JP2020038620A

JP2020038620A - 触覚提示装置

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Publication number: JP2020038620A
Application number: JP2019125790A
Authority: JP
Inventors: 卓也浅井; Takuya Asai; 芳賀　浩史; Hiroshi Haga; 浩史芳賀
Original assignee: Tianma Japan Ltd
Current assignee: Tianma Japan Ltd
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2039-07-05
Also published as: JP7438677B2

Abstract

【課題】触覚提示装置がユーザに与える触覚強度を変化させる。【解決手段】触覚提示装置は、複数電極を含む触覚提示領域を含むパネルと、前記パネルを制御する制御部と、を含む。前記制御部は、前記触覚提示領域における第１領域に、第１正弦波信号と第２正弦波信号とを同時に与える。前記第１正弦波信号と前記第２正弦波信号とは前記第１領域内の異なる電極に与えられる。前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号は、同一周波数及び異なる位相を有する前記制御部は、前記第１領域を囲む周囲領域に、前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号よりも振幅が小さい基準信号を与える。【選択図】図１１

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。

本開示の背景技術は、静電気力により人体に触覚を提示する技術である。例えば、特許文献１は、電極群に差動電圧を与えることで、触覚を提示する技術を開示する。具体的には、特許文献１は、＋側電極及び−側電極に差動電圧を与えることで、＋側電極及び−側電極と指先との容量結合を引き起こすことで触覚を提示する。

米国特許出願公開第２０１３／００６３３８１号

触覚提示装置の利用においてユーザに与える触覚強度を変化させることができる技術が望まれる。

本開示の一態様の触覚提示装置は、複数電極を含む触覚提示領域を含むパネルと、前記パネルを制御する制御部とを含む。前記制御部は、前記触覚提示領域における第１領域に、第１正弦波信号と第２正弦波信号とを同時に与る。前記第１正弦波信号と前記第２正弦波信号とは前記第１領域内の異なる電極に与えられる。前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号は、同一周波数及び異なる位相を有する。前記制御部は、前記第１領域を囲む周囲領域に、前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号よりも振幅が小さい基準信号を与える。

本開示の一態様によれば、触覚提示装置がユーザに与える触覚強度を変化させることができる。

触覚提示装置の構成例を模式的に示す。触覚提示パネルの電極のレイアウト例を示す。触覚提示パネルの電極のレイアウト例を示す。触覚提示パネルの電極のレイアウト例を示す。触覚提示パネルの電極の一部及びそれらに与えられている信号の例を示す。触覚提示パネルの一部構成の断面及び触覚提示パネルをタッチする指との関係を模式的に示す。触覚提示パネルの対象領域（特定電極）のみが触覚を提示するように電極に信号を与える方法を示す。図５の複数電極に与える信号のパターン例において、触覚提示パネルの一部構成の断面及び触覚提示パネルをタッチする指との関係を模式的に示す。触覚提示パネルが触覚を提示可能な領域において、制御部が電極に与える信号の例を示す。触覚提示パネルが触覚を提示可能な領域において、制御部が電極に与える信号の例を示す。触覚提示パネルの一部構成の断面及び触覚提示パネルをタッチする指との関係を模式的に示す。二つの信号の変化を示す。触覚提示パネルの一部構成の断面及び触覚提示パネルをタッチする他の指との関係を模式的に示す。対象領域と指との関係例を示す。触覚提示パネルが触覚を提示可能な領域において、制御部が電極に与える信号の例を示す。表示装置上に表示される画像及び触覚を提示する対象領域の一例を示す。対象領域における信号のパターン例を示す。対象領域における信号のパターン例を示す。対象領域における信号のパターン例を示す。対象領域における信号のパターン例を示す。対象領域における信号のパターン例を示す。対象領域における信号のパターン例を示す。電極駆動回路の構成例を示す。電極駆動回路の構成例を示す。電極駆動回路の構成例を示す。電極駆動回路の回路構成の他の例を示す。触覚提示装置の異なる状態の期間を示す。触覚提示期間での電極駆動回路の状態を示す。放電期間での電極駆動回路の状態を示す。センサ期間での電極駆動回路の状態を示す。正弦波信号ペアの位相差と、触覚を与えることができた最低電圧振幅（検出閾値）との関係の主観評価を示す。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。本実施形態は本開示の特徴を実現するための一例に過ぎず、本開示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、触覚提示パネルの隣接電極に、同一周波数及び異なる位相の正弦波信号を与える。これにより、指やタッチペン等の擦過物で触覚提示装置の表面を擦るユーザに触覚を与える。さらに、触覚提示装置は、正弦波信号の位相差を変化させる。これにより、ユーザに与える触覚強度を変化させることができる。

＜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、複数の配線１５１及び複数の電極（不図示）を含む。図１においては、一つの配線のみが、例として、符号１５１で指示されている。触覚提示パネル１０５の表面は、絶縁膜で覆われている。

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（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）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１００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１００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。

配線１５１は、電極駆動回路１０６に接続されている。配線１５１は、触覚（触感）を提示する電極への信号を伝送する。図１の例において、配線１５１はＹ軸に沿って延び、Ｘ軸に沿って配列されている。配線１５１のレイアウトは設計依存する。例えば、触覚提示装置１００は、配線１５１に代えて又は加えて、Ｘ軸に沿って延び、Ｙ軸に沿って配列された配線を含んでもよい。

電極駆動回路１０６は、配線１５１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。制御部１０７は、触覚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、触覚を提示することができる。

以下において、触覚提示パネル１０５の電極及び配線のレイアウト例を説明する。これらは例に過ぎず、配線の配列と電極の配列の組み合わせは、設計によって最適に組み合わせられる。図２Ａは、触覚提示パネル１０５の電極及び配線のレイアウト例を示す。図２Ａにおいて、一つの電極及び配線が、例として符号１５５及び１５１で指示されている。電極１５５は正方形である。電極１５５は互いに離間しており、それぞれに電極駆動回路１０６からの異なる配線１５１が接続されている。

電極１５５と配線１５１とは異なる層に形成されており、配線１５１と電極とはコンタクトホールを介して接続される。制御部１０７は、電極１５５それぞれを個別に制御可能である。つまり、制御部１０７は、全ての電極１５５に異なる信号（電位）を与えることができる。電極１５５は、例えば、ＩＴＯからなる透明電極である。

電極１５５の形状は任意であって、正方形と異なっていてよい。また、電極１５５の一部が他の一部と異なる形状を有していてよい。図２Ａのレイアウト例において、電極１５５は、Ｘ軸及びＹ軸に沿ってマトリックス状に配置されている。電極１５５のレイアウトは任意であって、マトリックスレイアウトと異なっていてよい。

図２Ｂは、触覚提示パネル１０５の電極及び配線の他のレイアウト例を示す。図２Ｂは、電極及び配線の一部を示す。図２Ｂの例において、一つの電極及び配線が、例として符号１５５及び１５１で指示されている。電極１５５は正方形である。電極１５５はマトリックス状に配置されている。配線１５１及び電極１５５は同層に例えばＩＴＯで形成されている。Ｙ軸に沿って配列された電極１５５は、一つの配線１５１に接続されている。Ｘ軸に沿った方向において、電極１５５は離間している。

各配線１５１は、Ｙ軸に沿って配列された電極１５５の端の電極１５５と電極駆動回路１０６のピンとを接続すると共に、隣接する電極１５５を接続している。各配線１５１の一部と各電極１５５の一部は共有されている。Ｙ軸に沿った電極１５５は、同一の信号が与えられる。本構成は、電極１５５を駆動するチャネル数を低減できる。

図２Ｃは、触覚提示パネル１０５の電極及び配線の他のレイアウト例を示す。本構成は、電極１５５を駆動するチャネル数を低減できる。図２Ｃは、電極及び配線の一部を示す。触覚提示パネル１０５は、Ｘ軸に沿って延びる複数の配線１５１Ｈと、Ｙ軸に沿って延びる複数の配線１５１Ｖとを含む。Ｘ軸に沿って延びる一つの配線が、例として符号１５１Ｈで指示され、Ｙ軸に沿って延びる一つの配線が、例として符号１５１Ｖで指示されている。

触覚提示パネル１０５は、各配線１５１Ｈに接続された、Ｘ軸に沿って配列された複数の電極１５５Ｈを含む。触覚提示パネル１０５は、各配線１５１Ｖに接続された、Ｙ軸に沿って配列された複数の電極１５５Ｖを含む。異なる配線に接続されている電極は、互いに離間している。配線１５１Ｈに接続された一つの電極が例として符号１５５Ｈで指示され、配線１５１Ｖに接続された一つの電極が例として符号１５５Ｖで指示されている。配線１５１Ｈ及び電極１５５Ｈは同層に例えばＩＴＯで形成されている。配線１５１Ｖ及び電極１５５Ｖは同層に例えばＩＴＯで形成されている。なお、配線１５１Hと配線１５１Vとは絶縁膜を介して交差しており、両者の電気的な絶縁が保たれている。

電極１５５Ｈ、１５５Ｖは、Ｘ軸又はＹ軸に沿ってみて菱形である。電極１５５Ｈ、１５５Ｖのレイアウトは、デルタ配列である。隣接する電極１５５Ｈ間に電極１５５Ｖが配置され、隣接する電極１５５Ｖ間に電極１５５Ｈが配置されている。また、隣接する配線１５１Ｈの間に電極１５５Ｖが配置されており、隣接する配線１５１Ｖの間に電極１５５Ｈが配置されている。

各配線１５１Ｈは、Ｘ軸に沿って配列された電極１５５Ｈの端の電極１５５Ｈと電極駆動回路１０６のピンとを接続すると共に、隣接する電極１５５Ｈを接続している。各配線１５１Ｈの一部と各電極１５５Ｈの一部は共有されている。配線１５１Ｈに接続されている電極１５５Ｈは、同一の信号が与えられる。

各配線１５１Ｖは、Ｙ軸に沿って配列された電極１５５Ｖの端の電極１５５Ｖと電極駆動回路１０６のピンとを接続すると共に、隣接する電極１５５Ｖを接続している。各配線１５１Ｖの一部と各電極１５５Ｖの一部は共有されている。配線１５１Ｖに接続されている電極１５５Ｖは、同一の信号が与えられる。

＜電極へ与える信号＞
図３は、触覚提示パネル１０５の電極１５５の一部及びそれらに与えられている信号の例を示す。以下において、明示のない場合、触覚提示パネル１０５は、図２Ａに示す電極及び配線のレイアウトを有する。図３において、電極１５５Ｐ１のそれぞれには信号Ｐ１が与えられ、電極１５５Ｐ２のそれぞれには信号Ｐ２が与えられている。信号Ｐ１及びＰ２は同時に与えられる。図３においては、例として、信号Ｐ１が与えられる一つの電極のみが符号１５５Ｐ１で指示され、信号Ｐ２が与えられる一つの電極のみが符号１５５Ｐ２で指示されている。

信号Ｐ１及びＰ２は正弦波であり、同一の周波数及び振幅を有し、異なる位相を有する。例えば、信号Ｐ１はＡｓｉｎ（ωｔ）で表わされ、信号Ｐ２はＡｓｉｎ（ωｔ＋φ）で表わされる。振幅は、異なっていてもよい。ただし、信号生成の容易性の観点から、振幅は同じである方が望ましい。図３の例においては、信号Ｐ１を与えられる電極１５５Ｐ１及び信号Ｐ２を与えられる電極１５５Ｐ２は市松模様を構成している。つまり、電極１５５Ｐ１の上下左右に隣接する電極は電極１５５Ｐ２であり、電極１５５Ｐ２の上下左右に隣接する電極は電極１５５Ｐ１である。ここで、上下方向はＹ軸に沿った方向であり、左右方向はＸ軸に沿った方向である。

図４は、触覚提示パネル１０５の一部構成の断面及び触覚提示パネル１０５をタッチする指３００との関係を模式的に示す。指３００は、触覚提示パネル１０５の表面を擦る擦過物の例である。電極１５５Ｐ１及び電極１５５Ｐ２の前面は絶縁膜１５６で覆われている。指３００と電極１５５Ｐ１及び１５５Ｐ２との間に絶縁膜１５６が存在する。ここで、擦過物が触覚提示パネル１０５を擦る面を前面と呼び、その反対面を後面と呼ぶ。

指３００と絶縁膜１５６との接触面は、電極１５５Ｐ１及び電極１５５Ｐ２と対向している。指３００は、絶縁膜１５６を介して、電極１５５Ｐ１及び電極１５５Ｐ２と容量結合する。指３００と電極１５５Ｐ１との間の振動する静電気力及び指３００と電極１５５Ｐ２との間の振動する静電気力によって、擦過時に触覚が発現する。信号Ｐ１及び信号Ｐ２の間の位相差φを変化させることで、触覚の強度を変化させることができる。

図５は、触覚提示パネル１０５の対象領域（特定電極）のみが触覚を提示するように電極に信号を与える方法を示す。図５において、触覚提示パネル１０５が触覚を与えることができる全領域の一部の対象領域５０１（特定の電極）が触覚を与え、その周囲の領域（電極）が触覚を与えない。

制御部１０７は、対象領域５０１の電極１５５Ｐ１及び１５５Ｐ２に、それぞれ、信号Ｐ１及び信号Ｐ２を与える。図３を参照して説明した例と同様に、電極１５５Ｐ１及び１５５Ｐ２は、市松模様を構成している。対象領域５０１の周囲の電極１５５Ｃに対して、制御部１０７は基準信号を与える。基準信号Ｐ０は、信号Ｐ１及びＰ２よりも振幅が小さい交流信号又は一定電位である。一定電位の振幅は０である。基準信号は、例えば、グランド電位である。なお、図５において、対象領域５０１の周囲の一つの電極のみが、例として、符号１５５Ｃで指示されている。

また基準信号は後述のセンサ回路における基準交流信号でも構わない。基準交流信号の振幅は触覚信号の振幅より小さい振幅が望ましい。具体的には、２０Ｖ以下の振幅が望ましい。

図６は、図５の複数電極に与える信号Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２のパターン例において、触覚提示パネル１０５の一部構成の断面及び触覚提示パネル１０５をタッチする指３００との関係を模式的に示す。ユーザは、対象領域５０１外から対象領域５０１に指３００を擦る。つまり、指３００は、信号Ｐ０が与えられている電極１５５Ｃと対向する領域から、信号Ｐ１及びＰ２が与えられている電極１５５Ｐ１及び１５５Ｐ２と対向する領域に移動する。

図６の例において、指３００は、対象領域５０１の境界上、電極１５５Ｃ及び電極１５５Ｐ２と対向し、これらと容量結合している。位置によっては、指３００は、対象領域５０１の境界上、電極１５５Ｃ及び電極１５５Ｐ１と対向し、これらと容量結合する。指３００と基準信号が与えられている電極１５５Ｃとの容量結合により、対象領域５０１の境界の触覚が鮮明になる。また、電極１５５Ｃには基準信号が与えられているため、例えば、対象領域５０１外において他の指の意図しない誤タッチがあっても、触覚を与えることがない。

図７及び図８は、触覚提示パネル１０５が触覚を提示可能な領域（触覚提示領域）において、制御部１０７が電極１５５に与える信号の例を示す。図７の例において、一つの対象領域５０１に対して、位相が異なる正弦波信号Ｐ１及びＰ２が与えられている。指３００Ｒは、対象領域５０１においてテクスチャを感じることができる。対象領域５０１における信号Ｐ１及びＰ２のパターンは、図３と同様である。

図８に示すように、対象領域５０１外の領域に対して電位一定の基準信号Ｐ０が与えられている。指３００Ｌは、対象領域５０１外の領域５０２をタッチしている。領域５０２の電極１５５Ｃには電位一定の基準信号Ｐ０が与えられているので、指３００Ｌがテクスチャを感じることはない。

図７、８の例において正弦波信号Ｐ１及びＰ２の位相差（Φ）を１８０度とすることができる。図９Ａは、触覚提示パネルの一部構成の断面及び触覚提示パネルをタッチする指との関係を模式的に示す。図９Ｂは、信号Ｐ１及びＰ２の変化を示す。図９Ｃは、触覚提示パネルの一部構成の断面及び触覚提示パネルをタッチする他の指との関係を模式的に示す。

図９Ａから９Ｃに示すように、信号Ｐ１の電位及び信号Ｐ２の電位の平均電位は常に略一定であるから、対象領域５０１にタッチしている指３００Ｒは対象領域５０１からの電位変動の影響をほとんど受けない。従って指３００Ｒ及び指３００Ｌが同一人であっても、指３００Ｌは指３００Ｒの電位変動の影響をほとんど受けることがないため、対象領域５０１と対象領域外の領域５０２のテクスチャの違いをより鮮明に感知することができる。

さらに、対象領域５０１に触れた指から人体内部へ電流が流れる。正弦波信号Ｐ１とＰ２の位相差（Φ）によって人体内部への電流量は変動する。例えば、位相差（Φ）が０度のときは電極から一定の静電容量を持つ人体内部に電流が流れ、人はしびれ感を感じる。一方、例えば位相差（Φ）が１８０度のときはＰ１及びＰ２の間で電流が流れるため、人体内部にはほとんど電流は流れない。従って、位相差１８０度の場合は人はしびれ感を感じないため、より強いテクスチャを感じることができる。

触覚提示パネル１０５は、空間的に分離した複数の対象領域５０１を提示することができる。図１０は、対象領域５０１と指との関係例を示す。複数の対象領域５０１にはそれぞれ正弦波信号Ｐ１及びＰ２が与えられている。対象領域５０１にタッチしている指３００Ｒ１及び指３００Ｌはテクスチャを感じることができ、対象領域外の領域５０２にタッチしている指３００Ｒ２はテクスチャを感じない。対象領域５０１における信号Ｐ１及びＰ２のパターンは、図３と同様である。

図１１は、触覚提示パネル１０５が触覚を提示可能な領域において、制御部１０７が電極１５５に与える信号の例を示す。制御部１０７は、対象領域５０１及び対象領域５０３の電極１５５に対して、それぞれ、指３００Ｒ及び３００Ｌに触覚を提示するための信号ペアを与える。対象領域５０１及び対象領域５０３は分離しており、全く重なっていない。対象領域５０１及び対象領域５０３の外の領域の電極１５５に対しては、基準信号Ｐ０が与えられる。

具体的には、制御部１０７は、対象領域５０１の電極１５５に対して、正弦波信号Ｐ１及び正弦波信号Ｐ２からなる信号ペアを与える。信号Ｐ１と信号Ｐ２とは同一周波数ω１を有し、異なる位相（位相差φ１）を有する。信号Ｐ１と信号Ｐ２が与えられる電極の配置は、例えば、図３を参照して説明した配置と同様である。

制御部１０７は、対象領域５０３の電極１５５に対して、正弦波信号Ｐ３及び正弦波信号Ｐ４からなる信号ペアを与える。信号Ｐ３と信号Ｐ４とは同一周波数ω２を有し、異なる位相（位相差φ２）を有する。信号Ｐ３と信号Ｐ４が与えられる電極の配置は、例えば、図３を参照して説明した配置と同様である。

信号Ｐ３及びＰ４の周波数ω２は、信号Ｐ１及びＰ２の周波数ω１と同一又は異なる。信号Ｐ１からＰ４の周波数が同一であることは、触覚提示パネル１０５の制御をより容易なものとする。信号Ｐ３及びＰ４の位相差φ２と、信号Ｐ１及びＰ２の位相差φ１とは、異なる。異なる位相差は、対象領域５０１及び５０３が異なる強度の触覚を提示することを可能とする。

対象領域５０１及び５０３以外の領域において、電極１５５に対して電位一定の基準信号Ｐ０が与えられている。そのため、上述のように、対象領域５０１及び５０３の境界の触覚が鮮明になる。また、対象領域５０１及び５０３外において、他の指の意図しない誤タッチがあっても、触覚を与えることがない。

図１１の例は、同一期間内に、分離した（共有する電極がない）対象領域５０１及び５０３に、位相差が異なる正弦波信号ペアを与える。これにより、対象領域５０１及び５０３において、異なる強度の触覚をユーザに与えることができる。

他の例において、制御部１０７は、同一領域又は一部が重なる二つの領域に対して、分離された期間（重複がない期間）に、位相差が異なる正弦波信号ペアを与えてよい。例えば、制御部１０７は、第１期間において、信号Ｐ１及びＰ２を対象領域５０１の電極に与え、第１期間に続く第２期間において、信号Ｐ３及びＰ４を対象領域５０１の電極に与える。

制御部１０７は、正弦波信号ペアを与える領域（電極）を変更することで、実際に触覚を提示する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、制御部１０７は、動画のように、連続的に対象領域を移動させてもよい。

図１２は、表示装置上に表示される画像及び触覚を提示する対象領域の一例を示す。画像７０１は時間とともに表示装置の表示領域７１０上を移動する。画像７０１の移動に伴い、触覚を提示する対象領域７１１も移動する。具体的には、触覚を提示する対象領域は、領域７１１から領域７１２を介して領域７１３へ移動する。画像７０１は、領域７１１から領域７１２を通って領域７１３に至る。

波形図７２０は、領域７１５の電極に与える信号を示す。制御部１０７は、期間７２２において、領域７１５の電極に信号Ｐ１及び信号Ｐ２が与える。信号Ｐ１及び信号Ｐ２の位相差は、例えば、１８０°である。制御部１０７は、期間７２２において、領域７１５の電極に基準信号を与える。制御部１０７は、期間７２３において、領域７１５の電極に信号Ｐ１及び信号Ｐ２が与える。

期間７２１の最後に、領域７１５の電極に所定の電位が蓄積される。しかし、期間７２１に領域７１５の電極は基準信号が与えられるため、期間７２３における信号は、期間７２１において蓄積された電位の影響を受けることはない。上述のように、基準信号は一定電位又は触覚信号振幅に比較して百分の一程度の低電圧振動電位であってよい。触覚信号の周波数は、例えば、神経の振動検出閾値から数十〜数百Ｈｚである。

触覚信号は単一の正弦波信号だけでなく複数の周波数成分を含む三角級数信号であってもよい。互いに隣接する電極の触覚信号の周波数の同一性とは、一方の三角級数信号が有する複数の項と同一の周波数成分項を他方の三角級数信号が過不足なく有するということである。さらに振幅の同一性とは、互い三角級数信号の同一の周波数成分項の係数が同一ということである。触覚信号は例えば矩形波信号や三角波信号やその他の三角級数信号も本開示に含まれる。

以下において、触覚を与える対象領域における信号Ｐ１及びＰ２（を与えらえる電極）のパターンのいくつかの例を説明する。図１３は、対象領域における信号Ｐ１及びＰ２のパターン例を示す。上下左右に隣接する４つの電極からなる電極ユニットに同一の信号Ｐ１又はＰ２が与えられる。

信号Ｐ１が与えられる電極１５５Ｐ１からなる電極ユニットに上下左右において隣接する電極ユニットは、信号Ｐ２が与えられる電極１５５Ｐ２からなる電極ユニットである。つまり、信号Ｐ１及びＰ２を与えられる複数の電極ユニットが、市松模様を構成する。

擦過物が接触する領域３５０は、信号Ｐ１が与えられる電極１５５Ｐ１及び信号Ｐ２が与えられる電極１５５Ｐ２を含む。つまり、擦過物は、電極１５５Ｐ１及び電極１５５Ｐ２と同時に容量結合し、電極１５５Ｐ１及び電極１５５Ｐ２から振動する静電気力を同時に受けることができる。

制御部１０７は、擦過物の接触面積に応じて、対象領域に与える信号Ｐ１及びＰ２のパターンを変化させてもよい。例えば、制御部１０７は、擦過物の接触面積が狭い場合に図３に示すパターンの信号Ｐ１及びＰ２を与え、擦過物の接触面積が広い場合に図１３に示すパターンの信号Ｐ１及びＰ２を与える。

電極ユニットを構成する同一信号が与えられる電極の数は、擦過物の接触面積に応じて任意に設定できる。例えば、電極ユニットは、３×３の電極で構成されていてもよい。いずれの構成においても、触覚を与える対象領域は、位相が異なる信号が与えられる隣接電極を含む。

図１４は、対象領域における信号Ｐ１及びＰ２の他のパターン例を示す。Ｙ軸に沿って配列されている各列の電極に対して同一の信号が与えられている。Ｘ軸沿って隣接する電極列には、異なる信号が与えられている。

具体的には、信号Ｐ１が与えられており、Ｙ軸に沿って配列された電極１５５Ｐ１で構成されている電極列と、信号Ｐ２が与えられており、Ｙ軸に沿って配列された電極１５５Ｐ２で構成されている電極列とが、Ｘ軸に沿って交互に配列されている。Ｙ軸に沿って隣接する電極に対しては同一の信号が与えられているが、Ｘ軸に沿って隣接する電極に対しては位相が異なる信号Ｐ１及びＰ２が与えられている。

擦過物の接触領域３５０は、Ｙ軸に沿った長さよりもＸ軸に沿った長さが長く、その移動方向３５１はＹ軸に沿った方向である。接触領域３５０は、いずれの位置においても、電極１５５Ｐ１及び電極１５５Ｐ２を含む。つまり、擦過物は、電極１５５Ｐ１及び電極１５５Ｐ２と同時に容量結合し、電極１５５Ｐ１及び電極１５５Ｐ２から振動する静電気力を同時に受けることができる。

図１５は、対象領域における信号Ｐ１及びＰ２のパターン例を示す。Ｘ軸に沿って配列されている各行の電極に対して同一の信号が与えられている。Ｙ軸沿って隣接する電極行には、異なる信号が与えられている。

具体的には、信号Ｐ１が与えられており、Ｘ軸に沿って配列された電極１５５Ｐ１で構成されている電極行と、信号Ｐ２が与えられており、Ｘ軸に沿って配列された電極１５５Ｐ２で構成されている電極行とが、Ｙ軸に沿って交互に配列されている。Ｘ軸に沿って隣接する電極に対しては同一の信号が与えられているが、Ｙ軸に沿って隣接する電極に対しては位相が異なる信号Ｐ１及びＰ２が与えられている。

擦過物の接触領域３５０は、Ｘ軸に沿った長さよりもＹ軸に沿った長さが長く、その移動方向３５１はＸ軸に沿った方向である。接触領域３５０は、いずれの位置においても、電極１５５Ｐ１及び電極１５５Ｐ２を含む。つまり、擦過物は、電極１５５Ｐ１及び電極１５５Ｐ２と同時に容量結合し、電極１５５Ｐ１及び電極１５５Ｐ２から振動する静電気力を同時に受けることができる。

図１４及び１５に示すストライプパターンは、電極１５５の電位制御がより容易である。このように、擦過物の動かす方向、接触面積などにより適切なパターンを選択することができる。なお、図１４の例において、連続する２列以上に同一信号が与えられてもよく、図１５の例において、連続する２行以上に同一信号が与えられてもよい。

図１６は、対象領域における信号Ｐ１及びＰ２のパターン例を示す。触覚提示パネル１０５は、図２Ｃに示す電極及び配線のレイアウトを有する。配線１５１Ｈ及びそれらに接続された電極に対して信号Ｐ１が与えられている。配線１５１Ｖ及びそれらに接続された電極に対して信号Ｐ２が与えられている。信号Ｐ１が与えられている電極１５５Ｐ１及び信号Ｐ２が与えられている電極１５５Ｐ２は、市松模様を構成している。

図１７は、対象領域における信号Ｐ１及びＰ２のパターン例を示す。触覚提示パネル１０５は、図２Ｃに示す電極及び配線のレイアウトを有する。配線１５１Ｈ及びそれらに接続された電極に対して、信号Ｐ１及び信号Ｐ２が交互に与えられている。また、配線１５１Ｖ及びそれらに接続された電極に対して、信号Ｐ１及び信号Ｐ２が交互に与えられている。

信号Ｐ１が与えられている隣接する四つの電極１５５Ｐ１からなる電極ユニットと、信号Ｐ２が与えられている隣接する四つの電極１５５Ｐ２からなる電極ユニットとが、市松模様を構成している。図１６のパターンと比較して、市松模様のピッチが大きい。

図１８は、対象領域における信号Ｐ１及びＰ２のパターン例を示す。触覚提示パネル１０５は、図２Ｂに示す電極及び配線のレイアウトを有する。配線１５１及びそれらに接続された電極に対して、信号Ｐ１及び信号Ｐ２が交互に与えられている。信号Ｐ１及びＰ２のパターンは、図１４に示すパターンと同様である。

上述のように、配線と電極のレイアウト及び電極駆動回路からの信号により、信号のパターンを変えることができる。

＜電極駆動回路＞
以下において、電極駆動回路１０６の回路構成例を説明する。電極駆動回路１０６は、配線線と信号供給部との間の切り替えスイッチを含む。信号供給部は、基準電位供給部及び触覚信号供給部を含む。触覚信号供給部は、信号Ｐ１又は信号Ｐ２を供給する。

図１９は、電極駆動回路１０６の回路構成例を示す。電極駆動回路１０６は、信号Ｐ１を与えるための回路８１０及び信号Ｐ２を与えるための回路８２０を含む。各配線に、回路８１０又は回路８２０が接続されている。つまり、各電極には、触覚提示のために信号Ｐ１又は信号Ｐ２の一方のみが与えられる。これにより、電極駆動回路１０６の構成が簡便にできる。

回路８１０は、スイッチ８１１及び８１２を含む。スイッチ８１１は、電極１５５とグランドとを接続する。スイッチ８１２は、電極１５５と信号Ｐ１の信号源８１３とを接続する。制御部１０７は、スイッチ８１１及び８１２を制御することで、電極１５５に対して、グランド電位（基準信号）又は触覚提示のための信号Ｐ１を与える。

回路８２０は、スイッチ８２１及び８２２を含む。スイッチ８２１は、電極１５５と基グランドとを接続する。スイッチ８２２は、電極１５５と信号Ｐ２の信号源８２３とを接続する。制御部１０７は、スイッチ８２１及び８２２を制御することで、電極１５５に対して、グランド電位（基準信号）又は触覚提示のための信号Ｐ２を与える。

図２０は、電極駆動回路１０６の回路構成の他の例を示す。電極駆動回路１０６は、信号Ｐ１、信号Ｐ２及び基準信号から選択信号を与えるための回路８３０を含む。各配線に、回路８３０が接続されている。

回路８３０は、スイッチ８３１、８３２及び８３３を含む。スイッチ８３１は、電極１５５と基グランドとを接続する。スイッチ８３２は、電極１５５と信号Ｐ１の信号源８３４とを接続する。スイッチ８３３は、電極１５５と信号Ｐ２の信号源８３５とを接続する。制御部１０７は、スイッチ８３１、８３２及び８３３を制御することで、電極１５５に対して、グランド電位（基準信号）、信号Ｐ１、又は信号Ｐ２を与える。この構成により、様々な信号Ｐ１及びＰ２のパターンを実現できる。

図２１は、電極駆動回路１０６の回路構成の他の例を示す。電極駆動回路１０６は、信号Ｐ１、信号Ｐ２、基準信号から選択信号を与えると共に、センサ機能を実現するための回路８４０を含む。各配線に、回路８４０が接続されている。

回路８４０は、スイッチ８４１、８４２、８４３及び８４４を含む。スイッチ８４１は、電極１５５と基グランドとを接続する。スイッチ８４２は、電極１５５と信号Ｐ１の信号源８４５とを接続する。スイッチ８４３は、電極１５５と信号Ｐ２の信号源８４６とを接続する。スイッチ８４４は、電極１５５とセンサ（不図示）とを接続する。

制御部１０７は、スイッチ８４１、８４２、８４３及び８４４を制御することで、電極１５５に対して、グランド電位（基準信号）、信号Ｐ１、若しくは信号Ｐ２を与える、又はセンサに電極１５５からの信号を与える。この構成により電極に触覚提示の機能だけでなく、センサ機能を付加することができる。

図２２は、電極駆動回路１０６の回路構成の他の例を示す。電極駆動回路１０６は、信号Ｐ１、信号Ｐ２、基準信号から選択信号を与えると共に、センサ機能を実現するための回路８５０を含む。各配線に、回路８５０が接続されている。

回路８５０は、スイッチ８５１、８５２、８５３及び８５４を含む。スイッチ８５１は、電極１５５と基準信号８５７とを接続する。スイッチ８５２は、電極１５５と信号Ｐ１の信号源８５５とを接続する。スイッチ８５３は、電極１５５とＰ１の信号源８５５と接続した移相器８５６とを接続する。スイッチ８５４は、電極１５５とセンサ（不図示）とを接続する。基準信号８５７は例えばセンサ回路の基準交流信号と同等の信号で構わない。移相器８５６は信号Ｐ１と位相の異なる信号Ｐ２を生成する。信号Ｐ１と信号Ｐ２の位相差が１８０度の場合には、移相器８５６は例えば反転回路でも構わない。

図２３Ａから２３Ｄを参照して、触覚提示装置にセンサ機能を付与する一例を説明する。図２３Ａは、触覚提示装置１００の異なる状態の期間を示す。図２３Ｂから２３Ｄは、それぞれ、異なる状態期間での電極駆動回路の状態を示す。触覚提示装置１００は、電極１５５に接続したスイッチを順次切り替えることにより、触覚提示期間２３１、放電期間２３２、センサ期間２３３を示す。

触覚提示期間２３１では、電極１５５はスイッチＳ２により信号Ｐ１に接続される。放電期間２３２では、電極１５５はスイッチＳ１により基準電位Ｐ０に接続される。センサ期間２３３では、電極１５５はスイッチＳ３によりセンサ回路に接続される。基準電位Ｐ０は、例えば、基準電位電源やグランドや交流電源であってよい。

本構成により、触覚提示期間２３１に電極１５５に蓄積された電圧は、放電期間２３２で放電されるため、センサ期間２３３でセンサ回路は電極電圧の影響を受けず、安定したセンサ検出が可能である。

＜位相差と触覚強度との関係＞
以下において位相差と触覚強度との関係について説明する。以下において、擦過物は指であるとする。上述のように、制御部１０７は、互いに位相が異なり、かつ周波数が同一である２つの正弦波信号を、パネル上に配置された互いに隣り合う２つの電極に入力する。しかし、触覚提示装置１００とユーザとは、電気的に独立した系であるため、ユーザの身体電位（指の電位）は、ユーザの状態（周囲環境を含む）によって変化する。

例えば、身体が接地されているとき、指の電位はグランド電位である。一方、身体が非接地のとき、指の電位は、２つの信号Ｐ１及びＰ２の平均（（Ｐ１＋Ｐ２）／２）である。そのため、ユーザの状態によって、指と触覚提示装置１００の電極との間に発生する静電気力（触覚強度）が変化してしまう。したがって、触覚提示装置１００は、ユーザの状態による静電気力（触覚強度）の変化を小さくすることが望まれる。

本開示の触覚提示装置１００は、二つの正弦波信号の位相差を特定の範囲内に含めることで、ユーザの状態に起因する静電気力（触覚強度）の変化を小さくする。以下において、具体的に説明する。

図２４は、正弦波信号ペアの位相差と、触覚を与えることができた最低電圧振幅（検出閾値）との関係の主観評価を示す。図２４のグラフにおいて、横軸は正弦波信号ペアの位相差（角度）を示し、縦軸はテクスチャが感じられた電圧（検出閾値）を示す。白丸は、身体接地状態における評価結果を示し、黒丸は身体非接地状態における評価結果を示す。１０度毎の位相差の検出閾値が評価された。

評価に使用された触覚提示装置は、図３を参照して説明したように、市松状に配置された２つの電極群に位相差の異なる２つの信号を入力した。入力された信号の周波数は１５０Ｈｚであった。

図２４のグラフから理解されるように、位相差によって、身体接地状態の検出閾値と身体非接地状態における検出閾値との差が大きく変化している。図２４のグラフにおいて、位相差４０から６０度の範囲４０１において、身体接地状態の検出閾値と身体非接地状態における検出閾値との差が小さい。また、位相差１１０から１８０度の範囲４０２において、身体接地状態の検出閾値と身体非接地状態における検出閾値との差が小さい。

ここで、検出閾値と触覚強度とは、触覚提示のための電圧振幅が同じ場合、検出閾値が低い方が触覚強度は強くなり、検出閾値が高い方が触覚強度は弱くなる関係にある。図２４によれば、触覚提示装置は、範囲４０１及び４０２において、身体接地状態及び身体非接地状態における検出閾値の差が小さいことから、身体の接地と非接地に関わらず、略同様の触覚強度を提示することができた。また、範囲４０１の検出閾値は範囲４０２検出閾値より高くなっている。触覚提示装置は、位相差によって触覚強度が変化し、範囲４０１における触覚強度は、範囲４０２における触覚強度よりも小さかった。

触覚提示装置と擦過物が電気的に独立な系であれば、各種デバイスへ適用が比較的容易となる。しかし、擦過物の電位が周囲環境及び擦過物に近接する電極電位によって変動するため、一定の触覚強度（静電気力）を安定的に提示することが困難となる。図２４の評価から、正弦波信号ペアの位相差を範囲４０１及び範囲４０２に設定することにより、一定の触覚強度を安定的に提示することができる。

位相差範囲４０１と４０２との間に、触覚強度の差異が存在する。具体的には、位相差範囲４０１の触覚強度が位相差範囲４０２の触覚強度に比べて弱い。触覚提示装置１００は、異なる位相差の正弦波信号ペアを分離した領域又は期間において使用する場合、一方の正弦波信号ペアの位相差を一つの位相差範囲から選択し、他方の正弦波信号ペアの位相差を他方の位相差範囲から選択してもよい。これにより、触覚強度の違いを大きくすることができる。触覚提示装置１００は、双方の正弦波信号ペアの位相差を、一つの位相差範囲から選択してもよい。

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、１５１Ｘライン、１５２Ｙライン、１５５、１５５Ｐ１−１５５Ｃ電極、１５６絶縁膜、３００、３００Ｌ、３００Ｒ指、３５０接触領域、３５１、３５２移動方向、４０１、４０２、４５１、４５２、６３１、６３２、６３５、６３６位相差範囲、４２１身体接地状態における静電気力振幅、４２２身体非接地状態における静電気力振幅、４４１異なる位相差における、身体接地状態と身体非接地状態との間の検出閾値の差の規格化絶対値、４４２静電気力振幅差、４５４触覚差
不検出範囲、５０１、５０２、５０３触覚提示対象領域、６０１静電気力振幅の平均値の変化、６０２静電気力振幅のばらつき幅の変化、６０３静電気力振幅のばらつき幅及び静電気力振幅のばらつき幅の静電気力振幅の平均値に対する比率の変化、Ｃｂ人体容量、Ｃｐ１、Ｃｐ２容量、ＥＰ１、ＥＰ２電極、Ｐ０基準信号、Ｐ１−Ｐ４正弦波信号

Claims

複数電極を含む触覚提示領域を含むパネルと、
前記パネルを制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記触覚提示領域における第１領域に、第１正弦波信号と第２正弦波信号とを同時に与え、
前記第１正弦波信号と前記第２正弦波信号とは前記第１領域内の異なる電極に与えられ、
前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号は、同一周波数及び異なる位相を有し、
前記制御部は、前記第１領域を囲む周囲領域に、前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号よりも振幅が小さい基準信号を与える、
触覚提示装置。
請求項１に記載の触覚提示装置であって、
前記触覚提示領域は、同一期間内に空間的に分離した複数の前記第１領域を含み、
前記制御部は、前記複数の前記第１領域に、前記第１正弦波信号と第２正弦波信号を同時に与える、
触覚提示装置。
請求項１に記載の触覚提示装置であって、
前記異なる位相の位相差が１８０度である、
触覚提示装置。
請求項１に記載の触覚提示装置であって、
前記基準信号の電位は一定である、
触覚提示装置。
請求項１に記載の触覚提示装置であって、
前記第１正弦波信号と前記第２正弦波信号を供給する回路が移相器または反転回路を含む、
触覚提示装置。
請求項１に記載の触覚提示装置であって、
前記触覚提示領域における第２領域に、第３正弦波信号と第４正弦波信号とを同時に与え、前記第３正弦波信号と前記第４正弦波信号とは前記第２領域内の異なる電極に与えられ、
前記第３正弦波信号及び前記第４正弦波信号は、同一周波数及び異なる位相を有し、
前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号の間の位相差と、前記第３正弦波信号及び前記第４正弦波信号の間の位相差とは、異なる、
触覚提示装置。
請求項６に記載の触覚提示装置であって、
前記第１領域と前記第２領域とは分離された領域である、
触覚提示装置。
請求項６に記載の触覚提示装置であって、
前記第２領域の少なくとも一部は、前記第１領域に含まれ、
前記制御部は、前記第３正弦波信号及び前記第４正弦波信号を、前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号と異なる期間に前記第２領域に与える、
触覚提示装置。
請求項６に記載の触覚提示装置であって、
前記第１正弦波信号、前記第２正弦波信号、前記第３正弦波信号及び前記第４正弦波信号は、同一の振幅を有する、
触覚提示装置。
請求項６に記載の触覚提示装置であって、
前記触覚提示領域における第３領域に、第５正弦波信号と一定の基準電位とを同時に与え、前記第５正弦波信号と前記基準電位とは前記第３領域内の異なる電極に与えられる、
触覚提示装置。
請求項６に記載の触覚提示装置であって、
前記第１正弦波信号及び前記第２正弦波信号の位相差は、第１範囲内であり、
前記第３正弦波信号及び前記第４正弦波信号の位相差は、前記第１範囲と分離された第２範囲内であり、
前記第１範囲は、４０度から６０度であり、
前記第２範囲は、１１０度から１８０度である、
触覚提示装置。