JP2016018420A

JP2016018420A - 触覚型デバイス

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Publication number: JP2016018420A
Application number: JP2014141264A
Authority: JP
Inventors: グレゴリ・エフレイノフ; Evreinov Grigori; アーメド・ファルーク; Farooq Ahmed; ロオペ・ライサモ; Raisamo Roope; アアト・ヒップア; Hippula Arto; 大介高畠; Daisuke Takahata
Original assignee: Of Tampere, University of; Tampere, University of; Fukoku Co Ltd; Fukoku KK
Current assignee: Of Tampere, University of; Tampere, University of; Fukoku Co Ltd; Fukoku KK
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2016-02-01
Also published as: US20160011666A1

Abstract

【課題】振動刺激に対する人間の皮膚の応答を増強できる触覚型デバイスを提供する。【解決手段】ユーザから圧力操作を受け取るための操作面上に重ねられる触覚型デバイスは、パウチ、液体又はゲル類似物質１０８及びトランスデューサ１１０を含む。パウチは、操作面及び間隙を伴ってその上に重ねられる透明シート１０６から形成される。液体又はゲル類似物質はパウチ内に密封され、それを通じて圧力及び／又は圧力振動を伝達する。トランスデューサは、透明シート内及び／又は物質内に、触覚信号を、ユーザに伝達されるように生成する。【選択図】図１

Description

本発明は概して触覚型デバイスに関し、より詳細に述べれば、接触感知表面、スクリーン、またはその類とのインタラクションのための順応型オーバーレイ、および振動刺激に対する人間の皮膚の応答を増強するための方法に関する。

人間の機械的刺激は、振動源からの機械的エネルギーがある種の周期的な圧縮および微小変位の形で人間の身体、通常は皮膚または身体部分に影響を与えるプロセスである。刺激の機械的エネルギーは、続いて感覚受容器によって、接触表面の物理的性質と関連付けされる触知情報として翻訳される感覚に変換される。触知情報チャンネルおよび触知感覚の刺激の使用の必要性は触知トランスデューサの開発を導いた。しかし、アクチュエータから皮膚内の特定の受容器への機械的エネルギーの伝播の特徴およびそれらの機能を無視することが触知信号を弱めることによって触知信号の大きさを減衰させ、期待されるより情報価値を下げている。それについて言えば、鍵となる要因の１つが、密度および機械的インピーダンス等の刺激のエネルギーを変調する異なる物理的性質を有する異なる物質を通じたメカノトランスダクション・プロセスに関わる各構成要素の機械的インピーダンスである。さらにまた、指の皮膚の機械的インピーダンスの研究が、約３ｍｍの最大皮膚圧痕まで接触表面に対する圧力が生成されるときの硬直度における非線形増加を明らかにした（例えば、非特許文献１２）。

皮膚は、筋肉、血管、および脂肪といった軟らかい変形可能な結合組織のシステムの上に支持された多層の、幾何学的かつ構造的に複雑な機械的システムである。指先の皮膚は、３つの一般的な層、すなわち表皮、真皮、および角皮下層の皮下組織からなる。表皮の基層は、真皮または皮下組織より有意に硬い。表皮および真皮は、中間隆条を伴って物理的に互いに固定されている。２つの層と中間隆条の間に硬直度の差を両方ともに伴って構成されていることから、表皮‐真皮接合は、接触ポイントからメルケル細胞複合体への力および応力を分散させるフィルタリング・メカニズムを生み出す。

これらの機械的受容器は、静的変形に対してもっとも敏感であり、中間隆条の先端に存在する。乳頭状の中間隆条を導入することによって、プレート変形時に、法線力、接線力、および歪みエネルギー密度が中間隆条の先端近傍に集中することが明らかになった（例えば、非特許文献１３）。指先マイクロ構造の中間隆条および表皮‐真皮の硬直度の差は、隆条の先端に高い局所的応力集中を生み出し、それにおいて受容器は指向された集中応力を最適に収集するべく配置される（例えば、非特許文献４、非特許文献５）。

しかし、この穏やかで洗練された触知メカニズムは、化学的に強化されたアルミノケイ酸塩アルカリガラスのタッチスクリーンの平らな剛体表面に対して指先が作用するときに役立たなくなる。形式的に言えば、表示システムを通じて広い周波数範囲の機械的信号を伝達することによって有効かつ効率的な皮膚受容器の刺激を提供することは不可能である。従って、皮膚受容器に対する刺激の機械的エネルギーの伝播のための条件を改善し、かつ触知信号の伝達媒体となるスクリーン・オーバーレイを開発することが求められる。

変形可能な透明の表示器オーバーレイは、当初、ＣＲＴ表示器上においてユーザの指先の圧力および位置を検出するべく設計された（例えば、特許文献１、特許文献２）。しかし、これらの解決策は、触知チャンネルを通じて提示されるあらゆる種類の信号の機械的伝播のための条件を改善するべく実装されてこなかった。

比較的硬質の透明基板、および絶縁流体によって離隔された導電性の透明電極を含む比較的柔軟な透明の膜からなる透明のキーボード・スイッチであって、透明スイッチ構造を押すときおよび離すときの異なる反力およびキーストローク長の増加を可能にするものが開示されている（例えば、特許文献３、特許文献４）。透明スイッチ・メカニズムが、増強された反力の触感を提供するべく改善された（例えば、特許文献５、非特許文献２）。しかし、これらの実施態様は、特定の設計を有するスイッチまたはボタンのトグルに随伴する触知信号の限られた範囲の機械的伝播のための条件を改善する。

人間の皮膚の応答を改善するもう１つの方法は、触知受容器の感度を増強することにある。触れる感覚のパラメータが、特に皮膚受容器のスレッショルドを下げるべく改善された（例えば、特許文献６、特許文献７）。この方法は、受容器の機能が増強されるべき受容性エリアを突きとめること、および情報価値のある（触知）信号が現われて、知覚され、かつ識別されることが期待される前にこの（皮膚）エリアにバイアス信号を印加することからなる。それについて言えば、バイアス信号が、情報価値のある触知信号とは異なる、非特異性の電気的または機械的（気体／空気流）刺激といった性質を有することができる。その種のアプローチは、前もって較正されなければならないバイアス信号の最適パラメータを伴って効率的となり得る。しかし、皮膚のパラメータは、物理的、生理学的（体液性）、および心理的性質の多くの異なる要因によって有意に変化し、かつ影響を受ける。従って、予測される時間間隔内において感度の変化が生じることもあれば生じないこともあり、移動体機器との不規則的なタッチによるインタラクションのためにその種のテクニックを容易に実現することは可能でない。

振動触知刺激の始まりに先行して振動検出のスレッショルドを一時的に変更し得る（例えば、特許文献８）。これは、振動触知システムが、刺激の振動性変位の振幅の必然的な増加を伴うことなく振動触知アラートまたは伝達刺激の改善された検出を達成することを可能にする。しかし、その種のアプローチは、あらかじめ定義済みの時間間隔内に作動されるべく皮膚の感度を変更しなければならないという下位感覚の振動性ノイズ刺激についての触知受容器への信号伝播とリンクされる問題を取り除かない。感度の変化が生じるかまたは生じないかは、物理的、生理学的（体液性）、および心理的性質の異なる要因にも依存する。言い換えると、このアプローチもまた、インタラクションの表面との比較的連続する接触の条件および振動の固有パラメータのために適用されることから制約を受ける。

機械的信号の触知感覚を増強するもう１つのアプローチは、それらの信号を接触野内の指先の直下において生成することである（例えば、特許文献９）。その発明は、タッチスクリーンのガラス等の非圧電材料表面上の表面音響波の励振に頼る。しかし、メカノトランスダクションの効率を増加することは、指先がタッチスクリーンのガラス等の平らな硬質の表面に対して作用するときに触知感度を低下させるという問題を取り除かない。

触知インターフェースは、高い張力が掛けられたシリコン・ゴム、ポリブタジエン、ニトリル・ゴムといったゴムやエラストマ等のゴム弾性材料の周縁に配置された複数の個別にコントロール可能な圧電ドライバを含むことができる（例えば、特許文献１０）。ドライバ回路は、複数の個別にコントロール可能なドライバのそれぞれにコントロール情報を適用して、張力が掛けられたゴム弾性材料内に波パターンを生成できる。しかし、ゴム弾性材料と空気の間には反射率の相違がある。空気中に懸架される薄い弾性ダイアフラムは、視差または表面粗度を有することになり、タッチスクリーン上に表示される画像が歪んだ見え方になる（例えば、特許文献５、非特許文献１）。また空気中に懸架されている薄い弾性ダイアフラムは、容易に破れる可能性もある。これに対して、硬直なダイアフラムは、しばしば触知情報に随伴する負の副作用として考えられている大きな音を生成することになる。

米国特許第４５４２３７５号明細書米国特許第４８１６８１１号明細書米国特許第４０１７８４８号明細書米国特許第４７８６７６７号明細書日本国特開２００５‐２３４７０４号公報米国特許第５７８２８７３号明細書米国特許第６０３２０７４号明細書米国特許第８０４０２２３号明細書米国特許第７３７５４５４号明細書米国特許第８２５３７０３号明細書

ＡｒａｉＦ．他、「Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｔａｃｔｉｌｅｆｅｅｌｉｎｇｄｅｖｉｃｅｆｏｒｔｏｕｃｈ‐ｓｃｒｅｅｎｉｎｔｅｒｆａｃｅ」、Ｐｒｏｃ．ｏｆｔｈｅ２００４ＩＥＥＥＩｎｔ．ＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＲｏｂｏｔａｎｄＨｕｍａｎＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ、２００４年、ｐ．５２７‐５３２ＷｅｉｓｓｍａｎＡ．Ｗ．、「ＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆＭｉｃｒｏ‐ｓｃａｌｅＴｏｕｃｈＳｅｎｓａｔｉｏｎｓｆｏｒｕｓｅｗｉｔｈＨａｐｔｉｃａｌｌｙＡｕｇｍｅｎｔｅｄＲｅａｌｉｔｙ」、ＭＳｃ．Ｔｈｅｓｉｓ，ＲｏｃｈｅｓｔｅｒＩｎｓｔ．ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ，ＮＹ，ＵＳＡ，２０１０年ＷｕＪ．Ｚ．他、「Ａｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｉｎｇｅｒｔｉｐｍｏｄｅｌｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｏｆｔｈｅｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓａｔｉｏｎ」、ＭｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｐｈｙｓｉｃｓ、２００４年、第２６巻、ｐ．１６５-１７５ＧｅｒｌｉｎｇＧ．Ｊ．他、「ＳＡ‐Ｉｍｅｃｈａｎｏｒｅｃｅｐｔｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｆｉｎｇｅｒｔｉｐｓｋｉｎｍａｙｉｍｐａｃｔｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｔｏｅｄｇｅｓｔｉｍｕｌｉ」、ＡｐｐｌｉｅｄＢｉｏｎｉｃｓａｎｄＢｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ、２０１０年、第７巻、第１号、ｐ．１９‐２９ＧｅｒｌｉｎｇＧ．Ｊ．他、「Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｆｉｎｇｅｒｔｉｐｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｎｔａｃｔｉｌｅｅｄｇｅｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ」、ＥｕｒｏｈａｐｔｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＨａｐｔｉｃＩｎｔｅｒｆａｃｅｓｆｏｒＶｉｒｔｕａｌＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＴｅｌｅｏｐｅｒａｔｏｒＳｙｓｔｅｍｓ、ＷｏｒｌｄＨａｐｔｉｃｓ、２００５年、ｐ．６３-７２ＨｉｄａｋａＹ．他、「ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＡｎＥｌａｓｔｉｃＴａｃｔｉｌｅＳｅｎｓｏｒＥｍｕｌａｔｉｎｇＨｕｍａｎＦｉｎｇｅｒｓｆｏｒＴｅｌｅ‐ＰｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ」」、Ｐｒｏｃ．ｏｆＩＥＥＥＳｅｎｓｏｒｓ２００９Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、２００９年、ｐ．１９１９‐１９２２ＫｅｒｎＴ．Ａ．他、「ＳｔｕｄｉｅｓｏｆｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌＩｍｐｅｄａｎｃｅｏｆｔｈｅＩｎｄｅｘＦｉｎｇｅｒｉｎＭｕｌｔｉｐｌｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎｓ」、ＥｕｒｏＨａｐｔｉｃｓ２００８、ＬＮＣＳ５０２４、ｐ．１７５‐１８０ＪｏｈｎｓｏｎＫ．Ｏ．、「Ｔｈｅｒｏｌｅｓａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｃｕｔａｎｅｏｕｓｍｅｃｈａｎｏｒｅｃｅｐｔｏｒｓ」、ＳｅｎｓｏｒｙＳｙｓｔｅｍｓ．ＣｕｒｒｅｎｔＯｐｉｎｉｏｎｉｎＮｅｕｒｏｂｉｏｌｏｇｙ２００１、２００１年、第１１巻、ｐ．４５５−４６１ＰｅｔｒｉｅＨ．他、""「ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｉｎｔｏＳｅｎｓａｔｉｏｎｏｆ "Ｓｏｆｔｎｅｓｓ" ａｎｄＰｅｒｃｅｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅＴａｃｔｉｌｅＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ "ＳｏｆｔＴｏｕｃｈ" ＴｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃＥｌａｓｔｏｍｅｒｓ」、ＮＰＬＲｅｐｏｒｔＤＥＰＣ‐ＭＰＲ０１７、２００４年、ＩＳＳＮ１７４４‐０２７０ＳｒｉｎｉｖａｓａｎＭ．Ａ．他、「Ａｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｅｕｓｉｎｇｔｗｏ‐ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｓｏｆｔｈｅｐｒｉｍａｔｅｆｉｎｇｅｒｔｉｐ」」、Ｔｒａｎｓ．ｏｆＡＳＭＥ、１９９６年、第１１８巻、ｐ．４８‐５５Ｖｅｇａ−ＢｅｒｍｕｄｅｚＦ．他、「ＳｕｒｒｏｕｎｄＳｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｉｎｔｈｅＲｅｓｐｏｎｓｅｓｏｆＰｒｉｍａｔｅＳＡ１ａｎｄＲＡＭｅｃｈａｎｏｒｅｃｅｐｔｉｖｅＡｆｆｅｒｅｎｔｓＭａｐｐｅｄｗｉｔｈａＰｒｏｂｅＡｒｒａｙ」、Ｊ．Ｎｅｕｒｏｐｈｙｓｉｏｌ、１９９９年、第８１巻、ｐ．２７１１‐２７１９ＭｏｒｔｉｍｅｒＢ．Ｊ．Ｐ．他、「Ｖｉｂｒｏｔａｃｔｉｌｅｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ」、Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、２００７年、第１２１巻、第５号、ｐ．２９７０-２９７７ＭａｅｎｏＴ．他、「Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｈｕｍａｎｆｉｎｇｅｒｔｉｓｓｕｅａｎｄｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔａｃｔｉｌｅｒｅｃｅｐｔｏｒｓ」、ＪＳＭＥＩｎｔ．Ｊ．、１９９８年、第４１巻、第１号Ｃ、ｐ．９４‐１００ＫｅｐｌｉｎｇｅｒＣ．他、「Ｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅ，Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ，ＩｏｎｉｃＣｏｎｄｕｃｔｏｒｓ」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２０１３年、第３４１巻、第６１４９号、Ｐ．９８４‐９８７、ＤＯＩ：１０．１１２６／ｓｃｉｅｎｃｅ．１２４０２２８ＫｉｍＵ．他、「Ａｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔａｎｄｓｔｒｅｔｃｈａｂｌｅｇｒａｐｈｅｎｅ‐ｂａｓｅｄａｃｔｕａｔｏｒｆｏｒｔａｃｔｉｌｅｄｉｓｐｌａｙ」、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２０１３年、２４１４５５０１、ｄｏｉ：１０．１０８８／０９５７‐４４８４／２４／１４／１４５５０１Ｇｅｎｎｉｓｓｏｎ，Ｊ．‐Ｌ．他、「ＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆＥｌａｓｔｉｃＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＨｕｍａｎＳｋｉｎＵｓｉｎｇＤｙｎａｍｉｃＥｌａｓｔｏｇｒａｐｈｙ」、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄＦｒｅｑ．Ｃｏｎｔｒｏｌ、２００４年、第５１巻、第８号、Ｐ．９８０‐９８９ＨｉｌｓｉｎｇＳ．、「Ｉｍｐｒｅｓｓ：ａｆｌｅｘｉｂｌｅｄｉｓｐｌａｙ」、ＰｒｏｊｅｃｔＰｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ、２００９年ＥｖｒｅｉｎｏｖＧ．他、「ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＫｉｏｓｋｓｆｏｒＡｌｌ：ＩｓｓｕｅｓｏｆＴａｃｔｉｌｅＡｃｃｅｓｓ」、Ｐｒｏｃ．ｏｆＣｏｎｆ．ＷＷＤＵ２００２ＷｏｒｌｄＷｉｄｅＷｏｒｋ、ＥＲＧＯＮＯＭＩＣＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｕｒＡｒｂｅｉｔｓ‐ ｕｎｄＳｏｚｉａｌｆｏｒｓｃｈｕｎｇ，ＦｏｒｓｃｈｕｎｇｓｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔｍｂＨ、２０１２年、ｐ．３９９‐４０１

前述したとおり、背景技術は問題を有する。

上で論じた問題点の観点から、本発明は、ユーザから圧力操作を受け取るための操作面上に重ねられることになる触覚型デバイスを提供する。この触覚型デバイスは、パウチ、液体またはゲル類似物質、およびアクチュエータを含む。パウチは、操作面および間隙を伴ってその上に重ねられる透明シートから形成される。液体またはゲル類似物質はパウチ内に密封され、それを通じて圧力および／または圧力振動を伝達するべく構成される。アクチュエータは、透明シート内および／または物質内に触覚信号を、ユーザに伝達されるように生成するべく構成される。

上記の構成によれば、振動刺激に対する人間の皮膚の応答を増強できる触覚型デバイスを提供することが可能になる。

実施態様に従ったタッチスクリーンの耐久性表面を覆う可変形オーバーレイ・アッセンブリの断面図である。可変形オーバーレイ・アッセンブリの例示的な構成を図解した断面図である。可変形オーバーレイ・アッセンブリの多様な応用例を図解した断面図であり、（ａ）は投影型スクリーンの耐久性表面に適用される場合を図解し、（ｂ）は反射型スクリーンの可撓性の変形可能な表面に適用される場合を図解し、（ｃ）はタッチスクリーンの耐久性表面に適用される場合を図解する。いくつかのトランスデューサのアレンジメント例を図解した断面図である。変形可能な透明のオーバーレイ・アッセンブリおよび剪断および曲げ波トランスデューサのアレンジメント例を図解した平面図である。携帯電話またはその類等の携帯型電子機器に関して剪断および曲げ波トランスデューサのアレンジメント例を図解した断面図である。別の実施態様による携帯型電子機器のための拡張ケーシングを図解した図である。拡張ケーシングを図解した概略図である。

以下、添付図面を参照して実施態様を説明する。図面および説明においては、同一もしくは類似の部分の参照に同一参照番号が用いられる。

これらの実施態様は、指先がタッチスクリーンの平らな硬質の表面に対して作用するときに呈される問題を回避する。

特に、液体物質（例えば、蒸留水、シリコン・ゲル、鉱物油、またはその他の類似した機械的および光学的性質を有する物質）の層を覆う弾力性のある可変形オーバーレイ（例えば、１００ｍｋｍのポリアミド膜）が、受容野に対する接触表面の適合性および接触エリアから皮膚受容器までの力および応力の非一様分布を改善する必要な沈み／窪み（約０‐３ｍｍ）を提供する。

図１を参照する。図１に示されているとおり、順応性オーバーレイ１０６がタッチスクリーン１０２の耐久性表面に取り付けられており、間隙には、液体またはゲル類似物質１０８が満たされている。トランスデューサ１１０（圧電、電磁気、またはその他の性質のもの）によって生成された剪断および曲げ波１１２が、振動触知信号に対する皮膚受容器の応答を容易にする窪みのエッジ近傍で隣接してサンプリングされるポイントの間に、非一様な応力分布を伴って接触ポイント１０４に接近する。空気‐流体遷移ゾーンが、オーバーレイ・アッセンブリ内に生成される振動信号に随伴する寄生音響成分の減衰器／反射器としても作用することになる。

振動トランスデューサ１１０の設計が、順応性オーバーレイの上（図２（ａ））にそれを取り付けることだけでなく、膜の下側（図２（ｂ））、絶縁液体物質１０８が満たされたパウチの内側にトランスデューサを配置することを可能にするとき、異なる効率を伴って剪断および曲げ波の励振を行なうことが可能である。振動トランスデューサ１１０は、タッチスクリーン１０２の耐久性表面の上（図２（ｃ））、タッチスクリーンの下側の電子デバイスの内側（図２（ｆ））、または外側表面に近接して配置されるタッチスクリーン・アッセンブリ内に埋め込まれる形（図２（ｄ））で取り付けることが可能である。その場合の液体物質１０８は、振動トランスデューサの一方の側から接触すること（図２（ｂ）または図２（ｃ））、または図２（ｇ）に示されるとおり両側からそれを覆うことが可能である。いくつかの実施態様においては、振動トランスデューサ１１０が、１つの側面だけに沿って液体物質１０８との限定的な接触を有することができる（図２（ｅ））。その種の場合においては、異なるタイプのトランスデューサ（例えば、磁歪または多層圧電アクチュエータ、液圧または空気圧、またはその他の性質のもの）を用いて剪断および曲げ波の励振をもたらすことが可能である。

順応性オーバーレイ・アッセンブリが、それ自体で振動トランスデューサ１１０として振る舞うことも可能である（図２（ｈ））。それにおいては、トランスデューサ１１０が２つの柔軟な透明シート１０６からなるとすることが可能であり、それぞれの一方の側が、層１１４および１１６として図解されている透明な導電性材料によって覆われる。それに代えて、図３（ｂ）および図３（ｃ）に図解されているとおり、ケースに適するように、トランスデューサ１１０を不透明材料とすることができる。２つのシートは、外側シートの内部導電層が液体物質１０８と電気接触を有し、他方のシートがシートの絶縁材料によって液体物質１０８から分離された導電層を有するという形でパウチに組み立てられる。この実施態様においては、液体物質１０８が導電性のイオン性液体またはゲルになる。その種のトランスデューサ１１０の実施態様は、ゲルによるオーディオ・スピーカとして広い周波数範囲の剪断および曲げ波を生成することができる（例えば、非特許文献１４）。

図２（ａ）から図２（ｊ）を参照する。いくつかの実施態様においては、順応性オーバーレイ１０６自体（図２（ｇ））が、層１１４および１１６として図解されている透明な導電性材料で覆われるか、またはそれの埋め込み構成要素を有する圧電ポリマ材料の使用を伴って実装され、剪断および曲げ波を生成する振動トランスデューサ１１０として振る舞うことが可能である（例えば、非特許文献１５）。振動トランスデューサ１１０は、順応性オーバーレイ・アッセンブリの外側に配置することも可能であり、それにおいてはそれが、アクチュエータ１１０からゲル類似物質１０８に効率的に伝播されてオーバーレイ表面１０６にわたって剪断および曲げ波１１２を作り出す機械的振動を伝えることが可能な同一のゲル類似または別の液体物質が満たされる延長部１１８を用いて機械的に結合される。延長部１１８は、トランスデューサの振動に対して最小のインピーダンスを提供し、それらの減衰を最小化する垂直断面のサイズを伴って任意の適切な柔軟性ポリマ材料から実装され得る。延長部１１８は、タッチスクリーンを覆うパウチへの密封接続を有する。トランスデューサ１１０は、図２（ａ）から図２（ｉ）に図解されているとおりの任意の方法で延長部１１８と結合することも可能である。それにおいてはトランスデューサを、図６（ｂ）に示されているとおり、タッチスクリーンを介してコントロールされる電子デバイスの外側または内側に配置することができる。

図３（ａ）から図３（ｃ）に図解されているとおり、順応性オーバーレイ１０６は、接触感知入力デバイスまたは投影型表示スクリーン１０２の耐久性または可撓性の変形可能な接触表面１２０（例えば、非特許文献１７）に取り付け可能であり、オーバーレイの上面（図３（ｂ））または底面（図３（ａ））に画像が投影され得る。その種の実施態様においては、オーバーレイが可撓性かつ変形可能（シリコンまたは発泡材料等のように）であり、透明または不透明／反射性である必要がある。接触表面上に投影されるビデオ画像がないところで表面とのインタラクションが生じるときには、任意のインタラクション接触表面１２０に順応性オーバーレイ１０６を取り付けることが可能である（図３（ｃ））。その場合には、指先の接触ポイントを、任意の適切な周知のテクニック（光学、熱、圧電音響、および電磁気）を用いて検出できる。視覚的フィードバックがなければ、特別な触知パターン（例えば、非特許文献１８）をオーバーレイ１０６に適用して、指の下の特定の場所を容易に特定できる。

図４（ａ）から図４（ｈ）は、携帯型電子機器の接触表面の上にわたり、また液体またはゲル類似物質１０８、および表示器１０２にわたって拡散する異なる振動信号１１２を生成できるいくつかのトランスデューサ１１０のアレンジメント例を図解した断面図である。特に、内部トランスデューサ１１０からの接触表面にわたって拡散する曲げ波１１２、および液体またはゲル類似物質１０８および表示器１０２にわたって拡散する第２の振動信号が示されているが、トランスデューサの位置は、もっとも効率的な形でユーザの指先を摸する干渉振動信号の最適空間的パターンを、例えば『先取り』信号（例えば、特許文献８）を生成することによって作り出すべく多様化し得る（図４（ａ）から図４（ｈ））。しかし、本発明は、情報信号を生成するために異なる作動原理およびテクノロジを使用できる、特定のタイプのオーバーレイ用振動トランスデューサ１１０、および先取り信号を生成するその他のトランスデューサに限定されない。

図５（ａ）から図５（ｆ）は、順応型オーバーレイ・アッセンブリおよび剪断および曲げ波トランスデューサのアレンジメント例を図解している。図５（ａ）は、オーバーレイが移動／携帯電話１１４またはその類といった携帯型電子機器に取り付けられ、タッチスクリーンの４つの辺のうちのいずれかに沿って、そのベゼルの近くに配置できる単一の振動トランスデューサ１１０が備えられる実例を示している。図５（ｂ）は、２つのトランスデューサがタッチスクリーンの任意の対辺に取り付けられる実例を図解している。この構成は、剪断および曲げ波の伝播エネルギーの方向性分布を使用して振動パターンの機能を拡張できる。同様にして、６つのトランスデューサのアレンジメントを図５（ｃ）に示す。

しかし、本発明は、インタラクションの接触表面の周囲、例えば上または下に特定数の振動トランスデューサが配置されることに限定されない。さらにまた、別々のトランスデューサをそれぞれ、または各ペアの対向するトランスデューサを互いに独立してコントロールすることは可能である。順応性オーバーレイ１０６が、図５（ａ）から図５（ｃ）に示されているように携帯型機器１１４のタッチスクリーン１０２の外側表面を完全に覆うこと、または振動トランスデューサの適切なアレンジメントを伴って完成された全体のタッチスクリーンの部分を覆うこと（図５（ｄ））は可能である。携帯型電子機器から先取り信号を生成するためのトランスデューサの数、およびそれらの位置もまた多様化し得る。

図２（ｈ）および図２（ｉ）に図解されていたとおり、剪断および曲げ波を生成する順応性オーバーレイ１０６および／または埋め込み作動構成要素がタッチスクリーンを完全に覆うこと（図５（ｅ））または別々に作動されるいくつかのセグメントに分割すること（図５（ｆ））が可能である。これにおいて、作動されるセグメントのオーバーレイのアレイが、相応じてコントロールされる行および列でアレンジされるマトリクスを呈することができる。

図６（ａ）は、順応性オーバーレイが携帯型電子機器１１４に取り付けられる実例を図解している。

図６（ｂ）は、振動トランスデューサ１１０が携帯型電子機器１１４の内側に配置され、タッチスクリーンを覆うパウチとの延長部１１８を通じた機械的な接続を有する別の実例を図解している。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、本発明の別の実施態様による移動／携帯電話、ゲーム・タブレット、またはその類といった携帯型電子機器のための拡張ケーシングを図解している。拡張ケーシングは、ケーシング１２０、順応性オーバーレイ１０６、ケーシング１２０内に配置されるプリント回路基板１４８、ケーシング１２０内に配置される再充電可能バッテリ１２２、および限定ではないがタッチスクリーン上の指先の位置の接触ポイント１０４の座標に少なくとも関係する携帯型電子機器からの信号を適応させるコネクタ（例えば、ＤＣオス／メス電気コネクタ、光、赤外線、または無線による接続をサポート）、バッテリ１２２を充電する外部電源とのコネクタ、および取り付けられている携帯型電子機器とバッテリ１２２のエネルギーを共有するための接続を含む。再充電可能バッテリ１２２は、任意の再使用可能バッテリ（例えば、ニッケル‐カドミウム電池、ＮｉＭＨバッテリ、リチウム電池、またはこれらの類）とすることが可能である。プリント回路基板の構成要素は、図８に概略図としてより詳細に示されている。

図８に示されているとおり、ケーシング１２０内に配置されたプリント回路基板１４８は、マイクロプロセッサ（ＭＰ）ホスト・コントローラ・インターフェース１４０、メモリ１４２、トランスデューサ（１つまたは複数）のコントローラ１４４、および多数のコネクタを含む。

メモリ１４２は、データのストアのために使用されるＲＡＭ等の半持続性メモリ、および／または１つまたは複数の異なるタイプのメモリを含むことが可能である。すなわちメモリ１４２は、トランスデューサのコントローラとともに動作するための任意タイプのデータ（振動信号のパラメータ、振動触知効果またはパターンのライブラリまたはデータベース）をストアするために使用される。

携帯型電子機器１１４のＰＣＢ充電器電源プラグ１３０は、電源プラグ１３４を通じて拡張ケーシング１２０と接続される。携帯型電子機器１１４の伝達インターフェース１２８は、伝達インターフェース１３２を通じて拡張ケーシング１２０と接続される。従って、ＭＰホスト・コントローラ・インターフェース１４０および携帯型電子機器１１４からの信号は、いずれも、さらに伝達インターフェース１３６を通じて任意の外部デバイスに伝達することが可能である。再充電可能バッテリ１２２の充電のために、拡張ケーシング１２０にはＰＣＢ充電器電源プラグ１３８が備えられている。トランスデューサ（１つまたは複数）コントローラからの信号は、コネクタ１４６を通じて振動トランスデューサ１１０に渡される。

拡張ケーシング１２０のバッテリ１２２は、それの主要な機能に加えて、メイン・バッテリ１２４の低下時に携帯型電子機器１１４の予備電源として使用することが可能である。

以上、いくつかの実施態様に関して方法を説明してきたが、これらの設計および方法は記述された実施態様に限定されることなく、むしろそれが付随する特許請求の範囲の精神ならびに範囲内における修正および変更を伴って実施可能であることは当業者に認識されるであろう。従って、この説明は、限定ではなく例証であると考えられるべきである。本質においてこの設計は、スクリーンのオーバーレイが、いかなる形においても携帯型電子機器の表示を歪ませるかあるいは劣化させることがないというものである。

皮膚の微細構造の中間隆条モデルを用いて例証している周知のレンズ効果（例えば、非特許文献４、非特許文献５）によれば、弾力性のある変形可能な透明オーバーレイは、剪断および曲げ波の励振およびインタラクションの耐久性表面との接触ポイントまでの伝播を改善する。可変形オーバーレイの窪み内への指先の沈みは、皮膚受容器までの動的応力の機械的伝播のためのより良好な条件を提供し、接触感知キーボード、キーパッド、タッチスクリーン、またはこれらの類といった入力デバイスとともに／入力デバイスを介してインタラクションするときの振動触知信号に対する人間の皮膚の応答の増強を可能にする。

可変形オーバーレイは、タッチスクリーンを覆う透明パウチとして、または液体またはゲル類似物質を伴ってタッチスクリーンから分離される変形可能な外側インタラクション表面として実装される。オーバーレイ励振、トランスデューサ、または複数のトランスデューサが、パウチ内に剪断および曲げ波を誘導するべく構成される。異なる密度を有する媒体の境界におけるサウンドの吸収および歪みに起因して、このアレンジメントは、振動刺激の音響成分も最小化できる。さらにオーバーレイは、接触事象および接触表面に関するそれの位置を検出可能な検出器、振動触知信号を生成するための能動回路、ホスト・コントローラとのインターフェース、および電源を含むケースと結合することができる。

以上、特定の実施態様を説明してきたが、これらの実施態様が本発明を限定するべきではない。これらの実施態様は、本発明の精神および範囲内において、省略、置き換え、および／または変更および／または修正を伴って多様な形で実装されることがあり得る。例えば、上記の実施態様においてはタッチスクリーンが例証されているが、本発明は任意種類のデバイスに適用できる。

Claims

ユーザから圧力操作を受け取るための操作面上に重ねられる触覚型デバイスであって、
前記操作面および間隙を伴ってその上に重ねられる透明シートから形成されるパウチと、
前記パウチ内に密封され、圧力および／または圧力振動を伝達するべく構成される液体またはゲル類似物質と、
前記透明シート内および／または前記物質内に触覚信号を、前記ユーザに伝達されるように生成するべく構成されるアクチュエータと、
を含む触覚型デバイス。
ユーザから圧力操作を受け取るための操作面上に重ねられる触覚型デバイスであって、
間に間隙を伴うペアの透明シートから形成されるパウチであって、前記操作面上に重ねられ、前記透明シートのうちの少なくとも１つが前記ユーザから前記圧力操作を受けて変形可能であるパウチと、
前記パウチ内に密封され、圧力および／または圧力振動を伝達するべく構成される液体またはゲル類似物質と、
前記透明シート内および／または前記物質内に触覚信号を、前記ユーザに伝達されるように生成するべく構成されるアクチュエータと、
を含む触覚型デバイス。
さらに、
前記パウチへの前記ユーザからの前記圧力操作に応答して生成された前記圧力および／または圧力振動を検出するべく構成されたセンサと、
前記センサによる検出結果に基づいて前記アクチュエータのための駆動信号を生成するべく構成されたコントローラと、
を含む請求項１または２に記載の触覚型デバイス。
前記アクチュエータおよび前記センサは、セルフセンシング・トランスデューサとして提供される、
請求項３に記載の触覚型デバイス。
前記操作面はタッチスクリーンの面である、
請求項１または２に記載の触覚型デバイス。
耐久性接触表面の面に重ねられる可変形オーバーレイであって、
弾性両面接着テープを介してタッチスクリーンの周囲のそれの面に取り付けられる可撓性シートと、
前記可撓性シートおよび前記耐久性接触表面の前記面によって形成されるパウチと、
前記パウチ内に密封される物質と、
前記可撓性シートの外側上面に少なくともわたって伝播する剪断および曲げ波を生成するべく構成されたオーバーレイ用振動触知トランスデューサと、
前記耐久性接触表面に関して接触事象およびそれの位置を検出するべく構成された検出器と、
を含む可変形オーバーレイ。
前記可撓性シートは、透明な弾性材料から形成される、
請求項６に記載の可変形オーバーレイ。
前記可撓性シートは、不透明または半透明な弾性材料から形成される、
請求項６に記載の可変形オーバーレイ。
前記物質は、透明な液体またはゲル類似物質である、
請求項６または７に記載の可変形オーバーレイ。
前記物質は、人間の皮膚の角皮下層の密度と類似の密度を有する天然または合成の液体またはゲル類似物質である、
請求項６または９に記載の可変形オーバーレイ。
前記物質は、人間の皮膚の角皮下層の密度と類似の密度を有する不透明の弾性物質、発泡材料、またはその類である、
請求項６に記載の可変形オーバーレイ。
前記物質は、人間の皮膚の角皮下層の密度と類似の密度を有する天然または合成の液体またはゲル類似物質であり、
前記人間の皮膚の角皮下層の前記密度は、約１１００ｋｇ／ｍ^３である、
請求項６に記載の可変形オーバーレイ。
前記可撓性シートはペアで提供され、
前記ペアの可撓性シートの１つが前記弾性両面接着テープを介して前記耐久性接触表面の前記面に取り付けられ、
前記パウチが前記ペアの可撓性シートの間に形成される、
請求項６に記載の可変形オーバーレイ。
前記耐久性接触表面とは反対側の上面の上の前記ペアの可撓性シートの少なくとも他方は、ユーザによる接触ポイントと前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサの位置の間を剪断および曲げ波が伝播するように、透明で、可撓性および弾性を有するべく形成される、
請求項１３に記載の可変形オーバーレイ。
前記ペアの可撓性シートの両方が不透明な可撓性シートであり、
前記物質は、人間の皮膚の角皮下層の密度と類似の密度を有する不透明の弾性物質、発泡材料、またはその類である、
請求項１３に記載の可変形オーバーレイ。
前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサは、アクチュエータを含む、
請求項６に記載の可変形オーバーレイ。
前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサのうちの１つまたは複数は、前記耐久性接触表面のベゼルの近くに提供され、
前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサのそれぞれは、前記可撓性シートの外側表面上、前記可撓性シートの内側表面上、または前記タッチスクリーンの前記面上に配置され、
前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサのそれぞれが、ユーザによる接触ポイントに向かって伝播する剪断および曲げ波を生成する、
請求項１６に記載の可変形オーバーレイ。
前記物質はイオン性ゲルであり、ボトム側の前記可撓性シートは前記物質との電気接触を有し、トップ側の前記可撓性シートは前記物質との電気接触を持たず、それによってゲルによるオーディオ・スピーカを形成する、
請求項１３または１４に記載の可変形オーバーレイ。
前記可撓性シートおよび前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサは、圧電高分子材料が電極としての透明な導電性の層に覆われるように、または導体および／または圧電作動構成要素が埋め込まれるように一体的に実装される、
請求項６に記載の可変形オーバーレイ。
前記可撓性シートのペアから形成される前記パウチは、前記耐久性接触表面から外に向かって提供される延長部を有し、
前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサは、前記耐久性接触表面の外側の前記延長部に配置される、
請求項１３に記載の可変形オーバーレイ。
前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサは、前記可撓性シートの内側表面上、かつ前記物質の内側に配置される、
請求項６に記載の可変形オーバーレイ。
前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサは、前記耐久性接触表面の前記面の上、かつ前記物質の内側に配置される、
請求項６に記載の可変形オーバーレイ。
前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサは前記ペアの可撓性シートの間、かつ前記物質の内側に配置される、
請求項１３に記載の可変形オーバーレイ。
前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサは、前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサがそれの周縁においてのみ前記物質との接触を有するように前記ペアの可撓性シートの間に挟み込まれる、
請求項２３に記載の可変形オーバーレイ。
前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサは、前記可撓性シートのボトム側またはトップ側の可撓性シートの内側表面に配置されるか、または前記ペアのシートの間に、間隙を伴って／伴わずに挟み込まれる、
請求項２０に記載の可変形オーバーレイ。
前記オーバーレイは、前記耐久性接触表面の前記面を全体的に、または部分的に覆うべく提供される、
請求項６に記載の可変形オーバーレイ。
前記オーバーレイは、前記耐久性接触表面の前記面のそれぞれの部分を覆うべく複数で提供される、
請求項６に記載の可変形オーバーレイ。
前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサに加えて、振動触知トランスデューサが、対となる他方の振動触知トランスデューサとして提供される、
請求項６に記載の可変形オーバーレイ。
前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサおよび前記対の他方の振動触知トランスデューサは、異なる振動信号を生成するべく構成される、
請求項２８に記載の可変形オーバーレイ。
請求項６に記載の可変形オーバーレイと、
前記オーバーレイの前記可撓性シートを支持するべく提供されるケーシングと、
を含むアタッチメント・ユニット。
タッチスクリーンを有する移動体機器に、可撓性シートが直接、または間接的に前記タッチスクリーンに接触するように取り付けられる、
請求項３０に記載のアタッチメント・ユニット。
携帯型電子機器に取り付けられる、
請求項３０に記載のアタッチメント・ユニット。
さらに、
プリント回路基板と、
再充電可能バッテリと、
ＤＣ外部電力を受電するべく構成された外部電源コネクタと、
前記再充電可能バッテリ内に蓄電されている電力を、前記取り付けられている携帯型電子機器に供給するべく構成された内部電源コネクタと、
前記携帯型電子機器および別のデバイスと、前記タッチスクリーン上のユーザによる接触ポイントの座標、または振動信号のための変調されたパラメータを含む情報を交換するべく構成された情報交換コネクタと、
を含む請求項３２に記載のアタッチメント・ユニット。
前記再充電可能バッテリは、ニッケル‐カドミウム電池、ＮｉＭＨバッテリ、またはリチウム電池である、
請求項３０に記載のアタッチメント・ユニット。
前記再充電可能バッテリ内に蓄電される前記電力は、前記携帯型電子機器に、それのメイン・バッテリの残量が低くなったときに供給される、
請求項３４に記載のアタッチメント・ユニット。
前記プリント回路基板は、マイクロプロセッサ・ホスト・コントローラ・インターフェース、メモリ、およびトランスデューサ・コントローラを含み、
前記トランスデューサ・コントローラは、前記オーバーレイ用振動触知トランスデューサだけでなく、対となる他方のトランスデューサもコントロールする、
請求項３３に記載のアタッチメント・ユニット。
前記メモリは不揮発性メモリである、
請求項３６に記載のアタッチメント・ユニット。