(57)【要約】      （修正有）【課題】媒体の内部の複数の位置において局部的変形をもたらすことができる触覚アクチュエータデバイスを提供する。【解決手段】触覚アクチュエータデバイスは、、複数の領域の温度を、形状記憶材料の形状記憶転移温度よりも高い温度まで選択的に制御するステップ２１０と、領域のうちの少なくとも1つを選択的に変形させるステップ２２０と、少なくとも1つの領域の変形を維持したまま、その領域の温度を形状記憶転移温度未満まで低下させるステップ２３０と、次に、印加されたストレスを取り除くステップ２４０と、その後、この少なくとも1つの領域を、形状記憶転移温度よりも高い温度まで加熱して変形前の形状に戻すステップ２５０とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
局部的温度変化に応答する機械的性質を有する表面と、
前記表面における複数の領域のうち少なくとも1つを選択的に変形させるように構成された少なくとも1つのアクチュエータと、
前記表面の前記複数の領域のうち前記少なくとも1つの温度を制御するように適合された少なくとも1つの温度コントローラと
を備える触覚アクチュエータデバイス。
【請求項２】
前記少なくとも1つのアクチュエータが、それぞれが前記複数の領域のそれぞれの1つに対応する複数のアクチュエータ要素を備える請求項1に記載の触覚アクチュエータデバイス。
【請求項３】
前記表面が形状記憶材料のシートを備える請求項1に記載の触覚アクチュエータデバイス。
【請求項４】
前記形状記憶材料が形状記憶ポリマー(SMP)を含む請求項3に記載の触覚アクチュエータデバイス。
【請求項５】
前記アクチュエータが、前記形状記憶ポリマーと混合された電気活性ポリマー(EAP)、または前記SMPとともに層状構造を形成する電気活性ポリマー(EAP)を含み、前記層状構造が、前記SMPを含む層と、前記SMPを含む前記層に隣接したEAP層とを備え、前記アクチュエータが、前記シートの一方の面における第1の複数の電極と、前記シートの他方の面における第2の複数の電極とをさらに備え、前記第1の複数の電極および第2の複数の電極が、前記電極に印加された電圧に依拠して、前記シートの前記領域に対して電界を選択的に印加するように構成されている請求項4に記載の触覚アクチュエータデバイス。
【請求項６】
前記第1の複数の電極が、互いに対して実質的に平行な第1の複数の導電経路を備え、前記第2の複数の電極が、互いに対して実質的に平行な第2の複数の導電経路を備え、前記第1の複数の導電経路が、前記第2の複数の導電経路に対して実質的に横断面方向であり、前記第1の複数の導電経路と第2の複数の導電経路とが、前記シートの前記複数の領域にわたって互いにオーバラップする請求項5に記載の触覚アクチュエータデバイス。
【請求項７】
前記第1の複数の導電経路および第2の複数の導電経路の各々が複数の導電パッドを備え、前記第1の複数の導電経路の導電パッドの各々が、前記シートの前記領域の対応する1つにわたって、前記第2の複数の導電経路の導電パッドのうちの1つに対して実質的に整列されている請求項6に記載の触覚アクチュエータデバイス。
【請求項８】
前記シートが、SMPとEAPの相互貫入網目構造を備える請求項5に記載の触覚アクチュエータデバイス。
【請求項９】
前記アクチュエータが、前記表面の前記複数の領域のうち対応する1つに隣接して配設された作動ヘッドをそれぞれが含む複数の電磁モータを備え、前記モータの各々が、その作動ヘッドを動かして、前記表面の前記複数の領域の対応する1つに対してストレスを印加するように構成されている請求項1に記載の触覚アクチュエータデバイス。
【請求項１０】
請求項1に記載の触覚アクチュエータデバイスと、
前記触覚アクチュエータデバイスに対して動作可能に接続され、前記アクチュエータを駆動して前記表面における前記複数の領域を選択的に変形させるように構成されたコントローラと
を備える作動システム。
【請求項１１】
前記表面が、形状記憶ポリマー(SMP)を含む形状記憶材料のシートを備え、
前記触覚アクチュエータが、前記形状記憶ポリマーと混合された電気活性ポリマー(EAP)、または前記SMPとともに層状構造を形成する電気活性ポリマー(EAP)を含み、前記層状構造が、前記SMPを含む層と、前記SMPを含む前記層に隣接したEAP層とを備え、前記触覚アクチュエータが、前記シートの一方の面における第1の複数の電極と、前記シートの他方の面における第2の複数の電極とをさらに備え、前記第1の複数の電極および第2の複数の電極が、前記電極に印加された電圧に依拠して、前記シートの前記領域に対して電界を選択的に印加するように構成されており、
前記コントローラが、前記電極に電圧を印加して、前記シートの前記領域に対して電界を選択的に印加するように構成されている請求項10に記載の作動システム。
【請求項１２】
前記コントローラが、前記複数の電極からの信号を検知するようにさらに構成されている請求項11に記載の作動システム。
【請求項１３】
前記コントローラが、前記複数の電極からの信号を検知し、前記検知された信号に少なくとも部分的に基づいて前記電極に電圧を印加して、前記シートの前記領域に対して電界を選択的に印加するようにさらに構成されている請求項12に記載の作動システム。
【請求項１４】
局部的触覚作動をもたらす方法であって、
少なくとも1つのアクチュエータを使用して、局部的温度変化に応答する機械的性質を有する表面における複数の領域のうち少なくとも1つを選択的に変形させるステップと、
少なくとも1つの温度コントローラを使用して、前記表面の前記複数の領域のうち前記少なくとも1つの温度を制御するステップとを含む方法。
【請求項１５】
前記表面が形状記憶材料を含み、
前記温度制御ステップが、前記シートの前記複数の領域のうち少なくとも1つの温度を、前記形状記憶材料の形状記憶転移温度よりも高い温度にするように制御するステップを含み、
前記選択的に変形させるステップが、その後、前記表面における前記複数の領域のうち少なくとも1つを選択的に変形させるステップを含み、
前記方法が、
前記少なくとも1つの領域の前記変形を維持したまま、前記少なくとも1つの領域の温度を前記形状記憶転移温度未満まで低下させるステップと、
変形後に、前記印加されたストレスを取り消すステップと、
前記少なくとも1つの領域を、前記形状記憶材料の前記形状記憶転移温度よりも高い温度まで再加熱して変形前の形状に戻すステップとをさらに含む請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
命令を記憶している非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記命令が、プロセッサによって実行されたとき、前記プロセッサに、
少なくとも1つのアクチュエータを制御して、局部的温度変化に応答する機械的性質を有する表面における複数の領域のうち少なくとも1つを選択的に変形させるステップと、
少なくとも1つの温度コントローラを使用して、前記表面の前記複数の領域のうち前記少なくとも1つの温度を制御するステップとを含む、局部的触覚作動のためのプロセスを実行させる非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１７】
前記温度制御ステップが、前記表面の複数の領域のうちの少なくとも1つを、前記表面の機械的性質の転移温度よりも高い温度まで加熱するステップを含み、
前記選択的に変形させるステップが、その後、前記表面における複数の領域のうち少なくとも1つを選択的に変形させるステップを含み、
前記方法が、
前記少なくとも1つの領域の前記変形を維持したまま、前記少なくとも1つの領域を前記転移温度未満まで冷却するステップと、
変形後に、前記印加されたストレスを取り消すステップと、
前記少なくとも1つの領域を、前記転移温度よりも高い温度まで再加熱することによって変形前の形状に戻すステップとをさらに含む請求項16に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
前記加熱するステップが、前記表面の複数の領域のうち前記少なくとも1つを、前記表面の形状記憶転移温度よりも高い温度まで加熱するステップを含み、
前記冷却するステップが、前記表面の複数の領域のうち前記少なくとも1つを、前記表面の前記形状記憶転移温度未満まで冷却するステップを含む請求項17に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、触覚アクチュエータと、触覚アクチュエータを採用するシステムとに関し、より詳細には、局部的に変形可能な触覚アクチュエータおよび触覚システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
着用可能用品および極薄のコンピュータと人のインターフェースなど、薄型構造に含有されるのに適切な触覚アクチュエータが開発されている。例には、コンピュータまたはスマートフォンにおける触覚フィードバックを伴うキーパッドの触覚アクチュエータと、衣類またはリストバンドの用品の触覚通知デバイスとが含まれる。そのような触覚アクチュエータには、キータッチの積極的確認などが可能になり、着用可能用品から触覚通知がもたらされるという利点がある。
【０００３】
種々の触覚アクチュエータが存在する一方で、有利な特性を有する触覚アクチュエータの開発が続いている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Niu et al.、「Bistable Large-Strain Actuation of Interpenetrating Polymer Networks」、Advanced Materials、vol.24、6513〜6519(2012)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、局部的作動が可能な触覚アクチュエータデバイス、すなわち媒体の内部の複数の位置において局部的変形をもたらすことができる触覚アクチュエータデバイスに関するものである。
【０００６】
一態様では、触覚アクチュエータデバイスは、局部的温度変化に応答する機械的性質を有する表面を含む。そのような表面は、形状記憶ポリマー(SMP)などの形状記憶材料を備える層またはシートを含み得る。触覚アクチュエータデバイスは、シートの複数の領域を選択的に変形させるように構成されたアクチュエータと、加熱器または冷却器など、シートの複数の領域の温度を制御するように適合された温度コントローラとをさらに含み得る。いくつかの例では、形状記憶材料を備え、各領域が個々に変形するように適合されたシートの、対応する複数の領域に隣接して、複数のアクチュエータが配設されている。たとえば、アクチュエータは、固体添加材料、ポリマー添加材料、または弾性誘電材料と混合され得る、P(VDF-TrFE-CFE)ターポリマー、P(VDF-TrFE-CTFE)ターポリマー、PVDF-TrFEコポリマー、またはPVDF(ホモポリマー、コポリマー、ターポリマー)などのポリビニリデンフルオライド(PVDF)ベースのアクチュエータなど、電気活性ポリマー(EAP)層で作製され得、形状記憶材料を備えるシートと積層され、電極層がEAP層または積層物を間にはさむ。いくつかの例では、温度制御は、SMP層に隣接して配設された、もしくはSMP層に組み込まれた、抵抗性の電熱線により、またはSMPの中に分散して導電経路を形成する導電性充填剤によって達成され得る。層状のEAP-SMP-EAP構造が電極層の間にはさまれている、2つのEAP層の間にはさまれたSMP層など、EAPとSMPの他の層状構造があり得る。別の例では、アクチュエータは、形状記憶材料を備えるシートの対応する領域に隣接して配置され、作動したとき、対応する領域を変形させるように適合された電磁アクチュエータなど、別のタイプのアクチュエータであり得る。他の例では、磁気アクチュエータまたはコイルもしくは磁石など磁気アクチュエータの構成要素がSMPに組み込まれて、磁気的に作動されたときSMPを変形させることができる。
【０００７】
別の例では、触覚アクチュエータデバイスには、形状記憶ポリマーなどの形状記憶材料と、形状記憶材料と混合された電気機械トランスデューサ材料など、非機械エネルギーを機械エネルギーに変換するためのトランスデューサ材料とを含むシートが含まれる。一例では、シートはポリマーの相互貫入網目構造を含み、その一方が形状記憶ポリマーであり、他方がEAPである。触覚アクチュエータデバイスにさらに含まれる、電極の1つまたは複数のアレイなど複数の非機械エネルギー源が、シートの表面上に形成され、シートの複数の領域に対して局部的にストレスを印加してトランスデューサ材料を作動させるように適合されている。このデバイスは、加熱器または冷却器など、シートの複数の領域の温度を選択的に制御するように適合させた温度コントローラをさらに含む。
【０００８】
本開示の別の態様では、触覚アクチュエータデバイスは、可逆的形状記憶ポリマーなどの可逆的形状記憶材料を含むシートと、シートの複数の領域の温度を選択的に制御するように適合された加熱器または冷却器などの温度コントローラとを含む。
【０００９】
本開示の別の態様では、局部的作動の方法は、形状記憶材料を含むシートの複数の領域のうち少なくとも1つの温度を、形状記憶材料の形状記憶転移温度(ガラス転移温度Tgなど)よりも高い温度に制御するステップと、シートの少なくとも1つの領域にストレスを印加して選択的に変形させるステップと、この少なくとも1つの領域の変形を維持したまま、その領域の温度を形状記憶転移温度未満まで低下させるステップと、次に、印加されたストレスを取り消すステップと、その後、この少なくとも1つの領域を、形状記憶材料の形状記憶転移温度よりも高い温度まで加熱して変形前の形状に戻すステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】非触覚動作および触覚動作を実施するアクチュエータを有する着用可能用品などの用品の一例を示すブロック図である。
【図２】本開示の一態様による触覚アクチュエータデバイスを使用する局部的作動のプロセスを概説する流れ図である。
【図３ａ】本開示の一態様による、電気機械的かつ選択的に作動される領域を伴う触覚アクチュエータデバイスの概略上面図である。領域を輪郭づけるラインは、説明のために図面に加えられたものであり、この例におけるデバイスの物理的特徴ではない。
【図３ｂ】図3(a)の触覚アクチュエータデバイスの電極のない状態を示す概略図である。
【図３ｃ】変形される領域を示す、図3(b)に示された触覚デバイスの別の概略図である。
【図３ｄ】変形可能な領域が変形した状態で示されている、図3(c)に示された触覚アクチュエータデバイスの概略的である。
【図４】図2に概略を示されたプロセスを受ける、電気活性ポリマー(EAP)の層とともに積層された形状記憶ポリマー(SMP)の層を有する触覚アクチュエータデバイスの一部分の概略図である。
【図５】図2に概略を示されたプロセスを受ける、形状記憶ポリマー(SMP)の層および隣接する電気機械モータを有する触覚アクチュエータデバイスの一部分の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
種々の例が、いくつかは図面を参照しながら詳細に説明され、いくつかの図を通じて、類似の参照数字は類似の部分および組立体を表す。種々の例に対する参照は、本明細書に添付された特許請求の範囲の範囲を限定するものではない。加えて、この明細書に明記されたいかなる例も、限定するようには意図されておらず、添付の特許請求の範囲に関する多くの可能な実施形態のうちのいくつかを説明するものにすぎない。
【００１２】
単数形で使用される用語は、適切な場合は常に複数を含み、その逆も成立する。本明細書における「1つの(a)」の使用は、別様に明示された場合または「1つまたは複数の」の使用が明らかに不適当な場合を除けば、「1つまたは複数の」を意味する。「または」の使用は、別様に明示されなければ「および/または」を意味する。「備える(comprise)」、「備える(comprises)」、「備える(comprising)」、「含む(include)」、「含む(includes)」、「含む(including)」、「有する(has)」、および「有する(having)」の使用は互換性があり、限定するようには意図されていない。「など」という用語も、限定するようには意図されていない。たとえば、「〜を含む」という用語は「それだけではないが、〜を含む」ということを意味するものとする。
【００１３】
一般に、本開示は触覚アクチュエータなどのアクチュエータに関し、より具体的には、局部的に変形することができる触覚アクチュエータシステムに関するものである。
【００１４】
図1を参照して、一例では、本開示で説明されたものなどの触覚アクチュエータ130を採用しているシステム100は、コントローラ102も含む。コントローラ102は、一般に、バス110、プロセッサ104、入出力(I/O)コントローラ106およびメモリ108を含む。バス110は、コントローラ102の、I/Oコントローラ106およびメモリ108を含む種々の構成要素を、プロセッサ104に結合する。バス110は、一般的には制御バス、アドレスバス、およびデータバスを備える。しかしながら、バス110は、コントローラ102の構成要素間でデータを転送するのに適切な任意のバスまたはバスの組合せであり得る。
【００１５】
プロセッサ104は、情報を処理するように構成された任意の回路を備えることができ、任意の適切なアナログ回路またはデジタル回路を含み得る。プロセッサ104は、命令を実行するプログラマブル回路も含み得る。プログラマブル回路の例には、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する任意の他のプロセッサもしくはハードウェアが含まれる。種々の実施形態において、プロセッサは単一のユニットまたは2つ以上のユニットの組合せを備えることができ、ユニットは、単一のコントローラまたは個別のデバイスの中に物理的に配置されている。
【００１６】
I/Oコントローラ106は、コントローラ102および周辺デバイスまたは外部デバイスの動作を監視する回路を備える。I/Oコントローラ106は、コントローラ102と周辺デバイスまたは外部デバイスとの間のデータの流れも管理する。外部デバイスは、システム100が組み込まれている同じデバイスの中に存在し得、またはシステム100が組み込まれているデバイスの外部に存在し得る。I/Oコントローラ106とのインターフェースが可能な周辺デバイスまたは外部デバイスの例には、スイッチ、センサ、外部記憶デバイス、モニタ、キーボードなどの入力デバイス、マウスまたは押ボタン、外部コンピュータデバイス、モバイルデバイス、および送信器/受信器が含まれる。
【００１７】
メモリ108は、ランダムアクセスメモリ(RAM)などの揮発性メモリ、読取り専用メモリ(ROM)、電気的に消去可能なプログラム可能読取り専用メモリ(EEPROM)、フラッシュメモリ、磁気メモリ、光メモリまたは任意の他の適切なメモリ技術を備えることができる。メモリ108は、揮発性メモリと不揮発性メモリの組合せも備えることができる。
【００１８】
メモリ108は、プロセッサ104によって実行するための複数のプログラムモジュールを記憶するように構成されている。モジュールは、たとえばイベント検知モジュール112、効果決定モジュール114、および効果制御モジュール116を含み得る。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、呼出し、および1つまたは複数の特定のタスクを実施する他の命令の集合である。本明細書では特定のプログラムモジュールが開示されるが、各モジュールに関して説明される種々の命令およびタスクは、種々の実施形態において、単一のプログラムモジュール、モジュールの様々な組合せ、本明細書で開示されたもの以外のモジュール、またはコントローラ102と通信する遠隔デバイスによって実行されるモジュールによって実施され得る。
【００１９】
イベント検知モジュール112は、受け取られたイベントデータを評価して、イベントデータが触覚効果など所定のイベントに関連するかどうかを判定するようにプログラムされている。イベントデータは、システム100が組み込まれているデバイスにおいて生じるイベントによって生成されたデータを含むことができ、そのようなデバイスの例が、本明細書において提供される。あるいは、イベントデータは、システム100が組み込まれているデバイスとは別のデバイスまたはシステムによって生成されたデータを含むことができる。イベントは、たとえば個々の入力(たとえばボタンを押すこと、ジョイスティックの操作、ユーザとタッチセンサ式表面のインタラクション、ユーザインターフェースデバイスを傾けることまたは配向すること)を含むことができる。別の例では、イベントは、システムの状態(たとえばバッテリ電圧低下、メモリ不足、着呼)、データの送信、データの受信、またはプログラムイベント(たとえば爆発、発砲、衝突、キャラクタ間の相互作用、平坦でない地勢を生成するゲームプログラム)を含むことができる。
【００２０】
いくつかの例示的実施形態では、イベントの発生は、たとえば外部デバイスといった1つまたは複数のセンサによって検知される。センサの例には、マイクロフォンなどの音響センサまたは音声センサと、振動センサと、酒気検査器、一酸化炭素センサおよび二酸化炭素センサ、ガイガー計数管などの化学センサおよび粒子センサと、検電器またはホール効果センサなどの電気的センサおよび磁気的センサと、流量センサと、GPS受信器、高度計、ジャイロスコープ、または加速度計などのナビゲーションのセンサまたは計器と、圧電材料、距離計、走行記録計、速度計、衝撃検知器などの位置、近接性、および移動に関連するセンサと、電荷結合素子(CCD)、CMOSセンサ、赤外線センサ、および光検知器などの撮像センサおよび他の光センサと、バロメータ、ピエゾメータ、および触覚センサなどの圧力センサと、圧電センサおよび歪ゲージなどの力センサと、温度計、熱量計、サーミスタ、熱電対、および高温計などの温度センサおよび熱センサと、動作検知器、三角測量センサ、レーダ、フォトセル、ソナー、およびホール効果センサなど近接性および存在のセンサと、バイオチップと、血圧センサ、脈拍/oxセンサ、血糖センサ、および心臓モニタなどの生物測定センサとが含まれる。加えて、センサは、いくつかの実施形態においてセンサおよびアクチュエータの両方として機能する圧電性ポリマーなどのスマート材料を用いて形成され得る。
【００２１】
イベント検知モジュール112が、イベントデータが触覚効果に関連すると判定したとき、効果決定モジュール114は、触覚効果など、どの効果を伝えるべきかを決定する。効果決定モジュール114が触覚効果を決定するために使用することができる例示の技術には、触覚効果を選択すると判断するようにプログラムされたルールが含まれる。効果決定モジュール114によって触覚効果を選択するために使用され得る別の例示の技術には、触覚効果をイベントデータに関連づけるルックアップ表またはデータベースが含まれる。
【００２２】
効果決定モジュール114が、どの触覚効果を伝えるかを決定したとき、効果制御モジュール116が触覚信号の生成を指示する。効果制御モジュールは、触覚データによって定義された信号パラメータのI/Oコントローラ106への通信を制御する。信号パラメータは、触覚アクチュエータ130に印加される駆動信号を定義する。触覚データによって定義され得るパラメータの例には、周波数、振幅、位相、反転、期間、波形、動作開始時間、立上り時間、フェード時間、およびイベントに対する遅延時間または先行時間が含まれる。
【００２３】
I/Oコントローラ106は、信号パラメータを使用して、触覚データを具現する触覚信号を生成し、これを、駆動回路、増幅器、および触覚信号を触覚駆動信号へと処理するための他の構成要素を備え得るアクチュエータ駆動回路120へ通信する。アクチュエータ駆動回路120が触覚アクチュエータ130に触覚駆動信号を印加し、次いで触覚アクチュエータ130が触覚効果を伝える。
【００２４】
I/Oコントローラ106は、電気活性ポリマーアクチュエータ、電磁モータ、または油圧もしくは空圧のアクチュエータなどの1つまたは複数のアクチュエータ140(任意の適切な駆動回路/増幅器を含む)にさらに接続されてこれらを制御するように構成され得、これらのアクチュエータは、触覚トランスデューサ130に隣接して配置され、以下でより詳細に説明されるように、触覚トランスデューサ130の一部分を局部的に変形させるように構成される。I/Oコントローラ106は、トランスデューサアクチュエータ130の形状記憶材料の1つまたは複数の領域など、触覚トランスデューサ130の各部分を加熱する、かつ/または冷却するための加熱器および冷却器など、1つまたは複数の温度コントローラ150にさらに接続されてこれらを制御するように構成され得る。
【００２５】
次に、本開示の一態様による触覚アクチュエータ自体をより具体的に検討すると、形状記憶ポリマー(SMP)などの形状記憶材料を含む触覚アクチュエータは、電気活性ポリマー(EAP(電気機械ポリマー(EMP)または人工筋肉(AM)とも称される))アクチュエータ(誘電エラストマー(DE)アクチュエータなど)または電磁モータなどの別のアクチュエータと一体化される。一般的には、形状記憶材料は形状記憶転移温度を有し、これよりも高い温度では可鍛であり、これよりも低い温度では剛体である。形状記憶材料は、転移温度よりも高い温度では変形され得る。形状記憶材料が転移温度未満に冷却されている間は、変形が維持され得る。温度が転移温度よりも高い温度に戻ったとき、材料は変形前の形状へと自然に戻る。形状記憶は、熱エネルギー以外のタイプのエネルギーでも加熱され得る。たとえば、特定の形状記憶材料の転移は光によってトリガされ得る。熱的に誘起される形状記憶ポリマー(SMP)では、形状記憶転移温度はガラス転移温度(Tg)であり得る。柔らかいゴム状態と硬いガラス状態の間の転移は、温度範囲の変化によって起こり得る。たとえば、転移は、たとえば10〜20℃の範囲にわたり、かなり広範であり得、または、SMPは、たとえば約5℃または3℃といった非常に狭い温度範囲にわたる非常に急激な転移を有し得る。ガラス転移温度および転移範囲は、特定の用途に依拠して選択され得る。たとえば、触覚アクチュエータが室温に置かれ、指のタッチによって転移が誘起される用途向けには、予期される最低の室温に等しいTgまたはそれよりもわずかに低いTgを有する材料が選択され得、転移温度範囲は、所望の触覚刺激の鋭さに依拠して選択され得る。形状記憶材料を選択する際には、電気的性質、光学的性質および化学的性質などの他の性質を考慮に入れることができる。たとえば、タブレットコンピュータおよびスマートフォン向けの局部的触覚フィードバックを有するディスプレイなどの透明なアクチュエータアレイにおいて、透明なSMPが(たとえば透明なEAPおよび電極とともに)使用され得る。
【００２６】
形状記憶材料と他のアクチュエータが、様々な形態で一体化され得る。たとえば、形状記憶材料の層が、EAPの層に対して、積層されてよく、接触して配置されてよく、または接近して配置されてもよい。他の例では、形状記憶ポリマーがEAPと組み合わされ得て相互貫入網目構造を形成する。
【００２７】
触覚アクチュエータは、形状記憶挙動と非形状記憶トランスデューサ(電気機械トランスデューサなど)挙動の両方を示す材料でも作製され得る。たとえば、SMPはEAP(誘電性エラストマーアクチュエータ(DEA)など)としても働くように化学的に変更され得る。たとえば、非晶性ポリマー材料は、そのTgを所望の温度まで低下させるように化学的に変更され得る。結果として、非晶性ポリマー材料は、Tgよりも高い温度ではSMPとEAPの両方として働くように活性化され得る。別の例では、SMPは、スマート材料アクチュエータと混ぜ合わされ/混合され得て、アクチュエータとSMPの両方として働く。たとえば、圧電ポリマー材料がSMPと混合され得、または、同じ目的で、圧電性ファイバポリマーが、SMPマトリクスの内部に組み込まれ得る。ポリマーブレンド/ポリマー合金の多くの組合せが使用され得る。そのような材料の一例が、Niu et al.、「Bistable Large-Strain Actuation of Interpenetrating Polymer Networks」、Advanced Materials、vol.24、6513〜6519(2012)に開示されている。この論文は、化学的に交差結合されたポリ(ターシャリアクリル酸ブチル)(PTBA)相互貫入網目構造(IPN)から成る双安定の電気活性ポリマー(BSEP)を開示している。たとえば、交差結合されたPTBA膜(第1の網状組織)が、ターシャリアクリル酸ブチル、架橋剤、および光開始剤から成る液状膜の、UV開始の遊離基塊状重合によって準備された。硬化された膜は、ターシャリブチルアクリレートモノマー、架橋剤、光開始剤、および溶剤としてのトルエンを包含している溶液に浸された。膜は、ゲル様の状態に膨張した後にUV露光下で硬化された。次いで、膜は、残存モノマーおよび溶剤を除去し、かつ室温における機械剛性とゴム状態の弾性とを増すために、ポリマーの結晶度を向上するように、熱的にアニール化された。もたらされた材料は、PTBA(PTBA-IPN)の相互貫入網目構造を有する膜であった。もたらされたPTBA-IPN膜は、ガラス転移よりも高い温度で、安定した弾性率を示す。ゴム状態では、228%もの大きい電気機械ひずみが伸長領域において得られた。
【００２８】
本開示の一態様では、触覚アクチュエータシステムにおける形状記憶材料を備えるシートの領域は独立して作動され得る。一例では、そのような独立した作動は、図2に概説されたプロセス200を含み得る。最初に(210)、少なくとも1つの選択された領域が、この領域の材料が順応性を得るように、加熱されるかまたは、他の方法でその温度が形状記憶転移温度よりも高い温度に設定される。特定の例では、選択的に作動させる1つまたは複数の領域が個々に加熱され得、または他の方法で温度を制御され得るが、より多くの領域を加熱する、または他の方法で温度を制御することができる。次に(220)、領域を変形させるために、少なくとも1つの加熱領域に対して選択的にストレスが印加される。変形は、圧縮、引張り、および曲げを含む任意のタイプであり得る。次に(230)、少なくとも1つまたは複数の変形された領域が、変形を維持したまま形状記憶転移温度未満まで冷却される。変形は、変形された領域の機械的性質に依拠して、外部ストレスによって、または外部ストレスなしで、維持され得る。次に(240)、ストレスが、冷却中に印加されていた場合には除去される。この時点で、触覚アクチュエータシステムのシートは1つまたは複数の局部的に変形された領域を含む。次に(250)、少なくとも1つまたは複数の変形された領域が形状記憶転移温度よりも高い温度まで加熱されて、変形前の形状に戻され、それによって触覚フィードバックなどの機械的出力をもたらす。
【００２９】
一例では、局部的に変形可能な触覚アクチュエータシステムは、EAPと一体化されたSMPを有する。この場合、加熱されたSMPが電気活性ポリマー(EAP)によって変形される。次いで、SMPの冷却中または冷却後に、EAPが非活性化される。非活性化することにより、電力が節約される。SMPを変形させ、次いでSMPの冷却中または冷却後にオフにされる用途には、電磁モータも使用され得る。別の例として、熱的に活性化されるアクチュエータが使用され得る。たとえば、SMPに対して、バイメタルアクチュエータなどの熱的に活性化されるアクチュエータが取り付けられ得る。加熱すると、SMPおよびバイメタルアクチュエータが応答する。すなわち、SMPが柔軟になり、アクチュエータが変形して、柔らかいSMPを、所望の触覚効果に依拠して、(たとえば内向きまたは外向きの)方向に押す。他の例では、ゴムまたは他のタイプの弾力のあるカバーの内部の、ワックスもしくは形を変える液体金属などの低融点材料が、SMPと類似のやり方で使用され得る。ワックスまたは形を変える液体金属材料は、最初に加熱され、次いで、全体のシステム(ワックス+ゴム)が外部の作動システム(たとえばEAP、誘電性エラストマー、モータ)によって変形され、次いで作動システムをオフにしたまま再び凍結する。弾性カバー材料は、そのばね性質により、システムを強制的に元の状態へ戻す。形を変える液体金属材料の例には、パラフィンワックスと、フランシウム、セシウム、ガリウム、ルビジウム、または合金もしくは混合物としてのこれらの材料の組合せなどの金属とが含まれる。ポリカプロラクトン(PCL)などの低融点ポリマーまたはそれを化学的に変更したバージョンも、融解温度を調整するために使用され得る。
【００３０】
ポリマーが一般的には熱絶縁物であるため、SMPの温度を局部的に変化させて、ポリマーの他の部分の温度を実質的に維持することが可能である。変形/形状変更は、加熱された場所においてのみ生じ得る。SMPは、熱機械プロセスによって原形状に戻るように、(たとえば熱機械プロセスによって)プログラムされ得る。たとえば、平坦なSMPは、凹面形状/凸面形状に変化するようにプログラムされ得る。これを達成するために、SMPは、最初にそのTgよりも高い温度まで加熱され、次いで変形される。後に、SMPは、所望の形状(たとえば凹面形状/凸面形状)へと急冷(Tg未満まで冷却)され得る。次いで、SMPは、Tgよりも高い温度に再加熱されると原形状(たとえば平坦)に戻る。
【００３１】
特定のSMP材料は非可逆性であり、すなわち、材料は、加熱されても変形された形状(たとえば凹面形状/凸面形状)に戻ることはできない。そのような材料については、SMPは、上記で論じられたように、局部変形をもたらすために別のアクチュエータと結合される。特定の他のタイプのSMPは可逆性である。たとえば、液晶材料の系統群の1つは、メソゲンの方向(マイクロ領域またはナノ領域)が温度とともに変化する可逆性の形状記憶挙動を示す。そのような材料は、局部的作動の可能な触覚アクチュエータシステムに直接、すなわちEAPなど別のアクチュエータの必要性なしで、使用され得る。形状記憶材料とアクチュエータの一体化構造を使用することは、より強い触覚作動を生成することを含む特定の用途に有益であり得る。特定の例では、可逆性の形状記憶材料は、変形を強化するために、非形状記憶アクチュエータ材料とも一体化され得る。
【００３２】
特定の実施形態では、一体化されたSMP/EAP構造またはSMP/誘電体エラストマー構造(たとえば積層構造または相互貫入構造)上に電極を形成することができる。構造を変形させるために、電極に対して電圧を印加することができる。たとえば、一体化されたSMP/EAPまたはSMP/誘電体エラストマーのシートの上部と下部に電極を形成することができる。シートあるいはシートの1つまたは複数の選択された領域が、この領域を柔軟に/ゴムのようにするために、最初に加熱され得、次いで、この領域を局部的に変形させるために電界が印加され得る。次いで、シートあるいは1つまたは複数の領域を冷却した後、電界をオフにすることができる。1つまたは複数の領域は、再び加熱されると原形状に戻ることになる。
【００３３】
特定の例では、PVDFなど材料は、電気活性特性と形状記憶特性の両方を有し得る。製造プロセスでは、形状記憶特性は、場合によっては電気活性特性から独立して制御され得る。そのような材料は、SMPとアクチュエータ組合せの代わりに、またはそれと組み合わせて使用され得る。
【００３４】
より具体的な例を検討すると、図3(a)および図3(b)を参照して、局部変形を伴う表面は、SMP材料またはSMP/EAPまたはSMP/誘電体エラストマーの組合せの(好ましくは薄い)シート310を有する触覚アクチュエータシステム300を用いて達成され得る。シートには、独立して変形される複数の領域320が含まれる。図3(c)および図3(d)に概略的に示されるように、変形可能な部分320の各々に、(図3(c)のような)変形していない状態と、(図3(d)のような)変形した状態とに独立して配設され得る変形可能な部分320Aが少なくとも含まれる。領域320は、図3(a)および図3(b)では、仕切りが見えるように境界線によって表されているが、領域320は、この説明の例では物理的に分割されているわけではなく、代替実施形態では物理的に分割されることもあり得る。それぞれの領域320の頂面に上部の導電性電極パッド330が形成され、この場合マトリクスに構成され、それぞれの領域320の底面に下部の導電性電極(図示せず)が形成される。上部の導電ライン340のそれぞれが、上部電極330の行を駆動回路の出力などの電源(図示せず)に接続する。下部の導電ライン350のそれぞれが、下部電極の列を電源(図示せず)に接続する。したがって、導電ラインは網状組織に似た構成(交差方向)を形成し、互いに対して選択された上部の導電ライン340と下部の導電ライン350の対の間の特定の領域320に、電圧または電界が印加され得る。上部電極と下部電極の対に、互いに対してバイアスがかけられたとき、対の交点における領域320は、電界にさらされ、温度が形状記憶転移温度を超えると変形される。より細い導電ライン340(または下側では350)によって相互接続された導電パッド320の代わりに、導電ライン340、350は広い導電帯であり得、シート310のそれぞれの領域320における上部の各帯340は、下部の各帯350とオーバラップする。
【００３５】
本開示の別の態様では、上記で開示された、SMP/EAPまたはSMP/誘電体エラストマーのシートが電極によってはさまれている構造は、センサのアレイすなわちマトリクスとして使用され得る。シート310は絶縁体である。導電パッド(上部電極320および下部電極を含む)および絶縁シートによって形成されるキャパシタのアレイは、静電容量センサとして使用され得、人の指などの導電性オブジェクトのタッチまたは近接をキャパシタンスの変化から検知する。したがって、アクチュエータのアレイすなわちマトリクスは、ユーザ入力を得るためのタッチキャパシタセンサとして使用され得、導電ライン340、350は、シート310の領域320を選択的に変形させるための電力ラインであるばかりでなく、容量性タッチセンサアレイからマイクロプロセッサ用I/Oポートなどの受信回路へ信号を伝送するためのデータラインでもある。触覚アクチュエータとセンサの双対関数は連続して呼び出され得る。たとえば、入力検知期間中、触覚アクチュエータ/センサ300を採用しているデバイスは入力検知状態になり得、電極330からの信号が監視される。次に、作動期間中、デバイスは作動状態になり得、対象となっている領域320が、最初に加熱され、次いで変形させるための電圧が印加され、次いで急速に急冷されることによって作動され得る。領域320は、再び加熱されると(たとえば平坦な)原形状に戻り得る。出力の位置すなわち作動させる特定の領域320は、たとえば触覚アクチュエータ/センサ300を採用しているデバイスのマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ(図示せず)によって決定され得る。
【００３６】
特定の実装形態では、選択された材料の形状記憶転移温度(たとえばSMPのTg)は、触覚センサデバイスが動作する環境の温度に非常に近いものであり得る。たとえば、選択された材料の形状記憶転移温度(たとえばSMPのTg)は、シート310の様々な領域320の間の温度勾配を最小化し、かつ大きい温度範囲にわたって形状記憶材料を加熱したり冷却したりする必要性なしで速い応答をもたらすように、周囲温度(室温)に非常に近く(しかし、所与の環境に関して予期される通常の温度変動範囲から十分外に)され得る。
【００３７】
領域320の温度制御(加熱および急冷)は、様々な方法およびデバイスを使用して達成され得る。加熱方法の例には、超音波加熱、レーザ加熱および抵抗加熱が含まれ、冷却方法の例には、双対圧電冷却ジェットなどの極めて薄い冷却器、およびペルティエ接合冷却器などの半導体冷却デバイスを使用することが含まれる。
【００３８】
SMP/EAPの組合せを使用する例示的触覚アクチュエータシステム400およびその作動サイクルが図4に示されている。SMP層410と、SMP層410に積層されたEAP層420とを有するシートは、当初は剛性状態であり得、シート(シート310など)の領域(領域320など)の温度はTg未満である。領域320は、SMP層410が柔軟になる(順応性を得る)ようにTgよりも高い温度まで加熱され得る。この時点で、EAP層420が、たとえば電圧を印加することによって活性化され得て、EAP層420ならびにEAP層420に取り付けられたSMP層410を変形させる。この特定の例では、変形は曲げとして示されているが、他の形態の変形が可能である。次に、層410、420がTg未満まで(好ましくは急速に)冷却され得、冷却中または冷却後にEAP層420が非活性化される。低下した温度ではSMP層410が剛体であるため、変形が維持される。次に、領域(320)は、Tgよりも高い温度まで加熱され得て変形前の状態に戻る。
【００３９】
SMP/モータの組合せを使用する例示的触覚アクチュエータシステム500およびその作動サイクルが図5に示されている。SMP層510を有するシートは、当初は剛性状態であり得、シート(シート310など)の領域(領域320など)の温度はTg未満である。領域320は、SMP層510が柔軟になる(順応性を得る)ようにTgよりも高い温度まで加熱され得る。この時点で、領域320に隣接して配設されている作動ヘッド520が、たとえば電磁モータ530によって押されて活性化され得て、取り付けられているSMP層510を変形させる。この特定の例では、変形は曲げとして示されているが、他の形態の変形が可能である。次に、SMP層510はTg未満まで(好ましくは急速に)冷却され得、冷却中または冷却後に、SMP層510に対する作動ヘッド520の力が除去される。低下した温度ではSMP層510が剛体であるため、変形が維持される。次に、領域(320)は、Tgよりも高い温度まで加熱され得て変形前の状態に戻る。
【００４０】
追加の例では、ユーザ入力からの力(たとえば指の押圧からの力)がSMPを変形させるために使用され得る。表面は、図3に類似した機構において上部電極および下部電極を有するSMP層で作製され得る。特定の位置に対するユーザ入力(たとえば指の押圧)が、たとえば電極およびSMPによって形成された容量性タッチセンサによって検知され得る。次いで、ユーザによって押された領域320がTgまで加熱される。結果として、ユーザが触れている領域320が変形する。したがって、この表面から、自然な触覚フィードバックがもたらされる。表面の下の1つまたは複数のアクチュエータ(EAP、モータなど)も、SMP層を元の状態に押し戻すように求められ(be sued to)得、それによって、ユーザに対して、追加の力または補助的触覚フィードバックを与える。
【００４１】
SMPとアクチュエータの組合せは、さらなる用途において使用され得る。たとえば、アクティブサスペンションシステムなどの特定の作動システムは、アクチュエータの組合せおよび減衰機構を使用する。SMPを減衰機構の少なくとも一部分として使用すると、熱励起によって減衰特性(たとえば減衰係数)を調節することができる。詳細には、SMPの様々な部分が、たとえば局部加熱を使用してガラス転移温度よりも高い温度まで加熱され得、したがって柔軟になる。したがって、様々な減衰特性が達成され得る。
【００４２】
前述の種々の実施形態は説明のみの目的で提供されたものであり、本明細書に添付された特許請求の範囲を制限するように解釈されるべきではない。当業者なら、本明細書で図示されかつ説明された以下の例示的実施形態および用途なしに、また以下の特許請求の範囲の真の精神および範囲から逸脱することなく作製され得る、種々の修正形態および変更形態を容易に理解するであろう。
【符号の説明】
【００４３】
100  システム
102  コントローラ
104  プロセッサ
106  I/Oコントローラ
108  メモリ
110  バス
112  イベント検知モジュール
114  効果決定モジュール
116  効果制御モジュール
120  アクチュエータ駆動回路
130  トランスデューサ(触覚アクチュエータ/センサ)
140  アクチュエータ
150  温度コントローラ
300  触覚アクチュエータシステム
310  シート
320  変形可能な部分、領域
320A  変形可能な部分
330  導電性電極パッド
340  導電ライン
350  導電ライン
400  触覚アクチュエータシステム
410  SMP層
420  EAP層
500  触覚アクチュエータシステム
510  SMP層
520  作動ヘッド
530  電磁モータ
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
2018067299000001.pdf