(57)【要約】【課題】ユーザの入力に応じて触感を再現することが可能な触覚フィードバックアクチュエータを含むタッチスクリーンデバイスを提供する。【解決手段】本発明に係るタッチスクリーンデバイスは、ディスプレイと、第１基板、第２基板、および電極配置を有する、ディスプレイに設けられる触覚フィードバックアクチュエータと、第２基板は、第１基板に対向し、第１基板および第２基板は、側方方向において互いに平行であり、かつ、互いに相対的に移動可能であり、電極配置は、第１基板および第２基板上に配置され、電極配置における２以上の電極に対して異なる電位が印加されることにより、第１基板と第２基板との間の側方方向に静電力を生成し、コントローラは、得られた静電力が側方方向において変化することで第１基板および第２基板の側方発振運動を引き起こすように、２以上の電極に時変電位差を印加するコントローラと、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレイと、
第１基板、第２基板、および電極配置を有する、上記ディスプレイに設けられる触覚フィードバックアクチュエータと、
上記第２基板は、上記第１基板に対向し、上記第１基板および上記第２基板は、側方方向において互いに平行であり、かつ、互いに相対的に移動可能であり、
上記電極配置は、上記第１基板および上記第２基板上に配置され、上記電極配置における２以上の電極に対して異なる電位が印加されることにより、上記第１基板と上記第２基板との間の側方方向に静電力を生成し、
得られた上記静電力が側方方向において変化することで上記第１基板および上記第２基板の側方発振運動を引き起こすように、上記２以上の電極に時変電位差を印加するコントローラと、を備えることを特徴とするタッチスクリーンデバイス。
【請求項２】
上記側方発振運動は、０ｋＨｚから３０ｋＨｚの周波数範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項３】
上記側方発振運動は、２００Ｈｚから３００Ｈｚの周波数範囲内であることを特徴とする請求項２に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項４】
上記側方発振運動をもたらす上記時変電位差により生み出される静電力による側方運動の後で第１基板を第２基板に対して平衡位置に戻すための１以上の弾性スペーサをさらに備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項５】
上記側方発振運動をもたらす上記時変電位差により生み出される静電力による側方運動の後で第１基板を第２基板に対して平衡位置に戻すための１以上の弾性シールをさらに備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項６】
上記コントローラは、矩形波、パルス、鋸歯状、および正弦波のうちの少なくとも１つの駆動電圧を用いて上記時変電位差を印加することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項７】
上記触覚フィードバックアクチュエータは、上記ディスプレイの上方に配置されており、上記第１基板、上記第２基板、および上記電極配置は、透明性材料により形成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項８】
上記触覚フィードバックアクチュエータは、上記ディスプレイの下方に配置されており、上記第１基板および上記第２基板は、少なくとも一部が非透明性材料により形成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項９】
上記第１基板は、上記第１基板の底部に形成された複数の第１隆起部を含み、
上記第２基板は、上記第２基板の上部に形成された複数の第２隆起部を含み、当該第２隆起部は、上記第１隆起部と嵌合し、
上記電極配置は、上記第１隆起部のそれぞれの側壁上に形成された１以上の第１電極と、上記第２隆起部のそれぞれの側壁上に形成された１以上の第２電極とを含むことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項１０】
接触によって検出可能な程度に上記第１基板と上記第２基板との間の側方発振運動を可能とするように、隣接する上記第１隆起部と上記第２隆起部との間に隙間が設けられていることを特徴とする請求項９に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項１１】
上記第１電極は、複数の第１電極のセットに組み合わされており、
上記第２電極は、複数の第２電極のセットに組み合わされており、
上記第１電極のセットおよび上記第２電極のセットはペアで配列されており、
上記ペアは、対応する、複数の上記第１電極のセットのうちの１つ、および、複数の上記第２電極のセットのうちの１つを含み、
上記コントローラは、上記第１電極のセットおよび上記第２電極のセットに対して駆動電圧を供給することによって１側方方向における運動を生み出すことを特徴とする請求項９または１０に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項１２】
上記コントローラは、第１の側方方向における運動を生み出すために、かつ、第１の側方方向とは反対の方向である第２の側方方向における運動を生み出すために、第１ペアおよび第２ペアに対して駆動電圧を交互に供給することにより上記側方発振運動を生み出すことを特徴とする請求項９が請求項１〜３および６〜８の何れか1項に従属するときの請求項１１に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項１３】
あるペアの上記第１電極のセットに対して印加される上記駆動電圧は、当該ペアの上記第２電極のセットに対して印加される上記駆動電圧と、同じ大きさであるが異符号であり、これにより、上記ペアを形成する上記第１電極のセットと上記第２電極のセットとの間に電位差を生成して側方方向に運動を生み出すことを特徴とする請求項１１または１２に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項１４】
上記コントローラは、あるペアの１つの電極セットの電位を一定値に維持し、かつ、上記ペアの他の電極セットに対して電圧パルスを印加することにより、上記ペアを形成する上記電極セットの間に電位差を生成して側方方向に運動を生み出すことを特徴とする請求項１１または１２に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項１５】
上記コントローラは、上記第１電極のセットおよび上記第２電極のセットに上記駆動電圧を供給するための、電源および複数のスイッチを備えることを特徴とする請求項１１に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項１６】
隣接し嵌合する上記第１隆起部および上記第２隆起部の側壁上の電極間に誘電性スペーサをさらに備えることを特徴とする請求項９〜１５の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項１７】
隣接し嵌合する上記第１隆起部および上記第２隆起部の側壁上の電極は、互いに接触可能であることを特徴とする請求項９〜１６の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項１８】
上記コントローラは、上記第１電極および上記第２電極に供給される電流をモニターし、その電流に基づいて電位差を変化させることを特徴とする請求項９〜１７の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項１９】
上記第１隆起部は、上記第１基板の上記底部の異なる領域において異なる方向を向き、それに相応して、上記第２隆起部は、上記第２基板の上記上部の異なる領域において異なる方向を向いていることを特徴とする請求項９〜１８の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項２０】
上記第１隆起部および上記第２隆起部は、直交する側方方向における運動を可能とするように配設されていることを特徴とする請求項９〜１９の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項２１】
上記第１隆起部および上記第２隆起部は、環状パターンに配設されていることを特徴とする請求項９〜１９の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項２２】
上記第１隆起部および上記第２隆起部は、その断面が、長方形、三角形、半球、半楕円、および台形のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項９〜２１の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項２３】
上記コントローラは、ユーザのタッチによって上記触覚フィードバックアクチュエータの表面に与えられた力の垂直成分を検出することを特徴とする請求項９〜２２の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項２４】
上記コントローラは、与えられた上記力の上記垂直成分を検出するために、隣接する上記第１電極と上記第２電極との間の静電容量を測定するための静電容量測定システムを備えることを特徴とする請求項２３に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項２５】
上記第１隆起部および上記第２隆起部は、その断面が三角形であることを特徴とする請求項２４に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項２６】
上記第１隆起部および／または上記第２隆起部のうちの少なくとも幾つかは、反対の基板上の他の電極に対向する頂部において電極を有し、
上記コントローラは、上記頂部の電極と対向する上記他の電極との間の静電容量を測定する電気回路を備えることを特徴とする請求項９〜２５の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項２７】
隣接する上記第１隆起部と上記第２隆起部との間に流体が充填された隙間が存在することを特徴とする請求項９〜２６の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項２８】
上記隙間に充填された上記流体は、屈折率整合流体であることを特徴とする請求項２７に記載のタッチスクリーンデバイス。
【請求項２９】
上記第１基板は、小さな部分に物理的に分割され、それら小さな部分はそれぞれ、それ自体が指定された第１電極のセットであることを特徴とする請求項９〜２８の何れか１項に記載のタッチスクリーンデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タッチスクリーンデバイスに関する。より具体的に、本発明は、ユーザの入力に応じて触感を再現することが可能な触覚フィードバックアクチュエータを含むタッチスクリーンデバイスに関する。本発明は、さらに、発振運動を通して触覚を作り出す構造および制御手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
タッチスクリーンおよびタッチディスプレイデバイス（ここでは纏めて「タッチスクリーンデバイス」と称する）が急速に普及するに従って、従来のデータ入力方法に対する１つの重大な欠点が瞬く間に明らかになってきた。タッチスクリーン上の「仮想的な」ボタンを押すときに、ユーザが感知する触覚、例えば、ボタンの端やボタンを押し下げる感覚、が十分ではないため、正しくデータ入力されたかどうかを判断するためにユーザはスクリーンを見なければならず、このことがユーザに余計な集中を必要とさせている。本物のボタンやキーは、触感によって視覚系の負担を抑え、ユーザの精神的な労力を分離させる。従来の本物のボタンと比べると、上述したように現実的な触覚が十分ではないことから、仮想ボタンを使用することでデータの入力ミスの発生率が高くなり、ユーザの満足度を低下させることが示される。
【０００３】
触覚フィードバックとして知られる人工的に触覚を生成する手段を付加することにより、タッチスクリーンデバイスの機能が向上することは周知である。例えば、仮想ボタンの位置に相当するタッチパネル上の位置をユーザがタッチしたとき、触覚フィードバックは、ユーザの指を刺激して、実際のボタンをタッチした感覚を人工的に再現する。
【０００４】
触覚を作り出す１つの方法がＷＯ２００８／０３７２７５（Ｐ．Ｌａｉｔｉｎｅｎ；２００８年４月３日公開）に開示されている。この文献によると、アクチュエータが、変形可能な表面と組み合わされた加圧液体により形成される。しかしながら、加圧液体デバイスは、タッチスクリーンディスプレイに組み込まれるには透明性が十分ではなく、変形可能な表面は、摩滅や裂傷に対して強くない。
【０００５】
触覚を再現する他の周知の方法は、ユーザの指と接触しているデバイス表面の振動、もしくは発振運動によって、ユーザの触覚を刺激するというものである。振動は、表面に対して垂直な方向（ここでは垂直運動）、もしくはタッチスクリーンと平行な方向（側方運動）に生成される。基本的に皮膚は振動方向に対して鈍感であるため、触覚を生成するうえでどちらの方向も効果的である。
【０００６】
それぞれのタイプの動作を作り出すために数多くの方法が存在する。例えば、タッチスクリーンデバイスにおいて動作を作り出すために、アクチュエータとして電気活性材料（電圧が印加されることで形状変化するもの）が使用されうる。そのようなデバイスがＵＳ２００８１１６７６４（Ｊ．Ｈｅｉｍ；２００８年５月２２日公開）に開示されている。この文献では、電動ポリマー（ＥＡＰ）アクチュエータにより側方動作が作り出されている。このデバイスでは、タッチスクリーンにＥＡＰが取り付けられており、ＥＡＰ全体に高電圧が印加され、それによりＥＡＰが収縮する。次に、そのＥＡＰの収縮がタッチスクリーンに伝わり、デバイス表面を動作させる。しかしながら、ＥＡＰアクチュエータは不透明であるため、ＥＡＰアクチュエータはタッチスクリーンの背面に取り付けられなければならず、それゆえ、デバイス全体の動作を生じさせてしまう。加えて、電気活性ポリマーが生み出す力は相対的に弱く、動作を生み出すためには、複雑なプレストレッチング技術、規格に準拠した電極、および、高駆動電圧を必要とする。
【０００７】
ＵＳ２００８００６２１４５（Ｅ．Ｓｈａｈｏｉａｎ  ｅｔ  ａｌ；２００８年３月１３日公開）に開示されているように、電気活性材料は、ピエゾ電気セラミックデバイスにより形成されてもよい。しかしながら、そのようなデイバスは壊れやすく、生産コストが高いという欠点がある。
【０００８】
ＵＳ２００９０００２３２８（Ｃ．Ｕｌｌｒｉｃｈ；２００９年１月１日公開）に開示されているように、発振運動を生成するための他の周知の方法として、マイクロ電気機械スイッチ（Micro electro-mechanical switches(MEMS))がある。しかしながら、ＭＥＭＳデバイスは、タッチスクリーンディスプレイ上に取り付けるには壊れやす過ぎ、また、ディスプレイに対してフレキシブルな上面を必要とし、それにより摩滅や裂傷に対して弱くなる。
【０００９】
ＷＯ２０１００８０９１７（Ｃ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ；２０１０年７月１５日公開）には、静電駆動を通して発振運動を作り出す手段が開示されている。図１に示されるように、このデバイスでは、静電力によって対向するプレートが互いに反発または引き寄せられ、それによりデバイス表面に対して垂直な方向への動作が発生する。静電アクチュエータ１０の平行なプレート電極は空隙１２によって分離されている。高誘電定材料１３は、第１に、絶縁体として使用され、第２に、生成される静電力を増大させるために使用される。電極１１および電極１４に印加される電荷によって動作が生じ、その動作は、同符号の電荷によってプレートが互いに反発し、異符号の電荷によってプレートが互いに引き寄せられる。上部電極１１を平衡位置に戻すために弾性スペーサ１７が使用される。通常、０〜３０００Ｈｚの範囲に定められた周波数の駆動波形を供給するために用意された（不図示の）高圧信号発生器により電荷が供給される。
【００１０】
生成された表面の振動（矢印図形によって表示）は、タッチパネル０２に対して垂直であり、ユーザ０１に触覚として感知される。この構造は透明性を有し、ディスプレイ０３上に取り付けられる（例、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、電子ペーパー、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）など）。この方法（ここでは「静電方法」）の主な利点は、その単純さにあり、発振運動は、単に、キャパシタのプレート間の電位差を変化させることで生成される。しかしながら、この方法の主な欠点は、生成された触覚が垂直運動の大きな振幅を必要とする点にある。このことは、タッチスクリーンモジュールのデザインにおいて大きな比重を占め、デバイスの厚みが増すという結果をもたらす。加えて、この方法による表面動作によって可聴雑音が生じ、ユーザの気を散らす原因となりうる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
タッチスクリーンデバイスにおいて、触覚フィードバックを生成するための装置が開示されている。上述したように、スペースやノイズに関する要件を充たすことから、タッチフィードバックデバイスにおける発振運動を生成するためには側方運動および動作が好適な方法である。その構成と操作の簡易さにより「静電方法」が好適である。
【００１２】
ここで説明されるタッチスクリーンデバイスは、第１基板と第２基板とを有する触覚フィードバックアクチュエータを組み入れている。第１基板は、その上部表面がユーザに接触され、下部表面は側方方向の運動を生み出す第１構造を形成する。第１基板は、その上部表面が、第１構造の下部表面に対する補完的な第２構造を形成する。第１基板および第２基板においてパターン化された電極が形成され、電極のグループが、電極セットを形成するために電気的に接続されている。電極セットはペアを形成し、第１基板上に上記ペアの１セットが、上記第２基板上に他のペアが形成される。上記ペアを形成する上記電極間で電位差が時間により変化するように、上記電極セットに対して電気信号が送信される。この電位差によって上記第１電極と上記第２電極との間に静電力が生み出され、それにより、上記第１基板を、上記第２基板に対して側方方向に移動させる。電位差の大きさは、生成される静電力を変化させるために制御される。また、電位差の符号は、側方運動の方向を決めるために制御される。側方運動によって不要な可聴ノイズが制限され、この静電方法によってシンプルなアクチュエーションが可能となる。後述するように、新規な電極設計によって、１次元の側方運動が生み出される。さらに、より洗練された触覚を再現するためのより複雑な動作が、電極設計および駆動方法を変化させることで実現する。
【００１３】
本実施の形態によると、タッチスクリーンデバイスは、ディスプレイと、第１基板、第２基板、および電極配置を有する、上記ディスプレイに設けられる触覚フィードバックアクチュエータと、上記第２基板は、上記第１基板に対向し、上記第１基板および上記第２基板は、側方方向において互いに平行であり、かつ、互いに相対的に移動可能であり、上記電極配置は、上記第１基板および上記第２基板上に配置され、上記電極配置における２以上の電極に対して異なる電位が印加されることにより、上記第１基板と上記第２基板との間の側方方向に静電力を生成し、得られた上記静電力が側方方向において変化することで上記第１基板および上記第２基板の側方発振運動を引き起こすように、上記２以上の電極に時変電位差を印加するコントローラと、を備える。
【００１４】
他の観点によると、上記側方発振運動は、０ｋＨｚから３０ｋＨｚの周波数範囲内である。
【００１５】
他の観点によると、上記側方発振運動は、２００Ｈｚから３００Ｈｚの周波数範囲内である。
【００１６】
他の観点によると、タッチスクリーンデバイスは、上記側方発振運動をもたらす上記時変電位差により生み出される静電力による側方運動の後で第１基板を第２基板に対して平衡位置に戻すための１以上の弾性スペーサを備える。
【００１７】
他の観点によると、タッチスクリーンデバイスは、上記側方発振運動をもたらす上記時変電位差により生み出される静電力による側方運動の後で第１基板を第２基板に対して平衡位置に戻すための１以上の弾性シールを備える。
【００１８】
他の観点によると、上記コントローラは、矩形波、パルス、鋸歯状、および正弦波のうちの少なくとも１つの駆動電圧を用いて上記時変電位差を印加する。
【００１９】
他の観点によると、上記触覚フィードバックアクチュエータは、上記ディスプレイの上方に配置されており、上記第１基板、上記第２基板、および上記電極配置は、透明性材料により形成されている。
【００２０】
他の観点によると、上記触覚フィードバックアクチュエータは、上記ディスプレイの下方に配置されており、上記第１基板および上記第２基板は、少なくとも一部が非透明性材料により形成されている。
【００２１】
他の観点によると、上記第１基板は、上記第１基板の底部に形成された複数の第１隆起部を含み、上記第２基板は、上記第２基板の上部に形成された複数の第２隆起部を含み、当該第２隆起部は、上記第１隆起部と嵌合し、上記電極配置は、上記第１隆起部のそれぞれの側壁上に形成された１以上の第１電極と、上記第２隆起部のそれぞれの側壁上に形成された１以上の第２電極とを含む。
【００２２】
他の観点によると、接触によって検出可能な程度に上記第１基板と上記第２基板との間の側方発振運動を可能とするように、隣接する上記第１隆起部と上記第２隆起部との間に隙間が設けられている。
【００２３】
他の観点によると、上記第１電極は、複数の第１電極のセットに組み合わされており、上記第２電極は、複数の第２電極のセットに組み合わされており、上記第１電極のセットおよび上記第２電極のセットはペアで配列されており、上記ペアは、対応する、複数の上記第１電極のセットのうちの１つ、および、複数の上記第２電極のセットのうちの１つを含み、上記コントローラは、上記第１電極のセットおよび上記第２電極のセットに対して駆動電圧を供給することによって１側方方向における運動を生み出す。
【００２４】
他の観点によると、上記コントローラは、第１の側方方向における運動を生み出すために、かつ、第１の側方方向とは反対の方向である第２の側方方向における運動を生み出すために、第１ペアおよび第２ペアに対して駆動電圧を交互に供給することにより上記側方発振運動を生み出す。
【００２５】
他の観点によると、あるペアの上記第１電極のセットに対して印加される上記駆動電圧は、当該ペアの上記第２電極のセットに対して印加される上記駆動電圧と、同じ大きさであるが異符号であり、これにより、上記ペアを形成する上記第１電極のセットと上記第２電極のセットとの間に電位差を生成して側方方向に運動を生み出す。
【００２６】
他の観点によると、上記コントローラは、あるペアの１つの電極セットの電位を一定値に維持し、かつ、上記ペアの他の電極セットに対して電圧パルスを印加することにより、上記ペアを形成する上記電極セットの間に電位差を生成して側方方向に運動を生み出す。
【００２７】
他の観点によると、上記コントローラは、上記第１電極のセットおよび上記第２電極のセットに上記駆動電圧を供給するための、電源および複数のスイッチを備える。
【００２８】
他の観点によると、隣接し嵌合する上記第１隆起部および上記第２隆起部の側壁上の電極間に誘電性スペーサをさらに備える。
【００２９】
他の観点によると、隣接し嵌合する上記第１隆起部および上記第２隆起部の側壁上の電極は、互いに接触可能である。
【００３０】
他の観点によると、上記コントローラは、上記第１電極および上記第２電極に供給される電流をモニターし、その電流に基づいて電位差を変化させる。
【００３１】
他の観点によると、上記第１隆起部は、上記第１基板の上記底部の異なる領域において異なる方向を向き、それに相応して、上記第２隆起部は、上記第２基板の上記上部の異なる領域において異なる方向を向いている。
【００３２】
他の観点によると、上記第１隆起部および上記第２隆起部は、直交する側方方向における運動を可能とするように配設されている。
【００３３】
他の観点によると、上記第１隆起部および上記第２隆起部は、環状パターンに配設されている。
【００３４】
他の観点によると、上記第１隆起部および上記第２隆起部は、その断面が、長方形、三角形、半球、半楕円、および台形のうちの少なくとも１つである。
【００３５】
他の観点によると、上記コントローラは、ユーザのタッチによって上記触覚フィードバックアクチュエータの表面に与えられた力の垂直成分を検出する。
【００３６】
他の観点によると、上記コントローラは、与えられた上記力の上記垂直成分を検出するために、隣接する上記第１電極と上記第２電極との間の静電容量を測定するための静電容量測定システムを備える。
【００３７】
他の観点によると、上記第１隆起部および上記第２隆起部は、その断面が三角形である。
【００３８】
他の観点によると、上記第１隆起部および／または上記第２隆起部のうちの少なくとも幾つかは、反対の基板上の他の電極に対向する頂部において電極を有し、上記コントローラは、上記頂部の電極と対向する上記他の電極との間の静電容量を測定する電気回路を備える。
【００３９】
他の観点によると、隣接する上記第１隆起部と上記第２隆起部との間に流体が充填された隙間が存在する。
【００４０】
他の観点によると、上記隙間に充填された上記流体は、屈折率整合流体である。
【００４１】
他の観点によると、上記第１基板は、小さな部分に物理的に分割され、それら小さな部分はそれぞれ、それ自体が指定された第１電極のセットである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来のタッチスクリーンデバイスを示し、表面に対して垂直な方向にデバイスを「動作させる」ために静電力が使用される様子を示す図である。
【図２】例えば携帯デバイスで使用される、本発明の第１および基本的な実施形態を示す。
【図３】図２の実施形態に基づく本発明の部分的な分解組立図および全体図を示し、隆起部、電極、および、第１基板および第２基板を明示する図である。
【図４Ａ】図２の実施形態に係る、絶縁層および空隙を明示する側面図であり、第１基板および第２基板に対する電極の位置およびラベリングを示す図である。
【図４Ｂ】図２の実施形態に係る、絶縁層および空隙を明示する側面図であり、本発明の駆動方法に関連する、電極の対を規定するための図である。
【図５Ａ】電極の電位を変化させることによる動作を示し、ある物理的な状態「状態１」に帰着する１つの電圧状態を示す。
【図５Ｂ】電極の電位を変化させることによる動作を示し、他の物理的な状態「状態２」に帰着する他の電圧状態を示す。
【図６】図５Ａおよび５Ｂの状態における電極セット上の電圧波形を示す。
【図７】本発明に係る第２の実施形態に基づく電極セット上の電圧波形を示す。
【図８Ａ】本発明に係る第３の実施形態に基づく電気回路図を示し、電気的配置を示す。
【図８Ｂ】本発明に係る第３の実施形態に基づく電気回路図を示し、２つのスイッチによる供給と位相により提供される電圧パルスを示す。
【図９Ａ】本発明に係る第４の実施形態で説明される、動作に対して反発力をもたらす弾性スペーサの使用を示す図であり、別々のスペーサと、弾性エネルギーを蓄積するために圧縮されるスペーサの動作とを示す。
【図９Ｂ】本発明に係る第４の実施形態で説明される、動作に対して反発力をもたらす弾性スペーサの使用を示す図であり、同様の機能を果たすものの、シール材として機能する弾性シールを示す図である。
【図１０】本発明に係る第６の実施形態に基づき使用される電圧波形、および、結果としての基板位置、電極ペア間の静電容量、および、電圧状態を変化させるために用いられる結果としての電流を示す図である。
【図１１Ａ】本発明に係る第８の実施形態に基づいて説明されるＸ方向および平面での動作を生成するために用いられうる他の隆起パターンを説明するための図である。
【図１１Ｂ】本発明に係る第８の実施形態に基づいて説明されるＸ方向および平面での動作を生成するために用いられうる他の隆起パターンを説明するための図である。
【図１１Ｃ】本発明に係る第８の実施形態に基づいて説明されるＸ方向および平面での動作を生成するために用いられうる他の隆起パターンを説明するための図である。
【図１２】本発明に係る第１０の実施形態に基づいて説明される力を検出するための変形例を説明するための図である。
【図１３】本発明に係る第１０または第１２の実施形態に基づいて使用される電極のペア（キャパシタ）を説明するための図であり、当該電極のペア（キャパシタ）は、第１基板上の力を測定するための静電容量測定回路に接続される。
【図１４】本発明に係る第１１の実施形態に基づいて説明される力を検出するための変形例を説明するための図である。
【図１５】本発明に係る第１２の実施形態に基づいて説明される力を検出するための変形例を説明するための図である。
【図１６】本発明に係る第１４の実施形態に基づいて説明されるタッチスクリーンディスプレイの下方に設置される触覚フィードバックアクチュエータを示す図である。
【図１７】本発明が典型的な携帯デバイスに使用される流れを説明するためのフローチャートを示す。
【図１８】本発明に係るコンポーネントシステムと典型的な携帯デバイスとの係わりを説明するためのブロック図を示す。
【００４３】
添付図において、同一の参照番号は同一の部分および特徴を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
触覚フィードバックは、例えば皮膚の実際の動きや皮膚内の神経の電気的刺激など、多くの方法によって生成される。前者に関し、皮膚に与えられた動きは、皮膚に対する垂直な窪み、もしくは皮膚に対する側方および剪断する動きを含め、様々な態様を採りうる。感知される感覚は、本質的に、用いられた動きには依存しない。現実的な触覚を再現するために、通常、上記の動きは、０〜３０ｋＨｚの周波数範囲の発振運動もしくは振動の形態となる。現実的な触覚の再現に最も効果的な範囲として振動周波数２０Ｈｚ〜１ｋＨｚが知られており、特に、約２００〜３００Ｈｚの周波数範囲は、皮膚の運動受容体が最も敏感となる周波数に一致する。発振運動は、自身の振幅、位相、強度、波形、周期時間、サイクル数によって特徴付けられ、これらの要因は何れも、感知される触覚効果に達する触感を生成するために制御される。例えば、キーの端部、ボタンのクリック、衝撃、そして窪みなどの触覚効果は、これらのパラメータの制御を通して平らな表面を振動させることにより作り出すことができる。
【００４５】
本発明の第１および最も基本的な実施形態が図２、図３に示される。本発明に係る触覚フィードバックアクチュエータ２０は、第１基板と第２基板とを含む。第１基板は、その上部表面がユーザ０１によりタッチされ、その下部表面が側方発振運動を生成する第１基板を形成する。第２基板は第１基板に従って動作可能であり、第２基板の上部表面は、第１基板２１の下部表面に対する第２の補完的な構造を形成する。第１基板および第２基板の基板材料はそれぞれ、液晶ディスプレイの製造において一般的なプラスチックやガラス素材などの透明材料から作製されうる。本発明は、限定されるものではないが、ＰＤＡ、衛星ナビゲーション、携帯電話、ネットブック、タブレット、電子書籍端末などの携帯機器０４に適用可能である。もしくは、本発明は、ウォークステーションディスプレイなどの非携帯デバイスに適用可能である。それらのデバイスの何れにおいても、触覚フィードバックアクチュエータ２０は、タッチパネル０２およびディスプレイ０３（例、ＬＣＤ、電子ペーパー、ＯＬＥＤなど）のレイヤ層の上方に配置されうる。
【００４６】
実施形態１に係る触覚フィードバックアクチュエータ２０の詳細な構造が、図３および図４Ａに示される。複数の第１隆起部２３ａが、第１基板の下部に形成されており、複数の相補的な第２隆起部２３ｂが、第２基板２２の上部に形成されている。
【００４７】
隆起部２３ａ、２３ｂは、例えば、「ポリマーのプラズマ堆積、処理、およびエッチング（Ｒｉｃｃａｒｄｏ  ｄ’Ａｇｏｓｔｉｎｏ版）」の第５章に記載され、液晶ディスプレイの製造分野で知られている基板として用いられる、好適にマスクされた有機ポリマーやガラス、もしくは他の透明材料をプラズマエッチングすることにより形成される。例えば単純に表面を削ったり、化学的エッチングを行うなど、隆起部は他の方法により形成されてもよい。もしくは、隆起部は、平面上に積み上げられてよい。
【００４８】
触覚フィードバックアクチュエータ２０は、第１基板および第２基板上に形成された電極を含む。より詳細に、第１隆起部２３ａの片方もしくは両方の側壁が、伝導性材料によりコーティングされ、複数の第１電極２４ａを形成するようにパターン化される。さらに、第２隆起部２３ｂの片方もしくは両方の側壁が、同様に、伝導性材料によりコーティングされ、複数の第２電極２４ｂを形成するようにパターン化される。電極２４ａおよび２４ｂは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明な導電体により作製されうるが、これに限定されるものではない。これらの電極は、指向性真空蒸着や指向性熱的蒸着などの標準的な技術により隆起部の側壁上に蒸着されうる。
【００４９】
図４Ａは、隣接する電極２４ａと２４ｂとを電気的に分離する絶縁層２５を示す構成図である。絶縁層２５は、高絶縁耐力および比較的高い誘電率を有する透明材料により作製でき、多くのプラスチックおよびセラミックがこの条件に適う。絶縁層２５は、第１基板２１および／もしくは第２基板２２の隆起した表面上に堆積（蒸着、スピン／ディップコーティングなど）されうる。例えば、図４Ａの実施形態において、絶縁層２５は、第１基板２１の隆起した表面上に堆積される。しかしながら、絶縁層２５は、さらに、もしくは、それに代わって、第２基板２２の隆起した表面上に堆積されることが好ましい。絶縁層２５は、堆積のされ方によっては、さらに隆起部の上面を覆ってもよい。最後に、接触（タッチ）によって検出可能な程度に、第１基板２１と第２基板２２との間の側方運動が可能なように特別な「空隙」または別のタイプのスペース２６が存在する。例えば、スペース２６は、０．１ミリメータから１ミリメータのオーダーである。
【００５０】
上述したように、隆起部２３ａおよび隆起部２３ｂは、隆起部が嵌合するように相補的な構造となっている。その結果、隣接する隆起部の側壁上の電極は、互いに側方にオフセットしている。隣接する１つ以上の隆起部のペアの隣接する側壁上に形成された電極間に電位差、すなわち電圧を印加することで、側方方向に存在する２つの基板の間に静電引力を作り出すことができる。同様に、電極間に時変電位差を印加することで、側方方向に異なる２つの基板間に生じ、後ほど詳細に説明するように、第２基板に対して第１基板に側方方向の発振を引き起こす。
【００５１】
図４Ｂは、以下に説明するように、電極配置を電極の対で説明する電気回路図である。第１電極２４ａは、互いに１つ以上組み合わされて、複数の第１電極セットを形成する（例えば、セット４２および４４）。第２電極２４ｂもまた、互いに１つ以上組み合わされて、複数の第１電極セットを形成する（例えば、セット４１および４３）。第１および第２電極セットはそれぞれ、対応する外部信号源４５と接続される。外部信号源４５は、各セットに対して、特別な動作信号を加えるために用いられる。電極セットはさらに、複数の第１電極セット（例、４２および４４）のうちの１つの電極と、該複数の第２電極セット（例、４１および４３）のうちの１つの電極からなるペア３５ａと３５ｂに構成される。例えば、第１ペア３５ａは、電極セット４１および電極セット４２を含み、第２ペア３５ｂは、電極セット４３および電極セット４４を含む。電極セットに電圧が印加されると、ペア間の静電力によって、第１基板２１と第２基板２２との間に相対的な運動が生じる。このことを簡潔に説明する。
【００５２】
図３および図４Ａから図４Ｂに示されるように、第１基板２１および第２基板２２は、ペアを形成する第１電極セットおよび第２電極セットが、物理的に互いに対向し、側方方向（すなわち、第１基板２１および第２基板２２に対して平行な方向）において誘電層２５および空隙２６のみによって分離されるように配置される。
【００５３】
触覚を生み出すための上記構造の動作を説明する。図５Ａは、各基板間の側方静電力を生成するために、上記電極がどのように指定されるかの例を示す。図示されるように、第１電極セット４２および第２電極セット４４は、複数の第１電極セットの一部であり、第１基板２１の隆起部の壁上に形成される。第３の電極セット４１および第４の電極セット４３は、複数の第２電極セットの一部であり、第２基板２２の隆起部の壁上に形成される。第１電極セット４２および第３電極セット４１は、第１ペア３５ａを形成する。第２電極セット４４および第４電極セット４３は、第２ペア３５ｂを形成する。これら４つの電極セットと４つの電源４５とは電気的に接続される。これらの電源電圧は、次に述べるように変化する。
【００５４】
操作の第１の状態（ここでは「状態１」）において、第１電極セット４２上の電圧Ｖ２はプラス電位に駆動され、第３の電極セット４１上の電圧Ｖ３は、マイナス電位に駆動される。第２電極セット４４上の電圧Ｖ４、および第４電極セット４３上の電圧Ｖ１は、等電位、すなわちシステムの接地電位に駆動される。このとき、電位差（Ｖ２−Ｖ３）により、第１ペア３５ａを形成する電極セット４１と電極セット４２との間で静電引力が生成され、図５Ａに矢印で表示されたｘ軸に対してマイナス方向に、第１基板２１を第２基板２２に対して移動させる。
【００５５】
操作の第２の状態（ここでは「状態２」）において、第２電極セット４４上の電圧Ｖ４はプラス電位に駆動され、第４電極セット４３上の電圧Ｖ１は、マイナス電位に駆動される。第１電極セット４２上の電圧Ｖ２、および第３電極セット４１上の電圧Ｖ３は、等電位、すなわちシステムの接地電位に駆動される。このとき、電位差（Ｖ４−Ｖ１）により、第２ペア３５ｂを形成する電極セット４３と電極４４との間で静電引力が生成され、図５Ｂに矢印で表示されたｘ軸に対してプラス方向に、第１基板２１を第２基板２２に対して移動させる。
【００５６】
第１および第２の状態の駆動波形を交互に印加することで、第１基板２１は、第２基板２２に対して、ｘ軸に沿った側方方向に前後に発振する。さらに、第２基板２２は、通常、自身が設けられているデバイスに対して固定され、動けない。そのため、第１基板２１は、ユーザの指に関連して動作し、上述したように、ユーザ０１は振動を触覚として感知する。図６は、この実施形態において、それぞれの電極セット間で時変電位差を生成するために使用される電圧波形のグラフ、および、第２基板２２に対する第１基板２１の、結果として生じる動作の近似値を示す。
【００５７】
システムは対称性を有していてもよい。代替構成において、上記運動はｙ軸に沿って側方であるか、もしくは、必要に応じて、第２基板２２は、固定された第１基板２１に対して動作する。電源の極性は上記と逆にしてもよい。上記運動を生み出すために使用される波形も限定されない。
【００５８】
本発明の第２の実施形態において、プラス電位またはマイナス電位のパルスが第１ペア３５ａの電極セットの１つ（例えば４２）に印加され、それぞれの電極セットに時変電位差、および、該ペアを形成する２つの電極セット間に静電引力を生成する（言い換えれば、第１ペア３５ａの電極セットの１つが電圧パルスを受け、第１ペア３５ａの他の電極セットが接地電位などに固定される）。この復帰運動は、上記動作を他の電極ペア３５ｂの電極セットの１つ（例、４３）に対して繰り返すことで生成される（言い換えれば、第２ペア３５ｂの電極セットの１つが電圧パルスを受け、第１ペア３５ｂの他の電極セットが接地電位などに固定される）。このことが図７に示されている。
【００５９】
状態１において、Ｖ３は接地電位にあり、Ｖ２は印加されるパルス電位を有する（Ｖ１およびＶ４は共に接地電位にある）。これにより、第１ペア３５ａの電極セット４１と電極セット４２との間に誘引力が生じ、固定された第２基板２２に対する第１基板２１の運動が生み出される。
【００６０】
状態２において、Ｖ２およびＶ３は共に接地電位にあり、したがって、第１ペア３５ａの電極セット４１と電極セット４２との間には何の力もかかっていない。しかしながら、Ｖ４は、印加されるパルスの電位を有し、このときＶ１が接地電位であるため、第２ペア３５ｂの電極セット４３と電極４４との間に誘引力が存在する。これにより、状態１で生み出された運動とは反対方向に、固定された第２基板２２に対する第１基板２１の運動が生み出される。
【００６１】
この操作を繰り返し続けることで第２基板２２に対して第１基板２１が振動し、ユーザ０１に感知可能な触覚がもたらされる。再び、システムは対称性を有していてもよい。本実施形態において、２つの電力供給のみが求められており、Ｖ１およびＶ３は、永続的に接地されていてよい。
【００６２】
第２の実施形態の他の実施例である第３の実施形態では、１つの電力供給のみが必要とされる。電極セット４１および電極４４は接地電位に接続され、電源４５の出力が、電極セット４２および電極セット４３に選択的に供給される。
【００６３】
電極セット４２および電極セット４３に対する給電電位の配分は、スイッチのペアにより制御される。ここで、第１スイッチ５１は第１タイミング信号Φ１により制御され、第２スイッチ５２は第２タイミング信号Φ２により制御される。この構成が図８に示される。触覚を生み出すために使用される供給電源電圧およびスイッチ制御信号Φ１およびΦ２の例が図８Ｂに示される。
【００６４】
（図８Ｂに示される）状態１において、第１スイッチ５１は電源４５に接続され、第２スイッチ５２が接地電位に接続される。これにより、第１ペア３５ａの電極セット４１と電極セット４２との間に誘引力がもたらされ、第２基板２２に対して第１基板２１の運動が生成される。
【００６５】
状態２において、第１スイッチ５１は接地電位に接続され、第２スイッチ５２は電源４５に接続され、電極セット４３が電位Ｖ１に達する。これにより、第２ペア３５ｂの電極セット４３と電極セット４４との間に誘引力がもたらされ、状態１で生成された運動とは反対方向に、固定された第２基板２２に対する第１基板２１の運動が生成される。この操作を繰り返し続けることで第２基板２２に対して第１基板２１が振動し、ユーザ０１に感知可能な触覚がもたらされる。これとは異なる他のスイッチおよび電源構成が可能であってよく、例えば、マイナス電位の電源４５が使用されうる。
【００６６】
図９Ａは、本発明の第４の実施形態を示し、第２基板２２に対して第１基板２１を平衡位置に戻すために弾性スペーサ５５が使用される。時変電位差により生み出される静電力が最初の運動をもたらすために依然として使用されるが、弾性スペーサ５５によって復帰力が与えられ、これにより側方方向の発振動作が生み出される。弾性スペーサ５５は、動作する第１基板２１と支持フレーム５６との間に配置される。復帰力を与えるための弾性スペーサ５５の取り付け位置は上述した位置に限られない。例えば、弾性スペーサ５５は、第１基板２１と第２基板との間に配置されてもよい。
【００６７】
本実施の形態の他の実施例が図９Ｂに示されており、弾性シール５７が、第１基板２１の端部の周囲に設けられている。弾性シール５７は、第１電極および第２電極における時変電位差によって生み出される静電力による側方運動の後で第１基板を第２基板に対して平衡位置に戻すうえで弾性スペーサ５５と同様の機能を果たす。弾性シール５７は、汚れや不純物が装置内部へ侵入することを防止するために支持フレーム５６に対してシステムをシールできるという利点を有する。シール機構は、触覚運動に対する復帰力を与えることとは関係なく使用されてもよい。
【００６８】
本発明の第５の実施形態では、電極間に誘電スペーサは存在しない。電極を互いに引き寄せる静電力によって電極が接触したとき、電極に保持されていた電荷が突然に放電され、電極間に瞬間的な電流の増加を引き起こす。この突然の電流の増加を付属の電源を制御するための信号、および、力の方向を逆向きにするように電極セットの電圧を変化させる信号として使用することができる。しかしながら、この構成の大きな欠点は、突然の放電によって、回路や電極構造に元に戻せない電気的故障が生じ、装置が損傷を受けうる点にある。
【００６９】
第６の実施形態では、電極セットの相対動作により電源から得られた電流変化が、電極に印加された波形の制御に使用される。本実施形態における上記操作の原理が、図１０に示される。操作の第１の状態（状態１）において、図示されるように、電極セットに対して電圧波形が印加される。ここで、Ｖ１、Ｖ３、およびＶ４は接地電位であり、Ｖ２は異なる（プラスで図示）電位を有する。電極セット４１と電極セット４２との間に電位差を生じさせる電圧波形を印加することにより、第１ペア３５ａの電極セット４１と電極セット４２との間に静電引力が生じる。
【００７０】
これにより第２基板２２に対して第１基板２１が動作し、電極セット４１と電極セット４２との間の距離が縮まる。そして、電極のペア３５ａにより形成されたキャパシタ（ＣＰ１）の静電容量が増加する。電極セットが一定の電圧で保持されているのであれば、電極に保持される電荷は、増加し、付属の電源４５から供給されなければならない。これによりキャパシタ（ＣＰ１）に流れ込む電流（ＩＰ１）が生成される。この電流は、装置を運転制御するために監視される。例えば、電極間の距離が固定の最小分離距離に達することにより電流値が特定の電流閾値（ｉｔｈ１）を上回ったときに、印加される電圧波形が状態１から状態２に変化する。
【００７１】
状態２において、Ｖ１、Ｖ２、およびＶ３は接地電圧に駆動され、電位パルス（プラスで図示）がＶ４に印加される。その結果、電極セット４３と電極セット４４との間に電位差が生じ、第２ペアの電極セット４３と電極セット４４との間に静電引力が生じる。その結果、電極セット４１と電極セット４２との間の距離が大きくなり、また、電極セット４３と電極セット４４との間の距離が小さくなる。これにより、第２電極のペア３５ｂによって形成されたキャパシタ（ＣＰ２）の静電容量は大きくなり、電源からキャパシタへと流れ込む電流（ＩＰ２）が生成される。
【００７２】
従来どおり、電流は閾値（ｉｔｈ２）まで増大し、その閾値において電圧波形が状態１の条件に戻る。閾値電流ｉｔｈ１およびｉｔｈ２は、故障が起こるポイントを下回るように設定される。また、偶発的な電気的故障を防ぐために誘電層２５が存在してもよい。この操作を繰り返し続けることで第２基板２２に対して第１基板２１が振動し、ユーザ０１に感知可能な触覚がもたらされる。
【００７３】
再び、システムは対称性を有していてもよい。上記の駆動方法は、第１の実施形態から第６の実施形態に開示された何れの構成にも適用可能であり、ここで説明された触覚フィードバックアクチュエータコントローラの対応する回路に組み込まれてもよい。先述の実施形態と比較して、本実施形態は、電気的故障によって装置が元に戻せない損傷を受ける危険性がないという利点を有する。
【００７４】
本発明の第７の実施形態において、駆動電圧は、方形波やパルスであることに制限されることはなく、いかなる好適な波形であってもよく、例えば、鋸歯状の波形や正弦曲線の波形であってもよい。これにより、よりバラエティに富む触覚効果が生み出され、ユーザに対してより広範囲の接触感覚を再現させうるという利点がもたらされる。
【００７５】
隆起部を平行板にすることで側方運動に対して最も強い力が付加されるとはいえ、隆起部を直線で平行な線とする必要はなく、限定的といえる。本発明の第８の実施形態では、異なる隆起部／電極で設計することにより、１以上の方向の側方運動が可能となる。隆起部の変形例、それによる電極意匠パターンが図１１Ａ、図１１Ｂ、および図１１Ｃに示される。図１１Ａは、最初の実施形態を示す。図１１Ｂは、対応する基板の異なる領域にわたって隆起部２３ａ、２３ｂが異なる方向に面する実施の形態を示す。
【００７６】
再び、電極は、それぞれの隆起部の壁上に形成されている。図示される意匠では、最大で、最初の構成において生成される力の半分のみが生成される一方で、直交する側方方向（すなわちｘ軸およびｙ軸方向）の運動が可能となる。また、電極セットに好適な電圧波形を印加することで、二方向における同時運動が作り出される。例えば、側方面において、円運動もしくは対角運動が作り出される。同様に、図１１Ｃにおいて、環状の分離された電極が同様の効果をもたらすものとして採用されうる。本発明の範疇において、つまり、平面状の相対的な側方運動をもたらす他の電極パターンも採用可能である。
【００７７】
本発明の第９の実施形態において、隆起部２３ａ、２３ｂは、長方形の断面を有さない代わりに、三角形、半球、半楕円、もしくは台形等の断面を有する。
【００７８】
先述の実施形態で開示された構成を使用することで、側方方向とともに垂直（Ｚ軸）運動を行える構造が可能であり、それゆえ、その構造は、装置表面のフル三次元運動が要求される複雑な触覚を作り出すために用いられる。
【００７９】
本発明の第１０の実施形態において、指が表面に与えた力の垂直成分は、電極セットのペアにより形成されたキャパシタの静電容量の変化により感知されうる。ユーザの指は、第２基板に対して第１基板を動かし、これにより、図１２に示されているように静電容量を変化させる。ここで、電極ペア３５間の静電容量の一例が図示されている。
【００８０】
安定状態において、このペアの静電容量（ＣＰ）は、第１静電容量Ｃ１と等しい。ユーザが表面に力を加えたとき、キャパシタ領域は効果的に大きくなり、これにより該ペアの静電容量を第２静電容量Ｃ２へと増加させる。ここで、Ｃ２＞Ｃ１である。静電容量の増加は、加えられる力に相関しうる。ユーザによって与えられた力に対する復帰力をもたらすために弾性スペーサ５５が付加される。
【００８１】
図１３は、第１０の実施形態で使用される静電容量測定システムの模式図を示す。静電容量測定システムは、ここで説明される触覚フィードバックアクチュエータコントローラに組み入れられてもよく、静電容量／周波数変換器５８、周波数／デジタル変換器５９、および力演算ユニット６０を含む。静電容量／周波数変換器５８は、周知の構成であってもよく、例えば、さらに、演算増幅器および４つのレジスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を有する。
【００８２】
作動中、静電容量／周波数変換器５８は、測定される静電容量に応じた周波数の方形波である出力信号を生成する。このとき、ペアの静電容量はＣＰである。周波数／デジタル変換器５９は、この周波数の測定値、従って静電容量ＣＰの測定値であるデジタル出力信号を生成する。力演算ユニット６０は、デジタル周波数信号を、ユーザ０１によってデバイス表面に加えられた力に対応する力の絶対値に変換するために使用される。
【００８３】
次に、上記の力情報は、単にユーザに表示されるか、もしくは、タッチスクリーンデバイスに対する付加的な入力パラメータとして用いられる。ある実施形態において、力情報は、タッチスクリーンデバイス上のユーザのタッチ位置を確かめるために、従来のタッチパネルとともに、もしくは、従来のタッチパネルに代わって使用されうる。上述の静電容量測定システムはただの一例であり、その代わりに、多くの周知の静電容量測定回路が使用されてよい。
【００８４】
図１４は、本発明の第１１の実施形態を示し、第９の実施形態で説明した三角形の断面を有する隆起部が力を検出するために使用される。この構成の利点は、同時に、側方および垂直（ｚ軸）運動を作り出し、かつ、側方および垂直方向に印加された力を検出することが可能という点にある。
【００８５】
本発明の第１２の実施形態において、いくつかの隆起部２３ａおよび２３ｂは、その頂部にコーティングされた電極を有する。これらは、作動用の電極とは別に、第１２の実施形態および第１３の実施形態で説明した力の関数として静電容量を測定する。この構成が、隆起部２３ａの１つについて図１５に示されている。本構成の利点は、側方および垂直（ｚ軸）運動を同時に作り出すことが可能という点にある。
【００８６】
本発明の第１３の実施形態では、空隙２６（図４Ａ）が、低粘性屈折率整合流体により充填されている。この流体は、隆起部２３ａ、２３ｂと同じ屈折率を有するように選択され、それゆえ、異なる屈折率を有する表面の境界面において発生する屈折によって生じる光学散乱が低減される。
【００８７】
図１６に示される本発明の第１４の実施形態では、触覚フィードバックアクチュエータ２０は、ディスプレイ０３の下方に配置されている。デバイスの操作は上記の実施形態と同様だが、本実施形態では、ディスプレイ０３自体が、側方移動するものに含まれる。本実施形態の利点は、電極、屈折率整合流体、隆起部、および支持部材の全て、もしくは少なくとも一部が、不透明性材料により形成されてよい点にある。
【００８８】
本発明の第１５の実施形態において、第１基板２１は、小さな部分に物理的に分割される。それら小さな部分はそれぞれ、それ自体が指定された電極セットである。これにより、第１基板の表面の各領域は、他に対して独立に振動することができる。このようにしてマルチタッチ触覚フィードバックデバイスが実現する。
【００８９】
図１７は、上記の本発明に係る実施形態の何れかに開示された触覚フィードバックデバイスを有するタッチスクリーンデバイスのシステムブロック図を示す。本システムは、ディスプレイコントローラ６２、タッチパネルコントローラ６５、触覚コントローラユニット６６、処理装置６１、およびメモリ装置６８を有する。ディスプレイコントローラ６２は、ディスプレイ０３上に出力映像を生成する。タッチパネルコントローラ６５は、ユーザの触れた位置を検出するためにタッチパネル０２に検出された入力信号を処理する。
【００９０】
触覚コントローラユニット６６は、上記の実施形態の何れかに従う触覚フィードバックアクチュエータ電極に対して様々な駆動電圧を供給することにより、触覚フィードバック感覚を生成するために触覚フィードバックアクチュエータ２０を作動させる。このとき、触覚コントローラユニット６６は、従来の技術を用いてプログラムされる。処理装置６１（例えばＣＰＵ）は、ディスプレイ０３、タッチパネル０２、および触覚フィードバックアクチュエータ２０の操作を統合するために、従来のプログラミング技術を使用してプログラムされている。メモリ装置６８は、表示のために画像を格納し、触感覚を生成するために波形パターンを格納する。
【００９１】
図１８は、本発明の操作を説明するフローチャートを示す。ステップ１００において、タッチスクリーンデバイスは、仮想ボタン、または仮想ボタンに相当する画像をディスプレイ０３に表示する。ステップ１０２においてユーザ０１がタッチスクリーンデバイスにタッチした時、タッチパネル０２およびタッチパネルコントローラ６５は、従来の技術を使用してタッチスクリーンデバイス上のタッチされた位置を決定する（ステップ１０４に相当）。ステップ１０６において、処理装置６１は、ユーザ０１が、仮想ボタン、もしくは触覚と関連する他のオブジェクトにタッチしたか否かを判断する。触覚と関連するオブジェクト（例として、仮想ボタンやスクロールバー）によって強調されていないディスプレイ０３上の領域に対してユーザがタッチスクリーンデバイスを押したとき、触覚フィードバックアクチュエータ２０は、動作せず、ユーザがタッチ位置を変更しない限り（ステップ１０８およびステップ１１０）、触覚は生成されない。
【００９２】
しかしながら、ユーザ０１が触覚に関連するオブジェクトを含む領域にタッチしたとき（ステップ１１２に相当）、処理装置６１は、上述したデバイス表面の側方運動をもたらすために触覚フィードバックアクチュエータ２０を動作させるための信号を触覚コントローラ６６に対して送信する（ステップ１１４）。これらの運動は、その後ユーザに感知される。オブジェクトによって、例えば、ボタン、スクロールバー、鍵によって、触覚フィードバックアクチュエータ２０に供給された波形パターンに基づいて異なる触覚が作り出される。
【００９３】
触覚アクチュエータに印加された波形を適切に制御することによって、実際のオブジェクトに近い仮想的なタッチ感覚を再現することができる。例えば、ユーザがタッチスクリーン上の仮想ボタンを押したとき、実際のキーボードに触れている感覚を再現することができる。その結果、ユーザの満足度が高まり、データの入力エラー率が減少する。
【００９４】
ある実施形態に関連付けて本発明を説明したが、本明細書および添付された図面を理解することによって、当業者であれば均等の変更や改良が可能となるであろう。特に、上記のエレメント（コンポーネント、アセンブリ、デバイス、構成など）によって実行される様々な機能に関して、それらのエレメントを説明するために使用されるターム（「手段」に対する参照も含む）は、指摘されない限り、上記の特定の機能を実行するいかなるエレメント（言い換えれば、機能的に同等なもの）にも相当する。このことは、本発明に係る実施形態または実施例において上記の機能を実行する開示された構造的に同等でないにしても該当する。加えて、本発明に係る特定の特徴が複数の実施の形態のうちの１以上のみに関して説明されているが、そのような特徴は、所定の、または特定の用途に対して求められ利点を有するように、他の実施形態に係る１以上の特徴と組み合わされうる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明は、理想的には、携帯電話、ＰＤＡ、電子ペーパー、ナビゲーション機器などのモノタッチ触覚効果が要求される製品に好適に用いられる。そのようなデバイスは、実際に目視することなく、動作が実行されたことをユーザに気付かせるように表面を振動させることができる。このようにして、車内ナビゲーションデバイスの安全上の問題が取り除かれ、視覚障害者が使用可能なタッチスクリーンを製造することができる。
【符号の説明】
【００９６】
０１    ユーザ
０２    タッチパネル
０３    ディスプレイ（ＬＣＤ、電子ペーパーなど）
０４    携帯デバイス
１０    静電アクチュエータ
１１    上部電極
１２    空隙
１３    高絶縁耐力および高誘電率を有する薄い絶縁体
１４    下部電極
１７    変形可能な弾性スペーサ
２０    触覚フィードバックアクチュエータ
２１    第１基板
２２    第２基板
２３ａ  第１基板の隆起部
２３ｂ  第２基板の隆起部
２４ａ  第１電極（第１基板の隆起部の側壁のみを覆う）
２４ｂ  第２電極（第２基板の隆起部の側壁のみを覆う）
２５    絶縁層（電極の接触防止用）
２６    間隔／空隙
３５    電極セットのペア
３５ａ  第１電極セットのペア
３５ｂ  第２電極セットのペア
４１    電極セット（第２の複数の電極セットの一部）
４２    電極セット（第１の複数の電極セットの一部）
４３    電極セット（第２の複数の電極セットの一部）
４４    電極セット（第１の複数の電極セットの一部）
４５    電源
５１    スイッチ１
５２    スイッチ２
５５    弾性スペーサ
５６    フレーム
５７    弾性シール
５８    静電容量／周波数変換器
５９    周波数／デジタル変換器
６０    力演算ユニット
６１    ＣＰＵ
６２    ディスプレイコントローラ
６５    タッチパネルコントローラ
６６    触覚フィードバックコントローラ
６８    メモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【外国語明細書】
2012226743000001.pdf