JP2011508935A - ユーザインタフェースシステム - Google Patents

Abstract

好適な実施形態のユーザインタフェースシステムが：表面を規定する層部と、当該層部を支持して空洞部を少なくとも部分的に規定する基板と、前記空洞部に連結されて前記空洞部を拡張するように構成され、これにより前記表面の特定領域を変形させる変位デバイスと、前記基板に連結されて前記表面の特定領域の近くのユーザタッチを検出するように適用されるタッチセンサと、前記基板に連結されて前記ユーザに画像を出力するように適用されるディスプレイとを具える。好適な実施形態のユーザインタフェースシステムは、携帯電話のディスプレイのような電子機器に組み込まれるように特に設計されているが、視覚的および触覚的な方法でユーザとのインタフェースとなる適切なデバイスに組み込まれてもよい。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本願は、２００８年１月４日に出願され、「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｒａｉｓｅｄ Ｔｏｕｃｈ Ｓｃｒｅｅｎｓ」という名称の先の米国特許出願第１１／９６９，８４８号の一部継続出願であり、参照によりその総てが組み込まれる。

本発明は一般に、タッチセンシティブディスプレイに関する。より具体的には、本発明はタッチセンシティブディスプレイの一部を選択的に上昇させるためのシステムおよび方法に関する。

例えばタッチスクリーンのようなタッチセンシティブディスプレイは、ユーザがディスプレイ上に直接コマンドおよびデータを入力できる用途において非常に有用である。タッチスクリーンの一般的な用途は、携帯電話および産業用プロセス制御用のユーザインタフェースといった消費者製品を含む。特定の用途によって、これらのタッチセンシティブディスプレイは、小型の手持ち型ＰＤＡから、中型のタブレットコンピュータ、大型の工業機器にまでわたるデバイスにおいて、通常用いられている。

同一のディスプレイ上でユーザがデータを入出力可能であることが、大抵は便利である。別個の輪郭のはっきりとしたキーを有するキーパッドのような専用の入力機器と異なり、殆どのタッチセンシティブディスプレイはほぼ平坦である。その結果、タッチセンシティブスクリーンには、１以上の制御「ボタン」について触覚的誘導が設けられていない。代わりに、タッチセンシティブディスプレイは、ユーザ入力について視覚的誘導に依拠している。

従って、タッチセンシティブディスプレイの重大な欠点は、近接するボタンを手触りで区別できないため、正確にデータを入力することが本質的に難しいことである。キー打ちを誤って入力することはよくあり、ユーザはディスプレイを見続けることを要求される。触覚的誘導の重要性は、Ａｐｐｌｅ社のｉＰｈｏｎｅとＢｌａｃｋＢｅｒｒｙ８８００との間の競争において自明である。限られた大きさでは、本発明以前の携帯電話は、大きい画面または触覚的ボタンの何れかを具えることができる。本発明では、携帯電話および他の適切な電子機器は、両方を具えることができる。

図１は、好適な実施形態のユーザインタフェースシステムの平面図である。 図２は、好適な実施形態に応じたボタンアレイの操作を示す断面図である。 図３ａおよび図３ｂは、収縮した体積状態と拡張した体積状態それぞれにおける空洞部を有する、好適な実施形態の層部、基板、空洞部、タッチセンサ、およびディスプレイの断面図である。 図４ａおよび図４ｂは、収縮した体積状態と拡張した体積状態それぞれにおける空洞部を有する、基板上に配置されたタッチセンサの断面図である。 図５ａおよび図５ｂは、収縮した体積状態と拡張した体積状態それぞれにおける空洞部を有する、単一構造として結合した層部および基板の断面図である。 図６ａは、収縮した体積状態における空洞部を有する、層部と基板との間の支持部材の断面図である。 図６ｂは、拡張した体積状態における空洞部を有する、層部と基板との間の支持部材の断面図である。 図６ｃは、支持部材の平面図である。 図６ｄは、空洞部を部分的に規定する代替の支持部材の断面図である。 図７ａおよび図７ｂは、収縮した体積状態と拡張した体積状態それぞれにおける空洞部を有する、層部、基板、空洞部、タッチセンサ、ディスプレイ、および空洞部内にある流動体を変更する変位デバイスの断面図である。 図８は、層部、基板、空洞部、タッチセンサ、ディスプレイ、および空洞部内に更なる流動体を移動させる第１の実施例の変位デバイスの概略図である。 図９は、層部、基板、空洞部、タッチセンサ、ディスプレイ、および空洞部内に更なる流動体を移動させる第２の実施例の変位デバイスの概略図である。 図１０ａおよび図１０ｂは、収縮した体積状態と拡張した体積状態それぞれにおける空洞部を有する、層部、基板、空洞部、タッチセンサ、ディスプレイ、および空洞部に更なる流動体を出し入れして移動させる第３の実施例の変位デバイスの概略図である。 図１１は、ボタンの変形の平面図および側面図である。 図１２は、スライダの変形の平面図および側面図である。 図１３は、スライダリングの変形の平面図および側面図である。 図１４は、ガイドの変形の平面図および側面図である。 図１５は、ポインティングスティックの変形の平面図および側面図である。 図１６は、好適な実施形態の異なる操作モードのフローチャートである。 図１７は、好適な実施形態の異なる入力グラフィック、異なる空洞部状態、および異なるユーザタッチの概略図である。 図１８ａおよび図１８ｂは、収縮した体積状態と拡張した体積状態それぞれにおける空洞部を有する、単一の変位デバイスに接続された空洞部および別の空洞部の概略図である。 図１９ａおよび図１９ｂは、収縮した体積状態と拡張した体積状態それぞれにおける空洞部を有する、別個の変位デバイスに接続された空洞部および別の空洞部の概略図である。 図２０ａ、図２０ｂ、および図２０ｃは、拡張した体積状態における空洞部および収縮した体積状態における別の空洞部と、収縮した体積状態における空洞部および別の空洞部と、収縮した体積状態における空洞部および拡張した体積状態における別の空洞部とをそれぞれ有する、リニアアクチュエータに接続された空洞部および別の空洞部の概略図である。 図２１ａは、ダイヤルパッドに配置された第１の空洞部のアレイ、および同じデバイス上のクウェルティ（ＱＵＥＲＴＹ）キーボードに配置された第２の空洞部のアレイの概略図である。 図２１ｂは、第１の空洞部のアレイに位置合わせしたダイヤルパッドのディスプレイの概略図である。 図２１ｃは、第２の空洞部のアレイに位置合わせしたＱＵＥＲＴＹキーボードの概略図である。

本発明の好適な実施形態の以下の説明は、本発明をこれらの好適な実施形態に限定するのではなく、むしろ当該技術分野の当業者が本発明を実施および利用可能にすることを意図する。

図１および図２に示されるように、好適な実施形態のユーザインタフェースシステム１００は：表面１１５を規定する層部１１０と、層部１１０を支持し空洞部１２５を少なくとも部分的に規定する基板１２０と、空洞部１２５に連結され空洞部１２５が拡張するように適用されており、これにより表面１１５の特定領域が変形する変位デバイス１３０と、基板１２０に連結され表面１１５の特定領域の近くのユーザタッチを検出するように適用されるタッチセンサ１４０と、基板１２０に連結されユーザに画像を出力するように適用されるディスプレイ１５０とを具える。

好適な実施形態のユーザインタフェースシステム１００は、自動制御盤のディスプレイ、デスクトップ型コンピュータ、ラップトップ型コンピュータ、タブレット型コンピュータ、テレビ、ラジオ、卓上電話、携帯電話、ＰＤＡ、携帯ナビゲーション機器、携帯メディアプレーヤ、カメラ、または時計といった電子機器内に組み込まれるように特に設計されてきた。しかしながら、ユーザインタフェースシステムは、視覚的かつ触覚的方法の双方でユーザとのインタフェースとなる様々な適切なデバイスに組み込まれてもよい。

［１．基板および層部］
図２に示されるように、好適な実施形態の層部１１０は、触覚的方法でユーザとのインタフェースになる表面１１５を提供するように機能する。表面１１５は好適には連続であり、そのため表面１１５にわたって指を強く打った時、ユーザは切れ目または継ぎ目を感じることはない。表面１１５はまた、好適には平面状である。表面１１５は好適には平面に配置されるが、代替的に湾曲面に配置されてもよい。空洞部１２５が拡張すると変形し、空洞部１２５が収縮すると好適に通常の平面状態まで「弛緩（ｒｅｌａｘ）」または「元の形に戻る（ｄｅｆｏｒｍ）」ように、層部１１０はさらに機能する。層部１１０は好適には弾性である。ある実施例では、層部１１０は、特定部位において比較的に弾性が高く、他の部位において比較的に弾性が低く、比較的に弾性が高い部位で変形する。他の実施例では、層部１１０は弾性がほぼ均一である。さらに他の実施例では、層部１１０は、ニッケルチタン（通常「ニチノール」と称される）のようなスマート材料を含むか、これから作られており、選択的および／または調整可能な弾力性を有する。層部１１０は好適には光学的に透明だが、代替的に半透明または不透明にしてもよい。透明性に加えて、層部１１０は好適に以下の特性：高伝導性と、低ヘイズと、広い視野角と、ディスプレイ１５０上における最小限の後部反射度（ディスプレイ１５０がユーザインタフェースに連結されている場合）と、耐傷性と、耐薬品性と、耐汚性と、比較的滑らか（粘着性でない）な手触りとを有する。層部１１０は好適に、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）またはＲＴＶシリコン（例えば、ＲＴＶシリコン６１５）といったポリマおよびシリコンベースのエラストマを含む適切な弾性材料から作られる。しかしながら、層部１１０は、表面１１５を提供して変形される適切な材料から作られてもよい。ある実施例では、層部１１０は、１ｍｍ未満（好適には５０乃至２００ミクロン）の厚さの単一の均質な層部である。他の実施例では、層部１１０は、複数の層部またはコーティングを用いて同じ材料または異なる適切な材料で構成してもよい。

好適な実施形態の基板１２０は、層部１１０を支持して空洞部１２５を少なくとも部分的に規定するように機能する。ある実施例では、図３ａおよび図３ｂに示されるように、層部１１０は、接着剤、超音波接着、酸素プラズマ表面処理、または当業者に知られている他の適切な手法を用いて、基板１２０に直接取り付けられる。この実施例では、基板１２０と層部１１０は協働して空洞部１２５を規定する（「容器」を規定する基板１２０と、「容器」上に「膜」を規定する層部１１０とを用いる）。他の実施例では、図４ａおよび図４ｂに示されるように、層部１１０は、層部１１０と基板１２０との間に配置されるタッチセンサ１４０および／またはディスプレイ１５０といった他の要素と共に、基板１２０に間接的に取り付けられる。この実施例では、基板１２０と介在する要素とが空洞部１２５を規定する。さらに他の実施例では、図５ａおよび図５ｂに示されるように、層部１１０と基板１２０とが単一構造として形成され、空洞部１２５を完全に規定している。さらにもう１つの実施例では、図６ａおよび図６ｂに示されるように、基板１２０は、表面１１５の特定領域の下に格子状の支持部材１６０を具えてもよい。空洞部１２５が拡張され、表面１１５に変形がある場合、支持部材１６０は、表面１１５の平面の下方で変形するまでユーザが「押しすぎる」のを防止するように機能する。空洞部１２５が拡張せず表面１１５に変形がない場合、支持部材１６０は、表面１１５にわたって指を強く打った時にユーザが感じる表面１１５の「引掛り」を減らす（または場合によっては取除く）ように機能する。図６ｃに示されるように、支持部材１６０は好適には、空洞部１２５の拡張および表面１１５の変形を可能にする孔または流路を具える。支持部材１６０は好適には、基板１２０と一体形成されるが、代替的に層部１１０と共に形成されるか、あるいは別個に形成した後に基板１２０に取り付けてもよい。最終的には、図６ｄに示されるように、支持部材１６０は代替的に、空洞部１２５を部分的に規定してもよい。基板１２０は好適には硬質であるが、代替的に１以上の方向にフレキシブルであってもよい。基板１２０がディスプレイ１５０の上に配置される場合、基板は好適には光学的に透明だが、ディスプレイ１５０の下に配置、あるいはディスプレイ１５０と組み合わせない場合は、半透明または不透明でもよい。基板１２０は好適には、例えばエラストマ、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のようなシリコンベース有機ポリマ、ポリメチルメタクリル酸（ＰＭＭＡ）のような熱硬化性プラスチック、ぺルフルオロポリエーテルのような光硬化性の耐溶剤性エラストマといった、ポリマまたはガラスを含む材料から作られる。しかしながら、基板１２０は、層部１１０を支持して空洞部１２５を少なくとも部分的に規定する適切な材料から作られてもよい。好適な実施例では、基板１２０は約１ｍｍ乃至０．１ｍｍの厚さの単一の均質な層部であり、１以上の空洞部および／またはマイクロ流路を作るためのマイクロ流体アレイの周知の技術を用いて製造することができる。代替の実施例では、基板１２０は、複数の層部を用いて同一材料または異なる適当な材料から構成されてもよい。

図３ａおよび図３ｂに示されるように、好適な実施形態の空洞部１２５は流動体を保持し、少なくとも２つの体積状態：収縮した体積状態（図３ａに示す）と拡張した体積状態（図３ｂに示す）とを有するように機能する。流動体は好適には液体（例えば水、グリセリン、またはエチレングリコール）であるが、代替的には空洞部１２５を拡張させて表面１１５を変形させる気体（例えば空気、窒素、またはアルゴン）あるいは他の物質（例えばゲルまたはエーロゲル）であってもよい。拡張した体積状態では、空洞部１２５は表面１１５の平面を超えて拡張し、これにより表面１１５の特定領域を変形させる。上述のように、空洞部１２５は好適には、基板１２０と層部１１０（または介在する要素）とによって、あるいは単一構造としての基板１２０と層部１１０とによって規定される。ある実施例では、図６ａおよび図６ｂによって示され、以下でさらに説明されるように、空洞部１２５は、ユーザインタフェースシステム１００の他の要素との流体連結を有していない。この実施例では、変位デバイス１３０は、空洞部１２５の内部に、あるいは近接して配置してもよい。別の実施例では、空洞部１２５は、流路を介して（遠位に配置された）変位デバイス１３０との流体連結を具える。両方の場合において、空洞部１２５は好適には液密であるため（変位デバイス１３０との流体連結を除く）、空洞部１２５は「閉鎖空洞部」と考えることができる。携帯電話機器に用いられる場合、空洞部１２５の直径は、好適には２乃至１０ｍｍである。しかしながら、この、あるいは他の用途に用いられる場合、空洞部１２５は適切な寸法を有していてもよい。

［２．変位デバイス］
好適な実施形態の変位デバイス１３０は流動体の体積を変更するように機能し、その結果、収縮した体積状態から拡張した体積状態に空洞部１２５を拡張して、最終的に表面１１５の特定領域を変形させる。変位デバイス１３０は、（１）空洞部１２５内にある流動体の体積を変更することにより、あるいは（２）空洞部１２５内に流動体を追加および除去することにより、流動体の体積を好適に変更する。しかしながら、変位デバイス１３０は、適切なデバイスまたは方法によって流動体の体積を変更してもよい。空洞部１２５内にある流動体の体積を変更することは、一般的に複雑性が少ないという利点を有するが、空洞部１２５内に流動体の追加および除去することは、一般的に追加のエネルギを必要とせずに表面１１５の変形を保持するという利点を有する（バルブまたは他の固定機構が利用される場合）。携帯電話機器に用いられる場合、変位デバイス１３０は、空洞部１２５内の流動体の体積を約０．００３乃至０．１ｍｌ程度に好適に増加させる。しかしながら、この、あるいは他の用途に用いられる場合、流動体の体積は、適量増加（または、減少）させてもよい。

空洞部１２５内にある流動体の変更は、いくつかの方法で達成することができる。第１の実施例では、図７ａおよび図７ｂに示されるように、流動体は膨張性の流動体であり、変位デバイス１３０は膨張性の流動体を加熱する加熱要素を具えることができ、その結果、空洞部１２５内にある流動体の体積が膨張する（理想気体の法則によると、ＰＶ＝ｎＲＴ）。加熱要素は、空洞部１２５の内部に、あるいは近接して配置することができ、好適には抵抗加熱器（ＴａＮまたはニクロムのような材料から作られる）である。第２の実施例では、流動体は、プラスチックの膨張性微粒子のような膨張性の物質を含んでもよい。第３の実施例では、流動体はパラフィンを含んでもよい。これらが３つの実施例であるが、変位デバイス１３０は、空洞部１２５内にある流動体を変更することによって、収縮した体積状態から拡張した体積状態に空洞部１２５を最終的に拡張する、他の適切なデバイスまたは方法であってもよい。

空洞部１２５への流動体の追加および除去もまた、いくつかの方法で達成することができる。第１の実施例では、図８に示されるように、変位デバイス１３０は更なる流動体を保持する容器１３２と、容器１３２から空洞部１２５に流動体を移動させるポンプ１３４とを具える。容器１３２は、好適には空洞部１２５から遠位である（かつ、流路１３８または他の適切なデバイスによって接続される）が、代替的に空洞部１２５に近接して配置され、空洞部１２５に直接接続されてもよい。流路１３８の一部は、好適には微小流体の流路だが（１乃至１０００マイクロメータの範囲の断面寸法を有する）、ユーザインタフェースシステム１００の寸法および費用の制約に応じて、流路１３８は適切な寸法を有していてもよい。ポンプ１３４は好適には微小ポンプ（例えば、ドイツ、ツヴァイブリュッケンのＴｈｉｎＸＸｓ Ｍｉｃｒｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＡＧ社の＃ＭＤＰ２２０５のポンプ、またはドイツ、ドルトムントのＢａｒｔｅｌｓ Ｍｉｋｒｏｔｅｃｈｎｉｋ社の＃ｍｐ５のポンプ）だが、ある位置から他の位置に流動体を汲み上げる適切なデバイスであってもよい。ポンプ１３４は、好適には空洞部１２５から離れて配置され、かつ好適には流路１３８によって空洞部１２５に接続される。収縮した体積状態から拡張した体積状態に空洞部１２５を拡張させるために、ポンプ１３４は、容器１３２から、流路１３８を介して空洞部１２５内部に流動体を移動させる。拡張した体積状態から収縮した体積状態に空洞部１２５を収縮させるために、ポンプ１３４は好適に、空洞部１２５から容器１３２へ逆方向に「放出する」か、あるいは汲み上げる。第２の実施例では、図９に示されるように、変位デバイス１３０は、更なる流動体を保持する容器１３２と、容器１３２から空洞部１２５に流動体を移動させる第１のポンプ１３４と、空洞部１２５から容器１３２に流動体を移動させる第２のポンプ１３６と、第１のポンプ１３４と空洞部１２５との間に配置される第１のバルブと、空洞部１２５と第２のポンプ１３６との間に配置される第２のバルブとを具える。収縮した体積状態から拡張した体積状態に空洞部１２５を拡張するために、第１のバルブが開放され、第２のバルブが閉鎖され、第１のポンプ１３４は、容器１３２から、流路１３８を通って空洞部１２５内部に流動体を移動させる。拡張した状態から収縮した状態へ空洞部１２５を収縮させるために、第１のバルブが閉鎖され、第２のバルブが開放され、第２のポンプ１３６は、空洞部１２５から流路１３８を通って容器１３２内部へ流動体を移動させる。他の態様では、第２の実施例は、上記の第１の実施例と類似する。ユーザインタフェースシステム１００は、第２のポンプ１３６を省き、第２のバルブを開放して空洞部１２５が容器１３２に放出または「排出」できるようにすることにより、拡張した体積状態から収縮した体積状態に空洞部１２５を簡単に収縮することができる（非変形状態に戻る層部１１０の弾力性によって、潜在的に補助される）。第３の実施例では、図１０ａおよび図１０ｂに示されるように、変位デバイス１３０は、リニアアクチュエータのようなアクチュエータを具えており、空洞部１２５の内外に流動体を移動させる。図１０ａに示されるように、収縮した体積状態から拡張した体積状態に空洞部１２５を拡張するために、リニアアクチュエータは流路１３８を通って空洞部１２５内に流動体を移動させる。図１０ｂに示されるように、拡張した体積状態から収縮した体積状態に空洞部１２５を収縮させるために、リニアアクチュエータは空洞部１２５から容器１３２へ逆方向に流動体を排出する。他の態様では、第３の実施例は上記の第２の実施例と類似する。これらが３つの実施例であるが、変位デバイス１３０は、空洞部１２５内に流動体を追加および除去することにより、収縮した体積状態から拡張した体積状態に空洞部１２５を最終的に拡張する、他の適切なデバイスまたは方法であってもよい。

表面１１５の特定領域の変形の原因が空洞部１２５内の流動体の体積の変更として説明してきたが、表面１１５上の圧力に対する表面１１５下の圧力の増加として変形の原因を説明することも可能である。携帯電話機器に利用される時、約０．１乃至１０．０ｐｓｉの層部１１０上の圧力に対する層部１１０下の圧力の増加は、表面１１５の特定領域を変形させるのに十分であることが好ましい。しかしながら、この又は他の用途に利用される場合、圧力の変化が適量増加（または、減少）してもよい。

表面１１５の変形は、表面１１５の特定領域の位置を知らせる触覚的なフィードバックを与えるように作用する。ディスプレイ１５０上の入力グラフィックと併用して用いられる場合、表面１１５の変形は、好適にはタッチセンサ１４０上の入力の位置を知らせる。変形は好適に、（１）ユーザによって押下でき、下にあるタッチセンサ１４０上の単一の入力の位置を知らせるボタン、（２）ユーザによって押下でき、下にあるタッチセンサ１４０上の複数の入力の位置を知らせるスライダ、（３）近接するタッチセンサ１４０上の複数の入力の位置を知らせるガイド、（４）下にあり、近接するタッチセンサ１４０上の複数の入力位置を知らせるポインティングスティックとして作用する。しかしながら、この変形は、表面１１５の特定領域の位置を知らせる他の適切なデバイスまたは方法として作用してもよい。図１１に示されるように、ボタンは好適にはドームのような形状を有するが、代替的には円柱のような形状（平坦な上面を有する）、ピラミッドのような形状、立方体のような形状（平坦な頂部を有する）、または他の適切なボタン形状を有してもよい。タッチセンサ１４０は好適に、ユーザ入力としてボタンへのユーザタッチ１４５を認識する。図１２および図１３に示されるように、スライダは好適には隆起部のような形状を有するが（図１２に示される）、代替的にはリングのような形状（図１３に示される）、プラスのような形状、または他の適切なスライダ形状を有してもよい。タッチセンサ１４０は好適に、スライダへの異なる位置におけるユーザタッチ１４５を認識し、異なるユーザ入力としてこのようなユーザタッチを識別する。例として、リングのような形状を有するスライダは、Ａｐｐｌｅ社のｉＰｏｄ（第２世代）の「クリックホイール」のように作用してもよい。図１４に示されるように、ガイドは好適に、二重の隆起形状または二重のリング形状を有する。ユーザに押されるべきボタンやスライダと異なり、ガイドはユーザに押されるべき領域の横の位置を知らせるべきである。タッチセンサ１４０は好適に、２つの隆起部の間の異なる位置におけるユーザタッチ１４５を認識し、異なるユーザ入力としてこれらのユーザタッチを識別する。他の実施例では、ガイドは第２の隆起部を省略してもよい。ボタンのようなポインティングスティックは、図１５に示されるように好適にはドームのような形状を有するが、代替的に円柱のような形状（平坦な上面を有する）、ピラミッドのような形状、立方体のような形状（平坦な頂部を有する）、または他の適切なボタン形状を有してもよい。ポインティングスティックは、ユーザに押されるべき領域の下および近接する位置を知らせるべきである。タッチセンサ１４０は好適には、ポインティングスティックの下および回りの異なる位置におけるユーザタッチ１４５を認識し、異なるユーザ入力としてこれらのユーザタッチを識別する。例として、ポイントスティックは、ＩＢＭ社によるＴＲＡＣＫＰＯＩＮＴ、およびＳｙｎａｐｔｉｃｓ社によるＴＯＵＣＨＳＴＹＫとして商標登録されたポインティングスティックのように作用してもよい（「ニップル」として両方とも非公式的に知られている）。

［３．タッチセンサおよびディスプレイ］
好適な実施形態のタッチセンサ１４０は、表面１１５の特定領域の近くのユーザタッチを検出するように機能する。タッチセンサ１４０は、（図３ａおよび図３ｂに示されるように）好適には基板１２０の下に配置されるが、（図４ａおよび図４ｂに示されるように）代替的には基板１２０の上に配置してもよい。基板１２０上に配置される場合、ユーザタッチの検出に加えて、タッチセンサ１４０はさらに空洞部１２５が拡張すると変形するように機能し、従って、タッチセンサ１４０は好適に層部１１０と同様の弾性特性を有する。この実施例の変形例として、タッチセンサ１４０は層部１１０として作用して、空洞部１２５を部分的に規定してもよい。タッチセンサ１４０は好適には、連続的または複数のステップにおいてユーザタッチを検出する。例えば、タッチセンサ１４０は好適には、静止しているユーザタッチ（表面１１５の変形を顕著に変更しない）と、緩やかなユーザタッチ（部分的に表面１１５を押して、通常の拡張していない表面１１５の平面に戻る）と、強いユーザタッチ（完全に表面１１５を押して、通常の拡張していない表面１１５の平面に戻る）とを区別する。換言すると、タッチセンサ１４０は好適に、変形の異なる「高さ」を検出する。しかしながら、タッチセンサ１４０は、バイナリ方法（「オン」または「オフ」）でユーザタッチを簡単に検出してもよい。ある実施例では、タッチセンサ１４０は好適に、商標ＣＬＥＡＲＰＡＤの下、Ｓｙｎａｐｔｉｃｓ社によって販売されているタッチパネルのような、静電容量型の従来のタッチセンサであるが、ユーザタッチを検出する適切なデバイスであってもよい。静電容量型のタッチセンサは好適に、空洞部１２５の内部または近くの２か所の間の静電容量の変化に基づいて、ユーザタッチを検出する。他の実施例では、タッチセンサ１４０は、空洞部１２５の中に配置されるか、あるいはそこに接続される圧力センサである。圧力センサは好適には、表面１１５の変形上のユーザタッチによって起こる空洞部１２５内部の圧力の変化に基づいて、ユーザタッチを検出する。さらに別の実施例では、タッチセンサ１４０は変位デバイス１３０と一体化され、表面１１５の変形上のユーザタッチによって起こる、流動体の移動または圧力の変化の何れかを検出する。これらは３つの実施例であるが、タッチセンサ１４０は、表面１１５の変形の近くのユーザタッチを検出する他の適切なデバイスまたは方法であってもよい。

好適な実施形態のディスプレイ１５０は、視覚的な方法でユーザとのインタフェースになるように機能する。ディスプレイ１５０は好適には従来の液晶クリスタルディスプレイ（ＬＣＤ）であるが、代替的には出力を表示する適切なデバイスでもよい。ある実施例では、図３ａおよび図３ｂに示されるように、ディスプレイ１５０は基板１２０の下に配置される。他の実施例では、タッチセンサ１４０およびディスプレイ１５０は、ユーザの入力を検出し、出力を表示する単一構造として一体化してもよい。例えば、タッチスクリーンとスキャナ機能の両方の埋め込み型の光学センサを有するＬＣＤが、日本のＳｈａｒｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社によるプレスリリースにおいて２００７年に発表された。この結合型のタッチセンサ／ディスプレイは、フレキシブルな場合は基板１２０の上に配置され、フレキシブルでない場合は基板１２０の下に配置することができる。ディスプレイ１５０が基板１２０と流動体の下に配置される場合、基板１２０と流動体は好適に透明であり、好適には実質的に同等（同一ではない場合）の屈折率を有するように選択される。実質的に同等の屈折率を有する基板１２０および流動体の実施例は：ＰＭＭＡ（屈折率１．４８９を有する）およびＣａｒｇｉｌｌｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ社のＡシリーズの流動体（１．４６０乃至１．６４０の範囲に及ぶ）、またはジエチルフタル酸と水の混合物を含む。携帯電話に用いられる場合、この文脈中の「実質的に同等」は好適に、互いに対して＋／−０．１を意味する。この、あるいは他の用途例に用いられる場合、「実質的に同等」は代替的に、ディスプレイ１５０の目に見える歪みを十分防ぐのと同等であることを意味してもよい。ディスプレイ１５０は好適に、いくつかの異なる視覚的結果を出力する。出力の１つは好適に、表面１１５の特定領域に位置合わせされた入力グラフィックであり、この領域は拡張した体積状態における空洞部１２５によって変形されうる。適切な入力グラフィックの実施例は、ＱＵＥＲＴＹキーボードのそれぞれの文字と、ダイヤルパッドのそれぞれの数字と、マップ上の異なる位置とを含む。

［４．プロセッサ］
好適な実施形態のユーザインタフェースシステム１００はさらに、変位デバイス１３０およびタッチセンサ１４０に接続されるプロセッサを具える。図１６に示されるように、プロセッサは、拡張した空洞部モードおよび収縮した空洞部モードにおいてユーザインタフェースシステム１００を作動するように機能する。拡張した空洞部モードでは、表面１１５の特定領域が変形した場合、表面１１５の特定領域をさらに顕著に変形させるユーザタッチは、好適には第１のタイプのユーザ入力として認識される。変形に対して指が静止しているユーザタッチのように、表面１１５の特定領域を顕著に変形させないユーザタッチは、好適には第１のタイプのユーザ入力として認識されない（かつ、好適には無視される）。この方法では、表面１１５の変形は、ユーザタッチをタッチセンサ１４０から遠ざけて、入力を作動させることなくユーザが変形（入力位置）に対して指を静止できるように、さらに機能する。ユーザが表面１１５の特定領域を顕著に変形させているか否かの問題は製造者、プロセッサ、またはユーザによって設定あるいは変更される。収縮した空洞部モードでは、表面１１５の特定領域が変形しない場合、表面１１５内の特定の領域におけるユーザタッチは、好適には第１のタイプのユーザ入力として認識されないが、代わりに第１のタイプのユーザ入力と区別できる第２のタイプのユーザ入力として認識される。

プロセッサはさらに、ユーザインタフェースシステム１００の設定を自動的に変更するように機能してもよい。第１の実施例では、非常に低い温度では、変位デバイス１３０は流動体の体積を変更して空洞部１２５を拡張し、表面１１５を変形させることはできないであろう。プロセッサを温度センサに接続して、このような状況下で変位デバイス１３０を使用不能にしてもよい。第２の実施例では、高度が高い状況では（または気圧が下がる航空機内では）、変位デバイス１３０は流動体の体積を変更して空洞部１２５を収縮させることはできないであろう。プロセッサを圧力センサに接続して、変位デバイス１３０を使用不能にする（または特定のバルブを閉鎖する）か、あるいはこのような状況下で変更される流動体の体積を単純に調整してもよい。

図１７に示されるように、プロセッサはさらに、異なる入力グラフィックが表面１１５の同じ変形のもとに表示され、異なる入力が認識されるようにディスプレイ１５０に接続してもよい。例として、空洞部１２５が拡張した体積状態にある場合、ディスプレイ１５０は（文字のような）第１のタイプの入力グラフィックを具えることができ、変形に対するユーザ入力は（文字のような）第１のタイプとなり、ディスプレイ１５０は（数字のような）第２のタイプの入力グラフィックを具えることができ、かつ変形に対するユーザ入力は（数字のような）第２のタイプとなる。空洞部１２５が収縮した体積状態にある場合、ディスプレイ１５０はさらに、（「入力」または「承認」入力のような）第３のタイプの入力グラフィックを具えることができ、タッチセンサ１４０上のユーザ入力は（「入力」または「承認」入力のような）第３のタイプとなる。

プロセッサはさらに、ディスプレイ１５０の出力を変更し、表面１１５内の変形によって起こる光学的な歪みを補正または調整するように機能してもよい。ある適用例において、ディスプレイ１５０を見ている時、変形が大きいと「フィッシュアイ」効果を起こしうるという事が考えられる。プロセッサは好適に、実験データを通して、この歪みの補正を助けるために出力を調整する。

プロセッサは、好適には変位デバイス１３０用の別個のリモートコントローラと、タッチセンサ１４０用の別個のリモートコントローラと、ディスプレイ１５０用の別個のリモートコントローラとを具える。しかしながら、プロセッサは、１以上のこれら要素のためのコントローラを一体化して具えてもよい。

［５．別の空洞部］
図１および図２に示されるように、好適な実施形態のユーザインタフェースシステム１００はさらに別の空洞部２２５を具える。以下に詳述されるものを除いて、更なる空洞部は好適には空洞部１２５と同一である。ある実施例では、図１８ａおよび図１８ｂに示されるように、変位デバイス１３０は空洞部１２５および別の空洞部２２５の両方に接続され、アレイのように共に作用しながら空洞部１２５および別の空洞部２２５を一緒に拡張するように構成されており、これにより、同時に表面１１５の１以上の領域を変形する。第２の実施例では、ユーザインタフェースシステム１００は、変位デバイス１３０と空洞部１２５との間に配置されたバルブと、変位デバイス１３０と別の空洞部２２５との間に配置された別のバルブとを具えており、空洞部１２５および別の空洞部２２５内に流入する流動体をそれぞれ選択的に制御する。第３の実施例では、図１９ａおよび図１９ｂに示されるように、ユーザインタフェースシステム１００は、別の空洞部２２５に接続された別の変位デバイス２３０を具えており、別の空洞部２２５を拡張するように機能し、これにより、表面１１５の別の領域を変形する。それ以外では、別の変位デバイス２３０は、変位デバイス１３０と同等または同一である。変位デバイス１３０と別の変位デバイス２３０とを別個に制御することにより、空洞部１２５および別の空洞部２２５は独立して拡張することができる。第４の実施例では、図２０ａ、図２０ｂ、および図２０ｃに示されるように、変位デバイス１３０はリニアアクチュエータであり、空洞部１２５を拡張して別の空洞部２２５を収縮する（図２０ａに示される）か、空洞部１２５および別の空洞部２２５を収縮する（図２０ｂに示される）か、あるいは空洞部１２５を収縮して別の空洞部２２５を拡張する（図２０ｃに示される）かの何れかを行うことができる。図２１ａに示されるように、この構成は多数の空洞部のアレイにおいて特に有用であり、この場合、ダイヤルパッドに位置合わせされた空洞部が拡張する（図２１ｂに示される）か、あるいはＱＵＥＲＴＹキーボードに位置合わせされた空洞部が拡張する（図２１ｃに示される）。

［６．電源］
好適な実施形態のユーザインタフェースシステム１００はさらに、電源または電力利用デバイスの何れかを具え、双方が変位デバイス１３０（および、タッチセンサ１４０および／またはディスプレイ１５０といった、ユーザインタフェースシステムの他の要素）に動力を供給するように機能する。電源は好適には従来の電池だが、変位デバイス１３０に動力を供給する適切なデバイスまたは方法であってもよい。電力利用デバイスは、好適には折りたたみ携帯電話またはラップトップのヒンジ部と一体型であり、（折りたたみ携帯電話の開口部またはラップトップの画面のように）電子機器の通常利用に関連する動力の一部を利用するように機能する。電力利用デバイスは代替的には、（携帯電話の側面上のボタン、または自動時計に見出される「自動巻き」デバイスのような）別個の機械的な入力機器、あるいは他の適切なデバイスまたは方法に一体化され、電子機器の通常利用に関連する動力の一部を利用する。

［７．代替の実施形態］
本発明の代替の実施形態のユーザインタフェースシステムは、ディスプレイ１５０を省略する。代替の実施形態のユーザインタフェースシステムは、それ以外では好適な実施形態のユーザインタフェースシステム１００と同等または同一である。代替の実施形態のユーザインタフェースシステムは、通常は電子機器の周辺装置のようなディスプレイを含まない電子機器に組み込むことができる。適切な周辺装置は、マウスと、トラックパッドと、キーボードと、リモートコントロールとを含む。これらの周辺装置は大抵、触覚的によってのみ利用され、視覚的には利用されない。しかしながら、ユーザインタフェースシステムは、様々な適切なデバイスに組み込まれてもよい。

ユーザインタフェースの技術分野の当業者が、以上の詳述、図面および特許請求の範囲から分かるように、以下の請求項に規定された本発明の範囲を超えることなく、本発明の好適な実施例に対する改良および変更がなされうる。

Claims (37)

1. ユーザインタフェースシステムにおいて、
   表面を規定する層部と；
   当該層部を支持し、空洞部を少なくとも部分的に規定する基板と；
   前記空洞部に連結され、前記空洞部を拡張するように構成されており、これにより、前記表面の特定領域が変形する変位デバイスと；
   前記基板に接続され、前記表面の特定領域の近くのユーザタッチを検出するように構成されるタッチセンサとを具えることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
2. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記層部がほぼ弾性であることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
3. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記表面が実質的に連続であることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
4. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記基板および前記層部が協働して前記空洞部を規定することを特徴とするユーザインタフェースシステム。
5. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記層部および前記基板が単一構造として形成されることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
6. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記空洞部が、少なくとも２つの体積状態：収縮した体積状態と拡張した体積状態とを有することを特徴とするユーザインタフェースシステム。
7. 請求項６に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記表面は実質的に平面であり、前記拡張した体積状態において前記空洞部が前記表面の平面を超えて拡張することを特徴とするユーザインタフェースシステム。
8. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記空洞部が流動体を具えることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
9. 請求項８に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記空洞部を拡張するために、前記変位デバイスが前記流動体の体積を変更するように構成されることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
10. 請求項９に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記流動体の体積を変更するために、前記変位デバイスが前記流動体を加熱する加熱要素を具えることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
11. 請求項８に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記変位デバイスが前記空洞部に接続され、前記空洞部を拡張するために更なる流動体を前記空洞部に移動させるように構成されることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
12. 請求項１１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、更なる流動体を含むように構成される容器と、当該容器と前記空洞部とを接続する流路とをさらに具えており、前記変位デバイスが、前記空洞部を拡張するために前記容器から前記流路を通って前記空洞部に更なる流動体を移動させることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
13. 請求項１２に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記変位デバイスがリニアアクチュエータであることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
14. 請求項１２に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記流路の少なくとも一部が、微小流体の流路であることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
15. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、変形がボタンであって、前記タッチセンサが前記ボタンを変形させるユーザタッチを検出するように構成されることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
16. 請求項１５に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記ボタンが、実質的にドーム形状の突出部を具えることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
17. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、変形がガイドであって、前記タッチセンサが前記ガイドに近接する前記表面上の異なる位置におけるユーザタッチを検出するように構成されることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
18. 請求項１７に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記ガイドが、実質的に隆起形状の突出部を具えることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
19. 請求項１７に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記ガイドが、２つの実質的に隆起形状の突出部を具えることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
20. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記基板が、前記層部と前記タッチセンサとの間に配置されることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
21. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記タッチセンサが、前記表面を規定する前記層部を具えることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
22. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記タッチセンサが、静電容量型タッチセンサを具えることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
23. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記タッチセンサに接続され、少なくとも以下の２つのモードにおいてユーザインタフェースシステムを作動するように構成されるプロセッサをさらに具えており、前記２つのモードが：
    第１のモード：前記表面の特定領域が変形する場合、前記表面の特定領域をさらに変形させるユーザタッチが第１のタイプのユーザ入力として認識される第１のモードと、
    第２のモード：前記表面の特定領域が変形しない場合、前記表面の特定領域におけるユーザタッチが前記第１のタイプのユーザ入力として認識されない第２のモードとであることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
24. 請求項２３に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記第１のモードがさらに：前記表面の特定領域が変形する場合、前記表面の特定領域を実質的にさらに変形させないユーザタッチが、前記第１のタイプのユーザ入力として認識されないように規定されることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
25. 請求項２３に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記第２のモードがさらに：前記表面の特定領域が変形しない場合、前記表面の特定領域におけるユーザタッチが、前記第１のタイプと区別可能な第２のタイプのユーザ入力として識別されるように規定されることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
26. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記基板に接続されたディスプレイをさらに具えることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
27. 請求項２６に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記ディスプレイが少なくとも２の画像を視覚的に出力するように構成されており、１の画像が前記空洞部によって変形可能な前記表面の特定領域に実質的に位置合わせされた入力キーの画像を含むことを特徴とするユーザインタフェースシステム。
28. 請求項２６に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記ディスプレイと前記タッチセンサとが、単一デバイスとして一体化されることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
29. 請求項２６に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記ディスプレイが、前記表面を規定する前記層部を具えることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
30. 請求項２６に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記基板が、前記層部と前記ディスプレイとの間に配置されることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
31. 請求項３０に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記空洞部が流動体を保持しており、前記流動体および前記基板が実質的に透明であることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
32. 請求項３１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記流動体および前記基板が、実質的に同等の屈折率を有することを特徴とするユーザインタフェースシステム。
33. 請求項２６に記載の前記ユーザインタフェースシステムを有する電子機器において、当該電子機器が、自動制御盤、デスクトップ型コンピュータ、ラップトップ型コンピュータ、タブレット型コンピュータ、テレビ、ラジオ、卓上電話、携帯電話、ＰＤＡ、携帯ナビゲーション機器、携帯メディアプレーヤ、カメラ、および時計からなるグループから選択されることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
34. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記基板が第２の空洞部を少なくとも部分的に規定しており、前記変位デバイスがさらに前記第２の空洞部に接続され、第１の空洞部および前記第２の空洞部の両方を拡張するように構成され、これにより、前記表面の２つの領域が変形することを特徴とするユーザインタフェースシステム。
35. 請求項１に記載のユーザインタフェースシステムにおいて、前記基板が別の空洞部を少なくとも部分的に規定し、前記別の空洞部に接続され、前記別の空洞部を拡張するように構成され、これにより、前記表面の第２の領域を変形させる第２の変位デバイスをさらに具えることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
36. 請求項１に記載の前記ユーザインタフェースシステムを有する電子機器用の周辺機器において、マウス、トラックパッド、キーボード、およびリモートコントロールからなるグループから選択されることを特徴とする周辺機器。
37. ユーザインタフェースシステムにおいて：
    実質的に連続であり、実質的に平面状の表面を規定する弾性の層部と；
    当該層部を支持し、流動体を保持して少なくとも２つの体積状態：収縮した体積状態と拡張した体積状態とを有する空洞部を少なくとも部分的に規定する基板と；
    前記空洞部に接続され、前記流動体の体積を変更するように構成されて、これにより、前記収縮した体積状態から前記拡張した体積状態に前記空洞部を拡張する変位デバイスであって、前記拡張した体積状態における前記空洞部が前記表面の平面を超えて拡張し、これにより、前記表面の特定領域を変形させる変位デバイスと；
    前記基板に接続され、前記表面の特定領域に近いユーザタッチを検出するように構成されるタッチセンサと；
    前記基板に接続され、少なくとも２の画像を視覚的に出力するように構成されたディスプレイであって、１の画像が前記空洞部によって変形可能な前記表面の特定領域に実質的に位置合わせされた入力キーの画像を含み、前記基板が前記層部と前記ディスプレイとの間に配置され、前記流動体および前記基板が実質的に透明で実質的に屈折率整合されたディスプレイと；
    前記タッチセンサに接続され、少なくとも以下の２つのモードにおいて前記ユーザインタフェースシステムを作動するように構成されるプロセッサとを具えており、前記２つのモードが：
    第１のモード：前記表面の特定領域が変形する場合、前記表面の特定領域をさらに変形させるユーザタッチが第１のタイプのユーザ入力として認識される第１のモードと；
    第２のモード：前記表面の特定領域が変形しない場合、前記表面の特定領域におけるユーザタッチが前記第１のタイプのユーザ入力と区別可能な第２のタイプのユーザ入力として認識される第２のモードとであることを特徴とするユーザインタフェースシステム。
    

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