WO2010058538A1 - 力覚提示装置 - Google Patents

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WO2010058538A1
WO2010058538A1 PCT/JP2009/006021 JP2009006021W WO2010058538A1 WO 2010058538 A1 WO2010058538 A1 WO 2010058538A1 JP 2009006021 W JP2009006021 W JP 2009006021W WO 2010058538 A1 WO2010058538 A1 WO 2010058538A1
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actuator
piezoelectric vibrator
force sense
medium
pressure plate
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PCT/JP2009/006021
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English (en)
French (fr)
Inventor
村田一仁
山本満
Original Assignee
日本電気株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user

Definitions

  • the present invention relates to a force sense presentation device capable of causing a human hand or finger to perceive a force sense.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2008-298127 for which it applied on November 21, 2008, and uses the content here.
  • a haptic device that uses information (tactile sensation) when touching an object or reaction force (force sensation) from the object to provide information is effective in improving the operability of the interface and the perception and understanding of information. It is expected to be applied to various vocational technology training, virtual reality technology, telemedicine, game machines, etc.
  • the haptic presentation device has been proposed by various methods and structures.
  • a haptic presentation device that can make a human hand or finger perceive a haptic sense using a liquid as a medium
  • the thing which reproduces the vibration feeling concerning the fingertip which is contacting the object like patent document 1 is known.
  • the force sense presentation device disclosed in Patent Document 1 generates a pulse pressure in an electrorheological fluid by a pump, and applies a voltage applied to an electrode of an electrode group provided for a conductive rubber serving as a contact surface to a fingertip. It controls the viscosity of the electrorheological fluid and the pressure and cycle of the pulse pressure to present a sense of the shape of the contact object.
  • the force sense presentation device disclosed in Patent Document 2 has an electromagnet disposed between a large number of bag bodies in which a fluid is sealed, and an interval between the bag bodies is reduced by an attractive force or a repulsive force acting between adjacent electromagnets. By narrowing or widening, the shape and surface pressure of the part that contacts the hand or finger are changed.
  • the shape of the touched object and the touch feeling are only presented by the vibration of the actuator, and the displacement of the force sense presentation unit driven by the actuator is perceived as a force sense by humans. Not as big as possible.
  • An object of the present invention is to provide a force sense presentation device capable of causing a human hand or finger to perceive a force sense in order to solve the above-described problems.
  • the present invention is a force sense presentation device that allows a user to perceive a force sense through a pressure plate in a direction in which the diameter expands and contracts by application of an alternating electric field.
  • a force sense presentation device including a cylindrical actuator that vibrates, a liquid medium that propagates vibrations of the actuator, and the pressure plate that vibrates due to pressure and displacement propagating in the medium.
  • the medium between the actuator and the pressure plate a liquid, it is possible to increase the displacement of the force sense presentation unit driven by the actuator.
  • FIG. 3 is a plan view taken along the line BB in FIG. It is operation
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the force sense presentation device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view taken along the line BB in FIG. 3A and 3B are operation explanatory views of the hollow cylindrical piezoelectric vibrator used in the force sense presentation device of FIG. 1
  • FIG. 3A is a plan view of the hollow cylindrical piezoelectric vibrator
  • FIG. 3B is a hollow cylindrical piezoelectric vibrator.
  • reference numeral 41 denotes a hollow cylindrical piezoelectric vibrator (actuator)
  • reference numeral 42 denotes a lower structure (lower housing)
  • reference numeral 43 denotes an elastic member
  • reference numeral 44 denotes an upper structure (upper housing)
  • reference numeral 46a, 46b is a pressure plate
  • 47 is a medium (liquid).
  • the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41 forms electrodes (not shown) on the inner peripheral surface and outer peripheral surface of a piezoelectric material formed in a hollow cylindrical shape, and applies an AC voltage to the two electrodes to thereby apply the piezoelectric material. It is designed to be deformed and vibrated. As shown in FIGS. 3A and 3B, the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41 is polarized in the radial direction (the direction of the arrow in FIGS. 3A and 3B), and an AC is applied to the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the hollow cylinder. When an electric field is applied (electrodes are not shown), it vibrates in the direction in which the diameter expands and contracts as shown by the dotted line in FIG. This vibration mode is called a breathing mode.
  • the force sense presentation device of the present embodiment is manufactured by, for example, the following method.
  • the pressure plate 46a or 46b is fixed to one of the upper and lower surfaces in the axial direction of the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41 by bonding or the like, and the medium 47 is put inside the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41.
  • the surface also fixes the pressure plate 46a or 46b by bonding or the like.
  • the medium 47 is sealed in a closed space formed by the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41 and the pressure plates 46a and 46b.
  • the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41 enclosing the medium 47 is placed on the lower structure 42, and the elastic member 43 is placed in the gap between the outer periphery of the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41 and the lower structure 42.
  • the upper structure 44 is placed on the nip, and is fastened and fixed with screws (not shown). However, the tightening force of the screw is set so as not to restrain the vibration of the piezoelectric vibrator 41.
  • the method described above is merely an example of the method for injecting the medium 47 into the closed space formed by the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41 and the pressure plates 46a and 46b, and is not limited to this method. Absent.
  • Examples of the piezoelectric material of the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41 include lead zirconate titanate, crystal, lithium niobate, barium titanate, lead titanate, lead metaniobate, lead zinc niobate, and lead scandium niobate. Although not limited to these materials.
  • the pressure plates 46a and 46b a rubber material such as silicon or fluorine, a thin metal plate such as stainless steel or aluminum, a resin material such as PET, or a composite material obtained by depositing aluminum on a PET film may be used. However, it is not limited to these materials.
  • examples of the liquid used as the medium 47 include water and an antifreeze solution such as propylene glycol, but are not limited thereto.
  • the fixing method of the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41 and the pressure plates 46a and 46b is not limited to adhesion.
  • the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41 Since the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41 has a property of deforming in a direction in which the diameter expands and contracts when a voltage is applied, the state in which the diameter is expanded and the state in which the diameter contracts are alternately repeated when an AC electric field is applied. ,Vibrate. At this time, the displacement of the medium in contact with the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41 causes a change in density (volume), so that a change in pressure occurs, thereby causing a displacement of the medium at the next moment. Become. Due to this chain of processes, pressure and displacement propagate as waves.
  • V is the volume of the region between AB
  • ⁇ V is the change in volume
  • K is the bulk modulus.
  • the speed of sound v transmitted through the pipe is determined by density ⁇ and bulk modulus K.
  • the drive frequency of the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 41 to a low frequency region of about 10 Hz, when the pressure plates 46a and 46b are touched with a finger or hand, it is perceived as a force sensation rather than a sense of vibration. It is possible.
  • a low frequency region of 10 Hz or less can be used as the driving frequency. If the amplitude is large and the frequency is small, a feeling of pressing (force sense) can be obtained. For example, if the driving frequency is 1 Hz or more and 10 Hz or less, the sense of force can be perceived with certainty.
  • FIG. 5A and 5B are a plan view (FIG. 5A) and a cross-sectional view (FIG. 5B) of a hollow cylindrical piezoelectric vibrator used in the force sense presentation device according to the second embodiment of the present invention.
  • the difference from the first embodiment is that in the first embodiment, the piezoelectric vibrator is polarized in the radial direction, whereas in the present embodiment, each divided in the circumferential direction.
  • the piezoelectric vibrator is polarized in the circumferential direction.
  • the piezoelectric vibrator divided into eight in the circumferential direction includes each piezoelectric material 45 and electrodes 50 (50 a and 50 b) disposed between the piezoelectric materials 45. Yes. An AC voltage is applied to each of the divided piezoelectric materials 45 via the electrodes 50a and 50b. Each piezoelectric material 45 is deformed and vibrated by this AC voltage to function as a piezoelectric vibrator. Piezoelectric vibrators divided into eight in the circumferential direction are alternately arranged with divided piezoelectric vibrators 48a polarized in the clockwise direction and divided piezoelectric vibrators 48b polarized in the counterclockwise direction.
  • Each of the divided piezoelectric vibrators 48 a and 48 b is fixed with the electrode 50 interposed therebetween to form a hollow cylindrical piezoelectric vibrator 49.
  • the eight electrodes 50 constituting the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 49 also have a structure in which the electrodes 50a and 50b are alternately arranged. When an AC electric field is applied between the electrode 50a and the electrode 50b, the state in which the diameter is expanded and the state in which the diameter is contracted are alternately repeated to vibrate in the breathing mode.
  • the upper and lower surfaces in the axial direction of the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 49 are fixed as pressure plates (not shown) by bonding or the like, and the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 49 is fixed. And a medium (liquid) is enclosed in a closed space formed by the pressure plate.
  • the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 49 filled with a medium is placed on the lower structure, and the gap between the outer periphery of the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 49 and the lower structure is placed.
  • the upper member is placed on the elastic member, and is fastened and fixed with a screw (not shown) to complete the force sense presentation device.
  • the liquid used as the material and medium of the pressure plate is the same as that described in the first embodiment.
  • the driving frequency of the hollow cylindrical piezoelectric vibrator 49 is set to a low frequency region of about 10 Hz, so that it does not feel like vibration when the pressure plate is touched with a finger or hand. It can be perceived as a force sense.
  • the cylindrical piezoelectric vibrator is used as the actuator, but an actuator having a principle and structure other than this may be used.
  • the upper and lower surfaces in the axial direction of the cylindrical actuator are used as pressure plates and the medium is enclosed in a closed space formed by the cylindrical actuator and the pressure plate, the structure for enclosing the medium is not limited to this.
  • the structure of the housing for fixing the actuator and the pressure plate can be variously changed based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
  • the present invention is used for an output interface of a portable terminal or the like, a tactile force display such as a virtual reality, or the like.

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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

力覚提示装置
　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＝ρｖ２　　　　　　　　　　　　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／ｍ３、空気の密度１．２９ｋｇ／ｍ３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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