JP2020528001A - 触覚フィードバックを伝えるデバイス、及びそのデバイスを備えるコンポーネント - Google Patents

Abstract

本発明は、アクティブな触覚フィードバックを生成するためのコンポーネント及びデバイスに関する。本発明によるデバイスは、加えられた作動力を識別し、また、触覚フィードバックを与えることができる圧電アクチュエータを備える。この目的のために生ずるアクチュエータの線膨張は、所望の方向に変形可能な金属シートによって増幅することができる。変形可能な金属シートは、接着結合され、圧力均等化のための孔を有する。【選択図】 図２

Description

技術分野及び背景技術

本発明は、アクティブ（能動的）な触覚フィードバックを生成するためのコンポーネント及びデバイスに関する。これは、ユーザがコンポーネントに力を加えたときにユーザにフィードバックを生成するように構成されたデバイスを含む。そのようなコンポーネントは、ノブ、例えば器具の作動ノブで使用することができる。コンポーネントは、例えばユーザによって行われた設定がコンポーネントによってうまく機能しているという事実をユーザに伝えるために、アクティブな触覚フィードバックを生成することができる。

逆に、コンポーネントはまた、アクティブな触覚フィードバックを与えることができ、例として、携帯電話は、振動アラートを生成することができる。ノートブックなどのモバイル電子デバイス用の触覚型ディスプレイもまた、知られている。触覚フィードバックはまた、力の強さ、又は表面の構成、又は材料の剛性若しくは弾性を触覚的に知覚可能な感覚に変換することができる。

本発明の目的は、アクティブな触覚フィードバックを生成するための改善されたデバイスを明確化することである。

この目的は、特許請求の範囲の請求項１に記載のデバイスによって達成される。本発明の有利な構成は、さらなる請求項から明らかである。

アクティブな触覚フィードバックを生成するためのデバイスが明確化される。フィードバックは、デバイス自体によって生成されるため、アクティブなフィードバックと呼ばれる。フィードバックは、ユーザが自身の感触を介して知覚することができるため、触覚フィードバックとも呼ばれる。

デバイスは、触覚的に知覚可能なたわみの形でフィードバックを生成するための圧電アクチュエータを備える。アクチュエータは、ほぼ平行平面となっている複数の主表面を有する平坦な圧電型の主本体を備える。第１及び第２のアクチュエータ電極は、主本体に設けられ、圧電アクチュエータの圧電によるたわみは、前記アクチュエータ電極を介してもたらされ得る。

主本体は、主本体に加えられた力を識別するように構成される。加えられた力は、圧電素子によって電気信号に変換される。この電気信号は、直接、又は適切な場合には、増幅された後にアクチュエータ電極に印加され得る。

電圧がアクチュエータ電極に印加された場合、主本体は線膨張を生ずる。線膨張は、法線に対して直角に起こり得、法線は、主本体の主表面に垂直である。このような長さの変化は、横方向収縮とも呼ばれる。この場合、線膨張の方向は、印加された電圧の極性及び圧電材料の分極に依存する。

アクチュエータ全体の長さの変化は、好ましくは、加えられた力に平行に、すなわちアクチュエータの主表面の法線に沿って起こる。

ｘｙ平面での主本体の横方向収縮は、法線に平行な力を加えるユーザにはほとんど知覚されないため、デバイスは、好適には法線に垂直な方向に沿った主本体の長さの変化を、法線に平行なアクチュエータの線膨張に変換するように構成される。

変換は、切頭円錐形状の金属シートが主本体の一方又は両方の主表面に固着されているという事実の存在によって行われ、その金属シートの場合、切頭「円錐頂点」は各々、主表面から離れた方向を向いている。そのような金属シートは、以下ではシンバル形要素とも呼ばれる。

シンバル形要素は、法線に対して垂直方向の主本体の線膨張を、法線に平行な長さの変化に変換するように構成される。シンバル形要素はさらに、主本体の横方向収縮のために生じる法線に平行な主本体の長さの変化を増幅する役割を果たすことができる。円錐台状に曲げられた又は円錐台形状の金属シートは、横方向収縮を吸収することができ、そうすることで、所望の方向、すなわち法線に平行に変形する。この場合、この変形は、同じ方向の圧電によるたわみよりも大きくなることがあり得る。したがって、主本体の両方の主表面上のそれぞれのシンバル形要素により、デバイス全体の長さの十分に知覚可能な変化がもたらされる。

シンバル形要素の金属シートがアクチュエータの影響下でかなり弾性的に変形することができるようにするために、シートは、例えばチタンの場合、０．１〜０．４ｍｍの範囲にある典型的な厚さを有するとよい。

シンバル形要素は、平坦な縁部領域を有することができ、これは主本体の主表面の１つに支承され、そこに固着される。固着は、接着剤によって、好ましくはエポキシ含有接着剤に基づいて行われる。

空洞がシンバル形要素の下に囲まれており、その空洞では、シンバル形要素の載置後、又は遅くとも接着剤の熱硬化中（例えば１５０℃）に過剰な圧力が発生する可能性がある。その場合の前記過剰な圧力は、まだ柔らかい接着剤層から逃げ、そこに膨れをもたらすことがある。膨れを回避するために、シンバル形要素には、孔が設けられる。シンバル形要素の下に囲まれた空洞は、前記孔を介して周囲と連通しており、それにより圧力均等化を行うことができる。しかし、過剰な圧力がなければ、膨れはほとんど回避される。

比較実験は、孔がアクチュエータの挙動に全く悪影響を及ぼさないことも示している。膨れが防止される利点は、耐久性が向上するため、アクチュエータの信頼性が高くなることである。接着結合は、囲まれた膨れがないため、より耐久性がある。

アクチュエータは、好適にはベースと固着プレートとの間にある２つのシンバル形要素の切頭円錐部を介して固定される。また、固着プレートは、ベースに接続され、プレストレスによって固定される。プレストレスは、引張又は圧縮応力として作用し、例えば各場合においてばねを介して設定することができる。

一実施形態では、作動プレートは、膜として構成される。膜は、シンバル形要素を固定するように取り付けられ、したがってベースにおいてベースの方向に作用するプレストレスで主本体も固定する。その結果、膜はまた、ベースの方向に引張又は圧縮応力を加える手段として機能する。

他の実施形態では、作動プレートは、主本体の表面に平行に、したがってベースに平行に向けられ、上部のシンバル形要素のカバー表面に支承され、好ましくは作動プレートに対して自由に移動可能である。作動プレートは、少なくとも２つの側で、より良好にはすべての側で主本体を越えて突出し、ばねを介して突出領域内のベースに接続される。このばねはプレストレス下にある。これにより、作動プレートに作用する圧力、例えばユーザの指の圧力が確実にピックアップされ、少なくとも法線に平行に作用する力成分が主本体に伝達される。作動プレートは、非垂直方向に作用する作動／力のアクションの場合に少し傾くことができるが、それにもかかわらず力を主本体に伝達するように構成することができる。ばねによる支持は、たわみの後、作動プレート自体を再びベースに平行に、又は主本体の主表面に平行に向けるという効果を有する。

代替の実施形態では、主本体は、ベースと作動プレートとの間でシンバル形要素によって固定され、ベースの方向に作用するばね圧力は、作動プレートに加えられる。前記ばね圧力は、ベースに固着され、クリップの端部が主本体の縦方向上方に位置するように配置されるクリップで支持されたコイルばねによって生成することができる。クリップはまた、例えば二重に曲げられた断面プロファイルを有するレールとすることができる。下部の平坦な部分は、ベースに固着することができ、上部の平坦な部分は、主本体の上に配置される。クリップの代わりに、保持要素はフランジ付き縁部を有するスリーブとして構成することもでき、その場合、スリーブは、デバイス全体の線膨張のためのガイドを同時に構成する。この場合、スリーブ又はクリップと作動プレートとの間の圧縮応力下のコイルばねは、確実な取付けを可能とし、デバイスの作動後又は圧電アクチュエータのたわみ後に初期位置に戻る。

さらに、シンバル形要素は、法線の方向にそれぞれの主表面の上に突出する横方向表面（ｌａｔｅｒａｌ ｓｕｒｆａｃｅ）を備える。シンバル形要素は、切頭円錐頂点にカバー表面を備え、このカバー表面は、主本体の表面にほぼ平行に向けられる。

したがって、シンバル形要素は、好ましくは、円形の基本エリアを備え、それを利用して、主本体に対する角度に関係なく、主表面に平行な長さの変化が最良の態様で受け取られ、法線に平行な方向の金属シートの変形によって増幅することができる。

本発明によるデバイスは、主本体又はデバイスに加えられた力が識別される場合、触覚フィードバックを生成する。識別は、逆圧電効果を利用して行うことができる。アクチュエータ電極を備える主本体に加えられた力は、電極での測定電圧として取り出すことができる電荷移動を生成する。原則として、アクチュエータ電極は、この目的のために使用することができる。

しかし、主本体に少なくとも１つの別個の測定電極を配置し、逆圧電効果のために加えられた力によって生成される測定電圧を検出するために前記測定電極を使用することも可能である。加えられた力が増加するにつれて測定電圧が上昇するため、所望のトリガ力に割り当てられた閾値が、検出される測定電圧に対して定められる。加えられた力がトリガ力に達し、測定電圧がプロセスで閾値を超える場合、次にこれは測定電極に接続された測定ユニットによって識別される。電圧発生器によって、トリガ力が到達すると、アクチュエータ電圧が次に生成されてアクチュエータ電極に印加される。同時に、デバイス又はデバイスに接続された電気コンポーネントを動作させるよう機能するさらなるアクションがトリガされる（すなわちアクションが起動ないしは作動される）。

したがって、デバイスは、実際には、閾値を介してトリガ点が設定され得るスイッチを構成する。同時に、スイッチは、触覚フィードバックを生成し、そこから例えば指の圧力によって力を加えるユーザは、トリガ力が到達されたことを認識し、したがって切り替えプロセスを認識する。また、複数の閾値を定義し、制御によって異なる触覚フィードバックを生成することも可能であり、それにより異なるトリガ力が識別され、異なるアクションに変換され、区別可能なフィードバックを介してユーザに伝えられ得る。

前述のように、アクチュエータ電極は、測定電極としての役割を果たす。第３の電極を測定電極として使用することもでき、測定電極とアクチュエータ電極との間で測定電圧を取り出すことができる。しかし、主本体に２つの別個の測定電極を設けることも可能である。

第１及び第２のアクチュエータ電極とは異なる少なくとも１つの測定電極は、第１及び第２のアクチュエータ電極間にて主本体の中央に配置され得る。しかし、すべての他の第１及び第２のアクチュエータ電極が主本体の測定電極の同じ側に配置されるように、少なくとも１つの測定電極を２つの主表面の一方の近傍に配置することも可能である。

少なくとも一方がアクチュエータ電極であり得る、測定電極の間又は測定電極として使用される電極の間の距離は、好適には第１及び第２のアクチュエータ電極としてのみ使用される電極の間の距離よりも大きくなるように選択され得る。最終的に、圧電材料が同様に配置される測定電極の間に提供される距離が純粋なアクチュエータ電極の間に提供される距離よりも大きい場合、次に、同じ作用力がアクチュエータ電極の間の圧電素子よりも測定電極の間に配置された圧電素子に高い電圧を生成する。生成された測定電圧が高いほど、トリガ力に割り当てられた低い閾値を測定電圧で検出することができるという利点を有する。

知覚可能なたわみを生成するために、本発明によるデバイスは、上下に積み重ねられ、第１及び第２のアクチュエータ電極の間に交互に配置された特定の数の圧電素子を必要とする。これに関して、圧電素子は、各場合において、第１及び第２のアクチュエータ電極の間に形成される。圧電素子の数によって、主本体の同じ合計高さ、又は個々の圧電素子の同じ合計層厚さに対して、特定の線膨張を得るために必要なアクチュエータ電圧を設定することが可能である。２つのアクチュエータ電極の間の層の厚さが大きいと、たわみに対して高い電圧が必要になる。多くの小型の積み重ねられた圧電素子は、より低い電圧を必要とするが、それにもかかわらず圧電効果による層の合計高さが一致する場合、同じ膨張を生成する。

第１及び第２のアクチュエータ電極は、好ましくは、交互に配置され、各場合において、主本体の異なる側で第１及び第２のアクチュエータ電極のために配置される外部接点に外向きに接続される。そして、アクチュエータ電圧を２つの外部接点に印加することができる。

少なくとも１つの測定電極はまた、対応する態様で外部接点に接続され得る。しかし、加えられた力を識別するためには、逆圧電効果のために測定電圧が発生する２つの電極の間において、単一の圧電素子で十分である。

本発明によるデバイスに使用される主本体は、その法線の方向の寸法を有し、これは主本体に対して垂直方向の寸法と比較して小さい。したがって、平坦な主本体が伴われる。

例として、法線に垂直な方向における主本体の最大範囲は、法線の方向で測定された主本体の高さの大きさの１０倍を超えるものであり得る。主本体の長さは、主本体の高さを２０倍以上超えることもある。

圧電効果による主本体の線膨張は比較的小さく、合計の圧電効果による高さの約０．１パーセントに過ぎない。法線の方向における線膨張の範囲は、シンバル形要素によって増幅される。

複数のデバイスが上下に積み重ねられている場合、本発明によるデバイスの合計膨張はさらに増幅され得る。換言すれば、多数の２つ以上の主本体が上下に積み重ねられ、前記主本体には、各場合において、主表面上にシンバル形要素が設けられる。好ましくは、シンバル形要素を有する主本体は、コイルばねによって作動プレートとベースとの間に固定される。ばねは、引張又は圧縮応力下において、したがってベースの方向に作動プレートを引く又は押すことができる。上下に積み重ねられた複数の主本体の場合、作動プレートは、主本体の改善された装着を同時に構成し、したがって、異なる主本体のスタックの上下の横方向の傾きが防止されるため、特に有利である。

しかし、上下に積み重ねられた主本体が、作動プレートが法線の方向に自由に移動することができる一種のスリーブに案内される場合、さらに良好かつより有利である。ベースから取り外されるスリーブのその側のスリーブのフランジ付き縁部は、圧縮応力下にあるばねを縁部と作動プレートとの間に同時にクランプする役割を果たすことができる。しかし、スリーブでは、引張下のコイルばねによって、プレストレス下でも作動プレートは移動することができる。上述の突出したスリーブの上部縁部は、法線に平行な線膨張の止め具としての役割を果たすことができる。

本発明によるデバイスは、電気コンポーネントの機能を切り替えるために使用され得る作動ノブとして構成することができる。次に、定義されたトリガ力が到達されて識別されると、切り替えプロセスが行われ、切り替えプロセスは、測定ユニットによって又は測定ユニットに接続された制御ユニットによって直接行われる。制御ユニットはまた、電圧発生器を備えることができる。

本発明は、例示的な実施形態に基づいて、関連する図を参照して以下により詳細に説明される。この場合、図は単に図式的に描かれており、縮尺通りではない。したがって、理解を深めるために、個々の寸法は拡大又は縮小して示される場合がある。

アクチュエータとして機能する主本体を概略断面図で示す図である。 接着結合されたシンバル形要素が設けられた主本体を示す図である。 引張ばねによって作動プレートとベースとの間で支持された主本体を示す図である。 圧縮ばねによって作動プレートとベースとの間で支持された主本体を示す図である。 本発明によるデバイスを上方から見た場合の立体図を示している。 測定ユニット及び電圧発生器を有する主本体を示す図である。 主本体の概略断面図に基づいて、アクチュエータ電極及び測定電極の２つの異なる構成のうちの１つを示す図である。 主本体の概略断面図に基づいて、アクチュエータ電極及び測定電極の２つの異なる構成のうちの１つを示す図である。 貫通孔が開けられた主本体を備える本発明によるデバイスを示す図である。 複数の主本体が積み重ねられて上下に固定されている、本発明によるデバイスを示す図である。 膜が上部のシンバル形要素に支持されている、主本体を備える本発明によるデバイスを示す図である。

図１は、第１及び第２のアクチュエータ電極Ｅ１、Ｅ２を有する単純な圧電型の主本体ＧＫを示す。主本体ＧＫは、例えば、各場合において、電極材料で印刷された又は印刷される圧電層を別の圧電層の上に積み重ねる形で製造される。これらの層は、好ましくは、セラミックグリーンシートとして使用され、アクチュエータ電極用に焼結され得る電極ペーストで印刷される。所望の量の層が上下に積み重ねられた後、それらは最終的に一緒に焼結され、モノリシックブロック、つまり主本体を形成する。アクチュエータ（＝アクチュエータ電極を有する主本体）は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）に基づいた圧電セラミックを備える。ＰＺＴセラミックはさらに、Ｎｄ及びＮｉを追加で含むことができる。あるいは、ＰＺＴセラミックはさらに、Ｎｄ、Ｋ、及び適切な場合には、Ｃｕを追加で含むことができる。あるいは、圧電層は、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３＋ｙ Ｐｂ（Ｍｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３を含む組成を有するものとすることができる。圧電層は、第１の内部電極と第２の内部電極との間に印加されるＡＣ電圧と、それに関連する圧電効果とによって、主本体の長さの変化がもたらされるように分極され得る。

主本体は、例えば電気コンポーネントの１つの表面を形成するベースＢＳに配置される。個々の層の積層方向は、主本体の表面法線Ｎに対応する。圧電アクチュエータに加えられる力Ｆは、その成分が表面に対して垂直に、すなわち法線Ｎに平行に作用するように作用する。この力のみが電圧に変換され、この電圧はアクチュエータ電極Ｅ１、Ｅ２、又は図には示されていないが測定電極で取り出すことができる。

触覚フィードバックを生成するために、アクチュエータ電圧は、第１のアクチュエータ電極Ｅ１と第２のアクチュエータ電極Ｅ２との間に印加され、前記アクチュエータ電圧は、主本体ＧＫの長さの変化をもたらす。圧電型の主本体の対応する分極によって、結果としてもたらされる長さの変化は、法線に平行に、すなわち加えられた力Ｆとは反対の方向に起こり、それによりその変化はユーザによって最良の態様で知覚することができるようになる。

図２は、概略断面図に基づいて、法線の方向のデバイス全体の線膨張をどのように増幅することが可能かを示す。切頭円錐形状の金属シートとして構成された各シンバル形要素ＫＢ１、ＫＢ２は、主本体ＧＫの両方の主表面に取り付けられる。この目的のために、平坦な形で形成された縁部領域であって、主本体ＧＫの主表面に平坦な形で支承され得る縁部領域は、主本体ＧＫに固定的に接続される。縁部領域は、接着剤層ＫＳによって主本体ＧＫに接着結合される。好ましくは、シンバル形要素は、環状に閉じられ、前記シンバル形要素の縁部領域全体の周りに延びる接着剤層ＫＳによって、主本体に接着結合される。熱硬化性のエポキシ含有接着剤が、好ましくは、接着結合に使用される。その場合、硬化は、例えば約１５０℃で起こり得る。

特殊な形状の結果として、特に横方向の表面及び切頭円錐のカバー表面の結果として、主本体ＧＫの横方向収縮は、法線Ｎに平行に進むシンバル形要素の変形に直接変換される。

シンバル形要素は、主表面の一方又は好ましくは両方に接着結合される。各シンバル形要素は、好ましくは、シンバル形要素の下に囲まれた空洞と周囲との間の圧力均等化が可能になるように、中央に配置された孔を備える。孔は、例えば０．１ｍｍ〜０．７ｍｍ、好ましくは０．３〜０．５ｍｍの十分な直径を有する。

シンバル形要素の金属シートは、チタンを含むものとするか、又は材料としてチタンからなるものとすることができる。チタンは、ここでのアクティブな触覚フィードバックを生成するためのデバイスの本出願にとって特に重要な利点を有する。加えて、チタンは、主本体の熱膨張係数に非常に近い熱膨張係数を有する。その結果、主本体への金属シートの接続の点は、温度が変化した場合に大きな機械的負荷を受けない。例えば、金属シートと主本体の両方は、８〜９ｐｐｍ／Ｋの熱膨張係数を有する場合がある。

図３Ａは、本発明によるデバイスの一実施形態を示し、圧電アクチュエータ、すなわち２つのシンバル形要素ＫＢ１、ＫＢ２を有する主本体ＧＫは、ベースＢＳと作動プレートＢＰとの間に固定される。固定はコイルばねＦ_Ｚによって行われるが、このコイルばねＦ_Ｚは、引張応力下にあり、その作用によって作動プレートＢＰはベースＢＳの方向に引っ張られ、したがって主本体ＧＫを固定する。このようにして、セラミック主本体ＧＫは、拘束されることなく移動することができ、ベースＢＳ又は移動される表面への主本体のセラミックの堅固な固着は、不要になり得る。これにより、２つの切頭円錐形状であるシンバル形要素ＫＢの伝達能力が十分に利用され、同時にセラミック又は主本体が損傷するおそれを低減することが可能になる。ばねＦ_Ｚによる支持の結果として、切頭円錐形状の金属シートと作動プレート及び／又はベースＢＳとの直接接触は、デバイスが動作される動作条件に対し、寿命全体にわたって常に確実にされ且つ保証される。

作動プレートＢＰは、例えば長方形の形状で、アルミニウムから形成される。作動プレートＢＰは、作用する力に対して十分である機械的安定性又は厚さを有する。しかし、作動プレートＢＰは、他の材料、例えば金属、プラスチック、セラミック、ガラス又は木材から形成することもできる。この場合、作動プレートは、外乱なしで又は減衰なしで可能な限り触覚フィードバックが伝達され得るように形成される。これは、ある特定の硬度又は高い弾性率を有する材料を前提としている。

作動プレートＢＰは、主本体ＧＫよりも大きな基本エリアを有し、好ましくはすべての側でその縁部を越えて突出する。確実な固定は、少なくとも２つのばねＦ_Ｚで達成される。しかし、対称的な支持を可能にするために、より多くの数のばねＦ_Ｚを使用することが有利である。その場合、ばねＦ_Ｚは、作動プレートの周囲の上に均一に分布される。

図３Ａによる実施形態によってもたらされる利点と同様の利点が、図３Ｂによる別の実施形態によってもたらされる。この実施形態では、２つのシンバル形要素ＫＢを有する主本体ＧＫも同様に、作動プレートＢＰとベースＢＳとの間にて、圧力をもって固定されるが、固定用の圧力は、コイルばねＦ_Ｄによって上方から作動プレートＢＰに作用する。コイルばねＦ_Ｄは、圧縮応力下で作動プレートと保持クリップＨＢとの間にクランプされている。保持クリップＨＢは、作動プレートＢＰを覆うように突出し、ばねＦ_Ｄの取付点を形成する。

図３Ｂは、クリップの断面を示している。ばね毎に、個々の保持クリップを使用することができる。しかし、図３Ｂに示されている又はそれに類似した断面を有するクリップストリップ（帯状体）を使用することが有利であり、そのクリップストリップに複数のばねＦ_Ｄが係合することができる。

保持クリップＨＢを形成するレールが、断面視において作動プレートの周囲全体に延び、それにより作動プレートが保持クリップを開いた状態でスリーブのように実質的に保持される場合、さらに良好である。この実施形態は、大きなたわみの場合でも確実な保持力が依然として保証されるという利点を有する。図３Ａによる実施形態の引張応力下のばねＦ_Ｚは、場合によっては過剰に延びることがあり、それにより固定が弱くなる又は減少するが、図３Ｂによる実施形態では、保持クリップＨＢがストッパを構成し、このストッパは、作動プレートＢＰが過度に大きく上方に移動するのを防止する。

図４は、本発明によるデバイスの斜め上方からの三次元図を示している。主本体ＧＫは、好適には正方形の基本エリアを有し、切頭円錐形状の金属シートＫＢは、主本体ＧＫの表面の中央にその縁部領域によって固着された円形の基本エリアを有する。横方向表面ＭＦの領域では、切頭円錐形状の金属シートが上方に延びて半径方向に先細りになっているので、カバー表面ＤＦも同様に円形の基本エリアを有する。カバー表面ＤＦは平面にすることができるが、ユーザの指の形状に合わせるために、主本体の方向に向いた指の形状のくぼみを持たせてもよい。

図５は、主本体ＧＫの概略断面図を示す。この図はアクチュエータ電極Ｅ１、Ｅ２を示し、これらのアキチュエータ電極は、互いに平行に且つ互いから等距離で主本体の主表面に平行に、内部電極として配向されている。この図は、特定の測定電極を示しておらず、測定電極は、隣接するアクチュエータ電極から遠く離れている場合があり得る。同様に、この図は、アクチュエータ電極を外部接点に接続することを示しておらず、外部接点を介してアクチュエータ電極を並列に相互接続する場合もある。この目的のために、内部電極は、主本体の縁部までウェブ状の形状で延長し、そこで２つの接続接点の１つと接触させることができる。主本体ＧＫの縁部への内部電極のこの誘導は、異なる接続接点に向かって第１及び第２のアクチュエータ電極に対して互い違いに行われ、それにより第１及び第２のアクチュエータ電極はすべて、合計２つの接続接点を介して接することができる。

主本体の内部電極の少なくとも２つは、測定ユニットＭＥに接続され、測定ユニットＭＥは、主本体の主表面に垂直に加えられる力の結果として作用し、圧電セラミックの逆圧電効果によって発生する電圧を識別することができる。電圧発生器ＧＥＮは、第１及び第２のアクチュエータ電極Ｅ１、Ｅ２の２つの外部接点に接続される。測定ユニットＭＥが、発生した測定電圧の超過に現れるトリガ力に達したことを識別した場合、電圧発生器ＧＥＮは、アクチュエータ電圧を発生させ、その電圧を第１及び第２のアクチュエータ電極に印加する。アクチュエータ電圧は、触覚フィードバックとしてユーザによって識別される主本体のたわみにつながる。

知覚を増幅するために、アクチュエータ電極に印加される電圧は、様々な連続パルスの形で調節することができる。その場合、その連続周波数は、フィードバックが振動としてユーザによって知覚され得るように選択される。適切な周波数のＡＣ電圧をアクチュエータ電極に印加することも可能である。さらに、測定ユニット及び測定ユニットに接続された制御ユニットで複数の閾値を定義することが可能であり、その場合、これらの閾値は、異なるフィードバックを生成することができる。異なるフィードバックは、周波数、又は一般にパルスの長さ、連続周波数又は数を異なるものとすることができる。それと並行して、デバイスは、その場合には、達した閾値に応じて異なるアクションを起動させることもできる。

図６Ａは、すべてのアクチュエータ電極が測定電極ＭＥ１の片側に配置されるように、主本体ＧＫの測定電極ＭＥ１の１つの採り得る配置構成を示す。その場合、測定電極ＭＥ１は、主本体ＧＫの主表面の近傍に配置され得る。

図６Ｂは、概略断面図に基づいて、測定電極ＭＥ１がアクチュエータ電極Ｅ１、Ｅ２の間にて主本体ＧＫの中心にどのように配置されるかを示す。測定電極ＭＥ１とアクチュエータ電極Ｅ２との間に形成される距離は、異なる極性のアクチュエータ電極Ｅ１、Ｅ２の間に形成される距離よりも大きくすることができる。第１のアクチュエータ電極Ｅ１は、第１の外部接点Ａｋ１に接続され、第２のアクチュエータ電極Ｅ２は、第２の外部接点ＡＫ２に接続される。

図７は、本発明のさらなる実施形態を示し、セラミック製の主本体ＧＫ、すなわち圧電材料の主本体は、中央に、好ましくは連続した円筒形の孔Ｌの形で穿孔されている。切頭円錐形状の金属シートＫＢの縁部領域は、孔の縁部から十分な距離で主本体の主表面に接着結合される。孔は、アクチュエータ電極間に蓄積する圧電アクチュエータの静電容量を低減するという利点を有し、したがって、低電力且つ変化のない大きな線膨張の場合においてアクチュエータの機能が発揮され得る。

図８は、さらなる実施形態を示し、各場合において、２つの切頭円錐形状の金属シートＫＢを有する主本体ＧＫを備える複数のデバイスが上下に垂直方向に積み重ねられ、それによりすべての主本体の側縁部が互いに整列している、すなわち基本エリアが１００パーセントの範囲で重複している。図示されていないが、この実施形態では、上下に積み重ねられたこれらのデバイスの固定が、作動プレート及びコイルばねを利用してベースＢＳに対して固定され、スタックが前記ベースに支承されることが特に有利である。ここでも、保持クリップによって主本体を横方向に固定すること、又は適切に閉じる保持クリップ又は他のストッパによってそれらの横滑りを制限することが有利である。この態様でも、主本体が最大限に移動可能であり、線膨張が妨げられず、個々のデバイスの線膨張が相加的に累積し、ベースＢの表面の垂直方向上方の法線Ｎに平行な全体的なたわみを形成することが保証される。

図９は、主本体ＧＫを備える本発明によるデバイスのさらなる例示的な実施形態を示す。膜ＭＢは、上部のシンバル形要素の上に支持されている。前記膜は、薄く柔軟な形で具現化されている。この支持及び弾性の結果として、膜は、ベースＢＳに対して作用し、ばね力に相当する力を加える。膜ＭＢは、ユーザにとって視認可能かつ動作可能な表面を構成する。これは、動作表面に隙間がないという利点を有する。

膜とベースは、互いに固定的に接続される。これは、例えばねじ接続によって行われ得る（図には示されていない）。膜は、ベースに固定されたフレームＲＮによっても張力をかけることができる。このようにして、平坦な動作表面が得られる。同時に、薄い膜は、触覚フィードバックが膜によって弱められないことを確実にする。対照的に、ベースは、剛体として構成されている。

図示の構造により、デバイスの作動時に膜のみが変形され、したがってユーザの触覚フィードバックの強度が最大化されることを保証する。加えて、膜ＭＢとベースＢＳとの間の厚さ又は接続を変えることによって、膜のばね効果を最適化することができる。

膜は、好適にはアクチュエータの剛性の１％〜５０％の範囲の剛性を有するように構成される。

動作中にアクチュエータが滑ることを防止するために、前記アクチュエータは、後壁（及び／又は膜）にさらに固着することができる。１つの採り得る固着の方法は、接着剤層ＫＳの手段によるアクチュエータの固定である。

特に図４に示されるような長方形又は正方形の基本エリアを有する主本体ＧＫを備える実施形態に加えて、円形の基本エリアを有する主本体を具現化することも可能である。正方形又は長方形の実施形態は、より大きな面積のスタックから主本体が切り出される場合、プロセスエンジニアリングの観点で有効であるだけであり、前記切出しは長方形又は正方形の主本体につながる直線的な切断によって行われる。したがって、主本体は、１０〜３０ｍｍの辺の長さを有することができ、これは円形の様式で具体化された主本体の寸法にも対応することができる。主本体は、法線の方向に０．５〜２ｍｍの高さを有することができる。

シンバル形要素ＫＢは、力がコンポーネントに加えられず、電圧が第１及び第２のアクチュエータ電極間に存在しない場合、カバー表面ＤＦの中央領域と主本体ＧＫの表面との間の距離が約０．５ｍｍになるように寸法設定することができる。

デバイスの構造は、好ましくは対称であり、それにより上部及び下部の切頭円錐形状の金属シートは、それらの寸法及び配置に関して互いに対称である。シンバル形要素ＫＢは、主本体の基本エリアに対して最大の水平範囲を有し、それにより最大表面エリアが主本体の主表面に支承される縁部領域内に囲まれる。この場合、２つの金属シートの間に配置されるアクチュエータの容積も最大になる。これにより、横方向収縮を最大限に検出したり、又は最大強度で所望のたわみに横方向収縮を変換したりすることが可能になる。

本発明は、いくつかの例示的な実施形態に基づいてのみ表すことができたが、例示的な実施形態による厳密な実施形態そのものに限定されない。アクチュエータ電極の数、接続接点の数、又は上下に積み重ねられる主本体の数を必要に応じて変えることは、本発明の範囲内にある。基本エリアの形状を定めることも、まず近似的な面においては、デバイスの有効性には関係しない。触覚フィードバックは、所望の態様で実現することができ、それに応じてたわみを調節することができる。さらに、トリガ力は、実質的に任意に設定することができ、その結果、所望のトリガ力に到達するには、わずかなタッチにより固定圧力に達することだけが必要とされ得る。

ＡＡ アクチュエータのたわみ
ＡＫ 外部接点
Ｂ 孔
ＢＳ ベース
ＢＰ 作動プレート
ＤＦ 切頭円錐頂点＝カバー表面
Ｅ１、Ｅ２ 第１及び第２のアクチュエータ電極
Ｆ アクチュエータに加えられる力
Ｆ_Ｄ、Ｆ_Ｓ 圧縮又は引張プレストレスを有するばね
ＧＥＮ 電圧発生器
ＧＫ 圧電型の主本体
ＨＢ 保持クリップ
ＫＢ 切頭円錐形状の金属シート／シンバル形要素
ＫＳ 接着剤層
Ｌ 主本体の孔
ＭＥ 測定ユニット
ＭＥ１、ＭＥ２ 第１及び第２の測定電極
ＭＦ 金属シートの横方向表面
ＭＮ 膜
Ｎ 主表面に対する法線
ＯＦ_１、ＯＦ_２ 主本体の主表面
ＲＢ 金属シートの縁部領域
ＲＮ フレーム

Claims (13)

1. アクティブな触覚フィードバックを生成するためのデバイスであって、
   当該デバイスは、
   ｘｙ平面において平行平面となっている複数の主表面を有する平坦な圧電型の主本体（ＧＫ）と、第１のアクチュエータ電極と、第２のアクチュエータ電極とを有する圧電アクチュエータを備え、
   切頭円錐形状の金属シートとして成形されたシンバル形要素（ＫＢ）であって、前記シンバル形要素が、前記主表面の１つに固定的に接着結合されるシンバル形要素（ＫＢ）を有し、
   前記シンバル形要素（ＫＢ）の切頭円錐頂点が、前記主本体から離れる方向を向いており、
   空洞が、前記シンバル形要素（ＫＢ）と前記主本体（ＧＫ）との間に囲まれており、
   孔（Ｂ）が前記シンバル形要素に設けられ、前記孔が、前記空洞とその周囲との間の圧力均等化を可能にする、デバイス。
2. 前記シンバル形要素（ＫＢ）がチタン金属シートから成形されている、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記シンバル形要素（ＫＢ）が、前記主本体（ＧＫ）の前記主表面と平行平面となるように配向された平坦な縁部領域（ＲＢ）を備え、前記シンバル形要素が、前記縁部領域を介して前記主本体に接着結合されている、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記シンバル形要素（ＫＢ）が、前記主表面の前記ｘｙ平面内の前記主本体（ＧＫ）のたわみが前記シンバル形要素の変形を強制し、ｚ方向のたわみをもたらし、したがって前記主本体の前記たわみに対するアクティブな触覚フィードバックを構成するように構成される、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記シンバル形要素（ＫＢ）が、法線（Ｎ）の方向に対応の前記主表面の上方に突出する横方向表面（ＭＦ）を備え、
   前記シンバル形要素が、前記切頭円錐頂点にカバー表面（ＤＦ）を備え、前記カバー表面が、前記主本体（ＧＫ）の前記主表面に平行に配向され、又は解剖学的に適合された指のくぼみを備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記孔（Ｂ）が、前記切頭円錐頂点の中央を中心とする態様で配置され、前記孔が、０．１〜０．６ｍｍの直径を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のデバイス。
7. 前記シンバル形要素（ＫＢ）が、エポキシ接着剤によって前記主本体（ＧＫ）に接着結合されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のデバイス。
8. 測定電極（ＭＥ１）が、前記主本体（ＧＫ）に配置されており、
   測定ユニット（ＭＥ）が、前記測定電極と前記第１及び第２のアクチュエータ電極の一方との間にて発生される測定電圧であって、前記主本体（ＧＫ）に加えられる力によって生ずる測定電圧を測定するために設けられ、
   当該デバイスが、前記測定ユニット（ＭＥ）によって検出された前記測定電圧がトリガ力に割り当てられた閾値を超えた時にこの加えられた力を識別するように構成されており、
   電圧発生器によって、前記トリガ力が達した時に、アクチュエータ電圧が発生されて前記第１及び第２のアクチュエータ電極に印加され、この場合、同時に当該デバイス又は当該デバイスに接続された電気コンポーネントが動作するように機能するさらなるアクションが起動される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のデバイス。
9. 前記第１及び第２のアクチュエータ電極がまた、同時に測定電極を構成し、
   測定ユニットが、前記第１及び第２のアクチュエータ電極間の測定電圧を決定するように構成されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載のデバイス。
10. 前記第１及び第２のアクチュエータ電極とは異なる測定電極が、前記第１及び第２のアクチュエータ電極間にて前記主本体の中央に、又は前記主表面の１つの近傍のいずれかに配置されることで、前記第１及び第２のアクチュエータ電極のすべてが前記測定電極の片側に配置される、請求項１〜９のいずれか一項に記載のデバイス。
11. 前記主本体が、２つの前記主表面の間にて法線に平行に延びる貫通孔を備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のデバイス。
12. 膜（ＭＮ）が、外向きの前記シンバル形要素の上に支持され、前記膜が、前記シンバル形要素（ＫＢ）を固定し、したがってベース（ＢＳ）において前記ベースの方向に作用するプレストレスでアクチュエータを固定する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のデバイス。
13. 電気コンポーネントの作動ノブとして構成されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のデバイス。

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