(57)【要約】【課題】触覚アクチュエーター及び予荷重デバイスを有する触覚アクチュエーターアセンブリを提供すること。【解決手段】触覚アクチュエーターは、第１の軸に沿った変位を発生させるように構成され、触覚アクチュエーターは圧電アクチュエーターである。予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接し、かつ触覚アクチュエーターに対して第１の軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成される。予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターの互いに反対側の面に配置されている第１の構成要素及び第２の構成要素であって、触覚アクチュエーターに対して第１の軸に沿った圧縮荷重を発生させるために、第１の構成要素及び第２の構成要素を互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている、第１の構成要素及び第２の構成要素を備える。第１の構成要素は永久磁石であり、第２の構成要素は、別の永久磁石、電磁石、又は強磁性材料を含む強磁性構成要素のうちの少なくとも１つである。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の軸に沿った変位を発生させるように構成された触覚アクチュエーターであって、圧電アクチュエーターである、触覚アクチュエーターと、
前記触覚アクチュエーターに隣接し、かつ前記触覚アクチュエーターに対して前記第１の軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成された予荷重デバイスであって、
前記触覚アクチュエーターの互いに反対側の面に配置されている第１の構成要素及び第２の構成要素であって、前記触覚アクチュエーターに対して前記第１の軸に沿った前記圧縮荷重を発生させるために、該第１の構成要素及び該第２の構成要素を互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている、第１の構成要素及び第２の構成要素を備え、
前記第１の構成要素は永久磁石であり、
前記第２の構成要素は、別の永久磁石、電磁石、又は強磁性材料を含む強磁性構成要素のうちの少なくとも１つである、予荷重デバイスと、
を備える、触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項２】
触覚アクチュエーターであって、
平行軸に沿った歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、前記平行軸は該層の平面に対して平行である、圧電材料の層と、
前記平行軸に沿った前記圧電材料の層の前記歪みを、垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、前記垂直軸は前記層の前記平面に対して垂直である、変位変換デバイスと、
を備え、
該触覚アクチュエーターの前記拡張又は前記収縮は、前記垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている、触覚アクチュエーターと、
前記触覚アクチュエーターに隣接し、かつ前記触覚アクチュエーターに対して前記垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成された予荷重デバイスであって、
前記触覚アクチュエーターの互いに反対側の面に配置されている第１の構成要素及び第２の構成要素であって、前記触覚アクチュエーターに対して前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重を発生させるために、該第１の構成要素及び該第２の構成要素を互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている、第１の構成要素及び第２の構成要素を備え、
前記第１の構成要素は永久磁石であり、
前記第２の構成要素は、別の永久磁石、電磁石、又は強磁性材料を含む強磁性構成要素のうちの少なくとも１つである、予荷重デバイスと、
を備える、触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項３】
前記触覚アクチュエーターの前記変位変換デバイスは、前記圧電材料の層の歪みに起因する前記平行軸に沿った該圧電材料の層によって出力される変位を、前記垂直軸に沿った前記触覚アクチュエーターのより大きい変位に変換するように構成された変位増幅デバイスである、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項４】
前記触覚アクチュエーターの前記変位増幅デバイスは、前記平行軸に沿った前記変位を前記垂直軸に沿った前記より大きい変位に変換するように構成されたレバーデバイスを含む、請求項３に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項５】
前記触覚アクチュエーターの前記レバーデバイスは、前記圧電材料の層の反対側の平面それぞれに配置された第１のディスク及び第２のディスクを含み、該第１のディスク及び該第２のディスクの各ディスクは、前記圧電材料の層のそれぞれの平面と円錐台を形成している、請求項４に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項６】
前記予荷重デバイスの前記第２の構成要素は、導電コイルから形成された電磁石である、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項７】
前記導電コイルは、１ｍｍ〜２ｍｍの範囲である厚さを有する、請求項６に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項８】
前記予荷重デバイスの前記永久磁石は第１の永久磁石であり、前記予荷重デバイスの前記第２の構成要素は第２の永久磁石である、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項９】
前記予荷重デバイスの前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石の各永久磁石は、０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲である厚さを有する、請求項８に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１０】
前記永久磁石は、少なくとも１０００ガウスの強度を有する、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１１】
前記予荷重デバイスの前記第２の構成要素は前記強磁性構成要素であり、該強磁性構成要素は金属層である、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１２】
前記予荷重デバイスの前記第１の構成要素及び前記第２の構成要素が発生させる前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重は、２Ｎ〜４Ｎの範囲である、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１３】
前記触覚アクチュエーターは、前記圧電材料の層に取り付けられるか又は該圧電材料の層内に埋め込まれ、かつ前記垂直軸に沿った電圧差を生成するように構成された、少なくとも２つの電極を更に備え、前記圧電材料の層は、前記垂直軸に沿った前記電圧差に応じて前記平行軸に沿って収縮するように構成されている、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１４】
前記少なくとも２つの電極の間の前記電圧差が５０Ｖ〜１００Ｖであるとき、かつ前記予荷重デバイスによって前記圧縮荷重が前記触覚アクチュエーターに加えられるとき、該触覚アクチュエーターは、前記少なくとも２つの電極の間に電圧差がない基準状態と比較して１μｍ〜１５μｍの範囲である、前記垂直軸に沿った変位を出力し、前記触覚アクチュエーターアセンブリは、２Ｎ〜１０Ｎの範囲である、前記垂直軸に沿った力を出力するように構成されている、請求項１３に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１５】
前記少なくとも２つの電極の間の前記電圧差が５０Ｖ〜１００Ｖであるとき、かつ前記予荷重デバイスによって前記圧縮荷重が前記触覚アクチュエーターに加えられるとき、前記触覚アクチュエーターアセンブリは、前記少なくとも２つの電極の間に電圧差がない基準状態と比較して、前記触覚アクチュエーターに対する、前記電圧差に関連する規定された公称変位の２５％〜５０％の範囲である、前記垂直軸に沿った変位を出力し、前記触覚アクチュエーターアセンブリは、前記触覚アクチュエーターに対するかつ前記電圧差に関連する規定された遮断力の５０％〜７５％の範囲である、前記垂直軸に沿った力を出力するように構成されている、請求項１３に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１６】
前記圧電材料の層はポリマーの層である、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１７】
前記予荷重デバイスの前記第１の構成要素又は前記第２の構成要素のうちの少なくとも一方の構成要素は、前記互いに反対側の面のそれぞれの面の中心に対して偏心しており、前記少なくとも一方の構成要素の質量中心と前記それぞれの面の前記中心とが前記垂直軸に沿って整列していない、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１８】
ハウジングと、
電源と、
前記ハウジングの外面で触覚効果を発生させるように構成された触覚アクチュエーターアセンブリであって、
触覚アクチュエーターであって、
平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、前記平行軸は該層の平面に対して平行である、圧電材料の層と、
前記圧電材料の層に取り付けられた又はその中に埋め込まれた少なくとも２つの電極と、
前記平行軸に沿った前記圧電材料の層の前記歪みを、垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、前記垂直軸は前記層の前記平面に対して垂直であり、該触覚アクチュエーターの前記拡張又は前記収縮は、前記垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている、変位変換デバイスと、
を備える触覚アクチュエーターと、
前記触覚アクチュエーターに隣接し、かつ前記触覚アクチュエーターに対して前記垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成された予荷重デバイスであって、
前記触覚アクチュエーターの互いに反対側の面に配置されている第１の構成要素及び第２の構成要素であって、前記触覚アクチュエーターに対して前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重を発生させるために、該第１の構成要素及び該第２の構成要素を互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている、第１の構成要素及び第２の構成要素を備え、
前記第１の構成要素は永久磁石であり、
前記第２の構成要素は、別の永久磁石、電磁石、又は強磁性材料を含む強磁性構成要素のうちの少なくとも１つである、予荷重デバイスと、
を備える触覚アクチュエーターアセンブリと、
前記触覚アクチュエーターの前記少なくとも２つの電極に電力を提供するように前記電源を制御するように構成された制御ユニットと、
を備える、触覚対応デバイス。
【請求項１９】
前記触覚対応デバイスは、前記ハウジングの第１の面を形成するタッチスクリーンデバイスを更に備え、前記ハウジングは、該ハウジングの第２のかつ反対側の面を形成するバックパネルを備え、前記触覚アクチュエーターアセンブリは、前記ハウジングの該第２の面に配置され、その結果、該触覚アクチュエーターアセンブリによって生成される力が前記ハウジングの前記第２の面に対してかけられる、請求項１８に記載の触覚対応デバイス。
【請求項２０】
前記第２の構成要素は電磁石であり、前記制御ユニットは、該電磁石をアクティベート及びディアクティベートするように構成されている、請求項１８に記載の触覚対応デバイス。
【請求項２１】
前記制御ユニットは、
前記触覚アクチュエーターアセンブリの前記触覚アクチュエーターに駆動信号を提供するように前記電源を制御し、
前記予荷重デバイスに、前記触覚アクチュエーターに圧縮荷重を加えさせるために、前記駆動信号が前記触覚アクチュエーターに提供されているとき、前記電磁石をアクティベートし、
前記触覚アクチュエーターに対する前記駆動信号が終了すると、前記電磁石をディアクティベートする、
ように構成されている、請求項１９に記載の触覚対応デバイス。
【請求項２２】
前記駆動信号は、規定された持続時間を有する周期的信号であり、前記電磁石は、前記規定された持続時間中にアクティベートされ、該規定された持続時間が満了するとディアクティベートされる、請求項１９に記載の触覚対応デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲーミング、家電製品、自動車、エンターテイメント及び他の産業に用途がある、磁気予荷重デバイスを備えた触覚アクチュエーターアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハプティクスは、ユーザーに力、振動及び他の動き等の触覚効果を与えることにより、ユーザーの触感覚を利用する触知性及び力フィードバック技術を提供する。モバイルデバイス、タブレットコンピューター及びハンドヘルドゲームコントローラー等のデバイスは、触覚効果を発生させるように構成することができる。触覚効果は、偏心回転質量（ＥＲＭ）アクチュエーター又はリニア共振アクチュエーター（ＬＲＡ）等の触覚アクチュエーターを用いて発生させることができる。触覚効果は、こうしたデバイスの表面又は他の部分において振動を提供する振動触知性触覚効果を含むことができる。
【発明の概要】
【０００３】
本明細書における実施形態の１つの態様は、触覚アクチュエーター及び予荷重デバイスを備える触覚アクチュエーターアセンブリに関する。触覚アクチュエーターは、第１の軸に沿った変位を発生させるように構成され、触覚アクチュエーターは、圧電アクチュエーターである。予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接し、かつ触覚アクチュエーターに対する第１の軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成され、予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターの互いに反対側の面に配置されている第１の構成要素及び第２の構成要素を備え、第１の構成要素及び第２の構成要素は、触覚アクチュエーターに対する第１の軸に沿った圧縮荷重を発生させるために、第１の構成要素及び第２の構成要素を互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている。第１の構成要素は永久磁石であり、第２の構成要素は、別の永久磁石、電磁石、又は強磁性材料を含む強磁性構成要素のうちの少なくとも１つである。
【０００４】
本明細書における実施形態の１つの態様は、触覚アクチュエーター及び予荷重デバイスを備える触覚アクチュエーターアセンブリに関する。触覚アクチュエーターは、平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、平行軸はこの層の平面に対して平行である、圧電材料の層を備え、また、平行軸に沿った圧電材料の層の歪みを、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、垂直軸は層の平面に対して垂直である、変位変換デバイスを備える。触覚アクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている。予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接し、かつ触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成され、触覚アクチュエーターの互いに反対側の面に配置されている第１の構成要素及び第２の構成要素を備え、第１の構成要素及び第２の構成要素は、触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるために、第１の構成要素及び第２の構成要素を互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている。第１の構成要素は永久磁石であり、第２の構成要素は、別の永久磁石、電磁石、又は強磁性材料を含む強磁性構成要素のうちの少なくとも１つである。
【０００５】
本明細書における実施形態の１つの態様は、ハウジングと、電源と、ハウジングの外面で触覚効果を発生させるように構成された触覚アクチュエーターアセンブリとを備える触覚対応デバイスに関し、触覚アクチュエーターアセンブリは、触覚アクチュエーター及び予荷重デバイスを備える。触覚アクチュエーターは、平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、平行軸はこの層の平面に対して平行である、圧電材料の層と、圧電材料の層に取り付けられた又はその中に埋め込まれた少なくとも２つの電極と、平行軸に沿った圧電材料の層の歪みを、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、垂直軸は層の平面に対して垂直である、変位変換デバイスとを備え、触覚アクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている。予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接し、かつ触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成されており、予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターの互いに反対側の面に配置されている第１の構成要素及び第２の構成要素を備え、第１の構成要素及び第２の構成要素は、触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるために、第１の構成要素及び第２の構成要素を互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている。第１の構成要素は永久磁石であり、第２の構成要素は、別の永久磁石、電磁石、又は強磁性材料を含む強磁性構成要素のうちの少なくとも１つである。触覚対応デバイスは、触覚アクチュエーターの少なくとも２つの電極に電力を提供するように電源を制御するように構成された制御ユニットを更に備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の一実施形態による、触覚アクチュエーターアセンブリを有する触覚対応デバイスのブロック図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態による、触覚アクチュエーターアセンブリのブロック図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による、触覚アクチュエーターのブロック図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による、触覚対応デバイスを示す図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による、触覚対応デバイス及び触覚対応デバイスの裏面に配置された触覚アクチュエーターアセンブリを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による、触覚アクチュエーターアセンブリのハウジングのバックパネル内に配置された触覚アクチュエーターアセンブリを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による、タッチスクリーンデバイス、触覚アクチュエーターアセンブリ及び取付部品を備える触覚対応システムのブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態による、タッチスクリーンデバイス、触覚アクチュエーターアセンブリ及び取付部品を備える触覚対応システムを示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による、触覚アクチュエーター及び予荷重デバイスを備えた触覚アクチュエーターアセンブリを示す図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態による、触覚アクチュエーターアセンブリ用の触覚アクチュエーター例を示す図である。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態による、触覚アクチュエーターアセンブリ用の触覚アクチュエーター例を示す図である。
【図８Ｃ】本発明の一実施形態による、触覚アクチュエーターアセンブリ用の触覚アクチュエーター例を示す図である。
【図８Ｄ】本発明の一実施形態による、触覚アクチュエーターアセンブリ用の触覚アクチュエーター例を示す図である。
【図８Ｅ】本発明の一実施形態による、触覚アクチュエーターアセンブリ用の触覚アクチュエーター例を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態による、触覚アクチュエーターアセンブリ用の触覚アクチュエーター例を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態による、触覚アクチュエーター及び予荷重デバイスを備えた触覚アクチュエーターアセンブリを示す図である。
【図１１Ａ】本発明の一実施形態による、２つの永久磁石を備える予荷重デバイスを有する触覚アクチュエーターアセンブリを示す図である。
【図１１Ｂ】本発明の一実施形態による、永久磁石及び電磁石を備える予荷重デバイスを有する触覚アクチュエーターアセンブリを示す図である。
【図１１Ｃ】本発明の一実施形態による、永久磁石及び強磁性構成要素を備える予荷重デバイスを有する触覚アクチュエーターアセンブリを示す図である。
【図１１Ｄ】本発明の一実施形態による、アセンブリの触覚アクチュエーターに対して偏心している予荷重デバイスを有する当該触覚アクチュエーターアセンブリを示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、触覚アクチュエーターによって出力される力と、触覚アクチュエーターによって出力される変位との間の関係例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の上述の特徴、目的、及び利点、並びに他の特徴、目的、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詳細な説明から明らかになるであろう。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。
【０００８】
以下の詳細な説明は、本質的に単に例示のものであり、本発明又は本発明の用途及び使用を限定することを意図するものではない。さらに、前出の技術分野、背景技術、発明の概要又は以下の詳細な説明において提示されるいかなる明示された又は暗示された理論によっても限定する意図はない。
【０００９】
本明細書における実施形態の１つの態様は、触覚アクチュエーターアセンブリ用の磁気予荷重デバイスを提供することに関する。触覚アクチュエーターアセンブリは、変位（例えば、歪み又は他の変形）及び力を出力するように構成されている、圧電アクチュエーター等の触覚アクチュエーターを備えることができる。１つの例では、変位を使用して、第１の変位値と第２の変位値との間で発振することにより、振動触知性触覚効果を発生させることができる。磁気予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに対して、触覚アクチュエーターによって提供される変位を抑制する予荷重を発生させるように構成することができる。この抑制により、触覚アクチュエーターは依然として変位を出力することができるが、磁気予荷重デバイスがない状況と比較して変位の振幅が低減する。場合によっては、変位は、触覚アクチュエーターを特定の軸に沿って拡張させる歪みの形態をとることができ、磁気予荷重デバイスによって発生する予荷重は、その軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張に抵抗する圧縮荷重とすることができる。場合によっては、予荷重は、ユーザーインタラクション、又は、触覚アクチュエーターアセンブリの外部にある作用とは独立した荷重とすることができる。言い換えれば、予荷重は、例えば、触覚アクチュエーターアセンブリ内に組み込まれるか、又は触覚アクチュエーターアセンブリの内部にある荷重とすることができる。予荷重は、触覚アクチュエーターからの変位、触覚アクチュエーターの変位の変化の量、又はそれらの組合せを抑制することができる。
【００１０】
一実施形態では、磁気予荷重デバイスは、同様に触覚アクチュエーターによって出力される力が過度に弱くなるのを防止するために、触覚アクチュエーターからの変位を抑制し、又は他の方法で変位に抵抗することができる。例えば、触覚アクチュエーターは、図１２のもののような力−変位プロファイルを有することができ、そこでは、触覚アクチュエーターは、出力する変位が大きくなるに従い、出力する力が弱くなり、その逆もあり得る。触覚アクチュエーターが駆動信号又は他の刺激によって駆動されるときに、触覚アクチュエーターに予荷重が加えられない場合、触覚アクチュエーターは、場合によっては、触覚アクチュエーターにかつ駆動信号の振幅に関連する、定格変位ｄｒａｔｅｄ（公称変位とも呼ぶ）に等しい変位を出力する可能性がある。例えば、触覚アクチュエーターは、圧電アクチュエーターとすることができる。圧電アクチュエーターは、駆動信号が印加されると、定格変位（例えば、定格歪み）に等しい、特定の軸に沿った歪みを出力する可能性がある。しかしながら、触覚アクチュエーターによって提供される変位の量が定格変位に等しい場合、変位と同時に力はほとんど又は全く発生しない可能性がある。例えば、図１２は、触覚アクチュエーターが、触覚アクチュエーターの定格変位の近くの値で（例えば、発振駆動信号によって駆動されている結果として）発振する変位を出力する状況を示す。触覚アクチュエーターは、予荷重又は外部荷重がないためにこうした変位を出力する可能性がある。発振する変位は、振動触知性触覚効果になる可能性があるが、図１２に示すように、振動触知性触覚効果と同時にはわずかな量の力しか発生しない可能性がある。その結果、振動触知性触覚効果は、非常に弱いものとしてユーザーに知覚される可能性があり、又は、全く知覚されない可能性がある。
【００１１】
図１２は、予荷重が存在するときに触覚アクチュエーターが変位を発生させる別の状況を更に示す。図１２における両方の状況における変位は、同じ信号振幅又は同じ駆動信号によって発生させることができる。一実施形態では、予荷重は、触覚アクチュエーターからの変位を、その定格変位の分数（例えば、１／２、３／４）である値に抑制することができる。一例として、予荷重は、変位が３５μｍ（予荷重が存在しない場合）から１μｍ（予荷重が存在する場合）まで低減するように、触覚アクチュエーターによって出力される変位を抑制することができる。変位を低減させることにより、予荷重は、触覚アクチュエーターによって出力される力の増大をもたらすことができる。その結果、予荷重を含む触覚アクチュエーターアセンブリによって振動触知性触覚効果が発生する場合、予荷重を有していない触覚アクチュエーターによって振動触知性触覚効果が発生する状況と比較して、振動触知性触覚効果と同時に発生する力は、より強力かつより知覚可能とすることができる。
【００１２】
一実施形態では、磁気予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターを保護するために触覚アクチュエーターからの変位を抑制するか又は他の方法で変位に抵抗することができる。例えば、圧電セラミック材料を含む触覚アクチュエーターは、脆性がある可能性があり、したがって、過度の歪み又は他の変位からの亀裂又は他の損傷を受ける可能性がある。こうした場合では、本明細書による磁気予荷重デバイスは、その変位を抑制することにより、触覚アクチュエーターの動きの範囲を抑制することができ、したがって、触覚アクチュエーターが過度の歪みに関連する損傷を受けないように防護することができる。
【００１３】
一実施形態では、磁気予荷重デバイスは、磁力（複数の場合もある）を介して予荷重を発生させる。磁力（複数の場合もある）は、例えば、１つ以上の運動軸に沿った触覚アクチュエーターアセンブリの触覚アクチュエーターの拡張に抵抗する圧縮荷重を発生させることができる。場合によっては、磁力（複数の場合もある）は、触覚アクチュエーターの両側（又は、より全体的には両端部）に配置された一対の永久磁石によって発生させることができ、触覚アクチュエーターは２つの永久磁石の間に挟挿される。永久磁石の間に磁気吸引力を発生させるために、一方の磁石の極（例えば、Ｎ極）が別の磁石の反対の極（例えば、Ｓ極）に面するように、永久磁石を向けることができる。触覚アクチュエーターが２つの永久磁石の間に挟挿されるため、磁気吸引力は、触覚アクチュエーターの拡張に抵抗する圧縮荷重として作用することができる。一実施形態では、永久磁石は、サイズが小型のままでありながら、強力な磁力（複数の場合もある）を発生させることができる場合がある。例えば、永久磁石の各々は、１ミリメートル未満、又はわずかに数ミリメートルである厚さを有することができる。
【００１４】
他の実施形態では、磁力（複数の場合もある）は、永久磁石及び電磁石によって発生させることができる。電磁石は、例えば、導電コイルによって形成することができ、導電コイルは、電流又は他の駆動信号がコイルを流れるときに磁場を発生させるように構成されている。場合によっては、触覚アクチュエーターによって加えられる予荷重の量を変更するために、電磁石の強度を変更することができる。一実施形態では、電磁石は、選択的にアクティベート又はディアクティベートすることができる。電磁石は、触覚アクチュエーターに駆動信号が印加されている間、又はより全体的には、触覚効果が提供されているとき、触覚アクチュエーターに対して予荷重を提供するようにアクティベートすることができる。触覚アクチュエーターに対する駆動信号が終了すると、触覚アクチュエーターは、触覚アクチュエーターの様々な構成要素の慣性に起因して幾分かの残留発振（例えば、残留振動）を依然として受ける可能性がある。電磁石は、残留発振に対する制動効果を提供するようにディアクティベート（非活性化）することができる。制動効果は、残留発振と同時に発生する力及び／又は残留発振の変位若しくは他の動きを減衰させるか又は他の方法で低減させることができる。残留発振と同時に発生する力は、電磁石がディアクティベートされるときに減衰させるか又は他の方法で低減させることができ、その理由は、電磁石をディアクティベートすることにより、触覚アクチュエーターに対する予荷重が除去されるためである。予荷重が除去されると、残留発振は、予荷重が存在する状況と比較して、より高い変位値を有するが、より低い力を有することができる。その結果、予荷重が除去されることにより、残留発振は、ユーザーにより、弱いものとして知覚される可能性があり、又はユーザーには知覚不能である可能性がある。一実施形態では、残留発振の変位又は他の動きは、電磁石がディアクティベートされるときに減衰させるか又は他の方法で低減させることができ、その理由は、導電コイルによって電磁石を形成することができるためである。導電コイルは、残留発振から運動エネルギーを吸収し、この運動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギーハーベスターとして作用することができる。一実施形態では、導電コイルのエネルギーハーベスティング機能は、いかなる制動機能とも無関係にかつ区別して使用することができる。
【００１５】
他の実施形態では、磁気予荷重デバイスのための磁力（複数の場合もある）は、永久磁石と強磁性材料の層等の強磁性構成要素とによって発生させることができる。強磁性材料は、例えば、鉄、コバルト、ニッケル又はそうした材料の合金とすることができる。場合によっては、磁力（複数の場合もある）は、一対の電磁石によって発生させることができる。
【００１６】
一実施形態では、磁気予荷重デバイスを有する触覚アクチュエーターアセンブリは、触覚アクチュエーターアセンブリが外部荷重をほとんど又は全く受けない場所に配置することができる。例えば、触覚アクチュエーターアセンブリは、携帯電話のバックパネルの内面等、携帯電話の裏面に配置することができる。バックパネルは、低質量（例えば、１ｇ未満）を有することができ、触覚アクチュエーターアセンブリに対してかける外部荷重は１Ｎ未満とすることができる。こうした状況では、磁気予荷重デバイスは、アセンブリの触覚アクチュエーターの変位を抑制する予荷重を有利に提供することができる。
【００１７】
図１は、予荷重デバイスを組み込んだ触覚アクチュエーターアセンブリ１２０を備えることができる触覚対応デバイス１００のブロック図を示す。より具体的には、触覚対応デバイス１００は、ハウジング１１０と、触覚アクチュエーターアセンブリ１２０と、制御ユニット１３０と、電源１４０とを備える。一実施形態では、触覚対応デバイス１００は、携帯電話、タブレットコンピューター、ラップトップ、ハンドヘルドゲームコントローラー、ウェアラブルデバイス（例えば、触覚対応電子腕時計、グローブ又はヘッドマウント型デバイス）又は他の任意のユーザーインターフェースデバイス等のユーザーインターフェースデバイスとすることができる。
【００１８】
一実施形態では、電源１４０は、触覚効果を発生させるために触覚アクチュエーターアセンブリ１２０のために電力を提供するように構成されている、バッテリ又は他のエネルギー蓄積デバイスを含むことができる（本明細書では、電力及びエネルギーという用語は同義で使用する）。一実施形態では、制御ユニット１３０は、触覚アクチュエーターアセンブリ１２０のより詳細に後述する触覚アクチュエーターを駆動するように、電源１４０を制御するように構成することができる。例えば、制御ユニット１３０は、触覚アクチュエーターアセンブリ１２０の触覚アクチュエーターに印加される駆動電圧信号又は駆動電流信号を発生させるように電源１４０を制御するように構成することができる。電源１４０は、触覚アクチュエーターアセンブリ１２０の触覚アクチュエーターに対して、５０Ｖ〜１００Ｖの範囲の振幅を有する駆動信号（例えば、６０Ｖ駆動信号）を発生させるように構成することができる。
【００１９】
一実施形態では、制御ユニット１３０は、触覚対応デバイス１００に対する触覚効果の発生を制御するのに専用とすることができ、又は、触覚対応デバイス１００に対する他の動作を制御する汎用制御ユニットとすることができる。一実施形態では、制御ユニット１３０は、１つ以上のマイクロプロセッサ、１つ以上の処理コア、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又は他の任意の処理回路を含むことができる。
【００２０】
図２Ａは、触覚アクチュエーターアセンブリ１２０の一実施形態である触覚アクチュエーターアセンブリ１２０Ａのブロック図を示す。触覚アクチュエーターアセンブリ１２０Ａは、触覚アクチュエーター１２１及び予荷重デバイス１２７を備える。予荷重デバイス１２７については、より詳細に後述する。一実施形態では、予荷重デバイスは、２Ｎ〜４Ｎの範囲である圧縮荷重を発生させるように構成することができる。一実施形態では、触覚アクチュエーター１２１は、特定の軸に沿った変位及び力を出力するように構成される。例えば、触覚アクチュエーター１２１は、圧電アクチュエーター、又は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を含むＥＡＰアクチュエーター等の電気活性ポリマー（ＥＡＰ）アクチュエーター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１２１は、１つ以上の軸に沿って触覚アクチュエーターを拡張又は収縮させる歪み又は他の変形を呈するように構成することができる。
【００２１】
図２Ｂは、触覚アクチュエーター１２１の一実施形態のブロック図を示す。図２Ｂの実施形態では、触覚アクチュエーター１２１は、圧電層１２１ａ（圧電材料の層又は圧電材料のシートとも呼ぶ）と、電極１２１ｂと、変位変換デバイス１２１ｃとを備える。圧電層１２１ａは、電極１２１ｂに接続することができ、電極１２１ｂに駆動信号が印加されると、１つ以上の軸に沿った歪みを出力するように構成することができる。場合によっては、圧電層１２１は、圧電材料の下層の積層体を含むことができ、下層の各々は、電極１２１ｂのうちの２つの電極の間に直接挟挿される。他の場合では、圧電層１２１ａは、こうした下層を１つしか有していない。
【００２２】
一実施形態では、変位変換デバイス１２１ｃは、第１の軸（例えば、ｘ軸）に沿った歪み又は他の変位を、第２の軸（例えば、ｚ軸）に沿った変位に変換するように構成することができる。一実施形態では、第１の軸は平行軸とすることができ、平行軸は、圧電層１２１ａの平面に対して平行である。一実施形態では、第２の軸は垂直軸とすることができ、垂直軸は、圧電層１２１ａの平面に対して垂直である。場合によっては、変位変換デバイス１２１ｃは、第１の軸に沿った変位（例えば、Δｘ）を第２の軸に沿ったより大きい変位（例えば、Δｚ）に増幅するように構成されている変位増幅デバイスとすることができる。
【００２３】
図３Ａ及び図３Ｂは、触覚対応デバイス１００の一実施形態である触覚対応デバイス２００を示す。触覚対応デバイス２００は、例えば、携帯電話又はタブレットコンピューターとすることができる。触覚対応デバイス２００は、少なくともフロントパネル２１２及びバックパネル２１４によって形成されるハウジング２１０を備えることができる。フロントパネル２１２は、ハウジング２１０の正面を形成することができ、静電容量式又は抵抗式タッチセンサを有する、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又は発光ダイオード（ＬＥＤ）等のタッチスクリーンデバイス２１３を組み込むことができる。バックパネル２１４は、ハウジング２１０の裏面を形成することができる。ハウジング２１０の正面は、使用中に概してユーザーに面する側とすることができ、裏面は、ハウジング２１０の正面の反対側に又は対向して配置される。
【００２４】
図３Ｂに示すように、触覚対応デバイス２００は、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０を更に備える。いくつかの実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０は、バックパネル２１４内に、又はバックパネル２１４の内面若しくは外面に配置される。例えば、図４は、バックパネル２１４が空洞２１４ａを有し、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０が、空洞２１４ａ内に配置されていることによりバックパネル２１４内に埋め込まれている一実施形態を示す。触覚アクチュエーターアセンブリ２２０は、例えば、バックパネル２１４の外面２１４ｂに振動触知性触覚効果を発生させるように構成することができる。振動触知性触覚効果は、触覚アクチュエーターアセンブリが、図４の軸２１７に沿った発振変位（発振振動又は発振運動とも呼ぶ）を出力するために、軸２１７に沿って或る特定の周波数で繰り返し拡張し収縮するときに、発生させることができる。より一般的には、振動触知性触覚効果は、触覚アクチュエーターアセンブリが、特定の周波数での値で発振する変位等、時間変化する量の変位を発生させるときに、発生させることができる。触覚アクチュエーターアセンブリ２２０は、変位を出力しているとき、バックパネル２１４の下層２１４ｃを圧迫するか又は引き寄せることができる。下層２１４ｃは、好適なヤング率を有する材料とすることができ、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０により押されるか又は引っ張られる等、アセンブリに作用される結果として、弾性曲げ又は他の弾性変形を受けることができるために十分薄いものとすることができる。言い換えれば、バックパネル２１４の下層２１４ｃは、振動触知性触覚効果を発生させるために、図４において破線によって示すように、バックパネル２１４の残りの部分に対して内向きにかつ外向きに曲がるのを可能にする剛性（stiffness）を有するように構成することができる。
【００２５】
より詳細に後述するように、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０は、軸２１７等の軸に沿った触覚アクチュエーターアセンブリによる拡張を抑制する予荷重デバイスを備えることができる。下層２１４ｃ、又はより全体的にはバックパネル２１４は、単独では、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０の拡張を抑制するために十分な剛性がない可能性がある。例えば、下層２１４ｃによって、又はより全体的にはバックパネル２１４によって触覚アクチュエーターアセンブリ２２０に加えられるいかなる圧縮荷重も、１Ｎ未満である可能性がある。より全体的に言えば、ハウジング２１０によって触覚アクチュエーターアセンブリ２２０に加えられるいかなる圧縮荷重も、１Ｎ未満である可能性がある。場合によっては、ハウジングは、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０に対していかなる圧縮荷重も加えない可能性がある。こうした状況では、予荷重がないことにより、触覚アクチュエーターアセンブリの触覚アクチュエーターから出力される変位の量が過度になる可能性があり、過度の変位により、外面２１４ｂにおける振動触知性触覚効果の力が低減する可能性があり、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０の触覚アクチュエーターに対する損傷のリスクが増大する可能性がある。したがって、本明細書による予荷重デバイスは、こうした応用において、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０の軸２１７に沿った変位、特に、軸２１７に沿ったその触覚アクチュエーターの変位を抑制するために、有利である可能性がある。
【００２６】
一実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０によって出力される変位は、触覚アクチュエーターアセンブリの触覚アクチュエーターによって発生させることができる。例えば、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０の触覚アクチュエーターが、５μｍの変位を出力しているように、軸２１７に沿って５μｍだけ拡張する場合、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０もまた、５μｍの変位を出力しているように、同様に５μｍだけ拡張することができる。したがって、触覚アクチュエーターによる変位の量と触覚アクチュエーターアセンブリ２２０による変位の量とは、同じとすることができ、又は異なるものとすることができる。
【００２７】
一実施形態では、下層２１４ｃに対してかけられる力等、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０によって出力される力は、アセンブリ２２０の触覚アクチュエーターが発生させる力から任意の予荷重の力を引いた力に等しい可能性がある。例えば、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０は、４Ｎの予荷重を発生させることができる。予荷重は、触覚アクチュエーターが約２０Ｎである力を発生させるようにする、又は結果としてそうなるようにする、触覚アクチュエーターに対する圧縮荷重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アセンブリによって出力される力は、約１６Ｎとすることができる。
【００２８】
一実施形態では、図４に示す触覚対応デバイス２００は、バックパネル２１４の内面２１４ｄに配置される剛性部品２１８を更に備えることができる。より具体的には、剛性部品２１８は、内面２１４ｄと接触することができる。剛性部品２１８は、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０から、バックパネル２１４の内面２１４ｄではなく外面２１４ｂに変位を向けることができる。より具体的には、剛性部品２１８は、軸２１７に沿って非圧縮性とすることができ、その結果、触覚アクチュエーターアセンブリ２２０の触覚アクチュエーターが軸２１７に沿って拡張するとき、下層２１４ｃは、その拡張に対して、剛性部品２１８が提供するよりはるかに小さい抵抗を提供する。その結果、アセンブリ２２０の触覚アクチュエーターの拡張の大部分又は全てを、剛性部品２１８を圧縮させるためではなく、下層２１４ｃを曲げるために向けることができる。剛性部品２１８の例としては、金属フレーム、プリント回路基板（ＰＣＢ）基板又は剛性バッテリシェルを挙げることができる。
【００２９】
一実施形態では、本明細書における実施形態の触覚アクチュエーターアセンブリは、図５の触覚対応システム３００等、触覚対応システムの一部とすることができる。一実施形態では、触覚対応システム３００は、ナビゲーション指示を表示することと、エンターテイメントオプションを提供することと、センサーデータを表示することとを含む、様々な車載機能を提供する、中央コンソールシステムとすることができる。一実施形態では、触覚対応システム３００は、タッチスクリーンデバイス３１０と、触覚アクチュエーターアセンブリ３２０と、制御ユニット３３０と、電源３４０と、取付部品３５０とを備える。制御ユニット３３０は、図１の制御ユニット１３０と同様とすることができ、電源３４０は、電源１４０と同様とすることができる。タッチスクリーンデバイス３１０は、例えば、タッチ入力を受け取るように構成された静電容量式又は抵抗式ＬＣＤ又はＬＥＤタッチスクリーンとすることができる。
【００３０】
触覚アクチュエーターアセンブリ１２０又は２２０と同様に、触覚アクチュエーターアセンブリ３２０は、タッチスクリーンデバイス３１０において触覚効果を発生させるために変位及び力を出力するように構成することができる。触覚アクチュエーターアセンブリ３２０は、十分な量の力が変位と同時に発生するように変位を抑制する、予荷重デバイスを備えることができる。タッチスクリーンデバイス３１０は、取付部品３５０に直接又は間接的に接続することができる。一実施形態では、取付部品３５０は、車両の中央コンソールの本体の一部とすることができる。
【００３１】
図６は、触覚対応システム３００の一実施形態である触覚対応システム４００を示す。触覚対応システム４００は、タッチスクリーンデバイス４１０と、触覚アクチュエーターアセンブリ４２０と、取付部品４５０とを備える。一実施形態では、タッチスクリーンデバイス４１０は、１０ｇ未満の質量を有することができる。触覚アクチュエーターアセンブリ４２０は、軸４１７に沿った変位を出力するように構成することができる。その結果、触覚アクチュエーターアセンブリ４２０は、タッチスクリーンデバイス４１０の外面４１０ｂにおいて振動触知性触覚効果を発生させるように、タッチスクリーンデバイス４１０の表面４１０ａに対して押圧し（press）／押しかつ引くことができる。表面４１０ｂは、運転手に面する正面の外面とすることができ、表面４１０ａは、タッチスクリーンデバイス４１０の反対側の面とすることができる。一実施形態では、取付部品４５０は、剛性部品とすることができ、タッチスクリーンデバイス４１０より大幅に大きい質量を有することができ、その結果、触覚アクチュエーターアセンブリ４２０によって出力される変位の大部分又は全てが、取付部品４５０を移動させることではなく、タッチスクリーンデバイス４１０を移動させることに向けられる。一実施形態では、タッチスクリーンデバイス４１０は、触覚アクチュエーターアセンブリ４２０を介して取付部品４５０に接続することができる。一実施形態では、タッチスクリーンデバイス４１０は、タッチスクリーン４１０が軸４１７に沿って移動するのを可能にする懸架装置を介して、取り付け部品４５０に接続することができる。
【００３２】
一実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ４２０は、軸４１７に沿った触覚アクチュエーターアセンブリ４２０の拡張を抑制する予荷重デバイスを備えることができる。図６の実施形態では、タッチスクリーンデバイス４１０の重量Ｗは、単独では、軸４１７に沿った触覚アクチュエーターアセンブリ４２０に対する十分な圧縮荷重を提供するために十分な荷重を提供することができない。図６に示すように、重量Ｗは、（タッチスクリーンデバイス４１０の質量が小さいため）大きさが過度に小さいために不十分である可能性があり、及び／又は、重量Ｗは、軸４１７に対して部分的に又は完全に垂直である方向に作用している。こうした応用では、本明細書による予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターアセンブリの拡張を抑制するために、触覚アクチュエーターアセンブリ４２０内に組み込むことができる。
【００３３】
図７Ａ及び図７Ｂに、触覚アクチュエーターアセンブリ５２０の一実施形態を示す。触覚アクチュエーターアセンブリ５２０は、触覚アクチュエーター５２１と予荷重デバイス５２７とを備える。図７Ｂに示すように、触覚アクチュエーター５２１は、軸５１７に沿って拡張することにより、軸５１７に沿った変位を出力するように構成することができる。触覚アクチュエーター５２１によって出力される変位は、全体として触覚アクチュエーターアセンブリ５２０によって出力される変位となることができる。一実施形態では、軸５１７は、触覚アクチュエーターアセンブリ５２０の厚さ寸法を表すことができ、触覚アクチュエーターアセンブリ５２０によって出力される変位は、例えば、触覚アクチュエーター５２１がアクティベートされていない基準状態と比較した、触覚アクチュエーターアセンブリ５２０の厚さの変化、すなわちΔｔを指すことができる。一実施形態では、触覚アクチュエーター５２１は、圧電アクチュエーターとすることができる。
【００３４】
一実施形態では、予荷重デバイス５２７は、図７Ａ及び図７Ｂにおいて矢印５６０によって表すように、触覚アクチュエーター５２１及び触覚アクチュエーターアセンブリ５２０の軸５１７に沿った拡張に抵抗する、圧縮荷重の形態とすることができる、予荷重を発生させるように構成された、少なくとも第１の構成要素５２７ａ及び第２の構成要素５２７ｂを備える。触覚アクチュエーター５２１は、第１の構成要素５２７ａと第２の構成要素５２７ｂとの間に挟挿されるか又は他の方法で配置される。一実施形態では、第１の構成要素５２７ａ及び第２の構成要素５２７ｂは、接着剤又は他の何らかの取付方法により、触覚アクチュエーター５２１の対向する側に取り付けることができる。一実施形態では、第１の構成要素５２７ａ及び第２の構成要素５２７ｂは、触覚アクチュエーター５２１の対向する側に、固定して取り付けられることなく接触して又は近接して保持することができる。場合によっては、圧縮荷重は、第１の構成要素５２７ａ及び第２の構成要素５２７ｂを互いに引き寄せる単一又は複数の力によって発生させることができる。より詳細に後述するように、予荷重デバイス５２７は、第１の構成要素５２７ａ及び第２の構成要素５２７ｂを互いに引き寄せる磁力（複数の場合もある）を発生させるように構成された磁気予荷重デバイスとすることができる。
【００３５】
図８Ａ〜図８Ｄは、触覚アクチュエーター５２１の一実施形態である触覚アクチュエーター６２１を示す。この実施形態では、触覚アクチュエーター６２１は、圧電材料の層６２１ａを含む圧電アクチュエーターであり、層６２１ａの平面（例えば、６２１ａ−１又は６２１ａ−２）に対して平行である、軸６１８及び／又は軸６１９等の軸に沿って、歪みを発生させるように構成されている。一実施形態では、圧電材料の層６２１ａは、９ｍｍ〜２５ｍｍの範囲である長さＬと、９ｍｍ〜２５ｍｍの範囲である幅Ｗと、０．３ｍｍ〜２ｍｍの範囲である厚さＴ２（図８Ｂを参照）とを有することができる。一実施形態では、図８Ａに示すように、層６２１ａの長さＬ及び幅Ｗはともに、互いに等しいものとすることができる。一実施形態では、圧電材料の層６２１ａは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）又は他の圧電セラミック材料の層である。一実施形態では、圧電材料の層６２１ａはポリマーの層である。一実施形態では、図８Ｂに示すように、触覚アクチュエーター６２１は、１ｍｍ〜４ｍｍの範囲である全体厚さＴ１を有することができる。一実施形態では、触覚アクチュエーター６２１は、ＴＤＫ（登録商標）製のＭｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ  ＰｏｗｅｒＨａｐ（商標）２．５Ｇタイプの触覚アクチュエーター等、ＴＤＫ（登録商標）ＰｏｗｅｒＨａｐ（商標）圧電アクチュエーターのバージョンとすることができる。
【００３６】
図８Ａ〜図８Ｃに示すように、触覚アクチュエーター６２１は、軸６１８又は軸６１９等の軸に沿った歪みを、圧電材料の層６２１ａの平面（例えば、表面６２１ａ−１又は６２１ａ−２）に対して垂直である軸６１７に沿った、触覚アクチュエーター６２１の拡張又は収縮に変換するように構成されている、変位変換デバイス６２１ｂ−１／６２１ｂ−２を更に備える。軸６１８又は６１９は平行軸と呼ぶことができ、軸６１７は垂直軸と呼ぶことができる。一実施形態では、軸６１７に沿って触覚アクチュエーター６２１によって出力される変位は、軸６１７に沿った触覚アクチュエーター６２１の拡張又は収縮から生じることができる。
【００３７】
一実施形態では、変位変換デバイス６２１ｂ−１／６２１ｂ−２は、軸６１８又は軸６１９に沿った歪みによってもたらされる変位、すなわち第１の量の変位を、軸６１７に沿った、より大きい量の変位、すなわち第２の量の変位に変換するように構成された変位増幅デバイスであり、第２の変位は第１の変位より大きい（図８Ｃを参照）。特定の軸に沿って触覚アクチュエーター６２１によって出力される変位は、例えば、触覚アクチュエーター６２１がアクティベートされていない基準状態と比較した、その軸に沿った触覚アクチュエーター６２１の寸法の変化（例えば、長さ、幅又は厚さの変化）を指すことができる。
【００３８】
一実施形態では、変位増幅デバイスは、第１の変位から第２の変位への変換を実施するように構成されているレバーデバイスを備える。例えば、図８Ａ〜図８Ｃの変位変換デバイス６２１ｂ−１／６２１ｂ−２は、圧電材料の層６２１ａの両側又は対向する面に配置された第１のディスク６２１ｂ−１及び第２のディスク６２１ｂ−２を備えるレバーデバイスである。第１のディスク６２１ｂ−１及び第２のディスク６２１ｂ−２の各ディスクは、例えば、円形ベース部分（例えば、６２１ｆ−１）から円形中心部分（例えば、６２１ｇ−１）までテーパ状になって、圧電材料の層６２１ａのそれぞれの平面６２１ａ−１／６２１ａ−２と円錐台を形成する、金属シート（金属層とも呼ぶ）とすることができる。円錐台は、シンバル又は円錐台エンドキャップとも呼ぶことができる。図８Ｂに示すように、円錐台は、傾斜長さＳを備えた傾斜部分を有することができ、傾斜部分は、圧電材料の層６２１ａの平面（例えば、６２１ａ−１）と角度θを形成することができる。場合によっては、角度θは、４５度未満（例えば、１５度）の値を有することができる。傾斜部分は、円錐台に対して高さＨをもたらすことができる。高さＨは、第１のディスク６２１ｂ−１及び／又は第２のディスク６２１ｂ−２の高さと等しいか又は実質的に等しくすることができ、例えば、０．２ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲とすることができる。傾斜部分は、平面６２１ａ−１上に突出していた場合、ベース幅Ｂを更に有することができる。さらに、第１のディスク６２１ｂ−１及び第２のディスク６２１ｂ−２の各ディスクは、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である厚さＴ３（図８Ｂを参照）を有することができる。図８Ａに示すように、ディスク６２１ｂ−１、６２１ｂ−２の各々の円形ベース部分（例えば、６２１ｆ−１）は、９ｍｍ〜１２ｍｍの範囲である寸法ｄ１を有することができ、ディスク６２１ｂ−１、６２１ｂ−２の各々の円形中心部分（例えば、６２１ｇ−１）は、２ｍｍ〜３ｍｍの範囲である寸法ｄ２を有することができる。上述した寸法の値は単に例であり、上に提示した様々な寸法は他の値を有することができる。
【００３９】
一実施形態では、触覚アクチュエーター６２１は、変位変換デバイス６２１ｂ−１／６２１ｂ−２の面を介して他の構成要素と（例えば、予荷重デバイスと）接続する（interface）ことができる。例えば、触覚アクチュエーター６２１は、ディスク６２１ｂ−１の円形中心部分（例えば、６２１ｇ−１）の外面６２１ｈ−１を介して、及び／又はディスク６２１ｂ−２の円形中心部分（例えば、６２１ｇ−１）の外面６２１ｈ−２を介して予荷重デバイスと接続することができる。外面６２１ｈ−１及び外面６２１ｈ−２は、触覚アクチュエーター６２１の反対側の外面（対向する外面とも呼ぶ）を形成することができ、触覚アクチュエーター６２１に対して、それぞれ、第１のインターフェース面及び第２のインターフェース面として作用することができる。こうした実施形態では、予荷重デバイスは、触覚アクチュエーター６２１のそれぞれの反対側の面に配置される第１の構成要素及び第２の構成要素を備えることができる。場合によっては、外面６２１ｈ−１、６２１ｈ−２に対し、それらを予荷重デバイスの第１の構成要素及び第２の構成要素に接着するために、接着剤の層を塗布することができる。
【００４０】
一実施形態では、図８Ｂ及び図８Ｃに示すように、触覚アクチュエーター６２１は、電極６２１ｃ−１及び６２１ｃ−２を更に備える。電極６２１ｃ−１と６２１ｃ−２との間に電圧差がもたらされる場合、圧電材料の層６２１ａは、軸６１８及び／又は軸６１９に沿った歪みを出力することができる。例えば、圧電材料の層６２１ａは、図８Ｃにおいて破線によって示す収縮状態ＣＳまで軸６１９に沿って収縮することができる。一実施形態では、圧電材料の層６２１ａは、軸６１７に沿った幾分かの歪みも受ける可能性があるが、それは、軸６１９に沿った歪みよりはるかに程度が低い。一実施形態では、軸６１９に沿った層６２１ａの歪みは、５μｍ〜５０μｍの範囲とすることができ、軸６１７に沿った層６２１ａの歪みは、０．５μｍ〜２μｍの範囲とすることができる。一実施形態では、層６２１ａは、軸６１８に沿った歪みも発生させる可能性がある。軸６１９に沿った歪み及び軸６１８に沿った歪みは同じものとすることができ、又は異なるものとすることができる。図８Ｃにおける変位変換デバイス６２１ｂ−１／６２１ｂ−２は、軸６１９に沿った歪みを、図８Ｃにおいて破線によって示す拡張状態ＥＳまでの軸６１７に沿った触覚アクチュエーター６２１の拡張に変換することができる。触覚アクチュエーター６２１によって出力される変位は、触覚アクチュエーター６２１の拡張から生じる可能性がある。
【００４１】
図８Ｄは、圧電材料の下層６２１ｐ−１、６２１ｐ−２、６２１ｐ−３、６２１ｐ−４．．．６２１ｐ−ｎの積層体を含む圧電材料の層６２１ａの一実施形態を示す。さらに、電極６２１ｃ−１及び電極６２１ｃ−２は、交互に組み合わされた（inter digitated）又はくし状（comb-line）パターンを形成することができる。このパターンは、２つの電極の間の間隔を低減させることができ、それにより、それらの間により強力な電界が生成されるのを可能にすることができる。より具体的には、電極６２１ｃ−１は、圧電材料の層６２１ａ内に埋め込まれる第１の組の電極層６２１ｄ−１、６２１ｄ−２．．．６２１ｄ−ｎを含むことができる。第１の組の電極層６２１ｄ−１．．．６２１ｄ−ｎの各電極層は、層６２１ａの長さ又は幅を通して実質的に延在することができる。同様に、電極６２１ｃ−２は、圧電材料の層６２１ａ内に同様に埋め込まれる第２の組の電極層６２１ｅ−１、６２１ｅ−２．．．６２１ｅ−ｎを含むことができる。第２の組の電極層６２１ｅ−１、．．．６２１ｅ−ｎの各電極層は、層６２１ａの長さ又は幅を通して実質的に延在することができる。
【００４２】
一実施形態では、複数の下層６２１ｐ−１．．．６２１ｐ−ｎの各下層は、第１の組の電極層６２１ｄ−１．．．６２１ｄ−ｎのうちの１つと第２の組の電極層６２１ｅ−１．．．６２１ｅ−ｎのうちの１つとの間に直接配置することができ、その結果、２つの電極層は、下層に直接隣接する。例えば、下層６２１ｐ−１は、電極層６２１ｄ−１と電極層６２１ｅ−１との間に直接配置され、電極層６２１ｄ−１及び電極層６２１ｅ−１は、下層６２１ｐ−１に直接隣接する。
【００４３】
一実施形態では、第１の組の電極層６２１ｄ−１．．．６２１ｄ−ｎのうちの任意の電極層と、第２の組の電極層６２１ｅ−１．．．６２１ｅ−ｎのうちの対応する又は隣接する電極層との間に電圧差がもたらされる場合、その電圧差は、２つの電極層の間に電界を発生させることができる。電界は、軸６１７に沿って位置合わせすることができる。一実施形態では、軸６１７は、複数の下層６２１ｐ−１．．．６２１ｐ−ｎの各下層の圧電材料の分極方向に対して平行とすることができる。一実施形態では、圧電材料の分極方向は、複数の下層６２１ｐ−１．．．６２１ｐ−ｎの各下層と平行とすることができ、又はより全体的には、層６２１ａと平行とすることができる。例えば、分極方向は、層６２１ａの長さ寸法（dimension）又は幅寸法に対して平行とすることができる。２つの電極層の間の軸６１７に沿った電界により、それらの間の圧電材料の下層が歪みを発生させることができる。歪みは、軸６１７〜６１９のうちの１つ以上に沿うことができる。例えば、図８Ｄは、図において破線によって示すように、軸６１９に沿って収縮し、軸６１７に沿って拡張する下層６２１ｐ−１．．．６２１ｐ−ｎを示す。軸６１９に沿った歪みの量は、圧電材料のｄ３１係数の値に基づくことができ、一方、軸６１７に沿った歪みの量は、圧電材料のｄ３３係数の値に基づくことができる。一実施形態では、軸６１９に沿った歪みの量は、軸６１７に沿った歪みの量より著しく大きくすることができる。
【００４４】
上述したように、変位変換デバイス６２１ｂ−１／６２１ｂ−２は、軸６１９に沿った歪みを軸６１７に沿った変位及び力に変換するように構成することができる。一実施形態では、変位変換デバイス６２１ｂ−１／６２１ｂ−２は、継手（例えば、リビングヒンジ）によって接続される複数のリンク機構を形成し、リンク機構の形状により、軸６１９に沿った歪みを、軸６１７に沿った変位に変換し、場合によっては増幅させることができる。例えば、図８Ｂは、図８Ｂに関して上述した寸法Ｓ、Ｈ及びＢを含む形状を示す。これらの寸法は、直角三角形の寸法に対応することができる。図８Ｂ及び図８Ｃに示すように、軸６１９に沿った歪みがある場合、圧電材料の層６２１ａは、長さ又は幅が収縮状態ＣＳまで低減することができる。その結果、寸法Ｂは低減することができ、それにより、角度θを増大させることができる。θの増大により、ひいては、寸法Ｈが増大することができる。θが変化する際、寸法Ｓは、Ｓ１の値等、同じままとすることができる。この状況では、（Ｓ１に等しい）Ｓ、Ｂ及びＨの寸法が、直角三角形の寸法に対応するため、Ｂの値は、Ｓ１ｃｏｓθとして計算することができ、Ｈの値は、Ｓ１ｓｉｎθとして計算することができる。図８Ｅは、こうした状況に対するＨ及びＢのプロットを示し、図８Ｃの軸６１９に沿った歪みにより、Ｂの変化（すなわち、ΔＢ）及びＨの変化（すなわち、ΔＨ）がもたらされる。量ΔＢは、軸６１９に沿った変位を表すことができ、量ΔＨは、軸６１７に沿った変位を表すことができる。図８Ｂ、図８Ｃ及び図８Ｅに示すように、層６２１ａを収縮状態ＣＳまで収縮させる歪みにより、角度θをθ１からθ２まで増大させることができる。図８Ｅでは、θ１からθ２はともに４５度未満である。こうした実施形態では、θの増大により、ΔＢと比較してΔＨが大きくなる結果となる可能性がある。言い換えれば、図８Ｅは、図８Ｂ及び図８Ｃの形状等の形状により、軸６１９に沿った変位と比較して軸６１７に沿った変位が増幅する結果となる可能性があることを実証している。
【００４５】
図９は、触覚アクチュエーター５２１の一実施形態である触覚アクチュエーター７２１を示す。触覚アクチュエーター６２１と同様に、触覚アクチュエーター７２１は、圧電材料の層７２１ａを含む。触覚アクチュエーター７２１は、層７２１ａの平面７２１ａ−１に対して平行である軸７１９に沿った歪みを、軸７１７に沿った変位に変換するように構成されている、変位変換デバイス７２１ｂを更に備える。軸７１９は、平行軸と呼ぶことができ、軸７１７は、垂直軸と呼ぶことができる。図９に示すように、変位変換デバイス７２１ｂは、各々が、軸７１９に沿った変位を軸７１７に沿ったより大きい量の変位に増幅させるようにレバーとして作用する、一対のリンク機構７２１ｂ−１、７２１ｂ−２を含む枠を形成することができる。一対のリンク機構７２１ｂ−１、７２１ｂ−２は、一対のそれぞれのリビングヒンジ７２１ｃ−１、７２１ｃ−２によって中心部分７２１ｂ−３に接続することができる。枠はまた、同様に、軸７１９に沿った変位を軸７１７に沿ったより大きい量の変位に増幅させるようにレバーとして作用する、一対のリンク機構７２１ｂ−５、７２１ｂ−６も備えることができる。一対のリンク機構７２１ｂ−５、７２１ｂ−６は、別の一対のそれぞれのリビングヒンジ７２１ｃ−３、７２１ｃ−４によって中心部分７２１ｂ−４に接続することができる。中心部分７２１ｂ−３及び７２１ｂ−４は、例えば、触覚アクチュエーター７２１のためのそれぞれのインターフェース面として作用することができ、場合によっては、触覚アクチュエーター７２１のそれぞれの対向する外面として作用することができる。変位変換及び増幅デバイスについては、内容全体が引用することにより本明細書の一部をなす、「Method and Apparatus for Enabling Floating Touch Screen Haptics Assemblies」と題する米国特許第９，８６６，１４９号（ＩＭＭ５３９）においても考察されている。
【００４６】
図１０は、触覚アクチュエーターアセンブリ１２０〜５２０のうちの任意ものの一実施形態である触覚アクチュエーターアセンブリ８２０の部分組立分解図を示す。触覚アクチュエーターアセンブリは、触覚アクチュエーター８２１及び予荷重デバイス８２７を備える。一実施形態では、触覚アクチュエーター８２１は、触覚アクチュエーター６２１と同様とすることができ、層８２１ａの平面８２１ａ−１に対して平行である軸８１９に沿って歪みを発生させるように構成されている圧電材料の層８２１ａを含むことができる。触覚アクチュエーターアセンブリ８２０は、第１のディスク８２１ｂ−１及び第２のディスク８２１ｂ−２を含む変位変換デバイスを更に備える。変位変換デバイス６２１ｂ−１／６２１ｂ−２と同様に、第１のディスク８２１ｂ−１及び第２のディスク８２１ｂ−２の各々は、圧電材料の層８２１ａのそれぞれの面と円錐台（シンバルとも呼ぶ）を形成する金属層とすることができる。一実施形態では、予荷重デバイス８２７は、第１の構成要素８２７ａ及び第２の構成要素８２７ｂを備え、それらは、層８２１ａの平面８２１ａ−１に対して垂直であるか又は実質的に垂直である軸８１７に沿った触覚アクチュエーター８２１の拡張に抵抗し、したがって、軸８１７に沿った触覚アクチュエーターアセンブリ８２０の拡張に抵抗する（軸８１９は平行軸と呼ぶことができ、軸８１７は垂直軸と呼ぶことができる）、圧縮荷重の形態の予荷重を発生させるように構成されている。
【００４７】
一実施形態では、第１の構成要素８２７ａ及び第２の構成要素８２７ｂは、第１の構成要素８２７ａ及び第２の構成要素８２７ｂを互いに引き寄せる磁力を通して予荷重を発生させるように構成することができる。一実施形態では、第１の構成要素８２７ａ及び第２の構成要素８２７ｂは、触覚アクチュエーター８２１に対する圧縮荷重の形態で、２Ｎ〜４Ｎの範囲である予荷重を発生させるように構成することができる。磁力は、２つの永久磁石の間で、永久磁石と強磁性材料との間で、永久磁石と電磁石との間で、又は他の何らかの方法で生成することができる。
【００４８】
図１１Ａは、予荷重、又はより具体的には圧縮荷重が２つの永久磁石によって生成される一実施形態を示す。より具体的には、この図は、触覚アクチュエーターアセンブリ８２０の一実施形態である触覚アクチュエーターアセンブリ９２０を示す。触覚アクチュエーターアセンブリ９２０は、触覚アクチュエーター８２１と同じか又は同様とすることができる触覚アクチュエーター９２１と、予荷重デバイス９２７とを備える。予荷重デバイス９２７は、予荷重デバイス８２７の一実施形態とすることができ、第１の構成要素９２７ａ及び第２の構成要素９２７ｂを備え、第１の構成要素９２７ａ及び第２の構成要素９２７ｂは、圧縮荷重を発生させるために、第１の構成要素９２７ａ及び第２の構成要素９２７ｂを互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている。図１１Ａの実施形態では、第１の構成要素９２７ａ及び第２の構成要素９２７ｂの各々は永久磁石である。一実施形態では、第１の構成要素９２７ａ及び第２の構成要素９２７ｂを構成する永久磁石の各々は、プラスチック基板等の基板に埋め込むことができる。例えば、第１の構成要素９２７ａは基板９２９ａに埋め込むことができ、基板９２９ａはさらに、触覚アクチュエーター９２１と（例えば、触覚アクチュエーター９２１の第１のインターフェース面と）直接接触することができる。第２の構成要素９２７ｂは基板９２９ｂに埋め込むことができ、基板９２９ｂもまた、さらに、触覚アクチュエーター９２１と（例えば、触覚アクチュエーター９２１の第２のインターフェース面と）直接接触することができる。別の実施形態では、基板９２９ａ、９２９ｂを省略することができ、第１の構成要素９２７ａ自体が触覚アクチュエーターと直接接触することができ、第２の構成要素９２７ｂ自体もまた触覚アクチュエーターと直接接触することができる。
【００４９】
一実施形態では、第１の構成要素９２７ａ及び第２の構成要素９２７ｂを形成する永久磁石は、各々、高い磁場強度を有するが、触覚アクチュエーターアセンブリ９２０に対する薄い全体厚さを維持するために、依然として薄型とすることができる。例えば、第１の構成要素９２７ａ及び第２の構成要素９２７ｂを形成する永久磁石は、各々、少なくとも１ミリテスラ（ｍＴ）又は１０００ガウスの強度を有し、１ｍｍ〜２ｍｍの範囲である厚さを有することができる。場合によっては、第１の構成要素９２７ａ及び第２の構成要素９２７ｂの各々は、ネオジム磁石とすることができる。場合によっては、第１の構成要素９２７ａ及び第２の構成要素９２７ｂの各々は、ＡｌＮｉＣｏ磁石とすることができる。第１の構成要素９２７ａ及び第２の構成要素９２７ｂは、同じ形状（例えば、矩形又は円形形状）を有することができ、又は異なる形状を有することができる。場合によっては、第１の構成要素９２７ａ及び第２の構成要素９２７ｂは、各々矩形とすることができ、各々が９ｍｍ〜２５ｍｍの範囲である長さ及び幅を有することができる。
【００５０】
図１１Ａは、触覚アクチュエーター９２１に電力を提供することができる電源９４０を更に示す。電源９４０は、制御ユニット９３０により、触覚アクチュエーターアセンブリ９２０の電極９２１ｃ−１、９２１ｃ−２に電圧信号又は電流信号等の駆動信号を提供するように制御することができる。一実施形態では、制御ユニット９３０は、触覚アクチュエーターアセンブリ９２０に正弦波駆動信号を提供するように電源９４０を制御することができ、それにより、触覚アクチュエーター６２１に、軸９１７に沿った振動等の発振変位を出力させることができ、軸９１７は、触覚アクチュエーター９２１の圧電材料の層９２１ａの平面に対して垂直又は実質的に垂直である。一実施形態では、正弦波駆動信号は、例えば６０Ｖ〜１２０Ｖの範囲であるピークツーピーク振幅と、５０Ｈｚ〜２００Ｈｚの範囲である周波数とを有することができる。予荷重デバイス９２７は、軸９１７に沿った触覚アクチュエーター６２１による拡張又はより全体的には変位に抵抗するように、例えば２Ｎ〜４Ｎの範囲である圧縮荷重を発生させることができる。
【００５１】
図１１Ｂは、予荷重、又はより具体的には圧縮荷重が永久磁石及び電磁石によって生成される一実施形態を示す。より具体的には、この図は、触覚アクチュエーターアセンブリ８２０の一実施形態である触覚アクチュエーターアセンブリ１０２０を示す。触覚アクチュエーターアセンブリ１０２０は、触覚アクチュエーター８２１と同じか又は同様とすることができる触覚アクチュエーター１０２１と、予荷重デバイス１０２７とを備える。予荷重デバイス１０２７は、予荷重デバイス８２７の一実施形態とすることができ、第１の構成要素１０２７ａ及び第２の構成要素１０２７ｂを備え、第１の構成要素１０２７ａ及び第２の構成要素１０２７ｂは、圧縮荷重を発生させるために、第１の構成要素１０２７ａ及び第２の構成要素１０２７ｂを互いに引き寄せる１つ以上の磁力を発生させるように構成されている。図１１Ｂの実施形態では、第１の構成要素１０２７ａは永久磁石であり、第２の構成要素１０２７ｂは電磁石である。より具体的には、第２の構成要素１０２７ｂは、導電コイルとすることができ、導電コイルは、電流が導電コイルを流れるときに電磁石となる。図１１Ａの実施形態と同様に、第１の構成要素１０２７ａ及び第２の構成要素１０２７ｂは、基板１０２９ａ及び１０２９ｂ等のそれぞれの基板に埋め込むことができる。別の実施形態では、基板１０２９ａ、１０２９ｂを省略することができる。
【００５２】
一実施形態では、第１の構成要素１０２７ａは第１の構成要素９２７ａと同様とすることができる。例えば、第１の構成要素１０２７ａは、少なくとも１０００ガウスの強度を有するネオジム磁石とすることができる。一実施形態では、第２の構成要素１０２７ｂは、銅コイル又は他の導電コイルによって形成された電磁石とすることができる。導電コイルは、１０ｍｍ未満（例えば、１ｍｍ〜２ｍｍの範囲）である厚さを有することができる。導電コイルは、円形形状、矩形形状又は他の任意の形状を形成することができる。場合によっては、導電コイルは、リソグラフィプロセスを介して形成することができる。
【００５３】
図１１Ｂは、触覚アクチュエーターアセンブリ１０２０に電力を提供する電源１０４０を更に示す。電源１０４０は、制御ユニット１０３０により、触覚アクチュエーター１０２１の電極１０２１ｃ−１、１０２１ｃ−２に第１の駆動信号を提供し、第２の構成要素１０２７ｂによって形成される電磁石に第２の駆動信号を提供するように制御することができる。一実施形態では、第１の駆動信号は、例えば正弦波駆動信号とすることができ、第２の駆動信号は直流（ＤＣ）信号とすることができる。制御ユニット１０３０は、第２の構成要素１０２７ｂによって形成される電磁石によって発生する磁場の強度を制御するために、ＤＣ信号の振幅を制御するように構成することができる。一実施形態では、制御ユニット１０３０は、ＤＣ信号のいかなる振幅により第２の構成要素１０２７ｂの電磁石が、第１の構成要素１０２７ａの永久磁石によって発生する磁場と同じ強度を有する磁場を発生させるかを確定するように構成することができる。
【００５４】
一実施形態では、制御ユニット１０３０は、第２の構成要素１０２７ｂの電磁石をアクティベートしかつディアクティベートするように構成することができる。電磁石は、第２の構成要素１０２７ｂを形成する導電コイルに電力（例えば、電流）を提供することによってアクティベートすることができ、導電コイルへの電力を停止することによりディアクティベートすることができる。
【００５５】
一実施形態では、制御ユニット１０３０は、触覚アクチュエーター１０２１のいかなる残留発振（残留振動とも呼ぶ）も減衰させる制動機能を達成するために、第２の構成要素１０２７ｂによって形成される電磁石をディアクティベートすることができる。例えば、電極１０２１ｃ−１、１０２１ｃ−２への駆動信号が終了した後、触覚アクチュエーター１０２１は、触覚アクチュエーター１０２１の変位変換デバイスの構成要素の慣性等、触覚アクチュエーター１０２１の様々な構成要素の慣性に起因して、軸１０１７（例えば、触覚アクチュエーター１０２１の圧電材料の層１０２１ａの平面に対して垂直な軸）に沿って発振し続ける可能性がある。残留発振は最終的には摩擦によって放散させることができるが、駆動信号が明確かつ短い触覚効果を生成するように意図されている場合、こうした放散に頼ることは依然として望ましくない場合がある。
【００５６】
一実施形態では、第２の構成要素１０２７ｂによって形成される電磁石をディアクティベートすることは、残留発振に関連する力を低減させることにより、及び／又は残留発振から運動エネルギーを吸収することにより、残留発振を抑制することができる。より具体的には、図１１Ｂにおける電磁石がディアクティベートされると、第１の構成要素１０２７ａと第２の構成要素１０２７ｂとの間の引力が終了することができる。その結果、触覚アクチュエーター１０２１に対する予荷重がなくなる。予荷重がないことにより、残留発振と同時に発生するいかなる力も、全体として又は一部には（予荷重が存在した場合と比較して）より大きい変位に変換することができる。したがって、残留発振と同時に発生する力は低減することができる。したがって、ユーザーの残留発振の知覚も同様に低減するか又は消滅することができ、それにより、残留発振より先に発生した対応する触覚効果をより短くかつより明確に感知することができる。さらに、残留発振は、力が低減するため、より迅速に放散させるか又は他の方法で停止させることもできる。
【００５７】
さらに、第２の構成要素１０２７ｂが、電磁石を形成する導電コイルである場合、電磁石がディアクティベートされると、導電コイルは、残留発振の運動エネルギーを吸収し、それを電気エネルギーに変換する、発電機のように挙動することができる。より具体的には、軸１０１７に沿った触覚アクチュエーター１０２１の残留発振により、第１の構成要素１０２７ａの永久磁石は、第２の構成要素１０２７ｂの導電コイルに向かって移動することと、導電コイルから離れる方向に移動することとの間で発振することができ、それにより、導電コイルを通る磁束を変化させることができる。導電コイルは、変化する磁束から電気エネルギーを発生させ、したがって、残留発振の運動エネルギーを有効に吸収することができる。言い換えれば、変化する磁束により、導電コイルが電流を発生させることができ、それにより、第１の構成要素１０２７ａの永久磁石の動作に抵抗し、かつ残留発振に抵抗する磁場を発生させることができる。
【００５８】
一実施形態では、制御ユニット１０３０は、電極１０２１ｃ−１、１０２１ｃ−２への駆動信号が停止するか又は他の方法で終了するのと同時に、第２の構成要素１０２７ｂによって形成される電磁石をディアクティベートすることができる。例えば、駆動信号は、記憶デバイスから取り出すことができ、規定された持続時間を有することができる。こうした例では、電磁石は、駆動信号の規定された持続時間が満了すると同時に、ディアクティベートすることができる。より具体的な例では、制御ユニット１０３０は、触覚アクチュエーター１０２１への駆動信号が終了すると同時に、第２の構成要素１０２７ｂの導電コイルへのＤＣ信号又は他の駆動信号を停止させることができる。一実施形態では、制御ユニット１０３０は、触覚アクチュエーター１０２１への駆動信号が終了するわずか前に又はわずか後に、第２の構成要素１０２７ｂによって形成される電磁石をディアクティベートすることができる。
【００５９】
一実施形態では、第２の構成要素１０２７ｂの導電コイルを使用して、いかなる制動機能とも無関係にエネルギーを収集することができる。より具体的には、導電コイルを使用して、触覚アクチュエーター１０２１及びより全体的には触覚アクチュエーターアセンブリ１０２０が触覚効果を発生させるように使用されていないときにエネルギーを収集することができる。エネルギーは、ユーザーからの外力等、触覚アクチュエーターアセンブリ１０２０が受ける外力から、又はより一般的には、触覚アクチュエーターアセンブリ１０２０の外部環境から、収集することができる。例えば、触覚アクチュエーターアセンブリ１０２０は、ユーザーが歩行している際にユーザーによって携行されている触覚対応デバイス（例えば、デバイス１００）に組み込むことができる。触覚対応デバイスは、例えば、ユーザーが自身の手を前後に振る際にユーザーの手に所持することができる。ユーザーの振る動きは、触覚アクチュエーターアセンブリ１０２０に対し、その構成要素を動かす力をかけることができる。例えば、ユーザーの振る動きからの外力は、触覚アクチュエーター１０２１に対し、かつ予荷重デバイスの第１の構成要素１０２７ａ及び第２の構成要素１０２７ｂに対し、応力をかけることができ、それにより、軸１０１７に沿ったそれらの構成要素の伸張又は収縮をもたらすことができる。その結果、第１の構成要素１０２７ａの永久磁石は、第２の構成要素１０２７ｂの導電コイルに向かって移動することと、導電コイルから離れるように移動することとを、交互に行うことができる。永久磁石と導電コイルとの間のこの相対運動により、導電コイルを通る磁束を変化させることができ、それにより、導電コイルによって電流が発生する。したがって、第２の構成要素１０２７ｂを形成する導電コイルを使用して、触覚アクチュエーターアセンブリ１０２０によって受け取られる外力からエネルギーを収集することができる。一実施形態では、電源１０４０は、導電コイルによって収集されるエネルギーを蓄積するように構成されているバッテリ又は他のエネルギー蓄積デバイスを含むことができる。例えば、電源１０４０のエネルギー蓄積デバイスに蓄積される電荷の量を増大させるように、第２の構成要素１０２７ｂの導電コイルによって発生する電流を整流し使用することができる。
【００６０】
図１１Ｃは、予荷重、又はより具体的には圧縮荷重が、永久磁石と強磁性材料の層等の強磁性構成要素とによって生成される一実施形態を示す。より具体的には、この図は、触覚アクチュエーターアセンブリ８２０の一実施形態である触覚アクチュエーターアセンブリ１１２０を示す。触覚アクチュエーターアセンブリ１１２０は、触覚アクチュエーター８２１と同じか又は同様とすることができる触覚アクチュエーター１１２１と、予荷重デバイス１１２７とを備える。触覚アクチュエーター１１２１は、制御ユニット１１３０によって駆動信号を発生させるように制御することができる電源１０４０によって駆動することができる。予荷重デバイス１１２７は、予荷重デバイス８２７の一実施形態とすることができ、第１の構成要素１１２７ａ及び第２の構成要素１１２７ｂを備え、第１の構成要素１１２７ａ及び第２の構成要素１１２７ｂは、圧縮荷重を発生させるために、第１の構成要素１１２７ａ及び第２の構成要素１１２７ｂを互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている。図１１Ｃの実施形態では、第１の構成要素１１２７ａはネオジム磁石等、永久磁石であり、第２の構成要素１１２７ｂは強磁性材料の層である。一実施形態では、第２の構成要素１１２７ｂを形成する強磁性材料は、鉄、ニッケル、コバルト又はそれらの材料のうちの１つ以上を含む合金とすることができる。一実施形態では、第２の構成要素１１２７ｂを形成する強磁性材料の層は、円形形状、矩形形状又は他の任意の形状を有することができる。一実施形態では、第２の構成要素１１２７ｂを形成する強磁性材料の層は、１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲である厚さを有することができる。さらに、図１１Ｃは、第１の構成要素１１２７ａ及び第２の構成要素１１２７ｂがプラスチック基板等の別の基板内に埋め込まれていない一実施形態を示す。別の実施形態では、第１の構成要素１１２７ａ及び第２の構成要素１１２７ｂは、プラスチック基板に含めることができる。
【００６１】
一実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ９２０／１０２０／１１２０の、図１１ＣにおけるＴ４等、全体厚さは、２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲とすることができ、触覚アクチュエーターアセンブリの厚さは、少なくとも、予荷重デバイスの第１の構成要素９２９ａ／１０２９ａ／１１２９ａの厚さと、予荷重デバイスの第１の構成要素９２９ａ／１０２９ａ／１１２９ａから第２の構成要素９２９ｂ／１０２９ｂ／１１２９ｂまでの距離と、第２の構成要素９２９ｂ／１０２９ｂ／１１２９ｂの厚さとを含む。
【００６２】
一実施形態では、例えば５０Ｖ〜１００Ｖの電圧差が触覚アクチュエーター９２１／１０２１／１１２１の２つの電極に印加されるとき、かつ、圧縮荷重又は他の予荷重が、予荷重デバイス９２７／１０２７／１１２７によって触覚アクチュエーター９２１／１０２１／１１２１に加えられるとき、触覚アクチュエーター９２１／１０２１／１１２１は、１μｍ〜１５μｍの範囲である（触覚アクチュエーター９２１／１０２１／１１２１にいかなる電圧差も印加されていない基準状態に対する）変位を出力し、触覚アクチュエーターアセンブリ９２０／１０２０／１１２０は、軸９１７／１０１７／１１１７に沿った、２Ｎ〜１０Ｎの範囲である力を出力するように構成される。
【００６３】
一実施形態では、触覚アクチュエーター９２１／１０２１／１１２１に印加されている電圧差が、例えば５０Ｖ〜１００Ｖであるとき、かつ、圧縮荷重が、予荷重デバイス９２７／１０２７／１１２７によって触覚アクチュエーター９２１／１０２１／１１２１に加えられるとき、触覚アクチュエーターは、触覚アクチュエーター９２１／１０２１／１１２１に対する規定された公称変位の２５％〜５０％の範囲である（基準状態に対する）変位を出力し、公称変位は、電圧差に対して特定（specific）とすることができる。さらにこの例では、触覚アクチュエーターアセンブリ９２０／１０２０／１１２０は、軸９１７／１０１７／１１１７に沿って、触覚アクチュエーター９２１／１０２１／１１２１に対して規定された阻止力（blocking force）の５０％〜７５％の範囲である力を出力するように構成することができ、阻止力もまた、電圧差に対して特定とすることができる。
【００６４】
一実施形態では、制御ユニット１３０／９３０／１０３０／１１３０は、それぞれの触覚アクチュエーター１２１／９２１／１０２１／１１２１の共振周波数である、触覚アクチュエーター１２１／９２１／１０２１／１１２１に対する駆動信号を発生させるように構成することができる。一実施形態では、駆動信号は、予荷重が存在しても、触覚アクチュエーターに損傷を与える過度の力又は変位を発生させるのを更に回避するために、規定閾値未満である振幅（例えば、ピークツーピーク振幅）を有することができる。
【００６５】
一実施形態では、制御ユニット１３０／３３０／９３０／１０３０／１１３０は、少なくとも、触覚アクチュエーター１２１／９２１／１０２１／１１２１の共振周波数である第１の周波数と、触覚アクチュエーター１２１／９２１／１０２１／１１２１の共振周波数ではない第２の周波数とを含む周波数成分を有する駆動信号を発生させるように構成することができる。言い換えれば、駆動信号は、第１の周波数を有する第１の成分と、第２の周波数を有する第２の成分とを含むことができる。場合によっては、駆動信号の周波数は第１の成分及び第２の成分のみとすることができる。制御ユニット１３０／９３０／１０３０／１１３０は、駆動信号の第１の成分が、規定閾値未満の第１の振幅を有するようにすることができ（第１の成分は共振周波数を有するため）、第２の成分が、第１の振幅より高くかつ規定閾値を上回る第２の振幅を有するようにすることができる。
【００６６】
一実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリは、アセンブリの触覚アクチュエーターに対して偏心している予荷重デバイスを備えることができる。こうした実施形態では、触覚アクチュエーターは、外向きに拡張すること等により変位を発生させるとき、予荷重デバイスに対してトルクを加えることができる。トルクにより、触覚アクチュエーターに対して予荷重デバイスを回転させることができ、予荷重デバイスは揺動を示すことができる。例えば、図１１Ｄは、触覚アクチュエーター１２２１及び予荷重デバイス１２２７を備える触覚アクチュエーターアセンブリ１２２０を示す。触覚アクチュエーター１２２１は、圧電材料の層１２２１ａを含むことができ、垂直軸１２１７に沿った変位を出力するように構成することができ、垂直軸１２１７は、層１２２１ａの平面１２２１ａ−１に対して垂直である。予荷重デバイス１２２７は、第１の構成要素１２２７ａ及び第２の構成要素１２２７ｂを備えることができ、第１の構成要素１２２７ａ及び第２の構成要素１２２７ｂは、第１の構成要素１２２７ａ及び第２の構成要素１２２７ｂを互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている。例えば、第１の構成要素１２２７ａ及び第２の構成要素１２２７ｂの両方を永久磁石とすることができる。第１の構成要素１２２７ａ及び第２の構成要素１２２７ｂは、触覚アクチュエーター１２２１のそれぞれ第１の外面１２２１ｈ−１及び第２の外面１２２１ｈ−２に配置することができる（第１の外面１２２１ｈ−１及び第２の外面１２２１ｈ−２は、触覚アクチュエーター１２２１の互いに反対側の面とすることができる）。場合によっては、第１の構成要素１２２７ａ及び第２の構成要素１２２７ｂは、それぞれ第１の外面１２２１ｈ−１及び第２の外面１２２１ｈ−２と直接接触し、それらに接着することができる。一実施形態では、第１の構成要素１２２７ａは、例えば、触覚対応デバイスのバックパネルに接触するか又は他の方法で隣接することができ、第２の構成要素１２２７ｂは、バックパネルより剛性が高い及び／又はより大きい質量を有する取付部品１２５０に取り付けることができる。こうした実施形態では、取付部品１２５０は、触覚アクチュエーター１２２１からかつアセンブリ１２２０からの変位を、取付部品１２５０を動かすためではなくバックパネルを動かすために向けることができる。
【００６７】
図１１Ｄに示すように、第１の構成要素１２２７ａは、触覚アクチュエーター１２２１の第１の外面１２２１ｈ−１に対して偏心しているものとすることができる。より具体的には、第１の構成要素１２２７ａは、第１の構成要素１２２７ａの質量中心１２２７ａ−１が第１の外面１２２１ｈ−１の中心１２２１ｉ−１からずれている位置に取り付けることができる。言い換えれば、質量中心１２２７ａ−１と第１の外面１２２１ｈ−１の中心１２２７ｉ−１とは、垂直軸１２１７に沿って整列していない。こうした場合、触覚アクチュエーター１２２１は、垂直軸１２１７に沿って拡張するか又は他の方法で垂直軸１２１７に沿った変位を発生させるとき、第１の構成要素１２２７ａに対して、第１の構成要素１２２７ａの質量中心１２２７ａ−１に対して偏心している力をかけることができ、したがって、第１の構成要素１２２７ａの質量中心１２２７ａ−１を中心にトルク（モーメントとも呼ぶ）を発生させることができる。したがって、第１の構成要素１２２７ａは、触覚アクチュエーター１２２１によって押されているときに、その質量中心１２２７ａ−１を中心とする幾分かの回転を示すことができる。言い換えれば、第１の外面１２２１ｈ−１の中心１２２１ｉ−１に対して偏心しているように第１の構成要素１２２７ａを配置することにより、第１の構成要素１２２７ａの一部が、触覚アクチュエーター１２２１によって押されているときにレバーとして作用することができる。このレバー構成は、触覚アクチュエーター１２２１及び第１の構成要素１２２７ａの動きによって発生する触覚効果を促進することができる可能性がある。
【００６８】
図１１Ｄの実施形態では、第２の構成要素１２２７ｂは、触覚アクチュエーター１２２１の第２の外面１２２１ｈ−２に対して中心に置かれている。別の実施形態では、第２の構成要素１２２７ｂもまた、触覚アクチュエーター１２２１の第２の外面１２２１ｈ−２の中心に対して偏心している。
【００６９】
以下、様々な実施形態の追加の考察を提示する。
【００７０】
実施形態１は、触覚アクチュエーター及び予荷重デバイスを備える触覚アクチュエーターアセンブリに関する。触覚アクチュエーターは、第１の軸に沿った変位を発生させるように構成され、触覚アクチュエーターは、圧電アクチュエーターである。
【００７１】
予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接し、かつ触覚アクチュエーターに対して第１の軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成され、予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターの互いに反対側の面に配置されている第１の構成要素及び第２の構成要素を備え、第１の構成要素及び第２の構成要素は、触覚アクチュエーターに対して第１の軸に沿った圧縮荷重を発生させるために、第１の構成要素及び第２の構成要素を互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている。第１の構成要素は永久磁石であり、第２の構成要素は、別の永久磁石、電磁石、又は強磁性材料を含む強磁性構成要素のうちの少なくとも１つである。
【００７２】
実施形態２は、触覚アクチュエーター及び予荷重デバイスを備える触覚アクチュエーターアセンブリに関する。触覚アクチュエーターは、平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、平行軸はこの層の平面に対して平行である、圧電材料の層を備え、また、平行軸に沿った圧電材料の層の歪みを、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、垂直軸は層の平面に対して垂直である、変位変換デバイスを備える。触覚アクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている。
【００７３】
予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接し、かつ触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成され、触覚アクチュエーターの互いに反対側の面に配置されている第１の構成要素及び第２の構成要素を備え、第１の構成要素及び第２の構成要素は、触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるために、第１の構成要素及び第２の構成要素を互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている。第１の構成要素は永久磁石であり、第２の構成要素は、別の永久磁石、電磁石、又は強磁性材料を含む強磁性構成要素のうちの少なくとも１つである。
【００７４】
実施形態３は、実施形態２の触覚アクチュエーターアセンブリを含み、触覚アクチュエーターの変位変換デバイスは、圧電材料の層の歪みに起因する平行軸に沿った圧電材料の層によって出力される変位を、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターのより大きい変位に変換するように構成された変位増幅デバイスである。
【００７５】
実施形態４は、実施形態３の触覚アクチュエーターアセンブリを含み、触覚アクチュエーターの変位増幅デバイスは、平行軸に沿った変位を垂直軸に沿ったより大きい変位に変換するように構成されたレバーデバイスを含む。
【００７６】
実施形態５は、実施形態４の触覚アクチュエーターアセンブリを含み、触覚アクチュエーターのレバーデバイスは、圧電材料の層の反対側の平面それぞれに配置された第１のディスク及び第２のディスクを含み、第１のディスク及び第２のディスクの各ディスクは、圧電材料の層のそれぞれの平面と円錐台を形成している。
【００７７】
実施形態６は、実施形態２〜５のいずれか１つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、予荷重デバイスの第２の構成要素は、導電コイルから形成された電磁石である。
【００７８】
実施形態７は、実施形態６の触覚アクチュエーターアセンブリを含み、導電コイルは、１ｍｍ〜２ｍｍの範囲である厚さを有する。
【００７９】
実施形態８は、実施形態２〜５のいずれか１つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、予荷重デバイスの永久磁石は第１の永久磁石であり、予荷重デバイスの第２の構成要素は第２の永久磁石である。
【００８０】
実施形態９は、実施形態８の触覚アクチュエーターアセンブリを含み、予荷重デバイスの第１の永久磁石及び第２の永久磁石の各永久磁石は、０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲である厚さを有する。
【００８１】
実施形態１０は、実施形態２〜９のいずれか１つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、永久磁石は、少なくとも１０００ガウスの強度を有する。
【００８２】
実施形態１１は、実施形態２〜１０のいずれか１つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、予荷重デバイスの第２の構成要素は強磁性構成要素であり、強磁性構成要素は金属層である。
【００８３】
実施形態１２は、実施形態２〜１１のいずれか１つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、永久磁石はネオジム磁石である。
【００８４】
実施形態１３は、実施形態２〜１２のいずれか１つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、予荷重デバイスの第１の構成要素及び第２の構成要素が発生させる垂直軸に沿った圧縮荷重は、２Ｎ〜４Ｎの範囲である。
【００８５】
実施形態１４は、実施形態２〜１３のいずれか１つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、触覚アクチュエーターアセンブリの厚さは１ｍｍ〜５ｍｍの範囲であり、触覚アクチュエーターアセンブリの厚さは、少なくとも、第１の構成要素の厚さと、第１の構成要素から第２の構成要素までの距離と、第２の構成要素の厚さとを含む。
【００８６】
実施形態１５は、実施形態２〜１４のいずれか１つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、触覚アクチュエーターは、圧電材料の層に取り付けられるか又は圧電材料の層内に埋め込まれ、かつ垂直軸に沿った電圧差を生成するように構成された、少なくとも２つの電極を更に備え、圧電材料の層は、垂直軸に沿った電圧差に応じて平行軸に沿って収縮するように構成されている。
【００８７】
実施形態１６は、実施形態１５の触覚アクチュエーターアセンブリを含み、少なくとも２つの電極の間の電圧差が５０Ｖ〜１００Ｖであるとき、かつ予荷重デバイスによって圧縮荷重が触覚アクチュエーターに加えられるとき、触覚アクチュエーターは、少なくとも２つの電極の間に電圧差がない基準状態と比較して１μｍ〜１５μｍの範囲である、垂直軸に沿った変位を出力し、触覚アクチュエーターアセンブリは、２Ｎ〜１０Ｎの範囲である、垂直軸に沿った力を出力するように構成されている。
【００８８】
実施形態１７は、実施形態１５又は１６の触覚アクチュエーターアセンブリを含み、少なくとも２つの電極の間の電圧差が５０Ｖ〜１００Ｖであるとき、かつ予荷重デバイスによって圧縮荷重が触覚アクチュエーターに加えられるとき、触覚アクチュエーターアセンブリは、少なくとも２つの電極の間に電圧差がない基準状態と比較して、触覚アクチュエーターに対する、電圧差に関連する規定された公称変位の２５％〜５０％の範囲である、垂直軸に沿った変位を出力し、触覚アクチュエーターアセンブリは、触覚アクチュエーターに対する、電圧差に関連する規定された遮断力の５０％〜７５％の範囲である、垂直軸に沿った力を出力するように構成されている。
【００８９】
実施形態１８は、実施形態２〜１７のいずれか１つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、圧電材料の層は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）材料の層である。
【００９０】
実施形態１９は、実施形態２〜１７のいずれか１つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、圧電材料の層はポリマーの層である。
【００９１】
実施形態２０は、実施形態２〜１９のいずれか１つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、圧電材料の層は、圧電材料の下層の積層体を含み、圧電材料の各下層は、直接、下層の両端に電圧差を発生させるように構成された２つの電極の間にある。
【００９２】
実施形態２１は、実施形態２〜２０のいずれか１つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、予荷重デバイスの第１の構成要素又は第２の構成要素のうちの少なくとも一方の構成要素は、互いに反対側の面のそれぞれの面の中心に対して偏心しており、少なくとも一方の構成要素の質量中心とそれぞれの面の中心とが垂直軸に沿って整列していない。
【００９３】
実施形態２２は、触覚対応デバイスであって、ハウジングと、電源と、ハウジングの外面で触覚効果を発生させるように構成された触覚アクチュエーターアセンブリとを備え、触覚アクチュエーターアセンブリは触覚アクチュエーター及び予荷重デバイスを備える、触覚対応デバイスに関する。
【００９４】
触覚アクチュエーターは、平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、平行軸はこの層の平面に対して平行である、圧電材料の層と、圧電材料の層に取り付けられた又はその中に埋め込まれた少なくとも２つの電極と、平行軸に沿った圧電材料の層の歪みを、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、垂直軸は層の平面に対して垂直である、変位変換デバイスとを備え、触覚アクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている。
【００９５】
予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接し、かつ触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成され、予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターの互いに反対側の面に配置されている第１の構成要素及び第２の構成要素を備え、第１の構成要素及び第２の構成要素は、触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるために、第１の構成要素及び第２の構成要素を互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている。第１の構成要素は永久磁石であり、第２の構成要素は、別の永久磁石、電磁石、又は強磁性材料を含む強磁性構成要素のうちの少なくとも１つである。
【００９６】
触覚対応デバイスは、触覚アクチュエーターの少なくとも２つの電極に電力を提供するように電源を制御するように構成された制御ユニットを更に備える。
【００９７】
実施形態２３は、実施形態２２の触覚対応デバイスを含み、触覚対応デバイスのハウジングによって触覚アクチュエーターアセンブリに加えられるいかなる圧縮荷重も１Ｎ未満である。
【００９８】
実施形態２４は、実施形態２２又は２３の触覚対応デバイスを含み、触覚対応デバイスは、ハウジングの第１の面を形成するタッチスクリーンデバイスを更に備え、ハウジングは、ハウジングの第２のかつ反対側の面を形成するバックパネルを備え、触覚アクチュエーターアセンブリは、触覚アクチュエーターアセンブリによって生成される力がハウジングの第２の面に対してかけられるように、ハウジングの第２の面に配置されている。
【００９９】
実施形態２５は、実施形態２２〜２４のいずれか１つの触覚対応デバイスを含み、触覚アクチュエーターアセンブリは、２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲である厚さを有する。
【０１００】
実施形態２６は、実施形態２２〜２５のいずれか１つの触覚対応デバイスを含み、第２の構成要素は電磁石であり、制御ユニットは、電磁石をアクティベート及びディアクティベートするように構成されている。
【０１０１】
実施形態２７は、実施形態２６の触覚対応デバイスを含み、制御ユニットは、触覚アクチュエーターアセンブリの触覚アクチュエーターに駆動信号を提供するように電源を制御し、予荷重デバイスに、触覚アクチュエーターに圧縮荷重を加えさせるために、駆動信号が触覚アクチュエーターに提供されているとき、電磁石をアクティベートし、触覚アクチュエーターに対する駆動信号が終了すると、電磁石をディアクティベートするように構成されている。
【０１０２】
実施形態２８は、実施形態２６又は２７の触覚対応デバイスを含み、駆動信号は、規定された持続時間を有する周期的信号であり、電磁石は、規定された持続時間中にアクティベートされ、規定された持続時間が満了するとディアクティベートされる。
【０１０３】
実施形態２９は、実施形態２２〜２８のいずれか１つの触覚対応デバイスを含み、電磁石は導電コイルを含み、電磁石がディアクティベートされると、導電コイル及び永久磁石は、触覚対応デバイスに加えられる外力によって互いに対して可動であり、導電コイルは、永久磁石及び導電コイルの相対運動から電力を収集するように構成され、電源は、導電コイルによって収集される電力を蓄積するように構成された電力蓄積デバイスを含む。
【０１０４】
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（breadth and scope）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、引用することによりその全体が本明細書の一部をなす。
【０１０５】
本願は、２０１８年６月１５日に出願された米国特許出願第１６／０１０，１６９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１】
2019217496.tif 000003
【図２Ａ】
2019217496.tif 000004
【図２Ｂ】
2019217496.tif 000005
【図３Ａ】
2019217496.tif 000006
【図３Ｂ】
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【図４】
2019217496.tif 000008
【図５】
2019217496.tif 000009
【図６】
2019217496.tif 000010
【図７】
2019217496.tif 000011
【図８Ａ】
2019217496.tif 000012
【図８Ｂ】
2019217496.tif 000013
【図８Ｃ】
2019217496.tif 000014
【図８Ｄ】
2019217496.tif 000015
【図８Ｅ】
2019217496.tif 000016
【図９】
2019217496.tif 000017
【図１０】
2019217496.tif 000018
【図１１Ａ】
2019217496.tif 000019
【図１１Ｂ】
2019217496.tif 000020
【図１１Ｃ】
2019217496.tif 000021
【図１１Ｄ】
2019217496.tif 000022
【図１２】
2019217496.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月24日(2019.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の軸に沿った変位を発生させるように構成された触覚アクチュエーターであって、圧電アクチュエーターである、触覚アクチュエーターと、
前記触覚アクチュエーターに隣接し、かつ前記触覚アクチュエーターに対して前記第１の軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成された予荷重デバイスであって、
前記触覚アクチュエーターの互いに反対側の面に配置されている第１の構成要素及び第２の構成要素であって、前記触覚アクチュエーターに対して前記第１の軸に沿った前記圧縮荷重を発生させるために、該第１の構成要素及び該第２の構成要素を互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている、第１の構成要素及び第２の構成要素を備え、
前記第１の構成要素は永久磁石であり、
前記第２の構成要素は、別の永久磁石、電磁石、又は強磁性材料を含む強磁性構成要素のうちの少なくとも１つである、予荷重デバイスと、
を備える、触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項２】
触覚アクチュエーターであって、
平行軸に沿った歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、前記平行軸は該層の平面に対して平行である、圧電材料の層と、
前記平行軸に沿った前記圧電材料の層の前記歪みを、垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、前記垂直軸は前記層の前記平面に対して垂直である、変位変換デバイスと、
を備え、
該触覚アクチュエーターの前記拡張又は前記収縮は、前記垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている、触覚アクチュエーターと、
前記触覚アクチュエーターに隣接し、かつ前記触覚アクチュエーターに対して前記垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成された予荷重デバイスであって、
前記触覚アクチュエーターの互いに反対側の面に配置されている第１の構成要素及び第２の構成要素であって、前記触覚アクチュエーターに対して前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重を発生させるために、該第１の構成要素及び該第２の構成要素を互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている、第１の構成要素及び第２の構成要素を備え、
前記第１の構成要素は永久磁石であり、
前記第２の構成要素は、別の永久磁石、電磁石、又は強磁性材料を含む強磁性構成要素のうちの少なくとも１つである、予荷重デバイスと、
を備える、触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項３】
前記触覚アクチュエーターの前記変位変換デバイスは、前記圧電材料の層の歪みに起因する前記平行軸に沿った該圧電材料の層によって出力される変位を、前記垂直軸に沿った前記触覚アクチュエーターのより大きい変位に変換するように構成された変位増幅デバイスである、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項４】
前記触覚アクチュエーターの前記変位増幅デバイスは、前記平行軸に沿った前記変位を前記垂直軸に沿った前記より大きい変位に変換するように構成されたレバーデバイスを含む、請求項３に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項５】
前記触覚アクチュエーターの前記レバーデバイスは、前記圧電材料の層の反対側の平面それぞれに配置された第１のディスク及び第２のディスクを含み、該第１のディスク及び該第２のディスクの各ディスクは、前記圧電材料の層のそれぞれの平面と円錐台を形成している、請求項４に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項６】
前記予荷重デバイスの前記第２の構成要素は前記電磁石であり、前記電磁石は導電コイルから形成される、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項７】
前記導電コイルは、１ｍｍ〜２ｍｍの範囲である厚さを有する、請求項６に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項８】
前記予荷重デバイスの前記第１の構成要素の前記永久磁石は第１の永久磁石であり、前記予荷重デバイスの前記第２の構成要素は、第２の永久磁石である前記別の永久磁石である、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項９】
前記予荷重デバイスの前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石の各永久磁石は、０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲である厚さを有する、請求項８に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１０】
前記永久磁石は、少なくとも１０００ガウスの強度を有する、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１１】
前記予荷重デバイスの前記第２の構成要素は前記強磁性構成要素であり、該強磁性構成要素は金属層である、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１２】
前記予荷重デバイスの前記第１の構成要素及び前記第２の構成要素が発生させる前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重は、２Ｎ〜４Ｎの範囲である、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１３】
前記触覚アクチュエーターは、前記圧電材料の層に取り付けられるか又は該圧電材料の層内に埋め込まれ、かつ前記垂直軸に沿った電圧差を生成するように構成された、少なくとも２つの電極を更に備え、前記圧電材料の層は、前記垂直軸に沿った前記電圧差に応じて前記平行軸に沿って収縮するように構成されている、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１４】
前記少なくとも２つの電極の間の前記電圧差が５０Ｖ〜１００Ｖであるとき、かつ前記予荷重デバイスによって前記圧縮荷重が前記触覚アクチュエーターに加えられるとき、該触覚アクチュエーターは、前記少なくとも２つの電極の間に電圧差がない基準状態と比較して１μｍ〜１５μｍの範囲である、前記垂直軸に沿った変位を出力し、前記触覚アクチュエーターアセンブリは、２Ｎ〜１０Ｎの範囲である、前記垂直軸に沿った力を出力するように構成されている、請求項１３に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１５】
前記少なくとも２つの電極の間の前記電圧差が５０Ｖ〜１００Ｖであるとき、かつ前記予荷重デバイスによって前記圧縮荷重が前記触覚アクチュエーターに加えられるとき、前記触覚アクチュエーターアセンブリは、前記少なくとも２つの電極の間に電圧差がない基準状態と比較して、前記触覚アクチュエーターに対する、前記電圧差に関連する規定された公称変位の２５％〜５０％の範囲である、前記垂直軸に沿った変位を出力し、前記触覚アクチュエーターアセンブリは、前記触覚アクチュエーターに対するかつ前記電圧差に関連する規定された遮断力の５０％〜７５％の範囲である、前記垂直軸に沿った力を出力するように構成されている、請求項１３に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１６】
前記圧電材料の層はポリマーの層である、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１７】
前記予荷重デバイスの前記第１の構成要素又は前記第２の構成要素のうちの少なくとも一方の構成要素は、前記互いに反対側の面のそれぞれの面の中心に対して偏心しており、前記少なくとも一方の構成要素の質量中心と前記それぞれの面の前記中心とが前記垂直軸に沿って整列していない、請求項２に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
【請求項１８】
ハウジングと、
電源と、
前記ハウジングの外面で触覚効果を発生させるように構成された触覚アクチュエーターアセンブリであって、
触覚アクチュエーターであって、
平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、前記平行軸は該層の平面に対して平行である、圧電材料の層と、
前記圧電材料の層に取り付けられた又はその中に埋め込まれた少なくとも２つの電極と、
前記平行軸に沿った前記圧電材料の層の前記歪みを、垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、前記垂直軸は前記層の前記平面に対して垂直であり、該触覚アクチュエーターの前記拡張又は前記収縮は、前記垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている、変位変換デバイスと、
を備える触覚アクチュエーターと、
前記触覚アクチュエーターに隣接し、かつ前記触覚アクチュエーターに対して前記垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成された予荷重デバイスであって、
前記触覚アクチュエーターの互いに反対側の面に配置されている第１の構成要素及び第２の構成要素であって、前記触覚アクチュエーターに対して前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重を発生させるために、該第１の構成要素及び該第２の構成要素を互いに引き寄せる磁力を発生させるように構成されている、第１の構成要素及び第２の構成要素を備え、
前記第１の構成要素は永久磁石であり、
前記第２の構成要素は、別の永久磁石、電磁石、又は強磁性材料を含む強磁性構成要素のうちの少なくとも１つである、予荷重デバイスと、
を備える触覚アクチュエーターアセンブリと、
前記触覚アクチュエーターの前記少なくとも２つの電極に電力を提供するように前記電源を制御するように構成された制御ユニットと、
を備える、触覚対応デバイス。
【請求項１９】
前記触覚対応デバイスは、前記ハウジングの第１の面を形成するタッチスクリーンデバイスを更に備え、前記ハウジングは、該ハウジングの第２のかつ反対側の面を形成するバックパネルを備え、前記触覚アクチュエーターアセンブリは、前記ハウジングの該第２の面に配置され、その結果、該触覚アクチュエーターアセンブリによって生成される力が前記ハウジングの前記第２の面に対してかけられる、請求項１８に記載の触覚対応デバイス。
【請求項２０】
前記第２の構成要素は前記電磁石であり、前記制御ユニットは、該電磁石をアクティベート及びディアクティベートするように構成されている、請求項１８に記載の触覚対応デバイス。
【請求項２１】
前記制御ユニットは、
前記触覚アクチュエーターアセンブリの前記触覚アクチュエーターに駆動信号を提供するように前記電源を制御し、
前記予荷重デバイスに、前記触覚アクチュエーターに圧縮荷重を加えさせるために、前記駆動信号が前記触覚アクチュエーターに提供されているとき、前記電磁石をアクティベートし、
前記触覚アクチュエーターに対する前記駆動信号が終了すると、前記電磁石をディアクティベートする、
ように構成されている、請求項２０に記載の触覚対応デバイス。
【請求項２２】
前記駆動信号は、規定された持続時間を有する周期的信号であり、前記電磁石は、前記規定された持続時間中にアクティベートされ、該規定された持続時間が満了するとディアクティベートされる、請求項２１に記載の触覚対応デバイス。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
図２Ｂは、触覚アクチュエーター１２１の一実施形態のブロック図を示す。図２Ｂの実施形態では、触覚アクチュエーター１２１は、圧電層１２１ａ（圧電材料の層又は圧電材料のシートとも呼ぶ）と、電極１２１ｂと、変位変換デバイス１２１ｃとを備える。圧電層１２１ａは、電極１２１ｂに接続することができ、電極１２１ｂに駆動信号が印加されると、１つ以上の軸に沿った歪みを出力するように構成することができる。場合によっては、圧電層１２１ａは、圧電材料の下層の積層体を含むことができ、下層の各々は、電極１２１ｂのうちの２つの電極の間に直接挟挿される。他の場合では、圧電層１２１ａは、こうした下層を１つしか有していない。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
図６は、触覚対応システム３００の一実施形態である触覚対応システム４００を示す。触覚対応システム４００は、タッチスクリーンデバイス４１０と、触覚アクチュエーターアセンブリ４２０と、取付部品４５０とを備える。一実施形態では、タッチスクリーンデバイス４１０は、１０ｇ未満の質量を有することができる。触覚アクチュエーターアセンブリ４２０は、軸４１７に沿った変位を出力するように構成することができる。その結果、触覚アクチュエーターアセンブリ４２０は、タッチスクリーンデバイス４１０の外面４１０ｂにおいて振動触知性触覚効果を発生させるように、タッチスクリーンデバイス４１０の表面４１０ａに対して押圧し（press）／押しかつ引くことができる。表面４１０ｂは、運転手に面する正面の外面とすることができ、表面４１０ａは、タッチスクリーンデバイス４１０の反対側の面とすることができる。一実施形態では、取付部品４５０は、剛性部品とすることができ、タッチスクリーンデバイス４１０より大幅に大きい質量を有することができ、その結果、触覚アクチュエーターアセンブリ４２０によって出力される変位の大部分又は全てが、取付部品４５０を移動させることではなく、タッチスクリーンデバイス４１０を移動させることに向けられる。一実施形態では、タッチスクリーンデバイス４１０は、触覚アクチュエーターアセンブリ４２０を介して取付部品４５０に接続することができる。一実施形態では、タッチスクリーンデバイス４１０は、タッチスクリーンデバイス４１０が軸４１７に沿って移動するのを可能にする懸架装置を介して、取り付け部品４５０に接続することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
一実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ９２０／１０２０／１１２０の、図１１ＣにおけるＴ４等、全体厚さは、２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲とすることができ、触覚アクチュエーターアセンブリの厚さは、少なくとも、予荷重デバイスの第１の構成要素９２７ａ／１０２７ａ／１１２７ａの厚さと、予荷重デバイスの第１の構成要素９２７ａ／１０２７ａ／１１２７ａから第２の構成要素９２７ｂ／１０２７ｂ／１１２７ｂまでの距離と、第２の構成要素９２７ｂ／１０２７ｂ／１１２７ｂの厚さとを含む。
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２Ａ】
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【外国語明細書】
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