(57)【要約】      （修正有）【課題】触覚アクチュエータを提供する。【解決手段】触覚アクチュエータ１００は、ベース１０６と、ベースによって少なくとも部分的に懸架された触覚変換器とを備える。触覚変換器は、基板１０２と、基板に動作可能に接続されたスマート材料１０４とを備える。スマート材料は、所定の周波数を有する電気信号に対する共振を有する。共振により触覚変換器が振動して触覚効果がもたらされる。【選択図】図１
2018117512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベースによって少なくとも部分的に懸架される触覚変換器であって、基板と、前記基板によって支持されるスマート材料部品とを含む、触覚変換器と、
を備える触覚アクチュエータであって、
前記スマート材料部品がスマート材料を含み、前記スマート材料が封止されており、
前記触覚変換器が所定の周波数を有する電気信号に対する共振を有し、前記共振が前記触覚変換器を振動させて触覚効果をもたらす、触覚アクチュエータ。
【請求項２】
前記スマート材料が複数の長尺部材を含む、請求項１に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項３】
前記スマート材料が複数のマクロファイバを含む、請求項２に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項４】
前記スマート材料が、圧電材料、電気活性ポリマー、およびそれらの組み合わせから基本的に成る群から選択される、請求項２に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項５】
前記スマート材料が、略６０Ｈｚから略２５０Ｈｚの範囲の周波数を有する電気信号の印加に対して共振する、請求項４に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項６】
前記スマート材料が、略６０Ｖから１００Ｖの範囲の振幅を有する電気信号の印加に対して共振する、請求項４に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項７】
前記ベースが、前記基板の端部に近接して配置されており、前記基板が片持ち梁を形成する、請求項４に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項８】
前記基板が、第１の端部と、第２の端部と、前記第１の端部と前記第２の端部との間に延在する中心部とを有する長尺部材を含み、
前記ベースが前記中心部に近接して配置されている、請求項４に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項９】
前記ベースが第１のベースおよび第２のベースを含み、前記基板が前記第１のベースと前記第２のベースとの間に延在する片持ち梁橋を形成する、請求項４に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項１０】
前記第１のベースおよび前記第２のベースの各々の少なくとも１つがばねを含む、請求項９に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項１１】
前記第１のベースおよび前記第２のベースの少なくとも１つがスマートゲルを含む、請求項９に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項１２】
前記第１のベースおよび前記第２のベースの少なくとも１つが、磁場の存在下で選択的に変化する粘度を有する流体を含む、請求項９に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項１３】
前記流体が、磁気粘性流体、強磁性流体、またはそれらの組み合わせから基本的に成る群から選択される、請求項１２に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項１４】
前記ベースの少なくとも１つがソレノイドを含み、前記ソレノイドが前記長尺部材と角度をなす軸を有する、請求項９に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項１５】
前記基板と動作可能に接続された質量をさらに備える、請求項１に記載の触覚アクチュエータ。
【請求項１６】
触覚アクチュエータを備える装置であって、
筐体と、
前記筐体内に配置されたコントローラと、
前記筐体内に配置され、少なくとも部分的に片持ち支持された触覚アクチュエータであって、前記触覚アクチュエータが前記コントローラと電気的に接続されており、前記触覚アクチュエータが、基板を有する触覚変換器と、前記基板によって支持されるスマート材料部品とを備える、触覚アクチュエータと、
を備え、
前記スマート材料部品がスマート材料を含み、前記スマート材料が封止されており、
前記触覚変換器が、所定の周波数を有する電気信号に対する共振を有し、前記共振により前記触覚変換器が振動して触覚効果をもたらす、装置。
【請求項１７】
前記スマート材料が複数の長尺部材を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記スマート材料が、圧電材料、電気活性ポリマー、およびそれらの組み合わせから基本的に成る群から選択される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記コントローラが、前記スマート材料に電気信号を印加するように構成されており、前記電気信号が略６０Ｈｚから略２５０Ｈｚの範囲の周波数を有する、請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記コントローラが、前記スマート材料に電気信号を印加するように構成されており、前記電気信号が略６０Ｖから１００Ｖの範囲の振幅を有する、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記基板が、第１の端部と、第２の端部と、前記第１の端部と前記第２の端部との間に延在する中心部とを有する長尺部材を含み、
ベースが第１のベースおよび第２のベースを含み、前記基板が前記第１のベースと前記第２のベースとの間に延在する片持ち梁橋を形成する、請求項１６に記載の装置。
【請求項２２】
触覚効果を生成する方法であって、
封止されたスマート材料に電気信号を印加する段階と、
前記電気信号を印加する段階に応じて前記封止されたスマート材料および基板を振動させる段階と、
前記封止されたスマート材料および基板を振動させる段階に応じて触覚効果をもたらす段階と、を含む、方法。
【請求項２３】
前記スマート材料が、圧電材料、電気活性ポリマー、およびそれらの組み合わせから基本的に成る群から選択される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記スマート材料に電気信号を印加する段階が、略６０Ｈｚから略２５０Ｈｚの範囲の周波数を有する電気信号を印加する段階を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記スマート材料に電気信号を印加する段階が、略６０Ｖから略１００Ｖの範囲の振幅を有する電気信号を印加する段階を含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
一般的に、本出願は、触覚アクチュエータに関するものであり、より具体的には、片持ち梁型ビームおよびスマート材料を備える慣性触覚アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多様なポータブル電子機器を含む様々な応用において、リニア共振触覚アクチュエータが使用されている。これらのアクチュエータは一般に圧電ベンダであり、圧電振動子によって形成された層を有する懸架されたビームである。圧電振動子に電圧を印加すると、振動子が振動し、それによりビームが振動して触覚効果をもたらす。この種の触覚アクチュエータは、はっきりとした動作を伝えるが、振動子が典型的にセラミックを含んでおり壊れやすい。落下または何かにぶつかる鋭い衝撃により一般的に変換器が破損し、それにより触覚アクチュエータが作動できなくなり、触覚効果が伝わらなくなる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本願の一態様は、ベースと、前記ベースによって少なくとも部分的に懸架される触覚変換器とを備える触覚アクチュエータである。触覚変換器は、基板と、前記基板によって支持されるスマート材料部品とを含む。スマート材料部品はスマート材料を含み、前記スマート材料は封止されている。触覚変換器は所定の周波数を有する電気信号に対する共振を有し、前記共振が触覚変換器を振動させて触覚効果をもたらす。
【０００４】
別の態様は、触覚アクチュエータを備える装置である。該装置は、筐体と、前記筐体内に配置されたコントローラと、前記筐体内に配置され、少なくとも部分的に片持ち支持された触覚アクチュエータとを備える。触覚アクチュエータは、前記コントローラと電気的に接続されており、基板と、前記基板によって支持されるスマート材料部品とを備える。スマート材料部品はスマート材料を含み、前記スマート材料は封止されている。触覚変換器は、所定の周波数を有する電気信号に対する共振を有する。前記共振により、前記触覚変換器および筐体が振動して触覚効果をもたらす。
【０００５】
別の態様は、触覚効果を生成する方法である。該方法は、封止されたスマート材料に電気信号を印加する段階と、前記電気信号を印加する段階に応じて前記基板を振動させる段階と、前記基板を振動させる段階に応じて触覚効果をもたらす段階と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】触覚アクチュエータの上面等角図である。
【図２】図１に示す触覚アクチュエータの側面図である。
【図３Ａ】図１および２に示す触覚アクチュエータのスマート材料製作物の組立分解等角図である。
【図３Ｂ】ライン３Ｂ−３Ｂにおける図３Ａに示すスマート材料製作物の側面図である。
【図４Ａ】図１および２に示す触覚アクチュエータのスマート材料製作物の代替的実施形態の組立分解等角図である。
【図４Ｂ】ライン４Ｂ−４Ｂにおける図４Ａの示す代替的スマート材料製作物の側面図である。
【図５】図１および２に示す触覚アクチュエータの代替的実施形態の側面図である。
【図６】図１および２に示す触覚アクチュエータの別の代替的実施形態の側面図である。
【図７】図６に示す触覚アクチュエータの代替的実施形態の側面図である。
【図８】図６に示す触覚アクチュエータの別の代替的実施形態の側面図である。
【図９Ａ】図８に示すベースを詳細に図示する。
【図９Ｂ】図８に示すベースを詳細に図示する。
【図１０】触覚アクチュエータが選択的に振動を引き起こす別の構造体の近位に配置された図１および２に示す触覚アクチュエータの側面図である。
【図１１】図１〜８に示す触覚アクチュエータの動作を制御するコントローラの機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
いくつかの図面にわたって類似の部材および組立体には類似の符号が付された図面を参照して多様な実施形態が詳細に説明される。多様な実施形態は添付の特許請求の範囲を限定するものではない。さらに、本明細書に記載されたいかなる例も限定を意図するものではなく、単に添付の特許請求の範囲の多くの可能な実施形態のいくつかを記載するものである。
【０００８】
適当と認められる場合には、単数形で使用される用語は複数もまた含み、その逆もまた当てはまる。本明細書において使用される「１つ」は、特に明記しない限りまたは「１つまたは複数」の使用が明らかに不適当である場合を除いて「１つまたは複数」を意味する。「または」の使用は、特に明記しない限り「および／または」を意味する。「含む」「有する」「備える」の使用は、置替可能であり、限定を意図するものではない。「など」との用語もまた限定を意図するものではない。例えば、「含む」との用語は、「含むが限定されない」ことを意味する。
【０００９】
一般的に、本出願は、片持ち梁型ビームで形成された耐久性および耐衝撃ベンダを備える慣性またはリニア共振触覚アクチュエータに関する。片持ち梁型ビームは、基板およびスマート材料組立体を備え、電気信号、電場または磁場、温度などの外部刺激によって刺激されると曲がり、ユーザに伝えられる触覚効果が生成される。本出願はまた、ビームの共振周波数のより高精度の同調を可能にするために制御された制動を提供する片持ち梁型ビームを懸架するための構造体に関する。
【００１０】
従来の圧電ベンダと比較して、本明細書に記載されたベンダを使用する触覚アクチュエータは、耐衝撃性および耐久性が著しく高い。したがって、触覚アクチュエータにベンダを使用する電子デバイスの製造者は、破損を防ぐためにビームの移動を人工的に制限したり、ビームの動きを弱めたりする必要がない。さらに、製造者は、耐久性または耐衝撃性を高めるために、より厚い、短いまたは幅広い片持ち梁ビームを作製する必要もない。したがって、製造者は、より強く多様な触覚効果をもたらすために、振動したときに著しい加速、屈曲、および変位を生成する触覚アクチュエータを設計および実装することができる。製造者はまた、必要な消費電力が比較的少ない触覚アクチュエータを設計することができる。本明細書に記載された片持ち梁型ビームおよび懸架装置はまた、触覚アクチュエータを所望の共振周波数に同調する際により大きな柔軟性を提供する。
【００１１】
触覚効果は、人に伝えられる任意のタイプの触覚であってよい。いくつかの実施形態では、触覚効果は、触覚対応の物品とユーザの相互作用の合図、通知、フィードバックもしくは確認などの情報または他の通知を具体化する。いくつかの実施形態では、触覚効果は、より複雑なメッセージまたは他の情報を具体化することができる。代替的実施形態では、触覚効果は、摩擦、流れおよびディテントなどの物理特性または効果を模擬することによってデバイスとユーザの相互作用を強化するために使用することができる。
【００１２】
ここで、図１および２を参照すると、リニア共振触覚アクチュエータ１００の模範的実施形態は、基板１０２と、基板１０２の表面に沿って積層されたスマート材料製作物１０４と、基板１０２を支持するベースまたは支持体１０６とを備える。基板１０２およびスマート材料製作物１０４は、ベース１０６によって支持されかつそこから突出したビーム１０８構造を形成する。少なくとも１つの実施形態では、本明細書により詳細に記載されているように、スマート材料製作物１０４は、スマート材料と、電気信号を受信しかつスマート材料に印加される電場を生成する少なくとも一対の電極とを含む。代替的実施形態では、スマート材料製作物１０４は、基板１０２の底面に沿って配置され得るかまたは、触覚アクチュエータが、一方が基板の１つの面に沿って配置され、他方が基板１０２の対向する面に沿って配置された２つのスマート材料製作物を備えることができる。
【００１３】
スマート材料製作物１０４の代替的実施形態は、多様な実施形態を含み得る。ここで図３Ａおよび３Ｂを参照すると、例えば、スマート材料製作物１０４の可能な実施形態は、第１の組の電極１０７ａおよび１０７ｂ、第２の組の電極１０９ａおよび１０９ｂ、ならびに第１の組の電極と第２の組の電極との間に配置されたスマート材料部品１１１を備えるマクロファイバ複合体（ＭＦＣ）である。スマート材料部品１１１は、複数のマクロファイバ１１３１〜１１３ｎまたはその他の種類の細長い部材を含む。少なくともいくつかの実施形態では、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎは互いに平行に並び、同一面上に非刺激または緩和状態にあり、屈曲していない場合に同一面上に位置するように配置されている。マクロファイバ１１３１〜１１３ｎは、電極１０７ａ、１０７ｂおよび１０９ａ、１０９ｂの一端から電極の他端まで実質的に延びる長さを有する。さらに、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎは、それらの長さｌに対する断面を有し、実質的に正方形または長方形である。電場に曝されたときにスマート材料によって生成されるブロッキング力は、式１によって定義される：
Ｆｍａｘ＝（Ｅ＊ＡΔＬ）／ｌ    （１）
式中、Ｆｍａｘはマクロファイバのブロッキング力であり、Ｅ＊はマクロファイバの有効弾性係数であり、Ａはマクロファイバの断面積であり、ΔＬはマクロファイバの変位であり、ｌはマクロファイバの長さである。マクロファイバ１１３１〜１１３ｎの長さおよび断面積を最大化する利点は、所与の電場に曝されたときにマクロファイバのブロッキング力および変位の規模が最大化されることにある。しかしながら、代替的実施形態は、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎの別の構成を有する。例えば、断面は、円形、楕円形であってよく、または長方形でない任意の他の形状であってよい。さらに、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎの長さｌは、電極１０７ａ、１０７ｂおよび１０９ａ、１０９ｂの長さより長くても短くてもよい。さらに、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎの各々は、固体圧電セラミックなどの固体スマート材料または他のスマート材料であり得る。代替的に、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎは、隣接するスマート材料の層の間に位置する電極など、代替的材料の層のスマート材料の層を含み得る。例えば、バイモルフマクロファイバは、圧電セラミックまたはスマート材料の各層の間に電極を備える他のスマート材料の２つの層を含み得る。他の実施形態は、２層より多くのスマート材料の層を含み得る。
【００１４】
１３本のマクロファイバ１１３１〜１１３ｎを有するスマート材料部品が図示されているが、代替的実施形態では、異なる本数のマクロファイバ１１３１〜１１３ｎを有し得る。さらに、本明細書ではマクロファイバが議論されているが、スマート材料は、マイクロファイバまたはナノメートル規模のものなど、代替構造を有し得る。スマート材料の構造の他の例は、複数のロッド、平面パネル、および厚さよりも実質的に幅広いスラットを含む。
【００１５】
マクロファイバ１１３１〜１１３ｎは、エポキシまたは他の材料中に封入１０１され、可撓性を有し、マクロファイバが屈曲可能なマクロファイバ複合体（ＭＦＣ）を形成する。細長いロッドを封入するために使用することができるエポキシの例は、Ｌｏｃｔｉｔｅ（登録商標）ブランドエポキシＥＡ−１２０ＨＰを含む。マクロファイバ１１３１〜１１３ｎを封入するために、低いレベルの制動および高い剛性を有するエポキシおよび材料を含む他のエポキシおよび材料を使用することができる。さらに、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎは、多様な技術によって封入され得る。例えば、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎはエポキシ内に成形され得る。代替的実施形態では、エポキシは、３Ｄ印刷技術を使用して印刷される。さらに別の実施形態では、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎは、ポリイミドフィルムなどの保護基板上に堆積され、マクロファイバの間にエポキシが加えられ、次いで別のポリイミドフィルムなどの別の保護基板がファイバの上に積層される。さらに別の実施形態では、第２の組の電極１０９ａおよび１０９ｂまたは基板１０２に対してマクロファイバ１１３１〜１１３ｎが直接配置され、次いで、基板１０２の表面からマクロファイバ１１３１〜１１３ｎの上まで広がるように、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎの周囲に封止材料が形成される。この実施形態では、基板１０２が封止１０１の一部を形成する。
【００１６】
単一ユニットのスマート材料の代わりに複数のマクロファイバ１１３１〜１１３ｎを提供し、次いでマクロファイバ１１３１〜１１３ｎを封止１０１することによって、触覚アクチュエータ１００に耐久性がもたらされる。例えば、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎが割れた場合、亀裂は１本のマクロファイバ１１３１〜１１３ｎに隔離され、他のマクロファイバ１１３１〜１１３ｎへと広がらず、無損傷かつ完全に使用可能な状態を維持する。さらに、エポキシは、亀裂が入ったマクロファイバ１１３１〜１１３ｎを保持するため、電場に曝されたときに、亀裂が入ったマクロファイバ１１３１〜１１３ｎのブロッキング力が低下したとしても、曲がり、機能し続けることができる。この構造は、セラミック系圧電材料を使用してマクロファイバ１１３１〜１１３ｎを形成し、依然として、セラミック系圧電材料を使用した従来の触覚ベンダと比較して高レベルの耐久性および信頼性を提供することを可能にする。
【００１７】
第１の組の電極の電極１０７ａおよび１０７ｂの各々は、第１のフィルム１１５上に載置され、スマート材料部品１１１の長さに沿って延在する主導線またはトレース１１７ａおよび１１７ｂをそれぞれ有する。複数の電極端子１１９ａおよび１１９ｂはそれぞれ、主導線１１７ａおよび１１７ｂから延び、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎに対して垂直または９０°をなす。第１の組の電極の電極１０７ａおよび１０７ｂは対向しており、電極端子が互いに組み合わせられるように、第１および第２の電極１０７ａおよび１０７ｂからの電極端子１１９ａおよび１１９ｂはそれぞれ交互に配置されかつ対向する電極１０７ｂおよび１０７ａのトレースに向かって延びている。第２の組の電極１０９ａおよび１０９ｂは、第２のフィルム１２１上に載置され、第１および第２の電極１０７ａおよび１０７ｂと実質的に同様であり、それぞれ主導線１２３ａおよび１２３ｂ、ならびに互いに組み合わせられた電極端子１２５ａおよび１２５ｂを有する。少なくともいくつかの実施形態では、第１の組の電極１０７ａおよび１０７ｂの電極端子１１９ａおよび１１９ｂは、第２の組の電極１０９ａおよび１０９ｂの電極端子１２５ａおよび１２５ｂと対向する。
【００１８】
さらに、電極端子１１９ａおよび１１９ｂはマクロファイバ１１３１〜１１３ｎと垂直に図示されているが、電極端子およびマクロファイバは、電極端子１１９ａおよび１１９ｂの間に流れる電場がマクロファイバの長さｌに沿って流れるまたは広がるベクトルを有する限り、互いに９０°以外の角度をなす。
【００１９】
作動中、第１および第２の組の電極１０７ａ，１０７ｂおよび１０９ａ，１０９ｂは、少なくとも２つの可能な組み合わせにおいて付勢され得る。図３Ｂを参照すると、例えば、各組の電極における第１の電極１０７ａおよび１０９ａは、１つの極性を有する電気信号で付勢され得、各組の電極における第２の電極１０７ｂおよび１０９ｂは、第１の信号と１８０°位相が異なるかまたは逆の極性を有する電気信号で付勢され得る。この実施形態では、電場１２７は、負の極性を有する電極対における各電極端子から正の極性を有する電極対における隣接する電極端子への方向に向けられる。触覚駆動信号が発振されると、第１および第２の電極の極性が正と負の間で交互にシフトする。代替的実施形態は、各組の電極における電極１０７ａ，１０７ｂおよび１０９ａ，１０９ｂを、１８０°以外の位相差であるが依然として互いに位相の異なる信号で付勢し得る。例えば、電極１０７ａは正の極性を有し、電極１０ｂは負の極性を有し得る。
【００２０】
図４Ａおよび４Ｂは、スマート材料製作物１０５の代替的実施形態を図示する。この実施形態は、図３Ａおよび３Ｂに示すスマート材料製作物１０５と実質的に同様であり、第１の電極１２９と第２の電極１３１との間に配置されたスマート材料部品１１１を含む。スマート材料部品１１１は、図３Ａおよび３Ｂに示すスマート材料部品と同様であり、封止１０１された複数のマクロファイバ１１３１〜１１３ｎまたは同様の長尺部材を備える。スマート材料部品１１１は、対向する第１の表面１３３および第２の表面１３５を有する。
【００２１】
第１の電極１２９および第２の電極１３１は、スマート材料部品１１１の対向する第１の表面１３３および第２の表面１３５と同一範囲に広がる。模範的実施形態では、第２の電極１３１は、スマート材料部品１１１と基板１０２との間に配置または積層される。代替的実施形態では、基板１２０は、電気伝導性材料で形成され、第２電極として機能する。作動中、第１の電極１２９および第２の電極１３１に触覚駆動信号が印加される。第１の電極１２９にある位相を有する触覚駆動信号が印加され、第２の電極１３１に印加される前に位相が１８０°変位するように触覚駆動信号が反転される。この方法では、第１の電極１２９および第２の電極１３１は、逆の極性を有し得る。触覚駆動信号が発振されると、第１および第２の電極の極性正と負の間で交互にシフトし得る。代替的実施形態は、各組の電極における電極１０７ａ，１０７ｂおよび１０９ａ，１０９ｂを、１８０°以外の位相差であるが依然として互いに位相の異なる信号で付勢し得る。例えば、電極１０７ａは正の極性を有し、電極１０ｂは負の極性を有し得る。
【００２２】
この構成において、第１の電極１２９および第２の電極１３１は、第１の電極１２９と第２の電極１３１との間でマクロファイバの長さｌに垂直な方向にスマート材料部品１１１におけるマクロファイバ１１３１〜１１３ｎを通過する電場１３７を生成する。模範的実施形態では、第１の電極１２９と第２の電極１３１との間でスマート材料部品１１１を通過する電場１３７が実質的に一様となるように触覚駆動信号が第１の電極１２９および第２の電極１３１に印加される。代替的実施形態は、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎの長さに沿った一部がマクロファイバ１１３１〜１１３ｎの長さの別の部分とは異なるブロッキング力を有するように、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎの長さｌに沿って傾斜または変化する振幅を有する電場を電極１２９および１３１が生成するように、第１の電極１２９および第２の電極１３１に触覚駆動信号を印加する。
【００２３】
第１の電極１２９および第２の電極１３１は、長方形でありスマート材料部品１１１の表面と同一範囲に広がるように図示されているが、代替的実施形態は、スマート材料部品１１１の表面とは異なる形状および異なる寸法を有する電極を含み得る。さらに、各電極１２９および１３１は、各々がアクチュエータ駆動信号とは別の信号を受信する別々の部分を有し得る。これらの実施形態では、各電極１２９および１３１の部分は、スマート材料部品１１１の一面上の電極の部分がある極性を有し、スマート材料部品１１１の対向する面上の電極の部分が逆の極性を有するように、触覚アクチュエータコントローラに接続される。別々の電極の部分を備えることにより、マクロファイバ１１３１〜１１３の長さｌに沿って異なる振幅の触覚駆動信号を印加することが可能となり、電場の大きさをマクロファイバ１１３１〜１１３ｎの長さに沿って変化させることが可能となる。
【００２４】
図３Ｂおよび４Ｂを参照すると、スマート材料部品１１１内でマクロファイバ１１３１〜１１３ｎを形成するスマート材料は、電気信号、電場、磁場、または温度などの外部刺激によって刺激されると膨張または収縮する材料である。作動中、本明細書により詳細に記載されるように、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎに電場が印加される。マクロファイバ１１３１〜１１３ｎを形成するスマート材料は、電場の極性または方向に応じて電場に対して膨張または収縮する。マクロファイバ１１３１〜１１３ｎを形成するスマート材料は基板１０２に対して固定されているため、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎは、スマート材料が膨張すると一方向に曲がり、スマート材料が収縮すると逆方向に曲がる。振動波形によって電場が生成されると、電場はスマート材料を繰り返し膨張および収縮させ、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎ、ひいてはビーム１０８が方向の間で前後に曲がり、片持ち梁型ビーム１０８が振動する。代替的に、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎに非交流電場を印加してビーム１０８を曲げかつその位置を保持し、クリック感、仮想ディテント、仮想ボタン、および類似の非振動触覚効果などの触覚効果を提供するために使用され得る。この原理は、本明細書に記載されるようにスマート材料がマクロファイバ１１３１〜１１３ｎへと形成される実施形態、およびスマート材料がマクロファイバ以外の構造体へと形成される代替的実施形態に適用される。
【００２５】
模範的実施形態では、電気信号の電位は、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎを形成しているスマート材料がビーム１０８をビーム１０８の固有または共振周波数でまたはその付近で振動させることができる電場を生成する値を有する。この周波数での振動により、ビーム１０８は機械的共振を受け、ビーム１０８の長さに垂直な方向における最大偏差（非共振周波数でのビーム１０８の振動に対して）を有する。少なくともいくつかの実施形態では、ビーム１０８の偏差の加速度は、略４Ｇから略９Ｇの範囲内であるが、他の実施形態は４Ｇ未満または９Ｇを超える加速度を有し得る。いくつかの実施形態では、ビームは、略１００Ｇまたはそれ未満の範囲の加速度を有し得る。結果として、機械的共振でのビーム１０８の振動の振幅は、ビームが非共振周波数で振動する場合よりも大きい。少なくともいくつかの実施形態では、ビームが振動する共振周波数が略１００Ｈｚから略２００Ｈｚの範囲内であるが、他の実施形態は、１００Ｈｚ未満または２００Ｈｚより高い共振周波数を有し得る。代替的実施形態では、ビーム１０８は非共振周波数で振動する。
【００２６】
さらに、ビーム１０８がより短いとビーム１０８の共振周波数がより高く、ビーム１０８がより長いと共振周波数がより低い。結果として、偏差量を増加させるために、より短いビーム１０８のマクロファイバ１１３１−１１３ｎにはより高い電圧を印加しなければならない。本明細書に記載された様々な実施形態において、ビーム１０８およびベース１０６の物理特性は、ビーム１０８の固有周波数および制動を同調させるように調節され得る。ビームの制動が低いほど、固有周波数は共振周波数に近づき得る。調節することができるビーム１０８の物理特性は、ビームの質量、もしある場合にはビームに追加される補助質量の量、ビームの長さ、幅、厚さ、ビームの長さおよび幅に沿った質量分布を含む。ビームを作製するために使用される材料、およびビーム中の層の数。したがって、物理特性を調節してビーム１０８の共振周波数が低減され得、より短いビーム１０８の使用が可能となる。より短いビーム１０８は必要とする空間がより小さく、より小さな電子デバイスの設計が可能となる。触覚アクチュエータ１００はまた、共振周波数を低減するために同調され得、それによりビーム１０８を曲げ、触覚効果をもたらすために必要な電圧がより低くなる。ビーム１０８もまた、ビーム１０８の長さ以外の物理特性を調節することによって同調され得る。例えば、ビーム１０８の厚さを調節してビーム１０８の共振周波数を変更することができる。別の例では、スマート材料の種類または組成もまたビーム１０８が共振する周波数を変化させ得、スマート材料はビーム１０８を同調するために選択され得る。ビーム１０８の物理特性はまた、共振周波数を増加させるために調節され得る。触覚アクチュエータ１００の共振周波数は、触覚効果をもたらすための性能基準の充足；電子デバイス内のパッケージ要件のためのビーム１０８の長さおよび全体寸法の最適化；触覚アクチュエータ１００の消費電力の最小化または少なくとも設計仕様内への消費電力の適合；および既定予算内への製造コストの適合など、別の理由のために同調され得る。
【００２７】
少なくともいくつかの実施形態では、触覚アクチュエータ１００のビーム１０８は、略３２００Ｎ／ｍまたはそれより低い範囲の剛性を有する。この範囲内の構造体の剛性により、ユーザに感じられるレベルの振動をビーム１０８が有する。代替的実施形態は、略８００Ｎ／ｍまたはそれより高い範囲の剛性を有し得る。別の代替的実施形態は、略５００Ｎ／ｍから略４０００Ｎ／ｍの範囲の剛性を有し、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎに電気刺激が印加されたときに振動するために十分な可撓性を提供し、触覚アクチュエータ１００を含むデバイスが動きかつマクロファイバ１１３１〜１１３ｎに電気刺激が印加されないときに最小の振動を有する。
【００２８】
さらに、ビーム１０８は、慣性質量として機能し、振動するビーム１０８が隣接する構造体（例えば、筐体、タッチ表面）に慣性力を伝えてユーザが感じることができる振幅で振動させることができる質量を有する。隣接する構造体を振動させる慣性力を生成するために必要な質量の量は、用途によって異なり得る。
【００２９】
ユーザに所望の触覚効果をもたらすように触覚アクチュエータ１００の振動を同調するためにビーム１０８の質量を変更することができる。ビーム１０８の質量は、ビーム１０８の寸法を変更する、スマート材料部品１１１を作製するために異なる材料または構造を使用する、基板１０２に異なる材料を使用する、またはビーム１０８に補助慣性質量（図示せず）を加えることによって変更され得る。さらに、ビームの質量分布、およびビーム１０８の長さまたは幅に沿った任意の補助質量の位置を調節することにより触覚アクチュエータ１００をさらに同調することができる。分配される質量がベース１０６から離れるほど、ビームの固有周波数が低下し、ビームの共振周波数が低下する。
【００３０】
本明細書に記載されているように、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎを形成するために使用されるスマート材料は、電場などの外部刺激を機械的動作に変換する材料である。スマート材料に電場を印加すると、スマート材料中の分子が互いに近づいてスマート材料が収縮するかまたは分子が互いに離れてスマート材料が膨張する。スマート材料が収縮すると基板１０２が一方向に曲がり、スマート材料が膨張すると基板１０２が逆方向に曲がる。触覚駆動信号が発振されると、スマート材料を膨張および収縮させる振動信号の振幅および極性によって屈曲量が変化し、ビーム１０８が振動または上下に偏位する。いくつかのスマート材料では、触覚駆動信号の極性によって屈曲方向もまた変化し得る。
【００３１】
基板１０２が電気伝導性を有し、電極として作用する実施形態では、スマート材料製作物１０４はエポキシ、接着剤、または任意のその他の適切な技法を使用して基板１０２の表面に接着または取り付けられる。触覚アクチュエータ１００を作製するための代替的プロセスでは、第２の電極は、パターニング、除去、付加、および半付加プロセスを含む任意の種類のプロセスを使用して基板１０２の表面上に印刷または堆積され得る。その例は、シルクスクリーン印刷、写真製版、ミリング、レーザレジストアブレーション、印刷、ならびに化学堆積およびエッチングを含む。電極が基板上に形成され得、スマート材料部品が電極上に適用される。代替的に、フィルム上に電極を形成してそのフィルムをスマート材料部品１１１に接着する代わりに、第２の電極は、同様の技法を使用してスマート材料部品１１１の下面に適用され得る。薄フィルムを使用して第１の電極をスマート材料部品１１１の上面に適用する代わりに、基板１０２またはスマート材料部品１１１の表面のいずれかに第２の電極を形成および適用するステップに関して本明細書に記載されたプロセスと同様のプロセスを使用して、第１の電極を形成してスマート材料部品１１１に適用することができる。
【００３２】
触覚アクチュエータ１００を作製するためのさらに別の代替的プロセスでは、スマート材料部品は、３Ｄまたはインクジェット印刷技法を使用して基板１０２に作製および適用され得る。印刷技法を使用する場合、封止体およびマクロファイバの両方を印刷によって形成することができる。代替的に、封止体またはマクロファイバのいずれか一方を印刷によって形成し、非印刷技法を使用してスマート材料部品の他方を形成してもよい。いくつかの実施形態では、基板１０２もまた印刷技法を使用して作製され得る。スマート材料製作物１０４および基板１０２は、接着力を高め、ビーム１０８を強化して物理的衝撃耐性を高めるために印刷後アニーリングされ得る。
【００３３】
スマート材料製作物およびスマート材料部品を形成する、およびそれらを基板に取り付けるための他の技法またはプロセスもまた可能であり、基板１０２上への材料の化学堆積、熱硬化、または電着を含む。
【００３４】
様々な実施形態において、スマート材料部品１１１は、基板１０２の全面１１０と同一範囲に及び同範囲を覆うかまたは代替的に、基板１０２の表面１１０の一部のみを覆う。さらに、スマート部品１１１は厚さの範囲を有し得る。例えば、スマート材料部品１１１の厚さは、略０．５ｍｍまたはそれ未満の範囲であり得る。別の例では、スマート材料部品１１１の厚さは、略１ｍｍまたはそれを超える範囲であり得る。さらに別の例では、厚さは、略０．１ｍｍから略２ｍｍの範囲である。これらの範囲内の厚さは、軽量、耐衝撃性、および少なくとも１ｍの高さからの触覚アクチュエータ１００の落下試験に合格する耐久性を備えた非常に薄くかつ耐久性を有する触覚アクチュエータ１００を提供する。
【００３５】
さらに、少なくともいくつかの実施形態では、スマート材料部品１１１は、略３２００Ｎ／ｍまたはそれ未満の弾性率を有し、他の実施形態では、略８００またはそれを超える弾性率を有し得る。他の実施形態では、スマート材料部品１１１は、略５００Ｎ／ｍから４０００Ｎ／ｍの範囲の弾性率を有する。弾性率が低いほど、スマート材料部品１１１を曲げるために必要な力が小さくなる。さらに、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎを形成するために使用されるスマート材料の種類；マクロファイバの封止１０１に使用される材料；基板を形成するために使用される材料；マクロファイバ１１３１〜１１３ｎの寸法；スマート材料部品１１１の寸法；ならびにマクロファイバ１１３１〜１１３ｎおよびマクロファイバ１１３１〜１１３ｎの封止１０１に使用される材料を含む基板およびスマート材料部品１１１の材料の係数など、触覚アクチュエータの物理特性を調節することによって所望の振動および触覚フィードバックをもたらすように、触覚アクチュエータ１００が同調され得る。
【００３６】
異なる種類のスマート材料を使用してマクロファイバ１１３１〜１１３ｎを形成することが可能である。触覚ベンダに有用であり得る圧電材料の例は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）またはジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックを含む。他の例は、三方晶シリカ（ＳｉＯ２）、オルトリン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ４）、またはオルトリン酸ガリウム（ＧａＰＯ４）などの圧電結晶を含み得る。触覚ベンダに適した他の圧電材料もまた使用され得る。
【００３７】
マクロファイバ１１３１〜１１３ｎを形成するために使用され得るスマート材料の別の例は、アクリル、シリコン、天然ゴム、および他のエラストマゴム系のものなどの誘電性エラストマを含む。他の例は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ホモポリマー、ポリ乳酸（ＰＬＡ）およびポリ（ｌ−乳酸）（ＰＬＬＡ）などのコポリマー、ならびにターポリマーなどの電気活性ポリマー（ＥＡＰ）を含む。高い比誘電率および非プラトー応力‐ひずみ曲線を有する他の誘電エラストマもまた使用され得る。さらに、スマート材料は、ベースエラストマを使用し、エラストマの電気及び機械特性の両方を修正するために外添剤と混合することによって形成され得る。これらのポリマーの利点は、セラミックを含まず、従来の圧電振動子よりも耐衝撃性および耐久性が高いことである。さらに、それらは電気信号に対するスマート材料１０４の応答性の制御、スマート材料の密度およびゆえに重量の制御、ならびにスマート材料の耐衝撃性および耐久性の制御を向上させるために、広範囲にわたる物理および電気特性を示すように、配合および処理され得る。配合および処理は、異なる用途および異なる環境での動作に対してこれらの特性を最適化するように調節され得る。これらのスマート材料は、従来のセラミック系圧電振動子よりも低い電圧で作動することができ、高品位の触覚効果を生成することが可能である。
【００３８】
基板１０２は、その形状を維持することができ、かつ単一のベースから片持ち支持されるかまたは２つ以上のベース間で懸架され得る剛性を有する材料で形成される、同様に、基板１０２は、マクロファイバ１１３１〜１１３ｎの屈曲動作で曲がり、その機械共振に達することができる程度に可撓性を有し、それにより周囲の構造体に伝わる慣性力が最大となる。少なくともいくつかの実施形態では、基板１０２は、ＨＤ触覚効果をもたらすために十分な高周波数で振動させることができる程度の可撓性を有する。
【００３９】
例示的実施形態では、基板１０２は、略１ｍｍまたはそれ未満の範囲の厚さを有する。別の例では、基板１０２は、略０．５ｍｍまたはそれを超える厚さを有する。さらに他の例では、基板１０２の厚さは、略０．５ｍｍから略１ｍｍの範囲である。さらに、少なくともいくつかの実施形態では、基板１０２は、略３２００Ｎ／ｍまたはそれ未満の弾性率を有する。他の実施形態は、略８００またはそれを超える範囲の弾性率を有し得る。別の例では、基板１０２は、略５００Ｎ／ｍから略４０００Ｎ／ｍの範囲の弾性率を有する。所望の振動および触覚フィードバックをもたらすように触覚アクチュエータ１００を同調するために基板１０２の寸法、材料、および弾性率が調節され得る。それらはまた、スマート材料製作物１０４の電極に印加する電圧の量を調節してビーム１０８を振動させるように同調され得る。
【００４０】
基板１０２を形成するために使用され得る材料の例は、ポリマー、金属、および複合体を含む。さらに、基板１０２は電気伝導性であり得る。電気伝導性材料が使用される場合、基板１０２は接地され得、基板１０２に印加される電気信号の接地面として作用し得る。基板を形成するために使用され得る材料の例は、鋼；エポキシマトリクスに埋込まれた繊維ガラスまたは炭素繊維などの複合材料；およびポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリカーボネート、アクリロニトリル、ブタジエンスチレン（ＡＢＳ）などのエンジニアリングプラスチックを含む。本明細書に記載された応用に十分な高剛性および低制動値を有する他の材料もまた使用可能である。
【００４１】
代替的実施形態では、スマート材料部品１１１は十分な構造的一体性を有し、触覚アクチュエータ１００はスマート材料製作物１０４を支持する別個の基板を備えない。これらの実施形態では、スマート材料製作物１０４はビーム１０８を形成し、ベース１０６がスマート材料製作物１０４を直接支持する。ビーム１０８が曲がると近接する構造体を振動させる十分な慣性力を生成するために、必要であれば、スマート材料製作物１０４に別個の質量を加えることができる。
【００４２】
ベースまたは支持体１０６は、ビーム１０８の端部に近接して配置される、少なくともいくつかの実施形態では、ベース１０６は、ビーム１０８の片持ち梁部の長さを最大化しつつ耐久性を提供するために、ビーム１０８の端部１１４に可能な限り近接して配置される。
【００４３】
ビーム１０８を支持するベース１０６は、多様な構成を有し得る。例示的実施形態では、ビーム１０８に近接するベース１０６の部分は、ビーム１０８を接続および支持するために十分大きいがビーム１０８の振動に対して最小の制動効果または干渉を有するように十分小さい表面積１１６を有する。代替的実施形態では、ビーム１０８の振動に対してベース１０６が有する制動効果を修正するためにベース１０６とビーム１０８との間の表面積１１６を調節して触覚アクチュエータ１００を同調することができる。
【００４４】
さらに、ベース１０６は、ビーム１０８の全長に沿った屈曲および振動を可能にするために少なくともいくらかの圧縮性を有する。代替的実施形態では、ベース１０６は、実質的に非圧縮性である。様々な実施形態では、ビーム１０８の振動に対してベース１０６が有する制動効果をさらに調節するために、ビーム１０８の圧縮性が調節され得る。
【００４５】
ベース１０６は、多様な構造を有し得る。例えば、ベース１０６は、中空であるかまたはある程度の圧縮性を有する固体材料で形成され得る。代替的実施形態では、ベース１０６は中空でありかつ少なくとも部分的に可撓性を有する材料で形成される。次いで、ベース１０６は、磁気粘性流体（ＭＲＦ）などの強磁性流体で充填される。ＭＲＦの粘度はベース１０６の圧縮性に影響を及ぼし、それはビーム１０８の屈曲の程度およびその共振周波数に影響を及ぼす。強磁性流体は、流体の粘度を調節し、そうしてビーム１０８の屈曲量および共振周波数を調節するために磁場に曝され得る。これらの実施形態では、磁場の強度および強磁性流体の粘度を調節することによって、触覚アクチュエータ１００が同調され得る。
【００４６】
触覚アクチュエータの代替的実施形態が図５に図示される。この実施形態では、触覚アクチュエータ１５４は、図１および２に図示された触覚アクチュエータ１００と実質的に同様である。触覚アクチュエータ１５４は、基板１０２を含むビーム１０８を備える。さらに、ベース１０６を備える。この実施形態では、ベース１０６は、ビーム１０８がベース１０６の対向する側にわたって片持ち支持されるように、ビーム１０８の長さに沿って配置される。第１のスマート材料製作物１０４’は、ベース１０６の一側に沿って基板１０２の表面１１０上にまたは近接して存在する。第２の別のスマート材料製作物１０４’’は、ベース１０６の反対側に沿って基板１０２の表面１１０上にまたは近接して存在する。代替的実施形態では、２つのスマート材料製作物１０４’および１０４’’は、スマート材料製作物１０４と実質的に同様であるが、スマート材料製作物１０４’および１０４’’の構造は互いに異なり得る。
【００４７】
図示された実施形態では、ベース１０６はビーム１０８の中心部に近接して位置している。しかしながら、代替的実施形態では、ベース１０６は中心から外れて位置し、ビーム１０８の長さに沿った任意の位置に配置され得る。この実施形態では、異なる触覚効果を提供し、触覚アクチュエータ１００を同調して所望の触覚効果をもたらすようにベース１０６を配置することができる。
【００４８】
さらに、２つのスマート材料製作物１０４’および１０４’’のマクロファイバは、異なる触覚効果を生成するために、異なる性質、パラメータ、または特性を有する別々の電気信号によって刺激され得る。例えば、２つのスマート材料製作物１０４’および１０４’’に印加される電気信号は、異なる振幅、周波数、期間、波形、および位相を有し得る。
【００４９】
触覚アクチュエータの別の代替的実施形態が図６に図示されている。この実施形態では、触覚アクチュエータ１１８は、図１および２に図示された触覚アクチュエータ１００と実質的に同様である。触覚アクチュエータ１１８は、スマート材料製作物１０４および基板１０２を含むビーム１０８を備える。
【００５０】
触覚アクチュエータは、２つのベース１２０および１２２を備える。一方のベース１２０はビーム１０８の一端１１４に近接し、他方のベース１２２はビーム１０８の対向する他端１２４に近接している。少なくともいくつかの実施形態では、ビーム１０８の片持ち梁部の長さを最大化してビーム１０８の共振周波数を最大化し、かつビーム１０８の振動に対するベース１２０および１２２の制動効果を最小化するために、ベース１２０および１２２は、ビーム１０８の端部１１４および１２４に可能な限り近接して配置される。２つのベース１２０および１２２を有するこの実施形態は、図１、２および５に図示されたように１つのベースを有する場合よりもビーム１０８に制動を提供し得る。
【００５１】
触覚アクチュエータの別の代替的実施形態が図７に図示されている。この実施形態では、触覚アクチュエータ１２６は、図６に図示された触覚アクチュエータ１１８と実質的に同様である。触覚アクチュエータ１２６は、スマート材料１０４と、基板１０２と、ビーム１０８の対向する端部１１４および１２４にそれぞれ近接して配置された２つのベース１２８および１３０と、を有するビーム１０８を備える。この実施形態では、ベース１２８および１３０の一方または両方が、ビーム１０８を支持するばねで形成される。
【００５２】
ばねは固体ベースに対していくつかの利点を有し得る。例えば、アクチュエータ１２６を囲むデバイスが落下するかまたは衝撃を受けた場合に、ばねが衝撃を吸収し、触覚アクチュエータ１２６の耐久性を向上させることができる。さらに、ばねは圧縮性であり、ビーム１０８の偏差および振動を最大化することを可能にする。さらに、ばねの寸法およびばね定数を調節してばねの圧縮性を調節し、触覚アクチュエータ１２６を同調することができる。異なる実施形態は、異なる種類のばねを使用することができる。図７は、板ばねを図示しているが、代替的実施形態は、図示された板ばねに代えて、またはそれに加えて別の種類のばねを備え得る。
【００５３】
触覚アクチュエータの別の代替的実施形態が図８に図示されている。この実施形態では、触覚アクチュエータ１３２は、図６に図示された触覚アクチュエータ１１８と実質的に同様である。触覚アクチュエータ１３２は、スマート材料１０４と、基板１０２と、ビーム１０８の対向する端部１１４および１２４にそれぞれ近接して配置された２つのベース１３９および１４１とを有するビーム１０８を備える。
【００５４】
この実施形態では、ベース１３９および１４１の一方または両方が磁気粘性流体（ＭＲＦ）で充填された油圧シリンダ１３４を含む。図９Ａおよび９Ｂに図示されているように、各油圧シリンダ１３４は、胴部１３８と、胴部１３８内に配置されたピストン１４０とを備える。胴部１３８はＭＲＦ１４２を含む。タイロッド１４４は、胴部１３８の内部空間から延び、ピストン１４０と動作可能に接続された１つの端部１４６と、ビーム１０８に近接しかつ支持する対向する端部１４８とを有する。代替的実施形態は、ＭＲＦ以外の適切な強磁性流体を使用することができる。
【００５５】
電磁コイル１５６を形成するために胴部１３８の周囲に電気伝導体が巻き付けられる。電磁コイル１５６に電流が流れると、胴部１３８の内部およびＭＲＦ１４２を通過する磁場が形成される。
【００５６】
ＭＲＦは、媒体流体中にマクロサイズの磁性粒子１５０が懸濁された流体である。磁性粒子１５０は、磁場を受けることによって選択的に偏極され得る。非磁化状態では、磁性粒子１５０は媒体流体中に不規則に分散されている。油圧シリンダ１３４およびＭＲＦ１４２は、この状態で最大レベルの圧縮性を有し、ビーム１０８の機械振動に対して最小の制動を提供し得る。
【００５７】
ＭＲＦ１４２が磁場にさらされると、ＭＲＦ１４２は磁化状態となり、磁性粒子１５０は磁気双極子モーメントを形成し、偏極される。偏極粒子１５０は、磁場の磁束線の一般的方向において列１５２に配列される。磁性粒子１５０の整列により、ＭＲＦ１４２の粘度が高まるかまたはＭＲＦの圧縮性が低下する。ＭＲＦ１４２の粘度が高いほど、ビーム１０８の機械振動に対する油圧シリンダ１３４の制動効果が高くなる。磁場の強度が増加するにつれて、磁性粒子１５０の双極子モーメントもまた増加し、それにより磁性粒子１５０間の引力が増加する。この引力の増加によりＭＲＦ１４２の粘度がさらに増加し、ビーム１０８の振動に対する油圧シリンダ１３４の制動効果が増加する。磁場の強度が減少するにつれて、磁性粒子１５０の双極子モーメントもまた減少し、それにより磁性粒子１５０間の引力が減少する。この引力の減少によりＭＲＦ１４２の粘度が減少し、ビーム１０８の振動に対する油圧シリンダ１３４の制動効果が減少する。この実施形態では、触覚アクチュエータ１３２は、コイル１５６を伝導する電流の量を調節することによって、所望の触覚効果をもたらすように同調され得る。電流が大きいほどＭＲＦ１４２の粘度が高くなり、電流が低いほどＭＲＦ１４２の粘度が低くなる。
【００５８】
別の代替的実施形態では、ベース１３９および１４１の一方または両方が、図示されているような油圧シリンダの代わりにソレノイドであり得る。ソレノイドは、油圧シリンダと同様に作動する。ソレノイドは、筐体と、筐体の内部容積から突出しかつ基板１０２とかみ合うプランジャとを備える。プランジャは、鉄鋼材料または磁性材料で形成され、プランジャを筐体に押し付けるためにプランジャと筐体との間にばねが連結される。コイルの周囲に電磁コイルが巻き付けられる。電磁コイルが付勢されると、プランジャは筐体から外に基板１０２に向かって押される。電磁コイルを流れる電流が大きいほど、生成される磁場が大きくなり、プランジャが基板を押す力が大きくなり得る。プランジャはベンダ１０８の振動を減少させ、基板１０２に対するプランジャの力が大きいほどプランジャによって提供される制動効果が大きくなる。
【００５９】
本明細書に記載されるベースの様々な実施形態および配置は、封止され得るスマート材料を備える触覚ベンダとともに図示されているが、本明細書に記載されるベースを、封止されないセラミック系圧電材料を使用する従来の触覚ベンダとともに使用することも可能である。
【００６０】
図１０は、図１および２に示される触覚アクチュエータ１００が別の構造体と近接して配置されている実施形態を図示するが、代替的実施形態は、本明細書に記載された任意の触覚アクチュエータの実施形態を含み得る。触覚アクチュエータのビーム１０８が振動すると、触覚アクチュエータ１００に近接する構造体１６０に伝わる慣性力が生成される。この伝えられた慣性力は、近接する構造体１６０を振動させ、触覚効果をもたらす。振動が生じる触覚アクチュエータ１００に近接する構造体１６０は、電子デバイス、タッチパッド、ディスプレイスクリーン、またはユーザと相互作用する任意の他の構造体の筐体などの任意の構造体であってよい。電子デバイスの例は、コンピュータ、タブレット、電子書籍リーダ、スマートフォンなどの電話、ディスプレイスクリーン、ゲーム機およびコントローラ、バーチャルリアリティゴーグル、および他のバーチャルリアリティ装置、ポインティングデバイス、乗り物、自動車構成部品、手術器具ならびに他の医療機器およびモニタ、運動器具、安全装置、ならびに所望の触覚効果がもたらされる任意の他の装置を含む。
【００６１】
図１１を参照すると、本明細書に記載された触覚アクチュエータのためのコントローラ１６２は、バス１６４、プロセッサ１６６、入力／出力（Ｉ／Ｏ）コントローラ１６８およびメモリ１７０を含む。バス１６４は、Ｉ／Ｏコントローラ１６８およびメモリ１７０を含むコントローラ１６２の様々な部品をプロセッサ１６６に連結する。バス１６４は典型的に、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１６４は任意のバスまたはコントローラ１６２内の部品間でのデータの転送に適したバスの組み合わせであってよい。
【００６２】
プロセッサ１６６は、情報を処理するように構成された任意の回路を含んでよく、任意の適切なアナログ又はデジタル回路を含んでよい。プロセッサ１６６はまた、命令を実行するプログラマブル回路を含んでよい。プログラマブル回路の例は、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）、または命令の実行に適した任意の他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１６６は、単一のユニットまたは２つまたはそれ以上のユニットの組み合わせを含んでよく、ユニットは単一のコントローラ内もしくは別々のデバイス内に物理的に配置され得る。
【００６３】
Ｉ／Ｏコントローラ１６８は、コントローラ１６２および周辺機器または外部機器の動作を監視する回路を含む。Ｉ／Ｏコントローラ１６８はまた、コントローラ１６２と周辺機器または外部機器（図示せず）との間のデータフローを管理する。外部機器は、コントローラ１６２および触覚アクチュエータが組み込まれるデバイスの内部またはシステムの外部に配置され得る。Ｉ／Ｏコントローラ１６８がインターフェイス接続され得るその他の周辺機器または外部機器の例は、センサ、外部記憶装置、モニタ、キーボード、マウスまたは押し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、モバイル機器、送受信装置、およびアンテナを含む。
【００６４】
メモリ１７０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、磁気メモリ、光メモリなどの揮発性メモリまたは任意のその他の適切なメモリ技術を含み得る。メモリ１７０は、揮発性および不揮発性メモリの組み合わせもまた含み得る。
【００６５】
メモリ１７０は、触覚効果判定モジュール１７２および触覚効果制御モジュール１７４を含む、プロセッサ１６６によって実行される多数のプログラムモジュールを格納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、呼出し、および１つまたは複数の特定のタスクを実行するその他の命令の集合体である。本明細書には特定のプログラムモジュールが開示されているが、様々な実施形態において、各モジュールに対して説明された様々な命令およびタスクは、単一のプログラムモジュール、モジュールの異なる組み合わせ、本明細書に記載された以外のモジュール、またはコントローラ１６２と通信状態にあ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施され得る。
【００６６】
例示的実施形態では、触覚効果判定モジュール１７２は、触覚効果をもたらす時期を判定する。コントローラ１６２が異なる触覚効果をもたらすようにプログラムされている場合、触覚効果判定モジュール１７２はさらに、どの触覚効果をもたらすかを判定する。もたらす触覚効果を判定するために触覚効果判定モジュール１７２が使用することができる技術の例は、触覚効果を選択するための判定を行うようにプログラムされた規則を含む。例えば、コントローラ１６２は、ＧＰＳの受信機または他の位置追跡装置とインターフェイス接続されてよく、ユーザの位置およびユーザの移動の有無に基づいてもたらされるべき異なる触覚効果を判定し得る。
【００６７】
触覚効果判定モジュール１７２は、触覚アクチュエータ１００へと送る触覚駆動信号を判定すると、当該判定を触覚効果制御モジュール１７４に送信する。触覚効果制御モジュール１７４は、決定された触覚効果に対応する電気的パラメータ、性質、または特徴を得る。触覚効果制御モジュール１７４は、電気的パラメータをＩ／Ｏコントローラ１６８へと伝達し、それらをアクチュエータ駆動回路１７６へと出力する。アクチュエータ駆動回路１７６は、触覚効果制御モジュール１７４によって提供された電気的パラメータを具体化する触覚駆動信号を生成する。アクチュエータ駆動回路１７６は、触覚アクチュエータ１００のスマート材料製作物１０４における電極に触覚駆動信号を印加する。
【００６８】
触覚アクチュエータが図８、９Ａおよび９Ｂに図示されるような同調型ベース１３９および１４１などの同調型ベースを備える場合、所定のまたは所望の制動効果を実現するために、触覚効果制御モジュール１７４は、ベース１３９および１４１における電磁コイル１５６に印加する電流を決定し得る。触覚効果制御モジュール１７４は、これらのベース１３９および１４１における電磁コイル１５６に印加する信号を定義する電気パラメータをＩ／Ｏコントローラ１６８に送り、アクチュエータ駆動回路１７６へと出力する。アクチュエータ駆動回路１７６は、これらのパラメータを有する制動信号を生成し、触覚アクチュエータのベース１３９および１４１におけるコイル１５６に制動信号を印加する。
【００６９】
触覚駆動信号を生成するために使用することができる信号パラメータの例は、事象に関する周波数、振幅、位相、反転、持続期間、波形、動作開始時間、立ち上がり時間、フェード時間、およびラグタイムまたはリードタイムを含む。さらに、触覚駆動信号の信号および波形の例は、直流信号、交流信号、矩形波、正弦波、ステップ信号、三角波、鋸波、およびパルスを含む。さらに、触覚駆動信号は、略６０Ｖから略１００Ｖの範囲内の電圧を有し得る。他の実施形態では、触覚駆動信号は、略２ｋＶまたはそれ未満の範囲の電圧を有し得る。触覚駆動信号の周波数は、略６０Ｈｚから略２５０Ｈｚの範囲内であってよい。他の実施形態では、周波数は、３００Ｈｚまたはそれ未満の範囲であってよい。代替的実施形態では、触覚駆動信号は、これらの範囲外の電圧または周波数を有する。さらに、触覚駆動信号の所望の電圧および周波数は、アクチュエータの構造およびアクチュエータに使用されるスマート材料の種類によって変化し得る。
【００７０】
代替的実施形態は、触覚アクチュエータを通してもたらされる触覚効果または触覚駆動信号を生成するために使用する電気的パラメータを決定する段階を有さない。このような実施形態では、決定された触覚駆動信号を触覚アクチュエータにもたらすために、コントローラ１６２が単にプログラムされるかまたはハードウェアにより実現される。
【００７１】
前述の多様な実施形態は、実例として提供されたものであり、添付の特許請求の範囲を限定するものと解釈すべきではない。本明細書に図示および記載された例示的実施形態および応用に従わないが以下の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱せずになされ得る多様な修正および変更は、当業者に容易に認識されるであろう。
【符号の説明】
【００７２】
１００、１１８、１５４  触覚アクチュエータ
１０１  封止体
１０２  基板
１０４  スマート材料製作物
１０６、１２８、１３０、１３９、１４１  ベース
１０７a、１０７ｂ  第１の組の電極
１０８  ビーム
１０９a、１０９ｂ  第２の組の電極
１１１  スマート材料部品
１１３  マクロファイバ
１１４、１２４  端部
１１５  第１のフィルム
１２０、１２２  ベース
１２１  第２のフィルム
１２７、１３７  電場
１２９  第１の電極
１３１  第２の電極
１６０  構造体
１６２  コントローラ
１６４  バス
１６６  プロセッサ
１６８  Ｉ／Ｏコントローラ
１７０  メモリ
１７２  触覚効果判定モジュール
１７４  触覚効果制御モジュール
１７６  アクチュエータ駆動回路
【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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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
2018117512000001.pdf