(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、前記支持基板上に形成された電極と、前記電極を覆う絶縁層と、を有するパネルと、前記パネルを駆動する駆動部と、を備え、前記駆動部が前記電極に電圧の信号を印加することによって、前記電極と操作者との間に生じる静電気力に基づき、前記操作者に触覚を提示する触覚提示装置であって、
前記絶縁層の前記操作者が触れる接触面は、表面粗さＲａが所定の範囲であり、
前記電極に印加される電圧は、前記接触面の表面粗さＲａに応じた電圧である、
ことを特徴とする触覚提示装置。
【請求項２】
支持基板と、前記支持基板上に形成された所定の方向に延在する複数の電極と、前記複数の電極を覆う絶縁層と、を有するパネルと、前記パネルを駆動する駆動部と、を備え、前記駆動部が前記電極に電圧の信号を印加することによって、前記電極と操作者との間に生じる静電気力に基づき、前記操作者に触覚を提示する触覚提示装置であって、
前記絶縁層の前記操作者が触れる接触面は、表面粗さＲａが所定の範囲であり、
前記操作者に触覚を提示する領域に対応する電極に印加される電圧は、前記接触面の表面粗さＲａに応じた電圧である、
ことを特徴とする触覚提示装置。
【請求項３】
前記表面粗さＲａと当該表面粗さＲａにおいて前記操作者が触覚を知覚可能な検出閾電圧とは相関を有し、
前記電極に印加される電圧は、前記接触面の表面粗さＲａに対応する前記検出閾電圧以上の電圧である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の触覚提示装置。
【請求項４】
前記絶縁層は、前記接触面に前記所定の範囲の表面粗さＲａを生じさせるサイズの粒子を絶縁性材料中に分散した構造である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の触覚提示装置。
【請求項５】
前記絶縁層は、前記電極を覆う下層の絶縁層と、前記下層の絶縁層を覆う上層の絶縁層
と、で構成され、前記上層の絶縁層は、前記接触面に前記所定の範囲の表面粗さＲａを生じさせるサイズの粒子を絶縁性材料中に分散した構造である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の触覚提示装置。
【請求項６】
前記絶縁層は、可視光に対する反射防止機能を備えたアンチグレア層である、
ことを特徴とする請求項４に記載の触覚提示装置。
【請求項７】
前記上層の絶縁層は、可視光に対する反射防止機能を備えたアンチグレア層である、
ことを特徴とする請求項５に記載の触覚提示装置。
【請求項８】
前記所定の範囲は、前記表面粗さＲａが、０．０１μｍよりも大きく、０．８μｍ未満の範囲である、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記載の触覚提示装置。
【請求項９】
前記所定の範囲は、前記表面粗さＲａが、０．０３μｍよりも大きく、０．８μｍ未満の範囲である、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記載の触覚提示装置。
【請求項１０】
前記表面粗さＲａの前記所定の範囲は、前記接触面と前記操作者の指との接触面積が相対的に大きくなることにより前記指が前記接触面に粘り着く状態よりも粗く、前記操作者の指が前記接触面の凹凸に追従して変形する状態よりも細かい範囲である、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記載の触覚提示装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一に記載の前記触覚提示装置を、タッチパネル式の表示装置の前面若しくは背面に備える、
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１２】
前記タッチパネルは、光学式タッチパネルである、
ことを特徴とする請求項１１に記載の電子機器。
【請求項１３】
支持基板と、前記支持基板上に形成された電極と、前記電極を覆う絶縁層と、を有するパネルと、前記パネルを駆動する駆動部と、を備え、前記駆動部が前記電極に電圧の信号を印加することによって、前記電極と操作者との間に生じる静電気力に基づき、前記操作者に触覚を提示する触覚提示装置の駆動方法であって、
前記絶縁層の前記操作者が触れる接触面は、表面粗さＲａが所定の範囲に設定されており、
前記駆動部は、前記電極に、前記接触面の表面粗さＲａに応じた電圧の信号を印加する処理を実行する、
ことを特徴とする触覚提示装置の駆動方法。
【請求項１４】
支持基板と、前記支持基板上に形成された所定の方向に延在する複数の電極と、前記複数の電極を覆う絶縁層と、を有するパネルと、前記パネルを駆動する駆動部と、を備え、前記駆動部が前記電極に電圧の信号を印加することによって、前記電極と操作者との間に生じる静電気力に基づき、前記操作者に触覚を提示する触覚提示装置の駆動方法であって、
前記絶縁層の前記操作者が触れる接触面は、表面粗さＲａが所定の範囲に設定されており、
前記駆動部は、
前記操作者に触覚を提示する領域に対応する電極を特定する処理と、
前記特定した電極に、前記接触面の表面粗さＲａに応じた電圧の信号を印加する処理と
、を実行する、
ことを特徴とする触覚提示装置の駆動方法。
【請求項１５】
前記表面粗さＲａと当該表面粗さＲａにおいて前記操作者が触覚を知覚可能な検出閾電圧とは相関を有し、
前記駆動部は、
前記特定した電極に、前記接触面の表面粗さＲａに対応する前記検出閾電圧以上の電圧の信号を印加する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の触覚提示装置の駆動方法。
【請求項１６】
前記所定の範囲は、前記表面粗さＲａが、０．０１μｍよりも大きく、０．８μｍ未満の範囲である、
ことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか一に記載の触覚提示装置の駆動方法。
【請求項１７】
前記所定の範囲は、前記表面粗さＲａが、０．０３μｍよりも大きく、０．８μｍ未満の範囲である、
ことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか一に記載の触覚提示装置の駆動方法。
【請求項１８】
前記表面粗さＲａの前記所定の範囲は、前記接触面と前記操作者の指との接触面積が相対的に大きくなることにより前記指が前記接触面に粘り着く状態よりも粗く、前記操作者の指が前記接触面の凹凸に追従して変形する状態よりも細かい範囲である、
ことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか一に記載の触覚提示装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚提示装置及び電子機器並びに触覚提示装置の駆動方法に関し、特に、触覚を提示する触覚提示装置及び当該触覚提示装置を備えるタッチパネルや視覚障害者用端末などの電子機器並びに触覚を適切に提示するための駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
指などをタッチすることで入力操作が可能なタッチパネルが搭載された表示装置は、入力操作に応じて表示内容や機器の動作を制御するシステムに組み込まれることで、使い勝手の良いインタラクティブな操作性の実現に貢献している。このため、タッチパネルが組み込まれたスマートフォン、タブレット端末、ノート型パーソナルコンピュータなどの情報機器が急速に普及している。
【０００３】
その一方で、タッチパネルが搭載された表示装置の表面は一様に硬く、画面上に表示されているどの部分を触っても同じ触覚を持つ。そのため、タッチパネルのどこを触れば有効な入力が可能であるか、また有効な入力がなされたか否かを、当該パネルを見ないで知覚することは事実上不可能である。従って、これらの装置を、表示装置の画面を見ずに触覚だけで操作することは困難である。
【０００４】
これに対して、例えば、テレビジョン受信機のリモコン、従来型の携帯電話端末（フィーチャーフォン）、パーソナルコンピュータのキーボードなどは、各々独立した操作キーを備えているため、触覚だけで操作キーの所在を知覚することができ、かつそれらの操作キーを押した時にも触覚を通じてそのことを知覚することができる。従って、操作キーの位置や配置を覚えさえすれば、手元を見ずに触覚だけで操作することはさほど困難なことではない。
【０００５】
このような背景から、表示装置に触覚を付与する技術が研究されている。例えば、圧電素子や偏心モーター等を用いて表示装置を機械的に振動させる方法や、静電気力によって操作者の指と装置との間の摩擦力を変化させ、装置を指でなぞった時に触覚（テクスチャ感）を提示する、いわゆる電気振動現象を利用した方法、指に電流を流してユーザの指の皮膚機械受容器の神経軸索を駆動する方法等である。
【０００６】
これらの方法のうち、電気振動現象を利用した方法に関して、例えば、下記特許文献１には、導電面と、前記導電面上に配置された絶縁面と、信号が前記装置と接触する使用者に結合するように構成され、これによって前記絶縁面上をスライドする前記使用者の少なくとも１本の指に触感が知覚されるコントローラを含む触覚提示装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２４８８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電気振動現象を利用した触覚提示装置は、電極とその電極を保護する絶縁層とを備えており、絶縁層上で操作者の指を動かした時に、以下のメカニズムによって操作者に触覚を提示する。
（１）電極に電圧信号を印加すると、電極と操作者の指との間に静電気力が働く。静電気力は常に引力であり、この静電気力は電圧信号の周波数に応じて変動する。
（２）操作者の指と絶縁層表面との間に働く垂直抗力が静電気力の変動に応じて変動することにより、使用者が絶縁層表面で指を滑らせたときに、電圧信号の周波数に応じて摩擦力が変動する。
（３）摩擦力の変動は指のせん断方向に働く力を変動させ、電圧信号の周波数に応じた指の変形をもたらす。この変形（機械的な振動）が使用者の指の機械受容器によって検出され、ざらざらとしたテクスチャ感を知覚する。
【０００９】
このように、ざらざらとしたテクスチャ感を知覚可能にするためには、電極と操作者の指との間に適切な静電気力が働くように、電極に適切な電圧を印加する必要がある。しかしながら、適切な電圧を印加するのは容易ではなく、テクスチャ感を知覚しやすくするために電極に印加する電圧を高くすると、電極を保護する絶縁膜が摩耗等で万一失われた場合に操作者の指に高い電圧が印加され、操作者の指に適切でない電流が流れてしまう恐れがあり、安全性の観点から好ましくない。一方、電極に印加する電圧を低くすると十分なテクスチャ感を知覚することができなくなる。
【００１０】
特に、従来の触覚提示装置の接触面（絶縁層の表面）は平坦であり、平坦な接触面では指が接触面に密着して滑りにくくなり、テクスチャ感を知覚しにくくなる。そのため、電極に印加する電圧をより高くしなければならず、安全性を確保することが困難になる。従って、テクスチャ感を知覚しやすくすることと電極に印加する電圧を低減することとを両立させることが難しいという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、テクスチャ感を知覚しやすくし、かつ、電極に印加する電圧を効果的に低減することができる触覚提示装置及び当該触覚提示装置を備える電子機器並びに触覚提示装置の駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一側面は、支持基板と、前記支持基板上に形成された電極と、前記電極を覆う絶縁層と、を有するパネルと、前記パネルを駆動する駆動部と、を備え、前記駆動部が前記電極に電圧の信号を印加することによって、前記電極と操作者との間に生じる静電気力に基づき、前記操作者に触覚を提示する触覚提示装置であって、前記絶縁層の前記操作者が触れる接触面は、表面粗さＲａが所定の範囲であり、前記電極に印加される電圧は、前記接触面の表面粗さＲａに応じた電圧である、ことを特徴とする。
【００１３】
本発明の一側面は、支持基板と、前記支持基板上に形成された所定の方向に延在する複数の電極と、前記複数の電極を覆う絶縁層と、を有するパネルと、前記パネルを駆動する駆動部と、を備え、前記駆動部が前記電極に電圧の信号を印加することによって、前記電極と操作者との間に生じる静電気力に基づき、前記操作者に触覚を提示する触覚提示装置であって、前記絶縁層の前記操作者が触れる接触面は、表面粗さＲａが所定の範囲であり、前記操作者に触覚を提示する領域に対応する電極に印加される電圧は、前記接触面の表面粗さＲａに応じた電圧である、ことを特徴とする。
【００１４】
本発明の一側面は、支持基板と、前記支持基板上に形成された電極と、前記電極を覆う絶縁層と、を有するパネルと、前記パネルを駆動する駆動部と、を備え、前記駆動部が前記電極に電圧の信号を印加することによって、前記電極と操作者との間に生じる静電気力に基づき、前記操作者に触覚を提示する触覚提示装置であって、前記絶縁層の前記操作者が触れる接触面は、表面粗さＲａが０．０１μｍよりも大きく、０．８μｍ未満の範囲であり、当該表面粗さＲａと前記操作者が触覚を知覚可能な最低電圧（以下、検出閾電圧と呼ぶ）とは相関を有する、ことを特徴とする。
【００１５】
本発明の一側面は、電子機器であって、上記記載の前記触覚提示装置を、タッチパネル式の表示装置の前面若しくは背面に備える、ことを特徴とする。
【００１６】
本発明の一側面は、支持基板と、前記支持基板上に形成された電極と、前記電極を覆う絶縁層と、を有するパネルと、前記パネルを駆動する駆動部と、を備え、前記駆動部が前記電極に電圧の信号を印加することによって、前記電極と操作者との間に生じる静電気力に基づき、前記操作者に触覚を提示する触覚提示装置の駆動方法であって、前記絶縁層の前記操作者が触れる接触面は、表面粗さＲａが所定の範囲に設定されており、前記駆動部は、前記電極に、前記接触面の表面粗さＲａに応じた電圧の信号を印加する処理を実行する、ことを特徴とする。
【００１７】
本発明の一側面は、支持基板と、前記支持基板上に形成された所定の方向に延在する複数の電極と、前記複数の電極を覆う絶縁層と、を有するパネルと、前記パネルを駆動する駆動部と、を備え、前記駆動部が前記電極に電圧の信号を印加することによって、前記電極と操作者との間に生じる静電気力に基づき、前記操作者に触覚を提示する触覚提示装置の駆動方法であって、前記絶縁層の前記操作者が触れる接触面は、表面粗さＲａが所定の範囲に設定されており、前記駆動部は、前記操作者に触覚を提示する領域に対応する電極を特定する処理と、前記特定した電極に、前記接触面の表面粗さＲａに応じた電圧の電圧信号を印加する処理と、を実行する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の触覚提示装置及び電子機器並びに触覚提示装置の駆動方法によれば、テクスチャ感を知覚しやすくし、かつ、電極に印加する電圧を効果的に低減することができる。
【００１９】
その理由は、触覚提示装置の接触面の表面粗さを所定の範囲に設定し、かつ、接触面の表面粗さとテクスチャ感を知覚可能な電圧には相関があることから、表面粗さに応じた電圧（表面粗さに対応する電圧以上の電圧）を電極に印加して駆動するからである。また、表面粗さが０．００μｍのときの検出閾電圧と比較して、より低い検出閾電圧となるような表面粗さを接触面に持たせるからである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る触覚提示装置の一例を示す平面視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る触覚提示装置の断面図であり、図１のＡ−Ａ線における断面を示している。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る触覚提示装置の他の例を示す平面視図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る触覚提示装置の断面図であり、図３のＢ−Ｂ線における断面を示している。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る触覚提示装置の評価方法を説明する図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る触覚提示装置の評価結果を示すテーブルである。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る触覚提示装置の表面粗さと検出閾電圧との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る触覚提示装置における表面粗さと検出閾電圧と操作者が知覚する触覚との関係を示すテーブルである。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る触覚提示装置に関して、被験者４名の評価結果を示すテーブルである。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る触覚提示装置の表面粗さと検出閾電圧との関係を、３０代前半男性を対象に調査した結果を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る触覚提示装置の表面粗さと検出閾電圧との関係を、３０代後半男性を対象に調査した結果を示すグラフである。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る触覚提示装置の表面粗さと検出閾電圧との関係を、２０代女性を対象に調査した結果を示すグラフである。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係る触覚提示装置の一例を示す平面視図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態に係る触覚提示装置の他の例を示す平面視図である。
【図１５】本発明の第１の実施例に係る触覚提示装置の構成を示す説明図である。
【図１６】図１５に示した触覚提示装置の駆動方法を説明する図である。
【図１７】図１５及び図１６で示した触覚提示装置の断面モデルを示す模式図である。
【図１８】本発明の第２の実施例に係る触覚提示装置の電極の具体的な形状を示す平面視図である。
【図１９】図１８のＡにおけるＸ電極及びＹ電極の接続部分の構造を拡大した平面視図である。
【図２０】図１８のＡにおけるＸ電極及びＹ電極の接続部分の構造を示す断面図であり、図１９のＣ−Ｃ線における断面を示している。
【図２１】本発明の第３の実施例に係る触覚提示装置のＸ電極駆動回路の詳細な構成を示す説明図である。
【図２２】図２１に示したＸ電極駆動回路の動作を説明するためのタイミングチャート図である。
【図２３】本発明の第４の実施例に係る触覚提示装置を備える電子機器の一例を示す斜視図である。
【図２４】本発明の第４の実施例に係る触覚提示装置を備える移動体の一例を示す斜視図である。
【図２５】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る触覚提示装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
背景技術で示したように、電気振動現象を利用した触覚提示装置が提案されているが、従来の触覚提示装置の接触面は平坦であり、平坦な接触面では指が接触面に密着して滑りにくいため、静電気力によるテクスチャ感を知覚しにくい。テクスチャ感を知覚しやすくするためには、１００Ｖ以上の高い電圧を電極に印加しなければならず、駆動回路が複雑になると共に、電極を保護する絶縁膜が摩耗等で万一失われた場合に操作者の指に適切でない電流が流れてしまうため、装置の安全性が確保できないという問題があった。
【００２２】
この問題に対して、本願発明者は、接触面の形態が異なる各種触覚提示装置を作成し、各々の触覚提示装置において、操作者がテクスチャ感を知覚可能な最低電圧、即ち検出閾電圧を調べた。その結果、接触面にアンチグレア処理を施す（絶縁層の接触面を粗くする）と、提示された触覚が極めて分かりやすくなること、即ち、提示された触覚刺激を操作者が極めて知覚しやすくなること（第１の知見）を見出した。
【００２３】
本願発明者は、さらに実験を進めた結果、アンチグレア処理によって接触面の表面粗さが適度に大きくなることが、操作者が触覚刺激を知覚しやすくなる要因であることが分かった。即ち、接触面の表面粗さとその表面粗さにおいて操作者がテクスチャ感を知覚可能な最低電圧である検出閾電圧との間に特殊な相関があること（第２の知見）を見出した。なお、本明細書で使用する表面粗さとは、ＪＩＳ  Ｂ  ００３１、ＪＩＳ  Ｂ  ００６１の付属書等で定義されている算術平均粗さ（必要に応じて表面粗さＲａと表記する。）である。この算術平均粗さは、粗さ曲線を中心線で折り返し、その粗さ曲線と中心線とによって得られた面積を長さＬで割った値をマイクロメートル（μｍ）で表したものである。なお、上記算術平均粗さに代えて、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１の付属書等で定義されている最大高さ（表面粗さＲｙ）や十点平均粗さ（表面粗さＲｚ）などを利用することも可能である。この最大高さは、粗さ曲線から基準長さだけを抜き取り、抜き取った部分の山頂線と谷底線との間隔をマイクロメートル（μｍ）で表したものである。また、十点平均粗さは、粗さ曲線から基準長さだけを抜き取り、抜き取った部分の、最も高い山頂から５番目までの山頂の標高の絶対値の平均値と、最も低い谷底から５番目までの谷底の標高の絶対値の平均値との和をマイクロメートル（μｍ）で表したものである。
【００２４】
そして、第１の知見に基づいて、接触面の表面粗さを適切な範囲に設定し、第２の知見に基づいて、表面粗さに応じた電圧（即ち、上記特殊な相関から必然的に導き出される、表面粗さに対応する検出閾電圧以上の電圧）を電極に印加する、若しくは、表面粗さが０．００μｍのときの検出閾電圧と比較して、より低い検出閾電圧となるような表面粗さを接触面に持たせることにより、テクスチャ感を知覚しやすくし、なおかつ、電極に印加する電圧を効果的に低減させて、安全性の確保とテクスチャ感の触覚感度向上とを両立させることができることを見出した。
【００２５】
以下、本願発明者が第１の知見及び第２の知見を見出すに至った実験の内容について具体的に説明する。
【００２６】
［第１の実施形態］
以下の実験では、接触面が平坦なサンプルと接触面に各種表面粗さの微少な凹凸を形成したサンプルとを作成し、それらのサンプルに対して検出閾電圧を測定し、その検出閾電圧を比較検討した。
【００２７】
（サンプルの試作）
図１は、試作した触覚提示装置１０のパネル１０ａの一例を示す平面視図である。触覚提示装置１０の製作にあたり、ガラス等の透明絶縁性材料からなる支持基板上に、Ｘ軸と平行な方向（ここでは図の左右方向）に延在する複数のＸ電極（図ではＸ０〜Ｘ３１の３２本のＸ電極）と、Ｙ軸と平行な方向（ここでは図の上下方向）に延在する複数のＹ電極（図ではＹ０〜Ｙ５１の５２本のＹ電極）と、を形成した。このＸ電極及びＹ電極は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）で形成し、可視光で透明とした。また、Ｘ電極とＹ電極との間に絶縁層を形成し、Ｘ電極とＹ電極とが、その交差部において絶縁層により互いに絶縁されるようにした。さらに、Ｘ電極及びＹ電極の上層に別の絶縁層を形成した。この絶縁層１６の表面が、操作者の指がタッチする接触面１７となる。
【００２８】
図２に、図１のＡ−Ａ線における断面図を示す。触覚提示装置１０は、支持基板１１上に、Ｘ電極１２とＹ電極１３とが交互に配置されており、Ｘ電極１２とＹ電極１３との間に絶縁層（図示せず）が形成されている。このＸ電極１２とＹ電極１３とが交差する部分の詳細な構造については後述する第２の実施例で説明する。Ｘ電極１２及びＹ電極１３を覆う絶縁層１６はアクリル樹脂であり、その表面粗さＲａは０．００μｍ（ほぼ平坦）であり、この絶縁層１６の表面が接触面１７となっている。このサンプルの構造や製造方法は、本願発明者の先願（特願２０１３−２１３００９号）と同様であり、後述する実施例において詳細に記載する。
【００２９】
図３は、試作した他の触覚提示装置１０のパネル１０ａの平面視図であり、図４は、図３のＢ−Ｂ線における断面図である。この触覚提示装置１０は、図１及び図２に示す触覚提示装置１０と共通する要素が多く、共通する要素の説明は省略する。主たる相違点は、図４に示すように、絶縁層１６の更に上層に可視光に対する反射防止機能を備えたアンチグレア層（絶縁層）１５が形成され、このアンチグレア層１５の表面が接触面１７となっていることである。このアンチグレア層１５は、所定のサイズのシリカ等の絶縁性材料からなる粒子１５ａを分散させた、樹脂などの絶縁性の溶液状のコート層材料１５ｂを絶縁層１６の表面にスプレー塗布し、乾燥させ、硬化処理することで形成した。そして、コート層材料１５ｂに対する粒子１５ａの含有割合やスプレー方法、粒子１５ａの材質、サイズ、形状、コート層材料１５ｂの材質、粘度などを変えることで、アンチグレア層１５の性状（表面粗さ）が異なる複数の触覚提示装置１０を試作した。
【００３０】
（サンプルの評価）
図５に、試作した触覚提示装置１０の評価方法の概要を示す。複数のＸ電極１２及び複数のＹ電極１３の内、Ｙ２０〜Ｙ３２の１３本のＹ電極１３に正弦波状の交流の電圧信号を印加し、残りのＹ電極１３及び全てのＸ電極１２をグランドに接続した。電圧信号の電圧振幅が十分に高い場合、接触面１７を指でなぞる（接触面１７上で指をスライドさせる）と、電圧信号を印加した領域（ハッチングを付加した領域）では、ざらざらとしたテクスチャ感を感じる。この状態からＹ電極１３に印加する電圧信号の電圧振幅を徐々に下げて行き、電圧信号を印加した領域と他の領域とで触感の違いを区別できると思える最低の電圧を記録する。ここで記録する電圧は、正弦波状の交流の電圧信号のピークツーピークの値とした。この値は一般に正弦波状の交流の電圧信号の振幅とされる値の２倍の値である。この電圧が検出閾電圧であり、試作した複数の触覚提示装置１０のそれぞれについて検出閾電圧を測定した。
【００３１】
図６に、試作した複数の触覚提示装置１０の評価結果を示す。整理番号１のサンプルは、図１及び図２に示す、表面粗さＲａが０．００μｍのサンプル（接触面１７が平坦なサンプル）であり、整理番号２から９のサンプルは、図３及び図４に示す、接触面１７がアンチグレア層１５で構成されたサンプルである。アンチグレア層１５が無い接触面１７が平坦なサンプル（整理番号１のサンプル）では、検出閾電圧の平均値は１７８．４Ｖであるが、アンチグレア層１５を設けたサンプル（整理番号２から９のサンプル）では、検出閾電圧は６７．８Ｖ〜１２７．６Ｖの範囲であり、アンチグレア層１５は駆動電圧の低減化に有効であることが判明した。
【００３２】
このことから、電極に電圧信号を印加しない領域の触感、即ち触覚提示装置１０の接触面１７そのものが持つ素の状態の触感が、電極に電圧信号を印加することで提示される触覚の感じやすさに大きく影響することが分かった。言い換えると、電極に電圧信号を印加しないバックグランドの領域の触感が、電極に電圧信号を印加することで提示される触覚の感じやすさに大きく影響することが分かった。
【００３３】
例えば、整理番号１のサンプルにおける、電極に電圧信号を印加しない領域は、指と接触面との接触面積が相対的に大きくなることにより指が接触面に粘り着く感覚（英語で表記するとＳｔｉｃｋｙ）であり、電極に電圧信号を印加した領域の触感も同様にＳｔｉｃｋｙであり、両者の触感の違いは区別しにくい。一方、アンチグレア層１５を設けた、整理番号２〜９のサンプルは、触覚提示装置１０の接触面１７そのものが持つ素の状態の触感がさらさらした触感であり、素の状態の触感がさらさらしていると、電極に電圧信号を印加した領域のザラザラ感を感じやすい。
【００３４】
このような現象が生じる理由として、次の２つが考えられる。
【００３５】
（１）電極に電圧信号を印加していない領域から電極に電圧信号を印加した領域に渡って連続して指をスライドさせたとき、バックグランドのさらさらとした触感は、ザラザラとした触感を際立たせる。
【００３６】
（２）素の状態がＳｔｉｃｋｙな接触面１７の下層にある電極と、さらさらとした触感を持つ接触面１７の下層にある電極に同じ電圧信号を印加し、同じように静電気力による引力を変化させた場合であっても、さらさらとした触感を持つ接触面１７の方がザラザラ感を感じやすい。素の状態がＳｔｉｃｋｙな接触面１７では、操作者が接触面１７上で指をスライドさせている最中でも意図せずにスライドが止まってしまう。このため、操作者の指と絶縁層表面との間に働く垂直抗力により生じる摩擦力は、静止摩擦係数が寄与する成分を含む。一方、素の状態がさらさらとした触感を持つ接触面１７では、接触面１７上で指がスムーズにスライドするため、操作者の指と絶縁層表面との間に働く垂直抗力により生じる摩擦力には静止摩擦係数が寄与する成分はなく、動摩擦係数が寄与する成分が支配的である。
【００３７】
また、図６のテーブルに示した、アンチグレア層１５を設けた整理番号２〜９のサンプルで得られた検出閾電圧を詳細に考察すると、表面粗さＲａの大きさと検出閾電圧との間に特殊な相関があることが分かる。即ち、表面粗さＲａが０．０２０６μｍよりも大きくなると、検出閾電圧は徐々に小さくなり、表面粗さＲａが０．０５０３μｍのサンプル（整理番号４のサンプル）で検出閾電圧は最小となる。更に、表面粗さＲａが０．０５０３μｍよりも大きくなると、検出閾電圧は徐々に大きくなる。このことより、検出閾電圧はアンチグレア層１５の有無で変化するというより、接触面１７の表面粗さＲａに依存して変化し、検出閾電圧には極小値が存在することが見出された。
【００３８】
図７は、図６に示した全てのサンプルの表面粗さＲａと検出閾電圧との関係を示したグラフである。表面粗さＲａを０．０１μｍよりも大きくすることで検出閾電圧が低減する効果が得られることが分かる。また、表面粗さＲａが０．０５μｍよりも大きくなると検出閾電圧が上昇する傾向であることが分かる。検出閾電圧が上昇する現象が生じる理由は、表面粗さＲａが大きくなりすぎると、今度は接触面１７の素の状態の表面の触感がザラザラしてきて、提示する触感のザラザラ感との区別がつきにくくなるためと考えられる。また、表面粗さＲａが大きくなると、指が接触面１７の凹凸に追従して変形し、接触面１７の凸部に引っかかって滑りにくくなり、触感の変化が感じにくくなるためと考えられる。
【００３９】
図７のグラフを参照すると、整理番号１の触覚提示装置より低い検出閾電圧の触覚提示装置、例えば検知閾電圧が１５０Ｖ以下の触覚提示装置を設計したい場合、表面粗さＲａを０．０１μｍ〜０．３μｍの範囲に設定することが望ましい。また、整理番号１の触覚提示装置の検知閾電圧である１７８．４Ｖより低い検知閾電圧を有する触覚提示装置を設計したい場合、表面粗さＲａを０．０１μｍ〜０．４μｍの範囲に設定することが望ましい。
【００４０】
表面粗さＲａと検出閾電圧と操作者が感じる触感との関係をさらに調査した結果を図８に示す。粒子１５ａを含んだ溶液状のコート層材料１５ｂを用いて形成するアンチグレア層１５では表面粗さＲａをあまり大きくすることができないことから、図８では、アンチグレア層１５を設けずに、絶縁層１６として表面粗さＲａが０．４μｍ〜３．２μｍの部材を使用したサンプル（図のＫＢ−１１５）についても操作者が感じる触感を記載した。
【００４１】
電極に印加する電圧信号の電圧振幅がゼロの条件において、表面粗さＲａが０．００μｍの時はＳｔｉｃｋｙであり、表面粗さＲａが０．０２０６μｍから０．４μｍの間ではさらさら感が感じられ、表面粗さＲａが０．８μｍ以上の場合、ザラザラ感が感じられた。表面粗さＲａが０．８μｍ以上の場合、指でなぞった感じがザラザラであることに加えて、摩擦力も大きく感じられることから、検出閾電圧を低減する効果は見込めない。また、表面粗さＲａが０．８μｍを超えると素の状態の触感の印象が悪い。従って、表面粗さＲａは０．８μｍ未満に設定することが望ましい。
【００４２】
また、図８において表面粗さＲａが０．０５６４μｍのサンプル（整理番号５のサンプル）においてもＳｔｉｃｋｙなことがあることが記録されている。Ｓｔｉｃｋｙな触感は環境温度や環境湿度、指先の水分量、指の押圧力などにより生じることがある。このようなＳｔｉｃｋｙな触感が生じるとたちまち検出閾電圧が高くなることから、表面粗さＲａは０．０５μｍよりも大きく設定することが望ましい。
【００４３】
以上の実験結果及び図７のグラフから、テクスチャ感を知覚しやすい状態を維持しつつ、検出閾電圧を効果的に低減するためには、表面粗さＲａは、０．０１μｍよりも大きく、０．８μｍ未満の範囲、より好ましくは０．０５μｍよりも大きく、０．８μｍ未満の範囲に設定することが重要である。この範囲は、表面粗さＲａは、操作者が触れる絶縁層の接触面と操作者の指との接触面積が相対的に大きくなることにより操作者の指が接触面に粘り着く状態よりも粗く、操作者の指が前記接触面の凹凸に追従して変形する状態よりも細かい範囲と言い換えることもできる。また、接触面１７の表面粗さＲａと検出閾電圧との間に特殊な相関があることから、電極に印加する信号電圧の電圧振幅は、接触面１７の表面粗さＲａに対応する電圧とすることが重要である。
【００４４】
そこで、本発明の一実施の形態では、接触面１７の表面粗さＲａが上記の所定の範囲となるようにアンチグレア層１５を形成し、接触面１７の表面粗さＲａに応じた電圧を電極に印加、好ましくは、接触面１７の表面粗さＲａに対応する検出閾電圧以上の電圧（上限は特に限定されないが、印加電圧を低減して安全性を確保する観点から、従来の装置の印加電圧以下の電圧）を電極に印加して触覚提示装置１０を駆動するように制御する。これにより、安全性の確保とテクスチャ感の知覚感度向上とを両立させる。
【００４５】
なお、接触面１７の表面粗さＲａが上記所定の範囲であり、かつ、接触面１７の表面粗さに応じた電圧（接触面１７の表面粗さＲａに対応する検出閾電圧以上の電圧）で駆動する限りにおいて、触覚提示装置１０の構成や制御方法は適宜変更可能である。
【００４６】
例えば、本実施形態では、最上層に、粒子１５ａを含んだコート層材料１５ｂを用いて形成したアンチグレア層１５を配置したが、接触面１７に表面粗さが上記所定の範囲の凹凸が形成されていればよく、アンチグレア層１５を省略することもできる。
【００４７】
また、Ｘ電極１２及びＹ電極１３の上層の絶縁層１６をＳｉＯ２などで形成し、フッ酸などを用いたウェットエッチングによって絶縁層１６を不均一にエッチングすることにより、接触面１７に所望の表面粗さの凹凸を形成することができる。また、絶縁膜１６の表面をサンドブラストなどによって部分的に削り取ることによって、接触面１７に所望の表面粗さの凹凸を形成することもできる。
【００４８】
また、本実施形態では、Ｘ電極１２及びＹ電極１３の上層に絶縁層１６を形成したが、コート層材料１５ｂがある程度の粘度を有し、コート層材料１５ｂが薄い部分でもある程度の厚さを確保できる場合は、図２５に示すように、絶縁層１６を省略し、Ｘ電極１２及びＹ電極１３の上層に直接アンチグレア層１５を形成してもよい。
【００４９】
また、図４では、粒子１５ａを均一な径の球体として記載したが、表面粗さが上記所定の範囲内であれば、不均一な径の球体を混合してもよいし、球体が扁平した形状や円柱状、部分的に尖った形状などとしてもよい。また、図４では、接触面１７をなだらかな凹凸にしているが、凸部の先端が尖った形状としてもよい。
【００５０】
また、樹脂シートを溶液中にくぐらせ、当該樹脂シート表面にアンチグレア層を形成し、当該樹脂シートを絶縁層１６に糊付けすることで、接触面にアンチグレア層を形成することもできる。
【００５１】
本願発明者は、前述の図５乃至図８を用いて説明したサンプルの評価と同じ評価を、被験者を追加して実施した。前述の図６乃至図８で示した検出閾電圧および信号電圧がゼロの時の感触は４０代男性を被験者としたときの結果である。追加した被験者は、３０代前半男性、３０代後半男性、２０代女性の３名である。
【００５２】
図９に、４０代男性および追加した被験者３名、計４名の検出閾電圧を示す。４名全員に共通する特徴として、アンチグレア層１５が無い接触面１７が平坦なサンプル（整理番号１のサンプル）の検出閾電圧が、他のどのアンチグレア層１５を設けたサンプル（整理番号２から９）の検出閾電圧よりも高い値であった点が挙げられる。この結果から、アンチグレア層１５が駆動電圧の低減化に有効であることが判明した。
【００５３】
また、表面粗さＲａが０．０２０６μｍよりも大きくなると、検出閾電圧は徐々に小さくなり、４０代男性と３０代前半男性は表面粗さＲａが０．０５０３μｍの整理番号４のサンプル、３０代後半男性は表面粗さＲａが０．０９３μｍの整理番号６のサンプル、２０代女性は表面粗さＲａが０．１３７５μｍの整理番号７のサンプルで検出閾電圧はそれぞれ最小となった。更に、各被験者で最小の検出閾電圧が得られた表面粗さよりもＲａが大きくなると、検出閾電圧は徐々に大きくなる。以上の結果より、全ての被験者で検出閾電圧は表面粗さＲａに依存して変化し、極小値が存在することが見出された。
【００５４】
追加した被験者３名の、表面粗さＲａと検出閾電圧との関係をプロットし、近似曲線を付与したグラフを図１０、図１１、図１２にそれぞれ示す。図１０が３０代前半男性、図１１が３０代後半男性、図１２が２０代女性の検出閾電圧である。これらの図より、表面粗さＲａを０．０１μｍよりも大きくすることで検出閾電圧を低減する効果が得られること、また検出閾電圧が最低になる表面粗さよりもＲａが大きい領域にて、検出閾電圧が上昇する傾向が見られることが分かる。この傾向は図７で示した、４０代男性の表面粗さＲａと検出閾電圧との関係でも見られた。つまり、４名の被験者全員の評価結果に対して同じ傾向が確認できた。
【００５５】
図７および図１０〜図１２の近似曲線を参照すると、検出閾電圧が最小となる表面粗さＲａは、順に０．０５μｍ、０．０３μｍ、０．０７５μｍ、０．０８μｍであり、４名の検出閾電圧の間には個人差が認められるものの、検出閾電圧を低減させるためには、表面粗さＲａを０．０３μｍよりも大きくすることが望ましい。
【００５６】
図８を参照して説明した信号電圧がゼロの時の感触に関し、４０代男性および追加した被験者３名、計４名の評価結果は次の通りであった。被験者３名は表面粗さＲａが０．４μｍでさらさら感を感じ、表面粗さＲａが０．８μｍ以上の場合でザラザラ感を感じた。残りの被験者１名は、表面粗さＲａが０．４μｍでさらさら感を感じ、表面粗さＲａが０．８μｍでさらさら感とザラザラ感の両方を感じ、表面粗さＲａが１．６μｍ以上でザラザラ感を感じた。これらの結果から、多くの被験者は表面粗さＲａが０．８μｍを超えるとザラザラ感を感じる。前述のとおり、表面粗さＲａが０．８μｍ以上の場合、指でなぞった感じがザラザラであることに加えて、摩擦力も大きく感じられることから、検出閾電圧を低減する効果は見込めない。加えて、触感の印象が悪い。従って、表面粗さＲａは０．８μｍ未満に設定することが望ましい。
【００５７】
４人の被験者に対する上記評価結果から、テクスチャ感を知覚しやすい状態を維持しつつ、検出閾電圧を効果的に低減するために好適な表面粗さＲａは、０．０１μｍよりも大きく、０．８μｍ未満の範囲、より好ましくは０．０３μｍよりも大きく、０．８μｍ未満の範囲であることが分かった。
【００５８】
［第２の実施形態］
前記した第１の実施形態で記載した触覚提示装置のパネルは、支持基板と、当該支持基板上に形成された所定の方向に延在する複数の電極と、前記複数の電極を覆う絶縁層と、で構成されていたが、電極が複数であることは必須ではない。そこで、本実施形態では電極が一つの触覚提示装置を試作した。
【００５９】
まず、本願発明者は、図１３に示すような触覚提示装置１０のパネル１０ａを試作した。この触覚提示装置１０のパネル１０ａは、支持基板１１と、当該支持基板１１上に形成された一つの電極１１ａと、当該電極１１ａに対して電圧信号を出力する駆動部１９と、前記電極１１ａを覆う絶縁層１６と、で構成され、この絶縁層１６の表面が接触面１７とされる。
【００６０】
また、本願発明者は、図１４に示すような触覚提示装置１０のパネル１０ａを試作した。この触覚提示装置１０のパネル１０ａは、支持基板１１と、当該支持基板１１上に形成された一つの電極１１ａと、当該電極１１ａに対して電圧信号を出力する駆動部１９と、前記電極１１ａを覆う絶縁層１６と、絶縁層１６の更に上層に可視光に対する反射防止機能を備えたアンチグレア層１５とで構成され、このアンチグレア層１５の表面が接触面１７とされる。アンチグレア層１５の性状（表面粗さ）が異なる複数の触覚提示装置１０を試作した。
【００６１】
これらパネル１０ａを次の通り評価した。駆動部１９が出力する電圧信号の電圧振幅が十分に高い場合、接触面１７を指でなぞる（接触面上で指をスライドさせる）とざらざらとしたテクスチャ感を感じる。この状態から電極１１ａに印加する電圧信号の電圧振幅を徐々に下げて行き、電極１１ａに印加する電圧信号の振幅が０Ｖのときとで触感の違いを区別できると思える最低の電圧を記録する。この電圧が検出閾電圧であり、試作した複数の触覚提示装置１０のそれぞれについて検出閾電圧を測定した。
【００６２】
その結果は、図７を参照して説明した結果と同様であった。即ち、接触面にアンチグレア処理を施す（絶縁層の接触面を粗くする）と、提示された触覚が極めて分かりやすくなった。つまり、提示された触覚刺激を操作者が極めて知覚しやすくなった。また、アンチグレア処理によって接触面の表面粗さが適度に大きくなることで、操作者が触覚刺激を知覚しやすくなった。即ち、接触面の表面粗さとその表面粗さにおいて操作者がテクスチャ感を知覚可能な最低電圧である検出閾電圧との間に特殊な相関がみられた。より具体的には、表面粗さＲａを０．０１μｍよりも大きくすることで検出閾電圧が低減する効果が得られることが分かった。また、検出閾電圧の極小値は表面粗さＲａが０．０５μｍ付近であることが分かった。また、表面粗さＲａが０．０１μｍより大きく、０．２３９２μｍより小さい範囲の検出閾電圧は表面粗さＲａが０．００μｍの場合の検出閾電圧より小さいことが分かった。
【００６３】
このように、表面粗さを適度に大きくすることで、操作者が触覚刺激を知覚しやすくなる理由は、次の（１）〜（３）の一連の記載の通りである。この理由は第１の実施形態において操作者が触覚刺激を知覚しやすくなる理由と同様である。
（１）表面粗さが小さく平坦な場合：接触面と操作者の指の表皮とが密着し、接触面と表皮との間に分子間力が強く働く。このとき、適度な湿り気があると水素結合が生じるため分子間力は強くなる。操作者が指を動かした時に表皮と接触面との間に働く摩擦力の要因である垂直抗力について考えると、垂直抗力の一つの要素として静電気力、他の要素として分子間力がある。この分子間力が大きいことで、静電気力の割合が小さくなり、静電気力を制御し変動させても垂直抗力の変動割合は小さい。このため、摩擦の変動割合は小さく、操作者は触覚刺激を知覚しにくい。
（２）表面粗さが（１）よりも大きく、適度な粗さの場合：表皮と接触面との間に部分的に空隙が生じ、この空隙のために接触面と表皮との間にはたらく分子間力は急激に減少する。摩擦力の要因である垂直抗力の一つの要素として静電気力、他の要素として分子間力があるが、静電気力の割合が大きくなることで、静電気力の強弱が摩擦の変動に現れやすい。
（３）表面の粗さが（２）よりもさらに粗い場合：操作者が指を動かした時に表皮が接触面の凹凸に追従して変形するようになり、この変形に伴う摩擦力が大きくなる。この摩擦力が大きいため、静電気力の変動で変化する摩擦力の変動割合が小さい。このため、テクスチャ感を感じにくくなる。
【００６４】
以下、上記構成の触覚提示装置１０（特に第１の実施形態の触覚提示装置１０）の具体的な構造及び駆動方法並びに利用形態の一例について説明する。
【実施例１】
【００６５】
まず、本発明の第１の実施例について、図１５乃至図１８を参照して説明する。本実施例では、触覚提示装置１０のＸ電極及びＹ電極に印加する電圧信号の周波数の具体例について説明する。
【００６６】
図１５は、本発明の第１の実施例に係る触覚提示装置１０の構成を示す説明図である。触覚提示装置１０のパネル部分には、平面状の支持基板１１上に、Ｘ軸方向に延在する複数のＸ電極１２と、Ｘ軸方向に直交するＹ方向に延在する複数のＹ電極１３と、が形成されている。
【００６７】
Ｘ電極１２とＹ電極１３とは、その交差部で絶縁層（図示せず）を介して交差しており、この絶縁層により両者の電気的な絶縁性が保たれている。また、Ｘ電極１２及びＹ電極１３の上には絶縁層及び／又はアンチグレア層（図示せず）が形成されており、この絶縁層及び／又はアンチグレア層により、触覚提示装置１０の接触面を指で触った時の、Ｘ電極１２と指、Ｙ電極１３と指との電気的な絶縁性が保たれている。
【００６８】
Ｘ電極１２の各々はＸ電極駆動回路（駆動部）２０に接続され、Ｙ電極１３の各々はＹ電極駆動回路（駆動部）３０に接続され、Ｘ電極駆動回路２０及びＹ駆動電極回路３０は制御部４０に接続されている。制御部４０は、外部（例えば、当該触覚提示装置１０が搭載される電子機器の動作を制御するプロセッサ）から入力された情報に基づいて、操作者に触覚を提示する領域に対応する電極を特定し、特定した電極を駆動するための制御信号をＸ電極駆動回路２０及びＹ駆動電極回路３０に出力し、Ｘ電極駆動回路２０及びＹ駆動電極回路３０は、制御信号に基づいて、絶縁層又はアンチグレア層の表面粗さに応じた電圧振幅の電圧信号をＸ電極１２及びＹ電極１３に印加する。この構成によって、触覚提示装置１０は、所望の領域にテクスチャ感を提示することが可能となる。なお、請求の範囲では、制御信号を出力する制御部４０と制御信号に基づいて電極に電圧を印加する駆動電極回路とをまとめて、駆動部と称している。
【００６９】
図１６は、図１５に示した触覚提示装置１０の駆動方法を示す説明図である。ここで、各々のＸ電極１２及びＹ電極１３は、電極毎に異なる記号によって区別するものとする。即ち、図１６に示す例では、支持基板１１上に２８本のＸ電極１２と４６本のＹ電極１３とが形成されているが、各々のＸ電極１２を下から上方向にＸ００〜Ｘ２７とし、各々のＹ電極１３を右から左方向にＹ０３〜Ｙ４８とする。また、テクスチャ感を提示しようとする領域を対象領域５０とする。対象領域５０は、Ｘ方向はＸ１１〜Ｘ１４の範囲、Ｙ方向はＹ２４〜Ｙ２７の範囲である。制御部４０は、外部から与えられた対象領域５０に対する情報に基づいて、Ｘ電極駆動回路２０及びＹ駆動電極回路３０に制御信号を与える。
【００７０】
この制御信号を受けて、Ｘ電極駆動回路２０はＸ１１〜Ｘ１４に第１の周波数（ここでは周波数ｆ１＝１０００Ｈｚ）の交流電圧信号を印加し、Ｙ駆動電極回路３０はＹ２４〜Ｙ２７に第２の周波数（周波数ｆ２＝１２４０Ｈｚ）の交流電圧信号を印加する。また、図１６では、Ｘ電極駆動回路２０及びＹ駆動電極回路３０は、上記に該当しないＸ電極１２及びＹ電極１３は、電極同士の容量結合によって電圧が誘起されることを防ぐために接地又は直流電圧を印加している。
【００７１】
上記構成では、Ｘ１１〜Ｘ１４のＸ電極１２上の領域から対象領域５０を除いた領域では電極に印加している電圧信号に応じたテクスチャ感は提示されない（素の状態のテクスチャ感しか提示されない）。また、Ｙ２４〜Ｙ２７のＹ電極１３上の領域から対象領域５０を除いた領域でも電極に印加している電圧信号に応じたテクスチャ感は提示されない（素の状態のテクスチャ感しか提示されない）。このことから、人間の指は、電極に印加する電圧信号の周波数が１０００Ｈｚや１２４０Ｈｚの場合には電圧信号に応じたテクスチャ感を知覚しない性質であることを確認した。
【００７２】
一方、対象領域５０では、ｆ１＝１０００Ｈｚの電圧信号が印加されたＸ電極１２とｆ２＝１２４０Ｈｚの電圧信号が印加されたＹ電極１３とが互いに隣接しているので、波動の分野で知られるうなりが生じており、このうなりによりテクスチャ感が提示されている。そこで、本実施例では、各々の電極に印加する電圧信号の周波数では電圧信号に応じたテクスチャ感が提示されず、うなりによって規定される周波数で電圧信号に応じたテクスチャ感が提示されるように、各々の電極に印加する電圧信号の周波数を設定して、対象領域５０を触覚で判別できるようにする。
【００７３】
図１７は、図１５及び図１６で示した触覚提示装置１０の断面モデルを示す模式図である。前述の通り、複数のＸ電極１２と複数のＹ電極１３とは、平面状の支持基板１１上で隣り合うように配置されている。そして、Ｘ電極１２及びＹ電極１３のうち、対象領域５０内に配置された２つのＸ電極１２と２つのＹ電極１３とに対向する位置に、指をモデル化した電極５１が一つ配置されている。人体にはある程度の接地効果があるため、この電極５１は抵抗値Ｒを有する抵抗５２を介して接地されているものとしてモデル化することができる。
【００７４】
ここで、対象領域５０内のＸ電極１２に、Ｖ１＝Ａｃｏｓ（２πｆ１ｔ）で表される電圧信号Ｖ１を印加する。電圧信号Ｖ１の振幅はＡ、周波数はｆ１であり、ｔは時刻を表す。また、対象領域５０内のＹ電極１３に、Ｖ２＝Ａｃｏｓ（２πｆ２ｔ）で表される電圧信号Ｖ２を印加する。電圧信号Ｖ２の振幅は電圧信号Ｖ１の振幅と等しいＡ、周波数はｆ２である。
【００７５】
電極５１と対象領域５０内のＸ電極１２の各々との間は、静電容量Ｃを有する平行平板コンデンサとしてモデル化することができる。また、電極５１と対象領域５０内のＹ電極１３の各々との間は、静電容量Ｃを有する平行平板コンデンサとしてモデル化することができる。このとき、電極５１に現れる電圧ＶＰは、抵抗値Ｒが十分高いとき、式１で表される。
【００７６】
【数１】
0006693641.tif 000002
【００７７】
１つのＸ電極１２と指をモデル化した電極５１との間に働く静電気力をＦｅ１とすると、Ｆｅ１は、平行平板コンデンサの電極間に働く力として知られている公式を用いて、式２で表される。ここで、εは誘電率、Ｓは平行平板コンデンサの電極面積である。
【００７８】
【数２】
0006693641.tif 000003
【００７９】
同様に、１つのＹ電極１３と指をモデル化した電極５１との間に働く静電気力をＦｅ２とすると、Ｆｅ２は、式３で表される。
【００８０】
【数３】
0006693641.tif 000004
【００８１】
静電気力Ｆｅ１と静電気力Ｆｅ２とを人の指先で区別できない程度に、電極の間隔が細かい場合は、Ｆｅ１及びＦｅ２の各々の力を合計した力がマクロ的に指に働くものとみなすことができる。指をモデル化した電極５１に働くすべての力の合計Ｆは、図１７よりＦ＝２（Ｆｅ１＋Ｆｅ２）であるから、前記のＶ１、Ｖ２、式２及び式３を用いると、式４で表される。
【００８２】
【数４】
0006693641.tif 000005
【００８３】
式４より、モデル化した電極５１に働くすべての力の合計Ｆは、値域が［０、Ａ２Ｃ２／（εＳ）］で周波数が（ｆ１＋ｆ２）である周期関数に、値域が［０、２］で、周波数が（ｆ１−ｆ２）の絶対値である周期関数を乗算して得られるものであることがわかる。その包絡線の周波数は（ｆ１−ｆ２）の絶対値となる。
【００８４】
本実施例では、周波数ｆ１＝１０００Ｈｚ、周波数ｆ２＝１２４０Ｈｚとしているため、その差の絶対値は２４０Ｈｚとなる。このため、指に働く引力Ｆは、式４に示すように２４０Ｈｚで変化する。従って、人間が触覚提示装置１０の接触面１７を指でなぞると、２４０Ｈｚの周波数で摩擦力の変化が生じる。２４０Ｈｚは人間の皮膚の機械受容器が感度を有する周波数であるので、テクスチャ感の知覚をもたらすことができる。
【００８５】
さらに、支持基板１１上の全てのＸ電極１２に周波数ｆ１の電圧信号を印加し、全てのＹ電極１３に周波数ｆ２の電圧信号を印加し、ｆ１とｆ２との差の絶対値に対するテクスチャ感の知覚の有無を実験的に確認した。その結果、ｆ１とｆ２との差の絶対値が１０Ｈｚよりも大きく１０００Ｈｚ未満の場合にテクスチャ感が知覚され、ｆ１とｆ２との差の絶対値が１０Ｈｚ以下または１０００Ｈｚ以上の場合、テクスチャ感が知覚されないことが確認された。
【００８６】
また、Ｘ電極１２とＹ電極１３に同じ電圧信号を印加し、その電圧信号の周波数を変化させてテクスチャ感の知覚の有無を実験的に確認した。その結果、電圧信号の周波数が５Ｈｚよりも大きく５００Ｈｚ未満の範囲内にある場合にテクスチャ感が知覚され、電圧信号の周波数がこの範囲内にない場合にはテクスチャ感が知覚されないことが確認された。
【００８７】
これらの結果から、Ｘ電極１２に印加する電圧信号の周波数をｆ１とし、Ｙ電極１３に印加する電圧信号の周波数をｆ２とした場合、ｆ１及びｆ２を共に５００Ｈｚ以上とし、ｆ１とｆ２との差の絶対値が１０Ｈｚよりも大きく１０００Ｈｚ未満となるようにｆ１とｆ２を設定すれば、周波数ｆ１の電圧信号を与えたＸ電極１２と周波数ｆ２の電圧信号を与えたＹ電極１３とが交差する領域に電圧信号に応じたテクスチャ感を提示し、他の領域には電圧信号に応じたテクスチャ感を提示しない（接触面１７の素の状態でのテクスチャ感しか提示しない）触覚提示装置１０が実現可能となる。
【００８８】
なお、Ｘ電極１２及びＹ電極１３に印加する電圧信号の周波数は上記記載に限定されず、接触面１７の表面粗さや検出閾電圧などに応じて適宜変更可能である。また、上記では、Ｘ電極１２及びＹ電極１３に正弦波状の交流の電圧信号を印加したが、断続的にオンとオフが繰り返されるパルス状の電圧信号を印加することも可能である。
【実施例２】
【００８９】
次に、本発明の第２の実施例について、図１８乃至図２０を参照して説明する。本実施例では、触覚提示装置１０のＸ電極及びＹ電極の具体的形状及び触覚提示装置１０の製造方法について説明する。
【００９０】
図１８は、図１５で示した触覚提示装置１０の支持基板１１、Ｘ電極１２、Ｙ電極１３の具体的な形状を示す平面視図である。図１８では、Ｘ電極１２及びその配線を破線で示し、Ｙ電極１３及びその配線を実線で示している。
【００９１】
Ｘ電極１２は、複数の菱形の電極が接続部を介して数珠状に連結された形状である。即ち、一つのＸ電極１２は、左右に隣り合う菱形の電極を接続部により電気的に接続した形状である。このＸ電極１２は、Ｙ軸方向に２ｍｍの間隔で配置されている。即ちＸ電極１２同士のピッチは２ｍｍである。Ｙ電極１３も同様に、複数の菱形の電極が接続部を介して数珠状に連結された形状である。即ち、一つのＹ電極１３は、上下に隣り合う菱形の電極を接続部により電気的に接続した形状である。このＹ電極１３は、Ｘ軸方向に２ｍｍの間隔で配置されている。即ちＹ電極同士のピッチは２ｍｍである。
【００９２】
Ｘ電極１２及びＹ電極１３は、平面視した時に、菱形の電極の接続部同士が絶縁膜を介して重なり合うように形成されている。また、Ｘ電極１２の菱形の部分の主要部とＹ電極１３の菱形の部分の主要部とは重ならないように形成されている。つまり、Ｘ電極１２の菱形の部分の主要部とＹ電極１３の菱形の部分の主要部とが、平面視した時に隣り合う形状となっている。
【００９３】
図１９及び図２０は、図１８で示したＸ電極１２及びＹ電極１３それぞれの接続部の構造を拡大した図であり、図１９は、図１８のブロックＡとして示した電極の相互間の接続部を示す平面視図、図２０は図１９のＣ−Ｃ線における断面図である。
【００９４】
Ｘ電極１２は、菱形の電極がブリッジ電極１２ａにより相互に接続されて構成されている。また、Ｙ電極１３も、菱形の電極がこれと同一の材料による接続部１３ａにより相互に接続されて構成されている。ブリッジ電極１２ａとＹ電極１３の接続部１３ａとは、絶縁層１４によって絶縁されている。
【００９５】
図２０を参照して、Ｘ電極１２及びＹ電極１３の接続部分の断面構造と製造手順について説明する。まず、ガラス等の透明絶縁性材料からなる支持基板１１上に、ブリッジ電極１２ａをＩＴＯなどの透明導電性材料を用いて形成する。
【００９６】
次に、ブリッジ電極１２ａの上に絶縁層１４を有機材料で形成する。有機材料で形成することによって、絶縁層１４の膜厚を厚くすることができ、Ｘ電極１２とＹ電極１３との間の交差部に形成される本来不要な結合容量を小さくすることができる。この絶縁層１４は、Ｙ電極１３の接続部１３ａとブリッジ電極１２ａとを絶縁するように、Ｙ軸方向（図の奥行き方向）においてブリッジ電極１２ａを覆い、ブリッジ電極１２ａとＸ電極１２の菱形部とが接触するように、Ｘ軸方向（図の左右方向）においてブリッジ電極１２ａの端部を覆わない形状に形成される。次に、Ｘ電極１２、Ｙ電極１３、接続部１３ａとその他の配線及び端子１８をＩＴＯなどの透明導電性材料を用いて一括して形成する。
【００９７】
次に、絶縁層１６を有機材料で成膜し、その上に、所定のサイズのシリカ等からなる粒子１５ａを含んだ溶液状のコート層材料１５ｂをスプレー塗布し、乾燥させてアンチグレア層１５を形成する。その際、コート層材料１５ｂに対する粒子１５ａの含有割合やスプレー方法、粒子１５ａの材質、サイズ、形状、コート層材料１５ｂの材質、粘度などを変えて、アンチグレア層１５の表面粗さＲａが０．０１μｍ（好ましくは０．０５μｍ）よりも大きく、０．８μｍ未満の範囲になるようにする。その後、端子１８部分にコンタクトホールを形成する。
【００９８】
支持基板１１に形成された複数の端子１８は、Ｘ電極１２又はＹ電極１３と配線により接続される。そして、端子１８にフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuit）の一端を、異方性導電フィルム（ＡＣＦ：Anisotropic Conductive Film）を介して貼り付けて、ＦＰＣの他端をＸ電極駆動回路２０及びＹ駆動電極回路３０が実装されたプリント基板に接続させる。
【００９９】
以上の工程によって、図１８乃至図２０に示した構造の触覚提示装置１０を製造することができる。なお、上述した触覚提示装置１０のＸ電極１２及びＹ電極１３の形状や触覚提示装置１０の製造方法は一例であり、適宜変更可能である。
【実施例３】
【０１００】
次に、本発明の第３の実施例について、図２１及び図２２を参照して説明する。本実施例では、触覚提示装置１０の電極駆動回路の具体的構成及びその動作方法について説明する。
【０１０１】
図２１は、図１５で示した触覚提示装置１０のＸ電極駆動回路２０の詳細な構成を示す図である。Ｙ駆動電極回路３０もＸ電極駆動回路２０と同一の構成を備えているので、ここではＸ電極駆動回路２０の構成についてのみ説明することとする。
【０１０２】
Ｘ電極駆動回路２０は、入力端子として、データ入力端子２１ａ、クロック入力端子２１ｂ、スタートパルス入力端子２１ｃを備える。これらの入力端子は制御部４０と接続され、この制御部４０が生成する制御信号を受ける。
【０１０３】
また、Ｘ電極駆動回路２０は、出力端子としてＸ電極１２に印加する電圧信号を出力する複数の出力端子２２を備える。図２１に示す例では、出力端子２２の数は５０個であり、これらをそれぞれＡ０〜Ａ４９ということにする。
【０１０４】
また、Ｘ電極駆動回路２０は、これらの入出力端子に加え、周波数ｆ１の交流電圧を生成する交流電圧生成部２３ａ、周波数ｆ２の交流電圧を生成する交流電圧生成部２３ｂ、周波数ｆ５の交流電圧を生成する交流電圧生成部２３ｃを有する。周波数ｆ１、ｆ２、ｆ５は、各々１０００Ｈｚ、１２４０Ｈｚ、３０００Ｈｚである。
【０１０５】
また、Ｘ電極駆動回路２０は、５０ビットのシフトレジスタ２４を有する。シフトレジスタ２４は５０個の出力端子（Ｑ０〜Ｑ４９）を持ち、それらの出力は各々２ビットデータレジスタ２５に接続されている。各々の２ビットデータレジスタ２５は、データ入力端子２１ａとバス接続されている。
【０１０６】
各々の２ビットデータレジスタ２５からの出力信号は、２入力４出力デコーダ２６に接続されている。２入力４出力デコーダ２６は、入力された２ビットの信号を入力とし、この入力信号に応じて、４つの出力端子のうちのいずれか１つにハイレベルの電圧信号を出力する。入力された２ビットの信号とハイレベルの電圧信号が出力される出力端子との間には１対１の関係がある。
【０１０７】
２入力４出力デコーダ２６からの出力端子のうちの１つは本実施例では使用せず、残る３つの出力端子の各々にスイッチトランジスタ２７のゲート電極が接続される。これら３つの出力端子の各々に接続されたスイッチトランジスタ２７をＳＷ１〜ＳＷ３という。
【０１０８】
スイッチトランジスタ２７の出力側の端子は共に増幅器２８の入力に接続される。スイッチトランジスタ２７のＳＷ１〜ＳＷ３の入力側の端子は、各々交流電圧生成部２３ａ〜２３ｃの出力端子に接続される。即ち、ＳＷ１〜ＳＷ３の各々の入力側の端子に、各々周波数ｆ１、ｆ２、ｆ５の交流電圧が入力される。２入力４出力デコーダ２６は、これらの周波数のうち増幅器２８に出力する交流電圧を、２ビットデータレジスタ２５からの出力に応じて選択的に切り替える機能を果たしている。
【０１０９】
そして、増幅器２８によって増幅された交流電圧が、出力端子２２から各々のＸ電極１２に対して出力されることとなる。即ち、Ｘ電極駆動回路２０は、制御部４０からデータ入力端子２１ａを通じて入力された信号に応じて、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ５のうちのいずれかの交流電圧信号を選択し、出力端子２２を通じてＸ電極１２に対して出力する回路としての機能を果たす。
【０１１０】
図２２は、図２１で示したＸ電極駆動回路２０の動作を示すタイミングチャート図である。図中の「ＣＬＫ」は、クロック入力端子２１ｂを通じて制御部４０から入力されるクロック波形電圧である。「Ｄ［１：０］」は、データ入力端子２１ａを通じて制御部４０から入力される２ビットのデータ信号である。「ＳＴ」は、スタートパルス入力端子２１ｃを通じて制御部４０から入力されるスタートパルス波形電圧である。
【０１１１】
ここで、データ入力端子２１ａを通じて制御部４０から入力されるＤ［１：０］は２進数表記であるので、「００」、「０１」、「１０」、「１１」の４通りの値を取り得る。シフトレジスタ２４は、ＣＬＫの立ち上がりエッジ毎にＳＴの値をラッチし、シフトレジスタの出力端子Ｑ０に出力する。そしてＱ０の値を、ＣＬＫの１周期分遅延してＱ１に出力する。更に、Ｑ１の値を、ＣＬＫの１周期分遅延して、Ｑ２に出力する。このようにシフトレジスタ２４は、出力端子Ｑ０〜Ｑ４９に、順にＣＬＫの立ち上がりエッジに同期したパルス波形電圧を出力するものである。
【０１１２】
シフトレジスタ２４の出力端子にパルス波形電圧が出力されると、その立ち上がりエッジに同期して２ビットデータレジスタ２５のレジスタ値が、その時のデータＤ［１：０］の値に更新されて、２ビットデータレジスタ２５の出力端子に出力される。
【０１１３】
２ビットデータレジスタ２５の端子に出力された信号を受けて、２入力４出力デコーダ２６は、ＳＷ１からＳＷ３のうちひとつのスイッチトランジスタ２７をオンにし、それに応じて出力端子２２に、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ５のうちのいずれかの交流電圧信号が出力される。
【０１１４】
Ｘ電極駆動回路２０は、データＤ［１：０］＝００に周波数ｆ１を、Ｄ［１：０］＝０１に周波数ｆ２を、Ｄ［１：０］＝１０に周波数ｆ５を対応させている。そのため、図２２に示した時刻ｔ１の時に、出力端子２２のＡ０に周波数がｆ５である電圧信号が、時刻ｔ２の時に出力端子２２のＡ１に周波数がｆ２である電圧信号が、時刻ｔ３の時に出力端子２２のＡ２に周波数がｆ１である電圧信号が出力される。それぞれの電圧信号の振幅は７０Ｖである。なお、Ｄ［１：０］＝１１はここでは使用しない。
【０１１５】
出力端子２２に出力される電圧信号は、次にスタートパルス入力端子２１ｃにパルス波形電圧が入力され、２ビットデータレジスタ２５のレジスタ値が更新されるまで、その周波数は変化しない。
【０１１６】
なお、図２２は、シフトレジスタ２４の５０個の出力端子Ｑ０〜Ｑ４９の出力波形のうちのＱ０〜Ｑ２を例示し、その他の出力波形についての記載を省略している。また、Ｘ電極駆動回路２０の５０個の出力端子２２Ａ０〜Ａ４９の電圧信号についても同様にＡ０〜Ａ２を例示し、その他の電圧信号についての記載を省略している。また、上述した電極駆動回路の構成及び駆動方法は一例であり、適宜変更可能である。
【実施例４】
【０１１７】
次に、本発明の第４の実施例について、図２３及び図２４を参照して説明する。本実施例では、前記した実施形態及び第１乃至第３の実施例で示した触覚提示装置１０の利用形態の一例について説明する。
【０１１８】
図２３は、本発明の応用形態に係る電子機器１００の構成を示す斜視図である。電子機器１００は、例えばスマートフォン、タブレット端末、電子ブックリーダー、ノートブック型パーソナルコンピュータなどである。
【０１１９】
電子機器１００は、タッチパネル式表示装置１０１を備え、このタッチパネル式表示装置１０１の前面もしくは背面に、前述した触覚提示装置１０が配設されている。ここで、タッチパネル式表示装置１０１として、静電容量方式タッチパネルを採用すると触覚提示装置１０との間で機能が両立しなくなるので、光学式タッチパネルなどを使用することが望ましい。
【０１２０】
電子機器１００は、内蔵されたプロセッサ１０３による処理結果がタッチパネル式表示装置１０１に表示され、その表示に応じてユーザがタッチパネル式表示装置１０１を操作入力する。なお、電子機器１００はプロセッサを内蔵せず、タッチパネル式表示装置１０１が外部装置による処理結果を表示し、これに応じた操作入力を当該外部装置に返すというものであってもよい。
【０１２１】
タッチパネル式表示装置１０１上に、複数の操作キー１０２が表示され、これに合わせて、触覚提示装置１１０が各々の操作キー１０２に対応する位置に複数の孤立したテクスチャ感を提示する。ユーザはこのテクスチャ感によって操作キー１０２の位置を探り当てることができ、操作キー１０２を注視することなくキー入力を行うことが可能となる。これにより、例えば、視覚の不自由なユーザであっても電子機器１００を利用することができる。
【０１２２】
また、この電子機器１００を、自動車、自転車、二輪車、航空機、列車、船舶などの移動体に搭載されたナビゲーション装置として利用することもできる。図２４は、本発明の応用形態に係る移動体２００の構成を示す斜視図である。移動体２００は、ユーザ（運転者）が座る運転席２０１と、図２３に示した電子機器１００をナビゲーション装置として搭載したダッシュボード２０２と、ハンドル、アクセル、ブレーキなどの操舵機構２０３などを備える。
【０１２３】
この電子機器１００は、図２３に示した例と同じように、操作キー１０２に対応する位置に複数の孤立したテクスチャ感を提示する。ユーザはこのテクスチャ感によって操作キー入力を行うことが可能となる。また、処理結果として提示された経路情報で、地図上に表示された経路に対してテクスチャ感を提示し、この経路の表示を目立たせることも可能である。これにより、ユーザは前方注意義務の履行に専念しつつ、ナビゲーション装置の操作を行うことが可能となるので、安全運転を継続することが可能となる。
【０１２４】
なお、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、触覚提示装置１０の構成や製造方法、駆動方法、利用方法などは適宜変更可能である。
【０１２５】
例えば、第１の実施形態及び実施例では、Ｘ軸方向に延在するＸ電極１２とＹ軸方向に延在するＹ電極１３とを備える構成としたが、一方向に延在する電極のみを備える構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明は、触覚を提示する触覚提示装置及び当該触覚提示装置を備えるタッチパネルや視覚障害者用端末などの電子機器並びに当該触覚提示装置の駆動方法に利用可能である。
【符号の説明】
【０１２７】
１０  触覚提示装置
１０ａ  パネル
１１  支持基板
１１ａ  電極
１２  Ｘ電極
１２ａ  ブリッジ電極
１３  Ｙ電極
１３ａ  接続部
１４  絶縁層
１５  アンチグレア層（絶縁層）
１５ａ  粒子
１５ｂ  コート層材料
１６  絶縁層
１７  接触面
１８  端子
１９  駆動部
２０  Ｘ電極駆動回路（駆動部）
２１ａ  データ入力端子
２１ｂ  クロック入力端子
２１ｃ  スタートパルス入力端子
２２  出力端子
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ  交流電圧生成部
２４  シフトレジスタ
２５  ２ビットデータレジスタ
２６  ２入力４出力デコーダ
２７  スイッチトランジスタ
２８  増幅器
３０  Ｙ電極駆動回路（駆動部）
４０  制御部
５０  対象領域
５１  電極
５２  抵抗
１００  電子機器
１０１  タッチパネル式表示装置
１０２  操作キー
１０３  プロセッサ
２００  移動体
２０１  運転席
２０２  ダッシュボード
２０３  操舵機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0006693641.tif 000021
【図１７】
0006693641.tif 000022
【図１８】
0006693641.tif 000023
【図１９】
0006693641.tif 000024
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
0006693641.tif 000029
【図２５】
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