JP2023163091A - 電気刺激皮膚感覚ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】皮膚感覚を用いて視覚や聴覚と同様に外界を見たり音を聞いたりすることができる機器を提供することである。【解決手段】電気的導体から成る単電極と、該単電極を電気的絶縁物上に複数備えた集合電極と、該集合電極内の該単電極である第１の単電極と、該集合電極内の該単電極であって該第１の単電極とは異なる該単電極、又は該集合電極外に備えられた該単電極のいずれか一つの該単電極である第２の単電極と、該第１の単電極と該第２の単電極とからなる電極対と、情報を生体に伝達するために必要な複数の該電極対からなる電極対群を構築する手段と、該情報をもとにして該電極対群内の個々の該電極対内の該第１の単電極及び該第２の単電極間に印加する電圧である信号電圧を求める手段と、該電極対群内の該電極対に該信号電圧を印加する電圧印加手段と、該電極対群内の該電極対に順次該信号電圧を印加する走査手段と、を備えることを特徴とする皮膚感覚ディスプレイ。【選択図】図１

Description

本発明は、視覚および聴覚と同様の知覚を、皮膚感覚を用いて人間が獲得する手段を提供するものであり、皮膚感覚ディスプレイと呼ばれる技術分野に属する。例えば、ビデオカメラの映像を皮膚刺激で人間に伝達することで視覚を用いずに周囲の環境の認識（見ること）ができ、マイクロフォンで検出した音声信号を皮膚刺激で伝達することで聴覚を用いずに音声の認識（聴くこと）ができ、更に、文字や警報などの情報も皮膚刺激で人間に伝達することができる。また、電気刺激を利用しているため、従来と比べてきめ細かいマッサージなど多様な刺激の伝達手段としても用いることができる。

人間において視覚は外界の情報を獲得するための最も優れた感覚器である。このことは、見方を変えれば視覚に障害がある場合には日常生活にハンディキャップを負うことになる。聴覚は、視覚で得ることのできない外界情報の取得や、人間同士の会話を円滑に進めるうえで役立つ。聴覚もまた、障害がある場合には日常生活にハンディキャップを負うことになる。

視覚や聴覚のような優れた知覚をこれらの感覚器官を用いずに人間に導入できれば障害がある場合の助けになり、人類にとっての重要な一里塚となる。しかし、このために被験者が大きな苦痛を伴うようなことがあってはならない。

皮膚感覚は、非侵襲で人体に情報を伝達するための有力な手段である。皮膚には、凸凹・摩擦・振動を感じる触覚や温度・静電気・電流などに対する感覚があり、これらの刺激を用いた皮膚経由の情報伝達法の研究がなされている。この目的、すなわち、皮膚の持つ感覚を用いて人間に情報を伝達する機器を皮膚感覚ディスプレイと呼ぶ。

一方で、有用な２次元動画の情報伝達を視覚の代用として行うためには、画像の画素数は目安として４０９６画素以上で、毎秒３０枚程度の画像更新を行う必要がある。さらに、小型軽量、安価、非侵襲であることが重要である。

この条件を満たす発明は、開発が切望されているにもかかわらず有効な解決手段が無いためなされていない。実際、視覚を用いないで周囲を見ながら安心して道を歩ける時代にはなっていない。

梶本裕之、川上直樹、前田太郎、舘すすむ著「皮膚感覚神経を選択的に刺激する電気触覚ディスプレイ」電子情報通信学会論文誌 Ｄ－ＩＩ Ｖｏｌ．Ｊ８４－Ｄ－ＩＩ Ｎｏ．１，ｐｐ．１２０－１２８（２００１）。

山本晃生、石井利樹、樋口俊郎著、「摩擦力制御を用いた静電皮膚感覚ディスプレイ」、計測自動制御学会論文集 Ｖｏｌ．４０、Ｎｏ．１１、ｐｐ．１１３２－１１３９（２００４）。

視覚や聴覚と同様の知覚を、皮膚感覚を用いて非侵襲的に人間に導入し、これらの知覚に障害のある場合でも大きなハンディキャップを感じずに日常生活を送ることができる手段を提供することである。

電気的導体から成る単電極と、該単電極を電気的絶縁物上に複数備えた集合電極と、該集合電極内の該単電極である第１の単電極と、該集合電極内の該単電極であって該第１の単電極とは異なる該単電極、又は該集合電極外に備えられた該単電極のいずれか一つの該単電極である第２の単電極と、該第１の単電極と該第２の単電極とからなる電極対と、情報を生体に伝達するために必要な複数の該電極対からなる電極対群を構築する手段と、該情報をもとにして該電極対群内の個々の該電極対内の該第１の単電極及び該第２の単電極間に印加する電圧である信号電圧を求める手段と、該電極対群内の該電極対に該信号電圧を印加する電圧印加手段と、該電極対群内の該電極対に順次該信号電圧を印加する走査手段と、を備えることを特徴とする皮膚感覚ディスプレイ。

前記電圧印加手段が第１の端子と第２の端子とを備え、前記単電極を該第１の端子に電気的に接続する状態又は該第２の端子に電気的に接続する状態又はどちらにも接続しない状態のいずれか一つの状態とする機能を有する単電極制御器を備えることを特徴とする請求項１記載の皮膚感覚ディスプレイ。

前記電圧印加手段が、前記単電極制御器を制御することで前記電極対群の中の指定した一つの前記単電極を前記第１の端子に電気的に接続する手段、を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の皮膚感覚ディスプレイ。

前記電圧印加手段が、前記単電極制御器を制御することで前記電極対群の中の指定した一つの前記単電極を前記第２の端子に電気的に接続する手段、を備えることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

請求項２記載の前記単電極制御器が、各前記単電極に対してそれぞれ第１のスイッチ及び第２のスイッチを備え、該第１のスイッチが該単電極を前記第１の端子に電気的に接続するもしくは接続しない状態を切り替える機能を備え、該第２のスイッチが該単電極を前記第２の端子に電気的に接続するもしくは接続しない状態を切り替える機能を備える、ものであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

請求項３及び４記載の単電極指定の方法が、行アドレス信号と列アドレス信号とを用いる方法であることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

前記電圧印加手段が、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとに流れる電流を制限する電流制限器を備えるものであることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

前記電圧印加手段が、前記電流制限器を経て前記第１の端子及び前記第２の端子間に前記信号電圧を印加するものであることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

請求項１記載の前記電気的絶縁物上に半導体素子で作成された前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを備えるものであることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

請求項１記載の前記情報が、画素を１次元又は２次元に配置した画像であって、前記電極対群内の前記電極対の配置が該画素の配置と類似の幾何学的配置であることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

請求項１記載の前記生体に印加する刺激又は請求項１記載の前記情報を、１次元又は２次元の画素の集合からなる画像又は動画と同等な請求項１０記載の前記情報に変換する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

請求項１記載の前記情報を取得する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１１いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

請求項１記載の前記第２の単電極が、前記集合電極内の前記単電極であって、前記第１の単電極に隣接していることを特徴とする請求項１乃至１２いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの一部又は全てが半導体集積回路上に備えられたものであることを特徴とする請求項１乃至１３いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

請求項５記載の前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの一部分又は全てがフォトカプラを備えるものであることを特徴とする請求項１乃至１４いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

前記電圧印加手段が、前記電極対に流れる電流である電極対電流、又は該電極対電流に換算可能な電磁気学的物理量を測定する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１５いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

請求項１６記載の前記電磁気学的物理量を前記走査時に前記電極対群内の各前記電極対に対して測定する手段と、該電磁気学的物理量から算出された前記生体の電磁気学的状態又は生理学的状態を画像化して表示する手段と、を備えることを特徴とする請求項１乃至１６いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

ゲーム機能を備える機器又は時計機能を備える機器又は通信機能を備える機器又は眼鏡又は帽子又は靴又は衣類のいずれかに、前記集合電極又は前記電圧印加手段の全て又は部分が備えられていることを特徴とする請求項１乃至１７いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

本発明は皮膚感覚を用いて視覚や聴覚同様の知覚を獲得するための機器を提供するものである。したがって、視覚を用いずに時々刻々変化する外界の形状を認識することや動画の閲覧が可能となり、聴覚を用いずに音や言葉の認識が可能になり、腕などの皮膚感覚で点字や文字、警報などのメッセージを認識できるようになる。ただし、大多数の人間は腕などの皮膚で動画を閲覧することに慣れていないため、練習が必要となる。

図１は皮膚感覚ディスプレイの構成例を示す図である。（実施例１） 図２はフォトカプラを第１及び第２のスイッチとして用いた単電極制御器の例を示す図である。（実施例２） 図３は電圧印加手段において、行アドレス信号と列アドレス信号を用いて第１及び第２のスイッチを制御し、選択した電極対に信号電圧を印加する例を示す図である。（実施例２） 図４は集合電極内において、単電極を格子状に配置する例を示す図である。（実施例２） 図５は共通電極を用いた電極対形成法における単電極の配置例を示す図である。（実施例３） 図６は腕時計の皮膚に接触する側に単電極を配置して、腕時計に皮膚感覚ディスプレイ機能を併設する例を示す図である。（実施例８）

本発明は、実用的な皮膚感覚ディスプレイの提供を目的とし、皮膚経由で刺激や情報を人間に伝えるため、電極を人体に電気的に接触させて皮膚に電流を流す。このため、本発明において電極は重要な素子であり、単電極、電極対、第１の単電極、第２の単電極、電極対群、集合電極などの種類がある。

単電極は、全体がほぼ同電位になるように作成された一つの電極であり、導電性のゴムなどの樹脂又は金属等で作成される。人体に電流を流すためには、人体に電気的に接触させた２個の単電極間に電圧を印加する必要がある。以後、電圧を印加する目的で対にして扱う２個の単電極を電極対と呼び、電極対を形成する一方の単電極を第１の単電極、他方の単電極を第２の単電極と呼ぶ。２個の単電極の中のどちらを第１の単電極とするかは請求項１の記載に準拠するが、運用面では電圧の極性に関連する問題でありその都度個別に決めていく。また、「電極対に電圧を印加する」とは、電極対を形成する第１及び第２の単電極間に電圧を印加することである。

人体に電流を流すと、感電と呼ばれる現象が生じる。多くの場合に感電は不快や苦痛を伴い、時には命の危険がある。しかし、制御された適量の感電はむしろ快感となる。例えば、医療機器として低周波治療器が以前から研究され実用化されている。これは電圧４０～１００Ｖでパルス幅２００μｓ程度の電気パルスを皮膚に張り付けた電極対に印加し、５～５０ｍＡ程度の電流を人体に短時間流すことで筋肉を動かし血行を促進する機器である。

皮膚感覚ディスプレイは、１次元もしくは２次元画像を人間に皮膚経由で伝達するための表示装置である。一般に画像は、画素と呼ばれる画像の構成単位を１次元画像では線上に、２次元画像では面上に配置した構造をしている。

本発明の基本原理は以下の通りである。１）電極対を画素と類似の幾何学的配置で並べ、画素を電極対に１対１対応させる。以後は、画素の集合である画像に対応する電極対の集合を電極対群と呼ぶ。２）電極対に印加する電圧（以後、信号電圧と呼ぶ）を対応する画素の輝度などの情報から算出する。３）電極対に信号電圧を定めた時間印加する。ただし、同時には１つの電極対にのみ信号電圧を印加し、他の単電極は電気的に人体から切り離す。これにより、皮膚の定まった部分のみを定めた大きさで電気刺激できる。４）信号電圧を印加する電極対を電極対群内の全ての電極対に渡り順次変えていく（以後、この操作を走査と呼ぶ）。これにより画像の情報を皮膚経由で人体に伝える。動画の伝達は画像を変えながら画像の伝達を繰り返すことで成される。

本発明は、この原理を基礎として用い、更に単電極の配置や数、電圧印加方法を工夫し、動画や音声だけでなく様々なメッセージ又はマッサージなどの刺激を人間に皮膚経由で伝達できるように改良したものである。

実際に行った結果によれば、一つの電極対に信号電圧を印加する時間を最短５μｓとして走査を行い、毎秒３０枚程度の画像を伝達すれば皮膚刺激で動画を違和感なく認識することができる。このことから、最高で６７００画素の動画表示ができ、実用上十分である。ただし、ここで示した信号電圧を印加する時間５μｓは、実施例２で製作した機器における最小値であり、更に短い時間でも実用になる可能性がある。

電極対を画素と類似の幾何学的配置にするためには、単電極を画素と類似の配置にする必要がある。以後は、このように単電極を配置した電極を集合電極と呼ぶことにする。集合電極は、電気的な絶縁基板を母体とし、この絶縁基板上に多数の単電極を配置した構造である。人体の形状は多様であるから、集合電極の形状も人体に合わせる必要がある。このためには、人体を計測し形状に合わせて作成する、又は単電極をバネのようなものに取り付けて位置が変化できるように作成する、又は布や軟質プラスチックもしくは蝶番の付いた板のように曲げることのできる基板上に単電極を配置して、ひもやマジックテープ等で人体に固定する構造などが考えられる。人体と単電極との電気的接触をより確実にするためには、導電性ゲルなどを人体と単電極の間に塗布するとよい。

人体と単電極の電気的接触抵抗を下げるためには、集合電極の母体となる絶縁基板面よりも単電極が出っ張っている方が皮膚に大きな力で単電極が接触するため、効果的である。一方で、このような配置は皮膚に強い刺激を与え長時間運用の妨げになる。これを防ぐためには、絶縁基板面と単電極面を同じ高さ、すなわち、絶縁基板面上に単電極が出っ張らないようにすればよい。

人間の皮膚、例えば腕の皮膚は１ｃｍ程度離れた２点を識別できるため、本発明の皮膚感覚ディスプレイは、この程度の大きさの単電極を多数備えた集合電極を用いる。一方で、人間の皮膚感覚は多数の点、例えば１００個の点を同時に識別することに慣れていない。このため、大多数の人間は腕で動画を閲覧するためには練習が必要である。

図１に本発明の皮膚感覚ディスプレイの基本的な構成例を示す。この図では例として単電極が３個の場合を示したが、さらに多数ある場合も同様である。ビデオカメラ等の映像をコンピュータ等の制御装置に取り入れ、Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＤＡＣ）により信号電圧を発生して、電極対群の中の指定した電極対を形成する第１の単電極と第２の単電極間に信号電圧を印加し、それ以外の単電極は電気的に人体から切り離すことを基本的な動作とする装置である。信号電圧は０～８０Ｖ、１つの電極対に対する信号電圧の印加時間は５μｓ～２００μｓ程度である。

信号電圧は第１の端子及び第２の端子（請求項２に記載）に伝わり、この端子に接続された単電極制御器を介して指定した電極対に信号電圧が印加される。単電極制御器は、単電極１個につき２個のスイッチが接続され、第１の端子と単電極に接続されたスイッチを第１のスイッチ、第２の端子と単電極に接続されたスイッチを第２のスイッチと呼ぶ。第１および第２のスイッチはそれぞれ単電極と同数備え、同時にＯＮとなるスイッチはそれぞれ一つである。

電流の経路は以下の通りである。ＤＡＣ、信号電圧端子、電流制限器、第２の端子、ＯＮにした一つの第２のスイッチ、単電極、人体、単電極、ＯＮにした一つの第１のスイッチ、第１の端子、接地端子。ここでの２個の単電極は電極対を形成する第１及び第２の単電極である。

第１のスイッチは全てがＯＦＦの状態と、指定した電極対を形成する片方の単電極に接続された第１のスイッチのみがＯＮになる状態がある。ＯＮにする第１のスイッチを指定する信号をアドレス信号（第１のスイッチアドレス信号）と呼び、アドレス信号で指定された第１のスイッチのみをＯＮにするためにデコーダー（第１のスイッチデコーダー）を電圧印加手段は備える。第１のスイッチデコーダーイネーブル信号が偽のとき全ての第１のスイッチがＯＦＦになり、真にするとアドレス信号で指定した第１のスイッチのみがＯＮになる。第２のスイッチも同様に第２のスイッチアドレス信号でＯＮにする第２のスイッチを指定する。

信号電圧端子のすぐ後にある電流制限抵抗は、人体に過大な電流が流れることを防ぐこと、又は誤動作、例えば同じ単電極に接続された第１のスイッチと第２のスイッチが同時にＯＮとなった場合、過大な電流がスイッチに流れスイッチが損傷することを防ぐ目的の電流制限器である。スイッチは、実際にはＭＯＳＦＥＴやトランジスタでありこれらの耐性、および低周波治療器の安全基準などを考慮して、実施例では電流制限抵抗を１ｋΩとした。抵抗値の値は、例であり、状況に応じて調節する必要がある。電流制限抵抗は、本実施例のように信号電圧端子と第２の端子間でも良いし、接地端子と第１の端子間に入れてもよいし、両者に入れてもよい。電流制限器を入れる場所の候補は他にもあり、単電極と単電極制御器との間、第１の端子と第１のスイッチとの間、第２の端子と第２のスイッチとの間などが挙げられる。電流制限器は抵抗の他に例えば半導体素子で作成することもできる。

電極対を生体に接触させると電流が流れ、このとき電流制限抵抗による電圧降下が生じるため、電極対の電圧は信号電圧より小さくなる。しかしながら、信号電圧を起源とした電圧が電極対に印加されるので、本明細書では「電極対に信号電圧を印加する」という表現をこのような状況にも用いる。

電極対は第１及び第２の単電極で形成され、両者間に印加する信号電圧の極性は重要な問題である。低周波治療器においては常に同じ符号で電圧を印加すると電気分解などにより刺激物質が生じ皮膚の炎症を引き起こすことが知られており、これを防ぐために極性を反転して電圧を印加することが行われている。本発明でも同様の現象が生じる恐れがあり、必要に応じて電圧の極性を反転した。

本実施例では、行アドレス信号と列アドレス信号を用いてＯＮにする第１及び第２のスイッチを指定する例を示す。集合電極は単電極が格子状に縦１６行・横１６列並び、計２５６個の単電極から成る。

第１及び第２のスイッチは単電極１個につきそれぞれ１個必要なので、それぞれ２５６個必要となる。したがって、第１のスイッチアドレス信号として０～２５５までの数字、すなわち８ｂｉｔの制御信号が必要であり、第２のスイッチアドレス信号も同様である。本実施例では、この８ｂｉｔの制御信号を４ｂｉｔの行アドレス信号と４ｂｉｔの列アドレス信号に分けて配線の数を減らした。このためには、２個（行アドレス信号で選ばれた端子と列アドレス信号で選ばれた端子）の論理信号が同時に真（ＡＮＤ論理）になったときのみＯＮとなるようなスイッチを第１及び第２のスイッチとして用いる必要がある。

一方、回路設計の観点では、第１のスイッチは接地電位近辺で制御できるので、例えば小電力用トランジスタ１個でよい。しかし、第２のスイッチは信号電圧（０～８０Ｖ）近辺で動作するので設計が厄介である。

これらのことを考慮して第１及び第２のスイッチとしてフォトカプラを用いた。図２に本実施例の単電極制御器例を示す。フォトカプラは発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子と光検出器およびトランジスタなどの半導体スイッチ素子が一体形成された回路素子であり、ＬＥＤが消灯しているときスイッチが遮断（ＯＦＦ）になり、ＬＥＤが点灯しているときスイッチが導通（ＯＮ）となる。ＬＥＤと半導体スイッチ素子は光で結合しているため、両者の電位関係に制約が無い。このため第２のスイッチのように、スイッチ両端の電位が定まっていない場合でも接地電位近辺の低電圧で制御できる。

フォトカプラを用いるもう一つの利点は、ＬＥＤ点灯のために２条件（アノードがハイ電圧かつカソードがロウ電圧）必要であること。このため、アノードをハイアクティブ出力の行アドレスデコーダーに接続し、カソードをロウアクティブ出力の列アドレスデコーダーに接続することで、行アドレス信号と列アドレス信号で選択した端子に接続されたＬＥＤのみを点灯させることができる。

図３に本実施例の電圧印加手段部分を示す。ＯＮにする第１及び第２のスイッチは、それぞれ８ｂｉｔのアドレス信号で選択される。この上位４ｂｉｔは行アドレス信号であり、４－ｔｏ－１６ハイアクティブデコーダーに入力し、出力はＬＥＤのアノードに接続される。また、下位４ｂｉｔは列アドレス信号であり４－ｔｏ－１６ロウアクティブデコーダーに入力し、出力はＬＥＤのカソードに接続される。

４－ｔｏ－１６ハイアクティブデコーダーは、イネーブル端子が偽のとき、出力はロウ電圧（ほぼ０Ｖ）であり、真のとき、４ｂｉｔの値で指定された出力端子のみがハイ電圧（ほぼ電源電圧）になる。ロウアクティブデコーダーは出力の極性が逆であり、イネーブル端子が偽のとき、全ての出力端子がハイ電圧であり、イネーブル端子が真の時４ｂｉｔの値で指定された出力端子のみがほぼ０Ｖになる。ハイアクティブデコーダーとして本実施例では７４ＨＣ４５１４（４．５ Ｖで駆動）、ロウアクティブデコーダーとして７４ＨＣ４５１５（５ Ｖで駆動）を使用した。デコーダーの駆動電圧が両者で異なるのは、デコーダー出力電圧のわずかな誤差でＬＥＤに僅かな電流が流れトランジスタのＯＦＦ抵抗が下がることを防ぐためである。ＬＥＤやデコーダーを保護するための電流制限抵抗は３３０Ωを用いたが、状況に応じて調節する必要がある。

集合電極は図４に示すように単電極が格子状に並んだ構造である。この図では例として単電極を６４個並べてあるが、実際に作成したものは単電極が縦１６行・横１６列並び、計２５６個ある。また、電極対は左右（横方向）に隣接した２個の単電極を第１及び第２の単電極として形成した。具体的に特定の行に注目して電極対形成方法について説明する。１行は横に１６個の単電極が並んでおり、左から右へ単電極１～単電極１６とする。このとき、表示できる画像は画素が横方向に１５個となり、左から右に画素１～画素１５とする。電極対は以下のように形成した。画素１に対応する電極対１は単電極１と２で形成され、画素２に対応する電極対２は単電極２と３で形成され、最後に画素１５に対応する電極対１５は単電極１５と１６により形成した。走査は、画素１の情報をもとに算出した信号電圧１を電極対１に定めた時間パルス状に印加し、終了後に画素２の情報をもとに算出した信号電圧２を電極対２に対して定めた時間パルス状に印加し、これを繰り返して最後に画素１５の情報をもとに算出した信号電圧１５を電極対１５に定めた時間パルス状に印加する。これにより１行の表示が終了し、引き続き次の行の表示を行う。全ての行（１６行）の表示が終わると１画像の表示が終了し、画像表示を繰り返すことで動画の人体へ伝達が行われる。画素が１５列１６行に並ぶので画素数は２４０個である。

本実施例での皮膚感覚ディスプレイの制御手順は以下の通りである。まず初めにビデオカメラの動画映像から１枚の静止画像を取り出し、画像解像度を２４０画素に下げる。一つの電極対に信号電圧を印加する手順は以下の１）～８）であり、この手順を電極対群内の２４０個の電極対に対して左から右、上から下に走査しながら行うことで１枚の画像情報を伝える。
１）デコーダーのイネーブル端子を偽の状態にする。このとき、ハイアクティブデコーダーはロウ出力（０Ｖ）、ロウアクティブデコーダーはハイ出力（約５Ｖ）となり、すべてのＬＥＤが消灯して、電極対が人体から電気的に切り離される。
２）電圧を印加する対象の電極対に対応する画素の情報から信号電圧を算出しＤＡコンバーターを用いて信号電圧端子に電圧を出力する。
３）電極対は左右に隣接した２個の単電極で形成し、左側の単電極を第１の単電極、右側を第２の単電極とした。第１の単電極の第１のスイッチ及び第２の単電極の第２のスイッチアドレス信号をデコーダーに入力する。
４）デコーダーのイネーブル端子を真にして、選択した電極対に電圧を出力し、定めた時間（１０μｓ）待つ。
５）デコーダーのイネーブル端子を偽にして全ての電極対を人体から電気的に切り離し、定めた時間（５μｓ）待つ。
逆極性の信号電圧を電極対に印加する場合には以下の６）～８）の手順を行い、印加しない場合には省く。
６）逆極性の電圧を電極対に出力するため、第１及び第２のスイッチアドレスを互いに入れ替えたアドレスをデコーダーに入力する。
７）デコーダーのイネーブル端子を真にして選択した電極対に電圧を出力し、定めた時間（１０μｓ）待つ。
８）デコーダーのイネーブル端子を偽の状態にして全ての電極を電気的に人体から切り離し、定めた時間（５μｓ）待つ。
引き続き、動画の中の次の画像表示を行うことで動画情報を人間に伝える。

本実施例は、２４０画素からなる白黒映像を例えば腕の皮膚感覚を用いて表示する皮膚感覚ディスプレイである。この画素数は、画像としてはかなり低解像度であり、現在市販されているカメラはほとんどがこれよりも高解像度である。このため、数値処理により画素数を減らす必要がある。本実施例では、低解像度画像の画素内に含まれる高解像度画像の画素の輝度の平均値を用いて低解像度画像の画素の輝度とした。更なる問題として、輝度と電極対に印加する電気パルスの電圧・パルス幅・パルス頻度との関係がある。例えば画素の輝度に応じたパルス幅やパルス頻度とすることでより確実に情報を伝達できるようになる。

実際に行った経験によれば、電極対への印加電圧と皮膚感覚には比例関係が無く、閾値となる電圧があり、それ以下ではほとんど感じず、それ以上になると急激に激しい感覚となる。このため、画素の輝度情報を閾値近辺の電圧になるように変換する必要がある。本実施例では、輝度の最小値が対応する信号電圧、および輝度の最大値が対応する信号電圧の両者を、被験者が設定できるようにした。また、この範囲内において輝度と信号電圧とが比例するようにした。このようにして被験者は、さまざまな画像に対応する信号電圧を実際に印加しながら画像認識における最適値を設定することができる。

さらに、輝度と信号電圧の符号の関係、すなわち明るい画素を高電圧に対応させ、暗い画素を低電圧に対応させる方法と、この逆で暗い画素を高電圧に対応させ、明るい画素を低電圧に対応させる方法を被験者が選べるようにした。これにより、対象物がより認識しやすくなった。

画素の輝度情報を信号電圧のパルス幅やパルス頻度に対応させる場合も同様である。カラー画像の皮膚認識は今後の課題であるが、パルスの電圧・幅・頻度・電圧の極性などを組み合わせる必要がある。

本実施例では手作業で個別部品を組み合わせて作成したため、第１及び第２のスイッチはフォトカプラを用いて実装した。しかし、８０Ｖ５０ｍＡを数μｓでスイッチングする素子は、半導体集積回路で作成可能なので、実用的な機器を作成するためには専用の集積回路を用いるべきである。集積回路を用いれば、単電極数を２５６個よりも遥かに多く実装でき、デコーダーも集積化して集合電極と同じ絶縁基板上に集積回路を設置することで配線の数を著しく減らすことができる。このことは、実用的な機器の作成には不可欠である。更に、ビデオカメラも集合電極と同じ絶縁基板上に備えれば、一体化した皮膚感覚ディスプレイとなる。

本実施例における単電極は直径８ｍｍ、厚さ１ｍｍの導電性ゴムであり人体との電気的接触抵抗を下げるために人体と単電極間に導電性ゲルを塗布した。更に高解像度とするためには単電極を小さくする必要があり、人体との接触抵抗が増大する。実施例３はこの問題点に対する解決法であるが他の問題点もあり一長一短である。

本実施例は、電極対の形成方法が実施例２と異なり、図５のように集合電極の他に単電極を一つ備え、これを第２の単電極とし、集合電極内から選ぶ第１の単電極と対にして電極対を形成する。集合電極内の単電極が縦１６行・横１６列、計２５６個なので、表示する２次元画像の画素も同じ配置となる。

本実施例の第２の単電極は全ての電極対で共用するので、以後は共通電極と呼ぶ。共通電極のための単電極制御器は図２であり、エンコーダーを設けずにコンピュータ制御機器のデジタル出力端子を用いてＬＥＤを直接制御した。共通電極用の単電極制御器の第１及び第２の端子は、集合電極内の単電極用の単電極制御器における同端子と接続した。

本実施例での皮膚感覚ディスプレイの制御手順は以下の通りである。まず初めにビデオカメラの動画映像から１枚の静止画像を取り出し、画像解像度を２５６画素に下げる。一つの電極対に信号電圧を印加する手順は以下の１）～８）であり、この手順を電極対群内の２５６個の電極対に対して左から右、上から下に走査しながら行うことで１枚の画像情報を伝える。
１）集合電極のデコーダーのイネーブル端子を偽の状態にして単電極を人体から電気的に切り離す。共通電極もＬＥＤを消灯して人体から電気的に切り離す。
２）電圧を印加する対象の電極対に対応する画素の情報から信号電圧を算出し信号電圧端子に信号電圧を出力する。
３）第１の単電極のアドレス信号を第２のスイッチデコーダーに入力する。
４）共通電極の第１のスイッチをＯＮ、集合電極の第２のスイッチデコーダーイネーブル信号を真にして、選択した電極対に電圧を出力し、定めた時間（１０μｓ）待つ。
５）共通電極の第１のスイッチをＯＦＦおよび集合電極のデコーダーのイネーブル信号を偽にして全ての電極対を人体から電気的に切り離し、定めた時間（５μｓ）待つ。
６）逆極性の電圧を電極対に出力するため、第１の単電極のアドレス信号を第１のスイッチのデコーダーに入力する。
７）共通電極の第２のスイッチをＯＮ、集合電極の第１のスイッチデコーダーイネーブル信号を真にして選択した電極対に電圧を出力して定めた時間（１０μｓ）待つ。
８）共通電極の第２のスイッチをＯＦＦおよび集合電極のデコーダーのイネーブル信号を偽の状態にして定めた時間（５μｓ）待つ。
一枚の画像の表示終了後、動画の中の次の画像の表示を行う。

共通電極を用いる本実施例は電極対に印加する電圧の極性を反転（上記６）～８））させないと、集合電極内の単電極を走査しても、集合電極が大きな１枚の同極性の電極として振る舞い、低周波治療器同様に筋肉全体の大きな運動を誘発する。本発明では、集合電極が細分化されているので電圧の極性を反転させることでこの現象を防ぐことができる。一方、実施例２では、隣接した単電極で電極対を形成しているのでこのような現象は生じない。本実施例の利点は、共通電極の面積を大きくすることで、電極対の人体への電気的接触抵抗を実施例２より下げることができる点である。

音波はマイクロフォンで電気信号（音声信号）に変換できる。この音声信号や電子機器で合成した信号音を直接、又は録音の後、皮膚感覚で生体に伝達することを目的とする実施例について説明する。

音声信号の波形はオシロスコープで視覚化でき、実施例１、２の方法で、オシロスコープと同様の画面を生体に伝達できるので聴覚を使用しない音声認識に役立つ。音声信号以外にも様々な電気信号の表示にも用いることができる。

音声信号をフーリエ変換して得られるスペトラムは、例えばスペクトラムアナライザで観測できる。この画面も本発明を用いれば生体に伝達でき、聴覚を使用しない音声認識に役立つ。また、音声だけでなく、様々な電気信号の周波数スペクトラムを表示する装置として用いることができる。

声紋は音声を解析する際に用いる音声信号の表示方法である。音声を短時間（例えば２０ｍｓ程度）サンプリングして、横軸をたとえばサンプリングの中心時刻、縦軸をスペクトラムとして２次元画像表示したものである。声紋を本発明の機器で表示することで、聴覚を用いない音声認識が可能になる。

声紋のように２次元表示器を用いず、短時間（例えば２０ｍｓ程度）サンプリングした音声信号のスペクトラムを１次元配置した電極対を用いてリアルタイムで生体に伝達することで、小型の音声伝達装置を提供できる。具体的には、電極対配置の長さ方向を周波数とし、当該周波数のスペクトラムから導かれた信号電圧を電極対に印加し、生体にリアルタイム情報を伝達する。この装置を実施例８に示す腕時計型やリストバンド型にすることで、聴覚障碍者の音声認識や警報察知に役立つ小型・安価・簡便な機器となる。

本発明を用いれば、レーダーの映像や超音波エコー探知機の映像等、人間の五感と異なる情報の伝達を皮膚感覚経由で提供できる。このことにより、視覚で周囲を見ながら、同時に皮膚感覚で更なる遠方など別な世界を見ることができる。同様に、ゲーム機や映像作品において、プレイヤーや観客に対する皮膚触覚でメッセージを伝える手段として利用できる。例えば、ゲームで失敗したときや電撃攻撃時の感電、芋虫が皮膚を這いずり回る感覚や不審者にボディタッチされるときの感覚等を体感できる。

本発明は、生体に対する様々なメッセージの伝達手段として用いることが出来る。特徴は、他人に知られることなく又は他人に迷惑をかけることなく、装着した本人にのみメッセージを伝えることができることである。このため、公の場で携帯電話などからの機密情報を伝達することや、重要なメッセージを強い刺激（例えば、電極対へ印加する信号電圧を高くする等）で確実に伝えることができる。メッセージとしては、目覚まし時計など時刻のアラーム、残り時間の表示、地震情報や背後から来る車など危険物の情報など多様である。また、文字認識として用いる場合には、文字の形状や点字を表示することもできるが、ペン先の動きを動く点として伝達すれば容易に文字認識ができる。

多数のメッセージを同時に人体に伝達するために、例えば右腕と左腕に集合電極を設置することが考えられる。その際に、両集合電極間に人体経由で電流が流れないように、両者は人体以外の部分を互いに電気的に絶縁状態にする必要がある。これは、同一の集合電極内を分割して情報の同時伝達もしくは並列化して高速伝達を行う場合にもあてはまる。

本発明の動作原理は低周波治療器で実用化されている電気刺激である。このため、本発明はマッサージ器としても用いることができる。現在の低周波治療器は一対もしくは少数の電極対で電気刺激を行っているため、筋肉全体の大きな運動を誘発し、マッサージ効果が少ない。これは、筋肉全体の大きな運動は筋肉内部の相対的な運動をもたらさないので血行の促進にならないことによる。本発明は多数の小さな電極対により部位により異なるきめ細かい刺激を筋肉に与えることができるため、筋肉内部の細かな相対的運動を誘発してマッサージ効果が高い。音楽や映像を電気刺激データとして表示しながらマッサージすると更に快適である。また、実際に用いた結果では、柔軟で多様な皮膚刺激により、精神状態が安定し眠気を誘う場合がある。

マッサージなどを行うと人体の体調が変化する。本発明は、人体など生体の体調をモニターする機器としても活用できる。電極対に電圧を印加すると生体に電流が流れ、この電流は電極対へ印加した信号電圧、電極対の皮膚に対する接触抵抗、及び生体内部の電気抵抗により決まる。これらは、発汗状態、血流、筋肉の状態、精神状態、疲労状態などに強く依存し、この電流から得られる情報は生体の状態を知る上で極めて重要である。電極対に流れる電流の測定方法として、電圧印加手段で用いる電流制限抵抗の両端の電圧を測定して抵抗値で除することは簡便で有力な方法である。

走査時に電流測定を行うことで電極対群内の全ての電極対における電流値が求まり、生体の電磁気学的状態を用いた１次元又は２次元の画像化ができる。これにより生体の状態をより的確に知ることができる。例えば、頭皮に応用すると精神状態や疲労状態のモニターやマッサージの効果の検証に役立つ。

腕時計・ブレスレット・リストバンド・眼鏡・帽子・靴・衣類など馴染みのある装着物に本発明を組み込むと利便性が向上する。例えば、腕時計であれば、図６に示すように時計本体の人体に接する部分やベルトの部分に本発明の集合電極を取り付け、電極対に信号電圧を印加することで、様々な情報を人間に伝達することができる。眼鏡であれば、ビデオカメラと電子回路を眼鏡に組み込み、集合電極は耳に接する部分に作成又は額など外部に取り付ける等が考えられる。

本発明の電圧印加手段は、非侵襲な集合電極に対する応用だけでなく、生体に刺した針など侵襲電極にも応用できる。これにより、例えば、針治療などのマッサージ効果の向上が期待できる。侵襲電極は、皮膚だけでなく、臓器や神経を直接刺激する手段として用いることができる。

本発明の電気刺激皮膚感覚ディスプレイは、視覚や聴覚の代替手段であり、人間がより多くの情報を獲得するために役立つだけでなく、視覚や聴覚にハンディキャップがある場合において日常生活の向上に役立つ。

１ ビデオカメラ
２ コンピュータ等の制御装置
１１ ＤＡ変換器
１２ 接地端子
１３ 信号電圧端子
１４ 第１の端子
１５ 第２の端子
１６ 電流制限器としての電流制限抵抗
１７ 単電極
１８ 第１のスイッチ
１９ 第２のスイッチ
２０ 単電極制御器
２１ 電圧印加手段
２２ 第１のスイッチデコーダー
２３ 第１のスイッチアドレス信号
２４ 第１のスイッチデコーダーイネーブル信号
２５ 第１のスイッチデコーダー出力
２６ 第２のスイッチデコーダー
２７ 第２のスイッチアドレス信号
２８ 第２のスイッチデコーダーイネーブル信号
２９ 第２のスイッチデコーダー出力
３０ フォトカプラ
３１ ＬＥＤ及びデコーダー保護のための電流制限抵抗
３２ 第２のスイッチ行アドレス信号
３３ 第２のスイッチ行アドレスデコーダー
３４ 第２のスイッチデコーダーイネーブル信号
３５ 第２のスイッチ行アドレスデコーダー出力
３６ 第１のスイッチデコーダーイネーブル信号
３７ 第１のスイッチ列アドレス信号
３８ 第１のスイッチ列アドレスデコーダー
３９ 第１のスイッチ列アドレスデコーダー出力
４０ 第１のスイッチ行アドレス信号
４１ 第１のスイッチ行アドレスデコーダー
４２ 第１のスイッチデコーダーイネーブル信号
４３ 第１のスイッチ行アドレスデコーダー出力
４４ 第２のスイッチ列アドレス信号
４５ 第２のスイッチ列アドレスデコーダー
４６ 第２のスイッチデコーダーイネーブル信号
４７ 第２のスイッチ列アドレスデコーダー出力
４８ 集合電極
４９ 絶縁基板
５０ 共通電極
５１ 腕時計

Claims (18)

1. 電気的導体から成る単電極と、
   該単電極を電気的絶縁物上に複数備えた集合電極と、
   該集合電極内の該単電極である第１の単電極と、
   該集合電極内の該単電極であって該第１の単電極とは異なる該単電極、又は該集合電極外に備えられた該単電極のいずれか一つの該単電極である第２の単電極と、
   該第１の単電極と該第２の単電極とからなる電極対と、
   情報を生体に伝達するために必要な複数の該電極対からなる電極対群を構築する手段と、
   該情報をもとにして該電極対群内の個々の該電極対内の該第１の単電極及び該第２の単電極間に印加する電圧である信号電圧を求める手段と、
   該電極対群内の該電極対に該信号電圧を印加する電圧印加手段と、
   該電極対群内の該電極対に順次該信号電圧を印加する走査手段と、
   を備えることを特徴とする皮膚感覚ディスプレイ。
2. 前記電圧印加手段が第１の端子と第２の端子とを備え、
   前記単電極を該第１の端子に電気的に接続する状態又は該第２の端子に電気的に接続する状態又はどちらにも接続しない状態のいずれか一つの状態とする機能を有する単電極制御器を備えることを特徴とする請求項１記載の皮膚感覚ディスプレイ。
3. 前記電圧印加手段が、
   前記単電極制御器を制御することで前記電極対群の中の指定した一つの前記単電極を前記第１の端子に電気的に接続する手段、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の皮膚感覚ディスプレイ。
4. 前記電圧印加手段が、
   前記単電極制御器を制御することで前記電極対群の中の指定した一つの前記単電極を前記第２の端子に電気的に接続する手段、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
5. 請求項２記載の前記単電極制御器が、
   各前記単電極に対してそれぞれ第１のスイッチ及び第２のスイッチを備え、
   該第１のスイッチが該単電極を前記第１の端子に電気的に接続するもしくは接続しない状態を切り替える機能を備え、
   該第２のスイッチが該単電極を前記第２の端子に電気的に接続するもしくは接続しない状態を切り替える機能を備える、
   ものであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
6. 請求項３及び４記載の単電極指定の方法が、行アドレス信号と列アドレス信号とを用いる方法であることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
7. 前記電圧印加手段が、
   前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとに流れる電流を制限する電流制限器を備えるものであることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
8. 前記電圧印加手段が、
   前記電流制限器を経て前記第１の端子及び前記第２の端子間に前記信号電圧を印加するものであることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
9. 請求項１記載の前記電気的絶縁物上に半導体素子で作成された前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを備えるものであることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
10. 請求項１記載の前記情報が、画素を１次元又は２次元に配置した画像であって、前記電極対群内の前記電極対の配置が該画素の配置と類似の幾何学的配置であることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
11. 請求項１記載の前記生体に印加する刺激又は請求項１記載の前記情報を、１次元又は２次元の画素の集合からなる画像又は動画と同等な請求項１０記載の前記情報に変換する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
12. 請求項１記載の前記情報を取得する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１１いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
13. 請求項１記載の前記第２の単電極が、前記集合電極内の前記単電極であって、前記第１の単電極に隣接していることを特徴とする請求項１乃至１２いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
14. 前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの一部又は全てが半導体集積回路上に備えられたものであることを特徴とする請求項１乃至１３いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
15. 請求項５記載の前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの一部分又は全てがフォトカプラを備えるものであることを特徴とする請求項１乃至１４いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
16. 前記電圧印加手段が、前記電極対に流れる電流である電極対電流、又は該電極対電流に換算可能な電磁気学的物理量を測定する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至１５いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
17. 請求項１６記載の前記電磁気学的物理量を前記走査時に前記電極対群内の各前記電極対に対して測定する手段と、
    該電磁気学的物理量から算出された前記生体の電磁気学的状態又は生理学的状態を画像化して表示する手段と、
    を備えることを特徴とする請求項１乃至１６いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。
18. ゲーム機能を備える機器又は時計機能を備える機器又は通信機能を備える機器又は眼鏡又は帽子又は靴又は衣類のいずれかに、
    前記集合電極又は前記電圧印加手段の全て又は部分が備えられていることを特徴とする請求項１乃至１７いずれかに記載の皮膚感覚ディスプレイ。

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