WO2019142619A1 - 触感提示装置 - Google Patents

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悠二 米原
雅俊 島田
藤原　武史
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豊田合成株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/857—Macromolecular compositions

Definitions

  • the present invention relates to a tactile sense presentation device.
  • the contact part is driven to physically stimulate the skin, and through the sense receptors (receptor cells) of the skin, the sense of touch, which is the sense of touching the thing in a pseudo manner, or the sense being pressed by the thing Give the user a sense of pressure.
  • the tactile sense presentation device of Patent Document 1 includes an eccentric motor for driving the contact portion.
  • the eccentric motor vibrates the contact portion to physically stimulate the skin with which the contact portion is in contact.
  • Patent Documents 2 and 3 disclose a tactile sense presentation device including a piezoelectric element or a polymer actuator for driving a contact portion. By applying a voltage of a predetermined frequency to the piezoelectric element or the polymer actuator, the contact portion vibrates, and it becomes possible to physically stimulate the skin with which the contact portion is in contact.
  • Rufini terminal and Pacinian bodies located relatively deep in the skin As sensory receptors of the skin, Rufini terminal and Pacinian bodies located relatively deep in the skin, and Merkel cells and Meissner bodies located relatively shallowly in the skin are known. Each of these sensory receptors differs in the frequency and displacement amount (amplitude) of the vibration that can respond to the physical stimulus of the vibration of the contact portion.
  • the minimum value in the transition of the minimum value of the amplitude of vibration to which Ruffini terminal (L3) and Pacinian corpuscle (L4) located relatively deep in the skin can respond is relatively small.
  • the minimum value in the transition of the minimum value of the amplitude of vibration to which Merkel cells (L1) and Meissner bodies (L2) in relatively shallow positions on the skin can react is relatively large.
  • the tactile sensation presentation device responds to various sensory receptors, particularly sensory receptors located relatively in the skin such as Merkel cells and Meissner's bodies. It is desirable to give possible physical stimulation (vibration).
  • Patent Documents 2 and 3 do not disclose the specific structure of the piezoelectric element and the polymer actuator, so that the sensory element such as the Merkel cell and the Meissner body can be obtained by using the piezoelectric element and the polymer actuator. It is unclear whether it can be vibrated to be reactive. Further, since the eccentric motor of Patent Document 1 is large and heavy, the weight of the eccentric motor itself affects the vibration of the contact portion. Therefore, it is difficult to vibrate the contact portion so as to exhibit a desired tactile sensation via sensory receptors such as Merkel cells and Meissner's bodies.
  • An object of the present invention is to provide a tactile sensation presentation device capable of giving physical stimuli to which sensory receptors located relatively in a shallow part of the skin such as Merkel cells and Meissner bodies among the sensory receptors of the skin can respond. It is to do.
  • the tactile sensation providing device includes a contact portion contacting the skin, a polymer actuator driving the contact portion, and a control device for applying a voltage to the polymer actuator.
  • the tactile sensation presentation device presents a tactile sensation on the skin by driving the contact portion with the polymer actuator through application of a voltage by the controller to the polymer actuator.
  • the polymer actuator is configured to be capable of displacing the contact portion by at least 100 ⁇ m when the frequency of the applied voltage is 1 to 30 Hz.
  • the contact portion driven by the polymer actuator vibrates in a low frequency region of 1 to 30 Hz and the amplitude of the vibration (displacement amount Is at least 100 ⁇ m, and such contact vibration is given to the skin as a physical stimulus.
  • the contact portion can give vibration (physical stimulation) to which the sensor can respond to sensory receptors such as Merkel cells and Meissner bodies in the skin. Since the polymer actuator is small and light, the tactile sense presentation device can be made small and lightweight, and the influence of the weight of the polymer actuator on the vibration of the contact portion can be suppressed.
  • the polymer actuator is preferably configured to be capable of displacing the contact portion by at least 100 ⁇ m when the frequency of the applied voltage is 1 to 100 Hz.
  • the controller may be capable of applying a voltage of at least 1200 v at a frequency of 1-30 Hz to the polymer actuator.
  • the polymer actuator may be driven to displace the contact portion in a direction perpendicular to the skin by expanding and contracting in a direction perpendicular to the skin.
  • the polymer actuator includes a laminate of a dielectric elastomer layer and a conductive rubber layer disposed on both sides of the dielectric elastomer layer so that the dielectric elastomer layer and the conductive rubber layer alternately overlap in the thickness direction,
  • the dielectric elastomeric layer may be configured to stretch in a thickness direction through the application of a voltage to the layer.
  • the dielectric elastomer layer and the conductive rubber layer can be formed thin, even if the dielectric elastomer layer and the conductive rubber layer are laminated alternately in the thickness direction, the polymer actuator is enlarged Because the user does not have it, the user can wear and use the tactile sensation device.
  • the dielectric elastomer layer is preferably formed of a crosslinked polyrotaxane having a dielectric constant higher than that of other elastomers from the viewpoint of downsizing and weight reduction of the device.
  • the tactile sense presentation device further includes a flexible base attached to the human body to be in contact with the skin, and the contact portion is supported by the polymer actuator on the side of the base opposite to the side in contact with the skin.
  • the substrate may have a hole, and the contact portion may have a stem that penetrates the hole of the substrate and contacts the skin.
  • the polymer actuator may have a hole communicating with the hole of the substrate, and the shaft of the contact portion may penetrate through the hole of the substrate and the hole of the polymer actuator.
  • (A) And (b) is sectional drawing along arrow AA of the glove of FIG.
  • the side surface schematic diagram which shows the dielectric elastomer layer and the 1st conductive rubber layer and the 2nd conductive rubber layer of a polymer actuator.
  • the graph which shows the change of the amplitude (displacement amount) of the dielectric elastomer layer with respect to the change of the frequency, when the voltage of predetermined frequency is applied with respect to a 1st conductive rubber layer and a 2nd conductive rubber layer.
  • the graph which shows the change of the minimum value of the amplitude (displacement amount) of the vibration which a Merkel cell, a Meissner body, a Rufini terminal, and a Pacinian body can respond to the change of the frequency of a vibration, respectively.
  • the tactile sense presentation device 1 shown in FIG. 1 is a control device that controls the glove 2 attached to the hand of the user (human body), the polymer actuator 4 attached to the base cloth 3 of the glove 2 and the polymer actuator 4 5 and an array of force sense presentation members 6 driven by the polymeric actuator 4.
  • the base cloth 3 of the glove 2 is formed of a flexible material, and serves as a base attached to the human body so as to be in contact with the skin of the user's hand.
  • the tactile sense presentation device 1 drives the array of the force sense presentation members 6 with the polymer actuator 4 through the application of a voltage to the polymer actuator 4 by the controller 5, and the user's hand is driven by the array of the force sense presentation members Provide a tactile sensation on the skin of
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the glove 2 of FIG. 1 along arrow AA.
  • the force sense presentation member 6 includes a flat plate portion 6 a and a shaft portion 6 b projecting from the flat plate portion 6 a.
  • the flat plate portion 6 a is supported by the polymer actuator 4 on the surface opposite to the surface contacting the skin of the base fabric 3 of the glove 2.
  • the shaft portion 6 b protrudes from the flat plate portion 6 a to the base fabric 3 side.
  • the polymer actuator 4 is located between the base fabric 3 and the flat plate portion 6 a of the force feedback member 6, and is fixed to the base fabric 3 and the flat plate portion 6 a.
  • the polymer actuator 4 and the base fabric 3 have holes 7 and 8 respectively, and the holes 7 and 8 communicate with each other.
  • the shaft 6 b of the force feedback member 6 penetrates the holes 7 and 8 to contact the skin of the user's hand.
  • the force sense presentation member 6 provided with such an axial portion 6 b plays a role as a contact portion in contact with the skin.
  • the polymer actuator 4 includes a plurality of dielectric elastomer layers 9 and a first conductive rubber layer 10 and a second conductive layer disposed on both sides of each dielectric elastomer layer 9 to constitute positive and negative electrodes. And a rubber layer 11.
  • the polymer actuator 4 is provided with a protective layer 12 covering the first conductive rubber layer 10 positioned uppermost in the drawing, and a protective layer 13 covering the second conductive rubber layer 11 positioned lowermost. There is.
  • a polymer actuator 4 with a thickness of about 21 mm is used in which three actuator units with a thickness of about 7 mm are stacked.
  • Each actuator unit comprises 100 layers of dielectric elastomer layer 9.
  • Each dielectric elastomer layer 9 and the protective layers 12, 13 were made of a crosslinked polyrotaxane about 50 ⁇ m thick.
  • the first conductive rubber layer 10 and the second conductive rubber layer 11 were made of a conductive silicone elastomer having a thickness of about 20 ⁇ m.
  • the application of the voltage to the polymer actuator 4 is performed by the controller 5 shown in FIG.
  • the control device 5 has rectangular wave data in which the magnitude of the applied voltage is a change amount based on time in the storage unit 5a, and based on the data, the control device 5 determines the static electricity in the first conductive rubber layer 10 and the second conductive rubber layer 11. Apply a voltage either periodically or periodically.
  • the control device 5 of the present embodiment can output at least 1200 v of square wave at least over 1 Hz to 100 Hz.
  • the object By physically stimulating the skin by driving the force sense presentation member 6 (shaft 6b) with the polymer actuator 4, the object is artificially touched via the skin's sensory receptors (receptor cells)
  • a sense of touch which is a sense, or a sense of pressure, which is a sense that is pressed by an object, is given.
  • the tactile sensation presented to the skin of the user's hand at this time corresponds to the rectangular waveform data stored in the storage unit 5 a of the control device 5. Therefore, the tactile sensation presented to the skin of the user's hand by the tactile sensation presentation device 1 can be changed by rewriting the waveform data stored in the storage unit 5 a of the control device 5.
  • FIG. 4 shows a case where a rectangular wave of 1200 V is applied at each frequency of 0.1 Hz, 1 Hz, 10 Hz, 20 Hz, 30 Hz, and 100 Hz to the actuator unit having 100 dielectric elastomer layers 9 used in the present embodiment.
  • the displacement amount (amplitude) of the polymer actuator 4 since the polymer actuator 4 in which three actuator units are stacked is used, the polymer actuator 4 is in contact with the skin at a thinness of about 21 mm and an applied voltage of up to 1200 v over 0.1 Hz to 100 Hz. It is possible to give an amplitude of 100 ⁇ m or more to the shaft 6b. Therefore, in the present embodiment, the vibration of the shaft 6b can be presented as a tactile sensation through Merkel cells or Meissner bodies.
  • the tactile sense presentation device 1 can be made small and lightweight, and the weight of the polymer actuator 4 can be prevented from affecting the vibration of the force sense presentation member 6 It will be as well.
  • the force sense presentation member 6 driven by the polymer actuator 4 vibrates with an amplitude of 100 ⁇ m or more over 0.1 Hz to 100 Hz, and such vibration of the force sense presentation member 6 acts as a physical stimulus to the skin Given.
  • the vibration of the force sense presentation member 6 at this time is a vibration to which Merkel cells and Meissner bodies in the skin can react (vibration in a region shown by hatching in FIG. 5). For this reason, it is possible to give a physical stimulus that can respond to Merkel cells and Meissner bodies in the skin using the tactile sense presentation device 1.
  • the polymer actuator 4 applies the voltage to the first conductive rubber layer 10 and the second conductive rubber layer 11 provided on both sides of the dielectric elastomer layer 9 to make the thickness of the dielectric elastomer layer 9, in other words, the skin
  • the force sense display member 6 is displaced in a direction perpendicular to the skin of the user's hand by extension and contraction in a direction orthogonal to the direction with which the force sense presentation member 6 is moved.
  • the force sense presentation member 6 driven by the polymer actuator 4 is displaced in the direction orthogonal to the skin, the vibration (displacement) of the force sense presentation member 6 through the drive by the polymer actuator 4 is applied to the skin It becomes easy to give as a physical stimulus.
  • the polymer actuator 4 has a dielectric elastomer layer 9 and a first conductive rubber layer 10 and a second conductive rubber layer 11 provided on both sides of the dielectric elastomer layer 9, and the first conductive rubber layer 10 and The second conductive rubber layers 11 are alternately stacked in the thickness direction with the dielectric elastomer layer 9 interposed therebetween.
  • the polymer actuator 4 stretches the dielectric elastomer layer 9 in the thickness direction through application of a voltage to the first conductive rubber layer 10 and the second conductive rubber layer 11.
  • the dielectric elastomer layer 9 and the first conductive rubber layer 10 and the second conductive rubber layer 11 can be formed thin, the combination of the dielectric elastomer layer 9 and the first conductive rubber layer 10 and the second conductive rubber layer 11 is thick Even if stacked in the longitudinal direction, the polymer actuator 4 does not increase in size, so the user can wear the tactile sensation presentation device 1 and use it.
  • the above embodiment can be modified, for example, as follows.
  • the tactile sense presentation device 1 is not limited to the glove type worn on the user's hand, for example, a rod type grip held by the user's hand or a hand placed on the fixed base. It may be a deferred type.
  • the tactile sense presentation device 1 may be attached to a steering wheel or the like of a vehicle. In this case, the presentation of the tactile sensation on the skin of the user's hand by the tactile sensation presentation device 1 can be used as a warning or notification to the user.
  • the value of the voltage that can be applied to the polymer actuator 4 by the control device 5 is not limited to at least 1200 v, and may be changed as appropriate.
  • the thicknesses of the dielectric elastomer layer 9 and the first conductive rubber layer 10 and the second conductive rubber layer 11 in the polymer actuator 4 may be changed as appropriate.
  • the length in the thickness direction of the polymer actuator 4 is preferably 5 cm or less, and more preferably 3 cm or less.
  • An eccentric motor or the like for driving the force sense presentation member 6 may be provided separately from the polymer actuator 4, and the force sense presentation member 6 may be driven (vibrated) by the eccentric motor or the like in a high frequency region such as 100 Hz or more.
  • a tactile sensation as a sensor that detects the action of the force based on the change in capacitance generated between the conductive rubber layers 10 and 11
  • the presentation device 1 may be used.
  • SYMBOLS 1 tactile sense presentation apparatus, 2 ... glove, 3 ... base cloth, 4 ... polymer actuator, 5 ... control device, 5a ... storage part, 6 ... force sense presentation member, 6a ... flat part, 6b ... axis part, 7 ... Hole 8 8 hole 9 dielectric elastomer layer 10 first conductive rubber layer 11 second conductive rubber layer 12 protective layer 13 protective layer.

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Abstract

触感提示装置１は、ユーザーの手に装着されるグローブ２と、グローブ２の基布３に取り付けられている高分子アクチュエータ４と、高分子アクチュエータ４を制御する制御装置５と、高分子アクチュエータ４によって駆動される力覚提示部材６のアレイと、を備えている。触感提示装置１は、制御装置５による高分子アクチュエータ４に対する電圧の印加を通じて高分子アクチュエータ４で力覚提示部材６を駆動し、その力覚提示部材６の駆動によりユーザーの手の皮膚に対する触感の提示を行う。高分子アクチュエータ４は、印加される電圧の周波数が１～３０Hzであるときに、より好ましくは１～１００Hzであるときに、力覚提示部材６を少なくとも１００μm変位させることが可能である。

Description

触感提示装置
　本発明は、触感提示装置に関する。
　特許文献１に示されるように、皮膚に対する触感の提示を行う触感提示装置は、皮膚に接触する接触部を備える。その接触部が駆動されて皮膚を物理的に刺激することにより、皮膚の感覚受容器（受容細胞）を介して、擬似的に物に触れている感覚である触覚や物に圧されている感覚である圧覚をユーザーに与える。
　特許文献１の触感提示装置は、接触部を駆動するための偏心モータを備える。その偏心モータが接触部を振動させることによって同接触部が接触する皮膚に対し物理的に刺激を与えている。特許文献２、３には、接触部を駆動するための圧電素子や高分子アクチュエータを備えた触感提示装置が開示されている。圧電素子や高分子アクチュエータに対し所定周波数の電圧を印加することによって、接触部が振動し、同接触部が接触する皮膚に対し物理的に刺激を与えることが可能となる。
　皮膚の感覚受容器としては、皮膚の比較的深い位置にあるルフィニ終末及びパチニ小体、ならびに皮膚の比較的浅い位置にあるメルケル細胞及びマイスナー小体が知られている。これらの感覚受容器はそれぞれ、接触部の振動という物理的な刺激に対し、反応し得る振動の周波数及び変位量（振幅）が異なっている。
　図５における実線Ｌ１、破線Ｌ２、一点鎖線Ｌ３、及び二点鎖線Ｌ４はそれぞれ、接触部の振動という物理的な刺激に関し、振動の周波数変化に伴うメルケル細胞（Ｌ１）、マイスナー小体（Ｌ２）、ルフィニ終末（Ｌ３）、及びパチニ小体（Ｌ４）が反応し得る接触部の振動の振幅の最小値の推移を表している。
　図５に示されるように、皮膚の比較的深い位置にあるルフィニ終末（Ｌ３）及びパチニ小体（Ｌ４）が反応し得る振動の振幅の最小値の推移における最小値は比較的小さい。一方、皮膚の比較的浅い位置にあるメルケル細胞（Ｌ１）及びマイスナー小体（Ｌ２）が反応し得る振動の振幅の最小値の推移における最小値は比較的大きい。触感提示装置には、皮膚に対し提示する触感の多様性を確保する観点から、各種の感覚受容器、特にメルケル細胞及びマイスナー小体などの比較的皮膚の浅いところに位置する感覚受容器が反応し得る物理的な刺激（振動）を与えることが望まれている。
特開２０１０－３３１２号公報 特開２０１７－２０１５３３号公報 特許第４９５５６１８号公報
　しかし、特許文献２、３には圧電素子及び高分子アクチュエータの具体的な構造が開示されていないため、それら圧電素子及び高分子アクチュエータによって接触部をメルケル細胞及びマイスナー小体などの感覚受容器が反応し得るよう振動させることができるかどうかは不明である。また、特許文献１の偏心モータは大きく且つ重いため、偏心モータ自身の重さが接触部の振動に影響を与える。そのため、メルケル細胞及びマイスナー小体などの感覚受容器を介して目的とする触感を呈するように接触部を振動させることは難しい。
　本発明の目的は、皮膚の感覚受容器のうちメルケル細胞及びマイスナー小体などの比較的皮膚の浅いところに位置する感覚受容器が反応し得る物理的刺激を与えることができる触感提示装置を提供することにある。
　以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
　本発明の一態様によれば、触感提示装置は、皮膚に接触する接触部と、上記接触部を駆動する高分子アクチュエータと、上記高分子アクチュエータに電圧を印加するための制御装置とを備える。上記触感提示装置は、上記高分子アクチュエータに対する上記制御装置による電圧の印加を通じて上記高分子アクチュエータで上記接触部を駆動することにより、皮膚に対する触感の提示を行う。上記高分子アクチュエータは、印加される電圧の周波数が１～３０Hzであるときに上記接触部を少なくとも１００μm変位させることが可能となるよう構成されている。
　この構成によれば、高分子アクチュエータに対し１～３０Hzという周波数の電圧を印加すると、高分子アクチュエータによって駆動される接触部が１～３０Hzという低周波数領域で振動するとともに、振動の振幅（変位量）が少なくとも１００μmとなり、そうした接触部の振動が皮膚に対し物理的な刺激として与えられる。これにより、皮膚におけるメルケル細胞及びマイスナー小体などの感覚受容器に対し、それらが反応し得る振動（物理刺激）を上記接触部によって与えることができる。高分子アクチュエータは小さく且つ軽いため、触感提示装置を小型且つ軽量にすることができるとともに、高分子アクチュエータの重さが接触部の振動に影響を及ぼすことを抑制できるようにもなる。
　上記高分子アクチュエータは、印加される電圧の周波数が１～１００Hzであるときに接触部を少なくとも１００μm変位させることが可能となるよう構成されていることが好ましい。
　上記制御装置は、高分子アクチュエータに対し周波数１～３０Hzで少なくとも１２００ｖの電圧を印加することが可能なものであってもよい。
　上記触感提示装置において、高分子アクチュエータは、皮膚に対し直交する方向に伸縮することにより、前記接触部を皮膚に対し直交する方向に変位させるよう駆動されてもよい。
　この構成によれば、高分子アクチュエータで駆動された接触部が皮膚に対して直交する方向に変位するため、高分子アクチュエータによる駆動を通じて接触部の振動（変位）を皮膚に対し物理的な刺激として与えやすくなる。
　上記高分子アクチュエータは、誘電エラストマ層と、誘電エラストマ層及び導電ゴム層が厚さ方向に交互に重なるように誘電エラストマ層の両面に配置された導電ゴム層とからなる積層体を含み、導電ゴム層に対する電圧の印加を通じて前記誘電エラストマ層を厚さ方向に伸縮させるように構成されていてもよい。
　上記構成によれば、誘電エラストマ層及び導電ゴム層を薄く形成できるため、それら誘電エラストマ層及び導電ゴム層を厚さ方向に交互に重なるよう積層しても、高分子アクチュエータが大型化することはないため、ユーザーが触感提示装置を身に付けて用いることができる。
　上記高分子アクチュエータの上記厚さ方向の長さは５cm以下であってもよく、３cm以下であることがより好ましい。
　上記誘電エラストマ層は、他のエラストマより誘電率が高い架橋されたポリロタキサンによって形成されていることが、装置の小型化、軽量化の面から望ましい。
　上記触感提示装置は、皮膚に接するよう人体に取り付けられる柔軟な基材をさらに備え、上記接触部は、基材における皮膚と接触する面とは反対側の面に、上記高分子アクチュエータによって支持されており、基材は孔を有し、接触部は基材の孔を貫通して皮膚に接触する軸部を備えていてもよい。
　高分子アクチュエータは、基材の孔と連通する孔を有し、上記接触部の軸部は、基材の孔及び高分子アクチュエータの孔を貫通していてもよい。
　本発明によれば、皮膚の感覚受容器のうちメルケル細胞及びマイスナー小体などの比較的皮膚の浅いところに位置する感覚受容器が反応し得る物理的刺激を与えることができる。
触感提示装置全体を示す略図。 （ａ）及び（ｂ）は、図１のグローブの矢印Ａ－Ａに沿った断面図。 高分子アクチュエータの誘電エラストマ層並びに第１導電ゴム層及び第２導電ゴム層を示す側面模式図。 第１導電ゴム層及び第２導電ゴム層に対し所定周波数の電圧を印加したとき、その周波数の変化に対する誘電エラストマ層の振幅（変位量）の変化を示すグラフ。 振動の周波数の変化に対する、メルケル細胞、マイスナー小体、ルフィニ終末、及びパチニ小体がそれぞれ反応し得る振動の振幅（変位量）の最小値の変化を示すグラフ。
　以下、触感提示装置の一実施形態について、図１～図５を参照して説明する。
　図１に示す触感提示装置１は、ユーザー（人体）の手に装着されるグローブ２と、グローブ２の基布３に取り付けられている高分子アクチュエータ４と、高分子アクチュエータ４を制御する制御装置５と、高分子アクチュエータ４によって駆動される力覚提示部材６のアレイと、を備えている。上記グローブ２の基布３は、柔軟性を有する材料によって形成されており、ユーザーの手の皮膚に接するよう人体に取り付けられる基材としての役割を担う。触感提示装置１は、制御装置５による高分子アクチュエータ４に対する電圧の印加を通じて同高分子アクチュエータ４で力覚提示部材６のアレイを駆動し、その力覚提示部材６のアレイの駆動によりユーザーの手の皮膚に対する触感の提示を行う。
　図２は、図１のグローブ２の矢印Ａ－Ａに沿った断面図である。図２から分かるように、力覚提示部材６は、平板部６ａと、同平板部６ａから突出する軸部６ｂとを備えている。平板部６ａは、グローブ２の基布３の皮膚に接触する面とは反対側の面に、高分子アクチュエータ４によって支持されている。軸部６ｂは、平板部６ａから基布３側に突出している。高分子アクチュエータ４は、基布３と力覚提示部材６の平板部６ａとの間に位置しており、それら基布３及び平板部６ａに対し固定されている。高分子アクチュエータ４及び基布３はそれぞれ孔７及び孔８を有し、孔７と孔８とは連通している。力覚提示部材６の軸部６ｂは、それら孔７及び孔８を貫通してユーザーの手の皮膚に接触する。こうした軸部６ｂを備える力覚提示部材６は、皮膚に接触する接触部としての役割を担う。
　高分子アクチュエータ４は、図３に模式的に示すように、多数の誘電エラストマ層９と、各誘電エラストマ層９の両面に配置され正負の電極を構成する第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１とで構成されている。高分子アクチュエータ４には、図中における最も上側に位置する第１導電ゴム層１０を覆う保護層１２、及び、最も下側に位置する第２導電ゴム層１１を覆う保護層１３が設けられている。
　本実施形態では、厚さ約７mmのアクチュエータユニットを３つ積層した厚さ約２１mmの高分子アクチュエータ４を使用した。各アクチュエータユニットは、１００層の誘電エラストマ層９を含む。各誘電エラストマ層９及び保護層１２，１３は厚さ約５０μmの架橋されたポリロタキサンで作成した。第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１は厚さ約２０μmの導電性シリコンエラストマで作成した。
　第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１に正負の電圧を印加すると、各誘電エラストマ層９は両導電ゴム層１０，１１により圧縮変形させられ、それによって図２（ａ）に示すように高分子アクチュエータ４が積層方向に縮む。電圧の印加を中止すると、誘電エラストマ層９が復元し、図２（ｂ）に示すように高分子アクチュエータ４は元の厚さに戻る。この一連の動作を周期的に行えば、軸部６ｂを介して、皮膚が振動される。
　高分子アクチュエータ４に対する電圧の印加は、図１に示す制御装置５によって行われる。制御装置５は、印加電圧の大きさを時間に基づく変化量とした矩形波のデータを記憶部５ａに持っており、このデータに基づき第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１に静的又は周期的に電圧を印加する。本実施形態の制御装置５は、少なくとも１Hzから１００Hzに亘り、少なくとも最大１２００ｖの矩形波を出力することができる。
　高分子アクチュエータ４で力覚提示部材６（軸部６ｂ）を駆動して皮膚を物理的に刺激することにより、皮膚の感覚受容器（受容細胞）を介して、擬似的に物に触れている感覚である触覚や物に圧されている感覚である圧覚が与えられる。このときのユーザーの手の皮膚に対し提示される触感は、制御装置５の記憶部５ａに記憶されている上記矩形の波形データに対応したものとなる。従って、制御装置５の記憶部５ａに記憶されている上記波形データを書き換えることにより、触感提示装置１によってユーザーの手の皮膚に対し提示される触感を変えることができる。
　記憶部５ａに上記矩形波のデータを持たせる代わりに、軸部６ｂの移動量を時間に基づく変化量としたデータを持たせ、そのデータに対応した軸部６ｂの移動量を得るための電圧を逐次算出し、算出された電圧を第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１に対し印加するようにしてもよい。
　図４は、本実施形態で用いた１００層の誘電エラストマ層９を有するアクチュエータユニットに、１２００ｖの矩形波を、０．１Hz、１Hz、１０Hz、２０Hz、３０Hz、１００Hzの各周波数にて印加した時の変位量(振幅)をプロットしたものである。本実施形態では、このアクチュエータユニットを３つ積層させた高分子アクチュエータ４を用いているので、約２１mmの薄さで、０．１Hz～１００Hzに亘り、最大１２００ｖの印加電圧で、皮膚と接触している軸部６ｂに１００μm以上の振幅を与えることができる。従って、本実施形態では、軸部６ｂの振動を、メルケル細胞やマイスナー小体を介して触感として提示することができる。
　また、高分子アクチュエータ４は小さく且つ軽いため、触感提示装置１を小型且つ軽量にすることができるとともに、高分子アクチュエータ４の重さが力覚提示部材６の振動に影響を及ぼすことを抑制できるようにもなる。
　本実施形態によれば、以下に示す作用効果が得られる。
　（１）高分子アクチュエータ４によって駆動される力覚提示部材６が０．１Hz～１００Hzに亘って１００μm以上という振幅で振動し、そうした力覚提示部材６の振動が皮膚に対し物理的な刺激として与えられる。このときの力覚提示部材６の振動は、皮膚におけるメルケル細胞及びマイスナー小体が反応し得る振動（図５に斜線で示す領域での振動）となる。このため、皮膚におけるメルケル細胞及びマイスナー小体に対し、それらが反応し得る物理刺激を触感提示装置１を用いて与えることができる。
　（２）高分子アクチュエータ４は、誘電エラストマ層９の両面に設けられた第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１に対する電圧の印加を通じて誘電エラストマ層９を厚さ方向、言い換えれば皮膚に対し直交する方向に伸縮させ、その伸縮によって力覚提示部材６をユーザーの手の皮膚に対し直交する方向に変位させる。この場合、高分子アクチュエータ４で駆動された力覚提示部材６が皮膚に対して直交する方向に変位するため、高分子アクチュエータ４による駆動を通じての力覚提示部材６の振動（変位）を皮膚に対し物理的な刺激として与えやすくなる。
　（３）高分子アクチュエータ４は、誘電エラストマ層９と、誘電エラストマ層９の両面に設けられた第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１とを有し、第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１が誘電エラストマ層９を挟んで厚さ方向に交互に積層されている。高分子アクチュエータ４は、第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１に対する電圧の印加を通じて誘電エラストマ層９を厚さ方向に伸縮させる。この場合、誘電エラストマ層９並びに第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１を薄く形成できるため、それら誘電エラストマ層９並びに第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１の組を厚さ方向に積層したとしても、高分子アクチュエータ４が大型化することはないため、ユーザーが触感提示装置１を身に付けて用いることができる。
　上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
　・触感提示装置１は、ユーザーの手に装着するグローブ型のものに限らず、例えばユーザーが手で握る棒状のタイプのものや、固定された基台上に配置されて、その上に手を載せる据え置きタイプであってもよい。
　・触感提示装置１は、車両のハンドル等に取り付けられるものであってもよい。この場合、触感提示装置１によるユーザーの手の皮膚に対する触感の提示を、ユーザーに対する警告や報知に用いることができる。
　・制御装置５が高分子アクチュエータ４に対し印加可能な電圧の値は少なくとも１２００ｖに限られず、適宜変更してもよい。
　・高分子アクチュエータ４における誘電エラストマ層９並びに第１導電ゴム層１０及び第２導電ゴム層１１の厚さを適宜変更してもよい。この場合、高分子アクチュエータ４の厚さ方向の長さを５cm以下とすることが好ましく、３cm以下とすることがより好ましい。
　・高分子アクチュエータ４とは別に力覚提示部材６を駆動する偏心モータ等を設け、１００Hz以上といった高周波数領域では、その偏心モータ等によって力覚提示部材６を駆動（振動）させてもよい。
　・物品を持ったりする力の作用によって誘電エラストマ層９が厚さ方向に伸縮したとき、導電ゴム層１０，１１間で生じる静電容量の変化に基づき上記力の作用を検知するセンサとして、触感提示装置１を用いてもよい。
　１…触感提示装置、２…グローブ、３…基布、４…高分子アクチュエータ、５…制御装置、５ａ…記憶部、６…力覚提示部材、６ａ…平板部、６ｂ…軸部、７…孔、８…孔、９…誘電エラストマ層、１０…第１導電ゴム層、１１…第２導電ゴム層、１２…保護層、１３…保護層。

Claims (10)

  1. 　皮膚に接触する接触部と、前記接触部を駆動する高分子アクチュエータと、前記高分子アクチュエータに電圧を印加するための制御装置とを備える触感提示装置であって、
    　前記触感提示装置は、前記高分子アクチュエータに対する前記制御装置による電圧の印加を通じて前記高分子アクチュエータで前記接触部を駆動することにより、前記皮膚に対する触感の提示を行うように構成されており、
    　前記高分子アクチュエータは、印加される電圧の周波数が１～３０Hzであるときに前記接触部を少なくとも１００μm変位させることが可能となるよう構成されている
    触感提示装置。
  2. 　前記高分子アクチュエータは、印加される電圧の周波数が１～１００Hzであるときに前記接触部を少なくとも１００μm変位させることが可能となるよう構成されている請求項１に記載の触感提示装置。
  3. 　前記制御装置は、前記高分子アクチュエータに対し周波数１～３０Hzで少なくとも１２００ｖの電圧を印加することが可能である請求項１に記載の触感提示装置。
  4. 　前記高分子アクチュエータは、皮膚に対し直交する方向に伸縮することにより、前記接触部を皮膚に対し直交する方向に変位させるよう駆動するものである請求項１～３のいずれか一項に記載の触感提示装置。
  5. 　前記高分子アクチュエータは、誘電エラストマ層と、誘電エラストマ層及び導電ゴム層が厚さ方向に交互に重なるように誘電エラストマ層の両面に配置された導電ゴム層とからなる積層体を含み、前記導電ゴム層に対する電圧の印加を通じて前記誘電エラストマ層を厚さ方向に伸縮させるように構成されている請求項１～４のいずれか一項に記載の触感提示装置。
  6. 　前記高分子アクチュエータの前記厚さ方向の長さが５cm以下である請求項５に記載の触感提示装置。
  7. 　前記高分子アクチュエータの前記厚さ方向の長さが３cm以下である請求項６に記載の触感提示装置。
  8. 　前記誘電エラストマ層は、架橋されたポリロタキサンによって形成されている請求項５～７のいずれか一項に記載の触感提示装置。
  9. 　前記触感提示装置は、前記皮膚に接するよう人体に取り付けられる柔軟な基材をさらに備え、前記接触部は、前記基材における前記皮膚と接触する面とは反対側の面に、前記高分子アクチュエータによって支持されており、前記基材は孔を有し、前記接触部は、前記基材の孔を貫通して前記皮膚に接触する軸部を備えている請求項５～８のいずれか一項に記載の触感提示装置。
  10. 　前記高分子アクチュエータは、前記基材の孔と連通する孔を有し、前記接触部の軸部は、前記基材の孔及び前記高分子アクチュエータの孔を貫通している請求項９に記載の触感提示装置。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021011839A (ja) 2019-07-04 2021-02-04 川崎重工業株式会社 層状掃気エンジンの吸気通路構造
EP4250060A1 (en) * 2022-03-25 2023-09-27 Nokia Technologies Oy Apparatus, systems, methods and computer programs for transferring sensations

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003534620A (ja) * 2000-05-24 2003-11-18 イマージョン コーポレイション 電気活性ポリマーを利用する触覚装置及び触覚方法
JP2012065426A (ja) * 2010-09-15 2012-03-29 Toyoda Gosei Co Ltd アクチュエータの製造方法
JP2012130201A (ja) * 2010-12-17 2012-07-05 Shinshu Univ 収縮型ゲルアクチュエータの制御方法
JP2014217238A (ja) * 2013-04-26 2014-11-17 バンドー化学株式会社 アクチュエータ
JP2014220949A (ja) * 2013-05-09 2014-11-20 バンドー化学株式会社 アクチュエータ素子、アクチュエータ、可撓性シート及びアクチュエータ素子の製造方法
JP2016024707A (ja) * 2014-07-23 2016-02-08 国立大学法人東京工業大学 触覚提示装置及び力触覚提示システム

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU1328597A (en) 1995-11-30 1997-06-19 Virtual Technologies, Inc. Tactile feedback man-machine interface device
KR101580227B1 (ko) * 2007-09-18 2015-12-24 센세그 오와이 감지 자극에 대한 장치 및 방법
KR100952698B1 (ko) 2008-03-10 2010-04-13 한국표준과학연구원 촉감 피드백장치를 이용한 촉감전달방법 및 그 시스템
JP5613236B2 (ja) 2009-07-22 2014-10-22 イマージョン コーポレーションＩｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ 複数のプラットフォームを越える触覚フィードバックを用いた対話式タッチスクリーンゲーミング比喩
JP2015219887A (ja) * 2014-05-21 2015-12-07 日本メクトロン株式会社 電気触覚提示装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003534620A (ja) * 2000-05-24 2003-11-18 イマージョン コーポレイション 電気活性ポリマーを利用する触覚装置及び触覚方法
JP2012065426A (ja) * 2010-09-15 2012-03-29 Toyoda Gosei Co Ltd アクチュエータの製造方法
JP2012130201A (ja) * 2010-12-17 2012-07-05 Shinshu Univ 収縮型ゲルアクチュエータの制御方法
JP2014217238A (ja) * 2013-04-26 2014-11-17 バンドー化学株式会社 アクチュエータ
JP2014220949A (ja) * 2013-05-09 2014-11-20 バンドー化学株式会社 アクチュエータ素子、アクチュエータ、可撓性シート及びアクチュエータ素子の製造方法
JP2016024707A (ja) * 2014-07-23 2016-02-08 国立大学法人東京工業大学 触覚提示装置及び力触覚提示システム

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FUJIWARA, TAKESHI ET AL.: "e-Rubber and Future Vehicles", TOYODO GOSEI TECHNICAL REVIEW, vol. 59, December 2017 (2017-12-01), pages 27 - 32, ISSN: 0287-3427 *

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