JP2011054196A - タッチ式入力装置におけるボタンおよびスクロール動作シミュレーション用の触覚フィードバック - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザに触覚フィードバックを与えること。
【解決手段】平面型タッチ制御装置は、コンピュータへの入力部に用いられ、触覚フィードバックは、入力部に対して与えられる。タッチ制御装置は、タッチ面上に接触したユーザの位置に基づいて、コンピュータに関連付けられた処理部に位置信号を入力する平面タッチ面を有するタッチ式入力装置を含む。コンピュータは、少なくとも部分的に位置信号に基づいて、表示されたグラフィック環境内でのカーソルまたは画像を位置付けあるいは変更することができ、または異なる機能を実行することができる。１つ以上のアクチュエータはまた、タッチ式入力装置に接続され、タッチ面を介してユーザに触覚による感覚を与えるために力を出力する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、一般に、ユーザによるコンピュータおよび機械機器とのインターフェースに関し、より詳細には、コンピュータシステムおよび電子機器とのインターフェースに使用されるユーザに触覚フィードバックを与えるデバイスに関する。

本願は、２００４年１０月８日出願の同一発明者および同一出願人による米国仮特許出願第６０／６１６，６４８号の利益を主張する。

本願は、以下の先行特許および特許出願に関連するものである。２００３年７月１０日出願の米国特許出願第１０／６１５，９８６号。同出願は、２００２年８月６日出願の米国特許出願第１０／２１３，９４０号の継続出願であり、これは、現米国特許第６，４２９，８４６号である２０００年１月１９日出願の米国特許出願第０９／４８７，７３７号の継続出願であり、これは、現米国特許第６，５６３，４８７号である１９９９年１２月１７日出願の米国特許出願第０９／４６７，３０９号の部分継続出願であり、これは、現米国特許第６，１８４，８６８号である１９９８年９月１７日出願の米国特許出願第０９／１５６，８０２号の部分継続出願であり、これは、現米国特許第６，０８８，０１９号である１９９８年６月２３日出願の米国特許出願第０９／１０３，２８１号の部分継続出願であり、これは、現米国特許第６，２４３，０７８号である１９９９年２月１８日出願の米国特許出願第０９／２５３，１３２号の部分継続出願である。上記は、全て、本願と同一出願人によるものである。本願はまた、以下に関連するものである。現米国特許第６，８２２，６３５号である２００１年６月２６日出願の米国特許出願第０９／９１７，２６３号（２００１年３月９日出願の米国仮特許出願第６０／２７４，４４４号に基づく）。すでに放棄された、２００２年８月５日出願の米国特許出願第１０／２１３，３５４号。現在係属中の２００４年８月１７日出願の米国特許出願第１０／９１９，６４８号。現在係属中の２００４年８月１７日出願の米国特許出願第１０／９１９，７９８号。２００１年１月１７日出願のＰＣＴ／ＵＳ０１／０１４８６号、および２００２年３月８日出願のＰＣＴ／ＵＳ０２／１７１０２号。上記米国特許および特許出願は、全て、ここに完全に記載されたかのごとく、参照により本願に組み込まれる。

各種の用途における電子機器や機械機器との間のヒューマンインターフェース、ならびにより自然で使いやすく、情報を提供するインターフェースの需要は、常に関心事であった。本発明との関連において、人々は各種の用途のコンピュータ機器とインターフェースする。このような用途の１つに、ゲーム、シミュレーション、アプリケーションプログラムなどに見られるコンピュータが生成する環境との相互作用がある。

インターフェースデバイスには、ユーザに力覚フィードバックまたは触覚フィードバックを与えるものがあり、これらはまとめて「触覚フィードバック」として知られる。例えば、触覚式のジョイスティック、マウス、ゲームパッド、操舵ハンドル、またはその他のタイプのデバイスは、ゲーム、シミュレーション、またはアプリケーションプログラム内でみられるグラフィック環境などのコンピュータ生成環境内で発生するイベントまたは相互作用に基づき、ユーザに対して力を出力する。

ノートパソコンなどの携帯型のコンピュータや電子機器では、可動マウス型位置エンコード入力デバイスには実際上広い作業空間を必要とすることが多い。その結果、トラックボールなどの、より小型のデバイスがよく用いられる。携帯型コンピュータ用のもっと一般的なデバイスに「タッチパッド」があり、これは、通常、コンピュータのキーボード近くに配された小さな四角い平面パッドである。タッチスクリーンも用いられており、普及してきている。タッチパッドには一体化したディスプレイ装置は組み込まれていないが、タッチスクリーンでは一体化されている。このようなタッチ式入力装置は、容量センサ、赤外線ビーム、タッチ式入力装置に加えられた圧力を検出する圧力センサなどの各種のセンサ技術のいずれかにより、ポインティングオブジェクト（ユーザの指や入力用のスタイラスペンなど）の位置を感知する。一般的な用途においては、ユーザは指先でタッチ式入力装置に接触し、制御デバイスの表面で指を動かしてグラフィック環境内に表示されたカーソルを移動させ、または表示要素を選択する。別の用途では、指のかわりにスタイラスペンを用いてもよい。

既存のタッチ式入力装置の課題のひとつは、ユーザに触覚フィードバックを与えないことである。したがって、タッチパッドのユーザは、グラフィック環境においてユーザを支援し、対象の指示やその他の制御タスクを通知する触覚による感覚を感じることができない。先行技術のタッチ式入力装置では、携帯型コンピュータで動作する既存の触覚機能対応のソフトウェアを有効に利用することもできない。

本発明は、コンピュータシステムへの入力に用いる触覚フィードバック平面型タッチ式入力装置に関する。このタッチ式入力装置は、携帯型コンピュータに備えられたタッチパッドであってよく、または各種デバイスに見られるタッチスクリーンであってもよく、または類似の入力デバイスとともに実施されてもよい。タッチ式入力装置で出力される触覚による感覚は、表示されたグラフィック環境における、またはタッチ式入力装置を用いて電子機器を制御する際の、相互作用や操作性を高める。

具体的には、本発明はコンピュータに信号を入力し、タッチ式入力装置のユーザに対して力を出力する触覚フィードバックタッチ式入力装置に関する。このタッチ式入力装置は、タッチ面上のユーザの接触位置に基づき、上記コンピュータの処理部に位置信号を入力するよう操作可能なほぼ平面（平面または略平面）のタッチ面を備える。この位置信号は、いろいろな方法で用いることができ、例えば、少なくとも部分的に位置信号に基づいて、ディスプレイ装置上に表示されたグラフィック環境内でのカーソルの位置付けに用いることができる。また、少なくとも部分的に位置信号に基づいて、ディスプレイ装置上に表示されたオブジェクトの画像の回転、再配置、拡大および／または縮小に用いることができる。コンピュータ機器にその他の所望の入力を行うために用いてもよい。この入力には、グラフィック環境において、テキストまたは表示された画像の上下左右への移動、回転、または拡大縮小するスクロール入力を含んでもよい。また、少なくとも１つのアクチュエータがタッチ式入力装置にも接続されており、タッチ式入力装置に力を出力して、タッチ面に接触しているユーザに触覚による感覚を与える。このアクチュエータは、処理部がアクチュエータに出力する力情報に基づいて上記力を出力する。ほとんどのタッチ式入力装置では、タッチ中にタッチ式入力装置に加えられる相対圧力を測定することもできる。この相対圧力は制御に用いてもよく、また、少なくとも部分的にユーザに対する触覚による出力の生成に用いてもよい。

このタッチ式入力装置は、コンピュータのディスプレイスクリーンから離れたタッチパッドであってよく、または、タッチスクリーンとしてコンピュータのディスプレイスクリーンに含まれてもよい。このタッチ式入力装置は、コンピュータもしくは携帯機器のハウジングに一体化することができ、またはコンピュータから独立したハウジングに備えることもできる。ユーザは、指、スタイラスペン、その他を用いてタッチ面に接触する。このアクチュエータは、圧電アクチュエータ、ボイスコイルアクチュエータ、ページャーモータ、ソレノイド、またはその他のタイプのアクチュエータを含むことができる。一実施形態において、このアクチュエータはタッチ式入力装置と接地面との間に接続される。別の実施形態では、このアクチュエータは慣性質量部に結合される。このアクチュエータは、ディスプレイスクリーンとタッチスクリーンデバイスのディスプレイスクリーン上に配された透明なタッチ入力パネルとの間に相対移動を生じさせるよう、結合されてもよい。タッチデバイスのマイクロプロセッサは、コンピュータのメイン処理部から独立してもよく、ホストコンピュータからの力情報を受信し、この力情報に基づいて制御信号を与えてアクチュエータを制御することができる。

パルス、振動、または空間テクスチャなどの触覚による感覚は、ユーザが制御する位置とグラフィック環境におけるグラフィックオブジェクトとの間の相互作用に応じて出力されてもよい。このタッチ式入力装置は、複数の異なる領域を含むことができ、この領域のうち少なくとも１つは位置信号を与え、少なくとも別の１つは、値またはボタン押下のレート制御機能のような別の機能を制御するためにコンピュータに用いられる信号を与える。異なる領域および領域間の境界は、異なる触覚による感覚と関連付けることができる。また、レート制御は、ユーザにより加えられるタッチ力の大きさにより設定されてもよい。例えば、大きな力はレート入力を増加させ、小さな力はレート入力を減少させるように用いることができる。

本発明は、タッチパッドやタッチスクリーンなど、コンピュータの平面タッチ制御デバイスに触覚フィードバックを与えるという効果を有する。この触覚フィードバックは、グラフィカルユーザインターフェースまたはその他の環境においてユーザの支援および相互作用やイベントの通知を可能とし、カーソルによるターゲッティングタスクを簡易にすることができる。さらに、本発明は、このようなタッチ制御を有する携帯型のコンピュータ機器が既存の触覚フィードバック対応のソフトウェアを有効に利用することができるようにする。また、本明細書に開示する触覚式タッチデバイスは、安価で、小型、また電力消費が少なくなるように製造することができるため、広範囲にわたる携帯型およびデスクトップコンピュータや電子機器に簡単に組み込むことができる。

本発明のこれらおよびその他の利点は、以下に記載の本発明の明細書を読み、図面に記載の図を検討することにより、当業者には明らかとなろう。

図１は、本発明の触覚式タッチパッドの斜視図である。 図２は、本発明に係るタッチパッドを含んでいる遠隔制御装置の斜視図である。 図３は、タッチパッドの下面に接続されている１つ以上のアクチュエータを含んでいる本発明のタッチパッドの第１の実施形態の斜視図である。 図４は、圧電アクチュエータが本発明のタッチパッドに直接に接続されている本発明の第１の実施形態の側面図である。 図５は、リニアアクチュエータを含む本発明のタッチパッドの第２の実施形態の側面図である。 図６は、慣性質量部を有する本発明のタッチパッドの第３の実施形態の側面図である。 図７は、様々な制御領域を有する本発明のタッチパッドの例の上面図である。 図８Ａおよび８Ｂは、本発明のタッチスクリーン実施形態の、それぞれ、上面図および側面の断面図である。 図９は、従来のスナップ型ボタンを代表する力プロファイルを例示している、位置対力のプロット図である。 図１０は、典型的なプッシュボタンのヒステリシスを例示している、プッシュボタン移動量対プッシュボタン力のプロット図である。 図１１は、組み合わされた鋸歯状波形を例示しているプロット図である。 図１２は、押下時の一方向における単一パルス波形（左図）を例示しているプロット図と、解除時の、反対方向における単一パルス波形（右図）を例示しているプロット図である。 図１３は、単一不連続波形の鋸歯状タイプのプロット図である。 図１４は、スクロールバーを示すスクリーン画像の図である。 図１５は、タッチ面に伝えられる触覚フィードバックを利用するボタンの押下をシミュレートするための方法を示すフロー図である。 図１６は、ディスプレイスクリーン上に表示されるグラフィックオブジェクトに関連するカーソル操作によって引き起こされる動作が、生じる程度を表現する触覚フィードバックを提供する方法を示すフロー図である。 図１７は、触覚フィードバックを有するスライドスイッチを使用しているビデオ・ポーカー・ゲームの斜視図である。 図１８は、グラフィックオブジェクトの操作に応答して触覚フィードバックを与える方法を示すフロー図である。 図１９は、ディスプレイスクリーン上に表示されるカーソルとグラフィックオブジェクトとの相対的な位置を表現する触覚フィードバックを与える方法を示すフロー図である。 図２０は、本発明の一実施形態による触覚効果を与えるアクチュエータを示している立面図である。 図２１は、本発明の一実施形態によるアクチュエータに磁気吸引力を発生させる代替的な電磁部品を示している立面図である。 図２２は、本発明によるアクチュエータの代替的な実施形態の立面図である。 図２３は、本発明によるアクチュエータの他の実施形態の立面図である。 図２４は、本発明の一実施形態によるアクチュエータを使用しているシステムの立面図である。 図２５は、本発明の一実施形態によるアクチュエータの第２の均衡状態を示している立面図である。 図２６は、本発明の一実施形態による複数のアクチュエータで構成されるシステムの正面の斜視図である。 図２７は、本発明の一実施形態による触覚効果を生成する方法を示すフロー図である。 図２８は、本発明の一実施形態によるアクチュエータを有するシステムを示すブロック図である。 図２９は、特定の入力のために用いられる、タッチ式入力装置の領域を示している図である。 図３０は、特定の入力のために用いられる、タッチ式入力装置の領域を示している図である。 図３１は、特定の入力のために用いられる、タッチ式入力装置の領域を示している図である。

本発明の実施形態を、触覚フィードバックを有するタッチ式入力装置のシステムとの関連で、ここに説明する。本明細書において、このタッチ式入力装置をタッチ制御デバイスと呼ぶこともある。当業者には、以下の詳細な本発明の説明が一例に過ぎず、本発明をなんら限定する意図を持つものではないことが認識されるであろう。本開示の利益を得る当業者には、本発明の他の実施形態も容易に示唆されるであろう。以下、添付の図面に図示する本発明の実施例を詳細に述べる。図面および以下の詳細な説明中では、同一または類似の要素に言及する際には同一の参照符号を用いる。

説明を明確にするために、ここに記載の実施例の定型的な特徴については、その全てを説明するわけではない。当然ながら、現実にこのような実施例を開発する上では、用途あるいは業務上の制限に合わせるなどといった開発者の特定の目的を実現するために、多数の実施例に特有の決定がなされる必要があること、また、これらの特定の目的は実施例によってもしくは開発者によって異なるであろうことは言うまでもない。さらに、このような開発の努力は複雑かつ時間のかかるものの、本開示の利益を得る当業者にとっては定型的な技術的取り組みであることも言うまでもない。

本発明によれば、各種のオペレーティングシステム、コンピューティングプラットフォーム、コンピュータプログラム、および／または汎用機を用いて、構成要素、処理工程、および／またはデータ構造が実施されてもよい。加えて、ハードウェア組み込み機器、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、その他などの、汎用性の低い機器もまた、ここに開示される発明思想の範囲と趣旨から離れることなく用いることができることが、当業者には認識されよう。

図１は、本発明の触覚式タッチパッドを含む携帯型コンピュータ１０の斜視図である。コンピュータ１０は、好適には、持ち運びまたはユーザにより移動可能であり、かつ、その他のより固定的な電源に加えて、バッテリーまたはその他の携帯型のエネルギー源により電力供給可能な、携帯型または「ラップトップ型」コンピュータである。コンピュータ１０は、好適には、ユーザが周辺機器を介して相互作用する１つ以上のホストアプリケーションプログラムを実行する。コンピュータ用ディスプレイ装置１２の中には、表示しかできないものもあるが、タッチセンサ面を組み込んだタッチ入力に用いることのできるディスプレイ装置もある。このようなスクリーンは、売店、現金自動預払機、各種の自動販売機、そのほかでよく見かける。

コンピュータ１０は、図示のように、ユーザに対してグラフィカルな画像を出力するディスプレイ装置１２、ユーザからコンピュータへの文字またはトグルスイッチ入力を行うためのキーボード１４、および本発明のタッチパッド１６など、各種の入力および出力デバイスを含んでもよい。ディスプレイ装置１２は、各種ディスプレイ装置のいずれであってもよい。携帯型コンピュータにはフラットパネルディスプレイが最も一般的である。ディスプレイ装置１２は、実行中のアプリケーションプログラムおよび／またはオペレーティングシステムに基づいて、ユーザ入力により動かすことのできるカーソル２０、ウィンドウ２２、アイコン２４、およびその他のＧＵＩ環境において周知のグラフィカルなオブジェクトを含むグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）などの、グラフィック環境１８を表示することができる。コンピュータ１０は、記憶装置（ハードディスクドライブおよびＤＶＤ−ＲＯＭドライブなど）、ネットワークサーバまたはクライアント、ゲームコントローラなどのその他の機器を内蔵したり接続したりすることができる。別の実施形態において、コンピュータ１０は、多岐にわたる形態をとることができ、この中にはテーブル上またはその他の面上に配されたコンピュータ機器、直立タイプのアーケードゲーム機、現金自動預払機（ＡＴＭ）、自動販売機、その他の携帯型機器または着用、ハンドヘルドもしくはユーザが片手で用いることのできる機器、その他が含まれる。ホストコンピュータ１０は、例えば、ビデオゲーム機、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、テレビの「セットトップボックス」もしくは「ネットワークコンピュータ」、またはその他のコンピュータ機器もしくは電子機器であってもよい。

本発明のタッチパッドデバイス１６は、好適には、先行技術のタッチパッドと同様の外観をしている。パッド１６は平面状の四角い滑らかな面を含んでおり、この面は、図に示すように、コンピュータ１０のハウジング上のキーボード１４の下、またはハウジングの別の領域に配置することができる。ユーザがコンピュータ１０を操作するとき、ユーザは指先またはその他の物体を適宜にタッチパッド１６上に置いて、指先の動きに対応してグラフィック環境１８のカーソル２０を動かす。

操作中、タッチパッド１６は、感知されたタッチパッド上（または近く）の物体の位置に基づいて、コンピュータ１０のメインマイクロプロセッサに座標データを入力する。タッチパッド１６は、たいていの先行技術のタッチパッドの場合と同様、容量センサ、抵抗センサ、または任意の適切なセンサであってよい。既存のタッチパッドの実施形態として、例えば、米国特許第５，５２１，３３６号および５，９４３，０４４号に開示されるものがある。容量タッチパッドは、通常、タッチパッドおよびその物体のキャパシタ間の静電結合に基づいて、タッチパッド面上または近傍の物体の位置を感知する。抵抗タッチパッドは、通常感圧式であり、指、スタイラスペン、またはその他の物体のパッドに対する圧力を検出し、このパッドでは、圧力によりパッド内の導電層、配線、スイッチ、その他が電気的に接続される。抵抗またはその他のタイプのタッチパッドでは、ユーザが加える圧力の大きさを検出し、この圧力の大きさを用いてコンピュータ１０に比例入力または可変入力することができるものがある。抵抗タッチパッドは、通常、特定の位置に圧力が加えられるとその位置にある導体が電気的に接続されるように、少なくとも部分的に変形可能である。このように変形することができることは、本発明の触覚による出力に用いられるタッチパッド上のパルスや振動などの発生する力の大きさを増幅することができる可能性があるため、本発明において有用である。参照によりここに完全に記載されて本願に組み込まれる米国特許第６，６８０，７２９号に記載されるように、アクチュエータと移動する物体との間に仕様に合った調整されたサスペンションが設けられている場合に、力は増幅可能である。多くの実施形態では、大きな接触圧力を必要としない容量タッチパッドおよびその他のタイプのタッチパッドが本発明にはより適している。タッチパッド上の過剰な圧力が触覚フィードバックのためのタッチパッドの動作を妨げることがあるからである。タッチパッドには、その他の感知技術を用いることもできる。本明細書において、「タッチパッド」という用語は、好適には、タッチパッド１６の面およびタッチパッド部を含む任意の感知装置（これに関連するソフトウェアおよび／またはファームウェアを含む）を含む。

タッチパッド１６は、好適には、既存のタッチパッドと同様の動作を行い、その動作において、タッチパッド上の指先の速度は、グラフィック環境内を、例えばカーソルが、移動する距離に関連する。例えば、ユーザがパッド上で指をすばやく動かす場合、ユーザが指先をゆっくりと動かす場合に比べて、カーソルは長い距離を移動する。カーソルがその方向の所望の位置に到達する前にユーザの指がタッチパッドの端部に来た場合には、ユーザは指をタッチパッドから離してその端部から離れた場所にもう一度指を置いてカーソルの移動を続ければよい。これは、マウス位置とカーソルとの間のオフセットを変更するためにマウスを面から持ち上げるのに類似の、「インデックス付け」機能である。さらに、タッチパッドの多くは、カーソル位置に無関係であってもよい特定の機能に割り当てられた特定の領域を備えることができる。このような実施形態は、図７を参照して、以下に詳細に説明する。タッチパッド１６の実施形態の中には、タッチパッドの特定の領域においてユーザがタッチパッドを「タップ」（物体をすばやくパッドに触れたり離したりする）してコマンドを入力することができるものがある。例えば、ユーザは、アイコン上にカーソルがあるときに指でパッドをタップまたは「ダブルタップ」し、そのアイコンを選択することができる。

本発明におけるタッチ式入力装置（タッチパッド１６またはタッチスクリーン）は、タッチ式入力装置と物理的に接触しているユーザに対して触覚による感覚などの触覚フィードバックを出力することができる。以下に、触覚フィードバックタッチ式入力装置の構造を詳述する各種の実施形態を、より詳細に説明する。好ましくは、タッチ式入力装置上で力の出力は線形的（またはほぼ線形的（略線形的））であり、タッチ式入力装置の表面およびコンピュータ１０の表面に対して垂直またはほぼ（略）垂直なＺ軸に沿った方向を向いている。別の実施形態では、タッチ式入力装置に力を加えて、Ｚ軸動作に加えてまたはその代わりに、タッチ式入力装置の表面の面に対して横（例えばＸ−Ｙ）方向の運動を引き起こすことができるが、そのような動きは現在のところ好ましくない。

タッチ式入力装置に接続された１つ以上のアクチュエータを用いて、タッチ式入力装置に接触しているユーザに対して各種の触覚による感覚を出力することができる。例えば、衝撃や振動（可変、または一定の振幅で）、およびテクスチャを出力することができる。タッチ式入力装置上への力出力は、少なくとも部分的に、タッチ式入力装置上の指の位置またはホストコンピュータ１０のグラフィック環境内で制御されているオブジェクトの状態に基づいており、および／またはこのような指の位置またはオブジェクトの状態からは独立している。タッチ式入力装置上へのこのような力の出力は、「コンピュータで制御」される。というのは、マイクロプロセッサまたはその他の電子制御部は、電子信号を用いて、アクチュエータ（単数または複数）からの力出力の大きさおよび／または方向を制御するからである。タッチ式入力装置全体に単一の統合された部材として触覚による感覚を与えることが好適である。他の実施形態においては、触覚による感覚が特定の部分にのみ与えられるように、パッドの個別可動部分には、それぞれ触覚フィードバックアクチュエータおよび関連する伝達部を設けることができる。例えば、ある実施形態では、屈曲可能またはタッチ式入力装置のその他の部分に対して移動させることのできる、複数の異なる部分を有するタッチ式入力装置を含んでもよい。

他の実施形態では、タッチ式入力装置は、コンピュータ１０のポートに有線または無線手段により電気的に接続された独立したハウジングに備えられており、コンピュータ１０から力情報を受信し、位置情報を送信する。例えば、ユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）、ファイヤワイヤ（ＩＥＥＥ１３９４）、または標準的なシリアルバス（ＲＳ−２３２）など、数多くの周知のバス規格により、タッチ式入力装置をコンピュータ１０に接続することができる。このような実施形態においては、コンピュータ１０は携帯型の機器である必要はなく、どのようなデスクトップもしくは据置型のコンピュータまたは機器であってもよい。

また、１つ以上のボタン２６がコンピュータ１０のハウジングに備えられ、タッチ式入力装置とあわせて用いられる。ユーザはこのボタンに容易に手が届き、それぞれのボタンをユーザが押すと、ホストコンピュータ１２に個別の入力信号が送られる。場合によっては、ボタン２６はそれぞれ、従来のマウス入力デバイスに見られる類似のボタンに対応してもよい。左のボタンはグラフィックオブジェクトの選択に用いられ（クリックまたはダブルクリック）、右のボタンはコンテキストメニューの表示に用いられる、などである。また、別の場合では、より多数の状況依存の物理的ボタンを、ディスプレイ上に表示されている特定のボタンと関連付けられた現在指示している機能とあわせてディスプレイの周辺部に備えてもよい。ある実施形態では、ボタン２６の１つ以上には、米国特許第６，１８４，８６８号および第６，５６３，４８７号に記載されるような触覚フィードバックを備えることができる。これらの開示のその他の特徴も、本発明において用いることができる。

さらに、ある実施形態では、コンピュータ機器１０のハウジングには、ユーザがタッチパッド１６を操作する際にユーザが触れ、ユーザに触覚フィードバックを与えることができる１つ以上の可動部２８を含んでもよい。ハウジングに可動部を有する触覚フィードバックの構造は、米国特許第６，１８４，８６８号および第６，０８８，０１９号に記載されている。したがって、ハウジングが触覚フィードバック（例えば、ハウジングに接続されたモータの偏心回転する部分を用いることにより）を与えることもでき、またタッチパッド１６が別の触覚フィードバックを与えることもできる。また、タッチスクリーンアセンブリは触覚フィードバックを与えることができる。これにより、ホストがユーザに対する複数の異なる触覚による感覚を同時に制御することができる。例えば、低周波数の振動はハウジングを介してユーザに伝達することができ、また高周波数の振動はタッチパッド１６を介してユーザに伝達することができる。必要な場合には、触覚フィードバックを備えるその他の各ボタンまたは制御は、その他の制御からは独立した触覚フィードバックを与えてもよい。

ホストアプリケーションプログラム（単数または複数）および／またはオペレーティングシステムは、好適には、ディスプレイ装置１２上に環境のグラフィック画像を表示する（一実施形態においては、タッチスクリーンであってもよい）。ホストコンピュータ１２上で動作するソフトウェアおよび環境は、各種のものであってよい。例えば、ホストアプリケーションプログラムは、ワードプロセッサ、表計算ソフト、ビデオもしくはコンピュータゲーム、描画ソフト、オペレーティングシステム、グラフィカルユーザインターフェース、シミュレーション、ＨＴＭＬもしくはＶＲＭＬ命令を実行するＷｅｂページまたはブラウザ、科学的分析プログラム、バーチャルリアリティトレーニングプログラムもしくはアプリケーション、ＪＡＶＡ（登録商標）アプレット、またはその他のタッチ式入力装置からの入力を用いて力覚フィードバックコマンドをタッチ式入力装置に出力するアプリケーションプログラムであってもよい。例えば、ゲームやその他のアプリケーションプログラムの多くは、力覚フィードバック機能が含まれ、標準的なプロトコル、および／またはカリフォルニア州サンノゼのＩｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが販売しているＩ−Ｆｏｒｃｅ（登録商標）、ＦＥＥＬｉｔ（登録商標）、またはＴｏｕｃｈｓｅｎｓｅ（登録商標）などのドライバを用いて、タッチ式入力装置と通信することができる。

タッチ式入力装置は、制御信号をホストコンピュータ１０のマイクロプロセッサにレポートを送りホストのマイクロプロセッサからのコマンド信号を処理するために必要な回路構成を含むこともできる。例えば、適切なセンサ（および関連する回路構成）が、タッチパッド１６上におけるユーザの指の位置のレポートに用いられる。タッチパッドデバイスは、また、ホストからの信号を受信しホスト信号に従い１つ以上のアクチュエータを用いて触覚による感覚を出力する回路構成を含む。ある実施形態では、個別の、ローカルなマイクロプロセッサがタッチパッド１６に設けられ、ホストへのタッチパッドセンサデータのレポート、および／またはホストから受信した力コマンドの実行の両方を行う。このようなコマンドは、例えば、触覚による感覚のタイプや命令された触覚による感覚を記述するパラメータを含む。また、タッチパッドマイクロプロセッサは、単にストリームデータをメイン処理部からアクチュエータへと渡す。「力情報」という用語は、コマンド／パラメータおよびストリームデータの両方を含む。タッチパッドマイクロプロセッサは、ホストコマンドを受信した後、タッチパッドアクチュエータを制御することにより独立して触覚による感覚を実行することができる。あるいは、ホスト処理部は、アクチュエータをより直接的に制御することによって触覚による感覚をより大きく制御することができる。別の実施形態では、タッチパッド１６に備えられた状態機械などの論理回路構成が、ホストメイン処理部に指示されたように触覚による感覚を処理することができる。センサ信号を読み取って機器に触覚フィードバックを与えるアーキテクチャおよび制御方法は、例えば、米国特許第５，７３４，３７３号、第６，６３９，５８１号、および第６，４１１，２７６号に詳細に記載されており、これらはここに完全に説明され、参照により本願に組み込まれる。同様に、タッチパッドと非常に似た方法でタッチスクリーンを用いることができる。

図２は、本発明に係るアクティブタッチパッド１６を含むことのできる機器の別の実施形態の斜視図である。この機器は、ハンドヘルドタイプのリモートコントロール機器３０であり、ユーザが手に持って操作制御することによって、電子機器または装置の機能にユーザが遠隔でアクセスすることができる（例えばテレビ、ビデオレコーダまたはＤＶＤプレーヤー、オーディオ／ビデオ受信機、テレビにつながったインターネットまたはネットワークコンピュータ、の他）。例えば、制御対象の装置機能を操作するためのボタン３２がリモートコントロール機器３０に含まれてもよい。ユーザがより高度な指示入力を行えるようにタッチパッド１６が備えられてもよい。制御対象の装置は、例えば、表示されたカーソルまたはその他のオブジェクトを動かすことのできる選択スクリーンを有してもよく、タッチパッド１６を操作してオブジェクトの表示を制御してもよい。タッチパッド１６は、すでに述べたように、制御された値またはイベントに基づいて触覚による感覚をユーザに出力することができる。例えば、ボリュームが中間点を越えるか最大値に達した場合、パルスがタッチパッド、さらにユーザに対して出力される。

一用途において、制御対象の装置は、グラフィカルユーザインターフェースおよび／またはインターネットなどのネットワークを介してアクセス可能なウェブページを表示するコンピュータシステムまたはその他のコンピュータ機器であってもよい。ユーザは、タッチパッド１６上で指（またはスタイラスペンなど、他の物体）を動かすことによって、カーソルまたはその他のグラフィックオブジェクトの方向を制御することができる。カーソルまたはその他のグラフィックオブジェクトは、グラフィカルユーザインターフェースまたはデスクトップインターフェース内のアイコン、ウィンドウ、メニュー項目、画像ボタン、スライドバー、スクロールバー、またはその他のグラフィックオブジェクトの選択および／または操作に用いることができる。また、カーソルまたはその他のグラフィックオブジェクトは、リンク、画像、ボタン、その他などの、ウェブページ上のグラフィックオブジェクトの選択および／または操作に用いることができる。以下に、グラフィックオブジェクトに関連付けられたその他の力感覚を図７を参照して説明する。

図３は、本発明の触覚フィードバックをユーザに与えるタッチパッド１６の第１の実施形態４０の斜視図である。この実施形態において、１つ以上の圧電アクチュエータ４２がタッチパッド１６の下面に接続されている。圧電アクチュエータ４２は、当業者には周知の適切な電子機器により駆動される。一実施形態では、１つの圧電アクチュエータ４２がタッチパッド１６の中央またはその近傍に、あるいはハウジングのスペースの制約により必要があれば片側に、配置される。他の実施形態では、複数の圧電アクチュエータ４２がタッチパッドの異なる領域に配置されてもよい。破線は、アクチュエータ４２がパッド１６の角部とパッドの中央部に配置された一構成を示している。

ユーザがタッチパッドに接触している場合、圧電アクチュエータ４２は、それぞれ、小さなパルス、振動、またはテクスチャ感覚をタッチパッド１６上、そしてユーザに対して出力する。タッチパッド１６全体は、好ましくは、アクチュエータ４２（単数または複数）により出力される力によって動かされる。好ましくは、タッチパッド上に出力される力は線形的（またはほぼ線形的）であり、タッチパッド１６の表面およびコンピュータ１０の上面に対してほぼ垂直なＺ軸に沿っている。別の実施形態では、すでに述べたように、タッチパッド１６に力を加えて、Ｚ軸動作に加えてまたはその代わりに、パッドの表面の面に対して横（例えばＸ−Ｙ）方向の運動を引き起こすことができる。例えば、１つのリニアアクチュエータがＸ軸の運動を与え、第２のリニアアクチュエータがＹ軸および／またはＸ軸の運動を与えることができる。

アクチュエータ４２が出力する振動の周波数は、異なる制御信号をアクチュエータ４２に与えることにより変化させることができる。さらに、パルスまたは振動の大きさは、与えられた制御信号に基づいて制御することができる。複数のアクチュエータ４２が備えられている場合、２つ以上のアクチュエータを同時に動作させることにより、タッチパッド上により強い振動を与えることができる。さらに、アクチュエータがタッチパッド上の極端に端部に配されており、これが動作している唯一のアクチュエータである場合には、ユーザはタッチパッド上のアクチュエータがある側で、その反対側よりも強い振動を感じる。異なる大きさおよび局所的な効果は、全てのアクチュエータではなく、一部のアクチュエータを動作させることにより得られる。パッドに接触しているユーザの指先は極めて敏感であるため、出力される力がそれほど大きくなくとも触覚による感覚を効果的かつ強力なものとすることができる。

指を用いてタッチパッドに接触する以外に、ユーザはタッチパッドに直接接触するその他の物体を保持してもよい。パッド上への触覚による感覚の出力は、全てユーザが手に保持する物体を通して伝達される。例えば、ユーザは、指よりもより正確に先端がタッチパッド１６に接触するスタイラスペンを保持してもよい。その他の物体を用いることもできる。ある実施形態では、触覚による感覚を強くするために専用の物体を用いることもできる。例えば、スタイラスペンまたはその他の柔軟性のある部分もしくは柔軟性を有する物体により、ユーザが感じるタッチパッド触覚による感覚を少なくとも部分的に大きくすることができる。

圧電アクチュエータ４２は、タッチパッド１６について利点をいくつか有する。これらのアクチュエータは、非常に薄型かつ小型にすることができるので、携帯型の電子機器には一般的な小型のハウジングで用いることができる。これらのアクチュエータは、また、非常に低い電力消費しか必要としないため、電力が限られている機器に適している（例えば、バッテリー駆動）。ここに記載のある実施形態では、アクチュエータ用の電力は、コンピュータをタッチパッド（またはタッチスクリーン）につないでいるバスから引いている。例えば、タッチパッド１６が、別のハウジングに備えられている場合には、ユニバーサル・シリアル・バスによりパッドをコンピュータにつなぎ、コンピュータからパッドへ電力およびデータを送る（例えば、ストリーム力データ、力コマンド、など）。

図４は、図３に示す本発明のタッチパッド１６の実施形態４０の側面図である。タッチパッド１６は、電気信号がアクチュエータに入力されるとタッチパッド１６上に力を生み出すよう動作する接地された圧電アクチュエータ４２に直接接続されている。通常、圧電アクチュエータは、アクチュエータに電流が加わると互いに対して移動することのできる２層からなる。ここでは、アクチュエータの接地部分はこれを囲むハウジング４１に対して固定されたままであり、アクチュエータの可動部分とタッチパッドはハウジング４１に対して移動する。入力される電気信号に基づいて力を出力する圧電アクチュエータの動作は、当業者には周知である。

タッチパッド１６は、アクチュエータ４２のみに接続されてもよく、またはこれに加えてアクチュエータ４２横の他の場所でコンピュータ機器のハウジングに接続されてもよい。その他の接続は、バネや発泡体などの材料や要素を用いた柔軟性のある接続であることが好ましい。このような接続に柔軟性がない場合には、タッチパッド１６自体が、アクチュエータの力に応じてパッドの一部が動いてユーザに対して触覚による感覚をより効果的に伝達できるように、なんらかの柔軟性を有していることが好ましい。

タッチパッド１６はアクチュエータ４２に直接接続されているため、生じた力は全て直接タッチパッド１６に加えられる。電気信号は、好ましくは、マイクロプロセッサおよびマイクロプロセッサの信号をアクチュエータ４２での使用に適切な信号に変換するために必要とされる任意の回路構成から得られる。

図５は、本発明の別の実施形態５０の側面図であり、この実施形態ではタッチパッド１６が１つ以上のバネ５２上に配されている。バネ５２は、タッチパッド１６をコンピュータ１０の硬質なハウジングに接続し、タッチパッド１６がＺ軸５６に沿って動くことができるようにしている。パッド１６上に効果的なパルス（衝撃）または振動を生み出すには、ほんの少しの運動領域があればよい。タッチパッド１６の移動をＺ軸に沿って所望の範囲に制限するために阻止部（図示せず）を配置してもよい。

アクチュエータ５４も、タッチパッド１６に接続されており、タッチパッド上に力を与えてタッチパッド１６がＺ軸に沿って運動するようにする。本実施形態では、アクチュエータ５４はリニアボイスコイルアクチュエータであり、アクチュエータの可動部分（ボビン）はタッチパッド１６に直接接続されている。アクチュエータ５４は、コンピュータ１０のハウジングに接地されており、タッチパッド１６に線形的な力を出力してタッチパッドをＺ軸に沿って駆動する。短パルスまたは衝撃が出力されるか、またはアクチュエータの可動部分が振動して、特定の所望の周波数を有する振動を与えることができる。バネ５２は、アクチュエータからの力によりタッチパッドが上下に運動した後でタッチパッド１６が静止位置に戻るようにする。また、バネは、タッチパッド１６に弾性のあるサスペンションを与えることができ、上述のようにアクチュエータ５４が出力する力を増幅することができる。他の実施形態では、タッチパッド１６を硬質なハウジングに接続するために、板バネ、発泡体、湾曲部、またはその他の弾性材料など、異なるタイプのバネ要素を用いることができる。

ある実施形態では、ユーザはタッチパッド１６をＺ軸方向に押して、コンピュータ１０に追加の入力を行うことができる。例えば、光センサ、磁気センサ、ポヒマス（Ｐｏｌｈｅｍｕｓ）センサなどのＺ軸方向のタッチパッド１６の位置を検出するセンサを用いることができる。Ｚ軸上の位置は、例えばコンピュータへの比例入力を行うために用いることができる。加えて、米国特許第６，５６３，４８７号に開示されているように、バネ力、減衰力、慣性力、およびその他の位置に基づく力など、その他の種類の力をＺ軸方向に出力することもできる。また、パッドをＺ軸方向の異なる方向に動かすことによって、グラフィック環境において立体画像化をシミュレートすることもできる。パッド全体がＺ軸方向に移動する距離に応じたアナログ入力としてパッド１６を用いることができる場合、および／または運動感覚（力）フィードバックがＺ軸方向の自由度に加えられる場合には、パッド１６がＺ軸方向により広い範囲で運動できることが望ましい。タッチパッド１６がユーザに押されてスイッチが閉じ、ボタンまたはスイッチ入力がコンピュータ１０に与えられる場合（例えば、接触スイッチ、光学スイッチ、その他を用いる場合）には、エラストマー層を備えてもよい。このようなパッド１６のＺ軸方向の移動が可能な場合には、好適には、Ｚ軸移動は少なくとも最初はパッドの移動に比較的大きな力を必要とする。これは、ユーザによるパッドの通常使用の際にはこのようなＺ軸移動が望ましくないことがあるからである。

当業者には周知の通り、また、例えば米国特許第６，１８４，８６８号に開示されるように、ボイスコイルアクチュエータ５４は、好ましくはコイルおよび磁石を含み、電力がコイルを流れて磁石の磁界と相互作用し、アクチュエータ（実施例によっては、コイルまたは磁石）の可動部に力を生じさせる。その他のタイプのアクチュエータを用いることもできる。標準的なスピーカーや、Ｅコア型アクチュエータ（ここに完全に記載されたかのごとく参照により本願に組み込まれる米国特許第６，７０４，００１号に開示される）ソレノイド、ページャーモータ、ＤＣ（直流）モータ、可動磁石アクチュエータ（例えば米国特許第６，７０４，００１号に記載される）、またはその他のタイプのアクチュエータなどである。さらに、アクチュエータは、Ｚ軸に垂直な軸に沿った直線移動、またはＺ軸以外の別の方向に沿った（回転または直線）移動を出力するよう配置することができる。当業者には周知のメカニズムが、このような出力された運動をＺ軸方向の直線移動に変換する。

タッチパッド１６は、部分組立品としてエラストマー層および／またはプリント基板に一体化することができ、触覚による感覚をタッチパッド１６に与えるように、１つ以上のアクチュエータがプリント基板に接続される。つる巻きバネを用いて電気的接触を行うようにしてもよい。あるいは、タッチパッド１６の下方の異なる位置に複数のボイスコイルアクチュエータを配置することもできる。これらの実施形態は米国特許第６，５６３，４８７号に記載されている。同時係属中の出願に記載されたアクチュエータのいずれを本発明に用いてもよい。

図６は、本発明の触覚式タッチパッド１６の第３の実施形態６０の側面図である。この実施形態では、アクチュエータの固定部分がタッチパッド１６に接続されており、アクチュエータの可動部分が慣性質量に接続されて慣性的な触覚による感覚を与える。

タッチパッド１６は、上記の実施形態と同様に、コンピュータ機器の硬質なハウジングに対応して搭載される。例えば、１つ以上のバネ要素６２はタッチパッドとハウジングとの間に接続されている。これらのバネは、ゴムまたは発泡体、湾曲部などの弾性材料のつる巻きバネであっても板バネであってもよい。

１つ以上のアクチュエータ６４は、タッチパッド１６の下側に接続されている。図６の実施形態では、圧電アクチュエータを示す。各アクチュエータ６４の一方の部分６６は、タッチパッド１６に接続されており、他方の部分６８は質量部７０に接続されている。したがって、部分６８が部分６６に相対的に移動するとき、質量部７０は部分６８とともに移動する。質量部７０は、プラスチックや金属材料など、所望の重量を有する任意の適切な物体であってよい。質量部７０はほぼＺ軸方向に沿って移動され、ハウジングには接続されておらず、自由に動くことができる。質量部７０のＺ軸方向の運動は、アクチュエータ６４からタッチパッド１６へ伝達される慣性力を生じさせ、タッチパッド１６は弾性的な接続部６２によってＺ軸方向に移動する。タッチパッド１６の運動は、タッチパッド１６に接触しているユーザには触覚による感覚として感知される。

異なる実施形態においては、他のタイプのアクチュエータを用いることができる。例えば、図５に示すリニアボイスコイルアクチュエータを用いることができる。これは、慣性質量部がボイスコイルアクチュエータの線形的可動部分に接続される。ソレノイド、ページャーモータ、移動磁石アクチュエータ、およびＥコアアクチュエータなど、その他のアクチュエータを用いることもできる。触覚による慣性感覚に用いることのできるアクチュエータの多くが、ここに完全に記載されたかのごとく参照により本願に組み込まれる同時係属中の米国特許第６，２１１，８６１号に記載されている。さらに、回転アクチュエータを用いることもでき、ここでは回転出力された力がほぼＺ軸方向に線形的な力に変換される。いずれもここに完全に記載されたかのごとく参照により本願に組み込まれる米国特許第６，６９３，６２６号および第６，６９７，０４３号に記載されるように、例えば、回転力は湾曲部を用いて変換することができる。

好適な線形的な力の実施例において、慣性質量に対してタッチパッドに力が加えられる場合の方向または自由度は重要である。力の主要成分が、慣性質量部に対して、タッチパッドの平面作業空間（例えば、ＸまたはＹ軸方向に沿う）に加えられると、短パルスまたは振動が平面上の自由度の一方または両方におけるユーザのオブジェクトの動きを妨げることになるため、ユーザがカーソルなどの制御対象のグラフィックオブジェクトを正確にターゲットにもって行くことが難しくなる。タッチパッドの主要な機能は正確なターゲッティングであるため、触覚による感覚によりターゲッティングをゆがめたり損なったりすることは、例え少しであっても望ましくない。この問題を解決するために、本発明のタッチパッドデバイスは、タッチパッド表面の平面上のＸ軸およびＹ軸に垂直な、ほぼＺ軸の慣性力を用いる。このような構成では、スクリーンのＸ軸およびＹ軸におけるユーザが制御するグラフィックオブジェクトの正確に配置することを妨げることなく、触覚による感覚を知覚的に強いレベルでユーザに与えることができる。さらに、この触覚による感覚は、２次元平面の作業空間またはディスプレイスクリーンに対して第３の自由度に関するため、Ｚ軸方向の衝撃またはパルス出力は、ユーザにとってはむしろスクリーンから「盛り上がる」またはスクリーンへと「へこむ」立体的な隆起やくぼみとして感じられ、触覚による感覚をより現実味のあるものとし、またより強力な相互作用を生み出す。例えば、カーソルがウィンドウの境界上を移動する際に出力される上向きのパルスは、ユーザが指または他の物体をウィンドウ境界の隆起を越えて移動するような錯覚を生み出す。

図７は、本発明のタッチパッド１６の上面図である。タッチパッド１６を単にポインティングデバイスとして用いることができる実施形態もあり、ここではパッドの全領域がカーソル制御に用いられる。他の実施形態では、パッドの異なる領域がそれぞれ異なる機能用に設計されている。このような領域を用いた実施形態のあるものでは各領域の下にアクチュエータを備えてもよく、また領域を用いた別の実施形態ではパッド１６全体に力を加える単一のアクチュエータを用いることができる。図に示す実施形態では、中央のカーソル制御領域７０がカーソルの位置指定に用いられる。

パッド１６のカーソル制御領域は、制御対象のカーソルとグラフィック環境および／またはその環境内のイベントとの相互作用に基づいて、パッド上に力を出力させることができる。ユーザは、この領域７０内で指または他の物体を移動することにより、対応してカーソル２０を移動させる。好ましくは、力は、カーソルと表示されたグラフィックオブジェクトとの相互作用と関連付けられている。例えば、衝撃または「パルス」感覚を出力することができるが、これは所望の大きさまで急激に上昇しその後停止または、ゼロか小さくなるまで急激に衰微する単一の力のインパルスである。タッチパッド１６はＺ軸方向に揺れてパルスを与えてもよい。振動感覚を出力することもでき、これは通常は周期的な、時間的に変化する力である。振動は、タッチパッド１６またはその部分をＺ軸上で前後に振動させることができ、ホストまたはローカルなマイクロプロセッサにより出力されて、ホストアプリケーションで発生した特定の効果をシミュレートすることができる。

タッチパッド１６上に出力可能な別のタイプの力感覚に、テクスチャ力がある。このタイプの力はパルス力に類似するが、タッチパッドの領域上でのユーザの指位置および／またはグラフィック環境内のカーソル位置に依存する。したがって、テクスチャ隆起は、カーソルがグラフィックオブジェクトにおける隆起位置を越えて移動されたかどうかによって出力される。このタイプの力は、空間依存でもある。すなわち、この力は、カーソルが指示されたテクスチャ領域を移動する際のカーソル位置に依存して出力される。カーソルがテクスチャの「隆起」の間に位置するときには力は出力されず、カーソルが隆起上を移動すると力が出力される。これは、ホスト制御（例えば、カーソルが格子上をドラッグされるとホストがパルス信号を送信する）によって実現可能である。ある実施形態では、個別のタッチパッドマイクロプロセッサを、タッチパッドを用いた触覚フィードバック専用とすることができ、テクスチャ効果はローカル制御を用いて実現することができる（例えば、ホストは高レベルのテクスチャパラメータのコマンドを送信し、感覚はタッチパッド処理部により直接制御される）。別の場合では、テクスチャはユーザに振動を与えることによって実現され、この振動はタッチパッド上のユーザの指（または他の物体）の現在の速度に依存する。指が静止しているとき、振動は起こらない。指がより速く動くと、振動の周波数と振幅が上昇する。この感覚は、タッチパッド処理部（あれば）によってローカルに、またはホストによって、制御可能である。ある実施形態では、パッド処理部によるローカルな制御により通信負担を排除することができる。他の空間的力感覚を出力することもできる。加えて、ここに記載された力感覚は全て、望ましい場合には、同時または組み合わせて出力することができる。

異なるタイプのグラフィックオブジェクトを触覚による感覚と関連付けることができる。触覚による感覚は、カーソルとウィンドウとの相互作用に基づいてタッチパッド１６上に出力することができる。例えば、Ｚ軸方向の「隆起」またはパルスをタッチパッド上に出力して、カーソルがウィンドウの境界を越えて移動するときユーザにカーソル位置の信号を送ってもよい。カーソルがウィンドウの境界内を移動するとき、テクスチャ力感覚を出力することができる。テクスチャは、ウィンドウ領域内に所定のパターンで空間的に配置された一連の隆起であってもよい。カーソルが指示された隆起領域を移動するとき、隆起力がタッチパッド上に出力される。パルスまたは隆起力は、表示されたウェブページ内のリンクやアイコンなど、選択されたオブジェクト上をカーソルが移動するときに出力されてもよい。振動を出力して、カーソルが現在位置しているグラフィックオブジェクトを示してもよい。さらに、ウィンドウに表示されている文書の特徴を力感覚と関連付けることもできる。例えば、文書のページ区切りがウィンドウの特定の領域を越えてスクロールされたとき、パルスをタッチパッド上に出力することができる。文書のページ区切りまたは改行は、同様に、隆起や振動などの力感覚と関連付けることができる。

さらに、メニュー見出しまたはグラフィックボタンを選択した後に、表示されたメニュー内のメニュー項目をユーザにより選択できるようにしてもよい。メニュー内の個別のメニュー項目は力と関連付けることができる。例えば、カーソルがメニュー項目間の境界上を移動するときに垂直（Ｚ軸）隆起またはパルスが出力されてもよい。特定のメニュー選択に対する感覚は、他のメニュー選択よりも強くして重要度または使用頻度を示すこともできる。すなわち、最もよく使われるメニュー選択は、使用頻度の低いメニューよりも大きい振幅の（強い）パルスに関連付けてもよい。また、現在無効となっているメニュー選択は弱いパルスまたはパルスを出さないようにして、そのメニュー選択はその時点では有効でないことを示すことができる。さらに、マイクロソフトウィンドウズ（登録商標）のように、特定のメニュー要素を選択した後にサブメニューが表示されるようタイトルメニューを用いてもよい。パルス感覚はサブメニューが表示されたときに送信することができる。ユーザはメニュー要素上にカーソルが移動してもサブメニューが表示されないことを予想していることがあるので、これは非常に有効である。アイコンは、上記のウィンドウと同様に、テクスチャ、パルス、および振動と関連付けることができる。描画またはＣＡＤプログラムも、類似の触覚による感覚との関連付けが可能な、表示（または非表示）グリッド線またはドット、描画オブジェクトの制御ポイント、その他などの多くの機能を有している。

その他の関連する相互作用においては、（カーソルを用いて）タッチパッドでレート制御またはスクロール機能が行われるとき、デバイスに振動を表示してスクロール中であることを示すことができる。調整中の値範囲の限度に達したとき（ボリュームなど）、パルスを出力して範囲の限度に達したことを示すことができる。パルス感覚を用いて、個別の値または調整範囲の目盛り位置を示すこともできる。パルスを出力して、ユーザに範囲の中心にきたことを知らせてもよい。異なる強さのパルスを用いて、強さが大きいときにより重要な目盛り部分にきたことを示してもよい。その他の場合、振動の強さおよび／または周波数を制御の調整と関連付けて、ボリュームまたは調整値の現在の大きさを示すことができる。その他の相互作用では、振動感覚を用いて制御機能が有効であることを示すことができる。さらに、ユーザが文書の選択または切り取りまたは貼り付けなどの機能を行い、その機能を命令するボタンの押下と機能の実行との間に、処理遅延やその他の理由により、遅延が生じる場合がある。パルス感覚を用いて、その機能（カットやペースト）が実行されたことを示すことができる。

触覚フィードバックの具体的な一応用例として、オペレータに対してボタン押下（または解除）のリアルなエミュレーションを与えるものがある。例えば、コンピュータもしくはラップトップ装置のタッチパッドまたは類似の機器のタッチスクリーンに表示されたアイコンに関連付けられたスナップボタンなどである。この場合、ボタンのグラフィカルな提示がタッチパッド上に表示される。直接オペレータの指でまたはスタイラスペンもしくは類似の物体を用いて間接的にグラフィカルな表示部にタッチおよび／または押下したとき、スナップボタンの感触をシミュレートするタッチパッドにより触覚による反応が引き起こされる。

スナップボタンに限らず、ほぼ全てのボタンが、その機械的な構造による一定の触覚による感触を有している。この感触は、ボタンの押下量（位置）を力に対応させた力プロファイルによって記述される。例として、一般的なスナップボタンは、図９に示すような力プロファイルを有する。

機械的なボタンは、図１０に示すように、押下しているときにクリック感覚を与え、離したときに類似の感覚を与え、通常は２つの力プロファイルの間にある程度のヒステリシスがある。タッチスクリーンのイベントの押下と解除の両方に触覚効果を割り当てることにより、特にオペレータが指またはスタイラスペンを表面上で軽く静止させたときに、機械的なボタンの感触をよりうまく再現することが可能となる。

ユーザが指を離すときでさえ、力を感じることができる。グラフィカルユーザインターフェースつまり表示部内のボタンアップイベントは、ボタンアップまたは解除効果が考えられる場合にユーザがしばらくの間タッチスクリーンにタッチしたままである圧力閾を越えてもまだ一時的に触れているときにトリガーされる。

ボタンダウンとボタンアップ効果には、同一の効果を用いることができ、または異なる効果を用いて実際の機械的ボタンにおけるヒステリシス効果を捕らえることもできる。

開ループ制御で動作するよう設計されたタッチスクリーンにおいては、左右、上下、または面から離れて移動しても、方形波または正弦波などの周期信号の短いバーストを用いてボタンクリックイベントの感覚をシミュレートすることができる。このような波形、方向の不連続性または急速な変化は、ユーザに対して顕著な感覚を生み出す。このタイプの周期信号を用いる場合の１つの問題は、波形に複数の不連続性が存在することである。例えば、方形波パルスは、最初にタッチスクリーンを一方向において急速に移動させた後、その方向を反転し、さらにその後で最初の方向に移動させる。波形が十分な時間続くなら、この種の効果により、ユーザは方向が変わるたびに複数のイベントの発生を感じることになる。これはユーザにとって紛らわしいことである。というのも、通常、機械的なボタンは、触覚として伝達されるイベントを、ボタンが押下されるときに１つ、また解除するときに１つだけ有するからである。

通常のボタンの単一クリックのイベントを実現するための、本発明の提供する不連続を１つ有する波形を図１１に示す。この波形は、タッチスクリーンの最終的な位置が、波形が適用前の元の位置に比較的近くなるように、左右対称となっている。

鋸歯状の上昇波や下降波のような、他の不連続波形を用いることもできる（図１３参照）。本発明の様態によれば、タッチ面を通して与えられる触覚フィードバックを用いてボタン押下をシミュレートする方法を提供する。この方法は、図１５に示すように、上記タッチ面への接触を感知し（ブロック１５１）、この接触に応じて、第１の単一不連続波形に従って上記タッチ面を動かす（ブロック１５２）。

別の具体的な触覚フィードバックの応用例は、図１のノート型コンピュータ１０を参照して説明したように、コンピュータのグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）に関する。コンピュータのグラフィックディスプレイ１２に表示されたボタンには、図１４のスクロールバーウィジェットのように、スクロールアップまたはスクロールダウンに用いられるものがある。このウィジェットは、例えばタッチパッド１６を用いて表示上のウィジェットの位置に一致するようカーソルを移動することによって操作される。このようになると、例えば表示されたテキストのスクロールの動作がトリガーされる。ユーザの満足するスクロール速度を制御することは難しいことが多い。応答が速すぎると、ユーザは目的のテキストを見逃すことになる。逆に、応答が遅すぎると、スクロール動作に時間がかかりすぎる。修正にも時間がかかることになる。本発明によれば、例えばボタンを押下、すなわちカーソルがスクロールボタン、ウィジェットまたは類似のグラフィックオブジェクト上に位置するとき、スクロール動作に応じた触覚効果が反復して与えられる。反復の頻度はスクロールの速度によって変化することができ、例えば、速いポップや速いスクロールなどである。

より一般的には、カーソル操作に程度が依存する動作は全て、同様に程度が変化する触覚フィードバックに結び付けることができる。したがって、図１６に示す本発明のさらなる様態によれば、ディスプレイスクリーンに表示されたグラフィックオブジェクトに対するカーソル操作によりトリガーされる動作が起こる程度を表す触覚フィードバックを与える方法を提供する。この方法は、ディスプレイスクリーン内のカーソル位置をタッチスクリーン上の接触位置に関連付け（ブロック１６１）、上記タッチスクリーンを用いて触覚フィードバックを与え（ブロック１６２）るものであり、この触覚フィードバックは動作の程度に対応した程度を有している。

本発明はカーソルを使用する用途に限らない。コンピュータのディスプレイに表示されるグラフィックオブジェクトは、例えば、その大きさ、位置、方向、色、などが、ユーザとタッチパッドやタッチスクリーンなどのタッチ式入力装置との間の接触によって操作される。この操作の、例えば平行移動の速度などの特性は、タッチ式入力装置上を移動するユーザの指の速度などの接触の特性と相関しており、グラフィックオブジェクトの表示され方に反映される。すなわち、コンピュータディスプレイに表示されるグラフィック環境内で移動するグラフィックオブジェクトの速度は、少なくとも部分的にユーザのタッチ式入力装置との接触の動作速度に応じて設定される。さらに、タッチスクリーンによってユーザに与えられる触覚フィードバックの程度は、例えば、操作の特性に応じる。具体的には、タッチスクリーンを用いて移動するグラフィックオブジェクトがスクロールバーである場合、このスクロールバーが移動する速度が触覚フィードバックの変化の基準となる。フィードバックが反復的なクリックであれば、スクロールバーウィジェットの移動が速いほど、速いクリックが与えられる。力の大きさは、同様に変化することができ、速度以外の特性、例えば、加速度、減速度、方向などを用いることができる。さらに、他のグラフィックオブジェクトをこの方法で操作することができる。例えば、図１７を参照すると、スクリーン１７２に表示された１組のトランプ１７１を用いる、スライダースイッチ１７３をスライドする入力デバイスを有するグラフィカルなゲームでは、ユーザが作動させるとき、１組のトランプが表示されているスクリーンの一部１７４に、トランプを一枚ずつ同じ位置に表示させる。１枚のトランプが同じ位置で次のカードに置き換えられる速さはスライダースイッチ１７３のスライダー１７５の位置に応じたものとなり、スライダースイッチに与えられる触覚フィードバックはその速さに応じたものとなる。表示された画像のズーム機能または色を操作するフォト編集プログラムにも同様の考え方が当てはまる。カラーパレットを表示してもよく、タッチスクリーンまたはタッチパッド上のユーザの指の位置の変化が色要素を追加しまたは取り消し、この追加または取り消しの早さを用いてこの速さに応じた程度の触覚フィードバックを与えることができる。

したがって、本発明の様態によれば、グラフィックオブジェクトの操作に応じた触覚フィードバックを与える方法が提供される。図１８を参照して説明されるこの方法は、グラフィックオブジェクトの操作の特性とタッチスクリーンの接触の特性とを相互に関連付け（ブロック１８１）、この操作の特性に応じて程度が変化する力を上記タッチスクリーンに与える（ブロック１８２）。

タッチスクリーンは、表示域の小さいウィンドウにテキストを表示するためにスクロールバーを有することが多い。タッチスクリーンを用いる場合、スクロールバーを上下する際に連動しているかどうかをユーザが判断することが難しく、特に、よくあるようにユーザの注意がディスプレイスクリーンの他の部分に向けられている場合には、難しい。本発明の実施形態によれば、ユーザがスクロールバーに触れている限り触覚効果を連続的に与えることができ、また自らの意思で離すこと、間違った方向に移動させるかという理由、または十分にタッチスクリーンまたはタッチパッドを押していないことにより、ユーザが触れていないときには中断する。したがって、本発明の別の様態によれば、ディスプレイスクリーンに表示されたカーソルおよびグラフィックオブジェクトの相対位置を表す触覚フィードバックを与える方法を提供する。この方法は、図１９に示すように、ディスプレイスクリーン内のカーソル位置をタッチスクリーン上の接触位置に関連付け（ブロック１９１）、上記ディスプレイスクリーン上のカーソル位置が上記タッチスクリーン上のグラフィックオブジェクトの位置と所定の関係（ブロック１９３）にあると推定される限り上記タッチスクリーンにより触覚フィードバックを与える（ブロック１９２）。そうでない場合には、触覚フィードバックは終了する（ブロック１９４）。

さらに、タッチパッド上に出力される力の大きさは、グラフィック環境におけるイベントまたは相互作用に依存する。例えば、力パルスは、カーソルが遭遇するグラフィックオブジェクトの種類によって、力の大きさが異なってもよい。例えば、カーソルがウィンドウ上を移動するときにはより大きいパルスが出力され、カーソルがアイコン上を移動するときにはより小さいパルスが出力されてもよい。パルスの大きさは、バックグラウンドのウィンドウと区別されるアクティブなウィンドウ、ユーザが指定する優先順位の異なるファイルフォルダのアイコン、ビジネスアプリケーション用アイコンと区別されるゲーム用アイコン、ドロップダウンメニューの異なるメニュー項目、その他など、グラフィックオブジェクトの他の特徴に依存してもよい。ユーザまたは開発者は、好ましくは、特定のグラフィックオブジェクトをカスタマイズされた触覚による感覚に関連付けることができる。

タッチパッド上の触覚による感覚を用いて、ユーザに依存しないイベントをユーザに対して中継することもできる。予定のリマインダーや電子メールの受信、ゲーム内の爆発など、グラフィック環境内で発生するイベントを、振動、パルス、またはその他の時間ベースの力を用いて知らせることができる。力感覚を変化させて、同じタイプの異なるイベントを知らせることができる。例えば、周波数の異なる振動をそれぞれに用いて、メールを送る特定のユーザ、イベントの優先順位、または特定のタスク（例えば、ネットワーク上での文書またはデータのダウンロード）の開始または終了など、異なるイベントまたはイベントの異なる特徴を区別することができる。ホストシステムが「思考中」で、機能が行われる間またはアクセスされている間ユーザが待たなければいけない場合（通常、ホストによりタイマーが表示される）、その機能が終了した際に驚かされる場合が多い。ユーザがスクリーンから目を離す場合には、機能が終了しても気がつかないことがある。パルス感覚を送ることにより、「思考中」が終了したことを示すことができる。

ソフトウェア開発者は、ユーザが、オプションを実際に選択するために物理的なボタンやタッチパッドをタップすることなく、タッチパッドを用いてカーソルをスクリーンのある領域に配置することによってオプションやソフトウェアの機能を選択できるようにしたいと考えるかもしれない。現在、このような選択を可能とすることには問題が多い。ユーザが物理的なボタンを押すときには物理的な実行の確認を受けるからである。本発明のタッチパッドに送られるパルスは、ユーザが選択用のボタンを押したり他の制御を行ったりすることなく、物理的な確認として作用してもよい。例えば、ユーザがウェブページ要素の上にカーソルを配置し、カーソルが所望の領域に所定の時間内に存在すると、関連付けられた機能が実行されてもよい。これは、パッド１６に送られる触覚によるパルスを通じてユーザに示される。

上述の力感覚は、ゲームやシミュレーションで用いることもできる。例えば、ユーザ制御のレーシングカーが表示された道路のダートの路肩を走行するときに振動を出力し、レーシングカーが別のオブジェクトに衝突するときにパルスを出力し、車両エンジンをスタートして音をたてると周波数可変の振動を出力することができる。パルスの大きさは、衝突または爆発の程度、制御対象のグラフィックオブジェクトまたはエンティティのサイズ（および／または相互に作用する異なるグラフィックオブジェクト／エンティティのサイズ）、その他に基づいてよい。ユーザのキャラクターに対して弾丸が発射されるときのパルスなど、ゲームまたはシミュレーション内のユーザに依存しないイベントに基づいて力感覚を出力してもよい。

上記の触覚による感覚は、米国特許第６，２４３，０７８号および第６，２１１，８６１号に記載のものと同様でよい。ハウジングに本発明のタッチパッド１６を備えるその他の制御デバイスまたはグリップには、ゲームパッド、コンピュータ生成環境におけるカーソルもしくはその他のグラフィックオブジェクトを操作するマウスまたはトラックボールデバイス、または圧力球体（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｐｈｅｒｅ）などがある。例えば、タッチパッド１６をコンピュータのマウスのハウジングに備えてホストコンピュータへの入力を追加で行えるようにしてもよい。さらに、米国特許第６，０２０，８７６号に記載の力の選択的妨害フィルタ、および米国特許第５，９５９，６１３号に記載のタッチパッドの駆動用のインパルス波による力信号の形成などを、本発明とともに用いることもできる。これらの特許開示は、いずれも、ここに完全に記載されたかのごとく参照により本願に組み込まれる。このようなインパルスは、また、コンピュータ１０のバッテリーに蓄えられた電力またはホストコンピュータに接続されたＵＳＢなどのバスからの電力で駆動される場合に効果的である。

図２０は、タッチスクリーン装置とともに使用することができる本発明の一実施形態に係る触覚効果を生成するアクチュエータ１００を示す。アクチュエータ１００は、２つのＬ型ポール部１１０，１１２、第１および第２構造要素１０２，１０４、ならびに第１および第２バイアス要素１０６，１０８を含む。ポール部１１０，１１２は、当業者には周知のように、透磁性の高い標準的な磁性鋼、または透磁性の高い軟磁性体（例えば、鉄、ニッケル、磁性合金）もしくはフェライトなどの焼結材料などその他の適切な強磁性体からなってもよい。これらのポール部は同じ材料からなる必要はなく、さらにコイル１１４ａ，１１４ｂに接続されて電磁気装置（「磁気装置」）を形成する。コイル１１４ａ，１１４ｂは、銅またはその他の適切な導電体からなり、電流がコイル１１４ａ，１１４ｂを通るときに磁界を形成する１つ以上の電流源に接続されている。別の実施形態では、ポール部の一方は、それが強磁性体で形成されるならばコイルを含む必要はない。

アクチュエータ１００は、さらに構造要素１０２，１０４ならびに第１および第２バイアス要素１０６，１０８を含み、アクチュエータ１００のフレームを形成する。なお、構造要素１０２，１０４およびバイアス要素１０６，１０８は、金属やプラスチックなど、１個の部材から製造されてもよい。あるいは、構造要素１０２，１０４およびバイアス要素１０６，１０８は、別々の材料から製造されてもよい。第１構造要素１０２は、図２０に示すように、開口１２０，１２２を含み、これらはハウジング、ディスプレイ、またはタッチセンサ式パネルの接続または締結に用いられる。同様に、構造要素１０４も、同様の接続のための開口１２４，１２６を含む。構造要素１０２，１０４は、プラスチックやアルミニウムなどの適度に硬質な材料からなっており、ポール部１１０，１１２を物理的に支持をする。バイアス要素１０６、１０８は、バネ、たわみバネ、柔軟性のあるブレード、柔軟性のある部材、エラストマー部品、発泡部品などであり、所定の範囲内での圧縮および／または伸張が可能な弾性材料または比較的柔軟性のある材料からなる。一実施形態では、バイアス要素１０６，１０８および構造要素１０２，１０４は、バイアス要素を有するプラスチック材料からなり、構造要素よりも薄く（したがってより柔軟性を持つよう）形成されている。

再度、図２０を参照すると、ポール部１１０および１１２は、それぞれ構造要素１０２および１０４に接続されている。ポール部１１０はポール部１１２に隣接して配されており、ポール部１１０と１１２との間には、３つの磁気ギャップ１４０，１４２および１４４がある。ポール部１１０，１１２の本体の間にあるギャップ１４４の幅は、一実施形態においては、約１〜約５ミリメートル（「ｍｍ」）の範囲にある。ギャップ１４０、１４２の幅は、一実施形態においては、約０．２５〜約０．７５ｍｍの範囲にある。エアポケット１３０，１３２は、どのような形状であってもよく、ポール部１１０，１１２が移動するための空間を与える。ただし、これらは必須ではない。ギャップ１４０，１４２は、ギャップ１４４よりもずっと小さく、ギャップ１４０，１４２での磁気吸引力はギャップ１４４の引力よりも優勢である。

動作中、バイアス要素１０６，１０８は、コイル１１４を通る電流がなければ最小限の力を与え、（したがって）アクチュエータは弛緩状態に置かれる。電力がない状態では、アクチュエータは、例えば図２０に示すような第１の均衡状態に達する。コイル１１４ａ、１１４ｂに電力が加えられると、入力電流がコイル（単数または複数）を通ってポール部１１０，１１２およびギャップ１４０，１４２上に磁束線１５０を形成する。このプロセスは、電磁効果が互いに打ち消し合わないようにコイルが巻かれているとき、ポール部１１０，１１２間に引力または磁気吸引力を生成するように作用する。引力または磁気吸引力という用語は、ここでは同じ意味で用いられる。磁気吸引力はバイアス要素１０６，１０８に対して作用し、ポール部１１０，１１２がギャップ１４０，１４２で互いに近寄るように引き寄せる。図２０に示す実施形態によれば、磁気吸引力下では、構造要素１０２が固定されたままで、ポール部１１２は右から左の方向（矢印１３８で示す）へポール部１１０に向かって移動する。この実施形態では、ポール部１１０は、構造要素１０２に締結または固定されてもよく、構造要素はさらにハウジング、タッチセンサ式パネル、またはディスプレイ装置に固定される。ポール部１１０，１１２の一方がギャップ１４０，１４２内の十分な距離を移動すると、バイアス要素１０６，１０８により反対方向に加えられるバネ力が増加するにしたがって第２の均衡状態に達する。その後電力が減少し、またはなくなると、バイアス要素１０６，１０８は強制的にポール部１１０，１１２を先に述べた第１の均衡状態でもある元の無電力位置に戻す。

なお、引力はコイル１１４ａ，１１４ｂを通る電流量を変化させることにより操作することができる。したがって、コイル１１４ａ，１１４ｂを流れる電流の大きさ、継続時間およびパルスの繰り返しを変化させることで反復への電流の変化の作用を用いて、触覚効果により与えられる感覚のレベルや質を変化させることができる。さらに、触覚、力覚フィードバックまたは触覚による感覚でもある触覚効果は、パルス、振動、空間テクスチャ、重量、または触覚や手触りを通じて感じることのできるその他の物理的性質であってもよい。触覚効果および触覚による感覚という用語は、ここでは同じ意味で用いられる。

本発明は、供給する入力電流の周波数を調整することによりユーザがポール部１１０，１１２の間の動きの頻度を操作できるようにする。入力電流とは、ポール部１１０，１１２の間および磁気ギャップ１４０、１４２上に磁界および磁束を生み出すコイル１１４ａ，１１４ｂを流れる電流のことである。なお、波形の異なる入力電流は、異なる触覚効果を生み出す。入力電流が方形波形である場合の触覚効果は、入力電流波形が正弦曲線を描く場合とは異なる。一実施形態において、触覚効果の周波数は、約４０〜約３００ヘルツ（Ｈｚ）の範囲であってよい。

このような磁気回路を上記のアクチュエータ１００に用いることにより、効果的に力を生み出すという利点がある。他の方法と異なり、本発明の実施に永久磁石は必要ではない。ただし、小さな磁気バイアスを磁気回路に加えることはできる。アクチュエータ１００の別の利点は、そのサイズが非常にコンパクト化されることである。例えば、一実施形態では、アクチュエータ１００はおよそ長さ１．５インチ、高さ０．６インチ、奥行き０．３インチとすることができる。アクチュエータ１００は、タッチセンサ式パネルに対する方向に応じて触覚による感覚用のタッチセンサ式パネルとディスプレイ装置との間に面内のまたは面外の運動を発生させることができる。なお、図２０に図示するＬ字型ポール部は、単に一実施形態を示したにすぎず、他の構成のポール部を用いてもよい。ただし、この用途のＬ字型ポール部は比較的空間効率がよいと考えられる。

図２１に、本発明に係る磁気吸引力を発生させる電磁部品２００および２２０の代替的な実施形態を２つ示す。電磁部品２００は、Ｃ字型ポール部２０２、Ｉ字型ポール部２０４、および１個のコイル２０６を有する。ポール部２０２，２０４は、上記の通り、任意の適切な強磁性体からなってよい。

Ｃ字型ポール部２０２は、２つのギャップ２０８を置いてポール部２０４に隣接するよう配される。ギャップ２０８の幅はおよそ０．５ｍｍである。入力電流がコイル２０６を流れると、磁束２１０が生じる。磁束２１０は、ポール部２０２，２０４の間に磁気吸引力を生み出す。磁気吸引力により、ポール部２０４がポール部２０２へと動く。あるいは、ポール部２０４が相対的に固定されている場合には、磁気吸引力により、ポール部２０２がポール部２０４に近づく。磁気吸引力により引き起こされるポール部２０２，２０４の間の移動により、触覚効果が生み出されてもよい。

電磁部品２２０は、Ｅ字型ポール部２２２、Ｉ字型ポール部２２４、およびコイル２２６を含む。ポール部２２２，２２４は、上述のように構成される。Ｅ字型ポール部２２２は、ギャップ２２８を置いてＩ字型ポール部２２４に隣接するよう配される。ギャップ２２８の幅はおよそ０．５ｍｍである。入力電流がコイル２２６を流れると、磁束線２３０が生じる。磁束線２３０は、ポール部２２２，２２４の間に磁気吸引力を生み出す。磁気吸引力により、ポール部２２４がポール部２２２に近づき、効果的にギャップ２２８の幅を狭くする。別の実施形態では、ポール部２２４がハウジングに締結されている場合には、磁気吸引力により、ポール部２２２がポール部２２４に近づく。ポール部間の移動により、触覚効果が生み出されてもよい。

図２２は、本発明の一実施形態に係る図２０に図示するアクチュエータの代替的な実施形態を例示するアクチュエータ３００である。アクチュエータ３００は、２つのＬ字型ポール部１１０，１１２、構造要素１０２，１０４、およびバイアス要素３０２を含む。ポール部１１０，１１２は、さらにコイル１１４ａ，１１４ｂに接続されて磁気装置を形成する。コイル１１４ａ，１１４ｂは、ポール部１１０，１１２に磁束を引き起こす１つ以上の電流源に接続されている。

アクチュエータ３００は、さらに構造要素１０２，１０４およびバイアス要素３０２を含み、フレームを形成する。なお、構造要素１０２，１０４およびバイアス要素３０２は、１個のフレーム上に同時に形成されてもよい。あるいは、構造要素１０２，１０４およびバイアス要素３０２は、個別の構造として形成された後に組み合わされてもよい。構造要素１０２，１０４は、ポール部１１０，１１２を物理的に支持するよう上記のように製造されてもよい。バイアス要素３０２は、上述のように形成されてもよく、所定の範囲内での圧縮または伸張が可能な弾性材料からなってもよい。なお、図２２を参照すると、バイアス要素３０２は、構造要素１０２，１０４に接続され、かつバイアスまたはバネ機能を磁気装置のギャップを閉じる方向の磁気吸引力とは反対の方向に与える限り、どのような位置でもよい。

図２３は、本発明の実施形態に係るアクチュエータ４００の代替的な実施形態である。アクチュエータ４００は、２個のＬ字型ポール部１１０，１１２、構造要素１０２，１０４、およびバイアス要素４０２，４０４を含む。ポール部１１０，１１２は、さらにコイル１１４ａ，１１４ｂに接続されて磁気装置を形成する。コイル１１４ａ，１１４ｂは、ポール部１１０，１１２に磁束を生み出す１つ以上の電流源に接続されている。

アクチュエータ４００は、さらに構造要素１０２，１０４およびバイアス要素４０２，４０４を含み、構造要素１０２，１０４間である程度の移動を可能にするフレームを形成する。なお、構造要素１０２，１０４およびバイアス要素４０２，４０４は個別の構造として形成され、後で組み合わせる必要がある。構造要素１０２，１０４は、プラスチック、スチール、アルミニウムなどの硬質な材料からなっており、ポール部１１０，１１２を物理的に支持をする。バイアス要素４０２，４０４は、上述のように実施されてよく、所定の範囲内での圧縮または伸張が可能な弾性材料からなってよい。なお、図２３を参照すると、ポール部１１０，１１２の間の移動を容易にし、磁気装置のギャップを閉じる方向の磁気吸引力に反対するよう構成されるならば、任意のタイプのバイアス要素を用いてよい。

図２４には、本発明の実施形態に係るアクチュエータ１００を有するシステムを示す。このシステムは、ケース５０２、タッチセンサ式パネル５０４、およびアクチュエータ１００を含む。アクチュエータ１００は、２個のＬ字型ポール部１１０，１１２、構造要素１０２，１０４、およびバイアス要素１０６，１０８を含む。ポール部１１０，１１２は、さらにコイル１１４ａ，１１４ｂに接続されて磁気装置を形成する。コイル１１４ａ，１１４ｂは、ポール部１１０，１１２に磁束を生み出す１つ以上の電流源に接続されている。バイアス要素１０６，１０８は、上述のように実施されてもよく、所定の範囲内での圧縮または伸張が可能な弾性材料からなってもよい。

図２４を参照すると、アクチュエータ１００の一方の側はケース５０２に接続されており、アクチュエータ１００の他方の側はタッチセンサ式パネル５０４に接続されている。構造要素１０２は、図２４に示すように、ケース５０２に締結されている。この実施形態では、ケース５０２は剛体であって容易に動かない。一実施形態において、開口部１２０，１２２を用いて締結具により構造要素１０２をケース５０２に接続してもよい。構造要素１０４は、次にタッチセンサ式パネル５０４に締結される。一実施形態において、タッチセンサ式パネル５０４は、比較的柔軟な透明材料からなってよい。一実施形態において、穴部１２４，１２６を用いて構造要素１０４をタッチセンサ式パネル５０４に締結してもよい。

電源が投入されて入力電流がコイル１１４ａ，１１４ｂを流れはじめると、ポール部１１０および１１２の間のギャップを閉じる方向の磁気吸引力が増加しはじめる。引力は、ポール部１１０が固定されている場合、ポール部１１２をポール部１１０に引き寄せられるようにする。ポール部１１２はポール部１１０の方へ移動を始め、図２５に図示される第２の均衡状態に達するまでギャップ１４０，１４２を閉じる。電力が減少しまたはなくなると、ポール部１１０および１１２の間の引力は減少しはじめ、結果として、ポール部１１２はバイアス要素１０６，１０８の与える戻り力に応じて元の位置へと戻りはじめる。バイアス要素１０６，１０８は、図２０に示す第１の均衡状態に到達するまでポール部１１２を戻らせる。ポール部１１０，１１２間の移動は、類似の移動を構造要素１０２，１０４にも引き起こす。一実施形態において、構造要素１０２，１０４の間の移動は、触覚効果または触覚による感覚を引き起こす。タッチセンサ式パネル５０４は構造要素１０４に締結されているので、構造要素１０２，１０４の間の移動がおこるときにタッチセンサ式パネル５０４上の触覚効果が生じる。アクチュエータ１００のタッチセンサ式パネル５０４に対する方向によって、触覚効果は、タッチセンサ式パネル５０４に対して面内のまたは面外の運動を発生させることができる。

図２５に、本発明の実施形態に係るアクチュエータ６００の第２の均衡状態を、理解しやすいようにいくらか誇張して示す。アクチュエータ６００は、アクチュエータ１００に類似のものであり、２個のＬ字型ポール部１１０，１１２、構造要素１０２，１０４、およびバイアス要素６０２，６０４を有する。ポール部１１０，１１２は、さらにコイル１１４ａ，１１４ｂに接続されて磁気装置を形成する。コイル１１４ａ，１１４ｂは、ポール部１１０，１１２に磁束を引き起こす１つ以上の電流源に接続されている。

電力がオフのとき、バイアス要素６０２，６０４は最小限の力を与えて、図２０に説明しまた示すように、アクチュエータ６００を第１の均衡状態に維持する。電力がオンのとき、コイル１１４を入力電流が流れ、ポール部１１０，１１２に磁束が生成される。磁束は、ポール部１１０，１１２およびギャップ１４０，１４２上に磁気吸引力を形成する。磁気吸引力はバイアス要素６０２，６０４に対して作用し、ポール部１１０，１１２をギャップ１４０，１４２にて互いに近付くように引き寄せる。この実施形態では、ポール部１１０は構造要素１０２を介してケースに固定されてもよく、ポール部１１２は構造要素１０４を介してタッチセンサ式パネルに固定されてもよい。磁気吸引力は、右から左（矢印１３８で示す）へポール部１１０に向かって、ポール部１１２を移動させる。ポール部１１０は、十分な距離を移動すると、図２５に示すように第２の均衡状態に達する。電力が減少またはなくなると、バイアス要素６０２，６０４は、上述した第１の均衡状態に向けてポール部１１２を強制的に戻す。

図２６に、本発明の実施形態に係るアクチュエータを有するシステム構成を図示する。このシステム構成は、タッチセンサ式パネルまたはタッチスクリーン７０２、ディスプレイパネル７０４、およびケース７０６を含む。一実施形態において、タッチセンサ式パネル７０２は実質的に透明な材料からなり、光を透過してディスプレイ７０４に表示されたオブジェクトまたは画像がタッチセンサ式パネル７０２を通して見えるようにすることができる。ディスプレイ７０４は、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイ、またはフラットパネルディスプレイなど、どのようなタイプのディスプレイでもよく、動きのない、固定した図であってもよい。タッチセンサ式パネル７０２およびディスプレイ７０４は、いずれも、ケース７０６に取り付けられる。代替的な実施形態では、タッチセンサ式パネル７０２およびディスプレイ７０４は別々の場所に配し、アクチュエータをタッチセンサ式パネル７０２と相対的に固定された位置との間に取り付けることで、触覚効果がタッチセンサ式パネルに与えられるがディスプレイは別の場所に置くことができる。

一実施形態において、タッチセンサ式パネル７０２は、さらに様々な領域７２０に分割することができ、これらの領域はさらに境界７２２により分けることができる。タッチセンサ式パネル７０２は、領域７２０のみにタッチされているときはユーザ選択を受け付ける。逆に、タッチセンサ式パネル７０２は、境界７２２にタッチされているときはユーザ選択を受け付けない。タッチセンサ式パネル７０２は、さらに、４個のアクチュエータ７１０を有し、アクチュエータ７１０は、その方向に応じて、タッチセンサ式パネル７０２に対して面内のまたは面外の運動を発生させて触覚による感覚を与えることができる。アクチュエータ７１０は、タッチセンサ式パネルがディスプレイ７０４に対して動くように設置されてもよい。

図２７は、本発明の実施形態に係る触覚効果を生成する方法を示すフロー図である。触覚による感覚を生成するプロセスは、ブロック８０２から始まる。一実施形態において、このプロセスはタッチセンサ式パネルのおそらくは所定の箇所または複数箇所に触れているユーザにより作動させることができる。別の実施形態では、このプロセスはタッチセンサ式パネルが送信するタッチ信号または接触信号により動作させられ、この信号はユーザによる選択を示す。

ブロック８０４において、プロセスはタッチセンサ式の接触信号を受信するが、これはユーザの選択に従ってタッチセンサ式パネルから送信されてもよい。別の実施形態では、コンピュータまたは制御部が接触信号を送信する。接触信号を受信すると、プロセスは次のブロック８０６に進む。

ブロック８０６では、プロセスは、制御部に接触信号に従って入力電流を与えるように指示する。一実施形態において、入力電流は、１対のポール部に磁束を発生させるアクチュエータの少なくとも１つの電磁気装置を流れる。

ブロック８０８において、磁束は電磁気装置間に磁気吸引力を引き起こす。この磁気吸引力は磁気吸引力に対抗するよう構成されたバイアス要素により与えられるバイアス力に対抗する。磁気吸引力により、電磁気装置のポール部が互いに引き合うことになる。プロセスは次のブロックに進む。

ブロック８１０において、磁気吸引力は電磁気装置の間の移動を生じさせる。一実施形態において、１個の電磁気装置の１個のポール部は別の電磁気装置の別のポール部に物理的に近づくように移動する。

ブロック８１２において、電流が止まる。

ブロック８１４において、バイアス要素はバイアス力または戻り力を与えて、電磁気装置の間の所定範囲内での移動を抑制する。ブロック８１２で電力が減少しまたは停止されたりする場合、電磁気装置のポール部は元の位置に戻る。

電力を連続的にオン／オフすることにより、電磁気装置の間の連続移動が生じる。したがって、電磁気装置間の移動に応じて触覚効果が生み出される。なお、電磁気装置の間の移動の周波数と振幅は、入力電流を制御することにより制御することができる。

図２８は、本発明の実施形態に係るアクチュエータを有するシステムを示すブロック図である。このシステムは、プログラムステップを格納するメモリ９１０への適切なインターフェース９０８を有するコンピュータまたは中央演算処理装置（ＣＰＵ）９０６を有する。このプログラムステップは処理部９０６，９１２を制御する。この処理部はディスプレイ装置９１４，９１６を制御するものであり、このディスプレイ装置９１４はタッチセンサ式パネル９１８および９２０と通信する。このタッチセンサ式パネルは増幅回路（必要であれば）、ひいてはアクチュエータ９２４を駆動する。アクチュエータ９２４は、ディスプレイ装置９１４とタッチセンサ式パネル９１８との間の相対移動を引き起こすように構成される。この相対移動は、タッチセンサ式パネルの面内であっても、タッチセンサ式パネルの面外であっても、またはこれらの組み合わせであってもよい。タッチパネル９０４は、タッチされまたは押圧されると、接続部９２６を介して接触信号をコンピュータ９０６へ送信する。接触信号は、タッチパネルが選択またはタッチされたことを示す。コンピュータ９０６は、適切なソフトウェアおよびファームウェア上で動作する任意の汎用コンピュータであってよく、コネクション９２８を介してアンプリファイア９２２に接続されており、増幅部９２２にコネクション９３０を介してアクチュエータ９２４に入力電流を与えるように指示する。コンピュータ９０６からの指示を受信すると、アンプリファイア９２２は、コネクション９３０を介してアクチュエータ９２４に入力電流を供給する。アクチュエータ９２４は、タッチセンサ式パネル９１８に触覚による感覚または効果を与える。処理部９０６（または可能性としては別のデバイス（図示せず））は、ディスプレイイメージまたは画像をディスプレイ装置９１４に与える。

最後に図２９、３０および３１を参照すると、これらの図は、タッチパッドおよび／もしくはタッチスクリーンまたは類似のタッチ式入力装置の領域をどのように利用することができるか示している。各図において、タッチ式入力装置のタッチセンサ式表面の領域は、特定の入力と関連づけられている。図２９では、「＋」領域と「−」領域とが設けられる。これは、例えば、画像を図的に提示するグラフィック環境におけるズームイン（＋）またはズームアウト（−）に用いることができる。図３０は、「＋Ｘ」および「−Ｘ」、「＋Ｙ」および「−Ｙ」を有するバージョンであり、これは、オブジェクトの並進もしくは回転や、グラフィカルに示されたオブジェクトと相互作用するなど、要望どおりに用いることができる。最後に、図３１は、図３０に示すものと類似の構成を示すが、直観的な方法で中間値（例えば、同時にある程度の−Ｘとある程度の＋Ｙ）を入力することができる。ある実施形態では、これらの領域はその領域とともに任意の時点において何を制御するようになっているのかを示す表示、ユーザに与えられる入力の速さを示す触覚フィードバック、グラフィック環境における境界や類似の条件などがタッチスクリーン上に表示されてもよい。

本発明をいくつかの好適な実施形態との関連で説明してきたが、変更、置換、およびこの等価物は、当業者には本明細書を読み、図面を検討すれば明らかと考えられる。例えば、多くの異なるタイプのアクチュエータを用いてユーザに触覚による感覚を出力することができる。さらに、１つの実施形態に記載の特徴の多くは他の実施形態でも同じ意味で用いられる。さらに、特定の用語は記述の明確さのために用いられたものであって、本発明を限定するものではない。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨以外によって限定されるものではない。

添付の図面は、本明細書に組み込まれその一部をなすものであり、本発明の１つ以上の実施形態を図示するものであり、詳細な説明とあわせて本発明の原理とその実施例について説明する。

１０ コンピュータ１０
１２ ディスプレイ装置
１４ キーボード
１６ タッチパッド
４２ 圧電アクチュエータ
５２ バネ
１００ アクチュエータ
１０２，１０４ 構造要素
１０６，１０８ バイアス要素
１１０，１１２ ポール部
１１４ａ，１１４ｂ コイル

Claims (27)

1. ディスプレイスクリーン上に表示されるカーソルとグラフィックオブジェクトとの相対的位置を表現する触覚フィードバックを提供する方法において、
   ディスプレイスクリーン内のカーソル位置をタッチスクリーン上の接触の位置と関連付ける段階と、
   ディスプレイスクリーン上のカーソル位置がタッチスクリーン上のグラフィックオブジェクトの位置と所定の関係にある限り、タッチスクリーンを介して触覚フィードバックを提供する段階とを、備える方法。
2. 前記所定の関係は、位置の一致である、請求項１に記載の方法。
3. タッチ面は、タッチスクリーンである、請求項１に記載の方法。
4. タッチ面は、タッチパッドである、請求項１に記載の方法。
5. 前記接触は、オペレータの身体部分によって生じる、請求項１に記載の方法。
6. 前記接触は、オペレータによって操作されるスタイラスペンによって生じる、請求項１に記載の方法。
7. ディスプレイスクリーン上に表示されるグラフィックオブジェクトに関するカーソル操作によってトリガーされる動作が発生している程度を表現する触覚フィードバックを提供する方法において、
   ディスプレイスクリーン内のカーソル位置をタッチスクリーン上の接触位置と関連付ける段階と、
   タッチスクリーンを介し、動作の程度に一致する程度を有する触覚フィードバックを提供する段階と、を備える方法。
8. 前記動作は、スクロールである、請求項７に記載の方法。
9. 前記触覚フィードバックは、その周波数が動作の程度に応じて増加する反復性波形に基づいている、請求項７に記載の方法。
10. タッチ面は、タッチスクリーンである、請求項９に記載の方法。
11. タッチ面は、タッチパッドである、請求項７に記載の方法。
12. 前記接触位置は、オペレータの身体部分によって生じる、請求項７に記載の方法。
13. 前記接触位置は、オペレータによって操作されるスタイラスペンによって生じる、請求項７に記載の方法。
14. グラフィックオブジェクトの操作に応答する触覚フィードバックを提供する方法において、
    グラフィックオブジェクトの操作の特性をタッチスクリーンの接触の特性に関連させるための段階と、
    操作の特性により変化する範囲のタッチスクリーンに力を与える段階と、
    を備える、方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、
    前記力を与える段階は、
    前記接触に応答する第１の信号を生成する段階と、
    前記第１の信号を処理部に送信する段階と、
    前記第１の信号に応答する触覚出力用電流信号を発生させる段階と、
    前記触覚出力用電流信号を機械的にタッチ面に接続された第１の構造要素と、機械的にディスプレイ装置またはハウジング構造に接続された第２の構造要素と、の間に相対運動を発生させるように配置されたアクチュエータへ伝える段階と、
    アクチュエータを作動させることによって触覚効果を引き起こす段階と、を備える方法。
16. 請求項１４に記載の方法において、
    前記力を与える段階は、
    前記接触に応答する第１の信号を生成する段階と、
    前記第１の信号を処理部に送信する段階と、
    前記第１の信号に応答する触覚出力用電流信号を発生させる段階と、
    前記触覚出力用電流信号を機械的にタッチ式検出パネルに接続された第１の構造要素と、機械的にディスプレイ装置またはハウジング構造に接続された第２の構造要素と、の間に相対運動を発生させるように配置されたアクチュエータへ伝える段階と、
    アクチュエータを作動させることによって触覚効果を引き起こす段階と、
    を備え、
    前記アクチュエータは、
    前記第１の構造要素を前記第２の構造要素に接続している第１のバイアス要素と、
    前記第１の構造要素によって設けられた、第１のポール部を含む第１の磁気装置と、
    前記第２の構造要素によって設けられた、第２のポール部を含む第２の磁気装置と、
    前記第１のポール部および前記第２のポール部のうち少なくとも１つに配された第１のコイルと、をさらに含み
    前記第１のバイアス要素は、電流が前記第１のコイルに流れる場合に、前記第１のポール部と前記第２のポール部との両方を駆動する磁気吸引力に抗するバイアス力を与えるように配置される、方法。
17. 前記操作の特性は、速度、加速度または減速度の１つ以上である、請求項１４に記載の方法。
18. 与えられた前記力は、反復し、前記１つ以上の速度、加速または減速につれてその周波数および／または大きさが増加する、請求項１７に記載の方法。
19. 与えられた前記力は、反復し、前記操作の特性に基づく頻度および／または大きさにおいて増加する、請求項１４に記載の方法。
20. グラフィックオブジェクトが複数のフォームをとり、前記操作の特性は、前記フォームを呈する速さである、請求項１４に記載の方法。
21. 与えられた前記力は、前記速さに基づいた周波数および／または大きさをもって、反復し増加する、請求項２０に記載の方法。
22. 前記グラフィックオブジェクトはスクロールバーである、請求項１４に記載の方法。
23. 前記接触の特性は、接触の位置である、請求項１４に記載の方法。
24. 前記接触の特性は、接触による与えられる圧力である、請求項１４に記載の方法。
25. 前記接触の特性は、接触位置の変化率である、請求項１４に記載の方法。
26. 前記接触の特性は、接触の速度の変化率である、請求項１４に記載の方法。
27. 前記接触の特性は、接触場所の変化率である、請求項１４に記載の方法。

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