(57)【要約】【課題】改善された触覚アクチュエーターを提供することである。【解決手段】触覚アクチュエーターは、正味磁界に対する非活性化状態及び活性化状態を有する永久電磁石を備える。強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層は、永久電磁石の端部と対向して位置し、永久電磁石の正味磁界が活性化状態にあることに応じて永久電磁石の端部に向かって駆動されることによって触覚効果を生成するように構成されている。【選択図】図２Ｂ
2018060540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久電磁石であって、該永久電磁石の正味磁界に対する非活性化状態及び活性化状態を有する永久電磁石と、
前記永久電磁石の端部と対向して位置し、前記永久電磁石の前記正味磁界が前記活性化状態にあることに応じて前記永久電磁石の前記端部に向かって駆動されることにより触覚効果を発生させるように構成された、強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層と、
を備える、触覚アクチュエーター。
【請求項２】
前記強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層は、前記永久電磁石の前記正味磁界が前記活性化状態にあるときは前記永久電磁石に引き寄せられ、前記永久電磁石の前記正味磁界が前記非活性化状態にあるときは前記永久電磁石に引き寄せられない、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項３】
前記強磁性材料の層を備え、前記強磁性材料は、鉄、コバルト及びニッケルのうちの少なくとも１つを含み、鋼、アルミニウム、銅、鉛及び亜鉛のいずれも含まない、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項４】
前記磁気活性ポリマーの層を備え、前記磁気活性ポリマーは、ポリマーマトリックス及び強磁性材料を含む、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項５】
前記永久電磁石は、前記永久電磁石の前記正味磁界の軸に沿って、１００ミクロン〜１ｍｍの範囲内にある厚さを有する、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項６】
前記永久電磁石の前記端部と前記強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層との間の距離は、２０μｍ〜５０μｍの範囲内にある、請求項５に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項７】
前記強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層の厚さは、０．２ｍｍ〜５ｍｍの範囲内にある、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項８】
前記永久電磁石の前記正味磁界が前記活性化状態にあるとき、前記永久電磁石は、前記強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層に対して少なくとも１Ｇの力をかける、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項９】
前記永久電磁石に接続され、かつ該永久電磁石に交流電流を印加するように構成された電源であって、前記強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層は、前記交流電流が前記永久電磁石に印加されることに応じて振動するように構成されている、電源を更に備える、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項１０】
前記電源に接続され、かつ前記触覚アクチュエーターが振動ベースの触覚効果を生成するべきか否か、又は該触覚アクチュエーターが非振動ベースの触覚効果を生成するべきか否かに基づく周波数で、前記電源に、前記永久電磁石に対して前記交流電流を提供させるように構成された、コントローラーを更に備える、請求項９に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項１１】
前記コントローラーは、前記触覚アクチュエーターが非振動ベースの触覚効果を生成するべきであるという判断に応じて、前記交流電流が１Ｈｚ〜１０Ｈｚの周波数を有するようにするように構成され、かつ、前記触覚アクチュエーターが振動ベースの触覚効果を生成するべきであるという判断に応じて、前記交流電流が８０Ｈｚ〜２００Ｈｚの周波数を有するようにするように構成されている、請求項１０に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項１２】
前記永久電磁石は、
第１の極性と該第１の極性とは反対の第２の極性との間で選択的に切替可能な磁極を有する第１の磁石と、
前記第１の磁石に隣接する第２の磁石であって、該第２の磁石の磁極は前記第１の極性で固定されている第２の磁石と、
前記第１の磁石に隣接し、かつ前記第１の磁石の前記磁極の極性を前記第１の極性と前記第２の極性との間で切り替えるように構成されている装置と、
を備える、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項１３】
前記第１の磁石の前記磁極の前記極性を前記第１の極性と前記第２の極性との間で切り替えるように構成されている前記装置は、前記第１の磁石の周囲に巻き付けられているが、前記第２の磁石の周囲には巻き付けられていない導電コイルである、請求項１２に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項１４】
前記第１の磁石の前記磁極の前記極性を前記第１の極性と前記第２の極性との間で切り替えるように構成されている前記装置は、前記第１の磁石に隣接する発熱体を備える、請求項１２に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項１５】
前記強磁性材料の層を備え、該強磁性材料の層は、前記永久電磁石が配置されている金属ケーシングの一面である、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項１６】
前記強磁性材料の層に隣接する前記金属ケーシングの面は、前記永久電磁石の前記正味磁界が活性化されることに応じて前記永久電磁石から離れて変形するように構成されている、請求項１６に記載の触覚アクチュエーター。
【請求項１７】
触覚可能デバイスであって、該触覚可能デバイスは、
支持面を有するハウジングと、
前記支持面に取り付けられた少なくとも１つの触覚アクチュエーターと、
を備え、
該触覚アクチュエーターは、
永久電磁石であって、該永久電磁石の正味磁界に対する非活性化状態及び活性化状態を有する永久電磁石と、
前記触覚可能デバイスの内面に取り付けられるか又は接触する強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層であって、該強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層は、前記触覚アクチュエーターが取り付けられる前記支持面に面し、前記永久電磁石の対応する端部と対向して位置し、前記永久電磁石の前記正味磁界が前記活性化状態にあることに応じて前記永久電磁石の前記端部に向かって駆動されることにより、前記触覚可能デバイスの外面において触覚効果を生成するように構成されている、強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層と、
を備える、触覚可能デバイス。
【請求項１８】
前記ハウジングに取り付けられ、かつ前記触覚可能デバイスの前記外面の一部を形成する前面を有し、前記触覚可能デバイスの前記内面の一部を形成する後面を有するディスプレイデバイスであって、前記強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層は、該ディスプレイデバイスの前記後面に位置し、該ディスプレイデバイスの前記前面において前記触覚効果を生成するように構成されている、ディスプレイデバイスを更に備える、請求項１７に記載の触覚可能デバイス。
【請求項１９】
前記強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層は、前記ディスプレイデバイスの前記後面のコーティングである、請求項１８に記載の触覚可能デバイス。
【請求項２０】
触覚可能デバイスであって、該触覚可能デバイスは、
支持面を有するハウジングと、
前記ハウジングに取り付けられ、かつ前記触覚可能デバイスの外面の一部を形成する前面と、前記触覚可能デバイスの内面の一部を形成する後面とを有するディスプレイデバイスと、
前記支持面に取り付けられた触覚アクチュエーターのアレイと、
を備え、
前記触覚アクチュエーターのアレイの各々は、
複数の永久電磁石のうちの対応する永久電磁石であって、該対応する永久電磁石の正味磁界に対して非活性化状態及び活性化状態を有する、対応する永久電磁石と、
強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層の同一平面上の複数の部分のうちの対応する部分であって、該層は、前記触覚アクチュエーターのアレイが取り付けられる前記支持面に面し、該強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層の対応する部分は、前記ディスプレイデバイスの前記後面に取り付けられるか又は接触し、前記対応する永久電磁石の端部と対向して位置し、前記対応する永久電磁石の前記正味磁界が前記活性化状態にあることに応じて前記対応する永久電磁石の前記端部に向かって駆動されることにより、前記ディスプレイデバイスの前記前面において触覚効果を生成するように構成されている、強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層の対応する部分と、
を備える、触覚可能デバイス。
【請求項２１】
駆動する前記触覚アクチュエーターのアレイのサブセットを選択するように構成されたコントローラーを更に備える、請求項２０に記載の触覚可能デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久電磁石を組み込み、かつユーザーインターフェース、ゲーム機、自動車機器、ウェアラブルデバイス及び家庭用電化製品に適用される、触覚アクチュエーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
ビデオゲーム及びビデオゲームシステムは、カジュアルゲーマーに対するマーケティング及びその結果のカジュアルゲーマーの関与によって更に一層一般的になってきた。従来のビデオゲーム機器又はコントローラーは、ユーザーにフィードバックを提供するために、視覚キュー及び聴覚キューを使用する。いくつかのインターフェース装置では、運動感覚フィードバック（アクティブでかつ抵抗性の力フィードバック等）、及び／又は触知フィードバック（振動又はテクスチャ等）もユーザーに提供され、これらは、より一般的には、「触覚フィードバック」又は「触覚効果」として総称的に知られている。触覚効果は、ユーザーインターフェースを向上させ簡略化するキューを提供することができる。具体的には、振動効果又は振動触知触覚効果は、ユーザーに特定のイベントを通知するために電子機器のユーザーにキューを提供するときに有用であるか、又は、シミュレートされた環境若しくはバーチャル環境内でより大きな知覚没入感を生成するために現実的なフィードバックを提供することができる。ゲームシステムによっては、触覚効果を生成するためのコントローラーハウジングに取り付けられたアクチュエーターを含む。
【０００３】
また、ユーザーがユーザー入力要素と相互作用して動作を引き起こすための医療機器、自動車制御装置、遠隔制御装置、及び他の同様の機器等の他の機器が、触覚効果によって恩恵を受ける。これらの機器において触覚効果を採用して、ユーザーに対し特定のイベントを通知するか、又は、機器の相互作用に関して現実的なフィードバックをユーザーに提供することができる。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の目的の１つは、新規の又は改善された触覚アクチュエーターを提供することである。本発明の実施形態の一態様は、正味磁界に対して非活性化状態及び活性化状態を有する永久電磁石と、永久電磁石の端部と対向して配置される強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層とを備える、触覚アクチュエーターに関する。強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層は、永久電磁石の正味磁界が活性化状態にあることに応じて永久電磁石の端部に向かって作動されることにより触覚効果を生成するように構成されている。
【０００５】
一実施形態において、強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層は、永久電磁石の正味磁界が活性化状態にあるときは永久電磁石に引き寄せられ、永久電磁石の正味磁界が非活性化状態にあるときは永久電磁石に引き寄せられない。
【０００６】
一実施形態において、触覚アクチュエーターは、強磁性材料の層を備え、強磁性材料は、鉄、コバルト及びニッケルの少なくとも１つを含み、鋼、アルミニウム、銅、鉛及び亜鉛のいずれも含まない。
【０００７】
一実施形態において、触覚アクチュエーターは、磁気活性ポリマーの層を備え、磁気活性ポリマーは、ポリマーマトリックス及び強磁性材料を含む。
【０００８】
一実施形態において、永久電磁石は、その正味磁界の軸に沿って、１００ミクロン〜１ｍｍの範囲内にある厚さを有する。
【０００９】
一実施形態において、永久電磁石の端部と強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層との間の距離は、２０μｍ〜５０μｍの範囲内にある。
【００１０】
一実施形態において、強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層の厚さは、０．２ｍｍ〜５ｍｍの範囲内にある。
【００１１】
一実施形態において、永久電磁石の正味磁界が活性化状態にあるとき、永久電磁石は、強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層に対して少なくとも１Ｇの力をかける。
【００１２】
一実施形態において、触覚アクチュエーターは、永久電磁石に接続され、かつこの永久電磁石に交流電流を印加するように構成された電源であって、強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層は、交流電流が永久電磁石に印加されることに応じて振動するように構成されている、電源を更に備える。
【００１３】
一実施形態において、触覚アクチュエーターは、電源に接続され、かつ、この触覚アクチュエーターが振動ベースの触覚効果を生成するべきか否か、又はこの触覚アクチュエーターが非振動ベースの触覚効果を生成するべきか否かに基づく周波数で、電源に、永久電磁石に対して交流電流を提供させるように構成された、コントローラーを更に備える。
【００１４】
一実施形態において、コントローラーは、この触覚アクチュエーターが非振動ベースの触覚効果を生成するべきであるという判断に応じて、交流が１Ｈｚ〜１０Ｈｚの周波数を有するようにするように構成され、かつ、この触覚アクチュエーターが振動ベースの触覚効果を生成するべきであるという判断に応じて、交流が８０Ｈｚ〜２００Ｈｚの周波数を有するようにするように構成されている。
【００１５】
一実施形態において、永久電磁石は、第１の極性と第１の極性とは反対の第２の極性との間で選択的に切替可能な磁極を有する第１の磁石と、第１の磁石に隣接しかつその磁極が第１の極性で固定されている第２の磁石と、第１の磁石に隣接し、かつ第１の磁石の磁極の極性を第１の極性と第２の極性との間で切り替えるように構成されている装置とを備える。
【００１６】
一実施形態において、第１の磁石の磁極の極性を第１の極性と第２の極性との間で切り替えるように構成されている装置は、第１の磁石の周囲に巻き付けられているが、第２の磁石の周囲には巻き付けられていない導電コイルである。
【００１７】
一実施形態において、第１の磁石の磁極の極性を第１の極性と第２の極性との間で切り替えるように構成されている装置は、第１の磁石に隣接する発熱体を備える。
【００１８】
一実施形態において、触覚アクチュエーターは、強磁性材料の層を備え、この強磁性材料の層は、永久電磁石が配置される金属ケーシングの一面である。
【００１９】
一実施形態において、強磁性材料の層に隣接する金属ケーシングの面は、永久電磁石の正味磁界が活性化されることに応じて永久電磁石から離れて変形するように構成されている。
【００２０】
本発明の実施形態の一態様は、支持面を有するハウジングと、支持面に取り付けられた少なくとも１つの触覚アクチュエーターとを備える、触覚可能デバイスに関する。触覚アクチュエーターは、正味磁界に対する非活性化状態及び活性化状態を有する永久電磁石を備える。触覚アクチュエーターは、この触覚可能デバイスの内面に取り付けられるか又は接触する強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層を更に備える。強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層は、触覚アクチュエーターが取り付けられる支持面に面し、永久電磁石の対応する端部と対向して位置し、永久電磁石の正味磁界が活性化状態にあることに応じて永久電磁石の端部に向かって作動されることにより、この触覚可能デバイスの外面において触覚効果を生成するように構成されている。
【００２１】
一実施形態において、触覚可能デバイスは、ハウジングに取り付けられ、かつこの触覚可能デバイスの外面の一部を形成する前面を有し、この触覚可能デバイスの内面の一部を形成する後面を有するディスプレイデバイスであって、強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層は、このディスプレイデバイスの後面に位置し、このディスプレイデバイスの前面において触覚効果を生成するように構成されている、ディスプレイデバイスを更に備える。
【００２２】
一実施形態において、強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層は、ディスプレイデバイスの後面のコーティングである。
【００２３】
本発明の実施形態の一態様は、支持面を有するハウジングと、ハウジングに取り付けられたディスプレイデバイスと、触覚アクチュエーターのアレイとを備える、触覚可能デバイスに関する。ディスプレイデバイスは、触覚可能デバイスの外面の一部を形成する前面と、触覚可能デバイスの内面の一部を形成する後面とを有する。触覚アクチュエーターのアレイは、支持面に取り付けられている。触覚アクチュエーターのアレイの各々は、複数の永久電磁石のうちの対応する永久電磁石であって、正味磁界に対して非活性化状態及び活性化状態を有する、対応する永久電磁石を備え、強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層の同一平面上の複数の部分のうちの対応する部分を更に備え、該層は、触覚アクチュエーターのアレイが取り付けられる支持面に面している。強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層の対応する部分は、ディスプレイデバイスの後面に取り付けられるか又は接触し、対応する永久電磁石の端部と対向して配置され、対応する永久電磁石の正味磁界が活性化状態にあることに応じて対応する永久電磁石の端部に向かって作動されることにより、ディスプレイデバイスの前面において触覚効果を生成するように構成されている。
【００２４】
一実施形態において、触覚可能デバイスは、作動する触覚アクチュエーターのアレイのサブセットを選択するように構成されたコントローラーを備える。
【００２５】
本発明の実施形態の特徴、目的、及び利点は、添付図面が参照される以下の詳細な説明を読むことによって当業者に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による、永久電磁石を有する触覚アクチュエーターを含むモバイルデバイスの斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態による、永久電磁石を有する触覚アクチュエーターを含むゲームコントローラーの斜視図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態による、永久電磁石を有する触覚アクチュエーターの斜視図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態による、永久電磁石を有する触覚アクチュエーターの斜視図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態による、ユーザーインターフェースデバイスにおける、永久電磁石を有する触覚アクチュエーターの断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による、永久電磁石を有する触覚アクチュエーターの斜視図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による、永久電磁石を有する触覚アクチュエーターの斜視図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態による、ユーザーインターフェースデバイスにおける、永久電磁石を有する触覚アクチュエーターの断面図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態による、ユーザーインターフェースデバイスにおける、永久電磁石を有する触覚アクチュエーターの断面図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による、ユーザーインターフェースデバイスにおける、対応する永久電磁石を有する触覚アクチュエーターのアレイの断面図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による、ユーザーインターフェースデバイスにおける、対応する永久電磁石を有する触覚アクチュエーターのアレイの断面図である。
【図５】永久電磁石の第１の磁石の磁極の極性を切り替えるように構成された切替装置の一部として発熱体を有する触覚アクチュエーターの図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の上述の特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、添付の図面に示されるような本発明の実施形態の以下の説明から明らかであろう。本明細書に組み込まれるとともに本明細書の一部をなす添付の図面は更に、本発明の原理を説明するとともに、当業者が本発明を実施及び使用することを可能にする役割を果たす。図面は一定縮尺ではない。
【００２８】
以下の詳細な説明は本来例示的なものでしかなく、本発明又は本発明の用途及び使用を限定するように意図されていない。さらに、前述の技術分野、背景技術、発明の概要又は以下の詳細な説明に提示されている、明示又は暗示されるいかなる理論にも制限されることは意図されていない。
【００２９】
本発明の実施形態は、永久電磁石(electropermanent magnet)と強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層とを有する触覚アクチュエーターに関する。触覚アクチュエーターは、永久電磁石を用いて強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層を駆動する。一実施形態では、永久電磁石は、強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層を変形させるために強力な力を発生させるように、数テスラの強度を有する磁界（磁場）等、強力な磁界を発生させるように作動されるように構成することができる。永久電磁石の正味磁界(net magnetic field)はまた、非活性化することもでき、それにより、強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層はその非変形位置に向かって戻ることができる。したがって、本発明の実施形態は、強力な磁界を発生させることができ、かつ磁界の活性化(activation)及び非活性化も制御することができる、触覚アクチュエーターに関する。場合によっては、永久電磁石の正味磁界の活性化及び非活性化を周期的に繰り返して、強磁性材料の層又は磁気活性層の動きに周期的変動を引き起こすことができる。周期的変動は、振動ベースの触覚効果又は他の触覚効果を引き起こすのに十分に高い周波数（例えば、２００Ｈｚ）で発生することができる。それはまた、非振動ベースの触覚効果又は他の触覚効果を引き起こすように、より低い周波数で発生することもできる。例えば、永久電磁石によって発生する力は、より全体的な変形ベースの触覚効果を引き起こすのに十分高い場合があり、そこでは、強磁性材料又は磁気活性ポリマーの層は、例えば５Ｈｚの、より低い周波数で変形する。
【００３０】
一実施形態では、触覚可能デバイス（例えば、携帯電話）に触覚アクチュエーターを組み込むことができる。例えば、触覚可能デバイスの外面の後方に配置することができる。触覚アクチュエーターは、外面を振動させるか、又は外面をより全体的に変形させるように、組み込むことができる。この変形は、内向きの方向とすることができ、又は外向きの方向とすることもできる。一実施形態では、触覚可能デバイスは、触覚アクチュエーターのアレイを組み込むことができる。
【００３１】
図１Ａ及び図１Ｂは、ユーザーインターフェースデバイス１０２及びユーザーインターフェースデバイス１０４を含む様々な触覚可能デバイスの一部としての触覚アクチュエーター１１０を示す。より具体的には、図１Ａは、本発明の一実施形態による、永久電磁石１１２を組み込む触覚アクチュエーター１１０を有する携帯電話であるユーザーインターフェースデバイス１０２の斜視図を提供する。図１Ｂは、永久電磁石１１２を組み込む触覚アクチュエーター１１０を有するゲームコントローラーであるユーザーインターフェースデバイス１０４の斜視図を提供する。他の実施形態では、ウェアラブル用途、自動車用途、仮想／拡張現実用途又は他の用途に使用されるユーザーインターフェースデバイス等、他の任意のユーザーインターフェースデバイスが、触覚効果を発生させるために触覚アクチュエーター１１０を組み込むことができる。場合によっては、触覚アクチュエーター１１０は、振動（rumble）触覚効果を発生させるように構成される本体アクチュエーターとすることができる。場合によっては、触覚アクチュエーター１１０は、運動感覚触覚効果を発生させるように構成されるターゲットアクチュエーターとすることができる。
【００３２】
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の一実施形態による例示的な触覚アクチュエーター１１０の斜視図を提供する。この例では、触覚アクチュエーター１１０は、永久電磁石１１２と、鉄、コバルト、ニッケル又はそれらの任意の組合せ等の強磁性材料の層１１４Ａとを含む。強磁性材料は、一実施形態では、鋼、アルミニウム、銅、鉛及び／又は亜鉛のいずれも除外することができる。一例では、強磁性材料の層１１４Ａは、永久電磁石１１２を収容する（例えば、少なくとも部分的に封入する）金属ケーシング１１６の一面とすることができる。この金属ケーシング１１６の形状例としては、図２Ａ及び図２Ｂに示すような、４つの面を有する直方体の枠、又は永久電磁石１１２を収容する中空内部を有する立方体が挙げられる。一例では、金属ケーシング１１６は、永久電磁石１１２が取り付けられる層１１４Ｂ（例えば、強磁性材料、プラスチック又は他の材料の層）を含むことができる。層１１４Ｂの内面には、永久電磁石１１２の第１の端部１１２Ｘ（例えば、底端部）を取り付けることができ、一方で、永久電磁石１１２の反対側の第２の端部１１２Ｙ（例えば、頂端部）は、層１１４Ａに面する、すなわち対向することができる。層１１４Ａに面する永久電磁石１１２の第２の端部１１２Ｙは、例えば、２０μｍ〜５０μｍの範囲内にある距離だけ、層１１４Ａの内面から離間することができる。永久電磁石１１２の正味磁界が活性化されると、第１の端部１１２Ｘ及び第２の端部１１２Ｙにそれぞれ、永久電磁石１１２のＳ極及びＮ極が位置することができる。一例では、強磁性材料の層（又は磁気活性ポリマーの層）１１４Ａの厚さは、０．２ｍｍ〜５ｍｍの範囲内とすることができる。一例では、永久電磁石１１２は、その正味磁界の軸１１７に沿って、１００ミクロン〜１ｍｍの範囲内にある厚さを有する。
【００３３】
一実施形態では、永久電磁石１１２は、第１の極性と第１の極性とは反対の第２の極性との間で選択的に切替可能な磁極を有する第１の磁石１１２Ａ、及び第１の磁石に隣接しかつその磁極が第１の極性で固定されている第２の磁石１１２Ｂ等、少なくとも２つの磁石を含むことができる。例えば、第１の磁石１１２Ａ（例えば、プログラム可能磁石）は、アルミニウムニッケルコバルト（ＡｌＮｉＣｏ）合金等、半硬磁性材料から作製することができ、第２の磁石１１２Ｂは、ネオジム等、硬磁性材料から作製することができる。一例では、磁石１１２Ｂの硬磁性材料は、８００ＫＡ／ｍ〜９５０ＫＡ／ｍの保磁力値を有することができ、磁石１１２Ａの半硬磁性材料は、３０ＫＡ／ｍ〜１００ＫＡ／ｍの保磁力値を有することができる（この例における強磁性材料の層１１４Ａは、軟磁性材料を含むことができ、保磁力値の例は０．１６ＫＡ／ｍである）。
【００３４】
一実施形態では、半硬磁性材料及び硬磁性材料は、０．１テスラから１テスラの範囲内、又は１テスラから１０テスラの範囲内の磁界強度を有することができる。この磁界強度により、永久電磁石１１２は、高振幅振動ベースの触覚効果等、一般的な変形ベースの触覚効果又はより特定の変形ベースの触覚効果のために様々な面を変形させるのに十分な力を発生させることができる可能性がある。さらに、永久電磁石１１２は、電力を消費することなく活性化状態で正味磁界を維持することができる可能性があり、それは、磁石１１２Ａの半硬磁性材料が、いかなる外力もない状態でその磁界を維持するのに十分な残留磁気を有することができ、磁石１１２Ｂの硬磁性材料は、固定磁界を有するようにみなすことができるためである。
【００３５】
一実施形態では、正味磁界の活性化に関する状態は、磁石１１２Ａ及び１１２Ｂが同じ方向の磁界（対応する磁界）を有するか又は反対方向の磁界（反対の磁界）を有するかによって決まる。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、磁石１１２Ｂの磁界は固定することができるが、磁石１１２Ａの磁界は、磁石１１２Ａに隣接する装置によって方向が切替可能であり、磁石１１２Ａの磁極の極性を第１の極性（例えば、Ｎ−Ｓ方向の）と第１の極性とは反対の第２の極性（例えば、Ｓ−Ｎ方向の）とで切り替えるように構成することができる。磁石１１２Ａの磁極の極性を切り替えるように構成された装置としては、導電コイル、発熱体、他の任意の切替装置又はそれらの任意の組合せを挙げることができる。例えば、その装置は、磁石１１２Ａのみの周囲に、又は磁石１１２Ａ及び１１２Ｂの両方の周囲に巻き付けられた銅コイル１１５を含むことができる。銅コイル１１５は、図２Ａ及び図２Ｂにおいて矢印によって表すように、電流等の外部入力がコイルに通されるときに磁界を発生させることができる。したがって、コイルは、磁石１１２Ａの磁界がコイルによって発生する磁界と同じ方向を指すようにすることによって、磁石１１２Ａの半硬磁性材料を磁化することができる。コイルが磁石１１２Ａのみの周囲に巻き付けられている場合、コイルによって発生する磁界は、磁石１１２Ｂに対してほとんどか全く影響を与えない可能性がある。コイルが磁石１１２Ａ及び１１２Ｂの両方の周囲に巻き付けられていたとしても、コイルを通る電流の強さ及び持続時間は、磁石１１２Ａの半硬磁性材料に影響を与える値を有し、磁石１１２Ｂの硬磁性材料に対してはほとんどか全く影響を与えない可能性がある。
【００３６】
一実施形態では、導電コイル１１５又は他の切替装置が磁石１１２Ａの磁極の極性を磁石１１２Ｂの反対の極性であるように切り替えるとき、磁石１１２Ａの半硬磁性材料の磁界の強度（例えば、１テスラ）は、磁石１１２Ｂの硬磁性材料の磁界の強度と一致するか又は実質的に一致するのに十分高い可能性がある。磁石１１２Ａ及び１１２Ｂの磁界は、反対方向であるため、実際的には互いを実質的に打ち消す可能性がある。この状況では、永久電磁石１１２の正味磁界は、非活性化されている（閉じているとも呼ばれる）とみなすことができる。その正味磁界が非活性化されている場合、永久電磁石１１２は、強磁性材料の層１１４Ａ等、周囲の強磁性材料との相互作用が非常に限られているか又は全く無い可能性がある。そして、図２Ａに示すように、永久電磁石１１２の正味磁界が非活性化されているとき、強磁性材料の層１１４Ａは、非駆動位置にあることができ、又は非駆動位置に戻ることができる。
【００３７】
一実施形態では、図２Ｂに示すように、磁石１１２Ａの磁化を反転させてその磁界が磁石１１２Ｂの磁界と整列するか又は一致するようにすることによって、永久電磁石１１２の正味磁界を活性化することができる。例えば、導電コイル又は他の切替装置は、磁石１１２Ａの磁極の極性を図２Ａに示すものから反転させることができる。幾つかの例では、永久電磁石１１２の正味磁界は、活性化状態では、数テスラの程度の強度を有する可能性がある。その正味磁界が活性化されると、永久電磁石１１２は、磁石１１２の第２の端部１１２Ｙ（例えば、頂端部）に向かって層１１４Ａを引き寄せる磁力等を介して、強磁性材料の層１１４Ａを駆動することができる。場合によっては、永久電磁石１１２の正味磁界が活性化状態にあるとき、永久電磁石１１２は、強磁性材料の層１１４Ａに対して（又は、磁気活性ポリマーの層に対して）少なくとも１Ｇの力をかける。一実施形態では、触覚アクチュエーター１１０は、リニア共振アクチュエーター（ＬＲＡ）、ソレノイド共振アクチュエーター（ＳＲＡ）又は偏心回転質量体（ＥＲＭ）アクチュエーターではなく、それら他のタイプのアクチュエーターによって発生する力より大きい力を発生させるように構成することができる。別の実施形態では、触覚アクチュエーター１１０はＬＲＡ又はＳＲＡとすることができる。一実施形態では、触覚アクチュエーターは、慣性ベースのアクチュエーターではなく、低周波数（例えば、１０Ｈｚ未満）でも作動させることができる。一実施形態では、層１１４Ａが事前定義された閾値を超える質量を有する場合、触覚アクチュエーターは、慣性ベースのアクチュエーターとみなすことができる。
【００３８】
一実施形態では、永久電磁石１１２は、その正味磁界の軸１１７に沿って、１００ミクロン〜１ｍｍの範囲内にある厚さを有することができる。場合によっては、永久電磁石の第２の端部１１２Ｙと強磁性材料の層（又は磁気活性ポリマーの層）１１４Ａとの間の距離（例えば、間隙）は、２０μｍ〜５０μｍの範囲内とすることができる。
【００３９】
図２Ｃは、触覚アクチュエーター１１０及び触覚アクチュエーター１１０を組み込んだ触覚可能デバイス（例えば、ユーザーインターフェースデバイス１０２）の図２Ａの矢印Ａの方向における断面図を示す。触覚可能デバイス１０２は、触覚アクチュエーター１１０に加えて、触覚アクチュエーター１１０が取り付けられる支持基板１２０を有するハウジング１０３を含むことができる。例えば、触覚アクチュエーター１１０は、支持基板１２０の支持面１２０Ａに取り付けることができる。触覚可能デバイス１０２のハウジング１０３は、電源１２２及び触覚コントローラー１２４を収容することができ、タッチスクリーン層等の表面層１０６を支持することができる。表面層１０６は、触覚可能デバイスの外面の一部を形成する前面１０６Ａと、触覚可能デバイスの内面の一部を形成する後面１０６Ｂとを有することができる。
【００４０】
一実施形態では、永久電磁石１１２の正味磁界が活性化されると、強磁性材料の層１１４Ａは、図２Ｃに示す矢印Ｆの方向において、内向きに、例えば永久電磁石１１２の頂端部１１２Ｙに向かって駆動することができる。永久電磁石１１２の正味磁界は、電源１２２によって図２Ａ及び図２Ｂに示す導電コイル１１５に提供される電流（例えば、ＡＣ電流）等、外部入力によって活性化し、その後非活性化することができる。電源１２２は、触覚コントローラー１２４によって制御することができ、触覚コントローラー１２４は、電流周波数、電流振幅、電流位相、デューティサイクル又はそれらの任意の組合せ等、外部入力の様々なパラメーターを制御することができる。一実施形態では、永久電磁石１１２の正味磁界は、磁石１１２Ａの磁極を切り替えるように構成された装置（例えば、導電コイル）にＡＣ電流（例えば、正弦波若しくは矩形波）又は他の周期的入力を印加することによって、周期的に活性化及び非活性化することができる。正味磁界が活性化及び非活性化される周波数は、ＡＣ電流の周波数に対応する（例えば、等しくする）ことができる。場合によっては、コントローラー１２４は、触覚アクチュエーターが振動ベースの触覚効果を生成するべきか否か、又は触覚アクチュエーターが非振動ベースの触覚効果を生成するべきか否かに基づいて、周波数を制御することができる。例えば、コントローラーは、触覚アクチュエーターが非振動ベースの触覚効果を生成するべきであるという判断に応じて、交流が１Ｈｚ〜１０Ｈｚの周波数を有するようにするように構成することができ、かつ、触覚アクチュエーターが振動ベースの触覚効果を生成するべきであるという判断に応じて、交流が８０Ｈｚ〜２００Ｈｚの周波数を有するようにするように構成される。
【００４１】
図２Ｃの実施形態では、触覚可能デバイスの表面層１０６は、表面層１０６の後面１０６Ｂが強磁性材料の層１１４Ａと接触するように、触覚アクチュエーター１１０の頂部に配置することができる。この構成により、強磁性材料の層１１４Ａにおける振動を表面層１０６に伝達することができる。一実施形態では、強磁性材料の層１１４Ａは、強磁性材料の層１１４Ａの内向きの変形によって、少なくともそれが接着される表面層１０６の部分に引張力を引き起こすように、接着剤又は他の方法を介して、表面層１０６の一部に接着することができる。この引張力はまた、層１１４Ａに接着される表面層１０６の部分の内向きの変形も引き起こすことができる。しかしながら、別の実施形態では、層１１４の内向きの変形は、表面層１０６に対してほとんど又はまったく影響を与えない可能性がある。これは、例えば、層１１４Ａが表面層１０６に接着されないが、代わりに密接するときに起きる可能性がある。
【００４２】
本明細書に記載する実施形態の触覚アクチュエーターを用いて、図２Ｃに示すように、表面層１０６を内向きに変形させることができ、又はこの触覚アクチュエーターを用いて、少なくとも図３Ａ〜図３Ｃに示すように、表面層１０６を外向きに変形させることができる。図３Ａ〜図３Ｃにおいて、永久電磁石２１２は、金属ケーシング２１６の側面２１４Ａ／２１４Ｂ等、強磁性材料の少なくとも１つの層２１４Ａ／２１４Ｂを依然として内向きに引っ張ることができるが、ケーシングの１つの面２１４Ａ／２１４Ｂのこの内向きの動きは、金属ケーシングの少なくとも１つの他の面２１５Ａ／２１５Ｂを外向きに押すことができる。より具体的には、図３Ａは、永久電磁石２１２と永久電磁石２１２を収容する金属ケーシング２１６とを含む触覚アクチュエーター２１０を示す。この非変形状態では、金属ケーシング２１６は、例えば、少なくとも４つの面を有する直方体枠として成形することができる。金属ケーシング２１６は、例えば、永久電磁石２１２の第１の端部２１２Ｙ及び第２の端部２１２Ｘそれぞれに面する２つの側面２１４Ａ及び２１４Ｂと、２つの隣接する側面２１５Ａ及び２１５Ｂとを含むことができる。側面２１４Ａ、２１４Ｂ、２１５Ａ、２１５Ｂの各々は、強磁性材料の層を備えることができ、又は、側面のうちの幾つか（例えば、２１５Ａ及び２１５Ｂ）は、代替的に又は更に、プラスチック等、異なる材料を含むことができる。一実施形態では、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、金属ケーシング２１６の中間に、永久電磁石２１２を吊り下げることができる。例えば、永久電磁石２１２は、側面２１４Ａ及び２１４Ｂの内面をそれぞれ永久電磁石２１２の第１の端部及び第２の端部に接続するばね（図示せず）を介して吊り下げることができる。別の実施形態では、金属ケーシング２１６の側面２１５Ａ又は側面２１５Ｂの内面に、永久電磁石２１２を取り付けることができる。例えば、永久電磁石２１２は、側面２１５Ａの内面に取り付けられた場合、例えば側面２１５Ｂのみにおいて、外向きの変形を引き起こすように構成することができる。
【００４３】
一実施形態では、図３Ａに示すように、永久電磁石２１２の正味磁界が非活性化されているとき、永久電磁石２１２は、金属ケーシング２１６との相互作用はほとんどないか又は全くない可能性がある。図３Ｂに示すように、永久電磁石２１２の正味磁界が活性化されると、強磁性材料の層２１４Ａ及び／又は２１４Ｂは、永久電磁石２１２の第１の端部又は第２の端部に向かって駆動する（例えば、引っ張る）ことができる。強磁性材料の層２１４Ａ／２１４Ｂを永久電磁石２１２に向かって駆動する（例えば、内向きに変形させる）ことにより、他方の、すなわち頂部及び底部の層２１５Ａ／２１５Ｂを永久電磁石２１２から離れる方向に駆動するか又は反らす（例えば、外向きの変形を引き起こす）ことができる。
【００４４】
図３Ｃは、触覚アクチュエーター２１０を組み込んだ触覚可能デバイス（例えば、ユーザーインターフェースデバイス１０２）の一実施形態を示す。図３Ｃの構成では、永久電磁石２１２は、駆動されると、その磁極がデバイス１０２の表面層１０６に対して平行な軸に沿って位置合わせされる配向を有することができる。この配向では、ケーシング２１６の層２１５Ａ及び２１５Ｂは、表面層１０６に対して平行とすることができ、強磁性材料の層２１４Ａ及び２１４Ｂは、表面層１０６に対して直交するか又は別の角度をなすものとすることができる。図３Ｃにおいて、層２１５Ａがその非変形又は他の非活性化状態にあるとき、表面層１０６は、触覚アクチュエーター２１０の層２１５Ａと接触するように配置することができる。例えば、表面層１０６は、層２１５Ａが駆動されていないときであっても、その後面１０６Ｂが層２１５Ａと接触するように配置することができる。この構成では、永久電磁石２１２の正味磁界が活性化されているとき、層２１５Ａを外向きに駆動するか又は反らすことができ、この駆動により、ひいては表面層１０６の一部を外向きに押すか又は強制することができる。
【００４５】
図３Ｄに示す別の例では、層２１５Ａが駆動されていないとき、表面層１０６の後面１０６Ｂと層２１５Ａとの間に間隙Ｇがある可能性があり得る。間隙は、層２１５Ａのプログラムされた最大の変形と等しい場合があり、又は層２１５Ａのプログラムされた最大の変形より小さい場合がある。層２１５Ａのプログラムされた最大の変形は、プログラムされた（例えば、所定の）最大強度電流が永久電磁石１１２に印加されるときに、層２１５Ａが変形すると予測される距離とすることができる。一例では、表面層１０６が剛性であった場合、この間隙は、層２１５Ａが更に変形するための空間を提供する。例えば、間隙Ｇは、層２１５Ａが内部で振動することができる空間を提供する。間隙は、表面層１０６において振動ベースの触覚効果を引き起こすように、層２１５Ａが表面層１０６に接触するか又はタップして振動を伝達することができるように十分小さく（層２１５Ａのプログラムされた最大の変形より小さいか又はそれに等しく）することができる。間隙Ｇが、層２１５Ａのプログラムされた最大の変形より小さかった場合、層２１５Ａは、表面層１０６に対してより全体的な（例えば、低周波数の）変形を伝達することができる可能性がある。
【００４６】
図４Ａ及び図４Ｂは、触覚アクチュエーター３１０Ａ〜３１０Ｈを含む触覚アクチュエーターのアレイを有する触覚可能デバイス（例えば、ユーザーインターフェースデバイス１０２）を示す。アレイは、例えば、１Ｄ又は２Ｄアレイとすることができる。この実施形態における触覚アクチュエーターのアレイの各触覚アクチュエーター（例えば、触覚アクチュエーター３１０Ａ）は、永久電磁石（例えば、３１２Ａ）と磁気活性ポリマーの層３１４の対応する部分（例えば、３１４Ａ）とを含む。より詳細には、磁気活性ポリマーの層３１４は、永久電磁石３１２Ａ〜３１２Ｈそれぞれに対応する同一平面上の部分（例えば、３１４Ａ〜３１４Ｈ）に分割することができる。磁気活性ポリマーの層３１４は、触覚アクチュエーター３１０Ａ〜３１０Ｈのアレイが取り付けられる支持基板１２０の支持面１２０Ａに面することができる。磁気活性ポリマーは、例えば、ポリマーマトリックス及び強磁性材料の組合せを含むことができる。一実施形態では、触覚アクチュエーター３１０Ａ〜３１０Ｈは、ハウジング１０３によって少なくとも部分的に包含され、個々の金属ケーシング又は他のタイプのケーシングを含まない。一実施形態では、触覚可能デバイス（例えば、ユーザーインターフェースデバイス１０２）は、表面層１０６を含むディスプレイデバイス（例えば、タッチスクリーン）を含む。ディスプレイデバイスは、ハウジング１０３に取り付けることができる。ディスプレイデバイスは、触覚可能デバイスの外面の一部を形成する前面１０６Ａを有し、触覚可能デバイスの内面の一部を形成する後面１０６Ｂも有することができる。
【００４７】
一実施形態では、磁気活性ポリマーの層３１４は、ディスプレイデバイスの後面１０６Ｂに取り付けるか又は接触させることができ、その部分３１４Ａ〜３１４Ｈは、複数の永久電磁石３１２Ａ〜３１２Ｈのそれぞれの永久電磁石の端部（例えば、頂端部）と対向して配置することができる。磁気活性ポリマーの部分３１４Ａ〜３１４Ｈは、例えば、別のポリマー材料、常磁性材料若しくは強磁性材料、空気、他の任意の材料、又はそれらの任意の組合せによって分離することができる。別の実施形態では、磁気活性ポリマーの層３１４は、ディスプレイデバイスの後面１０６Ｂの選択部分におけるコーティングとすることができる。複数の部分３１４Ａ〜３１４Ｈの各部分は、触覚可能デバイスの外面１０６Ａにおいて触覚効果を発生させるように構成することができる。一例では、この触覚効果は、永久電磁石の正味磁界が活性化状態であることに応じて、層３１４の部分（例えば、３１４Ａ）をそれぞれの永久電磁石（例えば、３１２Ａ）の対応する端部に向かって駆動するようにすることによって、引き起こすことができる。この駆動は、例えば、外面１０６Ａにおいて振動触知触覚効果を発生させる振動の一部とすることができる。
【００４８】
一実施形態では、磁気活性ポリマーの層の部分３１４Ａ〜３１４Ｈのうちの任意のものを、それに対応するそれぞれの永久電磁石の正味磁界を選択的に活性化することによって、個々に及び別個に駆動することができる。例えば、磁気活性ポリマーの部分３１４Ａは、表面層１０６において振動を発生させるように、相対的に高い周波数で駆動することができ、又は、表面層１０６の部分３１４Ａが内向きに変形する、より全体的な変形ベースの触覚効果を発生させるように、相対的に低い周波数で作動させることができる。一実施形態では、コントローラー（例えば、コントローラー１２４）は、触覚アクチュエーター３１０Ａ〜３１０Ｈを独立して別個に駆動する（すなわち、それらの正味磁界を活性化する）ように構成することができる。例えば、コントローラーは、駆動させる触覚アクチュエーターのアレイのサブセット(subset)を選択するように構成することができる。一実施形態では、コントローラーは、同時に、又は逐次パターン等、特定のパターンで、触覚アクチュエーター３１０Ａ〜３１０Ｈの幾つか又は全てを常に駆動するように構成することができる。
【００４９】
上述したように、切替装置を用いて、永久電磁石における磁石（例えば、磁石１１２Ａ）の磁極の極性を切り替えることができる。図５は、切替装置が発熱体を含む一実施形態を示す。より具体的には、図５は、永久電磁石４１２を含む触覚アクチュエーター４１０を示す。触覚アクチュエーター４１０は、図２Ａ〜図２Ｃに示す金属ケーシング１１６に取り付けられた永久電磁石４１２を含む。永久電磁石４１２は、半硬磁性材料から作製された磁石１１２Ａを含み、硬磁性材料から作製された磁石１１２Ｂも含む。永久電磁石４１２はさらに、磁石１１２Ａの周囲に巻き付けられたコイル１１５を含み、磁石１１２Ａと接触しているか、さもなければ近接している発熱体４１５（例えば、発熱抵抗体）を含む。コイル１１５及び発熱体４１５は、磁石１１２Ａの磁極の極性を切り替えるように構成された切替装置を構成することができる。例えば、電源４２２から発熱体４１５にＤＣ発熱電流を通して、熱を発生させ、磁石１１２Ａの温度を上昇させることができる。この上昇した温度は、磁石１１２Ａの磁界強度を第１の方向において低下させるのに寄与することができる。ＡＣ電流が電源４２２からコイル１１５に通されるとき、磁石１１２Ａの上昇した温度により、図２Ａ〜図２Ｃの実施形態に比較して、コイル１１５の電流が磁石１１２Ａの磁界を第１の方向とは反対の第２の方向に反転させ、したがって、磁極の極性を反転させることをより容易に行うことができる。
【００５０】
種々の実施形態を上述してきたが、これらの実施形態は、限定としてではなく本発明の単なる説明及び例として提示されていることを理解すべきである。形式及び細部における種々の変更は本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく本発明内で行うことができることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、上述の例示的な実施形態のいずれかによって限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によってのみ規定されるべきである。本明細書において論考された各実施形態、及び本明細書において引用された各引用文献の各特徴は、他の任意の実施形態の特徴と組み合わせて用いることができることも理解されるであろう。本明細書において論考された全ての特許及び刊行物はその全体が、引用することにより本明細書の一部をなす。
【００５１】
本願は、２０１６年１０月４日に出願された米国特許出願第１５／２８５，２３０号の利益を主張し、この出願の開示は引用することによりその全体が本明細書の一部をなす。
【図１Ａ】
2018060540.tif 000003
【図１Ｂ】
2018060540.tif 000004
【図２Ａ】
2018060540.tif 000005
【図２Ｂ】
2018060540.tif 000006
【図２Ｃ】
2018060540.tif 000007
【図３Ａ】
2018060540.tif 000008
【図３Ｂ】
2018060540.tif 000009
【図３Ｃ】
2018060540.tif 000010
【図３Ｄ】
2018060540.tif 000011
【図４Ａ】
2018060540.tif 000012
【図４Ｂ】
2018060540.tif 000013
【図５】
2018060540.tif 000014
【外国語明細書】
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