(57)【要約】【解決課題】  本発明は，データをプロッセサに入力するインターフェースを提供する。【解決手段】  本発明のインターフェースは，３次元形状の入力面（２）を有し，入力面に加えられた力に応答して，センサアレイ（４）に加えられた力の強さを記録することができ，かつ入力表面にかけられた圧力の位置を解釈することができるプロセッサに，入力データを提供するアレイセンサ（４）と，３次元形状の入力面（２）とアレイセンサ（４）の間に配置され，３次元形状の入力面（２）に加えられた力をセンサに伝えることができる，３次元形状の柔軟弾性材の層（３）とを含む。【選択図】  図１
2012532360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力面を有し，プロセッサにデータを入力するインターフェースであって，
前記入力面に加えられた力に反応するセンサ又はセンサアレイと，
前記センサ又は前記センサアレイを覆い，前記入力面に加えられた力を前記センサに伝えることができる柔軟弾性材の層とを含み，
前記インターフェースの前記入力面は，少なくとも１つの比較的隆起した領域及び少なくとも１つの比較的くぼんだ領域からなる３次元形状を有し，
前記センサ又は前記センサアレイは，前記入力面に加えられた力の強さ及び力が加えられた前記入力面の位置に関するデータを含む入力データを，前記プロセッサに提供するように構成される，
インターフェース。
【請求項２】
請求項１に記載のインターフェースであって，前記柔軟弾性材の層は，前記入力面の領域に加えられた力を，前記センサアレイの幅広い領域にわたって拡散させ，前記アレイ内の複数のセンサに前記力を記録させる，インターフェース。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記入力面は，前記センサアレイの全ての面を取り囲んでいる，インターフェース。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記入力面は，凸面又は凹面であるか，若しくは３次元形状を形成する一連の凹凸要素で構成されている，インターフェース。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記入力面が反転させられ，前記柔軟弾性材の層及び前記センサアレイが外側に位置する，インターフェース。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記入力面は，３次元形状を形成するように互いに結合した一連の２次元形状で構成されている，インターフェース
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記入力面は，滑らかで連続的な３次元の面で構成された形状を有する，インターフェース。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記入力面は，複数の比較的隆起した領域と複数の比較的くぼんだ領域で構成される形状を有する，インターフェース。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載のインターフェースであって，少なくとも１つの前記比較的隆起した領域は，少なくとも１つの前記比較的くぼんだ領域から少なくとも１ｍｍ，例えば少なくとも３ｍｍ，少なくとも８ｍｍといった間隔をあけて上部に位置する，インターフェース。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載のインターフェースであって，前記柔軟弾性材の層の厚さ及び前記センサ間の間隔は，前記入力面のいずれかの位置に加えられた力が少なくとも１つの前記センサ及び必要に応じて少なくとも２つの前記センサによって検出されるように存在する，インターフェース。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載のインターフェースであって，前記柔軟弾性材の層は，少なくとも０．３ｃｍ，例えば少なくとも０．５ｃｍ，少なくとも１ｃｍといった最少限の厚さを有する，インターフェース。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載のインターフェースであって，前記柔軟弾性材の層は，００−００１〜１０度，例えば００−００５〜１度又は００−０１〜００−１度のショア硬さを有する，インターフェース。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記柔軟弾性材の層は，その内部に埋め込まれた１つ以上の硬体又は軟体を含む，インターフェース。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記柔軟弾性材の層は，その内部に埋め込まれたメッシュ構造の１つ以上の硬体又は軟体を含み，前記硬体又は前記軟体は，前記柔軟弾性材の層の特定の方向及び経路における動きを制限することができる，インターフェース。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記柔軟弾性材の層は，メッシュ構造の１つ以上の硬体又は軟体を含み，前記メッシュ構造は，３次元形状の前記入力面の特定の地点からの圧力を，前記アレイセンサの特定のセンサに伝えることができる，インターフェース。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか１項に記載のインターフェースであって，前記インターフェースの前記入力面は，前記柔軟弾性材の層の表面である，インターフェース。
【請求項１７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のインターフェースであって，前記入力面は，前記柔軟弾性材の層よりも硬いか又は柔らかい材料，例えばエラストマー材料から構成される，インターフェース。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか１項に記載のインターフェースであって，
前記センサアレイの各センサは，前記入力面に加えられた力及びそれによって感知した力に応じて，その入力データを前記プロセッサに提供するように構成されており，
前記センサアレイは，加えられた力の前記入力面上の位置のデータを，ゼロ以外の入力データを提供する前記センサアレイ中のセンサに基づいて決定する前記プロセッサに提供する，インターフェース。
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記入力面は，複数の比較的隆起した領域及び複数の比較的くぼんだ領域から構成される形状を有する，インターフェース。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記入力面は，キーボード又は接触して演奏する他の楽器，例えばギターといった楽器の形状である，インターフェース。
【請求項２１】
請求項１から２０のいずれか１項に記載のインターフェースであって，前記センサは，感圧性であり，例えば量子トンネル複合材料で形成されるか，又は力覚抵抗器，圧電体，歪み計，又は光学式力センサである，インターフェース。
【請求項２２】
１つ以上のアルゴリズムに従って前記センサからの信号を処理する前記プロセッサを組み合せた請求項１から２１のいずれか１項に記載のインターフェースであって，
音を生成するスピーカを駆動させる信号の出力か， 
英数字又は単語若しくは数字の処理機能を有する信号か，又は，
実空間や仮想空間におけるオブジェクトの遠隔運動若しくは遠隔操作，例えば車両の動き，遠隔ロボットデバイス又は器械，手術器具を提供する信号，
を供給する，インターフェース。
【請求項２３】
請求項１３に記載のインターフェースであって，前記プロセッサは，前記入力面に加えられる力の特定の組み合わせに応じて，又は前記入力面に加えられる力の特定の変化に応じて，特定の前記プロセッサの出力信号を生成するように，ユーザーによってプログラム化される，インターフェース。
【請求項２４】
請求項１から請求項１４のいずれかに記載のインターフェースを操作することによってプロセッサからのプロセッサ信号を生成する方法であって，
１つの力又は複数の力の組み合せを，前記入力面の選択した領域に加えるステップと，
これにより前記インターフェースの１つ以上のセンサに，前記プロセッサへの入力データを生成させるステップとを含み，
前記入力データは前記入力面に加えられた力の強さに関するデータ，及び前記入力面に加えられた力の位置に関するデータを含み，
前記プロセッサは，前記センサ又は前記センサアレイからの信号に応じて，前記プロセッサに格納されたアルゴリズムに従って信号を生成する，
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，入力データをプロセッサ，すなわちデータプロセッサに提供するインターフェースに関する。本発明は，音色や音楽を制作すること，幅広いデジタル指令を表わす信号を提供すること，英数字の入力データをメモリ内及び／又は画面上に提供すること，単語又は数値処理機能を実行することを可能にする。また，本発明は，実空間又は仮想環境でのオブジェクトの遠隔操作又は遠隔運動，例えば車両の動きを提供する信号，又は遠隔ロボット装置や機器，例えば手術器具などを操作する信号を生成することなど複数の用途に使用することができる。特に，本発明は，ディスクリートコマンド，空間的位置，及び圧力レベルを含む，かなりの入力数を同時に有効にするインターフェースに関する。他の多くの用途は，以下の記載に基づいて当業者にとって明らかになるであろう。
【背景技術】
【０００２】
現在，ほとんどのユーザーインターフェースは，“離散制御インターフェース（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ（ＤＣＩ））”と“連続動作インターフェース（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ａｃｔｉｏｎ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ＣＡＩ））”と呼ばれる２つのカテゴリに分類される。ＤＣＩは，単純で離散的な入力を可能にするためにオン又はオフの位置を記録できる一連の離散スイッチを使用する。ＣＡＩは，連続動作に基づくより複雑な入力を時間的に可能にするために，空間的な動き，圧力ベースの動き，又はジェスチャに関する動きを記録する。ＤＣＩは，普通は機械的動作をシミュレートする直接アナログ制御（通常はスイッチベース）を使用する，キーボード，キーパッド，及び他のインターフェースを含む。一方ＣＡＩは，連続的な入力を可能にするローリングボール又はいくつかの他の連続動作装置を使用する，タッチスクリーン，タッチパッド，他の２次元触覚インターフェース，及びコンピュータマウスのようなデバイスを含む。
【０００３】
ＤＣＩのインターフェースの利点は，（１）明確な離散的入力を可能にすること，及び（２）一般的に触覚入力のフィードバックシステムを形成することであり，これにより視覚的確認に依存しないことになる。言い換えれば，明確に独立した指令を提供し，記録された指令に関する触覚情報をユーザーに与える。これにより例えばキーを押した時，ユーザーは応答する圧力を感じることができる。これらの利点は，単に感知装置の種類だけでなく，入力面の設計，つまりユーザーが実際にやり取りするインターフェースの最上部の設計に関係する。この点，タイピングキーボードの反発性は，ユーザーに，キーが押されていることを触覚レベルで理解させることができ，個々のキーの輪郭は，ユーザーが，キーボードを見ることなく，一定で，高速，正確なタイピングを容易にするための微調整を可能にさせる。ＤＣＩによる様々な指令は，記憶され，ほとんど意識的思考なしに行われるため，特にＤＣＩのインターフェースが触覚応答を提供する時，情報は通常，視覚ベースの入力制御の場合より高速で，正確に入力される。タッチタイピング（指の位置や動きについての触覚情報のフィードバックだけでなく習慣的なスキルにも依存する）のスピードと，”雨だれ式（ｈｕｎｔｉｎｇ  ａｎｄ  ｐｅｃｋｉｎｇ）”のタイピング（視覚ベースの入力制御）のスピード，又はタッチスクリーンのインターフェースで入力するスピードとの違いを比較することにより理解できる。他の例では，技巧ピアニスト（指の位置や動き，そして習慣的なスキルについての触覚情報を使用する）と，演奏するのに正しい位置の鍵盤を確認する必要がある初心者ピアニスト（視覚ベースの触覚入力制御）との違いである。これらの高度に熟練した動きは訓練によるものであり，これらの分野で訓練が効果的な理由は，筋肉の記憶をトレーニングすることで意識的な指示又は意識的な制御をすることなく一定の区切られた作業を繰り返すことができるからである。しかしこのようなトレーニングを可能にするためには，３つの要件がある。ａ）動きは視覚的な確認や視覚的な指示を本質的に必要としてはならない（射撃のような視覚的な確認が必要な動きも，もちろん訓練することはできるが，手，目，胴体の調和に関わる異なった形式の訓練を含む），ｂ）物理的インターフェースは，位置の触覚フィードバックを与える必要がある（平面又は単に装飾された表面ではないという意味のため，表面のある種の変化，テクスチャ，又は弾力性は，自動的に筋肉の調整や修正を行えるように訓練した者を空間的に方向づけるように，触覚に関する何かをユーザーに絶えず与えることができる），ｃ）インターフェースのこれらの物理的性質は，いかなる場合においても非常によく似た触覚情報を提供するように，標準化され，不変である必要がある。
【０００４】
ＤＣＩｓの欠点は，特に，目標が定量的又は連続的な情報を入力することである場合，質的に独立した個別の指令とは対照的に，作成できる入力の種類が制限されることである。
【０００５】
一方，ＣＡＩは，連続的な入力及び情報の微妙な又は複雑な形を非常に迅速に伝えることができるという利点がある。例えば，情報の変化に伴って，タッチセンサ式のインターフェースが画面であるか又は画面に接続される場合，変換する可能性が大きい変数集合を制御するのに使用することができる。視覚情報は，無数のオプションと通信することができ，自分の指であろうとマウスによって制御される矢印であろうと，ポインタを移動させ，特定の運動及び指令を選択することができる。さらに，この種の入力は，ＤＣＩでは不可能な方法，例えば手書き文字又は描画のような，連続的な人間の運動をシミュレートすることができる。けれども，これらの欠点は，（１）一連の独立した指令を高速連続的に処理する効果がないことであり，１つの理由は，（２）一般的に，現在の構造において，実行可能な触覚フィードバックシステムを入力に応じて提供しないためである。
【０００６】
したがって，これら２つのタイプのインターフェースが併せて使用されることは意外ではない。１つの例として，ほとんどのラップトップコンピュータは，キーボードとタッチパッドを有する。ＤＣＩのインターフェースとしての側面は，タイピングのような標準的な指令の迅速な入力及び離散的な指令を可能にし，一方でＣＡＩのインターフェースは，デジタル環境の多くの一般的な制御及び動作又は連続状態に必要とされるあらゆる機能を可能にする。もちろん，タッチパッドやマウスなどのインターフェースは，動きを同時に記録するように，本来ＣＡＩ設計されるが，クリック機能又は選択機能を介して離散的な入力を可能にし，１つのインターフェースへの，この機能の組み合せにより，計り知れない有用性が明らかになる。
【０００７】
マルチタッチジェスチャはよく知られており，他の特殊な指令を，ＣＡＩタイプのインターフェースに入力することができるため，さらなるハイブリッドな体験を提供することができる。“ジェスチャ”は，インターフェースの単一の制御を意味しており，大文字をワードプロセッサの画面上に表示させるために，文字キー及びシフトキーを押すような入力を同時に有効にするパターンであってもよい。
【０００８】
感圧性インターフェースの場合には，ある程度の複雑さが追加される。可変感圧性インターフェースは，様々なレベルの圧力に関するデータの連続的な流れを記録することができるという意味では圧力に対して連続的になることができ，一方，圧力センサの使用数及び配列によって，感圧領域の空間分布に関して離散的になることができる。
【０００９】
関連する周知の機器の具体例は次のとおりである。
【００１０】
米国出願公開第２００３／００７９５４９号は，点圧力源を正確に突き止める感圧装置及び感圧面の点圧力源の位置の力を決定する方法を開示している。また，ユーザーが情報を入力する最上面とセンサが実際にデータを読み取る下層部との間に内部膜を使用している。この内部膜は，幅広い範囲の様々な材質や形状で作成することができ，実施可能な他の方法よりもより少ないセンサで，より正確にバランスのとれた位置の検出を可能にする。しかし，これは硬さを増加させる突起部以外の最上面の変化には関係していない。この発明の焦点は，２次元感圧デバイスをより効果的に創作する方法を提供することであるため，ｘ軸及びｙ軸上の圧力データを収集することと，最上部の表面が２次元であるという両方の意味であって，複数の圧力及び空間ベースの離散的，連続的な入力に関するハイブリッド解を作成するための解決策は提供されていない。
【００１１】
米国特許第６７０３５５２号は，２次元の演奏面を有する電子音楽のキーボードを開示している。すなわちこれは，ピアノ上及び同様に構成した電子楽器のキーボード上に存在するような離散的な鍵盤を含んでいない。キーボードは，押すと音が出るように，プレーヤの指の圧力をそれぞれ，継続的に測定する。表面が平坦であるため，プレーヤがそれに近づくと，自動的に音程を主要な１２音のノートのいずれかに“ガイドする”プログラムを使用する。これは，やや無機質な音を有していることを意味し，コンピュータがあまりにも多くの作業を行っているため，この設定において技巧的な方法で演奏するのは非常に困難である。また，鍵盤との関係で，指の正確な位置に関する情報がないため，プレーヤがキーボードに置かれた指の位置を正確に認識することは困難である。これは，連続的で，可変圧力性の，空間感覚型インターフェースであって，やや離散的な効果を発生させるためにソフトウェアアルゴリズムを使用する。
【００１２】
米国特許第７３９４０１０号は，様々な音色を作り出す，キー・スイッチのアレイを含む楽器を開示している。スイッチは２次元の格子状に配置され，音は格子状の様々なキーに触れることにより作り出される。
【００１３】
欧州特許（出願）第１１０００６９号は，キーボードのオブジェクトがキーの押下を検出する電子回路を簡素化することができる，キーボードを開示している。キーボードは多数の様々なボタンを含み，いずれも多数の接点を含む。各ボタンの押下は，所定の組み合わせの接点を閉じ，この組み合わせはボタンによって異なる。したがって，定期的に接点をスキャンすることによって，ボタンが押されたかを伝えることが可能である。
【００１４】
電子楽器のキーボードは，もちろん，非常によく知られている。これは，ピアノの鍵盤を模倣し，多数の様々な離散的な鍵盤を含む。鍵盤は様々な音，例えばピアノ又はオルガンなどの音を作り出すために変更することができる。しかし，このようなキーボードでリアルタイムに実現することが可能な効果音楽の数は制限される。
【００１５】
また，“ロールアップ”ピアノのキーボードも知られている。これらは，ピアノの鍵盤の２次元の外形を表わす表面を有する柔軟な基板形状を採用している。各キーの下には接点があり，押されると，押されたキーに対応する音を出力するようにプロセッサ及びラウドスピーカに指示をする信号を生成する。しかし，操作者が得る触覚フィードバックは非常に少なく，キーボード上にある指の位置を正確に知ることはほとんど困難である。
【００１６】
タッチスクリーン上のキーボードインターフェースも周知である。これは，指の位置をユーザーに与える触覚フィードバックを少しも提供せず，さらに，データ入力は視覚的に行われ，タッチタイピングではない。また，時々視覚的な形式（キーの色が画面上で変化する）又は聴覚的な形式（”ビープ音”が鳴る）でフィードバックが与えられるが，データを入力するキーストロークを記録するように“キー”を十分に押した場合にも，タッチスクリーンは触覚フィードバックを行わない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国出願公開第２００３／００７９５４９号
【特許文献２】米国特許第６７０３５５２号
【特許文献３】米国特許第７３９４０１０号
【特許文献４】欧州特許第１１０００６９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は，添付の特許請求の範囲で定義されている。
【００１９】
大まかに述べると，本発明は，ユーザーがプロセッサへの入力データを作り出すことを可能にするインターフェースを提供する。インターフェースは，インターフェース上の指の位置がわかるように，ユーザーに触覚フィードバックを提供する３次元の入力面を含む。入力面は時々，インターフェースの上部で提供されることから（また，インターフェースの他の構成要素もインターフェースの向きなどを参照して記述することから），説明を簡単にするため，入力面は本明細書において，時々“上部面”と呼ぶこともある。しかし，インターフェースは所望の方向，例えば側面上又は表面下の入力面で使用してもよいことを忘れてはならず，本明細書ではいずれの方向のインターフェースも含む。さらに，多くの場合，所定のインターフェースは，情報を入力できる複数の面で構成される。実際に，上部，底部と側部で完全に囲まれた面となることもある。入力面は，単にインターフェースの最外部であり，いかなる形式をとっても，現実にユーザーの接触に依存することになる。
【００２０】
柔軟弾性材，例えばシリコンゴムは，３次元上部入力面の下（又は内側）に提供されており，このような柔軟弾性材の層の表面は，事実上３次元上部面を形成することができる。しかし上部面は，力の拡散を可能にするいずれかの材料，又は接触感知を可能にする他の材料でも作ることができる。これは，柔軟な有機ＥＬ画面，又は３次元抵抗性若しくは容量性の接触面で構成することができる。
【００２１】
インターフェースは，ユーザーに触覚フィードバックの３つの異なる形式を提供する。第１に，３次元上部面のテクスチャ，角度，及び他の特性は，空間的方向性に対する触覚的基礎のない平坦で均一な表面上では不可能な方法で，ユーザーに接触位置についての直接的な情報を与える。第２に，柔軟弾性材は，さらなる触覚フィードバックを提供するために，力をユーザーに送り返し，これによりユーザーはインターフェースに与えている圧力の程度を感知できるようになる。材料が弾力性であることから，応答する圧力は，平坦で硬質な表面と同様の力で単純に押し返すというよりも，圧縮の程度で指数関数的に増大する。この変化は，力の入力のわずかな変化に関して，ユーザーにより使いやすい触覚情報を提供する。第３に，柔軟材は，触覚フィードバックの表面積の変化を拡張する。何かに触れるときの圧力レベル，特に非常に低レベルの圧力での入力を主観的に判断する方法の１つは，指の表面積の大きさ，例えば所定の表面に接触する大きさの変化である。平坦で硬質な表面ではこの差は小さいが，これはセンサと入力面との間の材料における指の筋組織による圧縮なので，柔らかい素材では変化は拡大し，表面積はかなり変化する。
【００２２】
１次元又は２次元であってもよいセンサ又はセンサアレイに加えられた地点における，下向きの力は，材料の反対側に到達するまで，弾性材を介して拡散する。場合によっては，センサを多様な基板表面上に配列することもできる。したがって一連の２次元アレイ（３次元アレイとして記述できる）を構成することもできる。１つのセンサが提供されている場合，これはどの入力画面をユーザーが操作しているのか，そしてその位置にどんな力／圧力がかけられているのかを識別することができる，すなわち，位置を検出する能力を備えている必要がある。例えばセンサは感圧性であり，各センサは，入力面でのユーザーの接触に応答し，例えば加えられた力を測定する接触応答パラメータに応じて信号を出力する。
【００２３】
弾性材は，その材料の柔軟性から，上部入力面に加えられた力をセンサに伝えることができる。この力は，力が加えられた方向の直線上に位置するセンサだけでなく，他の隣接するセンサにも伝えられる。したがって，ユーザーがインターフェースの入力面領域に力を加える場合，多数のセンサが出力を作り出すように，センサアレイのより広い領域でその力を記録することになる。多数のセンサで読み込む様々な力の組み合わせを，“シグネチャ（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）”と呼ぶことにする。プロセッサのアルゴリズムは，”トリガ（ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ）”したセンサ，すなわち加えられた圧力に応答する信号を提供することだけでなく，センサの数，検出した力，及び出力の相対的な大きさを含む“シグネチャ（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）”の構成，に応答することができる。例えば，上面に加えられた強い力は，弱い力と比較して，比較的大量のセンサを起動させ，出力を生成させる。弱い力の効果は，柔軟弾性材によって下部のセンサに辛うじて伝えられ，これにより，少数のセンサがトリガすることになる。これらの順序に沿う最も単純なアルゴリズムは，センサアレイを直接触れたときよりも，より正確に特定の接触位置を復元することができる。例えば，センサの１次元アレイ上の１列の位置Ａ，Ｂ，Ｃの３つのセンサにそれぞれ１００，８００，５００の数値を与えた場合，最上部面上の正確な入力位置を復元するために，センサの空間に対する力の量を重み付けすることができる。力の測定値の合計は１４００となり，アプリケーションに応じて適切にマッピング又は条件付けし，また位置は，（Ａ＊Ａの力＋Ｂ＊Ｂの力＋Ｃ＊Ｃの力）／（力の合計）の式から得られる。ここで，Ａの力，Ｂの力，Ｃの力はＡ，Ｂ，Ｃの位置でのセンサからの測定値である。Ａ，Ｂ，Ｃが，１０，２０，３０の地点で１列に一定の間隔で配置されている場合，入力した力の位置は，およそ２２．８６となる。言い換えれば，これらの種類のアルゴリズムは，特に大きい程度の力の拡散を可能にする場合に，非常に正確な測定値を与えるのに，少数のセンサを利用することができる。より複雑なアルゴリズムは，２次元アレイに関する同様のデータを計算することができ，十分な分解能で，様々な種類の形状やジェスチャ，例えば表面と相互作用を行う手のジェスチャ，について計算を行うことができる。これは，アルゴリズムが様々な角度の表面からのデータを解釈し，様々な種類の接触間を区別するため，非平坦性の最上面では特に重要となる。特定のアプリケーションや環境に必要な特定のアルゴリズムは，当業者には明らかであろう。これらは，時間をかけて，多様な入力で設定する場合，より複雑になる。前述の例において，Ａでは１００を読み込むのに続いてＢで８００を読み込むが，Ｃが６００に上昇している場合，つまりＣ地点に対する圧力やわずかな動きが増加を表している場合，しかも同時に，センサＤ，Ｅも，例えばそれぞれ８００，１００に上昇した場合，アルゴリズムは，最も力の強い２つの地点Ｂ及びＤがＣにより区切られているため（センサＢ，Ｄの中央に位置する２つの入力を示す），ＣはＢ及びＤの両方に寄与する必要があること，さらにそれぞれの寄与の平均値を求めることができること，又は以前のレベルでＣの寄与を保持することができること，１００の付加量だけをおよそＤの中央に位置する入力に寄与できることを解釈するようにプログラミングされている必要がある。これはまた，近接する複数の入力に適用される場合の精度の限界を示している。同時に，このコンテキストでは，ジェスチャの認証を作成することができる。例えばもし，Ａ，Ｅが最初に２つの入力の中心点である場合，さらにＢ，Ｄがピンチングジェスチャ（ｐｉｎｃｈｉｎｇ  ｇｅｓｔｕｒｅ）の中心点となる場合，このように登録するアルゴリズムをプログラムすることができる。
【００２４】
個々の力は，上述のように感知することができるが，センサのシグネチャの経時的な変化も，以下に記述するように，プロセッサ内のアルゴリズムにより一定の効果を生成することができる。プロセッサは，センサからの信号を処理し，それらを電気又は光信号とすることができるプロセッサ出力に変換する。プロセッサ出力は，所望の効果，例えば，音，画面上の応答，メモリ内のデータの一部の記録などを作り出すために使用することができる。もちろん，プロセッサのメモリ領域内のデータの記録などのさまざまな領域で，プロセッサ出力を受信してもよい。これにより，多種多様な他の出力や効果が可能であることが理解されるであろう。
【００２５】
上面の３次元性は，ユーザーに触覚フィードバックを提供するだけでなく，様々な部分で様々な圧力のシグネチャを，基礎となるセンサに提供する。したがって，感知する力は，ユーザーが押す入力面の位置，例えば，（ａ）３次元入力面の隆起部のピーク（山部）を押した位置，（ｂ）同じ面のトラフ（谷部）を押した位置，又は（ｃ）通常，様々なセンサ出力シグネチャを生成することになる，ピークの肩角又は側面を押した位置に依存してもよい。これは，検出された特定のセンサのシグネチャに基づく様々な出力を（及び様々な効果）を生成するために，より多くのオプションを，製品デザイナーにもたらす。所定のインターフェースは，表面の性質，厚さや材料の硬さ，力センサの大きさや感度，及びプロセッサ出力をプロセッサ入力に変換するアルゴリズムの性質に関する，入念な設計と較正を必要とする。
【００２６】
インターフェースの入力面は，柔軟弾性材の層の露出面であってもよい。しかし，柔軟弾性材の層の力伝達特性は，入力面上に１つ以上の本体を含むこと，又は柔軟弾性材内に埋め込むことで，改良してもよい。このような本体は，柔軟弾性材又はより柔らかいもの，又は固く，曲げにくいものでもよい。例えば柔軟弾性材内の空気ポケット又はゲルポケットを用いても良い。また，これらは様々な形状，大きさ及び構成を有する類似素材の様々な層や弾力性とすることもできる。より柔らかい又は硬い本体は，センサの出力シグネチャを変化させるだけでなく，ユーザーが感知した触覚フィードバックも変化させることになる。
【００２７】
センサから又はプロセッサからのいずれかの出力信号に基づいて，ユーザーへポジティブな触覚フィードバックを与える反応性のデバイス又はアクチュエータを，柔軟弾性材の内側に埋め込むこともできる。このようなデバイスの例に，あらかじめ決められた特性の信号をセンサによって生成する場合に，可聴応答及び／又は触覚応答を与えるものがある。例えば，１つ以上のセンサがしきい値を超える力を記録する場合，このようなフィードバックを生成することができる。正の電荷がそれらを介して実行されるときに展開するシリコンアクチュエータが知られており，これらの触覚フィードバック効果を作成するために，３次元弾性層と共に配列することができる。
【００２８】
１つの態様において，センサは２次元センサアレイであり，必要に応じて硬質の剛体面に取り付けられる。
【００２９】
上記のように，力が入力面の１つの領域に加えられている時，この力は柔軟弾性材を介してセンサレイに伝えられ，押圧力を“感じる”アレイの領域は，ユーザーが入力面に力を加える部分よりも，一般的に大きくなる。力の広がりの程度は，柔軟弾性材の柔らかさや硬さ，厚さ，表面のどの部が押されているかなどのいくつかの要因に依存する。上記述べたように，柔軟弾性材に他の本体が含まれているかどうかによっても依存することになる。
【００３０】
柔軟弾性材の最小厚さは約０．３ｃｍ，例えば少なくとも０．５ｃｍ，一般的には少なくとも１ｃｍであってもよい。最大厚さは，８ｃｍ以上，例えば５０ｃｍまででもよい。インターフェースへの入力を提供するために，指の圧力により多くのアプリケーションが良好に動作することが確認されている値は，２〜４ｃｍである。更に，柔軟弾性材の層の厚さを増加させると，インターフェースの大部分を増加させ，不利益を生じる。一方，０．３ｃｍ未満の厚さは，入力に加えられる力の十分な拡散を作り出せないため，センサレイに加えられる力は，入力面に加えられる力と非常に似たものになる。これは，送信可能な圧力シグネチャの範囲を減少させ，様々なシグネチャに関連する効果の範囲を減少させる。
【００３１】
前述のように，弾性材料の柔らかさは，入力面からインターフェースへの力の拡散に影響を及ぼし，ショア硬さ００−０００１度〜１０度，例えば００−００５度〜００−１度や００−０１度〜００−１度などを有する非常に柔らかい素材が，インターフェースへの入力を提供するために指の圧力を使用するほとんどの用途で満足のいく結果をもたらすことが確認されている。素材が硬すぎる場合，あまりにも多くの抵抗及び待ち時間となり，センサの感度を低下させ，また，柔らかすぎる場合，あまりにも無定形となり，十分な触覚フィードバックを提供しないため，正確なショア硬さを使用することが重要である。
【００３２】
センサは，入力面を操作するユーザーに応答するいずれかのセンサであってもよく，感圧センサであってもよい。これは圧電結晶，ひずみゲージであってもよく，又は例えば，量子トンネリング複合体で作られてもよく，感圧抵抗体素子であってもよい。個々のセンサ及びこれらのタイプのセンサアレイは広く市販されており，例えば，Ｐｅｒａｔｅｃｈ  Ｌｉｍｉｔｅｄ社（Old
Repeater Station, 851 Gatherley Road, Brompton on Swale, Richmond, North
Yorkshire DL10 7JH United Kingdom）の量子トンネル複合体やＩｎｔｅｒｌｉｎｋ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社（546 Flynn Road, Camarillo, CA 93012, USA.）の感圧抵抗体素子がある。
【００３３】
本発明が見出す特定の用途における製品の１つのタイプは，電子楽器である。理由として，これは多種多様の様々なノート（音）を作り出すだけでなく，音波が，識別できるほどはっきり異なる音を作り出す膨大な量の可能変数を有しているからであり，インターフェースは，変数を生じさせる必要がある大量の様々な信号を生成できるからである。最も重要な識別できるほどはっきり異なる音は，リズム，ピッチ，及び音量の変化に関連付けられる。リズムの変化は，入力を離散する能力が必要となる一方，微妙なピッチの変化は，連続的な入力を必要とする。ピッチは特に重要である。時間的に離散した入力によって，すなわち，時間的に区別できる入力を提供することにより，リズムの変化を提供することができる。一方，ピッチの場合には，離散的に異なるピッチを入力でき，例えばピッチの音階で再生でき，さらに微妙なピッチの変化を作り出すことができる必要がある。同時に，すべてのノートは特定の音量で発生し，わずかな音量の変化は，情緒的な音楽における重要な差異の基礎を作り出す。問題は，離散的，連続的なピッチの両方と音量の変化がいつ必要となるかであり，２次元入力面では，連続的なピッチを不可能にする離散的なピッチの入力間か，離散的なピッチが多かれ少なかれ不可能になる連続的なピッチの入力間かを選択する必要性を提供することはできない。
【００３４】
本発明のインターフェースは，離散的な入力（例えば半音階のノートを生成する入力）と連続的な入力（例えばグリッサンドやスライド効果）の両方でシームレスな移行を可能にするので，調和変化，ダイナミックな変化及びリズミカルな変化の複雑さに理想的に適している。
【００３５】
インターフェースは，音楽用キーボード又は他の楽器の形態であってもよい。それは，既存の楽器の既存の構造を使用してもよく，それらを再現してもよい。すなわち，キー，弦，又はボタンの基本的な配置と，それらの空間的な間隔はもとの楽器と同様か又は類似している一方で，演奏者のスキルがこの新規な器具に伝わるように，３Ｄ表面にこれらをレンダリングしていてもよい。どんな形状にも３Ｄ形態をはめ込むことができる最上面，及びセンサアレイ上のそれらの力の拡散がなければ，新しい動きの中で既存の筋肉の記憶を活用する能力，つまりより多くの情報が豊富なインターフェースをユーザーに与えることは不可能である。
【００３６】
１つの態様において，３次元入力面は，波形形態を有してもよく，押したときに標準的な音楽用キーボードの音に対応するノートを生成する。このように，本発明は，従来のキーボードの操作を模倣することができる。しかしこれは，はるかに大きな多様性を有している。例えば，“ピーク”又は“クレスト”のいずれかを押し，さらに指を振動させることによって，センサにより振動シグネチャを生成させることができる。これはプロセッサによりビブラートとして解釈される。さらに，表面の形状は，演奏者がトラフ（谷部），すなわちクレスト（山部）間の領域でも演奏できることを意味し，これにより半音と全音の間の微分音を作り出すことができる。入力面が連続することができるので，キーボードで滑らかなグリッサンド効果を作り出すことができる。これらの特定の効果は，１２音階を弾く間隔を，ピッチ・ベンドを避けるように広くさせるか又はより多様なピッチ・ベンドを可能にするように狭くさせることができる，ソフトウェアアルゴリズムによっても制御することができる。
【００３７】
他の可能性は，それが２次元であること以外は，３次元入力面と同様の方法で操作する入力面のさらなる部分を提供することである。これは，ユーザーが一方から他方へ容易に移動することができるか又は両方を同時に使用できるように，上又は下の３次元入力を提供してもよい。これは，操作者がより滑らかなグリッサンド効果（ポルタメントスライダー）を作り出すことができるように，プログラムすることができる。“ｐａｌｍ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ｓｌｉｄｅｒ”は，タブラのようなハンドドラムに似た方法で，演奏者に他の音を生成させることができ，又は手のひらを使ってプログラム可能な音の音色を制御することができる。波状又は波型のインターフェースの部分と平坦で長いスライドを可能にする部分との間のこの変化は，同一のインターフェースへの離散的入力と連続的な入力の能力を最大化する上で重要な要素である。これにより２つの間のシームレスな切り替えを可能にする。
【００３８】
他の効果も可能である。例えば，３次元のキーボードのピークを，掴んだり，つまむことができる。これによりセンサからの特定の出力のシグネチャがもたらされる。これは掴んだピークを特定の方法すなわち，前，横，上又は下に押すことで操作する場合のケースである。もたらされるシグネチャは，プロセッサによって解釈することができ，あらかじめ設定された応答，例えばピアノの楽器に基づく音楽の出力から他の楽器，例えばオルガンへの切り替え，あるいは同一の楽器の２つのサンプリング音，例えばバイオリンにおけるレガートのサンプリング音からスタッカートのサンプリング音への急な切り替え（ｊｕｍｐ）を作り出す。
【００３９】
インターフェースは，現在のキーボードが，強く又は優しく弾くかどうかに応じて，様々なサンプル音を使用するのと同じ方法で，様々な種類の音楽のサンプル音に対応する特定の入力ジェスチャを認識するアルゴリズムを含むことができる。しかしこの場合，より幅広い一連のジェスチャは，インターフェースに，様々な楽器と効果についての大量のシミュレーションを作らせることになる。
【００４０】
本発明の原理は，音楽用キーボードだけでなく，接触により演奏する他の楽器，例えばギターやバイオリンのシミュレーションにも適用することができる。バイオリンやギターをシミュレートするために，楽器の４つ又は６つの弦に対応する４つ又は６つのピークを提供し，特定の音を生成するボーイング（ｂｏｗｉｎｇ），プラッキング（ｐｌｕｃｋｉｎｇ）又はストラミング（ｓｔｒｕｍｍｉｎｇ）奏法を可能にする。同様に，ユーザーが，例えば標準的な弦楽器のフレットボードに対応する楽器の様々な部分で同じピークに接触することにより，様々なノートを選択することができる。
【００４１】
他の効果として，インターフェースを作る材料の性質を選択的に与えることもできる。例えば，インターフェースがギターの形をしている場合，例えば，ビブラートの音を生成するために，ネックを柔軟にすることができる。
【００４２】
インターフェースは，様々な方法でプログラムすることができる。１つの方法は，キーが押されるたびにＭＩＤＩ信号を送るステップ，ノートの速度レベルとして初期圧力を使用するステップと，正確なピッチを制御するためにピッチ・ベンド機能を使用するステップを含む。このとき，信号を変更した場合，ＭＩＤＩノートはそのままで，音量とピッチを連続的に調整することができる。これは，事実上ボリュームとピッチの“アフタータッチ（残触覚）”のようなものである。インターフェースをプログラムする他の方法は，それぞれの圧力値で新しいＭＩＤＩノートを送るステップ，ピッチレベルとすべてのノートの音量及び速さを変更するステップを含む。この方法は，より直感的なサウンドをもたらすが，音に質感をもたせることができる。この質感は，再現しようとする音の自然な波形に近似する周波数でＭＩＤＩノートを送ることによって，調整又は説明できる。インターフェースは，様々なプロトコルで機能することができ，ＭＩＤＩ又はこれら２つのアプローチに少しも限定されるものではない。
【００４３】
もちろん，本発明は，新しい材料で既存の楽器の標準的な形状を再現するだけでなく，まったく新しい形状の楽器を作成するのに使用することもできる。新しい形状は，新しい機能及び機能を統合する新しい方法を可能にする。
【００４４】
本発明は，楽器に対応するインターフェースに限定されるものではなく，他のタイプの様々なインターフェース，例えば英数字を入力するコンピュータのキーボード又は単語又は数値処理機能に適用することができる。また，インターフェース内にマウスと同様のポインティングデバイスを含めることもできる。これは，画面上のポインタを制御するために，例えば，掴んだり，前後，横方向に引っ張ることができるピークによって提供されてもよい。
【００４５】
本発明のインターフェースは，一定量の訓練でのみ実現可能な高レベルの機能性を提供できるため，熟練度を必要とする他の製品に使用することができる。ソフトウェアを使用して，個々のジェスチャに対応する個々のユーザーの能力に合わせて調整することができるため，高齢者又は障害を持つ人々にとって非常に役に立ち得る。これらの触覚の質（触感の質）は，視覚障害者又は運動の制御がより制限されている人々のいずれかに十分に適している。
【００４６】
本発明の１つの重要な側面は，ジェスチャをプログラムできるインターフェースとして使用できることである。言い換えれば，ユーザーは，ジェスチャを記録したプロセッサの設定を起動させることができ，その後特定のユニークな方法でインターフェースに触れ，続いて，入力面でジェスチャを行っている時に，プロセッサが所定の指令を起動するように，プロセッサに指示をする。これは，個人やソフトウェアプログラマーに，様々な遊びの選択を可能にし，所定のユーザーのニーズにぴったり合うように，所定のインターフェースをソフトウェアで調整することができる。前述したように，これは障害者向けの特定した用途だけでなく，より広範な市場への応用も可能である。
【００４７】
用語”ジェスチャ”とは，ユーザーが指や手で入力面を触れたり押したりするパターンを示しており，入力面にわたって指や手を移動させるパターンを含む。このようにジェスチャは，特定の方法で入力面の一部を，指を使ってつまむ，こねる，押す又は引くなどを含むことができる。プロセッサは，特定の指令を実行することによって，特定のジェスチャに応答するようにプログラムすることができる。したがって，プロセッサに格納されたものと似ているジェスチャが実行されると，プロセッサは特定の方法で応答することができる。ジェスチャは，ユーザーによって，プロセッサに“プログラム”される。ユーザーは特定の“ジェスチャ”として所定の力シグネチャを，実質的に“記録”することができ，さらにこれは，特殊な指令を表すことができる。このとき，インターフェースは，基本的なプログラムの技術的な再コード化を介するのではなく，インターフェースの機能をユーザーの特定のニーズや習慣に合わせることができるように，プロセッサのメモリに，一連のジェスチャを単純に保存することで，ユーザーによる修正を受け入れやすくなる。例えば，上肢切断手術を受けた患者がこのような種類のインターフェースをマウスとして使用したい場合，上面へのある種類の入力により，画面上の矢印の動きを制御することができ，上面への他の種類の“ジェスチャ”は，クリックを記録するように容易にプログラムすることができる。
【００４８】
最上面の３次元特性は，精密で不規則な形や大きさに合わせて成形することができる。例えば，補綴学の分野では現在，高度な関節の動き，様々なレベルの力で掴むことや，独立したジェスチャを行うことを可能にするロボットアームが存在する。これらの義肢は通常，電極によって制御される。電極は，残存筋組織の末端からの表面筋電信号（ｓｕｒｆａｃｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｍｙｏｇｒａｐｈｉｃ  ｓｉｇｎａｌ）を送る。これらのソリューションは，しばしば直感的ではない動きの連続性を含んでおり，必ずしも完全に自然で，ユーザーの直感であることはない。本発明の場合には，柔軟材料で腕の残部に合わせて正確な形状に成形することができる。正確な適合性は，快適さと使いやすさのために重要であり，複雑な３次元入力面を含まない圧力検出ソリューションでは，これらの種類の用途に適さない。
【００４９】
前述のように，３次元形状の入力面とセンサとの間の内部膜は，様々な異なる材料で作ることができ，様々な所望の効果を達成するために，様々な異なる形や硬さを含むことができる。より正確に圧力の場所を分散させるために，このような内部膜を使用することはよく知られている。しかし，このような技術は本発明の方法により，３次元入力面上の正確な位置における小さな変化を検出し，これらを２次元又は３次元のいずれかの基板面に存在するセンサに送るように，拡張し，発展させることができる。
【００５０】
これは，表面への特殊な動き及び入力を可能にし，又は抑制する，一種の内部足場構造（ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｓｃａｆｆｏｌｄｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）とすることができる。いくつかの用途において，３次元内部柔軟層は比較的厚いため，特定の方向に動きを制限したい場合や柔軟材料を強化したい場合がある。このような場合，足場状又は内部の骨組みをメッシュ状に作成することができる。メッシュの正確な形状は，所望の強度，動きの制限，及び感知効果に応じて変化させることができる。柔軟材料内で内部メッシュを使用することは周知の技法だが，本発明のメッシュは，３次元形状の柔軟性インターフェースの動きの制限を強化し，同時に３次元入力面への力をセンサアレイに向けることに使用することもできる。
【００５１】
足場は，特定の位置の圧力感度を特定することができ，それをセンサアレイに直接伝えることができ，これにより３次元入力面上のわずかな変動を非常に正確に読み取ることができる。いくつかの例において，このような足場システムは，インク形態の量子トンネリング複合材料のような抵抗性材料で作ることもでき，本発明の例として下部に固定したセンサアレイを必要としないことも可能である。内部の足場は，ラピッドプロトタイピングの手法（ｒａｐｉｄ  ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）を用いて作ることができ，個々のニーズに合わせた高精度なオーダーメイドのソリューションを可能にする。
【００５２】
義足の制御システムの場合には，例えば，内部の足場は，特定の筋肉の末端から特定のセンサ上へ出力した圧力の位置を特定するのに使用することができる。これは，ユーザー，例えば手を欠損した人に，動きに関連する直感的なジェスチャを行わせることができ，さらに，このプログラムは，これらのジェスチャを認識し，適切な種類のデータをロボットアームに送るように調整することができる。
【００５３】
本発明のインターフェースは，タッチスクリーンやタッチパッドの連続的な入力制御と共に，キーボードやテンキーパッドの反応触覚フィードバックを提供する。さらにこれは，局所的な圧力感度，所望の入力範囲を可能にする３次元形状の入力面，及びまさにそこで必要とされている力の感度を正確に特定するために必要な内部足場システムを含む。これらのインターフェースのカテゴリを１つの新しい類型論にまとめることの可能性は，計り知れないものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
添付図面を参照して，実施例により，本発明をさらに詳細に説明する。
【図１】図１は，本発明の汎用インターフェースの構成の１つの実施可能な形態の断面図であり，３次元形状の入力面と，３次元形状の柔軟な内部層と，２次元センサアレイとを統合している。
【図２】図２は，図１に基づいて変化した形態の他の断面図であり，いくつかの例において，センサを３次元形状（又は３次元アレイに等しい複数の２次元面）にも配置できることを強調している。
【図３】図３は，他の形態のさらなる断面図であり，入力面が全体を３次元状に囲むことができること，及びセンサを３次元オブジェクトの複数面に配置することができることを示している。
【図４】図４は，本発明の例を示す断面図であり，入力面が凹面であり，それが柔軟な力拡散層で囲まれ，さらに３次元圧力センサアレイにも囲まれていることを示している。
【図５】図５は，センサを複雑な３次元状にも配置できることを示す断面図であり，この中で他の動きの自由度を提供し，すなわち，押し引きに同時に応答する力覚センサを作り出している。
【図６】図６は，図５と同じ構成を示す断面図であり，より正確で詳細な測定値を得るように，特定の地点から複数のセンサに加えられる力の分散を増加させる目的とともに，複数の方向に操作するためのより堅牢なフレームワークを作る目的で，弾性層の内側に作られた内部足場が加えられている。
【図７】図７は，本発明の１つの繰り返し可能なシステム全体の概略分解図である。
【図８】図８は，本発明に係る，音楽用キーボードの入力面の１つの実施可能な構成図である。
【図９】図９は，図８の表面の一部の詳細図である。
【図１０】図１０は，本発明の例である図８のキーボードの一般的な操作手順を示すフローダイアグラムである。
【図１１】図１１は，入力キーボードのような触覚インターフェースを示しおり，これは，英数字の入力及び／又は単語や数値を処理するのに使用できるだけでなく，カーソルトラッキングを制御するのに使用することもできるが，このインターフェースから他のコンピュータ関連の機能を除くこともできる。
【図１２】
【発明を実施するための形態】
【００５５】
初めに図１を参照すると，本発明の汎用インターフェースの構成の１つの実施可能な形態の断面図が示されている。図には，ユーザーと３次元形状の入力面２との間の接点１が示されている。３次元形状の入力面２と２次元に配置したセンサアレイ４との間には，入力面の外形とセンサアレイ４を適合させる３次元形状の内部柔軟層３がある。センサアレイ４は，硬質支持面５に位置している。さらに，接点１からセンサアレイ４への力の拡散６の方向も示されている。
【００５６】
図２を参照すると，センサアレイ４を，３次元アレイに等しい複雑な２次元面上に配置できることが理解される。硬質支持面５は，センサアレイ４の形状を満足するように形成され，結果として，弾性層３はより複雑な３次元特性を帯びる。３次元入力面２と３次元センサアレイ４との空間関係は，特定の用途に応じて，様々な種類の力シグネチャの入力及びユーザーのジェスチャの範囲及び精度を最大化するように最適化することができる。
【００５７】
図３は，本発明の構成の実施可能な他の配置を示す断面図である。この図において，３次元形状の入力面２は，３次元形状の内部柔軟層３，３次元センサアレイ４，及び硬質支持面５を含む構成要素を全体に包み込んでいる。この配置は，入力面２への圧迫及び伸張による入力，及びテーブルのような外部の硬質表面上のインターフェース全体への圧力を含む，ユーザーの様々な操作形態を可能にする。３次元形状の入力面２は，もちろん，１つの連続した形状又はいくつかの接続面とすることができ，特定の用途の構造又は機能に求められるような，うねり，突起，凹部，隆起部，及び他の複雑な形状などの細かなテクスチャを有することができる。
【００５８】
図４は，本発明のインターフェースの変化型の断面図を示している。ここで，３次元形状の入力面２は，他の図面に対して反転した構成で存在しており，３次元形状の内部柔軟層３の内側に位置し，３次元形状の内部柔軟層３は順に，３次元センサアレイ４，３次元的に配置した硬質支持面５の内側に位置している。この配置は，ユーザーと３次元形状の入力面２との間の接点の表面部を拡げることができる。これにより動きのさらなる微妙な位置合わせ（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）を可能にする。この配置において，３次元形状の内部柔軟層３は，屈曲及び圧縮するように材料に小さな余地が存在するので，他の配置の場合よりもより柔らかく，より多くのゲル状の材料から作成することも時には必要となる。
【００５９】
図５を参照すると，３次元センサアレイ４を反転した３次元形状で構成することもできることが理解できる。これは重要な付加価値，つまり，本発明を使用して６自由度圧力感知装置を作成する１つの方法がもたらされる。３次元形状の入力面２を上方に引っ張ることができ，この力は，３次元形状の内部柔軟層３を通して，複雑な形状の硬質支持面５に配置した３次元センサアレイ４に伝わる。
【００６０】
図６において，断面図は，図５と同様の配置を示し，内部足場システム７が加えられている。内部足場は，３次元形状の内部柔軟層３の内側に設置することができ，より正確で詳細な測定値を得るために，特定の地点から複数のセンサへの力の分散を増加させることができるとともに，複数の方向への操作のために，より堅牢なフレームワークを作り出すこともできる。これは，例えば引張力が３次元センサアレイ４の適切に反転させたセンサに適切に伝えられ，材料を押したときに作用する力拡散特性が，引っ張る場合でもその正確性を低下させないことを確実にする。内部足場システム７は，この配置で機能するようにある程度の柔軟性を有している必要があるが，３次元形状の内部柔軟層３よりも硬質で堅固である必要もある。これらの配置でうまく働く材料は，ナイロン又は高ショア硬さ型のシリコンである。ある例において，特により完全で柔軟な情報を豊富に得る感圧性インターフェースが望まれる場合には，力センサ及び抵抗性材料を，足場に組み込むか又は足場内にカプセル化することができる。
【００６１】
図７は，本発明に係る，汎用インターフェースの構成を示す概略分解図である。これは，３次元形状の入力面１２を有する柔軟弾性材料，例えばシリコンゴムからなる３次元形状の柔軟層１３を含む。本体は，剛体面１５に支えられたセンサアレイ１４に基礎を置く平面性底面１９を有している。センサアレイ１４の各々は，感圧性であり，掛かる圧力に応じて出力を生成することができる。様々なセンサからの出力は，リード線を介してマイクロプロセッサ１６に導かれる。マイクロプロセッサは，ある構成要素，この場合ラウドスピーカを駆動させる出力を生成するために，センサアレイ１４からのいくつかの信号の組み合せに応答するアルゴリズムを含む。複数配置された特定の小さなマイクロプロセッサ，例えばアルデュイノ（Ａｒｄｕｉｎｏ）プロセッサは，まず初めに，力センサからのデータを，コンピュータのようなより高度なプロセッサにより入力として読み取ることができる形式に解釈する。その後，コンピュータは，特定のセンサ上の特定の力の基本的な数値データを意味のある出力に変換するコードを実行することができる。そのような変換は，様々なソフトウェアのソリューションによって実現することができ，さらに，アプリケーションの性質や目的の出力に応じて，変換することができる。例えばデータは，プロセッシングのようなＪａｖａベースの言語，又はオープンフレームワークのようなＣ＋＋ベースの言語などで特定の出力に解釈させることができる。
【００６２】
図８を参照すると，３次元形状の入力面１２の小断面の簡略図が示されており，柔軟弾性体１３の起伏のある表面１２の先端にかかる圧力１１が，本体を通って，図７で見られるように，ずらりと並んだ力覚センサに接触する平面１９に伝わることが理解される。模式的に矢印で示すように，力が広がっているため，３次元形状の入力面１２上にかけられた力を感知する平面の領域は，上面にかけられた圧力の領域よりも大きくなっている。マイクロプロセッサ１６（図７）は，アレイセンサが提供する信号を検出し，ソフトウェアのアルゴリズムは，入力の正確な位置を復元するために，各センサの相対的な力を解釈することができる。いったん入力データが復元されると，ソフトウェアは，同時入力の集合を追跡することができ，プログラムの以前のループからの入力と継続している各入力を比較することができるソフトウェア“オブジェクト”の集合を作成する。アプリケーションの性質や入力間の所望の離散性又は連続性のレベルに応じて，アルゴリズムは，所定の入力を以前のループからのデータと連続するものとして解釈するプログラムに必要とされるか，又は代わりに新しい入力を構成するものとして解釈するプログラムに必要とされる連続性のレベルを決定するように設定される。これらの比較マーカ（ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ  ｍａｒｋｅｒ）は，入力解釈ソフトウェアオブジェクト（ｉｎｐｕｔ−ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｉｎｇ  ｓｏｆｔｗａｒｅ  ｏｂｊｅｃｔｓ）に最適に組み込まれている。例えば，最初にセンサアレイからのデータを解釈するソフトウェアオブジェクトは，多変数を同時に追跡する必要があり，これには，復元した入力位置，ソフトウェアの以前のループから復元した入力位置，現在の入力位置での圧力，以前の入力位置での圧力，他の同時入力に関連するこの入力のプログラムレジスタにおける順番，及び特定の所望の効果における入力“範囲”，すなわち特定の入力位置の読み込みに使用されるセンサの数を含む。明らかに，オブジェクトは，集合を同時に解釈することができるような方法でコード化する必要がある。ループが実行されるたびに，プログラムは，以前の入力のクラスタと現在の各入力クラスタを比較することができる。このとき，いったんデータがそのレベルで評価されると，入力データオブジェクトは，聴覚的，視覚的又は運動に基づくものであろうと何か他のものに基づくものであろうと，特定の制御効果をトリガすることができる。例えば，図９の例では，入力データのオブジェクトは，音符に応じてスピーカ１７へ信号を提供するＭＩＤＩノートオン及びオフを送信するように指示することができる。ループ間のデータの変化は，例えば，所望の音及びコードに組み込まれた比較ステートメント（ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ  ｓｔａｔｅｍｅｎｔｓ）に応じて，新しいノートを送るのに使用するか，又は既存のノートを保持するためか，音量を上げるためか，若しくは音程を変更するために使用することができる。簡単に言えば，プログラムは，音符の音色やピッチが，ユーザーによって押された起伏のある面１２上の位置に依存するように記述することができる。生成されたノートの音量は，センサアレイ１４によって感知した圧力の大きさに合わせて設定するこ���ができる。他の用途の目的のためにこれらの技法を変形できることは，制御インターフェースの熟練したプログラマには明らかであろう。
【００６３】
キーボードに使用される材料は，次のとおりである。
本体はシリコンゴム，特にＮｏｔｃｕｔｔ  Ｌｔｄ（Homewood Farm, Newark Lane, Ripley, Surrey GU23 6DJ）社製のＳｉｌｓｋｉｎ１０で作られる。これは，ショア硬さを００〜１度の材料を製造するために，Ｎｏｔｃｕｔｔ  Ｌｔｄ社からも入手可能な消音性シリコン添加剤（deadener silicone additive）が添加されている。
センサアレイ４は，Ｉｎｔｅｒｌｉｎｋ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社製ＦＳＲストリップで形成される。
プロセッサ１６は，Ｔｉｎｋｅｒ社製Ａｒｄｕｉｎｏマイクロプロセッサである。
【００６４】
図１２のフロー図は，上記のインターフェース操作（ステップ１〜４Ａ）の手順を示している。
【００６５】
１つの態様において，ピークは標準的なキーボードの鍵盤と一致させることができる。しかし，本発明は頂点間のトラフ（谷部）を押すこともできる。これは，センサの様々な組み合わせによって検出され，様々な音程，例えばデータを解釈するアルゴリズムのソフトウェアの性質に応じて，微分音の効果，又は他の効果を生成する。生成できる他の効果は，既に記載しており，ここでは繰り返さないことにする。
【００６６】
図９は，白鍵（ピーク２６）だけでなく，黒鍵（ピーク２５）を示す本発明のキーボードを示している。さらに，タッチセンサ面２１，２２及び２３（又は，”スライダー”）が，キーボードの上下に配置されており，それに沿ってユーザーの指又は手のひらをスライドさせると，グリッサンド効果がもたらされる。２１はポルタメントスライダであり，２２はさらに低いポルタメントスライダであり，２３は手のひらによるスライダー効果である。ぎざぎざ部２４は，キー２５，２６がポルタメントスライダ２１に交わる場所に位置しており，キーボードのメインエリア（キー２５，２６）とスライダー２１の間でスムーズに指が移動する（すなわち，障害物に遭遇しない）平滑な移行面を提供している。他の方法によって，１つの目標となる緻密な効果やトランジションに応じて，特定のスライダー面を作成することもできる。
【００６７】
図１０は，図９のキーボードの一部だけを示し，特に白鍵と黒鍵間のピーク２７とトラフ（ｔｒｏｕｇｈｓ）２８を示している。
【００６８】
図９に戻ると，ピークは，ビブラート効果を生成するために指で発振できるか又は，標準キーボードでは達成できない音を生成するために握ったりつまんだりすることがきることが理解できる。また，材料の柔らかさは，表面を押しながら，指を移動させたり，材料に跨って指をスライドすることができることを意味し，又は内部層の柔軟性を利用して，材料を押すことができることを意味しており，いずれにせよ，様々な読み込みを基盤となるセンサアレイに伝えることになる。この技術を可能にすることは重要である。なぜなら，ビブラートとトレモロの効果を同時に使用することができることを意味するからである。
【００６９】
図１１を参照すると，各手用に２つの部分に分割した，コンピュータのキーボードと同等のものが示されている。２つのキーボード部の上部面には，英数字キー及びファンクションキーに対応する隆起部２０を有している。隆起部２０は，ユーザーが感じるものであるため，触覚フィードバックを提供することができる。キーボードは，図９に示されるものと同様の構造を有しているため，キーを押したときに，その力は，柔軟弾性材を通してセンサアレイ（図示していない）に伝えられる。上部面への下方圧力によってトリガされるセンサの組み合わせから，どのキーが押されているかを区別でき，マイクロプロセッサによりこの検出が行われる。そして，押されたキーに対応した英数字を画面上に表示させ，対応する数字をメモリに格納させる出力信号を生成する。
【００７０】
図１１は，ユーザーの右手と左手の形状に対応する，キーボードの２つの部分を示している。領域３４は，ユーザーが自分の手のひらを配置する場所に対応している。画面上のポインタ（カーソル）は，ユーザーがこの領域３４に圧力をかけることで，移動させることができる。圧力は，センサ信号のシグネチャによって検出されるように，センサアレイ及び領域３４のユーザーによってもたらされる力の向きに応じて移動するカーソルによって検出される。キーボードを作るために使用される材料が柔らかいため，領域３４のユーザーによってもたらされる圧力の様々な向きに対応する様々な信号は，手のひらが領域３４の表面を横断しないにもかかわらず，センサによって直接検出することができる。したがって，手のひらによって，画面上のカーソルを指揮するマウス機能を制御することができる。
【００７１】
また，例えばピーク３２を提供することもできる。これを親指と人差し指でつまむことで，画面上の機能の実行，例えば，画面に表示されたオブジェクトを選択したり，異なる位置までドラッグしたりすることができる。
【００７２】
ボタンを押すことによってだけではなく，個々のキーと関連して行われる特定のジェスチャによっても，制御機能，シフト機能及び指令機能を提供することが可能である。
【００７３】
これらのほんの少しの詳細な例は，本発明の範囲に含まれる適用範囲を示している。インターフェースデザインの分野で知識のある人は，本発明によって幅広い応用例が利用可能になることが理解できるだろう。一例を与えるために，本発明は，３次元入力面に直接触れるユーザーとの関係で説明したが，機械化された環境，例えばロボット環境で活用している同様のインターフェースによって特定のアプリケーションを構築することができる。この場合，３次元力入力デバイスを使用して，相対的な重み分布を感知することができる，より高感度な可動ジョイントを作り出すことができ，また機械部品に合わせて形成することができる。これらのアプリケーションにおいて，図６に示される足場システムは，軽量で耐久性を維持しながら，特定の方向の動きと感度を有効にし（活用でき），他の方向の動きを制限できるため，特に便利なツールとして提供される。したがって，ロボットへの適用範囲は，本出願の範囲に包含される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年2月28日(2012.2.28)
【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】
入力面を有し，プロセッサにデータを入力するインターフェースであって，
前記入力面に加えられた力に反応するセンサ又はセンサアレイと，
前記センサ又は前記センサアレイを覆い，前記入力面に加えられた力を前記センサに伝えることができる柔軟弾性材の層とを含み，
前記インターフェースの前記入力面は，少なくとも１つの比較的隆起した領域及び少なくとも１つの比較的くぼんだ領域からなる３次元形状を有し，
前記センサ又は前記センサアレイは，前記入力面に加えられた力の強さ及び力が加えられた前記入力面の位置に関するデータを含む入力データを，前記プロセッサに提供するように構成される，
インターフェース。
【請求項２】
請求項１に記載のインターフェースであって，前記柔軟弾性材の層は，前記入力面の領域に加えられた力を，前記センサアレイの幅広い領域にわたって拡散させ，前記アレイ内の複数の前記センサに前記力を記録させる，インターフェース。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記入力面は，前記センサアレイの全ての面を取り囲んでいる，インターフェース。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記入力面は，凸面又は凹面であるか，若しくは３次元形状を形成する一連の凹凸要素で構成されている，インターフェース。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記入力面が反転させられ，前記柔軟弾性材の層及び前記センサアレイが外側に位置する，インターフェース。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記入力面は，滑らかで連続的な３次元の面で構成された形状を有する，インターフェース。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載のインターフェースであって，前記柔軟弾性材の層の厚さ及び前記センサ間の間隔は，前記入力面のいずれかの位置に加えられた力が少なくとも１つの前記センサ及び必要に応じて少なくとも２つの前記センサによって検出されるように存在する，インターフェース。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載のインターフェースであって，前記柔軟弾性材の層は，００−００１〜１０度，例えば００−００５〜１度又は００−０１〜００−１度のショア硬さを有する，インターフェース。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記柔軟弾性材の層は，その内部に埋め込まれたメッシュ構造の１つ以上の硬体又は軟体を含み，前記硬体又は前記軟体は，前記柔軟弾性材の層の特定の方向及び経路における動きを制限することができる，インターフェース。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記柔軟弾性材の層は，メッシュ構造の１つ以上の硬体又は軟体を含み，前記メッシュ構造は，３次元形状の前記入力面の特定の地点からの圧力を，前記アレイセンサの特定のセンサに伝えることができる，インターフェース。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載のインターフェースであって，前記インターフェースの前記入力面は，前記柔軟弾性材の層の表面である，インターフェース。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載のインターフェースであって，
前記センサアレイの各センサは，前記入力面に加えられた力及びそれによって感知した力に応じて，その入力データを前記プロセッサに提供するように構成されており，
前記センサアレイは，加えられた力の前記入力面上の位置のデータを，ゼロ以外の入力データを提供する前記センサアレイ中のセンサに基づいて決定する前記プロセッサに提供する，インターフェース。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載のインターフェースであって，３次元形状の前記入力面は，キーボード又は接触して演奏する他の楽器，例えばギターといった楽器の形状である，インターフェース。
【請求項１４】
請求項１に記載のインターフェースであって，前記プロセッサは，前記入力面に加えられる力の特定の組み合わせに応じて，又は前記入力面に加えられる力の特定の変化に応じて，特定の前記プロセッサの出力信号を生成するように，ユーザーによってプログラム化される，インターフェース。
【請求項１５】
請求項１から請求項１４のいずれかに記載のインターフェースを操作することによってプロセッサからのプロセッサ信号を生成する方法であって，
１つの力又は複数の力の組み合せを，前記入力面の選択した領域に加えるステップと，
これにより前記インターフェースの１つ以上のセンサに，前記プロセッサへの入力データを生成させるステップとを含み，
前記入力データは前記入力面に加えられた力の強さに関するデータ，及び前記入力面に加えられた力の位置に関するデータを含み，
前記プロセッサは，前記センサ又は前記センサアレイからの信号に応じて，前記プロセッサに格納されたアルゴリズムに従って信号を生成する，
方法。
【国際調査報告】
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