(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）制御ハンドルをピボット式に変位する力をユーザが加えることが可能となるように適合された制御ハンドルと、
（ｂ）前記制御ハンドルから延びる制御ハンドルシャフトと、
（ｃ）複数軸のフルジンバルアセンブリであって、
（ｉ）主フレームと、
（ｉｉ）前記制御ハンドルシャフトが通じて延びる開口を有する上側ジンバルであって、互いに反対側の各端部で、第１の軸の周りに回転可能となるように前記主フレームに動作可能に結合され、第２の軸の周りの前記制御ハンドルシャフトの回転が可能となるように前記制御ハンドルシャフトにピボット式に結合され、前記第１の軸が前記第２の軸と直交する上側ジンバルと、
（ｉｉｉ）互いに反対側の各端部で、前記第２の軸の周りに回転可能となるように前記主フレームに動作可能に結合され、かつ前記第１の軸の周りの前記制御ハンドルシャフトの回転が可能となるように前記制御ハンドルシャフトにピボット式に結合される下側ジンバルと
を備えた複数軸のフルジンバルアセンブリと、
（ｄ）前記第１の軸の周りの前記制御ハンドルのピボット式変位を感知するように前記上側ジンバルに動作可能に結合された第１の角度位置センサと、
（ｅ）前記第２の軸の周りの前記制御ハンドルのピボット式変位を感知するように前記下側ジンバルに動作可能に結合された第２の角度位置センサと、
（ｆ）第１の駆動電流に応答して、前記制御ハンドルに対して作用する前記第１の軸の周りのトルクを生成するように、前記上側ジンバルおよび前記主フレームに動作可能に結合された第１のモータと、
（ｇ）第２の駆動電流に応答して、前記制御ハンドルに対して作用する前記第２の軸の周りのトルクを生成するように、前記下側ジンバルおよび前記主フレームに動作可能に結合される第２のモータと
を備えたことを特徴とするジョイスティック。
【請求項２】
（ａ）前記第１のモータに結合された入力部材と、前記上側ジンバルに結合された出力部材とを含む第１のトランスミッションと、
（ｂ）前記第２のモータに結合された入力部材と、前記下側ジンバルに結合された出力部材とを含む第２のトランスミッションと
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック。
【請求項３】
（ａ）前記第１のトランスミッションの前記入力部材は、前記第１のモータから延び、前記第１のモータによってドライブ可能に回転するシャフト上に取り付けられた第１のピニオンギヤを備え、
（ｂ）前記第１のトランスミッションの前記出力部材は、第１のドライブギヤを備え、前記第１のトランスミッションは、第１の小型ギヤと同軸に位置合せされ、かつ第１の小型ギヤと結合する第１の大型ギヤをさらに含み、前記第１のピニオンギヤが前記第１の大型ギヤと係合し、前記第１の小型ギヤは前記第１のドライブギヤと係合し、
（ｃ）前記第２のトランスミッションの前記入力部材は、前記第２のモータから延び、前記第２のモータによってドライブ可能に回転するシャフト上に取り付けられた第２のピニオンギヤを備え、
（ｄ）前記第２のトランスミッションの前記出力部材は、第２のドライブギヤを備え、前記第２のトランスミッションは、第２の小型ギヤと同軸に位置合せされかつ結合する第２の大型ギヤをさらに含み、前記第２のピニオンギヤは、前記第２の大型ギヤと係合し、前記第２の小型ギヤは、前記第２のドライブギヤと係合する
ことを特徴とする請求項２に記載のジョイスティック。
【請求項４】
前記第１のドライブギヤは第１のセクタギヤを備え、前記第２のドライブギヤは第２のセクタギヤを備えたことを特徴とする請求項３に記載のジョイスティック。
【請求項５】
前記上側ジンバルおよび下側ジンバルのそれぞれが、第１の端部から延びる１対の駆動ピンと、前記第１の端部と反対側の第２の端部から延び、かつ前記主フレームに取り付けられた軸受が受けるシャフトとを有するヨーク形フレームを備える請求項２に記載のジョイスティックであって、
さらに
（ａ）前記第１のモータが取り付けられる前記主フレームに取り付けられ、前記第１のトランスミッションの前記出力部材が回転可能に取り付けられる前記第１の軸と同軸に位置合わせされて延びる支持軸を含む第１のトランスミッションブラケットであって、その中に画定された１対のクリアランススロットを有し、前記上側ジンバルの前記駆動ピンが、前記１対のクリアランススロットの相異なるクリアランススロットを通じて延び、前記第１のトランスミッションの前記出力部材内に画定された、前記駆動ピンに対応するレセプタクルが、前記駆動ピンを受け、それによって前記出力部材が、前記上側ジンバルに結合され、前記上側ジンバルが、その第１の端部および第２の端部で回転可能に支持される第１のトランスミッションブラケットと、
（ｂ）前記第２のモータが取り付けられる前記主フレームに取り付けられ、前記第２のトランスミッションの前記出力部材が回転可能に取り付けられる前記第２の軸と同軸に位置合わせされて延びる支持軸を含む第２のトランスミッションブラケットであって、その中に画定された１対のクリアランススロットを有し、前記下側ジンバルの前記駆動ピンが、前記第２のトランスミッションブラケット中の前記１対のクリアランススロットの相異なるクリアランススロットを通じて延び、前記第２のトランスミッションの前記出力部材内に画定された、前記駆動ピンに対応するレセプタクルが、前記駆動ピンを受け、それによって前記出力部材が、前記下側ジンバルに結合され、前記下側ジンバルが、その第１の端部および第２の端部で回転可能に支持される第２のトランスミッションブラケットと
を備えたことを特徴とするジョイスティック。
【請求項６】
各前記第１のトランスミッションの前記出力部材は、第１のセクタギヤを備え、前記第２のトランスミッションは第２のセクタギヤを備え、
前記第１のトランスミッションブラケットおよび第２のトランスミッションブラケットがそれぞれ、前記第１のセクタギヤと第２のセクタギヤの一方の時計回りおよび反時計回りの回転を制限するように構成される、各トランスミッションブラケットから延びる１対のタブを含むことを特徴とする請求項５に記載のジョイスティック。
【請求項７】
前記第１の角度位置センサは、前記第１の軸の回りの前記上側ジンバルの回転を感知するように前記上側ジンバルに結合される入力シャフトを有する第１のポテンシオメータを備え、前記第２の角度位置センサは、前記第２の軸の回りの前記下側ジンバルの回転を感知するように前記下側ジンバルに結合される入力シャフトを有する第２のポテンシオメータを備え、前記第１のポテンシオメータおよび第２のポテンシオメータによって生成された出力信号は、それぞれ前記上側ジンバルおよび下側ジンバルの前記回転の関数として変化することを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック。
【請求項８】
前記下側ジンバルおよび上側ジンバルのそれぞれは、ヨーク形フレームを備え、前記制御ハンドルシャフトは、結合される上側部分および下側部分を有し、前記上側部分は、前記第１の軸と一様に位置合わせされる、前記上側部分から反対方向に延びる１対の支持軸を含み、前記上側ジンバルの前記ヨーク形フレームの対向する側に取り付けられる各軸受が、前記上側部分を受け、前記制御ハンドルシャフトの前記下側部分は、前記第２の軸と一様に位置合わせされる、前記下側部分から反対方向に延びる１対の支持軸を含み、前記下側ジンバルの前記ヨーク形フレームの対向する側に取り付けられる各軸受が、前記下側部分を受けることを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック。
【請求項９】
前記上側ジンバルおよび前記下側ジンバルは、実質的に同一であることを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック。
【請求項１０】
前記制御ハンドルは、ユーザによって作動されるように適合され、少なくとも１本のリード線に接続されるように適合された少なくとも１つの入力スイッチを含み、前記少なくとも１本のリード線は、前記制御ハンドルシャフトを通じて延びることを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック。
【請求項１１】
前記制御ハンドルは、前記制御ハンドルシャフトの縦軸の周りに回転可能となるように、前記制御ハンドルシャフト上に回転可能に取り付けられ、前記制御ハンドルシャフトの前記縦軸の周りの前記制御ハンドルの回転を感知する第３の角度位置センサをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック。
【請求項１２】
前記制御ハンドルシャフトは、前記制御ハンドルシャフトのその縦軸の周りの回転を防止するように、前記上側ジンバルと下側ジンバルの少なくとも一方に結合されることを特徴とする請求項１１に記載のジョイスティック。
【請求項１３】
前記制御ハンドルシャフトの前記縦軸の周りの、中心位置から離れる前記制御ハンドルの回転と反対方向のバイアストルクを生成する、前記制御ハンドルに動作可能に結合されたスプリングをさらに備えたことを特徴とする請求項１１に記載のジョイスティック。
【請求項１４】
エネルギー源に接続され、ハプティックフィードバック制御信号に応答して、前記第１の駆動電流および第２の駆動電流をそれぞれ前記第１のモータおよび第２のモータに供給するモーションコントローラをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック。
【請求項１５】
前記モーションコントローラは、コンピュータゲームが動作しているホストコンピュータと通信するようにリンクし、前記コンピュータは、前記制御ハンドルに加えられる所望のハプティックフィードバック力を生成するように、前記コンピュータゲームに応答して前記ハプティックフィードバック制御信号を供給することを特徴とする請求項１４に記載のジョイスティック。
【請求項１６】
（ａ）前記制御ハンドルシャフトに結合された球形表面を有する半球形部材と、
（ｂ）前記半球形部材の前記球形表面を摺動可能に係合するように適合された、画定された軸受面を有する、前記制御ハンドルシャフトが通じて延びる開口を含む、前記複数軸のフルジンバルアセンブリがその中に配設されるハウジングと
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック。
【請求項１７】
（ａ）第１の軸と第２の軸の少なくとも一方の周りに前記制御ハンドルを変位する入力力をユーザが加えることが可能となるように適合された制御ハンドルであって、前記第１の軸および第２の軸が、互いに直交する制御ハンドルと、
（ｂ）前記制御ハンドルから延びる制御ハンドルシャフトであって、前記第１の軸と位置合わせされた共通中心線に沿って反対の方向に延びる支持軸の第１の対と、前記第２の軸と位置合わせされた共通中心線に沿って反対の方向に延びる支持軸の第２の対とを含む前記制御ハンドルシャフトと、
（ｃ）（ｉ）主フレームと、
（ｉｉ）前記制御ハンドルシャフトがそれを通じて延びる開口を有し、その対向する側に取り付けられた軸受の第１の対を含み、それによって支持軸の前記第１の対を受ける第１のヨーク形フレームを備えた上側ジンバルであって、互いに反対側の各端部で前記主フレームに動作可能に結合され、それによって前記第２の軸の周りに回転可能である上側ジンバルと、
（ｉｉｉ）その対向する側に取り付けられた軸受の第２の対を含み、それによって支持軸の前記第２の対を受ける第２のヨーク形フレームを備えた下側ジンバルであって、互いに反対側の各端部で前記主フレームに動作可能に結合され、それによって前記第１の軸の周りに回転可能である下側ジンバルと
を備えた複数軸のフルジンバルアセンブリと、
（ｄ）前記第１の軸の周りの前記制御ハンドルのピボット式変位を感知するように、前記下側ジンバルに動作可能に結合された第１の角度位置センサと、
（ｅ）前記第２の軸の周りに前記制御ハンドルのピボット式変位を感知するように、前記上側ジンバルに動作可能に結合された第２の角度位置センサと、
（ｆ）前記上側ジンバルおよび前記主フレームに動作可能に結合され、それによって、第１の駆動電流に応答して、前記制御ハンドルに作用するトルクを生成して、前記第１の軸の周りのハプティックフィードバック力を供給する第１のモータと、
（ｇ）前記下側ジンバルおよび前記主フレームに動作可能に結合され、それによって、第２の駆動電流に応答して、前記制御ハンドルに作用するトルクを生成して、前記第２の軸の周りのハプティックフィードバック力を供給する第２のモータと
を備えたことを特徴とするジョイスティック。
【請求項１８】
前記制御ハンドルシャフトは、上側部分および下側部分を備え、前記上側部分は、支持軸の前記第１の対が延びるサドルを含み、中に画定された凹みを含み、支持軸の前記第２の対は前記下側部分から延び、前記上側部分内に画定された前記凹みは、前記下側部分を受け、それによって前記下側部分と上側部分とを結合することを特徴とする請求項１７に記載のジョイスティック。
【請求項１９】
前記制御ハンドルは、ユーザによって作動するように適合され、少なくとも１本のリード線に接続されるように適合された少なくとも１つの入力スイッチを含み、前記少なくとも１本のリード線は、前記制御ハンドルシャフトを通じて延びることを特徴とする請求項１７に記載のジョイスティック。
【請求項２０】
前記制御ハンドルは、前記制御ハンドルシャフトの縦軸の周りに回転可能となるように、前記制御ハンドルシャフト上に回転可能に取り付けられ、前記縦軸の周りの前記制御ハンドルの回転を感知する第３の角度位置センサをさらに備えたことを特徴とする請求項１７に記載のジョイスティック。
【請求項２１】
前記制御ハンドルシャフトは、前記制御ハンドルシャフトのその縦軸の周りの回転を防止するように、前記上側ジンバルと下側ジンバルの少なくとも一方に結合されることを特徴とする請求項２０に記載のジョイスティック。
【請求項２２】
前記制御ハンドルは、中心位置から離れる前記制御ハンドルシャフトの前記縦軸の周りの前記制御ハンドルの回転と反対方向のバイアストルクを生成するスプリングに動作可能に結合されることを特徴とする請求項２０に記載のジョイスティック。
【請求項２３】
（ａ）制御ハンドルを変位するように加えられた入力力に応答して、複数の軸の周りに枢動可能な制御ハンドルと、
（ｂ）前記制御ハンドルから垂れ下がる制御ハンドルシャフトであって、前記制御ハンドルが前記制御ハンドルシャフトによって支持される制御ハンドルシャフトと、
（ｃ）前記制御ハンドルシャフトがピボット式に取り付けられる複数軸のフルジンバルアセンブリであって、
（ｉ）主フレームと、
（ｉｉ）第１の軸の周りに前記制御ハンドルシャフトの回転が可能となるように、前記制御ハンドルシャフトにピボット式に結合された上側ジンバルであって、前記主フレームに結合された軸受が受ける前記上側ジンバルの第１の端部から延びるシャフトを含み、それによって前記第１の軸に直交する第２の軸の周りに回転可能とされ、１対の駆動ピンが前記上側ジンバルの第２の端部から延びる上側ジンバルと、
（ｉｉｉ）前記第２の軸の周りの前記制御ハンドルシャフトの回転が可能となるように前記制御ハンドルシャフトにピボット式に結合された下側ジンバルであって、前記主フレームに結合される軸受が受ける前記下側ジンバルの第１の端部から延びるシャフトを含み、それによって前記第１の軸の周りに回転可能とされ、１対の駆動ピンが前記下側ジンバルの第２の端部から延びる下側ジンバルと、
（ｉｖ）前記第２の軸の周りに回転可能となるように前記主フレームに動作可能に結合され、前記上側ジンバルの前記駆動ピンを受けるためにその中に画定された１対のレセプタクルを有する第１の駆動部材であって、それによって前記上側ジンバルが、前記第１の駆動部材にドライブ可能に結合され、前記上側ジンバルの第１の端部および第２の端部で回転可能に支持される第１の駆動部材と、
（ｖ）前記第１の軸の周りに回転可能となるように前記主フレームに動作可能に結合され、前記下側ジンバルの前記駆動ピンを受けるためにその中に画定された１対のレセプタクルを有する第２の駆動部材であって、それによって前記下側ジンバルが、前記第２の駆動部材にドライブ可能に結合され、前記下側ジンバルの第１の端部および第２の端部で回転可能に支持される第２の駆動部材とを備えた複数軸のフルジンバルアセンブリと、
（ｄ）前記第２の軸の周りの前記制御ハンドルのピボット式変位を感知するように、前記上側ジンバルに動作可能に結合された第１の角度位置センサと、
（ｅ）前記第１の軸の周りの前記制御ハンドルのピボット式変位を感知するように、前記下側ジンバルに動作可能に結合された第２の角度位置センサと、
（ｆ）前記制御ハンドルに対して前記第２の軸の周りにトルクを生成するように、前記第１の駆動部材および前記主フレームに動作可能に結合された第１のモータと、
（ｇ）前記制御ハンドルに対して前記第１の軸の周りにトルクを生成するように、前記第２の駆動部材および前記主フレームに動作可能に結合された第２のモータとを備えたことを特徴とするジョイスティック。
【請求項２４】
（ａ）前記主フレームに取り付けられ、前記第１のモータを支持する第１のトランスミッションブラケットであって、前記第２の軸と同軸に位置合せされて第１のトランスミッションブラケットから延びる第１の支持軸を含み、前記第１の駆動部材が、前記第１の支持軸上に回転可能に取り付けられ、前記上側ジンバルの前記駆動ピンが通じて延びる、中に画定された１対のクリアランススロットを有する第１のトランスミッションブラケットと、
（ｂ）前記主フレームに取り付けられ、前記第２のモータを支持する第２のトランスミッションブラケットであって、前記第１の軸と同軸に位置合せされて第２のトランスミッションブラケットから延びる第２の支持軸を含み、前記第２の駆動部材が、前記第２の支持軸上に回転可能に取り付けられ、前記下側ジンバルの前記駆動ピンが通じて延びる、中に画定された１対のクリアランススロットを有する第２のトランスミッションブラケットと
をさらに備えたことを特徴とする請求項２３に記載のジョイスティック。
【請求項２５】
（ａ）前記第１のモータに結合された入力部材と、前記第１の駆動部材を備えた出力部材とを含む第１のトランスミッションと、
（ｂ）前記第２のモータに結合された入力部材と、前記第２の駆動部材を備えた出力部材とを含む第２のトランスミッションとをさらに備えたことを特徴とする請求項２３に記載のジョイスティック。
【請求項２６】
前記第１のトランスミッションの前記入力部材は、前記第１のモータから延び、前記第１のモータによって回転するシャフトに取り付けられた第１のピニオンギヤを備え、前記第１の駆動部材が第１のドライブギヤを備え、前記第１のトランスミッションが、前記第１のトランスミッションブラケットから延びる第２の支持軸上に回転可能に取り付けられた第１の組合せギヤをさらに含み、第１の小型ギヤと同軸に位置合せされ、第１の小型ギヤと結合された第１の大型ギヤを備え、前記ピニオンギヤが、前記第１の大型ギヤと係合し、前記第１の小型ギヤが、前記第１のドライブギヤと係合し、前記第２のトランスミッションの前記入力部材が、前記第２のモータから延び、前記第２のモータによって回転するシャフトに取り付けられた第２のピニオンギヤを備え、前記第２の駆動部材が第２のドライブギヤを備え、前記第２のトランスミッションが、前記第２のトランスミッションブラケットから延びる第２の支持軸上に回転可能に取り付けられた第２の組合せギヤをさらに含み、第２の小型ギヤと同軸に位置合せされ、第２の小型ギヤと結合された第２の大型ギヤを備え、前記第２のピニオンギヤが前記第２の大型ギヤと係合し、前記第２の小型ギヤが前記第２のドライブギヤと係合することを特徴とする請求項２５に記載のジョイスティック。
【請求項２７】
前記第１のドライブギヤおよび第２のドライブギヤのそれぞれは、対応するセクタギヤを備えたことを特徴とする請求項２６に記載のジョイスティック。
【請求項２８】
前記第１のトランスミッションブラケットおよび第２のトランスミッションブラケットのそれぞれは、前記セクタギヤの相異なる一方の時計回りおよび反時計回りの回転を制限するように構成される、各トランスミッションブラケットから延びる１対のタブを含むことを特徴とする請求項２７に記載のジョイスティック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般に入力装置および制御装置に関し、より詳細には、機械、コンピュータゲームなどを制御する制御信号を生成するために利用される、ハプティック（haptic）フィードバックを有するジョイスティックで使用するための制御ハンドルジンバル支持機構に関する。
【０００２】
（発明の背景）
ジョイスティックは一般に、機械や、コンピュータゲームなどのコンピュータアプリケーションプログラムを制御する入力制御信号を供給するために使用されている。典型的なジョイスティックは、制御ハンドルを握っているユーザによって加えられた入力力に応答して、基部に対してピボット式に回転可能な制御ハンドルを含む。制御ハンドルの移動により、直交する「Ｘ」軸および「Ｙ」軸の周りの制御ハンドルの角変位に通常は対応する出力信号が変化する。ジョイスティック制御ハンドルの移動は、時としてこれらの軸の周りの回転ではなく、Ｘ−Ｙ軸平面方向の運動に対して参照されることに留意されたい。ジョイスティックからの出力信号は、一般にコンピュータなどの受信装置に入力され、受信装置は、この信号を処理して、ハードウェアまたはコンピュータソフトウェアプログラムを制御する。例えば、航空機シミュレータソフトウェアプログラムを実行するコンピュータでは、ジョイスティック制御ハンドルのＸ軸の周りの順方向運動または逆方向運動により、航空機の昇降舵の制御をシミュレートするために使用される出力信号が生成され、それによってシミュレーションでの航空機のピッチが影響を受け、一方Ｙ軸の周りのジョイスティック制御ハンドルの横方向の運動により、シミュレートする航空機の補助翼を制御をするために使用される、対応する出力信号が生成され、それによってシミュレートする航空機のロール、すなわちその縦軸の周りの回転が影響を受ける。
【０００３】
ジョイスティックは、一般にオンオフ装置または比例装置として機能するように設計される。オンオフ装置として動作する低コストのジョイスティックは、位置スイッチの状態だけを変更し、ジョイスティックの軸のうちの１つの周りの制御ハンドルの最小変位が行われたかどうかの指示を供給するのに対して、比例装置は、周知の点、一般にはジョイスティック制御ハンドルの「中心」点からのジョイスティック制御ハンドルの変位の範囲に比例して変化する大きさを有する出力信号を供給する。フライトシミュレータなどの高性能のソフトウェアアプリケーションでは、比例出力信号を供給するジョイスティックを使用することが必要である。
【０００４】
Ｘ軸およびＹ軸の周りの制御ハンドルの変位に関する入力信号をコンピュータまたは他の装置に供給することに加えて、一般に「Ｚ」軸と呼ばれる第３の軸に対応する入力信号を供給するジョイスティックもある。Ｚ軸は、一般にジョイスティック制御ハンドルを貫いて縦方向に延び、Ｚ軸出力信号は一般に、ジョイスティック制御ハンドルの縦方向の中心軸の周りの回転角変位を示す。
【０００５】
ユーザ入力に応答して制御信号を生成することに加えて、力、すなわち触覚（「ハプティック」）フィードバックをユーザに供給するように設計されているジョイスティックもある。このような装置は、しばしばコンピュータゲームで用いられ、ハプティックフィードバック機能はユーザ体験を増し加える。例えば、制御ハンドルに加える様々なタイプのフィードバック力を提供することによって、ハプティックジョイスティックは、壁に衝突し、ぬかるみを移動し、でこぼこな道の上をドライブするゲームまたはシミュレーションで、ユーザが制御する対象の物理的感覚をユーザに伝えることができる。このハプティックフィードバックにより、ゲームまたはシミュレーションがより現実的になり、楽しいものとなる。
【０００６】
一般には、大部分のハプティックジョイスティックは、ジョイスティック制御ハンドルを、２つの同一平面上の軸（すなわち上記で論じたＸ軸およびＹ軸）の周りに同時に枢動することを可能にする様々なジンバル機構を利用している。ジョイスティックで用いられるジンバル機構の１タイプは、一般に「クォータジンバル」機構と呼ばれる。このタイプの従来技術のクォータジンバル１０を図１に示す。クォータジンバルは一般に、制御ハンドルが（図示せず）固定的または回転可能に結合される制御ハンドルシャフト１２を含む。制御ハンドルは、ピボット軸受１５によってＸ軸ジンバルアーム１４にピボット式に結合され、かつピボット軸受１７によってＹ軸ジンバルアーム１６にピボット式に結合される。ピボット軸受は、互いに９０度の角度をなす。Ｘ軸ジンバルアーム１４のカンチレバー端部１８は、「Ｘ」軸に位置合せされた中心線２０を有する軸受マウント１９によって、ベース部材、例えばハウジングまたはフレーム（図示せず）にピボット式に取り付けられ、Ｙ軸ジンバルアーム１６のカンチレバー端部２２は、Ｙ軸に位置合せされた中心線２４を有する同様の軸受マウント２３によってベース部材にピボット式に取り付けられる。制御ハンドルシャフト１２がその通常の「中心」位置（すなわち、図に示す位置）にあるとき、ピボット軸受１７の中心線２５は、中心線２０とほぼ同軸に位置合せされ、ピボット軸受１５の中心線２６は、中心線２４とほぼ同軸に位置合せされる。さらに、制御ハンドルシャフトがこの構成のとき、中心線のすべては同一平面上にある。
【０００７】
大部分の従来技術のハプティックフィードバック装置では、各軸について別々のサーボモータが、様々な機構を介してジョイスティック制御ハンドルに動作可能に結合され、それによってモータドライブシャフトのトルクおよび／または速度の関数である大きさを有する所望の力および／または速度が、ジョイスティック制御ハンドルに加えられる。クォータジンバル構成では、各サーボモータは通常、ギアトレインなどのトランスミッションを介してそれぞれのジンバルアームに結合され、それによってジョイスティック制御ハンドルで生成される力が増加し、速度が減少する。このような構成を図１に示す。図１に示すように、Ｘ軸ジンバルアーム１４は、ピニオンギヤ３０、組合せギアドライブ３２、およびドライブギヤ３４を含むギアトレイン２９によってサーボモータ２８に動作可能に結合される。ドライブギヤ３４は、Ｘ軸ジンバルアーム１４に固定式に結合されるドライブシャフト３６上に取り付けられる。同様に、Ｙ軸ジンバルアーム１６は、ピニオンギヤ４０、組合せギアドライブ４２、およびドライブシャフト４６上に取り付けられたドライブギヤ４４を含むギアトレイン３９によってサーボモータ３８に動作可能に結合され、ドライブシャフト４６はＹ軸ジンバルアーム１６に固定式に結合される。
【０００８】
入力力をジョイスティック制御ハンドルに与えることに加えて、ジョイスティック制御ハンドルの位置を決定する必要がある。この機能は一般に、ジョイスティック制御ハンドルに動作可能に結合される、様々な電気機械的または光学的位置センサによって実行される。このようなセンサの例には、回転式または線形式のポテンシオメータ、光学エンコーダ、および線形変位電圧変換器（ＬＤＶＴ）が含まれる。図１に示す例示的クォータジンバル機構では、Ｘ軸ポテンシオメータ４８がドライブギヤ３４を介してドライブシャフト３６に結合され、Ｙ軸ポテンシオメータ５０がドライブギヤ４４を介してドライブシャフト４６に結合されている。
【０００９】
クォータジンバル１０は、以下のように動作する。当初、サーボモータは電力供給されておらず、自由に回転できると仮定する。ジョイスティック制御ハンドル１２に対する、Ｙ軸に沿い、Ｘ軸に垂直な順方向Ｆのユーザ入力力に応答して、制御ハンドルシャフト１２は、ピボット軸受１７の周りに枢動し、Ｘ軸ジンバルアーム１４が中心線２０（すなわち、Ｘ軸）の周りに反時計回りに枢動する。順方向ＦはＹ軸に沿う（したがって、中心線２４に位置合わせされる）ので、中心線２４の周りに加えられるモーメントが存在せず、Ｙ軸の周りのＹ軸ジンバルアーム１６の回転は引き起こされない。Ｘ軸アーム１４がＸ軸の周りに枢動するので、ドライブシャフト３６が回転し、それによってサーボモータ２８のローターがギアトレイン２９の動作によって回転する。同時に、ドライブシャフト３６に与えられる回転量が、Ｘ軸ポテンシオメータ４８によって感知される。反対方向Ｒに加えられるユーザ入力力により、ほぼ同様の結果が得られ、ドライブシャフト３６に与えられる回転が時計回りになることを受け入れる。
【００１０】
Ｘ軸に沿い、かつＹ軸に垂直な方向Ｌ（左向き）のユーザ入力力に応答して、制御ハンドルシャフト１２は、ピボット軸受１５の周りに枢動し、それによってＹ軸ジンバルアーム１６が中心線２４（すなわちＹ軸）の周りに反時計回りに枢動する。方向ＬがＸ軸に沿う（したがって、中心線２０と位置合せされる）ので、中心線２０の周りに加えられるモーメントが存在せず、Ｘ軸の周りのＸ軸ジンバルアーム１４の回転は引き起こされない。Ｙ軸アーム１６がＹ軸の周りに枢動するので、ドライブシャフト４６が回転し、それによってサーボモータ３８のローターがギアトレイン３９の動作によって回転する。同時に、ドライブシャフト４６に与えられる回転量が、Ｙ軸ポテンシオメータ５０によって感知される。方向ＲＴ（右向き）に加えられるユーザ入力力により、ほぼ同様の結果が得られ、ドライブシャフト４６に与えられる回転が時計回りになることを受け入れる。
【００１１】
上記の説明では、説明を簡単にするために、ユーザ入力力が一度に単一の軸の周りにだけ加えられるものとして説明した。通常の動作中は、ユーザは両方の軸の周りに同時にジョイスティック制御ハンドルを変位させる可能性が高い。このタイプの制御動作は、クォータジンバル構成によって容易に対処される。各軸の周りの回転が他の軸の周りの回転と完全に独立であるからである。
【００１２】
次に、サーボモータが始動するときのクォータジンバル１０の挙動を考慮する。一般には、ジョイスティック制御ハンドル１２の感知位置に基づき、かつゲーム基準に従って、サーボモータ２８および３８のそれぞれに制御信号が印加されることになる。例えば、ゲームで、でこぼこな地形で転倒する車両のフィーリングをシミュレートするために、サーボモータの一方または両方を迅速に振動することにより、「振動」効果をジョイスティック制御ハンドルに加えることができる。別の一般的な効果には、ゲームのキャラクタが弾性媒体中に進んだときに感じる力をシミュレートすることなどのために、軸の周りの制御ハンドルの変位に比例する抵抗をジョイスティック制御ハンドルに加えることが含まれる。この効果の下では、所与のサーボモータのトルクがその所与のサーボモータに対応する軸の周りの制御ハンドルの変位の関数として増加するように、コマンド信号が生成される。
【００１３】
上述の効果の両方、ならびに他の効果の下では、クォータジンバル機構中のジンバルアーム、軸受マウント、およびピボット軸受に著しい負荷が加えられる。加えて、ジンバルアームのカンチレバー構成は、望ましくない変形を受ける可能性がある。理論的には、制御ハンドル用の全支持機構を堅固にすれば、ユーザが体験するハプティックフィードバック応答が向上する。したがって、クォータジンバル構成を適切に実装するためには、非常に厳密な公差および剛性を有する部品を使用することが必要となる。このような部品のコストは、市販または軍用の航空機シミュレータで利用されるような、より高価なハプティックフィードバックジョイスティックの応用例に対しては許容されるが、このような部品は、パーソナルコンピュータビデオゲームマーケットで使用するには一般に高価過ぎる。
【００１４】
一部のハプティックフィードバックジョイスティックに付随して生じる別の問題は、各軸についてのドライブギヤとドライブシャフトとの間の連係に関するものである。ビデオゲームプレーヤで使用されるために販売される製品では、コスト削減が非常に重要であるので、この市場を対象とするジョイスティックの、ドライブギヤを含む構成部品の大部分は、プラスチックで作成される。一般に、各ドライブギヤは、ドライブシャフトの周りに回転するドライブギヤのランを防止するために、キー溝またはスプラインを使用して、対応するドライブシャフトにドライブ可能に結合される。一般に、キー溝またはスプラインの歯に対する負荷はかなりのものであり、したがってドライブギヤとドライブシャフトとの間の連係が一般的な故障箇所である。これらの故障の頻度は、ハプティックフィードバック効果にしばしば付随する極度のレベルの振動のために増大する。したがって、過酷な負荷および振動によって引き起こされる損傷または故障の影響を実質上受けにくい、各ドライブギヤ（または、ベルトまたはケーブルを使用するトランスミッションの場合、駆動部材）をそのジンバルに結合するための連係を提供することが望ましい。さらに、主に低コストの構成部品および材料を利用しながら、より高価な装置と同等またはより良好な性能を提供するハプティックフィードバックジョイスティックを提供することが望ましい。
【００１５】
（発明の概要）
本発明によれば、従来技術における前述の制限の多くに対処するハプティックフィードバックジョイスティックが提供される。コンピュータゲームなどのコンピュータソフトウェアプログラムを制御する際に使用するために、ジョイスティック制御ハンドルの２つの軸の周りのピボット式変位に応答して、信号がジョイスティックによって生成される。ジョイスティック制御ハンドルは、フルジンバルアセンブリに結合され、フルジンバルアセンブリは、ハプティックフィードバック力を与える電動機に接続される。フルジンバルアセンブリは、対応するモータに動作可能に結合された上側ジンバルおよび下側ジンバルを含む。制御ハンドルの各軸の周りの運動は、位置センサによって感知され、位置センサは、ソフトウェアプログラムを実行するコンピュータに入力される信号を生成する。ジョイスティック制御ハンドルの位置に応答し、かつソフトウェアプログラムに従って、ハプティックフィードバック信号が生成され、ジョイスティックに送られ、モータコントローラによってデコードされる。モータコントローラは、モータを付勢する適切な電流を生成し、制御ハンドルに加えられる所望のハプティックフィードバック力効果を生成し、ハプティックフィードバック力効果は、制御ハンドルを握るユーザによって知覚される。このジョイスティックは第３の入力軸（「Ｚ軸」）も含み、かつＺ軸の周りのジョイスティック制御ハンドルの回転が第３の比例出力信号を生成することが好ましい。
【００１６】
したがって本発明は、Ｘ、Ｙ、および／またはＺ軸の周りに制御ハンドルをピボット式に変位する入力力をユーザが加えることが可能となるように適合された制御ハンドルを含むハプティックフィードバックジョイスティックを対象とする。制御ハンドルは、制御ハンドルシャフトによって支持され、制御ハンドルシャフトは、制御ハンドルシャフト（したがって制御ハンドル）をＸ軸およびＹ軸の周りにピボット式に変位させることを可能にする、複数軸のフルジンバルアセンブリに結合される。フルジンバルアセンブリは、制御ハンドルシャフトがそれを通じて延びる開口を有する上側ジンバルを含む。上側ジンバルの反対側の各端部は、上側ジンバルがＹ軸の周りに回転可能となるようにフレームに結合され、制御ハンドルシャフトがＸ軸の周りに回転することが可能となるように制御ハンドルシャフトにピボット式に結合される。下側ジンバルは、上側ジンバルと同一であることが好ましく、Ｘ軸の周りに回転可能となるようにフレームの反対側の各端部に結合され、Ｙ軸の周りに制御ハンドルシャフトが回転することが可能となるように制御ハンドルシャフトにピボット式に結合される。上側ジンバルおよび下側ジンバルはそれぞれ、対応する角度位置センサに結合される。各角度位置センサは、制御ハンドルのＸ軸およびＹ軸の周りの変位を感知するポテンシオメータを備えることが好ましい。これら２つの軸の周りの制御ハンドルの位置を示す出力信号は、アプリケーションプログラムを実行するコンピュータに送られる。コンピュータは、制御ハンドル位置の関数として決定され、かつアプリケーションプログラム基準に従う所望のハプティックフィードバック力効果に対応するハプティックフィードバック信号を生成する。ハプティックフィードバック信号は、ジョイスティック中のモーションコントローラに送られ、モーションコントローラは、信号をデコードし、上側ジンバルおよび下側ジンバルに動作可能に結合される各モータに対して適切な駆動電流を生成する。すなわち、各ジンバルについて異なるモータを使用する。このようにして付勢したとき、モータは、制御ハンドルに加えられるハプティックフィードバックトルクを生成し、制御ハンドルをＸ軸および／またはＹ軸の周りに回転させる。
【００１７】
制御ハンドルシャフトは、Ｘ軸に一般に位置合わせされる共通中心線に沿って反対方向に延びる、支持軸の第１の対を有する下側部分を含むことが好ましい。第１の対に直交する支持軸の第２の対も、Ｙ軸に一般に位置合わせされる共通中心線に沿って制御ハンドルシャフトから反対方向に延びる。上側ジンバルおよび下側ジンバルはそれぞれ、フレームの反対側に取り付けられた１対の軸受を含むヨーク形フレームを備える。上側ジンバル軸受は、Ｘ軸支持軸を回転可能に支持するように適合され、下側ジンバル軸受は、Ｙ軸支持軸を回転可能に支持するように適合される。
【００１８】
加えて、制御ハンドルシャフトは、上側部分および下側部分を有することが好ましい。上側部分は、Ｘ軸支持軸がそこから延び、かつ凹みがその中に画定されるサドルを含む。Ｙ軸支持軸は下側部分から延びる。下側部分は上側部分内の凹みに嵌合し、下側部分と上側部分を結合することが可能となる。
【００１９】
各モータは、対応するトランスミッションを介して、上側ジンバルと下側ジンバルの対応する一方に動作可能に結合される。各トランスミッションは、モータの一方に結合された入力部材と、上側ジンバルと下側ジンバルの一方に結合された出力部材とを含む。各トランスミッションの入力部材は、モータの一方に結合されたピニオンギヤを含み、出力部材は、ピニオンギヤによって駆動される組合せギヤを介してピニオンギヤに動作可能に結合されたセクタギヤを備えることが好ましい。各組合せギヤは、共通回転軸上に取り付けられた大型ギヤおよび小型ギヤを含む。ピニオンギヤは大型ギヤと係合し、小型ギヤはセクタギヤと係合する。
【００２０】
上側ジンバルと下側ジンバルはそれぞれ、第１の端部から延びる１対の駆動ピンを有し、かつ第１の端部と反対の第２の端部から延びるシャフトを有するヨーク形フレームを含むことが好ましい。主フレームに取り付けられた、各ヨーク形フレームのシャフトに対応する軸受が、各ヨーク形フレームのシャフトを受ける。各トランスミッションは、モータの一方を支持する主フレームに取り付けられたトランスミッションブラケットを含む。加えて、各トランスミッションブラケットは、セクタギヤがその周りを回転する、Ｘ軸とＹ軸の相異なる一方と位置合わせされるブラケットから延びるシャフトを含む。各トランスミッションブラケットは、対応するジンバルの駆動ピンがそれを通じて延びる１対のクリアランススロットも含む。セクタギヤ内に画定される穴が駆動ピンを受け、それによってセクタギヤが固定式にジンバルに結合される。したがって、軸受支持が、両方のジンバルの各端部に対して設けられ、ジンバルが回転することが可能となる。
【００２１】
ジョイスティックでフルジンバルアセンブリを利用することにより、クォータジンバル機構に一般に関連する欠陥の多くが回避される。さらに、上述のように駆動ピンの対で駆動部材をジンバルに結合することにより、摩耗による駆動アセンブリの早期の故障が回避される。
【００２２】
さらに、「Ｚ」軸に対応する、制御ハンドルシャフトの縦軸の周りの制御ハンドルの回転が可能となるように、制御ハンドルを回転可能に制御ハンドルシャフト上に取り付けることが好ましい。位置センサ、好ましくはポテンシオメータは、制御ハンドルがＺ軸の周りに回転するとき、Ｚ軸の周りの制御ハンドルの角度位置を示す信号を生成する。ジョイスティック制御ハンドルがＺ軸についての中心位置から離れる方向に回転した場合、スプリングが、制御ハンドルを中心位置に戻すバイアス力を与える。
【００２３】
（好ましい実施形態の説明）
図２および３を参照すると、本発明によるジョイスティック１１０の好ましい実施形態により、「Ｘ」および「Ｙ」と符号を付けた１対の直交軸の一方の周りに制御ハンドル１１２を回転または枢動することによって、かつ／または制御ハンドルシャフト１１４の縦軸と一致する、「Ｚ」と符号を付けた第３軸の周りに制御ハンドル１１２を回転することによって、コンピュータゲームについての３つの比例入力信号をユーザが制御することが可能となる。ジョイスティック１１０は、ＵＳＢケーブル１１９を介して、コンピュータ１１６内のユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ポート１１８に接続されることが好ましい。ＵＳＢポートは、コンピュータ１１６で動作するコンピュータゲームに関する、（ブロック１２０の入力信号データで示す）３つの比例入力信号および様々な制御ボタン入力信号についての双方向通信を実現する。入力信号に応答して、かつコンピュータゲームで決定されたときに、適切なハプティック制御信号１２２が生成され、ＵＳＢポートを介してジョイスティック１１０に送られる。
【００２４】
図３を参照すると、制御ハンドル１１２は、レフトハーフシェル１２３およびライトハーフシェル１２４を含む。これらはそれぞれ、制御ハンドルシャフト１１４の隣接する表面と回転可能に係合し、それによって制御ハンドル１１２が制御ハンドルシャフトによって支持されるが、制御ハンドルシャフト１１４の縦軸の周りに回転することができるように適合される複数の円筒形軸受面１２５を含む。この縦軸はＺ軸を定義する。
【００２５】
図５に示すように、Ｚ軸ポテンシオメータ１２６が制御ハンドル内に配設され、制御ハンドルシャフト１１４に結合され、それによって制御ハンドルがＺ軸の周りに回転するとき、ポテンシオメータの入力シャフトがポテンシオメータのボディに対して回転する。したがって、Ｚ軸ポテンシオメータ１２６は、電圧が制御ハンドルのＺ軸の周りの回転量に比例するように、ジョイスティックからの信号出力の電圧を制御する。
【００２６】
図３に戻り、制御ハンドルシャフト１１４の下側端部が、Ｘ軸モータ１２８およびＹ軸モータ１２９を含むフルジンバルアセンブリ１２７にピボット式に結合されることに留意されたい。これらの２つのモータは、ハプティック制御信号１２２に応答して、制御ハンドルに対して作用するハプティックフィードバックトルクを加え、それぞれＸ軸およびＹ軸の周りに制御ハンドルを回転する。フルジンバルアセンブリにより、制御ハンドルシャフト１１４がＸ軸およびＹ軸の周りに枢動することが可能となる。フルジンバル機構の詳細は以下で解説する。
【００２７】
フルジンバルアセンブリ１１６は、複数のファスナ１３４によってベース１３３に接続されるハウジング１３２内に配設される。ベース１３３は、１対のモータ支持１３５および１３６を含み、これらは対応するＸ軸モータ１２８およびＹ軸モータ１２９の下側と対合するように適合される（組み立てたとき、プラスチックを熱いモータから離しておくために、モータ支持とモータとの間に１ｍｍのすきまがあることになる。この支持により、モータの過度の移動が防止されることになる）。電源ケーブル１４０を介して従来のＡＣラインコンセントレセプタクル１３８から供給される入力電力を受け取る電源／モータコントローラ１３７も、ハウジング１３２内に配設される。電源／モータコントローラは、別々のパルス幅変調駆動電流を供給し、Ｘ軸モータ１２８およびＹ軸モータ１２９のそれぞれを選択的に付勢する。フルジンバルアセンブリ１２７は、出力信号の電圧の大きさを制御するＸ軸ポテンシオメータ１３０およびＹ軸ポテンシオメータ１３１も含み、それによって各出力信号の電圧の大きさは、それぞれＸ軸およびＹ軸の周りの制御ハンドルシャフト１１４の変位に比例する。
【００２８】
ハウジング１３２は、制御ハンドルシャフト１１４の上部がそれを通じて延びる、一般に正方形の（面取りコーナを有する）開口１４２を含む。リップ１４４が、開口１４２の周囲に沿って形成され、半球形カラー１４６の球形上面と摺動可能に係合する球形軸受面を画定するように形成される。半球形カラー１４６は、制御ハンドルシャフト１１４と結合される。制御ハンドル１１２は、Ｘ軸およびＹ軸の周りに枢動し、半球形カラー１４６はリップ１４４に対して摺動し、それによってフルジンバルアセンブリにくずが進入することが防止され、かつ、その他の点ではユーザが開口に指を挿入して怪我をすることが防止される。
【００２９】
図２および３では、ジョイスティック１１０は、ジョイスティックのユーザの視点に対して左後方クォータビュー（left rear-quarter view）で示されている。これらの透視図では、制御ハンドル１１２を順方向「Ｆ」に動かすことは、（示されている視点に対する）制御ハンドルのＸ軸の周りの反時計回りの回転に対応し、制御ハンドルを逆方向「Ｒ」（すなわちユーザに向かって）に動かすことは、（示されている視点に対する）制御ハンドルのＸ軸の周りの時計回りの回転に対応する。同様に、制御ハンドルを右に動かすこと（「ＲＴ」と呼ぶ）は、制御ハンドルのＹ軸の周りの時計回りの回転に対応し、制御ハンドルを左に動かすこと（「Ｌ」）は、Ｙ軸の周りの反時計回りの回転に対応する。制御ハンドルシャフト１１４の中央の縦軸の周りの、制御ハンドル１１２の時計回りまたは反時計回りの回転は、Ｚ軸の周りの制御ハンドルの回転に対応する。
【００３０】
ジョイスティック１１０により、ポテンシオメータ１２６、１３０、および１３１によって供給される比例入力制御信号に加えて、スロットルレバー１４８の変位によってユーザが追加の比例入力制御信号を供給することも可能となる。スロットルレバー１４８は、ベース１３３上にピボット式に取り付けられ、スロットル軸Ｔの周りのスロットルレバーの変位を示す出力信号を生成するポテンシオメータ（図示せず）に結合される。さらに、制御ハンドル１２の上部に配設される複数の制御スイッチ／ボタンのいずれかをユーザが作動することに応答して、「オンオフ」タイプの制御信号が生成される。この複数の制御スイッチ／ボタンには、トリガスイッチ１５０、８方向視点（ＰＯＶ）スイッチ１５２、および制御ボタン１５４、１５６、および１５８が含まれる。加えて、このジョイスティックにより、ハウジング１３２上に配設された複数のボタン１６０のいずれかを作動することによって入力信号をユーザが選択的に生成することも可能となる。比例ポテンシオメータ信号と、ジョイスティック上の様々なボタンまたは制御によって生成された信号の信号調節および信号処理は、ベース１３３上に取り付けられた回路板１６１上の電子回路によって実施される。
【００３１】
図４を参照すると、フルジンバルアセンブリ１２７の主な構成部品には、制御ハンドルシャフト１１４、上側ジンバルフレーム１６２、上側ジンバル軸受マウント１６４、下側ジンバル入力シャフト１６６、下側ジンバルフレーム１６８、および下側ジンバル軸受マウント１７０が含まれる。制御ハンドル１１４は、キャップ１７３（図６に図示）中のタブ（図示せず）を受けるように適合されるスロット１７２を含む。キャップ１７３は、Ｚ軸ポテンシオメータ１２６の入力シャフトに結合され、それによって制御ハンドル１１２が制御ハンドルシャフト１１４に対して回転するとき、入力シャフトがポテンシオメータのボディに対して回転する。
【００３２】
次に図５および６を参照すると、トーションスプリング１７６がその中に配設されるトーションスプリングハウジング１７４が、制御ハンドルシャフト１１４の中間区間に形成されている。トーションスプリング１７６は、制御ハンドルシャフト１１４を取り囲むループと、１対のタング１７７（一方だけを図示する）とを有する。この１対のタング１７７は、タング１７７の一方がスロット１７８を通じて延び、他方のタング１７７がスロット１８０（図４に図示）を通じて延びるように、トーションスプリングハウジング１７４内に組み込まれる。レフトハーフシェル１２３およびライトハーフシェル１２４が制御ハンドルシャフト１１４の周りに組み上げられるとき、タング１７７は、トーションスプリングハウジング１７４内に画定された、それぞれの側壁１８２および１８３と係合する。制御ハンドル１１２が制御ハンドルシャフト１１４の周りの、中心位置から離れるどちらかの方向に回転するとき、タング１７７の一方の端部は、側壁１８２および１８３の隣接する一方から離れて変位し、他のタング１７７は、その隣接する側壁と接触したままとなる。その結果、制御ハンドルの中心位置から離れる制御ハンドルのＺ軸の周りの回転と反対のＺ軸の周りのトルクが、トーションスプリング１７６によって生成される。
【００３３】
複数の突出部１８４およびシェルフ１８６が、制御ハンドルシャフト１１４を半球形カラー１４６に結合し、制御ハンドルシャフト１１４の下側部分に形成されている。複数のスロット１８９が、半球形カラー１４６内に画定され、それぞれの突出部１８４を受けて入力シャフト１１４を制御し、一方シェルフ１８６は、制御ハンドルシャフトに対する半球形カラー１４６の垂直位置を制御する。
【００３４】
制御ハンドルシャフト１１４は、上側ジンバルフレーム１６２に対して、Ｘ軸の周りに自由に枢動することができる。１対の支持軸１８８および１９０が、制御ハンドルシャフトの底部に向かって配設されたサドル１８７の反対側の各側から延び、Ｘ軸と位置合せされた共通中心線を共有する。支持軸１８８および１９０に対応する滑り軸受１９１および１９３が、支持軸１８８および１９０を受ける。滑り軸受１９１および１９３は、それぞれ軸受ブラケット１９２および１９４内に一体成形される。各軸受ブラケットは、上側ジンバルフレーム１６２から下向きに延び、対応するファスナ１９６および１９８によって上側ジンバルフレーム１６２に結合される。
【００３５】
図４を参照して、上側ジンバルフレーム１６２が、構成部品が組み立てられるときに制御ハンドルシャフト１１４の上側部分が通り抜ける開口２０１を含むヨークとして形成されることに留意されたい。上側ジンバルフレーム１６２は、重量およびコストを低減するために、リブ２０３によって分離する複数の空洞２０２を有することが好ましい。軸受マウント１６４内に一体成形された滑り軸受内で回転する支持軸２０４は、上側ジンバルフレーム１６２の一方の端部から延び、１対の駆動ピン２０６および２０８は、ジンバルフレームの反対側の各端部から支持されるブラケット２１０から延びる。各駆動ピン２０６および２０８は、複数のスチフナ２１２と、ねじ穴２１６（この穴は、組立て前にはねじ山が切られていない。ねじは、ねじ山形成ねじであり、組立て中にねじ山を形成する）がその中に画定される円筒形部分２１４とを含む。加えて、スチフナ２１８がブラケット２１０全体にわたって延在し、ブラケットおよび駆動ピン２０６、２０８に対して構造的剛性が与えられる。
【００３６】
下側ジンバル入力シャフト１６６は、組立て時に制御ハンドルシャフト１１４と対合する円筒形上側部分２２２を有し、それによって制御ハンドルシャフトのピボット式運動が、下側ジンバル入力シャフト１６６の対応する運動となる。制御ハンドルシャフト１１４と下側ジンバル入力シャフト１６６はどちらも中空であり、それによってＺ軸ポテンシオメータ１２６、トリガスイッチ１５０、ＰＯＶスイッチ１５２、およびボタン１５４、１５６、および１５８からのリード線が通り抜け、回路板１６１に配線することが可能となることに留意されたい。下側ジンバル入力シャフト１６６は、その下側部分の反対側の各側から延び、それぞれの軸受ブラケット２２８および２３０内にピボット式に取り付けられる、Ｙ軸と位置合せされる共通中心線を共有する１対のシャフト２２４および２２６も含む。これらの軸受ブラケットは、ファスナ２３２および２３４を使用して、下側ジンバルフレーム１６８上に取り付けられる。上側ジンバルおよび下側ジンバルフレーム１６２および１６８はそれぞれ、ジンバルフレームを交換可能に使用することができるように、同一の形であることが好ましいことに留意されたい（上側ジンバルと下側ジンバルフレームを同一にするためには、ポテンシオメータ１３１および１３０は、Ｄシャフト２４７および２４６のために別々に取り付ける必要があることになる。組立てラインで加工物の反転を最小にするために、ポット１３１および１３０は同じ様に組み立てられるように設計される。すなわち、Ｄシャフト上のフラットは図４に示すように上方に向く。このようにするために、上側ジンバルと下側ジンバル中のＤ穴は反対方向に向く。したがってこれは現行の設計では相互交換可能ではなかった）。したがって、下側ジンバルフレーム１６８はヨーク形であり、反対側の各側の端部で、支持軸２３８と、１対の駆動ピン２４２および２４４が延びるブラケット２４０とに接続される。支持軸２３８は、下側ジンバル軸受マウント１７０内に回転可能に取り付けられ、かつ支持軸２３８は、Ｘ軸ポテンシオメータ１３０の入力シャフト２４６の類似のフラットな部分を受けるための短縮円筒を有するリリーフ２４５を含み、それによってポテンシオメータの入力シャフトを下側ジンバルフレーム１６８に結合する。（図示していないが、Ｙ軸ポテンシオメータ１３１の入力シャフト２４７を受け、それによってポテンシオメータの入力シャフトを上側ジンバルフレーム１９６に結合するための類似のリリーフが、支持軸２０４中に形成されている）。駆動ピン２４２および２４４は、上記で解説した駆動ピン２０６および２０８とほぼ同一であり、円筒形部分２４８およびねじ穴２５０を含む。
【００３７】
次に、ユーザによる制御ハンドルシャフト１１４のピボット式変位に応答するフルジンバルアセンブリ１２７の動作を、モータ１２８および１２９と、その対応するトランスミッション構成部品とに加えられる力を考慮せずに説明する。制御ハンドルシャフト運動１１４の、前方向Ｆの変位に対して、支持軸１８８および１９０は、それぞれの軸受ブラケット１９２および１９４内で枢動する。その結果、Ｙ軸の周りに加えられる運動は存在しない。この枢動は完全に、Ｙ軸と同一平面上のＸ軸の周りの運動であり、したがってＹ軸の周りにモーメントが加えられないからである。制御ハンドルシャフト１１４と下側ジンバル入力シャフト１６６との間を結合しているために、下側ジンバルフレーム１６８にモーメントが加えられ、支持軸２３８が軸受マウント１７０内で回転し、それによって下側ジンバルフレーム１６８がＸ軸の周りに回転する。同時に、Ｘ軸ポテンシオメータ１３０の入力シャフト２４６がそれに応じて回転し、回路板１６１上に配設された適切な信号調整電子回路および信号処理電子回路を使用することによって、制御ハンドルのＸ軸の周りの回転の範囲を検出することが可能となる。このような信号調整および信号処理のために必要な回路の詳細は当業者に周知であるので、これ以上の詳細は本明細書では開示しない。逆方向Ｒの制御ハンドルシャフト１１４のピボット式変位により、回転が反対方向となることを除き、Ｘ軸の周りに同様に回転する。
【００３８】
左方向Ｌおよび右方向ＲＴの制御ハンドルシャフト１１４のピボット式変位により、同様にＹ軸の周りに回転するが、Ｘ軸の周りには回転しない。例えば、左方向Ｌの制御ハンドルシャフト１１４のピボット式変位により、上側ジンバルフレーム１６２にモーメントが加えられ、それによって軸受マウント１６４内の支持軸２０４が、Ｙ軸の周りに反時計回りに回転する。同時に、下側ジンバル入力シャフト１６６の支持軸２２４および２２６が、それぞれの軸受ブラケット２２８および２３０内でＹ軸の周りに枢動する。Ｙ軸はＸ軸と同一平面上にあるので、このＹ軸の周りの制御ハンドルの回転により、Ｘ軸の周りのモーメントは加えられない。右方向ＲＴの制御ハンドルシャフト１１４のピボット式変位により、Ｙ軸の周りに時計回りであることを除き、同様の結果が得られる。
【００３９】
ゲームプレー活動中、Ｘ軸とＹ軸の両方の周りの制御ハンドルシャフト１１４の変位は、一般的であり、前述の移動の組合せを単純に生成し、これは、このフルジンバルアセンブリによって容易にサポートされることは明らかである。さらに、このフルジンバルアセンブリの構成は、Ｘ軸とＹ軸の周りの両方の制御ハンドルの最大変位を同時に行うことができ、それによって制御ハンドル１１２をＸ軸とＹ軸の一方の軸の周りの全範囲にわたって移動しながら、他方の軸の周りの最大変位を維持することができるような構成である。
【００４０】
上記で解説したように、フルジンバルアセンブリ１２７により、ジョイスティック制御ハンドル入力およびゲーム基準に応答して、ハプティックフィードバック力が与えられる。この機能を実行するために、Ｘ軸とＹ軸のそれぞれの周りに、制御ハンドル１１２に作用するハプティックフィードバックトルクを加えることができることが必要である。この機能は、上記で説明した、各軸についてのモータおよびギアトレインによって実施される。モータは、以下のようにフルジンバルアセンブリのフレームに結合される。
【００４１】
図５〜７を参照すると、フルジンバルアセンブリ１２７がフレーム２５２に取り付けられており、フレーム２５２は複数のねじ部品を有するベース１３３（図示せず）に取り付けられている。フレーム２５２は、軸受マウント１６４および１７０がそれぞれ対応するファスナ２５６の対を使用することによって取り付けられる複数のねじ式ボス２５４を含む。フレーム２５２はまた、フレーム２５２のコーナに配置され、かつハウジング１３２から垂れ下がる対応するタブ（図示せず）を受けるように適合された４つの延長ボス２５８も含む。
【００４２】
下側ジンバルフレームおよび上側ジンバルフレーム１６２および１６８は、ハプティックフィードバック制御信号に応答してジンバルフレームが制御ハンドル１１２に対してジンバル軸の周りにフィードバック力を作用させることを可能にする、対応するモータおよびトランスミッションに結合される。Ｙ軸モータ１２９は、１対のファスナ２６２によってトランスミッションブラケット２６０に取り付けられる。トランスミッションブラケット２６０は、フレーム２５２内に形成された、対応するねじ付きアライメントピン２６６と向かい合うように構成された複数のアライメント穴２６４を含み、それによってトランスミッションブラケット２６０を複数のファスナ２６８によってフレーム２５２に固定することができる。トランスミッション構成部品は、ピニオンギヤ２７０、組合せギヤ２７２、およびセクタギヤ２７４を含む。ピニオンギヤ２７０は、Ｙ軸モータ１２９のローターに結合されるシャフト２７６上に取り付けられる。組合せギヤ２７２は、支持軸２７８上に回転可能に取り付けられ、トランスミッションブラケット２６０から外側に延びる。同様に、セクタギヤ２７４は、トランスミッションブラケット２６０から外側に延びる支持軸２８０上に回転可能に取り付けられる。トランスミッションブラケット２６０は、駆動ピン２０６および２０８がジョイスティックピボットの制御ハンドルとしてそれを通じて自由に運動することができる１対の弓形スロット２８２と、セクタギヤ２７４を各方向の回転範囲を制限する１対のタブ２８３とをさらに含む。
【００４３】
セクタギヤ２７４は、駆動ピン２０６および２０８の円筒形部分２１４を受ける１対のアライメント穴２８４を含む。組立て時に、セクタギヤ２７４は、駆動ピン２０６および２０８内のねじ穴２１６中に通される１対のファスナ２８６を用いて上側ジンバルフレーム１６２に固定される。スチフナ２１２は裏当て面を画定し、セクタギヤ２７４は、組立て時に、この裏面とファスナ２８６のヘッドとの間に挟まれ、それによって上側ジンバルフレーム１６４とセクタギヤ２７４との間の結合が固定される。その結果、上側ジンバルフレーム１６２は、その両端にジンバル式軸受支持を備え、両端の一方は、セクタギヤが取り付けられる軸受面である。加えて、制御ハンドル１１４がＹ軸の周りに所与の角度だけ変位するとき、セクタギヤ２７４は等しい角度だけ回転する。
【００４４】
組合せギヤ２７２は、共通軸を共有する大型ギヤ２８６および小型ギヤ２８８を含む。小型ギヤ２８８は、組合せギヤの中央ハブから延び、大型ギヤは、組合せギヤのより大きな直径部分である。組合せギヤ２７２は、スナップリングリテーナ２９０によって支持軸２７８に固定され、セクタギヤ２７４の周辺部に形成されたリッジ２９２と係合して摺動することによってトランスミッションブラケット２６０に向かって前方に移動することが防止される。Ｙ軸モータ１２９によって駆動されるとき、ピニオンギヤ２７０は大型ギヤ２８６と係合し、組合せギヤを回転させる。小型ギヤ２８８の歯（具体的に図示せず）は、セクタギヤ２７４の複数の歯２９４と係合し、セクタギヤ２７４を回転させ、それによってＹ軸の周りのトルクを生成し、制御ハンドル１１２に対する、Ｙ軸の周りのセクタギヤの回転方向のハプティックフィードバック力を生成する。ユーザによるＹ軸の周りの制御ハンドルの移動により、対応するセクタギヤの運動が生成され、そのセクタギヤの運動は、組合せギヤによってピニオンギヤに戻され、Ｙ軸モータのローターが対応する形で回転する。所望の効果が（ゲームの）壁に衝突する（ゲームの）ユーザ制御オブジェクトをシミュレートすべき場合がそうであるように、ある場合には、所望のハプティックフィードバック効果は、セクタギヤの回転を全くあるいはほとんど引き起こさない、制御ハンドルに加えられるトルクを必要とすることになることに留意されたい。
【００４５】
制御ハンドルを動かすユーザによって引き起こされたＹ軸モータ１２９ローターの回転の範囲は、セクタギヤの回転範囲と、トランスミッションの歯数比との積に等しい。トランスミッションの歯数比は約１８．３である。同様に、Ｙ軸モータ１２９によって生成されるトルクの量は、歯数比とモータのローターで生成されるトルクの量との積に等しい。したがってＹ軸モータ１２９のトルクおよび／または速度を制御することによって、所望のハプティックフィードバックトルクを生成することができ、その結果、所望の力効果が制御ハンドル１１２に加えられる。
【００４６】
Ｘ軸の周りのハプティックフィードバック力を生成するために、ほぼ同一のモータおよびトランスミッションが設けられる。これらは、Ｘ軸モータ１２８、トランスミッションブラケット３００、ピニオンギヤ３０２、大型ギヤ３０５および小型ギヤ３０６を有する組合せギヤ３０４、ならびにセクタギヤ３０８を含む。トランスミッションブラケット３００は、複数のアライメント穴３１０を含み、複数のファスナ３１２によってフレーム２５２に固定される。セクタギヤ３０８は、トランスミッションブラケット３００から外側に延びるシャフト３１３上に回転可能に取り付けられ、駆動ピン２４２および２４４の円筒形部分２４８を受けるように適合される１対のアライメント穴３１４を含む。１対のファスナ３１５がねじ穴２５０中に通され、セクタギヤ３０８が駆動ピン２４２および２４４に固定される。加えて、駆動ピン２４２および２４４は、１対の弓形スロット３１６によってトランスミッションブラケット３００を貫通することが可能であり、トランスミッションブラケット３００は、セクタギヤ３０８の各方向の回転を制限するための１対のタブ３１７を含む。Ｘ軸モータ１２８は、１対のねじ部品３１９を用いてトランスミッションブラケット３００に取り付けられる。
【００４７】
組合せギヤ３０４は、トランスミッションブラケット３００から外側に延びる支持軸３１８上に回転可能に取り付けられ、スナップリングリテーナ３２０によって支持軸３１８に固定される。ピニオンギヤ３０２は、組合せギヤ３０４の大型ギヤ３０５と係合し、Ｘ軸モータ１２８のローターに結合されるシャフト３２２上に取り付けられる。Ｙ軸トランスミッションと同様に、セクタギヤ３０８は、組合せギヤ３０４の小型ギヤ３０６と係合し、大型ギヤ３０５はセクタギヤ３０８と係合する。
【００４８】
制御ハンドルシャフトのＹ軸の周りの変位に関して上記で解説したのと同様に、制御ハンドルシャフト１１４のＸ軸の周りの変位により、下側ジンバルフレーム１６８がＸ軸の周りに枢動し、セクタギヤ３０８が回転する。この回転により、組合せギヤ３０４およびピニオンギヤ３０２が回転し、それによってＸ軸モータ１２８のローターが回転する。上記の場合と同様に、ローターの回転の範囲は、セクタギヤ３０８の回転の範囲と、トランスミッションの歯数比との積に等しい。この逆も真である。すなわち、Ｘ軸モータ１２８を付勢することによってセクタギヤ３０８で加えられるトルクの量は、Ｘ軸モータ１２８のローターで生成されるトルクの量と、トランスミッションの歯数比との積に等しい。その結果、Ｘ軸モータ１２８のトルクおよび／または速度を制御することによって、所望のハプティックフィードバック力も、Ｘ軸に関して制御ハンドル１１２に容易に加えることができる。
【００４９】
ジョイスティック１１０で使用される構成部品の大部分を、部品の大容量射出成形に適しているプラスチックから製造することが好ましい。大容量射出成形は、これらの構成部品に対して好ましい製造技法であるが、他のタイプのプラスチックや、他の形成工程も別法として使用することができる。具体的には、射出成形に申し分なく適する構成部品には、上側ジンバルおよび下側ジンバルフレーム１６２および１６８、軸受マウント１６４および１７０、軸受ブラケット１９２、１９４、２２８、および２３０、制御ハンドルシャフト１１４、下側ジンバル入力シャフト１６６、半球形カラー１４６、上側ハウジング１３２、ベース１３３、レフトハーフシェル１２３、ならびにライトハーフシェル１２４が含まれる。加えて、良好な自己潤滑特性を与えるプラスチックを軸受マウントおよび軸受ブラケットに関して使用して、これらの部品が比較的低摩擦（および低摩耗）の軸受面を備えることを保証するようにすべきである。トランスミッションブラケット２６０および３００は、スタンピングなどの一般的な金属成形技法を使用して、シートメタルで製造することが好ましい。可能な箇所では、前述の構成部品の多くは、対応する他の構成部品と同一となるように設計されていることにさらに留意されたい。例えば、フルジンバルアセンブリ用の上側ジンバルおよび下側ジンバルフレームと、対応する軸受ブラケットおよび軸受マウントとは同一である。本発明のフルジンバル構成の特有の利点は、単一のジンバルフレーム構成部品が上側ジンバルまたは下側ジンバルでの使用に適することである。
【００５０】
上記の説明では、Ｘ軸およびＹ軸用のトランスミッションのそれぞれが、セクタギヤ、組合せギヤ、およびピニオンギヤを含む１組のギヤを備える。別法として、歯付きドライブベルトとプーリ、ケーブルとプーリ、あるいはギヤ、ドライブベルト、および／またはケーブルの組合せを利用する他のタイプのトランスミッションも使用することもできることに留意されたい。加えて、セクタギヤの代わりにフルギアを使用することもできるが、セクタギヤは、従来の円形ギヤのスペースを必要とせずに大型ギヤ半径を与え、かつ重量が軽いので、上記で解説した実施形態ではセクタギヤが好ましい。さらに、（高強度磁石および／または内部ギヤ減速によって）低速で大きいトルクを生成する適切なサーボモータを利用して、トランスミッションの必要をなくすることができる。この場合、モータの入力シャフトは、駆動部材（したがってモータ）を上側ジンバルおよび下側ジンバルフレームの一方に結合するようにジンバルフレームの一端から延びる、１対の駆動ピンによって駆動される駆動部材に結合されることになる。
【００５１】
本発明を実施する好適な形態と、その修正形態に関連して本発明を説明したが、本発明に対して、頭記の特許請求の範囲内で多くの他の修正を行えることを当業者は理解されよう。したがって、本発明の範囲は上記の説明によって決して限定されず、頭記の特許請求の範囲を参照することによって完全に決定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
本発明の上述の態様ならびに付随する利点の多くは、添付の図面を参照しながら詳細な説明を参照することによって容易に理解されよう。
【図１】  従来のハプティックフィードバックジョイスティックで使用されている電動式クォータジンバル機構の等角投影図である（従来技術）。
【図２】  本発明によるハプティックフィードバックジョイスティックの背面の等角投影図である。
【図３】  本発明によるハプティックフィードバックジョイスティックの構成部品およびサブアセンブリを示す分解アセンブリ図である。
【図４】  図２および３のハプティックフィードバックジョイスティックで利用されるフルジンバルアセンブリの構成部品を示す分解アセンブリ図である。
【図５】  本発明のジョイスティックの制御ハンドルに対して作用するハプティックフィードバック力を与えるために使用されるフルジンバルアセンブリの構成部品を示す分解アセンブリ図である。
【図６】  図５のフルジンバルアセンブリの、右側から見たときの背面の等角投影図である。
【図７】  図５のフルジンバルアセンブリの、左側から見たときの背面の等角投影図である。
【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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