(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．布、織物、皮革、スエード、箔等の柔軟な金属及び身体装備の保護具の構造材料と、
ｂ．第１の双安定形態で構成され、前記構造材料の一部とされた繊維の形状の形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）を含む双安定材料と、
ｃ．前記双安定材料に連結され、作動すると、前記双安定材料を前記第１の双安定形態から第２の双安定形態に移行させ、触覚フィードバックを生み出す、第１のアクチュエーターと、
ｄ．アクチュエーター作動信号を受信した際、前記第１のアクチュエーターの作動を開始する第１のアクチュエーター作動信号受信機と、
を備える、触覚フィードバックジェネレーター。
【請求項２】
前記アクチュエーターは、前記双安定材料に連結される形状記憶材料合金（ＳＭＡ）又はマクロファイバーコンポジット（ＭＦＣ）である、請求項１に記載の触覚フィードバックジェネレーター。
【請求項３】
前記アクチュエーターは熱源である、請求項１に記載の触覚フィードバックジェネレーター。
【請求項４】
前記アクチュエーターは、前記双安定材料の動きが可逆的であるように構成されている、請求項１に記載の触覚フィードバックジェネレーター。
【請求項５】
前記構造材料は装着具の一部である、請求項１に記載の触覚フィードバックジェネレーター。
【請求項６】
前記構造材料は織物である、請求項１に記載の触覚フィードバックジェネレーター。
【請求項７】
前記アクチュエーターは圧電材料である、請求項１に記載の触覚フィードバックジェネレーター。
【請求項８】
ａ．前記双安定材料に連結する第２のアクチュエーターであって、作動すると、前記双安定材料を前記第２の双安定形態から前記第１の双安定形態に移行させる、第２のアクチュエーターと、
ｂ．第２のアクチュエーター作動信号を受信した際、前記第２のアクチュエーターの作動を開始する第２のアクチュエーター作動信号受信機と、
を更に備える、請求項１に記載の触覚フィードバックジェネレーター。
【請求項９】
ユーザーに触覚フィードバックを与える方法であって、
ａ．発信源から触覚開始信号を受信することと、
ｂ．前記発信源から前記触覚開始信号を受信すると、構造材料の一部とされた繊維の形状の形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）を含む双安定材料に連結する第１のアクチュエーターを作動させることと、
ｃ．前記第１のアクチュエーターが作動した際に、前記双安定材料が第１の双安定形態から第２の双安定形態に移行することによって前記ユーザーに触覚フィードバックを与えることと、
を含む、方法。
【請求項１０】
前記双安定材料は装着具の一部である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記アクチュエーターは、形状記憶材料合金（ＳＭＡ）又は前記双安定材料に連結するマクロファイバーコンポジット（ＭＦＣ）である、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記アクチュエーターは熱源である、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記アクチュエーターは、前記双安定材料の動きが可逆的であるように構成されている、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ユーザーに触覚フィードバックを与える双安定材料を含む触覚アクチュエーターに関する。そのような触覚アクチュエーターは、装着具又は装身具の要素等の構造材料において有用である。
【０００２】
本願は、２０１５年８月２５日に出願された「Bistable Composite Textile Haptic Signal Actuator」と題する米国仮特許出願第６２／２０９７９２号の利益を主張し、この米国仮特許出願の開示は、引用することによりその全体が本明細書の一部をなす。
【背景技術】
【０００３】
電子機器製造業者は、リッチユーザーインターフェース（rich interface for users）を製造しようと努めている。従来の機器は、ユーザーにフィードバックを与えるのに視覚的及び聴覚的なキューを利用している。いくつかのインターフェース機器では、運動感覚フィードバック（作用力及び抵抗力フィードバック等）及び／又は触感フィードバック（振動、手触り、及び熱等）を、ユーザーに与えることもできる。触覚フィードバックは、ユーザーインターフェースを向上及び簡略化するキューをもたらすことができる。
【０００４】
既存の触覚装置は、消費電力仕様について評価する場合、認め得るタイプ及びレベルの触覚効果をユーザーに与えることが可能ではない場合があり、製造するのに過度なコスト及び複雑性を伴い得る。そのため、触覚フィードバックを与える方法を提供する触覚技術において用いられる新たな材料を求める必要性がある。過去には、電磁モーターの偏心回転質量体（ＥＲＭ）、リニア共振アクチュエーター（ＬＲＡ）、又は形状記憶合金（ＳＭＡ）が、触覚フィードバックを与えるのに主として用いられていた。個人用データ装置が、より小さいフォームファクターへと進化していくにつれて、そうした触覚効果を得るための消費電力、及び既定の条件又は閾値が存在する場合にユーザーに信号を伝える革新的方法が必要とされる。
【発明の概要】
【０００５】
装着具又は装身具製品の要素として含まれる、ユーザーに触覚フィードバックを与える双安定材料を含む触覚フィードバックジェネレーターが本明細書において提供される。
【０００６】
実施形態において、触覚フィードバックジェネレーターが本明細書において提供される。この触覚フィードバックジェネレーターは、構造材料と、第１の双安定形態で構成され、構造材料に付随する双安定材料と、双安定材料に連結され、作動すると、双安定材料を第１の双安定形態から第２の双安定形態に移行させ、それにより触覚フィードバックを生み出す第１のアクチュエーターと、第１のアクチュエーター作動信号を受信した際、第１のアクチュエーターの作動を開始する第１のアクチュエーター作動信号受信機とを備えることができる。
【０００７】
また、ユーザーに触覚フィードバックを与える方法が提供される。実施形態において、このような方法は、発信源から触覚開始信号を受信することと、発信源から触覚開始信号を受信すると、双安定材料（構造材料に付随する双安定材料を含む）に連結されている第１のアクチュエーターを作動することと、第１のアクチュエーターが作動した際、双安定材料が第１の双安定形態から第２の双安定形態に移行することによって、ユーザーに触覚フィードバックを与えることとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本発明の実施形態に係る触覚フィードバックジェネレーターを示す図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態に係る触覚フィードバックジェネレーターを示す図である。
【図１Ｃ】図１ＡのＣ−Ｃに沿った断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る双安定材料を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る双安定材料を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る双安定材料を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る双安定材料の変形状態を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る双安定材料の変形状態を示す図である。
【図７】装着具として具現される本発明の一実施形態に係る触覚フィードバックジェネレーターを示す図である。
【図８】装着具として具現される本発明の一実施形態に係る触覚フィードバックジェネレーターを示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る双安定材料の変形状態を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る双安定材料の変形状態を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る双安定材料の変形状態を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係るタッチパッドの要素としての双安定材料を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係るタッチパッドを示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る更なる双安定材料を示す図である。
【図１５】本発明の一実施形態に係るタッチパッドを示す図である。
【図１６】本発明の一実施形態に係るヒンジとしての双安定材料を示す図である。
【図１７】本発明の一実施形態に係る三安定材料のエネルギープロット図である。
【図１８】本発明の一実施形態に係る双安定材料ヒンジを示す図である。
【図１９】本発明の一実施形態に係る双安定材料ヒンジを示す図である。
【図２０】本発明の一実施形態に係る双安定材料ヒンジを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本技術の上記の特徴及び態様並びに他の特徴及び態様は、実施形態の以下の説明から、また添付図面において示されているように、よりよく理解することができる。添付図面は、本明細書に組み込まれるとともに本明細書の一部をなし、本技術の原理を示す役割を更に果たす。図面中の構成要素は必ずしも縮尺どおりではない。
【００１０】
本技術の上記の特徴及び態様並びに他の特徴及び態様は、実施形態の以下の説明から、また添付図面において示されているように、よりよく理解することができる。添付図面は、本明細書に組み込まれるとともに本明細書の一部をなし、本技術の原理を示す役割を更に果たす。図面中の構成要素は必ずしも縮尺どおりではない。
【００１１】
実施形態において、図１Ａ及び図１Ｂの例に示されているように、ユーザーに触覚フィードバックを与えることが可能な触覚フィードバックジェネレーター１００が本明細書において提供される。例示的な実施形態において、触覚フィードバックジェネレーター１００は、構造材料１０２と、第１の双安定形態で構成され、構造材料（図１Ａを参照）に付随させることができる双安定材料１０４と、双安定材料１０４に連結するアクチュエーター１０６（本明細書では複数形で称することもある）であって、作動すると、双安定材料を第１の双安定形態（図１Ａ）から第２の双安定形態（図１Ｂ）に移行させ、それにより触覚フィードバックを生み出す、アクチュエーター１０６とを備える。また、実施形態において、触覚フィードバックジェネレーター１００は、第１のアクチュエーター作動信号を受信した際、アクチュエーター１０６の作動を開始するアクチュエーター作動信号受信機１１０を備える。
【００１２】
本明細書において用いられる場合、「触覚フィードバック」という用語は、本明細書に記載の構造材料から触覚（sense of touch）によってユーザーに伝えられる振動、手触り、及び／又は熱等の情報を指す。触覚フィードバックは、本明細書において「触覚フィードバック信号」又は「触覚信号」と呼ぶこともできる。
【００１３】
本明細書において用いられる、「構造材料」という用語は、装着具、個人用装身具、手荷物等を構成するのに用いられる材料を意味する。構造材料の例としては、綿、シルク、ウール、ナイロン、レーヨン、合成繊維、フランネル、リネン、ポリエステル等の布及び織物、織布又はそのような布の交織布、皮革、スエード、箔等の柔軟な金属、ケブラー等が挙げられる。装着具の例として、衣類、履物、義肢等の補綴物、帽子及びヘルメット等の被り物、身に付ける運動器材、及び防弾ベスト、ヘルメット、及び他の身体装備等の保護具が挙げられる。個人用装身具としては、眼鏡、ネクタイ及びスカーフ、ベルト及びサスペンダー、ブレスレット、ネックレス、及び腕時計（腕時計のバンド及びストラップを含む）等の宝飾品、財布、札入れ、手荷物用タグ等が挙げられる。手荷物としては、ハンドバッグ、小銭入れ、旅行かばん、スーツケース、バックパック（そのような物品の持ち手を含む）等が挙げられる。
【００１４】
図１Ａ及び図１Ｂに示されている構造材料１０２は、単に矩形の材料の一部として示されており、そこに双安定材料１０４が付随している。構造材料１０２は、所望に応じて任意の形状、サイズ、形態、及び柔軟性とすることができ、図１Ａ及び図１Ｂは、双安定材料１０４が構造要素に付随していることを単に説明するために示されている。
【００１５】
双安定材料１０４を構造材料１０２に付随させるには種々のメカニズムを用いることができる。例えば、双安定材料１０４は、構造材料１０２に一体化することができる。双安定材料１０４は、織物等を織る又は縫う間等の構造材料１０２の形成中に構造材料１０２の一部として作成することもできる。
【００１６】
更なる実施形態において、双安定材料１０４は、構造材料１０２に固定して取り付けることができる。このような実施形態では、双安定材料１０４は、糊付け、テープ付け、縫合、接着、ホチキス留め、タック留め、又は別の方法で構造材料１０２に取り付けることができる。双安定材料１０４は、種々の基材、例えば、ゴム、シリコン、シリコンエラストマー、テフロン、プラスチックポリ（エチレンテレフタレート）等のポリマー内に又はその上に、構造材料１０２に取り付けることができる（例えば、接着又は縫合）、パッチ、リボン、又はテープの形態で一体化することができる。このような実施形態は、双安定材料１０４を簡単に取り外し、２つ以上の構造材料において使用することが可能であり、例えば、１つの装着可能な物品から別の物品に移動させることが可能である。
【００１７】
更なる実施形態において、双安定材料１０４は、封入材料、好適には耐水性材料又はポリマーに封入することができ、装着具の洗浄中、又は水の存在し得る場所で装着可能な物品を装着している間等に、双安定材料１０４が水と接触することを可能にする。封入材料として用いられる例示的な材料として種々のポリマー、例えば、ゴム、シリコン、シリコンエラストマー、テフロン、プラスチックポリ（エチレンテレフタレート）等が挙げられる。
【００１８】
双安定材料１０４は、少量の力（作動力）によって作動する場合、迅速な変形（飛び移り座屈（snap buckling））を受けるように作製することができる。実施形態において、炭素繊維は、層内で方向付けられ（好適には炭素繊維はポリマーマトリックスに埋め込まれる）、異方性構造を達成するために、第１の層は第１の向きの炭素繊維を有する一方、炭素繊維又は層が、第１の層における炭素繊維の方向に対して約９０度（例えば交差方向）である第２の向きで第２の層（好適には第２のポリマーマトリックス）に埋め込まれる。作製中に異方性構造及び材料に加えられる残留応力は、最終的な２つの層の複合材を双安定にする。
【００１９】
本明細書において用いられる場合「双安定」及び「双安定材料」という用語は、２つの別個の安定形態（本明細書では双安定形態とも呼ぶ）で存在する材料の特性を指す。ここでは、各形態は、エネルギー屈曲点間の最小エネルギー状態である。図２Ａ及び２Ｂを参照されたい。図２Ａは第１の安定形態を示し、図２Ｂは第２の安定形態を示している。
【００２０】
双安定材料及び双安定構造は、金属（例えばベリリウム銅）、ポリマー複合材（炭素繊維、炭素ガラス等）及び形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）から作製することができる。双安定材料は、そのような双安定構造の各層に印加される残留応力が保存され、製造中にそのように準備されることが好適である。例えば、複合材アレイ／層は、第１の軸（図２Ｂ及び図２ＣのＹ軸２０２を参照）に沿った層の機械特性が、第１の軸／層に対して垂直な第２の軸（図２Ａ及び図２ＣのＸ軸２０４を参照）に沿った第２の層の機械特性とは異なるように設計される。双安定材料における２つの層は、異なる機械特性を有する層の軸が垂直方向（例えば０度及び９０度、−４５度及び４５度、−６０度、３０度等）を向くようになっている。
【００２１】
実施形態において、双安定材料１０４は、最初に、図２Ａ等の双安定材料１０４の第１の軸２０４（例えばＸ軸）の周りに湾曲した形態に成形される。アクチュエーター１０６による作動の後、双安定材料１０４は、図２Ｂ等の双安定材料１０４の第２の軸２０２（例えばＹ軸）の周りの第２の湾曲形態に移行する。
【００２２】
本明細書において記載されているように、双安定材料１０４は、２つのポリマー層を有することができる。例えば、双安定材料１０４を断面図で示す図１Ｃを参照されたい。各層（例えば、図１Ｃの１５０、１６０）は、一軸方向に向けられてもう一方の層に結合されることが好適であり、２つのポリマー層のうちの１つのポリマー層の一軸の向きは、２つのポリマー層のうちの第２のポリマー層の一軸の向きに対して９０度である。
【００２３】
双安定材料アクチュエーターとして同様に記載することができる例示的なアクチュエーター１０６は、種々の熱源と、形状記憶材料合金（ＳＭＡ）と、双安定材料１０４に結合されるマクロファイバーコンポジット（ＭＦＣ）とを備える。アクチュエーター１０６を双安定材料１０４に連結する方法は、種々の接着剤及び糊、機械的メカニズム、例えば、ホチキス留め又はタック留め、はんだ付け、共溶融等の使用を含む。マクロファイバーコンポジットは、接着剤の層間に挟まれる矩形のピエゾセラミックロッドと、電極と、ポリイミドフィルムとから構成される。電極は、ＭＦＣ構造体に印加される電圧をリボン状ロッドに及びリボン状ロッドから直接伝達するフィルムに、互いに組み合わされたパターンで取り付けられる。このアセンブリは、封止され耐久性があり、使用の準備のできたパッケージにおいて、面内ポーリング、作動、及び感知を可能にする。薄く、表面に合致するシートとして、このアセンブリを、種々のタイプの構造体に施す（通常は結合する）ことができるか又は本明細書に記載の双安定材料等の複合材構造に埋め込むことができる。電圧が印加されると、このアセンブリは材料を曲げるか又は歪ませて、振動に対抗するか又は振動を発生させる。電圧が印加されない場合、このアセンブリは、非常に高感度の歪みゲージとして作用することができ、変形、ノイズ、及び振動を感知する。ＭＦＣは、振動からエネルギーを収集するのに優れた装置でもある。
【００２４】
更なる実施形態において、アクチュエーター１０６は形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）であり、ポリマーが形状を変えるようにプログラムすることが可能である。１つの形態から第２の形態へのＳＭＰの変形は、ガラス遷移温度（Ｔｇ）に関してＳＭＰの温度を制御することによって好適に制御される。ＳＭＰを加熱することによってＳＭＰの温度をＴｇよりも上昇させると、ＳＭＰは第２の（記憶された、すなわち元の）形態に遷移し、その結果、双安定材料が作動し、第１の形態（例えば、図１Ａ、図２Ａ）から第２の形態（例えば、図１Ｂ、図２Ｂ）に移行又は変形する。例示的な形状記憶ポリマーとして、種々のポリ（ウレタン）、ポリ（イソプレン）、及びポリ（エーテルエステル）等の種々のブロックコポリマーが挙げられる。
【００２５】
双安定材料１０４は、幾何形状及び材料特性が、所望の双安定機能を達成する形態に向けられるように好適に処理（準備）される。例えば、双安定金属の場合、この金属の幾何形状は、第１の形態（例えば図２Ａ）では１つの方向に、また材料が第２の形態（例えば図２Ｂ）に遷移することによって異なる方向に、トルク（曲げモーメント）を生み出すように選択されるものとする。本明細書において記載されているように、実施形態における双安定材料は、２つの異なる湾曲線に沿って、すなわち、一方は幅に沿って（例えば軸２０４）、またもう一方は幅を横切って（例えば軸２０２）２つの双安定形態を有する。これは、図２Ｃにおけるように半径Ｒ及び湾曲角度βを有する予め湾曲した型において、２つの結合された金属を（双安定材料として）成形することによって達成することができる。
【００２６】
図３Ａ〜図３Ｃは、双安定材料１０４の初期状態（図３Ａ）から、途中（図３Ｂ）、そして第２の形態（図３Ｃ）に幾何学的に変形する過程の図を提供している。図を通してＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されており、基準の向きを提供している。
【００２７】
図４Ａ及び図４Ｂは、双安定材料１０４の初期の安定形態（図４Ａ）、及び第２の形態に遷移した、すなわち作動した後の双安定材料１０４の第２の安定形態（図４Ｂ）の別の向きを示している。
【００２８】
図５Ａ及び図５Ｂは、双安定材料の２つの層間の厚さ比と比較した場合の、本明細書に記載の例示的な双安定材料の湾曲の実例を示す曲線を示している。本明細書に記載の双安定材料を準備するのに少なくとも２つ以上の層を用いることもでき（例えば、３、４、５、６、７、８、９、１０等の層）、異なる特性を有し、互いに対して垂直なパターンで配置されている２つの別個の材料層をもたらすように構成することが好適であることに留意すべきである。
【００２９】
図６は、初期の安定した第１の双安定形態から第２の双安定形態への例示的な双安定材料の動きに関する力のプロファイルを示している。
【００３０】
成形プロセスは、複合材料を用いて双安定材料１０４を準備する場合に適用することができる。本明細書に記載のように、２つのポリマーマトリックス層内の繊維は、互いに対して正確に位置合わせされる、すなわち９０度であるものとする。一例として、繊維の向きは、第１の層及び第２の層のそれぞれにおいて０度及び９０度に設定することができる。−４５度及び＋４５度又は−３０度及び＋６０度等の他の向きも用いることができる。ＳＭＰを利用する実施形態では、ポリマー材料は、まずＴｇを超えて加熱され、その後、所望の形状に変形する（すなわち成形される）ことが好適である。次いで、ＳＭＰ材料は、Ｔｇ未満の温度に急冷される。ＳＭＰ材料が再びＴｇを超えて加熱されると、ＳＭＰは所定の（所望の又はプログラムされた）形状に移行する。駆動力を発生させて材料を作動させる（又は動かす）エネルギーは、外部の熱源である。温度上昇（熱又は熱エネルギーとも称する）は、例えば、磁界、磁気源、光、電気、電界、及び超音波源を用いることによって、これらの材料において間接的に発生させることができる。上述の発生源に対して高感度であり、熱を発生させることができる成分／充填剤をＳＭＰに添加することによって、温度上昇を達成することもできる。ＳＭＰの形状変化は、可逆的であるように構成することができ、そのため、次回の作動／形状変化のために再び材料をプログラムする必要がない。典型的な例は、液晶ポリマー（ＬＣＰ）であり、その幾何（形状）は、加熱時に可逆的に変化する。このような液晶ポリマーは、本明細書に記載の双安定材料として使用することができる。材料は加熱すると膨張し、冷却すると収縮し、またその逆にも作用する。
【００３１】
また、双安定材料１０４は、第１の層において互いに隣接する一連の平行な糸（例えば、ポリマー繊維又は金属繊維若しくはワイヤ）と、第２の層において第１の平行な糸の軸に対して９０度の方向に互いに隣接する第２の一連の平行な糸とから構成することができる。
【００３２】
例示的な実施形態において、双安定材料１０４の形態のＳＭＰ材料は、製造中に構造材料１０２（例えば織物）に、例えば、織物の隣接する繊維の記憶された形状に適合する、記憶された形状を有するように、慎重に方向付けられた個別の繊維の形態で導入することができる。ＳＭＰを用いる場合、ＳＭＰ設計幾何形状を構成するに際して大きな柔軟性があり、多くの異なる構造、構造的配置、及び形態に適合するようになっている。
【００３３】
双安定材料１０４の作動は、選択された双安定システムのそれぞれの特定の形態に関連した力のメカニズムの特性に応じて変化する。形状記憶材料合金（又は形状記憶合金）（ＳＭＡ）、マクロファイバーコンポジット（ＭＦＣ）、又は電磁モーターを好適に用いて、双安定複合材又は双安定金属を含む双安定材料１０４を作動させることができる。更に、一例として、熱による作動を利用して、双安定材料１０４を作動させることができる（熱応力）。
【００３４】
アクチュエーター１０６は、双安定材料１０４の動きが可逆的であるように構成することが好適である。すなわち、双安定材料１０４は、元の位置若しくはシステム形態に自動的に戻ることができるか、又は、触覚フィードバックの通知／受信後に、ユーザーが元のシステム形態に戻すことができる。
【００３５】
本明細書に記載の双安定材料は、既に材料内に蓄積している残留応力に基づいて変形することが好適である。通常、材料は、僅かな作動を必要とするのみで変形の準備ができる。材料内にはいくらかの応力があるが、材料を変形させるほどの力はないことが好適である。このような双安定材料は、通常、エネルギーを節約するか、又は作動するために用いるエネルギーがより少ないことが可能である。例えば、双安定材料に単に少量の圧力を印加する、すなわちユーザーの指からの圧力を印加すると、材料が飛び移りを起こし（snaps）、高加速度及び変形をもたらすことが好適である。したがって、電磁アクチュエーターと比較して、この作動機構は消費電力がより少なく、ノイズも少ない。この材料は、本明細書に記載のように平坦で薄く軽量の材料とすることができる。更に、この材料は、特定の形状を有するようにプログラム又は形成することができる。例えば、材料が平坦な場合、リボン形状をとることができるか又は異なる形態をとることができる。双安定材料は、Ｓ字形状をとるように設計することができる。
【００３６】
双安定材料の場合、材料内の応力が閾値（すなわち作動エネルギー）を超えて上昇するのに僅かな駆動力しか必要とせずに、それにより、新たに低いエネルギー状態に降下する（cascade）か又は他の安定形態に飛び移ることができる。このような力は、圧電材料又は形状記憶材料を双安定材料１０４に取り付け、圧電材料又は形状記憶材料を作動させることによって印加することができる。
【００３７】
例示的な実施形態において、双安定材料１０４の可逆性は、機械ばねを接続することによってもたらすことができ、それにより、作動力が取り除かれると、変形は元に戻る（反転する）。機械ばね機構を用いることで、このプロセスを可逆的にすることができる。更なる一実施形態では、二層材料１０４は、２つのアクチュエーター１０６（例えば、ＭＦＣの素子又は圧電素子）を伴うことができる。このような実施形態では、１つのアクチュエーター１０６が作動すると、例えば双安定材料１０４の上面において（図４の４０２を参照）双安定材料１０４が変形し、その後、第２のアクチュエーター１０６（例えば、双安定材料１０４の下面に結合している（図４の４０４を参照））が作動し、双安定材料１０４は初期状態に戻る（すなわち可逆的である）。
【００３８】
双安定材料１０４の機械特性は、１つの層がもう１つの層とは異なるものとし、それらの向きは交差している（すなわち互いに法線方向である）ものとすることが好適である。例示的な実施形態では、ポリマーの双安定材料は、１つのポリマー層を伸長させて、第１の（１つの）方向（軸）、例えば２０４において強化することによって製造することができる。次に、更なるポリマー層（シート）は、最初の層から９０度の方向に伸長させることができる。次いで、２つのポリマー材料を型において所望の湾曲を有するように結合し（図２Ｃを参照）、ホットプレスを用いて二層材料１０４の形状を設定し、材料の最初の湾曲を形状付けることが好適である。このようなプロセスは、金属を含む双安定材料に用いることもできる。結果として得られる双安定材料は、図１Ｃに示されている断面を有し、第１の層１５０は断面層１６０に対して法線方向である。
【００３９】
更なる一例において、繊維強化複合材（例えば、エポキシ又は熱可塑性材料）を双安定材料１０４として利用することができる。
【００４０】
例示的な一例として、双安定材料１０４の１つの層は、製造に起因して既に材料に蓄積している５０Ｎ（残留応力）を有するものとみなす。しかし、残留応力は、双安定材料１０４を１つの安定形態から他の安定形態へと推進するほどのものではない。外的に５Ｎが付加されると、材料内の総応力は５５Ｎ又は６０Ｎになり、その場合、双安定材料は他の安定形態に移行し、その形態に留まる。しかしここでも、第２の形態において、双安定材料１０４はいくらかの残留応力を有し、また例えば、モーター、ＳＭＡ、又はＭＦＣによって発生する駆動力を印加し、材料を第１の形態に押し戻すことによって第１の安定形態に戻るための外力を必要とするものの、更に付加的な力は必要としない。
【００４１】
双安定材料と受動材料とを比較すると、受動材料を用いた場合、例えば、５０Ｎ又は６０Ｎを印加して、受動材料の機械特性により材料を変形させる必要がある。双安定材料を用いる場合、既に５０Ｎの残留応力が材料内に存在しているため、エネルギー及び必要とされる追加の力の量は節約及び低減される。したがって、材料アセンブリを他の形態に移行させるために必要な閾値レベルに達するのに、例えば１０Ｎしか追加で必要としない。双安定システムは、２つの安定形態のうちの一方の最低エネルギー状態になろうとする。本明細書に記載の種々の双安定システムは、１つの安定形態から第２の安定形態に迅速に変形することを可能にする。実施形態において、このような変形の速度は、モーター又は他の機械的アクチュエーターを用いて達成することができるものよりも速く、この場合、かなり大きい距離（ミリメートル〜センチメートル）にわたる移動を数ミリ秒以内で起こすことができる。
【００４２】
本明細書に記載の更なる実施形態では、構造材料１０２は、双安定材料１０４に連結された第２のアクチュエーター（又は第３のアクチュエーター、又は第４のアクチュエーター、又は第５のアクチュエーター等）１０６を更に備えることができ、アクチュエーターが作動した場合、双安定材料１０４を第２の双安定形態から第１の双安定形態に移行させる。本明細書に記載のように、このような追加のアクチュエーター１０６は、双安定材料の可逆性を促進するのに用いることができる。実施形態では、第２のアクチュエーター作動信号受信機１１０は、第２のアクチュエーター作動信号を受信した際、第２のアクチュエーター１０６の作動を開始し、それにより、第２の形態から第１の形態に戻る動き（復帰）が生じる。
【００４３】
本明細書に記載のように、実施形態では、構造材料１０２は装着具の一部であり、例えば、構造材料は織物、布地等とすることができる。
【００４４】
例えば、触覚フィードバックジェネレーター１００（すなわち、双安定材料１０４＋アクチュエーター１０６（例えば、ポリマー複合材＋ＳＭＡ又はＭＦＣ））は、男性用タイ（図７を参照）、若しくはシャツの袖若しくは襟（図８を参照）、又はユーザーが装着可能な物品（例えば織物）の他の部分に実装し、触覚フィードバックを与えることができる。例えば、触覚フィードバックジェネレーター１００を備えるタイは、第１の軸７０４に沿って湾曲を有することができる。アクチュエーター１０６は、信号（例えば、ユーザーの電話の着信／メッセージ）を受信すると、タイの材料における触覚フィードバックジェネレーター１００が軸７０２に沿って外方に巻回又は屈曲し、触覚信号の作動に関連付けられた状態（すなわち電話からの信号）が起こったことを着用者に通知することができる。ユーザーは、タイ又はＳＭＡ若しくはＭＦＣを真っ直ぐにすることにより、触覚フィードバックジェネレーター１００を「リセット」することができ、それにより、再度その機能を実行するように構成することができる。ＳＭＰを用いる場合、例えば、熱、加熱、光、レーザー、ＵＶ、磁気、超音波等、作動源に関してより多くの選択肢があり、それら全てを、双安定材料を作動させるのに用いることができる。
【００４５】
例示的な一実施形態では、織物の着用者は、織物、例えばタイの一部における迅速な変形を察知し、その場合、携帯電話等の外部装置が信号をアクチュエーター作動信号受信機１１０に送信し、ユーザーがどのように入力信号をプログラムしたかに応じてユーザーに注意を喚起する（例えば、ユーザーが新たな電子メールメッセージを受信したこと）。ユーザーは、ユーザーの袖（例えば図８）、例えば、袖の材料内の一種のリボンに触覚フィードバックジェネレーター１００を備えることができる。更なる実施形態では、ユーザーの腕時計のストラップに本明細書に記載の触覚フィードバックジェネレーター１００を組み込むことができる。このような実施形態において、ユーザーは、例えば、ストラップの形状が円形から長円形又は楕円形に変わるとそれを感知することができ、それによりユーザーの手首に触覚フィードバックがもたらされる。好適には、本明細書に記載の触覚フィードバックは、振動ではなく形状変化に関するものであるが、触覚フィードバックジェネレーター１００は、振動モードにおいて用いることができ、例えば、２つ（以上）のアクチュエーター１０６を利用して、安定形態の間で双安定材料１０４を素早く移行させることで、振動応答をもたらすことができる。図８に示されているように、構造材料１０２（例えば、カフスに触覚フィードバックジェネレーター１００を組み込んだ男性用シャツ）は、外部の信号８０２、例えば、携帯電話又は他の信号開始装置（コンピューター、タブレット、車等）によって作動する。
【００４６】
更なる実施形態では、ユーザーに触覚フィードバックを与える方法が本明細書において提供される。実施形態では、本方法は、発信源から触覚開始信号を受信することを含むことが好適である。触覚開始信号に応じて、双安定材料（構造材料に付随する双安定材料を含む）に連結された第１のアクチュエーターは、触覚開始信号を発信源から受信すると作動する。次に、第１のアクチュエーターが作動した際、双安定材料が第１の双安定形態から第２の双安定形態に移行することによって、ユーザーに触覚フィードバックが与えられる。
【００４７】
本明細書に記載のように、双安定材料は、構造材料に付随する場合、装着具の一部とすることができることが好適である。実施形態において、双安定材料は、ポリマーマトリックスに埋め込まれた炭素繊維を含む。炭素繊維は少なくとも第１の層及び第２の層に包含され、第１の層及び第２の層中の炭素繊維は、互いに対して約９０度を向いていることが好適である。
【００４８】
更なる実施形態において、本明細書に記載のように、双安定材料は２つのポリマー層を備えることができ、各層は、一軸方向に向けられてもう一方の層に結合されており、２つのポリマー層のうちの１つのポリマー層の一軸の向きは、２つのポリマー層のうちの第２のポリマー層の一軸の向きに対して９０度である。
【００４９】
双安定材料は、最初に、双安定材料の第１の軸に沿った湾曲形態に成形され、第１のアクチュエーターによる作動後、双安定材料は、双安定材料の第２の軸に沿った第２の湾曲形態に移行することが好適である。
【００５０】
実施形態では、アクチュエーターは、双安定材料に連結された形状記憶材料合金（ＳＭＡ）又はマクロファイバーコンポジット（ＭＦＣ）である。更なる実施形態では、アクチュエーターは熱源である。本明細書に記載のように、アクチュエーターは、双安定材料の動きが可逆的であるように構成されていることが好適である。
【００５１】
図９Ａ〜図９Ｃは、本明細書に記載の双安定材料を含み、平行四辺形の形態である双安定横材９００を示している。実施形態では、双安定横材は、底面に対して平行な頂面を含み、中間点が図示のようにともに固定されている。図９Ａは、上の図における第１の安定位置であり、そこでは、作動力（図９Ｂ）により変形を起こし、更なる作動力なしに図９Ｃのように構造体が飛び移りを起こす。
【００５２】
図１０Ａ〜図１０Ｄは、横材又は柱材（例えば、双安定横材９００）の圧縮（図１０Ｂ）を示し、それにより座屈モードＩ（図１０Ｃ）に変形する。座屈モードは、図１０Ｄに示されているような第２の形態を有するが、第２の形態は安定的でない場合がある。
【００５３】
図１１Ａ〜図１１Ｄは、２つの固定点間に保持されている座屈する横材（例えば双安定横材９００）の切替えの時系列を示している。モーメント（図１１ＢのＭ）が双安定横材９００に印加される際、横材の変形及び下方動作が起こる（図１１Ｃ）。この動作が続き、更なるモーメントがそこに印加されると、図１１Ｄの第２の安定形態に飛び移る。
【００５４】
図１２Ａ〜図１２Ｃに示されている設計では、双安定材料１０４（例えば、ロッド又はプレートの形態）は、２つの支柱１２０４を用いてタッチパッド１２０２に取り付けられる。双安定材料１０４は、本明細書に記載の種々の作動システムを用いて、状態Ａから状態Ｂに切り替わることができる。例えば、ＭＦＣ材料は、双安定シートに取り付けて、状態Ａから状態Ｂに駆動することができる。１つ又は多くの双安定ロッドは、電気活性ポリマー（ＥＡＰ）に埋め込むことができる。ＥＡＰマトリックスは、双安定ロッドに力を及ぼし、それにより、双安定ロッドを状態Ａから状態Ｂに付勢する。双安定ロッドの各側は、回転モーターに取り付けることができる。例えば、２つの円筒形支柱の端部には、双安定材料がモーターのギアに取付け／固定されている。回転の結果（時計回り及び反時計回り）、双安定材料１０４は、１つの状態からもう１つの状態になることができる。双安定材料１０４が１つの安定状態から別の安定状態になると、タッチパッド１２０２に遷移し得る大きな力が生じる。一般的に、双安定材料１０４は、短時間の大きい変位を有することにより、高い加速度を呈する（双安定）。何らかの質量体を双安定材料１０４に取り付けて、生じる力を大きくすることもできる。
【００５５】
図１３は、タッチパッドの質量体Ｍ１と、Ｍ２として示されているラップトップのキャリア支持体の質量体との電気回路をモデルとする従来の作動及び緩衝システムを示している。これは、図１２Ａ〜図１２Ｃに示されている質量要素の駆動力及び緩衝特性のモデルを提供することができる。
【００５６】
更なる実施形態では、双安定材料に基づくアクチュエーター１４００も提供される。１つの例が図１４に示されており、例えば、磁石１４０６を双安定材料１０４に取り付けることができる。磁石１４０６は、コイル１４０４（例えばエアコイル）によって引き付けられるか又は反発することが好適であり、コイル１４０４は、ケース１４０２の底面に配置又は設計されることが好適である。ここでも、大きい変位に起因して、大きい加速度及び力が生じる。図１４に示されている双安定材料に基づくアクチュエーター１４００は、タッチパッド等の任意の設計に直接実装することができる。アクチュエーターは、触覚アクチュエーター技術においてＬＲＡ又はＳＲＡが用いられているのと同様に、ケースからシステムに取り付けることができる。
【００５７】
双安定材料１０４及びアクチュエーター（複数の場合もある）１０６は、変形可能な表面を形成するのに用いることもできる。例えば、独立して作動される双安定材料の部分又は部品の使用を通して、それにより、他の要素に対して変形又は変質する要素を有する表面を形成する。例えば、ミリメートルオーダーのサイズ（１ｍｍ〜１０ｍｍ〜２０ｍｍ等）の双安定材料の部分は、変形可能な表面を形成するのに利用することができる。
【００５８】
更なる実施形態において、双安定材料１０４は、図１５Ａ及び図１５Ｂに示されているように、タッチパッド１２０２に直接取り付けることができる。ユーザーが「やさしく」押すと、双安定材料１０４は弾性材料のように作用する、すなわち、平坦化し、その後、元の初期状態に戻ることができる。この場合、双安定材料１０４は受動的な弾性材料のように作用する。例えば、ユーザーがタッチパッド１２０２を使用するにはアイテムをクリックするだけでよい。これは、キーボードを用いる場合の、例えば、キーを押すことでキーの下の金属を押し下げ、キーを離すことで初期状態に戻る場合の状況と感覚が似ている。これは図１５Ａに示されている。換言すると、図１５Ａに示されているタッチパッド１２０２は、押し下げられ、元に戻るだけである（双安定作用はない）。
【００５９】
別の場面では、タッチスクリーン用途に関して、例えば、ユーザーがアイテムを保持してドラッグしようとする。この場合、ユーザーがより大きい力を入力すると、双安定材料１０４は１つの安定状態から他の安定状態になり、第２の状態に留まる。これは、図１５Ｂに示されている。双安定材料１０４は、ユーザーがドラッグ動作を続けている間、この第２の安定状態に留まる。ユーザーがタッチを離すと、すなわちドラッグ動作を停止すると、双安定材料１０４は再び初期状態に戻る（図１５Ａ）。ここでは、ユーザーは更なる動作のために再び双安定材料を押して第２の状態にすることができる。実施形態では、解放のメカニズムは、外部の駆動システムによって行うことができる。図１５Ａから図１５Ｂでは、システムは、駆動力として、また解放のメカニズムのためにユーザーコンタクトを用いる設計とすることが好適である。好適には、ユーザーがドラッグ動作を完了すると、アクチュエーターは、双安定材料１０４の下の或る場所（例えば１５０２）から元の状態に押し上げるように作動するよう設計される。
【００６０】
本明細書に記載の種々の双安定材料、例えば形状記憶ポリマーは、ヒンジとして用いることもできる。例えば、糸形状の材料は、ヒンジのような形状記憶ポリマーによって他の部分に接続することができる。実施形態では、形状記憶ポリマーが作動する場合、屈曲力が作動する。このような形態は、第１の方向において全体構造を曲げ、前述の可逆性プロセスにおいて元に戻ることが好適である。このような実施形態において、形状記憶ポリマーを含む双安定材料は、可撓性のヒンジとして用いることができる。ヒンジは作動すると、例えば９０度の角度に変形し、プロセスが反転すると、形状記憶ポリマーの形状は平坦になることができる。
【００６１】
双安定材料ヒンジ１６０２の例が、図１６Ａ〜図１６Ｄに示されている。タッチパッド１２０２は、支柱１６０４を介して双安定材料ヒンジ１６０２又はストリップに取り付けることが好適である（多安定とする、すなわち２つ以上の安定形態を有することもできる）。ヒンジは、双安定又は多安定の形態を有することができ、キャリア１６０６の一部とすることが好適である。触覚フィードバックは、双安定材料ヒンジ１６０２を通して非振動モード又は振動モードでユーザーに与えることができることが好適である。
【００６２】
例えば、ユーザーがタッチパッド１２０２に触れると、双安定材料ヒンジ１６０２は、上又は下の安定位置（双安定形態又は多安定形態のうちの１つ）に付勢され、その後、それほど遅れることなく（数ミリ秒）元の状態（図１６Ｂを参照）に戻り、それにより、「クリック」又は他の触覚フィードバック（信号）効果がもたらされる。
【００６３】
図１６Ｃ及び図１６Ｄは、図１６Ｂに示されているような双安定材料ヒンジ１６０２の端部に取り付けられる支柱１６０４の拡大図を示している。双安定材料ヒンジ１６０２は、キャリアプレート１６０６の頂部に好適に取り付けられ、それにより、中空キャビティ内への動き及び伸長を可能にする（図１６Ｃを参照）。双安定材料ヒンジ１６０２は、固定して取り付けるか又は何らかの容易に回転可能な機械的手段によって支柱１６０４に取り付けることができ、次に、支柱１６０４は、ヒンジの端部を図１６Ｃ及び図１６Ｄに示されているように下又は上に駆動し、それにより、垂直方向の変化Δが生じ得る。
【００６４】
図１７は、三安定システム１７０２の位置エネルギーに対する機構の変位のプロットを示している。三安定システムを構成する１つの方法は、図１８及び図１９Ａ〜図１９Ｃに示されているように双安定材料ヒンジ１６０２を用いることである。図１９Ａ〜図１９Ｃに示されているように積層する場合、ヒンジ端部は、図１９Ａに示されているように降下するとき、図１９Ｂに示されているように略平坦であるとき、また、図１９Ｃに示されているようにヒンジ端部が上昇するときに安定とすることができる。
【００６５】
更なる実施形態では、本明細書に記載の双安定材料は、電話ケース２００２に実装することができる。例えば、図２０Ａ及び図２０Ｂは、典型的な例の携帯電話ケースの一部（上又は下）の面を示している。ユーザーが電話／メッセージを受信すると、電話ケース２０２の双安定材料が作動して形状が変化する。図２０Ａ及び図２０Ｂに示されているような形態では、このことは図２０Ａから図２０Ｂの順に起こる（形状を変える）。例えば、ユーザーは、電話を机上に（ユーザーの手から離した状態で）置くことができるが、電話ケースの形状が変化したことを察知する。それにより、ユーザーは、何らかのものを受信したことを知る（電話の着信、メッセージ、メール等）。別の場面では、ユーザーが電話をポケットに入れている場合、電話ケースがその変化によって身体に力を及ぼしていること（触覚信号）を察知する。その結果、ユーザーには新規のアクティビティ（電話の着信、メッセージ、メール等）が通知される。
【００６６】
複数の実施形態を本明細書において具体的に図示及び／又は記載しているが、本発明の趣旨及び意図した範囲から逸脱することなく、開示されている実施形態の変更及び変形が上記教示に包含され、添付の特許請求の範囲の範囲内に入ることが理解されよう。
【図１Ａ】
0006608781.tif 000002
【図１Ｂ】
0006608781.tif 000003
【図１Ｃ】
0006608781.tif 000004
【図２】
0006608781.tif 000005
【図３】
0006608781.tif 000006
【図４】
0006608781.tif 000007
【図５】
0006608781.tif 000008
【図６】
0006608781.tif 000009
【図７】
0006608781.tif 000010
【図８】
0006608781.tif 000011
【図９】
0006608781.tif 000012
【図１０】
0006608781.tif 000013
【図１１】
0006608781.tif 000014
【図１２】
0006608781.tif 000015
【図１３】
0006608781.tif 000016
【図１４】
0006608781.tif 000017
【図１５】
0006608781.tif 000018
【図１６】
0006608781.tif 000019
【図１７】
0006608781.tif 000020
【図１８】
0006608781.tif 000021
【図１９】
0006608781.tif 000022
【図２０】
0006608781.tif 000023