(57)【要約】  本発明は、回転マスを必要としない振動デバイス（１００）に関する。本発明の態様によれば、コイル（１０４）はプランジャ（１０２）を直線状に動かす。スプリングデバイス（１０６）が、プランジャ（１０２）の一端に取り付けられる。コイル（１０４）を動作させることにより、ボディに対して第１の方向にプランジャ（１０２）を移動させ、コイルの動作を停止させることにより、スプリングデバイス（１０６）は、ボディに対して逆の方向にプランジャ（１０２）を移動させることができる。所定の周波数でコイル（１０４）を動作させることにより、プランジャ（１０２）の振動を引き起こす。スプリングデバイス（１０６）およびコイルを通して、所定の位置において振動力がボディに伝えられる。対向するスプリングデバイス（１４６ａ、１４６ｂ）をプランジャのどちらか一端に取り付けることができる。スプリングデバイス（１０６）は線形であるか、または非線形である。このようなスプリングデバイス（１０６）は、磁気スプリングデバイス（３０８）と共に使用することができる。システムの動きを制御するために、コントローラ（４２５）および駆動回路（４２２）を使用することができる。
2008527962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部においてボディに取り付けられ、電磁場を発生させるコイルと、
前記コイルにより少なくとも部分的に取り囲まれた、磁性体からなる可動マスと、
第１の端部において前記可動マスに取り付けられ、第２の端部において前記ボディに取り付けられているスプリングデバイスと
を備え、
前記コイルが前記電磁場を発生させると、前記可動マスは前記ボディに対して直線状に移動し、
前記可動マスが移動すると、前記可動マスは前記ボディに振動力を伝える、振動デバイス。
【請求項２】
前記コイルの第１の端部と前記コイルの第１の端部に隣接した前記ボディとに取り付けられた磁性体の末端部をさらに備え、
前記磁性体の末端部は、前記コイルの磁気効率を増加させ、前記可動マスの振動の振幅を制限する、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項３】
前記スプリングデバイスは、第１のスプリングデバイスと第２のスプリングデバイスとを有し、
前記第１のスプリングデバイスは、第１の端部において前記可動マスの第１の端部に取り付けられ、第２の端部において前記ボディの第１の部分に取り付けられるものであり、
前記第２のスプリングデバイスは、第１の端部において前記可動マスの第２の端部に取り付けられ、第２の端部において前記ボディの第２の部分に取り付けられるものであり、
前記第１のスプリングデバイスと前記第２のスプリングデバイスとは、前記可動マスの前記第１の端部と前記第２の端部とに圧縮されて取り付けられるものである、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項４】
前記可動マスの長さは、前記コイルの長さよりも長い、請求項３に記載の振動デバイス。
【請求項５】
前記スプリングデバイスは非線形スプリングデバイスである、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項６】
前記非線形スプリングデバイスは、前記振動デバイスの共振振動数が振動の振幅に従って変化するように選択されるものである、請求項５に記載の振動デバイス。
【請求項７】
前記共振振動数は、回転振動デバイスの振動力をシミュレートするように前記振動の振幅に従って変化するものである、請求項６に記載の振動デバイス。
【請求項８】
前記非線形スプリングデバイスは硬化スプリングデバイスである、請求項５に記載の振動デバイス。
【請求項９】
前記可動マスに対する前記スプリングデバイスのアライメント角度は、前記可動マスの位置によって変化するものである、請求項５に記載の振動デバイス。
【請求項１０】
前記スプリングデバイスは、一対の非線形スプリングデバイスを有し、
前記非線形スプリングデバイスの一方は、第１の端部において前記可動マスの第１の端部に取り付けられ、第２の端部において前記ボディの第１の位置に取り付けられ、
前記非線形スプリングデバイスの他方は、第１の端部において前記可動マスの前記第１の端部に取り付けられ、第２の端部において前記ボディの第２の位置に取り付けられるものである、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項１１】
ある位置合わせされたスプリングデバイスをさらに備え、
前記位置合わせされたスプリングデバイスの第１の端部は、前記可動マスの前記第１の端部とは反対側にある第２の端部に取り付けられ、
前記位置合わせされたスプリングデバイスの第２の端部は、前記ボディの第３の位置に取り付けられるものである、請求項１０に記載の振動デバイス。
【請求項１２】
前記スプリングデバイスは、前記可動マスの動く面に沿って配置されている、位置合わせされたスプリングデバイスであって、前記可動マスの第１の端部に取り付けられており、
前記可動マスの前記第１の端部とは反対側にある第２の端部と作用しあう磁気スプリングデバイスをさらに備える請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項１３】
第１の端部においてボディに取り付けられ、電磁場を発生させるコイルと、
前記コイルにより少なくとも部分的に取り囲まれた、磁性体からなる可動マスと、
第１の端部において前記可動マスに取り付けられ、第２の端部において前記ボディに取り付けられているスプリングデバイスと、
前記コイルに接続され、前記コイルの動作を指示するためのモジュレーション信号を発生させる駆動回路と
を備え、
前記コイルが前記モジュレーション信号に基づいて前記電磁場を発生させると、前記可動マスは前記ボディに対して直線状に移動し、
前記可動マスが移動すると、前記可動マスは前記ボディに振動力を伝える、振動システム。
【請求項１４】
前記駆動回路に接続されたコントローラをさらに備え、
前記コントローラは、前記振動システムの振動の振幅と振動の周波数とのうちの少なくとも１つを定めるものである、請求項１３に記載の振動システム。
【請求項１５】
前記コントローラは、コンピュータ上のシミュレーションにおけるある状態に基づいて前記駆動回路へ信号を発するものである、請求項１４に記載の振動システム。
【請求項１６】
前記振動システムの共振を増加させるために前記駆動回路に接続された共振回路をさらに備える請求項１３に記載の振動システム。
【請求項１７】
前記スプリングデバイスは非線形スプリングデバイスである、請求項１３に記載の振動システム。
【請求項１８】
前記非線形スプリングデバイスは、前記振動システムの共振振動数が振動の振幅に従って変化するように選択されるものである、請求項１７に記載の振動システム。
【請求項１９】
ボディに取り付けられ、電磁場を発生させるコイルと、前記コイルにより少なくとも部分的に取り囲まれた、磁性体からなる可動マスと、第１の端部において前記可動マスに取り付けられ、第２の端部において前記ボディに取り付けられているスプリングデバイスと、前記コイルに接続され、前記コイルの動作を指示するためのモジュレーション信号を発生させる駆動回路とを有する振動デバイスを制御する方法であって、
前記可動マスの固有振動数に概ね合わせるように、前記コイルの動作周波数を選択するステップと、
制御信号を発生させるステップと、
前記駆動回路に前記制御信号を提供するステップと、
前記動作周波数をモジュレートするために、前記駆動回路を用いて前記コイルの電流を変化させるステップと
を含む方法。
【請求項２０】
前記固有振動数は振動の振幅に従って変化する、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、本明細書の一部を構成するものとして援用される、「ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ  ＤＥＶＩＣＥ」と題された、２００５年１月４日出願の米国仮特許出願第６０／６４１，３１７号の出願日の利益を主張する。
【０００２】
［発明の分野］
本発明は、概して振動デバイスに関し、具体的には非回転式の振動デバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
振動デバイスは、例えばページャおよび電話機のようなデバイスにおいて、触覚による感触を提供するために使用されている。この振動デバイスは、コンピュータインタフェースおよびゲームコントローラに対し、触覚によるフィードバックを提供するために使用することもできる。さらにこの振動デバイスは、エネルギー伝達および振動供給のために使用することもできる。
【０００４】
従来の振動デバイスとして、偏心マスを有する回転式アクチュエータがある。これらデバイスにおいて、振動力は、回転マスの速度の二乗に比例する。このような振動デバイスの欠点は、振動の周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｏｆ  ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）が振動の振幅に連動しているため、振動の周波数とは無関係に振動の振幅をモジュレートすることができないということである。回転式振動デバイスの別の制限は、振動力がモータの回転軸に対して半径方向にあるということである。
【０００５】
上述したような欠点および制限により、振動力が回転から生まれない振動デバイスが求められている。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、振動力を発生させるために回転マスを使用せずに振動を発生させる手段を提供することにより、従来の振動デバイスの欠点および制限を克服するものである。多くの実施形態および代替例について以下に説明する。
【０００７】
本発明の一実施形態に基づいて、振動デバイスが提供される。この振動デバイスは、電磁場を発生させるコイルと、前記コイルにより少なくとも部分的に取り囲まれた磁性体からなる可動マスと、スプリングデバイスとを備えている。コイルは、第１の端部においてボディに取り付けられている。スプリングデバイスは、その第１の端部において前記可動マスに取り付けられており、その第２の端部において前記ボディに取り付けられている。コイルにより電磁場が発生すると、可動マスはボディに対して直線状に（ｌｉｎｅａｒｌｙ）移動し、この可動マスが移動すると、この可動マスは振動力をボディに伝える。
【０００８】
一例では、振動デバイスは、前記コイルの第１の端部と、前記コイルの第１の端部に隣接したボディとに取り付けられた磁性体の末端部をさらに備えている。ここで、磁性体の末端部は、好ましくは、コイルの磁気効率（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を増加させ、可動マスの振動の振幅を制限するものである。別の例では、スプリングデバイスが、第１のスプリングデバイスと第２のスプリングデバイスとを備えている。この場合、第１のスプリングデバイスは、その第１の端部において可動マスの第１の端部に取り付けられ、その第２の端部においてボディの第１の部分に取り付けられている。第２のスプリングデバイスは、その第１の端部において可動マスの第２の端部に取り付けられ、その第２の端部においてボディの第２の部分に取り付けられている。第１のスプリングデバイスと第２のスプリングデバイスとは、可動マスの第１の端部と第２の端部とに圧縮されて取り付けられている。この場合、可動マスは、コイルの長さより長くても短くてもよい。
【０００９】
別の例では、スプリングデバイスは、非線形（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ）スプリングデバイスである。この場合、振動デバイスの共振振動数（ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）が振動の振幅に従って変化するように、非線形スプリングデバイスが選択される。好ましくは、この共振振動数は、回転している振動デバイスの振動力をシミュレートするように振動の振幅に従って変化する。代替例では、非線形スプリングデバイスは、硬化スプリングデバイスである。別の代替例では、可動マスに対するスプリングデバイスのアライメント角度は、可動マスの位置によって変化する。
【００１０】
さらなる例では、スプリングデバイスは、一対の非線形スプリングデバイスを備えている。非線形スプリングデバイスの一方は、その第１の端部において可動マスの第１の端部に取り付けられ、その第２の端部においてボディの第１の位置に取り付けられている。他方のスプリングデバイスは、その第１の端部において可動マスの第１の端部に取り付けられ、その第２の端部においてボディの第２の位置に取り付けられている。この場合、振動デバイスは、ある位置合わせされた（ａｌｉｇｎｅｄ）スプリングデバイスをさらに備えることができる。ここで、位置合わせされたスプリングデバイスの第１の端部は、可動マスの第１の端部の反対側にある可動マスの第２の端部に取り付けられている。そして、位置合わせされたスプリングデバイスの第２の端部は、ボディの第３の位置に取り付けられている。
【００１１】
さらに別の例では、スプリングデバイスは、可動マスの動く面に沿って位置する、位置合わせされたスプリングデバイスであり、可動マスの第１の端部に取り付けられている。この場合、振動デバイスは、可動マスの第１の端部の反対側にある可動マスの第２の端部と作用しあうことのできる磁気スプリングデバイスをさらに備えている。
【００１２】
本発明の別の実施形態に基づいて、振動システムが提供される。この振動システムは、電磁場を発生させるコイルと、前記コイルにより少なくとも部分的に取り囲まれた磁性体からなる可動マスと、スプリングデバイスと、駆動回路とを備えている。コイルは、第１の端部においてボディに取り付けられている。スプリングデバイスは、その第１の端部において前記可動マスに取り付けられ、その第２の端部において前記ボディに取り付けられている。駆動回路はコイルに接続されており、コイルの動作を指示するモジュレーション信号を発生させる。モジュレーション信号に基づきコイルにより電磁場が発生すると、可動マスはボディに対して直線状に移動し、可動マスが移動すると、可動マスはボディに振動力を伝える。
【００１３】
一例において、振動システムは、駆動回路に接続されたコントローラをさらに備えている。コントローラは、振動システムの振動の振幅と、振動の周波数とのうちの少なくとも１つを規定するものである。このコントローラは、好ましくは、コンピュータ上のシミュレーションにおけるある状態に基づいて、駆動回路へ信号を発する。
【００１４】
別の例では、振動システムは、振動システムの共振を増加させるために、駆動回路に接続された共振回路をさらに備えている。さらなる例では、スプリングデバイスは非線形スプリングデバイスである。この場合、非線形スプリングデバイスは、好ましくは、振動システムの共振振動数が振動の振幅に従って変化するように選択される。
【００１５】
本発明の更なる実施形態に基づいて、振動デバイスを制御する方法が提供される。ここで、振動デバイスは、電磁場を発生させるために、ボディに取り付けられたコイルと、前記コイルにより少なくとも部分的に取り囲まれた磁性体からなる可動マスと、その第１の端部が可動マスに取り付けられ、その第２の端部がボディに取り付けられたスプリングデバイスと、前記コイルに接続され、前記コイルの動作を指示するモジュレーション信号を発生させる駆動回路とを備えている。本方法は、可動マスの固有振動数（ｎａｔｕｒａｌ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）に概ね合わせるように、コイルの動作周波数（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を選択するステップと、制御信号を発生させるステップと、駆動回路に制御信号を提供するステップと、動作周波数をモジュレートするために、駆動回路を用いてコイルの電流を変化させるステップとを含む。一例では、固有振動数は振動の振幅に基づいて変化する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の一実施形態が図１Ａおよび図１Ｂに示されている。図１Ａの側面図を見て分かるように、振動デバイス１００は、コイル１０４に囲まれているプランジャ１０２のような可動マスを有している。好ましくは、プランジャ１０２は、コイル１０４によって実質的に、または完全に取り囲まれている。プランジャ１０２は、その一端がスプリングデバイス１０６に取り付けられている。そして、スプリングデバイス１０６は、振動力が加えられるボディ（図示せず）に対して固定されている。コイル１０４もまた、振動力が加えられるボディに対して固定されている。
【００１７】
図１Ｂからわかるように、コイル１０４とプランジャ１０２とは、典型的には円形の断面を有している。コイル１０４は電磁コイルであり、電流が流れると電磁場を発生させる。プランジャ１０２は、強磁性体、永久磁性体、永久磁性体および強磁性体の組合せ、および／または、電流、電圧、制御信号、電磁場、これらの組合せなどに対し、材料の露出に応じて力を発するように反応する材料から形成することができる。
【００１８】
振動デバイス１２０の代替的な実施形態が図２に示されている。振動デバイス１００と同様に、振動デバイス１２０は、プランジャ１２２と、コイル１２４と、スプリングデバイス１２６とを有している。図示されているように、末端部１２８をコイル１２４の一端に配置することができる。末端部１２８が強磁性体であるか、または磁性体である場合、コイル１２４の磁気効率を高めることができる。図１の、末端部の無い構成は、プランジャ１０２が末端部と接触しないので、振動の振幅を制限しないという利点を有している。従って、末端部を有する構成も、末端部を有しない構成も利点を有している。
【００１９】
プランジャ１０２またはプランジャ１２２が強磁性体の場合、磁場に引きつけられる。従って、コイル１０４またはコイル１２４が動作すると、プランジャはコイル側へ引きつけられる。そして、コイルが動作を停止すると、スプリングデバイスは、プランジャを引き戻す。この方法により、コイルを所望の周波数で動作させたり動作を停止させたりすることで、プランジャ１０２またはプランジャ１２２の振動を発生させることができる。振動力は、スプリングデバイス１０６またはスプリングデバイス１２６と、コイル１０４またはコイル１２４とを介し、それらがボディに固定されている位置においてボディに伝わる。
【００２０】
プランジャ１０２またはプランジャ１２２が、永久磁性体を有するか、または永久磁性体および強磁性体の組合せを有する場合、一端が磁北で、他端が磁南となるように軸に沿って磁化することができる。この構成では、コイル内の電流がある方向に流れる場合、プランジャはコイルへ引きつけられる。コイル内の電流が別の方向に流れる場合、プランジャは、コイルから外側に跳ね返される。この方法により、磁力がプランジャに対し引力と斥力との両方を加えることができ、これによりプランジャへのエネルギー伝達が増加する。プランジャの振動は、コイル内の電流を制御することにより発生させることができる。振動は、所望の周波数でコイル内の電流をある方向に発生させ、次に電流の方向を逆にすることにより発生させることができる。
【００２１】
本発明に係るデバイスの別の実施形態が図３に示されている。振動デバイス１４０の側面図が明確に示されている。前述した実施形態のように、プランジャ１４２は、好ましくは、コイル１４４によって実質的にまたは完全に取り囲まれている。ここでは、スプリングデバイス１４６ａとスプリングデバイス１４６ｂとが、プランジャ１４２の両側に配置されている。この構成の長所は、スプリングデバイス１４６ａおよび１４６ｂが、プランジャ１４２に対し圧縮力を加えることができるということである。従って、プランジャ１４２と、スプリングデバイス１４６ａおよび１４６との間の取り付けは、単純に圧縮によって適合している。拡張スプリングデバイスを取り付けるための一般的な方法であるホールをプランジャ１４２に設ける必要はない。
【００２２】
プランジャは、コイルより長くても、短くてもよい。図３は、コイル１４４よりも長いプランジャ１４２を備えた振動デバイス１４０を示している。図４は、プランジャ１４２’がコイル１４４よりも短い、振動デバイス１４０の構成を示している。
【００２３】
マスに復元力を加えるスプリングデバイスを備えたマスを有する振動デバイスは、共振を有することができる。このようなシステムが、共振振動数において、または共振振動数に近い値で励振力によって駆動されると、ある振動によるエネルギーが、次の振動に伝わるので、大きい振幅振動が得られる。マス−スプリングデバイスシステムを共振状態で駆動することにより、小さな駆動力から大きな振動力を発生させることができる。
【００２４】
既存のマス−スプリングデバイス振動システムの多くは、線形（ｌｉｎｅａｒ）、またはほぼ線形な復元力を与えるスプリングデバイスを有している。線形スプリングデバイスを備えたマススプリングデバイスシステムでは、システムの共振振動数は、あらゆる振幅振動に対して一定である。従って、線形スプリングデバイスの復元力を有する振動システムは、振動の力を増加させるために共振が用いられる、狭い振動数範囲（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｒａｎｇｅ）を有している。しかしながら、広範囲の振動数において振動デバイスを動かすことが求められている。
【００２５】
既知の線形なマス−スプリングデバイスバイブレータの欠点を克服し、共振を活用するために、本発明に係るシステムにおいては、固有振動数が振幅の関数として変化するように非線形スプリングデバイスを使用することができる。一実施形態では、非線形スプリングデバイスが、好ましくは、振動の振幅の関数として振動デバイスにおいて変化する共振振動数を提供するために使用される。硬化スプリングデバイスは、スプリングデバイスの復元力が（図５のαに対応する）線形スプリングデバイスよりも迅速に増加するものである。図５に示されているように、硬化スプリングデバイスを備えたマススプリングデバイスシステムの固有振動数は、振動の振幅の増加とともに増大する。
【００２６】
非線形な硬化スプリングデバイスは、回転振動デバイスのものと類似した振動効果を与えるために使用することができる。回転振動デバイスを用いると、増加する遠心力により、振動力の振幅が回転振動数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｏｆ  ｒｏｔａｔｉｎｇ）の増大とともに増加する。同様の方法で、硬化非線形スプリングデバイスを有するマススプリングデバイスシステムは、小さい振動の振幅で励振された場合には小さい固有振動数を有し、大きい振動の振幅で励振された場合には大きい固有振動数を有する。従って、マススプリングデバイスシステムは、異なる振幅レベルおよび異なる振動数において、共振して、または共振に近い状態で動かすことができる。共振して、または共振に近い状態で動かすことにより、小さい入力で大きい振動力が得られる。
【００２７】
振動デバイス２００が図６に示されている。ここでは、プランジャ２０２は、コイル２０４によって実質的にまたは完全に取り囲まれているか、そうでなければコイル２０４に含まれるようになっている。非線形スプリングデバイス２０６は、プランジャ２０２に取り付けられている。コイル２０４が動作するとプランジャ２０２を引き付け、非線形スプリングデバイス２０６はプランジャの力に対抗する。スプリングデバイス２０６およびコイル２０４は、好ましくは、何れか一端において、振動力が与えられる対象物に固定されている。コイル２０４の磁気効率を改善するために、強磁性末端部２０８を使用することもできる。
【００２８】
非線形スプリングデバイスの復元力を用いた、振動デバイス２００の代替例が図７に示されている。この図からわかるように、振動デバイス２２０は、プランジャ２２２およびコイル２２４を有している。末端部２２８は、コイル２２４の片端に位置している。少なくとも１つのスプリングデバイス２２６が、プランジャ２２２の動く軸に対しある角度でプランジャ２２２に取り付けられている。ここでは、スプリングデバイス２２６ａおよびスプリングデバイス２２６ｂのペアが示されている。プランジャ２２２が移動すると、スプリングデバイス２２６（例えば、２２６ａまたは２２６ｂ）と、プランジャ２２２との間の角度が変化する。これにより、たとえスプリングデバイス２２６自体が線形であっても、非線形な復元力が生まれる。従って、効果的な非線形スプリングデバイスは、非線形スプリングデバイス要素、または移動するマスに対する復元力が非線形となるように構成された線形スプリングデバイス要素から構成することができる。
【００２９】
スプリングデバイスの角度の変化による復元力の非線形性が図８Ａ〜図８Ｃに示されている。図８Ａに示されている位置Ａでは、スプリングデバイス２２６ａおよび２２６ｂは、プランジャ２２２の動く軸に対して垂直であり、スプリングデバイスの復元力は正味ゼロである。図８Ｂに示されている位置Ｂでは、プランジャ２２２は、コイル２２４の中に僅かに引き込まれており、スプリングデバイス２２６ａおよび２２６ｂに僅かな角度の変化を与え、その結果、スプリングデバイスの僅かな復元力が生まれる。図８Ｃに示されている位置Ｃでは、プランジャ２２２は、さらにコイル２２４に引き込まれており、スプリングデバイス２２６ａおよび２２６ｂの角度の変化が大きくなり、スプリングデバイスのさらに大きな復元力が生まれる。図８Ｃから最もよくわかるように、スプリングデバイス２２６ａおよび２２６ｂの正味の復元力は、各スプリングデバイスによる力のベクトル和に等しい。図８Ｃに示されている構成では、このベクトル和は、１つのスプリングデバイスによる力の大きさをｃｏｓ（β）倍したものの２倍である。ここでβは、スプリングデバイスによって加えられる力のベクトルと、プランジャの動く軸との間の角度である。従って、スプリングデバイスの正味の復元力は、角度の変化により線形スプリングデバイスよりも迅速に増加する。勿論、非線形スプリングデバイスは、末端部を有しない実施形態でも利用できることを理解されたい。
【００３０】
非線形スプリングデバイスは、振動の振幅を増加させるために共振を利用できる範囲を広げるために、本発明に係る任意の振動デバイス内の可動マスに取り付けることができる。図９Ａおよび図９Ｂは、非線形スプリングデバイスによる所望の効果を得るために、弾性要素がどのようにして可動マス２４２に取り付けられるかを示すスプリングデバイスシステム２４０を示している。この実施形態では、可動マス２４２が移動すると可動マス２４２とスプリングデバイス２４６との間の角度が変化するように、スプリングデバイス２４６のような弾性要素が可動マス２４２に取り付けられている。スプリングデバイス２４６は、１つ以上のスプリングデバイスとして構成できる。弾性要素またはスプリングデバイス２４６自体が、その長さと内力との間にほとんど線形な関係を有していても、可動マス２４２に対する正味の力は非線形である。図９Ａの位置Ａに示されているように、スプリングデバイス２４６は、可動マス２４２の動く軸に対して垂直である。図９Ｂの位置Ｂでは、可動マス２４２が移動しており、スプリングデバイス２４６の力の方向と、可動マス２４２の動く方向に垂直な軸との間に角度θが生まれている。この角度θが増加すると、可動マス２４２に加えられるスプリングデバイス２４６の実効的なスティフネスが増加する。これは、小さい振動の振幅においては実効的なスティフネスが小さくなり、共振振動数が小さくなるという効果を生み出す。より大きい振幅振動では、実効的なスティフネスが増加し、かつ、システムの共振振動数が増大する。
【００３１】
図９Ｂに最もよく示されているように、スプリングデバイスの端点間の幅Ｗと、振動の振幅Ａとを選択することにより、スプリングデバイスシステム２４０の所望の非線形性を選択することができる。Ｗの値が小さい場合、所与の振動の振幅Ａによる角度θの変化が大きくなり、従って、非線形性が増加する。
【００３２】
振動を発生させるためにマスとスプリングデバイスとを用いる振動デバイス内の可動マスに取り付けられた非線形スプリングデバイスは、回転振動デバイスにより得られる振動をシミュレートするために使用することができる。回転振動デバイスを用いると、振幅力は、回転振動数の増大と共に増加する。非線形スプリングデバイスを用いると、小さい振幅振動においては小さい振動数による共振が起こる。これは、小さい振動数において回転するバイブレータの小さい振幅力に相当する。非線形スプリングデバイスを用いると、大きい振動数による共振が大きい振幅振動において起こる。これは、高振動数で回転するバイブレータの大きい振幅力に相当する。
【００３３】
図９Ａおよび図９Ｂに示されている構成では、上部および下部のスプリングデバイス２４６は、ともに単一の要素からなる。上部および下部のスプリングデバイス２４６は、可動マス２４２の移動方向ではない力、つまり図９Ａおよび図９Ｂにおける垂直方向の力を打ち消しあう。しかしながら、代替の構成では、単一のスプリングデバイス要素２４６のみを使用することができる。可動マス２４２のためのベアリングガイド（図示せず）が、可動マス２４２をベアリングガイド内に保持するために必要な反発力を与える。
【００３４】
本発明では、プランジャまたは可動マスが強磁性磁石または永久磁石である場合、非線形スプリングデバイスも使用できる。プランジャが永久磁石である場合、コイルは、プランジャを引きつける磁力を発生させることができる。また、コイル内の電流の方向を反対にすることにより、反発的な磁力を発生させることができる。
【００３５】
図１０に示されているように、非線形スプリングデバイスは、線形スプリングデバイスと組み合わせて使用することもできる。この図では、振動デバイス２６０がプランジャ２６２およびコイル２６４を有するものとして示されている。ここで、スプリングデバイス２６８は、プランジャ２６２の動く軸と位置を合わせており、線形スプリングデバイスである。プランジャ２６２が移動するとその角度が変化するように、スプリングデバイス２６６ａおよびスプリングデバイス２６６ｂがプランジャ２６２に取り付けられている。これによって、非線形な復元力が生まれる。線形スプリングデバイス２６８と、非線形スプリングデバイス２６８ａおよび２６８ｂとを組み合わせた効果は、システム２６０の変化する固有振動数を発生させるために利用できる非線形な復元力である。
【００３６】
本明細書の様々な実施形態に示されている、角度を付けられたこれらスプリングデバイスは、単一のスプリングデバイス片として構成できる。これにより、スプリングデバイス要素は、プランジャ内の穴またはスロットを通り抜ける。スプリングデバイスは、金属または弾性体（例えば輪ゴム）から構成することができる。非線形スプリングデバイスは、スプリングデバイスと連結したケーブルから構成することもできる。このケーブルは、可動マスまたはプランジャに容易に取り付けることができる。
【００３７】
固有振動数を変化させるプログラミング可能なデバイスを振動デバイスに取り付けるか、さもなければ、電子制御または外部制御により固有振動数を変化させるための技術も使用することができる。アクティブに制御された形状記憶合金（「ＳＭＡ」）、バイポール、抵抗性歪みゲージなどの歪みゲージ、圧電体、Ｎａｎｏｍｕｓｃｌｅ−ｂｒａｎｄアクチュエータなどのデバイス、電流が加えられると移動を引き起こすことができるその他適切な材料またはデバイスをスプリングに組み合わせることにより、スプリングの復元力を動的に調節することができる。固有振動数をプログラミング可能に制御するモジュレーションスキームは、プランジャの動きに対するスプリングデバイスのあらゆる角度について最適化することができる。
【００３８】
また、磁気スプリングデバイスを構成することもできる。Ｃｏａｃｔｉｖｅ  Ｄｒｉｖｅ社の幾つかの特許は、斥力を用いた磁気スプリングデバイスに関するものである。このような特許として、米国特許第６，００２，１８４号と、米国特許第６，１４７，４２２号と、米国特許第６，３０７，２８５号とがある。ここに本明細書の一部を構成するものとしてこれら３つの特許の特許公報の内容を援用する。スプリングデバイスコイル内の電流をモジュレートすることにより、磁気スプリングデバイスのスティフネスをモジュレートすることができる。前述したＣｏａｃｔｉｖｅ  Ｄｒｉｖｅ社の特許に示されているように、これらスプリングデバイスは、対向する反発的な磁力によって、または、機械式スプリングデバイスに反する単一の反発的な磁力によって構成できる。何れの場合も、スプリングデバイスのスティフネスをモジュレートすることができる。磁気スプリングデバイスは、機械式スプリングデバイスと直列に、または並列に構成することができる。
【００３９】
本発明の実施形態では、図１Ａおよび図１Ｂに示されているように、磁気スプリングデバイスは、スプリングデバイスの復元力を得るために使用される。この場合、磁気スプリングデバイスのスティフネスは、振動デバイスの共振振動数を変更するためにモジュレートすることができる。この振動数のモジュレーションは、広範囲の振動数にわたって大きい振幅振動力を与えるために使用することができる。
【００４０】
磁気コイルを備えた実施形態が図１１に示されている。振動デバイス３００は、プランジャ３０２と、プランジャ３０２の周りのコイル３０４とを有するものとして示されている。ここでは、単なる例であるが、右側にＮとして示されているように、プランジャの端部がＮ極を有するように磁化されている。プランジャ３０２は、この方向に磁化された永久磁石を含むこともできる。代替例として、プランジャ３０２は、強磁性体を有し、コイル３０４がプランジャを磁化する。プランジャ３０２は、図の左側において、機械式スプリングデバイス３０６に取り付けられている。図の右側には、磁気スプリングデバイス３０８がある。磁気スプリングデバイスは、好ましくは、永久磁石３１０を含んでいる。これは、図においてＮで示されているように、例えば左端部にＮ極を有している。示されている構成では、プランジャ３０２と永久磁石３１０との間で磁力は反発する。望ましくは、二次コイル３１２が、磁気スプリングデバイス３０８の永久磁石３１０に近接している。二次コイル３１２が動作すると、二次コイル３１２内の電流の方向に依存して、磁気スプリングデバイス３０８のスティフネスを増加または減少させることができる。磁気スプリングデバイス３０８のスティフネスは、システムの所望の共振振動数を得るために変化させることができる。
【００４１】
図１１では、二次コイル３１２は、磁気スプリングデバイス３０８の永久磁石３１０の後方にある。振動デバイス３００の代替的な構成、すなわち振動デバイス３２０が図１２に示されている。図１１の実施形態と同様に、振動デバイス３２０は、プランジャ３２２とコイル３２４と機械式スプリングデバイス３２６と磁気スプリングデバイス３２８とを有している。この実施形態では、二次コイル３３２は、好ましくは、磁気スプリングデバイス３２８の永久磁石３３０を取り囲んでいる。
【００４２】
本発明の実施形態に基づく振動デバイスは、コイルを動作させるための駆動回路を含むことができる。図１３は、コイル４０４に接続された駆動回路４０２が示されたシステム４００のブロック図である。破線４０６で示されているように、コイル４０４の動作状態などの情報が、直接的または間接的に駆動回路４０２へフィードバックされる。駆動回路４０２は、コイル４０４に電流を供給する。駆動回路４０２は、コイル４０４内の電流を所望の周波数でモジュレートする。このモジュレーションは、正弦波、矩形波、長方形波、三角形波、または他の形状による形態をとることができる。例えば、駆動回路４０２は、長方形波を発生させるＣＭＯＳ  ５５５タイマーチップを使用できる。
【００４３】
例えば、図１４に示されているシステム４２０のように、本明細書に記載のバイブレータ用の駆動回路は、コントローラから信号を受信する。ここで、駆動回路４２２は、コイル４２４に加えてコントローラ４２５にも接続されている。コントローラ４２５からの信号は、振動の所望の振幅および振動数を定めることができる。コントローラ４２５からの信号は、所望の振動感覚を示すことができる。コントローラ４２５からの信号は、ゲームなどのコンピュータ上のシミュレーションにおけるある状態に対応できる。例えば、定められた振動数は、コンピュータゲームにおいてラフな道路上を走行するシミュレートされた車両に対応できる。コイル４２４の動作状態などの情報は、駆動回路４２２またはコントローラ４２５へフィードバックされる。図１４の破線４２６で示されているように、コイルの情報は、好ましくは、コイル４２４から（直接的または間接的に）コントローラ４２５へ渡される。コントローラ４２５は、例えば、汎用プロセッサ、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、ＡＳＩＣ、または、駆動回路４２２および／またはコイル４２４の動作を管理するように構成されている論理回路である。
【００４４】
コントローラ４２５などのコントローラからの制御信号は、デジタル信号またはアナログ信号である。これらは、単一の信号であるか、または複数の信号である。一実施形態では、コントローラからの信号はアナログ信号であり、低電圧は、所望の小さい振動数に対応し、所望の高電圧は、より大きい振動数に対応する。このような実施形態における駆動回路は、コントローラからの信号に従って所望の周波数でコイルを駆動する周波数コンバータに対する電圧を含むことができる。
【００４５】
本発明に基づいて、共振状態または共振に近い状態で振動デバイスを駆動することにより、小型のアクチュエータを用いて、かつ、小さい電力量で、比較的大きな振動力を発生させることができる。１つの代替例では、コイル用の駆動回路は、望ましくは、システム内の全体の共振効果を高めるために電気共振を含む。
【００４６】
コイルへの電流が止められると、電磁場内にエネルギーが残る。この電磁場が崩れると、このエネルギーは、コンデンサに送られ、次のコイル動作時にコイルに戻される。本実施形態は、ＬＣ（インダクタ−コンデンサ）またはＬＣＲ（インダクタ−コンデンサ−抵抗）回路の形態とすることができる。コイルは、インダクタンスと抵抗との両方を与える。従って、コンデンサは、電気共振が振動デバイスの所望の駆動共振となるように、または所望の駆動共振に近い状態となるように選択された値で、回路に追加される。ＬＣＲ（ＲＬＣとも称される）回路の実施形態が図１５に示されている。この図では、Ｖ（ｔ）は、変化する駆動周波数を示している。これは、正弦波、矩形波、長方形波、三角形波、または他の形態である。
【００４７】
特定の実施形態に関連して本発明を説明したが、これら実施形態は単に本発明の原理および応用を例示しているに過ぎないことを理解されたい。これら例示的な実施形態に対して多くの修正がなされ、かつ、その他の構成が、特許請求の範囲によって定義されるような本発明の思想および範囲から逸脱することなく発明できることをさらに理解されたい。例えば、プランジャおよび／またはスプリングは、様々な材料で構成できる。それらは、形状記憶合金、バイポール、Ｎａｎｏｍｕｓｃｌｅ−ｂｒａｎｄデバイス、歪みゲージ、圧電体等などの活性化材料とともに組み込むことができる。プランジャを移動させるための駆動力は、プランジャおよび／またはスプリング内の活性化材料により、その全体または一部が発生する。この駆動力はまた、活性化材料と電磁場のモジュレーションの組合せとすることもできる。システムの固有振動数は、プランジャおよび／またはスプリング内、またはその周りの活性化材料を制御することにより変化させることができる。活性化材料は、デバイスの起動、効果、減衰、線形性または操作、およびそれらによって得られる触覚による感触を鋭くしたり、鈍くしたり、または寄与するために使用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、限定される訳ではないが、ハンドヘルドゲームコントローラや、その他の適切なシステムにおいて使用される振動デバイスを提供することを含む広範な産業上の利用可能性を享受する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１Ａ】本発明の態様に基づく振動デバイスを示す図である。
【図１Ｂ】本発明の態様に基づく振動デバイスを示す図である。
【図２】本発明の態様に基づく末端部を有する振動デバイスを示す図である。
【図３】本発明の態様に基づく対向するスプリングデバイスを有する振動デバイスを示す図である。
【図４】本発明の態様に基づく図３の振動デバイスの振動を示す図である。
【図５】本発明に基づく振動デバイスの振動数に対する振幅をプロットした図である。
【図６】本発明の態様に基づく非線形スプリングデバイスを使用した振動デバイスを示す図である。
【図７】本発明の態様に基づく非線形スプリングデバイスを使用した別の振動デバイスを示す図である。
【図８Ａ】図７の振動デバイスの動きを示す図である。
【図８Ｂ】図７の振動デバイスの動きを示す図である。
【図８Ｃ】図７の振動デバイスの動きを示す図である。
【図９Ａ】本発明に基づく非線形スプリングデバイス駆動デバイスの態様を示す図である。
【図９Ｂ】本発明に基づく非線形スプリングデバイス駆動デバイスの態様を示す図である。
【図１０】本発明の態様に基づく非線形スプリングデバイスおよび位置合わせされたスプリングデバイスを使用した振動デバイスを示す図である。
【図１１】本発明の態様に基づく磁気コイルを使用した振動デバイスを示す図である。
【図１２】本発明の態様に基づく磁気コイルを使用した別の振動デバイスを示す図である。
【図１３】本発明の態様に基づく駆動回路を示す図である。
【図１４】本発明の態様に基づく駆動回路およびコントローラを示す図である。
【図１５】本発明の態様に基づくＲＬＣ回路を示す図である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成19年9月5日(2007.9.5)
【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】
第１の端部においてボディに取り付けられ、電磁場を発生させるコイルと、
前記コイルにより少なくとも部分的に取り囲まれた、磁性体からなる可動マスと、
第１の端部において前記可動マスに取り付けられ、第２の端部において前記ボディに取り付けられている非線形スプリングデバイスと
を備え、
前記コイルが前記電磁場を発生させると、前記可動マスは前記ボディに対して直線状に移動し、
前記可動マスが移動すると、前記可動マスは前記ボディに振動力を伝える、振動デバイス。
【請求項２】
前記コイルの第１の端部と前記コイルの第１の端部に隣接した前記ボディとに取り付けられた磁性体の末端部をさらに備え、
前記磁性体の末端部は、前記コイルの磁気効率を増加させ、前記可動マスの振動の振幅を制限する、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項３】
前記非線形スプリングデバイスは、小さい振動の振幅においては実効的なスティフネスが小さくなり、大きい振動の振幅においては実効的なスティフネスが大きくなる、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項４】
前記可動マスの長さは、前記コイルの長さよりも長い、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項５】
前記非線形スプリングデバイスの実効的なスティフネスが増加すると、前記振動デバイスの共振振動数は増大し、
前記非線形スプリングデバイスの実効的なスティフネスが減少すると、前記振動デバイスの前記共振振動数は減少する、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項６】
前記非線形スプリングデバイスは、前記振動デバイスの共振振動数が振動の振幅に従って変化するように選択されるものである、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項７】
前記共振振動数は、回転振動デバイスの振動力をシミュレートするように前記振動の振幅に従って変化するものである、請求項６に記載の振動デバイス。
【請求項８】
前記非線形スプリングデバイスは硬化スプリングデバイスである、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項９】
前記可動マスに対する前記非線形スプリングデバイスのアライメント角度は、前記可動マスの位置によって変化するものである、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項１０】
前記非線形スプリングデバイスは、一対の非線形スプリングデバイスを有し、
前記非線形スプリングデバイスの一方は、第１の端部において前記可動マスの第１の端部に取り付けられ、第２の端部において前記ボディの第１の位置に取り付けられ、
前記非線形スプリングデバイスの他方は、第１の端部において前記可動マスの前記第１の端部に取り付けられ、第２の端部において前記ボディの第２の位置に取り付けられるものである、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項１１】
ある位置合わせされたスプリングデバイスをさらに備え、
前記位置合わせされたスプリングデバイスの第１の端部は、前記可動マスの前記第１の端部とは反対側にある第２の端部に取り付けられ、
前記位置合わせされたスプリングデバイスの第２の端部は、前記ボディの第３の位置に取り付けられるものである、請求項１０に記載の振動デバイス。
【請求項１２】
前記可動マスの前記第１の端部とは反対側にある第２の端部と作用しあう磁気スプリングデバイスをさらに備える請求項１１に記載の振動デバイス。
【請求項１３】
第１の端部においてボディに取り付けられ、電磁場を発生させるコイルと、
前記コイルにより少なくとも部分的に取り囲まれた、磁性体からなる可動マスと、
第１の端部において前記可動マスに取り付けられ、第２の端部において前記ボディに取り付けられている非線形スプリングデバイスと、
前記コイルに接続され、前記コイルの動作を指示するためのモジュレーション信号を発生させる駆動回路と
を備え、
前記コイルが前記モジュレーション信号に基づいて前記電磁場を発生させると、前記可動マスは前記ボディに対して直線状に移動し、
前記可動マスが移動すると、前記可動マスは前記ボディに振動力を伝える、振動システム。
【請求項１４】
前記駆動回路に接続されたコントローラをさらに備え、
前記コントローラは、前記振動システムの振動の振幅と振動の周波数とのうちの少なくとも１つを定めるものである、請求項１３に記載の振動システム。
【請求項１５】
前記コントローラは、コンピュータ上のシミュレーションにおけるある状態に基づいて前記駆動回路へ信号を発するものである、請求項１４に記載の振動システム。
【請求項１６】
前記振動システムの共振を増加させるために前記駆動回路に接続された共振回路をさらに備える請求項１３に記載の振動システム。
【請求項１７】
前記可動マスに対する前記非線形スプリングデバイスのアライメント角度は、前記可動マスの位置によって変化するものである、請求項１３に記載の振動システム。
【請求項１８】
前記非線形スプリングデバイスは、前記振動システムの共振振動数が振動の振幅に従って変化するように選択されるものである、請求項１３に記載の振動システム。
【請求項１９】
ボディに取り付けられ、電磁場を発生させるコイルと、前記コイルにより少なくとも部分的に取り囲まれた、磁性体からなる可動マスと、第１の端部において前記可動マスに取り付けられ、第２の端部において前記ボディに取り付けられている非線形スプリングデバイスと、前記コイルに接続され、前記コイルの動作を指示するためのモジュレーション信号を発生させる駆動回路とを有する振動デバイスを制御する方法であって、ここで、前記非線形スプリングデバイスは実効的なスティフネスを有するものであり、
前記可動マスの固有振動数に概ね合わせるように、前記コイルの動作周波数を選択するステップと、
制御信号を発生させるステップと、
前記駆動回路に前記制御信号を提供するステップと、
前記動作周波数をモジュレートし、前記非線形スプリングデバイスの前記実効的なスティフネスをモジュレートするために、前記駆動回路を用いて前記コイルの電流を変化させるステップと
を含む方法。
【請求項２０】
前記固有振動数は振動の振幅に従って変化する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記非線形スプリングデバイスは、静止状態において、前記可動マスの動きの方向に対して垂直な軸に沿って配置されるものである、請求項１に記載の振動デバイス。
【国際調査報告】
2008527962.tif 000018