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特開2019-220177予荷重デバイスを備えたハプティックアクチュエーターアセンブリ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-220177(P2019-220177A)
(43)【公開日】2019年12月26日
(54)【発明の名称】予荷重デバイスを備えたハプティックアクチュエーターアセンブリ
(51)【国際特許分類】
G06F 3/01 20060101AFI20191129BHJP
H01L 41/09 20060101ALI20191129BHJP
H01L 41/193 20060101ALI20191129BHJP
H01L 41/187 20060101ALI20191129BHJP
H01L 41/083 20060101ALI20191129BHJP
H01L 41/053 20060101ALI20191129BHJP
B06B 1/06 20060101ALI20191129BHJP
【ＦＩ】
G06F3/01 560
H01L41/09
H01L41/193
H01L41/187
H01L41/083
H01L41/053
B06B1/06 Z
【審査請求】有
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
【全頁数】83
(21)【出願番号】特願2019-110732(P2019-110732)
(22)【出願日】2019年6月14日
(31)【優先権主張番号】16/010,182
(32)【優先日】2018年6月15日
(33)【優先権主張国】US
(71)【出願人】
【識別番号】500390995
【氏名又は名称】イマージョン コーポレーション
【氏名又は名称原語表記】ＩＭＭＥＲＳＩＯＮ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
(74)【代理人】
【識別番号】100094112
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 讓
(74)【代理人】
【識別番号】100101498
【弁理士】
【氏名又は名称】越智 隆夫
(74)【代理人】
【識別番号】100107401
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 誠一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100120064
【弁理士】
【氏名又は名称】松井 孝夫
(74)【代理人】
【識別番号】100182257
【弁理士】
【氏名又は名称】川内 英主
(74)【代理人】
【識別番号】100202119
【弁理士】
【氏名又は名称】岩附 秀幸
(72)【発明者】
【氏名】ヴァヒド コシュカヴァ
(72)【発明者】
【氏名】ジュアン マニュエル クルツ−ヘルナンデス
(72)【発明者】
【氏名】カニヤラル，シャー
【テーマコード（参考）】
5D107
5E555
【Ｆターム（参考）】
5D107AA03
5D107BB08
5D107CC02
5D107CC10
5E555AA08
5E555BA02
5E555BB02
5E555BC04
5E555DA24
5E555DD08
5E555FA00
(57)【要約】
【課題】予荷重デバイスを備えるハプティックアクチュエーターアセンブリを提供する。【解決手段】ハプティック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ハプティック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、ハプティックアクチュエーターに隣接して配置され、垂直軸に沿ったハプティックアクチュエーターの拡張に抵抗するように垂直軸に沿ったハプティック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る。ハプティックアクチュエーターは、ケーシングによって形成された密封空洞内に配置される。密封空洞内の圧力は、垂直軸に沿ったハプティックアクチュエーターに対する圧縮荷重を生成するために変更される。
【選択図】図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ハプティックアクチュエーターアセンブリは、
ハプティックアクチュエーターと、予荷重デバイスと、を有し、
前記ハプティック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、前記平行軸は前記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、垂直軸に沿った前記ハプティック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、を備え、
前記ハプティック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ハプティック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おり、
前記予荷重デバイスは、
前記ハプティックアクチュエーターに隣接し、かつ前記垂直軸に沿った前記ハプティック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、前記予荷重デバイスは、カバーと、前記カバーから間隔を空けて配置されかつ前記カバーに対して平行に延在するベースと、前記カバーと前記ベースとの間に延在する少なくとも１つの側壁とを有するケーシングを備え、
前記ハプティックアクチュエーターは、前記ケーシングによって形成された密封空洞内に配置され、
前記密封空洞内の圧力は、前記ハプティックアクチュエーターに対し前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重を生成するために変更される、ハプティックアクチュエーターアセンブリ。
ハプティックアクチュエーターと、予荷重デバイスと、を有し、
前記ハプティック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、前記平行軸は前記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、垂直軸に沿った前記ハプティック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、を備え、
前記ハプティック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ハプティック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おり、
前記予荷重デバイスは、
前記ハプティックアクチュエーターに隣接し、かつ前記垂直軸に沿った前記ハプティック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、前記予荷重デバイスは、カバーと、前記カバーから間隔を空けて配置されかつ前記カバーに対して平行に延在するベースと、前記カバーと前記ベースとの間に延在する少なくとも１つの側壁とを有するケーシングを備え、
前記ハプティックアクチュエーターは、前記ケーシングによって形成された密封空洞内に配置され、
前記密封空洞内の圧力は、前記ハプティックアクチュエーターに対し前記垂直軸に沿った前記圧縮荷重を生成するために変更される、ハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項2】
前記圧力は大気圧より低く、前記密封空洞内の前記圧力と前記密封空洞の外側の大気圧との間の圧力差が、前記ハプティック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かける、請求項１に記載のハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項3】
前記密封空洞内の前記圧力は、１．４ＰＳＩＡ〜１０ＰＳＩＡである、請求項２に記載のハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項4】
前記圧力は大気圧より高められ、前記圧力は、前記ハプティック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かける、請求項１に記載のハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項5】
前記ハプティック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前記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ハプティック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り、前記ハプティックアクチュエーターの前記変位増幅デバイスは、前記圧電材料の層のそれぞれの反対側の平面に配置された第１のディスク及び第２のディスクを備え、前記第１のディスク及び前記第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する、請求項１に記載のハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項6】
前記ハプティックアクチュエーターは、前記ハプティックアクチュエーターの第１の外面が前記カバーの内面と接触し、前記ハプティックアクチュエーターの第２の外面が前記ベースの内面と接触するように、前記ケーシングによって形成された前記密封空洞内に配置されている、請求項１に記載のハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項7】
前記カバーは、前記ハプティックアクチュエーターが前記垂直軸に沿った変位を出力するときに変形するように構成され、前記ベースは、前記ハプティックアクチュエーターが前記垂直軸に沿った変位を出力するときに変形しないように構成されている、請求項１に記載のハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項8】
前記密封空洞が気密である、請求項１に記載のハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項9】
ハプティック対応デバイスは、
ハウジングと、
電源と、
前記ハウジングの外面でハプティック効果を発生させるように構成されたハプティックアクチュエーターアセンブリと、
制御ユニットと、を有し、
前記ハプティックアクチュエーターアセンブリは、
ハプティックアクチュエーターと、
予荷重デバイスと、を備え、
前記ハプティック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、前記平行軸は前記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、垂直軸に沿った前記ハプティック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、前記ハプティック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ハプティック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、
前記ハプティックアクチュエーターに隣接し、かつ前記ハプティック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、前記カバーから間隔を空けて配置されかつ前記カバーに対して平行に延在するベースと、前記カバーと前記ベースとの間に延在する少なくとも１つの側壁とを有するケーシングと、を備え、
前記ハプティックアクチュエーターは、前記ケーシングによって形成された密封空洞内に配置され、前記密封空洞内の圧力は、前記ハプティック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変更され、
前記制御ユニットは、前記ハプティック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ように構成される、ハプティック対応デバイス。
ハウジングと、
電源と、
前記ハウジングの外面でハプティック効果を発生させるように構成されたハプティックアクチュエーターアセンブリと、
制御ユニットと、を有し、
前記ハプティックアクチュエーターアセンブリは、
ハプティックアクチュエーターと、
予荷重デバイスと、を備え、
前記ハプティック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、前記平行軸は前記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、垂直軸に沿った前記ハプティック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、前記ハプティック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ハプティック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、
前記ハプティックアクチュエーターに隣接し、かつ前記ハプティック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、前記カバーから間隔を空けて配置されかつ前記カバーに対して平行に延在するベースと、前記カバーと前記ベースとの間に延在する少なくとも１つの側壁とを有するケーシングと、を備え、
前記ハプティックアクチュエーターは、前記ケーシングによって形成された密封空洞内に配置され、前記密封空洞内の圧力は、前記ハプティック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変更され、
前記制御ユニットは、前記ハプティック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ように構成される、ハプティック対応デバイス。
【請求項10】
前記ハプティック対応デバイスの前記ハウジングによって前記ハプティック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、請求項９に記載のハプティック対応デバイス。
【請求項11】
前記ハプティック対応デバイスは、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、前記ハウジングの第２の面かつ反対側の面を形成するバックパネルを備え、前記ハプティックアクチュエーターアセンブリは、前記ハプティック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、前記ハウジングの前記第２の面に配置されている、請求項１０に記載のハプティック対応デバイス。
【請求項12】
前記制御ユニットは、前記ハプティック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ている、請求項９に記載のハプティック対応デバイス。
【請求項13】
前記駆動信号は、前記ハプティック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、請求項１２に記載のハプティック対応デバイス。
【請求項14】
ハプティックアクチュエーターアセンブリは、
ハプティックアクチュエーターと、
予荷重デバイスと、を有し、
前記ハプティック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、前記平行軸は前記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、垂直軸に沿った前記ハプティック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、を備え、
前記ハプティック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ハプティック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おり、
前記予荷重デバイスは、
前記ハプティックアクチュエーターに隣接し、かつ前記ハプティック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、
前記カバーから間隔を空けて配置されかつ前記カバーに対して平行に延在するベースであって、前記ハプティック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ている、ベースと、
前記カバーに取り付けられた第１の端部と前記ベースに取り付けられた第２の端部とを有するコネクター部品であって、第１の長さから第２の長さまで長手方向に収縮するように構成されている収縮可能な材料から形成され、前記第２の長さは前記第１の長さより短い、コネクター部品と、を備え、
前記第２の長さまで収縮した前記コネクター部品は、前記ハプティック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る、ハプティックアクチュエーターアセンブリ。
ハプティックアクチュエーターと、
予荷重デバイスと、を有し、
前記ハプティック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、前記平行軸は前記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、垂直軸に沿った前記ハプティック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、を備え、
前記ハプティック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ハプティック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おり、
前記予荷重デバイスは、
前記ハプティックアクチュエーターに隣接し、かつ前記ハプティック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、
前記カバーから間隔を空けて配置されかつ前記カバーに対して平行に延在するベースであって、前記ハプティック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ている、ベースと、
前記カバーに取り付けられた第１の端部と前記ベースに取り付けられた第２の端部とを有するコネクター部品であって、第１の長さから第２の長さまで長手方向に収縮するように構成されている収縮可能な材料から形成され、前記第２の長さは前記第１の長さより短い、コネクター部品と、を備え、
前記第２の長さまで収縮した前記コネクター部品は、前記ハプティック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る、ハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項15】
前記コネクター部品は、複数の間隔を空けて配置されたコネクター部品を含む、請求項１４に記載のハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項16】
前記収縮可能な材料は形状記憶材料である、請求項１５に記載のハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項17】
前記カバーは、前記ハプティックアクチュエーターが前記垂直軸に沿った変位を出力するときに変形するように構成され、前記ベースは、前記ハプティックアクチュエーターが前記垂直軸に沿った変位を出力するときに変形しないように構成されている、請求項１５に記載のハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項18】
前記カバー及び前記ベースの各々は、前記コネクター部品によって前記ハプティックアクチュエーターにかけられる前記力を均一に分散させるように構成されている薄い平面部品である、請求項１５に記載のハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項19】
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、請求項１５に記載のハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【請求項20】
前記ハプティック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前記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ハプティック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り、前記ハプティックアクチュエーターの前記変位増幅デバイスは、前記圧電材料の層のそれぞれの反対側の平面に配置された第１のディスク及び第２のディスクを備え、前記第１のディスク及び前記第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する、請求項１５に記載のハプティックアクチュエーターアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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、予荷重デバイスを備えたハプティックアクチュエーターアセンブリに関する。
【背景技術】
【0002】
ハプティクスは、ユーザーに力、振動及び他の動き等のハプティック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知性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、ハプティック効果を発生させるように構成することができる。ハプティック効果は、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）等のハプティックアクチュエーターを用いて発生させることができる。ハプティック効果は、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ハプティック効果を含むことができる。
【発明の概要】
【0003】
本明細書に記載する実施形態の１つの態様は、ハプティックアクチュエーター及び予荷重デバイスを備えるハプティックアクチュエーターアセンブリに関する。ハプティック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、垂直軸に沿ったハプティック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。ハプティックアクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿ったハプティック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、ハプティックアクチュエーターに隣接し、かつ垂直軸に沿ったハプティック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、カバーとベースとの間に延在する少なくとも１つの側壁とを有するケーシングを備える。ハプティックアクチュエーターは、ケーシングによって形成された密封空洞内に配置される。密封空洞内の圧力は、ハプティックアクチュエーターに対し垂直軸に沿った圧縮荷重を生成するために変更される。
【0004】
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、制御ユニットと、ハウジングの外面でハプティック効果を発生させるように構成されたハプティックアクチュエーターアセンブリとを備えるハプティック対応デバイスに関する。ハプティック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、垂直軸に沿ったハプティック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。ハプティックアクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿ったハプティック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、ハプティックアクチュエーターに隣接し、かつハプティック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、カバーとベースとの間に延在する少なくとも１つの側壁とを有するケーシングを備える。ハプティックアクチュエーターは、ケーシングによって形成された密封空洞内に配置され、密封空洞内の圧力は、ハプティック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変更される。制御ユニットは、ハプティック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。
【0005】
本明細書における実施形態の別の態様は、ハプティックアクチュエーター及び予荷重デバイスを備えるハプティックアクチュエーターアセンブリに関する。ハプティック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、垂直軸に沿ったハプティック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。ハプティックアクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿ったハプティック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、ハプティックアクチュエーターに隣接し、かつハプティック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であって、ハプティックアクチュエーターはカバーとベースとの間に配置されている、ベースと、カバーに取り付けられた第１の端部とベースに取り付けられた第２の端部とを有するコネクター部品とを備える。コネクター部品は、第１の長さから第２の長さまで長手方向に収縮するように構成されている収縮可能な材料から形成され、第２の長さは第１の長さより短い。第２の長さまで収縮したコネクター部品は、ハプティック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。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】本発明の一実施形態による、ハプティックアクチュエーターアセンブリを有するハプティック対応デバイスのブロック図である。
【図2A】本発明の実施形態による、ハプティックアクチュエーターアセンブリのブロック図である。
【図2B】本発明の実施形態による、ハプティックアクチュエーターのブロック図である。
【図3A】本発明の一実施形態による、ハプティック対応デバイスを示す図である。
【図3B】本発明の一実施形態による、ハプティック対応デバイス及びハプティック対応デバイスの裏面に配置されたハプティックアクチュエーターアセンブリを示す図である。
【図4】本発明の一実施形態による、ハプティックアクチュエーターアセンブリのハウジングのバックパネル内に配置されたハプティックアクチュエーターアセンブリを示す図である。
【図5】本発明の一実施形態による、タッチスクリーンデバイス、ハプティックアクチュエーターアセンブリ及び取付部品を備えるハプティック対応システムのブロック図である。
【図6】本発明の一実施形態による、タッチスクリーンデバイス、ハプティックアクチュエーターアセンブリ及び取付部品を備えるハプティック対応システムを示す図である。
【図7】本発明の一実施形態による、ハプティックアクチュエーター及び予荷重デバイスを備えたハプティックアクチュエーターアセンブリを示す図である。
【図8A】本発明の一実施形態による、ハプティックアクチュエーターアセンブリ用のハプティックアクチュエーター例を示す図である。
【図8B】本発明の一実施形態による、ハプティックアクチュエーターアセンブリ用のハプティックアクチュエーター例を示す図である。
【図8C】本発明の一実施形態による、ハプティックアクチュエーターアセンブリ用のハプティックアクチュエーター例を示す図である。
【図8D】本発明の一実施形態による、ハプティックアクチュエーターアセンブリ用のハプティックアクチュエーター例を示す図である。
【図8E】本発明の一実施形態による、ハプティックアクチュエーターアセンブリ用のハプティックアクチュエーター例を示す図である。
【図9】本発明の一実施形態による、ハプティックアクチュエーターアセンブリ用のハプティックアクチュエーター例を示す図である。
【図10】本発明の一実施形態による、ハプティックアクチュエーター及び予荷重デバイスを備えたハプティックアクチュエーターアセンブリを示す図である。
【図11】本発明の一実施形態による、ハプティックアクチュエーター及び予荷重デバイスを備え、予荷重デバイスが密封空洞内の圧力により生成される、ハプティックアクチュエーターアセンブリの組立分解斜視図である。
【図15】本発明の一実施形態による、ハプティックアクチュエーター及び予荷重デバイスを備え、予荷重デバイスが、収縮可能な材料から形成された複数のコネクター部品を含む、ハプティックアクチュエーターアセンブリの側断面図である。
【図18】本発明の一実施形態による、ハプティックアクチュエーターによって出力される力と、ハプティックアクチュエーターによって出力される変位との間の関係例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0007】
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。
【0008】
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。更に、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。
【0009】
本明細書における実施形態の１つの態様は、ハプティック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。ハプティック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ハプティック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、振動触知性ハプティック効果を発生させることができる。予荷重デバイスは、ハプティックアクチュエーターに対して、ハプティック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、ハプティック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、ハプティック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、その軸に沿ったハプティック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、ハプティック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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ内に組み込まれるか、又はハプティック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、ハプティックアクチュエーターからの変位、ハプティック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。
【0010】
一実施形態では、予荷重デバイスは、同様にハプティック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、ハプティック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、ハプティック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、ハプティック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。ハプティック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、ハプティックアクチュエーターに予荷重が加えられない場合、ハプティックアクチュエーターは、場合によっては、ハプティック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、ハプティック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、ハプティック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、ハプティックアクチュエーターが、ハプティック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。ハプティック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、振動触知性ハプティック効果になる可能性があるが、図１８に示すように、振動触知性ハプティック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、振動触知性ハプティック効果は、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。
【0011】
図１８は、予荷重が存在するときにハプティック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、ハプティック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、ハプティック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、ハプティック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、予荷重を含むハプティックアクチュエーターアセンブリによって振動触知性ハプティック効果が発生する場合、予荷重を有していないハプティックアクチュエーターによって振動触知性ハプティック効果が発生する状況と比較して、振動触知性ハプティック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。
【0012】
一実施形態では、予荷重デバイスは、ハプティックアクチュエーターを保護するためにハプティック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ハプティック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、ハプティック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、ハプティック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、ハプティック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、ハプティックアクチュエーターを保護することができる。
【0013】
一実施形態では、ハプティックアクチュエーターは、ケーシングによって形成された密封空洞内に配置されている。１つ以上の運動軸に沿ったハプティック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ために、密封空洞内の圧力は、大気圧より低い。真空ポンプを利用して、密封空洞内の圧力を低下させて、ハプティックアクチュエーターに対して予荷重を提供することができ、又は、ポンプを利用して、密封空洞内の圧力を上昇させて、ハプティックアクチュエーターに対して予荷重を提供することができる。
【0014】
別の実施形態では、予荷重デバイスは、１つ以上の運動軸に沿ったハプティック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ために、長手方向に収縮するように構成されている収縮可能な材料から形成される、少なくとも１つのコネクター部品を備える。
【0015】
一実施形態では、予荷重デバイスを有するハプティックアクチュエーターアセンブリは、ハプティック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、ハプティック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、ハプティック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、アセンブリのハプティック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。
【0016】
図１は、予荷重デバイスを組み込んだハプティックアクチュエーターアセンブリ１２０を備えることができるハプティック対応デバイス１００のブロック図を示す。より具体的には、ハプティック対応デバイス１００は、ハウジング１１０と、ハプティック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、ハプティック対応デバイス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、ハプティック対応電子腕時計、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。
【0017】
一実施形態では、電源１４０は、ハプティック効果を発生させるためにハプティック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、バッテリー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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１２０のより詳細に後述するハプティック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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１２０のハプティック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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１２０のハプティック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。
【0018】
一実施形態では、制御ユニット１３０は、ハプティック対応デバイス１００に対するハプティック効果の発生を制御するのに専用とすることができ、又は、ハプティック対応デバイス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。
【0019】
図２Ａは、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１２０の一実施形態であるハプティックアクチュエーターアセンブリ１２０Ａのブロック図を示す。ハプティックアクチュエーターアセンブリ１２０Ａは、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター１２１は、１つ以上の軸に沿ってハプティック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。
【0020】
図２Ｂは、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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。
【0021】
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。
【0022】
図３Ａ及び図３Ｂは、ハプティック対応デバイス１００の一実施形態であるハプティック対応デバイス２００を示す。ハプティック対応デバイス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。ハプティック対応デバイス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。
【0023】
図３Ｂに示すように、ハプティック対応デバイス２００は、ハプティック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、ハプティック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、ハプティック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。ハプティック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に振動触知性ハプティック効果を発生させるように構成することができる。振動触知性ハプティック効果は、ハプティック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、振動触知性ハプティック効果は、ハプティック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。ハプティック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、ハプティック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、振動触知性ハプティック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スチフネスを有するように構成することができる。
【0024】
より詳細に後述するように、ハプティックアクチュエーターアセンブリ２２０は、軸２１７等の軸に沿ったハプティック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、又はより全体的にはバックパネル２１４は、単独では、ハプティック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スチフネスがない可能性がある。例えば、下層２１４ｃによって、又はより全体的にはバックパネル２１４によってハプティック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によってハプティック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、ハプティック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、ハプティックアクチュエーターアセンブリのハプティック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ハプティック効果の力が低減する可能性があり、ハプティックアクチュエーターアセンブリ２２０のハプティック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、ハプティック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に沿ったそのハプティック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。
【0025】
一実施形態では、ハプティック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、ハプティックアクチュエーターアセンブリのハプティック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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ２２０のハプティック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、ハプティック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、ハプティックアクチュエーターによる変位の量とハプティック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。
【0026】
一実施形態では、下層２１４ｃに対してかけられる力等、ハプティック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のハプティック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、ハプティック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、ハプティック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、ハプティック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、ハプティック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。
【0027】
一実施形態では、図４に示すハプティック対応デバイス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、ハプティック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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ２２０のハプティック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のハプティック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。
【0028】
一実施形態では、本明細書における実施形態のハプティックアクチュエーターアセンブリは、図５のハプティック対応システム３００等、ハプティック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、ハプティック対応システム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、ハプティック対応システム３００は、タッチスクリーンデバイス３１０と、ハプティック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。
【0029】
ハプティックアクチュエーターアセンブリ１２０又は２２０と同様に、ハプティック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においてハプティック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。ハプティック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。
【0030】
図６は、ハプティック対応システム３００の一実施形態であるハプティック対応システム４００を示す。ハプティック対応システム４００は、タッチスクリーンデバイス４１０と、ハプティック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。ハプティック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、ハプティック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ハプティック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、ハプティック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、剛性部品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、ハプティック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。
【0031】
一実施形態では、ハプティックアクチュエーターアセンブリ４２０は、軸４１７に沿ったハプティック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に沿ったハプティック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、ハプティックアクチュエーターアセンブリの拡張を抑制するために、ハプティック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。
【0032】
図７Ａ及び図７Ｂに、ハプティックアクチュエーターアセンブリ５２０の一実施形態を示す。ハプティックアクチュエーターアセンブリ５２０は、ハプティックアクチュエーター５２１と予荷重デバイス５２７とを備える。図７Ｂに示すように、ハプティックアクチュエーター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。ハプティックアクチュエーター５２１によって出力される変位は、全体としてハプティック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、ハプティック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、ハプティック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、ハプティックアクチュエーター５２１がアクティベートされていない基準状態と比較した、ハプティック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、ハプティックアクチュエーター５２１は、圧電アクチュエーターとすることができる。
【0033】
一実施形態では、予荷重デバイス５２７は、図７Ａ及び図７Ｂにおいて矢印５６０によって表すように、ハプティックアクチュエーター５２１及びハプティック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。ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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、第１の構成要素５２７ａ及び第２の構成要素５２７ｂを利用して、圧縮荷重を発生させることができる。
【0034】
図８Ａ〜図８Ｄは、ハプティックアクチュエーター５２１の一実施形態であるハプティックアクチュエーター６２１を示す。この実施形態では、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター６２１は、ＴＤＫ（登録商標）製のＭｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ＰｏｗｅｒＨａｐ（商標）２．５Ｇタイプのハプティック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バージョンとすることができる。
【0035】
図８Ａ〜図８Ｃに示すように、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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に沿ってハプティックアクチュエーター６２１によって出力される変位は、軸６１７に沿ったハプティックアクチュエーター６２１の拡張又は収縮から生じることができる。
【0036】
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）。特定の軸に沿ってハプティックアクチュエーター６２１によって出力される変位は、例えば、ハプティックアクチュエーター６２１がアクティベートされていない基準状態と比較した、その軸に沿ったハプティックアクチュエーター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。
【0037】
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。更に、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。
【0038】
一実施形態では、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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。
【0039】
一実施形態では、図８Ｂ及び図８Ｃに示すように、ハプティックアクチュエーター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に沿ったハプティックアクチュエーター６２１の拡張に変換することができる。ハプティックアクチュエーター６２１によって出力される変位は、ハプティックアクチュエーター６２１の拡張から生じる可能性がある。
【0040】
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。更に、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。
【0041】
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。
【0042】
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に沿って位置合わせすることができる。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、又はより全体的には、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。
【0043】
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。
【0044】
図９は、ハプティックアクチュエーター５２１の一実施形態であるハプティックアクチュエーター７２１を示す。ハプティックアクチュエーター６２１と同様に、ハプティックアクチュエーター７２１は、層７２１ａの圧電材料を含む。ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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号明細書（ＩＭＭ５３９）においても考察されている。
【0045】
図１０は、ハプティック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ハプティック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。ハプティックアクチュエーターアセンブリは、ハプティックアクチュエーター８２１及び予荷重デバイス８２７を備える。一実施形態では、ハプティックアクチュエーター８２１は、ハプティックアクチュエーター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。ハプティック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に沿ったハプティックアクチュエーター８２１の拡張に抵抗し、したがって、軸８１７に沿ったハプティック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。
【0046】
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つ以上のコネクター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、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター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。ハプティックアクチュエーター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。
【0047】
図１１及び図１２は、予荷重、又はより具体的には圧縮荷重が、アセンブリの密封空洞１１６３内の所定圧力によって生成される、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１１２０の一実施形態を示す。より具体的には、図１１及び図１２は、上述したハプティックアクチュエーター６２１とともに予荷重デバイス１１２７を備えるハプティックアクチュエーターアセンブリ１１２０のそれぞれ組立分解斜視図及び側断面図を示す。ハプティックアクチュエーターアセンブリ１１２０は、ハプティックアクチュエーター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ハプティック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に沿ったハプティックアクチュエーター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に沿ったハプティックアクチュエーター６２１の拡張、又はより全体的には変形に抵抗する。
【0048】
予荷重デバイス１１２７は、密封空洞１１６３を画定するケーシング１１６２を備える。ハプティックアクチュエーター６２１は、ケーシング１１６２によって形成される密封空洞１１６３内に配置され、軸６１７に沿ったハプティックアクチュエーター６２１に対する圧縮荷重を生成するために、密封空洞１１６３内の圧力は、大気圧より低い。より詳細には、密封空洞１１６３内の圧力は、１．４ＰＳＩＡ〜１０ＰＳＩＡである。密封空洞１１６３は、気密であり、エアロックされ、又は他の方法で封止される。例えば、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１１２０の組立中、真空ポンプを利用して、密封空洞１１６３内の圧力を大気圧より低い圧力まで低下させることができる。真空ポンプを介して、密封空洞１１６３内の圧力が１．４ＰＳＩＡ〜１０ＰＳＩＡになるまで、密封空洞１１６３からいかなる残留蒸気、気体又は他の混合成分もパージされる。真空ポンプは、ケーシング１１６２に選択的に接続され、密封空洞内の圧力が所望の所定圧力に達した後に栓をすることができる通気孔（図示せず）を介して、密封空洞１１６３と流体連通することができる。密封空洞１１６３内における大気圧より低い所定圧力により、密封空洞１１６３の外側の大気圧と密封空洞１１６３内の大気圧より低い所定圧力との圧力差がもたらされ又は発生する。この圧力差は、軸６１７に沿ったハプティックアクチュエーター６２１に対する圧縮荷重を生成するか又は発生させるように構成され、圧縮荷重は、軸６１７に沿ったハプティックアクチュエーター６２１の拡張に抵抗する。一実施形態では、（密封空洞１１６３の外側の大気圧と密封空洞１１６３内の大気圧より低い所定圧力との）圧力差は、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、ハプティックアクチュエーター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。
【0049】
ハプティックアクチュエーター６２１が印加された電位に応じて変形すると、（密封空洞１１６３の外側の大気圧と密封空洞１１６３内の大気圧より低い所定圧力との）圧力差は、ハプティックアクチュエーター６２１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圧縮力を、ハプティックアクチュエーター６２１にかける。ハプティックアクチュエーター６２１から出力される変位を低減させることによって、圧力差によりハプティックアクチュエーター６２１によって出力される力の増大がもたらされる。その結果、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１１２０が振動触知性ハプティック効果を発生させるとき、振動触知性ハプティック効果と同時に発生する力は、予荷重を有していないハプティックアクチュエーターが振動触知性ハプティック効果を発生させる応用と比較して、より強力かつより知覚可能とすることができる。
【0050】
一実施形態では、ケーシング１１６２は、カバー１１６４と、カバー１１６４と対向するベース１１６６と、カバー１１６４とベース１１６６との間に延在してケーシング１１６２を密封する複数の側壁１１６８Ａ、１１６８Ｂとを備える。図１１及び図１２の実施形態では、ケーシング１１６２は、２組の側壁を備え、第１の組の側壁１１６８Ａはカバー１１６４からベース１１６６に向かって延在し、第２の組の側壁１１６８Ｂはベース１１６６からカバー１１６４に向かって延在している。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、５０ＧＰａより高いヤング率を有する複合材料又は薄い金属材料等、軽量であるが強力である材料から形成することができる。ケーシング１１６２は、真空ポンプが適用されるときはつぶれないように十分に剛性があるが、ハプティックアクチュエーター６２１からの変位を可能にするために十分可撓性がある。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）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、９ｍｍ〜２５ｍｍの範囲の長さ及び幅を有することができる。図１１及び図１２の実施形態に示すように、カバー１１６４及びベース１１６６が各々矩形である場合、ケーシング１１６２は、矩形のカバー及びベースの各々の４つの側部に対応する合計８つの側壁１１６８Ａ、１１６８Ｂを備える。しかしながら、カバー１１６４及びベース１１６６の形状に応じて、ケーシング１１６２を密封するために異なる数の側壁が必要である場合がある。例えば、カバー１１６４及びベース１１６６が円形又は楕円形状である場合、単一の側壁を利用してケーシング１１６２を密封することができる。更に、別の例では、図１１及び図１２の実施形態に示すケーシング１１６２は、ケーシング１１６２を密封するために、図示する８つの側壁ではなく、合計４つの側壁１１６８Ａ、１１６８Ｂを備えることができ、各側壁は、カバー１１６４とベース１１６６との間の全長にわたって延在する。一実施形態では、ケーシング１１６２は、２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲である全体厚さを有する薄型とすることができ、その結果、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１１２０もまた薄型となる。ケーシング１１６２は、その１つ以上の構造的要素が、その密封空洞又はチャンバーにアクセスすることができるために残りの構造的要素に解除可能に取り付けられるように形成することができる。例えば、場合によっては、ケーシング１１６２は、互いに解除可能に結合する２つの部品で形成することができ、第１の部品は、カバー１１６４とカバー１１６４から延在する側壁１１６８Ａとを含み、第２の部品は、ベース１１６６とベース１１６６から延在する側壁１１６８Ｂとを含む。別の例では、１つ以上の側壁１１６８Ａ、１１６８Ｂは、ケーシング１１６２の残りの構造的要素に解除可能に結合することができる。
【0051】
ケーシング１１６２は、圧電材料の層６２１ａと変位変換デバイス６２１ｂ−１／６２１ｂ−２との両方を備えた、ハプティックアクチュエーター６２１を収容又は包含する。ハプティックアクチュエーター６２１は、カバー１１６４とベース１１６６との間でケーシング１１６２内に配置され、カバー１１６４及びベース１１６６は、軸６１７に沿ったハプティックアクチュエーター６２１のそれぞれの反対側の端部に配置されている。図１１及び図１２の実施形態では、ハプティックアクチュエーター６２１は、ハプティックアクチュエーター６２１の第１の外面がカバー１１６４の内面と接触し、ハプティックアクチュエーター６２１の第２の外面がベース１１６６の内面と接触するように、密封空洞１１６３内に配置されている。一実施形態では、ベース１１６６及び／又はカバー１１６４は、接着剤又は他の何らかの取付方法によりハプティックアクチュエーター６２１に取り付けることができる。
【0052】
ハプティックアクチュエーター６２１を収容し、内部に大気圧より低い所定圧力を有する密封空洞１１６３を画定することに加えて、ケーシング１１６２は、内蔵デバイスとしてハプティック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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１１２０に組み込まれるか又はハプティック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、ハプティック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を有するハプティックアクチュエーターアセンブリ１１２０は、ハプティック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、ハプティック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、ハプティック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。
【0053】
図１２は、ハプティック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。電源１１４０は、制御ユニット１１３０により、ハプティックアクチュエーター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、ハプティック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、ハプティックアクチュエーター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に沿ったハプティックアクチュエーター６２１による拡張又はより全体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、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター６２１によって出力される力の増大をもたらし、それにより、より知覚可能なハプティック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、ハプティック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。
【0054】
一実施形態では、ハプティック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、ハプティック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、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター６２１の動作に関して上述したように、軸６１７に沿ったハプティックアクチュエーター６２１によって出力される変位は、ハプティックアクチュエーター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に沿ったハプティックアクチュエーター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に沿ったハプティックアクチュエーター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、ハプティック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ハプティック対応デバイスのハウジング又は他の部分にハプティック感覚を提供する。
【0055】
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、ベース１１６６は、機械的基礎として作用し、それにより、ハプティックアクチュエーター６２１が発生させる力をカバー１１６４に移すように構成することができる。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。ハプティックアクチュエーター６２１が軸６１７に沿って拡張するとき、カバー１１６４は、その拡張に対して、ベース１１６６が提供するよりはるかに小さい抵抗を提供し、その結果、ハプティックアクチュエーター６２１の拡張の大部分又は全ては、ベース１１６６に対してではなく、カバー１１６４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。例えば、一実施形態では、カバー１１６４は第１の厚さを有し、ベース１１６６は第２の厚さを有し、ベース１１６６が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ように、第１の厚さは第２の厚さより薄い。別の実施形態では、カバー１１６４及びベース１１６６は同じ厚さを有することができるが、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ように、相対的により堅い材料から形成することができる。
【0056】
一実施形態では、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１１２０の構成要素は、より有効なハプティック感覚を提供するように選択することができる。例えば、ハプティックアクチュエーター６２１は、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１１２０（ハプティックアクチュエーター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ハプティック感覚を出力することができる。より詳細には、電源１１４０が、ハプティック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、ハプティック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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１１２０は、より有効なハプティック感覚を提供するように共振する。言い換えれば、ハプティック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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１１２０は、駆動信号がハプティック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。
【0057】
ケーシング１１６２は、電源１１４０とハプティックアクチュエーター６２１の電極６２１ｃ−１／６２１ｃ−２との間の電気通信を可能にするように構成されている。例えば、図１３は、ケーシング１１６２の一実施形態であるケーシング１３６２を示す。ケーシング１３６２は、密封空洞１３６３を画定する。ケーシング１３６２は、一対のチャネル又はボア１３６７Ａ、１３６７Ｂが貫通して形成されているベース１３６６を含む。チャネル１３６７Ａ、１３６７Ｂそれぞれに弁１３６９Ａ、１３６９Ｂが配置されており、各弁１３６９Ａ、１３６９Ｂは、電源１１４０をハプティックアクチュエーター６２１の電極６２１ｃ−１／６２１ｃ−２に電気的に接続するために導線の通過を可能にする一方で、密封空洞１１６３が大気に対して気密であり、エアロックされ、又は他の方法で封止されたままであるように、それぞれのチャネル１３６７Ａ、１３６７Ｂを通るシールを依然として維持するように動作可能である。別の実施形態では、代替的に、カバー１３６４又は側壁１３６８Ａ、１３６８Ｂのうちの１つ以上を通して、内部に弁を有する一対のチャネル又はボアを形成することができる。
【0058】
別の実施形態では、ケーシングに、電源１１４０をハプティックアクチュエーター６２１の電極６２１ｃ−１／６２１ｃ−２に電気的に接続するために利用することができる一対のパワーフィードスルーを埋め込むことができる。例えば、図１４は、ケーシング１１６２の一実施形態であるケーシング１４６２を示す。ケーシング１４６２は、密封空洞１４６３を画定する。ケーシング１４６２は、一対のパワーフィードスルー１４６５Ａ、１４６５Ｂが内部を通して形成されているベース１４６６を含む。各パワーフィードスルー１４６５Ａ、１４６５Ｂは、例えば、ベース１３６６内に埋込ピンを備え、埋込ピンの各端部に電極があり、その結果、ピンの一端においてハプティックアクチュエーター６２１の電極６２１ｃ−１／６２１ｃ−２との電気接続を形成することができ、ピンの他端において電源１１４０との電気接続を形成することができる。一対のパワーフィードスルー１４６５Ａ、１４６５Ｂは、密封空洞１４６３が、大気に対して気密であり、エアロックされ又は他の方法で封止されたままであるように、ケーシング１４６２を構成する。別の実施形態では、一対のパワーフィードスルー１４６５Ａ、１４６５Ｂは、代替的に、カバー１４６４又は側壁１４６８Ａ、１４６８Ｂのうちの１つ以上を通して形成することができる。
【0059】
図１１及び図１２のハプティックアクチュエーターアセンブリ１１２０について、真空ポンプを使用することにより、密封空洞１１６３内の圧力を大気圧より低い圧力まで低下させるように上述したが、別の実施形態では、予荷重、又はより具体的には圧縮荷重を生成するか又は発生させるために、密封空洞１１６３内の圧力を増大又は上昇させることができる。ポンプが、ケーシング１１６２に選択的に接続され、密封空洞内の圧力が大気圧より高い所望の圧力に達した後に栓をすることができる通気孔（図示せず）を介して、密封空洞１１６３と流体連通することができる。密封空洞１１６３のこうした加圧により、軸６１７に沿ったハプティックアクチュエーター６２１に対する圧縮荷重を生成するか又は発生させるために力がかけられ、圧縮荷重は、軸６１７に沿ったハプティックアクチュエーター６２１の拡張に抵抗する。ハプティックアクチュエーター６２１が印加された電位に応じて変形すると、密封空洞又はチャンバー１１６３内の所定の上昇した圧力が、ハプティックアクチュエーター６２１に対して、ハプティックアクチュエーター６２１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圧縮力をかける。ハプティックアクチュエーター６２１から出力される変位を低減させることによって、密封空洞１１６３内の所定の上昇した圧力により、ハプティックアクチュエーター６２１によって出力される力の増大がもたらされる。
【0060】
図１５は、予荷重、又はより具体的には圧縮荷重が、収縮可能な材料から形成される複数のコネクター部品１５７０によって生成される、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０の一実施形態を示す。より具体的には、図１５は、上述したハプティックアクチュエーター６２１とともに予荷重デバイス１５２７を備えるハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０の側断面図を示す。ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０は、ハプティックアクチュエーター６２１があるように図示し記載しているが、予荷重デバイス１５２７とともに、本明細書に記載するいかなるハプティック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１５２７は、軸６１７に沿ったハプティックアクチュエーター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に沿ったハプティックアクチュエーター６２１の拡張、又はより全体的には変形に抵抗する。
【0061】
予荷重デバイス１５２７は、カバー１５７２と、カバー１５７２から間隔を空けて配置されかつカバー１５７２に対して平行に延在するベース１５７４と、収縮可能な材料から形成された少なくとも１つのコネクター部品１５７０とを備える。図１５の実施形態に示すように、コネクター部品１５７０は、複数の間隔を空けて配置されたコネクター部品１５７０を含むことができる。図１５の実施形態では、位置合わせされたカバーとベースとの間に、複数の４つの間隔を空けて配置されたコネクター部品１５７０が配置されている。いくつかの実施態様では、所望の圧縮力をかけるために、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０において、より多いか又はより少ない数のコネクター部品を使用することができることが理解されるべきである。更に、コネクター部品の配置を変更することができる。例えば、別の実施形態では、位置合わせされたカバー及びベースの角に、複数のコネクター部品を位置決めすることができ、又は、位置合わせされたカバー及びベースの周囲に複数のコネクター部品を配置することができる。各コネクター部品１５７０は、カバー１５７２に取り付けられた第１の端部１５７１Ａと、ベース１５７４に取り付けられた第２の端部１５７１Ｂとを含む。各コネクター部品１５７０は、第１の長さから第２の長さまで長手方向に収縮するように構成されている収縮可能な材料のストランド又はフィラメントから形成され、第２の長さは第１の長さより短い。コネクター部品１５７０は、第２の長さまで収縮するとき、まとめて、軸６１７に沿ったハプティックアクチュエーター６２１に対する圧縮荷重を生成するか又は発生させるために力をかけるように構成され、圧縮荷重は、軸６１７に沿ったハプティックアクチュエーター６２１の拡張に抵抗する。
【0062】
より詳細には、予荷重を発生させるために、コネクター部品１５７０は、ベース１５７４及びカバー１５７２をハプティックアクチュエーター６２１に対して付勢して、ハプティックアクチュエーター６２１に対して圧縮力を提供する。一実施形態では、コネクター部品１５７０は、まとまって、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、ハプティックアクチュエーター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。ハプティックアクチュエーター６２１が印加される電位に応じて変形するとき、コネクター部品１５７０は、まとまって、ハプティックアクチュエーター６２１に対し、ハプティックアクチュエーター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圧縮力をかける。ハプティックアクチュエーター６２１から出力される変位を低減させることにより、コネクター部品１５７０は、ハプティックアクチュエーター６２１によって出力される力の増大をもたらす。その結果、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０が振動触知性効果を発生させるとき、振動触知性ハプティック効果と同時に発生する力は、予荷重を有していないハプティックアクチュエーターが振動触知性ハプティック効果を発生させる状況と比較して、より強力かつより知覚可能とすることができる。
【0063】
一実施形態では、コネクター部品１５７０の収縮可能な材料は、第１の長さから第２の長さに長手方向に収縮するプロセスを受けるように構成されているプラスチックフィルム又は金属フィルムである。例えば、第１の長さから第２の長さに長手方向に収縮するプロセスを受けるために、限定されないが、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）等のプラスチックフィルムを、その転移温度を超える温度まで加熱することができる。その転移温度を超えて保持されている間、材料に対して、材料を第１の長さから第２の長さに長手方向に収縮させるように、機械的変形を与えることができ、その後、転移温度よりはるかに低い温度まで、材料を急冷することができる。こうした材料は、急冷の後に続いて再加熱されると、その元の形状（例えば、第１の長さ）に戻る。こうした手順は、大部分の半晶質ポリマー及び非晶質ポリマーとともに結晶性金属に適用することができる。
【0064】
収縮可能な材料は、カバー１５７２及びベース１５７４を互いに向かって引き寄せるか又は付勢し、それによりハプティックアクチュエーター６２１に対して所望の圧縮力を加えるように十分に強力であるが、ハプティックアクチュエーター６２１からの変位を可能にするのに十分に可撓性がある。一実施形態では、上述した手順等の加熱手順は、コネクター部品１５７０を第１の長さから第２の長さに（第２の長さは第１の長さより短い）長手方向に収縮させるために、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０に組み付けた後のコネクター部品１５７０に適用される。図１７に関してより詳細に後述する別の実施形態では、コネクター部品１５７０を第１の長さから第２の長さに（第２の長さは第１の長さより短い）長手方向に収縮させるために、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０に組み付けた後のコネクター部品１５７０に、電荷が印加される。コネクター部品を第１のすなわち長い方の長さから第２のすなわち短い方の長さに変える方法は、コネクター部品１５７０の収縮可能な材料に利用される特定の材料によって決まる。
【0065】
ハプティックアクチュエーター６２１は、カバー１５７２とベース１５７４との間に配置され、カバー１５７２及びベース１５７４は、軸６１７に沿ってハプティックアクチュエーター６２１のそれぞれの反対側の端部に配置される。図１５の実施形態では、ハプティックアクチュエーター６２１は、ハプティックアクチュエーター６２１の第１の外面がカバー１５７２の内面と接触し、ハプティックアクチュエーター６２１の第２の外面がベース１５７４の内面と接触するように配置されている。一実施形態では、接着剤又は他の何らかの取付方法により、ハプティックアクチュエーター６２１にカバー１５７２及び／又はベース１５７４を取り付けることができる。
【0066】
カバー１５７２及びベース１５７４の各々は、コネクター部品１５７０によってハプティックアクチュエーター６２１にかけられる力を均一に分散させるように構成されている薄い平面部品である。例えば、カバー１５７２及びベース１５７４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、軽量であるが強力な材料から形成することができる。カバー１５７２及びベース１５７４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１５７２及びベース１５７４は、各々矩形とすることができ、各々、９ｍｍ〜２５ｍｍの範囲の長さ及び幅を有することができる。一実施形態では、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０は、２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲である全体厚さを有する薄型とすることができ、厚さは、ハプティックアクチュエーター６２１の厚さとカバー１５７２及びベース１５７４のそれぞれの厚さとを含む。
【0067】
ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０は内蔵デバイスであり、それによって発生する予荷重は、例えば、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０に組み込まれるか又はハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０の内部にある荷重である。したがって、予荷重デバイス１５２７が発生させる予荷重は、ユーザーインタラクション、又は、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０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１５２７を有するハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０は、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０にかける外部荷重を１Ｎ未満とすることができる。
【0068】
図１５は、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０に電力を提供することができる電源１５４０を更に示す。電源１５４０は、上述した電源１４０の一実施形態である。電源１５４０は、制御ユニット１５３０により、ハプティックアクチュエーター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１５３０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１５３０は、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０に正弦波駆動信号を提供するように電源１５４０を制御することができ、それにより、ハプティックアクチュエーター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１５２７は、軸６１７に沿ったハプティックアクチュエーター６２１による拡張又はより全体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、ハプティックアクチュエーター６２１からの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１５２７は、ハプティックアクチュエーター６２１によって出力される力の増大をもたらし、それにより、より知覚可能なハプティック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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０によって加えられる力を制御する。
【0069】
一実施形態では、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０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１５４０が、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０に正弦波駆動信号を提供すると、ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーター６２１の動作に関して上述したように、軸６１７に沿ったハプティックアクチュエーター６２１によって出力される変位は、ハプティックアクチュエーター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に沿ったハプティックアクチュエーター６２１の変位により、カバー１５７２及びベース１５７４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１５７２又はベース１５７４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に沿ったハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０は、振動し、それが取り付けられているハプティック対応デバイスのハウジング又は部分にハプティック感覚を提供する。
【0070】
上述したように、本発明の一実施形態では、カバー１５７２又はベース１５７４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、ベース１５７４は、機械的基礎として作用し、それにより、ハプティックアクチュエーター６２１が発生させる力をカバー１５７２に移すように構成することができる。ベース１５７４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。ハプティックアクチュエーター６２１が軸６１７に沿って拡張するとき、カバー１５７２は、その拡張に対して、ベース１５７２が提供するよりはるかに小さい抵抗を提供し、その結果、ハプティックアクチュエーター６２１の拡張の大部分又は全ては、ベース１５７４に対してではなく、カバー１５７２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。例えば、図１６に示すハプティックアクチュエーターアセンブリ１６２０の一実施形態では、コネクター部品１５７０と、第１の厚さを有するカバー１６７２と、第２の厚さを有するベース１６７４とを有する予荷重デバイス１６２７、第１の厚さは第２の厚さより薄い。したがって、ハプティックアクチュエーター６２１が軸６１７に沿って変位を出力するとき、ベース１６７４は機械的基礎として作用するように構成される。別の実施形態では、カバー１５７２及びベース１５７４は同じ厚さを有することができるが、ベース１５７４は、機械的基礎として作用するように構成されるように、相対的により堅い材料から形成することができる。
【0071】
一実施形態では、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０の構成要素は、より有効なハプティック感覚を提供するように選択することができる。例えば、ハプティックアクチュエーター６２１は、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０（ハプティックアクチュエーター６２１とともに予荷重デバイス１５２７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ハプティック感覚を出力することができる。より詳細には、電源１５４０が、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０に駆動信号を提供し、駆動信号が、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０は、より有効なハプティック感覚を提供するように共振する。言い換えれば、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０は、駆動信号がハプティックアクチュエーターアセンブリ１５２０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。
【0072】
図１７は、予荷重、又はより具体的には圧縮荷重が、形状記憶材料である収縮可能な材料から形成される複数のコネクター部品１７７０によって生成される、予荷重デバイス１７２７を有する、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１７２０の一実施形態を示す。コネクター部品１７７０は、コネクター部品１５７０の実施形態である。カバー１７７２とベース１７７４との間に取り付けられるコネクター部品１７７０は、形状記憶材料から形成される場合、長手方向に収縮した後、それらの初期／元のすなわち長い方の長さを選択的に回復することができるため、可逆の予荷重をかけることができる。コネクター部品１７７０は、長手方向に収縮するとき、カバー１７７２及びベース１７７４を互いに向かって付勢して、ハプティックアクチュエーター６２１に対して圧縮力を提供する。逆に、コネクター部品１７７０が初期／元のすなわち長い方の長さを回復するとき、ハプティックアクチュエーター６２１に対する圧縮荷重は解放され又は取り除かれる。したがって、所望のときにハプティックアクチュエーター６２１に対して、ハプティックアクチュエーター６２１に対する圧縮荷重を選択的に加えることができるため、コネクター部品１７７０によってかけられる予荷重は、可逆的であるとみなすことができる。
【0073】
より詳細には、コネクター要素１７７０は、各々、制御ユニット１７３０からのコマンド信号に応じて変形可能であるスマート材料のセグメントであり、コネクター要素１７７０は、変形するとき、カバー１７７２及びベース１７７４を互いに向かって付勢して、ハプティックアクチュエーター６２１に対して圧縮力を提供する。スマート材料は、電荷又は電界にさらされると、サイズ、形状又はスチフネスの変化を呈する特性を有する。言い換えれば、スマート材料は、電荷がかけられると機械的変形を呈するように構成することができる。本発明の一実施形態では、コネクター要素１７７０のスマート材料は、電気活性ポリマー（ＥＡＰ）、形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）、形状記憶合金（ＳＭＡ）、又は形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）及び形状記憶合金（ＳＭＡ）の組合せから形成される。コネクター要素１７７０は、電荷が印加されると、ハプティックアクチュエーター６２１に対して圧縮荷重を発生させるために、変形し、第２のすなわち短い方の長さまで長手方向に収縮する。
【0074】
コネクター要素１７７０に電荷を印加するために、制御ユニット１７３０は、コネクター要素１７７０が変形しハプティックアクチュエーター６２１に所望の圧縮力をかけるようにする電気信号を、コネクター要素１７７０に提供する、制御ハードウェア及びソフトウェアを含む。より詳細には、コネクター要素１７７０は、コネクター要素１７７０に電荷を供給する電源１７４０に電気的に接続されている。制御ユニット１７３０は、電源１７４０を制御し、したがって、印加される電荷の大きさ及び周波数を確定する。したがって、電源１７４０は、制御ユニット１７３０からコマンド信号を受け取るように構成され、コマンド信号にしたがってコネクター要素１７７０に電荷を印加するように構成されている。コネクター要素１７７０は、電源１７４０からの印加される電荷に応じて変形又は収縮する。そして、望ましい場合にハプティックアクチュエーター６２１に対する圧縮力を選択的に解除し又は取り除くために、電荷を中断又は停止することができる。したがって、コネクター要素１７７０は、（圧縮荷重を発生させない又は生成しない）長い方のすなわち第１の長さと（圧縮荷重を発生させるか又は生成する）第２のすなわち短い方の長さとに交互になることができる。
【0075】
一実施形態では、エネルギーを節約するために、ハプティックアクチュエーター６２１が作動すなわち変形していないとき、ハプティックアクチュエーター６２１に対する圧縮荷重を解除するか又は取り除くことが望ましい可能性がある。そして、予荷重デバイス１７２７がハプティックアクチュエーター６２１によって出力される力の増大をもたらし、それにより、より知覚可能なハプティック効果をもたらすか又は生成するように構成されるように、ハプティックアクチュエーター６２１が作動するとき、ハプティックアクチュエーター６２１に対する圧縮荷重を加えることができる。一実施形態では、ハプティックアクチュエーター６２１の作動が終了した後、所定期間、例えば、１０秒間、ハプティックアクチュエーター６２１に対する圧縮荷重を解除するか又は取り除くことが望ましい場合がある。ハプティックアクチュエーター６２１の作動の終了後の所定期間、ハプティックアクチュエーター６２１に対する圧縮荷重を取り除くことは、システムが知覚されるハプティック効果を減衰させるか又は低減させるのに役立つことができる。
【0076】
図１７の実施形態は、コネクター要素１７７０を制御するための制御ユニット１７３０及び電源１７４０の使用とともに、ハプティックアクチュエーター６２１を制御するための制御ユニット１７３０及び電源１７４０の使用について記載しているが、別個の制御ユニット及び／又は電源を利用することができることが理解されよう。
【0077】
一実施形態では、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１７２０／１６２０／１５２０／１１２０の全体厚さは、２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲とすることができる。
【0078】
一実施形態では、例えば５０Ｖ〜１００Ｖの電圧差がハプティックアクチュエーター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１７２７／１６２７／１５２７／１１２７によってハプティックアクチュエーター６２１に加えられるとき、ハプティックアクチュエーター６２１は、５μｍ〜１５μｍの範囲である（ハプティックアクチュエーター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、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１７２０／１６２０／１５２０／１１２０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。
【0079】
一実施形態では、ハプティックアクチュエーター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１７２７／１６２７／１５２７／１１２７によってハプティックアクチュエーター６２１に加えられるとき、ハプティックアクチュエーターは、ハプティックアクチュエーター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。更にこの例では、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１７２０／１６２０／１５２０／１１２０は、軸６１７に沿って、ハプティックアクチュエーター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。
【0080】
一実施形態では、制御ユニット１３０／１１３０／１５３０／１７３０は、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１７２０／１６２０／１５２０／１１２０の共振周波数である、ハプティックアクチュエーター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、ハプティック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。
【0081】
一実施形態では、制御ユニット１３０／１１３０／１５３０／１７３０は、少なくとも、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１７２０／１６２０／１５２０／１１２０の共振周波数である第１の周波数と、ハプティックアクチュエーターアセンブリ１７２０／１６２０／１５２０／１１２０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１３０／１１３０／１５３０／１７３０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。
【0082】
以下、様々な実施形態の追加の考察を提示する。
【0083】
実施形態１は、ハプティックアクチュエーター及び予荷重デバイスを備えるハプティックアクチュエーターアセンブリに関する。ハプティック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、垂直軸に沿ったハプティック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。ハプティックアクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿ったハプティック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。
【0084】
予荷重デバイスは、ハプティックアクチュエーターに隣接し、かつ垂直軸に沿ったハプティック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、カバーとベースとの間に延在する少なくとも１つの側壁とを有するケーシングを備える。ハプティックアクチュエーターは、ケーシングによって形成された密封空洞内に配置されている。密封空洞内の圧力は、ハプティックアクチュエーターに対し垂直軸に沿った圧縮荷重を生成するために変更される。
【0085】
実施形態２は、実施形態１のハプティックアクチュエーターアセンブリを含み、圧力は大気圧より低く、密封空洞内の圧力と密封空洞の外側の大気圧との間の圧力差が、ハプティックアクチュエーターに対する垂直軸に沿った圧縮荷重をかける。
【0086】
実施形態３は、実施形態２のハプティックアクチュエーターアセンブリを含み、密封空洞内の圧力は、１．４ＰＳＩＡ〜１０ＰＳＩＡである。
【0087】
実施形態４は、実施形態１のハプティックアクチュエーターアセンブリを含み、圧力は大気圧より高く上げられ、圧力は、ハプティックアクチュエーターに対する垂直軸に沿った圧縮荷重をかける。
【0088】
実施形態５は、実施形態２〜４のいずれか１つのハプティックアクチュエーターアセンブリを含み、ハプティック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、垂直軸に沿ったハプティック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り、ハプティックアクチュエーターの変位増幅デバイスは、圧電材料の層のそれぞれの反対側の平面に配置された第１のディスク及び第２のディスクを備え、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する。
【0089】
実施形態６は、実施形態２〜５のいずれか１つのハプティックアクチュエーターアセンブリを含み、ハプティックアクチュエーターは、ハプティックアクチュエーターの第１の外面がカバーの内面と接触し、ハプティックアクチュエーターの第２の外面がベースの内面と接触するように、ケーシングによって形成された密封空洞内に配置されている。
【0090】
実施形態７は、実施形態２〜６のいずれか１つのハプティックアクチュエーターアセンブリを含み、カバーは、ハプティックアクチュエーターが垂直軸に沿った変位を出力するときに変形するように構成され、ベースは、ハプティックアクチュエーターが垂直軸に沿った変位を出力するときに変形しないように構成されている。
【0091】
実施形態８は、実施形態２〜７のいずれか１つのハプティックアクチュエーターアセンブリを含み、密封空洞が気密である。
【0092】
実施形態９は、ハウジングと、電源と、ハウジングの外面でハプティック効果を発生させるように構成されたハプティックアクチュエーターアセンブリとを備えるハプティック対応デバイスである。ハプティック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、垂直軸に沿ったハプティック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。ハプティックアクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿ったハプティック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。
【0093】
予荷重デバイスは、ハプティックアクチュエーターに隣接し、かつハプティック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、カバーとベースとの間に延在する少なくとも１つの側壁とを有するケーシングを備える。ハプティックアクチュエーターは、ケーシングによって形成された密封空洞内に配置され、密封空洞内の圧力は、ハプティック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変更される。
【0094】
ハプティック対応デバイスは、ハプティック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。
【0095】
実施形態１０は、実施形態９のハプティック対応デバイスを含み、ハプティック対応デバイスのハウジングによってハプティック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。
【0096】
実施形態１１は、実施形態９又は１０のハプティック対応デバイスを含み、ハプティック対応デバイスは、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、ハウジングは、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、ハプティックアクチュエーターアセンブリは、ハプティック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。
【0097】
実施形態１２は、実施形態９〜１１のいずれか１つのハプティック対応デバイスを含み、制御ユニットは、ハプティック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ている。
【0098】
実施形態１３は、実施形態９〜１２のいずれか１つのハプティック対応デバイスを含み、駆動信号は、ハプティック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。
【0099】
実施形態１４は、ハプティックアクチュエーター及び予荷重デバイスを備えるハプティックアクチュエーターアセンブリに関する。ハプティック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、圧電材料の層と、平行軸に沿った圧電材料の層の歪みを、垂直軸に沿ったハプティック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、変位変換デバイスとを備える。ハプティックアクチュエーターの拡張又は収縮は、垂直軸に沿ったハプティック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。
【0100】
予荷重デバイスは、ハプティックアクチュエーターに隣接し、かつハプティック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であって、ハプティックアクチュエーターはカバーとベースとの間に配置されている、ベースと、カバーに取り付けられた第１の端部とベースに取り付けられた第２の端部とを有するコネクター部品とを備える。コネクター部品は、第１の長さから第２の長さまで長手方向に収縮するように構成されている収縮可能な材料から形成され、第２の長さは第１の長さより短い。第２の長さまで収縮したコネクター部品は、ハプティック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。
【0101】
実施形態１５は、実施形態１４のハプティックアクチュエーターアセンブリを含み、コネクター部品は、複数の間隔を空けて配置されたコネクター部品を含む。
【0102】
実施形態１６は、実施形態１４又は１５のハプティックアクチュエーターアセンブリを含み、収縮可能な材料は形状記憶材料である。
【0103】
実施形態１７は、実施形態１４〜１６のいずれか１つのハプティックアクチュエーターアセンブリを含み、カバーは、ハプティックアクチュエーターが垂直軸に沿った変位を出力するときに変形するように構成され、ベースは、ハプティックアクチュエーターが垂直軸に沿った変位を出力するときに変形しないように構成されている。
【0104】
実施形態１８は、実施形態１４〜１７のいずれか１つのハプティックアクチュエーターアセンブリを含み、カバー及びベースの各々は、コネクター部品によってハプティックアクチュエーターにかけられる力を均一に分散させるように構成されている薄い平面部品である。
【0105】
実施形態１９は、実施形態１４〜１８のいずれか１つのハプティック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。
【0106】
実施形態２０は、実施形態１４〜１９のいずれか１つのハプティックアクチュエーターアセンブリを含み、ハプティック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、垂直軸に沿ったハプティック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り、ハプティックアクチュエーターの変位増幅デバイスは、圧電材料の層のそれぞれの反対側の平面に配置された第１のディスク及び第２のディスクを備え、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する。
【0107】
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。
【0108】
本願は、２０１８年６月１５日に出願された米国特許出願第１６／０１０，１８２号明細書の利益を主張し、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。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【外国語明細書】