JP2022154008A - 電気触覚デバイス及び触覚デバイス用部材 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性が高く、周囲の環境による影響を受けにくい電気触覚デバイス及び触覚デバイス用部材を提供する。【解決手段】電気触覚デバイスは、電極基板１と、電極基板１の一方の面に設けられた電極２と、電極２を覆うように、電極基板１の前記一方の面に設けられた導電性樹脂層３と、刺激位置を示す刺激パターンを生成する刺激パターン生成部５と、刺激パターンに基づいて、電極２に印加する電圧を切り替えるスイッチング回路４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電気刺激により触覚を感じさせる電気触覚デバイス、及び電気触覚デバイスに用いられる触覚デバイス用部材に関する。

振動することにより人間に何らかの情報や警報を伝える装置は、音を出さず、かつ視野に入っていなくても情報を伝えることができるため、スマートフォンの着信を知らせる用途など、様々な分野で使用されている。しかし、振動で情報を伝える場合、振動子が必要になり、装置の軽量化等に不利であった。

振動に代えて電気刺激を与えることにより、人に情報を伝える装置が考案されている。例えば、特許文献１には、額などにある程度の面積をもった触覚刺激ディスプレイを設け、触覚に類似した刺激を与える装置が開示されている。電気信号により人間に情報を伝えることで、振動子が不要となり、装置の軽量化に有利である。また、皮膚や指先等に直に接触するため、情報を伝えやすい。

上記特許文献１の触覚刺激ディスプレイは、刺激電極と装着者の皮膚との間に位置する導電性ゲル層を必須の構成要素としている。この導電性ゲル層は、親水性樹脂に導電性を付与する為に水と電解質を含有させたものであるため、粘着性があり、繰り返し使用することは難しく、また壊れやすいものであり、まして機器の一部として繰り返し使用することは困難であった。また、導電性ゲル層には、ゲルの含水率の変化や、環境からの外乱の影響を受けやすい等の問題があった。

国際公開第２００７／０６６７１７号

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、耐久性が高く、周囲の環境による影響を受けにくい電気触覚デバイス及び触覚デバイス用部材を提供することを課題とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、導電性ゲルの代わりに、導電性樹脂層、より好ましくは体積抵抗と表面抵抗が特定の範囲にある導電性樹脂フィルムを使用することで、上記目的が達成されることを見出した。本発明は、かかる知見に基づくものである。

本発明の電気触覚デバイスは、電極基板と、前記電極基板の一方の面に設けられた電極と、前記電極を覆うように、前記電極基板の前記一方の面に設けられた導電性樹脂層と、刺激位置を示す刺激パターンを生成する刺激パターン生成部と、前記刺激パターンに基づいて、前記電極に印加する電圧を切り替えるスイッチング回路と、を備えるものである。

本発明の触覚デバイス用部材は、電極基板と、前記電極基板の一方の面に設けられた電極と、前記電極を覆うように、前記電極基板の前記一方の面に設けられた導電性樹脂層と、を備えるものである。

本発明によれば、導電性樹脂層を用いることで、耐久性が高く、周囲の環境による影響を受けにくく、かつ粘着性が低くなり、安定した繰り返し使用が可能となる。

本発明の実施の形態に係る電気触覚デバイスの模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態に係る電気触覚デバイスは、電極基板１、電極基板１の一方の面（表面）に設けられた複数の電極２（刺激電極）、及び複数の電極２を覆うように電極基板１の一方の面に設けられた導電性樹脂層３を有する接触デバイス用部材と、電極基板１の他方の面に設けられたスイッチング回路４と、刺激パターン生成部５と、電源（図示略）と、を備える。

この電気触覚デバイスの導電性樹脂層３を人間の皮膚に接触させ、電極２間に電圧をかけると、導電性樹脂層３、及び導電性樹脂層３に接触している人間の皮膚表面に微弱な電流が流れる。この電流量を適当な範囲にすることにより、導電性樹脂層３に接触している人間は、触られているような触覚刺激を取得できる。あるいはまた、電流のオンオフを繰り返すことにより、人間は振動を感じることができる。電気刺激の条件は、特開２００２－６５８６６号公報、特開２００２－３２８５９６号公報、国際公開ＷＯ０１／０３８９５８号などに記載されている公知の条件を用いることができる。

電極基板１の材料は特に限定されず、シリコン基板やフレキシブル基板などを用いることができる。

刺激パターン生成部５は、スイッチング回路４に電気的に接続されており、刺激したい位置を示す刺激パターンを生成し、スイッチング回路４へ出力する。

スイッチング回路４は、電極２と電源との間に設けられており、刺激パターン生成部５から入力された刺激パターンに基づいて、各電極２について、電源／グランドの接続の切り替えを行う。これにより、皮膚下に電流経路を形成し、人体の所望の位置に刺激を与えることができる。

電極２は２個以上設けられていればよく、電極２の個数は特に限定されない。電極２をライン状に配置してもよいし、マトリクス状に配置したアレイ電極としてもよい。

電極２の材質は従来公知のものを使用できる。電気触覚デバイスを設ける面に対してある程度の追従性を有することが好ましいため、フレキシブル性を有する電極２を用いてもよい。

電極２は、刺激の目的にもよるが、電圧が高くなって痛みを生じたり、あるいは電極間で短絡して刺激を感じなくなったりすることを抑制するために、電極の配置間隔（電極間の最短距離）を０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることが好ましく、１ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。

電極２から刺激を与えるにあたり、陽極と陰極の数は同じあってもよいし、異なっていてもよい。電流を広い範囲に流すため、一方の極に対し、２個以上、好ましくは４個以上（例えば上下左右）の対極を用意することで、広い範囲に刺激を起こすことができる。また、手で把持する部分に本実施形態に係る電気触覚デバイスを設ける場合には、把持する位置が多少ずれても刺激を与えられるように、対極の数を多くすることが好ましい。この場合、それぞれの電極の配置間隔を、上述のように、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることが好ましく、１ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることがより好ましい。

電極２を直接人体に接触させると、強い刺激により長時間の使用が困難となる。導電性樹脂層３は、この痛みを緩和させる刺激緩和層としての機能を有する。このため、導電性樹脂層３は、表面抵抗率及び体積抵抗率が一定の範囲内の値になることが好ましい。

具体的には、表面抵抗率は、１０^３Ω／□以上１０^７Ω／□以下が好ましく、より好ましくは１０^４Ω／□以上１０^６Ω／□以下である。

体積抵抗率は、１０^３Ωｃｍ以上１０^７Ωｃｍが好ましく、より好ましくは１０^４Ωｃｍ以上１０^６Ωｃｍ以下である。

表面抵抗率及び体積抵抗率をこの範囲とすることで、痛みを緩和させると共に、確実に刺激を与えることができる。

導電性樹脂層３の厚さは、０．０５ｍｍ以上３ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下である。

膜厚、表面抵抗率及び体積抵抗率を上述の範囲にすることにより、電気力線が皮膚内に広がり、表層近くにある有髄Ａγ神経と、それより深い位置にいる有髄Ａβ神経を同じように刺激し、デバイス装着者は、しっかりした圧力や振動の刺激を受けながらも痛みが緩和され、良好な電気触覚状態を得ることができる。

導電性樹脂層３に用いられる樹脂は、ハイドロゲルでなければ特に限定されないが、通常エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエチレンなどポリオレフィン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素化樹脂、ポリアクリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアリールエーテル樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、 ポリエーテルエーテルケトン樹脂、 ポリエーテルスルホンなどの非親水性の樹脂などであり、好ましくは、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエチレンなどポリオレフィン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素化樹脂、ポリアクリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、さらにはシリコーン樹脂、ポリエチレン、ポリウレタン樹脂などである。

導電性樹脂層３は、上記の樹脂に導電性を付与するための導電性物質を分散させたものである。導電性物質は、金属微粒子やカーボン粒子を用いることができる。金属としては金、銀、アルミ、鉄、銅、ニッケルなどが挙げられる。導電性物質として、特に、グラフェンやグラファイト、カーボンナノチューブなどのカーボン粒子を用いることが好ましい。

導電性樹脂層における導電性物質の含有量は、上述の表面抵抗率及び体積抵抗率が実現できるように適宜設定すればよいが、好ましくは１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下、より好ましくは１０ｗｔ％以下である。

［実施例１］
導電性樹脂層として、ワコー化成(株)導電性カーボン分散ポリエチレンフィルム（ＰＥ１：厚さ０．０５ｍｍ）を準備した。

＜繰り返し使用適性評価＞
導電性樹脂層を１ｃｍ角に切り取ったサンプルをスライドガラスへ重ね荷重５００ｇで２分間加圧した後、サンプルを剥がし、サンプルのスライドガラスへの転写の有無を目視にて観察した。転写が見られたものを繰り返し使用適性無し、転写が見られないものを繰り返し使用適性有りと評価した。結果を表１に示す。

＜体積抵抗測定＞
導電性樹脂層のサンプルの表裏の重なる位置に、１０ｍｍ角の株式会社寺岡製作所製の導電性銅箔粘着テープ８３２３を電極として貼り、株式会社アドバンテストのＲ６２４５直流電圧／電流源／モニタを用いて、上記電極間に所定の電圧をパルス２ｍｓで印加し、流れた電流値の値をＫｅｉｔｈｌｅｙ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製の６５１７Ａエレクトロメータ／高抵抗メータを用いて計測し、印加した電圧値と計測した電流値から抵抗値を算出することで、体積抵抗を測定した。結果を表１に示す

＜表面抵抗測定＞
導電性樹脂層のサンプルの表面に、２枚の１０ｍｍ角の株式会社寺岡製作所製の導電性銅箔粘着テープ８３２３を１０ｍｍ間隔で電極として貼り、株式会社アドバンテストのＲ６２４５直流電圧／電流源／モニタを用いて上記電極間に所定の電圧をパルス２ｍｓで印加し、流れた電流値の値をＫｅｉｔｈｌｅｙ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製の６５１７Ａエレクトロメータ／高抵抗メータを用いて計測し、印加した電圧値と計測した電流値から抵抗値を算出することで、表面抵抗を測定した。結果を表１に示す。

＜触感有無評価＞
１．５ｍｍφの電極９つを３行３列（隣り合う行および列の電極の中心間距離は３ｍｍ）に配置し、その上を覆うように導電性樹脂層のサンプルをのせ、更にその上に人差し指を、人差し指の中央部分が中心電極の位置になるようにのせ、株式会社アドバンテストのＲ６２４５直流電圧／電流源／モニタを用いて周辺の８つの電極から中央の電極に電流を流し、最大１０ｍＡまで徐々に電流値を高め、サンプルにのせた人差し指に電気刺激（触覚）を呈するまで電流の強度を徐々に上げ、触感を感じた電流量を測定した。結果を表１に示す。

［実施例２］
実施例１で用いたワコー化成(株)導電性カーボン分散ポリエチレンフィルム（ＰＥ１：厚さ０．０５ｍｍ）を６枚積層し、下記のフィルム積層ラミネート方法でラミネートしたものを導電性樹脂層として使用し、実施例１と同様の実験を行った。

（フィルム積層ラミネート方法）
５０ｍｍ角のサンプルを所定枚数重ね、パーソナルラミネータ・ラミボックスＰＬＢ－Ａ４（ナカバヤシ株式会社）を用い、サンプルに温度１１０℃、圧力０．３ＭＰａをかけ、サンプルをラミネータに３回通過させることで、ラミネート処理を行った。

［実施例３］
実施例１で用いたワコー化成(株)導電性カーボン分散ポリエチレンフィルム（ＰＥ１：厚さ０．０５ｍｍ）を１０枚積層し、上記のフィルム積層ラミネート方法でラミネートしたものを導電性樹脂層として使用し、実施例１と同様の実験を行った。

［実施例４、比較例１～３］
導電性樹脂層を表１に示すものに変更し、実施例１と同様の実験を行った。結果を表１に示す。

以上の結果から、導電性ジェルを使用しなくても電気刺激による触覚が得られることが確認できた。導電性ジェルを使用しないため、繰り返し使用に耐えられるデバイスとすることができる。また、ゲルを使用しないため、経時変化等に強いことは、明らかである。

１ 電極基板
２ 電極
３ 導電性樹脂層
４ スイッチング回路
５ 刺激パターン生成部

Claims (8)

1. 電極基板と、
   前記電極基板の一方の面に設けられた電極と、
   前記電極を覆うように、前記電極基板の前記一方の面に設けられた導電性樹脂層と、
   刺激位置を示す刺激パターンを生成する刺激パターン生成部と、
   前記刺激パターンに基づいて、前記電極に印加する電圧を切り替えるスイッチング回路と、
   を備える電気触覚デバイス。
2. 前記導電性樹脂層の体積抵抗率が、１０^３Ωｃｍ以上１０^７Ωｃｍ以下である、請求項１に記載の電気触覚デバイス。
3. 前記導電性樹脂層の表面抵抗率が、１０^３Ω／□以上１０^７Ω／□以下である、請求項１又は２に記載の電気触覚デバイス。
4. 前記導電性樹脂層の膜厚が、０．０５ｍｍ以上３ｍｍ以下である、請求項１乃至３のいずれかに記載の電気触覚デバイス。
5. 前記導電性樹脂層が、導電性物質を分散させた樹脂からなる層である、請求項１乃至４のいずれかに記載の電気触覚デバイス。
6. 前記導電性物質が炭素である、請求項５に記載の電気触覚デバイス。
7. 前記電極が複数設けられており、電極間の最短距離が０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下である、請求項１乃至６のいずれかに記載の電気触覚デバイス。
8. 電極基板と、
   前記電極基板の一方の面に設けられた電極と、
   前記電極を覆うように、前記電極基板の前記一方の面に設けられた導電性樹脂層と、
   を備える触覚デバイス用部材。
   

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