JP2005521597A - 触覚変速装置 - Google Patents

Abstract

乗り物のシフト・バイ・ワイヤシステムにおいて使用する触覚変速装置である。触覚変速装置は、ユーザにより操作可能なシフトレバーを具備している。少なくとも１つのセンサは、シフトレバーの位置を検知し、乗り物の変速ギアは、シフトレバーの位置に基づいて変更される。少なくとも１つの電気制御されるアクチュエータは、シフトレバーに力を出力する。実施形態によっては、シフトレバーは、パターン内を移動可能であり、当該パターンの境界の外側領域への移動が規制される。アクチュエータは、能動的または受動的でもよく、および／または可変の機械的なゲートをパターンの実現に使用してもよい。提供される変速モードは、オートマチック、マニュアルおよび／またはシーケンシャルモードを含む。他の変速モードも提供可能である。

Description

本発明は、触覚フィードバック装置に関し、特に、インターフェイス装置において所望の操作を許容する機械的装置とともに用いられる触覚フィードバックインターフェイス装置に関する。

機械制御機構の代わりに電子制御機構を用いた乗り物の制御は、様々に異なる方式で実施されている。典型的に「ステア・バイ・ワイヤ」、「ドライブ・バイ・ワイヤ」または「コントロール・バイ・ワイヤ」と呼ばれる制御の方式により、ユーザは、ユーザが機構を用いて機械的命令を直接実行することなく機械的命令を実行するために、電気モータおよび／または油圧または空気圧による制御システムに指示を与えることができる。例えば、自動車における標準的な機械的操舵機構において、ユーザは、ステアリングホイールを動かすことにより、ロッド、ギアおよび他の機械的部材が機械的に回転し、ステアリングホイールの動きに基づいてフロントホイールの向きを変える。ドライブ・バイ・ワイヤシステムにおいて、ユーザがステアリングホイールを回転させる（または何らかの他の方式の操作装置を動かす）と、ステアリングホイールの動きとホイールの動きとの間で実際には機械的結合がなくても（パワーアシストされたステアリングとは異なり）、１以上の電気モータ、油圧アクチュエータ等を制御して、ステアリングホイールの動きに基づいてフロントホイールの向きを変える。処理装置（マイクロプロセッサ等）がユーザの動きを感知し、モータ制御に相関させることにより、相当する操舵を達成することができる。伝統的な機械的制御に対してコントロール・バイ・ワイヤには、いくつかの利益がある。つまり、ユーザが傷付くような機構がないため、安全であること、ユーザが制御装置を操作するのに多大な努力や力が必要ないこと、用いられる制御装置の形や動きおよび機構についての制御方法においてより順応性があること、機構の重量がより軽いこと、制御処理装置が単純なユーザの動きを所望の機械的動作を達成するのに必要なモータの複雑な制御に変換することができるため、ユーザが制御タスクを実行するための能力をより必要としないこと、技術者の利益（例えば、ステア・バイ・ワイヤを用いると自動車のいずれの側にもステアリングホイールを設置し易くなる）、および、適応操舵アルゴリズムのような制御方法を利用することである。

関連するコントロール・バイ・ワイヤの実施例として、「シフト・バイ・バイヤ」がある。これは、駆動変速機を有する自動車またはその他の乗り物において直接機械的な制御を行う代わりに電子制御を用いて変速ギアを切り替えるものである。このように、機械的にギアを切り替えるためにユーザが予め決められた機械的位置にシフトレバーを動かす代わりに、ユーザが電子制御を操作することにより、電子システムが実際の変速ギアを変化させることができる。例えば、ユーザは、小さいレバーを前方に動かすことにより、ギアレシオを（例えば、第１ギアから第２ギアへ）増大させることができ、後方に動かすことにより、ギアレシオを（例えば、第５ギアから第４ギアへ）減少させることができる。様々に異なる電子制御は、乗り物に用いられ、ユーザがレバー、ボタン、ノブ、スイッチ等のように切り替えることができる。

シフト・バイ・ワイヤシステムにおける１つの問題は、ユーザにより操作される物理的制御における特定の実行には依然として限界があることである。すなわち、ユーザは、所望の異なるシフトパターンで変速ことができない。さらに、シフト・バイ・ワイヤ制御は、ユーザに対して切り替え制御中に機械的システムについての何らかの合図を出さないため、直感的でない、または正確でない制御が生じるおそれがある。切り替えは、ほとんどすべて感覚的に行われるため、このような機械的合図は切り替えタスクにおいて重要である。

シフト・バイ・ワイヤシステムにおいて存在するいくつかの課題を軽減するために、本発明は、シフト・バイ・ワイヤシステムに触覚感（haptic sensations）を提供するものである。触覚感により、プログラムされた制御手順および制御パターンの範囲を大きくすることができ、ギア選択やその他の操作においてより効果的なユーザ制御を行うことができる。

特に、一実施形態において、自動車のための触覚変速装置は、少なくとも自由度１でユーザが物理的に触れ、操作可能であるシフトレバーを具備する。そして、少なくとも１つのセンサが、シフトレバーの位置を検知し、それぞれの位置を表す位置データがセンサからもたらされる。さらに、処理装置は、位置データを受信し、乗り物の変速ギアをシフトレバーの位置に基づいて変更させるべくデータを出力する。そして、少なくとも１つの電気制御アクチュエータは、シフトレバーに所定の力（a force）を出力する。

ある実施形態において、シフトレバーは、所定のパターンで移動可能であり、当該パターンの境界の外側領域への移動は規制される。シフトレバーは、アクチュエータから出力される障壁力により外側領域から規制されることとしてもよい。アクチュエータは、シフトレバーに能動的な力を出力するように指示する能動的アクチュエータであってもよいし、シフトレバーに抵抗力を供給するように指示する受動的アクチュエータであってもよいし、受動的および能動的アクチュエータを組み合わせてシフトレバーの自由度を複数使用することとしてもよい。例えば、能動的アクチュエータ部は、シフトレバーに触覚効果を出力し、受動的アクチュエータ部は、予め決められたパターン外にシフトレバーが動くのを規制する力を供給することとしてもよい。機械的なゲートを用い、シフトレバーが少なくとも前記外側領域のいくつかにおいて規制することとしてもよい。機械的なゲートは、例えば、マニュアル変速パターンとオートマチック変速パターンのような、少なくとも２つの異なるパターンを供給することとしてもよい。可変の機械的なゲートを用いることにより、機械的な障壁をシフトレバーのマニュアルモードおよびオートマチックモードにおけるすべての方向において供給することができる。

もう１つの発明において、乗り物のための触覚変速装置は、自由度２でユーザが物理的に触れ、操作可能であるシフトレバーを具備する。少なくとも１つのセンサは、シフトレバーの位置を検知し、センサからもたらされた位置データは、乗り物の変速ギアをレバー位置に基づいて変化させる。少なくとも１つの電気制御アクチュエータは、シフトレバーに力を出力し、モードセレクタにより、ユーザは、変速モードを選択することができる。シフトモードには、シフトレバーについて異なる変速パターンを有する少なくとも２つの変速モードがある。シフトレバーは、例えば、アクチュエータから出力された障壁力によって、シフトパターンの境界の外側領域から規制されることとしてもよい。変速モードは、オートマチックモード、マニュアルモード、および／またはシーケンシャルモードを有していてもよい。能動的および／または受動的アクチュエータおよび機械的なゲートが様々な実施形態において用いられてもよく、異なる形の触覚効果がシフトレバーに出力されることとしてもよい。

もう１つの発明において、乗り物の変速機におけるギア変速方法は、少なくとも自由度１においてユーザがシフトレバーに物理的に接触し、移動させることを有している。シフトレバーの位置は、検知され、位置データは、センサからもたらされる。乗り物の変速ギアをシフトレバーの位置に基づいて変化させるデータが出力され、電気制御されたアクチュエータを用いるシフトレバーに力が出力される。シフトレバーは、所定のパターン内で移動可能に形成され、当該パターンの境界の外側領域が、例えば、アクチュエータより出力される障壁力によって、規制されることとしてもよい。能動的および／または受動的アクチュエータおよび／または機械的なゲートを用い、異なる形の触覚効果をシフトレバーに出力することとしてもよい。

もう１つの発明において、乗り物のための触覚変速装置は、自由度２でユーザが物理的に触れ、操作可能であるシフトレバー、シフトレバーの位置を検知する少なくとも１つのセンサ、シフトレバーに力を出力する少なくとも１つの電気制御アクチュエータ、およびユーザが触覚変速装置の変速モードを選択可能なモードセレクタを具備し、乗り物の変速ギアは、シフトレバーの位置に基づいて変化され、変速モードは、シフトレバーに対して異なる物理的特性を供給するものである。異なる物理的特性は、少なくとも２つの異なるモードにおいて、シフトレバーの動きが異なるものである。いくつかの実施形態において、異なる物理的特性は、少なくとも２つの異なるモードにおいて異なる力感覚を出力することとしてもよい。

本発明は、乗り物におけるシフト・バイ・ワイヤシステムにおけるユーザに対し触覚感を出力することができる触覚変速装置を提供する。触覚変速装置は、シフトレバーに対する障壁として作用する力を提供するとともに、装置に対するプログラミングを多様化させることができる。例えば、いくつかの異なるシフトパターンが提供され、ユーザによって選択可能に構成される。さらに、シフトレバーに出力される触覚感は、変速タスクにおいてユーザを支援することができ、シフト・バイ・ワイヤシステムにおいて機械的な合図を提供することができる。

本発明におけるこれらの利益および他の利益は、以下の発明の詳細な説明およびいくつかの添付された図面により当業者に明らかとなるだろう。

図１は乗り物のための触覚変速装置１０の一例を示す遠近図である。変速装置１０は、マニュアル変速装置を有する自動車に見られるような標準的なギアシフトレバーに類似する図１において実現される。例えば、変速装置１０は、自動車の前席の間に配置されてもよい。これによりドライバーは、運転中に変速装置に容易に触れることができる。

触覚変速装置１０は、グリップ１４を有するシフトレバー１２を具備し、グリップ１４は、ユーザに掴まれるまたはさもなければ物理的に接触され、一方向またはそれ以上の方向に乗り物の変速ギアを制御する。シフトレバーの位置は、乗り物の変速ギアが現在何速に結合しているかを決定する。本装置は、シフト・バイ・ワイヤシステムに統合されるため、シフトレバーは、乗り物の変速機に機械的に結合されてはいないが、代わりに電子的インターフェイスおよびレバーの位置を読み出し、レバーの位置に対して変速機を制御するシステムに結合される。用いられ得る機構およびインターフェイスの例は、以下に図２および３を参照しつつ説明する。

モード選択制御手段１５は、ユーザが触覚変速装置１０の変速モードを選択することを許容するために備えられる。制御手段１５は、図１においてボタンとして表されているが、レバー、スイッチ、表示装置１６に表示されたもの等、好適ないずれの制御手段であってもよい。制御手段１５は、例えば、マニュアル変速モードとオートマチック変速モードとの間および／またはもし実現されるなら他の変速モードとの間で選択可能である。本装置の他の選択として、制御手段１５または操作の特徴（シフトレバー１２への制動力、すなわち、大きさ、周波数、持続期間、その他、シフトレバー１２に出力される他の触覚感といった特性）のような付加的な類似の制御手段が選択できることとしてもよい。所定の実施形態において、グリップ１４は、１以上のボタンまたは他の制御手段１５を具備し、ユーザが、モード、設定あるいは変速または乗り物における他の特性を選択することができる。例えば、親指ボタンを用い、ユーザが押下することにより、シフトレバー１２においてオートマチックまたはマニュアル変速ギアを選択することができることとしてもよい。制御手段１５は、コンソール、ステアリングホイール、その他、乗り物の慣習的な位置に設置されることとしてもよい。更に、１以上の制御手段１５を表示装置１６上に表示されたボタンのような、ソフトウェア制御手段またはスイッチとして具備することとしてもよい。ユーザがマイクロフォンに命令を話すことによってマイクロプロセッサで処理されるような、音声制御手段を制御手段１５と等価なものとして使用してもよい。

好ましくは、触覚シフトレバーは、複数の利用可能な制御モードのうちの１つにおいて用いられる。ここで、それぞれのモードは、異なる制御および／または移動の選択を提供するものである。さらに、特定の実施形態において、ユーザにとって特定の操作選択を有することとしてもよい。例えば、いくつかの実施形態またはモードにおいて、ユーザは、シフトレバー１２を、１方向だけまたは１自由度、例えば、オートマチック変速機として前後方向に移動させることができる。他の実施形態においては、Ｈパターンまたはそのようなマニュアル変速機として左右および前後移動を許容することができる。さらに他の実施形態においては、非直交移動または対角線移動が他の変速パターンとして許容されることとしてもよい。変速モードには、シフトパターン自体は変化しないが、シフトレバーの作動領域（許容される移動量）や出力される力のように、他の変速特性に調整されるものがあってもよい。変速パターンおよび変速モードの例は、図４，５および６を参照しつつ以下により詳細に説明する。

操作レバー１２は、レバー１２の移動の自由度で出力される触覚感によって促される。触覚感には、レバー１２の移動を抑制すべく用いられるものがあってもよい。このような感覚は、以下でさらに詳述する。

触覚変速装置１０の実施形態によっては、平面スクリーンのような表示装置１６を備えていてもよい。例えば、ＬＣＤ、プラズマ、ＣＲＴその他の表示スクリーンが使用できる。表示装置は、図示されるようにシフトレバー１２の近くに位置することとしてもよいし、例えばダッシュボード、インスツルメントパネル、ウィンドシールド上のヘッドアップ表示装置（ＨＵＤ）等のドライバーの視野の範囲内における乗り物の他の部分に位置することとしてもよい。表示装置は、変速装置１０および乗り物の変速および他のシステムに関する状態情報（例えば、現在選択されているギア）を表示する。例えば、複数の変速パターンまたはモードが触覚変速装置上で選択可能な場合、図１に示されるように、現在使用可能なシフトパターンを表示することとしてもよい。図１においては、標準的な５速マニュアル変速機の配列が表示される。他のパターンも同様に図示され、ユーザにシフトレバー１２が移動可能な位置を知らせる支援を行い得る。所定の実施形態においては、表示装置１６は、接触感知表面を具備し、ユーザが表示装置１６の表面に表示された画像または選択肢に直接「タッチする」ことにより、その画像および想定されるモード、設定または機能が選択できるようにしてもよい。

他の実施形態において、触覚変速装置１０の異なる態様が採用可能である。例えば、レバー１２は、乗り物のステアリングコラムに位置することとしてもよい。一方、異なる制御装置がダッシュボード、フロア、ドアその他の乗り物内のドライバーから容易に届く範囲の表面に設けられてもよく、触覚感を供給することとしてもよい。シフトレバーは、変速ギアを変速させたり、同様の役割を持たせたりする必要のある様々な乗り物、自動車、トラック、軍用車両、産業機械、および他の大型乗り物であるボート、船、航空機、宇宙船、水中乗り物等において使用することができる。ある一方の実施形態においては、本発明の触覚変速装置を遠隔制御装置に取り付けることにより、乗り物やおもちゃを遠隔制御することとしてもよい。さらに他の実施形態において、本発明の触覚変速装置を乗り物制御についてのコンピュータシミュレーションに用いることとしてもよい。例えば、表示スクリーンを用いて、乗り物の周囲を動くイリュージョンの描写を行うようなものである。ここでの、「乗り物」の語は、シミュレートされた乗り物（コンピュータシミュレーションやビデオゲームのような）を意図するというよりは、物理的な乗り物のことを意図するものである。

図２および３は、シフトレバー１２うえに力を出力するために、触覚変速装置１０に用いられる機構３０の一実施形態を示す遠近図である。本実施形態において、連結および増幅の機構は、ユーザに大きな強さの力を供給するためにモータから触覚変速装置に力を移す。

機構３０は、プレート３２の下方に位置される（図２に示されるように）。プレート３２は、シフトレバー１２を延長して貫通する開口部３４を具備している（なお、シフトレバー１２のグリップ１４は、図２および３には図示していない）。機構３０は、プレート３２に設置されるか、他の基板面に設置される。開口部３４の側方部分は、シフトレバー１２の移動を強固に規制する役割を有し、そのため、開口部３４がシフトレバーの好適な作動領域サイズとなるようなサイズを有している。本実施形態によれば、シフトレバー１２は、自由度２の作動領域内でいずれの場所へも移動可能である。他の実施形態では、以下に示すように、開口部３４上に機械的なゲートを設け、所望のパターンにシフトレバーの動きを制限することとしてもよい。

機構３０は、互いに回転可能に取り付けられた部材の結合部３６を具備している。上述した実施形態において、機構３０は、シフトレバー１２に対し自由度２で回転可能なジンバル機構である。機構３０は、シフトレバー１２をプレート３２または他の基板のような、基板または参照表面に取り付ける。

ジンバル機構３０は、好ましくは、５つの部材で構成される。すなわち、基板部材４４を具備する閉ループのパラレルリンク、延長部材４６ａ，４６ｂ、および中央部材４８ａ，４８ｂである。基板部材４４は、プレート３２または他の基板表面に固定された基礎部材として供給され、機構３０に安定性をもたらす。基板部材４４は、９０°の「Ｌ」字形状として形成されており、図示されるように、延長部材を容易に取り付けることができる。

ジンバル機構３０の部材は、ベアリング、ピボットを用いて互いに回転可能に取り付けられる。ここで、延長部材４６ａは、基板部材４４に回転可能に取り付けられ、軸Ａについて回転可能である。中央部材４８ａは、延長部材４６ａに回転可能に取り付けられ、浮動軸Ｄについて回転可能である。延長部材４６ｂは、基板部材４４に回転可能に取り付けられ、軸Ｂについて回転可能である。中央部材４８ｂは、延長部材４６ｂに回転可能に取り付けられ、浮動軸Ｅについて回転可能である。中央部材４８ａは、中央部材４８ｂに軸Ｄおよび軸Ｅの交点である中央点Ｐで回転可能に取り付けられる。ベアリング（図示せず）は、交点Ｐで２つの中央部材４８ａ，４８ｂにともに回転可能に取り付けられる。中央部材４８ａは、延長部材４６ａの一端部に回転可能に取り付けられ、軸Ｂに略平行となるように延長される。同様に、中央部材４８ｂは、延長部材４６ｂの一端部に回転可能に取り付けられ、軸Ａに略平行となるように延長される。軸Ｄ，Ｅは、軸Ａ，Ｂのように１つの位置で固定されないという意味で「浮動」している。軸Ａ，Ｂは、互いに略垂直である。

ジンバル機構３０は、閉じた鎖のように５つの部材（「５つの棒」）として形成される。１つの部材の端部のそれぞれは、他の部材の端部に取り付けられる。５つの棒結合は、延長部材４６ａ、中央部材４８ａおよび中央部材４８ｂが第１の自由度で軸Ａについて回転可能となるように配置される。また、この結合は、延長部材４６ｂ、中央部材４８ｂ、および中央部材４８ａが第２の自由度で軸Ｂについて回転可能となるように配置される。この構造は、米国特許5,731,804号および6,104,382号に開示されており、これを参照できる。

シフトレバーまたはハンドル１２は、軸ＤおよびＥで定義される平面の外側に延長されるように、ジンバル機構３０の中央部材４８ａまたは４８ｂのいずれか一方に取り付けられる（部材４８ｂの方を図示）。ジンバル機構３０により、回転の中心点Ｐもしくはその付近にあるハンドル１２の自由度が２となる。ハンドル１２は、軸ＡおよびＢについて回転可能であり、これらの軸について回転移動が組み合わされる。ハンドル１２が軸Ａについて移動することにより、浮動軸Ｄはその位置を変化させ、ジョイスティックハンドル１２が軸Ｂについて移動することにより、浮動軸Ｄはその位置を変化させる。

その他の実施形態において、自由度を付加したものを提供してもよい。例えば、ハンドル１２は、浮動軸ＤおよびＥによって形成される平面から垂直に延長された軸Ｃについて回転可能である。この回転自由度は、センサおよび／またはアクチュエータに動きを感知させ、その自由度において力を適用させる。加えて、異なる自由度を、ハンドル１２が浮動軸Ｃに沿って直線的に平行移動させることができるように付加してもよい。この自由度も、所望であれば、検知または作動させてもよい。

また、ジンバル機構３０は、ベルト駆動、キャプスタン駆動、ギア駆動等のような、増幅駆動機構を具備していてもよい。図２および図３ａ−３ｂの実施形態においては、ベルト駆動５２ａ，５２ｂが備えられている。ベルト駆動５２は、ベルト５６を案内するドラム５４をそれぞれ有している。それぞれのドラムは、一方のドラムが軸Ａについて回転する（そして、他方のドラムが軸Ｂについて回転する）ように、関係する延長部材４６に結合される。それぞれのベルト５６は、アクチュエータ６０ａまたは６０ｂの回転シャフトに取り付けられたスピンドル５８にも案内される。それぞれのアクチュエータ６０は、プレート３２、基板部材４４または他の基板表面に好適に設置され、シャフトの回転力を出力し、スピンドル５８を回転させる。ベルト５６は、その力をドラム５４に移して、ハンドル１２上にその力を出力させる。ドラム５４に対するスピンドル５８の回転比は、アクチュエータにより出力させる力を増幅させることができる。例えば、本実施形態に示されるように、アクチュエータ６０は、直流モータである。アクチュエータは、他の実施形態においては他の形態でもよく、例えば、音声コイル、線形アクチュエータ、移動磁力アクチュエータ、受動的アクチュエータ（例えば、ブレーキ）、空気圧アクチュエータ等のようなものでもよい。ブレーキのような受動的アクチュエータは、能動的アクチュエータがユーザに独立したレバー上の能動的な力を出力する代わりに、ユーザに知らせるシフトレバーの動きに対する抵抗力を出力する。

また、好ましくは、ジンバル機構３０にセンサ６２ａ，６２ｂが取り付けられる。本実施形態において、センサ６２ａ，６２ｂは、回転シャフトおよびアクチュエータ６０ａ，６０ｂのハウジングのそれぞれに取り付けられる。センサ６２は、相対光学エンコーダであることが好ましい。これは、アクチュエータシャフトの角回転量を測定するための信号を供給し、アクチュエータの想定する自由度におけるハンドルの位置を表示する。エンコーダの電気出力は、図７を用いて以下で詳述するように、処理装置（例えば、ローカルプロセッサまたはホストプロセッサ）に送られる。センサは、他の実施形態において、延長部材および基板部材等が結合されるようなジンバル機構の位置とは異なる位置に位置してもよい。ポテンショメータ、ホール効果センサ、レゾルバ他、アナログまたはデジタルセンサのような、センサの他の形態を使用することとしてもよい。

＜触覚変速パターンおよびモード＞
上記の触覚変速装置を用いる場合、様々な触覚変速パターンが実施可能であり、ユーザが変速ギアを選択することができる（または他の形態のコンピュータインターフェイスアプリケーションにおいて選択させることができる）。変速パターンは、典型的に、シフトレバー１２の位置を選択すべく移動可能な領域または区域を有しており、レバー１２が望まれない位置、すなわち、移動が許容される領域の境界の外側である「規制された」領域または区域には、動くことができなくなっている。機械的な選択のみを使用することに対して触覚装置を使用する変速パターンがもたらす利益は、複数の異なる変速パターンがアクチュエータを用いて、機械的部材を移動させることなく変更可能であることである。

図４ａ，４ｂ，４ｃは本発明に係る触覚変速装置を実施可能な乗り物のギア選択における３つの異なる変速パターンを例示している。これらは、単なる例示であり、多くの採用可能な異なるパターンが採用可能である。

図４ａは５つの前進ギア、１つの後退ギアおよびニュートラルまたはアイドルギアを有する５速変速機のための標準的なマニュアル変速パターン１００（「Ｈ」パターン）を例示する。１つの標準的な構成において、第１、第３、第５ギアは、前方にあり、第２、第４および後退ギアは後方にあり、ニュートラルは中心位置にある。この概要はシフトレバー１２が動く領域を表しており、符号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが付された領域は、シフトレバー１１２が進入できない規制領域を表している。この領域にレバーが進入しようとすると、障壁（機械的または触覚的な）によりこれら領域への進入が規制される。

図４ｂは乗り物の典型的な基本的オートマチック変速パターン１０２を例示する。標準的なオートマチック変速機において、変速は１本の直線的な次元で行われる。標準的なギアにおいて、「パーキング」（Ｐ）、「リバース」（Ｒ）、「ニュートラル」（Ｎ）、「ドライブ」（Ｄ）および「ローギア」（Ｌ）の順でシフトレバーにより選択可能になっている。シフトレバーは、直線的パターンの外側の規制領域には移動できない。

本発明に係る触覚変速装置において、マニュアルおよびオートマチック変速パターンは、両方とも単一の装置において異なる変速モードとして実施可能である。ユーザは、いずれのモードが現在適用されるのか、すなわち、いずれの変速手順が実施されるのかを選択することができる。例えば、ユーザは、変速パターンを変化させるためのボタン、スイッチまたはレバーのような単独の制御装置を用いて選択することができる。一度パターンが選択されると、ユーザは、シフトレバー１２を新しいパターン内の許容された領域内で移動させることができる。図４ａに示されるようなマニュアル変速装置のシフトパターン内にオートマチック変速パターンを表すための１つの方法としては、直線的なオートマチック変速機がマニュアル変速パターンの垂直経路の１つの中に供給される。例えば、図４ｂに示されるように、オートマチック変速パターンは、マニュアル変速パターンの中央の垂直経路（図４ａにおいて３−Ｎ−４のギアが位置する所）内に設けられてもよい。他の実施形態において、オートマチック変速パターンは、他の垂直経路の１つに位置することとしてもよいし、マニュアルパターンとは別に設けることとしてもよい。例えば、マニュアルパターンの側方に設けることとしてもよい。

図４ｃは触覚変速装置１０においてユーザが選択可能な他の変速パターン１０４の例であり、これは「シーケンシャル」変速機の１つである。オートマチック変速機と同様に、１つの直線経路のみを具備する。ユーザがシフトレバー１２を「＋」記号領域まで前に出すと、変速機は１つギアを上げる変速を行い、シフトレバー１２を「−」記号領域まで後ろに下げると、変速機は１つギアを下げる変速を行う。実施形態によっては、さらなるシーケンシャル選択を行う前に、ユーザがレバーを中央位置まで戻した上、所望の選択を行わなければならない。プラス記号とマイナス記号との間の中央領域は、ニュートラルギアまたは選択であってもよい。実施形態によっては、シフトレバーに弾性による復元力を持たせ、レバーが中央位置に自動的に復帰することとしてもよい。このような弾性による復元力は、機械的なばねによるものおよび／またはアクチュエータ６０により出力される弾性力により実現され得る。

パターンの他の形態は、他の実施形態において可能である。例えば、マニュアル変速パターンは、中央位置から放射状にギアが配置されたり、水平線または対角線の経路内であってもよい。付加された変速パターンは、ユーザが選択可能な変速パターンのリストを具備していてもよい。

例えば、図４ｄは本発明に係る触覚変速装置においてユーザが採用可能な他のシフトパターン１０６を例示しており、対角線経路を具備しているものである。この変速パターン例において、オートマチックギア１０７は、他のオートマチックモードと同様に、直線パターン内に配列されている。ローギア「Ｌ」１０８から、２つの他のローギア選択１１０がユーザによって選択可能となっている。この例において、シフトレバー１２は、Ｌギア１０８からいずれかの対角線経路１０９を通ってローギア１１０を選択すべく移動可能である。変速パターンの他の実施形態では、同様の様々な構成で対角線経路を設けることができる。対角線経路は、以下に示す実施形態と同様に、受動的および／または能動的な力および／または機械的ゲートを用いて実現可能である。

変速パターンモードの他にも他のモードが、本発明に係る触覚変速装置において実施可能である。例えば、１つのモードは、ユーザがより長い距離レバー１２を動かせるように、ユーザが使用するシフトレバーのための大きな作動領域を提供してもよい。ユーザに選択されることによる異なるモードは、ユーザがより短い距離レバー１２を「スルー」させるように、ユーザが使用するシフトレバーのためのより小さい作動領域を提供することができる。小さい方の作動領域は、機械的障壁がレバーに接触する前に障壁力を生じさせるアクチュエータを用いて実現できる。

さらに他のモードも実現できる。例えば、１つのモードは、特定の力の感覚が出力されるように設定され、他のモードは、それとは異なる力の感覚が出力されるように設定されてもよい。一例において、１つのモードは、パターン制限のように、レバーの障壁への動きのみに力の感覚を提供することとし、もう一方のモードは、障壁感覚とともに、レバーの障壁への動きのためではなく、移動止め（detents）や丘（hills）のような、他の形態の力の感覚も提供することとしてもよい。ユーザによりユーザの好みにカスタマイズすべく特定の力の特性をを設定可能にしてもよい。加えて、強さの制御によりシフトレバーに出力される力の感覚全体の利得が包括的に調整されることとしてもよい。

＜触覚変速装置の実施形態＞
触覚変速装置１０において、いくつかの異なる実施形態が可能であり、実施形態の中には、すべて触覚機能を用いる実施形態もあれば、触覚機能と機械的構成とを組み合わせて用いる実施形態もある。

＜全体的に能動的な実施形態＞
本実施形態は、すべて触覚機能によるものであり、シフトレバー１２に出力される力および障壁は、アクチュエータ６０により産み出される。本実施形態の一例は、図２，３ａ，３ｂにおいて上述した通りである。ここで、シフトレバーは、自由度２の作動領域全体を用い、シフトパターン内の障壁は、力が出力されるアクチュエータにより生じる。好ましくは、機構、アクチュエータ−力変換装置およびアクチュエータは、レバーの動きに対する機械的障壁のような抵抗力が「強い」障壁および境界を形成するように設計される。アクチュエータは、レバー１２が水平または垂直移動が許容されない領域内にあるときに、とても硬い弾性力として機能する力を出力することができる。レバー１２がギアの外または選択の間、例えば、図４ａ−ｃに示される選択を分割する線上、に移動したとき、高い忠実性の「丘」または移動止めの感覚が出力されるようにしてもよい。丘感覚は、力の「ピーク」または「頂上」に達する（例えば、選択の中間点）までに距離にともなって強さを引き上げる力である。その地点における力は、方向を変え、レバーを次の選択に押し出す。最初に高い強さ、そして、レバーがさらに次の選択に動くにつれて傾斜させる。これについては、出願中の米国出願09/783,986号により詳しく記載されており、これを参照して組み込まれる。移動止め、弾性力、衝撃、制動、振動、テクスチャ等のような選択の間や障壁における他の力感覚も以下に記載するように提供可能である。

オートマチック、シーケンシャルまたは他に類似する線形変速パターンを提供するモードにおいて、Ｘ軸（左右）アクチュエータは、例えば、「固定された」弾性力モードにおいて、水平移動に対する障壁を提供すべく、硬い弾性力の力がつねに出力されることとしてもよい。この力は、シフトレバー１２の中央経路における左または右への動きを妨げるように働く。Ｙ軸（前後）アクチュエータは、シフトレバーがいずれかの選択間を移動するとき、丘効果のような力効果を出力することができる。

全体的に能動的な実施形態における１つの利点は、提供されユーザによって選択されるシフトパターンの態様が無限であることであり、シフトパターンが対角線とともにシフトレバーのＸ軸およびＹ軸の移動を含むことができることである。不利な点は、ユーザが進入を規制すべき領域へレバーを移動させるのを防ぐための障壁として強い力が必要であることであり、より大きな高いコストがアクチュエータ、変速機、および他の構成に必要となることである。

＜ゲートを備え、全体的に能動的な実施形態＞
本実施形態は、上述した全体的に能動的な実施形態と類似しているが、シフトレバー１２の作動領域に機械的なゲートが付加されている。例えば、ゲートは、プレート３２の開口部３４上に位置することができる。ゲートは、単に開口部として提供される。実施されるパターンの１つとして厳密に形成され、ゲート内に付加的なパターンを許容する。例えば、図４ａに示されるように形成されたマニュアル変速パターンゲートを用いるとき、図４ｂ，４ｃのオートマチックおよびシーケンシャル変速パターンも使用することができる。

機械的なゲートは、レバー１２が進入を規制すべき領域（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのような）に移動することを規制する。これにより、上述した触覚のみを用いた実施形態に比べてより効果的なものとなる。機械的に確実な停止に対しユーザが打ち勝つことはできず、アクチュエータ出力を必要としないため、他の触覚感として用いるアクチュエータをより小さくすることができるからである。アクチュエータ６０は、レバーがギア選択の間または中へまたはニュートラルの外へ動いたとき、例えば、丘感覚、移動止め等のレバー１２の力感覚を出力すべく用いることも可能である。アクチュエータ６０は、必要なとき、障壁力を出力することができる。必要なときは、例えば、アクチュエータ６０がオートマチック、シーケンシャルその他の単一垂直経路モードにおいてレバー１２が使用しているＹ軸経路を外れたり、他のマニュアル変速用のＹ軸に入ったりしないように、Ｘ軸障壁力を出力可能なときである。このように、ゲートは、全体的に能動的な変速装置に多くの利益をもたらす。ゲートを具備しない１つの場合には、触覚変速装置においてプログラムされた他の伝統的でないシフトパターンを適用する場合がある。例えば、ギア選択のための対角線経路を有するパターンの場合である。

実施形態によっては、ゲートは、レバーが全領域または特定の領域内で自由に動くことを許容しないようにしてもよい。例えば、ステアバイワイヤ方式の乗り物の操舵のためにレバーを用いることとしてもよい。ステアバイワイヤ方式（例えば、レバーやステアリングホイールを用いる）は、触覚感およびここに記載された発明の他の特徴を使用することができる。

本方式の実施形態によっては、機械的なゲートを用いる機械的な壁とともに、または、機械的壁のすぐ内側に重ねたまたは位置した触覚壁を備えてもよい。例えば、図４ａの破線１０６は、実線１０８で表される機械的なゲートのすぐ内側に存在する触覚壁を表している。機械的壁から触覚壁までの距離は、設計者によってプログラム可能であり、好ましくは、強い触覚で反発する弾性力を実現するのに十分な距離が許容される。触覚は、上述したような、アクチュエータ６０により出力される硬い弾性力として実現されてもよく、許容される領域の境界の後ろの領域内に移動することを規制する。触覚壁は、レバーに対し、小さな弾性力を提供することができる。これにより、ゲートによる機械的に確実な停止にぶつけたときの衝撃を和らげる。加えて、触覚の使用は、機構をいたずらに使用することを避け、機構の寿命を延ばし、信頼性を獲得することができる。

図５ａ，５ｂ，５ｃはゲートを備えた全体的に能動的な実施形態の具体例を例示するものであり、可変機構のゲートが機械的障壁で完全に取り囲まれたマニュアルおよびオートマチック変速パターンを許容すべく用いられる。図５ａにおいて、可変ゲート１１０は、マニュアルパターン位置を示しており、ゲート１１０の第１片１１２は、ゲート１１０の第２片１１４の近くに位置し、中央のＸ軸（水平軸）経路１１６を供給する。シフトレバー１２は、経路１１６内を移動し、標準的なマニュアルギアシフトとしてのギア変速位置にアクセスさせることができる。

図５ｂにおいて、可変ゲート１１０は、スライドまたは移動し、単一の垂直経路のみを有するオートマチック変速パターンを供給する。第１片１１２，第２片１１４または第１片１１２および第２片１１４の双方は、矢符１１８に示されるようにシフトレバー１２に向かって移動し、中央のＸ軸経路を閉じる。こうして、シフトレバー１２は、垂直経路１２０内のみを動くことができる。オートマチックモードの選択は、例えば、丘その他の感覚が選択間で供給されることにより経路１２０内で実現される。

図５ｃは、ゲート１１０の第１片１１２および第２片１１４の互いの関係を示している。オートマチック変速モードにおいて、一片である第１片１１２は、他片である第２片１１４上に重ねられ、水平経路１１６を閉じる。第１片１１２および／または第２片１１４は、モータ、ソレノイドその他のアクチュエータ（図示せず）により移動可能で、または、実施形態によっては、ユーザにより手動で移動可能である。

図５ａ−ｃの可変ゲートの具体例の利益の１つは、オートマチックモードにおいてシフトレバーの水平移動を規制するために、障壁力がアクチュエータにより出力される必要がないことである。ゲートの移動により、触覚障壁より硬い機械的な障壁が供給されるからである。これにより、装置１０において使用されるアクチュエータはより小さくすることができ、出力される力も小さくすることができる。アクチュエータからの触覚フィードバックは、レバーの動きのための高い力の大きさを有する障壁を供給することよりもレバーの選択過程を促すべく弾性力、丘、移動止めおよび類似する感覚をシミュレートするためだけに用いられるからである。実施形態によっては、Ｘ軸アクチュエータは、省略することとしてもよいし、他のより好適な実施形態においては、Ｘ軸アクチュエータを特定のシフトパターンにおいて水平方向に対して中央寄せする弾性力を供給するために用いてもよい。

図６ａ，６ｂは、図５ａ−ｃに基づいて記載した実施形態に類似する、全体的に能動的な実施形態を用いた可変ゲートの他の実施形態１３０を例示するものである。ゲート１３０は、オートマチックおよびマニュアルモードの双方ともにおいてシフトレバー１２のすべての動きに対する機械的な止めを提供する。ゲート１３０において、一体のゲート部１３２は、マニュアル変速パターンを提供する。２つのゲート指部１３４は、ゲート部１３２の中央突起１３６の近くにあり、矢符１３８で示されるように、移動またはスライドする。指部１３４をギア位置１，３，５に向けて前方にスライドさせると、水平経路１４０の中央が閉鎖され、装置がオートマチックモードにあるときに、シフトレバー１２が垂直経路１４１の外側へ移動することを規制する。指部１３４が引き込まれると、ギア位置３，４，Ｒへの方向において、中央の水平経路１４０が開き、マニュアル変速モードにおいて、シフトレバー１２を他の垂直経路において動かすことができる。所望であれば、指部は、独立して動かされ、付加的なシフトパターンを作ることもできる。図５ａ−ｃの実施形態においては、ゲート１３０により、レバーの移動を規制する障壁力を出力するためのアクチュエータを必要とすることなく、いずれのモードが用いられても、より強固な機械的止めを許容する。これにより、より低コストかつ小さいアクチュエータですみ、および／またはより単純な変速機を装置に用いることができる。ゲート指部１３４は、モータ（図示せず）のような専用のアクチュエータにより動くこととしてもよいし、変速モードを選択する際に、ユーザにより手動で動かせることとしてもよい。

可変の機械的ゲートの他の実施形態を用いることも可能である。例えば、線形移動ゲートは、オートマチックまたはシーケンシャルモードにおける図４のシフトパターンにおいてマニュアルギア１０８のための対角線経路を規制するのに用いてもよいし、マニュアルモードにおけるオートマチックギアを規制するのに用いてもよい。他の実施形態において、回転移動するゲートが実施可能である。例えば、多数のプレートが、中央のシフトレバー回りに放射状に配置され、プレートの１つまたはそれ以上が、レバー軸回りに回転移動またはスライドして、プレート間に１またはそれ以上の経路を開くこととしてもよい。これにより、シフトレバーのための水平、垂直または対角線の経路を移動させて、特定のシフトパターンモードにギアを選択することができる。

＜能動的なＹ軸および受動的なＸ軸の実施形態＞
本実施形態の触覚変速装置１０において、直流モータのように、Ｘ軸において力を出力する能動的アクチュエータは、ブレーキおよび機械的弾性力のような受動的アクチュエータに置き換えられる。シフトレバー１２のＸ軸移動は、全体的に閉じ込められている（オートマチックまたはシーケンシャルモードにおいて）か、中央水平経路において中央寄せする弾性力とともに線形移動させることに限定される（マニュアル変速におけるニュートラル領域において）かのどちらかであり、全体的に能動的なアクチュエータは、実施形態によっては必要とされないかもしれない。マニュアル変速モードにおいて（図４ａの「Ｎ」表示、またはその近くにおいて）、すなわち、いずれのギア位置でも固定されるＸ軸において、ブレーキその他の受動的アクチュエータは、レバーがニュートラル位置にないときはつねに固定されることとしてもよい。ブレーキは、シフトレバーがマニュアルパターンにおける水平経路に戻るときに固定が解除されることができる（オートマチックまたはシーケンシャルモードにおいては固定が維持される）。Ｙ軸アクチュエータは、本実施形態において、ＤＣモータのように、全体的に能動的であり、ユーザに変速感覚の進路を定義する、例えば、丘、振動および弾性力を生じさせるべく移動したとき、レバー１２に力感覚を生じさせるべく用いられる。また、能動的Ｙ軸アクチュエータは、レバー１２がマニュアル変速パターンにおける垂直経路の間にある水平経路内を移動するとき、ユーザが進入すべきでない領域（図４ａに示される領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのような）にレバーを移動させることを規制する。

ブレーキのような受動的アクチュエータを使用する１つの利益は、同等のサイズの能動的アクチュエータよりとても高い保持力を有し、多大な力を必要とすることなく、とても強い反発力または障壁力をユーザに供給することができる。これにより、シフトパターンにおいて進入を規制すべき領域をより低コストかつより小さいサイズの構成を用いてより容易に実現することができる。ブレーキによる不利益は、能動的である力およびユーザの力が抵抗するとき、より複雑な障壁から離れて動きの感覚を生じる、自由度に従うそれぞれの方向において移動が厳格になることである。受動的アクチュエータに伴う動きを感知する方法としては、米国特許5,767,839号に記載されており、これを参照できる。

＜ゲートを備え、能動的なＹ軸および受動的なＸ軸の実施形態＞
本実施形態は、上述した実施形態と類似するものであり、能動的アクチュエータがシフトレバーのＹ軸移動の力感覚を出力すべく用いられ、ブレーキのような受動的アクチュエータがＸ軸について用いられる。本実施形態は、上述したゲートを備えた実施形態と同様の機械的なゲートが付加される。ゲートは、レバーが中央経路にあり、進入を規制すべき領域に移動するときに、Ｙ軸アクチュエータがシフトレバーに小へ気力を出力する必要性を排除する。このように、丘、移動止め、振動および弾性力のような、シフトレバーの動きおよび選択を強調する力感覚を出力するだけで済むため、Ｙ軸アクチュエータは、より小さくすることができる。

＜能動的／受動的なＹ軸および受動的なＸ軸の実施形態＞
本実施形態は、Ｙ軸アクチュエータとして能動的アクチュエータおよび受動的アクチュエータを組み合わせて用いることができる。モータのような、能動的アクチュエータ部は、丘、移動止めおよび弾性力のような能動的触覚効果として用いられ得る。ブレーキのような受動的アクチュエータ部は、障壁力を供給すべく用いられ、ギア位置の間のニュートラル領域の外側の移動を規制する。Ｘ軸アクチュエータは、受動的アクチュエータであり、好ましくは、シフトレバーが常にニュートラル位置（図４ａにおけるパターンの中央）に復帰するように中央寄せ弾性力を備える。図４ａの標準的なマニュアル変速パターンにおいて、本実施形態においては機械的なゲートを用いていないので、レバーがニュートラル位置の外側のＹ軸方向に移動したときは常に、Ｘ軸の受動的アクチュエータは、固定され、レバーを垂直経路に保持する。同様に、シフトレバーが３つのシフトコラム（マニュアルモードにおける）の１つの外側のＸ軸方向に移動するときは常に、Ｙ軸の受動的アクチュエータは、固定され、進入を規制すべき領域へのＹ軸の動きを規制する。好ましくは、非常に早い応答のアクチュエータを、シフトレバーが中央の水平経路へ向かってまたはその外側へ動くときに、供給される。

実施形態によっては、受動的アクチュエータを用い、振動、ブレーキ衝撃、受動的移動止め等と同様の、受動的な触覚効果をレバーに出力することとしてもよい。また実施形態によっては、機械的なゲートを付加し、本実施形態における硬さおよび潜在的な必要性を容易にすることとしてもよい。

能動的アクチュエータおよび受動的アクチュエータの組み合わせは、様々な方法で実現可能である。例えば、機構が自由度２であるとき、能動的アクチュエータは、自由度１に連結して取り付けられ、当該自由度に能動的な力を供給する。一方、受動的アクチュエータは、その他の自由度に連結して取り付けられ、当該自由度に受動的な力を供給する。能動的および受動的な力が両方とも特定の自由度に設計される場合、能動的および受動的アクチュエータは、適当な連結機または構成に取り付けられる。例えば、能動的アクチュエータは、移動連結機の一方に固定して取り付けられ、受動的アクチュエータは、連結機の他方に取り付けられ、受動的アクチュエータは、可撓性を有する部材に取り付けられ、適正な配置を得ることができるとともに、遊びを小さくすることにより、ブレーキが固定されるときの動きの感覚をもたらすことができる。双方またはそれぞれのアクチュエータは、該当自由度において力を供給すべく活性化されてもよい。

＜能動的／受動的なＹ軸および能動的／受動的なＸ軸の実施形態＞
能動的アクチュエータおよび受動的アクチュエータの組み合わせは、本実施形態においてＸ軸およびＹ軸の双方において力を出力するのに用いられる。モータのような、能動的アクチュエータ部は、丘および弾性力のような、能動的触覚感のために使用され、ブレーキのような、受動的アクチュエータ部は、所望のパターンの外側のシフトレバーの動きを規制するのに用いられる。Ｘ軸アクチュエータは、装置がオートマチックまたはシーケンシャルモード（または他の同様のモード）にあるときに、ブレーキをＸ軸の動きを規制するために用いることができ、能動的モータは、中央寄せのための弾性力を提供することができる。

本実施形態が機械的なゲートを用いずに使用される場合、Ｘ軸ブレーキは、シフトレバーがシフトパターンの垂直経路の１つ（および中央の水平経路でないもの）をＹ軸方向に移動するときは常に、固定することにより、当該経路においてＸ軸の動きを規制することとしてもよい。Ｙ軸ブレーキは、シフトレバーが（マニュアルモードにおいて）垂直シフト経路の１つの外側のＸ軸方向に移動するときは常に、固定することとしてもよい。上述の実施形態と同様に、機械的なゲートを硬さを増大させ、障壁力をより強くするために用いることとしてもよい。

＜全体的に受動的な実施形態＞
本実施形態は、ブレーキのような、受動的アクチュエータのみをシフトレバーのＸ軸およびＹ軸の動きのために用いるものである。ブレーキは、シフトレバーに交互に適用され、シフトレバーが選択されたシフトパターンの外側に動くことを規制する。機械的な弾性力は、シフトレバーに弾性力による中央寄せの力を供給するために用いられ、中央のニュートラル位置Ｎに向けて付勢されるように生じさせる。オートマチック、シーケンシャル、またはそれに類似する１つの経路を有するモードにあるときに、Ｘ軸ブレーキは、ユーザが中央の水平経路から進入を防ぎたい領域（例えば、領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）にシフトレバーを動かすことを規制する。シフトレバーがマニュアルモードにおけるギア位置に移動したとき、ブレーキはレバーを所定の位置に固定することができ、弾性力による付勢がレバーの移動を規制する。ブレーキは、移動止め、制動等のような、触覚感を生じさせることもでき、レバーをギア位置に嵌めるシミュレーションを行い、現在のユーザの選択を知らせることができる。オートマチックモードおよび所望の他のモードにおいて軽い抵抗力がブレーキによってシフトレバーに適用され、機械的ばねにより供給される弾性力を打ち消すこととしてもよい。代わりに、オートマチックモードにおいてブレーキは、それぞれのギアで固定され、シフトレバーのボタンや他の制御がユーザにより押下されることによりブレーキを解除し、シフトレバーが他のギア位置に移動可能とすることとしてもよい。実施形態によっては、ブレーキは、例えば、レバーが１つのギアから離れて他のギアへ向けて移動するとき、シフトレバーの位置情報にのみ基づいて開放されることとしてもよい。（ブレーキが例えば米国特許5,767,839号に記載されたようなレバーの少量の遊びを用いて固定されたとき、動きが感知され得る）。

上述した触覚変速装置の機能は、シミュレートされる乗り物にも用いられ得る。例えば、方向信号やデータを電子デバイス、コンピュータまたはビデオゲーム装置に入力するためのジョイスティック装置は、スティックシフトまたはシフトレバーを用い、コンピュータシミュレーションにおいて、シミュレートされた乗り物のシミュレートされたギアを変更する。ここで、ドライバーの視界は、コンピュータシステムの表示装置に表示画像としてシミュレートされる。側方への動きを有する回転可能なノブのような、マウス、トラックボールやその他の可動操作装置のような、他のインターフェイス装置は、ここに記載した移動パターンおよびモードとともに用いられ得る。

図７は本発明の触覚変速装置に好適に用いられる電子機械システム２００を例示するブロック図である。触覚フィードバックシステムは、米国特許5,734,373号に詳細に記載された構成に類似する構成を多く有しており、これを全体的に参照可能である。

一実施形態において、制御装置は、ローカル処理装置２０２、ローカルクロック２０４、ローカルメモリ２０６、センサインターフェイス２０８およびアクチュエータインターフェイス２１０を有する電子部を具備する。

ローカル処理装置２０２は、触覚変速装置１０の「ローカル」に構成されている。ここで、「ローカル」は、処理装置２０２が他の処理装置から分離した処理装置であることを意味し、処理装置２０２がレバー１２のために触覚フィードバックおよび／またはＩ／Ｏに専用化されることを意味する。処理装置２０２は、センサ信号をセンサまたはセンサインターフェイスから読み出し、シフトレバー１２によって選択された乗り物のギアを決定することができる。さらに、適切なデータを制御システムまたは他の処理装置に供給し、変速されるべき乗り物のギアを機械的に選択させることができる。例えば、制御システムは、シフト・バイ・ワイヤの分野の当業者において明らかであるように、他のアクチュエータを制御して、適切な機械的部材を移動させ、変速ギアを変更する。一方、処理装置２０２は、単に位置データを制御システムに伝達するだけであり、当該データシステムがデータから適当な乗り物のギアを決定し、当該ギアへの変更についての制御を行う構成も可能である。さらに他の実施形態において、処理装置２０２は、同様に乗り物の変速過程を制御することも可能である。

実施形態によっては、処理装置２０２は、センサ信号、時間信号およびホストの命令に従って選択された力処理装置より適当な力を演算し、適切な制御信号をアクチュエータに出力し、シフトレバーに触覚感を出力することとしてもよい。他の実施形態において、他の処理装置が力を決定し制御してもよい。処理装置２０２は、マイクロプロセッサ（１つのマイクロプロセッサチップ、複数の処理装置、共通の処理装置、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）等）であってもよい。もしくは、処理装置２０２は、固定されたデジタルロジックすなわち、ＡＳＩＣ、状態機械その他の処理装置であってもよい。

ローカルクロック２０４は、処理装置２０２に取り付けられ、タイミングデータを供給する。ローカルメモリ２０６は、ＲＡＭおよび／またはＲＯＭのようなものであるが、処理装置２０２に好適に取り付けられ、命令、一時的その他のデータ、校正パラメータ、センサ変化の補償値および／または装置の状態を記憶する。表示装置１６は、実施形態によっていは用いられ、ローカル処理装置２０２に取り付けられる。この場合、異なる処理装置または他の制御装置が表示装置１６に出力すべく制御することができる。

センサインターフェイス２０８は、任意に用いられ、センサ２１４より供給されるセンサ信号を処理装置２０２によって解釈可能な信号に変換する。例えば、センサインターフェイス２０８は、エンコーダのようなデジタルセンサ２１４から信号を受信し、当該信号をデジタル２進数に変換することができる。アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）も使用可能である。その一方で、処理装置２０２が、これらのインターフェイス機能の役割を果たすこととしてもよい。アクチュエータインターフェイス２１０は、アクチュエータ２１６および処理装置２０２の間に任意に接続可能であり、処理装置２０２からの信号をアクチュエータの駆動に適切な信号に変換する。アクチュエータインターフェイス２１０は、パワーアンプ、スイッチ、デジタルアナログコントローラ（ＤＡＣ）その他の構成を有することとしてもよい。これに代わる実施形態において、アクチュエータインターフェイス２１０の回路構成を処理装置２０２内またはアクチュエータに具備することとしてもよい。様々な形態の電源２１２（自動車内の自動車バッテリまたはオルタネータを含む）は、アクチュエータおよび／またはアクチュエータインターフェイス２１０に取り付けられ、アクチュエータに電力を供給することができる。

本システムの機械的構成部分は、上述したいくつかの例で挙げたシフトレバー１２の動きを許容するために必要ないくつかまたはすべての構成を具備している。センサ２１４は、１またはそれ以上の自由度でレバー１２の位置、動き、および／または他の特性を検知し、処理装置２０２（または他の処理装置）にそれらの特性を表現する情報を含む信号を供給する。センサ２１４は、レバー１２が移動し得るそれぞれの自由度に沿って備えられるか、または、単一の複合センサを複数の自由度のために用いてもよい。好適なセンサの例は、図３ｂのセンサ６２、光学的エンコーダ、ポテンショメータのようなアナログセンサ、ホール効果磁気センサ、横効果のフォトダイオードのような光学センサ、タコメータ、加速度センサ等を含む。さらに、絶対的または相対的なセンサのいずれを使用してもよい。

アクチュエータ２１６は、１またはそれ以上の方向において、典型的には、処理装置２０２その他の電子ロジックまたは装置、すなわち、「電子制御」により出力される信号に応じた回転自由度において、レバー１２に力を伝える。アクチュエータ２１６は、電子的に変調された力を生じる。これは、処理装置２０２その他の電子デバイスが力を好適に制御することを意味する。アクチュエータ２１６は、自由度ごとにそれぞれ供給される。アクチュエータ２１６は、能動的なアクチュエータでもよく、例えば、線形電流制御モータ、ステッパモータ、空気圧／油圧の能動アクチュエータ、トルカー（制限された角度範囲を有するモータ）、磁気粘性ブレーキ、音声コイルアクチュエータ等でもよい。受動的なアクチュエータも使用可能であり、磁気粒子ブレーキ、摩擦ブレーキ、または空気圧／油圧受動アクチュエータを使用可能である。これにより、所定の動きにおいて、制動抵抗または摩擦を生じさせる。能動的および受動的アクチュエータを用いる実施形態は、上述している。

機構２１８は、レバー１２の動きをセンサ２１４によって読み出し可能な形式に解釈するのに用いられ、アクチュエータ２１６からレバー１２に力を伝える。機構２１８のいくつかの例は上述した通りである。また、ベルト駆動、ギア駆動またはキャプスタン駆動機構のような駆動機構が用いられ、アクチュエータ２１６により出力される力に機械的な利益を供給する、および／または、センサの解像度を高めることができる。

他の入力装置２２０は、処理装置２０２に入力信号を送信すべく具備される。このような入力装置は、ボタンまたはパネルからの入力を補足すべく用いられる他の制御装置を含む。ダイヤル、スイッチ、音声認識ハードウェア（例えば、処理装置２０２により実現されるソフトウェアを備えたマイクロフォン）、その他の入力機構も具備されてもよく、処理装置２０２またはアクチュエータ２１６に入力を供給することができる。デッドマンスイッチをレバー１２またはその近くに具備してもよく、ユーザがレバーに触らないときにレバーが自身で動くのを規制すべく、ユーザがレバーに触れないときは力を出力することを中止することができる。例えば、ユーザの手または指（指、親指等）のレバーへの接触を光学的、抵抗値的、誘導的、力／圧力、またはその他のセンサを用いて検知してもよいし、レバーへのユーザからの圧力を既知のセンサを用いて検知してもよいし、レバーへの手の重みを検知してもよいし、レバーへの力をひずみ計等を用いて測定してもよい。

１またはそれ以上の処理装置２２４は、実施形態によって、ローカル処理装置２０２とともに組み合わせて用いれる。好ましくは、処理装置２０２，２０４は、双方向バス２２６により互いに接続される。付加的な電子的構成もバス２２６上に標準的なプロトコルを介して通信可能に具備されることとしてもよい。これらの構成は、装置内または接続された他の装置に具備されることとしてもよい。バス２２６は、様々な異なる通信バスが採用できる。例えば、双方向のシリアルまたはパラレルバス、無線接続、ネットワークアーキテクチャ（ＣＡＴＶバスのような）、または一方向バスが処理装置２２４，２０２間に供給され得る。

他の処理装置２２４は、制御装置とともに命令し、機能するように調整した異なる装置またはシステムにおいて独立のマイクロプロセッサ（または処理装置２０２について上述したような処理装置とは異なる形態の処理装置）であってもよい。例えば、他の処理装置２２４は、上述したように、乗り物のギアの実際の変速を制御することも可能である。実施形態によっては、他の処理装置２２４は、乗り物の独立した制御サブシステムに具備されてもよい。ここで、他の処理装置２２４は、自動車の温度システムのようなシステムを制御する。または、機械的構成の位置（自動車のミラー、シート、変速シフト点または位置等）を制御する。または、様々なシステムからの情報を表示する表示装置を制御する。一方、他の処理装置２２４は、制御される触覚変速装置および処理装置２０２を含む多くのシステムのためのホスト処理装置または中央制御装置であってもよい。２つ（またはそれ以上）の処理装置２０２，２２４は、様々なシステム制御を容易にし、ユーザに事態の通知を出力する等のために必要とされる情報を交換可能である。例えば、乗り物に何らかの故障を生じていることを他の処理装置２２４が確認または発見した場合、他の処理装置２２４は、この情報をローカル処理装置２０２に通信し、表示装置１６または他の表示装置（および/またはシフトレバーの触覚感）の所定の表示部に出力し、ユーザに警告することができる。一方、レバー１２が変速または制御の異なるモードを許容したとき、他の処理装置２２４は、異なるモードのいくつかまたはすべてを制御することができる。

他の実施形態において、他の処理装置２２４は、ホスト処理装置であってもよく、例えば、ローカル処理装置２０２にホスト命令を送信することにより力感覚を出力させるべく、ローカル処理装置２０２に命令することができる。ホスト処理装置は、単一の処理装置でもよく、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、ビデオゲームコンソール、ポータブルコンピュータその他のコンピュータまたは表示装置、セットトップボックス等のようなコンピュータ内に具備してもよい。ホスト処理装置は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路構成、その他の当業者に既知のコンピュータ構成を有していてもよい。ホスト処理装置は、ユーザがレバー１２および／または他の制御装置および周辺装置を用いて対話するホストアプリケーションプログラムを実行可能である。ホストアプリケーションプログラムは、レバー１２からの信号に応答する。実施形態によっては、ホストアプリケーションプログラムは、ローカル処理装置２０２およびレバー１２に力フィードバック命令を出力することができる。ホスト処理装置の実施形態その他の類似する実施形態において、処理装置２０２は、ソフトウェア命令を有しており、ホスト処理装置からの命令または要求を待ち、当該命令または要求を解析／デコードし、当該命令または要求にしたがって入力および出力信号を処理／制御することができる。

例えば、１つの力をフィードバックする実施形態において、ホスト処理装置２２４は、低レベルの力の命令をバス２６により供給し、ローカル処理装置２０２がアクチュエータに直接伝送する。異なる力をフィードバックするローカル制御の実施形態において、ホスト処理装置２２４は、高レベルの管理命令をバス２２６を介して処理装置２０２に供給し、処理装置２０２は、高レベル命令にしたがい、かつ、ホスト処理装置２２４とは独立してセンサおよびアクチュエータに低レベルの力の制御ループを処理する。ローカル制御実施形態において、処理装置２０２は、センサ信号を独立に処理し、「力処理」の命令に従う適切な出力アクチュエータ信号を決定する。力処理の命令は、ローカルメモリ２０６に記憶され、演算命令、数式、力強度（力の特性）、および／または他のデータを含むものである。力処理は、レバー１２に制動、弾性力、障壁、移動止め、振動、テクスチャ、衝撃等のような、異なる力感覚を命令することができる。力のフィードバックアプリケーションのローカル処理装置におけるそのような命令の例は、米国特許5,734,373号により詳細に記載される。

これに代わる実施形態において、ローカル処理装置２０２は、インターフェイス装置にローカル処理装置２０２を具備せず、処理装置２２４のような処理装置が触覚変速装置１０の構成とすべての信号をやりとして制御および処理を行う。一方、デジタル配線論理は、変速装置１０への入力／出力機能を実現可能である。

＜力感覚＞
ここでは、ここで記載される触覚変速装置に好適に用いられる多くの力感覚が記載される。

レバー１２に出力された力効果は、弾性力、制動、テクスチャ、振動、移動止め、衝撃またはパルス、慣性、摩擦、障害（障壁）、または動的な力効果を含む。これらの効果の多くは、米国出願09/783,936および米国特許5,734,373、6,147,674、6,154,201、6,128,006号のような他の明細書に記載されており、これらを全体的に参照することができる。力感覚は、レバー１２により達成される制御機能とともに完全に実現される。感覚（弾性力のような）によっては、能動的なアクチュエータを用いて出力のみ行われてもよい。

基本的な力感覚は、レバー１２の特定の予め定義されたまたは通常時の位置に出力される力による移動止めであり、ユーザにどのくらいレバーが移動したかを伝え、および／またはレバーを特定の位置に指定する。力による移動止めは、命令された方向に出力する単純な衝撃またはこぶの力でよく、移動止めの位置を指示するかレバーの特定の位置を明示することとしてもよい。また、移動止めは、レバーを特定の位置に引く力および／または当該位置から離れるようにレバーの移動を規制する力を具備してもよい。力フィードバックによって「スナップする」移動止めを具備することとしてもよく、小さな力が移動止め位置にその位置から少しでも外側でノブを付勢する。移動止めの態様については、米国特許6,154,201、5,734,373に記載されている。

レバー１２に出力される力感覚の他の態様は、弾性力である。弾性力は、いずれかの方向へのレバーの移動に対する抵抗力を提供し、レバーと地上との間における物理的な弾性力をシミュレートする。これは、例えば、ユーザがレバーを動かした後に、レバーが停止位置または中央位置に「スナップバックする」ために用いられる。制動の力感覚もレバー１２に提供され、レバーの速度に基づいてレバーの動きを緩和する。小さな強さの弾性力も移動止めまたは他の特性のために利用され得る。

「丘」の力効果も実施形態によって使用可能である。丘の力効果は、丘の「頂上」に至るまで、増大する抵抗力として作用する。頂上を過ぎると、ユーザに頂上から離れるように移動を継続する力の補助となる。このような効果は、例えば、シフトレバーのギア選択間で用いられ得る。丘の効果のいくつかの例については、米国出願09/783,936号に記載されている。

障壁力は、レバーが移動の限界に達したことをユーザに伝達するように規定され、シフトレバーにおける障壁の「後ろの」位置への移動を部分的または全体的に、物理的に規制する。障壁効果を実現するための１つの方法は、高い強さまたは「硬さ」を有する単純な弾性力を供給することである。弾性体についての従来技術は、Ｆ＝ｋｘのような関係を用いて典型的にモデル化されている。すなわち、抵抗力出力は、ノブが弾性体に向けて移動する距離に線形比例する。線形、指数的その他の特性を有する障壁が用いられ得る。障壁効果については、２００１年２／１４出願の米国出願09/783,936号にも記載されている。障壁効果の他の形態も実施可能である。

他の力感覚は、レバー１２の移動の終了をユーザに知らせるべく出力されてもよい。例えば、衝撃力は、通常の移動止めよりも強度の強いものとして出力されることができ、ユーザに意義のある範囲の終わりまたは他の範囲への到達またはもうすぐ到達することを知らせる。

これらの力感覚のいずれかを組み合わせて、複数の力効果を同時に供給することとしてもよい。

本発明は、いくつかの好ましい実施形態の観点から記載しており、これらの変更、修正および組み合わせについては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で可能である。また、上述した実施形態は、特定の実施形態または具体例において様々な方法に組み込むことができることを意味するものである。さらに、所定の用語は、明確な記述のために用いられたものであり、本発明を限定するものではない。それゆえ、特許請求の範囲は、本発明の趣旨および範囲を逸脱しない限り、これらの変更、修正および組み合わせを含むものと解釈すべきである。

本発明が好適に用いられたシフトレバーを具備するギア変速装置の一実施形態を示す遠近図である。 図１においてシフトレバー装置を実施するための機構についての一実施形態を示す遠近図である。 図１においてシフトレバー装置を実施するための機構についての一実施形態を示す遠近図である。 図１においてシフトレバー装置を実施するための機構についての一実施形態を示す遠近図である。 図１−３ｂのシフトレバー装置に好適に使用されるシフトパターンの説明図である。 図１−３ｂのシフトレバー装置に好適に使用されるシフトパターンの説明図である。 図１−３ｂのシフトレバー装置に好適に使用されるシフトパターンの説明図である。 図１−３ｂのシフトレバー装置に好適に使用されるシフトパターンの説明図である。 多様なシフトパターンを許容する本発明の機械的なゲートの第１実施形態の説明図である。 多様なシフトパターンを許容する本発明の機械的なゲートの第１実施形態の説明図である。 多様なシフトパターンを許容する本発明の機械的なゲートの第１実施形態の説明図である。 多様なシフトパターンを許容する本発明の機械的なゲートの第２実施形態の説明図である。 多様なシフトパターンを許容する本発明の機械的なゲートの第２実施形態の説明図である。 本発明において好適に用いられる触覚フィードバックシステムを説明するためのブロック図である。

符号の説明

１０ 触覚変速装置
１２ シフトレバー（操作部）
４４ 基板部材
４６ａ，４６ｂ 延長部材
６０ａ，６０ｂ アクチュエータ
６２ａ，６２ｂ センサ

Claims (40)

1. 少なくとも自由度１で移動可能な操作部と、
   前記少なくとも自由度１において前記操作部の位置を検知可能であり、前記操作部の前記位置に基づいて乗り物の変速率を変化させるべく前記位置を出力可能な少なくとも１つのセンサと、
   前記操作部に力を出力可能な少なくとも１つのアクチュエータとを具備することを特徴とする装置。
2. 前記少なくとも１つのセンサから前記位置のデータを受信可能であり、前記変速レシオを変化させるべくデータを出力可能な処理装置をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記乗り物は、自動車であることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記乗り物は、コンピュータで実現される仮想の乗り物であることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 前記操作部は、シフトレバーを具備することを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 前記操作部は、境界を有するパターン内を移動可能であり、前記パターンの境界の外側領域への移動が規制されることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 前記パターンは、前記操作部の非直交座標系による移動を前記パターンの直交座標系が適用される前記パターンにおいて許容する少なくとも１つの経路を有することを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記操作部は、前記少なくとも１つのアクチュエータから出力される障壁力により前記外側領域への動きが規制されることを特徴とする請求項６記載の装置。
9. 前記少なくとも１つのアクチュエータのうちの１つは、前記操作部に能動的な力を出力するための能動的アクチュエータであることを特徴とする請求項８記載の装置。
10. 前記少なくとも１つのアクチュエータのうちの１つは、前記操作部に抵抗力を供給するための抵抗アクチュエータであることを特徴とする請求項８記載の装置。
11. 少なくとも前記パターンの位置を実現する機械的なゲートをさらに具備し、前期操作部は、前記機械的なゲートによって前記外側領域の少なくとも一部への移動が規制されることを特徴とする請求項６記載の装置。
12. 前記機械的なゲートは、２つの異なるパターンを提供可能であり、前記パターンの一方は、水平経路により連結された少なくとも２つの垂直経路を有するマニュアル変速パターンであり、前記パターンの他方は、単一の垂直経路を有するオートマチック変速パターンであることを特徴とする請求項１１記載の装置。
13. 前記機械的なゲートは、複数の自由度において前記操作部に機械的障壁を提供可能な少なくとも１つの機械的移動部を有する可変の機械的ゲートを構成することを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. 前記少なくとも１つの機械的移動部は、前記パターンの水平経路への移動を規制可能な複数のゲート指部を具備することを特徴とする請求項１３記載の装置。
15. 前記少なくとも１つの機械的移動部は、前記パターンの経路への移動を規制するゲート直線移動部を具備することを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 前記少なくとも１つの機械的移動部は、前記パターンの経路への移動を規制するゲート回転移動部を具備することを特徴とする請求項１４記載の装置。
17. 前記少なくとも１つのアクチュエータは、２つのアクチュエータを具備し、前記アクチュエータの一方は、前記操作部に抵抗力を提供可能な抵抗アクチュエータであり、前記アクチュエータの他方は、前記操作部に能動的な力を出力可能な能動的アクチュエータであることを特徴とする請求項１記載の装置。
18. 前記少なくとも１つのアクチュエータは、２つのアクチュエータを具備し、前記アクチュエータは、いずれも前記操作部に能動的な力を提供可能な能動的アクチュエータであることを特徴とする請求項１記載の装置。
19. 前記少なくとも１つのアクチュエータは、２つのアクチュエータを具備し、前記アクチュエータは、いずれも前記操作部に抵抗力を提供可能な抵抗アクチュエータであることを特徴とする請求項１記載の装置。
20. 前記少なくとも１つのアクチュエータは、前記操作部の所定の自由度における能動的アクチュエータ部と抵抗アクチュエータ部との少なくとも１つの組み合わせであることを特徴とする請求項１記載の装置。
21. 前記能動的アクチュエータ部は、前記操作部に触覚効果を出力し、前記抵抗アクチュエータ部は、前記操作部の予め定められたパターンの外側への移動を規制すべく力を提供することを特徴とする請求項２０記載の装置。
22. 前記出力された力は、前記操作部に触覚効果を形成可能であることを特徴とする請求項１記載の装置。
23. 前記触覚効果は、少なくとも１つの移動止めおよび丘を有することを特徴とする請求項２２記載の装置。
24. 第２の処理装置に通信可能な操作部処理装置をさらに具備し、前記第２の処理装置は、前記乗り物の付加的機能を調整することを特徴とする請求項１記載の装置。
25. 前記操作部は、２つの回転自由度で移動可能であり、前記操作部は、５つの部材による平ループジンバル機構であることを特徴とする請求項１記載の装置。
26. 複数の変速モードのうち少なくとも１つを選択するための操作部モードセレクタをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の装置。
27. 前記複数の変速モードは、オートマチックモード、マニュアルモード、およびシーケンシャルモードの少なくとも１つを具備することを特徴とする請求項２６記載の装置。
28. 前記変速モードのうち少なくとも２つは、前記操作部に異なる物理的特性を提供することを特徴とする請求項２６記載の装置。
29. 前記異なる物理的特性は、少なくとも２つの異なるモードにおいて前記操作部の異なる範囲の動きを含むことを特徴とする請求項２８記載の装置。
30. 前記異なる物理的特性は、少なくとも異なるモードにおいて出力される異なる力感覚を含むことを特徴とする請求項２９記載の装置。
31. 前記モードの１つにおいて、障壁力感覚が前記操作部に提供されることを特徴とする請求項３０記載の装置。
32. 少なくとも自由度１において操作部の位置を検知し、
    乗り物の変速率を前記操作部の前記位置に基づいて変更可能とすべくデータを出力し、
    少なくとも１つのアクチュエータを用いて前記操作部に力を出力することを特徴とする方法。
33. 前記操作部は、パターン内を移動可能であり、前記パターンの境界の外側領域への移動が規制されることを特徴とする請求項３２記載の方法。
34. 前記操作部は、前記少なくとも１つのアクチュエータから出力される障壁力により前記外側領域への動きが規制されることを特徴とする請求項３３記載の方法。
35. 前記操作部に出力される前記力は、能動的な力を有し、前記少なくとも１つのアクチュエータは、能動的アクチュエータを具備することを特徴とする請求項３４記載の方法。
36. 前記操作部に出力される前記力は、抵抗力を有し、前記少なくとも１つのアクチュエータは、抵抗アクチュエータを具備することを特徴とする請求項３４記載の方法。
37. 前記操作部に出力される前記力は、前記障壁力を提供する抵抗力および触覚感を供給する能動的な力を有することを特徴とする請求項３４記載の方法。
38. 前記パターンを実現する機械的なゲートを用いて前記操作部における前記パターンの前記境界の前記外側領域への前記移動を規制することをさらに含む請求項３２記載の方法。
39. 前記機械的なゲートは、２つの異なるパターンを提供可能であり、前記パターンの一方は、水平経路により連結された少なくとも２つの垂直経路を有するマニュアル変速パターンであり、前記パターンの他方は、単一の垂直経路を有するオートマチック変速パターンであることを特徴とする請求項３８記載の方法。
40. 前記操作部のモードを変更したとき、前記機械的なゲートの構成を機械的に移動させることをさらに含むことを特徴とする請求項３９記載の方法。

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