(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）互いに絶縁され、所定の方向で且つ所定の間隔を設けて配置された複数の帯状電極を有する固定部材と、
（ｂ）互いに絶縁され、所定の方向で且つ所定の間隔を設けて配置された複数の帯状電極を有する可動部材と、
（ｃ）前記固定部材の電極及び前記可動部材の電極に多相電圧を印加する電源と、
（ｄ）操作者によって操作可能な、前記可動部材の操作表面を備え、
（ｅ）前記可動部材の操作表面の操作によって、前記固定部材と前記可動部材間の静電気のクーロン力により物体表面の突起または摩擦特性を擬似的に表現し、操作者に皮膚感覚として伝達せしめることを特徴とする皮膚感覚提示装置。
【請求項２】
前記多相電圧が３相正弦波形である請求項１記載の皮膚感覚提示装置。
【請求項３】
前記多相電圧の電圧振幅および周波数もしくは位相を制御することにより、提示する物体表面の突起間隔や突起高さを制御することが可能な請求項１記載の皮膚感覚提示装置。
【請求項４】
前記多相電圧の電圧振幅および周波数もしくは位相を制御することにより、提示する物体表面の摩擦特性を制御することが可能な請求項１記載の皮膚感覚提示装置。
【請求項５】
前記固定部材及び可動部材の一方もしくは両方が波形形状の帯状電極を有する請求項１記載の皮膚感覚提示装置。
【請求項６】
前記固定部材が直交する２つの帯状電極を有し、前記可動部材が直交する２つの帯状電極を有し、平面上の２方向に異なる表面性状を提示することが可能な請求項１記載の皮膚感覚提示装置。
【請求項７】
（ａ）互いに絶縁され、所定の２つの方向で且つそれぞれの方向において所定の間隔を設けて配置された複数のマトリクス状ドット電極を有する固定部材と、
（ｂ）互いに絶縁され、所定の２つの方向で且つそれぞれの方向において所定の間隔を設けて配置された複数のマトリクス状ドット電極を有する可動部材と、
（ｃ）前記固定部材の電極及び前記可動部材の電極に多相電圧を印加する電源と、
（ｄ）操作者によって操作可能な、前記可動部材の操作表面を備え、
（ｅ）前記可動部材の操作表面の操作によって、前記固定部材と前記可動部材間の静電気のクーロン力により物体表面の突起または摩擦特性を擬似的に表現し、操作者に皮膚感覚として伝達せしめることを特徴とする皮膚感覚提示装置。
【請求項８】
（ａ）互いに絶縁され、所定の方向で且つ所定の間隔を設けて配置された複数の帯状電極を有する固定部材と、
（ｂ）表面もしくはその近傍に所定の電荷パターンを誘導させることが可能な可動部材と、
（ｃ）前記固定部材の電極に多相電圧を印加する電源と、
（ｄ）操作者によって操作可能な、前記可動部材の操作表面を備え、
（ｅ）前記可動部材の操作表面の操作によって、前記固定部材と前記可動部材間の静電気のクーロン力により物体表面の突起または摩擦特性を擬似的に表現し、操作者に皮膚感覚として伝達せしめることを特徴とする皮膚感覚提示装置。
【請求項９】
（ａ）互いに絶縁され、所定の方向で且つ所定の間隔を設けて配置された複数の放射状電極を有する固定円板状部材と、
（ｂ）互いに絶縁され、所定の方向で且つ所定の間隔を設けて配置された複数の放射状電極を有する可動円板状部材と、
（ｃ）前記固定円板状部材の電極及び前記可動円板状部材の電極に多相電圧を印加する電源と、
（ｄ）操作者によって操作可能な、前記可動部材の操作表面を備え、
（ｅ）前記可動部材の操作表面の操作によって、前記固定円板状部材と前記可動円板状部材間の静電気のクーロン力により物体表面の突起または摩擦特性を擬似的に表現し、操作者に皮膚感覚として伝達せしめることを特徴とする皮膚感覚提示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてバーチャルリアリティの分野において用いられる感覚情報提示装置に係り、特に、物体の表面粗さ、摩擦特性などといった物体の表面性状を擬似的に再現することで、人間が対象物に触れた際に得られる皮膚感覚あるいは触感を、操作者に対して伝達可能とする皮膚感覚提示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バーチャルリアリティ（Ｖｉｒｔｕａ１  Ｒｅａ１ｉｔｙ：ＶＲ、あるいは、人工現実感）の分野においては、操作者（あるいは、被験者）の感じる現実感を増大させるために、仮想空間内において対象物に触れた際、その接触感覚を操作者にフィードバックする感覚提示装置が必要とされている。
【０００３】
物体に接触した際に受ける接触感覚は、大きく次の二つに分けられる。一つは、接触反力などの力覚であり、もう一つは、表面粗さや摩擦特性などの表面性状を感じ取る感覚である。後者の感覚は、皮膚感覚、あるいは、質感（Ｔｅｘｔｕｒｅ）などと呼ばれ、感覚的な表現を用いれば、つるつる、ざらざら、ねばねば、さらさら、などと表現される感覚である。
【０００４】
これら２種の接触感覚のうち、前者の力覚の提示装置に関しては、後者の皮膚感覚提示装置に比べ研究開発が進んでおり、フォースフィードバック機能を備えたマニピュレータ等が数多く開発されている。
【０００５】
一方、後者の皮膚感覚あるいは質感に関する提示装置としては、アレイ状に並んだ多数のピンを利用したものや、弾性振動を利用したものなどが提案されている。ピンを利用したものとしては、例えば、文献〔Ｒ．Ｄ．Ｈｏｗｅ，Ｗ．Ｊ．Ｐｅｉｎｅ，Ｄ．Ａ．Ｋｏｎｔａｒｉｎｉｓ，Ｊ．Ｓ．Ｓｏｎ：“Ｒｅｍｏｔｅ  Ｐａｌｐａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｓｕｒｇｉｃａ１  Ａｐｐ１ｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＩＥＥＥ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｉｎ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ  ａｎｄ  Ｂｉｏ１ｏｇｙ  Ｍａｇａｚｉｎｅ，１４（３），ｐｐ．３１８−３２３，１９９５〕に示される装置がある。この装置では中心間距離２ｍｍで配置された６×４個のピンアレイを用い、各々のピンの高さを調節することにより、所望の表面粗さを提示することができる。
【０００６】
しかし、このタイプのピンアレイを利用した装置は、提示可能な表面性状の空間分解能がピンの配置密度により決定されるため、空間分解能を高くするのが困難であるという問題がある。また、摩擦特性等の提示も困難である。さらに、多数のピンを駆動するために多数のアクチュエータを必要とし、低価格化も難しい。
【０００７】
弾性振動を利用した皮膚感覚提示装置としては、例えば、文献〔奈良，柳田，前田，舘：「弾性波動を用いた皮膚感覚ディスプレイ」，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，３（３），ｐｐ．８９−９７．１９９８〕に示される装置がある。この装置では、圧電振動子を用いて弾性板を振動させた際の振動の包絡線を仮想物体の表面形状にみたて、その包絡線の波長や振幅を制御することにより、様々な表面性状を提示することができる。その後の研究報告〔奈良，柳田，前田，舘：「弾性波動を用いた皮膚感覚ディスプレイ（第三報）」、日本バーチャルリアリティ学会第４回大会論文集，ｐｐ．４５−４８．１９９９〕により、異なる摩擦特性を有する面を提示することも可能であることが報告されている。しかしながら、振動の励振に大型の圧電振動子を利用するなど、装置が大型であるという問題点を有している。
【０００８】
一方、このような皮膚感覚提示装置は、いわゆるバーチャルリアリティの分野の他にも、次のような分野での利用が考えられる。例えば、インターネット等を介した洋服等の通信販売等において、顧客側のコンピュータ端末に皮膚感覚提示装置を接続しておき、商品提供側が、皮膚感覚に係る情報を電送することにより、購入する洋服等の質感、手触りといったものを、顧客側が理解した上で、購入することが可能となる。
【０００９】
あるいは、このような装置は、視聴覚障害者用の情報伝達装置としての利用や、個人の触覚能力を検査するための検査装置、さらには、触覚に障害を有する人のためのリハビリテーション用装置として利用することも考えられる。
【００１０】
このような多様な分野への利用には、コンパクト且つ低価格で、豊かな表現力を有する皮膚感覚提示装置が必要とされる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したように、これまでに開発されている皮膚感覚提示装置は、装置構成が複雑であるため小型化や低価格化が困難であり、上記のような幅広い分野での利用は期待できない。
【００１２】
また、これまで提案されている装置の多くは、提示できる表面性状が一種類（例えば表面粗さのみ）の性状のみに限定される、あるいは、表現の空間分解能が低い、といったことから表現力に乏しいという問題点がある。
【００１３】
したがって、より簡易な構成で、なおかつ、表現力に優れた新たな皮膚感覚提示装置の開発が求められている。
【００１４】
本発明は、前記のような皮膚感覚提示装置における従来の問題点を鑑みて創案されたものであり、簡易且つコンパクトな構成でありながら、空間分解能が高く、且つ表面粗さや摩擦特性といった複数の表面性状を表現することができる、皮膚感覚提示装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の皮膚感覚提示装置は、上記した目的を達成するために、互いに絶縁され、所定の方向で且つ所定の間隔を設けて配置された複数の帯状電極を有する固定部材と、互いに絶縁され、所定の方向で且つ所定の間隔を設けて配置された複数の帯状電極を有する可動部材と、前記固定部材の電極及び可動部材の電極に多相電圧を印加する電源と、操作者によって操作可能な、前記可動部材の操作表面を備え、前記可動部材の操作表面の操作によって、前記固定部材と可動部材との間に働く静電気のクーロン力により、特定の表面粗さや摩擦特性を表現する力を固定部材と可動部材との間に発生せしめることを特徴とする。
【００１６】
これにより、前記可動部材を操作者が指先等によって所定方向に操作することによって、操作者は操作する指先に、クーロン力によって表現される仮想的な表面粗さや摩擦特性等を感ずることが可能となる。
【００１７】
また、前記固定部材あるいは可動部材のいずれかに代えて、所定の方向で且つ所定の間隔を設けて表面もしくは内部を帯電させた絶縁性部材を用いてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、固定部材と可動部材の電極近傍に、所定の電位分布を生起することができる。固定部材と可動部材の両電極が対向するように両部材を配置した場合、固定部材と可動部材との間には、それぞれの電位分布の相互作用により静電気のクーロン力が働く。ここで、固定部材と可動部材とを相対的に運動させると、その運動に応じて両者に付随する電位分布も相対的に変位する。この電位分布の相対位置の変化は、固定部材と可動部材との間に働くクーロン力を変化させる。
【００１９】
したがって、固定部材を固定し、可動部材を操作者の指先をもって動かし固定部材に対し相対運動させると、可動部材を介して操作者は上記のクーロン力を指先に知覚する。このクーロン力の大きさや作用方向が可動部材の運動に応じて変化すると、指先に知覚するクーロン力があたかも表面の凹凸すなわち表面粗さを表現しているかのように操作者に知覚される。固定部材と可動部材に発生させる電位分布の状態を制御することにより、操作者に知覚される凹凸の大きさや間隔を制御することができるため、様々な表面粗さを操作者に提示することが可能となる。この際、凹凸の空間分解能を電極の配置密度のみによらず任意に決定できる点も、本発明におけるもう一つの特徴である。
【００２０】
また、クーロン力が、固定部材と可動部材を引きつけあう方向に作用する場合、固定部材と可動部材との間には、クーロン力を垂直抗力とする摩擦力が発生する。そのため、操作者が指先をもって可動部材を固定部材に対して相対運動せしめると、操作者はその指先に摩擦力を知覚する。固定部材と可動部材に発生させる電位分布の状態を制御することを通じて、垂直抗力に相当するクーロン力の大きさを変化させると、操作者が指先に感ずる摩擦力が変化する。操作者が一定の圧力で可動部材を押し付けていれば、この摩擦力の変化は、あたかも摩擦係数の変化として操作者に感じられる。そのため、様々な摩擦特性を有する面を操作者に提示することが可能となる。
【００２１】
特にこれらにおいて、操作者の操作の対象となる可動部材を、薄板状あるいはフィルム状の薄型かつ軽量な部材により構成することで、操作者はその部材の存在をほとんど関知することなく、あたかも仮想物体の表面を直接なぞっているかのように感じることが可能である。
【００２２】
以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図、図２はその電極構造と印加電圧および電極周辺に発生する電位分布の説明図である。
【００２４】
これらの図に示すように、第１部材（固定子）１には絶縁体２に帯状電極（以下、電極という）３が埋め込まれている。第２部材（移動子）４にも、第１部材１と同様に、絶縁体５に帯状電極（以下、電極という）６が埋め込まれている。電極３と電極６の配置間隔は同じであり、どちらも２００μｍである。電極３は３本ごとに電気的に結線されており３相構造をなしている。電極６も同様に３本ごとに電気的に結線され３相構造をなしている。
【００２５】
本発明の皮膚感覚提示装置の操作者は、移動子４を指先７で押さえ、移動子４と指先７を一体として図１に示す操作方向に往復運動をさせる。
【００２６】
電極３と電極６には３相交流電圧が印加される。その電圧は順次、Ｅ  ｓｉｎ  ２πｆｔ、Ｅ  ｓｉｎ  ２πｆｔ−（２／３）π、Ｅ  ｓｉｎ  ２πｆｔ−（４／３）πである。ここで、Ｅは電圧振幅、ｆは周波数である。電圧振幅Ｅは２００Ｖ〜５００Ｖ程度が望ましい。周波数ｆには特に制限はなく、ｆ＝０、すなわち直流電圧であっても良い。
【００２７】
上記のような電圧が印加されると、固定子１および移動子４上には、図２に示すような波長λの電位分布８，９が発生し、周波数ｆに比例した等しい速度で進行する。電極配置間隔をｐとすると、波長λはλ＝３ｐとなる。このとき固定子１と移動子４の間には、図３に示すように、２つの電位分布８，９の空間的位相差によって決定される力Ｆが操作方向に発生する。
【００２８】
移動子４が静止している場合、電位分布８と電位分布９の進行速度は等しいため空間的位相差δは一定であり、移動子４には一定の力が働く。しかし、その際の力は移動子４を自力で動かすには微弱であるため、指先７により操作者が意図的に移動子４を動かさない限りは、移動子４は移動しない。
【００２９】
移動子４を指先７により動かすと、電位分布８と電位分布９の空間的位相差δが変化するため、図３に示すように移動子４に加わる力が変化する。この力の変化は、移動子４を通して指先７により知覚される。移動子４が波長λ移動することによって、位相差が２π変化するため、指先７に知覚される力は図４に示すようになる。すなわち、移動子４を動かすと、指先７は進行方向へと引き込まれる力と、逆に押し返される力とを交互に受ける。この力の変化が操作者に仮想物体表面の凹凸として感じられるため、操作者は、突起間隔λで突起が並んでいる表面をなぞったかのように知覚する。
【００３０】
力の変化周期が突起間隔を表すのに対し、力の変化振幅は突起の大きさを擬似的に表現するものと考えられる。力の変化振幅は、電圧振幅Ｅの２乗に比例するため、電圧振幅Ｅを制御することによって、操作者に提示する突起の大きさを変化させることが可能である。ただし、この実施例においては、突起間隔は常に一定であり、電極の配置間隔により決定される。
【００３１】
図５は本発明の第２実施例における印加電圧および電極周辺に発生する電位分布の説明図である。
【００３２】
この実施例は、印加電圧が異なる以外は、第１実施例と同じ構成である。第１実施例においては、操作者に提示する突起間隔は一定であり、波長λ＝３ｐに等しい。これに対し、本実施例においては、第１実施例とは異なった電圧を印加することにより、第１実施例と同一の装置構成により、異なる突起間隔を提示することを可能とする。
【００３３】
本実施例においては、電極３と電極６には、それぞれ異なる３相交流電圧が印加される。
【００３４】
つまり、電極３には順次、Ｅ1   ｓｉｎ  ２πｆ1 ｔ、Ｅ1   ｓｉｎ  ２πｆ1 ｔ−（２／３）π、Ｅ1   ｓｉｎ  ２πｆ1 ｔ−（４／３）πが印加される。ここでＥ1 は電圧振幅、ｆ1 は周波数である。電圧振幅Ｅ1 は２００〜５００Ｖ程度が望ましい。周波数ｆ1 には特に制限はないが、一定に保つことが必要である。
【００３５】
同様に電極６には順次、Ｅ2   ｓｉｎ  ２πｆ2 ｔ、Ｅ2   ｓｉｎ  ２πｆ2 ｔ−（２／３）π、Ｅ2   ｓｉｎ  ２πｆ2 ｔ−（４／３）πが印加される。ここで、Ｅ2 は電圧振幅、ｆ2 は周波数である。電圧振幅Ｅ2 は２００〜５００Ｖ程度が望ましい。周波数ｆ2 は、後述するように、移動子進行速度ｖに応じて制御される。
【００３６】
上記のような電圧が印加されると、固定子１および移動子４上には、図５に示すような波長λの電位分布１８、１９が発生し、周波数に比例した速度で進行する。電極配置間隔をｐとすると、波長λはλ＝３ｐとなる。それぞれの電位分布の進行速度は、固定子１側の電位分布１８が、固定子１に固定された座標系から見てλｆ1 、移動子４側の電位分布１９が、移動子４に固定された座標系から見てλｆ2 である。
【００３７】
移動子４および指先７が速度ｖで移動する場合、空間に固定された座標系から見ると移動子４上の電位分布１９は、λｆ2 ＋ｖの速度で移動する。そのため、電位分布１８と電位分布１９の相対速度は、λｆ2 −λｆ1 ＋ｖとなり、移動子４および指先７に働く力は、ｔb ＝λ／（λｆ2 −λｆ1 ＋ｖ）と表される時間周期ｔb で変化する。指先７と移動子４は速度ｖで動いているため、知覚される突起間隔をλb とすると、λb ＝ｔb ｖ＝λｖ／（λｆ2 −λｆ1 ＋ｖ）となる。よって、λb が所望の値となるようにｆ2 を制御することで、任意の突起間隔を提示することができる。
【００３８】
図６は本発明の第３実施例における印加電圧および電極周辺に発生する電位分布の説明図である。
【００３９】
この実施例は、印加電圧が異なる以外は、第１実施例、第２実施例と同じ構成である。第２実施例においては、２種類の異なる３相正弦波を印加することで任意の突起間隔を提示しているが、この実施例においては、１つの３相正弦波によって任意の突起間隔を提示可能である。
【００４０】
本実施例においては、電極３と電極６には、同一の３相正弦波が、それぞれ接続順が逆向きになるように接続される。すなわち、電極３における印加電圧がＥ  ｓｉｎ  ２πｆｔ−（４／３）π、Ｅ  ｓｉｎ  ２πｆｔ−（２／３）π、Ｅ  ｓｉｎ  ２πｆｔであり、電極６における印加電圧は、Ｅ  ｓｉｎ  ２πｆｔ、Ｅ  ｓｉｎ  ２πｆｔ−（２／３）π、Ｅ  ｓｉｎ  ２πｆｔ−（４／３）πとなる。
【００４１】
このとき、固定子１と移動子４に生起される電位分布（図示なし）の速度は、それぞれ固定子１と移動子４に固定された座標系から見て−λｆとλｆとなる。指先７と移動子４が速度ｖで動いているとすると、空間に固定された座標系から見た移動子４上の電位分布の速度はｖ＋λｆとなる。よって、二つの電位分布の相対速度はｖ＋２λｆとなり、知覚される突起間隔は、λb ＝ｖλ／（ｖ＋２λｆ）となる。よって、周波数ｆをｆ＝（λ／λb −１）ｖ／２λとして制御することによって、任意の突起間隔λb を提示可能である。この実施例によれば、第２実施例に比べて、より簡易な電源回路と制御装置を用いて同等の提示を行うことができる。
【００４２】
次に、本発明の第４実施例について述べる。
【００４３】
第４実施例においては、第２実施例と同様の構成を用いる。電位分布８と電位分布９との間には、図３に示したような力が動作方向に発生するが、固定子１、移動子４の電極配置面と直交する方向には、図７に示す力ＦN が発生する。
【００４４】
第２実施例おいて、電位分布８と電位分布９の相対速度が０となるようにｆ2 を制御する場合、すなわちｖ＋λｆ2 ＝λｆ1 とした場合、動作方向に働くクーロン力は一定となるため、突起の存在しない滑らかな面を提示することができる。一方、このとき、電極配置面と直交する方向に対しても一定のクーロン力ＦN が働く。固定子１と移動子４との間の摩擦係数をμとすると、固定子１と移動子４との間にはμＦN の摩擦力が働く。指先７が移動子４を一定の力ＦN ′で押し付けているとすると、操作者は、μ′＝μＦN ／ＦN ′の摩擦係数を持った面をなぞっているように知覚する。ＦN の大きさは電圧振幅Ｅ1 、Ｅ2 により制御可能であるため、これにより任意の摩擦係数を有し、突起の存在しない滑らかな表面を提示することができる。
【００４５】
さらに、電圧振幅Ｅ1 、Ｅ2 と周波数ｆ1 、ｆ2 を適切に制御することにより、任意の突起間隔を有し且つ任意の摩擦係数を有する面を提示することも可能である。
【００４６】
なお、上記した動作と同様の動作は、第３実施例に示した電圧印加方法を用いても実施可能である。
【００４７】
図８は本発明の第５実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【００４８】
第１部材（固定子）２１には絶縁体２２に帯状電極（以下、電極という）２３が埋め込まれている。第２部材（移動子）２４には、絶縁体２５に電極２６が埋め込まれている。ここで、電極２６の形状が（操作方向を含む平面内において）波形となっていることにこの実施例の特徴がある。電極２３と電極２６の配置間隔は同じであり、どちらも２００μｍである。電極２３は３本ごとに電気的に結線されており３相構造をなしている。電極２６も同様に３本ごとに電気的に結線され３相構造をなしている。本実施例は、第１実施例から第４実施例までに示したものと同様の電圧印加により、前記実施例と同様の感覚提示を行うことができる。なお、２７は指先を示している。
【００４９】
第１実施例に示した装置では、第１部材１および第２部材４の製造方法によっては、図９に示すように、電極の配置に応じて表面に微細な凹凸ができる場合がある。このような凹凸が第１部材１と第２部材４の両者に存在すると、一切の電圧印加を行わない場合においても、両者の凹凸のひっかかりにより操作者は突起を知覚する。このような本来意図しない突起の存在は、意図する突起を提示する際の障害、あるいはノイズ成分となり好ましくない。
【００５０】
それに対し、図８に示す第５実施例では、第１部材２１と第２部材２４との電極形状が異なるため、両者の表面に電極形状に沿った凹凸が存在する場合でも、両凹凸の相互作用による意図しない突起の出現を防ぐことが可能である。
【００５１】
図１０は本発明の第６実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【００５２】
第１部材（固定子）３１には絶縁体３２に帯状電極（以下、電極という）３３が埋め込まれている。第２部材（移動子）３４は絶縁体であり電極等の歯構造は有していない。
【００５３】
固定子３１と移動子３４を対向させ、電極３３に電圧を印加することで、移動子３４の表面もしくは内部に電荷を誘導することができる。これにより、移動子３４表面には波長λの周期的な電荷分布（図示なし）が発生する。よって、電極３３に印加する電圧を制御することにより、固定子３１上に発生する電位分布（図示なし）と移動子３４の電荷との相互作用により、前記の一連の実施例と同様に感覚提示を行うことができる。なお、３７は指先を示している。
【００５４】
本実施例においては、第２部材３４をエレクトレットとすることによっても、同様の動作を得ることができる。
【００５５】
図１１は本発明の第７実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【００５６】
第１部材（固定子）４１には絶縁体４２に帯状電極（以下、電極という）４３と、それに直交する向きの電極４４が埋め込まれている。電極４３と電極４４とは互いに絶縁されている。同様に第２部材（移動子）４５には、絶縁体４６に電極４７と、それと直交する向きの電極４８が埋め込まれている。電極４７と電極４８とは互いに絶縁されている。なお、４９は指先を示している。
【００５７】
図１１に示すように固定子４１と移動子４５を対向して設置すると、電極４３と電極４７の組み合わせは、図１の第１実施例における電極３と電極６と同様の役割を果たす。また、電極４４と電極４８の組み合わせに関しても同様である。そのため、これら２つの組み合わせを用いて第１実施例から第５実施例に示したような電圧印加をそれぞれの組み合わせに対して行えば、平面上の２方向に異なる表面性状を提示することが可能となり、筋目や木目等の表面性状の表現が可能となる。
【００５８】
図１２は本発明の第８実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【００５９】
第１部材（固定子）５１には、絶縁体５２にマトリクス状ドット電極５３が埋め込まれている。同様に第２部材（移動子）５４には、絶縁体５５にマトリクス状ドット電極５６が埋め込まれている。なお、５７は指先を示している。
【００６０】
これにより、第７実施例と同様に、２方向に異なる表面性状を提示することが可能となる。
【００６１】
図１３は本発明の第９実施例を示す皮膚感覚提示装置の電極構造の説明図である。
【００６２】
第１部材（固定子）６１には、絶縁体６２に帯状電極（以下、電極という）６３が埋め込まれている。第２部材（移動子）６４には、絶縁体６５に電極６６が埋め込まれている。電極６３と電極６６は、それぞれ１２本おきに電気的に結線され、１２相電極を構成している。
【００６３】
電極６３の１２相のうち、ａ，ｅ，ｉの３本に３相正弦波を印加する。電極６６の１２相のうち、ａ′，ｅ′，ｉ′の３本に３相正弦波を印加する。これにより、固定子６１と移動子６４の電極近傍には、波長λ＝１２ｐの電位分布が発生し、第１実施例と同様の原理により、λ＝１２ｐの突起間隔を有する面を提示することができる。このとき、電極６３と電極６６の残りの相については、電位分布を乱さないよう電気的にオープンの状態にするか、もしくは電位分布を補間するような電圧を印加する。
【００６４】
電極６３の１２相のうち、ａ，ｃ，ｅの３本に３相正弦波を、同様にｇ，ｉ，ｋの３本にも同じ３相正弦波を印加する。電極６６の１２相のうち、ａ′、ｃ′、ｅ′の３本に３相正弦波を、同様にｇ′、ｉ′、ｋ′の３本にも同じ３相正弦波を印加する。これにより、固定子６１と移動子６４の電極近傍には、波長λ＝６ｐの電位分布が発生し、λ＝６ｐの突起間隔を有する面を提示することができる。同様に、３相正弦波を印加する相を切り替えることにより、λ＝３ｐの突起間隔を有する面を提示することも可能である。
【００６５】
これにより、第２実施例、第３実施例より簡易な制御回路により、複数の突起間隔を提示することができる。
【００６６】
図１４は本発明の第１０実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【００６７】
第１部材（固定子）７１には、絶縁体７２に放射状電極７３が埋め込まれている。第２部材（回転子）７４には、絶縁体７５に放射状電極７６が埋め込まれている。操作者は、指先７７を回転子７４に押し付け、指先と回転子を一体として回転させることで、皮膚感覚の提示を受ける。放射状電極７３と放射状電極７６には、前記の複数の実施例と同様に３相交流電圧が印加される。
【００６８】
図１５は本発明の第１１実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【００６９】
円筒状部材である第１部材（固定子）８１には、円周方向にのびる巻回状電極８２が形成されている。管状部材である第２部材（移動子）８３には、円周方向にのびる巻回状電極（図示なし）が形成されている。操作者は、指先（図示なし）を移動子８３に押し付け、指先と移動子を一体として移動させることで、皮膚感覚の提示を受ける。
【００７０】
図１６は本発明の第１２実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【００７１】
円筒状部材である第１部材（固定子）９１は、軸方向にのびる帯状電極９２が形成されている。管状部材である第２部材（回転子）９３には、軸方向にのびる帯状電極（図示なし）が形成されている。操作者は、指先（図示なし）を回転子９３に押し付け、指先と回転子を一体として回転させることで、皮膚感覚の提示を受ける。
【００７２】
ここまでに示した実施例においては、第１部材側を固定子とし、第２部材側を移動子もしくは回転子として説明してきたが、両者の役割を入れ替えても同様の動作は可能である。あるいは、第１部材、第２部材の両者とも固定せず、例えば操作者の親指と人差し指により第１部材と第２部材を挟み込み、２本の指をすりあわせる動作にあわせて第１部材と第２部材とを相対運動させることにより、２本の指の両方において皮膚感覚の提示を受けることも可能である。これにより、布等を２本の指で挟み込み感触を確かめるのと同様の操作感覚で皮膚感覚提示を受けることが可能となる。
【００７３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の皮膚感覚提示装置は、互いに絶縁され、所定の方向で且つ所定の間隔を設けて配置された複数の帯状電極を有する固定部材と、所定の方向で且つ所定の間隔を設けて配置された複数の帯状電極を有する可動部材と、前記固定部材の電極及び可動部材の電極の電位もしくは電荷量を制御する制御手段からなり、前記固定部材と可動部材との間に働く静電気のクーロン力により、表面粗さや摩擦特性に相当する力を固定部材と可動部材との間に発生せしめることを特徴とする。
【００７５】
従って、本発明の皮膚感覚提示装置にあっては、従来の装置よりも大幅に簡易な構成でありながら、任意の表面粗さや摩擦特性を有する仮想物体に触れた際に得られる皮膚感覚を操作者に提示することが可能となる。
【００７６】
特に、静電気力の特徴を鑑み、薄型且つ軽量に移動子部材を構成した場合には、操作者は、移動子の存在を気にすることなく、あたかも物体を直接手でなぞっているかのような感触を得ることができる。
【００７７】
また、印加する電圧の振幅や電圧パターンを制御することにより、表面の粗さを構成する突起の間隔や大きさを任意に制御し、操作者に提示することができる。
【００７８】
同様に、印加する電圧の振幅や電圧パターンを制御することにより、任意の摩擦特性を有する面を操作者に提示することができる。また、突起間隔を、摩擦特性と独立に制御でき、任意の突起間隔を有し且つ任意の摩擦特性を有する面を操作者に提示することができる。
【００７９】
更に、請求項６、請求項７記載の発明にあっては、平面上の２軸の方向に対してそれぞれ異なる表面性状を表現することができ、筋目や木目のような表面性状を提示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【図２】  本発明の第１実施例を示す皮膚感覚提示装置の電極構造と印加電圧および電極周辺に発生する電位分布の説明図である。
【図３】  本発明の第１実施例を示す皮膚感覚提示装置の電位分布の位相差に依存する静電力の説明図である。
【図４】  本発明の第１実施例を示す皮膚感覚提示装置の移動子位置に依存する指先が知覚する力の説明図である。
【図５】  本発明の第２実施例を示す皮膚感覚提示装置の電極構造と印加電圧および電極周辺に発生する電位分布の説明図である。
【図６】  本発明の第３実施例を示す皮膚感覚提示装置の電極構造と印加電圧および電極周辺に発生する電位分布の説明図である。
【図７】  本発明の第４実施例を示す皮膚感覚提示装置の電位分布の位相差に依存する静電吸引力の説明図である。
【図８】  本発明の第５実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【図９】  本発明の第５実施例において解決しようとする第１実施例を示す皮膚感覚提示装置における断面形状の説明図である。
【図１０】  本発明の第６実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【図１１】  本発明の第７実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【図１２】  本発明の第８実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【図１３】  本発明の第９実施例を示す皮膚感覚提示装置の電極構造の説明図である。
【図１４】  本発明の第１０実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【図１５】  本発明の第１１実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【図１６】  本発明の第１２実施例を示す皮膚感覚提示装置の斜視図である。
【符号の説明】
１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１    第１部材（固定子）２，５，２２，２５，３２，４２，４６，５２，５５，６２，６５，７２，７５    絶縁体
３，６，２３，２６，３３，４３，４４，４７，４８，６３，６６，９２    帯状電極
４，２４，３４，４５，５４，６４，８３    第２部材（移動子）
７，２７，３７，４９，５７，７７    指先
８，９，１８，１９    電位分布
５３，５６    マトリクス状ドット電極
７３，７６    放射状電極
７４，９３    第２部材（回転子）
８２    巻回状電極
【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】
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