JP2018156651A - エレクトレットベースの静電触覚アクチュエーター - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザーインターフェース、ゲーミング、自動車、ウェアラブルデバイス、及び家庭用電化製品において用途を有する、触覚フィードバックをユーザーに提供する単純なメカニズムを提供すること。【解決手段】エレクトレットベースの触覚アクチュエーターが、エレクトレット層と、電気導電層と、電気絶縁層と、複数のスペーサーと、信号生成回路とを備える。エレクトレット層は、当該エレクトレット層の厚さ次元に沿ったビルトイン電圧を有する。電気絶縁層は、エレクトレット層と電気導電層との間に配置されている。複数のスペーサーは、エレクトレット層と電気導電層との間に配置されている。信号生成回路は、電気導電層に電気的に接続されているが、エレクトレット層に電気的に接続されていない。信号生成回路は、振動触知性触覚効果を生成する発振駆動信号を電気導電層に印加するように構成されている。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、エレクトレットベースの静電触覚アクチュエーターに関し、ユーザーインターフェース、ゲーミング、自動車、ウェアラブルデバイス、及び家庭用電化製品において用途を有する。

電子機器製造業者は、ユーザーに対する表現力豊かなインターフェースを競って作製している。多くのデバイスは、視覚キュー及び聴覚キューを用いて、ユーザーにフィードバックを提供する。幾つかのインターフェースデバイスにおいては、運動感覚効果（作用力及び抵抗力フィードバック等）及び／又は触知性効果（振動、質感及び熱等）もユーザーに提供される。運動感覚効果及び触知性効果は、より包括的に、「触覚フィードバック」又は「触覚効果」と称される場合もある。触覚フィードバックは、ユーザーインターフェースを改善及び単純化するキューを提供することができる。例えば、振動効果又は振動触知性触覚効果は、ユーザーに特定のイベントを通知するために電子機器のユーザーにキューを提供するときに有用である場合があるか、又は、シミュレートされた環境若しくはバーチャル環境内でより大きな知覚没入感を生成するために現実的なフィードバックを提供することができる。

触覚効果を生成するために、多くのデバイスはアクチュエーターを用いる。触覚効果を生成する例示のアクチュエーター（触覚アクチュエーターとも称される）は、偏心回転質量（「ＥＲＭ」）アクチュエーター、及び、リニア共振アクチュエーター（「ＬＲＡ」）を含む。他のアクチュエーターは、圧電材料、電場応答性高分子、又は形状記憶合金等の「スマート材料」を用いるアクチュエーターを含む。

以下の詳細な説明は、本質的に単に例示のものであり、本発明又は本発明の用途及び使用を限定することを意図するものではない。さらに、前出の技術分野、背景技術、発明の概要又は以下の詳細な説明において提示されるいかなる明示された又は暗示された理論によっても限定する意図はない。

本明細書の実施の形態は、エレクトレット層と、電気導電層と、電気絶縁層と、複数のスペーサーと、信号生成回路とを備える触覚アクチュエーターに関する。エレクトレット層は、当該エレクトレット層の厚さ次元（thickness dimension：厚さ寸法）に沿ったビルトイン電圧を有する。電気絶縁層は、エレクトレット層と電気導電層との間に配置されている。複数のスペーサーは、エレクトレット層と電気導電層との間に配置されている。信号生成回路は、電気導電層に電気的に接続されているが、エレクトレット層に電気的に接続されていない。信号生成回路は、振動触知性触覚効果を生成する発振駆動信号を電気導電層に印加するように構成されている。

一実施の形態において、信号生成回路は、エレクトレット層のビルトイン電圧よりも小さな振幅において発振駆動信号を生成するように構成されている。

一実施の形態において、信号生成回路が発振駆動信号を生成するように構成されている振幅は、エレクトレット層のビルトイン電圧の１／１０倍よりも小さい。

一実施の形態において、信号生成回路が発振駆動信号を生成するように構成されている振幅は、エレクトレット層のビルトイン電圧の１／１００倍よりも小さい。

一実施の形態において、エレクトレット層のビルトイン電圧は、１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲にあり、信号生成回路が発振駆動信号を生成するように構成されている振幅は、１Ｖ〜１０Ｖの範囲にある。

一実施の形態において、電気導電層又はエレクトレット層は、共振振動周波数を有し、信号生成回路は、電気導電層又はエレクトレット層の共振振動周波数に等しい周波数において発振駆動信号を印加するように構成され、周波数は、１００Ｈｚ〜５００Ｈｚの範囲にある。

一実施の形態において、電気絶縁層は、１００ミクロン〜１ｍｍの範囲にある厚さを有する。

一実施の形態において、複数のスペーサーの各スペーサーは、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にある厚さを有する。

一実施の形態において、エレクトレット層及び電気導電層は、同じ寸法を有し、４つの側部を有する方形をそれぞれ形成し、エレクトレット層及び電気導電層のそれぞれの方形の側部のそれぞれは、２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲にある。

一実施の形態において、電気導電層は、第１の作動層であり、触覚アクチュエーターは、電気導電層上に直接又は間接的に配置された第２の作動層を更に備える。

一実施の形態において、第２の作動層は、第２の信号生成回路に電気的に接続された電気活性ポリマー層である。

一実施の形態において、複数のスペーサーの各スペーサーは、マイクロドットの形態を有する。

一実施の形態において、触覚アクチュエーターは、第２のエレクトレット層と、第２の電気絶縁層と、第２の電気導電層とを更に備える。第２のエレクトレット層は、電気導電層上に配置されている。第２の複数のスペーサーは、第２のエレクトレット層上に配置されている。第２の電気絶縁層は、第２の複数のスペーサー上に配置されている。第２の電気導電層は、第２の電気絶縁層上に配置されている。信号生成回路は、第２の電気導電層に電気的に接続されているが、第２のエレクトレット層に電気的に接続されていない。

本発明の実施の形態は、ハウジングと、触覚アクチュエーターとを備える触覚対応デバイスに関する。ハウジングは、触覚対応デバイスの外表面を形成する。触覚アクチュエーターは、触覚対応デバイスの外表面に配置されている。触覚アクチュエーターは、エレクトレット層の厚さ次元に沿ったビルトイン電圧を有するエレクトレット層と、電気導電層と、エレクトレット層と電気導電層との間に配置された電気絶縁層と、エレクトレット層と電気導電層との間に配置された複数のスペーサーとを備える。触覚対応デバイスは、触覚アクチュエーターの電気導電層に電気的に接続されているが、触覚アクチュエーターのエレクトレット層に電気的に接続されていない信号生成回路を更に備える。信号生成回路は、触覚対応デバイスの外表面において振動触知性触覚効果を生成する発振駆動信号を電気導電層に印加するように構成されている。

一実施の形態において、触覚対応デバイスは、ハウジングに収容された表示スクリーンを更に備え、表示スクリーンは、触覚対応デバイスの外表面も形成する。触覚アクチュエーターは、表示スクリーン上に配置される。触覚アクチュエーターのエレクトレット層、電気絶縁層、及び電気導電層は透明である。

一実施の形態において、触覚対応デバイスは、電気導電層に通信結合されたプロセッサを更に備える。プロセッサは、電気導電層からの信号又は信号変化に基づいてタッチ入力を検出するように構成されている。

一実施の形態において、信号生成回路は、振幅を有する発振駆動信号を生成するように構成される。この実施の形態において、触覚対応デバイスは、発振駆動信号の振幅を、エレクトレット層のビルトイン電圧の１／１０倍よりも小さく設定するように構成されたプロセッサを更に備える。

一実施の形態において、プロセッサは、発振駆動信号の振幅を、エレクトレット層のビルトイン電圧の１／１００倍よりも小さく設定するように構成されている。

一実施の形態において、電気導電層は、第１の作動層であり、触覚アクチュエーターは、電気導電層上に直接又は間接的に配置された第２の作動層を更に備える。この実施の形態において、触覚対応デバイスは、第２の発振駆動信号を第２の作動層に印加するように構成された第２の生成回路を備え、信号生成回路及び第２の信号生成回路を制御して、発振駆動信号及び第２の発振信号が異なるそれぞれの周波数を有するようにするよう構成されたプロセッサを備える。

一実施の形態において、第２の作動層は電気活性ポリマー層である。

本発明の一実施形態による、少なくとも１つのエレクトレットベースの触覚アクチュエーターを備えるモバイルデバイスの斜視図である。 本発明の一実施形態による、エレクトレットベースの触覚アクチュエーターの斜視図である。 本発明の一実施形態による、図２Ａのエレクトレットベースの触覚アクチュエーターと、基板層との斜視図である。 本発明の一実施形態による、エレクトレットベースの触覚アクチュエーターと、図２Ｂの基板層との断面図である。 本発明の一実施形態による、エレクトレットベースの触覚アクチュエーターの断面図である。 本発明の一実施形態による、エレクトレットベースの触覚アクチュエーターの断面図である。 本発明の一実施形態による、エレクトレットベースの触覚アクチュエーターの斜視図である。 本発明の一実施形態による、エレクトレットベースの触覚アクチュエーターの断面図である。

本発明の上述の特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、添付の図面に示されるような本発明の実施形態の以下の説明から明らかであろう。本明細書に組み込まれるとともに本明細書の一部をなす添付の図面は更に、本発明の原理を説明するとともに、当業者が本発明を実施及び使用することを可能にする役割を果たす。図面は一定縮尺ではない。

以下の詳細な説明は、本質的に単に例示のものであり、本発明又は本発明の用途及び使用を限定することを意図するものではない。さらに、前出の技術分野、背景技術、発明の概要又は以下の詳細な説明において提示されるいかなる明示された又は暗示された理論によっても限定する意図はない。

本発明の実施形態は、高い（例えば、１ｋＶ、１０ｋＶ、又は５０ｋＶ）駆動信号振幅を必要とすることなく、エレクトレット層を用いて振動触知性効果又は他の触覚効果を生成する静電触覚アクチュエーターに関する。より具体的には、静電触覚アクチュエーターは、例えば、２つの平行平板の間の静電相互作用に基づいて触覚効果を生成することができる。この静電相互作用は、２つの平行平板の間に高電圧（例えば、１ｋＶ、１０ｋＶ、又は５０ｋＶ）を生み出すことによって生成することができるが、そのような高電圧を生成することは、特殊化された回路機構及び電源装置を必要とする場合があり、これらの回路機構及び電源装置は、アクチュエーターのコスト及び／又はこのアクチュエーターを組み込んだ電子デバイスのコストを増加させる。より低い駆動信号振幅において静電作動を提供するために、本発明の実施形態は、エレクトレット層を平行平板として用いる触覚アクチュエーターに関する。そのような触覚アクチュエーターは、５Ｖ又は１OＶといった僅か１００Ｖ以下の振幅等のより低い駆動信号振幅において効果的に機能することができる。エレクトレット層は、例えば、１ｋＶ、１０ｋＶ、５０ｋＶ、又は１００ｋＶのオーダーのビルトイン電圧を有することができる。エレクトレット層の高ビルトイン電圧に伴う電界は、電気導電層等の別の層における発振電圧と相互作用する場合がある。この相互作用は、導電層における発振電圧の振幅が、エレクトレット層のビルトイン電圧よりも数十倍又は数百倍小さいときであっても、効果的な振動触知性触覚効果又は他のタイプの触覚効果を生成する程十分に強い場合がある。

一実施形態において、エレクトレット層は、電気導電層と、エレクトレット層と電気導電層との間に配置された複数のスペーサーとを備えるアクチュエーターの一部とすることができる。導電層は、発振駆動信号（例えば、発振入力電圧又は発振入力電流）を導電層に印加する信号生成回路に電気的に接続することができる。発振駆動信号の振幅は、例えば、１Ｖ、１０Ｖ、５０Ｖ、又は１００Ｖのオーダーとすることができる。一実施形態において、発振信号の振幅は、１００Ｖよりも高くない。この発振駆動信号（例えば、交流（ＡＣ）信号）は、導電層から発する発振電界を生み出すことができる。この発振電界は、強いビルトイン電圧から生じかつエレクトレット層から発する強電界と相互作用することができる。この相互作用は、エレクトレット層と導電層との間に交番周期の引力及び斥力を生み出すことができる。その結果、エレクトレット層及び導電層は、これらの２つの層が互いに近づく期間とこれらの２つの層が互いに遠ざかる期間とが交番する振動形式で互いに対して相対運動することができる。高いビルトイン電圧及びエレクトレット層の高い電界は、振動触知性触覚効果又は他の触覚効果の作動をもたらすだけ十分強い、導電層との相互作用を引き起こすことができる。

図１は、触覚アクチュエーター１１０、触覚アクチュエーター１２０、及び触覚アクチュエーター１３０等の１つ以上の触覚アクチュエーターを備える触覚対応デバイス１００を示している。一実施形態において、触覚対応デバイス１００は、モバイル電話又はタブレットコンピューターとすることができる。他の実施形態において、ウェアラブルデバイス（例えば、仮想現実の状況用のヘッドマウントディスプレイ）、ゲームコントローラー（例えば、Ｗｉｉ（登録商標）リモート又はスマートウォッチ）、又は他のユーザーインターフェースデバイス（例えば、車両のダッシュパネル）は、触覚対応デバイスとすることができる。触覚対応デバイス１００は、表示スクリーン１０２（例えば、タッチスクリーン）と、プロセッサ１７０と、触覚アクチュエーター１１０、１２０、１３０と、触覚対応デバイス１００の他の構成要素とを収容するハウジング１０１を有することができる。触覚アクチュエーター１１０、１２０、及び１３０は、外表面１００ａ上又は外表面１００ａの真下に配置すること等によって、デバイス１００の外表面１００ａに配置することができる。外表面１００ａは、ハウジング１０１の外表面１０１ａと、表示スクリーン１０２の外表面１０２ａとを含むことができる。

一実施形態において、触覚アクチュエーター１１０、１２０、１３０のうちの１つ以上は、表示スクリーン１０２に取り付けることができ、透明とすることができる。触覚アクチュエーター１１０、１２０、１３０のうちの１つ以上は、スクリーン１０２の外表面１０２ａの背後とすることもできるし、代替的に、スクリーン１０２の外表面１０２ａの前方（例えば、上方）とすることもできる。触覚アクチュエーターのうちの１つが、スクリーン１０２の背後にあるとき、このアクチュエーターは、スクリーン１０２のガラス又は他の材料内に埋設することができる。例えば、このアクチュエーターは、スクリーン１０２の外表面の真下に配置することができる。この配置では、このアクチュエーターは、ユーザーの指にも他の外部物体にも直接接触することはできない。触覚アクチュエーターのうちの１つが、スクリーン１０２の前方に配置されているとき、このアクチュエーターは、表示スクリーン１０２の外表面に取り付ける（例えば、接着する）ことができる。この配置では、このアクチュエーターは、ユーザーの指又は他の外部物体と直接接触することができる場合がある。

図１において、触覚アクチュエーター１１０、１２０、１３０のうちの幾つか又は全てをエレクトレットベースの触覚アクチュエーターとすることができる。例えば、触覚アクチュエーター１２０を、表示スクリーン１０２の外表面１０２ａ上又はその背後（例えば、下方）に配置されたエレクトレットベースのアクチュエーターとすることができ、触覚アクチュエーター１２０及び１３０を、触覚対応デバイス１００のハウジング１０１の外表面１０１ａ上又はその背後に配置された他のエレクトレットベースの触覚アクチュエーターとすることができる。一実施形態において、触覚アクチュエーター１１０、１２０、１３０は、触覚対応デバイス１００の異なる部分において振動触知性触覚効果を生成するように構成することができる。

一実施形態において、触覚アクチュエーター１１０、１２０、１３０のそれぞれは、信号生成回路から触覚駆動信号を受信すると、触覚効果を生成することができる。触覚アクチュエーター１１０、１２０、１３０は、信号生成回路を共有することができ、及び／又は、異なるそれぞれの信号生成回路に電気的に接続することができる。触覚アクチュエーター１１０、１２０、１３０が、信号生成回路を共有するように構成されている場合、この信号生成回路は、触覚アクチュエーター１１０、１２０、１３０に同じ駆動信号を同時に印加することもできるし、異なるそれぞれの時間帯に触覚アクチュエーター１１０、１２０、１３０に異なる駆動信号を切り替え可能に印加することもできる。

一実施形態において、触覚対応デバイス１００はプロセッサ１７０を備える。プロセッサ１７０は、触覚アクチュエーター１１０、１２０、１３０を制御するのに用いることができる。プロセッサ１７０は、触覚対応デバイス１００用の汎用プロセッサであってもよいし、触覚効果を制御することに専用化されたデジタル信号プロセッサ又は処理回路（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ、すなわちＦＰＧＡ）等の専用プロセッサであってもよい。一実施形態において、プロセッサ１７０は、上記で論述した信号生成回路を制御及び／又は実施することができる。

図２Ａは、触覚対応デバイス１００等の触覚対応デバイスの外表面１００ａの下方に位置する本発明の一実施形態による触覚アクチュエーター１１０の斜視図を提供している。触覚アクチュエーター１１０は、エレクトレット層１１２と、電気導電層１１８と、エレクトレット層１１２と電気導電層１１８との間に配置された複数のスペーサー１１４ａ〜１１４ｄ及び電気絶縁層１１６とを備える。一実施形態において、電気導電層１１８及び電気絶縁層１１６は、少なくとも層１１８の電気導電材料と層１１６の電気絶縁材料とから作製される二重層材料の一部とすることができる。一実施形態において、触覚アクチュエーター１１０は、触覚対応デバイス１００の外表面１００ａの背後に配置することができる。例えば、外表面１００ａは、外表面１００ａが電気導電層１１８を覆うように、触覚アクチュエーター１１０上にわたって直接配置された薄い可撓性電気絶縁層を含むことができる。別の例において、外表面１００ａは、表示スクリーン１０２を形成するガラスの外表面とすることができ、触覚アクチュエーター１１０を埋設することができる。外表面１００ａは、導電層１１８を外部物体から電気的に絶縁及び／又は保護するのに用いることができる。図２Ａは、電気絶縁層１１６を示しているが、別の実施形態では、触覚アクチュエーターは、電気導電層１１８とエレクトレット層１１２との間の離隔を提供するスペーサー１１４ａ〜１１４ｄのみを有し、絶縁層１１６を有しなくてもよい。

一実施形態において、エレクトレット層１１２は、当該層１１２の厚さ次元Ｔ（すなわち、層１１２の厚さを測定する際に沿う次元であり、この次元は、層に垂直な方向に沿って延びる次元とすることができる）に沿ったビルトイン電圧から発生する永続的電界を有する。このビルトイン電圧は、例えば、１００Ｖ〜１ｋＶ、又は１ｋＶ〜１０ｋＶ、又は１０ｋＶ〜１００ｋＶの値を有することもできるし、１００ｋＶよりも大きな値を有することもできる。一実施形態において、電気導電層１１８は、例えば、薄い金属シートであってもよく、電気絶縁層１１６は、例えば、薄いポリマーフィルムであってもよい。一実施形態において、エレクトレット層１１２、電気導電層１１８、及び電気絶縁層１１６はそれぞれ、４つの側部（長さ次元（length dimension：長さ寸法）Ｌに沿った２つの側部と、幅次元（width dimension：幅寸法）Ｗに沿った２つの側部とを有する）を有する方形を形成することができる。それぞれの方形の側部のそれぞれは、２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲とすることができる。一実施形態において、特定の層（例えば、層１１２）の長さ次元Ｌに沿った側部及び幅次元Ｗに沿った側部は、厚さ次元Ｔに沿った層のサイズ及びこの層の係数に依存するマルチフィジックス問題の解であるサイズを有することができる。すなわち、この層の長さ次元Ｌ及び幅次元Ｗに沿った層のサイズは、この層の別の層との静電相互作用に影響を及ぼし得るが、これらの値は、その厚さ次元Ｔに沿った層のサイズ及びその係数とともに、層の剛性にも影響を及ぼし得る。剛性及び静電相互作用のレベルは、出力される触覚効果の強度に影響を及ぼし得る。このため、長さ次元Ｌ及び幅次元Ｗに沿った層のサイズの設計は、厚さ次元Ｔに沿った層のサイズ及び層の係数を考慮することができ、所望の触覚効果出力強度を達成するために、結果として生じる機械的剛性と静電相互作用のレベルとをバランスさせることができる。一実施形態において、層１１２、１１６、及び１１８のそれぞれは、１００ミクロン〜１ｍｍの範囲にある厚さ（すなわち、厚さ次元Ｔに沿った厚さ）を有することができる。一実施形態において、電気絶縁層１１６は、１ミクロン以上の厚さを有していてもよい。エレクトレット層１１２、電気絶縁層１１６、及び電気導電層１１８は、同じ寸法（したがって、同じ表面積）を有していてもよいし、異なるそれぞれの寸法を有していてもよい。

一実施形態において、電気導電層１１８は、銅、アルミニウム等の金属、若しくは薄い導電層（例えば、金、インジウムスズ酸化物、又は導電性ナノチューブの層）で被覆された非導電材料（例えば、プラスチック又はガラス）、又はそれらの任意の組み合わせ（例えば、金属合金等）を含む。一実施形態において、電気導電層１１８は、グラファイト又は導電性ポリマー等の非金属導体を含む。一実施形態において、電気導電層１１８は、少なくとも１０^７σのオーダーの導電率を有することができる。

一実施形態において、電気絶縁層１１６は、プラスチック、ゴム、絶縁ポリマー（例えば、ポリイミド）、ガラス、若しくは二酸化ケイ素若しくはＰａｒｙｌｅｎｅ（商標）（ポリ（ｐ−キシリレン））等の電気絶縁材料の薄い被覆を有する他の任意の材料、又はそれらの任意の組み合わせを含む。一実施形態において、電気絶縁材料は、少なくとも１０^１１Ωｍのオーダーの抵抗率を有することができる。

一実施形態において、スペーサー１１４ａ〜１１４ｄは、エレクトレット層１１２及び導電層１１８が互いに対して振動するための空間を提供するために、これらの２つの層の間に空間又はギャップを作り出すサスペンションシステムを形成するのに用いることができる。次元Ｔに沿ったスペーサー１１４ａ〜１１４ｄのそれぞれの例示の厚さは、０．１ｍｍ、０．２５ｍｍ、又は０．５ｍｍを含む。他の実施形態は、スペーサーを用いない場合もあるし、異なる数のスペーサー（例えば、３つのスペーサー、６つのスペーサー）を用いる場合もある。スペーサー１１４ａ〜１１４ｄは、ガラスビーズ（堅いサスペンション用）、アクリルエラストマーから作製されたＶＨＢ（商標）テープ、シリコンベースのテープ、若しくはポリウレタン（専らより柔軟なサスペンション用のみ）、又はそれらの任意の組み合わせ等の弾性材料又は剛性（すなわち、堅い）材料から作製することができる。弾性材料は、触覚アクチュエーター１１０の振動をより容易に減衰させることができる一方、剛性材料は、触覚アクチュエーター１１０の振動の減衰量がより少なくなり得る。スペーサー１１４ａ〜１１４ｄを作製する際の弾性又は剛性のレベルは、触覚アクチュエーター１１０において所望される自然な減衰のレベルに依存し得る。図２Ａは、方形形状を有するスペーサー１１４ａ〜１１４ｄを示しているが、スペーサーは、アクチュエーターの構成に適した他の任意の形状を有していてもよい。例えば、スペーサー１１４ａ〜１１４ｄのそれぞれは、代わりにマイクロドットの形態を有していてもよい。

一実施形態において、電気絶縁層１１６及びスペーサー１１４ａ〜１１４ｄの双方は、電気導電層１１８とエレクトレット層１１２とが直接接触（例えば、プレート間接触）して相互間に導電性パスを作成することを防止するのに用いることができる。そのような接触は、エレクトレット層から電気導電層への放電を引き起こすおそれがある。一実施形態において、スペーサー１１４ａ〜１１４ｄは、導電層１１８とエレクトレット層１１２との間の十分な離隔を提供して、それらの層が互いに接触することを防止することができ、ひいては、電気絶縁層１１６を省くことができる。一実施形態において、触覚アクチュエーターは、追加の層を有することができる。これらの追加の層の実施形態は、図３及び図４において以下で論述する。以下の例に加えて、触覚アクチュエーターは、他の層の間（例えば、エレクトレット層１１２とスペーサー１１４ａ〜１１４ｄのそれぞれとの間）に接着剤の層を有することができる。一実施形態において、導電層１１８、エレクトレット層１１２、電気絶縁層１１６、及び／又はスペーサー１１４ａ〜１１４ｄは、触覚アクチュエーター１１０を透明にするために、透明とすることができる。この透明性によって、アクチュエーター１１０は、表示スクリーン１０２に配置するのにより適したものとなる。

図２Ａは、電気導電層１１８には電気的に接続することができるが、エレクトレット層１１２には電気的に接続することができない信号生成回路１１５を更に示している。信号生成回路１１５は、図１の触覚対応デバイス１００の一部であり、触覚アクチュエーター１１０の一部とすることもできるし、別個の構成要素とすることもできる。一実施形態において、信号生成回路１１５は、触覚対応デバイス１００のプロセッサ（例えば、プロセッサ１７０）によって実施することができる。一実施形態において、信号生成回路１１５は、エレクトレット層１１２のビルトイン電圧よりも小さな振幅において正弦波信号又は矩形波等の発振駆動信号を電気導電層１１８に印加するように構成することができる。なお、この振幅は非ゼロの値を有する。例えば、発振駆動信号の振幅は、エレクトレット層１１２のビルトイン電圧の１／１０倍よりも小さくすることもできるし、エレクトレット層１１２のビルトイン電圧の１／１００倍（又は１／１０００倍）よりも小さくすることもできる。一実施形態において、電気導電層１１８及び／又はエレクトレット層１１２は、共振振動周波数を有し、信号生成回路は、導電層の共振振動周波数又はエレクトレット層の共振振動周波数に等しい周波数において発振駆動信号を印加するように構成することができる。一実施形態において、発振駆動信号は、例えば、１Ｖ〜１０Ｖ（又は１０Ｖ〜５０Ｖ）の範囲にある振幅と、例えば、１００Ｈｚ〜５００Ｈｚの範囲にある周波数とを有することができる。一実施形態において、信号生成回路１１５によって生成される発振駆動信号の振幅は、触覚対応デバイス１００のプロセッサ１７０（又は他の任意の制御ユニット）によって設定することができる。

図２Ｂは、図２Ａの触覚アクチュエーター１１０のエレクトレット層１１２が、触覚対応デバイス１００の表示スクリーン１０２又はハウジング１０１の基板１４０等の、触覚対応デバイスの基板１４０又は他の支持構造体に取り付けられている一実施形態を示している。基板１４０は、触覚アクチュエーター１１０によって相対的に動かすことができないとみなすことができる。エレクトレット層１１２は、機械的に接地されているとみなすことができ、電気導電層１１８は、触覚アクチュエーター１１０がアクティブ化されると振動する作動層とみなすことができる。電気導電層１１８の振動は、触覚対応デバイス１００の外表面１００ａに伝達され、外表面１００ａに振動触知性触覚効果を生み出すことできる。

一実施形態において、触覚アクチュエーター１１０は、センサーとしても機能するように構成することができる。例えば、触覚アクチュエーター１１０は、ユーザーが、触覚アクチュエーター１１０の真上にある外表面１００ａの部分を押圧したことを検知することができる。この部分が押圧されると、導電層１１８は、ユーザーのタッチ又は他の形態の入力による変形を受けることができる。この変形は、導電層１１８に電圧信号又は電流信号を生成する場合もあるし、層１１８における既存の電圧信号又は電流信号を変調して信号変化を引き起こす場合もある。導電層１１８と通信結合されたプロセッサ（例えば、プロセッサ１７０）は、アクチュエーター／センサー１１０の導電層１１８からの信号又は信号変化に基づいてタッチ入力を検出するように構成することができる。

図２Ｃは、図２Ｂにおける線Ａ−Ａに沿った触覚アクチュエーター１１０の断面図を示している。より具体的には、この断面図は、外表面１００ａ、電気導電層１１８、電気絶縁層１１６、スペーサー１１４ｃ、１１４ｄ、エレクトレット層１１２、及び基板１４０を示している。この断面図は、エレクトレット層１１２のビルトイン電圧による永続的電界１６０を更に示している。この図は、エレクトレット層１１２内で分離されている多数の正の電荷及び多数の負の電荷から生じる電界１６０を更に示している。エレクトレット層１１２の作製及びビルトイン電圧の電界１６０の生成は、非常に多くの方法で行うことができ、これらの方法は、以下でより詳細に論述される。

図２Ｃにおいて、基板１４０は、実質的に、触覚アクチュエーター１１０よりも多くの質量を有することができ、触覚アクチュエーター１１０に対して動かすことができないとみなすことができる。したがって、この実施形態における触覚アクチュエーター１１０のエレクトレット層１１２は、上記で論述したように、基板１４０によって機械的に接地（すなわち、機械的に固定）されているとみなすことができる。駆動信号が電気導電層１１８に印加されると、機械的に接地されたエレクトレット層１１２は、静止したままであるとみなすことができる一方、電気導電層１１８は、エレクトレット層１１２に対して作動する（例えば、振動する）作動層である。この作動（例えば、振動）を外表面１００ａに伝達させて、触覚対応デバイス１００の外表面１００ａに触覚効果を生み出すことができる。一実施形態において、電気絶縁層１１６は、導電層１１８と同調して運動することができる。

図３は、電気導電層を機械的に接地された層として有する本発明の別の実施形態による触覚アクチュエーター（例えば、触覚アクチュエーター１２０）の断面図を示している。さらに、この導電層は、触覚対応デバイス１００の外表面１００ａ等の、触覚対応デバイスの外表面に取り付けることができる。より具体的には、図３は、電気導電層１２８と、電気絶縁層１２６と、エレクトレット層１２２と、電気導電層１２８とエレクトレット層１２２との間の複数のスペーサー（例えば、スペーサー１２４ａ、１２４ｂ）とを備える触覚アクチュエーター１２０の断面図を示している。図３において、触覚アクチュエーター１２０は、エレクトレット層１２２上にわたって直接配置された保護層１２３を更に備える。保護層１２３は、エレクトレット層１２２をユーザーの指又は他の外部物体から電気的に絶縁及び／又は保護する電気絶縁材料又は他の任意のタイプの材料から作製された層とすることができる。一方、別の実施形態においては、保護層１２３を省くことができ、外部物体からの直接的なタッチを受け取るために、エレクトレット層１２２又は別の層を外部環境に露出することができる。図３は、導電層１２８に電気的に接続されるとともに、発振駆動信号又は他の任意の駆動信号を導電層１２８に印加するように構成された信号生成回路１２５を更に示している。信号生成回路１２５は、触覚アクチュエーター１２０の一部とすることもできるし、触覚アクチュエーター１２０の外部にある要素とすることもできる。

図３の実施形態において、電気導電層１２８は、機械的に接地された層とすることができる。例えば、電気導電層１２８は、外表面１００ａに直接取り付けられることによって接地することができる。外表面１００ａは、触覚アクチュエーター１２０よりも大きくて重いガラス層（例えば、表示スクリーン１０２）又はプラスチック層（例えば、ハウジング１０１）の外表面とすることができ、触覚アクチュエーター１２０によって相対的に動かすことができないように構成されている。信号生成回路１２５からの駆動信号が導電層１２８に印加されると、導電層１２８は、静止しているとみなすことができる一方、エレクトレット層１２２は、導電層１２８に対して運動する作動層とすることができる。例えば、発振駆動信号が導電層１２８に印加された場合、導電層１２８及びエレクトレット層１２２は、互いに引き寄せ合うことと、互いに反発し合うこととを交互に繰り返すことができる。その結果、エレクトレット層１２２は、導電層１２８に近づくことと、導電層１２８から遠ざかることとを交互に繰り返すことができる。この運動は、エレクトレット層１２８を振動させることができ、この振動は、保護層１２３に伝達され、振動触知性触覚効果を生み出すことができる。

図４は、２つの作動層を備えることができる、本発明の別の実施形態による触覚アクチュエーター１３０を示している。より具体的には、触覚アクチュエーター１３０は、基板１４０上に機械的に接地されたエレクトレット層１３２と、第１の作動層１３８（例えば、導電層）と、第１の作動層１３８上に（直接又は間接的に）配置された第２の作動層１３９（例えば、電気活性ポリマー層又は圧電層）と、第１の作動層１３８とエレクトレット層１３２との間に配置された電気絶縁層１３６及び複数のスペーサー（例えば、１３４ａ、１３４ｂ）とを備える。図４は、第１の作動層１３８に電気的に接続された第１の信号生成回路１３５と、第２の作動層１３９に電気的に接続された第２の信号生成回路１３７とを更に示している。信号生成回路１３５、１３７のそれぞれは、発振駆動信号又は他の任意の駆動信号を生成するように構成することができる。信号生成回路１３５、１３７は、触覚アクチュエーター１３０の一部とすることもできるし、触覚アクチュエーター１３０の外部にあるとみなすこともできる。

第１の作動層１３８及び第２の作動層１３９の双方が存在することによって、より複雑な触覚効果を生成することも可能にすることができる。なぜならば、第１の作動層１３８及び第２の作動層１３９は、一実施形態において、異なるそれぞれの振幅、周波数、及び／又は位相を有する異なるそれぞれの発振駆動信号を用いて駆動することができるからである。例えば、第１の信号生成回路１３５は、５Ｖの振幅を有する１００Ｈｚ信号を第１の作動層１３８に印加することができ、第２の信号生成回路１３７は、１０Ｖの振幅を有する１Ｈｚ信号を第２の作動層１３９に印加することができる。同じ発振駆動信号が、第１の作動層１３８及び第２の作動層１３９に印加された場合であっても、これらの２つの層は、異なる材料から作製されている場合には、異なって運動することができる。例えば、第１の作動層１３８は、エレクトレット層１３２との静電相互作用に依拠して触覚効果を生成する電気導電層とすることができる一方、第２の作動層１３９は、電気活性ポリマー層とすることができる。一実施形態において、第１の作動層１３８は、振動触知性触覚効果を生成するのに用いることができる一方、第２の作動層１３９は、より一般的な変形ベースの触覚効果を生成するのに用いることができる。

図５Ａ及び図５Ｂは、第１の１組の層１５２、１５６、１５８と、第２の１組の層１６２、１６６、１６８とを備える、本発明の別の実施形態による触覚アクチュエーター１５０の斜視図及び断面図を示している。この実施形態では、第２の１組の層１６２、１６６、１６８は、第１の１組の層１５２、１５６、１５８の上に積重されている。第１の１組の層１５２〜１５８及び第２の１組の層１６２〜１６８の双方の組は、図２Ａにおける触覚アクチュエーター１１０のものと同じ層１１２、１１６、１１８とすることができる。積重された２組以上の層を有する触覚アクチュエーターは、１組の層しか有しない触覚アクチュエーターと比較してその作動出力（例えば、変位の速度又は量）を増加させることを可能にすることができる。一実施形態において、同じ駆動信号（例えば、同じ周波数及び位相）を双方の組の層に印加することによって、２組の層の運動を同期させることができる。より具体的には、図５Ａ及び５Ｂにおける第１の１組の層は、第１のエレクトレット層１５２と、第１の電気導電層１５８と、第１の電気絶縁層１５６と、第１の電気導電層１５８と第１のエレクトレット層１５２との間の第１の複数のスペーサー（例えば、１５４ａ、１５４ｂ、１５４ｃ）とを含む。同様に、第２の１組の層は、第２のエレクトレット層１６２と、第２の電気導電層１６８と、第２の電気絶縁層１６６と、第２の電気導電層１６８と第２のエレクトレット層１６２との間に配置された第２の複数のスペーサー（例えば、１６４ａ、１６４ｂ、１６４ｃ）とを含む。一実施形態において、触覚アクチュエーター１５０は、第１の１組の層及び第２の１組の層のみを備えることができる。別の実施形態において、触覚アクチュエーター１５０は、追加の数組の層（例えば、第３の１組の層、第４の１組の層等）を備えることができ、これらの数組の層は、互いに連続的に重なり合っている。

図５Ａ及び図５Ｂは、第１の導電層１５８及び第２の導電層１６８の双方に電気的に接続されているが、エレクトレット層１５２、１６２のいずれにも接続されていない信号生成回路１５５を更に示している。上記で論述したように、第２の１組の層１６２〜１６８が存在することによって、第１の１組の層１５２〜１５８からの作動を補う作動を生み出すことができる。例えば、信号生成回路１１５が図２Ａにおける触覚アクチュエーター１１０に印加するのと同じ発振駆動信号を、信号生成回路１５５が触覚アクチュエーター１５０に印加した場合、触覚アクチュエーター１５０は、触覚アクチュエーター１１０によって出力される振幅のほぼ２倍の振幅を有する振動触知性触覚効果を出力することができる。

一実施形態において、上記で論述したエレクトレット層のうちのいずれかは、永久表面電荷又は半永久表面電荷を有することができ、ビルトイン電圧から生じる内部電界及び／又は外部電界を生み出すビルトイン電圧を有することができる。一実施形態において、ビルトイン電圧は、エレクトレット層の材料（例えば、発泡プラスチック（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ、すなわちＴｅｆｌｏｎ（商標））、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、及びそれらの誘導体）、二酸化ケイ素、Ｐａｒｙｌｅｎ（商標）、又はそれらの任意の組み合わせ等の誘電材料）内の極性ドメイン配向（polar domain orientation）から得られる場合もあるし、この材料内の余剰イオン若しくは余剰電荷から得られる場合もあるし、及び／又はこの材料内のトラップイオン若しくはトラップ電荷から得られる場合もある。余剰電荷は、コロナ放電等のイオン放電技法を用いることによって、エレクトレット層の誘電材料の表面に挿入することができる。コロナ放電は、正又は負の荷電粒子がターゲット表面に向けて加速されてこの表面に衝撃を与えるとともに、これらの荷電粒子を材料の内部にトラップすることができる粒子加速器とみなすことができる。例えば、誘電性ポリマー膜は、トラップ電荷に起因して永久的に荷電されるコロナ放電を介して取り扱うことができる。アンバランスな誘導電荷の結果、誘電性ポリマー膜は、電界を生成することができる。この電界の方向は、トラップ荷電粒子の性質に依存し得る（例えば、トラップ荷電粒子が正に荷電されているのか又は負に荷電されているのかに依存し得る）。電荷密度を高め、その結果として誘導電界の強度を高めるために、誘電性ポリマー膜を処理して気泡（好ましくは開放気泡）にし、この気泡がより多くの荷電粒子をトラップ又は別の方法で吸収することを可能にすることができる。

上記で論述したように、エレクトレット材料は、極性ドメイン配向を通じて形成することもできる。このプロセスは、非ランダム分子極性ドメインを材料に提供する方法で極性材料を処理することを必要とする場合がある。これは、正味電界を生成することができる配向分子双極子を生み出す場合がある。非ランダム分子極性ドメインを生み出す１つの方法は、材料内の双極子が自由に回転することができる温度に材料を加熱することを必要とする。その場合、強い外部電界を材料に印加することができ、その後、外部電界を維持しながら、制御された方法で材料を冷却することを可能にすることができる。その結果、双極子を外部電界の方向に沿って固定化することができ、材料内部の配向分子双極子から正味電界が生じる。

一実施形態において、エレクトレット層の永久電界が、この層内の永久トラップ電荷の存在に起因するものであり、エレクトレット層が、電気導電層と平行平板構成で配置されている場合、電界は、以下の式に基づいて計算することができる。
ここで、Ｅは電界の強度であり、Ｑはエレクトレット層にトラップされた過剰電荷の量であり、Ａはエレクトレット層の面積であり、σは電荷密度であり、ε_０は誘電率定数である。電荷ｑが、駆動信号を介して電気導電層内に誘導されると、電気導電層とエレクトレット層との間の相互作用の力は、以下のように計算することができる。
この計算は、エレクトレット層及び導電層が互いに対して作用し合う力の双方の量を与えることができる。見て取ることができるように、Ｑ（エレクトレット層内の余剰電荷の量）の大きな値は、ｑ（駆動信号によって誘導された電荷）の小さな値を補償して、振動触知性触覚効果に十分な力を生成することができる。

本明細書における実施形態のエレクトレットベースの触覚アクチュエーターは、ゲーミング、自動車、装着具、仮想現実若しくは拡張現実、又は他のユーザーインターフェースの状況等のあらゆる状況において用いることができる。

種々の実施形態を上述してきたが、これらの実施形態は、限定としてではなく本発明の単なる説明及び例として提示されていることを理解すべきである。形式及び細部における種々の変更は本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく本発明内で行うことができることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲（breadth and scope）は、上述の例示的な実施形態のいずれかによって限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によってのみ規定されるべきである。本明細書において論考された各実施形態、及び本明細書において引用された各引用文献の各特徴は、他の任意の実施形態の特徴と組み合わせて用いることができることも理解されるであろう。

本願は、２０１７年３月１７日に出願された米国特許出願第１５／４６１，８７５号の利益を主張し、この出願の開示は引用することによりその全体が本明細書の一部をなす。

Claims (20)

1. エレクトレット層の厚さ次元に沿ったビルトイン電圧を有する該エレクトレット層と、
   電気導電層と、
   前記エレクトレット層と前記電気導電層との間に配置された電気絶縁層と、
   前記エレクトレット層と前記電気導電層との間に配置された複数のスペーサーと、
   前記電気導電層に電気的に接続されているが、前記エレクトレット層に電気的に接続されていない信号生成回路であって、振動触知性触覚効果を生成する発振駆動信号を前記電気導電層に印加するように構成されている、信号生成回路と、
   を備える、触覚アクチュエーター。
2. 前記信号生成回路は、前記エレクトレット層の前記ビルトイン電圧よりも小さな振幅において前記発振駆動信号を生成するように構成されている、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
3. 前記信号生成回路が前記発振駆動信号を生成するように構成されている前記振幅は、前記エレクトレット層の前記ビルトイン電圧の１／１０倍よりも小さい、請求項２に記載の触覚アクチュエーター。
4. 前記信号生成回路が前記発振駆動信号を生成するように構成されている前記振幅は、前記エレクトレット層の前記ビルトイン電圧の１／１００倍よりも小さい、請求項３に記載の触覚アクチュエーター。
5. 前記エレクトレット層の前記ビルトイン電圧は、１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲にあり、前記信号生成回路が前記発振駆動信号を生成するように構成されている前記振幅は、１Ｖ〜１０Ｖの範囲にある、請求項４に記載の触覚アクチュエーター。
6. 前記電気導電層又は前記エレクトレット層は、共振振動周波数を有し、前記信号生成回路は、前記電気導電層又は前記エレクトレット層の前記共振振動周波数に等しい周波数において前記発振駆動信号を印加するように構成され、前記周波数は、１００Ｈｚ〜５００Ｈｚの範囲にある、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
7. 前記電気絶縁層は、１００ミクロン〜１ｍｍの範囲にある厚さを有する、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
8. 前記複数のスペーサーの各スペーサーは、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にある厚さを有する、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
9. 前記エレクトレット層及び前記電気導電層は、同じ寸法を有し、４つの側部を有する方形をそれぞれ形成し、前記エレクトレット層及び前記電気導電層の前記それぞれの方形の前記側部のそれぞれは、２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲にある、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
10. 前記電気導電層は、第１の作動層であり、前記触覚アクチュエーターは、前記電気導電層に直接又は間接的に配置された第２の作動層を更に備える、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
11. 前記第２の作動層は、第２の信号生成回路に電気的に接続された電気活性ポリマー層である、請求項１０に記載の触覚アクチュエーター。
12. 前記複数のスペーサーの各スペーサーは、マイクロドットの形態を有する、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
13. 前記電気導電層に配置された第２のエレクトレット層と、
    前記第２のエレクトレット層に配置された第２の複数のスペーサーと、
    前記第２の複数のスペーサーに配置された第２の電気絶縁層と、
    前記第２の電気絶縁層に配置された第２の電気導電層と、
    を更に備え、
    前記信号生成回路は、前記第２の電気導電層に電気的に接続されているが、前記第２のエレクトレット層に電気的に接続されていない、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
14. 触覚対応デバイスであって、
    該触覚対応デバイスの外表面を形成するハウジングと、
    該触覚対応デバイスの前記外表面に配置された触覚アクチュエーターであって、
    エレクトレット層の厚さ次元に沿ったビルトイン電圧を有する該エレクトレット層と、
    電気導電層と、
    前記エレクトレット層と前記電気導電層との間に配置された電気絶縁層と、
    前記エレクトレット層と前記電気導電層との間に配置された複数のスペーサーと、
    を備える、触覚アクチュエーターと、
    前記触覚アクチュエーターの前記電気導電層に電気的に接続されているが、前記触覚アクチュエーターの前記エレクトレット層に電気的に接続されていない信号生成回路であって、該触覚対応デバイスの前記外表面において振動触知性触覚効果を生成する発振駆動信号を前記電気導電層に印加するように構成されている、信号生成回路と、
    を備える、触覚対応デバイス。
15. 前記ハウジングに収容された表示スクリーンを更に備え、
    前記表示スクリーンは、前記触覚対応デバイスの前記外表面も形成し、前記触覚アクチュエーターは、前記表示スクリーンの上に配置され、前記触覚アクチュエーターの前記エレクトレット層、前記電気絶縁層、及び前記電気導電層は透明である、請求項１４に記載の触覚対応デバイス。
16. 前記電気導電層に通信結合されたプロセッサを更に備え、
    前記プロセッサは、前記電気導電層からの信号又は信号変化に基づいてタッチ入力を検出するように構成されている、請求項１４に記載の触覚対応デバイス。
17. 前記信号生成回路は、振幅を有する発振駆動信号を生成するように構成され、前記触覚対応デバイスは、前記発振駆動信号の前記振幅を、前記エレクトレット層の前記ビルトイン電圧の１／１０倍よりも小さく設定するように構成されたプロセッサを更に備える、請求項１４に記載の触覚対応デバイス。
18. 前記プロセッサは、前記発振駆動信号の前記振幅を、前記エレクトレット層の前記ビルトイン電圧の１／１００倍よりも小さく設定するように構成されている、請求項１７に記載の触覚対応デバイス。
19. 前記電気導電層は、第１の作動層であり、前記触覚アクチュエーターは、前記電気導電層に直接又は間接的に配置された第２の作動層を更に備え、前記触覚対応デバイスは、第２の発振駆動信号を前記第２の作動層に印加するように構成された第２の生成回路を備え、前記信号生成回路及び前記第２の信号生成回路を制御して、前記発振駆動信号及び前記第２の発振信号が異なるそれぞれの周波数を有するようにするよう構成されたプロセッサを備える、請求項１４に記載の触覚対応デバイス。
20. 前記第２の作動層は電気活性ポリマー層である、請求項１９に記載の触覚対応デバイス。