Electroactive polymer transducers for sensory feedback applications

本発明は、感覚性フィードバックを提供する電気活性ポリマートランスデューサーの使用に関する。

触覚性フィードバック（ユーザーの身体に加えられる力によるユーザーへの情報の伝達、典型的にはユーザーによって開始された力への応答）を使用する、多くの公知のユーザーインターフェースデバイスがある。 触覚性フィードバックを使用し得るユーザーインターフェースデバイスの例は、キーボード、タッチスクリーン、コンピューターマウス、トラックボール、スタイラススティック、ジョイスティックなどを含む。 これらのタイプのユーザーインターフェースデバイスによって提供される触覚性フィードバックは、例えば振動、パルス、ばねの力などのような、ユーザーによって感じられる身体感覚の形態を取る。

しばしば、触覚性フィードバックを有するユーザーインターフェースデバイスは、ユーザーによって開始された作用を「受け取る」入力デバイス、そして、作用が開始されたことを示す触覚性フィードバックを提供する出力デバイスであり得る。 実際に、ユーザーインターフェースデバイスの接触された部分または表面あるいは触れられた部分または表面（例えばボタン）は、ユーザーによって加えられた力によって少なくとも一つの自由度に沿って変えられ、加えられた力は、接触された部分が位置を変えて触覚性フィードバックを生み出すために、何らかの最小閾値に達しなければならない。 接触された部分の位置の変化の達成または登録は、応答する力（例えば、スプリングバック、振動、パルス化）を結果として生じ、応答する力はまた、ユーザーによって作用されるデバイスの接触された部分にかけられ、ユーザーの接触の感覚を介してユーザーに伝達される。

スプリングバックまたは「二相」タイプの触覚性フィードバックを使用するユーザーインターフェースデバイスの一つの一般的な例は、マウス上のボタンである。 ボタンは、加えられた力が特定の閾値に達する（その時点でボタンが比較的容易に下に動いて止まる）まで動かず、その集合的な感覚は、ボタンを「クリックすること」として規定される。 ユーザーが加えた力は、実質的にボタンの表面に垂直な軸に沿っており、ユーザーによって感じられる応答する（しかし、反対の）力である。

触覚性フィードバック能力は、特にデータ入力に関して、ユーザーの生産性および効率性を改善することが公知である。 本発明の発明者らによって、ユーザーに伝達される触覚性感覚の特性および質へのさらなる改善がそのような生産性および効率性をさらに改善すると考えられている。 そのような改善が、製作しやすく、製作のコスト効率が高い感覚性フィードバック機構によって提供され、公知の触覚性フィードバックデバイスの空間、大きさおよび／または質量の要件を追加せず、好適には低減する場合には、さらに有益であり得る。

本発明は、感覚性用途の電気活性トランスデューサーを含むデバイス、システムおよび方法を含む。 一つの変化形において、感覚性フィードバックを有するユーザーインターフェースデバイスが提供される。 デバイスは、ユーザー接触表面、接触表面に結合された出力部材を備えている電気活性ポリマートランスデューサー、ユーザー接触表面上の機械的な力を感知し、トランスデューサーに作動信号を提供するセンサーを含み、トランスデューサーの作動は、少なくともユーザー接触表面の一部分を動かす。

トランスデューサーの出力部材とユーザー接触表面との間の結合は、機械的手段、磁気的手段または両方を含み得る。 機械的結合手段が使用される特定の変化形において、出力部材とユーザー接触表面との間に延びている少なくとも一つのピンまたは隆起部が提供される。 一つまたは複数のピンがトランスデューサーのシーリング材料を通って延びる場合、適合性材料がピンとシーリング材料との間に用いられ得て、ピンの動く際にシールが危険にさらされないことを確実にする。 特定の実施形態において、旋回可能なレバーは、トランスデューサー出力部材からユーザー接触表面に動作を伝えるために用いられ、それによってピンは、レバーからシーリング材料内に提供される皿穴状の穴を通って延びる。

ユーザーインターフェースデバイスは、実質的にトランスデューサーにハーメチックシールをするように構成されているシーリング材料をさらに含み得る。 Ａ１３。 特定の実施形態において、シーリング材料は、ユーザー接触表面とトランスデューサーとの間にガスケットを形成する一方で、他の実施形態において、シーリング材料は、トランスデューサーを収容する。

ユーザーインターフェースデバイスは、感覚性フィードバック運動、すなわちユーザーによって感知される接触表面の運動を提供するように構成され得、感覚性フィードバック運動は、接触表面に対して横方向または垂直方向に存在する。 ユーザーインターフェースデバイスは、単一の入力または接触表面（例えばキーパッド）を提供し得るか、または複数の接触表面を有するアレイ形式（例えばキーボード）で提供され得る。

本発明のデバイスおよびシステムは、少なくとも部分的にウェブベースの製作技術によって製造され得る。 例えば、一つのそのような方法は、少なくともそのような技術によってトランスデューサーを形成することを含み、その際に電気活性ポリマーフィルムが提供され、電極のアレイがフィルム上に形成される。 電極アレイは、次いで、フレーム構成要素の上のアレイと底のアレイとの間にはさまれて、電気活性ポリマートランスデューサーのアレイを形成する。 結果として生じるアレイは、ユーザーインターフェースデバイスのタイプに依存して、アレイ形式に保たれ得るか、または複数の個々のトランスデューサーの中に個別化され得る。

本発明のこれらおよび他の特徴、目的および利点は、本発明の詳細を読む際に当業者に明らかとなり、それは以下でより完全に説明される。
本発明は、添付の概略図と結びつけて読まれるときに、以下の詳細な説明から最もよく理解される。 理解を促進するために、複数の図面と共通な同様の要素を指定するように、同じ参照数字が用いられている（それで実践的になっている）。 図面には以下のものが含まれる。

図１Ａ−１Ｃは、それぞれ、本発明の感覚性フィードバックデバイスの上部斜視図、底部斜視図および断面図を示す。

図１Ａ−１Ｃは、それぞれ、本発明の感覚性フィードバックデバイスの上部斜視図、底部斜視図および断面図を示す。

図１Ａ−１Ｃは、それぞれ、本発明の感覚性フィードバックデバイスの上部斜視図、底部斜視図および断面図を示す。

図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、図１Ａ−１Ｃの感覚性フィードバックデバイスの上部分解組立斜視図および底部分解組立斜視図を示す。

図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、図１Ａ−１Ｃの感覚性フィードバックデバイスの上部分解組立斜視図および底部分解組立斜視図を示す。

図３Ａは、本発明の組み立てられた電気活性ポリマーアクチュエーターの上部平面図である。

図３Ｂおよび図３Ｃは、それぞれ、図３Ａのアクチュエーターのフィルム部分の上部平面図および底部平面図であり、特に、アクチュエーターの二相構成を図示する。

図３Ｂおよび図３Ｃは、それぞれ、図３Ａのアクチュエーターのフィルム部分の上部平面図および底部平面図であり、特に、アクチュエーターの二相構成を図示する。

図４は、図１Ａ−１Ｃの感覚性フィードバックデバイスの側面図であり、ヒトの指がデバイスの接触表面と動作的に接触している。

図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、単一相モードで動作するときの、図３Ａ−３Ｃのアクチュエーターの力−ストローク関係および電圧応答曲線をグラフで図示する。

図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、単一相モードで動作するときの、図３Ａ−３Ｃのアクチュエーターの力−ストローク関係および電圧応答曲線をグラフで図示する。

図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ、二相モードで動作するときの、図３Ａ−３Ｃのアクチュエーターの力−ストローク関係および電圧応答曲線をグラフで図示する。

図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ、二相モードで動作するときの、図３Ａ−３Ｃのアクチュエーターの力−ストローク関係および電圧応答曲線をグラフで図示する。

図７は、図１Ａ−１Ｃの感覚性フィードバックデバイスを動作させるための、電源および制御エレクトロニクスを含む電子回路のブロック図である。

図８は、本発明の感覚性フィードバックデバイスの交互双安定性の実施形態を図示する。

図９Ａおよび図９Ｂは、それぞれ、本発明の別の触覚性フィードバックデバイスの上部分解組立斜視図および底部分解組立斜視図を示し、アクチュエーターをデバイスの接触表面に結合するために磁石が用いられている。

図９Ａおよび図９Ｂは、それぞれ、本発明の別の触覚性フィードバックデバイスの上部分解組立斜視図および底部分解組立斜視図を示し、アクチュエーターをデバイスの接触表面に結合するために磁石が用いられている。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、それぞれ、本発明の触覚性フィードバックデバイスにおいて使用される、本発明のハーメチックシールをされた電気活性ポリマーアクチュエーターの組立斜視図および分解組立斜視図を図示する。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、それぞれ、本発明の触覚性フィードバックデバイスにおいて使用される、本発明のハーメチックシールをされた電気活性ポリマーアクチュエーターの組立斜視図および分解組立斜視図を図示する。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、それぞれ、本発明の触覚性フィードバックデバイスにおいて使用される、本発明の別のハーメチックシールをされた電気活性ポリマーアクチュエーターの組立斜視図および分解組立斜視図を図示する。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、それぞれ、本発明の触覚性フィードバックデバイスにおいて使用される、本発明の別のハーメチックシールをされた電気活性ポリマーアクチュエーターの組立斜視図および分解組立斜視図を図示する。

図１２Ａ−１２Ｃは、それぞれ、本発明の触覚性フィードバックデバイスにおいて使用される、本発明の別のハーメチックシールをされた電気活性ポリマーアクチュエーターの組立斜視図、分解組立斜視図および断面図を図示する。

図１２Ａ−１２Ｃは、それぞれ、本発明の触覚性フィードバックデバイスにおいて使用される、本発明の別のハーメチックシールをされた電気活性ポリマーアクチュエーターの組立斜視図、分解組立斜視図および断面図を図示する。

図１２Ａ−１２Ｃは、それぞれ、本発明の触覚性フィードバックデバイスにおいて使用される、本発明の別のハーメチックシールをされた電気活性ポリマーアクチュエーターの組立斜視図、分解組立斜視図および断面図を図示する。

図１３Ａ−１３Ｃは、ハーメチックシールをされたアクチュエーターの別の変化形を使用する、本発明の別の触覚性フィードバックデバイスを図示する。

図１３Ａ−１３Ｃは、ハーメチックシールをされたアクチュエーターの別の変化形を使用する、本発明の別の触覚性フィードバックデバイスを図示する。

図１３Ａ−１３Ｃは、ハーメチックシールをされたアクチュエーターの別の変化形を使用する、本発明の別の触覚性フィードバックデバイスを図示する。

図１４Ａおよび図１４Ｂは、それぞれ、本発明の触覚性フィードバックデバイスのアレイにおいて使用される、誘電体フィルム材料の背中合わせの側に配置された電極パターンのアレイを図示する。

図１４Ａおよび図１４Ｂは、それぞれ、本発明の触覚性フィードバックデバイスのアレイにおいて使用される、誘電体フィルム材料の背中合わせの側に配置された電極パターンのアレイを図示する。

図１５は、本発明の感覚性フィードバックデバイスにおいて使用される、アクチュエーターのアレイの分解組立図である。

図１６は、図３Ａ−３Ｃに図示されるタイプのアクチュエーターのアレイの組立図である。

図１７は、図８に図示されるタイプのアクチュエーターのアレイの組立図である。

図において示されるものからの本発明の変化形が考慮される。

本発明のデバイス、システムおよび方法が、ここで添付の図を参照して詳細に説明される。

図１Ａ−１Ｃ、２Ａおよび２Ｂを参照すると、本発明の感覚性フィードバックデバイス２の実施形態のさまざまな図面が提供され、この感覚性フィードバックデバイス２は、例えば、キーボード内の単一のキーまたはタッチスクリーンの個別の領域を用いてユーザーインターフェースデバイス（示されていない）において使用され得る。 図１Ａ−１Ｃに示されるように、組み立てられた形態において、感覚性フィードバックデバイス２は、一緒に用いられるユーザーインターフェースデバイスの構成要素を収容するように、任意の適切な幅、長さおよび高さ（厚さ）の寸法を有し得る、非常に薄く外形が小さい構成（図１Ｃに最もよく図示されている）を有する。 典型的には、デバイス２の幅および長さの寸法は、デバイス２が関連づけられているユーザー接触表面の幅および長さの寸法に実質的に適合するか、またはユーザー接触表面の幅および長さの寸法以内である。 例えば、フィンガーキーまたはタッチ用途に関して、デバイス２の幅および長さの寸法は、角キーに関して、典型的には約１０ｍｍから約３０ｍｍの範囲内にある。 デバイス２の高さまたは厚さの寸法は、デバイスの外形（ならびに大きさ、重量および質量）を低減するように、好適には、実践的に可能な限り小さい。 キーパッド用途に関して、デバイスの厚さの寸法は、典型的には約２ｍｍであるが、約１ｍｍよりも薄くなる場合もある。

感覚性または触覚性フィードバックデバイス２は、さまざまな構成要素を含み、このさまざまな構成要素は、図２Ａおよび図２Ｂに図示されるように上部から底部まで、上部接触表面４ａと複数の隆起部１６を有する底部表面４ｂとを有するユーザーインターフェースパッド４を含み、ユーザーインターフェースパッド４の機能は、以下で論じられる。 上部表面４ａは、ユーザーの指によるすべりを最小化するように、オプションでざらざらする（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）ように作られ得る。 パッド４は、感覚性フィードバック機構またはアクチュエーター３０の上に位置決めされ得る。 アクチュエーター３０は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する弾性フィルムの形態で電気活性ポリマー（ＥＡＰ）トランスデューサー１０を含む。 その結果生じる機械エネルギーは、本明細書ではディスク２８（以下でより詳細に論じられる）の形態を取る、出力部材の物理的「変位」の形態を取り、変位は、ユーザーの指によって感知されるか、または感じられる。

図３Ａ−３Ｃを参照すると、ＥＡＰトランスデューサーフィルム１０は、二つの動作対の薄い弾性電極３２ａ、３２ｂおよび３４ａ、３４ｂを備え、各動作対は、エラストマー誘電体ポリマー２６（例えば、アクリル樹脂、シリコーンなどで作製）の薄い層によって分離されている。 電圧差が各動作対の互いに逆に帯電した電極にわたって（すなわち、電極３２ａおよび電極３２ｂにわたって、ならびに電極３４ａおよび電極３４ｂにわたって）印加されるとき、対向した電極は、互いに引き付け合い、それによってそれらの間の誘電体ポリマー層２６を圧縮する。 電極がともにより近くへ引っ張られるとき、誘電体ポリマー２６が平面方向に拡張する（すなわち、ｘ軸成分およびｙ軸成分が拡張する）ので、より薄くなる（すなわち、ｚ軸成分は収縮する）（軸の参照には図３Ｂおよび図３Ｃを参照されたい）。 さらには、各電極にわたって分布する同様の電荷は、電極内に埋め込まれた伝導性粒子が互いに反発し合うことを引き起こし、それによって弾性電極および誘電体フィルムの拡張に寄与する。 誘電体層２６は、それによって電界における変化によるたわみが引き起こされる。 電極材料はまた、適合性があるので、電極層は、誘電体層２６とともに形状を変える。 一般的に言って、たわみとは、任意の変位、拡張、収縮、ねじれ、線ひずみまたは面ひずみ、あるいは誘電体層２６の一部分の任意の他の変形をいう。 このたわみは、機械的動作を生成するために用いられ得る。

トランスデューサー１０を製造する際に、弾性フィルムは、引き伸ばされ、二つの向かい合う剛性フレームの面８ａおよび８ｂによって、予ひずみを付与された状態に保たれる。 予ひずみは、誘電体層２６の絶縁耐力を向上させ、それによって電気エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を向上させる、すなわち、予ひずみは、フィルムをよりたわませ、より大きな機械的作用を提供することを可能にすることが観察される。 典型的には、電極材料は、ポリマー層に予ひずみを付与した後で適用されるが、前もって適用される場合もある。 本明細書で同じ側の電極対として参照される、層２６の同じ側に提供された二つの電極、すなわち誘電体層２６の上側２６ａの電極３２ａおよび電極３４ａ（図３Ｂを参照されたい）、ならびに誘電体層２６の底側２６ｂの電極３２ｂおよび電極３４ｂ（図３Ｃを参照されたい）は、不活性領域またはギャップ２５によって互いに電気的に絶縁される。 二組の動作電極対、すなわち一つの動作電極対の電極３２ａおよび電極３２ｂ、ならびに別の動作電極対の電極３４ａおよび電極３４ｂとはポリマー層の反対の側面上に対向した電極がある。 各々の動作電極対の電極の極性は互いに反対である、すなわち、電極３２ａと電極３２ｂとは逆に帯電し、電極３４ａと電極３４ｂとは逆に帯電しているが、各々の同じ側の電極対は、好適には同じ極性を有する。 各電極は、電圧供給（示されていない）への電気接続のために構成されている電気接触部分３５を有する。

図示された実施形態において、複数の電極の各々は、半円の構成を有し、同じ側の電極対は、誘電体層２６の各面上の中央に配置された剛性出力ディスク２０ａ、２０ｂを収容する実質的に円形のパターンを規定する。 機能が以下で論じられるディスク２０ａ、２０ｂは、ポリマー層２６の中央に露出される外側表面２６ａ、２６ｂにしっかり固定され、それによってそれらの間に層２６をはさむ。 ディスクとフィルムとの間の結合は、機械的であり得るか、接着結合によって提供され得る。 概して、ディスク２０ａ、２０ｂは、トランスデューサーフレーム２２ａ、２２ｂに対して寸法設定される。 より具体的には、フレームの内側環状直径に対するディスク直径の比は、トランスデューサーフィルム１０に加えられる強度を適切に分散するような比になる。 フレーム直径に対するディスク直径の比が大きくなればなるほど、フィードバックの信号または運動の力は大きくなるが、ディスクの直線的変位は少なくなる。 代わりに、比が小さくなればなるほど、出力の力は小さくなり、直線的変位は大きくなる。

軽量および最小の構成要素に起因して、ＥＡＰトランスデューサーは、非常に小さい外形を提供し、そのようなものとして、感覚性／触覚性フィードバック用途における使用のために理想的である。 ＥＡＰトランスデューサーおよびその構造物の例は、米国特許第７，３６８，８６２号、第７，３６２，０３１号、第７，３２０，４５７号、第７，２５９，５０３号、第７，２３３，０９７号、第７，２２４，１０６号、第７，２１１，９３７号、第７，１９９，５０１号、第７，１６６，９５３号、第７，０６４，４７２号、第７，０６２，０５５号、第７，０５２，５９４号、第７，０４９，７３２号、第７，０３４，４３２号、第６，９４０，２２１号、第６，９１１，７６４号、第６，８９１，３１７号、第６，８８２，０８６号、第６，８７６，１３５号、第６，８１２，６２４号、第６，８０９，４６２号、第６，８０６，６２１号、第６，７８１，２８４号、第６，７６８，２４６号、第６，７０７，２３６号、第６，６６４，７１８号、第６，６２８，０４０号、第６，５８６，８５９号、第６，５８３，５３３号、第６，５４５，３８４号、第６，５４３，１１０号、第６，３７６，９７１号、および第６，３４３，１２９号、ならびに米国特許出願公開第２００６／０２０８６１０号、第２００８／００２２５１７号、第２００７／０２２２３４４号、第２００７／０２００４６８号、第２００７／０２００４６７号、第２００７／０２００４６６号、第２００７／０２００４５７号、第２００７／０２００４５４号、第２００７／０２００４５３号、第２００７／０１７０８２２号、第２００６／０２３８０７９号、第２００６／０２０８６１０号、第２００６／０２０８６０９号、および第２００５／０１５７８９３号において説明され、それらの全体は、本明細書で参照により援用される。

再び図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、絶縁性であり好適には緩衝性材料でできている逆転防止装置または絶縁体シールド６ａが、接触パッド４と上部トランスデューサーフレーム８ａの上部表面との間に提供される。 絶縁シールド６ａはまた、接触パッド４に対するスライド支持表面として機能する。 接触パッド４をトランスデューサー３０と機械的に結合させるために、切り抜きまたはスルーホール１８が逆転防止装置６ａの中に提供され、接触パッド４の下側４ｂから延びる隆起部またはピン１６を受け入れ、収容するために、スルーホール２８がディスク２０ａおよびディスク２０ｂの中ならびに誘電体フィルム２６の中に提供される。 トランスデューサー構成要素層内のスルーホール２８はまた、層同士をともに機械的に結合する手段（示されていない）、例えばボルト、ねじ式のボスを受け入れることに役立ち得る。 オプションとして、底部逆転防止装置またはシールド６ｂは、機械的安定性を提供し、そして付加的な緩衝材として機能するために、するために、トランスデューサーフレーム８ｂの底部側に提供され得る。

感覚性フィードバックデバイス２の底部側面は、プレート１２を含み、プレート１２は、機械的結合（示されていない）、例えばボルトによってデバイス２に機械的安定性を提供し、機械的結合は、デバイス２の上記で説明された層の各々の中のスルーホール２４に配置される。 プレート１２はまた、電気トレースまたは電気接触部１４ａ、１４ｂ、１４ｃを有する電気アダプターとして機能し、電気トレースまたは電気接触部１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、制御エレクトロニクスおよび電力の供給源（以下でより詳細に論じられる）との電気的連絡のために、ユーザーインターフェースデバイスの中に収容されたプリント回路基板の形態であり得る。 電気トレースの例示的パターンは、二つの指定高電圧電極の各々との接続のためのトレース１４ａおよびトレース１４ｂと、接地された電極の両方への接続のための単一のトレース１４ｃとを含む。

全体に非常に小さい外形で、かつ、四角い形状によって、本発明の感覚性／触覚性フィードバックデバイスは、キーボード、タッチスクリーン、コンピューターマウス、および図４に図示されるような、デバイスの入力部分と接触するために単一の指３８のみが用いられる他のユーザーインターフェースデバイスにおける使用に特に適している。 しかしながら、当業者は、例えばトラックボール、スタイラススティック、ジョイスティックなどのような、ユーザーの手のひらまたは手の握りによる接触のために設計されたユーザーインターフェースデバイスに適した他の構成を認識する。

上記で説明された電極構成（すなわち、二つの動作電極対）によって、トランスデューサー１０は、単相モードまたは二相モードのいずれかで機能することが可能である。 構成された態様において、上記で説明された主題の感覚性フィードバックデバイスの出力構成要素（すなわち、二つの結合されたディスク２０ａおよび２０ｂ）の機械的変位は、垂直方向でなく横方向である。 言い換えれば、ユーザーインターフェースパッド４の接触表面４ａに垂直で、ユーザーの指３８によって加えられた（しかし、対向する方向または上向きの方向に加えられた）入力の力（図４における矢印６０ａによって指定される）と平行な方向にある力である感覚性フィードバック信号の代わりに、本発明の感覚性／触覚性フィードバックデバイスの感知されたフィードバックまたは出力の力（図４における二つ頭のある矢印６０ｂによって指定される）は、接触表面４ａに平行で、入力の力６０ａに垂直な方向で存在する。 トランスデューサー１０の平面に垂直な軸の周りでの、かつ、ユーザーインターフェースパッド４（例えばキーボードのキーパッド）の位置に対しての電極対の回転整列、ならびにトランスデューサーが動作するモード（すなわち、単相または二相）に依存して、この横方向の運動は、３６０°以内の任意の方向または複数の方向で存在し得る。 例えば、横方向のフィードバックの動きは、ユーザーの指（あるいは、手のひらまたは手の握りなど）の前方方向に対して、横から横または上下（両方とも二相作動である）であり得る。 当業者は、触覚性フィードバックデバイスの接触表面を横断するか、または垂直であるフィードバック変位を提供する特定の他のアクチュエーター構成を認識するが、そのように構成されているデバイスの外形の全体は、上記の設計よりも大きくなり得る。

単相モードで感覚性／触覚性フィードバックデバイス２を動作するとき、アクチュエーター３０の電極の一つの動作対のみが、任意の時間に作動され得る。 アクチュエーター３０の単相動作は、単一の高電圧電源を用いて制御され得る。 単一の選択される動作電極対に印加される電圧が増加されるにつれて、トランスデューサーフィルムの活性化部分（半分）が拡張し、それによって、トランスデューサーフィルムの不活性部分の方向に平面内の出力ディスク２０を動かす。 図５Ａは、交互に単相モードにある二つの動作電極対を作動させるとき、ニュートラルポジションに対してアクチュエーター３０の感覚性フィードバック信号（すなわち、出力ディスク変位）の力−ストローク関係を図示する。 図示されるように、それぞれの力と出力ディスクの変位とは、互いに等しいが、反対方向である。 図５Ｂは、この単相モードで動作するとき、結果として生じる、アクチュエーターの出力変位に対する印加された電圧の非線形関係を図示する。 共有された誘電体フィルムによる二つの電極対の「機械的」結合は、反対方向に出力ディスクを動かすようなものであり得る。 こうして、両方の電極対が動作するとき、互いに独立ではあるにもかかわらず、第一の動作電極対に対する電圧の印加（相１）は、出力ディスク２０を一つの方向に動かし、第二の動作電極対に対する電圧の印加（相２）は、出力ディスク２０を反対の方向に動かす。 図５Ｂのさまざまなプロットが反射するとき、すなわち電圧が線形に変化するとき、アクチュエーターの変位は、非線形である。

出力部材または出力構成要素のより大きな変位を生み出し、ユーザーにより大きな感覚性フィードバック信号を提供するために、アクチュエーター３０は、二相モードで動作する、すなわち、アクチュエーターの両方の部分を同時に作動させる。 図６Ａは、アクチュエーターが二相モードで動作するとき、出力ディスクの感覚性フィードバック信号の力−ストローク関係を図示する。 図示されるように、このモードにおけるアクチュエーターの二つの部分３２、３４の力およびストロークの両方は、同じ方向にあり、単相モードで動作するとき、アクチュエーターの力およびストロークよりも二倍の大きさを有する。 この二相モードで動作するとき、図６Ｂは、結果として生じる、アクチュエーターの出力変位に対する印加された電圧の線形関係を図示する。 電気的に直列であるアクチュエーターの機械的に結合された部分３２、３４を接続し、図７のブロック図４０に図示された態様におけるようなそれらの共通ノード５５を制御することによって、共通ノード５５と出力部材（いかなる構成においても）の変位（またはブロックされた力）とは、線形の相互関係に近づく。 この動作モードにおいて、アクチュエーター３０の二つの部分３２、３４の非線形電圧応答は、効果的に互いに相殺して線形の電圧応答を生成する。 制御回路４４およびスイッチングアセンブリー４６ａ、４６ｂをアクチュエーターの各部分に一つ使用することによって、この線形関係は、アクチュエーターの性能が制御回路によってスイッチアセンブリーに供給される多様なタイプの波形の使用によって微調整され、調節されることを可能にする。 回路４０を用いることの別の利点は、感覚性フィードバックデバイスを動作させるために必要なスイッチング回路および電源の数を低減する能力である。 回路４０の使用がなければ、二つの独立した電源および四つのスイッチングアセンブリーが必要とされ得る。 こうして、回路の複雑さおよびコストが低減され、同時に制御電圧とアクチュエーター変位との間の関係が改善される、すなわち、より線形になる。

さまざまなタイプの機構が、ユーザーからの入力の力６０ａを伝えて所望の感覚性フィードバック６０ｂを生み出すために使用され得る（図４を参照されたい）。 例えば、容量性センサーまたは抵抗性センサー５０（図７を参照されたい）は、ユーザーによってユーザー接触表面入力上に及ぼされた機械的な力を感知するように、ユーザーインターフェースパッド４の中に収容され得る。 センサー５０からの電気出力５２は、制御回路４４に供給され、制御回路４４は、次いで、制御回路によって提供されるモードおよび波形に従って、感覚性フィードバックデバイスのそれぞれのトランスデューサー部分３２、３４に電源４２からの電圧を印加するように、スイッチアセンブリー４６ａ、４６ｂをトリガーする。

ここで図８を参照すると、本発明の感覚性／触覚性フィードバックデバイスにおいて使用されるための本発明の別のアクチュエーターの実施形態７０が図示されている。 アクチュエーター７０は、機構７２を含めて上記で説明された同じ基本的なアクチュエーター構造３０を含み、機構７２は、出力ディスク２０に負のばね定数のバイアスをかける。 負のばね定数機構７２は、出力ディスク２０に機械的に結合された中央のハブ７６と、アクチュエーターのハブ７６とフレーム側面８ａとの間に延びる二つの対向する板ばね屈曲部７４ａ、７４ｂとを含む。 屈曲部７４ａ、７４ｂは、それぞれ一体成形のばね接合部７８によってハブおよびフレームに結合されている。 単相モードまたは二相モードのいずれで動作する場合も、アクチュエーターは、本質的に双安定性である。 負のバイアスをかけることの利点は、少なくとも主題のアクチュエーターとの関連において、出力要素の変位／ストローク距離が増加するとき、より大きいストローク距離を達成するために必要な力が、有意により小さくなることである。 負の力のバイアスをかけることの力−ストローク関係は、米国特許出願第１１／６１８，５７７号において詳細に説明され、同出願は、その全体が本明細書で参照により援用される。

本発明の別の変化形は、ＥＡＰフィルム上に生じ得る湿度または結露の任意の影響を最小化する、ＥＡＰアクチュエーターのハーメチックシールを含む。 以下に説明されるさまざまな実施形態に関して、ＥＡＰアクチュエーターは、触覚性フィードバックデバイスの他の構成要素から実質的に別個に、バリアーフィルム内にシールされる。 バリアーフィルムまたはケーシングは、例えばフォイルのようなもので作られ、好適には、シールされたフィルムの中への水分の漏出を最小化するために、ヒートシールなどが行われる。 これらのデバイスの実施形態の各々は、ハーメチックシールをされたアクチュエーターパッケージ内の任意の危険性を最小化しながら、ユーザー入力表面（例えばキーパッド）の接触表面にアクチュエーターの出力部材のフィードバック動作を結合することを可能にする。 ユーザーインターフェース接触表面にアクチュエーターの動作を結合するためのさまざまな例示的手段もまた提供される。

一つのそのような結合手段は、磁石の使用を含む。 図９Ａおよび図９Ｂは、そのような磁気結合を使用する触覚性フィードバックデバイスを図示する。 デバイス８０は、ユーザーインターフェースキーキャップ８２およびＥＡＰアクチュエーター８６を含み、アクチュエーターは、オプションで上部カバー８８および底部カバー９０によってハーメチックシールをされ、上部カバー８８および底部カバー９０は、磁気的に不活性な剛性の材料で作られている。 キーキャップおよびアクチュエーター構成要素は、対向する磁気ユニットによって結合される。 第一の磁気ユニット９６ａ／ｂは、フレーム９２によって保持されるＥＡＰフィルム８４内の中央に支持された状態で提供される。 この磁気ユニットは、本質的に、アクチュエーター８６の出力部材として作用し、アクチュエーターの作動時に、上記で論じられたように横方向に、または平面内で変位される。 第二の磁気ユニット１０２ａ／ｂは、フィルム１００が開放フレーム９８の中で、その中で中央に支持された状態で保持される磁気ユニットによって引き伸ばされるが、ＥＡＰフィルム８４とは異なって、フィルム１００が不活性である、すなわち電極を有さないという点で、アクチュエーターカートリッジ８６と同様に構築され、寸法設定される別のカートリッジ８４によって保持される。 キーパッド８２または少なくともその下面は、磁気ユニット１０２に引き付けられることが可能な材料で作られ、それによってキーパッドを支持カートリッジ９８に固定する。 両方の磁気ユニットは、典型的にはディスク形状であり、単一の磁石または一対の積重ね磁気ディスクを備え得る。 後者の構成において、図９Ａおよび図９Ｂに図示されるように、各対（９６ａ、９６ｂおよび１０２ａ、１０２ｂ）の二つの磁石は、反対の極性を与えられ、それによってともに固定される。 対向する支持ユニットおよびアクチュエーター磁気ユニットは、反対の極性を与えられ得るか、または同様の極性を与えられ得る。 反対の極性（例えば、Ｎ−Ｓ）を与えられるとき、磁気ユニット９６、１０２は、互いに（上部シーリング層８８を通して）引き付け合い、アクチュエーター９２の作動時、平行に／並んだ状態で（ｉｎ ｔａｎｄｅｍ）動く、すなわち、キーパッドのフィードバック動作は、アクチュエーターの変位出力の方向と同じ平面方向に存在する。 磁気ユニット９６、１０２が同じ極性（すなわち、Ｎ−ＮまたはＳ−Ｓ）を有するとき、それらは反発し合い、その結果としてユニットが互いから垂直および水平の両方に離れる、すなわち、キーパッドのフィードバック動作は、アクチュエーターの変位出力の方向と反対方向である。 後者の配列において、それぞれのフィルム９４、１００は、斥力によって引き起こされる磁気ユニットの変位に対抗するための十分な支持を有しなければならない。 引き付ける配列に対する反発する配列の利点は、反発する構成が磁石とケーシング８８との間の摩擦を低減することである。

シールされたアクチュエーターの別の実施形態は、図１０Ａおよび図１０Ｂに図示される。 アクチュエーターパッケージ１１０は、上部バリアー１１４と基部バリアー１１６との間にシールされたアクチュエーターカートリッジ１１２を含む。 アクチュエーターカートリッジ１１２は、開放フレーム１２２と中央に位置決めされた出力ディスク１２６との間に引き伸ばされたＥＡＰフィルム１２４を有する開放フレーム１２２を含む。 二つ（またはより多く）の隆起部またはピン１２０は、ユーザー入力キー（示されていない）と機械的に結合するために、出力ディスク１２６の一番上から延び、対応する穴１１８を通って上部シーリングバリアー１１４の中を延びる。 そのようなものとして、すなわち構成されている平面方向への出力ディスク１２６の運動は、次にユーザー入力キーを並進させる。 例えばスチレン−エチレン−ブタジエン−スチレン（ＳＥＢＳ）ブロックコポリマーのような、適合性バリアーフィルムは、それらの間に弾性の可とう性シールを提供するように、リングの形態でピン１２０の周りまたは穴１１８の中に円周状に据え付けられる。 そのようなものとして、ピンは、アクチュエーターの周りのハーメチックシールを破壊しない、アクチュエーターとユーザーインターフェースパッドとの間のブリッジを提供する。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、上部バリアー１３４と基部バリアー１３６との間にシールされたアクチュエーターカートリッジを有する別のシールされたアクチュエーターパッケージ１３０を図示する。 アクチュエーターカートリッジ１３２は、開放フレーム１４０と、開放フレーム１４０と中央に位置決めされた出力ディスク１３８との間に引き伸ばされたＥＡＰフィルム１４８とを有する。 上部バリアー１３４は、出力ディスク１３８の形状および直径に実質的に適合する形状および直径を有する中央セクション１４４を有する。 中央セクション１４４とバリアー１３４の出力部分との間のギャップまたはスペーシング１４５は、シールされたアクチュエーターを危険にさらすことなく中央部分の運動を可能にするために、適合性フィルム材料であるＳＥＢＳブロックコポリマーを保持する。 それぞれアクチュエーター出力部材１３８およびバリアーフィルムセクション１４４の各々の中にある、中央に配置された穴１４２および穴１４６は、アクチュエーター出力動作をユーザー入力部材（示されていない）に結合するために、ピン、ねじまたは同様のものを受け入れるスルーホールを提供するように整列される。

図１２Ａ−１２Ｃは、本発明の別のシールされたアクチュエーター１５０を図示する。 アクチュエーターパッケージ１５０は、上部バリアー１５４と基部バリアー１５６との間にシールされたアクチュエーターカートリッジ１５２を含む。 アクチュエーターカートリッジ１５２は、開放フレーム１６０と、中央に位置決めされた出力ディスク１６２との間に引き伸ばされたＥＡＰフィルム１６４を有する開放フレーム１６０を含む。 直径に沿って対向する二つのピン穴は、レバーバー１５８の脚１５８ａを受け入れるために、上部バリアー１５４（１６６ａ、１６６ｂ）および出力ディスク１６２（１６２ａ、１６２ｂ）を通って延びる。 穴１６６ａ、１６６ｂは、ピン１５８ａがその中で旋回することを可能にするように皿穴にされる（図１２Ｃに最も良く図示されている）。 そのようなものとして、アクチュエーター１５２が結果として生じる出力ディスク１６２の平面並進によって作動されるとき、ピンが皿穴にされた穴１６８ａ、１６８ｂによって規定された支点の周りを旋回することが引き起こされる。 結果として生じるレバーバー１５８の運動は、図１２Ｃで矢印によって図示され、バーの整列に対して垂直な方向に存在する。 これらの穴の皿穴にされた構成は、シールを形成するために上部バリアー内のレバーの脚と穴との間にしまりばめを可能にする。 オプションで、さらにハーメチックシールされた環境を提供するために適合性材料でコーティングされ得る。

図１３Ａは、本発明の触覚性フィードバックデバイス１７０において使用されるアクチュエーターをハーメチックシールする別の態様を図示する。 アクチュエーターは、開放フレーム１７４と、出力ディスク１７６と、それらの間に延びるＥＡＰフィルム１７８とを含む。 アクチュエーターは、バックプレート１８８の上、かつ、キーパッド１７２の下に位置決めされる。 蒸気バリアー膜またはガスケット１８４が、キーパッド１７２の周囲で、かつ、キーパッドとアクチュエーターフレーム１７４との間に延びている。 膜は、ＳＥＢＳ、ブチルなどから成形され得る。 バリアー膜１８４を含むアセンブリーの外側の縁は、シールされたパッケージング１８２によって収容され、パッケージング１８２は、上部フォイル層１８０および底部フォイル層１８２などを備え得、上部フォイル層１８０および底部フォイル層１８２などは、ともにヒートシールされる。 オプションで、乾燥剤または緩衝材１８６が、キーパッドとアクチュエーターとの間の空間内に位置決めされ得る。 図１３Ｂおよび図１３Ｃは、アクチュエーター構成要素がそれぞれ静止（ｐａｓｓｉｖｅ）状態および作動（ａｃｔｉｖｅ）状態にあるときの、デバイス１７０（明快さのために乾燥剤およびフォイルパッケージングなしに図示されている）を図示する。 静止状態（図１３Ｂ）にあるとき、アクチュエーターＥＡＰフィルム１７８と同様に、バリアー膜１８４は、キーパッド１７２に関して対称の構成を有する。 作動状態（図１３Ｃ）にあるとき、ＥＡＰフィルムは、矢印１９０によって図示されるように、出力ディスク１７６が横に一方向に動くように選択的に作動および／または構成される。 次いで、キーパッド１７２は、同じ方向に動かされる。 バリアーフィルム材料１８４は、キーパッド１７２の運動に適応するように伸び、そして圧縮することが可能である。

本発明のアクチュエーターは、連続的なウェブベース製作技術によって製造される平面アレイで提供され得る。 感覚性／触覚性フィードバックデバイス自体がしばしばアレイ形式で提供されるので、そのようなアレイは、きわめて実践的である。 コンピューターキーパッドは、そのようなものの一般的な例である。 図１４−１７は、ウェブ製造工程におけるさまざまな時点での、本発明の触覚性デバイスのさまざまな構成要素のアレイを図示する。

図１４Ａおよび図１４Ｂは、本発明の触覚性フィードバックデバイスにおいて使用されるＥＡＰアクチュエーターのアレイにおいて使用されるＥＡＰフィルムアレイ２００（図１５を参照されたい）の、高電圧側２００ａおよび接地側２００ｂをそれぞれ図示する。 フィルムアレイ２００は、空間効率および電力効率を増大させるためにマトリックス構成で提供される電極アレイを含む。 ＥＡＰフィルムアレイの高電圧側２００ａは、誘電体フィルム２０８の材料に（図１４Ａに図示される視点に従って）垂直に走る電極パターン２０２を提供する。 各パターン２０２は、一対の高電圧ライン２０２ａ、２０２ｂを含む。 ＥＡＰフィルムアレイの対向側または接地側２００ｂは、高電圧電極に対し横断して、すなわち水平に走る電極パターン２０６を提供する。 各パターン２０６は、一対の接地ライン２０６ａ、２０６ｂを含む。 互いに対向する高電圧ラインおよび接地ライン（２０２ａおよび２０６ａ、ならびに２０２ｂおよび２０６ｂ）は、個別に作動可能な電極対を提供し、その結果、対向する電極対の作動は、矢印２１２によって図示される方向への二相出力動作を提供する。 組み立てられたＥＡＰフィルムアレイ２００（誘電体フィルム２０８の上側および底側での電極の交差パターンを図示している）は、図１５においてＥＡＰトランスデューサー２２２のアレイ２０４の分解組立図の中に提供され、２０４は、図１６において組み立てられた形態で図示される。 ＥＡＰフィルムアレイ２００は、対向するフレームアレイ２１４ａと２１４ｂとの間にはさまれ、二つのアレイの各々の中の各々の個々のフレームセグメント２１６は、開放領域内で中央に位置決めされた出力ディスク２１８によって規定されている。 フレーム／ディスクセグメント２１６および電極構成の各組み合わせは、ＥＡＰトランスデューサー２２２を形成する。 所望のアクチュエーターの用途およびタイプに依存して、構成要素のさらなる層がトランスデューサーレイ２０４に追加され得る。 例えば、図８の双安定性ＥＡＰアクチュエーターのアレイを形成するために、負のばね定数屈曲部２２４のさらなるアレイ層２２６がトランスデューサーレイ２０４の一つの側に提供される。 ＥＡＰトランスデューサー２２８のアレイを有する完全なトランスデューサー層２２０は、それぞれ図１５および図１７における分解組立図および組立図において図示される。 トランスデューサーレイ２２０は、例えばキーボードのようなユーザーインターフェースアレイに全体で組み込まれ得るか、または、個々のトランスデューサー２２８は、例えば個々のキーパッドのような個々のユーザーインターフェースデバイスにおける使用のために個別化され得る。

方法論に関して、主題の方法は、説明されたデバイスの使用に関連した機構および活動の各々を含み得る。 そのようなものとして、説明されたデバイスの使用に対して暗黙の方法論は、本発明の一部分を形成する。 他の方法は、そのようなデバイスの製造に焦点を当て得る。

本発明の他の詳細については、材料および代わりの関係した構成が、当業者のレベル内にある場合に使用され得る。 同じことが、一般的にまたは論理的に使用される場合、さらなる作用の点で、発明の方法に基づく局面に関して、当てはまり得る。 加えて、本発明がオプションでさまざまな機構を組み込んでいるいくつかの例を参照して説明されているが、発明は、発明の各変化形に関して意図されたものとして説明されるか、または示されるものに制限されるべきではない。 発明の真の精神および範囲から逸脱することなしに、さまざまな変更が説明された発明に行われ得、均等物（本明細書で列挙されているか、またはいくらか簡潔にするために含まれていない）と、置き換えられ得る。 任意の数の示されている個々の部分またはサブアセンブリーは、それらの設計に一体として組み込まれ得る。 そのような変更または他の変更は、組み立てのための設計の原則によって行われ得るか、または導かれ得る。

また、説明された本発明の変化形の任意のオプションの特徴が、独立に、あるいは本明細書で説明される特徴のうちの任意の一つ以上のものとの組み合わせで、述べられ主張され得る。 単一の項目への参照は、複数の同じ項目が存在していることの可能性を含む。 より具体的には、本明細書および添付の特許請求の範囲において用いられている場合、単数形「一つの（ａ）」、「一つの（ａｎ）」、「前記、該（ｓａｉｄ）」、および「前記、該（ｔｈｅ）」は、別なように具体的に述べられていない場合には、複数の指示物を含む。 言い換えれば、冠詞の使用は、上記の説明、そして以下の特許請求の範囲における主題の項目の「少なくとも一つ」を考慮に入れる。 さらには、任意のオプションの要素を排除するように、特許請求の範囲が起草され得ることが留意される。 そのようなものとして、本書は、請求項の要素の列挙、または「否定的」制限の使用に関して、「単に」、「のみ」および同様のもののような排他的な専門用語の使用に対して、先行する基礎として役立つように意図されている。 そのような排他的な専門用語の使用なしに、特許請求の範囲における「備えている、包含する、含む」は、所与の数の要素が特許請求の範囲において挙げられているか、または特徴の追加が特許請求の範囲において述べられる要素の性質を変えるものとして見なされ得るかにかかわらず、任意のさらなる要素の包含を可能にし得る。 別なように述べられ、本明細書で具体的に規定されない場合には、本明細書で用いられるすべての技術的および科学的用語は、請求項の有効性を主張しながら、可能な限り広い一般的に理解されている意味として与えられるべきである。

すべてにおいて、本発明の外延は、提供された例によって制限されるべきではない。 以上によって、以下に特許請求の範囲を示す。