JP5782441B2 - ハイブリッド型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は表示装置に関し、更に、視覚画像を有する情報を提示するための方法に関する。

視覚情報を提示又は表示するための手段は良く知られており、静止画像（例えば印刷物）と共に、画像の動的な表示のためのＬＣＤ画面のような電子表示装置を有する。斯かる表示装置の物理的な表面は静的であり、通常は表示される画像に関連するものではない。

斯かる状況に基づき、本発明の目的は、視覚情報のより現実的な提示のための手段を提供することにある。

本目的は、請求項１に記載の表示装置及び請求項２に記載の方法により達成される。好適な実施例は、従属請求項に開示される。

第１の態様によれば、本発明は、情報を提示するための表示装置であって、
ａ）視覚画像が表示され得る「視覚表示面」を持つ「画像表示ユニット」と、
ｂ）上述した視覚表示面に隣接して配置された「トポロジ表示ユニット」であって、該トポロジ表示ユニットの「触覚表示面」のトポロジを制御可能に変更するように構成されたトポロジ表示ユニットと、
を有する表示装置に関する。通常どおり、「トポロジ」なる語は、面の三次元構造を示し、該構造の特徴的な大きさは、典型的には約０．１μｍと約５ｎｍとの間に亘る。トポロジは例えば手触りとして触知できるものであっても良いし、又は接触によっては感知され得ないが可視であるような細かさのものであっても良い。

第２の態様によれば、本発明は、表示装置を用いて情報を提示するための方法に関し、ここで「情報」なる語は、記号及び装飾を含む、故意にデザインされたいずれの構造をも有する。本方法は、
ａ）画像表示ユニットの視覚表示面に視覚画像として光学的に情報の一部を提示するステップと、
ｂ）トポロジ表示ユニットの触覚表示面に変更可能なトポロジとして触知式に前記情報の更なる部分を提示するステップと、
を有し、前記触覚表示面は前記視覚表示面に隣接して配置される。

前記画像表示ユニット及び／又は前記トポロジ表示ユニットは、剛性の装置であっても良いし、又は好適には、柔軟で従順なもの（例えば巻くことが可能、曲げることが可能、等）であっても良い。対応する視覚表示面及び／又は触覚表示面は、平坦（平面状）であっても良いし、又は非平坦、即ち任意の態様で曲げられているか若しくは予め成形されていても良い。画像表示ユニットが柔軟なものである場合には、トポロジ表示ユニットも好適には柔軟であり、視覚表示面の変形に完全に隣接して追従することが可能である。

好適には、該トポロジ表示ユニットは、少なくとも部分的に透明であり、視覚表示面における画像を見ることを可能とする。加えて又は代替として、該トポロジ表示ユニットは、反射性、透過性（例えば色付きの層、又は穴を備えたミラー若しくは黒色層）、吸収性、色付き等のような、他の光学的性質を持っていても良い。上述の全ての光学的性質は、電磁スペクトルの任意の範囲を示しても良いことは、留意されるべきである。

以上に定義されたハイブリッド表示装置及び方法は、視覚画像における光学的な情報の提示を、画像に重畳されたトポロジにより提示される形状情報の提示と組み合わせるという利点を持つ。更に、該トポロジは選択的に変更されることができ、それ故トポロジ情報を動的に提示するように構成される。それ故トポロジ表示装置は、形状と色との両方における変化を連携させて組み合わせることによって、より多くの情報を伝達して、及び／又はより現実的な態様で情報を伝達して、ユーザの体験を拡張する。このことは、既知の表示手段の体験及び用途を拡大させ、表示面の概観の変化や、視覚再生と触覚再生との組み合わせのような、新たな用途を可能とする。該トポロジは、単に視覚的な表示よりも現実的に入射光、反射光及び透過光に影響を与えるため、表示面の外観の現実性を増大させる。例えば、トポロジ表示ユニットは、触覚表示面上を動く水の印象をつくり出し、それにより該表示面が濡れているように見せても良い。

以下、以上に説明した種類の表示装置及び方法の両方に関連する、本発明の種々の更なる拡張が説明される。

該表示装置は好適には、前記触覚表示面に表示されたトポロジを制御するように構成された、（第１の）制御ユニットを有する。それ故、非常に任意性の高い空間的及び／又は時間的なトポロジのパターンが、該装置によって提示されることができる。該制御ユニットは例えば、専用の電子ハードウェア及び／又は関連するソフトウェアを伴うディジタルデータ処理ハードウェアにより実現されても良い。

上述した制御ユニットは好適には、画像表示ユニットに（別の時点においてか、又は好適には同時に）表示された視覚画像に対して、触覚表示面に表示されたトポロジを関連付けるように構成される。該制御ユニットは特に、トポロジと画像とを空間的に関連付けても良く、即ち、或る時点における触覚表示面のトポロジを、当該時点における対応する画像コンテンツに従って調節しても良い。それ故、例えば木又は金属のような種々の材質を表示する画像は、現実的な触覚的外観を備えられる。

最も単純な場合においては、画像表示ユニットは単に、印刷物のような静止画像であっても良い。しかしながら好適には、画像表示ユニットは、種々の視覚画像が選択的に表示されることができる表示装置である。斯かる表示装置は特に、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、及び／又は誘電泳動装置を有しても良い。斯かる画像表示ユニットは、剛性なものであっても良いし又は柔軟なものであっても良い。

トポロジ表示ユニットは、触覚表示面におけるトポロジを変更させることが可能であるのみならず、表示面に対する外力（即ち圧力）の印加を示すセンサ信号を供給するように更に構成されても良い。トポロジ表示ユニットの幾つかの実装においては、斯かるセンサ機能は、トポロジ表示機能の反転に対応し、それ故付加的な労力を殆ど必要とせずに実現されることができる。触覚表示面は通常はユーザによる触覚的な探査を意図して設計されるため、しばしば当該表示面に力がかけられることが起こる。センサ信号により、これらの力が検出されることができ、更に例えば、力が大き過ぎて表示装置が損傷してしまいそうなときに警告を与えることができる。

上述した実施例の更なる拡張によれば、該表示装置は、印加され感知された外力の位置に関して、トポロジ表示ユニットにより供給されるセンサ信号を評価するように構成された、（第２の）制御ユニットを有する。外力印加の位置は次いで、特定の意味又は符号に関連付けられ、例えばキーボード機能を実装することを可能とする。第２の制御ユニットは、以上の第１の制御ユニットに一体化されても良いことは、留意されるべきである。

トポロジ表示ユニットの好適な実装は少なくとも１つの「活性積層」を有し、該積層は、以下の構成要素を持つ：
ａ）好適には外部電場において幾何形状を変化させる誘電電気活性高分子である、電気活性高分子（以下「ＥＡＰ」と呼ぶ）の層。ＥＡＰの例は、文献に見出されることができる（例えば、Bar-Cohen, Y.による「Electroactive polymers as artificial muscles: reality, potential and challenges」（SPIE Press、2004年）、Koo, I.M.らによる「Development of Soft-Actuator-Based Wearable Tactile Display」（IEEE Transactions on Robotics, 2008, 24(3)、549-558頁）、Prahlad, H.らによる「Programmable surface deformation: thickness-mode electroactive polymer actuators and their applications」（「Dielectric Elastomers as Electromechanical Transducers; Fundamentals, materials, devices, models and applications of an emerging electroactive polymer technology」、F. Carpiら, Editors、2008年、Elsevier、227-238頁）、及び米国特許出願公開US-2008/0289952 A。これら全ての文献は参照により本明細に組み込まれたものとする）。
ｂ）上述したＥＡＰ層の第１の側面に配置された電極ユニットのアレイ。好適には、これら電極ユニットは選択的にアドレス指定可能であり、即ち個別の電位がそれぞれの電極ユニットに印加されることができる。
ｃ）前記第１の側面とは反対の、該ＥＡＰ層の第２の側面に配置された、少なくとも１つの対電極。

当該アレイの電極ユニットと対電極との間の適切な電圧の印加は、電極間の位置におけるＥＡＰ層の変形を含み、これら層の３次元の表面構成の局所的な変化に帰着する。斯くして、触覚表示面の様々なトポロジが実現されることができる。

任意に、トポロジ表示ユニットの上述した実装は更に、自身の電位を独立して供給されることができる、少なくとも１つ更なる電極（以下「制御電極」と呼ぶ）を有しても良い。該制御電極は特に、該アレイの電極ユニット若しくは対電極に隣接して（即ちこれらと同じ層に）配置されても良いし、又はこれらの中間の空間に配置されても良い。該制御電極によって、ＥＡＰ層内の電場が影響を受け、その結果の層の変形の、より汎用性の高い制御を可能とし得る。

好適には、ＥＡＰ層は（少なくとも部分的に）透明であり、即ち該層に入射する可視光の１０％よりも多く、好適には５０％よりも多く、最も好適には９０％よりも多くを透過させる。それ故、ＥＡＰ層を通して視覚表示面上の画像を見ることが可能である。

該表示装置の特定の実施例においては、トポロジ表示ユニットは、複数の上述した活性積層を有し、各積層が、第１の側面における電極ユニットのアレイと第２の側面における少なくとも１つのタイ電極との間に配置されたＥＡＰ層を持つ。好適には、隣接する積層は中間の電極層を共有し、即ち、或るＥＡＰの第１の側面における電極アレイは、隣接するＥＡＰ層の対電極を同時に構成する。説明された一連の活性積層により、触覚表示面におけるトポロジ構造の拡張及び／又はタイプが増大させられ得る。更に、ＥＡＰ物質の全体の厚みを複数のＥＡＰ層に分割することは、各層を制御するために必要とされる電圧が、それに従って低下させられるという利点を持つ。このことは、駆動電子回路に対する要求を軽減さえ、何よりも、該表示装置の安全な使用を助長する。

複数の活性積層を備えた上述の実施例においては、積層のＥＡＰ層の厚さは好適には、これらの層の触覚表示面からの距離が増大するにつれて増大する。このことは、ＥＡＰ層を動作させるために必要とされる電圧が、外面に近づくにつれて低下し、該表示装置の安全性を増大させるという利点を持つ。なぜなら、障害（電圧破壊）の際に、外面に触れているユーザが、低い（無害な）電圧に対する暴露しか体感しないことになるからである。

トポロジ表示ユニットの透明な構成要素の屈折率は、好適には互いに類似したものであり、即ち、これらの屈折率の差は典型的には２５％よりも小さく、好適には１０％よりも小さく、更に好適には５％よりも小さい。斯かる屈折率の合致は、異なる透明な要素により引き起こされる光学的な歪が最小化されるか又は良く定義されたレベルとなり、それ故トポロジ表示ユニットが、自然な外観を持ちつつも、背後の画像を見ることを損なわないことを保証する。

上述の表示装置の活性積層において、アレイの電極ユニット及び／又は複数の対電極及び／又は複数の制御電極（存在する場合）は特に、それぞれの層における利用可能な領域全体の１００％よりも小さい領域、好適には２０％よりも小さい領域、最も好適には５％よりも小さい領域しかカバーしなくても良い。上述した屈折率の合致と、適切な電極表面積比の利用とが、より自然な外観（合致する視覚と触覚）の重要な態様を形成する。

ＥＰＡ及び／又は複数の対電極及び／又は複数の制御電極（存在する場合）を備えたトポロジ表示ユニットの電極ユニットは、規則的なアレイ（パターン）で配置されても良いし、又は不規則なアレイ（パターン）で配置されても良い。これらのうち少なくとも１つを不規則なパターンで配置することは、モアレの出現のような光学的なアーティファクトを防ぐのに役立つ。

ＥＡＰ層を備えたトポロジ表示ユニットの別の変形例によれば、自身の立体構造変化を引き起こさず、別の層の変化にのみ追従する、付加的な受動層が存在する。それ故、該受動層は、活性層の立体構造変化を変形させて、例えばこれらを拡張するために使用されることができる。

別の実施例においては、トポロジ表示ユニットは、触覚表示面を提供する少なくとも１つの（電気的に）絶縁された層を有する。該絶縁層は特に、上述した受動層により構成されても良いし、又は当該受動層と同一であっても良い。該絶縁層は、トポロジユニットの外面に触れるユーザを、該トポロジ表示ユニット内の電圧から遮断する。

該表示装置は任意に、画像表示ユニットとトポロジ表示ユニットとの間及び／又は触覚表示面と他のいずれかのトポロジ表示ユニットの導電性の構成要素との間に配置された、導電層を更に有しても良い。更に、当該導電層は、所与の電位を与えられても良い。好適には、該導電層は透明であるか、又はそれぞれの表面積の非常に小さな割合しか有さない。当該領域は、利用可能な表面積全体の１００％よりも小さいべきであり、好適には２０％より小さく、更に好適には５％よりも小さいべきである。画像表示面上の導電層は、画像表示ユニットとトポロジ表示ユニットとの両方が（異なる）制御電圧で駆動された場合に、画像表示ユニットとトポロジ表示ユニットとの間の電気的な干渉を防ぐために用いられることができる。触覚表示面における導電層は、安全性を向上させる。なぜなら、障害の際に、トポロジ表示ユニットに触れているユーザが、安全な領域に選択された所与の電位（例えば接地電位）を与えられたこの最も外側の層に、最初に触れることになるからである。

本発明の更なる実施例においては、該表示装置は、トポロジ表示ユニット及び／又は画像表示ユニットを制御するための制御ユニットを有しても良く、該制御ユニットは、障害状態を検出し、障害状態が検出された場合に制御された構成要素に対する電力供給を遮断するように構成される。斯かる障害状態は例えば、漏れ電流の検出を有し得る。なぜなら、漏れ電流は、ユーザにより触れられたときの触覚表示面における電圧破壊により引き起こされ得るからである。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に説明される実施例を参照しながら説明され明らかとなるであろう。これらの実施例は、添付図面を用いて、例として説明される。

図面において、同様の参照番号又は１００の整数倍だけ異なる番号は、同一又は同様の構成要素を示す。

本発明による表示装置の一部の、図２の線Ｉ−Ｉに沿ってとられた断面を模式的に示す。 図１の表示装置の上面図を模式的に示す。 表示装置における規則的な電極配置の使用を模式的に示す。 表示装置における不規則な電極配置の使用を模式的に示す。 駆動電極及び制御電極の種々の配置を模式的に示す。 ２つのＥＡＰ層を有する表示装置の断面を模式的に示す。 異なる厚さを持つ幾つかのＥＡＰ層を有する表示装置の断面を模式的に示す。

本分野において知られた種々の表示技術は、発光性及び／又は反射性手法を利用することにより、製品の視覚的な外観（例えば色又は透明度）を変化させることが可能である。これらの手法は表示面の視覚的な印象を変化させるための大きな可能性を提供するが、依然として動的な手段による自然な表示面のトポロジの対応する提示を提供できない。即ち、電子的な態様で、木のつる、岩、皮膚、艶消しアルミニウム等の見かけ及び感触の双方を提供することができない。

この点に鑑み、本発明は、表示面のトポロジの電気活性的生成のための誘電エラストマー層の電子的な駆動を使用することを提案する。透明な場合には、斯かる層は活性の又は受動性の光学表示手法と組み合わせられることができ、これにより２つ以上の積層された層において光学的及び触覚的な表示面特性の同時の操作を可能とする。その結果、表示面のユーザ体感は、より説得力のあるものとなる。なぜなら、全てではないとしても殆どの知覚情報が予想と合致するものとされ得るからである（又は、例えばゲーム用途のために、故意に合致しないものともされ得る）。

図１は、以上の原理による「ハイブリッド型の」表示装置１００の断面図（定縮尺ではない）を示す。本図は、表示装置全体の複数の略同様のセルのうち１つのみを示している。表示装置１００（のセル）は、以下の構成要素を有する：
−視覚画像が提示されることができる「視覚表示面」（ＶＤＳ）を備えた「画像表示ユニット」（ＩＤＵ）。最も単純な場合においては、視覚表示ユニットＩＤＵは、写真又は印刷物のような静止画像であっても良い。しかしながら好適には、視覚表示ユニットＩＤＵは、関連する制御ユニットＣＵにより個別に制御されることができる複数の画素（図示されていない）を備えた、電子表示装置である。ことによると、当該装置のために利用されることができる表示技術（反射型及び発光型の両方）は、誘電泳動装置、ＯＬＥＤディスプレイ、ＬＥＤバックライト式（又はサイドライト式）ＬＣＤディスプレイ等を有する。
−制御ユニットＣＵに結合され、該制御ユニットにより制御されて「触覚表示面ＴＤＳ」における立体構造変化を示すことができる、「トポロジ表示ユニット」（ＴＤＵ）。

更に、トポロジ表示ユニットＴＤＵは、
−（受動型）基板層ＰＬ１
−電気活性高分子（ＥＡＰ）層Ｌ１（典型的な厚さ：１乃至１００μｍ）
−受動型拡張層ＰＬ２（典型的な厚さ：０．１乃至５ｍｍ）

ＥＡＰ層Ｌ１は、駆動層を構成する。典型的には、斯かる駆動層は、１０％よりも大きな、好適には２０％よりも大きな、更に好適には５０％よりも大きな変形（力学的歪）が可能である。斯かる駆動層の例は、高分子駆動層（人工筋肉としても知られる）である。電気活性高分子は、例えばSRI International社（米国、California）及びPolyPower社（デンマーク国、Nordborg）により開発されており、PolyPower社はＥＡＰの真のロール・ツー・ロール（roll-to-roll）工程を提供している。誘電エラストマーは、電場の影響下で形状を変化させる（電気歪）物質である。これらは、比較的薄い（潜在的に適合した）層における使用に特に適した高分子駆動物質である。

対電極Ｅ１は、基板ＰＬ１とＥＡＰ層Ｌ１との間に配置される。これとは逆に、電極ユニットＥ２は、ＥＡＰ層Ｌ１の反対側に配置される。電極Ｅ１、Ｅ２の少なくとも一方は好適には伸縮可能であり（少なくとも部分的に）透明である。電極物質の例は、例えば黒鉛粉末若しくはグリース、カーボンナノチューブ、グラフェン（黒鉛単原子層）、ＰＥＤＯＴ（プラスチック太陽電池に利用されるＰＥＤＯＴ−ＰＳＳ）、ポリピロール（導電高分子）又はＩＴＯ（導電性金属酸化物）である。これらの物質は、とり得る物質の単なる例であり、本発明の範囲を限定するものではないことは、留意されるべきである。

制御ユニットＣＵによる対電極Ｅ１と電極ユニットＥ２との間の電圧の印加は、ＥＡＰ層Ｌ１の立体構造の変化を引き起こす。ＥＡＰ層Ｌ１は特に、電極Ｅ１と電極Ｅ２との間の空間に押し込まれていても良く、該層の物質は隣接する境界領域へと絞り出され、その結果膨らむ。受動拡張層ＰＬ２の平均化効果により、ＥＡＰ層Ｌ１のこれら立体構造の変化は、触覚表示面ＴＤＳにおける電極ユニットＥ２上の滑らかな窪みＤの出現につながる。表示装置１００全体では、多量の斯かる小型の局所的な立体構造変化（窪みＤ）が、触覚表示面ＴＤＳに特定のトポロジをとらせる。

画像表示ユニットＩＤＵとトポロジ表示ユニットＴＤＵとの間の境界面において、画像ディスプレイ内の電場がトポロジディスプレイにおける高い電圧（高い電場）により影響を受けないようにするための手段が講じられる必要がある。このことは、トポロジディスプレイＴＤＵの底部電極Ｅ０を備え、該電極に画像ディスプレイの上部電極と同じ電圧を与えることにより実現され得る。このようにして、これらの間において電場はゼロとなり、容量電荷は生じない。

図２は、図１の表示装置１００全体の上面図を示し、図１に示された断面は破線Ｉ−Ｉにより示される。更に、ＥＡＰ層Ｌ１の上面における電極アレイの電極ユニットＥ２のうち幾つかのみが図２において示されている。

異なる層の境界における回折、屈折及び反射を防ぐため、全ての境界面における屈折率は、好適には可能な限り合致するべきである。モアレを防ぐため、電極ユニットＥ２の不規則な配置が好適である。

更に、図２は、制御ボタン又はキーパッドのキーのような機能要素の実装を示している。当該キー又はボタンは、画像表示ユニットＩＤＵによって円Ｋｏｐｔとして光学的に表示され、更にトポロジ表示ユニットＴＤＵによって特定のトポロジＫｔａｃにより同じ位置に提示される。

要約すると、本発明の必須の特徴は、動的で好適には柔軟で立体構造的な、電子的に制御される表示面トポロジを、静的又は動的なディジタル表示面又はインタラクティブな仕上げに提供することであり、ここで電子的な表示面トポロジは、予想される表示面のトポロジ及び/又は触感に略合致するものであり、触覚−視覚ディスプレイに帰着する。

好適な実施例においては、このことは、少なくとも１つの規則的な又は不規則な（パターン化した）駆動電極の間に被覆された、透明な、不透明な又は半透明なエラストマーの、セグメント化された又はマトリクスアドレス型の層により実現され、該層は任意に、少なくとも１つの、対向する、隣接する又は介挿された制御電極により拡張され、ここで該電極及び制御電極は、透明なもの、半透明なもの、不透明なもの、反射性のもの、吸収性のもの、色付きのもの、不透明なもの又はこれらのいずれかの組み合わせであるが、生成される表示面のトポロジ及び選択される電極構成が、光学ドメインにおいて提示される情報を歪ませないように積層されたものであり、表示面の光学特性及び／又は外観の任意の拡張（方向、合致、一致画像及びレリーフ構造）が除外されるものではない。

上述した設計に関して、図３は、駆動電極Ｅ１、Ｅ２の規則的なマトリクス配置を、別個に（図の上部）及び該表示装置における組み合わせで（図の下部）、図１の表示装置（又はそれと同様のもの）の上面図で示す。該組み合わせがモアレを生成することがわかる。

図４は、駆動電極Ｅ２の不規則なマトリクス配置及び駆動電極Ｅ１の規則的な配置を、別個に（図の上部）及び該表示装置における組み合わせで（図の下部）、図１の表示装置（又はそれと同様のもの）の上面図で示す。この場合にはモアレが生じない。

２つの規則的なアレイの組み合わせは通常、光学ドメインにおける歪（モアレ）を引き起こすため、アレイにおける電極の少なくとも一方は不規則であることが好適であり、そうすれば９０°の角度で第２の（規則的な又は不規則な）アレイと組み合わせられてもモアレは観測されない。この場合にも、歪は観測されない。

図５は、電極の種々の配置を、図１のもののような表示装置の側面図で示す。即ち：
ａ）駆動電極Ｅ１、Ｅ２の（規則的な又は不規則な）配置
ｂ）＋ｆ）上層に隣接する制御電極ＥＣを伴う駆動電極Ｅ１、Ｅ２の配置
ｃ）＋ｄ）介挿された制御電極ＥＣを伴う駆動電極Ｅ１、Ｅ２の配置

ｅ）下層に隣接する制御電極ＥＣを伴う駆動電極Ｅ１、Ｅ２の配置

市販されているＥＡＰは現在、駆動するために高い電場を必要とするという事実により特徴付けられる。従って、斯かるＥＡＰを有するトポロジ表示ユニットは高い駆動電圧（キロボルトの範囲）を必要とし、操作が困難で危険なものとなっている。それ故、これら表示装置を人間によって触れられ得るものとし使用可能なものとするためには、適切な対策がとられる必要がある。その一歩として、高い電圧の電源及び容量エネルギーポテンシャルからの電流を制限する外部手段がとられても良い。加えて、２つのおもな内部手段がここで提案される：
−トポロジ表示ユニットとユーザの指又はその他の外部電気機器との間の電気的な絶縁及び遮断
−トポロジ表示ユニットと画像表示ユニットとの間を適切に電気的に遮断して、前者の高い電圧／電場が後者の動作に影響を与えないようにすること

これら手段のうち前者は、ディスプレイを本質的に安全なものとし、該表示装置の外部における以下の２つの層の適用を特に有しても良い：
−接地された電極
−該電極の上端における、電気的に絶縁された層

従って、該表示装置に触れるユーザは常に、最初に絶縁層に触れることとなる。また、絶縁が失敗した場合には、ユーザは接地層に触れることとなる。このことは好適には、例えば容量測定によって、制御ユニットにより電子的に検出され、安全のための更なる手段としてトポロジ表示ユニットの高電圧駆動を停止するために利用されても良い。

更に、例えば以下の手段により、駆動電圧の低減が達成され得る：
−ｎ個の駆動層の積層。積層全体に対する１つの大きな電圧差ΔＶの代わりに、電場をｎ個の小さな部分に分割して、それにより体操する電極間の必要とされる電圧差がΔＶのうちのごく一部のみとできる。
−低い弾性率（ヤング率）を持つ駆動物質を使用する。このことは、該物質を圧することを容易化し、駆動のために比較的低い電場及びそれ故低い電圧しか必要とされなくなる。

図６は、以上の特徴を取り入れた表示装置２００を模式的に示す。本図（及び図７）は定縮尺ではなく（特に層の厚さが誇張されている）、電極アレイの内部構造が図示されていないことは、留意されるべきである。表示装置２００は、上端にトポロジ表示ユニットＴＤＵを伴う画像表示ユニットＩＤＵを有する。トポロジ表示ユニットＴＤＵは、視覚表示面ＶＤＳからトポロジ表示面ＴＤＳに向かう方向に、以下の層のシーケンスを持つ：
−視覚表示面ＶＤＳ上に電気的絶縁層ＰＬ１
−好適には接地され、トポロジ表示ユニットＴＤＵにおける電場から画像表示ユニットＩＤＵを遮断する、第１の電極Ｅ１
−第１のＥＡＰ層Ｌ１
−高い電圧を供給され得る第２の電極Ｅ２
−第２のＥＡＰ層Ｌ２
−好適には接地された上端電極ＥＴ
−触覚表示面ＴＤＳを提供する電気的絶縁層ＰＬ２

電極層Ｅ１、Ｅ２及びＥ３は、これら電極に適切な電圧を供給する制御ユニットＣＵに接続されている。これら層のうち少なくとも１つ（例えば中央の層Ｅ２）は通常、単一の電極ユニット（図示されていない）のアレイに更に分割されることは、留意されるべきである。

画像表示ユニットＩＤＵとトポロジ表示ユニットＴＤＵとの間の境界面には、前者の内部の電場が、後者の内部の高い電圧（高い電場）により影響を受けないようにするための手段が講じられる必要がある。このことは、底部の電極Ｅ１に、画像表示ユニットＩＤＵの上部電極と同じ電圧を与えることにより、表示装置２００において達成される。このようにして、間の電場はゼロとなり、容量帯電は生じない。

図７は、画像表示ユニットＩＤＵの上に配置されたトポロジ表示ユニットＴＤＵを有する、表示装置の更なる実施例３００を示す。上述の実施例と同様に、視覚表示面ＶＤＳは電気的絶縁ＰＬ１によりカバーされ、該ＰＬ１は次いで導電層ＥＴ（典型的には接地される）によりカバーされる。同様に、触覚表示面ＴＤＳは絶縁層ＰＬ２の外面であり、最上部の（典型的には接地された）導電電極ＥＴ上にある。

上述した構成要素間には複数の「活性積層」があり、これら活性積層のそれぞれは、２つの電極層（Ｅ１とＥ２、Ｅ２とＥ３、Ｅ３とＥ４、Ｅ４とＥ５、又はＥ５とＥＴ）の間に配置されたＥＡＰ層（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４又はＬ５）を有する。それ故、隣接する活性積層は、中間電極層を共有する。

ＥＡＰ層は、触覚表示面ＴＤＳから視覚表示面ＶＤＳに向かうにつれて増大する厚さを持ち、それにより、駆動時にユーザの皮膚に近い層に小さく安全な電圧のみが印加される。ＥＡＰ層Ｌ１乃至Ｌ５の厚さは、印加される電圧のため電極Ｅ１乃至ＥＴ間の十分に強い電場を生成するように構成される。典型的な例においては、これらの電圧は、電極層Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４及びＥ５についてそれぞれ１ｋＶ、１００Ｖ、１０Ｖ及び１Ｖであっても良い（Ｅ１及びＥＴは接地される）。

説明された設計の更なる利点は、（高い）電圧の電極Ｅ２乃至Ｅ５の間に接地電極が必要とされない点である。高電圧（ｋＶ）から始めて、抵抗性の構造によりつくり出される電圧分割により、制御ユニットＣＵにおいて低い電圧が生成され得る。また、最も高い電圧の電極Ｅ２は積層の中深くにあるため、破壊電流は当該電極に向かって流れることとなる。

上述したシステムにおいては、異なる層に印加された電圧間の関係は、電圧分割構造によって固定される。より高度な実施例においては、各層は個別にアドレス指定されることができ、各層に対して別個に特定の電圧が印加されることができる。

本発明の手法及び説明された表示装置は、以下の利点を持つ。
−拡張された視覚性による種々の表示面のより自然な外観。駆動が窪み又は隆起を呈し、追加的な視覚効果、３次元効果等をもたらす。
−現実的な触覚効果。ユーザにより感知されることができる３次元トポロジにより、表示面が特定の表面のように見えるのみならず、そのように触知される。聴覚的、視覚的、触覚的及び熱的な感覚の刺激が得られる。
−プログラム可能な触覚要素を備えた視覚的（又はグラフィック）ユーザインタフェースのサポート。駆動高分子の大きな利益はユーザインタフェースに存し、「現実的なボタン」及び布地の感触のような制御が、表示面上のどこにでも自由に生成されることができる。対応する視覚と共にこれら触覚要素をサポートすることは、使用の簡便性及び自然さを増大させる。
−代替としては、例えばドレスの実際の具現化に先立ち、布地のトポロジが所与の色に合致するように考察されることができる。
−触知の統合。高分子駆動層は、該層が圧縮されると電気容量が変化するコンデンサを形成する。このことは、ユーザからの触覚的入力及びその逆を感知し、接触検出時にユーザに対する触覚的なフィードバックを提供するために利用されることができる。
−トポグラフィックな駆動による光学触覚フィードバック／認識生成。例えば、トポグラフィを生成しなければ完全に透明である層におけるトポグラフィの生成（例えば水のような表面における波紋）、又は染色された誘電エラストマー物質。この効果は、完全に光学的な又は完全に触覚的な効果の間のいずれの組み合わせであっても良い。

本発明の用途は、形状（表示面トポロジ）変化型表示装置、ユーザインタフェース面（ＧＵＩを現実のボタントポロジと組み合わせるもの）、及びタッチ画面を有する。

最後に、本出願において、「有する（comprising）」なる語は他の要素又はステップを除外するものではなく、「１つの（a又はan）」とは複数を除外するものではなく、単一のプロセッサ又はその他のユニットが幾つかの手段の機能を実行しても良いことを、指摘しておく。本発明は、それぞれの及び全ての新規な特徴及び特徴のそれぞれの及び全ての組み合わせに存する。更に、請求項における参照番号は、請求の範囲を限定するものではない。

Claims (10)

1. 視覚画像が表示され得る視覚表示面を持つ画像表示ユニットと、
   前記視覚表示面に隣接して配置され、触覚表示面におけるトポロジを制御可能に変更するように構成された、トポロジ表示ユニットとを有し、
   前記トポロジ表示ユニットは、電気活性高分子の層を持つ複数の活性積層を有し、当該活性積層の前記電気活性高分子の層の厚さは、前記視覚表示面からの距離が増大するにつれて増大する、表示装置。
2. 表示装置を用いて情報を提示する方法であって、
   画像表示ユニットの視覚表示面において、視覚画像として前記情報の一部を提示するステップと、
   トポロジ表示ユニットの触覚表示面において、変更可能なトポロジとして前記情報の更なる一部を提示するステップとを有し、
   前記触覚表示面は、前記視覚表示面に隣接して配置され、前記トポロジ表示ユニットは、電気活性高分子の層を持つ複数の活性積層を有し、当該活性積層の前記電気活性高分子の層の厚さは、前記視覚表示面からの距離が増大するにつれて増大する、方法。
3. 前記表示装置は、前記触覚表示面に表示されるトポロジを制御するための制御ユニットを有し、前記制御ユニットは好適には、前記表示されるトポロジを、前記画像表示ユニットにより表示される視覚画像に関連付けるように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
4. 前記画像表示ユニットは、種々の画像が選択的に表示されることができる表示手段であることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
5. 前記トポロジ表示ユニットは更に、前記視覚表示面に対する外力の印加を示すセンサ信号を供給することを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
6. 前記表示装置は、前記印加された外力の位置に関して前記センサ信号を評価するように構成された制御ユニットを有することを特徴とする、請求項５に記載の表示装置。
7. 前記トポロジ表示ユニットの透明な構成要素の屈折率は互いに近い値であることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
8. 前記トポロジ表示ユニットは、前記視覚表示面及び／又は付加的な受動層を提供する絶縁層を有することを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
9. 前記表示装置は、前記画像表示ユニットと前記トポロジ表示ユニットとの間に配置された導電層、及び／又は前記触覚表示面と前記トポロジ表示ユニットのその他のいずれかの導電性構成要素との間に配置された導電層を有し、前記導電層は所与の電位を与えられることができることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
10. 前記トポロジ表示ユニット及び／又は前記画像表示ユニットを制御するための制御ユニットを有し、前記制御ユニットは、障害状態を検出し、それに応じて電力供給を中断させるように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。

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