(57)【要約】      （修正有）【課題】改良された触覚フィードバックデバイスの提供。【解決手段】触覚デバイス１００は、シャフトを有するアクチュエータ１１０と、アクチュエータのシャフトに結合されている質量体１３０と、質量体及び／又は基部にアクチュエータを弾性的に結合させるように構成されている弾性部材１２０と、を備える。アクチュエータと質量体は、動作の態様が第１の振動周波数範囲に関連付けられている第１の動作モードと、動作の態様が第１の振動周波数範囲とは異なる第２の振動周波数範囲に関連付けられている第２の動作モードとを有する。第２の振動周波数範囲は、アクチュエータと少なくとも質量体又は基部の一方との弾性結合に関連付けられている調和振動周波数を含む。また、アクチュエータと質量体は、アクチュエータ及び質量体の動作の態様が第１の動作モードと第２の動作モードの同時動作である第３の動作モードを有する。【選択図】図１
2010191959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトを有するアクチュエータと、
前記アクチュエータのシャフトに結合されている質量体と、
を備えている触覚デバイスであって、
前記アクチュエータが、前記質量体と基部の少なくとも一方に弾性的に結合されている、触覚デバイス。
【請求項２】
前記アクチュエータと前記質量体が、全体として、一つの周波数範囲に関連付けられている第１の動作モードと、前記第１の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲とは異なる周波数範囲に関連付けられている第２の動作モードとを有し、前記第２の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲が、前記質量体と基部の少なくとも一方と前記アクチュエータとの弾性的な結合に関連付けられている調和周波数を含んでいる、
請求項１に記載の触覚デバイス。
【請求項３】
前記アクチュエータと前記質量体が、全体として、前記第１の動作モードと前記第２の動作モードの重ね合わせを含んでいる第３の動作モードを有する、
請求項２に記載の触覚デバイス。
【請求項４】
前記質量体が第１の質量体である、請求項１に記載の触覚デバイスであって、
あるばね定数において前記アクチュエータの前記シャフトに弾性的に結合されている第２の質量体、
を更に備えており、
前記第１の質量体が、前記第２の質量体に関連付けられている前記ばね定数とは異なるばね定数において前記アクチュエータの前記シャフトに弾性的に結合されている、触覚デバイス。
【請求項５】
前記アクチュエータと前記第２の質量体が、全体として、前記第１の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲と、前記第２の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲のいずれとも異なる周波数範囲に関連付けられている第３の動作モードを有し、前記第３の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲が、前記第２の質量体と前記アクチュエータとの弾性結合に関連付けられている調和周波数を含んでいる、
請求項１に記載の触覚デバイス。
【請求項６】
シャフトを有するロータリーアクチュエータと、
前記ロータリーアクチュエータの前記シャフトに結合されている弾性部材と、
前記弾性要素に結合されている質量体と、
を備えている触覚デバイス。
【請求項７】
前記ロータリーアクチュエータと、前記弾性要素と、前記質量体とが、全体として、一つの周波数範囲に関連付けられている第１の動作モードと、前記第１の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲とは異なる周波数範囲に関連付けられている第２の動作モードとを有する、
請求項６に記載の触覚デバイス。
【請求項８】
前記ロータリーアクチュエータの前記シャフトが第１の軸を定義し、前記ロータリーアクチュエータと、前記弾性要素と、前記質量体とが全体として前記第１の動作モードであるときに、前記質量体が、前記第１の軸を中心に回転し、
前記弾性部材が、第２の軸を定義する位置を有し、前記ロータリーアクチュエータと、前記弾性要素と、前記質量体とが全体として前記第２の動作モードであるときに、前記質量体が、前記第２の軸を中心に旋回する、
請求項７に記載の触覚デバイス。
【請求項９】
前記第２の動作モードが、前記弾性部材の調和周波数に関連付けられており、かつ、前記質量体に関連付けられている、
請求項７に記載の触覚デバイス。
【請求項１０】
第２の動作モードが、前記弾性部材の調和周波数に関連付けられており、
前記ロータリーアクチュエータと、前記弾性要素と、前記質量体とが、全体として、前記第１の動作モードの前記周波数範囲と前記第２の動作モードの前記周波数範囲との重ね合わせに関連付けられている第３の動作モードを有する、
請求項７に記載の触覚デバイス。
【請求項１１】
前記アクチュエータが、信号を受信するように構成されており、前記ロータリーアクチュエータと、前記弾性要素と、前記質量体とが、全体として、前記第１の動作モードと、前記第２の動作モードと、前記第３の動作モードのうちの一つにおいて動作するように、前記アクチュエータが前記信号に基づいて前記シャフトを回転させるように構成されている、
請求項１０に記載の触覚デバイス。
【請求項１２】
前記ロータリーアクチュエータの一つの位置において前記ロータリーアクチュエータに結合されている第１の制限器と、
前記第１の制限器が前記ロータリーアクチュエータに結合されている前記位置とは異なる、前記ロータリーアクチュエータの位置、において前記ロータリーアクチュエータに結合されている第２の制限器と、
を更に備えている、請求項６に記載の触覚デバイスであって、
前記弾性部材が、前記第１の制限器が前記ロータリーアクチュエータに結合されている前記位置と、前記第２の制限器が前記ロータリーアクチュエータに結合されている前記位置との間において、前記ロータリーアクチュエータに結合されている、触覚デバイス。
【請求項１３】
前記第１の制限器が、第１の端部と第２の端部とを有し、前記第１の制限器の前記第１の端部が、前記第１の制限器が前記ロータリーアクチュエータに結合されている前記位置であり、前記第１の制限器が、角度寸法を有し、前記第１の制限器の前記角度寸法沿いの幅が、前記第１の制限器の前記第２の端部に近い位置よりも、前記第１の制限器の前記第１の端部に近い位置において大きい、
請求項１２に記載の触覚デバイス。
【請求項１４】
前記ロータリーアクチュエータと、前記弾性要素と、前記質量体とが、全体として、固有の周波数範囲に関連付けられている第１の動作モードと、前記第１の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲とは異なる固有の周波数範囲に関連付けられている第２の動作モードとを有し、前記第２の動作モードが、前記第１の制限器の形状と前記第２の制限器の形状とによって少なくとも部分的に定義される有効な調和周波数の範囲に関連付けられている、
請求項１２に記載の触覚デバイス。
【請求項１５】
第１の周波数成分と第２の周波数成分のうちの少なくとも一方を有する信号を受信する手段と、
前記質量体を回転させる手段であって、第１の動作モードと第２の動作モードにおいて、前記受信する手段に応答するように構成されており、前記第１の動作モードが前記第１の周波数成分に関連付けられており、前記第２の動作モードが前記第２の周波数成分に関連付けられている、前記質量体を回転させる前記手段と、
を備えている触覚デバイス。
【請求項１６】
前記質量体を前記回転させる手段が、第３の動作モードにおいて、前記受信する手段に応答するように更に構成されており、前記第３の動作モードが、前記第１の周波数成分と前記第２の周波数成分とに関連付けられている、
請求項１５に記載の触覚デバイス。
【請求項１７】
前記回転させる手段の前記第１の動作モードが、一つの周波数範囲に関連付けられており、
前記回転させる手段の前記第２の動作モードが、一つの周波数範囲に関連付けられており、前記回転させる手段の前記第１の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲が、前記回転させる手段の前記第２の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲と異なっている、
請求項１５に記載の触覚デバイス。
【請求項１８】
前記回転させる手段が、調和周波数に関連付けられている弾性部材を含んでおり、
前記回転させる手段の前記第２の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲が、前記調和周波数を含んでおり、前記調和周波数が、前記回転させる手段の前記第１の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲からの周波数より大きい、
請求項１７に記載の触覚デバイス。
【請求項１９】
前記回転させる手段が、第１の制限器と、第２の制限器と、弾性部材とを含んでおり、
前記回転させる手段の前記第２の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲が、前記回転させる手段の前記第１の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲からの周波数よりも大きい周波数を含んでおり、
前記調和周波数を含んでいる、前記回転させる手段の前記第２の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲が、前記第１の制限器の形状と前記第２の制限器の形状とによって少なくとも部分的に定義される有効な調和周波数の範囲である、
請求項１８に記載の触覚デバイス。
【請求項２０】
自身のシャフトを有し、かつ基部に弾性的に結合されている第１のロータリーアクチュエータと、
前記第１のロータリーアクチュエータに結合されている偏心質量体と、
を備えている、触覚デバイス。
【請求項２１】
前記第１のロータリーアクチュエータの前記シャフトに結合されている第１のギアと、
自身のシャフトと前記第１のギアとに結合されており、かつ前記偏心質量体が結合されている、第２のギアと、
を更に備えている請求項２０に記載の触覚デバイス。
【請求項２２】
ばねを更に備えている、請求項２０に記載の触覚デバイスであって、
前記第１のロータリーアクチュエータが、前記基部に前記ばねによって弾性的に結合されている、触覚デバイス。
【請求項２３】
ピボット部分を有するブラケットを更に備えている、請求項２０に記載の触覚デバイスであって、
前記第１のロータリーアクチュエータが、前記基部に前記ブラケットによって弾性的に結合されており、前記ブラケットの前記ピボット部分が、前記第１のロータリーアクチュエータの前記シャフトによって定義されている軸に実質的に垂直であるピボット軸を定義している、触覚デバイス。
【請求項２４】
自身のシャフトを有する第２のロータリーアクチュエータを更に備えている、請求項２０に記載の触覚デバイスであって、
前記第２のロータリーアクチュエータの前記シャフトが、前記第１のロータリーアクチュエータの前記シャフトに結合されており、前記偏心質量体が、前記第１のロータリーアクチュエータの前記シャフトと前記第２のロータリーアクチュエータの前記シャフトのうちの少なくとも一方に結合されている、触覚デバイス。
【請求項２５】
質量体と、
前記質量体に結合されているアクチュエータと、
を備えている装置であって、
前記アクチュエータと前記質量体とが、全体として、一つの周波数範囲に関連付けられている第１の動作モードと、前記第１の動作モードに関連付けられている前記周波数範囲とは異なる周波数範囲に関連付けられている第２の動作モードとを有するように構成されている、装置。
【請求項２６】
前記アクチュエータと前記質量体が、全体として、前記第１の動作モードと前記第２の動作モードの重ね合わせを含んでいる第３の動作モードを有するように構成されている、
請求項２５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景】
【０００１】
本発明は、触覚（ｈａｐｔｉｃ）フィードバックデバイスに関し、より詳細には、触覚フィードバックデバイスから生成される振動及び類似する力の感覚に関する。
【０００２】
インタフェースデバイスは、ユーザがコンピュータデバイス又は電子デバイスに情報を供給する目的で使用することができる。例えば、コンピュータデバイスの場合、ユーザは、コンピュータによって表示される環境と対話して、コンピュータ上で機能やタスクを実行することができる。例えば、ゲームで遊ぶ、シミュレーションやバーチャルリアリティ環境を体験する、コンピュータ援用設計（ＣＡＤ）システムを使用する、グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を動作させる、或いはその他のプロセスを制御する、コンピュータの出力デバイスに画像を表示させる、などを行うことができる。更に、ユーザは、例えばリモートコントローラ、携帯電話、又はステレオのコントローラなどを使用して、電子デバイスと対話することができる。このようなコンピュータデバイス或いは電子デバイス用の一般的なヒューマンインタフェースデバイスとしては、例えば、ジョイスティック、ボタン、マウス、トラックボール、ノブ、ハンドル、スタイラス、タブレット、圧力感応ボール（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｂａｌｌ）が挙げられる。
【０００３】
インタフェースデバイスによっては、フォースフィードバック又はタクタイル（ｔａｃｔｉｌｅ）フィードバックもユーザに提供され、これらはより一般的には「触覚フィードバック」としても知られている。これらのタイプのインタフェースデバイスは、コントローラを使用しているユーザ、或いはインタフェースデバイスの物理オブジェクト（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｏｂｊｅｃｔ）を操作しているユーザが感じる、物理的な感覚を発生させることができる。これらのインタフェースデバイスのそれぞれは、一つ以上のアクチュエータを備えており、アクチュエータは、制御プロセッサ若しくはコンピュータシステム、又はその両方に接続されている。これによって、制御プロセッサ若しくはコンピュータシステム、又はその両方は、制御信号又はコマンドを触覚フィードバックデバイスのアクチュエータに送ることによって、触覚フィードバックデバイスによって生成される触覚フォース（ｈａｐｔｉｃ  ｆｏｒｃｅ）を、ユーザのアクション、若しくは、グラフィカル環境又は表示される環境に関連付けられているイベント、又はこの両方に連動させて制御することができる。
【０００４】
多くの低価格の触覚フィードバックデバイスは、例えば、ユーザが手に持っている状態で、マニピュランダム（ｍａｎｉｐｕｌａｎｄｕｍ）、若しくは、触覚フィードバックデバイスのハウジング、又はこの両方を振動させることによって、触覚フォースを生成する。例えば、Ｓｏｎｙ  Ｐｌａｙｓｔａｔｉｏｎ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｘｂｏｘ、Ｎｉｎｔｅｎｄｏ  ＧａｍｅＣｕｂｅなどのゲームコンソール用の現在の多くのゲームコントローラには、そのハウジング内に一つ以上の触覚デバイスが取り付けられている。これらの一つ以上の触覚デバイスは、振動のフォースを発生させる目的で作動させることができる。これは、例えば、各触覚デバイスのシャフトに結合されている偏心質量体を回転させることによって達成することができる。この結果として、ゲームコントローラのハウジングも振動する。ゲームコンソールのホストコンピュータは、ゲームコントローラにコマンドを送信して、ゲームコントローラのアクチュエータによる振動の作動及び周波数を制御する。これらの公知のゲームコントローラのいくつかでは、二種類の触覚デバイスが使用されている。一つは、大きな質量体を持つ触覚デバイスであり、低い周波数の振動を発生させる。もう一つの触覚デバイスは、小さい質量体を持ち、より高い周波数の振動を発生させる。
【０００５】
しかしながら、これらの公知の触覚フィードバックデバイスには、いくつかの欠点がある。第一に、これらの公知の触覚フィードバックデバイスによって生成される振動は、非常に限定的であり、大きく変化させることができない。例えば、ホストコンピュータは、上述したゲームコントローラによって生成される振動の周波数を調整することはできるが、振動の大きさを周波数と無関係に変化させることはできない。
【０００６】
第二に、比較的大きな回転質量体を持つ単一アクチュエータ型システムは、荒く大きな振動を発生させるには効果的であるが、微妙な高い周波数の振動を発生させるには効果的ではなく、このため、これらの触覚フィードバックデバイスのユーザが体験することのできる触覚フィードバック効果の種類は、大幅に限定されている。この問題に対してこれまで試みられてきた一つの解決策は、より小さな回転質量体を持つ第２の触覚デバイスを使用することである。しかしながら、この解決策では、コストが高く、比較的大きな空間を使用する。
【０００７】
第三に、アクチュエータに結合されている偏心質量体の回転の開始と停止には、時間的な遅延が伴う。これらの時間的な遅延は、約０．１秒もの長さになることがあり、コンピュータシミュレーション、ゲーム、デバイスなどにおけるイベントやアクション、インタラクション（対話）に、生成される触覚フォースを同期させるうえでの課題となっている。更に、偏心質量体の回転を開始及び停止させるときの遅延は必ずしも一定ではなく、このことも同期上の更なる課題となっている。
【０００８】
従って、改良された触覚フィードバックデバイスのニーズが存在する。
【発明の概要】
【０００９】
触覚デバイスは、アクチュエータと質量体とを備えている。アクチュエータは、シャフトを有する。アクチュエータは、質量体若しくは基部、又はその両方に弾性的に結合されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による触覚デバイスの斜視図を示している。
【図２】本発明の一実施形態による触覚デバイスの平面図を示している。
【図３】本発明の一実施形態による、二つのコンプライアント部分を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図４】本発明の一実施形態による、二つのコンプライアント部分を持つ触覚デバイスの平面図を示している。
【図５】本発明の一実施形態による、調和モードにおいて動作している触覚デバイスの、減衰比の関数としての位置ボードプロットを示している。
【図６】本発明の一実施形態による、調和モードにおいて動作している触覚デバイスの、減衰比の関数としての加速度ボードプロットを示している。
【図７】本発明の一実施形態による、調和モードにおいて動作している触覚デバイスの、ばね定数の関数としての位置ボードプロットを示している。
【図８】本発明の一実施形態による、調和モードにおいて動作している触覚デバイスの、ばね定数の関数としての加速度ボードプロットを示している。
【図９】本発明の一実施形態による、調和モードにおいて動作している触覚デバイスの、質量体の関数としての位置ボードプロットを示している。
【図１０】本発明の一実施形態による、調和モードにおいて動作している触覚デバイスの、質量体の関数としての加速度ボードプロットを示している。
【図１１】本発明の一実施形態による、調和モードにおいて動作している触覚デバイスの、偏心半径の関数としての位置ボードプロットを示している。
【図１２】本発明の一実施形態による、調和モードにおいて動作している触覚デバイスの、偏心半径の関数としての加速度ボードプロットを示している。
【図１３】本発明の一実施形態による、板ばねを持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図１４】本発明の別の実施形態による、板ばねを持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図１５】本発明の一実施形態による、ポリプロピレン弾性部材を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図１６】本発明の別の実施形態による、ポリプロピレン弾性部材を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図１７】本発明の一実施形態による、触覚デバイスの質量体と弾性部材の斜視図を示している。
【図１８】本発明の別の実施形態による触覚デバイスの斜視図を示している。
【図１９】本発明の別の実施形態による、アクチュエータを基部に結合している弾性部材を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図２０】本発明の別の実施形態による、アクチュエータを基部に結合している弾性部材を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図２１】本発明の別の実施形態による、アクチュエータを基部に結合している弾性部材を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図２２】本発明の更に別の実施形態による、アクチュエータを基部に結合している弾性部材を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図２３】本発明の更に別の実施形態による、アクチュエータを基部に結合している弾性部材を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図２４】本発明の実施形態による、共通の回転軸と共通の質量体とを共有している二つのアクチュエータを持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図２５】本発明の別の実施形態による、共通の回転軸と共通の質量体とを共有している二つのアクチュエータを持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図２６】本発明の別の実施形態による、共通の回転軸と共通の質量体とを共有している二つのアクチュエータを持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図２７】本発明の別の実施形態による、制限停止器を持つ触覚デバイスの平面図を示している。
【図２８】本発明の別の実施形態による、制限停止器を持つ触覚デバイスの平面図を示している。
【図２９】本発明の一実施形態による、弾性部材と一体に形成されている制限停止器を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【図３０】本発明の一実施形態による、弾性部材と一体に形成されている制限停止器を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。
【詳細な説明】
【００１１】
本明細書に記載されている実施形態は、全般的には、ばね及び質量体の調和系によって触覚フィードバックフォースを生成する触覚デバイスに関する。このようなシステムは、一つ以上のばね要素と組み合わせられている一つ以上の運動質量体を備えていることができる。使用した用語「ばね及び質量体のシステム」は、弾性的又は可撓的に結合されている質量体を持つ任意のタイプのシステムを意味する。このような弾性的又は可撓的な結合は、例えば、ばね部材又は可撓性部材によって達成することができる。従って、本明細書における弾性部材又は弾性結合は、可撓性部材又は可撓性結合にも適用することができる。
【００１２】
これらの触覚デバイスは、ハウジングのユーザに触覚フィードバックフォースを提供する目的で、（例えば機械的な取り付けによって）ハウジングに結合するか、又はハウジングの中で結合することができる。ハウジングは、例えば、ゲームコントローラ、通信デバイス、リモートコントローラ、又はステレオのコントローラ、或いは、コンピュータデバイス又は電子デバイスのヒューマンインタフェースデバイスとして、ジョイスティック、ボタン、マウス、トラックボール、ノブ、ハンドル、スタイラス、タブレット、圧力感応ボールなどでよい。
【００１３】
多くの実施形態においては、触覚デバイスは、アクチュエータと質量体とを備えている。アクチュエータは、シャフトを持つ。アクチュエータは、質量体若しくは基部、又はこの両方に弾性的に結合されている。一つの実施形態においては、アクチュエータがロータリーアクチュエータであり、質量体が偏心質量体であり、ロータリーアクチュエータのシャフトが偏心質量体に弾性部材によって弾性的に結合されている。この実施形態においては、触覚デバイスのロータリーアクチュエータと、偏心質量体と、弾性部材は、全体として、一つの周波数範囲に関連付けられている第１の動作モードと、この第１の動作モードに関連付けられている周波数範囲とは異なる周波数範囲に関連付けられている第２の動作モードとを有する。例えば、第１の動作モードは、ロータリーアクチュエータのシャフトを中心とする質量体の一方向の回転に基づくモードとすることができる。第２の動作モードは、質量体の調和運動に基づくモードとすることができる。
【００１４】
本明細書に説明する触覚デバイスの実施形態は、発明の背景のセクションで説明した公知の触覚デバイスの欠点の多くに対処している。例えば、本文書に説明する触覚デバイスの実施形態では、拡張された周波数範囲にわたり、振動の大きさと周波数とを独立して制御することができる。更に、一つのアクチュエータが、例えば質量体の一方向の回転に基づく動作モードを使用することによる低周波数の振動と、例えば質量体の調和運動に基づく動作モードを使用することによる高周波数の振動の両方を生成することができる。アクチュエータは、いずれかの動作モードにおいて単独に動作するか、又は、両方の動作モードにおいてそれぞれ重複する時間だけ動作して、低周波数の振動と高周波数の振動の重ね合わせ（ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ）を生成することができる。また、振動の開始及び停止に関連する時間的な遅延は、公知の触覚デバイスの遅延よりも小さくすることができる。
【００１５】
本明細書においては、用語「動作モード」は、アクチュエータの動作の態様を意味する目的で使用している。このような動作モードは、例えば、アクチュエータに流される信号に関連付けることができる。例えば、アクチュエータの一つの動作モードは、アクチュエータに流される直流（ＤＣ）信号に関連付けることができる。この動作モード（本明細書においては「一方向モード」とも称する）においては、アクチュエータが動作すると、この一方向モードに関連付けられている周波数範囲内で、アクチュエータに結合されている質量体の求心加速度が生じる。アクチュエータの別の動作モードは、例えば、アクチュエータに流される交流（ＡＣ）信号（例：極性が反転する信号）に関連付けることができる。この動作モード（本明細書においては「調和モード」とも称する）においては、アクチュエータは、この調和モードに関連付けられている周波数範囲内で、交互に反対の方向に質量体を駆動する。代替の実施形態においては、調和モードは、一方向の電圧を調和周波数にてアクチュエータに供給することによって達成することができる。この例に従うと、アクチュエータに単一の信号を供給することによって、一方向モードと調和モードの両方を生じさせることができ、この場合、例えば、調和モードに関連付けられている周波数と、一方向モードに関連付けられている周波数とが重なっている。
【００１６】
一方向モードに関連付けられている周波数範囲は、一般には、調和モードに関連付けられている周波数範囲とは異なる。これらの周波数範囲は、例えば、まったく重なりが生じないか、或いは、一方が他方の範囲の一部分でよい。例えば、一方向モードに関連付けられている周波数範囲が１０〜４０Ｈｚであり、調和モードに関連付けられている周波数範囲が５〜２５０Ｈｚとすることができる。この例においては、一方向モードに関連付けられている周波数範囲が、調和モードに関連付けられている周波数範囲の一部分である。言い換えれば、アクチュエータが一方向モードにおいて動作しているときに生成されうる振動周波数が、アクチュエータが調和モードにおいて動作しているときに生成されうる振動周波数の一部分である。別の実施形態においては、一方向モードに関連付けられている周波数範囲と、調和モードに関連付けられている周波数範囲とが、まったく重ならない。更に別の実施形態においては、一方向モードに関連付けられている周波数範囲が、調和モードに関連付けられている周波数範囲と部分的に重なる。
【００１７】
アクチュエータの更に別の動作モードは、一方向モードと調和モードの重ね合わせに関連付けることができる。この動作モード（本明細書においては「重ね合わせ」モードとも称する）においては、アクチュエータをＤＣ信号とＡＣ信号とによって同時に駆動することによって、一方向モードに関連付けられている周波数範囲内で、アクチュエータに結合されている質量体の求心加速度を生じさせ、その一方で、調和モードに関連付けられている周波数範囲内で、互いに反対の二方向にも質量体を駆動することができる。前出の例の場合、アクチュエータを重ね合わせモードにおいて動作させることによって、１０〜４０Ｈｚの間の振動周波数と、５〜２５０Ｈｚの間の一つ以上の振動周波数とを同時に生じさせることができる。なお、本明細書に記載した範囲は、説明を目的としたものであり、本明細書に説明した実施形態では、実用的な任意の範囲を使用することができる。
【００１８】
実施形態によっては、一方向モード、調和モード、及び重ね合わせモード以外のモードが可能である。このような実施形態では、例えば、調和モードに対応する複数の構造部分を持つことができる。例えば、第１の質量体をロータリーアクチュエータに弾性的に結合し、第２の質量体を第１の質量体に弾性的に結合することができる。このような実施形態においては、一つの調和モードを、アクチュエータと第１の質量体との間の弾性的結合に関連付けて、別の調和モードを、第１の質量体と第２の質量体との間の弾性的結合に関連付けることができる。別の例においては、二つの質量体を、二つの異なるばね定数となるように、ロータリーアクチュエータのシャフトに弾性的に結合することができる。この結果として、二つ以上のモード、すなわち一方向モードと、第１の調和モードと、第２の調和モードを重ね合わせることが可能である。任意の数の調和モードを持つ実施形態も可能である。
【００１９】
本明細書に記載されている実施形態の多くは、アクチュエータのシャフトを中心に回転する質量体に結合されているロータリーアクチュエータに関連付けられるが、ロータリー形式でない実施形態も可能である。例えば、一つの実施形態は、軸に沿って伸縮するばねを備えており、ばねの一端が質量体に結合されており、ばねの他端がアクチュエータのシャフトに結合されており、シャフトが軸に沿って移動する。別の実施形態においては、アクチュエータは、パンケーキモーター（ｐａｎｃａｋｅ  ｍｏｔｏｒ）であるか、又は中空のコアを持つモーターである。一般に、アクチュエータは、トルクを発生させる任意のタイプのメカニズムでよい。
【００２０】
更に、本明細書に説明する多くの実施形態は、回転がアクチュエータのシャフトに垂直な平面内であるロータリーシステムに関するが、回転が平面内にない代替実施形態が可能である。例えば、質量体をアクチュエータに結合している弾性部材が、回転方向以外の方向に、又は回転方向とそれ以外の方向とに、弾性を持つことができる。このような実施形態においては、調和モードでは、質量体の非平面を非平面に動かすことができる。
【００２１】
本明細書において使用されている用語「アクチュエータ」は、運動を発生させる運動アクチュエータを指す。このようなアクチュエータは、例えば、モーター、圧電構造、ボイスコイルでよい。このアクチュエータは、触覚フォースを発生させる触覚フォースアクチュエータとは区別されている。説明を明確にするため、このような触覚フォースアクチュエータは、本明細書においては触覚デバイスと称する。従って、アクチュエータ（運動アクチュエータ）は、触覚デバイス（触覚フォースアクチュエータ）の中に含めることができる。
【００２２】
本明細書においては、用語「弾性部材」は、変形後に最初の形状又は状態に戻る傾向のある材料から成る任意のタイプの構造部分を意味する目的で使用している。このような弾性部材は、例えば、プラスチック構造又はゴム構造、或いは板ばねや螺旋ばねなどの金属構造でよい。弾性部材は、調和モードが可能であるような適切な弾性を有するという意味において、弾性的である。例えば、アクチュエータが、弾性的に結合されている偏心質量体を持つロータリーアクチュエータである実施形態の場合、弾性結合の弾性は、調和モードにおいて、一方向モードと重ね合わせて、又は一方向モードと重ね合わせずに、質量体を動かすのに十分なものである。
【００２３】
本明細書においては、用語「触覚」は、いわゆる触覚に関連し、タクタイルとも称する。従って、触覚デバイスとは、例えばコンピュータ又は電子デバイスの命令下でユーザに力を伝えることにより、ユーザがそのコンピュータ又は電子デバイスと物理的な触覚を通じて対話したりインタフェースとして使用することのできるデバイスである。これらの触覚デバイスでは、動作原理の微妙な差異を示す様々な名前が使用されることがあるが、それらはすべて用語「触覚」の範疇である。このような様々な名前としては、タクタイルフィードバック、フルフォース（ｆｕｌｌ  ｆｏｒｃｅ）フィードバック、振動触覚（ｖｉｂｒｏ−ｔａｃｔｉｌｅ）、ランブル（ｒｕｍｂｌｅ）フィードバック、タッチ式（ｔｏｕｃｈ−ｅｎａｂｌｅｄ）、タッチ起動式（ｔｏｕｃｈ−ａｃｔｉｖａｔｅｄ）などがあり、それぞれ、触覚デバイスの様々な動作方式の名称である。例えば、ランブルフィードバックは、一般には、ゲームコントローラで有名なローファイの揺れ（ｌｏｗ−ｆｉｄｅｌｉｔｙ  ｓｈａｋｅｓ）又は振動（ランブル）を指し、ゲームにおいて重要なイベントと連動して使用される。
【００２４】
図１と図２は、それぞれ、本発明の実施形態による触覚デバイスの斜視図と平面図を示している。図１と図２に示すように、触覚デバイス１００は、アクチュエータ１１０と、弾性部材１２０と、質量体１３０とを備えている。アクチュエータ１１０は、ロータリーアクチュエータであり、シャフト１１５を備えている。弾性部材１２０は、近接部分１２１と、コンプライアント部分１２２と、先端部分１２５とを備えている。弾性部材１２０の近接部分１２１は、アクチュエータ１１０のシャフト１１５に結合されている。先端部分１２５は、コンプライアント部分１２２より広い幅を持ち、質量体１３０に結合されている。
【００２５】
アクチュエータ１１０は、任意のタイプのロータリーアクチュエータでよく、例えば、直流（ＤＣ）モーター、ボイスコイル型アクチュエータ、可動磁石型アクチュエータでよい。更に、アクチュエータ１１０は、ゲームコントローラのハウジングの中などデバイスのハウジング（図示していない）の中に配置して、ハウジングに機械的に取り付けることができる。ゲームコントローラの中に配置されて機械的に取り付けられている触覚デバイスの例は、特許出願番号第０９／９６７，４９４号明細書と特許出願番号第０９／９６７，４９６号明細書とに開示されており、これらの二つの明細書は本明細書に参考とすることにより組み込まれている。
【００２６】
弾性部材１２０は、近接部分１２１と、コンプライアント部分１２２と、先端部分１２３とにわたる単一構造として一体に形成されているように図示したが、それ以外の構造も可能である。コンプライアント部分が可撓性材料から成る場合、近接部分と先端部分は、可撓性材料から作製する必要がなく、コンプライアント部分と一体に形成する必要もない。例えば、弾性部材のコンプライアント部分は、質量体若しくはアクチュエータのシャフト、又はその両方に、個別の継手又は締結具によって結合することができる。同様に、弾性部材は、例えば板ばねや螺旋ばねなど、様々なタイプでよい。
【００２７】
触覚デバイス１００のアクチュエータ１１０と、弾性部材１２０と、質量体１３０は、全体として、一つの周波数範囲に関連付けられている第１の動作モードと、この第１の動作モードに関連付けられている周波数範囲とは異なる周波数範囲に関連付けられている第２の動作モードとを有する。例えば、第１の動作モードは、アクチュエータ１１０のシャフト１１５を中心とする質量体１００の一方向の回転に基づくモードとすることができる（本明細書においては「一方向モード」とも称する）。第２の動作モードは、質量体の調和運動に基づくモードとすることができる（本明細書においては「調和モード」とも称する）。
【００２８】
より具体的には、アクチュエータ１１０のシャフト１１５と質量体１３０との間に結合されている弾性部材１２０が、結果的に調和系となる。調和系においては、電気的な駆動信号とその結果生じるモーターのトルクが、保守的な機械系（ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｖｅ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）に対して作用する。このような調和系は、特定の周波数（例：機械系の共振周波数）における振動が大きい二次挙動を示す。この実施形態においては、触覚デバイス１００は、調和系として構成されており、調和モード時には、弾性部材１２０がエネルギを蓄えて、そのエネルギを解放する。言い換えれば、弾性部材１２０のコンプライアント部分１２２は、ＡＣ駆動信号の一方の極性に応答して質量体１３０が動いている間にエネルギを蓄えて、ＡＣ駆動信号の他方の極性に応答して質量体１３０が動くときにエネルギを解放する。この結果として、調和的な運動と、対応する幅の広い共振を通じての増幅につながる。この結果として、良好な電力効率において、振幅の大きな振動とその他の効果が得られる。更に、触覚デバイス１００が調和モードで動作している間、多数の異なる周波数成分を持つ複合ＡＣ駆動信号を互いに重ね合わせることができる。
【００２９】
発明者は、機械系の減衰係数を小さくすることが有利であることを認識した。これによって、より効率的な調和振動となる。従って、弾性部材１２０のコンプライアント部分１２２は、小さい減衰を示すポリプロピレンから作製することができる。これに代えて、弾性部材は、鋼、ワイヤ、プラスチックのほか、質量体１３０をアクチュエータ１１０のシャフト１１５に直列に結合することのできるその他の類似するタイプの材料によって作製することができる。
【００３０】
一方向モードにおける動作時には、アクチュエータ１１０を例えばＤＣ電流によって駆動することによって、求心加速度を伴って質量体１３０をアクチュエータ１１０のシャフト１１５を中心に回転させることができる。この求心加速度によって、デバイスハウジングに対する強い慣性力が生じる。一方向モードにおいて動作している間、振動の大きさを制御する目的でファームウェア手法を使用することができる。例えば、デューティサイクルが５０％である特定のパルス繰り返し率では、一定電圧（すなわち１００％のデューティサイクル）を印加した場合の半分の振動の大きさで、質量体１３０が特定の速度で一方向に回転する。このようなファームウェアの更なる例は、特許出願第０９／６６９，０２９号に開示されており、この文書は本文書に参考とすることにより組み込まれている。
【００３１】
アクチュエータ１１０が調和モードで動作しているとき、質量体１３０は、駆動信号（例：アクチュエータ１１０を駆動するＡＣ信号）の周波数で、又はほぼこの周波数で振動する。このような駆動信号は、例えば、Ｈブリッジ回路又はその他の増幅器によって生成することができる。この場合、一方向モードにおいて質量体が運動する場合よりも、質量体の運動を開始及び停止させるときの時間的な遅延が小さく、これは有利である。
【００３２】
図１と図２は、一つのコンプライアント部分を持つ弾性部材を示しているが、弾性部材が複数のコンプライアント部分を持つ代替実施形態も可能である。例えば、図３と図４は、それぞれ、本発明の実施形態による、二つのコンプライアント部分を持つ触覚デバイスの斜視図と平面図を示している。図３と図４に示すように、触覚デバイス２００は、アクチュエータ２１０と、弾性部材２２０と、質量体２３０とを備えている。アクチュエータ２１０は、ロータリーアクチュエータであり、シャフト２１５を備えている。弾性部材２２０は、近接部分２２１と、コンプライアント部分２２２，２２３と、先端部分２２５，２２６とを備えている。弾性部材２２０の近接部分２２１は、アクチュエータ２１０のシャフト２１５に結合されている。先端部分２２５，２２６のそれぞれは、コンプライアント部分２２２，２２３より広い幅を持ち、質量体２３０に結合されている。図３と図４に示した弾性部材２２０は二つのコンプライアント部分２２２，２２３を持つが、弾性部材が三つ以上のコンプライアント部分を持つ別の実施形態も可能である。
【００３３】
留意すべき点として、一つ以上のコンプライアント部分は、一つの自由度、又は質量体の移動の軸について、コンプライアントとすることができるが、残りの自由度においてはコンプライアントである必要はない。例えば、コンプライアント部分１２２（図１と図２に示してある）は、アクチュエータ１１０のシャフト１１５に沿った回転軸に平行な方向には可撓性でなくてよい。同様に、コンプライアント部分２２２，２２３のそれぞれは、アクチュエータ２１０のシャフト２１５に沿った回転軸に平行な方向には可撓性でなくてよい。図３が最もよく示すように、コンプライアント部分２２２，２２３は、アクチュエータ２１０のシャフト２１５に平行な方向に沿っては比較的厚くすることができる。
【００３４】
別の実施形態においては、触覚デバイスは、剛性可変型の機械的アクチュエータを備えている。弾性部材のコンプライアント部分のばね定数（Ｋ）の値を駆動周波数の関数として変化させることができるならば、触覚デバイスはほぼ最大の大きさと効率とで動作することができる。剛性可変型の機械的アクチュエータは、例えば、圧電構造（例：圧電ブザー）でよい。このような圧電構造では、例えば、質量体の上にセラミックを含めることができ、この場合、印加電圧によってセラミックが動く。印加電圧を正しく選択することによって、セラミックをばねのように機能させることができる。圧電構造では、そのばね定数をバイアス電圧の関数として変化させることができる。この結果として、圧電構造素子を駆動する周波数−電圧変換器によって、ばね定数を調整することにより触覚デバイスの共振周波数を維持することができる。
【００３５】
一方向モードと調和モードとを持つ触覚デバイスの実施形態（例：図１と図２に示した触覚デバイス１００と、図３と図４に示した触覚デバイス２００）の特定の挙動は、モデル化することができる。このようなモデルは、例えば、質量体の形状及び重量の分布、弾性部材のコンプライアント部分の剛性など、様々な要因に基づいて構築することができる。以下では、一方向モードと調和モードとを持つ触覚デバイスの実施形態の動態モデルについて説明する。
【００３６】
次の方程式は、二次ラプラス伝達関数（Ｌａｐｌａｃｅ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）に基づいており、触覚デバイスの調和モードをモデル化する目的に使用することができる。
【数１】
2010191959.tif 000003
この式において、Ｘは変位、Ｔｍはモーターのトルク、ｍは質量体の重量、ｒは偏心半径、ｋはばね定数、ｂは減衰定数、ｓはラプラス変数である。より具体的には、偏心半径ｒは、アクチュエータのシャフトの中心から質量体の重心までの距離である。
【００３７】
次の方程式は、触覚デバイスの一方向モードをモデル化する目的に使用することができる。
【数２】
2010191959.tif 000004
この式において、Ｆは力、ωは角速度（２πｆ）、ｆはアクチュエータの周波数である。
【００３８】
上に定義した動態モデルは、調和モードを持つ触覚デバイスを設計する目的に使用することができる。触覚デバイスの特定の挙動が得られるように、例えば、減衰比、ばね定数、質量体の重量、及び偏心半径の特定の値を選択することができる。図５〜図１２は、調和モードで動作する触覚デバイスの、特定の変数の関数としての位置及び加速度のボードプロットを示している。位置ボードプロットは、様々な駆動信号周波数の場合の、質量体の元の位置からの振幅変位を示している。加速度ボードプロットは、様々な駆動信号周波数の場合の、質量体の加速度の力を示している。図５と図６に関して、減衰比ｄは、等式
【数３】
2010191959.tif 000005
によって減衰定数Ｂに関連している。留意すべき点として、Ｙ軸の単位は、０．００３Ｎｍのトルクを出力することのできるモーターの場合としてスケール変換されている。比較用の基準例は、ｍ＝２０グラムであり、減衰比０．１５、Ｋ＝１０００Ｎ／ｍ、Ｒ＝１０ｍｍ、ｍｐ＝２５０グラムである。この場合、変位が＋／−１ｍｍ、リニアアクチュエータアセンブリにおける質量体の加速度が＋／−５ｇとなり、これは、約０．４ｇ〜２５０ｇのゲームコントローラに匹敵する。
【００３９】
図５と図６は、それぞれ、本発明の実施形態による、調和モードにおいて動作している触覚デバイスの、減衰比の関数としての位置ボードプロットと加速度ボードプロットを示している。図５と図６に示すように、減衰比を小さくすると、質量体の位置変位と加速度とが大きくなる。従って、実施形態によっては、減衰比を０．１５以下に小さくすることが望ましいことがある。
【００４０】
図７と図８は、それぞれ、本発明の実施形態による、調和モードにおいて動作している触覚デバイスの、ばね定数の関数としての位置ボードプロットと加速度ボードプロットを示している。図７と図８に示すように、触覚デバイスの共振モードの共振周波数は、ばね定数の関数である。より具体的には、図７に示す、質量体の位置変位のｘ軸沿いのピーク間距離は、周波数の関数として変化しており、これに対して、図８に示す、質量体の加速度のｘ軸沿いのピーク間距離は、周波数の関数として大きくは変化していない。従って、調和モードを持つ触覚デバイスは、ばね定数の特定の値を選択することによって、特定の共振周波数用として設計することができる。
【００４１】
図９と図１０は、それぞれ、本発明の実施形態による、調和モードにおいて動作している触覚デバイスの、質量体の関数としての位置ボードプロットと加速度ボードプロットを示している。図９と図１０に示すように、質量体の共振周波数と、特にピーク加速度は、質量体の重量の関数である。図１０がよく示すように、質量体の加速度の振幅は、質量体の重量が減少するにつれて増す。
【００４２】
図１１と図１２は、それぞれ、本発明の実施形態による、調和モードにおいて動作している触覚デバイスの、偏心半径の関数としての位置ボードプロットと加速度ボードプロットを示している。図１１と図１２に示すように、質量体の加速度は、偏心半径の関数である。すなわち、触覚デバイスが調和モードで動作しているときには、偏心半径が小さいほど、質量体の変位と加速度とが増す。言い換えれば、アクチュエータのシャフトと質量体の重心との間の距離が短いほど、アクチュエータによって質量体に大きな力がかかる。しかしながら、偏心半径が短いと、触覚デバイスが一方向モードであるときに、質量体の加速度も小さくなりうる。従って、触覚デバイスの設計では、この二つの要因のバランスを考慮することができる。
【００４３】
図１３は、本発明の実施形態による、板ばねを持つ触覚デバイスの斜視図を示している。図１３に示すように、触覚デバイス３００は、アクチュエータ３１０と、弾性部材３２０と、質量体３３０とを備えている。アクチュエータ３１０は、軸３２６を中心に回転するシャフト（図示していない）を備えている。弾性部材３２０は、コンプライアント部分３２２と近接部分３２１とを備えている。コンプライアント部分３２２は、例えば金属から成る板ばねであり、可撓性を示すことのできる厚さを持つ。
【００４４】
図１４は、本発明の別の実施形態による、板ばねを持つ触覚デバイスの斜視図を示している。図１４に示すように、触覚デバイス４００は、アクチュエータ４１０と、弾性部材４２０と、質量体４３０とを備えている。アクチュエータ４１０は、軸４２６を中心に回転するシャフト（図示していない）を備えている。弾性部材４２０は、板ばねであるコンプライアント部分４２２を備えている。触覚デバイス４００は、図１３に示した触覚デバイス３００に似ているが、質量体４３０の寸法が軸４２６に平行な方向により大きく、コンプライアント部分４２２が軸４２６に直角な半径方向により短い。
【００４５】
図１５は、本発明の実施形態による、ポリプロピレンの弾性部材を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。図１５に示すように、触覚デバイス５００は、アクチュエータ５１０と、弾性部材５２０と、質量体５３０とを備えている。弾性部材５２０は、近接部分５２１と、コンプライアント部分５２２と、先端部分５２３とを備えている。弾性部材５２０は、ポリプロピレンから成るが、類似する可撓性を持つ別の材料も可能である。弾性部材５２０の先端部分５２３は、質量体５３０の細い隙間によって質量体５３０に結合されている。
【００４６】
図１６は、本発明の別の実施形態による、ポリプロピレンの弾性部材を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。この実施形態においては、触覚デバイス６００は、アクチュエータ６１０と、弾性部材６２０と、質量体６３０とを備えている。弾性部材６２０は、近接部分６２１と、コンプライアント部分６２２と、先端部分６２３とを備えている。弾性部材６２０は、ポリプロピレンから成るが、類似する可撓性を持つ別の材料も可能である。弾性部材６２０の先端部分６２３は、質量体５３０の穴によって質量体５３０に結合されている。先端部分６２３は、コンプライアント部分６２２より幅の広い形状であるため、質量体５３０の穴にぴったり収まっている。
【００４７】
図１７は、本発明の実施形態による、触覚デバイスの質量体と弾性部材の斜視図を示している。この実施形態においては、触覚デバイス６５０の図示した部分は、弾性部材６８０と質量体６７０とを備えている。弾性部材６８０は、近接部分６８１と、コンプライアント部分６８２と、先端部分６８３とを備えている。先端部分６８３は、質量体６７０の穴にぴったり収まっており、この穴と先端部分６８３は、図１６に示したものより大きい。
【００４８】
図１８は、本発明の別の実施形態による触覚デバイスの斜視図を示している。この実施形態においては、触覚デバイス７００は、アクチュエータ７１０と、弾性部材７２０と、質量体７３０とを備えている。弾性部材７２０は、近接部分（図示していない）と、コンプライアント部分（図示していない）と、先端部分７２３とを備えている。この実施形態においては、質量体７３０は、弾性部材７２０の近接部分とコンプライアント部分の上に延在している。
【００４９】
上述した実施形態では、質量体をアクチュエータに結合している弾性部材を示しているが、別の構造、例えば、アクチュエータが弾性部材によって基部に結合されている構造も可能である。このような実施形態においては、アクチュエータは、弾性部材を介すことなく質量体に結合されている。後から説明するように、図２１〜図２６は、アクチュエータが弾性部材によって基部に結合されている触覚デバイスの実施形態の例を示している。
【００５０】
図１９は、本発明の別の実施形態による、アクチュエータが弾性部材によって基部に結合されている触覚デバイスの斜視図を示している。この実施形態においては、触覚デバイス８００は、基部８０５と、アクチュエータ８１０と、弾性要素８２０と、質量体８３０と、ギア８４０，８５０とを備えている。この実施形態においては、アクチュエータ８１０は、弾性要素８２０によって基部８０５に弾性的に結合されている。アクチュエータ８１０は、ギア８４０に結合されており、このギア８４０は、ギア８５０と噛み合っている。更に、アクチュエータ８１０は、アーム８１２を備えており、このアームは、シャフト８５５を囲んでいるスリーブ８５８に結合されている。ギア８５０は、シャフト８５５を中心に回転し、シャフト８５５は、ブッシング８５７によって基部８０５に取り付けられている。質量体８３０は、ギア８５５に堅牢に結合されており、シャフト８５５を中心に偏心的に回転する。
【００５１】
一方向モードにおいて動作しているとき、アクチュエータ８１０はギア８４０，８５５を回転させ、これらのギアによって、質量体８３０がシャフト８５５を中心に方向８６０に回転する。アクチュエータ８１０は、例えばＤＣ信号によって駆動することができる。このようなＤＣ信号には、例えば変調を含めることによって、米国特許出願第０９／６６９，０２９号と第０９／９０８，１８４号とに記載されているように、制御性と帯域幅を改良することができる。これらの文書の開示は、いずれも本文書に参考とすることにより組み込まれている。
【００５２】
調和モードにおいて動作しているときには、アクチュエータ８１０は、調和モードに関連付けられている周波数範囲内で、基部８０５に対して動く。より具体的には、アクチュエータ８１０は、ＡＣ駆動信号（例：極性が反転する信号）によって駆動することができる。アクチュエータ８１０は、このＡＣ駆動信号に応答して、そのトルクが高速で反転する。この高速なトルクの反転と、シャフト８５５を中心とする質量体８３０の回転の慣性との組み合わせによって、アクチュエータ８１０は、弾性部材８２０と、アクチュエータ８１０が弾性的に結合されているハウジング８０５とを押す。アクチュエータ８１０のこの運動は、ブッシング８５７に対する動きである。この結果として、方向８７０におけるアクチュエータ８１０の調和運動となる。
【００５３】
図２０と図２１は、本発明の別の実施形態による、アクチュエータを基部に結合している弾性部材を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。図２０と図２１に示すように、触覚デバイス９００は、基部９０５と、アクチュエータ９１０と、弾性要素９２０と、質量体９３０と、ギア９４０，９５０とを備えている。この実施形態においては、アクチュエータ９１０は、弾性部材９２０によって基部９０５に弾性的に結合されている。アクチュエータ９１０には、ギア９４０が結合されており、このギア９４０は、ギア９５０と噛み合っている。ギア９５０は、シャフト９５５を中心に回転し、シャフト９５５は基部９０５に取り付けられている。質量体９３０は、シャフト９５７に堅牢に結合されており、シャフト９５７は、ギア８５５に回転可能に結合されている。この結果、質量体９３０は、シャフト８５７を中心に偏心的に回転する。
【００５４】
図２２と図２３は、本発明の更に別の実施形態による、アクチュエータを基部に結合している弾性部材を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。図２０と図２１に示した、基部に垂直な回転軸を持つ実施形態に似ているが、触覚デバイス１０００は基部に平行な回転軸を持つ。この配置構成により、触覚デバイス１０００は、高さがより小さい空間の中に収まっている。
【００５５】
いくつかの実施形態においては、触覚デバイスは、共通の回転軸と共通の質量体とを共有する二つのアクチュエータを備えていることができる。このような実施形態では、例えば、電気信号のみに基づいて、一方向モードから調和モードに、及びこの逆に切り替えることができる。言い換えれば、このような実施形態においては、一方向モードから調和モードに、及びこの逆に切り替える目的で、機械的なエスケープ（ｅｓｃａｐｅｍｅｎｔ）又はその他の形式の作動装置が必要ない。このような実施形態の例を、図２４〜図２６を参照しながら以下に説明する。
【００５６】
図２４は、本発明の実施形態による、共通の回転軸と共通の質量体とを共有している二つのアクチュエータを持つ触覚デバイスの斜視図を示している。図２４に示すように、触覚デバイス１１００は、基部１１４０と、アクチュエータ１１１０，１１１２と、質量体１１３０と、弾性部材１１２０とを備えている。アクチュエータ１１１０，１１１２は、共通の回転軸１１１５を共有し、この軸に沿って質量体１１３０が偏心的に結合されている。
【００５７】
基部１１４０は、基部部分１１４２，１１４４，１１４６を備えており、これらの基部は、ピボット軸１１１８に沿ってアクチュエータ１１１０を支持しているクレイドル状の構造を形成している。ピボット軸１１１８は、実質的に回転軸１１１５に垂直である。アクチュエータ１１１０は、基部部分１１４２，１１４４，１１４６によって形成されているクレイドル状の構造の範囲内で、ピボット軸１１１８を中心に旋回することができる。アクチュエータ１１１２は、回転軸１１１５からオフセットしているピボット軸１１１７に沿って、旋回可能な状態で基部１１４０の基部部分１１４８に結合されている。また、アクチュエータ１１１２は、弾性部材１１２０によって支持されている。
【００５８】
触覚デバイス１１００は、上述したデバイスに似て、一方向モード、調和モード、又は重ね合わせモードにおいて動作することができる。一方向モードで動作するときには、アクチュエータ１１１０とアクチュエータ１１１２は、例えば同相信号によって駆動される。これによって、一つのアクチュエータによって達成することができる周波数よりも高い周波数において質量体を回転させることができ、従って、与えられる質量体に対して、より大きな振幅力を達成することができる。これによって、一つのアクチュエータを持つ触覚デバイスの一般的な場合の二倍の強さの力で質量体１１３０を回転させることができる。
【００５９】
調和モードで動作するときには、アクチュエータ１１１０とアクチュエータ１１１２は、例えば、位相が互いに１８０度異なる信号によって駆動される。この調和モードにおいては、アクチュエータ１１１０は、ピボットジョイント位置１１５０においてオフセット・ピボット軸１１１７を中心にしてアクチュエータ１１１２に鉛直力（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｆｏｒｃｅ）を与えることによって、アクチュエータ１１１２によって生成されるトルクに応答する。結果として、アクチュエータ１１１２と質量体１１３０は、軸１１１５と軸１１１７との交点１１１９と、ピボットジョイント位置１１５０とによって画成される軸の周りを調和的に動く。
【００６０】
触覚デバイス１１００は、アクチュエータ１１１０，１１１２を駆動するデュアルＨブリッジ増幅器（図示していない）と組み合わせることができる。代替の実施形態として、一方向モードのときに力を二倍にすることが望ましくない場合に、より効果的な配置構成となるようにアクチュエータのモーターの巻きを変更することができる。また、望ましい触覚出力を達成する目的で、それ以外の調整を行うことができる。例えば、弾性部材を調整する、ピボットジョイントの位置を調整する、或いは、二つのアクチュエータの間の接続を調整することができる。更に、システムの共振を安定させる（ｅｖｅｎ  ｏｕｔ）混合型の駆動方式を使用することができる。例えば、アクチュエータをマイクロプロセッサコントローラによって制御して動作モードを選択することができる。これに代えて、それぞれ自身の方向ビットを持つ二つのＰＷＭチャネルを設けることができる。
【００６１】
図２５と図２６は、本発明の別の実施形態による、共通の回転軸と共通の質量体とを共有している二つのアクチュエータを持つ触覚デバイスの斜視図を示している。触覚デバイス１２００は、基部１２４０と、アクチュエータ１２１０，１２１２と、質量体１２３０と、弾性部材１２２０と、ジョイント１２６０とを備えている。アクチュエータ１２１０，１２１２は、共通の回転軸を共有し、この軸に沿って質量体１２３０が偏心的に結合されている。基部１２４０は、基部部分１２４２，１２４４を備えている。これらは全体としてクレイドル状の構造を形成しており、この構造は、ピボット軸１２１８に沿ってアクチュエータ１２１０を支持している。また、アクチュエータ１１１２は、弾性部材１２２０（例：螺旋ばね）によってハウジング１２４０にも取り付けられている。アクチュエータ１２１２は、ピボット軸１２１７に沿って、旋回可能な状態で基部１２４０に結合されている。このピボット軸は、回転軸からオフセットしており、ジョイント１２６０（例：玉継手）を備えている。
【００６２】
触覚デバイス１２００は、図１７を参照しながら説明した触覚デバイスに似ている。しかしながら、触覚デバイス１２００においては、ピボット軸１２１７上のジョイント１２１７によって、アクチュエータ１２１２は、１２１８の周りの軸の周りの運動に加えて、追加の方向の運動が可能になる。
【００６３】
図２７は、本発明の別の実施形態による、制限停止器（ｌｉｍｉｔｉｎｇ  ｓｔｏｐ）を持つ触覚デバイスの概略的な平面図を示している。図２７に示すように、触覚デバイス１３００は、アクチュエータ１３１０と、質量体１３３０と、弾性部材１３２０，１３２５とを備えている。質量体１３３０は、アクチュエータ１３１０のシャフト１３１５に剛性的に結合されている。弾性部材１３２０，１３２５のそれぞれは、一端が基部に取り付けられている。弾性部材１３２０は、質量体１３３０の片側の経路に配置されており、弾性部材１３２５は、質量体１３３０の他方の側の経路に配置されている。弾性部材１３２０，１３２５は、調和モードにおいては制限停止器として機能し、一方向モードにおいてはこの機能を無効にすることができる。
【００６４】
調和モードにおいては、アクチュエータ１３１０は、ＡＣ駆動信号によって駆動され、質量体１３３０の両方向の運動を生成する。質量体１３３０は、一方向（例：方向１３５０）に十分に回転すると弾性部材１３２０と密着し、これによって、弾性部材１３２０が例えば位置１３２０’まで曲がる。曲がった弾性部材１３２０はエネルギを蓄積しており、ＡＣ駆動信号の極性が反転すると質量体１３３０は反対の方向１３４０に動き、曲がった弾性部材１３２０が、蓄積されているエネルギを解放する。弾性部材１３２０と同様に、質量体１３３０が他方の方向（例：方向１３４０）に十分に回転すると弾性部材１３２０と密着し、これによって弾性部材１３２０が例えば位置１３２５’まで曲がり、同じプロセスが繰り返される。質量体１３３０と弾性部材１３２０，１３２５とのこの相互作用は、調和モードでの動作時に触覚デバイスの調和的な運動に貢献する。
【００６５】
一方向モードにおいては、アクチュエータ１３１０は、質量体１３３０を弾性部材１３２０と弾性部材１３３０とを超えて動かすのに十分な振幅を持つＤＣ駆動信号によって駆動することができる。この場合、質量体１３３０は、同じ方向に連続的に自由に回転することができる。一方向モードから調和モードに切り替える目的で、ＤＣ駆動信号を減少させて、ＡＣ駆動信号を供給することができる。このとき、質量体１３３０が弾性部材１３２０，１３２５によって偏倚するように質量体１３３０にかかるトルクが低減するようなポイントまで、ＤＣ駆動信号の振幅を小さくすることができる。代替実施形態においては、触覚デバイスは、回転している質量体の位置を感知することのできる回転センサー（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ  ｓｅｎｓｏｒ）を備えていることができる。この回転センサーは、質量体が弾性部材によって偏倚するときを示すことができる。そのポイントにおいて駆動信号の振幅を維持し、ＡＣ駆動信号を供給することができる。
【００６６】
弾性部材１３２０，１３２５は板ばねとして示したが、他のタイプの弾性部材も可能である。例えば、図２８は、本発明の別の実施形態による、制限停止器を持つ触覚デバイスの平面図を示している。図２８に示すように、触覚デバイス１４００は、アクチュエータ１４１０と、質量体１４３０と、弾性部材１４２０，１４２５とを備えている。質量体１４３０は、アクチュエータ１４１０のシャフト１４１５に剛性的に結合されている。弾性部材１４２０，１４２５のそれぞれは、一端が基部に取り付けられており、もう一端がピン１４４０において質量体１４３０に回転可能な状態で結合されている。この実施形態においては、弾性部材１４２０，１４２５は、螺旋引張ばねである。弾性部材１４２０，１４２５は、調和モードにおいては制限停止器として機能し、一方向モードにおいてはこの機能を無効にすることができる。
【００６７】
調和モードにおいては、アクチュエータ１４１０は、ＡＣ駆動信号によって駆動されて、質量体１４３０の両方向の運動を生成する。質量体１４３０が一方向に十分に回転すると、質量体が弾性部材１３２０によって減速されて反対の方向に動く。一方向モードにおいては、質量体１４３０が完全な円状に動き、かつ同じ方向に連続的に自由に回転するように、弾性部材１３２０，１３３０が伸びるだけの十分な振幅を持つＤＣ駆動信号によって、アクチュエータ１４１０を駆動することができる。
【００６８】
代替実施形態においては、弾性部材は磁石とすることができる。例えば、アクチュエータのローターを望ましい「コギング」位置に偏倚する内部磁石を、アクチュエータが備えていることができる。この配置構成では、調和モードの間、ばね的な戻る力がローターにかかる。別の例では、アクチュエータは、内部磁石ではなく外部磁石を備えていることができる。
【００６９】
図２７と図２８に示した制限停止器は基部に取り付けられているが、制限停止器が基部に取り付けられていない代替実施形態も可能である。例えば、図２９と図３０は、本発明の実施形態による、弾性部材と一体に形成されている制限停止器を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。図３２と図３３に示すように、触覚デバイス１５００は、アクチュエータ１５１０と、弾性部材１５２０と、質量体１５３０とを備えている。弾性部材１５２０は、近接部分１５２１と、コンプライアント部分１５２２と、先端部分１５２５とを備えている。弾性部材１５２０の近接部分１５２１は、アクチュエータ１５１０のシャフト１５１５に結合されている。先端部分１２２５は、コンプライアント部分１５２２よりも幅が大きく、質量体１５３０に結合されている。停止器１５２２，１５２３は、弾性部材１５２０と一体に形成されている。
【００７０】
停止器１５２２，１５２３は、触覚デバイス１５００が調和モードで動作しているときに制限停止器として機能する。調和モードにおいては、アクチュエータ１５１０はＡＣ駆動信号によって駆動され、質量体１５３０の両方向の運動を生成する。質量体１５３０は、一方向（例：停止器１５２３の方向）に十分に回転すると停止器１５２３と密着し、これによって停止器が曲がる（例えば図３０を参照）。停止器１３２３はエネルギを蓄積し、ＡＣ駆動信号の極性が反転すると質量体１５３０は反対の方向に動き、停止器１５２３が、蓄積されているエネルギを開放する。停止器１５２２は、同様に、弾性部材１５２０の反対側において質量体１５３０と密着する。
【００７１】
停止器１５２２，１５２３のそれぞれは、上から見て、先端部において薄く、かつシャフト１５１５に近い端部において厚い、テーパー形状を持つ。言い換えれば、停止器１５２２，１５２３のそれぞれは、上から見て、先端部よりもシャフト１５１５付近の方が角度寸法が大きい。このテーパー形状により、停止器１５２２，１５２３は、質量体１５３０と強い力で密着するにつれて次第に堅くなる（すなわち小さく曲がる）。この結果として、触覚デバイス１５００が共振に近づくにつれて、停止器１５２２，１５２３が質量体１５３０に密着し、有効な共振が、停止器がない場合の共振からずれる。言い換えれば、停止器１５２２，１５２３によって弾性部材１５２０の有効な弾性が変化し、これによって触覚デバイス１５００の調和周波数が変化する。
【００７２】
更に、停止器１５２２，１５２３は、動作中に質量体１５３０が動くときに質量体が動き過ぎることを防ぐ。更に、停止器１５２２，１５２３は、停止器１５２２，１５２３が存在しない場合に発生する、質量体１５３０が近くの面と接触することに関連するノイズを減少させる。
【００７３】
［結論］
ここまで本発明の様々な実施形態を説明したが、理解すべき点として、これらの実施形態は一例としてのみ提示したものであり、これらに制限されることはない。従って、本発明の範囲は、上述した実施形態のいずれかに制限されることはなく、添付の請求項及びその均等物によってのみ定義されるものとする。
【００７４】
上記の実施形態は、当業者が本発明を製作又は使用できるように説明してある。本発明は、その好ましい実施形態を参照しながら図示及び説明したが、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の形式及び細部の様々な変更を行うことができることが理解されるであろう。例えば、弾性部材などの様々な構成要素は、単一構造又は一体構造を持つものとして説明することができるが、これらの構成要素は非単一構造を持つこともできる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年4月12日(2010.4.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトを有するアクチュエータと、
前記アクチュエータのシャフトに結合されている質量体であって、プロセッサからの信号の受信に応じて、前記アクチュエータが前記シャフトを中心に前記質量体を回転させることで触覚的な効果を出力するように構成されている質量体と、
前記質量体及び／又は基部に前記アクチュエータを弾性的に結合させるように構成されている弾性部材と、を備え、
前記アクチュエータと前記質量体は、前記アクチュエータ及び前記質量体の動作の態様が第１の振動周波数範囲に関連付けられている第１の動作モードと、前記アクチュエータ及び前記質量体の動作の態様が前記第１の振動周波数範囲とは異なる第２の振動周波数範囲に関連付けられている第２の動作モードとを有し、前記第２の振動周波数範囲が、前記アクチュエータと少なくとも前記質量体又は前記基部の一方との弾性結合に関連付けられている調和振動周波数を含んでおり、
前記アクチュエータと前記質量体は、前記アクチュエータ及び前記質量体の動作の態様が前記第１の動作モードと前記第２の動作モードとで同時に動作する態様である第３の動作モードを有する、触覚デバイス。
【請求項２】
シャフトを有するロータリーアクチュエータと、
前記ロータリーアクチュエータの前記シャフトに結合されている弾性部材と、
前記弾性部材に結合されている質量体と、を備え、
前記ロータリーアクチュエータがプロセッサからの信号の受信に応じて、前記シャフトを中心に前記質量体を回転させることで触覚的な効果を出力するようにされ、
前記ロータリーアクチュエータと前記弾性部材と前記質量体は、前記ロータリーアクチュエータ及び前記弾性部材及び前記質量体の動作の態様が第１の振動周波数範囲に関連付けられている第１の動作モードと、前記ロータリーアクチュエータと前記弾性部材と前記質量体の動作の態様が前記第１の振動周波数範囲とは異なる第２の振動周波数範囲に関連付けられている第２の動作モードとを有し、前記第２の動作モードが、前記弾性部材の調和振動周波数に関連付けられており、かつ、前記質量体に関連付けられており、
前記ロータリーアクチュエータと前記弾性部材と前記質量体は、前記ロータリーアクチュエータ及び前記弾性部材及び前記質量体の動作の態様が前記第１の動作モードと前記第２の動作モードとで同時に動作する態様である第３の動作モードを有する、触覚デバイス。
【請求項３】
前記ロータリーアクチュエータの前記シャフトが第１の軸を定義し、前記ロータリーアクチュエータと、前記弾性部材と、前記質量体とが前記第１の動作モードであるときに、前記質量体が、前記第１の軸を中心に回転し、
前記弾性部材が、第２の軸を定義する位置を有し、前記ロータリーアクチュエータと、前記弾性部材と、前記質量体とが前記第２の動作モードであるときに、前記質量体が、前記第２の軸を中心に旋回する、
請求項２に記載の触覚デバイス。
【請求項４】
前記ロータリーアクチュエータが、信号を受信するように構成されており、前記ロータリーアクチュエータと、前記弾性部材と、前記質量体とが、前記第１の動作モードと、前記第２の動作モードと、前記第３の動作モードのうちの一つにおいて動作するように、前記ロータリーアクチュエータが前記信号に基づいて前記シャフトを回転させるように構成されている、
請求項２に記載の触覚デバイス。
【請求項５】
前記ロータリーアクチュエータの一つの位置において前記ロータリーアクチュエータに結合されている第１の制限器と、
前記第１の制限器が前記ロータリーアクチュエータに結合されている前記位置とは異なる、前記ロータリーアクチュエータの位置において前記ロータリーアクチュエータに結合されている第２の制限器と、
を更に備えている、請求項２に記載の触覚デバイスであって、
前記弾性部材が、前記第１の制限器が前記ロータリーアクチュエータに結合されている前記位置と、前記第２の制限器が前記ロータリーアクチュエータに結合されている前記位置との間において、前記ロータリーアクチュエータに結合されている、触覚デバイス。
【請求項６】
前記第１の制限器が、第１の端部と第２の端部とを有し、前記第１の制限器の前記第１の端部が、前記第１の制限器が前記ロータリーアクチュエータに結合されている前記位置であり、前記第１の制限器が、角度寸法を有し、前記第１の制限器の前記角度寸法沿いの幅が、前記第１の制限器の前記第２の端部に近い位置よりも、前記第１の制限器の前記第１の端部に近い位置において大きい、
請求項５に記載の触覚デバイス。
【請求項７】
前記第２の動作モードの有効な調和振動周波数の範囲が、前記第１の制限器の形状と前記第２の制限器の形状とによって少なくとも部分的に定義される、
請求項５に記載の触覚デバイス。
【請求項８】
第１の振動周波数成分と第２の振動周波数成分のうちの少なくとも一方を有する信号を受信する手段と、
触覚的な効果を出力するように質量体を回転させる手段と、を備え、
前記回転させる手段は第１の動作モードと第２の動作モードにおいて、前記受信する手段に応答するように構成されており、前記第１の動作モードが前記第１の振動周波数成分に関連付けられている前記回転させる手段の動作の態様であり、前記第２の動作モードが前記第２の振動周波数成分に関連付けられている前記回転させる手段の動作の態様であり、
前記回転させる手段の前記第１の動作モードが第１の振動周波数範囲に関連付けられ、前記回転させる手段の前記第２の動作モードが第２の振動周波数範囲に関連付けられ、前記第１の振動周波数範囲が前記第２の振動周波数範囲とは異なり、
前記回転させる手段が調和振動周波数と関連付けられた弾性部材を有し、前記第２の動作モードと関連付けられている前記第２の振動周波数範囲が前記調和振動周波数を含んでおり、前記第１の振動周波数範囲からの振動周波数よりも前記調和振動周波数が大きい、触覚デバイス。
【請求項９】
前記質量体を回転させる手段の動作の態様が前記第１の振動周波数成分及び前記第２の振動周波数成分と関連付けられている第３の動作モードにおいて、前記質量体を回転させる手段が前記受信する手段に応答するように更に構成されている、
請求項８に記載の触覚デバイス。
【請求項１０】
前記回転させる手段が、第１の制限器と、第２の制限器と、弾性部材とを含んでおり、
前記第２の振動周波数範囲が、前記第１の振動周波数範囲からの振動周波数よりも大きい振動周波数を含んでおり、
前記調和振動周波数を含んでいる前記第２の振動周波数範囲が、前記第１の制限器の形状と前記第２の制限器の形状とによって少なくとも部分的に定義される有効な調和振動周波数の範囲である、
請求項８に記載の触覚デバイス。
【請求項１１】
質量体と、
前記質量体に結合されているアクチュエータと、を備え、
前記アクチュエータがプロセッサからの信号の受信に応じて、シャフトを中心に前記質量体を回転させることで触覚的な効果を出力するように構成されており、前記アクチュエータと前記質量体は、前記アクチュエータ及び前記質量体の動作の態様が第１の振動周波数範囲に関連付けられている第１の動作モードと、前記アクチュエータ及び前記質量体の動作の態様が前記第１の振動周波数範囲とは異なる第２の振動周波数範囲に関連付けられている第２の動作モードとを有するように構成されており、前記アクチュエータと前記質量体は、前記アクチュエータ及び前記質量体の動作の態様が前記第１の動作モードと前記第２の動作モードとで同時に動作する態様である第３の動作モードを有する、装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
図２７と図２８に示した制限停止器は基部に取り付けられているが、制限停止器が基部に取り付けられていない代替実施形態も可能である。例えば、図２９と図３０は、本発明の実施形態による、弾性部材と一体に形成されている制限停止器を持つ触覚デバイスの斜視図を示している。図２９と図３０に示すように、触覚デバイス１５００は、アクチュエータ１５１０と、弾性部材１５２０と、質量体１５３０とを備えている。弾性部材１５２０は、近接部分１５２１と、コンプライアント部分１５２２と、先端部分１５２５とを備えている。弾性部材１５２０の近接部分１５２１は、アクチュエータ１５１０のシャフト１５１５に結合されている。先端部分１２２５は、コンプライアント部分１５２２よりも幅が大きく、質量体１５３０に結合されている。停止器１５２２，１５２３は、弾性部材１５２０と一体に形成されている。
【外国語明細書】
2010191959000001.pdf