触覚ディスプレイ
【課題】小型軽量の触覚ディスプレイを提供する。
【解決手段】触覚ディスプレイ１０は、人の指関節部位の掌側に対向配置され、指関節部位の掌側を押圧する触覚刺激ユニット１２を備える。触覚刺激ユニット１２は、ピエゾ素子２５、レバーアーム２４、及び、刺激子２１を備える。刺激子２１は、指関節部位の掌側に向けてスライドするように取り付けられている。レバーアーム２４は、触覚刺激ユニットに軸支されている。レバーアーム２４は、一端２４ａがピエゾ素子２５の端部に連結しているとともに、他端が刺激子に連結している。このレバーアーム２４は、ピエゾ素子２５の変位量を拡大して刺激子２１をスライドさせる。
【解決手段】触覚ディスプレイ１０は、人の指関節部位の掌側に対向配置され、指関節部位の掌側を押圧する触覚刺激ユニット１２を備える。触覚刺激ユニット１２は、ピエゾ素子２５、レバーアーム２４、及び、刺激子２１を備える。刺激子２１は、指関節部位の掌側に向けてスライドするように取り付けられている。レバーアーム２４は、触覚刺激ユニットに軸支されている。レバーアーム２４は、一端２４ａがピエゾ素子２５の端部に連結しているとともに、他端が刺激子に連結している。このレバーアーム２４は、ピエゾ素子２５の変位量を拡大して刺激子２１をスライドさせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚ディスプレイに関する。特に、コンピュータの仮想空間内にデータとして構築された物体表面起伏を、触覚を通じて人に知覚させるデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
人の手に機械刺激を与え、あたかも物体を触っているかのごとく知覚させるデバイスが研究されている。そのようなデバイスは、触覚ディスプレイ、ハプティックデバイス、あるいは、触覚デバイスと呼ばれることがある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、手の指の関節部位にチューブを配置し、指の動作に同期してチューブ内の圧力を制御し、指の動作に対するチューブの反力の変化を利用して力覚を与える装置が開示されている。この装置は、物体を掴むために指を曲げる際に指関節が受ける反力をチューブ反力で模擬する。すなわち、この装置は、あたかも物体を掴んでいるような感覚（力覚）をユーザに与える。
【０００４】
また、特許文献２には、多数のピンを平行に格子状に配置し、夫々のピンの高さを変えることで、物体表面の起伏を再現する装置が開示されている。この装置は、物体表面の起伏を物理的に模擬するものである。さらに、本願の発明者らが開発した触覚ディスプレイが、非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１６７４１９号公報
【特許文献２】特開２００５−４０５８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】井口憲二、佐野明人、田中由浩、他、「３×３面歪ディスプレイの開発」、計測自動制御学会第１０回システムインテグレーション部門講演会（２００９年１２月２４日〜２６日）講演集、第１５３−１５４頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明者らは、物体表面の僅かな起伏を仮想的に感じさせる装置（触覚ディスプレイ）を開発した。その装置は、ユーザが掌を載せるプレート上に、指関節の掌側の部位を押圧する刺激子を配置し、平面上を、掌ごとプレートを滑らせながら、コンピュータ内でその平面上に仮想的に設定された起伏のデータに応じて指関節の掌側部位を刺激する構成を有している。この装置は、掌が起伏を通過する際に指が僅かに曲がるそのときの感覚を、指関節部位を刺激することで擬似的にユーザに与えるものである。なお、この装置は、発明者らによる国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０６６７４５（本願出願時は未公開）に詳しく開示されている。
【０００８】
理解を助けるために、国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０６６７４５の第１図を本願の図１に再記して触覚ディスプレイの原理を説明する。図１は、発明者らが開発した実験装置１の模式図である。実験装置１は、触覚ディスプレイの効果を確認するために構築されたものである。符号Ｗ１は、対象物体を示しており、その表面の略中央に長さ１００ｍｍに亘って最大高さ０．２ｍｍの起伏Ｗａが形成されている。なお、図１では、表面の起伏を強調して描いてある。対象物体Ｗ１はテーブル上に置かれている。触覚デバイス２は、対象物体Ｗ１の両側でローラ３によってテーブルに支持されており、対象物体Ｗ１の上方で、その長手方向に沿ってスライドする。触覚デバイス２には自由に上下動する３本のロッド４ａ、４ｂ、及び４ｃが取り付けてある。ロッドの長さは約２０ｍｍである。なお、３本のロッドをロッド４と総称する。ロッド４の下端にはローラが取り付けられている。ローラを介してロッド４の下端が対象物体Ｗ１の表面に触れている。触覚デバイス２を前後にスライドさせると、各ロッド４の下端がローラによってスムーズに表面起伏の上を移動する。触覚デバイス２を前後にスライドさせると、ロッド４の夫々の上端は対象物体Ｗ１の表面起伏に応じて上下動する。このとき、ロッド４の上下方向のストロークは、起伏高さに厳密に等しい。人差指、中指、及び、薬指の各指の３つの関節Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３の位置に相当する掌側皮膚に夫々のロッド上端が当るように被験者の手Ｈを触覚デバイス２の上面に置き、触覚デバイス２を動かす。触覚デバイス２の動きに応じて、３本のロッド４が、起伏高さに等しいストロークで掌側皮膚の９つの指関節部位を局所的に押圧する。比較実験として、被験者に対象物体Ｗ１の表面を直接に撫でてもらった。数十人程度の被験者ではあるが、全ての被験者が、触覚デバイス２を介して撫でた場合の方が、対象物体Ｗ１の表面を直接に撫でた場合よりもはるかに明確に起伏を知覚したと報告した。この実験によって、指関節部位の掌側を局所的に刺激する方が、じかに撫でる場合よりも明確と物体表面の起伏を知覚できることが確かめられた。このように、触覚デバイス２は、指関節部位の掌側に局所的に刺激を加えることで、直接に物体表面を撫でる場合よりもユーザにはっきりと起伏を知覚させることができる。
【０００９】
図１の装置は、ロッド４が現実の起伏Ｗａをトレースするものであったが、起伏Ｗａをコンピュータ内のデータとして構築し、ロッド４をアクチュエータで駆動する構成を採用することによって、現実には存在しない起伏をユーザに知覚させる装置を実現することができる。別言すれば、物体表面の実際には存在しない起伏を仮想現実として知覚させ得る触覚ディスプレイを実現することができる。以下、物体表面の起伏を仮想現実として知覚させる触覚ディスプレイを単に「触覚ディスプレイ」と称する。
【００１０】
触覚ディスプレイの適用先としては、例えば、自動車ボディその他の部品の形状デザインのためのツール、或いは、そのような部品の表面形状の品質チェックが考えられる。デザインツールとしては、実物を試作することなく、コンピュータ内の仮想空間内に構築された数値モデルによる物体をあたかも撫でているような感覚をユーザに与えることができる。また、プレス加工の現場では、熟練工が成形品を撫でてその表面の起伏を確認しているという。そのような熟練工の技術をさらに有効に活用するにもこの触覚ディスプレイの実用化が期待される。なお、非特許文献１に開示された触覚ディスプレイは、図１の実験装置の発展型である。
【００１１】
触覚ディスプレイでは、指関節部位の掌側に、アクチュエータと刺激子を配置することが要求される。なお、刺激子とは、実験装置１のロッド４に相当し、指関節部位の掌側皮膚を押圧する部材を意味する。他方、触覚ディスプレイはユーザの手とともに動かされるため、小型軽量であることが望ましい。本明細書が開示する技術は、刺激子の駆動機構を工夫し、小型軽量の触覚ディスプレイを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本明細書が開示する技術は、アクチュエータとしてピエゾ素子（圧電素子）を採用するとともに、レバーアームによって圧電素子の変位を拡大して刺激子を指関節部位に向けてスライドさせる。本明細書が開示する触覚ディスプレイは、人の指関節部位の掌側に対向するように配置され、指関節部位の掌側皮膚を押圧する触覚刺激ユニットを備える。触覚刺激ユニットは、ピエゾ素子、刺激子、及び、レバーアームを備える。刺激子は、指関節部位の掌側に向けてスライドするように取り付けられている。レバーアームは、触覚刺激ユニットのケースに軸支されている。またレバーアームは、その一端（力点）がピエゾ素子の端部に連結しているとともに他端（作用点）が刺激子に連結しており、ピエゾ素子の変位量を拡大して刺激子をスライドさせるように動作する。別言すると、レバーアームは、その一端がピエゾ素子の端部に当接しており、ピエゾ素子の変位量（伸展量）が他端において拡大される。この触覚刺激ユニットは、圧電効果によるピエゾ素子の変位量をレバーアームによって拡大し、刺激子を大きく動かす。レバーアームを採用することによって、変位が小さい圧電素子であっても指関節部位に十分な刺激を加えることができる。ピエゾ素子とレバーアームの併用が、指関節部位に対向配置する触覚刺激ユニットの小型軽量化を実現する。ピエゾ素子とレバーアームと刺激子の配置の具体例は後に実施例にて詳しく説明する。なお、レバーアームと刺激子は、直接に連結せず、間に部材（例えば実施例にて述べるスライダやスペーサなど）を介して連結していてもよい。刺激子は、レバーアームの端部の動きに連動して動くように構成されていればよい。レバーアームと刺激子は離間不能に連結されている必要はなく当接していればよい。レバーアームと圧電素子の連結についても同様である。
【００１３】
緩やかな起伏をよりはっきりと知覚させるためには、触覚ディスプレイは、いくつかの指関節部位を同期して刺激することが好ましい。従って、複数の触覚刺激ユニットが夫々に指関節部位に対向配置されることが望ましい。その場合、複数の触覚刺激ユニットが掌の動きを妨げないことも重要である。そのため、本明細書が開示する触覚ディスプレイは次の態様を有することが好ましい。即ち、触覚ディスプレイは、人差指の第１、第２、第３関節、中指の第１、第２、第３関節、及び、薬指の第１、第２、第３関節の夫々に対向する９個の触覚刺激ユニットを有しており、それら９個の触覚刺激ユニットが、指の各部の自由度と対応する自由度を有して相互に連結されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、小型軽量の触覚ディスプレイを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】触覚ディスプレイの効果確認のための実験装置の模式図である。
【図２】実施例の触覚ディスプレイの斜視図である。
【図３】実施例の触覚ディスプレイの模式的側面図である。
【図４】触覚刺激ユニットと回転ユニットの接続関係を示す模式図である。
【図５】実施例の触覚刺激ユニットの分解図である。
【図６】レバーアームの動作を説明する図である（１）。
【図７】レバーアームの動作を説明する図である（２）。
【実施例】
【００１６】
図２は、実施例の触覚ディスプレイ１０の斜視図である。図３は、触覚ディスプレイ１０の模式的側面図である。なお、触覚ディスプレイ１０には、ピエゾ素子２５（後述）を制御するコンピュータも備えるが、その図示は省略している。本明細書は、触覚ディスプレイ１０の機械的構造を説明し、制御については説明を省略する。以下、触覚ディスプレイ１０の全体の構造をまず説明し、次いで、触覚刺激ユニット１２（後述）の内部構造について説明する。なお、図における座標系では、掌を広げたときの中指の伸びる方向をＸ軸に定め、手の甲の法線方向をＺ軸に定め、Ｘ軸とＺ軸に直交する方向にＹ軸を定めている。
【００１７】
触覚ディスプレイ１０は、９個の触覚刺激ユニット１２を備える。９個の触覚刺激ユニット１２は、ユーザの手Ｈの人差指Ｆ１の第１、第２、第３関節（図３のＪ１、Ｊ２、Ｊ３）、中指Ｆ２の第１、第２、第３関節、及び、薬指Ｆ３の第１、第２、第３関節の夫々に対向するように相互に連結されている。複数の触覚刺激ユニット１２の構造はみな同じである。以下では主として人差指Ｆ１に対向配置されている触覚刺激ユニット１２ａ、１２ｂ、１２ｃについて説明する。なお、図２、図３では、人差指Ｆ１に対向配置された触覚刺激ユニットにだけ符号（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）を付しており、他の指に対向配置されている触覚刺激ユニットには符号を付していないことに留意されたい。また、９個の触覚刺激ユニットを総称する場合、及び、いずれか一つの触覚刺激ユニット（どれでもよい）について言及する場合は、「触覚刺激ユニット１２」と呼称する。
【００１８】
触覚刺激ユニット１２ａ、１２ｂ、及び、１２ｃは、夫々、人差指Ｆ１の第１関節Ｊ１、第２関節Ｊ２、及び、第３関節Ｊ３の掌側部位に対向するように連結されている。なお、触覚刺激ユニット１２ａの先端に取り付けられている部品１３は、第１関節より先の指先部分を載せる台である。
【００１９】
夫々の触覚刺激ユニット１２は、指関節部位に向かって伸びる刺激子２１を有している。刺激子２１は後述するようにＺ軸方向に沿ってスライドするように取り付けられている。刺激子２１は、指関節部位に向かってスライドし、その掌側部位を押圧する。触覚刺激ユニット１２ａと１２ｂはジョイント１６によって連結されている。触覚刺激ユニット１２ｂと１２ｃも別のジョイント１６によって連結されている。触覚刺激ユニット１２ｃと回転ユニット１４ａも別のジョイント１６によって連結されている。ジョイント１６は、Ｙ軸方向（指関節の回転軸と平行の方向）に伸びる回転軸を有しており、連結している２個のユニットはＹ軸周りに相互に回転することができる。
【００２０】
回転ユニット１４ａは、人差指Ｆ１の関節に対向する３個の触覚刺激ユニット１２ａ、１２ｂ、１２ｃの一群と、中指Ｆ２の関節に対向する３個の触覚刺激ユニット群と、薬指Ｆ３の関節に対向する３個の触覚刺激ユニット群を相互に連結する部品である。図４に、９個の触覚刺激ユニットと３個の回転ユニットの接続関係を示すとともに、ユニット間の回転自由度を示す。軸線Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３は、Ｙ軸に平行に伸びる回転軸線を示している。軸線Ｃ４はＸ軸に平行に伸びる回転軸線を示している。軸線Ｃ５はＺ軸に平行に伸びる回転軸線を示している。人差指の第１関節と第２関節に対向する触覚刺激ユニット１２ａと１２ｂはジョイント１６で連結され、回転軸線Ｃ１の周りに相互に回転することが許容される。人差指の第２関節と第３関節に対向する触覚刺激ユニット１２ｂと１２ｃはジョイント１６で連結され、回転軸線Ｃ２の周りに相互に回転することが許容される。人差指の第３関節に対向する触覚刺激ユニット１２ｃとさらに掌側に位置する回転ユニット１４ａはジョイント１６で連結され、回転軸線Ｃ３の周りに相互に回転することが許容される。回転ユニット１４ａは内部に回転軸を有しており、触覚刺激ユニット１２ｃを、（１２ａ、１２ｂともども）回転軸線Ｃ５の周りに回転することを許容している。中指に対向配置される３個の触覚刺激ユニットと回転ユニット１４ｂも同様の構造を有している。薬指に対向配置される３個の触覚刺激ユニットと回転ユニット１４ｃも同様の構造を有している。回転ユニット１４ａと１４ｂは、ジョイント１８で連結されており、回転軸線Ｃ４の周りに相互に回転することが許容される。回転ユニット１４ｂと１４ｃとの関係も同様である。
【００２１】
以上の接続関係から明らかなとおり、９個の触覚刺激ユニットと３個の回転ユニットは、人の掌が有する自由度に対応する自由を有して相互に接続されている。さらに詳しく言うと、９個の触覚刺激ユニットは、人差指の第１、第２、第３関節、中指の第１、第２、第３関節、及び、薬指の第１、第２、第３関節の夫々に対向するように配置されているとともに、指の各部の自由度に対応する自由度を有して相互に連結されている。触覚ディスプレイ１０が上記の連結構造を有することによって、触覚刺激ユニット１２は指の動作を妨げない。そのため、触覚ディスプレイ１０の下面全体は、湾曲した板に沿って湾曲することができる。例えば、触覚ディスプレイ１０は、車両ボディの湾曲面の上に置くことができ、このとき、触覚ディスプレイ１０全体が車両ボディの湾曲面に沿って湾曲する。従って、触覚ディスプレイ１０の上に置かれた掌全体も、車両ボディ湾曲面に沿って湾曲し、ユーザは、車両ボディの現実の湾曲を知覚することができる。
【００２２】
なお、回転ユニット１４ａは軸線Ｃ５周りの触覚刺激ユニット１２ｃ（及び１２ａ、１２ｂ）の回転角を検知する角度センサを備えている。回転ユニット１４ｂ、１４ｃも同様の角度センサを備えている。角度センサが計測する角度は、隣接する２本の指の開き角度を表す。また、触覚ディスプレイ１０は、その３次元位置を特定する位置センサ（不図示）も備えている。それらセンサのデータはコンピュータ（不図示）に送られる。コンピュータでは、位置センサと角度センサのセンサデータから、ＸＹ平面内での各触覚刺激ユニット１２の位置を特定する。コンピュータは、起伏の数値モデルが定義された仮想空間内に各触覚刺激ユニットの位置を投影し、その位置の起伏高さを特定する。特定された起伏高さに対応した変位を刺激子２１の端部で実現する。
【００２３】
この触覚ディスプレイ１０の一つの適用例を説明する。実際に存在する金型（例えば、車両ボディを成形するプレス機械の金型）の成形面（目的の形状を有する面であり、その成形面に板材を載置しプレスすることにより板材を目的の形状に成形する）上に触覚ディスプレイ１０を置き、その成形面上に、仮想的な起伏をコンピュータ内に設定する。コンピュータ内のモデルは、具体的には成形面の形状（車両ボディ形状にほぼ等しい形状）を規定するＣＡＤデータでよい。触覚ディスプレイ１０が備える位置センサと角度センサのデータから、現実の触覚ディスプレイ１０と成形面の相対位置関係を、コンピュータの仮想空間内での仮想的な触覚ディスプレイと成形面の相対位置関係をリンクさせる。なお、仮想空間内の成形面の数値モデルには、現実には存在しない起伏が設定されている。触覚ディスプレイ１０を成形面上で滑らせながら、ＣＡＤデータに基づいて刺激子を上下させる。そうすると、現実の成形面の曲面の上に、ＣＡＤデータ上の仮想的な起伏が重畳した形状をユーザに知覚させることができる。ＣＡＤデータ上にて起伏の位置や大きさを僅かずつ変化させ、その度に触覚ディスプレイ１０でコンピュータ上の起伏を知覚させる。そうすると、ＣＡＤ上の数値で表された僅かな起伏の相違をユーザ（作業者）に知覚によって判別する訓練を行わせることができる。触覚ディスプレイの利用方法は、発明者らが出願した国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０６６７４５にも開示されているので詳しくはそちらを参照されたい。
【００２４】
図５〜図７を参照して触覚刺激ユニット１２の内部構造を説明する。ケース２７内には、ピエゾ素子２５、レバーアーム２４、スライダ２３が収められている。レバーアーム２４は、Ｘ軸に平行に伸びる回転軸線Ｃｐの周りに回転できるようにケース２７に軸支されている。ピエゾ素子２５は、伸縮方向の一端がレバーアーム２４の短手側の端部２４ａに当接するようにケース２７に収められている。ピエゾ素子２５は、積層型であり、電圧を加えると図のＹ軸方向に伸縮する。別言すれば、ピエゾ素子２５は積層型であり、その積層方向がＹ軸方向に平行となるようにケース２７内に配置される。
【００２５】
スライダ２３は、Ｚ軸方向にスライドすることができるようにケース２７に収められている。スライダ２３は、ケース２７に収められたベース（不図示）によってZ方向にスライド可能に支持されている。より詳しくは、スライダ２３は、ベースに設けられたレールに嵌合しており、そのレールに沿ってスライドする。スライダ２３のカムフォロワ２３ａが、レバーアーム２４の長手側の一端２４ｂに当接している。スライダ２３の上端にはケース２７に対応した蓋２６が連結されている。蓋２６の上には、刺激子２１が乗せられている。なお、蓋２６は磁性体でできており、刺激子２１には磁石が付けられているため、刺激子２１の位置を各人の関節部の位置に合うように微調整できる。また、刺激子２１の上部は、指の関節部位の掌側にフィットするように鞍型に湾曲している。なお、図５中の蓋２６の切欠は、スライダ２３のベースが干渉しないように設けられたものであり、これにより、全体の厚みを小さくしている。ベースには、スライダ２３がＺ軸方向に上昇した際に、ベースから外れないようにするため、上面にストッパーが取り付けられている。
【００２６】
ピエゾ素子２５は、電圧を印加するとＹ軸方向に伸びる（矢印Ａ１を参照）。このとき、レバーアーム２４の短手側の端部２４ａが押され、レバーアーム２４は軸線Ｃｐの周りに回転する（矢印Ａ２を参照）。そうすると、レバーアーム２４の長手側の端部２４ｂが上昇する（矢印Ａ３を参照）。端部２４ｂに当接しているスライダ２３（カムフォロワ２３ａ）、及び、刺激子２１が、レバーアーム２４の回転に伴って上昇する（矢印Ａ４を参照）。結果、刺激子２１が指関節部位に向かってスライドし、その掌側を押圧する。図６の仮想線Ｂ１は、回転後のレバーアームの位置を示しており、仮想線Ｂ２は上昇後の刺激子２１を示している。なお、理解を助けるために図６では蓋２６の図示を省略しているが、図５から理解されるように、蓋２６は刺激子２１と一体となって上下する。
【００２７】
なお、「短手側」、「長手側」とは、回転軸線Ｃｐに対して相対的に近い位置と遠い位置を意味する。また、短手側端部２４ａは、力点に相当し、長手側端部２４ｂは作用点に相当する。従って別言すると、レバーアーム２４は、力点２４ａがピエゾ素子２５の端部に連結（当接）しているとともに作用点がスライダ２３を介して刺激子２１に連結しており、ピエゾ素子２５の変位量を拡大して刺激子２１をスライドさせる。また、レバーアーム２４がピエゾ素子２５の変位量を拡大できる条件は、レバーアームの回転軸Ｃｐから作用点（刺激子２１との連結点２４ｂ）までの距離Ｌが、レバーアームの回転軸Ｃｐから力点（ピエゾ素子２５との連結点２４ａ）までの距離Ｄよりも長いことである。
【００２８】
ピエゾ素子２５の移動量と刺激子２１の移動量の関係は図７に示してある。図７では、レバーアーム２４を線画表示してある。ピエゾ素子２５の変位量だけ、レバーアーム２４の短手側端部２４ａがＹ方向に移動する。このときの移動量は符号Ｒｉｎで示す長さである。レバーアーム２４は回転軸線Ｃｐを中心に回転するから、レバーアーム２４の長手側端部２４ｂはＲｏｕｔだけＺ方向（指関節部位に向かう方向）に移動する。回転軸線Ｃｐから短手側端部２４ａまでの距離を「Ｄ」、回転軸線Ｃｐから長手側端部２４ｂまでの距離を「Ｌ」とすると、Ｒｏｕｔ／Ｒｉｎ＝Ｌ／Ｄである。即ち、レバーアーム２４は、ピエゾ素子２５の変位量Ｄを、「Ｌ／Ｄ」倍に拡大して刺激子２１をスライドさせることになる。
【００２９】
以上説明したように、触覚ディスプレイ１０は、ピエゾ素子２５とレバーアーム２４を組み合わせた刺激子駆動機構を有している。ピエゾ素子２５は小型であるが変位量が小さい。その小さい変位量をレバーアームが増幅し、刺激子２１を駆動する。触覚ディスプレイ１０は、上記の刺激子駆動機構を採用することによって、小型軽量化を実現している。
【００３０】
発明者らが試作した触覚ディスプレイでは、採用したピエゾ素子は、全長２０［ｍｍ］、最大変位量１７．４［μｍ］、耐荷重８５０［Ｎ］である。レバーアームの短手側の長さ（図７の距離Ｄ）は１［ｍｍ］であり、長手側の長さ（図７の距離Ｌ）は２０［ｍｍ］である。即ち、試作した触覚ディスプレイでは、ピエゾ素子の変位を２０倍に拡大して刺激子を動かすことができる。なお、試作した触覚刺激ユニットは、２４．５［ｍｍ］×１８．０［ｍｍ］×９．０［ｍｍ］の直方体に収まるサイズに仕上がった。
【００３１】
実施例の触覚ディスプレイ１０についての留意点を述べる。図２に示す触覚ディスプレイ１０を内蔵するグローブを用意することも好適である。そのようなグローブを備えると、触覚ディスプレイがさらに扱い易くなる。
【００３２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３３】
２：触覚デバイス
３：ローラ
４：ロッド
１０：触覚ディスプレイ
１２：触覚刺激ユニット
１４：回転ユニット
１６、１８：ジョイント
２１：刺激子
２２：スペーサ
２３：スライダ
２３ａ：カムフォロワ
２４：レバーアーム
２５：ピエゾ素子
２７：ケース
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚ディスプレイに関する。特に、コンピュータの仮想空間内にデータとして構築された物体表面起伏を、触覚を通じて人に知覚させるデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
人の手に機械刺激を与え、あたかも物体を触っているかのごとく知覚させるデバイスが研究されている。そのようなデバイスは、触覚ディスプレイ、ハプティックデバイス、あるいは、触覚デバイスと呼ばれることがある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、手の指の関節部位にチューブを配置し、指の動作に同期してチューブ内の圧力を制御し、指の動作に対するチューブの反力の変化を利用して力覚を与える装置が開示されている。この装置は、物体を掴むために指を曲げる際に指関節が受ける反力をチューブ反力で模擬する。すなわち、この装置は、あたかも物体を掴んでいるような感覚（力覚）をユーザに与える。
【０００４】
また、特許文献２には、多数のピンを平行に格子状に配置し、夫々のピンの高さを変えることで、物体表面の起伏を再現する装置が開示されている。この装置は、物体表面の起伏を物理的に模擬するものである。さらに、本願の発明者らが開発した触覚ディスプレイが、非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１６７４１９号公報
【特許文献２】特開２００５−４０５８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】井口憲二、佐野明人、田中由浩、他、「３×３面歪ディスプレイの開発」、計測自動制御学会第１０回システムインテグレーション部門講演会（２００９年１２月２４日〜２６日）講演集、第１５３−１５４頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明者らは、物体表面の僅かな起伏を仮想的に感じさせる装置（触覚ディスプレイ）を開発した。その装置は、ユーザが掌を載せるプレート上に、指関節の掌側の部位を押圧する刺激子を配置し、平面上を、掌ごとプレートを滑らせながら、コンピュータ内でその平面上に仮想的に設定された起伏のデータに応じて指関節の掌側部位を刺激する構成を有している。この装置は、掌が起伏を通過する際に指が僅かに曲がるそのときの感覚を、指関節部位を刺激することで擬似的にユーザに与えるものである。なお、この装置は、発明者らによる国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０６６７４５（本願出願時は未公開）に詳しく開示されている。
【０００８】
理解を助けるために、国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０６６７４５の第１図を本願の図１に再記して触覚ディスプレイの原理を説明する。図１は、発明者らが開発した実験装置１の模式図である。実験装置１は、触覚ディスプレイの効果を確認するために構築されたものである。符号Ｗ１は、対象物体を示しており、その表面の略中央に長さ１００ｍｍに亘って最大高さ０．２ｍｍの起伏Ｗａが形成されている。なお、図１では、表面の起伏を強調して描いてある。対象物体Ｗ１はテーブル上に置かれている。触覚デバイス２は、対象物体Ｗ１の両側でローラ３によってテーブルに支持されており、対象物体Ｗ１の上方で、その長手方向に沿ってスライドする。触覚デバイス２には自由に上下動する３本のロッド４ａ、４ｂ、及び４ｃが取り付けてある。ロッドの長さは約２０ｍｍである。なお、３本のロッドをロッド４と総称する。ロッド４の下端にはローラが取り付けられている。ローラを介してロッド４の下端が対象物体Ｗ１の表面に触れている。触覚デバイス２を前後にスライドさせると、各ロッド４の下端がローラによってスムーズに表面起伏の上を移動する。触覚デバイス２を前後にスライドさせると、ロッド４の夫々の上端は対象物体Ｗ１の表面起伏に応じて上下動する。このとき、ロッド４の上下方向のストロークは、起伏高さに厳密に等しい。人差指、中指、及び、薬指の各指の３つの関節Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３の位置に相当する掌側皮膚に夫々のロッド上端が当るように被験者の手Ｈを触覚デバイス２の上面に置き、触覚デバイス２を動かす。触覚デバイス２の動きに応じて、３本のロッド４が、起伏高さに等しいストロークで掌側皮膚の９つの指関節部位を局所的に押圧する。比較実験として、被験者に対象物体Ｗ１の表面を直接に撫でてもらった。数十人程度の被験者ではあるが、全ての被験者が、触覚デバイス２を介して撫でた場合の方が、対象物体Ｗ１の表面を直接に撫でた場合よりもはるかに明確に起伏を知覚したと報告した。この実験によって、指関節部位の掌側を局所的に刺激する方が、じかに撫でる場合よりも明確と物体表面の起伏を知覚できることが確かめられた。このように、触覚デバイス２は、指関節部位の掌側に局所的に刺激を加えることで、直接に物体表面を撫でる場合よりもユーザにはっきりと起伏を知覚させることができる。
【０００９】
図１の装置は、ロッド４が現実の起伏Ｗａをトレースするものであったが、起伏Ｗａをコンピュータ内のデータとして構築し、ロッド４をアクチュエータで駆動する構成を採用することによって、現実には存在しない起伏をユーザに知覚させる装置を実現することができる。別言すれば、物体表面の実際には存在しない起伏を仮想現実として知覚させ得る触覚ディスプレイを実現することができる。以下、物体表面の起伏を仮想現実として知覚させる触覚ディスプレイを単に「触覚ディスプレイ」と称する。
【００１０】
触覚ディスプレイの適用先としては、例えば、自動車ボディその他の部品の形状デザインのためのツール、或いは、そのような部品の表面形状の品質チェックが考えられる。デザインツールとしては、実物を試作することなく、コンピュータ内の仮想空間内に構築された数値モデルによる物体をあたかも撫でているような感覚をユーザに与えることができる。また、プレス加工の現場では、熟練工が成形品を撫でてその表面の起伏を確認しているという。そのような熟練工の技術をさらに有効に活用するにもこの触覚ディスプレイの実用化が期待される。なお、非特許文献１に開示された触覚ディスプレイは、図１の実験装置の発展型である。
【００１１】
触覚ディスプレイでは、指関節部位の掌側に、アクチュエータと刺激子を配置することが要求される。なお、刺激子とは、実験装置１のロッド４に相当し、指関節部位の掌側皮膚を押圧する部材を意味する。他方、触覚ディスプレイはユーザの手とともに動かされるため、小型軽量であることが望ましい。本明細書が開示する技術は、刺激子の駆動機構を工夫し、小型軽量の触覚ディスプレイを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本明細書が開示する技術は、アクチュエータとしてピエゾ素子（圧電素子）を採用するとともに、レバーアームによって圧電素子の変位を拡大して刺激子を指関節部位に向けてスライドさせる。本明細書が開示する触覚ディスプレイは、人の指関節部位の掌側に対向するように配置され、指関節部位の掌側皮膚を押圧する触覚刺激ユニットを備える。触覚刺激ユニットは、ピエゾ素子、刺激子、及び、レバーアームを備える。刺激子は、指関節部位の掌側に向けてスライドするように取り付けられている。レバーアームは、触覚刺激ユニットのケースに軸支されている。またレバーアームは、その一端（力点）がピエゾ素子の端部に連結しているとともに他端（作用点）が刺激子に連結しており、ピエゾ素子の変位量を拡大して刺激子をスライドさせるように動作する。別言すると、レバーアームは、その一端がピエゾ素子の端部に当接しており、ピエゾ素子の変位量（伸展量）が他端において拡大される。この触覚刺激ユニットは、圧電効果によるピエゾ素子の変位量をレバーアームによって拡大し、刺激子を大きく動かす。レバーアームを採用することによって、変位が小さい圧電素子であっても指関節部位に十分な刺激を加えることができる。ピエゾ素子とレバーアームの併用が、指関節部位に対向配置する触覚刺激ユニットの小型軽量化を実現する。ピエゾ素子とレバーアームと刺激子の配置の具体例は後に実施例にて詳しく説明する。なお、レバーアームと刺激子は、直接に連結せず、間に部材（例えば実施例にて述べるスライダやスペーサなど）を介して連結していてもよい。刺激子は、レバーアームの端部の動きに連動して動くように構成されていればよい。レバーアームと刺激子は離間不能に連結されている必要はなく当接していればよい。レバーアームと圧電素子の連結についても同様である。
【００１３】
緩やかな起伏をよりはっきりと知覚させるためには、触覚ディスプレイは、いくつかの指関節部位を同期して刺激することが好ましい。従って、複数の触覚刺激ユニットが夫々に指関節部位に対向配置されることが望ましい。その場合、複数の触覚刺激ユニットが掌の動きを妨げないことも重要である。そのため、本明細書が開示する触覚ディスプレイは次の態様を有することが好ましい。即ち、触覚ディスプレイは、人差指の第１、第２、第３関節、中指の第１、第２、第３関節、及び、薬指の第１、第２、第３関節の夫々に対向する９個の触覚刺激ユニットを有しており、それら９個の触覚刺激ユニットが、指の各部の自由度と対応する自由度を有して相互に連結されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、小型軽量の触覚ディスプレイを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】触覚ディスプレイの効果確認のための実験装置の模式図である。
【図２】実施例の触覚ディスプレイの斜視図である。
【図３】実施例の触覚ディスプレイの模式的側面図である。
【図４】触覚刺激ユニットと回転ユニットの接続関係を示す模式図である。
【図５】実施例の触覚刺激ユニットの分解図である。
【図６】レバーアームの動作を説明する図である（１）。
【図７】レバーアームの動作を説明する図である（２）。
【実施例】
【００１６】
図２は、実施例の触覚ディスプレイ１０の斜視図である。図３は、触覚ディスプレイ１０の模式的側面図である。なお、触覚ディスプレイ１０には、ピエゾ素子２５（後述）を制御するコンピュータも備えるが、その図示は省略している。本明細書は、触覚ディスプレイ１０の機械的構造を説明し、制御については説明を省略する。以下、触覚ディスプレイ１０の全体の構造をまず説明し、次いで、触覚刺激ユニット１２（後述）の内部構造について説明する。なお、図における座標系では、掌を広げたときの中指の伸びる方向をＸ軸に定め、手の甲の法線方向をＺ軸に定め、Ｘ軸とＺ軸に直交する方向にＹ軸を定めている。
【００１７】
触覚ディスプレイ１０は、９個の触覚刺激ユニット１２を備える。９個の触覚刺激ユニット１２は、ユーザの手Ｈの人差指Ｆ１の第１、第２、第３関節（図３のＪ１、Ｊ２、Ｊ３）、中指Ｆ２の第１、第２、第３関節、及び、薬指Ｆ３の第１、第２、第３関節の夫々に対向するように相互に連結されている。複数の触覚刺激ユニット１２の構造はみな同じである。以下では主として人差指Ｆ１に対向配置されている触覚刺激ユニット１２ａ、１２ｂ、１２ｃについて説明する。なお、図２、図３では、人差指Ｆ１に対向配置された触覚刺激ユニットにだけ符号（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）を付しており、他の指に対向配置されている触覚刺激ユニットには符号を付していないことに留意されたい。また、９個の触覚刺激ユニットを総称する場合、及び、いずれか一つの触覚刺激ユニット（どれでもよい）について言及する場合は、「触覚刺激ユニット１２」と呼称する。
【００１８】
触覚刺激ユニット１２ａ、１２ｂ、及び、１２ｃは、夫々、人差指Ｆ１の第１関節Ｊ１、第２関節Ｊ２、及び、第３関節Ｊ３の掌側部位に対向するように連結されている。なお、触覚刺激ユニット１２ａの先端に取り付けられている部品１３は、第１関節より先の指先部分を載せる台である。
【００１９】
夫々の触覚刺激ユニット１２は、指関節部位に向かって伸びる刺激子２１を有している。刺激子２１は後述するようにＺ軸方向に沿ってスライドするように取り付けられている。刺激子２１は、指関節部位に向かってスライドし、その掌側部位を押圧する。触覚刺激ユニット１２ａと１２ｂはジョイント１６によって連結されている。触覚刺激ユニット１２ｂと１２ｃも別のジョイント１６によって連結されている。触覚刺激ユニット１２ｃと回転ユニット１４ａも別のジョイント１６によって連結されている。ジョイント１６は、Ｙ軸方向（指関節の回転軸と平行の方向）に伸びる回転軸を有しており、連結している２個のユニットはＹ軸周りに相互に回転することができる。
【００２０】
回転ユニット１４ａは、人差指Ｆ１の関節に対向する３個の触覚刺激ユニット１２ａ、１２ｂ、１２ｃの一群と、中指Ｆ２の関節に対向する３個の触覚刺激ユニット群と、薬指Ｆ３の関節に対向する３個の触覚刺激ユニット群を相互に連結する部品である。図４に、９個の触覚刺激ユニットと３個の回転ユニットの接続関係を示すとともに、ユニット間の回転自由度を示す。軸線Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３は、Ｙ軸に平行に伸びる回転軸線を示している。軸線Ｃ４はＸ軸に平行に伸びる回転軸線を示している。軸線Ｃ５はＺ軸に平行に伸びる回転軸線を示している。人差指の第１関節と第２関節に対向する触覚刺激ユニット１２ａと１２ｂはジョイント１６で連結され、回転軸線Ｃ１の周りに相互に回転することが許容される。人差指の第２関節と第３関節に対向する触覚刺激ユニット１２ｂと１２ｃはジョイント１６で連結され、回転軸線Ｃ２の周りに相互に回転することが許容される。人差指の第３関節に対向する触覚刺激ユニット１２ｃとさらに掌側に位置する回転ユニット１４ａはジョイント１６で連結され、回転軸線Ｃ３の周りに相互に回転することが許容される。回転ユニット１４ａは内部に回転軸を有しており、触覚刺激ユニット１２ｃを、（１２ａ、１２ｂともども）回転軸線Ｃ５の周りに回転することを許容している。中指に対向配置される３個の触覚刺激ユニットと回転ユニット１４ｂも同様の構造を有している。薬指に対向配置される３個の触覚刺激ユニットと回転ユニット１４ｃも同様の構造を有している。回転ユニット１４ａと１４ｂは、ジョイント１８で連結されており、回転軸線Ｃ４の周りに相互に回転することが許容される。回転ユニット１４ｂと１４ｃとの関係も同様である。
【００２１】
以上の接続関係から明らかなとおり、９個の触覚刺激ユニットと３個の回転ユニットは、人の掌が有する自由度に対応する自由を有して相互に接続されている。さらに詳しく言うと、９個の触覚刺激ユニットは、人差指の第１、第２、第３関節、中指の第１、第２、第３関節、及び、薬指の第１、第２、第３関節の夫々に対向するように配置されているとともに、指の各部の自由度に対応する自由度を有して相互に連結されている。触覚ディスプレイ１０が上記の連結構造を有することによって、触覚刺激ユニット１２は指の動作を妨げない。そのため、触覚ディスプレイ１０の下面全体は、湾曲した板に沿って湾曲することができる。例えば、触覚ディスプレイ１０は、車両ボディの湾曲面の上に置くことができ、このとき、触覚ディスプレイ１０全体が車両ボディの湾曲面に沿って湾曲する。従って、触覚ディスプレイ１０の上に置かれた掌全体も、車両ボディ湾曲面に沿って湾曲し、ユーザは、車両ボディの現実の湾曲を知覚することができる。
【００２２】
なお、回転ユニット１４ａは軸線Ｃ５周りの触覚刺激ユニット１２ｃ（及び１２ａ、１２ｂ）の回転角を検知する角度センサを備えている。回転ユニット１４ｂ、１４ｃも同様の角度センサを備えている。角度センサが計測する角度は、隣接する２本の指の開き角度を表す。また、触覚ディスプレイ１０は、その３次元位置を特定する位置センサ（不図示）も備えている。それらセンサのデータはコンピュータ（不図示）に送られる。コンピュータでは、位置センサと角度センサのセンサデータから、ＸＹ平面内での各触覚刺激ユニット１２の位置を特定する。コンピュータは、起伏の数値モデルが定義された仮想空間内に各触覚刺激ユニットの位置を投影し、その位置の起伏高さを特定する。特定された起伏高さに対応した変位を刺激子２１の端部で実現する。
【００２３】
この触覚ディスプレイ１０の一つの適用例を説明する。実際に存在する金型（例えば、車両ボディを成形するプレス機械の金型）の成形面（目的の形状を有する面であり、その成形面に板材を載置しプレスすることにより板材を目的の形状に成形する）上に触覚ディスプレイ１０を置き、その成形面上に、仮想的な起伏をコンピュータ内に設定する。コンピュータ内のモデルは、具体的には成形面の形状（車両ボディ形状にほぼ等しい形状）を規定するＣＡＤデータでよい。触覚ディスプレイ１０が備える位置センサと角度センサのデータから、現実の触覚ディスプレイ１０と成形面の相対位置関係を、コンピュータの仮想空間内での仮想的な触覚ディスプレイと成形面の相対位置関係をリンクさせる。なお、仮想空間内の成形面の数値モデルには、現実には存在しない起伏が設定されている。触覚ディスプレイ１０を成形面上で滑らせながら、ＣＡＤデータに基づいて刺激子を上下させる。そうすると、現実の成形面の曲面の上に、ＣＡＤデータ上の仮想的な起伏が重畳した形状をユーザに知覚させることができる。ＣＡＤデータ上にて起伏の位置や大きさを僅かずつ変化させ、その度に触覚ディスプレイ１０でコンピュータ上の起伏を知覚させる。そうすると、ＣＡＤ上の数値で表された僅かな起伏の相違をユーザ（作業者）に知覚によって判別する訓練を行わせることができる。触覚ディスプレイの利用方法は、発明者らが出願した国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０６６７４５にも開示されているので詳しくはそちらを参照されたい。
【００２４】
図５〜図７を参照して触覚刺激ユニット１２の内部構造を説明する。ケース２７内には、ピエゾ素子２５、レバーアーム２４、スライダ２３が収められている。レバーアーム２４は、Ｘ軸に平行に伸びる回転軸線Ｃｐの周りに回転できるようにケース２７に軸支されている。ピエゾ素子２５は、伸縮方向の一端がレバーアーム２４の短手側の端部２４ａに当接するようにケース２７に収められている。ピエゾ素子２５は、積層型であり、電圧を加えると図のＹ軸方向に伸縮する。別言すれば、ピエゾ素子２５は積層型であり、その積層方向がＹ軸方向に平行となるようにケース２７内に配置される。
【００２５】
スライダ２３は、Ｚ軸方向にスライドすることができるようにケース２７に収められている。スライダ２３は、ケース２７に収められたベース（不図示）によってZ方向にスライド可能に支持されている。より詳しくは、スライダ２３は、ベースに設けられたレールに嵌合しており、そのレールに沿ってスライドする。スライダ２３のカムフォロワ２３ａが、レバーアーム２４の長手側の一端２４ｂに当接している。スライダ２３の上端にはケース２７に対応した蓋２６が連結されている。蓋２６の上には、刺激子２１が乗せられている。なお、蓋２６は磁性体でできており、刺激子２１には磁石が付けられているため、刺激子２１の位置を各人の関節部の位置に合うように微調整できる。また、刺激子２１の上部は、指の関節部位の掌側にフィットするように鞍型に湾曲している。なお、図５中の蓋２６の切欠は、スライダ２３のベースが干渉しないように設けられたものであり、これにより、全体の厚みを小さくしている。ベースには、スライダ２３がＺ軸方向に上昇した際に、ベースから外れないようにするため、上面にストッパーが取り付けられている。
【００２６】
ピエゾ素子２５は、電圧を印加するとＹ軸方向に伸びる（矢印Ａ１を参照）。このとき、レバーアーム２４の短手側の端部２４ａが押され、レバーアーム２４は軸線Ｃｐの周りに回転する（矢印Ａ２を参照）。そうすると、レバーアーム２４の長手側の端部２４ｂが上昇する（矢印Ａ３を参照）。端部２４ｂに当接しているスライダ２３（カムフォロワ２３ａ）、及び、刺激子２１が、レバーアーム２４の回転に伴って上昇する（矢印Ａ４を参照）。結果、刺激子２１が指関節部位に向かってスライドし、その掌側を押圧する。図６の仮想線Ｂ１は、回転後のレバーアームの位置を示しており、仮想線Ｂ２は上昇後の刺激子２１を示している。なお、理解を助けるために図６では蓋２６の図示を省略しているが、図５から理解されるように、蓋２６は刺激子２１と一体となって上下する。
【００２７】
なお、「短手側」、「長手側」とは、回転軸線Ｃｐに対して相対的に近い位置と遠い位置を意味する。また、短手側端部２４ａは、力点に相当し、長手側端部２４ｂは作用点に相当する。従って別言すると、レバーアーム２４は、力点２４ａがピエゾ素子２５の端部に連結（当接）しているとともに作用点がスライダ２３を介して刺激子２１に連結しており、ピエゾ素子２５の変位量を拡大して刺激子２１をスライドさせる。また、レバーアーム２４がピエゾ素子２５の変位量を拡大できる条件は、レバーアームの回転軸Ｃｐから作用点（刺激子２１との連結点２４ｂ）までの距離Ｌが、レバーアームの回転軸Ｃｐから力点（ピエゾ素子２５との連結点２４ａ）までの距離Ｄよりも長いことである。
【００２８】
ピエゾ素子２５の移動量と刺激子２１の移動量の関係は図７に示してある。図７では、レバーアーム２４を線画表示してある。ピエゾ素子２５の変位量だけ、レバーアーム２４の短手側端部２４ａがＹ方向に移動する。このときの移動量は符号Ｒｉｎで示す長さである。レバーアーム２４は回転軸線Ｃｐを中心に回転するから、レバーアーム２４の長手側端部２４ｂはＲｏｕｔだけＺ方向（指関節部位に向かう方向）に移動する。回転軸線Ｃｐから短手側端部２４ａまでの距離を「Ｄ」、回転軸線Ｃｐから長手側端部２４ｂまでの距離を「Ｌ」とすると、Ｒｏｕｔ／Ｒｉｎ＝Ｌ／Ｄである。即ち、レバーアーム２４は、ピエゾ素子２５の変位量Ｄを、「Ｌ／Ｄ」倍に拡大して刺激子２１をスライドさせることになる。
【００２９】
以上説明したように、触覚ディスプレイ１０は、ピエゾ素子２５とレバーアーム２４を組み合わせた刺激子駆動機構を有している。ピエゾ素子２５は小型であるが変位量が小さい。その小さい変位量をレバーアームが増幅し、刺激子２１を駆動する。触覚ディスプレイ１０は、上記の刺激子駆動機構を採用することによって、小型軽量化を実現している。
【００３０】
発明者らが試作した触覚ディスプレイでは、採用したピエゾ素子は、全長２０［ｍｍ］、最大変位量１７．４［μｍ］、耐荷重８５０［Ｎ］である。レバーアームの短手側の長さ（図７の距離Ｄ）は１［ｍｍ］であり、長手側の長さ（図７の距離Ｌ）は２０［ｍｍ］である。即ち、試作した触覚ディスプレイでは、ピエゾ素子の変位を２０倍に拡大して刺激子を動かすことができる。なお、試作した触覚刺激ユニットは、２４．５［ｍｍ］×１８．０［ｍｍ］×９．０［ｍｍ］の直方体に収まるサイズに仕上がった。
【００３１】
実施例の触覚ディスプレイ１０についての留意点を述べる。図２に示す触覚ディスプレイ１０を内蔵するグローブを用意することも好適である。そのようなグローブを備えると、触覚ディスプレイがさらに扱い易くなる。
【００３２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３３】
２：触覚デバイス
３：ローラ
４：ロッド
１０：触覚ディスプレイ
１２：触覚刺激ユニット
１４：回転ユニット
１６、１８：ジョイント
２１：刺激子
２２：スペーサ
２３：スライダ
２３ａ：カムフォロワ
２４：レバーアーム
２５：ピエゾ素子
２７：ケース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人の指関節部位の掌側に対向するように配置され、指関節部位の掌側を押圧する触覚刺激ユニットを有する触覚ディスプレイであり、触覚刺激ユニットは、
ピエゾ素子と、
指関節部位の掌側に向けてスライドするように取り付けられている刺激子と、
触覚刺激ユニットに軸支されており、一端がピエゾ素子の端部に連結しているとともに他端が刺激子に連結しており、ピエゾ素子の変位量を拡大して刺激子をスライドさせるレバーアームと、
を備えていることを特徴とする触覚ディスプレイ。
【請求項２】
人差指の第１、第２、第３関節、中指の第１、第２、第３関節、及び、薬指の第１、第２、第３関節の夫々に対向する９個の触覚刺激ユニットが、指の各部の自由度と対応する自由度を有して相互に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の触覚ディスプレイ。
【請求項１】
人の指関節部位の掌側に対向するように配置され、指関節部位の掌側を押圧する触覚刺激ユニットを有する触覚ディスプレイであり、触覚刺激ユニットは、
ピエゾ素子と、
指関節部位の掌側に向けてスライドするように取り付けられている刺激子と、
触覚刺激ユニットに軸支されており、一端がピエゾ素子の端部に連結しているとともに他端が刺激子に連結しており、ピエゾ素子の変位量を拡大して刺激子をスライドさせるレバーアームと、
を備えていることを特徴とする触覚ディスプレイ。
【請求項２】
人差指の第１、第２、第３関節、中指の第１、第２、第３関節、及び、薬指の第１、第２、第３関節の夫々に対向する９個の触覚刺激ユニットが、指の各部の自由度と対応する自由度を有して相互に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の触覚ディスプレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１３３４４３（Ｐ２０１２−１３３４４３Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８２８２２（Ｐ２０１０−２８２８２２）
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（３０４０２１２７７）国立大学法人 名古屋工業大学 (784)
【Ｆターム（参考）】
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