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JP3929881B2 - Skin sensation presentation device - Google Patents

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JP3929881B2
JP3929881B2 JP2002341606A JP2002341606A JP3929881B2 JP 3929881 B2 JP3929881 B2 JP 3929881B2 JP 2002341606 A JP2002341606 A JP 2002341606A JP 2002341606 A JP2002341606 A JP 2002341606A JP 3929881 B2 JP3929881 B2 JP 3929881B2
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JP
Japan
Prior art keywords
skin sensation
sensation presentation
stator
electrode
presentation device
Prior art date
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Application number
JP2002341606A
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Japanese (ja)
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JP2003248540A (en
Inventor
晃生 山本
俊郎 樋口
利樹 石井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Science and Technology Agency
National Institute of Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Japan Science and Technology Agency
National Institute of Japan Science and Technology Agency
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Publication date
Application filed by Japan Science and Technology Agency, National Institute of Japan Science and Technology Agency filed Critical Japan Science and Technology Agency
Priority to JP2002341606A priority Critical patent/JP3929881B2/en
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A63SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63FCARD, BOARD, OR ROULETTE GAMES; INDOOR GAMES USING SMALL MOVING PLAYING BODIES; VIDEO GAMES; GAMES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • A63F2300/00Features of games using an electronically generated display having two or more dimensions, e.g. on a television screen, showing representations related to the game
    • A63F2300/30Features of games using an electronically generated display having two or more dimensions, e.g. on a television screen, showing representations related to the game characterized by output arrangements for receiving control signals generated by the game device

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  • Position Input By Displaying (AREA)
  • User Interface Of Digital Computer (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バーチャルリアリティやゲーム機等における、仮想的触感を再現する装置や、家庭用PC等における触覚情報提示に利用する皮膚感覚(触覚)提示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
バーチャルリアリティやゲームの分野においては、従来、視覚・聴覚・力覚による表現が主流であったが、近年、皮膚感覚(=触感)による表現の重要性が増してきている。これまでに、複数の皮膚感覚提示装置が開発されてきているが、その多くは、盲人用の点字装置としての応用を念頭においたものであるか、または、従来の盲人用点字装置の技術に基づいて開発されたものであり、汎用的な触感を再現する皮膚感覚提示装置は、未だ実用化されていない。
【0003】
以下、従来の皮膚感覚提示装置について詳細に説明する。
【0004】
(1)皮膚感覚提示装置とは
ものに触れた際に人が感じる感覚、いわゆる触覚は、生理学的には、その神経受容器の違いから大きく二つの感覚に分けられる。
【0005】
一つは、筋肉や関節にある受容器で知覚する深部感覚、もう一つは、皮膚表面に存在する受容器で知覚される皮膚感覚である。
【0006】
深部感覚は、ものに触れた際の反力、指先を動かした際に発生する摩擦力などの、(マクロ的な)力を感ずる感覚である。これに対し、皮膚感覚というのは、指先表面に存在する受容器(温点、圧点、痛点)によって感じ取る感覚で、物体表面の温度、凹凸、摩擦係数などといった表面テクスチャを感じ取るものである。
【0007】
これらの感覚を擬似的に再現し、提示することは、バーチャルリアリティや体感ゲームなどの世界で非常に重要視されている。しかし、現在のところ、深部感覚を再現するデバイスについては実用化が進んでいるものの、皮膚感覚を再現するデバイスは、まだ研究が始まったばかりといった状況である。
【0008】
皮膚感覚というのは、凹凸、温度などの幅広い感触の総称であり、これらすべての感覚を統合的に提示することは現状では困難である。そのため、それぞれの感覚に特化した形で、研究開発が行われている。本発明は、凹凸感(=面粗さ)を提示するためのデバイスに関するものである。
【0009】
(2)これまでの開発例
凹凸感を再現するディスプレイは、盲人用点字装置をはじめとして古くより多くの研究が行われている。その多くは振動子や電極などの刺激子をマトリクス状に配置し、各刺激子が発生させる刺激強度を制御することで、様々な凹凸を再現するものである。これらの中で、本発明に最も近い技術としては、Strongらにより考案されたElectrotactile Displayが挙げられる。この装置では、2.54mm間隔でマトリクス状に並べた電極を指でなぞるだけというシンプルな構成で、点字相当のテクスチャを提示することに成功している。
【0010】
人が知覚できる範囲の面粗さを構成する凹凸は、小さいものでは数十〜数百ミクロン程度の間隔で分布していると考えられ、汎用的な触感を提示するにはmm以下のオーダーの位置分解能で刺激を提示できることが望ましい。しかし、前述の刺激子を配置する方式では、主に振動子や電極等の刺激子のサイズによる制約から配置間隔を細かくすることが困難であるため、mm以下の位置分解能を達成することは難しい。そのため、点字等の提示は可能であっても、例えばサンドペーパーのような微細なテクスチャの提示は困難であり、汎用的な触感の提示には問題がある。
【0011】
また、前記のElectrotactile Displayは、同様の装置を試作したTangらにより、指先の発汗に伴い安定性が低下する、という問題点も指摘されている。
【0012】
一方、指と共に動かすスライダと、スライダに推力もしくは摩擦力等を発生しうる手段を有し、スライダを介して操作者の指先に刺激を与えるタイプの装置も考案されている。
【0013】
このようなタイプとしては、例えばMinskyらによるSandpaperSystem、NaraらによるSAW Tactile Display、また、本願発明者らが既に特願2000−226506として提案している皮膚感覚提示装置などがある。
【0014】
一例として、前記Sandpaper Systemの装置構成を図12に示す。
【0015】
図12において、101は固定部、102はその固定部101の上面、103は2自由度ジョイスティックのつまみ、104はつまみ103と一緒に移動する上面カバー、105は操作者の手、106は2自由度ジョイスティックの軸、107は第1のDDモータ、108は第2のDDモータである。
【0016】
この装置では、ジョイスティックに力フィードバックがかけられるようになっており、指先で(図では手105全体だが)ジョイスティックのつまみ103を水平方向に動かすと、あたかも凹凸の面をなぞっているかのごとく、ジョイスティックのつまみ103が振動する。この振動周期と強さを制御することで、様々な凹凸の面を表現できる。
【0017】
このタイプの装置では、スライダの位置を容易に検出することができるため、検出したスライダ位置に応じて与える刺激に変調をかけることで、微細なテクスチャを表現することが可能である。そのため、適切なセンサとアクチュエータとを用いれば、mm以下のオーダーの表現分解能も比較的容易に達成されうる。
【0018】
しかし、このようにスライダを介して指先に刺激を与える場合、刺激が指全体に伝わってしまい、局所的な刺激を提示することが難しい。すなわち、現実に面をなぞった際には、指の腹の各部分でそれぞれ異なった微細振動が発生するのに対して、図12に示すようなタイプの皮膚感覚提示装置においては、それら各部の振動を平均化した振動を、指全体に共通して与えることしかできない。
【0019】
そのため、実際に操作者が受ける感覚は、現実の感覚とは異なるものとなってしまう。また、同様の理由により、サンドペーパーなどのように凹凸が連続的に分布しているテクスチャは表現しやすいものの、例えば、単独で存在するライン状の突起や溝などの表現は困難である。
【0020】
また、ここまで述べてきたタイプとは異なる発想の装置も多く提案されているが、表現能力や、利用の簡便さなどの点においてそれぞれ課題を有している。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、これまでに提案されている皮膚感覚提示装置においては、表現の分解能や、刺激の提示方法に問題があり、より現実に近い感触を与えることは困難である。
【0022】
本発明は、上記状況に鑑みて、簡便な構造により、精密な触感表現を可能とする皮膚感覚提示装置を提供することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕皮膚感覚提示装置において、電極を有する固定子と、表面もしくは内部に適度な導電性を持たせた移動子からなる装置を備え、操作者が前記移動子を指で動かした際に、前記固定子の電極に印加する電圧を適切に制御することにより、前記固定子の電極と前記移動子間の静電吸引力に起因する摩擦振動を前記操作者の指先に伝達し、それにより様々な皮膚感覚を提示することを特徴とする。
【0024】
〔2〕上記〔1〕記載の皮膚感覚提示装置において、前記固定子の電極はストライプ状又はマトリクス状に形成されることを特徴とする。
【0025】
〔3〕上記〔1〕記載の皮膚感覚提示装置において、前記移動子は薄膜状の移動子からなることを特徴とする。
【0026】
〔4〕上記〔1〕記載の皮膚感覚提示装置において、前記移動子の位置を検出する手段を有し、検出した位置に基づき前記固定子の各電極に印加する電圧を制御することにより、様々な皮膚感覚を提示することを特徴とする。
【0027】
〔5〕上記〔1〕記載の皮膚感覚提示装置において、前記移動子を柔軟な素材とすることにより、移動子・固定子間に発生する摩擦力分布を大きく変化させることなく前記操作者の指先に伝達することを特徴とする。
【0028】
〔6〕上記〔1〕記載の皮膚感覚提示装置において、前記電極として透明電極材料を用い、この透明電極材料からなる電極をディスプレイの上に重ねることで、視覚情報と皮膚感覚情報をあわせて提示することを特徴とする。
【0029】
〔7〕上記〔6〕記載の皮膚感覚提示装置において、前記ディスプレイはタッチパネルディスプレイであることを特徴とする。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0031】
図1は本発明の実施例を示す皮膚感覚提示装置の模式図、図2はその皮膚感覚提示装置のA−A線断面図、図3はその皮膚感覚提示装置のB−B線断面図である。
【0032】
これらの図において、1は固定子であり、この固定子1は、基板2上にストライプ状(もしくは、マトリクス状)の電極3が形成され、その上に絶縁膜(絶縁フィルム)4が被覆されたものである。11は移動子(フィルム)であり、この移動子11は薄膜12からなり、その薄膜12の上面は、適度な導電率を持つように処理される。その際の最も簡単な処理方法は、軽く湿らすことである。ここでは、その薄膜12の上面に導電体層13が形成されている。また、この薄膜12は可能な限り薄いことが望ましい。なお、21は移動子11を押さえて動かす操作者の指である。
【0033】
また、31は移動子11の位置を検出するために設けられたリニアエンコーダー(LE)である。このエンコーダー31はできるかぎり軽量かつ低摩擦なものであることが望ましい。なお、矢印は操作方向を示している。
【0034】
ストライプ状の電極3に、図3に示すように電圧を印加すると、移動子11上面の適度な導電率を持った導電体層13が導体として働き、移動子11と固定子1の間には、静電吸引力が発生する。
【0035】
そこで、固定子1のストライプ状電極3に、連続するパルス波を与えると、移動子11と固定子1間には連続的に変化する静電吸引力が働く。この際、ストライプ状の電極3を構成する各々の電極に与える電圧をそれぞれ独立に制御することにより、静電吸引力の大きさを場所により異なるものとすることができる。
【0036】
移動子11の薄膜12は十分に薄く、柔らかいものとすると、パルス波を印加した状態で移動子11を動かす場合、移動子11は分布した静電吸引力のために、各部分に異なる摩擦力が働き、結果として各部分が異なった振動を起こす。そこで、この移動子11を操作者の指21で押さえて動かすと、操作者の指21には、この分布した振動が伝わり、あたかも、実際の面をなぞっているかのような感触を得ることができる。
【0037】
また、操作者が指21でなぞる際に、なぞりに対して、振動源が指先を動いていく感触が得られるので、従来のスライダを具備したタイプの装置では得難かったすべり感が得られる。
【0038】
結局、従来のスライダを具備したタイプの装置においては、指で触れるパーツが、パーツ全体で同じようにしか振動できなかったのに対し、本発明の皮膚感覚提示装置では、指の触れるパーツが、極めて柔軟かつ薄い素材(例えば、ポリイミドフィルム:厚さ7.5μm)でできているため、パーツ上の各部分で異なる振動を発生させることができる。
【0039】
図4は本発明の実施例を示す皮膚感覚提示装置のシステム構成図である。なお、図1〜図3に示す実施例と同じ部分には同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【0040】
この図に示すように、リニアエンコーダー(LE)31からの信号を電子制御装置32に入力して移動子11の位置の演算を行い、その移動子11の位置に応じて制御信号を電圧制御器33に出力して、固定子1の電極3にその制御された電圧を印加するようにしている。なお、矢印は操作方向を示している。
【0041】
このように、本発明の皮膚感覚提示装置の移動子11にはその位置を検出するためのリニアエンコーダー31が設けられており、移動子位置、すなわち指先位置を検出することができる。よって、その位置の検出結果に基づき、電極3に印加する電圧を制御することにより、擬似的に、微細なテクスチャを表現することが可能となる。すなわち、盲人用点字装置に見られるような刺激子を配列したタイプの装置においては、表現の分解能が刺激子の配列ピッチにより決定されてしまうのに対し、本発明の皮膚感覚提示装置では、電極3の配列ピッチによらず、微細なテクスチャを表現することができる。
【0042】
したがって、物に触れたときのザラザラ感ツルツル感を的確に表現させることができる。
【0043】
なお、上記実施例では、電極構造としてストライプ状の電極構造について述べたが、パターンの無い平板状の電極構造とするようにしてもよい。
【0044】
また、移動子として、薄膜状の素材を用いたものを示しているが、例えば、薄膜状のフィルムなどの柔軟な素材を用いる。
【0045】
図5は本発明の他の実施例を示す視覚情報表示付き皮膚感覚提示装置の代用写真、図6はその断面模式図である。なお、図6(b)は図6(a)のC−C線断面拡大図である。
【0046】
これらの図において、41はタッチパネルLCD、42は固定子(ステータ)、43はスライダー、44は操作者の指、45は移動方向を示しており、タッチパネルLCD41上の固定子42は、下部より透明プラスチックフィルム42A、ITO電極42B、ウレタン42Cからなり、固定子42上を移動するスライダー43は、ウレタン43A、アルミニウム電極43B、透明プラスチックフィルム43Cからなる。このスライダー43は、操作者の指44に巻付けられるように構成されている。
【0047】
この実施例では、タッチパネルLCD41に貼り付けた透明電極(ITO電極42B)からなる固定子42と操作者の指44に巻き付けられたアルミ蒸着フィルム(アルミニウム電極43B)からなるスライダー43とで構成される。操作者はスライダー43が巻き付けられた操作者の指44で、直接タッチパネルLCD41に表示されている模様や図形などをなぞることにより、その触感を直接得ることが可能である。すなわち、透明電極(ITO電極42B)を用いることにより、モニタに表示される画像などの視覚情報とともに皮膚感覚情報を提示することができる。
【0048】
固定子42はITO電極42B上にウレタン42Cをコーティングし、絶縁層(厚さ6.5μm)を形成したものであり、無色透明である。このITO電極42Bはフィルム全体にコートされた単相電極であり、電圧を印加できるように配線されている。この固定子42をタッチパネルLCD41(Gunze,AV7630FT02)に貼り付けてある。
【0049】
スライダー43はアルミニウムを蒸着したフィルム(アルミニウム電極43B)にウレタン43Aをコーティングし、保護層(厚さ0.5μm)を形成したものである。アルミニウムが蒸着されている導電層43Bは導線を介してグランドに接続されている。
【0050】
固定子42が貼り付けられたタッチパネルLCD41を操作者の指44でなぞるとタッチパネルLCD41の機能により、パソコン(PC)画面上のカーソルが動く。このカーソル位置を指位置としている。カーソル位置に応じてPCから電圧値を送り、これを増幅して固定子のITO電極42Bに印加する構成となっている。
【0051】
なお、今回用いたタッチパネルは抵抗膜式である。タッチパネルの他方式として静電容量式や弾性表面波式があるが、静電容量式の場合は固定子により弾性表面波が適切に伝わらなくなるために用いることが困難であると考えられる。
【0052】
上記のように、この実施例では、視覚情報とともに皮膚感覚情報を提示することができるため、操作性や臨場感をより高めることが可能となる。
【0053】
上記のように構成したので、透明電極を用いることにより、ディスプレイに直接触れて皮膚感覚を提示することができる。
【0054】
次に、この視覚情報表示付き皮膚感覚提示装置の触感提示原理について説明する。
【0055】
図7はその視覚情報表示付き皮膚感覚提示装置による触感の提示原理の説明の断面模式図である。
【0056】
この図において、51はITO電極、52は絶縁膜、53はアルミニウム電極(スライダー)、54は操作者の指、55は移動方向、56は静電吸引力、57は摩擦力である。
【0057】
そこで、ITO電極51に電圧を印加することにより、ITO電極51とスライダー53の導電層との間に静電吸引力56が発生する。この状態で操作者の指54を動かすと摩擦力57が発生する。この摩擦力57が操作者の指54に加わり操作者は触感を得ることができる。したがって、ITO電極51に印加する電圧を制御することにより、操作者の指54に加わる摩擦力57を制御し、様々な触感の提示が行なえる。
【0058】
本発明の皮膚感覚提示装置において発生する摩擦力の測定を行なった。
【0059】
図8は本発明の皮膚感覚提示装置に働く摩擦力の測定方法を示す模式図である。
【0060】
この図において、60はステージ、61は固定子、62は摩擦力の測定対象としてのスライダーフィルムを20mm角のアクリル板に貼り付けたスライダー、63はロードセル、64はステージ60の移動方向、65はスライダー62に加えられる与圧である。
【0061】
この図に示すように、固定子61をステージ60に貼り付け、スライダー62に50gfの与圧65で固定子61に押し付けた。この状態でステージ60を0.5mm/sの速度で動かし、スライダー62に働く摩擦力をロードセル63により測定した。
【0062】
印加電圧が100V0-p のときのものを図9(a)に、同様の印加電圧波形で振幅が60V0-p から200V0-p のときの摩擦力測定結果を図9(b)に示す。印加電圧波形で正負の電圧が交互に現れるのは、同極性の電圧を与え続けると摩擦力が低下するためである。これはフィルムの帯電によるものと考えられる。
【0063】
図9(b)より明らかなように、電圧印加直後に摩擦力は最大となり、その後時間とともに減衰することが分かる。また、摩擦力は印加電圧のほぼ2乗に比例することが分かる。
【0064】
次に、本発明の応用例について説明する。
【0065】
ここでは、本発明の装置を適用できるWindows(登録商標)用アプリケーションを試作した。例えば、図10(a)に示すようなテクスチャを表現したい場合は、図10(b)に示すように、図10(a)中の色(白と黒)の境界で切り替わるように電圧を印加することとした。なお、図10(a)における矢印は、指の動作を示す。
【0066】
図11は作成したWindows(登録商標)用アプリケーションを示す図である。図11に示す上三段では様々な種類や粗さの模様をなぞっている感覚を受けることができる。また、図11に示す最下段では色の濃いものほど強い粗さ感の提示を受けることができる。用いた最大印加電圧振幅は250V0-p 程度である。
【0067】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0068】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0069】
(A)移動子が薄膜状で十分柔らかいため、移動子と固定子との間に働く静電吸引力を場所により異なるものとすることができ、例えば、指先と指の腹など、場所により異なった刺激を与えることができる。そのため、現実の面をなぞった際に近い感触を提示することが可能となる。
【0070】
(B)固定電極と指先との間に薄膜状の移動子(フィルム)を挟み込むようにしたので、指先の発汗の影響を受けにくく、長時間にわたり安定した駆動を実現することができる。
【0071】
(C)薄膜状の移動子(フィルム)を設置し、移動子と指先を一緒に動かす仕様となっているため、容易に指先位置を測定することができる。
【0072】
そのため、指先位置に応じて発生力を制御することで従来よりも豊かな表現が可能となる。また、指先に何らかの付加的な装置を装着する必要はなく、単に薄膜状の移動子(フィルム)に触れて動かすだけであるため、簡便かつ軽量で実用性が高い。
【0073】
(D)透明電極を用いることにより、画面を見ながら直接触れて皮膚感覚を提示することができるようになるため、皮膚感覚情報を視覚情報とともに得ることができ、操作性や臨場感をより高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す皮膚感覚提示装置の模式図である。
【図2】図1のA−A線の断面図である。
【図3】図1のB−B線の断面図である。
【図4】本発明の実施例を示す皮膚感覚提示装置のシステム構成図である。
【図5】本発明の他の実施例を示す視覚情報表示付き皮膚感覚提示装置の代用写真である。
【図6】図5の視覚情報表示付き皮膚感覚提示装置の断面模式図である。
【図7】本発明の視覚情報表示付き皮膚感覚提示装置による触感の提示原理の説明の断面模式図である。
【図8】本発明の皮膚感覚提示装置に働く摩擦力の測定方法を示す模式図である。
【図9】本発明の皮膚感覚提示装置の印加電圧と摩擦力を示す図である。
【図10】本発明の皮膚感覚提示装置のテクスチャと印加電圧との関係を示す図である。
【図11】本発明を適用するWindows(登録商標)用アプリケーションの例を示す図である。
【図12】従来の皮膚感覚提示装置の模式図である。
【符号の説明】
1,42,61 固定子
2 基板
3 ストライプ状(もしくは、マトリクス状)の電極
4 絶縁膜(絶縁フィルム)
11 移動子(フィルム)
12 薄膜
13 導電体層
21,44,54 操作者の指
31 リニアエンコーダー(LE)
32 電子制御装置
33 電圧制御器
41 タッチパネルLCD
42A,43C 透明プラスチックフィルム
42B,51 ITO電極
42C,43A ウレタン
43,62 スライダー
43B アルミニウム電極
45,55 移動方向
52 絶縁膜
53 アルミニウム電極(スライダー)
56 静電吸引力
57 摩擦力
60 ステージ
63 ロードセル
64 ステージの移動方向
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a device that reproduces a virtual tactile sensation in a virtual reality, a game machine, and the like, and a skin sensation (tactile sense) presentation device that is used for tactile information presentation in a home PC or the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, visual, auditory, and haptic expressions have been the mainstream in the fields of virtual reality and games, but in recent years, the importance of expression based on skin sensation (= tactile sensation) has increased. Up to now, a plurality of skin sensation presentation devices have been developed, many of which are intended for use as a Braille device for blind people, or are based on the technology of conventional Braille devices for blind people. A skin sensation presentation device that has been developed based on this and reproduces a general-purpose tactile sensation has not yet been put into practical use.
[0003]
Hereinafter, a conventional skin sensation presentation apparatus will be described in detail.
[0004]
(1) What is a skin sensation presentation device? The so-called tactile sensation that humans feel when touching something is physiologically divided into two sensations due to the difference in neuroreceptors.
[0005]
One is a deep sensation perceived by receptors on muscles and joints, and the other is a skin sensation perceived by receptors present on the skin surface.
[0006]
The deep sensation is a sense of feeling a (macro) force such as a reaction force when touching an object or a friction force generated when a fingertip is moved. On the other hand, the skin sensation is a sensation sensed by a receptor (warm point, pressure point, pain point) existing on the fingertip surface, and senses surface texture such as temperature, unevenness, friction coefficient, etc. of the object surface.
[0007]
It is very important to reproduce and present these feelings in the world such as virtual reality and bodily sensation games. However, at present, devices that reproduce the deep sensation are being put into practical use, but devices that reproduce the skin sensation are just being researched.
[0008]
Skin sensation is a general term for a wide range of touches such as unevenness and temperature, and it is difficult to present all these sensations in an integrated manner. For this reason, research and development is conducted in a form specialized for each sense. The present invention relates to a device for presenting a feeling of unevenness (= surface roughness).
[0009]
(2) Examples of development so far The display that reproduces the unevenness has been studied for many years, including Braille devices for the blind. Many of them reproduce various irregularities by arranging stimulators such as vibrators and electrodes in a matrix and controlling the stimulus intensity generated by each stimulus. Among these, the closest technique to the present invention is Electroactile Display devised by Strong et al. This apparatus has succeeded in presenting a texture equivalent to Braille with a simple configuration in which electrodes arranged in a matrix at intervals of 2.54 mm are simply traced with a finger.
[0010]
Concavities and convexities that make up the surface roughness that can be perceived by humans are thought to be distributed at intervals of about several tens to several hundreds of microns in the small ones. It is desirable to be able to present stimuli with positional resolution. However, in the above-described method of arranging a stimulator, it is difficult to reduce the arrangement interval mainly due to restrictions on the size of a stimulator such as a vibrator or an electrode, so it is difficult to achieve a position resolution of mm or less. . Therefore, even if braille or the like can be presented, it is difficult to present a fine texture such as sandpaper, and there is a problem in presenting a general tactile sensation.
[0011]
In addition, the above-mentioned Electroactile Display has been pointed out by Tang et al., Who prototyped the same device, that the stability decreases with sweating of the fingertip.
[0012]
On the other hand, a device of a type that has a slider that moves together with a finger and means that can generate a thrust or frictional force on the slider and that stimulates the fingertip of the operator via the slider has been devised.
[0013]
Examples of such types include Sandpaper System by Minsky et al., SAW Tactile Display by Nara et al., And a skin sensation presentation device that the present inventors have already proposed as Japanese Patent Application No. 2000-226506.
[0014]
As an example, FIG. 12 shows a device configuration of the Sandpaper System.
[0015]
In FIG. 12, 101 is a fixed part, 102 is the upper surface of the fixed part 101, 103 is a knob of a two-degree-of-freedom joystick, 104 is a top cover that moves together with the knob 103, 105 is an operator's hand, and 106 is two freedoms. The joystick shaft, 107 is a first DD motor, and 108 is a second DD motor.
[0016]
In this device, force feedback can be applied to the joystick, and when the joystick knob 103 is moved horizontally with the fingertip (although the entire hand 105 in the figure), the joystick looks as if it is tracing an uneven surface. The knob 103 vibrates. By controlling the vibration period and strength, various uneven surfaces can be expressed.
[0017]
Since this type of apparatus can easily detect the position of the slider, it is possible to express a fine texture by modulating the stimulus applied according to the detected slider position. Therefore, if an appropriate sensor and actuator are used, an expression resolution of the order of mm or less can be achieved relatively easily.
[0018]
However, when a stimulus is applied to the fingertip through the slider in this way, the stimulus is transmitted to the entire finger, and it is difficult to present a local stimulus. That is, when actually tracing the surface, different fine vibrations are generated in each part of the belly of the finger, whereas in the type of skin sensation presentation device as shown in FIG. The vibration that averages the vibration can only be given to the entire finger in common.
[0019]
For this reason, the sense that the operator actually receives is different from the actual sense. For the same reason, a texture in which unevenness is continuously distributed, such as sandpaper, is easy to express, but it is difficult to express, for example, a line-like protrusion or groove that exists alone.
[0020]
Many devices with different ideas from the types described so far have been proposed, but each has its own problems in terms of expressive ability and ease of use.
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the skin sensation presentation devices proposed so far have problems in the resolution of expression and the presentation method of stimuli, and it is difficult to give a more realistic feel.
[0022]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a skin sensation presentation device that enables precise tactile sensation expression with a simple structure.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In a skin sensation presentation device, a device comprising a stator having electrodes and a mover having appropriate conductivity on the surface or inside thereof, and when the operator moves the mover with a finger, By appropriately controlling the voltage applied to the stator electrode, the frictional vibration caused by the electrostatic attraction between the stator electrode and the moving element is transmitted to the fingertip of the operator, thereby variously It presents a unique skin sensation.
[0024]
[2] The skin sensation presentation device according to [1], wherein the stator electrodes are formed in a stripe shape or a matrix shape.
[0025]
[3] The skin sensation presentation device according to [1], wherein the moving element is a thin film moving element.
[0026]
[4] In the skin sensation presentation device according to [1], there are provided means for detecting the position of the movable element, and various voltages can be obtained by controlling the voltage applied to each electrode of the stator based on the detected position. It presents a unique skin sensation.
[0027]
[5] In the skin sensation presentation device according to [1], the finger of the operator can be used without greatly changing the distribution of friction force generated between the mover and the stator by using the mover as a flexible material. It is characterized by transmitting to.
[0028]
[6] In the skin sensation presentation device according to [1], the transparent electrode material is used as the electrode, and the electrode made of the transparent electrode material is superimposed on the display, so that visual information and skin sensation information are presented together. It is characterized by doing.
[0029]
[7] The skin sensation presentation device according to [6], wherein the display is a touch panel display.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0031]
FIG. 1 is a schematic diagram of a skin sensation presentation device showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of the skin sensation presentation device taken along line AA, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the skin sensation presentation device taken along line BB. is there.
[0032]
In these figures, reference numeral 1 denotes a stator, and this stator 1 is formed with a striped (or matrix) electrode 3 formed on a substrate 2 and covered with an insulating film (insulating film) 4 thereon. It is a thing. Reference numeral 11 denotes a mover (film). The mover 11 includes a thin film 12, and the upper surface of the thin film 12 is processed so as to have an appropriate conductivity. The simplest treatment method in that case is lightly moistening. Here, a conductor layer 13 is formed on the upper surface of the thin film 12. The thin film 12 is desirably as thin as possible. Reference numeral 21 denotes an operator's finger that moves while pressing the mover 11.
[0033]
Reference numeral 31 denotes a linear encoder (LE) provided for detecting the position of the movable element 11. It is desirable that the encoder 31 is as light and low friction as possible. The arrow indicates the operation direction.
[0034]
When a voltage is applied to the striped electrode 3 as shown in FIG. 3, the conductor layer 13 having an appropriate conductivity on the upper surface of the movable element 11 acts as a conductor, and between the movable element 11 and the stator 1. Electrostatic attraction force is generated.
[0035]
Therefore, when a continuous pulse wave is applied to the striped electrode 3 of the stator 1, an electrostatic attractive force that continuously changes acts between the movable element 11 and the stator 1. At this time, the magnitude of the electrostatic attractive force can be varied depending on the location by independently controlling the voltage applied to each electrode constituting the striped electrode 3.
[0036]
Assuming that the thin film 12 of the moving element 11 is sufficiently thin and soft, when the moving element 11 is moved in a state where a pulse wave is applied, the moving element 11 has a different frictional force in each part due to the distributed electrostatic attraction force. Works, resulting in different vibrations at each part. Therefore, when the moving element 11 is pressed and moved by the operator's finger 21, the distributed vibration is transmitted to the operator's finger 21, and it is possible to obtain a feeling as if tracing the actual surface. it can.
[0037]
Further, when the operator traces with the finger 21, a feeling that the vibration source moves the fingertip with respect to the tracing can be obtained. Therefore, it is possible to obtain a sliding feeling that is difficult to obtain with a device of the type having a conventional slider.
[0038]
After all, in the device of the type equipped with the conventional slider, the part touched by the finger could vibrate only in the same way in the whole part, whereas in the skin sensation presentation device of the present invention, the part touched by the finger is Since it is made of a very flexible and thin material (for example, polyimide film: thickness 7.5 μm), different vibrations can be generated in each part on the part.
[0039]
FIG. 4 is a system configuration diagram of a skin sensation presentation apparatus showing an embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same part as the Example shown in FIGS. 1-3, and those description is abbreviate | omitted.
[0040]
As shown in this figure, a signal from a linear encoder (LE) 31 is input to an electronic control unit 32 to calculate the position of the mover 11, and a control signal is sent to a voltage controller according to the position of the mover 11. The controlled voltage is applied to the electrode 3 of the stator 1. The arrow indicates the operation direction.
[0041]
As described above, the moving element 11 of the skin sensation presentation device of the present invention is provided with the linear encoder 31 for detecting the position, and the moving element position, that is, the fingertip position can be detected. Therefore, by controlling the voltage applied to the electrode 3 based on the detection result of the position, it becomes possible to express a fine texture in a pseudo manner. That is, in an apparatus of a type in which stimulators such as those found in a braille device for the blind are arranged, the resolution of expression is determined by the arrangement pitch of the stimulators, whereas in the skin sensation presentation apparatus of the present invention, electrodes Regardless of the arrangement pitch of 3, a fine texture can be expressed.
[0042]
Therefore, it is possible to accurately express the rough feeling when touching an object.
[0043]
In the above embodiment, the striped electrode structure is described as the electrode structure. However, a flat electrode structure without a pattern may be used.
[0044]
Moreover, although the thing using a thin film-like material is shown as a mover, for example, a flexible material such as a thin film is used.
[0045]
FIG. 5 is a substitute photograph of a skin sensation presentation apparatus with visual information display showing another embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a schematic sectional view thereof. FIG. 6B is an enlarged cross-sectional view taken along the line CC of FIG.
[0046]
In these figures, 41 is a touch panel LCD, 42 is a stator (stator), 43 is a slider, 44 is an operator's finger, 45 is a moving direction, and the stator 42 on the touch panel LCD 41 is transparent from the bottom. The slider 43, which is made of a plastic film 42A, an ITO electrode 42B, and urethane 42C and moves on the stator 42, is made of urethane 43A, an aluminum electrode 43B, and a transparent plastic film 43C. The slider 43 is configured to be wound around the operator's finger 44.
[0047]
In this embodiment, it is composed of a stator 42 made of a transparent electrode (ITO electrode 42B) attached to the touch panel LCD 41 and a slider 43 made of an aluminum vapor-deposited film (aluminum electrode 43B) wound around the operator's finger 44. . The operator can directly obtain the tactile sensation by directly tracing the pattern or figure displayed on the touch panel LCD 41 with the finger 44 of the operator around which the slider 43 is wound. That is, by using the transparent electrode (ITO electrode 42B), skin sensory information can be presented together with visual information such as an image displayed on the monitor.
[0048]
The stator 42 is obtained by coating urethane 42C on the ITO electrode 42B to form an insulating layer (thickness 6.5 μm), and is colorless and transparent. The ITO electrode 42B is a single-phase electrode coated on the entire film, and is wired so that a voltage can be applied. This stator 42 is pasted on a touch panel LCD 41 (Gunze, AV7630FT02).
[0049]
The slider 43 is a film in which aluminum is deposited (aluminum electrode 43B) and urethane 43A is coated to form a protective layer (thickness 0.5 μm). The conductive layer 43B on which aluminum is deposited is connected to the ground via a conductive wire.
[0050]
When the touch panel LCD 41 to which the stator 42 is attached is traced with the finger 44 of the operator, the cursor on the personal computer (PC) screen is moved by the function of the touch panel LCD 41. This cursor position is the finger position. A voltage value is sent from the PC in accordance with the cursor position, amplified and applied to the ITO electrode 42B of the stator.
[0051]
The touch panel used this time is a resistive film type. There are a capacitance type and a surface acoustic wave type as other methods of the touch panel. However, in the case of the capacitance type, it is considered difficult to use because the surface acoustic wave is not properly transmitted by the stator.
[0052]
As described above, in this embodiment, the skin sensation information can be presented together with the visual information, so that the operability and the realistic sensation can be further enhanced.
[0053]
Since it comprised as mentioned above, it can touch a display directly and can show a skin sensation by using a transparent electrode.
[0054]
Next, the tactile sensation presentation principle of the skin sensation presentation apparatus with visual information display will be described.
[0055]
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the tactile sensation presentation principle of the skin sensation presentation apparatus with visual information display.
[0056]
In this figure, 51 is an ITO electrode, 52 is an insulating film, 53 is an aluminum electrode (slider), 54 is an operator's finger, 55 is a moving direction, 56 is an electrostatic attraction force, and 57 is a frictional force.
[0057]
Therefore, by applying a voltage to the ITO electrode 51, an electrostatic attractive force 56 is generated between the ITO electrode 51 and the conductive layer of the slider 53. When the operator's finger 54 is moved in this state, a frictional force 57 is generated. The frictional force 57 is applied to the operator's finger 54 so that the operator can obtain a tactile sensation. Therefore, by controlling the voltage applied to the ITO electrode 51, the frictional force 57 applied to the operator's finger 54 is controlled, and various tactile sensations can be presented.
[0058]
The frictional force generated in the skin sensation presentation device of the present invention was measured.
[0059]
FIG. 8 is a schematic diagram showing a method for measuring the friction force acting on the skin sensation presentation device of the present invention.
[0060]
In this figure, 60 is a stage, 61 is a stator, 62 is a slider in which a slider film as a friction force measurement object is attached to a 20 mm square acrylic plate, 63 is a load cell, 64 is a moving direction of the stage 60, and 65 is This is a pressure applied to the slider 62.
[0061]
As shown in this figure, the stator 61 was affixed to the stage 60 and pressed against the stator 61 with a pressure 65 of 50 gf against the slider 62. In this state, the stage 60 was moved at a speed of 0.5 mm / s, and the frictional force acting on the slider 62 was measured by the load cell 63.
[0062]
Figure ones when the applied voltage is 100V 0-p 9 (a) , the frictional force measurement results when the 200V 0-p amplitude from 60V 0-p at the same applied voltage waveform in FIG. 9 (b) Show. The reason why the positive and negative voltages alternately appear in the applied voltage waveform is that the frictional force decreases when the voltage of the same polarity is continuously applied. This is considered to be due to charging of the film.
[0063]
As is clear from FIG. 9B, it can be seen that the frictional force becomes maximum immediately after the voltage application, and then decays with time. It can also be seen that the frictional force is proportional to the square of the applied voltage.
[0064]
Next, application examples of the present invention will be described.
[0065]
Here, a trial application of Windows (registered trademark) to which the apparatus of the present invention can be applied was made. For example, to express a texture as shown in FIG. 10 (a), as shown in FIG. 10 (b), a voltage is applied so as to switch at the boundary of the color (white and black) in FIG. 10 (a). It was decided to. In addition, the arrow in Fig.10 (a) shows operation | movement of a finger | toe.
[0066]
FIG. 11 is a diagram showing the created Windows (registered trademark) application. In the upper three stages shown in FIG. 11, it is possible to receive a feeling of tracing various kinds and patterns of roughness. In addition, in the lowermost stage shown in FIG. 11, a darker color can receive a stronger feeling of roughness. The maximum applied voltage amplitude used is about 250V 0-p .
[0067]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0068]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0069]
(A) Since the moving element is thin and sufficiently soft, the electrostatic attractive force acting between the moving element and the stator can be different depending on the location, for example, depending on the location such as the fingertip and the belly of the finger. I can give a stimulus. Therefore, it is possible to present a feeling close to that when tracing the actual surface.
[0070]
(B) Since a thin film-like moving element (film) is sandwiched between the fixed electrode and the fingertip, it is difficult to be affected by sweating of the fingertip, and stable driving can be realized for a long time.
[0071]
(C) Since a thin film-like movable element (film) is installed and the movable element and the fingertip are moved together, the fingertip position can be easily measured.
[0072]
Therefore, richer expression than before can be achieved by controlling the generated force according to the fingertip position. Further, it is not necessary to attach any additional device to the fingertip, and it is simply touching and moving the thin film-like moving element (film), so that it is simple, lightweight, and highly practical.
[0073]
(D) By using a transparent electrode, it becomes possible to present skin sensation by touching directly while looking at the screen, so skin sensation information can be obtained together with visual information, and operability and realism are further enhanced. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a skin sensation presentation apparatus showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 4 is a system configuration diagram of a skin sensation presentation device showing an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a substitute photograph of a skin sensation presentation apparatus with visual information display according to another embodiment of the present invention.
6 is a schematic cross-sectional view of the skin sensation presentation apparatus with visual information display of FIG.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating the tactile sensation presentation principle of the skin sensation presentation apparatus with visual information display according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a method for measuring a friction force acting on the skin sensation presentation device of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing applied voltage and frictional force of the skin sensation presentation device of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the texture and the applied voltage of the skin sensation presentation device of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing an example of an application for Windows (registered trademark) to which the present invention is applied.
FIG. 12 is a schematic diagram of a conventional skin sensation presentation device.
[Explanation of symbols]
1, 42, 61 Stator 2 Substrate 3 Striped (or matrix) electrode 4 Insulating film (insulating film)
11 Mover (film)
12 Thin film 13 Conductor layer 21, 44, 54 Operator's finger 31 Linear encoder (LE)
32 Electronic controller 33 Voltage controller 41 Touch panel LCD
42A, 43C Transparent plastic film 42B, 51 ITO electrode 42C, 43A Urethane 43, 62 Slider 43B Aluminum electrode 45, 55 Moving direction 52 Insulating film 53 Aluminum electrode (slider)
56 Electrostatic attractive force 57 Frictional force 60 Stage 63 Load cell 64 Stage moving direction

Claims (7)

電極を有する固定子と、表面もしくは内部に適度な導電性を持たせた移動子からなる装置を備え、操作者が前記移動子を指で動かした際に、前記固定子の電極に印加する電圧を適切に制御することにより、前記固定子の電極と前記移動子間の静電吸引力に起因する摩擦振動を前記操作者の指先に伝達し、それにより様々な皮膚感覚を提示することを特徴とする皮膚感覚提示装置。A voltage applied to the stator electrode when an operator moves the mover with a finger, comprising a device comprising a stator having an electrode and a mover having appropriate conductivity on the surface or inside. By appropriately controlling the frictional vibration caused by the electrostatic attraction between the stator electrode and the moving element is transmitted to the fingertip of the operator, thereby presenting various skin sensations. Skin sensation presentation device. 請求項1記載の皮膚感覚提示装置において、前記固定子の電極はストライプ状又はマトリクス状に形成されることを特徴とする皮膚感覚提示装置。The skin sensation presentation apparatus according to claim 1, wherein the electrodes of the stator are formed in a stripe shape or a matrix shape. 請求項1記載の皮膚感覚提示装置において、前記移動子は薄膜状の移動子からなることを特徴とする皮膚感覚提示装置。2. The skin sensation presentation apparatus according to claim 1, wherein the moving element is a thin film moving element. 請求項1記載の皮膚感覚提示装置において、前記移動子の位置を検出する手段を有し、検出した位置に基づき前記固定子の各電極に印加する電圧を制御することにより、様々な皮膚感覚を提示することを特徴とする皮膚感覚提示装置。The skin sensation presentation device according to claim 1, further comprising means for detecting a position of the moving element, and controlling various voltages applied to the electrodes of the stator based on the detected position. A skin sensation presentation device characterized by presenting. 請求項1記載の皮膚感覚提示装置において、前記移動子を柔軟な素材とすることにより、移動子・固定子間に発生する摩擦力分布を大きく変化させることなく前記操作者の指先に伝達することを特徴とする皮膚感覚提示装置。The skin sensation presentation device according to claim 1, wherein the moving element is made of a flexible material, so that the frictional force distribution generated between the moving element and the stator is transmitted to the fingertip of the operator without greatly changing. A skin sensation presentation device characterized by the above. 請求項1記載の皮膚感覚提示装置において、前記電極として透明電極材料を用い、該透明電極材料からなる電極をディスプレイの上に重ねることで、視覚情報と皮膚感覚情報をあわせて提示することを特徴とする皮膚感覚提示装置。2. The skin sensation presentation apparatus according to claim 1, wherein a transparent electrode material is used as the electrode, and the visual information and the skin sensation information are presented together by overlaying an electrode made of the transparent electrode material on the display. Skin sensation presentation device. 請求項6記載の皮膚感覚提示装置において、前記ディスプレイはタッチパネルディスプレイであることを特徴とする皮膚感覚提示装置。The skin sensation presentation apparatus according to claim 6, wherein the display is a touch panel display.
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