(57)【要約】      （修正有）【課題】単一センサ及び触覚アクチュエータを提供する。【解決手段】第１の電極１０２は、静電気力を伝達するための触覚インターフェースを形成し、頂面及び底面を有する。誘電絶縁体１１０（保護層）は、第１の電極の頂面を覆う。センサ１０６は、第１の電極の底面と第２の電極１０４との間に位置決めされる。センサは、誘電絶縁体に加えられる少なくとも閾値量の圧力に応答して第１の電極と第２の電極との間の導電率を選択的に提示する。単一のデバイスによりタッチを感知し、触覚信号を伝達する方法は、誘電絶縁体のタッチ面で入力を受けるステップと、入力を受けたことに応答して、センサの導電率を増加させるステップと、導電率の増加に応答して、第１の電極と第２の電極との間に電流を流すステップと、電流に応答して、触覚駆動信号を第１の電極に印加するステップを含む。この触覚駆動信号は、誘電絶縁体内に静電気力を発生させる。【選択図】図２
2018109982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タッチを感知し、触覚信号を伝達するための二機能装置であって、
第1および第2の電極であって、前記第1の電極は静電気力を伝達するための触覚インターフェースを形成し、前記第1の電極は頂面および底面を有する、第1および第2の電極と、
前記第1の電極の前記頂面を覆う誘電絶縁体と、
前記第1の電極の前記底面と前記第2の電極との間に位置決めされたセンサであって、前記センサは前記誘電絶縁体に加えられる少なくとも閾値量の圧力に応答して前記第1の電極と前記第2の電極との間の導電率を選択的に提示する、センサと
を備える、二機能装置。
【請求項２】
前記センサは、量子トンネリング複合材を含む請求項1に記載の二機能装置。
【請求項３】
前記センサは、フォトレジスタを含む請求項1に記載の二機能装置。
【請求項４】
前記センサは、ピエゾ抵抗器を含む請求項1に記載の二機能装置。
【請求項５】
前記第1および第2の電極、誘電絶縁体、ならびにセンサは、実質的に透明である請求項1に記載の二機能装置。
【請求項６】
前記センサは、約1mm以下の範囲内の厚さを有する請求項1に記載の二機能装置。
【請求項７】
前記第1および第2の電極、誘電絶縁体、ならびにセンサは、約1mm以下の組み合わされた厚さを有する請求項6に記載の二機能装置。
【請求項８】
前記第1の電極は、あるパターンで配置構成されている複数の電極を備え、
前記センサは、前記複数の電極と前記第2の電極との間に位置決めされる請求項1に記載の二機能装置。
【請求項９】
前記誘電絶縁体および前記第1の電極は、柔軟である請求項1に記載の二機能装置。
【請求項１０】
前記誘電絶縁体、前記第1および第2の電極、ならびに前記センサは、柔軟である請求項9に記載の二機能装置。
【請求項１１】
表面を備える基材であって、前記表面の少なくとも一部は平坦でない、基材をさらに備え、
前記第2の電極の少なくとも一部は、前記表面の前記平坦でない部分上に取り付けられる請求項1に記載の二機能装置。
【請求項１２】
前記第1の電極と電気的に連通する電源をさらに備え、前記電源は約500Vから約2,000Vの間の電位をもたらす請求項1に記載の二機能装置。
【請求項１３】
前記センサが前記第1の電極と前記第2の電極との間に電気的導通をもたらした後に出力電圧を発生するように構成されているセンサ回路と、
前記センサ回路と前記電源との間に連通するプログラム可能回路であって、前記センサ回路から前記出力電圧を受け、前記出力電圧が閾値に達した後前記電位を前記第1の電極に供給するように前記電源を制御するようにプログラムされる、プログラム可能回路と
をさらに備える請求項12に記載の二機能装置。
【請求項１４】
前記センサ回路は、分圧器を備える請求項13に記載の二機能装置。
【請求項１５】
タッチを感知し、触覚信号を伝達するための二機能装置であって、
第1および第2の電極であって、前記第1の電極は静電気力を伝達するための触覚インターフェースを形成し、前記第1の電極は頂面および底面を有する、第1および第2の電極と、
前記第1の電極の前記頂面を覆う誘電絶縁体と、
前記第1の電極の前記底面と前記第2の電極との間に位置決めされたセンサであって、前記誘電絶縁体に加えられる少なくとも閾値量の圧力に応答して前記第1の電極と前記第2の電極との間の導電率を選択的に提示し、量子トンネリング複合体を構成する、センサと
を備え、
組み合わせた第1および第2の電極、誘電絶縁体、およびセンサは、柔軟であり、約1mm以下の組み合わせた厚さを有する、二機能装置。
【請求項１６】
タッチを感知し、触覚信号を伝達するための二機能装置であって、
第1、第2、および第3の電極であって、前記第1の電極は静電気力を伝達するための触覚インターフェースを形成し、前記第1の電極は頂面および底面を有する、第1、第2、および第3の電極と、
前記第1の電極の前記頂面を覆う誘電絶縁体と、
前記第1の電極の前記底面と前記第2の電極との間に位置決めされた電気絶縁体と、
前記第2の電極と前記第3の電極との間に位置決めされたセンサであって、前記センサは前記誘電絶縁体に加えられる少なくとも閾値量の圧力に応答して前記第2の電極と前記第3の電極との間の導電率を選択的に提示する、センサと
を備える、二機能装置。
【請求項１７】
前記第2の電極は接地され、二機能装置は
前記第1の電極と電気的に連通する電源と、
前記第3の電極と電気的に連通するセンサ回路であって、前記センサが前記第1の電極と前記第2の電極との間の電気伝導をもたらした後に出力電圧を発生するように構成される、センサ回路と、
前記電源と前記センサ回路との間に連通するプログラム可能回路であって、前記センサ回路から前記出力電圧を受け、前記出力電圧が閾値に達した後前記電位を前記第1の電極に供給するように前記電源を制御するようにプログラムされる、プログラム可能回路と
をさらに備える請求項16に記載の二機能装置。
【請求項１８】
前記第1、第2、および第3の電極、前記誘電絶縁体、前記電気絶縁体、ならびに前記センサの前記組み合わせた厚さは、約1mm以下である請求項16に記載の二機能装置。
【請求項１９】
単一のデバイスによりタッチを感知し、触覚信号を伝達する方法であって、
第1の電極上に層を成す誘電絶縁体のタッチ面で入力を受けるステップと、
前記タッチ面で前記入力を受けたことに応答して、前記第1の電極と第2の電極との間に位置決めされているセンサの導電率を増加させるステップと、
前記センサの導電率を増加させたことに応答して、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電流を流すステップと、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に電流を流したことに応答して、触覚駆動信号を前記第1の電極に印加するステップであって、前記触覚駆動信号は前記誘電絶縁体内に静電気力を発生させる、ステップと
を含む、方法。
【請求項２０】
タッチ面で入力を受けるステップは、前記タッチ面に加えられた力を受けるステップを含み、
前記センサの導電率を増加させるステップは、前記タッチ面に加えられた前記力を受けたことに応答する量子トンネリング複合材を圧縮するステップを含む請求項19に記載の方法。
【請求項２１】
タッチ面で入力を受けるステップは、前記タッチ面に加えられた力を受けるステップを含み、
前記センサの導電率を増加させるステップは、タッチ面に加えられた力を受けたことに応答するピエゾ抵抗器に応力を加えるステップを含む請求項19に記載の方法。
【請求項２２】
前記タッチ面で入力を受けるステップは、少なくとも一部の光が前記タッチ面および前記第1の電極を通過するのを妨げるステップを含み、
前記センサの導電率を増加させるステップは、少なくとも一部の光がフォトレジスタに到達するのを妨げるステップを含む請求項19に記載の方法。
【請求項２３】
前記誘電絶縁体の前記タッチ面に加えられた前記力に応答して前記誘電絶縁体および前記第1の電極を変形させるステップをさらに含む請求項19に記載の方法。
【請求項２４】
前記触覚駆動信号は、約500Vから約2,000Vの間の範囲内の電圧を有する請求項19に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサおよび触覚アクチュエータに関し、より詳細には、単一センサおよび触覚アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
個人と電子デバイスとのインタラクティブなやり取りを強化するために触覚効果が使用される。触覚効果は、ユーザが、デバイスに組み込まれているアクチュエータによって典型的には発生するタッチ感覚を経験することを可能にする。近年の技術革新は、帯電電極と人間の導電性組織との間に容量結合を生じさせる、静電気力(ESF)を発生する触覚アクチュエータの開発を可能にした。この容量結合は、皮膚を刺激し、触感をもたらす。しかしながら、これらのESF触覚アクチュエータは、ユーザが感じる十分な大きさの静電気力を発生するために高電圧信号(たとえば、100〜2000ボルト以上)を必要とする。そのような高電圧信号を発生し、伝達するには、高電圧増幅器、高電圧電気部品、およびかなりの電池リソースを必要とする。これらのコンポーネントは、高価で、かさばるものであり、その結果、製造業者がコンポーネントおよびデバイスのサイズを縮小しようとしたときにパッケージングの問題が生じる。
【０００３】
それに加えて、触覚アクチュエータを有する多くのデバイスは、触覚効果を伝達する条件を決定するためにセンサを必要とする。別のセンサが必要になることで、触覚アクチュエータを含むデバイスおよびシステムの費用、複雑度、および大きさがなおいっそう増加する。
【０００４】
従来の触覚アクチュエータ、特に、静電気力を使用して触覚効果を伝達するアクチュエータの問題として、他に、これらが典型的には堅く、圧力を感知するのには役立たないという点があげられる。柔軟な、または不規則形状の基材に適応する柔軟性を有しない。これらの従来技術のデバイスは、用途が限られている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書の一態様は、タッチを感知し、触覚信号を伝達するための二機能装置(bi-functional apparatus)に関係する。二機能装置は、第1および第2の電極を備える。第1の電極は、静電気力を伝達するための触覚インターフェースを形成し、頂面および底面を有する。誘電絶縁体は、第1の電極の頂面を覆う。センサは、第1の電極の底面と第2の電極との間に位置決めされる。センサは、誘電絶縁体に加えられる少なくとも閾値量の圧力に応答して第1の電極と第2の電極との間の導電率を選択的に提示する。
【０００６】
別の態様は、タッチを感知し、触覚信号を伝達するための二機能装置である。二機能装置は、第1および第2の電極を備える。第1の電極は、静電気力を伝達するための触覚インターフェースを形成し、頂面および底面を有する。誘電絶縁体は、第1の電極の頂面を覆う。センサは、第1の電極の底面と第2の電極との間に位置決めされる。センサは、誘電絶縁体に加えられる少なくとも閾値量の圧力に応答して第1の電極と第2の電極との間の導電率を選択的に提示する。センサは、量子トンネリング複合体を構成する。組み合わせた第1および第2の電極、誘電絶縁体、およびセンサは、柔軟であり、約0.1mmから約1mmの範囲内の組み合わせた厚さを有する。
【０００７】
別の態様は、タッチを感知し、触覚信号を伝達するための二機能装置である。二機能装置は、第1、第2、および第3の電極を備える。第1の電極は、静電気力を伝達するための触覚インターフェースを形成し、頂面および底面を有する。誘電絶縁体は、第1の電極の頂面を覆う。電気絶縁体は、第1の電極の底面と第2の電極との間に位置決めされる。センサは、第2の電極と第3の電極との間に位置決めされる。センサは、誘電絶縁体に加えられる少なくとも閾値量の圧力に応答して第2の電極と第3の電極との間の導電率を選択的に提示する。
【０００８】
別の態様は、単一のデバイスによりタッチを感知し、触覚信号を伝達する方法である。方法は、第1の電極上に層を成す誘電絶縁体のタッチ面で入力を受けるステップと、タッチ面で入力を受けたことに応答して、第1の電極と第2の電極との間に位置決めされているセンサの導電率を増加させるステップと、センサの導電率を増加させたことに応答して、第1の電極と第2の電極との間に電流を流すステップと、第1の電極と第2の電極との間に電流を流したことに応答して、触覚駆動信号を第1の電極に印加するステップであって、触覚駆動信号は誘電絶縁体内に静電気力を発生させる、ステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】単一触覚デバイスの上面等角図である。
【図２】線2-2で切り取った図1に例示されている単一触覚デバイスの断面図である。
【図３】静電気力を伝達する図1および図2に示されている単一触覚デバイスの動作を示す断面図である。
【図４Ａ】図1および図2に示されている単一触覚デバイス内のセンサ要素の一実施形態の動作を示す断面図である。
【図４Ｂ】図1および図2に示されている単一触覚デバイス内のセンサ要素の一実施形態の動作を示す断面図である。
【図５Ａ】図1および図2に示されている単一触覚アクチュエータの動作を示す回路および断面図である。
【図５Ｂ】図1および図2に示されている単一触覚アクチュエータの動作を示す回路および断面図である。
【図５Ｃ】図1および図2に示されている単一触覚アクチュエータの動作を示す回路および断面図である。
【図６Ａ】図1および図2に示されている単一触覚デバイスの代替的動作を示す回路および断面図である。
【図６Ｂ】図1および図2に示されている単一触覚デバイスの代替的動作を示す回路および断面図である。
【図７】図1および図2に示されている単一触覚デバイスの代替的実施形態を示す断面図である。
【図８】図1および図2または図7に示されている複数の単一触覚デバイスとともに形成されるユーザインターフェースを例示する等角図である。
【図９】図1〜図8に例示されている単一触覚デバイスを制御するための制御回路の機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
様々な実施形態が、図面を参照しつつ詳しく説明され、類似の参照番号はいくつかの図面全体を通して類似のパーツおよびアセンブリを表す。様々な実施形態への参照は、本明細書に付属する請求項の範囲を制限しない。それに加えて、本明細書で述べられている例は、制限的であることを意図されておらず、付属の請求項に対する多くの可能な実施形態のうちのいくつかを単に述べているだけである。
【００１１】
適切である限り、単数形で使用される用語は複数形も含み、逆も同様である。英語原文中の不定冠詞「a」の使用は、断りのない限り、または「1つまたは複数」の使用が明らかに不適切でない限り、「1つまたは複数」を意味する。「または」の使用は、断りのない限り「および/または」を意味する。「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、および「有している」の使用は、互いに交換でき、限定することを意図していない。「など」という言い回しも、限定することを意図していない。たとえば、「含む」という言い回しは、「限定はしないが、...を含む」を意味するものとする。
【００１２】
大まかに言えば、本特許文書は、触覚効果を伝達するための単一触覚デバイスに関係する。単一触覚デバイスは、二機能デバイスであり、タッチセンサーおよび触覚アクチュエータの両方として動作する。触覚効果は、人に伝達される任意の種類の触感であってよい。いくつかの実施形態において、触覚効果は、触覚対応物品に対するユーザのインタラクティブな操作の合図、通知、フィードバック、もしくは確認などの情報、またはより複雑なメッセージもしくは他の情報を具現化したものである。代替的実施形態において、触覚効果は、摩擦、流れ、および戻り止めなどの物理的特性または効果をシミュレートすることによってデバイスに対するユーザのインタラクティブな操作を強化するために使用できる。
【００１３】
次に図1および図2を参照すると、単一触覚デバイス100の可能な実施形態は、第1および第2の電極102および104を備えている。センサ要素106は、第1の電極102と第2の電極104との間に位置決めされる。保護層110が、第1の電極102上に位置決めされ、タッチ面112を形成する。本明細書でより詳しく説明されているように、第1の電極102、第2の電極104、およびセンサ要素106は、ユーザまたは物体がタッチ面112に触れるか、またはいくつかの実施形態において、タッチ面112の近くに移動したときにそのことを感知するように連携動作する。また、本明細書でより詳しく説明されているように、第1の電極102は触覚アクチュエータとして動作して、静電気力(ESF)または経皮電気刺激(TES)を使用して触覚効果を伝達する。しかしながら、他の実施形態は、第1の電極102が触覚アクチュエータとして動作することに加えた、またはさらにはその代わりとなる構造を備えることができる。
【００１４】
少なくともいくつかの実施形態において、保護層110は、誘電体材料で形成された電気絶縁体である。保護層110を形成するために使用され得る誘電体材料の例は、二酸化ケイ素(SiO2)、窒化ケイ素(SiO3N4)、パリレン、または有機もしくは無機材料を含むことができる複合被覆材を含む。誘電体材料は、堆積およびスパッタリングを含む任意の好適な技術を使用して第1の電極102に施され得る。センサ要素106は、タッチを検出する、またはいくつかの実施形態では、タッチ面112への近接近を検出するセンサである。タッチを検出するセンサ要素106の例は、量子トンネリング複合材、ピエゾ抵抗セル、フォトレジスタ、および圧力もしくは光などの外力もしくは刺激に曝されるか、またはそれらを奪われたときに導電率、抵抗、インダクタンス、またはキャパシタンスなどの電気的特性を変化させる他の材料を含む。
【００１５】
少なくともいくつかの実施形態において、第1の電極102は、センサ要素106の表面全体を覆う。代替的実施形態において、互いに電気的に絶縁されている、複数の第1の電極102が、平行リボン、円形、三角形、正方形の配列、他の形状の配列、ならびに他の幾何学的パターンおよび形状などのパターンでセンサ要素106の表面に施され得る。
【００１６】
それに加えて、いくつかの実施形態において、保護層110および第1の電極102は、圧力の下で曲がり、センサ要素106に圧力を加えることができるように柔軟性を有する。他の実施形態では、単一触覚デバイス100全体が柔軟である。単一触覚デバイス100全体が柔軟である利点は、それが平坦でないかもしくは他の何らかの不規則形状である表面を有する基材に施され、形状適合し得るという点である。たとえば、単一触覚デバイスは、ユニバーサルタッチパッド(universal touch pad)、フレキシブルディスプレイ、湾曲したガラスを有するディスプレイ、ボタン、またはさらには握りの表面に施されることも可能である。これは、曲げやすい、または柔軟な単一触覚デバイス100が、公差から外れているか、または表面に他の欠陥を有する基材により容易に施され得るので製造を容易にもする。
【００１７】
単一触覚デバイス100は、約0.1mmから約1mmの範囲内の全深さを有するが、他の実施形態は、この範囲よりも小さいもしくは大きい全深さを有することができる。この深さは、様々な異なる目的を有する様々な異なるデバイスに施され得る薄型二機能センサおよび触覚アクチュエータをもたらす。単一触覚デバイス100のこの薄い深さは、単一触覚デバイス100の構造全体および各層に使用される材料の種類などの要因によって使用可能にされる。保護層110は、約0.1μから約1.5μの範囲内の厚さを有する。代替的実施形態において、保護層110は、約0.5μから約1μの範囲内の厚さを有する。保護層110の厚さは、層110を形成するために使用される材料などの要因に依存する。保護層110が誘電体材料により形成される場合、層110の厚さは、層110に対する所望の誘電率にも依存し、層110が厚ければ厚いほど、触覚効果を発生するように電極に印加される電圧は高くなる。第1の電極102および第2の電極104は、約20nmから約0.5μの範囲内の厚さを有する。代替的実施形態において、第1および第2の電極は、約0.1mmから約1mmの範囲内の厚さを有することも可能である。さらに他の実施形態において、第1および第2の電極は、約20nmから約1mmの範囲内の厚さを有する。センサ要素106は、約0.1mmおよびそれ以上の範囲内の厚さを有する。代替的実施形態において、センサは、約0.1mmから約1mmの範囲内の厚さを有する。電極要素の厚さは、電極102および104を形成するために使用される材料、電極102および104を形成するために使用される製造プロセス、ならびに電極102および104の所望の信頼性および性能特性などの様々な要因に依存し得る。センサ要素106の厚さは、使用されるセンサの種類、電圧および電流などの単一触覚デバイス100に印加される電気信号の特性、センサ要素106の所望の感度、センサ要素106の分解能、センサ要素106の閾値、および単一触覚デバイス100に対する他の性能特性などの様々な要因に依存し得る。単一触覚デバイス100の代替的実施形態における個別の層102、104、106、および110の各々は、上に提示されている範囲よりも小さいか、または大きい厚さを有することができる。それに加えて、単一触覚デバイス100および個別の層102、104、106、110の各々の実際の深さは、本明細書において述べられている要因および他の要因に依存し得る。この深さおよび厚さは、単一触覚デバイス100の性能、設計基準、製造制約条件、およびコストのバランスをとることに依存し得る。
【００１８】
本明細書で開示されている単一触覚デバイスおよびその実施形態は、異なる方法で実装される柔軟性を有し、異なる実施形態を有する。たとえば、単一触覚デバイスは、感知モードと触覚伝達モードとの間で動作を切り替えるために制御され得る。代替的に、本明細書で開示されている単一触覚デバイスのいくつかの実施形態は、タッチを感知し触覚効果を伝達することを同時に行うことができる。それに加えて、本明細書で開示されている単一触覚デバイスは、ESFおよびTES以外の技術を使用して触覚効果を伝達するために代替的アクチュエータを具現化することができる。本明細書で開示されているような単一触覚デバイスで具現化され得る他の種類のアクチュエータは、圧電セル、電気活性ポリマー、マイクロファイバー複合材、形状記憶ポリマーおよび金属などのスマート材料、ならびに電位、電流、電界、磁界、または温度変化などの外部刺激を受けた後に振動するか、または形状を変化させる他の材料を含む。
【００１９】
図3に例示されているように、ESFが本明細書で例示されているような触覚効果を伝達するために使用されるときに、アクチュエータ駆動回路132が第2の電極と電気的に連通する。アクチュエータ駆動回路は、信号発生器133および増幅器135を有する。信号発生器133は、交流波形を有する信号を発生し、増幅器135は、その信号を増幅して、第1の電極102に印加する触覚駆動信号を発生させ、電極102とユーザ116の指、またはタッチ面112と接触する他の身体部分との間に静電容量134を発生する。ユーザ116の皮膚は、第1の電極102に関して接地114となる。
【００２０】
これらの実施形態において、保護層110は、誘電体材料で形成された電気絶縁体であり、電位は保護層110内の電荷を分離させ、一方の極性(たとえば、正)の電荷はユーザ116の皮膚に近い保護層110の頂面またはタッチ面112に沿って移動し、反対極性(たとえば、負)の電荷は第1の電極102に近い保護層110の底面に沿って移動する。次に、保護層110のタッチ面112に沿った極性と反対の極性(たとえば、負)を有する電荷が、第1の電極102に隣接し、絶縁体110に当たるユーザ116の皮膚の部分に蓄積する。この反対極性は、皮膚を誘電絶縁体110のタッチ面112の方へ付勢し、皮膚116に触感を生み出す力を発生する。
【００２１】
交流信号(たとえば、正と負との間で交互する信号)が第1の電極102に印加されたときに、電極102の電荷は、正と負との間で交互する。第1の電極102の交互に変わる電荷は、絶縁体110のタッチ面112および底面の近位にある電荷が正と負との間で交互するようにし、次いで、第1の電極102に隣接するユーザ116の皮膚に蓄積している電荷が正と負との間で交互するようにする。この交互する極性は、ユーザ116の皮膚が第1の電極102の方へ代替的に付勢され、次いで解放されるようにする。ユーザ116が自分の指先または身体の他の部分をタッチ面112に当てたままにしている場合、皮膚が上下する感覚が皮膚116の振動として感じられ、静的触覚効果を生み出す。ユーザ116が指先、または他の身体部分をタッチ面112に沿って移動している場合、皮膚はそれでも振動するが、摩擦、流れ、または移動の感覚などの動的触覚効果を生み出す。例示的な実施形態において、第1の電極102に印加される触覚駆動信号の振幅は、約50Vおよびそれ以上の範囲にある。静的ESFを伝達するための例示的な実施形態において、触覚駆動信号の振幅は、約50Vから約2000Vの範囲内にある。動的ESFを伝達するときの例示的な実施形態において、触覚駆動信号の振幅は、約500Vから約2000Vの範囲内にある。それに加えて、触覚駆動信号が強ければ強いほど、その結果生じるESFはその周りの環境内に気を逸らすものがあってもユーザが触覚効果を感じる十分に強いものとなる可能性が高い。ほとんどのユーザ、環境、およびハードウェア構成について、500V以上の振幅を有する触覚駆動信号は、ほとんどの状況および環境において感じられる十分に強い触覚効果をもたらす。触覚駆動信号に対するいくつかの範囲が用意されているけれども、他の実施形態は、ここに提示されている範囲よりも高いまたは低い信号を使用することも可能であろう。
【００２２】
TESを使用して触覚効果を伝達する実施形態において、小さい電流が第1の電極102から、保護層110を通り、ユーザ116の皮膚内に流れ込む。これらの実施形態では、保護層110は、非常に低いレベルの電流を流せるように少なくとも限られた大きさのコンダクタンスを有する材料で形成される。ユーザ116の皮膚内に入った電荷は、ユーザ116の神経内の受容体を刺激してちくちくした感覚を引き起こし、これが触覚効果をもたらす。例示的な実施形態において、第1の電極102からユーザ116の皮膚内に流れる電流のレベルは、約1mAから約4mAの範囲内にある。別の例示的な実施形態において、第1の電極102からユーザ116の皮膚内に流れる電流のレベルは、約2.5mAから約4mAの範囲内にあり、これは、ユーザ116がその周りの環境内に気を逸らすものがあっても触覚効果を感じられる十分に強いTESをもたらす。
【００２３】
図4Aおよび図4Bは、印加される圧縮力の量の変化に基づきその電気伝導度(または電気抵抗)を変化させる材料である、量子トンネリング複合材で形成されている単一触覚デバイス100内のセンサ要素106の一実施形態の動作を示している。量子トンネリング複合材は、金属などの導電性粒子117とエラストマー結合材などの非導電性材料との組合せを含む。導電性粒子117は、複合材全体に分配される。量子トンネリング複合材が、圧縮されないときに、導電性粒子は比較的遠く離れており、それにより、電流に対して比較的低いコンダクタンスおよび高い抵抗を有する。しかしながら、量子トンネリング複合材の圧縮が増大するにつれ、導電性粒子同士が力により近づけられ、量子トンネリング複合材の電気伝導度が電流を流す能力を高める。量子トンネリング複合材は、複合材の抵抗が印加される圧力に応じて変化する可変抵抗器として機能する。圧力が大きくなればなるほど、材料のコンダクタンスは大きくなり、材料の抵抗は低くなる。
【００２４】
量子トンネリング複合材は、ポリマーベースのインクまたはゲルであってよく、不透明もしくは透明であり得る。量子トンネリング複合材は、第2の電極104上に印刷され得るが、量子トンネリング複合材は、代替的製造技術を使用して第2の電極104に印加され得る。これらの実施形態において、少なくとも保護層110および第1の電極102は柔軟であり、曲げられ得る。
【００２５】
図4Aに例示されているように、タッチ面112に加えられる圧力がないときに、第1の電極102およびセンサ要素106は、曲がる、圧縮される、または他の何らかの形で変形するということがない。この状態で、量子トンネリング複合材中の導電性粒子117は、比較的遠く離れており、1つの粒子117から別の粒子への電子の流れに対して低いコンダクタンス、および高い抵抗をもたらす。量子トンネリング複合材のこの実施形態において、比較的低いレベルの電流のみがセンサ要素106の深さ部分を通って流れ得る。しかしながら、代替的実施形態において、量子トンネリング複合材は、電気絶縁体として作用し、したがって、実質的に電流は量子トンネリング複合材を完全に通ることはできず、電子が第2の電極104から第1の電極102に流れることが妨げられる。
【００２６】
図4Bに例示されているように、ユーザがタッチ面112に触れて、力を加えたときに、保護層110および第1の電極102は変形し、センサ要素106を圧縮する。十分な力でセンサ要素106を圧縮することで、量子トンネリング複合材中の導電性粒子117同士が比較的十分に近づけられ、それにより電子は導電性粒子117から導電性粒子117へ移動することができる。センサ要素106内の量子トンネリング複合材の導電性が高くなり、電子およびしたがって電流130が第2の電極104から第1の電極102に流れることが許される。
【００２７】
図5A〜図5Cは、単一触覚デバイスの動作を感知モードと触覚伝達モードとを自動的に切り替える制御回路内の単一触覚デバイス100の動作を例示している。例示されている実施形態では、センサ要素106は、量子トンネリング複合材で形成されている。
【００２８】
この実施形態では、分圧器118は、直列に接続された第1および第2の抵抗もしくはインピーダンスを有する。第1の抵抗120は、電源Vinとノード124との間で電気的直列である。第2の抵抗は、センサ要素106によってもたらされ、第1および第2の電極102および104を通りノード124と接地122との間に電気的直列である。ノード124は、ノード124における出力電圧Voutを監視する、コントローラ162(本明細書においてより詳しく説明されている)に電気的に接続される。センサスイッチ126は、第1の電極102に電気的に接続されている共通端子、アクチュエータ駆動回路132に電気的に接続されている第1の切り替え端子、および分圧器118に電気的に接続されている第2の切り替え端子を有する単極双投スイッチである。センサスイッチ126は、アクチュエータ駆動回路132と分圧器118に対する入力電圧Vinとの間で第1の電極102に対する電気的導通を切り替える。センサスイッチ126が第2の端子に切り替えられたときに、第1の電極102は、分圧器118の一部を形成し、完成させる。
【００２９】
分圧器118は、センサ回路を形成する。代替的実施形態では、分圧器以外の回路を使用して、いつセンサ要素106が抵抗または他の何らかの特性などの特性を変化させることによって物理的刺激に応答したかを決定することができる。アクチュエータ駆動回路132は、第1の電極と電気的に連通し、本明細書で説明されているように、コントローラ162は、いつアクチュエータ駆動回路132が触覚駆動信号を電極102に印加するかを制御する。
【００３０】
次に図5Aを参照すると、単一触覚デバイス100が感知モードで動作させられているときに、センサスイッチ126は、第1の電極102と入力電圧Vinとの間を導通させるように切り替えられる。センサスイッチ126がこの位置になったときに、第1の電極は、分圧器118に接続され、完成させる。センサ要素106は、圧縮されないか、または軽く圧縮されており、したがって、量子トンネリング複合材は比較的高い電気抵抗を有し、わずかな電流のみが第1の電極102と第2の電極104(たとえば、図4A)の間を流れ接地122に向かうことができる。この非圧縮状態では、コントローラ162は、分圧器が入力電圧Vinを第1の電極に電気的に接続するのと同時に触覚駆動信号を第1の電極102に伝達しないようにアクチュエータ駆動回路132を制御する。この状態において、ノード124における出力電圧Voutは、入力電圧Vinよりもわずかに低い。非圧縮のときに量子トンネリング複合材が開回路である実施形態において、VoutはVinに等しくなる。
【００３１】
次に図5Bを参照すると、人がタッチ面112を圧迫し、センサ要素106が十分に圧縮して第1の電極102と第2の電極104との間の量子トンネリング複合材の電気抵抗を減少させることを開始したときに(図4Bに示されているように)、ノード124における出力電圧Voutの値は、センサ要素106および量子トンネリング複合材が図5Aに例示されているように非圧縮状態にあるときにそれが有していた値に対して低くなる。この遷移状態では、コントローラ162は、触覚駆動信号を第1の電極102に伝達しないようにアクチュエータ駆動回路132を制御し続ける。
【００３２】
次に図5Cを参照すると、センサ要素106が、ノード124における出力電圧Voutが閾値レベルよりも低くなるように量子トンネリング複合材の抵抗を十分に下げるように十分に圧縮されるときに、コントローラ162は、センサスイッチ126を切り替えて、第1の電極102を入力電圧から切断し、第1の電極102をアクチュエータ駆動回路132に接続する。センサスイッチ126がこの位置になったときに、第1の電極102は、分圧器118に接続されず、その一部とならない。次いで、単一触覚デバイス100は、感知モードから触覚伝達モードに切り替えられる。次いで、コントローラ162はアクチュエータ駆動回路132を制御して、触覚駆動信号を発生し、それを第1の電極102に印加する。触覚駆動信号は、いくつかの実施形態では非常に高い電圧を有することができるので、センサスイッチ126を制御して第1の電極102を分圧器118から切断することでも、コントローラ162をアクチュエータ駆動回路132の出力から絶縁し、触覚駆動信号がコントローラ162内のコンポーネントを損傷しないようにできる。センサスイッチ126をこのようにして操作することでも、分圧器118に対する入力電圧Vinが触覚駆動信号に電圧オフセットを加えることが防止される。そのようなオフセットは、流体の流れの摩擦のいくつかのレベルの感覚などコントローラ162が引き起こそうとしている触覚効果に悪影響を及ぼし得る。
【００３３】
少なくともいくつかの例示的な実施形態において、コントローラ162は、アクチュエータ駆動回路132が触覚駆動信号の伝達を停止し、次いで、決定された期間の後にセンサスイッチ126を切り替えて、単一触覚デバイス100を触覚伝達モードから感知モードに戻すようにする。他の実施形態では、一定期間の経過とは異なる事象の出現後に単一触覚デバイス100の動作を触覚伝達モードから感知モードに切り替え得る。
【００３４】
代替的実施形態において、センサスイッチ126は、機械スイッチ、半導体素子、または他の好適なスイッチング機構であってよい。他の代替的実施形態において、センサスイッチ126は、2つの単極単投スイッチで置き換えられ、一方のスイッチはアクチュエータ駆動回路132と第1の電極102との間に直列接続され、他方のスイッチは出力電圧Voutと第1の電極102との間に直列接続される。他の実施形態は、第1の電極102への導通をもたらすために代替的種類および配置構成のスイッチを有することができる。それに加えて、センサスイッチ126または他のスイッチの代わりに、コントローラ162は、第1の電極102への導通を制御するための回路およびプログラミングを含むものとしてよく、この制御は、アクチュエータ駆動回路132および入力電圧Vinから出力を有効化および無効化することによって、コントローラ162を分圧器118を通じて受けることがあり得るアクチュエータ駆動回路132からの高電圧から遮蔽することによって、および総電圧信号内の電圧を処理し絶縁するようにコントローラ162をプログラムすることによって行う。
【００３５】
代替的実施形態では、量子トンネリング複合材の代わりにピエゾ抵抗セルをセンサ要素106として使用する。ピエゾ抵抗セルは、応力の下で結晶が形状および方向を変える結晶格子構造を有する金属または半導体材料である。これらの実施形態は、図5A〜図5Cを参照しつつ説明されているのと実質的に同じ仕方で動作し、ピエゾ抵抗セルは、曲がるか、または圧縮すると抵抗を変化させ、結晶格子構造は応力を受ける。しかしながら、分圧器118の応答は、感知要素106が量子トンネリング複合材であるときとは反対である。ピエゾ抵抗セルの抵抗は、図5Aに例示されているように応力を受けていないときに低く、したがって、ノード124における出力電圧Voutは、最初は、入力電圧Vinに相対的に非常に低い。センサ要素106が図5Bに例示されているように応力下に置かれると、ピエゾ抵抗セルの抵抗が増加し、ノード124における出力電圧Voutは、ユーザ116が単一触覚デバイス100のタッチ面112に触れたことに応答して増大する。コントローラ162は、Voutの新しい値を読み取り、図5Cに示されているようにそれが閾値レベルよりも高くなってコントローラ162に単一触覚デバイス100の動作をセンサモードから触覚デバイスモードに切り替えさせるかどうかを決定する。ピエゾ抵抗セルをセンサ要素106として使用する実施形態において、少なくとも保護層110および第1の電極102は、力がタッチ面112に加えられると曲がる。次いで、この力は、ピエゾ抵抗セルが曲がるか、または圧縮するようにする。しかし、少なくともいくつかの実施形態において、保護層110、第1の電極102、センサ要素106、および第2の電極104を備える単一触覚デバイス100全体は、柔軟であるか、または圧縮可能である。
【００３６】
他の代替的実施形態では、フォトレジスタをセンサ要素106として使用する。フォトレジスタは、光に曝されたときに電気抵抗が低くなる半導体であるが、抵抗は可変であり、フォトレジスタに到達する光の量が少なくなると増加する。したがって、分圧器118内のノード124における出力電圧Voutは、ピエゾ抵抗セルをセンサ要素106として使用する実施形態と実質的に同じようにして応答する。しかしながら、これらの実施形態では、フォトレジスタの抵抗、およびしたがって、ノード124における出力電圧は、ユーザ116の指が単一触覚デバイス100のタッチ面112に接近するとともに増加し、光がセンサ要素106に到達するのを妨げる。出力電圧Voutが、ユーザ116がタッチ面112に触れたことを指示する閾値レベルを超えたときに、コントローラ162は、単一触覚デバイス100の動作を感知モードから触覚伝達モードに切り替える。代替的実施形態では、出力電圧Voutに対する閾値を、ユーザ116の指がタッチ面116に近いが、タッチ面112に必ずしも触れていないことを指示するレベルに設定してもよい。フォトレジスタは、典型的には、ケイ素、ゲルマニウム、ガリウムの化合物などの半導体材料で形成される。半導体材料は、蒸着またはスパッタリングなどの従来の加工技術を使用して第2の電極104に施され得る。代替的実施形態では、他の材料を使用してフォトレジスタを形成することができる。
【００３７】
フォトレジスタをセンサ要素106として使用する実施形態において、コントローラ162は、単一触覚デバイスが動作している環境内で周辺光を測定する追加のセンサから入力を受け取るようにプログラムされ得る。次いで、これらの実施形態において、コントローラ162は、周辺光が低い場合には出力電圧の閾値が低く、周辺光が明るい場合には出力電圧の閾値が高くなるように周辺光の測定レベルに従って出力電圧Voutの閾値を調整するものとしてよい。代替的に、コントローラ162は、単一触覚デバイス100が動作している環境内で周辺光の量に対応するであろう、出力電圧Voutの値を連続的に監視し、移動平均を計算することができる。出力電圧の平均値が高くなると、それに対応して、周辺光が明るくなり、出力電圧の平均値が低くなると、それに対応して、周辺光のレベルが低くなる。次いで、コントローラ162は、出力電圧のこの移動平均を使用して、閾値をコントローラ162が単一触覚デバイス100の動作を感知モードから触覚伝達モードに切り替える出力値に対して調整することができる。それに加えて、フォトレジスタを使用する実施形態は光を感知することに依存し、センサ要素106を曲げるか、または圧縮することに応答しないので、第1の電極102および感知要素106は堅く、圧縮可能でないことがあり得る。しかし、代替的実施形態において、単一触覚デバイス100は柔軟であるか、もしくは圧縮可能であり得る、または単一触覚デバイス内の個別の層は、柔軟であるか、もしくは圧縮可能であり得る。それに加えて、これらの実施形態において、少なくとも保護層110および第1の電極102は、周辺光をセンサ要素106に向かわせる十分な透明性を有する。これらの実施形態の利点は、ユーザ116の指もしくは別のポインタがタッチ面112に近いが、触れていないときに触覚効果を伝達するようにプログラムされ得る点である。
【００３８】
図6Aおよび図6Bは、ESFまたはTESを使用してタッチを感知し、触覚効果を伝達することを同時に行うように構成されている単一触覚デバイス100の一実施形態を例示している。この実施形態において、アクチュエータ駆動回路132は、第2の電極104と電気的に連通している。図示されているように、この実施形態では、本明細書において開示されているような量子トンネリング複合材または類似の材料などの、圧縮されるとともにコンダクタンスを増加させ、抵抗を減少させる材料を有するセンサ要素106を使用する。センサ要素106が特定の圧縮レベルに到達したときに、これは、十分に高い導電率を実現し、その結果、第2の電極104に印加される信号の減衰が最小になる。
【００３９】
動作中、図6Aを参照すると、ユーザが単一触覚デバイス100のタッチ面112に触れることも力を加えることもしないときに、センサ要素106は刺激されず、高い電気抵抗をもたらし、したがって、第2の電極104および第1の電極102から電流はごくわずかしか流れない。センサ要素106を通り第1の電極102に流れる触覚駆動信号の振幅は、ユーザが刺激を感知できず、触覚効果がユーザ116に伝達され得ないくらいに低い。代替的一実施形態において、センサ要素106内の量子トンネリング複合材は、開回路を形成し、第1の電極102を第2の電極104およびアクチュエータ駆動回路132から電気的に絶縁する。
【００４０】
しかしながら、図6Bに例示されているように、ユーザ116がタッチ面112を圧迫すると、センサ要素106は圧縮され、導電率が増加し、第2の電極104から第1の電極102に流れる触覚駆動信号の振幅が増加する。量子トンネリング複合材の導電率が十分に高いレベルに到達したときに、第1の電極102に到達したアクチュエータ駆動信号の振幅は、第1の電極102とユーザ116の皮膚との間に、ESFを発生し、触覚効果を伝達するのに十分な電位を発生するように十分に高くなるか、または第1の電極102および保護層110に、TESを伝達し触覚効果を伝達するのに十分な電流を通すように十分に高くなる。図6Aおよび図6Bに例示されている実施形態の一利点は、これが単一触覚デバイス100に加えられる圧力を連続的に監視することである。少なくともいくつかの実施形態において、圧力が変化すると、第2の電極104から第1の電極102に通される触覚駆動信号の振幅は変化し、これは触覚効果の強度を変化させることができる。
【００４１】
タッチを感知し触覚効果を伝達することを同時に行う単一触覚デバイス100の代替的実施形態が可能である。たとえば、単一触覚デバイス100は、信号がESFもしくはTESをそれぞれ伝達するのに十分な振幅または電流を有するように最小の減衰で第2の電極104から第1の電極102に触覚駆動信号を渡す量子トンネリング複合材以外の好適なセンサ要素を使用することができる。それに加えて、代替的実施形態では、ESFまたはTESを伝達するために単一電極(たとえば、第1の電極102)以外の触覚アクチュエータを使用することも可能である。代替的アクチュエータの例は、圧電セル、電気活性ポリマー、マイクロファイバー複合材、形状記憶ポリマーおよび金属などのスマート材料、ならびに電位、電流、電界、磁界、または温度変化などの外部刺激を受けた後に振動するか、または形状を変化させる他の材料を含む。
【００４２】
図7は、単一触覚デバイスの代替的一実施形態を例示している。この代替的実施形態で、単一触覚デバイス136は、第1の電極138、第2の電極140、および第3の電極142を備える。保護層144は、保護層110と実質的に類似しており、第1の電極138を覆う。保護層144は、タッチ面148を有する。電気絶縁体146は、第1の電極138と第2の電極140との間に位置決めされ、それらを絶縁する。センサ要素150は、第2の電極140と第3の電極142との間に位置決めされる。本明細書で説明されているように、ESFを使用して触覚効果を伝達する単一触覚デバイス136については、保護層144は、誘電体材料で形成された絶縁体である。センサ要素150は、本明細書で説明されているセンサ要素106に実質的に類似しており、タッチ、またはいくつかの実施形態では、タッチ面148への近接近を検出する。タッチを検出するセンサ要素150の例は、量子トンネリング複合材、ピエゾ抵抗セル、フォトレジスタ、および圧力もしくは光などの外部刺激もしくは力に曝されるか、または奪われたときに導電率またはキャパシタンスなどの電気的特性を変化させる他の材料を含む。フォトレジスタは、近接近を検出することもできる。センサ要素150がフォトレジスタである場合、少なくとも保護層144、第1の電極138、第2の電極140、および電気絶縁体146は、周辺光がセンサ要素150に到達できるように実質的に透明であり、最小電気抵抗を有するようにフォトレジスタを刺激する。単一触覚デバイス136は、単一触覚デバイス100に類似する柔軟性および透明特性を有することができる。
【００４３】
実装されるときに、図7に例示されている単一触覚デバイス136は、図5A〜図5Cに例示されている実施形態と同様の動作をする。分圧器152は、ノード156と直列である第1の抵抗またはインピーダンス154とともに形成される。第2の抵抗またはインピーダンスは、センサ要素150によってもたらされ、これは第3の電極142および第2の電極140を通り抵抗器154と接地158との間で電気的に直列である。出力電圧Voutは、ノード156で出力される。分圧器152は、センサ回路を形成する。それに加えて、第1の電極138は、アクチュエータ駆動回路132に電気的に接続される。分圧器からの出力電圧Voutが変化し、閾値を通り過ぎると、コントローラ162は、触覚効果がユーザ116に伝達されるべきであると決定し、アクチュエータ駆動回路を制御して触覚信号を第1の電極138に伝達する。
【００４４】
この実施形態の一利点は、ユーザ116と単一触覚デバイス136とのインタラクティブなやり取りを監視し、触覚効果を伝達することを同時に行う点である。コントローラ162は、出力電圧Voutを連続的に監視するようにプログラムされ得る。ユーザ116が単一触覚デバイス136に加える力が変化すると、ノード156における出力電圧Voutも変化する。コントローラ162は、出力電圧Voutを感知し、次いで出力電圧の監視を続けながら出力電圧の変化を感知することに関して触覚駆動信号の1つまたは複数の電気的特性をリアルタイムで修正するようにプログラムされ得るが、センサの性能における待ち時間、プロセッサの処理速度、および他の要因により、出力電圧の変化を感知することと触覚駆動信号の特性を変化させることとの間に少なくともある程度の遅延があり得る。この実施形態の別の利点は、単一触覚デバイス136をコントローラ162とインターフェースさせる電子回路が切り替えを必要とせず、あまり複雑でなく、故障する傾向も低く、必要な電力も少なくて済み、パッケージング要求条件も小さいという点である。それに加えて、コントローラ162をプログラムすることは、少なくともコントローラ162が感知モードと触覚モードとの間で単一触覚デバイス136を切り替える必要がなく、感知および触覚伝達回路の有効化および無効化を行う必要もないのでより単純である。
【００４５】
図8は、複数の単一触覚デバイス100または136を使用するセグメント分割されたユーザインターフェース160の一実施形態を示している。単一触覚デバイス100または136は、ランダムに、または任意のパターンで配置構成され得る。例示されている実施形態は、単一触覚デバイス100または136の3×3アレイであるが、代替的実施形態では、それよりも多いもしくは少ない単一触覚デバイス100または136を使用することができる。他の実施形態は、円形、卵形、矩形、正方形、三角形、または他の形状もしくは幾何学的配置構成などの異なるパターンで単一触覚デバイス100もしくは136を配置構成することができる。それに加えて、実施形態は、単一触覚デバイス100または136の2つの別個のグループを含んでもよく、各グループはユーザインターフェースの別個の部分に位置決めされる。ユーザインターフェースは、ディスプレイ、タッチパッド、またはユーザがインタラクティブに操作する任意の他の表面であってよい。これらの実施形態において、セグメント分割されたユーザインターフェース160内の単一触覚デバイス100または136の各々は、別個の、および個別の感知回路および触覚伝達回路によって制御され得る。したがって、各単一触覚デバイス100または136は、個別に制御されてよく、異なる触覚効果を伝達し、異なる圧力に応答するように制御され得る。たとえば、1つの単一触覚デバイス100または136は、第1の圧力を感知した後に触覚効果を伝達するように制御されてよく、異なる単一触覚デバイス100または136は、第2の異なる圧力を感知した後に触覚効果を伝達するように制御されてよい。
【００４６】
次に図9を参照すると、単一触覚デバイス100または136に対するコントローラ162は、バス168、プロセッサ170、入出力(I/O)コントローラ172、およびメモリ174を備える。バス168は、I/Oコントローラ172およびメモリ174を含む、コントローラ162の様々なコンポーネントをプロセッサ170に結合する。バス168は、典型的には、制御バス、アドレスバス、およびデータバスを含む。しかしながら、バス168は、コントローラ162内のコンポーネントの間でデータを転送するのに適した任意のバスまたはバスの組合せであってよい。コントローラ162は、センサスイッチ126を制御するためのスイッチング回路166ともインターフェースし得る。
【００４７】
プロセッサ170は、情報処理するように構成されている任意の回路を備えることができ、任意の好適なアナログもしくはデジタル回路を備えることができる。プロセッサ170は、命令を実行するプログラム可能回路も備えることができる。プログラム可能回路の例は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路(ASIC)、プログラマブルゲートアレイ(PGA)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、または命令を実行するのに適している他の任意のプロセッサもしくはハードウェアを含む。様々な実施形態において、プロセッサ170は、単一のユニット、または2つもしくはそれ以上のユニットの組合せを備えることができ、それらのユニットは単一のコントローラまたは別個のデバイス内に物理的に配置される。
【００４８】
I/Oコントローラ172は、コントローラ162および周辺機器もしくは外部デバイスの動作を監視する回路を備える。本明細書で開示されているように、ノード124または156からの出力電圧Voutは、I/Oコントローラ172に入力され、次いで、この値を処理のためプロセッサ170に伝達する。I/Oコントローラ172は、コントローラ162と周辺機器もしくは外部デバイス(図示せず)との間のデータフローも管理する。外部デバイスは、コントローラ162および単一触覚デバイス100または136が組み込まれている同じデバイス内に配置され得るか、またはシステムの外部にあってよい。I/Oコントローラ172がインターフェースすることができる他の周辺機器もしくは外部デバイスの例は、センサ、外部記憶装置デバイス、モニタ、キーボード、マウス、またはプッシュボタンなどの入力デバイス、外部コンピューティングデバイス、モバイルデバイス、送信機/受信機、およびアンテナを含む。
【００４９】
メモリ174は、ランダムアクセスメモリ(RAM)などの揮発性メモリ、リードオンリーメモリ(ROM)、電気的消去可能プログラム可能リードオンリーメモリ(EEPROM)、フラッシュメモリ、磁気メモリ、光メモリ、または他の任意の好適なメモリ技術を含み得る。メモリ174、揮発性メモリおよび不揮発性メモリの組合せも含み得る。
【００５０】
メモリ174は、センサモニタモジュール176、触覚効果決定モジュール178、および触覚効果制御モジュール180を含む、プロセッサ170による実行のための多数のプログラムモジュールを記憶するように構成される。各プログラムモジュールは、データ、ルーチン、オブジェクト、コール、および1つまたは複数の特定のタスクを実行する他の命令の集合体である。いくつかのプログラムモジュールが本明細書において開示されているけれども、各モジュールについて説明されている様々な命令およびタスクは、様々な実施形態において、単一のプログラムモジュール、モジュールの異なる組合せ、本明細書で開示されている以外のモジュール、またはコントローラ162と通信するリモートデバイスによって実行されるモジュールによって実行され得る。
【００５１】
例示的な一実施形態において、センサモニタモジュール176は、ノード124または156で出力される出力電圧Voutを監視し、いつ触覚効果がユーザ116に伝達されるべきかを決定する。センサモニタモジュール176が触覚効果を伝達するかどうかを決定するために使用することができる例示的な技術は、コンパレータまたはポインタを含む。センサモニタモジュール176は、ノード124または156における出力電圧Voutを監視し、それを決定された値と比較し、出力電圧が決定されたもしくは閾値よりも小さいか(センサ要素が量子トンネリング複合材である場合)、または決定されたもしくは閾値よりも大きい(センサ要素がピエゾ抵抗器またはフォトレジスタである場合)ときに触覚効果が伝達されるべきであると決定する。別の実施形態において、センサモニタモジュール176は、代替的計算を使用して、出力電圧Voutを処理し、触覚効果を伝達するかどうかを決定する。なおも別の実施形態において、センサモニタモジュール176は、ルックアップテーブルの出力電圧Voutを参照して、触覚効果を伝達するかどうかを決定する。
【００５２】
例示的な一実施形態において、触覚効果決定モジュール178は、単一触覚デバイス100または136を通してどの触覚効果を伝達するかを決定する。決定モジュール178がどの触覚効果を伝達するかを決定するために使用することができる例示的な技術は、触覚効果を選択する決定を下すようにプログラムされた規則を含む。たとえば、コントローラ162は、GPS受信機または他の位置追跡デバイスとインターフェースしてよく、ユーザの位置およびユーザが移動しているかどうかに基づき伝達されるべき異なる触覚効果を決定し得る。別の例では、コントローラ162は、電子デバイスによって実行されるアプリケーション、アプリケーションを実行したときに生じた特定のイベント、または外部センサもしくはサードパーティデバイスから受信されたデータに基づき伝達されるべき触覚効果を決定し得る。
【００５３】
代替的実施形態において、ルックアップテーブルでは、異なる触覚効果への出力電圧Voutに対する値を参照する。次いで、触覚効果決定モジュール178は、ルックアップテーブルへの出力電圧Voutを参照して、どの触覚効果を伝達するかを決定する。図7に例示されているように接触を監視し、触覚効果を伝達することを同時に行う単一触覚デバイス136および実装を利用する実施形態では、触覚効果決定モジュール178は、出力電圧Voutをルックアップテーブルと連続的に比較し、単一触覚デバイス136に印加される圧力もしくは接触が変化するとともにユーザ116に伝達される触覚効果を修正することができる。
【００５４】
触覚効果決定モジュール178がどの触覚信号を単一触覚デバイス100または136に伝達するべきかを決定した後に、これは、その決定を触覚効果制御モジュール180に伝える。次いで、単一触覚デバイス100を利用する実施形態について、触覚効果制御モジュール180は、開くセンサスイッチ126を制御し、それによって、単一触覚デバイス100を感知モードから触覚伝達モードに変えるコマンドをスイッチング回路166に伝える。タッチを感知し、触覚効果を伝達することを同時に行う、単一触覚デバイス136を利用する実施形態では、触覚効果制御モジュール180は、スイッチングコマンドを生成し得ない。
【００５５】
それに加えて、触覚効果制御モジュール180は、決定された触覚効果に対応する電気的パラメータもしくは特性を取得する。触覚効果制御モジュール180は、それらの電気的パラメータをI/Oコントローラ172に伝え、次いで、触覚効果制御モジュール180によって付与される電気的パラメータを具現化する触覚信号を発生する。I/Oコントローラ172は、触覚信号をアクチュエータ駆動回路132に伝え、交流波形を発生させ、その波形を増幅して触覚駆動信号を発生させる。アクチュエータ駆動回路132は、触覚駆動信号を単一触覚デバイス100または136内の第1の電極102または138にそれぞれ印加する。I/Oコントローラ172およびアクチュエータ駆動回路132は、触覚信号および触覚駆動信号への追加の処理を実行し得る。
【００５６】
触覚信号を発生させるために使用され得る信号パラメータの例は、周波数、振幅、位相、反転、持続時間、波形、アタックタイム、立ち上がり時間、フェード時間、およびイベントに関する遅延もしくは先行時間を含む。それに加えて、アクチュエータ駆動回路132は信号発生器を有するように開示されているけれども、代替的実施形態は、交流でない信号を出力し得る。触覚信号および触覚駆動信号に対する信号および波形の例は、直流信号、交流信号、交流電圧信号、方形波、正弦波、ステップ信号、三角波、ノコギリ波、およびパルスを含む。
【００５７】
代替的一実施形態において、単一触覚デバイス100もしくは136を通して伝達されるべき触覚効果または触覚駆動信号を発生させるために使用する電気的パラメータの決定はない。そのような一実施形態において、コントローラ162は、決定された触覚駆動信号を単一触覚デバイス100もしくは136に伝達するように、単純にプログラムされるか、またはさらにはハード配線される。
【００５８】
単一触覚デバイス100および136、ならびにその代替的実施形態は、様々な用途に使用できる。例は、デスクトップコンピュータ、ラップトップ、タブレット、スマートフォンおよび他の携帯電話などのコンピューティングデバイス、スマートフォンなどのウェアラブルデバイス、コンソールおよびコントローラなどのゲーミングデバイス、車両、機械類、外科手術用機器、カテーテル、モニタ、オルソスコピックデバイス(orthoscopic device)、手術シミュレータ、手術ロボットなどの医療デバイス、計装機器、キーパッド、ロボットコントローラ、ならびに電子機器およびユーザインターフェースを有する他のものを含む。それに加えて、単一触覚デバイス100および136、ならびにその代替的実施形態は、タッチパッド、容量性タッチディスプレイを含むタッチディスプレイ、および他のユーザインターフェースと連携して使用され得る。それに加えて、ディスプレイおよび類似のインターフェース上で使用されたときに、単一触覚デバイス100および136は、実質的に透明であり、ディスプレイまたは他のインターフェースの層を形成する。
【００５９】
上で説明されている様々な実施形態は、例示のみによって提供され、本明細書に付属の請求項を制限するものとして解釈されるべきでない。当業者であれば、本明細書で図示され、説明されている例示的な実施形態およびアプリケーションに従うことなく、また次の請求項の真の精神および範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更を加えることができることを容易に理解するであろう。
【符号の説明】
【００６０】
100  単一触覚デバイス
102  第1の電極
104  第2の電極
106  センサ要素
110  保護層
112  タッチ面
114  接地
116  ユーザ
117  導電性粒子
118  分圧器
120  第1の抵抗
122  接地
124  ノード
126  センサスイッチ
130  電流
132  アクチュエータ駆動回路
133  信号発生器
134  静電容量
135  増幅器
136  単一触覚デバイス
138  第1の電極
140  第2の電極
142  第3の電極
144  保護層
146  電気絶縁体
148  タッチ面
150  センサ要素
152  分圧器
154  抵抗器またはインピーダンス
156  ノード
158  接地
160  ユーザインターフェース
162  コントローラ
166  スイッチング回路
168  バス
170  プロセッサ
172  入出力(I/O)コントローラ
174  メモリ
176  センサモニタモジュール
178  触覚効果決定モジュール
180  触覚効果制御モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
2018109982000001.pdf