JP5749277B2 - 半導体材料を含む複合部分を有する触覚刺激装置 - Google Patents

Description

〔関連出願との相互参照〕
本出願は、２０１０年６月３日に出願された「半導体材料を含む複合部分を有する触覚刺激装置」という名称の米国特許出願第１２／７９３，５６３号、及び２００９年１１月１２日に出願された「タッチ入力のためのインターフェイス装置」という名称の米国仮特許出願第６１／２６０，５５４号からの優先権を請求するものであり、これらの特許出願の開示は引用により本明細書に組み入れられる。

身体の一部に突然電気が流れると電気ショックが起きることがあり、典型的には神経の刺激が引き起こされる。例えば、コンピュータ又はその他の装置の特定の構成部品から電流が漏れていたり、又は十分に絶縁されていない場合にこの構成部品に触れると、ユーザが電気ショックを体験することがある。また、電気ショックを防ぐため又はその他の目的のために装置の構成部品を覆うべく使用される絶縁材料の中には非常に厚いものもある。絶縁材料の厚みは構成部品の体積に寄与し、これにより絶縁部品を有する装置の体積が増す。

本発明の目的は、上述した問題点の１又はそれ以上を解消又は軽減することである。この目的は、添付の独立請求項に特定する装置により達成される。従属請求項及び以下の説明及び図面は、追加の問題点を解決し及び／又は追加の利益を提供する任意の実施形態及び特徴に関する。本明細書で説明する実施形態は、電気ショックを可能な限り抑制又は阻止するため、又はその他の機能のために、触覚刺激装置内で半導体材料を使用するものである。触覚刺激装置では、ユーザが、触覚刺激装置の特定の部分（装置の表面など）に触れることにより、触知覚、圧覚又は振動感覚を感じることができる。この部分は、ガラスなどの絶縁材料を含む。ある実施形態では、半導体材料に絶縁材料を積層又は一体化する。例えば、触覚刺激装置の一部を構成する薄い半導体材料の層を一片のガラス上に堆積することができる。以下で例示として詳細に説明するように、この半導体材料は電流量を可能な限り制限し、これによりユーザに対する電気ショックを抑制又は阻止することができる。また、やはり以下で例示として詳細に説明するように、この半導体材料は、絶縁材料の厚みを可能な限り抑えることができる。

同じ参照番号が同様の要素を示す添付図面の図に、本開示を限定ではなく一例として示す。

ある実施形態例による触覚刺激装置の例を示す図である。 様々な実施形態例による、触覚刺激装置に含めることができる様々な複合部分の構造及び構成部品を示す図である。 様々な実施形態例による、触覚刺激装置に含めることができる様々な複合部分の構造及び構成部品を示す図である。 様々な実施形態例による、触覚刺激装置に含めることができる様々な複合部分の構造及び構成部品を示す図である。 様々な実施形態例による、触覚刺激装置に含めることができる様々な複合部分の構造及び構成部品を示す図である。 触覚刺激装置の例示的な実施形態例を実現する回路図である。 電極の動きによって容量結合の強度を調整する触覚刺激装置の実施形態例を示す回路図である。 電極の組の個々の電極が逆の電荷を有することができる触覚刺激装置の実施形態例を示す回路図である。 一群の個別に制御可能な電極を有する触覚刺激装置の別の実施形態例を示す回路図である。 ある実施形態例による、触覚刺激装置を接地したときの容量結合における電界生成電位の分布を示す回路図である。 浮遊電圧源を有する触覚刺激装置の別の実施形態例を示す回路図である。 触覚刺激装置の別の実施形態例を示す回路図である。 ある実施形態による、半導体領域２５４の表面上に形成された空間波動を示す図である。 身体部位の位置に基づいて電気知覚的感覚を生じる単一の電極を有する触覚表示装置の実施形態例を示す概略図である。 タッチスクリーンパネルの異なる実施形態例を構成することができる様々な材料領域を示す図である。 タッチスクリーンパネルの異なる実施形態例を構成することができる様々な材料領域を示す図である。 図１２Ａに示すタッチスクリーンパネルを充電するように構成された回路の例示的な実施形態を示す図である。 １つが接地接続で提供される、触覚刺激装置を構成する複合部分の別の実施形態を示す図である。 接地接続で提供される複合部分の異なる実施形態を示す図である。 接地接続で提供される複合部分のさらに別の実施形態を示す図である。 ある実施形態例による、タッチスクリーンパネルの半導体領域を電圧源に接続するコネクタを有する触覚刺激装置を示す図である。 ある実施形態例による、タッチスクリーンパネルの半導体領域を電圧源に接続するコネクタを有する触覚刺激装置を示す図である。 ある実施形態例による、触覚刺激装置の様々な要素を示す概略図である。

以下の説明及び図面には、本発明の特定の実施形態を、当業者が本発明を実施できる程度に十分に示す。他の実施形態は、構造的、論理的、電気的、処理的、及びその他の変更を含むことができる。実施例は、考えられる変形例を代表するものにすぎない。個々の構成部品及び機能は、明確に必要としない限り任意であり、動作の順序は変更することができる。いくつかの実施形態の部分及び特徴を他の実施形態の部分及び特徴に含め、又はこれに置き換えることもできる。特許請求の範囲に示す本発明の実施形態は、これらの特許請求の範囲の全ての利用可能な同等物を含む。本明細書では、単に便宜的に、及び実際に複数の発明を開示する場合には本出願の範囲をいずれか１つの発明又は発明概念に限定する意図を持つことなく、本発明の実施形態を個別に又は集合的に「発明」という用語によって参照することができる。

図１は、ある実施形態例による触覚刺激装置１５０の例を示す図である。「触覚」とは、触知覚又は圧覚に関するものとして定義されることを理解すべきであり、触覚刺激装置１５０は、以下で例示としてより詳細に説明するように、脈動性のクーロン力の生成に基づいて（指などの）身体部位１２０に対して触知覚又は圧覚を生じることができる。

触覚刺激装置１５０は、画像を表示するとともに身体部位１２０に対して触知覚を生じることができる触覚表示装置の形をとることができる。図１に、身体部位１２０による接触に応答するタッチスクリーンパネル１６０（又はタッチセンサ式画面）を有するスマートフォンの形をしたこのような触覚表示装置の例を示す。すなわち、身体部位１２０でタッチスクリーンパネル１６０の異なる部分に触れることにより、スマートフォンに様々な動作を行わせることができる。

タッチスクリーンパネル１６０は、画像を表示することに加え、身体部位１２０に対して触知覚又は圧覚を生じることもできる。身体部位１２０に対して触知覚を生じると高電圧が生成され、身体部位１２０に対して電気ショックを生じる可能性がある。電気ショックを可能な限り阻止又は抑制するために、タッチスクリーンパネル１６０の領域は、身体部位１２０への電流の流れを制限できる半導体材料を含むことができる。また、以下で例示として詳細に説明するように、この半導体材料を使用して、タッチスクリーンパネル１６０の厚みを抑えることもできる。触覚刺激装置１５０は、図１に示すスマートフォンに加え、コンピュータモニタ、テレビ、ドアハンドル、タッチパッド、マウス、キーボード、スイッチ、及びジョイスティックなどの他の様々な装置を含むこともできる。

図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、及び図２Ｄは、様々な実施形態例による、触覚刺激装置に含めることができる様々な複合部分構造及び構成部品を示す図である。図２Ａに示すように、触覚刺激装置の例は、複合部分２５０、及び電圧増幅器２４０を通じて複合部分２５０に接続された電圧源２４２を含む。本明細書で使用する「複合部分」とは、触覚刺激装置を構成する１又は複数の別個の部品を意味する。図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、及び図２Ｄに示すように、１つの実施形態における複合部分２５０は、身体部位１２０によって触れられるように構成された、触覚刺激装置の外側領域である。この場合、この複合部分２５０の例には厚みがあり、ある実施形態では、複合部分２５０が、身体部位１２０によって接触できる絶縁領域２５２、及び半導体領域２５４を含む。

絶縁領域２５２は、複合部分２５０の１又はそれ以上の絶縁材料を含む領域、区域、又は部分である。絶縁体とは、電気を通さない材料、又はここを通る電気の流れを無視できるほど導電率の低い材料のことである。絶縁材料の例としては、ガラス、ポリエチレン、木、ゴム状ポリマー、ポリ塩化ビニル、シリコン、テフロン（登録商標）、セラミック、及びその他の絶縁材料が挙げられる。

半導体領域２５４は、複合部分２５０の１又はそれ以上の半導体材料を含む領域、区域、又は部分である。半導体とは、導体と絶縁体の間の導電率を有する材料のことである。従って、半導体領域２５４は、完全な導体でも完全な絶縁体でもない領域である。一般に、半導体領域２５４の導電率は、１０³Ｓ／ｃｍ〜１０^-8Ｓ／ｃｍとすることができる。しかしながら、半導体領域２５４の抵抗限界を定義するよりも、寸法決めの指針を示すことの方が有用となり得る。１つの実施形態では、半導体領域２５４の表面抵抗を、身体部位１２０に対して電気知覚的感覚（明らかな振動の感覚）を生じるのに十分な電圧まで半導体領域２５４を適度な時間で充電できるようなものとすることができる。用途によっては、このような適度な充電時間が５００ミリ秒未満であり、１つの例では、充電時間が０．１〜５００ミリ秒の間で変化する。充電時間が２００ミリ秒未満であれば、ユーザに迅速なフィードバックを提供できると理解されたい。半導体領域２５４の表面抵抗は、その表面積の関数でもある。充電時間を適度な時間に保つ場合、表面が大きくなるほど、必要な表面抵抗は小さくなる。半導体材料の例としては、半導体性透明ポリマー、酸化亜鉛、カーボンナノチューブ、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、炭化ケイ素、及びその他の半導体材料が挙げられる。

図２Ａを参照すると、この特定の実施形態では電極として機能する半導体領域２５４に、電圧増幅器２４０の出力「ＯＵＴ」が結合されている。絶縁領域２５２は、身体部位１２０による電気接触に対して半導体領域２５４を絶縁する。一般に、電圧源２４２は、起電力を生成する装置であり、この実施形態では、半導体領域２５４をボルトで表される電界点である電位に充電し、これにより身体部位１２０に対して電気知覚的感覚を生じるように構成される。具体的には、絶縁領域２５２は、半導体領域２５４から身体部位１２０に直流電流が流れるのを防ぐ。この結果、半導体領域２５４と身体部位１２０の間に絶縁領域２５２を介した容量結合が形成され、この容量結合が、身体部位１２０に電気知覚的感覚を生じる。電荷が加わると、電極（又は半導体領域２５４）と身体部位１２０の容量結合により脈動性のクーロン力が生じる。この脈動性のクーロン力が、身体部位１２０の表皮２２１内の最も外側の皮膚層の下にある、主にパチーニ小体２２２と呼ばれる振動感知受容体を刺激することができる。

電圧源２４２によって生成された信号「ＩＮ」により電圧増幅器２４０が駆動し、この信号により、結果として生じるクーロン力のエネルギー含量の大部分が、パチーニ小体２２２が反応する周波数範囲内に存在するようになる。人間の場合、この周波数範囲は１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚである。例えば、この周波数は、約２４０Ｈｚなどの、５０Ｈｚ〜５００Ｈｚ又は１００Ｈｚ〜３００Ｈｚとすることができる。

電圧増幅器２４０、及び絶縁領域２５２を介した容量結合は、パチーニ小体２２２又はその他の機械的受容器が刺激されて電気知覚的感覚が生じるように寸法決めされる。この場合、電圧増幅器２４０（又は電圧源２４２）は、数百ボルト又は数キロボルトの出力を生成することさえもできる。容量結合を通じて身体部位１２０に入り込む交流は振幅が非常に小さく、例えば低周波交流を使用することによってこれをさらに低減することができる。

電気接地により人間の電位が接地近くに設定され、複合部分２５０と身体部位１２０の間に強力な電位差及び電界が生じると理解されたい。ユーザが導電性接地電極に正しく触れている場合、電気接地がうまく機能する。しかしながら、非常に軽い接触の例では、非常に狭い接触域のみが使用され、局所（容量性）電流がスパーク又は電気ショックを生じ、身体部位１２０に痛みを引き起こす恐れがある。半導体領域２５４は、狭い領域を通る、ひいては身体部位１２０への局所電流の流れを制限することができる。この結果、電流の流れが制限されることで、身体部位１２０に対する電気ショックが抑制又は阻止され、これにより身体部位１２０に対する痛みを可能な限り低減させることができる。

また、半導体領域２５４を使用して、絶縁領域２５２の厚みを抑えることもできる。具体的には、絶縁体の抵抗値が急激に低下して絶縁体（又は絶縁領域２５２）の周囲で又はこれを通じて急にスパークが発生し得る絶縁破壊が生じた場合、高電流密度電子チャネルが形成されることがある。しかしながら、半導体材料は電荷キャリア密度が低いので、半導体材料内にこのような電子チャネルを形成することはできないと考えることができる。従って、たとえ高電界を印加した場合でも、半導体材料を使用して絶縁破壊が起きる可能性は低い。この結果、絶縁領域２５２を減少させ、これにより絶縁領域２５２の厚みを抑えることもできる。この電圧範囲の下限近くでは、絶縁体の厚みを１原子層ほどの薄さにすることができ、或いは他の例では、約０．０１ｍｍ〜約１ｍｍの間、約１μｍ〜約２ｍｍの間、約２ｍｍよりも厚く、約２０μｍ〜約５０μｍの間、又は約２０μｍよりも薄くすることができると理解されたい。本明細書で使用する「約」という用語は、指定した寸法又はパラメータを、所与の用途に対応して許容製造公差内で変更できることを意味する。いくつかの実施形態では、この許容製造公差が±１０％である。材料技術及びナノ技術が発展するにつれ、より薄い耐久性のある絶縁部分を利用できるようになり、これにより使用電圧の低下を可能にすることもできる。

半導体領域２５４をある電位に充電できるようにするために半導体領域２５４に電圧源２４２を物理的に結合する必要がない点も理解されたい。他の実施形態では、電圧源２４２を半導体領域２５４に近付けることはできるが、物理的に接続しなくてもよい。具体的には、電圧源２４２を半導体領域２５４に物理的に接続しなくても、電圧源２４２により生成された電界が、半導体領域２５４をある電位に充電することができる。このエネルギーの容量移送もある種の容量結合と考えることができ、これを容量接続と呼ぶことができる。

図２Ａに示す半導体領域２５４は、絶縁領域２５２に近接するものであるが、複合部分２５０は、他の様々な異なる構造を有することもできると理解されたい。図２Ｂは、別の実施形態による異なる複合部分構造を示す図である。この複合部分２５１も、絶縁領域２５２及び半導体領域２５４を含む。同様に、この複合部分２５１には、電圧増幅器２４０を通じて電圧源２４２が接続される。絶縁領域２５２は、身体部位１２０によって触れることが可能であり、半導体領域２５４は、絶縁領域２５２の下に配置される。

絶縁領域２５２は、ガラス片などの絶縁材料片を含む。半導体領域２５４は、半導体透明ポリマー化合物シートなどの異なる半導体材料片を含む。絶縁領域２５２を形成する絶縁材料片は、半導体領域２５４を形成する半導体材料片とは物理的に別のものである。複合部分２５１は、絶縁材料片を半導体材料片とともに接着することにより形成される。

図２Ｃは、さらに別の実施形態例による別の複合部分構造を示す図である。この複合部分２５５も、絶縁領域２５２及び半導体領域２５４を含む。同様に、この複合部分２５５にも、電圧増幅器２４０を通じて電圧源２４２が接続される。絶縁領域２５２は、身体部位１２０によって触れることが可能であり、半導体領域２５４は、絶縁領域２５２の下に配置される。

絶縁領域２５２は、身体部位１２０によって触れることができる面又は表面、及び反対側の面又は表面を有する。この実施形態では、この絶縁領域２５２の反対面上に半導体材料の層が広がる。この半導体材料の層は、半導体領域２５４を形成する。この半導体材料の層は、薄い層であってもよいと理解されたい。例えば、１つの実施形態では、この層を１原子層ほどの薄さにすることができる。他の実施形態例では、半導体領域２５４の厚みを、約１μｍ〜約２００μｍの間、約２００μｍよりも厚く、又は約２０μｍ〜５０μｍの間とすることができる。

図２Ｄは、別の実施形態例による、さらに別の複合部分構造を示す図である。この複合部分２５７も、絶縁領域２５２及び半導体領域２５４を含む。同様に、この複合部分２５７にも、電圧増幅器２４０を通じて電圧源２４２が接続される。絶縁領域２５２は、身体部位１２０によって触れることが可能であり、半導体領域２５４は、絶縁領域２５２の下に配置される。

しかしながら、この実施形態では、複合部分２５７が２つの別個の材料片から形成されない。むしろ、絶縁領域２５２及び半導体領域２５４は、最初に単一の絶縁材料片を含み、この絶縁材料の一部にドーパントを添加して、この部分の材料特性を半導体材料に変化させることができる。具体的には、ドーパントを添加すると、この絶縁材の部分の導電率が増加して、その材料特性が半導体材料の材料特性に変化する。ドーピングは、酸化を通じて行ってもよいし（ｐタイプドーピング）、又は還元を通じて行ってもよい（ｎタイプドープング）。このドープ部分が半導体領域２５４を形成する。このようなドーパントの例として、一般に表面抵抗が１０¹〜１０⁷オーム／平方のポリマーとして分類される導電性ポリマーが挙げられる。ポリアニリン（ＰＡＮＩ）が導電性ポリマーの一例に挙げられる。他の使用できるドーパントの例として、カーボンナノチューブ、導電性カーボン、カーボンファイバ、ステンレス鋼ファイバ、ガリウムヒ素、ナフタレン酸ナトリウム、臭素、ヨウ素、五塩化ヒ素、塩化鉄（ＩＩＩ）、及びニトロシル基（ＮＯＰＦ₆）が挙げられる。

逆も同様であり、他の実施形態では、複合部分２５７が、最初に単一の半導体材料片を含み、この半導体材料の一部にドーパントを添加して、この部分を絶縁材料に変化させることができる。換言すれば、絶縁領域２５２及び半導体領域２５４は、最初に単一の半導体材料片を含み、この半導体材料の一部にドーパントを添加して、この部分の材料特性を絶縁材料に変化させることができる。ドーパントを添加すると、この半導体材料の部分の導電率が減少して、その材料特性が絶縁材料の材料特性に変化する。このドープ部分が絶縁領域２５２を形成する。

図３は、触覚刺激装置３０１の例示的な実施形態例を実現する回路図である。この実施形態では、電圧増幅器３０２が、後に電圧変換器３０４を従えた電流増幅器３０３として実現される。電圧変換器３０４の二次巻線は、例えば、触覚刺激装置３０１の残りの部分に対して宙に浮いた構成にある。増幅器３０２及び３０３は変調信号によって駆動され、変調器３１０に入力されるその変調信号の成分を３１２及び３１４によって示す。電圧増幅器３０２の出力はスイッチアレイ３１７に結合され、これがさらにコントローラ３１６と、半導体材料を含む電極３０６Ａ、３０６Ｂ、及び３０６Ｃとに結合される。電極３０６Ａ、３０６Ｂ、及び３０６Ｃは、絶縁領域３０８Ａ、３０８Ｂ、及び３０８Ｃにより、電気接触に対して絶縁される。図３に関連して説明する実施形態は、複数の電極３０６Ａ、３０６Ｂ、及び３０６Ｃを含むが、各電極単体３０６Ａ、３０６Ｂ、又は３０６Ｃは、身体部位の異なる皮膚領域３２０Ａ、３２０Ｂ、又は３２０Ｃ、或いはより正確に言えば、最も外側の皮膚層の下にあるパチーニ小体を含む機械的受容器を刺激する。従って、ｎ個の電極３０６Ａ、３０６Ｂ、及び３０６Ｃの構成により、ｎビットの情報を同時に伝送することができる。

厳密には必要でないが、触覚刺激装置３０１の電圧部分に対し、ユーザを明確に定義された（非浮遊）電位に近付ける役に立つ接地接続を提供することが有利な場合がある。ある実施形態では、接地接続３５０が、電圧部分の基準点ＲＥＦを、刺激対象の身体部位３２０Ａ、３２０Ｂ、及び３２０Ｃとは異なる身体部位３５４に接続する。この基準点ＲＥＦは、変換器３０４の二次巻線の一端に存在し、一方で電極３０６Ａ、３０６Ｂ、及び３０６Ｃの駆動電圧は、二次巻線の反対端から取得される。例示的な実施形態では、触覚刺激装置３０１が、身体部位３２０Ａ、３２０Ｂ、及び／又は３２０Ｃにより活性化されるタッチスクリーンパネルを含むハンドヘルド装置である。接地接続３５０は接地電極３５２で終端して、触覚刺激装置３０１の表面を形成することができる。

基準点ＲＥＦと刺激されない身体部位３５４の間の接地接続３５０は電気的に複雑となり得る。また、通常、ハンドヘルド装置には、周囲に対する固体基準電位がない。従って、「接地接続」という用語は、大地との接続を必要とするものではない。むしろ、接地接続は、刺激される身体部位（身体部位３２０Ａ、３２０Ｂ、及び３２０Ｃなど）とは異なる第２の身体部位（身体部位３５４など）と触覚刺激装置３０１の基準電位との間の電位差を減少させる支援となるいずれかの好適な接続を意味する。電圧部分の基準点ＲＥＦと刺激されていない身体部位３５４との間の非容量結合３５０（又は電気結合）により、刺激される身体部位３２０Ａ、３２０Ｂ、及び３２０Ｃが体験する電気知覚的感覚を可能な限り高めることができる。逆に、低電圧を使用して、及び／又は接地接続３５０を使用した状態で厚い絶縁体を介して同等の電気知覚的刺激を達成することができる。

上述したように、増幅器３０２及び３０３は、変調器３１０の低周波信号３１４により変調された高周波信号３１２で駆動される。低周波信号３１４の周波数は、パチーニ小体が反応するような周波数である。高周波信号３１２の周波数は、１８ｋＨｚ〜２５ｋＨｚの間又は１９ｋＨｚ〜２２ｋＨｚの間などの、人間の聴力をわずかに上回るものとすることができる。

図３に示す実施形態は、身体部位３２０Ａ、３２０Ｂ、又は３２０Ｃが電極３０６Ａ、３０６Ｂ、又は３０６Ｃの近くにそれぞれ存在する限り、定常状態の電気知覚的感覚を生じることができる。有用な情報を伝えるために、この電気知覚的感覚を変調することができる。このような情報伝達変調は、１又はそれ以上の動作パラメータを電子的に制御することによって行うことができる。例えば、このような情報伝達変調を、動作パラメータの１又はそれ以上を制御するコントローラ３１６によって行うことができる。例えば、コントローラ３１６は、高周波信号又は低周波信号３１２、３１４の周波数又は振幅、増幅器３０２の利得を有効化、無効化、又は変更し、或いは電圧源（個別に図示せず）を制御可能に有効化又は無効化し、或いは回路をいずれかの好適な地点で制御可能に遮断することができる。

図４は、容量結合の強度を電極の動きによって調整する触覚刺激装置４００の実施形態例を示す回路図である。触覚刺激装置４００の複合部分は、半導体材料を含む電極の組４０４と、この電極の組４０４上に配置された絶縁領域４０２とを含む。この電極の組４０４が複合部分の半導体領域を形成し、コントローラ３１６及び電圧増幅器２４０に結合される。電界の生成及びその変動は、個々の電極４０３を含む電極の組４０４を通じて影響を受ける。電極４０３間のスパーク又は短絡を防ぐために、個々の電極４０３を絶縁体要素によって分離することができる。

この実施形態では、個々の電極４０３が個別に制御可能であり、電極４０３の１つを制御することで、その方向及び／又は突出に影響を与える。電極の組４０４は、コントローラ３１６からの出力信号を通じて方向が定められ、電極の組４０４が集合的に絶縁領域４０２の下に平面を形成するようになる。この例では、電圧増幅器２４０から電極の組４０４への電圧電流（ＤＣ又はＡＣ）が、複合部分に近接する身体部位１２０に対して十分な強度の逆符号電荷（負の電荷）を生成する。絶縁領域４０２上には、身体部位１２０と触覚刺激装置４００の間の容量結合が形成され、これにより身体部位１２０に対して電気知覚的感覚を生じることができる。

図５は、電極の組４０４の個々の電極４０３が逆電荷を有することができる触覚刺激装置５００の実施形態例を示す回路図である。触覚刺激装置５００の複合部分は、半導体材料を含む電極の組４０４と、電極の組４０４上に配置された絶縁領域４０２とを含む。この電極の組４０４が複合部分の半導体領域を形成し、コントローラ３１６及び電圧増幅器２４０に結合される。

個々の電極４０３の電荷は、コントローラ３１６を通じて調整及び制御することができる。触覚刺激装置５００と身体部位１２０の間の容量結合により、逆符号の電荷５０１（正電荷及び負電荷）を有する領域を生じることができる。このような逆電荷は互いに引き付け合う。従って、パチーニ小体を刺激するクーロン力を、触覚刺激装置５００と身体部位１２０の間だけでなく、身体部位１２０自体の中の無限小領域間にも生じることができる。

図６は、一群の個別に制御可能な電極６１０ａ〜６１０ｉを有する触覚刺激装置６００の別の実施形態例を示す回路図である。個別に制御可能な電極６１０ａ〜６１０ｉは半導体材料を含み、これらの電極は、図６に示すように行列の形でまとめられてスイッチアレイ３１７に結合され、これがさらにコントローラ３１６及び電圧増幅器２４０に結合される。このような行列を触覚表示装置に組み込むことができる。例えば、電極６１０ａ〜６１０ｉをタッチスクリーンパネルの背後に配置することができ、この場合「背後」とは、タッチスクリーンパネルの、通常動作中にユーザに面する側とは反対の側を意味する。電極６１０ａ〜６１０ｉを非常に薄く及び／又は透明にすることもでき、これにより電極６１０ａ〜６１０ｉを、タッチスクリーンパネルのユーザに面する側にオーバーレイできるようになる。

電圧増幅器２４０からスイッチアレイ３１７を通じて電極６１０ａ〜６１０ｉに導かれる電荷は、全て同様の符号を有することもでき、或いは図５で上述したように異なる符号を有することもできる。例えば、図６に示すように、コントローラ３１６は、スイッチアレイ３１７内のスイッチを個別に制御することもでき、或いはいくつかのグループが、共通して制御可能なグループを形成することもできる。個々の電極６１０ａ〜６１０ｉの表面及び／又はその関連する絶縁体の仕様は、想定範囲の動作又は用途に基づいて定めることができる。例えば、最小範囲は約０．０１ｃｍ²であり、最大範囲は人間の手の大きさにほぼ等しい。

行列状の電極６１０ａ〜６１０ｉ及びスイッチアレイ３１７は、空間的に異なる電気知覚的感覚を与える。すなわち、ユーザに与えられる電気知覚的感覚は、電極６１０ａ〜６１０ｉを含むタッチスクリーンパネルを有する触覚刺激装置６００に近接する指などのユーザの身体部位の位置に依存する。例えば、空間的に異なる電気知覚的感覚により、タッチスクリーンパネルのタッチ感知領域のレイアウトの指示をユーザに与えることができる。従って、図６に示す触覚刺激装置６００は、電気知覚的感覚の時間的及び空間的変動の「感覚」又はパターンが各々異なる数多くの異なるタッチ感知領域を形成することができる。

図７は、ある実施形態例による、触覚刺激装置７００を接地したときの容量結合における電界生成電位の分布を示す回路図である。図示のように、２つのコンデンサ７０２及び７０４と電圧源７０６を直列に接続している。一般に、電極の駆動電圧ｅは、身体部位（指など）と電極の間の静電容量Ｃ１とユーザの浮遊静電容量であるＣ２との割合に基づいて分割される。身体部位が体験する電界は次のようになる。

この電圧Ｕ１は、電圧源７０６からの駆動電圧ｅよりも低い。以下で例示としてより詳細に説明するように、触覚刺激装置７００の基準電位を浮遊電位とすることもでき、これにより身体部位を対象にする電界をさらに減少させることができる。いくつかの実施形態は、静電容量Ｃ１をＣ２の静電容量よりも低く維持することを目指す。この場合、少なくとも静電容量Ｃ１はＣ２よりも大幅に高くない。他の実施形態は、例えば触覚刺激装置７００の基準電位をユーザに結合することによってＣ２を調整又は制御することを目指す。

浮遊静電容量は、複数の電極を使用して複合部分の異なる領域間に電位差を生み出す構成により制御することができる。一例として、ハンドヘルド装置のタッチスクリーンパネルの一方の側（装置の表側など）を第１の電位とする一方で反対側を第２の電位とし、これらの２つの異なる電位をハンドヘルド装置の陽極及び陰極とすることによってこの技術を実施することができる。或いは、第１の表面領域を電気接地（基準電位）とする一方で、第２の表面領域が高電位に充電されるようにすることもできる。さらに、（単複の）絶縁体層によって課せられる制約の中で、逆符号の又は振幅が大幅に異なる電位などの異なる電位の無限小領域を形成し、これらの領域を十分に小さくして、電位が異なる複数の表面領域からの電界に身体部位が同時に曝されるようにすることができる。

図８は、浮遊電圧源を有する触覚刺激装置８００の別の実施形態例を示す回路図である。図示のように、触覚刺激装置８００は、浮遊している浮遊電圧源８１０に結合されたコンデンサ８０２、８０４、８０６、及び８０８を含む。この浮遊電圧源８１０は、誘導結合又は容量結合及び／又はブレークビフォアメークスイッチを通じて実現することができる。変換器の二次巻線が浮遊電圧源の一例に挙げられる。

電圧Ｕ４を測定することにより、静電容量Ｃ１及び／又はＣ２の値の変化を検出することができる。浮遊電圧源８１０が変換器の二次巻線であると仮定した場合、静電容量Ｃ１及び／又はＣ２の変化を一次側においても、例えば負荷インピーダンスの変化として検出することができる。このような静電容量Ｃ１及び／又はＣ２の変化は、身体部位に触れた又は近付いた兆候の役割を果たす。１つの実施形態では、触覚刺激装置８００が、この身体部位に触れた又は近付いた兆候を利用することにより、第１の（低）電圧を使用して、身体部位に触れたこと又は近付いたことを検出し、第２の（高）電圧を使用してユーザにフィードバックを提供するように構成される。例えば、このように低電圧を使用して身体部位による接触を検出することで、触覚刺激装置の自動ロック解除を作動させること、又はタッチスクリーンパネルの照明を作動させることができる。高電圧を使用したフィードバックは、各タッチ感知領域の輪郭、触覚刺激装置８００が身体部位に接触又は接近したことの検出、タッチ感知領域（によって作動する動作）の重要性、又はアプリケーションプログラムによって処理される、ユーザにとって有用な可能性があるその他の情報のうちのいずれか１又はそれ以上を示すことができる。

図９は、触覚刺激装置６０００の別の実施形態例を示す回路図である。この実施形態では、触覚刺激装置６０００が、コントローラ６００４を通じて電源６００６に接続された２つの異なる電圧源６００８及び６００９に接続された複合部分６００２を含む。この例では、複合部分６００２が、身体部位１２０によって触れることができる絶縁領域２５２と、この絶縁領域２５２に近接する半導体領域２５４とを含む。半導体領域２５４は、身体部位１２０に対して電気知覚的感覚を生じるのに十分な電圧に充電することができる。しかしながら、この実施形態では、半導体領域２５４が少なくとも２つの異なる地点から充電される。図９に示すように、電圧源６００８は、半導体領域２５４に１つの地点で接続され、電圧源６００９は、半導体領域２５４に異なる地点で接続される。

コントローラ６００４は、各電圧源６００８又は６００９を個別に駆動することができる。例えば、コントローラ６００４は、電圧源６００８を、電圧源６００９により生成される電圧Ｖ２とは異なる時相の電圧Ｖ１を生成するように駆動することができる。別の例では、コントローラ６００４が、電圧源６００８を、電圧Ｖ２とは異なる電位のＶ１を生成するように駆動することができる。Ｖ１とＶ２の電位差により、半導体領域２５４の表面上に空間波動を形成することができる。例えば、図１０に半導体領域２５４の表面を示す。半導体領域２５４の端部は、２つの異なる電圧Ｖ１及びＶ２を生成する２つの異なる電圧源に接続される。この例では、電圧Ｖ２の方が電圧Ｖ１よりも高い電位にあり、これにより半導体領域２５４の表面上に方向６０５０に沿って空間波動が形成される。この異なる電位Ｖ１及びＶ２によって形成された空間波動は、図９に示す刺激される身体部位１２０が体験する電気知覚的感覚を可能な限り高めることができる。

図１１は、身体部位１２０の位置に基づいて電気知覚的感覚を生じる単一の電極を有する触覚表示装置９００の実施形態例を示す概略図である。ここでは、触覚表示装置９００が、タッチセンサ式画面であるタッチスクリーンパネル９０２を含み、本実施形態の説明上、３つのタッチ感知領域Ａ１、Ａ２、及びＡ３を含む。コントローラ９０６は、身体部位１２０がタッチ感知領域Ａ１、Ａ２及びＡ３に接近又は接触したことを検出する。

タッチスクリーンパネル９０２は、絶縁領域、導電性領域、及び半導体領域などの様々な材料領域を含む。領域のレイアウトについては以下で例示としてより詳細に説明するが、様々な領域が２つの異なる電極を形成することができる。一方の電極（又は「タッチ検出電極」）は、身体部位１２０による接触を検出するためのものであり、もう一方の電極（又は「電気知覚的感覚電極」）は、身体部位１２０上に電気知覚的感覚を生じるためのものである。１つの例では、接触を検出するために、タッチ検出電極に電圧を印加することで静電界を形成する。身体部位１２０が接触すると、この静電界が変化し、これらの変化に基づいて身体部位１２０の位置（Ａ１、Ａ２、又はＡ３など）を識別することができる。

コントローラ９０６は、タッチスクリーン機能の処理に加え、身体部位１２０の位置情報を使用して、身体部位１２０上の電気知覚的感覚電極が生成する電気知覚的感覚の強度を一時的に変化させる。電気知覚的感覚の強度は時間とともに変化するが、本実施形態では、時間は独立変数ではない。むしろ、時間的変化のタイミングは、タッチ感知領域（Ａ１、Ａ２及びＡ３など）に対する身体部位１２０の位置の関数である。従って、図１１に示す触覚表示装置９００は、電気知覚的感覚電極が身体部位１２０上に生じる電気知覚的感覚の強度の変化を引き起こし、この変化は、タッチスクリーンパネル９０２のタッチ感知領域に対する身体部位１２０の位置に基づく。換言すれば、身体部位１２０の位置に基づいて、電気知覚的感覚の強度が変化することができる。

タッチスクリーンパネル９０２の下に示すグラフ９５０にこの機能を示す。３つのタッチ感知領域Ａ１、Ａ２及びＡ３が、それぞれのｘ座標対｛ｘ１，ｘ２｝、｛ｘ３，ｘ４｝及び｛ｘ５，ｘ７｝により区分される。コントローラ９０６は、身体部位１０２がタッチ感知領域Ａ１、Ａ２及びＡ３のいずれかの左側にある限り、身体部位１２０の存在を不作動として感知しない。この例では、コントローラ９０６が、電気知覚的感覚電極に低強度信号を印加することによって応答する。身体部位１２０がｘ座標値ｘ１を越えるとすぐに、コントローラ９０６が第１のタッチ感知領域Ａ１上の身体部位１２０を検出し、電気知覚的感覚電極に中間強度の信号を印加し始める。領域Ａ１とＡ２の間（ｘ座標ｘ２とｘ３の間）では、コントローラ９０６が再び電気知覚的感覚電極に低強度信号を印加する。第２のタッチ感知領域Ａ２は、第１のタッチ感知領域Ａ１と同様に処理されるが、第３のタッチ感知領域Ａ３は若干異なって処理される。コントローラ９０６は、領域Ａ３上又はこのすぐ近くにある身体部位１２０を検出するとすぐに、（やはり領域Ａ１及びＡ２同様に）電気知覚的感覚電極に中強度信号を印加し始める。しかしながら、ユーザは、第３の領域Ａ３内のポイントｘ６においてタッチスクリーンパネル９０２を押すことを決定する。コントローラ９０６は、指が押されたこと（領域Ａ３に割り当てられた特定の機能の作動）を検出し、電気知覚的感覚電極に高強度信号を印加することによって応答する。従って、触覚表示装置９００の実施形態では、この電気知覚的感覚を生み出すために使用する電気知覚的感覚電極は１つのみであるが、表面に凹凸があるような錯覚を生み出す触覚フィードバックをユーザに提供することができる。

触覚表示装置９００などの容量装置と触覚刺激装置を容易に統合するために、接触検出電極を含む領域又はその他の領域は半導体材料を含むことができ、これによりタッチ感知領域から触覚刺激領域を分離することができる。タッチ感知領域又は機能に関連する電圧及び電流レベルでは、半導体領域が絶縁体として機能し、すなわち半導体領域が容量装置の動作を妨げることはない。しかしながら、上述したように、触覚刺激領域又はその関連機能に関連する電圧、周波数、電流レベル、又はその他の空間的トポロジーでは、半導体領域が導体として機能し、すなわち半導体領域を、容量結合を通じて身体部位１２０に電流を導く電極として使用することができる。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、タッチスクリーンパネルの異なる実施形態例を構成することができる様々な材料領域を示す図である。図１２Ａに示すように、タッチスクリーンパネル９０２の実施形態は、導電性領域１００４と、この導電性領域１００４上に配置された絶縁領域１００２と、この絶縁領域１００２上に配置された半導体領域２５４と、この半導体領域２５４上に配置された別の絶縁領域２５２とを含む。

この実施形態では、絶縁領域１００２及び導電性領域１００４が、従来のタッチスクリーンパネルを構成することができる。導電性領域１００４は、身体部位１２０の接触を検出するように機能する、身体部位１２０上に電気知覚的感覚を生じる上述した電極とは異なる電極（すなわち上述した「接触電極」）を形成する。この導電性領域１００４は、金属の又は透明な導電性材料を含むことができる。導電率にもよるが、１つの例では、導電性領域１００４の厚みを約１μｍ〜約２００μｍとすることができる。他の例では、導電性領域１００４の厚みを、約１μｍよりも薄く、又は約２００μｍよりも厚くすることができる。

導電性領域１００４上に配置される絶縁領域１００２は、ガラスなどの透明な絶縁材料を含むことができる。１つの例では、絶縁領域１００２の厚みを約１０μｍ〜約２ｍｍとすることができる。別の例では、絶縁領域１００２の厚みを約２ｍｍよりも厚くすることができる。さらに別の例では、絶縁領域１００２の厚みを約０．４ｍｍ〜０．７ｍｍとすることができる。

身体部位１２０に対する電気ショックを抑制するため又はその他の機能のために、タッチスクリーンパネル９０２に半導体領域２５４を含めることができる。この半導体領域２５４は、電気知覚的感覚を生じるように機能する電極（すなわち上述した「電気知覚的感覚電極」）も形成する。例えば、以下でより詳細に説明するように、電圧源（図示せず）により、この半導体領域２５４を身体部位１２０上に電気知覚的感覚を生じる電位に充電することができる。この結果、タッチスクリーンパネル９０２の実施形態は、身体部位１２０による接触を検出するとともに身体部位１２０上に電気知覚的感覚を生じるように構成される。

ここでは、半導体領域２５４を絶縁領域１００２の上に（又は従来のタッチスクリーンパネル上に）配置することができる。半導体領域２５４上には別の絶縁領域２５２が配置される。例えば、絶縁領域１００２及び導電性領域１００４を含む従来のタッチスクリーンパネル上に、半導体透明ポリマー化合物などの半導体材料の薄い層を広げることができる。その後、この半導体材料の層上に、絶縁材料である別のガラス片を配置することができる。

代替の実施形態では、タッチスクリーンパネル９０２から絶縁領域１００２を排除することができる。図１２Ｂに示すように、このタッチスクリーンパネルの代替の実施形態９０２’は、導電性領域１００４と、この導電性領域１００４の上に配置された半導体領域２５４と、この半導体領域２５４の上に配置された絶縁領域２５２とを含む。ここで、半導体領域２５４が十分に弱い導体である場合、この半導体領域２５４を導電性領域１００４の上に直接配置することができる。１つの例では、半導体領域２５４の表面抵抗性が１０オーム／平方未満の場合、半導体領域２５４を十分に弱い導体とすることができる。しかしながら、半導体領域２５４の材料特性に加え、半導体領域２５４と導電性領域１００４の間の絶縁領域を排除することも、タッチ感知領域（導電性領域１００４など）又は触覚表示装置のその他の回路の、半導体領域２５４からの電流漏れに対処するための能力に依存し得る。このような能力は、例えば、導電性領域１００４のサイズ、タッチスクリーンパネル９０２’のサイズ、接地、及びその他の特性に依存し得る。

図１２Ａ及び図１２Ｂに示す半導体領域２５４（並びに他の図に示す半導体領域及び電極）は、均質であっても又は均質でなくてもよいと理解されたい。１つの実施形態では、半導体領域２５４の表面を、例えば表面上の導電率が変化できるように非均質とすることができる。例えば、半導体領域２５４は、個別に制御可能な絶縁された半導体領域を含むことができ、この場合、各領域を個別に作動させることができる。この場合、異なる半導体領域間で異なる電圧で各要素を連続的に又は同時に作動させることにより、より大きな範囲の電気知覚的感覚を生み出すことができる。別の例では、半導体領域２５４の表面が、異なる電界パターンを生成できるようにする六角形セルの行構造又はその他のパターンの行構造などのパターンを有する。この結果、パターンの形状により、身体部位１２０に対して異なる電気知覚的感覚を生じることができる。さらに別の例では、半導体領域２５４の表面が、異なる導電率の表面領域を有することができ、これにより様々な表面領域への電荷の流れを修正できるようになる。このような表面は、例えば、勾配ドーピングを使用して構築することができる。この表面は、半導体領域２５４の様々な表面領域への速い又は遅い電荷の流れを実現することができる。この制御された電荷の流れにより、触覚表示装置の電界がより制御され、従って触覚表示装置の安定性をより高めることができる。また、この制御された流れを使用して、電気知覚的感覚を修正することもできる。

図１３は、図１２Ａに示すタッチスクリーンパネルを充電するように構成された回路の例示的な実施形態を示す図である。図１３に示すように、触覚表示装置２０００は、図１２Ａに示す回路２００２及びタッチスクリーンパネル９０２を含む。上述したように、タッチスクリーンパネル９０２は、導電性領域１００４と、この導電性領域１００４上に配置された絶縁領域１００２と、この絶縁領域１００２上に配置された半導体領域２５４と、この半導体領域２５４上に配置された別の絶縁領域２５２とを含む。

この実施形態では、回路２００２が、後に電圧変換器３０４を従えた電流増幅器３０３として実現される電圧増幅器３０２を含む。電圧変換器３０４の二次巻線は、例えば、触覚表示装置２０００の残りの部分に対して宙に浮いた構成にある。増幅器３０２及び３０３は変調信号によって駆動され、変調器３１０に入力されるその変調信号の成分を３１２及び３１４によって示す。電圧増幅器３０２の出力はコントローラ３１６に結合され、これがさらに導電性領域１００４に結合される。

この実施形態では、半導体領域２５４が容量接続を通じて充電される。具体的には、導電性領域１００４を高電位で浮遊するまで充電し、これにより半導体領域２５４を、身体部位１２０に電気知覚的感覚を生じる電位に移行又は充電する。

図１４は、１つが接地接続で提供される、触覚刺激装置３０００を構成する複合部分の別の実施形態を示す図である。図示のように、触覚刺激装置３０００は、回路３００８に接続された２つの異なる複合部分３００４及び３００６を含む。１つの実施形態では、複合部分３００４がタッチスクリーンパネルであり、複合部分３００６が接地接続３５０である。

複合部分３００４は、導電性領域１００４と、この導電性領域１００４上に配置された電子部品領域３００２と、この電子部品領域３００２上に配置された絶縁領域１００２と、この絶縁領域１００２上に配置された半導体領域２５４と、半導体領域２５４上に配置された別の絶縁領域２５２とを含む。電子部品領域３００２は、液晶ディスプレイ、入力装置、又はその他の電子部品などの触覚刺激装置３０００の様々な電子部品又は構成部品を含む。絶縁領域２５２の表面は、身体部位１２０によって触れられるように構成される。

この実施形態では、回路３００８が、後に電圧変換器３０４を従えた電流増幅器３０３として実現される電圧増幅器３０２を含む。電圧変換器３０４の二次巻線は、例えば、触覚刺激装置３０００の残りの部分に対して宙に浮いた構成にある。増幅器３０２及び３０３は変調信号によって駆動され、変調器３１０に入力されるその変調信号の成分を３１２及び３１４によって示す。電圧増幅器３０２の出力はコントローラ３１６に結合され、これがさらに導電性領域１００４に結合される。図示の実施形態では、触覚刺激装置３０００が接地接続３５０を含み、この接地接続３５０が、触覚刺激装置３０００の電圧部分に対して、ユーザを明確に定義された（非浮遊）電位に近付ける役に立つ。接地接続３５０は、電圧部分の基準点ＲＥＦを、刺激対象の身体部位１２０とは異なる身体部位３５４に接続する。この基準点ＲＥＦは、変換器３０４の二次巻線の一端に存在し、一方で電極を含む複合部分３００４の駆動電圧は、二次巻線の反対端から取得される。別の実施形態では、位相差を引き起こすために、複合部分３００４と回路３００８の間、又は複合部分３００６と回路３００８の間に抵抗器（図示せず）を追加することができる。

例示的な実施形態では、触覚刺激装置３０００が、身体部位１２０により活性化されるタッチスクリーンパネルを含むハンドヘルド装置である。接地接続３５０は複合部分３００６で終端し、これが接地電極として機能するとともに触覚刺激装置３０００の表面を形成することができる。複合部分３００６は、異なる材料で構成することができる。１つの実施形態では、図１４に示すように、複合部分３００６が、半導体領域２５４’と、絶縁領域２５２’と、導電性領域１００４’とを含む。絶縁領域２５２’は、導電性領域１００４’と半導体領域２５４’の間に配置される。領域２５２’、２５４’、及び１００４’の厚み範囲は、領域２５２、２５４、及び１００４の厚み範囲とそれぞれ同様にすることができる。１つの実施形態では、従来の触覚表示装置（スマートフォン及びタッチパッドなど）を、身体部位１２０に電気知覚的感覚を与えるように改造することができる。１つの例では、領域１００２、３００２、１００４、及び１００４’が、従来の触覚表示装置の一部である。従来の触覚表示装置に領域２５２、２５４、２５２’、２５４’及び３００８を追加して、身体部位１２０に電気知覚的感覚を与える触覚刺激装置３０００を形成することができる。従来の触覚表示装置に領域２５２、２５４、２５２’、２５４’を追加するとは、従来の触覚表示装置を電気的に絶縁して浮遊させることである。回路３００８は、コントローラ３１６からの刺激信号で触覚刺激装置３０００を全体として（その局所接地電位として）駆動することにより電気知覚的感覚を与える。

具体的には、半導体領域２５４’は、身体部位３５４によって触れられるように構成された表面を有する。導電性領域１００４’は、基準点ＲＥＦにおいて電圧源に接続される。別の実施形態では、複合部分３００６が、２つの半導体領域（図示せず）と、この２つの半導体領域間に配置された絶縁領域（図示せず）とを含むことができる。この場合、一方の半導体領域は、身体部位３５４によって触れられるように構成された表面を有し、他方の半導体領域は、例えば、図１４に示す基準点ＲＥＦにおいて電圧源に接続される。さらに別の実施形態では、複合部分３００６が、絶縁領域（図示せず）に近接する半導体領域（図示せず）を含むことができる。この場合、絶縁領域は、身体部位３５４によって触れられるように構成された表面を有し、半導体領域は、基準点ＲＥＦにおいて電圧源に接続される。さらに別の実施形態では、複合部分３００６が、２つの導電性領域（図示せず）と、この２つの導電性領域の間に配置された絶縁領域（図示せず）とを含むことができる。

上述した複合部分３００６の様々な実施形態では、異なる複合部分３００６の半導体領域（半導体領域２５４’など）が電流量を可能な限り制限できるので、身体部位３５４に対する電気ショックをさらに抑制又は阻止することができる。さらに、絶縁領域２５２’が、身体部位３５４による電気接触に対して導電性領域１００４’（又は別の半導体領域）を絶縁する。図１４で説明した様々な複合部分３００６を使用すると、身体部位１２０が触覚刺激装置３０００の複合部分３００４に触れることによる触知覚、圧覚又は振動感覚を可能な限り高めることもできる。

図１５は、接地接続で提供される複合部分の異なる実施形態を示す図である。触覚刺激装置４０００は、回路４００６に接続された２つの異なる複合部分４００３及び４００４を含む。複合部分４００３は、例えばタッチスクリーンパネルとすることができ、また複合部分４００３は、様々な異なる組成物を有することができ、これらのいくつかについては上述した。他方の複合部分４００４は接地接続３５０である。

この実施形態では、回路４００６が、やはり後に電圧変換器３０４を従えた電流増幅器３０３として実現される電圧増幅器３０２を含む。電圧変換器３０４の二次巻線は、例えば、触覚刺激装置４０００の残りの部分に対して宙に浮いた構成にある。増幅器３０２及び３０３は変調信号によって駆動され、その成分３１２及び３１４が変調器３１０に入力される。電圧増幅器３０２の出力はコントローラ３１６に結合され、上述した回路とは異なり、このコントローラ３１６は接地接続３５０に接続される。この代替の実施形態では、接地接続３５０が、電圧部分の基準点ＲＥＦを、刺激対象の身体部位１２０とは異なる身体部位３５４に接続する。図１５に示すように、基準点ＲＥＦは、変換器３０４の二次巻線の一端に存在し、一方で電極を含む複合部分４００３の駆動電圧は、二次巻線の反対端から取得される。

図１５に示すように、複合部分４００４は接地領域４００２を含み、この接地領域に近接して複数の溝を有する絶縁領域２５２が存在する。１つの特定の実施形態では、各溝が、絶縁領域２５２内に切り込まれた狭い長方形のチャネルである。図示の実施形態では、溝を含む絶縁領域２５２上に半導体領域２５４及び２５４’が重なる。例えば、この半導体領域２５４及び２５４’を、溝の中及び外に重なる半導体材料片で構成することができる。複合部分４００４は、半導体領域２５４及び２５４’に近接し、身体部位３５４によって触れられるように構成された表面を有する別の絶縁領域２５２’をさらに含む。代替の実施形態では、絶縁領域２５２上に、半導体領域２５４及び２５４’ではなく導電性領域を重ねることができる。

ここでは、最も外側の半導体領域２５４（又は半導体領域２５４の溝の外にある部分）がコントローラ３１６に接続され、これにより基準点ＲＥＦと刺激されない身体部位３５４の間に電気結合を生じる。半導体領域２５４’の溝内にある部分は、接地（又は絶縁領域の２５２の背後の接地領域４００２）に容量結合される。最も外側の半導体領域２５４も接地に容量結合されるが、これらは溝内の半導体領域２５４’と比較して接地からさらに離れているので、半導体領域２５４’と接地の容量結合の方が半導体領域２５４と接地の容量結合よりも強力である。

図１５で説明した様々な複合部分４００４を使用すると、例えば、非合成表面に比較して接地を可能な限り改善することができる。さらに、複合部分４００４は、身体部位１２０が触覚刺激装置４０００の複合部分４００３に触れることによる触知覚、圧覚又は振動感覚を可能な限り高めることもできる。

図１６は、接地接続で提供される複合部分のさらに別の実施形態を示す図である。この触覚刺激装置５０００の実施形態は、回路５００６に接続された２つの異なる複合部分５００３及び５００４を含む。複合部分５００３は、例えばタッチスクリーンパネルとすることができ、また複合部分５００３は、様々な異なる組成物を有することができ、これらのいくつかについては上述した。他方の複合部分５００４は接地接続３５０である。

この実施形態では、回路５００６が、やはり浮遊構成にある電圧変換器３０４を後に従えた電流増幅器３０３として実現される電圧増幅器３０２を含む。電圧変換器３０４の二次巻線は、例えば、触覚刺激装置５０００の残りの部分に対して宙に浮いた構成にある。増幅器３０２及び３０３は変調信号によって駆動され、その成分３１２及び３１４が変調器３１０に入力される。電圧増幅器３０２の出力はコントローラ３１６に結合され、このコントローラ３１６が接地接続３５０に接続される。この代替の実施形態では、接地接続３５０が、電圧部分の基準点ＲＥＦを、刺激対象の身体部位１２０とは異なる身体部位３５４に接続する。図１６に示すように、基準点ＲＥＦは、変換器３０４の二次巻線の一端に存在し、一方で電極を含む複合部分５００３の駆動電圧は、二次巻線の反対端から取得される。

図１６に示すように、複合部分５００４は接地領域４００２を含み、この接地領域に近接して絶縁領域２５２が存在する。絶縁領域２５２上には、複数の半導体領域２５４が重なる。例えば、半導体領域２５４を、絶縁領域２５２上に重なる半導体材料片で構成することができる。複合部分５００４は、半導体領域２５４に近接し、身体部位３５４によって触れられるように構成された表面を有する別の絶縁領域２５２’をさらに含む。この絶縁領域２５２’は、半導体領域２５４に緩く結合することができる。代替の実施形態では、絶縁領域２５２上に、半導体領域２５４ではなく導電性領域を重ねることができる。

この実施形態では、半導体領域２５４がコントローラ３１６に接続される。回路５００６が複合部分５００３に電圧を印加すると、この電圧が絶縁領域２５２’を収縮させるので、絶縁領域２５２’が振動することができる。電圧がない場合、絶縁領域２５２’は元の形状に戻る。電圧が脈動すると、収縮及び拡張によって絶縁領域２５２’が振動する。この絶縁領域２５２’の振動により、身体部位１２０が触覚刺激装置５０００の複合部分５００３に触れたことによる触知覚、圧覚又は振動感覚を可能な限り高めることができる。なお、異なる極性を有する身体部位１２０によってこの振動を引き起こすこともできる。この場合、半導体領域２５４に十分に高い電圧が印加されると、身体部位１２０及び３５４を有する人物が接地電位として働き、これにより電圧によって生成された電磁場が絶縁領域２５２’を振動させるようになる。

図１７Ａ及び図１７Ｂは、ある実施形態例による、タッチスクリーンパネル１１００の半導体領域を電圧源２４２に接続するコネクタを有する触覚刺激装置１１０１を示す図である。図１７Ａに示すように、このタッチスクリーンパネル１１００の実施形態は、導電性領域１００４と、この導電性領域１００４上に配置された絶縁領域１００２と、この絶縁領域１００２上に配置された半導体領域２５４と、この半導体領域２５４上に配置された別の絶縁領域２５２とを含む。触覚刺激装置１１０１は、コネクタ１１０２を通じて半導体領域２５４に結合された電圧源２４２及び電圧増幅器２４０も含む。この場合、絶縁領域１００２及び導電性領域１００４は、コネクタ１１０２を収容するための小さな穴を有することができる。

この例では、電圧源２４２が、電極として機能する半導体領域２５４をある電位に充電し、これにより身体部位１２０に対して電気知覚的感覚を生じるように構成される。電圧源２４２は、半導体領域２５４を電圧源２４２に物理的に結合するコネクタ１１０２を通じてこの電荷を印加する。この実施形態では、コネクタ１１０２が半導体材料も含み、これにより、半導体領域２５４と絶縁領域２５２がいずれも破損してコネクタ１１０２が露出した場合に身体部位１２０に対する電気ショックを抑制又は阻止することができる。

例えば、図１７Ｂに示すように、半導体領域２５４と絶縁領域２５２がいずれも摩耗又は破損し、コネクタ１１０２が露出して身体部位１２０がこれに触れることが考えられる。この結果、この特定の領域では、半導体領域２５４及び絶縁領域２５２が、少なくとも電圧増幅器２４０及び電圧源２４２を含む回路から身体部位１２０を分離又は絶縁する役に立たない。１つの実施形態では、コネクタ１１０２が半導体材料も含み、露出したコネクタ１１０２に身体部位１２０が触れた場合に、上述した原理に基づいて身体部位１２０に対する電気ショックを抑制又は阻止することができる。

図１８は、実施形態例による触覚刺激装置１２００の様々な要素を示す概略図である。この触覚刺激装置１２００は、マイクロプロセッサ１２０４、メモリ１２０６、プロセッサ支援回路１２０８、ディスプレイコントローラ１２２０、触覚出力コントローラ１２６０、及びタッチ入力コントローラ１２４０の間の部品間接続を提供するバス１２０２を含む。ディスプレイコントローラ１２２０は、一連の接続線１２２４を通じて、液晶ディスプレイなどのタッチスクリーンパネル１２０１の表示領域１２２２を制御する。同様に、タッチ入力コントローラ１２４０は、一連の接続線１２４４を通じてタッチ感知領域１２６２を制御する。

触覚刺激装置１２００は、触覚出力コントローラ１２６０と、上述したような少なくとも１つの半導体領域を含む触覚出力領域１２４２とを含む触覚出力部分も含み、これらの領域は、相互接続線１２６４により相互接続される。図１８に示す実施形態では、タッチスクリーンパネル１２０１は、表示領域１２２２及びタッチ感知領域１２６２を含む触覚出力領域１２４２を周知のタッチセンサ式ディスプレイに一体化したものである。触覚出力コントローラ１２６０及びタッチ感知領域１２６２の詳細に関しては、上述の実施形態を参照されたい。

図１８に示すように、表示領域１２２２は、ユーザがタッチ感知領域１２６２及び触覚出力領域１２４２を通じて見る情報１２２６を表示する。タッチ感知領域１２６２がタッチ入力コントローラ１２４０によって走査されることにより、メモリ１２０６に記憶されてここから実行されるソフトウェアの制御下にあるマイクロプロセッサ１２０４が、所定の領域１２４６上に身体部位１２０が存在するかそれとも存在しないかを認識するようになる。タッチ感知領域１２６２の複合部分を完全に均一にし、ソフトウェアの制御下にあるマイクロプロセッサ１２０４によって領域１２４６などの所定の領域が動的に形成されることにより、身体部位１２０がタッチ感知領域１２６２に触れたときに、この身体部位１２０のＸ及びＹ座標が所定の領域１２４６の所定の境界と比較されるようにすることができる。

参照数字１２４８は、メモリ１２０６に記憶された存在検出論理を示す。マイクロプロセッサ１２０４が存在検出論理１２４８を実行すると、所定の領域１２４６に身体部位１２０が存在するかそれとも存在しないかが検出されるようになる。ユーザが所定の領域１２４６を発見する支援とするために、通常は、表示領域１２２２により、所定の領域１２４６に関連する機能名又は動作名などの視覚キューが表示情報１２２６の一部として表示される。

メモリ１２０６には、刺激変化論理１２６８がさらに記憶される。刺激変化論理１２６８への入力情報は、所定の領域１２４６に身体部位１２０が存在するかそれとも存在しないかに関する情報を含む。この存在情報に基づいて、刺激変化論理１２６８は、マイクロプロセッサ１２０４によって触覚出力コントローラ１２６０に触覚出力領域１２４２への電気入力を変化させるように指示し、従って身体部位１２０に生じる電気知覚的感覚を変化させるという効果を生じる。従って、ユーザは、触覚情報（又は電気知覚的感覚）のみを通じて、すなわち視覚キューを必要とせずに、所定の領域１２４６に表示情報が存在するかそれとも存在しないかを検出することができる。

上述の詳細な説明では、本開示を簡素化するために、様々な特徴を単一の実施形態にまとめてグループ化していることがある。この開示方法を、各請求項に明示する特徴よりも多くの特徴が本願の主題の実施形態に必要であるという意図を反映するものとして解釈すべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲に反映するように、本発明は、単一の開示する実施形態の全ての特徴よりも少ない特徴において成立することができる。従って、本明細書によれば、以下の特許請求の範囲が詳細な説明に組み入れられ、各請求項は別個の好ましい実施形態として独立する。

本明細書で単数の例として説明した構成部品、動作又は構造には、複数の例を使用することもできる。最後に、様々な構成部品、動作、及びデータストア間の境界は若干恣意的であり、特定の例示的な構成の文脈では特定の動作を示している。機能を他に応用することも想定され、これらを本発明の範囲に含めることもできる。一般に、例示的な構成において別個の部品として示した構造及び機能を、結合構造又は結合部品として実現することもできる。同様に、単一の部品として示した構造及び機能を別個の部品として実現することもできる。これらの及びその他の変形例、修正例、追加例、及び改善例も本発明の範囲に含まれる。

１２０ 身体部位
１５０ 触覚刺激装置
１６０ タッチスクリーンパネル

Claims (16)

1. タッチイベントを検出及び／又は特定するための容量手段を含むタッチセンサ式装置（９０２、３００２）と、
   第１の絶縁領域（２５２）、少なくとも１つの半導体領域（２５４）及び第２の絶縁領域（１００２）を含む少なくとも１つの複合部分（３００４）と、
   を備え、前記第１の絶縁領域（２５２）は、前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）に近接するとともに身体部位（１２０）によって触れられるように構成され、前記第２の絶縁領域（１００２）は、前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）を前記タッチセンサ式装置（９０２、３００２）から分離し、
   前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）を、前記身体部位（１２０）上に電気知覚的感覚を生じるための、前記身体部位（１２０）に関する電位に充電するように構成された電圧源（２４２、７０６、８１０、６００８、６００９）をさらに備え、
   前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）の導電率が、前記タッチセンサ式装置（９０２、３００２）の前記容量手段の動作を妨げないように十分に低いが、前記電圧源（２４２、７０６、８１０、６００８、６００９）が前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）を前記電気知覚的感覚を生じる電位に０．５秒未満で充電できるほど十分に高い、
   ことを特徴とする触覚刺激装置（９００、３０００）。
2. 前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）の導電率が、前記電圧源（２４２、７０６、８１０、６００８、６００９）が前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）を電気知覚的感覚を生じる電位に０．２秒未満で充電できるほど十分に高い、
   ことを特徴とする請求項１に記載の触覚刺激装置（９００、３０００）。
3. 前記電圧源（２４２、７０６、８１０、６００８、６００９）が、導電性領域（１００４）を介して前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）に接続され、前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）の導電率が、前記導電性領域（１００４）の導電率よりも低いが前記第１の絶縁領域（２５２）の導電率よりも高い、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の触覚刺激装置（９００、３０００）。
4. 前記第１の絶縁領域（２５２）及び前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）が共通の材料片から形成され、前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）が、前記共通の材料片の一部にドーパントを添加することにより形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の触覚刺激装置（９００、３０００）。
5. 前記ドーパントが、複数のカーボンナノチューブを含む、
   ことを特徴とする請求項４に記載の触覚刺激装置（９００、３０００）。
6. 前記電圧源（２４２、７０６、８１０、６００８、６００９）が、前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）に電気接続されず、前記電圧源（２４２、７０６、８１０、６００８、６００９）が、前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）を前記電位に充電するための電界を生成するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の触覚刺激装置（９００、３０００）。
7. 前記電気知覚的感覚を生じる対象の前記身体部位（１２０）とは異なる第２の身体部位（３５４）によって触れられるように構成された追加の複合部分（３００６）をさらに備え、前記追加の複合部分（３００６）が、前記電圧源（２４２、７０６、８１０、６００８、６００９）に接続されるとともに、前記触覚刺激装置（３０００）の基準電位と前記第２の身体部位（３５４）の間の電位差を減少させるための接地接続を提供するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の触覚刺激装置（３０００）。
8. 前記追加の複合部分（３００６）が、前記電圧源（２４２、７０６、８１０、６００８、６００９）に接続された追加の導電性領域（１００４’）と、追加の半導体領域（２５４’）と、前記追加の導電性領域（１００４’）と前記追加の半導体領域（２５４’）の間に配置された追加の絶縁領域（２５２’）とを含み、
   前記追加の半導体領域（２５４’）が、前記第２の身体部位（３５４）によって触れられるように構成された表面を有する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の触覚刺激装置（３０００）。
9. 前記タッチセンサ式装置（３００２）が、前記少なくとも１つの複合部分（３００４）内に存在するタッチスクリーンパネル（１６０，９０２）であるか、又は、前記タッチセンサ式装置（３００２）が、前記少なくとも１つの複合部分（３００４）内に存在するタッチスクリーンパネル（１６０，９０２）を含む、
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の触覚刺激装置（３０００）。
10. 前記第１の絶縁領域（２５２）及び／又は前記追加の絶縁領域（２５２’）がガラスを含む、
    ことを特徴とする請求項８に記載の触覚刺激装置（９００、３０００）。
11. 前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）が、半導体透明ポリマー化合物を含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の触覚刺激装置（９００、３０００）。
12. 前記第１の絶縁領域（２５２）が、第１の表面と、前記第１の表面とは反対側の第２の表面とを有し、前記第１の表面が、前記身体部位（１２０）によって触れられるように構成され、前記第２の表面上に半導体材料の層が広がり、前記層を前記少なくとも１つの半導体領域（２５４）とする、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の触覚刺激装置（９００、３０００）。
13. 検出された前記身体部位（１２０）の位置に基づいて前記電気知覚的感覚の強度を変化させるための手段をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の触覚刺激装置（９００、３０００）。
14. 前記身体部位（１２０）によって引き起こされた、前記導電性領域（１００４）に電圧を印加することにより生成された静電界の変化に基づいて、前記身体部位（１２０）の位置を特定するための手段をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項３に記載の触覚刺激装置（９００、３０００）。
15. 前記導電性領域（１００４）が金属材料を含む、
    ことを特徴とする請求項３に記載の触覚刺激装置（９００、３０００）。
16. 前記導電性領域（１００４）が、インジウムスズ酸化物を含む、
    ことを特徴とする請求項３に記載の触覚刺激装置（９００、３０００）。

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