(57)【要約】  タッチ表面と、前記励振器に送られた信号に応答して、前記表面に振動を付勢するための前記タッチ表面に接続された力励振器であって、前記タッチ表面及び励振器の両者が、接続されたシステムを形成するところの、力励振器と、信号を生成するための信号ジェネレータであって、前記信号ジェネレータによって、前記接続されたシステムの周波数バンド幅の中にある周波数の搬送波信号を生成し、複合変調によって前記搬送波信号を変調し、前記変調された搬送波信号は、所望の触感覚を生じさせる低い周波数信号の時間応答と類似する時間応答を有し、これによって、変調された搬送波信号に応答して前記励振器によって付勢された前記タッチ表面をタッチするユーザは、前記接続されたシステムの前記周波数バンド幅の周波数より低い周波数で知覚される前記所望の触感覚を経験する、ところの信号ジェネレータと、を有する、デバイス。
2012523032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タッチ表面、及び前記タッチ表面に接続された力励振器又はアクチュエータを含む、接続されたシステムで所望の触覚感を生成する方法であって、
前記接続されたシステムの周波数バンド幅の中にある周波数の搬送波信号を生成するステップと、
複合変調によって前記搬送波信号を変調するステップであって、前記変調された搬送波は、所望の触感覚を生じさせる低い周波数信号の時間応答と類似する時間応答を有する、ところのステップと、
前記タッチ表面を付勢するために、前記変調された搬送波信号によって前記励振器又はアクチュエータをドライブするステップであって、これによって、前記接続されたシステムの前記周波数バンド幅より低い周波数で、前記所望の触感覚が知覚され、前記タッチ表面のユーザタッチがシミュレートされる、ところのステップと、
を有する方法。
【請求項２】
前記システムは、１５０Ｈｚないし３５０Ｈｚの範囲内を下限として、前記接続されたシステムの周波数バンド幅を持つ、分散されたモードのアクチュエータを有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記システムは、１００Ｈｚないし３００Ｈｚの範囲内を下限として、前記接続されたシステムの周波数バンド幅を持つ、圧電アクチュエータを有する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
１５０Ｈｚないし３００Ｈｚの範囲内を下限として、前記接続されたシステムの周波数バンド幅を持つ、電磁アクチュエータを有する、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記システムは、前記接続されたシステムに対して、高いＢｌ又は力係数において１００Ｈｚないし４００Ｈｚの範囲の周波数バンド幅を提供するアクチュエータを有する、請求項１又は４記載の方法。
【請求項６】
前記複合変調は、周波数変調を含む、請求項１ないし５のうちいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記複合変調は、位相変調を含む、請求項１ないし６のうちいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記複合変調は、パルス幅変調を含む、請求項１ないし７のうちいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記複合変調は、パルスレート変調を含む、請求項１ないし８のうちいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
タッチ表面と、
前記励振器に送られた信号に応答して、前記表面に振動を付勢するための前記タッチ表面に接続された力励振器であって、前記タッチ表面及び励振器の両者が、接続されたシステムを形成するところの、力励振器と、
信号を生成するための信号ジェネレータであって、前記信号ジェネレータによって、前記接続されたシステムの周波数バンド幅の中にある周波数の搬送波信号を生成し、複合変調によって前記搬送波信号を変調し、前記変調された搬送波信号は、所望の触感覚を生じさせる低い周波数信号の時間応答と類似する時間応答を有し、これによって、変調された搬送波信号に応答して前記励振器によって付勢された前記タッチ表面をタッチするユーザは、前記接続されたシステムの前記周波数バンド幅の周波数より低い周波数で知覚される前記所望の触感覚を経験する、ところの信号ジェネレータと、
を有する、デバイス。
【請求項１１】
１５０Ｈｚないし３５０Ｈｚの範囲内を下限として、前記接続されたシステムの周波数バンド幅を持つ、分散されたモードのアクチュエータを有する、請求項１０記載のデバイス。
【請求項１２】
１００Ｈｚないし３００Ｈｚの範囲内を下限として、前記接続されたシステムの周波数バンド幅を持つ、圧電アクチュエータを有する、請求項１０記載のデバイス。
【請求項１３】
１５０Ｈｚないし３００Ｈｚの範囲内を下限として、前記接続されたシステムの周波数バンド幅を持つ、電磁アクチュエータを有する、請求項１０記載のデバイス。
【請求項１４】
前記接続されたシステムに対して、高いＢｌ又は力係数において１００Ｈｚないし４００Ｈｚの範囲の周波数バンド幅を提供するアクチュエータを有する、請求項１０又は１３記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タッチセンススクリーン又はパネルを含むタッチセンスデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１ないし４は、タッチした場合にユーザに対して感覚フィードバックを有するタッチ操作装置を開示している。特許文献１では、感覚フィードバックを提供するために、アクチュエータを提供し、このアクチュエータがエネルギーを持ったとき、動きをＣＲＴに伝える。特許文献２では、圧電素子に電圧が加えられ、これによってその素子を振動させるスイッチを形成し、ユーザの指に反力（reaction  force）を与える。特許文献３では、感覚フィードバックユニットが、指又はポインタによってタッチスクリーンがタッチされるとユーザによって感知される機械的振動を生成する。機械的な振動の振幅、振動周波数、及び継続時間は、感じられるのに十分な長さであればよい。しかしながら、次のキータッチの前に終了するのに十分短くなければならない。特許文献４には、第２のトランソデューサで、一時的な形での振動を提供し、ボタンクリックをシミュレートするように振動を提供する。
【０００３】
上記の先行技術文献の各々には、ユーザの指又はポインタの個別のタッチに応答して、感覚フィードバックが提供される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許４，８８５，５６５号明細書
【特許文献２】米国特許５，６３８，０６０号明細書
【特許文献３】米国特許５，９７７，８６７号明細書
【特許文献４】米国特許公開公報２００２／００７５１３５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本実施例は、タッチセンススクリーン又はパネルを含むタッチセンスデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に従って、タッチ表面、及び前記タッチ表面に接続された力励振器又はアクチュエータを含む、接続されたシステムで所望の触覚感を生成する方法であって、前記接続されたシステムの周波数バンド幅の中にある周波数の搬送波信号を生成するステップと、複合変調によって前記搬送波信号を変調するステップであって、前記変調された搬送波は、所望の触感覚を生じさせる低い周波数信号の時間応答と類似する時間応答を有する、ところのステップと、前記タッチ表面を付勢するために、前記変調された搬送波信号によって前記励振器又はアクチュエータをドライブするステップであって、これによって、前記接続されたシステムの前記周波数バンド幅より低い周波数で、前記所望の触感覚が知覚され、前記タッチ表面のユーザタッチがシミュレートされる、ところのステップと、を有する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１ａ】タッチスクリーンの平面図である。
【図１ｂ】図１ａのタッチスクリーンに用いられるシステムのブロック図である。
【図２ａ】所望の知覚を与える信号、及び現在の信号から得られる力の（周波数によって振幅が変化する）周波数スペクトルを示したグラフである。
【図２ｂ】要求される知覚の時間領域のスペクトルを示すグラフである。
【図２ｃ】生成された信号、及び現在の信号に対する力のスペクトルについて、周波数と出力（ｄＢ）の変化を示すグラフである。
【図２ｄ】要求される知覚、及び図２ｃの信号により生成される力の時間領域スペクトルを示すグラフである。
【図２ｅ】要求される信号、及び現実の信号の検出された出力の時間変化を示すグラフである。
【図３】本方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
変調された搬送波信号の時間応答を、所望の触覚感を生じさせる信号の時間応答と一致（match）させることによって、変調された信号で励振された表面にユーザがタッチすると、ユーザは、より高い周波数で変調された信号を要求された触覚応答に復調する。この応答が生成される。そして、これは、通常の低周波数の刺激であるということを、本出願の出願人は認識した。ユーザは、2つのセンサ（感覚）のカテゴリを持つ。一方のカテゴリは、ゆっくりと適合し、定常的な刺激を感知するものである（例えば、圧力や皮膚のストレッチである）。他方のカテゴリは、素早く適合し、短いパルスのみを感知するものである（例えば、最初の接触や振動である）。本発明は、知られている聴覚音響心理学的な習性からの推論によるものである。すわなち、システムで実際に生成された周波数より低い周波数をユーザが感知する聴覚音響心理学的な習性によれば、ユーザが機械的システムにより実際に生成された周波数より低い周波数の存在を感知する場合、タッチレスポンスに類似の知覚（suggest）を生じさせるということである。したがって、接続された機械的なシステムは、非常に低い周波数において所望の触感覚をシミュレートすることが可能であり得る。例えば、１０Ｈｚないし４０Ｈｚの範囲である。このような低い周波数を直接生成することはできないであろう。なぜなら、これらは、接続されたシステムの周波数レンジよりもはるかに低いからである。
【０００９】
全ての知覚の神経経路に共通しているように、接触に感じる神経細胞は、刺激の強さに関連するレートで、脳へのパルスを生成する。神経発火（nerve  firing）の確率は、受け取るパルスの数に比例する。これらの神経発火は、神経システムにおいて、漏れ積分回路（leaky  integrator）と同様に積分され、刺激の主観的強さに比例した感覚レベルを生じさせる。このタッチシステムは、神経発火がパルスを生成する電気的システムと類似であると捉えることができ、これは、「ソフト整流器（soft  rectifier）」モデルに対応し得る。
【００１０】
【数１】
2012523032.tif 000003
又は
【００１１】
【数２】
2012523032.tif 000004
フィルタｈ（ｔ）は、ニューロンの周波数選択度を表し、感覚の閾値に関連してスケールされる（対応する音響心理学的モデルにおいて、３０ｄＢの閾値よりも大きい信号の振幅は１となるようスケーリングされる）。定数Ｐ０は、刺激の強さからパルスレートへのスケールファクタ（倍率）である。ユーザによる知覚は、この発火（firing）のローパスフィルタの作用（すなわち漏れ積分）に関連する。すなわち、ユーザは知覚した信号を復調して、時間エンベローブ（例えば、より高い周波数の搬送波信号における変調の期間）を含む信号の所望の複合変調（complex  modulation）情報を抽出する。
【００１２】
ユーザによる復調（搬送波（carrier）からの情報抽出）は、以下のステップに従う。まず、神経端（nerve  endings）が、適用される圧力に関連したレートでパルスを生成する。そして、パルスは「バインド」される。すなわち、固定された時間窓においてカウントされる（積分プロセス）。もし、そのカウントが所定の閾値（敏感さの閾値）を超えた場合、ニューロンは発火（fire）し、感覚の強さは、発火したニューロンの数によって判断される。すなわち、電気的なシステムとのアナロジーから、ユーザは、表面から受け取った振動の信号を１つの一定値の極性に変換する整流器（rectifier）として効果的に振る舞うことになる。この整流された信号は、その後、ローパスフィルタを通過し、これによって、低周波信号は通過するが、カットオフ周波数より高い周波数の信号は弱められる。
【００１３】
搬送波の複合変調（complex  modulation）は、単なるトーンのような（tone-like）信号を用いて得られるものと比較して、触覚応答（haptic  response）を強め、低い周波数でユーザに受け取られ、より高い周波数領域による接続されたシステムのより効率的なオペレーションを与える。これは、接続された触覚システムの利用できるバンド幅の利用を最大化する。複合変調は、例えば、ユーザに対する機能的応答の目標を達成するための、パルス幅又はパルスレート変調、周波数変調、複数の周波数変調（multiple  frequency  modulation）、及び位相変調、又はこれらの組合せの方法を含む。
【００１４】
本発明の他の側面に従って、タッチ表面と、前記励振器に送られた信号に応答して、前記表面に振動を付勢するための前記タッチ表面に接続された力励振器であって、前記タッチ表面及び励振器の両者が、接続されたシステムを形成するところの、力励振器と、信号を生成するための信号ジェネレータであって、前記信号ジェネレータによって、前記接続されたシステムの周波数バンド幅の中にある周波数の搬送波信号を生成し、複合変調によって前記搬送波信号を変調し、前記変調された搬送波信号は、所望の触感覚を生じさせる低い周波数信号の時間応答と類似する時間応答を有し、これによって、変調された搬送波信号に応答して前記励振器によって付勢された前記タッチ表面をタッチするユーザは、前記接続されたシステムの前記周波数バンド幅の周波数より低い周波数で知覚される前記所望の触感覚を経験する、ところの信号ジェネレータと、を有する、デバイスが提供される。
【００１５】
触感覚は、ユーザに対してボタンクリックの感覚を提供し得る。あるいは、複合触覚信号（complex  haptic  signal）は、得られた変移（displacement）及び／又は加速（acceleration）の点から、ユーザに対して付加的な情報を提供するために生成されてもよい。感覚フィードバック（haptic  feedback）信号は、ユーザのアクションやジェスチャ等と関連付けられてもよい。あるいは、又は、追加的に、感覚信号は、ディスプレイのアクションやリアクションの観点から、表面のレスポンスと関連付けられてもよい。
【００１６】
搬送波信号は、生成された１つの周波数のサイン波であってもよい。あるいは、搬送波信号は、ある範囲の周波数をカバーする複数のサイン波を含んでもよい。あるいは、スイープした（ＦＭ変調された）サイン波又はバンド制限されたノイズ信号であってもよい。所望の知覚された低周波触覚刺激を生成するための、他の変調方法が利用されてもよい。
【００１７】
生成された搬送波信号は、所望の触感覚を生成する信号の周波数と調和的に関連する周波数において情報を含んでもよく、これによって、触感覚が向上する。
【００１８】
これは、ピッチ認識と呼ばれる、よく知られた心裡音響学的現象につながる。ここで、倍音列（harmonic  series）から基本音（fundamental）を再構築することは、実際には刺激とならない低い周波数の知覚を可能とする。
【００１９】
複数のパルス又はパルスのストリームを含む信号を適用することによって、表面が振動する。このパルスのストリーム自身は、更なる複合サブパルス系列（more  complex  sub  pulse  trains）によって、符号化される。
【００２０】
変調は、異なるスーパーインポーズされたパルス列を含み、これは、異なる振幅であってもよい。
【００２１】
振動は、屈曲波振動を含み、そして共振した屈曲波振動を含む、いかなるタイプの振動を含んでもよい。
【００２２】
振動励振器は、スクリーンの表面に屈曲波振動を適用する手段を含んでもよい。この振動励振器は、電気機械的なものであってもよい。この励振器は、１００Ｈｚないし４００Ｈｚの領域のバンド幅の周波数の励振を、接続されたシステムに提供するものであってもよい。アクチュエータは、高いＢｌまたは力係数を有してもよい。Ｂｌは、３よりも大きい値、又は５よりも大きい値を持ってもよい。Ｂｌは、テスラ・メートル（T-m）によって、ボイスコイルギャップにおける磁界の強さと、磁界における導線の長さとの積として、標準の電磁気的励振器において定義される。
【００２３】
励振器は、電磁気的励振器であってもよく、接続されたシステムに対して１５０Ｈｚないし３００Ｈｚのバンド幅周波数を持つ。このような励振器は当該分野でよく知られている。例えば、国際公開９７／０９８５９号、国際公開９８／３４３２０号、国際公開８／３４３２０号は、出願人に属しており、引用によって本明細書に組み込まれる。あるいは、励振器は、圧電振動子（piezoelectric  transducer）、磁わい励振器、曲げ又はねじれトランスデューサ（国際公開００／１３４６４号に記載されているタイプ等）であってもよい。圧電トランスデューサは、接続されたシステムに対する１００Ｈｚないし３５０Ｈｚの範囲に最低リミットの周波数バンド幅を持つ。励振器は、分散モードアクチュエータであってもよく、国際公開０１／５４４５０号に開示されており、引用によって本明細書に組み込まれる。そして、接続されたシステムのバンド幅として１５０Ｈｚないし３５０Ｈｚの範囲を持つ。複数の励振器（おそらく異なるタイプ）は、調整された方法で動作するために選択されてもよい。個々の励振器は慣性があってもよい。
【００２４】
タッチ表面は、例えば、共振屈曲波デバイスなどの屈曲波デバイスであるパネル状の部材であってもよい。タッチスクリーンは、ラウドスピーカであってもよい。音響的出力を生成する第２の振動励振器は、振動を励振する。例えば、タッチスクリーンは、国際出願９７／０９８４２号に記載されている共振屈曲波モードラウドスピーカであってもよい。この文献は、引用によって本明細書に組み込まれる。
【００２５】
タッチ表面への接触は、本出願人による国際出願０１／４８６８４号、国際出願０３／００５２９２号、及び／又は国際出願０４／０５３７８１号に記載されているように検出又はトラックされる。これらの国際特許出願は、引用によって本明細書に組み込まれる。あるいは、このような接触を受信し、記録し、又は検出するために、その他の既知の方法が用いられてもよい。例えば、接近容量性検出及び光検出などの間接的な検出方法が利用されてもよい。したがって、タッチ表面は、直接的、又は間接的検出方法を使用してもよく、タッチセンシティブ表面と呼ぶことができる。
【００２６】
本発明は、上述の方法をインプリメントするために、特に、ディスク、ＣＤ、または、ＤＶＤ-ＲＯＭ、リードオンリメモリなどのプログラムされたメモリ（ファームウエア）、又は、光又は電気的信号キャリアなどのデータキャリアの上のプロセッサ制御コードを更に提供する。本発明の実施例をインプリメントするコード（及び／又はデータ）は、（インタープリトされるか、あるいはコンパイルされた）従来のプログラミング言語、例えばＣ、又は、アセンブラコード、ＡＳＩＣ又はＦＰＧＡをセットアップ又は制御するコード、又は例えばＶｅｒｉｌｏｇ（登録商標）又はＶＨＤＬ（Very  high  speed  integrated  circuit  Hardware  Description  Language）などのハードウエア記述言語によるソース、オブジェクト、又は実行形式コードを含む。当業者であれば、これらのコード、及び／又はデータは、互いに通信する接続された複数のコンポーネントに分散されてもよいことが理解できる。
【００２７】
本発明は、添付の図面において例示としてダイヤグラムとして図示されている。
【実施例】
【００２８】
［詳細な説明］
図１ａは、タッチセンシティブデバイス１０を示す。タッチセンシティブデバイス１０は、ユーザの指が触れているタッチスクリーン１２を有する。１つ以上のセンサ１７が、スクリーン上でのタッチ又は移動を検出するために用いられる。そして、励振器がスクリーン内に信号を生成するために設置されている。
【００２９】
図１ｂは、タッチに関連するユーザへのフィードバックを生成するために、タッチセンシティブデバイス１０がどのように感覚方法及び機械的フィードバック技術を用いるかを示している。スクリーン表面は、ユーザのタッチに応答して、励振器により機械的に付勢される。図１ｂに示すように、タッチスクリーン１２は、接触の状況を検出するセンサ１６に接続されている。センサは、プロセッサ２６に接続されている。プロセッサ２６は、センサからの信号を処理する。プロセッサは、変調ジェネレータ２８に信号を変調するよう指示する。その信号は、ユーザ１８に与えられ、ユーザの神経応答が、効果的に整流器２９及びフィルタ３０を提供する。この点については後述する。フィルタ３０は、インパルスジェネレータからのいかなる高周波ブレークスルーをも減少させる。図２ａは、変調やフィルタリング無しにシステムによって生成された信号に対する周波数スペクトル（周波数に対する振幅の変化）を示す。励振器により生成された信号は、２２５Ｈｚ近辺でピークの振幅があり、略１５０Ｈｚから３５０Ｈｚまでで、この最大から８０％が占められる。これに対して、要求される知覚は、２５Ｈｚ近辺でピークがあり、略１５Ｈｚから３５Ｈｚまでで、この最大から８０％が占められる。両者のスペクトルは、類似のシェイプを有し、互いに比例関係にある。しかしながら、要求される知覚は、非常に低周波数である。すなわち、励振器によって生成された信号と比較すると、極端に低い周波数であり、一桁分だけ低くなる。
【００３０】
図２ｂは、図２ａに示される要求される知覚の時間領域のスペクトルを示すグラフである。パルス幅は、２００ｍｓよりも狭く、より詳細には、略１００ｍｓである。
【００３１】
図２ｃは、同じシステムで利用される更に詳細な例示的信号を示している。すなわち、線形的にスイープさせたサイン波であり、これは、３５０Ｈｚから１００Ｈｚまで、１００ｍｓの期間で周波数を減少させている。図２ｃに示されるように、ほとんどの電気的信号は、その結果として生じる力として再現されている。
【００３２】
図２ｄは、図２ｃの信号の時間領域スペクトルと対照できるものである。時間領域において、変調ジェネレータにより生成された信号は、振動の力を提供する。しかし、２つの信号のエンベローブの間には、良好な一致が存在する。すなわち、略ゼロとなるまでの２つの信号は同じ時間で減衰している。すなわち、略３５０ｍｓである。
【００３３】
図２ｅは、インパルスジェネレータからの信号のユーザ復調の結果を示している。ユーザに受け取られると、タッチセンシティブ表面に生成された信号は、効果的に、全波整流器を通過し、全ての入力波形は、その出力において１つの（正の）極性となる。この整流された信号は、その後効果的にローパスフィルタを通過し、これによって、低周波信号は通過するが、カットオフ周波数より高い周波数の信号は、減衰する。実際の各周波数に対する減衰の量は、ユーザ毎に異なる。カットオフ周波数は、例えば１００Ｈｚ周辺である。変調された信号により作られる知覚は、基本音（fundamental）の信号に対する有用な一致であり、これは、所望している知覚を作り出す。
【００３４】
図３に示されるように、ステップ２００において、ユーザは、デバイスのスクリーンにタッチする。そして、ステップ２０２において、スクリーンに設置されたセンサがこのタッチを検出する。このタッチを検出すると、ステップ２０４において、センサは、プロセッサに信号を送る。プロセッサは、ステップを進む。
【００３５】
Ｓ２０６からＳ２１０は、スクリーンに設置された励振器が出力を生成する。プロセッサは、接続されているシステムの周波数バンド幅内の搬送波信号を生成し、変調された搬送波信号が所望の触覚感（haptic  sensation）を与える信号と類似の時間応答を有するように、生成された搬送波信号を変調する。
【００３６】
この変調された信号は、周波数変調であり、更なる複合変調により補われてもよい。この変調された信号は、減衰シヌソイド（damped  sinusoid）の形式であってもよい。この変調された信号は以下の式で表せる。
【００３７】
【数３】
2012523032.tif 000005
ここで、αは変調エンベローブf(t)の減衰率（decay  rate）である。
Cは定数である。
βは周波数変調g(t)のレートを制御するパラメータである。
ωcは時刻t=0の時の角周波数（angular  frequency）である。
【００３８】
励振器は、ステップＳ２１２においてスクリーンをドライブして振動を与える。図２ｅに示されているように、ステップＳ２１４において、受け取られた振動は、効果的にユーザの指によって復調される。当業者であれば、その他の効果的な代替が考えられることは明らかである。なお、タッチセンシング及びタッチ表面の観点から本発明について記載したが、間接的なセンシング方法、例えば、近接静電容量センシング（proximity  capacitive  sensing）、及び光センシング等も、請求項の技術的範囲に包含されることは言うまでもない。
【００３９】
本発明は、記載された実施例に限定されない。そして、添付の請求項の精神及び技術的範囲にあることが当業者に明らかな変形例についても、本発明に該当することは言うまでもない。
【図１ａ】
2012523032.tif 000006
【図１ｂ】
2012523032.tif 000007
【図２ａ】
2012523032.tif 000008
【図２ｂ】
2012523032.tif 000009
【図２ｃ】
2012523032.tif 000010
【図２ｄ】
2012523032.tif 000011
【図２ｅ】
2012523032.tif 000012
【図３】
2012523032.tif 000013
【国際調査報告】
2012523032.tif 000014
2012523032.tif 000015