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IPSJ Interaction 2018

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電気刺激と静電吸着を組み合わせた
複合触覚ディスプレイの官能評価
加藤 邦拓1,2,a)

石塚 裕己3,b)

梶本 裕之4,c)

宮下 芳明1,d)

概要：
人間は外部からの複数の刺激の組み合わせにより触感を知覚しており，よりリアルな触感を再現するためには，複数の触覚ディスプレイを組み合わせることが有効である．著者らはこれまでに，電気刺激触覚と静電吸着触覚に着目し，それらを組み合わせて提示可能な複合触覚ディスプレイとその作成手法を提案してきた．これにより電気刺激による垂直方向の振動と静電吸着による水平方向の摩擦を組み合わせて提示できる．本研究の目的は，電気刺激触覚と静電吸着触覚の同時提示によって，実際にユーザが知覚することのできる触覚についての官能評価実験を実施し，提案した複合触覚ディスプレイの使用による特性を調査することである．実験の結果，電気刺激と静電刺激を組み合わせることでリアルな触感が提示できる可能性が示唆された．また，提案した複合触覚ディスプレイの応用例として，絵や写真など紙媒体コンテンツに対して触覚情報を付与するアプリケーションを示した．

User Study of the Hybrid Tactile Display with Electrical Stimuli andElectrostatic Forces
Kunihiro Kato1,2,a)

Hiroki Ishizuka3,b)Hiroyuki Kajimoto4,c)Homei Miyashita1,d)Abstract: Humans can perceive tactile sensation through multimodal stimuli. To demonstrate realistic
pseudo tactile sensation for the users, a tactile display is needed that can provide multiple tactile stimuli.
We have explicated a novel printed tactile display that can provide both the electrical stimulus and the electrostatic force. We also described the fabrication technique using double-sided conductive ink printing. In
this paper, we investigate how human feel tactile sensations to describe the characteristic of proposed hybrid
tactile display. The obtained experimental results indicate that the proposed tactile display is capable ofexhibiting realistic tactile sensation and can be incorporated by various applications such as tactile sensation
printing of pictorial illustrations and paintings.

1. はじめに
1

2

3

4

a)
b)
c)
d)

明治大学
Meiji University, Nakano, Tokyo, Japan
日本学術振興会
JSPS, Chiyoda, Tokyo, Japan
香川大学
Kagawa University, Takamatsu, Kagawa, Japan
電気通信大学
The University of Electro-Communications, Chofu, Tokyo,Japankkunihir@meiji.ac.jp
hi1124@eng.kagawa-u.ac.jp
kajimoto@kaji-lab.jp
homei@homei.com© 2018 Information Processing Society of Japan

人体の皮膚内部には 4 種類の受容器と呼ばれる触覚を知覚するための細胞が存在している．それぞれの受容器は異なる刺激に反応し，その刺激の組み合わせによって人間は触覚を認識している [11]．そのため，物体を触れた際の触感の再現など高度な触覚提示を行うためには，異なる刺激を提示可能な複数の触覚ディスプレイを組み合わせて使うことが有効である．
近年，皮膚上に外部から複数の刺激を与えることで受容器を活性化させ，よりリアルな触覚を提示するための複合

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触覚ディスプレイに関する研究が提案されている．こうしが実現可能となった．また，刺激のために電源のみを必要

た触覚ディスプレイの発展のためには，いくつかの解決すとすることから，デバイスの構造を単純化できるという特べき技術的課題が存在している．例えば，複合触覚ディス徴もある．これにより従来では困難であった薄く小さいもプレイを実現するためには，複数の刺激を提示するためののに対しても触感の付与が可能になった．

機構を統合する必要があるため，デバイスが複雑な構造となってしまう．また，触覚を提示するためのアクチュエー
タや振動子の形状や大きさによっては，集積化することができず指先など皮膚上の特定の部位のみにしか触覚を提示できないといった問題が生じる．

1.1 電気刺激と静電吸着を用いた複合触覚ディスプレイ
こうした問題を解決する手法として，著者らは「電気刺激触覚ディスプレイ」と「静電吸着触覚ディスプレイ」に着目した．またそれらを組み合わせた複合触覚ディスプレイを提案し，その作成手法を報告してきた [8], [31]．
電気刺激触覚は，皮膚に接触した電極から人間の皮膚に電流を流すことで受容器を刺激し，触覚を提示する手法である．この触覚ディスプレイは，電圧を印加する電極と，

図 1

静電吸着触覚ディスプレイ (上), 電気刺激触覚ディスプレイ

GND に接続される電極を有する (図 1 左下)．ユーザはこ(左下), 電気刺激と静電吸着を組み合わせた複合触覚ディスプ

れらの電極を指で覆うように触れて使用する．電極に電圧

レイ (右下)．

を印加することで，電極に接触した人間の皮膚に電流が流れ，皮膚内部に瞬時的に電位差が生じ受容器につながる神経が直接刺激される．これによりユーザには皮膚が垂直方

Fig. 1 Electrostatic force tactile display (top), electrical stimulus tactile display (bottom left)，and hybrid tactile
display (bottom right)．

向に振動しているような触感が提示される．
静電吸着触覚ディスプレイは 2 つの導電体が接近した際に発生する静電気力を用いることで，触覚を提示する手法である．この触覚ディスプレイは電圧を印加する電極と，その電極を介してユーザが触れる対象である GND 接続された電極を有する (図 1 上)．これらの電極の間に薄い絶縁層を挟み，電気的に接触しない状態で双方を接近させると，それぞれの電極に逆向きの電荷が帯電し，静電気力の作用により吸着力が発生する．この時，一方の電極を固定し，もう一方の電極を水平方向に動かすと電極間に作用する摩擦力が増大し，ざらざらと引っかかるような摩擦感が提示される．また，この静電吸着を断続的に生じさせることで振動も提示できる．
本研究で使用する複合触覚ディスプレイは文献 [31] にて提案した，導電性インクを用いた両面印刷によって作成する．図 1 右下に複合触覚ディスプレイの基本構成を示す．
電極は導電性インク印刷用紙上に印刷され，表面が電気刺激用，裏面が静電吸着用の電極として使用される．
電気刺激，及び静電吸着を用いた触覚ディスプレイは，
いずれも刺激を与えるための専用のアクチュエータを必要とせず，電圧を印加した電極のみを使用する．また，提案した複合触覚ディスプレイは導電性インクとインクジェッ

1.2 本研究の目的
著者らの提案した電気刺激触覚と静電吸着触覚を組み合わせた複合型の触覚ディスプレイによって，ユーザの皮膚に対し垂直方向と水平方向の刺激を組み合わせた触覚提示を実現した [8]．また，導電性インクとインクジェットプリ
ンタによる印刷によって触覚ディスプレイを作成する手法を検討し，その耐久性について評価を行ってきた [31]．しかし，こうした印刷によって作成した低コストな触覚ディ
スプレイを用いて電気刺激触覚と静電吸着触覚を同時に提示した際，ユーザが実際にどのような触感を知覚するかについての調査はこれまで行われてこなかった．
本研究の目的は，提案した複合触覚ディスプレイをユー
ザに使用させ，実際に感じられる触覚とその特性を調査することである．また，その調査結果をもとにアプリケー
ションを開発し，提案した複合触覚ディスプレイの有用性について議論する．本論文では，2 種類の官能評価実験を行い，触覚の調査を行った．実験結果から提案した複合触覚ディスプレイを用いることで，電気刺激触覚，静電吸着
触覚それぞれの単体での使用に比べ，よりはっきりとした，リアルな触感提示の可能性が示唆された．

トプリンタを用いた両面印刷によって作成できる．紙やPET のような薄く柔軟性に優れた素材を使用できるため，
ユーザ個人の身体にフィットした形状の触覚ディスプレイ

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2. 関連研究2.1 触覚ディスプレイ

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激を生じさせる触覚ディスプレイを提案している [12]．また Kitamura らは電極を針形状にすることで，低い電圧値
で電気刺激が可能な触覚ディスプレイを開発した [13]．電人間の皮膚内部に存在する受容器に対して刺激を与える

気刺激触覚では，振動子などを用いて機械的な刺激を与えことで，触感を提示する「触覚ディスプレイ」に関する研る手法と同様に，垂直方向の刺激を提示することができる．

究がこれまでに様々な手法が検討されてきた．皮膚表面に刺激を与え触感を提示する手法として，モータなどによっ

2.2 複数の刺激を同時に提示する複合触覚ディスプレイ

て振動を提示する手法 [3], [4], [14]，張力を制御する手法

皮膚内部に存在する 4 つの受容器はそれぞれ異なる刺激[1]，空気圧アクチュエータによって皮膚表面に圧力を加によって反応し，人間は受容器が受けた複数の刺激の組みえる手法 [19], [21]，皮膚表面の形状を直接変化させる手合わせによって物体の触覚を認識している．そのため「実法 [7], [20], [29] などが挙げられる．また，機械的なアク

物体の触感再現」のような，より高度な触感提示のために

チュエータなどを使用しない手法として，収束した超音波は，異なる刺激を提示可能な触覚ディスプレイを複数組み[10], [15] やプラズマ放電時に発生する熱エネルギーを用い合わせて使うことが有効である [11]．人間の皮膚に複数のて皮膚に接触刺激を与える手法 [23] などがある．

刺激を与えることで触感提示を行う手法については，単体

刺激を与えるための専用のデバイスを使用せず，電圧をの刺激を与える手法に比べあまり多く検討されていない

印加した電極のみを用いて触覚を提示する手法も検討されのが現状である．Yem らは電気刺激とモータによる振動ている．Strong らは 2 つの導電体の間に静電気力を生じやせん断力を組み合わせることで，任意の受容器を刺激でさせることによって皮膚に摩擦感を提示する触覚ディスプ

きる触覚ディスプレイ，“FinGAR” を提案している [28]．

レイを開発している [24]．Bau らの提案した TeslaTouch

FinGAR は複数刺激の選択的な提示によって，人間が実際ではこの原理を応用し，タッチパネルディスプレイ上ににどのような触感として知覚するかの調査を目的としてい表示したコンテンツに合わせた触覚をディスプレイ平面

る．Pyo らは 2 種類の静電アクチュエータを組み合わせ上に付与することを実現している [6]．また，Bau らの提ることで摩擦力と振動を提示することが可能な触覚ディス

案した REVEL では人体に電圧を印加し，GND 接続されプレイを提案している [18]．水平方向の触覚である摩擦感

た導電体に触れることで静電吸着を引き起こす Reverse-と，垂直方向の触覚である振動を同時に提示するこれらのElectrovibration を提案している [5]．TeslaTouch，REVEL

手法は，著者らの提案した複合触覚ディスプレイと触覚のの手法では，指先などの人体と電極との間において静電吸特性的には，同様のものある．その一方で 1.1 節で述べた

着を発生させ皮膚に振動刺激を与える手法であった．このように，複合触覚ディスプレイの研究はデバイスの簡易化手法の特徴としては，人間の指を一方の導電体として扱っ

や，指先以外の皮膚の広範囲への触覚提示も重要な要素のているため，デバイスをひとつに統合することができる．

ひとつとして挙げられる．静電吸着触覚と電気刺激触覚を一方で，電極上の絶縁層を直接触れて操作を行うため，指組み合わせた複合触覚は，これらの要素を満たし，かつ水

先のコンディションによっては安定した刺激を得られない

平方向の触覚である摩擦感と，垂直方向の触覚である振動

ことがあるという報告もされていた [5]．

を提示可能な触覚ディスプレイとして位置づけられる．

これに対し，Yamamoto らは内部に電極を有する 2 枚の

この他，Murakami らは，2 つのモータとベルトによるシートに電圧を印加し，シート間で静電気力を発生させる

指先への圧力，せん断力，振動などの触感提示に加え，ペ手法を提案している [27]．また Nakamura らは複数の指先

ルチェ素子による温度変化を組み合わせた複合触覚ディスに対する触感提示を目的とした，静電吸着による触覚ディ

プレイを実現している [16]．Gallo らも同様に，振動と温スプレイを開発している [17]．GND に接続された電極と，度変化を用いた複合触覚ディスプレイを提案している [9]．

電圧を印加した電極を持つパッドとの間に静電吸着による

Gallo らの研究は，本研究と同様に複合触覚ディスプレイ

摩擦力を提示する手法を提案している．これらの手法ではの煩雑化や集積化の問題を提起しており，それを解決する

2 つの電極間で静電気力を生じさせ，ユーザに対しそれらための手法として提案している．ユーザの皮膚表面に密着を介した触覚を提示するため，指先のコンディションに影させるためにフレキシブル PCB を用いた小型触覚ディス

響されず安定した触覚を提示することができる．本研究でプレイを開発しており，指先や手のひら，前腕などの広範使用する複合触覚ディスプレイには，この 2 つの電極間で囲に刺激を提示するデバイスを実現している．本研究で使静電吸着を発生させる手法を採用している．

用した電気刺激と静電気力を用いた複合触覚ディスプレ

電気刺激は皮膚に接触した 2 つの電極の間に電圧を印加

イは電極のみを必要とするため，小さなひとつひとつの触することで，電極間に電流を流し皮膚内部に存在する受容器

覚ディスプレイの小型化が可能となった．また紙や PETを刺激する方法である [25]．この手法を応用し，Kajimotoなど柔軟な素材を用いることで，指先や手のひらなどには円筒上に多数の電極を形成し，掌の任意の箇所に電気刺フィットする多数の触覚ディスプレイを配置できる．

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3. 評価実験
3.1 実験 1: 周波数変化による触覚の弁別

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回答する．これを 1 試行とし，静電・電気刺激の周波数は以下の条件でタスクを行う．選択肢のパラメータは，電気刺激触覚の周波数 fsti = 1, 5, 10, 20, 40, 80, 100, 160,

ここでは，提案した複合触覚ディスプレイが実際にユー

320, 640 Hz の合計 10 通り，静電吸着触覚の周波数 fsta =ザに対してどのような触感を提示することができるかを

1, 5, 10, 20, 40, 80, 160, 320, 640 Hz の合計 9 通りを使用

評価するための実験を行う．電気刺激，及び静電吸着触覚

した．電気刺激触覚の印加電圧は梶本らの研究 [30] を参考

ディスプレイでは周波数の異なる交流電圧を印加すると，にしている．信号波形は矩形波の交流電圧とし，電圧の印得られる触覚も変化することは知られているが，それらを

加時間 500 µs とした．静電吸着触覚の印加電圧は，信号波組み合わせた際にどのような触感が感じられるかは調査さ

形は正弦波よりも触覚を知覚しやすい矩形波を採用し [26]，

れていない．しかし，全ての周波数パラメータの組み合わ

その Duty 比は 50 %とした．また電気刺激の提示では，印せについて評価することは難しい．そこで，まず静電吸着

加する電圧，電流の大きさによって痛みを伴うことがある．

触覚と電気刺激触覚をそれぞれ個別に提示し，ユーザが弁本実験では被験者の安全を考慮し，予め電気刺激，静電吸別することのできる周波数の範囲を調査する．そして，そ着単体での全ての触覚を体験してもらい，指で触れていらの組み合わせに対し，官能評価を実施した．

れないほどの痛みを伴わないことを確認したうえで実験を実験に使用する複合触覚ディスプレイは Adobe Illus-

行う．電圧の値は 500 V (電流 0.5 mA) を基準とし，痛み

trator によって作成した電極パターンを，家庭用のインクを伴うもしくは触覚を感じない場合に電圧を 100 V (電流ジェットプリンタ (Brother, MFC-J840N) によって印刷す

0.1 mA) 単位で増減させ調節した．電気刺激，静電吸着のることで作成する．導電性インクには銀ナノ粒子インク

電圧は同じ値とし，被験者が痛みを伴わず全ての条件で触(三菱製紙, NBSIJ-MU01) を用い，270 µm の厚みを持つ覚を知覚できる値に設定した (静電吸着触覚: 平均 500 V，

導電性インク専用紙に両面印刷する．各電極は全体，もし標準偏差 0 V，電気刺激触覚: 平均 537.5 V, 標準偏差 48.4

くは一部にテープを貼りつけることで絶縁層を形成する．

V)．

電極には，マイコン (mbed LPC 1768, ARM Ltd) によっ

実験に使用する周波数条件の中からそれぞれの刺激につて制御可能な電源装置 (MHV 12-1.0K2000P, Bellnix Co.,いて 1 つの Sample の刺激が選択される．これらの周波数

Ltd) に接続され，最大で 600 V の電圧を印加する．

は全てランダムな順序で提示される．実験システム上のボ

3.1.1 タスク

タンの配置や消去法により提示された周波数を推測するこ

実験参加者に対し，電気刺激触覚と静電吸着触覚についとを防ぐため，選択肢ボタンには周波数の情報は表示せず，て特定の周波数による刺激をサンプルとして提示し，それ対応する周波数の配置順序も試行ごとにランダムに変更さと同じ刺激を選択肢内から探し回答するタスクを実施しれる．また参加者に対し，サンプル刺激を提示後，全てのた．実験はラップトップ PC 上の実験システムを用いて行

選択肢の刺激をいちど以上試してから回答するように指示

われ，参加者自身が一方の手を用いて操作する．参加者はした上で実験を行った．

PC 操作に使用しないもう一方の手の指を触覚ディスプレ

それぞれのタスクは，ランダムに選出された 3 パラメー

イ上に置き，触覚の提示を行う．このとき，指の腹の部分

タ分の練習を行った後に，本番が行われる．電気刺激ではが触覚ディスプレイの電極の中央に乗るように指示をした．

練習 3 パラメータ + 本番 10 パラメータ × 繰り返し 5 回= 合計 53 回，静電吸着では練習 3 パラメータ + 本番 9 パ
ラメータ × 繰り返し 5 回 = 合計 48 回実施される．図 2に実験のセットアップと実験に使用した電極シートを示す．
参加者はこのシート上に指を置き，金属版上をスライドさせるように動かす．電気刺激触覚の実験では，直径 3.0mm の複数の電極が印刷されたシート (Mitsubishi Paper
Mill, NB-TP-3GU100) を用意した (図 2 左端)．静電吸着の実験では 10 × 10 mm の電極パターンを持つシートを用意した (図 2 右端)．
図 2 周波数変化による触覚の弁別実験環境．

印刷された電極の内，中央が GND に接続され，周囲のFig. 2 Experimental setting of evaluation 1.

4 箇所が電源に接続される．中央の電極と周囲の電極との距離は 1.0 mm に設定した．また，文献 [31] にて報告されシステム上の Sample ボタン，選択肢ボタンをマウスカーているような，電極の劣化による触覚の減衰を考慮し，1ソルで押している間，刺激が提示される．参加者は，複数試行ごとにシートの交換をした．なお，実験中にも随時電の選択肢の中から Sample と同じ刺激に感じるものを探し

極シートの状態を監視し，変色が確認された時にもシート© 2018 Information Processing Society of Japan18

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IPSJ Interaction 2018の交換行うものとする．
電気刺激の実験参加者は 8 名の大学生・大学院生 (男性

8 名) であり，平均年齢 23.5 歳，標準偏差は 1.87 歳である．

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表 2 実験結果: 静電吸着触覚の周波数変化による弁別

Table 2 Results of the recognition accuracy of electrostaticforce sensations.

静電吸着の実験参加者は 8 名の大学生・大学院生 (男性 8名) であり，平均年齢 23.6 歳，標準偏差は 1.80 歳である．

3.1.2 結果と考察
表 1 と 2 に実験結果を示す．表から電気刺激では，静電吸着に比べ精度が低く，識別が困難であることがわかった．電気刺激について，表 1 の低周波領域・高周波領域に分けて着目すると 1 Hz, 5 Hz, 10Hz の低周波領域が提示された場合，被験者は 100 Hz, 160 Hz, 320 Hz, 640Hz の高周波領域を殆ど選択していないことがわかる．逆に，高周波領域の提示に対して，低周波領域が選択されることは殆どなかった．このことから，近い周波数での識別は困難
であっても，高周波領域と低周波領域のような大まかな識別はできていることがわかる．
表 1 実験結果: 電気刺激触覚の周波数変化による弁別

Table 1 Results of the recognition accuracy of electrical stim-

スプレイを GND 接続された金属板の上で自由に動かすことができ，各条件の刺激がどのように感じたかについての質問に回答する．実験参加者は各試行の間に質問に回答を行い，回答が確定されるまで何度でも試すことができることとした．電気刺激と静電吸着の刺激条件は PC 上の実験システムを用いて制御され，2 秒間の刺激提示が 2 秒間隔で行われる．

ulus sensations.

静電吸着について，表 2 から，全てのパラメータで比較的安定して識別できていることがわかる．しかし，正答率の平均は 65.8 %であり高い精度とは言い難い．これにつ

図 3

官能評価の実験環境．

Fig. 3 Experimental setting of evaluation 2.

いては，周波数同士の間隔を広げるようにパラメータ数を減らすことで識別率が上がると予測される．

各試行ではまず，実験参加者は知覚した触感を自分自身

これらの結果から，電気刺激と静電吸着との複合触覚のの言葉で回答させた．次に，知覚した触感から連想され評価実験のために使用するためのパラメータとして，電気る物体を回答させた．最後に 7 種類の評価項目を用意し，刺激触覚の周波数を 10Hz, 80Hz, 640Hz (高周波, 低周波それぞれに対し 7 段階のリッカースケールでその触感をとその中間) の 3 パターン，静電吸着触覚の周波数を 5Hz，評価させた．評価項目として S1 : 粘着質 (sticky)，S2 : 摩

20Hz，80Hz，320Hz の 4 パターンを採用した．

擦感 (frictional), S3 : 凹凸感 (bumpy), S4 : 触られた感覚(touch), S5 : 温度 (temperature), S6 : 固さ (hardness), S7 :3.2 実験 2: 官能評価

快適さ (pleasant) を用意した．これらの評価項目は，既存

ここでは，電気刺激と静電吸着とを複合した触覚ディス研究において扱われたものを参考に選定した [2], [6], [22]．

プレイが提示する触感を被験者がどのように知覚するかを

これらは静電吸着触覚の特徴とされている「水平方向に働評価する実験について説明する．なお，本実験は Bau らのく力に関連する感覚 (粘着質，摩擦感)」，電気刺激触覚の報告に基づいている [6].

特徴とされている「垂直方向に働く力に関連する感覚 (凹3.2.1 タスク

凸感，触られた感覚)」，を基準としており，さらにその他

実験参加者に対して，異なる周波数の電気刺激と静電吸の感覚 (温度，固さ，快適さ) を評価項目として加えた．

着を組み合わせた刺激を提示し，各条件について 3 つの事

各試行について，5 つの静電吸着の周波数条件 (触覚提項について回答するタスクを実施した．参加者は触覚ディ

示なし条件，触覚提示あり条件 fsta = 5 Hz, 20 Hz, 80 Hz,© 2018 Information Processing Society of Japan19

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320 Hz) と，4 つの電気刺激の周波数条件 (触覚提示なし条
件，触覚提示あり条件 fsti = 10 Hz, 80 Hz, 640 Hz) を組
み合わせた周波数条件 fh[fsta , fsti ] 合計 20 パターンを提示する．電気刺激触覚の印加電圧は実験 1 と同様に，梶本らの研究 [30] を参考にしている．信号波形は矩形波の交流電圧とし，電圧の印加時間 500 µs とした．静電吸着触覚の印加電圧は矩形波を採用し [26]，その Duty 比は 50 %とした．また電気刺激の提示では，印加する電圧，電流の大きさによって痛みを伴うことがある．本実験では被験者の安全を考慮し，予め電気刺激，静電吸着単体での全ての触覚を体験してもらい，指で触れていられないほどの痛みを伴わないことを確認したうえで実験を行う．電圧の値は 500

V (電流 0.5 mA) を基準とし，痛みを伴うもしくは触覚を感じない場合に電圧を 100 V (電流 0.1 mA) 単位で増減させ調節した．電気刺激，静電吸着の電圧は同じ値とし，被験者が痛みを伴わず全ての条件で触覚を知覚できる値に設定した (平均 550 V，標準偏差 50 V)．
実験に使用するシートの表面には電気刺激触覚用の電極が，背面には静電吸着触覚用の電極が印刷されている．実験 1 と同様に電極の劣化による影響を防ぐため，電極の状態を監視し，変色が確認された場合にシートを交換した．
実験参加者は 8 名の大学生・大学院生 (女性 2 名，男性 6名) であり，平均年齢 23.0 歳，標準偏差は 1.80 歳であった．

3.2.2 結果と考察
実験結果を繰り返しのある分散分析によって分析した．

図 4 実験結果: 粘着質 (S1 ) と摩擦感 (S2 )Fig. 4 Rsult of the sensational evaluation of S1 and S2 .

多重比較には Bonferroni の手法を用いた．その結果，周波数の組み合わせ fh について主効果が見られた (F19,133 =あった．分析の結果，S1 の静電吸着触覚提示なし条件と静7.97, p < 0.001)．また，S と fh との間にの交互作用が見

電吸着触覚提示あり条件 fsta = 5 Hz, 20 Hz, 80 Hz の間られた (F144,798 = 2.70)．S と周波数条件のペアの内，S1(全ての fsta のペアについて最低でも p < 0.05), S2 の静電の時に電気刺激触覚提示 fsti = 10 Hz と複合触覚提示 fh [5吸着触覚提示なし条件と静電吸着触覚提示あり条件 fsta =Hz, 10 Hz] との間, 電気刺激触覚提示 fsti = 10 Hz と複合

5 Hz, 20 Hz, 80 Hz の間, 静電吸着触覚提示あり条件 fsta

触覚提示 fh [5 Hz, 80 Hz] との間に有意差が見られた．

= 80 Hz と fsta = 320 Hz の間 (全ての fsta のペアについ3.2.3 粘着質 (S1 ) と 摩擦感 (S2 )て最低でも p < 0.05) に有意差が見られた．文献 [6] にて両触覚提示なしの場合，参加者は滑らかな平面 wazy (平述べられているように，静電吸着触覚の高周波領域の触覚

均 2.50, 標準偏差 2.34)/smooth (平均 3.0, 標準偏差 2.24)

提示によって，粘着質や摩擦感が減少し，滑らかな感覚にであると回答している．電気刺激触覚 fsti 単体を提示したなることが知られている．これは静電吸着触覚のみを提示場合，S1 ，S2 のスコアは周波数が上昇するにつれ増大してした場合の結果でも同様のことが示されている (図 4)．そいる．静電吸着触覚 fsta 単体を提示した場合，S1 ，S2 ののため S1 と S2 について，静電触覚提示なしの条件と静電

スコアは周波数が上昇するにつれ増大し，一定の周波数を触覚提示ありの条件 fsta = 5 Hz, 20 Hz, 80 Hz との間で超えたのちに減少する傾向が見られた．

有意差が見られた (fsta = 320 Hz 間でのみ有意差なし) 結より詳細な分析を行うため，fsti と fsta を分割し，再度果は既存研究である文献 [6] と同様の傾向があるといえる．

繰り返しのある分散分析によって分析した．多重比較には

ここで S1 ，S2 の複合触覚領域に着目してみると，このBonferroni の手法を用いた．その結果，fsti (F3,21 = 3.50,

ことから，同じ電圧値の印加によって複合触覚を提示した

p < 0.05) と fsta (F4,28 = 20.9, p < 0.001) のそれぞれに場合，fsti のみを提示した場合には，周波数が上がるにつついても主効果が見られた．

れスコアが上がる傾向にあるにも関わらず，高周波領域のまた S と fsti との間 (F18,126 = 4.16, p < 0.001)，S とfsta が組み合わさることでスコアが減少している．静電吸

fsta との間 (F24,168 = 4.45, p < 0.001)，fsti と fsta との着の方が電気刺激よりも強い影響力を持つことがわかる．

間 (F12,84 = 2.11, p < 0.05) の交互作用がそれぞれ有意でしかし複合触覚領域について，fsta = 320 Hz の条件に着© 2018 Information Processing Society of Japan20

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示あり条件 fsti = 10 Hz と fsti = 640 Hz の間, fsti = 80

Hz と fsti = 640 Hz の間にそれぞれ有意差が見られた (最低でも p < 0.05)．
また S4 についての分析結果 (静電吸着提示なし条件との比較は fsta = 320 Hz 間でのみ有意差なし) は既存研究である文献 [6] と同様の傾向が示された．これは S1 ，S2 においても同様の傾向が見られていた．しかし S4 はこれと同時に fsti の低周波領域と高周波領域との間 (fsti = 10 Hzと fsti = 640 Hz の間，fsti = 80 Hz と fsti = 640 Hz の間) でも有意差が見られていた．図 5 からも，fsti の高周波領域を提示することで，複合触覚提示領域においてもス
コアが減少していないことが読み取れる．この傾向は S1 ，

S2 では見られなかったことから，S4 はこれらとは異なる性質を持つといえる．これらのことから，S4 は特に静電吸着の影響を受けず，電気刺激の提示によって安定して得られる感覚であるといえる．

3.2.5 温度感覚 (S5 )，固さ (S6 )，快適さ (S7 )
図 6 から S5 及び S6 のスコアは，静電吸着触覚，電気刺激触覚，複合触覚の提示に関わらず，全体的にスコア 3〜

5 に集中していることがわかる．この結果は，両触覚提示なしの状態と比較しても大きな差はなく，実際に触れているシートやその下の導電体の温度に依存していると考えられる．

S7 では分析の結果，電気刺激提示なしの条件と，電気図 5

実験結果: 凹凸感 (S3 ) と 触られた感覚 (S4 )Fig. 5 Rsult of the sensational evaluation of S3 and S4 .

刺激提示ありの条件 fsti = 640 Hz との間に有意差が見られた (p < 0.05)．図 6 からも，fsti の周波数が高くなるに
つれ，スコアが減少していることがわかる．これは，電気

目してみると，fsti = 10 Hz, 80 Hz を提示した場合に比較

刺激触覚の周波数が高くなると高速で皮膚が刺激されるた的にスコアが高くなっていることが読み取れる．更に，ス

め，皮膚に痛みが生じることが原因であると考えられる．

コアの分散について着目すると，S2 の特定箇所でのみ分散

実験では参加者の安全を配慮し，事前に被験者に対して電が極端に小さくなっていることがわかった ( fh [80 Hz, 10

気刺激，及び静電吸着の全ての触覚を提示し，痛みが伴わ

Hz] ，fh [80 Hz, 80 Hz] ，fh [20 Hz, 640 Hz] ，(それぞれ 最ないことを確認した上で行った．しかし，周波数の高い電小-最大値の幅 0.25)) ．このことから，静電と電気刺激の気刺激はユーザに不快感を与える要因のひとつとなりうる

組み合わせは，特定の周波数を与えることで，よりはっきことが考えられる．

りとした，もしくリアルな感覚を作り出せる可能性が示唆

3.2.6 ユーザが知覚した感覚

された．

3.2.4 凹凸感 (S3 ) と 触られた感覚 (S4 )実験参加者の内，何名かは fsti = 10 Hz の電気刺激のみが提示された時，及び fsta = 320 Hz の静電吸着のみが

図 5 に示すように，両触覚提示なしの場合，参加者は提示された時に「金属の板や紙のような滑らかな表面」で平坦な，触られていない感覚 flat (平均 1.75, 標準偏差ある回答した．本実験では，紙製の触覚ディスプレイを用

1.98)/light touch (平均 1.75, 標準偏差 0.97) であると回答

い，金属板上を動かすというタスクを行わせた．このことしている．電気刺激触覚 fsti 単体を提示した場合，S3 ，S4から，低周波数の電気刺激触覚のみ，または高周波数の静のスコアは周波数が上昇するにつれ増大している．静電吸

電吸着触覚のみを提示した場合は，触覚提示なしの状態と着触覚 fsta 単体を提示した場合，S3 ，S4 のスコアは周波あまり変わらない触感が提示されていたと考えられる．ま数が上昇するにつれ増大し，一定の周波数を超えたのちにた，これらの回答は fsti が増加するにつれて，粗い感覚減少する傾向が見られた．

に変化していく傾向が確認された．これはグラフ，及び実分析の結果，S3 の静電吸着提示あり条件 fsta = 20 Hz

験データの分析結果と一致しており，高い周波数領域の静と fsta = 320 Hz の間, S4 の静電吸着提示なし条件と，提電吸着触覚に対して電気刺激触覚が組み合わされた場合，

示あり条件 fsta = 5 Hz, 20 Hz, 80 Hz の間，電気刺激提「滑らかな表面である」という回答から「粗い表面である」© 2018 Information Processing Society of Japan21

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提示をした場合に比べ，はっきりとした，よりリアルな感覚を作り出せる可能性がある．
凹凸感 S3 は 低周波領域の静電吸着，または高周波領域の電気刺激を提示した際に得られる．またこの触覚は S1 ，S2 が強く感じられる領域 (fsta = 320 Hz 以外の領域) においても感じることができ，それらを組み合わせた触覚を提示することができる．一方，電気刺激単体であれば凹凸感が感じられるが，高周波領域の静電吸着が提示された場合には弱まってしまうことがわかった．これらのことから，摩擦感や粘着質といった表面の質感と，凹凸感を同時に提示する場合は，静電吸着を 320 Hz 以下に設定する必要があると考えられる．また，触られた感覚 S4 は静電吸着の有無にかかわらず，電気刺激によって安定した提示が可能
である．
温度感覚 S5 ，固さの感覚 S6 は両方の刺激を組み合わせても影響は見られず，複合触覚ディスプレイを介して触れるオブジェクトの性質に依存する．今回，実験では複合
触覚ディスプレイを介して触れるオブジェクトとして金属板を使用した．しかし，電気刺激と静電吸着を組み合わせた複合触覚ディスプレイでは，導電性インクによる印刷によって触れるオブジェクト自体の作成も可能である．そのため，柔らかな素材の上に印刷した電極シートを張り付ければ，柔らかい触感と，摩擦感や粘着質などの質感，凹凸感などの感覚を同時に提示することも可能となることが考えられる．
今回の実験で得られた結果は，静電吸着と電気刺激の提示のための電圧を同じ値に設定したものである．その結果，電気刺激より静電吸着の方が強い影響力を持ち，電気刺激が知覚されにくくなるということが見られた．静電吸
着の電圧を下げ，得られる触覚を弱めることで，電気刺激によって得られる感覚を強く知覚させることができ，異なる性質の刺激を提示することも可能であると考えられる．
今後は，電圧値の比率による触覚の違いや，周波数の Duty
図 6

実験結果: 温度感覚 (S5 )，固さ (S6 )，快適さ (S7 )Fig. 6 Rsult of the sensational evaluation of S5 , S6 and S7 .

比による触感への影響を評価する必要がある．

4. 応用例という回答に変化していった．実験参加者の数名は，これ

図 7 は印刷した写真に対して触覚を付与する応用例であらを「粗い紙や石の表面の触感」と回答している．これら

る．導電性インクによって全体を塗りつぶした用紙上に，の回答は電気刺激のみの場合の回答と同様の傾向を示して通常のカラーインクによって木材や和紙などのテクスチャ

いる．

をカラー印刷した写真を作成した．電源装置とマイコンを

3.2.7 実験のまとめと議論

PC 接続し，システム上から特定の周波数の電気刺激，静まず S1 ，S2 については，電気刺激の有無にかかわらず，

電吸着触覚を提示する．周波数の値は，実験の結果をもと

低周波領域の静電吸着触覚を提示した場合に知覚できる．

に決定している．これにより，ユーザは写真やイラストな

また高周波領域になるにつれ感覚が弱まっていく．このこどのコンテンツを視覚的だけでなく，触覚情報と併せて楽とから，低周波領域の静電吸着を提示することで粘着質やしむことができる．

摩擦感といった水平方向にかかる力は比較的安定して提示

ユーザに触覚を提示する触覚ディスプレイだけでなく，できることがわかる．特に摩擦感 S2 は，特定の周波数の触覚が付与されるオブジェクト自体も印刷によって作成で電気刺激と静電吸着を同時に提示することで，単体の刺激

きる．そのため，雑誌や絵本，広告など様々な紙媒体のコ© 2018 Information Processing Society of Japan22

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ンテンツへの適用が期待できる．
画像に合わせた触覚提示を実現する場合，触覚ディスプレイの位置計測を行うことが必要となる．現状の実装で[4]は，触覚ディスプレイ裏側に設置した小型マウスによって取得した相対的な位置座標の変化によって提示する触覚の周波数を変化させている．この他，深度センサを用いた位[5]

置計測や，写真の輝度情報をセンサで読み取るなどの手法によって実現が可能であると考えている．

[6]

[7]

[8]

[9]

図 7

アプリケーション例．

Fig. 7 Application example.

5. まとめ本研究では電気刺激触覚と静電吸着触覚を同時に提示す

[10]

[11]
[12]

る複合触覚ディスプレイの官能評価実験を行った．実験ではまず電気刺激触覚と静電気力触覚単体を提示した際に，ユーザが弁別可能な周波数の範囲を調査した．その後，実[13]

験結果から得られた周波数パラメータを用い，2 つの刺激を組み合わせた複合触覚によって知覚される触感を調査した．実験結果から被験者が回答した触感に関して，電気刺[14]

激・静電吸着触覚単体を提示した場合と比べ，大きな変化は見られなかった．しかし複合触覚提示を行うことで，よ[15]

りリアルな触感が提示できる可能性が示唆された．提案された触覚ディスプレイは導電体に接触することで触感提示することから，従来では困難であった薄く小さいものに対[16]

してでも導電性がある場合には触感付与が可能になる．また，実験結果をもとに写真に対して触覚を付与するアプリ
ケーションを開発した．
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