CN103620928A - 多个同步振动致动器的非对称总体振动波形 - Google Patents

Abstract

本发明涉及为用户提供触觉反馈并改进现有的振动装置的性能的总体同步的振动装置(图87-88)。可采用不同致动器类型以提供同步振动，包括线性旋转致动器(1102)、包括交插旋转块致动器(1250a、1250b)的旋转偏心块致动器(1210)和摇摆块致动器(490)。控制器(502)向一个或多个驱动电路发送信号以提供致动器的振动幅度、频率和方向的调节。系统可将力施加到物体(1100)上，传感器测量物体的特性。该信息提供给振动装置控制器(图58)，然后振动装置控制器可以改变振动波形以提高系统的整体性能。可使用傅里叶合成以通过控制振动致动器的相位和频率来近似得到任意形状的波形。这些波形可以包括一个方向上的峰值力比另一个方向上的峰值力大的非对称性(图44)。

Description

多个同步振动致动器的非对称总体振动波形

相关申请的交叉引用

本申请是2011年2月18日提交的、发明名称为“SYNCHRONIZED VIBRATION DEVICEFOR HAPTIC FEEDBACK”的美国专利申请No.13／030,663的部分继续申请，美国专利申请No.13／030,663是要求了2005年6月27日提交的且发明名称为“SYNCHRONIZEDVIBRATION DEVICE FOR HAPTIC FEEDBACK”的美国临时专利申请No.60／694,468的申请日的权益的、2006年6月27日提交的美国申请No.11／476,436(2011年4月5日授权，美国专利号为No.7,919,945)的继续申请，其全部公开内容通过引用明确地并入本文。本申请还要求了2011年3月17日提交的、发明名称为“ASYMMETRICAND GENERALVIBRATIONWAVEFORMS FROM MULTIPLE SYNCHRONIZED VIBRATION ACTUATORS”的美国临时专利申请No.61／453,739以及2011年7月25日提交的、发明名称为“ASYMMETRIC ANDGENERAL VIBRATION WAVEFORMS FROM MULTIPLE SYNCHRONIZED VIBRATIONACTUATORS”的美国临时专利申请No.61／511,268的申请日的权益，其全部公开内容通过引用明确地并入本文。

背景技术

振动装置广泛地用于各种应用，包括触觉显示器、触觉接口、力反馈装置、振动式给料器、美容产品、个人卫生产品、个人娱乐产品、个人按摩器、伐木机以及地震振动器。包括触觉显示器的一些广泛使用的产品包括：用于索尼电脑娱乐的游戏

3的

3无线控制器；用于索尼电脑娱乐的游戏3中的运动游戏的

移动运动控制器；微软公司的Xbox360无线方向盘；以及用于任天堂Wii游戏机中的运动游戏的Wii远程^TM加强版控制器。

振动致动器是用于生成触觉感知的典型的最小且成本最低的方法。因此，使用振动致动器来产生各种触觉感知是有利的。普通的低成本振动致动器包括偏心旋转块致动器(Eccentric Rotating Mass actuator，ERM)和线性谐振致动器(LRA)。ERM和LRA的一个优点是它们能够由低功率输入产生相对大的振动力。ERM和LRA一般在它们的加速周期期间积累动能；ERM随着它的旋转块的速度的增加积累动能，LRA随着它的运动块的振动幅度的增加积累动能。这些低成本致动器用于很多应用中，包括电子消费产品(例如智能手机和电子游戏控制器)中。

现今的许多智能手机使用单个的ERM或单个的LRA来通过振动整个装置产生警示。这具有这样的好处：当装置在人的口袋里时，可以感受到振动警示。游戏控制器(通常也可替换地称作“电子游戏控制器”或简称为“控制器”)经常将两个ERM合并到双手装置内，双手装置为例如Xbox360无线控制器或Xbox360无线方向盘(两个装置都是微软公司的)。有时，双-ERM控制器配置有一个具有大旋转块的ERM和另一个具有小旋转块的ERM。单手控制器(例如(任天堂的)Wii远程^TM加强版)典型地具有单个ERM来向用户提供振动反馈。

多数现有的振动装置的共同局限性是不能够限定振动力的方向性。ERM致动器生成在平面内旋转的向心力，在某种程度上由于振动方向的高速率改变，振动的方向(即，旋转向心力矢量的瞬时方向)通常不能在触觉应用中被感知到。在ERM中，通过电机轴将向心力施加到偏心块上，相等的且反向的离心力施加到电机轴上。在本文中，术语“向心的”和“离心的”被理解为它们是大小相等但方向相反的力。LRA前后振动，由此可能可以感知振动的轴线，但是不能在向前方向上提供多于向后方向的感知，反之亦然。由于触觉应用经常集成在音频和视频显示器中(例如电脑游戏中，其中方向是游戏的组成部分)，期望它提供还与方向相对应的触觉感知。而且，生成用于人不具有视觉提示的应用的方向性的触觉提示以引导视力受损的人是有用的。因此，期望在振动触觉显示器和接口中提供方向性的人类可感知的指示。另外，有利地使用振动致动器来生成包括定向波形和非定向波形的各种不同波形。

已经存在一些提供振动方向的感知的触觉振动装置，但是这些在先的实施方式具有缺陷。具体地，非对称振动已经用于生成在一个方向上大于相反方向的触觉感知。

但是，现有的非对称振动器是复杂的、昂贵的、或者具有有限的可控制性。它们常常是笨重的且具有低功率效率。Tappeiner等人展示了一种生成非对称定向触觉提示的振动装置(Tappeiner,H.W.；Klatzky,R.L.；Unger,B.；Hollis，R.，“Good vibrations：Asymmetric vibrationsfor directional haptic cues”，World Haptics2009，Third Joint Euro Haptics Conference andSymposium on Haptic Interfaces for Virtual Environments and Teleoperator Systems)，但是这个装置使用高功率和昂贵的6-DOF磁悬浮触觉装置。Amemiya等人(Tomohiro Amemiya；Hideyuki Ando；Taro Maeda，“Kinesthetic Illusion of Being Pulled Sensation Enables HapticNavigation for Broad Social Applications”，Ch.21，Advances in Haptics，第403-414页)介绍了一种也生成用于触觉应用的非对称振动的装置，但是这种装置使用具有6个连杆的复杂而大型的连杆系统，并且似乎不能够实时改变振动的方向。

使用ERM的振动装置的另一个局限性是振动的幅度取决于振动的频率，因为振动力是由偏心块的向心加速度产生的。一些在先的方法已经使用多个ERM来单独地控制频率和幅度，但是在这个过程中还因ERM之间的偏移而产生不被期望的扭矩效应。

发明内容

期望不仅产生触觉定向提示还能够渲染先有的触觉效果，以便单个游戏控制器可以生成新的以及现有的感知。因此，本说明书中描述的本发明及其相关实施例的一方面包括振动装置和操作那些采用低成本振动致动器的装置的方法，低成本振动致动器使用少量的电功率来生成非对称振动以及其他振动波形且控制振动力方向。本发明中描述的方面通过可以生成唯一的定向触觉提示(其可以在平面的360度内被控制)以及其他振动波形的设计解决这些局限性。为了提供广泛的振动效果，期望能够单独地控制幅度和频率。本发明描述一种使用ERM并允许单独地控制振动力和频率而不生成扭矩振动的振动装置。由于不产生扭矩效应，可以将振动力一直降低至零，即便当ERM在旋转时。利用这种方法，可以接通和关闭振动力而不必等待ERM来加快旋转到某一速度或者减慢旋转，因此允许更快速地接通和关闭振动力以及有效地增加振动装置的响应能力。

本发明通过提供从多个振动致动器生成非对称的总体波形振动曲线的器件，克服已知振动装置的缺点和局限性。这些振动可以施加力振动、扭矩振动，或合成的力和扭矩振动到物体或地面上。下面提供大量实施例及可选方案。

根据实施例，提供一种振动装置。所述振动装置包括多个振动致动器或机械振荡器，其中致动器的频率和相位是受控制的且同步的。每个致动器的振动的幅度也是可控的以提供更广泛的波形。通过这种同步和控制，在一些实施例中可以生成任意形状的振动波形，包括具有一个方向上的较高峰值和相反方向上的较低峰值的非对称波形。通过这种方式，使用低成本和低功率的振动致动器可以实现非对称振动的优点。而且，可以在多自由度中控制振动的方向。

许多振动致动器生成正弦波形。通常的低成本振动致动器包括ERM和LRA。枢转致动器和摇摆致动器是较不常见的，但是在美国专利No.7,994,741中进行了描述，并且在许多应用中可以代替LRA。可以产生振动的其他类型的致动器，即，“振动致动器”，包括：音圈、线性致动器、线性力致动器、气动致动器、液压致动器、压电动致动器、静电动致动器、电活性聚合物(EAP)、螺线管、超声波电机、以及驱动振动连杆机构的电机。本发明结合多个振动致动器，由此叠加来自振动致动器的振动波形以生成期望的合成波形。

在许多实施例中，多个振动致动器被安装到安装平台(等同地称为“底座”或“副架”或“壳体”)上，以便来自每个致动器的振动力矢量地相加在一起以生成合成振动波形。控制方法用于控制每个振动致动器的相位和频率。在一些实施例中，还控制幅度。此外，在一些实施例中，使用傅里叶合成的方法选择一组正弦波形的每个正弦波形的期望相位、频率和幅度以生成期望的合成振动波形。实际上，使用足够的致动器，可以近似得到任意的振动波形，包括对称的和非对称的振动波形。

单个振动致动器生成振动力、扭矩、或力和扭矩。许多振动致动器生成简单的振动波形，例如正弦波形。在本发明中多个振动致动器被配置成生成合成振动波形。在许多实施例中，多个振动致动器紧固到安装平台，以便来自各个振动致动器的力和扭矩矢量地相加以生成合成振动力、扭矩、或力和扭矩。这个安装平台可以被人手持，被人穿戴或以其他方式放置为与人接触，附接至人，附接至物体，或放置在表面上。在其他的实施例中，安装平台是振动力生成推进力的移动装置的一部分。

通过控制多个振动致动器的振动频率和振动的相对相位，可以使它们一起同步。在一些情况下，还控制振动的幅度。振动的频率、相位和幅度可以是指振动力、扭矩、或力和扭矩波形的特性。在许多振动致动器(包括大多数LRA和ERM)中，振动力与运动块的运动时间上一致。使用LRA，块前后振荡。使用ERM，偏心块绕轴线旋转。因此，振动致动器的同步也可以指的是多个运动块的运动的频率和相位的控制，以及在一些情况下的运动的幅度的控制。

对于触觉应用特别有用的一个类别的波形是非对称波形。这些波形生成一个方向上的峰值大于相反方向上的这些峰值的峰值力、峰值加速度、或峰值力变化率(即“急动”)。非对称波形还可以应用到扭矩、或扭矩和力波形。这些波形可以提供与特定方向相对应的触觉感知。在一个示例中，两个LRA安装到安装平台上以便它们的力矢量彼此对齐，这两个LRA被定义为LRA对。一个LRA的频率被设置成是该对中的另一个LRA的频率的两倍。

两个致动器之间的振动的相对相位是同步的，以便在一个方向上，两个振动力的峰值在相同时间发生且具有相同的符号，由此通过(正向)相长干涉的叠加而合成以增加总振动力的大小。在相反的方向上，两个致动器的峰值同时发生但是具有相反的符号，由此通过(负向)相消干涉的叠加彼此部分地抵消，从而减小总振动力的大小。通过这种方式，在一个方向上感觉到较大的峰值力，在相反的方向上感觉到较小的峰值力。可以改变两个致动器之间的振动的相对相位，以便合成波形的较大的力转换符号，在相反的方向上发生。在触觉应用中，相比于具有较长的持续时间的较低量级的力，较高的峰值力可以被感知作为更显著的感官输入。由此，通过在一个方向上产生比相反方向上大的峰值力，可以在期望的方向(例如前向或后向)上生成触觉提示。

在另一个示例中，一组LRA被安装得到安装平台上且被定位成该组内的LRA具有彼此对齐的力矢量。可以使用傅里叶波形分析来选择每个LRA的相位、频率和幅度以近似得到期望的振动波形。一个示例波形是锯齿波形，所述锯齿波形在一个方向上产生比相反方向上更突然的力的改变。以这种方式，锯齿波形可以用于生成定向触觉提示。当组中的LRA的数量是三个时，生成的锯齿波形将具有相对幅度为1的第一谐波、相对幅度为1／2的第二谐波以及相对幅度为1／3的第三谐波。由在一个方向上生成高峰值力、在相反的方向上生成低峰值力的一组LRA可以生成其他波形。

在另一个示例中，两个LRA对被安装到安装平台上。LRA对被定位成：LRA对的一个与平面的x轴对齐，第二LRA对与相同平面的y轴对齐。通过微处理器、FPGA或其他控制器控制每个LRA的振动相位、频率和幅度。在每个LRA对中，一个LRA的频率是该对中的另一个LRA的频率的两倍，以便可以沿每个LRA对的轴线生成非对称振动波形。与x轴对齐的LRA对的频率被设置为等于与y轴对齐的LRA对的频率。

通过控制所述LRA对的振动幅度和相位，可以通过振动力的矢量叠加，生成与平面内的任意方向对齐的合成振动力。以这种方式，可以在平面的全部360度内单独地控制非对称振动的方向。在类似的实施例中，两个LRA对安装到安装平面上，它们的力的轴线在相同的几何平面内，但两个LRA对彼此不正交(如x轴和y轴)。相反地，LRA对的轴线在线性代数意义上跨越所述几何平面。由此，即使没有正交对齐的对，可以在平面的全部360度内单独地控制非对称振动。

在另一个示例中，三对LRA安装到安装平台上，它们的力的轴线定位成三个轴线跨越三维空间。以这种方式，可以任何三维方向上任意地生成非对称振动。

在另一个示例中，两个LRA对安装到安装平台上，两个对的轴线与单个轴线对齐。两个对间隔开一定距离以生成期望的扭矩效果。可以控制两个对使得它们的力在同一方向上同时发生，由此在所述安装平台上产生净力，但是不产生绕安装平台内的中心点的净扭矩。使用另一种控制方法，可以使得来自一个对的力同步，以便所述力在另一对的反方向上，由此在安装平台上生成净扭矩。进一步的变型是使每个对生成非对称振动波形，以便施加到安装平台的峰值扭矩在一个方向上大于另一个方向。以这种方式，可以生成提供旋转方向的感知的触觉提示。这是非对称扭矩振动的示例。

根据本发明的一方面，控制器(例如，FPGA或微处理器)用于使得多个振动致动器的振动同步，控制器的实施方式取决于被控制的振动致动器的类型。LRA、摇摆致动器以及枢转致动器可以使用类似的控制器且包括控制施加到致动器的电压或电流的致动器驱动器。LRA具有前后平移的运动块和位于块的中心的复位弹簧。

以类似的方式，摇摆致动器和枢转致动器具有因转动惯性而前后摇摆的块以及位于块的中心的复位弹簧。LRA、摇摆致动器和枢转致动器典型地具有谐振频率，致动器驱动器典型地使用正弦波曲线或方波曲线。当致动器驱动器在致动器的谐振频率附近操作时，可以生成大振动力。通过开环控制器可以使得LRA、摇摆致动器和枢转致动器同步，而无需传感器。控制器可以在期望的频率、相位和幅度生成用于每个致动器的驱动波形。

可以以多种方式改进用于同步LRA、摇摆致动器和枢转致动器的控制器的精度。LRA、摇摆致动器或枢转致动器的物理性能生成致动器驱动器波形和由致动器生成的振动力波形之间的相位滞后。基于驱动致动器的频率，可以改变这个相位滞后。此外，在致动器的加速期间和频率、相位或幅度的改变期间，致动器驱动器波形和振动力波形之间可以存在进一步的差异。

通过表征致动器的动态性和相位滞后以及将这个信息并入控制器，可以改进同步的精度，以便以期望的方式同步不同振动力。用于改进同步精度的额外的方法添加测量运动块的运动或每个致动器的振动力的传感器，并使用闭环反馈控制以实时校正控制信号。许多消费品使用MEMS传感器，例如用于运动感知的三轴加速度计。通过临时的校准程序，可以周期性地表征每个致动器，其中校准程序以已知的振动测试模式依次地驱动每个振动致动器，并且使用运动感知传感器来测量产生的振动。

另一个实施例使用ERM致动器。ERM采用了具有偏心块的电机，偏心块附接至与电机转子连接的轴，电机转子相对于附接至电机壳体的电机定子旋转。单个ERM在与其轴的旋转轴线相正交的平面内生成旋转向心力。一些实施例使用由安装到安装平台上的具有相似特征的两个ERM组成的ERM对，它们的旋转轴线对齐。在一些实施例中，控制两个ERM的偏心旋转块以相同的频率相对于彼此逆时针旋转。

当成对的ERM逆时针旋转时，向心力的叠加产生沿线性轴线的正弦振动力，线性轴线被限定为力轴线并且与ERM的旋转轴线正交。控制器或机械联轴器(例如，齿轮或同步带)可以同步每个ERM的速度以及成对的两个ERM的偏心块之间的旋转的相对相位。相位的同步控制由该对生成的力的力轴线的方向。因此，同步的ERM对可以生成沿线性轴线的振动力，其中力轴线的方向由ERM的相对相位控制。增加单个ERM的旋转速度可以增加它的振动力的大小。还可以以同向旋转模式控制ERM对，其中两个偏心块在相同的方向上旋转，从而生成合成的向心振动力。这些向心力可以用于生成仿真现有或历史的游戏控制器的先有的效果。还可以控制同向旋转ERM以独立于振动的频率改变振动力的大小。

本文描述的一个示例使用安装到安装平台上的两个ERM对，所有四个ERM的旋转轴线在平行方向上对齐。一个ERM对的操作频率是第二ERM对的频率的两倍。控制每个ERM对的相位，以便两个ERM对的力轴线的方向彼此平行地对齐。此外，两个ERM对之间的振动时间是同步的，以便在一个方向上，两个ERM对的振动力的峰值同时发生且在相同的方向上发生，由此通过相长干涉而合成以增加总振动力的大小。在第一方向上，两个ERM对的振动力的峰值同时发生但在相反的方向上发生，由此通过相消干涉彼此部分地抵消，从而减小总振动力的大小。通过这种方法，产生非对称振动，因为在一个方向上产生较大的峰值力，而在相反的方向上产生较小的峰值力。使用这个实施例，可以在平面的全部360度中单独地控制非对称振动的方向。

可以同步ERM以使用傅里叶合成生成各种不同的振动波形，与LRA使用的方法类似。可以选择每个ERM对的旋转块的质量和离心率用于期望频率的力的适当的幅度。可选地，可以使得同向旋转的ERM对同步以控制振动力的幅度，而不限制旋转块的固定离心率。可以将具有对齐的旋转轴线的多个ERM对安装到安装平台上。

在这个配置中，可以近似得到任意波形曲线，并且力轴线的方向在与ERM的旋转轴线正交的平面内是可控的。在其他实施例中，ERM可以被安装定位成：一个ERM对的旋转轴线不与第二ERM对的旋转轴线平行地对齐。此外，存在致动的多个ERM的有用的实施例，其中两个ERM不具有平行的振动轴线或正交的振动轴线。这个实施例的示例是各自安装在四面体的一个面上的四个ERM。通过致动这些ERM的同向旋转和逆时针旋转对，可以实现多个显著的触觉效果。通过这种方法，可产生三维振动。还可以通过将ERM和LRA致动器结合在单个的安装平台上产生同步振动。

可以使用尽可能少的两个振动致动器生成非对称波形。通过使用傅里叶合成，通过增加生成波形的谐波的额外的致动器，可以将波形的保真度增加至任意的精度。由此，虽然可以采用ERM对或LRA对，还可使用ERM三元组或ERM四元组、LRA三元组或LRA四元组等等。

可以控制同向旋转的ERM对以使得偏心块有180度的相位差。使用这种方法，将显著地减小总振动力。在这个配置中，陀螺效应可被感知并且用于产生触觉效果。一般地，触觉陀螺效应需要大的旋转惯性。

用于同步ERM致动器的典型的控制方法与LRA的控制方法不同。为了同步，必须控制ERM的频率和相位。多数现有的ERM致动器以开关操作或低精度速度控制的方式被控制，并且它们的相位不同步。控制ERM致动器的频率和相位的一种方法是使用电机的轴上的位置传感器(例如编码器或电位器)。可以使用反馈控制以实现期望的同步，但是位置传感器增加的成本是不被期望的。

根据本发明的方面所采用的部件是可以用于同步ERM的低成本频率和相位传感器。在一个实施例中，频率和相位传感器检测旋转块经过的时间。传感器可以为光反射式传感器、光学直通传感器、霍尔效应传感器或其他类型的传感器。微处理器或其他控制器可追踪每个ERM的旋转块经过的时间。通过传感器检测到的旋转块旋转的连续时间之间的间隔用于计算旋转的频率。可以使用多个传感器测量以增加传感器的分辨率。此外，可以使用状态观测器以预测传感器测量之间的间隔中的偏心块的位置。不同的ERM上的传感器之间的相对时间用于测量每个ERM的相对相位。使用每个ERM的频率和相对相位的信息，控制器可以加速或减速每个ERM以实现期望的同步。如先前描述的另一种方法是使用MEMS加速度计，MEMS加速度计可以具有用于消费装置的运动感知的主要用途，还可以具有表征和校准ERM和LRA的次要用途。

根据另一方面，电机驱动器可以用于控制施加到每个ERM的电压或电流。电机驱动器可以在单个方向上旋转电机，或者可以为双向电机控制器，例如H-桥。当使用双向电机控制器时，可以将反向电压施加到ERM以使其更快地减速，由此允许更快地调节至同步需求。此外，当使用双向电机控制器时，ERM对可在反向旋转的方向和同向旋转的方向上被操作。同向旋转的方向可以产生大的合成向心振动力，并且可以用于产生模拟非同步ERM振动的先有的振动效应。

多个振动致动器的同步可以用于产生各种不同的振动效应。这些包括方向效应、陀螺效应、幅度效应、以及二维和三维效应。

根据本发明的一个方面，振动装置包括安装平台和多个致动器。多个致动器的每个配置为在连续操作周期上建立致动器的力输出的幅度。多个致动器的每个附接至安装平台，因此多个致动器的力输出叠加到安装平台上。多个致动器配置为同时生成用于期望的力输出波形的至少两个不同的谐波的、与力输出相对应的力波形，以便每个致动器生成期望的力输出波形的单个谐波。

在一个示例中，多个致动器的每个选自由线性谐振致动器、偏心旋转块致动器、枢转致动器和摇摆致动器组成的组。在另一个示例中，多个致动器的两个包括交插的偏心旋转块，交插偏心旋转块被布置为使得两个致动器是通过控制器单独可控的以同时产生非零的力输出，以便两个致动器的叠加的力输出的和是基本为零的力和基本为零的扭矩。

在一个可选方案中，至少两个不同的谐波包括期望的输出波形的第一谐波。在另一个可选方案中，至少两个不同的谐波包括期望的输出波形的第二谐波。在第三可选方案中，至少两个不同的谐波包括期望的输出波形的第三谐波。

根据一个示例，振动装置进一步包括与多个致动器联接以控制期望的输出波形的幅度的控制器。根据另一个示例，振动装置配置为生成触觉定向提示。

在一个可选方案中，振动装置布置在手持电子装置中，所述手持电子装置选自由远程控制器、游戏控制器和手表组成的组，振动装置被配置用于为手持电子装置产生一个或多个触觉效果。在这种情况下，游戏控制器可以选自由驱动游戏控制器和运动游戏控制器组成的组。

根据本发明的另一方面，振动装置包括安装平台、多个偏心旋转块致动器以及控制器。多个偏心旋转块致动器的每个附接至安装平台。控制器与多个偏心旋转块致动器联接以单独地控制每个偏心旋转块致动器的频率和相位。

在一个可选方案中，多个偏心旋转块致动器包括两对偏心旋转块致动器。每对是对齐的并附接至安装平台，以便：第一对偏心旋转块致动器被配置为以第一旋转频率f1逆时针旋转以产生第一线性振动力，第二对偏心旋转块致动器被配置为以第二旋转频率f2逆时针旋转以产生第二线性振动力，第二旋转频率f2是第一旋转频率f1的整数倍，以便通过两对偏心旋转块致动器的操作而在安装平台上生成的合成线性振动力的波形是非对称的。

在一个示例中，两对偏心旋转块致动器的每个偏心旋转块致动器的旋转轴线是基本平行的。在另一个示例中，通过控制器控制两对偏心旋转块致动器以产生向心力，以便当第一对偏心旋转块致动器以第一旋转频率f1操作时的第一线性振动力基本是当第二对偏心旋转块致动器以第二旋转频率f2操作时的第二线性振动力的两倍。

在进一步示例中，两对偏心旋转块致动器的每个偏心旋转块致动器的旋转轴线是共线的。在又另一个示例中，两对偏心旋转块致动器的每个偏心旋转块致动器的向心力矢量是共面的。在另一个示例中，控制器被配置为使用两对偏心旋转块致动器生成触觉定向提示。

根据另一个可选方案，通过控制器控制多个偏心旋转块致动器之间的相对相位以抵消由每个偏心旋转块致动器产生的向心力；以及由每个偏心旋转块致动器的向心力的产生的扭矩相互抵消。

在一个示例中，通过控制器控制偏心旋转块致动器的每个之间的频率、方向和相对相位以产生沿预定轴线的合成振动力。在这种情况下，沿预定轴线的合成振动力可以是非对称的。

在另一个示例中，多个偏心旋转块致动器包括第一偏心旋转块致动器和第二偏心旋转块致动器，第一偏心旋转块致动器和第二偏心旋转块致动器具有相同的偏心距；控制器被配置用于以相对于多个偏心旋转块致动器中的其他偏心旋转块致动器相同的频率和相同的相位操作第一偏心旋转块致动器和第二偏心旋转块致动器。

在进一步的可选方案中，多个偏心旋转块致动器包括具有第一旋转轴线的第一偏心旋转块致动器和具有第二旋转轴线的第二偏心旋转块致动器，第一旋转轴线和第二旋转轴线是共线的。第一偏心旋转块致动器具有第一偏心块，第一偏心块的偏心距的中心在投影到第一旋转轴线上的第一位置处。第二偏心旋转块致动器具有第二偏心块，第二偏心块的偏心距的中心在投影到第二旋转轴线上的第二位置处。第一位置和第二位置之间的距离基本为零。

在另一个可选方案中，多个偏心旋转块致动器包括具有第一旋转轴线的第一偏心旋转块致动器、具有第二旋转轴线的第二偏心旋转块致动器、和具有第三旋转轴线的第三偏心旋转块致动器，其中第一旋转轴线、第二旋转轴线和第三旋转轴线是共线的。第一偏心旋转块致动器具有第一偏心块，第一偏心块的偏心距的中心在投影到第一旋转轴线上的第一位置处。第二偏心旋转块致动器具有第二偏心块，第二偏心块的偏心距的中心在投影到第二旋转轴线上的第二位置处。第三偏心旋转块致动器具有第三偏心块，第三偏心块的偏心距的中心在投影到第三旋转轴线上的第三位置处。第一位置和第二位置之间的距离乘以第二偏心距等于第一位置和第三位置之间的距离乘以第三偏心距。在这种情况下，第一偏心块的偏心距可以等于第二偏心距与第三偏心距的和。

在本发明的另一方面中，振动装置包括：安装平台、线性谐振致动器对和控制器，线性谐振致动器对平行地布置且附接至安装平台。每个线性谐振致动器包括可移动的块。控制器与线性谐振致动器对联接。控制器被配置为控制线性谐振致动器对的第一个将第一频率f1的第一正弦振动力施加到安装平台上，以及控制线性谐振致动器对的第二个将第二频率f2的第二正弦振动力施加到安装平台上，第二频率f2是第一频率f1的整数倍。控制器进一步被配置为控制第一正弦振动力和第二正弦振动力的幅度和相位以生成非对称的合成振动波形。

在一个示例中，第一线性谐振致动器和第二线性谐振致动器的每个可操作在包括第二线性谐振致动器的谐振频率的频率范围上。在这种情况下，第二线性谐振致动器的谐振频率可被调谐成是第一线性谐振致动器的谐振频率的整数倍。

在另一个示例中，振动装置被配置为使用第一线性谐振致动器和第二线性谐振致动器生成触觉定向提示。在进一步的示例中，振动装置被配置为产生与一个或多个计算机生成的视觉事件相对应的触觉效果。

在又另一个示例中，振动装置布置在手持控制器中，并且振动装置被配置为产生用于手持控制器的效果。在进一步的示例中，振动装置布置在用户可穿戴的装置中，并且振动装置被配置为产生用于可穿戴的装置的触觉效果。在又另一个示例中，振动装置是用于在航点之间导航用户的导航装置的一部分。

附图说明

图1是示出适用于本发明的方面的多个不同波形类型的示意图。

图2示出具有相位差的一对振动曲线。

图3示出一对同相的振动曲线。

图4示出本发明的方面使用的线性运动振动致动器。

图5A-B示出根据本发明的方面的线性运动振动致动器的示例。

图6A-B示出根据本发明的方面的线性运动振动致动器的另一个示例。

图7A-B示出根据本发明的方面的线性运动振动致动器的进一步示例。

图8A-B示出根据本发明的方面的线性运动振动致动器的又另一个示例。

图9示出根据本发明的方面的线性运动振动致动器的进一步示例。

图10示出根据本发明的方面的振动装置。

图11示出根据本发明的方面的用于产生逆时针旋转的图10的振动装置。

图12示出根据本发明的方面的用于产生顺时针旋转的图10的振动装置。

图13示出根据本发明的方面的用于产生力的方向变化的图10的振动装置。

图14示出根据本发明的方面的采用非正交线性致动器的振动装置。

图15示出根据本发明的方面的采用用于产生三维力矢量的一组线性致动器的振动装置。

图16示出根据本发明的方面的游戏控制器。

图17示出根据本发明的方面的振动装置。

图18示出根据本发明的方面的另一个振动装置。

图19示出根据本发明的方面的用于产生合成扭矩的振动装置。

图20示出根据本发明的方面的用于产生合成扭矩的另一个振动装置。

图21示出根据本发明的方面的具有偏心块的旋转振动致动器。

图22示出根据本发明的方面的具有一对偏心块致动器的振动装置。

图23示出根据本发明的方面的偏心块致动器的同步振动。

图24A-C示出根据本发明的方面的枢转致动器。

图25A-C示出根据本发明的方面的另一个枢转致动器。

图26示出根据本发明的方面的利用一对弹簧装置的枢转致动器。

图27A-F示出根据本发明的方面的另一枢转致动器。

图28示出根据本发明的方面的采用旋转致动器的同步振动系统。

图29A-B示出根据本发明的方面的游戏控制器。

图30示出根据本发明的方面的摇摆致动器。

图31示出根据本发明的方面的振动系统。

图32示出根据本发明的方面的振动系统的控制。

图33示出根据本发明的方面的振动系统的控制。

图34示出根据本发明的方面的振动系统的控制。

图35示出根据本发明的方面的振动系统。

图36A-B示出根据本发明的方面的方程式参数和模式选择处理。

图37示出根据本发明的方面的触觉接口系统。

图38示出根据本发明的方面的另一个触觉接口系统。

图39示出根据本发明的方面的振动曲线的控制。

图40示出根据本发明的方面的振动致动器。

图41示出根据本发明的方面的另一个振动致动器。

图42示出根据本发明的方面的振动装置控制器。

图43示出根据本发明的方面使用的具有两个线性谐振致动器的振动装置。

图44示出根据本发明的方面的生成非对称的合成波形的具有相位偏移的两个同步正弦波的叠加。

图45示出根据本发明的方面的生成非对称波形的两个线性谐振致动器的振动周期中的时间步长。

图46示出根据本发明的方面使用的直接附接至彼此的两个线性谐振致动器。

图47示出根据本发明的方面使用的彼此线性附接的两个线性谐振致动器的可选示例。

图48示出根据本发明的方面使用的滑块-曲柄连杆机构的振动装置。

图49示出根据本发明的方面使用的具有n个LRA的振动装置。

图50示出根据本发明的方面的非对称脉冲序列。

图51示出根据本发明的方面的具有零直流的脉冲序列。

图52是根据本发明的方面的示出用于最大化非对称性的方法的流程图。

图53示出根据本发明的方面的波形非对称性的示例。

图54示出根据本发明的方面的波形非对称性的另一个示例。

图55示出根据本发明的方面的波形非对称性的进一步示例。

图56示出根据本发明的方面的同步三角波形。

图57示出根据本发明的方面的可以产生非对称扭矩的振动装置。

图58示出根据本发明的方面的用于一对线性力致动器的总体同步振动的控制器。

图59示出根据本发明的方面的具有检测运动块经过中点位置的时间的传感器的线性力致动器。

图60示出根据本发明的方面的附接至安装平台的传感器。

图61示出根据本发明的方面的使用传感器测量以更新命令的幅度、相位和／或频率的振动装置控制器。

图62示出根据本发明的方面的包括两组正交的LRA的振动装置。

图63示出根据本发明的方面的包括两组非正交的LRA的振动装置。

图64示出根据本发明的方面使用的ERM。

图65示出根据本发明的方面的使用任意数量的ERM的振动装置。

图66示出根据本发明的方面使用的具有四个ERM的振动装置。

图67示出根据本发明的方面的生成非对称波形的ERM的振动周期内的时间步长。

图68示出具有多个ERM对的振动装置的示例。

图69示出根据本发明的方面使用的一个示例中的具有四个垂直堆叠的ERM的振动装置。

图70示出根据本发明的方面的用于具有四个垂直堆叠的ERM的振动装置的非对称波形的时间步长。

图71示出具有在相同方向上旋转的两个ERM的振动装置。

图72示出根据本发明的方面的具有四个同向旋转的ERM对的振动装置。

图73A-B示出根据本发明的方面的具有以不同布置安装的两个ERM的振动装置。

图74示出根据本发明的方面的配置作为反作用轮的偏心块。

图75示出根据本发明的方面的具有交插的块的ERM对。

图76A-B示出根据本发明的方面使用的具有三个ERM的示例配置。

图77示出具有布置成行的三个ERM的另一个配置。

图78示出根据本发明的方面使用的具有传感器的ERM。

图79示出根据本发明的方面使用的具有反射式光学传感器的ERM。

图80示出根据本发明的方面使用的具有视线传感器的ERM。

图81示出根据本发明的方面使用的具有霍尔效应传感器的ERM。

图82示出根据本发明的方面使用的具有布置成行的四个ERM的振动装置。

图83示出根据本发明的方面使用的具有力的抵消的波形的时间步长。

图84示出具有共享相同的中心的两对ERM的振动装置。

图85A-B示出根据本发明的方面的具有不同厚度的交插的块的ERM对。

图86A-C示出根据本发明的方面的具有带有支撑轴承的交插的块的ERM对。

图87示出根据本发明的方面的具有视觉显示器的系统内的触觉反馈。

图88示出根据本发明的方面的具有视觉显示器的系统内的触觉反馈的另一个示例。

图89示出根据本发明的方面的具有传感器反馈的振动装置。

图90示出根据本发明的方面使用的运动装置。

具体实施方式

当参考下面的优选实施例和附图的描述考虑时，本发明的上述的方面、特征和优点将变得更明显，其中相同的附图标记表示相同的元件。

如本文所使用的，致动器是可以产生机械运动或力的装置。致动器可将能源转换为机械运动或力。能源可以为电源、气源、液压源或其他源。致动器的示例包括旋转电机和线性电机。电动致动器的示例包括直流电机、交流电机和步进电机。

术语“方向”包括轴线的方位，还称作矢量方向。与特定方向对齐的矢量可以在沿轴线的正方向或沿轴线的负方向上。如本文所使用的，术语“方向”可以区分圆周中的所有角度，例如0到360度。振动控制可以区分沿单个轴线的正方向和负方向。此外，本文中使用的术语“控制器”在一些情况下指的是游戏控制器，在其他情况下指的是致动器的实时控制器，例如微处理器或ASIC。

在本发明中，术语“总体同步的振动”指的是同步的控制，在一些情况下也指幅度的控制，多个振动力、扭矩、或力和扭矩的控制。这些振动力和扭矩的源可以为电磁力、静电力、磁力、弹簧力、惯性力(例如向心力)、压电力、气动力、液压力、或其他的力和扭矩源。这些振动力和扭矩的源可包括Thorsten A.Kern在2009年发表的文章“Engineering HapticDevices：ABeginner′s Guide forEngineers”(其全部公开内容通过引用明确地并入本文)中描述的那些源。这些振动力和扭矩可由单独的振动致动器产生或由产生多个力、扭矩、或力和扭矩的致动器产生。在总体同步的振动中，矢量地合成力、扭矩、或力和扭矩，以便它们在物体上产生合成力、扭矩、或力和扭矩。力和扭矩矢量的矢量合成还被称为叠加。总体同步的振动导致到物体上的合成振动力、合成振动扭矩、或合成的振动力和振动扭矩。施加在物体上的力也可在这个物体上施加扭矩。因此，除非另有明确规定，本文中对力的参考还应用到力和扭矩。

在本申请和任何完全包括的在本文确定的参考文献之间存在术语用法的差别的情况下，通过本发明中的使用决定不同术语定义的使用。

振动(或振动性的)致动器可以向物体施加重复的力。这些重复的力可以在每个重复期间的时间内重复类似的力曲线。示例包括具有偏心块的旋转电机，和前后移动块的线性致动器。这些致动器可为直流致动器、交流致动器、步进致动器或其他类型的致动器。振动致动器可在每个周期中重复类似的力曲线(波形)，或在周期之间可存在力曲线的变化。周期之间的变化可为幅度的变化、频率的变化、相位的变化或曲线形状的变化。

当在重复周期中产生力时，则可产生振动力。重复的力周期的曲线(还称为波形)可为正弦形状、三角波、方波或如图1所示的其他重复曲线。振动的频率描述振动周期是怎样频繁重复的。振动的频率f被定义为单位时间内振动的次数，并且经常用单位是周期每秒的赫兹表示。振动的周期T是以时间为单位的每个周期的持续时间。振动的频率和周期之间的数学关系由如下等式给出：

f=1／T    (1)

当满足如下条件时，振动力F在重复周期中：

F(t+T)＝F(t)    (2)

其中T为振动的周期，t为时间。

为了振动装置的目的，近似的振动周期是足够的，因此当满足如下条件时，振动被认为是在重复周期中：

F(t+T)≈F(t)    (3)

一个振动波形为正弦波形，其中振动力可由如下公式给出：

F(t)=Asin(ωt+φ)    (4)

此处，F(t)为作为时间的函数的力。A是力的最大幅度。ω是以弧度每秒为单位的振动的频率(频率以赫兹为单位，f=ω／(2π))。φ为以弧度为单位的振动的相位。当ωt=2π时，力曲线重复它本身。

振动致动器可在物体上施加重复的力。由于致动器的动态性，单个致动器可以同时以多个频率施加力。但是，本文中为了分析振动和描述振动装置的目的，致动器的运动的主频率是指具有最大动能分量的频率。

振动的周期可由一个振动周期的起点和下一个周期的起点之间消逝的时间来限定。由此，为了确定振动的周期，确定周期的起点是有用的。用于限定周期的起点的一种方法是限定曲线中具有最大幅度的点为周期的起点。图1为幅度随时间变化的曲线图10，其中示出正弦波12、三角波14、任意形状的曲线16以及方波18的振动曲线。这些曲线的每个的周期都规定为T。

正弦波12、三角波14和任意曲线的波16都在每个重复周期中具有唯一的最大幅度点，这个最大振幅点用于限定周期的起点。方波18在周期内不具有唯一的最大幅度点；在这个情况下，可以选择曲线上的重复点以规定周期的起点。在图1中，将方波18从低值转变为高值的点规定为周期的起点，并且用于限定重复曲线的周期。由此，可以表示为重复周期的任何曲线可以表示振动。

当信号的形状不由完全重复的曲线组成时，也可以确定振动的频率。周期的幅度的变化和周期曲线的形状的小改变仍然允许确定唯一的点作为周期的起点。只要可以确定曲线中的重复点，那么可以确定每个周期的起点、振动周期以及振动频率。

振动的相位限定振动周期开始的时间。两个振动波形之间的相位差被限定为一个波形的振动周期的起点和另一个波形的振动周期的起点之间的差异。如果两个曲线之间的振动相位存在非零的差异，那么周期的起点在时间上不一致。图2为幅度随时间变化的曲线图20，其中示出两个振动曲线22和24，它们间具有相位差Δ。相位差Δ可以时间为单位给出，如图2所示。可选地，对于正弦振动，振动相位也可以弧度为单位给出。当两个波形之间的相位差Δ为零时，则认为两个波形是同相的，如图3的幅度随时间变化的曲线图30所示。

只要可以确定周期的起点，就可确定振动的相位，即使当振动的幅度和频率在振动周期之间发生改变时。

同步振动的一个实施方式为通过两个或更多个振动波形的叠加而形成的振动力，其中波形的每个包括在时间上与另一个定期重复的其他波形的峰值相一致的峰值。在优选实施例中，波形的每个之间具有相同的频率和特定的相位差。叠加可优选地为力、扭矩、或力和扭矩的矢量和。典型地，这些振动波形的源是不同的振动致动器。经常地，在同步振动中，波形之间具有零相位差，由此振动波形为同相的且是同步振动的。如本文使用的，特定相位差可在0°和360°之间变化(包括0°和360°)。在一些实施例中，特定相位差为0°或180°。在同步振动中，各个振动波形可具有不同的幅度。图3示出同步的三角曲线的两个振动波形。这些波形都具有相同的频率，它们具有不同的幅度，并且波形是同相的。图3中的两个波形的最大幅度同时发生。

典型地，同步振动曲线具有类似形状的曲线。但是，还可以通过匹配振动的频率和规定波形之间的相位差，同步地振动具有不同形状的振动曲线的振动致动器。振动的相位和频率的匹配可近似地实现并且仍可导致同步振动。

通过将两个振动曲线加在一起，可以生成同步振动，其中第二个振动曲线的幅度是第一个振动曲线的幅度的倍数。这个倍数因子可为正数或者负数。

如果存在两个或更多个振动致动器，其中每个振动致动器的力的峰值幅度近似同时地重复发生，那么这些致动器是同相的且是同步振动的。力的峰值幅度可以在振动致动器或振动装置的坐标系的正方向或负方向上。因此，如果一个致动器的正峰值幅度和另一个致动器的负峰值幅度近似同时地发生，那么这些致动器是同相的并且是同步振动的。

图4示出示例性线性运动振动致动器100。如图所示，线性运动振动致动器100包括运动块102和底座104。运动块102相对于底座104前后线性运动。力可以从底座104施加到运动块102上并且以类似的方式从运动块102施加到底座104上。力转移可以例如通过磁力、弹簧力，和／或导螺杆力发生。根据本发明适合使用的线性致动器的示例在美国专利No.5,136,194和No.6,236,125以及发明名称为“Vibration Device”的美国专利申请No.11／325,036中进行了描述，其全部公开内容通过引用并入本文。

由于线性运动振动致动器100中的运动块102前后运动，在运动块102和底座104之间产生力。这些力可通过致动器100的底座104传递到致动器所安装至的物体(未示出)上。运动块102还可附接至致动器100的外部的物体，例如手柄(未示出)，并且可以将力直接传递到致动器100的外部的物体。

线性运动振动致动器100中的力可为磁力，例如通过音圈产生的。运动块102可包含例如永磁体、电磁体、铁磁材料，或这些的任何组合。磁力可在底座104与运动磁体之间产生，该磁力产生运动块104的加速度和运动。通过控制流经电磁体的电流，可以调节使用电磁体在线性运动振动致动器100中产生的力。

根据本发明的线性运动振动致动器100的一个实施例在图5A-B中示为线性运动振动致动器110。致动器110优选地包括：包含电磁体的运动块112，以及附接至底座114的永磁体116。如图5A的侧视图所示，运动块112的运动是沿着x轴的。永磁体116的磁化极性沿着x轴，如永磁体116上的南极和北极所示的。电磁体优选地配置为绕x轴缠绕的线圈。如图5B的端视图所示，在本实施例中，电磁体的形状期望为圆柱形的，永磁体116的形状期望为管状的，尽管电磁体和永磁体116可以具有任何其他配置。在这个实施例中，电磁体和永磁体116都可以具有邻近它们放置的铁磁材料以增强致动器110的力输出。

在这个实施例中，可以通过控制电磁体中的电流调节致动器110中的力。当电磁体中的电流流向一个方向时，磁力将朝致动器的一侧推动运动块112。相反地，当电磁体中的电流流向另一个方向时，运动块112将被推到致动器110的另一侧。增加电磁体中的电流的大小将增加施加到运动块112上的力的大小。

图6A-B示出根据本发明的线性运动振动致动器100的另一个实施例。此处，线性运动振动致动器120优选地包括：包含永磁体的运动块122，以及附接至底座124的电磁体126。如图6A的侧视图所示，运动块122的运动沿着x轴。永磁体的磁化极性沿着x轴，如永磁体上的南极和北极所示的。电磁体126优选地为绕x轴缠绕的线圈。如图6B的端视图所示，在这个实施例中，电磁体124的形状为管状的，永磁体的形状为圆柱形的。

在这个实施例中，电磁体124和运动块122的永磁体可以具有邻近它们放置的铁磁材料以增强致动器120的力输出。通过控制电磁体124中的电流可以调制致动器120中的力。当电磁体124中的电流向一个方向流动时，磁力将朝致动器120的一侧推动运动块122。相反地，当电磁体中的电流向另一个方向流动时，运动块122将被推到致动器120的另一侧。增加电磁体中的电流的大小可增加施加到运动块122的力的大小。

图7A-B示出与图6A-B所示实施例相类似的根据本发明的方面的线性运动振动致动器100的另一个实施例。此处，致动器130包括运动块132和底座134。运动块132优选地包括永磁体。电磁体136至少部分地围绕运动块132。电磁体136期望地与底座134连接。与致动器120不同，这个实施例中的致动器130优选地包括两端分别附接至底座134和运动磁体132的一个或多个弹簧138，如图7A的侧视图所示。弹簧138可操作用于在将运动块132回复至中心位置(例如，电磁体136的两端的中途)的方向上产生力。

弹簧138用于在致动器动力断开时保持运动块132靠近中心位置，并且在运动块132位于致动器130的行程的一端时提供回复力。可以选择弹簧138的刚度，以便致动器130的自然频率增加在期望的自然频率处的振动的幅度。这个弹簧效应可由单个弹簧、非线性弹簧、拉伸弹簧、以及压缩弹簧产生。可以在本发明中采用的许多弹簧配置在前述的美国专利申请No.11／325,036中进行了描述。

图8A-8B示出根据本发明的方面的线性运动振动致动器100的另一个实施例。这个实施例与图6A-B和图7A-B所示的实施例类似，因为致动器140包括：包含永磁体的运动块142、底座144、以及与底座144连接并至少部分地围绕运动块142的电磁体146。电磁体146可以为例如刚性地或半刚性地联接，以便振动力从致动器140传递到底座144，例如以使得用户能够感知振动力。在这个实施例中，一对永磁体148附接至底座并在任一端与运动磁体142可操作地相关联，如图8A的侧视图所示。永磁体148具有磁极(如图8A所示的N和S)，永磁体148被配置为排斥运动块142并且在将运动块142回复到中心位置的方向上产生力。永磁体148用于在致动器动力断开时保持运动块142靠近中心位置，以及在运动块142位于致动器140的行程的一端时提供回复力。

可以选择附接至底座144的永磁体148的尺寸，以便致动器140的自然频率增加在期望的自然频率处的振动的幅度。可以控制致动器140以便在操作的不同模式或时间期间选择一个或多个自然频率。相比于如图7A所示的使用弹簧138，如图8A所示的使用排斥的磁力在运动块142的运动永磁体上产生定心力可提供较小的摩擦，并由此可产生增加的致动器效率和平滑度。前述的“Vibration Device”专利申请中描述了适合用于本发明的使用永磁体以使运动块居中的大量配置。

还可以用于本发明的线性运动振动致动器的可选实施例包括使得运动块回复至致动器的运动范围的中心的弹簧和磁体中的任一个或其组合。

图9示出根据本发明的线性运动振动致动器100的进一步的可选实施例。这个实施例包括致动器150，致动器150与螺线管类似，因为它具有用于相对于底座154运动的铁磁运动活塞152。当电流流经线圈156时，活塞152被拉入电磁线圈156中。线圈156与底座154联接。铁磁端片158可位于线圈156内或线圈156的端部以增加致动器150的力输出。弹簧装置160可定位在端片158的对面。弹簧装置160优选地用于将活塞152缩出线圈156。如图9所示，线圈156的一端和弹簧160的一端都期望地固定至致动器150的底座154。线圈156和弹簧160可固定至单个底座的不同区域上，或者可以固定至联接在一起的单独的底座元件。可以接通或断开线圈156中的电流以产生振动力。

图10示出根据本发明的振动装置200的优选实施例。在这个实施例中，振动装置200优选地包括安装在其上的两个线性运动振动致动器，即致动器202和致动器204。致动器202包括运动块206，致动器204包括运动块208。振动致动器202、204以这样的方式附接至振动装置200：将力从振动致动器202、204传递到振动装置200。优选地，振动装置200具有与振动致动器202、204连接的外壳或底座(未示出)。

振动致动器202、204期望地以相对刚性的方式附接至振动装置的外壳或底座。刚性的附接为振动装置200提供共用的底座，来自振动致动器202、204的力施加在其上。在这个实施例中，两个致动器202、204安装为彼此成大约直角。致动器202产生的力示为力矢量F₁，来自致动器204的力矢量示为F₂。如本文所表示的，矢量和矩阵用粗体字表示，而标量不用粗体字表示。振动装置200产生的合成力为来自致动器202、204的振动力的矢量和，并且在图10中示为矢量F_combined。

通过振动致动器202和204施加到振动装置200上的合成力F_combined为来自每个致动器的振动力的叠加，并且是时间t的函数。力矢量F_combined(t)可通过以下的矢量方程给出：

F_combined(t)=F₁(t)+F₂(t)    (5)

其中F₁(t)为来自致动器202的作为时间的函数的力矢量，以及F₂(t)为来自致动器204的作为时间的函数的力矢量。

致动器202、204可以以振动的方式操作。对于正弦波振动的情况，致动器力可分别通过如下的等式给出：

F₁(t)=a₁A₁sin(ω₁t+φ₁)    (6)

以及

F₂(t)＝a₂A₂sin(ω₂t+φ₂)    (7)

其中，A₁和A₂为各个振动的幅度，a₁和a₂为与各个振动的方向相对应的单位矢量，ω₁和ω₂为各个振动的频率，φ₁和φ₂为各个相位角，t为时间。使用每个致动器还可以实现其他曲线的振动，包括方波、三角波、以及其他曲线。

在图10所示的示例中，致动器202与y轴对齐，因此单位矢量a₁表示为：

$a_1=\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

单位矢量a₂与x轴对齐，并且表示为：

$a_2=\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]---\left(9\right)$

通过来自致动器202和204的力的叠加给出合成力矢量F_combined，由此通过如下的等式给出合成力矢量F_combined：

F_combined(t)=a₁A₁sin(ω₁t+φ₁)+a₂A₂sin(ω₂t+φ₂)    (10)

可以以这样的方式振动图10中示出的致动器202和204：致动器202和204是同相的且同步振动的。在这种振动下，将存在单个振动频率ω和单个相位φ。因此，可通过如下的等式给出F_combined：

F_combined(t)=[a₁A₁+a₂A₂]sin(ωt+φ)    (11)

通过这种同相和同步振动，振动是同步的，那么来自两个线性运动振动致动器的峰值力将在每个振动周期的同一瞬间发生。振动力的净方向为[a₁A₁+a₂A₂]的矢量合成。因此，在同步振动和同相振动中，振动装置以特定的频率在特定的方向上产生由来自装置中的每个致动器的力的大小和方向的矢量合成产生的振动力。可以控制每个线性运动振动致动器中的振动的大小，从而控制F_combined的振动的净方向。

在优选示例中，每个致动器的振动频率ω、相位φ和波形是基本相同的。例如，ω₂可以设置为与ω₁基本相等，φ₂可以设置为与φ₁基本相等。仅仅作为示例，ω₂可以设置为在ω₁的值的10％之内，更优选地，在ω₁的值的5％之内。类似地，仅仅作为示例，φ₂可以设置为在ω₁的值的10％之内，更优选地，在φ₁的值的5％之内。在另一个示例中，频率和／或相位可以设置为正好彼此相等。可选地，每个致动器的频率、相位、和／或波形可以设置为使得用户不能注意到频率、相位或波形的差异。在进一步的可选方案中，如果振动装置用于触觉应用中以对用户生成力感知，可能发生可能不被用户检测到或被不能够被用户明显地感知到的小变化。在其他情况下，触觉应用或振动式给料器应用中的力感知可时刻变化，以便触觉应用中的用户性能或振动式给料器的性能不会显著地改变。

还可以将等式11应用到任意形状的振动曲线／波形。此处，波形p(t)可用于表示时间t内的波形形状。振动的周期可以用p(t)=p(t+n T)来表示，其中n=1，2，3等，T为振动的周期。在这种情况下，任意形状的同步振动曲线可表示为：

F_combined(t)=[a₁(t)A₁(t)+a₂(t)A₂(t)]p(t)    (11.1)

当每个致动器的振动力的方向相对于底座元件基本不变时，任意形状的同步振动曲线可表示为：

F_combined(t)=[a₁A₁(t)+a₂A₂(t)]p(t)    (11.2)

为了说明可以如何控制F_combined的方向，在图10和11中，通过每个致动器202和204内的运动块206和208的位置表示峰值幅度A₁和A₂。在图10中，致动器202和致动器204期望地以相同的幅度振动，相应的F_combined位于致动器202和204之间的大约45度角处。

通过改变致动器202、204中的振动力的大小，变得可以控制合成力效果的振动方向。在图11中，致动器202以通过致动器202的行程极限的端部处的运动块206的峰值位置说明的峰值幅度振动。但是，致动器204以通过更靠近致动器204的行程极限的中间的运动块208的峰值位置说明的较低峰值幅度振动。在图11中，还通过较短长度的矢量F₂说明较低峰值力。合成力F_combined的方向为F₁和F₂的矢量相加的结果，图11中说明的振动的合成力F_combined的方向相对于图10中示出的方向逆时针地旋转。

以类似的方式，如图12所示，合成力的方向可以在顺时针方向上旋转。图12中说明的振动情况示出相对于图10减小的致动器202的振动的峰值幅度，而致动器204的峰值幅度保持是高的。在这种情况下，F₁和F₂的矢量相加产生相对于图10所示的方向顺时针旋转的图12中的F_combined。

还可以将F_combined的方向改变至相邻象限。如图13所示，相对于图10所示的正x方向，F₂的符号已经改变为在负x轴的方向上。通过改变上述等式11中A₂的符号可以实现F₂的符号的改变。需要注意的是，通过将致动器204的振动限定为与致动器202成180度的相位差可以实现合成力方程的类似表示。但是，改变致动器振动幅度的符号保持等式11所示的同步振动的等式的形式。因此，可以表示为失相180度的振动也可以表示为同相振动，但是具有负振动幅度。

图14示出根据本发明的振动装置的可选实施例。此处，振动装置210包括具有各自的运动块216和218的第一致动器212和第二致动器214。图14表示二维实施例，其中两个线性运动振动致动器212、214与xy平面对齐。在这个实施例中，致动器212、214不必彼此正交。A₁和A₂分别为致动器212和214的振动幅度，而a₁和a₂分别为规定致动器212和214的振动方向的单位矢量。

单位矢量a₁表示为：

$a_1=\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\α}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right]---\left(12\right)$

其中，如图14所示，角度α描述致动器1相对于x轴的方位。单位矢量a₂表示为：

$a_2=\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\β}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\β}\right)\end{array}\right]---\left(13\right)$

其中，如图14所示，角度β描述致动器2相对于x轴的方位。

对于给定的振动波形，来自图14中的致动器212和214的力矢量的最大幅度F_1,max和F_2,max可以通过如下等式给出：

F_1,max=A₁a₁    (14)

F_2,max=A₂a₂    (15)

当致动器212和214同步且同相地振动(例如具有相同的频率和零相位差)时，最大的力幅度同时发生。因此，通过力矢量的叠加给出最大合成力矢量F_combined,max，表示如下：

F_eombined,max=F_1,max+F_2,max    (16)

可以建立致动器方向的矩阵D_L，其中它的列的每个为与振动装置中的线性运动振动致动器的振动方向相对应的单位矢量。对于具有两个线性运动振动致动器的振动装置(例如图14所示的振动装置)，矩阵D_L表示如下：

D_L=[a₁|a₂]    (17)

其中，a₁和a₂为列矢量。

合成力的矩阵表示如下：

$F_{\mathrm{combined},\max }=D_L\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\end{array}\right]---\left(18\right)$

其中，A₁和A₂为标量。对于在平面中振动的情况，矢量A₁和A₂将为2×1的矢量，矩阵D_L将为2×2的矩阵。

当方向矩阵D_L是可逆的时，与期望的合成力矢量F_combined相对应的各个致动器中的振动的幅度表示为：

$\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\end{array}\right]=D^{-1}\mathrm{Fcombined}---\left(19\right)$

当致动器正交地对齐时，方向矩阵D_L是正交矩阵，并且如下所示，它的逆矩阵可以通过它的转置矩阵给出：

D^-1=D^T    (20)

当因为振动致动器比被控制的力的方向多而使得方向矩阵D_L是不可逆的时，可以使用矩阵D_L的伪逆。例如，如果在xy平面内存在三个振动致动器，而控制目标仅为控制二维力，矩阵D_L表示为：

D_L=[a₁|a₂|a₃]    (21)

其中，a₁、a₂、a₃是2×1的列矢量。

Wellesley-Cambridge出版社2003年出版的Gilbert Strang所著的“Introduction to LinearAlgebra”第三版中描述了伪逆，其全部公开内容通过引用并入本文。

计算伪逆矩阵D_L ⁺的一种方法通过如下的等式给出：

D_L ⁺=D_L ^T(D_L D_L ^T)^-1    (22)

在这种情况下，每个致动器振动的幅度可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\\ A_3\end{array}\right]=D_L^{+}\mathrm{Fcombined}---\left(23\right)$

按照振动的方向和幅度可以规定合成力矢量F_combined。如图14所示，对于二维的实施例，振动的合成幅度可通过标量A_combined规定，振动的方向可通过角度theta规定。在这个二维的实施例中，F_combined可表示为：

$F_{\mathrm{combined}}=A_{\mathrm{combined}}\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{theta}\right)\\ \sin \left(\mathrm{theta}\right)\end{array}\right]---\left(24\right)$

因此，可以看出，根据振动的方向theta、振动的合成幅度A_combined和方向矩阵D_L可以通过如下的等式表示振动的幅度A₁和A₂：

$\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\end{array}\right]=D_L^{-1}\mathrm{Acombined}\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{theta}\right)\\ \sin \left(\mathrm{theta}\right)\end{array}\right]---\left(25\right)$

等式25提供A₁和A₂的标量大小。当A₁的符号与A₂的符号不同时，使用Eq.Avec的结果可直接生成振动波形。可选地，使用A₁和A₂的绝对值可以生成波形，但是一个波形与另一个波形完全失相。当正弦波之间的相位差为180度时，限定其为完全失相的。当一个波形的振动的最大正向幅度伴随着另一波形的最大负向幅度时，限定总体波形为完全失相的。图13示出完全失相地振动的两个致动器的描述。完全失相地振动的两个致动器也被认为是同步振动的。

如图14所示，根据单位矢量a_combined还可以规定振动的合成方向。矢量F_combined可表示为：

F_combined=A_combined x a_combined    (26)

如图15所示，根据本发明的方面的另一个配置为三维配置，其中存在至少3个线性运动振动致动器。

在图15的振动装置220中，致动器222、224和226各自分别包括运动块228、230和232。致动器222、224和226优选彼此正交且与xyz坐标系对齐。在可选的三维实施例中，致动器不必彼此正交；但是致动器的力矢量跨越三维矢量空间。通过这个可选方案，可以产生任意方向的三维力。在三维的情况下，可以通过3×1的单位矢量a_combined规定振动的合成方向。三维合成力可通过与二维的情况相同的等式给出，如下所示：

F_combined＝A_combined x a_combined    (27)

其中，a_combined和F_combined为三维矢量。

根据本发明的振动装置可包括在任意位置和方位的任意数量的致动器。

图16示出具有一对致动器242和244的振动装置240。致动器242和244分别包括运动块246和248。在这个实施例中，振动装置壳体250被配置为用于计算机或视频游戏的手持游戏控制器。线性运动振动致动器242被示为位于左手柄中，线性运动振动致动器244被示为位于右手柄中。致动器242和244不需要正交也不需要在相同的平面内。

图17示出根据本发明的振动装置的另一个可选实施例，其中振动装置260包括第一线性运动振动致动器262和第二线性运动振动致动器264。如图所示，致动器262、264的一个位于另一个之上。这种配置的优点在于，致动器262、264几乎不产生绕振动装置260的中心的扭矩，这在一些振动应用中可能是被期望的。

在图17的变型中，图18示出具有两个彼此垂直设置的线性致动器272和274的游戏控制器270。致动器272和274优选地刚性安装至游戏控制器的箱体276上。致动器272和274可以安装在任意角度的平面内；但是，它们优选地安装在箱体276的水平面内。致动器272和274不必必须一个位于另一个之上；而是它们可附接至相同的刚性体，例如游戏控制器的箱体276。当然，可以附接三个或更多个线性致动器至箱体276，优选地彼此成直角以产生跨越箱体276的三维空间的力矢量。而且，所述致动器不是必须彼此成直角。可期望地，致动器相对于彼此定位为具有不同的方位。

图19示出根据本发明的振动装置的进一步实施例。此处，振动装置280包括方位上对齐但间隔开距离D的两个线性运动振动致动器282和284。致动器282包括运动块286，致动器284包括运动块288。致动器282、284可以这样振动：当致动器284中的运动块288具有沿y轴的正极限时，致动器282中的运动块286位于沿y轴的负极限处。以这种方式，当两个致动器282、284以同步的方式振动时，产生合成扭矩。在一个示例中，图19所示的实施例可被操作为使得运动块286和288在同步时在相同的方向上运动，从而产生沿y轴的合成力。以这种方式，如图19所示的配置可用于产生合成扭矩、合成力、或力和扭矩的组合。

图20示出根据本发明的方面的振动装置290的可选实施例。此处，在xy平面上定位各自具有运动块的三个线性运动振动致动器292、294和296。在这个实施例中，可以产生合成力和合成扭矩。通过调节每个致动器292、294和296中的振动幅度，还可以单独地控制合成力和扭矩。合成扭矩和力是每个致动器产生的力和扭矩的叠加。由于存在可以单独控制的三个致动器，沿x轴的力、沿y轴的力和绕xy平面上的选择点的扭矩的分量都可被单独地调节。

在本文描述的振动装置的实施例中，振动致动器可以刚性的、半刚性的或非刚性的方式附接至振动装置。即使振动致动器以非刚性的方式附接至振动装置时，振动装置仍可操作用于传递来自所有的振动致动器的力的叠加。当振动致动器以刚性的方式附接至振动装置时，通过振动装置施加的合成力变得较少地取决于振动装置将力和扭矩传递到其他物体的位置。此外，振动致动器和振动装置之间的附接越刚性，在振动装置的所有点处的力叠加的时间越一致。

在一个示例中，可将致动器直接附接在人的手或身体上，例如美国专利No.6,275,213和No.6,424,333所示。在致动器直接附接至或间接联接至手或身体的本发明的使用中，在身体的不同位置可以直接感受到来自每个致动器的振动力，但是通过同步致动器的操作，仍可在身体上施加同步的合成力矢量。

根据本发明的振动装置可由旋转振动致动器以及线性运动振动致动器形成。在一些情况下，制造旋转振动致动器的成本小于制造线性运动振动致动器的成本。因此，如果成本是一个因素，可以期望利用旋转振动致动器替代线性运动振动致动器或者利用旋转振动致动器与线性运动振动致动器的组合。但是，为了使用旋转振动致动器生成同步振动，必须控制致动器的旋转位置以及旋转速度。

例如，旋转振动致动器可包括：直流电机、旋转螺线管、旋转步进电机、伺服电机或其他类型的旋转致动器。旋转致动器的一个优点是它们的相对低的成本。伺服电机使用位置传感器和／或速度传感器以反馈。在一些情况下，旋转步进电机可能是更被期望的，因为它允许在不使用传感器的情况下的位置和速度的控制。

图21示出适用于本发明的旋转振动致动器300。致动器300包括沿轴306与旋转致动器304联接的偏心块302。随着旋转致动器304旋转，在与偏心块302对齐的径向上产生离心力，如图21中通过矢量CF所示。

许多现有的振动器利用具有偏心块但是不同步振动的旋转振动致动器。根据本发明，可以配置一对旋转振动致动器以实现与运动的单个方向对齐的振动力。因此，当需要特定方向上的振动力时，可以使用一对这种旋转致动器。

例如，仅仅作为示例，可以使用在相反方向上旋转的两个旋转振动致动器形成根据本发明的振动装置，如图22所示。如图所示，振动装置310包括各自分别具有偏心块316和318的一对旋转振动致动器312和314。致动器312优选地顺时针旋转，致动器314优选地逆时针旋转。在所示出的方位中，来自两个致动器的离心力矢量与y轴对齐，并且彼此叠加以产生y方向上的合成力矢量CVF。

使用旋转振动致动器，可以与使用线性运动振动致动器描述的同步振动相似的方式产生同步振动。使用旋转振动致动器，在两个旋转致动器在近似相同的平面内以相同角速度在相反方向上旋转的情况下，以及在控制致动器之间的相对角度以使得致动器离心力矢量重复地在期望的振动力的方向上对齐的情况下，产生同步振动。

使用一对旋转(或摇摆)振动致动器，通过控制离心力矢量变得对齐的角度，可以控制振动力的方向。因此，可以与如何使用多个线性振动致动器控制合成力的方向类似的方式控制使用旋转致动器的合成力的方向。

图23示出关于图22描述的两个旋转振动致动器的实施例，其中控制致动器在多个位置同步振动。如图23所示，合成力矢量CFV保持在y轴，并且它的幅度根据致动器的旋转位置而改变。当来自两个旋转致动器的离心力对齐时，出现最大合成力矢量。

适合用于本发明的可选类型的旋转致动器为具有枢转块的旋转致动器。图24A-C示出示例性枢转致动器400的各个正视图、侧视图和仰视图，枢转致动器400包括可操作用于相对于旋转致动器404枢转的块402。块402通过轴406与旋转致动器404连接。块402的质心可以位于块402的主体上的任何位置。因此质心可以与旋转轴线同心或偏心。枢转致动器400可配置为以与上面讨论的旋转振动致动器相类似的方式起作用。

如图25A-C所示，旋转致动器404可附接至支撑件408，支撑件408可再与另一个物体(未示出)连接。优选地，弹簧装置410将枢转块402联接至支撑件412，支撑件412可为与支撑件408相同的或不同的支撑件。图25A示出当弹簧装置410处于休息状态、枢转块402处于中心位置时的枢转致动器400。

块402可以顺时针或逆时针的方式枢转。图25B示出逆时针操作。此处，弹簧装置410处于压缩状态。在如图所示的实施例中，弹簧装置410受到主要是线性的并向图的右手侧施加的压缩力。图25C示出块402的顺时针操作。此处，响应于主要是线性的并向图的左手侧施加的力，弹簧装置410处于非压缩状态。

如图25A-C所示，使用枢转致动器400，可以产生振动力和／或扭矩。可以激活枢转致动器400以使得枢转块402首先顺时针枢转然后逆时针枢转，反之亦然。随着枢转块402前后摆动，弹簧装置410在它通过支撑件408所附接的物体上生成振动力、扭矩、或振动力和扭矩。以这种方式，如果枢转块402具有与旋转轴线同心的质心，那么枢转块402可以用于产生振动扭矩。还以这种方式，如果枢转块402具有与旋转轴线偏心的质心，那么枢转块402可以用于产生振动力。

通过前后移动块，可以产生振动力和／或扭矩。可以将振动波形的起点限定为块反转它的运动方向的瞬间。对于线性致动器，方向的反转是平移的反转。对于旋转致动器，方向的反转是旋转的反转。一般地，致动器内的块的运动的反转可包括平移和旋转。

在具有附接至运动块的弹簧装置的致动器中，可以在弹簧装置中建立能量，特别是当块靠近于块和弹簧系统的自然频率前后移动时。在这种情况下，最大振动力可以在弹簧装置的最大变形处发生，当块达到它的最大偏移并反转它的方向时，弹簧装置发生最大变形。因此，以同步振动的方式操作的两个(或更多个)致动器中的运动块可以几乎同时地反转方向。

用于产生振动的可选方法是：在顺时针(或逆时针)方向上操作枢转致动器400，然后使枢转致动器400停止作用，同时允许弹簧装置410在逆时针(或顺时针)方向上旋转枢转块402。这种方法允许使用枢转致动器以及控制只在单个方向上操作的电路。

图26示出枢转致动器400的变型，即枢转致动器400’，枢转致动器400'期望地包括枢转块402，枢转块402可操作用于相对于旋转致动器404枢转，并且通过轴406与旋转致动器404连接。如上所述，旋转致动器404可附接至支撑件408，支撑件408可再与另一物体(未示出)连接。优选地，第一弹簧装置410a将枢转块402与第一支撑件412a联接，第二弹簧装置410b还将枢转块402与第二支撑件412b联接。支撑件412a和412b可为单个支撑件、物理连接的单独的支撑件、或者物理上分离的支撑件。支撑件412a、b的一个或两个可以是与支撑件408相同的或不同的支撑件。

可以采用的一种类型的枢转致动器400为直流电机。但是，不是直流电机的所有部件都是这个应用所必需的，因为输出轴不是连续地旋转。因此，不必具有电机电刷，这可减少成本以及电力损失和摩擦损失。在优选的示例中，枢转致动器400可基本包括定子和转子。定子可以是静止的并且期望地包含永磁体和／或电磁体。转子可操作用于枢转并且可以包含永磁体和／或电磁体。定子和转子中的磁体的极性可以配置为使得电磁体的激活引起将施加到旋转块402上的电磁扭矩。

在图25A-C的实施例中，弹簧装置410配置为以基本线性的方式操作。但是，为了使用小型的致动器产生大量级的振动力，可以有利地利用系统的谐振。图25A-C所示的实施例具有块和弹簧，由此具有谐振频率。如果以这个谐振频率(或接近这个谐振频率)激发致动器，可以建立大幅度的振动。但是，可以期望在频率范围内操作振动装置。如前述的“Vibration Device”专利申请中所讨论的，使用非线性弹簧力，装置可以具有可变的谐振频率。因此，可以在振动装置中使用非线性弹簧以在频率范围内实现较大幅度的振动。

即使使用线性弹簧元件，也可以产生非线性弹簧力。考虑图27A中示出的实施例。此处，枢转致动器420具有可操作用于相对于旋转致动器424枢转的块422。块422通过轴426与旋转致动器424连接。旋转致动器424可附接至支撑件427，支撑件427可再与另一个物体(未示出)连接。优选地，弹簧装置428将枢转块422与支撑件427'联接，支撑件427’可以是与支撑件427相同的或不同的支撑件。

如图27A所示，弹簧装置428期望地与枢转块轴线成一直线地放置。当枢转块422绕中心位置小量地旋转时，弹簧装置428发生非常小的拉长。因此，有效的弹簧常数是低的，谐振频率是低的。

在一些情况下，例如在有低频效果的游戏中，期望低频率操作。例如，游戏可在200赫兹以下的范围内(例如15到150赫兹之间)生成动作或事件。在某些情况下，动作或事件可低到20-50赫兹或更低，例如大约10-20赫兹。这种动作／事件的示例包括射击、汽车相关的声音(例如失控的汽车旋转)、以及直升机相关的声音(例如转子叶片的呼呼声)。偏心块致动器可能不适用于在这种频率范围内生成触觉感知，但枢转致动器或线性致动器可产生这种频率。

如图27B和图27C所示，随着枢转块422的旋转的幅度增加，弹簧装置428的拉长增大。因此，对于较大幅度的旋转，有效的弹簧常数更高，系统的自然频率更高。当使用非线性弹簧力时，为了快速地加大振动幅度，可以改变激发频率，以便它总是与振动装置的自然频率相匹配。

图27D示出具有旋转块432的旋转致动器430，旋转块432通过轴436与旋转致动器434连接。旋转致动器434期望地与支撑件437联接，支撑件437可再与另一个物体(未示出)连接。在这个可选方案中，弹簧装置(例如扭簧438)附接在旋转块432与旋转致动器434之间。如图所示，扭簧438的一端或柄脚439a附接至旋转块432，另一端或柄脚439b附接至支撑件437(或者，可选地，附接至旋转致动器434自身)。可以采用扭簧438，因为这种弹簧装置允许旋转块432相对于旋转致动器434和支撑件437大角度地旋转。

图27E和图27F示出另一旋转致动器，即旋转致动器440。旋转致动器440包括其中具有狭槽443的旋转块446、旋转致动器444、以及将旋转块442与旋转致动器444相联接的轴446。旋转致动器444期望地与支撑件447相联接，支撑件447可再与另一个物体(未示出)连接。在这个实施例中，狭槽443中持有销445。弹簧装置448的一端或柄脚449a与销445相联接。弹簧装置448的另一端或柄脚449b与支撑件447'相联接。支撑件477'优选地与支撑件447不同，或者可选地，优选地为支撑件447的与旋转致动器相联接的部分不同的部分。

图27E示出处于“休息”位置的弹簧装置448。图27F示出处于“压缩”位置的弹簧装置448。此处，仅仅作为示例，旋转块442可以在顺时针方向上旋转。随着旋转块442旋转，销445相对于狭槽443移动，但是弹簧装置448保持在相对于支撑件447'基本相同的方位。以这种方式，随着运动块442旋转，施加到固定的支撑件447’的力保持在相对相同的方向上。在狭槽443和销445之间可以包含间隙，间隙将在从弹簧装置448的休息位置延长或压缩弹簧装置448之前允许轴446的一些旋转。间隙将在旋转块442上产生非线性力效果，这可以帮助增加振动的幅度。间隙将允许轴446更快速地达到较高的速度以及允许旋转致动器440更快速地建立旋转惯性。

虽然上面已经描述了可以用于本发明的一些类型的致动器，还可以使用其他类型的致动器，只要可以如本文所描述地控制它们即可。例如，可以单独地或与其他类型的致动器相结合地采用没有单独的或不同的“运动”和“静止”块的压电装置，从而以上述的方式施加振动力。

图28示出同步振动系统450，同步振动系统450可包括两个振动装置452和454，例如图24A-C、图25A-C、图26和／或图27A-F的任一个振动装置。当然，可以提供多于两个振动装置。振动装置452和454优选地以如图所示的基本正交的方式安装至底板456上，尽管正交不是必需的。振动装置452优选地为期望具有在底板456上施加主要水平的力的弹簧装置458的水平振动器。振动装置454优选地为期望具有在底板456上施加主要垂直的力的弹簧装置460的垂直振动器。只要不同的振动装置的振动力的方向不是对齐的，可以使用如本文以及前述的“Vibration Device”专利申请中描述的同步振动方法，控制振动的合成方向。

本发明的可选实施例包括振动平面不同的两个旋转振动致动器；但是，在这种情况下，两个平面不是彼此正交的。在这个实施例中，可以投影到另一个致动器的平面上的一个致动器的离心力的分量可以用于实现同步振动的分量。

在一个示例中，如图29A所示，可以将两个或更多个振动装置安装到游戏控制器中。此处，游戏控制器470包括分别安装在壳体476的右手柄和左手柄中的一对振动装置472和474。振动装置472和474的振动方向优选地不对齐，由此可以使用本文讨论的同步振动方法控制振动的方向。

存在可以用于实现同步振动的实施例的旋转致动器和弹簧的很多方位。例如，两个致动器的旋转轴线可以是对齐的，而弹簧方向可以改变，允许用于同步振动的可选配置。图29B示出具有在壳体486内的一对振动装置482和484的游戏控制器480，两个旋转致动器中的旋转轴的轴线是对齐的，但是弹簧力是不对齐的。

图30示出与旋转振动装置和枢转振动装置类似的又另一个变型。此处，摇摆致动器490优选地包括绕轴494可旋转的摇摆锤492。期望地，摇摆锤492的一端通过第一弹簧装置496a与第一支撑件498a可操作地联接。摇摆锤492的相同端还可期望地通过第二弹簧装置496b与第二支撑件498b可操作地联接。支撑件498a和498b可以为单个支撑件、物理连接的单独的支撑件、或物理分离的支撑件。摇摆致动器490可以以上述的任何配置实施在装置(如游戏控制器)中。

用于一对旋转振动致动器的同步振动的控制器规定每个旋转轴的角位置，以便离心力矢量对齐的角度是力振动的期望方向，增加角位置，以便旋转速度与期望的振动频率相匹配。

图31示出具有用于一个或多个振动装置的控制器的系统500，一个或多个振动装置使用线性运动振动致动器。振动装置控制器502规定期望的振动效果，一个或多个驱动电路504a、504b......504N为致动器506a、506b......506N提供必需的功率。虽然每个致动器506被示为由单独的驱动电路504提供功率，多个致动器506可以由单个驱动电路504驱动。

仅仅作为示例，控制器502可以为微处理器，驱动电路504可以为例如一个或多个电气放大器。控制器502和驱动电路504可以集成到单个微处理器或单个电路中。这个图中的控制方法是用于N个致动器的配置，其中N是致动器的任意数量。示出本申请中的各种控制方法的一些图仅示出两个致动器。但是，需要理解的是根据本发明的控制方法可以扩展为包括任意数量的控制器，如图31所示。

图32示出用于两个致动器的控制方法。此处，控制器502规定每个致动器506的期望的振动幅度A、频率f以及相位p。致动器506a的幅度、频率和相位(A1，f1，p1)可与致动器506b的幅度、频率和相位(A2，f2，p2)不同。期望的振动力的曲线／波形可为正弦波、方波、三角波或其他曲线，例如上面关于图1所讨论的。由于驱动电路504a和504b以及致动器506a和506b的动态性，致动器506a和506b的实际振动曲线／波形可与期望的振动曲线不同。

图33示出致动器506a和506b的振动频率f相同的控制方法。图34示出致动器506a和506b的振动频率f和振动相位p相同的控制方法。在这个实施例中，致动器506a和506b期望地被同步驱动，以便两个致动器506a和506b的振动的峰值幅度几乎同时地出现。致动器506a和506b的振动幅度可以不同。

图35示出根据本发明的控制实施例，其中振动装置控制器502包括内部的方向和幅度控制器508、内部的频率控制器510以及内部的振动控制器512。方向和幅度控制器508期望地规定合成振动幅度A_combined和振动方向theta。频率控制器510期望地规定振动频率f。振动控制器512使用theta，A_combined，和f的输入来输出振动指令至单独的致动器506a和506b。振动控制器512可操作用于输出各种波形，包括正弦波、方波、三角波或本文讨论的其他曲线。

图35中示出的振动装置控制器502的输出为每个驱动电路504a、504b提供作为时间的函数的振动的幅度。在振动的曲线为正弦波的情况下，通过如下的等式给出作为时间的函数的每个致动器的振动幅度：

$\left[\begin{array}{c}{A}_1\left(t\right)\\ A_2\left(t\right)\end{array}\right]=D^{-1}\mathrm{Acombined}\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{theta}\right)\\ \sin \left(\mathrm{theta}\right)\end{array}\right]\sin (\mathrm{\ωt}+p)---\left(28\right)$

此处，t为时间，ω为以弧度每秒为单位的振动频率。参数p为振动的相位并且可被设置为零。根据每秒的振动次数的频率f给出ω的值：ω=2πf。

当振动致动器具有指令幅度和振动幅度之间的线性关系时，等式28的输出A₁(t)和A₂(t)可直接应用到振动致动器以生成与角度theta相对应的合成振动方向。但是，一些振动致动器可能具有指令幅度和振动幅度之间的非线性关系。对于这种非线性致动器，可以通过使用调节A₁和A₂的大小以补偿致动器的非线性的线性化函数来产生方向theta的振动，如以下的等式所示：

$\left[\begin{array}{c}{A}_1\left(t\right)\\ A_2\left(t\right)\end{array}\right]=\mathrm{linearization}\_\mathrm{function}\left\{D^{-1}{A}_{\mathrm{combined}}\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{theta}\right)\\ \sin \left(\mathrm{theta}\right)\end{array}\right]\sin (\mathrm{\ωt}+p)\right\}---\left(29\right)$

上述的线性化等式可以为查找表或缩放算法或其他类型的函数。

在一段时间内控制振动方向的能力(例如通过使用等式28和29)是本发明的一个重要优点。控制振动方向的能力可以用于振动式给料器中以将部件引导至期望的方向。此外，使用本文所述的用于触觉装置的发明，存在很多优点。

图36A示出系统550，其中示出用于一对线性致动器的幅度、相位和位置(或时间)的多个输入参数的输入。计算机552接收参数的输入，优选地使用计算机键盘(未示出)输入参数；但是，还可以使用图形用户界面、模拟电位器或本领域的技术人员普遍已知的很多其他器件输入参数。然后使用计算机552计算用于线性致动器554a和554b的适当的输出波形。每个波形优选地是独立的。虽然可以使用模拟计算机进行计算，但是数字计算机是优选的。

如果使用数字计算机，那么用于每个致动器554a、554b的数字输出优选地输进各自的数模(“DAC”)转换器556a和556b中，数模转换器556a和556b将输出转换成适当的模拟波形。然后将模拟波形输进适当的驱动电路558a和558b。本领域的技术人员可以使用其他器件调制每个致动器554a和554b的线性振动，例如通过脉宽调制(“PWM”)。改变参数为终端用户产生极宽范围和丰富的一组触觉感知。

除了产生变化的力效果，还可以控制振动的方向，即，振动的方向可保持静止。产生的力效果可具有比振动频率低的频率。

还存在用于从简单的参数生成振动的精确图案的有用应用。这种图案包括圆、椭圆和直线。此外，可以随着时间精确控制地控制图案的幅度和持续时间。而且，可以如期望地生成图案序列。

图36B示出系统550，其中各个输入参数的输入包括用于使用复合振动的振动装置的图案数量、幅度、持续时间和启动时间的输入。优选地使用计算机键盘输入参数。然后在计算机552中计算用于每个线性致动器的适当的输出波形。如上所述，然后将用于每个致动器554a和554b的数字输出输进用于将数字输出转换成适当的模拟波形的数模转换器556a和556b。然后将波形输进驱动电路558a和558b。再次，不同的参数为终端用户产生极宽范围和丰富的一组触觉感知。

根据本发明的本文描述的每个振动装置可以用作触觉接口。触觉接口为用户提供力感知。触觉接口包括电脑游戏控制器、机器人控制器、外科工具控制器、以及为用户提供力感知的其他装置。

图37示出具有触觉接口应用的本发明的实施例600。在这个实施例中，系统控制器602为触觉接口604提供力指令，其中触觉接口604产生引起用户606的力感知的力。系统控制器602可为微处理器、中央处理单元、ASIC、DSP、游戏控制器、模拟控制器或其他类型的控制器或其任何组合。用户606可以向触觉接口604输入作为用户指令传输回系统控制器602的指令。可以通过按压按钮、移动控制杆、以各种等级的力挤压触觉接口、移动触觉接口、向触觉接口上施加力和扭矩以及通过其他方式输入用户指令。

在图37所示的实施例中，优选地存在从系统控制器602接收图像指令并向用户606显示视觉图像的图形显示器608。例如，图形显示器608可以为计算机监视器、电视监视器、LCD显示器、等离子显示器、光源的组合、或用于生成图像的其他类型的器件。触觉接口应用也可在没有图像显示器608的情况下实施。

触觉接口应用可以包括对用户606的虚拟环境的模拟或真实环境的表示。系统控制器的控制方法可基于这个真实或虚拟环境。典型的模拟环境包括游戏、驾驶和飞行模拟、外科手术模拟、和其他类型的模拟。典型的真实世界环境包括机器人和远程机器的控制、长距离交互、和其他类型的环境。经常期望的是，触觉接口提供与真实或模拟环境(其中使用触觉接口)相互关联的力感知。

图38示出具有触觉接口应用的另一个实施例620。这个实施例与图37的实施例类似，并且包括系统控制器622，系统控制器622向触觉接口624提供力指令，触觉接口624产生引起被用户626接收的力感知的力。还提供图形显示器628以接收来自系统控制器622的图像指令以及向用户626显示视觉图像。

在图38的实施例中，触觉接口624期望地包括具有振动致动器(未示出)的振动装置630，振动控制器632，驱动振动装置致动器的驱动电路634，以及可以检测用户输入并可包括按钮、控制杆和压力传感器的输入装置636。触觉接口624的部件可以具有上述的任意配置。在这个实施例中，图形显示器628优选地展示二维图像。图形显示器628示出在通过角度theta规定的方向上的感兴趣的物体。可以期望的是，用户626感受到的力感知与根据方向(例如theta)和其他属性而在图形显示器上显示的图像相对应。

可以利用图38所示的实施例，以便通过振动装置控制器628生成被用户626感受到的力感知，具体地，力感知与图形显示器628上的图像相对应。如上所述，振动装置控制器632可规定振动的幅度A_combined、力的方向theta、和振动的频率f的一个或多个。A_combined、theta和／或f的值可以选择为与图形显示器628上的图像和被系统控制器622使用的环境相对应。振动装置生成的完整的力效果(包括频率、幅度、力和扭矩的合成方向、以及力效果的持续时间)可将图形计算机模拟内的事件相互关联。下面示出这种操作的一些示例。

第一个示例涉及用户开枪的模拟。在这个模拟中，振动装置控制器632可以规定：表示枪射击的方向的角度theta、表示枪反冲的幅度的振动幅度A_combined，表示子弹离开枪的频率的振动频率f。

第二个示例涉及物体间的撞击。在这个模拟中，振动装置控制器632可规定：表示撞击的方向的角度theta、以及表示撞击的幅度的振动幅度A_combined。

第三个示例涉及驾驶车辆。在这个模拟中，振动装置控制器632可规定：表示车辆运动方向的角度theta、表示车辆开过马路上的凸块时车辆振动的频率或者车辆的速度的振动频率f、以及表示马路上的凸块幅度的振动幅度A_combined。

第四个示例涉及失控的车或航天器旋转。在这个模拟中，振动装置控制器632可规定表示车辆的方位的角度theta。为了表示车辆旋转，角度theta可以随时间变化。在角度theta的速率可以与振动频率不同。典型地，车辆旋转的频率显著地低于典型的振动频率。

可以用于产生上述的车辆旋转的算法连续地改变振动的方向。振动的方向可以以β弧度每秒的速率旋转，使用如下的等式：

$\left[\begin{array}{c}{A}_1\left(t\right)\\ A_2\left(t\right)\end{array}\right]=D^{-1}{A}_{\mathrm{combined}}\left[\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\βt}\right)\\ \sin \left(\mathrm{\βt}\right)\end{array}\right]\sin (\mathrm{\ωt}+p)---\left(30\right)$

等式30说明：可以独立地改变方向变化的频率β和振动的频率ω。用户(例如用户606或626)可以感知到振动的频率和振动的方向。以这种方式，用户可以感受到在β和ω频率处的感知。可以将频率β设置为比频率ω小很多，从而克服已知装置的局限性。仅仅作为示例，ω可在10Hz到100Hz之间改变，而β可为大约1Hz。在另一个例子中，β可以在ω的大约5％到20％之间改变。当然，在其他例子中，ω和β可以是近似或相同的，或者，可选地，β可以比ω大。所有这些示例将取决于期望的具体效果。

在一些情况下(例如具有低频效果的游戏中)，期望低频操作。例如，游戏可能在低于200Hz的范围内(例如在1到150Hz之间)生成动作或事件。在某些情况下，动作或事件可低至2Hz或者更低，例如约0.5到1Hz。这种动作／事件的示例包括射击、汽车相关的声音(例如与失控的汽车旋转的声音)、以及直升机相关的声音(例如转子叶片的呼呼声)。传统的偏心块致动器可能不适用于在这个频率范围内生成触觉感知；但是，以同步振动的方式操作的两个或更多个振动致动器可以产生这种频率。

β不限于任何特定的速率或速率范围。例如，β可以为相对低的速率以表示慢旋转动作，例如，汽车以低于10英里每小时的旋转打滑失控，或者，β可以为相对高的速率以表示快旋转动作，例如，汽车以超出40英里每小时的速度旋转失控。类似地，ω不限于任何特定的振动频率。优选地，ω设置在可被用户感受到或被用户以其他方式检测到的频率范围内。

通过将振动曲线由正弦波改变为方波、三角波或其他曲线，可以改变等式30。此外，可以随时间改变振动的幅度A_combined。还可以随时间改变频率β和ω。以这种方式，可以产生各种不同的力效果。

通过同步振动或其他方式，振动致动器可用于提供触觉感知。当无需传递定向信息时，致动器可以不是同步地振动的，然后，当需要通过触觉接口传递定向信息时，将致动器切换为同步振动。

许多线性运动振动致动器利用谐振以在低功率要求的情况下实现相对高等级的力。但是，为了实现这些高等级的力，必须在振动的峰值幅度出现之前发生大量的振动周期。此外，当致动器关闭时，致动器中的运动块可继续振荡数个周期。由此，致动器的动态性阻止致动器的瞬时响应以增加或减少振动的幅度。

当同步振动用于控制合成力的方向时，致动器的动态性可能限制改变合成力的方向的速度。上述的示例的一个描述了与汽车旋转相对应的触觉力感知的实施方式。但是，致动器的动态性可能限制生成这种旋转效果的速率。如下将详细说明，可以提供一种可以增加同步振动的振动致动器系统的力的方向的变化速率的方法。

上述等式25限定为了实现与角度theta相对应的合成力方向所需要的致动器的振动幅度。对于振动装置中的给定致动器，将所需的振动幅度限定为表示该致动器的期望振动幅度Ades。如果致动器在休息或以小于Ades的水平振动，那么可以期望初始以较高水平的振动来驱动致动器以更快地将振动的幅度提高至Ades。相反地，如果致动器已经以高于Ades的幅度振动，那么可以期望初始以较低的水平驱动致动器或者甚至刹住致动器以更快地将振动的幅度降至Ades。这些驱动致动器的幅度的变化被定义为命令的振动幅度的校正。

确定振动幅度的适当校正的一个方法是模仿致动器的动态性。这个方法允许预测致动器的动力状态和最佳指令以更快地生成期望的振动幅度。

确定对振动幅度的校正的可选方法不需要致动器的动力模型或精确预测致动器的动力状态。在这个方法中，保持计数器追踪致动器的最近振动次数以及在这些最近的振动期间发送给致动器的相应指令。在第k次振动发送给致动器的指令通过如下的等式给出：

Acom_k=Ades_k+Acor_k

Ades_k表示致动器的第k次振动期望的致动器幅度。Acor_k表示对第k次振动的指令的校正量。Acom_k表示对于第k次振动发送给致动器的指令的实际幅度。

如果第k次振动的期望幅度比前一次振动期间的幅度大，那么很可能需要增加振动水平。因此，对第k次振动的指令的校正量Acor_k可以选择为与当前期望幅度Ades_k和先前命令的幅度Acom_k-1之间的差值成正比。描述这个计算Acor_k的方法的等式为：

Acor_k=K*(Ades_k-Acom_k-1)    (31)

此处，K是基于致动器性能选择的增益。这个相同的等式还用于快速减小振动幅度。当Ades_k小于Acom_k-1的值时，表明很可能需要减小振动的程度，校正量Acor_k为负数。如果命令大幅减小振动幅度，那么负的Acor_k的大小可比Ades_k大，发送给致动器的实际指令Acom_k将是负的，导致致动器中的运动块的刹住。

校正振动幅度的另一个方法考虑两个先前命令的幅度，并通过如下的等式给出：

Acor_k=K1*(Ades_k-Acom_k-1)+K2*(Ades_k-Acomk-2)    (32)

此处，K1为与第K-1次振动指令相对应的增益，K2为与第K-2次振动指令相对应的增益。以类似的方式，可以将甚至更多的先前指令包含在校正算法中。以下的等式示出如何将“m”个先前指令包含到致动器指令中。

Acor_k=K1*(Ades_k-Acom_k-1)+K2*(Ades_k-Acom_k-2)+…+Km*(Ades_k-Acom_k-m)    (33)

控制多个振动致动器的可选方法可包括改变同步性。改变同步性的一种方法为一个致动器以是另一个致动器的振动频率的整数倍的频率振动。图39是表示示出这种控制方法的两个振动曲线652和654的图表650。曲线654的振动频率是曲线652的振动频率的两倍。可以控制振动周期的起点仅是每隔一个曲线2的周期同时发生。因此，峰值幅度的叠加仅是每隔一个曲线654的周期发生。这种改变同步性的方法可应用于任意整数倍的振动频率、任意振动曲线和任意数量的致动器。

这种改变同步性的方法的优点是：多个振动频率可同时发生，同时仍提供一些叠加或峰值幅度。峰值幅度的叠加允许以与如何控制同步振动的振动的方向的方式相似的方式控制振动的方向。使用这种改变的同步振动的方法，可以仅在部分的振动周期期间规定合成力的方向。然而，在接近峰值叠加发生的时刻的持续时间内，可以控制振动的方向分量。接近存在振动峰值的叠加的时刻，合成力矢量Fcombined可近似为：

Fcombined＝a1A1+a2A2    (34)

此处，a1和a2分别是与致动器1和致动器2的方向对齐的单位矢量。A1和A2分别是接近峰值叠加的持续时间内的致动器1和致动器2的力的幅度。通过改变幅度A1和A2，可以改变合成力矢量Fcombined的幅度和方向。当存在多于两个振动致动器时，可以使用类似的方法。

如果存在力的峰值幅度重复地近似同时地发生的两个或更多个振动致动器，那么可以在接近这些重复的峰值幅度发生的时刻控制这些致动器的力的合成方向。在这种情况下，可以通过改变致动器的振动幅度来控制力的合成方向。

可选的改变的同步性为以相同的频率驱动两个振动致动器，但是，当一个振动致动器位于它的力的峰值幅度发生的相位时，第二振动致动器的力为零，也就是说，对于正弦振动，存在90度的相位差。在这种改变的同步性中，合成力方向在每个振动周期期间以圆形或椭圆形旋转。

改变振动的同步性的额外的方法可包括如Princeton University出版社在1998年出版的Eli Maor的“Trigonometric Delights”的第12章中的“Jules Lissajous and His Figures”(“Lissajous”)中描述的曲线的叠加。Lissajous的全部公开内容通过引用并入本文。Lissajous描述了如何通过频率、相位、幅度和曲线的各种组合合成曲线以生成各种不同的输出图形。这些曲线还被称作Bowditch曲线。Lissajous还描述了从多个振动源可以产生什么样的几何形状。振动的这些合成可以应用于根据本发明的方面的触觉装置和振动装置中。因此，Lissajous中描述的叠加的概念可被振动致动器应用以生成各种不同的力感知。

电动致动器通常需要与控制器分离的驱动电路。驱动电路提供足够的电流和电压以使用必需的电功率驱动致动器。已经开发了用于电动致动器，特别是用于振动致动器的各种不同的驱动电路，这对于本领域的技术人员是已知的。这种驱动电路包括线性驱动器、PWM驱动器、单极驱动器和双极驱动器。如图40所示，根据本发明的振动致动器700的电路框图包括振动控制器702、驱动电路704和致动器706。

图40所示的振动控制器702可设置在振动装置本身上或可远程地设置，通过有线或无线通信的方式将振动信号传输到驱动电路704。

经常期望由数字控制器，例如微处理器或其他数字电路，控制振动装置或致动器。数字控制电路经常具有低水平功率输出，因此需要较高功率的驱动电路以驱动致动器。此外，低成本数字控制器经常具有数字输出，但不具有模拟输出。为了简化振动控制器电路和降低成本，振动信号可以为指示运动块向前或向后移动的二进制逻辑方向信号。在这个配置中，振动信号可以为方波的形式以生成期望的振动效果。即使使用这种方波控制信号，由于致动器的动态性，振动致动器的实际运动和振动力将很可能不准确遵循方波。

为了进一步简化振动控制器电路和降低成本，可利用PWM信号调制振动信号的幅度，其中信号的占空比与振动的幅度成正比。图41示出具有用于一个致动器716的这种数字振动控制器712的实施例710。在这个实施例中，数字振动控制器712的输出包括PWM形式的幅度信号和方向信号(例如以逻辑比特的形式)，这两个信号优选地被发送到驱动电路714。驱动电路714再发送电功率至致动器716。

数字控制电路可用于控制整个振动装置处于同步振动。在同步振动中，两个或更多个致动器的频率和相位是相同的。因此，单个方波被用于控制同步振动的振动致动器的方向。可使用单独的PWM信号单独地控制每个致动器的振动幅度。

图42示出实施例720，其中振动装置控制器722生成可以是方波形式的一个方向信号(“dir”)。dir信号优选地提供给一对驱动电路724a和724b。振动装置控制器722期望地为用于一对致动器726a和726b的驱动电路724a和724b生成PWM的形式的单独的幅度信号A1和A2。如上面关于图35描述的实施例，振动装置控制器722优选地包括方向和幅度控制器728、频率控制器730和振动控制器732。方向和幅度控制器728、频率控制器730和振动控制器732可配置在硬件、软件、固件或其组合中，可以实施为单独的部件或进程，或者可以实施为单个的部件或进程。

图42的实施例720可用于控制具有两个致动器的振动装置同步地振动，例如上面关于图10-20所描述的。实施例720还可用于完全反相地振动两个或更多个致动器，这发生在等式25提供A1的符号与A2的符号不同的结果时的同步振动期间。为了使两个致动器完全反相地振动，可以反转用于一个致动器的二进制方向信号dir。方向信号dir的反转可发生在驱动电路724a或724b处，或者振动控制器732可输出两个方向信号，其中一个方向信号为另一个方向信号的反数。图13示出两个致动器被完全反相地驱动的情况。

可以使用单极或双极驱动器驱动根据本发明的电动致动器。单极驱动器将在致动器中产生单个方向上的电流。单极驱动器非常适合运动块是铁磁体并且电磁线圈只产生吸引磁力的致动器，例如图9所示的致动器150。单极驱动电路的一个示例是达林顿阵列，例如TexasInstruments制造的ULN2803A达林顿晶体管阵列。

双极驱动器可以产生两个方向上的电流。双极驱动器非常适合运动块为磁体并且反转电磁线圈中的电流的方向可以反转运动块上的力的方向的致动器。这种致动器的示例在图5A-B至图8A-B中示出。双极驱动电路的一个示例为H桥，例如ST Microelectronics制造的L298。可选的H桥为Allegro Microsystems制造的3958和3959驱动器。

在振动电路中，有利地可以通过使用如在Allegro Microsystems制造的3958和3959驱动器中使用的电荷泵电容，增加驱动电路的功率输出。还可以有利地将电容与线性运动振动致动器串联以受益于谐振效应和电容中的能量的暂时存储，如前述的发明名称为“VibrationDevice”的美国专利申请所描述的。

如本文详细描述的，可以以多种方法使用振动致动器以产生触觉效果。可以在特定的触觉效果的持续时间期间连续地操作振动致动器，或者可以在触觉效果期间脉冲启动和关闭振动致动器。通过脉冲启动和关闭振动致动器，用户只感受到小量的振动，之后感受暂停，之后振动恢复。以这种方式，可以生成与脉冲启动和关闭致动器的频率相关联的次级感知。美国专利No.6,275,213和No.6,424,333中描述了如何使用这种脉冲效果的示例。

根据本发明，本文描述的任何致动器可以用于产生多种触觉效果。虽然一些致动器(例如，线性致动器和摇摆块致动器)可能特别地适合用于低频率操作，但是本文的所有致动器都可以提供同步反馈。这种反馈可用于游戏、虚拟现实设备、真实世界设备(例如手术工具和建筑设备)、以及便携式电子装置(例如移动电话和呼叫器)中。仅仅作为示例，移动电话和呼叫器可实施不同的振动效果以识别不同的呼叫者或不同的动作。同步振动可提供方向反馈，例如，用于游戏中的枪的冲击或反冲，或者用以在驾驶游戏中区分正面撞击和侧面撞击。同步振动还可在游戏中提供振动力矢量的连续旋转以模拟失控的汽车旋转。同步振动还可无限地用于其他应用和场景以为用户提供丰富的触觉体验。

如上所述，本发明的其他方面包括总体同步的振动。总体同步的振动与不同步的振动的区别在于，多个振动力的频率和相位是受控制的。具有不受总体同步的振动方式控制的多个振动致动器的实施例经常具有致动器之间的不一致的频率、幅度或相对相位。使用总体同步的振动，振动致动器的频率和相位可能在启动期间和各个波形之间的转换期间变化。然而，一旦致动器同步，控制每个致动器在特定的频率和相位。

通常地，控制每个致动器在给定的持续时间内维持固定的频率和相位。这个持续时间取决于应用，但是典型地比同步的最大频率的振动力的周期长。在触觉应用中，这个持续时间典型地足够长以便人感知到效果。但是，存在期望的振动波形快速变化的一些总体同步振动的实施方式，例如快速改变方向以提供旋转的感知。在这种快速变化的波形中，振动致动器的期望频率和相位可在比这个致动器的振动周期短的持续时间内改变。总体同步振动的一般特征是将多个振动致动器的频率和相对相位明确地控制为期望的值而不是随机选择的值。

在总体同步的振动中，典型地存在致动器的频率和相位与期望的振动效果之间的一致相关性。例如，软件开发者的触觉效果库可具有标签为“spin”的路径，这将生成用于多个振动致动器的期望频率和相位序列。每次执行旋转效果时，通过多个振动致动器生成类似的频率和相位序列。

本发明的实施例包括振动装置，振动装置包括安装在安装平台(例如，底板、副架、壳体或外壳)上的多个振动致动器。例如，安装平台可为游戏控制器的壳体、或者振动致动器的壳体。安装平台在振动致动器之间转移力和扭矩，从而允许振动力和扭矩彼此叠加。安装平台优选地为刚性的，但是也可以为相对刚性的部件、或半刚性部件。安装平台可由分离的件构成。安装平台可包括振动力施加在其上的物体的部件。例如，如果多个振动致动器安装在人的胳膊或其他身体部分上，并且通过胳膊或身体部分传递来自这些致动器的力，那么胳膊或身体部分可以用作安装平台。本发明适合可以矢量地合成来自多个振动致动器的力和扭矩以生成净振动力、振动扭矩、或振动力和扭矩的任何配置。

安装平台典型地附接至多个物品，例如电池、控制电路板、和振动致动器的静止部件(包括壳体和定子)。安装平台和附接至安装平台的物品的组合块定义为“参考块”。振动力和扭矩从振动致动器传递到参考块。如果安装平台能够移动，振动力可能摇动参考块。典型地，参考块与“外部物体”接触，力和扭矩在参考块和外部物体之间传递。例如，用户手持的游戏控制器将力和扭矩从游戏控制器的参考块传递到用户的手上，在这种情况下，用户的手是外部物体。安装平台可以附接至地面，地面也是外部物体。附接至地面的振动装置有时也被称为“摇动器”或“摇动装置”。

如图43所示，一个优选实施例使用两个对齐的LRA。LRA1102a和LRA1102b附接至安装平台1100，并且沿它们生成的振动的轴线对齐。每个LRA具有运动块1108和附接至安装平台1100的壳体1106。这个振动致动器的配置称为LRA对。通过安装平台1100，将来自每个LRA的振动力结合在一起。由LRA1102a产生的振动力以F1标出，由LRA1102b产生的振动力以F2标出。

对于图43所示的实施例，产生非对称振动力的一种方法是以两倍于LRA1102a的频率的频率操作LRA1102b，产生90度或-90度的特定相位差。使用正弦振动的这种实施例中的振动力可以表示为：

F1=B1sin(ω1t+φ1)

F2=B2sin(ω2t+φ2)

其中ω2=2ω1

φ1=0，以及φ2=-90

LRA对的合成力表示为：

FLRA_对=Blsin(ω1t+φ1)+B2sin(ω2t+φ2)    (35)

典型地，关键不是相对于绝对时间控制振动效果。因此，当实施上述等式35描述的振动效果时，关键不是控制相位φ1和φ2，而是控制两个致动器之间的相对相位。因此，在一些实施方式中，可将相位φ1设置为零，仅控制φ2。可选地，可直接控制致动器之间的相位差。在这个应用中，典型地在等式中示出所有致动器的相位。但是，可以只控制致动器的相对相位，而不失去效用。因此，可以相对于致动器1的相位，控制振动致动器2、3、4等等的相位；由此，消除相对于绝对时间来控制致动器1的相位的需要。

本发明的特点包括使用同步振动波形的叠加。当在单个振动装置上产生多个振动力时，这个装置的合成振动力是多个波形的叠加。图44中示出通过等式35描述的两个同步正弦波的示例。如图所示，波形2的频率是波形1的频率的两倍。两个波形的相位设置为使得两个波形的峰值在零时刻具有正方向的最大值，并且力的幅度被相加到一起(还称为相长干涉或正干涉)。

此外，在波形1处于负峰值的时刻，波形2处于正峰值，并且力的幅度彼此相减(还称为相消干涉或负干涉)。由于这种同步性，合成振动波形是非对称的，意味着正向力值的力曲线与负向力值的力曲线不同。在图44所示的非对称波形中，存在较高的正向峰值力和较低的负向峰值力。在触觉应用中，正方向的较大的力可以比负方向的较小幅度的力生成更多的力感知，即使负方向的力的持续时间更长。以这种方式，非对称振动可以用于使用振动装置在特定的方向上生成触觉提示。

在LRA中，运动块相对致动器壳体移动，并且回复弹簧在运动块和致动器壳体之间传递力。通过LRA施加到安装平台上的力是来自回复弹簧的力与定子和运动块之间的电磁力的合成。回复弹簧可以是例如：机械弹簧或磁性弹簧。随着谐振在LRA中建立，弹簧回复力的幅度增加并且成为致动器的力的主要部分。因此，通过LRA施加到安装平台上的峰值力典型地发生在或接近运动块的峰值偏移点。

在图43中，运动块被图示为朝向LRA的右侧以指示向右施加的致动器的力。因此，当控制图43所示的实施例以遵循等式35描述的波形时，LRA1102a的运动块位于它的右峰值偏移处，同时当LRA1102b的运动块位于它的右峰值偏移处时，产生大的右合成力，但是，当LRA1102a的运动块位于或接近它的左峰值偏移处而LRA1102b的运动块位于或接近它的右峰值偏移处时，(由于LRA1102b以两倍的频率振动)导致力的抵消和小的左合成力。

因此，在这个实施例中，运动块的定时为非对称振动波形的指示。在图45中，示出当图43所示的实施例实施如图44所示的振动波形时，它在各个时间步长的状态。在图45中，上部LRA以两倍于下部LRA的频率振动并且产生比下部LRA小的力，运动块的位置指示由每个LRA产生的力，并且在两个LRA之间示出合成力矢量。根据较慢LRA的周期T标记图45中的每个时间步长。

在图43所示的实施例中，致动器不必精确地对齐。实际上，在触觉应用中，不精确对齐的两个致动器不会阻止生成的主要触觉效果。

图46示出这个实施例的变型。致动器1102a和1102b直接附接至彼此以提供更紧凑的配置。LRA还可以共享壳体、轴、电源和其他部件以使得装置更紧凑。

图47示出这个实施例的另一个变型。致动器1102a和1102b彼此成一条直线地附接。在这个实施例中，每个LRA的力是共线的，并且沿LRA的轴线不产生净扭矩。在期望纯的力输出而不需要任何扭矩输出的情况下，这个实施例是有用的。

振动致动器内的振动力的同步可与许多物理性质相关。例如，在很多LRA中，弹簧在运动块上施加回复力，振动力与运动块的位置有很大的关系。在ERM中，振动力的方向与旋转偏心块的角位置有很大的关系。连杆机构可用于产生振动，例如图48中所示的滑块-曲柄振动致动器1110，其中旋转电机1114前后移动块1120。使用这种连杆，振动力可与运动块的加速度相关。由于振动力可与很多物理性质相关，也可以通过控制振动致动器内的运动块的位置或加速度的频率和相位来表征总体同步的振动。

本发明的特征包括合成来自多个振动致动器的振动波形以生成更复杂的振动波形。等式35描述的和图44所示的非对称振动只是合成振动波形的一个类型。图49所示的更一般的实施例具有均与相同的轴线对齐的一组N个LRA。根据一个方面，在总体同步的振动中，多个振动致动器的相位和频率是同步的，一些情况下，幅度也是同步的。通过控制所有N个致动器的频率和相位，可以生成各种不同的振动效果。

当F(t+T)=F(t)时，振动力F以周期T重复。重复周期的第i个致动器的振动力可以表示为：

Fi(t+Ai+Ti)=Fi(Δi+t)，

其中，Δi是相位，Ti是第i个致动器的周期。对于图49所示的实施例，存在一组与相同的轴线对齐的N个致动器。如果所有致动器都以设置的频率和相位操作，那么合成振动力可表示为：

F_AlignedSet=F₁(Δ₁+t)+F₂(Δ₂+t)+…+F_N(Δ_N+t)    (36)

在一般情况下，F_i的波形形状可以是各种不同的波形，包括正弦波、三角波、方波或其他波形。在一些实施例中，具有最低频率的致动器的频率被定义为基频ω1，其余致动器以基频的整数倍振动。在这些实施例中，基频的周期以T1给出，其余振动周期表示如下：

T1=2T2，T1=3T3，...T1=NTN

当所有振动致动器以基频的整数倍振动时，合成波形具有以基频的周期重复的波形。基频也称作第一谐波。

实施总体同步的振动的一种方法是在对齐的组的每个致动器中使用正弦振动，并且使用傅里叶波形合成选择每个致动器的相位、频率和幅度以近似得到期望的振动波形。对于具有正弦波形的一组N个对齐致动器，对齐的组的合成力FAlignedSetFourier表示为：

FAlignedSetFourier=Blsin(ω1t+φ1)+B2sin(ω2t+φ2)+…+BNsin(ωNt+φN) (37)

从一组(多个)振动波形可以合成各种不同的额外的波形。傅里叶合成是可以从正弦波的组合近似得到任意波形(包括对称波形和非对称波形)的方法。有利地使用以其他致动器的振动频率的整数倍的频率振动的致动器。组中的最低频率称作基频或第一谐波，第二谐波是基频的两倍，第三谐波是基频的三倍，依此类推。

使用谐波的优点是组中的所有波形以基频的周期重复，从而提供合成波形的重复波形曲线。在许多振动应用中，每个振动致动器产生具有零直流分量的具有重复波形的力，合成力由等式37描述。因此，合成振动力不具有直流分量。傅里叶合成广泛地用于产生各种不同的波形。一个示例波形是在一个方向上产生力的突变的锯齿波形。以这种方式，锯齿波形可以用于生成定向触觉提示。当波形的组由三个正弦波组成时，可以由相对幅度为1的第一谐波、相对幅度为1／2的第二谐波、以及相对幅度为1／3的第三线性正弦波生成锯齿波形。使用傅里叶波形合成，可近似得到任意波形，包括对称波形和非对称波形。当使用傅里叶波形合成时，正向力幅度和负向力幅度都可发生相长干涉和相消干涉。

LRA的操作优点是使用谐振来从相对低的功率输入产生大幅度的振动力，并且通过优化LRA的弹簧的硬度和运动块，可以设计和制造成具有特定的谐振频率的LRA。在总体同步振动的实施例中，可以有利地选择具有与期望波形的至少一些谐波相对应的谐振频率的一组LRA。例如，对于如图49所示的具有一组n个LRA的振动装置，第一LRA1102a可具有特定的谐振频率ω1，第二LRA1102b可具有特定的谐振频率2ω1，第三LRA可具有特定的谐振频率3ω1，依此类推直到第n个LRA1102n。

尽管LRA一般被设计为以它们的谐振频率操作，但是也可以以其他频率操作LRA，每个输入指令信号输出较小幅度的力。由于较低幅度的力输出通常需要较高谐波，能利用都具有相同谐振频率的LRA建立振动装置，但以不同的频率操作LRA。例如，对于具有一组两个LRA的振动装置，两个LRA均可以具有(3／2)ω1的特定谐振频率，其中以ω1驱动第一LRA，以2ω1驱动第二LRA。在这种配置中，两个LRA都放大输入信号，但小于当以LRA的谐振频率(对于这个示例是(3／2)ω1)驱动它们时的放大幅度。

非对称振动波形对于生成定向触觉提示是有用的，并且可使用傅里叶合成进行合成。例如，下面讨论用于选择正弦振动的频率、相位和幅度以生成高度非对称性的方法的示例。为一组的2、3和4个致动器规定振动参数。此外，提出用于识别任何数量的致动器的具有高度振动非对称性的波形的参数的方法。需要注意的是，即使仅仅近似地实施通过这个示例规定的值，也可以实现高度的非对称性。例如，在叠加两个正弦波的情况下，如果振动的幅度存在30％的误差，仍将实现期望的非对称效果的90％。

傅里叶合成允许使用正弦波的叠加近似得到任意波形。但是，在一些应用中，生成正方向的峰值幅度比负方向的峰值幅度大(反之亦然)的非对称波形是有利的。然后，问题变成了：对于给定数量的叠加正弦波，将最大化非对称的量的最佳近似函数是什么?特别感兴趣的是考虑具有零直流分量且因此可以仅由正弦波组成的非对称波形。具有零直流分量的波形可以用于从一组振动器生成振动，因为每个振动器将典型地具有零直流分量。图50示出非对称脉冲序列。这个脉冲序列仅仅是非对称波形的一个示例，但是是有用的示例。对于具有零直流分量的脉冲序列，区域在轴线上方。因此：

W.P=(T-W)V，以及

$V=\frac{W\·P}{(T-W)},$

其中W是脉冲宽度，V是波谷幅度，T是重复脉冲的周期，P是峰值幅度。

可由P相对于V增加的百分率定义脉冲序列的非对称的量。通过减小W，可以增加非对称的量，这将生成窄且高的脉冲。但是，如果W太小，将不能使用少量的正弦波近似得到波形。因此，分析的问题是“对于由N个正弦波组成的波形，W的最佳值是多少?”

图51示出具有零直流分量的脉冲序列。给定这个波形，根据如下的傅里叶级数可以发现它的傅里叶系数：

$f\left(t\right)=a_0+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(a_n\sin \left(2\mathrm{\πnt}\right)+b_n\cos \left(2\mathrm{\πnt}\right)),$

其中，f(t)是任意波形，并且当a₀=0时，它具有零直流分量。通过将上述等式的两边都乘以sin(2πnt)或cos(2πnt)并相互抵消项，可以计算出傅里叶系数。系数为：

$\frac{a_n}{2}={\∫}_0^{T}f\left(t\right)\sin \left(2\mathrm{\πnt}\right)\mathrm{dt}$

$\frac{b_n}{2}={\∫}_0^{T}f\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\πnt}\right)\mathrm{dt}$

$a_0={\∫}_0^{T}f\left(t\right)\mathrm{dt}=0$

如果直流分量是零，a₀的等式保持不变。对于上述脉冲波形，a_n表示为：

$\begin{array}{c}\frac{a_n}{2}={\∫}_0^{W}P\sin \left(2\mathrm{\πnt}\right)\mathrm{dt}+{\∫}_W^T(-V)\sin \left(2\mathrm{\πnt}\right)\mathrm{dt}\\ =\frac{-P\cos \left(2\mathrm{\πnt}\right)}{2\mathrm{\πn}}{]}_0^W+\frac{V\cos \left(2\mathrm{\πnt}\right)}{2\mathrm{\πn}}{]}_W^T\end{array}$

$\frac{a_n}{2}=\frac{-P\cos \left(2\mathrm{\πnW}\right)}{2\mathrm{\πn}}+\frac{P}{2\mathrm{\πn}}+\frac{V\cos \left(2\mathrm{\πnT}\right)}{2\mathrm{\πn}}-\frac{V\cos \left(2\mathrm{\πnW}\right)}{2\mathrm{\πn}}$

$\frac{a_n}{2}=\left(\frac{1}{2\mathrm{\πn}}\right)(P+V\cos \left(2\mathrm{\πnT}\right)-(P+V)\cos \left(2\mathrm{\πnW}\right))$

以类似的方式：

$\frac{b_n}{2}={\∫}_0^{W}P\cos \left(2\mathrm{\πnt}\right)\mathrm{dt}+{\∫}_W^T(-V)\cos \left(2\mathrm{\πnt}\right)\mathrm{dt}$

$\frac{b_n}{2}=\left(\frac{1}{2\mathrm{\πn}}\right)((P+V)\sin \left(2\mathrm{\πnW}\right)-V\sin \left(2\mathrm{\πnT}\right))$

通过替换上述等式中的V，结果为：

$\frac{a_n}{2}=\frac{-\mathrm{P\; T}\cos \left(2\mathrm{\πnW}\right)+\mathrm{P\; W}\cos \left(2\mathrm{\πnT}\right)+\mathrm{PT}-\mathrm{PW}}{2\mathrm{\πnT}-2\mathrm{\πnW}}$

$\frac{b_n}{2}=-\frac{\mathrm{PW}\sin \left(2\mathrm{\πnT}\right)-\mathrm{PT}\sin \left(2\mathrm{\πnW}\right)}{2\mathrm{\πnT}-2\mathrm{\πnW}}$

图52是示出用于最大化非对称性的方法的流程图。如流程图所示，该方法包括：选择正弦波的数量，然后猜测(估计)W的值。然后，计算傅里叶系数，并且根据上述的等式生成时域的波f(t)。然后，计算f(t)中的非对称性的量。可以使用不同的W值重复这个方法，然后选择给出最大非对称性的W值。

傅里叶系数可用a_n和b_n表示为：

$f\left(t\right)=a_0+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(a_n\sin \left(2\mathrm{\πnt}\right)+b_n\cos \left(2\mathrm{\πnt}\right))$

使用正弦波和相位的可选表示为：

$f\left(t\right)=A_0+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\sin (2\mathrm{\πnt}+{\mathrm{\φ}}_n)$

为了将两个表示方式相关联，可以使用如下的正弦加法公式：

sin(α+β)=sin(α)cos(β)+cos(α)sin(β)

其中：

α=2πnt

β=φ_n

A_nsin(2πnt+φ_n)=A_neos(φ_n)·sin(2πnt)+A_nsin(φ_n)cos(2πnt)

令

a_n＝A_ncos(φ_n)和b_n＝A_nsin(φ_n)

∴ $A_n=\sqrt{a_n^2+b_n^2}=\sqrt{A_n^2{\cos }^2\left({\mathrm{\φ}}_n\right)+A_n^2{\sin }^2\left({\mathrm{\φ}}_n\right)}=A_n$

其中

${\mathrm{\φ}}_n={\tan }^{-1}\left(\frac{b_n}{a_n}\right)$

在一个场景中，如图52所示的方法被实施用于根据下表的一些正弦波：

NACT

W

Asym

A1

φ1

A2

φ2

A3

φ3

A4

φ4

2

0.33

100％

1

30°

0.5

-30°

3

0.25

189％

1

45°

0.71

0°

0.33

-45°

4

0.2

269％

1

54°

0.81

18°

0.54

-18°

0.25

-54°

表I

表I中的变量“NACT”用于定义正弦波的数量，因为它还可以表示致动器的数量。对于两个正弦波的情况，可以实现100％的非对称性，这表明在正方向上存在两倍的幅度(反之亦然)。如表I所示，更多数量的正弦波可提供更大的非对称性。图44中示出一个示例。图53-55示出其他示例。

可以使用一组非正弦波形实现总体同步的振动。即使不使用傅里叶合成，也可以通过使波形同步而在一个方向上产生两个或更多个波形的正干涉、在相反的方向上产生两个或更多个波形的负干涉，来生成非对称波形。具有非正弦波形的实施例仍可以使两个或更多个波形的峰值在一个方向上同时发生正干涉，还可以在相反的方向上同时发生负干涉。

图56示出一起同步的两个三角波形。曲线1112a具有两倍于曲线1112b的幅度，而曲线1112b以两倍于曲线1112a的频率振动。曲线1112a和1112b的峰值同时发生在有正干涉的时刻以及有负干涉的时刻。以与图44中的合成波形类似的方式，曲线1112a和1112b的合成波形将生成非对称波形。

为了产生特别明显的振动效果，一些LRA振动致动器可以足够高的幅度操作以将运动块推到行程止挡，从而在每个振荡期间产生冲击力。对行程止挡的冲击将生成非正弦的振动波形。作为具有行程止挡的块的冲击的例子，多个这种致动器可以是一起同步的以生成正干涉和负干涉。这个配置可以生成振动力的尖锐峰，其中振动的方向是可控的。振动的这些尖锐峰可以用于生成与冲击相对应的触觉感知，例如模拟枪的反冲。使用非正弦振动可以生成各种不同的振动效果。本文给出使用正弦波振动波形的示例，需要理解的是，使用其他波形可以生成类似的方法。

可模拟的一个波形称为“缺少基谐波”波形，它利用人类感知现象。如MIT出版社在2003年出版的Peter M.Todd，D.Gareth Loy的“Music and Connectionism”中所说明的，如果声音中包含了是低频率的整数倍的较高的频率，人类可以感知到声音包含某个频率的音高，即使这个频率不存在于声音中。在触觉应用中，由于大小和功率限制，可能难以生成低频振动，而可以较容易地生成较高频率的振动。可以生成不含有期望的低频率、但包括是期望的低频率的整数倍的较高频率的振动波形。人们可感知到期望的低频振动，正如他们感知到声音中缺少的基谐波。通过包括期望的低频率的音频或视觉效果，可以增强振动中缺少的基谐波的感知。

图57所示的实施例可生成关于安装平台的非对称扭矩。一对LRA1116a和1116b安装在安装平台1110的顶部。第二对LRA1118a和1118b安装在安装平台1100的底部。当顶部的LRA对与底部的LRA对的力的幅度相等但方向相反时，在安装平台上产生纯扭矩。当顶部对和底部对都以非对称波形(例如，图44所示的波形)振动时，扭矩振动也是非对称的并且在顺时针方向可以施加比逆时针方向更大的峰值扭矩(反之亦然)。此外，通过成正比地控制每个LRA中的峰值力，可以控制非对称扭矩振动的幅度。

LRA沿轴线产生振动力，因此被称为“线性力致动器”。其他线性力致动器包括：滑块-曲柄振动器、齿条和小齿轮振动器、不使用谐振的线性致动器、活塞以及螺线管。摇摆致动器和枢转致动器(例如，美国专利申请No.11／476,436所描述的)产生近似沿轴线的力，并且对于很多应用，它们可被认为是线性力致动器。实际上，本文描述的采用LRA的任何实施例也可以使用线性力致动器或产生近似沿轴线的力的其他致动器来实现。

图58示出用于一对线性力致动器的总体同步振动的控制器，它可以控制如图43所示的实施例。振动装置控制器生成频率f、命令的幅度A_c和命令的相位p_c的指令。驱动电路生成驱动致动器的电压和电流。驱动电路可以输出正弦波、方波、三角波的波形或其他波形。致动器可以生成与驱动电路的输出波形类似的力波形。可选地，致动器可以生成与驱动电路的输出波形不同的力波形。例如，驱动电路可以输出方波，但致动器由于本身的物理性质可能产生几乎为正弦波的力。

LRA和ERM振动致动器花费一些时间来加速至生成它们的最大力输出的速度。本文描述的实施例包括在加速期间可以或可以不使致动器同步的控制器。此外，可以命令振动装置从一个振动效果转变为另一个振动效果。在这个转换时间间隔期间，控制器可以或可以不使致动器同步。

振动装置控制器可以是微处理器或其他可编程装置。对于振动装置中的每个致动器，振动装置控制器可改变振动的频率、振动的相位、振动的幅度、或这些参数的任何组合。改变这些参数的能力允许单个振动装置生成各种不同的波形。

振动致动器的输出力的相位和幅度取决于控制信号和致动器的物理特性。例如，在控制信号和致动器的输出力之间经常存在相位滞后。为了区分致动器输出的波形和控制信号的波形，使用下标的“c”标记指定控制波形。因此命令的幅度Ac和命令的相位pc不必与致动器力的实际幅度和相位有直接的关联。例如，由频率ω、指令相位φ_c和电压峰值幅度A_c的正弦电压信号驱动的LRA致动器的振动装置控制器的指令电压V表示如下：

V=A_csin(ωt+φ_c)    (38)

但是，由于致动器中固有的相位滞后和致动器的频率响应，致动器的稳态力输出F_a可表示为：

F_a=Asin(ωt+φ)    (39)

相位滞后是φ和φ_c之间的差。频率响应反映在A_c和A之间的比率中。相位滞后和频率响应都是致动器的物理性质的函数，可以随振动频率而变化，并且经常通过致动器的特定波特图表示。为了同步振动的有效实施，有利地考虑每个振动致动器固有的相位滞后。这可以通过添加相等的但相反的相位偏移至控制器波形来实现，以便致动器相位滞后不影响同步。

实施这种偏移的一种方法是使用查找表、波特图或用于每个致动器的算法以确定对于给定振动频率的适当相位偏移。此外，可以有利地使用查找表、波特图或算法以确定生成期望的振动力幅度所需的电压大小。本文描述的傅里叶合成方法以及匹配振动的正峰值和负峰值的方法参考致动器力输出的实际相位而非致动器驱动电路的波形的相位来实施。为了简化本文的标记，因致动器的物理性质而产生的相位滞后一般不包括在与同步相关的等式中。更确切地说，使用更简单的标记F表示振动力输出，需要理解的是，生成适当的指令信号以提供这个输出。指令信号包括必要的相位滞后和基于致动器物理性质所需的幅度调节。使用电压、电流、电压或电流的PWM信号、或用于驱动所述致动器的其他类型的指令来实现幅度控制。傅里叶合成方法和匹配振动的正峰值和负峰值的方法描述振动装置内的致动器的振动的特定目标频率和相位；但是，即使精确地满足这些目标频率和相位，总体振动效果经常足够接近期望的波形以实现期望的效果。

由于制造振动，相同装配线上生产的两个致动器可能具有影响它们波特图的不同物理特性，包括相位滞后、幅度特性或谐振频率。在一些实施例中，可以使用一个或多个传感器来检测致动器的相位、致动器的振动幅度、或相位和幅度。这个传感器可以是光学传感器、霍尔效应传感器或检测运动块何时经过振动的中点或其他点的其他类型的传感器。一个这样的实施例如图59所示，其中传感器1128集成到线性力致动器1124中并检测运动块1126何时到达并经过中点位置。集成到致动器中的传感器可以提供致动器性能的连续的、不间断的或周期性的测量，并且用于在装置正在使用时更新校准参数而不需要特定的校准周期。

另一种检测方法是将致动器1124a和1124b附接至振动装置1134的安装平台1100，如图60所示。这个传感器1136可以是加速度计或测量安装平台的合成运动或合成力的其他传感器。

传感器测量可以用于自校准振动装置。测试模式可以单独地操作每个致动器以识别致动器相位滞后、力幅度特性和谐振频率。这些特性可以用于更新查找表、波特图或用于生成致动器的电压指令的算法。还可以测量多个致动器的合成力以确认正在实现期望的力效果。因此，如图61所示，振动装置控制器可以使用传感器测量以更新命令的幅度、相位和频率。

本发明的实施例还包括具有多组对齐的振动致动器的配置。图62示出包括两组致动器的一个这种配置。组1由均与振动装置1134的x轴对齐的两个LRA1138a和1138b组成。组2由均与振动装置的y轴对齐的两个LRA1140a和1140b组成。组1从LRA1138a产生力FS1B1，从LRA1138b产生力FS1B2。组2从LRA1140a产生力FS2B1，从LRA1140b产生力FS2B2。

在图62所示的实施例中，合成振动力是所有振动致动器的矢量和。使用美国专利申请11／476436的标记，a1和a2分别是与来自组1和组2的力对齐的单位矢量。在用于如图62所示的实施例的一种控制方法中，控制两个组的波形以具有类似的形状但具有不同的幅度。通过变量A指定幅度系数，其中标量A₁乘以组1的波形，标量A₂乘以组2的波形。利用这种控制方法控制正弦波形得到的合成力矢量F_combined表示为：

F_combined＝a₁A₁(B₁sin(ω₁t+φ₁)+B₂sin(ω₂t+φ₂))+a₂A₂(B₁sin(ω₁t+φ₁)+B₂sin(ω₂t+φ₂))    (40)

如美国专利申请11／476,436所描述的，存在选择将生成矢量F_combined的期望方向的A₁和A₂的幅度的方法，但这些方法可以只规定振动的轴线而不规定力的幅度是正的还是负的，由此将振动的唯一方向的范围限制在180度的范围。根据本发明的一个方面，允许在安装平台的平面的全部360度内控制振动方向的实施例可以具有如下的参数关系：

ω₂=2ω₁；

对于-90度到+90度之间的方向，φ₁＝0，φ₂=-90；

对于90度到270度之间的方向，φ₁=0，φ₂=90；

由上述的等式19确定A₁和A₂。

许多其他实施例可以具有多组对齐的振动致动器。每组对齐的致动器可以生成任意波形p_AlignedSet。由任意形状的曲线产生的同步振动的实施例如上所述。许多这种实施例示出生成每个波形的单个致动器。但是，也可以使一组对齐的致动器生成这些波形。因此，这种实施例可以扩展为包括使用一组对齐的致动器替代单个致动器的配置。在这些配置中，任意波形曲线将采用本文讨论的任意波形pAlignedSet的形式。

因此，非对称振动的实施例包括3D配置和非正交配置。图63示出两个非正交LRA对的示例。这些LRA可以生成贯穿xy平面的期望方向的波形。每个对齐的组中的致动器可以为LRA、摇摆致动器和生成近似线性的力的其他组的致动器。描述M个对齐的组(所有组具有类似形状的波形，但是可能具有不同的幅度)的合成力矢量的等式表示为：

Fcombined＝a1A1(pAlignedSet)+a2A2(pAlignedSet)+…+aMAM(pAlignedSet)  (41)

上述的用于确定A的值的方法也可以应用于这种配置中。上面还描述了多种Lissajous振动图案，包括直线、圆形、椭圆形、抛物线等。非对称振动波形可以用于在Lissajous振动图案的一个部分期间产生比另一个部分期间更大的峰值力。

转向本发明的另一个方面，图64示出ERM。基本的ERM包括电机1204、轴1208和偏心块1206。电机1204可以是直流电刷电机、直流无电刷电机、交流感应电机、步进电机，或将电能转化成旋转运动的任何其他装置。轴1208是将电机的旋转运动转换为偏心块的旋转运动的动力传输元件。但是，可选的动力传输方法可以是将电机1204的旋转运动转换为偏心块1206的旋转运动的任何器件，例如传动带、齿轮传动链、链条或旋转接头。偏心块1206可以是在与其质心不重合的轴线上旋转的任何主体。此外，动力传输元件可以包括使得偏心块1206的旋转轴线不必与电机1204的旋转轴线重合或平行，以及使得偏心块1206不必以与电机1204相同的角速度旋转的几何结构。

产生振动力的一种方法是使用偏心块附接至电机轴的ERM。随着电机旋转，在电机上产生离心力。通过控制偏心块的旋转频率和相位，可以将总体同步的振动应用到多个ERM。图65示出使用任意数量的M个ERM的振动装置1200的一个实施例；前两个是ERM1210a和1210b，最后一个是1210m。所有的ERM附接至安装平台1202，装置的合成振动力是来自所有ERM的矢量和。

对于第i个ERM，A_i是振动力的幅度，ω_i是振动的频率，φ_i是振动的相位。图65中的ERM的合成振动力以x和y坐标表示为：

F_Ex=A₁cos(ω₁t+φ₁)+A₂cos(ω₂t+φ₂)+…+A_Mcos(ω_Mt+φ_M)

F_Ey=A₁sin(ω₁t+φ₁)+A₂sin(ω₂t+φ₂)+…+A_Msin(ω_Mt+φ_M)

图66示出使用四个ERM1212a、1212b、1214a以及1214b的振动装置1200的一个实施例。所有四个ERM都附接至安装平台1202，装置的合成振动力是来自所有四个ERM的矢量和。

通过ERM施加到安装平台上的力和扭矩应归于来自旋转偏心块的离心力、电机定子和转子之间的扭矩以及其他惯性力(例如陀螺效应)的合成。随着EMR的速度增加，离心力增大并且典型地变成振动力的主要部分。因此，一旦ERM已经加速，通过ERM施加到安装平台上的振动力接近于通过旋转偏心块施加的离心力。

在一个实施例中，ERM配置成逆时针旋转对，其中对中的每个ERM具有相同的偏心块并且以相同的角速度操作，但是ERM以彼此相反的方向旋转。图66示出具有由ERM1212a和ERM1212b组成的第一反向旋转对的实施例。这个第一对的合成振动力表示为：

F_E1x=A₁cos(ω₁t+φ₁+σ₁)+A₁cos(-ω₁t-φ₁+σ₁)

F_E1y=A₁sin(ω₁t+φ₁+σ₁)+A₁sin(-ω₁t-φ₁+σ₁)

ERM1212a和ERM1212b之间的相位差通过两个变量φ₁和σ₁表示，其中φ₁表示时间相位并且是总相位差的一半，σ₁表示几何角度并且是总相位差的平均值的一半。对于ERM，振动力的幅度A等于mrω²，其中m是质量，r是偏心距的半径，ω是以弧度每秒为单位的旋转角速度。通过三角恒等式，这个第一ERM对的合成振动力矢量可以通过下面的等式表示。在这个配置中，来自单个反向旋转对的力产生与力方向(由角度σ₁限定)的轴线对齐的正弦振动力：

图66中的实施例具有由ERM1214a和ERM1214b形成的第二反向旋转对，其中两个ERM都有彼此相同的偏心块并且以彼此相同的角速度但在相反的方向上操作。这个第二反向旋转对产生的合成振动力为：

F_E2x=A₂cos(ω₂t+φ₂+σ_２)+A₂cos(-ω₂t-φ₂+σ₂)

F_E2y=A₂sin(ω₂t+φ₂+σ_２)+A₂sin(-ω₂t-φ₂+σ_２)

在一种控制方法中，σ₁和σ_２被设置等于相同的值σ，因此两个ERM对沿相同的轴线产生振动，所有四个ERM的合成振动力振动力矢量表示为：

在另一种控制方法中，σ₂被设置为等于π+σ₁，因此两个ERM对沿相同的轴线产生振动，但是第二ERM对产生的振动具有负号。使用这种方法，所有四个ERM的合成振动力振动力矢量表示为：

在对于线性力致动器和ERM的总体同步振动的应用之间存在相似性。在两种情况下，合成振动力可以由正弦波的叠加组成，并且在两种情况下均可以实施非对称振动。一个实施例的非对称振动使用用于两个正弦波的叠加的相对幅度和相位。在这个实施例中，基频的幅度是第二谐波的幅度的两倍。对于图66所示的实施例，用于高非对称性的配置如下表II所示。可以基于期望的振动方向，任意地选择几何角度σ。第二ERM对的偏心距相对于第一ERM对的偏心距表示。第二ERM对的旋转速度是第一ERM对的旋转速度的两倍。需要注意的是，即使仅仅近似地实施表II中规定的值，也可以实现高度的非对称性。例如，在两个正弦波的叠加的情况下，如果振动的幅度存在30％的误差，那么仍可以实现90％的期望的非对称效果。

表II

图67示出对于表II所示的配置的情况的总体同步振动的步长。根据基频的周期表示时间t，其中T₁=2π/ω₁。如图67中最上面的图所示，在t=0的时刻，所有ERM的力与正方向的振动轴线对齐，并且偏心块的位置都对齐在相同的方位。因此，在t=0时，合成振动力具有大的幅度。在中间的图所示的t=T₁／4时，合成力矢量沿振动轴线的负方向，但是负幅度不在峰值处，因为合成力矢量仅由ERM1214a和ERM1214b发生，而来自ERM1212a和ERM1212b的力相互抵消。如底部图所示，在t=T₁／2时，合成力矢量也沿振动轴线的负方向，但是负幅度也不在峰值处，因为在第一ERM对(ERM1212a和1212b)和第二ERM对(ERM1214a和1214b)之间存在负干涉。在t=T₁／2时，第一ERM对的力与第二ERM对的力位于相反的方向上，并且第一ERM对的偏心块的方位相对于第二ERM对的偏心块的方位成180度。因此，生成非对称振动，沿与振动轴线对齐的正方向发生较大的峰值力。如表II所示，ERM1214a和1214b的时间相位还可设置为π，在这种情况下，发生沿与振动轴线对齐的负方向具有较大的峰值力的非对称振动。

具有多个ERM对的实施例是可行的，如图68所示，具有N个ERM对；前两个对为1216a和1216b，最后一个对为1216n。在一种控制方法中，第一ERM对1216a以基频旋转，第二ERM对1216b以两倍的基频旋转，依此类推，遍及所有N对，第N对1216n以N倍的基频旋转。使用傅里叶合成可近似得到各种不同的波形。

在图68所示的实施例中，一对中的每个ERM可以具有相同的偏心距，并且每对可被控制为该对中的一个ERM以与另一个ERM相同的旋转速度在相反的方向上旋转。可以生成一个方向上的峰值力相对于相反方向上的峰值力大的非对称振动。使用关于图52(和表I)所讨论的方法，可以生成高度的非对称性，其中规定每个正弦波谐波的幅度和相位。ERM的振动幅度是偏心距mr和角速度ω平方的乘积。因此，第i个ERM的偏心距为相关正弦波幅度的函数，表示为：

m_nr_n=(A_n／A₁)m₁r₁／n²    (45)

可以相对于近似得到的脉冲序列的特定波形的开始时间表示相位。在一些实施方式中，较便利地将第一谐波的相位设置为零并且相对于第一谐波表示其他谐波的相位。将第n个谐波的相位φ_n转换为第n个谐波相对于第一个谐波的相位的等式表示为：

φ_m=φ_n－(ω_n/ω₁)φ₁    (46)

此外，可以相对于一系列正弦波定义相位，而根据余弦波规定ERM振动等式42。余弦波是正弦波，但相位相对于正弦波移动90度。表I示出叠加2、3和4个正弦波的实施例的参数。使用等式45和等式46以及对于余弦表示的90度移动，可以将这些参数转换成具有2、3和4个ERM对的实施例的相关参数。如下所示的表III示出生成高度非对称性的ERM对的这些参数。图52所示的方法可以用于规定用于任意数量的ERM对的参数。

ERM对的数量	2	3	4
				对1的幅度：A1	1	1	1
对1的偏心距	m1r1	m1r1	m1r1
				对1的相对相位φr1(度)	0	0	0
对2的幅度：A2	0.5	0.71	0.81
				对2的偏心距	0.125m1r1	0.1775m1r1	0.2025m1r1
对2的相对相位φr2(度)	180	180	180
				对3的幅度：A3		0.33	0.54
对3的偏心距		0.0367m1r1	0.060m1r1
				对3的相对相位φr3(度)		270	270
对4的幅度：A4			0.25
				对4的偏心距			0.0156m1r1
对4的相位相位φr4(度)			0

表III

使用EMR实施总体同步的振动具有这样的优点：可以生成宽的振动频率范围，而不限于特定谐振范围。随着ERM频率增加，离心力增加，波形幅度A₁和A_n的比率保持不变。因此，如表II和表III所示，使用单个比率的偏心距，可以在任意频率上生成高度非对称振动。

图69示出具有四个ERM的实施例。ERM1222a、1222b、1224a和1224b垂直堆叠在管1220内，管1220用作安装平台1202。这个实施例可以用作由手握住(与握住

移动运动控制器的方式类似)的用户输入装置。具有堆叠的ERM的配置便于各种不同的手持装置，并且便于将振动力施加到各个不同的身体部分。

图70示出用于图69所示的配置情况的总体同步振动的步长。图69所示的部件与图70所示的部件相同，但是图70中没有显示部件的附图标记。图70的每个帧示出ERM的偏心块和从每个块延伸的指示由该块产生的离心力矢量的线。所有ERM的合成力矢量通过ERM下方的较粗的线示出。在图70所示的实施例中，从俯视图的角度，顶部两个ERM1222a和1224b顺时针旋转，底部两个ERM1222a和1224b逆时针旋转。此外，顶部1224b和底部1224a的ERM具有较小的偏心块并且以两倍于中间的两个ERM1222a和1222b的频率的频率旋转。

具有不同的频率和质量关系的其他实施例是可行的。根据基频的周期表示时间t，其中，T₁=2π／ω₁。如图70所示，在时间t=0时，所有ERM的力与正方向的振动轴线对齐，偏心块的位置都在相同的方位对齐。因此，在t=0时，合成振动力具有大的幅度。当t=2T₁／8时，合成力矢量沿振动轴线的负方向，但是负幅度不在峰值处，因为合成力矢量仅由ERM1224a和ERM1224b发生，而来自ERM1222a和ERM1222b的力相互抵消。在t=4T₁／8时，合成力矢量也沿振动轴线的负方向，但是负幅度也不在峰值处，因为在第一ERM对(ERM1222a和1222b)和第二ERM对(ERM1224a和1224b)之间存在负干涉。在t=4T₁／8时，第一ERM对的力与第二ERM对的力位于相反的方向上，并且第一ERM对的偏心块的方位相对于第二ERM对的偏心块的方位成180度。在每个时间点，通过偏心块下方的线示出合成振动力的幅度。

图71示出另一个振动装置，其中该装置包括附接至安装平台1202且在相同方向上旋转的两个ERM1230a和1230b。当两个ERM的旋转速度和偏心距相同时，这个配置称为同向旋转对，或“CORERM对”。ERM偏心块之间的中心称为CORERM对的中心。当两个ERM之间的角度保持为固定的角度值c时，CORERM对产生相当于单个ERM的合成离心力。但是，CORERM对的离心力的幅度是角度c的函数。当c等于零时，合成力幅度是单个ERM的力幅度的两倍；当c等于180度时，离心力幅度等于零，因为没有整体偏心距。因此，当c接近180度时，离心力可能不是CORERM对的主要力输出。相反地，陀螺效应或扭矩效应可能占施加到振动装置上的力和扭矩的较大部分。在A是来自成对的ERM的仅仅一个的力的幅度，ω是旋转速度，φ是旋转相位的情况下，那么由CORERM对产生的合成振动力表示为：

可以与反向旋转对或同向旋转对的ERM相似的方式操作单个振动装置。以一些ERM用作CORERM的模式操作振动装置具有很多优点。一个优点是使用CORERM对可以增加振动的幅度。另一个优点是可以生成模拟单个ERM旋转的先有的振动效果。例如，触觉接口可在生成非对称振动力的一个时间和模拟单个ERM的另一个时间操作。如果用户习惯来自单个ERM的触觉信号，CORERM对允许生成这种较熟悉的效果。

可以使得大量的同向旋转ERM一起同步而没有相位偏移，以便它们的力幅度合成产生与单个大ERM类似的振动效果。如果所有的同向旋转ERM是有相同位置中心的CORERM，那么合成力的中心将与单个大ERM的中心相同。

使用CORERM对的另一个优点是它们允许更多波形的傅里叶合成。一个这种实施例是使用CORERM对代替图66中的每个ERM，如图72所示。图66中的ERM1212a、1212b、1214a和1214b与图72中的CORERM1232a、1232b、1234a、和1234b相对应。这个实施例与图66的最初配置相类似，但是将独立于旋转速度(通过调节CORERM对的角度c)而调节每个ERM的偏心力的幅度。傅里叶合成允许使用正弦波的叠加近似得到任意的波形，其中可以调节正弦波的幅度、相位和频率。使用足够多数量的CORERM对，可以近似得到具有零直流偏移的任何波形。图72中的实施例还允许控制振动的方向。

振动力的幅度的控制在用于触觉应用的非对称振动中可能是特别有用的。振动装置可以被单手握住、被双手握住、被身体的其他部分持有、附接至身体的任何部分、或放置为与身体的任何部分接触。通常地，触觉振动装置的至少两侧与用户接触，并且每侧接触用户身体的不同位置。这些不同位置可以是管状振动装置的握持部的不同侧，例如图69所示。

人类感知通常需要在感知到感官事件之前超过阈值。在一个实施例中，调节非对称波形的幅度，以便在振动装置的一侧上产生低于感知阈值的小振动力，在相对的一侧上产生高于感知阈值的较高的峰值力。以这种方式，可以仅在与振动装置接触的一个位置感知到振动力，即使振动装置与身体的多个位置接触。随着振动方向的变化，感知到振动的身体位置也可以变化。这种方法使用振动以生成根据振动的方向显著变化的效果，由此对于指示定向提示是有用的。

图73示出管中具有两个ERM的实施例。在图73A中，ERM1222a和1222b安装在靠近管1220的中心的位置，从而减少因ERM之间的距离而产生的扭矩振动。控制这个配置的一种方法是以反向旋转的模式操作ERM并在特定的方向上产生力，仅仅具有较小的扭矩振动以便最小化对力效果的分散。在图73B中，ERM1222a和1222b安装在靠近管1220的端部的位置，从而增加因ERM之间的距离而产生的扭矩振动。控制这个配置的一种方法是以反向旋转的模式操作ERM并在特定的方向上产生力，同时生成大的扭矩振动效果。

图69中的实施例也可使用CORERM对来操作。ERM1224a和1224b可形成一对，ERM1222a和1222b可形成另一对。当这些CORERM对都在相同的方向上旋转并且有180度的相位差时，在振动装置上将不存在净力或净扭矩。但是，这个实施例将通过最小的力或扭矩振动产生陀螺效应。这个实施方式可以用于生成在视频游戏或其他类型的模拟中移动剑或重块的感知。

ERM与安装平台之间的力包括离心力和电机定子与转子之间产生的电机扭矩。当ERM以工作速度旋转时，离心力典型地是大的并且占电机扭矩的效果的主要部分。但是，一些实施例可以将来自电机扭矩的效果放在显著地位。当具有平行轴线的两个ERM被操作作为具有180度的相位偏移的同向旋转对时，两个偏心块彼此平衡掉，离心力相互抵消。在这个实施例中，可以更显著地感受到关于旋转轴线的扭矩。在旋转块的加速或减速期间，感受到关于旋转轴线的扭矩。由于电机中的电磁力(反电动势)可添加到施加的反向电压上，通过定期地反转施加到电机的电压，可以产生更大的扭矩。

通过使用制动器来使得旋转块突然减速，可以产生关于旋转轴线的更大的扭矩。这个方法称作用于产生扭矩的反作用轮方法，并且在没有施加扭矩效果的接地致动器时是有用的。图74示出配置为用作反作用轮的偏心块1206。轮缘1242附接至偏心块1206，并产生用于与制动器1244接触的表面。当致动制动器1244时，产生相对大的扭矩。反作用轮配置是总体同步的振动可以生成的各种效果的另一个示例。单个振动装置可以具有以反向旋转模式、同向旋转模式操作的ERM和作为反作用轮的ERM。

ERM对的一个实施例使用交插块，图75示出其一个示例。在这个实施例中，偏心块的形状被实施为使得块可以彼此交插但仍然独立地旋转。使用交插块，两个ERM可以共享相同的旋转轴线。此外，块分布可以被实施为使得偏心力共享相同的平面(可以通过图75中的侧视图的高度指示)。对中的每个ERM具有包括偏心部件和对称部件(例如电机转子)的旋转块。偏心块的质心仅仅指的是旋转块的偏心部件的质心。偏心块的质心绕ERM的旋转轴线旋转，但它的位置可以(在线性代数意义上)投影到旋转轴线的单个点上。使用交插块，偏心块的几何形状和密度可被选择为使得两个ERM的偏心块的质心投影到旋转轴线的相同位置上。在这个配置中，来自两个ERM的偏心力共享相同的平面。在图75中，ERM1 1250a包括电机1252a和有半圆的横截面形状的偏心块1254a，ERM2 1250b包括电机1252b和有弧形的横截面形状的偏心块1254b。允许两个块独立地旋转的其他偏心块形状是可行的。

在具有交插块的实施例中，ERM对可以产生离心力而不产生因ERM之间的距离产生的扭矩。交插的ERM对对于生成没有扭矩振动的纯力振动是有用的。交插的ERM对可被操作为同向旋转对，从而独立于振动频率改变振动的幅度。同向旋转的交插对可以在ERM之间的180度角度与0度角度之间切换以快速接通或断开振动效果。由于不存在扭矩效应，当ERM具有180度的相对相位角度时，将关闭整个振动感知。此外，这个配置可以在不生成扭矩振动的情况下产生陀螺效应。

交插的ERM还可被操作为反向旋转对，从而沿轴线产生振动力。通过控制交插的ERM的相位，可以控制振动力的方向。

图76A-B示出具有3个ERM的实施例。在图76A中，形状为管状的安装平台1202支承中心ERM1312，ERM1314a位于中心ERM的上方，ERM1314b位于中心ERM的下方。所有三个ERM是对齐的，以便它们的旋转轴线是共线的。在这个图中，尺寸A是ERM1312的旋转偏心块的中心在旋转轴线上的投影与1314a的旋转偏心块的中心在旋转轴线上的投影沿旋转轴线的距离。以类似的方式，ERM1314b被设置为使得它的偏心块的中心在旋转轴线上的投影与ERM1312的旋转偏心块的中心在旋转轴线上的投影沿旋转轴线的距离为B。此外，ERM1314a和1314b可被同步为以相同的频率和相同的相位操作，这将产生沿旋转轴线居中的合成力。

当距离A乘以ERM1314a的偏心距等于距离B乘以ERM1314b的偏心距时，来自同步的ERM1314a和1314b的合成振动力投影在旋转轴线上的点与ERM1312的偏心块的中心投影在这条旋转轴线上的点相同。在这个配置中，来自所有3个ERM的合成振动力共享相同的平面。使用这个配置，所有3个ERM可以产生振动力而不产生扭矩。因此，图76A中的具有3个ERM的实施例可以功能上与图75所示的具有两个ERM的实施例相类似的模式操作，但是图76A中的实施例使用标准形状的偏心块。图76A中的实施例可以同向旋转的模式操作，其中所有3个ERM在相同的方向上以相同的频率旋转。ERM1314a和1314b可以以相同的相位操作，并且可以相对于中心ERM1312的相位调节这个相位，从而调制振动力的幅度。

如果ERM1314a的偏心距加上ERM1314b的偏心距等于ERM1312的偏心距，当所有3个ERM都旋转时，可以发生振动力的完全抵消。这个完全抵消允许振动力的快速开闭控制。图76A中的实施例还可以反向旋转的模式操作，其中ERM1314a和1314b的旋转方向和相位是相同的，但中心ERM1312在相反的方向上操作。在反向旋转模式中，可以产生沿轴线的振动力，并且通过ERM的相对相位的调制，可以控制振动的方向。图76A中的实施例的操作模式还可以与图75中的交插实施例的操作模式不类似；此处，中心ERM可被关闭，ERM1314a可以与ERM1314a反相地操作以在装置中产生摇摆扭矩。此外，图76A中的每个ERM可以不同的频率操作。具有较小偏心块的ERM经常以较高的上限频率操作，由此图76A中的实施例可产生更多的振动效果。

图76B示出具有3个ERM的另一个实施例。形状为管状的安装平台1202支承中心ERM1312，ERM1314a位于中心ERM的上方，ERM1314b位于中心ERM的下方。所有3个ERM是对齐的，以便它们的旋转轴线是共线的。在图76B中，尺寸A是ERM1312的旋转偏心块的中心与1314a的旋转偏心块的中心沿旋转轴线的距离。ERM1314b被设置为使得它的偏心块的中心与ERM1312的旋转偏心块的中心沿旋转轴线的距离也为A。

当ERM1314a和1314b的偏心距为中心ERM1312的偏心距的一半且ERM1314a和1314b被同步为以相同的频率和相同的相位操作时，在180度的相位偏移处可以发生振动力和扭矩的完全抵消。因此，图76B中的实施例可具有与图76A中的实施例相同的功能优点。图76B的实施例的进一步优点是两个ERM具有相同的规格，因此更容易制造。

图77示出具有3个ERM的另外的实施例。安装平台1202支承中心ERM1312，ERM1314a位于中心ERM的一侧，ERM1314b位于中心ERM的另一侧。所有3个ERM是对齐的，以便它们的旋转轴线平行。当所有3个ERM在相同的方向上旋转时，图77中的实施例可产生与图76A-B中的实施例类似的振动效果；所有3个ERM的频率可以相同，ERM1314a和1314b的相位可以相同，并且与中心ERM1312的相对相位将决定振动力的幅度。

为了提供振动力的完全抵消，ERM1314a和1314b的旋转块的偏心距可以选择为中心ERM1312的旋转块的偏心距的一半。当中心ERM1312位于ERM1314a和1314b之间的中心位置时，振动扭矩的完全抵消可以发生在同向旋转模式中。图77中的实施例还可以反向旋转的模式操作，其中ERM1314a和1314b在相同方向上以相同的相位旋转，而中心ERM1312在相反的方向上旋转。这个反向旋转模式提供沿轴线的振动力，并且可以通过ERM的相位控制振动力的方向。但是，在图77的实施例中，由于ERM的轴线不是共线的，因此在反向旋转模式期间将存在振动扭矩。

图77的实施例也可以反向旋转的模式操作，其中ERM1314a和1314b在相同的方向上以相同的相位操作，而中心ERM1312在相反的方向上旋转。这个反向旋转模式提供沿轴线的振动力，并且可以通过ERM的相位控制振动力的方向。但是，在图77的实施例中，由于ERM的轴线不是共线的，因此在反向旋转模式期间将存在振动扭矩。

ERM的总体同步振动需要控制旋转偏心块的频率和相位。一种方法是使用电机(例如，步进电机)，其中通过规定期望的步长序列，可以开环地限定位置和速度。另一种方法是使用测量频率和相位的一个或多个传感器进行闭环控制。图78示出具有传感器1260的ERM。传感器1262可以为以频繁的间隔测量偏心块的位置的连续位置传感器。连续传感器可以是编码器、电位计、检测齿轮齿的级数或旋转物体的其他特性的霍尔效应传感器、或其他类型的位置传感器。通过对位置测量求导，或者通过直接使用转速计，可以从随后的旋转之间的时间间隔计算出偏心块的速度。

另一种检测频率和相位的方法是使用离散传感器，该离散传感器检测电机轴旋转经过相对于电机壳体的设定位置、或者相对于电机壳体的多个设定位置的时间。这种离散传感器可以使用由与电机轴联接的旋转物体反射的反射式光学传感器、检测与电机轴联接的旋转物体中断视线的时间的视线光学传感器、检测与旋转轴联接的离散部件的霍尔效应传感器、或轴位置的离散检测的其他方法。

图79示出具有反射式光学传感器的ERM1264，反射式光学传感器检测从偏心块1204反射的光。光源1268(例如LED)把光投向偏心块1206的路径。当偏心块1206旋转经过传感器1266时，光从偏心块1206反射到光传感器1266上。对于偏心块1206的每次旋转，光传感器1266将检测偏心块1206进入传感器1266的范围并开始反射光的时间、以及偏心块1206离开传感器1266的范围并停止反射光的时间。可以在每次旋转的间隔之间(例如，偏心块1206开始反射光的时间)确定ERM1264的速度。可选地，可以通过偏心块1206反射光的持续时间来计算ERM1264的速度。通过特定事件的计时(例如，与偏心块1206开始和停止反射光的时间相对应的光传感器1266的上升边沿或下降边沿)可以确定偏心块1206的相位。

图80示出具有视线光学传感器的ERM1270。光传感器1266检测偏心块1206中断光路的时间。光源1268(例如LED)将光投向偏心块1206的路径。当偏心块1206旋转通过光路时，传感器1266检测到中断。图81示出具有霍尔效应传感器的ERM1272。当偏心块1206旋转经过霍尔效应传感器1274时，触发霍尔效应传感器1274。

使用ERM实施总体同步振动需要控制用于合成期望波形的每个ERM的频率和相位。通过控制ERM的旋转轴的位置θ位于作为时间的函数的期望位置，可以控制频率ω和相位φ。因此，频率和相位的控制还可相当于在一段时间内沿期望位置轨迹控制偏心块的位置。可以连续地或在离散时刻(例如轴经过特定位置的时间)进行轴位置的测量。使用编码器或以频率间隔测量位置的其他类型的传感器进行连续测量。可以使用检测偏心块经过其的时间的光学传感器进行离散测量。可以在电机旋转的单个位置或多个位置处进行离散测量。可使用也测量旋转方向的第二传感器增加离散测量。方向传感器可以是靠近第一光学传感器安装的第二光学传感器。可以通过首先被触发的光学传感器确定旋转方向。

各种不同的方法可以用于实时控制ERM的位置和速度。一种方法是比例积分控制。另一种方法包括如“Optimal Control Theory：An Introduction”，Donald E.Kirk，Dover Publications，2004所描述的时间最佳控制。下面将示出一种用于控制一组同步的ERM的实时控制方法。这种方法是写来用于离散传感器的，但也可应用于连续传感器。当使用连续传感器时，通过更准确地连续更新给电机的指令，可以改进系统的动态性能。

现在讨论用于具有M个ERM的系统的示例性控制方法。对于从i=1到M的每个ERM，定义期望的频率ω_des,i和期望的相位φ_des,i。旋转的期望方向定义为dir_des,i=sign(ω_des,i)。初始化以下变量：

a.时间t=0

b.每个ERM的旋转次数nrev_i=0(对于所有i)

接下来，通过向每个ERM提供与期望频率ω_des,i对应的开环指令V_{open_loop}，使得电机开始转动。开环指令可通过电机的扭矩-速度曲线确定并且与将生成期望值的终端速度的电压相对应。可选的启动操作是以高电压或最大电压启动电机以减少启动时间。由于存在检测旋转速度的传感器，当ERM达到适当的速度时，电压可以减小到期望的程度。以这种方式，用于同步的传感器还可用于减小整体振动装置的启动时间。随着每个ERM经过它的离散传感器：

c.测量时间并记录：t_meas，i＝t

d.计算在测量的时间的期望位置θ_des,i=ω_des,it_meas，i+φ_des，i

e.计算在测量的时间的测量位置θ_meas,i：

增加旋转的次数：nrev_i＝nrev_i+1

θ_meas，i＝2πdir_inrev_i+θ_{sensor_offset,i}

θ_{sensor_offset,i}基于离散传感器的安装位置，并且通常等于零。

dir_i是ERM旋转的实际方向。典型地，ERM将在初始开环指令的方向上旋转。但是，还可使用第二传感器输入来测量旋转的方向，或使用电机指令的时间历史来计算方向。

f.计算每个ERM的位置误差θ_error，i：

θ_error，i＝θ_des,i-θ_meas，i

可以实施控制律以降低每个ERM的位置误差。在控制领域存在各种不同的控制方法的控制，包括：

g.基于计算的位置误差的比例积分导数(“PID”)。给电机的指令将是：

V_com，i=K_p,iθ_error,i+K_I,i∫θ_error，idt+K_D,idθ_error，i／dt

h.由于开环指令是基于电机的特性的，因此使用开环指令作为给ERM的基准指令，并且使用PID校正剩余的误差。给电机的指令将是：

V_com,i=V_{open_loop,i}+K_p，iθ_error，i+K_I,i∫θ_error，idt+K_D,idθ_error,i／dt

开关指令的使用可以降低对大积分控制增益的需求，改进动态性能。

i.状态-空间控制方法。每个ERM的物理状态是它们的位置和速度的函数。每次ERM经过它的离散传感器时，可以由自最后的传感器测量以后的时间间隔来计算旋转的速度。状态-空间方法使用位置和速度来确定适当的控制信号。对于无传感器测量的持续时间，可以使用状态观测器来估计电机的位置和速度，其中状态观测器的模型基于电机和旋转块的物理性质。

i.使用继电控制，对于特定的持续时间以最大前向指令和最大反向指令操作电机。例如，如果ERM以正确的速度操作但是位置具有相位滞后，那么电机应在持续时间内加速然后在第二持续时间内减速到原始速度。电机动态性的物理模型可以用于确定加速和减速的适当持续时间。

所有的控制方法可以使用双向或单向电机驱动器。使用双向电机驱动器的优点是通过应用反向电压可以对ERM应用高水平的减速度，即使电机从不改变旋转的方向。这种方法可以减小同步ERM所用的时间。使用双向电机驱动器的另一个优点是ERM可以反向旋转模式和同向旋转模式操作。

下面讨论计算位置误差的可选方法。在期望的力用A_isin(ω_it+φ_i)表示且期望的位置用θ_i(t)=ω_it+φ₁表示的情况下，以与ω_i对应的开环电压开启所有ERM。令电机以ERM1经过传感器时的速度旋转，以便电机同相地启动，然后重置计时器，即t=0。参见下表IV。

表IV-ERM的控制

在数字系统中，ERM控制可包括如下步骤。首先，设置每次旋转的旋转次数(例如，256或512)。校正计时器溢出，即Δt=t_i-t_i-1总是正确的。根据每次计时器计数的旋转次数限定ω。使用中断(或其他操作)以避免错过ERM经过传感器的时间。

同步振动装置的一些实施例可被控制为合成力和扭矩的和为零。在这种实施例中，各个振动致动器产生的力和扭矩相互平衡抵消以产生净值为零的力和扭矩。这种实施例的优点是可以提升振动致动器的速度并进入没有振动效果生成的模式。当期望有振动效果时，可以通过改变振动的相位快速地实现振动效果，而没有提升致动器的速度所导致的滞后。这个实施例称为“旋转备用”，与用于备用地持有以在需要时快速地提供动力的电力发电设备中的动能的相同术语相似。旋转备用方法使得振动快速地接通和关闭。旋转备用实施例可以包括以合成力和扭矩的和为零的方式旋转的ERM致动器。旋转备用实施例还可以包括以合成力和扭矩的和为零的方式振动的LRA致动器或其他谐振致动器。

旋转备用方法具有快速开关响应时间的优点，但是，由于在没有整体振动效果生成时仍然操作振动致动器，因此可能需要增加的功率消耗。为了降低所增加的功率消耗，振动致动器可以在急需振动力的第一指示时旋转加速。这种指示可以是键击、电脑鼠标运动、用户触摸触摸屏、通过游戏控制器的传感器的运动检测、使用振动效果的游戏部分的开始、或指示急需期望的振动效果的任何其他事件。以类似的方式，一旦对振动的需求不再是急迫的，可以通过旋转减速和停止致动器来保存动力。旋转减速致动器的指示可以包括没有用户输入注册的设定量的时间的流逝、转变到不再需要振动效果的计算机程序的新阶段、或其他指示。在致动器旋转加速或旋转减速期间，致动器可被同步为使得它们以旋转备用的模式操作并且不产生合成振动力。以这种方式，用户将不会感受到振动致动器的旋转加速和旋转减速。

图82示出具有4个ERM的旋转备用实施例。同步振动可被应用到图82所示的实施例中，其中合成力和扭矩相互抵消。在一个这种实施例中，ERM1190a、1190b、1192a和1192b的偏心距和旋转惯性彼此相等。在一个这种控制方法中，所有4个ERM在相同的方向上旋转。频率和相位可以如下表V所示。一组ERM内的同步相位可相对彼此控制并且不仅是相对于绝对时间进行控制。因此，表V和本文的其他表中所示的相位仅仅表示在绝对时间中实现所描述的效果的一组相位。其他相位合成可实现类似的效果。

	ERM1190a	ERM1192a	ERM1192b	ERM1190b
					频率	ω	ω	ω	ω
相位	-90°	90°	90°	-90°

表V

图83示出随着ERM随时间的前进，来自表V的ERM的力，其中每行的图像表示一个时间片段(总共8个片段)。表V中所示的频率和相位的参数与图83中所示的力矢量相对应。以类似的方式，还可以模拟振动装置的其他配置和控制方法。

同步振动的另一种方法可以应用到图82所示的实施例，其中合成力和扭矩相互抵消。在这种控制方法中，ERM1190a在与ERM1190b相反的方向上旋转，ERM1192a在与ERM1192b相反的方向上旋转。频率和相位可以如表VI所示。

	ERM1190a	ERM1192a	ERM1192b	ERM1190b
					频率	ω	ω	-ω	-ω
相位	-90°	90°	90°	-90°

表VI

当ERM旋转时，它们因电机转子和旋转块的角度惯性而产生陀螺效应。当ERM的角速度是大的时，陀螺效应可以用于生成与振动装置的方位改变相对应的触觉感知。由于所有的ERM在相同的方向上旋转并且它们的角度惯性合成，如表V所示的旋转备用的实施方式具有陀螺效应。表VI所示的旋转备用的实施方式不具有陀螺效应，这是因为一半的ERM在与另一半ERM相反的方向上旋转，因此当旋转惯性相等时角度惯性彼此抵消。可以根据期望的陀螺效应选择旋转备用的实施方式的模式。

同步振动的另一种方法可以应用到如图82所示的实施例，其中合成力生成沿x轴的力，扭矩相互抵消。频率和相位可以如表VII所示。

	ERM1190a	ERM1192a	ERM1192b	ERM1190b
					频率	ω	-ω	-ω	ω
相位	0°	0°	0°	0°

表VII

同步振动的另一种方法可以应用到图82所示的实施例，其中合成力生成沿y轴的力，扭矩相互抵消。频率和相位可以如表VIII所示。

	ERM1190a	ERM1192a	ERM1192b	ERM1190b
					频率	ω	-ω	-ω	ω
相位	90°	90°	90°	90°

表VIII

实际上，同步振动可以应用到如图82所示的实施例中，其中合成生成沿XY平面内的任何轴线的力。实现沿30度的轴线的力和相互抵消的扭矩的控制如表IX所示。

	ERM1190a	ERM1192a	ERM1192b	ERM1190b
					频率	ω	-ω	-ω	ω
相位	30°	30°	30°	30°

表IX

同步振动的另一种方法可以应用到图82所示的实施例，其中产生合成扭矩，而力相互抵消。一个这种纯扭矩的实施例在顺时针和逆时针方向上产生相等幅度的扭矩，并且称为对称扭矩实施方式。产生对称扭矩的频率和相位可以如表X所示。

	ERM1190a	ERM1192a	ERM1192b	ERM1190b
					频率	-ω	ω	-ω	ω
相位	-90°	-90°	90°	90°

表X

纯扭矩的另一个实施方式可产生非对称扭矩，其中顺时针方向上的峰值扭矩比逆时针方向上的峰值扭矩大，反之亦然。用于4个ERM配置的一个这种非对称扭矩的实施方式可如表XI所示。这通过以两倍于ERM1190a和1190b的频率的频率操作ERM1192a和1192b以及适当地控制相位而实现。对于图82所示的配置，当所有的ERM具有相同的偏心距时，通过将ERM1192a和1192b放置在与中心的距离为ERM1190a和1190b与中心的距离的1／8的位置处，可以增加扭矩中的非对称性的量。

	ERM1190a	ERM1192a	ERM1192b	ERM1190b
					频率	ω	2ω	2ω	ω
相位	-90°	-90°	90°	90°

表XI

同步振动的又另一种方法可以应用到图82所示的实施例，其中所有ERM一起旋转并且力不会相互抵消。这种实施方式生成具有所有ERM合成的偏心距的一个大ERM的效果。产生对称扭矩的频率和相位可以如表XII所示。

	ERM1190a	ERM1192a	ERM1192b	ERM1190b
					频率	ω	ω	ω	ω
相位	0°	0°	0°	0°

表XII

通过在本文描述的各种效果之间切换，可以生成各种不同的触觉效果。当ERM以相同的速度在不同的两个效果中旋转时，可以快速地实现效果(包括非振动旋转备用)之间的改变。在许多情况下，效果的改变只需要特定ERM中的90度的正相位改变或负相位改变。

具有4个不沿相同轴线对齐的ERM的实施例也可生成许多有用的效果。图DIAMOND_OF_4ERMS示出4个ERM的实施例。当使用具有相同偏心距的4个ERM实施这个实施例时，使用表V中所示的相同的频率和相位可以生成旋转备用效果。在图84中，ERM对1194a和1194b的中心与ERM对1196a和1196b的中心相同。实际上，可以以旋转备用模式控制具有共享相同中心的两对ERM的任何实施例。

还可以控制图84所示的实施例以生成沿特定方向的纯力振动，其中扭矩相互抵消。可可以使用表VII、表VIII和表IX中所示相同的频率和相位。还可以使用这个实施例生成对称扭矩，但是使用表V中限定的频率和相位时，需要使用ERM1194a、1194b、1196a和1196b分别替代ERM1190a、1190b、1192a和1192b。

如上面关于图75讨论的，根据本发明的方面可以采用交插的ERM对。图85A-B示出交插ERM对的另一个实施例。如图85A所示，通过电机1322a驱动内偏心块1320a，通过电机1332b驱动外偏心块1320b。外偏心块1320b被成形为使得壁在远离电机1322b的方向越来越厚。这个额外厚度补偿靠近电机的偏心块的结构支撑所需的材料。如图85B的侧视图所示，内偏心块1320a填充偏心块1320b内的空隙。结果是偏心块1320a和1320b共享相同的质心，这消除不需要的扭矩效果。

图86A-C示出交插ERM对的另一个实施例。此处，通过电机1332a驱动内偏心块1330a，通过电机1332b驱动外偏心块1330b。距离电机1332a最远的偏心块1330a的端部由安装在偏心块1330b内的轴承1334b支撑。距离电机1332b最远的偏心块1330b的端部由安装在偏心块1330a内的轴承1334a支撑。轴承1334a和1334b允许旋转的偏心块1330a和1330b支撑在其两端上。这允许偏心块1330a和1330b在没有因悬臂负荷而产生的偏转情况下更快地旋转，并且帮助减少电机1330a和1330b中的摩擦。

通过应用本文讨论的总体同步的振动的方法和实施例，可以改进几乎任何振动装置的性能。这种同步方法允许生成各种不同的波形，包括一个方向上的峰值力比另一个方向上的峰值力大的非对称波形。应用的范围从地震振动器和果树收割机到振动式给料器和微型振动应用。本文描述的实施例可替代用于生成复杂振动波形的较昂贵的致动装置。这种应用包括模拟特定地震曲线的地震振动器和用于生成复杂触觉效果的音圈。

本文描述的触觉应用可以用于增强具有视觉显示器的任何装置，包括电脑游戏、电视(包括3D电视)、手持娱乐系统、智能手机、台式电脑、平板电脑、医疗装置、外科器械、内窥镜、平视显示器以及手表。图87示出具有视觉显示器的系统内的触觉反馈的实施方式。

如本文所描述的，可以在特定方向上生成振动力提示，并且这些方向可以选择为对应于与正在图形显示器上显示的物体或事件相关的方向。图88示出具有图像的图形显示器，图像具有通过角度σ表示的特定感兴趣方向。图88中示出的振动装置可以在相同方向上生成触觉提示以提供多感知输入和提高整体用户体验。

而且，为人不具有视觉提示的应用生成方向性的触觉提示以便引导盲人是有用的，或者为视力模糊或视力被其他任务抢先占有的应用生成方向性的触觉提示是有用的。例如，如果人具有手持装置(例如可以通过振动生成定向触觉提示的移动电话)，并且移动电话知道它被持有的绝对方位以及人应当向目标前进的方位，那么移动电话可以通过与持有移动电话的人需要进行的方位改变的方向和幅度相对应的振动(力、扭矩、或合成的力和扭矩)来传达定向触觉提示。

本文描述的振动装置可以用于改进现有的使用振动的装置的性能。例如，振动用于果树收获中。通过允许操作器生成复杂波形以及控制振动的方向，可以收获较高产量的成熟果实，同时将没有成熟的果实留在树上。振动式给料器用于工厂自动化中，并且典型地包含大量的反复试验以实现部件的期望运动。通过允许操作器生成复杂波形以及控制振动的方向，可以更容易地产生期望的部件运动，使用振动式给料器，可以处理更大范围的部件。

本文描述的振动装置允许在区域中的广泛且连续的调节，例如振动幅度、频率和方向。为了改进振动装置的性能，可以使用传感器反馈，如图89所示。通过这种方法，振动装置将力施加到物体上，传感器测量物体的一个或多个特性。传感器信息提供给振动装置控制器，然后振动装置控制器可以改变振动波形以改进整体系统性能。应用的一个领域可以是振动式部件给料器，其中传感器测量部件沿路径运动的速率，以及改变波形以改进部件运动。应用的另一个领域可以是生物和化学溶液的制备和混合。传感器可以测量混合的效率并因此调整振动波形。

一种应用是使用总体同步的振动用于移动。图90示出振动装置1200停留在表面1282上的实施例。在表面1282和振动装置1200之间存在摩擦力。因此，仅仅在平行于表面1282的力超过摩擦力阈值时，发生振动装置1200的运动。在这个实施例中，将生成非对称波形，以便正向峰值力超过摩擦力阈值，负向峰值力小于摩擦力阈值。因此，在每个振动周期中，当正x方向上的峰值力超过摩擦力阈值时，可以在正x方向上推动振动装置1200。

但是，在负x方向上通常将不存在运动，因为未超过摩擦力阈值。以这种方式，振动装置1200将在正x方向上采取行动。通过改变振动致动器的同步以及生成具有较大的负方向峰值力的非对称波形，可以反转沿x轴的运动的方向。通过使用可将振动的方向控制在平面上的振动装置1200，可以使得定位装置在表面1282上沿任意方向运动，例如图62和图66所示。以类似的方式，通过生成非对称扭矩振动，可以使得移动装置旋转，例如图57所示。

振动还用于个人娱乐产品，例如Jimmyjane的2型防水可充电振动器。振动还用于个人按摩器产品，例如Octo-Node^TM迷你按摩器。振动还用于美容产品，例如EstéeLauder的TurboLash和

的振荡睫毛膏涂抹器。通过允许用户定制振动波形和峰值振动力的方向，总体同步的振动可以用于改进这些产品的性能。

总体同步的振动还可以用于治疗医学应用中。例如，振动装置可以振动患者的胃以帮助消化，患者或传感器可以决定如何随时间调节振动。

尽管已经参考特定实施例描述了本发明的方面，需要理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的说明。因此，需理解的是，在不脱离通过所附权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对说明性实施例做出大量修改以及可以设计其他布置。仅仅作为示例，可以在一定程度上改变本文的实施例的方面，同时实现本发明的总体同步振动和其他好处。例如，可以单独地或者以任何组合的方式调节振动的频率、振动的幅度、振动的曲线或波形、振动的相位、振动的计时，致动器的对齐、振动装置的刚度、致动器和振动装置之间的附接的刚度、以及设计和控制参数。

工业实用性

本发明具有广泛的工业实用性，包括但不限于包括游戏控制器和为用户提供触觉感知的其他部件的振动装置。

Claims (33)

1.一种振动装置，包括：

安装平台；以及

多个致动器，所述多个致动器的每个被配置为在连续操作周期上建立所述致动器的力输出的幅度；

其中所述多个致动器的每个附接至所述安装平台，以便所述多个致动器的力输出叠加到所述安装平台上，以及

所述多个致动器被配置为同时生成对于期望的力输出波形的至少两个不同谐波的、与所述力输出相对应的力波形，以便每个致动器生成所述期望的输出波形的单个谐波。

2.根据权利要求1所述的振动装置，其中所述多个致动器的每个选自由线性谐振致动器、偏心旋转块致动器、枢转致动器和摇摆致动器组成的组。

3.根据权利要求1所述的振动装置，其中所述多个致动器的两个包括交插偏心旋转块，交插偏心旋转块被布置为使得所述两个致动器是通过控制器单独可控的以同时产生非零的力输出，以便所述两个致动器的叠加的力输出的和是基本为零的力和基本为零的扭矩。

4.根据权利要求1所述的振动装置，其中所述至少两个不同的谐波包括所述期望的输出波形的第一谐波。

5.根据权利要求1所述的振动装置，其中所述至少两个不同的谐波包括所述期望的输出波形的第二谐波。

6.根据权利要求1所述的振动装置，其中所述至少两个不同的谐波包括所述期望的输出波形的第三谐波。

7.根据权利要求1所述的振动装置，进一步包括与所述多个致动器联接以控制所述期望的输出波形的幅度的控制器。

8.根据权利要求1所述的振动装置，其中所述振动装置被配置用于生成触觉定向提示。

9.根据权利要求1所述的振动装置，其中：

所述振动装置布置在手持电子装置中，所述手持电子装置选自由远程控制器、游戏控制器和手表组成的组，以及

所述振动装置被配置为产生用于所述手持电子装置的一个或多个触觉效果。

10.根据权利要求9所述的振动装置，其中所述游戏控制器选自由驱动游戏控制器和运动游戏控制器组成的组。

11.一种振动装置，包括：

安装平台；

多个偏心旋转块致动器，所述多个偏心旋转块致动器的每个附接至所述安装平台；以及

控制器，所述控制器与所述多个偏心旋转块致动器联接以独立地控制每个偏心旋转块致动器的频率和相位。

12.根据权利要求11所述的振动装置，其中：

所述多个偏心旋转块致动器包括两对偏心旋转块致动器，每对是对齐的并附接至所述安装平台，以便：

第一对偏心旋转块致动器被配置用于以第一旋转频率f1逆时针旋转以产生第一线性振动力，以及

第二对偏心旋转块致动器被配置用于以第二旋转频率f2逆时针旋转以产生第二线性振动力，所述第二旋转频率f2是所述第一旋转频率f1的整数倍，

通过所述两对偏心旋转块致动器的操作而在所述安装平台上产生的合成线性振动力的波形是非对称的。

13.根据权利要求12所述的振动装置，其中所述两对偏心旋转块致动器的每个偏心旋转块致动器的旋转轴线是基本平行的。

14.根据权利要求12所述的振动装置，其中通过所述控制器控制所述两对偏心旋转块致动器以产生向心力，以便当所述第一对偏心旋转块致动器以所述第一旋转频率f1操作时产生的所述第一线性振动力是当所述第二对偏心旋转块致动器以所述第二旋转频率f2操作时产生的所述第二线性振动力的基本两倍。

15.根据权利要求12所述的振动装置，其中，所述两对偏心旋转块致动器的每个偏心旋转块致动器的旋转轴线是共线的。

16.根据权利要求12所述的振动装置，其中，所述两对偏心旋转块致动器的每个偏心旋转块致动器的向心力矢量是共面的。

17.根据权利要求12所述的振动装置，其中所述控制器被配置用于使用所述两对偏心旋转块致动器生成触觉定向提示。

18.根据权利要求11所述的振动装置，其中：

通过所述控制器控制所述多个偏心旋转块致动器之间的相对相位以抵消由所述偏心旋转块致动器的每个产生的向心力；以及

由每个所述偏心旋转块致动器的所述向心力产生的扭矩相互抵消。

19.根据权利要求11所述的振动装置，其中通过所述控制器控制所述偏心旋转块致动器的每个之间的频率、方向和相对相位以产生沿预定轴线的合成振动力。

20.根据权利要求19所述的振动装置，其中所述沿预定轴线的合成振动力是非对称的。

21.根据权利要求11所述的振动装置，其中：

所述多个偏心旋转块致动器包括第一偏心旋转块致动器和第二偏心旋转块致动器，所述第一偏心旋转块致动器和所述第二偏心旋转块致动器具有相同的偏心距；以及

所述控制器被配置为以相对于所述多个偏心旋转块致动器中的其他偏心旋转块致动器相同的频率和相同的相位操作所述第一偏心旋转块致动器和所述第二偏心旋转块致动器。

22.根据权利要求11所述的振动装置，其中：

所述多个偏心旋转块致动器包括具有第一旋转轴线的第一偏心旋转块致动器和具有第二旋转轴线的第二偏心旋转块致动器，所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线是共线的；

所述第一偏心旋转块致动器具有第一偏心块，所述第一偏心块的偏心距的中心在投影到所述第一旋转轴线上的第一位置处；

所述第二偏心旋转块致动器具有第二偏心块，所述第二偏心块的偏心距的中心在投影到所述第二旋转轴线上的第二位置处；以及

所述第一位置和所述第二位置之间的距离基本为零。

23.根据权利要求11所述的振动装置，其中：

所述多个偏心旋转块致动器包括具有第一旋转轴线的第一偏心旋转块致动器、具有第二旋转轴线的第二偏心旋转块致动器和具有第三旋转轴线的第三偏心旋转块致动器，所述第一旋转轴线、所述第二旋转轴线和所述第三旋转轴线是共线的；

所述第一偏心旋转块致动器具有第一偏心块，所述第一偏心块的偏心距的中心在投影到所述第一旋转轴线上的第一位置处；

所述第二偏心旋转块致动器具有第二偏心块，所述第二偏心块的偏心距的中心在投影到所述第二旋转轴线上的第二位置处；

所述第三偏心旋转块致动器具有第三偏心块，所述第三偏心块的偏心距的中心在投影到所述第三旋转轴线上的第三位置处；以及

所述第一位置和所述第二位置之间的距离乘以所述第二偏心距等于所述第一位置和所述第三位置之间的距离乘以所述第三偏心距。

24.根据权利要求23所述的振动装置，其中所述第一偏心块的所述偏心距等于所述第二偏心距与所述第三偏心距的和。

25.一种振动装置，包括：

安装平台；

线性谐振致动器对，所述线性谐振致动器对平行地布置且附接至所述安装平台，每个线性谐振致动器包括可移动的块；以及

控制器，所述控制器与所述线性谐振致动器对联接，所述控制器被配置为控制所述线性谐振致动器对的第一个将第一频率f1的第一正弦振动力施加到所述安装平台上，以及控制所述线性谐振致动器对的第二个将第二频率f2的第二正弦振动力施加到所述安装平台上，所述第二频率f2是所述第一频率f1的整数倍；

其中所述控制器进一步被配置为控制所述第一正弦振动力和所述第二正弦振动力的幅度和相位以生成非对称的合成振动波形。

26.根据权利要求25所述的振动装置，其中所述第一线性谐振致动器和所述第二线性谐振致动器各自可操作在包括所述第二线性谐振致动器的谐振频率的频率范围内。

27.根据权利要求26所述的振动装置，其中所述第二线性谐振致动器的所述谐振频率被调谐成所述第一线性谐振致动器的所述谐振频率的整数倍。

28.根据权利要求25所述的振动装置，其中所述振动装置被配置为使用所述第一线性谐振致动器和所述第二线性谐振致动器生成触觉定向提示。

29.根据权利要求25所述的振动装置，其中所述振动装置被配置为产生与一个或多个计算机生成的视觉事件相对应的触觉效果。

30.根据权利要求25所述的振动装置，其中所述振动装置布置在手持控制器中，并且所述振动装置被配置为产生用于所述手持控制器的效果。

31.根据权利要求25所述的振动装置，其中所述振动装置布置在用户可穿戴的装置中，并且所述振动装置被配置为产生用于所述可穿戴的装置的触觉效果。

32.根据权利要求25所述的振动装置，其中所述振动装置是用于在航点之间导航用户的导航装置的一部分。

33.根据权利要求1所述的振动装置，其中所述至少两个不同的谐波不包括所述期望的输出波形的第一谐波。

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