特許 5665095 制御された摩擦力を有するハプティックデバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5665095

(24)【登録日】2014年12月19日

(45)【発行日】2015年2月4日

(54)【発明の名称】制御された摩擦力を有するハプティックデバイス

(51)【国際特許分類】

   G06F 3/01 20060101AFI20150115BHJP

   G06F 3/041 20060101ALI20150115BHJP

【ＦＩ】

   G06F3/01 310Z

   G06F3/041 480

【請求項の数】27

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2012-534155(P2012-534155)

(86)(22)【出願日】2010年9月29日

(65)【公表番号】特表2013-508806(P2013-508806A)

(43)【公表日】2013年3月7日

(86)【国際出願番号】US2010002641

(87)【国際公開番号】WO2011049602

(87)【国際公開日】20110428

【審査請求日】2012年10月5日

(31)【優先権主張番号】12/589,178

(32)【優先日】2009年10月19日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】511124183

【氏名又は名称】ノースウェスタン ユニバーシティ

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】特許業務法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】コルゲート，ジェイムズ，エドワード

(72)【発明者】

【氏名】ペシュキン，マイケル

【審査官】 中田 剛史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−１６３２０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２５５９９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２２８１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２８７４０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１０８９９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１０／１０５０１１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｆ ３／０１

Ｇ０６Ｆ ３／０４１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

表面を有する基板と、
前記基板を横方向の動きに曝す、１またはそれ以上のアクチュエータと、
前記基板を前記基板の表面に対して垂直な方向の摩擦低減超音波振動に曝す、１またはそれ以上のその他のアクチュエータとを備えており、
前記横方向の動きと前記摩擦低減超音波振動の間の位相関係は、前記基板の表面と接触している利用者の指または物体に剪断合力を発生させ、
前記横方向の動きはさらに横振動を含み、前記剪断合力は前記基板が第１の横方向に移動する場合に生成される力と前記基板が第２の横方向に移動する場合に生成される力との平均であることを特徴とするハプティックデバイス。

【請求項2】

請求項１に記載のデバイスにおいて、
摩擦低減振動の調節と同期させて前記横方向の動きを制御する制御デバイスを含むことを特徴とするデバイス。

【請求項3】

請求項１に記載のデバイスにおいて、
前記１またはそれ以上のアクチュエータが、前記基板を１軸上で横方向の動きに曝すことを特徴とするデバイス。

【請求項4】

請求項１に記載のデバイスにおいて、
前記１またはそれ以上のアクチュエータが、前記基板を２軸上で横方向の動きに曝すことを特徴とするデバイス。

【請求項5】

請求項１に記載のデバイスにおいて、
前記１またはそれ以上のアクチュエータが、前記基板を３軸上で横方向の動きに曝し、それら軸のうちの一つが回転軸であることを特徴とするデバイス。

【請求項6】

請求項２に記載のデバイスにおいて、
前記基板の横速度と摩擦低減振動の位相角が、力の方向を変えるために、変更されることを特徴とするデバイス。

【請求項7】

請求項１に記載のデバイスにおいて、
前記１またはそれ以上のアクチュエータが、前記基板に非直線的な動きを与えることを特徴とするデバイス。

【請求項8】

請求項７に記載のデバイスにおいて、
前記１またはそれ以上のアクチュエータが、横方向の円運動を前記基板に与えることを特徴とするデバイス。

【請求項9】

請求項１に記載のデバイスにおいて、
前記１またはそれ以上のその他のアクチュエータが、前記基板の表面に対して垂直な方向に、前記基板に調整した超音波振動を与え、それにより摩擦低減効果を作り出すことを特徴とするデバイス。

【請求項10】

請求項１に記載のデバイスにおいて、
前記基板が平板を含むことを特徴とするデバイス。

【請求項11】

ハプティックデバイスの基板の表面に接触する利用者の指または物体に作用する力を生成する方法であって、
前記基板を横方向の動きに曝すステップと、
前記基板を前記基板の表面に対して垂直な方向の摩擦低減超音波振動に曝すステップと、
前記基板の表面に接触する利用者の指または物体に作用する力を剪断力として生成するために、前記横方向の動きおよび摩擦低減振動の調節を制御するステップとを備えており、
前記剪断力は、前記基板が第１の横方向に移動する場合に生成される力と前記基板が第２の横方向に移動する場合に生成される力との平均であることを特徴とする方法。

【請求項12】

請求項１１に記載の方法において、
前記摩擦低減振動の調節と同期させて、横方向の動きを制御するステップを含むことを特徴とする方法。

【請求項13】

請求項１１に記載の方法において、
前記基板が、横振動に曝されることを特徴とする方法。

【請求項14】

請求項１１に記載の方法において、
前記横方向の動きが、１回生じることを特徴とする方法。

【請求項15】

請求項１１に記載の方法において、
前記横方向の動きが、複数回生じることを特徴とする方法。

【請求項16】

請求項１１に記載の方法において、
前記横方向の動きが、継続的であることを特徴とする方法。

【請求項17】

請求項１１に記載の方法において、
前記基板が、１軸上で横方向に移動または振動されることを特徴とする方法。

【請求項18】

請求項１１に記載の方法において、
前記基板が、２軸上で横方向に移動または振動されることを特徴とする方法。

【請求項19】

請求項１１に記載の方法において、
前記基板が、３軸上で横方向に移動または振動され、それら軸のうちの一つが回転軸であることを特徴とする方法。

【請求項20】

請求項１１に記載の方法において、
前記基板が、正弦波的に横方向に振動されることを特徴とする方法。

【請求項21】

請求項１１に記載の方法において、
前記基板の横速度と摩擦低減振動の位相角が、力の方向および大きさを変えるために、変更されることを特徴とする方法。

【請求項22】

請求項１１に記載の方法において、
前記基板が、その非線形的な動きを提供するために、２軸上で横方向に振動されることを特徴とする方法。

【請求項23】

請求項２２に記載の方法において、
前記非線形的な動きが、前記基板の円運動を含むことを特徴とする方法。

【請求項24】

請求項１１に記載の方法において、
前記基板が、平板を含むことを特徴とする方法。

【請求項25】

請求項１１に記載の方法において、
利用者の指または物体の位置に応答して力を変化させて、前記基板の表面の平面に力場を提供するステップを含むことを特徴とする方法。

【請求項26】

請求項１１に記載の方法において、
前記基板が、相対的に高摩擦の状態と低摩擦の状態とに交互に曝されることを特徴とする方法。

【請求項27】

請求項１１に記載の方法において、
前記基板が相対的に高摩擦の状態にある時間の長さを調節するステップを含むことを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ハプティックデバイス（haptic device）であって、当該デバイスの表面上の利用者の指または物体に剪断力を与えることができるハプティックデバイスに関するものである。

【0002】

本願は、２００９年１０月１９日に出願された米国特許出願第１２／５８９，１７８号の優先権を主張するものであり、この米国特許出願は、２００８年１０月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／１９６，６６０号の利益及び優先権を主張するものである。

【0003】

［本発明の契約上の起源］
この発明は、全米科学財団に認定された認可第ＩＩＳ−０４１３２０４号に基づいて政府の支援によりなされたものである。当該政府は、本発明の特定の権利を有している。

【背景技術】

【0004】

本発明と同じ譲受人の２００７年３月２１日に出願された同時係属中の米国特許出願第１１／７２６，３９１号は、超音波振動を使用するガラス板のような基板の表面摩擦の調節による触覚インターフェースを有するハプティックデバイスを開示している。このデバイスは、１またはそれ以上の検知したパラメータおよび／または時間に応答して（すなわち、指の位置に関係無く）、表面摩擦を調節することにより、間接的な触覚フィードバックおよび仮想テクスチャ感覚を利用者に与えることができる。このデバイスの表面を積極的に探査する利用者は、テクスチャおよび表面の特徴のハプティック・イリュージョンを経験することができる。

【0005】

このハプティックデバイスは、インターフェース面上で指の動きに抵抗する力を変えることしかできない点において抵抗性であり、例えば、指の動きをリダイレクトすることはできない。

【0006】

このため、このハプティックデバイスの変動摩擦の利益を与え、また、ガラス基板のインターフェース面上の利用者の指または物体に剪断力を与えることが望ましいであろう。

【発明の概要】

【0007】

本発明は、力を生じさせるように、横方向の動き（lateral motion）または横振動（lateral oscillation）と、摩擦低減超音波振動（friction reducing ultrasonic oscillation）の調節とに基板を曝すことにより、基板の表面に接触する指または物体上に力を提供することができるハプティックデバイスを提供する。本発明の一実施形態は、基板と、基板を横方向の動きまたは横振動に曝すための１またはそれ以上のアクチュエータと、基板を摩擦低減超音波振動に曝すための１またはそれ以上のその他のアクチュエータとを備えるハプティックデバイスを提供する。基板と接触する利用者の指または物体に作用する力を生成するために、基板を横方向の動きまたは振動と、摩擦低減振動の調節とに曝すようにアクチュエータを制御する制御デバイスが提供される。基板の表面上の利用者の指または物体の位置に応答して力を変化させることにより、基板表面の平面内に力場（force field）を与えることができる。

【0008】

本発明の例示的な実施形態では、平面（フラットパネル）ハプティックデバイスが、ガラス板のような水平基板の垂直超音波振動を使用することにより、摩擦を調整して、変動摩擦（摩擦低減）効果を与える。また、このデバイスは、基板に接触する利用者の指または物体上に非ゼロの時間平均剪断合力（non-zero net time-averaged shear force）を生じさせるために、低・高の変動摩擦状態を交互に生じさせながら、１自由度（１軸上の振動）、２自由度（２軸上の振動）またはそれ以上で、水平面において横方向に基板を振動させる。例えば、横振動の１自由度については、基板が水平面内の一方向に移動するときに、摩擦が低減される（低摩擦状態）。基板が反対方向に移動すると、摩擦が増加される（高摩擦状態）。利用者の指または一部に作用する時間平均合力は、非ゼロであり、表面に接触する利用者の指または物体上に加えられる線形剪断力のソースとして使用することができる。

【0009】

２自由度（例えば、ｘおよびｙ軸上）の横振動については、円形の面内（基板表面の平面内）運動を提供するために旋回形式で基板が動かされる。基板が旋回すると、その速度ベクトルが、望ましい力の方向に瞬時に一致することとなる。その瞬間の前後に、基板は、高摩擦状態に設定され、それにより力のインパルスが利用者の指または物体に加えられる。“旋回”サイクルの残りの間、基板は、指または物体に作用する力が無視できる程度となるように、低摩擦状態に設定される。速度ベクトルは、旋回中に３６０°すべてを通過するため、面内の任意の方向に力を生じさせることができる。

【0010】

あるいは別の実施形態では、基板を水平面内の一方向に振動させることができるが、この一方向は、いかなる時点においても所望の力の方向に一致させるために変更することができる。本発明のさらに別の実施形態では、３軸上で基板を振動させることができる（ｘおよびｙの平行移動、および垂直軸を中心とする面内回転）。さらに、横振動は、正弦波である必要はなく、均一振幅のものである必要はなく、またいつまでも持続するものである必要もない。例えば、本発明の別の実施形態では、基板の単一の横方向の動きまたは一連の短い横方向の動きまたは変位を使用することができる。

【0011】

本発明は、誘導力を利用者の指に与えて利用者がディスプレイを探ることを可能にするハプティックデバイスを提供するのに有利である。利用者の指の能動的な前進（active propulsion）でも、強力なハプティック経験を与えるのに有用である可能性がある。また、本発明は、部品供給、ロボット工学応用および製造応用に使用される物体または部品操作デバイスを提供するように、基板上の１またはそれ以上の物体に誘導力を与えるハプティックデバイスを提供するのに有利である。

【0012】

本発明の利点は、以下の図面と併用することにより、以下の詳細な説明から、より容易に明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１Ａは、変動摩擦効果の能力を有するハプティックデバイスＴＰａＤの斜視図である。図１Ｂは、ハプティックデバイスＴＰａＤ用のマウントの斜視図である。

【図2】図２は、マウントに固着されたハプティックデバイスＴＰａＤの斜視図である。

【図3】図３は、本発明に従うハプティックデバイスＴＰａＤおよびその他の構成要素を含む平面ハプティックデバイスの概略斜視図である。図３Ａは、横力の測定に使用される力測定デバイスの図である。図３Ｂは、横力の測定に使用される代替的な力測定デバイスの図である。

【図4】図４は、基板に接触する利用者の指または物体に剪断力を生じさせるために、摩擦低減振動と同期して基板を横振動に曝すようにアクチュエータを制御する制御システムの概略図である。

【図5】図５は、本発明の一実施形態の実施に使用される指の位置検出センサの概略図である。

【図6】図６Ａは、指に右方向のインパルスを生じさせるために、高摩擦を有するＴＰａＤの右方向の動作を示す概略図である。図６Ｂは、別の右方向のインパルスに備えるために、低摩擦を有するＴＰａＤの左方向の動作を示す概略図である。

【図7】図７は、Φ_ｏｎ＝４０°でＴＰａＤがオン（低摩擦状態）とされ、１８０°引き続きオン状態とされる場合のフィルタリングされていない力信号における力インパルスを示している。

【図8】図８は、フィルタリングされていない４０Ｈｚの力信号がＴＰａＤの横方向の動きと同じ周波数を有する場合の、Φ_ｏｎが時間の経過とともに回転されるときの合力（net force）の変化を示している。Φ_ｏｎは０．５Ｈｚですべての位相角にわたって回転され、それに応じて、（フィルタリングされた）合力が変化する。円で囲まれた最大力点は、“最適Φ_ｏｎ”値で生じる。

【図9】図９は、力対Φ_ｏｎのプロットを示しており、Φ_ｏｎが変化すると、合力が左側から右側にシフトして再び戻る。左向きおよび右向きの最大力を生じさせる最適Φ_ｏｎ値にマークが付けられている。また、ゼロの合力を生じさせる２つのΦ_ｏｎの一方にマークが付けられている。

【図10】図１０は、最大力対ＲＭＳ（二乗平均平方根）変位のプロットであり、様々な横振動周波数についての最大合力と振動の振幅との間の関係が示され、Ｆ_Ｎ＝３９２ｍＮ、μ_{ｇｌａｓｓ}＝０．７０およびμ_ｏｎ＝０．０６である。

【図11】図１１は、ＴＰａＤのＲＭＳ速度の関数としての、図１０のデータの再プロットである。

【図12】図１２は、ラインソース力場と、ＳＨＤコントローラがラインソース場を生じさせるために使用するΦ_ｏｎリクエストとを示している。

【図13】図１３は、２つのラインソース力場および２つのラインシンク力場を備える４つの異なる力場からのデータ、ＴＰａＤ上の指の位置に対する合力を示している。

【図14】図１４Ａは、ポテンシャルおよび力対ｘ軸位置のプロットを示している。図１４Ｂは、２つのラインシンク（力場）および１つのラインソース（力場）の平面図である。図１４Ｃは、ハプティック・トグルスイッチ効果を概略的に示している。

【図15】図１５は、ハプティックデバイスＴＰａＤが柔軟なサポート上に取り付けられる場合の２自由度のハプティックデバイスＴＰａＤの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明は、以下に表面ハプティックデバイス（ＳＨＤ）と称されるハプティックデバイスを提供するもので、この表面ハプティックデバイスは、基板を横方向の動きまたは横振動および摩擦減少振動の調節に曝すことにより、ハプティック基板の表面に接触する指または物体に力を与えることができる。本発明の一実施形態は、ハプティックデバイスであって、平面ガラスまたはその他の板のような基板と、基板を横方向の動きまたは横振動に曝すための１またはそれ以上のアクチュエータと、基板を摩擦低減超音波振動に曝すための１またはそれ以上のその他のアクチュエータとを備えるハプティックデバイスを提供する。アクチュエータは、一実施形態では、コンピュータ制御デバイスにより制御されて、基板の表面に接触する利用者の指または物体に剪断力を生成するように、摩擦減少振動の調節と同調して、基板を横方向の動きまたは横振動に曝す。本発明は、以下に述べるように、一軸（例えば、Ｘ軸）または多軸（例えば、ＸおよびＹ軸）上で基板を横方向の動きまたは振動に曝すことを想定している。

【0015】

例示的な実施形態では、本発明は、図１Ａ、図１Ｂおよび図２に示す例示的なタイプの可変摩擦ハプティックデバイスＴＰａＤ（“Ｔａｃｔｉｌｅ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｄｉｓｐｌａｙ（触覚パターンディスプレイ）”）を使用して実施することができ、このデバイスは、作用ハプティック面を有する基板１００と、１またはそれ以上のアクチュエータ（振動子）とを有し、アクチュエータが、可変摩擦能力を与えるべく、基板に振動（揺動）を与えるように基板と動作可能に関連するものであり、これについては、本発明と同じ譲受人の２００７年３月２１日に出願された同時係属中の米国特許出願第１１／７２６，３９１号および２００９年３月１９日に出願された同時係属中の米国特許出願第１２／３８３，１２０号に記載されている。これら出願の開示内容は、引用により本明細書に援用されるものである。同時係属出願の可変摩擦ハプティックデバイスＶＦＨＤは、以下において、可変摩擦ハプティックデバイスＴＰａＤと呼ばれる。

【0016】

図１Ａ、図１Ｂおよび図２を参照すると、本発明の例示的な一実施形態に係る可変摩擦ハプティックデバイスＴＰａＤが示されており、このデバイスは、基板１００を備え、この基板は、接触（ハプティック）面１０４ａを有する受動基板シートまたは層部材１０４に取り付けられた圧電シートまたは層部材の形態の圧電曲げ素子（piezoelectric bending element）１０２を含み、それにより、相対的に薄い積層構造を与えて、薄さ、高い面摩擦、不可聴および制御可能な摩擦の利点を提供することができる薄いハプティックデバイス設計を与える。相対的に薄いハプティックデバイスは、受動支持シートまたは層１０４に接着あるいは取り付けられた圧電セラミックシートまたは層から形成することができる。圧電シートまたは層１０２に亘って電圧が加えられるときに、それは拡大または収縮しようとするが、受動支持シートまたは層１０４との結合により、拡大または収縮することができない。積層体は、圧電シートまたは層１０２に電圧が印加されたときに、ディスクの中心部に単一の山または谷を有する湾曲形状を有することとなる。生じる応力は曲げ変形を引き起こす。圧電シートまたは層に加えられる電圧が大きいほど、たわみが大きくなる。圧電曲げ素子に正の励起電圧が印加される場合、それは、上方向／正曲率で曲がる。圧電曲げ素子に負の励起電圧が印加される場合、それは、下方向／負曲率で曲がる。正弦波励起電圧が加えられる場合、圧電曲げ素子は、それら曲率の間で、交互に曲がることとなる。正弦波励起電圧が基板１００の共振周波数と周波数が一致する場合、振動振幅が最大化される。マウント１５０は、曲げを単一の所望モードのみに、または任意の数の所望モードのみに制限するために、使用することができる。ハプティックデバイスのすべての機械的部分は、可聴範囲外で振動することが望ましい。この目的を達成するために、基板１００は、２０ｋＨｚ以上の共振で振動するように設計されることが望ましい。

【0017】

限定ではなく例示を目的とするものであるが、圧電部材１０２の厚さは、約０．０１インチ乃至約０．１２５インチとすることができる。基板部材１０４の例示的な厚さは、約０．０１乃至約０．１２５インチとすることができる。よって、ハプティックデバイスの集合の厚さも、本発明の例示的な実施形態においては、約０．２５インチを超えないように調整することができる。

【0018】

図１Ａ、図１Ｂおよび図２に示すように、ディスク型のハプティックデバイスは、曲げ素子ディスクの振動を０１モードに制限するために、マウント１５０内に配置されている。ここで、０１モードとは、圧電シートまたは層に電圧が印加されたときに、ディスクの中心部に単一の山または谷を有する曲率を積層体が備えることを意味する。マウント１５０は、薄い輪状または環状面１５０ａに沿って圧電ディスクに取り付けることができ、その環状面の直径は、圧電ディスクの２／３の直径とすることができる。マウント１５０の固着には、圧電ディスクおよびガラス基板ディスクを固着するのと同じ非常に粘性の低いエポキシ系接着剤を使用することができる。マウント１５０の内部の高さは、ある程度任意であり、ほんの数ミリメートル程度に形成することもできる。マウント１５０は、自動車のコンソール、ダッシュボード、ハンドル、ドア、コンピュータおよびその他の最終用途／製品の表面上またはその内部に限定される訳ではないが、それらを含む最終用途製品上またはその内部に取り付けられるように構成されている。

【0019】

透明なハプティックデバイスは、無頓着な観察者により容易に見られることがないように周囲の表面と一体化されて当該ハプティックデバイスの存在が隠されるべきである場合であって、当該ハプティックデバイスが、タッチスクリーン、画像表示、または自動車の内面または外面に配置されるときに、提供されることが望ましい。この目的を達成するために、圧電部材１０２および基板部材１０４の一方または両方を透明な材料から形成することができる。圧電素子１０２は、その両側に、当該圧電素子１０２に電圧を加えるための透明電極（図示省略）をそれぞれ含む。

【0020】

限定ではなく例示を目的とするものであるが、基板１０４はガラスまたはその他の透明材料であってもよい。電極材料としては、透明電極を提供するために、Ｋｕｍａｄｅ等による米国特許第４，３５２，９６１号に記載されているように、Ｉｎ_２Ｏ_３−ＳｎＯ_２酸化インジウムスズ系の薄膜を使用することができる。透明なハプティックデバイスを達成するために、必ずしも透明な圧電材料を用いる必要はない。当然のことながら、受動基板シート１０４は、ガラスのような透明材料から形成することができ、圧電シート１０２よりも表面積を非常に広くすることができる。圧電シート１０２は、受動基板シート１０４の周縁の小さい領域のみを占めるものであってもよく、それにより、受動基板シート１０４の残りの部分を、表示を遮ることなく、グラフィック表示上に配置させることが可能である。圧電材料には、ランタンドープチタン酸ジルコン酸（ＰＬＺＴ）、（ＰｂＢａ）（ＺｒＴｉ）Ｏ_３、（ＰｂＳｒ）（ＺｒＴｉ）Ｏ_３および（ＰｂＣａ）（ＺｒＴｉ）Ｏ_３のようなＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ_３）ベースのセラミックス、チタン酸バリウム、石英、またはポリフッ化ビニリデンのような有機材料が含まれるが、それらに限定されるものではない。

【0021】

当業者は、本発明が透明な圧電および基板部材に限定されるものではなく、半透明または不透明なものを使用して実施することができ、美容上、セキュリティ上または安全上の目的のために色付きのハプティックデバイスが望まれる場合に、それらを所与のサービス用途のために望まれるように着色できることを理解するであろう。基板部材１０４の作成に使用することができる非透明材料には、鋼、アルミニウム、黄銅、アクリル、ポリカーボネート、酸化アルミニウムが含まれる他、その他の金属、プラスチックおよびセラミックスも含まれるが、それらに限定されるものではない。

【0022】

円形ディスク状のハプティックデバイスＴＰａＤの設計には、適当なディスク半径、圧電セラミックディスクの厚さ、基板ディスクの材料および厚さを選択することが含まれることとなる。行われた具体的な選択は、デバイスの共振周波数を決定することとなる。ディスク状のハプティックデバイスの好ましい実施形態では、相対振幅を著しく犠牲にすることなく（可聴範囲外の動作を保証する）共振周波数を増加させるために、０．５ｍｍ乃至２ｍｍの厚さを有する基板ディスクであって、鋼またはその他の金属よりはむしろガラスから形成される基板ディスクが用いられる。

【0023】

当業者は、圧電曲げ素子１０２および基板１０４の設計が上述した円形ディスク形状に制約されるものではないことを理解するであろう。それら構成要素について、後述するように、長方形またはその他の多角形のようなその他の形状を使用することも可能であり、それら形状は、異なる相対振幅および共振周波数を示すものとなるであろう。

【0024】

図１Ａ、図１Ｂおよび図２の例示的なディスク状のハプティックデバイスＴＰａＤにおいては、ハプティックデバイスの接触（ハプティック）面１０４ａ上で利用者により感じられる摩擦の量が、圧電部材１０２における励起電圧の振幅の関数となる。励起電圧は、以下の実施例に記載されるように、あるいは２００７年３月２１日に出願された同時係属中の米国特許出願第１１／７２６，３９１号および２００９年３月１９日に出願された同時係属中の米国特許出願第１２／３８３，１２０号にも記載されるように、制御される。それら出願は、引用により本明細書に援用されるものである。励起電圧は、望ましくは、ハプティックデバイスの共振周波数と実質的に同一の振動の周波数を有する振幅変調された周期波形である。制御システムは、パンタグラフ式／光学エンコーダとともに、あるいは光学平面（二次元）位置検出システムとともに、あるいはその他の１軸または２軸の指位置検出センサ（引用により本明細書に援用される同時係属中の米国特許出願第１１／７２６，３９１号に記載されている）とともに、あるいはその他の種類の指位置検出センサとともに使用することができ、それらの多くが従来より知られている。

【0025】

［実施例］
１自由度の平面ハプティックデバイス
図３を参照すると、本発明の例示的な実施形態に従う例示的な平面ハプティックデバイスＳＨＤが示されており、これは、ＴＰａＤと以下で称する図１Ａ、図１Ｂおよび図２のディスク状のハプティックデバイスＴＰａＤを包含する。ディスク状のハプティックデバイスＴＰａＤは、摩擦低減の間接的なハプティック効果を達成するために必要な超音波周波数および振幅を生じさせるために、圧電曲げ素子（単一タイプ）の単一の円形ディスクおよびガラス基板の単一の円形ディスクを使用して構成された。圧電曲げ素子ディスクは、１ミリメートルの厚さ、２５ミリメートル（ｍｍ）の直径を有するＰＩＣ１５１圧電セラミック材料（ＰＩ Ｃｅｒａｍｉｃ有限会社により製造される）から構成された。ガラス基板ディスクは、１．５７ｍｍの厚さ、２５ｍｍの直径を有していた。圧電セラミックディスクは、Ｌｏｃｔｉｔｅ Ｅ−３０ＣＬ Ｈｙｓｏｌエポキシ接着剤のような非常に粘性の低いエポキシ系接着剤を使用して、ガラス基板ディスクに接着された。ディスク状のハプティックデバイスは、アルミニウムから形成されるマウント内に配置されるとともに、圧電ディスクの直径の２／３の直径を有する薄い輪状または環状面１５０ａに沿って圧電ディスクに取り付けられた。マウント１５０の固着には、圧電ディスクおよびガラス基板ディスクを固着するのと同じ非常に粘性の低いエポキシ系接着剤が使用された。

【0026】

ハプティックデバイスＳＨＤは、連結ロッド２１１によりリニアスライダ２１０に連結されたボイスコイルのような線形アクチュエータ２００を含み、その動作のために、ハプティックデバイスＴＰａＤがリニアスライダ上に固定して設けられている。ＴＰａＤは、クランプ、接着剤、ネジまたはリベットのような任意の結合手段により、スライダ２１０上の定位置で保持することができる。リニアスライダ２１０は、単一のＸ軸上の動作のために、固定ベースＢ上にあるサポート２１２上で移動可能に配置されている。線形のボイスコイルアクチュエータ２００は、２０Ｈｚと１０００Ｈｚの間の周波数で正弦波的に作動され、その上のスライダ２１０およびハプティックデバイスＴＰａＤを同じ周波数でＸ方向に横方向に移動・振動させる。ボイスコイルアクチュエータ２００がこのシステムの共振周波数で正弦波的に作動されるとき、横振動の振幅が増加する。しかしながら、本発明は、そのような正弦波的な作動に限定されるものではない。

【0027】

摩擦は、ガラス基板１０４の下側に取り付けられた圧電素子１０２に３９ｋＨｚの正弦曲線を加えることにより、ハプティックデバイスＴＰａＤのガラス基板面１０４ａ上で調節されている。３９ｋＨｚの信号は、ＡＤ９８３３波形発生器チップによって生成され、可聴周波増幅器を使用して、＋０−２０Ｖまで増幅される。それは、圧電素子１０２に加えられるとき、ガラス基板の共振振動を引き起こす。これらの振動は、指先の下にスクイーズ空気膜（squeeze film of air）を生成し、それにより摩擦の低減をもたらす。高励起電圧では、ガラス基板と指の間の摩擦は、μ＝約０．１５であり、ゼロ電圧では、その面は、標準ガラスの摩擦（μ＝約０．９５）を有する。

【0028】

プログラマブル集積回路（ＰＩＣ−１８Ｆ４５２０）は、ボイスコイル（Ｘ−アクチュエータ）に対して低周波信号を生成するとともに、図４の波形信号発生器（ＡＤ９８３３０）にコマンドを発して、圧電素子１０２の３９ｋＨｚの信号を開始／停止する。これは、両方の機能を提供するため、ハプティックデバイスＴＰａＤの摩擦レベルと横方向の動きとの間の位相関係を決定付けることができる。ＰＩＣを有するマイクロコントローラまたはその他のコントローラと、指位置検出センサ２５０とを有する制御システムが、図４に示されている。図４は、ＴＰａＤがＸ軸およびＹ軸上で同時に作動される場合の、Ｘ軸上でリニアスライダ２１０を振動させるＸ軸アクチュエータと、以下に述べる２自由度の平面ハプティックデバイスとともに使用するためのＹ軸アクチュエータとを示している。

【0029】

指の位置を測定するために、２軸の指位置検出システム２５０の１軸を使用することができる。このシステムは、同時係属中の米国特許出願第１１／７２６，３９１号に記載の２軸の指位置検出センサと同様のタイプであるが、そのシステムの赤外線発光ダイオードが、図５の光照射線形光ダイオードアレイ２５６のコリメートシート（collimated sheet）を生成するレーザ線発生器２５２およびフレネルレンズ２５４に置き換えられている。光のコリメートシートは、ＴＰａＤの表面１０４ａの直上に配置され、ＴＰａＤの表面１０４ａに接触する指が、光のシートを遮断して、線形光ダイオードアレイ２５６上に影を落とす。ＰＩＣマイクロコントローラは、線形光ダイオードアレイ２５６の出力を読み取り、指の影の重心を計算し、それが、指の位置の測定に使用される。

【0030】

力発生の特性評価
１自由度の実施形態では、ハプティックデバイスＴＰａＤが平面内で横方向に振動される周波数と同じ周波数で、低摩擦状態と高摩擦状態とを交互に生じさせることにより、力が生成される。左向きの合力を生成するために、ハプティックデバイスＴＰａＤは、その速度が左向きである間に、高摩擦に設定され、その速度が右向きのときに、低摩擦に設定される。ハプティックデバイスＴＰａＤは、利用者の指を左に押すことと、指の下で右に戻すように滑らせることを交互に行う。この“押して滑らせる（pushslip）”サイクルはそれ自体繰り返し、一連の強い左向きのインパルスの後に弱い右向きのインパルスが続くことにより、右への合力がもたらされる。これらのインパルスは、図８のフィルタリングされなかった力信号において見ることができ、図３Ａに示すように指先の代替物（proxy fingertip）に動作可能に連結された１自由度の引張／圧縮ロードセルを使用して、ＳＨＤの表面１０４ａと指先との間の横力または剪断力が測定される。ロードセルは、リニアスライダ上で垂直に移動することができる。ロードセルおよび指先の重量は、低剛性のバネにより懸架される。指先の垂直位置は、つまみナットによって調整可能である。指先がＴＰａＤの近接位置（０．５ｍｍ未満）以内に下げられた後、図示のようにＬ字形の指に重りを加えることにより、垂直抗力が制御される。この実施例では、３９２ｍＮ（４０ｇ）の常用負荷が使用された。この配置は、横振動の作用を含む、指の代替物の上に作用する力を高い精度で測定することを可能にする。この実施例に使用された指先の代替物は、指先パッドの代替物として、紙ヤスリで磨かれた絶縁用テープに覆われたブドウにより構成された。指先の代替物は、絶縁用テープにより、図３Ａに示されるＬ字形のアルミニウムの“指”に固定され、アルミニウムの指は、ロードセルに装着された。指先と指の接続にコンプライアンスが存在するが、人間の指にも同様のコンプライアンスが存在するため、これは適当である。

【0031】

代替的には、ＳＨＤの表面１０４ａと指先との間の横力または剪断力も、実質的に摩擦無しでアセンブリ全体が横方向に移動することを可能にする支持アセンブリ上に、ベースＢを取り付けることにより測定することができる（図３Ｂ）。例えば、ベースＢは、重い黄銅の塊または板２３０上に取り付けることができ、黄銅の塊または板は、遮音発泡体板２３２上に載置される。遮音発泡体板２３２は、精密接地鋼板２３４上に置かれ、この精密接地鋼板は、３個の大きな鋼球２３６上に載置される。鋼球は、測定システムの基部として機能する最下部の精密接地鋼板Ｂ２上に置かれる。黄銅の塊または板２３０は、横方向の動きを規制する唯一の構成要素がロードセルとなり、かつ指に作用する横方向の力すべてがロードセル上に作用する力と必ず一致するように、低剛性のバネ２３８を介してロードセル２４０に連結される。黄銅の塊または板２３０の質量とバネ２３８の低剛性との組合せは、機械的な低帯域通過フィルタのように作用し、その結果、横振動がロードセルの測定に与える影響が最小となる。その結果として、ロードセルの出力が、指先の平均力の正確な測定値となる。

【0032】

図６Ａおよび図６Ｂは、右への反対方向の合力を生成する同様の“押して滑らせる”サイクルを例示しており、ここでは、強い右向きのインパルスの後に弱い左向きのインパルスが続き、それにより、利用者の指に作用する右への合力がもたらされている。

【0033】

力への位相整合の影響
横速度とハプティックデバイスＴＰａＤのオン／オフ信号との間の位相角を変えることにより、合力の方向および大きさを変えることができる。説明のために、用語Φ_ｏｎを、ハプティックデバイスＴＰａＤをオン（低摩擦状態をオン）にしたときの横速度の位相角として定義する。この概念は、図７にグラフで示されている。示されるデータのすべてにおいて、ＴＰａＤは、横振動の全サイクルの半分（１８０°）について、オン状態とされている。

【0034】

最も大きな力をどの位相が生成するのかを判定するために、Φ_ｏｎが、約２秒間に亘って０°から３６０°までゆっくりと回転された。その合力を見付けるために、フィルタリングされていない力のデータが、二次の低帯域通過のバターワース・零相フィルタ（ｆ_{ｃｕｔｏｆｆ}＝１０Ｈｚ）に通された。フィルタリングされた力の信号は、図８に示されている。円で囲まれた最大力点は、この横振動の特定の周波数および振幅に対する２つの“最適Φ_ｏｎ”値に対応する。１００ｍＮの範囲内のそれらの最大合力は、本出願人によって容易に知覚される。また、文献は、この大きさが一般に人間に知覚され得ることを示している（文献［５］［１］［８］を参照）。

【0035】

図８は、Φ_ｏｎが時間とともに回転したときの合力の変化を示している。所与の速度サイクルにおけるΦ_ｏｎ値は、図７における比較と同様の方法で、ＴＰａＤ状態信号を速度信号と比較することにより、見付けられた。その後、そのデータは、図８におけるフィルタリングされた力のデータに対してプロットされた。図９における結果は、力を最適化するΦ_ｏｎの値に関するより多くの具体的情報を提供する。力とΦ_ｏｎの正確な関係は振動振幅および周波数に依存するが、このデータは人間が気付くことができる力を生成する広範囲の振幅を表している。システムに遅延が生じなければ、ＴＰａＤを０°でオンにすることにより最も大きな左向きの力が生成され、Φ_ｏｎ＝１８０°が最大の右向きの力を生じさせると考えられるであろう。このデータは、最適角が、その代わりに、それぞれΦ_ｏｎ＝３４０°およびΦ_ｏｎ＝１６０°となることを示している。この位相前進の必要性は、スクイーズ膜を生成および崩壊させるのに必要な時間によるものである可能性がある。しかしながら、本出願人は、これに関する任意の理論に拘束されることを意図するものでも、望むものでもない。また、ゼロの合力が、Φ_ｏｎ＝２７０°で予測されるが、Φ_ｏｎ＝２５０°で生じる。

【0036】

当業者は、位相調整だけでなく、ＴＰａＤ基板が相対的に高い摩擦状態にある時間の長さを調節することによっても、力を制御できることを認識するであろう。摩擦が高いサイクルの量を減らすことにより、力を減少させることができる。

【0037】

力への振動振幅の影響
横方向の変位の振幅が増加するに連れて、平均合力が初めは比例的に増加し、その後飽和状態となることが、実験的に見出された。図１０は、様々な横振動周波数についてのこの傾向を示している。各データ点は、最適Φ_ｏｎにおける具体的な振動の振幅により生じる合力を表している。

【0038】

図１０における漸近特性は、クーロン摩擦の特性によるものである。振幅が指およびＴＰａＤを主に滑り接触させた状態に保つのに十分な大きさになると、速度が一方の方向であるときは、μ_{ｇｌａｓｓ}Ｆ_Ｎの力を指が受け、速度が他方の方向であるときは、−μ_ｏｎＦ_Ｎの力を指が受けることとなる。ここで、μ_{ｇｌａｓｓ}は、ガラスの動摩擦係数であり、μ_ｏｎは、ＴＰａＤが最小の摩擦状態にあるときのその動摩擦係数であり、Ｆ_Ｎは、垂直抗力である。

【0039】

ＳＨＤが生じさせることができる理論上の最大合力を見出すために、全サイクルの半分について、指が２の力のレベルの各々を受けると仮定する。その場合、時間平均力は、２の力のレベルの単なる平均となる。よって、最大合力Ｆの方程式は以下のようになる。
Ｆ_ｍａｘ＝〔（μ_{ｇｌａｓｓ}−μ_ｏｎ）Ｆ_Ｎ〕／２ 方程式（１）

【0040】

図１０における漸近線の値は方程式（１）を使用して計算される。μ_{ｇｌａｓｓ}＝０．７０は、ＴＰａＤおよび横振動子を静止させながら、表面を横切って指の代替物を移動させている間に、最大力を記録することにより得られ、μ_ｏｎ＝０．０６は、ＴＰａＤをオンにして同様に得られ、Ｆ_Ｎ＝３９２ｍＮは、４０ｇの重りから得られた。

【0041】

周波数選択
力が２０Ｈｚと１０００Ｈｚの間の周波数においてインパルスで加えられるため、利用者は、一方の方向における力全体だけでなく、ＴＰａＤの望ましくない基礎振動にも気付くことに留意することが重要である。精神物理学の分野では、人間の指先が２０Ｈｚから約５００Ｈｚの範囲における振動に感受性を有し、約２５０Ｈｚに感度のピークを有することが良く知られている。我々は、横方向の振動が極めて顕著ではない高周波（例えば、８５０Ｈｚ）、または振動を感じることができるが不快ではない約４０Ｈｚの何れかで、ＳＨＤの性能が最高となることを見出した。

【0042】

指が横振動に曝されるのを低減する設計法は、力生成が必要とされるまで、ＴＰａＤを連続的にオン（低摩擦状態をオン）で保持するというものである。この戦略では、スクイーズ膜が基本的な低周波振動から利用者を切り離し、それにより、力が加えられるまでは、殆ど知覚できないものとなる。別の方法は、横振動を、必要なときを除いてオフにするというものである。

【0043】

指の探査速度の影響
振動の振幅が力をＦ_ｍａｘの近くに至らせるのに十分な大きさであるときは、振幅の増加が、静止中の指に作用する力に無視できる増加をさらに与える。他方、利用者が積極的に表面を探っている場合には、利用者の指の速度が、指と板との間の相対速度を小さくして、その結果、合力を減少させることがある。このため、探査速度が速くなるほど、目標とする力を維持するのに必要な振動の振幅も大きくなる。

【0044】

許容できる指の探査速度のアイデアは、図１０の同じデータを、変位の代わりに速度に対してプロットすることにより得ることができる。図１１においては、７７Ｈｚで振動するＴＰａＤが、２０ｍｍ／ｓのＲＭＳ速度の周囲で最大力生成の約８５％に達することが分かる。図１１においては、７７Ｈｚの振動で生じる力が、２０ｍｍ／ｓ未満のＲＭＳ速度の変化に強く影響を受けるが、２０ｍｍ／ｓを超える速度には反応しない。このため、２０ｍｍ／ｓで振動するＳＨＤにより生成される力は、指の速度変化に影響を受け易いが、６０ｍｍ／ｓで動作するＳＨＤは、力の著しい減少が生じる前に、最大約４０ｍｍ／ｓの速度で指が動くことを可能にするであろう。

【0045】

力場の表示
ＳＨＤは事実上力の源であるため、任意の力場を生成または表示することが可能である。バネ、ダンパまたはその他の基本的なものを表示することを選択できるが、例示の目的で、ラインシンク（line sinks）およびラインソース（line sources）の表示を説明することとする。任意の所与の時点において、デバイスは、その表面に亘って一定の力場を有し、このため、空間的に変化する力場の知覚を生じさせるためには、指の位置の関数として力を変化させる必要がある。実際に、指が表面を横切って移動するときに、望ましい方向および大きさの力を生じさせるためにΦ_ｏｎが調整される。図１２においては、ラインソース力場がどのように見えるのかと、そのような場を生成するために使用されるΦ_ｏｎコマンドを示す平面図が与えられている。

【0046】

図１２のコマンドΦ_ｏｎと、図９の力対Φ_ｏｎの関係との間の類似点に留意されたい。ラインソースを生成するには、中心線に沿ってゼロの力が望まれる。このため、ｘ＝０において、Φ_ｏｎ＝２５０°となる。最大力が必要とされるベクトル場の左右のエッジ上において、Φ_ｏｎコマンドは、３４０°および１６０°の最適Φ_ｏｎ角を持つ。

【0047】

力場
図１３は、４つの異なる力場からのデータを示している。２つのラインソースおよび２つのラインシンクがあり、その各々が“硬直（stiff）”および“柔軟（compliant）”バージョンを有する。原データは、力対位置の形式で提供されるが、触覚体験のより直感的なアイデアを提供するために、本出願人は、それらデータを統合して、“ポテンシャル関数”を構築した。ポテンシャル関数は、

として定義され、ここでＦ（ｘ）は、位置ｘの関数として、指に作用する力である。Ｒｏｂｌｅｓ−Ｄｅ−Ｌａ−ＴｏｒｒｅおよびＨａｙｗａｒｄの文献［６］［５］から得られた結論は、ポテンシャル関数の形状が、仮想的な突起または穴の認識される形状に類似していることを示唆している。

【0048】

ポテンシャル関数の全体像を見るとき、硬直した平面的なラインソースの代わりに、表面にある急な突起が目に付くであろう。同様に、柔軟な平面的なラインシンクは、表面にある浅い穴として見なすことができる。

【0049】

図１４Ａ、図１４Ｂおよび図１４Ｃに示すトグルスイッチのような、より洗練されたハプティック作用を生成するためにポテンシャル関数の概念を押し進めることが可能である。ハプティックトグルスイッチは、高いポテンシャル領域（ソース）により分離される２つの低いポテンシャル領域（シンク）である（図１４Ａ、図１４Ｂ）。低いポテンシャル領域の一つから次に指がスライドするときは、指が、物理的なトグルスイッチを入れるのとよく似ているように、低いポテンシャル領域に“スッと入る”（図１４Ｃ）。

【0050】

上述した例示的な平面（フラットパネル）ハプティックディスプレイＳＨＤは、指に剪断合力を加えてそれを制御することができる。任意の制御可能な力源と同様に、指の位置のフィードバックに結合されたときに、利用者がその選択した力場を表示することを可能にする。ラインソースおよびシンクを表示する能力は実証されており、それらは、平面エンティティ、または３Ｄの突起および窪みとして、見ることができる。ＳＨＤが、平面的なバネ、ダンパ、マス、および表面特徴のイリュージョンを表示することができるツールであると、推定することができる。

【0051】

例示的なハプティックデバイスＳＨＤは、任意の剪断力を指に加えることができる平面ハプティックディスプレイを提供する。それは、バネ、ダンパ、マスおよびその他の力からなる二次元（２Ｄ）世界を表示する能力を有するだけでなく、横方向の力が形状のイリュージョンを形成することができるというアイデアを使用することにより、ＳＨＤは、三次元（３Ｄ）テクスチャおよびその２Ｄ表面上の形状のイリュージョンを生成することができる。

【0052】

２自由度の平面ハプティックデバイス
２自由度の基板の振動を有する平面ハプティックデバイスは、図３の１自由度の例示的なハプティックデバイスＳＨＤの上記説明を考慮して構築することができる。

【0053】

２自由度の面内振動のために、図３に示されるハプティックデバイスＴＰａＤは、Ｘ軸およびＹ軸のような多軸上で面内で振動されることができる。例えば、２自由度の動きは、合成スライダを設計することにより与えられ、その合成スライダ上には、ハプティックデバイスＴＰａＤが載って、直交するＸ軸およびＹ軸上（図３のＸ軸およびＹ軸を参照）でスライドする。合成スライダは、Ｘ軸およびＹ軸上でハプティックデバイスＴＰａＤを独立に移動させる能力を有するであろう。例えば、合成スライダは、Ｘ軸振動用のスライダ２１０のような第１スライダと、独立したＹ軸振動用に、第１スライダの上または下に取り付けられた第２スライダとを有するであろう。第１スライダは、図示の線形アクチュエータ２００により、Ｘ軸上で振動するために作動され、第２スライダは、Ｙ軸スライダに連結されたアクチュエータロッドを有する類似のスピーカの形式で、第２線形アクチュエータ（図示省略）により、Ｙ軸上で振動するために作動されることとなる。制御システムに入力されるＸおよびＹの指の位置を検出するために、図５に示すタイプの指の位置検出センサを使用することができる。制御システムは、剪断力を生成するために必要とされるように、ＴＰａＤのオン／オフ信号と基板の横速度との間の位相角Φ_ｏｎを変化させる。

【0054】

このため、この２自由度の実施形態は、Ｘ軸およびＹ軸上でＴＰａＤを振動させるための別個のアクチュエータを有することを伴う。それらアクチュエータには、電磁アクチュエータ（ボイスコイルのような）、圧電曲げアクチュエータ、形状記憶合金アクチュエータ、人工筋肉アクチュエータ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｍｕｓｃｌｅ．ｃｏｍ／）およびその他のものを選択することが可能である。一般に、それは、ハプティックデバイスＴＰａＤおよびそのマウント１５０が振動の周波数でＸおよびＹ振動の両方について共振する場合に、必要とされるアクチュエータの力を最小化することとなる。

【0055】

Ｘ軸およびＹ軸上のハプティックデバイスＴＰａＤの振動は、（基板表面１０４ａの平面内において）円形の面内運動を生成すべく、基板の旋回運動を生じさせるように制御されるものであってもよい。基板が旋回すると、その速度ベクトルは、瞬時に、望ましい力の方向に一致することとなる。その瞬間の前後に、基板は、高摩擦状態に設定され、力のインパルスが利用者の指または物体に加えられる。“旋回”サイクルの残りの間、基板は、指または物体に作用する力が無視できる程度となるように、低摩擦状態に設定される。速度ベクトルは、旋回中に３６０°すべてを通過するため、面内の任意の方向に力を生じさせることができる。本発明のこの実施形態では、基板に垂直な超音波振動が、上述したように、低周波、高振幅の横振動（すなわち、“旋回”を生じさせる表面の面内の動き）と組み合わされる。

【0056】

その結果、ハプティックデバイスＴＰａＤのガラス板表面上の各点は、Ｘ−Ｙ平面において、小さくて円形で反時計方向（上から見て）の動作を行い、運動の旋回パターンを生じる。この旋回運動は、周波数および振幅を同じように加えるという点において、線形アクチュエータ２００により上に生成されるＸ方向の振動と完全に類似している。しかしながら、ここで運動がガラス基板の２軸に沿って生じるため、摩擦調整の影響は同じではない。特に、合力は、ゼロになることなく（あるいは大きさが変化することはなく）、単に方向を変化させる。また、力がデバイスの速度と常に同じ方向にあり、速度が絶えず変化しているため、平均力は、一軸の実施形態と同じではない。上記のような摩擦依存状態を仮定すると、平均力が大きさ（μ_ｏｎＮ）／πおよびΦの方向を持つことを示すことができる。

【0057】

摩擦低減のための超音波振動がオンまたはオフに切り換えられる（または調節される）間の旋回運動の位相は、コンピュータ制御下で変化されて、エッジまたはその他のハプティック効果を生じさせることができる。その調節は、測定された指の位置に応答させることができ、若しくはあるハプティック効果については、指の位置の測定が不要である。

【0058】

２自由度のハプティックデバイスＳＨＤについての本発明の別の実施形態は、図１５に示されており、ハプティックデバイスＴＰａＤが必要に応じて所定の限度内で自由に動き回ることができるように、フレキシブル金属レッグ４００上に支持されたモータマウント４１０のような柔軟サポート上にハプティックデバイスＴＰａＤを取り付けることを伴う。フレキシブルレッグ４００は、固定されたベースに下端が連結されている。ＴＰａＤは、隅柱４２２によりモータマウント４１０に剛結合された取付板４３０上に固定的に取り付けられている。偏心質量モータＭＭ（ページャに使用されるモータのような）は、モータマウント４１０上に取り付けることができ、偏心質量４１１を含む。モータの出力軸中心線は、ＴＰａＤのハプティック面に対して垂直である。偏心質量モータＭＭは、その出力シャフトを介して、偏心質量を回転させて、回転周波数で、回転反力（rotating reaction force）を生じさせる。これは、モータマウント４１０およびその上のＴＰａＤ基板１０４を旋回パターンで振動させることとなる。

【0059】

記載される本発明の実施形態は、コンピュータ（ソフトウェア）制御のハプティック効果が、ガラス基板の表面に表示されることを可能とし、それには、変動摩擦だけでなく、表面を横切って指または物体を積極的に押す横力も含まれる。より強力なハプティック効果も可能である。ハプティックディスプレイとしてではなく、その代わりに、ロボット工学または製造における部品供給または同様の用途に有用であるように、コンピュータ制御下で表面の周囲で小さい物体を駆動するための機構としての付加的な使用も可能である。

【0060】

記載される実施形態では、ハプティックデバイスＴＰａＤは、１ユニットとして摩擦低減効果のために、超音波の手段によって振動される。代替的な実施形態として、ガラス基板表面の異なる領域が異なる超音波振幅を有するように、複数の超音波アクチュエータを使用することが可能であり、おそらくはその各々が旋回運動の異なる位相に対応するように調整される。ガラス板表面に亘って超音波の振幅の空間的変動を得る別の方法は、超音波振動のノードパターンを利用するもの（２００９年３月１９日に出願された同時係属中の米国出願第１２／３８３，１２０を参照）、またはこれを複数の超音波周波数、あるいは異なる位相で駆動される超音波アクチュエータと組み合わせるものである。

【0061】

当然のことながら、本発明は、平面的な基板表面に限定されるものではない。例えば、ラジアル方向に超音波振動を生成することにより、円筒状のノブの表面で摩擦力（traction forces）を生成することができ、“横”振動を軸および／または周方向に生成することができる。実際に、任意の表面は、面法線と、その表面に少なくとも局所的に存在する２軸とを有することとなる。法線に沿う超音波振動と、１または２の面内の軸に沿う低周波振動は、組み合わせて摩擦力を生じさせることが可能である。

【0062】

横振動を持続しなければならない理由はない。多くの用途では、短時間のみ、能動的な摩擦力を加える必要がある。そのような場合、横振動は、摩擦力を生じさせることが必要とされるまで、オフとすることができる。実際に、幾つかのハプティック効果については、横振動の１サイクルのみ、あるいは半サイクルのみでも十分な場合もある。横振動の振幅または数は、利用者の指を所望距離移動させるのに、あるいはそれに所望の期間力を加えるのに十分となるように選択することができ、その後、横振動は中止することができる。

【0063】

本発明の特定の例示的な実施形態に関連して本発明を説明したが、当業者にとって明らかなように、特許請求の範囲に示すような本発明の範囲内で、それらに変更および修正を加えることが可能である。

【0064】

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［４］Ｊ．ＰａｓｑｕｅｒｏおよびＶ．Ｈａｙｗａｒｄ，Ｓｔｒｅｓｓ：Ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｔａｃｔｉｌｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｗｉｔｈ ｏｎｅ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ７００ｈｚ ｒｅｆｒｅｓｈ ｒａｔｅ，ダブリン，アイルランド，２００３年７月
［５］Ｇ．Ｒｏｂｌｅｓ−Ｄｅ−Ｌａ−Ｔｏｒｒｅ，Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｒｏｌｅ ｏｆ Ｌａｔｅｒａｌ Ｆｏｒｃｅ Ｄｕｒｉｎｇ Ａｃｔｉｖｅ ａｎｄ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｔｏｕｃｈ：Ｌａｔｅｒａｌ Ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｉｔｓ Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｓ ａｒｅ Ｉｎｈｅｒｅｎｔｌｙ Ａｍｂｉｇｕｏｕｓ Ｃｕｅｓ ｆｏｒ Ｓｈａｐｅ Ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｔｏｕｃｈ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，１５９−１６４ページ，２００２年
［６］Ｇ．Ｒｏｂｌｅｓ−Ｄｅ−Ｌａ−ＴｏｒｒｅおよびＶ．Ｈａｙｗａｒｄ，Ｆｏｒｃｅ ｃａｎ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｏｂｊｅｃｔ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈａｐｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｃｔｉｖｅ ｔｏｕｃｈ，Ｎａｔｕｒｅ，４１２：４４５−４４８，２００１年７月
［７］Ｍ．Ｔａｋａｓａｋｉ，Ｈ．Ｋｏｔａｎｉ，Ｔ．ＭｉｚｕｎｏおよびＴ．Ｎａｒａ，Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｔａｃｔｉｌｅ ｄｉｓｐｌａｙ，Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００５．（ＩＲＯＳ ２００５）．２００５ １ＥＥＥ／ＲＳＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ，３３５４−３３５９ページ，２００５年８月
［８］Ｖ．Ｖｉｎｃｅｎｔ ＬｅｖｅｓｑｕｅおよびＶ．Ｈａｙｗａｒｄ，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｅｖｉｄｅｎｃｅ ｏｆ ｌａｔｅｒａｌ ｓｋｉｎ ｓｔｒａｉｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔａｃｔｉｌｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，Ｉｎ Ｐｒｏｃ．ｏｆ Ｅｕｒｏｈａｐｔｉｃｓ，ダブリン，アイルランド，２００３年７月
［９］Ｔ．ＷａｔａｎａｂｅおよびＳ．Ｆｕｋｕｉ，Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔａｃｔｉｌｅ ｓｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｕｓｉｎｇ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．１９９５．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．，１９９５ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ，１：１１３４−１１３９ ｖｏｌ．１，１９９５年５月
［１０］Ｌ．Ｗｉｎｆｉｅｌｄ，Ｊ．Ｇｌａｓｓｍｉｒｅ，Ｊ．Ｅ．ＣｏｌｇａｔｅおよびＭ．Ｐｅｓｈｋｉｎ，Ｔ−ｐａｄ：Ｔａｃｔｉｌｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，Ｗｏｒｌｄ Ｈａｐｔｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，４２１−４２６ページ，２００７年
［１１］Ａ．Ｙａｍａｍｏｔｏ，Ｔ．ＩｓｈｉｉおよびＴ．Ｈｉｇｕｃｈｉ，Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｔａｃｔｉｌｅ ｄｉｓｐｌａｙ ｆｏｒ ｐｒｅｓｅｎｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｓｅｎｓａｔｉｏｎ，６８０−６８４ページ，２００３年１２月

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図14C】

【図15】