(57)【要約】  本発明は、触覚フィードバックをユーザに提供できる同期振動装置（６２０）に関する。線形アクチュエータ（１００）、ロータリー式アクチュエータ（３００）、回転偏心部材式アクチュエータ（３０４）、及びロッキング又は枢動部材式アクチュエータ（４００、４９０）を含む多種多様の種類のアクチュエータを使用して、同期振動を提供する。コントローラ（５０２）は、アクチュエータの動作を指示するために、１つ以上のドライバ回路（５０４）に信号を送ることができる。コントローラは、触覚経験を指示するために、方向・振幅制御（５０８）、振動制御（５１２）、及び周波数制御（５１０）を行うことができる。周波数、位相、振幅、継続時間、及び方向などのパラメータは、ゲーム、バーチャルリアリティ及び実世界の状態で使用するために好適な種々のパターンとしてプログラム又は入力することができる。
2008546534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部材と、
前記ベース部材に結合され、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとを含む複数のアクチュエータと、
前記複数のアクチュエータの少なくとも前記第１及び第２のアクチュエータを同期して振動させるための手段と、
から構成され、
前記第１のアクチュエータが、第１の部材及び第２の部材を有し、前記第１の部材が前記ベース部材の第１の部分に動作可能なように結合され、かつ前記第２の部材が前記第１のアクチュエータの前記第１の部材に対して移動可能であり、
前記第２のアクチュエータが、第１の部材及び第２の部材を有し、前記第１の部材が前記ベース部材の第２の部分に動作可能なように結合され、かつ前記第２の部材が前記第２のアクチュエータの前記第１の部材に対して移動可能である、
ことを特徴とする振動装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のアクチュエータの少なくとも１つが直線運動式振動アクチュエータを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
【請求項３】
前記直線運動式振動アクチュエータの第１の部材が永久磁石を含み、前記直線運動式振動アクチュエータの第２の部材が電磁石を含み、そして前記同期して振動させる手段が前記電磁石と前記永久磁石との間の磁力を変調するように動作できる、ことを特徴とする請求項２に記載の振動装置。
【請求項４】
前記直線運動式振動アクチュエータの第１の部材が電磁石を含み、前記直線運動式振動アクチュエータの第２の部材が永久磁石を含み、そして前記同期して振動させる手段が前記電磁石と前記永久磁石との間の磁力を変調するように動作できる、ことを特徴とする請求項２に記載の振動装置。
【請求項５】
前記直線運動式振動アクチュエータの第２の部材に復元力を与えるために、前記第２の部材に結合されたばね装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
【請求項６】
前記同期して振動させる手段が、ほぼ同一の位相とほぼ同一の周波数で前記第１及び第２のアクチュエータを動作させる、ことを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
【請求項７】
前記同期して振動させる手段が、前記第１及び第２のアクチュエータの結合された振動力の振幅及び結合された振動力の方向の少なくとも１つを変化させるように、前記第１及び第２のアクチュエータの動作を制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
【請求項８】
前記第２のアクチュエータが前記第１のアクチュエータに対して直交しない方向に向けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
【請求項９】
前記複数のアクチュエータが、第１の部材及び第２の部材を有する第３のアクチュエータをさらに含み、前記第３のアクチュエータの第１の部材が前記ベース部材の第３の部分に結合され、前記第２の部材が前記第３のアクチュエータの第１の部材に対して移動可能であり、前記第１、第２及び第３のアクチュエータが、前記振動装置が三次元の結合された振動力を発生するように動作できる方向に向けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２のアクチュエータの少なくとも１つが、ロータリー式アクチュエータからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
【請求項１１】
前記ロータリー式アクチュエータが枢動部材を含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の振動装置。
【請求項１２】
前記枢動部材と前記ベース部材とに結合されたばね装置をさらに含み、前記同期して振動させる手段が、前記枢動部材及び前記ばね装置の共振周波数で前記振動装置を制御するように動作できる、ことを特徴とする請求項１１に記載の振動装置。
【請求項１３】
前記ばね装置が、非線形のばね力が発生するように前記枢動部材に結合される、ことを特徴とする請求項１２に記載の振動装置。
【請求項１４】
一対のばね装置をさらに含み、前記第１及び第２のアクチュエータの少なくとも１つが、前記一対のばね装置によってその一端で前記ベース部材に枢動可能に連結されたロッキング部材を有するロック式アクチュエータを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
【請求項１５】
前記複数のアクチュエータの少なくとも前記第１及び第２のアクチュエータが、第１の継続時間に対しては同期して振動され、第２の継続時間に対しては非同期で振動される、ことを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
【請求項１６】
ベースに結合され、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとを備える複数のアクチュエータと、
それぞれが前記複数のアクチュエータの１つに動作可能なように結合された複数のドライバと、
前記複数のドライバに接続され、前記複数のアクチュエータの中の少なくとも前記第１及び第２のアクチュエータを同期して振動させるために、振幅、位相及び周波数情報を提供するように動作できるコントローラと、
から構成し、
前記第１のアクチュエータが、第１の部材及び前記第１のアクチュエータの前記第１の部材に対して移動可能な第２の部材を有し、前記第１のアクチュエータの前記第１の部材が前記ベースの第１の部分に動作可能なように結合され、
前記第２のアクチュエータが、第１の部材及び前記第２のアクチュエータの前記第１の部材に対して移動可能である第２の部材を有し、前記第２のアクチュエータの前記第１の部材が前記ベースの第２の部分に動作可能なように結合される、
ことを特徴とする振動制御システム。
【請求項１７】
前記第１のアクチュエータに提供される周波数及び位相情報の少なくとも１つが、前記第２のアクチュエータに提供される周波数及び位相情報とほぼ同一である、ことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記コントローラが、
結合された振動の振幅及び振動の方向を指定するように動作できる方向・振幅用コントローラと、
振動の周波数を指定するように動作できる周波数用コントローラと、
前記複数のアクチュエータの少なくとも前記第１及び第２のアクチュエータを同期して振動させるために、結合された振動の振幅、振動の方向、及び振動の周波数を制御するように動作できる振動用コントローラと、
を備える、ことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
力感覚をユーザに与えるように動作できる触覚インターフェースをさらに備える、ことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記触覚インターフェースが複数のアクチュエータと複数のドライバとを具備し、かつユーザからの入力を受け取るための入力装置をさらに具備する、ことを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
ユーザに画像表示を行うために、コントローラに動作可能に接続された表示装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
筐体と、
ユーザからの入力を受け取るために前記筐体内に配置された少なくとも１つの入力装置と、
前記筐体の中に配置され、前記筐体に結合された固定部材と、前記固定部材に動作可能に係合されかつ前記固定部材に対して移動できる可動部材とを有する第１のアクチュエータと、
前記筐体内に配置され、前記筐体に結合された固定部材と、前記固定部材に動作可能に係合されかつ前記固定部材に対して移動できる可動部材とを有する第２のアクチュエータと、
から構成し、
前記第１及び第２のアクチュエータが、触覚感覚をユーザに与えるために同期して振動するように動作できる、
ことを特徴とするゲーム用コントローラ。
【請求項２３】
前記第２のアクチュエータが、前記第２のアクチュエータの振動力が前記第１のアクチュエータの振動力と平行にならないような方向に向けられる、ことを特徴とする請求項２２に記載のゲーム用コントローラ。
【請求項２４】
前記第２のアクチュエータが前記第１のアクチュエータの上に配置されて、同期振動の間のトルクを最小にする、ことを特徴とする請求項２２に記載のゲーム用コントローラ。
【請求項２５】
前記第１及び第２のアクチュエータが同期振動の間にトルクを発生する、ことを特徴とする請求項２２に記載のゲーム用コントローラ。
【請求項２６】
少なくとも１つの前記第１及び第２のアクチュエータが、５０Ｈｚ未満の周波数を発生するように動作できる枢動アクチュエータ又は線形アクチュエータである、ことを特徴とする請求項２２に記載のゲーム用コントローラ。
【請求項２７】
前記第１及び第２のアクチュエータがそれぞれロータリー式アクチュエータを具備し、かつ前記第１のアクチュエータの回転軸の軸線が前記第２のアクチュエータの回転軸の軸線と整列する、ことを特徴とする請求項２２に記載のゲーム用コントローラ。
【請求項２８】
ベース部材と、
前記ベース部材に動作可能に装着され、第１の振動周波数及び前記周波数に関連した第１の振動の大きさを有する第１の振動力を発生するように動作でき、かつ前記ベース部材に前記第１の振動力を与えるようにさらに動作できる第１のアクチュエータと、
前記ベース部材に動作可能に装着され、第２の振動周波数及び前記周波数に関連した第２の振動の大きさを有する第２の振動力を発生するように動作でき、かつ前記ベース部材に前記第２の振動力を与えるようにさらに動作できる第２のアクチュエータと、
前記第１の振動周波数が前記第２の振動周波数とほぼ同一になるように前記第１及び第２のアクチュエータを制御するための手段と、
前記ベース部材に加えられる、前記第１及び第２の振動力のベクトルの和である結合された振動力の方向を制御するために、前記第１及び第２の振動力の大きさを別個に変調するための手段と、
前記第１及び第２の振動力の大きさのピークがほぼ同時に発生するように、前記第１及び第２のアクチュエータの振動のタイミングを制御するための手段と、
から構成することを特徴とする振動装置。
【請求項２９】
前記アクチュエータのそれぞれが前記ベース部材に動作可能に結合された第１の部材と、対応する前記第１の部材に対して移動可能な第２の部材とを具備する、ことを特徴とする請求項２８に記載の振動装置。
【請求項３０】
前記第１及び第２のアクチュエータが同相で振動するように制御される、ことを特徴とする請求項２８に記載の振動装置。
【請求項３１】
前記第１の振動周波数は前記第１のアクチュエータの主要な周波数であり、前記第２の振動周波数は前記第２のアクチュエータの主要な周波数である、ことを特徴とする請求項２８に記載の振動装置。
【請求項３２】
電磁気力が、前記第１及び第２のアクチュエータの両方の中の前記第１及び第２の部材の間で発生される、ことを特徴とする請求項２９に記載の振動装置。
【請求項３３】
前記各アクチュエータの前記第１の部材が永久磁石を備え、かつ前記各アクチュエータの前記第２の部材が電磁石を備える、ことを特徴とする請求項３２に記載の振動装置。
【請求項３４】
前記第１及び第２のそれぞれのアクチュエータは、前記それぞれのアクチュエータの前記第１及び第２の部材の間に力を生ずるばね装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項２９に記載の振動装置。
【請求項３５】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータか両方とも、前記それぞれのアクチュエータのほぼ固有周波数で動作される、ことを特徴とする請求項３４に記載の振動装置。
【請求項３６】
前記両方のアクチュエータが、それぞれのアクチュエータの周波数の範囲を超えて動作され、かつ前記周波数の範囲には、前記それぞれのアクチュエータの固有周波数が含まれる、ことを特徴とする請求項３４に記載の振動装置。
【請求項３７】
前記結合された振動力の方向が、コンピュータシミュレーションの中の事象の方向と一致する、ことを特徴とする請求項２８に記載の振動装置。
【請求項３８】
前記結合された振動力の方向の変化が、コンピュータシミュレーションの中の擬似運動の方向の変化に一致する、ことを特徴とする請求項３７に記載の振動装置。
【請求項３９】
前記ベース部材に加えられた前記結合された振動力の方向が、時間が経つにつれて変化するように制御される、ことを特徴とする請求項２８に記載の振動装置。
【請求項４０】
ベース部材と、
前記ベース部材に動作可能に装着され、かつ前記ベース部材に対して可動部材を有し、前記ベース部材に第１の力を加えるように動作することができる第１のアクチュエータと、
前記ベース部材に動作可能に装着され、かつ前記ベース部材に対して可動部材を有し、前記ベース部材に第２の力を加えるように動作することができる第２のアクチュエータと、
前記第１及び第２のアクチュエータのそれぞれの可動部材が、ほぼ同時に前記ベース部材に対して運動の方向を繰り返し反転させるように、前記第１及び第２のアクチュエータのタイミングを制御する手段と、
から構成することを特徴とする振動装置。
【請求項４１】
前記ベース部材に加えられた結合された力の方向を制御するために、前記第１及び第２の力の大きさを別個に変調するための手段をさらに具備し、前記結合された力が、前記第１及び第２の力のベクトルの和である、ことを特徴とする請求項４０に記載の振動装置。
【請求項４２】
前記ベース部材に加えられた結合された力の大きさを制御するために、前記第１及び第２の力の大きさを別個に変調するための手段をさらに具備し、前記結合された力が、前記第１及び第２の力のベクトルの和である、ことを特徴とする請求項４０に記載の振動装置。
【請求項４３】
前記別個に変調するための手段が、前記ベース部材に加えられた前記結合された力の方向を制御するようにさらに動作できる、ことを特徴とする請求項４２に記載の振動装置。
【請求項４４】
前記第１及び第２のアクチュエータのタイミングを制御するための手段が、ほぼ同時に前記ベース部材に対して前記各アクチュエータの可動部材が平行移動する方向を繰り返し反転するようにさらに動作できる、ことを特徴とする請求項４１に記載の振動装置。
【請求項４５】
前記第１及び第２のアクチュエータのタイミングを制御するための手段が、ほぼ同時に前記ベース部材に対して各アクチュエータの可動部材が回転する方向を繰り返し反転させるようにさらに動作できる、ことを特徴とする請求項４１に記載の振動装置。
【請求項４６】
前記制御するための手段が、前記第２のアクチュエータの可動部材が前記ベース部材に対する運動方向を反転するたびに、前記第１のアクチュエータの可動部材が前記ベース部材に対する運動の方向を反転するように前記第１及び第２のアクチュエータのタイミングを調整し、かつ前記第１及び第２のアクチュエータに対応する運動方向の反転がほぼ同時に発生する、ことを特徴とする請求項４１に記載の振動装置。
【請求項４７】
振動の第１の継続時間に対して、前記第２のアクチュエータの可動部材が前記ベース部材に対する運動方向を反転するたびに、前記第１及び第２のアクチュエータのタイミングを制御するための手段が、前記第１のアクチュエータの可動部材が前記ベース部材に対する運動方向を反転させるように動作することができて、運動の反転はほぼ同時に発生し、
振動の第２の継続時間に対して、前記第２のアクチュエータの可動部材が前記ベース部材に対する運動方向を反転するたびに、前記第１及び第２のアクチュエータのタイミングを制御するための手段が、前記第１のアクチュエータの可動部材が前記ベース部材に対する運動方向を反転させないように動作することができて、運動の反転はほぼ同時には発生しない、
ことを特徴とする請求項４１に記載の振動装置。
【請求項４８】
振動装置を制御する方法であって、
第１のアクチュエータを用いて第１の振動力をベースに与えるステップと、
第２のアクチュエータを用いて第２の振動力を前記ベースに与えるステップと、
振幅情報、位相情報及び周波数情報を前記第１及び第２のアクチュエータに適用することによって、結合された振動力を前記ベースに与えるために前記第１及び第２のアクチュエータを同期して振動させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４９】
前記第２のアクチュエータに適用される周波数情報が、前記第１のアクチュエータに適用される周波数情報とほぼ同一であり、かつ前記第２のアクチュエータに適用される位相情報が、前記第１のアクチュエータに適用される位相情報とほぼ同一である、ことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
結合された振動の振幅及び振動の方向を指定するステップと、
振動の周波数を指定するステップと、
前記第１及び第２のアクチュエータを同期して振動させるために、前記結合された振動の振幅、前記振動の方向及び前記振動の周波数を制御するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５１】
振動装置を動作させる方法であって、
第１の振動周波数及び前記周波数に関連した第１の振動の大きさを有する第１の振動力を発生するように動作でき、かつ前記第１の振動力をベース部材に与えるようにさらに動作することができる第１のアクチュエータを提供するステップと、
第２の振動周波数及び前記周波数に関連した第２の振動の大きさを有する第２の振動力を発生するように動作でき、かつ前記第２の振動力を前記ベース部材に与えるようにさらに動作することができる第２のアクチュエータを提供するステップと、
前記第１の振動周波数が前記第２の振動周波数とほぼ同一になるように前記第１及び第２のアクチュエータを制御するステップと、
前記ベース部材に加えられた、前記第１及び第２の振動力のベクトルの和である結合された振動力の方向を制御するために、前記第１及び第２の振動力の大きさを別個に変調するステップと、
前記第１及び第２の振動力の大きさのピークがほぼ同時に発生するように、前記第１及び第２のアクチュエータの振動のタイミングを制御するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項５２】
振動装置を制御する方法であって、
ベースに対して可動部材を有し、第１の力を前記ベース部材に加えるように動作できる第１のアクチュエータを提供するステップと、
前記ベースに対して可動部材を有し、第２の力を前記ベース部材に加えるように動作できる第２のアクチュエータを提供するステップと、
前記第１及び第２のアクチュエータのそれぞれの可動部材がほぼ同時に前記ベース部材に対して運動の方向を繰り返し反転させるように、前記第１及び第２のアクチュエータのタイミングを制御するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項５３】
前記ベース部材に加えられた、前記第１及び第２の力のベクトルの和である結合された力の方向を制御するために、前記第１及び第２の力の大きさを別個に変調するステップをさらに備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
本願は、２００５年６月２７日に出願された「触覚フィードバック用の同期式振動装置」という名称の米国仮特許出願第６０／６９４，４６８号の出願日に関する利点を請求する。その全開示内容は、参照することによって特別に本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明は全体的に、振動装置に関する。応用例には、ビデオゲーム、振動パーツフィーダ（vibratory parts feeder）、及び振動シェーカ（vibration shaker）の臨場感を向上させる触覚感覚（haptic sensation）を発生する装置が含まれる。
【背景技術】
【０００３】
フォース・フィードバック（force feedback）及び触覚感覚を与えるアクチュエータは、ゲーム装置、医用シミュレータ、及びフライト・シミュレータを含む高範囲の用途に使用されている。触覚装置のアクチュエータは、ユーザが感じる力感覚（force sensation）を作り出す。
【０００４】
触覚感覚を発生する１つの方法は、米国特許第６，２７５，２１３号及び６，４２４，３３３号の中で説明されているような振動アクチュエータを使用することである。この振動アクチュエータは、力感覚を発生するための低価格の方法を提供し、複数の振動アクチュエータは感覚の範囲を発生するために使用することができる。多くの現行の装置では、振動は偏心部材のロータリーモータによって発生される。
【０００５】
偏心部材式ロータリー・バイブレータの限界は、連続的な振動のもとでは、振動力が振動の大きさに結合されるため、所定の振動数に対して振動の大きさを変更することは不可能なことである。現行の振動装置に関する別の限界は、振動力の方向が振動アクチュエータの向きによって設定され、動作中は変更できないことである。
【０００６】
現行の装置では、方向に関する情報はユーザには最小限しか又は全く与えられない、そして力感覚はアクチュエータの周波数に対して限定される。複数の振動アクチュエータが付いた現行の振動装置では、様々なアクチュエータの振動波形は一般に同期化されることはなく、また異なる振動間の位相差は明確に指定又は制御されない。この同期が行われないことにより、現行の振動装置が発生できる力の効果の形式が限定される。
【０００７】
振動装置の１つの用途は、ゲーム用コントローラなどの触覚入力装置である。触覚装置は、情報をユーザに伝達する力を使用する。コンピュータ用ゲーム及び他の応用例では、高範囲の情報を力の周波数、大きさ及び方向を含む力を通してユーザに伝えることが望ましい。現行の振動装置は全てのそのような情報を伝えないため、振動アクチュエータを用いる力感覚の範囲を増加することに対する要求がある。
【０００８】
現行の触覚を有する振動装置は、小形のモータを使用することが多い。これらのモータは小さい力しか発生しないため、感じられる十分大きな力に達する前に多数の振動周期を必要とすることが多い。このため、多くの現行の振動装置は、高い周波数の振動においてのみ感じられる触覚感覚を提供する。この場合、振動エネルギーを増加するのに時間がかかる。しかしながら、振動周波数よりも低い周波数で発生する事象に対応するために、低い周波数の感覚を発生することも望ましい。従って、小さいアクチュエータで低い周波数の力感覚を発生する必要性が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、多種多様な振動装置、触覚インターフェース、ゲーム用コントローラ及び振動制御システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の振動装置の１つの実施例は、同期して振動する複数の振動アクチュエータから構成する。これらのアクチュエータは、直線運動式振動アクチュエータとすることができる。１つの実施例では、直線運動式振動アクチュエータはそれぞれ、可動磁石及び固定電磁コイルを備えている。別の実施例では、直線運動式振動アクチュエータはそれぞれ、可動強磁性プランジャー及び固定電磁コイルを備えている。さらに別の実施例では、直線運動式振動アクチュエータはそれぞれ、可動電磁石及び固定永久磁石を備えている。
【００１１】
別の実施例では、複数の直線運動式振動アクチュエータを備えた振動装置が、アクチュエータを類似の周波数と位相で振動することによって動作される。アクチュエータの振動の大きさは、振動力の全体にわたって望ましい方向を実現するように制御される。例えば、類似の周波数と位相を用いて振動力の最大振幅が直線運動式振動アクチュエータで同時に発生するように、アクチュエータを振動することができる。
【００１２】
さらに別の実施例では、振動装置は２つの直線運動式振動アクチュエータを備えて、単位ベクトルが二次元の空間に広がるようにアクチュエータによって作られた力の方向に整列される。別の方法では、単位ベクトルはアクチュエータによって作られた力の方向に整列される必要はなく、また互いに平行である必要もない。
【００１３】
別の実施例では、振動装置は３つの直線運動式振動アクチュエータを備えて、単位ベクトルが三次元の空間に広がるようにアクチュエータによって作られた力の方向に整列される。コントローラは、これらのアクチュエータを同期して振動させる。
【００１４】
別の実施例の振動装置は、少なくとも２つの直線運動式振動アクチュエータを備えて、単位ベクトルが二次元の空間に広がるようにアクチュエータによって作られた力の方向に整列する。別の方法では、アクチュエータによって作られた力の方向に整列された単位ベクトルが、三次元の空間に広がることができる。
【００１５】
複数の振動アクチュエータを備えた振動装置は、アクチュエータが類似の周波数と位相で振動されて、振動力の最大振幅が振動アクチュエータの中で同時に発生するように構成することができる。
【００１６】
別の実施例では、振動装置が、振動装置の筐体に取り付けられ同時に振動される複数の振動アクチュエータを具備する。これらのアクチュエータは、振動装置の剛性の構成部品、比較的剛性の構成部品、又は半剛性の構成部品に取り付けることができる。
【００１７】
別の実施例の触覚インターフェースは、類似の周波数と位相で振動される複数の直線運動式振動アクチュエータを備えている。これらのアクチュエータの振動の振幅は、振動力の全体にわたって望ましい方向を実現するように制御されることが好ましい。１つの具体例では、アクチュエータはそれぞれ、可動磁石とこの可動磁石に力を加える固定電磁石とを備えている。
【００１８】
グラフィカルディスプレイ及び触覚インターフェースを備えた、本発明によるコンピュータシステムが提供される。触覚インターフェースは、類似の周波数と位相で振動される複数の直線運動式振動アクチュエータを備えている。これらのアクチュエータの振動の振幅は、コンピュータシステムのグラフィカルディスプレイ上で表示される事象の方向に対応する振動力全体にわたる方向を実現するように制御される。触覚インターフェースは、手持ち式コントローラのハンドルに配置された一対の直線運動式振動アクチュエータを備えることができる。類似の周波数と位相で、アクチュエータを振動することができる。これらのアクチュエータの振動の振幅は、コンピュータシステムのグラフィカルディスプレイ上で表示される事象の方向に対応する振動力全体にわたる方向を実現するように制御される。
【００１９】
別の実施例では、振動装置は、同期して振動される複数のロータリー式振動アクチュエータを具備する。偏心部材が付いた一対のロータリー式振動アクチュエータを採用できる。この場合、対の一方のアクチュエータを時計方向に回転し、他方を同一面内で反時計方向に回転することができる。軸角（shaft angle）が、好ましいことに両方のアクチュエータに対して整列され、また望ましいことに複数の回転に対して繰り返される。この軸角において、遠心力が偏心部材によって発生される。一方又は両方のアクチュエータは、ステッピングモータとすることができる。１つの例では、偏心部材が発生した遠心力は、コンピュータシミュレーションの中の事象の方向に一致するように整列される。
【００２０】
本発明の実施形態によれば、ベース部材とこのベース部材に結合された複数のアクチュエータを備えた振動装置が提供される。これらの複数のアクチュエータは、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとを備えている。第１のアクチュエータは、第１の部材及び第２の部材を有する。この第１の部材は、ベース部材の第１の部分に動作可能なように結合される。第２の部材は、第１のアクチュエータの第１の部材に対して移動可能である。第２のアクチュエータも、第１の部材と第２の部材とを有する。この第１の部材は、ベース部材の第２の部分に動作可能なように結合される。第２の部材は、第２のアクチュエータの第１の部材に対して移動可能である。振動装置は、複数のアクチュエータの少なくとも第１及び第２のアクチュエータを同期して振動させるための手段も備えている。
【００２１】
１つの別の実施例では、第１及び第２のアクチュエータの少なくとも１つが、直線運動式振動アクチュエータを備えることが好ましい。１つの実施例では、直線運動式振動アクチュエータの第１の部材が望ましいことに永久磁石を含み、直線運動式振動アクチュエータの第２の部材が望ましいことに電磁石を含み、そして同期して振動させる手段が、電磁石と永久磁石との間の磁力を変調するように動作できる。別の実施例では、直線運動式振動アクチュエータの第１の部材が望ましいことに電磁石を含み、直線運動式振動アクチュエータの第２の部材が望ましいことに永久磁石を含み、そして同期して振動させる手段が、電磁石と永久磁石との間の磁力を変調するように動作できる。
【００２２】
別の実施例では、振動装置は、直線運動式振動アクチュエータの第２の部材に復元力を与えるために、その第２の部材に結合されたばね装置をさらに備える。さらに別の実施例では、同期して振動させる手段が、ほぼ同一の位相とほぼ同一の周波数で第１及び第２のアクチュエータを動作させる。さらに別の実施例では、同期して振動させる手段が、第１及び第２のアクチュエータの結合された振動力の振幅及び結合された振動力の方向の少なくとも１つを変化させるように、第１及び第２のアクチュエータの動作を制御する。さらに別の実施例では、第２のアクチュエータを第１のアクチュエータに対して直交しない方向に向けることができる。
【００２３】
別の実施例では、複数のアクチュエータが、第１の部材及び第２の部材を有する第３のアクチュエータをさらに備える。この場合、第３のアクチュエータの第１の部材がベース部材の第３の部分に結合され、またその第２の部材が第３のアクチュエータの第１の部材に対して移動可能である。第１、第２及び第３のアクチュエータは、振動装置が三次元の結合された振動力を発生するように動作できる方向に向けられる。
【００２４】
さらに別の実施例では、第１及び第２のアクチュエータの少なくとも１つが、ロータリー式アクチュエータから構成する。１つの実施例では、このロータリー式アクチュエータは枢動部材（pivoting mass）を含む。この実施例では、振動装置は、枢動部材とベース部材とに結合されたばね装置をさらに備えることが好ましい。この実施例では、同期して振動させる手段が、枢動部材及びばね装置の共振周波数で振動装置を制御するように動作できる。非線形のばね力が発生するように、ばね装置を枢動部材に結合することができる。
【００２５】
別の実施例では、振動装置は一対のばね装置をさらに備えている。この実施例では、第１及び第２のアクチュエータの少なくとも１つは、一対のばね装置によってその一端で前記ベース部材に枢動可能に連結されたロッキング部材を有するロック式アクチュエータを備えている。
【００２６】
さらに別の実施例では、複数のアクチュエータの少なくとも第１及び第２のアクチュエータが、第１の継続時間に対しては同期して振動され、第２の継続時間に対しては非同期で振動される。
【００２７】
本発明の別の実施形態によれば、振動制御システムが提供される。この振動制御システムは、ベースに結合された複数のアクチュエータ、複数のドライバ、及びコントローラを備えている。これらの複数のアクチュエータは、第１及び第２のアクチュエータを含む。第１のアクチュエータは、第１の部材とこの第１の部材に対して移動可能な第２の部材とを有する。第１のアクチュエータの第１の部材は、ベースの第１の部分に動作可能なように結合される。第２のアクチュエータは、第１の部材とこの第１の部材に対して移動可能な第２の部材とを有する。第２のアクチュエータの第１の部材は、ベースの第２の部分に動作可能なように結合される。複数のドライバの各々は、複数のアクチュエータの１つに動作可能なように結合される。コントローラは複数のドライバに接続されて、複数のアクチュエータの中の少なくとも第１及び第２のアクチュエータを同期して振動させるために、振幅、位相及び周波数情報を提供するように動作できる。
【００２８】
１つの別の実施形態では、第１のアクチュエータに提供される周波数及び位相情報の少なくとも１つが、第２のアクチュエータに提供される周波数及び位相情報とほぼ同一である。別の実施形態では、コントローラが結合された振動の振幅及び振動の方向を指定するように動作できる方向・振幅用コントローラと、振動の周波数を指定するように動作できる周波数用コントローラと、複数のアクチュエータの少なくとも第１及び第２のアクチュエータを同期して振動させるために、結合された振動の振幅、振動の方向、及び振動の周波数を制御するように動作できる振動用コントローラとを備えている。
【００２９】
さらに別の実施形態では、システムは、力感覚をユーザに与えるように動作できる触覚インターフェースをさらに備える。この場合、触覚インターフェースは複数のアクチュエータと複数のドライバとを備えることが望ましく、またユーザからの入力を受け取るための入力装置をさらに備えている。必要に応じて、システムはユーザに画像表示を行うために、コントローラに動作可能に接続された表示装置をさらに備える。
【００３０】
本発明の別の態様によれば、筐体と、ユーザからの入力を受け取るために筐体内に配置された少なくとも１つの入力装置と、第１及び第２のアクチュエータとを具備したゲーム用コントローラが提供される。第１のアクチュエータは筐体の中に配置され、そしてその筐体に結合された固定部材と、その固定部材に動作可能に係合されかつその固定部材に対して移動できる可動部材とを有する。第２のアクチュエータは筐体内に配置され、そしてその筐体に結合された固定部材と、その固定部材に動作可能に係合されかつその固定部材に対して移動できる可動部材とを有する。第１及び第２のアクチュエータは、触覚感覚をユーザに与えるために同期して振動するように動作できる。
【００３１】
１つの実施例では、第２のアクチュエータは、第２のアクチュエータの振動力が第１のアクチュエータの振動力と平行にならないような方向に向けられる。別の実施例では、第２のアクチュエータが第１のアクチュエータの上に配置されて、同期振動の間のトルクを最小にする。さらに別の実施例では、第１及び第２のアクチュエータは、同期振動の間にトルクを発生する。
【００３２】
１つの別の実施形態では、少なくとも１つの第１及び第２のアクチュエータは、５０Ｈｚ未満の周波数を発生するように動作できる枢動アクチュエータ又は線形アクチュエータであることが好ましい。別の実施形態では、第１及び第２のアクチュエータはそれぞれロータリー式アクチュエータを具備し、かつ第１のアクチュエータの回転軸の軸線が第２のアクチュエータの回転軸の軸線と整列することが好ましい。
【００３３】
本発明のさらに別の態様によれば、振動装置はベース部材と第１及び第２のアクチュエータとを備えている。この第１のアクチュエータは、ベース部材に動作可能に装着される。第１のアクチュエータは、第１の振動周波数及びその周波数に関連した第１の振動の大きさを有する第１の振動力を発生するように動作できる。第１のアクチュエータは、ベース部材にこの第１の振動力を与えるようにさらに動作できる。第２のアクチュエータは、ベース部材に動作可能に装着される。第２のアクチュエータは、第２の振動周波数及びその周波数に関連した第２の振動の大きさを有する第２の振動力を発生するように動作できる。第２のアクチュエータは、ベース部材にこの第２の振動力を与えるようにさらに動作できる。振動装置は、第１の振動周波数が第２の振動周波数とほぼ同一になるように第１及び第２のアクチュエータを制御する手段、及びベース部材に加えられる結合された振動力の方向を制御するために、第１及び第２の振動力の大きさを別個に変調するための手段も備えている。この結合された振動力は、第１及び第２の振動力のベクトルの和である。この振動装置は、第１及び第２の振動力の大きさのピークがほぼ同時に発生するように、第１及び第２のアクチュエータの振動のタイミングを制御するための手段をさらに備えている。
【００３４】
１つの別の実施形態では、それぞれのアクチュエータがベース部材に動作可能に結合された第１の部材と、対応する第１の部材に対して移動可能な第２の部材とを具備する。別の実施形態では、第１及び第２のアクチュエータは同相で振動するように制御される。さらに別の実施形態では、第１の振動周波数は第１のアクチュエータの主要な周波数であり、第２の振動周波数は第２のアクチュエータの主要な周波数である。
【００３５】
別の実施形態では、電磁気力が、第１及び第２のアクチュエータの両方の中の第１及び第２の部材の間で発生される。この場合は、各アクチュエータの第１の部材が永久磁石を備え、各アクチュエータの第２の部材が電磁石を備えることが望ましい。
【００３６】
さらに別の実施形態では、第１及び第２のそれぞれのアクチュエータは、それぞれのアクチュエータの第１及び第２の部材の間に力を生ずるばね装置をさらに備える。１つの実施例では、第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータは両方とも、それぞれのアクチュエータのほぼ固有周波数で動作されることが好ましい。別の実施例では、両方のアクチュエータが、それぞれのアクチュエータの周波数の範囲を超えて動作される。この場合、周波数の範囲には、それぞれのアクチュエータの固有周波数が含まれる。
【００３７】
別の実施例では、結合された振動力の方向は、コンピュータシミュレーションの中の事象の方向と一致する。この場合、結合された振動力の方向の変化は、コンピュータシミュレーションの中の擬似運動の方向の変化に一致する。
【００３８】
さらに別の実施例では、ベース部材に加えられた結合された振動力の方向は、時間が経つにつれて変化するように制御される。
【００３９】
本発明の別の実施形態によれば、振動装置が提供される。この振動装置は、ベース部材と、このベース部材に動作可能に装着されると共にベース部材に対して可動部材を有する第１のアクチュエータと、またベース部材に動作可能に装着されかつベース部材に対して可動部材を有する第２のアクチュエータとから構成する。第１のアクチュエータはベース部材に第１の力を加えるように動作することができ、また第２のアクチュエータは第２の力をベース部材に加えることができる。振動装置は、第１及び第２のアクチュエータのそれぞれの可動部材が、ほぼ同時にベース部材に対して運動の方向を繰り返し反転させるように、第１及び第２のアクチュエータのタイミングを制御する手段をさらに備える。
【００４０】
１つの別の実施例では、振動装置は、ベース部材に加えられた結合された力の方向を制御するために、第１及び第２の力の大きさを別個に変調するための手段をさらに備えている。この結合された力は、第１及び第２の力のベクトルの和である。
【００４１】
別の実施例では、振動装置は、ベース部材に加えられた結合された力の大きさを制御するために、第１及び第２の力の大きさを別個に変調するための手段をさらに備えている。この結合された力は、第１及び第２の力のベクトルの和である。この場合、この別個に変調するための手段が、ベース部材に加えられた結合された力の方向を制御するようにさらに動作できることが好ましい。
【００４２】
別の実施例では、第１及び第２のアクチュエータのタイミングを制御するための手段が、ほぼ同時にベース部材に対して各アクチュエータの可動部材が平行移動する方向を繰り返し反転するようにさらに動作できる。
【００４３】
別の実施例では、第１及び第２のアクチュエータのタイミングを制御するための手段が、ほぼ同時にベース部材に対して各アクチュエータの可動部材が回転する方向を繰り返し反転させるようにさらに動作できる。
【００４４】
さらに別の実施例では、制御するための手段が、第２のアクチュエータの可動部材がベース部材に対する運動方向を反転するたびに、第１のアクチュエータの可動部材がベース部材に対する運動の方向を反転するように第１及び第２のアクチュエータのタイミングを調整する。第１及び第２のアクチュエータに対応する運動方向の反転は、ほぼ同時に発生する。
【００４５】
さらに別の実施例では、振動の第１の継続時間に対して、第２のアクチュエータの可動部材がベース部材に対する運動方向を反転するたびに、第１及び第２のアクチュエータのタイミングを制御するための手段が、第１のアクチュエータの可動部材がベース部材に対する運動方向を反転させるように動作できる。この場合、運動の反転はほぼ同時に発生する。振動の第２の継続時間に対して、第２のアクチュエータの可動部材がベース部材に対する運動方向を反転するたびに、第１及び第２のアクチュエータのタイミングを制御するための手段が、第１のアクチュエータの可動部材がベース部材に対する運動方向を反転させないように動作できる。この場合、運動の反転はほぼ同時には発生しない。
【００４６】
本発明のさらに別の実施形態に基づいて、振動装置を制御する方法が提供される。この方法には、第１のアクチュエータを用いて第１の振動力をベースに与えるステップと、第２のアクチュエータを用いて第２の振動力をベースに与えるステップと、また振幅情報、位相情報及び周波数情報を第１及び第２のアクチュエータに適用することによって、結合された振動力をベースに与えるために第１及び第２のアクチュエータを同期して振動させるステップとが含まれる。
【００４７】
１つの別の実施例では、第２のアクチュエータに適用される周波数情報は、第１のアクチュエータに適用される周波数情報とほぼ同一であり、また第２のアクチュエータに適用される位相情報は、第１のアクチュエータに適用される位相情報とほぼ同一である。
【００４８】
別の実施例では、この方法には、結合された振動の振幅及び振動の方向を指定するステップと、振動の周波数を指定するステップと、また第１及び第２のアクチュエータを同期して振動させるために、結合された振動の振幅、振動の方向及び振動の周波数を制御するステップとがさらに含まれる。
【００４９】
本発明のさらに別の実施形態によれば、振動装置を動作させる方法には、（ａ）第１の振動周波数及びその周波数に関連した第１の振動の大きさを有する第１の振動力を発生するように動作でき、かつこの第１の振動力をベース部材に与えるようにさらに動作することができる第１のアクチュエータを提供するステップと、（ｂ）第２の振動周波数及びその周波数に関連した第２の振動の大きさを有する第２の振動力を発生するように動作でき、かつこの第２の振動力をベース部材に与えるようにさらに動作することができる第２のアクチュエータを提供するステップと、（ｃ）第１の振動周波数が第２の振動周波数とほぼ同一になるように第１及び第２のアクチュエータを制御するステップと、（ｄ）ベース部材に加えられた、第１及び第２の振動力のベクトルの和である結合された振動力の方向を制御するために、第１及び第２の振動力の大きさを別個に変調するステップと、かつ（ｅ）第１及び第２の振動力の大きさのピークがほぼ同時に発生するように、第１及び第２のアクチュエータの振動のタイミングを制御するステップとが含まれる。
【００５０】
本発明の別の実施形態によれば、振動装置を制御する方法には、（ａ）ベースに対して可動部材を有し、第１の力をベース部材に加えるように動作できる第１のアクチュエータを提供するステップと、（ｂ）ベースに対して可動部材を有し、第２の力をベース部材に加えるように動作できる第２のアクチュエータを提供するステップと、かつ（ｃ）第１及び第２のアクチュエータのそれぞれの可動部材がほぼ同時にベース部材に対する運動の方向を繰り返し反転させるように、第１及び第２のアクチュエータのタイミングを制御するステップとが含まれる。
【００５１】
１つの別の実施例では、ベース部材に加えられた結合された力の方向を制御するために、第１及び第２の力の大きさを別個に変調するステップをさらに備えている。この結合された力は、第１及び第２の力のベクトルの和である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
本発明の前述した態様、特徴、及び利点は、下記の好ましい実施形態及び添付した図面に関する説明を考慮すればより良く理解されるであろう。この場合、同じ参照番号は同じ構成要素を示す。
【００５３】
本願で使用される場合、アクチュエータは、機械的な運動及び力を発生できる装置である。アクチュエータは、エネルギー源を機械的な運動又は力に変換することができる。このエネルギー源は、電気、気体、油圧、又は他の源とすることができる。アクチュエータの実施例には、ロータリーモータ及びリニアモータが含まれる。電気アクチュエータの実施例には、ＤＣ、ＡＣ、及びステッパーモータが含まれる。
【００５４】
振動（又は振動性）アクチュエータは、繰り返される力を目的物に加えることができる。これらの繰り返される力は、各繰返しの間にわたって同様の力のプロフィールを繰り返すことができる。実施例には、偏心部材が付いたロータリーモータ、及び部材を前後に移動する線形アクチュエータが含まれる。これらのアクチュエータは、ＤＣ、ＡＣ、ステッパー、又は他の種類のアクチュエータとすることができる。振動アクチュエータは、同様の力のプロフィール（波形）を各周期の間に繰り返すことができる、又は力のプロフィールを周期の間に変化させることができる。この周期の間の変化は、振幅、周波数、位相、及びプロフィールの形状とすることができる。
【００５５】
繰り返された周期の中で力が生じると、それは振動力を発生する。繰り返された力の周期のプロフィール（波形とも呼ばれる）は、図１に示されるように、正弦波形状、三角波、方形波、又は他の反復プロフィールとすることができる。振動の周波数は、どのように頻繁に振動周期が繰り返されるかを説明する。振動周波数ｆは、単位時間当たりの振動数として定義され、ヘルツで与えられることが多い。ヘルツの単位は、秒当たりの周期である。振動の周期Ｔは、時間単位の各周期の継続時間である。振動の周波数と周期との間の数学的な関係は、下記の式によって与えられる。
ｆ＝１／Ｔ        （１）
【００５６】
振動力Ｆは、下記の場合に繰り返される周期の中に存在する。
Ｆ（ｔ＋Ｔ）＝Ｆ（ｔ）        （２）
ここで、Ｔは振動の周期であり、ｔは時間である。
【００５７】
振動装置の目的のためには、振動の周期は概算することで差し支えないため、振動は下記の場合に繰り返される周期の中に存在すると考えられる。
Ｆ（ｔ＋Ｔ）≒Ｆ（ｔ）        （３）
【００５８】
１つの振動波形は正弦波形であり、この場合、振動力は下記によって与えることができる。
Ｆ（ｔ）＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋φ）        （４）
【００５９】
ここで、  Ｆ（ｔ）は時間の関数としての力である。Ａは力の最大振幅である。ωは秒当たのりラジアン単位の振動周波数である（ヘルツ単位の周波数は、ｆ＝ω／（２π））。そしてφは、ラジアン単位の振動の位相である。ωｔ＝２πの場合は、力のプロフィールはそれ自身を繰り返す。
【００６０】
振動アクチュエータは、対象物に対して力を繰り返し与えることができる。アクチュエータの動力学に基づいて、１つのアクチュエータは同時に複数の周波数で力を与えることができる。しかしながら、振動を分析しかつ本願の振動装置を説明するために、アクチュエータを運動させる主要な周波数は、その中に運動エネルギーの最大の構成要素を有する周波数を意味する。
【００６１】
振動の周期は、１つの振動周期の開始と次の周期の開始との間の経過時間によって定義することができる。このため、振動の周期を確認するためには、周期の開始を識別することが有効である。周期の開始点を定義する１つの方法は、プロフィールの中の最大振幅を有する点として周期の開始点を定義することである。図１は、正弦波１２、三角波１４、任意形状のプロフィール１６、及び方形波１８の振動プロフィールを示す振幅対時間のチャート１０である。これらのプロフィールのそれぞれに対する周期はＴで示されている。
【００６２】
正弦波１２、三角波１４、及び任意のプロフィールの波１６は全て、各繰返し周期の間に最大振幅の特別な点を有しており、この最大振幅の点が周期の開始点を定義するために使用される。正方形の波形１８は、周期の中に最大振幅の特別な点を有していない。このような場合は、周期の開始点を指定するために、プロフィール上の繰返し点を選択することができる。図１では、正方形の波形１８が低い値から高い値に移行する点が周期の開始点として指定され、繰り返されたプロフィールの周期を定義するために使用される。このように、繰返し周期として示すことができるどのようなプロフィールも、振動を表すことができる。
【００６３】
信号の形状が正確に繰り返されたプロフィールから構成されない場合でも、振動の周波数も識別することができる。周期の振幅が変動したり周期のプロフィールの形状に小さな変化があっても、周期の開始点を指定する特別な点を識別することができる。プロフィールの中で繰り返された点を識別できる限り、各周期の開始点、振動の周期、及び振動の周波数を決定することができる。
【００６４】
振動の位相は、振動周期の開始点のタイミングを定義する。２つの振動波形の間の位相差は、１つの波形の振動周期の開始点と別の波形の振動周期の開始点との間の差として定義される。２つのプロフィールの間の振動の位相差がゼロでない場合は、周期の開始点は時間的に一致しない。図２は振幅対時間のチャート２０であり、２つの振動プロフィール２２及び２４を示しており、それらの間の位相差は△である。この位相差△は、図２に示されるように時間の単位で与えることができる。別の方法では、振動の位相は、正弦波の振動に対してラジアンで与えることもできる。２つの波形の間の位相差△がゼロである場合は、図３の振幅対時間のチャート３０で示されるように同相であると考えられる。
【００６５】
周期の開始点を識別することが可能な限り、振動の振幅及び周波数が振動の周期の間で変化しても、振動の位相を識別することができる。
【００６６】
同期振動は、２つ以上の振動波形の重ね合わせによって形成された振動力として定義される。この場合、それぞれの波形は、通常の繰返しベースで別の波形のピークと時間的に一致するピークを含んでいる。好ましい実施形態では、それぞれの波形は、同じ周波数と波形の間に指定された位相差とを有する。重ね合わせは好ましいことに、力、トルク、又は力及びトルクのベクトルの和とすることができる。一般に、これらの振動波形の源は、異なる振動アクチュエータである。多くの場合、同期振動では、波形の間の位相差はゼロであり、このため振動波形は同相の同期振動である。本願で使用される指定された位相差は、０゜と３６０゜との間のこれらの位相差を含む範囲にわたる。好ましい実施形態では、指定された位相差は０゜又は１８０゜である。同期振動では、種々の振動波形の振幅は異なっても良い。図３は、同期された三角形のプロフィールの２つの振動波形を例示している。これらの波形は両方とも同じ周波数であるが、振幅は異なり、また波形は同相である。図３の両方の波形の最大振幅は、同時に発生する。
【００６７】
一般に、同期された振動プロフィールの形状は同様である。しかしながら、振動プロフィールの形状が異なる振動アクチュエータは、振動の周波数を適合させかつ波形の間の位相差を指定することによって、同期して振動させることもできる。振動の位相及び周波数をほぼ適合することにより、結果として振動が同期される。
【００６８】
同期振動は、２つの振動プロフィールを一緒に加算することによって発生することができる。この場合、第２の振動プロフィールの振幅は第１の振動プロフィールの振幅の倍数である。この倍率は、正または負の両方とすることができる。
【００６９】
各振動アクチュエータの力のピーク振幅がほぼ同時に繰返し発生する２つ以上の振動アクチュエータがある場合、これらのアクチュエータは同相で同期振動の状態にある。力のピーク振幅の方向は、振動アクチュエータすなわち振動装置の座標系の正または負のいずれの方向でも良い。このため、一方のアクチュエータからの正のピーク振幅が他方のアクチュエータの負のピーク振幅とほぼ同時に発生する場合は、これらのアクチュエータは同相で同期振動の状態にある。
【００７０】
例示的な直線運動式振動アクチュエータ１００が、図４に示されている。図示のように、直線運動式振動アクチュエータ１００は、可動部材１０２とベース１０４とを具備する。この可動部材１０２は、前後に直線運動してベース１０４に対して移動する。力をベース１０４から可動部材１０２に、また同様な方法で可動部材１０２からベース１０４に与えることができる。力の転送は、例えば磁力、ばね力、及び／又は送りねじの力を用いて行うことができる。本発明に基づいて使用するに好適な線形アクチュエータの実施例は、米国特許第５，１３６，１９４号及び６，２３６，１２５号、並びに「Vibration Device」という名称の米国特許出願第１１／３２５，０３６号の中で説明されている。そらの開示内容の全体は、参照することによって本願に組み込まれる。
【００７１】
直線運動式振動アクチュエータ１００の中の可動部材１０２が前後に移動するので、力が可動部材１０２とベース１０４との間に発生する。これらの力は、アクチュエータ１００のベース１０４を通ってアクチュエータが装着される物体（図示せず）に伝えることができる。可動部材１０２をアクチュエータ１００の外部のハンドル（図示せず）などに装着して、力をアクチュエータ１００の外部の物体に直接伝えることもできる。
【００７２】
直線運動式振動アクチュエータ１００の中の力は、音声コイルが付いた磁力とすることができる。可動部材１０２は、例えば永久磁石、電磁石、強磁性体材料、又はこれらの任意の組合せを含むことができる。ベース１０４は、例えば永久磁石、電磁石、強磁性体材料、又はこれらの任意の組合せを含むことができる。磁力は、ベース１０４と可動部材１０２を加速及び運動させる可動磁石との間に発生することができる。電磁石を用いて発生された直線運動式振動アクチュエータ１００の中の力は、電磁石を通って流れる電流を制御することによって変調することができる。
【００７３】
本発明による直線運動式振動アクチュエータ１００の１つの実施形態が、直線運動式振動アクチュエータ１１０として図５Ａ〜図５Ｂに示されている。アクチュエータ１１０は、好ましいことに、電磁石から成る可動部材１１２、及びベース１１４に装着された永久磁石１１６で構成される。可動部材１１２の動きは、図５Ａの側面図に示されるようにｘ軸に沿っている。永久磁石１１６の磁化極性は、永久磁石１１６上の北極及び南極によって示されるようにｘ軸に沿っている。電磁石は、ｘ軸の回りに巻かれたコイルとして構成されることが好ましい。図５Ｂの端面図として示されているように、本実施形態では、電磁石の形状は円筒形であり、また永久磁石１１６の形状は管状であることが望ましいが、電磁石及び永久磁石１１６は任意の別の構造にすることもできる。この実施形態では、電磁石及び永久磁石１１６の両方は、アクチュエータ１１０の力出力を増加させるために、それらに隣接して配置された強磁性体材料を含むことができる。
【００７４】
この実施形態では、アクチュエータ１１０の中の力は、電磁石の電流を制御することによって変調することができる。電磁石の中の電流が一方向に流れる場合、磁力は可動部材１１２をアクチュエータの一方の側に向かって押し進める。逆に、電磁石内の電流が他の方向に流れる場合は、可動部材１１２はアクチュエータ１１０の他の側に押し進められる。電磁石の中の電流が増加すると、可動部材１１２に加えられる力の大きさが増加する。
【００７５】
本発明による直線運動式振動アクチュエータ１００の別の実施形態が、図６Ａ〜図６Ｂに示されている。この図面では、直線運動式振動アクチュエータ１２０は、好ましいことに、永久磁石から成る可動部材１２２、及びベース１２４に装着された電磁石１２６で構成される。可動部材１２２の動きは、図６Ａの側面図に示されるようにｘ軸に沿っている。永久磁石の磁化極性は、永久磁石上の北極及び南極によって示されるようにｘ軸に沿っている。電磁石１２６は、ｘ軸の回りに巻かれたコイルであることが好ましい。図６Ｂの端面図として示されているように、この実施形態では、電磁石１２４の形状は管状であり、また永久磁石の形状は円筒形である。
【００７６】
この実施形態では、電磁石１２４及び可動部材１２２の永久磁石の両方は、アクチュエータ１２０の力出力を増加させるために、それらに隣接して配置された強磁性体材料を含むことができる。アクチュエータ１２０の中の力は、電磁石１２４内の電流を制御することによって変調することができる。電磁石１２４の中の電流が一方向に流れる場合、磁力は可動部材１２２をアクチュエータ１２０の一方の側に向かって押し進める。逆に、電磁石内の電流が他の方向に流れる場合は、可動部材１２２はアクチュエータ１２０の他の側に押し進められる。電磁石の中の電流が増加すると、可動部材１２２に加えられる力の大きさが増加する。
【００７７】
本発明の態様による直線運動式振動アクチュエータ１００の別の実施形態が、図７Ａ〜図７Ｂに示されている。この実施形態は、図６Ａ〜図６Ｂに示された実施形態に類似している。ここで、アクチュエータ１３０は、可動部材１３２とベース１３４とを具備している。この可動部材１３２は好ましいことに、永久磁石で構成されている。電磁石１３６は、少なくとも部分的に可動部材１３２を取り巻いている。電磁石１３６は、ベース１３４に接続されることが望ましい。アクチュエータ１２０とは異なって、この実施形態のアクチュエータ１３０は好ましいことに、図７Ａの側面図で示されるように、ベース１３４と可動部材１３２の両端部とに装着された１つ以上のばね１３８を具備している。これらのばね１３８は、可動部材１３２を中心位置、例えば電磁石１３６の両端の間の中心位置に戻す方向に力を発生するように動作することができる。
【００７８】
ばね１３８は、アクチュエータの電源がオフのときは、可動部材１３２を中心位置の近くに保ち、また可動部材１３２がアクチュエータ１３０の一方の移動端にある場合は、復元力を提供するように機能する。ばね１３８の剛性は、アクチュエータ１３０の固有周波数が振動の振幅を望ましい固有周波数で増加させるように選択することができる。このばね効果は、単一のばね、非線形のばね、引っ張りばね、及び圧縮ばねから発生することができる。本発明と共に使用できる多数のそのようなばね構造は、前述された米国特許出願第１１／３２５，０３６号の中で説明されている。
【００７９】
本発明の態様による直線運動式振動アクチュエータ１００の別の実施形態が、図８Ａ〜図８Ｂに示されている。この実施形態は、図６Ａ〜図６Ｂ及び図７Ａ〜図７Ｂに示された実施形態に類似している。アクチュエータ１４０は、永久磁石で構成された可動部材１４２、ベース１４４、及びベース１４４に接続され、かつ少なくとも部分的に可動部材１４２を取り巻く電磁石１４６を具備している。電磁石１４６は、例えばユーザが振動力を感知できるようにするために、振動力をアクチュエータ１４０からベース１４４に伝達するように堅固に又はやや堅固に結合される。この実施形態では、図８Ａの側面図で示されているように、一対の永久磁石１４８がベースに装着され、可動磁石の両端に対して動作している。永久磁石１４８は、図８ＡにＮ及びＳで示されるように電極を有する。これらの電極は可動部材１４２を反発して、この可動部材１４２を中心位置に戻す方向の力を発生するように構成される。永久磁石１４８は、アクチュエータの電源がオフのときは、可動部材１４２を中心位置の近くに保ち、また可動部材１４２がアクチュエータ１４０の一方の移動端にある場合は、復元力を提供するように機能する。
【００８０】
ベース１４４に装着された永久磁石１４８の寸法は、アクチュエータ１４０の固有周波数が振動の振幅を望ましい固有周波数で増加させるように選択することができる。１つ以上の固有周波数が種々の動作モード又は動作時間の間に選択されるように、アクチュエータ１４０を制御することができる。移動する可動部材１４２の永久磁石に対して中心に向かう力を発生させるために、図８Ａに示すような反発磁力を使用することにより、図７Ａに示すようなばね１３８を使用するよりも摩擦を小さくすることができ、これによりアクチュエータの効率と平滑性とを増加させることができる。本発明の中で使用するのに好適な可動部材を中心に来るように位置決めするために永久磁石を使用する多数の形態は、前述された「Vibration Device」という名称の特許出願の中で説明されている。
【００８１】
本発明と共に使用することができる、可動部材をアクチュエータの移動範囲の中心に向かって戻す、直線運動式振動アクチュエータの別の実施形態は、ばねと磁石の両方、いずれか１つ又はその組合せを備えている。
【００８２】
本発明による直線運動式振動アクチュエータ１００のさらに別の実施形態が、図９に示されている。この実施形態はアクチュエータ１５０を備えている。このアクチュエータ１５０は、ベース１５４に対して移動する強磁性体の可動プランジャー１５２を有しているという点でソレノイドに類似している。プランジャー１５２は、電流がコイル１５６を通って流れるときに、電磁コイル１５６に引き寄せられる。コイル１５６はベース１５４に結合されている。強磁性体の末端部１５８をコイル１５６の中又は末尾に配置して、アクチュエータ１５０の力出力を増加させることができる。ばね装置１６０を、末端部１５８の反対側に配置する。このばね装置１６０は好ましいことに、プランジャー１５２をコイル１５６から引っ込めるために採用される。図９に示されるように、コイル１５６の端部及びばね１６０の端部の両方は、アクチュエータ１５０のベース１５４に固定されることが望ましい。コイル１５６とばね１６０とは１つのベースの異なる部分に固定されるか、又は互いに結合された別個のベース部品に固定される。コイル１５６の中の電流は、振動力を発生するためにオン／オフを切り換えることができる。
【００８３】
本発明による振動装置２００の好ましい実施形態が、図１０に示される。この実施形態では、振動装置２００が好ましいことに、装着された２つの直線運動式振動アクチュエータ、すなわちアクチュエータ２０２及びアクチュエータ２０４を具備する。アクチュエータ２０２は可動部材２０６を含み、アクチュエータ２０４は可動部材２０８を含む。これらの振動アクチュエータ２０２、２０４は、振動アクチュエータ２０２、２０４からの力を振動装置２００に伝えるような態様で振動装置２００に装着される。好ましいことに、振動装置２００は、振動アクチュエータ２０２、２０４が装着される筐体すなわちベース（図示せず）を有する。
【００８４】
振動アクチュエータ２０２、２０４は、比較的堅固な態様で振動装置用筐体又はベースに装着されることが望ましい。堅固に装着されることにより、両方の振動アクチュエータ２０２、２０４からの力がその上に加えられる振動装置２００に対して、共通のベースが提供されることになる。この実施形態では、２つのアクチュエータ２０２、２０４が、互いにほぼ直角に取り付けられる。アクチュエータ２０２が発生した力は力ベクトルＦ1として示され、またアクチュエータ２０４からの力ベクトルはＦ2として示される。本願で表す場合は、ベクトル及びマトリックスは太字フォントで表され、スカラーは太字でなく表示される。振動装置２００が発生した結合された力は、両方のアクチュエータ２０２、２０４からの振動力のベクトルの和であり、図１０ではベクトルFcombinedとして示される。
【００８５】
振動アクチュエータ２０２及び２０４によって振動装置２００に加えられた結合された力Fcombinedは、各アクチュエータからの振動力の重ね合わせであり、時間ｔの関数である。力ベクトルFcoribined(t)は、下記のベクトル方程式によって与えられる。
Fcoribined(t)＝Ｆ1（ｔ）＋Ｆ2（ｔ）      （５）
ここで、Ｆ1（ｔ）は、時間の関数としてアクチュエータ２０２からの力ベクトルであり、またＦ2（ｔ）は、時間の関数としてアクチュエータ２０４からの力ベクトルである。
【００８６】
両方のアクチュエータ２０２、２０４は、振動を加えた状態で動作することができる。正弦波振動の場合は、アクチュエータの力は下記によって与えられる。
Ｆ1（ｔ）＝ａ1Ａ1ｓｉｎ（ω1ｔ＋φ1）      （６）
及び
Ｆ2（ｔ）＝ａ2Ａ2ｓｉｎ（ω2ｔ＋φ2）      （７）
ここで、Ａ1及びＡ2はそれぞれ振動の振幅であり、ａ1及びａ2はそれぞれ振動の方向に対応する単位ベクトルであり、ω1及びω2はそれぞれ振動の周波数であり、φ1及びφ2はそれぞれ位相角であり、またｔは時間である。方形波、三角波、及び他の波形を含む他のプロフィールの振動も、各アクチュエータを用いて実現することができる。
【００８７】
図１０に示された実施形態では、アクチュエータ２０２はｙ軸と整列するため、単位ベクトルａ1は下記のように表される。
【数１】
2008546534.tif 000003
またｘ軸と整列した単位ベクトルａ2は、下記のように表される。
【数２】
2008546534.tif 000004
結合された力ベクトルFcombinedは、アクチュエータ２０２及び２０４からの力の重ね合わせによって与えられるため、下記の式によって表される。
Fcombined(t)＝ａ1Ａ1ｓｉｎ（ω1ｔ＋φ1）＋ａ2Ａ2ｓｉｎ（ω2ｔ＋φ2）  （１０）
【００８８】
同相かつ同期振動の態様で、図１０に示されたアクチュエータ２０２及び２０４を振動させることは可能である。そのような振動では、１つの振動周波数ω及び１つの位相φが存在する。このため、Fcombinedは下記によって与えることができる。
Fcombined(t)＝［ａ1Ａ1＋ａ2Ａ2］ｓｉｎ（ωｔ＋φ）    （１１）
【００８９】
そのような同相かつ同期する振動では、振動は同期され、両方の直線運動式振動アクチュエータからのピークの力は、各振動周期の間に同時に発生する。振動力のネット方向（net direction）は、［ａ1Ａ1＋ａ2Ａ2］のベクトルの組合せである。このため、同期振動及び同相振動では、振動装置は、装置内の各アクチュエータの方向及び振幅から力のベクトルの組合せから結果として生じた、指定された周波数で指定された方向の振動力を発生する。各直線運動式振動アクチュエータの中で振動の振幅を制御することは可能であるため、Fcombinedの振動のネット方向を制御することができる。
【００９０】
好ましい実施例では、振動周波数ω、位相φ、及び各アクチュエータの波形はほぼ同一である。例えば、ω2をω1にほぼ等しく設定し、またφ2をφ1にほぼ等しく設定することができる。ほんの一例として、ω2をω1の値の１０％以内に、より好ましくは、ω1の値の５％以内に設定することができる。同様に、ほんの一例として、φ2をφ1の値の１０％以内に、より好ましくは、φ1の値の５％以内に設定することができる。別の実施例では、周波数及び／又は位相を、互いに正確に等しく設定できる。別の方法では、ユーザが周波数、位相、又は波形の相違を気付くことができないように、各アクチュエータの周波数、位相、及び／又は波形を設定することができる。さらに別の方法では、振動装置がユーザに力感覚を発生させる触覚の用途で使用される場合は、ユーザが検出できない又はユーザがほとんど感じられない小さな振動が発生することがある。別の事例では、触覚用途又は振動式フィーダの用途における力感覚は、触覚用途におけるユーザの能力又は振動式フィーダの性能を著しく変化しないように細かく変化する。
【００９１】
式１１を、任意の形状の振動のプロフィール／波形に適用することもできる。ここで、波形ｐ（ｔ）を時間ｔの経過に対する波形の形状を表すために使用できる。振動の周期を式ｐ（ｔ）＝ｐ（ｔ＋ｎＴ）によって表すことができる。ここで、ｎ＝１，２，３，など、であり、Ｔは振動の周期である。この場合、任意の形状の同期振動プロフィールは、下記のように表すことができる。
Fcombined(t)＝［ａ1（ｔ）Ａ1（ｔ）＋ａ2（ｔ）Ａ2（ｔ）］ｐ（ｔ）    （１１．１）
各アクチュエータに対する振動力の方向が、ベース部材に対してほぼ一定である場合は、任意の形状の同期振動プロフィールは下記のように表すことができる。
Fcombined(t)＝［ａ1Ａ1（ｔ）＋ａ2Ａ2（ｔ）］ｐ（ｔ）    （１１．２）
【００９２】
Fcombinedの方向をどのように制御することができるかを例示するために、最大振幅Ａ1及びＡ2が、図１０及び図１１の中でそれぞれアクチュエータ２０２及び２０４の中の可動部材２０６及び２０８の位置によって表されている。図１０では、両方のアクチュエータ２０２及び２０４が望ましいことに同じ振幅で振動されており、対応するFcombinedがアクチュエータ２０２、２０４の間の約４５度の角度にある。
【００９３】
アクチュエータ２０２、２０４内の振動力の大きさを変化することによって、結合された力の効果による振動の方向を制御することが可能になる。図１１では、可動部材２０６のピーク位置がアクチュエータ２０２の移動限界の終端にあることによって例示されるように、アクチュエータ２０２は最大振幅で振動している。しかしながら、可動部材２０８のピーク位置がアクチュエータ２０４の移動限界の中央近くにあることによって例示されるように、アクチュエータ２０４は最大振幅よりも小さい振幅で振動している。最大の力が小さいことは、図１１において、Ｆ2に対する長さが短いベクトルによっても例示される。結合された力Fcombinedの方向は、Ｆ1及びＦ2のベクトル加算の結果であり、図１１に示された振動に関しては、図１０に示された方向に対して反時計方向に回転される。
【００９４】
同様な態様で、結合された力の方向を、図１２に示されるように、時計方向に回転することができる。図１２に例示された振動の事例は、アクチュエータ２０２の振動の最大振幅が図１０に示されたものよりも減少され、一方アクチュエータ２０４の最大振幅が高い状態にあることを示している。この事例では、Ｆ1及びＦ2をベクトル加算することにより、図１２のFcombinedは図１０に示された方向に対して時計方向に回転される。
【００９５】
Fcombinedの方向を隣接する象限に変えることも可能である。図１３に示されるように、Ｆ2の符号が、図１０に示された正のｘ方向に対して、ｘ軸の負の方向に変更されている。Ｆ2の符号を変化することは、上記の式１１のＡ2の符号を変えることによって実現できる。アクチュエータ２０４の振動をアクチュエータ２０２の位相から１８０度ずらして定義することによって、結合された力の方程式を同様に表示することができることに注意されたい。しかしながら、アクチュエータの振動の振幅の符号を変化させても、式１１に示された同期振動の方程式の形式が継続される。このため、１８０度位相をずらして表示することができる振動を、同相として表示することもできるが、振動の振幅は負である。
【００９６】
本発明による振動装置の別の実施形態が、図１４に示されている。ここで、振動装置２１０は、それぞれが可動部材２１６及び２１８を有する第１のアクチュエータ２１２と第２のアクチュエータ２１４とを具備する。図１４は、２つの直線運動式振動アクチュエータ２１２、２１４がｘｙ面と整列している二次元の実施形態を示している。この実施形態では、アクチュエータ２１２、２１４が互いに直交する必要はない。Ａ1及びＡ2はそれぞれ、アクチュエータ２１２及び２１４の振動の振幅であり、一方ａ1及びａ2はそれぞれ、アクチュエータ２１２及び２１４の振動の方向を指定する単位ベクトルである。
【００９７】
単位ベクトルａ1は、下記のように与えられる。
【数３】
2008546534.tif 000005
ここで、角度αは、図１４に示されるように、アクチュエータ２１２のｘ軸に対する角度を記述する。単位ベクトルａ2は、下記のように与えられる。
【数４】
2008546534.tif 000006
ここで、角度βは、図１４に示されるように、アクチュエータ２１４のｘ軸に対する角度を記述する。
【００９８】
指定の振動波形に対して、図１４のアクチュエータ２１２、２１４からの力ベクトルＦ1，max及びＦ2，maxの最大の大きさは下記の式によって与えることができる。
Ｆ1,max＝Ａ1ａ1        （１４）
Ｆ2,max＝Ａ2ａ2        （１５）
【００９９】
アクチュエータ２１２及び２１４が同時にかつ同相で（例えば、同じ周波数でかつ位相差がゼロで）振動される場合は、力の最大振幅は同時に発生する。従って、最大の結合された力ベクトルFcombined,maxは、下記のように力ベクトルの重ね合わせによって与えられる。
Fcombined,max ＝Ｆ1,max＋Ｆ2,max      （１６）
【０１００】
アクチュエータの方向のマトリックスＤLを作ることができる。このマトリックスでは、列のそれぞれが、振動装置の直線運動式振動アクチュエータの振動の方向に対応する単位ベクトルである。図１４に示されたような、２つの直線運動式振動アクチュエータを備えた振動装置に対して、マトリックスＤLは、下記のように与えられる。
ＤL＝［ａ1 ｜ ａ2］        （１７）
ここで、ａ1及びａ2は列ベクトルである。
【０１０１】
結合された力のマトリックス表示は、下記の式によって与えられる。
【数５】
2008546534.tif 000007
ここで、Ａ1及びＡ2はスカラーである。平面内の振動の場合は、ベクトルａ1及びａ2は２ｘ１ベクトルであり、マトリックスＤLは２ｘ２ベクトルである。
【０１０２】
方向マトリックスＤLが可逆マトリックスである場合、望ましい結合された力ベクトルFcombinedに対応する個々のアクチュエータの中の振動の振幅は、下記のように与えられる。
【数６】
2008546534.tif 000008
【０１０３】
アクチュエータが直交するように位置合わせされる場合は、方向マトリックスＤLは正規直交マトリックスであり、その逆マトリックスは、下記に示すようにその転置によって与えられる。
Ｄ-1＝ＤT        （２０）
【０１０４】
制御される力の方向よりも多くの振動アクチュエータが存在するため、方向マトリックスＤLが可逆でない場合、マトリックスＤLの擬似逆マトリックスを使用できる。例えば、ｘｙ面に３つの振動アクチュエータがあり、制御目的が二次元の力を制御するだけの場合、ＤLマトリックスは下記のように与えられる。
ＤL＝［ａ1｜ａ2｜ａ3］        （２１）
ここで、ａ1、ａ2、及びａ3は２ｘ１の列ベクトルである。
【０１０５】
擬似逆マトリックスは、Wellesley-Cambridge Pressによって２００３年に出版された、Gilbert Strangによる題名「Introduction to Linear Algebra」、第３版、の中に記載されている。その全ての開示内容は、参照することによって本願に組み込まれる。
【０１０６】
擬似逆マトリックスＤL＋を計算する１つの方法は、下記によって与えられる。
ＤL+＝ＤLT（ＤL ＤLT）-1        （２２）
【０１０７】
その場合、各アクチュエータに対する振動の振幅は、下記によって与えることができる。
【数７】
2008546534.tif 000009
【０１０８】
振動の方向及び振幅に関して、結合された力ベクトルFcombinedを指定することができる。二次元の実施形態に対して、図１４に示されるように、結合された振動の振幅はスカラーAcombinedにより、振動の方向は角度θにより指定することができる。この二次元の実施形態では、Fcombinedは下記によって与えられる。
【数８】
2008546534.tif 000010
【０１０９】
このため、振動の振幅Ａ1及びＡ2は、下記によって与えられるように、振動の方向θ、結合された振動の振幅Acombined、及び方向マトリックスＤLによって表すことができることが分かる。
【数９】
2008546534.tif 000011
【０１１０】
式２５は、スカラーの大きさＡ1及びＡ2を提供する。Ａ1の符号がＡ2の符号と異なる場合は、振動波形は式Ａのベクトルの結果を用いて直接発生することができる。別の方法では、波形はＡ1及びＡ2の絶対値を用いて発生できるが、一方の波形は他方の波形と位相が完全にずれている。正弦波は、１８０度位相がずれている場合は、完全に位相がずれていると定義される。一般的な波形は、１つの波形の振動の正の最大振幅が別の波形の負の最大振幅に一致しない場合は、完全に位相がずれていると定義される。完全に位相がずれて振動している２つのアクチュエータの図は、図１３に示されている。完全にずれた位相で振動している２つのアクチュエータは、同期振動しているとも考えられる。
【０１１１】
図１４に示されているように、結合された振動の方向を単位ベクトルacombinedによって指定することも可能である。ベクトルFcombinedは、下記によって与えることができる。
Fcombined = Acombined x acombined        （２６）
【０１１２】
本発明の態様による別の構成は、図１５に示されるように、少なくとも３つの直線運動式振動アクチュエータを用いる三次元の構成である。
【０１１３】
図１５の振動装置２２０では、アクチュエータ２２２、２２４及び２２６のそれぞれは、可動部材２２８、２３０及び２３２を含んでいる。アクチュエータ２２２、２２４及び２２６は、互いに直交しかつｘｙｚ座標系に位置合わせされることが好ましい。別の三次元の実施形態では、アクチュエータは必ずしも互いに直交する必要はないが、アクチュエータの力ベクトルが三次元のベクトル空間に広がっている。そのような別の実施形態では、任意の方向の三次元の力を発生することができる。三次元の場合、３ｘ１の単位ベクトルacombinedによって、結合された振動方向を指定することができる。三次元の結合された力は、下記に示されるように、二次元の場合と同じ式によって与えることができる。
Fcombined = Acombined x acombined        （２７）
ここで、acombined及びFcombinedは、三次元のベクトルである。
【０１１４】
本発明による振動装置は、任意の位置及び向きに任意の数のアクチュエータを備えることができる。
【０１１５】
図１６は、一対のアクチュエータ２４２及び２４４を有する振動装置２４０を例示している。これらのアクチュエータ２４２及び２４４は、それぞれ可動部材２４６及び２４８を備えている。この実施形態では、振動装置用筐体２５０は、コンピュータ又はビデオゲーム用の手持ち式ゲーム用コントローラとして構成されている。直線運動式振動アクチュエータ２４２は左のハンドルに配置され、また直線運動式振動アクチュエータ２４４は右のハンドルに配置されているように示されている。アクチュエータ２４２及び２４４は直交することによってはなく、また同じ面内に存在する必要もない。
【０１１６】
本発明による振動装置のさらに別の実施形態が、図１７に示されている。この実施形態では、振動装置２６０が、第１の直線運動式振動アクチュエータ２６２及び第２の直線運動式振動アクチュエータ２６４を備えている。図示のように、アクチュエータ２６２、２６４は、互いの上部に配置されている。そのような構成の利点は、アクチュエータ２６２、２６４が振動装置２６０の中心の回りにほとんどトルクを作らないことであり、これは幾つかの振動の用途では望ましいことである。
【０１１７】
図１７の変形例として、図１８は、互いに直交して配置された２つのアクチュエータ２７２及び２７４を有するゲーム用コントローラを例示している。アクチュエータ２７２及び２７４は、ゲーム用コントローラの容器２７６に固着されることが好ましい。アクチュエータ２７２及び２７４は、任意の角度が付いた面に取り付けることができる。しかしながら、それらは容器２７６の水平面に取り付けることが好ましい。アクチュエータ２７２及び２７４は、一方を他方の上に配置する必要はなく、むしろゲーム用コントローラの容器２７６と同じ剛体に取り付けることができる。無論、３つ以上の線形アクチュエータを、好ましくは互いに直角に容器２７６に取り付けて、容器２７６の三次元空間に広がる力ベクトルを作ることができる。さらに、アクチュエータは互いに直角である必要はない。アクチュエータは互いに対して異なる向きに配置されることが望ましい。
【０１１８】
本発明による振動装置のさらに別の実施形態は、図１９に示されている。この実施形態では、振動装置２８０は、２つの直線運動式振動アクチュエータ２８２及び２８４を備えている。これらのアクチュエータは向きが平行に調節されているが、距離Ｄだけ離れている。アクチュエータ２８２は可動部材２８６を、アクチュエータ２８４は可動部材２８８を含んでいる。アクチュエータ２８２、２８４は、アクチュエータ２８４の可動部材２８８がｙ軸に沿った正の極値を有するとき、アクチュエータ２８２の可動部材２８６がｙ軸に沿った負の極値に来るように振動される。この方法では、２つのアクチュエータ２８２、２８４は、同期方式で振動されたとき結合された力を発生する。図１９に示された実施形態は、１つの実施例では、可動部材２８６及び２８８が同期されると同じ方向に移動し、このためｙ軸に沿って結合された力を発生するように動作することができる。この方法では、図１９に示された構成を使用して、結合されたトルク、結合された力、又は力とトルクの組合せを発生することができる。
【０１１９】
本発明の態様による振動装置２９０の別の実施形態が、図２０に示されている。この実施形態では、それぞれが可動部材を有する３つの直線運動式振動アクチュエータ２９２、２９４及び２９６が、ｘｙ面上で特定の方向に向けられている。この実施形態では、結合された力と結合されたトルクとを発生することができる。アクチュエータ２９２、２９４及び２９６のそれぞれの振動の振幅を変調することによって、結合された力及びトルクを独立に制御することもできる。結合されたトルク及び力は、各アクチュエータが発生した力及びトルクの重ね合わせである。独立に制御することができる３つのアクチュエータがあるので、ｘ軸に沿った力、ｙ軸に沿った力、及びｘｙ面上の選択された点の回りのトルクの成分を全て独立に変調することができる。
【０１２０】
本願で説明された振動装置の実施形態では、振動アクチュエータは振動装置に堅固に、やや堅固に又は堅固でない方法で装着することができる。振動アクチュエータが堅固でない方法で振動装置に装着される場合でも、振動装置は全ての振動アクチュエータからの重ね合わされた力を伝えるように動作することができる。振動アクチュエータが堅固な方法で振動装置に装着される場合、振動装置が与える結合された力は、振動装置が他の物体に力及びトルクを伝える位置には左右されなくなる。さらに、振動アクチュエータと振動装置との間の取付けがより堅固になると、振動装置の全ての点で力が重ね合わさるタイミングがより均一になる。
【０１２１】
実施例では、例えば米国特許第６，２７５，２１３号及び６，４２４，３３３号に示されるように、アクチュエータを直接人の手又は身体に取り付けることができる。アクチュエータを直接手又は身体に取り付ける又は間接的にそれらと結合する本発明を使用する場合、各アクチュエータからの振動力は身体の様々な位置で直接感じることができるが、さらにアクチュエータの動作を同期させることによって、同期され結合された力ベクトルを身体に加えることもできる。
【０１２２】
本発明による振動装置は、直線運動式振動アクチュエータに加えてロータリー式振動アクチュエータを用いて作ることができる。場合によっては、ロータリー式振動アクチュエータを作る費用は、直線運動式振動アクチュエータを作る費用よりも小さい。従って、費用が重要な要因である場合は、直線運動式振動アクチュエータの代わりに又はそれと組み合わせて、ロータリー式振動アクチュエータを利用することが望ましい。しかしながら、ロータリー式振動アクチュエータを用いて同期振動を発生するためには、回転速度に加えてアクチュエータの回転位置を制御する必要がある。
【０１２３】
ロータリー式振動アクチュエータは、例えばＤＣモータ、ロータリーソレノイド、ロータリー式ステッピングモータ、サーボモータ、又は他の種類のロータリー式アクチュエータから構成する。ロータリー式アクチュエータの１つの利点は、それらの価格が比較的低いことである。サーボモータは、フィードバックするために位置センサ及び／又は速度センサを使用する。場合によっては、ロータリー式ステッピングモータは、センサを使用せずに位置及び速度を制御できるため、一層望ましい。
【０１２４】
図２１は、本発明と共に使用するのに好適なロータリー式振動アクチュエータ３００を示している。このアクチュエータ３００は、シャフト３０６と一緒にロータリー式アクチュエータ３０４に連結された偏心部材３０２を備えている。ロータリー式アクチュエータ３０４が回転すると、図２１ではベクトルＣＦによって示されるように、遠心力が偏心部材３０２と整列された半径方向に発生する。
【０１２５】
多くの現行の振動装置は、偏心部材が付いたロータリー式振動アクチュエータを利用するが、同期振動は使用してない。本発明によれば、１つの方向の運動に整列された振動力を実現するように、一対のロータリー式振動アクチュエータを構成することができる。このため、指定された方向の振動力を必要とする場合、そのような一対のロータリー式アクチュエータを使用することができる。
【０１２６】
例えば、ほんの一例として、図２３に示されているように、反対方向に回転する２つのロータリー式振動アクチュエータを用いて、本発明による振動装置を作ることができる。図示のように、振動装置３１０は、それぞれが偏心部材３１６及び３１８を有する一対のロータリー式振動アクチュエータ３１２及び３１４備えている。アクチュエータ３１２は時計方向に、またアクチュエータ３１４は反時計方向に回転することが好ましい。図示された配置では、両方のアクチュエータからの遠心力のベクトルはｙ軸に揃えられ、かつ重ね合わされて、ｙ方向に結合された力のベクトルＣＶＦを生み出す。
【０１２７】
ロータリー式振動アクチュエータでは、直線運動式振動アクチュエータを用いて説明された同期振動と同様な方法で、同期振動を作ることができる。ロータリー式振動アクチュエータでは、同期振動は、２つのロータリー式アクチュエータがほぼ同一面内で同じ角速度で反対方向に回転し、かつアクチュエータの遠心力のベクトルが所望の振動力の方向に繰り返し整列するように、アクチュエータ間の相対角度が制御される場合に発生すると定義される。
【０１２８】
一対のロータリー式（又はロック式）振動アクチュエータを用いて遠心力のベクトルが整列する角度を制御することによって、振動力の方向を制御することができる。これにより、結合された力の方向を複数の線形振動アクチュエータを用いて制御することができる方法と似通った方法で、ロータリー式アクチュエータを用いて結合された力の方向を制御することが可能である。
【０１２９】
図２３は、図２２に関して説明された２つのロータリー式振動アクチュエータの実施形態を示す。この実施形態では、アクチュエータは、多数の位置に対して同期振動で制御される。図２３に示されるように、結合された力のベクトルＣＦＶは相変わらずｙ軸にとどまり、その大きさはアクチュエータの回転位置に基づいて変化する。最大の結合された力のベクトルは、両方のロータリー式アクチュエータからの遠心力が整列するときに発生する。
【０１３０】
本発明と一緒に使用するのに好適な別の種類のロータリー式アクチュエータは、枢動部材を有するロータリー式アクチュエータである。図２４Ａ〜図２４Ｃは、それぞれ代表的な枢動アクチュエータ４００の正面図、側面図、及び下面図を例示している。この枢動アクチュエータ４００は、ロータリー式アクチュエータ４０４に対して枢動するように動作できる部材４０２を備えている。この部材４０２は、シャフト４０６を介してロータリー式アクチュエータ４０４に連結される。部材４０２の質量中心は、部材４０２の物体の任意の位置に配置することができる。このため、質量中心は回転軸と同軸にするか、又は回転軸に対して偏心させることができる。枢動アクチュエータ４００は、前述したロータリー式振動アクチュエータに類似した方法で機能するように構成することができる。
【０１３１】
図２５Ａ〜図２５Ｃから分かるように、ロータリー式アクチュエータ４０４を支持体４０８に固着し、次にこの支持体４０８を別の物体（図示せず）に結合することができる。ばね装置４１０が枢動部材４０２を支持体４１２に接続することが好ましい。この支持体４１２は、支持体４０８と同じでも異なっていても良い。図２５Ａは、ばね装置４１０が静止状態にあり、枢動部材４０２が中心位置にあるときの枢動アクチュエータ４００を例示している。
【０１３２】
部材４０２は、時計方向又は反時計方向のどちらにも枢動できる。図２５Ｂは、反時計方向の動作を例示している。この場合、ばね装置４１０は、圧縮された状態にある。図示された本発明の実施形態では、ばね装置４１０は、主に線形で図面の右側に向かって加えられる圧縮力を受ける。図２５Ｃは、部材４０２の時計方向の動作を例示している。この図では、ばね装置４１０は、主に線形で図面の左側に向かって加えられる力に応答して非圧縮状態にある。
【０１３３】
振動力及び／又はトルクは、図２５Ａ〜図２５Ｃに示された枢動アクチュエータ４００を用いて発生することができる。枢動アクチュエータ４００は、枢動部材４０２が最初は時計方向に、次に反時計方向に又はその逆の方向に枢動するように動作させることができる。枢動部材４０２が前後に揺れ動くので、ばね装置４１０は支持体４０８を介して固着された物体に対して振動力、トルク、又は振動力とトルクの両方を発生する。この方法では、枢動部材４０２の質量中心が回転軸に対して偏心している場合は、振動トルクを発生するために枢動部材４０２を使用することができる。さらにこの方法では、枢動部材４０２の質量中心が回転軸に対して偏心している場合は、振動力を発生するために枢動部材４０２を使用することができる。
【０１３４】
部材を前後に移動することによって、振動の力及び／又はトルクを発生することができる。振動波形の開始を、部材がその運動方向を反転する段階として定義することができる。線形アクチュエータに関しては、方向の反転が平行移動の反転となる。ロータリー式アクチュエータについては、方向の反転は回転の反転である。一般に、アクチュエータ内の部材の運動の反転は、平行移動及び回転の両方を含む。
【０１３５】
可動部材に装着されたばね装置を有するアクチュエータでは、特に部材が部材及びばね系の固有周波数の近くで前後に移動されるときに、エネルギーをばね装置の中で高めることができる。その場合、最大の振動力は、ばね装置の変形が最大に達したときに発生する。これは、部材がその最大の偏位に到達し、そしてその方向を反転するときに発生する。このため、同期振動の状態で動作している２つ（以上）のアクチュエータの中の可動部材は、ほぼ同時に方向を反転することができる。
【０１３６】
振動を発生する別の方法は、枢動アクチュエータ４００を時計方向（又は反時計方向）に動作させて、次に枢動アクチュエータ４００の動作を停止させると同時に、ばね装置４１０が枢動部材４０２を反時計方向（又は時計方向）に回転できるようにすることである。この方法により、枢動アクチュエータ及び１つの方向にしか動作しない制御回路を使用できるようになる。
【０１３７】
図２６は、枢動アクチュエータ４００、言い換えると枢動アクチュエータ４００’の変形例を例示している。この枢動アクチュエータ４００’は望ましいことに、ロータリー式アクチュエータ４０４に対して枢動するように動作することができ、かつシャフト４０６を介してこのロータリー式アクチュエータ４０４に連結される枢動部材４０２を備えている。前述したように、支持体４０８にロータリー式アクチュエータ４０４を固着することができ、この支持体４０８を今度は他の物体（図示せず）に連結することができる。好ましいことに、第１のばね装置４１０ａが枢動部材４０２を第１の支持体４１２ａに連結し、第２のばね装置４１０ｂも枢動部材４０２を第２の支持体４１２ｂに連結する。支持体４１２ａ及び４１２ｂは、１つの支持体、物理的に連結された離れた支持体、又は物理的に切り離された支持体とすることができる。支持体４１２ａ、ｂの一方又は両方は、支持体４０８と同じ又は異なる支持体とすることができる。
【０１３８】
採用できる枢動アクチュエータ４００の１つの形式は、ＤＣモータである。しかしながら、出力シャフトは連続回転しないため、ＤＣモータの全ての要素はこの用途に必要ではない。このため、モータにブラシを持たせる必要はない。これにより、電力の損失及び摩擦による損失だけでなく、コストも削減することができる。好ましい実施例では、枢動アクチュエータ４００は、本質的にステータ及びロータを備えている。ステータは固定式とすることができ、望ましいことに永久磁石及び／又は電磁石を備えている。ロータは枢動するように動作することができ、また永久磁石及び／又は電磁石を備えている。ステータ及びロータの磁石の極性は、電磁石が動作することにより、電磁石のトルクを回転部材４０２に加えることができるように設定することができる。
【０１３９】
図２５Ａ〜図２５Ｃの実施形態では、ばね装置４１０は、全体的に線形の態様で動作するように設定される。しかしながら、小さいアクチュエータを用いて大きな振動力を発生するには、システムの共振を利用することが都合が良い。図２５Ａ〜図２５Ｃに示された実施形態は部材とばねの両方を有するため、共振周波数を有する。アクチュエータがこの共振周波数で又はその近くで励起される場合、振幅が大きな振動を形成することができる。しかしながら、振動装置をある範囲の周波数で動作することが望ましい。前述した「振動装置」という名称の特許出願の中で説明されたように、装置が非線形のばね力を用いて可変の共振周波数を有することは可能である。このため、ある範囲の周波数にわたって振幅が大きい振動を実現するために、振動装置の中で非線形のばねを使用することができる。
【０１４０】
線形のばね素子を用いても、非線形のばね力を発生することができる。図２７Ａに示された実施形態を検討する。この実施形態では、枢動アクチュエータ４２０は、ロータリー式アクチュエータ４２４に対して枢動するように動作できる部材４２２を有する。この部材４２２は、シャフト４２６を介してロータリー式アクチュエータ４２４に連結される。ロータリー式アクチュエータ４２４を支持体４２７に固着し、次にこの支持体４２７を別の物体（図示せず）に結合することができる。ばね装置４２８が枢動部材４２２を支持体４２７’に接続することが好ましい。この支持体４２７’は、支持体４２７と同じでも異なっていても良い。
【０１４１】
図２７Ａに示されているように、ばね装置４２８は、枢動部材の軸線と直列に配置されることが望ましい。枢動部材４２２が中心位置の回りを少し回転すると、ほんの少しの伸びがばね装置４２８の中で発生する。このため、有効なばね定数は小さく、かつ共振周波数も低い。
【０１４２】
低い周波数の動作は、例えば低い周波数の効果があるゲームなどの幾つかの環境では望ましい。例えば、ゲームは、１５〜１５０ヘルツなどの２００ヘルツ以下の範囲で動作又はイベントを発生することができる。場合によっては、動作又はイベントは、１０〜２０ヘルツなどの２０〜５０ヘルツ以下という低い周波数にすることができる。そのような動作／イベントの例には、銃声、制御不能な自動車のスピニングなどの自動車に関連した音、及び回転翼のブンブン回る音などのヘリコプタに関連した音が含まれる。偏心部材を使用するアクチュエータは、この周波数範囲では触覚感覚を生じるには適当ではないが、枢動アクチュエータ又は線形アクチュエータはそのような周波数を発生することができる。
【０１４３】
枢動部材４２２の回転の大きさが増加するにつれて、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示されるように、ばね装置４２８の伸びが増加する。このため、より大きな振幅の回転に対して、有効なばね定数が高くなり、またシステムの固有周波数も高くなる。非線形のばね力を使用する場合、振動の振幅を急速に増加させるために、振動装置の固有周波数に常に適合するように、励起周波数を変化させることができる。
【０１４４】
図２７Ｄは、シャフト４３６を介してロータリー式アクチュエータ４３４に結合された回転部材４３２を有する回転アクチュエータ４３０を例示している。ロータリー式アクチュエータ４３４は望ましいことに支持体４３７に結合され、この支持体４３７は今度は別の物体（図示せず）に連結される。この別の実施形態では、トーションばね４３８などのばね装置が、回転部材４３２とロータリー式アクチュエータ４３４との間に装着される。図示のように、トーションばね４３８の一方の端部すなわちタング４３９ａが回転部材４３２に取り付けられ、他方の端部すなわちタング４３９ｂが支持体４３７（又は、別の方法では、ロータリー式アクチュエータ４３４自体）に取り付けられる。トーションばねなどのばね装置はロータリー式アクチュエータ４３４及び支持体４３７に対して回転部材４３２の回転角度を大きくすることができるので、トーションばね４３８を採用することができる。
【０１４５】
図２７Ｅ及び図２７Ｆは、さらに別の回転アクチュエータ、すなわち回転アクチュエータ４４０を例示している。この回転アクチュエータ４４０は、スロット４４３を中に有する回転部材４４２、ロータリー式アクチュエータ４４４、及び回転部材４４２をロータリー式アクチュエータ４４４に結合するシャフト４４６を備えている。ロータリー式アクチュエータ４４４は望ましいことに支持体４４７に結合され、この支持体４４７は今度は別の物体（図示せず）に連結される。この実施形態では、ピン４４５がスロット４４３の中に保持されている。ばね装置４４８が、一方の端部すなわちタング４４９ａでピン４４５に連結されている。このばね装置４４８は、他方の端部すなわちタング４４９ｂにおいて支持体４４７’に連結されている。この支持体４４７’は、好ましくは支持体４４７とは異なるか、又は別の方法では、好ましいことに、ロータリー式アクチュエータが結合されている支持体４４７の別の部分である。
【０１４６】
図２７Ｅは、「静止」位置にあるばね装置４４８を示している。図２７Ｆは、「圧縮された」位置にあるばね装置４４８を示している。この図では、回転部材４４２は、ほんの一例として、時計方向に回転される。回転部材４４２が回転するにつれて、ピン４４５はスロット４４３に対して移動するが、ばね装置４４８は支持体４４７’に対してほぼ同じ向きに維持される。この態様では、固定した支持体４４７’に加えられた力は、可動部材４４２が回転するため、比較的同じ方向にとどまる。スロット４４３とピン４４５との間にギャップを取り入れることができ、このギャップにより、ばね装置４４８がその静止位置から伸縮される前にシャフトが回転できるようにされる。このギャップにより回転部材４４２上に非線形な力の効果が作られ、これは振動の大きさを増大する効果がある。このギャップにより、シャフト４４６はより高い速度により迅速に到達することができ、また回転アクチュエータ４４０はより急速に回転慣性を高めることができる。
【０１４７】
本発明と一緒に使用できる幾つかの種類のアクチュエータを上記のように説明してきたが、他の種類のアクチュエータも本願で説明されたように制御することができる限り採用できる。例えば、離れたすなわち別個の「可動」及び「静止」の部材が付いていない圧電素子を単独で又は他の種類のアクチュエータと組み合わせて採用して、本願で説明された態様で振動力を与えることができる。
【０１４８】
図２８は、同期式振動システム４５０を例示している。このシステムは、図２４Ａ〜図２４Ｃ、図２５Ａ〜図２５Ｃ、図２６、及び／又は図２７Ａ〜図２７Ｆのいずれかの振動装置のような、２つの振動装置４５２及び４５４から構成している。無論、２つよりも多くの振動装置を備えることもできる。振動装置４５２及び４５４は、図示のように概ね直交する態様で、ベースプレート４５６に装着されることが好ましい。もっとも、直交することは必要ではない。振動装置４５２は水平な振動機であることが好ましく、主に水平方向の力をベースプレート４５６に与えるばね装置４５８を有することが望ましい。振動装置４５４は垂直な振動機であることが好ましく、主に垂直方向の力をベースプレート４５６に与えるばね装置４６０を有することが望ましい。異なる振動装置の振動力の方向が整列されない限り、本願の中でまた前述された「振動装置」という名称の特許出願の中で説明されたような同期式振動方法を用いて、結合された振動の方向を制御することができる。
【０１４９】
本発明の別の実施形態は、振動面が同一でない２つのロータリー式アクチュエータを備えている。しかしながら、この場合、２つの面は互いに直交していない。この実施形態では、他方のアクチュエータの面に伝えることができる一方のアクチュエータからの遠心力の構成要素を使用して、同期振動の構成要素を実現することができる。
【０１５０】
１つの実施例では、２つ以上の振動装置を、図２９Ａに示されるようにゲーム用コントローラに取り付ける。この図では、ゲーム用コントローラ４７０は、筐体４７６のそれぞれ左右のハンドルの両方に取り付けられた一対の振動装置４７２及び４７４を備えている。振動装置４７２及び４７４の振動の方向は整列されないことが好ましく、このため本願で説明された同期振動方法を用いて振動の方向を制御することができる。
【０１５１】
同期振動が可能な実施形態を実現するために使用できるロータリー式アクチュエータとばねの両方には多くの向きがある。例えば、両方のアクチュエータの回転軸を整列させ、一方でばねの方向を変化させることにより、同期振動を行うための別の構成が可能にされる。図２９Ｂは、筐体４８６の中に一対の振動装置４８２及び４８４を有するゲーム用コントローラ４８０を例示している。このゲーム用コントローラでは、両方のロータリー式アクチュエータ内の回転シャフトの軸は整列されているが、ばね力は整列されていない。
【０１５２】
図３０は、ロータリー式及び枢動式の振動装置に類似した別の変形例を例示している。この変形例では、ロック式アクチュエータ４９０が好ましいことに、シャフト４９４の周りに回転可能なロッキング重り部材４９２を備えている。望ましいことに、ロッキング重り部材４９２の一方の端部は、第１のばね装置４９６ａを介して第１の支持体４９８ａに動作的に連結されている。ロッキング重り部材４９２の同じ端部は望ましいことに、第２のばね装置４９６ｂを介して第２の支持体４９８ｂにも動作的に連結されている。支持体４９８ａ及び４９８ｂは、単一の支持体、物理的に結合された個別の支持体、又は物理的に分離された支持体とすることができる。ロック式アクチュエータ４９０は、前に説明された構成のいずれかのゲーム用コントローラのような装置の中で実現することができる。
【０１５３】
一対のロータリー式振動アクチュエータを同期振動させるコントローラは、遠心力のベクトルが整列される角度が望ましい力の振動方向であり、回転速度が望ましい振動周波数に適合するように角度位置が増加されるように、各回転シャフトの角度位置を指定する。
【０１５４】
直線運動式振動アクチュエータを使用する１つ以上の振動装置用コントローラを有するシステム５００が、図３１に示されている。これらの振動装置用コントローラ５０２は望ましい振動効果を指定し、また１つ以上のドライバ回路５０４ａ、５０４ｂ、．．．、５０４Nは必要な電力をアクチュエータ５０６ａ、５０６ｂ、．．．、５０６Nに送る。各アクチュエータ５０６が別個のドライバ回路５０４によって給電されるように示されているが、複数のアクチュエータ５０６を１つのドライバ回路５０４が駆動することも可能である。
【０１５５】
コントローラ５０２は、ほんの一例として、マイクロプロセッサとすることができ、またドライバ回路５０４は例えば１つ以上の電気増幅器とすることができる。コントローラ５０２及びドライバ回路５０４は、１つのマイクロプロセッサ又は１つの電気回路の中に集積することができる。この図の制御方法は、Ｎ個のアクチュエータを有する構成に対するものであり、ここでＮはアクチュエータの任意の数である。現在の用途の中で様々な制御方法を示す図面の中には、２つのアクチュエータしか例示しないものがある。しかしながら、本発明による制御方法は、図３１に示されるように、任意の数のアクチュエータを含むように拡張できることを理解されたい。
【０１５６】
図３２は、２つのアクチュエータ用の制御方法を示している。この方法では、コントローラ５０２は、各アクチュエータ５０６に対して望ましい振動の振幅Ａ、周波数ｆ、及び位相ｐを指定する。アクチュエータ５０６ａの振幅、周波数、及び位相（Ａ1、ｆ1、ｐ1）は、アクチュエータ５０６ｂの振幅、周波数、及び位相（Ａ2、ｆ2、ｐ2）とは異なっても良い。望ましい振動力のプロフィール／波形は、図１に関連して前に説明されたように、正弦波、方形波、三角波、又は他のプロフィールとすることができる。アクチュエータ５０６ａ、ｂの実際の振動プロフィール／波形は、駆動回路５０４ａ、ｂ及びアクチュエータ５０６ａ、ｂの動力学のために望ましい振動プロフィールとは異なっても良い。
【０１５７】
図３３は、振動の周波数ｆが両方のアクチュエータ５０６ａ、ｂに対して同じである制御方法を示している。図３４は、振動の周波数ｆ及び振動の位相ｐが両方のアクチュエータ５０６ａ、ｂに対して同じである制御方法を示している。この実施形態では、振動の最大振幅が両方のアクチュエータ５０６ａ、ｂに対してほぼ同時に発生するように、アクチュエータ５０６ａ、ｂが同期して駆動されることが望ましい。振動の振幅は、アクチュエータ５０６ａ、ｂの間で異なっていても良い。
【０１５８】
図３５は、本発明による制御用の実施形態を示している。この実施形態では、振動装置用コントローラ５０２が内部の方向・振幅用コントローラ５０８、内部の周波数用コントローラ５１０、及び内部の振動用コントローラ５１２を備えている。方向・振幅用コントローラ５０８は、結合された振動の振幅Acombined及び振動の方向θを指定することが望ましい。周波数用コントローラ５１０は、振動の周波数ｆを指定することが望ましい。振動用コントローラ５１２は、θ、Acombined、及びｆの入力信号を使用して、振動命令を個々のアクチュエータ５０６ａ、ｂに出力する。振動用コントローラ５１２は、正弦波、方形波、三角波、又は本願で説明された他のプロフィールを含む種々の波形を出力するように動作することができる。
【０１５９】
図３５に示された振動装置用コントローラ５０２からの出力は、時間の関数として振動の大きさを各駆動回路５０４ａ、ｂに与える。振動のプロフィールが正弦波の場合は、各アクチュエータに対する時間の関数としての振動の振幅は、下記に示された方程式によって与えられる。
【数１０】
2008546534.tif 000012
ここで、ｔは時間であり、ωは秒当たりのラジアン単位の振動の周波数である。パラメータｐは振動の位相であり、ゼロに設定することができる。秒当たりの振動の周波数ｆに関するωの値は、ω＝２πｆで与えられる。
【０１６０】
振動アクチュエータが命令の大きさと振動の大きさとの間に線形の関係を有する場合、式（２８）からの出力Ａ1（ｔ）及びＡ2（ｔ）を振動アクチュエータに直接適用して、角度θに対応する結合された振動の方向を発生することができる。しかしながら、振動アクチュエータの中には、命令の大きさと振動の大きさとの間に非線形の関係を有するものがある。そのような非線形のアクチュエータに関しては、線形化関数を用いることによって、振動を方向θに発生することができる。この線形化関数は、下記の式で示されるように、Ａ1及びＡ2の大きさを調整して、アクチュエータの非線形性を補償する。
【数１１】
2008546534.tif 000013
上記の線形化方程式は、ルックアップテーブル又はスケーリング・アルゴリズム又は他の種類の関数にすることもできる。
【０１６１】
式２８及び２９を使用するなどして、ある期間にわたって振動の方向を制御する能力は、本発明の重要な利点である。この振動の方向を制御する能力は、部品を所望の方向に誘導する振動式フィーダに使用することができる。さらに、本願で説明されているように、触覚装置には本発明を使用する多数の利点がある。
【０１６２】
図３６Ａは、一対の線形アクチュエータに対して振幅、位相、及び位置（又は時間）の種々の入力パラメータの入力を示すシステム５５０を例示している。コンピュータ５５２は、パラメータの入力を受け取る。これらのパラメータは、好ましくはコンピュータ用キーボード（図示せず）を用いて入力される。しかしながら、パラメータは、グラフィカルユーザーインターフェース、アナログ・ポテンショメータ、又は一般に当業者には周知の多くの他の手段を用いて入力することもできる。線形アクチュエータ５５４ａ及び５５４ｂに関する適切な出力波形が、次にコンピュータ５５２を用いて計算される。各波形は独立していることが好ましい。計算はアナログ・コンピュータを用いて行うことができるが、ディジタル・コンピュータが好ましい。
【０１６３】
ディジタル・コンピュータが使用される場合、各アクチュエータ５５４ａ、ｂに対するディジタル出力は、この場合、好ましいことに、それぞれのディジタル−アナログ（「ＤＡＣ」）変換器５５６ａ及び５５６ｂに送られる。これらの変換器は、ディジタル出力を適切なアナログ波形に変換する。次に、アナログ波形は適当なドライバ回路５５８ａ及び５５８ｂに送られる。当業者は、他の手段、例えばＰＷＭを用いて各アクチュエータ５５４ａ及び５５４ｂの線形振動を変調することができる。パラメータを変更することにより、エンドユーザに対して極めて広い範囲の豊富な触覚感覚の組を作ることができる。
【０１６４】
変化する力の効果を作ることに加えて、振動の方向を制御することができる−すなわち振動の方向を静止した状態に保つことができる。結果として生じた力の効果は、振動の周波数よりも低い周波数とすることができる。
【０１６５】
単純なパラメータから正確なパターンを発生するための有用な応用例も存在する。そのようなパターンには、円、楕円、及び直線が含まれる。さらに、パターンの振幅及び持続時間を経時的に正確に制御することができる。その上、一連のパターンを要望どおりに発生することができる。
【０１６６】
図３６Ｂは、種々の入力パラメータの入力が、パターンの番号、振幅、持続時間及び合成振動を用いる振動装置の開始時間の入力を含むシステム５５０を例示している。これらのパラメータは、コンピュータのキーボードを用いて入力されることが好ましい。次に、各線形アクチュエータ用の適切な出力波形が、コンピュータ５５２で計算される。前述されたように、次に各アクチュエータ５５４ａ及び５５４ｂに対するディジタル出力が、適当なアナログ波形に変換するためにＤＡＣ５５６ａ及び５５６ｂに送られる。波形は次に、ドライバ回路５５８ａ及び５５８ｂに送られる。繰り返すが、種々のパラメータにより、エンドユーザに対して極めて広くかつ豊富な触覚感覚の組が作られる。
【０１６７】
本発明による、本願で説明された振動装置のそれぞれは、触覚インターフェース（haptic interface）として使用することができる。この触覚インターフェースは、ユーザに力感覚を与える。触覚インターフェースには、コンピュータゲーム用コントローラ、ロボット用コントローラ、外科手術器具用コントローラ、及び力感覚がユーザに与えられる他の装置が含まれる。
【０１６８】
触覚インターフェースの応用例が付いた本発明の実施形態６００が、図３７に示されている。この実施形態では、システムコントローラ６０２は、力命令（force command）を触覚インターフェース６０４に与える。この触覚インターフェース６０４は、ユーザ６０６に対して力感覚になる力を発生する。システムコントローラ６０２は、マイクロプロセッサ、中央演算処理装置、ＡＳＩＣ、ＤＳＰ、ゲーム用コントローラ、アナログコントローラ、又は他の種類のコントローラ若しくはその任意の組合せとすることができる。ユーザ６０６は、触覚インターフェース６０４に対して命令を入力することができ、この命令はユーザ命令としてシステムコントローラ６０２に送り戻される。ユーザ命令は、ボタンを押すこと、ジョイステックを動かすこと、種々の大きさの力で触覚インターフェースを握ること、触覚インターフェースを動かすこと、力及びトルクを触覚インターフェースに加えること、及び他の手段を用いることによって入力することができる。
【０１６９】
図３７に示された実施形態には、好ましいことに、グラフィカルディスプレイ６０８が含まれている。このグラフィカルディスプレイ６０８は、画像命令をシステムコントローラ６０２から受け取り、表示画像をユーザ６０６に示す。グラフィカルディスプレイ６０８は、例えばコンピュータ用のモニタ、テレビモニタ、ＬＣＤ表示装置、プラズマディスプレイ、光源の組合せ、又はグラフィカルイメージを発生する他の種類の手段とすることができる。触覚インターフェースの応用例は、グラフィカルディスプレイ６０８がなくても実現することができる。
【０１７０】
触覚インターフェースの応用例は、仮想環境のシミュレーション又はユーザ６０６に対する実際の環境の表示を含むことができる。システムコントローラの制御方法は、この実際の又は仮想の環境に基づいている。一般的なシミュレート環境には、ゲーム、ドライビング、及び飛行シミュレーション、外科シミュレーション及び他の種類のシミュレーションが含まれる。一般的な実社会の環境には、ロボットやリモート・マシンの制御、長距離の相互作用、及び他の種類の環境が含まれる。触覚インターフェースが使用される実際の又はシミュレートされた環境と関連がある力感覚を、触覚インターフェースが提供することが望ましい場合が多い。
【０１７１】
触覚インターフェースの応用例を有する別の実施形態６２０が、図３８に示されている。この実施形態は図３７のものと類似しており、触覚インターフェース６２４に力命令を送るシステムコントローラ６２２を備えている。この触覚インターフェース６２４は、ユーザ６２６が受け取る力感覚を生じる力を発生する。グラフィカルディスプレイ６２８は、画像命令をシステムコントローラ６２２から受け取り、表示画像をユーザ６２６に示す働きをする。
【０１７２】
図３８の実施形態では、望ましいことに、触覚インターフェース６２４が、振動アクチュエータ（図示せず）を有する振動装置６３０、振動コントローラ６３２、振動装置のアクチュエータを駆動するドライバ回路６３４、及びユーザが入力する情報を検出することができ、またボタン、ジョイステック、及び圧力センサを備えた入力装置６３６を備えている。触覚インターフェース６２４の構成要素は、本願で説明された任意の構成とすることができる。この実施形態では、グラフィカルディスプレイ６２８は、二次元の画像を表示することが好ましい。グラフィカルディスプレイ６２８は、角度θで指定された方向で指定の物体を示す。ユーザ６２６が感じた力感覚が、θなどの方向や他の属性の点に関してグラフィカルディスプレイ上の画像に対応することが望ましい。
【０１７３】
ユーザ６２６が感じる力感覚が、振動装置用コントローラ６３２によって発生されるように、特にグラフィカルディスプレイ６２８上の画像に対応するように、図３８に示された実施形態を利用することができる。振動装置用コントローラ６３２は、前述したように、１つ以上の振動の振幅Acombined、力の方向θ、及び振動の周波数ｆを指定することができる。Acombined、θ、及び／又はｆは、グラフィカルディスプレイ６２８上の画像及びシステムコントローラ６２２が使用している環境に対応するように選択することができる。振動装置が発生する完全な力の効果（周波数、振幅、力及びトルクの結合された方向、及び力の効果の持続時間を含む）は、グラフィックスコントローラのシミュレーションの中の事象に関連付けることができる。そのような操作の実施例は、下記に示されている。
【０１７４】
第１の実施例には、銃を発射しているユーザのシミュレーションが含まれる。このシミュレーションでは、振動装置用コントローラ６３２は、銃が発射されている方向を表す角度θ、銃が跳ね返る大きさを示す振動の振幅Acombined、及び銃を離れる弾丸の周波数を示す振動の周波数ｆを指定することができる。
【０１７５】
第２の実施例には、物体間の衝突が含まれる。このシミュレーションでは、振動装置用コントローラ６３２は、衝突の方向を示す角度θ、及び衝突の大きさを示す振動の振幅Acombinedを指定することができる。
【０１７６】
第３の実施例には、自動車の運転が含まれる。このシミュレーションでは、振動装置用コントローラ６３２は、自動車の移動方向を示す角度θ、道路の隆起を乗り越えて走るときの自動車の振動の周波数又は自動車の速度を示す振動の周波数ｆ、及び道路の隆起の大きさを表す振動の振幅Acombinedを指定することができる。
【０１７７】
第４の実施例には、制御不能でスピニングしている自動車又は宇宙船が含まれる。このシミュレーションでは、振動装置用コントローラ６３２は、乗物の向きを示す角度θを指定することができる。乗物のスピニングを表すために、角度θは経時的に変化することができる。角度θが変化する速度は、振動周波数とは異なっていても良い。一般に、乗物がスピンする周波数は、一般的な振動周波数よりも著しく低い。
【０１７８】
前述した乗物のスピニングを作るために使用できるアルゴリズムは、振動の方向を絶えず変化させる。振動の方向は、下記の式を使用して、秒当たりβラジアンの速度で回転することができる。
【数１２】
2008546534.tif 000014
【０１７９】
式３０は、方向変化の周波数βを振動周波数ωとは無関係に変更することができることを例示している。ユーザ６０６又は６２６などのユーザは、振動の周波数及び振動の方向の両方を感知することができる。この態様では、ユーザは、β及びωの両方の周波数における感覚を感じることができる。周波数βを周波数ωよりも遙かに低く設定して、これにより周知の装置の限界を克服することができる。ほんの一例として、ωが１０Ｈｚと１００Ｈｚの間で変化するのに対し、βが約１Ｈｚで変化するように設定できる。別の例では、βはωの約５％から２０％の範囲で変化することができる。無論、別の例では、ω及びβは類似又は同じにすることができ、別の方法では、βはωよりも大きくすることができる。これら全ての実施例は、望ましい特定の効果に依存する。
【０１８０】
低周波の動作は、状態によっては、例えば低周波の効果を有するゲームにおいては望ましい。例えば、ゲームは、１から１５０Ｈｚといった２００Ｈｚ以下の範囲で行動又は事象を発生することがある。場合によっては、行動又は事象は、約０．５〜１Ｈｚといった約２Ｈｚ以下とすることができる。そのような行動／事象の実施例には、射撃、制御不能の自動車のスピニングに対応する自動車関係の音響、及び回転翼がブンブンというヘリコプタ関連の音響が含まれる。従来の偏心部材式アクチュエータは、この周波数範囲の触覚感覚を発生するには適当ではないが、同期振動で動作する２つ以上の振動アクチュエータはそのような周波数を発生することができる。
【０１８１】
βは特定のレート又はレートの範囲に限定されることはない。例えば、βは、例えば時速１０マイル未満で車がスピンする遅いスピニング動作を示すために比較的低いレートにしたり、又は例えば時速４０マイルを超える速度で車がスピンする早いスピニング動作を示すために比較的高いレートにすることができる。同様に、ωは特定の振動周波数に限定されない。好ましいことに、ωは、ユーザが感じることができる又は検出することができる周波数の範囲内に設定される。
【０１８２】
振動プロフィールを正弦波から方形波、三角波、又は他のプロフィールに変えることによって、式３０を変更することができる。さらに、振動の振幅Acombinedを経時的に変化させることができる。周波数β及びωも、経時的に変化させることができる。この態様では、高範囲の力の効果を作ることができる。
【０１８３】
振動アクチュエータを使用して、同期振動又は他の方式の触覚感覚を提供することができる。方向の情報を伝える必要がない場合は、アクチュエータを同期なしで振動させることができ、また振動に関する情報を触覚インターフェースを通して伝える必要がある場合は、アクチュエータを同期振動に切り換えることができる。
【０１８４】
多くの直線運動式振動アクチュエータは共振を利用して、小さい電力に関する要求事項で比較的高いレベルの力を実現する。しかしながら、これらの高いレベルの力を実現するためには、振動の最大振幅が生ずる前に多数の振動周期が発生する必要がある。さらに、アクチュエータが停止しても、アクチュエータ内の可動部材は長い期間にわたって振動を継続する。このため、アクチュエータの動力学により、振動の大きさを増加又は減少させるためのアクチュエータの瞬間的な応答が妨げられる。
【０１８５】
結合された力の方向を制御するために同期振動が使用される場合、アクチュエータの動力学により、結合された力の方向が変化する速度が制限される可能性がある。前述された実施例の１つは、車のスピニングに対応する触覚の力感覚が実現されることを説明している。しかしながら、アクチュエータの動力学により、こうしたスピニング効果を発生できる速度が制限される可能性がある。後で詳細に説明するが、同期振動する振動アクチュエータの系に対して力の方向が変化する速度を増加できる方法を提供することは可能である。
【０１８６】
前述した式２５は、アクチュエータの要求され振動の振幅を画定して、角度θに対応する結合された力の方向を実現する。振動装置内の所定のアクチュエータに対して、要求された振動の振幅が、そのアクチュエータの振動の望ましい振幅を示すＡdesとして画定される。アクチュエータが休止しているか又はＡdesよりも低いレベルで振動している場合は、最初にアクチュエータをより高い振動レベルで駆動して、より急速に振動の振幅をＡdesまで高めることが望ましい。逆に、アクチュエータがすでにＡdesよりも高い振幅で振動している場合は、最初にアクチュエータをより低いレベルで駆動するか又はさらにアクチュエータにブレーキをかけて、振動の振幅をＡdesまでより急速に低下させることが望ましい。アクチュエータが駆動される振幅におけるこれらの変動は、命令された振動の大きさに対する補正として画定される。
【０１８７】
振動の大きさに対して適切な補正を決定する１つの方法は、アクチュエータの動力学をモデル化することである。この方法により、アクチュエータの動的な状態及び最適な命令を予測して、最も早く振動の望ましい振幅を発生することが可能になる。
【０１８８】
振動の大きさに対して補正を決定する別の方法は、アクチュエータの動的なモデルすなわちアクチュエータの動的な状態をはっきりと予測することを必要としない。この方法では、カウンタがアクチュエータの最近の振動数を追跡することを続けて、対応する命令がこれらの最近の振動の間にアクチュエータに送られる。ｋ番目の振動時のアクチュエータへの命令は、次の式によって与えられる。
Ａcom#k＝Ａdes#k＋Ａcor#k
【０１８９】
Ａdes#kは、アクチュエータのｋ番目の振動に対する望ましいアクチュエータの振幅を示す。Ａcor#kは、ｋ番目の振動に対する命令への補正を示す。そしてＡcom#kは、ｋ番目の振動に対してアクチュエータに送られた命令による実際の振幅を示す。
【０１９０】
ｋ番目の振動における望ましい振幅が前の振動の間の振幅よりも大きい場合、最も有望な振動レベルを増加する必要がある。このため、現在の望ましい振幅Ａdes#kと前に命令された振幅Ａcom#kとの間の差に比例するように、振動ｋにおける命令に対する補正Ａcor#kを選択することができる。Ａcor#kを計算するためのこの方法を説明する数式は、下記のようになる。
Ａcor#k＝Ｋ*（Ａdes#k−Ａcom#k）      （３１）
【０１９１】
ここで、Ｋは、アクチュエータの性能に基づいて選択された利得である。この同じ数式は、振動の大きさを急速に減少させるように動作する。Ａdes#kがＡcom#k-1の値よりも小さい場合、それは振動の最も有望なレベルを減少させる必要があり、また補正Ａcor#kが負であることを示す。振動の振幅を大きく減少するように命令された場合は、大きさが負のＡcor#kがＡdes#kよりも大きくなり、アクチュエータに送られる実際の命令Ａcom#kは負であり、アクチュエータ内の可動部材にブレーキをかける結果になる。
【０１９２】
振動の大きさを補正する別の方法は、２つの前に命令された振幅を考慮に入れて、下記の式によって与えられる。
Ａcor#k＝Ｋ1*（Ａdes#k−Ａcom#k-1）＋Ｋ2*（Ａdes#k−Ａcom#k-2）      （３２）
【０１９３】
ここで、Ｋ1はｋ−１番目の振動命令に対応する利得であり、Ｋ2はｋ−２番目の振動命令に対応する利得である。同様の考え方で、もっと前の命令でさえも補正アルゴリズムの中に取り入れることができる。下記の数式は、「ｍ番目」の以前の命令をアクチュエータの命令の中に取り入れることができる方法を示している。
Ａcor#k＝Ｋ1*（Ａdes#k−Ａcom#k-1）＋Ｋ2*（Ａdes#k−Ａcom#k-2）＋．．．＋Ｋm＊（Ａdes#k−Ａcom#k-m）      （３３）
【０１９４】
複数の振動アクチュエータを制御する別の方法には、修正同期方法が含まれる。修正同期の１つの方法は、別のアクチュエータの振動周波数の整数の倍数の周波数で、１つのアクチュエータを振動させることである。図３９は、そのような制御方法を示す２つの振動プロフィール６５２及び６５４を表すプロット６５０である。プロフィール６５４の振動周波数は、プロフィール６５２の振動周波数の２倍である。振動周期の開始は、プロフィール６５２に対して１つおきの周期でのみ同時に発生するように制御することができる。このため、最大振幅の重ね合わせは、プロフィール６５４に対して１つおきの周期でのみ発生する。この修正同期式方法は、振動周波数の任意の整数の倍数、任意の振動プロフィール、及び任意のアクチュエータの数に対して適用することができる。
【０１９５】
こうした修正同期式方法の１つの利点は、複数の振動周波数が同時に発生することができ、その上なおも最大振幅の重ね合わせを提供できることである。この最大振幅の重ね合わせにより、振動の方向が同期振動に対して制御される方法と同様の態様で、振動の方向を制御することができる。この同期振動の修正された方法を用いて、振動周期の一部の間のみで結合された力の方向を指定することができる。それにもかかわらず、ピークの重ね合わせが発生する時間に近い継続時間の中で、振動に対する方向成分を制御することができる。振動の中でピークの重ね合わせが存在する時間の近くでは、結合された力ベクトルFcombinedを下記の式で近似することができる。
Fcombined＝ａ1Ａ1＋ａ2Ａ2      （３４）
【０１９６】
ここで、ａ1及びａ2は、それぞれアクチュエータ１及びアクチュエータ２の方向に位置合わせされた単位ベクトルである。Ａ1及びＡ2は、ピークの重ね合わせの継続時間近辺の、それぞれアクチュエータ１及びアクチュエータ２の力の振幅である。振幅Ａ1及びＡ2を修正することによって、結合された力ベクトルFcombinedの振幅及び方向を修正することができる。３つ以上の振動アクチュエータがある場合でも、同様の方法を使用することができる。
【０１９７】
振動アクチュエータの力の最大振幅が繰返しほぼ同時に発生する２つ以上の振動アクチュエータがある場合、これらの繰り返された最大振幅が発生する時間の近くで、これらのアクチュエータの結合された力の方向を制御することができる。この場合、アクチュエータの振動の振幅を修正することによって、結合された力の方向を制御することができる。
【０１９８】
別の修正同期式方法は、２つの振動アクチュエータを同じ周波数で駆動することであるが、その力の最大振幅が第２の振動アクチュエータの力がゼロのときに発生する位相で、一方の振動アクチュエータが駆動される。この位相は、正弦波の振動に対して９０度位相がずれている。そのような修正同期では、結合された力の方向は、各振動周期の間に円又は楕円の中で回転する。
【０１９９】
振動を修正同期させる別の方法には、１９９８年にPrinceton Univerity Pressにより出版された、Eli Maorによる「Trigonometric Delights」という題名の第１２章に現れる「Jules Lissajous and His Figures」（「Lissajous」）の中で説明されたような、プロフィールの重ね合わせが含まれる。このリサジュー（Lissajous）の全体の開示内容は、参照することによって本願に組み込まれる。リサジューは、周波数、位相、振幅、及びプロフィールの様々な組合せによってプロフィールを組み合わせて、高範囲の出力形状を発生できる方法を説明している。これらは、バウディッチ（Bowditch）曲線としても知られている。リサジューは、幾何学的な形状を複数の振動源から作る方法も説明している。これらの振動の組合せは、本発明の態様による触覚装置及び振動装置に適用することができる。このため、リサジューの中で説明された重ね合わせの概念を振動アクチュエータに適用して、高範囲の力感覚を生じることができる。
【０２００】
電気アクチュエータは、コントローラから離れたドライバ回路を必要とすることが多い。このドライバ回路は、アクチュエータを必要な電力で駆動するために十分な電流と電圧を与える。高範囲のドライバ回路が、電気アクチュエータ用、特に振動アクチュエータ用に開発されており、当業者には周知である。そのようなドライバ回路には、線形ドライバ、パルス幅変調ドライバ（ＰＷＭ）、単極ドライバ、及び双極ドライバが含まれる。本発明による振動アクチュエータ７００用の回路のブロック図には、図４０に示されるように、振動用コントローラ７０２、ドライバ回路７０４、及びアクチュエータ７０６が含まれる。
【０２０１】
図４０で示された振動用コントローラ７０２は、振動装置自体の上に配置するか又は遠く離して配置することができる。この場合、振動用信号は有線又は無線通信でドライバ回路７０４に送信される。
【０２０２】
振動装置又はアクチュエータをマイクロプロセッサ又は他のディジタル回路などのディジタルコントローラで制御することが多くの場合望ましい。ディジタル制御回路の電力出力は低レベルであることが多いため、アクチュエータを駆動するためには高電力の駆動回路を必要とする。さらに、低価格のディジタルコントローラは、ディジタル出力を有しているが、アナログ出力を持たないことが多い。振動用コントローラの回路を単純化しかつ安価にするために、振動用信号は、可動部材を前方又は後方のいずれかに移動させる２進法の方向信号とすることができる。この構成では、振動用信号は、望ましい振動効果を発生するように方形波の形状とすることができる。そのような方形波の制御信号を用いても、振動アクチュエータの実際の動き及び振動力は、アクチュエータの動力学のために、恐らく方形波に正確には従わないであろう。
【０２０３】
振動用コントローラの回路をさらに単純化しかつ安価にするために、振動用信号の振幅をＰＷＭ信号で変調することができる。ここで、この信号のデューティサイクルは、振動の振幅に比例する。１つのアクチュエータ７１６に対してそのようなディジタル振動用コントローラ７１２を用いる実施形態７１０が、図４１に示されている。この実施形態では、ディジタル振動用コントローラ７１２の出力には、ＰＷＭ形式の振幅用信号及び例えば論理ビットの形式の方向用信号が含まれ、その両方が好ましいことにドライバ回路７１４に送られる。このドライバ回路７１４は、今度は電力をアクチュエータ７１６に送る。
【０２０４】
ディジタル制御回路を使用して、完全な振動装置を同期振動方式で制御することができる。同期振動では、２つ以上のアクチュエータの周波数及び位相は同一である。このため、１つの方形波を使用して、同期振動している振動アクチュエータの方向を制御することができる。振動の振幅は、別個のＰＷＭ信号を用いて各アクチュエータに対して別々に制御することができる。
【０２０５】
図４２は、振動装置用コントローラ７２２が、方形波の形式とすることができる１つの方向用信号（「ｄｉｒ」）を発生する実施形態７２０を示す。ｄｉｒ信号は好ましいことに、一対の駆動回路７２４ａ及び７２４ｂに与えられる。振動装置用コントローラ７２２は望ましいことに、一対のアクチュエータ７２６ａ及び７２６ｂ用に駆動回路７２４ａ、ｂに対してＰＷＭ形式の別個の振幅用信号Ａ1及びＡ2を発生する。振動装置用コントローラ７２２には好ましいことに、図３５に関連して説明された実施形態のように、方向・振幅用コントローラ７２８、周波数用コントローラ７３０及び振動用コントローラ７３２が含まれる。この方向・振幅用コントローラ７２８、周波数用コントローラ７３０及び振動用コントローラ７３２は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はそれらの組合せで構成することができ、別個の構成要素又は処理として実行されるか、又は１つの構成要素又は処理として実行される。
【０２０６】
図４２の実施形態７２０は、例えば図１０〜図２０に関連して前述されたように、２つのアクチュエータが付いた振動装置を同期振動の中で制御するために使用することができる。実施形態７２０は、２つ以上のアクチュエータを完全に位相をずらして振動させるために使用することもできる。これは、式２５がＡ1の記号がＡ2の記号とは異なる結果を与えるときに、同期振動の間に発生する。２つのアクチュエータを完全に位相をずらして振動させるために、２進の方向用信号ｄｉｒをアクチュエータの１つに対して反転することができる。方向用信号ｄｉｒの反転は、ドライバ回路７２４ａ又は７２４ｂで発生することができるか、又は振動用コントローラ７３２は、一方が他方の逆になっている２つの方向用信号を出力することができる。２つのアクチュエータが完全に位相をずらして駆動される実施例は、図１３に示されている。
【０２０７】
本発明による電気アクチュエータは、単極又は双極のドライバを用いて駆動することができる。単極ドライバは、アクチュエータの中で単一方向に電流を発生する。単極ドライバは、可動部材が強磁性体であるアクチュエータに対して好適であり、図９に示されたアクチュエータ１５０のように、電磁コイルのみが吸引磁力を発生する。単極ドライバ回路の１つの実施例は、Texas Instruments社が製造しているULN2803A DARLINGTON TRANSISTOR ARRAYなどのダーリントン配列である。
【０２０８】
双極ドライバは、２方向の電流を発生することができる。双極ドライバは、可動部材が磁石であるアクチュエータに対して好適であり、この場合、電磁コイルの中で電流の方向を逆転することにより、可動部材上の力の方向を逆にすることができる。そのようなアクチュエータの実施例は、図５Ａ〜Ｂから図８Ａ〜Ｂに示されている。双極ドライバ回路用の１つの実施例は、ST Microelectronics社が製造しているＬ２９８などのＨブリッジである。別のＨブリッジは、Allegro Microsystems社が製造している３９５８及び３９５９ドライバである
【０２０９】
振動回路では、Allegro Microsystems社が製造している３９５８及び３９５９ドライバの中で使用されているような電荷ポンプ形コンデンサ（charge pump capacitor）を使用して、ドライバ回路の電力出力を増加することが有利である。コンデンサを直線運動式振動アクチュエータに直列に組み込んで、前述された「Vibration Devices」という名称の米国特許出願の中で説明されているような、共振効果及びコンデンサ内のエネルギーの一時貯蔵効果から恩恵を受けることも有利である。
【０２１０】
本願で詳述したように、振動アクチュエータは、触覚効果を作るために様々な方法の中で使用することができる。振動アクチュエータは、指定された触覚効果が継続している間中連続して動作することができ、また触覚効果の間にオン／オフのパルスで動作することもできる。振動アクチュエータをオン／オフでパルス駆動する場合は、振動が休止し次に再開するというように、ユーザは少数の振動しか感じることができない。この態様では、アクチュエータをオン／オフでパルス駆動する周波数に関連した二次感覚を発生することができる。そのようなパルス効果を使用できる方法の実施例が、米国特許第６，２７５，２１３号及び６，４２４，３３３号の中で説明されている。
【０２１１】
本願で説明されたいずれのアクチュエータも、種々様々な触覚効果発生するために本発明に基づいて使用することができる。線形アクチュエータやロッキング部材式アクチュエータなどの幾つかのアクチュエータは低周波の動作に対して特に好適であるが、本願の全てのアクチュエータは同期フィードバックを行うことができる。そのようなフィードバックは、ゲーム、バーチャルリアリティ用装置、手術道具や建設用機器などの現実の世界の機器、及び携帯電話やページャーなどの携帯形の電子装置の中で採用することができる。ほんの一例として、携帯電話やページャーは、異なる発信者又は異なる動作を識別するために種々の振動効果を提供することができる。同期振動は、例えばゲームの中の銃の衝撃又は反動に対して、又はドライビングゲームの中で前部と側部との間の衝撃を区別するために、方向フィードバックを提供することができる。同期振動も、ゲームの中で振動力のベクトルの連続回転を行って、制御不能でスピニングした車をシミュレートすることができる。同期振動をエンドレスの他の用途や状態の中で使用して、ユーザに豊富な触覚に基づく経験を提供することもできる。
【０２１２】
本発明を特定の実施形態を参照して説明してきたが、これらの実施形態は本発明の原理及び用途を単に例証するものであることは理解されよう。このため、これらの例証となる実施形態に対して多数の変形例を作ることができ、また添付した特許請求の範囲によって定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、別の装置を発明することができることは理解されよう。単に一例として示すが、同期振動及び本発明の他の利点を実現する一方で、本願の実施形態の態様をある程度変えることは可能である。例えば、振動の周波数、振動の振幅、振動のプロフィールすなわち波形、振動の位相、振動のタイミング、アクチュエータの位置合わせ、振動装置の剛性、アクチュエータと振動装置との間の取付けの剛性、並びに設計及び制御パラメータは全て、別個に又はその任意の組合せの中で調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２１３】
本発明は、限定はされないが、ゲーム用コントローラ、医用装置、バーチャルリアリティ装置及び他の機器を含む広い産業上の利用可能性を有している。
【図面の簡単な説明】
【０２１４】
【図１】本発明と共に使用するのに好適な、多数の異なる波形の種類を例示するチャートである。
【図２】位相差がある一対の振動プロフィールを例示する図である。
【図３】一対の同相の振動プロフィールを例示する図である。
【図４】本発明と共に使用する直線運動式振動アクチュエータを例示する図である。
【図５Ａ−Ｂ】本発明による直線運動式振動アクチュエータの実施例を例示する図である。
【図６Ａ−Ｂ】本発明による直線運動式振動アクチュエータの別の実施例を例示する図である。
【図７Ａ−Ｂ】本発明による直線運動式振動アクチュエータのさらに別の実施例を例示する図である。
【図８Ａ−Ｂ】本発明による直線運動式振動アクチュエータのさらにもう１つの実施例を例示する図である。
【図９】本発明による直線運動式振動アクチュエータのさらに別の実施例を例示する図である。
【図１０】本発明の態様による振動装置を例示する図である。
【図１１】本発明の態様による反時計回りの回転を発生するための、図１０の振動装置を例示する図である。
【図１２】本発明の態様に基づいて時計方向の回転を発生するための、図１０の振動装置を例示する図である。
【図１３】本発明の態様に基づいて力の方向に変化を発生するための、図１０の振動装置を例示する図である。
【図１４】本発明の態様に基づいて、直交しない線形アクチュエータを使用する振動装置を例示する図である。
【図１５】本発明の態様に基づいて三次元の力ベクトルを発生するために、線形アクチュエータの組を採用している振動装置を例示する図である。
【図１６】本発明の態様によるゲーム用コントローラを例示する図である。
【図１７】本発明の態様による振動装置を例示する図である。
【図１８】本発明の態様による別の振動装置を例示する図である。
【図１９】本発明の態様による結合されたトルクを発生するための振動装置を例示する図である。
【図２０】本発明の態様による結合されたトルクを発生するための別の振動装置を例示する図である。
【図２１】本発明の態様による偏心部材が付いたロータリー式振動アクチュエータを例示する図である。
【図２２】本発明の態様による一対の偏心部材式アクチュエータが付いた振動装置を例示する図である。
【図２３】本発明の態様による偏心部材式アクチュエータの同期振動を例示する図である。
【図２４Ａ−Ｃ】本発明の態様による枢動アクチュエータを例示する図である。
【図２５Ａ−Ｃ】本発明の態様による別の枢動アクチュエータを例示する図である。
【図２６】本発明の態様による一対のばね装置を利用する枢動アクチュエータを例示する図である。
【図２７Ａ−Ｆ】本発明の態様によるさらに別の枢動アクチュエータを例示する図である。
【図２８】本発明の態様によるロータリー式アクチュエータを採用する同期式振動システムを例示する図である。
【図２９Ａ−Ｂ】本発明の態様によるゲーム用コントローラを例示する図である。
【図３０】本発明の態様によるロック式アクチュエータを例示する図である。
【図３１】本発明の態様による振動システムを例示する図である。
【図３２】本発明の態様による振動システムの制御を例示する図である。
【図３３】本発明の態様による振動システムの制御を例示する図である。
【図３４】本発明の態様による振動システムの制御を例示する図である。
【図３５】本発明の態様による振動システムの制御を例示する図である。
【図３６Ａ−Ｂ】本発明の態様による数式パラメータ及びパターン選択処理を例示する図である。
【図３７】本発明の態様による触覚インターフェース・システムを例示する図である。
【図３８】本発明の態様による別の触覚インターフェース・システムを例示する図である。
【図３９】本発明の態様による振動プロフィールの制御を例示する図である。
【図４０】本発明の態様による振動アクチュエータを例示する図である。
【図４１】本発明の態様による別の振動アクチュエータを例示する図である。
【図４２】本発明の態様による振動装置用コントローラを例示する図である。
【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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【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２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２７Ｃ】
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【図２７Ｄ】
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【図２７Ｅ】
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【図２７Ｆ】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【国際調査報告】
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