(57)【要約】【課題】触覚システムは、導電層及び反応層を有する構造体を含む。【解決手段】導電層は電源に結合され、反応層は第一状態及び第二状態を有するスイッチに結合される。電源は導電層が帯電することを可能にする。スイッチの第一状態は、組織刺激電場の確立を遮るように反応層を動作させる。スイッチの第二状態は、組織刺激電場の確立を可能にして非接触触覚効果を発生させるように反応層を動作させる。【選択図】図１
2018037071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源に結合された導電層と、第一状態及び第二状態を有するスイッチに結合された反応層とを有する構造体を備える触覚システムであって、
前記電源は、前記導電層が帯電することを可能にし、
前記スイッチの第一状態が、組織刺激電場の確立を遮るように前記反応層を動作させ、
前記スイッチの第二状態が、組織刺激電場の確立を可能にして非接触触覚効果を発生させるように前記反応層を動作させる、触覚システム。
【請求項２】
前記反応層が第二導電層を備える、請求項１に記載の触覚システム。
【請求項３】
前記スイッチの第一状態が、前記第二導電層を接地から接続解除することによって帯電した前記導電層の組織刺激電場を遮り、前記スイッチの第二状態が、前記第二導電層を接地することによって帯電した前記導電層の組織刺激電場を有効にする、請求項２に記載の触覚システム。
【請求項４】
前記反応層が、前記導電層に結合された変形可能層を備える、請求項１に記載に記載の触覚システム。
【請求項５】
前記構造体が絶縁層を更に備え、前記スイッチの第一状態が、前記絶縁層から離して帯電した前記導電層を引き寄せるように前記変形可能層を刺激することによって帯電した前記導電層の組織刺激電場を遮り、前記スイッチの第二状態が、前記絶縁層に近接して帯電した前記導電層が位置するように前記変形可能層が無刺激であることによって帯電した前記導電層の組織刺激電場を有効にする、請求項４に記載の触覚システム。
【請求項６】
前記変形可能層の刺激が、電流、応力、温度、湿度、ｐＨ、電場、又は磁場によって発生する、請求項５に記載の触覚システム。
【請求項７】
前記変形可能層が、前記導電層に結合されたアクチュエータを備える、請求項４に記載の触覚システム。
【請求項８】
前記構造体が絶縁層を更に備え、前記スイッチの第一状態が、前記絶縁層から離れるように帯電した前記導電層を移動させることによって帯電した前記導電層の組織刺激電場を遮り、前記スイッチの第二状態が、前記絶縁層に近接するように前記導電層を移動させることによって帯電した前記導電層の組織刺激電場を有効する、請求項７に記載の触覚システム。
【請求項９】
前記スイッチの第一状態が、前記変形可能層に対する力が存在しないことを介して帯電した前記導電層の組織刺激電場を遮り、前記スイッチの第二状態が、前記変形可能層における力の印加を介して帯電した前記導電層の組織刺激電場を有効にする、請求項４に記載の触覚システム。
【請求項１０】
前記変形可能層における力の印加が、前記変形可能層への外部刺激の印加を介して、又は前記変形可能層のアクチュエータ圧縮を介して生じる、請求項９に記載の触覚システム。
【請求項１１】
前記反応層が絶縁層を備え、前記スイッチの第一状態が、前記絶縁層の誘電性を第一値に調整することによって帯電した前記導電層の組織刺激電場を遮り、前記スイッチの第二状態が、前記絶縁層の誘電性を前記第一値とは異なる第二値に調整することによって帯電した前記導電層の組織刺激電場を有効にする、請求項１に記載の触覚システム。
【請求項１２】
複数の層状構造体を備える触覚システムであって、
各層状構造体が、絶縁層と、電源に結合された導電層と、第一状態及び第二状態を有するスイッチに結合された反応層とを含み、
前記電源は、前記導電層が帯電することを可能にし、
前記スイッチの第一状態が、組織刺激電場の確立を遮るように前記反応層を動作させ、
前記スイッチの第二状態が、組織刺激電場の確立を可能にして非接触触覚効果を発生させるように前記反応層を動作させ、
前記複数の層状構造体の各々が、他の層状構造体と独立してスイッチングされる、触覚システム。
【請求項１３】
前記反応層が第二導電層を備える、請求項１２に記載の触覚システム。
【請求項１４】
前記反応層が変形可能層を備える、請求項１２に記載の触覚システム。
【請求項１５】
前記変形可能層が刺激反応性変形可能層を備える、請求項１４に記載の触覚システム。
【請求項１６】
前記変形可能層がアクチュエータを備える、請求項１４に記載の触覚システム。
【請求項１７】
触覚効果の伝達を無効及び有効にするための方法であって、
導体を帯電させることと、
第一状態と第二状態との間で反応層の動作をスイッチングすることを備え、
前記第一状態の反応層が、組織刺激電場の確立を遮るように動作し、
前記第二状態の反応層が、組織刺激電場の確立を可能にして非接触触覚効果を発生させるように動作する、方法。
【請求項１８】
前記反応層が第二導電層を備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記反応層が変形可能層を備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記変形可能層が刺激反応性変形可能層を備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記変形可能層がアクチュエータを備える、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、触覚効果に係り、特に非接触触覚効果を伝達するための電場の選択的制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
触覚効果（ハプティック効果）は、電子デバイスと人の相互作用を高めるのに用いられる。触覚効果は、使用者がデバイスを介する触覚を経験することを可能にし、この触覚は典型的にはデバイスに埋め込まれたアクチュエータが発生させる。最近の革新では、帯電した電極と人間の導電性組織との間の容量結合そしてその結果としての組織刺激電場を確立することによる非接触触覚効果の伝達が示されている。非接触触覚効果が望まれる各電極には、制御信号及び高電圧増幅器が典型的に必要とされる。しかしながら、高電圧、例えば１００〜２０００ボルト以上の電子部品は、高価で嵩張り調達が難しく、触覚効果の広範な実現にとって障害となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本願は、非接触触覚効果を伝達するための電場の選択的制御に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様では、触覚システムは、導電層及び反応層を有する構造体を含む。導電層は電源に結合され、反応層は、第一状態及び第二状態を有するスイッチに結合される。電源は、導電層が帯電することを可能にする。スイッチの第一状態は、組織刺激電場の確立を遮るように反応層を動作させる。スイッチの第二状態は、組織刺激電場の確立を可能にして非接触触覚効果を発生させるように反応層を動作させる。
【０００５】
他の態様では、触覚システムは複数の層状構造体を備え、各層状構造体は絶縁層と、導電層と、反応層とを含む。導電層は電源に結合され、反応層は、第一状態及び第二状態を有するスイッチに結合される。電源は、導電層が帯電することを可能にする。スイッチの第一状態は、組織刺激電場の確立を遮るように反応層を動作させる。スイッチの第二状態は、組織刺激電場の確立を可能にして非接触触覚効果を発生させるように反応層を動作させる。各層状構造体は、他の層状構造体と独立してスイッチングされる。
【０００６】
他の態様では、触覚効果の伝達を無効及び有効にするための方法は、（ａ）導体を帯電させること、及び、（ｂ）第一状態と第二状態との間で反応層の動作をスイッチングすることを含む。第一状態の反応層は、組織刺激電場の確立を遮るように動作する。第二状態の反応層は、組織刺激電場の確立を可能にして非接触触覚効果を発生させるように動作する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】グリッドを含む触覚効果システムの概略図である。
【図２】線２‐２に沿った図１のグリッドの断面概略図である。
【図３】触覚効果システム用に構成されたコントローラの概略図である。
【図４Ａ】変形可能層が作動した際の線２‐２に沿った図１のグリッドの代替実施形態の断面概略図である。
【図４Ｂ】変形可能層が活動停止した際の図４Ａの断面概略図である。
【図５】線２‐２に沿った図１のグリッドの代替実施形態の断面概略図である。
【図６】線２‐２に沿った図１のグリッドの代替実施形態の断面概略図である。
【図７】線２‐２に沿った図１のグリッドの代替実施形態の断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
多様な実施形態を図面を参照して詳細に説明するが、図面において同様の参照番号は複数の図面にわたって同様の部品及びアセンブリを表す。多様な実施形態への参照は添付の特許請求の範囲を限定するものではない。また、本明細書で与えられている例は、限定的なものではなく、添付の特許請求の範囲について可能な多数の実施形態のうち単に一部として与えられているものである。
【０００９】
適切な場合には常に、単数形で用いられている用語は複数形を含み、また、その逆となる。単数形の使用は、特に断らない限り、又は「一つ以上」の使用が明らかに不適切でない限り、「一つ以上」を意味する。「又は」の使用は、特に断らない限り、「及び／又は」を意味する。「備える」、「含む」、「有する」の使用は相互可換であって、限定的なものではない。「等」という用語も限定的なものではない。例えば、「を含む」との用語は、「を含むが、これに限定されるものではない」を意味する。
【００１０】
一般的に言えば、本願は、非接触触覚効果を伝達するための電場の選択的制御に関する。非接触触覚効果は、人間の組織が導体を含むデバイスと直接接触しているのか近接しているのかに拘わらず、導体と人間又は動物の組織との間に確立された電場により伝達される触覚効果であり、例えば、触覚効果は、デバイスではなくて組織を介して伝達される。
【００１１】
図１を参照すると、触覚効果システム１０が示されている。触覚効果システム１０は、少なくとも導体及び反応層を含む層状構造体を含む。多様な例示的実施形態において、複数の層状構造が設けられ、例えば、三次元アレイや二次元グリッド、例えばグリッド２０で設けられる。また、触覚効果システム１０は、スイッチング回路３０と、グリッド２０に電気的に結合されたコントローラ４０とを更に含む。グリッド２０は複数のセル２５を含む。セル２５は、図示されるように均等なサイズで且つ等間隔で配置され得て、又は、異なるサイズ及び異なる距離で間隔が空けられたものとなり得る。更に、グリッド２０のセル２５は図示されるように線形に配置され得て、又は、他の所望の構成で配置され得る。セル構成の例として、円形、三角形、正方形、矩形、及びランダムな構成が挙げられる。
【００１２】
動物又は人間の組織（例えば、指、手、足、脚、胸、背中、頭等の組織）とグリッド２０との間の直接接触又は近接を介して容量結合を確立することができて人が容量結合を感知する又は気付く、例えば、疼き（チクチク感）、振動、質感、運動、又は他の種類の触覚効果を感知し得るようにするあらゆる種類のデバイスに、触覚効果システム１０は組み込まれ得る。触覚効果システム１０を組み込み可能なデバイスの例として、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレット、スマートフォン、電子書籍リーダ、キーボード、トラックパッド、医療用デバイス、ペン／スタイラス、ゲーム用システム、家電等の電子デバイスが挙げられる。触覚効果システム１０を組み込み可能なデバイスの追加の例として、衣服、帽子、ジャケット、手袋、宝飾品、眼鏡、ヘッドフォン、イヤフォン、靴、ヘルメット、アスレチックウェア等のウェアラブルデバイスが挙げられる。触覚効果システム１０を組み込み可能なデバイスの更なる例として、モバイルデバイス、ゲームシステムコントローラ、ハンドル、ギアシフトレバー、ジョイスティック等の手で掴めるデバイスが挙げられる。
【００１３】
図２を参照すると、例示的な実施形態のグリッド２０が、図１の線２‐２に沿った断面図で示されている。グリッド２０は複数のセル２５を含み、各セル２５は、導体２１０と、第一絶縁体２１２と、遮蔽パッド状の反応層２１４と、第二絶縁体２１６とを含む。導体２１０は、グリッド２０の全てのセル２５にわたって延在する連続的な導体を備えるか、又は、複数のセル２５にわたって若しくは単一のセル２５（例えば、各セル２５がそれ自体の導体２１０を有する）にわたって延在する複数の導電性部分を備え得る。導体２１０は、導電性物質、例えば、アルミニウム、銅、錫、鉄、金、銀、プラズマ、導電性ポリマー、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ，ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ）、又はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ，ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）を備える。
【００１４】
第一絶縁体２１２は導体２１０を覆い、導体２１０に関連して上述したように連続的な構成又は分割構成で利用可能である。第一絶縁体２１２は、適切な種類の誘電体、例えば、ガラス、磁器、プラスチック、ポリマー、繊維ガラス、又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ，ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）を備え得る。他の実施形態では、第一絶縁体は、二酸化シリコン、窒化シリコン、パリレン等の薄膜絶縁体、又は薄膜技術で適用可能な他の絶縁体を備え得る。
【００１５】
各セル２５は、第一絶縁体２１２上に位置する選択的制御可能導電性遮蔽パッド２１４によって画定される。遮蔽パッド２１４は、個別構成又はグリッド／アレイ構成で設けられ得る。しかしながら、その構成に拘わらず、各遮蔽パッド２１４にはリード線２１８が設けられる。リード線２１８は各遮蔽パッド２１４をスイッチング回路３０（以下で更に説明する）に個別に結合し、最終的にはコントローラ４０に結合することを可能にする。各遮蔽パッド２１４は、触覚効果がその箇所で生じるかどうかを制御する導電性物質を備える。多様な例示的実施形態において、グリッド２０で用いられる遮蔽パッド２１４は、アルミニウム箔等の薄い導電性物質を備える。他の例示的実施形態では、遮蔽パッド２１４は、稠密な透明導電性電極グリッド／アレイを備える。更に他の例示的な実施形態では、遮蔽パッド２１４は、銅、錫、鉄、金、銀、プラズマ、導電性ポリマー、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、又はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の代替導電性物質から製造される。
【００１６】
第二絶縁体２１６は、遮蔽パッド２１４のうち一つ以上の上に設けられる。第二絶縁体２１６は、全て又は複数の遮蔽パッド２１４を覆う共有絶縁体であるか、又は単一の遮蔽パッド２１４を覆うように構成された絶縁体を備え得る。第二絶縁体は、任意の種類の誘電体、例えば、ガラス、磁器、プラスチック、ポリマー、繊維ガラス、窒素、六フッ化硫黄、又はポリエチレンテレフタレートを備え得る。
【００１７】
スイッチング回路３０は、各遮蔽パッド２１４からのリード線２１８に電気的に結合される。スイッチング回路３０は、コントローラ４０の指示の下で動作し、各遮蔽パッド２１４が接地されるか又は接地に対してフローティングのままにされるかを制御するように構成される。回路３０内での実際のスイッチングは、継電器、トランジスタ、又は電気接続をスイッチングする他の既知の方法によって行われ得て、スイッチ２２０で表される。スイッチング回路３０は、コントローラ４０に対して周辺若しくは外部に存在し、又は、コントローラ４０の内部部品であり得る。
【００１８】
図３を参照すると、コントローラ４０は一般的にバス３０２と、プロセッサ３０４と、入力／出力（Ｉ／Ｏ，ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ）コントローラ３０６と、メモリ３０８とを含む。バス３０２は、コントローラ４０の多様な構成要素（Ｉ／Ｏコントローラ３０６及びメモリ３０８を含む）をプロセッサ３０４に結合する。バスは典型的には制御バス、アドレスバス、及びデータバスを備える。しかしながら、バス３０２は、コントローラ４０内の構成要素間のデータ転送に適したあらゆるバス又はバスの組み合わせとなり得る。
【００１９】
プロセッサ３０４は、情報を処理するように構成されたあらゆる回路を備え得て、また、あらゆる適切なアナログ回路又はデジタル回路を含み得る。また、プロセッサ３０４は、命令を実行するプログラム可能回路も含み得る。プログラム可能回路の例として、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，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）、プログラマブル・ゲート・アレイ（ＰＧＡ，ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ，ｆｉｅｌｄ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ）、又は命令を実行するのに適した他のプロセッサやハードウェアが挙げられる。多様な実施形態では、プロセッサは単一のユニットを備えるか、又は二つ以上のユニットを備え得て、ユニットは単一のコントローラ内又は別のデバイス内に物理的に位置する。
【００２０】
Ｉ／Ｏコントローラ３０６は、コントローラ４０及び周辺又は外部デバイス、例えば回路３０がコントローラ４０の外部にある場合のスイッチング回路３０の動作を監視する回路を備える。また、Ｉ／Ｏコントローラ３０６は、コントローラ４０と周辺機器又は外部デバイス３４０との間のデータフローも管理する。外部デバイス３４０は、触覚効果システム１０が組み込まれるのと同じデバイス内に存在するか、又はＥＳＦが組み込まれるデバイスの外部に存在し得る。Ｉ／Ｏコントローラとインターフェース接続可能な他の周辺又は外部デバイス３４０の例として、センサ、外部記憶デバイス、モニタ、入力デバイス（キーボード、マウス、押しボタン等）、外部計算デバイス、モバイルデバイス、及び、送信機／受信機が挙げられる。
【００２１】
メモリ３０８は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ，ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ）等の揮発性メモリ、リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ，ｒｅａｄ  ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ）、エレクトリカリ・イレーサブル・プログラマブル・リード・オンリ・メモリ（ＥＥＰＲＯＭ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｅｒａｓａｂｌｅ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｒｅａｄ  ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、磁気メモリ、光学メモリ、又は他の適切なメモリ技術を備え得る。また、メモリ３０８は揮発性メモリ及び不揮発性メモリの組み合わせを備えてもよい。
【００２２】
メモリ３０８は、プロセッサ３０４による実行のための複数のプログラムモジュール（事象検出モジュール３１２と、効果決定モジュール３１４と、効果制御モジュール３１６とを含む）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、及び一つ以上の特定のタスクを実行する他の命令の集合体である。本願では特定のプログラムモジュールが開示されているが、各モジュールについて説明されている多様な命令及びタスクは、多様な実施形態において単一のプログラムモジュールによって、複数モジュールの多様な組み合わせによって、本願で開示されているもの以外のモジュールによって、又は、コントローラ４０と通信する遠隔デバイスにより実行されるモジュールによって実行され得る。
【００２３】
事象検出モジュール３１２は、受信した事象データを検証して、事象データが触覚効果に関連しているかどうかを決定するようにプログラムされる。事象データは、触覚効果システム１０が組み込まれているデバイス（そのようなデバイスの例は本願中で与えられている）中で生じる事象が発生させるデータを備え得る。代わりに、事象データは、触覚効果システム１０を組み込むデバイスとは別のデバイス又はシステムが発生させるデータを備え得る。事象は、例えば、人の入力（例えば、ボタンの押下、ジョイスティックの操作、タッチ感知表面と使用者の相互作用、ユーザインタフェースデバイスの傾けや向き決め）を備え得る。他の例では、事象は、システム状況（例えば、低バッテリ、低メモリ、着信）、データ送信、データ受信、又はプログラム事象（例えば、爆発、発砲、衝突、キャラクタ間の相互作用、凸凹地形を生じさせるゲームプログラム）を備え得る。
【００２４】
一部の例示的実施形態では、事象の発生は、一つ以上のセンサ、例えば外部デバイス３４０によって検出される。センサの例として、音響センサ（マイクロフォン等）、振動センサ、化学センサや粒子センサ（酒気検知器、一酸化炭素及び二酸化炭素センサ、ガイガーカウンタ等）、電気センサや磁気センサ（電圧検出器やホール効果センサ等）、流量センサ、ナビゲーションセンサやナビゲーション機器（ＧＰＳ受信機、高度計、ジャイロスコープ、加速度計等）、位置関連センサや近接性関連センサや移動関連センサ（圧電物質、レンジファインダ、オドメータ、速度計、衝撃検出器等）、撮像センサや他の光学センサ（電荷結合素子（ＣＣＤ，ｃｈａｒｇｅ‐ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳセンサ、赤外線センサ、光検出器等）、圧力センサ（気圧計、ピエゾメータ、触覚センサ等）、力センサ（圧電センサ、歪みゲージ等）、温度センサや熱センサ（温度計、熱量計、サーミスタ、サーモカップル、パイロメータ等）、近接性センサや存在センサ（動作感知器、三角測量センサ、レーダ、フォトセル、ソナー、ホール効果センサ等）、バイオチップ、バイオメトリックセンサ（血圧センサ、パルスオキシ（酸素濃度）センサ、血糖センサ、心臓モニタ等）が挙げられる。また、センサは、圧電ポリマー等のスマートマテリアルで形成可能であり、一部実施形態ではセンサ及びアクチュエータの両方として機能する。
【００２５】
事象検出モジュール３１２が、事象データが触覚効果に関連していると決定すると、効果決定モジュール３１４が、どの触覚効果を触覚効果システム１０のグリッド２０を介して伝達するのかを決定する。決定モジュール３１４が触覚効果を決定するのに使用可能な方法例として、触覚効果を選択する決定を行うようにプログラムされたルールが挙げられる。決定モジュール３１４が触覚効果を選択するのに使用可能な他の方法例として、触覚効果を事象データに関連付けるルックアップテーブルやデータベースが挙げられる。
【００２６】
効果決定モジュール３１４が、どの触覚効果を伝達するのかを決定すると、効果制御モジュール３１６が、グリッド２０の一つ以上のセル２５の作動を指示する。セル２５の作動は、セル２５が組織（動物や人間の組織等）と容量結合することを可能にする。選択的で個別に作動されたセル２５は、所望の非接触触覚効果を伝達することが可能なようにされる。効果制御モジュール３１６は、セル２５の作動期間、セル２５の作動順序、セル２５の作動タイプ（例えば、パルスや定常状態）を更に制御し得る。
【００２７】
より具体的には、図２を参照すると、動作時において、コントローラ４０は、交流を導体２１０に印加して、導体２１０を帯電させることを指示する。人の組織、例えば、図２の指２２２の組織が第二絶縁体２１６に近づくか接触すると、容量結合、そして組織刺激電場が導体２１０と組織手との間に確立されて、非接触触覚効果として人が検出可能な感覚をもたらす。スイッチング回路３０が遮蔽パッド２１４を絶縁していて遮蔽パッド２１４を静電誘導で帯電させることができる各セル２５において、組織との容量結合を確立し得る。各セル２５が個別に制御可能であるので、グリッド２０中の単一のセル２５を作動させ得て、又は、複数のセル２５を同時に又は異なる時点において所望の非接触触覚効果を発生させる多様なパターンで作動させ得る。
【００２８】
また、セル２５の容量結合性とそれに関連する電場は、コントローラ４０の指示の下でスイッチング回路３０を利用してセル２５の遮蔽パッド２１４を接地することによって遮断され得る。この構成では、容量結合は、導体２１０と動物又は人間の組織との間の代わりに、導体２１０と遮蔽パッド２１４との間に生じ、セル２５の容量結合性が、非接触触覚効果の伝達及び非伝達を制御することを可能にする。多様な実施形態では、グリッド２０は、伝達される効果の種類、グリッド２０の表面からの使用者の距離、グリッド／アレイで用いられている絶縁体に応じた多様な電圧レベル（例えば、動的効果用の低電圧、静的効果用の高電圧）で動作するように構成され得る。例えば、導体を帯電させるのに用いたり遮蔽パッドと共に利用されたりする電圧範囲は、７０Ｖから２ｋＶの範囲内のいずれでもあり得る。更に、導体に伝達される電流の周波数は、所望の効果の種類に応じて例えば１Ｈｚから５００Ｈｚの範囲内となり得る。
【００２９】
図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、代替実施形態のグリッド２０’の断面図が示されている。この実施形態では、グリッド２０’は複数のセル２５’を含み、各セル２５’は、変形可能層状の反応層４０８と、導体４１０と、絶縁体４１２とを含む。図４Ａは変形可能層４０８を作動させたグリッド２０’を示し、図４Ｂは、変形可能層４０８を活動停止させたグリッド２０’を示す。
【００３０】
より具体的には、変形可能層４０８は、その形状又は位置を局所的に変化させる性能を備えて構成され、セル２５’を各箇所の変形性で画定する。多様な例示的実施形態において、変形可能層４０８はスマートマテリアルを備え得て、各セル２５’内のスマートマテリアルは、スイッチング回路３０を介してコントローラ４０によって選択的に制御可能である。例えば、図４Ａを参照すると、コントローラ４０は、各セル２５’のスマートマテリアルが変形して、スマートマテリアルの上面の窪み４０９を形成するかどうかを選択的に制御し得る。多様な例示的実施形態では、各セル２５’の変形可能層４０８にリード線４１８、代替的電気結合機構（例えば、電極）、又は非電気的結合機構（例えば、アクチュエータ）が設けられ、各セル２５’の変形可能層４０８をスイッチング回路３０に結合させることを可能にする。スイッチング回路３０は、変形可能層４０８に外部刺激を与えて、変形を生じさせることを可能にする。スイッチング回路３０を介して選択的に与えることができ変形可能層４０８の変形を生じさせる外部刺激の例として、電流、応力、温度、湿度、ｐＨ、電場、及び磁場が挙げられる。
【００３１】
変形可能なスマートマテリアルの例として、スマートゲル、圧電物質、形状記憶合金、形状記憶ポリマー、磁気抵抗物質、磁気形状記憶合金、ｐＨ感知ポリマー、温度反応性ポリマー、強磁性流体、フォトメカニカル物質、誘電エラストマ、磁気熱量物質、熱電物質が挙げられる。他の種類のスマートマテリアルも使用可能である。
【００３２】
図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、導体４１０は、グリッド２０’の全てのセル２５’にわたって延在する連続的な導体を備えるか、又は、複数のセル２５’にわたって若しくは単一のセル２５’（例えば各セル２５’がそれ自体の導体４１０を有する）にわたって延在する複数の導電性部分を備え得る。導体４１０は、変形可能層４０８に接着するフレキシブル導電性物質を備え得て、導体４１０が変形可能層４０８の選択的な変形に追随するようになる。例えば、図４Ａを参照。導体４１０を製造可能な導電性物質の例として、銅、錫、鉄、金、銀、プラズマ、導電性ポリマー、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、又はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）が挙げられる。
【００３３】
絶縁体４１２は導体４１０を覆い、導体４１０に関して上述したように、連続的な構成又は分割構成、例えば、複数のセル２５’又は単一セル２５’で利用可能である。絶縁体４１２は、空気又は他の種類の誘電体、例えば、ガラス、磁器、プラスチック、ポリマー、繊維ガラス、窒素、六フッ化硫黄、又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を備え得る。
【００３４】
スイッチング回路３０は、各セル２５’の変形可能層４０８からのリード線４１８に電気的に結合される。本実施形態では、スイッチング回路３０は、コントローラ４０の指示の下で動作し、セル２５’内の変形可能層４０８が変形するか（図４Ａを参照）又は変形していない状態（図４Ｂを参照）を維持するかどうかを制御するように構成される。上述のように、回路３０内の実際のスイッチングは、継電器によって、トランジスタによって、又は電気接続をスイッチングする他の既知の方法によって実行され得る。スイッチング回路３０は、コントローラ４０に対して周辺若しくは外部に存在するか、又はコントローラ４０の内部部品であり得る。コントローラ４０は、図３を参照して上述したようなものである。
【００３５】
図４Ｂを参照すると、動作時には、変形可能層４０８のあらゆる変形が解除されて、交流が導体４１０に印加されて、導体４１０を帯電させる。人の組織、例えば指２２２の組織が絶縁体４１２に近づくか接触すると、容量結合が導体４１０と組織との間に確立されて、非接触触覚効果として人が検出可能な感覚を与える組織刺激電場をもたらす。スイッチング回路３０が変形可能層４０８（変形可能層に接着された導体４１０と共に）を変形していない状態のままにしている各セル２５’において、人との組織との容量結合を確立し得る。
【００３６】
図４Ａを参照すると、動作時には、スイッチング回路３０が、変形可能層４０８を変形するように作動させ、例えば、変形可能層４０８の表面に窪みを生じさせ、これに導体４１０が追随して、間隙４１１が導体４１０と絶縁体４１２との間に生じる。間隙４１１は、人と導体４１０の容量結合性を低減させるように作用するので、導体４１０と人の組織との間の容量結合が遮断される。各セル２５’の変形可能層４０８がスイッチング回路３０に個別に繋がれるので、各セル２５’が非接触触覚効果を伝達する性能は、コントローラ４０の制御下で動作するスイッチング回路３０によって選択的に制御可能である。
【００３７】
図５を参照すると、他の例示的実施形態のグリッド２０では、変形可能層４０８は、小型アクチュエータ４２０（例えば、小型ＤＣモータ）の層を備え得て、各小型アクチュエータが導体４１０を含む。この実施形態では、小型アクチュエータ４２０が各セル２５を画定する。各セル２５からの触覚効果は、コントローラ４０の指示の下で動作するスイッチング回路３０によって選択的に制御可能であり、変形、例えば小型アクチュエータ４２０及び対応する導体４１０の位置を絶縁体４１２に向かうように又は絶縁体４１２から離れるように移動させることによるものとなる。導体４１０に印加される交流により、スイッチング回路３０が、小型アクチュエータ４２０が導体４１０を絶縁体４１２に近接して配置することができるようにする際に、容量結合及び組織刺激電場が、人の組織、例えば指２２２の組織と導体４１０との間に確立され得る。人と導体との間に確立される容量結合により、非接触触覚効果が人によって検出可能となる。小型アクチュエータ４２０及び対応する導体４１０を絶縁体４１２から離れるように移動させて、間隙４１１を残すことで、導体４１０の容量結合性が遮断され、また、人が非接触触覚効果を検出することが遮断される。多様な例示的実施形態において、導体４１０と絶縁体４１２との間の略１ｍｍの間隙４１１が、非接触触覚効果をなくすのに十分となり得る。
【００３８】
図６を参照すると、更に他の例示的実施形態のグリッド２０では、変形可能層４０８は、十分な厚さＴの層で最初設けられて、人と導体４１０との間の容量結合性そして結果としての触覚効果が遮断されている。人と導体４１０の容量結合性を有効にするため、変形可能層４０８は下方からの力（この例では圧縮）を受けるが、導体４１０に近接する変形可能層４０８の上面４０９は変形していない状態のままとされる。矢印４１３によって表される圧縮は、変形可能層４０８の性質を介して生じ得て、例えば、変形可能層４０８は、外部刺激の印加時にその圧縮性を発揮するスマートマテリアルを備える。外部刺激は、コントローラ４０の指示の下でスイッチング回路３０を用いて、グリッドのセルに選択的に印加される。代わりに、変形可能層４０８は、小型アクチュエータによって、又は変形可能層４０８の下方に位置する追加層によって、圧縮され得る。更に他の実施形態では、追加層は導体４１０と変形可能層４０８との間に位置し、追加層は、矢印４１３で示される圧縮と逆方向の力を上面４０９に受けさせるように構成される。
【００３９】
図７を参照すると、更に他の実施形態のグリッド２０では、グリッド２０の各セル２５は、導体４１０と、反応層としての絶縁体４１２とを含む。本実施形態では、絶縁体４１２の誘電性が、コントローラ４０の指示の下でスイッチング回路３０によって選択的に制御される各セル２５の要素である。より具体的には、各セル２５の絶縁体４１２は、その現状での温度を維持するように又は温度を変化させるように、例えば温度を上げる若しくは下げるように選択的に制御されて、セル２５内の絶縁体４１２の誘電性及び誘電率の変化をもたらす。誘電性の変化は、人の組織とセル２５の容量結合性を有効又は無効にするように、つまりは非接触触覚効果を有効又は無効にするように機能し得る。
【００４０】
上述の触覚効果システム１０、グリッド２０及びセル２５の多様な実施形態は、動物又は人間の組織と各セル２５の容量結合性の個別制御を可能にする。一使用例では、マルチタッチ電子パッドが触覚効果システム１０を備え、一本の指腹において非接触触覚効果を与えるが、他の指腹には与えないようにすることができる。他の使用例では、触覚効果システム１０を備えたリストバンドが、グリッド２０内の複数のセル２５を逐次的に作動させることによって、方向の流れの感覚を生じさせ得る。更に他の使用例では、人が、新たな顧客のオフィスへのナビゲートにスマートウォッチを使用する。その人が右に曲がる必要があると、非接触触覚効果のシーケンスが、その人のリストバンドに沿って時計回りに流れる。そのリストバンドはセル２５のグリッド２０を組み込んでいて、各セル２５は個別にオンオフ可能である。更に他の使用例では、人がグリッド２０を備えたタブレットを使用している。その人は、右手の人差し指でタブレット上に絵を描き、左手の人差し指でその絵をぼやかしている。その人が各指に感じる感覚は大きく異なり、各指が制御しているツールの種類を反映している。各指がグリッド２０中の異なるセル２５に近接していて、各セル２５が異なる非接触触覚効果を与えるように制御されるので、多様な感覚が可能となる。触覚効果システム１０、グリッド２０、及びセル２５を用いた多数の他の使用も可能である。
【００４１】
更に、触覚効果システム１０、グリッド２０及びセル２５は、制御信号を必要とせず、各セル２５用の高電圧増幅器を必要とせず、システム１０、グリッド２０及びセル２５のコスト及び複雑性を低く保ったままで、動物又は人間の組織と各セル２５の容量結合性を有効にするように構成される。更に、どのセルが信号を受信するかを決定するのにマルチプレクサ／スイッチを必要とする単一信号を用いるのではなくて、各セル２５への個別接続を介した各セル２５の選択的作動性能が、高価で嵩張り調達が難しい高電圧電子部品（例えば、１００から２０００Ｖを扱えるもの）を用いる必要性をなくす。
【００４２】
上述の多様な実施形態は例示目的のみで与えられているものであって、添付の特許請求の範囲を限定するものではない。当業者は、本願で図示され説明されている例示的な実施形態及び応用に従わずに行われ得るものでありながら添付の特許請求の範囲の要旨及び範囲から逸脱することのない多様な修正及び変更を容易に認識するものである。
【符号の説明】
【００４３】
１０  触覚効果システム
２０  グリッド
２５  セル
３０  スイッチング回路
４０  コントローラ
２１０  導体
２１２  第一絶縁体
２１４  反応層
２１６  第二絶縁体
２１８  リード線
２２０  スイッチ
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
2018037071000001.pdf