JP2013506899A

JP2013506899A - タッチ感知デバイス

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Publication number: JP2013506899A
Application number: JP2012531502A
Authority: JP
Inventors: ジョンハリス，ニール
Original assignee: ニュートランスデューサーズリミテッド
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2013-02-28
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Abstract

タッチ感知面と、前記タッチ感知面に結合したフォースエキサイタ又はアクチュエータとを有する結合システムにおいて、キーボードスイッチ触感を発生する方法であって、前記結合システムの周波数帯域内の周波数でキャリア波信号を発生する段階と、前記キャリア波信号を変調エンベロープで変調し、前記変調したキャリア波信号が密集したピークのペアを有するようにする段階と、前記変調したキャリア波信号で前記エキサイタ又はアクチュエータを駆動して、前記タッチ感知面を励起させ、密集したインパルスのペアを与えて、それにより前記タッチ感知面にタッチしているユーザに対してキーボードスイッチ触感をシミュレーションする段階と、を有する方法。

Description

本発明は、タッチ感知スクリーン又はパネルを含むタッチ感知デバイスに関する。

特許文献１乃至４は、タッチされた時にユーザに触覚的フィードバックをするタッチ操作装置について記載している。特許文献１では、ＣＲＴに動きを知らせるアクチュエータが備えられ、そのアクチュエータを起動すると触覚的フィードバックを提供する。特許文献２では、スイッチを形成するピエゾ電気要素に電圧を印加して、その要素を振動させ、ユーザの指に反作用力を及ぼす。特許文献３では、指やポインタでタッチスクリーンに触ると、触覚的フィードバックユニットが、ユーザが感知する機械的振動を発生する。機械的振動の振幅、振動周波数、及びパルス長さは制御されており、パルス幅は感知できるが、次のキータッチの前には終わる長さである。特許文献４では、第２のトランスデューサを用いて、ボタンクリックをシミュレーションする、過渡的スパイクの形式のパルスを発生する。

上記の各先行技術文献では、ユーザの指やポインタの離散的なタッチに応じて触覚的フィードバックが与えられる。

米国特許第４，８８５，５６５号明細書米国特許第５，６３８，０６０号明細書米国特許第５，９７７，８６７号明細書米国特許出願公開第２００２／００７５１３５号

本発明の他の一態様による方法は、タッチ感知面と、前記タッチ感知面に結合したフォースエキサイタ又はアクチュエータとを有する結合システムにおいて、キーボードスイッチ触感を発生する方法であって、前記結合システムの周波数帯域内の周波数でキャリア波信号を発生する段階と、前記キャリア波信号を変調エンベロープで変調し、前記変調したキャリア波信号が密集したピークのペアを有するようにする段階と、前記変調したキャリア波信号で前記エキサイタ又はアクチュエータを駆動して、前記タッチ感知面を励起させ、密集したインパルスのペアを与えて、それにより前記タッチ感知面にタッチしているユーザに対してキーボードスイッチ触感をシミュレーションする段階と、を有する。

本発明の他の一態様によるタッチ感知デバイスは、タッチ感知デバイスであって、タッチ感知面と、前記タッチ感知面に結合し、送られた信号に応じて前記面に振動を励起するフォースエキサイタであって、前記タッチ感知面と前記エキサイタとが結合システムを構成するエキサイタと、前記信号を発生する信号ジェネレータであって、前記結合システムの周波数帯域内の周波数のキャリア波信号を発生し、前記キャリア波信号を変調エンベロープで変調し、前記変調されたキャリア波信号が密接なピークのペアを有するようにし、前記変調されたキャリアは信号に応じて前記エキサイタにより励起された前記タッチ感知面にタッチしているユーザが、キーボードスイッチの触感を経験する、信号ジェネレータとを有する。

本発明の他の一態様による方法は、タッチ感知面と、前記タッチ感知面に結合したフォースエキサイタ又はアクチュエータとを有する結合システムにおいて、前記結合システムの周波数帯域内の周波数で信号を発生する段階と、前記信号で前記エキサイタ又はアクチュエータを駆動して、前記タッチ感知面を励起し、可聴信号を放射し、ユーザが前記タッチ感知面にタッチしたのに応じて触感をシミュレーションする段階とを有する。

前記信号は、前記触感をシミュレーションするためのオーディオ成分と低周波数成分とを両方とも有してもよい。

上記の態様は互いに組み合わせることができ、以下の特徴はどれでもすべての態様に適用することができる。

前記パルスのペアは、１０ｍｓ乃至４０ｍｓの、１５乃至３０ｍｓの、又は２０乃至２６ｍｓのオーダーの時間間隔だけ隔たったピークを有する。ピークのペアのうち、第２のピークの幅は、第１のピークの幅の３倍乃至４倍である。

変調エンベロープは、崩壊レートが異なる２つの指数関数の和を含む前記キャリア波信号を変調し、前記変調したキャリア波信号が密集したピークのペアを有するようにする。両方の指数関数は、因子ｎの関数である。因子ｎは異なる崩壊レートの間の比ｒに依存する。これにより、各指数関数の崩壊が大きくなり、ピークのペアが現れるようになる。各指数関数は同じ因子ｎの関数でも、２つの異なる因子ｎ_１とｎ_２の関数でもよい。特に、前記変調されたキャリア波信号が密集したピークのペアを有する前記因子（ｎ又はｎ_１とｎ_２）の臨界値を決定してもよく、前記値ｎをこの臨界値より上に設定することが好ましい。

前記変調されたキャリア波信号が密集したピークのペアを有し、前記ピーク間の極小値が所定値より上になる前記因子（ｎ又はｎ_１とｎ_２）の第２の値を決定してもよく、前記値ｎをこの第２の値より上に設定する。変調エンベロープは次式で定義できる：

［外１］

ここで、αとα／ｒは各指数関数の崩壊レートであり、ｔは時間であり、ｎ_１とｎ_２はｒに依存する因子である（ｎ_１はｎ_２と等しくてもよい）。

ｎの臨界値は、関数ｆの１次微分と２次微分が同じ点でゼロになる値を決定することにより計算できる。

前記触覚信号と時間的に同期したオーディオ信号で前記エキサイタを駆動してもよい。前記オーディオ信号は実質的に１／３オクターブの帯域幅を有する音響シグネチャを有するものであってもよい。前記オーディオ信号は、実質的に８００Ｈｚないし４ｋＨｚの範囲の周波数を有するものであってもよい。前記タッチ感知面上の、前記ユーザによりタッチされた領域に、前記オーディオ信号を局在化させてもよい。オーディオ信号は、リニア振幅パンニングを用いてステアリングしてもよいし、及び／又はタッチ感知面の異なる領域に同時にステアリングしてもよい。複数のフォースエキサイタ又はアクチュエータからのオーディオ信号をステアリングしてもよい。

前記変調されたキャリア波信号の長さは１００ｍｓの辺りであり得る。キャリア波信号は単一周波数の正弦波であってもよい。あるいは、キャリア波信号は、ある周波数範囲をカバーする複数の正弦波を有してもよいし、スイープされた（ＦＭ変調された）正弦波であっても、帯域制限したノイズ信号であってもよい。

生成されたキャリア波信号は、望ましい触感を発生する信号の周波数に調和的に関連し、それにより触感を改善する周波数に情報を含むことができる。これは、倍音から基音を再構成することにより実際には含まれない周波数を感じるピッチ認識と呼ばれる周知の心理音響現象による。

振動は、屈曲波振動、より具体的には共鳴屈曲波振動を含むいかなるタイプの振動も含む。

振動エキサイタは、スクリーン面に屈曲波振動を与える手段を有していてもよい。振動エキサイタは電気機械的なものであってもよい。エキサイタは、結合システムに、１００Ｈｚ乃至４００Ｈｚの範囲の周波数帯域を提供する。アクチュエータは、高いＢ１すなわちフォースファクタを有してもよい。ＢＬの値は、３より大きくても、又は５より大きくてもよい。Ｂ１は、標準的電磁気エキサイタにおいて、ボイスコイルギャップにおける磁場の強さと、磁場中のワイヤの長さの積として、テスラ・メートル（Ｔ・ｍ）単位で定義される。

エキサイタは電磁気エキサイタでもよく、１５０Ｈｚ乃至３００Ｈｚの結合システムの周波数帯域を有していてもよい。かかるエキサイタは、出願人の特許文献国際出願公開第ＷＯ９７／０９８５９号、第ＷＯ９８／３４３２０号、及び第ＷＯ９９／１３６８４号に記載されているように、本技術分野において周知であり、ここに参照援用する。あるいは、エキサイタはピエゾ電気トランスデューサ、マグネトストリクティブ（magneto-strictive）エキサイタ、又は（ＷＯ００／１３４６４に記載されたタイプの）屈曲又はねじりトランスデューサであってもよい。ピエゾ電気トランスデューサは、下限が１００Ｈｚ乃至３５０Ｈｚの範囲にある、結合システムの周波数帯域を有してもよい。エキサイタは、参照援用するＷＯ０１／５４４５０に記載されたような分布モードアクチュエータでもよく、１５０Ｈｚ乃至３５０Ｈｚの結合システムの周波数帯域を有していてもよい。複数の（場合によっては異なるタイプの）エキサイタを選択して協働して動作させてもよい。エキサイタは慣性型（inertial）であってもよい。

タッチ面は、共鳴屈曲波デバイスなどの屈曲波デバイスであるパネル形状の部材であってもよい。タッチスクリーンは、第２の振動エキサイタが音響出力を生じる振動を励起するスピーカでもよい。例えば、タッチスクリーンは、国際特許出願第ＷＯ９７／０９８４２号に記載された共鳴屈曲波モードスピーカであってもよい。この文献はここに参照援用する。

面へのコンタクトは、国際特許出願ＷＯ０１／４８６８４、ＷＯ０３／００５２９２、及び／又はＷＯ０４／０５３７８１に記載されているように、検出及び／又はトラッキングできる。これらの国際特許出願はここに参照援用する。あるいは、他の既知の方法を用いてかかるコンタクトを受け、記録し、感知することができる。

本発明は、さらに、上記方法を実施するプロセッサ制御コードを、具体的には、ディスク、ＣＤ−又はＤＶＤーＲＯＭ、読み出し専用メモリ（ファームウェア）などのプログラムされたメモリに格納された、又は光又は電気信号キャリアなどのデータキャリアに格納されたプロセッサ制御コードを提供する。本発明の実施形態を実施するコード（及び／又はデータ）は、Ｃ言語などの従来のプログラミング言語で記載されたソース、オブジェクト、又は実行可能コードと、アセンブリコードと、特定目的集積回路（ＡＳＩＣ）やフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を設定又は制御するコードと、Ｖｅｒｉｌｏｇ（商標）やＶＨＤＬ（Very High speed integrated circuit Hardware Description Language）などのハードウェア記述言語のコードとを含み得る。当業者には言うまでもなく、かかるコード及び／又はデータは、互いに通信できように結合した複数のコンポーネント間に分散していてもよい。

本発明を、添付した図面に、例として図示する。
タッチ感知スクリーンを示す平面図である。図１ａに示したタッチ感知スクリーンと共に用いるシステムを示すブロック図である。ＩＳＯ／ＤＩＳ９２４１／４．２標準で規定されたキーにかかる力とキーの移動との間の関係を示す図である。代表的な打鍵力記録のため、時間（ｓ）に対して打鍵力（Ｎ）をプロットしたグラフである。修正した２つのエンベロープ関数ｈの時間変化をプロットしたグラフである。４つの合成エンベロープ関数ｆの時間変化をプロットしたグラフである。エンベロープ関数ｆのキー変数ｎの、エンベロープ関数ｆの他のキー変数（ｒ）に対する２つのバリエーション間の関係を示す図である。３つの合成エンベロープ関数ｆの時間変化をプロットしたグラフである。規定された基準と合理的に沿った２つの合成エンベロープ関数ｆの時間変化をプロットしたグラフである。ヘルツ単位のεに対する、Ｆ（０）＝１にスケーリングした、候補のダブルパルスのスペクトルを示す図である。ｒ＝３．２、ｐ＝５、ｑ＝１２を用いてサンプルの触覚信号の時間変化をプロットしたグラフである。ＦＦＴで計算した、図９ａの信号のスペクトルを示す図である。ｒ＝５．８、ｐ＝５、ｑ＝１３を用いてサンプルの触覚信号の時間変化をプロットしたグラフである。ＦＦＴで計算した、図１０ａの信号のスペクトルを示す図である。基本周波数８８０Ｈｚ（楽音Ａ２）の２つのトーンバーストの振幅の時間変化を示す図である。基本周波数２０９３Ｈｚ（楽音Ｃ７）の２つのトーンバーストの振幅の時間変化を示す図である。図３の修正エンベロープ関数ｈの、ｎと共に変化するパルスの幅をプロットしたグラフである。ｎと共に変化する規格化カットオフ周波数をプロットしたグラフである。

図１ａは、タッチ感知スクリーン１２を有するタッチ感知デバイス１０を示す。スタイラス１８や鉛筆や同様の筆記具を用いて、タッチ感知スクリーン１２上にテキスト２０を書く。あるいは、スクリーンにはユーザの指（図示せず）が触る。センサ１７を用いてスクリーン上のタッチや動きを検出し、エキサイタ１６を備えてスクリーンにおいて信号を発生する。

図１ｂは、タッチ感知デバイス１０がどのように触覚法と機械的フィードバック技術を用いて、ユーザにタッチに関するフィードバックをするかを示す。スクリーン表面はユーザのタッチに応じてエキサイタにより機械的にエネルギーを与えられる。図１ｂに示したように、タッチ感知スクリーン１２はセンサ１７に接続され、センサ１７はスタイラスの接触のしかたを検出する。センサはプロセッサ２６に接続され、プロセッサ２６はセンサからの信号を処理して、タッチスクリーンにおいて振動を発生する信号を生成するように、インパルスジェネレータ２８に命令する。その信号は触覚信号としてユーザに伝えられる。

キーボードスイッチのＦ−Ｘ特性にはＩＳＯエルゴノミクス標準がある。これは、図２ａに示したが、「Measurement of impedance characteristics of computer keyboard keys」（Proceedings of the 7th Mediterranean Conference on Control and Automation (MED99) Haifa, Israel - June 28-30, 1999）から取ったものである。この応答の重要な特徴は、影付けした「負のインピーダンス」領域である。

Robert G Radwin及びBarry A Ruffalo著「Computer key switch force- displacement characteristics and short-term effects on localized fatigue」（ERGONOMICS, 1999, VOL. 42, NO. 1, 160-170）に記載されているように、筋電図検査（ＥＭＧ）を用いて、打鍵時に使われる人差し指の一定の動きによる筋肉のアクティブ化信号を評価・記録する。代表的な打鍵力記録のＥＭＧのＲＭＳ振幅を図２ｂに再掲した。重要な特徴はピークが２つあることである。

図２ｂは、打鍵ごとの応答が同じではないことを示す。Mark Nagurka及びRichard Marklinによる他の論文「Measurement of Stiffness and Damping Characteristics of Computer Keyboard Keys」（Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control - JUNE 2005, Vol. 127, 283-288）によると、細かい点はどのキーを打つかということ、及びタイピングスピードによっても変わる。ばらつきはあるが、モデル化できる共通の特徴がある。すなわち：
１）２つのピークは２２−２６ｍｓ離れている
２）第２のピークの幅は第１のピークの幅の３乃至４倍ある
３）谷における全幅は４４ｍｓ＋／−６ｍｓである
４）メイクフォース１／２；幅５４ｍｓ＋／−２ｍｓ
５）第２ピークまでの遅延は第１ピークまでの遅延の２乃至３倍である
６）遅延〜第１ピークの幅〜１０乃至１５ｍｓ
７）信号の長さは約１００ｍｓである。

クリックをシミュレーションする触覚信号は

ここで、ｈ（ｔ）は、エンベロープ関数ｇ（ｔ）と周波数変調関数ｆｍ（ｔ）との席である。ここで、［外２］

であり、時間ｔ＝１／αにおいて最大値１となり、αはこのエンベロープの崩壊率であり、βは周波数変調レートを制御するパラメータであり、ω_ｃは時間ｔ＝０における角周波数である。

式（１）に与えられた形式の、αが異なる２つのクリックを足し合わせるだけでは、崩壊が十分速くないため、応答にくぼみはない。エンベロープ関数の、崩壊率がもっと速いバリエーションは以下の通りである

ここでｎは定数であり、αはエンベロープの崩壊率である。

この関数は、ｔ＝１／αの時に最大値１をとる。αとｔを相互にスケーリングしても形状は変化しないので、エンベロープは積（α・ｔ）とｎとの席の関数と考えることができる。ｎは整数でなくてもよいことに留意されたい。この変形エンベロープ関数の、それぞれα＝１／１８ｍｓ、ｎ＝２とα＝１／４２ｍｓ、ｎ＝８とした２つの例を図３に示した。

この関数の一部の特性は、図１２ａと図１２ｂを参照して説明するが、ここで１つだけ留意することはラプラス変換である。ラプラス変換によりスペクトルが得られる。

式（３）は、関数スペクトルがｎ＋１次のローパスであることを示す。

このままでは式２の関数は、必要とする２つのピークを提供しない。出願人の認識によると、このタイプの２つの関数足し合わせることにより、αのみを可変とし、ｎをある限界値より大きくすると、必要な２つのピークを有する合成エンベロープ関数ｆが得られる。ｎを変えることもできるが、労多くして益はすくない。

図４は、α＝１／１６ｍｓ、ｒ＝３、ｎは３乃至６の整数である合成エンベロープ関数の４つのバリエーションを示す。図から分かるように、合成関数の第１と第２のピーク間のくぼみは、ｎが大きくなるとはっきりしてくる。曲線が「ちょうど」第２のピークを持つようになるｎの限界値は、ｒのみに依存する。同様に、ピーク間のくぼみが３ｄＢになるｎの値は、ｒの関数として画定できる。

値ｎ＿ｃｒｉｔ（ｒ）は、ｆの一次導関数と二次導関数が同じ点でゼロになる値である。値ｎ＿３ｄＢ（ｒ）は、ピーク間の極小が、第１のピークより３ｄＢ低いところの値である。

これらの値のｒに対する変化を図５にプロットする。ｒが減少して２に近づくにつれ、値ｎ＿ｃｒｉｔ（ｒ）とｎ＿３ｄＢ（ｒ）は漸近的に増加し始める。図６は、それぞれｒ＝２．５、ｎ＿３ｄＢ＝９．２；ｒ＝３、ｎ＿３ｄＢ＝６．３；及びｒ＝３．５、ｎ＿３ｄＢ＝４．７の３つの合成エンベロープ関数ｆの変化を示す。ｒ＝３の関数は１６ｍｓに第１のピークを有し、４８ｍｓに第２のピークを有する。他の２つの関数も約１６ｓに第１のピークを有する。しかし、ｎ＿３ｄＢの変化にかかわらず、ｒの値が小さい関数は４８ｍｓより前に第２のピークを有し、ｒの値が大きい関数は４８ｍｓより後に第２のピークを有する。

目標スペクトルと一致する信号を生成するｒとα（とｎ、しかしｎ＝ｎ＿３ｄＢ（ｒ）と仮定する）の範囲を指定することが望ましい。これを実現する一方法は、５つの主要時点αｔ０乃至αｔ４を定義することである。これらは、最初の−３ｄＢ通過、第１のピーク、くぼみ、第２のピーク、及び最後の−３ｄＢ通過の規格化時間である。目標となる基準は、次の表に示すように、これらの値の間の関係に変換できる。

表１：設計パラメータオプションのまとめ

表２：設計パラメータオプションのまとめ

表３：選択された設計パラメータとその結果の主要時間のまとめ

表４：設計基準に対する性能のまとめ（すべて（１）と（７）を満たす）
図７は、指定した基準に十分一致する２つの関数を示す。両者は約２５ｍｓ離れた２つのピークを有する。これらの関数は、主要比率が十分一致すれば利用可能な範囲を表す。αを変化させると、これらの比率は保存されるが、時間のスケーリングが簡単になる。２つの曲線の性質を合成する唯一の方法は、２つのパルスで、異なるｎを使うことであるが、そうするとおそらく不必要に複雑になる。２つの曲線について、第１のものは崩壊が速く（１００ｍｓでの切り捨てが容易になる）、立ち上がり時間が遅い（ＨＦロールオフが速い）。

これらの関数は触覚信号のエンベロープを画定し、ベースバンド信号と見なせる。周波数は非常に低く、それぞれのカットオフ周波数は１０Ｈｚより低い。２つの信号のスペクトルを図８に示す。低周波数応答が限られた触覚的ハードウェアで用いるため、これらの信号は適当なキャリア、すなわちｃｏｓ（ω_０．ｔ）で変調しなければならない。「シングルバンプ」の関数について、以下に詳しく説明する。明らかに、これを「ダブルバンプ」の関数にも適用できる。

［外３］

近似的スペクトルから、中心周波数は明らかにω_０であり、カットオフ周波数はω_０±ω_ｃである。ω_ｃは後で図１２ｂの説明で定義する。

単一周波数キャリアを用いることも可能であるが、周波数変調（ＦＭ）を用いてもよい。心理音響的な考察から、エンベロープ関数には指数関数が含まれるので、指数関数でスイープしたキャリアを用いることにも意味があり、非公式に試行したところ、上向きスイープよりも下向きスイープの方がよいことが示唆された。位相の基準を信号のピークｔ１に設定するとよさそうである。したがって、

ここでｇ（ｔ）は周波数変調関数であり、βは周波数変調レートを制御するパラメータである。

明記しておくが、ｇ（ｔ）は、例えばｔ３でピークとなり、ｔ２においてゼロを通る。この場合、２つのパラメータの値は次の制約を受ける

整数値ｐとｑはスイープの周波数幅を設定する。（９）／（１０）を解いてβを求め、次に（１０）を解いてω_０を求められる。図９ａは、図７のｆ３２エンベロープに基づき、ｐ＝５、ｑ＝１２を用いた完全な信号を示す。ω_０とβの値はそれぞれ２４９２．２と２０．５３７である。

追加的な従属パラメータω_μ、ω_ｍａｘ、すなわち平均周波数と最大周波数によりスイープを特徴付けても有用である。後者はω（ｔ０）と容易に画定でき、ω_ｍｉｎもω（ｔ４）と画定できる。前者は少し考える必要がある。信号の範囲は実際には無限なので、単純な算術平均は常にゼロとなる。重み付け平均を計算すると、重み付け関数が変調エンベロープである場合、有用な答えを得ることができる。積分は既知であるが、ラプラス変換と実質的に同じである。すなわち、

そこで、［外４］

は平均と標準偏差である。

上記の信号の場合、周波数パラメータは表５のようにまとめられる。スペクトルを図９ｂに示す。ω_μとω_ｍａｘが同様にした変調ｆ５８信号を図１０ａと図１０ｂに示した。ＨＦロールオフが遅いことが明らかである。

表５：標本信号の周波数パラメータのまとめ
以上、リアルなスイッチ力特性とそれに関連するニューラル応答をモデル化する信号を説明した。これらはキーボードスイッチをシミュレーションするのに好適な唯一の信号ではないだろうが、妥当な哲学的基礎を用いて開発されたものである。特に、エンベロープ関数と変調を別々に検討すること、すなわち前者はエルゴノミクスの観点から、後者はターゲットシステムのメカニクスの観点から検討することが有用であることが示された。

タッチインタフェースを用いると、音響フィードバックにより主観的及び客観的なタスク成果が改善されることを示す多くの研究がなされている。さらに、異なるキューを合成して（触覚＋オーディオ＋ビジュアルなどの）マルチモーダルフィードバックを与えると、改善傾向はさらに大きくなる（例えば、M. Ercan Altinsoy、Sebastian Merchal（TU Dresden）著「Audiotactile Feedback Design for Touch Screens」（HAID'09）、及びJu-Hwan Lee、Ellen Poliakoff、Charles Spence（Oxford, Manchester）著「The effect of Multimodal Feedback Presented via a Touch Screen on the Performance of Older Adults」（HAID'09）を参照）。

モダリティのカップリングは強く、音声があることにより人々の感じ方が変わってくる。例えば、http://www.newscientist.coni/article/mg20126997.900-tactile-illusions-７-parchiiient-skin.html、及びhttp://www.boingboing.net/2009/03/17/tactile-illusions.htmlに記載されている。オーディオ的比喩の利用も有用である。例えば、打鍵時、押した時に下降音を用い、放した時に上昇音を用いる。誰でも、トレーニングをしなくても、何が起こっているかすぐに分かる。

複数の異なるフィードバックが時間的にも空間的にも同期していることが極めて重要である。（Oxford University、Department of Experimental PsychologyのCrossmodal Research Laboratoryの所長である）Professor Charles Spenceは、ＨＡＩＤ’０９のオープニングキーノートプレゼンテーションにおいて、オーディオと触覚の到着時間における平均丁度可知差異（ＪＤ）は、オーディオが先に来る場合は７ｍｓであり、触覚が先に来る場合は１２ｍｓであることを示す実験結果を報告した。

このように、上記の信号に加えて、音響シグネチャはキーボードスイッチシミュレーションにとって適切だろう。

実験が示すところによると、丁度よい時間と場所にオーディオキューがあることは、そのキューの音響シグネチャの詳細よりも重要である。とは言うものの、質の主観的評価は非常に強く影響を受け得る。

ドイツの研究者Alexander Treiberは、ロータリスイッチの音響及び心理音響について多くの研究を行っている（http://iaf.hs-heilbinn.de/wiki/AlexanderTreiberを参照)。彼のレポートによると、高品質のスイッチは約２ｋＨｚのところに強いオーディオ成分を有し、このオーディオキューを連続ロータリエンコーダに加えると、離散的スイッチングと思わせることができ、触覚的フィードバックを使わなくても、ユーザはクリック感があるとレポートしている。周波数もスイッチ品質の主観的評価に影響する−低すぎるとスイッチが安っぽくプラスチック製に感じられ、高すぎると金属製に感じられる。

コンピュータキーボードの音に関する同様の研究は、次の論文以外には無いようである：Dmitri Asonov及びRakesh Agrawal（IBM Almaden Research Center）著「Keyboard Acoustic Emanations」（Proceedings of the IEEE Symposium on Security and Privacy (2004), pp. 3-11）。この論文には、各キーの音のちょっとした違いをどのように用いて何がタイプされたか盗聴するやり方が記載されている。それらの音響シグネチャは基本的に３．５ｋＨｚから４ｋＨｚまでの１／３オクターブの帯域幅である。これは古いキーボードには大体当てはまるが、より最近のキーボードには少し高いと思われ、２−３ｋＨｚの方がよいと思われる。

非公式のテストにより、１／３オクターブの帯域幅がほぼちょうどよいことが分かった（人間の聴覚システムの限界帯域幅と一致するので、これは心理音響的な検討から予測されたことである。）帯域幅がもっと広いとtransientに感じられ、もっと狭いとtonalに感じられる。テストにより、８００Ｈｚ以上４ｋＨｚまでの周波数でよく、「ベストな」周波数の選択はおそらく非常に主観的なものであることが分かった。

上記の通り、「クリック」は単純な正弦波で変調した「シングルバンプ」関数を用いてシミュレーションできる。この信号の画定とスペクトルに関するより多くの情報は、図１２ａを参照して以下に説明するが、次の関数ｈｍとして定義できる。

［外５］

正弦波も、その位相基準がエンベロープのピークと一致するように、位相シフトしてよい。これは、位相シフト以外、スペクトル（（３）と（６）の線形結合）にはほとんど影響しない。

［外６］

とすると、問題はαとｎはどんな値が適当かということである。上掲の表３を参照して、理論的なスイッチングポイントはｔ２である。非公式なテストにより、これはちょっと遅く、ｔ１を利用する方がずっとよいことが分かった。ｔ１とｔ２が１０ｍｓしか違わないことから、触覚キューとオーディオキューの間のレイテンシが小さいことが重要である。

中心周波数と１／３オクターブの帯域幅とを選択すれば、上記のどちらの関数ｈｍのクリックをデザインすることもできる。実際、必要なｎの値は非常に大きいので、表からｔ０に対応する純粋な遅延を加えるとよい。

［外７］

ここで、
［外８］

主観的に、ｎが大きくなっても音は少ししか変化しない。ｎ＝１からｎ＝１．５への変化は知覚でき、その次のｎ＝２への変化もかろうじて知覚できるが、それ以降は基本的に知覚できない。

図１１ａと図１１ｂは例を示している。オーディオ信号の振幅は触覚信号の振幅より小さい（約１／４で十分と思われる）ことに留意されたい。

上記の手順により、触覚信号と時間的に同期した信号が得られるが、空間的にも同期していなければならない。同じオーディオ信号を各チャンネルに供給するとき、サウンドは常にパネルの中心から出ているように感じられる。サウンドに触覚ターゲットをトラッキングさせるため、何らかのステアリングが必要である。２チャンネルシステムの場合、単純なステレオ・リニア振幅パンニングで十分である。チャンネルがもっと多い場合、パンニング則はもう少し複雑になるが、原理的にはまったく同じである。

例として、パネルの各隅に、またはその近くにエキサイタを有する４チャンネルシステムを考える。エキサイタの位置を概念的座標（±１，±１）とすると、任意の点の座標は以下の通りである；
［外９］

ここで、各エキサイタに対し、そのエキサイタの位置において単位値を有し、他のエキサイタの位置においてゼロ値を有するようなバイリニアマッピング関数Ｎを定義する。

［外１０］

エキサイタｉの符号は適当に選択する。

目標位置に対するエキサイタｉにおける信号強度は、
［外１１］

言い換えると、データやコマンドのユーザ入力のために、スクリーンデバイスなどの制御面を操作しているユーザにどのように触覚フィードバックをするかという設計プロセスは、様々なステップを有している。プロセスは、面への単純なメカニカルなクリックをシミュレーションして、その面を反応的にすることを目的として開始してもよい。非聴覚的な触覚的印象に周波数と振幅による陰影を与えるような改良を検討することもできる。有用な設計帯域のパワーが合成され、低周波数の知覚範囲で触覚的有効性を有するように、触覚の動作周波数帯域／エネルギー制御を検討してもよい（同時継続中の出願ＧＢ０９０５６９２．０を参照。この文献はここに参照援用する）。

可聴信号コンテンツを加えて触覚的印象を補強することもできる。サウンドに改良を加えてもよい。例えば、品質のよいスイッチのサウンドをモデル化して、基本的には動かない触覚面が、大きく、高価なプッシュボタンスイッチの手になじんだ安心できる感覚を伴って動いているとユーザが想像するのを助けることができる。スイッチサウンドの周波数合成、周波数帯域、及び振幅エンベロープを用いて、この印象を実現してもよい。必要なら、音響トランスデューサシステムの伝達周波数応答を考慮してもよい。システムは従来のパネルでも屈曲波パネルであってもよく、理想的には触覚スクリーン又は触覚面を伴う、又は集積している。

一般的なサウンド出力は有用であり広く使われているが、音源に方向性又は位置を加えるステップにより、感覚と、入力データのエントリのユーザ正確性と、自信とが大きく改善することが証明されている。これは、音源の放射位置がユーザのデータとコマンドの触覚入力の点上、またはその近くとすることにより実現できる。価値利得は驚くほど大きい。

上記の通り、複数のエキサイタ／トランスデューサをタッチスクリーンに結合して、触感を提供できる。これらのトランスデューサの数と位置により、意図的に局所化した触覚信号の実行をサポートする。触覚信号は一群の出力の振幅と位相の制御により強調され、位置の弁別が向上する。触覚信号は、一般的に、周波数が比較的低く、デバイスのコンテキストでは、そもそも聞き取れない、又はかすかに聞こえる。よって、異なるもっと高い周波数範囲において、トランスデューサアレイが、又は別のトランスデューサ構成が、音声周波数振動を表面に送ってもよい。この振動は、例えば屈曲波動作を含む触覚面自体により、又は複数の小型サウンドラジエータにより、さらにはマイクロスピーカにより放射されてもよい。かかるマイクロスピーカの出力と相対的フェージングは、好適な入力信号により制御され、リアルな、又は見かけの、有用な方向性と位置を有する音源を生成するのに使える。音源はデータ入力及び対応するユーザの触覚フィードバックの位置と関連付けられる。言い換えると、処理された触覚的クリックの音は、入力の／触覚フィードバックの位置から来るように感じられる。

タッチスクリーンは、その上に表示される「ボタン」その他の視覚的コントロールアイコンを有するビジュアルスクリーンを組み込んだものでもよい。ロータリーボリュームコントロールからアナログラジオチューナのスピンホイールやゲームボックスの「サムスティック」（ジョイスティックの一種）や同様のコントローラまで、様々なビジュアルアイコンを用いることができる。これらのビジュアルコントロールアイコンはそれぞれ、それに一意的に伴う様々な触覚信号やサウンド信号を有する。

図１２ａは、上で定義した「シングルバンプ」関数ｈの、ｎに伴うパルス幅変化を示す。微分すると次のようになる：
［外１２］

曲線の最大値はｈ′（αｔ，ｎ）＝０にある、すなわち、
［外１３］

ｈ′′（αｔ，ｎ）＝０に変曲点がある
［外１４］

図１２ａに示した変化は次のようにかける：
［外１５］

追加的に、関連する式を以下に示す：
Ａ．１．３積分とラプラス変換
［外１６］

Ａ．１．４スペクトルカットオフ周波数
［外１７］

「ダブルバンプ」関数ｆもスイッチのシミュレーションに関連して上記した。微分すると次のようになる：
［外１８］

積分とラプラス関数を以下に示す：
［外１９］

スペクトルカットオフ周波数は「シングルバンプ」の場合より複雑であるが、ｒとｎが「十分に（reasonably）」大きいと仮定すると、主要なカットオフは単一パルスのものと大して変わらない、すなわち、
［外２０］

「シングルバンプ」関数と「ダブルバンプ」関数のスペクトルカットオフ周波数を図１２ｂにプロットする。

間違いなく、当業者はこの他の有効な代替案に想到するであろう。言うまでもなく、本発明は上記の実施形態に限定されず、ここに添付した請求項の精神と範囲内にある当業者には明らかな変形例を含む。

Claims

タッチ感知面と、前記タッチ感知面に結合したフォースエキサイタ又はアクチュエータとを有する結合システムにおいて、キーボードスイッチ触感を発生する方法であって、
前記結合システムの周波数帯域内の周波数でキャリア波信号を発生する段階と、
前記キャリア波信号を変調エンベロープで変調し、前記変調したキャリア波信号が密集したピークのペアを有するようにする段階と、
前記変調したキャリア波信号で前記エキサイタ又はアクチュエータを駆動して、前記タッチ感知面を励起させ、密集したインパルスのペアを与えて、それにより前記タッチ感知面にタッチしているユーザに対してキーボードスイッチ触感をシミュレーションする段階と、を有する方法。
前記パルスのペアは、１０ｍｓ乃至４０ｍｓのオーダーの時間間隔だけ隔ったピークを有する、請求項１に記載の方法。
前記パルスのペアは、１５ｍｓ乃至３０ｍｓのオーダーの時間間隔だけ隔たったピークを有する、請求項１に記載の方法。
前記パルスのペアは、２２ｍｓ乃至２６ｍｓのオーダーの時間間隔だけ隔たったピークを有する、請求項１に記載の方法。
第２のピークの幅は、第１のピークの幅の３倍乃至４倍である、
請求項２ないし４いずれか一項に記載の方法。
前記変調されたキャリア波信号の長さは１００ｍｓの辺りである、
請求項１ないし５いずれか一項に記載の方法。
前記触覚信号と時間的に同期したオーディオ信号で前記エキサイタを駆動する段階を有する、請求項１ないし６いずれか一項に記載の方法。
前記オーディオ信号は実質的に１／３オクターブの帯域幅を有する音響シグネチャを有する、請求項７に記載の方法。
前記オーディオ信号は、実質的に８００Ｈｚないし４ｋＨｚの範囲の周波数を有する、請求項８に記載の方法。
前記タッチ感知面上の、前記ユーザによりタッチされた領域に、前記オーディオ信号を局在化させる段階を有する、請求項７ないし９いずれか一項に記載の方法。
リニア振幅パンニングを用いて前記オーディオ信号をステアリングする段階を有する、請求項１０に記載の方法。
周波数変調を用いて前記オーディオ信号をステアリングする段階を有する、
請求項１０または１１に記載の方法。
複数のオーディオ信号を前記タッチ感知面の複数の異なる領域に同時にステアリングする段階を有する、請求項１１または１２に記載の方法。
複数のフォースエキサイタ又はアクチュエータからの複数のオーディオ信号を同時にステアリングする段階を有する、請求項１３に記載の方法。
前記結合システムの周波数帯域に屈曲モードを有する部材の一部を形成するように、前記タッチ感知面を構成する段階と、振幅及び／又は位相形成の音響的結果を設計するにあたり、前記屈曲モードを考慮する段階と、を有する、
請求項１２ないし１４いずれか一項に記載の方法。
崩壊レートが異なる２つの指数関数の和を含む変調エンベロープで前記キャリア波信号を変調し、前記変調したキャリア波信号が密集したピークのペアを有するようにする段階を有する、請求項１ないし１５いずれか一項に記載の方法。
各指数関数は、前記異なる崩壊レートの間の比ｒに依存する因子ｎの関数である、請求項１６に記載の方法。
各指数関数は同じ因子ｎの関数である、請求項１７に記載の方法。
前記変調されたキャリア波信号が密集したピークのペアを有する前記因子ｎの臨界値を決定する段階と、前記値ｎをこの臨界値より上に設定する段階とを有する、請求項１７または１８に記載の方法。
前記変調されたキャリア波信号が密集したピークのペアを有し、前記ピーク間の極小値が所定値より上になる前記因子ｎの第２の値を決定する段階と、前記値ｎをこの第２の値より上に設定する段階とを有する、
請求項１７ないし１９いずれか一項に記載の方法。
次式で定義された変調エンベロープで前記キャリア波信号を変調する段階を有し：
［外１］

ここで、βは各指数関数の崩壊レートであり、ｔは時間であり、ｎ１とｎ２はｒ＝α／βに依存する因子である、
請求項１７ないし２０いずれか一項に記載の方法。
タッチ感知面と、
前記タッチ感知面に結合し、送られた信号に応じて前記面に振動を励起するフォースエキサイタであって、前記タッチ感知面と前記エキサイタとが結合システムを構成するエキサイタと、
前記信号を発生する信号ジェネレータであって、前記結合システムの周波数帯域内の周波数のキャリア波信号を発生し、前記キャリア波信号を変調エンベロープで変調し、前記変調されたキャリア波信号が密接なピークのペアを有するようにし、前記変調されたキャリアは信号に応じて前記エキサイタにより励起された前記タッチ感知面にタッチしているユーザが、キーボードスイッチの触感を経験する、信号ジェネレータとを有する、タッチ感知デバイス。
タッチ感知面と、前記タッチ感知面に結合したフォースエキサイタ又はアクチュエータとを有する結合システムにおいて、
前記結合システムの周波数帯域内の周波数で信号を発生する段階と、
前記信号で前記エキサイタ又はアクチュエータを駆動して、前記タッチ感知面を励起し、可聴信号を放射し、ユーザが前記タッチ感知面にタッチしたのに応じて触感をシミュレーションする段階とを有する、方法。
前記信号は、前記触感をシミュレーションするためのオーディオ成分と低周波数成分とを両方とも有する、請求項２３に記載の方法。