JP2011519082A - マルチポイント触覚フィードバックテキスチャーシステムを提供するための方法および装置 - Google Patents

マルチポイント触覚フィードバックテキスチャーシステムを提供するための方法および装置 Download PDF

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Abstract

変形可能な表面を使用する触覚テキスチャーを使用できる方法、および表面の再構成可能な触覚デバイスが開示される。表面を再構成できる触覚デバイスは、可撓性表面層と、触覚基板と、変形機構とを含む。可撓性表面層は、軟質の弾性層であり、この層は、あるテキスチャーから別のテキスチャーにその表面特性を変えることができる。一実施形態における触覚基板は、第１の作動信号に応答し、第１のパターンを発生する。これとは異なり、触覚基板は第２の作動信号に従い、第１のパターンの代わりに第２のパターンを発生する。変形機構は、第１のパターンに従い、第１の表面特性から第２の表面特性へ可撓性表面を変えるように構成されている。

Description

（関連出願とのクロスレファレンス）
本願は、本明細書において参考例として援用する、２００８年４月２日に出願された先願の米国特許出願第12/061,463号に基づく優先権を主張するものである。
（関連出願）
本願は、本発明の出願人に譲渡されている次の継続中の米国特許出願にそれぞれ関連するものである。
ａ．「マルチタッチ触感のタッチパネルアクチュエータ機構のための方法および装置」を発明の名称とし、２００７年６月２６日に出願された米国特許出願第11/823,192号、代理人整理番号IMM255(1057.P0002US)；
ｂ．「マルチタッチ触覚のタッチパネルアクチュエータ機構のための方法および装置」を発明の名称とし、２００７年６月２６日に出願された米国特許出願第11/823,258号、代理人整理番号IMM272(1057.P0003US)；
ｃ．「変形可能な触覚表面（ｈａｐｔｉｃ ｓｕｒｆａｃｅｓ）を使用して特徴部の位置を固定されたレリーフタッチスクリーンに提供するための方法および装置」を発明の名称とし、２００７年１１月２１日に出願された米国特許出願第11/943,862号、代理人整理番号IMM290(1057.P0014US)
（分野）
本発明の実施形態は、電子インターフェースデバイスの分野に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、触覚（ｈａｐｔｉｃ）フィードバックを行うインターフェースデバイスに関する。
（背景）
コンピュータに基づくシステム、装置、現金自動支払機、ＰＯＳターミナルおよび同等物が近年、より普及するにつれて、人とマシンのインターフェースを使用することが容易であることが、次第に重要となってきている。従来のタッチセンサパネルは、平滑で平坦な表面を通常有しており、指および／または物体が接触しているロケーションを検出するためのセンサ、例えば容量センサおよび／または圧力センサを使用している。例えばユーザーはボタンの押し下げをエミュレートするために、一般に指の先端でタッチスクリーンのある領域を押圧し、および／またはディスプレイデバイス上のパネルの後方にディスプレイされたグラフィックに従い、パネル上で自分の指を移動する。
実際の世界では、広範な種々の表面テキスチャーが存在する。これらテキスチァーは、視覚的構造だけでなく、種々の表面への接触の触感も示すのに使用されている。人とコンピュータのインターフェースデバイスでは、コンピュータスクリーン上にディスプレイされる画像の形態をした仮想テキスチャーがユーザーに提示されることが多い。例えば、ユーザーがサンドペーパーおよび／またはコーデュロイの画像を見ることができるが、ユーザーは、一般にディスプレイまたはタッチスクリーンに触れたときにサンドペーパーまたはコーデュロイがどんな感じであるかを感じることはできない。タッチスクリーンまたはタッチ表面を使用する場合、そのスクリーンのテキスチャーは、代表的な平滑な表面として感じられ、この平滑な表面は、通常スクリーン上の画像がディスプレイしているもののテキスチャーをシミュレートできない。タッチスクリーンまたはタッチ表面が人工的なテキスチャー、例えば盛り上がった表面でコーティングされていても、ユーザーはコーティングされた１つのテキスチャーしか感じることができない。
従来のタッチセンサパネルに関する問題は、このパネルがユーザーに対してコンフィギュレーション可能なテキスチャー情報を提供できないことである。従来のタッチセンサパネルに関連する別の問題は、ユーザーが入力信号を入力したときに、視覚的合図（ｃｕｅｓ）、またはサウンドシステムに結合されているときには可聴的合図以外の入力確認信号を、センサが発生できないことである。例えばユーザーが従来のタッチセンサパネル上のあるロケーションを押圧するとき、機械的スイッチができるような、選択された入力を瞬間的に確認できる能力をパネルは、一般的に有していない。
変形可能な表面を使用する触覚テキスチャーを使用できる方法、および表面の再構成可能な触覚デバイスが開示される。表面を再構成できる触覚デバイスは、可撓性（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）表面と、触覚基板と、変形機構とを含む。可撓性表面は、軟質の弾性層であり、この層は、あるテキスチャーから別のテキスチャーにその表面特性を変えることができる。一実施形態における触覚基板は、第１の作動信号に応答し、第１のパターンを発生する。これとは異なり、触覚基板は第２の作動信号に従い、第１のパターンの代わりに第２のパターンを発生する。変形機構は、第１のパターンに従い、第１の表面特性から第２の表面特性へ可撓性表面を変えるように構成されている。
以下に記載する詳細な説明、図面および請求の範囲から、本発明の実施形態の別の特徴および利点が明らかとなろう。
以下に記載する詳細な説明および本発明の種々の実施形態の添付図面から、本発明の実施形態について、より完全に理解できるが、これら詳細な説明および添付図面は、本発明を特定の実施形態だけに限定すると見なすべきでなく、これら説明および図面は、単に説明のためのものであり、かつ発明の理解を容易にするためのものである。
本発明の一実施形態に係わる、触覚基板および可撓性表面を使用する触覚デバイスのうちの１つを示す。 本発明の一実施形態に係わる、触覚基板および可撓性表面を使用する触覚デバイスのうちの１つを示す。 本発明の一実施形態に係わる、触覚基板および可撓性表面を使用する触覚デバイスのうちの１つを示す。 本発明の一実施形態に係わる、触覚基板および可撓性表面を使用する触覚デバイスのうちの１つを示す。 本発明の一実施形態に係わる、触覚基板および可撓性表面を使用する触覚デバイスのうちの１つを示す。 本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を有する触覚デバイスを示す横断面略図である。 本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を有する触覚デバイスを示す横断面略図である。 本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を有する触覚デバイスを示す横断面略図である。 本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を有する触覚デバイスを示す横断面略図である。 本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を使用する触覚デバイスの別の例を示す横断面略図である。 本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を使用する触覚デバイスの別の例を示す横断面略図である。 本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を使用する触覚デバイスの別の例を示す横断面略図である。 本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を使用する触覚デバイスの別の例を示す横断面略図である。 本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を使用する触覚デバイスの別の例を示す横断面略図である。 本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を使用する触覚デバイスの別の例を示す横断面略図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施形態に係わる、ピエゾ電気材料およびマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）要素を使用する触覚デバイスにおける触覚セルの例を示す。 本発明の一実施形態に係わる、熱流体ポケットを備えた触覚セルのアレイを有する触覚デバイスの側面図を示す。 本発明の一実施形態に係わる、熱流体ポケットを備えた触覚セルのアレイを有する触覚デバイスの側面図を示す。 本発明の一実施形態に係わる、触覚効果を発生するためにマイクロ電子機械システムポンプを使用する触感セルを示す。 本発明の一実施形態に係わる、触覚効果を発生するためにマイクロ電子機械システムポンプを使用する触感セルを示す。 本発明の一実施形態に係わる、多孔度可変膜を使用する触覚セルのアレイを有する触覚デバイスのための側面略図を示す。 本発明の一実施形態に係わる種々の共振デバイスを使用する触覚セルのアレイを有する触覚デバイスの側面図である。 本発明の一実施形態に係わる変形可能な触覚表面に触覚テキスチャーを提供するためのプロセスを示すフローチャートである。
（詳細な説明）
以下、可撓性表面に触覚表面テキスチャーを提供するための方法、システムおよび装置に関連し、本発明の実施例について説明する。
当業者であれば、実施例の次の詳細な説明は、単なる説明のためのものであり、発明を限定するものではないことが認識できよう。当業者には、この開示の利点を有する別の実施形態も容易に想到できよう。以下、添付図面に示されるような実施形態の実施について、詳細に参照する。図面全体にわたり、同じ参照符号を使用し、次の詳細な説明は、同一または同様な部分を参照する。
本発明を明瞭にするために、本明細書で説明する実現例の通常の特徴のすべてを図示し、説明するわけではない。当然ながら、かかる実際の実現例の開発に当たり、アプリケーションに関連する制約およびビジネスに関連する制約を満たすような開発者の固有の目標を達成するために、実現例固有の判断を行わなければならないこと、およびこれら特定の目標は実現例ごとに異なり、かつ開発者ごとに異なることが理解できよう。
種々の触覚アクチュエータを使用する、変形可能な表面層を覆う触覚テキスチャー状表面（ｈａｐｔｉｃ ｔｅｘｔｕｒｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ）を有するユーザーインターフェースデバイスが開示される。このデバイスは可撓性表面層と、触覚基板と、変形機構とを含み、例えば可撓性表面層は、その表面構造を、あるテキスチャー（すなわち、触覚基板）から別のテキスチャーに変えることができる軟質および／または弾性材料から製造される。一実施形態における触覚基板は、第１作動信号に応答し、第１パターンを提供する。その次に、触覚基板は第２作動信号に従って第２パターンを提供できる。可撓性表面のテキスチャーを第１表面特性から第２表面特性に変えるのに、変形機構が使用されている。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係わる、触覚基板と可撓性表面を使用する触覚デバイス１００を示す三次元（３Ｄ）図である。デバイス１００は、可撓性表面層１０２と、触覚基板１０４と、変形機構１０６とを含む。デバイス１００は、ユーザーインターフェースデバイス、例えば携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、自動車用データ入力システムなどのためのインターフェースとすることができる。デバイス１００に１つ以上のブロック（回路または層）を追加したり、またはデバイス１００から除いたりしても、本発明の実施形態の基礎となる原理は、変わらないと理解すべきである。
ある場合における可撓性表面層１０２は、軟質および／または弾性材料、例えばポリシロキサンとしても知られるシリコーンゴムから製造されている。可撓性表面層１０２の機能は、触覚基板１０４の物理的パターンに接触したときにその表面形状またはテキスチャーを変えることである。触覚基板１０４の物理的パターンは、接触時に局部的特徴部１１０〜１２４の１つ以上を上下させ、可撓性表面層１０２の表面に影響する機能を奏する際に可変となっている。一旦、触覚基板１０４の物理的パターンが決定されると、可撓性表面層１０２のテキスチャーが変化し、その表面テキスチャーを触覚基板１０４の物理的パターンに一致させることができる。あるテキスチャーから別のテキスチャーへの可撓性表面層１０２の変形は、変形機構１０６により制御できると理解すべきである。例えば、変形機構１０６が作動されていないとき、可撓性表面層１０２は、その平滑なコンフィギュレーションを触覚基板１０４上に浮遊状態または載置された状態に維持する。しかしながら、変形機構１０６が作動され、触覚基板１０４が可撓性表面層１０２に接触し、可撓性表面１０２の頂部表面上で同様なパターンを発生すると、可撓性表面層１０２の表面構造は、平滑な構造から粗い構造に変形、すなわち変化する。
これとは異なり、可撓性表面層１０２は、ユーザーの入力を取り込むことができる可撓性の接触センサー表面となっている。この可撓性接センサー表面は、多数の領域に分割でき、可撓性接触センサー表面の各領域は、指が領域に接触するか、または指によってその領域が押されたときに、入力を受け入れできるようになっている。一実施形態では、可撓性接触感応表面は、センサを含み、このセンサは、近くの指を検出し、デバイスを起動またはターンオンすることができる。可撓性表面層１０２は、この可撓性表面層１０２と共に変形できる可撓性ディスプレイも含むことができる。可撓性ディスプレイ、例えば有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、有機またはポリマーＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を製造するのに、種々の可撓性ディスプレイ技術も使用できることに留意すべきである。
触覚基板１０４は、１つ以上のパターン作動信号に応答してその表面パターンを変えることができる表面を再構成可能な触覚デバイスとなっている。この触覚基板１０４は、触覚機構、触覚層、触感要素などとも称すことができる。一実施形態における触覚基板１０４は、多数の触感（ｔａｃｔｉｌｅ）または触覚（ｈａｐｔｉｃ）領域１１０〜１２４を含み、各領域を別々に制御し、作動させることができるようになっている。各触感領域を別々に作動できるので、触覚基板１０４のユニークな表面パターンは、パターン作動信号に応答するように構成できる。別の実施形態では、どの触感領域も更に多数の触覚ビットに分割され、各ビットを別々に附勢または作動、もしくは不作動にできるようになっている。
一実施形態における触覚基板１０４または触覚機構は、作動コマンドまたは作動信号に応答して触覚フィードバックを行うように作動できる。触覚基板１０４は、多数の触感フィードバックまたは触覚フィードバックを行い、ここでは表面変形のために１つの触感フィードバックが使用され、入力確認のために別の触感フィードバックが使用される。入力確認とは、選択された入力をユーザーに伝えるための触感フィードバックのことであり、例えば触覚機構１０４は振動、垂直変位、横方向変位、プッシュ／プル機構、空気／流体ポケット、材料の局部的変形、共振機械要素、ピエゾ電気材料、マイクロ電子−機械システム（ＭＥＭＳ）要素、熱流体ポケット、ＭＥＭＳポンプ、多孔性可変膜、層流変調手段または同等のものを含む種々の技術によって実現される。
一実施形態における触覚基板１０４は、半可撓性または半剛性材料によって構成されている。一実施形態では、触覚基板は、可撓性表面１０２の表面テキスチャーが触覚基板１０４の表面パターンに一致できるよう、触覚基板は、可撓性表面１０２よりもより堅く（ｒｉｇｉｄ）なければならない。例えば触覚基板１０４は、１つ以上のアクチュエータを含み、これらアクチュエータは、電気的にアクティブなポリマー（ＥＡＰ）のファイバー（またはナノチューブ）、ピエゾ電気要素、形状記憶合金（ＳＭＡ）のファイバーまたは同等物から構成できる。生物学的筋肉または人工筋肉としても知られるＥＡＰは、電圧の印加に応答し、その形状を変化させることができる。ＥＡＰは、大きい力を維持すると、ＥＡＰの物理的形状を変形できる。ＥＡＰは、電気ひずみポリマー、誘電エラストマー、導電性ポリマー、イオンポリマー金属複合体応答性ジェル、バッキージェルアクチュエータまたは上記ＥＡＰ材料の組み合わせから構成できる。
触覚基板１０４を構成するのに使用できる別のタイプの材料として、記憶金属としても知られるＳＭＡ（形状記憶合金）がある。このＳＭＡは、銅−亜鉛−アルミ合金、銅−アルミ−ニッケル合金、ニッケル−チタン合金、または銅−亜鉛−アルミ合金と銅−アルミ−ニッケル合金および／またはニッケル−チタン合金の組み合わせから製造できる。このＳＭＡの特徴は元の形状を変形しても、周辺温度および／または周辺環境に従い、元の形状を回復することである。本実施形態は特定の触覚感を得るためにＥＡＰ、ピエゾ電気要素および／またはＳＭＡを組み合わせることができることに留意すべきである。
変形機構１０６は、触覚基板１０７内の要素を変換するための引っ張り力および／または押圧力を発生し、可撓性表面１０２を変形させる。例えば変形機構１０６が可撓性表面１０２と触覚基板１０４との間に真空を発生させると、可撓性表面１０２が触覚基板１０４に対して押され、触覚基板１０４の表面パターンに従い、可撓性表面１０２がテキスチャーを示す。換言すれば、触覚基板１０４の表面パターンが一旦発生されると、可撓性表面は、触覚基板１０４にひかれるか、または押し込まれ、可撓性表面１０２の変形した表面を通して、触覚基板１０４のパターンを現す。一実施形態では、触覚基板１０４と変形機構１０６とは、同じまたは実質的に同じ層内に構成される。
第１作動信号を受信すると、触覚基板１０４は、第１表面パターンを発生する。触覚基板１０４の表面パターンの形成後に、変形機構１０６は、触覚基板１０４の表面パターンに応答し、可撓性表面１０２の表面テキスチャーを変えるように作動される。これとは異なり、触覚基板１０４が第２の作動信号を受信した場合、この基板は第２パターンを発生する。
触覚基板１０４は、更に多数の触覚領域を含み、ここで、基板の１つの表面パターンを形成するように、各領域を別個に作動させることができる。触覚基板１０４は、ユーザーが入力した入力選択を確認するための確認フィードバックを行うこともできる。変形機構１０６は、第１表面特性から第２表面特性へ可撓性表面１０２の表面テキスチャーを変形するように構成されている。触覚デバイスは、更にセンサを含み、このセンサは、可撓性表面１０２への接触を検出すると、デバイスを作動させることができる。変形機構１０６は、真空発生器とすることができ、この真空発生器は、触覚基板１０４の第１パターンの構造に従い、第１表面パターンに対して可撓性表面１０２をつぶし、その構造を変換させることができる。
図１（ｂ）は、本発明の一実施形態に係わる触覚基板および可撓性表面を使用する触覚デバイス１３０を示す３Ｄ図である。デバイス１３０は、可撓性表面１０２と、触覚基板１３４と、変形機構１０６とを含む。本発明の実施形態の基礎となる原理は、デバイス１３０に別のブロック（回路または層）を追加したり、またはデバイス１３０から除いたりしても変わらないことに留意すべきである。
触覚基板１３４は、触感領域１３６および１３９が作動されることを除けば、図１（ａ）に示された触覚基板１０４に類似または実質的に類似する。触感領域１３６および１３９は、ｚ軸方向に持ち上げられている。１つ以上の作動信号を受信すると、触覚基板１３４は作動信号に従って表面パターンを識別する。触覚基板１３４は、種々の触感領域、例えば領域１３６および１３９を作動し、パターンを発生させることにより、識別されたパターンを発生する。触感領域１３６および１３９は、２つのボタンまたはキーをまねたものであることに留意すべきである。別の実施形態では、触感領域１３６または１３９は、多数の触覚ビットを含み、各ビットは作動状態または不作動状態となるように制御できる。
図１（ｃ）は、本発明の一実施形態に従い、触覚基板および可撓性表面を使用する触覚デバイス１４０を示す３Ｄ図である。デバイス１４０は、可撓性表面１４２と、触覚基板１３４と、変形機構１０６とを含む。触覚基板１３４と変形機構１０６とは同一の要素であるか、または実質的に同一の要素であることに留意すべきである。デバイス１４０に別のブロックを追加したり、デバイス１４０から除いたりしても、本発明の実施形態の基礎となる原理は変わらないことに更に留意すべきである。
変形機構１０６が作動されると、可撓性表面１４２は、触覚基板１３４の上につぶれる。触覚基板１３４は図１（ｂ）に示されるように、バンプ１５６および１５９を形成するよう、２つの作動された触感領域１３６および１３９を有する。一例におけるこれらバンプ１５６および１５９は、２つのボタンをまねたものである。例えば触覚基板１３４は、ボタン１５６または１５９への接触を検出し、どのボタンが押されたかを確認するための触覚フィードバックを行うことができる。これとは異なり、触覚基板１３４は、１つ以上の信号に応答して多数のユニークな物理的パターンの１つを発生できる。このように、触覚基板１３４が発生するパターン（単数または複数）に従い、可撓性表面１０２を異なるパターンに再構成できる。可撓性表面の表面テキスチャーは、電話のキーパッド、計算機のボタン、コンピュータのキーパッド、ラジオのパネル、ＰＤＡインターフェースまたは同等物となるように構成できる。
図１（ｄ）は、本発明の一実施形態に従い、触覚効果によって発生した異なるパターンを示す触覚基板１５０〜１７０の例を示す。基板１５０は、触覚領域１５２のアレイを示し、ここで各領域を別々に制御し、作動させることができる。基板１６０は、基板１６０の中心部分に位置する９つの触覚領域が作動され、持ち上げられている状態を示す。更に、触覚基板１７０のうちの２つの部分１７２〜１７４は、異なる表面パターンとなるように持ち上げられている。種々の制御信号に応答し、触覚領域のアレイから種々の異なるパターンを発生できることに留意すべきである。基板は時間に対して変化でき、これによって同じように可撓性表面１０２も変化することに留意すべきである。
図１（ｅ）は、本発明の一実施形態に係わる触覚基板および可撓性表面を使用する触覚デバイス１８０を示す。デバイス１８０は、可撓性スクリーンと、アクチュエータ１８６のアレイとを含み、可撓性スクリーンは、触覚感覚とコンピュータグラフィックスとを組み合わせることができる。例えば可撓性スクリーンは、山１８２の地形および／またはテキスチャーだけでなく、湖１８４の水の触感またはテキスチャーも示す。コンピュータが山の地形および湖のグラフィック表示をディスプレイすると、デバイス１８０は山に対する山の地形および湖に対する水のテキスチャーの現実的な触感を提供する。例えばユーザーが湖１８４に接触すると、ユーザーは水の触感を感じ、ユーザーが山１８２に触れると、岩の触感を感じる。しかしながらコンピュータが別のグラフィック表示（例えば海岸）をディスプレイすると、デバイス１８０は海岸または砂の触感を示すための表面の特徴を変える。デバイス１８０内のアクチュエータアレイ１８６を置換えるのに、触覚基板１０４を使用できることに留意すべきである。
図２（ａ）〜（ｂ）は、本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を有する触覚テキスチャーデバイスを示す横断面略図２００〜２２０を示す。略図２００は、可撓性または変形可能な表面２０２と、所定の基板２０４と、変形機構２０６とを含む。一実施形態では、略図２００は図２（ａ）〜（ｂ）には示されていないディスプレイを含み、このディスプレイは液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）またはユーザーが見ることのできる画像をディスプレイできる他のタイプの平面パネルディスプレイとすることができる。略図２００または２２０に１つ以上の層を追加しても、本発明の実施形態の基礎となる原理は、変わらないことに留意すべきである。
略図２００は、変形機構２０６が作動されておらず、可撓性表面２０２がその自然な平滑表面を基板２０４の頂部上に浮遊状態に維持している状況を示す。略図２２０は、変形機構２０６が作動され、可撓性表面２２２が所定の基板２０４上につぶれ、基板２０４が提供するパターンとなるように表面２２０を成形している状況を示す。従って、可撓性表面２０２は変形機構２０６の状態に従い、その表面構造を平滑な構造から粗い構造に変える。別の実施形態では、基板２０４と変形機構２０６とは、１つの触覚層となるように組み合わされており、この触覚層は表面パターンを形成するだけでなく、変形機能も奏する。
一実施形態に係わる所定の触感基板２０４は、触感基板の表面の特定の領域を上下することを可能にする触覚制御機構を追加することにより、形状を再び定めたり、または再パターン化できる。触覚デバイス、例えばピエゾ電気材料、マイクロ電気−機械システム（ＭＥＭＳ）要素、熱流体ポケット、ＭＥＭＳポンプ、共振デバイス、多孔度可変膜、層流変調手段または同等なものを使用することにより、基板表面の変換を達成できる。一実施例における基板の形状を再び定めること、または再パターン化することにより、限定されない表面形状またはテキスチャーが可能となる。例えば仮想ボタンまたはスライダーをまねた盛り上がったエッジまたは仮想キーパッドをまねた心出しディテント（ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ ｄｅｔｅｎｔ）を可能にする。
図２（ｃ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を有する触覚デバイスの別の例を示す横断面略図２３０〜２４０を示す。略図２３０は、可撓性、すなわち変形可能な表面２３２と、触覚基板２３４と、変形機構２３６とを含む。略図２３０は、変形機構２３６が作動されず、可撓性表面２３２がその自然な平滑表面を維持している状況を示す。作動されると、触覚基板２４４は所定の基板２０４が提供するパターンに類似したパターンを発生する。一実施形態における触覚基板２４４は、パターンを発生するための触覚フィードバックを行う。この触覚フィードバックを、触感効果、触感フィードバック、触覚効果、力フィードバックまたは振動触感フィードバックと称すこともできる。
略図２４０は、変形機構２３６が作動され、可撓性表面２４２が触覚基板２４４上につぶれ、基板２４４が提供するパターンにその表面を成形する状況を示す。従って、一実施形態における可撓性表面２４２は、変形機構２３６の状態に応答し、その表面構造を平滑な構造から粗い構造に変える。触覚基板２４４が発生するパターンは、可撓性表面２４２のテキスチャーを変更する。可撓性表面２０２または２３２または２４２は、ユーザーからの入力を取り込むことができるタッチセンサ表面とすることができることにも留意すべきである。別の実施形態では、触覚基板２４４と変形機構２３６とは、１つの触覚層となるように組み合わされ、この触覚層は、ユニークなパターンを発生できるだけでなく、表面の変形も行うことができる。
テキスチャーのタイプは、可変度の粗いテキスチャーおよび平滑なテキスチャー、または硬質のテキスチャーおよび軟質のテキスチャー、もしくは高温テキスチャーおよび低温テキスチャーを含むことができるが、これらだけに限定されない。これらテキスチャーは、仮想的オブジェクトまたは仮想的表面、例えばサンドペーパーおよび／またはコーデュロイの画像のフィーリング、または相互作用、例えばドラッグ、プル、プッシュ、ピンチ、拡張、消去、描画などに適用できるが、これらだけに限定されない。触覚システムが提供する種々のタイプのテキスチャーは、表面に接触するための制御可能な、かつカスタム化可能なテキスチャーとすることができると理解すべきである。別の実施形態では、触覚デバイスまたはシステムは、相互作用、例えば仮想ボタン、スイッチおよび／またはスライダーを操作し、ナビゲートし、および／または制御するための確認動作もユーザーに提供する。
図３（ａ）〜（ｂ）は、本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を使用する触覚デバイスの別の例を示す横断面略図３００〜３２０を示す。略図３００は、可撓性または変形可能な表面３０２と、所定の基板３０４と、変形機構３０６とを含み、所定の基板３０４は、バンプ（ｂｕｍｐｓ）３０８を含む。一実施形態では、略図３００は、図３（ａ）〜（ｂ）には示されていないディスプレイを含み、このディスプレイは、ＬＣＤまたはユーザーが見ることのできる画像をディスプレイできる他のタイプの平面パネルディスプレイとすることもできる。略図３００または３２０に１つ以上の層を追加しても、本発明の実施形態の基礎となる原理は変わらないことに留意すべきである。
略図３００は、変形機構３０６が作動されておらず、可撓性表面３０２がその自然な平滑表面を基板３０４の頂部上に浮遊状態に維持している状況を示す。略図３２０は、変形機構３０６が作動され、可撓性表面３２２が所定の基板３０４上につぶれ、基板３０４が提供するパターンとなるように表面３２２を成形している状況を示す。従って、可撓性表面３０２は、その表面構造を平滑な構造からバンプ３２８を有する粗い構造に変える。別の実施形態では、基板３０４と変形機構３０６とは、１つの触覚層となるように組み合わされており、この触覚層は表面パターンを形成するだけでなく、変形機能も奏する。
図３（ｃ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係わる、変形可能な表面を使用する触覚デバイスの別の例を示す横断面略図３４０〜３６０を示す。略図３４０は、可撓性または変形可能な表面３４２と、所定の基板３４４と、変形機構３４６とを含み、所定の基板３４４は、凹部３４８を含む。略図３４０は、変形機構３４６が作動されておらず、可撓性表面３４２がその自然な平滑表面を基板３４４の頂部上に浮遊状態に維持している状況を示す。略図３６０は、変形機構３４６が作動され、可撓性表面３６２が所定の基板３４４上につぶれ、基板３４４が提供するパターンとなるように表面３６２を成形している状況を示す。従って、可撓性表面３６２は、その表面構造を平滑な構造から凹部３６８を有する粗い構造に変える。別の実施形態では、基板３４４と変形機構３４６とは、１つの触覚層となるように組み合わされており、この触覚層は表面パターンを形成するだけでなく、変形機能も奏する。
変形可能な表面の下方にある所定のテキスチャー状の基板は、入力エネルギーまたは信号を変えることにより順応したり、順応しなかったりできることに留意すべきである。例えば層またはオブジェクトの間で真空チャンバが形成されると、オブジェクトのまわりの空間は表面が下方のオブジェクトの形状に一致するポイントまでつぶれる。均一なテキスチャーでは、表面全体にわたって表面の変形を生じることができ、または基板材料へ変化する制御された入力エネルギーを送ることにより、多数の接触ポイントで表面の変形が生じ得ることにも留意すべきである。また、多数の接触ポイントにわたり、異なるテキスチャーを発生できる。例えばタッチ表面を横断するようにユーザーが２本の指をドラッグすると、ユーザーは一方の指でスムーズなテキスチャーを感じることができ、他方、別の指で粗いテキスチャーを感じる。
図３（ｅ）〜（ｆ）は、本発明の一実施形態に係わる変形可能な表面を使用する触覚デバイスの別の例を示す３Ｄ略図３７０〜３８０を示す。略図３７０は、所定の透明グリル（格子）３７２と、可撓性または変形可能な透明材料３７４と、透明基板３７６とを含み、ここでグリル３７２は多数の開口部３７８を含む。一実施形態では、略図３７０は、図３（ｅ）〜（ｆ）には示されていないディスプレイを含み、このディスプレイは、このディスプレイは、ＬＣＤまたはユーザーが見ることのできる画像をディスプレイできる他のタイプの平面パネルディスプレイとすることができる。略図３７０または３８０に１つ以上の層を追加しても、本発明の実施形態の基礎となる原理は変わらないことに留意すべきである。
略図３７０は、透明基板３７６が作動されておらず、変形可能な透明材料３７４がグリル３７２と基板３７６との間に位置する自然な状態を維持する状況を示す。略図３８０は、変形機構または基板３７６が作動されており、グリル３８２の開口部または孔３８６を通して変形可能な材料３７４が部分的に押されており、「マシンが形成したグーズバンプ（ｇｏｏｓｅｂｕｍｐｓ）」３８４を形成している状況を示す。このように、グリル３７２の表面は、その表面構造を凹部３７８を有する粗い構造からミニバンプ（グーズバンプ）構造へ変える。別の実施形態では、基板３７６と変形可能な材料３７４とは、１つの触覚層となるように組み合わされており、この触覚層はパターンを形成できるだけでなく、変形も行うことができる。
可撓性表面のテキスチャーを制御するのに、これまで説明した触覚基板および／または触覚機構が使用される。最良の触覚の結果を得るために触覚ユーザーインターフェースデバイス内で異なる触覚基板および／または機構の組み合わせを使用することもできる。図４〜図８に示された次の実施形態は、表面テキスチャーを制御するための触覚フィードバックを発生するだけでなく、入力確認を行うために使用できる触覚デバイスまたは触覚アクチュエータの別の例である。
図４（ａ）は、本発明の一実施形態に従い、触覚効果を発生するために、ピエゾ電気材料を使用する触感または触覚領域４１０も示す。領域４１０は、電気絶縁層４０２と、ピエゾ電気材料４０４と、ワイヤー４０６とを含む。電気絶縁層４０２は、頂部表面と底部表面とを有し、頂部表面は入力を受けるように構成されている。一実施形態におけるピエゾ電気材料４０４のグリッドまたはアレイは、ピエゾ電気層または触覚層を形成するように構成されており、この層も頂部表面および底部表面を有する。ピエゾ電気層の頂部表面は、電気絶縁層４０２の底部表面に隣接して位置する。各領域４１０は、少なくとも１つのピエゾ電気材料４０４を含み、ピエゾ電気層内の他のピエゾ電気領域４１０から独立した触覚効果を発生するのに、ピエゾ電気材料４０４が使用される。一実施形態では、隣接する多数の領域４１０は実質的に同時の多数の接触に応答し、多数の触覚効果を発生できる。別の実施形態では、領域４１０の各々は、ユニークなピエゾ電気材料を有し、よってユニークな触覚触感を開始できる。
一部の実施形態において、電気絶縁層４０２およびピエゾ電気層を含む触感タッチパネルは、更にディスプレイ（図には示されず）を含むことに留意すべきである。このディスプレイはピエゾ電気層の底部表面に結合でき、電気絶縁層４０２の頂部表面から見ることのできる画像を投影できる。このディスプレイでは、フラットパネルディスプレイまたはフレキシブルディスプレイとすることができることに留意すべきである。一実施形態におけるピエゾ電気材料４０４は実質的に透明で、かつ小さい。例えばピエゾ電気材料４０４の形状は、電気ワイヤー４０６を介して加えられる電位に応答して変形する。
製造プロセス中に、ピエゾ電気領域４１０のアレイまたはグリッドを含むように、ピエゾ電気膜がプリントされる。一実施形態では、ピエゾ電気材料を含む領域４１０の膜がセルグリッド配置でシート上にプリントされる。この膜は、電気制御信号を使ってデバイス内のどの領域４１０も直接アドレス指定するためのワイヤーを更に含む。例えば領域４１０は、エッジまたは背面実装電子回路を使用して刺激できる。ピエゾ電気材料は結晶および／またはセラミック、例えば石英（ＳｉＯ２）を含むことができる。
図４（ｂ）は、本発明の一実施形態に従い、触覚効果を発生する触感または触覚領域４１０を示す。作動中にワイヤー４０６を介してピエゾ電気材料４０５に電位が印加されると、ピエゾ電気材料４０５は、図４（ａ）に示されるようなピエゾ電気材料４０５の元の形状から、ピエゾ電気材料４０５の拡大した形状に変形する。このようなピエゾ電気材料４０５の変形によって電気絶縁層４０３は図４（ａ）に示されるように、層４０２の元の状態から変形するか、または歪む。別の実施形態では、ピエゾ電気材料４０５は、電位が除かれるとすぐに、元の状態に復帰する。図４（ａ）〜（ｂ）に示されるデバイスに別のブロック（回路または機械的デバイス）が追加されても、本発明の基礎となる原理は変化しないことに留意すべきである。ピエゾ電気材料を別の材料、例えば形状記憶合金（ＳＭＡ）に置き換えた場合、かかる材料は電圧を除いた後のある時間の間、その変形された形状を維持できる。ピエゾ電気アクチュエータを除く別の材料を使用しても、本発明の実施形態の基礎となる原理は変わらないと理解すべきである。このように、インターフェースデバイスのタッチセンサ表面の表面テキスチャーを制御するのに、ピエゾ電気アクチュエータのグリッドを使用できる。
図４（ｃ）は、本発明の一実施形態に従い、触覚効果を発生するために、マイクロ電子−機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス４５２を使用する触感または触覚領域、もしくはセル４１０の別の実施形態を示す略図４５０である。この略図４５０は、セル４１０の平面図を示すブロック４６０を示す。セル４１０はＭＥＭＳデバイス４５２を含む。一実施形態では、ブロック４６０を通してディスプレイ（図４（ｃ）には示されず）からの投影画像を見ることができるように、ＭＥＭＳデバイス４５２は実質的に透明となっている。触覚効果を促進し、発生するために、少なくとも１本のワイヤーには触覚セル４１０の各々が結合されていると理解すべきである。
ＭＥＭＳは、シリコンまたは有機半導体基板上の機械的デバイス、センサおよび電子回路の集積デバイスと見なすことができ、このＭＥＭＳは、従来のマイクロ製造プロセスによって製造できる。例えば半導体製造プロセスを使って電子デバイスを製造し、コンパーチブルなマイクロ製造プロセスを使ってマイクロ機械的デバイスを製造できる。一実施形態では、ＭＥＭＳデバイス４５２のグリッドまたはアレイは、多数のカンチレバースプリング（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ−ｓｐｒｉｎｇｓ）からできている。これらカンチレバースプリングのグリッドは、ＭＥＭＳ製造技術を使ってエッチングできる。更に、カンチレバースプリングに刺激を与え、またはこれらスプリングをドライブするための電気ワイヤーをＭＥＭＳデバイス４５２の表面に直接エッチングし、単一のどのＭＥＭＳデバイスも正しくアドレス指定できるようにすることもできる。（バイブロ接触（ｖｉｂｒｏｔａｃｔｉｌｅ）のための）共振ドライブまたは（運動感覚）直接作動を使用して、ＭＥＭＳのカンチレバーに刺激を与えることができる。
図４（ｄ）は、ＭＥＭＳデバイス４５２の側面図を示し、ＭＥＭＳの両端に電位を印加すると、ＭＥＭＳデバイス４５２の元の状態からＭＥＭＳデバイス４６４の変形した状態へ、ＭＥＭＳデバイス４６２を刺激または変形することができる。元の状態と変形した状態の間の変位量４５４は、使用する材料の組成およびＭＥＭＳデバイス４５２のサイズに応じて決まる。ＭＥＭＳデバイス４５２が小さくなれば、製造も容易となるが、変位量４５４は小さくなる。一実施形態において、ピエゾ材料からカンチレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）スプリングを製造できる。ピエゾ材料の作動は、一般に振動触感であると理解すべきである。更にピエゾ材料は、指の先端の位置および押圧を検出するためのセンサとして使用できる。
別の実施形態におけるＭＥＭＳデバイス４５２は、上記カンチレバースプリングの代わりに形状記憶合金（ＳＭＡ）を使用している。ＳＭＡを使ってＭＥＭＳデバイス４５２により発生される作動は、運動感覚（ｋｉｎｅｓｔｈｅｔｉｃ）作動を行う。記憶金属としても知られるＳＭＡは、銅−亜鉛−アルミ合金、銅−アルミ−ニッケル合金、ニッケル−チタン合金、または銅−亜鉛−アルミ合金、銅−アルミ−ニッケル合金、および／またはニッケル−チタン合金の組み合わせから製造できる。ＳＭＡの元の形状から変形する際に、ＳＭＡは周辺温度および／または周辺環境に従い、元の形状を回復する。本発明は、特定の触覚触感を得るのにピエゾ電気要素、カンチレバースプリングおよび／またはＳＭＡを組み合わせることができると理解すべきである。このように、インターフェースデバイスのタッチセンサ表面の表面テキスチャーを制御するのにＭＥＭＳデバイス４５２のグリッドを使用できる。
図５（ａ）は、本発明の位置実施形態に係わる、熱流体ポケット５０４を備える触覚セルのアレイまたは触感領域５０２を示すインターフェースデバイス５００の側面図である。デバイス５００は、絶縁層５０６と、触覚層５１２と、ディスプレイ５０８とを含む。絶縁層５０６の頂部表面は、ユーザーからの入力を受けることができるが、絶縁層５０６の底部表面は、触覚層５１２の頂部表面に隣接している。触覚層５１２の底部表面はディスプレイ５０８に隣接しており、触覚層５１２および絶縁層５０６を通してディスプレイ５０８内にディスプレイされるオブジェクトまたは画像を見ることができるように、触覚層５１２と絶縁層５０６とを実質的に透明にできる。ディスプレイ５０８はインターフェースデバイスを機能させるのに必要なコンポーネントではないと理解すべきである。
一実施形態における触覚層５１２は、流体で満たされたセル５０２のグリッドを含み、このグリッドは更に少なくとも１つの熱流体ポケット５０４と、関連する作動セル５１２を含む。流体で満たされたセル５０２の各々は、多数の熱流体ポケット５０４と、関連する作動セル５１２を含むことができると理解すべきである。別の実施形態では、流体で満たされたセル５０２は、多数の関連する、または共用される作動セル５１２を含み、よって異なるセルをスタートすると、異なる触覚触感が発生する。
一実施形態における作動セル５１０は、関連する熱流体ポケット５０４を加熱できるヒーターである。作動セル５１０を製造するのに、加熱技術に関連する種々の電気的、光学的および機械的技術を使用できる。例えばセル５１０を作動させるために、種々の電気的に制御された抵抗器を使用でき、これら抵抗器は製造中に触覚層５１２内に埋め込むことができる。これとは異なり、熱流体ポケット５０４を加熱するための作動セル５１０として、赤外線レーザーのような光学的刺激装置も使用できる。インターフェースデバイスのエッジには、例えば光学的刺激装置を取り付けできる。作動セルは、加熱デバイスの機能を実行できるものであれば、任意のタイプの光学的または放射性刺激装置とすることができることに留意すべきである。作動セル５１０は後部に取り付けられた熱刺激装置も含むことができ、この熱刺激装置は、フラットパネルプラズマテレビ一般的に見られるような高温プラズマディスプレイのような同様な技術である。
デバイス５００は、図５（ａ）には示されていない一組の制御ワイヤーを更に含み、少なくとも一対のワイヤーに対して作動セル５１０の各々が結合されている。これらワイヤーは作動セル５１０をドライブするのに使用される作動／不作動制御信号を送信するようになっている。流体で満たされたセル５０２の各々は、有線または無線ネットワークからの信号を使ってアドレス指定可能であると理解すべきである。一様相におけるディスプレイ５０８は、フラットパネルディスプレイまたはフレキシブルディスプレイとすることができる。別の実施形態では、ディスプレイ５０８の物理ロケーションを触覚層５１２と交換できる。更に、一実施形態における熱流体ポケット５０４は、ピエゾ電気グリッドにより作動できる。
一実施形態における熱流体ポケット５０４は、低い比熱および高い熱膨張率の物理的性質を有する流体を含む。この流体の例として、グリセリン、エチルアルコールまたは同等物を挙げることができる。熱流体ポケット５０４は、絶縁層５０６が受ける多数の接触に応答し、局部的な多数の歪みを発生できる。局部的な各歪みは、加熱された熱流体ポケット５０４により発生され、この熱は、関連する作動セル５１０によって発生される。一実施形態では、ポケット内の流体の温度に従い、熱流体ポケット５０４はその物理的形状を変える。別の実施形態では、流体で満たされたセル５０２は、アクティブな冷却システムを有し、この冷却システムは、熱流体ポケット５０４が作動された後に熱流体ポケット５０４の拡大形状を元の形状に戻すのに使用される。流体温度の制御は、触覚バンド幅に影響を与える。流体温度が急激に上昇し、流体が高速で熱を散逸すると、熱流体ポケットの触覚バンド幅が増強される。
各流体セル５０２の物理的サイズは、触覚触感を発生するためのセルの性能にも影響を与える。例えば流体セル５０４のサイズが指の先端の２分の１よりも小さければ、より小さいセルは、急激な熱散逸だけでなく、セル内の流体の急激な温度上昇も可能にするので、セル５０４の性能は高まる。別の実施形態では、触覚効果を増強するために、感熱流体で満たされた熱流体ポケット５０４の代わりに、プラスチック流体で満たされた熱可塑性ポケットが使用される。プラスチックのような流体で満たされた熱可塑性ポケットを使用すると、大きい熱プラスチック歪みを発生できる。例えばプラスチック流体のタイプはポリエチレンである。熱プラスチックポケットは、ユーザーに対し、異なるユニークな触覚触感を提供することもできる。別の実施形態では、熱流体ポケット５０４内の熱流体の代わりに、ある新型の流体、例えば電気レオロジーおよび／または磁気レオロジー流体を使用できる。局部的またはリモート電界によって、電気流動流体で満たされた熱流体ポケット５０４を刺激できるし、他方、局部的または遠隔磁界により、磁気流動流体で満たされた熱流体ポケット５０４を刺激できる。
図５（ｂ）は、本発明の一実施形態に従い、熱流体ポケット５５４を使用する触覚セル５０２のアレイを示すインターフェースデバイス５５０のための側面図である。デバイス５５０は、作動された熱流体ポケット５５４および作動された作動セル５６０も示す。作動中、作動セル５６０が作動されると、熱流体ポケット５５４は、元の状態５５６から拡大された熱流体ポケット５５４へ、その物理的容積（またはサイズ）を増加する。作動セル５６０が作動されると、このセルは熱流体ポケット５５４または５５６に熱５６２を供給し、熱流体ポケット５５４または５５６のサイズを拡大する。熱流体ポケット５５４の拡大に起因し、絶縁層５０６の局部的部分５５２が形成される。熱流体ポケット５５４内の流体の温度が低下するとすぐに、熱流体ポケット５５４のサイズは元の状態５５６に復帰する。熱流体ポケット５５６の元のサイズと熱流体ポケット５５４の拡大サイズとの間のサイズの変化は、触覚効果を発生する。作動セル５６０は、電気ヒーターまたは光学ヒーター、例えば赤外線刺激装置とすることができると理解すべきである。このように、インターフェースデバイスのタッチセンサ表面の表面テキスチャーを制御するのに、熱流体ポケット５５２を使用する触覚セルのアレイを使用できる。
図６（ａ）は、本発明の一実施形態に係わるＭＥＭＳポンプ６０２のアレイを示すインターフェースデバイスの側面略図６００である。このＭＥＭＳポンプ６０２のアレイは、表面テキスチャーを制御するための触感領域を構成するのに使用できる。略図６００は、絶縁層６０６と、触覚層６１２とを含む。絶縁層６０６の頂部表面は、ユーザーからの接触を受けるようになっているが、絶縁層６０６の底部表面は、触覚層６１２の頂部表面に隣接している。触覚層６１２の底部表面は、一実施形態ではディスプレイ（図６（ａ）には示されず）に隣接しており、触覚層６１２と絶縁層６０６とは、触覚層６１２および絶縁層６０６を通してディスプレイ内にディスプレイされているオブジェクトまたは画像を見ることができるよう、実質的に透明にできる。ディスプレイはインターフェースデバイスが機能するのに必要なコンポーネントではないことを理解すべきである。
一実施形態における触覚層６１２は、ＭＥＭＳポンプ６０２のグリッドを含み、このグリッドは更に、少なくとも１つのソケット６０４を含む。各ＭＥＭＳポンプ６０２は、加圧バルブ６０８と減圧バルブ６１０とを含む。加圧バルブ６０８は、入口チューブ６１４に結合されており、減圧バルブ６１０は出口チューブ６１６に結合されている。一実施形態では、高流体圧下にある入口チューブ６１４は、加圧バルブ６０８を通して液体をポンピングし、ポケット６０４を膨張させるのに使用される。同様に、減圧下にある出口チューブ６１６は、減圧バルブ６１０を通して液体を解放し、ポケット６０４から圧力を解放するのに使用される。ＭＥＭＳポンプ６０２は、同じ加圧流体リザーバに結合できると理解すべきである。加圧バルブ６０８と減圧バルブ６１０とは、入口チューブ６１４と出口チューブ６１６の双方のための単一バルブとなるように組み合わせることができることも理解すべきである。入口チューブ６１４と出口チューブ６１６も１本のチューブに組み合わせることができることも理解すべきである。
ＭＥＭＳポンプ６０２のグリッドは、加圧バルブ６０８と減圧バルブ６１０とのアレイを含み、加圧バルブ６０８は、加圧された後方取り付けまたは側方取り付け液体リザーバが結合されており、他方、減圧バルブ６１０は、低圧となっている後方取り付けまたは側方取り付け減圧液体リザーバに結合されている。バルブ６０８〜６１０は、局部的な歪みを発生するよう、ＭＥＭＳポンプ６０２内の液体ポケット６０４の充填および排出を制御する。加圧液体リザーバを使用する利点は、絶縁層６０６の表面を迅速に変形し、エネルギー消費（または出費）が最小または皆無の状態でこの変形を維持できることにある。ＭＥＭＳポンプ６０２は、液体と同じような結果を得るために、加圧された空気またはその他のガスも使用できることに留意すべきである。
デバイス６００は、一組の制御ワイヤー６１７〜６１８を更に含み、これらワイヤーはそれぞれ加圧バルブ６０８および減圧バルブ６１０を制御するのに使用できる。触覚層６１２における各バルブは、有線ネットワークまたは無線ネットワークから送信される電気信号を使用してアドレス指定可能であることに留意すべきである。
図６（ｂ）は、本発明の一実施形態に係わるＭＥＭＳポンプ６０４のアレイを有するインターフェースデバイス６２０および６５０の２つの略図を示す。デバイス６２０は、作動されたポケット６２３を示し、このポケットは作動された入口バルブ６３０と、除勢された出口バルブ６３２とを含む。作動中にポケット６２３は、入口バルブ６３０が作動されると、その元の状態６２４から拡大されたポケット６２３へ、その物理的容積（またはサイズ）を増加する。入口バルブ６３０はワイヤー６２８からの電気信号に応答して作動（または開放）されると、入口チューブ６２４は加圧リザーバからポケット６２３へ液体６２６をポンプ送りする。ポケット６２３の膨張に起因し、絶縁層６０６の局部的歪み６２２が生じる。
デバイス６５０は、ポケットの拡大された状態６２３からポケットの元の状態６５３への作動されたＭＥＭＳポンプの復帰を示す。減圧バルブ６６０が作動されると、減圧バルブ６６０はポケット６５３から低圧出口６５４まで液体６５６を解放する。減圧バルブ６６０は、ワイヤー６５８を介し、少なくとも１つの制御信号によって制御されると理解すべきである。ポケットの元のサイズ６０４とポケットの拡大されたサイズ６２３との間の容積の変化によって、触覚効果が発生する。このように、インターフェースデバイスのタッチセンサ表面の表面テキスチャーを制御するのに、ＭＥＭＳポンプ６０２のアレイを使用してもよい。
図７は、本発明の一実施形態に係わる、多孔度可変膜７１０を使用する触覚セル７０２のアレイを有するインターフェースデバイス７００のための側面略図を示す。多孔度可変膜７１０は、表面テキスチャーを制御するための触感領域を実現するのに使用できる。デバイス７００は、絶縁層７０６と触覚層７１２とを含む。絶縁層７０６の頂部表面は、ユーザーからの入力を受けるように構成されているが、絶縁層７０６の底部表面は、触感層７１２の頂部表面に隣接している。触覚層７１２の底部表面は、一実施形態では、ディスプレイ（図７には示されず）に隣接しており、触覚層７１２と絶縁層７０６は、触覚層７１２と絶縁層７０６を通してディスプレイ内にディスプレイされているオブジェクトまたは画像を見ることができるように、実質的に透明にすることができる。ディスプレイは、インターフェースデバイスが機能するのに必要なコンポーネントではないことに留意すべきである。
一実施形態における触覚層７１２は、触覚セル７０２のグリッドと、入口バルブ７０３と、出口バルブ７０４とを含む。一実施例における触覚層７０２は、流体を含むことができるポケットとなっている。触覚層７１２は、この触覚層が多孔度可変膜を使用していることを除けば、図６（ａ）に示されるような触覚層６１２に類似している。各入口バルブ７０３は、ワイヤー７１３から送信される制御信号によって制御されるが、各出口バルブ７０４は、ワイヤー７１４を通して送信される電気信号によって制御される。どの入口バルブ７０３または出口バルブ７０４も、少なくとも１つの多孔度可変膜７１０を使用している。この多孔度可変膜７１０は、液体リザーバ（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）に結合し（またはこのリザーバに向いており）、各膜７１０は膜７１０を通してどれだけ多くの液体を進入（または通過）させるべきかを制御するようになっている。多孔度可変膜を使用する利点は、エネルギー消費量が最小状態または皆無の状態で絶縁層７０６の変形を維持できることである。このように、多孔度可変膜７１０を使用する触覚セルのグリッドは、インターフェースデバイスのタッチセンサ表面の表面テキスチャーを制御するのに使用できる。
図８は、本発明の一実施例に係わる、種々の共振デバイスを使用する触覚セル８０２のアレイを有するインターフェースデバイス８００の側面図である。この触覚セル８０２のアレイを使用して、表面テキスチャーを制御するための触感領域を構成できる。インターフェースデバイス８００は、絶縁層８０６と触覚層８１２とを含む。絶縁層８０６の頂部表面はユーザーからの入力を受けるように構成されているが、絶縁層８０６の底部表面は触覚層８１２の頂部表面に隣接している。触覚層８１２の底部表面は一実施形態ではディスプレイ（図８には示されず）に隣接しており、触覚層８１２と絶縁層８０６とは、これら触覚層８１２および絶縁層８０６を通してディスプレイにディスプレイされているオブジェクトまたは画像を見ることができるように実質的に透明にすることができる。絶縁層８０６は、その表面に所望するレリーフ情報を提供できるように、可撓性とすることができると理解すべきである。
一実施形態における触覚層８１２は、触覚セル８０２のグリッドを含み、各セル８０２は、永久磁石８０４と電磁石８１０と２つのスプリング８０８とを更に含む。触覚層８１２は、図６（ａ）に示された触覚層６１２に類似しているが、この触覚層８１２は共振デバイスを使用しており、他方、触覚層６１２はＭＥＭＳポンプを使用している点が異なる。一実施形態における触覚セル８０２は、触覚効果を発生するのに機械的に後退可能な共振デバイスを使用している。この機械的に後退可能な共振デバイスは、側方取り付け共振刺激装置８１６または後部取り付け共振刺激装置８１４によって発生できるユニークな周波数に応答して振動する。一実施形態における共振グリッドは、触覚層８１２を形成するのに使用される。各セルは、機械的共振要素、例えばリニア共振アクチュエータ（ＬＲＡ）またはＭＥＭＳスプリングを使って構成されている。しかしながら、各セル８０２は、若干異なる共振周波数を有し、更に高いＱ（共振時の高い増幅率および狭共振周波数バンド）を有するように構成される。このように、各セル８０２は、シートのエッジで生じる機械的圧力波を使用して刺激を与えることができる。触覚効果はピエゾ電気または他の広バンド幅アクチュエータにより発生することもできる。
別の実施形態におけるセル８０２は、１つのスプリング８０８を含む。更に別の実施形態では、セル８０２は、３つ以上のスプリング８０８を含む。各スプリング８０８は、各スプリング８０８がユニークな触覚触感を発生できるように、特定のレンジの周波数に応答するようになっている。このように、種々の共振デバイスを使用する触覚セルのグリッドを使用して、インターフェースデバイスのタッチセンサ表面の表面テキスチャーを制御できる。例えば触覚機構の変位量が２００マイクロメータ以上のような充分大きい値である場合、５０Ｈｚ以下のような低周波数での動き（または触覚振動）は、望ましいレリーフ（ｒｅｌｉｅｆ）情報を充分に発生できるはずである。
本発明の実施形態は、後述する種々の処理ステップを含むこれら実施形態のステップは、マシンまたはコンピュータで実施可能な命令で具現化できる。これら命令は、命令がプログラムされている汎用または特殊用途のシステムまたはコントローラに本発明の実施形態ステップを実行させるのに使用できる。
図９は、本発明の一実施形態に係わる変形かの名表面を使用する触覚デバイスおよび触覚テキスチャーを提供するためのプロセス９００を示すフローチャートである。ブロック９０２において、プロセスは第１の基板作動信号を受信する。一実施形態では、第１基板に関連する表面パターンを識別するのに、第１基板作動信号が使用される。ブロック９０２では、プロセスは次のブロックに進む。
ブロック９０４において、プロセスは第１基板作動信号に応答し、触覚フィードバックを介して触覚基板の第１パターンを発生する。一実施形態では、プロセスは第１基板作動信号に従い、多くの表面パターンのうちの１つを選択する。この方法とは異なり、プロセスは第１基板作動信号に応答し、所定のパターンを別個に形成するよう、触覚基板の多数の触感領域を作動させてもよい。ブロック９０４では、プロセスは次のブロックに進む。
ブロック９０６において、プロセスは可撓性表面層の形状を変えることができる力を発生するように、変形発生器を作動する。一実施形態では、プロセスは可撓性表面層と触覚基板との間に真空を発生させ、可撓性表面層が触覚基板の第１パターンに対してつぶれるように真空発生器を作動する。ブロック９０６では、プロセスは次のブロックに進む。
ブロック９０８では、プロセスは第１パターンに従い、可撓性表面層の表面テキスチャーを、第１の表面特性から第２の表面特性に再構成または変更する。一実施形態では、プロセスは、第１パターンに対して可撓性表面層を押圧し、可撓性表面層を第１パターンまたは第１のトポグラフィに一致させる。可撓性表面への接触を検出すると、一実施形態におけるプロセスは、接触に応答して入力信号を発生し、入力信号を処理ユニットへ送る。このプロセスは、可撓性表面の接触によるユーザー入力を受信し、ユーザー入力を確認するための触感フィードバックを行うこともできる。可撓性表面層の表面テキスチャーを再構成することは、平滑表面から粗い表面へ変更するステップを含む。別の実施形態では、プロセスは、第２作動信号に応答し、触覚基板の第２パターンを発生し、触覚基板の第２パターンを可撓性表面層に強制的に一致させることができる。第２パターンの一致時に、可撓性表面は第２パターンに応答し、その表面テキスチャーを第２表面特性から第３表面特性に変更する。ブロック９０８の後でプロセスは終了する。
異常で、本発明の特定の実施形態について図示し、説明したが、本明細書に記載の要旨に基づけば、本発明およびその広範な様相から逸脱することなく、種々の変形および変更を行うことができることは当業者には明らかとなろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の実施形態の要旨および範囲内に入るすべてのかかる変形および変更を含むものである。

Claims (30)

  1. 表面特性を再構成できる可撓性表面と、
    前記可撓性表面に結合されており、第１の作動信号に応答し、第１のパターンとなるように構成された触覚基板と、
    前記可撓性表面に結合されており、前記第１のパターンに従って、可撓性表面を第１の表面特性に変形するように構成されている変形機構とを含む触覚デバイス。
  2. 前記可撓性表面への接触を検出したときに、前記デバイスを作動させることができるセンサを更に含む、請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記可撓性表面に結合されており、前記可撓性表面を第１の表面特性に変形するように構成された前記変形機構は、前記第１のパターンに応答し、前記可撓性表面を第２の表面特性から前記第１の表面特性に変形させる、請求項１に記載のデバイス。
  4. 前記可撓性表面は、表面への接触を検出できるタッチセンサ表面となっており、
    前記触覚基板は、第２の作動信号に応答し、第２のパターンを発生できる、請求項１に記載のデバイス。
  5. 前記触覚基板は、ピエゾ電気材料で構成されている、請求項４に記載のデバイス。
  6. 前記触覚基板は、マイクロ電子−機械システム（ＭＥＭＳ）要素、熱流体ポケット、ＭＥＭＳポンプ、共振デバイス、多孔度可変膜および層流変調手段のうちの１つによって構成されている、請求項４に記載のデバイス。
  7. 前記触覚基板は、多数の触感領域を含み、各触感領域は、前記触覚基板の表面形状を形成するように別々に作動できる、請求項１に記載のデバイス。
  8. 前記触覚基板は、入力選択を確認するための確認するフィードバックを行うことができる、請求項１に記載のデバイス。
  9. 前記変形機構は真空発生器であって、この真空発生器は、前記第１のパターンに従い、表面形状を形成するよう、前記可撓性表面を前記第１のパターンに対してつぶれるようにすることができる、請求項１に記載のデバイス。
  10. 第１基板作動信号を受信するステップと、
    前記第１基板作動信号に応答し、触覚フィードバックを介して触覚基板の第１パターンを発生するステップと、
    可撓性表面層の形状を変えることができる変形力を発生するように、変形発生器を作動させるステップと、
    前記第１パターンに従い、前記表面テキスチャーを第１の表面特性から第２の表面特性に変更するように、前記可撓性表面層の表面テキスチャーを再構成するステップとを備える、触覚テキスチャー表面を提供する方法。
  11. 前記第１パターンに対して前記可撓性表面層を押圧し、前記第１パターンに実質的に類似するトポグラフィーを有する前記可撓性表面層を一致させるステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記可撓性表面への接触を検出するステップと、
    前記接触に応答し、入力信号を発生するステップと、
    前記入力信号を処理ユニットに送るステップとを更に含む、請求項１０に記載の方法。
  13. 触覚基板の第１パターンを発生する前記ステップは、前記第１基板作動信号に従い、複数の表面パターンのうちの１つを選択することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
  14. 前記可撓性表面への接触により、ユーザー入力を受けるステップと、
    前記ユーザー入力を確認するための触感フィードバックを行うステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
  15. 変形力を発生するよう、変形発生器を作動させる前記ステップは、真空発生器を作動し、前記可撓性表面層と前記第１パターンとの間に真空を発生することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
  16. 前記第１パターンに従い、前記表面テキスチャーを第１の表面特性から第２の表面特性に変更するよう、前記可撓性表面層の表面テキスチャーを再構成するステップは、平滑表面から粗い表面へ変更することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
  17. 触覚基板の第１パターンを発生する前記ステップは、前記第１基板作動信号に応答し、所定のパターンを形成するように前記触覚基板の複数の触感領域を別々に作動させることを更に含む、請求項１０に記載の方法。
  18. 第２作動信号に応答し、触覚基板の第２パターンを発生するステップと、
    前記第２パターンに応答し、前記触覚基板の第２パターンに対して可撓性表面層を押圧し、前記可撓性表面層の表面テキスチャーを前記第２表面特性から第３表面特性に変更するステップとを更に含む、請求項１０に記載の方法。
  19. 所定のパターンの開口部を有する透明グリルと、
    前記透明グリルに結合されており、作動信号および前記所定のパターンの開口部に従い、形状を部分的に変えることができる変形可能な材料の触覚層と、
    前記変形可能な透明材料層に結合されており、前記透明グリルに従い、前記変形可能な透明材料の層を制御するよう、触覚力フィードバックを行うように構成された透明基板とを備える触感デバイス。
  20. 前記触覚変形可能な材料層は、複数の可撓性触覚力アクチュエータを含む、請求項１９に記載のデバイス。
  21. 前記可撓性触覚アクチュエータは、電気アクティーブなポリマーおよび別々に作動できる形状記憶合金のうちの１つから製造される、請求項２０に記載のデバイス。
  22. 前記透明グリルの表面トポグラフィーは、前記作動信号に応答し、第１表面特性から第２表面特性に変化できる、請求項１９に記載のデバイス。
  23. 前記透明グリルの前記表面トポグラフィは、第１表面特性から第２表面特性に変化でき、更に前記透明グリルの前記表面トポグラフィを平滑なテキスチャーから粗いテキスチャーに変えることができる、請求項２２に記載のデバイス。
  24. 前記透明グリルは、入力を検出できるタッチセンサ表面である、請求項１９に記載のデバイス。
  25. 可視画像をディスプレイするように作動できるディスプレイ層と、
    前記ディスプレイ層を覆うように配置されており、１つ以上の表面接触を検出することにより、入力を受信できるタッチスクリーン層と、
    前記タッチスクリーン層を覆うように配置されており、作動コマンドに応答し、複数の表面パターンのうちの１つを提供できる触覚機構層と、
    前記触覚機構層を覆うように配置され、前記触覚機構層の前記表面パターンに従い、自らの表面形状を変えるように構成された可撓性接触表面層とを含む触覚インターフェースデバイス。
  26. 前記可撓性接触表面層に結合されており、前記可撓性接触表面層を変形し、前記触覚機構層の表面パターンに一致させるように構成された真空発生器を更に含む、請求項２５に記載のデバイス。
  27. 前記触覚機構層は、多数の触感領域を含み、各触感領域は、別々の作動できる、請求項２６に記載のデバイス。
  28. 第１基板作動信号を受信するための手段と、
    前記第１基板作動信号に応答し、触覚フィードバックを介して触覚基板の第１パターンを発生するための手段と、
    可撓性表面層の形状を変えることができる変形力を発生するように、変形発生器を作動させるための手段と、
    前記第１パターンに従い、前記表面テキスチャーを第１表面特性から第２表面特性に変えるよう前記可撓性表面層の表面テキスチャーを再構成するための手段とを含む、触覚テキスチャー表面を提供するための装置。
  29. 前記第１パターンに対して前記可撓性表面層を押圧し、前記第１パターンに実質的に類似するトポグラフィを有する前記可撓性表面層を一致させるための手段を更に含む、請求項２８に記載の装置。
  30. 前記可撓性表面への接触を検出するための手段と、
    前記接触に応答し、入力信号を発生するための手段と、
    処理ユニットに前記入力信号を送るための手段とを更に含む、請求項２８に記載の装置。
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