WO2007066717A1 - 電気触覚ディスプレイ - Google Patents

Abstract

電気触覚ディスプレイは、複数の刺激電極５を備えた電極基板４と、刺激電極５と装着者の皮膚との間に位置して設けた導電性ゲル層７と、刺激電極５に電気的に接続されたスイッチング回路部６Ａと、スイッチング回路部６Ａに電気的に接続された刺激パターン生成部２Ａと、装着者において生起される生起感覚の緩和手段と、を備えている。生起感覚の緩和手段は、導電性ゲル層７から構成されており、導電性ゲル層７は、皮膚角質と同等の抵抗値を有する。生起感覚の緩和手段は、刺激判定関数の閾値に基づいて電気刺激を行う電気刺激判定手段及び閾値の調整手段から構成されている。

Description

ディスプ イ

術分野

０００1 、電気 ディス に関するものである。

０００2 2 5 2 8 出願の プ ヴィジョナ o 6 748 8 に 基 出願であり、その 益を優先権主張するものである。 参照に より本明細書に組み込まれる。

０００3 ディスプ イの 成を図 に示す。 ステムは頭部に搭 され

報を取得するセンサ(カメラ) 、その 報を処理し 示用 号を生成する演算 部2、および、額に装着され、 激を生成する電極 ト クスを備えた電気刺激 3と、 ら 成される。 えばサングラスに付けられた小型カメラが 着者の 前の視界を取り込む。 カメラにより取り込まれた 界の 演算部により 気 刺激による 覚情報に変換される。 ステムの 着者は、額に受ける 激に よ て環境 報を取得することが出来るため、例えば 着者が視覚障害者であり、セ ンサが センサである場合には視覚の 覚による ステムとして機能する。す なわち、 ディスプ イは S( ステム)を構成することができる。 切な訓練プ グラムを ることで、 R は日の不自由な方にと て、外科 術の 要のな 人工的な網膜として機能する。

０００4 気刺激の 本原理に関しては 気刺激に用 る複合 2００2 6586 6、および 示方法及び 2００2 328596、 気刺激を 用 た 示方法及び 際公開 W ０ ０38958に記述されて る。ま た額 の 気刺激は 人用 2００1 285679に記述されて る。また、 似の (舌に配置される )として、U 643０45０B が挙げ られる。これらの 引用により本明細書に組み込まれる。

０００5 し し、上記 記載された従来 電気刺激、および額 の 示による 感 行と アイデアを述 て るに留まり、実用 に際しての 際的な課題 を解決しては な た。

明の

明が解決しよ とする課題

０００6 、 気刺激 ステムを実際に構築し、運用テストをする中で見出された の 題を解決するものである。 明が解決しょ とする課題の は に起因するものである。その 題の は、電気刺激を与えた時に、装着者が痛覚 や不快感を感じることである。 デイスプ イは 型的には指先の 電気刺激することに 行われるが、額の皮 指先の 比 て 、指先と同 様に電気刺激を〒 とするならば 着者が痛覚を感じてしま 情報を提示することが できな 。この 、額以外の 先の 比 て 皮膚 らなる身体部位( 部、背部、腹部 )を電気刺激する場合にも当てはまる。

０００7 さらに、 着用 デイスプ イでは、指先 の デイスプ イに比 て、多数の 高密度で配置される。 数が増えるに れ、走査に る時 間は膨大になり、全体の 波数が下がる。 波数がある ( えば3０Hz) 低 なると刺激に特徴的な が生じ、装着者にお て、極めて強 不快感を 生じることが知られて る。この 、額以外の 先の りも広域の 体部位( 部、背部、腹部 )に高密度で配置した多数の 極を用 て電気刺激する場合 にも当てはまる。したが て、心地 気刺激を如何にして生成する が課題とな る。

０００8 明の他の目的は、額の湾曲に適応した 着電気刺激 を提供すること にある。この 、額の に ウス 率が でな 他の身体部位に装着される電 気刺激 にも当てはまる。 明が解決しょ とするさらに他の目的は、後述す る木明細書の 載 ら明ら になる。

題を解決するための

０００9 、複数の 極を備えた電極 、前記 着者の との 間に位置して設けた ゲ 、前記 電気 に接続された 、チ ング 、前記スイ、チング に電気 に接続された タ ン と、前記 により 着者にお て生起される生起 覚の 段と、を備え た、電気 ディスプ イ、を提供するものである。

００1０ 数の 、 型的には、複数の 極を経緯 ( )に連続 に設け てなる ト クス状の電 、すなわち、ア イ 極である。 ゲ 層は、一 の 様では、電極 の ( 形成されて る )を に 面に直 接 けられる。他の態様では、電極 の 面と ゲ との間に他の導 を介在さ てもよ 。ある は、 ゲ と皮膚との間に他の導 を設け てもよ 。 の 態様では、電気 ディスプ イは、 着用 デ ィスプ イである。し しながら、 明が額 着用 ディスプ イ 外の ディスプ イにも有用であることは、本明細書の 載 ら明ら である。

００11 の 態様では、前記生起 覚の 、前記 ゲ 層 ら 成されており、前記 ゲ 層は、皮膚 質と同等の を有する。 まし は 、前記 ゲ 層の厚みは、０・3～2・０mmである。 ゲ 層の厚みが０・3mmよ りも 場合には 着者にお て非常に強 覚を生じる。 ゲ 層の厚みが 2・０mmよりも厚 場合には 着者にお て感覚が生じな なる。さらに好まし は、前 記 ゲ 層の厚みは、０・5～1・０mmである。この 囲では、特に、心地よ 気 刺激が 着者に提供される。

００12 の 態様では、前記 ディスプ イは、刺激 定関数の に基 て電気刺激を行 否 を判定する 段と、刺激 段における を調整する 段とを含んでおり、前記生起 覚の 、前記 段及び 段 ら 成されて る。 、所 定の 定時間 における 数が、所定の 大 を超えな よ に、 を変化さ る。 を制御することで、タ ゲ、 とする 波数を提供することが できる。 まし は、所定の 定時間 における 数を抑えることで、少な とも3 上の刺 波数を確保する。また、一 の 態様では、所定の 定時間 における 点の刺 数を増やすことで、中間 現を実現する。 ００13 の 態様では、電気 ディスプ イの 気刺激 、表面に複数 の 極を備えた電極 、電極 の に設けた ゲ 、 の に設けた チング 、 ら 成されて る。 気刺激 、電気 ディスプ イの ( タ ン を備えて る)および電 源に電気 に接続されて る。 ゲ 層は、電極 の に直接ある は間接的(他の部 を介在して)に設けられる。 チング 、電極 の に直接ある は間接的(他の部 を介して) けられる。ここで、電極 の とは、電極 の 設けられた側と反対 味である。

００14 の 態様では、前記 キ である。 まし は、前 記 キ には、少な とも1 の り込みが形成してある。 キ

、望まし は 上の切り込みを備えて る、を採用することで、 の 曲面に 沿 た電気刺激 を構成することができる。より具体的な一 の 様では、前記 キ には、 を残すよ にして経緯 向に複数の り込みを形成す ることで複数の 域に 画し、 域には所定数の 設けてある。さらに好まし は、 域に対して一組の チング 路及び 信回路を設け、前記 に各 通信回路 士の 線を設ける。より具体的な他の態様では、前記 キ

、電気刺激 の 手方向に延 する複数の 域を有しており、 域には所定数の 設けてある。

００15 の 態様では、前記 気刺激 、前記 の ある は および に位置して 上の弾性体 を備えて る。 気刺激 に弾性体 を設けることで、 性体 の 形により の 曲面 好に適応 することができる。 まし は、前記 性体 、前記 の に設けられ た異方性 が例示される。この 合、電気刺激 、刺激

、刺激 の 面を 覆するよ に設けた異方性 、異方 性 層の上に設けた ゲ と らなり、刺激 、異方性 、 ゲ 層を介して電気刺激を皮膚に提供する。また、電気刺激 、刺激 、刺激 の 面を 覆するよ に設けた ゲ 、 ゲ 層の上に設けた異方性 と らなり、刺激 、 ゲ 、異方性 を介して電気刺激を皮膚に提供する。

の に設ける 性体 、 を有しな てよ 。また、電極 の 側に弾性体 を設ける場合には、好まし は、 キ で ある。

００16 の 様では、前記 チング 、前記 キ に設けてある。

体的な態様 では、前記 気刺激 、刺激 極を備えた キ 、 キ の に設けた 性体 、を有し、前記 キ の ( 極を有しな )は前記 性体 の にまで折り返し しており、 キ の り返し 、チング が設けてある。他 の態様では、前記 気刺激 、前記 キ とは独立した回路 を備えており、前記 チング 、 に設けてある。 体的な態 様 では、前記 気刺激 、刺激 極を備えた キ 、 キ の に設けた 性体 、弾性体 の に設けられ、 キ とは独立した回路 、を有し、前記 の チング が設けてある。

００17 の 態様では、前記 デイスプ イは、刺激 圧を測定する手段 と、電源 段と、を有し、電源 段により、電源 圧を、測定され た よりも所定 めの 圧に設定する。

００18 の 態様では、前記 デイスプ イは 着用 デイスプ イであり、前記デイスプ イは時間的な変化があ た場所を強調して 激する手段 を有し、前記 、装着者の 動に起因する画像 を ンセ 、外部環境 で動 体を強調する。

００19 の 態様では、前記 デイスプ イは、奥行き 段を有し、距 離に依存した感覚 示を提供する。

明を実施するための 良の

００2０ ( デイスプ 明の 本となる電気 置の の に て説明する。

、刺激 、 チング 路、制御 ( ンピ を主体として構成 される)、電流 を備えて る。 、複数の 極を経緯 ( )に して構成されるア イ な し ト クス状の電極であり、ア イ 極を構成する 電流 とが チング 路を介して電気 に接続されており、制御 ( タ ン ) らの 号によ て における電流 極を選択し て電流を供給し、電流が供給された電極 ら 激を行 。 サイズは好まし 態様 では、直径０・5mm ら2・０mmで、 型的には1・０mmである。 、 電流 、各 グランドとの 続を時間的に切 えて、刺激した 位置の 極及びグランド 極の 択を変化さ ることでア イ により情報提示を行 。

グランドとの 続の り替えは チング ( えば、 ッジ ) により 。 激した 位置の 極及びグランド 極の 制御 によ て 。 激した 場所の 極を電流 に接続し、その他の電極をグランドに接続することに より、皮膚 に電流経路を形成して、神経を刺激する。さらに、この ( 激した 位置の )を時間的に切 えることでア イ によ て 的な情報を提示する ００21 、さらに、環境 を有する。 型的には情 景であ て、画像センサ( えば、 メラ)によ て画像 報が取得されて人力され、 入力された画像 報に基 て触覚 示用 号が生成される。 1 の まし 態様 では、画像センサは、頭部( 部に装着された眼鏡 サングラスに されるものを 含む)に される。また、画像センサが 報を取得するために用 る光は可視 に限定されるものではな 、例えば赤外線を用 た赤外線 であ てもよ 。 得された環境 、制御 によ て処理され、制御 所定の タ ン 報を提示するよ ( )を チング 路に出力し、 チ ング 路によりア イ 極 ら触覚 激が生成される。 1 の まし 態様では、電 気 着用 置であり、 S ステムを構成する。

着用 、額の湾曲に適応する 着電気刺激 を備 えて る。

００22 2 S ステム

R ステムは、額における 覚を 膜の 替 する 術を用 て る。 9 6０ 代 ら電気刺激による感覚 案されてきたが、額を刺激 位とする本方 式は比較的 手法である。額を刺激 位として使用することは合理的である。 け外しが容易であり、脳内での の 換が体の他の部位に装着する場合に比 て 単になる。 えばサングラスに けられた小型カメラが 着者の 前の視界を 取り込む。 S ステムでは、小型カメラにより取り込まれた 界の 電気刺激 による 覚情報に変換され、 覚情報は 着者に提供される。カメラで取得された画 像 2 の 理を経て触覚情報に変換される。 一の 理では、輪郭 報を強 調するために空間的な輪郭 出が行われる。 二の 理では、時間 化する情報 を強調するため、時間的な ンド イ タ ングが行われる。 R は実際の の 理を模倣することで、画像 解を容易にする。 切な訓練プ グラムを る ことで、 R は日の不自由な方にと て、外科 術の 要のな 人工的な網膜として 機能する。

００23 額の湾曲に適応した装着電気刺激 の

来の 着電気刺激 示板の 題点

来の 着電気刺激 、額に電極 ト クスを配置する具体的な手法に ては言及して な た。し し電極 をただ額に並 るだけでは、まず額の湾 曲に適応できず、また電極 が増えると にのび ケ の 量が問題とな た。

００24 は、以下のよ 提案を行 て る。まず 板を次のよ 構成とする 。 4 の 面には電気刺激 の 5を 出さ 、 には 激する電極を選 択する チング および 信回路を備えた回路 6を する( 2)。

チング 路を近傍に置 ことで 上の配線が激減し、また チング 路 の 号を通f (f 的には有線 ア 信、ある は無線通f )によ て ことで、額の刺 、体の他の部位に装着した本体の 路 との間の配 を一定 下に保 ことができる。

００25 2 キ および を用 た 着電気刺激 示板の 成

さらに軽量 、および 状 の 応のために キ 4とする( 3 )。 キ の 質としては現在 も一般的に用 られて る イ 考えられるが、 ン ム等の収縮性を持 料を用 た 縮性 ィ ム、ま た熱可塑性 脂を用 たもので に熱を加えて成形できるタイプの ィ を用 ても良 。特に人の額はある程度決ま た曲率を有して るので、それに に成形 得るものが望まし 、熱可塑性 脂を用 たものはその 補である。 ピン5は 4のランド( ンダ 用にむき出しにな た部分) の メッキ 5 によ て 成する。

００26 キ 4によ て 成した電極ピン5の上に導電 ゲ 7を設ける。

としては現在 気刺激で最もよ 使われて る イド ゲ ( 水性の に水と電解質を保持さ たもの)が考えられる。 ゲ 層は、電極 皮膚と の 接触を保 ば りではな 、皮膚 部における電流の 中、およびそれ によ て引き起こされる痛覚を防止する役割を果たす。

００27 ゲ 層の機能に て、以下に詳述する。まず には 覚を生成する 痛覚 、および 動感覚や を生成する 存在する。 の さはそれぞれ1 イク メ ト 、5 イク メ ト 度である。 上 らの 気刺 激では、神経 囲に電位 布を生じることにより を変動さ 、神経 動を引き起こす。もし 面 ら神経 までの 離が一定であれば、神経 動を引き起こす 神経 の さに反比例、な し さの に反比 例することが知られて る。このため、前述の よりも刺激しやす 、 覚を生じることな 覚を生じることが出来る。し し実際には皮膚 面 ら神 経 までの 一定ではな 、また 膚の 一定ではな こと ら、たびたび電流が 所に集中し、 経を刺激してしま 況が生じる。この 題を緩和するため、電気伝導 を電極 皮膚の間に 、ゲ 層で電流を拡 散さ ることによ て電流の 中を防ぐ 法を取り得る。

００28 ここで の 、 (Anode) (Ca hode)の間の間 、 の

、皮膚の と 4 間には次の4 の 係がある( 2 )。

( ) の 膚の より相対的に低 場合、電流経路はゲ 部 に形成され、皮膚に到達しに なる。これは消費 力の 半をゲ 層でのジ 発生に やしてしま ことを意味し、携帯型の としては極めて重大な 題となる。

(2) の みが電極 対して相対的に大き 場合も同様に電流経路はゲ 部に形成され、皮膚に到達しに なる。

(3) の みが薄 場合は電流の 果が減少するため 覚を生じやす なる (4) の が大き 場合、やはり消費 力の 半をゲ 層でのジ 発 生に やしてしま 。

００29 来の 気刺激では、 極の間は十分な距離( 5mm )があ たためゲ 部に形成される電流経路は大きな問題とはならず、上記(3)の 的を果たすために (1０～5０k ・。m、代表的には2０k ・。m)の が 用 られた。し し 数の 極を高密度( mm～5mm)に並 る今回のよ 場合、 ゲ 部の 流経路 成を最小限に抑え 流の 散によ て痛覚を生じさ な 最適な 定が新たに必要となる。

００3０ はこの 割を果たすためには、 は０・3mm～2・０mm内の厚みを持 て なければならず、最適な厚みは ０・5mm～・０mmであること、 の 皮膚 度の (1００～1０００k ・。m、代表的には4００k ・。m)である時に、消 費 力を最小に押さえ 覚を生じさ な 最適な 激を〒 ることを見 だし た。

００31 なお、 は指先 の 気刺激の 合には不要であ た。なぜなら指先

分厚 (０5mm～・０mm) の が存在し、上述のよ 電流の 果を 持 て たためである。 は額 の 気刺激にお て、このゲ 層を設けな 場 合には 覚によ て全 使用不可能となること、また一般に電気刺激で用 られる ゲ 層を用 た場合には感覚を生じに とを確認して る。 ００32 まとめると、刺激 には、刺激 覆するよ に導電 ゲ 層 が着脱 能に設けられる。したが て、電気刺激 、刺激 、刺激 の 設けられた側に着脱 在に設けられる ゲ 、を含む。 、 ゲ 層を介して ( )に電気刺激を提供する。 まし は、 は、皮膚 質と同等の を有する。 まし は、 ゲ 層の厚 みは、０・3～2・０mmである。さらに好まし は、 ゲ 層の厚みは、０・5～1・０mmで ある。

００33 次に、額の湾曲に適応した電気刺激 に て説明する。 られて る キ 、屈曲は容易であるものの 縮できな ため、額のよ に ウス 率が０でな 面にそのままでは適応することが出来な 。また最近 発された熱可 塑性 脂を用 た 板は熱を加えることによ て伸縮を含めた 形が可能であるが 、使用者 人に特有の 状に完全にあわ ることは 。さらに前述の ゲ 層は弾性体であるためある程度 膚の 吸収するが、前述のよ に最適な 厚みは別の要件によ て決定されるため 状 の 応の 割を果たすには限界 がある。このため に切れ込みを入れることにより額の湾曲に適応さ る。 れ 込みによ て 上の配 大き 制限される。 一の 4のよ に、全体を 大きな キ 4で 成し、その 部に切れ込み(nne C )4 を入れる手 法である。この例の場合、全体512点を4X2の8 4 に分け、一 の 4 には6 4点の電 存在する。 5に示すよ に、一組の チング 6 、および 信 回路6 がこの64点の電気刺激を担当することによ て、 キ 4の れ 込み4 が最も煩雑な チング 6 ら 5 の に影響を及ぼさ な よ にする。なおここで 信回路6 とは タ ン 2 と64点の刺 、および64点の刺 士を ぐものである( 5) ００34 2の 細 状の キ 4 に刺激 5を一列に並 る方法であ る( 6)。 気回路 子を搭 する ( 下回路 )8 キ 4、すな わち、帯状の キ ( 下電極 )4 が ネクタ8 によ て 続され、 電極 上には 5が形成されて る。 4 の 本一本が湾曲、 および ずれを生じることにより、球面に近 、すなわち ウス 率が０でな 状に適応することが出来る。 4 回路 8との間には 性体の 9がある 事が望ま 。 性体の 9としては ン ム ウ タンなどが考えられる。 特に発泡ウ タンは人の頭部 状に適応する 等 の 用事例があり、現時点での 力候補である。またこの 性体の 9 電極 4の 擦が低 こ が望 まし 、潤滑剤の 布、または潤滑 ティン を キ 表面または 性体表面、またはその 方に施すことが望ま 。 6では キ の あたり 一列 置して るが、これは複数列 ても まわな 。

００35 上で説明した方式は回路 8 電極 4は別で、 ネクタ8 によ て 続さ れて るが、回路 と電極 を一体 することも考えられる。このための 法を 図7に する。 状の キ 4 であるが、電気回路 子の されて る部分は同じ キ でも、ある は堅 板で裏打ちされて てもよ 。 近の 術では キ と通常の 基 を連結した 形で作成可能とな て る ら、その 術を用 てもよ 。

００36 まとめると、電気刺激 にお ては、刺激 チング 路、通信回 路の による が られて る。 体的な例では、電気刺激 、刺 激 設けられた を有し、刺激 の 面には 設 けてあり、刺激 の には 激する 極を選択する チング 路 及び 信回路が設けてある。 の 様では、 チング 路及び 信回路は C ら 成される。 チング の 電気 に接続されて おり、 チング 通信回路を介して制御 に電気 に接続されて る。 1 の 様では、 チング 路を含む ネクタを介して に 電気 に接続されて るが、回路 と刺激 を一体 さ てもよ 。 気 刺激 示板は、 1 の 様では、 、弾性体 を介して ド ンド皿に連 結することで、額に装着 能とな て る( 6 C) )

００37 全体として、 状に沿 た 状に形成される 、ある は、 湾曲 能に形成される。 1 の 様では、電極 数の 面積 板 ら 成し 、 面積 の を調整して連結することで、湾曲 状に形成する。他の態様 では、刺激 複数の 面積部 ら 成されており( 位に 画されて る)、 面積 の が可変とな ており、各省 の を変 さ ること で額の湾曲に沿 た 状を備えた を形成する。 面積 互 に独立しており、これを が可変なよ に連結して構成してもよ が、 1 の まし 態様では、一枚の キ 上の切り込みを形成することで、複数 の 面積 を構成する。 面積 の 限定されな が、好ま 態様としては、 形状、帯状のものが例示される。

００38 、好まし は、複数の 極を備えた キ 板 ら 成される 。さらなる態様では、 キ には、少な とも1 の れ込みが形成してあ る。 り込みは交差 に形成してもよ が、複数の れ込みを交わらな よ に設け てもよ ( えば、複数の れ込みを一方向にのみ 行状に形成してもよ ) ００39 体的な態様 では、横長方形状の キ 、 を残すよ にして経 緯 向に複数の り込みを形成し、一枚の キ 数の 形の 域に 画する。 区画 域には所定数の 設けてある。 区画に対して一組の 、チング 路及び 信回路を設けることで、切り込みが、 チング 路 ら 極 の 線に影響を与えることがな よ にして る。また、 を残すよ にして切 り込みを形成することによ て、 を利用して、通信 (ne n Comm n ca onChanneの )6Cを〒 ことができる( 5)

００4０ 体的な態様 では、長手方向と短 方向とを規定する横長方形状の キ

4 らなる 、 の 辺 ら 手方向に複数の の り込 みを形成することで( まし は平行状に)、複数の 4 を形成し、 域には所定数の 5が設けてある( 7( ))。他の態 では、両側の 辺 ら 手方向に複数の の り込みを形成することで( まし は平行状に)、複数 の 4 を形成し、 域には所定数の 5が設けてある( 7 )) 他の態 では、長手方向 位に、複数の の り込みを長手方向に形 成することで( まし は平行状に)、複数の 4 を形成し、 域には 所定数の 5が設けてある( 7( ))。 手方向の れ込みが形成された キ

4を、切り込みが形成された ( 極を有する )を表側にして、弾 性体9に対して 着することで、電気刺激 を構成する。 1 の 様では、弾性 体の には ( キ でな )が設けてあり、 の には、 回路 子が配置されて る。 を構成する キ の り込み が形成されて な 部位は、 に設けた ネクタを介して、回路 子に電気 に 接続されて る。他の態様では、刺激 を構成する キ の り 込みが形成されて な 部位は、回路 子ある は回路 に一体的に接続され て る。

００41 3 を用 た構成

前 のよ に、 ゲ 層は弾性体であるためある程度 膚の 吸収するが 、最適な厚みは別の要件によ て決定され、０・5mm～・０mm 度となるため 状 の 応の 割を果たすには限界がある。ここで、もし厚み方向にのみ 流を通す 性体 が有れば、その層を電極 の間に むことにより、弾性体全体の み を増す事が可能となる。

００42 とは、電気抵抗に異方性を持 ことであり、代表的な としては ム 板の厚み方向に金属線を密に埋め込んだ ムがある。この 合、 ム板の 厚み方向には電流は通過するが、厚みと する方向には通電しな 。

を持 性体 2を電極 4 ゲ 7、ある はゲ と皮膚の間に 。 額に電極を押し ける 力によ て異方 2が変形 、 状に適応する。 これにより、電極 の 形を最小限に抑えることが出来、電極 の による 壊や設計上の制約を緩和することが出来る。

００43 まとめると、電気刺激 の 素として異方性 ( えば、異方 ム)を採用することもできる。このものにお て、刺激 、好まし は キ であるが、 キ に限定されな 。 1 の 様では、 電気刺激 、刺激 、刺激 覆するよ に設けた異方 性 ( えば 異方 ム)と、異方性 層の上に設けた ゲ と らなり、刺激 、異方性 、 ゲ 層を介し て電気刺激を皮膚( )に提供する。他の態様では、電気刺激 、刺激

、刺激 覆するよ に設けた ゲ 、 ゲ 層の 上に設けた異方性 ( えば、異方 ム)と らなり、刺激 、 ゲ 、異方性 を介して電気刺激を皮膚( )に提供する。 ００44 C 力の

C 来の 気刺激 路における問題点

の みおよび の 計でも述 たよ に、消費 力の 携帯型 気刺激 置にと て極めて大きな課題である。 算部の 大して 題にならな が、電気刺激のためには1００V～4００V 度の 圧が必要であり、この 圧を生成し、電流 御を行 アナ グ での 力が最も大き 。 ００45 C 2 にお て 定した電圧 報を用 た電源 圧の

気刺激にお て、 覚を生じるために重要な ラメ タは電圧ではな 電流である ため、刺激 電流 御を行 て る。これは電圧による指令 を電圧 換する回路 、変換された電流を電極に する電流 ラ 路 ら 成される。 この 電気刺激にお て一般的なものである。

００46 ラ を図9に示す。この例は正電源、およびNPN型トランジスタを用 た 構成であるが、負電源、およびPNPトランジスタを用 た構成でも以下の 全 同様である。 。が、抵抗R。および によ て決定される R。 Rmで増幅 されて電極、または チング 路に出力される。 生装置(DCDC ン タ)の 圧をVh、電流 ラ 路の 部での 圧をVsとすると、電圧 Vh Vsが 生じて る。この 電流 ラ トランジスタで生じており、この m (Vh V )だけのジ 熱がトランジスタで消費される。この熱は刺激には寄与 ず、完全 に無駄となる。 膚の 抗が高ければ、 の 流を流すために必要な電圧V sは高 なり、電圧 Vh Vsは少な なるため な電力消費は減る。し し 膚の 抗が低ければ逆に無駄な電力消費は多 なる。 在の ステムでの 表的な と しては、電源Vhが35０V、刺激 が5mA、刺激 V が 膚の 態によ て2００V～33０V 度変 する。 まり最悪 としては、(35０ 2００) ０００5 ０・75Wが常 時無駄に消耗されることになる。

００47 この 題を解決するため、刺激 Vを測定し、電源 Vhを、測定された

より少し(1０～3０V ) 設定するよ する。 膚の の 動の さ ら、調整の 1 度で 。 型的なDCDC ン タによ て出力されており、この 容易であることが良 知られて る。またこの 高速 チング 動によ て行われて るため、上述の ラ のよ 無駄な電力消費は原理上 。 、皮膚のインピ ダン ス 定による の 的で過去 入されてきたものであるが、 この 報を電圧 の 整に用 て消費 力を削減する みは無 。 ００48 まとめると、電気刺激 路にお て、刺激 圧を測定する手段( ) と、電源 段と、を有し、電源 段により、電源 圧を、測定され た よりも所定 ( えば、 ～3 ) めの 圧に設定する。

段による電源 圧の 所定 ( えば )で行えばよ 。 ００49 報 ら電気刺激 ス の 換手法

行の ステムにおける問題点

本 ステムは、大量の 気刺激 に対して、ある瞬間は一点な し 体の 部 の だけを刺激し、テ ビの と同様に時間的に刺激する電極を変更する 査によ て タ ンを提示して る。し し 換の 合、刺激 従 来より格段に多 ( えば 来の 気刺激 置で64点であ たものが、現在 の 気刺激 ステムは512点である)、刺激 数が増えるに れ、走査に る時 間は膨大になり、全体の 波数が下がる。 点の 激に る時間は現在1００ 度であり、512 激するには5 2m ることになる。 まり 波数は 2０Hzとなる。

００5０ ス 体を短 することが考えられるが、より 時間で同 ネ ギ を 与えるためにより高 圧が必要となり、現実的ではな 。 波数が3０Hzより低 なると刺激に特徴的な が生じ、極めて強 不快感を生じることが知られて る。このため、刺激 波数を一定 上に保 夫が必要である。また 波数 が低 ことにより、刺激 波数を変 さ ることによ て感覚 度の を表現する ことが難 。 状ではこのため ( 激する) ( 激しな )の 報し 示で きて な 。これは例えば、画像 報を提示する際、白黒の2値でし 表現できな ことを意味する。

００51 2 来の 路の

来、刺激 路を並列 、同時に刺激する点数を増やすことによる解決 段がとら れてきた。 えば 512 ある場合、これを64点の ジ 8 に分割 、 同時に8 所の 激を行 ことにより走査 波数を8倍に向上さ ることが出来る。し し8chを並列に駆動するため 量が8 要となる。 圧電源は電流 量 の 加に比例してサイズが大き なるが、現状の chを駆動するための 源が既に携 具として 容できる限界のサイズであるため、並列 による解決は現実的で はな 。

００52 3 動調整の 装による周波数の 上と中間 の

気刺激を行 の 定関数を ア タイムに変化さ ることにより、刺激 数 が、ある最大 を超えな よ に調整する。 大 、全体の 激に る 時間がある値を超えな よ に設定される。特に刺激 波数が3０Hz 満のすなわち 一周期が33msより大き 場合前述のよ に生起 覚に強 不快感を生じるため、刺 激 波数を3０H 上に保 よ 、最大 の 表的な としては33m ００ 33０ 、通信 オ ッドを考慮して2００ 以下が妥当な値である。

００53 定関数を ア タイムに さ る機能を 動調整機能と呼ぶ事にする 。 動調整機能を実装することにより、次の二 の 果をねら 。まず 数 を抑えることで、最低でも3０Hの 波数を確保する。これによ て第一の 題で あ た 3０ 下の 激による不快感 は低減される。次に、 1点の刺 数を増や すことで、従来の０ だけでな 、中間 現を実装する。

００54 表的な実装 としては、まず 体の 波数を3０H ( 周期33m5)に固 定し、その間に各 ０ ～7 激することにより、3０Hz～21０Hzの 度 変 を表現する。このとき 動調整機能で調整する機能は され、刺激

ではな 、刺激の が最大 を超えな よ 整される。 ００55 またこの 合、０～7の8 階の となるが、さらにその 間の 現も可能であ る。これは次のよ ア ズムで実現する。あるサイク に出した X (０・０ ～7・０の )であるとする。Xを整数 X 小数 dXに分ける。このサイク では X だけ 激し、小数 dXを保存する。次のサイク では、出した X とす ると、これに前回の りを加える。こののち 様に整数 と小数 に分け、 の 数だけ 激し、小数 を保存する。この り返しにより、中間 を時間平均の形 で出すことができる。 上のア ズムにより、白黒 ではな 、グ スケ で の2 タ ン 示が可能となる。

００56 動調整機能に て詳述する。 動調整機能と、それ以外の 理 機能の 係を図 5に示す。まずカメラ らの デ タは 理部2 により 像に変換される。 理としては、 出、輪郭 出、 出、色 出 、運動 出、 タ ン が例示される。この 換されたデ タに基 て電極 ト クス3 ら電気刺激を行 。 気刺激を行 時に、 動調整部2Cにおける 御が行われる。

００57 動調整部2Cにおける 御に て説明する。 、刺激を行

わな 、の でのみ 現する場合を考える。この 合、刺激を行 を判定す る 定関数 が必要となる。 えば次のよ なものである。

あるデ タが、 以上の大きさを持 激する。 でな 場合 激しな O )

０ O he ，Se ここでN( は 目の点の刺 数を示し、d はデ タ、 h esho dは を表す。 この 、一点ず 査によ て 激して るため、次の式で 定される 激の

が多すぎると刺激の 波数が遅 な てしま 。

2

\ ただし、N は一周期における 目の 極の 数であり、Mは電極の 数であ る。ここではN は０ し らな ため、刺激の 数と同じ意味 になる。このため、刺激 数を抑えるために、 定関数内の閾 を変動さ る 必要がある。 5のよ な ステムでは、カメラの 、 トは一定のため、一 定時間 隔で新規 像が入力される。 えば3０ sのカメラでは、画像は33msごとに 更新される。 気刺激はこの33msの間に走査を終えなければならな ため、例えば1 回の刺激に1００ る場合、33０ し できな 。これが許容される 大 である。 際には通信 オ ッドにより、も と少な 値になる。 ００58 定関数 での 整には例えば次のよ なア ズムが考えられる。まず ボ ム等、 ザの 力によ て の が設定される。もしこの を 用 た 定関数で刺激 数が最大 数を超えな ときには の は な 。し しもし 数が最大 数を超えたときには、刺激 数が最大 数以下となるまで を増加さ て 。よ 知られた2 (Bna TeeMeho d)等によ て、刺激 数が最大 数以下となるための 小の を高速に求め ることが出来る。

００59 点に対して多数回の 激を許し、白黒 現ではな グ スケ 現を実現す る場合、カメラ ら 至る ステム 変わらず、カメラの 、 トも変わらな 。 えば 33msごとに更新される。ある における 激の 、この 周期33msの間にその点を何回 激した によ て定義される。

定関数はある1 上の ラメ タ らなる デ タの 数であり、 の 周期中 での 数を規定する。最も簡単な例としては、例えば次のよ な物である。

C O J・ C

０ ・

O e e のよ に 容される最大 決ま て るので、一周期中の 激の はこの 大 数を超えな よ に刺激 定関数 ラメ タ(上の例で は heshodを調整する。

００6０ まとめると、電気 、画像を取得して取り込む 、取得した 画像を処理する画像 理部と、画像 理部によ て得られた情報に基 て触覚 号を生成する制御 、 激を生成するア イ 、 極を電源、グ ランドに える チング 路を備えて る。 、さらに、電気刺激を行 の ( 定関数により 成される)と、刺激 段におけ る を調整( )する ( 御手段)を含んで る。

００61 、所定の 定時間 ( 周期)における 数が、所定の 大 を超えな よ に、刺激 定関数( 気刺激を行 の 定関数)にお ける を変 さ る。 数を抑えることで、望まし 刺激 波数( えば、少な とも3 z 確保することができる。

００62 点の刺 数を増やすことで、中間 現を実現する。 体の 波 数を所定 波数以上の値( えば、 3 z )に固定し、その間に各

～7 激することにより、 ( 波数X ) z～( 波数 ) zの 度 変 を表現する。 激の 数が最大 を超えな よ に刺激 ( 定関数)の を調整する。

００63 4 間的な特徴 出の 品位

現在2 タ ンを提示する際、単純な プラ アン による 出により 、 タ ンの 間的な を強調する 理を行 て る。これによ て例えば3 形を提示したとき、3 の が 出、刺激される。し しこれでは不十分であり、より 知覚を容易にするためには、さらにこの 角形の3 の が強調されて され る必要がある( )。特に人工物の 環境では、画像 理の 表的な手法である により直線、円、 を自動 識し、さらに認識された線の交点を計算す ることによ て 置を求めることが出来る。これを利用して 点を認識、強 激 することで高品位な感覚 示を行 。

００64 また、特に2 タ ンが 像であ た場合、特定 、特定 度、特定時間 の ステムで本質的に重要である。 えば 覚障害者用の ステム として利用する場合、特定 、特定 度、特定時間 動の 出により、例えば信号 機の 、および 滅を認識し、装着者に警告 に提示することが出来る。

００65 さらに、特定 タ ンを認識、記憶し、刺激の 化で表現することにより、視覚に 比 て空間的な解像 の 触覚 、視覚に匹敵する情報を提示する。特に 重要なのは人間の ジ の み込みであり、これにより 着者は、 自分 の 囲に 知、ある は未知の 物が居ることを認識する。

００66 5 動に対する

間的な変化( )のあ た場所を強調して 激する手法は、 容器の 種であるM。 n。 体の 動を模擬することにもなるため、一般的に提示される感 覚の 品位 繋がる 。これ自体は従来 究でも実装されて る。

００67 部にセンサを 、額に電気刺激を行 回の ステムで特徴的なのは、画像 の きに対しては反応しな 事が重要である点である。 まり画像 体の き は セットとして 去し、画像 の 部の きのみ 出する。これは観察 身の 動によ て頭部 に必然的に生じる画像 を無視し、あ まで 外部環境で動 体を強調することを意味する( 2)

００68 上の頭部 キヤンセ を組み込んだとき、頭部を 進運動 さ たら何が 生じるだ ?この 、同様に 体の きは補償されるので、結局のところ ( 点の 動による立体物の の )によ て、近 距離にあるものだ けが 出されるよ になる。 まり、これを ま 用することにより、頭部 動によ る奥行き 出を体 する可能性が極めて高 。

００69 上のよ に時間差 有用である。し し がどれだけ 動した 、

理の中で最も計算 の に当たる。この 算の 荷 を抑えるためには、頭部 転による画像 の クト を 段で計測し、あ ら じめその 報によ て全体の きを差し5 ておき、相関 算に用 る

サイズ( 定される移動 度に比例)を極端に小さ する必要がある。これにより を極端に減らすことができる。 純に差 だけを用 て 動した しな の 2値で出 すれば そのものが不要となる( 4)。 動を計測する回転 速度センサを内蔵し、この 報を用 て補償する方法が考えられる。また、移動量 能の た人工 子を利用することが考えられる。

００7０ まし 態様では、画像 理部によ て、以下のよ 画像 理を行 。 理部 によ て 以下のものに限定されず、一般に 野で行われて る なる画像 理が含まれ得る。

( ) 間的な 出、特に 、 点を検出することによる 激の 品位 を図る (2) 出を行 ことによる 激の 品位 を図る。

(3) 出による 激の 品位 を図る。

(4) 定時間 タ ン 出による 激の 品位 を図る。

(5) 、特に人の顔の認識、抽出による 激の 品位 を図る。

( ) 間的な動きを検出することによる 激の 品位 を図る。 (7) 体の きを セットとして 去することによる、頭部 動による画像 動の 果を除去する。 1 の 様では、頭部 動による画像 動の 果を除 去するため、回転 速度センサを用 る。他の態様では、運動 能を持 人工 チップを用 る。

(8)さらなる態様では、画像 体の きを セットとして 去した後に残 た時間的 な変動を強調 示することにより、頭部 進運動による運動 差を強調し、奥行き手 が りとする。

００71 センサとして画像センサを用 る際の画 得手法

得に広角 ンズを用 た際の提

野が狭 。このため 着者は自分の 囲の 報を得るために頭部を 繁 に動 す必要がある。さらにカメラの 野が狭 ことにより、頭部の 動に対して提示 される タ ンの 動が激し 、不快感を生じて た。さらに ステムを装着し た 覚障害者と健常者の ケ ョンの 面を想定した場合、対面 ケ ョンでは互 が 度の 野を持 て ることを無意識の ちに仮定するた め、健常者側が視覚障害者側と上手 ケ ョンを取り 題があ る。

００72 ンズ、例えば ンズを 事により、健常者の ( 球を動 さな 場 合に約18０ )に近 視野を確保する。カメラの 野が広がれば、刺激の 度 は下がるが、その 題に対しては、画面の端を圧縮 、中央付近を高 で提示 することで対処する。

００73 2 ・ カメラ・ 間計測による奥行き 出と提示

得の 、奥行き 報を検出することにより 着者に提示する情報を絞り込むこ とが出来る。 えば 着者 ら数mまでの 体だけを提示の 象とすることで、遠 に ある物体、例えば 造物 による 激を防止することができる。 着者にと ての 全性と 面 らもこの 望まし 、これまでに提案された多 の

置も 行きのセン ングができることを前提としてきた。し し従来の 案で奥行き 得を現実の 用に耐える ベ で実装できたものはな 。

００74 ここで の 途の 殊性を確認する必要がある。 重要ではな 。 m 度の 囲内の 体を、０・5m 度の 度で計測できれば良 と思われる。このこと ら次の二 の 便な手法が 補となる。

００75 一に ンズの オ カスを用 るもので、一般的には ンズ と呼ばれる。

ンズによ てある奥行き以外をぼ すことができる。 の ステムは最終的に 像 ら 出をして 激に変換するのだ ら、取得 像の 階で不要な距離の 像がぼけ のは、 ステムにと て大変相性の 手法と える。

００76 二にカメラ ら照明 を投射し、反射光の るさそのものを奥行き 報とする 純な手法である。 面の 学的特性に左右される問題はあるものの、極 めて 便に大ま な 行きが得られるメ ットは大き 。

００77 これ以外にも既に多 られて る奥行き 法の ずれも、距離に依存した 感覚 示の為に用 ることが出来る。 表的な例としては第一に2 上のカメラを 用 た立体 測であり、も は (T T me O F gh )を用 た計 測である。特に多 カメラを用 た場合、視野の 大と の 的も同時に達成 されることになる。この 合、立体 による奥行き 出が出来るのは カメラの 野が 重な て る 域のみであるが、人間も2 の目で全 同じ事を行 ており、2眼の視 野の する中心 近のみの で支障な 生活できて るため、問題な ものと思われる。

００78 上は光学的な画像 得に基 た 行き 出であるが、超音波を用 た 行き 出を用 ることも出来る。特に現在、単一または多数の と多数の イク オン ト クスを用 、対象 らの を解析することで空間を三次元的に 握 する奥行き 置の 型化が著し 、携帯 能となり ある。 音波に基 行き 出は光に基 行き 出に比 間的な解像 低 なる。 在のところ 学的な画像 では数百X 百点の 行きデ タが得られるが、超音波では 数 X 度の 行きデ タし られな 。し し の ステムでは最終的 な 数が少な ため、超音波に基 行き 出でも十分である。また超 音波を用 た場合、暗闇でも使える 口利点がある。

００79 終的に距離に依存した感覚 示を行 。 えば 離が近 ほど強 刺激を提示 する。ある は 離に応じて 激による生起 覚の質を変 さ る。 ００8０ まとめると、画像 ンズに広角 ンズを用 ることで、健常者と同等の 野を 確保することができる。カメラの 野が広がることによる 激の の 下に ては、画面の端を圧縮 、中央付近を高 で提示することで対処する。カメ ラのピント 整による奥行き とそれに基 た 行き 示を行 ても良 。 着者 ら数m 度の 距離まで 点の ンズを用 、装着者 の 体のみ 象とすることにより ステムの を図 ても良 。 数のカ メラを用 た 行き 測の みとそれに基づ た 行き 示を行 ても良 。 数のカメラを用 て視野を広げてもよ 。 度計測の 理を用 た 行 き 測の み込みとそれに基 た 行き 示を行 ても良 。

上の利用 ， ００81 、 着用 デイスプ イ、より具体的には、携帯型 行装具 に適用することができる。

００82 気刺激 ステム図である。

2 チング 路、 ア 信回路の を示す図である。 2A 皮膚との間に導電 を設けた場合の 気刺激を説明する図である 3 キ を用 た電極 を示す図である。

4 れ込みを備えた キ を示す図である。

5 4にお て 画された 域の 素を示す図である。 の ごとに チング および 信回路が存在し、領域 の 信によりデ タをやりとりする 6 キ に刺激 極を並 る構成を示す図である。 ( ) 気刺 激 の 部の 面図、 ( )は同断面図、 (c)は電気刺激 体を示す 面図である。

7 と回路 を一体 する構成を示す図である。

8 を持 を電極 ゲ 層の間に んだ状態を示す図であ る。 9 ラ を示す図である。

1０ 出を示す図である。 純な 出演算による の 出、よりよ 認識を補助するための の 出を示す。

11 像の 間差 出による時間的な変 の 出を示す図である。 て る ものを強調して 激する。

12 動による画像 体の きを示す図である。これは セットとして 去する対象である。

13 差による の を示す図である。 では左 ら、中央 では 右 ら観察して る。 進運動時の 対象との 離が近 ほど大き なる。

14 像の 間差 出を説明する図である。 測による画像 整を用 、回転 動による画像 化を補償 、それ以外の 因による画像 のみ を抽出する。

15 動調整機能と 理機能との 係を示す図である。

Claims

求の

数の 極を備えた電極 、

前記 着者の との間に位置して設けた ゲ 、 前記 電気 に接続された チング 、

前記 チング に電気 に接続された タ ン 、 前記 により 着者にお て生起される生起 覚の 段と、 を備えた、電気 ディスプ イ。

2 ディスプ イは、 着用 ディスプ イである、請求 に 記載の ディスプ イ。

3 記生起 覚の 、前記 ゲ 層 ら 成されており、

前記 ゲ 層は、皮膚 質と同等の を有する、請求 2 ずれ に 記載の ディスプ イ。

4 ゲ 層の厚みは、０・3～2・０mmである、請求 3に記載の ディ スプ イ。

5 ゲ 層の厚みは、０・5～1・０mmである、請求 4に記載の ディ スプ イ。

6 ディスプ イは、刺激 定関数の に基 て電気刺激を〒 否 を判定する 段と、刺激 段における を調整する

段とを含んでおり、

前記生起 覚の 、前記 段及び 段 ら 成 されており、前記 、所定の 定時間 における 数が、所定 の 大 を超えな よ に、 を変 さ る、請求 5 ずれ に記載 の ディスプ イ。

7 定の 定時間 における 数を抑えることで、少な とも3 z 上の刺 波数を確保する、請求 6に記載の ディスプ イ。

8 定の 定時間 における 点の刺 数を増やすことで、中間 現を実現 する、請求 6 7 ずれ に記載の ディスプ イ。

9 、前記 ゲ 、前記 チング 、 ら電気刺激 成されて る、請求 8 ずれ に記載の ディスプ イ。 ０ キ である、請求 9に記載の ディスプ イ キ には、少な とも1 の れ込みが形成してある、請求 に記載の ディスプ イ。

2 キ には、 を残すよ にして経緯 向に複数の り込みを形 成することで複数の 域に 画し、 域には所定数の 設けてある、請求 記載の ディスプ イ。

3 域に対して一組の チング 路及び 信回路を設け、前記 に各 通信回路 士の 線を設けた、請求 2に記載の ディスプ イ。 4 キ 、電気刺激 の 手方向に延 する複数の

域を有しており、 域には所定数の 設けてある、請求 記載の ディスプ イ。

5 気刺激 、前記 の ある は および に位置 して 上の弾性体 を備えて る、請求 9 3 ずれ に記載の 6 性体 、前記 の に設けられた異方性 であ る、請求 5に記載の ディスプ イ。

7 チング 、前記 キ に設けてある、請求

4 ずれ に記載の ディスプ イ。

8 気刺激 、前記 キ とは独立した回路 を備えてお り、前記 チング 、 に設けてある、請求 4 ず れ に記載の ディスプ イ。

9 ディスプ イは、刺激 圧を測定する手段と、電源 段と、 を有し、電源 段により、電源 圧を、測定された よりも所定 めの 圧に設定する、請求 8 ずれ に記載の ディスプ イ。2０ ディスプ イは 着用 ディスプ イであり、

前記ディスプ イは時間的な変化があ た場所を強調して 激する手段を有し、 、装着者の 動に起因する画像 化をキャンセ 、外部環境で動 体を強調する、請求 9 ずれ に記載の ディスプ イ。

2 ディスプ イは、奥行き 段を有し、距離に依存した感覚 示を 提供する、請求 2 ずれ に記載の ディスプ イ。