JP2019220178A - ばね予荷重デバイスを備えた触覚アクチュエーターアセンブリ - Google Patents
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Abstract
【課題】機械的予荷重デバイスを備える触覚アクチュエーターアセンブリを提供すること。【解決手段】触覚アクチュエーターアセンブリは、垂直軸に沿った変位を出力するように構成された触覚アクチュエーターと、予荷重デバイスとを備える。予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接して配置され、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張に抵抗するように触覚アクチュエーターに対する垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成される。予荷重デバイスは、ケーシング及び少なくとも第1のばね構成要素を備える。ケーシングは、カバーと、このカバーから間隔を空けて配置されかつこのカバーに対して平行に延在するベースとを含む。触覚アクチュエーターは、カバーとベースとの間に配置され、第1のばね構成要素は、触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を生成するために力をかけるように構成される。【選択図】図2A
Description
本発明は、ゲーミング、家電製品、自動車、エンターテイメント及び他の産業に用途がある、機械的予荷重デバイスを備えた触覚アクチュエーターアセンブリに関する。
触覚科学は、ユーザーに力、振動及び他の動き等の触覚効果を与えることにより、ユーザーの触感覚を利用する触覚及び力フィードバック技術を提供する。モバイルデバイス、タブレットコンピューター及びハンドヘルドゲームコントローラー等のデバイスは、触覚効果を発生させるように構成することができる。触覚効果は、偏心回転質量(ERM)アクチュエーター又はリニア共振アクチュエーター(LRA)等の触覚アクチュエーターを用いて発生させることができる。触覚効果は、こうしたデバイスの表面又は他の部分において振動を提供する振動触知性触覚効果を含むことができる。
本明細書に記載する実施形態の1つの態様は、触覚アクチュエーター及び予荷重デバイスを備える触覚アクチュエーターアセンブリに関する。触覚アクチュエーターは、平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、平行軸はこの層の平面に対して平行である、圧電材料の層を備え、また、平行軸に沿った圧電材料の層の歪みを、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、垂直軸は層の平面に対して垂直である、変位変換デバイスを備える。触覚アクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている。予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接し、かつ垂直軸に沿った触覚アクチュエーターに対する圧縮荷重を発生させるように構成されている。予荷重デバイスは、カバーと、このカバーから間隔を空けて配置されかつこのカバーに対して平行に延在するベースとを有するケーシングを備える。触覚アクチュエーターは、カバーとベースとの間に配置され、カバー及びベースは、触覚アクチュエーターの垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの反対側の端部それぞれに配置されている。第1のばね構成要素の第1の端部がカバーの内面に結合され、第1の構成要素の第2の反対側の端部が触覚アクチュエーターの外面に結合されるように、第1のばね構成要素はケーシング内部に配置されている。第1のばね構成要素は、触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を生成するために、力をかけるように構成されている。
本明細書における実施形態の別の態様は、触覚アクチュエーター及び予荷重デバイスを備える触覚アクチュエーターアセンブリに関する。触覚アクチュエーターは、平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、平行軸はこの層の平面に対して平行である、圧電材料の層を備え、また、平行軸に沿った圧電材料の層の歪みを、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、垂直軸は層の平面に対して垂直である、変位変換デバイスを備える。触覚アクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている。予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接し、かつ垂直軸に沿った触覚アクチュエーターに対する圧縮荷重を発生させるように構成されている。予荷重デバイスは、カバーと、カバーから間隔を空けて配置されかつカバーに対して平行に延在するベースと、第1のばね構成要素と、第2のばね構成要素とを有するケーシングを備える。第1のばね構成要素及び第2のばね構成要素は、カバーの反対側の端部それぞれに配置され、第1のばね構成要素及び第2のばね構成要素の各々は、カバーとベースとの間に延在している。第1のばね構成要素及び第2のばね構成要素は、まとまって、触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を生成するために、力をかけるように構成されている。触覚アクチュエーターは、カバーとベースとの間に配置され、カバー及びベースは、触覚アクチュエーターの垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの反対側の端部それぞれに配置されている。
本明細書における実施形態の別の態様は、ハウジングと、電源と、制御デバイスと、ハウジングの外面で触覚効果を発生させるように構成された触覚アクチュエーターアセンブリとを備える触覚対応デバイスに関する。触覚アクチュエーターは、平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、平行軸はこの層の平面に対して平行である、圧電材料の層を備え、また、圧電材料の層に取り付けられた又はその中に埋め込まれた少なくとも2つの電極を備え、また、平行軸に沿った圧電材料の層の歪みを、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、垂直軸は層の平面に対して垂直である、変位変換デバイスを備える。触覚アクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている。予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接し、かつ触覚アクチュエーターに対する垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成されている。予荷重デバイスは、カバーと、このカバーから間隔を空けて配置されかつこのカバーに対して平行に延在するベースとを有するケーシングを備える。触覚アクチュエーターは、カバーとベースとの間に配置され、カバー及びベースは、触覚アクチュエーターの垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの反対側の端部それぞれに配置されている。第1のばね構成要素の第1の端部がカバーの内面に結合され、第1の構成要素の第2の反対側の端部が触覚アクチュエーターの外面に結合されるように、第1のばね構成要素はケーシング内部に配置されている。第1のばね構成要素は、触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を生成するために、力をかけるように構成されている。制御ユニットは、触覚アクチュエーターの少なくとも2つの電極に電力を提供するように電源を制御するように構成されている。
本発明の上述の特徴、目的、及び利点、並びに他の特徴、目的、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詳細な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。
本明細書における実施形態の1つの態様は、触覚アクチュエーターアセンブリ用の予荷重デバイスを提供することに関する。触覚アクチュエーターアセンブリは、変位(例えば、歪み又は他の変形)及び力を出力するように構成されている、圧電アクチュエーター等の触覚アクチュエーターを備えることができる。1つの例では、変位を使用して、第1の変位値と第2の変位値との間で発振することにより、振動触知性触覚効果を発生させることができる。予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに対して、触覚アクチュエーターによって提供される変位を抑制する予荷重を発生させるように構成することができる。この抑制により、触覚アクチュエーターは依然として変位を出力することができるが、予荷重デバイスがない状況と比較して変位の振幅が低減する。場合によっては、変位は、触覚アクチュエーターを特定の軸に沿って拡張させる歪みの形態をとることができ、予荷重デバイスによって発生する予荷重は、その軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張に抵抗する圧縮荷重とすることができる。場合によっては、予荷重は、ユーザーインタラクション、又は、触覚アクチュエーターアセンブリの外部にある作用とは独立した荷重とすることができる。言い換えれば、予荷重は、例えば、触覚アクチュエーターアセンブリ内に組み込まれるか、又は触覚アクチュエーターアセンブリの内部にある荷重とすることができる。予荷重は、触覚アクチュエーターからの変位、触覚アクチュエーターの変位の変化の量、又はそれらの組合せを抑制することができる。
一実施形態では、予荷重デバイスは、同様に触覚アクチュエーターによって出力される力が過度に弱くなるのを防止するために、触覚アクチュエーターからの変位を抑制し、又は他の方法で変位に抵抗することができる。例えば、触覚アクチュエーターは、図18のもののような力−変位プロファイルを有することができ、そこでは、触覚アクチュエーターは、出力する変位が大きくなるに従い、出力する力が弱くなり、その逆もあり得る。触覚アクチュエーターが駆動信号又は他の刺激によって駆動されるときに、触覚アクチュエーターに予荷重が加えられない場合、触覚アクチュエーターは、場合によっては、触覚アクチュエーターにかつ駆動信号の振幅に関連する、定格変位drated(公称変位とも呼ぶ)に等しい変位を出力する可能性がある。例えば、触覚アクチュエーターは、圧電アクチュエーターとすることができる。圧電アクチュエーターは、駆動信号が印加されると、定格変位(例えば、定格歪み)に等しい、特定の軸に沿った歪みを出力する可能性がある。しかしながら、触覚アクチュエーターによって提供される変位の量が定格変位に等しい場合、変位と同時に力はほとんど又は全く発生しない可能性がある。例えば、図18は、触覚アクチュエーターが、触覚アクチュエーターの定格変位の近くの値で(例えば、発振駆動信号によって駆動されている結果として)発振する変位を出力する状況を示す。触覚アクチュエーターは、予荷重又は外部荷重がないためにこうした変位を出力する可能性がある。発振する変位は、振動触知性触覚効果になる可能性があるが、図18に示すように、振動触知性触覚効果と同時にはわずかな量の力しか発生しない可能性がある。その結果、振動触知性触覚効果は、非常に弱いものとしてユーザーに知覚される可能性があり、又は、全く知覚されない可能性がある。
図18は、予荷重が存在するときに触覚アクチュエーターが変位を発生させる別の状況を更に示す。図18における両方の状況における変位は、同じ信号振幅又は同じ駆動信号によって発生させることができる。一実施形態では、予荷重は、触覚アクチュエーターからの変位を、その定格変位の分数(例えば、1/2、3/4)である値に抑制することができる。一例として、予荷重は、変位が35μm(予荷重が存在しない場合)から1μm(予荷重が存在する場合)まで低減するように、触覚アクチュエーターによって出力される変位を抑制することができる。変位を低減させることにより、予荷重は、触覚アクチュエーターによって出力される力の増大をもたらすことができる。その結果、予荷重を含む触覚アクチュエーターアセンブリによって振動触知性触覚効果が発生する場合、予荷重を有していない触覚アクチュエーターによって振動触知性触覚効果が発生する状況と比較して、振動触知性触覚効果と同時に発生する力は、より強力かつより知覚可能とすることができる。
一実施形態では、予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターを保護するために触覚アクチュエーターからの変位を抑制するか又は他の方法で変位に抵抗することができる。例えば、圧電セラミック材料を含む触覚アクチュエーターは、脆性がある可能性があり、したがって、過度の歪み又は他の変位からの亀裂又は他の損傷を受ける可能性がある。こうした場合では、予荷重デバイスは、その変位を抑制することにより、触覚アクチュエーターからの動きの範囲を抑制することができ、したがって、触覚アクチュエーターが過度の歪みに関連する損傷を受けないように防護することができる。言い換えれば、予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターからの過度の変位に抵抗することにより、触覚アクチュエーターを保護することができる。
一実施形態では、予荷重デバイスは、本質的に機械的構造とすることができ、単数又は複数のばね力を介して予荷重を発生させるように構成することができる。言い換えれば、予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに対して予荷重を提供するようにばね力を発生させる少なくとも1つのばね構成要素を備えることができる。単数又は複数のばね力は、例えば、1つ以上の運動軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張に抵抗する圧縮荷重を発生させることができる。触覚アクチュエーターを圧縮し、それにより触覚アクチュエーターに予荷重をかけるために、ばね構成要素が利用され、それにより、システムの全体の剛性が変更される。触覚アクチュエーターによって出力される変位は、システムの剛性によって変化し、したがって、ばね構成要素は、触覚アクチュエーターからの変位又は歪みを抑制するか又は低減させる。
一実施形態では、予荷重デバイスを有する触覚アクチュエーターアセンブリは、触覚アクチュエーターアセンブリが外部荷重をほとんど又は全く受けない場所に配置することができる。例えば、触覚アクチュエーターアセンブリは、携帯電話のバックパネルの内面等、携帯電話の裏面に配置することができる。バックパネルは、低質量(例えば、1g未満)を有することができ、触覚アクチュエーターアセンブリに対してかける外部荷重は1N未満とすることができる。こうした状況では、予荷重デバイスは、アセンブリの触覚アクチュエーターの変位を抑制する予荷重を有利に提供することができる。
図1は、予荷重デバイスを組み込んだ触覚アクチュエーターアセンブリ120を備えることができる触覚対応デバイス100のブロック図を示す。より具体的には、触覚対応デバイス100は、ハウジング110と、触覚アクチュエーターアセンブリ120と、制御ユニット130と、電源140とを備える。一実施形態では、触覚対応デバイス100は、携帯電話、タブレットコンピューター、ラップトップ、ハンドヘルドゲームコントローラー、ウェアラブルデバイス(例えば、触覚対応電子腕時計、グローブ又はヘッドマウント型デバイス)又は他の任意のユーザーインターフェースデバイス等のユーザーインターフェースデバイスとすることができる。
一実施形態では、電源140は、触覚効果を発生させるために触覚アクチュエーターアセンブリ120のために電力を提供するように構成されている、バッテリ又は他のエネルギー蓄積デバイスを含むことができる(本明細書では、電力及びエネルギーという用語は同義で使用する)。一実施形態では、制御ユニット130は、触覚アクチュエーターアセンブリ120のより詳細に後述する触覚アクチュエーターを駆動するように、電源140を制御するように構成することができる。例えば、制御ユニット130は、触覚アクチュエーターアセンブリ120の触覚アクチュエーターに印加される駆動電圧信号又は駆動電流信号を発生させるように電源140を制御するように構成することができる。電源140は、触覚アクチュエーターアセンブリ120の触覚アクチュエーターに対して、50V〜100Vの範囲の振幅を有する駆動信号(例えば、60V駆動信号)を発生させるように構成することができる。
一実施形態では、制御ユニット130は、触覚対応デバイス100に対する触覚効果の発生を制御するのに専用とすることができ、又は、触覚対応デバイス100に対する他の動作を制御する汎用制御ユニットとすることができる。一実施形態では、制御ユニット130は、1つ以上のマイクロプロセッサ、1つ以上の処理コア、プログラマブルロジックアレイ(PLA)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、特定用途向け集積回路(ASIC)又は他の任意の処理回路を含むことができる。
図2Aは、触覚アクチュエーターアセンブリ120の一実施形態である触覚アクチュエーターアセンブリ120Aのブロック図を示す。触覚アクチュエーターアセンブリ120Aは、触覚アクチュエーター121及び予荷重デバイス127を備える。予荷重デバイス127については、より詳細に後述する。一実施形態では、予荷重デバイスは、2N〜4Nの範囲である圧縮荷重を発生させるように構成することができる。一実施形態では、触覚アクチュエーター121は、特定の軸に沿った変位及び力を出力するように構成される。例えば、触覚アクチュエーター121は、圧電アクチュエーター、又は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を含むEAPアクチュエーター等の電気活性ポリマー(EAP)アクチュエーターとすることができる。一実施形態では、触覚アクチュエーター121は、1つ以上の軸に沿って触覚アクチュエーターを拡張又は収縮させる歪み又は他の変形を呈するように構成することができる。
図2Bは、触覚アクチュエーター121の一実施形態のブロック図を示す。図2Bの実施形態では、触覚アクチュエーター121は、圧電層121a(圧電材料の層又は圧電材料のシートとも呼ぶ)と、電極121bと、変位変換デバイス121cとを備える。圧電層121aは、電極121bに接続することができ、電極121bに駆動信号が印加されると、1つ以上の軸に沿った歪みを出力するように構成することができる。場合によっては、圧電層121は、圧電材料の下層の積層体を含むことができ、下層の各々は、電極121bのうちの2つの電極の間に直接挟挿される。他の場合では、圧電層121aは、こうした下層を1つしか有していない。
一実施形態では、変位変換デバイス121cは、第1の軸(例えば、x軸)に沿った歪み又は他の変位を、第2の軸(例えば、z軸)に沿った変位に変換するように構成することができる。一実施形態では、第1の軸は平行軸とすることができ、平行軸は、圧電層121aの平面に対して平行である。一実施形態では、第2の軸は垂直軸とすることができ、垂直軸は、圧電層121aの平面に対して垂直である。場合によっては、変位変換デバイス121cは、第1の軸に沿った変位(例えば、Δx)を第2の軸に沿ったより大きい変位(例えば、Δz)に増幅するように構成されている変位増幅デバイスとすることができる。
図3A及び図3Bは、触覚対応デバイス100の一実施形態である触覚対応デバイス200を示す。触覚対応デバイス200は、例えば、携帯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。触覚対応デバイス200は、少なくともフロントパネル212及びバックパネル214によって形成されるハウジング210を備えることができる。フロントパネル212は、ハウジング210の正面を形成することができ、静電容量式又は抵抗式タッチセンサを有する、液晶ディスプレイ(LCD)又は発光ダイオード(LED)等のタッチスクリーンデバイス213を組み込むことができる。バックパネル214は、ハウジング210の裏面を形成することができる。ハウジング210の正面は、使用中に概してユーザーに面する側とすることができ、裏面は、ハウジング210の正面の反対側に又は対向して配置される。
図3Bに示すように、触覚対応デバイス200は、触覚アクチュエーターアセンブリ220を更に備える。いくつかの実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ220は、バックパネル214内に、又はバックパネル214の内面若しくは外面に配置される。例えば、図4は、バックパネル214が空洞214aを有し、触覚アクチュエーターアセンブリ220が、空洞214a内に配置されていることによりバックパネル214内に埋め込まれている一実施形態を示す。触覚アクチュエーターアセンブリ220は、例えば、バックパネル214の外面214bに振動触知性触覚効果を発生させるように構成することができる。振動触知性触覚効果は、触覚アクチュエーターアセンブリが、図4の軸217に沿った発振変位(発振振動又は発振運動とも呼ぶ)を出力するために、軸217に沿って或る特定の周波数で繰り返し拡張し収縮するときに、発生させることができる。より一般的には、振動触知性触覚効果は、触覚アクチュエーターアセンブリが、特定の周波数での値で発振する変位等、時間変化する量の変位を発生させるときに、発生させることができる。触覚アクチュエーターアセンブリ220は、変位を出力しているとき、バックパネル214の下層214cを圧迫するか又は引き寄せることができる。下層214cは、好適なヤング率を有する材料とすることができ、触覚アクチュエーターアセンブリ220により押されるか又は引っ張られる等、アセンブリに作用される結果として、弾性曲げ又は他の弾性変形を受けることができるために十分薄いものとすることができる。言い換えれば、バックパネル214の下層214cは、振動触知性触覚効果を発生させるために、図4において破線によって示すように、バックパネル214の残りの部分に対して内向きにかつ外向きに曲がるのを可能にする剛性を有するように構成することができる。
より詳細に後述するように、触覚アクチュエーターアセンブリ220は、軸217等の軸に沿った触覚アクチュエーターアセンブリによる拡張を抑制する予荷重デバイスを備えることができる。下層214c、又はより一般的にはバックパネル214は、単独では、触覚アクチュエーターアセンブリ220の拡張を抑制するために十分な剛性がない可能性がある。例えば、下層214cによって、又はより一般的にはバックパネル214によって触覚アクチュエーターアセンブリ220に加えられるいかなる圧縮荷重も、1N未満である可能性がある。より全体的に言えば、ハウジング210によって触覚アクチュエーターアセンブリ220に加えられるいかなる圧縮荷重も、1N未満である可能性がある。場合によっては、ハウジングは、触覚アクチュエーターアセンブリ220に対していかなる圧縮荷重も加えない可能性がある。こうした状況では、予荷重がないことにより、触覚アクチュエーターアセンブリの触覚アクチュエーターから出力される変位の量が過度になる可能性があり、過度の変位により、外面214bにおける振動触知性触覚効果の力が低減する可能性があり、触覚アクチュエーターアセンブリ220の触覚アクチュエーターに対する損傷のリスクが増大する可能性がある。したがって、本明細書による予荷重デバイスは、こうした応用において、触覚アクチュエーターアセンブリ220の軸217に沿った変位、特に、軸217に沿ったその触覚アクチュエーターの変位を抑制するために、有利である可能性がある。
一実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ220によって出力される変位は、触覚アクチュエーターアセンブリの触覚アクチュエーターによって発生させることができる。例えば、触覚アクチュエーターアセンブリ220の触覚アクチュエーターが、5μmの変位を出力しているように、軸217に沿って5μmだけ拡張する場合、触覚アクチュエーターアセンブリ220もまた、5μmの変位を出力しているように、同様に5μmだけ拡張することができる。したがって、触覚アクチュエーターによる変位の量と触覚アクチュエーターアセンブリ220による変位の量とは、同じとすることができ、又は異なるものとすることができる。
一実施形態では、下層214cに対してかけられる力等、触覚アクチュエーターアセンブリ220によって出力される力は、アセンブリ220の触覚アクチュエーターが発生させる力から任意の予荷重の力を引いた力に等しい可能性がある。例えば、触覚アクチュエーターアセンブリ220は、4Nの予荷重を発生させることができる。予荷重は、触覚アクチュエーターが約20Nである力を発生させるようにする、又は結果としてそうなるようにする、触覚アクチュエーターに対する圧縮荷重とすることができる。場合によっては、触覚アクチュエーターアセンブリによって出力される力は、約16Nとすることができる。
一実施形態では、図4に示す触覚対応デバイス200は、バックパネル214の内面214dに配置される剛性部品218を更に備えることができる。より具体的には、剛性部品218は、内面214dと接触することができる。剛性部品218は、触覚アクチュエーターアセンブリ220から、バックパネル214の内面214dではなく外面214bに変位を向けることができる。より具体的には、剛性部品218は、軸217に沿って非圧縮性とすることができ、その結果、触覚アクチュエーターアセンブリ220の触覚アクチュエーターが軸217に沿って拡張するとき、下層214cは、その拡張に対して、剛性部品218が提供するよりはるかに小さい抵抗を提供する。その結果、アセンブリ220の触覚アクチュエーターの拡張の大部分又は全てを、剛性部品218を圧縮させるためではなく、下層214cを曲げるために向けることができる。剛性部品218の例としては、金属フレーム、プリント回路基板(PCB)基板又は剛性バッテリシェルを挙げることができる。
一実施形態では、本明細書における実施形態の触覚アクチュエーターアセンブリは、図5の触覚対応システム300等、触覚対応システムの一部とすることができる。一実施形態では、触覚対応システム300は、ナビゲーション指示を表示することと、エンターテイメントオプションを提供することと、センサーデータを表示することとを含む、様々な車載機能を提供する、中央コンソールシステムとすることができる。一実施形態では、触覚対応システム300は、タッチスクリーンデバイス310と、触覚アクチュエーターアセンブリ320と、制御ユニット330と、電源340と、取付部品350とを備える。制御ユニット330は、図1の制御ユニット130と同様とすることができ、電源340は、電源140と同様とすることができる。タッチスクリーンデバイス310は、例えば、タッチ入力を受け取るように構成された静電容量式又は抵抗式LCD又はLEDタッチスクリーンとすることができる。
触覚アクチュエーターアセンブリ120又は220と同様に、触覚アクチュエーターアセンブリ320は、タッチスクリーンデバイス310において触覚効果を発生させるために変位及び力を出力するように構成することができる。触覚アクチュエーターアセンブリ320は、十分な量の力が変位と同時に発生するように変位を抑制する、予荷重デバイスを備えることができる。タッチスクリーンデバイス310は、取付部品350に直接又は間接的に接続することができる。一実施形態では、取付部品350は、車両の中央コンソールの本体の一部とすることができる。
図6は、触覚対応システム300の一実施形態である触覚対応システム400を示す。触覚対応システム400は、タッチスクリーンデバイス410と、触覚アクチュエーターアセンブリ420と、取付部品450とを備える。一実施形態では、タッチスクリーンデバイス410は、10g未満の質量を有することができる。触覚アクチュエーターアセンブリ420は、軸417に沿った変位を出力するように構成することができる。その結果、触覚アクチュエーターアセンブリ420は、タッチスクリーンデバイス410の外面410bにおいて振動触知性触覚効果を発生させるように、タッチスクリーンデバイス410の表面410aに対して押圧し/押しかつ引くことができる。表面410bは、運転手に面する正面の外面とすることができ、表面410aは、タッチスクリーンデバイス410の反対側の面とすることができる。一実施形態では、取付部品450は、剛性部品とすることができ、タッチスクリーンデバイス410より大幅に大きい質量を有することができ、その結果、触覚アクチュエーターアセンブリ420によって出力される変位の大部分又は全てが、取付部品450を移動させることではなく、タッチスクリーンデバイス410を移動させることに向けられる。一実施形態では、タッチスクリーンデバイス410は、触覚アクチュエーターアセンブリ420を介して取付部品450に接続することができる。一実施形態では、タッチスクリーンデバイス410は、タッチスクリーン410が軸417に沿って移動するのを可能にする懸架装置を介して、取付部品450に接続することができる。
一実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ420は、軸417に沿った触覚アクチュエーターアセンブリ420の拡張を抑制する予荷重デバイスを備えることができる。図6の実施形態では、タッチスクリーンデバイス410の重量Wは、単独では、軸417に沿った触覚アクチュエーターアセンブリ420に対する十分な圧縮荷重を提供するために十分な荷重を提供することができない。図6に示すように、重量Wは、(タッチスクリーンデバイス410の質量が小さいため)大きさが過度に小さいために不十分である可能性があり、及び/又は、重量Wは、軸417に対して部分的に又は完全に垂直である方向に作用している。こうした応用では、本明細書による予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターアセンブリの拡張を抑制するために、触覚アクチュエーターアセンブリ420内に組み込むことができる。
図7に、触覚アクチュエーターアセンブリ520の一実施形態を示す。触覚アクチュエーターアセンブリ520は、触覚アクチュエーター521と予荷重デバイス527とを備える。図中に示すように、触覚アクチュエーター521は、軸517に沿って拡張することにより、軸517に沿った変位を出力するように構成することができる。触覚アクチュエーター521によって出力される変位は、全体として触覚アクチュエーターアセンブリ520によって出力される変位となることができる。一実施形態では、軸517は、触覚アクチュエーターアセンブリ520の厚さ寸法を表すことができ、触覚アクチュエーターアセンブリ520によって出力される変位は、例えば、触覚アクチュエーター521がアクティベートされていない基準状態と比較した、触覚アクチュエーターアセンブリ520の厚さの変化、すなわちΔtを指すことができる。一実施形態では、触覚アクチュエーター521は、圧電アクチュエーターとすることができる。
一実施形態では、予荷重デバイス527は、図7において矢印560によって表すように、触覚アクチュエーター521及び触覚アクチュエーターアセンブリ520の軸517に沿った拡張に抵抗する、圧縮荷重の形態とすることができる、予荷重を発生させるように構成された、少なくとも第1の構成要素527a及び第2の構成要素527bを備える。触覚アクチュエーター521は、第1の構成要素527aと第2の構成要素527bとの間に挟挿されるか又は他の方法で配置される。一実施形態では、第1の構成要素527a及び第2の構成要素527bは、接着剤又は他の何らかの取付方法により、触覚アクチュエーター521の対向する側に取り付けることができる。一実施形態では、第1の構成要素527a及び第2の構成要素527bは、触覚アクチュエーター521の対向する側に、固定して取り付けられることなく接触して又は近接して保持することができる。場合によっては、圧縮荷重は、単数又は複数のばね力によって発生させることができる。より詳細に後述するように、予荷重デバイス527は、触覚アクチュエーター521に対するばね力(複数の場合もある)を発生させるように構成された1つ以上のばね構成要素を備えることができる。
図8A〜図8Dは、触覚アクチュエーター521の一実施形態である触覚アクチュエーター621を示す。この実施形態では、触覚アクチュエーター621は、圧電材料の層621aを含む圧電アクチュエーターであり、層621aの平面(例えば、621a−1又は621a−2)に対して平行である、軸618及び/又は軸619等の軸に沿って、歪みを発生させるように構成されている。一実施形態では、圧電材料の層621aは、9mm〜25mmの範囲である長さLと、9mm〜25mmの範囲である幅Wと、0.3mm〜2mmの範囲である厚さT2(図8Bを参照)とを有することができる。一実施形態では、図8Aに示すように、層621aの長さL及び幅Wはともに、互いに等しいものとすることができる。一実施形態では、圧電材料の層621aは、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)又は他の圧電セラミック材料の層である。一実施形態では、圧電材料の層621aはポリマーの層である。一実施形態では、図8Bに示すように、触覚アクチュエーター621は、1mm〜4mmの範囲である全体厚さT1を有することができる。一実施形態では、触覚アクチュエーター621は、TDK(登録商標)製のMiniaturized PowerHap(商標)2.5Gタイプの触覚アクチュエーター等、TDK(登録商標)PowerHap(商標)圧電アクチュエーターの一種とすることができる。
図8A〜図8Cに示すように、触覚アクチュエーター621は、軸618又は軸619等の軸に沿った歪みを、圧電材料の層621aの平面(例えば、表面621a−1又は621a−2)に対して垂直である軸617に沿った、触覚アクチュエーター621の拡張又は収縮に変換するように構成されている、変位変換デバイス621b−1/621b−2を更に備える。軸618又は619は平行軸と呼ぶことができ、軸617は垂直軸と呼ぶことができる。一実施形態では、軸617に沿って触覚アクチュエーター621によって出力される変位は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の拡張又は収縮から生じることができる。
一実施形態では、変位変換デバイス621b−1/621b−2は、軸618又は軸619に沿った歪みによってもたらされる変位、すなわち第1の量の変位を、軸617に沿った、より大きい量の変位、すなわち第2の量の変位に変換するように構成された変位増幅デバイスであり、第2の変位は第1の変位より大きい(図8Cを参照)。特定の軸に沿って触覚アクチュエーター621によって出力される変位は、例えば、触覚アクチュエーター621がアクティベートされていない基準状態と比較した、その軸に沿った触覚アクチュエーター621の寸法の変化(例えば、長さ、幅又は厚さの変化)を指すことができる。
一実施形態では、変位増幅デバイスは、第1の変位から第2の変位への変換を実施するように構成されているレバーデバイスを備える。例えば、図8A〜図8Cの変位変換デバイス621b−1/621b−2は、圧電材料の層621aの両側又は対向する面に配置された第1のディスク621b−1及び第2のディスク621b−2を備えるレバーデバイスである。第1のディスク621b−1及び第2のディスク621b−2の各ディスクは、例えば、円形ベース部分(例えば、621f−1)から円形中心部分(例えば、621g−1)までテーパ状になって、圧電材料の層621aのそれぞれの平面621a−1/621a−2と円錐台を形成する、金属シート(金属層とも呼ぶ)とすることができる。円錐台は、シンバル又は円錐台エンドキャップとも呼ぶことができる。図8Bに示すように、円錐台は、傾斜長さSを備えた傾斜部分を有することができ、傾斜部分は、圧電材料の層621aの平面(例えば、621a−1)と角度θを形成することができる。場合によっては、角度θは、45度未満(例えば、15度)の値を有することができる。傾斜部分は、円錐台に対して高さHをもたらすことができる。高さHは、第1のディスク621b−1及び/又は第2のディスク621b−2の高さと等しいか又は実質的に等しくすることができ、例えば、0.2mm〜0.7mmの範囲とすることができる。傾斜部分は、平面621a−1上に突出していた場合、ベース幅Bを更に有することができる。さらに、第1のディスク621b−1及び第2のディスク621b−2の各ディスクは、0.1mm〜0.5mmの範囲である厚さT3(図8Bを参照)を有することができる。図8Aに示すように、ディスク621b−1、621b−2の各々の円形ベース部分(例えば、621f−1)は、9mm〜12mmの範囲である寸法d1を有することができ、ディスク621b−1、621b−2の各々の円形中心部分(例えば、621g−1)は、2mm〜3mmの範囲である寸法d2を有することができる。上述した寸法の値は単に例であり、上に提示した様々な寸法は他の値を有することができる。
一実施形態では、触覚アクチュエーター621は、変位変換デバイス621b−1/621b−2の面を介して他の構成要素と(例えば、予荷重デバイスと)インターフェースすることができる。例えば、触覚アクチュエーター621は、ディスク621b−1の円形中心部分(例えば、261g−1)の外面621h−1を介して予荷重デバイスと、及び/又はディスク621b−2の円形中心部分(例えば、261g−1)の外面621h−2とインターフェースすることができる。外面621h−1及び外面621h−2は、触覚アクチュエーター621の反対側の外面(対向する外面とも呼ぶ)を形成することができ、触覚アクチュエーター621に対して、それぞれ、第1のインターフェース面及び第2のインターフェース面として作用することができる。こうした実施形態では、予荷重デバイスは、触覚アクチュエーター621のそれぞれの反対側の面に配置される第1の構成要素及び第2の構成要素を備えることができる。場合によっては、外面621h−1、621h−2に対し、それらを予荷重デバイスの第1の構成要素及び第2の構成要素に接着するために、接着剤の層を塗布することができる。
一実施形態では、図8B及び図8Cに示すように、触覚アクチュエーター621は、電極621c−1及び621c−2を更に備える。電極621c−1と621c−2との間に電圧差がもたらされる場合、圧電材料の層621aは、軸618及び/又は軸619に沿った歪みを出力することができる。例えば、圧電材料の層621aは、図8Cにおいて破線によって示す収縮状態CSまで軸619に沿って収縮することができる。一実施形態では、圧電材料の層621aは、軸617に沿った幾分かの歪みも受ける可能性があるが、それは、軸619に沿った歪みよりはるかに程度が低い。一実施形態では、軸619に沿った層621aの変位又は変形は、5μm〜50μmの範囲とすることができ、軸617に沿った層621aの変位又は変形は、0.5μm〜2μmの範囲とすることができる。一実施形態では、層621aは、軸618に沿った歪みも発生させる可能性がある。軸619に沿った歪み及び軸618に沿った歪みは同じものとすることができ、又は異なるものとすることができる。図8Cにおける変位変換デバイス621b−1/621b−2は、軸619に沿った歪みを、図8Cにおいて破線によって示す拡張状態ESまでの軸617に沿った触覚アクチュエーター621の拡張に変換することができる。触覚アクチュエーター621によって出力される変位は、触覚アクチュエーター621の拡張から生じる可能性がある。
図8Dは、圧電材料の下層621p−1、621p−2、621p−3、621p−4...621p−nの積層体を含む圧電材料の層621aの一実施形態を示す。さらに、電極621c−1及び電極621c−2は、交互嵌合又はくし状パターンを形成することができる。このパターンは、2つの電極の間の間隔を低減させることができ、それにより、それらの間により強力な電界が生成されるのを可能にすることができる。より具体的には、電極621c−1は、圧電材料の層621a内に埋め込まれる第1の組の電極層621d−1、621d−2...621d−nを含むことができる。第1の組の電極層621d−1...621d−nの各電極層は、層621aの長さ又は幅を通して実質的に延在することができる。同様に、電極621c−2は、圧電材料の層621a内に同様に埋め込まれる第2の組の電極層621e−1、621e−2...621e−nを含むことができる。第2の組の電極層621e−1、...621e−nの各電極層は、層621aの長さ又は幅を通して実質的に延在することができる。
一実施形態では、複数の下層621p−1...621p−nの各下層は、第1の組の電極層621d−1...621d−nのうちの1つと第2の組の電極層621e−1...621e−nのうちの1つとの間に直接配置することができ、その結果、2つの電極層は、下層に直接隣接する。例えば、下層621p−1は、電極層621d−1と電極層621e−1との間に直接配置され、電極層621d−1及び電極層621e−1は、下層621p−1に直接隣接する。
一実施形態では、第1の組の電極層621d−1...621d−nのうちの任意の電極層と、第2の組の電極層621e−1...621e−nのうちの対応する又は隣接する電極層との間に電圧差がもたらされる場合、その電圧差は、2つの電極層の間に電界を発生させることができる。電界は、軸617に沿った向きとなる。一実施形態では、軸617は、複数の下層621p−1...621p−nの各下層の圧電材料の分極方向に対して平行とすることができる。一実施形態では、圧電材料の分極方向は、複数の下層621p−1...621p−nの各下層と平行とすることができ、又はより一般的には、層621aと平行とすることができる。例えば、分極方向は、層621aの長さ次元又は幅次元に対して平行とすることができる。2つの電極層の間の軸617に沿った電界により、それらの間の圧電材料の下層が歪みを発生させることができる。歪みは、軸617〜619のうちの1つ以上に沿うことができる。例えば、図8Dは、図において破線によって示すように、軸619に沿って収縮し、軸617に沿って拡張する下層621p−1...621−nを示す。軸619に沿った歪みの量は、圧電材料のd31係数の値に基づくことができ、一方、軸617に沿った歪みの量は、圧電材料のd33係数の値に基づくことができる。一実施形態では、軸619に沿った歪みの量は、軸617に沿った歪みの量より著しく大きくすることができる。
上述したように、変位変換デバイス621b−1/621b−2は、軸619に沿った歪みを軸617に沿った変位及び力に変換するように構成することができる。一実施形態では、変位変換デバイス621b−1/621b−2は、継手(例えば、リビングヒンジ)によって接続される複数のリンク機構を形成し、リンク機構の形状により、軸619に沿った歪みを、軸617に沿った変位に変換し、場合によっては増幅させることができる。例えば、図8Bは、図8Bに関して上述した寸法S、H及びBを含む形状を示す。これらの寸法は、直角三角形の寸法に対応することができる。図8B及び図8Cに示すように、軸619に沿った歪みがある場合、圧電材料の層621aは、長さ又は幅が収縮状態CSまで低減することができる。その結果、寸法Bは低減することができ、それにより、角度θを増大させることができる。θの増大により、ひいては、寸法Hが増大することができる。θが変化する際、寸法Sは、S1の値等、同じままとすることができる。この状況では、(S1に等しい)S、B及びHの寸法が、直角三角形の寸法に対応するため、Bの値は、S1cosθとして計算することができ、Hの値は、S1sinθとして計算することができる。図8Eは、こうした状況に対するH及びBのプロットを示し、図8Cの軸619に沿った歪みにより、Bの変化(すなわち、ΔB)及びHの変化(すなわち、ΔH)がもたらされる。量ΔBは、軸619に沿った変位を表すことができ、量ΔHは、軸617に沿った変位を表すことができる。図8B、図8C及び図8Eに示すように、層621aを収縮状態CSまで収縮させる歪みにより、角度θをθ1からθ2まで増大させることができる。図8Eでは、θ1からθ2はともに45度未満である。こうした実施形態では、θの増大により、ΔBと比較してΔHが大きくなる結果となる可能性がある。言い換えれば、図8Eは、図8B及び図8Cの形状等の形状により、軸619に沿った変位と比較して軸617に沿った変位が増幅する結果となる可能性があることを実証している。
図9は、触覚アクチュエーター521の一実施形態である触覚アクチュエーター721を示す。触覚アクチュエーター621と同様に、触覚アクチュエーター721は、層721a圧電材料を含む。触覚アクチュエーター721は、軸717に沿った変位に対して、層721aの平面721a−1に対して平行である軸719に沿って歪みを発生させるように構成されている、変位変換デバイス721bを更に備える。軸719は、平行軸と呼ぶことができ、軸717は、垂直軸と呼ぶことができる。図9に示すように、変位変換デバイス721bは、各々が、軸719に沿った変位を軸717に沿ったより大きい量の変位に増幅させるようにレバーとして作用する、一対のリンク機構721b−1、721b−2を含む枠を形成することができる。一対のリンク機構721b−1、721b−2は、一対のそれぞれのリビングヒンジ721c−1、721c−2によって中心部分721b−3に接続することができる。枠はまた、同様に、軸719に沿った変位を軸717に沿ったより大きい量の変位に増幅させるようにレバーとして作用する、一対のリンク機構721b−5、721b−6も備えることができる。一対のリンク機構721b−5、721b−6は、別の一対のそれぞれのリビングヒンジ721c−3、721c−4によって中心部分721b−4に接続することができる。中心部分721b−3及び721b−4は、例えば、触覚アクチュエーター721のためのそれぞれのインターフェース面として作用することができ、場合によっては、触覚アクチュエーター721のそれぞれの対向する外面として作用することができる。変位変換及び増幅デバイスについては、内容全体が引用することにより本明細書の一部となす、「Method and Apparatus for Enabling Floating Touch Screen Haptics Assemblies」と題する米国特許第9,866,149号(IMM539)においても考察されている。
図10は、触覚アクチュエーターアセンブリ120〜520のうちの任意ものの一実施形態である触覚アクチュエーターアセンブリ820の部分組立分解図を示す。触覚アクチュエーターアセンブリは、触覚アクチュエーター821及び予荷重デバイス827を備える。一実施形態では、触覚アクチュエーター821は、触覚アクチュエーター621と同様とすることができ、層821aの平面821a−1に対して平行である軸819に沿って歪みを発生させるように構成されている圧電材料の層821aを含むことができる。触覚アクチュエーターアセンブリ820は、第1のディスク821b−1及び第2のディスク821b−2を含む変位変換デバイスを更に備える。変位変換デバイス621b−1/621b−2と同様に、第1のディスク821b−1及び第2のディスク821b−2の各々は、圧電材料の層821aのそれぞれの面と円錐台(シンバルとも呼ぶ)を形成する金属層とすることができる。一実施形態では、予荷重デバイス827は、第1の構成要素827a及び第2の構成要素827bを備え、それらは、層821aの平面821a−1に対して垂直であるか又は実質的に垂直である軸817に沿った触覚アクチュエーター821の拡張に抵抗し、したがって、軸817に沿った触覚アクチュエーターアセンブリ820の拡張に抵抗する(軸819は平行軸と呼ぶことができ、軸817は垂直軸と呼ぶことができる)、圧縮荷重の形態の予荷重を発生させるように構成されている。
一実施形態では、第1の構成要素827a及び第2の構成要素827bは、圧縮荷重を生成するために、第1の構成要素527aと第2の構成要素527bとの間に配置された1つ以上のばね構成要素を通して予荷重を発生させるように構成することができる。一実施形態では、第1の構成要素827a及び第2の構成要素827bは、2N〜4Nの範囲である、触覚アクチュエーター821に対する圧縮荷重の形態の予荷重を発生させるように構成することができる。2N〜4Nの範囲の予荷重により、触覚アクチュエーター821は、印加される電位に応じて確実にかつ予測可能に変形することができる。触覚アクチュエーター821は、十分に予荷重がかけられない場合、電位が印加されると破損する可能性があり、逆に、過度に予荷重がかけられる場合、確実にかつ予測可能に変形することができない可能性がある。
図11及び図12は、予荷重、又はより具体的には圧縮荷重が、ばね構成要素1160によって生成される、一実施形態を示す。より具体的には、図11及び図12は、上述した触覚アクチュエーター621とともに予荷重デバイス1127を備える触覚アクチュエーターアセンブリ1120のそれぞれ斜視図及び側断面図を示す。触覚アクチュエーターアセンブリ1120は、触覚アクチュエーター621があるように示しかつ記載するが、予荷重デバイス1127とともに本明細書に記載するいかなる触覚アクチュエーターも利用することができる。予荷重デバイス1127は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621に対する圧縮荷重を生成するように構成され、圧縮荷重は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の拡張、又はより一般的には変形に抵抗する。
予荷重デバイス1127は、ばね構成要素1160及びケーシング1162を備える。一実施形態では、ケーシング1162は、カバー1164と、カバー1164に対向するベース1166とを含む。一実施形態では、カバー1164は、ベース1166から間隔を空けて配置されているが、ベース1166に対して概して平行に延在している。一実施形態では、ケーシング1162は、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリウレタン又は他のポリマー材料等、軽量であるが強固である材料から形成することができる。カバー1164及びベース1166は、同じサイズ及び形状(例えば、矩形又は円形形状)を有する平面構成要素とすることができ、又は、異なるサイズ及び/又は形状を有することができる。場合によっては、カバー1164及びベース1166は、各々矩形とすることができ、各々、各々が9mm〜25mmの範囲である長さ及び幅を有することができる。一実施形態では、カバー1164及びベース1166は、各々、触覚アクチュエーターアセンブリ1120に対して小さい全体厚さを維持するために、薄い外形を有する。例えば、カバー1164及びベース1166は、各々、1mm〜2mmの範囲である厚さを有することができる。一実施形態では、ケーシング1162は、1mm〜5mmの範囲である全体厚さを有することができる。
ケーシング1162は、ばね構成要素1160と、圧電材料の層621a及び変位変換デバイス621b−1/621b−2の両方を備える触覚アクチュエーター621とを保持又は維持する。触覚アクチュエーター621は、ケーシング1162内でカバー1164とベース1166との間に配置され、カバー1164及びベース1166は、触覚アクチュエーター621の軸617に沿った触覚アクチュエーター621の反対側の端部それぞれに配置されている。図11及び図12の実施形態では、ベース1166は触覚アクチュエーター621を支持し、又は、言い換えれば、触覚アクチュエーター621は、ベース1166の内面に配置されている。一実施形態では、ベース1166は、接着剤又は他の何からの取付方法を介して触覚アクチュエーター621に取り付けることができる。
本明細書においてより詳細に説明する予荷重機能に加えて、ケーシング1162は、内蔵デバイスとして触覚アクチュエーターアセンブリ1120を提供するように機能し、それによって発生する予荷重は、例えば、触覚アクチュエーターアセンブリ1120内に組み込まれるか又は触覚アクチュエーターアセンブリ1120の内部にある荷重である。したがって、予荷重デバイス1127が発生させる予荷重は、ユーザーインタラクション、又は、触覚アクチュエーターアセンブリ1120の外部にある作用とは独立した荷重とすることができる。例えば、予荷重デバイス1127を有する触覚アクチュエーターアセンブリ1120は、触覚アクチュエーターアセンブリ1120が外部荷重をほとんど又は全く受けない場所に配置することができる。例えば、触覚アクチュエーターアセンブリ1120は、図3Bに関して上述したように、携帯電話のバックパネルの内面等、携帯電話の裏面に配置することができる。バックパネルは、低質量を有することができ、触覚アクチュエーターアセンブリ1120にかける外部荷重を1N未満とすることができる。
一実施形態では、ケーシング1162は、カバー1164とベース1166との間に延在する1つ以上の側壁(図示せず)を含むことができる。一実施形態では、側壁は、カバー1164とベース1166との間の移動を可能にし、したがって、垂直軸617に沿う等、或る特定の軸に沿ったカバー1164及び/又はベース1166の優先的な移動を可能にするように構成される懸架システムと同様に機能する。別の実施形態では、ケーシング1162は、カバー1164とベース1166との間の全長にわたって延在しない1つ以上の部分側壁(図示せず)を含むことができる。部分側壁は、例えば、カバー1164からベース1166に向かって延在することができ、又は、ベース1166からカバー1164に向かって延在することができる。更に別の実施形態では、ケーシング1162は、カバー1164とベース1166との間に延在する1つ以上のコネクター又は柱を含むことができる。ケーシング1162の側壁、部分側壁及び/又はコネクター/柱は、内蔵デバイスとして触覚アクチュエーターアセンブリ1120を形成するのに役立つことができる。
ばね構成要素1160は、第1の端部1161Aがカバー1164の内面に結合され、第2の反対側の端部1161Bが触覚アクチュエーター621の外面に結合されるように、ケーシング1162内に配置されている。ばね構成要素1160は、触覚アクチュエーター621に対して軸617に沿った圧縮荷重を生成するように構成され、圧縮荷重は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の拡張に抵抗する。ばね構成要素1160は、ばね構成要素1160の機能的動作を表すように単に例示の目的でらせん形要素として示されており、その実際の物理的形状を限定するようには意図されていない。ばね構成要素1160は、限定されないが、エラストマー、らせん若しくはコイルばね、板ばね、薄板ばね、ウェーブワッシャー、スナップドームばね、又はゴム、発泡体若しくはたわみ部等、高コンプライアンス要素を含む、所望の圧縮力をかけるばね特性を有する任意のタイプのばね要素とすることができる。例えば、図14は、ばね構成要素1160の一実施形態であるばね構成要素1460を備える触覚アクチュエーターアセンブリ1420を示す。図14において、ばね構成要素1460は、本体1467内にばねを埋め込み、正確かつ繰返し可能な端部力を可能にするように一端にプランジャーチップ又はボール1469を設けることにより、ばねのばね力を増大させる、ばねプランジャー又は他のばね式デバイスである。別の例として、図15は、ばね構成要素1160の一実施形態であるばね構成要素1560を備える触覚アクチュエーターアセンブリ1520を示す。図15において、ばね構成要素1560は、ねじ1570と、所望の圧縮力をかけるばね特性を有する可撓性膜構成要素1572とを含む。ねじ1570を使用して、可撓性膜構成要素1572のばね力を調整することができる。より詳細には、ねじ1570が可撓性膜構成要素1572上に更に前進するに従い、可撓性膜構成要素1572により触覚アクチュエーター621にかけられるばね力は更に増大する。逆に、可撓性膜構成要素1572によって触覚アクチュエーター621にかけられるばね力の量を低減させたい場合、ばね1570を後退させることができる。図11及び図12の各々では単一のばね構成要素を示すが、いくつかの実施態様では、所望の圧縮力をかけるために、触覚アクチュエーターアセンブリ1120において複数のばね構成要素を使用することができることが理解されるべきである。
予荷重を発生させるために、カバー1164は、触覚アクチュエーター621に対して圧縮力を加えるために、ばね構成要素1160を触覚アクチュエーター621に対して付勢する。一実施形態では、ばね構成要素1160は、2N〜4Nの範囲である予荷重を発生させるように構成することができる。2N〜4Nの範囲の予荷重により、触覚アクチュエーター621は、印加される電位に応じて確実にかつ予測可能に変形することができる。触覚アクチュエーター621が印加される電位に応じて変形するとき、ばね構成要素1160は、触覚アクチュエーター621に対して、触覚アクチュエーター621からの変位をその定格変位の分数(例えば、1/2、3/4)である値まで抑制するばね力をかける。触覚アクチュエーター621から出力される変位を低減させることにより、ばね構成要素1160は、触覚アクチュエーター621によって出力される力の増大をもたらす。その結果、触覚アクチュエーターアセンブリ1120によって振動触知性触覚効果が発生する場合、予荷重を有していない触覚アクチュエーターによって振動触知性触覚効果が発生する状況と比較して、振動触知性触覚効果と同時に発生する力は、より強力かつより知覚可能とすることができる。
図11は、触覚アクチュエーターアセンブリ1120に電力を提供することができる電源1140を更に示す。電源1140は、上述した電源140の一実施形態である。一実施形態では、導線は、電源1140を触覚アクチュエーター621の電極621c−1/621c−2に電気的に接続する。電源1140は、制御ユニット1130により、触覚アクチュエーター621の電極621c−1/621c−2に電圧信号又は駆動信号等の駆動信号を提供するように制御することができる。制御ユニット1130は、上述した制御ユニット130の一実施形態である。一実施形態では、制御ユニット1130は、触覚アクチュエーターアセンブリ1120に正弦波駆動信号を提供するように電源1140を制御することができ、それにより、触覚アクチュエーター621に、軸617に沿った振動等の発振変位を出力させることができる。一実施形態では、正弦波駆動信号は、例えば60V〜120Vの範囲であるピークツーピーク振幅と、50Hz〜200Hzの範囲である周波数とを有することができる。予荷重デバイス1127は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621による拡張又はより一般的には変位に抵抗するように、例えば2N〜4Nの範囲である圧縮荷重を発生させることができる。上述したように、触覚アクチュエーター621から出力される変位を低減させることにより、予荷重デバイス1127は、触覚アクチュエーター621によって出力される力の増大をもたらし、それにより、より知覚可能な触覚効果をもたらし又は生成する。電圧信号又は駆動信号は、印加される電圧又は電流を変化させることによって調整することができ、それにより、触覚アクチュエーターアセンブリ1120によって加えられる力を制御する。
一実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ1120は、比較的高い周波数で作動する調和振動子として機能することができる。動作時、電源1140が、触覚アクチュエーターアセンブリ1120に正弦波駆動信号を提供すると、触覚アクチュエーター621は、発振駆動信号によって指示されるように振動する。より詳細には、触覚アクチュエーター621の動作に関して上述したように、軸617に沿った触覚アクチュエーター621によって出力される変位は、触覚アクチュエーター621の拡張又は収縮から生じることができる。一実施形態では、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の変位により、カバー1164及びベース1166両方の動き又は振動がもたらされる。別の実施形態では、カバー1164又はベース1166のうちの一方が、より詳細に後述するように機械的基礎として作用するように構成され、その結果、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の変位により、機械的基礎であるように構成されていない他方の対向する構造体のみの動き又は振動がもたらされる。したがって、触覚アクチュエーターアセンブリ1120は、振動し、それが取り付けられている触覚対応デバイスのハウジング又は他の部分に触覚感覚を提供する。
上述したように、本発明の一実施形態では、カバー1164又はベース1166のうちの一方を、他方の構造体が振動/変位するのに対し機械的基礎として作用するように構成することができる。例えば、図11の実施形態では、ばね構成要素1160に取り付けられているカバー1164は、ばね構成要素1160のばね特性を介して機械的基礎として作用するように構成することができる。ばね構成要素1160が十分に堅いように選択される場合、カバー1164は、機械的基礎として作用し、それにより、触覚アクチュエーター621が発生させる力をベース1166に移す。言い換えれば、機械的基礎は、本質的に、触覚アクチュエーターアセンブリ1120からの変位をカバー1164ではなくベース1166に向けるように機能する。ばね構成要素1160は軸617に沿って非圧縮性とすることができ、その結果、触覚アクチュエーター621が軸617に沿って拡張するとき、ベース1164は、その拡張に対して、ばね構成要素1160が提供するよりはるかに小さい抵抗を提供する。その結果、触覚アクチュエーター621の拡張の大部分又は全てを、カバー1164に対してではなくベース1166を振動又は変位させるために向けることができる。
代替的に、別の実施形態では、ベース1166を、機械的基礎として作用し、それにより触覚アクチュエーター621が発生させる力をばね構成要素1160及びカバー1164に移すように、構成することができる。ばね構成要素1160は軸617に沿って圧縮可能とすることができ、その結果、触覚アクチュエーター621が軸617に沿って拡張するとき、ばね構成要素1160及びカバー1164は、拡張に対して、ベース1164が提供するよりはるかに小さい抵抗を提供する。その結果、触覚アクチュエーター621の拡張の大部分又は全てを、ベース1166に対してではなく、カバー1164を振動又は変位させるために向けることができる。ベース1166は、機械的基礎として作用するように構成される好適なヤング率及び/又は厚さを有する相対的により堅い材料とすることができる。
一実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ1120の構成要素は、より有効な触覚感覚を提供するように選択することができ、触覚アクチュエーターアセンブリ1120の共振周波数は、ばね構成要素1160を介して調整される。触覚アクチュエーター621は、第1の共振周波数を有し、触覚アクチュエーターアセンブリ1120は第2の共振周波数を有し、第2の共振周波数は第1の共振周波数とは異なる。第2の共振周波数は、第1のばね構成要素1160のばね定数によって変化し、又は、そうしたばね定数を介して決定される。例えば、触覚アクチュエーター621は、触覚アクチュエーターアセンブリ1120(触覚アクチュエーター621とともに予荷重デバイス1127を含む)の固有周波数で発振する場合、より強力な力及びより有効な触覚感覚を出力することができる。より詳細には、電源1140が、触覚アクチュエーターアセンブリ1120に駆動信号を提供し、駆動信号が、触覚アクチュエーターアセンブリ1120の共振周波数に等しい周波数を有する周期的な信号であるとき、触覚アクチュエーターアセンブリ1120は、より有効な触覚感覚を提供するように共振する。ばね構成要素1160の追加により、触覚アクチュエーター1120の総ばね定数は、触覚アクチュエーター621単独のばね定数とは異なる。したがって、触覚アクチュエーターアセンブリ1120の共振周波数は、ばね構成要素1160のばね定数に応じて変化し、触覚アクチュエーターアセンブリ1120の共振周波数は、特定の又は所定のばね構成要素1160を選択することによって制御することができる。言い換えれば、触覚アクチュエーターアセンブリ1120が、出力される力及び効果を増幅させるために所望の又は所定の共振周波数を有するように、ばね構成要素1160は、触覚アクチュエーター621単独の共振周波数を変更する又は部分的に変更するように選択することができる。共振周波数を制御することにより、触覚アクチュエーターアセンブリ1120は、振幅変調技法によって広いスペクトルの周波数を提示するように或る特定の周波数で共振するように構成することができる。したがって、触覚アクチュエーターアセンブリ1120は、駆動信号が触覚アクチュエーターアセンブリ1120の共振周波数と等しい周波数を有するとき、上述したように機械的共振を具現化するように構成することができる。
ばね構成要素1160を介して触覚アクチュエーターアセンブリ1120の共振周波数を同調させるか又は調整することに加えて、ベース1166(又は、ベース1166が機械的ベースであるように構成され、カバー1164が共振するように構成されている場合は、カバー1164)が共振周波数の十分な加速を有することを確実にするために、ベース1166に追加の質量を含めることができる。ベース1166に所定質量の別個の構成要素を取り付けることにより、又は所定質量を有するようにベース1166を形成することにより、ベース1166に追加の質量を含めることができる。
図13は、予荷重、又はより具体的には圧縮荷重が、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bによって生成される一実施形態を示す。より具体的には、図13は、上述した触覚アクチュエーター621とともに予荷重デバイス1327を備える触覚アクチュエーターアセンブリ1320の側断面図を示す。触覚アクチュエーターアセンブリ1320は、触覚アクチュエーター621があるように示し記載しているが、予荷重デバイス1327とともに、本明細書に記載するいかなる触覚アクチュエーターも利用することができる。予荷重デバイス1327は、触覚アクチュエーター621に対して軸617に沿った圧縮荷重を生成するように構成され、圧縮荷重は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の拡張、又はより一般的には変形に抵抗する。
予荷重デバイス1327は、第1のばね構成要素1360A、第2のばね構成要素1360B及びケーシング1362を備える。ケーシング1362は、上述したケーシング1162と同様であり、カバー1364と、カバー1364から間隔を空けて配置されかつカバー1364に対して水平に延在するベース1366とを含む。ケーシング1362は、第1のばね構成要素1360Aと、第2のばね構成要素1360Bと、圧電材料の層621a及び変位変換デバイス621b−1/621b−2の両方を備える触覚アクチュエーター621とを保持又は維持する。触覚アクチュエーター621は、カバー1364とベース1366との間に配置され、カバー1364及びベース1366は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の反対側の端部それぞれに配置されている。しかしながら、この実施形態では、触覚アクチュエーター621は、より詳細に後述するように、カバー1364又はベース1366と接触せず、むしろ、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bを介して、カバー1364とベース1366との間に懸架されている。
ケーシング1162に関して上述したように、ケーシング1362は、内蔵デバイスとして触覚アクチュエーターアセンブリ1320を提供するように機能し、それによって発生する予荷重は、例えば、触覚アクチュエーターアセンブリ1320に組み込まれるか又は触覚アクチュエーターアセンブリ1320の内部にある荷重である。したがって、予荷重デバイス1327が発生させる予荷重は、ユーザーインタラクション、又は、触覚アクチュエーターアセンブリ1320の外部にある作用とは独立した荷重とすることができる。例えば、予荷重デバイス1327を有する触覚アクチュエーターアセンブリ1320は、触覚アクチュエーターアセンブリ1320が外部荷重をほとんど又は全く受けない場所に配置することができる。例えば、触覚アクチュエーター1320は、図3Bに関して上述したように携帯電話のバックパネルの内面等、携帯電話の裏面に配置することができる。バックパネルは、低質量を有することができ、触覚アクチュエーターアセンブリ1120に対してかける外部荷重を1N未満とすることができる。
より詳細には、第1のばね構成要素1360Aは、第1の端部1361Aがカバー1364の内面に結合され、第2の反対側の端部1361Bが触覚アクチュエーター621の外面に結合されるように、ケーシング1362内に配置されている。第2のばね構成要素1360Bは、第1の端部1361Cがベース1366の内面に結合され、第2の反対側の端部1361Dが触覚アクチュエーターの外面に結合されるように、ケーシング1362内に配置されている。まとまって、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bは、触覚アクチュエーター621に対して軸617に沿った圧縮荷重を生成するように構成され、圧縮荷重は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の拡張に抵抗する。第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bは、それらの機能的動作を表すように単に例示の目的でらせん形要素として示されており、この説明は、それらの実際の物理的形状を説明又は制限するようには意図されていない。第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bは、限定されないが、エラストマー、らせん若しくはコイルばね、板ばね、薄板ばね、ウェーブワッシャー、スナップドームばね、又はゴム、発泡体若しくはたわみ部等、高コンプライアンス要素を含む、所望の圧縮力をかけるばね特性を有する任意のタイプのばね要素とすることができる。さらに、図13では第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bの各々に対して単一のばね要素を示すが、いくつかの実施態様では、所望の圧縮力をかけるために、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bの各々に対して複数のばね構成要素を使用することができることが理解されるべきである。
予荷重を発生させるために、カバー1364は、触覚アクチュエーター621に対して第1のばね構成要素1360Aを付勢し、一方で、ベース1366は、触覚アクチュエーター621に対して第2のばね構成要素1360Bを付勢して、まとまって触覚アクチュエーター621に対して圧縮力を加える。一実施形態では、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bは、2N〜4Nの範囲である予荷重をまとまって発生させるように構成することができる。2N〜4Nの範囲の予荷重により、触覚アクチュエーター621は、印加される電位に応じて確実にかつ予測可能に変形することができる。触覚アクチュエーター621が、印加される電位に応じて変形するとき、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bは、各々、触覚アクチュエーター621に対して、触覚アクチュエーター621からの変位をその定格変位の分数(例えば、1/2、3/4)である値まで抑制するばね力をかける。触覚アクチュエーター621から出力される変位を低減させることにより、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bは、まとまって、触覚アクチュエーター621によって出力される力の増大をもたらす。その結果、触覚アクチュエーターアセンブリ1320によって振動触知性触覚効果が発生する場合、予荷重を有していない触覚アクチュエーターによって振動触知性触覚効果が発生する状況と比較して、振動触知性触覚効果と同時に発生する力は、より強力かつより知覚可能とすることができる。
触覚アクチュエーターアセンブリ1120と同様に、触覚アクチュエーターアセンブリ1320は、比較的高い周波数で作動しかつ触覚アクチュエーターアセンブリ1120と同様に動作する、調和振動子として機能することができる。動作時、電源(図13には示さず)が、触覚アクチュエーターアセンブリ1320に正弦波駆動信号を提供すると、触覚アクチュエーター621は、発振駆動信号によって指示されるように振動する。より詳細には、触覚アクチュエーター621の動作に関して上述したように、軸617に沿った触覚アクチュエーター621によって出力される変位は、触覚アクチュエーター621の拡張又は収縮から生じることができる。一実施形態では、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の変位により、カバー1364及びベース1366両方の動き又は振動がもたらされる。別の実施形態では、カバー1364又はベース1366のうちの一方が、より詳細に後述するように機械的基礎として作用するように構成され、その結果、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の変位により、機械的基礎であるように構成されていない他方の対向する構造体のみの動き又は振動がもたらされる。したがって、触覚アクチュエーターアセンブリ1320は、振動し、それが取り付けられている触覚対応デバイスのハウジング又は他の部分に触覚感覚を提供する。
上述したように、本発明の一実施形態では、カバー1364又はベース1366のうちの一方を、他方の構造体が振動/変位する間に機械的基礎として作用するように構成することができる。例えば、図13の実施形態では、第1のばね構成要素1360Aに取り付けられているカバー1364を、第1のばね構成要素1360Aのばね特性を介して機械的基礎として作用するように構成することができる。第1のばね構成要素1360Aが十分に堅いように選択される場合、カバー1364は、機械的基礎として作用し、それにより、触覚アクチュエーター621が発生させる力を、(軸617に沿って圧縮可能な)第2のばね構成要素1360Aとそれに取り付けられたベース1366とに移す。言い換えれば、機械的基礎は、触覚アクチュエーターアセンブリ1320からの変位を、カバー1364ではなくベース1366に対して本質的に向けるように機能する。第1のばね構成要素1360Aは、軸617に沿って非圧縮性とすることができ、その結果、触覚アクチュエーター621が軸617に沿って拡張するとき、第2のばね構成要素1360Aとそれに取り付けられたベース1366とは、その拡張に対して、第1のばね構成要素1360が提供するよりはるかに小さい抵抗を提供する。その結果、触覚アクチュエーター621の拡張の大部分又は全てを、カバー1364に対してではなく、ベース1366を振動又は変位させるために向けることができる。本発明の別の実施形態では、第2のばね構成要素1360Bに取り付けられているベース1366を、第2のばね構成要素1360Bのばね特性を介して機械的基礎として作用するように構成することができる。
一実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ1320の構成要素は、より有効な触覚感覚を提供するように選択することができる。より詳細には、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bのばね定数を、互いに異なるものとすることができる。例えば、上述したように、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bのばね定数を、互いに異なるものとすることができ、カバー1364又はベース1366のうちの一方が機械的基礎として作用するように構成され、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の変位により、機械的基礎として構成されていない他方の対向する構造体のみの運動又は振動がもたらされるように、構成することができる。例えば、触覚アクチュエーターアセンブリ1320が、モバイルデバイスのタッチスクリーンの真下に配置されている場合、第1のばね構成要素1360Aを介する運動又は振動を可能にしながら、第2のばね構成要素1360Bを介して機械的基礎を提供するこうした差動ばね定数は、本質的にタッチスクリーンを懸架し、触覚効果がユーザーによって感知されるのを可能にする。
さらに、一実施形態では、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bのばね定数を、互いに異なるものとすることができ、触覚アクチュエーターアセンブリ1320が機械的共振を実現するように構成されるように構成することができる。言い換えれば、触覚アクチュエーターアセンブリ1320の共振周波数は、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bを介して調整される。触覚アクチュエーター621は第1の共振周波数を有し、触覚アクチュエーターアセンブリ1320は第2の共振周波数を有し、第2の共振周波数は第1の共振周波数とは異なる。第2の共振周波数は、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bのばね定数によって変化し、又はそうしたばね定数を介して決定される。第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bを追加することにより、触覚アクチュエーターアセンブリ1320の総ばね定数は、触覚アクチュエーター621単独のばね定数とは異なる。したがって、触覚アクチュエーターアセンブリ1320の共振周波数は、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bの各々のばね定数に応じて変化し、触覚アクチュエーターアセンブリ1320の共振周波数は、特定の又は所定のばね構成要素1360A、1360Bを選択することによって制御することができる。言い換えれば、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bは、触覚アクチュエーターアセンブリ1320が、出力される力及び効果を増幅させるために所望の又は所定の共振周波数を有するように、触覚アクチュエーター621単独の共振周波数を変更するか又は部分的に変更するように選択することができる。共振周波数を制御することにより、触覚アクチュエーターアセンブリ1320は、振幅変調技法によって広いスペクトルの周波数を提示するように或る特定の周波数で共振するように構成することができる。触覚アクチュエーターアセンブリ1320において2つのばね構成要素(すなわち、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360B)を利用することにより、2つのばね構成要素がシステムの全体的な剛性に寄与するため、触覚アクチュエーターアセンブリ1320の共振周波数を調整する広範囲の可能性が可能になる。言い換えれば、システムの共振周波数は、システムの全体的な剛性によって変化し、第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bのばね定数の様々な組合せによって同調させるか又は調整することができる。
第1のばね構成要素1360A及び第2のばね構成要素1360Bを介して触覚アクチュエーターアセンブリ1320の共振周波数を同調させるか又は調整することに加えて、ベース1366(又は、ベース1366が機械的基礎として構成され、カバー1364が共振するように構成される場合は、カバー1364)が共振周波数の十分な加速を有することを確実にするために、ベース1366に追加の質量を含めることができる。ベース1366に所定質量の別個の構成要素を取り付けることにより、又は所定質量を有するようにベース1366を形成することにより、ベース1366に追加の質量を含めることができる。
図16A及び図16Bは、予荷重、又はより具体的には圧縮荷重が、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bを含むケーシング1662によって生成され、それらがケーシング1662の要素を合わせて解除可能に結合する、一実施形態を示す。より具体的には、図16Bは、上述した触覚アクチュエーター621とともに予荷重デバイス1627を備える触覚アクチュエーターアセンブリ1620の側断面図を示す。触覚アクチュエーターアセンブリ1620は、触覚アクチュエーター621があるように示しかつ記載するが、予荷重デバイス1627とともに本明細書に記載するいかなる触覚アクチュエーターも利用することができる。予荷重デバイス1627は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621に対する圧縮荷重を生成するように構成され、圧縮荷重は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の拡張、又はより一般的には変形に抵抗する。
予荷重デバイス1627は、第1のばね構成要素1660A、第2のばね構成要素1660B及びケーシング1662を備える。ケーシング1662は、カバー1664と、カバー1664から間隔を空けて配置されかつカバー1664に対して平行に延在するベース1666とを含む。一実施形態では、ベース1666は、ベース1666の外周部に配置されかつカバー1664に向かう方向に延在する、側壁1668を含む。側壁1668は、ベース1666とカバー1664との間には延在せず、カバー1664に直接接触しない。側壁1668は、端面1674を画定する。ケーシング1662への組付け前のカバー1664の側面図である図16Aに最もよく示すように、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bは、各々、カバー1664のそれぞれの外端部1676に取り付けられ、かつそこから外向きに延在する。第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bは、ケーシング1662の反対側の端部に配置されている。図16Bに示すように、カバー1664がベース1666に組み付けられるとき、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bは、各々、ベース1666に解除可能に取り付けられる。より詳細には、第1のばね構成要素1660Aは、カバー1664の外端部1676と側壁1668の端面1674との間に延在し、第2のばね構成要素1660Bは、カバー1664の外端部1676と側壁1668の端面1674との間に延在する。
カバー1664及びベース1666が、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bを介して互いに結合されるように組み立てられた後、ケーシング1662は、圧電材料の層621a及び変位変換デバイス621b−1/621b−2の両方を備える触覚アクチュエーター621を保持又は包含するように構成される。触覚アクチュエーター621は、カバー1664とベース1666との間に配置され、カバー1664及びベース1666は、触覚アクチュエーター621の軸617に沿った触覚アクチュエーター621の反対側の端部それぞれに配置されている。一実施形態では、ベース1666は触覚アクチュエーター621を支持し、又は言い換えれば、触覚アクチュエーター621は、ベース1166の内面に配置されている。一実施形態では、ベース1666は、接着剤又は他の何らかの取付方法を介して、触覚アクチュエーター621に取り付けることができる。
ケーシング1162に関して上述したように、ケーシング1662は、内蔵デバイスとして触覚アクチュエーターアセンブリ1620を提供するように機能し、それによって発生する予荷重は、例えば、触覚アクチュエーターアセンブリ1620に組み込まれるか又は触覚アクチュエーターアセンブリ1620の内部にある荷重である。したがって、予荷重デバイス1627が発生させる予荷重は、ユーザーインタラクション、又は、触覚アクチュエーターアセンブリ1620の外部にある作用とは独立した荷重とすることができる。例えば、予荷重デバイス1627を有する触覚アクチュエーターアセンブリ1620は、触覚アクチュエーターアセンブリ1620が外部荷重をほとんど又は全く受けない場所に配置することができる。例えば、触覚アクチュエーターアセンブリ1620は、図3Bに関して上述したように、携帯電話のバックパネルの内面等、携帯電話の裏面に配置することができる。バックパネルは、低質量を有することができ、触覚アクチュエーターアセンブリ1120にかける外部荷重を1N未満とすることができる。ベース1666の側壁1668は、ケーシング1662の上述した機能に役立つ。しかしながら、一実施形態では、側壁1668のうちの1つ以上を省略することができる。さらに、第1のばね構成要素1660A及び/又は第2のばね構成要素1660Bは、そのばね構成要素が、側壁が省略された場所に配置される場合、カバー1664とベース1666との間に延在することができる。さらに、側壁1668は、カバー1664及び/又はベース1666の全長又は全幅にわたって延在する必要はない。例えば、一実施形態では、各側壁1668は、柱構成を有し、例えば、カバー1664の隅とベース1666の隅との間に配置することができる。
まとまって、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bは、触覚アクチュエーター621に対して軸617に沿った圧縮荷重を生成するように構成され、圧縮荷重は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の拡張に抵抗する。第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bは、限定されないが、エラストマー、らせん若しくはコイルばね、板ばね、薄板ばね、ウェーブワッシャー、スナップドームばね、又はゴム、発泡体若しくはたわみ部等、高コンプライアンス要素を含む、所望の圧縮力をかけるばね特性を有する任意のタイプのばね要素とすることができる。さらに、図16では第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bの各々に対して単一のばね要素を示すが、いくつかの実施態様では、所望の圧縮力をかけるために、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bの各々に対して複数のばね構成要素を使用することができることが理解されるべきである。
予荷重を発生させるために、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bは、各々、カバー1664及びベース1666を触覚アクチュエーター621に対して付勢する引張ばね力を提供する。言い換えれば、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bは、各々、カバー1664及びベース1666を互いに対して付勢する力を加えるテンショナーであるとみなすことができる。そして、カバー1664及びベース1666は、それにより、予荷重を発生させるために触覚アクチュエーター621に対して所望の圧縮力をかける。一実施形態では、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bは、2N〜4Nの範囲である予荷重をまとまって発生させるように構成することができる。2N〜4Nの範囲の予荷重により、触覚アクチュエーター621は、印加される電位に応じて確実にかつ予測可能に変形することができる。触覚アクチュエーター621が、印加される電位に応じて変形するとき、触覚アクチュエーター621にかけられる予荷重は、触覚アクチュエーター621からの変位を、その定格変位の分数(例えば、1/2、3/4)である値まで抑制する。触覚アクチュエーター621から出力される変位を低減させることにより、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bは、まとまって、触覚アクチュエーター621によって出力される力の増大をもたらすように構成される。その結果、触覚アクチュエーターアセンブリ1620によって振動触知性触覚効果が発生する場合、予荷重を有していない触覚アクチュエーターによって振動触知性触覚効果が発生する状況と比較して、振動触知性触覚効果と同時に発生する力は、より強力かつより知覚可能とすることができる。
触覚アクチュエーターアセンブリ1120と同様に、触覚アクチュエーターアセンブリ1620は、比較的高い周波数で作動しかつ触覚アクチュエーターアセンブリ1120と同様に動作する、調和振動子として機能することができる。動作時、電源(図16には示さず)が、触覚アクチュエーターアセンブリ1620に正弦波駆動信号を提供すると、触覚アクチュエーター621は、発振駆動信号によって指示されるように振動する。より詳細には、触覚アクチュエーター621の動作に関して上述したように、軸617に沿った触覚アクチュエーター621によって出力される変位は、触覚アクチュエーター621の拡張又は収縮から生じることができる。一実施形態では、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の変位により、カバー1664及びベース1666両方の動き又は振動がもたらされる。別の実施形態では、カバー1664又はベース1666のうちの一方が、より詳細に後述するように機械的基礎として作用するように構成され、その結果、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の変位により、機械的基礎であるように構成されていない他方の対向する構造体のみの動き又は振動がもたらされる。したがって、触覚アクチュエーターアセンブリ1620は、振動し、それが取り付けられている触覚対応デバイスのハウジング又は部分に触覚感覚を提供する。
上述したように、本発明の一実施形態では、カバー1664又はベース1666のうちの一方が、他方の構造体が振動/変位するのに対し機械的基礎として作用するように構成することができる。例えば、カバー1664又はベース1666のうちの一方は、機械的基礎として作用するように構成されるように好適なヤング率及び/又は厚さを有する相対的により堅い材料とすることができる。機械的基礎(すなわち、カバー1664又はベース1666のうちの一方)は、触覚アクチュエーター621が発生させる力を、他方の平面要素(すなわち、カバー1664又はベース1666のうちの他方)に移す。言い換えれば、機械的基礎は、触覚アクチュエーターアセンブリ1620からの変位を他方の平面要素に本質的に向けるように機能する。その結果、触覚アクチュエーター621の拡張の大部分又は全ては、他方の平面要素を振動させるか又は変位させるために向けることができる。
一実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ1620の構成要素は、より有効な触覚感覚を提供するように選択することができる。より詳細には、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bのばね定数は、それぞれのばね構成要素を同調させ、それに従って触覚効果を調整するように選択することができる。例えば、一実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ1620は、機械的共振を実現するように構成することができる。言い換えれば、触覚アクチュエーターアセンブリ1620の共振周波数は、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bを介して調整される。触覚アクチュエーター621は、第1の共振周波数を有し、触覚アクチュエーターアセンブリ1620は第2の共振周波数を有し、第2の共振周波数は第1の共振周波数とは異なる。第2の共振周波数は、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bのばね定数によって変化し、又は、そうしたばね定数を介して決定される。第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bを追加することにより、触覚アクチュエーターアセンブリ1620の総ばね定数は、触覚アクチュエーター621単独のばね定数とは異なる。したがって、触覚アクチュエーターアセンブリ1620の共振周波数は、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bの各々のばね定数に応じて変化し、触覚アクチュエーターアセンブリ1620の共振周波数は、特定の又は所定のばね構成要素1660A、1660Bを選択することによって制御することができる。言い換えれば、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bは、触覚アクチュエーターアセンブリ1620が、出力される力及び効果を増幅させるために所望の又は所定の共振周波数を有するように、触覚アクチュエーター621単独の共振周波数を変更するか又は部分的に変更するように選択することができる。共振周波数を制御することにより、触覚アクチュエーターアセンブリ1620は、振幅変調技法によって広いスペクトルの周波数を提示するように或る特定の周波数で共振するように構成することができる。
第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bを介して触覚アクチュエーターアセンブリ1620の共振周波数を同調させるか又は調整することに加えて、可動平面要素(すなわち、機械的基礎として構成されていないカバー1664又はベース1666のうちの一方)が共振周波数での十分な加速を有することを確実にするために、可動平面要素に追加の質量を含めることができる。所定質量の別個の構成要素を取り付けることにより、又は所定質量を有するように可動平面要素を形成することにより、可動平面要素に追加の質量を含めることができる。
一実施形態では、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bのばね定数を、互いに異なるものとすることができる。より詳細には、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bが異なるばね定数を有し、触覚アクチュエーター621が軸617に沿って拡張するか又は他の方法で軸617に沿った変位を発生させるとき、ベース1666及び/又はカバー1664の変位は、その質量中心に対して偏心し、したがって、ベース1666及び/又はカバー1664の質量中心を中心とするトルク(モーメントとも呼ぶ)を発生させることができる。したがって、ベース1666及び/又はカバー1664は、触覚アクチュエーター621によって押されるとき、その質量中心を中心とする何らかの回転を呈することができる。言い換えれば、第1のばね構成要素1660A及び第2のばね構成要素1660Bが異なるばね定数を有する場合、ベース1666及び/又はカバー1664の一部が、触覚アクチュエーター621によって押されるときにレバーとして作用することができる。このレバー構成は、触覚アクチュエーター621並びにベース1666及び/又はカバー1664の動きが発生させる触覚効果を促進することができる可能性がある。
図17は、予荷重、又はより具体的には圧縮荷重が、触覚対応デバイスの既存の構成要素に触覚アクチュエーター621を組み込み、アセンブリの共振周波数を同調させるように第1のばね構成要素1760A及び第2のばね構成要素1760Bを更に含めることにより生成される、一実施形態を示す。より具体的には、図17は、上述した触覚アクチュエーター621とともに予荷重デバイス1727を備える触覚アクチュエーターアセンブリ1720の側断面図を示す。触覚アクチュエーターアセンブリ1720は、触覚アクチュエーター621があるように図示し記載しているが、予荷重デバイス1727とともに、本明細書に記載するいかなる触覚アクチュエーターも利用することができる。予荷重デバイス1727は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621に対する圧縮荷重を生成するように構成され、圧縮荷重は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の拡張、又はより一般的には変形に抵抗する。
図17の実施形態では、予荷重デバイス1727は、触覚対応デバイスのバッテリ1780の構成要素を含む。しかしながら、予荷重デバイス1727は、バッテリ部品又は構成要素があるように説明するが、これは、触覚対応デバイスの既存の構成要素の内部で触覚アクチュエーターアセンブリ1720をいかに実装するかの単に一例であり、触覚対応デバイスの他の既存の構成要素を同様に利用することができる。バッテリ1780は、カバー1764と、カバー1764から間隔を空けて配置されかつカバー1764に対して平行に延在するベース1766とを含む。一実施形態では、バッテリ1780のカバー1764及び/又はベース1766は、プリント回路基板とすることができる。バッテリ1780は、圧電材料の層621a及び変位変換デバイス621b−1/621b−2の両方を備える触覚アクチュエーター621を収容し又は包含するように構成されている。触覚アクチュエーター621はカバー1764とベース1766との間に配置され、カバー1764及びベース1766は、触覚アクチュエーター621のその軸617に沿った触覚アクチュエーター621の反対側の端部それぞれに配置されている。一実施形態では、ベース1766は触覚アクチュエーター621を支持し、又は言い換えれば、触覚アクチュエーター621は、ベース1766の内面に配置されている。一実施形態では、ベース1766は、接着剤又は他の何らかの取付方法を介して、触覚アクチュエーター621に取り付けることができる。
第1のばね構成要素1760Aは、第1の端部1761Aがカバー1764の内面に結合され、第2の反対側の端部1761Bがベース1766の内面に結合されるように配置されている。同様に、第2のばね構成要素1760Bは、第1の端部1761Cがカバー1764の内面に結合され、第2の反対側の端部1761Dがベース1766の内面に結合されるように配置されている。第1のばね構成要素1760A及び第2のばね構成要素1760Bは、それらの機能的動作を表すために単に例示の目的でらせん形要素として示されており、この説明は、それらの実際の物理的な形状を記載し又は限定するようには意図されていない。第1のばね構成要素1760A及び第2のばね構成要素1760Bは、より詳細に後述するように、限定されないが、エラストマー、らせん若しくはコイルばね、板ばね、薄板ばね、ウェーブワッシャー、スナップドームばね、又はゴム、発泡体若しくはたわみ部等、高コンプライアンス要素を含む、触覚アクチュエーターアセンブリ1720の共振周波数を同調させるばね特性を有する任意のタイプのばね要素とすることができる。
図17の実施形態では、ベース1766は機械的基礎として作用するように構成され、一方で、カバー1764は、触覚アクチュエーター621に予荷重をかけるために必要な質量を提供する。言い換えれば、この実施形態では、カバー1764の質量は、触覚アクチュエーター621に対して軸617に沿った圧縮荷重を生成するように構成され、圧縮荷重は、軸617に沿った触覚アクチュエーター621の拡張に抵抗する。触覚アクチュエーターアセンブリ1720は、比較的高い周波数で作動する調和振動子として機能することができる。動作時、電源(図17には示さず)が触覚アクチュエーターアセンブリ1720に正弦波駆動信号を提供すると、触覚アクチュエーター621は、発振駆動信号によって指示されるように振動する。より詳細には、触覚アクチュエーター621の動作に関して上述したように、軸617に沿った触覚アクチュエーター621によって出力される変位は、触覚アクチュエーター621の拡張又は収縮から生じることができる。したがって、触覚アクチュエーターアセンブリ1720は、振動し、それが取り付けられているバッテリ1780に触覚感覚を提供する。
触覚アクチュエーターアセンブリ1720は、第1のばね構成要素1760A及び第2のばね構成要素1760Bを介して機械的共振を実現するように構成される。より詳細には、触覚アクチュエーター621は第1の共振周波数を有し、触覚アクチュエーターアセンブリ1720は第2の共振周波数を有し、第2の共振周波数は第1の共振周波数とは異なる。第2の共振周波数は、第1のばね構成要素1760A及び第2のばね構成要素1760Bのばね定数によって変化し、又はそうしたばね定数を介して決定される。第1のばね構成要素1760A及び第2のばね構成要素1760Bを追加することにより、触覚アクチュエーターアセンブリ1720の総ばね定数は、触覚アクチュエーター621単独のばね定数とは異なる。したがって、触覚アクチュエーターアセンブリ1720の共振周波数は、第1のばね構成要素1760A及び第2のばね構成要素1760Bの各々のばね定数に応じて変化し、触覚アクチュエーターアセンブリ1720の共振周波数は、特定の又は所定のばね構成要素1760A、1760Bを選択することによって制御することができる。言い換えれば、第1のばね構成要素1760A及び第2のばね構成要素1760Bは、触覚アクチュエーターアセンブリ1720が、出力される力及び効果を増幅させるために所望の又は所定の共振周波数を有するように、触覚アクチュエーター621単独の共振周波数を変更するか又は部分的に変更するように選択することができる。共振周波数を制御することにより、触覚アクチュエーターアセンブリ1720は、振幅変調技法によって広いスペクトルの周波数を提示するように或る特定の周波数で共振するように構成することができる。
一実施形態では、触覚アクチュエーターアセンブリ1720/1620/1520/1420/1320/1120の全体厚さは、2mm〜10mmの範囲とすることができる。
一実施形態では、例えば50V〜100Vの電圧差が触覚アクチュエーター621の2つの電極に印加されるとき、かつ、圧縮荷重又は他の予荷重が、予荷重デバイス1727/1627/1527/1427/1327/1127によって触覚アクチュエーター621に加えられるとき、触覚アクチュエーター621は、5μm〜15μmの範囲である(触覚アクチュエーター621にいかなる電圧差も印加されていない基準状態に対する)変位を出力し、触覚アクチュエーターアセンブリ1720/1620/1520/1420/1320/1120は、軸617に沿った、2N〜10Nの範囲である力を出力するように構成される。
一実施形態では、触覚アクチュエーター621に印加されている電圧差が、例えば50V〜100Vであるとき、かつ、圧縮荷重が、予荷重デバイス1727/1627/1527/1427/1327/1127によって触覚アクチュエーター621に加えられるとき、触覚アクチュエーターは、触覚アクチュエーター621に対する規定された公称変位の25%〜50%の範囲である(基準状態に対する)変位を出力し、公称変位は、電圧差に対して特定とすることができる。さらにこの例では、触覚アクチュエーターアセンブリ1720/1620/1520/1420/1320/1120は、軸617に沿って、触覚アクチュエーター621に対して規定された阻止力の50%〜75%の範囲である力を出力するように構成することができ、阻止力もまた、電圧差に対して特定とすることができる。
一実施形態では、制御ユニット130/1130は、触覚アクチュエーターアセンブリ1720/1620/1520/1420/1320/1120の共振周波数である、触覚アクチュエーター621に対する駆動信号を発生させるように構成することができる。一実施形態では、駆動信号は、予荷重が存在しても、触覚アクチュエーターに損傷を与える過度の力又は変位を発生させるのを更に回避するために、規定閾値未満である振幅(例えば、ピークツーピーク振幅)を有することができる。
一実施形態では、制御ユニット130/1130は、少なくとも、触覚アクチュエーターアセンブリ1720/1620/1520/1420/1320/1120の共振周波数である第1の周波数と、触覚アクチュエーターアセンブリ1720/1620/1520/1420/1320/1120の共振周波数ではない第2の周波数とを含む周波数成分を有する駆動信号を発生させるように構成することができる。言い換えれば、駆動信号は、第1の周波数を有する第1の成分と、第2の周波数を有する第2の成分とを含むことができる。場合によっては、駆動信号の周波数は第1の成分及び第2の成分のみとすることができる。制御ユニット130/1130は、駆動信号の第1の成分が、規定閾値未満の第1の振幅を有するようにすることができ(第1の成分は共振周波数を有するため)、第2の成分が、第1の振幅より高くかつ規定閾値を上回る第2の振幅を有するようにすることができる。
以下、様々な実施形態の追加の考察を提示する。
実施形態1は、触覚アクチュエーター及び予荷重デバイスを備える触覚アクチュエーターアセンブリである。触覚アクチュエーターは、平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、平行軸はこの層の平面に対して平行である、圧電材料の層を備え、また、平行軸に沿った圧電材料の層の歪みを、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、垂直軸は層の平面に対して垂直である、変位変換デバイスを備える。触覚アクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている。
予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接し、かつ垂直軸に沿った触覚アクチュエーターに対する圧縮荷重を発生させるように構成されている。予荷重デバイスは、カバーと、このカバーから間隔を空けて配置されかつこのカバーに対して平行に延在するベースとを有するケーシングを備える。触覚アクチュエーターは、カバーとベースとの間に配置され、カバー及びベースは、触覚アクチュエーターの垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの反対側の端部それぞれに配置されている。第1のばね構成要素は、第1のばね構成要素の第1の端部がカバーの内面に結合され、第1の構成要素の第2の反対側の端部が触覚アクチュエーターの外面に結合されるように、ケーシング内に配置される。第1のばね構成要素は、触覚アクチュエーターに対する垂直軸に沿った圧縮荷重を生成するために力をかけるように構成されている。
実施形態2は、実施形態1の触覚アクチュエーターアセンブリを含み、触覚アクチュエーターの変位変換デバイスは、圧電材料の層の歪みに起因する平行軸に沿った圧電材料の層によって出力される変位を、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターのより大きい変位に変換するように構成された変位増幅デバイスである。
実施形態3は、実施形態2の触覚アクチュエーターアセンブリを含み、触覚アクチュエーターの変位増幅デバイスは、平行軸に沿った変位を垂直軸に沿ったより大きい変位に変換するように構成されたレバーデバイスを含む。
実施形態4は、実施形態3の触覚アクチュエーターアセンブリを含み、触覚アクチュエーターのレバーデバイスは、圧電材料の層の反対側の平面それぞれに配置された第1のディスク及び第2のディスクを含み、第1のディスク及び第2のディスクの各ディスクは、圧電材料の層のそれぞれの平面と円錐台を形成している。
実施形態5は、実施形態1〜4のいずれか1つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、第1のばね構成要素はばねプランジャーである。
実施形態6は、実施形態1〜4のいずれか1つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、第1のばね構成要素は、ねじ及び可撓性膜構成要素を含み、ねじは、可撓性膜構成要素のばね力を調整するように構成されている。
実施形態7は、実施形態1〜6のいずれか1つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、予荷重デバイスは、第2のばね構成要素であって、この第2のばね構成要素の第1の端部がベースの内面に結合され、この第2のばね構成要素の第2の反対側の端部が触覚アクチュエーターの外面に結合されるように、ケーシング内に配置される、第2のばね構成要素を更に備える。第1のばね構成要素及び第2のばね構成要素は、まとまって、触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を生成するために力をかけるように構成されている。
実施形態8は、実施形態7の触覚アクチュエーターアセンブリを含み、第1のばね構成要素は第1のばね定数を有し、第2のばね構成要素は第2のばね定数を有し、第1のばね定数は第2のばね定数と異なる。
実施形態9は、実施形態1〜8のいずれか1つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、予荷重デバイスの第1の構成要素及び第2の構成要素が発生させる垂直軸に沿った圧縮荷重は、2N〜4Nの範囲である。
実施形態10は、実施形態1〜9のいずれか1つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、触覚アクチュエーターは、圧電材料の層に取り付けられるか又は圧電材料の層内に埋め込まれ、かつ垂直軸に沿った電圧差を生成するように構成された、少なくとも2つの電極を更に備える。圧電材料の層は、垂直軸に沿った電圧差に応じて平行軸に沿って収縮するように構成されている。
実施形態11は、実施形態10の触覚アクチュエーターアセンブリを含み、少なくとも2つの電極の間の電圧差が50V〜100Vであるとき、かつ予荷重デバイスによって圧縮荷重が触覚アクチュエーターに加えられるとき、触覚アクチュエーターは、少なくとも2つの電極の間に電圧差がない基準状態と比較した、1μm〜15μmの範囲である、垂直軸に沿った変位を出力し、触覚アクチュエーターアセンブリは、2N〜10Nの範囲である、垂直軸に沿った力を出力するように構成されている。
実施形態12は、実施形態1〜11のいずれか1つの触覚アクチュエーターアセンブリを含み、触覚アクチュエーターは第1の共振周波数を有し、触覚アクチュエーターアセンブリは第2の共振周波数を有し、第2の共振周波数は第1の共振周波数とは異なり、第2の共振周波数は、第1のばね構成要素のばね定数を介して決定される。
実施形態13は、触覚アクチュエーターと予荷重デバイスとを備える触覚アクチュエーターアセンブリである。触覚アクチュエーターは、平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、平行軸はこの層の平面に対して平行である、圧電材料の層を備え、また、平行軸に沿った圧電材料の層の歪みを、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、垂直軸は層の平面に対して垂直である、変位変換デバイスを備える。触覚アクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている。
予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接し、かつ触覚アクチュエーターに対する垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成されている。予荷重デバイスは、カバーと、このカバーから間隔を空けて配置されかつこのカバーに対して平行に延在するベースと、第1のばね構成要素と、第2のばね構成要素とを有するケーシングを備える。第1のばね構成要素及び第2のばね構成要素は、カバーの反対側の端部それぞれに配置され、第1のばね構成要素及び第2のばね構成要素の各々は、カバーとベースとの間に延在する。第1のばね構成要素及び第2のばね構成要素は、まとまって、触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を生成するために力をかけるように構成されている。触覚アクチュエーターは、カバーとベースとの間に配置され、カバー及びベースは、触覚アクチュエーターの垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの反対側の端部それぞれに配置されている。
実施形態14は、実施形態13の触覚アクチュエーターアセンブリを含み、第1のばね構成要素及び第2のばね構成要素は、カバーに取り付けられており、ベースに解除可能に取り付けられている。
実施形態15は、ハウジングと、電源と、ハウジングの外面で触覚効果を発生させるように構成された触覚アクチュエーターアセンブリとを備える触覚対応デバイスである。触覚アクチュエーターは、平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、平行軸はこの層の平面に対して平行である、圧電材料の層を備え、また、圧電材料の層に取り付けられた又はその中に埋め込まれた少なくとも2つの電極を備え、また、平行軸に沿った圧電材料の層の歪みを、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、垂直軸は層の平面に対して垂直である、変位変換デバイスを備える。触覚アクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている。
予荷重デバイスは、触覚アクチュエーターに隣接し、かつ触覚アクチュエーターに対する垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成されている。予荷重デバイスは、カバーと、このカバーから間隔を空けて配置されかつこのカバーに対して平行に延在するベースとを有するケーシングを備える。触覚アクチュエーターは、カバーとベースとの間に配置され、カバー及びベースは、触覚アクチュエーターの垂直軸に沿った触覚アクチュエーターの反対側の端部それぞれに配置されている。第1のばね構成要素は、第1のばね構成要素の第1の端部がカバーの内面に結合され、第1の構成要素の第2の反対側の端部が触覚アクチュエーターの外面に結合されるように、ケーシング内に配置される。第1のばね構成要素は、触覚アクチュエーターに対する垂直軸に沿った圧縮荷重を生成するために力をかけるように構成されている。
触覚対応デバイスは、触覚アクチュエーターの少なくとも2つの電極に電力を提供するように電源を制御するように構成された制御ユニットを更に備える。
実施形態16は、実施形態15の触覚対応デバイスを含み、触覚対応デバイスのハウジングによって触覚アクチュエーターアセンブリに加えられるいかなる圧縮荷重も1N未満である。
実施形態17は、実施形態15又は16の触覚対応デバイスを含み、触覚対応デバイスは、ハウジングの第1の面を形成するタッチスクリーンデバイスを更に備える。ハウジングは、このハウジングの第2のかつ反対側の面を形成するバックパネルを備える。触覚アクチュエーターアセンブリは、この触覚アクチュエーターアセンブリによって生成される力がハウジングの第2の面に対してかけられるように、ハウジングの第2の面に配置されている。
実施形態18は、実施形態15〜17のいずれか1つの触覚対応デバイスを含み、制御ユニットは、触覚アクチュエーターに駆動信号を提供するように電源を制御するように構成され、駆動信号は、触覚アクチュエーターアセンブリの共振周波数に等しい周波数を有する周期的信号である。
実施形態19は、実施形態15〜18のいずれか1つの触覚対応デバイスを含み、触覚アクチュエーターは第1の共振周波数を有し、触覚アクチュエーターアセンブリは第2の共振周波数を有し、第2の共振周波数は第1の共振周波数とは異なり、第2の共振周波数は、第1のばね構成要素のばね定数を介して決定される。
実施形態20は、実施形態15〜19のいずれか1つの触覚対応デバイスを含み、予荷重デバイスは、第2のばね構成要素であって、この第2のばね構成要素の第1の端部がベースの内面に結合され、この第2のばね構成要素の第2の反対側の端部が触覚アクチュエーターの外面に結合されるように、ケーシング内に配置され、第1のばね構成要素及び第2のばね構成要素は、まとまって、触覚アクチュエーターに対して垂直軸に沿った圧縮荷重を生成するために力をかけるように構成されている、第2のばね構成要素を更に備える。
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。本明細書において論考された全ての特許及び刊行物は、引用することによりその全体が本明細書の一部をなす。
本願は、2018年6月15日に出願された米国特許出願第16/010,180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)
- 触覚アクチュエーターと、予荷重デバイスと、を有する触覚アクチュエーターアセンブリであって、
前記触覚アクチュエーターは、
平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、前記平行軸は該層の平面に対して平行である、圧電材料の層と、
前記平行軸に沿った前記圧電材料の層の前記歪みを、垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、前記垂直軸は前記層の前記平面に対して垂直である、変位変換デバイスと、
を有し、
前記触覚アクチュエーターの前記拡張又は前記収縮は、前記垂直軸に沿った前記触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成され、
前記予荷重デバイスは、前記触覚アクチュエーターに隣接し、かつ前記触覚アクチュエーターに対する前記垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成され、
前記予荷重デバイスは、
カバーと、
該カバーから間隔を空けて配置されかつ該カバーに対して平行に延在するベースとを有するケーシングであって、前記触覚アクチュエーターは前記カバーと前記ベースとの間に配置され、該カバー及び該ベースは、前記触覚アクチュエーターの垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの反対側の端部それぞれに配置されている、ケーシングと、
第1のばね構成要素であって、該第1のばね構成要素の第1の端部が前記カバーの内面に結合され、該第1の構成要素の第2の反対側の端部が前記触覚アクチュエーターの外面に結合されるように、前記ケーシング内に配置され、前記触覚アクチュエーターに対する前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重を生成するために力をかけるように構成されている、第1のばね構成要素と、
を有する、
ことを特徴とする触覚アクチュエーターアセンブリ。 - 前記触覚アクチュエーターの前記変位変換デバイスは、前記圧電材料の層の歪みに起因する前記平行軸に沿った該圧電材料の層によって出力される変位を、前記垂直軸に沿った前記触覚アクチュエーターのより大きい変位に変換するように構成された変位増幅デバイスである、ことを特徴とする請求項1に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
- 前記触覚アクチュエーターの前記変位増幅デバイスは、前記平行軸に沿った前記変位を前記垂直軸に沿った前記より大きい変位に変換するように構成されたレバーデバイスを含む、ことを特徴とする請求項2に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
- 前記触覚アクチュエーターの前記レバーデバイスは、前記圧電材料の層の反対側の平面それぞれに配置された第1のディスク及び第2のディスクを含み、該第1のディスク及び該第2のディスクの各ディスクは、前記圧電材料の層のそれぞれの平面と円錐台を形成している、ことを特徴とする請求項3に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
- 前記第1のばね構成要素はばねプランジャーである、ことを特徴とする請求項1に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
- 前記第1のばね構成要素は、ねじ及び可撓性膜構成要素を含み、該ねじは、該可撓性膜構成要素のばね力を調整するように構成されている、ことを特徴とする請求項1に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
- 前記予荷重デバイスは第2のばね構成要素を有し、
前記第2のばね構成要素は、該第2のばね構成要素の第1の端部が前記ベースの内面に結合され、該第2のばね構成要素の第2の反対側の端部が前記触覚アクチュエーターの外面に結合されるように、前記ケーシング内に配置され、
前記第1のばね構成要素及び該第2のばね構成要素は、まとまって、前記触覚アクチュエーターに対して前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重を生成するために前記力をかけるように構成されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。 - 前記第1のばね構成要素は第1のばね定数を有し、前記第2のばね構成要素は第2のばね定数を有し、前記第1のばね定数は前記第2のばね定数と異なる、ことを特徴とする請求項7に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
- 前記予荷重デバイスの前記第1の構成要素及び前記第2の構成要素が発生させる前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重は、2N〜4Nの範囲である、ことを特徴とする請求項1に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
- 前記触覚アクチュエーターは、前記圧電材料の層に取り付けられるか又は該圧電材料の層内に埋め込まれ、かつ前記垂直軸に沿った電圧差を生成するように構成された、少なくとも2つの電極を更に備え、前記圧電材料の層は、前記垂直軸に沿った前記電圧差に応じて前記平行軸に沿って収縮するように構成されている、ことを特徴とする請求項1に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
- 前記少なくとも2つの電極の間の前記電圧差が50V〜100Vであるとき、かつ前記予荷重デバイスによって前記圧縮荷重が前記触覚アクチュエーターに加えられるとき、該触覚アクチュエーターは、前記少なくとも2つの電極の間に電圧差がない基準状態と比較した、1μm〜15μmの範囲である、前記垂直軸に沿った変位を出力し、前記触覚アクチュエーターアセンブリは、2N〜10Nの範囲である、前記垂直軸に沿った力を出力するように構成されている、ことを特徴とする請求項10に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
- 前記触覚アクチュエーターは第1の共振周波数を有し、前記触覚アクチュエーターアセンブリは第2の共振周波数を有し、該第2の共振周波数は前記第1の共振周波数とは異なり、前記第2の共振周波数は、前記第1のばね構成要素のばね定数を介して決定される、ことを特徴とする請求項1に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
- 触覚アクチュエーターと、予荷重デバイスと、を有する触覚アクチュエーターアセンブリであって、
前記触覚アクチュエーターは、
平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、前記平行軸は該層の平面に対して平行である、圧電材料の層と、
前記平行軸に沿った前記圧電材料の層の前記歪みを、垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、前記垂直軸は前記層の前記平面に対して垂直である、変位変換デバイスと、
を有し、
前記触覚アクチュエーターの前記拡張又は前記収縮は、前記垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成され、
前記予荷重デバイスは、前記触覚アクチュエーターに隣接し、かつ前記触覚アクチュエーターに対する前記垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成され、
前記予荷重デバイスは、
カバーと、
該カバーから間隔を空けて配置されかつ該カバーに対して平行に延在するベースと、第1のばね構成要素と、第2のばね構成要素とを有するケーシングであって、前記第1のばね構成要素及び前記第2のばね構成要素は、前記カバーの反対側の端部それぞれに配置され、前記第1のばね構成要素及び前記第2のばね構成要素の各々は、前記カバーと前記ベースとの間に延在する、ケーシングと、
を有し、
前記第1のばね構成要素及び前記第2のばね構成要素は、まとまって、前記触覚アクチュエーターに対して前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重を生成するために力をかけるように構成されており、
前記触覚アクチュエーターは、前記カバーと前記ベースとの間に配置され、該カバー及び該ベースは、前記触覚アクチュエーターの垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの反対側の端部それぞれに配置されている、ことを特徴とする触覚アクチュエーターアセンブリ。 - 前記第1のばね構成要素及び前記第2のばね構成要素は、前記カバーに取り付けられており、前記ベースに解除可能に取り付けられている、ことを特徴とする請求項13に記載の触覚アクチュエーターアセンブリ。
- ハウジングと、電源と、前記ハウジングの外面で触覚効果を発生させるように構成された触覚アクチュエーターアセンブリと、前記電源を制御するように構成された制御ユニットと、を備える触覚対応デバイスであって、
前記触覚アクチュエーターアセンブリは、触覚アクチュエーターと、予荷重デバイスと、を備え、
前記触覚アクチュエーターは、
平行軸に沿って歪みを発生させるように構成された圧電材料の層であって、前記平行軸は該層の平面に対して平行である、圧電材料の層と、
前記圧電材料の層に取り付けられた又はその中に埋め込まれた少なくとも2つの電極と、
前記平行軸に沿った前記圧電材料の層の前記歪みを、垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの拡張又は収縮に変換するように構成された変位変換デバイスであって、前記垂直軸は前記層の前記平面に対して垂直であり、該触覚アクチュエーターの前記拡張又は前記収縮は、前記垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの変位を発生させるように構成されている、変位変換デバイスと、
を備え、
前記予荷重デバイスは、前記触覚アクチュエーターに隣接し、かつ前記触覚アクチュエーターに対する前記垂直軸に沿った圧縮荷重を発生させるように構成され、
前記予荷重デバイスは、
カバーと、
該カバーから間隔を空けて配置されかつ該カバーに対して平行に延在するベースとを有するケーシングであって、前記触覚アクチュエーターは前記カバーと前記ベースとの間に配置され、該カバー及び該ベースは、前記触覚アクチュエーターの垂直軸に沿った該触覚アクチュエーターの反対側の端部それぞれに配置されている、ケーシングと、
第1のばね構成要素であって、該第1のばね構成要素の第1の端部が前記カバーの内面に結合され、前記第1の構成要素の第2の反対側の端部が前記触覚アクチュエーターの外面に結合されるように、前記ケーシング内に配置され、前記触覚アクチュエーターに対する前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重を生成するために力をかけるように構成されている、第1のばね構成要素と、
を備え、
前記制御ユニットは、前記触覚アクチュエーターの前記少なくとも2つの電極に電力を提供するように前記電源を制御する、
ことを特徴とする触覚対応デバイス。 - 前記触覚対応デバイスの前記ハウジングによって前記触覚アクチュエーターアセンブリに加えられるいかなる圧縮荷重も1N未満である、ことを特徴とする請求項15に記載の触覚対応デバイス。
- 前記触覚対応デバイスは、前記ハウジングの第1の面を形成するタッチスクリーンデバイスを更に備え、前記ハウジングは、該ハウジングの第2のかつ反対側の面を形成するバックパネルを備え、前記触覚アクチュエーターアセンブリは、該触覚アクチュエーターアセンブリによって生成される力が前記ハウジングの前記第2の面に対してかけられるように、前記ハウジングの該第2の面に配置されている、ことを特徴とする請求項15に記載の触覚対応デバイス。
- 前記制御ユニットは、前記触覚アクチュエーターに駆動信号を提供するように前記電源を制御するように構成され、前記駆動信号は、前記触覚アクチュエーターアセンブリの共振周波数に等しい周波数を有する周期的信号である、ことを特徴とする請求項17に記載の触覚対応デバイス。
- 前記触覚アクチュエーターは第1の共振周波数を有し、前記触覚アクチュエーターアセンブリは第2の共振周波数を有し、該第2の共振周波数は前記第1の共振周波数とは異なり、前記第2の共振周波数は、前記第1のばね構成要素のばね定数を介して決定される、ことを特徴とする請求項18に記載の触覚対応デバイス。
- 前記予荷重デバイスは、
第2のばね構成要素であって、該第2のばね構成要素の第1の端部が前記ベースの内面に結合され、該第2のばね構成要素の第2の反対側の端部が前記触覚アクチュエーターの外面に結合されるように、前記ケーシング内に配置され、前記第1のばね構成要素及び該第2のばね構成要素は、まとまって、前記触覚アクチュエーターに対して前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重を生成するために前記力をかけるように構成されている、第2のばね構成要素、
を更に備える、ことを特徴とする請求項15に記載の触覚対応デバイス。
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