FI121403B

FI121403B - Sensory interface

Info

Publication number: FI121403B
Application number: FI20075651A
Authority: FI
Inventors: Ville Maekinen; Petro Suvanto
Original assignee: Senseg Oy
Priority date: 2007-09-18
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2010-10-29
Also published as: FI20080213L; FI20080213A0; FI20075651A0; FI20075651A

Description

Sensorinen liitäntäSensory interface

Keksinnön taustaBackground of the Invention

Keksintö liittyy laitteistoon ja menetelmään elektrosensorisen aistimuksen tuottamiseksi ruumiinosaan.The invention relates to an apparatus and method for producing electro-sensory sensation in a body part.

5 Manuaalisia syöttölaitteita, kuten pelikahvoja ja hiiriä täydennetään usein välineillä taktillisten aistimusten tuottamiseksi siten, että manuaaliset syöttölaitteet tuottavat taktillisen palautteen käyttäjilleen. Taktillisille palautelait-teille on myönnetty satoja US-patentteja. Useimmissa tai kaikissa tunnetuissa laitteissa liikkuvat tai värähtelevät mekaaniset elimet tuottavat taktillisen aisti-10 muksen. Useimpien tällaisten laitteiden yhteisenä ongelmana on, että tällaiset liikkuvat mekaaniset elimet ovat yleensä kookkaita, epäluotettavia ja/tai vaikeasti ohjattavia.5 Manual input devices, such as game handles and mice, are often supplemented with means for producing tactical sensations such that manual input devices provide tactical feedback to their users. Hundreds of US patents have been granted for tactical feedback devices. In most or all known devices, the moving or oscillating mechanical members produce a tactile sense. A common problem with most such devices is that such moving mechanical members are generally bulky, unreliable and / or difficult to control.

Keksinnön lyhyt selostusBrief Description of the Invention

Keksinnön tavoitteena on tuottaa ohjattava elektrosensorinen aisti-15 mus riippumatta mistään mekaanisten elimien liikkeestä tai värähtelystä. Keksinnön tavoite saavutetaan piirteillä, jotka esitetään oheisissa itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Epäitsenäiset patenttivaatimukset ja tämä selitys esittävät keksinnön erityisiä suoritusmuotoja ja ei-väittämättömiä piirteitä.It is an object of the invention to provide a controlled electrosensory sensory sensation regardless of any movement or vibration of the mechanical members. The object of the invention is achieved by the features disclosed in the appended independent claims. The dependent claims and this specification disclose specific embodiments and non-claimed features of the invention.

Keksinnön eräs näkökohta on menetelmä elektrosensorisen aisti-20 muksen tuottamiseksi ruumiinosaan. Menetelmään kuuluu: tuotetaan yksi tai useampi johtavan elektrodi, joista kukin on varustettu eristimellä, missä kun ruumiinosa on johtavan elektrodin lähellä, eristin estää tasavirran virtauksen johtavasta elektrodista ruumiinosaan. Johtavan elektrodin ja ruumiinosan välille muodostuu kapasitiivinen kytkentä eristimen yli. Tuotetaan suurjännitelähde 25 sähköisen syötteen johtamiseksi mainittuun yhteen tai useampaan johtavaan elektrodiin. Sähköinen syöte käsittää pientaajuisen komponentin taajuusalueella 10 Hz - 500 Hz, samalla kun kapasitiivinen kytkentä ja sähköinen syöte mitoitetaan tuottamaan elektrosensorinen aistimus. Elektrosensorinen aistimus tuotetaan riippumatta mainitun yhden tai useamman johtavan elektrodin tai 30 eristimen mekaanisesta värähtelystä.One aspect of the invention is a method of producing an electro-sensory sensory body part. The method comprises: providing one or more conductive electrodes, each of which is provided with an insulator, where, when the body member is near the conductive electrode, the insulator prevents direct current flow from the conductive electrode to the body member. A capacitive coupling is formed between the conductive electrode and the body part over the insulator. Providing a high voltage source 25 for conducting an electrical supply to said one or more conductive electrodes. The electrical input comprises a low frequency component in the frequency range of 10 Hz to 500 Hz, while capacitive coupling and the electrical input are dimensioned to produce electro-sensory sensation. Electrosensory sensation is produced regardless of the mechanical vibration of said one or more conductive electrodes or insulators.

Keksinnön eräs toinen näkökohta on laitteisto keksinnön mukaisen menetelmän suorittamista varten.Another aspect of the invention is an apparatus for performing the method of the invention.

Erään suoritusmuodon mukaisesti sähköinen syöte käsittää myös suurtaajuisen komponentin, jossa on taajuus joka on suurempi kuin pientaajui-35 nen komponentti ja pienempi kuin 500 kHz. Tämä suoritusmuoto voi myös kä- 2 sittää modulaattorin tai muun välineen suurtaajuisen komponentin moduloimi-seksi pientaajuisella komponentilla.According to one embodiment, the electrical input also comprises a high frequency component having a frequency higher than the low frequency component and less than 500 kHz. This embodiment may also comprise a modulator or other means for modulating a high frequency component with a low frequency component.

Sähköisellä syötteellä yhteen tai useampaan johtavaan elektrodiin on huipusta huippuun jännite välillä 500 - 100000 V, ja eriste tulisi mitoittaa 5 vastaavasti. Käytännön toteutuksissa tällä hetkellä saatavilla materiaaleilla eristeen paksuus on tyypillisesti välillä 0,1 mm - 50 mm.The electrical supply to one or more conductive electrodes has a peak-to-peak voltage between 500 and 100000 V, and the dielectric should be sized accordingly. In practical embodiments, the currently available materials typically have an insulation thickness of between 0.1 mm and 50 mm.

Aikavariantin informaation välittämiseksi, erotuksena pysyvän tilan aistimuksesta, laitteisto voi käsittää välineet sähköisen syötteen moduloimi-seksi aikavariantin informaation mukaisesti.To transmit the time-varying information, in contrast to the perception of the steady-state, the apparatus may comprise means for modulating the electrical input according to the time-varying information.

10 Keksinnön eräs yksinkertainen mutta tehokas toteutus käsittää täs mälleen yhden johtavan elektrodin ruumiinosan kutakin spatiaalisesti erillistä aluetta kohti. Johtavia elektrodeja voi olla enemmän kuin yksi, siten että kukin johtava elektrodi stimuloi yhden tai useamman ruumiinosan spatiaalisesti erillistä aluetta. Laitteisto voi käsittää kotelon, joka sisältää kaikille johtaville elekt-15 rodeille yhteisen suurjännitelähteen, joka kotelo sisältää myös välineet sähköisen syötteen välittämiseksi samanaikaisesti nollaan tai useampaan mainituista yhdestä tai useammasta johtavasta elektrodista. Keksinnön mukainen laitteisto ja/tai yksi tai useampi johtava elektrodi voidaan sijoittaa siten, että todennäköisimmin vaikutettava ruumiinosa on ihmiskäden osa. Esimerkiksi yhteisen oh-20 jaimen ohjauksessa olevat viisi johtavaa elektrodia voivat eri aikoina stimuloida nollasta viiteen sormenpäätä rinnakkaisesti. Nämä viisi johtavaa elektrodia välittävät siten viisi informaatiobittiä rinnakkaisesti. Laitteisto voidaan toteuttaa osana syöttö/tulostus -oheislaitetta, joka on kytkettävissä datanprosessointi-laitteistoon.A simple yet effective embodiment of the invention comprises exactly one body portion of a conductive electrode for each spatially distinct region. There may be more than one conductive electrode such that each conductive electrode stimulates a spatially distinct region of one or more body parts. The apparatus may comprise a housing containing a high voltage source common to all conductive electrodes, the housing also comprising means for simultaneously supplying an electric supply to zero or more of said one or more conductive electrodes. The apparatus and / or one or more conductive electrodes of the invention may be positioned so that the most likely body part to be affected is the human hand. For example, the five conductive electrodes under the control of a common controller may at different times stimulate zero to five finger tips in parallel. The five conductive electrodes thus convey the five information bits in parallel. The hardware can be implemented as part of an input / output peripheral that can be connected to a data processing hardware.

25 Kuvioiden lyhyt selostus25 Brief Description of the Figures

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:The invention will now be further described in connection with preferred embodiments, with reference to the accompanying drawings, in which:

Kuvio 1 esittää keksinnön toimintaperiaatetta;Figure 1 illustrates the operating principle of the invention;

Kuvio 2 esittää keksinnön erästä suoritusmuotoa; 30 Kuvio 3 esittää parannettua suoritusmuotoa, jossa on useita erik seen ohjattavia elektrodeja;Figure 2 shows an embodiment of the invention; Figure 3 shows an improved embodiment having a plurality of Ergically controllable electrodes;

Kuvio 4 esittää kuviossa 3 näytetyn suoritusmuodon erään spesifisen toteutuksen;Figure 4 shows a specific embodiment of the embodiment shown in Figure 3;

Kuvio 5 on graafi, joka kaaviomaisesti esittää koehenkilön herkkyyt-35 tä keksinnön mukaisen kapasitiivisen elektrosensorisen liitännän tuottamille aistimuksille eri taajuuksilla; ja 3Fig. 5 is a graph schematically showing the sensitivity of a subject to the senses produced by the capacitive electro-sensory interface of the invention at different frequencies; and 3

Kuvio 6 graafi, joka edelleen selvittää keksinnön toimintaperiaatetta ja taajuuksien tulkintaa keksinnön yhteydessä.Figure 6 is a graph which further illustrates the operation of the invention and the interpretation of frequencies in connection with the invention.

Keksinnön yksityiskohtainen selostusDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Kuvio 1 esittää keksinnön toimintaperiaatetta. Viitenumero 100 5 osoittaa suurjännitevahvistinta. Suurjännitevahvistimen 100 anto, joka on merkitty OUT”, on kytketty elektrodiin 106, joka on eristetty galvaanista kosketusta vastaan eristekerroksella tai -elimellä 108. Viitenumero 120 osoittaa yleisesti stimuloitavaa ruumiinosaa, kuten ihmisen sormea. Ihmisen iho, jota osoitetaan viitenumerolla 121, on kuivana suhteellisen hyvä eristin, mutta keksintö tuottaa 10 suhteellisen hyvän kapasitiivisen kytkennän elektrodin 106 ja ruumiinosan 120 välille. Kapasitiivinen kytkentä on käytännöllisesti katsoen riippumaton ihon olosuhteista, kuten kosteudesta. Keksijöiden hypoteesi on, että kapasitiivinen kytkentä elektrodin 106 ja ruumiinosan 120 välillä kehittää sykkivän Coulombin voiman. Sykkivän Coulombin voima stimuloi värähdysherkkiä reseptoreita, lä-15 hinnä niitä joita kutsutaan Pacinin keräsiksi ja jotka sijaitsevat ihon uloimman kerroksen (’’ipodermis”) alla. keräsiä osoitetaan viitenumerolla 122. Ne on esitetty kaaviomaisesti ja voimakkaasti suurennettuina.Figure 1 illustrates the working principle of the invention. Reference numeral 100 5 denotes a high voltage amplifier. The output of the high voltage amplifier 100, marked "OUT", is connected to an electrode 106 which is isolated from galvanic contact by an insulating layer or member 108. Reference numeral 120 indicates a generally stimulated body part, such as a human finger. Human skin, designated by reference numeral 121, is a relatively good insulator when dry, but the invention provides 10 relatively good capacitive coupling between electrode 106 and body portion 120. Capacitive coupling is virtually independent of skin conditions such as moisture. The inventors hypothesize that capacitive coupling between electrode 106 and body portion 120 generates a pulsating Coulomb force. The power of the pulsating Coulomb stimulates vibration-sensitive receptors, mainly those known as Pacin's rings, located beneath the outer layer of the skin ('' ipodermis ''). the collectors are designated by reference numeral 122. They are shown schematically and strongly enlarged.

Suurjännitevahvistinta 100 ohjataan ohjaussignaalilla IN, mikä saa aikaan, että huomattava osa syntyvän Coulombin voiman energiasisällöstä 20 sijoittuu taajuusalueelle, jolle Pacinin keräset 122 ovat herkkiä. Ihmisillä tämä alue on 10 - 1000 hertsin välillä, edullisesti välillä 50 Hz - 500 Hz ja optimaalisesti välillä 100 Hz - 300 Hz, kuten noin 240 Hz. Pacinin kerästen taajuusvastetta selostetaan lisää kuvioiden 5 ja 6 yhteydessä.The high voltage amplifier 100 is controlled by the control signal IN, which causes a significant portion of the generated Coulomb power energy content 20 to be located within the frequency range to which the Pacin rings 122 are sensitive. In humans, this range is between 10 and 1000 Hz, preferably between 50 Hz and 500 Hz, and optimally between 100 Hz and 300 Hz, such as about 240 Hz. The frequency response of the Pacin collections is further explained in connection with Figures 5 and 6.

Tulisi ymmärtää, että vaikka ’’taktillinen” usein määritellään koske-25 tus- tai paineaistimukseen liittyväksi, tämän keksinnön mukainen elektrosenso-rinen liitäntä pystyy sopivasti mitoitettuna tuottamaan värähtelyaistimuksen ruumiinosaan 120 silloinkin kun ruumiinosa 120 ei itse asiassa kosketa elektrodin 106 päällä olevaa eristintä 108. Tämä tarkoittaa, että mikäli elektrodi 106 ja/tai eristin 108 eivät ole hyvin jäykkiä sykkivät Coulombin voimat elektrodin 30 106 ja ruumiinosan 120 (erityisesti Pacinin kerästen) välillä voivat aiheuttaa elektrodin 106 ja/tai eristimen 108 vähäistä mekaanista värähtelyä, mutta keksinnön mukainen laitteisto ja menetelmä pystyvät tuottamaan elektrosensori-sen aistimuksen tällaisesta mekaanisesta värähtelystä riippumatta.It should be understood that although "tactical" is often defined as related to touch or pressure sensing, the electro-sensory connector of the present invention is capable of providing, when suitably dimensioned, vibration sensation to body portion 120 even when body portion 120 does not actually touch insulator 108 on electrode 106. means that if the electrode 106 and / or the insulator 108 are not very rigid pulsating forces of Coulomb between the electrode 30 106 and the body part 120 (especially Pacin's collections) may cause slight mechanical vibration of the electrode 106 and / or insulator 108, to produce an electrosensory sensation regardless of such mechanical vibration.

Suurjännitevahvistin ja kapasitiivinen kytkentä eristimen 108 yli mi-35 taitetaan siten, että Pacinin keräset tai muut mekanoreseptorit stimuloituvat ja muodostuu elektrosensorinen aistimus (näennäisen värähtelyn aistimus). Tätä 4 varten suurjännitevahvistimen 100 tulee pystyä kehittämään usean sadan voltin tai jopa usean kilovoltin anto. Käytännössä ruumiinosaan ajettava vaihtovirta on suuruudeltaan hyvin pieni ja sitä voidaan edelleen pienentää käyttämällä pientaajuista vaihtovirtaa.The high voltage amplifier and capacitive coupling over the insulator 108 are folded so that Pacin's glial or other mechano-receptors are stimulated to produce an electro-sensory sensation (sensory oscillation). For this 4, the high voltage amplifier 100 must be capable of generating output of several hundred volts or even several kilovolts. In practice, the amount of AC current applied to the body part is very small and can be further reduced by using low frequency AC.

5 Kuvio 2 esittää keksinnön erästä havainnollistavaa suoritusmuotoa.Figure 2 illustrates an illustrative embodiment of the invention.

Tässä suoritusmuodossa suurjännitevahvistin 100 on toteutettu virtavahvisti-mena 102, jota seuraa suurjännitemuuntaja 104. Kuviossa 2 näytetyssä suoritusmuodossa suurjännitemuuntajan 104 toisiokäämi on järjestetty kelluvaksi. Vahvistinta 100, 102 ohjataan moduloidulla signaalilla, jonka komponentteja 10 osoitetaan 112:lla ja 114:lla. Suurjännitevahvistimen 100 anto on kytketty elektrodiin 106, joka on eristetty galvaanista kosketusta vastaan eristekerroksella tai -elimellä 108. Viitenumero 120 osoittaa yleisesti stimuloitavaa ruumiinosaa, kuten ihmisen sormea. Ihmisen iho, jota osoitetaan viitenumerolla 121, on kuivana suhteellisen hyvä eristin, mutta keksintö tuottaa suhteellisen hyvän 15 kapasitiivisen kytkennän elektrodin 106 ja ihon pinnan 121 alaisen sähköisesti johtavan kudoksen välille. Mekanoreseptorit, kuten Pacinin keräset 122, sijaitsevat tässä johtavassa kudoksessa. Kuvioissa 1 ja 2 Pacinin keräset 122 on esitetty kaaviomaisesti ja voimakkaasti suurennettuina.In this embodiment, the high voltage amplifier 100 is implemented as a current amplifier 102 followed by a high voltage transformer 104. In the embodiment shown in Fig. 2, the secondary winding of the high voltage transformer 104 is arranged to float. Amplifier 100, 102 is controlled by a modulated signal whose components 10 are indicated by 112 and 114, respectively. The output of the high voltage amplifier 100 is coupled to an electrode 106 which is isolated from galvanic contact by an insulating layer or member 108. Reference numeral 120 indicates a generally stimulated body portion such as a human finger. Human skin, designated by reference numeral 121, is a relatively good insulator when dry, but the invention provides a relatively good capacitive coupling between electrode 106 and electrically conductive tissue beneath skin surface 121. Mechanistic receptors, such as Pacin ring 122, are located in this leading tissue. In Figures 1 and 2, Pacin beads 122 are shown schematically and strongly enlarged.

Eräs etu, joka syntyy kapasitiivisesta kytkennästä elektrodin 106 ja 20 ihon pinnan alaisen sähköisesti johtavan kudoksen välillä, joka kudos tunnetaan Corneus-kerroksena ja joka sisältää Pacinin keräset 122, on että kapasitiivinen kytkentä eliminoi suuret paikalliset virtatiheydet, jotka syntyisivät kosketuksesta, joka on johtava tasavirralla.One advantage of capacitive coupling between electrode 106 and electrically conductive tissue 20 under the skin surface, known as the Corneus layer and containing Pacin's rings 122, is that capacitive coupling eliminates the high local current densities that would result from contact with a direct current.

Vahvistinta 100, 120 ohjataan suurtaajuussignaalilla 112, jota mo-25 duloidaan pientaajuussignaalilla modulaattorissa 110. Pientaajuisen signaalin 114 taajuus on sellainen, että ihon pinnan alaisessa sähköisesti johtavassa kudoksessa sijaitsevat Pacinin keräset ovat vasteellisia tälle taajuudelle. Suurtaajuisen signaalin 112 taajuus on edullisesti hieman ihmisen kuulokyvyn yläpuolella, kuten 18-25 kHz, edullisemmin noin 19:n ja 22:n kHz:n välillä. Jos 30 signaalin 112 taajuus on ihmisten kuuloalueella, laitteisto ja/tai sen ohjainpiirit voivat tuottaa häiritseviä ääniä. Toisaalta jos signaalin 112 taajuus on kaukana ihmisten kuuloalueen yläpuolella, laitteisto ajaa enemmän virtaan elimeen 121. Noin 20 kHz:n taajuus on edullinen siinä mielessä, että audiopiireihin suunniteltuja komponentteja voidaan yleensä käyttää, kun 20 kHz:n taajuus on kuu-35 lumaton useimmille ihmisille. Keksijöiden suorittamat kokeet viittaavat siihen, että tällainen modulointi ei ole keksinnölle oleellista. Suurtaajuisen signaalin 5 käyttö pientaajuisen modulaation kanssa, kuten se joka kuviossa 2 kaaviomai-sesti näytetään, verrattuna järjestelmään joka tukeutuu pelkästään pientaajui-seen signaaliin, tarjoaa sen edun että suhteellisen suuri vaihtojännite (muutama sata volttia tai muutama kilovoltti) voidaan kehittää suhteellisen pienellä 5 muuntajalla 104.Amplifier 100, 120 is controlled by a high-frequency signal 112, which is modulated by a low-frequency signal in modulator 110. The frequency of the low-frequency signal 114 is such that Pacin rings in the subcutaneous electrically conductive tissue are responsive to this frequency. Preferably, the frequency of the high frequency signal 112 is slightly above human hearing, such as 18-25 kHz, more preferably between about 19 and 22 kHz. If the frequency of signal 112 112 is within the human hearing range, the equipment and / or its control circuits may produce interfering noises. On the other hand, if the frequency of the signal 112 is far above the human hearing range, the equipment will drive more power to the body 121. A frequency of about 20 kHz is advantageous in the sense that components designed for audio circuits can generally be used . Experiments performed by the inventors indicate that such modulation is not essential to the invention. The use of a high-frequency signal 5 with low-frequency modulation, as shown schematically in Figure 2, compared to a system relying solely on a low-frequency signal, has the advantage that a relatively high alternating voltage (a few hundred volts or a few kilovolts) can be generated .

Sellaisia termejä kuin taajuus tai kHz ei tulisi ymmärtää siten, että suur- tai pientaajuiset signaalit 112, 114 on rajoitettu sinimuotoisiin signaaleihin, vaan monia muitakin aaltomuotoja voidaan käyttää, mukaan lukien kantti-aaltoja. Sähköiset komponentit, kuten modulaattori 110, vahvistin 102 ja/tai 10 muuntaja 104 voidaan mitoittaa siten, että harmoniset ylä-äänet vaimentuvat. Keksijät ovat havainneet, että pulssit, joiden kesto on 4 ms (noin puoli sykliä pientaajuisesta signaalista) tai tätä pitempi, voidaan havaita helposti, ja käytännön eristepaksuuksilla huipusta huippuun -jännitteen elektrodissa 106 tulee olla ainakin noin 500 V. Kuormittamattoman huipusta huippuun jännitteen 15 elektrodissa 106 tulisi olla alueella n. 500 V - 100 kV. Tämän jännitealueen alarajan lähellä eristeen paksuus voi olla esimerkiksi 0,05 -1 mm. Kun materiaalitekniikka ja nanotekniikka kehittyvät, vieläkin ohuemmat kestävät eristepin-nat voivat tulla saataville. Tämä voi myös mahdollistaa käytettyjen jännitteiden alentamisen.Terms such as frequency or kHz should not be understood to mean that high or low frequency signals 112, 114 are limited to sinusoidal signals, but many other waveforms, including square waves, can be used. Electrical components such as modulator 110, amplifier 102 and / or transformer 104 may be dimensioned such that harmonic peak tones are attenuated. The inventors have found that pulses having a duration of 4 ms (about half a cycle from a low frequency signal) or more can be readily detected, and practical insulating thicknesses at peak-to-peak electrode 106 should be at least about 500V from peak-to-peak voltage at electrode 106 should be in the range of about 500 V to 100 kV. For example, near the lower limit of this voltage range, the insulation may have a thickness of 0.05 to 1 mm. As materials technology and nanotechnology evolve, even thinner durable insulating coatings may become available. This may also allow for lowering the applied voltages.

20 Tähän asti selostetut kuvioiden 1 ja 2 elementit tuottavat pysyvän ti lan elektrosensorisen aistimuksen niin kauan, kun ruumiinosa, kuten sormi 120, on elektrodin 106 läheisyydessä. Hyödyllisen informaation välittämiseksi elektrosensorista aistimusta tulee moduloida. Joissakin yksinkertaisissa suoritusmuodoissa tällainen modulointi voidaan toteuttaa sijoittamalla elektrodi 106 25 siten, että hyödyllistä informaatiota välittää se, että sormi 120 voi aistia elektrodin 106 läsnäolon. Elektrodi 106 voidaan esimerkiksi sijoittaa kytkimen yläpuolelle tai läheisyyteen siten, että kytkin voidaan havaita ilman, että sitä tarvitsee nähdä.The elements described in Figures 1 and 2 described so far provide a steady state electrosensory sensation as long as a body part such as finger 120 is in the vicinity of electrode 106. To transmit useful information from the electro-sensory sensation, it should be modulated. In some simple embodiments, such modulation may be accomplished by positioning the electrode 106 so that useful information is conveyed by the fact that finger 120 can sense the presence of electrode 106. For example, the electrode 106 may be positioned above or near the switch so that the switch can be detected without being seen.

Muissa suoritusmuodossa tällainen informaatiota kuljettava modu-30 laatio voidaan tuottaa elektronisesti ohjaamalla keksinnön mukaisen laitteiston yhtä tai useampaa toimintaparametria. Informaatiota kuljettavaa modulaatiota ei tule sekoittaa suurtaajuisen signaalin 112 modulointiin pientaajuisella signaalilla 114, jonka moduloinnin tarkoitus on pienentää muuntajan 104 kokoa. Kuviossa 2 näytetyssä kaaviopiirroksessa tällaista informaatiota kuljettavaa 35 modulaatiota tuottaa ohjain 116, joka ohjaa keksinnön mukaisen laitteiston yhtä tai useampaa toimintaparametria. Ohjain 116 voi esimerkiksi aktivoida tai 6 passivoida suur-ja pientaajuiset signaalit 112, 114, tai se voi muuttaa näiden signaalien taajuutta tai amplitudia tai vahvistimen 102 vahvistusta, tai se voi ohjattavasti aktivoida tai passivoida teholähteen (ei näytetty erikseen) tai ohjattavasi katkaista piirin jostakin kohdasta.In other embodiments, such an information carrying module 30 can be generated electronically by controlling one or more operating parameters of the apparatus of the invention. The information-carrying modulation should not be confused with the modulation of the high-frequency signal 112 by the low-frequency signal 114, which modulation is intended to reduce the size of the transformer 104. In the schematic diagram shown in Figure 2, a modulation 35 carrying such information is provided by a controller 116 which controls one or more operating parameters of the apparatus of the invention. Controller 116 may, for example, activate or deactivate High and Low Frequency signals 112, 114, or change the frequency or amplitude of these signals, or gain of Amplifier 102, or it may controllably activate or deactivate a power supply (not shown) or control a circuit breaker. .

5 Kuvio 3 esittää parannettua suoritusmuotoa, jossa on useita erik seen ohjattavia elektrodeja. Kuvion 3 elementit, joiden viitenumero on pienempi kuin 200, on selostettu kuvioiden 1 ja 2 yhteydessä, eikä selostusta toisteta. Tämä suoritusmuoto käsittää useita erikseen ohjattavia elektrodeja 206A, 206B ja 206C, joista näytetään kolme, mutta tämä lukumäärä on puhtaasti 10 mielivaltainen. Viitenumero 216 osoittaa ohjaimen toteutusta, joka ohjaa kyt-kinmatriisia 217, joka tuottaa suurjännitesignaalin OUT elektrodeille 206A, 206B ja 206C ohjaimen 216 ohjauksessa. Ohjain 216 voi olla vasteellinen komennoille ulkoisesta laitteesta, kuten datanprosessointilaitteistosta (ei näytetty erikseen).Figure 3 shows an improved embodiment having a plurality of Ergically controllable electrodes. The elements of Figure 3 with a reference numeral of less than 200 are described in connection with Figures 1 and 2, and the description is not repeated. This embodiment comprises a plurality of individually controllable electrodes 206A, 206B and 206C, of which three are shown, but this number is purely 10 arbitrary. Reference numeral 216 indicates an implementation of a controller which controls a switch matrix 217 which produces a high voltage signal to OUT electrodes 206A, 206B and 206C under control of controller 216. Controller 216 may be responsive to commands from an external device, such as data processing hardware (not shown separately).

15 Eräs kuviossa 3 näytetyn suoritusmuodon etu on, että käytännölli sesti katsoen kaikki ohjainpiirit, mukaan lukien suurjännitevahvistin 100, ohjain 216 ja kytkinmatriisi 217, voidaan integroida yhteiseen koteloon, jota osoitetaan viitenumerolla 200. Tässä suoritusmuodossa kotelon 200 ulkopuolella on vain elektrodit 206A, 206B ja 206C ja yksi kytkentälanka kutakin elektrodia 20 kohti. Kuten aiemmin todettiin, elektrodien ei tarvitse olla mitään muuta kuin yksinkertaisia johtavia tai puolijohtavia levyjä, jotka on peitetty sopivilla eristeillä. Sen vuoksi ohjain 200 voidaan sijoittaa käytännöllisesti katsoen mihin tahansa mukavaan paikkaan, koska ainoat sen ulkopuoliset elementit ovat hyvin yksinkertaisia elektrodeja ja kytkentälankoja (sekä joissakin suoritusmuodoissa 25 teholähde, ei näytetty erikseen).An advantage of the embodiment shown in Fig. 3 is that virtually all control circuits, including the high voltage amplifier 100, the controller 216, and the switch matrix 217, can be integrated into a common enclosure designated 200. In this embodiment, only electrodes 206A, 206 and one coupling wire for each electrode 20. As stated earlier, the electrodes need be nothing more than simple conductive or semiconductor wafers covered with suitable insulators. Therefore, the controller 200 can be located at virtually any convenient location, since the only elements outside are very simple electrodes and wires (and in some embodiments, the power supply, not shown separately).

Jotkut tunnetut järjestelmät toteuttavat hermojen suoran stimulaation galvaanisella virranjohtamisella ihon uloimpaan kerrokseen. Galvaanisen virranjohtamisen vuoksi tällaiset järjestelmät vaativat kaksi elektrodia ihoalueen stimuloimiseksi. Toisin kuin tällaisissa tunnetuissa järjestelmissä, kuvion 3 30 yhteydessä selostettu suoritusmuoto käsittää useita elektrodeja 206A, 206B ja 206C, mutta kukin elektrodi stimuloi yksinään erillistä ihoaluetta, tai tarkemmin sanottuna ihon uloimman kerroksen alla olevia mekanoreseptoreita, mukaan lukien Pacinin keräsiä. Sen vuoksi n:n elektrodin järjestely välittää n informaa-tiobittiä rinnakkaisesti.Some known systems provide direct nerve stimulation by galvanic current delivery to the outermost layer of the skin. Due to galvanic conductivity, such systems require two electrodes to stimulate the skin area. Unlike such known systems, the embodiment described with reference to Figure 30 comprises a plurality of electrodes 206A, 206B, and 206C, but each electrode alone stimulates a distinct area of skin, or more specifically, the mechano-receptors beneath the outermost layer of the skin, including Pacin. Therefore, the arrangement of the n electrodes transmits n information bits in parallel.

35 Kuvio 4 esittää kuviossa 3 näytetyn suoritusmuodon erään spesifi sen toteutuksen. Tässä toteutuksessa kytkinmatriisi käsittää triac-rivistön 7 207A, 207B ja 207C, mutta muunkin tyyppisiä puolijohdekytkimiä voidaan käyttää, mukaan lukien puolijohdereleitä. Tavanomaisia sähkömekaanisia releitäkin voidaan käyttää. Tässä suoritusmuodossa kytkimet (triakit) 207A, 207B ja 207C on sijoitettu loogisesti muuntajan 104 jälkeen, ts. suurjännitepiiriin. Tämä 5 toteutus vaatii suurjännitekytkimiä (useita satoja voltteja tai useita kilovoltteja), mutta se tarjoaa sen edun, että piirin muu osa, mukaan lukien elementit 100 -114, voi palvella kaikkia elektrodeja 206A, 206B ja 206C. Kuten kuviossa 4 näytetään, ohjain 216 voi olla kytkettävissä datanprosessointilaitteistoon, josta eräänä esimerkkinä tässä näytetään henkilökohtainen tietokone PC.Figure 4 shows a specific implementation of the embodiment shown in Figure 3. In this embodiment, the switch matrix comprises a triac array 7 207A, 207B, and 207C, but other types of semiconductor switches may be used, including solid state relays. Conventional electromechanical relays can also be used. In this embodiment, the switches (triacs) 207A, 207B and 207C are logically located after the transformer 104, i.e., the high voltage circuit. This embodiment requires high voltage switches (several hundred volts or several kilovolts) but provides the advantage that the rest of the circuit, including elements 100-1144, can serve all electrodes 206A, 206B and 206C. As shown in Figure 4, the controller 216 may be coupled to a data processing apparatus, an example of which is a personal computer PC.

10 Kuvio 5 on graafi, joka kaaviomaisesti esittää erään satunnaisesti valitun koehenkilön herkkyyttä aistimuksille, jotka tuottaa laitteisto joka on olennaisesti samanlainen kuin kuviossa 2 näytetty. Graafin x-akseli näyttää pientaajuisen signaalin (kuvion 2 elementti 114) taajuuden kerrottuna kahdella, kun taas y-akseli näyttää elektrosensorisen aistimuksen tuottamiseksi vaadit-15 tavan amplitudin. Amplitudiasteikko on suhteellinen. Pieni kuoppa 75 Hz:n kohdalla voi olla mittausanomalia. Syy siihen, että x-akselille on sijoitettu kaksinkertaisen matalan taajuuden signaali, on että Coulombin voimat elektrodin 106 ja ruumiinosan 120 välillä saavat kaksi intensiteettihuippua kutakin sinimuotoisen pientaajuussignaalin sykliä kohti, kuten kuvion 6 yhteydessä kaa-20 viona näytetään.Figure 5 is a graph schematically illustrating the sensitivity of a randomly selected subject to sensory output produced by apparatus substantially similar to that shown in Figure 2. The x-axis of the graph represents the frequency of the low-frequency signal (element 114 of Figure 2) multiplied by two, while the y-axis shows the amplitude required to produce electro-sensory sensation. The amplitude scale is relative. A small well at 75 Hz may contain measurement messages. The reason that a double low-frequency signal is placed on the x-axis is that the Coulomb forces between electrode 106 and body portion 120 receive two peaks of intensity per cycle of sinusoidal low-frequency signal, as shown in FIG. 6 as a diagram.

Suhteellinen herkkyys eri taajuuksilla on huomattavan samanlainen sen kanssa, joka on julkaistu kirjallisuuslähteen 1 osassa 2.3.1 (kuvio 2.2). Kirjallisuuslähde 1 liittyy ihon vibrotaktiiliseen (mekaaniseen) stimulaatioon, mutta kuviossa 5 näytetyn ja kirjallisuuslähteessä 1 julkaistujen taajuusvasteiden 25 samanlaisuus viittaa siihen, että tämä keksintö toimii siten, että elektrodi 106 ja herkkä ruumiinosa 120 (ks. kuvio 1) muodostavat kondensaattorin eristeker-roksen 108 yli, ja tässä kondensaattorissa värähtelevät Coulombin voimat muuttuvat mekaanisiksi värähtelyiksi, joita aistitaan mekanoreseptoreilla, mukaan lukien Pacinin keräsillä. Keksijät ovat tutkineet myös erästä vaihtoehtois-30 ta hypoteesia, jossa Pacinin keräsiä stimuloi niiden kautta kulkeva virta, mutta tämä hypoteesi ei selitä havaintoja niin hyvin kuin se, joka perustuu Pacinin keräsiin vaikuttaviin Coulombin voimiin. Tässä selostettu tekninen keksintö ei kuitenkaan riipu minkään nimenomaisen hypoteesin oikeellisuudesta, jolla yritetään selittää miksi keksintö toimii niin kuin se toimii.The relative sensitivity at different frequencies is remarkably similar to that published in section 2.3.1 of the literature 1 (Figure 2.2). Literature source 1 relates to vibrotactile (mechanical) stimulation of the skin, but the similarity of the frequency responses shown in Fig. 5 and published in literature source 1 suggests that the present invention functions by electrode 106 and sensitive body portion 120 (see Fig. 1) , and in this capacitor, the Coulomb vibrations are transformed into mechanical vibrations, which are sensed by mechano-receptors, including Pacin rings. The inventors have also investigated an alternative hypothesis in which Pacin's collections are stimulated by the flow through them, but this hypothesis does not explain the observations as well as that based on the Coulomb forces acting on Pacin's collections. However, the technical invention disclosed herein does not depend on the validity of any particular hypothesis that attempts to explain why the invention works as it works.

35 Kuvio 6 graafi, joka edelleen selvittää keksinnön toimintaperiaatetta ja taajuuksien tulkintaa keksinnön yhteydessä. Viitenumero 61 osoittaa pien- 8 taajuista ottosignaalia modulaattoriin 110 (näytetty kuviossa 2 elementtinä 114). Viitenumero 62 osoittaa modulaattorin antoa, ts. suurtaajuista ottosignaalia, jota moduloidaan pientaajuisella ottosignaalilla.Figure 6 is a graph that further illustrates the operation of the invention and the interpretation of frequencies in connection with the invention. Reference numeral 61 indicates a low frequency input signal to modulator 110 (shown in Fig. 2 as element 114). Reference numeral 62 indicates an output of a modulator, i.e., a high frequency input signal which is modulated by a low frequency input signal.

Viitenumerot 63 ja 64 osoittavat muodostuvia Coulombin voimia ka-5 passiivisessa kytkennässä elektrodin 106 ja ruumiinosan 120 välillä eristeen 108 yli. Koska kapasitiivisen kytkennän puolilla on vastakkaiset varaukset, kahden puolen välinen Coulombin voima on aina puoleensavetävä. Viitenumero 63 osoittaa todellista Coulombin voimaa, viitenumeron 64 osoittaessa sen verhokäyrää. Verhokäyrä 64 on niiden taajuuksien alueen sisällä, joille Pacinin 10 keräset ovat herkkiä, mutta koska Coulombin voima on aina puoleensavetävä, verhokäyrällä 64 on kaksi huippua kutakin modulaattorin antosignaalin 62 sykliä kohti, jolloin muodostuu taajuuden kaksinkertaistava efekti.Reference numerals 63 and 64 indicate the Coulomb forces generated in the passive coupling between the electrode 106 and the body portion 120 over the dielectric 108. Since parts of the capacitive coupling have opposite charges, the Coulomb force between the two sides is always attractive. Reference numeral 63 indicates the true strength of Coulomb, while reference numeral 64 indicates its envelope. The envelope 64 is within the range of frequencies to which the Pacin 10 rings are sensitive, but since the Coulomb force is always attractive, the envelope 64 has two peaks for each cycle of modulator output signal 62, producing a frequency doubling effect.

Keksintö voidaan toteuttaa osana syöttö/tulostusoheislaitetta, joka on kytkettävissä datanprosessointilaitteistoon. Tällaisessa järjestelyssä datan-15 prosessointilaitteisto voi tuottaa kehotteita tai takaisinkytkentää sähköisesti ohjattavan elektrosensorisen stimulaation kautta.The invention may be implemented as part of an input / output peripheral device that can be coupled to a data processing apparatus. In such an arrangement, the data-15 processing apparatus may provide prompts or feedback via electrically controlled electro-sensory stimulation.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdel-20 la patenttivaatimusten puitteissa.It will be obvious to a person skilled in the art that as technology advances, the basic idea of the invention can be implemented in many different ways. Thus, the invention and its embodiments are not limited to the examples described above, but may vary within the scope of the claims.

Kirjallisuusviitteet 1. Gunther, Eric: “Skinscape: A Tool for Composition in the Tactile Modality”, Diplomityö, Massachusetts Institute of Technology 2001, saatavana I nternet-osoitteessa: 25 http://mf.media.mit.edu/pubs/thesis/guntherMS.pdfReferences 1. Gunther, Eric: “Skinscape: A Tool for Composition in the Tactile Modality,” Master's Thesis, Massachusetts Institute of Technology 2001, available at: http://mf.media.mit.edu/pubs/thesis /guntherMS.pdf

Claims

9

An apparatus for providing an electro-sensory sensation to a body part (120), comprising: - one or more conductive electrodes (106), each provided with an insulator (108), wherein, when the body part (120) is near the conductive electrode, the insulator blocking direct current flow from the conductive electrode to the body portion, and a capacitive coupling is formed between the conductive electrode (106) and the body portion (120) over the insulator (108); 10 characterized in that the apparatus comprises: - a high voltage source (100, 102, 104) for conducting an electrical supply (OUT) to said one or more conductive electrodes, wherein the electrical supply comprises a low frequency component (114) in the frequency range of 10 Hz to 500 Hz; 15. wherein capacitive coupling and electrical input are sized to provide electro-sensory sensation; and wherein the electro-sensory sensing is formed independently of the mechanical vibration of said one or more conductive electrodes (106) provided with an insulator (108) or of moving a body portion of the body relative to the electrode.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the electrical supply also comprises a high frequency component (112) having a frequency higher than the low frequency component and less than 500 kHz.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the apparatus further comprises means (110) for modulating the high-frequency component (112) with the low-frequency component (114).

Apparatus according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical supply to one or more conductive electrodes (106) has a peak-to-peak voltage between 500 and 100,000 V.

Apparatus according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the insulation is between 0.1 mm and 50 mm.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the apparatus further comprises means (116, 216) for transmitting information through electro-sensory sensing by modulating the electrical input in accordance with said information.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the apparatus comprises one body portion of a conductive electrode for each spatially spaced 5 distinct areas (120; 220A, 220B, 220C).

Apparatus according to claim 1, characterized in that the apparatus comprises one or more body parts of one conductive electrode (206A, 206B, 206C) for each spatially distinct region (220A, 220B, 220C).

Apparatus according to claim 8, characterized in that the apparatus further comprises a housing (200) containing a high voltage source (100, 102, 104) common to all conductive electrodes (206A, 206B, 2060), the housing (200) also comprising means (200). 217) for transmitting an electrical input (OUT) simultaneously to zero or more of said one or more conductive electrodes under control of a common controller (216).

Apparatus according to claim 1, characterized in that at least one of said one or more electrodes is disposed such that the body part most likely to be affected is a part of the human hand.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the apparatus 20 is part of an input / output peripheral that can be coupled to a data processing apparatus.

A method of providing an electro-sensory sensation to a body part, the method comprising: providing one or more conductive electrodes (106), each provided with an insulator (108), wherein, when the body part (120) is adjacent to the conductive electrode, a conductive electrode to the body part, and a capacitive coupling is formed between the conductive electrode (106) and the body part (120) over the insulator (108); Characterized in that the method comprises: providing a high voltage source (100, 102, 104) for conducting an electrical supply (OUT) to said one or more conductive electrodes, wherein the electrical supply comprises a low frequency component (114) in the frequency range of 10 Hz to 500 Hz; 11 - wherein capacitive coupling and electrical input are sized to produce electro-sensory sensation; and wherein the electro-sensory sensing is produced independently of the mechanical vibration of said one or more conductive electrode (106) provided with an insulator (108) or of moving a body part relative to the electrode. 12