び垂直方向の位置を容易に制御することができる。

ここで、 上述したようなパラレル型の多自由度ァクチユエータにおいて、 以下 のようにすることで、 基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量を大き く確保することができる。すなわち、ァクチユエ一タ部材の揺動軸回りにおいて、 基台面上のうち基部の一端側と基台との固定位置から他の基部に近接する方向を 零度と規定し、 基部が基台面上に垂直となる状態を 9 0度と規定した場合に、 ァ クチユエ一タ部材の揺動軸回りにおける基部と基台面とのなす角度は、 3 0〜6 0度の範囲とするとよい。 このように、 基部と基台面とのなす角度が 3 0〜6 0 度の範囲とすることで、 基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位を大き くすることができる。

なお、 基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が最大となる当該な す角度は、 圧電素子に電圧を印加していない状態における連結部材の長さに対す るそれぞれの連結部材の一端側の離間距離の割合に応じて異なる。 例えば、 当該 割合が 1 . 4付近であれば、 当該なす角度が 4 0〜5 0度の範囲となる場合が、 基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が最大となる。 また、 当該割 合が 1 . 1付近であれば、 当該なす角度が 3 0〜4 0度の範囲となる場合が、 基 台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が最大となる。 また、 当該割合 が 1 . 7付近であれば、 当該なす角度が 5 0〜6 0度の範囲となる場合が、 基台 に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が最大となる。

また、 上述したパラレル型の多自由度ァクチユエータにおいて、 圧電素子に電 圧を印加していない状態 （以下、 「初期状態」 という） において、 一の連結部材と 他の連結部材とは、 屈曲した状態となるようにするとよい。 つまり、 初期状態に おいて、 それぞれの連結部材が直線状に位置していないことになる。 仮に、 初期 状態において複数の連結部材が直線状に位置している場合に、 圧電素子に電圧を 印加すると、 作用部材が基台に近接する方向に移動するか、 基台から遠ざかる方 向に移動するか不明となる。 つまり、 初期状態において複数の連結部材が直線状 に位置していると、作用部材の位置制御が正確にできないおそれがある。そこで、 初期状態において、 連結部材が直線状に位置しないようにすることで、 圧電素子 に電圧を印加した際に、 作用部材が移動する方向が決定される。 その結果、 作用 部材の位置制御が正確にできる。

また、 圧電素子に電圧を印加していない状態、 すなわち初期状態において、 連 結部材の長さに対するそれぞれの連結部材の一端側の離間距離の割合は、 1 . 0 ~ 2 . 0の範囲とするとよい。 例えば、 2個の連結部材を取り上げた場合には、 これらの連結部材の一端側と連結部材の他端側とにより、 三角形が形成される。 そして、 これらの.連結部材の一端側の離間距離を底辺とした場合に、 底辺に対す る他の辺の長さの割合が、 1 . 0〜2 . 0の範囲となる。 好ましくは、 当該割合 は 1 . 3〜1 . 5であり、 最適には、 当該割合が 1 . 4である。

圧電素子に最大の電圧を印加した場合において、 当該割合が 1 . 4に近づくほ ど、 基台に対する作用部材のそれぞれの軸方向の変位量が近接することになる。 例えば、 2自由度の多自由度ァクチユエータにおいて、 当該割合が 1 . 4に近づ くほど、 圧電素子に最大の電圧を印加した場合、 すなわちァクチユエ一タ部材の たわみ量が最大の場合における所定の 1軸方向への変位量と他の所定の 1軸方向 への変位量の差が小さくなる。 つまり、 直交 2軸方向のそれぞれの方向の剛性差 が小さいということになる。

このように、 当該割合を上記範囲にすることで、 直交移動軸方向のそれぞれの 方向の剛性差を小さくすることができる。 つまり、 例えば、 触知ピンを触覚呈示 部材の第 1面に平行な直交 2軸方向に移動させる場合に、 移動方向に応じて剛性 が異ならないようにすることができる。 つまり、 触知ピンが指表面に接触してい る場合であっても、 適切に触知ピンを移動させることができる。 換言すると、 物 体の表面性状感及びトルク感に相当する触覚を確実に呈示することができる。 また、 シリアル型の多自由度ァクチユエータでは、 直交移動軸方向のそれぞれ の方向の剛性差を小さくすることが困難である。 し力 し、 パラレル型の多自由度 ァクチユエータを採用し、 且つ、 当該割合を上記範囲にすることで、 直交移動軸 方向のそれぞれの方向の剛性差を小さくすることができる。

( 1 . 5 ) 多自由度ァクチユエータの制御部

次に、 多自由度ァクチユエータの制御部について説明する。 ここでは、 ニュー ラルネットワークを用いる方法を説明する。 すなわち、 多自由度ァクチユエータ を制御する制御部は、 作用部材の目標移動量及び圧電素子に印加している現在電 圧値に基づいて、 ニューラルネットワークを用いて電圧変化量を算出する電圧変 化量算出部と、 電圧変化量を積分して圧電素子に印加すべき電圧値を算出し、 圧 電素子に印加する電圧印加部と、 を備える。 このように、 ニューラルネットワークを用いることで、 高い応答性を確保しつ つ高精度に作用部材を駆動することができる。 特に、 電圧変化量を積分すること を、 ニューラルネットワークによる演算から除外することで、 演算の高速性と- ユーラルネットワークの小規模化を図ることができる。 つまり、 高度な処理能力 を有する演算器を必要とすることなく、 処理を行うことができる。

( 2 ) 第 2発明

上述した第 1発明は、 触覚ディスプレイ装置とした場合について説明した。 こ こで、 触覚ディスプレイ装置を構成する多自由度ァクチユエータは、 それ自身に おいても特徴的である。 そこで、 第 2発明として、 多自由度ァクチユエ一タを取 り上げた場合について説明する。

第 2発明である多自由度ァクチユエータは、 基台に対して少なくとも 2自由度 を有する作用部材を備える多自由度ァクチユエータであって、 ァクチユエータ部 材を複数備えることを特徴とする。 このァクチユエ一タ部材は、 たわみ変形可能 な基部と、 基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより 基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子とを備える。

この多自由度ァクチユエータは、 上述した第 1発明の触覚ディスプレイ装置を 構成する多自由度ァクチユエータと同一である。 従って、 作用部材は、 基台に対 して、 少なくとも直交 2軸方向に移動できる。 そして、 ァクチユエ一タ部材は、 全体として、 非常に薄いプレート状とするとよい。 このような薄型のァクチユエ 一タ部材により多自由度ァクチユエータを構成することで、 多自由度ァクチユエ ータの小型化を図ることができ、 且つ、 配列の自由度が増す。 さらに、 ァクチュ エータ部材は、 基台に対する作用部材の微少な動作を制御できる。

また、 第 2発明の多自由度ァクチユエータの詳細な構成としては、 いわゆるシ リアル型とパラレル型の 2種類がある。

シリアル型の多自由度ァクチユエータは、 一のァクチユエ一タ部材の基部の一 端側を他のァクチユエ一タ部材の基部の他端側に、 当該一のァクチユエ一タ部材 の揺動軸が当該他のァクチユエータ部材の摇動軸と異なるように固定する。 つま り、 複数のァクチユエータプレートが、 連続的に連結される。 さらに、 それぞれ のァクチユエ一タ部材の揺動軸が異なるようにしている。 この第 2発明のシリアル型の多自由度ァクチユエータには、 上述した第 1発明 の触覚ディスプレイ装置を構成するシリアル型の多自由度ァクチユエータにて説 明した事項を適用することができる。 この場合、 上述した同一の効果を奏する。 また、 パラレル型の多自由度ァクチユエータは、 それぞれのァクチユエータ部 材の基部の一端側を基台に固定し、 一端側をそれぞれの基部の他端側に回転可能 に連結し、 他端側を回転可能に相互に連結し合う複数の連結部材をさらに備え、 作用部材は、 一の連結部材の他端側に固定され、 且つ、 '他の連結部材の他端側に 回転可能に連結されるようにする。 つまり、 ァクチユエ一タ部材は何れも基台に 固定され、 それぞれのァクチユエ一タ部材は連結部材を介して連結される。

この第 2発明のパラレル型の多自由度ァクチユエータには、 上述した第 1発明 の触覚ディスプレイ装置を構成するパラレル型の多自由度ァクチユエータにて説 明した事項を適用することができる。 この場合、 上述した同一の効果を奏する。

( 3 ) 第 3発明

また、 多自由度ァクチユエータを用いて、 ハンドリング装置を構成することも できる。 ハンドリング装置とは、 物体を把持し、 搬送することができる装置であ る。 すなわち、 第 3発明であるハンドリング装置は、 基台に対して少なくとも直 交 2軸方向に移動可能な第 1作用部材を有する第 1の多自由度ァクチユエータと、 基台に対して少なくとも直交 2軸方向に移動可能な第 2作用部材を有する第 2の 多自由度ァクチユエータと、 第 1作用部材に連結される第 1把持部材と、 第 2作 用部材に連結される第 2把持部材とを備える。 そして、 第 1の多自由度ァクチュ エータ及ぴ第 2の多自由度ァクチユエータの少なくとも何れか一方は、 ァクチュ エータ部材を複数備えることを特徴とする。 ァクチユエ一タ部材は、 たわみ変形 可能な基部と、 基部の少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることに より基部の一端側に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子とを備える。 このハンドリング装置は、 上述した第 2発明の多自由度ァクチユエータを 2個 備える。そして、第 1、第 2の多自由度ァクチユエータが 2自由度を有するので、 第 1把持部材と第 2把持部材とにより、確実に物体を把持することができ、且つ、 搬送することができる。 そして、 ァクチユエ一タ部材は、 全体として、 非常に薄 いプレート状とするとよい。 従って、 このような薄型のァクチユエ一タ部材によ り多自由度ァクチユエータを構成することで、 多自由度ァクチユエータの小型化 を図ることができる。 さらに、 ァクチユエ一タ部材は、 基台に対する作用部材の 微少な動作を制御できる。 つまり、 第 3発明であるハンドリング装置により、 非 常に微少な物体を把持し、 搬送することができる。

この第 3発明のハンドリング装置を構成する多自由度ァクチユエータの詳細な 構成としては、 いわゆるシリアル型とパラレル型の 2種類がある。

ハンドリング装置を構成するシリアル型の多自由度ァクチユエータは、 一のァ クチユエータ部材の基部の一端側を他のァクチユエータ部材の基部の他端側に、 当該一のァクチユエータ部材の摇動軸が当該他のァクチユエータ部材の摇動軸と 異なるように固定する。 つまり、 複数のァクチユエ一タ部材が、 連続的に連結さ れる。さらに、それぞれのァクチユエ一タ部材の揺動軸が異なるようにしている。 この第 3発明のハンドリング装置を構成するシリアル型の多自由度ァクチユエ ータには、 上述した第 1発明の触覚ディスプレイ装置を構成するシリアル型の多 自由度ァクチユエータにて説明した事項を適用することができる。 この場合、 上 述した同一の効果を奏する。

また、 ハンドリング装置を構成するパラレル型の多自由度ァクチユエータは、 それぞれのァクチユエ一タ部材の基部の一端側を基台に固定し、 多自由度ァクチ ユエータは、 一端側をそれぞれの基部の他端側に回転可能に連結し、 他端側を回 転可能に相互に連結し合う複数の連結部材をさらに備え、 第 1作用部材及ぴ第 2 作用部材の少なくとも何れか一方は、 一の連結部材の他端側に固定され、 且つ、 他の連結部材の他端側に回転可能に連結される。 つまり、 ァクチユエ一タ部材は 何れも基台に固定され、 それぞれのァクチユエータ部材は連結部材を介して連結 される。

この第 3発明のハンドリング装置を構成するパラレル型の多自由度ァクチユエ ータには、 上述した第 1発明の触覚ディスプレイ装置を構成するパラレル型の多 自由度ァクチユエータにて説明した事項を適用することができる。 この場合、 上 述した同一の効果を奏する。

第 1発明の触覚ディスプレイ装置によれば、 物体の表面性状感及ぴ物体のトル ク感に相当する触覚を呈示することができる。 さらに、 近年の半導体製造に用い られているナノ構造形成技術を適用すれば、 触覚ディスプレイ装置を構成する多 自由度ァクチユエ一タ部材は小型化を図ることができ、 配列の自由度が増す。 さ らに、 ァクチユエ一タ部材は、 微少な動作を制御することができる。 つまり、 触 知ピンの微少な動作を制御することができる。 つまり、 当該多自由度ァクチユエ ータは、 複数の触知ピンを駆動するための多自由度ァクチユエータに適用するこ とができる。

第 2発明の多自由度ァクチユエータによれば、 第 1発明の触覚ディスプレイ装 置を構成する多自由度ァクチユエータによる効果と同一の効果を奏する。 また、 第 3のハンドリング装置によれば、 非常に微小な物体を把持し、 搬送することが できる。 図面の簡単な説明

図 1は、 触覚ディスプレイ装置 1を用いたゲーム機について説明するための図 である。

図 2は、 図 1に示す棒 8と指とが棒 8の軸方向に相対移動した場合などに生じ る触覚について説明する図である。

図 3は、ヒ トの触覚システムにおいて、横軸を触知ピン 3 3の振動周波数とし、 縦軸を触知ピン 3 3の振動振幅とした場合に、 ヒ トが触知ピン 3 3による刺激を 認識できる限界値を示す。

図 4は、 図 1に示す棒 8が指に対して、 指表面に垂直な軸回りに相対回転する 場合などに生じる触覚について説明する図である。

図 5は、 触覚ディスプレイ装置 1を用いた腹腔内手術装置について説明するた めの図である。

図 6は、 触覚ディスプレイ装置 1を用いた惑星探査機について説明するための 図である。

図 7は、 触知ピン 3 3の配列を示す図である。

図 8は、 触覚ディスプレイ装置 1の概要について説明するための図である。 図 9は、 触覚ディスプレイ装置 1の斜徺図である。

図 1 0は、 2自由度ァクチユエータ 3 2の斜視図である。 図 1 1は、 2自由度ァクチユエータ 32の模式図である。

図 12は、 第 1、 第 2ァクチユエータプレート 42、 43の上面図である。 図 13は、 2自由度ァクチユエータ 32の動作について説明する図である。 図 14は、 図 1 1の第 1連結部材 14及び第 2連結部材 45を含む部分の拡大 図である。

図 15は、 第 1ァクチユエータプレート 42の圧電素子 42 b、 42 cに印加 する電圧を無次元化した値と、 第 1ァクチユエータプレート 42のたわみ量を無 次元化した値との関係を示す。

図 16は、 第 2ァクチユエータプレート 43の圧電素子 43 b、 43 cに印加 する電圧を無次元化した値と、 第 2ァクチユエータプレート 43のたわみ量を無 次元化した値との関係を示す。

図 17は、 制御部 1 00のブロック図を示す。

図 18は、 なす角度 0を 60度とした場合において、 横軸を割合 b/aとし、 縦軸を変位量 Ux、 Uyのそれぞれとした図である。

図 19は、 割合 b/aを 1. 1、 1. 4、 1. 7とした場合において、 横軸を

0とし、 縦軸を変位量 Ux、 Uyのそれぞれとした図である。

図 20は、 3自由度ァクチユエータ 50を示す模式図である。

図 21は、 シリアル型 2自由度ァクチユエータ 60を示す図である。

図 22は、 シリアル型 2自由度ァクチユエータ 70を示す図である。

図 23は、 シリアル型 3自由度ァクチユエータ 80を示す図である。

図 24は、 ハンドリング装置 90を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

次に、 実施形態を挙げ、 本発明をより詳しく説明する。

(1) 触覚ディスプレイ装置 1の適用例

まず、 触覚ディスプレイ装置 1の適用例について説明する。

(1. 1) 触覚ディスプレイ装置 1を用いたゲーム機の説明

まず、 第 1実施形態の触覚ディスプレイ装置 1を用いたゲーム機について図 1 を参照して説明する。 図 1は、 触覚ディスプレイ装置 1を用いたゲーム機につい て説明するための図である。 ここでは、 当該ゲーム機は、 ヒ トの指により仮想の 棒を持ち、 ヒ トの手や指を動かすことにより、 画面上の棒を穴に揷入する例を挙 げる。

このゲーム機は、 一対の触覚ディスプレイ装置 1、 1と、 触覚ディスプレイコ ントローラ 2と、 データグローブ 3と、 指関節角度検出装置 4と、 手位置姿勢検 出器 5と、 コンピュータ 6とから構成される。

一対の触覚ディスプレイ装置 1、 1は、 実際のヒ トの手 7の親指及び人差し指 をそれぞれ挿入配置され、 親指及び人差し指に当接 能であって、 アレイ状に配 列された複数の触知ピン 3 3 (後述する） を備える。 これらの触知ピン 3 3は、 触覚呈示プレート 3 1 (図 2に示す） に対してそれぞれ直交 3軸方向に移動可能 な構成とする。 これらの触知ピン 3 3は、 例えば、 ピン直径を 0 . 3 mm〜0 . 8 mmとし、 縦 8列、 横 8列の配列で合計 6 4個用いる。 また、 これらの触知ピ ン 3 3のピン間隔は、 2 mm以内としている。 これは、 ヒ トの手 7の指の二点弁 別閾が 2 mm以内であるためである。 さらに、 ヒ トの指先のうち接触すべき面積 は、例えば、少なくとも 1 0 0 mm ²程度とするとよレ、。触知ピン 3 3を縦 8列、 横 8列とした場合には、 ピン間隔を例えば 1 . 5 mm程度とすればよい。

そして、 これらの触知ピン 3 3は、 コンピュータ 6の画面上に映された仮想の 棒 8と仮想の手 9の指との相対位置や相対移動に応じて、 実際の手 7の指表面に 対してせん断方向及ぴ垂直方向に移動する。 つまり、 触知ピン 3 3が実際の手 7 の指表面に対して移動することで、 仮想の棒 8の表面性状感及びトルク感に相当 する触覚を呈示する。

触覚ディスプレイコントローラ 2は、 コンピュータ 6から出力される指令値に 基づいて、 一対の触覚ディスプレイ装置 1の触知ピン 3 3を制御する。 データグ ロープ 3は、 手袋状をなしており、 嵌められた実際の手 7の指の曲げ角度を検出 するためのセンサが埋め込まれている。 そして、 指関節角度検出装置 4は、 デー タグロープ 3から出力される信号をデジタルデータに変換する。 手位置姿勢検出 器 5は、 C C Dカメラ又は磁気センサを用いて、 データグローブ 3に設置したマ 一力の位置に基づいて、 実際の手 7の位置 ·姿勢を検出する。 そして、 検出した 実際の手 7の位置 ·姿勢の情報をデジタルデータに変換する。 コンピュータ 6は、 指関節角度検出装置 4により検出された実際の手 7の指の 関節角度、 並びに、 手位置姿勢検出器 5により検出された実際の手 7の位置 ·姿 勢を入力する。 そして、 画面上に映された仮想の手 9の位置 '姿勢及びそれぞれ の手 9の指の間接角度を移動させる。 さらに、 コンピュータ 6は、 例えば、 画面 上の棒 8が穴 1 0に揷入されることなどによって、 仮想の手 9と棒 8とが相対移 動する場合には、 その情報に応じた信号を触覚ディスプレイコントローラ 2へ出 力する。そして、触覚 、イスプレイ装置 1の触知ピン 3 3が駆動することにより、 実際のヒ'ト 7の手が仮想の棒 8を把持しているような触覚を得ることができる。 ここで、 図 2を用いて、 物体の表面性状感について説明する。 図 2は、 図 1に 示す棒 8と指とが棒 8の軸方向に相対移動した場合などに生じる触覚について説 明する図である。 ここで、 図 2 ( a ) は、 指が実際に棒 8に触れている場合を示 し、 図 2 ( b ) は、 指が触覚ディスプレイ装置 1の触知ピン 3 3に触れている場 合を示す。 ここで、 図 2 ( b ) は、 説明及び図示の容易化のため、 触知ピン 3 3 の個数を少なくしたものを図示している。 図 2 ( b ) においては、 触知ピン 3 3 を縦 4列、 横 4列に配列しているが、.実際には上述したように例えば縦 8列、 横 8列などとする。

そして、 多くの物体の表面は、 微細な凹凸状をなしている。 この場合、 ヒ トの 手の指がその物体表面上を移動すると、 手の指にはザラザラ感に相当する触覚を 得る。 また、 物体の表面が非常に滑らかな場合には、 ヒトの手の指がその物体表 面上を移動すると、 手の指にはツルツル感に相当する触覚を得る。 このザラザラ 感及びツルツル感を総称して物体の表面性状感という。

そして、 棒 8の表面性状が図 2 ( a ) に示すような凹凸状であると仮定する。 このとき、 手の指と棒 8とが棒 8の軸方向に相対移動した場合には、 棒 8の凸部 により手の指表面には、 指表面に対して垂直方向の力及び指表面に対してせん断 方向の力が作用することが分かった。

そこで、 図 2 ( b ) に示すように、 棒 8の凸部により指表面に作用する力と同 等の力を、 触覚ディスプレイ装置 1の触知ピン 3 3により表現するようにしてい る。 すなわち、 触覚ディスプレイ装置 1の触知ピン 3 3は、 手の指表面に対して 垂直方向及びせん断方向に移動させる。 これにより、 より正確な物体の表面性状 感に相当する触覚を呈示できる。

ここで、 手の指表面に対して触知ピン 33を垂直方向及びせん断方向に移動さ せることの有効性について、 図 3を参照して、 より詳細に説明する。 図 3は、 ヒ トの触覚システムにおいて、 横軸を触知ピン 33の振動周波数とし、 縦軸を触知 ピン 33の振動振幅とした場合に、 ヒトが触知ピン 33による刺激を認識できる 限界値を示す。

ここで、 ヒ トの触覚システムの感覚受容器には、 次の 4つあることが知られて いる。マイスナー小体、パチニ小体、メルケル細胞、及び、ルフィ二終末である。 マイスナー小体を感覚受容器とする触覚システム （FA I) は、 主として垂直方 向の刺激の速度に反応する。 パチ-小体を感覚受容器とする触覚システム （FA I I) は、 主として垂直方向の刺激の加速度に反応する。 メルケル細胞を感覚受 容器とする触覚システム （SAI) は、 主として垂直方向の刺激の速度と一定荷 重に反応する。 ルフィ二終末を感覚受容器とする触覚システム （SAI I) は、 せん断方向の刺激に応答すると考えられている。

そして、 図 3には、 4つの触覚システムに対して、 垂直振動刺激 （N) を与え た場合と、 せん断振動刺激 （T) を与えた場合とについて示している。 図 3に示 すように、 メルケル細胞を感覚受容器とする触覚システムのせん断振動刺激の場 合 （SAI— T) の感度特性は、 垂直振動刺激の場合 （SA I— N) の感度特性 に比べて大きく低下する。 また、 マイスナー小体を感覚受容器とする触覚システ ムのせん断振動刺激の場合（F A I一 T)の感度特性も、垂直振動刺激の場合（F AI -N) の感度特性に比べて大きく低下する。 また、 パチニ小体を感覚受容器 とする触覚システムのせん断振動刺激の場合 （FAI I— T) の感度特性は、 垂 直振動刺激の場合 （FAI I— N) の感度に比べて僅かに低下する。

これに対して、 ルフィ二終末を感覚受容器とする触覚システムのせん断振動刺 激の場合 （SAI I— T) の感度特性は、 垂直振動刺激の場合 （SAI I— N) の感度特性に比べて顕著に向上する。

ここで、 指を物体表面上で滑らせた場合に、 指表面と物体との間で発生するス ティック 'スリップ現象について説明する。 この現象は、 指紋のうねりの固有振 動数付近の周波数の振動が影響を及ぼしていると考えられる。 そして、 指紋のう ねりの固有振動数は、 約 2 5 O H zである。 つまり、 スティック .スリップ現象 では、 周波数 f 2 (=約 2 5 O H z ) 付近の垂直方向の振動とせん断方向の振動 が生じると考えられる。ただし、指を滑らせる物体表面の表面性状などによって、 垂直振動刺激とせん断振動刺激の割合が異なる。

そこで、 スティック ·スリップ現象に相当する触覚を表現するには、 触覚ディ スプレイ装置 1の触知ピン 3 3を、 垂直方向及びせん断方向に周波数 f 2付近で 振動させる必要がある。 ここで、 周波数 f 2における垂直振動刺激に対しては、 特にパチニ小体を感覚受容器とする触覚システムが、 最も感度が高い （図 3の B 点）。 例えば、被験者によっては、周波数が 2 5 O H z付近において、刺激を認識 できる限界の振動振幅が 0 . 0 2 m程度に達することもあると言われている。 また、 周波数 f 2におけるせん断振動刺激に対しては、 主として、 ルフィ二終末 を感覚受容器とする触覚システムが、影響を受ける （図 3の A点）。 例えば、被験 者によっては、 周波数 2 5 O H z付近において、 刺激を認識できる限界の振動振 幅が 0 . 1 μ πι程度に達することもあると言われている。

そこで、 触知ピン 3 3にせん断方向に図 3の Α点の振動をさせ、 且つ、 垂直方 向に図 3の B点の振動をさせることで、スティック ·スリップ現象を表現できる。 さらに、 指を滑らせる物体表面の表面性状などによる垂直振動刺激とせん断振動 刺激との割合に応じて、 垂直方向の振動振幅とせん断方向の振動振幅との割合を 適宜変更する。

また、 指を凹凸面上で滑らせるときには、 上述したスティック ·スリップ現象 とは別に、 指表面と物体表面との相対速度に応じた周波数帯の振動が、 指に伝え られる。 具体的には、 当該周波数帯の垂直方向の振動及びせん断方向の振動が指 に伝えられると考えられる。 そして、 例えば、 物体表面に対する指の移動速度を 次第に増加する場合には、 周波数が低い位置から周波数が高い位置へ変化する。 さらに、 この場合も、 上述したスティック 'スリップ現象と同様に、 指を滑らせ る物体表面の表面性状などによって、 垂直振動刺激とせん断振動刺激の割合が異 なる。

そこで、 当該刺激に相当する触覚を表現するには、 触覚ディスプレイ装置 1の 触知ピン 3 3を、 垂直方向及びせん断方向に物体表面に対する指の移動速度に応 じた周波数帯で振動させる必要がある。 例えば、 当該移動速度に応じた周波数が f 1から次第に増加する場合には、 まず、 触知ピン 3 3にせん断方向に図 3の C 点の振動をさせ、 且つ、 垂直方向に図 3の D点の振動をさせる。 そして、 周波数 が大きくなると、せん断方向の振動は、 S A I I—T上に沿った振幅以上とする。 また、 垂直方向の振動は、 F A I— N、 F A I I— N、 及ぴ、 S A I— Nのうち 最も感度の高いものの感度特性に沿った振幅以上とする。 さらに、 指を滑らせる 物体表面の表面性状などによる垂直振動刺激とせん断振動刺激との割合に応じて、 垂直方向の振動振幅とせん断方向の振動振幅との割合を適宜変更する。

つまり、 物体表面上で指を滑らせる場合には、 スティック ·スリップ現象に重 畳させて、 上述の指の移動速度に対応して変化する振動を発生させる必要がある ため、 例えば、 A点及び C点に相当するせん断方向の振動と、 B点及び D点に相 当する垂直方向の振動との両方を重ね合わせた振動を触知ピン 3 3にさせること で、 より正確に表面性状感に相当する触覚を呈示できる。

次に、 図 4を用いて、 物体のトルク感について説明する。 図 4は、 図 1に示す 棒 8が指に対して、 指表面に垂直な軸回りに相対回転する場合などに生じる触覚 について説明する図である。 なお、図 4 ( a ) は、手 7の上方から見た図を示し、 図 4 ( b ) は、 手 7の左側方から見た図を示す。

ここで、 物体のトノレク感とは、 図 4 ( a ) ( b ) に示すように、 例えば、 手 7の 指で棒 8を把持している場合に、 棒 8に接触している指表面に垂直な軸回り （図 4 ( b ) の上下軸回り） に、 棒 8が指表面に対して相対的に回転する場合の触覚. である。 図 4においては、 手 7に対して回転中心 Oを中心として図 4 ( a ) の時 計回りに棒 8が回転した場合を示す。

そして、 手 7に対して棒 8が上記のように回転し始める瞬間及び回転している 間においては、 回転中心 Oにおける手 7に対する棒 8の相対位置は変化せず、 回 転中心 Oの周囲における手 7に対する棒 8の相対位置は図 4 ( a ) の時計回り方 向に変化する。 さらに、 回転中心 Oから遠ざかるほど、 手 7に対する棒 8の相対 位置の変化量は大きくなる。

そこで、 図 4 ( a ) ( b ) に示すように、 手 7の指表面に対する棒 8の相対位置 に相当する変化量と同等の変化を、 触覚ディスプレイ装置 1の触知ピン 3 3によ り表現するようにしている。 すなわち、 触覚ディスプレイ装置 1の触知ピン 3 3 は、 手 7に対して棒 8が上記のように回転し始める瞬間及び回転している間にお いて、 回転中心 Oに位置する触知ピン 3 3の位置は移動せず、 回転中心 Oの周囲 に位置する触知ピン 3 3は図 4 ( a ) の時計回り方向に移動する。 特に、 回転中 心 Oから遠ざかる位置の触知ピン 3 3ほど、 移動量が大きくする。 これにより、 より正確に物体のトルク感に相当する触覚を呈示できる。

( 1 . 2 ) 触覚ディスプレイ装置 1を用いた腹腔内手術装置の説明

次に、 第 1実施形態の触覚ディスプレイ装置 1を用いた腹腔内手術装置につい て図 5を参照して説明する。 図 5は、 触覚ディスプレイ装置 1を用いた腹腔内手 術装置について説明するための図である。 ここで、 腹腔内手術とは、 近年、 低侵 襲手術として注目を集めている手術の一つである。 すなわち、 腹腔内手術は、 腹 腔内顕微鏡の画像を見ながら、 患者の腹部の微小穴から揷入したマイクロハンド を操作して行う手術である。 ここでは、 患者がいる手術現場と、 マイクロハンド を操作する医師のいる医療センタとが離れた、 いわゆる遠隔手術の場合を例に拳 げて説明する。

この遠隔による腹腔内手術装置は、 2個の一対の触覚ディスプレイ装置 1、 1、 1、 1と、 モニタ 1 2と、 マイクロハンド 1 3と、 腹腔内顕微鏡 （図示しない） と、 各種センサ （図示せず） を備える。

手術現場にいる患者の腹部に、 マイクロハンド 1 3及び腹腔内顕微鏡が挿入さ れている。 図 5の左側には、 腹腔内顕微鏡の画像を示す。 このマイクロハンド' 1 3は、 医療センタにいる医師の手の操作に従って、 遠隔的に駆動する。

一方、 医療センタにあるモニタ 1 2には、 手術現場にある腹腔内顕微鏡に接続 されており、 腹腔内顕微鏡画像と同一の画像が映し出されている。 そして、 医療 センタにいる医師は、 モニタ 1 2に映し出される画像を見ながら、 マイクロハン ド 1 3を遠隔操作する。

さらに、 医師の両手の親指及び人差し指は、 2個の一対の触覚ディスプレイ装 置 1、 1、· · 'にそれぞれ挿入されている。この一対の触覚ディスプレイ装置 1、

1は、 上述したゲーム機における触覚ディスプレイ装置 1、 1と同様である。 そ して、 この触覚ディスプレイ装置 1、 1、 ' · 'は、 手術現場にあるマイクロハン ド 1 3に接続されており、 マイクロハンド 1 3が受ける触覚に相当する触覚が、 触覚ディスプレイ装置 1の触知ピン （図示せず） により医師の手の指に呈示され る。

つまり、 医師がマイクロハンド 1 3を遠隔操作した場合に、 医師は、 マイクロ ハンド 1 3が受ける触覚を触覚ディスプレイ装置 1から受けることができる。 従 つて、 医師は、 あたかも開腹手術を行っているかのような触覚を感じながら、 手 術を行うことができる。 なお、 医療センタと手術現場との電気通信の速度を高め ることで、 手術現場が医療センタから遠隔地に存在する場合にも適用することが できる。

( 1 . 3 ) 触覚ディスプレイ装置 1を用いたリモート装置の説明

次に、 第 1実施形態の触覚ディスプレイ装置 1を用いたリモート装置について 図 6を参照して説明する。 図 6は、 触覚ディスプレイ装置 1を用いたリモート装 置について説明するための図である。 リモート装置は、 ヒ トが近づくことが困難 な空間 （ここでは、 遠隔地） に、 ヒ トに代わって送り込まれたロボットに探査さ せる装置である。

このリモート装置は、 一対の触覚ディスプレイ装置 1、 1と、 モニタ 2 2と、 多自由度ァクチユエータ 2 3を備える探査車とを備える。 そして、 ヒ トが、 モ- タ 2 2に映し出される画像を見ながら、 手を操作することにより、 遠隔地にある 探查車の多自由度ァクチユエータ 2 3を遠隔的に駆動する。

そして、 手を挿入した触覚ディスプレイ装置 1は、 多自由度ァクチユエ一タ 2 3に接続されており、 多自由度ァクチユエータ 2 3が受ける触覚に相当する触覚 が、 触覚ディスプレイ装置 1の触知ピン （図示せず） によりヒ トの手の指に呈示 される。

つまり、 口ポットが送り込まれた場所に実在しないヒ トが、 あたかも実際に遠 隔地で見たり触ったりしているかのような触覚を感じることができる。 従って、 調査効率が、 従来に比べて飛躍的に高まる。

( 1 . 4 ) 触覚ディスプレイ装置 1のその他の用途

上記の他に、 例えば、 博物館に展示されている観賞用の展示物などを、 触覚デ イスプレイ装置 1を用いて、 あたかも観賞用の展示物を触っているような感覚を 得ることができる。 この場合、 例えば、 ヒ トの手の五指に対応する触覚ディスプ レイ装置 1を備えるようにするとよい。 さらには、 手の指以外にも手の平などに 対応する触覚ディスプレイ装置 1を備えるようにしてもよい。

また、 例えば、 視覚障害者に対して、 景色などを表示した二次元画像や絵画な どを、 舳覚ディスプレイ装置 1を用いて、 呈示することもできる。 この場合、 色 や形などに応じて触知ピン 3 3を移動させることで、 二次元画像や絵画などを実 際に鑑賞している感覚を得ることができる。

( 1 . 5 ) 触知ピン 3 3の種類

なお、 上述においては、 全ての触知ピン 3 3は、 触覚呈示プレート 3 1に対し て直交 3軸方向に移動可能な構成であるとして説明した。 この他に、 第 1の触知 ピン 3 3 aは、 触覚呈示プレート 3 1に平行な直交 2軸方向 （X、 Y方向） に移 動可能であって、 第 2の触知ピン 3 3 bは、 触覚呈示プレート 3 1に垂直な方向

( Z方向) に移動可能としてもよい。 また、 第 3の触知ピン 3 3 cは、 触覚呈示 プレート 3 1に平行な軸方向 （X方向） 及び触覚呈示プレート 3 1に垂直な方向

( Z方向) に移動可能とする。 そして、 第 4の触知ピン 3 3 dは、 触覚呈示プレ ート 3 1に平行で第 3の触知ピン 3 3 cの移動可能な方向に垂直な軸方向 （Y方 向）及び触覚呈示プレート 3 1に垂直な方向（Z方向）に移動可能としてもよレ、。 そして、 このように、 移動方向が異なる 2種類の触知ピン 3 3 a、 3 3 b、 3

3 c、 3 3 dを備える場合には、 図 7に示すように、 市松模様状に配列するとよ レ、。すなわち、第 1の触知ピン 3 3 a (図 7の白丸） と第 2の触知ピン 3 3 b (図

7の黒丸） とが交互に配列される。 若しくは、 第 3の触知ピン 3 3 c (図 7の白 丸） と第 4の触知ピン 3 3 d (図 7の黒丸） が交互に配列される。

これにより、 全体として、 直交 3軸方向に触知ピン 3 3が触覚呈示プレート 3

1に対して移動するような状態を、 パランス良く形成することができる。

( 2 ) 第 1実施形態の触覚ディスプレイ装置 1

次に、 第 1実施形態の触覚ディスプレイ装置 1について説明する。

( 2 . 1 ) 第 1実施形態の触覚ディスプレイ装置 1の概要説明

'第 1実施形態の触覚ディスプレイ装置 1は、 触知ピン 3 3を直交 2軸方向に移 動可能な構成としている。 この第 1実施形態の触覚ディスプレイ装置 1の概要に ついて図 8を参照して説明する。 図 8は、 触覚ディスプレイ装置 1の概要につい て説明するための図である。 図 8に示すように、 触覚ディスプレイ装置 1は、 複 数の孔 3 1 aが形成された触覚呈示プレート （本発明における触覚呈示部材） 3 1と、 それぞれの孔 3 1 aから突出する触知ピン 3 3とを備えている。 そして、 それぞれの触知ピン 3 3は、 それぞれの孔 3 1 a内を X方向及ぴ Y方向に移動可 能とされている。

そして、 ヒ トの指を触覚呈示プレート 3 1の触覚呈示面に配置した場合に、 そ れぞれの触知ピン 3 3が X Y方向へ移動する。 つまり、 触知ピン 3 3は、 指表面 に接触した状態で、 指表面に対してせん断方向へ移動する。 このように、 触知ピ ン 3 3を指表面に対してせん断方向 （X Y方向） へ移動することにより、 ザラザ ラ感 ·ツルツル感に相当する触覚を呈示することができる。

さらに、 トルク感に相当する触覚を呈示することができる。 トノレク感とは、 例 えば、 指で物体を把持している場合に、 物体に接触している指表面に対して垂直 な軸回りに、 物体が指表面に対して相対的に回転する場合の触覚である。 このト ルク感を呈示するための触知ピン 3 3の動作について、 例えば、 物体が指表面に 対して時計回りに回転している場合を例に挙げる。 この場合、 指元側 （図 8の下 方側） に配置される触知ピン 3 3の X正方向 （図 8の右方向） の移動量と指先側 (図 8の上方側） に配置される触知ピン 3 3の X正方向の移動量とを異なるよう にすればよい。 これは、 物体が回転する際に、 回転中心は全く移動せず、 回転中 心から遠ざかるほど回転方向への移動量が大きくなるからである。 つまり、 触知 ピン 3 3の X Y方向の移動量を異ならせることにより呈示することで、 トルク感 を呈示することができる。 .

( 2 . 2 ) 触覚ディスプレイ装置 1の詳細構成

次に、触覚ディスプレイ装置 1の詳細構成について、図 9を参照して説明する。 図 9は、 触覚ディスプレイ装置 1の斜視図を示す。 図 9に示すように、 触覚ディ スプレイ装置 1は、 触覚呈示プレート 3 1と、 1 0個の 2自由度ァクチユエータ 3 2 、 3 2、 · · 'と、 1 0個の触知ピン 3 3 、 3 3、 · · · とから構成される。 触覚呈示プレート 3 1は、 1 0個の孔 3 1 a 、 3 1 a、 · · ·がアレイ状に形成 されている。具体的には、図 8の奥側から手前側に向かつて左右方向の孔数が 2 、 4、 4、 2列となるように形成されている。 これらの孔 3 l aは、 円形状に形成 されている。 そして、 この触覚呈示プレート 3 1の図 8の上面側が、 触覚呈示面 である。すなわち、触覚呈示プレート 3 1の上面側にヒ トの指を配置した場合に、 当該指に対して種々の触覚を呈示する面となる。 なお、 孔 3 l a及び後述する触 知ピン 3 3の数は、 実際には縦 8列、 横 8列などとすることが望ましいが、 説明 及び図示の容易化のため、 上述したような配列数としている。

それぞれの 2自由度ァクチユエータ 3 2、 3 2、 . . '（本発明における多自由 度ァクチユエータ） は、 全体としての概略形状は、 ハの字状からなる。 そして、 これらの 2自由度ァクチユエータ 3 2は、 ハの字状が X Y平面上に延在するよう に、 触覚ディスプレイ装置 1の図 8の下方側に配置されている。 なお、 全ての 2 自由度ァクチユエータ 3' 2が同一の X Y平面上に延在するように配置してもよい し、 それぞれの 2自由度ァクチユエータ 3 2が異なる XY平面上に延在するよう に配置してもよい。 また、 これらの 2自由度ァクチユエータ 3 2は、 それぞれの 基台 4 1 (図 1 0に示す） に対してそれぞれの作用部材 4 6が直交 2軸方向に移 動可能とされている。 ここで、 直交 2軸方向とは、 触覚呈示プレート 3 1に平行 な軸方向、 すなわち X方向及ぴ Y方向である。

さらに、 これらの 2自由度ァクチユエータ 3 2は、それぞれ 2個、 2個、 3個、 3個からなる 4グループに分けられている。 そして、 それぞれのグループの 2自 由度ァクチユエータ 3 2がほぼ同一方向を向くように配置されている。 つまり、 同一グループの 2自由度ァクチユエータ 3 2のハの字状が、 ほぼ同一方向に向く ようにされている。 そして、 それぞれのグループの 2自由度ァクチユエータ 3 2 のハの字の狭くなる側が、 触覚呈示プレート 3 1の中央付近の直下に向くように 配置されている。 例えば、 それぞれのグループの 2自由度ァクチユエータ 3 2の 向きが、 X Y平面において 9 0度回転した状態とする。 このように、 1 0個の 2 自由度ァクチユエータ 3 2は、 非常にコンパクトに整列した状態で配列されてい る。 なお、 2自由度ァクチユエータ 3 2の詳細構成については、 後述する。 それぞれの触知ピン 3 3、 3 3、 · · ·は、 棒状からなる。 これらの触知ピン 3

3は、 相互に接触しないように、 クランク状に屈曲形成されている。 そして、 こ れら.の触知ピン 3 3の一端側は、 それぞれの 2自由度ァクチユエータ 3 2の作用 部材 4 6に連結固定されている。 つまり、 触知ピン 3 3は、 2自由度ァクチユエ ータ 3 2の作用部材 4 6が基台 4 1に対して移動した場合に、 この作用部材 4 6 の動作と同様に動作する。 また、 それぞれの触知ピン 3 3の他端側は、 触覚呈示 プレート 3 1のそれぞれの孔 3 1 aから図 8の上側へ突出するように配置されて いる。つまり、触知ピン 3 3の他端側は、 Z方向に伸びるように配置されている。 ここで、 触知ピン 3 3の外径は、 触覚呈示プレート 3 1の孔 3 1 aの内径よりも 小さく形成されている。 従って、 触知ピン 3 3の他端側は、 触覚呈示プレート 3 1の孔 3 1 a内を X方向及ぴ Y方向に移動可能である。つまり、触知ピン 3 3は、 2自由度ァクチユエータ 3 2の作用部材 4 6の基台 4 1に対する移動により、 触 覚呈示プレート 3 1の孔 3 1 a内を X方向及び Y方向へ移動する。 なお、 触知ピ ン 3 3は、 それぞれ移動した場合であっても、 相互に接触しないようにしている ことはもちろんである。

( 2 . 3 ) 2自由度ァクチユエータ 3 2の詳細構成

次に、 2自由度ァクチユエータ 3 2の詳細構成について図 1 0〜図 1 2を参照 して説明する。 図 1 0は、 触覚ディスプレイ装置 1を構成する 2自由度ァクチュ エータ 3 2の斜視図を示す。 図 1 1は、 2自由度ァクチユエータ 3 2の模式図を 示す。図 1 2は、第 1、第 2ァクチユエータプレート 4 2、 4 3の上面図を示す。 図 1 0〜図 1 2に示すように、 2自由度ァクチユエータ 3 2は、 基台 4 1と、 第 1ァクチユエータプレート 4 2と、 第 2ァクチユエータプレート 4 3と、 第 1 連結部材 4 4と、 第 2連結部材 4 5と、 作用部材 4 6とから構成される。

基台 4 1は、 L字型側面形状をなしている。 そして、 基台 4 1のうち第 1、 第 2ァクチユエータプレート 4 2、 4 3を固定する面 4 1 a (以下、 「固定面」 とい う） は、 X Y平面に垂直な面とされている。 また、 この基台 4 1は、 上述した触 覚呈示プレート 3 1に固定的に配置されている。

第 1ァクチユエータプレート 4 2は、 基プレート 4 2 aと、 圧電素子 4 2 b、

4 2 cとから構成される。 基プレート 4 2 aは、 細長板状の鋼板からなる。 この 基プレート 4 2 aが X Y平面上に延在するように、基プレート 4 2 aの一端側（図

1 2の右端側） ί 基台 4 1の固定面 4 1 a (本発明における基台面） に固定さ れている。 さらに、 基プレート 4 2 aは、 X Y平面上において、 一端側に対して 他端側がたわみ変形可能となるように、 基台 4 1に固定されている。 つまり、 基 プレート 4 2 aの他端側が、 一端側に対して Z軸回りに揺動可能となる。

ここで、基プレート 4 2 aと基台 4 1の固定面 4 1 aとのなす角度を 0とする。 なす角度 0は、 基プレート 4 2 aの一端側と基台 4 1との固定位置から基プレー ト 4 3 a (後述する） の一端側と基台 4 1との固定位置に近接する方向に基プレ ート 4 2 aが位置している状態を零度と規定する。 つまり、 基台 4 1の固定面 4

1 aと基プレート 4 2 aとが平行な状態が、 なす角度 0が零度となる。 また、 基 プレート 4 2 aが基台 4 1の固定面 4 1 a上に垂直となる状態を 9 0度と規定す る。

圧電素子 （P Z T) 4 2 b , 4 2 cは、 基プレート 4 2 aの両面に接着されて いる。 これらの圧電素子 4 2 b、 4 2 cは、 細長板状からなる。 具体的には、 圧 電素子 4 2 b、 4 2 cの長手方向長ざは、 基プレート 4 2 aの長手方向長さより 僅力に短く、 圧電素子 4 2 b、 4 2 cの短手方向幅は、 基プレート 4 2 aの短手 方向幅とほぼ同等である。 さらに詳細には、 圧電素子 4 2 b、 4 2 cの長手方向 長さは、 3 0 mix！〜 5 O mmであり、その短手方向幅は、 1 mm〜2 mmであり、 その厚みは、 0 . 5〜1 . O mniである。 なお、 動作電圧の最大値は、 2 0 0 V である。

そして、 これらの圧電素子 4 2 b、 4 2 cは、 電圧が印加されると、 長手方向 長さが収縮するように動作する。 つまり、 図 1 2の上方の圧電素子 4 2 bに電圧 が印加されると、 当該圧電素子 4 2 bの図 1 2の左右方向長さが収縮する。 そう すると、 この圧電素子 4 2 bの収縮動作に伴って、 基プレート 4 2 aの図 1 2の 上面側が下面側に対して収縮する。 従って、 この場合の基プレート 4 2 aの他端 側 （図 1 2の左側） が図 1 2の上側へ移動するように、 基プレート 4 2 aがたわ み変形する。 そして、 圧電素子 4 2 bへの印加電圧に応じて、 基プレート 4 2 a の図 1 2の上側へのたわみ量は異なる。

また、 図 1 2の下方の圧電素子 4 2 cに電圧が印加されると、 当該圧電素子 4

2 cの図 1 2の左右方向長さが収縮する。 そうすると、 この圧電素子 4 2 cの収 縮動作に伴って、基プレート 4 2 aの図 1 2の下面側が上面側に対して収縮する。 従って、 この場合の基プレート 4 2 aの他端側 （図 1 2の左側） が図 1 2の下側 へ移動するように、 基プレート 4 2 aがたわみ変形する。 そして、 圧電素子 4 2 cへの印加電圧に応じて、 基プレート 4 2 aの図 1 2の下側へのたわみ量は異な る。

つまり、 圧電素子 4 2 b、 4 2 cは、 電圧が印加されることにより、 基プレー ト 4 2 a他端側を一端側に対して Z軸回りに揺動自在に駆動することができる。 第 2ァクチユエータプレート 4 3は、 上述した第 1ァクチユエータプレート 4 2とほぼ同一構成からなる。 すなわち、 第 2ァクチユエータプレート 4 3は、 基 プレート 4 3 aと、 圧電素子 4 3 b、 4 3 cとから構成される。 基プレート 4 3 aは、第 1ァクチユエータプレート 4 2の基プレート 4 2 aと同一形状からなる。 そして、 基プレート 4 3 aが X Y平面上に延在するように、 基プレート 4 3 aの —端側が、 基台 4 1の固定面 4 1 aに固定されている。 さらに、 基プレート 4 3 aは、 基プレート 4 2 aと同一 X Y平面上であって、 基プレート 4 2 aに対向す るように配置されている。 そして、 この基プレート 4 3 aは、 X Y平面上におい て、 一端側に対して他端側がたわみ変形可能となるように、 基台 4 1に固定され ている。 つまり、 基プレート 4 3 aの他端側が、 一端側に対して Z軸回りに揺動 可能となる。

ここで、基プレート 4 3 aと基台 4 1の固定面 4 1 aとのなす角度を Θとする。 なす角度 Θとは、 基プレート 4 3 aの一端側と基台 4 1との固定位置から基プレ ート 4 2 aの一端側と基台 4 1との固定位置に近接する方向を零度と規定する。 つまり、 基台 4 1の固定面 4 1 aと基プレート 4 3 aとが平行な状態が、 なす角 度 0が零度となる。 また、 基プレート 4 3 aが基台 4 1の固定面 4 1 a上に垂直 となる状態を 9 0度と規定する。 なお、 本実施形態においては、 第 2ァクチユエ ータプレート 4 3の基プレート 4 3 aと基台 4 1の固定面 4 1 aとのなす角度 0 と、 第 1ァクチユエータプレート 4 2の基プレート 4 2 aと基台 4 1の固定面 4 l aとのなす角度 Θとは、 同一としている。

圧電素子 （P Z T) 4 3 b、 4 3 cは、 基プレート 4 3 aの両面に接着されて いる。 これらの圧電素子 4 3 b、 4 3 cは、 上述した圧電素子 4 2 b、 4 2 cと 同一形状からなり、 作用も実質的に同一であるので、 説明を省略する。 つまり、 圧電素子 4 3 b、 4 3 cは、 電圧が印加されることにより、 基プレート 4 3 aの 他端側を一端側に対して Z軸回りに摇動自在に駆動することができる。

第 1連結部材 4 4は、 鋼材からなり、 直方体状をなしている。 この第 1連結部 材 4 4の一端側は、 第 1ァクチユエータプレート 4 2の基プレート 4 2 aの他端 側に回転可能に連結されている。 ここで、 当該回転軸は、 Z軸に平行とされてい る。 そして、 この第 1連結部材 4 4の部材長さを aとする。

第 2連結部材 4 5は、 第 1連結部材 4 4と同様の、 鋼材からなり、 直方体状を なしている。 この第 2連結部材 4 5の一端側は、 第 2ァクチユエータプレート 4 3の基プレート 4 3 aの他端側に回転可能に連結されている。 ここで、 当該回転 軸は、 Z軸に平行とされている。 そして、 この第 2連結部材 4 5の部材長さは、 第 1連結部材 4 4の部材長さと同様に aとする。 そして、 この第 2連結部材 4 5 の他端側は、 第 1連結部材 4 4の他端側に回転可能に連結されている。 つまり、 第 1連結部材 4 4の他端側と第 2連結部材 4 5の他端側とは、 相互に回転可能に 連結されている。 そして、 当該回転軸は、 Z軸に平行とされている。

ここで、 図 1 1に示すように、 圧電素子 4 2 b、 4 2 c、 4 3 b、 4 3 cに電 圧を印加していない状態において、 第 1連結部材 4 4の一端側と第 2連結部材 4 5の一端側との離間距離を bとする。 そして、 図 1 1に示すように、 圧電素子 4 2 b等に電圧を印加していない状態において、 当該離間距離 bは第 1連結部材 4 4の部材長さ aと第 2連結部材 4 5の部材長さ aとの合計値 （= 2 a ) よりも小 さくされている。 つまり、 圧電素子 4 2 b等に電圧を印加していない状態におい て、 第 1連結部材 4 4と第 2連結部材 4 5とが一直線上に位置せず、 屈曲した状 態とされている。 換言すると、 第 1連結部材 4 4及び第 2連結部材 4 5により、 辺の長さが a、 a、 bの二等辺三角形をなすようにされている。 さらに、 圧電素 子 4 2 b等に電圧を印加していない状態において、 第 1連結部材 4 4の他端側及 び第 2連結部材 4 5の他端側との連結位置は、 第 1連結部材 4 4の一端側及び第 2連結部材 4 5の一端側よりも基台 4 1の固定面 4 1 aに近接する側に位置する ようにされている。

作用部材 4 6は、 第 1連結部材 4 4の他端側に固定されている。 そして、 作用 部材 4 6は、 第 2連結部材 4 5の他端側に対して Z軸回りに回転可能に連結され ている。 また、 この作用部材 4 6は、 触知ピン 3 3の一端側に連結固定されてい る。

(2. 4) 2自由度ァクチユエータ 32の動作

次に、 2自由度ァクチユエータ 32の動作について、 図 1 3を参照して説明す る。 図 13 (a) (b) は、 2自由度ァクチユエータ 32の動作について説明する 図である。

まず、 図 13 (a) を用いて説明する。 図 1 3 (a) は、 圧電素子 42 b、 4 2 cに電圧を印加することにより、 第 1ァクチユエータプレート 42の他端側が 一端側に対して、 図 1 3 (a) の右側に移動するようにしている。 また、 圧電素 子 43 b、 43 cに電圧を印加することにより、 第 2ァクチユエータプレート 4 3の他端側が一端側に対して図 1 3 (a) の左側に移動するようにしている。 この場合、 第 1連結部材 44及び第 2連結部材 45は、 第.1、 第 2ァクチユエ ータプレート 42、 43の基プレート 42、 43の他端側に対して Z軸回りに回 転し、 且つ、 相互に Z軸回りに回転する。 従って、 作用部材 46の位置は、 圧電 素子 42 b等に電圧を印加する前の状態から、 Y負方向 （図 1 3 (a) の下方側） へ移動する。

次に、 図 13 (b) を用いて説明する。 図 1 3 (b) は、 圧電素子 42 b、 4 2 cに電圧を印加することにより、 第 1ァクチユエータプレート 42の他端側が 一端側に対して、 図 13 (b) の左側に移動するようにしている。 また、 圧電素 子 43 b、 43 cに電圧を印加することにより、 第 2ァクチユエータプレート 4 3の他端側が一端側に対して図 1 3 (a) の左側に移動するようにしている。 この場合、 第 1連結部材 44及び第 2連結部材 45は、 第 1、 第 2ァクチユエ ータプレート 42、 43の基プレート 42、 43の他端側に対して Z軸回りに回 転し、 且つ、 相互に Z軸回りに回転する。 従って、 作用部材 46の位置は、 圧電 素子 42 b等に電圧を印加する前の状態から、 X負方向 （図 1 3 (a) の左側） へ移動する。

このように、 圧電素子 42 b等への印加電圧により、 基台 41に対する作用部 材 46の XY平面上の位置を変更することができる。 そして、 作用部材 46の X Y平面上の移動に伴って、 触知ピン 33が触覚呈示プレート 31の孔 31 a内の XY平面上にて移動する。 ( 2 . 5 ) 2自由度ァクチユエータ 3 2の制御

( 2 . 5 . 1 ) 第 1の制御

ここで、 上述したように圧電素子 4 2 b等に電圧を印加することにより、 基台 4 1に対して作用部材 4 6を X Y平面上にて移動させ、 位置制御できることにつ いて、 数式を用いて詳細に説明する。 ここで、 図 1 1における第 1連結部材 4 4 及び第 2連結部材 4 5を含む部分の拡大図である図 1 4を参照しながら説明する。 図 1 4において、 圧電素子 4 2 b等に電圧を印加していない状態における第 1連 結部材 4 4の一端側 （第 1ァクチユエータプレート 4 2の他端側） の位置を A 1 と示し、第 2連結部材 4 5の一端側（第 2ァクチユエータプレート 4 3の他端側） の位置を B 1と示し、 第 1連結部材 4 4及び第 2連結部材 4 5の他端側の位置を C 1と示す。 また、 圧電素子 4 2 b等に電圧を印加した状態における第 1連結部 材 4 4の一端側の位置を A 2と示し、 第 2連結部材 4 5の一端側の位置を B 2と 示し、 第 1連結部材 4 4及び第 2連結部材 4 5の他端側の位置を C 2と示す。 まず、 数 1に、 各種記号の意味を記す。

[数 1 ]

α ：第 1連結部材 4 4及び第 2連結部材 4 5の部材長さ

U_R ：第 1ァクチユエータプレート 4 2のたわみ量

U_L：第 2ァクチユエータプレート 4 3のたわみ量

V_R：第 1ァクチユエータプレート 4 2の圧電素子 4 2 b、 4 2 cへの印加電 圧

V_L：第 2ァクチユエータプレート 4 3の圧電素子 4 3 b、 4 3 cへの印加電 圧 ，

d_3l：圧電定数

L ：基プレート 4 2 a、 4 3 aの長さ

t：基プレート 4 2 a、 4 3 aの板厚

u：変位べクトル （= ( U_y)^T)

V ：電圧べクトル （= ( v )

J , J— ¹ ：ヤコビ行列及び逆ヤコビ行列 添え字 X ： X方向

添え字 y ： y方向

( γ：行列の転置

X ：変数 Xの時間導関数 そして、 第 1連結部材 44及び第 2連結部材 4 5の幾何学的関係より、 A2 B 2の位置座標は、 数 2のようになる。

[数 2]

A 2の XY座標： 一 cos (9

B 2の XY座標 —o-U_R s O. a U„ cos0

2 ^R 4

ノ

ここで， a>bl2とする 次に、 C 1から C 2へのベクトル uを数 3とすると、 第 1連結部材 44及び第 2連結部材 4 5の部材長さが変化しないという条件から数 4の関係式が得られる。

[数 3]

u = U_xi + U_yj

Λ

= a

x 2

ノ

、2 ( 2 ヽ

b

U_x--b + U_Rsin0 + ひ, +ひ„ cos * = a

4

V ノ 一方、 第 1ァクチユエータプレート 42の他端側の位置 A 1及び第 2ァクチュ エータプレート 4 3の他端側の位置 B 1の変位は、 数 5のように表すことができ る。

[数 5] = a

"11 12 (A_nh_n+A h_l2)V_L

(A_2ih_2X +A₂₂h_ss)V_Rj

ここで， A_u, A_n, A , A₂₂, h_n, h、₂, ₂₁及び Λ₂₂は次式で表される。 A sinOV,

1¹

b² 3

A„ =U - -—+—d , 、²

3. 1 cos0V,

1^{2 y} 4 2 iノ

3 (L\²

1¹ 2 ³¹ J

ここで、 数 7の第 4番目の行列で表された式を直接表記で表すと、 数 8に示す ようになる。

[数 8 ]

V = Ju つまり、 C 1から C 2へのベクトル uと、 このベク トル uの時間微分値 d u Z d tとが与えられた場合には、 数 8に基づいて数値積分を実行することにより、 次のステップにて出力すべき電圧を算出することができる。 このようにして算出 した電圧 Vに基づいて、 第 1ァクチユエータプレート 4 2の圧電素子 4 2 b、 4

2 c及ぴ第 2ァクチユエータプレート 4 3の圧電素子 4 3 b、 4 3 cに電圧を印 加することにより、 作用部材 4 6の位置を制御することができる。 ( 2 . 5 . 2 ) 第 2の制御

上記第 1の制御においては、 数 5に示したように、 ァクチユエータプレート 4 2、 4 3のたゎみ量11₁₁、 U_Lと圧電素子 4 2 b、 4 2 c、 4 3 b、 4 3 cへの印 加電圧 V_R、 V _Lとの関係は、圧電定数 d 3 1に比例するものとして示した。しかし、 一般に、 圧電素子は、 ヒステリシス現象があることに加えて、 個体差がある。 こ こで、 ヒステリシス現象について、 図 1 5及び図 1 6に示す。 図 1 5は、 第 1ァ クチユエータプレート 4 2の圧電素子 4 2 b、 4 2 cに印加する電圧を無次元化 した値と、 第 1ァクチユエータプレート 4 2のたわみ量 U _Rを無次元化した値と の関係を示す。 図 1 6は、 第 2ァクチユエータプレート 4 3の圧電素子 4 3 b、 4 3 cに印加する電圧を無次元化した値と、 第 2ァクチユエータプレート 4 3の たわみ量 を無次元化した値との関係を示す。

ここで、 図 1 5及び図 1 6において、 三角点及び丸点が、 圧電素子に所定の電 圧を印加する実験を行った結果における第 1、第 2ァクチユエータプレート 4 2、 4 3のたわみ量を示す。 三角点は、 圧電素子への印加電圧の変動範囲を大きくし たものを示し、 丸点は、 圧電素子への印加電圧の変動範囲を小さくしたものを示 す。 また、 実線が、 後述する-ユーラルネッ トワークを用いて圧電素子に電圧を 連続的に変化させながら印加した場合における、 第 1、 第 2ァクチユエ一タプレ ート 4 2、 4 3のたわみ量を示す。

図 1 5及ぴ図 1 6の三角点及び丸点に示すように、 印加電圧が大きいほど、 第 1、 第 2ァクチユエータプレート 4 2、 4 3のたわみ量が大きくなつている。 た だし、 印加電圧を大きくしていく場合に比べて、 印加電圧を小さくしていく場合 の方が、 第 1、 第 2ァクチユエータプレート 4 2、 4 3のたわみ量が大きくなつ ている。 これがヒステリシス現象である。

そして、 図 1 5と図 1 6とを比較すると、 印加電圧を大きくしていく場合と印 加電圧を小さくしていく場合とにおけるたわみ量の差が、 第 1ァクチユエ一タブ レート 4 2の方が、第 2ァクチユエータプレート 4 3に比べて大きくなっている。 そこで、 このようなヒステリシス現象及び個体差の影響を捕正できるように制 御することが望まれる。 当該補正をできる制御部について、 図 1 7を参照して説 明する。 図 1 7は、 制御部 1 0 0のプロック図を示す。 図 1 7に示すように、 制御部 100は、 入力情報変換部 1 10と、 第 1制御部 120と、 第 2制御部 1 30とから構成される。 第 1制御部 1 20は、 極性判定 部 121と、 変位量積分器 1 22と、 ニューラルネットワーク演算部 1 23と、 電圧積分器 1 24とから構成される。第 2制御部 130は、極性判定部 1 3 1と、 変位量積分器 1 32と、 ニュ ラルネットワーク演算部 1 33と、 電圧積分器 1 34とから構成される。

入力情報変換部 1 1 0は、 作用部材 46の XY座標系における位置の目標移動 量 （dU_xZd t、 dU_yZd t) を入力し、 これらを第 1、 第 2ァクチユエータ プレート 42、 43のたわみ量の変化量 （dUR^d t、 dl^Zdt) に変換す る。 この変換は、 上記数 2〜数 4より求めることができる。

第 1制御部 1 20の極性判定部 121は、 第 1ァクチユエータプレート 42の たわみ量の変化量 dU_R/d tが、 0 (ゼロ） より大きいか否かを判定する。 そ して、 当該変化量 dU_R/d tが 0より大きい場合には、 [1、 0] を出力する。 一方、 当該変化量 dU_RZd tが 0より小さい場合には、 [0、 1] を出力する。 つまり、 ここで、 図 1 5及ぴ図 16における、 縦軸の無次元化変化が増大してい る場合と、 減少している場合とで、 場合分けしている。 第 1制御部 1 20の変位 量積分器 1 22は、 第 1ァクチユエータプレート 42のたわみ量の変化量 dU_R /d tを積分する。

第 1制御部 120のニューラルネットワーク演算部 1 23は、 パックプロバゲ ーシヨンモデノレを用いたニューラ^/ネットワークである。 このバックプロバゲ一 シヨンモデルは、 多段パーセプトロンとも言われる。 このバックプロパゲーショ ンモデルとは、 入力層と出力層との間に、 中間層を有する点が特徴的である。 そして、 具体的には、 ニューラルネットワーク演算部 123は、 極性判定部 1 21から出力される情報 [1、 0] または [0、 1] と、 変位量積分器 1 22に より算出される変位積分結果情報と、 後述する電圧積分器 1 24により算出され る電圧積分結果情報とを入力している。 そして、 これらの入力情報に基づいて、 出力情報である圧電素子 42 b、 42 cへの印加電圧の時間微分 d V_R/d tを 算出する。

ここで、 ニューラルネットワーク演算部 1 23は、 以下のような手順で予め学 習させておく。 まず、 作用部材 46の軌道計画が決定し、 この軌道計画において 第 1ァクチユエータ 42のたわみ量の変化量 d U_RZ d tが時間経過毎に算出で きる。 そして、 この軌道計画において、 上記入力情報に対する出力情報を学習す る。 このように学習した入力情報と出力情報との関係は、 ニューラルネットヮー ク演算部 123に記憶されるため、 実際に制御する際には、 マップ制御のように して出力情報を出力できる。 つまり、 非常に高速に処理できる。

そして、 第 1制御部 1 20の電圧積分器 1 24は、 ェユーラルネットワーク演 算部 123により算出された印加電圧の時間微分 dV_RZd tを積分して、 印加 電圧 V_Rを算出する。 この印加電圧 V_Rを圧電素子 42 b、 42 cに印加する。 第 2制御部 1 30の極性判定部 131、 変位量積分器 1 32、 ニューラルネッ トワーク演算部 1 33、 電圧積分器 134は、 第 1制御部 1 20の極性判定部 1 21、 変位量積分器 1 22、 ニューラルネットワーク演算部 123、 電圧積分器 124に対して、 第 2ァクチユエータプレート 43が対象となることが相違する が、 実質的に同一の処理を行う。 つまり、 第 2制御部 1 30は、 入力情報変換部 110から入力される第 2ァクチユエータプレート 43のたわみ量の変化量 dU _L/d tに基づいて、 圧電素子 43 b、 43 cへの印加電圧 V_Lを算出し、 圧電素 子 43 b、 43 cに印加する。

このように、 ニューラルネットワークを用いることで、 圧電素子のヒステリシ ス現象及び圧電素子の個体差を考慮した上で、圧電素子を駆動することができる。 従って、 高精度に位置決めができる。 さらに、 ニューラルネットワークを用いる ことで、 一度学習した後であれば高速処理ができるため、 非常に高い応答性を発 揮できる。

(2. 5) Θ、 bZaと、 Ux， Uyとの関係

次に、 なす角度 0と、 第 1連結部材 44の部材長さ aに対する第 1連結部材 4

4の他端側と第 2連結部材 45の他端側との離間距離 bの割合 b aと、 作用部 材 46の X方向の変位量 Uxと、 作用部材 46の Y方向の変位量 Uyとの関係に ついて図 18及び図 1 9を参照して説明する。 図 1 8は、 なす角度 0を 60度と した場合において、 横軸を割合 b/aとし、 縦軸を変位量 Ux、 Uyのそれぞれ とした図である。 図 1 9 (a) 〜図 19 (c) は、 それぞれ、 割合 b/aを 1. 1、 1. 4、 1. 7とした場合において、 横軸を 0とし、 縦軸を変位量 Ux、 U yのそれぞれとした図である。 まずは、 図 1 8及び図 1 9における条件を数 9に 示す。

[数 9]

= 0.5χ1(Γ³ [m]

, =170x10— ¹² [m/N]

U_xを計算するための電圧： V_L = 200 [V]、 V_R = -200 [V]

び _yを計算するための電圧： =- 200[V]、 F,=-200[V]

なお、 電圧 Vい V_Rの正負の定義は、 図 1 4において、 図に示す方向 （図 1 4 の下方側） にたわみ量 U_R、 のたわみを生じさせる電圧を正 （+ ) とし、 逆方 向 （図 1 4の上方側） にたわみ量 U_R、 U_Lのたわみを生じさせる電圧を負 （一） とする。

図 1 8に示すように、 なす角度 Θが 60度の場合には、 割合 a が増加する につれて、 X方向の変位量 Uxは減少している。 一方、 割合 aZbが増加するに つれて、 Y方向の変位量 Uyは増加している。 そして、 割合 aZbが 1. 4付近 にて、 X方向の変位量 Uxと Y方向の変位量 Uyとが一致している。 つまり、 割 合 aZbを 1. 4付近とすることで、 X方向の変位量 Uxと Y方向の変位量 Uy との差を小さくすることができる。 従って、 X方向の剛性と Y方向の剛性との差 が小さくなる。 その結果、 X方向への変位と Y方向への変位をより安定的に且つ 高精度に位置制御することができ、 特に、 割合 a/bを 1. 4とした場合が最適 であるが、 割合 a/bを 1. 3〜1 , 5の範囲内とすることで、 十分な効果があ る。

次に、 図 1 9 (a) に示すように、 割合 aZbを 1., 1とした場合には、 なす 角度 0が 30〜40度の範囲において、 X方向の変位量 Ux及び Y方向の変位量

Uyの何れもが最大値を示す。 そして、 なす角度 0が 3 0度付近より小さくなる に従って、 さらには 4 0度付近より大きくなるに従って、 変位量 Ux、 Uyは小 さくなる。 さらに、割合 aZbを 1. 1とした場合には、なす角度 0に関わらず、

X方向の変位量 U Xが Y方向の変位量 U yよりも大きい。

また、 図 19 (b) に示すように、 割合 aZbを 1. 4とした場合には、 なす 角度 0が 40〜 50度の範囲において、 X方向の変位量 Ux及ぴ Y方向の変位量 Uyの何れもが最大値を示す。 そして、 なす角度 6が 40度付近より小さくなる に従って、 さらには 50度付近より大きくなるに従って、 変位量 Ux、 Uyは小 さくなる。 さらに、 割合 a/bを' 1. 4とした場合には、 なす角度 0が 0〜90 度の全範囲において、 ほぼ一致している。

また、 図 19 (c) に示すように、 割合 aZbを 1. 7とした場合には、 なす 角度 0が 50〜60度の範囲において、 X方向の変位量 Ux及び Y方向の変位量 Uyの何れもが最大値を示す。 そして、 なす角度 0が 50度付近より小さくなる に従って、 さらには 60度付近より大きくなるに従って、 変位量 Ux、 Uyは小 さくなる。 さらに、割合 aZbを 1. 7とした場合には、なす角度 0に関わらず、 X方向の変位量 Uxが Y方向の変位量 Uyよりも小さい。

このように、 割合 a Zbによって詳細には異なるが、 なす角度 0を 30〜60 度の範囲にすることで、 変位量 Ux、 Uyを大きく確保することができる。

(3) 第 2実施形態

第 1実施形態の触覚ディスプレイ装置 1においては、 2自由度ァクチユエータ 32を採用した。 そして、 この 2自由度ァクチユエータ 32を作用することによ り、 触知ピン 33を X方向及び Y方向への移動を可能とした。 これに加えて、 Z 方向への移動をも可能とする触覚ディスプレイ装置 1の場合には、 以下に説明す る 3自由度ァクチユエータ 50を第 1実施形態の触覚ディスプレイ装置 1を構成 する 2自由度ァクチユエータ 32に置き換えるとよい。 そうすると、 触知ピン 3 3を X方向、 Y方向及び Z方向へ移動させることができるので、 指表面に対して せん断方向及ぴ垂直方向へ移動させることができる。 これにより、 さらに多くの 触覚を呈示することができる。

以下に、 第 2実施形態の 3自由度ァクチユエータ 50について図 20を参照し て説明する。 図 20は、 第 2実施形態の 3自由度ァクチユエータ 50を示す模式 図である。 図 20に示すように、 3自由度ァクチユエータ 50は、 基台 51と、 第 1ァクチユエータプレート 5 2と、 第 2ァクチユエータプレート 5 3と、 第 3 ァクチユエータプレート 5 4と、 第 1連結部材 5 5と、 第 2連結部材 5 6と、 第 3連結部材 5 7と、 作用部材 5 8とから構成される。 そして、 この 3自由度ァク チユエータ 5 0は、 基台 5 1に対して作用部材 5 8を X方向、 Y方向及ぴ Z方向 へ移動可能とする構成とされている。

ここで、 基台 5 1は、 第 1実施形態における 2自由度ァクチユエータ 3 2の基 台 4 1と実質的に同一である。 第 1ァクチユエータプレート 5 2、 第 2ァクチュ エータプレート 5 3、 及ぴ、 第 3ァクチユエータプレート 5 4は、 それぞれ基台 5 1に固定されている。 そして、 これら第 1〜第 3ァクチユエータプレート 5 2 〜5 4の詳細構成は、 第 1実施形態における 2自由度ァクチユエ一タ 3 2の第 1 ァクチユエータプレート 4 2と実質的に同一の構成からなる。

第 1連結部材 5 5は、 鋼材からなり、 直方体状をなしている。 この第 1連結部 材 5 5の一端側は、 第 1ァクチユエータプレート 5 2の他端側にボールジョイン トを介して連結されている。 すなわち、 第 1連結部材 5 5は、 第 1ァクチユエ一 タプレート 5 2に対して、 X軸回り、 Y軸回り、 Z軸回りに回転可能とされてい る。

第 2連結部材 5 6は、 鋼材からなり、 直方体状をなしている。 この第 2連結部 材 5 6の一端側は、 第 2ァクチユエータプレート 5 3の他端側にボールジョイン トを介して連結されている。 すなわち、 第 2連結部材 5 6は、 第 2ァクチユエ一 タプレート 5 3に対して、 X軸回り、 Y軸回り、 Z軸回りに回転可能とされてい る。

第 3連結部材 5 7は、 鋼材からなり、 直方体状をなしている。 この第 3連結部 材 5 7の一端側は、 第 3ァクチユエータプレート 5 4の他端側にボールジョイン トを介して連結されている。 すなわち、 第 3連結部材 5 7は、 第 3ァクチユエ一 タプレート 5 4に対して、 X軸回り、 Y軸回り、 Z軸回りに回転可能とされてい る。

作用部材 5 8は、第 1連結部材 5 5の他端側及び第 2連結部材 5 6の他端側に、 ボールジョイントを介して連結されている。 つまり、 作用部材 5 8は、 第 1連結 部材 5 5及び第 2連結部材 5 6に対して、 X軸回り、 Y軸回り、 及び Z軸回りに 回転可能とされている。 さらに、 この作用部材 5 8は、 第 3連結部材 5 7の他端 側に固定されている。 また、 この作用部材 5 8は、 触知ピン 3 3の一端側に連結 固定されている。

( 4 ) 第 3実施形態

また、 上記第 1実施形態における 2自由度ァクチユエータ 3 2及び第 2実施形 態における 3自由度ァクチユエータ 5 0は、 何れもいわゆるパラレル型である。 つまり、 2自由度ァ.クチユエータ 3 2及び 3自由度ァクチユエータ 5 0を構成す る複数のァクチユエータプレート 4 2、 4 3、 5 2〜5 4が、 基台 4 1、 5 1に 固定される構成からなる。

これに対して、 いわゆるシリアル型のァクチユエータが考えられる。 つまり、 第 1実施形態における 2自由度ァクチユエータ 3 2をシリアル型 2自由度ァクチ ユエータ 6 0、 7 0に置き換えることができる。 そこで、 シリアル型 2自由度ァ クチユエータ 6 0、 7 0について、 図 2 1及び図 2 2を参照して説明する。 図 2 1は、 シリアル型 2自由度ァクチユエータ 6 0について示す。 図 2 2は、 シリア ル型 2自由度ァクチユエータ 7 0について示す。

図 2 1に示すように、シリアル型 2自由度ァクチユエータ 6 0は、基台 6 1と、 第 1ァクチユエータプレート 6 2と、 第 2ァクチユエータプレート 6 3と、 作用 部材 6 4とから構成される。 第 1、 第 2ァクチユエータプレート 6 2、 6 3は、 上述した第 1実施形態における 2自由度ァクチユエータ 3 2の第 1ァクチユエ一 タプレート 4 2と実質的に同一の構成からなる。 そして、 第 1ァクチユエ一タブ レート 6 2の一端側が基台 6 1に固定されている。 ここで、 第 1ァクチユエータ プレート 6 2は、 Z軸方向に延在するように、 且つ、 Y Z平面上において一端側 に対して他端側がたわみ変形可能となるように、 基台 6 1に固定されている。 つ まり、 第 1ァクチユエータプレート 6 2の他端側が、 一端側に対して X軸回りに 揺動可能である。

第 2ァクチユエータプレート 6 3の一端側が、 第 1ァクチユエータプレート 6

2の他端側に、 第 1ァクチユエータプレート 6 2に直交するように固定されてい る。 具体的には、 第 2ァクチユエータプレート 6 3は、 Y軸方向に延在するよう に、 第 1ァクチユエータプレート 6 2に固定されている。 さらに、 第 2ァクチュ エータブレート 6 3は、 X Y平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形 可能となるようにされている。 つまり、 第 2ァクチユエータプレート 6 3の他端 側が、 一端側に対して Z軸回りに揺動可能である。

そして、 作用部材 6 4は、 第 2ァクチユエータプレート 6 3の他端側に固定さ れている。また、作用部材 6 4は、触知ピン 3 3の一端側に連結固定されている。 つまり、 第 1ァクチユエータプレート 6 2の圧電素子に電圧を印加することに より、 作用部材 6 4が基台 6 1に対して Y方向に移動する。 また、 第 2ァクチュ エータプレート 6 3の圧電素子に電圧を印加することにより、 作用部材 6 4が基 台 6 1に対して X方向に移動する。

次に、 図 2 2に示すように、 シリアル型 2自由度ァクチユエータ 7 0は、 基台 7 1と、 第 1ァクチユエータプレート 7 2と、 第 2ァクチユエータプレート 7 3 と、 第 3ァクチユエータプレート 7 4と、 作用部材 7 5とから構成される。 第 1、 第 2、 第 3ァクチユエータプレート 7 2、 7 3、 7 4は、 上述した第 1 実施形態における 2自由度ァクチユエータ 3 2の第 1ァクチユエータプレート 4 2と実質的に同一の構成からなる。 そして、 第 1ァクチユエータプレート 7 2の 一端側が基台 7, 1に固定されている。 ここで、 第 1ァクチユエータプレート 7 2 は、 Z軸方向に延在するように、 且つ、 Y Z平面上において一端側に対して他端 側がたわみ変形可能となるように、 基台 7 1に固定されている。 つまり、 第 1ァ クチユエータプレート 7 2の他端側が、 一端側に対して X軸回りに揺動可能であ る。

第 2ァクチユエータプレート 7 3は、 第 1ァクチユエータプレート 7 2と平行 に配置されている。 つまり、 第 2ァクチユエータプレート 7 3の一端側が基台 7 1に固定されている。 そして、 第 2ァクチユエータプレート 7 3は、 Z軸方向に 延在するように、 且つ、 Y Z平面上において一端側に対して他端側がたわみ変形 可能となるように、 基台 7 1に固定されている。 つまり、 第 2ァクチユエ一タブ レート 7 3の他端側が、 一端側に対して X軸回りに揺動可能である。

第 3ァクチユエータプレート 7 4の一端側が、 第 1ァクチユエータプレート 7

2及ぴ第 2ァクチユエータプレート 7 3の他端側に、 第 1ァクチユエータプレー ト 7 2及ぴ第 2ァクチユエータプレート 7 3に直交するように固定されている。 具体的には、 第 3ァクチユエータプレート 7 4は、 Y軸方向に延在するように、 第 1ァクチユエータプレート 7 2及び第 2ァグチユエータプレート 7 3に固定さ れている。 さらに、 第 3ァクチユエータプレート 7 4は、 X Y平面上において一 端側に対して他端側がたわみ変形可能となるようにされている。 つまり、 第 3ァ クチユエータプレート 7 4の他端側が、 一端側に対して Z軸回りに揺動可能であ る。

そして、 作用部材 7 5は、 第 3ァクチユエータプレート 7 4の他端側に固定さ れている。また、作用部材 7 5は、触知ピン 3 3の一端側に連結固定されている。 つまり、 第 1ァクチユエータプレート 7 2及び第 2ァクチユエータプレート 7 3の圧電素子に電圧を印加することにより、 作用部材 7 5が基台 7 1に対して Y 方向に移動する。 また、 第 3ァクチユエータプレート 7 4の圧電素子に電圧を印 加することにより、作用部材 7 5が基台 7 1に対して X方向に移動する。そして、 第 1ァクチユエータプレート 7 2と第 2ァクチユエータプレート 7 3とを平行に 配置することで、 剛性を高めることができる。

また、 第 2実施形態における 3自由度ァクチユエータ 5 0をシリアル型 3自由 度ァクチユエータ 8 0に置き換えることができる。 そこで、 シリアル型 3自由度 ァクチユエータ 8 0について、 図 2 3を参照して説明する。 図 2 3は、 シリアノレ 型 3自由度ァクチユエータ 8 0について示す。 なお、 シリアル型 3自由度ァクチ ユエータ 8 0において、 図 2 1に示すシリアル型 2自由度ァクチユエータ 6 0と 同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

シリアル型 3自由度ァクチユエータ 8 0は、 基台 6 1と、 第 1ァクチユエータ プレート 6 2と、 第 2ァクチユエータプレート 6 3と、 第 3ァクチユエ一タプレ ート 8 1と、 作用部材 8 2と力 ら構成される。 第 1、 第 2、 第 3ァクチユエータ プレート 6 2、 6 3、 8 1は、 上述した第 1実施形態における 2自由度ァクチュ エータ 3 2の第 1ァクチユエータプレート 4 2と実質的に同一の構成からなる。 第 3ァクチユエータプレート 8 1の一端側が、 第 2ァクチユエータプレート 6

3の他端側に、 第 1、 第 2ァクチユエータプレート 6 2、 6 3に直交するように 固定されている。 具体的には、 第 3ァクチユエータプレート 8 1は、 X軸方向に 延在するように、 第 2ァクチユエータプレート 6 3に固定されている。 さらに、 第 3ァクチユエ一タプレ一ト 8 1は、 X Z平面上において一端側に対して他端側 がたわみ変形可能となるようにされている。 つまり、 第 3ァクチユエータプレー ト 8 1の他端側が、 一端側に対して Y軸回りに揺動可能である。

そして、 作用部材 8 2は、 第 3ァクチユエータプレート 8 1の他端側に固定さ れている。また、作用部材 8 2は、触知ピン 3 3の一端側に連結固定されている。 つまり、 第 1ァクチユエータプレート 6 2の圧電素子に電圧を印加することに より、 作用部材 8 2が基台 6 1に対して Y方向に移動する。 また、 第 2ァクチュ エータプレート 6 3の圧電素子に電圧を印加するこどにより、 作用部材 8 2が基 台 6 1に対して X方向に移動する。 また、 第 3ァクチユエータプレート 8 1の圧 電素子に電圧を印加することにより、 作用部材 8 2が基台 6 1に対して Z方向に 移動する。

なお、 当該圧電素子を上記第 1実施形態の圧電素子と同一の大きさとすること で、 確実に、 触知ピン 3 3のピン間隔を 2 mm以内とできる。 具体的には、 圧電 素子の短手方向幅および厚みが起因する。

( 5 ) 第 4実施形態

次に、 上記第 1〜第 3実施形態においては、 触覚ディスプレイ装置 1について 説明した。 ここで、 触覚ディスプレイ装置 1を構成する 2自由度ァクチユエータ 3 2、 6 0、 7 0、 及ぴ、 3自由度ァクチユエータ 5 0、 8 0は、 以下に説明す るハンドリング装置 9 0に適用することもできる。 ハンドリング装置 9 0は、 物 体を把持し、 搬送することができる装置である。 例えば、 ハンドリング装置 9 0 が、物体を把持する部分として第 1把持部材と第 2把持部材とを備える場合には、 第 1把持部材と第 2把持部材との駆動に上述した 2自由度ァクチユエータ 3 2、 6 0、 7 0又は 3自由度ァクチユエータ 5 0、 8 0を用いる。

例えば、 第 1実施形態の触覚ディスプレイ装置 1を構成する 2自由度ァクチュ エータ 3 2をハンドリング装置 9 0に適用した場合について、 図 2 4を参照して 説明する。 図 2 4は、 ハンドリング装置 9 0を示す図である。

図 2 4に示すように、 ハンドリング装置 9 0は、 第 1の 2自由度ァクチユエ一 タ 9 1と、 第 2の 2自由度ァクチユエータ 9 2と、 第 1把持部材 9 3と、 第 2把 持部材 9 4とから構成される。 第 1の 2自由度ァクチユエータ 9 1及び第 2の 2自由度ァクチユエータ 9 2は 上述した第 1実施形態の触覚ディスプレイ装置 1を構成する 2自由度ァクチユエ ータ 3 2である。 すなわち、 第 1の 2自由度ァクチユエータ 9 1は、 基台に対し て作用部材を直交 2軸方向に移動可能とする。 また、 第 2の 2自由度ァクチユエ ータ 9 2は、 基台に対して作用部材を直交 2軸方向に移動可能とする。

第 1把持部材 9 3は、 第 1の 2自由度ァクチユエータ 9 1の作用部材に連結さ れている。 また、 第 2把持部材 9 4は、 第 2の 2自由度ァクチユエータ 9 2の作 用部材に連結されている。 つまり、 第 1把持部材 9 3は、 第 1の 2自由度ァクチ ユエータ 9 1を駆動することにより、 直交 2軸方向に移動する。 また、 第 2把持 部材 9 4は、 第 2の 2自由度ァクチユエータ 9 2を駆動することにより、 直交 2 軸方向に移動する。

そして、 第 1把持部材 9 3と第 2把持部材 9 4とを移動することにより、 第 1 把持部材 9 3及び第 2把持部材 9 4との間に物体を挟むように把持することがで きる。 さらに、 物体を把持した状態で、 第 1把持部材 9 3と第 2把持部材 9 4と を移動することにより、 物体を搬送することができる。

Claims

請求の範囲

1 . ヒ トの皮膚に対し、接触可能な第 1面に複数の孔を備えた触覚呈示部材と、 前記複数の孔からそれぞれ突出し、 少なくとも前記触覚呈示部材の前記第 1面 に平行な方向に移動可能で、 突出端を前記ヒトの皮膚に当接させ、 前記ヒトの皮 膚に物体の表面性状感及ぴ物体のトルク感に相当する触覚を呈示する複数の触知 ピンと、

を備えることを特徴とする触覚ディスプレイ装置。

2 . 前記触知ピンは、 前記第 1面に平行な直交 2軸方向に移動可能な第 1触知 ピンを備える請求項 1記載の触覚ディスプレイ装置。

3 . 前記触知ピンは、

前記第 1触知ピンと、

前記第 1面に垂直方向に移動可能な第 2触知ピンと、

を備える請求項 2記載の触覚デイスプレイ装置。

4 . 前記第 1触知ピン及び前記第 2触知ピンは、 それぞれ複数からなり、 複数の前記第 1触知ピン及び複数の前記第 2触知ピンは、 それぞれ市松模様状 に配列される請求項 3記載の触覚デイスプレイ装置。

5 . 前記触知ピンは、 前記第 1面に平行な第 1の軸方向及び前記第 1面に垂直 方向に移動可能な第 3触知ピンを備える請求項 1記載の触覚ディスプレイ装置。

6 . 前記触知ピンは、

前記第 3触知ピンと、

前記第 1面に平行であって前記第 1の軸方向に垂直な第 2の軸方向及び前記第

1面に垂直方向に移動可能な第 4触知ピンと:

を備える請求項 5記載の触覚デイスプレイ装置。

7 . 前記第 3触知ピン及び前記第 4触知ピンは、 それぞれ複数からなり、 複数の前記第 3触知ピン及び複数の前記第 4触知.ピンは、 それぞれ市松模様状 に配列される請求項 6記載の触覚デイスプレイ装置。

8 . 前記触知ピンは、 前記第 1面に平行な直交 2軸方向及ぴ前記第 1面に垂直 方向に移動可能な第 5触知ピンを備える請求項 1記載の触覚ディスプレイ装置。

9 . 基台に対して少なくとも直交 2軸方向に移動可能な作用部材を有する複数 の多自由度ァクチユエータを備え、

前記触知ピンは、 それぞれの前記作用部材に連結され、 前記作用部材の前記基 台に対する動作に伴い前記触覚呈示部材に対して移動し、

前記多自由度ァクチユエータは、 ァクチユエ一タ部材を複数備え、

それぞれの前記ァクチユエ一タ部材は、 たわみ変形可能な基部と、 前記基部の 少なくとも一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより前記基部の一端側 に対して他端側を揺動自在に駆動する圧電素子と、 を備える請求項 1〜 8の何れ か一項に記載の触覚ディスプレイ装置。

1 0 . 一の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を他の前記ァクチ ユエ一タ部材の前記基部の前記他端側に、 当該一の前記ァクチユエ一タ部材の揺 動軸が当該他の前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸と異なるように固定する請求項

9記載の触覚デイスプレイ装置。

1 1 . 第 1の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を前記基台に固 定し、

第 2の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を前記第 1の前記ァク チュエータ部材の前記基部の前記他端側に、 当該第 2の前記ァクチユエ一タ部材 の揺動軸が前記第 1の前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸と異なるように固定し、 前記作用部材は、 前記第 2の前記ァクチユエータ部材の前記基部の前記他端側 に固定され、

前記多自由度ァクチユエータは、 2自由度を有する請求項 1 0記載の触覚ディ スプレイ装置。

1 2 . 第 1の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を前記基台に固 定し、

第 2の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を前記第 1の前記ァク チュエータ部材の'前記基部の前記他端側に、 当該第 2の前記ァクチユエ一タ部材 の揺動軸が前記第 1の前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸と異なるように固定し、 第 3の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を前記第 2の前記ァク チュエータ部材の前記基部の前記他端側に、 当該第 3の前記ァクチユエ一タ部材 の揺動軸が前記第 1及び前記第 2の前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸と異なるよ うに固定し、

前記作用部材は、 前記第 3の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記他端側 に固定され、

前記多自由度ァクチユエータは、 3自由度を有する請求項 1 0記載の触覚ディ スプレイ装置。

1 3 . それぞれの前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の一端側を前記基台に固 定し、

前記多自由度ァクチユエータは、 一端側をそれぞれの前記基部の前記他端側に 回転可能に連結し、 他端側を回転可能に相互に連結し合う複数の連結部材をさら に備え、

前記作用部材は、 一の前記連結部材の前記他端側に固定され、 且つ、 他の前記 連結部材の前記他端側に回転可能に連結される請求項 1〜 8の何れか一項に記載 の触覚ディスプレイ装置 _P

1 4 . 前記ァクチユエータ部材及ぴ前記連結部材は、 それぞれ 2個であり、 それぞれの前記ァクチユエータ部材の摇動軸は、 平行であり、 それぞれの前記連結部材の前記一端側は、 前記ァクチユエータ部材の摇動軸に 平行な軸回りに回転可能に連結され、

それぞれの前記連結部材の前記他端側は、 前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸に 平行な軸回りに回転可能に相互に連結し合う請求項 1 3記載の触覚ディスプレイ 装置。

1 5 . 前記ァクチユエ一タ部材及び前記連結部材は、 それぞれ 3個であり、 それぞれの前記連結部材の前記一端側は、 それぞれの前記基部の前記他端側に ボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して連結され、

それぞれの前記連結部材の前記他端側は、 ボールジョイント又はユニバーサル ジョイントを介して相互に連結し合う請求項 1 3記載の触覚ディスプレイ装置。

1 6 . 前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸回りにおいて、 前記基台面上のうち前 記基部の前記一端側と前記基台との固定位置から他の前記基部に近接する方向を 零度と規定し、 前記基部が前記基台面上に垂直となる状態を 9 0度と規定した場 合に、

前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸回りにおける前記基部と前記基台面とのなす 角度は、 3 0〜6 0度の範囲である請求項 1 3〜1 5の何れか一項に記載の触覚 ディスプレイ装置。

1 7 . 前記圧電素子に電圧を印加していない状態において、 一の前記連結部材 と他の前記連結部材とは、 屈曲した状態となる請求項 1 3〜1 6の何れか一項に 記載の触覚デイスプレイ装置。 -,.

1 8 . 前記圧電素子に電圧を印加していない状態において、 前記連結部材の長 さに対するそれぞれの前記連結部材の前記一端側の離間距離の割合は、 1 . 0〜 2 . 0の範囲である請求項 1 3〜1 7の何れか一項に記載の触覚ディスプレイ装 置。

1 9 . 基台に対して少なくとも 2自由度を有する作用部材を備える多自由度ァ クチユエータであって、

ァクチユエ一タ部材を複数備え、

前記ァクチユエ一タ部材は、 たわみ変形可能な基部と、 前記基部の少なくとも 一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより前記基部の一端側に対して他 端側を揺動自在に駆動する圧電素子と、 を備えることを特徴とする多自由度ァク チユエータ。

2 0 . 一の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を他の前記ァクチ ユエ一タ部材の前記基部の前記他端側に、 当該一の前記ァクチユエータ部材の摇 動軸が当該他の前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸と異なるように固定する請求項 1 9記載の多自由度ァクチユエータ。

2 1 . 第 1の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を前記基台に固 定し、

第 2の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を前記第 1の前記ァク チュエータ部材の前記基部の前記他端側に、 当該第 2の前記ァクチユエ一タ部材 の揺動軸が前記第 1の前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸と異なるように固定し、 前記作用部材は、 前記第 2の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記他端側 に固定され、

前記多自由度ァクチユエータは、 2自由度を有する請求項 2 0記載の多自由度 ァクチュ: タ。

2 2 . 前記第 2の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を前記第 1 の前記ァクチユエータ部材の前記基部の前記他端側に、 前記第 2の前記ァクチュ エータ部材の揺動軸が前記第 1の前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸に対して直交 するように固定する請求項 2 1記載の多自由度ァクチユエータ。

2 3 . 第 1の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を前記基台に固 定し、

第 2の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を前記第 1の前記ァク チユエータ部材の前記基部の前記他端側に、 当該第 2の前記ァクチユエ一タ部材 の揺動軸が前記第 1の前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸と異なるように固定し、 第 3の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を前記第 2の前記ァク チュエータ部材の前記基部の前記他端側に、 当該第 3の前記ァクチユエ一タ部材 の揺動軸が前記第 1及び前記第 2の前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸と異なるよ うに固定し、

前記作用部材は、 前記第 3の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記他端側 に固定され、

前記多自由度ァクチユエータは、 3自由度を有する請求項 2 0記載の多自由度 ァクチユエータ。

2 4 . 前記第 2の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を前記第 1 の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記他端側に、 当該第 2の前記ァクチュ エータ部材の揺動軸が前記第 1の前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸に対して直交 するよう'に固定し、

前記第 3の前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の前記一端側を前記第 2の前記 ァクチユエータ部材の前記基部の前記他端側に、 当該第 3の前記ァクチユエータ 部材の摇動軸が前記第 1及び前記第 2の前記ァクチユエータ部材の摇動軸に対し て直交するように固定する請求項 2 3記載の多自由度ァクチユエータ。

2 5 . それぞれの前記ァクチユエ一タ部材の前記基部の一端側を前記基台に固 定し、

前記多自由度ァクチユエータは、 一端側をそれぞれの前記基部の前記他端側に 回転可能に連結し、 他端側を回転可能に相互に連結し合う複数の連結部材をさら に備え、

前記作用部材は、 一の前記連結部材の前記他端側に固定され、 且つ、 他の前記 連結部材の前記他端側に回転可能に連結される請求項 1 9記載の多自由度ァクチ

2 6 . 前記ァクチユエ一タ部材及び前記連結部材は、 それぞれ 2個であり、 それぞれの前記ァクチュエータ部材の揺動軸は、 平行であり、

それぞれの前記連結部材の前記一端側は、 前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸に 平行な軸回りに回転可能に連結され、

それぞれの前記連結部材の前記他端側は、 前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸に 平行な軸回りに回転可能に相互に連結し合う請求項 2 5記載の多自由度ァクチュ エータ。

2 7 . 前記ァクチユエ一タ部材及び前記連結部材は、 それぞれ 3個であり、 それぞれの前記連結部材の前記一端側は、 それぞれの前記基部の前記他端側に ボールジョイント又はユニバーサルジョイントを介して連結され、

それぞれの前記連結部材の前記他端側は、 ボールジョイント又はユニバーサル ジョイントを介して相互に連結し合う請求項 2 5記載の多き由度ァクチユエータ。

2 8 . 前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸回りにおいて、 前記基台面上のうち前 記基部の前記一端側と前記基台との固定位置から他の前記基部に近接する方向を 零度と規定し、 前記基部が前記基台面上に垂直となる状態を 9 0度と規定した場 合に、

前記ァクチユエ一タ部材の揺動軸回りにおける前記基部と前記基台面とのなす 角度は、 3 0〜6 0度の範囲である請求項 2 5〜2 7の何れか一項に記載の多自 由度ァクチユエータ。

2 9 . 前記圧電素子に電圧を印加していない状態において、 一の前記連結部材 と他の前記連結部材とは、 屈曲した状態となる請求項 2 5〜 2 8の何れか一項に 記載の多自由度ァクチユエータ。

3 0 . 前記圧電素子に電圧を印加していない状態において、 前記連結部材の長 さに対するそれぞれの前記連結部材の前記一端側の離間距離の割合は、 1 . 0〜

2 . 0の範囲である請求項 2 5〜2 9の何れか一項に記載の多自由度ァクチユエ ータ。

3 1 . 前記作用部材の目標移動量及び前記圧電素子に印加している現在電圧値 に基づいて、 ニューラルネットワークを用いて電圧変化量を算出する電圧変化量 算出部と、

前記電圧変化量を積分して前記圧電素子に印加すべき電圧値を算出し、 前記圧 電素子に印加する電圧印加部と、

を備える請求項 1 9〜3 0の何れか一項に記載の多自由度ァクチユエータ。

3 2 . 基台に対して少なくとも直交 2軸方向に移動可能な第 1作用部材を有す る第 1の多自由度ァクチユエータと、

前記基台に対して少なくとも前記直交 2軸方向に移動可能な第 2作用部材を有 する第 2の多自由度ァクチユエータと、

前記第 1作用部材に連結される第 1把持部材と、

前記第 2作用部材に連結される第 2把持部材と、

を備え、

前記第 1の多自由度ァクチユエータ及び前記第 2の多自由度ァクチユエータの 少なくとも何れか一方は、

ァクチユエ一タ部材を複数備え、

前記ァクチユエ一タ部材は、 たわみ変形可能な基部と、 前記基部の少なくとも 一方面に配置され且つ電圧が印加されることにより前記基部の一端側に対して他 端側を揺動自在に駆動する圧電素子と、 を備えることを特徴とするハンドリング 装置。