JP2018055659A - 触覚提示装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】触覚提示装置において対象領域外における不要触覚を低減する。【解決手段】触覚提示装置の電極駆動回路は、複数の第１電極と複数の第２電極の各電極に対して、交流電圧信号源及び基準電圧信号源を含む複数の電圧信号源から選択した一つを接続し、複数の第１電極と複数の第２電極とにおいて、対象領域に少なくとも一部が含まれる第１電極と第２電極とに、異なる交流電圧信号源を接続して、前記対象領域内において触覚を提示し、触覚提示フレームの遷移において、複数の第１電極と複数の第２電極とにおける各電極をフローティング状態にした後に、複数の電圧信号源から選択した一つを接続し、フローティング状態の持続時間は、対象領域の外における不要な触覚の強さが第１の時間長における強さより弱くなるように、第１の時間長よりも短い時間長に設定されている。【選択図】図９

Description

本開示は、静電気力により人体に触覚を提示する技術に関する。

本発明の背景技術は、静電気力の振動により人体に触覚を提示し、かつ選択した局在的領域における触覚提示が可能な、触覚提示技術である。特許文献１は、タッチパネル上に触覚（テクスチャ感）を有効に提示し、手元を見なくても触覚だけで操作を可能とする触覚提示装置等を開示する。具体的には、触覚提示装置は、支持基板と、支持基板上に延在している互いに平行な複数のＸ電極及びＹ電極とを備え、各Ｘ電極のうち外部から入力された対象領域に該当するＸ電極に対して第１の周波数の電圧信号を印加し、各Ｙ電極のうち対象領域に該当するＹ電極に対して第２の周波数の電圧信号を印加し、第１及び第２の周波数の差の絶対値によって対象領域に電気的なうなり振動を発生させる駆動回路を備える（要約参照）。

対象領域の表面上で使用者が指を接触させると、うなり振動に起因した静電気力が皮膚と対象領域の表面との間に発生し、使用者はこの静電気力をテクスチャ感として知覚する。

特開２０１５−９７０７６号公報

上記のような触覚提示装置は、対象領域においてのみ触覚を提示し、対象領域外において触覚を提示しないことが望まれる。しかし、発明者らの研究によれば、対象領域外において不要な触覚が提示される場合があることが分かった。従って、対象領域外における不要触覚を低減できる技術が望まれる。

本発明の一態様に係る触覚提示装置は、支持基板と、前記支持基板上において、互いに絶縁されて配置された複数の第１電極と、前記支持基板上において、前記複数の第１電極と絶縁され、互いに絶縁されて配置された複数の第２電極と、前記複数の第１電極と前記複数の第２電極とを駆動する、電極駆動回路と、を含み、前記電極駆動回路は、前記複数の第１電極と前記複数の第２電極の各電極に対して、交流電圧信号源及び基準電圧信号源を含む複数の電圧信号源から選択した一つを接続し、前記複数の第１電極と前記複数の第２電極とにおいて、対象領域に少なくとも一部が含まれる第１電極と第２電極とに、異なる交流電圧信号源を接続して、前記対象領域内において触覚を提示し、触覚提示フレームの遷移において、前記複数の第１電極と前記複数の第２電極とにおける各電極をフローティング状態にした後に、前記複数の電圧信号源から選択した一つを接続し、前記フローティング状態の持続時間は、前記対象領域の外における不要な触覚の強さが第１の時間長における強さより弱くなるように、前記第１の時間長よりも短い時間長に設定されている。

本発明の一態様によれば、触覚提示装置において、テクスチャ感を提示するために選択されている対象領域外における不要な触覚を低減できる。

実施形態における、触覚提示装置の構成例を模式的に示す。 実施形態における、触覚提示パネルの構成例を模式的に示す。 実施形態における、電極駆動回路の構成を模式的に示す。 実施形態における、選択された対象領域においてテクスチャ感を提示する場合に、特定の交流電圧信号が与えられる領域（電極）を示す。 実施形態における、フレーム単位で触覚を提示する触覚提示装置の動作のフローチャートを示す。 実施形態における、ＮフレームとＮ＋１フレームとの間の対象領域の変化の例を模式的に示す。 実施形態における、特定の領域における状態の変化を模式的に示している。 実施形態における、デッドタイムＴｄと不要なテクスチャ感（不要触覚）強度との関係の測定結果を示す。 実施形態における、デッドタイムＴｄと不要なテクスチャ感（不要触覚）強度との関係の測定結果を示す。 実施形態における、単信号領域でのスイッチング素子への制御信号と電極の電圧との関係を模式的に示す。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。各図において共通の構成については同一の参照符号が付されている。

以下に開示する触覚提示装置は、電極駆動において、電極をフローティング状態に維持するデッドタイムの長さを短縮する。これにより、触覚提示の対象領域外において発生し得る不要触覚を低減する。

＜触覚提示装置の構成＞
図１は、触覚提示装置の構成例を模式的に示す。触覚提示装置１００は、触覚提示パネル１０５、電極駆動回路１０６、及び制御部１０７を含む。触覚提示パネル１０５は、支持基板１０１、支持基板１０１上に配置されている、複数のＸ電極Ｘ０〜Ｘｍ及び複数のＹ電極Ｙ０〜Ｙｎを含む。ｍ及びｎは、それぞれ設計により決定される自然数である。Ｘ電極及びＹ電極は、それぞれ、第１電極及び第２電極である。

複数のＸ電極Ｘ０〜Ｘｍは、矩形状の支持基板１０１の一辺に平行に延在し、互いに並列に配置されている。Ｘ電極Ｘ０〜Ｘｍは、互いに絶縁されている。複数のＹ電極Ｙ０〜Ｙｎは、支持基板１０１の他辺に平行に延在し、互いに並列に配置されている。Ｙ電極Ｙ０〜Ｙｎは、互いに絶縁されている。Ｘ電極Ｘ０〜Ｘｍと複数のＹ電極Ｙ０〜Ｙｎとは、互いに交差している。Ｙ電極Ｙ０〜Ｙｎは、Ｘ電極Ｘ０〜Ｘｍと交差部で絶縁膜を介して絶縁されている。

図１の例において、Ｘ電極Ｘ０〜Ｘｍは、支持基板１０１の長辺に平行であり、図の左右方向に延在している。Ｙ電極Ｙ０〜Ｙｎは、支持基板１０１の短辺に平行であり、図の上下方向に延在している。各Ｘ電極と各Ｙ電極とは直交している。Ｘ電極Ｘ０〜Ｘｍは、互いに平行でなくてもよく、支持基板１０１の一辺に平行でなくてもよい。Ｙ電極Ｙ０〜Ｙｎは互いに平行でなくてもよく、支持基板１０１の一辺に平行でなくてもよい。各Ｘ電極と各Ｙ電極とは直交していなくてもよい。

支持基板１０１の形状は設計により決定され、矩形でなくてもよく、例えば、５角以上の多角形でもよく、曲線の辺を有していてもよい。電極の形状は設計により決定され、例えば、帯状又は複数の所定形状（例えば菱形）の幅広の部分を幅狭の接続部により数珠状に連結して構成されてもよい。電極形状の一例は、図２を参照して後述する。

Ｘ電極Ｘ０〜Ｘｍ及びＹ電極Ｙ０〜Ｙｎは、それぞれ、電極駆動回路１０６に接続されている。電極駆動回路１０６は、Ｘ電極Ｘ０〜Ｘｍ及びＹ電極Ｙ０〜Ｙｎそれぞれに、特定の電圧信号を与える。電極駆動回路１０６は、制御信号線を介して制御部１０７に接続されている。電極駆動回路１０６の構成の詳細は、図３を参照して後述する。

制御部１６は、外部（例えば、触覚提示装置１００の動作を制御するプロセッサ）から入力されたテクスチャ感を提示しようとする対象領域についての情報に基づいて、電極駆動回路１０６を制御する。

制御部１０７は、例えば、プロセッサ、メモリ、ストレージ、及び外部とのインタフェースを含んで構成されている。これら構成要素は、内部配線によって相互接続される。プロセッサは、メモリ格納されているプログラムに従って動作することによって所定の機能を実現する。プロセッサが実行するプログラム及び参照するデータは、例えば、ストレージからメモリにロードされる。制御部１０７は、プロセッサに加え又は代えて、所定機能を実現する論理回路を含んで構成されてもよい。

この構成によって、触覚提示装置１００は、選択した対象領域において、テクスチャ感（触覚）を提示することができる。テクスチャ感は、通常は物体表面の微細な凹凸に起因して発生する。例えば、布、紙、鮫肌、ガラスなどの素材の表面を指でなぞると、テクスチャ感の違いを感じることができる。

図２は、触覚提示パネル１０５の構成例を模式的に示す。Ｘ電極Ｘ０〜Ｘｍは、複数の菱形の部分が接続部を介して数珠状に連結された形状を有する。即ち、一つのＸ電極は、左右に隣り合う菱形の部分を、接続部を介して電気的に接続し形成され、左右方向に延在する。Ｙ電極Ｙ０〜Ｙｎも、同様に、複数の菱形の部分が接続部を介して数珠状に連結された形状を有する。一つのＹ電極は、上下に隣り合う菱形の部分を接続部を介して電気的に接続し形成され、上下方向に延在する。

Ｘ電極Ｘ０〜Ｘｍ及びＹ電極Ｙ０〜Ｙｎは、支持基板１０１に垂直に見た時に、菱形部分の接続部同士が絶縁膜を介して重なりあうように形成されている。Ｘ電極Ｘ０〜Ｘｍの菱形部分の主要部とＹ電極Ｙ０〜Ｙｎの菱形の部分の主要部とは重ならないように形成されている。つまりＸ電極の菱形の部分の主要部とＹ電極Ｙ０〜Ｙｎの菱形の部分の主要部とは、同一面上に配置される。

図３は、電極駆動回路１０６の構成を模式的に示す。電極駆動回路１０６は、Ｘ電極駆動回路１６１及びＹ電極駆動回路１６２を含んで構成されている。Ｘ電極駆動回路１６１は、第１の交流電圧信号源１１０、Ｘ電極に接続する複数の出力端子１１１、及び各出力端子１１１に接続したスイッチング回路１１２を含む。一つの出力端子１１１に、１又は複数のＸ電極が接続される。各スイッチング回路１１２は、出力端子１１１を第１の交流電圧信号源１１０と接続するためのスイッチング素子１１３、及び出力端子１１１をグランドと接続するためのスイッチング素子１１４を含む。

スイッチング素子１１３及び１１４は、制御部１０７からの制御信号を受けて導通又は開放いずれかの状態になる。制御部１０７は、外部から入力された対象領域を特定する情報に対応するように、各スイッチング素子１１３及び１１４が開放状態あるいは導通状態になるように制御信号を送る。

制御部１０７と各スイッチング回路１１２との間には、制御部１０７からスイッチング素子１１３へ制御信号を送るための制御信号線１１５と、制御部１０７からスイッチング素子１１４へ制御信号を送るための制御信号線１１６とが接続されている。スイッチング素子１１３が導通した場合は、Ｘ電極は第１の交流電圧信号源１１０に接続され、交流電圧信号が印加される。スイッチング素子１１４が導通した場合は、Ｘ電極はグランドに接続される。

Ｙ電極駆動回路１６２は、第２の交流電圧信号源１２０、Ｙ電極に接続する複数の出力端子１２１、及び各出力端子１２１に接続したスイッチング回路１２２を含む。一つの出力端子１２１に、１又は複数のＹ電極が接続される。各スイッチング回路１２２は、出力端子１２１を第２の交流電圧信号源１２０と接続するためのスイッチング素子１２３、及び出力端子１２１をグランドと接続するためのスイッチング素子１２４を含む。

スイッチング素子１２３及び１２４は、制御部１０７からの制御信号を受けて導通又は開放いずれかの状態になる。制御部１０７は、外部から入力された対象領域を特定する情報に対応するように、各スイッチング素子１２３及び１２４が開放状態あるいは導通状態になるように制御信号を送る。

制御部１０７と各スイッチング回路１２２との間には、制御部１０７からスイッチング素子１２３へ制御信号を送るための制御信号線１２５と、制御部１０７からスイッチング素子１２４へ制御信号を送るための制御信号線１２６とが接続されている。スイッチング素子１２３が導通した場合は、Ｙ電極は第２の交流電圧信号源１２０に接続され、交流電圧信号が印加される。スイッチング素子１２４が導通した場合は、Ｙ電極はグランドに接続される。

後述するように、第１の交流電圧信号源１１０及び第２の交流電圧信号源１２０は、異なる周波数を有する。例えば、第１の交流電圧信号源１１０の周波数ｆ１及び第２の交流電圧信号源１２０の周波数ｆ２は、共に５００Ｈｚより大きく、かつ互いの周波数の差は１０Ｈｚ以上、１０００Ｈｚ以下である。周波数ｆ１及びｆ２は、一方の交流電圧信号のみではテクスチャ感を提示せず、周波数ｆ１、ｆ２によるうなり振動によってテクスチャ感を提示する条件を満たす。

なお、上記例において、スイッチング素子１１４、１２４の一方のノードがグランドに接続される。しかし、当該ノードの接続先はグランドに限定されない。例えば、当該ノードは０ボルト以外の直流電圧信号源に接続されてもよく、第３の交流電圧信号源に接続されてもよい。

第３の交流電圧信号源の交流電圧信号は、単独ではテクスチャ感を提示せず、第１又は第２の交流電圧信号とうなりを生じてもテクスチャ感を提示することはない。これら０ボルトの直流電圧信号源であるグランド、０ボルト以外の直流電圧信号源、及び第３の交流電圧信号源を、基準電圧信号源と呼ぶ。以下において、基準電圧信号源は、グランドであるとする。

第１の交流電圧信号源１１０及び第２の交流電圧信号源１２０の周波数及び／又は振幅は、触覚提示フレーム内又は触覚提示フレーム間で変化してもよい。第１の交流電圧信号源１１０及び第２の交流電圧信号源１２０の間で、周波数と異なるパラメータの値が異なってもよい。第１の交流電圧信号源１１０及び第２の交流電圧信号源１２０の位相が異なっていてもよい。例えば、第１の交流電圧信号源１１０及び第２の交流電圧信号源１２０が同一の周波数を有し、さらに、逆位相を有していてもよい。電極駆動回路１０６は、１又は複数のチップ又はモジュールで構成することができる。例えば、Ｘ電極駆動回路１６１とＹ電極駆動回路１６２が異なるチップに実装されてもよく、一つのチップに実装されてもよい。

＜触覚提示装置の動作＞
図４を参照して、触覚提示装置１００が対象領域においてテクスチャ感を提示するための動作の概略を説明する。図４は、選択された対象領域２０５においてテクスチャ感を提示する場合に、特定の交流電圧信号が与えられる領域（電極）を示す。図４の例において、Ｘ電極Ｘａ〜Ｘｌ及びＹ電極Ｙａ〜Ｙｌが、支持基板１０１上に配置されている。

図４の例において、対象領域２０５は、Ｘ電極Ｘｄ〜Ｘｈ及びＹ電極Ｙｄ〜Ｙｈが交差する領域である。支持基板１０１の面に垂直な方向においてみた場合に、Ｘ電極Ｘｄ〜Ｘｈ及びＹ電極Ｙｄ〜Ｙｈが、対象領域２０５と重なる。制御部１０７は、外部から与えられた対象領域２０５の情報に基づいて、電極駆動回路１０６に制御信号を与える。電極駆動回路１０６は、制御部１０７からの制御信号に応じて、電極を駆動する。

図４の例において、電極駆動回路１０６は、Ｘ電極Ｘｄ〜Ｘｈに、第１の交流電圧信号源１１０から、第１の交流電圧信号を印加する。電極駆動回路１０６は、Ｙ電極Ｙｄ〜Ｙｈに、第２の交流電圧信号源１２０から、第２の交流電圧信号を印加する。例えば、第１の交流電圧信号の周波数ｆ１は１０００Ｈｚであり、第２の交流電圧信号の周波数ｆ２は１２４０Ｈｚである。電極駆動回路１０６は、他のＸ電極及びＹ電極を接地する。

対象領域２０５において、周波数ｆ１交流電圧信号が印加されたＸ電極と、周波数ｆ２の交流電圧信号が印加されたＹ電極とが互いに隣接している。そのため、周波数｜ｆ１−ｆ２｜（例えば２４０Ｈｚ）の電気的なうなり振動が発生する。このうなり振動が、人体の接触部、典型的には指に、テクスチャ感を与える。

使用者は、対象領域２０５においてのみテクスチャ感を知覚し、対象領域２０５外においてテクスチャ感を知覚しない。例えば、図４の例において、Ｘ電極Ｘｄ〜Ｘｈ及びＹ電極Ｙｄ〜Ｙｈそれぞれの一部が、対象領域２０５に含まれ、他の部分が対象領域２０５の外に存在する。したがって、対象領域２０５外の領域において、Ｘ電極Ｘｄ〜Ｘｈ又はＹ電極Ｙｄ〜Ｙｈに、テクスチャ感を提示するための交流信号電圧が印加される。

具体的には、対象領域２０５に隣接する領域２０１Ａ、２０１Ｂにおいて、Ｙ電極Ｙｄ〜Ｙｈにのみ周波数ｆ２の交流電圧信号が与えられ、Ｘ電極は接地されている。対象領域２０５に隣接する領域２０３Ａ、２０３Ｂにおいて、Ｘ電極Ｘｄ〜Ｘｈにのみ周波数ｆ１の交流電圧信号が与えられ、Ｙ電極は接地されている。このように、Ｘ電極又はＹ電極の一方のみにテクスチャ感を提示するための交流電圧信号が印加されている領域を単信号領域と呼ぶ。

人間の指は、所定周波数範囲の静電気力の振動に対して、テクスチャ感を知覚する。従って、電極駆動回路１０６は、単独では人の受容器が振動を感知しにくい周波数の信号を各電極に印加する。単信号領域において、電極に印加される交流電圧信号の周波数の２倍の周波数で振動する静電気力が発生する。さらに、電極駆動回路１０６は、二つの交流信号のうなりが感知されやすい周波数の信号を各電極に印加する。例えば、周波数ｆ１、ｆ２は、５００Ｈｚより大きい値であり、差分周波数｜ｆ１‐ｆ２｜は、１０Ｈｚ以上、１０００Ｈｚ以下の範囲である。

このように、対象領域にその一部が含まれるＸ電極及びＹ電極それぞれに、所定周波数範囲内の交流電圧信号を印加することで、対象領域においてのみテクスチャ感を提示する。なお、上述のように、電極駆動回路１０６は、他のＸ電極及びＹ電極を接地するかわりに、所定の直流電圧又はテクスチャ感を提示しない交流電圧を印加してもよい。

触覚提示装置１００は、交流電圧信号を印加する電極を変更することで、対象領域の位置及び形状を変化させることができる。例えば、触覚提示装置１００は、動画のように、連続的に対象領域を移動させることもできる。

例えば、支持基板１０１、Ｘ電極Ｘａ〜Ｘｌ及びＹ電極Ｙａ〜Ｙｌが透明である場合、触覚提示パネル１０５は、視覚ディスプレイと重ね合わせて用いることができる。例えば、支持基板１０１はガラス又は樹脂で形成され、電極はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）で形成される。触覚提示装置１００は、視覚ディスプレイで表示した画像に対応した触覚を提示する。触覚提示装置は、視覚ディスプレイと組み合わせていない形態であってもよい。例えば、触覚提示装置は、画像を表示することなく触覚を提示するタブレット装置であってもよい。

触覚提示装置１００は、フレーム（触覚提示フレーム）単位で触覚を提示し、フレーム毎に対象領域を更新する。例えば、触覚提示装置１００は、フレーム毎に対象領域を変化させ、１フレームにおいて対象領域を維持する。触覚提示装置１００は、対象領域の変化に係らず、所定周期でフレームを遷移させてもよい。次のフレームで更新される対象領域は、前回フレームの対象領域と同一である場合もあり、異なる場合もある。

図５は、フレーム単位で触覚を提示する触覚提示装置１００の動作のフローチャートを示す。制御部１０７は、Ｎ番目（Ｎは自然数）のフレーム（Ｎフレームと呼ぶ）を提示している間に、次のＮ＋１フレームにおける対象領域の情報を受信する（Ｓ１０１）。電極駆動回路１０６は、制御部１０７からの指示に従って、全てのスイッチング回路１１２、１２２のスイッチング素子１１３、１１４、１２３、１２４を開放する。全Ｘ電極及びＹ電極は、フローティング状態になる（Ｓ１０２）。

電極駆動回路１０６は、全スイッチング素子１１３、１１４、１２３、１２４の解放を維持し、全電極のフローティング状態を、所定時間維持する（Ｓ１０３）。これにより、交流電圧信号源とグランド（基準電圧信号源）とが短絡し、回路が破損することを防止する。本開示は、フローティング状態を維持する時間に特徴を有する。この点の詳細は後述する。

スイッチング素子の開放から所定時間経過すると、制御部１０７は、各電極に所定の信号を印加する（Ｓ１０４）。具体的には、制御部１０７は、Ｎ＋１フレームの対象領域に少なくとも一部が含まれるＸ電極及びＹ電極のスイッチング回路１１２及び１２２へ、制御信号を送信する。制御信号を受信した各スイッチング回路１１２は、スイッチング素子１１３を導通させる。選択されているＸ電極に、第１の交流電圧信号源１１０から、第１の交流電圧信号が印加される。

同様に、制御信号を受信した各スイッチング回路１２２は、スイッチング素子１２３を導通させる。選択されているＹ電極に、第２の交流電圧信号源１２０から、第２の交流電圧信号が印加される。

さらに、制御部１０７は、Ｎ＋１フレームの対象領域外のＸ電極及びＹ電極のスイッチング回路１１２及び１２２へ、制御信号を送信する。制御信号を受信した各スイッチング回路１１２は、スイッチング素子１１４を導通させる。選択されているＸ電極は基準電圧信号源に接続される。同様に、制御信号を受信した各スイッチング回路１２２は、スイッチング素子１２４を導通させる。選択されているＹ電極は接地される。更に次のＮ＋２フレームの情報が制御部１０７へ入力されるまで、Ｎ＋１フレームの各電極の状態が保持される。

触覚提示装置１００は、図５のフローチャートに示す処理を繰り返すことで、複数フレームを順次提示する。上述のように、触覚提示装置１００は、対象領域に変化に応じて又は変化と独立に、フレームを遷移させる。なお、触覚提示装置１００は、Ｘ電極及びＹ電極をグループ化してもよい。触覚提示装置１００は、ＮフレームからＮ＋１のフレームへの遷移において、グループ毎に印加電圧を切り替える。

＜不要触覚の発生の課題＞
触覚提示装置１００は、対象領域においてのみテクスチャ感を提示し、対象領域外においては、実質的にテクスチャ感を提示しないことが望まれる。各電極に印加する電圧信号の周波数を所定の範囲内にすることで、１フレーム内において、対象領域においてのみテクスチャ感を提示することができる。

しかし、発明者らは、触覚提示装置１００においてフレームが遷移する際に、単信号領域に不要なテクスチャ感（不要触覚）が提示される場合があることを見出した。１フレーム内において各電極の電圧信号が維持されている間、テクスチャ感は、単信号領域におい提示されない。しかし、フレームが遷移する場合、単信号領域において不要なテクスチャ感が提示されることが見出された。即ち、対象領域以外で不要な触覚が提示され、「触覚の局在化」が損なわれることが分かった。

図６を参照して不要なテクスチャ感の提示を説明する。図６は、ＮフレームとＮ＋１フレームとの間の対象領域の変化の例を模式的に示す。Ｎフレームの対象領域は、領域２１５Ａであり、Ｎ＋１フレームの対象領域は、領域２１５Ｂである。対象領域は、領域２１５Ａから領域２１５Ｂに変化する。図６は、対象領域の移動の例を示し、対象領域２１５Ａ、２１５Ｂの外形は同一であり、それらの位置が異なる。領域２１７は、Ｎフレームの対象領域２１５ＡとＮ＋１フレームの対象領域２１５Ｂとが重なる領域である。

領域２１３Ａ及び２１３Ｂにおいては、Ｎフレーム及びＮ＋１フレームの双方において、共通のＸ電極Ｘｅ〜Ｘｈに第１の交流電圧信号が印加され、Ｙ電極に第２の交流電圧信号は印加されない。領域２１１Ａ及び２１１Ｂにおいては、Ｎフレーム及びＮ＋１フレームの双方において、共通のＹ電極Ｙｅ〜Ｙｈに第２の交流電圧信号が印加され、Ｘ電極に第１の交流電圧信号は印加されない。即ち、領域２１１Ａ、２１１Ｂ、２１３Ａ及び２１３Ｂは、Ｎフレーム及びＮ＋１フレームの双方において、単信号領域である。

発明者らの研究によれば、領域２１１Ａ、２１１ｂ、２１３Ａ及び２１３Ｂが、接触指に対して、不要なテクスチャ感を提示した。以下において、発明者らが突き止めた不要なテクスチャ感の原因を説明する。以下では、図７を参照して、領域２１１Ａ、２１１Ｂにおける不要なテクスチャ感の原因を説明するが、同様の説明が、領域２１３Ａ、２１３Ｂに適用できる。

図７は、領域２１１Ａ、又は２１１Ｂにおける状態の変化を模式的に示している。グラフ５０１は、ＮフレームからＮ＋１フレームへの遷移における、Ｙ電極Ｙｅ〜Ｙｈに印加される電圧信号を模式的に示す。状態Ａ５０３Ａは、Ｎフレームにおけるスイッチング回路１２２の状態並びに触覚提示パネル１０５及び指１５１の状態を示す。状態Ｂ５０３Ｂは、ＮフレームとＮ＋１フレームとの間の遷移期間における、スイッチング回路１２２の状態並びに触覚提示パネル１０５及び指１５１の状態を示す。状態Ｃ５０３Ｃは、Ｎ＋１フレームにおけるスイッチング回路１２２の状態並びに触覚提示パネル１０５及び指１５１の状態を示す。

Ｎフレームにおいて、Ｙ電極Ｙｅ〜Ｙｈそれぞれには、第２の交流電圧信号が印加されている。状態Ａ５０３Ａが示すように、スイッチング回路１２２におけるスイッチング素子１２３が、出力端子１２１を第２の交流電圧信号源１２０と接続している。スイッチング素子１２４は開放されている。触覚提示パネル１０５と指１５１との間には、振動する静電気力が発生している。上述のように、静電気力の周波数が所定範囲外であるため、指１５１はテクスチャ感を知覚しない。

ＮフレームとＮ＋１フレームとの間の遷移期間において、Ｙ電極Ｙｅ〜Ｙｈそれぞれの電圧は一定である。状態Ｂ５０３Ｂが示すように、スイッチング回路１２２におけるスイッチング素子１２３及びスイッチング素子１２４は開放されている。これにより、第２の交流電圧信号源１２０とグランドとの間の短絡を防止する。

スイッチング素子１２３及びスイッチング素子１２４は開放されている間、Ｙ電極Ｙｅ〜Ｙｈはフローティング状態である。本開示において、フローティング状態の持続時間をデッドタイムと呼ぶ。デッドタイムとフレームの遷移時間が一致する。フローティング状態にある電極の電圧は０とは限らず、電極がフローティング状態に変化した時の電圧に依存する。デッドタイムにおいて、触覚提示パネル１０５と指１５１との間には、振動する静電気力が発生していない。

Ｎ＋１フレームにおいて、Ｙ電極Ｙｅ〜Ｙｈそれぞれには、第２の交流電圧信号が印加されている。状態Ｃ５０３Ｃが示すように、スイッチング回路１２２におけるスイッチング素子１２３が、出力端子１２１を第２の交流電圧信号源１２０と接続している。スイッチング素子１２４は開放されている。触覚提示パネル１０５と指１５１との間には、振動する静電気力が発生している。上述のように、静電気力の周波数が所定範囲外であるため、指１５１はテクスチャ感を知覚しない。

以上の結果、発明者らは、デッドタイムを介したフレーム遷移における静電気力の変化が、ユーザが不要なテクスチャ感を知覚させることを突き止めた。たとえフレーム内でテクスチャ感を与えない周波数であっても、振動する静電気力の途切れは、不要なテクスチャ感を人に知覚させてしまう。

電極のフローティング状態が発生しない場合は、単信号領域にはテクスチャ感は発生しない。この場合、単信号領域には交流電圧信号が連続して印加され、振動の周波数スペクトルは交流電圧信号の周波数の２倍（例えば２０００Ｈｚ）に集中する。２０００Ｈｚ等の周波数は人体に感知されないので、テクスチャ感は発生しない。フローティング状態により発生する静電気力振動の途切れにより、単信号領域に生じる振動の周波数スペクトルは交流電圧信号の２倍を中心に幅広く分布し、人体に高い感度で知覚される１０〜１０００Ｈｚの範囲内にも分布することになる。このため、単信号領域にテクスチャ感が提示されてしまうと考えられる。

＜不要触覚を低減する制御＞
そこで、発明者らは、デッドタイムを短縮することによって対象領域外での不要なテクスチャ感を低減する手法を新たに考案した。デッドタイムはスイッチング回路の短絡を防止するために必要である。したがって、スイッチング回路の短絡を防ぎつつ、不要なテクスチャ感を低減できるデッドタイムを設定することが要求される。

発明者らは、被験者３名による主観評価実験を行い、デッドタイムＴｄと不要なテクスチャ感（不要触覚）強度との関係を評価した。図８Ａ及び図８Ｂは、測定結果を示している。測定は、図２に示す構造の触覚提示パネル１０５を使用した。図８Ａのグラフ及び図８Ｂのテーブルは同一の測定結果を表している。

被験者は、不要触覚強度を主観的に評価した。不要触覚強度指標は、数値が大きい程、強い不要触覚強度を示す。図８Ａ及び図８Ｂにおいて、最も強い不要触覚強度指標値は「４」であり、最も弱い不要触覚強度指標値は「１」である。不要触覚強度指標「１」は、不要触覚が略知覚されないことを意味する。図示していないが、発明者らは、５ｍｓ〜１００ｍｓのデッドタイムＴｄにおける、不要触覚強度の主観評価実験も行った。デッドタイムのこの範囲では、いずれの被験者も、不要触覚強度指標値を「４」と評価した。

図８Ａ及び図８Ｂが示す実験結果から理解されるように、いずれの被験者も、特定のデッドタイム以上では一定（指標値「４」）の不要触覚強度を知覚し、特定のデッドタイムＴｄｔｈ１において不要触覚強度の低下を知覚している。具体的には、被験者Ａ、被験者Ｂ、被験者Ｃは、それぞれ、１．５ｍｓ、２．５ｍｓ、３．５ｍｓ以上のデッドタイムにおいて、一定（指標値「４」）の不要触覚強度を知覚している。さらに、被験者Ａ、被験者Ｂ、被験者Ｃは、それぞれ、１．０ｍｓ、１．５ｍｓ、２．５ｍｓのデッドタイムにおいて、不要触覚強度の低下を知覚している。

さらに、全ての被験者は、それぞれ、当該特定のデッドタイム以下において、デッドタイムの短縮に応じて、不要触覚強度の低下を知覚している。つまり、被験者の知覚する不要触覚強度は、デッドタイムの短縮と共に、（増加することなく）低下する。例えば、被験者Ｂの知覚不要触覚強度は、１．０ｍｓのデッドタイムから、「３」、「２」、「２」、「１」と低下する。

つまり、触覚提示装置１００の特性は、特定長さのデッドタイム（閾値Ｔｄｔｈ１）より長いデッドタイムの範囲において略一定の不要触覚強度Ｆ１を提示し、当該特定長さのデッドタイムＴｄｔｈ１以下のデッドタイムの範囲において、不要触覚強度Ｆ１より低い不要触覚強度を提示する。従って、触覚提示装置１００のこのような装置特性に従って、電極駆動回路１０６のデッドタイムＴｄを、０より長くデッドタイムＴｄｔｈ１以下の範囲に設定することで、不要触覚強度を効果的に低減することができる。

電極駆動回路１０６は、０より長くデッドタイムＴｄｔｈ１以下の範囲で設定された時間（デッドタイムＴｄ）、電極をフローティング状態に維持する。電極駆動回路１０６は、電極に接続される二つのスイッチング素子を開放した後、デッドタイムＴｄ経過後に、一方のスイッチング素子を導通状態に変化させる。

このように、電極をフローティング状態に維持するデッドタイムＴｄを、触覚提示装置１００の装置特性で決まる、不要触覚強度が低下する値Ｔｄｔｈ１、以下に設定することによって、効果的に不要触覚を低減できる。デッドタイムＴｄにおける不要触覚は、時間長Ｔｄｔｈ１より長い任意の時間長（第１の時間長）における不要触覚よりも弱い。

図８Ａ及び図８Ｂが示す実験結果から理解されるように、全ての被験者は、それぞれ、当該特定のデッドタイム以下において、不要触覚を知覚しない。具体的には、被験者Ａ、被験者Ｂ、被験者Ｃは、それぞれ、０．４ｍｓ、０．３ｍｓ、１．０ｍｓ以下のデッドタイムにおいて、不要触覚を知覚していない（指標値「１」）。

つまり、触覚提示装置１００の特性は、特定長さのデッドタイムＴｄｔｈ２以下のデッドタイムの範囲において、不要触覚を提示しない。従って、触覚提示装置１００のこのような装置特性に従って、電極駆動回路１０６のデッドタイムＴｄを、０より長くデッドタイムＴｄｔｈ２以下の範囲に設定することで、不要触覚の発生を効果的に防ぐことができる。

例えば、触覚提示装置１００の設計は、例えば、上記評価実験のように、サンプル装置の測定により、不要触覚強度とデッドタイムとの間の関係を特定する。設計者は、測定結果から、不要触覚強度が低下するデッドタイムＴｄｔｈ１又は不要触覚が提示されないデッドタイムＴｄｔｈ２を特定する。設計者は、電極駆動回路１０６における短絡防止の観点と、不要触覚の観点から、０より長く、Ｔｄｔｈ１以下又はＴｄｔｈ２以下の範囲において、デッドタイムを決定する。

上述のように、被験者Ａ、被験者Ｂ、被験者Ｃは、それぞれ、１．０ｍｓ、１．５ｍｓ、２．５ｍｓのデッドタイムにおいて、不要触覚強度の低下を知覚している。つまり、デッドタイムＴｄが１．０ｍｓ以下の範囲において、全ての被験者が、不要触覚強度の低下を知覚している。この時間長は、触覚提示の観点から通常の予想を超えて短いと理解される。短い電極駆動回路１０６のデッドタイムＴｄを、０より長く１．０ｍｓ以下の範囲に設定することで、不要触覚強度をより確実に低減することができる。

さらに、被験者Ａ、被験者Ｂ、被験者Ｃは、それぞれ、０．４ｍｓ以下、０．３ｍｓ以下、１．０ｍｓ以下のデッドタイムにおいて、不要触覚を知覚していない。つまり、全ての被験者が、０．３ｍｓ以下のデッドタイムにおいて、不要触覚を知覚していない。電極駆動回路１０６のデッドタイムＴｄを、０より長く０．３ｍｓ以下の範囲に設定することで、不要触覚の発生をより確実に防止することができる。

制御部１０７は、デッドタイムＴｄが予め設定された長さとなるように、つまり、予め設定された期間、電極がフローティング状態となるように、電極駆動回路１０６を制御する。図９を参照して、制御部１０７による電極駆動回路１０６の制御を説明する。図９は、単信号領域における、スイッチング素子（スイッチング素子１１３、１１４、１２３、又は１２４）への制御信号と電極の電圧との関係を模式的に示している。

スイッチング素子には、その仕様により、ターンオフ時間Ｔｏｆｆとターンオン時間Ｔｏｎが定められている。ターンオフ時間は、スイッチング素子が、制御信号を導通状態で受信してから、開放状態へ遷移するために要する時間である。ターンオン時間は、スイッチング素子が、制御信号を開放状態で受信してから、導通状態へ遷移するために要する時間である。

図９の例において、スイッチング素子の制御信号の極性は、ノーマリーオープンである。制御信号がロウレベルのとき、スイッチング素子は開放され、制御信号がハイレベルのとき、スイッチング素子は導通する。

制御部１０７は、制御信号をハイレベルからロウレベルに変更した後、予め設定されたデットタイム設定時間Ｔｓｅｔの間、制御信号をロウレベルに維持する。制御部１０７は、制御信号をハイレベルからロウレベルに変更してからデットタイム設定時間Ｔｓｅｔが経過した後、制御信号をロウレベルからハイレベルに変更する。

スイッチング素子は、制御信号の立ち下りエッジからターンオフ時間Ｔｏｆｆが経過した時に、導通状態から解放状態に変化する。従って、電極は、制御信号の立ち下りエッジからターンオフ時間Ｔｏｆｆが経過した時に、交流電圧信号が印加されている状態からフローティング状態に変化する。

また、スイッチング素子は、制御信号の立ち上りエッジからターンオン時間Ｔｏｎが経過した時に、解放状態から導通状態に変化する。従って、電極は、制御信号の立ち上りエッジからターンオン時間Ｔｏｎが経過した時に、フローティング状態から交流電圧信号が印加されている状態に変化する。

デットタイム設定時間Ｔｓｅｔ、デットタイムＴｄ、ターンオフ時間Ｔｏｆｆ、及びターンオン時間Ｔｏｎは、以下の関係を満たす。
Ｔｓｅｔ＝Ｔｄ＋Ｔｏｆｆ−Ｔｏｎ

ターンオフ時間Ｔｏｆｆ及びターンオン時間Ｔｏｎは、電極駆動回路１０６の仕様により決定される。設計者は、上述のように、デットタイムＴｄを、スイッチング回路の短絡が発生せず、対象領域外の不要なテクスチャ感が効果的に低下している範囲で決定する。設計者は、決定されたデットタイムＴｄ、ターンオフ時間Ｔｏｆｆ、及びターンオン時間Ｔｏｎから、上記式に従って、デットタイム設定時間Ｔｓｅｔを決定する。デットタイム設定時間Ｔｓｅｔは、全てのスイッチング回路に共通でもよいし、異なるスイッチング回路にデットタイム設定時間Ｔｓｅｔが設定されてもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明が上記の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、上記の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。

１００ 触覚提示装置
１０１ 支持基板
１０５ 触覚提示パネル
１０６ 電極駆動回路
１０７ 制御部
１１０ 第１の交流電圧信号源
１１１、２１１ 出力端子
１１２、１２２ スイッチング回路
１１３、１１４、２１３、２１４ スイッチング素子
１１５、１１６、２１５、２１６ 制御信号線
１２０ 第２の交流電圧信号源
１６１ Ｘ電極駆動回路
１６２ Ｙ電極駆動回路
２０５、２１５Ａ、２０５Ｂ 対象領域
２１１Ａ、２１１Ｂ、２１３Ａ、２１３Ｂ 不要触覚が提示され得る領域
２１７ 連続フレームの対象領域が重なる領域
Ｘ０〜Ｘｍ、Ｘａ〜Ｘｌ Ｘ電極
Ｙ０〜Ｙｎ、Ｙａ〜Ｙｌ Ｙ電極

Claims (10)

1. 支持基板と、
   前記支持基板上において、互いに絶縁されて配置された複数の第１電極と、
   前記支持基板上において、前記複数の第１電極と絶縁され、互いに絶縁されて配置された複数の第２電極と、
   前記複数の第１電極と前記複数の第２電極とを駆動する、電極駆動回路と、を含み、
   前記電極駆動回路は、
   前記複数の第１電極と前記複数の第２電極の各電極に対して、交流電圧信号源及び基準電圧信号源を含む複数の電圧信号源から選択した一つを接続し、
   前記複数の第１電極と前記複数の第２電極とにおいて、対象領域に少なくとも一部が含まれる第１電極と第２電極とに、異なる交流電圧信号源を接続して、前記対象領域内において触覚を提示し、
   触覚提示フレームの遷移において、前記複数の第１電極と前記複数の第２電極とにおける各電極をフローティング状態にした後に、前記複数の電圧信号源から選択した一つを接続し、
   前記フローティング状態の持続時間は、前記対象領域の外における不要な触覚の強さが第１の時間長における強さより弱くなるように、前記第１の時間長よりも短い時間長に設定されている、触覚提示装置。
2. 請求項１に記載の触覚提示装置であって、
   前記フローティング状態の持続時間は、前記対象領域の外における不要な触覚が提示されない時間長に設定されている、触覚提示装置。
3. 請求項１に記載の触覚提示装置であって、
   前記フローティング状態の持続時間は、０より長く１．０ｍｓ以下の範囲において設定されている、触覚提示装置。
4. 請求項１に記載の触覚提示装置であって、
   前記フローティング状態の持続時間は、０より長く０．３ｍｓ以下の範囲において設定されている、触覚提示装置。
5. 請求項１に記載の触覚提示装置であって、
   前記異なる交流電圧信号源は、互いに異なる周波数の交流電圧信号を出力する、触覚提示装置。
6. 触覚提示装置を制御する方法であって、
   前記触覚提示装置は、
   支持基板と、
   前記支持基板上において、互いに絶縁されて配置された複数の第１電極と、
   前記支持基板上において、前記複数の第１電極と絶縁され、互いに絶縁されて配置された複数の第２電極と、を含み、
   前記方法は、
   前記複数の第１電極と前記複数の第２電極の各電極に対して、交流電圧信号源及び基準電圧信号源を含む複数の電圧信号源から選択した一つを接続し、
   前記複数の第１電極と前記複数の第２電極とにおいて、対象領域に少なくとも一部が含まれる第１電極と第２電極とに、異なる交流電圧信号源を接続して、前記対象領域内において触覚を提示し、
   触覚提示フレームの遷移において、前記複数の第１電極と前記複数の第２電極とにおける各電極をフローティング状態にした後に、前記複数の電圧信号源から選択した一つを接続し、
   前記フローティング状態の持続時間は、前記対象領域の外における不要な触覚の強さが第１の時間長における強さより弱くなるように、前記第１の時間長よりも短い時間長に設定されている、方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、
   前記フローティング状態の持続時間は、前記対象領域の外における不要な触覚が提示されない時間長に設定されている、方法。
8. 請求項６に記載の方法であって、
   前記フローティング状態の持続時間は、０より長く１．０ｍｓ以下の範囲において設定されている、方法。
9. 請求項６に記載の方法であって、
   前記フローティング状態の持続時間は、０より長く０．３ｍｓ以下の範囲において設定されている、方法。
10. 請求項６に記載の方法であって、
    前記異なる交流電圧信号源は、互いに異なる周波数の交流電圧信号を出力する、方法。

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