ハプティックスは、力、振動、および動作(motion)などの触覚(haptic)フィードバック効果(つまり、「触覚効果」)を使用者に与えることによって使用者の触覚を利用する触感(tactile)および力のフィードバック技術である。携帯装置、タッチ・スクリーン装置、タッチ・パッド装置、およびパーソナル・コンピュータなどの装置は、触覚効果を発生するように構成できる。概して、触覚効果を発生することができる埋め込みハードウェア(アクチュエータなど)への呼び出しは、装置のオペレーティング・システム(「OS」)内にプログラムされることができる。これらの呼び出しは、どの触覚効果を実施するかを規定する。例えば、使用者が、例として、ボタン、タッチ・スクリーン、タッチ・パッド、レバー、ジョイスティック・ホイール、または何らかの他の制御を用いて装置と対話するとき、装置のOSは、制御回路を通じて埋め込みハードウェアに実施命令を送信できる。そして、埋め込みハードウェアは、適切な触覚効果を作り出す。
自動車の環境では、ハプティックスは、自動車の環境における、より確かで安全なユーザー・エクスペリエンスを作り出す一助となるように、触感フィードバックを提供できる。ハプティックスの自動車用途には、回転ノブ、ジョイスティック、タッチ・パッド、およびタッチ・スクリーンが含まれる。自動車の環境におけるタッチ・スクリーンの使用は増加してきている。タッチ・スクリーンは、ナビゲーション・システムにとって自然なインターフェースであり、触感フィードバックは、全体的なタッチ・スクリーンの使い勝手の優れた補足的な改善であると共に、ナビゲーション・システムのヒューマン・マシン・インターフェースに固有の特徴である。使用者は、より直観的な対話、安全性の向上に向けたより短い一瞥の時間、および省空間の設計を経験する。スクリーンが、スクリーンの移動を許容する懸架装置に搭載されているため、タッチ・スクリーン・ボタンは、使用者がスクリーンを通じて実際に感じ取れる触感パルスを送ることで、使用者は、素早く一瞥してスクリーンを触ることで、アイコンを選択できる。さらに、近位感知技術を使用することで、手がタッチ・スクリーンに近づくとき、手を検出することができる。アイコンが押されるとき、スクリーンは脈動して命令を受け取ったことを知らせ、視線を安全に道路へと保たせたままにできる。したがって、ハプティックス・タッチ・スクリーンまたはハプティックス・タッチ・パッドの物理的なフィードバックによって、スクリーンまたはパッドを見ることなく、運転者はシステムを操作することができる。Cadillac CURおよびAcura RLX On−Demand Multi−Use Display(商標)の2つは、自動車用ハプティックス・タッチ・スクリーン・アプリケーションである。Lexus NXは、ハプティックス・タッチ・パッド・アプリケーションを利用している。
自動車の環境で使用されるタッチ・スクリーンは、大きな表示装置であり、他のハプティックス・タッチ・スクリーンより重たい可能性がある。例えば、10インチの表示装置が望まれることがあり、システムが、より良い視認性のための光学的接着によってタッチ・パネルに固定されたLCDを備え得るため、おおよそ500gの重さになる(重たい)可能性がある。タッチ・スクリーンまたはタッチ・パネルは、触覚効果が発生されるときにスクリーンを移動させることができる懸架システムに搭載されるため、フローティング・スクリーンと呼ぶことができる。ハプティックスをフローティング・システム装置に提供するためには、小さな移動(動作)と大きな力(加速のための)とが必要とされる。スクリーンおよびその組立体など、移動質量が、より大きくおよび/またはより重たくなる(100グラムから2キログラム)とき、必要とされる力は、コスト効果のあるプッシュ・プル・ソレノイドが提供できるものを超えて大きくなる。
現在、タッチ・スクリーンまたはタッチ・パネルの移動質量が300グラムより大きい場合、ハプティックスを提供するのにコスト効果のある解決策はない。受け入れられる手法は、複数のソレノイドまたは圧電のアクチュエータを使用することである。移動質量を持つタッチ・スクリーンは、触覚効果を作り出すのに共に作動する複数の構成部品の動作に依存しているため、複雑な設計でもある。
本発明の前述のおよび他の特徴並びに利点は、添付の図面で示されているような、本明細書の実施形態の以下の記載から明らかとなる。本明細書において組み込まれ、明細書の一部を形成する添付の図面は、さらに、本発明の原理を説明し、当業者に本発明を製作および使用させることができるように機能する。図面は一定の縮尺とはなっていない。
本発明の特定の実施形態は、ここでは、図を参照しつつ説明されており、同様の符号は、同一の要素または機能的に同様の要素を指し示している。以下の詳細な説明は、本質的に単なる例示であり、本発明を、または、本発明の適用および使用を、限定するように意図されていない。さらに、先の技術分野、背景技術、発明の概要、または、以下の詳細な説明で提示されているあらゆる明示的または暗示的な理論によって拘束されるような意図はない。さらに、以下の説明は、重たいフローティング・タッチ・スクリーン組立体で使用するためのアクチュエータ増幅装置を主に対象としているが、当業者は、この説明が他の移動質量に等しく当てはまることを理解するであろう。
本明細書の実施形態は、アクチュエータ増幅装置と、アクチュエータ増幅装置上にまたは内部に配置されるプッシュ・プル・アクチュエータとを備えるシステムに関する。アクチュエータ増幅装置は、プッシュ・プル・アクチュエータを受け入れるように構成される。アクチュエータ増幅装置は固定質量と移動質量とに取り付くように構成され、アクチュエータ増幅装置は内蔵増幅機構を備えている。アクチュエータ増幅装置の内蔵増幅機構は、プッシュ・プル・アクチュエータによって移動質量へと出力される力を増幅する。アクチュエータ増幅装置は、力を2:1と5:1との間の比で増幅する。したがって、本明細書は、安価なプッシュ・プル・ソレノイド・アクチュエータなど、単一のアクチュエータを必要とし、内蔵増幅機構は、より大きい、または、より重たい形状因子でのハプティックスを可能にし、移動質量の大きさは200グラムから2キログラムまでの範囲に及ぶことができる。しかしながら、単一のプッシュ・プル・アクチュエータと共に利用されるとして説明されているが、本明細書で説明されている内蔵増幅機構は、システムの所望の出力の力または必要な出力の力によっては、複数のアクチュエータと共に使用されてもよいことが、当業者によって理解されるものである。
本発明は、標準的なプッシュ・プル・ソレノイド・アクチュエータの大きな移動/小さな力を用い、それを、安価な射出成型された増幅またはレバーのシステムの使用によって、小さな移動/大きな力へと変換する連結レバー機構を対象としている。連結レバーは、個別の力の要件、または、任意の標準的なプッシュ・プル・ソレノイド・アクチュエータに向けて設計されることができる。3つの実施形態が以下で説明され、図1、図2、および図3に示されている。これらの実施形態は、おおよそ500gの重量である重たいフローティング・タッチ・スクリーン組立体のために設計されているが、200グラムと2000グラムとの間の重量である移動質量のために構成されてもよい。実施形態で検討されているソレノイド・アクチュエータは、1〜5ニュートンの範囲で出力の力を有する。別の言い方をすれば、プッシュ・プル・アクチュエータによって出力される力は、1Nと5Nとの間である。
本明細書で例示されているアクチュエータ増幅装置の実施形態は、グラフィック表示装置がタッチ表面またはタッチ要素の後に配置されているタッチ・スクリーンとの関連で記載されている。しかしながら、本発明は、このようなタッチ・スクリーンについてのアクチュエータ増幅装置に限定されず、任意の触覚的に励起されるタッチ表面またはタッチ要素に、等しく適用可能である。例えば、アクチュエータ増幅装置は、表示スクリーンがタッチ・パッドと同じ配置とされていないコンピュータのタッチ・パッドに適用できる。アクチュエータ増幅装置は、容量センサ、近接効果センサ、圧電センサ、または他のセンサ技術によって作り出すことができる少なくとも1つのタッチ感知領域、または、タッチ感知領域の配列を備えたタッチ要素に適用できる。グラフィカル要素は、タッチ要素の後に、もしくは、タッチ要素とは別の位置に配置され、ホスト・コンピュータによって更新される表示装置であってもよく、または、関連するタッチ要素のタッチ感知領域を指し示す特徴(例えば、グラフィックス)を備えたプラスチック表面だけであってもよい。したがって、用語タッチ・スクリーンは、以下の詳細な説明および特許請求の範囲で用いられるとき、従来のタッチ・スクリーンと共に、触覚効果が適用され得る任意のタッチ表面またはタッチ要素と、関連するグラフィック要素とを包含するように解釈されるべきである。
一実施形態では、内蔵増幅機構は、2対の対向するリンク機構を有するフレームを備えている。より具体的には、図1を参照すると、アクチュエータ増幅装置は、プッシュ・プル・ソレノイド・アクチュエータ12を包囲する増幅フレーム10の内蔵増幅機構を備えている。フレーム10は、自動車のダッシュボード・フレームのような、固定質量に取り付けまたは連結されるように構成されている表面または本体固定部14を備えている。フレーム10は、図4に関連して本明細書においてより詳しく説明されるようなタッチ・スクリーン・システムの移動質量または懸架されたパネル組立体に取り付けまたは連結されるように構成されている出力インターフェース16も備えている。
ソレノイドまたはプッシュ・プル・アクチュエータ12は、本体固定部14と出力インターフェース16との間に搭載されている。プッシュ・プル・アクチュエータ12は、プランジャ18とアクチュエータ本体22とを備えている。アクチュエータ・プランジャ18はフレーム10のフレーム表面20に搭載されており、アクチュエータ本体22はフレーム10のアクチュエータ受入れスリーブ24の内部に配置されている。フレーム表面20とアクチュエータ受入れスリーブ24とは、互いに対向している。
2つのフレーム・リンク機構26および28が、プッシュ・プル・アクチュエータ12と固定質量表面14との間に延在している。フレーム・リンク機構26および28は、プッシュ・プル・アクチュエータ12と本体固定部14(フレーム10を固定質量に取り付けるように構成されている)との間に延在する第1の対の対向するリンク機構と見なすことができる。フレーム・リンク機構30および32が、アクチュエータ10と出力インターフェース16との間に延在している。フレーム・リンク機構30および32は、プッシュ・プル・アクチュエータ12と出力インターフェース16(フレーム10を移動質量に取り付けるように構成されている)との間に延在する第2の対の対向するリンク機構と見なすことができる。
リビング・ヒンジ34、36、38、40、42、44、46、および48が、フレーム・リンク機構26、28、30、および32の各々の端部にそれぞれ配置されている。別の言い方をすれば、第1の対の対向するリンク機構の各々のリンク機構、すなわち、フレーム・リンク機構26および28が、一対の可撓性継手によってプッシュ・プル・アクチュエータ12と本体固定部14とに取り付けられており、第2の対の対向するリンク機構の各々のリンク機構、すなわち、フレーム・リンク機構30および32が、一対の可撓性継手によってプッシュ・プル・アクチュエータ12と出力インターフェース16とに取り付けられている。この実施形態では、各々の可撓性継手はリビング・ヒンジであるが、各々の可撓性継手は、プッシュ・プル・アクチュエータ12によって出力されるトルクを、フレーム10を通じて伝達するように構成されている他の構成を有してもよい。別の言い方をすれば、プッシュ・プル・アクチュエータ12は力を出力するように構成されており、フレーム10の各々の可撓性継手は、プッシュ・プル・アクチュエータによって出力される力またはトルクを、フレームを通じて伝達するように構成されている。
より具体的には、アクチュエータ12が引き込むまたは押し出すとき、可撓性継手またはリビング・ヒンジ34、36、38、40、42、44、46、および48は、フレーム10の寸法のうちの1つ(高さ)を縮小または拡大させる。これはさらに、フレーム10の垂直な寸法(幅)を、初期のソレノイド移動に対して設計された比で縮小または拡大させることになる。別の言い方をすれば、アクチュエータ12のプランジャ18がアクチュエータ12の本体22内へと引き込むとき、フレーム10の高さは拡大し、フレーム10の幅は縮小する。その結果、フレーム10の複数のリンク機構26、28、30、32は、プッシュ・プル・アクチュエータ12によって移動質量へと出力される力を増幅する。フレーム10のこの比または機械的な利点は、必要により、2:1から5:1までとすることができる。比は、力の増幅に直接的に影響を与える。矢印50aは、プランジャ18が矢印50bによって示される方向で引き込むとき、タッチ・スクリーンまたは移動質量に加えられる増幅された力の方向を描写している。
別の実施形態では、内蔵増幅機構はレバー・アーム・システムを備えている。より具体的には、図2を参照すると、アクチュエータ増幅装置は、アクチュエータ搭載部52と、内蔵レバー・アーム・システム54とを備えている。アクチュエータ搭載部52は、プッシュ・プル・アクチュエータ56を受け入れるように構成されており、自動車のダッシュボードなど、システムの固定質量に取り付けまたは連結されるように構成されている。また、アクチュエータ増幅装置は、移動質量に取り付けまたは連結されるように構成されている出力インターフェース72を備えている。レバー・アーム・システム54は、アクチュエータ搭載部52と出力インターフェース72との間に延在している。
プッシュ・プル・アクチュエータ56は、アクチュエータ搭載部52の内部または上に配置されており、力を出力するように構成されている。アクチュエータ12と同様に、プッシュ・プル・アクチュエータ56は、プランジャ58とアクチュエータ本体(図2においてプッシュ・プル・アクチュエータ56と呼ばれている)とを備えている。レバー・アーム・システム54は、複数の可撓性継手によってアクチュエータ搭載部52と出力インターフェース72とに取り付けられており、アクチュエータ増幅装置の各々の可撓性継手は、プッシュ・プル・アクチュエータ56によって出力されるトルクを、レバー・アーム・システムを通じて伝達するように構成されている。レバー・アーム・システム54は、プッシュ・プル・アクチュエータ56によって移動質量へと出力される力を増幅する。
より具体的には、プッシュ・プル・アクチュエータ56には、プランジャ搭載部62によってレバー・アーム組立体54の端部60に固定されたプランジャ58が搭載されており、プランジャ搭載部62は、リビング・ヒンジ64によって、レバー・アーム組立体54の端部60に固定されている。レバー・アーム組立体54は、リビング・ヒンジ66でアクチュエータ搭載部に固定されている。リビング・ヒンジ68および70は、レバー・アームを出力インターフェース72(移動質量、つまり、フローティング・タッチ・スクリーン組立体と連結されている)に固定している。この実施形態では、各々の可撓性継手はリビング・ヒンジであるが、各々の可撓性継手は、プッシュ・プル・アクチュエータ12によって出力されるトルクを、フレーム10を通じて伝達するように構成されている他の構成を有してもよい。その結果、レバー・アーム・システム54は、プッシュ・プル・アクチュエータ56によって移動質量へと出力される力を増幅する。増幅された力は、プランジャ58が矢印74bによって示された方向で引き込むとき、矢印74aによって示された方向でタッチ・スクリーンに加えられることになる。レバー・アーム・システム54は、システムの要件に基づいて、2:1から5:1までの力増幅範囲となるように設計されることができる。別の言い方をすれば、レバー・アーム・システム54のこの比または機械的な利点は、必要により、2:1から5:1までとすることができる。比は、力の増幅に直接的に影響を与える。
図1および図2の連結レバーは、個別の力の要件に向けて、または、任意の標準的なプッシュ・プル・ソレノイド・アクチュエータ、もしくは、他の適切なアクチュエータに向けて設計されることができる。増幅機構は射出成型されることができる。フレームは、好ましくは、射出成型されたPEであるが、限定されないが、薄板の金属、機械加工された金属、プラスチック、および/または複合材料など、十分な可撓性および剛性を持つ他の材料が用いられてもよい。ハプティックス・システムを移動するために必要とされる力と、所望のプッシュ・プル・アクチュエータによってもたらされる力とを決定することは、必要とされる最適な増幅比を決定する上で一助となる。大きさについて形状因子を最小化することと、増幅を最大化することとは、大きな質量作動システムについての増幅機構の設計に関して考慮される因子である。
第3の実施形態が図3に示されている。この実施形態は、第1のソレノイド安定化装置80と第2のソレノイド安定化装置82とを備えている。この実施形態では、第1の安定化装置80はプッシュ・プル・アクチュエータ12と本体固定部14との間に延在し、第2の安定化装置82は、プッシュ・プル・アクチュエータ12と出力インターフェース16との間に延在している。安定化装置80および82は、ソレノイド本体84を安定化するように、および、プッシュ・プル・アクチュエータ12の移動を制限するように構成されている。別の言い方をすれば、安定化装置80および82は、バネまたはダンパとして作用し、アクチュエータによる平面移動の逸脱を防止するように作用する。ソレノイド安定化装置80および82は、さらに、アクチュエータをフレーム内で整列させたままにするので、アクチュエータの可聴ノイズを低減する。結果的に、内蔵された安定化装置80および82を備えたフレーム86およびソレノイド84の撓みに基づいたシステムは、より大きな力の発生と、可聴ノイズの低減とをもたらす。ソレノイド安定化装置80および82の形と構成とは、フレーム86に搭載されたアクチュエータ84の大きさと強度に依存して、当業者によって決定されることができる。図1および図2のフレームと同様に、理想的には、フレーム84は射出成型された一体のPEフレームであるが、十分な可撓性および剛性を持つ他の材料が用いられてもよい。ハプティックス・システムを移動するために必要とされる力と、所望のプッシュ・プル・アクチュエータによってもたらされる力を決定することは、必要とされる最適な増幅比を決定する上で一助となる。大きさについて形状因子を最小化することと、増幅を最大化することとは、大きな質量作動システムについての増幅機構の設計に関して考慮される因子である。
図3は、ピン継手88、90、92、94、96、98、100、および102の使用も開示している。フレーム86のこのような継手は、アクチュエータ84の要求されるトルクを、フレーム86を通じて伝達するだけの可動性または可撓性を有するように設計される。図1および図2の実施形態で示したようなリビング・ヒンジを含むがそれに限定されない、任意の他の可撓性継手が、要求されるトルクを、フレームを通じて伝達できるという条件で、用いられてもよい。反対に、ピン継手は、要求されるトルクを、アクチュエータ増幅装置を通じて、アクチュエータ増幅装置に取り付けられている移動質量へと伝達するために、図1および図2の実施形態で利用されてもよい。
前述のように、本明細書の実施形態は、移動質量、または、タッチ・スクリーン・システムの懸架されたパネル組立体に取り付けまたは連結されるように構成されている。図4は、図3のアクチュエータ増幅装置と、懸架されたフローティングまたは移動質量とを示している。より具体的には、図3のアクチュエータ増幅装置が、タッチ・スクリーン104の下側面に取り付けまたは連結されて示されている。タッチ・スクリーン104は、複数の懸架要素106A、106B、106C、106Dを介して、筐体(図4では示されていない)に取り付けられている。懸架要素106A、106B、106C、106Dは、一方向へのタッチ・スクリーン104の移動を許容するように構成されている。より具体的には、アクチュエータによって出力される力に応じてタッチ・スクリーン104を移動させることができ、それによって、スクリーンへの触覚効果を隔離するために、タッチ・スクリーンは、タッチ・スクリーンがある電子装置内に柔軟に懸架され得る。図4に示した懸架要素106A、106B、106C、106Dは例示であり、触覚・フィードバックのための必要な柔軟性を提供するとともに、タッチ・スクリーンをアクチュエータによって出力される力によって移動させることができるあらゆる種類の懸架システムを有するタッチ・スクリーンで、本明細書で説明されている増幅機構を利用できることは、当業者には明らかである。
いくつかの実施形態が、本明細書おいて具体的に図示および/または記載されている。しかしながら、開示した実施形態の改良および変形は、本発明の精神および意図された範囲から逸脱することなく、前述の教示により、添付の特許請求の範囲内において網羅されていることは、理解されるものである。本発明による様々な実施形態が上記で説明されてきた一方で、それらは、図示および例により提示されただけであって、限定ではないことは、理解されるべきである。形態および詳細における様々な変更は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく行われ得ることは、当業者には明らかである。したがって、本発明の広さおよび範囲は、前述の例示の実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲およびその等価物だけに従って定められるべきである。本明細書で説明された各々の実施形態と、本明細書で引用された各々の参考文献との各々の特徴は、任意の他の実施形態の特徴と組み合わされて用いられ得る。本明細書で詳述されているすべての特許および発行物は、それらの全体において、本明細書において参照により組み込まれている。