JP2011242386A - 接触センサと触覚アクチュエータとの透明複合圧電材結合体 - Google Patents

Abstract

【課題】タッチスクリーン式携帯型装置、自動車向け機器、ゲームコンソール等の様々な電子機器において、触覚効果を可能とする作動ユニットを提供する。
【解決手段】触覚装置３０は、基板３２を含み、基板３２はタッチスクリーン式のガラスプレート又は可撓性構造体であってもよい。複合圧電セル３４は、実質的に透明、すなわち少なくとも40%の透明度である。この実質的に透明な複合圧電セル３４が基板３２を覆い又は基板３２の上に配置されるので、ユーザは、タッチスクリーンを認識しつつ複合圧電セル３４に触れることができる。複合圧電セル３４は、セル表面の変形を測定し、この変形により触覚フィードバック効果を提供する。
【選択図】図２Ａ

Description

本出願は、米国特許仮出願第61/327,625号（2010年4月23日出願）に基づく優先権を主張し、その内容は全体として参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、接触センサと触覚アクチュエータとの透明複合圧電材結合体を含む触覚装置に関する。

リッチなユーザインタフェースを作り出す努力が電子装置メーカによってなされている。従来の電子機器の多くは、ユーザへ情報を伝達するために、視覚フィードバック及び／又は音響フィードバックを提供している。幾つかのケースでは、ユーザ体験を向上させるために、運動感覚フィードバック（作用力フィードバック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、質感、及び熱等）もユーザに提供される。一般的に、運動感覚フィードバック及び触感フィードバックは「触覚フィードバック」又は「触覚効果」と総称される。触覚フィードバックは、ユーザに特定のイベントを通知したり、現実のフィードバック感覚を与えて優れたセンサ体験を作り出したりするキューを提供するために有用なものである。触覚フィードバックは、通常の電子装置とともに使用可能であり、模擬環境又は仮想環境を生成するための装置とともに使用することもできる。

タッチスクリーン等の接触センサ装置へ振動触覚フィードバックを提供するために、従来から様々な触感作動技術が用いられている。公知の触覚フィードバック装置は、リニア共振アクチュエータ（「ＬＲＡ」）装置や偏心回転質量（「ＥＲＭ」）装置等の電気式アクチュエータを使用している。これらのアクチュエータは、しかしながら、一般に拡張性に乏しく、触感アプリケーションにおいて十分に性能を発揮するとは限らない。これらの装置の多くは嵩張るものであり、空間的な制約を満たすことが困難なこともある。

上記以外にも、タッチセンサ装置における従来の触覚フィードバック技術として、電場応答性ポリマー（「ＥＡＰ」）装置がある。しかしながら、ＥＡＰベースのアクチュエータは、触感アプリケーションに好適な効果を提供するために、通常、数千ボルトの電気を必要とするという欠点がある。

触覚フィードバック構造の開発は、より小型の装置を作る方向へ向かっており、タッチセンサ装置において触覚フィードバックを提供する技術の他の路線として、モノリシック圧電セラミックがある。モノリシック圧電セラミックから作られるアクチュエータはモノリシック圧電アクチュエータと呼ばれ、拡張性に優れるとともに高速に動作するので、触覚フィードバックのために満足のいく解決策を提供する。しかしながら、かかるアクチュエータの機械的統合や製品への実装は困難なことが多い。また、モノリシック圧電セラミックは非常に脆く壊れやすいものであり、モノリシック圧電セラミックを含む電子装置が落下したり、落下と同様の力や応力を受けた場合には装置が破壊される可能性がある。モノリシック圧電セラミックを製品に実装することは困難なことがある。

これらの触覚フィードバック装置においては、別個の接触センサを用いて、触覚フィードバック効果を発生させるか否かが検出される。

本発明の一態様において、透明複合圧電材技術を用いて、接触センサと触覚アクチュエータとの透明複合圧電材結合体が作製される。この透明複合圧電材結合体は、タッチスクリーン等の触覚装置に用いられる。

本発明の一実施形態において、基板と、前記基板を覆う実質的に透明な複合圧電セルとを含む触覚装置が提供される。この圧電セルは、変形時に第１の信号を生成するように構成されたセンサ圧電レイヤと、前記第１の信号に基づいている第２の信号を受信すると触覚効果を提供するように構成されたアクチュエータ圧電レイヤとを備える。

本発明の一実施形態において、前記セルの表面の変形を測定するとともに前記変形の結果として触覚効果を提供するように構成された実質的に透明な複合圧電セルを含む触覚装置が提供される。このセルは、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間にある複数の圧電セラミック材とを含む。前記第１の電極と前記第２の電極との間に電場が生成されるときに、前記圧電セラミック材が作動して前記触覚効果を提供する。

本発明の一実施形態において、センサ・セルのアレイを含む実質的に透明な圧電性センサ・レイヤと、独立に作動可能なアクチュエータ・セルのアレイを含む実質的に透明な圧電性アクチュエータ・レイヤと、前記実質的に透明な圧電性センサ・レイヤ及び前記実質的に透明な圧電性アクチュエータ・レイヤから可視の画像を表示するように構成されたディスプレイと、を含む触覚装置が提供される。

本発明の一実施形態において、接触センサと触覚アクチュエータ・セルとの複数の結合体が、方形又は円形（又はこれら以外の形状）のセルのグリッド形状で用いられ、個別の局所的な触覚フィードバックを同時に提供できるタッチスクリーン／タッチパッド装置が作製される。

このセンサ及びアクチュエータの機能性は、単一のモジュールで実現可能であるため、従来からある代替品と比較して、より簡便な実装方法により、より薄くて小型に作製することができる。この複合圧電センサ／アクチュエータは、様々な形状に形成することができるので（拡張性）、異なる用途に適用できる。複合圧電材は、各々の用途に適合する特定の電気機械的特性を実現することによって最適化される。本発明の実施形態に係る接触センサは、接触を検知するだけでなく、入力された圧力の大きさを測定することもできる。また、本発明の実施形態においては、複合圧電材が持つ高速の動特性と良好な作動性能によって、振動、運動感覚効果（kinesthetic effect）、及び／又は静的もしくは動的な変形等の広範囲にわたるリッチな触覚効果を実現できる。

本明細書において説明される本開示の実施形態は、様々な特徴及び効果を含む。これらの特徴及び効果は、必ずしも明示的に開示されたものには限られないが、詳細な説明と添付図面とを参照すれば当業者には明らかなものである。これらの明示的ではない特徴や効果も、本開示に含められる。

以下の各図に図示されている構成要素は、本開示の一般的な原理が際立つように記載されており、必ずしも寸法通りに記載されていない。一貫性と明確性を確保するために、必要に応じ、類似の構成要素を示す参照記号が各図を通じて繰り返し用いられている。

本発明の実施形態に係る電子装置の概略を示すブロック図

本発明の実施形態に係る触覚装置の断面を示す模式図

本発明の実施形態に係る触覚装置の断面を示す模式図

本発明の実施形態に係る触覚装置の断面を示す模式図

本発明の実施形態に係る触覚装置の斜視図を模式的に示す図

図３に示す触覚装置の一部分のより詳細な図

本発明の実施形態に係る複合圧電構造の一部分の斜視図を模式的に示す図

本発明の実施形態に係る触覚装置の概略図

本発明の実施形態に係る触覚装置の分解模式図

本発明の実施形態に係る触覚装置の分解模式図

本開示によって、触覚装置の実施形態が説明される。この触覚装置は、触覚フィードバック・アクチュエータを含む。触覚フィードバック・アクチュエータは、ユーザインタフェース又はヒューマン−コンピュータインタフェースを介してユーザに触覚効果を提供する。触覚フィードバック・アクチュエータは、アクチュエータが搭載されたユーザ装置における、ユーザインタフェース又はヒューマン−コンピュータインタフェース以外の部分を介してユーザに触覚効果を提供することもできる。特に、本明細書で開示される触覚装置の実施形態は、ユーザ装置の接触面に対して触覚効果を作動させる。この接触面は、幾つかの実施形態においては、視覚的な出力機構及び接触式入力機構をいずれも備えるディスプレイ装置の一部であってもよい。このように、触覚フィードバックは、リッチなセンサ体験をユーザに提供する携帯型電子装置等のユーザ装置に適用可能である。

モノリシック圧電性アクチュエータを使用する場合とは対照的に、本開示は、触覚フィードバックを提供する「複合圧電材」の使用について説明する。触覚フィードバックは、触知効果、触知フィードバック、触覚効果、フォースフィードバック（force feedback）、又は振動触知フィードバックと称されることもある。複合圧電材は、触覚フィードバック装置の特定の特徴を実現するために用いられる。例えば、特定の用途における特定の電気機械的目標を達成するために、機械的強度、剛性、減衰係数、堅牢性、可撓性、変位長さ比、消費電力、作動力等が最適化される。また、複合圧電材の可撓性により、触覚フィードバック・アクチュエータは、その上部に配置されたタッチスクリーンに対して粘弾性緩衝部として機能することができる。粘弾性を調整することにより、タッチスクリーン構造の共振周波数を調整することができる。

本明細書において説明される例の多くはタッチスクリーン装置に関連するが、本開示は、接触式構造を有する他の種類のヒューマン−コンピュータインタフェースも包含する。また、他の特徴や効果は、説明されている本開示の一般的な原理を理解することによって当業者に明らかとなる。これらの他の特徴や効果も本開示に包含される。

図１は、本発明の一実施形態における電子機器装置１０のブロック図である。より具体的には、電子機器装置１０は、処理装置１２、メモリ装置１４、及び入出力装置１６を含む。これらの構成要素は、バス１８によって互いに接続されている。また、入出力装置１６は、タッチスクリーン装置２０などのヒューマン−コンピュータインタフェース装置を含む。

タッチスクリーン装置２０は、ヒューマン−コンピュータインタフェース又は接触面アッセンブリ（touch/contact surface assembly）として構成される。タッチスクリーン装置２０は、任意のタッチスクリーン、タッチパッド、接触センサ構造、コンピュータモニター、ラップトップディスプレイ装置、ワークブック（workbook）ディスプレイ装置、キオスクの画面、携帯型電子装置の画面、又はこれら以外の好適な接触センサ装置であってもよい。タッチスクリーン装置２０は、スタイラス等のユーザ操作用装置又はユーザの指と物理的に相互作用するように構成されてもよい。幾つかの実施形態において、タッチスクリーン装置２０は、少なくとも一つの出力装置と少なくとも一つの入力装置とを含むことができる。例えば、タッチスクリーン装置２０は、視覚的表示装置と、当該視覚的表示装置の上に重ね合わせられてユーザの指による入力を受容する接触センサ画面とを含むことができる。

様々な実施形態において、タッチスクリーン装置２０は、電子機器装置１０の少なくとも一部分に触覚フィードバックを提供する。この触覚フィードバックは、電子機器装置１０に接触しているユーザに伝達される。タッチスクリーン装置２０は、ユーザがタッチスクリーンに接触しているときに、タッチスクリーン自体に触覚フィードバックを提供して接触効果を与えることができる。この触覚効果は、ユーザ体験を向上するために用いられる。ユーザは、この接触効果によって、タッチスクリーン装置２０への接触が、検出のために十分なものであったことを確認できる。

電子機器装置１０は、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、電子ワークブック（electronic workbook）、携帯型電子装置（例えば、携帯電話、ゲーム装置、パーソナルデジタルアシスタンス（「ＰＤＡ」）、携帯型電子メール装置、携帯型インターネットアクセス装置、計算機等）、キオスク（例えば、現金自動預入支払機、自動券売機等）、プリンタ、ＰＯＳ（point-of-sale）装置、ゲームコントローラ、これら以外の電子装置等の任意の装置である。

処理装置１２は、電子機器装置１０の動作及び機能を管理又は制御する汎用又は専用のプロセッサ又はマイクロコントローラであってもよい。例えば、処理装置１２は、触覚効果を提供するために入出力装置１６のドライバへの出力信号を制御する特定用途向け集積回路（ASIC）として設計されてもよい。処理装置１２は、所定のファクターに基づいて、どのような触覚効果を再生するか、どの順番で触覚効果を再生するか、並びに、触覚効果の大きさ、頻度、持続期間及び／又はこれら以外のパラメータを決定するように構成されてもよい。処理装置１２は、特定の触覚効果を提供する触覚アクチュエータを駆動するために用いられるストリーミング動作指令を提供するように構成されてもよい。幾つかの実施形態に係る処理装置１２は、各々が電子機器装置１０の所定の機能を実行するように構成された複数のプロセッサを含んでいてもよい。

メモリ装置１４は、単数又は複数の内蔵ストレージユニット、着脱式ストレージユニット、及び／又は遠隔アクセス可能なストレージユニットを含んでもよい。これらの様々なストレージユニットは、揮発性メモリ及び不揮発性メモリの任意の組み合わせを含むことができる。これらのストレージユニットは、情報、データ、指令、ソフトウェアコード等の任意の組み合わせを保存するように構成されてもよい。特に、これらのストレージ装置は、触覚効果のプロファイル、入出力装置１６の触覚作動装置の駆動方法に関する指示、又はこれら以外の触覚効果を生成するための情報を含むことができる。

タッチスクリーン装置２０以外にも、入出力装置１６が特定の入力機構及び出力機構を備えることができる。例えば、この入力機構には、キーボード、キーパッド、カーソル制御装置（例えば、コンピュータマウス）、又はこれら以外のデータ入力装置等の装置が含まれる。出力機構には、コンピュータモニタ、仮想現実ディスプレイ装置、オーディオ出力装置、プリンタ、又はこれら以外の周辺装置が含まれる。入出力装置１６は、多くのタッチスクリーン装置と同様に、ユーザからの入力を受け取るだけでなくユーザへフィードバックを提供するように設計された機構を含んでもよい。タッチスクリーン装置２０及び他の入出力装置１６は、ボタン、キーパッド、カーソル制御装置、タッチスクリーン部材、スタイラス認識可能部材、又はこれら以外のデータ入力部材の任意の好適な組み合わせ及びこれらの任意の好適な構成を含むことができる。タッチスクリーン装置２０は、コンピュータモニタ、ディスプレイスクリーン、タッチスクリーンディスプレイ、触覚アクチュエータもしくは触知アクチュエータ、触覚効果式装置、又はこれら以外のユーザに出力を提供する通知装置の任意の好適な組み合わせを含むことができる。

図２Ａは、触覚装置３０の一実施形態の断面図を示す。この触覚装置３０は、図１に示したタッチスクリーン装置２０等のタッチスクリーン装置であってもよい。図示のとおり、この触覚装置は、基板３２を含む。この基板３２は、後述するようにタッチスクリーン式のガラスプレート又は可撓性構造体であってもよい。複合圧電セル３４は、実質的に透明、すなわち少なくとも40%の透明度である。この実質的に透明な複合圧電セル３４が基板３２を覆い又は基板３２の上に配置されるので、ユーザは、タッチスクリーンと認識しつつ複合圧電セル３４に触れることになる。

図２Ａに示すとおり、複合圧電セル３４は、異なる電気機械的特徴を有するレイヤを含むことができる。この異なる電気機械的特徴を有するレイヤは、上部複合レイヤ３６及び底部複合レイヤ３８を含む。上部複合レイヤ３６は、幅広のレイヤであって、触れられると微視的に変形してセンサとして機能することができる。底部複合レイヤ３８は、アクチュエータとして機能することができる。上部レイヤ３６が可撓性を有するため、底部レイヤ３８において生成された触覚効果を、装置に接触している人間の手に伝達することができる。かみ合わされた（interdigitated）電極システムを用いることにより、直接圧電効果を利用して、上部レイヤ３６によって接触を検知し、この検知された接触により生成された信号を用いて底部レイヤ３８を作動させるための信号を提供することができる。一実施形態においては、上部複合レイヤ３６がアクチュエータとして機能し、底部複合レイヤ３８がセンサとして機能してもよい。

本システムの電気機械的特性を最適化するために、様々な接続方法を用いて上部レイヤ３６を底部レイヤ３８へ取り付けることができる。例えば、相対的に可撓性がある（変形しやすい）中間レイヤをセンサとして機能するレイヤに設けることができ、これにより接触検知機能を改善することができる。一方、より硬い構造を有するコアレイヤをアクチュエータとして機能する層として選択することができる。

図２Ｂは、基板１３２及び及び実質的に透明な複合圧電セル１３４を含む触覚装置１３０の実施形態を示す。基板１３２は、図２Ａの基板３２と同様に構成される。複合圧電セル１３４は、基板１３２を覆い又は基板１３２の上に配置されるので、ユーザは、触覚装置１３０の表面に接触するときに複合圧電セル１３４に接触することができる。一実施形態において、基板１３２は、圧電セル１３４を通して画像を表示するように構成されたディスプレイであってもよい。圧電セル１３４が透明であるため、ユーザは、ディスプレイ自体に接触していると認識することになる。図２Ｂに示すとおり、実質的に透明な複合圧電セル１３４は、基板１３２を覆う第１レイヤ１３６と、第１レイヤ１３６を覆う第２レイヤ１３８と、第２レイヤ１３８を覆う第３レイヤ１４０と、第３レイヤ１４０を覆う第４レイヤ１４２とを含む。図示された実施形態は、いかなる意味においても本発明を限定することを意図するものではなく、図示の４層よりも少ない数又は多い数のレイヤを設けることができる。実施形態は、例えば、３層、５層、６層等のレイヤから成るものであってもよい。

一実施形態において、４層のレイヤのうちの一つのレイヤ、例えば、第４レイヤ１４２がセンサとして機能するように構成され、それ以外のレイヤ、すなわち、第１レイヤ１３６、第２レイヤ１３８、及び第３レイヤ１４０がアクチュエータとして機能するように構成されてもよい。かみ合わされた電極システムを用いることにより、直接圧電効果を利用して、センサとして機能するレイヤによって接触を検知し、この検出された接触により生成された信号を用いてアクチュエータとして機能するレイヤを作動させるための独立の信号を提供することができ、これにより所望の触覚効果を生成することができる。例えば、一実施形態においては、アクチュエータとして機能する３つのレイヤに必要に応じて同時に信号を提供することにより、一つのレイヤによって生成される場合よりも強い触覚効果を生成することができる。

図２Ｃは、触覚装置２３０の実施形態を示す。触覚装置２３０は、図２Ａ及び図２Ｂに図示された触覚装置３０、１３０と同様に可撓性を有する。この触覚装置２３０は、基板２３２及び実質的に透明な圧電セル２３４を含む。可撓性を有する、とは、現存のタッチスクリーンで起こる僅かな湾曲とは対照的に、装置とともに大幅な変形が可能であることを意味する。可撓性を有する実質的に透明な圧電セル２３４及び基板２３２は、例えば、曲げることが可能であり、折り畳み可能であり、また、丸めることが可能である。この曲げることが可能な構造によって筒状に曲げられる場合に、丸めることが可能な構造となる。

図３及び図４に示すとおり、センサとして機能するように構成されたレイヤ、及び、アクチュエータとして機能するように構成されたレイヤを組み合わせて、複合圧電アクチュエータ／センサ・セルの形状を有する単一のモジュールにすることができる。図３及び図４は、複合圧電アクチュエータ／センサ・セル４０の断面図を、関連づけられた電極４２とともに示す。複合圧電セル４０は、エポキシ材等の構造用接着剤４６内に圧電セラミック繊維４４のアレイを含む。この複合圧電セル４０の一実施形態を図５に示す。一実施形態において、繊維の断面は、図示された円形ではなく方形であってもよい。図示のとおり、各電極４２を用いて個別の制御信号を送信することにより、２つの隣接する電極４２間の構造用接着剤４６に埋め込まれている繊維４４の各片を駆動し、対応する位置に局所的な触覚効果を生成することができる。矢印４８は、印加された電場に応答して分極した圧電セラミック材がどのように伸縮するかを示す。また、矢印５０は、電極４２によって生成された圧電セラミックの分極を示す。

同様に、ユーザが装置４０を操作している間に電極４２間の電圧が各々監視・測定される場合には、装置４０に組み込まれた圧電繊維４４の各片において発生する圧電効果に基づき、相互作用（接触）の位置を決定することができる。例えば、マルチプレクサを用いることにより、個別の制御信号を制御し、センサ信号を測定することができる。

一実施形態において、装置４０は、可撓性を有する機械的構造とともに製造されてもよい。これにより、装置４０は、工業用途における均一でない表面にも適応することができる。上述したように、可撓性を有する、とは、現存のタッチスクリーンで起こる僅かな湾曲とは対照的に、装置とともに大幅な変形が可能であることを意味する。可撓性を有する機械的構造及び基板は、例えば、曲げることが可能であり、折り畳み可能であり、また、丸めることが可能である。

図６は、触覚装置６０の一実施形態を示す。この触覚装置６０は、方形の複合圧電セル６２の格子を含む。複合圧電セル６２は、接触センサとして機能するように構成され、個別の局所的な触覚フィードバックを一度に提供する。図示された実施形態は４ｘ４のマトリクス状に配置された方形セル６２の格子を示しているが、セル６２の数は図示したものよりも多くても少なくてもよく、また、セル６２の形状を方形以外の形状としてもよい。図示した実施形態は、如何なる意味においても本発明を限定することを意図するものではない。例えば、図示したセル６２のマトリックスは、携帯型装置のタッチスクリーン又はタッチパッドとして機能するより大きなセル格子の一部であってもよい。図６に示したセル６２の各々は、透明な複合圧電材の方形に形成された一片である。このセル６２は、実装の設定に応じて、（矢印７２で表されているように触覚装置の平面に対して）横方向又は法線方向のいずれかの方向の触覚効果を提供することができる。

図６に示されるとおり、電極層６４、６６が、図示された格子の上面及び底面に配置される。また、各セル６２を他のセル６２から独立して駆動できるように電極経路６８が設けられる。局所的な個別の触覚効果は、制御駆動信号を個別のセル６２にそれぞれ送信することによって実現できる。電極層６４、６６は実質的に透明である。一実施形態において、電極層６４、６６は、層内に組み込まれた複合圧電材を有してもよい。

図６に示すとおり、触覚装置６０は、隣接するセル６２の間に振動遮断部７０を備える。一実施形態において、振動遮断部７０は、セル６２の間に組み込まれた透明なポリマー構造を含み、セル６２間での振動の伝達を防止する。一実施形態において、振動遮断部７０は、隣接するセル６２の間の間隙である。

複合圧電材のセンサ機能を利用することによって、各々のセル６２は、圧力センサ及びアクチュエータとして機能することができ、その領域の境界内で接触を検出することができる。図示した触覚装置６０が接触センサとして機能する場合には、センサ機能の解像度は、各々のセル６２の寸法に限定される。従来のタッチスクリーン技術とは対照的に、複合圧電セル６２のセンサ機能を動作させるために外部電圧を提供する必要がない。一方、当該セル６２に関連づけられた複合圧電材は、各々のセル６２の上部に加えられた変形／圧力によって、対応する電極６４、６６の間に電圧差を生じさせ、この電圧差を用いて印加された圧力の大きさを高解像度で測定することができる。

装置６０の電気機械的特性を最適化するために、複合圧電セル６２を様々な方法で接続することができる。例えば、相対的に可撓性がある（変形しやすい）が機械的に強固で頑丈な接触センサ／アクチュエータを実現することができ、これにより一体性及び耐久性を向上させることができる。この手法は、平坦ではない表面へ装置６０を適応する場合に用いられる。特定の析出、コーティング、及び同時焼成技術を用いることにより、上述した触覚装置６０を如何なる形状にも形成するができ、非常に薄く形成することも可能である。

数センチメール以上の大きさで典型的な携帯型装置の表面を覆う透明圧電部材の作製は、ポリマーのマトリックスに組み込まれた透明な単一の結晶圧電材又はセラミック圧電材の小繊維を含む複合圧電材を有するセル６２のアレイによって行うことは困難な場合があるが、より大きな複合圧電センサ／アクチュエータシステムであれば作製可能である。一実施形態において、圧電材は、マクロファイバー複合体（macro fiber composite）であってもよい。マクロファイバー複合体は、例えば、フロリダ州サラソータにあるSmart Material Corporationによって製造・供給されている。

図７Ａは、実質的に透明な複数の圧電レイヤを含む触覚装置８０の実施形態を示す。この圧電レイヤは、各々、実質的に透明な圧電セルのアレイを含む。例えば、第１のレイヤ８２は、セル８２a-iから成る３ｘ３アレイを含み、第２のレイヤ８４は、セル８４a-iから成る３ｘ３アレイを含み、第３のレイヤ８６は、セル８６a-iから成る３ｘ３アレイを含む。３層のレイヤが図示されているが、２層から成るレイヤ、又は追加の層を含むレイヤであってもよい。

セル８２a-i、８４a-i、及び８６a-iは、実質的に互いに整列している。図２Ｂに示した実施形態と同様に、一つのレイヤ、例えば第１のレイヤ８２が、センサとして機能するように構成され、他のレイヤ、すなわち、第２のレイヤ８４及び第３のレイヤ８６が、アクチュエータとして機能するように構成されてもよい。一実施形態において、各々のレイヤ、及び、各レイヤの各々のセルは、検出された接触に応答して所望の触覚効果を提供できるように、互いに独立に作動することができる。例えば、センサとして構成されたレイヤは、直接圧電効果を利用して接触を検知して信号を生成し、生成した信号をかみ合わされた電極システムに送信する。そして、検出された接触により生成された信号を使用し、駆動可能なレイヤの一部分である任意のセル又はセルの任意の組み合わせを駆動する信号を供給する。より具体的に説明すると、非限定的な例において、ユーザは、センサとして機能するように構成された第１のレイヤ８２のセル８２aに対応する領域に接触することができ、この接触に応答して、所望の触覚効果がセル８４a、又は、セル８４aとセル８６aの組み合わせによって生成される。所望の触覚効果は、セル８４i、又は、セル８４iとセル８６eとの組み合わせによって生成されてもよい。実質的に透明な圧電レイヤ８２、８４、８６は、基板８８によって支持されてもよい。この基板８８は、実質的に透明な圧電レイヤ８２、８４、８６を通して画像を表示するように構成されたディスプレイであってもよい。

図７Ｂは、実質的に透明な複数の圧電レイヤを含む触覚装置９０を示す。この圧電レイヤは、各々、実質的に透明な圧電セルのアレイを含む。例えば、第１のレイヤ９２は、セルの８ｘ８アレイを含み、第２のレイヤ９４は、セルの３ｘ３アレイを含み、第３のレイヤ９６は、セルの３ｘ３アレイを含む。実質的に透明な圧電レイヤ９２、９４、９６は、基板９８によって支持されていてもよい。この基板８８は、実質的に透明な圧電レイヤ９２、９４、９６を通して画像を表示するように構成されたディスプレイであってもよい。３層のレイヤが図示されているが、触覚装置９０は、２層のレイヤを含んでもよく、３以上のレイヤを含んでもよい。図示した実施形態は、如何なる意味においても本発明を限定することを意図するものではない。また、レイヤの各々は、そのアレイ中に異なる数のセルを有していてもよい。例えば、一実施形態において、第３のレイヤは、必要に応じ、セルの３ｘ３アレイではなく２ｘ２アレイであってもよい。

一実施形態において、第１のレイヤ９２は、センサとして機能するように構成されてもよい。また、より多くの（より小さな）セルを用いて、センサの解像度を増加させることができる。同様に、一実施形態において、第２のレイヤ９４及び第３のレイヤ９６がより少ない（より大きな）セルを含むようにすれば、各セルから提供される触覚効果を増加させることができる。多数の組み合わせが想到され、図示された実施形態は如何なる意味においても本発明を限定するものではない。

一実施形態において、センサとして機能するように構成されたレイヤ、すなわちセンサ・レイヤは、触覚装置への接触を認識するとともに、触覚装置への接触の位置及び強さを認識するように構成されてもよい。例えば、センサ・レイヤは、レイヤが接触されたときに、当該レイヤの変位を測定するように構成され、この測定結果を用いて、当該レイヤに加えられた圧力を導き出すことができる。接触に対応する信号（すなわち、変位及び／又は圧力）は、上述した処理装置１２等の処理装置に送信される。処理装置は、この接触を解釈し、当該接触に応答して所望の触覚効果を生成する。触覚装置は、センサ・レイヤ及び処理装置を通してマルチタッチによる接触を検出し、実質的に同時に起こる複数の接触を識別できるように構成されてもよい。

本発明の一実施形態に係る触覚装置は、キー、ダイヤル、メニューリスト等のユーザが対話可能な画像を表示するように構成されてもよい。この画像は、実質的に透明な圧電セルを通して見ることが可能である。本発明の一実施形態に係る触覚装置は、最小限の画像を表示し、又は、画像を表示しないタッチパッドとして構成することもできる。一実施形態に係る触覚装置は、当該装置へ実質的に同時になされる個別の二つの接触を検知するように構成されてもよい。一実施形態において、二つの個別の接触に関連づけられた多くのファクターに基づいて、動的な触覚効果が生成される。触覚効果は、例えば、二つの接触の間の距離、二つの接触の動きの方向、接触数（例えば、二つ以上の接触が存在する場合）、接触した位置、接触によって起動された機能、各々の接触によって加えられた圧力等に少なくとも部分的に基づいて生成される。

一実施形態において、動的な触覚効果は、接触位置、接触数、又はこれら以外の上述した数多くのファクター（例えば、接触の間の距離、接触の動きの方向等）に基づいて、処理装置によって計算されてもよい。触覚効果は、その大きさ、振動、頻度等の単数又は複数のパラメータが時間とともに変化するという点において動的と理解される。静的な触覚効果と比較して、触覚効果の動的な性質によって追加的な情報がユーザに提供される。マルチタッチデバイスにおいては、二つ以上の一般に同時に起こる接触が検知されるので、追加的な情報を提供する必要性が増加する。一実施形態においては、触覚装置全体に適用される単一の動的な触覚効果ではなく、各々の接触について個別に、複数の動的な触覚効果が計算され、接触物体の各々（例えば、各々の指）が異なる触覚効果を経験することができる。動的な触覚効果が処理装置によって計算されると、動的な触覚効果はアクチュエータとして機能するように構成された実質的に透明な複合圧電セルのレイヤに出力され、当該動的な触覚効果が実行される。

動作時に、動的な触覚効果は、触覚装置の機能性及びユーザビリティを向上させるために、マルチタッチ接触に応答して生成される。例えば、マルチタッチ接触が二以上の指によってなされる場合には、ユーザは、触覚装置への接触中に指を離れる方向に動かすことにより、表示されている画像を拡大表示することができる。この操作に応答して、大きさ又は頻度が増加した動的な触覚効果が生成され、増加するヴァーチャルウィンドウやオブジェクトサイズ及び／又は音量の感覚を伝達することができる。指を元に戻す動作を行った場合には、同程度で逆向きの大きさ又は頻度が減少した触覚効果が生成され、縮小するヴァーチャルウィンドウやオブジェクトサイズ及び／又は音量の感覚を伝達することができる。

他の例においては、表示された連絡先、テキスト、又はメニュー項目のリスト間を移動するために二以上の指が離れる方向に移動されると、その操作に応答して、増加した大きさ又は頻度の動的な触覚効果が、指の間の距離に基づいて生成される。ユーザの指が離れるほど、連絡先やメニュー項目のリストの間のスピードや動きが増加する感覚を伝達するために触覚効果の大きさや頻度も大きくなる。指を元に戻す動作を行った場合には、同程度で逆方向の減少した大きさ又は頻度の触覚効果が生成され、連絡先やメニュー項目のリストの間のスピードや動きが減少する感覚を伝達することができる。

また、二以上の指は、タッチスクリーンに表示された仮想的なノブを回転させることと同等な回転動作を行うことができる。この動作に応答して、仮想的なノブの回転に応じた動的な触覚効果が生成され、移動止め（detent）及び障害（barrier）等の機械的なノブを回転する際に感じられる感覚をシミュレートすることができる。他の動的な効果は、典型的には回転ノブには関連づけられないものであるが、スクロール速度の制御、リストの末尾／先頭に関する通知等の情報を提供するために生成される。

他の実施形態において、二本以上の指によって境界領域（選択領域）を設定することができる。これにより、ユーザは、境界領域に含まれる仮想的に保持されたアイテム（virtual grasped item）の全てと対話することができる。この境界領域をスライドさせる間、動的な触覚効果はスライドする感覚を生成することができる。この触覚効果は、ドラッグのスピードやどの程度遠くまで境界領域がドラッグされたかに応じて可変である。また、二本の指の感覚を広げたり縮めたりしてアイテムの大きさを変更する操作によって、大きさや頻度の増減と同等の動的な触覚効果、又は、物体の大きさの相対的な増減の動作を伝達する一定の大きさ及び頻度の触覚効果を生成することができる。また、指を時計回り又は反時計回りに回転させて保持されたアイテムを回転させる操作によって、触覚の大きさ又は頻度を増減させるのと同等の動的な触覚効果、又は、初期の開始位置又は仮想的な配置から離れて物体を回転させる動作を伝達する一定の大きさ及び頻度の触覚効果を生成することができる。また、スクリーンを横切るように指を動かしてアイテムをドラッグする操作は、触覚の大きさ又は頻度を増減させることと同等の動的な触覚効果、又は、初期の開始位置又は仮想的な配置から離れて物理的に物体を引っ張る動作を伝達する一定の大きさ及び頻度の触覚効果を生成することができる。

他の実施形態においては、複数のユーザによって触覚装置に対するマルチタッチ接触がなされる。各々のユーザは、特定のアプリケーション又は任意の時刻に行った特定の操作に応じて異なる触覚効果を必要とする。また、一人のユーザが両手で操作する場合には、任意の時刻において各々の手が行った特定の操作に基づいて、各々の手に対して異なる触覚効果が必要とされる。例えば、一方の腕が二本の指を用いて仮想的な物体をつかんだりピンチするなどし、他方の腕が二本の指を用いて仮想的な物体を操作し、ズームイン／ズームアウトし、又は、別のメニューリストをスクロールしたりすることさえある。両方の動作は、同一面で同時に起こるので、各々の腕に生成される異なる動的な触覚効果が有用である。

本発明の実施形態は、タッチスクリーン式携帯型装置（携帯型装置、ＰＤＡ、及びナビゲーションシステム）、自動車向け機器、ゲームコンソール等の様々な電子機器において、触覚効果を可能とする作動ユニットとして用いることができる。

本明細書において説明された実施形態は、多くの実装及び例を示すものであるが、必ずしも本開示を特定の実施形態に限定することを意図するものではない。一方、これらの実施形態に対しては、当事者に理解される様々な変形を加えることが可能である。かかる変更は、本開示の趣旨及び範囲に含められ、以下の特許請求の範囲によって保護されるものである。

Claims (23)

1. 基板と、前記基板を覆う実質的に透明な複合圧電セルと、を備え、前記圧電セルが、
   変形時に第１の信号を生成するように構成されたセンサ圧電レイヤと、
   前記第１の信号に基づいている第２の信号を受信すると触覚効果を提供するように構成されたアクチュエータ圧電レイヤと、を備える触覚装置。
2. 前記センサ圧電レイヤが前記アクチュエータ圧電レイヤを覆っている請求項１に記載の触覚装置。
3. 前記アクチュエータ圧電レイヤが前記センサ圧電レイヤを覆っている請求項１に記載の触覚装置。
4. 前記基板が画像を表示するように構成され、前記画像が前記実質的に透明な複合圧電セルから可視である請求項１に記載の触覚装置。
5. 前記基板を覆う複数の実質的に透明な複合圧電セルをさらに備える請求項１に記載の触覚装置。
6. 隣接する圧電セルの間に配置され、前記複数の圧電セルの一つにおける振動を他の圧電セルと絶縁するように構成された振動遮断部をさらに備える請求項５に記載の触覚装置。
7. 前記振動遮断部がポリマーを含む請求項６に記載の触覚装置。
8. 前記振動遮断部が前記複数の圧電セルの間に間隙を含む請求項６に記載の触覚装置。
9. 前記基板及び前記実質的に透明な複合圧電セルが、可撓性を有するとともに大幅な変形が可能に構成されている請求項１に記載の触覚装置。
10. 前記セルの表面の変形を測定するとともに前記変形の結果として触覚効果を提供するように構成された実質的に透明な複合圧電セルを備え、前記セルが、
    第１の電極と、
    第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間にある複数の圧電セラミック材と、を含み、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に電場が生成されるときに、前記圧電セラミック材が作動して前記触覚効果を提供する触覚装置。
11. 画像を表示するように構成されたディスプレイをさらに含み、前記画像が前記実質的に透明な複合圧電セルから可視であるように前記実質的に透明な複合圧電セルが前記ディスプレイを覆う請求項１０に記載に記載の触覚装置。
12. 複数の実質的に透明な複合圧電セルをさらに備える請求項１０に記載に記載の触覚装置。
13. 隣接する圧電セルの間に配置され、前記複数の圧電セルの一つにおける振動を他の圧電セルと絶縁するように構成された振動遮断部をさらに備える請求項１２に記載の触覚装置。
14. 前記振動遮断部がポリマーを含む請求項１３に記載の触覚装置。
15. 前記振動遮断部が前記複数の圧電セルの間に間隙を含む請求項１４に記載の触覚装置。
16. 前記基板及び前記実質的に透明な複合圧電セルが、可撓性を有するとともに大幅な変形が可能に構成されている請求項１０に記載の触覚装置。
17. センサ・セルのアレイを含む実質的に透明な圧電性センサ・レイヤと、
    独立に作動可能なアクチュエータ・セルのアレイを含む実質的に透明な圧電性アクチュエータ・レイヤと、
    前記実質的に透明な圧電性センサ・レイヤ及び前記実質的に透明な圧電性アクチュエータ・レイヤから可視の画像を表示するように構成されたディスプレイと、を備える触覚装置。
18. 前記センサ・セルのアレイが前記アクチュエータ・セルのアレイよりも多くのセルを含む請求項１７に記載の触覚装置。
19. 独立に作動可能なアクチュエータ・セルの第２のアレイを含む第２の実質的に透明な圧電性アクチュエータ・レイヤをさらに備える請求項１７に記載の触覚装置。
20. 前記センサ・セルのアレイが前記アクチュエータ・セルの第２のアレイよりも多くのセルを含む請求項１９に記載の触覚装置。
21. 前記ディスプレイ、前記実質的に透明な圧電性センサ・レイヤ、及び前記実質的に透明な圧電性アクチュエータ・レイヤが、可撓性を有するとともに大幅な変形が可能に構成されている請求項１７に記載の触覚装置。
22. 前記実質的に透明な圧電性アクチュエータ・レイヤが前記ディスプレイを覆い、前記実質的に透明な圧電性センサ・レイヤが前記実質的に透明な圧電性アクチュエータ・レイヤを覆う請求項１７に記載の触覚装置。
23. 前記実質的に透明な圧電性センサ・レイヤが前記ディスプレイを覆い、前記実質的に透明な圧電性アクチュエータ・レイヤが前記実質的に透明な圧電性センサ・レイヤを覆う請求項１７に記載の触覚装置。