JP2015518990A - 時間反転触覚刺激インターフェース - Google Patents

Abstract

触覚刺激インターフェースは、支持体（２）と、操作者によって触覚的に探査されるものであって支持体（２）上に懸架された可撓面と、可撓面（４）に力を加えることを目的としたアクチュエータ（６）と、アクチュエータ（６）を制御する手段とを備えている。アクチュエータは可撓面の輪郭上に配置されている。制御手段は、可撓面（４）に生成される触覚刺激に従って、可撓面（４）に加えるべき力に対応する信号をアクチュエータ（６）に送信することを目的としており、その力は時間反転法によって決定される。面（４）は、例えばマイラー（登録商標）製である少なくとも１つの十分に可撓性がある領域を備えている。このため、生成された波の伝播速度が、低周波数において十分に短波長に達する程度にまで遅くなる。これにより、触覚刺激に適合する分解度での集束が大幅に改善される。

Description

本発明は、可変な形状とサイズの触覚刺激を提示可能にする時間反転触覚刺激インターフェースに関する。

触覚刺激インターフェースは、時間および／または空間にわたって可変である質感、レリーフまたは粗さの等の触覚情報を提供することを目的とする。

このようなインターフェースは、例えばヒューマン・マシン・インターフェースの分野で使用される。それらは、光学系、音響系、化学、および自動化された製造の分野でも使用されうる。

触覚パターンの提示を可能にするような触覚インターフェースを製造するために、アクチュエータのマトリックスが使用され、各アクチュエータは、皮膚の表面に対して垂直方向または接線方向に静的または動的な変位を直接加える。そのようなインターフェースの分解能は、アクチュエータのサイズによる制約を受ける。さらに、これらのインターフェースは嵩高く、探査対象の接触面に比例して、それぞれが触覚画素に対応する多数のアクチュエータを必要とする。最後に、探査対象面の下のこれらのアクチュエータの存在によってインターフェースが不透明となり、インターフェースの画面への重畳を可能にしない。そのようなインターフェースは例えば非特許文献１に記載されている。

他のインターフェースにおいて、探査対象面は、パターンに対する接触の位置に応じて接線方向に振動する。すると、表面上の指の位置に従ってせん断力を調整することにより、境界と質感の錯覚を与えることが可能である。プレート全体が同じ変位を持つため、複数の指を違う態様で刺激することは可能でなく、面を探査している２本の指は同じ刺激を受け取ることになる。

非特許文献２は、時間反転方法を用いることでガラス板に音響波を伝播させることで触覚刺激インターフェースを生成するインターフェースについて記載している。

時間反転方法は、所与の場所に音響エネルギーを集約させることからなる。この方法は例えば、腫瘍の破壊、または地雷等の爆発装置の破壊のために使用される。

例えば厚さが１ｍｍを超える厚肉ガラス板において音響波を伝搬する触感刺激インターフェースは、いくつかの欠点を持つ。ガラスにおける波の速度は高く、約１５００ｍ／ｓである。したがって、集束点をｃｍの程度で得るためには、約１５０ｋＨｚの周波数が必要である。知覚されるために十分な変位を得るためには、非常に高い動力が必要である。最後に、２ｍｍのガラス板の曲げ剛性は、触覚的使用向けに十分である変位を得ることを可能にするためには高すぎる。例えば、この文献は幅３ｃｍの集束点のために２μｍの変位を記載している。

特許文献１は、圧電アクチュエータを備えたフレーム上に伸びたエラストマー膜を備え、エラストマー膜に定常波を生成する触覚インターフェースについて記載している。このインターフェースは、時間と空間において局所化された刺激を生成することができない。

米国特許出願公開第２０１０／０２２５５９６号明細書

ベナリ=コージャ他著、「触覚インターフェース：最先端調査」、ロボット工学国際シンポジウム予稿集 ２００４年（Benali-Khoudja, M. Hafez, J.M. Alexandre, and A. Kheddar, 2004. Tactile Interface: a state of the art survey. Proc.International Symposium on Robotics.） Ｍ．Ｒ．ベイ、Ｙ．Ｋ．ツァイ著、「時間反転手法に基づくタッチパネルアプリケーションのための触覚フィードバックと組み合わせた衝撃局所化」米国音響協会誌、１２９（３）Ｐ１２９７−１３０５、２０１１年（"Impact localization combined with haptic feedback for touch panel applications based on the time-reversal approach", M.R. Bai and Y.K. Tsai, 2011 - The Journal of the Acoustical Society of America, 129(3), 1297-1305）

したがって、本発明の目的は、優れた空間分解能と優れた時間分解能を持ち、触覚検出可能な大規模の変位を提供する、触覚刺激インターフェースを提供することである。

本発明の付加的な目的は、画像輪郭などの複雑な形状のパターンの生成を可能にする触覚インターフェースを提供することである。

前述の目的は、時間反転法を実施する触覚刺激インターフェースによって達成され、前記インターフェースは、少なくとも１つの面において触覚刺激を提供することを目的とした１つの素子と、そのインターフェース素子に音響波を伝播するための信号を発することが可能なアクチュエータとを備え、前記素子は可撓面によって形成され、面に印加される信号は時間反転法によって決定される。

音響波が伝播される素子が可撓性であるため、音響波は素子を通って、低周波で十分に短い波長を達成するために十分な程度に緩慢に伝播し、触覚刺激に適合する分解度での集束を向上させる。可撓面は低い曲率半径の達成を可能にし、したがって、短波長での大規模の変位を可能にする。

アクチュエータは、触知面を支持するフレーム上にあって隔離されていてよい。音響波によって生じる刺激は指の位置とは無関係であり、複数の指での面の探査を可能にしている。刺激は、例えば約１００Ｈｚの周波数で、経時的に振幅変調方式で繰り返されうる。これらの刺激は面上に、単一の点に集束するように、または一つの形状の輪郭を記述するように配置されうる。

アクチュエータはインターフェース素子の縁に配置されうるため、素子を透明にして画面に設けてもよい。

触知面は例えば、高分子材料製のフィルム、複合材料、約１００μｍの厚さの薄肉ガラス板、または可撓画面によって形成される。

言い換えると、本発明は、触覚的に感知され経時変化可能なレリーフまたは局所化された振動を表示するために、面に変更可能な変形を形成しうる刺激装置に関する。刺激装置は、１つ以上のアクチュエータによって活性化される面を持つ。これらのアクチュエータは、時間反転法に従って計算された力を前記面上に及ぼす。本方法は、音響波が面上の１つ以上の点または線に集束されることを可能にし、時間と空間において局所化された認知可能な振幅ピークをもたらす。この動的な触覚刺激装置は、面が、複数の指や、掌などの手の部分によって探査されることを可能にする。

本発明主題の触覚刺激インターフェースは、操作者によって触覚的に探査されるものであって、少なくとも１つの面によって形成された素子と、前記面に力を加えるように構成された少なくとも１つのアクチュエータと、前記少なくとも１つのアクチュエータを制御する手段と、を備えている。前記制御手段は、前記面に生成される触覚刺激に従って、前記面に加えられるべき力に対応する信号を前記アクチュエータに送信するように構成されており、前記力は時間反転法によって決定され、前記面は、以下式を満足する少なくとも１つの領域を有している。

λは前記領域を伝播する屈曲波の波長であり、ｃは前記屈曲波の速度であり、ρは前記領域の単位面積当たりの質量であって、前記少なくとも１つのアクチュエータは、前記面に特有の多数のモードを励起するために１Ｈｚから２０ｋＨｚにわたる帯域幅を有している。

有利な１つの例において、触覚刺激インターフェースは、前記面を保持するフレームを形成する少なくとも１つの支持体をさらに備えており、前記アクチュエータは、前記フレーム付近に配置されている。

１つの例において、前記アクチュエータは、前記面に対して垂直な方向において前記面に力を直接加える。

１つの実施形態例において、触覚刺激インターフェースは、前記面が懸架されるフレーム形状の支持体と、少なくとも１つの第１のアクチュエータと、少なくとも１つの第２のアクチュエータと、をさらに備える。前記第１のアクチュエータは、前記面に力を直接加え、前記第２のアクチュエータは、前記支持体に力を直接加える。

別の実施形態例において、前記面は、与圧流体が充填された密封容積を規定し、前記面は、前記与圧流体によって延伸する。前記触覚刺激インターフェースは、前記密封容積用の支持体と、前記支持体に搭載された少なくとも１つのアクチュエータと、をさらに備えている。

有利な実施形態において、前記触覚刺激インターフェースは、前記面への力の効果に影響を与えることが可能なパラメータの少なくとも１つのセンサをさらに備えている

前記触覚刺激インターフェースは、前記インターフェースに接触する操作者の存在を検出する少なくとも１つのセンサをさらに備えている。

前記アクチュエータは、例えば電磁アクチュエータである。前記アクチュエータは、コイルと、柔鉄心と、磁石とを備え、前記磁石は前記面に固定され、前記コイルは前記支持体に固定されている。

変形形態では、アクチュエータは圧電材料から作られる。その場合アクチュエータはビームを備えてよく、そのビームの一端は支持体に組み込まれ、ビームの他端は、面に力を加えることを目的としている。

別の特徴によれば、前記面は、操作者との接触を目的としたピンを備えていてもよい。

もう１つの特徴によれば、前記面は、少なくとも２つの異なる材料および／または２つの異なる位相から構成されうる。

１つの有利な実施形態において、前記面は透明である。

例えば、前記面は高分子材料または複合材料製の少なくとも１つのフィルムである。その場合このフィルムは支持体上に延伸されうる。

別の例では、前記面は約１００μｍ厚さの少なくとも１つのガラス板から構成される。

制御手段はモードベースまたはインパルス応答ベースから構成されうる。インパルス応答ベースは、アクチュエータに送信される信号を含むことができ、前記信号は時間反転法によって決定される。

モードべースは、アクチュエータに送信する信号を時間反転法によって決定する装置から構成されうる。

制御手段は、前記信号を前記アクチュエータに送信するアクチュエータコントローラから構成されうる。

好ましくは、屈曲波の速度は約５０ｍ／ｓのオーダである。

本発明は、以下の説明と図面を参照するとよりよく理解される。

触覚刺激装置の１つの実施形態例の平面図である。 図１Ａの平面Ａ−Ａでの断面図である。 図１Ｂの、アクチュエータの高さでの詳細図である。 触知面がピンを有している触覚刺激インターフェースの別の実施形態例の断面図である。 組み込まれたビームの方式のアクチュエータを実装した触覚刺激インターフェースの別例である。 本発明による触覚インターフェースの別の例を表す模式図である。 本発明による触覚インターフェースの別の例を表す模式図である。 本発明による触覚インターフェースの別の例を表す模式図であり、面は与圧ガスで充填された容積を画定している。 本発明による触覚インターフェースの別の例を表す模式図であり、面は与圧ガスで充填された容積を画定している。 ５Ａ〜５Ｌは、面上での点に集束するための異なる動作状態にある触覚インターフェースの平面図である。 ６Ａ〜６Ｌは、面上での三角形に集束するための異なる動作状態にある触覚インターフェースの平面図である。 本発明によるインターフェースで実装されうる面の別例の断面図である。 本発明によるインターフェースで実装されうる面の別例の断面図である。 本発明によるインターフェースで実装されうる面の別例の断面図である。 本発明による触覚インターフェースの別の実施形態例の平面図である。 本発明による触覚インターフェースの別の実施形態例の長手方向断面図である。 本発明による触覚刺激インターフェースの制御の一例の模式図である。 インターフェースの一例の平面図であり、インターフェースの別々の点での、一秒間の変位の図である。

図１Ａから図１Ｃは、本発明による触覚インターフェースの１つの実施形態の第１の実施形態例を示す。

触覚インターフェース１１は、 フレーム２と、フレーム２上に支持された可撓面４を装備した素子と、フレームに固定され、面４に機械的応力を印加できるアクチュエータ６とを備え、応力は面に対して横方向のものである。面４の懸架された部分は、触覚的に探査されることを目的とした面を形成する。

アクチュエータ６は、面４の輪郭に作用するために、フレームの内縁に取り付けられている。示されている例では、アクチュエータは下方フレーム２．２上に固定されたタブに取り付けられている。

フレーム２は、面を支持する上方フレーム２．１と、その上にアクチュエータが搭載される下方フレーム２．２を備えている。面４は下方フレーム２．２と上方フレーム２．１の間に保持される。

面４は、アクチュエータによって印加される応力によって生成する屈曲波または横波の在り場所となることを目的としている。本発明によれば、屈曲波は、集束点において触覚刺激を生成するために集束される。

面４は以下式の条件（Ｉ）となるように１つ以上の材料で形成されている。

λは前記領域で伝播された波の波長である。例えば、概ね指と面の接触部のサイズでの分解度を得るためには、２ｃｍ以上の波長が使用される。
ｃは屈曲波の速度であり、任意選択的にλに依存する。

一例として、等質かつ等方性の材料に関して、屈曲波ｃの伝播速度は以下式である。

Ｔは面に印加される張力であり、Ｅは材料の弾性係数であり、ｈはその厚さであり、ρは単位面積当たりの質量であり、ｖは材料のポアソン比であり、λは波長である。

２０ｋＨｚ未満の周波数で２ｃｍの波長を得るためには、最大伝播速度は以下式からなる。

ｃ＝λ・ｆ＝０．０２×２００００＝４００ｍ／ｓ

延伸マイラー（Mylar（登録商標））膜の例では、約５０ｍ／ｓの伝播速度が得られる。

ρは刺激領域の単位面積当たりの質量である。均質で単一材料の面に関しては、それは材料の密度ρ_ｖとその厚さｈによって決まる。すなわち、ρ＝ρ_ｖ＊ｈである。厚さ１２５μｍのマイラー膜の場合、ρ＝０．１７５ｋｇ／ｍ^２である。

触知面は、例えば高分子材料フィルム、例えばマイラー、複合材料フィルム、例えば約１００μｍの厚さの薄肉ガラス板、または直接的に可撓画面によって形成される。

面は、それぞれが異なる面の単位面積当たり質量を持つ異なる複数の領域から形成されていてもよいが、各領域は条件（Ｉ）を満たすものとする。

集束点のサイズは関係式Ｉ＝λ_ｍｉｎ／２によって最小集束波長λ_ｍｉｎに付随するため、Ｉ＝１ｃｍのサイズの集束点を構築するためには、λ_ｍｉｎ＝２ｃｍ以上の波長が生成される。

周波数は関係式ｆ_ｍａｘ＝ｃ／λ_ｍｉｎによって波長に付随するため、面を励起するために選択されたアクチュエータは、数ヘルツからｆ_ｍａｘまでの帯域幅を持つこととなる。したがってこれらのアクチュエータは、特定のモードを励起するためには選択されず、その周波数が帯域幅〔１Ｈｚ；ｆ_ｍａｘ〕、すなわち、〔１Ｈｚ；ｃ／λ_ｍｉｎ〕＝〔１Ｈｚ；２ｃ／Ｉ〕内に含まれる全てのモードを励起するために選択される。ここで、ｃは関係式（Ｉ）を検証する波の伝播速度である。こうして約〔１Ｈｚ；２０ｋＨｚ〕の帯域幅が得られる。このように、この帯域幅は数百までの特定のモードを含みうる。

実際に、これは数百のモードを網羅する。したがってアクチュエータ（複数のアクチュエータ）は、これらのモードの全ての周波数を網羅する帯域幅を有するように選択される。好ましくは、アクチュエータ（複数のアクチュエータ）は、［１Ｈｚ〜２０ｋＨｚ］の間の周波数で面を励起できるように選択される。

図１Bおよび図１Ｃでは、触覚インターフェースに実装されうるアクチュエータ、すなわち、多数の特定モードの面を動かすために十分広い帯域幅を提供するアクチュエータの一例をより詳細に見ることができる。

図示例では、これは銅製コイル６．１と、軟鉄心および磁石６．２とを有する電磁アクチュエータであり、軟鉄心および磁石６．２は面４の下面に固定されている。コイル６．１の電源は、磁石に作用する軟鉄心を介して磁場を生成する。面の平面に対して垂直な力がこうして生成される。

別法として、アクチュエータは圧電系であってもよい。この場合、張力印加によって変形したアクチュエータは、面に対して垂直な力を印加する。

図示例では、インターフェースは５個のアクチュエータを備えている。しかし、この個数は限定されない。例えば、１個か１０個、または数ダース、例えば４０ダースのアクチュエータを支持体２に分配して備えることも可能である。

アクチュエータ６によって面４に印加される力は時間反転法によって計算され、それは、アクチュエータに、面上の１つ以上の所与の点において所望の時点で強め合う進行波を生成させる。ユーザは、進行波の通過を感知するのではなく、強め合う干渉によりその点における所望の時点において達する振幅を感知する。アクチュエータの利得は、他所の振幅が触覚感度閾値より下となるように調節される。触覚感度閾値が最小感知可能振動振幅を決める。それは接触状態と周波数によって決まるが、１０μｍ前後である。したがって、集束点に達した振幅のみがこの閾値よりも大きく、故に感知可能となるように、面の変位を増幅または減衰できる。こうして面は、集束点を除いて不動の様相となる。

有利には、インターフェースは１つ以上のセンサから構成されうる。センサは例えば、インターフェースが配置された環境の温度センサであってもよい。実際、温度は面内の波の伝播の速度を変更してもよい。このように、この温度情報は、伝播速度におけるこの修正を見込むアクチュエータに送信される信号を補正するために使用されうる。

面上の操作者の指の存在を検出するセンサも実装されてもよい。これにより、指による探査中の領域のみに触覚刺激を生成できるようになる。このように、インターフェースの電力消費を低減でき、携帯機器に適用される触覚刺激インターフェースの場合に特に有利である。これらは例えば光学センサを包含できる。

時間反転法の原理について簡単に説明する。

時間反転波の原理は、時間反転波伝搬方程式の不変性に基づいている。

点Ｉにおいて衝撃力を及ぼすアクチュエータを想定する。面の点Ａ_ｎに配置されたセンサを想定し、この点の、平面を外れる変位を経時的に記録する。０＜ｔ＜Ｔとしてｈ_ＡｎＩ（ｔ）を考慮し、衝撃力が時点ｔａ＝０において点Ｉに及ぼされたときの、期間Ｔにわたる点Ａｎにおける変位を記録する。その場合、相反原理は、ｈ_ＩＡｎ（ｔ）＝ｈ_ＡｎＩ（ｔ） あることを示す。したがって、送信側と受信側は、記録される信号を修正せずに交換されうる。

点Ａｎにおいて、センサを、力Ｆ（ｔ）＝ｈ_ＡｎＩ（Ｔ−ｔ）を及ぼすアクチュエータで置換すると、すなわち、衝撃応答がその終端で開始することにより再送信されると、点Ｊにおいて以下式による信号が記録される。

ｕは、計算で使用されるが、物理的な意味を持たない積分変数である。

Ｊとｔが定義されていない場合、ｈ_ａｎＩ（Ｔ−ｔ）とｈ_ＪＡｎ（ｔ）は非相関化され、それらは強め合わないように干渉して、ゼロ平均のバックグラウンドノイズを生む。

一方、Ｊ＝Ｉかつｔ＝Ｔであれば、相反原理により以下式となる。

すると干渉は強め合い、他の点におけるよりもずっと高い振幅を生む。

するとこのコントラストは、時間Ｔにおける集束点での変位と、任意の点におけるこの変位の標準偏差との間の割合として定義される。

Ｎ個のアクチュエータが使用された場合、それらの貢献を加算して以下式を得る。

コントラストは、時間反転窓の時間Ｔと、アクチュエータの個数Ｎのルートに比例する。

実際に、時間Ｔは振動減衰により制限されることがあり、その場合は所望のコントラストを達成するために複数のアクチュエータが使用される。

信号の最大周波数が、以下の関係式によって達成されうる最大の分解度を定義する。

集束点の最小幅は約λ／２のオーダである。

ｈ_ＡｎＩ（ｔ）のインパルス応答は、インパルス応答を実際に記録することにより実験的に得られても、形状寸法が単純である場合は刺激により、または分析的に得られてもよい。

すると、Ｉにおける１つのアクチュエータと複数のセンサとで同じ実験を繰り返すことが可能となる。次にセンサとアクチュエータを反転させることにより、所望の時点の点Ｉにおいて強め合う音響波を生成することが可能となる。

本発明によれば、音響波伝播用支持体として、上記に規定した十分に可撓性のある面を実装することにより、音響波は面を通して十分に緩慢に、約５０ｍ／ｓの速度で伝播し、例えば１０ｋＨｚ未満の低周波で十分に短い波長に達し、触覚刺激に適応する分解度での集束を改良することを可能にする。可撓面は、曲率半径を得ることをも可能なので、短波長での大きな変位を得ることを可能にする。本発明により、時間反転触覚刺激インターフェースは優れた空間分解能と優れた時間分解能を持つ。

アクチュエータに送られた信号は、時間反転法に従って計算され、実験的測定または刺激のいずれかから導出される。面に印加される力の持続時間は、集束対象のパターンと所望のコントラストに従って可変であって、例えば約１０ミリ秒であり、力は所望の周波数と振幅で繰り返されてよい。集束点で得られるコントラストと振幅は、インターフェースのサイズ、振動減衰とアクチュエータの個数によって決まる。アクチュエータの個数はインターフェースに応じて選択されうる。

図１０は、支持体２上に保持された面４とアクチュエータ６を備えたインターフェースの平面図を示し、１秒間にわたる面上の６つの点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’、Ｅ’、Ｆ’の変位の図である。

点Ｅ’とＦ’のみが集束されており、集束は２つの異なる周波数（Ｅ’では２Ｈｚ、Ｆ’では５Ｈｚ）で繰り返される。唯一のバックグラウンドノイズは、点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’のレベルで出現する。破線は触覚感知閾値を示している。この閾値未満の振幅を持つ変位は触覚感知されない。したがって、点Ｅ’、Ｆ’のみが触覚刺激を受け、面上での点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’における変位は触覚感知されない。そのため、集束点に達した振幅のみが感知可能となるように、面上の変位を増幅または減衰することが可能である。

図２は、操作者が接触する面から突出しているピン１０４’を備えた面１０４を、インターフェース素子が備えているインターフェースの別例を示す。図示例では、アクチュエータ１０６は圧電アクチュエータである。

図３は、「ベンダー」タイプの圧電アクチュエータ２０６を備えたインターフェース１３の別の実施形態例を示している。圧電アクチュエータ２０６は、支持体２０２の長手方向端部によって埋設された粉体によって形成され、変形するときは屈曲して変形する結果、面に接触して面２０４に力を加える。

図４Ａおよび４Ｂは、本発明による触覚インターフェース１３、１４の別の例示的実施形態を示す。

図４Ａにおいて、支持体３０２はオジーブ形状であり、アクチュエータ３０６はフレーム付近に配置されている。

図４Ｂにおいて、インターフェース１４は回転対称円筒体形状をしており、面４０４は環形状の２つのフレーム４０２の間に延伸している。アクチュエータ４０６は、図３に示されるように「ベンダー」タイプである。

図４Ｃおよび４Ｄは、本発明の別の実施形態例による触覚インターフェース１５、１６を示す。これらのインターフェース１５、１６は、面５０４、６０４がフレームの上に延伸しているのではなく、与圧流体によって延伸しているという点において上記に説明したインターフェースと異なっている。図４Ｃにおいて、面５０４は与圧流体で充填された球体形状の密封容積を画定し、図４Ｄにおいて、面６０４は、与圧流体で充填された環形状の密封容積を画定している。アクチュエータ５０６、６０６は容積の外側に分配されており、面５０４、６０４に対して垂直な力を及ぼすことができる。アクチュエータ５０６、６０６の配置は、例示のために示しているに過ぎない。

例えば、密封容積は、アクチュエータも配置されている支持体上に取り付けられてよく、アクチュエータは面に力を印加して、面上の異なる点において触覚刺激を生成する。

図７Ａから７Ｃは、面７０４、８０４、９０４の幾つかの実施形態例を示しており、触覚刺激に適合する十分な分解度での集約点を得るために十分に遅い面内音響波伝播速度を持たせるために、音響波の進行を遅らせている。示されている例において、面は複数の材料および／または複数の位相から形成されている。複数の材料および／または複数の位相を関連させることで、以下式を得ることができる。

図７Ａにおいて、面７０４は２つの板７１０に封入された液体７０８を含み、液体７０８は面に剛性を増加させずに重くすることを可能にするので、横波の伝播速度の減衰を可能にする。これらのシートは高分子材料、薄肉ガラス等から製造されてよく、液体は例えば、水、油またはゲルであってよい。

図７Ｂにおいて、面８０４は、埋設型の、または、弾性材料８１４内にはない、剛性ピン８１２を有する。例えば剛性が異なる２つのエラストマーが使用されうる。

図７Ｃにおいて、面９０４は、第１の材料９１６で製造された構造と、第２の材料９２０を充填した構造内の空隙９１８を備えている。したがって、密度を変更するために、例えば充填高分子を使用できる。

図８Ａおよび８Ｂは、インターフェース１７の別の実施形態例を示し、ここでアクチュエータ１００６は面に直接力を印加し、アクチュエータ１００６’はそれらの力を面にではなく支持体１００２に直接印加する。

図示例において、支持体１００２と面１００４は一体に形成され、支持体１００２は面よりも厚く、そのため、一定の剛性を提供しているが、全く限定的なものではない。

この実施形態例でわかるように、アクチュエータ１００６’は面に対して平行な力を印加する。

アクチュエータによって支持体に印加された力は、面に平行である必然性はなく、面に対して垂直であってもよい。すなわち、面に対して０度から９０度の間の角度をなす方向であってもよい。

ここで、本発明による触覚インターフェースのアクチュエータの２つの制御系について説明する。

図９は、制御系の模式図を示す。

制御系は、アクチュエータに送信されるべき駆動信号を決定する装置Ａと、モードベースまたはインパルス応答ベースＢと、実装されうるセンサＤへの接続部Ｃと、インターフェース上に表示されるべき画像、すなわち、面上に生成される触覚刺激、を提供するモジュールＦへの接続部Ｅと、決定装置Ａによって計算された信号をアクチュエータにアドレスし、アクチュエータへの送信前に信号のパワー増幅を実行するアクチュエータコントローラＧとを備えている。

インパルス応答ベースＢは、時間反転法によって計算された、面に印加されるべき力を含むデータベースである。

モードベースは、直接駆動されたときに、可撓面の特定モードの与えられた個数Ｎの空間的プロファイルΦｎ（ｘ，ｙ）のデータベースを形成する。するとフレーム上での励起の場合、可撓面およびフレームアセンブリの各モード、ならびにその周波数ωｎを包含する。アクチュエータ（複数のアクチュエータ）に送信されるべき信号はインターフェースの動作中に時間反転法によって計算される。

モジュールＦは、時間ｔ０における、所与の振幅での１つ以上の点または輪郭の表示を制御する。Ｉ（ｘ，ｙ，ｔ）は、座標点（ｘ，ｙ）で時間ｔにおいて望まれる振幅を指定する。例えば、携帯電話やデジタルタブレット画面のインターフェースの場合、モジュールは、画面上の表示の制御子にリンクされうる。

前述のように、インターフェースには検出用の温度センサＤも装備されてよく、センサＤはアクチュエータに送信される制御信号を変更することが可能な情報を提供する。

アクチュエータ制御信号の計算は、表示されるべき画像に基づいて、モードべースまたはインパルス応答ベースで、また、センサによって送信された信号に基づいて実行される。例えば、（ｘ_ｑ，ｙ_ｑ）に位置するアクチュエータｑに関して、時間ｔ_０において望まれる画像Ｉ（ｘ，ｙ）に対して計算された信号ｓ_ｑ（ｔ）は、それぞれモードベースφ_ｎ、ω_ｎから働きかけているか、またはインパルス応答ベースｈから働きかけているかに応じて以下となる。

モードべースからの場合は以下式となる。

インパルス応答べースからの場合は以下式となる。

はモードベースφ_ｎ、ω_ｎによって決まるとともに、センサによって提供される量によって決まる。Ｔは定数か、または計算装置の入力パラメータの関数として計算される。ｈ_ｑ（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）はアクチュエータｑと、面上の（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）に位置する点との間のインパルス応答である。しかしこの計算は別方式でも実行されうる。こうして計算された信号は次に、増幅、フィルタリングまたは反復タイプ等の複数の変換を受ける。

本発明と面の選択により、ｃｍの程度のサイズの集束点を形成することが可能となる。

有利には、時間反転法は、アクチュエータを面の端にシフトすることを可能にする。したがって、透明な材料でできた面を使用することにより、触覚インターフェースが有利に画面に重畳されることができ、刺激の制御は画面上の表示に付随する。

本発明により、アクチュエータを省電力にできる。実際、全アクチュエータが１つの点に集束することによってこの点に刺激を起すことに貢献してもよい。逆に、先行技術のアクチュエータマトリクスを持つ種の触覚インターフェースにおいて、各アクチュエータは１つの点に触覚刺激を生成することを補助し、他のアクチュエータはこの刺激の生成に貢献できない。この省電力は、サイズを縮小したアクチュエータの使用を可能にする。

さらに、本発明により、各点ごとに対応する信号を加えることによって面上の異なる点で同時に触覚刺激を生成することが可能である。点ａとｂに集束するためにアクチュエータによって送信された信号ｓ_a（ｔ）とｓ_ｂ（ｔ）を想定すると、アクチュエータは信号ｓ（ｔ）＝ｓ_a（ｔ）＋ｓ_ｂ（ｔ）を送信するように命令される。こうして、本発明のインターフェース上に複数の指を置く操作者は、各指に異なる刺激を感じうる。

同時に複数の集束点の作成が可能なので、画像の輪郭などの複雑なレリーフを生成できる。局所的に生成されたインパルスは所望の周波数で繰り返されて振幅変調され、結果として、送信される触覚情報が豊富になる。

図５Ａから図５Ｌは、面上の一点で触覚刺激を生成中において、面による異なる状態における本発明に係る触覚インターフェースの面を示している。ここで、アクチュエータによって生成される音響波がこの一点に集束している。図５Ｋにおいて触覚インターフェースは、１つの点において触覚刺激を生成する状態にある。

図６Ａから６Ｌは、 三角形の形状に触覚刺激を生成中において、面による異なる状態における本発明に係る触覚インターフェースの面を示している。図６Ｋにおいて、触覚インターフェースは三角形の形で触覚刺激を生成する状態にある。

前述のように、単一のアクチュエータは複数の点または線に集束しうるが、線は、点の合計に細分化することによって構築されうる。各アクチュエータはこの点の組の生成に寄与するので可撓面のパターンを生成できる。

同一点を集中する複数のアクチュエータの実施形態では、得られるコントラストの改善が可能となる。

アクチュエータはフレームに配置されうるものであり、面の輪郭に作用するが、面のより中央寄りの領域にも作用しうる。

本発明は、以下のようなヒューマン・マシン触覚インターフェースに実装されうる。
家庭用電化製品、携帯電話、読み取り機、タッチパッド等のタッチ画面、
データマイニング、シミュレータ等用の大規模タッチ画面、
自動車、航空機、海洋クルー用コンパートメント、
手術デバイス、プローブ、ロボットシステム、
感覚障害および運動障害を持つ個人用の情報アクセス手段。

本発明は、例えば画像プロジェクタ等のビームスキャニングシステム、および適応光学分野等の光学分野で実装可能である。

本発明は、例えば音響レンズなどの音響分野で実装可能である。

Claims (23)

1. 操作者によって触覚的に探査されるものであって、少なくとも１つの面によって形成された素子と、
   前記面に力を加えるように構成された少なくとも１つのアクチュエータ（６、１００６、１００６’）と、
   前記少なくとも１つのアクチュエータを制御する手段と、
   を備えた触覚刺激インターフェースであって、
   前記制御手段は、前記面に生成される触覚刺激に従って、前記面（４、１００４）に加えるべき力に対応する信号を前記アクチュエータ（６、１００６、１００６’）に送信するように構成されており、
   前記力は時間反転法によって決定され、
   前記面（４、１００４）は、以下式を満足する少なくとも１つの領域を有しており、
   

   

   ここで、λは前記領域を伝播する屈曲波の波長であり、ｃは前記屈曲波の速度であり、ρは前記領域の単位面積当たりの質量であり、
   前記少なくとも１つのアクチュエータ（６、１００６、１００６’）は、前記面（４、１００４）に特有の多数のモードを励起するために１Ｈｚから２０ｋＨｚにわたる帯域幅を有している、触覚刺激インターフェース。
2. 触覚刺激インターフェースは、前記面を保持するフレームを形成する少なくとも１つの支持体（２、１００２）をさらに備えており、
   前記アクチュエータ（６、１００６、１００６’）は、前記フレーム付近に配置されている、請求項１に記載の触覚刺激インターフェース。
3. 前記アクチュエータ（６）は、前記面に対して垂直な方向において前記面に力を直接加える、請求項２に記載の触覚刺激インターフェース。
4. 前記アクチュエータ（１００６’）は、前記支持体（１００２）に力を直接加える、請求項２に記載の触覚刺激インターフェース。
5. 触覚刺激インターフェースは、
   前記面（１００４）が懸架されるフレーム形状の支持体（１００２）と、
   少なくとも１つの第１のアクチュエータと、
   少なくとも１つの第２のアクチュエータと、
   をさらに備え、
   前記第１のアクチュエータ（１００６）は、前記面（１００４）に力を直接加え、
   前記第２のアクチュエータ（１００６’）は、前記支持体（１００２）に力を直接加える、請求項１に記載の触覚刺激インターフェース。
6. 前記面は、与圧流体が充填された密封容積を規定し、
   前記面は、前記与圧流体によって延伸し、
   前記触覚刺激インターフェースは、
   前記密封容積用の支持体と、
   前記支持体に搭載された少なくとも１つのアクチュエータと、をさらに備えている、請求項１に記載の触覚刺激インターフェース。
7. 前記触覚刺激インターフェースは、前記面への力の効果に影響を与えることが可能なパラメータの少なくとも１つのセンサをさらに備えている、請求項１から６のいずれか一項に記載の触覚刺激インターフェース。
8. 前記触覚刺激インターフェースは、前記インターフェースに接触する操作者の存在を検出する少なくとも１つのセンサをさらに備えている、請求項７記載の触覚刺激インターフェース。
9. 前記アクチュエータ（６）は、電磁アクチュエータである、請求項１から８のいずれか一項に記載の触覚刺激インターフェース。
10. 前記アクチュエータ（６）は、コイル（６．１）と、柔鉄心と、磁石とを備え、
    前記磁石（６．２）は前記面に固定され、前記コイル（６．１）は前記支持体に固定されている、請求項２から６のいずれか一項と組み合わせた請求項９に記載の触覚刺激インターフェース。
11. 前記アクチュエータは、圧電材料によって作られている、請求項１から８のいずれか一項に記載の触覚刺激インターフェース。
12. 前記アクチュエータはビームを備え、
    前記ビームの一端は前記支持体に組み込まれ、前記ビームの他端は前記面に力を加えることを目的としている、請求項２から６のいずれか一項と組み合わせた請求項１１に記載の触覚刺激インターフェース。
13. 前記面は、前記操作者との接触を目的としたピンを備えている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の触覚刺激インターフェース。
14. 前記面は、少なくとも２つの異なる材料および／または２つの異なる位相から構成されている、請求項１から１３のいずれか一項に記載の触覚刺激インターフェース。
15. 前記面は透明である、請求項１から１４のいずれか一項に記載の触覚刺激インターフェース。
16. 前記面は、高分子材料または複合材料製の少なくとも１つのフィルムからなる、請求項１から１５のいずれか一項に記載の触覚刺激インターフェース。
17. 触覚刺激インターフェースは、前記面が延伸する支持体をさらに備えている、請求項１６に記載の触覚刺激インターフェース。
18. 前記面は、約１００μｍの厚さの少なくとも１つのガラス板から構成される、請求項１から１５のいずれか一項に記載の触覚刺激インターフェース。
19. 前記制御手段はモードベースまたはインパルス応答ベースからなるものである、請求項１から１８のいずれか一項に記載の触覚刺激インターフェース。
20. 前記インパルス応答ベースは、前記アクチュエータ（６、１００６、１００６’）に送信される信号を含んでおり、前記信号は時間反転法によって決定される、請求項１９記載の触覚刺激インターフェース。
21. 前記モードべースは、時間反転法によって、前記アクチュエータ（６、１００６、１００６’）に送信される信号を決定する装置（Ａ）からなる、請求項１９に記載の触覚刺激インターフェース。
22. 前記制御手段は、前記信号を前記アクチュエータ（６、１００６、１００６’）に送信するアクチュエータコントローラからなる、請求項１から２１のいずれか一項に記載の触覚刺激インターフェース。
23. 前記屈曲波の速度は約５０m／ｓのオーダである、請求項１から２２のいずれか一項に記載の触覚刺激インターフェース。

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