JP2005085048A - 触覚提示装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ないドライバ数で触覚提示部の電極数の増加に対応することができる触覚提示装置及び触覚提示装置の駆動方法を提供する。
【解決手段】 皮膚表面と、皮膚表面に電気信号を印加することにより皮膚表面に触覚情報を提示する触覚提示部１０１との接触位置を接触位置検出部１０２により検出すると共に、接触位置モニタ部１０３により、接触位置検出部１０２の接触位置情報に基づき、電気信号を印加する触覚提示部１０１の触覚情報提示領域を決定する。さらに、触覚情報提示領域に印加する電気信号を生成する電気信号生成部１０５と接触位置モニタ部１０３との間に選択部１０４を設け、この選択部１０４により電気信号生成部１０５からの電気信号を接触位置モニタ部より決定された触覚情報提示領域に選択的に印加するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、触覚提示装置及びその駆動方法に関するものであり、特に皮膚表面に電気信号を印加することにより皮膚表面に触覚情報を提示するものに関する。

従来、人が指等で物に触ったときに感じる物体表面の凹凸感、凹凸による材質感・風合いなどを実際に触れることなく模擬的に提示する触覚提示装置が提案されている。

ところで、このように皮膚表面にある種の触覚を提示する手法として、これまで、機械的刺激を用いた手法や、電気的刺激を用いた手法がある。ここで、従来の電気的刺激を用いた手法は、電極アレイに指をのせ、皮膚表面に電流を通電させ、皮膚下の感覚神経を選択的に刺激する手法が行われている（特許文献１参照）。

そして、このような電極アレイより電気的刺激を用いた手法の場合、触覚提示部全体を振動させることが多い機械的刺激を用いた手法に比べ、任意の電極より任意の電気的刺激を与えることによって、例えば後述する図３に示すように、触覚提示部１０１より、任意の接触点２０１（複数の指）に異なった触覚を提示することも可能であるという特徴がある。

特開２００２−０６５８６６号公報

ところで、このような従来の触覚提示装置においては、電極アレイの各電極に対応して電流を用いて触覚を提示するドライバが設けられている。しかし、このように各電極にドライバを設けるようにした構成の場合、例えば触覚提示部の大面積化・高精細化を目的として電極アレイの電極数を増やした場合、必要なドライバ数も電極数だけ増加するため、システムの大型化・必要な駆動電力が増大するという課題があった。

そこで、本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、少ないドライバ数で触覚提示部の電極数の増加に対応することができる触覚提示装置及び触覚提示装置の駆動方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、触覚提示装置において、接触した皮膚表面に電気信号を印加することにより前記皮膚表面に触覚情報を提示する触覚提示部と、前記皮膚表面が接触した前記触覚提示部の接触位置を検出する接触位置検出部と、前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づき、前記電気信号を印加する前記触覚提示部の触覚情報提示領域を決定する接触位置モニタ部と、前記触覚情報提示領域に印加する電気信号を生成する電気信号生成部と、前記電気信号生成部と前記接触位置モニタ部との間に設けられた選択部と、を備え、前記選択部により、前記電気信号生成部からの電気信号を前記接触位置モニタ部より決定された前記触覚情報提示領域に選択的に印加するようにしたことを特徴とするものである。

また本発明は、前記触覚提示部は分割された複数の触覚情報提示領域を有し、前記接触位置モニタ部は前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づき前記触覚提示部の分割された触覚情報提示領域のうち接触位置に相当する一つ、または複数の触覚情報提示領域を決定することを特徴とするものである。

また本発明は、前記接触位置モニタ部は、ひとつの前記接触位置情報に基づいて決定された触覚情報提示領域が複数の領域にまたがる場合には、最も接触している面積が大きい領域を触覚情報提示領域とすることを特徴とするものである。

また本発明は、触覚提示装置において、接触した皮膚表面に電気信号を印加することにより前記皮膚表面に触覚情報を提示する触覚提示部と、前記皮膚表面が接触した前記触覚提示部の接触位置を検出する接触位置検出部と、前記接触位置検出部の接触位置情報に基づき、前記電気信号を印加する前記触覚提示部の触覚情報提示領域の範囲を算出する接触位置モニタ部と、前記触覚情報提示領域に印加する電気信号を生成する電気信号生成部と、前記電気信号生成部と前記接触位置モニタ部との間に設けられた選択部と、を備え、前記選択部により、前記電気信号生成部からの電気信号を前記接触位置モニタ部より算出された範囲の触覚情報提示領域に選択的に印加するようにしたことを特徴とするものである。

また本発明は、前記接触位置モニタ部は、前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づき前記電気信号を印加する触覚情報提示領域の中心を算出し、前記中心を中心とした一定の面積を有する範囲を触覚情報提示領域とすることを特徴とするものである。

また本発明は、前記接触位置検出部は、前記接触位置を前記触覚提示部に対して面方向に走査し、検出する走査機構で構成することを特徴とするものである。

また本発明は、前記走査機構は、前記接触位置をレーザ光の変化より検出するＸＹレーザスキャナを備えたものであることを特徴とするものである。

また本発明は、前記接触位置検出部は、前記接触位置を前記触覚提示部の物性の変化より検出する検出機構で構成することを特徴とするものである。

また本発明は、前記検出機構は、前記接触位置を前記触覚提示部の圧力の変化より検出する圧力センサを備えたものであることを特徴とするものである。

また本発明は、前記選択部を複数のスイッチ素子で構成することを特徴とするものである。

また本発明は、前記スイッチ素子は電界効果トランジスタであることを特徴とするものである。

また本発明は、前記電気信号生成部は、前記電気信号の強度を制御する信号強度制御部と、前記信号強度制御部の出力信号を電流信号に変換する電圧電流変換回路とを備えていることを特徴とするものである。

また本発明は、前記電圧電流変換回路は、定電流回路を有していることを特徴とするものである。

また本発明は、前記接触位置モニタ部と、前記信号強度制御部の同期を制御するクロック部を有することを特徴とするものである。

また本発明は、前記触覚提示部は、複数の微小電極から形成されることを特徴とするものである。

また本発明は、前記皮膚表面は、指先の皮膚表面であることを特徴とするものである。

また本発明は、触覚提示装置の駆動方法において、接触位置検出部によって皮膚表面と、前記皮膚表面に電気信号を印加することにより前記皮膚表面に触覚情報を提示する触覚提示部との接触位置を検出する接触位置検出工程と、接触位置モニタ部により、前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づいて前記電気信号を印加する前記触覚提示部の触覚情報提示領域を決定する触覚情報提示領域決定工程と、触覚情報提示領域に印加する電気信号を生成する電気信号生成部と前記接触位置モニタ部との間に設けられた選択部により、前記接触位置モニタ部より決定された前記触覚情報提示領域に前記電気信号生成部からの電気信号を選択的に印加する電気信号印加工程と、を有することを特徴とするものである。

また本発明は、前記触覚提示部は分割された複数の触覚情報提示領域を有し、前記接触位置モニタ部は前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づき前記触覚提示部の分割された触覚情報提示領域のうち接触位置に相当する一つ、または複数の触覚情報提示領域を決定することを特徴とするものである。

また本発明は、前記接触位置モニタ部は、ひとつの前記接触位置情報に基づいて決定された触覚情報提示領域が複数の領域にまたがる場合には、最も接触している面積が大きい領域を触覚情報提示領域とすることを特徴とするものである。

また本発明は、触覚提示装置の駆動方法において、接触位置検出部によって皮膚表面と、前記皮膚表面に電気信号を印加することにより前記皮膚表面に触覚情報を提示する触覚提示部との接触位置を検出する接触位置検出工程と、接触位置モニタ部により、前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づいて前記電気信号を印加する前記触覚提示部の触覚情報提示領域の範囲を算出する触覚情報提示領域範囲算出工程と、触覚情報提示領域に印加する電気信号を生成する電気信号生成部と前記接触位置モニタ部との間に設けられた選択部により、前記接触位置モニタ部より算出された範囲の触覚情報提示領域に前記電気信号生成部からの電気信号を選択的に印加する電気信号印加工程と、を有することを特徴とするものである。

また本発明は、前記接触位置モニタ部は、前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づき前記電気信号を印加する触覚情報提示領域の中心を算出し、前記中心を中心とした一定の面積を有する範囲を触覚情報提示領域として算出することを特徴とするものである。

本発明のように、被験者との接触位置に対応した触覚情報提示領域にのみ触覚情報の提示を行うことにより、触覚提示用の駆動ドライバの回路数が軽減でき、これにより少ないドライバ数で触覚提示部の電極数の増加に対応することができる。さらに、システムの小型化が容易に実現できると共に、システムの省電力化が容易に実現できる。またさらに、触覚提示用の駆動ドライバの構成が触覚提示用の電極数に依存しないため、電極数の増加に容易に対応でき、これにより触覚情報を提示するディスプレイの大面積化も容易に実現できる。

以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る触覚提示装置の構成を示すブロック図であり、この触覚提示装置は、同図に示すように、触覚提示部１０１、接触位置検出部１０２、接触位置モニタ部１０３、選択部１０４、電気信号生成部である触覚提示信号印加部１０５を備えている。

触覚提示部１０１は、例えば図２に示すように複数の微小な電極３０１ａの集合体である触覚提示電極部３０１を備えている。ここで、この電極３０１ａには電気刺激信号が印加されるようになっており、この電気刺激信号は、触覚提示電極部３０１との接触部において電極３０１ａを介して被験者に通電（印加）されるようになっている。

例えば、本実施の形態の触覚提示装置は、被験者の指先に触覚を提示するものであり、この装置の場合、被験者が身体を接地した状態で触覚提示電極部３０１の電極３０１ａに指（Ｆｉｎｇｅｒ）を接触させると、電極３０１ａから印加された電気信号である電気刺激信号が指の皮膚下に存在する感覚神経を刺激し、これにより様々な触覚（情報）が被験者に提示されるようになる。

接触位置検出部１０２は、触覚提示部１０１と被験者（の指）との接触位置を検出するものであり、触覚提示信号印加部１０５は、被験者への触覚提示用の電気刺激信号を生成するものである。

接触位置モニタ部１０３はコンピュータで構成される演算処理部であり、接触位置検出部１０２から出力される触覚提示部１０１と被験者との接触位置の接触位置情報信号をモニタして触覚提示部１０１上の触覚情報を提示する触覚情報提示領域を決定し、或いは触覚情報提示領域の範囲を算出することにより、電気刺激信号を印加する微小電極３０１ａを決定し、その情報を選択部１０４に出力するようになっている。

選択部１０４は、触覚提示信号印加部１０５と接触位置モニタ部１０３との間に設けられると共に、触覚提示信号印加部１０５と触覚提示部１０１の各微小電極３０１ａを結ぶスイッチ回路で構成されるものであり、接触位置モニタ部１０３の出力を受けて触覚提示信号印加部１０５と触覚提示部１０１の各微小電極３０１ａとを選択的に接続するようになっている。

ところで、このような構成の触覚提示装置の場合、他の感覚提示装置（例えば視覚ディスプレイや音響装置）に比べて提示方法において、次のような違いがある。

例えば、視覚ディスプレイの場合は、例え被験者が注視していない場所であっても動作中であれば定常的にすべての提示素子（画素）を動作させている。また、音響装置（例えばスピーカやヘッドホン）についても、同様に、仮に被験者が聞いていないとしても、その装置が動作中であれば、常に音感を提示している。

これに対し、触覚提示装置では被験者が接触していない部分に触覚を提示させる必要はなく、接触している場所にのみ触覚を提示させれば、その機能を果たすことができる。しかし、指先への触覚提示方法を考えてみると、指での接触は必ずしも一箇所ではなく、例えば図３に示すように複数の接触点２０１で接触することがあることから、複数の触覚提示を考慮する必要はある。

そこで、本実施の形態においては、以上のような触覚提示装置固有の特徴を考慮し、触覚提示部１０１と被験者との一箇所、或いは複数箇所の接触位置を、接触位置検出部１０２と接触位置モニタ部１０３を用いて検出し、その接触位置に基づいて決定された触覚情報提示領域、或は算出された触覚情報提示領域の範囲に位置している電極にのみ、触覚提示信号印加部１０５と選択部１０４を用いて電気刺激信号を印加し、触覚を被験者に提示するようにしている。

そして、このように触覚情報提示領域に位置している電極にのみ電気刺激信号を印加し、被験者との接触位置に基づいて決定された触覚情報提示領域、或いは算出された触覚情報提示領域の範囲にのみ触覚情報の提示を行うようにすることにより、触覚提示用の駆動ドライバの回路数が軽減でき、これにより少ないドライバ数で触覚提示部の電極数の増加に対応することができる。さらに、システムの小型化が容易に実現できると共に、システムの省電力化が容易に実現できる。またさらに、触覚提示用の駆動ドライバの構成が触覚提示用の電極数に依存しないため、電極数の増加に容易に対応でき、これにより触覚情報を提示するディスプレイの大面積化も容易に実現できる。

次に、本実施の形態の実施例１〜４について説明する。なお、以下の各実施例では、電気刺激信号として電流信号を用いている。

まず、実施例１について説明する。

図４は、本実施例に係る触覚提示装置の構成を示すブロック図であり、同図において、４０３は接触位置検出部１０２（図１参照）を構成し、接触位置を触覚提示部１０１に対して面方向に走査し、検出する走査機構４０３Ａに設けられたＸＹレーザスキャナである。ここで、このＸＹレーザスキャナ４０３は、触覚提示部１０１の面方向に対して走査し、触覚提示部１０１の被験者との接触位置をレーザ光路の変化より検出するものであり、この検出結果は接触位置モニタ部１０３でモニタされるようになっている。

また、４０１、４０２は触覚提示信号印加部１０５を構成する電圧電流変換回路及び信号強度制御部であり、信号強度制御部４０２により被験者に触覚を提示するための触覚提示信号が印加されると、電圧電流変換回路４０１は、この触覚提示信号を電流信号に変換するようになっている。

ここで、電圧電流変換回路４０１は、被験者の皮膚インピーダンス変化の影響を受けずに所望の電流量を印加することができるよう不図示の定電流回路を有している。なお、本実施例及び以下の各実施例では、電圧電流変換回路４０１はオペアンプで構成され、定電流回路はトランジスタで構成するプッシュプルエミッタフォロワ回路、カレントミラー回路で構成される。

また、信号強度制御部４０２は、コンピュータで構成され、触覚を提示する電気刺激信号のパラメータ（周波数・強度・位相）を制御する。なお、本実施例及び以下の各実施例では、電気刺激信号として高速パルス電圧信号を電圧電流変換回路４０１に出力するため、パルスのデューティー比・信号極性も同時に制御する。

また、選択部１０４は、電界効果トランジスタ（以下ＦＥＴ）を用いたスイッチ回路で、触覚提示部１０１の触覚提示電極３０１（の電極３０１ａ）と電圧電流変換回路４０１とを接続するようになっている。

次に、本実施例における選択部１０４のより具体的な構成と、本実施例の触覚提示装置の動作について図５を用いて説明する。なお、動作説明を簡単にするため、同図に示すように触覚提示部１０１の電極の数を暫定的に４×４とする。また、各電極の場所を明示するため、ここでは行番号に数字、列番号にアルファベットを用いている。例えば、同図において、最も左上の電極を１ａ、最も右下の電極を４ｄと表現する。

本実施例において、触覚提示部１０１は、複数（４つ）のエリア（触覚情報提示領域）に分かれている。そして、一つのエリアには、複数（４つ）の電極が配されている。

例えば、以下のように配されている。
エリアＡ 電極（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）
エリアＢ 電極（１ｃ，１ｄ，２ｃ，２ｄ）
エリアＣ 電極（３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ）
エリアＤ 電極（３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄ）

また、選択部１０４のスイッチ回路を構成するＦＥＴは触覚提示部１０１の電極数（４×４）だけあり、触覚提示部１０１の電極１ａ〜４ｄと、電圧電流変換回路４０１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）に接続されている。なお、各ＦＥＴは、各エリアについて、同じ位置関係にある電極に関して並列に各電圧電流変換回路４０１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）に接続されている。

例えば、以下のように接続されている。
電圧電流変換回路（Ａ）→電極（１ａ，１ｃ，３ａ，３ｃ）の各ＦＥＴ
電圧電流変換回路（Ｂ）→電極（１ｂ，１ｄ，３ｂ，３ｄ）の各ＦＥＴ
電圧電流変換回路（Ｃ）→電極（２ａ，２ｃ，４ａ，４ｃ）の各ＦＥＴ
電圧電流変換回路（Ｄ）→電極（２ｂ，２ｄ，４ｂ，４ｄ）の各ＦＥＴ

また、触覚位置モニタ部１０３は、ＦＥＴを制御する複数の信号出力部（ｓｗＡ，ｓｗＢ，ｓｗＣ，ｓｗＤ）を有しており、この信号出力部（ｓｗＡ，ｓｗＢ，ｓｗＣ，ｓｗＤ）は、触覚提示部１０１の、同じエリア内の電極に相当するＦＥＴに接続されている。

例えば、以下のように接続されている。
ｓｗＡ→電極（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の各ＦＥＴ
ｓｗＢ→電極（１ｃ，１ｄ，２ｃ，２ｄ）の各ＦＥＴ
ｓｗＣ→電極（３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ）の各ＦＥＴ
ｓｗＤ→電極（３ｃ，３ｄ，４ｃ，４ｄ）の各ＦＥＴ

これにより、例えばＸＹレーザスキャナ４０３からの検出結果により電気信号を印加するエリアをエリアＡに決定した場合、触覚位置モニタ部１０３がｓｗＡを選択すると、触覚を提示するエリアＡ内のＦＥＴをＯＮ状態にすることができる。また、触覚を提示しないエリアについてのＦＥＴについては、ＯＦＦ状態にするように制御することができる。

次に、このような構成の本実施例に係る触覚提示装置の触覚提示動作（及びその駆動方法）について説明する。

まず、ＸＹレーザスキャナ４０３は、触覚提示部１０１と被験者との接触位置を検出し（接触位置検出工程）、触覚位置モニタ部１０３に触覚提示部１０１を介して（図1参照）接触位置の情報を出力する。そして、接触位置モニタ部１０３では、その情報に基づいて接触位置に相当するエリアを決定算出し（触覚情報提示領域決定工程）、エリアに対応する選択部１０４のＦＥＴをＯＮ状態にする。

一方、信号強度制御部４０２では被験者に触覚を提示するための触覚提示信号が印加され、電圧電流変換回路４０１で電流信号に変換する。そして、このように変換された電流信号は、選択部１０４のＯＮ状態のＦＥＴを経由し、所望のエリアに触覚提示用の電気刺激信号（触覚情報）として印加され（電気信号印加工程）、被験者に触覚を提示する。

例えば、ＸＹレーザスキャナ４０３によって検出された接触位置が、触覚提示部１０１におけるエリアＡ（図５参照）内に存在する場合、触覚位置モニタ部１０３は信号出力部ｓｗＡを選択し、この信号出力部ｓｗＡに接続している各ＦＥＴを動作させる。

この結果、各ＦＥＴに接続されている各電圧電流変換回路４０１と触覚提示部１０１の電極（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）とが接続される。ここで、この時、選択されていないＦＥＴはＯＦＦ状態のため、信号強度制御部４０２、電圧電流変換回路４０１によって作製された電気刺激信号は、ＯＮ状態のＦＥＴを介してのみ被験者に通電される。

上述した構成及び駆動方法を有する触覚提示装置について、例えば以下の条件を用いて動作確認を行った。

触覚提示部１０１の微小な電極として４０×４０のＡｕ電極を用い、その電極形状は径０．６ｍｍ、各電極間の距離は１ｍｍとした。また、信号強度制御部１０４は、周波数１ｋＨｚ、デューティー比２０％のパルス信号を発生するものとした。信号極性は陰極である。信号強度は、被験者の受ける触覚の感覚に既定されるが、電圧電流変換回路４０１から電極に印加される電流は、およそ０．３〜１．０ｍＡのものとした。

そして、触覚を提示するエリアの電極は５×５とした。従って、本実施例の場合には、触覚を提示するエリア数は６４個となり、また本実施例に必要な電圧電流変換回路４０１は２５回路となった。つまり、本実施例のように４０×４０の電極のうち、電気刺激信号を印加する電極を５×５とすることにより、触覚提示用のドライバである電圧電流変換回路４０１を２５回路に、また触覚位置モニタ部１０３の信号線数を６４に軽減することができる。

なお、以上の条件を用いた触覚提示装置において、触覚提示部１０１上の任意の位置での指先への触覚提示実験を行ったところ、各エリアにおいて、触覚が提示できていることを確認した。

次に、実施例２について説明する。

ここで、本実施例は、既述した実施例１のように単に決定されたエリアに触覚情報を提示するのではなく、接触位置が複数のエリアにまたがっている場合には、複数のエリアのうち最も接触面積が大きい接触エリアに触覚情報を提示するようにしたものである。

本実施例においては、既述した実施例１と同様、まずＸＹレーザスキャナ４０３は、触覚提示部１０１と被験者との接触位置を検出し、触覚位置モニタ部１０３に接触位置情報を出力する。そして、接触位置モニタ部１０３では、その情報に基づいて接触位置に相当するエリアを決定し、エリアに対応する選択部１０４のＦＥＴをＯＮ状態にする。

ここで、本実施例では、接触位置情報により接触位置が複数のエリアにまたがっていると判断した場合には、接触位置モニタ部１０３は、そのうちの最も接触面積が大きいエリアを決定し、そのエリアを選択する。

例えば、ＸＹレーザスキャナ４０３によって検出された接触部が、複数のエリアにまたがる場合、触覚位置モニタ部１０３は、ＸＹレーザスキャナ４０３から得られる座標情報と、触覚提示部１０１の電極の配置情報に基づき最も接触面積が大きいエリアを接触エリアとして出力する。

そして、例えばエリアＡが最も大きい接触面積を有しているとすると、触覚位置モニタ部１０３は信号出力部ｓｗＡを選択し、この信号出力部ｓｗＡに接続している各ＦＥＴを動作させる。この結果、各ＦＥＴに接続されている各電圧電流変換回路４０１と触覚提示部１０１の電極（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）が接続される。ここで、この時、選択されていないＦＥＴはＯＦＦ状態のため、電気刺激信号はＯＮ状態のＦＥＴを介してのみ被験者に通電される。

そして、上述した構成及び駆動方法を有する触覚提示装置について、既述した実施例１と同様の条件を用いて触覚提示部１０１上の任意の位置での指先への触覚提示実験を行ったところ、各エリアにおいて、触覚が提示できていることを確認した。

つまり、本実施例のように接触位置が複数のエリアにまたがっている場合においても、４０×４０の電極のうち、電気刺激信号を印加する電極を５×５とすることにより、電圧電流変換回路４０１を２５回路に、また触覚位置モニタ部１０３の信号線の数を６４に軽減することができる。

次に、実施例３について説明する。

なお、本実施例は、既述した実施例１及び２のように触覚提示部１０１を複数の触覚情報提示領域に分割し、選択（決定）された触覚情報提示領域に触覚情報を提示するのではなく、接触位置に対応して触覚情報提示領域の範囲を算出し、この触覚情報提示領域において触覚情報を提示するようにしたものである。

ここで、本実施例において、選択部１０４は、図６のようにＦＥＴで構成され、このＦＥＴは触覚提示部１０１の電極数（４×４）だけあり、触覚提示部１０１の電極１ａ〜４ｄと、電圧電流変換回路４０１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）に接続されている。なお、各電圧電流変換回路４０１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）は、それぞれ触覚提示部１０１の電極１ａ〜４ｄの各行に相当するＦＥＴに接続している。

例えば、以下のように接続されている。
電圧電流変換回路（Ａ）→電極（１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ）の各ＦＥＴ
電圧電流変換回路（Ｂ）→電極（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）の各ＦＥＴ
電圧電流変換回路（Ｃ）→電極（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ）の各ＦＥＴ
電圧電流変換回路（Ｄ）→電極（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）の各ＦＥＴ

また、触覚位置モニタ部１０３は、ＦＥＴを制御する複数の信号出力部（ｓｗＡ，ｓｗＢ，ｓｗＣ，ｓｗＤ）を有しており、この信号出力部（ｓｗＡ，ｓｗＢ，ｓｗＣ，ｓｗＤ）は、それぞれ触覚提示部１０１の電極の各列に相当するＦＥＴに接続されている。

例えば、以下のように接続されている。
ｓｗＡ→電極（１ａ，２ａ，３ａ，４ａ）の各ＦＥＴ
ｓｗＢ→電極（１ｂ，２ｂ，３ｂ，４ｂ）の各ＦＥＴ
ｓｗＣ→電極（１ｃ，２ｃ，３ｃ，４ｃ）の各ＦＥＴ
ｓｗＤ→電極（１ｄ，２ｄ，３ｄ，４ｄ）の各ＦＥＴ

また、触覚位置モニタ部１０３は、触覚情報を提示する電極について、その電極に接続されているＦＥＴをＯＮ状態とし、触覚情報を提示しない電極についてのＦＥＴについてはＯＦＦ状態とするように制御する。

また、本実施例の触覚提示装置では、触覚位置モニタ部１０３と信号強度制御部４０２の触覚提示信号の同期を制御するクロック部７０１を有している。

次に、このような構成の本実施例に係る触覚提示装置の触覚提示動作（及びその駆動方法）について説明する。

まず、ＸＹレーザスキャナ４０３は、触覚提示部１０１と被験者との接触位置を検出し（接触位置検出工程）、触覚位置モニタ部１０３に接触位置情報を出力する。そして、触覚位置モニタ部１０３では、この接触位置情報に基づいて電気信号を印加する触覚提示部の触覚情報提示領域の範囲を算出する（触覚情報提示領域範囲算出工程）と共に、その接触位置の情報を時系列のデータに変換し、この後、そのデータに基づいて触覚情報提示領域にある電極のＦＥＴを、クロック部７０１からのクロック信号を用いて順次走査する。

このとき、信号強度制御部４０２ではクロック部７０１からクロック信号（周波数）に従って各電極について、被験者に触覚を提示するための触覚提示信号を順次印加し、電圧電流変換回路４０１で電流信号に変換する。そして、このように変換された電流信号は、選択部１０４のＯＮ状態のＦＥＴを経由し、所望の電極に触覚提示用の電気刺激信号として印加され（電気信号印加工程）、被験者に触覚を提示する。

例えば、ＸＹレーザスキャナ４０３によって検出された接触部のエリアの電極（２ｂ，２ｃ，３ｂ，３ｃ）である場合、触覚位置モニタ部１０３では、これらのデータを時系列のデータに変換する。その後、クロック部７０１からのクロック信号に従って、まず信号出力部ｓｗＢを選択する。

同時に、電圧電流変換回路４０１でもクロック部７０１からのクロック信号に従って電圧電流変換回路４０１（Ｂ）が選択され、これにより電極２ｂに接続されているＦＥＴがＯＮ状態になる。この時、選択されていないＦＥＴは、ＯＦＦ状態のため、信号強度制御部４０２、電圧電流変換回路４０１（Ｂ）によって作製された電気刺激信号はＯＮ状態のＦＥＴを介して、被験者に通電される。

以下、接触位置に相当する各電極を（→２ｃ→３ｂ→３ｃ→２ｂ→２ｃ→３ｂ→３ｃ→…）のように、順次選択することにより、被験者に触覚を提示することができる。

上述した構成及び駆動方法を有する触覚提示装置について、例えば以下の条件を用いて動作確認を行った。

触覚提示部１０１の微小な電極として４０×４０のＡｕ電極を用い、その電極形状は径０．６ｍｍ、各電極間の距離は１ｍｍとした。また、信号強度制御部１０４は、周波数１ｋＨｚ、デューティー比２０％のパルス信号を発生するものとした。信号極性は陰極である。信号強度は、被験者の受ける触覚の感覚に既定されるが、電圧電流変換回路４０１から電極に印加される電流は、およそ０．３〜１．０ｍＡのものとした。

そして、このような本実施例に必要な電圧電流変換回路４０１は４０回路である。つまり、本実施例のように接触位置に対応した触覚情報提示領域の範囲を算出し、この範囲にある電極に触覚情報を提示するようにすることにより、４０×４０の電極を駆動する電圧電流変換回路４０１を４０回路に、また触覚位置モニタ部１０３の信号線の数を４０に軽減することができる。

なお、以上の条件を用いた触覚提示装置において、触覚提示部１０１上の、任意の位置での、指先への触覚提示実験を行ったところ、各位置で、所望の接触面積において、触覚が提示できていることを確認した。

次に、実施例４について説明する。

本実施例は、所定の面積を有する触覚情報提示領域に触覚を提示するようにしたものである。

本実施例においては、既述した実施例３と同様、ＸＹレーザスキャナ４０３は、触覚提示部１０１と被験者との接触位置を検出し、触覚位置モニタ部１０３に、その接触位置の情報を出力する。

そして、この後、触覚位置モニタ部１０３は、その接触位置の情報から接触面積の中心（座標）を算出し、その中心（座標）を中心とした一定の面積のエリアについての情報を時系列のデータに変換する。さらに、このデータに基づいて接触位置に相当する電極のＦＥＴを、クロック７０１を用いて順次走査する。

このとき、信号強度制御部４０２では、クロック部７０１からのクロックに従って各電極について、触覚提示信号を順次印加し、電圧電流変換回路４０１で電流信号に変換する。そして、このように変換された電流信号は、ＯＮ状態のＦＥＴを経由し、中心座標から一定エリア内の電極に電気刺激信号を印加し、被験者に触覚を提示する。

ここで、この一定エリアを２×２の電極とし、例えばＸＹレーザスキャナ４０３によって検出された接触部の、中心座標より算出された一定の面積を有するエリアの中の電極を、電極（２ｂ，２ｃ，３ｂ，３ｃ）とすると、触覚位置モニタ部１０３では、これらのデータを時系列のデータに変換する。その後、クロック部７０１からのクロック信号に従って、まず信号出力部ｓｗＢを選択する。

同時に、電圧電流変換回路４０１でもクロック部７０１からのクロック信号に従って電圧電流変換回路４０１（Ｂ）が選択され、これにより電極２ｂに接続されているＦＥＴがＯＮ状態になる。この時、選択されていないＦＥＴは、ＯＦＦ状態のため、信号強度制御部４０２、電圧電流変換回路４０１（Ｂ）によって作製された電気刺激信号はＯＮ状態のＦＥＴを介して、被験者に通電される。

以下、接触位置に相当する各電極を（→２ｃ→３ｂ→３ｃ→２ｂ→２ｃ→３ｂ→３ｃ→…）のように、順次選択することにより、被験者に触覚を提示することができる。

上述した構成及び駆動方法を有する触覚提示装置について、既述した実施例３と同様の条件を用いて触覚提示部１０１上の任意の位置での指先への触覚提示実験を行ったところ、所望の位置のエリアにおいて、触覚が提示できていることを確認した。

つまり、本実施例のように、接触位置に対応した所定の面積を有する触覚情報提示領域に触覚情報を提示するようにすることにより、電圧電流変換回路４０１を４０回路に、また触覚位置モニタ部１０３の信号線の数を４０に軽減することができる。

なお、以上の条件を用いた触覚提示装置において、触覚提示部１０１上の、任意の位置での、指先への触覚提示実験を行ったところ、各位置で、所望の接触面積において、触覚が提示できていることを確認した。

ところで、これまでの説明においては、接触位置検出部１０２の一例としてＸＹレーザスキャナを用いた場合について述べたが、本発明は、これに限らず、接触位置検出部１０２の他のとして、図７に示すように圧力センサを用いる、接触位置を、触覚提示部１０１の物性の変化より検出する検出機構５０１Ａで構成するようにしても良い。

ここで、この圧力センサ５０１は、触覚提示部１０１の物性の変化、本実施例の場合、触覚提示部１０１の圧力分布により被験者との接触位置を検出するものであり、この検出結果は接触位置モニタ部１０３でモニタされる。

そして、この圧力センサ５０１により触覚提示部１０１と被験者との接触位置を検出した後、位置情報を触覚位置モニタ部１０３に出力し、接触位置モニタ部１０３では、その情報に基づいて、既述した実施例１〜４と同様の構成で、接触位置に相当するエリア、或いは複数のエリアのうち最も接触面積が大きい接触エリア、又は接触位置及び面積を選択し、選択部１０４を構成するＦＥＴをＯＮ状態にするようにしている。

これにより、圧力センサ５０１を用いた場合でも、ＸＹレーザスキャナを用いた場合と同様、触覚提示用のドライバである電圧電流変換回路４０１及び触覚位置モニタ部１０３の信号線の数を軽減することができる。

本発明の実施の形態に係る触覚提示装置の構成を示すブロック図。 上記触覚提示装置の触覚提示部の電極配置を説明する図。 上記触覚提示部に複数の指が接触している様子を説明する図。 本実施の形態の実施例１〜４に係る触覚提示装置の構成を説明する図。 上記実施例１及び２に係る触覚提示装置の回路構成及び駆動方法を説明する図。 上記実施例３及び４に係る触覚提示装置の回路構成及び駆動方法を説明する図。 本実施の形態の他の実施例に係る触覚提示装置の構成を説明する図。

符号の説明

１ａ〜４ｄ 電極
１０１ 触覚提示部
１０２ 接触位置検出部
１０３ 接触位置モニタ部
１０４ 選択部
１０５ 触覚提示信号印加部
３０１ 触覚提示電極部
３０１ａ 電極
４０３ ＸＹレーザスキャナ
４０３Ａ 走査機構
４０１ 電圧電流変換回路
４０２ 信号強度制御部
５０１ 圧力センサ
５０１Ａ 検出機構

Claims (21)

1. 接触した皮膚表面に電気信号を印加することにより前記皮膚表面に触覚情報を提示する触覚提示部と、
   前記皮膚表面が接触した前記触覚提示部の接触位置を検出する接触位置検出部と、
   前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づき、前記電気信号を印加する前記触覚提示部の触覚情報提示領域を決定する接触位置モニタ部と、
   前記触覚情報提示領域に印加する電気信号を生成する電気信号生成部と、
   前記電気信号生成部と前記接触位置モニタ部との間に設けられた選択部と、
   を備え、
   前記選択部により、前記電気信号生成部からの電気信号を前記接触位置モニタ部より決定された前記触覚情報提示領域に選択的に印加するようにしたことを特徴とする触覚提示装置。
2. 前記触覚提示部は分割された複数の触覚情報提示領域を有し、前記接触位置モニタ部は前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づき前記触覚提示部の分割された触覚情報提示領域のうち接触位置に相当する一つ、または複数の触覚情報提示領域を決定することを特徴とする請求項１に記載の触覚提示装置。
3. 前記接触位置モニタ部は、ひとつの前記接触位置情報に基づいて決定された触覚情報提示領域が複数の領域にまたがる場合には、最も接触している面積が大きい領域を触覚情報提示領域とすることを特徴とする請求項２に記載の触覚提示装置。
4. 接触した皮膚表面に電気信号を印加することにより前記皮膚表面に触覚情報を提示する触覚提示部と、
   前記皮膚表面が接触した前記触覚提示部の接触位置を検出する接触位置検出部と、
   前記接触位置検出部の接触位置情報に基づき、前記電気信号を印加する前記触覚提示部の触覚情報提示領域の範囲を算出する接触位置モニタ部と、
   前記触覚情報提示領域に印加する電気信号を生成する電気信号生成部と、
   前記電気信号生成部と前記接触位置モニタ部との間に設けられた選択部と、
   を備え、
   前記選択部により、前記電気信号生成部からの電気信号を前記接触位置モニタ部より算出された範囲の触覚情報提示領域に選択的に印加するようにしたことを特徴とする触覚提示装置。
5. 前記接触位置モニタ部は、前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づき前記電気信号を印加する触覚情報提示領域の中心を算出し、前記中心を中心とした一定の面積を有する範囲を触覚情報提示領域とすることを特徴とする請求項４に記載の触覚提示装置。
6. 前記接触位置検出部は、前記接触位置を前記触覚提示部に対して面方向に走査し、検出する走査機構で構成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の触覚提示装置。
7. 前記走査機構は、前記接触位置をレーザ光の変化より検出するＸＹレーザスキャナを備えたものであることを特徴とする請求項６に記載の触覚提示装置。
8. 前記接触位置検出部は、前記接触位置を前記触覚提示部の物性の変化より検出する検出機構で構成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の触覚提示装置。
9. 前記検出機構は、前記接触位置を前記触覚提示部の圧力の変化より検出する圧力センサを備えたものであることを特徴とする請求項８に記載の触覚提示装置。
10. 前記選択部を複数のスイッチ素子で構成することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の触覚提示装置。
11. 前記スイッチ素子は電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１０に記載の触覚提示装置。
12. 前記電気信号生成部は、前記電気信号の強度を制御する信号強度制御部と、前記信号強度制御部の出力信号を電流信号に変換する電圧電流変換回路とを備えていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の触覚提示装置。
13. 前記電圧電流変換回路は、定電流回路を有していることを特徴とする請求項１２に記載の触覚提示装置。
14. 前記接触位置モニタ部と、前記信号強度制御部の同期を制御するクロック部を有することを特徴とする請求項１２又は１３記載の触覚提示装置。
15. 前記触覚提示部は、複数の微小電極から形成されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の触覚提示装置。
16. 前記皮膚表面は、指先の皮膚表面であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の触覚提示装置。
17. 接触位置検出部によって皮膚表面と、前記皮膚表面に電気信号を印加することにより前記皮膚表面に触覚情報を提示する触覚提示部との接触位置を検出する接触位置検出工程と、
    接触位置モニタ部により、前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づいて前記電気信号を印加する前記触覚提示部の触覚情報提示領域を決定する触覚情報提示領域決定工程と、
    触覚情報提示領域に印加する電気信号を生成する電気信号生成部と前記接触位置モニタ部との間に設けられた選択部により、前記接触位置モニタ部より決定された前記触覚情報提示領域に前記電気信号生成部からの電気信号を選択的に印加する電気信号印加工程と、
    を有することを特徴とする触覚提示装置の駆動方法。
18. 前記触覚提示部は分割された複数の触覚情報提示領域を有し、前記接触位置モニタ部は前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づき前記触覚提示部の分割された触覚情報提示領域のうち接触位置に相当する一つ、または複数の触覚情報提示領域を決定することを特徴とする請求項１７に記載の触覚提示装置の駆動方法。
19. 前記接触位置モニタ部は、ひとつの前記接触位置情報に基づいて決定された触覚情報提示領域が複数の領域にまたがる場合には、最も接触している面積が大きい領域を触覚情報提示領域とすることを特徴とする請求項１８に記載の触覚提示装置の駆動方法。
20. 接触位置検出部によって皮膚表面と、前記皮膚表面に電気信号を印加することにより前記皮膚表面に触覚情報を提示する触覚提示部との接触位置を検出する接触位置検出工程と、
    接触位置モニタ部により、前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づいて前記電気信号を印加する前記触覚提示部の触覚情報提示領域の範囲を算出する触覚情報提示領域範囲算出工程と、
    触覚情報提示領域に印加する電気信号を生成する電気信号生成部と前記接触位置モニタ部との間に設けられた選択部により、前記接触位置モニタ部より算出された範囲の触覚情報提示領域に前記電気信号生成部からの電気信号を選択的に印加する電気信号印加工程と、
    を有することを特徴とする触覚提示装置の駆動方法。
21. 前記接触位置モニタ部は、前記接触位置検出部からの接触位置情報に基づき前記電気信号を印加する触覚情報提示領域の中心を算出し、前記中心を中心とした一定の面積を有する範囲を触覚情報提示領域として算出することを特徴とする請求項２０に記載の触覚提示装置の駆動方法。
    

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