JP2018160244A - 高帯域薄型駆動システムを使用した力覚エフェクト - Google Patents

高帯域薄型駆動システムを使用した力覚エフェクト Download PDF

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Abstract

【課題】高帯域薄型駆動システムを使用して力覚エフェクトをレンダリングすることによって力覚フィードバックを提供する。
【解決手段】力覚フィードバックは、フロント画面と、フロント画面に結合されている、バックカバーと、フロント画面またはバックカバー内に取り付けまたは形成された、力覚出力デバイスとを含む、ハプティック対応デバイスに力覚エフェクトをレンダリングすることによって提供される。力覚出力デバイスは、高精細(HD)振動力覚エフェクト、低周波振動力覚エフェクト、および変形力覚エフェクトをレンダリングするように構成される。
【選択図】図１

Description

優先権主張出願
本願は、参照によりその全体が組み込まれている、2017年3月23日に出願した、米国仮出願第62/475,544号に対する優先権を主張する。
実施形態は、駆動システムを使用して力覚フィードバックを提供することを目的としており、より具体的には、高帯域薄型駆動システムを使用して力覚エフェクトをレンダリングすることによって力覚フィードバックを提供することを目的としている。
モバイル電話、スマートフォン、タブレット、ゲームコントローラ、携帯情報端末(「PDA」)などといった、ポータブル/モバイル電子デバイスは、デバイスに関して発生したあるイベントをユーザにアラートするための出力機構を一般的に含む。例えば、携帯電話は、通話着信イベントをユーザに可聴音で通知するためのスピーカを通常は含む。可聴信号は、特定の着信音、演奏曲、効果音などを含み得る。加えて、携帯電話は、通話着信をユーザに視覚的に通知するために使用され得るディスプレイ画面を含み得る。
いくつかのモバイルデバイスにおいては、運動感覚フィードバック(アクティブおよび抵抗性力フィードバックなど)および/または触覚フィードバック(振動、テクスチャ、および熱など)をもユーザに提供しており、より一般的には、総じて「力覚フィードバック」または「力覚エフェクト」として知られている。力覚フィードバックは、ユーザインターフェースを強化および簡略化する指示を提供し得る。特に、振動エフェクト、または振動触覚力覚エフェクトは、電子デバイスのユーザに指示を提供して特定のイベントをユーザにアラートするのに、または、現実的なフィードバックを提供してシミュレーション環境または仮想環境内により深い感覚没入を作成するのに、有効であり得る。
一実施形態では、フロント画面およびハプティック対応デバイスのフロント画面に結合されているバックカバーを含むハプティック対応デバイスを目的としている。デバイスは、バックカバーまたはフロント画面内に取り付けまたは形成されたアクチュエータをさらに含む。力覚出力デバイスは、高精細(HD)振動力覚エフェクト、低周波振動力覚エフェクト、および変形力覚エフェクトをレンダリングするように構成される。
添付の図面と併せてなされた以下の詳細な説明から実施形態をより明確に理解し得るであろう。図1から図13、図14A、図14B、図15A、図15B、図16A、図16B、図17、および図18は、本明細書に記載しているように非限定的で例示的な実施形態を示している。
一実施形態を実施するために使用されるハプティック対応モバイルデバイス/システムのブロック図である。 一実施形態による、モバイルデバイスの分解図を示す図である。 一実施形態による、モバイルデバイスの分解部品配列図を示す図である。 一実施形態による、モバイルデバイスの側面図を示す図である。 一実施形態による、モバイルデバイスの外面の上面上で測定されたピーク・ツー・ピーク加速度のグラフである。 一実施形態による、モバイルデバイスの外面の下面上で測定されたピーク・ツー・ピーク加速度のグラフである。 実施形態による、図8および図9中の測定のためのフロント画面上の基準点を示す図である。 一実施形態による、ハプティック対応デバイスのフロント画面上の異なる基準点における、ある周波数に対する測定されたピーク・ツー・ピーク加速度のグラフである。 一実施形態による、ハプティック対応デバイスのフロント画面上の異なる基準点における、ある周波数に対する測定された出力周波数のグラフである。 一実施形態による、自動車のダッシュボード内のタッチ入力システムを示す図である。 一実施形態による、自動車のダッシュボード内のタッチ入力システムを示す図である。 一実施形態による、タッチ表面上でのユーザのタッチ/タップ操作を示す図である。 一実施形態による、時間に対するタッチスクリーン上でMFCアクチュエータによって生成された電圧のグラフである。 一実施形態による、MFCアクチュエータおよび基板のシングルカンチレバー構造を示す図である。 異なるヤング率を有する基板の厚さに対する総変位量のグラフである。 一実施形態による、タッチ表面の内側の面/内面を示す図である。 一実施形態による、タッチ表面の外側の面/外面を示す図である。 一実施形態による、タッチ表面の内側の面/内面を示す図である。 一実施形態による、タッチ表面の外側の面/外面を示す図である。 一実施形態による、ハプティック対応デバイスに力覚フィードバックを提供するフロー図である。 一実施形態による、ハプティック対応デバイス内の力覚システムのブロック図である。
実施形態は、駆動システムを使用して力覚フィードバックを提供することを目的としており、より具体的には、高帯域薄型駆動システムを使用して力覚エフェクトをレンダリングすることによって力覚フィードバックを提供することを目的としている。
ハプティックとは、一個人の触覚を使用して一個人に対して、力、振動、および運動などといった力覚フィードバックエフェクト(「力覚フィードバック」または「力覚エフェクト」としても知られる)を生成する、触覚および/または運動感覚フィードバック技術である。ハプティック対応デバイスは、力覚エフェクトを提供するように構成される組み込みハードウェア(例えば、駆動システムまたは他の出力機構)を含み得る。組み込みハードウェアは、一般的に、特定のセットの力覚エフェクトを適用(または再現)するようにプログラムされている。どの力覚エフェクトを再現するかを指定する信号がハプティック対応デバイスのプロセッサによって生成または受信されると、ハプティック対応デバイスの組み込みハードウェアは指定された力覚エフェクトをレンダリングする。例えば、一個人が力覚イベントを体験することを目的としている場合には、ハプティック対応デバイスの組み込みハードウェアは制御回路を介して再現コマンドを受信する。組み込みハードウェアは、その後、適切な力覚エフェクトを適用する。
一実施形態は、スマートフォンまたは他のモバイルデバイスのバックカバーの内側表面(または内部)に取り付けられたマクロファイバコンポジット(「MFC」)アクチュエータなどといった、薄型駆動システムを使用して、モバイルデバイスのバックカバー上で変形力覚エフェクト、低周波振動力覚エフェクト、および/または高精細振動力覚エフェクトを提供している。駆動システムは、一実施形態によれば、エポキシなどの接着剤またはサスペンションによって取り付けられ得る。他の実施形態においては、駆動システムとバックカバーとを一体成型(co-molding)することによって力覚エフェクトを提供する薄型駆動システムとしてバックカバーそのものを使用する。
図1は、一実施形態を実施するために使用されるハプティック対応モバイルデバイス/システムのブロック図である。
図1を参照すれば、ハプティック対応モバイルデバイス/システム10は、ハウジング15内に搭載されたタッチセンサ型表面11または他のタイプのユーザインターフェースを含み、メカニカルまたは「ソフト」キー/ボタン13を含み得る。ハウジング15は、フロントカバーまたはフロント画面、およびバックカバー(図示せず)を含む2つ以上の別個の部分/パーツを含み得る。システム10の内部には、システム10上に力覚エフェクトを生成する薄型力覚フィードバックシステムが存在する。ある実施形態においては、力覚エフェクトが、システム10のバックカバー上に生成される。しかしながら、実施形態はそれらに限定されず、したがって、力覚エフェクトが、システム10の任意の他のパーツ上に生成され得る。
力覚フィードバックシステムは、プロセッサと、コントローラ12とを含む。プロセッサ12は、メモリ20と、薄型力覚出力デバイス18に結合されているドライブ回路16とに結合されている。プロセッサ12は、任意のタイプの汎用プロセッサであり得る、または、力覚エフェクトを提供するように特に設計された特定用途向け集積回路(「ASIC」)などのプロセッサであり得る。プロセッサ12は、システム10全体を動作する同一のプロセッサであり得るし、または別個のプロセッサであり得る。プロセッサ12は、どの力覚エフェクトが再現されるかということと、エフェクトが高次パラメータに基づいて再現される順序とを決定し得る。一般に、特定の力覚エフェクトを決定する高次パラメータは、大きさ、周波数、および期間を含む。ストリーミングモータコマンドなどの低次パラメータは、特定の力覚エフェクトを決定するために使用される。力覚エフェクトは、力覚エフェクトが生成される際にこれらのパラメータの何らかの変化またはユーザのインタラクションに基づいたこれらのパラメータの変化を含む場合には、「動的」とみなし得る。
プロセッサ12は、生成されることになる所望の力覚エフェクトをもたらすために薄型力覚出力デバイス18に必要な電流および電圧(すなわち、「モータ信号」)を供給するために使用される電子コンポーネントおよび回路を含むドライブ回路16に、制御信号を出力する。システム10は、2つ以上の力覚出力デバイス18を含み得るし、各力覚出力デバイス18は、別個のドライブ回路16を含み得るし、そのすべてが、共通のプロセッサ12に結合されている。メモリ20は、ランダムアクセスメモリ(「RAM」)、リードオンリーメモリ(「ROM」)、フラッシュメモリ、またはソリッドステートメモリなどといった、任意のタイプのストレージデバイスまたはコンピュータ可読媒体であり得る。メモリ20は、オペレーティングシステム命令などといった、プロセッサ12によって実行される命令を記憶している。その命令の中でも、メモリ20は、プロセッサ12によって実行されると、生成されることになる力覚エフェクトを要求するアプリケーションに伴いそれに基づいて(例えば、システム10上で実行されるアプリケーションによって生成された任意のタイプのイベントに応答して)力覚エフェクトを生成する命令である、力覚エフェクト生成モジュール14を含む。メモリ20はまた、プロセッサ12の内部に配置され得る、または、内部および外部メモリの任意の組合せであり得る。
タッチ表面11を用いた実施形態においては、タッチスクリーンは、タッチを認識し、表面上でのタッチの位置および大きさをも認識し得る。タッチに対応するデータは、プロセッサ12またはシステム10内の別のプロセッサに送信され、プロセッサ12は、タッチを読み取って、それに応じて、力覚エフェクト信号を生成する。タッチ表面11は、容量性センシング、抵抗性センシング、弾性表面波センシング、圧力センシング、光学センシングなどを含む、任意のセンシング技術を使用してタッチを感知し得る。タッチ表面11は、マルチタッチの接触を感知し得るし、同時に発生した複数のタッチを識別することが可能であり得る。タッチ表面11は、ユーザがキー、ボタン、ダイヤルなどとのインタラクションを行う画像を生成および表示するタッチスクリーンであり得る、または、最低限の画像を有するまたは画像を有しないタッチパッドであり得る。
システム10は、ハンドヘルドデバイス、もしくはセルラ電話、携帯情報端末(「PDA」)、スマートフォン、コンピュータタブレット、ゲーミングコントローラなどといったモバイルデバイスであり得る、または、ユーザインターフェースを提供するとともに、1つまたは複数の力覚出力デバイスを含む力覚エフェクトシステムを含む、任意の他のタイプのデバイスであり得る。ユーザインターフェースは、タッチセンサ型表面であり得る、または、物理ボタン、マウス、タッチパッド、ミニジョイスティック、スクロールホイール、トラックボール、ドアノブ、ゲームパッド、もしくはゲームコントローラなどといった、任意の他のタイプのユーザインターフェースであり得る。システム10は、物理的に操作されると力覚エフェクトを生成するフレキシブル/折り曲げ可能なデバイスであり得るし、そのような場合には、「ユーザインターフェース」は、デバイスそのものにとってのフレキシブル/折り曲げ可能な部分である。
以下でより詳細に開示している薄型力覚出力デバイス18は、システム10の側面と比較して「薄」く、変形タイプの力覚エフェクト(例えば、モバイルデバイス10のバックカバーを変形する)および/または振動タイプの力覚エフェクト(例えば、モバイルデバイス10の他の部分に加えてバックカバーを振動する)を生成またはレンダリングすることが可能である。特に、実施形態は、強い低周波成分(例えば、おおよそ10Hzから150Hz)を有する振動力覚エフェクトおよび変形力覚エフェクト(例えば、おおよそ10Hz未満、または2Hzから10Hz)を生成し得る。実施形態における強い低周波振動力覚エフェクトの振動周波数がおおよそ10Hzから150Hzである。変形力覚エフェクトは、振動力覚エフェクトの低周波数(よりゆっくりな)バージョンであるとみなせ得るし、またそれは、外部へと膨張/変動してその後に元の状態に戻る単一のサイクルとみなせ得る。実施形態における変形力覚エフェクトの周波数は、おおよそ10Hz以下である。さらに、実施形態は、通常は8kHzで供給される高精細力覚信号の各サンプルに関して+/-127の値で符号化された信号に従って力覚エフェクトの度合いを変化させる力覚信号を用いて薄型力覚出力デバイス18を制御する「高精細」(「HD」)力覚エフェクトを生成し得る。実施形態におけるHD振動力覚エフェクトの振動周波数は、おおよそ150Hzから800Hzである。ある実施形態においては、狭域HD振動力覚エフェクトを生成する。狭域HD振動力覚エフェクトの振動周波数は、おおよそ200Hzである。
ある実施形態においては、薄型力覚出力デバイス18は、強い低周波振動力覚エフェクトおよびHD振動力覚エフェクトを生成するように構成され得る。ある実施形態においては、薄型力覚出力デバイス18は、変形力覚エフェクトおよび強い低周波振動力覚エフェクトを生成するように構成され得る。ある実施形態においては、薄型力覚出力デバイス18は、変形力覚エフェクト、強い低周波振動力覚エフェクト、およびHD振動力覚エフェクトを生成するように構成され得る。
力覚エフェクトを生成するために使用されるいくつかの既知のアクチュエータは、上記で開示した力覚エフェクトの範囲を一般的に提供することができない。例えば、リニア共振アクチュエータ(「LRA」)またはソレノイド共振アクチュエータ(「SRA」)は、おおよそ200Hzの狭帯域HDエフェクトおよびピーク・ツー・ピーク(「pp」)で1Gの加速度を一般的に有する。さらに、LRAは、低周波成分および変形ハプティックを一般的に提供することができない。さらに、LRAの厚さはおおよそ3mmであり(すなわち、「薄」くない)、それはフレキシブルではない。同様に、偏心回転質量(「ERM」)振動モータはHD力覚エフェクトコンテンツを一般的に提供することができず、ERMバーの厚さもおおよそ3mmである。
実施形態によれば、プロセッサ12、メモリ20、ドライブ回路16、および力覚出力デバイス18がすべて、ハウジング15内に包含され得る。
図2は、一実施形態による、モバイルデバイスの分解図を図示している。
図2を参照すれば、モバイルデバイス200はフロント画面/パネル26と、バックカバー/パネルまたは背面フレーム22とを含む。バックカバー22は、フラットなまたは概してフラットな表面である。薄型駆動システムとして機能するマクロファイバコンポジット(「MFC」)アクチュエータ21は、バックカバー22の内側の面(すなわち、基板)に取り付けられている。ある実施形態においては、MFCアクチュエータ21は、エポキシもしくは接着剤などの化学物質を使用して、または、はんだ付け、ろう付け、もしくは溶接などのプロセスを使用して、バックカバー22の内側の面に接着され得る。ある実施形態においては、MFCアクチュエータ21は、締め具または磁石などの機械的なデバイスを使用して、バックカバー22の内側の面に取り付けられ得る。MFCアクチュエータ21は、バックカバー22に、固定的に取り付けられ得るまたはリムーバルに取り付けられ得る。
ある実施形態においては、バックカバー22の内側にあるおおよそ0.050"のポケットカット23は、MFCアクチュエータ21がバックカバー22の内側と実質的にぴったりと重なるようにすることを可能とし、デバイス10のケース全体がしっかりと組み合わせられることを可能としている。ポケットカット23は、さらに、バックカバー22の厚さを変更する。さらに、ポケットカット23は、力覚エフェクトが、ポケットカットによって必然的に生じるより薄い部分に対して、バックカバー上で概して分離されるようにすることを可能にし得る。デバイス10のデバイスドライバおよび/またはプロセッサは、MFCアクチュエータ21に電気的に結合されている。
ある実施形態においては、MFCアクチュエータ21は、Smart Material社製の「MFC M5628 P1」である。MFCアクチュエータは、一般に、接着剤、電極、およびポリイミドフィルムの層の間に挟まれた矩形の圧電性セラミックロッドで形成される。電極は、リボン状のロッドに直接印加された電圧およびリボン状のロッドから直接印加された電圧を伝達する相互嵌合パターンでフィルムに取り付けられている。ある実施形態においては、MFCアクチュエータ21の厚さは、おおよそ0.5mmである。しかしながら、実施形態はそれらに限定されず、MFCアクチュエータ21の厚さは、0.5mm未満であり得る、例えば、10μmから100μm、おおよそ10μm、またはおおよそ100μmなどであり得る。他の実施形態においては、MFCアクチュエータ21の厚さは、約2から3mm、約1から2mm、または1mm未満であり得る。
他の実施形態においては、MFCアクチュエータ21に代わる薄型スマートマテリアルが駆動システムとして使用されてもよい。
図3は、一実施形態による、モバイルデバイスの分解部品配列図を図示している。
図3を参照すれば、バッテリ34に対する駆動システム31(例えば、1つまたは複数のMFCアクチュエータ)の位置およびモバイルデバイス300のフロント画面36とバックパネル32との間の他のコンポーネントを示している。
図2に示したように、ある実施形態においては、MFCアクチュエータ21が、モバイルデバイス200のバックカバー22に接着されている。本実施形態においては、バックカバー22は、前述したような(1)広帯域HD、(2)低周波数、(3)変形といった3つのタイプの力覚エフェクトを生成する基板として機能する。他の実施形態においては、図3に示したような駆動システム31は、MFCアクチュエータの代わりに、多層電気活性ポリマー(「EAP」)、ポリビニリデンフルオライド(「PVDF」)、または誘電エラストマーであり得る。ある実施形態においては、フロント画面26は、それらの可撓性が理由で、EAP、PVDF、または誘電エラストマーから形成される。例として、ハプティック対応デバイスの曲げ半径が50mm以上である場合には、MFCアクチュエータ21が駆動システム31として使用され得る。ハプティック対応デバイスの曲げ半径が50mm未満である場合には、EAP、PVDF、および誘電エラストマーが駆動システム31として使用され得る。内側曲率に対して測定される曲げ半径は、ハプティック対応デバイスを捻ったり、傷つけたり、または壊したりすることなく曲げることができる最小半径である。他の実施形態においては、駆動システム31は、スマートジェルもしくはマテリアル(磁性流体(「MRF」)など)、または光もしくは温度に反応する感光性マテリアルから形成され得る。
図4は、一実施形態による、モバイルデバイスの側面図を図示している。
図4に示したように、薄型アクチュエータシステムを追加したとしても、モバイルデバイス400のバックカバー42とフロント画面46とは任意の追加の領域を必要することなく一緒に結合される。図4は、フロント画面表面およびバックカバー表面から垂直に伸ばしたモバイルデバイス400の「z軸」をさらに図示している。
図5は、一実施形態による、モバイルデバイスの外面の上面上で測定されたピーク・ツー・ピーク加速度のグラフである。
図5においては、3サイクルにわたる1500Vの入力電圧に対して周波数掃引を適用しているMFCアクチュエータは、駆動するために電場を必要とする。MFCアクチュエータのタイプ次第ではあるが、一実施形態においては、-60から360Vが印加され、別の実施形態においては、-500から1500Vが印加される。ある実施形態においては、方形波は実質的に高可聴ノイズを生成するため、方形波の代わりに正弦波を適用する。しかしながら、可聴ノイズを生じないのであれば、方形波はより強い力または加速度を生成し得る。さらに、任意の信号を、複数の周波数を有する(例えば、音響信号であるが1000Hzまたは500Hz未満の周波数を有する)信号を含む波形などで、MFCアクチュエータまたは他のタイプの薄型アクチュエータに送信し得る。他の波形は、三角形、ランプアップ/ダウン、周波数制限ノイズ、ホワイトノイズ、ピンクノイズなどであり得る。前述の信号または他の信号もまた、MFCアクチュエータをドライブし得る新規信号を生成するために複合または重畳され得る。信号はまた、様々なアルゴリズム、例として、粒状合成によって生成され得る。
図示しているように、加速度(約0.5G peak-to-peak(「pp」))が、30Hzから開始して、800Hzでも継続している。30Hz未満では、ユーザは、約2Hzまでは変形力覚エフェクトを感じることができる。デバイス10のフロントサイドのための最大加速度は、おおよそ12G ppである。
図6は、一実施形態による、図5に示したデータを取得するために使用されたモバイルデバイスの外面の下面上で測定されたピーク・ツー・ピーク加速度のグラフである。
図6においては、図5と同様に、3サイクルにわたる1500Vの入力電圧に対して周波数掃引を適用している。図示しているように、加速度(0.5G pp以上)が、5Hzから開始して、800Hz以降でも継続している。カバーの下部における最大加速度は、おおよそ40G ppである。図5および図6に基づけば、1500Vにおける加速度は許容可能な力覚エフェクトを生成するには強すぎるとみなせ得るため、入力電圧は500Vにまで降下され得る。変形エフェクトは、5Hz、10Hzなどを下回る周波数において存在し得る。バックカバーの変位量は、ミリメートルのオーダーであり、1、2、3、または4mmである。
図5および図6は、他のタイプのアクチュエータおよび/または他の構成のアクチュエータと比較して、モバイルデバイスのカバーに取り付けられたMFCアクチュエータを使用することについての利点および実行可能性を示している。
別の実施形態においては、透明なMFCアクチュエータが、バックカバーの内側に接着される代わりにまたは加えて、モバイルデバイス10のフロント画面の下に接着される。
図7は、実施形態による、図8および図9中の測定のためのフロント画面上の基準点を図示している。
図8は、一実施形態による、ハプティック対応デバイスのフロント画面上の異なる基準点における、ある周波数に対する測定されたピーク・ツー・ピーク加速度のグラフである。
図8においては、加速度(約0.5G pp)が、5Hzから開始して、500Hz以降でも継続している。最大加速度(おおよそ10G pp)となっているのは、フロント画面の中央付近である。
図9は、一実施形態による、ハプティック対応デバイスのフロント画面上の異なる基準点における、ある周波数に対する測定された出力周波数のグラフである。
図9に示したように、出力周波数は、出力周波数が約230Hz以上の周波数を有する力覚エフェクトに対してはほぼ一定となるフロント画面の中央付近を除いてフロント画面上の図示した基準点のすべてについて、力覚エフェクトの周波数に比例している。
別の実施形態においては、複数のMFCアクチュエータ(図16Aおよび16Bを参照)が、複数の位置においてモバイルデバイス200に接着されている。例えば、MFCアクチュエータはバックカバーの内側に接着されており、別のMFCアクチュエータはスクリーン下に接着されており、第3のそれはモバイルデバイス200の縁に接着されている。ある実施形態においては、図16Aおよび16Bに示したように、MFCアクチュエータはモバイルデバイス200の中立軸についての異なるサイドに配置される。他の実施形態においては、図15Aおよび15Bに示したように、すべてのMFCアクチュエータが中立軸についての同一のサイドに配置される。モバイルデバイス200が、対称性、等方性を有し、曲げが生じる前に湾曲することがない場合には、中立軸は、モバイルデバイス200の幾何学的中心に存在する。一実施形態においては、モバイルデバイスに対して、MFCアクチュエータがデバイスの側面およびデバイスの背面に配置されている。
別の実施形態においては、バックカバー22またはフロント画面26のイナートプラスチックに接着されているMFCアクチュエータまたは他の別個の薄型アクチュエータシステムを使用する代わりに、エネルギーがバックカバー22に印加されるとバックカバー22またはフロント画面26が振動および/または変形するように、駆動システムがバックカバー22またはフロント画面26内に形成され得る。例として、駆動システムは、駆動システムとバックカバー22とを一体成型することによってバックカバー22またはフロント画面26と一体的に形成され得る。ある実施形態においては、バックカバー22またはフロント画面26は、イナートおよびアクティブマテリアルを使用して一体成型により形成された複合材から形成される。ある実施形態においては、バックカバー22またはフロント画面26そのものが内蔵駆動性能または組み込み駆動性能を有し得る。バックカバー22またはフロント画面26は、膨張/収縮することが可能でバックカバー22を介して振動および変形させるマテリアルのファイバまたは薄型シートで含浸された複合材であり得る。別の実施形態においては、バックカバー22またはフロント画面26は、ある方向のスレッドを含む一体成型された繊維ファブリックから形成され得る。エネルギーが与えられると(例として、電圧を印加することによって)膨張または収縮する任意の他の素材がバックカバー22またはフロント画面26として実施形態で使用され得る。
別の実施形態においては、MFCアクチュエータ21または同様のアクチュエータが、モバイルデバイス200をハウジングするアドオンカバーに取り付けられている。ある実施形態においては、MFCアクチュエータ21が、アドオンカバーの側面および背面に取り付けられている。
モバイルデバイス200のアドオンカバーに取り付けて、システム全体によって提供される力覚フィードバックの動的挙動を調整するために、サスペンションが使用され得る。サスペンションは、発泡体、ジェル、またはMRFなどのスマートマテリアルであり得る。サスペンションを取り付けることは、図5に示したように、450Hzから300Hzの最高固有周波数を低減することに役立つ。
開示しているように、実施形態は、モバイルデバイスのカバーに接着されている高帯域薄型アクチュエータを使用して複数のタイプの力覚エフェクトを生成する。基板としてカバーそのものを使用することが高帯域を可能としている。
他の実施形態においては、より大きい(すなわち、一般的なモバイルデバイスと比べてより大きい)ディスプレイ構造と連動して力覚エフェクトを生成する必要がある。これらのディスプレイは、それらが取り付けられた基板に一致させる必要があり得る。例えば、自動車のダッシュボードでは、ディスプレイは、湾曲し得るし、基板として機能し得る湾曲したダッシュボードにフィットしたものであり得る。力覚エフェクトをこのようなタイプのディスプレイに提供する既知の方法の1つが、大きな質量を使用してディスプレイシステム全体を震わせる/振動させることであるが、あまり効果的ではない。
図10は、一実施形態による、自動車のダッシュボード内のタッチ入力システムを図示している。
図10においては、タッチ入力システム1000は、車両状態、車内温度、ナビゲーション、無線、通話、およびテキストの閲覧および/もしくは制御または他の機能性などの様々な機能性に関するユーザインタラクションを提供するために使用される中央コンソールシステムおよび/または車両ダッシュボードシステムなどといった、車載ユーザインターフェースシステムの一部であり得る。ある実施形態においては、タッチ入力システム1000は、タッチ入力デバイス1011を含み得る。タッチ入力デバイス1011は、タッチ入力を受信するように構成されるタッチ表面であるフロントサイドを有し得る。ある実施形態においては、タッチ入力デバイス1011は、タッチ表面である画面の表面を有するディスプレイ画面を含み得る。ディスプレイ画面は、タッチスクリーンとしてディスプレイ画面を構成するディスプレイ画面のフロントサイド付近に配置された容量性タッチセンサなどの内部タッチセンサを有していてもよいし、そのような内部センサを有していなくてもよい。ある実施形態においては、タッチ入力デバイス1011は、ディスプレイ画面または他のディスプレイ機能性を有していなくてもよいし、タッチパッドとしての機能を有していてもよい。
その一方で、実施形態は、ユーザと接触する基板に直接接着されているMFCアクチュエータなどの(小さな全幅と長い全長とを有する)所定の薄型アクチュエータを使用して強い力覚フィードバックを提供している。
図11は、一実施形態による、自動車のダッシュボード内のタッチ入力システムを図示している。
図11を参照すれば、タッチ入力システム1100は、タッチスクリーン1101および自動車のダッシュボードの一部であり得る周辺基板1102を含む。図11に示したように、タッチスクリーン1101および基板1102の両方が湾曲されている。システム1100は、一実施形態におけるMFCアクチュエータから形成された1つまたは複数の薄型駆動システム(図示せず)を含む。
図3および図11の両方を参照すれば、ある実施形態においては、MFCアクチュエータなどの(小さな全幅と長い全長とを有する)所定の薄型アクチュエータは、力覚フィードバックを提供するために、図11中の基板1102または図3中のバックパネル32などのユーザと接触する基板に直接接着されている。他の実施形態においては、薄型アクチュエータは、図3中のLCDもしくはフロント画面36または図11中のタッチスクリーン1101などのディスプレイの背面に接着されている。しかしながら、最終的な力覚フィードバックまたは認識される加速度/力は、LCDの多層構造により減衰され得る。あるいは、ある実施形態においては、ユーザと接触するディスプレイ構造の最終要素のみが、ディスプレイの他の要素を震わせる/振動させることなく駆動し、ガラス(LCDまたはOLED)またはプラスチック(OLED)であり得る。アクチュエータが、基板の剛性だけでなく力覚フィードバックの要件に応じて、エリア全体をカバーし得る、または、いくつかの位置だけに配置され得る。他の実施形態においては、1つまたは複数のアクチュエータは、それぞれのエリアにおいて局所的な力覚エフェクトを提供するために特定の位置に配置され得る。
実施形態によるタッチスクリーンのフロントカバーまたはバックパネルの直上にあるMFCアクチュエータは、アクチュエータおよび圧力センサの両方として機能し得る。MFCアクチュエータは、変形された結果として電圧を生成する。生成した電圧は、3D力覚エフェクトを実現するために、フロントカバーまたはバックパネルに印加された圧力を感知するために使用され得る。
図12は、一実施形態による、タッチ表面上でのユーザのタッチ/タップ操作を図示している。
図13は、一実施形態による、ある時間に対するタッチスクリーン上でMFCアクチュエータによって生成された電圧のグラフである。
図13に示したように、一実施形態によるMFCアクチュエータを有するタッチスクリーンにユーザが圧力を印加すると、電圧が生成される。
実施形態によるMFCアクチュエータを有するフロント画面またはバックパネルを使用して生成される力覚フィードバックを最適化するために、力覚エフェクトによってレンダリングされることになり得る(例えば、振動力覚エフェクトによる)振幅力または(例えば、変形力覚エフェクトによる)変形力は、フロント画面またはバックカバーの設計および剛性分布を決定する際に考慮されるべきである。振幅力が重要な場合には、フロント画面またはバックパネルは、比較的薄くあるべきであり、ガラスファイバコンポジットまたはカーボンファイバコンポジットなどの高いヤング率を有するマテリアルから形成されるべきである。
図14Aは、一実施形態による、MFCアクチュエータおよび基板のシングルカンチレバー構造を図示している。
図14Bは、異なるヤング率を有する基板の厚さに対する総変位量のグラフである。
図14Bを参照すれば、最小の総変位量(0.2mm未満)が最低のヤング率を有する基板(A)に対して観測された。最大の総変位量(2.8mm)が最高のヤング率を有する基板(E)に対して観測された。
図15Aは、一実施形態による、タッチ表面の内側の面/内面を図示している。
図15Bは、一実施形態による、タッチ表面の外側の面/外面を図示している。
図15Aを参照すれば、一実施形態によるタッチ表面1500は、湾曲されたLCDまたはOLEDタッチスクリーン1501と、自動車のダッシュボード内に実装されるガラスまたはプラスチック基板1502とを含む。2つの薄型アクチュエータ/パッチ(例えば、MFCアクチュエータ)1510、1511が、基板1502に接着されている。アクチュエータ/パッチ1510、1511は、図示したように、タッチ表面1500の中立軸についての同一のサイドに存在し得る。
あるいは、または、アクチュエータ/パッチ1510、1511に加えて、2つの追加の薄型アクチュエータ(例えば、MFCアクチュエータ)1530、1531が、図15Bに示したように、タッチ表面1500の外面上に配置され得る。
図16Aは、一実施形態による、タッチ表面の内側の面/内面を図示している。
図16Bは、一実施形態による、タッチ表面の外側の面/外面を図示している。
図16Aを参照すれば、一実施形態による、タッチ表面1600の内側の面/内面は、湾曲されたタッチスクリーン1601と、自動車のダッシュボード内に実装される基板1602とを含む。4つの薄型アクチュエータ(例えば、MFCアクチュエータ)1610から1613が、基板1602に接着されている。MFCアクチュエータ1610、1611、1612、および1613は、図15Aに示したMFCアクチュエータ1510、1511より小さい。MFCアクチュエータ1610および1611はタッチ表面1600の中立軸についての第1のサイドに存在し得るし、MFCアクチュエータ1612および1613はタッチ表面1600の中立軸についての第2のサイドに存在し得る。
あるいは、または、アクチュエータ1610、1611、1612および1613に加えて、4つの追加の薄型アクチュエータ(例えば、MFCアクチュエータ)1630、1631、1632および1633を、図16Bに示したように、タッチ表面1600の外面上に配置してもよい。
図17は、一実施形態による、ハプティック対応デバイスに力覚フィードバックを提供するフロー図である。
図17を参照すれば、一実施形態による、ハプティック対応デバイスに対する力覚フィードバックの提供は、ステップ1710において、力覚信号を力覚出力デバイスに印加するステップを含む。力覚出力デバイスは、ハプティック対応デバイスのフロント画面またはバックカバー内に取り付けまたは形成される。フロント画面は、バックカバーに結合されている。
ステップ1720において、高精細(HD)振動力覚エフェクト、低周波振動力覚エフェクト、および変形力覚エフェクトを力覚出力デバイスを使用してレンダリングする。
ある実施形態においては、方法は、力覚信号の印加の前に、力覚出力デバイスに結合されているプロセッサを使用して力覚信号を生成するステップをさらに含む。力覚出力デバイスは、バックカバーの内側の面内に取り付けまたは形成される。力覚信号が、バックカバーの外面上にレンダリングされることになる高精細(HD)振動力覚エフェクト、低周波振動力覚エフェクト、または変形力覚エフェクトをもたらすために、力覚出力デバイスに印加される。
ある実施形態においては、低周波振動力覚エフェクトの周波数がおおよそ10Hzから150Hzであり、HD振動力覚エフェクトの周波数が150Hzから800Hzである。
ある実施形態においては、変形力覚エフェクトの周波数が10Hz以下である。
ある実施形態においては、力覚出力デバイスは、マクロファイバコンポジットアクチュエータであり得る。しかしながら、上述したように、実施形態はそれらに限定されない。
ある実施形態においては、力覚エフェクトのレンダリングは、バックカバーの内側の面に直接接着されている複数のアクチュエータを使用するステップを含む。複数の第1のセットのアクチュエータはバックカバーの中立軸についての第1のサイドに存在し得るし、複数の第2のセットのアクチュエータはバックカバーの中立軸についての第2のサイドに存在し得る。
方法は、必要に応じて、ステップ1730において、力覚出力デバイスにおいて、ユーザ接触により生成された電圧を使用してフロント画面またはバックカバーに印加された圧力を感知して圧力情報を生成するステップを含み得る。圧力情報は、3D力覚エフェクトとして、高精細(HD)振動力覚エフェクト、低周波振動力覚エフェクト、および/または変形力覚エフェクトをレンダリングするために使用され得る。
図18は、一実施形態による、ハプティック対応デバイス内の力覚システムのブロック図である。
図18を参照すれば、例示的な実施形態によるハプティック対応デバイス内のシステム1800は、デバイスのための力覚機能性を提供している。
単一のシステムとして図示しているが、システム1800の機能性を分散システムとして実装することも可能である。システム1800は、バス1804または情報を通信するための他の通信機構と、処理情報を処理するためにバス1804に結合されているプロセッサ1814とを含む。プロセッサ1814は、任意のタイプの汎用または特定用途プロセッサであり得る。システム1800は、情報とプロセッサ1814によって実行されることになる命令とを記憶するためのメモリ1802をさらに含む。メモリ1802は、ランダムアクセスメモリ(「RAM」)、リードオンリーメモリ(「ROM」)、フラッシュメモリ、ソリッドステートメモリ、磁気もしくは光ディスクなどの静的ストレージ、または任意の他のタイプの非一時的コンピュータ可読媒体の任意の組合せを含み得る。
非一時的コンピュータ可読媒体は、プロセッサ1814によってアクセス可能であるとともに揮発性および不揮発性媒体の両方、リムーバブルおよび非リムーバブル媒体、および記憶媒体を含み得る、任意の利用可能な媒体であり得る。記憶媒体は、RAM、フラッシュメモリ、ROM、ソリッドステートメモリ、消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ(「EPROM」)、電気的消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ(「EEPROM」)、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、コンパクトディスクリードオンリーメモリ(「CD-ROM」)、または従来技術において既知である任意の他の形式の記憶媒体を含み得る。
例示的な実施形態によれば、メモリ1802は、プロセッサ1814によって実行されると機能性を提供するソフトウェアモジュールを記憶している。ソフトウェアモジュールは、ハプティック対応デバイスの他の機能性だけでなくシステム1800のためのオペレーティングシステムの機能性を提供するオペレーティングシステム1806を含む。ソフトウェアモジュールは、(上述したような)力覚機能性を提供する力覚システム1805を提供し得る。しかしながら、例示的な実施形態はそれらに限定されない。例として、力覚システム1805は、ハプティック対応デバイスの外部に、例えば、ハプティック対応デバイスと通信するセントラルゲーミングコンソール内に存在してもよい。ソフトウェアモジュールは、ビデオ/ハプティック変換アルゴリズムなどの他のアプリケーション1808をさらに含む。
システム1800は、赤外線、無線、Wi-Fi、またはセルラネットワーク通信に関する無線ネットワーク通信を提供する通信デバイス1812(例えば、ネットワークインターフェースカード)をさらに含み得る。あるいは、通信デバイス1812は、有線ネットワーク接続(例えば、ケーブル/イーサネット(登録商標)/光ファイバ接続、またはモデム)を提供し得る。
プロセッサ1814は、グラフィカル表現を表示するための視覚ディスプレイ1820またはエンドユーザに対するユーザインターフェースにバス1804を介してさらに結合される。視覚ディスプレイ1820は、信号を送信およびプロセッサ1814から受信するように構成されるタッチセンサ型入力デバイス(すなわち、タッチスクリーン)であり得るし、マルチタッチ型タッチスクリーンであり得る。
システム1800は、力覚出力デバイス1835をさらに含む。プロセッサ1814は、力覚エフェクトに関連付けられた力覚信号を、力覚エフェクト(例えば、振動力覚エフェクトおよび/または変形力覚エフェクト)を順次出力する力覚出力デバイス1835に送信し得る。
自動車のダッシュボードおよびモバイルデバイスにおける例示的な実施形態を説明してきたが、ハプティック対応デバイスはそれらに限定されない。例えば、ハプティック対応デバイスは、コンピュータ、ゲームパッド、またはタブレットなどといった、仮想現実(「VR」)もしくは拡張現実(「AR」)システムにおいてまたはゲーミングシステムにおいて使用されるデバイスであり得る。
例示的な実施形態によれば、例示的な実施形態は、ハプティック対応デバイスのカバーに接着されている高帯域薄型アクチュエータを使用して複数のタイプの力覚エフェクトを生成する。基板としてデバイスそのものを使用することが高帯域を可能としている。
いくつかの実施形態を本明細書にて特に図示および/または説明している。しかしながら、開示した実施形態の修正および変形が、発明の精神および意図した範囲から逸脱しない限り、上述した説明によってカバーされているとともに添付の特許請求の範囲の範囲内にあることは諒解されよう。
200 モバイルデバイス
300 モバイルデバイス
400 モバイルデバイス
1000 タッチ入力システム
1011 タッチ入力デバイス
1100 タッチ入力システム
1101 タッチスクリーン
1102 基板
1500 タッチ表面
1501 タッチスクリーン
1502 基板
1510 アクチュエータ
1600 タッチ表面
1601 タッチスクリーン
1602 基板
1610 アクチュエータ
1612 アクチュエータ
1800 システム
1802 メモリ
1804 バス
1805 力覚システム
1806 オペレーティングシステム
1808 アプリケーション
1812 通信デバイス
1814 プロセッサ
1820 視覚ディスプレイ
1835 力覚出力デバイス

Claims (20)

  1. フロント画面と、
    前記フロント画面に結合されている、バックカバーと、
    前記フロント画面または前記バックカバー内に取り付けまたは形成された、力覚出力デバイスであって、前記力覚出力デバイスは、高精細(HD)振動力覚エフェクト、低周波振動力覚エフェクト、および変形力覚エフェクトをレンダリングするように構成される、力覚出力デバイスと
    を含む、ハプティック対応デバイス。
  2. 前記力覚出力デバイスは、マクロファイバコンポジットアクチュエータである、請求項1に記載のハプティック対応デバイス。
  3. 前記力覚出力デバイスに結合されている、プロセッサをさらに含み、
    前記力覚出力デバイスは、前記バックカバーの内側の面に取り付けられており、
    前記プロセッサは、前記バックカバーの外面上にレンダリングされることになる前記高精細(HD)振動力覚エフェクト、前記低周波振動力覚エフェクト、または前記変形力覚エフェクトをもたらすために前記力覚出力デバイスに印加される力覚信号を生成するように構成される、請求項1に記載のハプティック対応デバイス。
  4. 前記低周波振動力覚エフェクトの周波数がおおよそ10Hzから150Hzである、
    前記HD振動力覚エフェクトの周波数がおおよそ150Hzから800Hzである、または、
    前記変形力覚エフェクトの周波数がおおよそ10Hz以下である、請求項1に記載のハプティック対応デバイス。
  5. 前記HD振動力覚エフェクトは狭域HD振動力覚エフェクトであり、
    前記狭域HD振動力覚エフェクトの周波数がおおよそ200Hzである、請求項1に記載のハプティック対応デバイス。
  6. 前記力覚出力デバイスは、前記フロント画面に取り付けられている、請求項1に記載のハプティック対応デバイス。
  7. ポケットカットが、前記バックカバーの内側の面上にあり、
    前記力覚出力デバイスが、前記ポケットカット内に直接接着されている、請求項1に記載のハプティック対応デバイス。
  8. 前記バックカバーは、中立軸を含み、
    前記ハプティック対応デバイスは、
    前記バックカバーの内側の面に直接接着されている複数のアクチュエータをさらに含み、
    前記複数のアクチュエータのうちの第1のセットのアクチュエータは、前記中立軸についての第1のサイドに配置されており、前記複数のアクチュエータのうちの第2のセットのアクチュエータは、前記中立軸についての第2のサイドに配置されており、
    前記力覚出力デバイスは、前記複数のアクチュエータの1つである、請求項1に記載のハプティック対応デバイス。
  9. 前記力覚出力デバイスは、前記フロント画面または前記バックカバーと一体的に形成または内蔵されている、請求項1に記載のハプティック対応デバイス。
  10. 前記力覚出力デバイスは、ファイバ、薄型シート、またはスレッドであり、
    前記力覚出力デバイスは、電圧が印加されると膨張および収縮し、
    前記バックカバーは、前記ファイバ、前記薄型シート、または前記スレッドを含む、複合材から形成される、請求項1に記載のハプティック対応デバイス。
  11. 前記力覚出力デバイスは、
    前記フロント画面または前記バックカバーとのユーザ接触から生成された電圧を使用して前記フロント画面または前記バックカバーに印加された圧力を感知して圧力情報を生成し、
    前記圧力情報を使用して3D力覚エフェクトとして、前記高精細(HD)振動力覚エフェクト、前記低周波振動力覚エフェクト、または前記変形力覚エフェクトをレンダリングするようにさらに構成される、請求項1に記載のハプティック対応デバイス。
  12. ハプティック対応デバイスに力覚フィードバックを提供する方法であって、
    高精細(HD)振動力覚エフェクト、低周波振動力覚エフェクト、および変形力覚エフェクトをレンダリングするように構成される力覚出力デバイスに力覚信号を印加するステップであって、前記力覚出力デバイスは、前記ハプティック対応デバイスのフロント画面またはバックカバー内に取り付けまたは形成され、前記フロント画面は、前記バックカバーに結合されている、ステップと、
    前記力覚出力デバイスを使用して、前記高精細(HD)振動力覚エフェクト、前記低周波振動力覚エフェクト、または前記変形力覚エフェクトをレンダリングするステップと
    を含む、方法。
  13. 前記力覚出力デバイスは、マクロファイバコンポジットアクチュエータである、請求項12に記載の方法。
  14. 前記力覚信号の前記印加の前に、前記力覚出力デバイスに結合されているプロセッサを使用して前記力覚信号を生成するステップをさらに含み、
    前記力覚信号は、前記高精細(HD)振動力覚エフェクト、前記低周波振動力覚エフェクト、または前記変形力覚エフェクトの前記レンダリングを前記バックカバーの外面上にもたらすために前記力覚出力デバイスに印加され、
    前記力覚出力デバイスは、前記バックカバーの内側の面に取り付けられている、請求項12に記載の方法。
  15. 前記低周波振動力覚エフェクトの周波数がおおよそ10Hzから150Hzである、
    前記HD振動力覚エフェクトの周波数がおおよそ150Hzから800Hzである、または、
    前記変形力覚エフェクトの周波数がおおよそ10Hz以下である、請求項12に記載の方法。
  16. 前記力覚エフェクトの前記レンダリングは、前記バックカバーの内側の面に直接接着されている複数のアクチュエータを使用するステップを含み、
    前記バックカバーは、中立軸を含み、前記複数のアクチュエータのうちの第1のセットのアクチュエータは、前記中立軸についての第1のサイドに配置されており、前記複数のアクチュエータのうちの第2のセットのアクチュエータは、前記中立軸についての第2のサイドに配置されており、
    前記力覚出力デバイスは、前記複数のアクチュエータの1つである、請求項12に記載の方法。
  17. 前記力覚出力デバイスにおいて、前記フロント画面または前記バックカバーとのユーザ接触から生成された電圧を使用して前記フロント画面または前記バックカバーに印加された圧力を感知して圧力情報を生成するステップをさらに含み、
    前記高精細(HD)振動力覚エフェクト、前記低周波振動力覚エフェクト、または前記変形力覚エフェクトが、前記圧力情報を使用して3D力覚エフェクトとしてレンダリングされる、請求項12に記載の方法。
  18. プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに、
    高精細(HD)振動力覚エフェクト、低周波振動力覚エフェクト、および変形力覚エフェクトをレンダリングするように構成される力覚出力デバイスに力覚信号を印加するステップであって、前記力覚出力デバイスは、ハプティック対応デバイスのフロント画面またはバックカバー内に取り付けまたは形成され、前記フロント画面は、前記バックカバーに結合されている、ステップと、
    前記力覚出力デバイスを使用して、前記高精細(HD)振動力覚エフェクト、前記低周波振動力覚エフェクト、または前記変形力覚エフェクトをレンダリングするステップと
    を含む、動作を行わせる命令を記憶する、非一時的コンピュータ可読媒体。
  19. 前記力覚出力デバイスは、マクロファイバコンポジットアクチュエータであり、
    前記力覚出力デバイスは、前記バックカバーの内側の面に取り付けられており、
    前記HD振動力覚エフェクト、前記低周波振動力覚エフェクト、または前記変形力覚エフェクトが、前記バックカバーの外面上にレンダリングされる、請求項18に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
  20. 前記動作は、
    前記力覚出力デバイスにおいて、前記フロント画面または前記バックカバーとのユーザ接触から生成された電圧を使用して前記フロント画面または前記バックカバーに印加された圧力を感知して圧力情報を生成するステップをさらに含み、
    前記高精細(HD)振動力覚エフェクト、前記低周波振動力覚エフェクト、または前記変形力覚エフェクトが、前記圧力情報を使用して3D力覚エフェクトとしてレンダリングされる、請求項18に記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
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