触覚刺激発生装置
【課題】ユーザに所望の電気的な刺激を与えることが容易で信頼性が高く、しかも安全性の高い触覚刺激発生装置を提供すること。
【解決手段】触覚刺激発生装置１はユーザの指先４０に電気的な刺激を与えるためのものであり、絶縁層２に触覚生成電極３群を配設してなる触覚刺激発生シート４を座標入力装置１０の前面に設置して使用される。指先４０を絶縁層２に近接させると、差動電圧が印加される触覚生成電極３群の＋側電極および−側電極と指先４０とが容量結合して、＋側電極から−側電極へと向かう電流の一部が指先４０を通過し、この電流によってユーザに前記刺激が与えられる。その際、＋側電極から指先４０へ流入する電流量と、指先４０から−側電極へ流出する電流量とが同等になるように、電流量制御を行いながら差動電圧を印加する。
【解決手段】触覚刺激発生装置１はユーザの指先４０に電気的な刺激を与えるためのものであり、絶縁層２に触覚生成電極３群を配設してなる触覚刺激発生シート４を座標入力装置１０の前面に設置して使用される。指先４０を絶縁層２に近接させると、差動電圧が印加される触覚生成電極３群の＋側電極および−側電極と指先４０とが容量結合して、＋側電極から−側電極へと向かう電流の一部が指先４０を通過し、この電流によってユーザに前記刺激が与えられる。その際、＋側電極から指先４０へ流入する電流量と、指先４０から−側電極へ流出する電流量とが同等になるように、電流量制御を行いながら差動電圧を印加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タッチパネル等と呼ばれる座標入力装置の前面に設置されて、操作者（ユーザ）の指先等へ制御された電気的な刺激を与えるための触覚刺激発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タッチパネルやタッチスクリーン等と呼称される座標入力装置は、ユーザが指先を操作面に近接または接触させたときに、静電容量値等の変化によって操作面上における指先の座標位置を検出し、その座標位置に応じた入力操作を可能にするというものである。この種の座標入力装置はＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の表示装置の前面に設置されており、ユーザが表示装置の画面に表示されている所望の操作領域上に指先を置くと、その操作領域の操作内容が実行されるようなっている。なお、この種の座標入力装置の位置検出方式としては、静電容量式や抵抗膜式や表面弾性波式あるいは電磁誘導式など種々のものが知られている。
【０００３】
ところで、この種の座標入力装置では、ユーザが自身の指先を操作面に近接または接触させる際に、指先が操作面の所望位置に置かれていることを目で見て確認する必要がある。すなわち、ユーザの指先が操作面のどこに置かれていても、指先に伝わる感覚には差異が生じないので、ユーザが操作面上における指先位置の視認を怠ると正しく操作することは困難となる。
【０００４】
そこで従来より、操作面に配設した複数の電極にユーザの指先を接触させると、この指先に電気的な刺激が与えられるようにした触覚刺激発生装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この従来例では、操作面に多数の電極が碁盤目状に配設されており、ユーザが操作面の所望位置に指先を押し当てると、その指先に２つ以上の電極が接触することにより、これら複数の電極間で電気特性（インピーダンス等）が変化して位置検出が行えるようになっている。また、これら複数の電極に所定のパルス信号を供給することによって、ユーザの指先に電気的な刺激が与えられるようになっているため、この刺激を擬似的な触覚として感知するユーザに対して、操作面の所望位置に指先が触れていることをフィードバックできるようになっている。
【０００５】
また、他の従来例として、絶縁体に覆われた電極に高電圧源から低周波（例えば１００〜３００Ｈｚ）の電気信号を供給し、この絶縁体に近接または接触させたユーザの指先と該電極とを絶縁体を介して容量結合させることにより、電気信号に基づく刺激を指先のパチニ小体等に感知させるようにした触覚刺激発生装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この従来例では、電極との容量結合によってユーザの指先に電荷が励起されるため、電気信号の周波数等を制御して各種の電気的な刺激を指先に与えることができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３１９２５５号公報
【特許文献２】特開２００９−８７３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示されている従来の触覚刺激発生装置は、ユーザの指先を電極に接触させることによって電気的な刺激が与えられるというものなので、指先に付着している汗や皮脂等によって通電が妨げられることがある。そのため、この従来例においては、所望の触覚刺激を指先に生起させることが容易でなく、高信頼性が期待できないという問題があった。なお、電極への供給電流量を増大させれば、皮脂等で通電が妨げられても確実に触覚刺激を生起させることができるが、その場合には、指先に与えられる電気的な刺激が強すぎてユーザに痛みを感じさせてしまう虞がある。
【０００８】
これに対して、特許文献２に開示されている従来の触覚刺激発生装置は、ユーザの指先が電極に接触しないので上記のような問題は発生しない。しかるに、この従来例では、ユーザの身体の一部が金属等に触れてアース（接地）されている状態で、その指先を高電圧（例えば１ｋＶ）の電気信号が供給された電極に容量結合させたときに、電気信号の電圧変化に伴う交流結合によって、ユーザの体内へ異常電流が流れ込んで感電する虞があるため、安全性の確保という点で改善の余地があった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、ユーザに所望の電気的な刺激を与えることが容易で信頼性が高く、しかも安全性の高い触覚刺激発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は、ユーザの指先等の身体特定部が近接したときにその座標位置を検出可能な座標入力装置の前面に設置して使用され、前記身体特定部に制御された電気的な刺激（触覚刺激）を付与可能な触覚刺激発生装置において、位相差が１８０度の差動電圧が印加されるプラス側電極およびマイナス側電極からなる複数の触覚生成電極と、これら複数の触覚生成電極を覆う位置に延在して前記プラス側電極とこれに隣接する前記マイナス側電極とを容量結合させる絶縁層とを備え、前記絶縁層に近接または接触させた前記身体特定部を前記プラス側電極およびマイナス側電極と容量結合させることによって前記刺激を生起させるようにした。
【００１１】
ここで、触覚生成電極への電気的な刺激信号がパルス状のものである場合、刺激信号の持つ周波数成分が高くなるため、触覚生成電極と容量（Ｃ）結合される身体特定部での交流結合インピーダンスは低くなり、指先等の身体特定部に電流が流れやすくなる。したがって、高い周波数成分（パルス駆動等）主体での刺激信号時には、交流結合による差動電圧に起因する電流（プラス側電極からマイナス側電極へと向かう電流の一部）が指先等の身体特定部を通過して刺激を生起させることができる。一方、触覚生成電極への電気的な刺激信号がＳｉｎ波形等である場合、刺激信号の持つ周波数成分がパルス波形に対して低くなるため、触覚生成電極と容量（Ｃ）結合される身体特定部での交流結合インピーダンスは高くなり、身体特定部に電流は流れにくくなる。したがって、低い周波数成分（Ｓｉｎ波形等）主体での刺激信号時には、触覚生成電極と身体特定部に誘起もしくはチャージされた電荷によるクーロン力で発生する皮膚変形が支配的となる刺激を生起させることができる。
【００１２】
このように構成された触覚刺激発生装置では、差動電圧が印加されるプラス側電極およびマイナス側電極に対して、ユーザの指先等の身体特定部が絶縁層を介して容量結合されるため、刺激信号の持つ周波数成分がＳｉｎ波形等のように低い場合だけでなく、パルス駆動等のように高い場合であっても、プラス側電極から身体特定部へ流入する電流がユーザの体内へほとんど漏れずにマイナス側電極へ流出するようになる。つまり、指先等の身体特定部には、触覚刺激発生装置の動作時に局所的に電位差を生じて電流が流れるものの、全体としては電位変動がほぼゼロなので、ユーザの身体の一部が金属等に触れてアースされていても、ユーザの体内へ異常電流が流れ込んで感電する虞がない。そして、振幅や周波数を制御した電気信号に基づく電流もしくは励起電荷による刺激を指先等の身体特定部に印加することができるため、この電気刺激による刺激を擬似的な触覚としてユーザに感知させることができる。また、操作時にユーザは指先等の身体特定部を触覚生成電極（プラス側電極やマイナス側電極）に接触させるわけではないので、この身体特定部に汗や皮脂等が付着していても電気的な刺激にはさほど影響せず、それゆえ振幅や周波数を適宜設定した電気信号に基づく所望の触覚刺激をユーザに与えることが容易である。
【００１３】
上記の触覚刺激発生装置において、プラス側電極から指先等の身体特定部へ流入する電流量と、この身体特定部からマイナス側電極へ流出する電流量とが同等になるように、電流量制御を行いながら触覚生成電極に差動電圧を印加するようにしてあると、ユーザの身体が帯電している場合にも、電気的な刺激が与えられる指先等の身体特定部に電位変動はほとんど起こらなくなる。それゆえ、強い触覚刺激を生成するために触覚生成電極に印加する差動電圧を若干高めに設定した場合にも、ユーザが感電する虞はなくなって、安全性を一層向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の触覚刺激発生装置は、絶縁層に近接または接触させた指先等の身体特定部を、差動電圧が印加されるプラス側電極およびマイナス側電極と容量結合させることによって、差動電圧に起因する電流が身体特定部を通過して電気的な刺激が生起され、もしくは身体特定部に励起される電荷により電気的な刺激が生起されるようにしてあるため、ユーザの身体の一部が金属等に触れてアースされていても、ユーザの体内へ異常電流が流れ込むことを防止できる。また、操作時にユーザは身体特定部を触覚生成電極（プラス側電極やマイナス側電極）に接触させるわけではないので、指先等の身体特定部に汗や皮脂等が付着していても電気的な刺激にはさほど影響しない。それゆえ、本発明の触覚刺激発生装置は、ユーザに所望の触覚刺激を与えることが容易で信頼性が高く、しかも安全性が高いという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る触覚刺激発生装置の触覚生成電極群を座標入力装置の検出電極群と共に示す分解斜視図である。
【図２】図１に示す触覚生成電極群と検出電極群の積層構造を模式的に示す要部断面図である。
【図３】図１に示すＸ座標検出シートの電極パターンを示す平面図である。
【図４】図１に示すＹ座標検出シートの電極パターンを示す平面図である。
【図５】図１に示す触覚刺激発生シートの電極パターンを示す平面図である。
【図６】第１実施形態例に係る触覚刺激発生装置の回路構成図である。
【図７】図１に示す触覚刺激発生シートの動作原理を示す説明図である。
【図８】図５に対応する第１実施形態例の変形例を示す説明図である。
【図９】本発明の第２実施形態例に係る触覚刺激発生装置の触覚生成電極群を座標入力装置の検出電極群と共に示す分解斜視図である。
【図１０】図９に示す触覚刺激発生装置の要部平面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る触覚刺激発生装置の触覚生成電極群を座標入力装置およびＬＣＤと共に示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。まず、図１〜図７を参照しながら本発明の第１実施形態例について詳しく説明する。
【００１７】
図１は、第１実施形態例に係る触覚刺激発生装置１の触覚刺激発生シート４を、座標入力装置１０のＸ座標検出シート１１およびＹ座標検出シート１２の前面（図の上方）に設置した場合の使用例を示している。この触覚刺激発生シート４は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等からなる透明な絶縁層２の片面に多数の触覚生成電極３を配設して構成されている。触覚刺激発生シート４の前面には、カバー体２０の透明保護シート２１が配置されており、この透明保護シート２１の表面が操作面となっている。座標入力装置１０は静電容量式と呼ばれる検出方式であり、Ｘ座標検出シート１１とその前面に積層されたＹ座標検出シート１２とが協働して座標検出を行う。Ｘ座標検出シート１１は図示せぬ表示装置（例えばＬＣＤ）の前面に設置されており、Ｙ座標検出シート１２の前面に触覚刺激発生シート４が配置されている。
【００１８】
座標入力装置１０はタッチパネルやタッチスクリーン等と呼ばれるシート状の座標入力装置であり、ユーザが自身の指先を操作面（透明保護シート２１の表面）に接触させると、静電容量値が変化して指先の座標位置が検出されるため、指先の座標位置に応じた入力操作が行えるようになっている。すなわち、ユーザが、ＬＣＤ等の表示装置の画面に表示されている所望の操作領域上に指先を置くと、その操作領域の操作内容が実行されるようなっている。
【００１９】
座標入力装置１０のＸ座標検出シート１１には、ＰＥＴ等からなる透明な絶縁層１３の片面に菱形形状の第１電極１４が多数配設されており、これら第１電極１４は透明電極として均等な分布で配置されて第１の検出電極群を構成している。図３に示すように、第１の検出電極群のうち複数の第１電極１４はＹ軸方向（図示縦方向）に一列に並んで連結されており、この第１電極１４の列がＸ軸方向（図示横方向）に等間隔に分散配置されている。そのため、どの列の第１電極１４がユーザの指先と相互作用しているのかを示す検出データに基づいて、操作面上における指先のＸ座標を検出することができる。また、座標入力装置１０のＹ座標検出シート１２には、ＰＥＴ等からなる透明な絶縁層１５の片面に菱形形状の第２電極１６が多数配設されており、これら第２電極１６は透明電極として均等な分布で配置されて第２の検出電極群を構成している。図４に示すように、第２の検出電極群のうち複数の第２電極１６はＸ軸方向に一列に並んで連結されており、この第２電極１６の列がＹ軸方向に等間隔に分散配置されている。そのため、どの列の第２電極１６がユーザの指先と相互作用しているのかを示す検出データに基づいて、操作面上における指先のＹ座標を検出することができる。
【００２０】
ただし、Ｘ座標検出シート１１の全ての第１電極１４とＹ座標検出シート１２の全ての第２電極１６は、平面視で重なり合わないように配置されている。すなわち、第１の検出電極群において隣接する第１電極１４間に形成される隙間の前方にそれぞれ第２電極１６が位置し、且つ、第２の検出電極群おいて隣接する第２電極１６間に形成される隙間の後方にそれぞれ第１電極１４が位置するという配置にしてある。後述するように、第１電極１４と第２電極１６を前方へ投影した位置に触覚刺激発生シート４の触覚生成電極３がそれぞれ配置されており、これら第１電極１４と第２電極１６および触覚生成電極３の三者は形状および大きさが同等に形成されている。
【００２１】
なお、座標入力装置１０の検出原理は公知であるため詳細な説明を省略するが、ユーザが指先を近接させると、この指先の近傍で第１電極１４と第２電極１６との間の静電容量値が減少することにより、この容量値変化に基づいて指先の座標位置を検出できるようになっている。
【００２２】
触覚刺激発生装置１は、座標入力装置１０によって座標位置が検出された指先に対して、制御された電気的な刺激（触覚刺激）を与えるためのものであり、図６に例示した回路を２つもしくはそれ以上使用して、触覚生成電極３群に差動電圧を印加するようになっている。図６において、Ｖｉｎは±２Ｖ範囲内の指令信号であり、Ｖｏｕｔは触覚生成電極３への±２ｋＶ範囲内の電気信号となる。Ｖｉｎの指令信号と演算アンプ６の基準電圧であるＧＮＤ（０Ｖ）との電圧差が演算アンプ６で増幅されたのち、ドライブ回路７の出力電圧が指令値に従った電圧を出力するように帰還回路８を介してフィードバックされて安定化される。ドライブ回路７の出力は、絶縁アンプ５の２入力に接続されている抵抗９を介して触覚生成電極３群に印加される。このとき、抵抗９の両端にあらわれる電圧差は抵抗９に流れる電流量に比例することから、ドライブ回路７から触覚生成電極３群に流れる電流量は、抵抗９の両端電圧差を絶縁アンプ５にて演算取得することにより電流情報Ｉを取り出せるようになっている。これにより、触覚生成電極３群を構成するプラス側電極およびマイナス側電極に高圧と低圧をそれぞれ印加し、プラス側電極に流れる電流情報Ｉとマイナス側電極に流れる電流情報Ｉをそれぞれ取り出せるようになっている。プラス側電極からユーザの指先へ流入する電流量と、この指先からマイナス側電極へ流出する電流量とが同等になるように、得られた電流情報Ｉをモニタしながら電流量制御を行って差動電圧を印加するようにしてある。例えば、刺激信号がパルス状のものであるならば、ユーザの指先へ流入する電流量を減らす場合は、パルスの立ち上がり角度が緩やかになるような制御を行う。
【００２３】
図５に示すように、触覚刺激発生シート４には、透明電極からなる菱形形状の触覚生成電極３が高密度に分散配置されている。これら多数の触覚生成電極３のうち、図５の左端に位置する触覚生成電極３ａはＹ軸方向（図示縦方向）に沿って分散配置されており、図５の上端に位置する触覚生成電極３ｂはＸ軸方向（図示横方向）に沿って分散配置されている。そして、触覚生成電極３ａ群と触覚生成電極３ｂ群とに差動電圧が印加されるようにしてある。図５において、触覚生成電極３ｂを先頭にＹ軸に沿って並ぶ触覚生成電極３の電極列Ｂは、同方向に並ぶ第１電極１４の列（図３参照）と平面視で重なり合っているため、触覚生成電極３ｂに電圧が印加されると、第１電極１４を介して電極列Ｂの残余の触覚生成電極３に触覚生成電極３ｂと同じ電荷が励起される。同様に、触覚生成電極３ａを先頭にＸ軸に沿って並ぶ触覚生成電極３の電極列Ａは、同方向に並ぶ第２電極１６の列（図４参照）と平面視で重なり合っているため、触覚生成電極３ａに電圧が印加されると、第２電極１６を介して電極列Ａの残余の触覚生成電極３に触覚生成電極３ａと同じ電荷が励起される（図２参照）。つまり、第１電極１４と第２電極１６を前方へ投影した位置にそれぞれ触覚生成電極３が配設されており、且つ、各電極３，１４，１６が同じ大きさの菱形状に形成されているため、触覚生成電極３は第１電極１４や第２電極１６と容量結合しやすくなっている。
【００２４】
次に、このように構成された触覚刺激発生装置１の動作について説明する。図７に示すように、ユーザが自身の指先４０を操作面（透明保護シート２１の表面）に接触させると、この指先４０の座標位置が座標入力装置１０によって検出されるが、操作面上の特定領域に指先４０が置かれたときには、その領域に応じて所定の電気的な刺激（触覚刺激）が触覚刺激発生装置１によって指先４０に与えられる。この電気的な刺激は、触覚生成電極３群に交流的に位相差が１８０度の差動電圧を印加することにより、操作面上の指先４０に電流が流れて生じる、もしくは指の皮膚に励起された電荷により発生するものである。
【００２５】
すなわち、差動電圧が印加されると、触覚生成電極３群を構成する前述した電極列Ａと電極列Ｂは、交互に一方が他方に対して相対的にプラス側電極になって他方がマイナス側電極になる。触覚生成電極３群を覆う位置に延在している絶縁層２にユーザの指先４０が近接していないとき、プラス側電極とこれに隣接するマイナス側電極は絶縁層２を介して容量結合されているが、図７に示すように、指先４０が操作面（透明保護シート２１の表面）に接触すると、絶縁層２および透明保護シート２１を介して指先４０が近傍のプラス側電極３およびマイナス側電極３と容量結合される。その結果、差動電圧によってプラス側電極３からマイナス側電極３へと向かう電気力線の一部が指先４０を通過するようになり、これにより電気的な刺激（電流もしくは励起電荷あるいは相互効果による刺激）を指先４０に与えることができる。この電気的刺激信号は、触覚刺激発生装置１によって振幅や周波数が制御された電気信号（パルス信号等）なので、指先４０に電流が流れて生起される刺激、もしくは指皮膚に励起された電荷による刺激を擬似的な触覚としてユーザに感知させることができ、例えばクリック感のような触覚刺激を感知させることも容易である。したがって、このような触覚刺激発生装置１を座標入力装置１０と併用することによって、指先４０が操作面上のどの領域に置かれているのかを触覚刺激としてユーザにフィードバックできるようになる。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態例に係る触覚刺激発生装置１では、ユーザが指先４０を触覚刺激発生シート４の絶縁層２に近接させたとき、差動電圧が印加される触覚生成電極３群のプラス側電極およびマイナス側電極と指先４０とが容量結合して、差動電圧に起因する電気力線（プラス側電極からマイナス側電極へと向かう交流電流経路の一部）が指先４０を通過するようにしてあるため、プラス側電極から指先４０へ流入する電流がユーザの体内へほとんど漏れずにマイナス側電極へ流出する。つまり、触覚刺激発生装置１の動作時に、指先４０には局所的に電位差を生じて電流が流れるものの、全体としては電位変動がほぼゼロなので、ユーザの身体の一部が金属等に触れてアースされていても、ユーザの体内へ異常電流が流れ込んで感電する虞はなく、安全性の高い触覚刺激発生装置１となっている。
【００２７】
しかも、本実施形態例においては、触覚生成電極３群のプラス側電極から操作面上の指先４０へ流入する電流量と、この指先４０からマイナス側電極へ流出する電流量とが同等になるように、電流量制御を行いながら差動電圧を印加するので、ユーザの身体が帯電している場合にも、電気的な刺激が与えられる指先４０に電位変動はほとんど起こらない。それゆえ、強い触覚刺激を生成するために触覚生成電極３に印加する差動電圧を若干高めに設定した場合でも、ユーザが感電する虞はない。つまり、この触覚刺激発生装置１は、感電事故を防止するための安全対策に格別の配慮がなされている。
【００２８】
また、本実施形態例に係る触覚刺激発生装置１は、操作時にユーザが指先４０を触覚生成電極３に直接接触させるわけではないので、指先４０に汗や皮脂等が付着していても電気的な刺激にはさほど影響しない。それゆえ、この触覚刺激発生装置１は、振幅や周波数を適宜設定した電気信号に基づく所望の触覚刺激をユーザに与えることが容易となり、信頼性が高いものとなっている。そして、この触覚刺激発生装置１を座標入力装置１０と併用することによって、指先４０が操作面上のどの領域に置かれているのかを触覚刺激としてユーザにフィードバックできるため、誤操作が防止しやすくなって座標入力装置１０の使い勝手が大幅に向上する。例えば、ユーザが走行中の自動車の運転者であっても、前方視界への注意を怠らずに正しく操作できるようになる。
【００２９】
また、本実施形態例に係る触覚刺激発生装置１では、触覚生成電極３群が座標入力装置１０の第１および第２の検出電極群（第１電極１４や第２電極１６）と平面視で重なり合う位置に分散配置されているため、座標入力装置１０にとって各触覚生成電極３は浮遊容量の増加要因となるのみである。つまり、座標入力装置１０は初期容量の増加分をキャンセル処理すれば触覚生成電極３の影響を取り除いた正確な位置検出が行えるため、この触覚刺激発生装置１は、検出方式が静電容量式の座標入力装置１０との併用に好適である。
【００３０】
特に、本実施形態例の場合、座標入力装置１０の第１電極１４と第２電極１６を前方へ投影した位置にそれぞれ触覚生成電極３を配設し、これら第１電極１４と第２電極１６および触覚生成電極３の三者を同等の形状および大きさに形成しているため、座標入力装置１０に対する触覚生成電極３の影響が複雑にならず、前述したキャンセル処理を簡単に行うことができる。しかも、各触覚生成電極３が相対向する第１電極１４や第２電極１６と容量結合させやすいことから、分散配置されたひと連なりの触覚生成電極３に対する電気信号の供給が、第１電極１４や第２電極１６を介して確実に行えるようになっている。
【００３１】
さらに、本実施形態例においては、触覚生成電極３が菱形（つまり第１電極１４と第２電極１６も菱形）に形成されており、第１電極１４や第２電極１６と容量結合させやすい十分な大きさの触覚生成電極３を高密度に配設できるようになっている。そのため、この触覚刺激発生装置１は、操作面内の任意の場所でユーザの指先４０に所望の触覚刺激を与えることが容易である。
【００３２】
なお、上記した第１実施形態例では、図５に示すように、触覚生成電極３群に差動電圧が印加されるとき、全ての電極列Ａと全ての電極列Ｂが交互にプラス側電極とマイナス側電極になるため、ユーザの指先が操作面上のどこに置かれていても触覚刺激が与えられるようになっている（ただし指先の座標位置は座標入力装置１０にて検出可能）。これに対して、図８の変形例に示すように、電極列Ａや電極列Ｂに対して列ごとに電圧を印加できるようにしてあると、特定の電極列Ａと特定の電極列Ｂだけを選択して差動電圧を印加することができるため、例えば、操作面上の所定領域に置かれた指先だけに触覚刺激が与えられ、別の領域に置かれた別の指先には触覚刺激が与えられないように設定することが可能となる。また、電極列Ａや電極列Ｂに対して列ごとに電圧を印加できるようにしてあると、触覚刺激を生成するための各種電気信号（振幅や周波数が相異なる電気信号）を操作面上の領域ごとに予め設定しておくことが容易となる。
【００３３】
図９と図１０は、本発明の第２実施形態例に係る触覚刺激発生装置を、検出電極群が平面視で格子状にパターニングされている座標入力装置と組み合わせた場合の使用例を示しており、図１と対応する部分には同一符号が付してある。
【００３４】
第２実施形態例に係る座標入力装置１０も位置検出方式は静電容量式であり、Ｘ座標検出シート１１上にＹ座標検出シート１２を積層した構成になっているが、各検出シート１１，１２に設けられた検出電極群はライン状に形成されている。また、Ｙ座標検出シート１２の前面に触覚刺激発生シート４が設置されており、触覚刺激発生シート４の前面にはカバー体２０の透明保護シート２１が配置されている。
【００３５】
図９の分解斜視図と図１０の要部平面図に示す座標入力装置１０において、透明電極からなる検出電極群は、Ｙ軸に沿って延在する第１帯状電極１７をＸ軸方向に等間隔に分散配置させた第１の検出電極群と、Ｘ軸に沿って延在する第２帯状電極１８をＹ軸方向に等間隔に分散配置させた第２の検出電極群とで構成されている。第１帯状電極１７はＸ座標検出シート１１の絶縁層１３の片面に配設されており、第２帯状電極１８はＹ座標検出シート１２の絶縁層１５の片面に配設されている。そして、これら両検出シート１１，１２を積層することによって、第１帯状電極１７と第２帯状電極１８とが平面視で格子状に配置されるようになっている。なお、この格子のマス目の大きさは、操作時にユーザの指先に覆われる領域に比べて十分に小さく設定されている。そのため、ユーザの指先が操作面（透明保護シート２１の表面）のどこに置かれても、この指先は必ず第１帯状電極１７や第２帯状電極１８の前方に位置することになり、その座標位置を高精度に検出することができるようになっている。
【００３６】
また、この第２実施形態例において、触覚刺激発生シート４の絶縁層２の片面には、第１帯状電極１７および第２帯状電極１８と平面視で重なり合う位置に、透明電極からなる方形状の触覚生成電極３が多数分散配置されている。これら多数の触覚生成電極３のうち、図９で右端に配設されている複数の触覚生成電極３ｃと左端に配設されている複数の触覚生成電極３ｄとに差動電圧が印加されるようにしてある。触覚生成電極３ｃを先頭にＸ軸に沿って並ぶ触覚生成電極３の電極列Ｃと、触覚生成電極３ｄを先頭にＸ軸に沿って並ぶ触覚生成電極３の電極列Ｄとが、Ｙ軸方向に交互且つ等間隔に並ぶように触覚生成電極３群が配設されているため、触覚生成電極３ｃ，３ｄに差動電圧が印加されると、第２帯状電極１８を介して、電極列Ｃと電極列Ｄは一方がプラス側電極の列となり他方がマイナス側電極の列となる。すなわち、差動電圧が印加されると、電極列Ｃや電極列ＤのようにＸ軸に沿って並ぶ触覚生成電極３には、第２帯状電極１８との容量結合によって先頭の触覚生成電極３ｃや触覚生成電極３ｄと同じ電荷が励起されるため、触覚刺激発生シート４の触覚生成電極３群は、プラス側電極の列とマイナス側電極の列を等間隔に交互に並べた構成になる。したがって、透明保護シート２１上に置かれたユーザの指先を近傍のプラス側電極およびマイナス側電極と容量結合させて、この指先に差動電圧に起因する電流（プラス側電極からマイナス側電極へと向かう電流の一部）を流すことができる。また、指先の皮膚に差動電圧に起因する励起された電荷による刺激を発生させることもできる。つまり、本実施形態例に係る触覚刺激発生装置１は、第１および第２帯状電極１７，１８を有する座標入力装置１０によって座標位置が検出されたユーザの指先に対して、その座標位置に応じた電気的な刺激（触覚刺激）を与えることができる。
【００３７】
このように静電容量式の座標入力装置１０の検出電極群がライン状に形成されており、第１帯状電極１７と第２帯状電極１８とが平面視で格子状に配置されている場合には、この種の座標入力装置１０の前面に第２実施形態例に係る触覚刺激発生シート４を設置することによって、格子のマス目よりも大きな指先に所望の触覚刺激を与えることができる。かかる第２実施形態例においては、触覚生成電極３群をさほど高密度に配設する必要がないため、触覚刺激発生シート４の製造は容易である。
【００３８】
なお、上記した第２実施形態例では、第１および第２帯状電極１７，１８が平面視で交わる領域（交点領域）を覆う位置に触覚生成電極３を配置させているが、いずれの帯状電極１７，１８とも略対称な位置関係にあれば、触覚生成電極３を平面視で前記交点領域からずらした位置で第１帯状電極１７または第２帯状電極１８と重なり合わせてもよい。
【００３９】
図１１は、本発明の第３実施形態に係る触覚刺激発生装置を、検出方式が抵抗膜式（アナログ抵抗膜式）の座標入力装置と組み合わせた場合の使用例を示しており、図１と対応する部分には同一符号が付してある。
【００４０】
第３実施形態に係る座標入力装置３０の座標検出パネル３１は、透明電極を構成する２枚の抵抗膜がスペーサを介して対向させてあり、そのうち１枚の抵抗膜に対して電圧がかけられている。そして、ユーザが操作面（透明保護シート２１の表面）に指先を押し当てると、押された位置に応じた電圧が２枚目の抵抗膜に発生するため、その電圧を検知することによって操作した指先の座標位置を検出することができる。この座標検出パネル３１はＬＣＤ（液晶ディスプレイ）５０の画面５１の前面に設置されており、ユーザが、画面５１に表示されている所望の操作領域上に指先を押し当てると、指先の座標位置が検出されることから、その操作領域の操作内容が実行されるようなっている。
【００４１】
第３実施形態において、触覚刺激発生シート４は座標検出パネル３１の前面に設置されている。この触覚刺激発生シート４の絶縁層２の片面には、透明電極からなる一対の櫛歯状電極３ｅ，３ｆが噛み合うように対向して設けられており、これら櫛歯状電極３ｅ，３ｆによって触覚生成電極３が構成されている。櫛歯状電極３ｅと櫛歯状電極３ｆには差動電圧が印加されて、一方がプラス側電極となり他方がマイナス側電極となる。図１１に示すように、櫛歯状電極３ｅと櫛歯状電極３ｆは細長く、且つ、両電極３ｅ，３ｆ間の隙間は狭いため、ユーザの指先が透明保護シート２１上に置かれると、この指先は必ず櫛歯状電極３ｅ，３ｆを跨ぐことになる。それゆえ、櫛歯状電極３ｅ，３ｆに差動電圧が印加されると、ユーザの指先が近傍の櫛歯状電極３ｅ，３ｆと容量結合して、差動電圧に起因する電流（プラス側電極からマイナス側電極へと向かう電流の一部）が指先を通過し、この指先に電気的な刺激（触覚刺激）が生起される。また、指先の皮膚に差動電圧に起因する励起された電荷による刺激を発生させることもできる。つまり、座標検出パネル３１を有する抵抗膜式の座標入力装置３０によって座標位置が検出されたユーザの指先に対して、その座標位置に応じた触覚刺激を与えることができる。
【００４２】
なお、第３実施形態に係る触覚刺激発生装置は、表面弾性波式や赤外線式あるいは電磁誘導式など他の検出方式の座標入力装置と組み合わせて使用する際にも好適である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 触覚刺激発生装置
２ 絶縁層
３，３ａ〜３ｄ 触覚生成電極
３ｅ，３ｆ 櫛歯状電極（触覚生成電極）
３Ａ〜３Ｄ 電極列
４ 触覚刺激発生シート
５ 絶縁アンプ
７ ドライブ回路
８ 帰還回路
１０，３０ 座標入力装置
１１ Ｘ座標検出シート
１２ Ｙ座標検出シート
１４ 第１電極
１６ 第２電極
１７ 第１帯状電極
１８ 第２帯状電極
２１ 透明保護シート
３１ 座標検出パネル
４０ 指先（身体特定部）
５０ ＬＣＤ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タッチパネル等と呼ばれる座標入力装置の前面に設置されて、操作者（ユーザ）の指先等へ制御された電気的な刺激を与えるための触覚刺激発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タッチパネルやタッチスクリーン等と呼称される座標入力装置は、ユーザが指先を操作面に近接または接触させたときに、静電容量値等の変化によって操作面上における指先の座標位置を検出し、その座標位置に応じた入力操作を可能にするというものである。この種の座標入力装置はＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の表示装置の前面に設置されており、ユーザが表示装置の画面に表示されている所望の操作領域上に指先を置くと、その操作領域の操作内容が実行されるようなっている。なお、この種の座標入力装置の位置検出方式としては、静電容量式や抵抗膜式や表面弾性波式あるいは電磁誘導式など種々のものが知られている。
【０００３】
ところで、この種の座標入力装置では、ユーザが自身の指先を操作面に近接または接触させる際に、指先が操作面の所望位置に置かれていることを目で見て確認する必要がある。すなわち、ユーザの指先が操作面のどこに置かれていても、指先に伝わる感覚には差異が生じないので、ユーザが操作面上における指先位置の視認を怠ると正しく操作することは困難となる。
【０００４】
そこで従来より、操作面に配設した複数の電極にユーザの指先を接触させると、この指先に電気的な刺激が与えられるようにした触覚刺激発生装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この従来例では、操作面に多数の電極が碁盤目状に配設されており、ユーザが操作面の所望位置に指先を押し当てると、その指先に２つ以上の電極が接触することにより、これら複数の電極間で電気特性（インピーダンス等）が変化して位置検出が行えるようになっている。また、これら複数の電極に所定のパルス信号を供給することによって、ユーザの指先に電気的な刺激が与えられるようになっているため、この刺激を擬似的な触覚として感知するユーザに対して、操作面の所望位置に指先が触れていることをフィードバックできるようになっている。
【０００５】
また、他の従来例として、絶縁体に覆われた電極に高電圧源から低周波（例えば１００〜３００Ｈｚ）の電気信号を供給し、この絶縁体に近接または接触させたユーザの指先と該電極とを絶縁体を介して容量結合させることにより、電気信号に基づく刺激を指先のパチニ小体等に感知させるようにした触覚刺激発生装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この従来例では、電極との容量結合によってユーザの指先に電荷が励起されるため、電気信号の周波数等を制御して各種の電気的な刺激を指先に与えることができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３１９２５５号公報
【特許文献２】特開２００９−８７３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示されている従来の触覚刺激発生装置は、ユーザの指先を電極に接触させることによって電気的な刺激が与えられるというものなので、指先に付着している汗や皮脂等によって通電が妨げられることがある。そのため、この従来例においては、所望の触覚刺激を指先に生起させることが容易でなく、高信頼性が期待できないという問題があった。なお、電極への供給電流量を増大させれば、皮脂等で通電が妨げられても確実に触覚刺激を生起させることができるが、その場合には、指先に与えられる電気的な刺激が強すぎてユーザに痛みを感じさせてしまう虞がある。
【０００８】
これに対して、特許文献２に開示されている従来の触覚刺激発生装置は、ユーザの指先が電極に接触しないので上記のような問題は発生しない。しかるに、この従来例では、ユーザの身体の一部が金属等に触れてアース（接地）されている状態で、その指先を高電圧（例えば１ｋＶ）の電気信号が供給された電極に容量結合させたときに、電気信号の電圧変化に伴う交流結合によって、ユーザの体内へ異常電流が流れ込んで感電する虞があるため、安全性の確保という点で改善の余地があった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、ユーザに所望の電気的な刺激を与えることが容易で信頼性が高く、しかも安全性の高い触覚刺激発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は、ユーザの指先等の身体特定部が近接したときにその座標位置を検出可能な座標入力装置の前面に設置して使用され、前記身体特定部に制御された電気的な刺激（触覚刺激）を付与可能な触覚刺激発生装置において、位相差が１８０度の差動電圧が印加されるプラス側電極およびマイナス側電極からなる複数の触覚生成電極と、これら複数の触覚生成電極を覆う位置に延在して前記プラス側電極とこれに隣接する前記マイナス側電極とを容量結合させる絶縁層とを備え、前記絶縁層に近接または接触させた前記身体特定部を前記プラス側電極およびマイナス側電極と容量結合させることによって前記刺激を生起させるようにした。
【００１１】
ここで、触覚生成電極への電気的な刺激信号がパルス状のものである場合、刺激信号の持つ周波数成分が高くなるため、触覚生成電極と容量（Ｃ）結合される身体特定部での交流結合インピーダンスは低くなり、指先等の身体特定部に電流が流れやすくなる。したがって、高い周波数成分（パルス駆動等）主体での刺激信号時には、交流結合による差動電圧に起因する電流（プラス側電極からマイナス側電極へと向かう電流の一部）が指先等の身体特定部を通過して刺激を生起させることができる。一方、触覚生成電極への電気的な刺激信号がＳｉｎ波形等である場合、刺激信号の持つ周波数成分がパルス波形に対して低くなるため、触覚生成電極と容量（Ｃ）結合される身体特定部での交流結合インピーダンスは高くなり、身体特定部に電流は流れにくくなる。したがって、低い周波数成分（Ｓｉｎ波形等）主体での刺激信号時には、触覚生成電極と身体特定部に誘起もしくはチャージされた電荷によるクーロン力で発生する皮膚変形が支配的となる刺激を生起させることができる。
【００１２】
このように構成された触覚刺激発生装置では、差動電圧が印加されるプラス側電極およびマイナス側電極に対して、ユーザの指先等の身体特定部が絶縁層を介して容量結合されるため、刺激信号の持つ周波数成分がＳｉｎ波形等のように低い場合だけでなく、パルス駆動等のように高い場合であっても、プラス側電極から身体特定部へ流入する電流がユーザの体内へほとんど漏れずにマイナス側電極へ流出するようになる。つまり、指先等の身体特定部には、触覚刺激発生装置の動作時に局所的に電位差を生じて電流が流れるものの、全体としては電位変動がほぼゼロなので、ユーザの身体の一部が金属等に触れてアースされていても、ユーザの体内へ異常電流が流れ込んで感電する虞がない。そして、振幅や周波数を制御した電気信号に基づく電流もしくは励起電荷による刺激を指先等の身体特定部に印加することができるため、この電気刺激による刺激を擬似的な触覚としてユーザに感知させることができる。また、操作時にユーザは指先等の身体特定部を触覚生成電極（プラス側電極やマイナス側電極）に接触させるわけではないので、この身体特定部に汗や皮脂等が付着していても電気的な刺激にはさほど影響せず、それゆえ振幅や周波数を適宜設定した電気信号に基づく所望の触覚刺激をユーザに与えることが容易である。
【００１３】
上記の触覚刺激発生装置において、プラス側電極から指先等の身体特定部へ流入する電流量と、この身体特定部からマイナス側電極へ流出する電流量とが同等になるように、電流量制御を行いながら触覚生成電極に差動電圧を印加するようにしてあると、ユーザの身体が帯電している場合にも、電気的な刺激が与えられる指先等の身体特定部に電位変動はほとんど起こらなくなる。それゆえ、強い触覚刺激を生成するために触覚生成電極に印加する差動電圧を若干高めに設定した場合にも、ユーザが感電する虞はなくなって、安全性を一層向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の触覚刺激発生装置は、絶縁層に近接または接触させた指先等の身体特定部を、差動電圧が印加されるプラス側電極およびマイナス側電極と容量結合させることによって、差動電圧に起因する電流が身体特定部を通過して電気的な刺激が生起され、もしくは身体特定部に励起される電荷により電気的な刺激が生起されるようにしてあるため、ユーザの身体の一部が金属等に触れてアースされていても、ユーザの体内へ異常電流が流れ込むことを防止できる。また、操作時にユーザは身体特定部を触覚生成電極（プラス側電極やマイナス側電極）に接触させるわけではないので、指先等の身体特定部に汗や皮脂等が付着していても電気的な刺激にはさほど影響しない。それゆえ、本発明の触覚刺激発生装置は、ユーザに所望の触覚刺激を与えることが容易で信頼性が高く、しかも安全性が高いという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る触覚刺激発生装置の触覚生成電極群を座標入力装置の検出電極群と共に示す分解斜視図である。
【図２】図１に示す触覚生成電極群と検出電極群の積層構造を模式的に示す要部断面図である。
【図３】図１に示すＸ座標検出シートの電極パターンを示す平面図である。
【図４】図１に示すＹ座標検出シートの電極パターンを示す平面図である。
【図５】図１に示す触覚刺激発生シートの電極パターンを示す平面図である。
【図６】第１実施形態例に係る触覚刺激発生装置の回路構成図である。
【図７】図１に示す触覚刺激発生シートの動作原理を示す説明図である。
【図８】図５に対応する第１実施形態例の変形例を示す説明図である。
【図９】本発明の第２実施形態例に係る触覚刺激発生装置の触覚生成電極群を座標入力装置の検出電極群と共に示す分解斜視図である。
【図１０】図９に示す触覚刺激発生装置の要部平面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る触覚刺激発生装置の触覚生成電極群を座標入力装置およびＬＣＤと共に示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。まず、図１〜図７を参照しながら本発明の第１実施形態例について詳しく説明する。
【００１７】
図１は、第１実施形態例に係る触覚刺激発生装置１の触覚刺激発生シート４を、座標入力装置１０のＸ座標検出シート１１およびＹ座標検出シート１２の前面（図の上方）に設置した場合の使用例を示している。この触覚刺激発生シート４は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等からなる透明な絶縁層２の片面に多数の触覚生成電極３を配設して構成されている。触覚刺激発生シート４の前面には、カバー体２０の透明保護シート２１が配置されており、この透明保護シート２１の表面が操作面となっている。座標入力装置１０は静電容量式と呼ばれる検出方式であり、Ｘ座標検出シート１１とその前面に積層されたＹ座標検出シート１２とが協働して座標検出を行う。Ｘ座標検出シート１１は図示せぬ表示装置（例えばＬＣＤ）の前面に設置されており、Ｙ座標検出シート１２の前面に触覚刺激発生シート４が配置されている。
【００１８】
座標入力装置１０はタッチパネルやタッチスクリーン等と呼ばれるシート状の座標入力装置であり、ユーザが自身の指先を操作面（透明保護シート２１の表面）に接触させると、静電容量値が変化して指先の座標位置が検出されるため、指先の座標位置に応じた入力操作が行えるようになっている。すなわち、ユーザが、ＬＣＤ等の表示装置の画面に表示されている所望の操作領域上に指先を置くと、その操作領域の操作内容が実行されるようなっている。
【００１９】
座標入力装置１０のＸ座標検出シート１１には、ＰＥＴ等からなる透明な絶縁層１３の片面に菱形形状の第１電極１４が多数配設されており、これら第１電極１４は透明電極として均等な分布で配置されて第１の検出電極群を構成している。図３に示すように、第１の検出電極群のうち複数の第１電極１４はＹ軸方向（図示縦方向）に一列に並んで連結されており、この第１電極１４の列がＸ軸方向（図示横方向）に等間隔に分散配置されている。そのため、どの列の第１電極１４がユーザの指先と相互作用しているのかを示す検出データに基づいて、操作面上における指先のＸ座標を検出することができる。また、座標入力装置１０のＹ座標検出シート１２には、ＰＥＴ等からなる透明な絶縁層１５の片面に菱形形状の第２電極１６が多数配設されており、これら第２電極１６は透明電極として均等な分布で配置されて第２の検出電極群を構成している。図４に示すように、第２の検出電極群のうち複数の第２電極１６はＸ軸方向に一列に並んで連結されており、この第２電極１６の列がＹ軸方向に等間隔に分散配置されている。そのため、どの列の第２電極１６がユーザの指先と相互作用しているのかを示す検出データに基づいて、操作面上における指先のＹ座標を検出することができる。
【００２０】
ただし、Ｘ座標検出シート１１の全ての第１電極１４とＹ座標検出シート１２の全ての第２電極１６は、平面視で重なり合わないように配置されている。すなわち、第１の検出電極群において隣接する第１電極１４間に形成される隙間の前方にそれぞれ第２電極１６が位置し、且つ、第２の検出電極群おいて隣接する第２電極１６間に形成される隙間の後方にそれぞれ第１電極１４が位置するという配置にしてある。後述するように、第１電極１４と第２電極１６を前方へ投影した位置に触覚刺激発生シート４の触覚生成電極３がそれぞれ配置されており、これら第１電極１４と第２電極１６および触覚生成電極３の三者は形状および大きさが同等に形成されている。
【００２１】
なお、座標入力装置１０の検出原理は公知であるため詳細な説明を省略するが、ユーザが指先を近接させると、この指先の近傍で第１電極１４と第２電極１６との間の静電容量値が減少することにより、この容量値変化に基づいて指先の座標位置を検出できるようになっている。
【００２２】
触覚刺激発生装置１は、座標入力装置１０によって座標位置が検出された指先に対して、制御された電気的な刺激（触覚刺激）を与えるためのものであり、図６に例示した回路を２つもしくはそれ以上使用して、触覚生成電極３群に差動電圧を印加するようになっている。図６において、Ｖｉｎは±２Ｖ範囲内の指令信号であり、Ｖｏｕｔは触覚生成電極３への±２ｋＶ範囲内の電気信号となる。Ｖｉｎの指令信号と演算アンプ６の基準電圧であるＧＮＤ（０Ｖ）との電圧差が演算アンプ６で増幅されたのち、ドライブ回路７の出力電圧が指令値に従った電圧を出力するように帰還回路８を介してフィードバックされて安定化される。ドライブ回路７の出力は、絶縁アンプ５の２入力に接続されている抵抗９を介して触覚生成電極３群に印加される。このとき、抵抗９の両端にあらわれる電圧差は抵抗９に流れる電流量に比例することから、ドライブ回路７から触覚生成電極３群に流れる電流量は、抵抗９の両端電圧差を絶縁アンプ５にて演算取得することにより電流情報Ｉを取り出せるようになっている。これにより、触覚生成電極３群を構成するプラス側電極およびマイナス側電極に高圧と低圧をそれぞれ印加し、プラス側電極に流れる電流情報Ｉとマイナス側電極に流れる電流情報Ｉをそれぞれ取り出せるようになっている。プラス側電極からユーザの指先へ流入する電流量と、この指先からマイナス側電極へ流出する電流量とが同等になるように、得られた電流情報Ｉをモニタしながら電流量制御を行って差動電圧を印加するようにしてある。例えば、刺激信号がパルス状のものであるならば、ユーザの指先へ流入する電流量を減らす場合は、パルスの立ち上がり角度が緩やかになるような制御を行う。
【００２３】
図５に示すように、触覚刺激発生シート４には、透明電極からなる菱形形状の触覚生成電極３が高密度に分散配置されている。これら多数の触覚生成電極３のうち、図５の左端に位置する触覚生成電極３ａはＹ軸方向（図示縦方向）に沿って分散配置されており、図５の上端に位置する触覚生成電極３ｂはＸ軸方向（図示横方向）に沿って分散配置されている。そして、触覚生成電極３ａ群と触覚生成電極３ｂ群とに差動電圧が印加されるようにしてある。図５において、触覚生成電極３ｂを先頭にＹ軸に沿って並ぶ触覚生成電極３の電極列Ｂは、同方向に並ぶ第１電極１４の列（図３参照）と平面視で重なり合っているため、触覚生成電極３ｂに電圧が印加されると、第１電極１４を介して電極列Ｂの残余の触覚生成電極３に触覚生成電極３ｂと同じ電荷が励起される。同様に、触覚生成電極３ａを先頭にＸ軸に沿って並ぶ触覚生成電極３の電極列Ａは、同方向に並ぶ第２電極１６の列（図４参照）と平面視で重なり合っているため、触覚生成電極３ａに電圧が印加されると、第２電極１６を介して電極列Ａの残余の触覚生成電極３に触覚生成電極３ａと同じ電荷が励起される（図２参照）。つまり、第１電極１４と第２電極１６を前方へ投影した位置にそれぞれ触覚生成電極３が配設されており、且つ、各電極３，１４，１６が同じ大きさの菱形状に形成されているため、触覚生成電極３は第１電極１４や第２電極１６と容量結合しやすくなっている。
【００２４】
次に、このように構成された触覚刺激発生装置１の動作について説明する。図７に示すように、ユーザが自身の指先４０を操作面（透明保護シート２１の表面）に接触させると、この指先４０の座標位置が座標入力装置１０によって検出されるが、操作面上の特定領域に指先４０が置かれたときには、その領域に応じて所定の電気的な刺激（触覚刺激）が触覚刺激発生装置１によって指先４０に与えられる。この電気的な刺激は、触覚生成電極３群に交流的に位相差が１８０度の差動電圧を印加することにより、操作面上の指先４０に電流が流れて生じる、もしくは指の皮膚に励起された電荷により発生するものである。
【００２５】
すなわち、差動電圧が印加されると、触覚生成電極３群を構成する前述した電極列Ａと電極列Ｂは、交互に一方が他方に対して相対的にプラス側電極になって他方がマイナス側電極になる。触覚生成電極３群を覆う位置に延在している絶縁層２にユーザの指先４０が近接していないとき、プラス側電極とこれに隣接するマイナス側電極は絶縁層２を介して容量結合されているが、図７に示すように、指先４０が操作面（透明保護シート２１の表面）に接触すると、絶縁層２および透明保護シート２１を介して指先４０が近傍のプラス側電極３およびマイナス側電極３と容量結合される。その結果、差動電圧によってプラス側電極３からマイナス側電極３へと向かう電気力線の一部が指先４０を通過するようになり、これにより電気的な刺激（電流もしくは励起電荷あるいは相互効果による刺激）を指先４０に与えることができる。この電気的刺激信号は、触覚刺激発生装置１によって振幅や周波数が制御された電気信号（パルス信号等）なので、指先４０に電流が流れて生起される刺激、もしくは指皮膚に励起された電荷による刺激を擬似的な触覚としてユーザに感知させることができ、例えばクリック感のような触覚刺激を感知させることも容易である。したがって、このような触覚刺激発生装置１を座標入力装置１０と併用することによって、指先４０が操作面上のどの領域に置かれているのかを触覚刺激としてユーザにフィードバックできるようになる。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態例に係る触覚刺激発生装置１では、ユーザが指先４０を触覚刺激発生シート４の絶縁層２に近接させたとき、差動電圧が印加される触覚生成電極３群のプラス側電極およびマイナス側電極と指先４０とが容量結合して、差動電圧に起因する電気力線（プラス側電極からマイナス側電極へと向かう交流電流経路の一部）が指先４０を通過するようにしてあるため、プラス側電極から指先４０へ流入する電流がユーザの体内へほとんど漏れずにマイナス側電極へ流出する。つまり、触覚刺激発生装置１の動作時に、指先４０には局所的に電位差を生じて電流が流れるものの、全体としては電位変動がほぼゼロなので、ユーザの身体の一部が金属等に触れてアースされていても、ユーザの体内へ異常電流が流れ込んで感電する虞はなく、安全性の高い触覚刺激発生装置１となっている。
【００２７】
しかも、本実施形態例においては、触覚生成電極３群のプラス側電極から操作面上の指先４０へ流入する電流量と、この指先４０からマイナス側電極へ流出する電流量とが同等になるように、電流量制御を行いながら差動電圧を印加するので、ユーザの身体が帯電している場合にも、電気的な刺激が与えられる指先４０に電位変動はほとんど起こらない。それゆえ、強い触覚刺激を生成するために触覚生成電極３に印加する差動電圧を若干高めに設定した場合でも、ユーザが感電する虞はない。つまり、この触覚刺激発生装置１は、感電事故を防止するための安全対策に格別の配慮がなされている。
【００２８】
また、本実施形態例に係る触覚刺激発生装置１は、操作時にユーザが指先４０を触覚生成電極３に直接接触させるわけではないので、指先４０に汗や皮脂等が付着していても電気的な刺激にはさほど影響しない。それゆえ、この触覚刺激発生装置１は、振幅や周波数を適宜設定した電気信号に基づく所望の触覚刺激をユーザに与えることが容易となり、信頼性が高いものとなっている。そして、この触覚刺激発生装置１を座標入力装置１０と併用することによって、指先４０が操作面上のどの領域に置かれているのかを触覚刺激としてユーザにフィードバックできるため、誤操作が防止しやすくなって座標入力装置１０の使い勝手が大幅に向上する。例えば、ユーザが走行中の自動車の運転者であっても、前方視界への注意を怠らずに正しく操作できるようになる。
【００２９】
また、本実施形態例に係る触覚刺激発生装置１では、触覚生成電極３群が座標入力装置１０の第１および第２の検出電極群（第１電極１４や第２電極１６）と平面視で重なり合う位置に分散配置されているため、座標入力装置１０にとって各触覚生成電極３は浮遊容量の増加要因となるのみである。つまり、座標入力装置１０は初期容量の増加分をキャンセル処理すれば触覚生成電極３の影響を取り除いた正確な位置検出が行えるため、この触覚刺激発生装置１は、検出方式が静電容量式の座標入力装置１０との併用に好適である。
【００３０】
特に、本実施形態例の場合、座標入力装置１０の第１電極１４と第２電極１６を前方へ投影した位置にそれぞれ触覚生成電極３を配設し、これら第１電極１４と第２電極１６および触覚生成電極３の三者を同等の形状および大きさに形成しているため、座標入力装置１０に対する触覚生成電極３の影響が複雑にならず、前述したキャンセル処理を簡単に行うことができる。しかも、各触覚生成電極３が相対向する第１電極１４や第２電極１６と容量結合させやすいことから、分散配置されたひと連なりの触覚生成電極３に対する電気信号の供給が、第１電極１４や第２電極１６を介して確実に行えるようになっている。
【００３１】
さらに、本実施形態例においては、触覚生成電極３が菱形（つまり第１電極１４と第２電極１６も菱形）に形成されており、第１電極１４や第２電極１６と容量結合させやすい十分な大きさの触覚生成電極３を高密度に配設できるようになっている。そのため、この触覚刺激発生装置１は、操作面内の任意の場所でユーザの指先４０に所望の触覚刺激を与えることが容易である。
【００３２】
なお、上記した第１実施形態例では、図５に示すように、触覚生成電極３群に差動電圧が印加されるとき、全ての電極列Ａと全ての電極列Ｂが交互にプラス側電極とマイナス側電極になるため、ユーザの指先が操作面上のどこに置かれていても触覚刺激が与えられるようになっている（ただし指先の座標位置は座標入力装置１０にて検出可能）。これに対して、図８の変形例に示すように、電極列Ａや電極列Ｂに対して列ごとに電圧を印加できるようにしてあると、特定の電極列Ａと特定の電極列Ｂだけを選択して差動電圧を印加することができるため、例えば、操作面上の所定領域に置かれた指先だけに触覚刺激が与えられ、別の領域に置かれた別の指先には触覚刺激が与えられないように設定することが可能となる。また、電極列Ａや電極列Ｂに対して列ごとに電圧を印加できるようにしてあると、触覚刺激を生成するための各種電気信号（振幅や周波数が相異なる電気信号）を操作面上の領域ごとに予め設定しておくことが容易となる。
【００３３】
図９と図１０は、本発明の第２実施形態例に係る触覚刺激発生装置を、検出電極群が平面視で格子状にパターニングされている座標入力装置と組み合わせた場合の使用例を示しており、図１と対応する部分には同一符号が付してある。
【００３４】
第２実施形態例に係る座標入力装置１０も位置検出方式は静電容量式であり、Ｘ座標検出シート１１上にＹ座標検出シート１２を積層した構成になっているが、各検出シート１１，１２に設けられた検出電極群はライン状に形成されている。また、Ｙ座標検出シート１２の前面に触覚刺激発生シート４が設置されており、触覚刺激発生シート４の前面にはカバー体２０の透明保護シート２１が配置されている。
【００３５】
図９の分解斜視図と図１０の要部平面図に示す座標入力装置１０において、透明電極からなる検出電極群は、Ｙ軸に沿って延在する第１帯状電極１７をＸ軸方向に等間隔に分散配置させた第１の検出電極群と、Ｘ軸に沿って延在する第２帯状電極１８をＹ軸方向に等間隔に分散配置させた第２の検出電極群とで構成されている。第１帯状電極１７はＸ座標検出シート１１の絶縁層１３の片面に配設されており、第２帯状電極１８はＹ座標検出シート１２の絶縁層１５の片面に配設されている。そして、これら両検出シート１１，１２を積層することによって、第１帯状電極１７と第２帯状電極１８とが平面視で格子状に配置されるようになっている。なお、この格子のマス目の大きさは、操作時にユーザの指先に覆われる領域に比べて十分に小さく設定されている。そのため、ユーザの指先が操作面（透明保護シート２１の表面）のどこに置かれても、この指先は必ず第１帯状電極１７や第２帯状電極１８の前方に位置することになり、その座標位置を高精度に検出することができるようになっている。
【００３６】
また、この第２実施形態例において、触覚刺激発生シート４の絶縁層２の片面には、第１帯状電極１７および第２帯状電極１８と平面視で重なり合う位置に、透明電極からなる方形状の触覚生成電極３が多数分散配置されている。これら多数の触覚生成電極３のうち、図９で右端に配設されている複数の触覚生成電極３ｃと左端に配設されている複数の触覚生成電極３ｄとに差動電圧が印加されるようにしてある。触覚生成電極３ｃを先頭にＸ軸に沿って並ぶ触覚生成電極３の電極列Ｃと、触覚生成電極３ｄを先頭にＸ軸に沿って並ぶ触覚生成電極３の電極列Ｄとが、Ｙ軸方向に交互且つ等間隔に並ぶように触覚生成電極３群が配設されているため、触覚生成電極３ｃ，３ｄに差動電圧が印加されると、第２帯状電極１８を介して、電極列Ｃと電極列Ｄは一方がプラス側電極の列となり他方がマイナス側電極の列となる。すなわち、差動電圧が印加されると、電極列Ｃや電極列ＤのようにＸ軸に沿って並ぶ触覚生成電極３には、第２帯状電極１８との容量結合によって先頭の触覚生成電極３ｃや触覚生成電極３ｄと同じ電荷が励起されるため、触覚刺激発生シート４の触覚生成電極３群は、プラス側電極の列とマイナス側電極の列を等間隔に交互に並べた構成になる。したがって、透明保護シート２１上に置かれたユーザの指先を近傍のプラス側電極およびマイナス側電極と容量結合させて、この指先に差動電圧に起因する電流（プラス側電極からマイナス側電極へと向かう電流の一部）を流すことができる。また、指先の皮膚に差動電圧に起因する励起された電荷による刺激を発生させることもできる。つまり、本実施形態例に係る触覚刺激発生装置１は、第１および第２帯状電極１７，１８を有する座標入力装置１０によって座標位置が検出されたユーザの指先に対して、その座標位置に応じた電気的な刺激（触覚刺激）を与えることができる。
【００３７】
このように静電容量式の座標入力装置１０の検出電極群がライン状に形成されており、第１帯状電極１７と第２帯状電極１８とが平面視で格子状に配置されている場合には、この種の座標入力装置１０の前面に第２実施形態例に係る触覚刺激発生シート４を設置することによって、格子のマス目よりも大きな指先に所望の触覚刺激を与えることができる。かかる第２実施形態例においては、触覚生成電極３群をさほど高密度に配設する必要がないため、触覚刺激発生シート４の製造は容易である。
【００３８】
なお、上記した第２実施形態例では、第１および第２帯状電極１７，１８が平面視で交わる領域（交点領域）を覆う位置に触覚生成電極３を配置させているが、いずれの帯状電極１７，１８とも略対称な位置関係にあれば、触覚生成電極３を平面視で前記交点領域からずらした位置で第１帯状電極１７または第２帯状電極１８と重なり合わせてもよい。
【００３９】
図１１は、本発明の第３実施形態に係る触覚刺激発生装置を、検出方式が抵抗膜式（アナログ抵抗膜式）の座標入力装置と組み合わせた場合の使用例を示しており、図１と対応する部分には同一符号が付してある。
【００４０】
第３実施形態に係る座標入力装置３０の座標検出パネル３１は、透明電極を構成する２枚の抵抗膜がスペーサを介して対向させてあり、そのうち１枚の抵抗膜に対して電圧がかけられている。そして、ユーザが操作面（透明保護シート２１の表面）に指先を押し当てると、押された位置に応じた電圧が２枚目の抵抗膜に発生するため、その電圧を検知することによって操作した指先の座標位置を検出することができる。この座標検出パネル３１はＬＣＤ（液晶ディスプレイ）５０の画面５１の前面に設置されており、ユーザが、画面５１に表示されている所望の操作領域上に指先を押し当てると、指先の座標位置が検出されることから、その操作領域の操作内容が実行されるようなっている。
【００４１】
第３実施形態において、触覚刺激発生シート４は座標検出パネル３１の前面に設置されている。この触覚刺激発生シート４の絶縁層２の片面には、透明電極からなる一対の櫛歯状電極３ｅ，３ｆが噛み合うように対向して設けられており、これら櫛歯状電極３ｅ，３ｆによって触覚生成電極３が構成されている。櫛歯状電極３ｅと櫛歯状電極３ｆには差動電圧が印加されて、一方がプラス側電極となり他方がマイナス側電極となる。図１１に示すように、櫛歯状電極３ｅと櫛歯状電極３ｆは細長く、且つ、両電極３ｅ，３ｆ間の隙間は狭いため、ユーザの指先が透明保護シート２１上に置かれると、この指先は必ず櫛歯状電極３ｅ，３ｆを跨ぐことになる。それゆえ、櫛歯状電極３ｅ，３ｆに差動電圧が印加されると、ユーザの指先が近傍の櫛歯状電極３ｅ，３ｆと容量結合して、差動電圧に起因する電流（プラス側電極からマイナス側電極へと向かう電流の一部）が指先を通過し、この指先に電気的な刺激（触覚刺激）が生起される。また、指先の皮膚に差動電圧に起因する励起された電荷による刺激を発生させることもできる。つまり、座標検出パネル３１を有する抵抗膜式の座標入力装置３０によって座標位置が検出されたユーザの指先に対して、その座標位置に応じた触覚刺激を与えることができる。
【００４２】
なお、第３実施形態に係る触覚刺激発生装置は、表面弾性波式や赤外線式あるいは電磁誘導式など他の検出方式の座標入力装置と組み合わせて使用する際にも好適である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 触覚刺激発生装置
２ 絶縁層
３，３ａ〜３ｄ 触覚生成電極
３ｅ，３ｆ 櫛歯状電極（触覚生成電極）
３Ａ〜３Ｄ 電極列
４ 触覚刺激発生シート
５ 絶縁アンプ
７ ドライブ回路
８ 帰還回路
１０，３０ 座標入力装置
１１ Ｘ座標検出シート
１２ Ｙ座標検出シート
１４ 第１電極
１６ 第２電極
１７ 第１帯状電極
１８ 第２帯状電極
２１ 透明保護シート
３１ 座標検出パネル
４０ 指先（身体特定部）
５０ ＬＣＤ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの指先等の身体特定部が近接したときにその座標位置を検出可能な座標入力装置の前面に設置して使用され、前記身体特定部に制御された電気的な刺激を付与可能な触覚刺激発生装置であって、
位相差が１８０度の差動電圧が印加されるプラス側電極およびマイナス側電極からなる複数の触覚生成電極と、これら複数の触覚生成電極を覆う位置に延在して前記プラス側電極とこれに隣接する前記マイナス側電極とを容量結合させる絶縁層とを備え、前記絶縁層に近接または接触させた前記身体特定部を前記プラス側電極およびマイナス側電極と容量結合させることによって前記刺激を生起させることを特徴とする触覚刺激発生装置。
【請求項２】
請求項１の記載において、前記プラス側電極から前記身体特定部へ流入する電流量と、この身体特定部から前記マイナス側電極へ流出する電流量とが同等になるように、電流量制御を行いながら前記触覚生成電極に前記差動電圧を印加することを特徴とする触覚刺激発生装置。
【請求項１】
ユーザの指先等の身体特定部が近接したときにその座標位置を検出可能な座標入力装置の前面に設置して使用され、前記身体特定部に制御された電気的な刺激を付与可能な触覚刺激発生装置であって、
位相差が１８０度の差動電圧が印加されるプラス側電極およびマイナス側電極からなる複数の触覚生成電極と、これら複数の触覚生成電極を覆う位置に延在して前記プラス側電極とこれに隣接する前記マイナス側電極とを容量結合させる絶縁層とを備え、前記絶縁層に近接または接触させた前記身体特定部を前記プラス側電極およびマイナス側電極と容量結合させることによって前記刺激を生起させることを特徴とする触覚刺激発生装置。
【請求項２】
請求項１の記載において、前記プラス側電極から前記身体特定部へ流入する電流量と、この身体特定部から前記マイナス側電極へ流出する電流量とが同等になるように、電流量制御を行いながら前記触覚生成電極に前記差動電圧を印加することを特徴とする触覚刺激発生装置。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【図１１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−５８１５３（Ｐ２０１３−５８１５３Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９７３２０（Ｐ２０１１−１９７３２０）
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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