JP2012508421A - 触覚フィードバック装置のための電場応答性高分子変換器 - Google Patents

Abstract

電場応答性変換器と、独立して生成された音声信号により生成されたサウンドと同時にユーザインターフェースデバイスに触覚効果を作るための方法と、ユーザインターフェースデバイスにおいて、感覚フィードバックを適用するための電場応答性高分子変換器が記載されている。

Description

関連出願

本願は、２００８年１１月４日に出願され、出願番号No,61/111,316、発明の名称「触覚フィードバックのための電場応答性高分子変換器」である米国非仮出願、および、２００８年１１月４日に出願され、出願番号No,61/111,319、発明の名称「電場応答性高分子型人工筋肉（ＥＰＡＭ）触覚のためのフィルタサウンドドライブ波形および電場応答性高分子型人工筋肉（ＥＰＡＭ）非活性フィルムカップリング」である米国仮出願の非仮出願であって、その内容のすべてを、本明細書の一部を構成するものとして援用する。

本願は、感覚によるフィードバックを提供するための電場応答性高分子変換器の使用に関する。

今日用いられている極めて多くの種類の装置は、電気エネルギーを機械的（力学的）エネルギーに変換するために、何種類かのアクチュエータに依存している。逆に言えば、多くの発電アプリケーションは、機械的動作を電気エネルギーに変換することによって稼動する。このように機械的エネルギーを取り入れるために用いられる場合には、同種のアクチュエータをジェネレータと呼ぶことができる。さらに、物理的刺激、例えば振動や圧力を測定目的の電気信号に変換するために上記構造が用いられる場合、センサと位置付けられ得る。さらに、「変換器(transducer)」という言葉は、一般的に、これらのあらゆる装置に言及するために用いることができる。

変換器を製造するために、多くの設計判断が先進の誘電性エラストマー材料を選択し、用いることを支持している。この誘電性エラストマー材料は、「電場応答性高分子（ＥＡＰ）」とも呼ばれる。上記判断は、ポテンシャル電力、電力密度、電力変換／電力消費、大きさ、重量、コスト、応答時間、デューティーサイクル、サービス要件、環境影響等を含む。そのため、多くのアプリケーションにおいて、電場応答性高分子（ＥＡＰ）技術は、圧電物質、形状記憶合金（ＳＭＡ）およびモータやソレノイド等の電磁気装置に対する理想の代替品を提供する。

ＥＡＰ装置およびそれらアプリケーションの例は、米国特許No,7,394,282、7,378,783、7,368,862、7,362,032、7,320,457、7,259,503、7,233,097、7,224,106、7,211,937、7,199,501、7,166,953、7,064,472、7,062,055、7,052,594、7,049,732、7,034,432、6,940,221、6,911,764、6,891,317、6,882,086、6,876,135、6,812,624、6,809,462、6,806,621、6,781,284、6,768,246、6,707,236、6,664,718、6,628,040、6,586,859、6,583,533、6,545,384、6,543,110、6,376,971、6,343,129、および、米国特許出願公開No,2008/0157631、2008/0116764、2008/0022517、2007/0230222、2007/0200468、2007/0200467、2007/0200466、2007/0200457、2007/0200454、2007/0200453、2007/0170822、2006/0238079、2006/0208610、2006/0208609、2005/0157893、および、２００９年１月２２日に出願された米国特許出願No,12/358,142、および、ＰＣＴ国際公開No,WO2009/067708、に記載されており、その内容のすべてを、本明細書の一部を構成するものとして援用する。

ＥＡＰ変換器は、変形可能な特性を有すると共に、薄膜誘電性エラストマー材料により仕切られている２つの電極を備える。これらの電極間に電圧差を印加すると、逆帯電した電極は互いに引きあって、それらの間で誘電性高分子層を圧迫する。上記電極が互いに距離を縮めるように引き合うので、誘電性高分子フィルムはより薄く（Ｚ軸成分が縮まる）なり、（Ｘ軸およびＹ軸に沿って）平面方向に延びる。言い換えれば、このフィルムの変位は面内である。ＥＡＰフィルムはまた、（Ｚ軸に沿って）フィルム構造体に対して直角方向に動くよう構成することもできる。言い換えれば、フィルムの変位は面外である。米国特許出願No,2005/0157893は、面外の変位をもたらすＥＡＰフィルムの構図を開示すると共に、表面の変形あるいは厚さモードの偏差にも言及している。

ＥＡＰフィルムの材料および物理的特性は、変換器によって被る表面の変形をカスタマイズするために、変形し、制御することができる。より具体的に言うと、高分子フィルムと電極材料との間の相対的弾性、高分子フィルムと電極材料との間の相対的厚さ、高分子フィルムおよび／または電極材料の厚さの変化、（局部的な活性領域と非活性領域をもたらす）高分子フィルムおよび／または電極材料の物理的パターン、ＥＡＰフィルム全体に配置されている張力または予歪み、フィルムに印加される電圧量またはフィルム上に誘起されるキャパシタンス等の要因は、活性状態において、フィルムの表面の特徴をカスタマイズするために制御し、変形することができる。

表面が変形するＥＡＰフィルムによりもたらされる上述の利点から利益を得るであろう、非常に多くの変換器ベースの出願が存在する。このような出願の１つは、ユーザインターフェースにおいて、触覚フィードバック（ユーザの体に加えられた力を通して、ユーザに情報を伝達すること）を作るためのＥＡＰフィルムの使用方法を含んでいる。一般的に、ユーザにより引き起こされた力に応じて、触覚フィードバックを使用する周知のユーザインターフェースデバイスは多く存在する。触覚フィードバックを使用できるユーザインターフェースの実例は、キーボード、タッチスクリーン、コンピュータマウス、トラックボール、スタイラスペン、ジョイスティック等を含んでいる。これらの種類のインターフェースに提供される触角フィードバックは、振動、脈動、スプリング力等の物理的感覚の形でであり、ユーザは、直接的に（例えば、スクリーンをタッチすることによって）、間接的に（例えば、携帯電話がハンドバッグやかばんの中で振動するときのような振動の効果によって）、あるいは、別の感覚で（例えば、圧力変動(pressure disturbance)を作り出すが、従来の意味における音声信号を生成しない運動体のアクションによって）感知する。

しばしば、触覚フィードバックを持つユーザインターフェースは、ユーザにより引き起こされるアクションを「受け取る」入力装置、および、このアクションが開始されたことを検知して触覚フィードバックを提供する出力装置であり得る。実際のところは、接触され、タッチされるユーザインターフェースの何らかの部分または表面、例えばボタンの位置は、ユーザにより加えられた力によって、少なくとも１つの自由度に沿って変更される。この加えられた力は、接触部分が位置を変更し、触覚フィードバックをもたらすために、ある最小閾値に届く必要がある。接触部分の位置変更の達成または登録は、応答力（例えば、跳ね返り、振動、脈動等）をもたらす。この応答力は、ユーザにより影響を与えられた装置の接触部分にも課せられ、触覚を通じてユーザに伝達される。

跳ね返りまたは「２相（biphase)」型の触覚フィードバックを用いるユーザインターフェース装置の一般的な例の１つは、マウス上のボタンである。このボタンは、加えられた力が特定の閾値に達するまで動かず、特定の閾値ポイントにおいて、相対的に軽く下方向に動き、その後止まる。このような感覚をまとめて、ボタンを「クリックすること」として定義される。ユーザにより与えられた力は、大体、ボタン表面に対して垂直な軸に沿っていて、ユーザが感じる応答（相反）力も同様である。

別の例において、ユーザがタッチスクリーン上の入力データを入力する場合、このスクリーンは、通常、聴覚的合図と共に／聴覚的合図無しで、スクリーン上のグラフィカルチェンジによって入力データを確認する。タッチスクリーンは、色彩変化や形状変化等、スクリーン上の視覚的合図方法によりグラフィカルフィードバックを提供する。タッチパッドは、スクリーン上のカーソルを用いて視覚フィードバックを提供する。上記合図はフィードバックを提供するが、指で起動する入力装置からの最も直感的で効果的なフィードバックは、キーボードキーの戻り止め又はマウスホイールの戻り止め等、触知性フィードバックである。したがって、タッチスクリーンに触覚フィードバックを組み込むことが望ましい。

触覚フィードバック機能は、特にデータ入力との関連で、ユーザの生産性と効率性を改善することが知られている。ユーザに伝えられる触覚感覚の特性および質のさらなる改善は、このような生産性と効率性をさらに向上させることができると、本発明者は信じている。上記改善が、製造が容易、かつ、費用効率が高く、従来の触覚フィードバック装置が要求するスペース、サイズおよび／または質量を増加することがなく、望ましくは少なくする感覚フィードバックメカニズムにより提供されるならば、さらに有益であろう。

本願発明は、感覚アプリケーションのための電場応答変換器を有する装置、システムおよび方法を含む。一の実施形態において、感覚フィードバックを有するユーザインターフェースデバイスが提供されている。本発明の利点の１つは、ソフトウェア、あるいは、装置または関連した構成要素により生成された別の信号によってインプットが引き起こされたときはいつでも、有するユーザインターフェースデバイスのユーザに触覚フィードバックを提供することである。

一の実施形態において、装置により独立して生成される音声信号によりアクチュエータを起動させることができる。したがって、この開示は、独立して生成された音声信号により生成されたサウンドと同時に、ユーザインターフェースに触覚効果を作り出すための方法を含む。上記方法の一の実施形態は、上記音声信号をフィルタリング回路に送り、既定の周波数よりも下の周波数の範囲をフィルターにかけることにより、触覚ドライブ信号を作るために上記音声信号を変化させ、上記触覚ドライブ信号を電場応答性高分子変換器に連結された電力源に提供して、上記電力源が上記電場応答性高分子変換器を作動させ、上記音声信号によって生成された上記サウンドと同時に、上記触覚効果を起こさせることを含む。

上記方法は、上記フィルターをかけた信号を用いてサウンドエフェクトを生成するために、上記電場応答性高分子変換器を駆動することを含む。一般的に、上記既定の周波数は、上記電場応答性高分子アクチュエータの最適な周波数を含む。ある電場応答性高分子型人工筋肉（ＥＰＡＭ）装置について、この既定の周波数が２００ヘルツの周波数を含む。

別の実施形態において、上記方法は、単相アクチュエータに対する上記触覚ドライブ信号を作るために上記音声信号の音声波の正の部分をフィルターにかけることを含む。別の実施形態において、上記方法は、二相の電場応答性高分子アクチュエータを用いており、上記音声信号を変化させることが、上記電場応答性高分子変換器の第１の相を駆動するために上記音声信号の音声波形の正の部分をフィルターにかけること、および、上記電場応答性高分子変換器の性能を向上させるべく上記電場応答性高分子変換器の第２の相を駆動するために、上記音声信号の音声波形の負の部分を反転させることを含む。

以下の開示はまた、誘電性エラストマー層を有し、この誘電性エラストマー層の一部が第１電極と第２電極との間に広がっていて、上記第１電極および上記第２電極の少なくとも１つの重複部分が活性フィルム領域を画定すると共に、少なくとも１つの残余部分が非活性フィルム領域を画定する電場応答性高分子と、上記非活性フィルム領域の少なくとも一部に配置され、上記第１電極に電気的に接続された第１導電層、および、上記非活性フィルム領域の少なくとも一部に配置され、上記第２電極に電気的に接続された第２導電層と、上記電場応答性高分子フィルムの一側の少なくとも一部上に伸びる少なくとも１つの非圧縮性不動態高分子層とを備え、上記活性領域の活性化が上記非圧縮性不動態高分子層の厚さ寸法を変更させることを特徴とする変換器を含む。

上記変換器は、任意に、第１非圧縮性不動態高分子層および第２非圧縮性不動態高分子を備えることができ、上記第１非圧縮性不動態高分子層および上記第２非圧縮性不動態高分子は、上記電場応答性高分子フィルムのそれぞれの面に位置している。

別の実施形態において、変換器アセンブリは、少なくとも２つの積層された電場応答性高分子フィルムの層を備え、各電場応答性高分子フィルムは、薄膜の誘電性エラストマー層を備え、この誘電性エラストマー層の一部は第１電極と第２電極との間に挟まれていて、上記第１電極および第２電極の重複部分は活性フィルム領域を画定すると共に、フィルムの残余部分は非活性フィルム領域を画定し、上記電場応答性高分子フィルムのそれぞれの層のそれぞれの層の上記活性フィルム領域は積層整列されており、上記電場応答性高分子フィルムのそれぞれの層の上記不活性フィルム領域も積層整列されており、また、各電場応答性高分子フィルムの上記非活性フィルム領域の少なくとも一部に配置され、上記第１電極に電気的に接続された第１導電層、および、各電場応答性高分子フィルムの上記非活性フィルム領域の少なくとも一部に配置され、上記第２電極に電気的に接続された第２導電層と、上記電場応答性高分子フィルムの各露出面上の非圧縮性不動態高分子層とを備え、上記活性領域の活性化が上記非圧縮製不動態高分子層の厚さ寸法を変更させる。

以下の開示はまた、慣性電場応答性高分子変換器を含む。一の実施形態において、慣性電場応答性高分子変換器は、電場応答性高分子フィルムを備え、この電場応答性高分子フィルムは上部フレーム部材と下部フレーム部材との間に広がり、フレームの中心部分が、上記電場応答性高分子フィルムの中央表面を露出するよう開口しており、また、上記電場応答性高分子フィルムの上記中央表面上に位置する第１出力部材と、上記第１出力部材に取り付けられた慣性マスとを備え、上記電場応答性高分子フィルムの第１電極および第２電極間に電圧差を与えることで、上記電場応答性高分子フィルムを変位させて上記慣性マスを動かす。

慣性電場応答性高分子変換器のさらなる実施形態は、第２電場応答性高分子フィルムと、第２出力部材とをさらに備え、上記第２電場応答性高分子フィルムは、上部第２フレーム部材と下部第２フレーム部材との間に挟まれ、第２フレームの中心部分が、上記電場応答性高分子フィルムの第２中央表面を露出するよう開口していて、上記第２出力部材は、上記電場応答性高分子フィルムの上記中央表面上に位置していて、上記第１出力部材および上記第２出力部材との間に、上記慣性マスが配置されている。

本願発明の装置とシステムは、多くの種類の入力装置の内部で用いることができ、多様な入力要素からのフィードバックを提供することができるので、より多くの多用途性を提供する。上記システムはまた、装置の機械的複雑性または装置のマスおよび重量を実質的に増加させないので有利である。このシステムはまた、どんな機械的スライド要素または機械的回転要素も無しにその機能を遂行する。したがって、システムを丈夫にでき、簡単に組み立てられ、容易く製造できる。

本願発明は、これに限定されないが、コンピュータ用のタッチパッド，タッチスクリーンまたはキーパッドまたはコンピュータ等，電話機，携帯情報端末（ＰＤＡ），ビデオゲームコンソール，ＧＰＳシステム，キオスクアプリケーション等を含めて、どんなタイプのユーザインターフェースでも用いることができる。

本発明のその他の詳細に関しては、当業者の技術水準の範囲内にある材料および代替の構成を用いることができる。本発明の方法ベースの事項についても、一般にあるいは論理的に用いられるような追加の行為に関して、同じことが言える。加えて、本発明は、任意に様々な特性を組み込んでいるいくつかの実施形態に関して記載しているが、本発明の実施形態のそれぞれに関して想定されているものとして記載され、または示されている発明に限定されない。記載された発明に対して様々な変更を行うことができ、本発明の本質および範囲から離れることなしに、均等物（ここに列挙されたものであれ、簡潔化のために含まれないものであれ）を代用することもできる。示された個々の部分またはサブアセンブリのいくつでもデザインで一体にすることができる。このような変更等は、アセンブリのデザインの原則により行われ、あるいは、導かれ得る。

以下にさらに十分に説明する本発明の詳細な説明を読むことで、本発明の上記およびその他の特徴、目的および利点は、当業者に明らかになるであろう。

本発明は、添付の図面と同時に読む場合に、以下に記載された説明から最も理解される。理解を手助けするために、図面に共通している同じ構成要素を示すため（差し支えなければ）同じ参照番号を用いている。以下のものが図面に含まれている。
図１Ａは、電場応答性高分子（ＥＡＰ）変換器が、ディスプレイスクリーン又はディスプレイセンサと装置の本体とに連結しているときに、触覚フィードバックを用いることができるユーザインターフェースの一実施形態を示す。 図１Ｂは、ＥＡＰ変換器が、ディスプレイスクリーン又はディスプレイセンサと装置の本体とに連結しているときに、触覚フィードバックを用いることができるユーザインターフェースの一実施形態を示す。 図２Ａは、ユーザ入力に対して触覚フィードバックを伴う反応をする表面を有するディスプレイスクリーンを備えるユーザインターフェースを示す断面図である。 図２Ｂは、ユーザ入力に対して触覚フィードバックを伴う反応をする表面を有するディスプレイスクリーンを備えるユーザインターフェースを示す断面図である。 図３Ａは、アクティブガスケットに形成されたアクティブＥＡＰを有する、柔軟膜により覆われているディスプレイスクリーンを備えるユーザインターフェースの他の実施形態を示す断面図である。 図３Ｂは、アクティブガスケットに形成されたアクティブＥＡＰを有する、柔軟膜により覆われているディスプレイスクリーンを備えるユーザインターフェースの他の実施形態を示す断面図である。 図４は、ディスプレイスクリーンのエッジに位置しているバネ付勢されたＥＡＰ膜を有するユーザインターフェース装置のさらなる実施形態を示す断面図である。 図５は、ディスプレイスクリーンが複数の柔軟ガスケットを用いているフレームに連結されていて、このディスプレイに対するドライブ力が、複数のＥＡＰアクチュエータダイヤフラムとして存在するユーザインターフェース装置を示す断面図である。 図６Ａは、ディスプレイの間に連結された波形ＥＡＰ膜または波形ＥＡＰフィルムを有するユーザインターフェース２３０を示す断面図である。 図６Ｂは、ディスプレイの間に連結された波形ＥＡＰ膜または波形ＥＡＰフィルムを有するユーザインターフェース２３０を示す断面図である。 図７Ａは、本発明の一実施形態による電圧印加前の変換器を示す上面斜視図である。 図７Ｂは、本発明の一実施形態による電圧印加後の変換器を示す上面斜視図である。 図８Ａは、ユーザインターフェースにおいて使用する感覚フィードバック装置を示す上面分解斜視図である。 図８Ｂは、ユーザインターフェースにおいて使用する感覚フィードバック装置を示す下面分解斜視図である。 図９Ａは、本発明の組み立てられた電場応答性高分子アクチュエータの上面図を示す。 図９Ｂは、図８Ａのアクチュエータのフィルム部分の上面図を示し、特に、二相構造のアクチュエータを示す。 図９Ｃは、図８Ａのアクチュエータのフィルム部分の下面図を示し、特に、二相構造のアクチュエータを示す。 図９Ｄは、装置のフレームから分離されたディスプレイスクリーンの表面全体に配置するための電場応答性高分子変換器の配置の例を示す。 図９Ｅは、装置のフレームから分離されたディスプレイスクリーンの表面全体に配置するための電場応答性高分子変換器の配置の例を示す。 図９Ｆは、本明細書に記載されたユーザインターフェース装置において使用するアクチュエータの配置を示す分解斜視図である。 図９Ｇは、本明細書に記載されたユーザインターフェース装置において使用するアクチュエータの配置の組み立てた状態を示す斜視図である。 図１０は、装置の接触用表面と接触する人間の指とユーザインターフェースを示す側面図である。 図１１Ａは、グラフを使って、単相モードで稼動する図９Ａ〜図９Ｃのアクチュエータの力およびストロークの関係を示す。 図１１Ｂは、グラフを使って、単相モードで稼動する図９Ａ〜図９Ｃのアクチュエータの電圧レスポンス曲線を示す。 図１２Ａは、グラフを使って、二相モードで稼動する図９Ａ〜図９Ｃのアクチュエータの力およびストロークの関係を示す。 図１２Ｂは、グラフを使って、二相モードで稼動する図９Ａ〜図９Ｃのアクチュエータの電圧レスポンス曲線を示す。 図１３は、感覚フィードバック装置を稼動するための、電源や、制御電子機器を含む電子回路を示すブロック図である。 図１４Ａは、ユーザ入力装置に連結しているＥＡＰアクチュエータの平面配置の例を示す斜視図である。 図１４Ｂは、ユーザ入力装置に連結しているＥＡＰアクチュエータの平面配置の例を示す斜視図である。 図１５Ａは、変換器がアクティブである場合に、作業出力を提供するために高分子表面の特徴を利用するアクチュエータを用いたＥＡＰ変換器の表面変形を概略的に示す。 図１５Ｂは、変換器がアクティブである場合に、作業出力を提供するために高分子表面の特徴を利用するアクチュエータを用いたＥＡＰ変換器の表面変形を概略的に示す。 図１６Ａは、本発明のアクチュエータの典型的な構成を示す横断面図である。 図１６Ｂは、本発明のアクチュエータの典型的な構成を示す横断面図である。 図１７Ａは、プリント基板（ＰＣＢ）またはフレックスコネクタに連結するために、本発明の変換器の内部に電気接続をするためのプロセスの一のステップを示す。 図１７Ｂは、プリント基板（ＰＣＢ）またはフレックスコネクタに連結するために、本発明の変換器の内部に電気接続をするためのプロセスの一のステップを示す。 図１７Ｃは、プリント基板（ＰＣＢ）またはフレックスコネクタに連結するために、本発明の変換器の内部に電気接続をするためのプロセスの一のステップを示す。 図１７Ｄは、プリント基板（ＰＣＢ）またはフレックスコネクタに連結するために、本発明の変換器の内部に電気接続をするためのプロセスの一ステップを示す。 図１８Ａは、電気ワイヤに連結するために、本発明の変換器の内部に電気接続をするためのプロセスの一ステップを示す。 図１８Ｂは、電気ワイヤに連結するために、本発明の変換器の内部に電気接続をするためのプロセスの一ステップを示す。 図１８Ｃは、電気ワイヤに連結するために、本発明の変換器の内部に電気接続をするためのプロセスの一ステップを示す。 図１８Ｄは、電気ワイヤに連結するために、本発明の変換器の内部に電気接続をするためのプロセスの一ステップを示す。 図１９は、電気接続のピアシングタイプを持つ本発明の変換器を示す横断面図である。 図２０Ａは、ボタンタイプアクチュエータでのアプリケーションに対する厚みモード変換器を示す上面図である。 図２０Ｂは、ボタンタイプアクチュエータでのアプリケーションに対する厚みモード電極を示す上面図である。 図２１は、図６Ａ，図６Ｂのボタンタイプアクチュエータの配置を用いているキーパッドを示す上面図である。 図２２は、人間の手形状の新しいアクチュエータに用いるための厚みモード変換器の上面図である。 図２３は、連続したストリップ構造の厚みモード変換器の上面図である。 図２４は、ガスケットタイプアクチュエータでのアプリケーションに対する厚みモード変換器の上面図である。 図２５Ａは、各種ガスケットタイプアクチュエータの１つを用いているタッチスクリーンを示す横断面図である。 図２５Ｂは、各種ガスケットタイプアクチュエータの１つを用いているタッチスクリーンを示す横断面図である。 図２５Ｃは、各種ガスケットタイプアクチュエータの１つを用いているタッチスクリーンを示す横断面図である。 図２５Ｄは、各種ガスケットタイプアクチュエータの１つを用いているタッチスクリーンを示す横断面図である。 図２６Ａは、相対的な活性領域および非活性領域の位置が上述の実施形態から反転している、本発明の厚みモード変換器の他の実施形態を示す横断面図である。 図２６Ｂは、相対的な活性領域および非活性領域の位置が上述の実施形態から反転している、本発明の厚みモード変換器の他の実施形態を示す横断面図である。 図２７Ａは、電場応答性慣性変換器の一実施形態を示す。 図２７Ｂは、電場応答性慣性変換器の一実施形態を示す。 図２７Ｃは、電場応答性慣性変換器の一実施形態を示す。 図２７Ｄは、電場応答性慣性変換器の一実施形態を示す。 図２７Ｅは、電場応答性慣性変換器の一実施形態を示す。 図２８Ａは、電場応答性高分子アクチュエータに対する最適な触覚周波数内で正常に作動するための音声信号に合わせるための回路の一実施形態を示す。 図２８Ｂは、図２８Ａの回路によりフィルターにかけられた修正触覚信号の一実施形態を示す。 図２８Ｃは、単相電場応答性変換器に対して信号を作り出すための追加回路を示す。 図２８Ｄは、二相電場応答性変換器に対して信号を作り出すための追加回路を示す。 図２８Ｅは、本体の中に１以上の電場応答性アクチュエータを有し、慣性マスに連結された装置の一実施形態を示す。 図２８Ｆは本体の中に１以上の電場応答性アクチュエータを有し、慣性マスに連結された装置の一実施形態を示す。

本願発明の装置，システムおよび方法を、添付の図面に関連して詳細に説明する。

上述したように、ユーザインターフェースを必要とする装置は、この装置のユーザスクリーン上の触覚フィードバックを用いることにより改善することが可能である。図１Ａと図１Ｂは、このような装置１９０の簡単な例を示す。それぞれの装置は、ユーザがデータを入力する、あるいは、ユーザがデータを見るためのディスプレイスクリーン２３２を有する。このディスプレイスクリーンは、装置の本体またはフレーム２３４に連結されている。明らかに、可搬性の構造体のもの（例えば、携帯電話、コンピュータ、製造装置等）、あるいは、他の可搬性のない構造体に加えられたもの（情報ディスプレイパネルのスクリーン、現金自動入出金機のスクリーン等）を問わず、様々な装置がこの開示の範囲内に含まれる。この開示の目的のために、ディスプレイスクリーンはまた、タッチパッドタイプの装置を含めることができる。タッチパッドタイプの装置は、ユーザ入力または相互作用が、モニター上で、あるいは、現実のタッチパッド（例えば、ラップトップコンピュータのタッチパッド）から離れた位置で行われる。

多くの設計判断が、電場応答性高分子（ＥＡＰ）とも呼ばれる、先進の誘電性エラストマー材料の選択と使用を支持している。これは、特に、ディスプレイスクリーン２３２の触覚フィードバックを要求する場合の変換器の製造のためである。これらの判断は、ポテンシャル電力、電力密度、電力変換／電力消費、大きさ、重量、コスト、応答時間、デューティーサイクル、サービス要件、環境影響等を含む。そのため、多くのアプリケーションにおいて、電場応答性高分子（ＥＡＰ）技術は、圧電物質、形状記憶合金（ＳＭＡ）およびモータやソレノイド等の電磁気装置に対する理想の代替品を提供する。

ＥＡＰ変換器は、弾性特性を有し、薄膜誘電性エラストマー材料により仕切られている２つの薄膜電極を備える。この電極に電圧差がある場合、逆帯電した電極は互いに引きあって、それらの間で誘電性高分子層を圧迫する。上記電極が互いに距離を縮めるように引き合うので、誘電性高分子フィルムはより薄く（Ｚ軸成分が縮まる）なり、（Ｘ軸およびＹ軸成分が延びる）平面方向に延びる。

図２Ａ、図２Ｂは、ディスプレイスクリーン２３２を備えるユーザインターフェース装置２３０の一部分を示す。このディスプレイスクリーン２３２は、ディスプレイスクリーン上の情報、制御、刺激に反応して、ユーザが物理的に触れる表面を有する。ディスプレイスクリーン２３４は、どのタイプのタッチパッドまたはスクリーンパネル、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）等でもよい。加えて、インターフェース装置２３０の実施形態は、スクリーン上に画像が転置される「ダミー」スクリーン（例えば、プロジェクタやグラフィカルカバーリング）等のディスプレイスクリーン２３２を含むことができ、このスクリーンは、一般的なサインまたはディスプレイ等の固定された情報を有する従来のモニターやスクリーンを含むことができる。

どのケースにおいても、ディスプレイスクリーン２３２は、フレーム２３４（またはハウジングまたはその他の構造体。直接結合部または１以上の接地要素を介して、装置にスクリーンを機械的に結合するもの）と、スクリーン２３２をフレームまたはハウジング２３４に連結する電場応答性高分子（ＥＡＰ）変換器２３６とを有する。本明細書で述べたように、ＥＡＰ変換器は、スクリーン２３２のエッジに沿うことができる。つまり、ＥＡＰ変換器のアレイは、フレームまたはハウジング２３４から距離をあけて配置されているスクリーン２３２の一部分と接触して配置することができる。

図２Ａと図２Ｂは、包含されたＥＡＰ変換器２３６がアクティブガスケットを形成する基本的なユーザインターフェース装置を示す。タッチスクリーン２３２とフレーム２３４との間に、いくつものアクティブガスケットＥＡＰ２３６を連結することができる。一般的に、十分なアクティブガスケットＥＡＰ２３６が、要求される触角感覚を作り出すために提供される。しかし、その数は、特定のアプリケーションに依存しているため、しばしば変化するであろう。この装置の実施形態において、タッチスクリーン２３２は、ディスプレイスクリーンかセンサプレート（ディスプレイスクリーンは、センサプレートの後ろ側に位置する）を備える。

図２Ａと図２Ｂは、非活性状態と活性状態との間でタッチスクリーン２３２を循環させるユーザインターフェース装置２３０を示す。図２Ａは、タッチスクリーン２３２が非活性状態であるユーザインターフェース装置２３０を示す。この状態において、変換器を停止状態にさせているＥＡＰ変換器２３６にはフィールド（磁場、電場）は印加されない。図２Ｂは、あるユーザ入力がＥＡＰ変換器２３６を活性状態にして、ＥＡＰ変換器２３６がディスプレイスクリーン２３２を矢印２３８に示す方向に動かした後のユーザインターフェース２３０を示す。また、１以上のＥＡＰ変換器２３６の変位は、ディスプレイスクリーン２３２の方向性を有する動きを作り出すために変化することができる（例えば、スクリーン２３２全体よりはむしろスクリーン２３２の一領域を一様に動かすことが、別の領域よりもより大きな度合いで変位することを可能にする。）。明らかに、ユーザインターフェース装置２３０に連結された制御装置は、必要な周波数を持つＥＡＰｓ２３６を循環させ、および／または、ＥＡＰ２３６の偏向量を変化させるよう構成することができる。

図３Ａと図３Ｂは、ディスプレイスクリーン２３２を備えるユーザインターフェース装置２３０の他の実施形態を示す。この実施形態におけるディスプレイスクリーン２３２は、ディスプレイスクリーン２３２を防護するよう機能する柔軟膜２４０により覆われている。この場合もやはり、上記装置は、ベースまたはフレーム２３４にディスプレイスクリーン２３２を連結している複数のアクティブガスケットＥＡＰｓ２３６を有する。ユーザ入力に反応して、ＥＡＰｓ２３６に電場が加えられて装置２３０が活性状態になるように変位をもたらしたとき、柔軟膜２４０と共にスクリーン２３２が変位する。

図４は、ユーザインターフェース２３０のさらなる実施形態を示し、この実施形態におけるユーザインターフェース２３０は、ディスプレイスクリーン２３２のエッジに配置されているバネ付勢されたＥＡＰ膜２４４を有している。このＥＡＰ膜２４４は、スクリーンの周囲、つまり、スクリーンがユーザに触覚フィードバックを作り出すことを可能にする位置のみに設置することができる。この実施形態において、不動態柔軟ガスケットまたは不動態柔軟バネ２４４は、スクリーン２３２に反して力を供給し、ＥＡＰ膜２４２を緊張状態に置く。このＥＡＰ膜に電場を設けたとき（ユーザ入力により信号を生成したとき）、ＥＡＰ膜２４２は、弛緩してスクリーン２３２を動作させる。矢印２４６で示すように、ユーザ入力装置２３０は、上記ガスケット２４４によりもたらされる付バイアスに関連して、どんな方向のスクリーン２３２の動きでも作り出せるよう構成することができる。さらに、全てではないＥＡＰ膜２４２の作動は、スクリーン２３２の一様でない動きを作り出す。

図５は、ユーザインターフェース装置２３０のさらに別の実施形態を示す。本実施形態において、ディスプレイスクリーン２３２は、複数の柔軟ガスケット２４４を用いてフレーム２３４に連結され、ディスプレイ２３４へのドライブ力が、複数のＥＡＰアクチュエータダイヤフラム２４８として存在する。ＥＡＰアクチュエータダイヤフラム２４８はバネ付勢され、電場を加えたとき、ディスプレイスクリーンをドライブできる。図に示すように、このＥＡＰアクチュエータダイヤフラム２４８は、対向するＥＡＰ膜をバネの左右に有する。この構成において、ＥＡＰアクチュエータダイヤフラム２４８の両側を活性化することが、アセンブリを中立点で固定した状態にする。ＥＡＰアクチュエータダイヤフラム２４８は、人間の腕の動きを制御する対向している二頭筋および三頭筋のように作動する。図示していないが、米国特許出願No,11/085,798およびNo,11/085,804に説明されているように、アクチュエータダイヤフラム２４８は、二相出力アクションを提供するために、および／または、より丈夫なアプリケーションでの使用に対して出力を増幅するために積み重ねることができる。

図６Ａと図６Ｂは、ユーザインターフェース２３０の別の実施形態を示し、この実施形態におけるユーザインターフェース２３０は、複数のポイントまたは複数の接地要素２５２において、ＥＡＰ膜つまりフィルム２４２が、ディスプレイ２３２とフレーム２３４との間に連結されて、ＥＡＰフィルム２４２にコルゲーションまたは折り目を提供する。図６Ｂに示すように、ＥＡＰフィルム２４２への電場の印加は、コルゲーションの方向への変位を引き起こし、フレーム２３４と比較してディスプレイスクリーン２３２を偏向させる。ユーザインターフェース２３２は、任意に、このディスプレイ２３２とフレーム２３４との間に連結された付勢バネ２５０、および／または、ディスプレイスクリーン２３２の一部分（あるいは全部）を覆う柔軟保護膜２４０を設けることができる。

上述の概略的に説明された図は、ＥＡＰフィルムまたは変換器を用いる触知性フィードバック装置の典型的な構造を説明している。多くの実施形態がこの開示の範囲内にあり、例えば、この装置の実施形態において、スクリーンアセンブリまたはパッドアセンブリ全体ではなく、センサプレートまたはセンサ要素（例えば、ユーザ入力で作動して、信号をＥＡＰ変換器に提供するもの）だけが動くようにＥＡＰ変換器を実施することができる。

どの実施形態においても、ＥＡＰ膜によるディスプレイスクリーンまたはセンサプレートのフィードバック変位を、横方向の動作として感知される面内のみにすることができ、または、上記フィードバック変位を（垂直方向の変位として感知される）面外にすることができる。また、上記プレート要素の角度変位をもたらすために、ＥＡＰ変換器材料は、単独で指定可能なセクション／動かせるセクションを提供するための部分に分けることもできる。さらに、（上記リストの出願および特許に開示されているような）多くのＥＡＰ変換器またはフィルムは、本願明細書に記載されているユーザインターフェース装置に組み込むことができる。

本願明細書に記載されている装置の実施形態は、装置のセンサプレート（またはディスプレイスクリーン）全体が触知性フィードバック要素として作動することを可能にする。これは、広範囲な多用途性を可能にさせる。例えば、仮想キーストロークに反応して、もう１度、スクリーンが弾むことができる、あるいは、スクリーン上のスライドバー等のスクロール要素に反応して、スクリーンが連続した弾みを出力でき、事実上、スクロールホイールの機械的戻り止めをシミュレートしている。制御システムを使用することで、スクリーン上のユーザの指の正確な位置を読みとることにより３次元アウトラインを統合し、それに応じて、スクリーンパネルが３次元構造をシミュレートするよう動くことができる。十分なスクリーン変位およびスクリーンの有効質量が得られると、スクリーンの繰り返される振動が、携帯電話のバイブレーション機能に取って代わることもできる。このような機能は、テキストのブラウジングに適用することもできる。テキストの一行を（垂直に）スクロールすることは、触知性「バンプ」により表現され、戻り止めをシミュレートしている。ビデオゲームをするという状況では、本発明は、従来のビデオゲームシステムに用いられている振動モータを振動させることに対して、増大した双方向性とより細かいモーション制御を提供する。タッチパッドの場合では、特に、視覚障害者に対して、物理的合図によって、ユーザの双方向性およびアクセス可能性を改良できる。

ＥＡＰ変換器は、印加電圧に比例して変位するよう構成することもでき、本発明の触知性フィードバック装置とともに用いられる制御システムのプログラミングを容易にする。例えば、ソフトウェアアルゴリズムは、ピクセルグレイスケールをＥＡＰ変換器変位に変形することができる。そのため、スクリーンカーソルの先端の下のピクセルグレイスケール値は継続して測定され、ＥＡＰ変換器によって比例する変位に移動される。手をタッチパッド上に滑らせることによって、粗い３Ｄテクスチャを感じる、または、感知することができる。同様のアルゴリズムをウェブページ上に適用することもできる。指がアイコン上を動いたとき、ページテクスチャにおけるバンプ、あるいは、ブザーボタンとして、アイコンの境界がユーザにフィードバックされる。これは、通常のユーザに対して、ネットサーフィンをしている間ずっと、全く新しい感覚経験を提供するであろうし、視覚的障害者に対して、欠くことのできないフィードバックをもたらすであろう。

ＥＡＰ変換器は、多くの理由により上記アプリケーションに最適である。例えば、重量が軽く、構成要素が最低限であるので、ＥＡＰ変換器は大変低いプロファイル（外形）を提供し、それ故、感覚／触覚フィードバックのアプリケーションにおける使用に適している。

図７Ａと図７Ｂは、ＥＡＰフィルムまたはＥＡＰ膜１０の構造体の一例を示す。薄膜誘電性エラストマーフィルムまたは層１２は、柔軟性または伸縮性の電極プレートあるいは電極層１４，１６の間に挟まれ、容量性構造体または容量性フィルムを形成している。この誘電性層および合成構造体の誘電性層の長さ「ｌ」と幅「ｗ」は、その厚み「ｔ」よりもはるかに大きい。一般的に、上記誘電性層は、約１０μｍから約１００μｍの範囲内の厚みを有し、全構造体厚さは、約２５μｍから約１０ｃｍの範囲内にある。加えて、弾性モジュール、厚み、および／または電極１４，１６の微小形状を以下のように選択することが望ましい。アクチュエータにもたらす付加剛性は、通常、上記誘電性層１２の剛性以下であり、この誘電性層は、約１００ＭＰａ以下であり、より一般的には、約１０ＭＰａ以下である比較的低弾力性のモジュールを有するが、それぞれの電極よりも薄いのが好ましい。これら柔軟容量性構造体として用いるために適している電極は、機械的疲労による破損を除いて、約１％以上の繰り返し使用による歪みへの耐性を備えている。

図７Ｂに示すように、電圧を電極に印加すると、２つの電極１４，１６における異なる電荷が互いに引きつけられ、この静電引力が誘電性フィルム１２を（Ｚ軸に沿って）圧迫する。その結果、誘電性フィルム１２が、電場の変化と共に偏向する。電極１４，１６は柔軟性であるので、誘電性層１２と共に形状を変える。一般的に言えば、偏向は、誘電性層１２の一部分の変位、膨張、収縮、ねじれ、線形歪みまたは領域歪み、あるいは他の変形を言う。容量性構造体１０が使用されている（正確には「変換器」と呼ばれる）構造体、例えばフレームに、上記形状がフィットすることにより、機械的仕事を作り出すように上記偏向を用いることができる。種々の異なる変換器構造体が、上記に開示され記載されている。

電圧を印加すると同時に、機械的力が偏向をドライブする静電力と相殺するまで、変換器フィルム１０は、偏向し続ける。この機械的力は、誘電性層１２の弾性的復元力、電極１４，１６の柔軟性または伸縮、装置により提供された外部抵抗および／または変換器１０に連結された荷重を含む。印加された電圧の結果として起こる変換器１０の歪みはまた、エラストマー材料の誘電率、サイズ、剛性等、多くの他の要素に依存する。電圧差の除去と誘導された電荷は、反対の効果をもたらす。

一部の例では、電極１４，１６は、誘電性フィルム１２の全域と比較して、限定された一部分を覆うことができる。これは、誘電性層のエッジ周辺の電気絶縁破壊を防ぐため、あるいは、ある一部分におけるカスタマイズされた偏向を実現するために成される。活性領域外部の誘電性材料（上述の後者は、誘電性材料の一部分であり、偏向可能であるために十分な静電力を有している。）は、偏向中に活性領域の外部バネ力として機能することができる。すなわち、活性領域外部の誘電性材料は、その膨張または収縮によって、活性領域の偏向に抵抗、あるいは、強化することができる。

上記誘電性フィルム１２は、予め歪ませることができる。この予歪みは、電気的エネルギーと機械的エネルギーとの間の変換を改善する。すなわち、上記予歪みによって、誘電性フィルム１２がより偏向して、より大きな機械的エネルギーを提供できるようにする。フィルムの予歪みは、予歪みする前の一方向の寸法と比較した、予歪みした後の一方向の寸法変化として説明することができる。予歪みは、誘電性フィルムの弾性偏向を有し、例えば、フィルムをピンと伸ばし、伸ばしている間に、１以上のエッジを固定することによって形成することができる。予歪みは、フィルムの境界において、あるいは、フィルムの一部分に対してかけることができ、そして、硬質フレームを用いることによって、あるいは、フィルムの一部分を補強することによって実施することができる。

図７Ａ、図７Ｂ、他の類似の柔軟構造体およびこれらの構造体の詳細は、本願明細書にさらに十分に記載され、公衆に開示されている。

上述のＥＡＰフィルムに加えて、感覚または触覚フィードバックユーザインターフェース装置は、横方向への動きを作り出すよう設計されたＥＡＰ変換器を備えることができる。例えば、図８Ａと図８Ｂに示すように、上から下に様々な構成要素を含んでいるアクチュエータ３０は、弾性フィルム形成の電場応答性高分子（ＥＡＰ）変換器１０を備えていて、（上述のように）電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する。もたらされる機械的エネルギーは、出力部材の物理的「変位」、ここではディスク２８の物理的変位の形で存在する。

図９Ａ〜図９Ｃに関して、ＥＡＰ変換器フィルム１０は、２つのワーキングペアとしての薄膜弾性電極３２ａ，３２ｂ，３４ａ，３４ｂを備え、それぞれのワーキングペアは、エラストマー誘電性高分子の薄層２６（例えば、アクリレート、シリコーン、ウレタン、熱可塑性エラストマー、炭化水素ゴム、フルオロエラストマー等で作られている）により仕切られている。それぞれのワーキングペアの逆帯電した電極に（すなわち、電極３２ａと電極３２ｂに、そして、電極３４ａと電極３４ｂに）、電圧差を与える場合、対向する電極は互いに引きつけ合い、それらの間で誘電性高分子２６を圧迫する。この電極が互いにより接近するよう引き合うので、平面方向に広がるように（すなわち、ｘ軸とｙ軸成分が大きくなる）誘電性高分子２６がより薄くなる（すなわち、ｚ軸成分が収縮する）（軸については、図９Ｂと図９Ｃ参照）。さらに、それぞれの電極に与えられた同種の電荷が、他方の電極を遠ざけるよう一方の電極内に組み込まれた導電性素粒子をもたらし、弾性電極および誘電性フィルムの伸長の一因となる。そのため、誘電性層２６は、電場の変化と共に偏向される。電極材料もまた柔軟であるので、電極層は誘電性層２６と共に形状を変える。一般的に言えば、偏向は、誘電性層２６の一部の変位、膨張、収縮、ねじれ、線形歪みまたは領域歪み、あるいは他の変形を言う。この偏向は、機械的仕事を作り出すために用いられる。

組立変換器２０において、弾性フィルムは、２つの対向している硬化フレーム側８ａ，８ｂによって予歪みされた状態で引き伸ばされ、掴まれている。上記予歪みが高分子層２６の誘電力を改善することが報告されていて、電気エネルギーと機械的エネルギーの間の変換を改善している。すなわち、予歪みは、上記フィルムがより偏向して、より大きな機械的エネルギーをもたらすことを可能にする。一般的に、電極材料は、上記高分子層を予歪みした後に取り付けられるが、事前に取り付けることもできる。高分子層２６の同じ側に設けられている２つの電極は、ここでは同じ側の電極ペア、すなわち、誘電性層２６の上側２６ａ上の電極３２ａおよび電極３４ａ（図９Ｂ参照）と誘電性層２６の下側２６ｂ上の電極３２ｂおよび電極３４ｂ（図９Ｃ参照）のことを言うが、不活性領域または不活性ギャップ２５によって互いに電気的に絶縁されている。上記高分子層の反対側に設けられている対向する電極は、ワーキング電極ペアの２セット、つまり、一方のワーキング電極ペアとしての電極３２ａおよび電極３２ｂと、他方のワーキング電極ペアとしての電極３４ａおよび電極３４ｂから電気的に絶縁されている。それぞれ同じ側の電極ペアが同じ極性である一方、それぞれのワーキング電極ペアの電極の極性が互いに反対である、つまり、電極３２ａおよび電極３２ｂが逆に帯電され、電極３４ａおよび電極３４ｂが逆に帯電されているのが好ましい。それぞれの電極は、電源（図示せず）に電気的に接続するために構成される電気的接触部３５を有する。

図示された実施形態において、それぞれの電極が半円形状を有し、誘電性層２６のそれぞれの側に固定した出力ディスク２０ａ，２０ｂを中央に配置するため、同じ側の電極ペアが略円状を定める。ディスク２０ａ，２０ｂは、機能は以下で述べるが、高分子層２６の中央に配置された外面２６ａ，２６ｂに固定されていて、その間に高分子層２６を挟んでいる。上記ディスクと上記フィルム間のカップリングは、機械的に、すなわち、接着ボンドにより提供することができる。一般的に、ディスク２０ａ，２０ｂは、変換器フレーム２２ａ，２２ｂに関連した大きさにできる。より具体的に言うと、上記ディスク直径のフレーム内環径に対する比は、変換器フィルム１０に加えられたストレスを適切に与えるために、上述のようにできる。ディスク直径のフレーム内環径に対する比が大きくなればなるほど、フィードバック信号およびフィードバック動作の力がより大きくなるが、ディスクの直線変位はより小さくなる。また、ディスク直径のフレーム内環径に対する比が小さくなればなるほど、出力がより小さくなるが、ディスクの直線変位はより大きくなる。

電極構造次第で、変換器１０は、単相モードまたは二相モードいずれも機能可能にすることができる。構成されたマナーにおいて、上述の本発明の感覚フィードバック装置の出力要素、すなわち、２つの連結されたディスク２０ａ，２０ｂの機械的変位は、垂直方向というよりはむしろ横方向である。言い換えれば、上記感覚フィードバック信号が、ユーザインターフェースのディスプレイ表面２３２に垂直で、かつ、ユーザの指３８により加えられた入力する力（図１０の矢印６０ａにより指定されている）に平行な方向（反対方向、つまり、上方向）な力ではなく、本発明の感覚／触覚フィードバック装置の感知されたフィードバック力または感知された出力（図１０の両矢印６０ｂにより指定されている）は、ディスプレイ表面２３２に平行で、かつ、入力する力６０ａに垂直な方向である。変換器１０の面に対して垂直な軸についての電極ペアの回転に関する配置次第で、そして、変換器を作動するディスプレイ表面２３２モード（すなわち、単相または二相）の位置に対して、上記横方向の動作は、３６０度内のどの方向でも可能である。例えば、横方向のフィードバックモーションは、ユーザの指（または掌またはグリップ等）の前方向に対して、左から右または上から下（両方とも二相作動である）にすることができる。当業者は、触覚フィードバック装置の接触表面に対して横断する、あるいは、垂直であるフィードバック変位をもたらす、ある種のアクチュエータの構成に気が付くであろうが、そのように構成された装置の全ての外形は、上述のデザインよりも大きくすることもできる。

図９Ｄ〜図９Ｇは、電場応答性高分子のアレイ（array）の一例を示し、この電場応答性高分子は、装置のディスプレイスクリーンに配置することができる。この例において、ＥＡＰフィルム配置２００（図９Ｆ参照）の電圧側２００ａおよび地面側２００ｂのそれぞれは、本発明の触知性フィードバック装置で使用するためのＥＡＰアクチュエータのアレイで用いる。フィルムアレイ２００は、スペースと出力効率と簡単な制御回路とを増加させるためのマトリクス構造で提供される電極アレイを有する。ＥＡＰフィルムアレイの高電圧側２００ａは、電極パターン２０２を提供する。誘電性フィルム２０８材料上に（図９Ｄに示されている視点によれば）縦に走っている。それぞれのパターン２０２は、高電圧線のペア２０２ａ，２０２ｂを有する。ＥＡＰフィルムアレイの向かい側つまり地面側２００ｂは、高電圧電極に対して横方向に、つまり、水平に走っている電極パターン２０６を有する。それぞれの電極パターン２０６は、アースラインのペア２０６ａ，２０６ｂを有する。高電圧線とアースラインの対向する側のそれぞれのペア（高電圧線２０２ａおよびアースライン２０６ａと、高電圧線２０２ｂおよびアースライン２０６ｂ）は、独立した活性化可能な電極ペアを有し、対向する電極ペアの活性化が、矢印２１２に示されている方向に二相出力モーションをもたらす。組み立てられたＥＡＰフィルムアレイ２００（誘電性フィルム２０８の上側と下側で交差している電極パターンを示している）を図９ＦにおけるＥＡＰ変換器２２２のアレイ２０４の分解図内に示し、図９Ｇにその組み立てられた形状を示している。ＥＡＰフィルムアレイ２００は、対向しているフレームアレイ２１４ａ、２１４ｂの間に挟まれていて、オープン領域内の中央に配置された出力ディスク２１８によって定められた２つのアレイそれぞれの中に、それぞれ独立したフレームセグメント２１６を有する。フレーム／ディスクセグメント２１６と電極構造のそれぞれの組み合わせが、ＥＡＰ変換器２２２を形成する。このアプリケーションと望ましいアクチュエータのタイプ次第で、要素の追加の層を変換器アレイ２０４に加えることができる。変換器アレイ２２０は、例えば、ディスプレイスクリーン、センサ表面、またはタッチパッド等のユーザインターフェースアレイに全て組み込むことができる。

単相モードにおいて感覚／触覚フィードバック装置２を作動する場合、アクチュエータ３０の電極の一のワーキングペアだけを常に作動している。アクチュエータ３０の単相稼動は、単独の高電圧電源を用いて制御される。選択された１つのワーキング電極ペアに印加された電圧が増加するので、変換器フィルムの活性部分（半分）が拡大し、面内の変換器フィルムの非活性部分の方向に出力ディスク２０を動かす。図１１Ａは、単相モードにおいて２つのワーキング電極ペアを交互に作動する場合の、ニュートラルポジションに対するアクチュエータ３０の感覚フィードバック信号（すなわち、出力ディスク変位）の力およびストロークの関係を示す。図に示すように、出力ディスクのそれぞれの力と変位は、互いに等しいが、反対方向である。図１１Ｂは、単相モードにおいて稼動する場合の、印加電圧とアクチュエータの出力変位の現れた非直線関係を示す。共通の誘電性フィルムを経由する２つの電極ペアの「機械的」カップリングは、反対方向に出力ディスクを動かすようにできる。したがって、両方の電極ペアが稼動している場合、互いに独立しているが、第１ワーキング電極ペア（相１）への電圧の印加は、ある一方向に出力ディスク２０を動かし、第２ワーキング電極ペア（相２）への電圧の印加は、上記ある一方向とは反対の方向に出力ディスク２０を動かす。図１１Ｂの種々のプロットが示されていて、電圧は直線的に変化し、アクチュエータの変位は非直線である。変位中の出力ディスクの加速度はまた、触覚フィードバック効果を強化するための２つの相の同期稼動を通して制御できる。上記アクチュエータはまた、２以上の相に区切ることができる。この２以上の相は、出力ディスクのより複雑な動きを可能にするために独立して作動できる。

出力部材または出力要素のより大きな変位を達成するために、そして、ユーザにより大きな感覚フィードバック信号を提供するために、アクチュエータ３０は、二相モード、つまり、アクチュエータの両方の部分を同時に作動させて稼動される。図１２Ａは、アクチュエータが二相モードで稼動する場合の、出力ディスクの感覚フィードバック信号の力およびストロークの関係を示す。図に示すように、このモードにおけるアクチュエータの２つの部分３２，３４の力およびストロークの両方ともが同じ方向で、単相モードで稼動する場合のアクチュエータの力およびストロークと比べて、２倍の大きさを持つ。図１２Ｂは、二相モードで稼動する場合の、印加電圧とアクチュエータの出力変位の現れた直線関係を示す。アクチュエータの機械的に連結された部分３２，３４を電気的に連続して接続し、図１３のブロック図に示されているマナー等における共同ノード５５を制御することによって、共同ノード５５の電圧と出力部材の変位（またはブロックされた力）との間の関係は、（いかなる構造においても）直線的相関関係に近づく。こ稼動モードにおいて、アクチュエータ３０２つの部分３２，３４の非直線電圧レスポンスは、事実上、直線電圧レスポンスを作り出すために相殺する。制御回路４４とスイッチアセンブリ４６ａ，４６ｂとを、アクチュエータのそれぞれの部分に対して１つ使用することで、この直線的関係は、制御回路によりスイッチアセンブリに供給される可変型の波形を用いることによって、アクチュエータの性能を向上させ、変調させることを可能にする。回路４０を用いる他の利点は、感覚フィードバック装置を稼動するために必要とされるスイッチ回路と電源の多くを減らすことができることである。回路４０を使用しなければ、２つの独立電源と４つのスイッチアセンブリが必要となるであろう。したがって、制御電圧とアクチュエータ変位との間の上記関係が改善される、つまり、より直線状になると同時に、上記回路の複雑性とコストを減らす。

要求される感覚フィードバック６０ｂ（図１０参照）をもたらすユーザから入力される力６０ａを伝達するために、様々な種類のメカニズムを使用できる。例えば、容量センサまたは抵抗センサ５０（図１３参照）は、ユーザインターフェースパッド４内に収納することができ、ユーザにより入力されるユーザ接触表面上にかけられた機械的力を感知する。センサ５０からの電気的出力は、制御回路４４に供給され、制御回路により提供されたモードと波形に従って、電源４２から感覚フィードバック装置のそれぞれの変換器の部分３２，３４へ電圧を印加するために、スイッチアセンブリ４６ａ，４６ｂを順に動作させる。

本発明の他の実施形態は、ＥＡＰアクチュエータの気密シーリングを含み、ＥＡＰフィルム上で起こる湿気または蒸気凝固状態のいかなる影響も最小化する。上述の種々の実施形態に対して、ＥＡＰアクチュエータは、触知性フィードバック装置の他の要素から独立して、防護フィルムで実質的にシールされている。防護フィルムまたは防護ケーシングは、ホイル等から作ることができ、シールされたフィルム内への水分の漏出を最小化するため、熱で密封されるのが好ましい。防護フィルムまたは防護ケーシングの一部は、柔軟な材料から作ることができ、ケーシング外部のポイントに、ケーシング内部のアクチュエータの改良された機械的カップリングを可能にする。これら装置の実施形態のそれぞれは、アクチュエータの出力部材のフィードバックモーションを、ユーザ入力表面、例えば、キーパッドの接触表面にカップリングすることを可能にすると同時に、密封してシールされたアクチュエータパッケージが危険にさらされることを最小限にする。アクチュエータのモーションをユーザインターフェース接触表面にカップリングするための様々な一般的な手段がまた、提供される。手順に関して、本発明の方法は、記載されている装置の使用と関連があるメカニカルおよび／またはアクティビティのそれぞれを含むことができる。というわけで、記載された装置の使用への黙示的な手順は、発明の一部を形成する。その他の方法は、上記装置の製造に焦点を当てることができる。

図１４Ａは、ユーザ入力装置１９０と連結したＥＡＰアクチュエータ２０４の平面アレイ（array）の一例を示す。図に示すように、ＥＡＰアクチュエータ２０４のアレイは、スクリーン２３２の一部に覆われ、支持棒２５６を介して装置１９０のフレーム２３４と連結している。この実施形態において、支持棒２５６は、アクチュエータ２０４とスクリーン２３２の動作に対するクリアランスを可能にする。装置１９０の一実施形態において、上記アクチュエータ２０４のアレイは、複数の別々のアクチュエータ、あるいは、ユーザインターフェースの後ろ側のアクチュエータのアレイ、あるいは、要求されるアプリケーションによって決まるスクリーン２３２にすることができる。図１４Ｂは、図１４Ａの装置１９０の下面からみた斜視図を示す。矢印２５４により図に示されるように、ＥＡＰアクチュエータ２０４は、スクリーン２３２に垂直な方向への動きの代用として、あるいは、スクリーン２３２に垂直な方向への動きと組み合わせて、軸に沿うスクリーン２３２の動きを可能にする。

ここまで説明した変換器／アクチュエータの実施形態は、ＥＡＰ変換器フィルムの活性領域（つまり、重なった電極を含んでいる領域）と非活性領域の両方に連結された不動態層を有する。この変換器／アクチュエータが、また、硬化出力構造体を用いている場合、この構造体は、活性領域の上に存在する不動態層領域の表面に配置されている。また、これら実施形態の活性領域／活性可能領域は、非活性領域に対して中央に配置されている。本発明はまた、他の変換器／アクチュエータ構造を有することができる。例えば、不動態層が、活性領域のみ、あるいは、非活性領域のみを覆うこともできる。さらに、ＥＡＰフィルムの非活性領域が、活性領域に対して中央に配置することもできる。

図１５Ａと図１５Ｂを参照すると、本発明の一実施形態に従って電気エネルギーを機械的エネルギーに変換するために、表面が変形したＥＡＰアクチュエータの略図が提供される。アクチュエータ１０は、ＥＡＰ変換器１２を備え、このＥＡＰ変換器１２は、薄膜エラストマー誘電性高分子層１４と上部電極１６ａと下部電極１６ｂを有する。上部電極１６ａと下部電極１６ｂは、上記誘電性高分子層１４の上面と下面の一部にそれぞれ取り付けられている。上記誘電性高分子層と少なくとも２つの電極を有している変換器１２の一部は、活性領域として本明細書に言及されている。本発明のいかなる変換器も１以上の活性領域を設けることができる。

逆帯電した電極１６ａ，１６ｂに、電圧差を与える場合、対向する電極は互いに引き付けあい、それらの間で誘電性高分子層１４の一部を圧迫する。電極１６ａ，１６ｂが互いにもっと近づくように（ｚ軸に沿って）引き寄せられるので、電極の間の誘電性層１４の一部は、平面方向に広がるように（ｘ軸とｙ軸に沿って）より薄くなる。非圧縮性高分子、つまり、圧迫下で略一定ボリュームを有している高分子に対して、あるいは、フレームにおけるその他の圧縮性高分子等に対して、上記作用は、特に、活性領域のエッジの外辺部に、つまり、すぐ近くに、活性領域外の柔軟誘電性材料（つまり、電極により覆われている領域）を、厚さ方向（変換器フィルムにより定められた面に直交する）の面外に変位させる、あるいは、膨れ上がらせる。この膨らみが、誘電性表面特性２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを作り出す。面外の表面特性２４は、比較的ローカルな活性領域に示されている一方で、この面外は、図示されているように常にローカライズされているわけではない。ある場合において、高分子が予歪みする場合、表面特性２４ａ，２４ｂは、誘電性材料の非活性部分の表面領域を超えて与えられている。

本発明の変換器の表面特性の鉛直プロファイルおよび／または鉛直視程を増幅するために、不動態層がＥＡＰフィルム表面領域の全てあるいは一部を覆う変換器フィルム構造体の一方または両方の側に、追加の不動態層を加えることができる。図１５Ａと図１５Ｂのアクチュエータの実施形態において、上部不動態層１８ａおよび下部不動態層１８ｂは、それぞれ、ＥＡＰフィルム１２の上側と下側に取り付けられている。アクチュエータの起動および誘電性層１２のもたらされる表面特性１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄは、図１５Ｂの参照番号２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄに示されているように、追加された不動態層１８ａ，１８ｂの厚みにより増幅されている。

隆起した高分子／不動態層の表面特性２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄに加えて、ＥＡＰフィルム１２は、一方または両方の電極１６ａ，１６ｂが誘電性層の厚みよりも下に押し下げるよう構成することができる。そのため、押圧された電極またはその部分が、ＥＡＰフィルム１２の作動に関する電極の表面特性および誘電性材料１４のもたらされる変位を提供する。電極１６ａ，１６ｂは、カスタマイズされた変換器フィルムの表面特性を作り出すために形成され、あるいは、設計される。この表面特性は、高分子の表面特性、電極の表面特性および／または不動態層の表面特性を含むことができる。

図１５Ａと図１５Ｂのアクチュエータの実施形態において、１以上の構造体２０ａ，２０ｂは、柔軟不動態スラブと硬化機械的構造体との間の仕事の連結を容易にし、上記仕事をアクチュエータの出力に向かわせやすくするために設けられる。本実施形態では、上部構造体２０ａ（プラットホーム、バー、レバー、ロッド等の形状にできる）は、出力部材としての機能を果たし、一方で、下部構造体２０ｂは、アクチュエータ１０を地面等、固定された、または、硬い構造体２２に連結する働きをする。これらの出力構造体は、個々の要素ではなく、むしろ、アクチュエータをドライブしようとする構造体と統合されている、あるいは、一体である必要がある。構造体２０ａ，２０ｂはまた、不動態層１８ａ，１８ｂによって形成された表面特性２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄの周辺または形状を定める働きをする。図に示されている実施形態において、集合アクチュエータスタックが、アクチュエータの非活性部分の厚みの増加を作り出す一方、図１５Ｂに示すように、作動状態のアクチュエータによって受ける高さΔｈのネット変化は、マイナスである。

本発明のＥＡＰ変換器は、望ましい厚みモードでの作動を提供するためのどんな適切な構造体でも有することができる。例えば、より複雑なアプリケーションで用いる変換器を製造するために、１以上のＥＡＰフィルム層を用いることができる。上記アプリケーションは、例えば、統合された感知機能を有するキーボードキー等で、追加のＥＡＰフィルム層を容量性センサとして用いることができる。

図１６Ａは、本発明に基づく２重のＥＡＰフィルム層３４を有する積層変換器３２を用いているアクチュエータ３０を示す。この２重の層は、２つの誘電性エラストマーフィルムを有し、この誘電性エラストマーフィルムは、上部電極３４ｂと下部電極３４ｃとの間にそれぞれ挟まれた上部フィルム３４ａと、上部電極３６ｂと下部電極３６ｃとの間にそれぞれ挟まれた下部フィルム３６ａとを有する。導電性トレースまたは導電性層（一般的には、「バスバー」と呼ばれる）のペアは、電極を電源の高電圧側または地面側に連結するために提供される（後者は図示せず）。上記バスバーは、それぞれのＥＡＰフィルムの「非活性」部分（つまり、上部電極と下部電極が重ならない部分）に配置されている。上部バスバー４２ａと下部バスバー４２ｂは、誘電性層３４ａの上側と下側にそれぞれ配置されていて、上部バスバー４４ｂと下部バスバー４４ａは、誘電性層３６ａの上側と下側にそれぞれ配置されている。誘電性層３４ａの上部電極３４ｂおよび誘電性層３６ａの下部電極３６ｃ、すなわち、２つの外側に面している電極は、一般的に、導電性エラストマービア６８ｂ（図１６Ｂ参照）を通って、バスバー４２ａ、４４ａの相互カップリングによって分極化する。この導電性エラストマービア６８ｂの形成は、図１７Ａ〜図１７Ｄに関して、以下により詳細に記載されている。誘電性層３４ａの下部電極３４ｃおよび誘電性層３６ａの上部電極３６ｂ、すなわち、２つの内側に面している電極もまた、一般的に、導電性エラストマービア６８ａ（図１６Ｂ参照）を通って、バスバー４２ｂ、４４ｂの相互カップリングによって分極化する。封止材料６６ａ，６６ｂは、ビア６８ａ，６８ｂをシールするために用いられる。アクチュエータを稼動する場合、それぞれの電極ペアの対向する電極は、電圧が印加されるとき共に引き付けられる。安全目的のために、接地電極は積層の外側に配置され、高電圧が到達した後に、どんなピアーシングオブジェクトをも接地する。したがって、感電を廃絶する。２つのＥＡＰフィルム層は、フィルム間の接着剤４０ｂにより共に接着することができる。この接着剤層は、任意に、性能を強化するために不動態層またはスラブ層を含むことができる。上部不動態層またはスラブ層５０ａおよび下部不動態層５２ｂは、接着剤層４０ａおよび接着剤層４０ｃにより変換器構造体に接着される。出力バー４６ａ，４６ｂは、上部不動態層および下部不動態層に、接着剤層４８ａ，４８ｂによって、丁寧に、それぞれ連結することができる。

本発明のアクチュエータは、適したどんな数の変換器層をも用いることができる。この変換器層の数は、偶数でも奇数でもよい。後者の構造体において、１以上の一般的な接地電極およびバスバーを用いることができる。さらに、安全がそれほど問題とはならない場所では、特定のアプリケーションにより望ましい対応するために、高電圧電極を変換器積層の外側に配置することもできる。

使用可能にするために、アクチュエータ３０は、電気的に電源に連結され、電子機器を制御する（どちらも図示せず）必要がある。これは、アクチュエータの電気配線またはワイヤ、あるいは、ＰＣＢ（プリント基板）の電気配線またはワイヤ、あるいは、フレックスコネクタ６２を経由して達成される。この電気配線またはワイヤは、高電圧および接地ビア６８ａ，６８ｂを電源または中間連結部に連結する。アクチュエータ３０は、湿気や環境汚染物質から遮断するために、保護バリア材料にパッケージすることができる。ここでは、保護バリアは、上部カバー６０と下部カバー６４とを設けていて、アクチュエータを外部の力や損傷および／または環境汚染から保護するために、ＰＣＢ／フレックスコネクタ６２をシールするのが好ましい。ある実施形態において、保護バリアは、外部から影響されないシールを提供するために不浸透性にできる。カバーは、物理的ダメージに対してアクチュエータ３０を保護するため多少硬い形状を有することもできるし、アクチュエータ３０の作動変位に対して空間的な余裕を持たせるために柔軟にすることもできる。一実施形態において、上部カバー６０は、成型されたホイルからできていて、下部カバー６４は、柔軟なホイルからできている。また、反対に、上部カバー６０を柔軟なホイルに、下部カバー６４を成型されたホイルにすることもできる。このとき、この２つのカバーは、ボード／コネクタ６２に熱融着している。マテリアライズド高分子フィルム、ＰＶＤＣ（ポリ塩化ビニリデン）、アクリル、スチレン、オレフィン、共重合体、ポリエステル、ポリオレフィン等の多くの他のパッケージ材料を用いることもできる。柔軟な材料は、出力構造体、ここでは、バー４６ｂを覆うために用いられ、アクチュエータ出力を変換する。

本発明の積層されたアクチュエータ／変換器構造体の導電性要素／層、例えば、今説明したアクチュエータ３０は、一般的に、積層構造の中を通って形成される電気ビア（図１６Ｂにおける６８ａ、６８ｂ）によって連結される。図１７ａ〜図１９は、上記ビアを形成するための本発明の様々な方法を示す。

図１６Ｂのアクチュエータに用いられているタイプの導電性ビアの形成は、図１７Ａ〜図１７Ｄに関連して記載されている。ＰＣＢ／フレックスコネクタ７２にアクチュエータ７０（ここでは、誘電性層７４の非活性領域の反対側に配置され、反対方向に位置するバスバー７６ａ，７６ｂを有する単フィルム変換器から構成され、まとめて不動態層７８ａ，７８ｂの間に挟まれている。）の積層前あるいは積層後に、積層変換器／アクチュエータ構造体７０は、図１７Ｂに示されるように、ビアホール８２ａ，８２ｂを形成するために、全体の厚みを貫いて、ＰＣＢにレーザードリル８０する。機械的ドリリング、パンチング、モールディング、ピアーシング、コアリング等、ビアホールを作るための他の方法を用いることもできる。ビアホールは、図１７Ｃに示すように、例えば、シリコーンのカーボン粒子等の導電性材料と共に注入する等、適切な施工方法によって満たされる。次に、図１７Ｄに示すように、導電的に満たされたビア８４ａ，８４ｂは、ビアの露出端を電気的に絶縁するために、任意に、シリコーン等の適合非伝導性材料と共にポット８６ａ，８６ｂされる。上記の代わりに、非導電性テープを露出されたビア上に配置することもできる。

アクチュエータを電源と電気機器に連結するためのＰＣＢコネクタまたはフレックスコネクタの代わりに、標準的電気配線を用いることができる。上記実施形態と共に、電気的ビアおよび電源への電気的連結を形成する種々のステップが、図１７Ａ〜図１７Ｄと同じ構成要素およびステップを有し、同じ参照番号を有している図１８Ａ〜図１８Ｄに示されている。図１８Ａに示すように、ビアホール８２ａ，８２ｂは、バスバー８４ａ，８４ｂが届く範囲のアクチュエータ厚みの範囲内の深度にのみドリルで穴を開ける必要がある。ビアホールは、図１８Ｂに示すように、導電性材料で満たされ、その後、リード線８８ａ，８８ｂが、図１８Ｃに示すように、堆積した導電性材料内に挿入される。導電的に満たされたビアとリード線は、図１８Ｄに示すように、覆ってポットすることもできる。

図１９は、本発明の変換器内の導電性ビアを提供する別のマナーを示す。変換器１００は、電極１０６ａ，１０６ｂ間に挟まれた部分を持つ誘電性層１０４を有する誘電性フィルムを備え、この誘電性フィルムは、同じく、不動態高分子層１１０ａ，１１０ｂ間に挟まれている。導電性のバスバー１０８は、ＥＡＰフィルムの非活性領域上に設けられている。ピアーシング構造を持つ導電性コンタクト１１４は、手動でもその他方法でも、バスバー材料１０８を貫く深度に、上記変換器の一の面を貫いてドライブされる。導電性トレース１１６は、ピアーシングコンタクト１１４の露出端からＰＣＢ／フレックスコネクタ１１２に沿って広がる。ビアを形成するこの方法は、ビアホールにドリルで穴を開けるステップ、ビアホールを満たすステップ、ビアホールに導電性ワイヤを配置するステップ、ビアホールをポットするステップを取り除くので、特に効率的である。

本発明の厚みモードのＥＡＰ変換器は、適切な構造体および表面特性のプレゼンテーションを有する様々なアクチュエータのアプリケーションの使用に適している。図２０Ａ〜図２４は、典型的な厚みモードの変換器／アクチュエータのアプリケーションを示す。

図２０Ａは、厚みモード変換器１２０を示す。この変換器１２０は、円形の構造体を備え、キーボード、タッチスクリーン、電話等の装置にユーザが物理的に接触する、触知性または触覚フィードバックのアプリケーションに用いるためのボタンアクチュエータに適している。変換器１２０は、薄膜エラストマー誘電性高分子層１２２と、上部電極１２４ａと、下部電極１２４ｂ（下部電極パターンは、透視で示す）とから形成され、図２０Ｂに単独図を示す。電極パターン１２４のそれぞれは、柄部分１２５に、同心円状に形成されている複数の対照的な拡張フィンガー部分１２７を提供する。２つの電極の柄は、円形の誘電性層１２２の反対側に、互いに直径方向に配置され、それぞれのフィンガー部分は、図２０Ａに示すパターンを作り出すため、互いに同格関係のアレイである。本実施形態の対立する電極パターンは、互いに同一かつ対称であるが、他の実施形態では、形状および／または占有する表面領域の量において、対立する電極パターンが非対称の場合が考えられる。２つの電極材料が重ならない変換器材料の一部分が、変換器の非活性領域１２８ａ，１２８ｂを定める。電気コンタクト１２６ａ，１２６ｂは、電気的に変換器を電源に連結し、電子機器を制御する（どちらも図示せず）ために、２つの電極のそれぞれの柄部分の基礎に設けられる。変換器を稼動すると、対立する電極フィンガーが共に引き付けられ、その結果、ボタンの周辺について、および／または、内部で望ましいボタンに表面特性を形成するために膨らんでいる変換器の非活性領域１２８ａ，１２８ｂと共に、それらの間で誘電性材料１２２を圧迫する。

上記ボタンアクチュエータは、単独入力または接触表面の形にでき、あるいは、複数の接触表面を有するアレイフォーマットで提供することもできる。アレイ形状で構成される場合、図２０Ａのボタン変換器は、様々なユーザインターフェース装置、例えば、コンピュータ、キーボード、電話、計算機等に関して、図２１に示されているような、キーパッドアクチュエータ１３０の使用に適している。変換器アレイ１３２は、相互接続した電極パターンの上部アレイ１３６ａと、電極パターンの下部アレイ１３６ｂ（透視で示す）を含み、説明されているような活性部分と非活性部分を有する図２０Ａの同心変換器パターンを作り出すために、２つのアレイが互いに対向している。キーボード構造は、変換器アレイ１３２の上に不動態層１３４を形成することができる。不動態層１３４は、キーボーダー１３８のような、それ自身の表面特性を有することができる。このキーボーダーは、ユーザが、触知的にユーザ自身の指を個別のキーパッドに合わせることができるようにするために、および／または、活性状態でのそれぞれのボタンの周囲の膨隆をさらに増幅するために、不動態状態に隆起させることができる。キーが押されたとき、置かれている個々の変換器は、触知性感覚バックをユーザに提供するために、上述の厚みモードの膨らみをもたらすように、作動する。様々な変換器が、このマナーで提供され、使用されているキーパッド１３４のタイプとサイズに適応させるために間隔を離される。上記変換器アレイに関する製造技術の例は、２００８年６月２７日に出願された米国特許出願No,12/163,553、発明の名称「間隔フィードバックアプリケーションに関する電場応答高分子変換器」に記載されていて、その内容のすべてを、本明細書の一部を構成するものとして援用する。

本発明の厚みモード変換器は、左右対称である必要がなく、そしてどの構造体や形状にも取り入れることができるということを、当業者は十分理解するであろう。本発明の変換器は、図２２に示される新規なハンド装置１４０等、考えられる新規アプリケーションに用いることができる。人の手の形状の誘電性材料１４２は、同じての形状の上部電極パターン１４６ａと下部電極パターン１４６ｂ（下部電極パターンは、透視で示す）とを設けている。電極パターンのそれぞれが、バスバー１４６ａ，１４６ｂにそれぞれ電気的に連結され、その後、電源および制御電子装置（どちらも図示せず）に電気的に接続される。ここでは、対向する電極パターンは、間に入れるというよりはむしろ、互いと一体にあるいは互いの上に配列され、活性領域と非活性領域を交互に作り出している。そのため、全体として内部エッジおよび外部エッジのパターンのみに隆起した表面特徴を作り出すことの代わりに、隆起した表面特徴をハンドプロファイルつまり、非活性領域全体にわたって提供する。この例となるアプリケーションにおける表明特性は、触知性フィードバックというよりはむしろ視覚フィードバックを提供することを示している。この視覚フィードバックは、カラーリング、反射材料等により強化できると考えられる。

本発明の変換器フィルムは、特に、変換器電極パターンが同一または繰り返しであるところは、事実上、通常ウェブベースの製造技術を用いることにより作り出されるマスにできる。図２３に示すように、変換器フィルム１５０は、連続上部電気バス１５ａと連続下部電気バス１５ｂとを有する連続ストリップフォーマットに設けることができる。連続上部電気バス１５ａと連続下部電気バス１５ｂは、誘電性材料のストリップ１５２に正確に置かれる、あるいは、形成されている。最も一般的には、厚みモードの特性は、分離した（つまり連続的ではない）活性領域ではなく反復活性領域１５８により定められる。この反復活性領域１５８は、上部電極パターン１５４ａと下部電極パターン１５４ｂにより形成され、それぞれのバスバー１５６ａ，１５６ｂに電気的に接続される。バスバー１５６ａ，１５６ｂは、特定のアプリケーションについてカスタマイズできるサイズ、長さ、形状、パターンである。一方、活性領域を連続パターンで設けるということも考えられる。電極パターンとバスパターンは、周知のウェブベースの製造技術によって形成可能で、個々の変換器が分離されている。また、電極パターンとバスパターンは、選択された分離線１５５に沿ってストリップ１５０をカットする等の周知技術によって形成可能である。活性領域が、ストリップに沿って連続して設けられている場合には、このストリップは、電極がショートするのを避けるために、高度な精密さでカットされる必要があることが知られている。これらの電極のカット端は、ポットすることが必要であり、または別の方法でトラッキング問題を回避するため、後部にエッチングする。このとき、バス１５６ａ，１５６ｂのカットターミナルは、結果としてもたらされるアクチュエータの作動を可能にするため、電源／制御源に連結される。

分離間も分離後も、ストリップ部分も分離されたストリップ部分も、複数層構造体を提供するために、他の変換器フィルムのストリップ部分をいくらでも積み上げることができる。積み上げられた構造体はラミネート加工でき、望むなら、出力バー等のアクチュエータの硬化機械的要素に機械的に連結できる。

図２４は、本発明の変換器の別の実施形態を示している。変換器１６０は、誘電性材料１６２のストリップにより形成されていて、矩形パターンに配置され、オープン領域を構成している上記ストリップの相対する側に、上部電極１６４ａと下部電極１６４ｂを有している。電極のそれぞれは、電気的バス１６６ａ，１６６ｂにそれぞれ終端処理され、この電気的バス１６６ａ，１６６ｂは、電源と制御電子装置（どちらも図示せず）に連結するために、電気的接続ポイント１６８ａ，１６８ｂを有している。囲い込んだ領域１６５にわたって広がる不動態層（図示せず）は、変換器フィルムのどちらの側にも用いることができ、環境保護と出力バー（図示せず）の機械的カップリングの両方に対して、ガスケット構造を形成している。構成されるように、変換器の作動は、変換器ストリップの内部周辺および外部周辺１６９に沿って表面特性を作り出し、活性領域１６４ａ，１６４ｂの厚みを減少させる。ガスケットアクチュエータは、連続する単一のアクチュエータである必要がない。１以上の分離したアクチュエータはまた、任意に、非活性的な柔軟ガスケット材料と共にシール可能な領域の周囲に線を引くために用いることもできる。

他のガスケットアクチュエータは、上記の米国特許出願No,12/163,554に記載されている。これらのタイプのアクチュエータは、感覚（例えば、触覚または振動性）フィードバックアプリケーションに適している。この感覚フィードバックアプリケーションには、携帯用マルチメディア装置、医療器具類、キオスク、自動車計器パネル、玩具、その他新規な製品等のアプリケーションに対するタッチセンサプレート、タッチパッド、タッチセンサがある。

図２５Ａ〜図２５Ｄは、本発明の厚みモードアクチュエータの一実施形態を用いているタッチスクリーンの断面図を示し、４つの図面の間の同じ構成要素には、同じ参照番号を付与している。図２５Ａを参照すると、タッチスクリーン装置１７０は、一般的に、ガラス、プラスチック材料からなるタッチセンサプレート１７４を有していて、任意に、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）１７２を有する。上記タッチセンサプレート１７４および液晶ディスプレイ１７２は、共に積み重ねられていると共に、ＥＡＰ厚みモードアクチュエータ１８０により間隔を開けられ、それらの間でオープンスペース１７６を画定している。この集合的積層構造体は、フレーム１７８により結び付けられている。アクチュエータ１８０は、誘電性フィルム層１８２により形成された変換器フィルムを有する。この誘電性フィルム層１８２は、電極ペア１８４ａ，１８４ｂにより中央に挟まれている。上記変換器フィルムは、次に、上部不動態層１８６ａと下部不動態層１８６ｂとの間に挟まれていて、さらに、ペアの出力部材１８８ａ，１８８ｂの間に挟まれている。そして、ペアの出力部材１８８ａ，１８８ｂは、それぞれ、タッチプレート１７４とＬＣＤ１７２に機械的に連結されている。図２５Ａの右側は、アクチュエータが非活性中の場合のＬＣＤとタッチプレートの相対的な位置を示していて、一方、図２５Ａの左側は、アクチュエータが活性中の場合、すなわち、ユーザが矢印１７５の方向にタッチプレート１７４を押し下げるときのＬＣＤとタッチプレートの相対的な位置を示している。図の左側から明らかな通り、アクチュエータ１８０を作動する場合、電極１８４ａ，１８４ｂは共に引き付けられ、誘電性フィルム１８２の一部をそれらの間で圧迫する一方、誘電性材料と不動態層１８６ａ，１８６ｂの表面特性を作り出す。この表面特性は、出力ブロック１８８ａ，１８８ｂにより与えられる圧縮力によりさらに強化される。そして、上記表面特性は、矢印１７５の反対方向にタッチプレート１７４上のわずかな力を提供し、タッチプレートを押圧することに反応してユーザに触知性感覚を与える。

図２５Ｂのタッチスクリーン１９０は、図２５Ａのタッチスクリーンに類似の構造体であり、矩形（または正方形等）形状の厚みモードアクチュエータ１８０により構成される内部領域内に、ＬＣＤ１７２全てが存在する点で異なる。そのため、装置が非活性状態である場合のＬＣＤ１７２およびタッチプレート１７４間の間隔１７６は（図の右側で示されているように）、図２５Ａの実施形態における上記間隔よりはるかに小さく、低プロファイルデザインをもたらす。さらに、アクチュエータのボタン出力構造体１８８ｂが、フレーム１７８の後壁１７８’に直接置かれている。この２つの実施形態間の構造的差異に関係なく、アクチュエータ表面特性における装置１７０と同じ装置１９０の機能は、タッチプレートを押圧することに反応して矢印１８５の反対方向にわずかな触知性の力をもたらす。

今述べた２つのタッチスクリーン装置は、単一の方向に機能する単相装置である。２つ（あるいはそれ以上）の本発明のガスケットタイプアクチュエータは、図２５Ｃにおけるような二相（二方向性の）タッチスクリーンを作り出すために縦に並べて用いることができる。装置２００の構造体は、図２５Ｂの装置の構造体と同様であるが、タッチプレート１７４の上に置かれている第２厚みモードアクチュエータ１８０’をさらに有している。この２つのアクチュエータとタッチプレート１７４は、フレーム１７８により積み上げられた関係で保持されていて、内部で追加された拡張上部ショルダ１７８”を有する。そのため、タッチプレート１７４は、アクチュエータ１８０，１８０’の最も内側の出力ブロック１８８ａ、１８８ｂ’のそれぞれの間に直接挟まれていて、一方、アクチュエータ１８０’の最も外側の出力ブロック１８８ｂ，１８８ａ’のそれぞれは、フレーム部材１７８’，１７８”のそれぞれを強化している。この収納されたガスケットの配置は、ダストとデブリをスペース１７６内の光パスから遠ざける。ここでは、図の左側が、活性状態の下部アクチュエータ１８０と非活性状態の上部アクチュエータ１８０’を示していて、矢印１９５の方向へ、センサプレート１７４をＬＣＤ１７２に向かわせる。反対に、図の右側は、非活性状態の下部アクチュエータ１８０と活性状態の上部アクチュエータ１８０’を示していて、矢印１９５’の方向へ、センサプレート１７４をＬＣＤ１７２から遠ざける。

図２５Ｄは、別の二相タッチセンサ装置２１０を示すが、この二相タッチセンサ装置２１０は、センサプレートに対して直角の電極を配置している厚みモードストリップアクチュエータ１８０のペアを有している。ここでは、タッチプレート１７４の二相または二方向動作は、矢印２０５で示されるように、平面である。上記平面動作を可能とすることで、ＥＡＰフィルムの面が、ＬＣＤ１７２およびタッチプレート１７４の面に垂直であるように、アクチュエータ１８０を配置する。上記位置を維持することで、アクチュエータ１８０は、フレーム１７８の側壁２０２と、タッチプレート１７４を置く内部フレーム部材２０６との間に保持されている。内部フレーム部材２０６が、アクチュエータ１８０の出力ブロック１８８ａに取り付けられる一方、内部フレーム部材２０６とタッチプレート１７４は、平面または水平な動作を可能にさせるために、外部フレーム１７８に対して「浮いて」いる。この構造体は、相対的にコンパクト、低プロファイルデザインを提供する。それは、タッチプレート１７４により二相の平面外の動作に対して別に必要な更なる間隔を取り除くからである。プレート１７４とブラケット２０６の混合アセンブリは、フレーム１７８の側壁２０２に対して、軽度の圧迫にアクチュエータストリップ１８０を維持する。一のアクチュエータが作動している場合、他のアクチュエータが蓄積された圧縮力が原因で広がるときに、さらに圧迫し、あるいは、薄くする。これは、プレートアセンブリを作動アクチュエータの方に動かす。上記プレートは、第１アクチュエータの動作を停止することにより、そして、第２アクチュエータを作動することにより反対方向に動く。

図２６Ａと図２６Ｂは、変換器の非活性領域が活性領域に対して内部に、または、中央に位置している、つまり、ＥＡＰフィルムの中心部分は、重なっている電極を持っていない実施形態を示す。厚みモードアクチュエータ３６０は、電極層３６４ａ，３６４ｂの間に挟まれている誘電性層３６２を有するＥＡＰフィルムを備えている。このフィルムの中央部分３６５は不動態であり、かつ、電極材料を有していない。ＥＡＰフィルムは、上部フレーム部材３６６ａおよび下部フレーム部材３６６ｂの少なくとも１つによりピンと張った、または、伸ばされた状態で保持され、全体として、カートリッジ構造を提供している。上記フィルムの不動態部分３６５の上側および下側の少なくとも一方における覆いは、不動態層３６８ａ，３６８ｂであり、任意に、硬化制限、つまり、その表面にそれぞれ搭載される出力部材３７０ａ，３７０ｂを有する。作動時に（図２６Ｂ参照）、カートリッジフレーム３６６によって、ＥＡＰフィルムがその周辺において制限されるにつれて、ＥＡＰフィルムの圧迫は、矢印３６７ａ，３６７ｂにより示されるように、上述の実施形態のアクチュエータと同じ外側というよりはむしろ内側に向けてフィルム材料を後退させる。圧迫されたＥＡＰフィルムは、不動態材料３６８ａ，３６８ｂに影響を与え、直径を縮小し、高さを増加させる。この構造の変化は、出力部材３７０ａ，３７０ｂにそれぞれ外に向かう力を加える。以前に説明したアクチュエータの実施形態と同様に、不動態的に連結されたフィルムアクチュエータは、複数相の作動を提供するために、および／または、出力および／またはアクチュエータのストロークを増加させるために、積層または平面的な関係で複数設けることができる。

誘電性フィルムおよび／または不動態層材料を予歪みさせることによって、性能を強化できる。アクチュエータは、キーまたはボタン装置として用いることもでき、膜スイッチ等のセンサ装置を積み重ねる、あるいは、センサ装置と一体にすることもできる。下部出力部材または下部電極は、回路を完成するための膜スイッチへの十分な圧力を提供するために用いることができ、あるいは、下部出力部材が導電性層を有する場合、直接回路を完成することができる。キーパッドやキーボード等のアプリケーションに対するアレイに、複数のアクチュエータを用いることができる。

米国特許出願No,2005/0157893に開示されている様々な誘電性エラストマーおよび電極材料は、本発明の厚みモード変換器の使用に適している。一般的に、誘電性エラストマーは、シリコーンゴムやアクリル等の略絶縁性で、柔軟な高分子を有し、静電力に反応して変形する、あるいは、電場の変化により変形がもたらされる。適切な高分子をデザインするまたは選択することによって、最善の物質的、物理的、化学的特性を考慮することができる。この特性は、モノマー（どんなサイドチェインをも含む）、添加物、架橋結合度、結晶化度、分子質量等の賢明な選択により調整することができる。

本明細書に記載した電極および使用に適した電極は、金属トレースおよび電荷分布層、テクスチャード加工電極、カーボングリースまたはシルバーグリース等の導電性グリース、コロイド懸濁液、導電性カーボンブラックまたはカーボン繊維またはカーボンナノチューブまたはグラフェンおよび金属ナノワイヤ等の高アスペクト比導電性材料、イオン結合した導電性材料の混合物を有する構造化された電極を含む。上記電極は、炭素を含んでいるエラストマーマトリクス等の柔軟な材料から作ることもできる。本発明はまた、金属電極および半硬化電極を用いることができる。

本発明の変換器に使用するための例となる不動態層材料は、これに限定されないが、例えば、シリコーン、スチレンまたはオレフィン共重合体、ポリウレタン、アクリル、ゴム、ソフト高分子、ソフトエラストマー（ゲル）、ソフト高分子発泡体、または高分子／ゲルハイブリッドを含む。不動態層および誘電性層の相対的な弾性および厚さは、望ましい出力（例えば、所望の表面特性の実質厚さまたは薄さ）を達成するために選択され、この出力の応答が、直線的（例えば、不動態層厚さが、活性時に、誘電性層の厚みに対して比例的に増幅する）、あるいは、非直線的（例えば、不動態層および誘電性層が、変動する割合で薄くなる、または、厚みを増す）になるよう設計できる。

手順に関して、本発明の方法は、説明された装置の使用に関連付けられたメカニカルおよび／またはアクティビティのそれぞれを含むことができる。そのため、説明された装置の使用に間接的な手順は、本発明の一部を形成する。他の方法は、上記装置の製造に焦点を当てることができる。

本発明の他の詳細に関しては、構造を関連付ける材料および代替物を、関連技術のレベルの範囲内で用いることができる。一般的にまたは必然的に用いられるような付加的な活性に関する本発明の方法ベースのアスペクトに対して、同じことが言える。さらに、本発明はいくつかの例や、任意に組み込む様々な特性に関して説明しているが、本発明のそれぞれの実施形態に関して記載され、あるいは、示されているものに限定されない。説明された本発明に対して、様々な変更をすることができ、等価物（本明細書に列挙されていようと、完結さの目的で含まれていなかろうと）は、本発明の真の目的および範囲から離れること無しに、置換することができる。示されたどんな数の個別の部分またはサブアセンブリも、設計において一体にすることができる。このような変更その他は、アセンブリに対する設計の原則によって行われ、あるいは、導かれる。

他の実施形態において、カートリッジアセンブリまたはアクチュエータ３６０は、振動するボタン、キー、タッチパッド、マウス、あるいは他のインターフェースにおける触覚反応の提供に使用するために適合させることができる。上記実施形態において、アクチュエータ３６０のカップリングは、非圧縮性の出力形状を用いる。この実施形態では、出力形状にモールドされた非圧縮性材料を用いることによって、電場応答性高分子ダイアフラムカートリッジの接着された中央制限の代替手段を設けている。

中央ディスクを有さない電場応答性高分子アクチュエータにおいて、作動は、電極形状の中心において受動的フィルムの状態を変更し、圧力と歪み（力と変位）の両方を低減する。この低減は、フィルム面の全ての方向に発生し、単一の方向だけではない。電場応答性高分子を放電する場合、この受動的フィルムは、最初の圧力および歪みエネルギーの状態に戻る。電場応答性高分子アクチュエータは、非圧縮性材料（圧力下で略一定のボリュームを有する）で構成することができる。アクチュエータ３６０は、非圧縮性出力パッド３６８ａ，３６８ｂで組み立てられていて、非活性領域３６５のアクチュエータ３６０の中央において、上記受動性フィルムエリアに接着され、中心ディスクを置き換えている。この構造は、不動態部分３６５を有するインターフェースにおける出力パッドを圧縮することによってエネルギーを移動するために用いることができる。これは、出力パッド３６８ａ，３６８ｂを膨張させ、フラットなフィルムに対して垂直方向に作動させる。上記非圧縮性形状は、作動中に変化方向を制御するために、制限を様々な表面に加えることによりさらに強化できる。上述の例として、出力パッドの上部表面を抑圧するための非柔軟補強材を加えることは、その表面の寸法の変化を防ぎ、出力パッドの望ましい寸法への形状変化に焦点を当てている。

上述の実施形態は、作動時に電場応答性高分子である誘電性エラストマーの２軸の圧迫および緊張状態変化のカップリング、作動方向に対して垂直方向への移動、性能を最適化するための非圧縮性形状の設計も可能にできる。上記実施形態は、様々な変換器プラットホームを含むことができ、どんな触覚フィードバック（マウス、コントローラ、スクリーン、パッド、ボタン、キーボード等）に対しても、ダイアフラム、平面、慣性ドライブ、厚みモード、ハイブリッド（添付の開示に記載されている平面および厚みモードの組み合わせ）、均一の回転を含んでいる。これらの実施形態は、ユーザ接触表面の特定の部分、例えば、タッチスクリーン、キーパッド、ボタンまたはキーキャップを動かすこともできるし、あるいは、装置全体を動かすこともできる。

異なる装置の実装は、異なるＥＡＰプラットホームを必要とする。例えば、一例において、厚みモードアクチュエータのストリップは、タッチスクリーンに対する平面外動作、キーボード上のボタンに対するキークリック感覚をもたらすためのハイブリッドまたは平面アクチュエータ、マウスおよびコントローラのランブラー（rumbler)フィードバックをもたらすための慣性ドライブ設計を提供できる。

図２７Ａは、様々なユーザインターフェース装置を有する触覚フィードバックを提供するための変換器の他の実施形態を示す。この実施形態において、マスまたは重り２６２は、電場応答性高分子アクチュエータ３０に連結している。図示された高分子アクチュエータは、フィルムカートリッジアクチュエータを有するが、この装置の代替実施形態は、上述のＥＡＰ特許および出願に説明されているようなバネベースのアクチュエータを用いることができる。

図２７Ｂは、図２７Ａの変換器アセンブリの分解図を示す。図に示されるように、慣性変換器アセンブリ２６０は、２つのアクチュエータ３０の間に挟まれたマス２６２を備える。しかし、様々な装置は１以上のアクチュエータを有し、マスの両側を目的とするアプリケーションに依存している。図に示されるように、アクチュエータは慣性マス２６２に連結され、ベースプレートまたはフランジを介して固定されている。アクチュエータ３０の作動が、アクチュエータに対してｘ−ｙ方向にマスの移動を引き起こす。追加の実施形態において、マス２６２の垂直移動またはｚ軸移動をもたらすように、アクチュエータを構成できる。

図２７Ｃは、図２７Ａの慣性変換器アセンブリ２６０の側面図を示す。この図において、アセンブリは、アクチュエータ３０と慣性マス２６２に囲まれている中央ハウジング２６６および上部ハウジング２６８と共に示されている。また、アセンブリ２６０が、開口まで伸びている固定手段またはファスナ２７０、あるいは、ハウジングおよびアクチュエータ内のビア２４と共に示されている。このビア２４は、複数の機能を供給できる。例えば、ビアは、取り付け目的のためだけに有することができる。その代わりに、または、組み合わせて、ビアは、アクチュエータを回路基盤、フレックス回路、機械的アース端子に電気的に接続できる。図２７Ｄは、図２７Ｃの慣性変換器アセンブリ２６０の斜視図を示し、慣性マス（図示せず）が、ハウジングアセンブリ２６４，２６６，２６８の内部に配置されている。ハウジングアセンブリの各部は、複数の機能を供給できる。例えば、機械的支持および取り付けおよび付着特性に加えて、アクチュエータカートリッジを傷つけるかもしれないｘ方向、ｙ方向および／またはＺ方向における慣性マスの必要以上の動きを止めるための機械的強力止め具として機能する特性を組み込むことができる。例えば、上記ハウジングは、慣性マスの必要以上の動きを制限するための隆起した表面を設けることができる。示されている実施形態において、上記隆起した表面は、ビア２４を含むハウジングの一部分を有することができる。また、ビア２４は、それを通して設置されたどんなファスナ２７０も慣性マスの動きを制限するための効果的な止め具として機能することができるように、選択的に取り付けることができる。

ハウジングアセンブリ２６４，２６６は、手で触れることによる電気ショックを妨げるためにアクチュエータのエッジを覆う一体化されたリップまたは拡張を伴う設計をすることもできる。これらの部分の全ては、家庭用電子装置のハウジング等、より大きなアセンブリのハウジングの部分として一体化することもできる。例えば、図示されているハウジングは、ユーザインターフェース内に固定できる独立した構成要素として示されているが、変換器の別の実施形態は、実在のユーザインターフェース装置のハウジングの全体または部分であるハウジングアセンブリを有する。例として、コンピュータマウスの本体は、慣性変換器アセンブリのハウジングとして機能するよう構成できる。

慣性マス２６２はまた、複数の機能を供給できる。図２７Ａおよび図２７Ｂに円形状として示される一方、慣性マスの一実施形態は、より複雑な形状を有するよう製造することができ、動作をｘ、ｙおよび／またはｚ方向に制限する機械的強力止め具として機能する総合的な特性を有する。例えば、図２７Ｅは、慣性変換器アセンブリの一実施形態を示し、この慣性変換器アセンブリは、ハウジング２６４の止め具特性または他の特性をはめ込む形状面２６３を有する慣性マス２６２を備える。図示の実施形態において、慣性マス２６２の形状面２６３は、ファスナ２７０をはめ込む。したがって、慣性マス２６２の変位は、形状面２６３とファスナ止め２７０との間の隙間に制限される。重量マスは、アセンブリ全体の共振周波数を調整するために選択でき、構造体の材料は、どんな高密度物質でも可能だが、必要なボリュームやコストを最小化するよう選択されるのが好ましい。適切な材料は、鉄、タングステン、アルミニウム、ニッケル、クロムおよび真鍮、高分子／金属合成材料、樹脂、流体、ゲルあるいは他の材料等の金属および金属合金を含む。

（電場応答性高分子触覚に対するフィルターサウンドドライブ波形）
本明細書に記載された本発明の方法および装置のその他の実施形態は、フィードバックを改良するためのマナーで、アクチュエータを駆動することを含む。一実施形態において、触覚アクチュエータは、サウンド信号によりドライブされる。上記構造は、異なるタイプの触覚感覚を作り出すための波形を生成するための個別のプロセッサについての必要性を除外する。代わりに、触覚装置は、現在の音声信号を修正触覚信号に修正する、例えば、周波数スペクトルの異なる部分をフィルターにかける、あるいは、増幅するために１以上の回路を用いることができる。従って、修正触覚信号はアクチュエータを駆動する。一実施形態において、修正触覚信号は、異なる感覚効果を得るためのアクチュエータを始動させるために電源をドライブする。このアプローチは、どんな音声信号も自動的に関連付け、同期させるという有利な点を有し、ゲームコントローラや携帯ゲームコンソール等の触覚装置における音楽やサウンドエフェクトのフィードバックを強化することができる。

図２８Ａは、電場応答性高分子アクチュエータに対する最適な触角周波数内で作動するための音声信号を調整する回路の一実施形態を示す。図示されている回路は、図２８Ｂに示されているものと同じ信号を作り出すために、振幅カットオフ、直流電流オフセット調整、交流電流波形最大振幅マグニチュード調整によって音声信号を修正する。ある実施形態において、上記電場応答性高分子が、二相の電場応答性高分子アクチュエータを有し、上記音声信号を変化させることは、上記電場応答性高分子変換器の単相をドライブするために上記音声信号の音声波形の正の部分をフィルターにかけることを含み、上記電場応答性高分子変換器の性能を向上させるための上記電場応答性高分子変換器の二相をドライブするために、上記音声信号の音声波形の負の部分を反転させることを含む。例えば、正弦波形の音源信号は、矩形波形（例えば、クリッピングを介して）に変換でき、触覚信号が、最大アクチュエータ出力を作り出す矩形波形であるようにできる。

他の実施形態において、上記回路は、音声信号の周波数をフィルターにかけるための１以上の整流器を設けることができ、触覚効果を起こさせるために音声信号の全てまたは一部の音声波形を用いる。図２８Ｃは、音声信号の音声波形の正の部分をフィルターにかけるために設計された回路の一実施形態を示す。この回路は、他の実施形態において、二相を有するアクチュエータについて図２８Ｄに示される回路と結合することができる。図に示されるように、図２８Ｃの回路は、アクチュエータの一方の相を駆動するための音声波形の正の部分をフィルターにかけることができる。一方、図２８Ｄに示す回路は、二相触覚アクチュエータの他方の相を駆動するための音声波形の負の部分を反転させることができる。その結果、二相アクチュエータがより大きいアクチュエータ性能を有するであろう。

他の実施形態において、音声信号の閾値は、アクチュエータをドライブする２次的回路を始動させるために用いることができる。この閾値は、音声信号の振幅、周波数、または特定のパターンにより定めることができる。２次的回路は、特定の周波数を出力するために取り付けられた発信回路等、固定された応答を有することができ、あるいは、複数定められているトリガーに基づいて、複数の応答を有することができる。ある実施形態において、上記応答は、特定のトリガーに基づいて、予め決めることができる。この場合、蓄積された応答信号を、特定のトリガーに提供できる。このマナーにおいて、音源信号の修正に代えて、上記回路は、１以上の音源信号特性に依存している既定の応答を始動する。２次的回路はまた、限られた持続時間の応答を出力するためのタイマーを有することもできる。

多くのシステムが、サウンドに対する機能を有する触覚の実装（例えば、コンピュータ、スマートフォン、携帯情報端末（ＰＤＡ）の電子ゲーム）から利益を得ることができる。この実施形態において、フィルターをかけられたサウンドは、電場応答性高分子触覚に対する駆動波形として機能する。通常、これらのシステムに用いられるサウンドファイルを、触覚フィードバックアクチュエータ設計の最適な周波数範囲のみを含むようフィルターにかけることができる。図２８Ｅおよび図２８Ｆは、装置４００のその一例を示していて、この場合、コンピュータマウスは、マウス本体４００の内部に、慣性マス４０４に連結された１以上の電場応答性高分子アクチュエータ４０２を有している。

現在のシステムは、２００Ｈｚ未満の最適周波数で稼動する。ショットガンの爆音サウンドまたはドアを閉めるサウンド等のサウンド波形は、使用される２００Ｈｚ未満であるこれらサウンドから最適周波数のみを認めるようローパスフィルターすることができる。このフィルターにかけられた波形は、触覚フィードバックアクチュエータを駆動するＥＰＡＭ電源への入力波形として供給される。これらの実施形態がゲームコントローラに用いられた場合、ショットガンの爆音サウンドおよびドアを閉めるサウンドは、触覚フィードバックと同時に起こり、ゲームプレイヤーに質を高められた経験を供給する。

一実施形態において、現存のサウンド信号の使用は、独立して生成された音声信号によって生成されたサウンドと同時に、ユーザインターフェースにおいて、触覚効果を作り出す方法を可能にさせることができる。例えば、この方法は、 上記音声信号をフィルタリング回路に案内し、既定の周波数よりも下の周波数の範囲をフィルターにかけることにより触覚ドライブ信号を作るために、上記音声信号を変化させ、上記触覚ドライブ信号を電場応答性高分子変換器に連結された電力源に提供し、上記電力源が上記電場応答性高分子変換器を作動させ、上記音声信号により生成される上記サウンドと同時に上記触覚効果を起こさせること
を含むことができる。

上記方法は、同時に、サウンドエフェクトおよび触覚応答の両方を生成するために、電場応答性高分子変換器を駆動することをさらに含むことができる。

本発明の他の詳細に関しては、材料および構造に関連した代替物は、関連する技術分野における技術の材料および構成に関連した代替物のレベルの範囲で用いることができる。一般的に、あるいは、論理的に使用されるような追加活性に関する本発明の方法ベースのアスペクトに関して、同じことが当てはまる。さらに、本発明は、いくつかの実施形態、任意に様々な特性の組み合わせに関して記載されているが、本発明のそれぞれの実施形態に関して検討されたように記載され、示されているものに、本発明は限定されない。記載された発明に対して様々な変更を行うことができ、本発明の本質および範囲から離れることなしに、均等物（ここに列挙されたものであれ、簡潔化のために含まれないものであれ）を代用することもできる。示されているあらゆる個々の部分またはサブアセンブリを、その設計において一体化することができる。このような変更その他は、アセンブリに対する設計の原則によって行われ、あるいは、導かれる。

記載された本発明の実施形態のどんな任意の特性でも、単独で、あるいは、本明細書に記載されている１以上のどんな特性とでも組み合わせて、説明し、主張することができる。単数の事項への言及は、複数の同じ事項がある可能性を含む。より具体的に言うと、本明細書および添付の請求項では、単数形「ａ」、「an」、「said」、「the」は、複数でないことが明確に記載されていない限り、複数のものを含む。言い換えれば、上記説明および後述の請求項において、上記冠詞の使用は、当該事項の「少なくとも１つ」という文言を可能にさせる。いかなる任意の構成要素をも排除するように、請求項を起草できる。そのため、請求項の構成要素の列挙に関連して、「ただ（solely）」、「のみ（only）」等のような排他的用語を使用することによって、あるいは、「否定的な（negative）」限定を使用することによって、請求項からいかなる任意の構成要素をも排除することを意味している。上記排他的用語を使用せずに、請求項における「備える、含む、有する（comprising）」を用いる場合は、構成要素に与えられている番号が請求項に列挙されているかどうかに関係なく、どんな追加構成要素の包含も可能にするものとする。あるいは、特性の追加が、請求項に説明されている構成要素の本質を変形するものとしてみなされ得る。その他定められたものとして、本明細書において特別に定められたものでない限り、本明細書で使用されている技術的および科学的用語は、請求項の効力を維持している間、可能な限り、一般に広義に理解される意味が与えられ得る。

全体において、本発明の広さは、提供される実施形態により限定されない。それはそれとして、我々は要求する。

Claims (28)

1. 独立して生成された音声信号によって生成されたサウンドと同時に、ユーザインターフェースデバイスに触覚効果をもたらすための方法であって、
   上記音声信号をフィルタリング回路に送り、
   既定の周波数よりも下の周波数の範囲をフィルターにかけることにより、触覚ドライブ信号を作り出すために上記音声信号を変化させ、
   上記触覚ドライブ信号を電場応答性高分子変換器に連結された電力源に提供して、上記電力源が上記電場応答性高分子変換器を作動させ、上記音声信号によって生成された上記サウンドと同時に上記触覚効果を起こさせること
   を含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   上記フィルターをかけた信号を用いてサウンドエフェクトを生成するために、上記電場応答性高分子変換器を駆動することをさらに含むことを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、
   上記既定の周波数が、上記電場応答性高分子アクチュエータの最適な周波数を含むことを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、
   上記既定の周波数が、２００ヘルツの周波数を含むことを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の方法において、
   上記音声信号を変化させることが、上記触覚ドライブ信号を作るために、上記音声信号の音声波形の正の部分をフィルターにかけることを含むこと特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法において、
   上記電場応答性高分子が、二相の電場応答性高分子アクチュエータを有し、
   上記音声信号を変化させることが、上記電場応答性高分子変換器の第１の相を駆動するために上記音声信号の音声波形の正の部分をフィルターにかけること、および、上記電場応答性高分子変換器の性能を向上させるべく上記電場応答性高分子変換器の第２の相を駆動するために、上記音声信号の音声波形の負の部分を反転させることを含むことを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の方法において、
   上記音声信号が正弦波形を有し、
   上記音声信号を変化させることが、矩形波形を有する上記触覚ドライブ信号を作るために、上記正弦波形を変換することを含むことを特徴とする方法。
8. 独立して生成された音声信号によって生成されたサウンドと同時に、ユーザインターフェースデバイスに触覚効果をもたらすための方法であって、
   上記音声信号をトリガー回路に送り、
   上記音声信号の特性に基づいて触覚ドライブ信号を生成し、
   上記触覚ドライブ信号を電場応答性高分子変換器に連結された電力源に提供し、上記電力源が上記電場応答性高分子変換器を作動させ、この電場応答性高分子変換器の触覚出力周波数を制御することによって上記触覚効果を起こさせること
   を含むことを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法において、
   上記フィルターをかけた信号を用いてサウンドエフェクトを生成するために、上記電場応答性高分子変換器を駆動することをさらに含むことを特徴とする方法。
10. 請求項８に記載の方法において、
    上記音声信号の特性は、この音声信号の閾電圧を含むことを特徴とする方法。
11. 誘電性エラストマー層を有し、この誘電性エラストマー層の一部が第１電極と第２電極との間に広がっていて、上記第１電極および上記第２電極の少なくとも１つの重複部分が活性フィルム領域を画定すると共に、少なくとも１つの残余部分が非活性フィルム領域を画定する電場応答性高分子と、
    上記非活性フィルム領域の少なくとも一部に配置され、上記第１電極に電気的に接続された第１導電層、および、上記非活性フィルム領域の少なくとも一部に配置され、上記第２電極に電気的に接続された第２導電層と、
    上記電場応答性高分子フィルムの一側の少なくとも一部上に伸びる少なくとも１つの非圧縮性不動態高分子層と
    を備え、上記活性領域の活性化が上記非圧縮性不動態高分子層の厚さ寸法を変更させることを特徴とする変換器。
12. 請求項１１に記載の変換器において、
    上記第1電極を含む位置に、上記変換器を貫いて伸びている第1導電ビアと、上記第２電極を含む位置に、上記変換器を貫いて伸びている第２導電ビアとをさらに備えることを特徴とする変換器。
13. 請求項１１に記載の変換器において、
    第１非圧縮性不動態高分子層および第２非圧縮性不動態高分子層をさらに備え、
    上記第１非圧縮性不動態高分子層および上記第２非圧縮性不動態高分子は、上記電場応答性高分子フィルムのそれぞれの面に位置していることを特徴とする変換器。
14. 少なくとも２つの積層された電場応答性高分子フィルムの層を備え、
    各電場応答性高分子フィルムは、薄膜の誘電性エラストマー層を備え、この誘電性エラストマー層の一部は第１電極と第２電極との間に挟まれていて、上記第１電極および第２電極の重複部分は活性フィルム領域を画定すると共に、フィルムの残余部分は非活性フィルム領域を画定し、上記電場応答性高分子フィルムのそれぞれの層のそれぞれの層の上記活性フィルム領域は積層整列されており、上記電場応答性高分子フィルムのそれぞれの層の上記不活性フィルム領域も積層整列されており、
    また、
    各電場応答性高分子フィルムの上記非活性フィルム領域の少なくとも一部に配置され、上記第１電極に電気的に接続された第１導電層、および、各電場応答性高分子フィルムの上記非活性フィルム領域の少なくとも一部に配置され、上記第２電極に電気的に接続された第２導電層と、
    上記電場応答性高分子フィルムの各露出面上の非圧縮性不動態高分子層と
    を備え、上記活性領域の活性化が上記非圧縮製不動態高分子層の厚さ寸法を変更させることを特徴とする変換器アセンブリ。
15. 請求項１４に記載の変換器アセンブリにおいて、
    それぞれのフィルムの上記第１電極を含む位置に、積層された上記電場応答性高分子フィルムを貫いて伸びている第１導電ビアと、上記第２電極を含む位置に、積層された上記電場応答性高分子フィルムを貫いて伸びている第２導電ビアとをさらに備えることを特徴とする変換器アセンブリ。
16. 電場応答性高分子フィルムを備え、
    この電場応答性高分子フィルムは上部フレーム部材と下部フレーム部材との間に広がり、フレームの中心部分が、上記電場応答性高分子フィルムの中央表面を露出するよう開口しており、
    また、
    上記電場応答性高分子フィルムの上記中央表面上に位置する第１出力部材と、
    上記第１出力部材に取り付けられた慣性マスと
    を備え、上記電場応答性高分子フィルムの第１電極および第２電極間に電圧差を与えることで、上記電場応答性高分子フィルムを変位させて上記慣性マスを動かす
    ことを特徴とする慣性電場応答性高分子変換器。
17. 請求項１６に記載の慣性電場応答性高分子変換器において、
    第２電場応答性高分子フィルムと、第２出力部材とをさらに備え、
    上記第２電場応答性高分子フィルムは、上部第２フレーム部材と下部第２フレーム部材との間に挟まれ、第２フレームの中心部分が、上記電場応答性高分子フィルムの第２中央表面を露出するよう開口していて、
    上記第２出力部材は、上記電場応答性高分子フィルムの上記中央表面上に位置していて、上記第１出力部材および上記第２出力部材との間に、上記慣性マスが配置されていること
    を特徴とする慣性電場応答性高分子変換器。
18. 請求項１６に記載の慣性電場応答性高分子変換器において、
    上記電場応答性高分子が、上記電場応答性高分子フィルムの面で変位するよう構成されていることを特徴とする慣性電場応答性高分子変換器。
19. 請求項１６に記載の慣性電場応答性高分子変換器において、
    上記電場応答性高分子が、上記電場応答性高分子フィルムの面に垂直の方向に変位するよう構成されていることを特徴とする慣性電場応答性高分子変換器。
20. 請求項１６に記載の慣性電場応答性高分子変換器において、
    上記電場応答性高分子がバネ付勢されていることを特徴とする慣性電場応答性高分子変換器。
21. 請求項１６に記載の慣性電場応答性高分子変換器において、
    上記慣性電場応答性高分子変換器が、少なくとも１つのハウジングアセンブリをさらに備えることを特徴とする慣性電場応答性高分子変換器。
22. 請求項２１に記載の慣性電場応答性高分子変換器において、
    上記電場応答性フィルムと上記慣性マスとが、上記ハウジングアセンブリ内に入れられていることを特徴とする慣性電場応答性高分子変換器。
23. 請求項２２に記載の慣性電場応答性高分子変換器において、
    上記ハウジングアセンブリが、上記慣性電場応答性高分子変換器を電気的に絶縁するよう構成されていることを特徴とする慣性電場応答性高分子変換器。
24. 請求項２１に記載の慣性電場応答性高分子変換器において、
    上記ハウジングアセンブリが、少なくとも１つの機械的止め具をさらに備えて、 過度の動作からもたらされるアクチュエータカートリッジへの損傷を防ぐために上記慣性マスの動作を制限することを特徴とする慣性電場応答性高分子変換器。
25. 請求項２４に記載の慣性電場応答性高分子変換器において、
    上記少なくとも１つの機械的止め具が、上記ハウジングアセンブリ内に位置する少なくとも１つのファスナを備えることを特徴とする慣性電場応答性高分子変換器。
26. 請求項１６に記載の慣性電場応答性高分子変換器において、
    上記慣性マスが、ハウジング内の止め具を嵌め込むための形状面を備えて、上記慣性マスの動作を上記形状面と上記止め具との間の距離に制限し、過度の動作からもたらされるアクチュエータカートリッジへの損傷を防ぐことを特徴とする慣性電場応答性高分子変換器。
27. 請求項１６に記載の慣性電場応答性高分子変換器において、
    上記慣性マスの重さが、上記電場応答性高分子フィルムの共鳴周波数に依存して選択されることを特徴とする慣性電場応答性高分子変換器。
28. 請求項１６に記載の慣性電場応答性高分子変換器において、
    上記ハウジングアセンブリが、ユーザインターフェースデバイスのハウジングの一部であることを特徴とする慣性電場応答性高分子変換器。
    

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