JP2019512813A - 局所的触覚出力を提供するための触覚構造 - Google Patents

局所的触覚出力を提供するための触覚構造 Download PDF

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Abstract

電子デバイス上に触覚出力を提供するための構造、デバイス、方法及びシステムが本明細書において開示される。いくつかの実施形態では、電子デバイスは、第１の方向に移動するように構成されたアクチュエータを備える。電子デバイスは、アクチュエータに結合された基板も備える。アクチュエータが第１の方向に移動したとき、基板又は基板の一部は、アクチュエータに結合されていることにより、第２の方向に移動する。いくつかの実施態様では、基板の移動は、アクチュエータの移動に対して垂直である。

Description

本開示は、一般的に、電子デバイスに触覚出力を提供することに関する。より具体的には、本開示は、電子デバイスに局所的触覚出力を提供するための触覚構造を使用することを対象とする。
関連出願の相互参照
本特許協力条約特許出願は、２０１６年９月２１日に出願の「Ｈａｐｔｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｒ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｈａｐｔｉｃ Ｏｕｔｐｕｔ」と題する米国仮特許出願第６２／３９７，５４１号、及び２０１７年１月２６日に出願の「Ｈａｐｔｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｈａｐｔｉｃ Ｏｕｔｐｕｔ」と題する米国非仮特許出願第１５／４１６，４６６号の優先権を主張するものであり、その内容は本明細書に参照により全て組み込まれている。
今日の社会においては、電子デバイスが普及している。電子デバイスの例としては、携帯電話、タブレットコンピュータ、パーソナルデジタルアシスタントなどが挙げられる。これらの電子デバイスのいくつかは、触覚出力をユーザに提供する触覚アクチュエータを備える。触覚出力は、振動モータ又は揺動モータを利用するアクチュエータによって提供してもよい。しかしながら、これらの振動モータは、通常、電子デバイス全体を振動させるため、特定の領域に触覚出力を提供することができない。
本明細書では、電子デバイスに局所的触覚出力及び触覚感覚を提供するための触覚構造が開示される。いくつかの実施形態では、触覚構造は、電子デバイスの表面又はその他の構成要素（例えば、ハウジング構成要素）から機械加工されているか、又はその中にある梁構造又は他の撓み機構を含む。梁構造は、圧電素子に結合されており、圧電素子に印加される電流、電圧又は他の入力信号に応じて、異なる方向に撓むように構成されている。梁構造が撓むと、電子デバイスの表面も撓み得る。これにより、触覚感覚を生成する触覚出力が生じる。いくつかの実施形態では、触覚出力は、入力表面（例えば、ユーザからの入力を受信するように設計された表面、構造など）に提供してもよい。
より具体的には、本明細書では、触覚構造を含む入力表面を有する電子デバイスが記載される。電子デバイスは、入力表面と、入力表面に動作可能に接続された触覚構造と、を含むことができ、触覚構造は、梁構造を画定する基板と、梁構造の第１の側に結合されたスペーサと、梁構造の第２の側に結合された圧電素子と、を含み、圧電素子は、圧電素子に印加された第１の入力信号に応答して、梁構造を第１の方向に撓ませて第１の触覚出力を提供するように構成されており、圧電素子は、圧電素子に印加された第２の入力信号に応答して、梁構造を第２の方向に撓ませて第２の触覚出力を提供するように構成されている。
電子デバイスのための触覚構造も記載される。触覚構造は、第１の撓み機構及び第２の撓み機構を画定する表面と、第１の撓み機構に結合された第１の作動素子と、第２の撓み機構に結合された第２の作動素子と、第１の撓み機構及び第２の撓み機構に結合された基板と、を含み、基板は、第１及び第２の撓み機構の一方又は両方が撓んだことに応答して撓むように動作可能である。
本開示は、入力表面と、入力表面の下方に設けられた触覚構造とを有する電子デバイスも記載する。触覚構造は、入力表面上の異なる位置に触覚出力を選択的に提供するように動作可能である。触覚構造は、入力表面の下方の第１の位置に形成された第１の梁構造と、第１の梁構造及び入力表面の第１の部分に結合された第１のスペーサと、第１の梁構造に結合された第１の圧電素子と、を含む。第１の圧電素子は、第１の受信入力に応答して、第１の梁構造及び入力表面の第１の部分を撓ませるように動作可能である。触覚構造は、入力表面の下方の第２の位置に形成された第２の梁構造と、第２の梁構造及び入力表面の第２の部分に結合された第２のスペーサと、第２の圧電素子と、を含む。第２の圧電素子は、第２の梁構造に結合されており、第２の受信入力に応答して第２の梁構造及び入力表面の第２の部分を撓ませるように動作可能である。
本開示は、添付図面と共に以下の詳細な説明により容易に理解されるであろう。添付図面では、同様の参照数字が同様の構造要素を示している。
触覚出力を提供する触覚構造を使用し、又は組み込み得る例示的な電子デバイスを示す。
触覚出力を提供する触覚構造を使用し、又は組み込み得る別の例示的な電子デバイスを示す。
非作動状態における例示的な触覚構造を示す。
第１の作動状態における図２Ａの例示的な触覚構造を示す。
第２の作動状態における図２Ａの例示的な触覚構造を示す。
非作動状態における別の例示的な触覚構造を示す。
第１の作動状態における図３Ａの例示的な触覚構造を示す。
第２の作動状態における図３Ａの例示的な触覚構造を示す。
１組の例示的な触覚構造の上面図を示す。
図４Ａの例示的な視覚構造の底面図を示す。
第１の動作状態における例示的な触覚構造を示す。
第２の動作状態における図５Ａの例示的な触覚構造の斜視図を示す。
第３の動作状態における図５Ａの例示的な触覚構造の斜視図を示す。
別の１組の例示的な触覚構造の上面図を示す。
図６Ａの例示的な触覚構造の底面図を示す。
第１の動作状態における更に別の１組の例示的な触覚構造を示す。
第２の動作状態における図７Ａの例示的な触覚構造の斜視図を示す。
更に別の１組の例示的な触覚構造を示す。
動作状態における図８Ａの例示的な触覚構造を示す。
図１Ａの線Ａ−Ａに沿って得られた、電子機器と一体化された触覚構造の断面図を示す。
電子デバイスのディスプレイと一体化された触覚構造の第１の断面図を示す。
電子デバイスのディスプレイと一体化された触覚構造の第２の断面図を示す。
サンプルの入力デバイス、この場合はスタイラス内に組み込まれた触覚構造を示す。
サンプルの入力デバイス、この場合はマウス内に組み込まれた触覚構造を示す。
次に、添付の図面に示された代表的な実施形態を参照して詳細に説明する。以下の説明は、実施形態を１つの好ましい実施形態に限定することを意図するものではないことを理解されたい。それとは逆に、以下の説明は、添付の特許請求の範囲によって画定されるような、記載された実施形態の趣旨及び範囲内に含まれ得る代替形態、変更形態、及び均等物を網羅することを意図するものである。
本明細書に記載された実施形態は、電子デバイスの表面上に全体的触覚出力及び局所的触覚出力を提供することを対象とする。本明細書で使用される場合、用語「全体的触覚出力」とは、触覚構造が、触覚出力、すなわち触覚感覚を電子デバイスの表面全体に提供することを意味し、この電子デバイスの内部又は下部に触覚構造が配置されている。同様に、用語「局所的触覚出力」とは、触覚構造が、触覚出力を電子デバイスの表面の一部に提供することを意味し、この電子デバイスの内部又は下部に触覚構造が配置されている。表面は、例えば、ユーザ入力を受け入れるように構成された入力表面であってもよい。
触覚構造によって提供された触覚出力は、離散的出力又は連続的出力とすることができる。例えば、触覚構造は、離散的触覚出力を提供してキー又はボタンの作動をシミュレートしてもよい。他の実施態様では、触覚構造は、振動などの連続的出力を提供してもよい。この振動を使用して、ユーザが入力機構（例えば、スタイラス、指など）を電子デバイスの入力表面上で移動させる際のテクスチャをシミュレートしてもよい。
上に述べた具体例に加えて、触覚構造は、電子デバイスに関連付けられた任意の数のイベントに応答して、局所的触覚出力又は全体的触覚出力を提供してもよい。このようなイベントとしては、電子デバイス上で実行中であるアプリケーションに関連付けられたイベント、ボタン又はキーの押下、ダイヤル、クラウン又はノブの回転、アラーム、表示画像、着信又は発信した電子メッセージ、着信又は発信した電話コールなどが挙げられるが、これらに限定されない。
更に、電子デバイスが具体的に言及され、図面に示されているが、本明細書に記載された触覚構造は、様々な電子デバイス、機械デバイス、電気機械デバイスなどに含まれてもよい。例えば、触覚構造は、スタイラス、マウス、ノブ、ステアリングホイール、ダッシュボード、装着型電子デバイス用ベルト、装着型デバイス（時計など）、手袋、眼鏡、及び他の装着型デバイスなどに含まれてもよい。
振動又は揺動モータを利用する従来の触覚アクチュエータとは異なり、本開示の触覚構造は、１つ以上の梁構造又は撓み機構を含む。梁構造は、デバイスの基板、入力表面若しくは他の部分から形成されてもよく、又はその中にあってもよい。例えば、梁構造は、電子デバイスの基板又は表面内の第１及び第２の開口によって画定されてよい。これらの開口は、通常（必須ではないが）、互いに平行であり、かつ離間されている。いくつかの実施形態では、開口は、梁構造の両端部が基板又は表面に対して固定されるように配列される。いくつかの実施形態では、開口は、平行の開口ではなく、テーパー状、互いに傾斜状、曲線状、又はさもなければ非直線状などであってもよい。
サンプルの基板は、電子デバイスの外面、電子デバイスの中の支持構造、電子デバイスの中の板又は同種のもの、などを含む。基板は、一般に、その上に、又はそこから触覚アクチュエータが形成される構造であるのに対し、「表面」は、これを介して触覚出力が送信される構造である。いくつかの実施形態では、基板と表面とが同じであってもよい。例えば、１つ以上の触覚アクチュエータが、材料の一方の側から、又は一方の上に形成されてもよく、その際、ユーザは、材料の第２の側と相互作用する。従って、この材料は、表面及び基板の両方として用いることができる。
本明細書に記載された実施形態では、固定された両端部を有する梁構造は、「固定梁構造」と呼ばれる。別の実施形態では、梁構造は、基板に対して固定されている一端を有し得るが、他端は未固定である。本明細書に記載された実施形態では、１つの固定された端部を有する梁構造は、「片持ち梁構造」と呼ばれる。
以下に記載されるように、本明細書に記載された梁構造のそれぞれは、梁構造を撓ませる圧電素子を含む。撓む方向は、受信入力信号に依存する。例えば、梁構造は、第１の受信入力信号に応答して第１の方向に撓むことができ、第２の受信入力信号に応答して第２の方向に撓むことができる。各受信入力信号は、それぞれ、電圧信号、電流信号又は任意の他の適切な入力信号とすることができる。
いくつかの実施形態では、梁構造は、表面に結合してもよい。梁構造が撓むと、表面、又は表面の各部分も撓み、又は折り曲がり得る。例えば、梁構造が上方向に撓む場合、表面も上方向に撓む。同様に、梁構造が下方向に撓む場合、表面も下方向に撓む。梁構造及び／又は表面が撓むことにより、触覚出力及び対応する触覚感覚が生じる。
例えば、梁構造は、その規準状態にあるときに平坦であってもよい。入力信号が圧電素子に加えられると、梁構造は、凸状又は凹状に湾曲し得る。表面が梁構造に結合されている場合、梁構造の撓みは、表面を撓ませ、又はそうでなければ移動させる。このような表面の移動は、表面に接触している人によって感じることができる触覚出力を提供する。従って、表面は、ユーザ入力を受信し、触覚出力を提供し得る場合、入力表面及び出力表面の両方として作用することができる。
いくつかの実施形態では、触覚構造は、単一の圧電素子を有する単一の梁構造を含んでもよい。他の場合には、梁構造は、２つ以上の圧電素子を有してもよい。なお他の場合には、触覚構造は、２つ以上の梁構造を含んでもよく、各梁構造は、単一の圧電素子又は複数の圧電素子を有してもよい。加えて、触覚構造は、固定梁構造及び片持ち梁構造を含んでもよく、これらのいずれかを、圧電素子（単数又は複数）に関連付けてもよい。
梁構造は、異なる領域又は区域に配置してもよい。例えば、１つ以上の片持ち梁構造は触覚構造の周縁部に配置してもよく、他方、１つ以上の固定梁構造は触覚構造の内部に配置してもよい。梁構造のそれぞれを、異なる種類の触覚出力を提供するために、同時に、実質的に同時に、及び／又は順次に作動させてもよい。
例えば、第１の時間に、第１の入力信号を第１の梁構造の圧電素子に供給して、第１の梁構造が第１の触覚出力を第１の位置に提供するようにしてもよい。同時に、又は異なる時間に、第２の入力信号を第２の梁構造の圧電素子に供給して、第２の梁構造が第２の触覚出力を第２の位置に提供するようにしてもよい。
いくつかの実施形態では、梁構造は、電子デバイスのハウジング、又はハウジングの一部の中に組み込んでもよい。例えば、電子デバイスがキーボード、タッチパッド又は他のこのような入力機構を含む場合、触覚構造は、キーボード（例えば、キーボードの上部ケース）又はタッチパッド内に組み込んでもよい。他の実施態様では、触覚構造は、電子デバイスのディスプレイの中に組み込んでもよい。
触覚構造は、力感知素子と関連して使用することもできる。例えば、触覚構造及び力感知素子は、単一の電子デバイス内に組み込んでもよい。これにより、力感知素子は、電子デバイスの入力表面上で受けた力の入力を検出するように動作することができ、触覚構造は、電子デバイスの入力表面上に触覚出力を提供することができる。他の実施態様では、圧電素子は、電子デバイスの入力表面上に提供された力の量を決定するように構成してもよい。
これらの実施形態及び他の実施形態について、図１Ａ〜９を参照して以下に説明する。しかしながら、これらの図に関して本明細書に記載される「発明を実施するための形態」は、説明を目的とするものに過ぎず、限定するものとして解釈するべきではないことが、当業者には容易に理解されるであろう。
図１Ａは、本開示の１つ以上の実施形態に係る触覚構造１４０を組み込むことができる例示的な電子デバイス１００を示す。触覚構造１４０は、電子デバイス１００に触覚出力を提供することができる。図１Ａに示すように、電子デバイス１００は、ラップトップコンピューティングデバイスであってもよい。他の実施態様では、電子デバイス１００は、図１Ｂに示したようなタブレットコンピューティングデバイスであってもよい。図１Ａ〜１Ｂは異なる電子デバイス１００を示しているが、類似の参照数字が、同様の構成要素を指定するために使用される。例えば、各デバイス１００はディスプレイを備えてもよい。このように、参照数字１１０は、各電子デバイス１００のディスプレイを指定するために使用される。
更に、特定の電子デバイスが図面に示され、以下に記載されているが、本明細書に記載された触覚構造は、様々な電子デバイスと共に使用してもよい。このような電子デバイスとしては、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント、時間管理デバイス、健康監視デバイス、装着型電子デバイス、入力デバイス（例えば、スタイラス）、デスクトップコンピュータ、電子眼鏡などが挙げられるが、これらに限定されない。様々な電子デバイスが言及されているが、本開示の触覚構造１４０は、他の製品に関連して使用することもでき、様々な材料と組み合わせることもできる。
例えば、触覚構造１４０は、装着型電子デバイスのベルト、自動車用ダッシュボード、自動車用ステアリングホイール、電子デバイスのハウジング、キーボードなどにおいて使用してもよい。本明細書に記載された触覚構造の使用は、従来の回転又は直線アクチュエータを置き換えることができる。結果として、電子デバイスのプロファイルをより小さく、かつ／又はより薄くすることができる。
電子デバイス１００は、ディスプレイ１１０、ハウジング１２０、及び１つ以上の入力機構１３０を備えてもよい。いくつかの実施形態では、入力機構１３０は、トラックパッド、キーボードなどのタッチ感知入力デバイスであってもよい。ディスプレイ１１０、ハウジング１２０及び１つ以上の入力機構１３０を触覚構造１４０に結合して、触覚出力が各構成要素上に直接提供されるようにしてもよい。例えば、触覚構造１４０は、ディスプレイ１１０の一部であるカバーガラスなど、ディスプレイ１１０の下方に設けてもよい（又はそうでなければ当該ディスプレイに結合してもよい）。これにより、触覚構造１４０の梁構造又は撓み機構が作動させる、ディスプレイ１１０も（いくつかの実施形態ではカバーガラスのみが）撓んで触覚出力を提供する。
いくつかの実施形態では、ディスプレイ１１０は、ディスプレイ１１０の入力表面上のタッチの位置を検出及び測定するタッチ感知ディスプレイであってもよい。これにより、タッチセンサがタッチの位置を検出する場合、電子信号は、検出された位置で１つ以上の触覚構造１４０を駆動することができ、それにより触覚出力をその位置に生成する。
タッチセンサは、電子デバイス１００のディスプレイ１１０又はディスプレイスタックに関連して配置されている静電容量型タッチセンサであってもよい。静電容量型タッチセンサが開示されているが、他のセンサを使用してもよい。
電子デバイス１００は、電子デバイス１００の表面上のタッチの力の大きさを検出及び測定する力センサを使用する力感知素子も備えることができる。表面は、例えば、ディスプレイ１１０、トラックパッド、又はその他の入力デバイス若しくは入力表面であってもよく、あるいは、入力を受け付けるように設計も意図もされない表面であってもよい。
本開示の触覚構造１４０は、タッチセンサ又は力センサと組み合わせることができ、又はそうでなければ一体化してもよく、入力機能と出力機能の両方を提供してもよい。例えば、触覚構造１４０は、検出されたいずれかのタッチ入力の位置に、又はその近傍に触覚出力を提供することができる。触覚構造１４０は、検出された力の量に応じて様々な種類の触覚出力を提供することもできる。加えて、触覚構造は、以下に記載されるように、受けた力の量を検出するために使用してもよい。
電子デバイス１００は、電子デバイス１００の１つ以上の構成要素を囲むハウジング１２０を備えてもよい。ハウジング１２０は、１つ以上の触覚構造１４０に結合することもでき、又はさもなければそれらを組み込んでもよい。例えば、触覚構造１４０における１つ以上の梁構造は、電子デバイス１００のハウジング１２０の中に形成してもよい。
触覚構造１４０は、入力機構１３０に関連して使用することもでき、又はそれに結合することもできる。例えば、１つ以上の触覚構造１４０は、電子デバイス１００のトラックパッド及び／又は力感知入力デバイスに結合してもよい。
本明細書に記載された触覚構造１４０は、入力機構１３０の代わりに使用することもできる。又は更なる入力機構として使用することもできる。例えば、触覚構造１４０は、電子デバイス１００のハウジング１２０、カバーガラス及び／若しくはディスプレイ１１０の上方若しくは下方に置かれ、又はそうでなければそれと一体化してもよく、受信入力を検出するために使用してもよい。
一実施態様では、触覚構造１４０の位置で、又はその近傍で力を受けたとき、触覚構造１４０は、電子デバイス１００の電子構成要素によって測定可能である電圧又は電流を生成することができる。処理素子は、この電荷（又は電流）を感知し、それを入力として受け入れることができる。このような入力は、２値（例えば、電荷又は電流が閾値を超えた場合に入力としてカウントされる）であってもよく、又は連続的に変化してもよい（例えば、生成された電荷／電流が異なれば、入力が異なり、又は入力の所定の形式が異なる）。
この例を続行すると、触覚構造１４０によって生成された電流又は電圧の量は、受信入力の種類に基づいて変化してもよい。例えば、生成又は検出された電流の量が第１の閾値を上回っている場合、このことは、第１の種類のタッチ入力を受信したこと（例えば、急速なタッチ又はプレス）を示すことができる。生成又は検出された電流の量が第２の閾値を上回っている場合、このことは、第２の種類のタッチ入力を受信したこと（例えば、長時間のタッチ又はプレス）を示すことができる。
触覚構造１４０は、電子デバイス１００の入力表面（又は他の表面）に印加された力の量を決定するために、１つ以上の力感知素子又は１つ以上の力センサに関連して動作することもできる。加えて、触覚構造１４０を使用して、受信入力の位置を判定してもよく、更には、受信入力に関連付けられた１つ以上のジェスチャを判定してもよい。例えば、触覚構造又は一連の触覚構造が、ある特定の期間にわたるタッチ入力であって、かつ電子デバイス１００の表面上のある特定の距離にわたるタッチ入力を検出した場合、スワイプジェスチャを検出することができる。
図２Ａは、非作動状態における電子デバイスのための例示的な触覚構造２００を示す。図２Ｂは、第１の作動状態における図２Ａの例示的な触覚構造２００を示し、図２Ｃは、第２の作動状態における図２Ａの例示的な触覚構造２００を示す。触覚構造２００は、図１Ａ〜１Ｂに関して図示し、上述した例示的な電子デバイス１００と共に使用してもよい。
触覚構造２００は、撓み機構２１０を含んでもよい。触覚構造２００は、固定梁構造と呼ぶことができる。というのは、撓み機構２１０の両端部が、触覚構造２００を構成する表面（入力表面など、又はいくつかの場合では基板）に結合され、その中に形成され、又はそうでなければそれと一体化されているためである。例えば、撓み機構２１０は、図示され、以下に記載されるように基板を通って延びる２つ以上の平行な開口によって画定してもよい。
撓み機構２１０は、厚さが約０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ、幅が約７ｍｍ〜９ｍｍ、かつ長さが約４５ｍｍであってもよい。ただし、他の寸法を使用してもよい。加えて、撓み機構２１０の第１の部分は第１の寸法を有し得るが、撓み機構２１０の第２の部分は第２の異なる寸法を有する。例えば、撓み機構２１０の第１の部分は第１の厚さを有し得るが、撓み機構２１０の第２の部分は第２の厚さを有し得る。
触覚構造２００は、作動素子２２０も含む。作動素子２２０は、撓み機構２１０の一方の側に結合してもよい。いくつかの実施態様では、作動素子２２０は圧電材料である。他の実施態様では、作動素子２２０は、撓み機構２１０を軸に沿って移動させ、又は撓ませるために、入力信号（例えば、電流若しくは電圧などの電気信号、光信号、若しくは他の入力）によって移動し、又は駆動することができる任意の種類のアクチュエータであってもよい。
例えば、第１の入力信号が作動素子２２０に印加されるとき、作動素子２２０は、図２Ｂに示すように、撓み機構２１０が凹形状を有するようにすることができる。第２の入力信号が作動素子２２０に印加されるとき、作動素子は、図２Ｃに示すように、撓み機構２１０が凸形状を有するようにすることができる。撓み機構２１０が撓む度に、触覚出力を提供することができる。
いくつかの実施形態では、作動素子２２０は、離散的触覚出力を発生させるように駆動してもよく、又は連続的触覚出力を発生させるように駆動してもよい。加えて、作動素子２２０をある範囲の周波数で駆動して、異なる種類及び強度の触覚出力を発生させるようにしてもよい。例えば、作動素子２２０は、１Ｈｚから１ｋＨｚ以上までの周波数で駆動してもよい。
図２Ａには示されていないが、スペーサを、撓み機構２１０の異なる側に固定してもよく、撓み機構２１０を表面に結合してもよい。この表面は、電子デバイスのカバーガラス、電子デバイスのハウジングなどであってもよい。表面が撓み機構２１０に結合されているため、撓み機構２１０が撓むと、表面も撓み、触覚出力を提供することができる。
触覚構造２００が電子デバイスに関して具体的に説明されているが、触覚構造２００は、機械デバイス及び電気デバイスを含む他のデバイス、並びに本明細書に記載されたような非機械的デバイス及び非電気的デバイスと共に使用してもよい。
図３Ａは、電子デバイスのための別の例示的な触覚構造３００を示す。触覚構造３００は、片持ち梁構造と呼ぶことができる。というのは、撓み機構３１０の一端が触覚構造３００の基板に結合され、それから機械加工され、又はそれと一体化されている一方、撓み機構３１０の他端が自由であるためである。
触覚構造３００は、作動素子３２０も含む。これは、圧電アクチュエータなどであってもよい。撓み機構３１０及び作動素子３２０は、上述した撓み機構２１０及び作動素子２２０と同様に動作することができる。
例えば、第１の入力信号が作動素子３２０に印加されるとき、撓み機構３１０は、図３Ｂに示すように第１の方向に移動することができる。同様に、第２の入力信号電流が作動素子３２０に印加されるとき、撓み機構３１０は、図３Ｃに示すように第２の方向に移動することができる。図に示すように、第２の方向は、一般的に第１の方向と反対である。
撓み機構３１０を記載したように撓ませることにより、電子デバイスのユーザに触覚出力を提供することができる。より具体的には、撓み機構３１０が撓むと、触覚構造３００を組み込んでいる電子デバイスにおける１つ以上の部分も撓むことができる。
図４Ａは、例示的な触覚構造４００の上視図を示す。触覚構造４００は、上述したような固定梁構造を複数含んでもよい。より具体的には、触覚構造４００は、第１の開口４１０及び第２の開口４２０を画定する基板を含んでもよい（これは、入力表面、ハウジング、又は支持板などの電子デバイスの内部素子であってもよい）。第１の開口４１０は、第２の開口４２０に対して離間されており、かつ平行である。第１の開口４１０及び第２の開口は、基板から機械加工して梁構造４３０を形成してもよい。例えば、第１の開口４１０及び第２の開口４２０は、触覚構造４００の表面を通って全体的又は部分的に延びて、梁構造４３０を形成し、又はそうでなければ画定してもよい。
上述したように、図４Ａに示した梁構造４３０は固定梁構造である。というのは、第１の開口４１０及び第２の開口４２０は、梁構造４３０の両端部が固定され、又はそうでなければ触覚構造４００の表面と一体化されるように構成されているためである。しかしながら、梁構造４３０は、触覚構造４００の表面と一体化されているもの、又はそうでなければ当該表面内に形成されているものとして図示され、記載されているが、梁構造４３０は別の構成要素であってもよい。例えば、１つ以上の開口、チャネル又は穴を、触覚構造４００の表面内に形成してもよく、梁構造４３０が、その開口の上又は中に置かれてもよい。
図示した例では、触覚構造４００は、梁構造４３０の２×４アレイを含む。しかしながら、触覚構造４００の大きさ並びに梁構造４３０の数はスケーラブルである。従って、触覚構造４００は、様々な構成で配列された任意の数の梁構造４３０を含んでもよい。例えば、第１のアレイの梁構造を有する触覚構造４００を、１つの電子デバイスのために使用してもよく、他方、第２のアレイの梁構造４３０を有する触覚構造４００を、異なるコンピューティングデバイスのために使用してもよい。単一の電子デバイスが、様々なアレイの梁構造を備えた触覚構造を有し得ることにも注目すべきである。
いくつかの実施形態では、触覚構造４００は、スペーサ４４０を含んでもよい。スペーサは、梁構造４３０の第１の側に結合してもよい。スペーサ４４０を使用して、梁構造４３０を出力表面（例えば、図５Ａの表面５１０）に結合してもよい。スペーサ４４０は、ポリウレタン材料などのエネルギー吸収材料であってもよい。スペーサ４４０は、梁構造４３０を表面に結合する接着材料も有することができる。上述したように、梁構造４３０が撓むとき、表面も撓んで触覚出力を提供する。
図４Ｂは、触覚構造４００の底面図を示す。図４Ｂに示すように、圧電素子４５０は、各梁構造４３０の下側に設けてもよい。入力信号が圧電素子４５０に印加されるとき、圧電素子４５０のうちの１つ以上の寸法が変化し得る。例えば、第１の入力信号が圧電素子４５０に印加されるとき、圧電素子４５０の長さが長くなり、それにより梁構造４３０が第１の方向に凹形状又は撓みを呈するようにすることができる。同様に、第２の入力信号が圧電素子４５０に印加されるとき、圧電素子４５０の長さが短くなり、それにより梁構造４３０が第２の方向に凸形状又は撓みを呈するようにすることができる。
上述したように、いくつかの実施態様では、本明細書に記載された触覚構造は、局所的触覚出力又は全体的触覚出力を提供するように構成してもよい。例えば、全体的触覚出力を提供するときには、触覚構造の所与の領域内の梁構造の全てを作動させることができる。局所的触覚出力を提供するときには、触覚構造の所与の領域内の１つ以上の梁構造を作動させることができる。
例えば、図５Ａを参照すると、触覚構造５００は、１つ以上の梁構造５２０を含んでもよい。梁構造５２０のそれぞれは、１つ以上のスペーサ５３０を使用して表面５１０に接着し、又はそうでなければ結合してもよい。いくつかの実施態様では、表面は、ディスプレイのカバーガラス、トラックパッドの入力表面、電子デバイスのハウジングなどであってもよい。表面５１０は、プラスチック、アクリル、合金材料又は他の材料とすることもできる。
全体的触覚出力を提供するときには、図に示すように触覚構造の梁構造５２０の全てが撓み得る。これに応答して、表面５１０も梁構造５２０と同じ方向に撓むか、又は移動する。図５Ａは、梁構造５２０を突出した構成で、又は凸形の構成で示しているが、梁構造５２０が下方に移動し、又はそうでなければ凹形の構成を有することによって、梁構造５２０が触覚構造５００の表面の下方に延びるようにしてもよい。いずれの場合も、表面５１０は、スペーサ５３０と表面５１０との間の結合により、梁構造５２０と共に移動することができる。
単一の表面５１０が図示されているが、各梁構造５２０は、個々の、又はそうでなければ固有の表面に関連付けてもよい。これにより、各梁構造５２０を作動させると、それに応じてその対応面５１０も移動することができる。例えば、各表面５１０は、個々のキー又はキーボードであってもよい。梁構造５２０を作動させると、それに応じて、個々の各キーは移動することができる。
他の実施態様では、梁構造５２０の規準状態は、梁構造５２０が凹形又は凸形である状態であってもよい。圧電素子を作動させたとき、梁構造は、平坦化する、又はより凹形若しくは凸形になることができる。これは、湾曲面（例えば、縁が丸められたディスプレイ用のカバーガラスなど）を使用する場合に有用となり得る。このように、触覚出力は、平坦面と湾曲面の両方において提供することができる。
図５Ｂ及び図５Ｃは、局所的触覚出力を提供する触覚構造５００を示す。例えば、図５Ｂでは、上部中央の梁構造５２０を、この上部中央の梁構造５２０に関連付けられた圧電素子に印加される入力信号に応答して撓ませる。これに応答して、上部中央の梁構造５２０に隣接する表面５１０の部分も撓み、触覚出力を提供する。
同様に、図５Ｃに示すように、触覚構造５００における上部右の梁構造５２０を同様に作動させてもよい。結果として、梁構造５２０に隣接する表面５１０の部分も同じ方向に撓むことができる。これにより、第１の触覚アクチュエータが、入力表面の第１の部分に、又はそれを介して触覚出力を生成することができ、第２の触覚アクチュエータが、入力表面の第２の部分に、又はそれを介して別の触覚出力を生成することができることを理解することができる。
図示され、記載された例は、単一の梁構造が作動していることを示しているが、梁構造５２０の異なる組み合わせを、同時若しくは実質的に同時に、又は順次に作動させてもよい。加えて、第１の梁構造５２０を（例えば凸形状を呈するために）第１の方向に作動させる一方、第２の梁構造５２０を（例えば、凹形状を呈するために）反対の第２の方向に作動させることができる。なお他の実施態様では、１つの梁構造５２０を第１の位置で作動させる一方、異なる梁構造５２０を第２の位置で作動させて、第１の位置に提供される触覚出力を抑制又は増強することができる。
図６Ａは、別の例示的な触覚構造６００の上視図を示す。触覚構造６００は、上記のような片持ち梁構造を複数含んでもよい。より具体的には、触覚構造６００は、開口６１０を画定する基板を含んでもよい。この開口は、梁構造６２０の周囲に延びており、梁構造の一端が触覚構造６００の表面と一体化される一方、梁構造の他端が触覚構造６００の表面に固定されないようになっている。
触覚アクチュエータ６００は、スペーサ６３０を含んでもよい。スペーサ６３０は、上述したスペーサ４４０と同様に機能してもよい。
図６Ｂは、触覚構造６００の底面図を示す。図６Ｂに示すように、圧電素子６４０は、各梁構造６２０の下側に設けてもよい。圧電素子６４０は、上述した圧電素子４４０と同様に機能してもよい。
図７Ａは、第１の作動状態における例示的な触覚構造７００の斜視図を示す。触覚構造７００は、１つ以上のスペーサ７３０を使用して表面７１０に結合された１つ以上の片持ち梁構造７２０を含んでもよい。上述した触覚構造５００と同様に、触覚構造７００は、記載したような全体的触覚出力又は局所的触覚出力を提供するように構成してもよい。
例えば、図７Ｂを参照すると、１つ以上の梁構造７２０は、梁構造７２０の圧電素子が作動したことに応答して撓み得る。梁構造７２０が撓むと、スペーサ７１０と梁構造７２０と表面７３０との間の結合により、梁構造７２０に隣接する、又はそうでなければそれに結合されている表面７１０の部分も撓み得る。
図８Ａは、別の例示的な触覚構造８００の斜視図を示す。この実施形態では、触覚構造８００は、片持ち梁構造８１０及び固定梁構造８２０を含む。片持ち梁構造８１０及び固定梁構造８２０のそれぞれは、上述したものと同様に機能する。
例えば、図８Ｂに示すように、片持ち梁構造８１０を、固定梁構造と同時に作動させてもよい。いくつかの実施形態では、増強された触覚出力を触覚構造８００の縁部又は境界の近傍に提供するために、片持ち梁構造８１０を触覚構造８００の周縁に配置してもよい。増強された触覚出力は、触覚構造８００に関連付けられた様々な境界条件により、触覚構造８００の周縁の周りで必要とされ得る。例えば、表面の周縁部を片持ち梁構造８１０に結合することができ、一方、固定梁構造８２０は電子デバイスのハウジングに固定されており、それにより表面はそれらの位置で移動することが困難になる。
片持ち触覚構造８１０は、梁構造の自由端が、それらの位置でより顕著な触覚出力を提供するために、図示したように周縁の近傍に配置されるように配置してもよい。
いくつかの実施形態では、片持ち梁構造８１０と固定梁構造８２０との異なる組み合わせを、同時に、実質的に同時に又は順次に作動させてもよい。加えて、梁構造のそれぞれを、同一又は異なる方向に撓ませてもよい。他の実施形態では、第１の組の梁構造が第１の種類の触覚出力（例えば、離散的触覚出力）を提供し、一方、第２の組の梁構造は第２の種類の出力（例えば、連続的触覚出力）を提供してもよい。
図９は、例えば、キーボードなどの電子デバイスと一体化された触覚構造９００の断面図を示す。この例では、触覚構造９００の断面は、図１Ａの線Ａ−Ａに沿って得ることができる。
触覚構造９００、及びより具体的には、触覚構造９００の撓み機構９２０は、電子デバイスのハウジング９１０（例えば、上部ケース）と一体化してもよく、又はそうでなければ当該ハウジング内に形成してもよい。いくつかの実施形態では、撓み機構９２０を形成する開口は、ハウジング９１０の外部に機械加工されている。
上述したように、触覚構造９００は、撓み機構９２０の第１の側に形成された作動素子９３０と、作動素子９３０の反対の側に形成されたスペーサ９４０とを含む。スペーサ９４０は、表面９５０に接着結合されてもよい。
電流が作動素子９３０に印加されるとき、撓み機構９２０が撓む（例えば、上方向又は下方向に湾曲し、又はそうでなければ移動する）。撓み機構９２０が撓むと、表面９５０は、上述したように同様に移動する。
いくつかの場合では、触覚構造は、図１に示したようなラップトップコンピューティングデバイス１００などの電子デバイスのディスプレイ１１０内に組み込んでもよい。図１０Ａ及び１０Ｂは、コンピューティングデバイス１００のディスプレイ１１０の下方にあるサンプルの触覚構造１４０の断面図を示す。図１０Ａの断面図では、異なる行のアクチュエータにおける複数の触覚アクチュエータ１４０を見ることができる。図１０Ｂの断面図では、それぞれ異なる列にある複数の触覚アクチュエータ１４０を見ることができる。通常、触覚アクチュエータ１４０は、以下でより詳細に記載されるように、カバーガラス１０３０に向かって湾曲し、折り曲がり、又はそうでなければ撓み、従ってカバーガラス１０３０を変形させるように動作する。
各触覚アクチュエータ１４０は、ラップトップハウジング１０１０の一部から形成された支持体１０００上に配置されている。いくつかの実施形態では、アクチュエータ１４０は、支持体１０００から形成された梁構造の上に載置されても（又はその一部であっても）よい。
一般に、触覚アクチュエータ１４０は、ディスプレイ層１０２０及びカバーガラス１０３０の下方に配置される。ディスプレイ層１０２０とカバーガラス１０３０とは、電子デバイスのディスプレイ１１０を一括して形成する。ディスプレイ層は、ＬＣＤディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、ＯＬＥＤディスプレイ、又は任意の他の適切なディスプレイであってもよい。同様に、カバーガラス１０３０は、ガラス（化学的に強化されているか否かに関わらず）、プラスチック、サファイア、又は任意の他の適切な材料から形成してもよい。
図１０Ａ及び１０Ｂに示した実施形態では、カバーガラス１０３０とディスプレイ層１０２０とは共に、ハウジング１０１０に対して浮いているように図示されている。カバーガラス及び／又はディスプレイ層は、ある特定の実施形態ではハウジングに当接し、かつ／又は固定してもよく、あるいは、これらは、図示したように間隙によって離間してもよい。他の実施形態では、ディスプレイ層及びカバーガラスは、ある特定の箇所にてハウジングに当接し、かつ／又は固定してもよいが、他の箇所では浮いていてもよい。
触覚アクチュエータ１４０が作動されるとき、本明細書に記載されたように、当該アクチュエータは屈曲し、撓み、又はそうでなければ変形する。この動作により、次に、ディスプレイ層１０３０とカバーガラス１０２０の両方が上方に撓み、それによりカバーガラス１０３０に接触しているユーザに触覚出力を提供することができる。
カバーガラス１０３０とディスプレイ層１０２０とは共に変形しているが、この変形は、あまりに小さくて見えない場合があるため、視覚的に認知可能ではない場合がある。他の実施形態では、この変形は、視覚的に認知可能ではない場合があるが、通常、カバーガラスを介して触覚フィードバックを受けるユーザの指、スタイラス又は他の対象物によって隠されている。
本明細書に記載された実施形態は、任意の数の異なる電子デバイスにおいて使用され得ることが理解されるべきである。例えば、図１１は、１組の触覚構造１１００を組み込んでいるスタイラス１１１０を示す。触覚構造は、スタイラス１１００の本体の中、又はその外部にあってもよい。触覚構造は、本体の中の基板上に、又は側壁の内部若しくは外部などに形成してもよく、又は取り付けてもよい。位置に関係なく、触覚構造１１１０は、スタイラスを握り、それに接触し、又はそうでなければそれと相互作用する人に触覚出力（及び従って触覚感覚）を提供することができる。
同様に、図１２は、ボタンの代わりに複数の触覚構造１２１０を組み込んでいるマウス１２００を示す。触覚構造は、「クリック」又は伝統的なマウスボタンをシミュレートしてもよく、あるいは、より複雑な、かつ／又は高度なフィードバックを提供してもよい。いくつかの実施形態では、マウス１２００の外部に印加された力は、触覚構造１２１０を変形させ、それにより触覚構造の圧電素子から、又は当該圧電素子内に電気信号を生成することができる。この電気信号の大きさは、より大きな力が圧電素子をより弱い力よりも撓ませ、又は変形させ得る場合、作用させた力と共に変化することができる。従って、触覚構造１２１０は、ユーザからの入力をドームスイッチ又は他のスイッチ素子と同様に受信することもできるが、非２値の力を測定するという付加的な利点を有することができる。これにより、本明細書に記載された様々な触覚構造は、入力機構と出力機構との両方として使用することができる。
更に他の実施形態では、触覚構造は、タッチも力の入力も受け付けない出力表面に組み込まれてもよい。更に他の実施形態では、装着型デバイス（時計など）が、本明細書に記載されたような触覚構造のサンプルを、装着されたときにユーザの肌に接触する装着型デバイスの一部に組み込んでもよい。触覚構造は、ユーザの肌に出力を提供するように作動してもよい。このような触覚構造は、ベルトの内側、時計本体の背面などにあってもよい。
従って、任意の様々な電子デバイスに本明細書に記載された触覚構造を組み込むことができることが理解されるべきである。
前述の記載には、説明のために、記載された実施形態の完全な理解を提供するために、特定の用語を用いた。しかし、当業者であれば、記載された実施形態を実施するために特定の詳細が要求されないことは、明らかであろう。したがって、本明細書に記載の特定の実施形態の前述の説明は、例示及び説明のために提示されたものである。これらの記載は、実施形態全てを網羅すること、又は実施形態を開示された正確な形態に限定することを、意図するものではない。上記の教示を考慮すれば、多くの変更及び変形が可能であることが、当業者には明らかであろう。

Claims (20)

  1. 入力表面と、
    前記入力表面に動作可能に接続された触覚構造と、を有する電子デバイスであって、前記触覚構造は、
    梁構造を画定する基板と、
    前記梁構造の第１の側に結合されたスペーサと、
    前記梁構造の第２の側に結合された圧電素子と、を備え、
    前記圧電素子は、前記圧電素子に加えられた第１の入力信号に応答して前記梁構造を第１の方向に撓ませて第１の触覚出力を提供するように構成されており、
    前記圧電素子は、前記圧電素子に加えられた第２の入力信号に応答して前記梁構造を第２の方向に撓ませて第２の触覚出力を提供するように構成されている、電子デバイス。
  2. 前記入力表面はタッチ感知ディスプレイであり、
    前記梁構造は、一対の平行な開口によって前記基板から形成されており、
    前記スペーサは、前記基板を前記タッチ感知ディスプレイに結合し、
    前記タッチ感知ディスプレイは、前記梁構造が前記第１の方向に撓んだときに前記第１の方向に撓み、
    前記タッチ感知ディスプレイは、前記梁構造が前記第２の方向に撓んだときに前記第２の方向に撓み、
    前記タッチ感知ディスプレイは、前記梁構造が前記第１の方向に撓んだときに前記１の触覚出力を送信し、
    前記タッチ感知ディスプレイは、前記梁構造が前記第２の方向に撓んだときに前記第２の触覚出力を送信する、請求項１に記載の電子デバイス。
  3. 前記平行な開口は前記基板を通って延びる、請求項２に記載の電子デバイス。
  4. 前記梁構造は片持ち式である、請求項１に記載の電子デバイス。
  5. 前記梁構造は、前記表面を通って延びる第１及び第２の開口によって画定されており、前記第２の開口は前記第１の開口から離間されており、かつ前記第１の開口に対して平行である、請求項１に記載の電子デバイス。
  6. 前記入力表面はキーボードである、請求項１に記載の電子デバイス。
  7. 前記入力表面はタッチ感知式である、請求項１に記載の電子デバイス。
  8. 前記触覚構造は第１の触覚構造であり、
    前記第１の触覚構造は、前記入力表面の第１の部分に動作可能に接続されており、
    前記電子デバイスは、前記入力表面の第２の部分に動作可能に接続された第２の触覚構造を更に備え、
    前記第１の触覚構造は、前記入力表面の前記第１の部分に前記第１の触覚出力を提供し、
    前記触覚構造の前記第２の部分は、前記入力表面の前記第２の部分に第３の触覚出力を提供する、請求項１に記載の電子デバイス。
  9. 前記第１及び第２の触覚構造は、別々の時間に撓むように動作可能である、請求項８に記載の電子デバイス。
  10. 前記第１の触覚構造は前記第１の方向に撓むように動作可能であり、前記第２の触覚構造は前記第２の方向に撓むように動作可能である、請求項８に記載の電子デバイス。
  11. 前記第１の触覚出力は振動である、請求項１に記載の電子デバイス。
  12. 電子デバイスのための触覚構造であって、
    第１の撓み機構及び第２の撓み機構を画定する基板と、
    前記第１の撓み機構に結合された第１の作動素子と、
    前記第２の撓み機構に結合された第２の作動素子と、
    前記１の撓み機構及び前記第２の撓み機構に結合された表面と、を含み、
    前記表面は、前記第１及び第２の撓み機構の一方又は両方が撓んだことに応答して撓むように動作可能である、触覚構造。
  13. 前記第１の撓み機構は、第１の方向及び反対の第２の方向に撓むように動作可能である、請求項１２に記載の触覚構造。
  14. 前記第１の撓み機構及び前記第２の撓み機構は、互いに異なる周波数で撓むように動作可能である、請求項１２に記載の触覚構造。
  15. 前記第１の撓み機構又は前記第２の撓み機構の一方は片持ち式撓み機構である、請求項１２に記載の触覚構造。
  16. 前記基板は前記電子デバイスのハウジングであり、
    前記電子デバイスは、スタイラス、時計、マウス、キーボード又はトラックパッドのいずれかである、請求項１２に記載の触覚構造。
  17. 前記第１の撓み機構を前記表面に結合するスペーサを更に含む、請求項１２に記載の触覚構造。
  18. 入力表面と、
    前記入力表面の下方の第１の箇所に形成された第１の梁構造と、
    前記第１の梁構造及び前記入力表面の第１の部分に結合された第１のスペーサと、
    前記第１の梁構造に結合されており、第１の受信入力に応答して前記第１の梁構造及び前記入力表面の前記第１の部分を撓ませるように動作可能である第１の圧電素子と、
    前記入力表面の下方の第２の箇所に形成された第２の梁構造と、
    前記第２の梁構造及び前記入力表面の第２の部分に結合された第２のスペーサと、
    前記第２の梁構造に結合されており、第２の受信入力に応答して前記第２の梁構造及び前記入力表面の前記第２の部分を撓ませるように動作可能である第２の圧電素子と、を備える電子デバイス。
  19. 前記第１及び第２の梁構造が単一の基板から形成されている、請求項１８に記載の電子デバイス。
  20. 前記第１及び第２の梁構造のいずれかが撓んだときに前記単一の基板は撓まない、請求項１９に記載の電子デバイス。
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