JP2017208093A - 熱活性型ハプティック出力デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】熱によって活性化される形状記憶合金及び形状記憶ポリマー等の形状記憶材料で構成され、小型・軽量化されたハプティック出力デバイスを提供する。【解決手段】ハプティック出力デバイス１７０は、熱源１７４と、加熱されるとその形状を変化させ、変形に基づくハプティック効果を生成するように構成された形状記憶材料１７２と、形状記憶材料を冷却するとともに、振動に基づくハプティック効果を生成するように構成された冷却デバイス１７６とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、ハプティック効果をデバイスのユーザーに対して生成するように構成された熱活性型ハプティック出力デバイスに関する。

本出願は、２０１６年５月１７日に出願された米国出願第１５／１５６，９１０号の利益を主張する。この米国出願の開示内容は、引用することによってその全内容が本明細書の一部をなす。

形状記憶合金（ＳＭＡ）及び形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）等の形状記憶材料を備えるアクチュエーターは、一般に、加熱されると、急速に拡張又は収縮し、かなりの力を生成することができる軽量のデバイスである。また、それらのアクチュエーターは、任意の形状にプログラミング（programmed：設定）することができ、加熱されると、大きな力を生成することができる。そのようなアクチュエーターが収縮によってそれらの元の位置に戻るには、ＳＭＡ／ＳＭＰを冷却すべきであるが、このことは、幾つかの特定の用途におけるそれらの使用を制限する場合がある。アクチュエーターにおけるＳＭＡ／ＳＭＰの幾つかの実施態様は、例えば、リターンスプリングを用いて、アクチュエーターをそれらの元の位置に物理的に戻すが、リターンスプリングの使用は、そのようなアクチュエーターのエネルギー消費を少なくとも１００％増加させる場合があり、１Ｈｚを越えてアクチュエーターの帯域幅を改善することはない。ＳＭＡ又はＳＭＰを有する幾つかのアクチュエーターは、ＳＭＡ／ＳＭＰがそれらの元の位置に戻るようにＳＭＡ／ＳＭＰを冷却する自然対流を改善することを試みて設計されているが、そのような設計は、あまり効率的でなく、比較的大型であり、複雑な設計を有する。

改善された性能を有する熱活性型ＳＭＡ及び／又はＳＭＰを備えるハプティック出力デバイスを得ることが望ましい。

本発明の一態様によれば、変形に基づくハプティック効果及び振動に基づくハプティック効果を生成するように構成されたハプティック出力デバイスが提供される。該ハプティック出力デバイスは、加熱されるとその形状を変化させ、前記変形に基づくハプティック効果を生成するように構成された形状記憶材料と、前記形状記憶材料を冷却するとともに、前記振動に基づくハプティック効果を生成するように構成された冷却デバイスとを備える。

一実施形態では、前記形状記憶材料は形状記憶合金を含む。

一実施の形態では、前記形状記憶材料は形状記憶ポリマーを含む。

一実施形態では、前記冷却デバイスは、フレームと、前記フレームによって支持された第１の圧電アクチュエーターと、前記フレームによって支持され、前記第１の圧電アクチュエーターから離間されるとともに前記第１の圧電アクチュエーターと平行関係にある第２の圧電アクチュエーターとを備える。前記フレーム、前記第１の圧電アクチュエーター、及び前記第２の圧電アクチュエーターは容積を画定し、前記フレームは、気体が前記容積から前記形状記憶材料に向けて流出して該形状記憶材料を冷却することを可能にするように構成された少なくとも１つの開口を備える。

本発明の一態様によれば、システムであって、該システムのユーザーの入力を検知するように構成されたセンサーと、前記センサーによって検知された前記入力に基づいて、変形に基づくハプティック効果及び振動に基づくハプティック効果を生成するように構成されたハプティック出力デバイスとを備えるシステムが提供される。前記ハプティック出力デバイスは、加熱されるとその形状を変化させ、前記変形に基づくハプティック効果を生成するように構成された形状記憶材料と、前記形状記憶材料を冷却するとともに、前記振動に基づくハプティック効果を生成するように構成された冷却デバイスとを備える。

一実施形態では、前記システムは、前記センサーから第１の信号を受信し、該第１の信号に基づいて、生成される総合的な（overall）ハプティック効果を決定し、第２の信号を前記ハプティック出力デバイスに出力して、前記変形に基づくハプティック効果及び前記振動に基づくハプティック効果を生成するように構成されたコントローラーを備える。

本発明の一態様によれば、総合的なハプティック効果を提供する方法が提供される。該方法は、形状記憶材料を加熱して、変形に基づくハプティック効果を生成することと、冷却デバイスを用いて、前記形状記憶材料を冷却するとともに振動に基づくハプティック効果を生成することとを含む。

一実施形態では、前記方法は、センサーを用いてシステムのユーザーによる入力を検知することを含む。前記システムは、前記センサー及びハプティック出力デバイスを備える。前記方法は、前記センサーによって出力される第１の信号に基づいて、生成される前記総合的なハプティック効果を決定することと、第２の信号を前記ハプティック出力デバイスに出力して、前記変形に基づくハプティック効果及び前記振動に基づくハプティック効果を生成することとを含む。

本発明のこれらの態様、特徴、及び特性並びに他の態様、特徴、及び特性、更には構造体の関連する要素及び部分の組み合わせの動作の方法及び機能並びに製造の経済性は、添付図面を参照して以下の説明及び添付の特許請求の範囲を検討すると、より明らかになる。なお、添付図面の全ては、この明細書の一部をなす。ただし、図面は、例示及び説明を目的としたものにすぎず、本発明の制限を画定するものとして意図されたものでないことが特に理解されるべきである。個数が特定されていないもの（singular form of "a", "an", and "the"）は、本明細書及び特許請求の範囲において用いられるとき、文脈上明らかに他の意味に解すべき場合を除き、単数に加えて複数の指示対象を含む。

本発明の実施形態によるシステムを概略的に示す図である。 図１のシステムのコントローラーの一実施形態を概略的に示す図である。 図１のシステムのハプティック出力デバイスの一実施形態を概略的に示す図である。 図３のハプティック出力デバイスの冷却デバイスの一実施形態を概略的に示す図である。 図３のハプティック出力デバイスの冷却デバイスの一実施形態を概略的に示す図である。 図３のハプティック出力デバイスの一実施形態と、このハプティック出力デバイスの構成要素によって生成されるハプティック効果とを概略的に示す図である。 本発明の実施形態による総合的なハプティック効果を提供する方法を概略的に示す図である。

添付の図の構成要素は、本開示の一般的な原理を強調するように示されており、必ずしも一律の縮尺で描かれていない。対応する構成要素を示す参照符号は、一貫性及び明瞭性のために、これらの図の全体を通して必要に応じて繰り返される。

図１は、本発明の一実施形態によるシステム１００を示している。システム１００は、任意の電子デバイスを含むこともできるし、その電子デバイスの一部とすることもできる。この任意の電子デバイスは、デスクトップコンピューター、ラップトップコンピューター、電子ワークブック、電子ハンドヘルドデバイス（モバイルフォン、スマートフォン、ゲーミングデバイス、携帯情報端末（「ＰＤＡ」）、ポータブル電子メールデバイス、ポータブルインターネットアクセスデバイス、計算機等）、キオスク（現金自動預払機、チケット購入機等）、プリンター、販売時点デバイス、ゲームコントローラー、ウェアラブルデバイス、又はタッチスクリーン、タッチパッド、若しくはボタンパネル等の車両の一部である電子デバイス等の他の電子デバイス等である。

図示するように、システム１００は、入力／出力デバイス１１０、コントローラー１２０、及びメモリデバイス１３０を備える。入力／出力デバイス１１０は、当該入力／出力デバイス１１０がコントローラー１２０と信号通信するように、バス１４０を介してコントローラー１２０及び／又はメモリデバイス１３０に相互接続することができる。バス１４０は、コントローラー１２０と入力／出力デバイス１１０との間の有線通信リンク、無線通信リンク、及び／又は他の通信リンクを含むことができる。信号は、入力／出力デバイス１１０によってコントローラー１２０に出力することができ、コントローラー１２０によって入力／出力デバイス１１０に出力することができる。

入力／出力デバイス１１０は、システム１００のユーザーからの入力を受信するように構成された少なくとも１つのユーザー入力デバイスを備えることができる。一実施形態では、このユーザー入力デバイスは、ユーザーからの入力を検知するように構成されたセンサー１５０を含むことができる。センサー１５０は、タッチセンサーの形態にすることができ、センサー１５０の表面のタップ、スライド、摩擦、又は押下等のユーザーからのジェスチャーを検出するように構成することができる。例えば、容量検知型若しくは抵抗検知型の力覚抵抗器、又は光スイッチ等の幾つかの技術をこの目的に用いることができる。一実施形態では、センサー１５０は、タッチパッドの一部とすることができる。一実施形態では、センサー１５０は、情報をユーザーに出力及び表示するように構成されたディスプレイ１６０を重ね合わせたタッチスクリーンの一部とすることができる。一実施形態では、センサー１５０及びディスプレイ１６０を組み合わせて、タッチスクリーンデバイスにすることができる。

入力／出力デバイス１１０は、オーディオフィードバックをユーザーに提供するように構成されたスピーカー等のオーディオ出力デバイス（図示せず）を備えることができる。一実施形態では、入力／出力デバイス１１０は、ユーザーが入力をシステム１００に提供するためにユーザーが操作することができるボタン、回転ノブ、又はジョイスティック等の他のタイプのユーザー入力デバイスを備えることができる。ボタン、回転ノブ及びジョイスティックは、現在、例えば、様々なゲーミング周辺機器及び車両においてユーザー入力デバイスとして用いられており、そのようなデバイスの実施態様は当業者に既知である。

入力／出力デバイス１１０は、例えば、入力がシステム１００によって受信されたことの確認として、ハプティック効果又はハプティックフィードバックをユーザーに提供するように構成されたハプティック出力デバイス１７０も備える。ハプティック出力デバイス１７０は、１つ又は複数のアクチュエーターと、駆動回路部と、このアクチュエーター（複数の場合もある）の駆動信号を生成するように構成されたハプティックエンジンとを備えることができる。

ハプティック出力デバイス１７０によって提供されるハプティックフィードバックは、振動、変形、運動覚、静電摩擦又は超音波摩擦等のハプティック効果を生み出す方法のうちの任意のものを用いて生み出すことができる。一実施形態では、ハプティック出力デバイス１７０は、アクチュエーターを備えることができ、このアクチュエーターは、例えば、偏心質量体がモーターによって移動される偏心回転質量体（「ＥＲＭ」）、バネに取り付けられた質量体が前後に駆動されるリニア共振アクチュエーター（「ＬＲＡ」）等の電磁アクチュエーター、又は圧電材料、イオン若しくは電子に基づく電気活性ポリマー等の電気活性ポリマー、形状記憶材料、スマートハイドロゲル等の「スマート材料」、マクロ複合体ファイバーアクチュエーター、静電アクチュエーター、電気触覚アクチュエーター、ナノ複合体アクチュエーター、空気圧に基づくアクチュエーター及び／又は振動触覚フィードバック等の物理フィードバックを提供する別のタイプのアクチュエーター等である。ハプティック出力デバイス１７０は、静電摩擦（ＥＳＦ）、超音波摩擦（ＵＳＦ）を用いるもの、又は超音波ハプティックトランスデューサーを用いて音響放射圧を誘発するもの、又はハプティック基材（substrate）と柔軟な若しくは変形可能な表面とを用いるもの、又は熱的効果を提供するもの、又はエアジェットを用いた空気パフ（puff）等の発射型（projected）ハプティック出力を提供するもの等の非機械式デバイス又は非振動デバイスを含むことができる。以下で更に詳細に論述するように、複数のハプティック出力デバイス１７０を用いて、種々のハプティック効果を生成することができる。ハプティック出力デバイス１７０の実施形態は、以下で更に詳細に論述される。

図１に示すように、メモリデバイス１３０も、バス１４０を介してコントローラー１２０及び入力／出力デバイス１１０と相互接続することができる。メモリデバイス１３０は、１つ又は複数の内部に固定された記憶ユニット、着脱可能な記憶ユニット、及び／又はリモートアクセス可能な記憶ユニットを備えることができる。これらの様々な記憶ユニットは、揮発性メモリ及び不揮発性メモリの任意の組み合わせを備えることができる。記憶ユニットは、情報、データ、命令、ソフトウェアコード等の任意の組み合わせを記憶するように構成することができる。より詳細に言えば、記憶ユニットは、ハプティック効果プロファイル、ハプティック出力デバイス１７０をどのように駆動するのかの命令、又はハプティック効果を生成する他の情報を含むことができる。

コントローラー１２０は、システム１００の動作及び機能を管理又は制御する汎用プロセッサ若しくは専用プロセッサ又はマイクロコントローラーとすることができる。例えば、コントローラー１２０は、視覚情報を提供するディスプレイ１６０及びハプティック効果を提供するハプティック出力デバイス１７０への出力信号を制御する特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）として特に設計することができる。コントローラー１２０は、生成されるハプティック効果（複数の場合もある）のタイプ（複数の場合もある）、ハプティック効果が生成される順序、並びにハプティック効果の振幅、周波数、継続時間、及び／又は他のパラメーターを既定の因子に基づいて決定するように構成することができる。コントローラー１２０は、特定のハプティック効果を提供するハプティック出力デバイス１７０を駆動するのに用いることができるストリーミングコマンドを提供するように構成することもできる。幾つかの実施形態では、コントローラー１２０は、それぞれがシステム１００内で幾つかの特定の機能を実行するように構成された複数のプロセッサを実際に備えることができる。

図２は、コントローラー１２０の一実施形態のより詳細な図を示している。コントローラー１２０は、１つ又は複数のコンピュータープログラムモジュールを実行するように構成することができる。この１つ又は複数のコンピュータープログラムモジュールは、コンテンツ提供モジュール１２２、入力判断モジュール１２４、ハプティック効果決定モジュール１２６、ハプティック出力デバイス制御モジュール１２８、及び／又は他のモジュールのうちの１つ又は複数を含むことができる。コントローラー１２０は、ソフトウェアによって、ハードウェアによって、ファームウェアによって、ソフトウェア、ハードウェア、及び／又はファームウェアの或る組み合わせによって、及び／又はコントローラー１２０上で処理能力を構成する他のメカニズムによってモジュール１２２、１２４、１２６、及び／又は１２８を実行するように構成することができる。

図２には、モジュール１２２、１２４、１２６、及び１２８が単一の処理ユニット内で同じ場所を共有するように示されているが、コントローラー１２０が複数の処理ユニットを備える実施形態では、モジュール１２２、１２４、１２６、及び／又は１２８のうちの１つ又は複数を他のモジュールから遠隔に配置することができることが理解されるべきである。以下で説明する種々のモジュール１２２、１２４、１２６、及び／又は１２８によって提供される機能の説明は、例示を目的としたものであり、限定することを意図したものではない。なぜならば、モジュール１２２、１２４、１２６、及び／又は１２８のいずれも、説明される機能よりも多くの機能又は少ない機能を提供することができるからである。例えば、モジュール１２２、１２４、１２６、及び／又は１２８のうちの１つ又は複数を除去することができ、その機能のうちの一部又は全部は、モジュール１２２、１２４、１２６、及び／又は１２８のうちの他のものによって提供することができる。別の例として、コントローラー１２０は、モジュール１２２、１２４、１２６、及び／又は１２８のうちの１つの下位に属する機能の一部又は全部を実行することができる１つ又は複数の追加のモジュールを実行するように構成することができる。

コンテンツ提供モジュール１２２は、ディスプレイ１６０を介してコンテンツをシステム１００のユーザーに提供することを制御するように構成されている。コンテンツがコンピューター生成画像を含む場合、コンテンツ提供モジュール１２２は、ディスプレイ１６０を通じてユーザーに表示される画像及び／又はビューを生成するように構成されている。コンテンツ、又はコンテンツが取り出される情報は、コンテンツ提供モジュール１２２が電子記憶装置１２９から取得することができる。この電子記憶装置は、図２に示すように、コントローラー１２０の一部とすることもできるし、図１に示すメモリデバイス１３０の一部のように、コントローラー１２０から分離することもできる。

入力判断モジュール１２４は、センサー１５０から入力信号を受信するように構成されている。この入力信号は、センサー１５０がシステム１００のユーザーからの入力を検出したときに生成される。入力判断モジュール１２４は、入力信号の強度を意図的な入力に対応する所定の閾値強度と比較することによって、検知された入力がセンサー１５０への意図的な入力であるのか又は単に故意でないタッチであるのかを判断するように構成することができる。入力判断モジュール１２４は、入力がセンサー１５０に提供されると、何がユーザーによって意図されたのかを判断するようにも構成されている。例えば、ユーザーは、或る特定の機能がシステム１００によって実行されることを示すセンサー１５０の或る特定のロケーションにタッチする場合もあるし、或る特定の機能がシステム１００によって実行されることを示す特定のジェスチャーをセンサー１５０に提供する場合もある。ユーザーが、センサー１５０上の特定のロケーションをタッチするか又はジェスチャーをセンサー１５０に提供すると、入力判断モジュール１２４が対応する出力を決定することができるように、所定のジェスチャー及びセンサー１５０上のタッチロケーションのライブラリーを用いて、入力判断モジュール１２４をプログラミングすることができる。

例えば、システム１００がスマートフォンの形態である一実施形態では、ユーザーは、自身の指を用いてセンサー１５０上にシンボルを描くことができ、入力判断モジュール１２４は、描かれたシンボルが、ユーザーがスマートフォンと自由にインタラクトすることができるようにスマートフォンをロック解除する等の特定のコマンドに対応すると判断することができる。一実施形態では、入力判断モジュール１２４は、ハプティック効果がセンサー１５０から受信された信号の代わりに又はこの信号に加えて生成されることを示す入力を提供するタイマー等のリモートデバイスからの信号を受信するように構成することができる。加えて、入力判断モジュール１２４は、入力が検出及び／又は受理されたことを検証するハプティック効果をユーザーに提供することができるように、ハプティック効果決定モジュール１２６及び／又はハプティック出力デバイス制御モジュール１２８に信号を出力することもできる。

ハプティック効果決定モジュール１２６は、ハプティック出力デバイス１７０によって生成されるハプティック効果又は感覚と、システム１００のユーザーへの出力とを決定するように構成されている。ハプティック効果を決定することは、ハプティック効果のタイプと、振幅、周波数、継続時間等のハプティック効果の１つ又は複数のパラメーターとを決定することを含むことができる。

ハプティック出力デバイス制御モジュール１２８は、ハプティック効果決定モジュール１２６によって決定されたハプティック効果を生成するようにハプティック出力デバイス１７０を制御するよう構成されている。これは、コントローラー１２０によって生成されたハプティック出力信号を、バス１４０を介してハプティック出力デバイス１７０に通信することを含む。一実施形態では、ハプティック出力デバイス制御モジュール１２８に属する機能の少なくとも一部分は、ハプティック出力デバイス１７０によって保持されるコントローラー又はプロセッサに配置することができる。

図３は、図１のハプティック出力デバイス１７０の一実施形態を示している。図示するように、ハプティック出力デバイス１７０は、形状記憶（金属）合金（「ＳＭＡ」）、形状記憶ポリマー（「ＳＭＰ」）又はそれらの複合体等の形状記憶材料（「ＳＭＭ」）１７２を備える。この形状記憶材料は、加熱されて変形する際、大きな力を急速に生成するように構成されている。

１つの実施形態では、変形のより良好な応答時間及びより大きな柔軟性を得るために、ＳＭＭを組み合わせたものを異なるようにプログラミングして用いることができる。例えば、第１のＳＭＭは、加熱されると収縮するようにプログラミングすることができ、第２のＳＭＭは、加熱されると真っ直ぐになるようにプログラミングすることができる。第２のＳＭＭは、第１のＳＭＭが加熱されると、活性化することができる。その場合、第２のＳＭＭを加熱して、変形位置からの戻りメカニズムを容易にすることができる。

１つの実施形態では、ＳＭＭは、ＳＭＰ及びＳＭＡをハイブリッド構造に組み合わせたものとすることができる。換言すれば、ＳＭＡはＳＭＰに組み込まれて、可逆ＳＭＭアクチュエーターが作製される。ＳＭＡは、ＳＭＰを元の状態にすることができるようにプログラミングすることができる。その結果、応答は、外部冷却器を用いて加速される。

形状記憶材料１７２は、ワイヤ、複数のワイヤ、ロッド、薄板、薄膜、繊維、複数の繊維等のフォームファクターを有することができる。一実施形態では、形状記憶材料１７２は、加熱されるとその長手方向軸に沿って収縮するように構成された人工筋繊維とすることができる。一実施形態では、形状記憶材料１７２を応力に曝露して、歪み（strain）が材料に蓄積されるようにデフォルト状態に変形させることができる。熱が形状記憶材料１７２に印加されると、形状記憶材料１７２は、蓄積された歪みを解放し、変形に基づくハプティック効果を生成しながらその元の形状に急速に戻り変形する。ハプティック出力デバイス１７０は、高速変形（例えば、スナップ座屈（snap buckling））のための始動力（initiation force）を生成するように構成されるべきであり、また、エネルギーを消費することなく変形状態に留まることができるようにも構成されるべきである。

ハプティック出力デバイス１７０は、熱源１７４も備える。この熱源は、例えば、熱を生成する電気ヒーター、熱を生成する電界発生器、熱を生成する磁界発生器、熱を生成する光源又は熱を生成する反応を引き起こす化学物質とすることができる。一実施形態では、電気ヒーターは、当該技術分野で知られているように、形状記憶材料１７２に直接接続されて電流が形状記憶材料１７２に流れることを可能にし、形状記憶材料１７２を加熱する電力源の形態にすることができる。形状記憶材料１７２が熱に曝露されると、この材料は、そのデフォルト状態に変形し、形状記憶材料１７２が最初に変形されていたときに生成及び蓄積された歪みを解放する。

図３に示すように、ハプティック出力デバイス１７０は、形状記憶材料１７２がそのデフォルト状態に戻ることができるように形状記憶材料１７２を冷却するよう構成された冷却デバイス又は冷却器１７６も備える。冷却デバイス１７６は、望ましくは、スマートフォン及びウェアラブル電子デバイス等の小型電子デバイスに収まるように構成された超薄型冷却デバイスである。

コントローラー１７８は、上記で説明した同じコントローラー１２０とすることもできるし、特にハプティック効果決定モジュール１２６及びハプティック出力デバイス制御モジュール１２８に関して、上記で説明したコントローラー１２０と実質的に同じ機能を有する別個のコントローラーとすることもでき、熱源１７４及び冷却デバイス１７６と信号通信する。コントローラー１７８は、形状記憶材料１７２が急速に変形し、変形に基づくハプティック効果を生成するように熱を生成する信号を熱源１７４に送信することによって、形状記憶材料１７２の作動を制御するようにプログラミングされている。コントローラー１７８は、形状記憶材料１７２を冷却する番になると、形状記憶材料１７２がハプティック出力デバイス１７０におけるその初期構成に戻るように、信号を冷却デバイス１７６に送信するようにも構成されている。一実施形態では、冷却デバイス１７６は、以下で更に詳細に説明するように、形状記憶材料１７２を冷却するとき、振動に基づくハプティック効果を生成するようにも構成されている。

図４は、本発明の一実施形態による冷却デバイス４００を示している。図示するように、圧電ジェットと呼ばれる場合もある冷却デバイス４００は、２つの平行な圧電アクチュエーター４１０、４２０を備える。これらの圧電アクチュエーターは、フレーム４３０によって保持され、それらの間に容積４４０を画定する。圧電アクチュエーター４１０、４２０が電力源によって作動され、互いに近づくとき、圧電アクチュエーター４１０、４２０は、当該アクチュエーター４１０、４２０の間にある容積４４０内に位置する空気を、フレーム４３０の側壁にある１つ又は複数の開口４３２を通して形状記憶材料に向けて押し出し、形状記憶材料を冷却するのに用いることができる。図４には、１つの開口しか示されていないが、その紙面に対して垂直に延びる側壁に追加の開口を設けることができる。冷却デバイスの一実施形態の追加の詳細は、Peter de Bock他によってhttp://www.electronics-cooling.com/2012/12/evaluation-and-opportunities-for-use-of-thin-form-factor-synthetic-jets-to-low-profile-electronics-cooling-applications-2/において２０１２年１２月１８日のElectronics Coolingによって公開された論文「Evaluation and Opportunities for Use of Thin Form Factor Synthetic Jets to Low Profile Electronics Cooling Applications」に見ることができる。この論文は、引用することによってその全内容が本明細書の一部をなす。

圧電アクチュエーター４１０、４２０が互いに遠ざかるように圧電アクチュエーター４１０、４２０に印加される電圧の極性が反転されると、空気を容積４４０内に引き戻すことができる。圧電アクチュエーター４１０、４２０に印加される電圧の極性を循環させることによって、冷却デバイス４００は、ポンプのようにも機能し、冷気を形状記憶材料に提供して形状記憶材料を冷却することができる。ポンプとして機能することに加えて、圧電アクチュエーター４１０、４２０は、電圧が圧電アクチュエーター４１０、４２０に印加され、圧電アクチュエーター４１０、４２０を移動させるときに、振動の形態の第２のハプティック効果を生み出すことができる。

圧電アクチュエーター４１０、４１２は、当該技術分野で知られているように、それぞれピエゾセラミック材料及び金属基材（substrate）を備えることができる。一実施形態では、ピエゾポリマー（共重合体及び三元重合体のポリフッ化ビニリデン（「ＰＶＤＦ」）等）等の他の圧電材料を用いることができる。ピエゾポリマーは、ピエゾセラミックのストロークよりも大きなストロークを提供することができ、したがって、より大きな空気流量／空気のジェットを冷却デバイス４００によって生成することができる。加えて、ポリマーに基づく圧電材料は、ピエゾセラミックに基づく圧電材料よりも柔軟であり、したがって、湾曲等のより複雑な設計の機会を提供することができる。一実施形態では、空気流／空気のジェットの量を改善するだけでなく、低電力冷却デバイスも作製するために、双安定材料又はコンプライアント設計を基材として用いることができる。

図５は、本発明の一実施形態による冷却デバイス５００を示している。図示するように、冷却デバイス５００は、フレーム５３０によって保持されてそれらの間に容積５４０を画定する上記で説明した２つの平行圧電アクチュエーター４１０、４２０を備える。フレーム５３０は、図示するように、当該フレーム５３０が、上側圧電アクチュエーター４１０を支持するフレーム５３０の上側部分に複数の開口５３２を有する点で、図４に示すフレーム４３０と異なる。それ以外では、図５に示す冷却デバイス５００の機能は、図４に示す冷却デバイス４００の機能と同じである。一実施形態では、圧電アクチュエーター４１０、４２０は、円盤形状とすることができ、複数の開口５３２は、圧電アクチュエーター４１０を取り囲むことができる。

一実施形態では、ハプティック出力デバイス１７０の冷却デバイス１７６は、イオン式冷却デバイス（図示せず）とすることができる。このイオン式冷却デバイスは、シャープ電極及びブラント電極を有するコロナ放電システムを備える。ブラント電極は、電子を収集するように構成され、堆積技法を用いて任意の基材に被覆することができる金の基材から作製することができる。シャープ電極は、通常はコロナワイヤと呼ばれるワイヤ形状の鋼等の任意の金属とすることができる。シャープ電極は、改善されたコロナ放電を得るためにセラミック材料間に張ることができる。高電位を印加することによって、ナノ／マイクロアンペアからアンペアの範囲の電流を有するコロナ放電を生成することができる。一実施形態では、単一の電源装置（ＡＣ／ＤＣ）を用いて、シャープ電極及びブラント電極を活性化し、イオン移動度に起因した空気流を生成することができる。本発明の実施形態では、熱電気に基づく冷却デバイス（ペルチェ（Peltier）冷却器等）等の他のタイプの冷却デバイスを用いることができる。上記で説明した実施形態は、いかなる場合にも限定するものとみなされるべきではない。一実施形態では、単一の電源装置（ＡＣ／ＤＣ）を用いて、圧電アクチュエーター４１０、４２０又はコロナ放電システムと、形状記憶材料１７２とを備えることができる冷却デバイス１７６を作動させることができる。

図６に示すように、一実施形態では、ハプティック出力デバイス１７０は、形状記憶材料１７２によって生成される変形に基づくハプティック効果６１０と、冷却デバイス（複数の場合もある）１７６によって生成される振動に基づくハプティック効果６２０との双方を提供することができる。所望の変形及び振動の仕様（曲げ、加速度、力等）に基づいて、適した材料を選択することができる。例えば、形状記憶合金を形状記憶材料１７２に用いることができ、図４に示す圧電ジェット等の圧電ジェットを冷却デバイス１７６に用いることができる。これらの構成要素は、プラスチック又は金属から製作することができる柔軟なフレームから作製された単一のケーシング内にパッケージすることができる。圧電ジェットは、冷却デバイスの表面全体にわたって均一でより大きな加速度を与えるために懸架装置上に取り付けることができる。一実施形態では、形状記憶合金は、より良好な熱伝達を得るために、冷却デバイスの容積内に適切に位置決めすることができる。ワイヤを急速に加熱する電界を印加することによって、形状記憶合金ワイヤを活性化することができる。形状記憶合金の初期状態、平衡状態又はデフォルト状態に戻るために、材料のタイプに応じて、例えば約２０ボルト〜１５００ボルトの電圧を印加することによって、デュアル圧電ジェットを作動させて、形状記憶合金を冷却することができる。

上記で説明したシステム１００のセンサー１５０を用いて、ユーザー入力を検出することができ、上記で説明したようなコントローラー１２０又はコントローラー１７８によって決定されるように、変形に基づくハプティック効果及び振動に基づくハプティック効果の双方を生成して、総合的なハプティック効果をユーザーに提供することができる。デュアル圧電アクチュエーターデバイスは、スマート記憶合金（smart memory alloy）を冷却するとともに振動に基づくハプティックフィードバックを生成するという点で、２機能を有すると考えることができる。

図７は、本発明の実施形態による総合的なハプティック効果を提供する方法７００を示している。この方法は、７１０において開始する。７２０において、形状記憶材料が加熱され、変形に基づくハプティック効果を生成する。この形状記憶材料は、上記で説明した形状記憶材料のうちの任意のものとすることができる。７３０において、形状記憶材料は、冷却デバイスを用いて冷却される。この冷却デバイスは、上記で説明した冷却デバイスのうちの任意のものとすることができる。また、７３０において、振動に基づくハプティック効果が冷却デバイスによって生成される。この方法は、７４０において終了する。

一実施形態では、方法７００は、当該方法７００の７１０における開始後であって、７２０における形状記憶材料の加熱前に、上記で説明したシステム１００等のシステムのユーザーによる入力を、上記で説明したセンサー１５０等のセンサーを用いて検知することを含むこともできる。一実施形態では、システムのユーザーによる入力を検知した後、方法７００は、センサーによって出力された第１の信号に基づいて、生成される総合的なハプティック効果を決定することを含むこともでき、上記で説明したハプティック出力デバイス１７０等のハプティック出力デバイスに第２の信号を出力して、変形に基づくハプティック効果及び振動に基づくハプティック効果を生成することができる。

追加の実施形態では、上記熱活性型ハプティックデバイスは、例えば、ＰＣタッチパッド、コンピューターマウス、又はゲームパッドコントローラー等を作動させるために用いることができる。他の実施形態では、ＳＭＡ又はＳＭＰを用いて、変形ハプティクスだけでなくサーマルハプティクス（thermal haptics）（熱）も提供することができる。更に他の実施形態では、ＳＭＡ又はＳＭＰを能動的ラベリング（active labeling）に用いることができる。例えば、ＳＭＭは、デバイスが電話の呼び出し又はテキストを受信したときにそれぞれ太字Ｔ又はＣとして表示されるようにプログラミングされた、電話ケースに設計された個別のパッチとすることができる。ユーザーは、それらの文字に触れるか又は見ることによって通知を受けることができる。

本明細書で説明した実施形態は、複数の可能な実施態様及び例を表しており、必ずしも、本開示をいずれかの特定の実施形態に限定することを意図したものではない。当業者によって理解されるように、これらの実施形態に対して様々な変更を行うことができる。いずれのそのような変更も、本開示の趣旨及び範囲に含まれるとともに添付の特許請求の範囲によって保護されるように意図されている。

Claims (11)

1. 変形に基づくハプティック効果及び振動に基づくハプティック効果を生成するように構成されたハプティック出力デバイスであって、
   加熱されるとその形状を変化させ、前記変形に基づくハプティック効果を生成するように構成された形状記憶材料と、
   前記形状記憶材料を冷却するとともに、前記振動に基づくハプティック効果を生成するように構成された冷却デバイスと、
   を備える、ハプティック出力デバイス。
2. 前記形状記憶材料は形状記憶合金を含む、請求項１に記載のハプティック出力デバイス。
3. 前記形状記憶材料は形状記憶ポリマーを含む、請求項１に記載のハプティック出力デバイス。
4. 前記冷却デバイスは、
   フレームと、
   前記フレームによって支持された第１の圧電アクチュエーターと、
   前記フレームによって支持され、前記第１の圧電アクチュエーターから離間されるとともに前記第１の圧電アクチュエーターと平行関係にある第２の圧電アクチュエーターと、
   を備え、
   前記フレーム、前記第１の圧電アクチュエーター、及び前記第２の圧電アクチュエーターは容積を画定し、前記フレームは、気体が前記容積から前記形状記憶材料に向けて流出して該形状記憶材料を冷却することを可能にするように構成された少なくとも１つの開口を備える、請求項１に記載のハプティック出力デバイス。
5. システムであって、
   該システムのユーザーの入力を検知するように構成されたセンサーと、
   前記センサーによって検知された前記入力に基づいて、変形に基づくハプティック効果及び振動に基づくハプティック効果を生成するように構成されたハプティック出力デバイスであって、
   加熱されるとその形状を変化させ、前記変形に基づくハプティック効果を生成するように構成された形状記憶材料と、
   前記形状記憶材料を冷却するとともに、前記振動に基づくハプティック効果を生成するように構成された冷却デバイスと、
   を備える、ハプティック出力デバイスと、
   を備える、システム。
6. 前記形状記憶材料は形状記憶合金を含む、請求項５に記載のシステム。
7. 前記形状記憶材料は形状記憶ポリマーを含む、請求項５に記載のシステム。
8. 前記冷却デバイスは、
   フレームと、
   前記フレームによって支持された第１の圧電アクチュエーターと、
   前記フレームによって支持され、前記第１の圧電アクチュエーターから離間されるとともに前記第１の圧電アクチュエーターと平行関係にある第２の圧電アクチュエーターと、
   を備え、
   前記フレーム、前記第１の圧電アクチュエーター、及び前記第２の圧電アクチュエーターは容積を画定し、前記フレームは、気体が前記容積から前記形状記憶材料に向けて流出して該形状記憶材料を冷却することを可能にするように構成された少なくとも１つの開口を備える、請求項５に記載のシステム。
9. 前記センサーから第１の信号を受信し、該第１の信号に基づいて、生成される総合的なハプティック効果を決定し、第２の信号を前記ハプティック出力デバイスに出力して、前記変形に基づくハプティック効果及び前記振動に基づくハプティック効果を生成するように構成されたコントローラーを更に備える、請求項５に記載のシステム。
10. 形状記憶材料を加熱して、変形に基づくハプティック効果を生成することと、
    冷却デバイスを用いて、前記形状記憶材料を冷却するとともに振動に基づくハプティック効果を生成することと、
    を含む、総合的なハプティック効果を提供する方法。
11. センサーを用いて、該センサー及びハプティック出力デバイスを備えるシステムのユーザーによる入力を検知すると、
    前記センサーによって出力される第１の信号に基づいて、生成される前記総合的なハプティック効果を決定することと、
    第２の信号を前記ハプティック出力デバイスに出力して、前記変形に基づくハプティック効果及び前記振動に基づくハプティック効果を生成することと、
    を更に含む、請求項１０に記載の方法。

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