JP4874498B2

JP4874498B2 - 膨出型凹凸形状を有した素子

Info

Publication number: JP4874498B2
Application number: JP2002503853A
Authority: JP
Inventors: レイモン・フルニエ; アラン・リワン
Original assignee: インテレクチャルベンチャーズファンド２３エルエルシー
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: CA2412479A1; EP1297516A1; CA2412479C; EP1297516B1; JP2004508506A; FR2810779B1; DE60109927D1; US20040029082A1; DE60109927T2; US6877986B2; FR2810779A1; WO2001099086A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に凹凸形状内の触覚情報や視覚情報を複写し得るような膨出型凹凸形状を呈する１つの前面を有した素子に関するものである。
【０００２】
本発明に係わる素子は、多くの技術分野において使用することができる。様々な可能な応用の中で、特に、視覚障害者のための点字読書システムの製造や、電子商取引の枠内における例えば対象物や材料の生地を再構成し得る素子といったようなコンピュータインターフェースの製造を例示することができる。また、通常の視覚的スクリーン上に重ね合わされ得るような、凹凸形状からなる透明スクリーンの製造に言及することができる。
【０００３】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
特に仏国特許出願公開明細書第２５７７９９８号や欧州特許出願公開明細書第０６６３６３３号に示されているように、例えば冷蔵庫や冷凍庫や食器洗浄機や洗濯機といったような家庭用電気器具内における様々な構成要素（バルブ、分配弁、等）を制御するためのワックスアクチュエータの使用方法が公知である。このようなワックスアクチュエータは、ジャッキの形態で存在している。その場合、ピストンをなす可動シャンクの移動が、密封キャビティ内にシールされたワックスの体積の変化によって制御される。この体積変化は、通常は所定しきい値温度を通過することによって引き起こされる固体状態と液体状態との間における状態変化といったような、ワックスの状態変化に基づくものである。ワックスの状態変化は、通常は、ワックスを加熱することによって引き起こされ、固体状態から液体状態へと移行させることができる。この現象は、可逆的である。
【０００４】
このタイプのアクチュエータにおいて使用するのに適切なワックスとしては、十分に多くのものが存在しており、動作温度を自由に調節することができる。通常のワックスを使用した場合、相変化によって引き起こされる体積増加は、１０〜１５％の程度である。特別のワックスを使用した場合、２０％を超える体積増加が得られる。
【０００５】
ワックスアクチュエータは、製造コストが非常に安価であるという利点を有している。さらに、ワックスアクチュエータは、大きな変化を引き起こすことができて、非常に大きな変位をもたらす。
【０００６】
現存のワックスアクチュエータの本質的欠点は、熱的慣性に基づき応答時間がかなり長いことに関連している。
【０００７】
さらに、主に視覚障害者のための点字読書システムにおいて使用されるような、膨出型凹凸形状を有した素子が、公知である。このような素子においては、素子の前面において、伝達されるべき情報に応じた凹凸形状を構築し得るよう、所定パターンに従って配置された複数の磁気的アクチュエータまたは複数の圧電的アクチュエータが、通常は、使用される。
【０００８】
このような現存の素子は、比較的高価であるとともに寸法が制限されているという欠点を有している。さらに、磁気的アクチュエータまたは圧電的アクチュエータの使用は、小さな解像度をもたらす。言い換えれば、得られる凹凸形状の生地が、比較的粗い。最後に、このようなアクチュエータを使用した場合には、従来の視覚的スクリーンに関連して視覚情報を複写し得るような凹凸形状からなる透明スクリーンを製造することができない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の明確な目的は、現存の素子における欠点を有していないような、かつ、とりわけ、大きな寸法に由来する利点をもたらし得るような、特に高解像度であるような、また、通常の視覚的スクリーン上において使用可能な透明スクリーンを非常に安価なコストで製造することを可能とするような、膨出型凹凸形状を有した素子である。
【００１０】
本発明においては、上記結果は、膨出型凹凸形状を有した前面を備えた素子によって得られる。本発明による素子は、前面上において規則的パターンに従って配置された凹凸形状を変更するための複数の個別手段と；素子の凹凸形状を変更するための複数の個別手段のすべてを互いに個別的に制御し得る制御手段と；を具備する場合において、凹凸形状を変更するための個別手段が、所定しきい値温度を通過したときには体積変化を起こし得るような製品によって充填されている、シールされた複数のキャビティと；各キャビティと前面とを隔離している変形可能要素または可動要素と；各キャビティ内に収容された製品に対してそれぞれ設けられた複数の加熱手段と；を備え、加熱手段が、電流によって制御される加熱要素とされ、制御手段が、マトリクス状配置でもって、複数の電気導体を介して加熱要素に対して接続されていることを特徴としている。
【００１１】
従来技術において家庭用電気器具において使用されているワックスアクチュエータと同様にして複数のデバイスをマトリクス状に配置することにより、および、各デバイスを個別的に制御することにより、上記結果を得ることができる。特に、このように構成された素子は、格別に低コストであり、サイズが制限されておらず、小型化に非常に適した技術を使用することができ、したがって、生地表面をもたらす非常に高解像度の素子を製造することを可能とする。
【００１２】
さらに、透明な製品および透明な材料を使用することにより、凹凸形状を有しかつ透明な素子を製造することができる。このような素子は、凹凸形状からなる視覚情報を再構成するために、従来の視覚的スクリーン上に重ねることができる。
【００１３】
後者の応用と並行して、本発明による素子は、より伝統的な態様において、凹凸形状内に触覚的情報を構成することに対して、応用することができる。よって、視覚障害者のための点字読書システムを製造することができるとともに、電子商取引の応用において例えば対象物や材料の生地を再現し得る素子といったようなコンピュータインターフェースを製造することができる。
【００１４】
場合によっては、電気導体は、好ましくは剛直壁とされているような、素子の背面壁を、横断することができる。あるいは、電気導体は、素子の背面を形成する好ましくは剛直な例えばプリント回路といったような基板によって支持されることができる。
【００１７】
本発明の実施形態においては、複数のキャビティが、素子の前面をなす１つの前面を有した弾性膜の内部において、互いに個別的に形成されている。
【００１８】
有利には、対応する加熱手段の実行後において、キャビティ内に収容された製品の冷却を加速するために、例えば流体冷蔵回路といったような強制冷却手段を、製品のために設けることができる。
【００１９】
本発明の有利な態様においては、少なくとも１つの温度センサを使用して、素子の全体温度が測定される。その場合、制御手段は、各センサから送出された信号に応答して、加熱手段を全体的に制御する。とりわけ、加熱手段が、電流によって制御される加熱要素によって構成されている場合には、制御手段は、加熱要素に対しての待機電流および全体的駆動電流を制御する。
【００２０】
変形例においては、局所的温度センサが、各加熱手段の温度を測定する。その場合、制御手段は、各センサから送出された信号に応答して、加熱手段を局所的に制御する。とりわけ、加熱手段が、電流によって制御される加熱要素によって構成されている場合には、制御手段は、加熱要素に対しての待機電流および個々の駆動電流を制御する。
【００２１】
他の変形例においては、制御手段は、加熱要素を流れる電流および加熱要素の両端子にかかる電圧に関しての測定結果を使用することによって、加熱要素の温度を評価するとともに、加熱要素に対しての待機電流および駆動電流を制御する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明を何ら限定するものではなく単なる例示としての本発明の様々な実施形態に関して説明する。
【００２３】
図１は、参考例として、膨出型表面凹凸形状を有した素子の一部を概略的に示す図である。理解を容易とするため、パネルの形態とされたこの素子の厚さは、図面上、意図的に非常に誇張されている。実際には、この厚さは、例えば、１ｍｍや２ｍｍ程度である。
【００２４】
素子（１０）は、外側を向くことを意図されているとともに膨出型凹凸形状を有した前面（１０ａ）と、背面（１０ｂ）と、を備えている。
【００２５】
図１に示された素子（１０）は、例えば金属や他の任意の適切な材料から形成された剛直プレート（１２）を備えている。図１に示されたプレート（１２）は、平面状である。しかしながら、本発明の範囲を逸脱することなく、想定される用途に応じて、他の形態をなすプレート（膨出、中空、等）を使用することができる。
【００２６】
プレート（１２）には、規則的パターンに従って複数の孔（１４）が形成されている。これにより、複数の孔（１４）は、プレートにおいてマトリクスを形成している。複数の孔（１４）からなるマトリクスによって形成されたパターンは、本発明の範囲を逸脱することなく、正方形状ピッチや三角形状ピッチや他の形状のピッチを有したパターンとすることができる。
【００２７】
複数の孔（１４）は、通常、すべてのものが同じ寸法を有しており、限定するものではないけれども、例えば円形横断面形状のものとされている。すべての開口（１４）は、プレート（１２）の前面上においておよび背面上において開口している。プレート（１２）の前面は、素子（１０）の前面（１０ａ）を形成する。
【００２８】
素子（１０）は、さらに、プレート（１２）の背面（１８）に対して密封的に固定された背面剛直壁（２０）を備えている。実際には、背面壁（２０）は、例えば、複数の孔（１４）の各対応端を閉塞する樹脂によって、あるいは、例えば集積回路をなすものといったような材料からなるフィルムによって、構成することができ、有利には、熱伝導性の大きな材料から構成される。壁（２０）は、複数の孔（１４）のシールをもたらすための任意の適切な手段（接着剤、等）によって、固定される。
【００２９】
図１に示す参考例においては、例えばピストン（２２）といったような可動要素が、それぞれの孔（１４）のうちの、前面（１０ａ）上において開口している部分内に、スライド可能に収容されている。より詳細には、各可動要素（２２）は、前面（１０ａ）においてそれぞれ対応する孔（１４）を密封的に閉塞している。
【００３０】
よって、各孔（１４）は、背面壁（２０）と可動要素（２２）との間の内部において密封的に閉塞されたキャビティ（２４）を規定している。このキャビティ（２４）は、所定しきい値温度を通過した際には体積を変化させ得るような製品によって充填されている。特に、この製品は、雰囲気温度においては固体状態でありかつ所定しきい値温度を超えて温度が上昇したときには液体状態となるとともに固体状態から液体状態への相変化時には体積が自動的に増大しさらに液体状態から固体状態への相変化時には体積が自動的に減少するような、ワックスによって構成することができる。そのようなワックスは、ある種の家庭用電気製品内において使用されている現存のワックスアクチュエータ内において利用されているワックスと同様のものである。しかしながら、より一般的には、各キャビティ（２４）内に収容される製品は、例えばポリマーや形状記憶合金等といったような、所望特性を有した他の任意の製品によって、構成することができる。
【００３１】
キャビティ（２４）内に収容されている製品がワックスである場合には、ワックスの選択によって、体積変化が起こるしきい値温度を、また、この体積変化の大きさを、任意に調節することができる。体積変化の大きさは、通常は、１０〜１５％であり、場合によっては、２０％以上とすることができる。
【００３２】
キャビティ（２４）内に収容された製品のしきい値温度を通過することを保証するために、製品に対する加熱手段（２６）が、各キャビティ内に配置されている。図１においてより詳細に図示された実施形態においては、この加熱手段（２６）は、抵抗ワイヤタイプの加熱要素とされており、電気導体（２８）によって加熱要素に対して供給される電流によって制御される。電気導体（２８）は、素子（１０）の剛直背面壁（２０）を横断している。これら電気導体は、図４に概略的に示すように制御ユニット（３０）から個々の加熱要素（２６）に対してそれぞれ個別的に電流を供給し得るようなマトリクスを形成している。
【００３３】
素子（１０）が使用されていない場合には、加熱要素（２６）に対しては、電流は供給されない。その場合、キャビティ（２４）内に収容されている製品は、製品がワックスである場合には、例えば固体相に対応した元々の状態へと復帰する。このような状態においては、各キャビティ（２４）内に収容されている製品の体積は、可動要素のうちの、前面（１０ａ）を向いている端部が前面（１０ａ）と面一となるような、体積とされる。この初期状態においては、前面（１０ａ）は、凹凸形状を有していない。
【００３４】
制御ユニット（３０）によって１つまたは複数の加熱要素（２６）に対して電流が供給されたときには、それら加熱要素（２６）は、製品が状態変化を起こすしきい値温度を通過するようにして、キャビティ（２４）内に収容された製品を加熱する。製品がワックスである場合には、製品は、液体相となる。この状態変化の結果として、大きな体積変化が起こる。これにより、対応する可動要素（２２）が、素子の前面（１０ａ）に向けて変位する。それら可動要素は、前面（１０ａ）を超えて、図１において右側から２番目の可動要素について図示されているように、所定距離だけ突出する（例えば、約２００μｍ）。
【００３５】
よって、上記構成であると、素子の前面（１０ａ）がなす凹凸形状を自在に膨出させることができ、前面上の凹凸形状がなす何らかの情報を複写することができる。上述したように、この情報は、特に、例えば点字を読むに際して、視覚障害者によって触覚的に使用することができる。あるいは、コンピュータインターフェースとして作用するようにして、電子商取引の枠内の利用者によって使用することができる。
【００３６】
素子の前面（１０ａ）上において複写される情報は、また、視覚的な性質のものとすることもできる。この場合には、製品や、例えばプレート（１２）や可動要素（２２）や背面壁（２０）といったような様々な構成要素は、透明材料から形成することができる。これにより、膨出型凹凸形状を有した透明スクリーンが形成され、この透明スクリーンは、従来の視覚的スクリーン上に配置することができる。
【００３７】
素子（１０）の応答時間を改良するために、元々の状態への各可動要素（２２）のそれぞれの復帰時間を、例えば各孔（１４）内において形成された対向肩部（３２）と各可動要素（２２）上に形成された対向肩部（３４）との間に介装された圧縮スプリング（３６）といったような復帰手段を、各可動要素に設けることによって、加速することができる。図示の単純化のために、図１においては、スプリング（３６）は、最も左側の孔（１４）においてのみ図示されている。
【００３８】
また、素子の応答時間を短縮するために、有利には、加熱要素（２６）が使用されていない時に、元々の状態への可動要素（２２）の復帰を遅くしている熱慣性が、小さなものとされる。よって、上述したように、背面壁（２０）が、熱伝導性の大きな材料から形成される。
【００３９】
加熱要素（２６）が使用されていない時に、加熱要素（２６）によって生成された熱の除去をさらに改良し得るよう、各加熱要素（２６）とは個別的に、背面壁（２０）に対して強制冷却手段を一体化することができる。このような強制冷却手段は、例えば、流体循環とされる。強制冷却手段は、素子の外部に配置された冷却システム（図示せず）に対して連結される。
【００４０】
図１においては、可動要素（２２）は、段付きピストンの形態で示されているけれども、可動要素は、また、一定の横断面形状を有した円柱形ピストンとして構成することもできる。
【００４１】
図２に示す変形例においては、可動要素（２２）は、省略され、単一の弾性膜（３８）によって代替されている。この単一の弾性膜（３８）は、プレート（１２）の前面全体を被覆している。ここで、弾性膜（３８）は、例えば接着によって、プレート（１２）上においてシール的に固定されている。これにより、弾性膜（３８）は、複数の孔（１４）を密封的に閉塞している。この場合、素子（１０）の前面（１０ａ）は、弾性膜（３８）の外向き面によって構成されている。
【００４２】
この変形例においては、キャビティ（２４）内に収容された製品の体積変化によって、図２において右から２番目の孔に関して図示されているように、対象となっている孔（１４）のところにおいて、弾性膜（３８）が変形して、素子（１０）から膨出する。
【００４３】
弾性膜（３８）を構成する材料は、キャビティ（２４）内に収容されている製品が冷却時に初期位置へと戻り得るよう、十分に弾性的であるようにあるいは超弾性的でさえあるように、選択されている。
【００４４】
この変形例は、単純に実施できるという点において、先の実施形態よりも好ましい。
【００４５】
図３に示すような本発明の実施形態においては、所定しきい値温度を通過したときに体積変化を起こし得る製品を収容しているキャビティ（２４）は、弾性膜（４２）から直接的に形成されている。この場合、キャビティ（２４）は、素子（１０）の前面（１０ａ）を構成することとなるような、弾性膜（４２）の前面上において、開口していない。その結果、図２の変形例の場合と同様に、各キャビティ（２４）は、この場合には弾性膜（４２）の一部によって構成されているような変形可能要素によって、素子の前面（１０ａ）から離間している。
【００４６】
弾性膜（４２）の背面は、剛直基板（４６）上へと、例えば接着によってシール的に固定されている。この場合、剛直基板（４６）が、素子（１０）の背面（１０ｂ）を形成する。剛直基板（４６）のうちの、弾性膜（４２）を向く面上には、各キャビティ（２４）内にそれぞれ個別的に収容された加熱手段（２６）が設けられている。有利には、加熱手段（２６）は、電流によって制御される加熱要素によって構成されている。この場合、電流は、特に、剛直基板（４６）内に直接的に埋設された電気導体（２８）によって各加熱要素（２６）に対して個別的に供給することができる。電気導体は、例えば、プリント回路の形態とすることができる。
【００４７】
複数の加熱要素（２６）は、複数の電気導体（２８）と一緒に、第１実施形態の場合およびその変形例の場合と同様に、図４に示すような形態でもって、マトリクス状に配列されている。
【００４８】
図３の実施形態においては、キャビティ（２４）は、非円筒形状であって、バブルの形態とされている。この形状は、製品の体積変化時に、弾性膜（４２）がなす変形可能要素のうちの、前面（４４）からキャビティ（２４）を離間している部分の変形量を最大とし得るように、設定されている。
【００４９】
図３に示す実施形態は、素子の製造が、図２に示す変形例よりもさらに容易であるという点において、先の例およびその変形例よりも、好ましい。
【００５０】
すべての実施形態において、製品によって充填されたキャビティ（２４）によって構成された活性セル内の温度に関し履歴現象を考慮しつつ製品の相変化に対応するしきい値温度の両側における温度揺動を制限するための手段を設けることが有利である。このような制限手段は、温度揺動が周囲温度およびシステム全体の温度に非常に大きく依存することを考慮してまた使用状況にも依存することを考慮して、システムが適切な動特性を有することを保証することを、目的としている。
【００５１】
よって、活性セルの温度揺動を制限するための手段は、１つまたは複数の温度センサから送出された信号を使用することによって温度を調節するための手段を備えている。
【００５２】
第１の可能な構成においては、１つまたは複数の温度センサ（４８）（図４）が、素子（１０）の全体温度を測定する。制御ユニット（命令ユニット）（３０）は、各温度センサ（４８）から送出された信号に応答して、加熱手段（２６）を全体的に制御する。加熱手段が、上述したような電流によって制御される加熱要素によって構成されている場合には、制御ユニット（３０）は、素子（１０）内に組み込まれたセンサ（４８）によって測定された全体温度に応じて、加熱要素に対して供給すべき待受電流および駆動電流を制御する。
【００５３】
第２の可能な構成においては、温度センサ（４８’）（図４）が、各セル（２４）内に局所的に組み込まれ、特に、各加熱手段（２６）内に組み込まれる。センサ（４８’）から送出された信号は、制御ユニット（３０）へと伝達される。制御ユニット（３０）は、各加熱手段（２６）を局所的に制御することによって、温度を局所的に調節する。加熱手段（２６）が、電流によって制御される加熱要素である場合には、制御ユニット（３０）は、加熱要素に対して供給すべき待受電流および駆動電流を制御する。
【００５４】
この第２の可能な構成の変形例（図示せず）においては、温度センサが省略され、温度は、加熱要素を流れる電流を測定することによっておよび加熱要素の両端子間に印加される電圧によって、決定される。この情報に基づき、制御ユニット（３０）は、加熱要素に対して供給すべき待受電流および駆動電流を制御する。
【００５５】
温度調節のためのそのような手段には、例えば上述したものといったような動的冷却手段を設けることが有利であることに注意されたい。これにより、素子の外部に対しての熱の拡散をさらに改良することができる。本発明による素子のどの実施形態を採用するにしても、素子を、非常に低コストで製造することができる。さらに、素子のサイズは、制限されることがなく、凹凸形状からなるスクリーンを大きな寸法でもって製造することができる。
【００５６】
さらに、活性化温度の調節を、使用者が行うことができる。よって、活性化温度を、使用条件に応じて調節することができる。
【００５７】
しかも、提案した技術は、小型化に際して非常に適切である。特に、素子は、微小機械加工技術によって製造することができる。その場合には、生地表面を、非常に高精度なものとすることができる。
【００５８】
最後に、図３を参照して説明した実施形態において上述したように、本発明による素子であると、従来の視覚的スクリーン上に重ね合わせ得るような、膨出型凹凸形状を有した透明スクリーンを製造することができる。この可能性は、使用される材料および製品が透明であるという限りにおいては、本発明のすべての実施形態に関して当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例による凹凸形状を有した素子の一部を、概略的にかつ拡大して示す断面図である。
【図２】図１と同様の図であって、図１に示された参考例の変形例を示している。
【図３】図１および図２と同様の断面図であって、本発明の実施形態を示している。
【図４】図１〜図３の素子において使用するための加熱要素のマトリクス制御を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１０素子
１０ａ前面
１０ｂ背面
１２プレート
１４孔
２０背面壁
２２ピストン（可動要素）
２４キャビティ
２６加熱要素（加熱手段）
２８電気導体（制御手段）
３０制御ユニット（制御手段）
３６圧縮スプリング（復帰手段）
３８弾性膜（変形可能要素）
４２弾性膜（変形可能要素）
４６基板
４８温度センサ
４８’ 温度センサ

Claims

膨出型凹凸形状を有した前面（１０ａ）を備えた素子（１０）であって、
前記前面上において規則的パターンに従って配置された凹凸形状を変更するための複数の個別手段と；
前記素子（１０）の前記凹凸形状を変更するための前記複数の個別手段のすべてを互いに個別的に制御し得る制御手段（２８，３０）と；
を具備する場合において、
前記凹凸形状を変更するための前記個別手段が、
前記素子（１０）の前記前面（１０ａ）をなす１つの前面を有した弾性膜（４２）と；
前記弾性膜（４２）の内部において互いに個別的に形成され、所定しきい値温度を通過したときには体積変化を起こし得るような製品によって充填されている、バブル形状の複数のキャビティ（２４）と；
前記各キャビティ（２４）内に収容された前記製品に対してそれぞれ設けられた複数の加熱手段（２６）と；
を備え、
前記加熱手段が、電流によって制御される加熱要素（２６）とされ、
前記制御手段が、マトリクス状配置でもって、複数の電気導体（２８）を介して前記加熱要素（２６）に対して接続されていることを特徴とする素子。
請求項１記載の素子において、
前記電気導体（２８）が、前記素子（１０）の背面（１０ｂ）を形成する基板（４６）によって支持されていることを特徴とする素子。
請求項１または２に記載の素子において、
少なくとも１つの温度センサ（４８，４８’）が、前記素子（１０）の全体温度または局所的温度を測定し、
前記制御手段（３０）が、前記各センサ（４８，４８’）から送出された信号に応答して、前記加熱手段（２６）を全体的にまたは局所的に制御することを特徴とする素子。
請求項３記載の素子において、
前記制御手段（３０）が、前記加熱要素（２６）に対しての待機電流および駆動電流を、全体的にまたは局所的に制御することを特徴とする素子。
請求項１または２に記載の素子において、
前記制御手段（３０）が、前記加熱要素（２６）を流れる電流および前記加熱要素の両端子にかかる電圧を測定することによって、前記加熱要素の温度を評価するとともに、前記加熱要素（２６）に対しての待機電流および駆動電流を制御することを特徴とする素子。