(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を有する固定子と、表面もしくは内部に適度な導電性を持たせた移動子からなる装置を備え、操作者が前記移動子を指で動かした際に、前記固定子の電極に印加する電圧を適切に制御することにより、前記固定子の電極と前記移動子間の静電吸引力に起因する摩擦振動を前記操作者の指先に伝達し、それにより様々な皮膚感覚を提示することを特徴とする皮膚感覚提示装置。
【請求項２】
請求項１記載の皮膚感覚提示装置において、前記固定子の電極はストライプ状又はマトリクス状に形成されることを特徴とする皮膚感覚提示装置。
【請求項３】
請求項１記載の皮膚感覚提示装置において、前記移動子は薄膜状の移動子からなることを特徴とする皮膚感覚提示装置。
【請求項４】
請求項１記載の皮膚感覚提示装置において、前記移動子の位置を検出する手段を有し、検出した位置に基づき前記固定子の各電極に印加する電圧を制御することにより、様々な皮膚感覚を提示することを特徴とする皮膚感覚提示装置。
【請求項５】
請求項１記載の皮膚感覚提示装置において、前記移動子を柔軟な素材とすることにより、移動子・固定子間に発生する摩擦力分布を大きく変化させることなく前記操作者の指先に伝達することを特徴とする皮膚感覚提示装置。
【請求項６】
請求項１記載の皮膚感覚提示装置において、前記電極として透明電極材料を用い、該透明電極材料からなる電極をディスプレイの上に重ねることで、視覚情報と皮膚感覚情報をあわせて提示することを特徴とする皮膚感覚提示装置。
【請求項７】
請求項６記載の皮膚感覚提示装置において、前記ディスプレイはタッチパネルディスプレイであ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、バーチャルリアリティやゲーム機等における、仮想的触感を再現する装置や、家庭用ＰＣ等における触覚情報提示に利用する皮膚感覚（触覚）提示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
バーチャルリアリティやゲームの分野においては、従来、視覚・聴覚・力覚による表現が主流であったが、近年、皮膚感覚（＝触感）による表現の重要性が増してきている。これまでに、複数の皮膚感覚提示装置が開発されてきているが、その多くは、盲人用の点字装置としての応用を念頭においたものであるか、または、従来の盲人用点字装置の技術に基づいて開発されたものであり、汎用的な触感を再現する皮膚感覚提示装置は、未だ実用化されていない。
【０００３】
以下、従来の皮膚感覚提示装置について詳細に説明する。
【０００４】
（１）皮膚感覚提示装置とは
ものに触れた際に人が感じる感覚、いわゆる触覚は、生理学的には、その神経受容器の違いから大きく二つの感覚に分けられる。
【０００５】
一つは、筋肉や関節にある受容器で知覚する深部感覚、もう一つは、皮膚表面に存在する受容器で知覚される皮膚感覚である。
【０００６】
深部感覚は、ものに触れた際の反力、指先を動かした際に発生する摩擦力などの、（マクロ的な）力を感ずる感覚である。これに対し、皮膚感覚というのは、指先表面に存在する受容器（温点、圧点、痛点）によって感じ取る感覚で、物体表面の温度、凹凸、摩擦係数などといった表面テクスチャを感じ取るものである。
【０００７】
これらの感覚を擬似的に再現し、提示することは、バーチャルリアリティや体感ゲームなどの世界で非常に重要視されている。しかし、現在のところ、深部感覚を再現するデバイスについては実用化が進んでいるものの、皮膚感覚を再現するデバイスは、まだ研究が始まったばかりといった状況である。
【０００８】
皮膚感覚というのは、凹凸、温度などの幅広い感触の総称であり、これらすべての感覚を統合的に提示することは現状では困難である。そのため、それぞれの感覚に特化した形で、研究開発が行われている。本発明は、凹凸感（＝面粗さ）を提示するためのデバイスに関するものである。
【０００９】
（２）これまでの開発例
凹凸感を再現するディスプレイは、盲人用点字装置をはじめとして古くより多くの研究が行われている。その多くは振動子や電極などの刺激子をマトリクス状に配置し、各刺激子が発生させる刺激強度を制御することで、様々な凹凸を再現するものである。これらの中で、本発明に最も近い技術としては、Ｓｔｒｏｎｇらにより考案されたＥｌｅｃｔｒｏｔａｃｔｉｌｅ  Ｄｉｓｐｌａｙが挙げられる。この装置では、２．５４ｍｍ間隔でマトリクス状に並べた電極を指でなぞるだけというシンプルな構成で、点字相当のテクスチャを提示することに成功している。
【００１０】
人が知覚できる範囲の面粗さを構成する凹凸は、小さいものでは数十〜数百ミクロン程度の間隔で分布していると考えられ、汎用的な触感を提示するにはｍｍ以下のオーダーの位置分解能で刺激を提示できることが望ましい。しかし、前述の刺激子を配置する方式では、主に振動子や電極等の刺激子のサイズによる制約から配置間隔を細かくすることが困難であるため、ｍｍ以下の位置分解能を達成することは難しい。そのため、点字等の提示は可能であっても、例えばサンドペーパーのような微細なテクスチャの提示は困難であり、汎用的な触感の提示には問題がある。
【００１１】
また、前記のＥｌｅｃｔｒｏｔａｃｔｉｌｅ  Ｄｉｓｐｌａｙは、同様の装置を試作したＴａｎｇらにより、指先の発汗に伴い安定性が低下する、という問題点も指摘されている。
【００１２】
一方、指と共に動かすスライダと、スライダに推力もしくは摩擦力等を発生しうる手段を有し、スライダを介して操作者の指先に刺激を与えるタイプの装置も考案されている。
【００１３】
このようなタイプとしては、例えばＭｉｎｓｋｙらによるＳａｎｄｐａｐｅｒＳｙｓｔｅｍ、ＮａｒａらによるＳＡＷ  Ｔａｃｔｉｌｅ  Ｄｉｓｐｌａｙ、また、本願発明者らが既に特願２０００−２２６５０６として提案している皮膚感覚提示装置などがある。
【００１４】
一例として、前記Ｓａｎｄｐａｐｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍの装置構成を図１２に示す。
【００１５】
図１２において、１０１は固定部、１０２はその固定部１０１の上面、１０３は２自由度ジョイスティックのつまみ、１０４はつまみ１０３と一緒に移動する上面カバー、１０５は操作者の手、１０６は２自由度ジョイスティックの軸、１０７は第１のＤＤモータ、１０８は第２のＤＤモータである。
【００１６】
この装置では、ジョイスティックに力フィードバックがかけられるようになっており、指先で（図では手１０５全体だが）ジョイスティックのつまみ１０３を水平方向に動かすと、あたかも凹凸の面をなぞっているかのごとく、ジョイスティックのつまみ１０３が振動する。この振動周期と強さを制御することで、様々な凹凸の面を表現できる。
【００１７】
このタイプの装置では、スライダの位置を容易に検出することができるため、検出したスライダ位置に応じて与える刺激に変調をかけることで、微細なテクスチャを表現することが可能である。そのため、適切なセンサとアクチュエータとを用いれば、ｍｍ以下のオーダーの表現分解能も比較的容易に達成されうる。
【００１８】
しかし、このようにスライダを介して指先に刺激を与える場合、刺激が指全体に伝わってしまい、局所的な刺激を提示することが難しい。すなわち、現実に面をなぞった際には、指の腹の各部分でそれぞれ異なった微細振動が発生するのに対して、図１２に示すようなタイプの皮膚感覚提示装置においては、それら各部の振動を平均化した振動を、指全体に共通して与えることしかできない。
【００１９】
そのため、実際に操作者が受ける感覚は、現実の感覚とは異なるものとなってしまう。また、同様の理由により、サンドペーパーなどのように凹凸が連続的に分布しているテクスチャは表現しやすいものの、例えば、単独で存在するライン状の突起や溝などの表現は困難である。
【００２０】
また、ここまで述べてきたタイプとは異なる発想の装置も多く提案されているが、表現能力や、利用の簡便さなどの点においてそれぞれ課題を有している。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、これまでに提案されている皮膚感覚提示装置においては、表現の分解能や、刺激の提示方法に問題があり、より現実に近い感触を与えることは困難である。
【００２２】
本発明は、上記状況に鑑みて、簡便な構造により、精密な触感表現を可能とする皮膚感覚提示装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕皮膚感覚提示装置において、電極を有する固定子と、表面もしくは内部に適度な導電性を持たせた移動子からなる装置を備え、操作者が前記移動子を指で動かした際に、前記固定子の電極に印加する電圧を適切に制御することにより、前記固定子の電極と前記移動子間の静電吸引力に起因する摩擦振動を前記操作者の指先に伝達し、それにより様々な皮膚感覚を提示することを特徴とする。
【００２４】
〔２〕上記〔１〕記載の皮膚感覚提示装置において、前記固定子の電極はストライプ状又はマトリクス状に形成されることを特徴とする。
【００２５】
〔３〕上記〔１〕記載の皮膚感覚提示装置において、前記移動子は薄膜状の移動子からなることを特徴とする。
【００２６】
〔４〕上記〔１〕記載の皮膚感覚提示装置において、前記移動子の位置を検出する手段を有し、検出した位置に基づき前記固定子の各電極に印加する電圧を制御することにより、様々な皮膚感覚を提示することを特徴とする。
【００２７】
〔５〕上記〔１〕記載の皮膚感覚提示装置において、前記移動子を柔軟な素材とすることにより、移動子・固定子間に発生する摩擦力分布を大きく変化させることなく前記操作者の指先に伝達することを特徴とする。
【００２８】
〔６〕上記〔１〕記載の皮膚感覚提示装置において、前記電極として透明電極材料を用い、この透明電極材料からなる電極をディスプレイの上に重ねることで、視覚情報と皮膚感覚情報をあわせて提示することを特徴とする。
【００２９】
〔７〕上記〔６〕記載の皮膚感覚提示装置において、前記ディスプレイはタッチパネルディスプレイであることを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明の実施例を示す皮膚感覚提示装置の模式図、図２はその皮膚感覚提示装置のＡ−Ａ線断面図、図３はその皮膚感覚提示装置のＢ−Ｂ線断面図である。
【００３２】
これらの図において、１は固定子であり、この固定子１は、基板２上にストライプ状（もしくは、マトリクス状）の電極３が形成され、その上に絶縁膜（絶縁フィルム）４が被覆されたものである。１１は移動子（フィルム）であり、この移動子１１は薄膜１２からなり、その薄膜１２の上面は、適度な導電率を持つように処理される。その際の最も簡単な処理方法は、軽く湿らすことである。ここでは、その薄膜１２の上面に導電体層１３が形成されている。また、この薄膜１２は可能な限り薄いことが望ましい。なお、２１は移動子１１を押さえて動かす操作者の指である。
【００３３】
また、３１は移動子１１の位置を検出するために設けられたリニアエンコーダー（ＬＥ）である。このエンコーダー３１はできるかぎり軽量かつ低摩擦なものであることが望ましい。なお、矢印は操作方向を示している。
【００３４】
ストライプ状の電極３に、図３に示すように電圧を印加すると、移動子１１上面の適度な導電率を持った導電体層１３が導体として働き、移動子１１と固定子１の間には、静電吸引力が発生する。
【００３５】
そこで、固定子１のストライプ状電極３に、連続するパルス波を与えると、移動子１１と固定子１間には連続的に変化する静電吸引力が働く。この際、ストライプ状の電極３を構成する各々の電極に与える電圧をそれぞれ独立に制御することにより、静電吸引力の大きさを場所により異なるものとすることができる。
【００３６】
移動子１１の薄膜１２は十分に薄く、柔らかいものとすると、パルス波を印加した状態で移動子１１を動かす場合、移動子１１は分布した静電吸引力のために、各部分に異なる摩擦力が働き、結果として各部分が異なった振動を起こす。そこで、この移動子１１を操作者の指２１で押さえて動かすと、操作者の指２１には、この分布した振動が伝わり、あたかも、実際の面をなぞっているかのような感触を得ることができる。
【００３７】
また、操作者が指２１でなぞる際に、なぞりに対して、振動源が指先を動いていく感触が得られるので、従来のスライダを具備したタイプの装置では得難かったすべり感が得られる。
【００３８】
結局、従来のスライダを具備したタイプの装置においては、指で触れるパーツが、パーツ全体で同じようにしか振動できなかったのに対し、本発明の皮膚感覚提示装置では、指の触れるパーツが、極めて柔軟かつ薄い素材（例えば、ポリイミドフィルム：厚さ７．５μｍ）でできているため、パーツ上の各部分で異なる振動を発生させることができる。
【００３９】
図４は本発明の実施例を示す皮膚感覚提示装置のシステム構成図である。なお、図１〜図３に示す実施例と同じ部分には同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００４０】
この図に示すように、リニアエンコーダー（ＬＥ）３１からの信号を電子制御装置３２に入力して移動子１１の位置の演算を行い、その移動子１１の位置に応じて制御信号を電圧制御器３３に出力して、固定子１の電極３にその制御された電圧を印加するようにしている。なお、矢印は操作方向を示している。
【００４１】
このように、本発明の皮膚感覚提示装置の移動子１１にはその位置を検出するためのリニアエンコーダー３１が設けられており、移動子位置、すなわち指先位置を検出することができる。よって、その位置の検出結果に基づき、電極３に印加する電圧を制御することにより、擬似的に、微細なテクスチャを表現することが可能となる。すなわち、盲人用点字装置に見られるような刺激子を配列したタイプの装置においては、表現の分解能が刺激子の配列ピッチにより決定されてしまうのに対し、本発明の皮膚感覚提示装置では、電極３の配列ピッチによらず、微細なテクスチャを表現することができる。
【００４２】
したがって、物に触れたときのザラザラ感ツルツル感を的確に表現させることができる。
【００４３】
なお、上記実施例では、電極構造としてストライプ状の電極構造について述べたが、パターンの無い平板状の電極構造とするようにしてもよい。
【００４４】
また、移動子として、薄膜状の素材を用いたものを示しているが、例えば、薄膜状のフィルムなどの柔軟な素材を用いる。
【００４５】
図５は本発明の他の実施例を示す視覚情報表示付き皮膚感覚提示装置の代用写真、図６はその断面模式図である。なお、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ線断面拡大図である。
【００４６】
これらの図において、４１はタッチパネルＬＣＤ、４２は固定子（ステータ）、４３はスライダー、４４は操作者の指、４５は移動方向を示しており、タッチパネルＬＣＤ４１上の固定子４２は、下部より透明プラスチックフィルム４２Ａ、ＩＴＯ電極４２Ｂ、ウレタン４２Ｃからなり、固定子４２上を移動するスライダー４３は、ウレタン４３Ａ、アルミニウム電極４３Ｂ、透明プラスチックフィルム４３Ｃからなる。このスライダー４３は、操作者の指４４に巻付けられるように構成されている。
【００４７】
この実施例では、タッチパネルＬＣＤ４１に貼り付けた透明電極（ＩＴＯ電極４２Ｂ）からなる固定子４２と操作者の指４４に巻き付けられたアルミ蒸着フィルム（アルミニウム電極４３Ｂ）からなるスライダー４３とで構成される。操作者はスライダー４３が巻き付けられた操作者の指４４で、直接タッチパネルＬＣＤ４１に表示されている模様や図形などをなぞることにより、その触感を直接得ることが可能である。すなわち、透明電極（ＩＴＯ電極４２Ｂ）を用いることにより、モニタに表示される画像などの視覚情報とともに皮膚感覚情報を提示することができる。
【００４８】
固定子４２はＩＴＯ電極４２Ｂ上にウレタン４２Ｃをコーティングし、絶縁層（厚さ６．５μｍ）を形成したものであり、無色透明である。このＩＴＯ電極４２Ｂはフィルム全体にコートされた単相電極であり、電圧を印加できるように配線されている。この固定子４２をタッチパネルＬＣＤ４１（Ｇｕｎｚｅ，ＡＶ７６３０ＦＴ０２）に貼り付けてある。
【００４９】
スライダー４３はアルミニウムを蒸着したフィルム（アルミニウム電極４３Ｂ）にウレタン４３Ａをコーティングし、保護層（厚さ０．５μｍ）を形成したものである。アルミニウムが蒸着されている導電層４３Ｂは導線を介してグランドに接続されている。
【００５０】
固定子４２が貼り付けられたタッチパネルＬＣＤ４１を操作者の指４４でなぞるとタッチパネルＬＣＤ４１の機能により、パソコン（ＰＣ）画面上のカーソルが動く。このカーソル位置を指位置としている。カーソル位置に応じてＰＣから電圧値を送り、これを増幅して固定子のＩＴＯ電極４２Ｂに印加する構成となっている。
【００５１】
なお、今回用いたタッチパネルは抵抗膜式である。タッチパネルの他方式として静電容量式や弾性表面波式があるが、静電容量式の場合は固定子により弾性表面波が適切に伝わらなくなるために用いることが困難であると考えられる。
【００５２】
上記のように、この実施例では、視覚情報とともに皮膚感覚情報を提示することができるため、操作性や臨場感をより高めることが可能となる。
【００５３】
上記のように構成したので、透明電極を用いることにより、ディスプレイに直接触れて皮膚感覚を提示することができる。
【００５４】
次に、この視覚情報表示付き皮膚感覚提示装置の触感提示原理について説明する。
【００５５】
図７はその視覚情報表示付き皮膚感覚提示装置による触感の提示原理の説明の断面模式図である。
【００５６】
この図において、５１はＩＴＯ電極、５２は絶縁膜、５３はアルミニウム電極（スライダー）、５４は操作者の指、５５は移動方向、５６は静電吸引力、５７は摩擦力である。
【００５７】
そこで、ＩＴＯ電極５１に電圧を印加することにより、ＩＴＯ電極５１とスライダー５３の導電層との間に静電吸引力５６が発生する。この状態で操作者の指５４を動かすと摩擦力５７が発生する。この摩擦力５７が操作者の指５４に加わり操作者は触感を得ることができる。したがって、ＩＴＯ電極５１に印加する電圧を制御することにより、操作者の指５４に加わる摩擦力５７を制御し、様々な触感の提示が行なえる。
【００５８】
本発明の皮膚感覚提示装置において発生する摩擦力の測定を行なった。
【００５９】
図８は本発明の皮膚感覚提示装置に働く摩擦力の測定方法を示す模式図である。
【００６０】
この図において、６０はステージ、６１は固定子、６２は摩擦力の測定対象としてのスライダーフィルムを２０ｍｍ角のアクリル板に貼り付けたスライダー、６３はロードセル、６４はステージ６０の移動方向、６５はスライダー６２に加えられる与圧である。
【００６１】
この図に示すように、固定子６１をステージ６０に貼り付け、スライダー６２に５０ｇｆの与圧６５で固定子６１に押し付けた。この状態でステージ６０を０．５ｍｍ／ｓの速度で動かし、スライダー６２に働く摩擦力をロードセル６３により測定した。
【００６２】
印加電圧が１００Ｖ0-p のときのものを図９（ａ）に、同様の印加電圧波形で振幅が６０Ｖ0-p から２００Ｖ0-p のときの摩擦力測定結果を図９（ｂ）に示す。印加電圧波形で正負の電圧が交互に現れるのは、同極性の電圧を与え続けると摩擦力が低下するためである。これはフィルムの帯電によるものと考えられる。
【００６３】
図９（ｂ）より明らかなように、電圧印加直後に摩擦力は最大となり、その後時間とともに減衰することが分かる。また、摩擦力は印加電圧のほぼ２乗に比例することが分かる。
【００６４】
次に、本発明の応用例について説明する。
【００６５】
ここでは、本発明の装置を適用できるＷｉｎｄｏｗｓ(登録商標)用アプリケーションを試作した。例えば、図１０（ａ）に示すようなテクスチャを表現したい場合は、図１０（ｂ）に示すように、図１０（ａ）中の色（白と黒）の境界で切り替わるように電圧を印加することとした。なお、図１０（ａ）における矢印は、指の動作を示す。
【００６６】
図１１は作成したＷｉｎｄｏｗｓ(登録商標)用アプリケーションを示す図である。図１１に示す上三段では様々な種類や粗さの模様をなぞっている感覚を受けることができる。また、図１１に示す最下段では色の濃いものほど強い粗さ感の提示を受けることができる。用いた最大印加電圧振幅は２５０Ｖ0-p 程度である。
【００６７】
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。
【００６８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００６９】
（Ａ）移動子が薄膜状で十分柔らかいため、移動子と固定子との間に働く静電吸引力を場所により異なるものとすることができ、例えば、指先と指の腹など、場所により異なった刺激を与えることができる。そのため、現実の面をなぞった際に近い感触を提示することが可能となる。
【００７０】
（Ｂ）固定電極と指先との間に薄膜状の移動子（フィルム）を挟み込むようにしたので、指先の発汗の影響を受けにくく、長時間にわたり安定した駆動を実現することができる。
【００７１】
（Ｃ）薄膜状の移動子（フィルム）を設置し、移動子と指先を一緒に動かす仕様となっているため、容易に指先位置を測定することができる。
【００７２】
そのため、指先位置に応じて発生力を制御することで従来よりも豊かな表現が可能となる。また、指先に何らかの付加的な装置を装着する必要はなく、単に薄膜状の移動子（フィルム）に触れて動かすだけであるため、簡便かつ軽量で実用性が高い。
【００７３】
（Ｄ）透明電極を用いることにより、画面を見ながら直接触れて皮膚感覚を提示することができるようになるため、皮膚感覚情報を視覚情報とともに得ることができ、操作性や臨場感をより高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す皮膚感覚提示装置の模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線の断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線の断面図である。
【図４】本発明の実施例を示す皮膚感覚提示装置のシステム構成図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す視覚情報表示付き皮膚感覚提示装置の代用写真である。
【図６】図５の視覚情報表示付き皮膚感覚提示装置の断面模式図である。
【図７】本発明の視覚情報表示付き皮膚感覚提示装置による触感の提示原理の説明の断面模式図である。
【図８】本発明の皮膚感覚提示装置に働く摩擦力の測定方法を示す模式図である。
【図９】本発明の皮膚感覚提示装置の印加電圧と摩擦力を示す図である。
【図１０】本発明の皮膚感覚提示装置のテクスチャと印加電圧との関係を示す図である。
【図１１】本発明を適用するＷｉｎｄｏｗｓ(登録商標)用アプリケーションの例を示す図である。
【図１２】従来の皮膚感覚提示装置の模式図である。
【符号の説明】
１，４２，６１    固定子
２    基板
３    ストライプ状（もしくは、マトリクス状）の電極
４    絶縁膜（絶縁フィルム）
１１    移動子（フィルム）
１２    薄膜
１３    導電体層
２１，４４，５４    操作者の指
３１    リニアエンコーダー（ＬＥ）
３２    電子制御装置
３３    電圧制御器
４１    タッチパネルＬＣＤ
４２Ａ，４３Ｃ    透明プラスチックフィルム
４２Ｂ，５１    ＩＴＯ電極
４２Ｃ，４３Ａ    ウレタン
４３，６２    スライダー
４３Ｂ    アルミニウム電極
４５，５５    移動方向
５２    絶縁膜
５３    アルミニウム電極（スライダー）
５６    静電吸引力
５７    摩擦力
６０    ステージ
６３    ロードセル
６４    ステージの移動方向
【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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