JP4387086B2 - 触覚フィードバックインターフェースデバイス用の方向接触フィードバック - Google Patents
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Description
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、概して、人間がコンピュータシステムとインタフェイスすることを可能にするインタフェイスデバイスに関し、より詳細には、ユーザがコンピュータシステムに入力を提供することを可能にし、かつ、コンピュータシステムがユーザに触覚フィードバック（ｈａｐｔｉｃ ｆｅｅｄｂａｃｋ）を提供することを可能にするコンピュータインタフェイスデバイスに関する。
【０００２】
ユーザは、コンピュータ上で機能およびタスクを実行するために、コンピュータによって表示される環境と相互作用し得る。このような相互作用のために使用される一般的な人間−コンピュータインタフェイスデバイスは、コンピュータシステムに接続されているマウス、ジョイスティック、トラックボール、ゲームパッド、ステアリングホイール、スタイラス、タブレット、感圧性の球面などを含む。典型的には、コンピュータは、ユーザによるジョイスティックハンドルまたはマウスなどの物理的な操作手段の操作に応じて環境をアップデートして、表示画面および音声スピーカを利用して視覚および音声のフィードバックをユーザに提供する。コンピュータは、インタフェイスデバイス上に設けられているセンサを通してユーザによるユーザ操作手段の操作を感知し、このセンサは、コンピュータに所各信号を送信する。いくつかのインタフェイスデバイスにおいて、運動感覚力フィードバック（ｋｉｎｅｓｔｈｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ）または接触フィードバック（ｔａｃｔｉｌｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ）（より一般的には、本明細書中、「触覚フィードバック」として公知である）もまたユーザに提供される。これらの種類のインタフェイスデバイスは、インタフェイスデバイスのユーザ操作手段を操作しているユーザによって感知される物理的感覚を提供し得る。１つ以上のモータまたは他のアクチュエータは、ハウジングまたは操作手段に結合され、制御コンピュータシステムに接続されている。コンピュータシステムは、制御信号または命令をアクチュエータに送信することにより、表示されるイベントおよび相互作用と共に、かつ、それらと協同して出力を制御する。
【０００３】
多くの低コストの触覚デバイスは、慣性的に接地している（ｉｎｅｒｔｉａｌｌｙ−ｇｒｏｕｎｄｅｄ）接触フィードバックを提供し、この接触フィードバックは、物理的（地球の）地面に対して移動している操作手段の動作の自由度に直接対応して力を出力する運動感覚性フィードバックよりも、慣性質量に関して力を伝達し、かつ、ユーザによって感知される。例えば、多くの現在利用可能なゲームパッドコントローラは、偏心質量を有するスピニングモータを含み、このスピニングモータは、ゲーム内で起きているイベントと協同して、コントローラのハウジングに力感覚を出力する。いくつかの触覚マウスデバイスにおいて、ピン、ボタン、またはマウスのハウジングは、制御されたカーソルと他のグラフィカルオブジェクトとの相互作用によって動かされ得、これらのハウジング領域に触ることによりユーザによって感知される。
【０００４】
このような安価な触覚コントローラの１つの問題は、異なる種類の力感覚をユーザに伝達する能力が制限されていることである。触覚の方向付けおよび調整に関して、開発者により多くの柔軟性を提供するデバイスがより望ましい。さらに、現在利用可能な慣性コントローラは、回転質量の一般的な方向への出力パルスおよび振動しか提供できない。従って、感覚は、任意の特定の方向に出力されていないようにユーザに感知されるが、デバイスのハウジング上へと単に出力されているように感知される。しかし、ゲームおよび他のコンピュータによって実施される環境における多くのイベントは方向ベースであり、現在の慣性触覚デバイスが提供し得ない触覚の方向性によって利益を得る。
【０００５】
（発明の要旨）
本発明は、触覚フィードバックインタフェイスデバイス内に方向触覚フィードバック（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｈａｐｔｉｃ ｆｅｅｄｂａｃｋ）を提供することに向けられている。このような方向フィードバックに使用される、発明による触覚デバイスの電力効率の特徴についても説明する。
【０００６】
より詳細には、本発明のインタフェイスデバイスは、方向触覚フィードバックをユーザに提供し、このインタフェイスデバイスは、ホストコンピュータと通信している。このデバイスは、ユーザによって物理的に接触されるハウジングと、ユーザ入力を感知するための少なくとも１つのセンサとを含む。少なくとも２つのアクチュエータアセンブリは、それぞれ、移動している慣性質量を含み、方向慣性感覚（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓａｔｉｏｎ）をハウジングに引き起こすためにハウジング内に配置される。単一の制御信号がそれぞれのアクチュエータアセンブリに異なる振幅で提供され、ユーザによって感知される方向慣性感覚が提供される。好適には、より大きな振幅の波形がある特定のアクチュエータアセンブリに与えられ、ハウジング内のその特定のアクチュエータアセンブリの位置にほぼ対応する方向を有する感覚が提供される。例えば、左側のアクチュエータアセンブリにより大きな振幅を与えて、左の方向を有する感覚を提供する。
【０００７】
コンピュータから高レベルの命令を受信し、かつ、アクチュエータアセンブリを制御するローカルプロセッサが含まれ得る。この高レベルの命令は、アクチュエータアセンブリ間で出力電流を分割して、アクチュエータアセンブリ間の軸に沿う方向慣性感覚のための所望の位置を提供する方法を示すバランスパラメータを含み得る。アクチュエータアセンブリは、慣性質量を直線的に振動させ得るか、または、偏心回転質量を回転させ得る。制御信号は、２つの制御信号に分割され得、一方は他方の位相からずれており、それぞれはアクチュエータアセンブリの１つに送信される。本発明の方法は、同様に、方向慣性感覚の出力を可能にする。
【０００８】
本発明の別の局面において、インタフェイスデバイスが、方向触覚フィードバックをユーザに提供し、ユーザによって物理的に接触されるハウジングと、ユーザ入力を検出するための少なくとも１つのセンサとを含む。少なくとも２つのアクチュエータアセンブリは、それぞれ、一方向性によって駆動させられる回転慣性質量を含む。アクチュエータアセンブリは、ハウジング内に配置されて、方向慣性感覚をハウジングに引き起こし、ここで、制御信号がそれぞれのアクチュエータアセンブリに異なるデューティサイクルで提供されて、ユーザによって感知される方向慣性感覚が提供される。例えば、命令振幅の制御信号が左側のアクチュエータアセンブリに与えられて、左の方向を有する感覚が提供される。同様の制御が右の方向に関しても提供され得る。バランスパラメータを含む高レベルの命令が使用され得、出力振動の振幅をアクチュエータアセンブリ間で分配する方法が示される。制御信号の一方は他方の位相からずれていることが可能である。制御信号はまた、制御信号が決して同じ時に存在しないようにインターレースされ得る。あるいは、制御信号の一方が他方と同じ時に存在する場合、一方または両方の信号は、所定の周波数およびデューティサイクルでパルスを与えられて、アクチュエータアセンブリの平均電力要件を減少させる。本発明の方法は、同様に、方向慣性感覚の出力を可能にする。
【０００９】
本発明は、有利なことに、低コストのアクチュエータを使用する接触フィードバックのための方向接触フィードバック感覚を提供する。これらの感覚は、これらの種類の触覚デバイスにおけるより多種多様な感覚を可能にし、ゲームで遊ぶ経験、または、他の種類のコンピュータアプリケーションと相互作用する経験がユーザにとってより満たされるものであることを可能にする。電力有効性の特徴もまた、低電力デバイスの実施形態を可能にして、本明細書中で開示される方向触覚を提供する。
【００１０】
本発明のこれらの利点および他の利点は、下記の本発明の詳細を読み、いくつかの図面をよく見ることにより当業者に明らかになる。
【００１１】
（好適な実施形態の詳細な説明）
図１は、触覚フィードバックシステム１０の透視図であり、この触覚フィードバックシステム１０は、本発明に使用することに適しており、ユーザによるデバイスの操作に基づいてホストコンピュータに入力を提供することが可能であり、かつ、ホストコンピュータによって実行されるプログラム内で起きているイベントに基づいて、システムのユーザに触覚フィードバックを提供することが可能である。システム１０は、ゲームパッドインタフェイスデバイス１２およびホストコンピュータ１４を含むゲームパッドシステム１０として、例示的な形式で示される。
【００１２】
ゲームパッドデバイス１２は、手持ち式コントローラの形式であり、ビデオゲームコンソールシステムのために現在利用可能な多くのゲームパッドの形および大きさに類似する。インタフェイスデバイス１０のハウジング１５は、グリップ突起部１６ａおよび１６ｂにおいてデバイスを掴む２つの手を簡単に収容するように成形されている。図示の実施形態において、ユーザは、彼または彼女の指によって、デバイス１２上の種々の制御にアクセスする。他の実施形態において、インタフェイスデバイスは、卓上または他の表面上に静止するデバイス、縦型アーケードゲーム機、ラップトップ型デバイス、または、着用式（ｗｏｒｎ ｏｎｔｈｅ ｐｅｒｓｏｎ）、手持ち式、もしくはユーザの片手で使用される他のデバイスなどを含む多種多様な形式を取り得る。
【００１３】
方向パッド１８がデバイス１２上に含まれ得、ユーザがホストコンピュータ１４に方向性入力を提供することを可能にする。最も一般的な実施形態において、方向パッド１８は、４つの拡張部分を有する十字形もしくはディスク、または、中心点から９０度の間隔で四方に広がる方向性位置のようにおおよそ成形されており、ここで、ユーザは、拡張部分２０の１つを下に押すことによって、対応する方向に関する方向性入力信号をホストコンピュータに提供し得る。
【００１４】
ハウジング１５の表面から突出する１つ以上のフィンガージョイスティック２６がデバイス１２内に含まれ得、１以上の自由度によってユーザによって操作され得る。例えば、ユーザは、デバイスの各グリップ１６ａおよび１６ｂを掴み、親指または指を使用して２自由度（または、いくつかの実施形態において、３以上の自由度で）でジョイスティック２６を操作し得る。この動作は、ホストコンピュータ１４に提供される入力信号へと変換され、方向パッド１８によって提供される信号と異なる信号であり得る。いくつかの実施形態において、別の線形またはスピンの自由度が、ジョイスティックに提供され得る。他の実施形態において、ジョイスティック２６の代わりに、または、それに加えて、球面が提供され得、ここで、球面の１つ以上の部分は、ハウジング１５の左側、右側、上面、および／または下面から拡張し得、その結果、球面は、ユーザによって２回転自由度内で所定の位置で回転され得、ジョイスティックと同様に動作する。線形または回転自由度が、ジョイスティックに関して提供され得る。
【００１５】
ボタン２４、ジョイスティック２６、および方向パッド１８の代わりに、または、それに加えて、他の制御が、ハウジング１５を掴む手の簡単に届く範囲内に配置され得る。例えば、１つ以上のトリガボタンが、ハウジングの下面に配置され得、ユーザの指によって押され得る。他の制御もまた、デバイス１２の種々の位置に提供され得、ゲーム内のスロットル制御のためのダイアルまたはスライダー、４方向または８方向のハットスイッチ、ノブ、トラックボール、ローラまたは球面などを含む。任意のこれらの制御はまた、接触フィードバックなどの触覚フィードバックを提供され得る。
【００１６】
さらに、ユーザがデバイスを操作する際にユーザによって接触されるハウジング自体は、好適には、下記でより詳細に説明するように、接触フィードバックを提供する。ハウジングの移動可能な部分もまた、接触フィードバックを提供し得る。従って、ハウジングも接触フィードバックを提供し得、かつ、方向パッド１８（または、他の制御）も別の接触フィードバックを提供し得る。触覚フィードバックを提供される他のボタンまたは他の制御のそれぞれもまた、他の制御とは別の接触フィードバックを提供し得る。
【００１７】
インタフェイスデバイス１２は、任意のいくつかの種類の通信媒体であり得るバス３２を介してホストコンピュータ１４に結合される。例えば、シリアルインタフェイスバス、パラレルインタフェイスバス、または、ワイヤレス通信リンク（無線、赤外線など）が使用され得る。特定の実施例は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、ＩＥＥＥ １３９４（Ｆｉｒｅｗｉｒｅ）、ＲＳ−２３２、または他の規格を含み得る。いくつかの実施形態において、デバイスのアクチュエータのための電力は、バス３２もしくは他のチャネルを通して伝達される電力によって供給または補足され得るか、または、電力供給／保存デバイスがデバイス１２上に設けられ得る。
【００１８】
インタフェイスデバイス１２は、ホストコンピュータ１４に制御信号を報告し、ホストコンピュータ１４からの命令信号を処理するために必要な回路を含む。例えば、センサ（および、その関連回路）を使用して、デバイスの制御の操作の感知および報告をホストコンピュータに行うことが可能である。デバイスはまた、好適には、ホストからの命令信号を受信し、かつ、１つ以上のデバイスアクチュエータを使用して命令信号によって接触感覚を出力する回路を含む。ゲームパッド１２は、好適には、ゲームパッド１２のハウジング上に力を生成するように動作可能なアクチュエータアセンブリを含む。この動作について、図２を参照して、下記でより詳細に説明する。
【００１９】
ホストコンピュータ１４は、好適には、ビデオゲームコンソール、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、または、１つ以上のホストマイクロプロセッサを典型的に含む他のコンピューティングもしくは電子デバイスである。Ｎｉｎｔｅｎｄｏ、Ｓｅｇａ、またはＳｏｎｙ製のシステムなどの種々のホームビデオゲームシステムの１つ、テレビの「セットトップボックス」、または、「ネットワークコンピュータ」などが使用され得る。あるいは、ＩＢＭと互換性があるパーソナルコンピュータもしくはＭａｃｉｎｔｏｓｈのパーソナルコンピュータなどのパーソナルコンピュータ、または、ＳＵＮもしくはＳｉｌｉｃｏｎ Ｇｒａｐｈｉｃｓ製のワークステーションなどのワークステーションが使用され得る。あるいは、ホスト１４およびデバイス１２は、アーケードゲーム機、携帯型もしくは手持ち式のコンピュータ、車両用コンピュータ、もたは、他のデバイス内の単一のハウジング内に含まれ得る。ホストコンピュータシステム１４は、好適には、周辺装置およびインタフェイスデバイス１２を介してユーザが相互作用するホストアプリケーションプログラムを実施する。例えば、ホストアプリケーションプログラムは、ビデオもしくはコンピュータゲーム、医療シミュレーション、科学分析プログラム、実行システム、グラフィカルユーザインタフェイス、製図／ＣＡＤプログラム、または他のアプリケーションプログラムであり得る。本明細書中、コンピュータ１４は「グラフィカル環境」を提供すると言われ得、このグラフィカル環境は、グラフィカルユーザインタフェイス、ゲーム、シミュレーション、または他の画像環境であり得る。コンピュータは、「グラフィカルオブジェクト」または「コンピュータオブジェクト」を表示し、これらのオブジェクトは、当業者に周知なように、物理的オブジェクトでないが、コンピュータ１４によって表示デバイス３４上に画像として表示され得るデータおよび／またはプロシージャの論理ソフトウェアユニットコレクションである。ソフトウェアを触覚フィードバックデバイスとインタフェイスさせる適切なソフトウェアドライバは、Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＩｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが販売している。
【００２０】
表示デバイス３４は、ホストコンピュータ１４内に含まれ得、標準表示画面（ＬＣＤ、ＣＲＴ、フラットパネルなど）、３−Ｄゴーグル、映像表示デバイス（例えば、プロジェクタもしくは車両内のヘッドアップディスプレイ）、または任意の他の画像出力デバイスであり得る。典型的には、ホストアプリケーションは、表示デバイス３４および／または他のフィードバック上に表示されるべき聴覚信号などの画像を提供する。例えば、表示画面３４は、ＧＵＩおよび／またはアプリケーションプログラムからのグラフィカルオブジェクトを表示し得る。
【００２１】
他の実施形態において、多くの他の種類のインタフェイスまたは制御デバイスが、本明細書中に説明される本発明に使用され得る。例えば、マウス、トラックボール、ジョイスティックハンドル、ステアリングホイール、ノブ、スタイラス、グリップ、タッチパッド、または他のデバイスが、本明細書中に説明するように、慣性触覚から利益を得ることが可能である。さらに、他の種類の手持ち式デバイスが、現在説明されている発明に使用することにかなり適しており、手持ち式のリモコンデバイスもしくは携帯電話、または、手持ち式の電子デバイスもしくはコンピュータなどが、本明細書中に説明される触覚フィードバック構成要素に使用され得る。本明細書中に説明される感覚は、例えば、デバイスの表面から垂直に出力され得るか、または、ジョイスティックハンドル、トラックボール、スタイラス、グリップ、ホイール、もしくはデバイス上にある他の操作可能なオブジェクトから出力され得るか、または、所望の方向または範囲に出力され得る。
【００２２】
作動中、インタフェイスデバイス１２の制御はユーザによって操作され、この制御は、実施されているアプリケーションプログラム（単数または複数）をアップデートする方法をコンピュータに示す。デバイス１２のハウジング１５内に含まれる電子インタフェイスは、デバイス１２をコンピュータ１４に結合し得る。ホストコンピュータ１４は、インタフェイスデバイスからの入力を受信し、この入力に応じてアプリケーションプログラムをアップデートする。例えば、ゲームがグラフィカル環境を表し、ここで、ユーザは、方向パッド１８、ジョイスティック２６、および／またはボタン２４を使用して、１つ以上のグラフィカルオブジェクトまたはエンティティを制御する。ホストコンピュータは、力フィードバック命令および／またはデータをデバイス１２に提供して、デバイスに触覚フィードバックを出力させ得る。
【００２３】
図２ａおよび図２ｂは、それぞれ、方向慣性フィードバックのために、本発明の一実施形態に使用するための２つのアクチュエータを含む、デバイス１２の実施形態１００の平面断面図および側面図である。図示の実施形態は、任意の慣性インタフェイスデバイスに使用され得るが、デバイスハウジングの異なる部分をユーザが両方の手によって掴む手持ち式デバイスが最適であり得る。この実施形態は、説明を目的として、ゲームパッドとして説明される。ゲームパッドハウジング１０１は、ホストコンピュータシステムに入力を提供するためにユーザによって操作されるゲームパッド接触インタフェイスデバイス１２を開示する。ユーザは、典型的には、各グリップ１６を１つの手で掴み、指を使ってハウジング１０１の中央部分にある入力デバイスを操作することによりデバイスを操作する。
【００２４】
ハウジング１０１は、好適には、２つの高調和振動ドライブのアクチュエータアセンブリ１０２および１０４を含む。これらのアクチュエータアセンブリは、任意の種々の方法によって実施され得る。最適なアクチュエータアセンブリは、高調和振動し得る慣性質量を提供し、かつ、慣性質量に中央揃えのばねの力を含み、有効かつ非常に制御可能な慣性感覚を可能にする。一実施形態において、図２〜図８を参照して本明細書中に説明するアクチュエータアセンブリが使用され得る。他の実施形態において、アクチュエータアセンブリ１０２および１０４は、高調和振動ドライブのアクチュエータアセンブリであり得、このアクチュエータアセンブリは、慣性質量をほぼ直線的に振動させる湾曲部に結合されている回転モータ（または、他のアクチュエータ）を提供し、従って、接触フィードバックを提供する。慣性質量は、モータ自体であり得る。アクチュエータは、本明細書中に説明されるアクチュエータと同様に、例えば、正弦波などの周期的な制御信号と高調和振動して制御される。慣性質量は、任意の方向に振動させられ得る。例えば、矢印１０６によって示されるように、１つの所望な方向は上および下である。他の実施形態において、音声コイル（移動しているコイル）アクチュエータなどの他の種類のアクチュエータが使用され得る。さらに他の実施形態において、下記で説明するように、回転モータの軸上に提供される偏心質量などの回転慣性質量が使用され得る。
【００２５】
高調和振動ドライブのアクチュエータアセンブリ１０２および１０４は、好適には、デバイスによって許容される最大の空間的な位置ずれが間にある状態で配置される。例えば、ゲームパッドの実施形態において、アセンブリ１０２および１０４は、ゲームパッドの異なるハンドグリップ１６内に配置され得る。これにより、ユーザによって方向性の力がより簡単に感知されることが可能になる。アクチュエータアセンブリ１０２および１０４はまた、好適には、アクチュエータの大きさ、ばねの剛度、慣性質量、および減衰（提供される場合）などの関連特性が同じである。これにより、デバイスの各端部において慣性力がほぼ同じであることが可能になり、方向のバランシングがより効果的になることが可能になる。他の実施形態は、アクチュエータアセンブリの異なる間隔および／または大きさを含み得る。
【００２６】
図３は、図２ａ〜図２ｂを参照して説明される２つのアクチュエータの実施形態１００に使用するための本発明の制御方法を示す機能図（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｉａｇｒａｍ）であり、この制御方法は、２つのアクチュエータアセンブリの間の位置におけるユーザによって空間的に配置され得る方向接触フィードバックを提供する。図３ａの時間対電流のグラフ１３０は、初期制御波形１３２を示し、この初期制御波形１３２は、デバイスのアクチュエータによって出力されるべき基本振動を提供し、所望の周波数、持続時間、および振幅を有する。波形は、軸に沿って正の方向と負の方向との両方に質量を高調和振動させて駆動させる駆動関数である。この波形は、種々のパラメータによって所望なように調整され得る。例えば、図３ｂのグラフ１３４に示されるように、振動の持続時間の異なる点で所望のレベルに調整された振幅を有する波形１３８を提供するために、包絡線（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）１３６が適用され得る。他のアプリケーションにおいて、包絡線を適用する必要はない。
【００２７】
制御波形１３８がアクチュエータアセンブリに出力される（または、制御波形１３８を実施する制御信号が出力される）場合、各アクチュエータアセンブリに基本波形と同形状の波形が提供されるが、振幅は調整されており、その結果、命令された電流は、２つのアクチュエータアセンブリ１０２および１０４の間で分割される。ユーザが感知しない方向を有する振動または他の慣性力感覚を提供するために、両方のアクチュエータアセンブリに等しい量の電流が提供されて、等しい振幅の振動が各アクチュエータから出力される。しかし、慣性感覚が感知される方向を有する場合、一方のアクチュエータは、他方のアクチュエータよりも多くの電流が提供され、すなわち、他方のアクチュエータよりも一方のアクチュエータの方がより大きな振幅の慣性力を出力する。グラフ１４０および１４２は、グラフ１３４の波形から得られた、アクチュエータアセンブリ１０２および１０５に送信された制御波形を示す。これらのグラフは、「左」方向がユーザによって感知される状況を示す。グラフ１４０の波形１４４は、命令された１００％振幅の７０％の振幅であり、デバイスの左側の左アクチュエータ１０４に送信される。グラフ１４２の波形１４６は、命令振幅の３０％（残りの量の電流）を有し、デバイスの右側のアクチュエータ１０２に送信される。右方向が出力される場合、デバイスの右側にあるアクチュエータ１０２に多くの量の電流（より大きな振幅）が提供される。ユーザは、方向性振動として、より強い振動をデバイスの一方に感知する。
【００２８】
接触感覚の方向性は、ゲームなどの多くのアプリケーションに有用であり得る。例えば、ゲーム内のユーザの車が左側の障壁に衝突する場合、左アクチュエータがより強い振動を出力して、この衝突の方向を示し得る。プレーヤーのキャラクターが左側を殴られる場合、左の振動が出力され得る。
【００２９】
２つのアクチュエータ間の振幅の分割によって、ユーザは、２つのアクチュエータアセンブリのどこか間にある位置で、出力の慣性感覚を感知する。ユーザは、ある一方の力が強いほど、そのアクチュエータアセンブリの近くでその結果として生じる力が出力されるように感知する。例えば、図４は、アクチュエータアセンブリ１０２および１０４が示されるゲームパッド１００の図を示す。軸１５２は、ユーザが結果として生じる慣性力を感知し得る可能なおおよその位置を示す。図３の波形命令から、左アクチュエータアセンブリ１０４は、右アクチュエータアセンブリ１０２（３０％）より大きな力（７０％）を出力し、ユーザは、そのより大きな振幅に比例して左アクチュエータにより接近して配置される、ハウジング１０１のおおよその位置１５０で、慣性力が出力されるように感知する。慣性感覚が同じ基本波形によって命令され、従って、同じ周波数で同期して出力されるため、これは効果的である。振幅の分割は、軸１５２に沿う任意の点で感知方向を出力するような任意の所望の方法で変えられ得る。
【００３０】
このやり方で方向を命令する１つの方法は、「バランス」パラメータを特定することである。例えば、ホストコンピュータは、デバイス１２上のローカルプロセッサに高レベルの命令を提供し得る。この高レベルの命令は、周波数、振幅、包絡線アタック（ｅｎｖｅｌｏｐｅ ａｔｔａｃｋ）およびフェードパラメータ、ならびに、バランスパラメータなどのパラメータを含み得る。バランスパラメータは、例えば、ある範囲内の数字として特定され得る。例えば、０〜９０の範囲が、ベクトルの力方向をシミュレートするために使用され得る。４５の値がアクチュエータアセンブリの出力間の正確なバランスを示し、その結果、慣性力がデバイスの両側で均等に感じられる。４５以下の値は左側の力の振幅がより大きいことを示し、値０まで同様である。この値０は、命令電流の１００％が左アクチュエータを制御し、右アクチュエータの出力がないことを示す。値９０は、右アクチュエータが完全な出力を有し、左アクチュエータが出力を有さないように制御する。あるいは、割合は、左アクチュエータなどのデフォルトアクチュエータアセンブリに特定かつ適用され得る。例えば、値６５は、命令振幅の６５％が左アクチュエータに適用されるべきであり、命令の振幅の残りの３５％が右アクチュエータに適用されることを示す。ローカルプロセッサは、命令バランスによって２つの出力制御信号のスケーリングを実行し得、かつ、各アクチュエータアセンブリ１０２および１０４に適切な調整信号を提供し得る。
【００３１】
あるいは、ホストコンピュータは、各アクチュエータに調整制御信号を直接送信することにより、または、ホストから伝達された制御信号を各アクチュエータに送信することをローカルプロセッサに直接指示することにより、バランス機能を直接命令し得る。
【００３２】
実施形態１００の重要な機能は、両方のアクチュエータアセンブリが、好適には、同期かつ同相のままであることである。単一の波形を使用して両方のアクチュエータを制御するが、波形の振幅は、方向またはバランスが崩れた感覚を慣性力に示すために変えられる。従って、ある一方の質量がより早く加速して、質量の元の位置からより多くの距離を移動し、結果として、そのアクチュエータアセンブリからより大きな力が出力される以外は、各アクチュエータアセンブリの質量は調和して振動する。これにより、空間の配置によって単一の感覚が創造されるため、ユーザは、方向性をよりよく感知することが可能になる。他の実施形態において、アクチュエータは非同期であり得るが、これにより、力感覚に提供される方向性がより少なくなる傾向がある。
【００３３】
別のアクチュエータが他の実施形態に含まれ得る。例えば、振幅振動を増加させるために、左側に２つのアクチュエータが提供され得、右側に２つのアクチュエータが提供され得る。あるいは、接触フィードバックに別の方向を提供するために、別のアクチュエータが、前、後ろ、上部、または下部の位置に配置され得る。好適には、各アクチュエータは、利用可能な電力の所望の割合で同じ波形を受信して、方向性を達成する。例えば、３つのアクチュエータアセンブリが三角形の構成で提供される場合、結果として生じる慣性力感覚を感知する位置は、３つ全てのアクチュエータアセンブリの間のどこかに配置され、力の位置に第２の寸法を効果的に追加する。この位置は、各アクチュエータアセンブリへの電流の振幅を適切に調整することにより調整され得る。
【００３４】
実施形態１００によって達成され得る別の重要な方向の効果は、慣性力の「一掃」である。このような一掃は、アクチュエータアセンブリ間の電流のバランスを継続的に変化させ、その結果、２つのアクチュエータの実施形態において、慣性力の感知位置を右から左または左から右へと（または、実施されるような他の方向に）滑らかに移動させる。例えば、ローカルプロセッサは、高レベルの一掃命令によって、特定の持続時間にわたって（上記の慣例を用いて）０から９０へと継続的かつ均等にバランスパラメータを変化させるように命令され得る。持続時間を変化させることにより、早い一掃またはより遅い一掃が命令され得る。次いで、一掃の間に各アクチュエータアセンブリが受信する命令電流の割合にローカルプロセッサを変化させると、ユーザは、デバイスの左側で開始し、右側の方へ軸１５２におおよそ沿って移動し、かつ、右アクチュエータで終了する慣性力を感知する。これにより、例えば、ゲーム内のユーザの車が右側で衝突する場合、慣性振動は、この衝突の方向を伝達するために、右側から左側へと高速に（例えば、１〜２秒で）一掃され得る。３つ以上のアクチュエータアセンブリを含む実施形態において、力の位置は、感知位置が全てのアクチュエータの間の所望の経路を移動するように電流を分割することにより、２つの寸法に一掃され得る。
【００３５】
他の制御機能は、左アクチュエータアセンブリと右アクチュエータアセンブリとの間のバランス制御に加えて（または、その代わりに）、左アクチュエータアセンブリと右アクチュエータアセンブリとの間の位相シフトの使用を含み得る。例えば、各アクチュエータに送信される制御波形の間（従って、慣性質量の振動の間）の９０度の位相シフトは、交互のビーティング効果（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｂｅａｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）（左−右）と共に、周波数が倍になった印象をユーザに与え得る。これは、感知されるより高い周波数において、より高い振幅の力感覚を可能にし得る。なぜならば、低い周波数に伴う慣性質量の大きな位置ずれが依然として生じているが、ユーザによって感知される結果は、より高い周波数であるからである。さらに、共振周波数は有用であり得る。例えば、アクチュエータアセンブリの共振周波数が約４０Ｈｚである場合、９０度だけ位相を移相された２つの（同じ種類の）アクチュエータアセンブリを実行させることにより、強いピークの振幅は４０Ｈｚで生じ、別の強いピークは８０Ｈｚで生じる。
【００３６】
さらに、５〜１０度などの小さな位相シフトは、主要周波数（ｍａｓｔｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）のようにユーザに感じられるが、ユーザが、力の各インパルスがより長持ちするような印象を受けるため、各パルスは少しだけ強く感じられる。さらに、１０〜３０度などのより大きな位相シフトは、「スタッターステップ」（すなわち、振動の各サイクルにおける力の急速なポップポップ（ｐｏｐ−ｐｏｐ））の興味深い感覚をユーザに与え得る。位相はまた、高レベルの命令のパラメータとしてデバイスに送信され得る。
【００３７】
最後に、１８０度の大きな位相シフトが、ユーザにとって接触感覚を非常に興味深いものに感じさせ得る。なぜならば、あるアクチュエータの慣性質量が、上に移動し、かつ、移動の限界に達する間、他のアクチュエータの他の慣性質量が、下に移動し、かつ、下の限界に達するからである。これにより、ゲームパッドまたは他のインタフェイスデバイスのおおよそ中心にトルク（例えば、ゲームパッド全体が、軸１５２上のおおよそ中心点の周りを回転しているような感覚）を負わせ得る。あるサイクルにおいて、トルクはある回転方向であり、次のサイクルにおいて、トルクの回転方向は逆になり、従って、交互のトルクが提供される。この感覚は、慣性質量が同相の状態で移動する場合より、ユーザにとってより強烈に感じられ得る。別の実施形態において、正規化された（例えば、正の方向などの１つの方向にのみ提供される）方形波が命令されて、慣性質量は、元の位置から１つの方向にのみ移動させられ得る。次いで、この波形は、２つのアクチュエータアセンブリの間で１８０度だけ位相を移相され得る。これにより、トルクの方向が決して切り換らない時計回りのビーティングトルクが引き起こされ得る。あるいは、波形が負の方向に正規化される場合、反時計回りのビーティングトルクが引き起こされる。
【００３８】
別の実施形態において、アクチュエータアセンブリ１０２および１０４からの左‐右の慣性感覚は、例えば、ホストコンピュータによって出力されるステレオ（左‐右）音声と協調され得る。例えば、ゲーム内のユーザ、または、ホストコンピュータ、テレビ、もしくは他のデバイス上の音声‐映像表示の上を飛行機が飛び得、この飛行機の音は、左のスピーカから始まって右のスピーカに移動して出力されて、位置的な音声効果を表す。左および右のアクチュエータアセンブリによって出力される力感覚は、協調して、音と調和して、インタフェイスデバイスの左側から出力を開始し、右側に移動し得る。力感覚はまた、パン撮りするカメラからの眺めなどの表示される画像と同期され得る。いくつかの実施形態において、力感覚の振幅はまた、例えば、音の大きさと相互に関係し得る。ホストコンピュータは、力感覚に命令して、ホストも制御している音声または映像と同期させ得る。
【００３９】
上記の接触効果の全ておよびその変化例は、所望の効果を達成するために種々の方法によって組み合わされ得る。従って、本発明のアクチュエータアセンブリの制御方式を使用することにより、多種多様の接触効果が可能である。
【００４０】
図５ａおよび図５ｂは、それぞれ、方向慣性フィードバックのために本発明の別の実施形態に使用される２つのアクチュエータを含むデバイス１２の別の実施形態２００の平面断面図および側面図である。ゲームパッドハウジング２０１は、２つのアクチュエータアセンブリ２０２および２０４を含む。上記の実施形態において、アクチュエータアセンブリは、線形的に調和して振動させられ得る慣性質量を含む。図５ａおよび図５ｂに示される本実施形態において、アクチュエータアセンブリ２０２および２０４は回転慣性質量を含み、偏心回転質量（ＥＲＭ）２０６が右グリップ１６ｂ内のアセンブリ２０２内のアクチュエータ２０８の回転軸に結合され、偏心回転質量（ＥＲＭ）２１０が左グリップ１６ａ内のアセンブリ２０４内のアクチュエータ２１２の回転軸に結合される。アクチュエータ２０８は、グリップ１６ａ内のハウジング２０１に厳格に（または、対応して）結合されており、アクチュエータ２１２は、グリップ１６ｂ内のハウジング２０１に厳格に（または、対応して）結合されている。偏心質量２０６および２１０は、くさび形、円柱形、または他の形であり得る。回転されると、質量は、その動作の範囲内で偏心慣性質量が移動するため、ハウジング２０１を振動させる。
【００４１】
高調和振動ドライブのアクチュエータアセンブリ２０２および２０４は、好適には、デバイスによって許容される最大の空間的な位置ずれが間にある状態で配置される。例えば、ゲームパッドの実施形態において、アセンブリ２０２および２０４は、ゲームパッドの異なるハンドグリップ１６ａおよび１６ｂ内に配置され得る。これにより、ユーザによって方向性の力がより簡単に感知されることが可能になる。他の実施形態において、アセンブリ２０２および２０４は、ハウジングの他の領域内に配置され得るが、この場合も、好適には、かなりの空間距離によって離されている（例えば、ハウジングの反対側）。アクチュエータアセンブリ２０２および２０４は、それぞれの関連特性（アクチュエータの大きさ、慣性質量、および減衰（提供される場合））が同じであり得、デバイスのそれぞれの端部において慣性力がおおよそ同じように感知されることを可能にし、方向感覚が効果的であることを可能にする。他の実施形態において、異なる大きさまたは他の特性を有するアクチュエータアセンブリが使用され得る。
【００４２】
（一方向ＥＲＭモータによる接触感覚の制御）
図５ａ〜図５ｂに示される慣性回転アクチュエータアセンブリは、慣性質量が回転されると、インタフェイスデバイス１２のユーザに振動および衝撃を出力し得る。これらの方法において、周期的な触覚効果の周波数および振幅は、別個に変化し得、かつ、ＥＲＭアクチュエータなど（ただし、これに限定されない）の単一自由度の一方向ドライブのアクチュエータに表示され得る。
【００４３】
多くの標準的なゲームパッド振動触覚デバイスは、固定された振幅および周波数でＥＲＭを回転させ、これらの２つは、堅固に結合されている。例えば、高い周波数の振動は、必然的に高い振幅であり、低い周波数の振動は、必然的に低い振幅である。図５ａ〜図５ｂの実施形態に使用するために説明され、かつ、上記の用途で説明された制御の方法は、１自由度（ＤＯＦ）の一方向ドライブの回転アクチュエータの振幅および周波数の別個の変化を可能にし、すなわち、高価な双方向電流ドライバを使用する必要はない。なぜならば、ＥＲＭは、１つの回転方向にのみ駆動される必要があるからである。この技術は、ＥＲＭが、減衰正弦波または重ね合わされた波形などの複雑な振動を創造することを可能にするため、重要である。従来のデバイスのＥＲＭは、その速度におおよそ線形的に結合された振幅を有していた。本発明は、余分なクラッチ、回路、または機械部品を利用せずに、これらの制御方法（例えば、ローカルマイクロプロセッサのファームウェアまたはデバイス１２の他のコントローラに実施されている）だけを使用して、ＥＲＭモータを使用して任意の振幅の周波数の範囲を実行し得る。本明細書中に説明する制御方法は、回転モータだけでなく、他の種類の回転または線形の１ＤＯＦアクチュエータ（例えば、移動する磁石モータ、ソレノイド、ボイスコイルアクチュエータなどを含む）に適用され得ることに留意されたい。
【００４４】
この制御方法において、周波数命令、振幅命令、および関数（すなわち、正弦波、方形波、三角波）が、パラメータまたは入力としてファームウェアに供給され得る。その次に、ＰＣなどのパーソナルコンピュータで使用される既存のＩｍｍｅｒｓｉｏｎ／ＤｉｒｅｃｔＸプロトコルが行われ、ここで、振動は、振幅、周波数、および関数の種類のパラメータ（ならびに、所望であれば、別のパラメータ）によって制御される。これらのパラメータの等価物が、他の実施形態で供給され得る。
【００４５】
図６に示される時間対振幅の関係を示すグラフ２５０に例が示される。周波数５Ｈｚおよび５０％振幅の正弦波２５２が、デバイスによって出力されるべき所望の振動として示される（この図、および次の同様の図の全ては、１秒の入力および出力信号を得る）。この制御方法は、波形のそれぞれの周期がどこで始まるか（または、始まるべきか）を決定し、１つの周期につき特定の持続時間だけ、制御信号２５４をより高いまたは「オン」レベルに上昇させる。制御信号２５４は、他の時間は「オフ」または低い状態である。「オン」レベルは、モータを活動させ、ＥＲＭ２０６または２１０をその単一の回転方向に回転させる。従って、周期的な制御信号は、所望（命令）の周波数に基づく周波数を有する。制御信号２５４を使用して、アクチュエータを１つの周期につき１回脈動させることにより、特定の周波数を有する振動の感知がユーザに伝達される。制御信号は、図示のように周期の最初に高レベルに上昇され得るか、または、周期内の他の時間に高レベルに上昇され得る。
【００４６】
周期的効果の振幅は、制御信号のデューティサイクルを調整することにより描かれる（例えば、制御信号２５４の各周期における持続時間（「周期毎のオンタイム」））。制御信号２５４はオンかオフかのいずれかであるが、制御信号がオンのままである周期毎の時間は、振幅命令またはパラメータによって決定される。図６において、可能な振幅の５０％を有する正弦波がリクエストされる。本発明によって、このリクエストされた振幅は、２５０ｍｓ毎に１５ｍｓの間オンになる制御信号２５４を生成する。比較のために、同じ周波数を有する１００％振幅の波形が図７に示され、グラフ２５４と同様のグラフ２６０が示される。制御信号２６４は、周波数命令が変化していないため、上記の制御信号２５４と同じ間隔でオンになる。しかし、制御信号２６４がオンのままでいる時間は２倍であり、振動の振幅が２倍であるようにユーザに感じさせる。制御信号がオンである時間が長いほど、アクチュエータが加速する時間も長くなる。本発明の場合、ＥＲＭはより大きな角速度に達し、力は角速度の２乗に比例するため、ユーザの手により大きな力が感知される。好適には、質量は回転を止めることを決して許容されず、その結果、静止摩擦を克服する必要があるのは、たった一度（回転の最初）だけである。制御信号が長くオンのままでありすぎると、回転質量は、複数回循環し、最終的には、自然（共振）の周波数に達する。この時、ユーザは、命令された周波数でなく、システムの自然の周波数を感知する。
【００４７】
従って、本発明によって、１）制御信号がどのくらいの頻度でオンになるかは、周波数命令に直接依存し、２）制御信号がどのくらいの長さオンのままであるか（制御信号のオンタイム）は、振幅命令に関係する。制御信号のオンタイムの決定は、異なる方法で達成され得る。本明細書中、２つの異なる方法が示される。第１に、オンタイムは、「周期の割合」として調整され得る。制御信号が、各周期の固定された割合の時間だけオンになる場合、周波数が増加すると、周期毎のオンタイムは減少する。さらに、制御信号は、より頻繁にオンになる。最終結果として、周波数に関わりなく、制御信号が各秒に同じ時間だけオンになることが挙げられる。この技術は、周波数が増加すると、アクチュエータに一定の力が加えられ、周波数の範囲にわたって感知される大きさは同じであり続けるという利点を提供する。
【００４８】
所望の振動を命令することに関するこの「周期の割合」による技術の問題は、多くの実施形態において、比較的低い周波数でうまく機能し得ないことである。低い周波数（例えば、いくつかの実施形態において、２Ｈｚより低い周波数）において、大きすぎる力が、アクチュエータに一回で加えられる。例えば、１秒間から得られる力の全てが、周期の最初に連続的な１２５ｍｓで加えられる場合、このオンタイムの間、回転アクチュエータは、制御信号が高いまま何回か循環し、その結果、この１２５ｍｓの間の振動（パルス）出力は、命令周波数ではなく、アクチュエータの回転速度の周波数としてユーザによって感知される。従って、デバイスによる振動出力は、命令（低い）周波数に対応し得ない。
【００４９】
本発明の第２の方法は、低い周波数におけるこの問題を回避し得、従って、多くのＥＲＭ振動触覚デバイスに関して振動を出力するより適切な方法を提供し得る。第２の方法は、周期の割合ではなく、周期毎の固定された最大時間に関して、制御信号を高く設定する。従って、任意の周波数に関する１００％振幅のオンタイムは同じである。１００％より低い命令振幅のオンタイムは、１００％より低い命令振幅の量に比例してより低くなる。これにより、周期毎の最大オンタイムが有効に確立され、１回の連続的なオンタイムの間に複数回の循環を行うほど長くアクチュエータがオンであることを防止する。アクチュエータが複数回の循環（例えば、いくつかの実施形態において、約２〜３回以上）を行うことが許容される場合、ユーザは、命令周波数（例えば、１０Ｈｚより低くあり得る周波数）ではなく、アクチュエータの回転速度に基づくより高い周波数を感知する。この方法は、この結果を防止する。いくつかの実施形態において、特定のモータに関するより低い周波数における１００％振幅のリクエストは、単一周期に関して１パルスより多いとユーザに感知させるような循環回数よりほんの少し少ない回数（例えば、２〜３循環など）によって質量を回転させるオンタイムと同一視され得る。このオンタイムは、実験的に決定され得る。第２の技術の欠点は、周波数が増加すると、離れているオンタイムがより接近し、アクチュエータが最終的には、実際に、１周期よりも長くオンであるようにリクエストされることである。この時点で、制御信号は常にアソートされ、質量は恒常的に回転し、周波数および振幅はもはや別個に変化しない。
【００５０】
大きさを制御信号のＯＮタイムにマッピングする二つの技術は、周波数範囲のうちの異なる部分に対して適するため、好適な実施形態は、二つの技術を組み合わせたり融合して、各方法の欠点を回避する。好適な組み合わせの方法において、第二の方法は、指令された周波数が特定の融合閾値周波数より下である場合のみ用いられ、第一の方法は、この閾値周波数より上の指令された周波数に対して用いられ得る。制御信号の大きさが変化する場合でも融合は可能である。第一に、システムの動力学に基づいて融合閾値を選択する。融合周波数はＯＮタイムが最長である周波数である。したがって、この周波数の１００％の大きさに対応するＯＮタイムの各期間に対して一つの振動パルス（例えば、２質量回転）を提供する融合周波数が選択されるべきである。例えば、上述のような大きなモータ／質量の組み合わせを用いた場合、１０Ｈｚを融合閾値周波数として用いることが可能である。１０Ｈｚより上の指令された周波数に対して、第一の方法（「期間の比率」）を用いて制御信号のＯＮタイムを計算し、１０Ｈｚより下の指令された周波数に対して、第二の方法（「期間ごとの固定時間」）を用い得る。他の実施形態において他の閾値が用いられ得る。二つの方法を融合するには、二つの方法の最大の大きさが融合閾値周波数で一致する（すなわち、方法間の移行がスムーズである）ようにスケーラを選択する。例えば、１０Ｈｚで制御信号のＯＮタイムが２５ｍｓであると、１０Ｈｚで１００％の大きさの振動が生成され得る。指令された周波数が１０Ｈｚより下の数値から融合周波数に接近する場合、「期間の比率」の方法は１０Ｈｚで２５ｍｓのＯＮタイムを生成するようにスケーリングされ、用いられるスケーラは保持され、１０Ｈｚより上の周波数に対するこの方法に適用される。所望の効果に応じて、例えば、融合領域の擬態帯（ｍｉｍｉｃ ｂａｎｄ）パスフィルタまたは融合閾値周波数のいずれか一方の側のローパス／ハイパスの組み合わせなど、より高度な融合技術が用いられ得る。
【００５１】
周波数とは無関係の大きさの指令を可能にする別の方法は、制御信号に対して二つのレベルのみを有するのではなく、リクエストされた大きさに比例して制御信号２５４の振幅を変化させることである。これは単独で実行され得るか、または上述の第一の方法および第二の方法のいずれかまたは両方と共に実行され得る。例えば、変動振幅を有する他の種類の波形を制御信号（正弦波、三角波など）として用い得る。制御信号の振幅を設定または変化させる一つの効率的な方法は、上述したような制御信号用に選択されたＯＮタイムの間にパルス幅変調（ＰＷＭ）を提供したり、または所定の他の方法を用いてＯＮタイムの間に制御信号デューティサイクルを変化させることである。しかし、ＰＷＭは別個のＰＷＭモジュールを必要と得、これによりデバイスのコストが増加し得る。ＰＷＭ方式を避けるために、上述の第一の方法および第二の方法を、ビットバンギング（ｂｉｔ−ｂａｎｇｉｎｇ）によって実行し得る。ビットバンギングでは、ローカルのマイクロプロセッサは、ＰＷＭモジュールを用いずにアクチュエータに直接制御信号を出力する。ビットバンギングによって、制御信号の大きさは直接制御され得ず、ＰＷＭモジュールの要件が排除され、プロセッサまたはインターフェースデバイスのコストが潜在的に減少する。
【００５２】
図５ａ〜図５ｂの実施形態にあるように、振動の大きさおよび周波数を独立に変化させる上述の技術を複数のアクチュエータ上に同時に用いることが可能である。この制御技術に関するさらなる発明の特徴を以下に説明する。
【００５３】
（電力効率用の制御信号の組み合わせ）
上述の制御信号を用いて、相互に独立した出力振動の大きさおよび周波数を制御する。この制御方法を、アクチュエータアセンブリ２０２および２０４などの複数のアクチュエータに対して用いることが可能である。例えば、それぞれが専用制御信号を用いるアセンブリ２０２および２０４の両方を同時に作動することが可能である。
【００５４】
複数のアクチュエータアセンブリを同時に動作させる一つの問題は、著しい電力量がアクチュエータを駆動させるために必要であることである。いくつかの実施形態において、利用可能な電力が少ないと、複数のアクチュエータアセンブリの使用が制限され得る。例えば、インターフェースデバイス１２が、固有の専用電源を有さず、ＵＳＢ（これも限られた量の電力を提供する）などの通信チャネルを介してホストコンピュータ１４から電力供給される場合、アクチュエータアセンブリを動作させるために利用可能な電力量はかなり制限される。または、ホストコンピュータに対して無線リンクのみを有するインターフェースデバイス１２の場合、限られた電力を有する電池（または他の携帯の電力格納デバイス）をインターフェースデバイス内で用いてアクチュエータを駆動する。このよう電力制限がある多くの場合、二つ以上のアクチュエータアセンブリを同時に用いると、さほど強くない触覚（ｈａｐｔｉｃ）の感覚が出力される。
【００５５】
本発明の一方法によって、二つのアクチュエータアセンブリを制限された利用可能な電力量で同時に動作することが可能になる。図８ａおよび図８ｂは、上述のようにＥＲＭを回転させて、大きさおよび周波数を独立に制御する制御信号を示すグラフ２７０および２７２である。グラフ２７０は、一つのアクチュエータアセンブリ（例えば、アセンブリ２０２）に付与された制御信号２７４を示し、グラフ２７２はもう一方のアクチュエータアセンブリ（例えば、アセンブリ２０４）に付与された制御信号２７６を示す。制御信号２７４および２７６は、同じ周波数ならびに期間Ｔ１およびＴ２を有する。制御信号２７４は、信号がＨＩＧＨの場合ＯＮタイムを有し、信号がＬＯＷの場合ＯＦＦタイムを有し、デューティサイクルは約４０％であることが示される。制御信号２７４がＯＮの間、利用可能な電力のすべてまたはほとんどを用いてモータが回転されるため、大きい振動が提供される。しかし、制御信号２７４がＯＮの間、制御信号２７６はＯＦＦのままである。制御信号２７４がＯＦＦの場合のある時点で制御信号２７６がＯＮになり、制御信号２７４がＯＮに戻る前に信号２７６はＯＦＦになる。したがって、制御信号２７６は信号２７４から位相がシフトされ、これによって、制御信号が同時にＯＮになることが決してない。これによって、任意のある時間にすべての利用可能な電力を一つのアクチュエータに対して用いることが可能になり、利用可能な電力を、二つのアクチュエータアセンブリ２０２と２０４との間で分割する必要はない。
【００５６】
あるいは、制御信号２７６を、制御信号２７４の後に少しだけ遅らせることも可能である。これは、ＥＲＭが休止（または他の状態）から回転を開始するためにより多くの電力を必要とするが、回転を維持するためには多くの電力を必要とし得ない場合に有用であり得る。例えば、両方のＥＲＭに必要な開始電流が利用可能な電力量より大きい場合、一つのＥＲＭに必要な開始電流にもう一方のＥＲＭに必要な回転電流を足した電流は、利用可能な電力量内にあり得、したがって、第一のＥＲＭが開始および回転した直後に第二のＥＲＭが開始することが可能になる。いくつかの実施形態において、制御信号の組み合わせを少なくすると、ユーザが感じる振動がより効果的になる。なぜならば、各アクチュエータアセンブリから結果として生じる振動が、より同期に生じるようになり、互いに「弱め合う（ｗａｓｈ ｏｕｔ）」可能性が低いからである。
【００５７】
制御信号２７４および２７６の周波数およびデューティサイクル（移行したＯＮタイム幅）を変化させて、図６および図７に関して上述したような種々の振動の大きさを生成し得る。このように変化された場合、制御信号は、好適には、同じ周波数およびデューティサイクルで維持される。これにより、例えば、あたかもハウジング全体から、ハウジングの両側から等しく生成される出力など、ユーザにとっては非方向性の振動が生成される。
【００５８】
図６および図７に関して上述したような方法で用いられた制御信号は、好適には、５０％より大きいデューティサイクルを有さない。なぜならば、多くの実施形態において、これにより、アクチュエータアセンブリが指令された周波数ではなく自然な周波数で動作するようになるからである。例えば、ユーザは指令された周波数ではなく、継続的に回転するＥＲＭの周波数を感じる。したがって、この方法は効果的であり得、かつ、組み合わせが可能であるため、電力を割り当てて、限られた電力量でできるだけ強い振動を提供し得る。したがって、この組み合わせの方法により、電力効率方式において二つのアクチュエータによって出力される振動の大きさおよび周波数を独立して制御することが可能になる。
【００５９】
図９ａおよび図９ｂは、異なる周波数および／または重複を有する制御信号に関する、本発明の電力割り当て方法を示すグラフ２８０および２８２である。グラフ２８０は特定の周波数および期間Ｔ１を有する制御信号２８４を示し、グラフ２８２は特定の周波数および期間Ｔ２を有する制御信号２８６を示す。ＯＮタイムの信号は、時間Ａの量（通常、各期間ごとに異なる）だけ重複する。重複は、５０％より大きいデューティサイクルが必要な所定の環境、または制御信号が異なる周波数および／またはデューティサイクルである場合に回避し得ない場合がある。例えば、一つのアクチュエータアセンブリ２０２に、ある周波数で振動を出力するように指令したり、他のアクチュエータアセンブリ２０４に、異なる周波数で振動を出力するように指令したりして、ユーザが感じる特定の触覚の感覚を達成し得る。
【００６０】
本発明によって、制限された電力量をこのような状況で用いることを可能にするには、好適には、制御信号を、重複時間Ａの間に所定のデューティサイクルおよび周波数でＯＦＦおよびＯＮにする。これにより、両方のアクチュエータが動作している場合に、各アクチュエータに対する平均電力消費を減少させることが可能になり、したがって、利用可能な電力量を効率的に用いることが可能になる。例えば、図９ｃに示すように、制御信号２８４は、重複時間期間Ａの間、特定のデューティサイクルおよびより高い周波でパルス状にされ、これにより、この重複の間に制御信号２８４の電力要件を減少させることが可能になる。これは実質的に、ＰＷＭタイプの制御である。これにより、アクチュエータの振動出力の大きさが減少する（これは、ユーザにはわずかにしか分からない）。一方、制御信号２８６も、重複期間の間に（図９ｂにおいて点線２８８によって示すように）特定のデューティサイクルおよび周波数でパルス状にされる。したがって、利用可能な電力を二つのアクチュエータアセンブリ間で共有して、各アクチュエータによる出力が減少し、利用可能な電力量内になる。図面では、重複の間の制御信号の図示する周波数を用い得る実際の周波数より低く誇張して示す。
【００６１】
制御信号が重複期間の間にパルス状にされるデューティサイクルおよび／または周波数を、インターフェースデバイス１２の動作特徴（例えば、アクチュエータ、ＥＲＭ、増幅器の特徴）から決定し得る。重複の間に両方のアクチュエータを電力量内で動作することを可能にする所定のレベル（例えば、制御信号が継続的にＯＮのままである場合、効果的な重複の大きさは全大きさの７５％であり得る）に、制御信号の電力要件を減少するようにデューティサイクルを選択することが可能である。通常、重複期間の間、パルスが同時にＯＮにならないように制御信号を調整する必要はない。これは、制御信号の比較的高い周波数に起因するため、両方の制御信号がＨＩＧＨであっても、コンデンサなどの駆動回路内のコンポーネントが所定の電力レベルを維持するだけに十分に充電されることが可能になる。他の実施形態において、制御信号が同時にＯＮにならないように、重複期間の間の制御信号を調整し得、可能であれば、時間が交代するごとにＯＮにし得る。重複期間の間の制御信号の周波数は、コンデンサを有する駆動回路の能力および所望の電力レベルを維持する他のエネルギー格納コンポーネントに基づいて選択される。
【００６２】
いくつかの実施形態において、重複期間の間の制御信号のデューティサイクルを、二つの制御信号の周波数または期間Ｔに基づいて調整し得る。例えば、通常、制御信号の期間Ｔ１およびＴ２が短くなればなるほど（すなわち、周波数が高くなればなるほど）、アクチュエータを動作するために必要な電力が多くなる。いずれかまたは両方の制御信号が短い期間を有する場合、重複の間の制御信号のデューティサイクルが減少し、より少ない電力が消費され得る（すなわち、重複期間の間の効果的な大きさが小さくなる）。いくつかの実施形態において、期間Ｔ１またはＴ２が非常に長い場合、ＥＲＭはＯＮタイムの後半の間に運動量を得るため、必要な電力がより少なくなり得る。重複期間の間の制御信号のデューティサイクルを決定する場合に、これが考慮され得る。いくつかの実施形態において、高周波振動が、他のアクチュエータによって出力されたより低い周波数の振動によって「弱め」られないように、高周波の制御信号に対するデューティサイクルを増加させ得る。
【００６３】
制御信号はそれぞれ、アクチュエータアセンブリの個々の特徴に基づいて、重複期間の間、異なるデューティサイクルおよび／または周波数を有し得る。いくつかの実施形態において、一つの制御信号のみが重複期間の間にパルス状にされる。
【００６４】
ローカルプロセッサ（図１１参照）は、いかに移相が信号を制御し、および／またはいかに重複期間の間に制御信号をパルス状にするかを制御し得る。例えば、図５ａおよび図５ｂの別のＯＮタイムの実施形態において、マイクロプロセッサは制御信号が送信された場合にモニタリングし得、他の制御信号がＯＦＦの場合、一つの制御信号しか送信し得ない。
【００６５】
上述の電力効率制御方法を、類似の制御信号またはＯＮタイムを有する他の信号を用いて制御され得る他の種類のアクチュエータを有する他の実施形態にも用いることが可能である。
【００６６】
（回転慣性アクチュエータアセンブリを用いた方向感覚）
上述の制御方法を用いて、電力が制限されたデバイスにおいて相互に独立した出力振動の大きさおよび周波数を制御することが可能である。この制御方法を、上述の方向慣性触覚の感覚を出力する方法と共に用いることも可能である。
【００６７】
図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃおよび図１０ｄはそれぞれ、グラフ３１０、３１２、３１４および３１６であり、図５ａ〜図５ｂに関して説明した二つのアクチュエータの実施形態で用いる、本発明の制御方法における制御信号を示す。この制御信号は、方向接触（ｔａｃｔｉｌｅ）フィードバック（この場合、二つのアクチュエータ間の位置にいるユーザによって空間的位置が察知され得る接触フィードバック）を提供する。グラフ３１０および３１２は、図８ａおよび図８ｂの信号に類似し、図６および図７の方法によって決定されるような所定の振動の大きさおよび周波数を生じる制御信号３１８および３２０を示す。制御信号を、所望の場合には、期間、包絡線などの他のパラメータを用いて調整し得る。
【００６８】
所望のパラメータを決定した後、制御信号をさらに改変して、以下に説明する方向性または「バランス」を提供する。図１０ｃのグラフ３１４において、制御信号３２２がＯＮタイムの際に減少して、第一のアクチュエータアセンブリに、より小さな平均電流が提供される。一方、図１０ｄのグラフ３１６において、制御信号３２４がＯＮタイムの際に、制御信号３２２の減少した量と同じ量だけ増加して、より大きな平均電流が第二のアクチュエータアセンブリに提供される。したがって、第一のアクチュエータアセンブリはさらに電力量を提供され、第二のアクチュエータは、第一のアクチュエータにさらに供給された電力量だけ少ない電力が提供される。例えば、制御信号３２４は、より大きなデューティサイクル（例えば、２５％だけ増加したデューティサイクル）を有するため、より多くの電力がアクチュエータに提供され、より強い振動が出力される。制御信号３２２は、対応する量（２５％）だけ低いデューティサイクルを有するため、このアクチュエータから出力される振動の大きさがより低くなる。これにより、指令された大きさの全１００％が、二つのアクチュエータアセンブリ間で異なって分配される。
【００６９】
したがって、振動の大きさは、二つのアクチュエータアセンブリ２０２と２０４との間で指令された大きさを分割することによってスケーリングされる。ユーザが方向を感知しない振動または他の慣性力感覚を提供するために、両方のアクチュエータアセンブリは、等しい電力量（平均電流）を提供され、これにより、図１０ａ〜図１０ｂにあるように、等しい大きさの振動が各アクチュエータから出力される。しかし、慣性感覚が方向を感知する場合、制御信号のＯＮタイムが調整される。すなわち、一つのアクチュエータは、もう一方より多い平均電流を提供され、もう一方のアクチュエータによって出力される慣性力より大きな大きさの慣性力がこのアクチュエータによって出力される。制御信号３２４がゲームパッドデバイス２００の左のアクチュエータアセンブリ２０４に付与された場合、左の振動がより大きいため、ユーザは左の方向を感知する。右の方向が出力された場合、デバイスの右側のアクチュエータ２０２は、より多くの平均電流量を提供される。ユーザは、方向性振動としてデバイスの一方の側により強い振動を感知する。例えば、ゲームでユーザの車両が左の障壁にぶつかった場合、左のアクチュエータがより強い振動を出力して、この衝突の方向を示し得る。
【００７０】
二つのアクチュエータの間の指令された大きさの分割に応じて、ユーザは二つのアクチュエータアセンブリ間のいずれかの位置において出力慣性感覚を得る。一方の力が強ければ強いほど、ユーザは結果の力を出力するアクチュエータアセンブリがより近いと感じる。これは、上述の図４に示す位置と同様である。このように方向を指令する一つの方法は、上述したような「バランス」パラメータを指定したり、ホストにアクチュエータアセンブリに直接指令させることである。さらなるアクチュエータを、上述の実施形態１００に類似した実施形態２００でも実現し得、実施形態２００を用いて掃引効果を指令および出力することが可能である。
【００７１】
図１１は、本発明での使用に適した触覚フィードバックシステムの一実施形態を示すブロック図である。
【００７２】
ホストコンピュータ１４は、好適には、ホストマイクロプロセッサ４００、クロック４０２、表示画面２６および音声出力デバイス４０４を含む。ホストコンピュータは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）および入力／出力（Ｉ／Ｏ）エレクトロニクス（図示せず）などの他の周知のコンポーネントも含む。表示画面２６は、ゲーム環境の画像、オペレーティングシステムのアプリケーション、シミュレーションなどを表示し、スピーカなどの音声出力デバイス４０４は、ユーザに音声出力を提供する。記憶デバイス（ハードディスクドライブ、ＣＤ ＲＯＭドライブ、フロッピ（Ｒ）ディスクドライブなど）、プリンタ、他の入力デバイスおよび出力デバイスなどの他の種類の周辺機器もホストプロセッサ４００に結合され得る。
【００７３】
マウス、ゲームパッドなどのインターフェースデバイス１２は、双方向バス２０によってホストコンピュータシステム１４に結合される。双方向バスは、ホストコンピュータシステム１４とインターフェースデバイスとの間でいずれかの方向で信号を送信する。バス２０は、ＲＳ２３２シリアルインターフェース、ＲＳ−４２２、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、ＭＩＤＩまたは当業者に周知の他のプロトコルなどのシリアルインターフェースバスであっても、パラレルバスであっても、無線リンクであってもよい。いくつかのインターフェースも、デバイス１２のアクチュエータに電力を供給し得る。
【００７４】
デバイス１２は、ローカルマイクロプロセッサ４１０を含み得る。必要に応じて、ローカルマイクロプロセッサ４１０を、デバイス１２のハウジング内に設けて、マウスの他コンポーネントとの効率的な通信を可能にし得る。プロセッサ４１０は、デバイス１２にとってローカルであると考えられる。本明細書において、「ローカル」は、ホストコンピュータシステム１４内のあらゆるプロセッサとは分けられたマイクロプロセッサであるプロセッサ４１０を指す。さらに、「ローカル」は、好適には、デバイス１２の触覚フィードバックおよびセンサＩ／Ｏ専用のプロセッサ４１０を指す。マイクロプロセッサ４１０は、コンピュータホスト１４からの指令またはリクエストを待つソフトウェア指示を提供され得、指令またはリクエストをデコードし、指令またはリクエストによって入力信号および出力信号を処理／制御する。さらに、プロセッサ４１０は、センサ信号を読み出し、これらのセンサ信号、時間信号、ホスト指令と一致して選択された、格納または中継された指示から適切な力を計算することによって、ホストコンピュータ１４から独立して動作し得る。マイクロプロセッサ４１０は、一つのマイクロプロセッサチップ、複数のプロセッサおよび／または共同プロセッサチップ、および／またはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の機能を含み得る。
【００７５】
マイクロプロセッサ４１０は、センサ（単数または複数）４１２から信号を受信して、ホストコンピュータ１４によってバス２０を介して提供される指示によって、信号をアクチュエータアセンブリ５４に提供し得る。例えば、ローカルの制御の実施形態において、ホストコンピュータ１４はバス２０を介してマイクロプロセッサ４１０に高レベルの監視指令を提供し、マイクロプロセッサ４１０は指令をデコードし、高レベルの指令により、かつ、ホストコンピュータ１４から独立したセンサおよびアクチュエータに対する低レベルの力制御ループを管理する。この動作は、米国特許第５，７３４，３７３号により詳細に記載される。ホスト制御ループにおいて、力指令は、ホストコンピュータからマイクロプロセッサ４１０に出力されて、マイクロプロセッサに、指定された特徴を有する力または力覚を出力させるように指示する。ローカルのマイクロプロセッサ４１０は、一つ以上の所与の自由度でマウスの位置を記載する位置データなどのデータをホストコンピュータに報告する。データは、ボタン２４の状態、ｄ−パッド２０なども記載し得る。ホストコンピュータは、データを用いて実行されたプログラムを更新する。ローカルの制御ループにおいて、アクチュエータ信号は、マイクロプロセッサ４１０からアクチュエータアセンブリ４３４に提供されて、センサ信号は、センサ４１２および他の入力デバイス４１８からマイクロプロセッサ４１０に提供される。本明細書において、用語「触覚の感覚」または「接触の感覚」は、ユーザに感覚を提供するアクチュエータアセンブリによって出力される一つの力または一連の力を指す。マイクロプロセッサ４１０は、入力されたセンサ信号を処理して、以下の格納された指示によって適切な出力アクチュエータ信号を決定し得る。マイクロプロセッサは、ユーザオブジェクト上で出力されるべき力をローカルに決定する際にセンサ信号を用いたり、センサ信号から得られた位置データをホストコンピュータに報告し得る。
【００７６】
さらに他の実施形態において、他のより簡単なハードウェアをデバイス１２にローカルに設けて、マイクロプロセッサ４１０に類似した機能を提供し得る。例えば、固定された論理を組み込んだハードウェア状態マシーンを用いて、信号をアクチュエータアセンブリ４３４に提供して、センサ４１２からセンサ信号を受信して、所定の順序、アルゴリズムまたはプロセスによって接触信号を出力し得る。ハードウェア内の所望の機能で論理を実現する技術は当業者によって周知である。
【００７７】
異なるホスト制御された実施形態において、ホストコンピュータ１４は、バス２０を介して低レベルの力指令を提供し得る。これらの力指令は、マイクロプロセッサ４１０または他の（例えば、より簡単な）回路部を介して、アクチュエータアセンブリ４３４に直接伝送される。したがって、ホストコンピュータ１４は、デバイス１２へのすべての信号およびデバイス１２からのすべての信号を直接制御および処理する。
【００７８】
簡単なホスト制御の実施形態において、ホストからデバイスへの信号は、所定の周波数および大きさにおいてアクチュエータをパルス状にするか否かを示す一つのビットであり得る。より複雑な実施形態において、ホストからの信号は、所定のパルス強度を提供する大きさ、および／またはパルスに対して大きさおよび感覚の両方を提供する方向を含み得る。より複雑な実施形態において、ローカルプロセッサを用いて、時間をかけて付与される所望の力値を示すホストから簡単な指令を受信して、次いで、マイクロプロセッサは一つの指令に基づいて出力し得る。より複雑な実施形態において、接触の感覚パラメータを備えた高レベルの指令が、ホストの介入から独立して、全感覚を付与し得るデバイス上のローカルプロセッサに伝えられ得る。これらの方法の組み合わせを、一つのデバイス１２に対して用いることが可能である。
【００７９】
ＲＡＭおよび／またはＲＯＭなどのローカルメモリ４２２は、好適には、マウス１２内のマイクロプロセッサ４１０に結合されて、マイクロプロセッサ４１０用の指示を格納し、一時的な他のデータを格納する。例えば、マイクロプロセッサによって出力され得る一連の格納された力値、またはユーザオブジェクトの現在位置に基づいて出力されるべき力値のルックアップテーブルなどの力プロファイルをメモリ４２２内に格納することが可能である。さらに、ローカルクロック４２４をマイクロプロセッサ４１０に結合して、ホストコンピュータ１２のシステムクロックに類似したタイミングデータを提供し得る。タイミングデータは、例えば、アクチュエータアセンブリ４３４によって出力される力（例えば、計算された速度に依存した力、または他の時間に依存した要素）を計算するために必要であり得る。ＵＳＢ通信インターフェースを用いた実施形態において、マイクロプロセッサ４１０用のタイミングデータは、ＵＳＢ信号から交代で取り出され得る。
【００８０】
センサ４１２は、デバイスおよび／または一つ以上のマニピュランダムまたは制御の位置または運動を感知したり、位置または運動を表す情報を含む信号をマイクロプロセッサ４１０（またはホスト１４）に提供する。操作を検出することに適切なセンサは、デジタル光エンコーダ、光センサシステム、線形光エンコーダ、電位差計、光センサ、速度センサ、加速センサ、ひずみ計を含み、または他の種類のセンサも用いられ得、相対センサまたは絶対センサのいずれかが提供され得る。当業者に周知であるように、光センサインターフェース４１４を用いて、センサ信号をマイクロプロセッサ４１０および／またはホストコンピュータシステム１４によって理解され得る信号に変換し得る。
【００８１】
アクチュエータアセンブリ４３４は、マイクロプロセッサ４１０および／またはホストコンピュータ１４から受信された信号に応答して、上述のようなデバイス１２のハウジングに力を伝送する。アクチュエータアセンブリ４３４は、例えば、慣性質量を移動させることによって慣性力を生成し得る。接触の感覚を生成するハウジングに対して部材を駆動させるアクチュエータなどの他の種類のアクチュエータも用い得る。
【００８２】
アクチュエータインターフェース４１６を、必要に応じて、アクチュエータアセンブリ４３４とマイクロプロセッサ４１０との間に接続として、マイクロプロセッサ４１０からの信号を適切な信号に変換して、アクチュエータアセンブリ４３４を駆動させ得る。インターフェース４１６は、電力増幅器、スイッチ、デジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）、アナログ／デジタル制御器（ＡＤＣ）および他のコンポーネントを含み得る。他の入力デバイス４１８を、デバイス１２内に設けて、ユーザによって操作された場合に、入力信号をマイクロプロセッサ４１０またはホスト１４に送信する。このような入力デバイスは、ボタン２４、ｄ−パッド２０などを含み、さらなるボタン、ダイアル、スイッチ、スクロールホイールまたは他の制御またはメカニズムを含み得る。
【００８３】
電源４２０を、必要に応じて、アクチュエータインターフェース４１６および／またはアクチュエータアセンブリ４３４に結合されたデバイス１２内に設けて、電力をアクチュエータに提供したり、別個のコンポーネントとして提供し得る。あるいは、電力を、デバイス１２とは異なる電源から引いたり、バス２０を介して受け取り得る。さらに、受け取られた電力はデバイス１２によって格納および調整され得、アクチュエータアセンブリ４３４を駆動させるために必要な場合に用いられたり、または補足的な方式で用いられ得る。いくつかの実施形態は、（米国特許第５，９２９，６０７号に記載されるように）デバイス内の電力格納デバイスを用いて、ピークの力が付与され得ることを保証する。あるいは、この技術は無線デバイス内で用いられ得る。この場合、バッテリ電源を用いて、接触アクチュエータを駆動し得る。必要に応じて、安全スイッチ４３２を設けて、ユーザが安全上の理由からアクチュエータアセンブリ４３４を停止させることが可能になる。
【００８４】
本発明をいくつかの好適な実施形態の観点から説明したが、本発明の変更、置換および均等物は、明細書を読み図面を検討した際に当業者に明らかとなると考えられる。例えば、ジョイスティック、ステアリングホイール、ゲームパッドおよびリモートコントロールを含む、触覚フィードバックデバイスの多くの異なる実施形態を用いて、本明細書に記載する接触の感覚を出力することが可能である。さらに、特定の用語は、記述を明らかにする目的で用いられ、本発明を限定するためには用いられない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に使用することに適しているゲームパッド触覚フィードバックシステムの透視図である。
【図２ａ】 図２ａは、方向慣性フィードバックを提供するための２つのアクチュエータを含む触覚インタフェイスデバイスの実施形態の平面断面図である。
【図２ｂ】 図２ｂは、方向慣性フィードバックを提供するための２つのアクチュエータを含む触覚インタフェイスデバイスの実施形態の側面図である。
【図３】 図３は、図２ａ〜図２ｂの２つのアクチュエータの実施形態に使用するための本発明の制御方法を示す機能図である。
【図４】 図４は、インタフェイスデバイスと、ユーザが合成慣性力を感知し得る可能なおおよその位置との図示である。
【図５ａ】 図５ａは、２つのアクチュエータと回転慣性質量とを含む触覚インタフェイスデバイスの別の実施形態を示す平面断面図である。
【図５ｂ】 図５ｂは、２つのアクチュエータと回転慣性質量とを含む触角インタフェイスデバイスの別の実施形態を示す側面図である。
【図６】 図６は、所望の正弦波振動とその振動を提供するための制御信号との時間対振幅の関係を示すグラフである。
【図７】 図７は、所望の正弦波振動とその振動を提供するための制御振動との時間対振幅の関係の別の例を示すグラフである。
【図８】 図８ａおよび８ｂは、２つの異なるアクチュエータアセンブリによって質量を回転させ、かつ、振幅および周波数を別個に制御するための制御信号を示すグラフである。
【図９】 図９ａ、９ｂおよび９ｃは、異なる周波数および／またはオーバーラップを有する制御信号に関する本発明の電力割当て方法を示すグラフである。
【図１０】 図１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄは、方向触覚フィードバックを提供するための本発明の制御方法の制御信号を示すグラフである。
【図１１】 図１１は、本発明に使用することに適している触覚フィードバックシステムの一実施形態を示すブロック図である。
（発明の背景）
本発明は、概して、人間がコンピュータシステムとインタフェイスすることを可能にするインタフェイスデバイスに関し、より詳細には、ユーザがコンピュータシステムに入力を提供することを可能にし、かつ、コンピュータシステムがユーザに触覚フィードバック（ｈａｐｔｉｃ ｆｅｅｄｂａｃｋ）を提供することを可能にするコンピュータインタフェイスデバイスに関する。
【０００２】
ユーザは、コンピュータ上で機能およびタスクを実行するために、コンピュータによって表示される環境と相互作用し得る。このような相互作用のために使用される一般的な人間−コンピュータインタフェイスデバイスは、コンピュータシステムに接続されているマウス、ジョイスティック、トラックボール、ゲームパッド、ステアリングホイール、スタイラス、タブレット、感圧性の球面などを含む。典型的には、コンピュータは、ユーザによるジョイスティックハンドルまたはマウスなどの物理的な操作手段の操作に応じて環境をアップデートして、表示画面および音声スピーカを利用して視覚および音声のフィードバックをユーザに提供する。コンピュータは、インタフェイスデバイス上に設けられているセンサを通してユーザによるユーザ操作手段の操作を感知し、このセンサは、コンピュータに所各信号を送信する。いくつかのインタフェイスデバイスにおいて、運動感覚力フィードバック（ｋｉｎｅｓｔｈｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ）または接触フィードバック（ｔａｃｔｉｌｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ）（より一般的には、本明細書中、「触覚フィードバック」として公知である）もまたユーザに提供される。これらの種類のインタフェイスデバイスは、インタフェイスデバイスのユーザ操作手段を操作しているユーザによって感知される物理的感覚を提供し得る。１つ以上のモータまたは他のアクチュエータは、ハウジングまたは操作手段に結合され、制御コンピュータシステムに接続されている。コンピュータシステムは、制御信号または命令をアクチュエータに送信することにより、表示されるイベントおよび相互作用と共に、かつ、それらと協同して出力を制御する。
【０００３】
多くの低コストの触覚デバイスは、慣性的に接地している（ｉｎｅｒｔｉａｌｌｙ−ｇｒｏｕｎｄｅｄ）接触フィードバックを提供し、この接触フィードバックは、物理的（地球の）地面に対して移動している操作手段の動作の自由度に直接対応して力を出力する運動感覚性フィードバックよりも、慣性質量に関して力を伝達し、かつ、ユーザによって感知される。例えば、多くの現在利用可能なゲームパッドコントローラは、偏心質量を有するスピニングモータを含み、このスピニングモータは、ゲーム内で起きているイベントと協同して、コントローラのハウジングに力感覚を出力する。いくつかの触覚マウスデバイスにおいて、ピン、ボタン、またはマウスのハウジングは、制御されたカーソルと他のグラフィカルオブジェクトとの相互作用によって動かされ得、これらのハウジング領域に触ることによりユーザによって感知される。
【０００４】
このような安価な触覚コントローラの１つの問題は、異なる種類の力感覚をユーザに伝達する能力が制限されていることである。触覚の方向付けおよび調整に関して、開発者により多くの柔軟性を提供するデバイスがより望ましい。さらに、現在利用可能な慣性コントローラは、回転質量の一般的な方向への出力パルスおよび振動しか提供できない。従って、感覚は、任意の特定の方向に出力されていないようにユーザに感知されるが、デバイスのハウジング上へと単に出力されているように感知される。しかし、ゲームおよび他のコンピュータによって実施される環境における多くのイベントは方向ベースであり、現在の慣性触覚デバイスが提供し得ない触覚の方向性によって利益を得る。
【０００５】
（発明の要旨）
本発明は、触覚フィードバックインタフェイスデバイス内に方向触覚フィードバック（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｈａｐｔｉｃ ｆｅｅｄｂａｃｋ）を提供することに向けられている。このような方向フィードバックに使用される、発明による触覚デバイスの電力効率の特徴についても説明する。
【０００６】
より詳細には、本発明のインタフェイスデバイスは、方向触覚フィードバックをユーザに提供し、このインタフェイスデバイスは、ホストコンピュータと通信している。このデバイスは、ユーザによって物理的に接触されるハウジングと、ユーザ入力を感知するための少なくとも１つのセンサとを含む。少なくとも２つのアクチュエータアセンブリは、それぞれ、移動している慣性質量を含み、方向慣性感覚（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓａｔｉｏｎ）をハウジングに引き起こすためにハウジング内に配置される。単一の制御信号がそれぞれのアクチュエータアセンブリに異なる振幅で提供され、ユーザによって感知される方向慣性感覚が提供される。好適には、より大きな振幅の波形がある特定のアクチュエータアセンブリに与えられ、ハウジング内のその特定のアクチュエータアセンブリの位置にほぼ対応する方向を有する感覚が提供される。例えば、左側のアクチュエータアセンブリにより大きな振幅を与えて、左の方向を有する感覚を提供する。
【０００７】
コンピュータから高レベルの命令を受信し、かつ、アクチュエータアセンブリを制御するローカルプロセッサが含まれ得る。この高レベルの命令は、アクチュエータアセンブリ間で出力電流を分割して、アクチュエータアセンブリ間の軸に沿う方向慣性感覚のための所望の位置を提供する方法を示すバランスパラメータを含み得る。アクチュエータアセンブリは、慣性質量を直線的に振動させ得るか、または、偏心回転質量を回転させ得る。制御信号は、２つの制御信号に分割され得、一方は他方の位相からずれており、それぞれはアクチュエータアセンブリの１つに送信される。本発明の方法は、同様に、方向慣性感覚の出力を可能にする。
【０００８】
本発明の別の局面において、インタフェイスデバイスが、方向触覚フィードバックをユーザに提供し、ユーザによって物理的に接触されるハウジングと、ユーザ入力を検出するための少なくとも１つのセンサとを含む。少なくとも２つのアクチュエータアセンブリは、それぞれ、一方向性によって駆動させられる回転慣性質量を含む。アクチュエータアセンブリは、ハウジング内に配置されて、方向慣性感覚をハウジングに引き起こし、ここで、制御信号がそれぞれのアクチュエータアセンブリに異なるデューティサイクルで提供されて、ユーザによって感知される方向慣性感覚が提供される。例えば、命令振幅の制御信号が左側のアクチュエータアセンブリに与えられて、左の方向を有する感覚が提供される。同様の制御が右の方向に関しても提供され得る。バランスパラメータを含む高レベルの命令が使用され得、出力振動の振幅をアクチュエータアセンブリ間で分配する方法が示される。制御信号の一方は他方の位相からずれていることが可能である。制御信号はまた、制御信号が決して同じ時に存在しないようにインターレースされ得る。あるいは、制御信号の一方が他方と同じ時に存在する場合、一方または両方の信号は、所定の周波数およびデューティサイクルでパルスを与えられて、アクチュエータアセンブリの平均電力要件を減少させる。本発明の方法は、同様に、方向慣性感覚の出力を可能にする。
【０００９】
本発明は、有利なことに、低コストのアクチュエータを使用する接触フィードバックのための方向接触フィードバック感覚を提供する。これらの感覚は、これらの種類の触覚デバイスにおけるより多種多様な感覚を可能にし、ゲームで遊ぶ経験、または、他の種類のコンピュータアプリケーションと相互作用する経験がユーザにとってより満たされるものであることを可能にする。電力有効性の特徴もまた、低電力デバイスの実施形態を可能にして、本明細書中で開示される方向触覚を提供する。
【００１０】
本発明のこれらの利点および他の利点は、下記の本発明の詳細を読み、いくつかの図面をよく見ることにより当業者に明らかになる。
【００１１】
（好適な実施形態の詳細な説明）
図１は、触覚フィードバックシステム１０の透視図であり、この触覚フィードバックシステム１０は、本発明に使用することに適しており、ユーザによるデバイスの操作に基づいてホストコンピュータに入力を提供することが可能であり、かつ、ホストコンピュータによって実行されるプログラム内で起きているイベントに基づいて、システムのユーザに触覚フィードバックを提供することが可能である。システム１０は、ゲームパッドインタフェイスデバイス１２およびホストコンピュータ１４を含むゲームパッドシステム１０として、例示的な形式で示される。
【００１２】
ゲームパッドデバイス１２は、手持ち式コントローラの形式であり、ビデオゲームコンソールシステムのために現在利用可能な多くのゲームパッドの形および大きさに類似する。インタフェイスデバイス１０のハウジング１５は、グリップ突起部１６ａおよび１６ｂにおいてデバイスを掴む２つの手を簡単に収容するように成形されている。図示の実施形態において、ユーザは、彼または彼女の指によって、デバイス１２上の種々の制御にアクセスする。他の実施形態において、インタフェイスデバイスは、卓上または他の表面上に静止するデバイス、縦型アーケードゲーム機、ラップトップ型デバイス、または、着用式（ｗｏｒｎ ｏｎｔｈｅ ｐｅｒｓｏｎ）、手持ち式、もしくはユーザの片手で使用される他のデバイスなどを含む多種多様な形式を取り得る。
【００１３】
方向パッド１８がデバイス１２上に含まれ得、ユーザがホストコンピュータ１４に方向性入力を提供することを可能にする。最も一般的な実施形態において、方向パッド１８は、４つの拡張部分を有する十字形もしくはディスク、または、中心点から９０度の間隔で四方に広がる方向性位置のようにおおよそ成形されており、ここで、ユーザは、拡張部分２０の１つを下に押すことによって、対応する方向に関する方向性入力信号をホストコンピュータに提供し得る。
【００１４】
ハウジング１５の表面から突出する１つ以上のフィンガージョイスティック２６がデバイス１２内に含まれ得、１以上の自由度によってユーザによって操作され得る。例えば、ユーザは、デバイスの各グリップ１６ａおよび１６ｂを掴み、親指または指を使用して２自由度（または、いくつかの実施形態において、３以上の自由度で）でジョイスティック２６を操作し得る。この動作は、ホストコンピュータ１４に提供される入力信号へと変換され、方向パッド１８によって提供される信号と異なる信号であり得る。いくつかの実施形態において、別の線形またはスピンの自由度が、ジョイスティックに提供され得る。他の実施形態において、ジョイスティック２６の代わりに、または、それに加えて、球面が提供され得、ここで、球面の１つ以上の部分は、ハウジング１５の左側、右側、上面、および／または下面から拡張し得、その結果、球面は、ユーザによって２回転自由度内で所定の位置で回転され得、ジョイスティックと同様に動作する。線形または回転自由度が、ジョイスティックに関して提供され得る。
【００１５】
ボタン２４、ジョイスティック２６、および方向パッド１８の代わりに、または、それに加えて、他の制御が、ハウジング１５を掴む手の簡単に届く範囲内に配置され得る。例えば、１つ以上のトリガボタンが、ハウジングの下面に配置され得、ユーザの指によって押され得る。他の制御もまた、デバイス１２の種々の位置に提供され得、ゲーム内のスロットル制御のためのダイアルまたはスライダー、４方向または８方向のハットスイッチ、ノブ、トラックボール、ローラまたは球面などを含む。任意のこれらの制御はまた、接触フィードバックなどの触覚フィードバックを提供され得る。
【００１６】
さらに、ユーザがデバイスを操作する際にユーザによって接触されるハウジング自体は、好適には、下記でより詳細に説明するように、接触フィードバックを提供する。ハウジングの移動可能な部分もまた、接触フィードバックを提供し得る。従って、ハウジングも接触フィードバックを提供し得、かつ、方向パッド１８（または、他の制御）も別の接触フィードバックを提供し得る。触覚フィードバックを提供される他のボタンまたは他の制御のそれぞれもまた、他の制御とは別の接触フィードバックを提供し得る。
【００１７】
インタフェイスデバイス１２は、任意のいくつかの種類の通信媒体であり得るバス３２を介してホストコンピュータ１４に結合される。例えば、シリアルインタフェイスバス、パラレルインタフェイスバス、または、ワイヤレス通信リンク（無線、赤外線など）が使用され得る。特定の実施例は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、ＩＥＥＥ １３９４（Ｆｉｒｅｗｉｒｅ）、ＲＳ−２３２、または他の規格を含み得る。いくつかの実施形態において、デバイスのアクチュエータのための電力は、バス３２もしくは他のチャネルを通して伝達される電力によって供給または補足され得るか、または、電力供給／保存デバイスがデバイス１２上に設けられ得る。
【００１８】
インタフェイスデバイス１２は、ホストコンピュータ１４に制御信号を報告し、ホストコンピュータ１４からの命令信号を処理するために必要な回路を含む。例えば、センサ（および、その関連回路）を使用して、デバイスの制御の操作の感知および報告をホストコンピュータに行うことが可能である。デバイスはまた、好適には、ホストからの命令信号を受信し、かつ、１つ以上のデバイスアクチュエータを使用して命令信号によって接触感覚を出力する回路を含む。ゲームパッド１２は、好適には、ゲームパッド１２のハウジング上に力を生成するように動作可能なアクチュエータアセンブリを含む。この動作について、図２を参照して、下記でより詳細に説明する。
【００１９】
ホストコンピュータ１４は、好適には、ビデオゲームコンソール、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、または、１つ以上のホストマイクロプロセッサを典型的に含む他のコンピューティングもしくは電子デバイスである。Ｎｉｎｔｅｎｄｏ、Ｓｅｇａ、またはＳｏｎｙ製のシステムなどの種々のホームビデオゲームシステムの１つ、テレビの「セットトップボックス」、または、「ネットワークコンピュータ」などが使用され得る。あるいは、ＩＢＭと互換性があるパーソナルコンピュータもしくはＭａｃｉｎｔｏｓｈのパーソナルコンピュータなどのパーソナルコンピュータ、または、ＳＵＮもしくはＳｉｌｉｃｏｎ Ｇｒａｐｈｉｃｓ製のワークステーションなどのワークステーションが使用され得る。あるいは、ホスト１４およびデバイス１２は、アーケードゲーム機、携帯型もしくは手持ち式のコンピュータ、車両用コンピュータ、もたは、他のデバイス内の単一のハウジング内に含まれ得る。ホストコンピュータシステム１４は、好適には、周辺装置およびインタフェイスデバイス１２を介してユーザが相互作用するホストアプリケーションプログラムを実施する。例えば、ホストアプリケーションプログラムは、ビデオもしくはコンピュータゲーム、医療シミュレーション、科学分析プログラム、実行システム、グラフィカルユーザインタフェイス、製図／ＣＡＤプログラム、または他のアプリケーションプログラムであり得る。本明細書中、コンピュータ１４は「グラフィカル環境」を提供すると言われ得、このグラフィカル環境は、グラフィカルユーザインタフェイス、ゲーム、シミュレーション、または他の画像環境であり得る。コンピュータは、「グラフィカルオブジェクト」または「コンピュータオブジェクト」を表示し、これらのオブジェクトは、当業者に周知なように、物理的オブジェクトでないが、コンピュータ１４によって表示デバイス３４上に画像として表示され得るデータおよび／またはプロシージャの論理ソフトウェアユニットコレクションである。ソフトウェアを触覚フィードバックデバイスとインタフェイスさせる適切なソフトウェアドライバは、Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＩｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが販売している。
【００２０】
表示デバイス３４は、ホストコンピュータ１４内に含まれ得、標準表示画面（ＬＣＤ、ＣＲＴ、フラットパネルなど）、３−Ｄゴーグル、映像表示デバイス（例えば、プロジェクタもしくは車両内のヘッドアップディスプレイ）、または任意の他の画像出力デバイスであり得る。典型的には、ホストアプリケーションは、表示デバイス３４および／または他のフィードバック上に表示されるべき聴覚信号などの画像を提供する。例えば、表示画面３４は、ＧＵＩおよび／またはアプリケーションプログラムからのグラフィカルオブジェクトを表示し得る。
【００２１】
他の実施形態において、多くの他の種類のインタフェイスまたは制御デバイスが、本明細書中に説明される本発明に使用され得る。例えば、マウス、トラックボール、ジョイスティックハンドル、ステアリングホイール、ノブ、スタイラス、グリップ、タッチパッド、または他のデバイスが、本明細書中に説明するように、慣性触覚から利益を得ることが可能である。さらに、他の種類の手持ち式デバイスが、現在説明されている発明に使用することにかなり適しており、手持ち式のリモコンデバイスもしくは携帯電話、または、手持ち式の電子デバイスもしくはコンピュータなどが、本明細書中に説明される触覚フィードバック構成要素に使用され得る。本明細書中に説明される感覚は、例えば、デバイスの表面から垂直に出力され得るか、または、ジョイスティックハンドル、トラックボール、スタイラス、グリップ、ホイール、もしくはデバイス上にある他の操作可能なオブジェクトから出力され得るか、または、所望の方向または範囲に出力され得る。
【００２２】
作動中、インタフェイスデバイス１２の制御はユーザによって操作され、この制御は、実施されているアプリケーションプログラム（単数または複数）をアップデートする方法をコンピュータに示す。デバイス１２のハウジング１５内に含まれる電子インタフェイスは、デバイス１２をコンピュータ１４に結合し得る。ホストコンピュータ１４は、インタフェイスデバイスからの入力を受信し、この入力に応じてアプリケーションプログラムをアップデートする。例えば、ゲームがグラフィカル環境を表し、ここで、ユーザは、方向パッド１８、ジョイスティック２６、および／またはボタン２４を使用して、１つ以上のグラフィカルオブジェクトまたはエンティティを制御する。ホストコンピュータは、力フィードバック命令および／またはデータをデバイス１２に提供して、デバイスに触覚フィードバックを出力させ得る。
【００２３】
図２ａおよび図２ｂは、それぞれ、方向慣性フィードバックのために、本発明の一実施形態に使用するための２つのアクチュエータを含む、デバイス１２の実施形態１００の平面断面図および側面図である。図示の実施形態は、任意の慣性インタフェイスデバイスに使用され得るが、デバイスハウジングの異なる部分をユーザが両方の手によって掴む手持ち式デバイスが最適であり得る。この実施形態は、説明を目的として、ゲームパッドとして説明される。ゲームパッドハウジング１０１は、ホストコンピュータシステムに入力を提供するためにユーザによって操作されるゲームパッド接触インタフェイスデバイス１２を開示する。ユーザは、典型的には、各グリップ１６を１つの手で掴み、指を使ってハウジング１０１の中央部分にある入力デバイスを操作することによりデバイスを操作する。
【００２４】
ハウジング１０１は、好適には、２つの高調和振動ドライブのアクチュエータアセンブリ１０２および１０４を含む。これらのアクチュエータアセンブリは、任意の種々の方法によって実施され得る。最適なアクチュエータアセンブリは、高調和振動し得る慣性質量を提供し、かつ、慣性質量に中央揃えのばねの力を含み、有効かつ非常に制御可能な慣性感覚を可能にする。一実施形態において、図２〜図８を参照して本明細書中に説明するアクチュエータアセンブリが使用され得る。他の実施形態において、アクチュエータアセンブリ１０２および１０４は、高調和振動ドライブのアクチュエータアセンブリであり得、このアクチュエータアセンブリは、慣性質量をほぼ直線的に振動させる湾曲部に結合されている回転モータ（または、他のアクチュエータ）を提供し、従って、接触フィードバックを提供する。慣性質量は、モータ自体であり得る。アクチュエータは、本明細書中に説明されるアクチュエータと同様に、例えば、正弦波などの周期的な制御信号と高調和振動して制御される。慣性質量は、任意の方向に振動させられ得る。例えば、矢印１０６によって示されるように、１つの所望な方向は上および下である。他の実施形態において、音声コイル（移動しているコイル）アクチュエータなどの他の種類のアクチュエータが使用され得る。さらに他の実施形態において、下記で説明するように、回転モータの軸上に提供される偏心質量などの回転慣性質量が使用され得る。
【００２５】
高調和振動ドライブのアクチュエータアセンブリ１０２および１０４は、好適には、デバイスによって許容される最大の空間的な位置ずれが間にある状態で配置される。例えば、ゲームパッドの実施形態において、アセンブリ１０２および１０４は、ゲームパッドの異なるハンドグリップ１６内に配置され得る。これにより、ユーザによって方向性の力がより簡単に感知されることが可能になる。アクチュエータアセンブリ１０２および１０４はまた、好適には、アクチュエータの大きさ、ばねの剛度、慣性質量、および減衰（提供される場合）などの関連特性が同じである。これにより、デバイスの各端部において慣性力がほぼ同じであることが可能になり、方向のバランシングがより効果的になることが可能になる。他の実施形態は、アクチュエータアセンブリの異なる間隔および／または大きさを含み得る。
【００２６】
図３は、図２ａ〜図２ｂを参照して説明される２つのアクチュエータの実施形態１００に使用するための本発明の制御方法を示す機能図（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｉａｇｒａｍ）であり、この制御方法は、２つのアクチュエータアセンブリの間の位置におけるユーザによって空間的に配置され得る方向接触フィードバックを提供する。図３ａの時間対電流のグラフ１３０は、初期制御波形１３２を示し、この初期制御波形１３２は、デバイスのアクチュエータによって出力されるべき基本振動を提供し、所望の周波数、持続時間、および振幅を有する。波形は、軸に沿って正の方向と負の方向との両方に質量を高調和振動させて駆動させる駆動関数である。この波形は、種々のパラメータによって所望なように調整され得る。例えば、図３ｂのグラフ１３４に示されるように、振動の持続時間の異なる点で所望のレベルに調整された振幅を有する波形１３８を提供するために、包絡線（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）１３６が適用され得る。他のアプリケーションにおいて、包絡線を適用する必要はない。
【００２７】
制御波形１３８がアクチュエータアセンブリに出力される（または、制御波形１３８を実施する制御信号が出力される）場合、各アクチュエータアセンブリに基本波形と同形状の波形が提供されるが、振幅は調整されており、その結果、命令された電流は、２つのアクチュエータアセンブリ１０２および１０４の間で分割される。ユーザが感知しない方向を有する振動または他の慣性力感覚を提供するために、両方のアクチュエータアセンブリに等しい量の電流が提供されて、等しい振幅の振動が各アクチュエータから出力される。しかし、慣性感覚が感知される方向を有する場合、一方のアクチュエータは、他方のアクチュエータよりも多くの電流が提供され、すなわち、他方のアクチュエータよりも一方のアクチュエータの方がより大きな振幅の慣性力を出力する。グラフ１４０および１４２は、グラフ１３４の波形から得られた、アクチュエータアセンブリ１０２および１０５に送信された制御波形を示す。これらのグラフは、「左」方向がユーザによって感知される状況を示す。グラフ１４０の波形１４４は、命令された１００％振幅の７０％の振幅であり、デバイスの左側の左アクチュエータ１０４に送信される。グラフ１４２の波形１４６は、命令振幅の３０％（残りの量の電流）を有し、デバイスの右側のアクチュエータ１０２に送信される。右方向が出力される場合、デバイスの右側にあるアクチュエータ１０２に多くの量の電流（より大きな振幅）が提供される。ユーザは、方向性振動として、より強い振動をデバイスの一方に感知する。
【００２８】
接触感覚の方向性は、ゲームなどの多くのアプリケーションに有用であり得る。例えば、ゲーム内のユーザの車が左側の障壁に衝突する場合、左アクチュエータがより強い振動を出力して、この衝突の方向を示し得る。プレーヤーのキャラクターが左側を殴られる場合、左の振動が出力され得る。
【００２９】
２つのアクチュエータ間の振幅の分割によって、ユーザは、２つのアクチュエータアセンブリのどこか間にある位置で、出力の慣性感覚を感知する。ユーザは、ある一方の力が強いほど、そのアクチュエータアセンブリの近くでその結果として生じる力が出力されるように感知する。例えば、図４は、アクチュエータアセンブリ１０２および１０４が示されるゲームパッド１００の図を示す。軸１５２は、ユーザが結果として生じる慣性力を感知し得る可能なおおよその位置を示す。図３の波形命令から、左アクチュエータアセンブリ１０４は、右アクチュエータアセンブリ１０２（３０％）より大きな力（７０％）を出力し、ユーザは、そのより大きな振幅に比例して左アクチュエータにより接近して配置される、ハウジング１０１のおおよその位置１５０で、慣性力が出力されるように感知する。慣性感覚が同じ基本波形によって命令され、従って、同じ周波数で同期して出力されるため、これは効果的である。振幅の分割は、軸１５２に沿う任意の点で感知方向を出力するような任意の所望の方法で変えられ得る。
【００３０】
このやり方で方向を命令する１つの方法は、「バランス」パラメータを特定することである。例えば、ホストコンピュータは、デバイス１２上のローカルプロセッサに高レベルの命令を提供し得る。この高レベルの命令は、周波数、振幅、包絡線アタック（ｅｎｖｅｌｏｐｅ ａｔｔａｃｋ）およびフェードパラメータ、ならびに、バランスパラメータなどのパラメータを含み得る。バランスパラメータは、例えば、ある範囲内の数字として特定され得る。例えば、０〜９０の範囲が、ベクトルの力方向をシミュレートするために使用され得る。４５の値がアクチュエータアセンブリの出力間の正確なバランスを示し、その結果、慣性力がデバイスの両側で均等に感じられる。４５以下の値は左側の力の振幅がより大きいことを示し、値０まで同様である。この値０は、命令電流の１００％が左アクチュエータを制御し、右アクチュエータの出力がないことを示す。値９０は、右アクチュエータが完全な出力を有し、左アクチュエータが出力を有さないように制御する。あるいは、割合は、左アクチュエータなどのデフォルトアクチュエータアセンブリに特定かつ適用され得る。例えば、値６５は、命令振幅の６５％が左アクチュエータに適用されるべきであり、命令の振幅の残りの３５％が右アクチュエータに適用されることを示す。ローカルプロセッサは、命令バランスによって２つの出力制御信号のスケーリングを実行し得、かつ、各アクチュエータアセンブリ１０２および１０４に適切な調整信号を提供し得る。
【００３１】
あるいは、ホストコンピュータは、各アクチュエータに調整制御信号を直接送信することにより、または、ホストから伝達された制御信号を各アクチュエータに送信することをローカルプロセッサに直接指示することにより、バランス機能を直接命令し得る。
【００３２】
実施形態１００の重要な機能は、両方のアクチュエータアセンブリが、好適には、同期かつ同相のままであることである。単一の波形を使用して両方のアクチュエータを制御するが、波形の振幅は、方向またはバランスが崩れた感覚を慣性力に示すために変えられる。従って、ある一方の質量がより早く加速して、質量の元の位置からより多くの距離を移動し、結果として、そのアクチュエータアセンブリからより大きな力が出力される以外は、各アクチュエータアセンブリの質量は調和して振動する。これにより、空間の配置によって単一の感覚が創造されるため、ユーザは、方向性をよりよく感知することが可能になる。他の実施形態において、アクチュエータは非同期であり得るが、これにより、力感覚に提供される方向性がより少なくなる傾向がある。
【００３３】
別のアクチュエータが他の実施形態に含まれ得る。例えば、振幅振動を増加させるために、左側に２つのアクチュエータが提供され得、右側に２つのアクチュエータが提供され得る。あるいは、接触フィードバックに別の方向を提供するために、別のアクチュエータが、前、後ろ、上部、または下部の位置に配置され得る。好適には、各アクチュエータは、利用可能な電力の所望の割合で同じ波形を受信して、方向性を達成する。例えば、３つのアクチュエータアセンブリが三角形の構成で提供される場合、結果として生じる慣性力感覚を感知する位置は、３つ全てのアクチュエータアセンブリの間のどこかに配置され、力の位置に第２の寸法を効果的に追加する。この位置は、各アクチュエータアセンブリへの電流の振幅を適切に調整することにより調整され得る。
【００３４】
実施形態１００によって達成され得る別の重要な方向の効果は、慣性力の「一掃」である。このような一掃は、アクチュエータアセンブリ間の電流のバランスを継続的に変化させ、その結果、２つのアクチュエータの実施形態において、慣性力の感知位置を右から左または左から右へと（または、実施されるような他の方向に）滑らかに移動させる。例えば、ローカルプロセッサは、高レベルの一掃命令によって、特定の持続時間にわたって（上記の慣例を用いて）０から９０へと継続的かつ均等にバランスパラメータを変化させるように命令され得る。持続時間を変化させることにより、早い一掃またはより遅い一掃が命令され得る。次いで、一掃の間に各アクチュエータアセンブリが受信する命令電流の割合にローカルプロセッサを変化させると、ユーザは、デバイスの左側で開始し、右側の方へ軸１５２におおよそ沿って移動し、かつ、右アクチュエータで終了する慣性力を感知する。これにより、例えば、ゲーム内のユーザの車が右側で衝突する場合、慣性振動は、この衝突の方向を伝達するために、右側から左側へと高速に（例えば、１〜２秒で）一掃され得る。３つ以上のアクチュエータアセンブリを含む実施形態において、力の位置は、感知位置が全てのアクチュエータの間の所望の経路を移動するように電流を分割することにより、２つの寸法に一掃され得る。
【００３５】
他の制御機能は、左アクチュエータアセンブリと右アクチュエータアセンブリとの間のバランス制御に加えて（または、その代わりに）、左アクチュエータアセンブリと右アクチュエータアセンブリとの間の位相シフトの使用を含み得る。例えば、各アクチュエータに送信される制御波形の間（従って、慣性質量の振動の間）の９０度の位相シフトは、交互のビーティング効果（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｂｅａｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）（左−右）と共に、周波数が倍になった印象をユーザに与え得る。これは、感知されるより高い周波数において、より高い振幅の力感覚を可能にし得る。なぜならば、低い周波数に伴う慣性質量の大きな位置ずれが依然として生じているが、ユーザによって感知される結果は、より高い周波数であるからである。さらに、共振周波数は有用であり得る。例えば、アクチュエータアセンブリの共振周波数が約４０Ｈｚである場合、９０度だけ位相を移相された２つの（同じ種類の）アクチュエータアセンブリを実行させることにより、強いピークの振幅は４０Ｈｚで生じ、別の強いピークは８０Ｈｚで生じる。
【００３６】
さらに、５〜１０度などの小さな位相シフトは、主要周波数（ｍａｓｔｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）のようにユーザに感じられるが、ユーザが、力の各インパルスがより長持ちするような印象を受けるため、各パルスは少しだけ強く感じられる。さらに、１０〜３０度などのより大きな位相シフトは、「スタッターステップ」（すなわち、振動の各サイクルにおける力の急速なポップポップ（ｐｏｐ−ｐｏｐ））の興味深い感覚をユーザに与え得る。位相はまた、高レベルの命令のパラメータとしてデバイスに送信され得る。
【００３７】
最後に、１８０度の大きな位相シフトが、ユーザにとって接触感覚を非常に興味深いものに感じさせ得る。なぜならば、あるアクチュエータの慣性質量が、上に移動し、かつ、移動の限界に達する間、他のアクチュエータの他の慣性質量が、下に移動し、かつ、下の限界に達するからである。これにより、ゲームパッドまたは他のインタフェイスデバイスのおおよそ中心にトルク（例えば、ゲームパッド全体が、軸１５２上のおおよそ中心点の周りを回転しているような感覚）を負わせ得る。あるサイクルにおいて、トルクはある回転方向であり、次のサイクルにおいて、トルクの回転方向は逆になり、従って、交互のトルクが提供される。この感覚は、慣性質量が同相の状態で移動する場合より、ユーザにとってより強烈に感じられ得る。別の実施形態において、正規化された（例えば、正の方向などの１つの方向にのみ提供される）方形波が命令されて、慣性質量は、元の位置から１つの方向にのみ移動させられ得る。次いで、この波形は、２つのアクチュエータアセンブリの間で１８０度だけ位相を移相され得る。これにより、トルクの方向が決して切り換らない時計回りのビーティングトルクが引き起こされ得る。あるいは、波形が負の方向に正規化される場合、反時計回りのビーティングトルクが引き起こされる。
【００３８】
別の実施形態において、アクチュエータアセンブリ１０２および１０４からの左‐右の慣性感覚は、例えば、ホストコンピュータによって出力されるステレオ（左‐右）音声と協調され得る。例えば、ゲーム内のユーザ、または、ホストコンピュータ、テレビ、もしくは他のデバイス上の音声‐映像表示の上を飛行機が飛び得、この飛行機の音は、左のスピーカから始まって右のスピーカに移動して出力されて、位置的な音声効果を表す。左および右のアクチュエータアセンブリによって出力される力感覚は、協調して、音と調和して、インタフェイスデバイスの左側から出力を開始し、右側に移動し得る。力感覚はまた、パン撮りするカメラからの眺めなどの表示される画像と同期され得る。いくつかの実施形態において、力感覚の振幅はまた、例えば、音の大きさと相互に関係し得る。ホストコンピュータは、力感覚に命令して、ホストも制御している音声または映像と同期させ得る。
【００３９】
上記の接触効果の全ておよびその変化例は、所望の効果を達成するために種々の方法によって組み合わされ得る。従って、本発明のアクチュエータアセンブリの制御方式を使用することにより、多種多様の接触効果が可能である。
【００４０】
図５ａおよび図５ｂは、それぞれ、方向慣性フィードバックのために本発明の別の実施形態に使用される２つのアクチュエータを含むデバイス１２の別の実施形態２００の平面断面図および側面図である。ゲームパッドハウジング２０１は、２つのアクチュエータアセンブリ２０２および２０４を含む。上記の実施形態において、アクチュエータアセンブリは、線形的に調和して振動させられ得る慣性質量を含む。図５ａおよび図５ｂに示される本実施形態において、アクチュエータアセンブリ２０２および２０４は回転慣性質量を含み、偏心回転質量（ＥＲＭ）２０６が右グリップ１６ｂ内のアセンブリ２０２内のアクチュエータ２０８の回転軸に結合され、偏心回転質量（ＥＲＭ）２１０が左グリップ１６ａ内のアセンブリ２０４内のアクチュエータ２１２の回転軸に結合される。アクチュエータ２０８は、グリップ１６ａ内のハウジング２０１に厳格に（または、対応して）結合されており、アクチュエータ２１２は、グリップ１６ｂ内のハウジング２０１に厳格に（または、対応して）結合されている。偏心質量２０６および２１０は、くさび形、円柱形、または他の形であり得る。回転されると、質量は、その動作の範囲内で偏心慣性質量が移動するため、ハウジング２０１を振動させる。
【００４１】
高調和振動ドライブのアクチュエータアセンブリ２０２および２０４は、好適には、デバイスによって許容される最大の空間的な位置ずれが間にある状態で配置される。例えば、ゲームパッドの実施形態において、アセンブリ２０２および２０４は、ゲームパッドの異なるハンドグリップ１６ａおよび１６ｂ内に配置され得る。これにより、ユーザによって方向性の力がより簡単に感知されることが可能になる。他の実施形態において、アセンブリ２０２および２０４は、ハウジングの他の領域内に配置され得るが、この場合も、好適には、かなりの空間距離によって離されている（例えば、ハウジングの反対側）。アクチュエータアセンブリ２０２および２０４は、それぞれの関連特性（アクチュエータの大きさ、慣性質量、および減衰（提供される場合））が同じであり得、デバイスのそれぞれの端部において慣性力がおおよそ同じように感知されることを可能にし、方向感覚が効果的であることを可能にする。他の実施形態において、異なる大きさまたは他の特性を有するアクチュエータアセンブリが使用され得る。
【００４２】
（一方向ＥＲＭモータによる接触感覚の制御）
図５ａ〜図５ｂに示される慣性回転アクチュエータアセンブリは、慣性質量が回転されると、インタフェイスデバイス１２のユーザに振動および衝撃を出力し得る。これらの方法において、周期的な触覚効果の周波数および振幅は、別個に変化し得、かつ、ＥＲＭアクチュエータなど（ただし、これに限定されない）の単一自由度の一方向ドライブのアクチュエータに表示され得る。
【００４３】
多くの標準的なゲームパッド振動触覚デバイスは、固定された振幅および周波数でＥＲＭを回転させ、これらの２つは、堅固に結合されている。例えば、高い周波数の振動は、必然的に高い振幅であり、低い周波数の振動は、必然的に低い振幅である。図５ａ〜図５ｂの実施形態に使用するために説明され、かつ、上記の用途で説明された制御の方法は、１自由度（ＤＯＦ）の一方向ドライブの回転アクチュエータの振幅および周波数の別個の変化を可能にし、すなわち、高価な双方向電流ドライバを使用する必要はない。なぜならば、ＥＲＭは、１つの回転方向にのみ駆動される必要があるからである。この技術は、ＥＲＭが、減衰正弦波または重ね合わされた波形などの複雑な振動を創造することを可能にするため、重要である。従来のデバイスのＥＲＭは、その速度におおよそ線形的に結合された振幅を有していた。本発明は、余分なクラッチ、回路、または機械部品を利用せずに、これらの制御方法（例えば、ローカルマイクロプロセッサのファームウェアまたはデバイス１２の他のコントローラに実施されている）だけを使用して、ＥＲＭモータを使用して任意の振幅の周波数の範囲を実行し得る。本明細書中に説明する制御方法は、回転モータだけでなく、他の種類の回転または線形の１ＤＯＦアクチュエータ（例えば、移動する磁石モータ、ソレノイド、ボイスコイルアクチュエータなどを含む）に適用され得ることに留意されたい。
【００４４】
この制御方法において、周波数命令、振幅命令、および関数（すなわち、正弦波、方形波、三角波）が、パラメータまたは入力としてファームウェアに供給され得る。その次に、ＰＣなどのパーソナルコンピュータで使用される既存のＩｍｍｅｒｓｉｏｎ／ＤｉｒｅｃｔＸプロトコルが行われ、ここで、振動は、振幅、周波数、および関数の種類のパラメータ（ならびに、所望であれば、別のパラメータ）によって制御される。これらのパラメータの等価物が、他の実施形態で供給され得る。
【００４５】
図６に示される時間対振幅の関係を示すグラフ２５０に例が示される。周波数５Ｈｚおよび５０％振幅の正弦波２５２が、デバイスによって出力されるべき所望の振動として示される（この図、および次の同様の図の全ては、１秒の入力および出力信号を得る）。この制御方法は、波形のそれぞれの周期がどこで始まるか（または、始まるべきか）を決定し、１つの周期につき特定の持続時間だけ、制御信号２５４をより高いまたは「オン」レベルに上昇させる。制御信号２５４は、他の時間は「オフ」または低い状態である。「オン」レベルは、モータを活動させ、ＥＲＭ２０６または２１０をその単一の回転方向に回転させる。従って、周期的な制御信号は、所望（命令）の周波数に基づく周波数を有する。制御信号２５４を使用して、アクチュエータを１つの周期につき１回脈動させることにより、特定の周波数を有する振動の感知がユーザに伝達される。制御信号は、図示のように周期の最初に高レベルに上昇され得るか、または、周期内の他の時間に高レベルに上昇され得る。
【００４６】
周期的効果の振幅は、制御信号のデューティサイクルを調整することにより描かれる（例えば、制御信号２５４の各周期における持続時間（「周期毎のオンタイム」））。制御信号２５４はオンかオフかのいずれかであるが、制御信号がオンのままである周期毎の時間は、振幅命令またはパラメータによって決定される。図６において、可能な振幅の５０％を有する正弦波がリクエストされる。本発明によって、このリクエストされた振幅は、２５０ｍｓ毎に１５ｍｓの間オンになる制御信号２５４を生成する。比較のために、同じ周波数を有する１００％振幅の波形が図７に示され、グラフ２５４と同様のグラフ２６０が示される。制御信号２６４は、周波数命令が変化していないため、上記の制御信号２５４と同じ間隔でオンになる。しかし、制御信号２６４がオンのままでいる時間は２倍であり、振動の振幅が２倍であるようにユーザに感じさせる。制御信号がオンである時間が長いほど、アクチュエータが加速する時間も長くなる。本発明の場合、ＥＲＭはより大きな角速度に達し、力は角速度の２乗に比例するため、ユーザの手により大きな力が感知される。好適には、質量は回転を止めることを決して許容されず、その結果、静止摩擦を克服する必要があるのは、たった一度（回転の最初）だけである。制御信号が長くオンのままでありすぎると、回転質量は、複数回循環し、最終的には、自然（共振）の周波数に達する。この時、ユーザは、命令された周波数でなく、システムの自然の周波数を感知する。
【００４７】
従って、本発明によって、１）制御信号がどのくらいの頻度でオンになるかは、周波数命令に直接依存し、２）制御信号がどのくらいの長さオンのままであるか（制御信号のオンタイム）は、振幅命令に関係する。制御信号のオンタイムの決定は、異なる方法で達成され得る。本明細書中、２つの異なる方法が示される。第１に、オンタイムは、「周期の割合」として調整され得る。制御信号が、各周期の固定された割合の時間だけオンになる場合、周波数が増加すると、周期毎のオンタイムは減少する。さらに、制御信号は、より頻繁にオンになる。最終結果として、周波数に関わりなく、制御信号が各秒に同じ時間だけオンになることが挙げられる。この技術は、周波数が増加すると、アクチュエータに一定の力が加えられ、周波数の範囲にわたって感知される大きさは同じであり続けるという利点を提供する。
【００４８】
所望の振動を命令することに関するこの「周期の割合」による技術の問題は、多くの実施形態において、比較的低い周波数でうまく機能し得ないことである。低い周波数（例えば、いくつかの実施形態において、２Ｈｚより低い周波数）において、大きすぎる力が、アクチュエータに一回で加えられる。例えば、１秒間から得られる力の全てが、周期の最初に連続的な１２５ｍｓで加えられる場合、このオンタイムの間、回転アクチュエータは、制御信号が高いまま何回か循環し、その結果、この１２５ｍｓの間の振動（パルス）出力は、命令周波数ではなく、アクチュエータの回転速度の周波数としてユーザによって感知される。従って、デバイスによる振動出力は、命令（低い）周波数に対応し得ない。
【００４９】
本発明の第２の方法は、低い周波数におけるこの問題を回避し得、従って、多くのＥＲＭ振動触覚デバイスに関して振動を出力するより適切な方法を提供し得る。第２の方法は、周期の割合ではなく、周期毎の固定された最大時間に関して、制御信号を高く設定する。従って、任意の周波数に関する１００％振幅のオンタイムは同じである。１００％より低い命令振幅のオンタイムは、１００％より低い命令振幅の量に比例してより低くなる。これにより、周期毎の最大オンタイムが有効に確立され、１回の連続的なオンタイムの間に複数回の循環を行うほど長くアクチュエータがオンであることを防止する。アクチュエータが複数回の循環（例えば、いくつかの実施形態において、約２〜３回以上）を行うことが許容される場合、ユーザは、命令周波数（例えば、１０Ｈｚより低くあり得る周波数）ではなく、アクチュエータの回転速度に基づくより高い周波数を感知する。この方法は、この結果を防止する。いくつかの実施形態において、特定のモータに関するより低い周波数における１００％振幅のリクエストは、単一周期に関して１パルスより多いとユーザに感知させるような循環回数よりほんの少し少ない回数（例えば、２〜３循環など）によって質量を回転させるオンタイムと同一視され得る。このオンタイムは、実験的に決定され得る。第２の技術の欠点は、周波数が増加すると、離れているオンタイムがより接近し、アクチュエータが最終的には、実際に、１周期よりも長くオンであるようにリクエストされることである。この時点で、制御信号は常にアソートされ、質量は恒常的に回転し、周波数および振幅はもはや別個に変化しない。
【００５０】
大きさを制御信号のＯＮタイムにマッピングする二つの技術は、周波数範囲のうちの異なる部分に対して適するため、好適な実施形態は、二つの技術を組み合わせたり融合して、各方法の欠点を回避する。好適な組み合わせの方法において、第二の方法は、指令された周波数が特定の融合閾値周波数より下である場合のみ用いられ、第一の方法は、この閾値周波数より上の指令された周波数に対して用いられ得る。制御信号の大きさが変化する場合でも融合は可能である。第一に、システムの動力学に基づいて融合閾値を選択する。融合周波数はＯＮタイムが最長である周波数である。したがって、この周波数の１００％の大きさに対応するＯＮタイムの各期間に対して一つの振動パルス（例えば、２質量回転）を提供する融合周波数が選択されるべきである。例えば、上述のような大きなモータ／質量の組み合わせを用いた場合、１０Ｈｚを融合閾値周波数として用いることが可能である。１０Ｈｚより上の指令された周波数に対して、第一の方法（「期間の比率」）を用いて制御信号のＯＮタイムを計算し、１０Ｈｚより下の指令された周波数に対して、第二の方法（「期間ごとの固定時間」）を用い得る。他の実施形態において他の閾値が用いられ得る。二つの方法を融合するには、二つの方法の最大の大きさが融合閾値周波数で一致する（すなわち、方法間の移行がスムーズである）ようにスケーラを選択する。例えば、１０Ｈｚで制御信号のＯＮタイムが２５ｍｓであると、１０Ｈｚで１００％の大きさの振動が生成され得る。指令された周波数が１０Ｈｚより下の数値から融合周波数に接近する場合、「期間の比率」の方法は１０Ｈｚで２５ｍｓのＯＮタイムを生成するようにスケーリングされ、用いられるスケーラは保持され、１０Ｈｚより上の周波数に対するこの方法に適用される。所望の効果に応じて、例えば、融合領域の擬態帯（ｍｉｍｉｃ ｂａｎｄ）パスフィルタまたは融合閾値周波数のいずれか一方の側のローパス／ハイパスの組み合わせなど、より高度な融合技術が用いられ得る。
【００５１】
周波数とは無関係の大きさの指令を可能にする別の方法は、制御信号に対して二つのレベルのみを有するのではなく、リクエストされた大きさに比例して制御信号２５４の振幅を変化させることである。これは単独で実行され得るか、または上述の第一の方法および第二の方法のいずれかまたは両方と共に実行され得る。例えば、変動振幅を有する他の種類の波形を制御信号（正弦波、三角波など）として用い得る。制御信号の振幅を設定または変化させる一つの効率的な方法は、上述したような制御信号用に選択されたＯＮタイムの間にパルス幅変調（ＰＷＭ）を提供したり、または所定の他の方法を用いてＯＮタイムの間に制御信号デューティサイクルを変化させることである。しかし、ＰＷＭは別個のＰＷＭモジュールを必要と得、これによりデバイスのコストが増加し得る。ＰＷＭ方式を避けるために、上述の第一の方法および第二の方法を、ビットバンギング（ｂｉｔ−ｂａｎｇｉｎｇ）によって実行し得る。ビットバンギングでは、ローカルのマイクロプロセッサは、ＰＷＭモジュールを用いずにアクチュエータに直接制御信号を出力する。ビットバンギングによって、制御信号の大きさは直接制御され得ず、ＰＷＭモジュールの要件が排除され、プロセッサまたはインターフェースデバイスのコストが潜在的に減少する。
【００５２】
図５ａ〜図５ｂの実施形態にあるように、振動の大きさおよび周波数を独立に変化させる上述の技術を複数のアクチュエータ上に同時に用いることが可能である。この制御技術に関するさらなる発明の特徴を以下に説明する。
【００５３】
（電力効率用の制御信号の組み合わせ）
上述の制御信号を用いて、相互に独立した出力振動の大きさおよび周波数を制御する。この制御方法を、アクチュエータアセンブリ２０２および２０４などの複数のアクチュエータに対して用いることが可能である。例えば、それぞれが専用制御信号を用いるアセンブリ２０２および２０４の両方を同時に作動することが可能である。
【００５４】
複数のアクチュエータアセンブリを同時に動作させる一つの問題は、著しい電力量がアクチュエータを駆動させるために必要であることである。いくつかの実施形態において、利用可能な電力が少ないと、複数のアクチュエータアセンブリの使用が制限され得る。例えば、インターフェースデバイス１２が、固有の専用電源を有さず、ＵＳＢ（これも限られた量の電力を提供する）などの通信チャネルを介してホストコンピュータ１４から電力供給される場合、アクチュエータアセンブリを動作させるために利用可能な電力量はかなり制限される。または、ホストコンピュータに対して無線リンクのみを有するインターフェースデバイス１２の場合、限られた電力を有する電池（または他の携帯の電力格納デバイス）をインターフェースデバイス内で用いてアクチュエータを駆動する。このよう電力制限がある多くの場合、二つ以上のアクチュエータアセンブリを同時に用いると、さほど強くない触覚（ｈａｐｔｉｃ）の感覚が出力される。
【００５５】
本発明の一方法によって、二つのアクチュエータアセンブリを制限された利用可能な電力量で同時に動作することが可能になる。図８ａおよび図８ｂは、上述のようにＥＲＭを回転させて、大きさおよび周波数を独立に制御する制御信号を示すグラフ２７０および２７２である。グラフ２７０は、一つのアクチュエータアセンブリ（例えば、アセンブリ２０２）に付与された制御信号２７４を示し、グラフ２７２はもう一方のアクチュエータアセンブリ（例えば、アセンブリ２０４）に付与された制御信号２７６を示す。制御信号２７４および２７６は、同じ周波数ならびに期間Ｔ１およびＴ２を有する。制御信号２７４は、信号がＨＩＧＨの場合ＯＮタイムを有し、信号がＬＯＷの場合ＯＦＦタイムを有し、デューティサイクルは約４０％であることが示される。制御信号２７４がＯＮの間、利用可能な電力のすべてまたはほとんどを用いてモータが回転されるため、大きい振動が提供される。しかし、制御信号２７４がＯＮの間、制御信号２７６はＯＦＦのままである。制御信号２７４がＯＦＦの場合のある時点で制御信号２７６がＯＮになり、制御信号２７４がＯＮに戻る前に信号２７６はＯＦＦになる。したがって、制御信号２７６は信号２７４から位相がシフトされ、これによって、制御信号が同時にＯＮになることが決してない。これによって、任意のある時間にすべての利用可能な電力を一つのアクチュエータに対して用いることが可能になり、利用可能な電力を、二つのアクチュエータアセンブリ２０２と２０４との間で分割する必要はない。
【００５６】
あるいは、制御信号２７６を、制御信号２７４の後に少しだけ遅らせることも可能である。これは、ＥＲＭが休止（または他の状態）から回転を開始するためにより多くの電力を必要とするが、回転を維持するためには多くの電力を必要とし得ない場合に有用であり得る。例えば、両方のＥＲＭに必要な開始電流が利用可能な電力量より大きい場合、一つのＥＲＭに必要な開始電流にもう一方のＥＲＭに必要な回転電流を足した電流は、利用可能な電力量内にあり得、したがって、第一のＥＲＭが開始および回転した直後に第二のＥＲＭが開始することが可能になる。いくつかの実施形態において、制御信号の組み合わせを少なくすると、ユーザが感じる振動がより効果的になる。なぜならば、各アクチュエータアセンブリから結果として生じる振動が、より同期に生じるようになり、互いに「弱め合う（ｗａｓｈ ｏｕｔ）」可能性が低いからである。
【００５７】
制御信号２７４および２７６の周波数およびデューティサイクル（移行したＯＮタイム幅）を変化させて、図６および図７に関して上述したような種々の振動の大きさを生成し得る。このように変化された場合、制御信号は、好適には、同じ周波数およびデューティサイクルで維持される。これにより、例えば、あたかもハウジング全体から、ハウジングの両側から等しく生成される出力など、ユーザにとっては非方向性の振動が生成される。
【００５８】
図６および図７に関して上述したような方法で用いられた制御信号は、好適には、５０％より大きいデューティサイクルを有さない。なぜならば、多くの実施形態において、これにより、アクチュエータアセンブリが指令された周波数ではなく自然な周波数で動作するようになるからである。例えば、ユーザは指令された周波数ではなく、継続的に回転するＥＲＭの周波数を感じる。したがって、この方法は効果的であり得、かつ、組み合わせが可能であるため、電力を割り当てて、限られた電力量でできるだけ強い振動を提供し得る。したがって、この組み合わせの方法により、電力効率方式において二つのアクチュエータによって出力される振動の大きさおよび周波数を独立して制御することが可能になる。
【００５９】
図９ａおよび図９ｂは、異なる周波数および／または重複を有する制御信号に関する、本発明の電力割り当て方法を示すグラフ２８０および２８２である。グラフ２８０は特定の周波数および期間Ｔ１を有する制御信号２８４を示し、グラフ２８２は特定の周波数および期間Ｔ２を有する制御信号２８６を示す。ＯＮタイムの信号は、時間Ａの量（通常、各期間ごとに異なる）だけ重複する。重複は、５０％より大きいデューティサイクルが必要な所定の環境、または制御信号が異なる周波数および／またはデューティサイクルである場合に回避し得ない場合がある。例えば、一つのアクチュエータアセンブリ２０２に、ある周波数で振動を出力するように指令したり、他のアクチュエータアセンブリ２０４に、異なる周波数で振動を出力するように指令したりして、ユーザが感じる特定の触覚の感覚を達成し得る。
【００６０】
本発明によって、制限された電力量をこのような状況で用いることを可能にするには、好適には、制御信号を、重複時間Ａの間に所定のデューティサイクルおよび周波数でＯＦＦおよびＯＮにする。これにより、両方のアクチュエータが動作している場合に、各アクチュエータに対する平均電力消費を減少させることが可能になり、したがって、利用可能な電力量を効率的に用いることが可能になる。例えば、図９ｃに示すように、制御信号２８４は、重複時間期間Ａの間、特定のデューティサイクルおよびより高い周波でパルス状にされ、これにより、この重複の間に制御信号２８４の電力要件を減少させることが可能になる。これは実質的に、ＰＷＭタイプの制御である。これにより、アクチュエータの振動出力の大きさが減少する（これは、ユーザにはわずかにしか分からない）。一方、制御信号２８６も、重複期間の間に（図９ｂにおいて点線２８８によって示すように）特定のデューティサイクルおよび周波数でパルス状にされる。したがって、利用可能な電力を二つのアクチュエータアセンブリ間で共有して、各アクチュエータによる出力が減少し、利用可能な電力量内になる。図面では、重複の間の制御信号の図示する周波数を用い得る実際の周波数より低く誇張して示す。
【００６１】
制御信号が重複期間の間にパルス状にされるデューティサイクルおよび／または周波数を、インターフェースデバイス１２の動作特徴（例えば、アクチュエータ、ＥＲＭ、増幅器の特徴）から決定し得る。重複の間に両方のアクチュエータを電力量内で動作することを可能にする所定のレベル（例えば、制御信号が継続的にＯＮのままである場合、効果的な重複の大きさは全大きさの７５％であり得る）に、制御信号の電力要件を減少するようにデューティサイクルを選択することが可能である。通常、重複期間の間、パルスが同時にＯＮにならないように制御信号を調整する必要はない。これは、制御信号の比較的高い周波数に起因するため、両方の制御信号がＨＩＧＨであっても、コンデンサなどの駆動回路内のコンポーネントが所定の電力レベルを維持するだけに十分に充電されることが可能になる。他の実施形態において、制御信号が同時にＯＮにならないように、重複期間の間の制御信号を調整し得、可能であれば、時間が交代するごとにＯＮにし得る。重複期間の間の制御信号の周波数は、コンデンサを有する駆動回路の能力および所望の電力レベルを維持する他のエネルギー格納コンポーネントに基づいて選択される。
【００６２】
いくつかの実施形態において、重複期間の間の制御信号のデューティサイクルを、二つの制御信号の周波数または期間Ｔに基づいて調整し得る。例えば、通常、制御信号の期間Ｔ１およびＴ２が短くなればなるほど（すなわち、周波数が高くなればなるほど）、アクチュエータを動作するために必要な電力が多くなる。いずれかまたは両方の制御信号が短い期間を有する場合、重複の間の制御信号のデューティサイクルが減少し、より少ない電力が消費され得る（すなわち、重複期間の間の効果的な大きさが小さくなる）。いくつかの実施形態において、期間Ｔ１またはＴ２が非常に長い場合、ＥＲＭはＯＮタイムの後半の間に運動量を得るため、必要な電力がより少なくなり得る。重複期間の間の制御信号のデューティサイクルを決定する場合に、これが考慮され得る。いくつかの実施形態において、高周波振動が、他のアクチュエータによって出力されたより低い周波数の振動によって「弱め」られないように、高周波の制御信号に対するデューティサイクルを増加させ得る。
【００６３】
制御信号はそれぞれ、アクチュエータアセンブリの個々の特徴に基づいて、重複期間の間、異なるデューティサイクルおよび／または周波数を有し得る。いくつかの実施形態において、一つの制御信号のみが重複期間の間にパルス状にされる。
【００６４】
ローカルプロセッサ（図１１参照）は、いかに移相が信号を制御し、および／またはいかに重複期間の間に制御信号をパルス状にするかを制御し得る。例えば、図５ａおよび図５ｂの別のＯＮタイムの実施形態において、マイクロプロセッサは制御信号が送信された場合にモニタリングし得、他の制御信号がＯＦＦの場合、一つの制御信号しか送信し得ない。
【００６５】
上述の電力効率制御方法を、類似の制御信号またはＯＮタイムを有する他の信号を用いて制御され得る他の種類のアクチュエータを有する他の実施形態にも用いることが可能である。
【００６６】
（回転慣性アクチュエータアセンブリを用いた方向感覚）
上述の制御方法を用いて、電力が制限されたデバイスにおいて相互に独立した出力振動の大きさおよび周波数を制御することが可能である。この制御方法を、上述の方向慣性触覚の感覚を出力する方法と共に用いることも可能である。
【００６７】
図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃおよび図１０ｄはそれぞれ、グラフ３１０、３１２、３１４および３１６であり、図５ａ〜図５ｂに関して説明した二つのアクチュエータの実施形態で用いる、本発明の制御方法における制御信号を示す。この制御信号は、方向接触（ｔａｃｔｉｌｅ）フィードバック（この場合、二つのアクチュエータ間の位置にいるユーザによって空間的位置が察知され得る接触フィードバック）を提供する。グラフ３１０および３１２は、図８ａおよび図８ｂの信号に類似し、図６および図７の方法によって決定されるような所定の振動の大きさおよび周波数を生じる制御信号３１８および３２０を示す。制御信号を、所望の場合には、期間、包絡線などの他のパラメータを用いて調整し得る。
【００６８】
所望のパラメータを決定した後、制御信号をさらに改変して、以下に説明する方向性または「バランス」を提供する。図１０ｃのグラフ３１４において、制御信号３２２がＯＮタイムの際に減少して、第一のアクチュエータアセンブリに、より小さな平均電流が提供される。一方、図１０ｄのグラフ３１６において、制御信号３２４がＯＮタイムの際に、制御信号３２２の減少した量と同じ量だけ増加して、より大きな平均電流が第二のアクチュエータアセンブリに提供される。したがって、第一のアクチュエータアセンブリはさらに電力量を提供され、第二のアクチュエータは、第一のアクチュエータにさらに供給された電力量だけ少ない電力が提供される。例えば、制御信号３２４は、より大きなデューティサイクル（例えば、２５％だけ増加したデューティサイクル）を有するため、より多くの電力がアクチュエータに提供され、より強い振動が出力される。制御信号３２２は、対応する量（２５％）だけ低いデューティサイクルを有するため、このアクチュエータから出力される振動の大きさがより低くなる。これにより、指令された大きさの全１００％が、二つのアクチュエータアセンブリ間で異なって分配される。
【００６９】
したがって、振動の大きさは、二つのアクチュエータアセンブリ２０２と２０４との間で指令された大きさを分割することによってスケーリングされる。ユーザが方向を感知しない振動または他の慣性力感覚を提供するために、両方のアクチュエータアセンブリは、等しい電力量（平均電流）を提供され、これにより、図１０ａ〜図１０ｂにあるように、等しい大きさの振動が各アクチュエータから出力される。しかし、慣性感覚が方向を感知する場合、制御信号のＯＮタイムが調整される。すなわち、一つのアクチュエータは、もう一方より多い平均電流を提供され、もう一方のアクチュエータによって出力される慣性力より大きな大きさの慣性力がこのアクチュエータによって出力される。制御信号３２４がゲームパッドデバイス２００の左のアクチュエータアセンブリ２０４に付与された場合、左の振動がより大きいため、ユーザは左の方向を感知する。右の方向が出力された場合、デバイスの右側のアクチュエータ２０２は、より多くの平均電流量を提供される。ユーザは、方向性振動としてデバイスの一方の側により強い振動を感知する。例えば、ゲームでユーザの車両が左の障壁にぶつかった場合、左のアクチュエータがより強い振動を出力して、この衝突の方向を示し得る。
【００７０】
二つのアクチュエータの間の指令された大きさの分割に応じて、ユーザは二つのアクチュエータアセンブリ間のいずれかの位置において出力慣性感覚を得る。一方の力が強ければ強いほど、ユーザは結果の力を出力するアクチュエータアセンブリがより近いと感じる。これは、上述の図４に示す位置と同様である。このように方向を指令する一つの方法は、上述したような「バランス」パラメータを指定したり、ホストにアクチュエータアセンブリに直接指令させることである。さらなるアクチュエータを、上述の実施形態１００に類似した実施形態２００でも実現し得、実施形態２００を用いて掃引効果を指令および出力することが可能である。
【００７１】
図１１は、本発明での使用に適した触覚フィードバックシステムの一実施形態を示すブロック図である。
【００７２】
ホストコンピュータ１４は、好適には、ホストマイクロプロセッサ４００、クロック４０２、表示画面２６および音声出力デバイス４０４を含む。ホストコンピュータは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）および入力／出力（Ｉ／Ｏ）エレクトロニクス（図示せず）などの他の周知のコンポーネントも含む。表示画面２６は、ゲーム環境の画像、オペレーティングシステムのアプリケーション、シミュレーションなどを表示し、スピーカなどの音声出力デバイス４０４は、ユーザに音声出力を提供する。記憶デバイス（ハードディスクドライブ、ＣＤ ＲＯＭドライブ、フロッピ（Ｒ）ディスクドライブなど）、プリンタ、他の入力デバイスおよび出力デバイスなどの他の種類の周辺機器もホストプロセッサ４００に結合され得る。
【００７３】
マウス、ゲームパッドなどのインターフェースデバイス１２は、双方向バス２０によってホストコンピュータシステム１４に結合される。双方向バスは、ホストコンピュータシステム１４とインターフェースデバイスとの間でいずれかの方向で信号を送信する。バス２０は、ＲＳ２３２シリアルインターフェース、ＲＳ−４２２、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、ＭＩＤＩまたは当業者に周知の他のプロトコルなどのシリアルインターフェースバスであっても、パラレルバスであっても、無線リンクであってもよい。いくつかのインターフェースも、デバイス１２のアクチュエータに電力を供給し得る。
【００７４】
デバイス１２は、ローカルマイクロプロセッサ４１０を含み得る。必要に応じて、ローカルマイクロプロセッサ４１０を、デバイス１２のハウジング内に設けて、マウスの他コンポーネントとの効率的な通信を可能にし得る。プロセッサ４１０は、デバイス１２にとってローカルであると考えられる。本明細書において、「ローカル」は、ホストコンピュータシステム１４内のあらゆるプロセッサとは分けられたマイクロプロセッサであるプロセッサ４１０を指す。さらに、「ローカル」は、好適には、デバイス１２の触覚フィードバックおよびセンサＩ／Ｏ専用のプロセッサ４１０を指す。マイクロプロセッサ４１０は、コンピュータホスト１４からの指令またはリクエストを待つソフトウェア指示を提供され得、指令またはリクエストをデコードし、指令またはリクエストによって入力信号および出力信号を処理／制御する。さらに、プロセッサ４１０は、センサ信号を読み出し、これらのセンサ信号、時間信号、ホスト指令と一致して選択された、格納または中継された指示から適切な力を計算することによって、ホストコンピュータ１４から独立して動作し得る。マイクロプロセッサ４１０は、一つのマイクロプロセッサチップ、複数のプロセッサおよび／または共同プロセッサチップ、および／またはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の機能を含み得る。
【００７５】
マイクロプロセッサ４１０は、センサ（単数または複数）４１２から信号を受信して、ホストコンピュータ１４によってバス２０を介して提供される指示によって、信号をアクチュエータアセンブリ５４に提供し得る。例えば、ローカルの制御の実施形態において、ホストコンピュータ１４はバス２０を介してマイクロプロセッサ４１０に高レベルの監視指令を提供し、マイクロプロセッサ４１０は指令をデコードし、高レベルの指令により、かつ、ホストコンピュータ１４から独立したセンサおよびアクチュエータに対する低レベルの力制御ループを管理する。この動作は、米国特許第５，７３４，３７３号により詳細に記載される。ホスト制御ループにおいて、力指令は、ホストコンピュータからマイクロプロセッサ４１０に出力されて、マイクロプロセッサに、指定された特徴を有する力または力覚を出力させるように指示する。ローカルのマイクロプロセッサ４１０は、一つ以上の所与の自由度でマウスの位置を記載する位置データなどのデータをホストコンピュータに報告する。データは、ボタン２４の状態、ｄ−パッド２０なども記載し得る。ホストコンピュータは、データを用いて実行されたプログラムを更新する。ローカルの制御ループにおいて、アクチュエータ信号は、マイクロプロセッサ４１０からアクチュエータアセンブリ４３４に提供されて、センサ信号は、センサ４１２および他の入力デバイス４１８からマイクロプロセッサ４１０に提供される。本明細書において、用語「触覚の感覚」または「接触の感覚」は、ユーザに感覚を提供するアクチュエータアセンブリによって出力される一つの力または一連の力を指す。マイクロプロセッサ４１０は、入力されたセンサ信号を処理して、以下の格納された指示によって適切な出力アクチュエータ信号を決定し得る。マイクロプロセッサは、ユーザオブジェクト上で出力されるべき力をローカルに決定する際にセンサ信号を用いたり、センサ信号から得られた位置データをホストコンピュータに報告し得る。
【００７６】
さらに他の実施形態において、他のより簡単なハードウェアをデバイス１２にローカルに設けて、マイクロプロセッサ４１０に類似した機能を提供し得る。例えば、固定された論理を組み込んだハードウェア状態マシーンを用いて、信号をアクチュエータアセンブリ４３４に提供して、センサ４１２からセンサ信号を受信して、所定の順序、アルゴリズムまたはプロセスによって接触信号を出力し得る。ハードウェア内の所望の機能で論理を実現する技術は当業者によって周知である。
【００７７】
異なるホスト制御された実施形態において、ホストコンピュータ１４は、バス２０を介して低レベルの力指令を提供し得る。これらの力指令は、マイクロプロセッサ４１０または他の（例えば、より簡単な）回路部を介して、アクチュエータアセンブリ４３４に直接伝送される。したがって、ホストコンピュータ１４は、デバイス１２へのすべての信号およびデバイス１２からのすべての信号を直接制御および処理する。
【００７８】
簡単なホスト制御の実施形態において、ホストからデバイスへの信号は、所定の周波数および大きさにおいてアクチュエータをパルス状にするか否かを示す一つのビットであり得る。より複雑な実施形態において、ホストからの信号は、所定のパルス強度を提供する大きさ、および／またはパルスに対して大きさおよび感覚の両方を提供する方向を含み得る。より複雑な実施形態において、ローカルプロセッサを用いて、時間をかけて付与される所望の力値を示すホストから簡単な指令を受信して、次いで、マイクロプロセッサは一つの指令に基づいて出力し得る。より複雑な実施形態において、接触の感覚パラメータを備えた高レベルの指令が、ホストの介入から独立して、全感覚を付与し得るデバイス上のローカルプロセッサに伝えられ得る。これらの方法の組み合わせを、一つのデバイス１２に対して用いることが可能である。
【００７９】
ＲＡＭおよび／またはＲＯＭなどのローカルメモリ４２２は、好適には、マウス１２内のマイクロプロセッサ４１０に結合されて、マイクロプロセッサ４１０用の指示を格納し、一時的な他のデータを格納する。例えば、マイクロプロセッサによって出力され得る一連の格納された力値、またはユーザオブジェクトの現在位置に基づいて出力されるべき力値のルックアップテーブルなどの力プロファイルをメモリ４２２内に格納することが可能である。さらに、ローカルクロック４２４をマイクロプロセッサ４１０に結合して、ホストコンピュータ１２のシステムクロックに類似したタイミングデータを提供し得る。タイミングデータは、例えば、アクチュエータアセンブリ４３４によって出力される力（例えば、計算された速度に依存した力、または他の時間に依存した要素）を計算するために必要であり得る。ＵＳＢ通信インターフェースを用いた実施形態において、マイクロプロセッサ４１０用のタイミングデータは、ＵＳＢ信号から交代で取り出され得る。
【００８０】
センサ４１２は、デバイスおよび／または一つ以上のマニピュランダムまたは制御の位置または運動を感知したり、位置または運動を表す情報を含む信号をマイクロプロセッサ４１０（またはホスト１４）に提供する。操作を検出することに適切なセンサは、デジタル光エンコーダ、光センサシステム、線形光エンコーダ、電位差計、光センサ、速度センサ、加速センサ、ひずみ計を含み、または他の種類のセンサも用いられ得、相対センサまたは絶対センサのいずれかが提供され得る。当業者に周知であるように、光センサインターフェース４１４を用いて、センサ信号をマイクロプロセッサ４１０および／またはホストコンピュータシステム１４によって理解され得る信号に変換し得る。
【００８１】
アクチュエータアセンブリ４３４は、マイクロプロセッサ４１０および／またはホストコンピュータ１４から受信された信号に応答して、上述のようなデバイス１２のハウジングに力を伝送する。アクチュエータアセンブリ４３４は、例えば、慣性質量を移動させることによって慣性力を生成し得る。接触の感覚を生成するハウジングに対して部材を駆動させるアクチュエータなどの他の種類のアクチュエータも用い得る。
【００８２】
アクチュエータインターフェース４１６を、必要に応じて、アクチュエータアセンブリ４３４とマイクロプロセッサ４１０との間に接続として、マイクロプロセッサ４１０からの信号を適切な信号に変換して、アクチュエータアセンブリ４３４を駆動させ得る。インターフェース４１６は、電力増幅器、スイッチ、デジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）、アナログ／デジタル制御器（ＡＤＣ）および他のコンポーネントを含み得る。他の入力デバイス４１８を、デバイス１２内に設けて、ユーザによって操作された場合に、入力信号をマイクロプロセッサ４１０またはホスト１４に送信する。このような入力デバイスは、ボタン２４、ｄ−パッド２０などを含み、さらなるボタン、ダイアル、スイッチ、スクロールホイールまたは他の制御またはメカニズムを含み得る。
【００８３】
電源４２０を、必要に応じて、アクチュエータインターフェース４１６および／またはアクチュエータアセンブリ４３４に結合されたデバイス１２内に設けて、電力をアクチュエータに提供したり、別個のコンポーネントとして提供し得る。あるいは、電力を、デバイス１２とは異なる電源から引いたり、バス２０を介して受け取り得る。さらに、受け取られた電力はデバイス１２によって格納および調整され得、アクチュエータアセンブリ４３４を駆動させるために必要な場合に用いられたり、または補足的な方式で用いられ得る。いくつかの実施形態は、（米国特許第５，９２９，６０７号に記載されるように）デバイス内の電力格納デバイスを用いて、ピークの力が付与され得ることを保証する。あるいは、この技術は無線デバイス内で用いられ得る。この場合、バッテリ電源を用いて、接触アクチュエータを駆動し得る。必要に応じて、安全スイッチ４３２を設けて、ユーザが安全上の理由からアクチュエータアセンブリ４３４を停止させることが可能になる。
【００８４】
本発明をいくつかの好適な実施形態の観点から説明したが、本発明の変更、置換および均等物は、明細書を読み図面を検討した際に当業者に明らかとなると考えられる。例えば、ジョイスティック、ステアリングホイール、ゲームパッドおよびリモートコントロールを含む、触覚フィードバックデバイスの多くの異なる実施形態を用いて、本明細書に記載する接触の感覚を出力することが可能である。さらに、特定の用語は、記述を明らかにする目的で用いられ、本発明を限定するためには用いられない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に使用することに適しているゲームパッド触覚フィードバックシステムの透視図である。
【図２ａ】 図２ａは、方向慣性フィードバックを提供するための２つのアクチュエータを含む触覚インタフェイスデバイスの実施形態の平面断面図である。
【図２ｂ】 図２ｂは、方向慣性フィードバックを提供するための２つのアクチュエータを含む触覚インタフェイスデバイスの実施形態の側面図である。
【図３】 図３は、図２ａ〜図２ｂの２つのアクチュエータの実施形態に使用するための本発明の制御方法を示す機能図である。
【図４】 図４は、インタフェイスデバイスと、ユーザが合成慣性力を感知し得る可能なおおよその位置との図示である。
【図５ａ】 図５ａは、２つのアクチュエータと回転慣性質量とを含む触覚インタフェイスデバイスの別の実施形態を示す平面断面図である。
【図５ｂ】 図５ｂは、２つのアクチュエータと回転慣性質量とを含む触角インタフェイスデバイスの別の実施形態を示す側面図である。
【図６】 図６は、所望の正弦波振動とその振動を提供するための制御信号との時間対振幅の関係を示すグラフである。
【図７】 図７は、所望の正弦波振動とその振動を提供するための制御振動との時間対振幅の関係の別の例を示すグラフである。
【図８】 図８ａおよび８ｂは、２つの異なるアクチュエータアセンブリによって質量を回転させ、かつ、振幅および周波数を別個に制御するための制御信号を示すグラフである。
【図９】 図９ａ、９ｂおよび９ｃは、異なる周波数および／またはオーバーラップを有する制御信号に関する本発明の電力割当て方法を示すグラフである。
【図１０】 図１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄは、方向触覚フィードバックを提供するための本発明の制御方法の制御信号を示すグラフである。
【図１１】 図１１は、本発明に使用することに適している触覚フィードバックシステムの一実施形態を示すブロック図である。
Claims (39)
- 方向触覚フィードバックをユーザに提供するインターフェースデバイスであって、該インターフェースデバイスはホストコンピュータと通信し、該デバイスは、
ハウジングと、
該ユーザからのユーザ入力を検出する少なくとも一つのセンサと、
該ハウジングに結合された第１のアクチュエータアセンブリであって、該第１のアクチュエータアセンブリは、第１の質量を含み、該第１のアクチュエータアセンブリは、該ホストコンピュータから第１の制御信号を受信するように構成されており、該第１の制御信号は、第１の波形に基づいて該ホストコンピュータによって生成された第１の大きさを有している、第１のアクチュエータアセンブリと、
該ハウジングに結合された第２のアクチュエータアセンブリであって、該第２のアクチュエータアセンブリは、第２の質量を含み、該第２のアクチュエータアセンブリは、該ホストコンピュータから第２の制御信号を受信するように構成されており、該第２の制御信号は、該第１の波形に基づいて該ホストコンピュータによって生成された第２の大きさを有しており、該第２の大きさは、該第１の大きさとは異なる大きさであり、該第１の大きさは、所定の比率に従って該第２の大きさに関連している、第２のアクチュエータアセンブリと
を備え、
該第１のアクチュエータアセンブリおよび該第２のアクチュエータアセンブリは、該ハウジング内に配置されており、該第１の制御信号および該第２の制御信号は、該第１の質量および該第２の質量の移動をそれぞれ生じさせ、該第１の質量および該第２の質量の移動は、該ハウジング上に振動を生じさせ、該振動は、該所定の比率に関連付けられた該ハウジングの所定の位置にあるように該ユーザによって知覚される、インターフェースデバイス。 - 前記ハウジング内の前記第２のアクチュエータアセンブリの位置から該ハウジング内の前記第１のアクチュエータアセンブリの位置に向かう方向に力が加えられている振動を提供するように、前記第１の制御信号は、前記第２の制御信号より大きな大きさを有している、請求項１に記載のインターフェースデバイス。
- 前記ハウジング内の前記第１のアクチュエータアセンブリの位置から該ハウジング内の前記第２のアクチュエータアセンブリの位置に向かう方向に力が加えられている振動を提供するように、前記第２の制御信号は、前記第１の制御信号より大きな大きさを有している、請求項１に記載のインターフェースデバイス。
- ローカルプロセッサをさらに備え、
該ローカルプロセッサは、前記ホストコンピュータから高レベルの指令を受信し、該高レベルの指令に従って前記第１のアクチュエータアセンブリおよび前記第２のアクチュエータアセンブリを制御する、請求項１に記載のインターフェースデバイス。 - 前記高レベルの指令は、バランスパラメータを含み、該バランスパラメータは、前記ハウジングの所望の位置にあるように前記ユーザによって知覚される振動を提供するために、前記第１のアクチュエータアセンブリと前記第２のアクチュエータアセンブリとの間の出力電流をどのように分割するかを示す、請求項４に記載のインターフェースデバイス。
- 前記高レベルの指令は、前記振動の周波数および大きさを独立に指定するための周波数パラメータおよび大きさパラメータを含む、請求項５に記載のインターフェースデバイス。
- 前記高レベルの指令は、前記第１の制御信号または前記第２の制御信号のエンベロープを指定するための少なくとも一つのエンベロープパラメータを含み、該エンベロープは、前記振動の大きさを改変する、請求項５に記載のインターフェースデバイス。
- 前記第１のアクチュエータアセンブリは、前記第１の質量を線形に振動させ、前記第２のアクチュエータアセンブリは、前記第２の質量を線形に振動させる、請求項１に記載のインターフェースデバイス。
- 前記第１の制御信号は、前記第２の制御信号と調和しており、該第１の制御信号は、前記第１の質量を第１の方向に駆動し、該第２の制御信号は、前記第２の質量を第２の方向に駆動する、請求項８に記載のインターフェースデバイス。
- 前記第１の制御信号は、前記第２の制御信号とは位相が異なっている、請求項１に記載のインターフェースデバイス。
- 前記第１のアクチュエータアセンブリは、前記第１の質量を回転させ、前記第２のアクチュエータアセンブリは、前記第２の質量を回転させる、請求項１に記載のインターフェースデバイス。
- 前記第１の質量および前記第２の質量は、一つの回転方向にのみ回転する、請求項１１に記載のインターフェースデバイス。
- 前記第１のアクチュエータアセンブリおよび前記第１のアクチュエータアセンブリのそれぞれによって生成された個々の振動のそれぞれの大きさおよび周波数は、互いに独立に調整可能である、請求項１２に記載のインターフェースデバイス。
- 前記ハウジングは、第１のグリップと第２のグリップとを含み、前記第１のアクチュエータアセンブリは、該第１のグリップ内に配置されており、前記第２のアクチュエータアセンブリは、該第２のグリップ内に配置されている、請求項１に記載のインターフェースデバイス。
- 方向触覚フィードバックをユーザに提供するインターフェースデバイスであって、該インターフェースデバイスは、ホストコンピュータの表示にしたがって触覚フィードバックを提供し、該デバイスは、
ハウジングと、
該ユーザからのユーザ入力を検出する少なくとも一つのセンサと、
該ハウジングに結合された第１のアクチュエータアセンブリであって、該第１のアクチュエータアセンブリは、第１の質量を含み、該第１のアクチュエータアセンブリは、該ホストコンピュータから第１の制御信号を受信するように構成されており、該第１の制御信号は、第１の波形に基づいて該ホストコンピュータによって生成された第１のデューティーサイクルを有している、第１のアクチュエータアセンブリと、
該ハウジングに結合された第２のアクチュエータアセンブリであって、該第２のアクチュエータアセンブリは、第２の質量を含み、該第２のアクチュエータアセンブリは、該ホストコンピュータから第２の制御信号を受信するように構成されており、該第２の制御信号は、該第１の波形に基づいて該ホストコンピュータによって生成された第２のデューティーサイクルを有しており、該第２のデューティーサイクルは、該第１のデューティーサイクルとは異なり、該第１のデューティーサイクルは、所定の比率に従って該第２のデューティーサイクルに関連している、第２のアクチュエータアセンブリと
を備え、
該第１のアクチュエータアセンブリおよび該第２のアクチュエータアセンブリは、該ハウジング内に配置されており、該第１の制御信号は、該第１の質量の移動を生じさせ、該第２の制御信号は、該第２の質量の移動を生じさせ、該第１の質量および該第２の質量の移動は、該所定の比率に関連付けられた該ハウジングの所定の位置にあるように該ユーザによって知覚される振動を該ハウジング上に生じさせる、インターフェースデバイス。 - 前記第１の制御信号の指令された大きさは、前記第２のアクチュエータアセンブリの位置から前記第１のアクチュエータアセンブリの位置に向かう方向に力が加えられている振動を提供するように該第１のアクチュエータアセンブリに付与される、請求項１５に記載のインターフェースデバイス。
- ローカルプロセッサをさらに備え、
該ローカルプロセッサは、前記ホストコンピュータから高レベルの指令を受信し、該高レベルの指令に従って前記第１のアクチュエータアセンブリおよび前記第２のアクチュエータアセンブリを制御する、請求項１５に記載のインターフェースデバイス。 - 前記高レベルの指令は、バランスパラメータを含み、該バランスパラメータは、前記ハウジングの所望の位置にあるように前記ユーザによって知覚される振動を提供するために、前記第１のアクチュエータアセンブリと前記第２のアクチュエータアセンブリとの間の出力振動の大きさをどのように分割するかを示す、請求項１７に記載のインターフェースデバイス。
- 前記高レベルの指令は、前記振動の周波数および大きさを独立に指定するための周波数パラメータおよび大きさパラメータを含む、請求項１８に記載のインターフェースデバイス。
- 前記高レベルの指令は、前記第１の制御信号または前記第２の制御信号のエンベロープを指定するための少なくとも一つのエンベロープパラメータを含み、該エンベロープは、該振動の大きさを改変する、請求項１８に記載のインターフェースデバイス。
- 前記デバイスは、前記ハウジングに結合された第３のアクチュエータアセンブリをさらに備え、該第３のアクチュエータアセンブリは、第３の質量を含み、該第３のアクチュエータアセンブリは、前記第１の波形に基づいて前記ホストコンピュータによって生成された第３の制御信号を受信するように構成されている、請求項１５に記載のインターフェースデバイス。
- 前記第１の制御信号は、前記第２の制御信号とは位相が異なっている、請求項１５に記載のインターフェースデバイス。
- 前記第１の制御信号および前記第２の制御信号が同時にＯＮにならないように、該第１の制御信号は、該第２の制御信号とインターレースされている、請求項２２に記載のインターフェースデバイス。
- 前記第１の制御信号が前記第２の制御信号と同時にＯＮになる場合には、前記第１のアクチュエータアセンブリおよび前記第２のアクチュエータアセンブリのうちの少なくとも一方の平均電力要件を低減するように、該第１の制御信号および該第２の制御信号のうちの少なくとも一方が所定の周波数およびデューティーサイクルでパルス状にされる、請求項１５に記載のインターフェースデバイス。
- インターフェースデバイスを操作するユーザに方向触覚フィードバックを提供する方法であって、該インターフェースデバイスはホストコンピュータと通信し、該方法は、
該インターフェースデバイスの少なくとも一つのセンサによって、該インターフェースデバイスの該操作に基づいて該ユーザからの入力を検出することと、
該インターフェースデバイスのハウジング内に配置された第１のアクチュエータアセンブリおよび第２のアクチュエータアセンブリによって、ユーザによって知覚されるべき、該インターフェースデバイスの該ハウジング上の振動を出力することと
を包含し、
第１の大きさを有する第１の制御信号は、該第１のアクチュエータアセンブリの動作を生じさせるように該ホストコンピュータから該第１のアクチュエータアセンブリに提供され、第２の大きさを有する第２の制御信号は、該第２のアクチュエータアセンブリの動作を生じさせるように該ホストコンピュータから該第２のアクチュエータアセンブリに提供され、該第１の大きさは、該第２の大きさとは異なり、該第１の大きさは、所定の比率に従って該第２の大きさに関連し、該振動は、該所定の比率に関連付けられた該ハウジングの所定の位置にあるように該ユーザによって知覚される、方法。 - 前記ハウジング内の前記第２のアクチュエータアセンブリの位置から該ハウジング内の前記第１のアクチュエータアセンブリの位置に向かう方向に力が加えられている振動を提供するように、前記ホストコンピュータからの前記第２の制御信号よりも大きな大きさを有している該ホストコンピュータからの前記第１の制御信号が、該第１のアクチュエータアセンブリに付与される、請求項２５に記載の方法。
- 前記第１のアクチュエータアセンブリは、前記ハウジング内の左側に配置されており、前記第２のアクチュエータアセンブリは、前記ハウジング内の右側に配置されており、左方向に力が加えられている振動を提供するように、大きい方の大きさを有している制御信号が、該第１のアクチュエータアセンブリに付与され、右方向に力が加えられている振動を提供するように、大きい方の大きさを有している制御信号が、該第２のアクチュエータアセンブリに付与される、請求項２６に記載の方法。
- ローカルプロセッサをさらに含み、該ローカルプロセッサは、前記ホストコンピュータから高レベルの指令を受信し、該高レベルの指令に従って前記第１のアクチュエータアセンブリおよび前記第２のアクチュエータアセンブリを制御し、該高レベルの指令は、バランスパラメータを含み、該バランスパラメータは、該ハウジングの所望の位置にあるように該ユーザによって知覚される振動を提供するために、該第１のアクチュエータアセンブリと該第２のアクチュエータアセンブリとの間の出力電流をどのように分割するかを示す、請求項２６に記載の方法。
- 前記高レベルの指令は、前記振動の周波数および大きさを独立に指定するための周波数パラメータおよび大きさパラメータを含む、請求項２８に記載の方法。
- 前記第１の制御信号および前記第２の制御信号は調和しており、該第１の制御信号は、第１の方向に前記第１の質量を駆動し、該第２の制御信号は、第２の方向に前記第２の質量を駆動する、請求項２５に記載のインターフェースデバイス。
- 前記第１の制御信号は、前記第２の制御信号とは位相が異なっている、請求項２５に記載のインターフェースデバイス。
- 前記第１のアクチュエータアセンブリおよび前記第２のアクチュエータアセンブリは、それぞれ、前記第１の質量および前記第２の質量を回転させる、請求項２５に記載のインターフェースデバイス。
- インターフェースデバイスを操作するユーザに方向触覚フィードバックを提供する方法であって、該インターフェースデバイスはホストコンピュータと通信し、該方法は、
該インターフェースデバイスの少なくとも一つのセンサによって、該インターフェースデバイスの該操作に基づいて該ユーザからの入力を検出することと、
該インターフェースデバイスのハウジング内に配置された第１のアクチュエータアセンブリおよび第２のアクチュエータアセンブリによって、該インターフェースデバイスの該ハウジング上の振動を出力することと
を包含し、
第１のデューティーサイクルを有する第１の制御信号は、該第１のアクチュエータアセンブリの動作を生じさせるように該ホストコンピュータから該第１のアクチュエータアセンブリに提供され、第２のデューティーサイクルを有する第２の制御信号は、該第２のアクチュエータアセンブリの動作を生じさせるように該ホストコンピュータから該第２のアクチュエータアセンブリに提供され、該第１のデューティーサイクルは、該第２のデューティーサイクルとは異なり、該第１のデューティーサイクルは、所定の比率に従って該第２のデューティーサイクルに関連し、該振動は、該所定の比率に関連付けられた該ハウジングの所定の位置において該ユーザによって知覚されるように生じさせられる、方法。 - 前記第１のアクチュエータアセンブリは、前記ハウジング内の左側に配置されており、前記第２のアクチュエータアセンブリは、前記ハウジング内の右側に配置されており、左方向に力が加えられている振動を提供するように、前記ユーザによって指定された大きさを有している制御信号が、前記ホストコンピュータから該第１のアクチュエータアセンブリに付与され、右方向に力が加えられている振動を提供するように、該ユーザによって指定された大きさを有している制御信号が、該ホストコンピュータから該第２のアクチュエータアセンブリに付与される、請求項３３に記載の方法。
- 前記ホストコンピュータから受信された高レベルの指令は、前記第１のアクチュエータアセンブリおよび前記第２のアクチュエータアセンブリを制御し、該高レベルの指令は、バランスパラメータを含み、該バランスパラメータは、該ハウジングの所望の位置にあるように該ユーザによって知覚される振動を提供するために、該第１のアクチュエータアセンブリと該第２のアクチュエータアセンブリとの間の出力振動の大きさをどのように分割するかを示す、請求項３３に記載の方法。
- 前記高レベルの指令は、前記振動の周波数および大きさを独立に指定するための周波数パラメータおよび大きさパラメータを含む、請求項３５に記載の方法。
- 前記第１の制御信号は、前記第２の制御信号とは位相が異なっている、請求項３３に記載の方法。
- 前記第１の制御信号および前記第２の制御信号が同時にＯＮにならないように、該第１の制御信号は、該第２の制御信号とインターレースされている、請求項３７に記載の方法。
- 前記第１の制御信号が前記第２の制御信号と同時にＯＮになる場合には、前記第１のアクチュエータアセンブリおよび前記第２のアクチュエータアセンブリのうちの少なくとも一方の平均電力要件を低減するように、該第１の制御信号および該第２の制御信号のうちの少なくとも一方が所定の周波数およびデューティーサイクルでパルス状にされる、請求項３３に記載の方法。
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