JP2014093086A - 制動を有するハプティックイネーブルドシステム - Google Patents

Abstract

【課題】携帯電話、スマートフォン、ポータブルゲーム機器および様々な他のポータブル電子機器などの携帯用電子機器に組み込まれているハプティックフィードバックトランジスタ／スイッチのコスト低減を図る。
【解決手段】ハプティックイネーブルドシステムは第１の端子および第２の端子を有するアクチュエータを含む。第２の端子は電源に接続され、第１のスイッチ３０４は第１の端子およびアースに接続される。第２のスイッチ３０１はアクチュエータに接続される。第２のスイッチはアクチュエータに並列である。
【選択図】図３

Description

関連出願の相互参照
本出願は２０１２年１１月１日に出願された米国仮特許出願第６１／７２１，２３１号の優先権を主張し、その開示は本明細書に参照により組み込まれる。

分野
本発明の一実施形態はアクチュエータに関する。より具体的には、本発明の一実施形態は、ハプティックイネーブルド（ハプティック動作可能な（ｈａｐｔｉｃａｌｌｙ−ｅｎａｂｌｅｄ））デバイス上で振動を生成するために使用されるアクチュエータのための駆動回路に関する。

電子デバイスの製造者はユーザにとって豊かなインターフェースを製造することに注力している。従来のデバイスは、ユーザにフィードバックを提供するために、視覚的及び聴覚的合図を用いている。一部のインターフェースデバイスにおいて、より一般的には総括して「ハプティック（触覚）フィードバック」又は「ハプティック（触覚的）効果」として知られる、運動感覚フィードバック（作用力及び抵抗力フィードバック等）及び／又はタクタイル（触知的）フィードバック（振動、触感、及び熱等）もまた、ユーザに提供される。ハプティックフィードバックは、ユーザインターフェースを強化及び単純化するきっかけを提供し得る。具体的に、振動効果、すなわち振動ハプティック効果は、ユーザに特定のイベントを通知するために、電子デバイスのユーザへの合図を提供するのに有用であり得るか、又はシミュレート環境もしくは仮想環境内でより大きく感覚を集中させるために、現実的なフィードバックを提供し得る。

ハプティックフィードバックはまた、携帯電話、スマートフォン、ポータブルゲーム機器および様々な他のポータブル電子機器などの携帯用電子機器に次第に組み込まれている。例えば、一部のポータブルゲームアプリケーションは、ハプティックフィードバックを提供するように構成される、より大きなスケールのゲームシステムと共に使用されるコントロールデバイス（例えばジョイスティックなど）と同じように振動できる。さらに、スマートフォンなどのデバイスは、ユーザにより選択される場合、それらの機械的カウンターパートのように感じるようにタッチスクリーン上に「ボタン」を生成するためにハプティック効果を使用する。

振動効果を生成するために、多くのデバイスは一部のタイプのアクチュエータまたはハプティック出力デバイスを利用する。この目的のために用いられる公知のアクチュエータとしては、偏心体がモータによって動かされる偏心回転体（「ＥＲＭ」）アクチュエータなどの電磁アクチュエータが挙げられる。典型的に、ＥＲＭは、クリスパー（ｃｒｉｓｐｅｒ）動的信号を提供する、制動作用を生成するために双方向信号（すなわち、交流正電圧および負電圧信号）を必要とする。しかしながら、多くの携帯用電子機器は、特別な駆動回路が双方向信号を生成することを必要とされるように、直流のみを生成する。典型的な回路は、４つのトランジスタ／スイッチを含む回路である、Ｈ−ブリッジを含む。しかしながら、携帯用機器に関して、コストが重要な作用要因であり、４つのスイッチのコストはデバイスの全コストと比べて不均衡に高くなり得る。

一実施形態は、第１の端子および第２の端子を有するアクチュエータを含むハプティックイネーブルドシステムである。第２の端子は電源に接続され、第１のスイッチは第１の端子およびアースに接続される。第２のスイッチはアクチュエータに接続される。第２のスイッチはアクチュエータと並列である。

図１は本発明の一実施形態に係るハプティックイネーブルドシステムのブロック図である。 図２は本発明の一実施形態に係る図１のアクチュエータのＥＲＭ実施形態の部分的斜視図である。 図３は本発明の一実施形態に係る図１のアクチュエータと組み合わせたアクチュエータ駆動回路の回路図である。 図４は本発明の一実施形態に係る制動を有するハプティック効果を提供する場合のシステムの機能性のフロー図である。 図５はハプティック効果についての加速度対時間の２つのグラフを示す。

一実施形態はアクチュエータ／モータにわたってプログラム可能な短絡負荷を提供する駆動回路である。アクチュエータが回転している場合、短絡負荷の起動は、逆極性電圧を印加することを必要とせずに比較的短時間後に、回転を停止させることによってアクチュエータを遮断させる。

図１は、本発明の一実施形態に係るハプティックイネーブルド（ハプティック動作可能な（ｈａｐｔｉｃａｌｌｙ−ｅｎａｂｌｅｄ））システム１０のブロック図である。システム１０は、ハウジング１５内に装着されたタッチセンサ式表面１１または他のタイプのユーザインターフェースを含み、かつメカニカルキー／ボタン１３を含んでもよい。システム１０に振動を生成するハプティックフィードバックシステムはシステム１０内部にある。一実施形態において、振動はタッチ表面１１上で生成される。

ハプティックフィードバックシステムはプロセッサまたは制御装置１２を含む。メモリ２０およびアクチュエータ駆動回路１６はプロセッサ１２に接続され、その駆動回路１６はアクチュエータ１８に連結されている。アクチュエータ１８は任意のタイプの直流（「ＤＣ」）モータであってもよく、一実施形態において偏心回転体（「ＥＲＭ」）アクチュエータである。プロセッサ１２は任意のタイプの汎用目的のプロセッサであってもよく、または、特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）等、ハプティック効果を提供するように特定的に設計されたプロセッサであってもよい。プロセッサ１２はシステム１０全体を作動させる同じプロセッサであってもよく、または別個のプロセッサであってもよい。プロセッサ１２は、何のハプティック効果が再生されるかを決定することができ、かつ、そうした効果が高レベルのパラメータに基づいて再生される順序を決定することができる。一般に、特定のハプティック効果を定義する高レベルのパラメータは、大きさ（強さ）、頻度（周波数）、および期間を含む。ストリーミングモーターコマンド等の低レベルパラメータはまた、特定のハプティック効果を決定するために用いられることができる。ハプティック効果は、そのハプティック効果が生成された場合にそれがこれらのパラメータから生じた一部のものを含む場合、あるいはユーザのやり取りに基づいたこれらのパラメータから生じたものである場合、「動的」であると想定してよい。

プロセッサ１２はアクチュエータ駆動回路１６に制御信号を出力し、このアクチュエータ駆動回路１６は電子構成要素および回路を備え、これらはアクチュエータ１８に必要な電流および電圧（すなわち「モータ信号」）を供給してそれにより所望のハプティック効果を生じさせる。システム１０は２つ以上のアクチュエータ１８を備えてよく、各々のアクチュエータは別個の駆動回路１６を備えてよく、それら全ては共通のプロセッサ１２に連結される。メモリデバイス２０は任意のタイプの保存デバイス、あるいはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）等のコンピュータ可読媒体であってもよい。メモリ２０はプロセッサ１２によって実行される命令を保存する。命令の中でも、メモリ２０はハプティック効果モジュール２２を含んでおり、これは複数の命令であって、プロセッサ１２によって実行される場合に、以下により詳細に開示するように制動を有するハプティック効果を提供するアクチュエータ１８に駆動信号を生成する。メモリ２０はまたプロセッサ１２内部に位置してよく、または、内部メモリおよび外部メモリの任意の組み合わせであってもよい。

タッチ表面１１は接触を認識し、かつその表面上の接触の位置および大きさ（強さ）も認識できる。この接触に対応したデータはプロセッサ１２またはシステム１０内の別のプロセッサに送信され、プロセッサ１２はその接触を解釈して、それに応じてハプティック効果信号を生成する。タッチ表面１１は任意の感知検出技術、例えば、静電容量性による検出、抵抗性による検出、表面音響波による検出、圧力による検出、光学による検出等を含む技術を利用して接触を感知し得る。タッチ表面１１はマルチタッチ接触を感知してよく、かつ同時に生じるマルチタッチを識別することができてよい。タッチ表面１１は、キー、ダイアル等を用いてユーザがやり取りする画像を生成および表示するタッチスクリーンであってもよく、または最小限の画像または画像のないタッチパッドであってもよい。

システム１０は、セル式電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、スマートフォン、コンピュータタブレット、ゲーム機等のハンドヘルドデバイスであってもよく、あるいは１つ以上のアクチュエータを備えるハプティック効果システムを備える任意の他のタイプのデバイスであってもよい。ユーザインターフェースは、タッチセンサ式表面であってよく、あるいは、マウス、タッチパッド、ミニジョイスティック、スクロールホイール、トラックボール、ゲームパッド、またはゲームコントローラ等の任意の他のタイプのユーザインターフェースであってよい。２つ以上のアクチュエータを用いた実施形態において、各アクチュエータはデバイス上で広範なハプティック効果を生成するために異なる回転能力を有してもよい。

図２は、本発明の一実施形態に係る図１のアクチュエータ１８のＥＲＭ実施形態の断面斜視図である。ＥＲＭ２００は、回転軸２０５を中心に回転する中心を外れたおもり２０３を有する回転体２０１を備える。動作中、任意のタイプのモータは、ＥＲＭ２００に連結されてよく、モータの２つのリード線（図２に図示せず）にわたってモータに印加される電圧の量および極性に応じて、回転軸２０５を中心に、一方向または双方向の回転を生じさせる。一方の極性における電圧の印加は加速効果を有し、一方向においてＥＲＭ２００の回転速度を上昇させ、他方の極性における電圧の印加は制動効果を有し、反対方向においてＥＲＭ２００の回転速度を減少またはさらに反転させる。しかしながら、上で説明したように、ハプティック効果の制動を達成するために二方向信号／電圧を印加するのに必要とされる駆動回路は典型的に、比較的高価なＨ−ブリッジを含む。

図３は、本発明の一実施形態に係る図１のアクチュエータ１８と組み合わせたアクチュエータ駆動回路１６の回路図である。回路１６において、ＤＣモータ３０３は、第１のスイッチ３０４を介して一方の端子でアースに接続され、他方の端子で回路の電圧（すなわち、「Ｖ_ＣＣ」）に接続される。モータ３０３はアクチュエータ１８であってもよく、一実施形態においてＥＲＭアクチュエータである。モータ３０３と並列に第２のスイッチ３０１およびレジスタ３０２がある。レジスタ３０２は任意であり、スイッチ３０１、３０４を保護する安全な機能を提供し、両方のスイッチが同時にオンにされた場合、スイッチ３０１、３０４を通るＶ_ＣＣからの直流短絡電流路を接地させる。レジスタ３０２の機能はまた、別個の部品とならないように、スイッチ３０１内に組み込まれてもよい。一実施形態において、両方のスイッチ３０１および３０４は双極性または金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（「ＭＯＳＦＥＴ」）のトランジスタである。

回路１６はさらに、モータ３０３に並列してダイオード３０５およびコンデンサ３０６を備える。ダイオード３０５およびコンデンサ３０６はモータ３０３上でのスパイクを抑制し、任意の部品でもある。

レジスタ３０２の価値は、モータ制動電流とスイッチ安全措置との間のトレードオフである。一実施形態においてダイオード３０５の逆電圧およびコンデンサ３０６の定格電圧はモータ３０３の作動電圧プラス生成される逆起電力（「ＥＭＦ」）スパイクの振幅より大きい。ダイオード３０５の順電圧は広範囲（例えば０．２Ｖまたは０．７Ｖ）であってもよく、コンデンサ３０６は一実施形態において非極性である。

作動中、第１のスイッチ３０４および第２のスイッチ３０１は通常開いており、この状態においてモータ３０３は回転しない。スイッチ３０４が閉じられる場合、モータ３０３がオンになり、回転が開始する。スイッチ３０４を連続して閉じ続けることによって、モータ３０３は最終的にピーク速度に達して１種類のハプティック効果を生成する。スイッチ３０４は開閉され得、他の種類のハプティック効果を生成するためにモータ３０３のデューティサイクルを達成するまで反復され得る。

モータ３０３が制動される場合、第１のスイッチ３０４は開かれ、両方のスイッチが同時（例えば１または２マイクロ秒）に閉じられることを防ぐために短い中断の後、第２のスイッチ３０１が閉じられる。これにより、モータ３０３は制動し、モータ３０３が運動を停止する場合、スイッチ３０４は開き、そしてスイッチ３０４および３０１は開いたままになり得る。

別の実施形態において、図３に示すように、電源に接続される第１のモータ端子およびスイッチを介してアースに接続される第２のモータ端子の代わりに、反対の構成が実施されてもよい。具体的には、この実施形態において、第１のモータ端子はアースに接続され、第２のモータ端子はスイッチを介して電源に接続される。

図４は、本発明の一実施形態に係る制動を有するハプティック効果を提供する場合のシステム１０の機能のフローチャートである。一実施形態において、図４のフローチャートの機能は、メモリまたは他のコンピュータ可読媒体または有形的表現媒体に記憶され、プロセッサにより実行されるソフトウェア（例えば、ハプティック効果モジュール２２）により実施される。他の実施形態において、機能はハードウェア（例えば特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）、プログラマブルゲートアレイ（「ＰＧＡ」）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」）など）、またはハードウェアとソフトウェアの任意の組み合わせの使用により実施されてもよい。

４０２において、制動を含むハプティック効果パラメータがメモリまたは別のソースから生成または検索されてもよい。パラメータは、大きさ、周波数および持続時間などの特定のハプティック効果を定義する高レベルのパラメータを含んでもよいか、またはモータ電圧などの低レベルのパラメータから形成されてもよい。制動は典型的に、明瞭な（ｃｒｉｓｐ）感覚を提供し、例えば、ユーザがキーを実装したタッチスクリーンをタッチする場合、メカニカルキーを模倣するために使用されてもよい。

４０４において、ハプティック効果の少なくとも一部が、モータ３０３を回転させるために定位置または任意の所望のパターンにおいて第１のスイッチ３０４を閉じることにより生成される。

４０６において、ハプティックパラメータに基づいて、制動がモータ３０３に適用されるべきかどうかが決定される。

４０８において、制動を生成するために、第１のスイッチ３０４が開かれ、モータ３０３の回転が停止するまで、短時間の後、第２のスイッチ３０１が閉じられる。スイッチ３０１の閉鎖はモータ３０３を通る「短絡負荷」をもたらす。

説明したように、実施形態は双方向信号またはＨ−ブリッジ回路を必要とせずにアクチュエータに制動を提供する。図５はハプティック効果についての加速度対時間の２つのグラフ５０２および５０４を例示する。グラフ５０２は図３の回路１６を有さないハプティックイネーブルドシステムの従来技術のグラフである。グラフ５０４は本発明の実施形態に係る回路１６（すなわち「制動回路」）を有するハプティックイネーブルドシステムのグラフである。制動回路を有さないグラフ５０２の加速度曲線５０３により示すように、３００ｍｓ間の回転後、モータは停止するのに３００ｍｓかかる。比較して、本発明の実施形態に係る制動回路（すなわち回路１６）を有するグラフ５０４の加速度曲線５０５により示すように、３００ｍｓ間の回転後、モータは停止するのに１００ｍｓのみかかる。

開示したように、実施形態は、モータを通る短絡負荷を適用することによってＤＣモータを制動させ、比較的短時間の後、モータの回転を停止させる。したがって、制動を有するハプティック効果が双方向電圧を必要とせずに効果的に生成され得る。

いくつかの実施形態が本明細書に具体的に例示および／または記載されている。しかしながら、開示された実施形態の修飾および変更は上記の教示に包含され、本発明の精神および意図する範囲から逸脱せずに添付の特許請求の範囲内であることが理解されるであろう。

Claims (16)

1. 第１の端子および第２の端子を備えるアクチュエータであって、前記第２の端子は電源に接続される、アクチュエータと、
   前記第１の端子およびアースに接続される第１のスイッチと、
   前記アクチュエータに接続され、前記アクチュエータと並列である第２のスイッチと、
   を備える、ハプティックイネーブルドシステム。
2. 前記アクチュエータに接続されるコンデンサおよびダイオードをさらに備え、前記コンデンサは前記ダイオードおよび前記アクチュエータと並列である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第２のスイッチに接続され、前記第２のスイッチと直列であるレジスタをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
4. 前記アクチュエータに接続され、制動を有するハプティック効果を生成するように構成されるプロセッサをさらに備え、前記生成することは、
   ハプティック効果の第１の部分を生成するために前記アクチュエータを回転させるように、前記第２のスイッチを開いたままにしながら、前記第１のスイッチを閉じることと、
   前記アクチュエータの回転を停止させるように、前記第１のスイッチを開き、前記第２のスイッチを閉じることと、
   を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記アクチュエータが、モータに接続される偏心回転体を備える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記ハプティック効果が、前記プロセッサにより受信または生成されるハプティック効果パラメータから生成される、請求項４に記載のシステム。
7. 前記ハプティック効果パラメータが、大きさ、周波数または持続時間のうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載のシステム。
8. 前記プロセッサに接続されるキーを有するタッチスクリーンをさらに備え、生成されたハプティック効果は、対象物が前記タッチスクリーンのキーの１つまたは複数と接触する場合、メカニカルキーを模倣する、請求項４に記載のシステム。
9. 第１の端子および第２の端子を有する偏心回転体アクチュエータのための駆動回路であって、前記駆動回路は、
   前記第２の端子を電源に接続する電圧波節と、
   前記第１の端子およびアースに接続される第１のスイッチと、
   前記電圧波節および前記第１の端子に接続される第２のスイッチと、
   を備える、駆動回路。
10. アースおよび前記第１の端子に接続されるコンデンサおよびダイオードをさらに備え、前記コンデンサは前記ダイオードおよび前記アクチュエータに並列である、請求項９に記載の駆動回路。
11. 前記第２のスイッチと前記第１の端子との間に接続され、前記第２のスイッチと直列であるレジスタをさらに備える、請求項９に記載の駆動回路。
12. 前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチに接続され、制動を有するハプティック効果を生成するように構成される制御装置をさらに備え、前記生成することは、
    ハプティック効果の第１の部分を生成するために前記アクチュエータを回転させるように、前記第２のスイッチを開いたままにしながら、前記第１のスイッチを閉じることと、
    前記アクチュエータの回転を停止させるように、前記第１のスイッチを開き、前記第２のスイッチを閉じることと、
    を含む、請求項９に記載の駆動回路。
13. 請求項６〜８のいずれかをさらに含む、請求項１１に記載の駆動回路。
14. 制動を有するハプティック効果を生成する方法であって、前記方法は、請求項９〜１３のいずれかの駆動回路を使用することを含む、方法。
15. 第１の端子および第２の端子を備えるアクチュエータであって、前記第２の端子はアースに接続される、アクチュエータと、
    前記第１の端子および電源に接続される第１のスイッチと、
    前記アクチュエータに接続され、前記アクチュエータと並列である第２のスイッチと、
    を備える、ハプティックイネーブルドシステム。
16. 請求項２〜８のいずれかをさらに含む、請求項１５に記載のシステム。