JP5445052B2 - 力覚提示装置、携帯端末機器 - Google Patents

Description

本発明は、人の手や指に力覚を知覚させることが可能な力覚提示装置及びそれを備えた携帯端末機器に関するものである。

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、人が力覚として知覚できるほど、アクチュエータにより駆動される力覚提示部の変位は大きくない。また、アクチュエータの振動方向に対して人が力覚提示部を通して感じる“力”の方向も限定される。さらに、アクチュエータの動作が単純であるため、例えば、力覚を提示する位置を順次ずらして進行波的な力覚を提示し、方向提示手段などに応用することも難しい。

本発明の目的は、上述の問題点を解決するために、力覚提示部である圧力板の変位が大きく、圧力板を通して人の手や指が感じる“力”の方向を自由に設定することができ、さらに人の手や指に進行波的な触感覚を提示可能な力覚提示装置及びそれを備えた携帯端末機器を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の力覚提示装置は、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、振動するアクチュエータと、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振動によって変形する前記圧力板と、を備え、前記アクチュエータは、前記圧力板を外壁の一部に有する筐体に固定され、前記アクチュエータ、前記筐体、及び前記圧力板によって密閉空間が形成され、前記密閉空間の内部に前記媒質が封入され、前記媒質が封入された前記密閉空間の内部が隔壁によって複数の圧力室に分割され、各圧力室の外壁の一部が前記圧力板によって構成され、前記アクチュエータは、各圧力室に対応した複数の振動領域を有し、前記複数の振動領域のうちの少なくとも２以上の振動領域には、該２以上の振動領域に対して独立に駆動信号を供給するための電気端子が、それぞれ独立に接続され、前記駆動信号として交流電圧が供給されることで、前記アクチュエータは屈曲振動することを特徴とする。

本発明によれば、液体を媒質としてアクチュエータの振動を伝搬するため、人が“力”として感じるほど力覚提示部の変位を大きくすることができ、力覚提示部である圧力板を通して人の手や指が感じる“力”の方向を自由に設定することも可能となる。さらに時間差等を利用して複数の振動領域を駆動することにより進行波的な力覚を感じさせることができ、例えば方向提示手段などに適用することが可能となる。

第１実施形態の力覚提示装置の縦断面図である。 第１実施形態の力覚提示装置の平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 第１実施形態の力覚提示装置に用いられる圧電振動子の平面図である。 図４のＢ−Ｂ断面図である。 第１実施形態の力覚提示装置の圧力室に媒質を充填する方法の説明図である。 第１実施形態の力覚提示装置の動作原理を説明する図である。 第１実施形態の力覚提示装置に用いられる圧電振動子の駆動方法を示す図である。 第１実施形態の力覚提示装置に用いられる圧電振動子の他の駆動方法を示す図である。 第１実施形態の力覚提示装置に用いられる圧電振動子の第１の駆動方法と力覚との関係を示す図である。 第１実施形態の力覚提示装置に用いられる圧電振動子の第２の駆動方法と力覚との関係を示す図である。 第１実施形態の力覚提示装置に用いられる圧電振動子の第３の駆動方法と力覚との関係を示す図である。 第１実施形態の力覚提示装置に用いられる圧電振動子の第４の駆動方法と力覚との関係を示す図である。 第２実施形態の力覚提示装置の縦断面図である。 図１４のＣ−Ｃ断面図である。 第３実施形態の力覚提示装置に用いられる圧電振動子の平面図である。 図１６のＤ−Ｄ断面図である。 第３実施形態の力覚提示装置に用いられる圧電振動子の挙動を示す断面図である。 第３実施形態の力覚提示装置に用いられる圧電振動子の駆動方法と力覚との関係を示す図である。 力覚提示装置を携帯端末機器に組み込んだ状態を示す図である。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す縦断面図、図２は、本発明の第１の実施の形態を示す平面図、図３は、本発明の第１の実施の形態を示すＡ−Ａ断面図である。また、図４は、本発明の第１の実施の形態に用いられる圧電振動子を示す平面図、図５は、本発明の第１の実施の形態に用いられる圧電振動子のＢ−Ｂ断面図である。ただし、図４では図５に示した電気端子は省略している。

図１において、１１はバイモルフ型圧電振動子、１２は下部構造体（下部筐体）、１３ａは下部シールゴム、１３ｂは上部シールゴム、１４は上部構造体（上部筐体）、１５ａは圧力板押さえプレートａ、１５ｂは圧力板押さえプレートｂ、１６は圧力板、１７は媒質（液体）、１８ａは下部シールゴム、１８ｂは上部シールゴムである。

図１に示されるように、下部構造体１２の上に円環形状の下部シールゴム１３ａおよび四角柱形状の下部シールゴム１８ａを介してバイモルフ型圧電振動子１１が載置され、その上にＯリング形状の上部シールゴム１３ｂおよび四角柱形状の上部シールゴム１８ｂを介して上部構造体１４が載置され、ネジ（図示せず）等により締め付け固定されている。この際、Ｏリング形状の上部シールゴム１３ｂは、バイモルフ型圧電振動子１１、下部構造体１２、下部シールゴム１３ａ、上部構造体１４、下部シールゴム１８ａの部品寸法公差により、一定量だけ弾性変形することにより、シール性が保持されている。

下部シールゴム１３ａおよび１８ａ、上部シールゴム１３ｂおよび１８ｂには、例えば、シリコンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム等の材料が用いられるが、これらの材料に限定されるものではない。さらに、上部構造体１４の上に圧力板１６、その上に圧力板押さえプレート１５ａおよび１５ｂが載置されて、ネジ（図示せず）等により締め付け固定されている。

図２に示されるように、圧力板１６は、円環状の圧力板押さえプレート１５ａと円板状の圧力板押さえプレート１５ｂで押さえ付けられ、固定されている。媒質（例えば水）１７はバイモルフ型圧電振動子１１、上部シールゴム１３ｂ、上部構造体１４、圧力板１６で形成される閉空間に封入されるが、図３に示されるように、上部構造体１４は隔壁１４ａにより閉空間が４分割されて、４つの圧力室１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄが形成され、それぞれの圧力室に媒質（例えば水）１７が封入されている。この際、バイモルフ型圧電振動子１１に媒質（例えば水）１７が直接触れるため、圧電振動子１１の媒質１７との接触面に例えばテフロン（登録商標）「シートなどを接着剤等により貼るなどして防水対策を施している。

尚、上部構造体１４および圧力板押さえプレートの固定方法についてはネジ締め等に限定されるものではなく、また、上部構造体１４、圧力板押さえプレート１５ａ、１５ｂ、圧力板１６を一体で加工することも可能である。隔壁１４ａは上部構造体１４と同一材料により一体で加工されているが、隔壁１４ａを上部構造体１４と別部材で構成し、接着剤等で上部構造体１４と一体に固定しても良い。圧力板１６にはシリコン、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。圧力板１６は、各圧力室に対して連続した一枚の板材で構成する必要はなく、圧力室毎に圧力板を分割して設けても良い。また、媒質１７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。

次に、本実施の形態で用いられているバイモルフ型圧電振動子１１の形状について説明する。図４および図５に示されるように、圧電振動子１１には、圧電セラミック１１２ａ、１１２ｂの両面に中心角９０°の扇形形状に電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄが形成されている。圧電振動子１１において電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄが形成された部分が振動領域であり、これらの分割された４つの電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄによって、圧電振動子１１が互いに独立に振動を制御可能な４つの振動領域を備えたものとなっている。

圧電セラミック１１２ａと圧電セラミック１１２ｂは、シム材１１３を挟んで接着されている。各電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄにはそれぞれ独立に電気端子１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ、１１５ｄが接続されている（１１５ｂ、１１５ｃは図示せず）。各電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄには、各電気端子１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ、１１５ｄを介して図示略の駆動制御装置から駆動信号が供給される。そして、各電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄに対して、それぞれ独立に交流電界を印加することによって、各振動領域の振動を独立に制御することが可能となっている。

本実施形態において圧電振動子１１は、本発明のアクチュエータであり、各電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄに対応する位置、すなわち、アクチュエータの各振動領域に対応する位置には、前記圧力室１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄが形成されている。尚、シム材１１３にはりん青銅、カーボンファイバーなどが用いられるが、これらの材料に限定されるものではない。

次に、媒質１７の注入方法について説明する。図６は、本発明の第１の実施の形態において、バイモルフ型圧電振動子１１と上部シールゴム１３ｂと上部構造体１４と圧力板１６で形成される閉空間すなわち圧力室１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄに液体を注入するための具体的な方法の一例を示す縦断面図である。

上部構造体１４の側面には媒質を注入するための注入口２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ（例えば円筒形の穴、ただし、図６には注入口２０ａ、２０ｄのみ図示）が圧力室１つにつき２個ずつ（一方は媒質注入用、他方は媒質吸引用）設けられており、注入口２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄそれぞれにはチューブ等を接続するための継手１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄが固定されている（各１個のみ図示、１９ｂ、１９ｃは図示せず）。バイモルフ型圧電振動子１１、上部シールゴム１３ｂ、上部構造体１４、圧力板１６で形成された閉空間に継手１９ａ、１９ｄにチューブ等を介して接続されたポンプ等（図示せず）により媒質１７（例えば水）を注入し、空気を完全に抜いて媒質１７で満たす。媒質１７で満たした後はコックや治具（図示せず）によって媒質の出入りを遮断する。尚、媒質１７の注入方法については、ここで述べた方法に限定されるものではない。

次に、本発明の第１の実施の形態における力覚提示装置の動作原理について説明する。バイモルフ型圧電振動子１１は電圧を印加すると上に凸または下に凸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上に凸の状態と下に凸の状態を繰り返し、振動する（屈曲振動する）。このとき、バイモルフ型圧電振動子１１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７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。Ｋは体積弾性率である。

また、管内を伝わる音速ｖは、密度ρと体積弾性率Ｋより
ｖ＝（Ｋ／ρ）^１／２
と表せることから、体積弾性率Ｋは
Ｋ＝ρｖ^２ 式（２）
となる。

水中の音速１４８３ｍ／ｓ、空気中の音速３３１．４５ｍ／ｓ、水の密度１０００ｋｇ／ｍ^３、空気の密度１．２９ｋｇ／ｍ^３とすると、式（２）より水と空気の体積弾性率はそれぞれ２．２ＧＰａ、１４２ｋＰａとなるため、式（１）より圧力変化は空気中に比べて水中の方が大きいと考えられる。上記の理論に基づいて、バイモルフ型圧電振動子１１の振動は媒質１７を介して圧力板１６に伝搬する。また、バイモルフ型圧電振動子１１の駆動周波数を約１０Hz程度で駆動させることにより、圧力板１６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感じ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。

次に、本発明の第１の実施の形態における力覚提示装置に用いられているバイモルフ型圧電振動子１１の駆動方法と力覚との関係について説明する。バイモルフ型圧電振動子１１は、図４及び図５に示したように円板状の圧電セラミック１１２ａ，１１２ｂに４つの扇形の電極１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄを形成し、圧電セラミックの振動領域を４つに分割して形成したものである。各振動領域のそれぞれには電気端子１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄ（図５では、１１５ａ，１１５ｄのみ示し、１１５ｂ，１１５ｃの図示は省略する）を設けてあるため、各振動領域のそれぞれに交流電界を印加することにより各振動領域を独立に屈曲振動させることができる。

図８に圧電振動子の各振動領域に印加する電圧波形の一例を示す。例えば、図８に示した振動領域Ａに相当する部分の電極のみに交流電界を印加すると、振動領域Ａのみ屈曲振動し、媒質中を圧力が伝搬し、振動領域Ａに相当する部分の圧力板を通して指や手に力覚を感じさせることができる。振動領域Ｂ、振動領域Ｃ、振動領域Ｄそれぞれに相当する部分の電極のみに交流電界を印加した場合も同様である。

次に、時間差によるバイモルフ型圧電振動子１１の駆動方法と力覚との関係について、図８を用いて説明する。振動領域Ａ、振動領域Ｂ、振動領域Ｃ、振動領域Ｄは時計回りに配列されており、各振動領域の配列順序に従って同一波形の駆動信号が時計回りに順番に供給される。具体的には、時刻Ｔ１に正弦波１波長分の電圧を振動領域Ｄに印加し、時刻Ｔ１から３／４波長相当時間経過後（時刻Ｔ２）に正弦波１波長分の電圧を振動領域Ａに印加し、同様に時刻Ｔ２から３／４波長相当時間経過後（時刻Ｔ３）に正弦波１波長分の電圧を振動領域Ｂに印加し、時刻Ｔ３から３／４波長相当時間経過後（時刻Ｔ４）に正弦波１波長分の電圧を振動領域Ｃに印加し、時刻Ｔ４から３／４波長相当時間経過後（時刻Ｔ５）に正弦波１波長分の電圧を振動領域Ｄに印加する。このサイクルを連続して繰り返すことにより、圧力板を通して指や手に、振動領域Ａ、振動領域Ｂ、振動領域Ｃ、振動領域Ｄの配列順序に従って時計回りに振動領域Ｄ→振動領域Ａ→振動領域Ｂ→振動領域Ｃ→振動領域Ｄの順に力覚を感じさせることができる。すなわち、振動領域Ｄ→振動領域Ａ→振動領域Ｂ→振動領域Ｃ→振動領域Ｄの順に変位が移動するような進行波的な力覚を感じさせることが可能である。

同様に、図９に示したように円板状の圧電セラミックの振動領域を８つの扇形の電極によって８分割した場合も、各振動領域それぞれに電気端子を設け、各振動領域それぞれに交流電界を印加することにより独立に屈曲振動させることができる。また、４分割の場合と同様に３／４波長相当時間間隔で正弦波１波長分の電圧を振動領域Ａ、振動領域Ｂ、振動領域Ｃ、振動領域Ｄ、振動領域Ｅ、振動領域Ｆ、振動領域Ｇ、振動領域Ｈの配列順序（時計回りに配列された配列順序）に従って、振動領域Ｈ→振動領域Ａ→振動領域Ｂ→振動領域Ｃ→振動領域Ｄ→振動領域Ｅ→振動領域Ｆ→振動領域Ｇ→振動領域Ｈの順に印加し、このサイクルを連続して繰り返すことにより、圧力板を通して指や手に、振動領域Ｈ→振動領域Ａ→振動領域Ｂ→振動領域Ｃ→振動領域Ｄ→振動領域Ｅ→振動領域Ｆ→振動領域Ｇ→振動領域Ｈの順に変位が時計回りに移動するような進行波的な力覚を感じさせることが可能である。

また図１０（ａ）に示したように、正弦波１波長分の電圧を印加する順序を振動領域Ａ、振動領域Ｂ、振動領域Ｃ、振動領域Ｄの配列順序（時計回りの配列順序）に従って、振動領域Ｄ→振動領域Ａ→振動領域Ｂ→振動領域Ｃ→振動領域Ｄとした場合、時計回りの進行波的な力覚を感じさせることができ、逆に図１０（ｂ）に示したように、電圧を印加する順序を振動領域Ｄ、振動領域Ｃ、振動領域Ｂ、振動領域Ａの配列順序（反時計回りの配列順序）に従って、振動領域Ａ→振動領域Ｄ→振動領域Ｃ→振動領域Ｂ→振動領域Ａとした場合、反時計回りの進行波的な力覚を感じさせることができる。

振動領域を８分割した場合も同様に、図１１（ａ）に示したように、正弦波１波長分の電圧を印加する順序を振動領域Ａ、振動領域Ｂ、振動領域Ｃ、振動領域Ｄ、振動領域Ｅ、振動領域Ｆ、振動領域Ｇ、振動領域Ｈの配列順序（時計回りの配列順序）に従って、振動領域Ｈ→振動領域Ａ→振動領域Ｂ→振動領域Ｃ→振動領域Ｄ→振動領域Ｅ→振動領域Ｆ→振動領域Ｇ→振動領域Ｈとした場合、時計回りの進行波的な力覚を感じさせることができ、逆に図１１（ｂ）に示したように、電圧を印加する順序を振動領域Ｈ、振動領域Ｇ、振動領域Ｆ、振動領域Ｅ、振動領域Ｄ、振動領域Ｃ、振動領域Ｂ、振動領域Ａの配列順序（反時計回りの配列順序）に従って、振動領域Ａ→振動領域Ｈ→振動領域Ｇ→振動領域Ｆ→振動領域Ｅ→振動領域Ｄ→振動領域Ｃ→振動領域Ｂ→振動領域Ａとした場合、反時計回りの進行波的な力覚を感じさせることができる。

尚、各時刻間隔を３／４波長相当時間としているが、これに限定されるものではなく、自由に設定可能である。また、印加電圧波形を正弦波としているが、矩形波や三角波等でもかまわない。

次に、位相差によるバイモルフ型圧電振動子１１の駆動方法と力覚との関係について、図１２を用いて説明する。バイモルフ型圧電振動子１１は、上で述べたのと同様、図４および図５に示したように円板状の圧電セラミックの振動領域を４分割し、各振動領域それぞれに電気端子を設けてあるため、各振動領域それぞれに交流電界を印加することにより独立に屈曲振動させることができるものとする。

図１２（ａ）に示したように、例えば印加電圧波形を正弦波とし、振動領域Ａ、振動領域Ｂ、振動領域Ｃ、振動領域Ｄの配列順序に従って、振動領域Ａ→振動領域Ｂ→振動領域Ｃ→振動領域Ｄの順に各振動領域に印加する正弦波電圧の位相を９０°ずつずらして駆動した場合、圧力板を通して指や手に、振動領域Ａ→振動領域Ｂ→振動領域Ｃ→振動領域Ｄの順に変位が移動するような時計回りの進行波的な力覚を感じさせることができる。逆に図１２（ｂ）に示したように、振動領域Ｄ、振動領域Ｃ、振動領域Ｂ、振動領域Ａの配列順序に従って、振動領域Ｄ→振動領域Ｃ→振動領域Ｂ→振動領域Ａの順に各振動領域に印加する正弦波電圧の位相を９０°ずつずらして駆動した場合、圧力板を通して指や手に、振動領域Ｄ→振動領域Ｃ→振動領域Ｂ→振動領域Ａの順に変位が移動するような反時計回りの進行波的な力覚を感じさせることができる。

図１３には振動領域を８分割した場合の駆動方法を示している。振動領域を８分割した場合も、振動領域を４分割した場合と同様に、各振動領域それぞれに電気端子を設けており、各振動領域それぞれに交流電界を印加することにより独立に屈曲振動させることができるものとする。例えば図１３（ａ）に示したように、印加電圧波形を正弦波とし、振動領域Ａ、振動領域Ｂ、振動領域Ｃ、振動領域Ｄ、振動領域Ｅ、振動領域Ｆ、振動領域Ｇ、振動領域Ｈの配列順序に従って、振動領域Ａ→振動領域Ｂ→振動領域Ｃ→振動領域Ｄ→振動領域Ｅ→振動領域Ｆ→振動領域Ｇ→振動領域Ｈの順に各振動領域に印加する正弦波電圧の位相を４５°ずつずらして駆動した場合、圧力板を通して指や手に、振動領域Ａ→振動領域Ｂ→振動領域Ｃ→振動領域Ｄ→振動領域Ｅ→振動領域Ｆ→振動領域Ｇ→振動領域Ｈの順に変位が移動するような時計回りの進行波的な力覚を感じさせることができる。逆に図１３（ｂ）に示したように、振動領域Ｈ、振動領域Ｇ、振動領域Ｆ、振動領域Ｅ、振動領域Ｄ、振動領域Ｃ、振動領域Ｂ、振動領域Ａの配列順序に従って、振動領域Ｈ→振動領域Ｇ→振動領域Ｆ→振動領域Ｅ→振動領域Ｄ→振動領域Ｃ→振動領域Ｂ→振動領域Ａの順に各振動領域に印加する正弦波電圧の位相を４５°ずつずらして駆動した場合、圧力板を通して指や手に、振動領域Ｈ→振動領域Ｇ→振動領域Ｆ→振動領域Ｅ→振動領域Ｄ→振動領域Ｃ→振動領域Ｂ→振動領域Ａの順に変位が移動するような反時計回りの進行波的な力覚を感じさせることができる。

尚、印加電圧波形を正弦波としているが、これに限定されるものではなく、矩形波や三角波等でもかまわない。また、振動領域は４つや８つに限らず、少なくとも３つ以上であれば、進行波的な力覚を感じさせることができる。また、複数の振動領域を圧電セラミックの外周に沿って時計回り又は反時計回りに配列したが、この配列順序はこれに限定されず、例えば一方向に直線状に配列した場合でも、該配列順序に従って各振動領域に順番に同一波形の駆動信号を供給すれば、配列方向に沿った進行波的な力覚を感じさせることができる。

以上説明したように、本実施形態の力覚提示装置によれば、液体を媒質としてアクチュエータの振動を伝搬するため、人が“力”として感じるほど力覚提示部の変位を大きくすることができ、力覚提示部である圧力板を通して人の手や指が感じる“力”の方向を自由に設定することも可能となる。さらに時間差等を利用して複数の振動領域を駆動することにより進行波的な力覚を感じさせることができ、例えば方向提示手段などに適用することが可能となる。

［第２の実施の形態］
図１４は、本発明の第２の実施の形態の力覚提示装置の縦断面図であり、図１５は、図１４の力覚提示装置のＣ−Ｃ断面図である。図１４および図１５において、２１はバイモルフ型圧電振動子、２２は下部構造体、２３ａは下部シールゴム、２３ｂは上部シールゴム、２４は上部構造体、２５ａは圧力板押さえプレートａ、２５ｂは圧力板押さえプレートｂ、２６は圧力板、２７は媒質（液体）、２８ａは下部シールゴム、２８ｂは上部シールゴムである。

第２の実施の形態の、第１の実施の形態と相違する点は、第１の実施の形態では、下部構造体１２の上に下部シールゴム１３ａおよび１８ａを介してバイモルフ型圧電振動子１１が載置されているのに対して、本実施の形態では、図１４に示したように、下部構造体２２の上に円環形状の下部シールゴム２３ａおよび四角柱形状のシールゴム２８ａを介して扇形形状の圧電振動子２１が固定されているダイヤフラム２９が載置されている点である。本実施形態では、ダイヤフラム２９とその上に固定された４つの扇形形状の圧電振動子２１とが本発明のアクチュエータであり、ダイヤフラム２９において圧電振動子２１によって振動する領域が本発明の振動領域である。

本実施の形態において、図１５に示したように、ダイヤフラム２９に中心角９０°の扇形形状の圧電振動子２１が４個接着等により固定されている。本実施の形態において、媒質（例えば水）２７はダイヤフラム２９、Ｏリング形状の上部シールゴム２３ｂおよび四角柱形状の上部シールゴム２８ｂ、隔壁２４ａを有する上部構造体２４、圧力板２６で形成される閉空間に封入されており、本実施の形態のような構造にすることにより、圧電振動子２１は媒質（例えば水）２７に直接触れることがないため、第１の実施の形態で述べたように圧電振動子２１にテフロン（登録商標）シートを貼るといった防水対策を施す必要がない。また、本実施の形態においても、各振動領域の圧電振動子２１それぞれに電気端子を設けてあるため（図示せず）、各振動領域それぞれに交流電界を印加することにより独立に屈曲振動させることができる。尚、媒質の注入方法については第１の実施の形態と同様の方法で行うものとする。

第１の実施の形態で説明したのと同じ動作原理に基づいて、本実施の形態においても、バイモルフ型圧電振動子２１の振動がダイヤフラム２９、媒質２７を介して、圧力板２６に伝搬し、媒質が空気の場合に比べて水の方がより大きな圧力変化を生じる。また、第１の実施の形態と同様に、バイモルフ型圧電振動子２１の駆動周波数を約１０Hz程度で駆動させることにより、圧力板２６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感じさせることが可能となる。さらに、第１の実施の形態と同様に、各振動領域の配列順序に従って、各振動領域に印加する電圧に時間差（例えば３／４波長相当時間）を与えることにより、時計回りまたは反時計回りの進行波的な力覚を感じさせることが可能である。また、時間差ではなく、位相差（例えば９０°）を与えることによっても時計回りまたは反時計回りの進行波的な力覚を感じさせることが可能である。

尚、時間差は３／４波長相当時間に限定されるものではなく、自由に設定可能であり、位相差も９０°としているが、この値に限定されるものではない。また、印加電圧波形を正弦波としているが、矩形波や三角波等でもかまわない。また、本実施の形態において、圧電振動子２１の形状を中心角９０°の扇形形状としたが、この形状に限定されるものではなく、円形や四角形でもよい。さらに屈曲振動するアクチュエータであれば圧電振動子以外でもよい。

［第３の実施の形態］
図１６は、本発明の第３の実施の形態に用いられる圧電振動子を示す平面図であり、図１７は、図１６の圧電振動子のＤ−Ｄ断面図である。

第３の実施の形態の、第１の実施の形態および第２の実施の形態に用いられている圧電振動子と相違する点は、第１および第２の実施の形態では、分割された圧電振動子の分極方向がすべて同一方向であったのに対して、本実施の形態では、図１６に示したように、圧電振動子３１の分極方向が圧電振動子３１の振動領域Ａ，Ｂと振動領域Ｃ，Ｄで反転している点である。尚、図１６中に示した＋、−の意味は分極方向を示しており、＋はＺ軸＋方向、−はＺ軸−方向を表している。

本実施の形態において、図１６に示したように、４分割された振動領域Ａ，Ｂの分極方向が＋、振動領域Ｃ，Ｄの分極方向が−となっている。図１７に示したように、上下両面に電極１３１ａが形成されている振動領域Ａの２枚の圧電セラミック１３２ａと上下両面に電極１３１ｃが形成されている振動領域Ｃの２枚の圧電セラミック１３２ｃと上下両面に電極１３１ｂが形成されている振動領域Ｂの２枚の圧電セラミック１３２ｂと上下両面に電極１３１ｄが形成されている振動領域Ｄの２枚の圧電セラミック１３２ｄがそれぞれシム材１３３を挟んで１枚の圧電振動子３１を形成している（電極１３１ｂ、１３１ｄ、圧電セラミック１３２ｂ、１３２ｄは図示せず）。

振動領域Ａの電極１３１ａと振動領域Ｃの電極１３１ｃをそれぞれシム材側およびシム材と反対側の結線を束ね、同様に振動領域Ｂの電極１３１ｂと振動領域Ｄの電極１３１ｄもそれぞれシム材側およびシム材と反対側の結線を束ねると電気端子の数は全部で４端子となり（図１７では、電極１３１ａと電極１３１ｃに接続される２つの電気端子１３５ａのみ図示する）、第１の実施の形態および第２の実施の形態の８端子と比べて電気端子の数が半分となる。例えば、振動領域Ａと振動領域Ｃに共通の電気端子１３５ａを通じて同一波形の正弦波電圧（駆動信号）を印加すると、図１８に示したように振動領域Ａと振動領域Ｃは１８０°位相が反転して屈曲振動を行う。同様に、振動領域Ｂと振動領域Ｄに共通の電気端子を通じて同一波形の正弦波電圧（駆動信号）を印加すると、振動領域Ｂと振動領域Ｄも位相が１８０°反転して屈曲振動を行う（図示せず）。

そこで、第１の実施の形態で説明した駆動方法のように、４分割された各振動領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに印加する正弦波電圧の位相差を９０°とする場合に、振動領域Ａと振動領域Ｃで結線を束ねた電気端子に印加する電圧と、振動領域Ｂと振動領域Ｄで結線を束ねた電気端子に印加する電圧の位相を９０°ずらすと、振動領域Ａと振動領域Ｂは９０°位相がずれた電圧印加、振動領域Ａと振動領域Ｃは分極が反転しているので１８０°位相がずれた電圧印加、また振動領域Ｂと振動領域Ｄも分極が反転しているため位相が１８０°ずれるので、振動領域Ａと振動領域Ｄは２７０°ずれた電圧印加となり、同様の駆動方法を実現することができる。すなわち、第１の実施の形態の半分の端子数で４分割された各振動領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに印加する正弦波電圧の位相差を９０°とする駆動が可能となり、制御が容易となる。

次に、バイモルフ型圧電振動子３１の駆動方法と力覚との関係について説明する。振動領域Ｂと振動領域Ｄに印加する電圧を振動領域Ａと振動領域Ｃに印加する電圧に対して９０°位相を進ませると、振動領域Ｃが振動領域Ａに対して、振動領域Ｄが振動領域Ｂに対して１８０°位相がずれているため、駆動電圧と振動子変位の関係は図１９（ａ）に示したようになり、第１の実施の形態で説明したのと同様に時計回りの進行波的な力覚を感じることができる。また逆に、振動領域Ｂと振動領域Ｄに印加する電圧を振動領域Ａと振動領域Ｃに印加する電圧に対して９０°位相を遅らせると、振動領域Ｃが振動領域Ａに対して、振動領域Ｄが振動領域Ｂに対して１８０°位相がずれているため、駆動電圧と振動子変位の関係は図１９（ｂ）に示したようになり、第１の実施の形態で説明したのと同様に反時計回りの進行波的な力覚を感じることができる。

以上説明したように、本実施の形態では、第１の実施の形態の端子数の半分の端子数で位相差を利用した進行波的な力覚を提示することが可能である。本実施形態では、印加電圧波形を正弦波としているが、矩形波や三角波等でもかまわない。また、振動領域は４つに限らず、６つや８つなど偶数個の振動領域であれば、同様の方法により端子数を減らしつつ進行波的な力覚を感じさせることができる。例えば、所定の配列順序で配列された２ｍ（ｍは２以上の整数）個の振動領域を設けた場合、これらの振動領域を前記配列順序に従って分極方向が反転した２ｍ個の圧電振動子によって構成する。そして、２ｍ個の振動領域のうち前記配列順序において１番目と（ｍ＋１）番目の振動領域には、同一波形の第１駆動信号を供給し、２番目と（ｍ＋２）番目の振動領域には第１駆動信号と同一波形の第２駆動信号を前記第１駆動信号の供給タイミングと異なるタイミングで供給し、３番目と（ｍ＋３）番目の振動領域には第１駆動信号と同一波形の第３駆動信号を前記第２駆動信号の供給タイミングと異なるタイミングで供給し、…というふうに１番目と（ｍ＋１）番目の振動領域、２番目と（ｍ＋２）番目の振動領域、３番目と（ｍ＋３）番目の振動領域、…に、前記振動領域の配列順序に従って順番に同一波形の駆動信号を供給することにより、その配列方向に沿った進行波的な力覚を提示することができる。

［携帯端末機器］
第１の実施の形態または第２の実施の形態の力覚提示装置１００１を携帯端末機器１０００に搭載した例を図２０に示す。図２０の携帯端末機器１０００は、本発明の力覚提示装置１００１を用いることにより、例えば、ダイヤルキーのクリック感のような感触を使用者に提示することが可能となる。また、ＧＰＳと連動させ、各振動領域を駆動させることにより使用者に進行方向を提示することが可能となり、方向提示ナビとして利用できる。あるいは、時計回りの進行波的な力覚を右方向提示、反時計回りの進行波的な力覚を左方向提示といった方法で方向を提示することも可能である。

図２０は力覚提示部分である圧力板が端末表面（ディスプレイおよびキーがある面）にある場合を示している。図２０には示していないが、圧力板が端末裏面の方向にあってもよい。尚、図２０には本発明の第１の実施の形態または第２の実施の形態の力覚提示装置１００１を携帯端末機器１０００に搭載した例を示したが、力覚提示装置単独で方向提示ナビとして用いてもよい。

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、上記の実施の形態では、アクチュエータとしてバイモルフ型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よい。アクチュエータおよ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。

１，２…力覚提示装置、１１…圧電振動子（アクチュエータ）、１２…下部構造体（筐体）、１３ａ…下部シールゴム、１３ｂ…上部シールゴム、１４…上部構造体（筐体）、１４ａ…隔壁、１５ａ，１５ｂ…圧力板押さえプレート、１６…圧力板、１７…媒質、１８ａ…下部シールゴム、１８ｂ…上部シールゴム、１９ａ，１９ｄ…継手、２０ａ，２０ｂ…注入口、２１…圧電振動子、２２…下部構造体（筐体）、２３ａ…下部シールゴム、２３ｂ…上部シールゴム、２４…上部構造体（筐体）、２４ａ…隔壁、２５ａ，２５ｂ…圧力板押さえプレート、２６…圧力板、２７…媒質、２８ａ…下部シールゴム、２８ｂ…上部シールゴム、２９…ダイヤフラム、３１…圧電振動子、１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄ…電極、１１２ａ，１１２ｂ、１１３…シム材、１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄ…圧力室、１１５ａ，１１５ｄ…電気端子、１３１ａ，１３１ｃ…電極、１３２ａ，１３２ｃ…圧電セラミック、１３３…シム材、１３５ａ…電気端子、１０００…携帯端末機器、１００１…力覚提示装置、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ…振動領域

Claims (8)

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、
   振動するアクチュエータと、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振動によって変形する前記圧力板と、を備え、
   前記アクチュエータは、前記圧力板を外壁の一部に有する筐体に固定され、
   前記アクチュエータ、前記筐体、及び前記圧力板によって密閉空間が形成され、
   前記密閉空間の内部に前記媒質が封入され、
   前記媒質が封入された前記密閉空間の内部が隔壁によって複数の圧力室に分割され、
   各圧力室の外壁の一部が前記圧力板によって構成され、
   前記アクチュエータは、各圧力室に対応した複数の振動領域を有し、
   前記複数の振動領域のうちの少なくとも２以上の振動領域には、該２以上の振動領域に対して独立に駆動信号を供給するための電気端子が、それぞれ独立に接続され、
   前記駆動信号として交流電圧が供給されることで、前記アクチュエータは屈曲振動することを特徴とする力覚提示装置。
2. 前記複数の振動領域には、所定の配列順序で配列された３つの振動領域が含まれ、
   前記３つの振動領域には、同一波形の駆動信号が前記配列順序に従って順番に供給されることを特徴とする請求項１に記載の力覚提示装置。
3. 前記複数の振動領域には、所定の配列順序で配列された４つの振動領域が含まれ、
   前記４つの振動領域は、前記配列順序に従って分極方向が反転した４つの圧電振動子によって構成され、
   前記４つの振動領域のうち前記配列順序において１番目と３番目の振動領域には、同一波形の第１駆動信号が供給され、２番目と４番目の振動領域には、前記第１駆動信号と同一波形の第２駆動信号が、前記第１駆動信号の供給タイミングと異なるタイミングで供給されることを特徴とする請求項１に記載の力覚提示装置。
4. 前記アクチュエータは、交流電界の印加により屈曲振動することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
5. 前記アクチュエータはバイモルフ型圧電振動子であることを特徴とする請求項４に記載の力覚提示装置。
6. 前記隔壁は、前記筐体と一体に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
7. 前記圧力板は、前記圧力室毎に分割して設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の力覚提示装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の力覚提示装置を搭載していることを特徴とする携帯端末機器。

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