JP2018069240A - 高品位性能を有する電磁触覚アクチュエーター - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電磁石を用いる触覚アクチュエーターを提供してアクチュエーターにおける種々の態様を改善すること。【解決手段】触覚アクチュエーターは、ハウジングと、可動質量体と、第１、第２及び第３の電磁石とを備える。第１の電磁石は、ハウジングに固定される。可動質量体は、ハウジングの中で懸架され、第１の電磁石を少なくとも部分的に取り囲む。可動質量体は、第１の端部において強磁性材料を有し、第１の端部の反対側の第２の端部において強磁性材料を有する。可動質量体は、強磁性材料を磁化するように構成された複数の永久磁石を更に有し、電流が第１の電磁石に印加されると、第１の端部及び第２の端部のうちの一方の強磁性材料が第１の電磁石に引き付けられ、第１の端部及び第２の端部のうちの他方の強磁性材料が斥けられる。第２の電磁石及び第３の電磁石は、各々ハウジングに固定され、可動質量体の互いに対向する端部に対向する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、ユーザーインターフェース、ゲーミング、自動車、装着具（wearables）、及び家庭用電化製品において用途を有する、電磁触覚アクチュエーターに関する。

電子機器製造業者は、ユーザーに対する精度の高い（rich）インターフェースを競って作製している。従来のデバイスは、視覚キュー及び聴覚キューを用いて、ユーザーにフィードバックを提供する。幾つかのインターフェースデバイスは、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／又は触知性フィードバック（振動、テクスチャ、及び熱等）もユーザーに提供し、これらは、触覚フィードバック、又はより一般的には触覚効果の例とすることができる。触覚フィードバックは、ユーザーインターフェースを用いてユーザーの経験値を向上及び単純化するキューを提供することができる。具体的には、振動効果又は振動触知性触覚効果は、ユーザーに特定のイベントを通知するために電子機器のユーザーにキューを提供するときに有用である場合があるか、又は、シミュレートされた環境若しくはバーチャル環境内でより大きな知覚没入感を生成するために現実的なフィードバックを提供することができる。

触覚フィードバックは、また、セルラー電話、携帯情報端末（「ＰＤＡ」）、ポータブルゲーミングデバイス又はゲームコントローラー、コンピュータータブレット、及び多様な他のポータブル電子デバイス等のポータブル電子デバイスにおいて組み込まれることが増加してきている。加えて、セルラー電話及びＰＤＡ等のデバイスは、ユーザーに、振動によって種々のアラートを提供することが可能である。例えば、セルラー電話は、ユーザーに、電話の着呼を振動によってアラートすることができる。同様に、ＰＤＡは、スケジュールされたカレンダーの項目をユーザーにアラートすることもできるし、「ｔｏ ｄｏ」リスト項目又はカレンダー上の面会予定のリマインダーをユーザーに提供することもできる。

振動効果を生成するために、幾つかの電子デバイスは、偏心質量体がモーターによって動かされる偏心回転質量（「ＥＲＭ」）アクチュエーター、ばねに取付けられた質量体が前後に駆動されるリニア共振アクチュエーター（「ＬＲＡ」）、又は、圧電材料、電場応答性高分子、若しくは形状記憶合金等の「スマート材料」を用いるアクチュエーター等のアクチュエーターを用いる。

本発明の目的の１つは、複数の電磁石を用いる触覚アクチュエーターを提供してこのアクチュエーターにおける種々の態様を改善することである。

本明細書における実施形態の１つの態様は、ハウジングと、第１の電磁石と、可動質量体と、第２の電磁石と、第３の電磁石とを備える触覚アクチュエーターに関する。第１の電磁石は、ハウジングに固定され、第１の軸と整合する、第１の電磁石の第１の端部及び第２の端部にある磁極を有するように構成される。可動質量体は、ハウジング内に配されるとともに第１の電磁石を少なくとも部分的に取り囲む。可動質量体は、ｉ）可動質量体の第１の端部における強磁性材料と、可動質量体の第１の端部と反対側の可動質量体の第２の端部における強磁性材料とを備え、第１の軸は、可動質量体の第１の端部及び第２の端部を通過し、また、可動質量体は、ｉｉ）可動質量体の第１の端部及び第２の端部における強磁性材料を磁化するように構成された複数の永久磁石であって、それによって、電流が第１の電磁石に印加されるとき、第１の端部及び第２の端部のうちの一方における強磁性材料が第１の電磁石に引き付けられ、第１の端部及び第２の端部のうちの他方における強磁性材料が第１の電磁石によって反発されるようになっている、複数の永久磁石を有する。第２の電磁石は、ハウジングに固定されるとともに、第１の軸と整合する磁極を有するように構成される。第３の電磁石は、ハウジングに固定されるとともに、第１の軸と整合する磁極を有するように構成される。第２の電磁石及び第３の電磁石は、可動質量体のそれぞれの対向する端部に対向し、それによって、可動質量体の第１の端部は、第１の電磁石と、第２の電磁石及び第３の電磁石のうちの一方との間にあり、可動質量体の第２の端部は、第１の電磁石と、第２の電磁石及び第３の電磁石のうちの他方との間にあるようになっている。

一実施形態において、第２の電磁石及び第３の電磁石は、それぞれ、ハウジングの互いに対向する第１の端部及び第２の端部に固定される。

一実施形態において、触覚アクチュエーターは、第１の電磁石、第２の電磁石、及び第３の電磁石の各々に、電磁石の磁極が同じ極性を有するように、それぞれ電流を提供することによって、可動質量体の作動をもたらすように構成された、コントローラーを更に備える。

一実施形態において、コントローラーによって第１の電磁石、第２の電磁石、及び第３の電磁石に提供され、可動質量体の作動をもたらすそれぞれの電流は、同一の周波数及び同一の位相を有する。

一実施形態において、コントローラーによって第１の電磁石、第２の電磁石、及び第３の電磁石に提供され、可動質量体の作動をもたらすそれぞれの電流は、可動質量体の共振周波数に対応する。

一実施形態において、コントローラーは、第２の電磁石の磁極及び第３の電磁石の磁極が互いに反対の極性を有するように、第２の電磁石及び第３の電磁石にそれぞれ電流を提供することによって、可動質量体の制動をもたらすように構成される。

一実施形態において、制動をもたらすようにコントローラーによって提供されるそれぞれの電流は、第２の電磁石及び第３の電磁石の各々をして、可動質量体を斥けさせるようにする電流である。

一実施形態において、制動をもたらすようにコントローラーによって提供されるそれぞれの電流は、第２の電磁石に提供される第１の直流電流と、第３の電磁石に提供される第２の直流電流とを含み、第１の直流電流は、第２の直流電流と反対の方向である。

一実施形態において、複数の永久磁石は、可動質量体の第１の端部に隣接するとともに第１の極性を有する磁極を有する１つ以上の永久磁石の第１の組を含み、可動質量体の第２の端部に隣接するとともに第１の極性と反対の第２の極性を有する磁極を有する１つ以上の永久磁石の第２の組を含む。

一実施形態において、触覚アクチュエーターは、ソレノイド共振アクチュエーター（ＳＲＡ）である。

一実施形態において、可動質量体は、貫通されている中心開口を有する矩形フレームとして形成される。

本発明の実施形態の特徴、目的、及び利点は、添付図面が参照される以下の詳細な説明を読むことによって当業者に明らかになる。

本明細書における実施形態の触覚アクチュエーターを備える、モバイルデバイスの斜視図である。 本明細書における実施形態の触覚アクチュエーターを備える、ゲームコントローラーの斜視図である。 本明細書における一実施形態による、触覚アクチュエーターの斜視図である。 本明細書における一実施形態による、触覚アクチュエーターの断面図である。 本明細書における一実施形態による、触覚アクチュエーターの断面図である。 本明細書における一実施形態による、触覚アクチュエーターの断面図と、コントローラー及び電流源のブロック図とを提供する図である。 本明細書における一実施形態による、触覚アクチュエーターの断面図である。 本明細書における一実施形態による、触覚アクチュエーターの断面図と、コントローラー及び電流源のブロック図との図である。 本明細書の一実施形態による、触覚アクチュエーターの他の断面図である。 本明細書の一実施形態による、触覚アクチュエーターの他の断面図である。 本明細書の一実施形態による、触覚アクチュエーターの他の断面図である。 本明細書の一実施形態による、触覚アクチュエーターの他の断面図である。

本発明の上述の特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、添付の図面に示されるような本発明の実施形態の以下の説明から明らかであろう。本明細書に組み込まれるとともに本明細書の一部をなす添付の図面は更に、本発明の原理を説明するとともに、当業者が本発明を実施及び使用することを可能にする役割を果たす。図面は一定縮尺ではない。

以下の詳細な説明は本来例示的なものでしかなく、本発明又は本発明の用途及び使用を限定するように意図されていない。さらに、前述の技術分野、背景技術、発明の概要又は以下の詳細な説明に提示されている、明示又は暗示されるいかなる理論にも制限されることは意図されていない。

本発明の実施形態は、複数の電磁石を用いてアクチュエーターにおける加速度を改善し、アクチュエーターにおける不所望の振動の制動を提供し、アクチュエーターの周波数範囲を改善する、触覚アクチュエーターに関する。幾つかの例において、触覚アクチュエーターは、高品位（ＨＤ）アクチュエーターとして用いることができる。ＨＤアクチュエーターは、例えば、触覚効果のために、高周波数振動等の比較的高い周波数のコンテンツを出力することができるアクチュエーターとすることができる。そのような高周波数触覚効果は、ゲーミング（例えば、仮想現実ゲーミング）、モバイル、装着具、自動車、コンピューティング、及び他の用途において有用である場合がある。これらの触覚効果は、より精度が高い又はより現実感がある（life-like）とみなされる場合がある。一例において、ＨＤアクチュエーターは、より速い立ち上がり時間及びより大きなダイナミックレンジを有する高周波数コンテンツを出力することが可能である場合がある。幾つかの場合、ＨＤアクチュエーターは、高忠実度のアクチュエーターとして機能することができ、このアクチュエーターは、例えば、予め規定された分解能以上の触覚効果のみを生成するように構成されたアクチュエーターとすることができる。一例において、幾つかのタイプのＥＲＭ又はＬＲＡタイプのアクチュエーターは、触覚効果の生成時に限られた周波数範囲又は強度を有する場合、「低品位」アクチュエーターとみなされる場合がある。

幾つかの例において、触覚アクチュエーターは、ソレノイド共振アクチュエーター（ＳＲＡ）とすることができる。ＳＲＡは、アクチュエーターハウジングに対して固定である電磁石を用いることができ、電磁石は、アクチュエーターハウジングに対して動く可動質量体を駆動させることができる。ＳＲＡは、ＥＲＭ又はＬＲＡタイプのアクチュエーターよりも良好な力学的性能を呈する場合がある。ＳＲＡ内の電磁石は、強磁性コアの周囲に巻かれたコイルを備えることができる。ＳＲＡ設計において、振動振幅の増大は、可動質量体のサイズの増大によって達成することができる。これによって、電磁石のコイル及び強磁性コアのサイズを増大する必要性を限定的なものとすることができ、アクチュエーターにおいて、銅コイル等の高価な材料の使用を限定的なものとすることができる。

本明細書における触覚アクチュエーターの幾つかの実施形態は、ＨＤアクチュエーターとして用いられるＳＲＡである。ＨＤアクチュエーターとして用いるために、ＳＲＡは、不所望の振動を低減すること、及び十分な広帯域周波数応答を有することを必要とする場合がある。広帯域周波数応答は、可動質量体に印加することができる力の量によって影響を受ける場合がある。不所望の振動は、駆動信号が止まった後でさえも揺動又は別様の振動を継続する可動質量体からの結果である場合がある。時に揺動テール（oscillatory tail）と称される、このタイプの振動は、触覚効果が明確な感覚（crisp feeling）を有することを妨げる場合がある。本発明の実施形態は、可動質量体の互いに対向する側部（より包括的には、互いに対向する端部）に対向する第１の電磁石及び第２の電磁石を配置する、ＳＲＡ等の触覚アクチュエーターを提供することに関する。これらの２つの電磁石は、可動質量体によって少なくとも部分的に包囲される、別の、中間の又は第３の電磁石と協調して機能することができる。例えば、電磁石は、協働して機能し、可動質量体を同じ方向に駆動することができ、これによって、可動質量体上の正味の力及び加速度が増加する。このように、本明細書におけるアクチュエーターの実施形態は、少なくとも３つの電磁石を備え、１つの電磁石は、例えばハウジングの中心にあり、可動質量体によって少なくとも部分的に包囲され、他の２つの電磁石は、可動質量体の外側にあり、可動質量体のそれぞれの対向する端部に向かい合っている。また、この電磁石の構成は、可動質量体の各端部において引力及び斥力の双方を提供し、これによって、可動質量体の２つの対向する端部において作用する複数のタイプの力が均衡することができる。幾つかの場合、電磁石は、これらの電磁石間の間隙において実質的にリニア（線形）の磁界が形成されるように位置合わせすることができる。リニアな磁界は、間隙における可動質量体の位置に関わらず、一定の力を作用させるようにすることができる。増加された加速度、可動質量体の双方の端部上で引力及び／又は斥力を作用させる能力、及び／又はリニアな磁界によって、触覚アクチュエーターの広帯域周波数応答性及び忠実度を改善することができる。

幾つかの例において、可動質量体の互いに対向する端部に配置される電磁石を用いて、アクチュエーターの揺動テールを低減することができる。例えば、電磁石は、可動質量体に対向する力を作用させて、この可動質量体をニュートラル位置に向けて駆動させるように構成することができる。したがって、これらの対向する力は、この揺動テールを減衰するように機能することができる。したがって、この電磁石及び可動質量体の構成によって、改善された加速度、効率的な制動、及び広帯域周波数応答が提供され、その一方で、アクチュエーターのサイズ又はその電力消費が著しく増加することを回避する。

本発明の実施形態における触覚アクチュエーターは、ゲーミング、モバイルデバイス、装着具、自動車、コンピューティング、及び他の用途を伴うものを含む、多様な用途において用いることができる。例えば、図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施形態による触覚アクチュエーターを利用する種々のユーザーインターフェースデバイスを示している。図１Ａは、触覚アクチュエーター１１０を備えるモバイル電話１０２を示しており、その一方で、図１Ｂは、触覚アクチュエーター１１０を備えるゲームコントローラー１０４を示している。一例において、触覚アクチュエーター１１０は、図１Ａ及び図１Ｂのユーザーインターフェースデバイス１０２／１０４において振動触知性又は他のタイプの触覚効果を生成するように構成された本体アクチュエーターとすることができる。

図２Ａは、一例示の触覚アクチュエーター１１０の斜視図を示している。一実施形態において、触覚アクチュエーター１１０は、ソレノイド共振アクチュエーター（ＳＲＡ）とすることができる。アクチュエーター１１０は、ハウジング１１２（例えば、薄板金属ハウジング）と、このハウジング内に懸架された可動質量体１１６と、第１の電磁石１３１、第２の電磁石１３２、及び第３の電磁石１３３等の複数の電磁石とを備えることができる。第１の電磁石１３１、第２の電磁石１３２、及び第３の電磁石１３３は、第１の軸１４０に沿って位置合わせすることができる。これらの電磁石は、円筒形、矩形、又は任意の他の形状を有することができる。幾つかの例において、電磁石１３１、１３２、及び１３３は、アクチュエーター１１０のハウジング１１２（例えば、ハウジングの床部（底部）又は天井部（頂部））に固定する（例えば、直接又は間接的に取り付ける）ことができ、可動質量体１１６を第１の軸１４０に沿って作動させる（例えば、可動質量体１１６を軸に沿って前後に振動させる）ことができる。３つの電磁石がハウジングに直接又は間接的に固定されることに起因して、可動質量体１１６は、３つの電磁石に対して可動とすることができる。１つの例において、第１の電磁石１３１は、ハウジング１１２の床又は天井に固定することができ、その一方で、第２の電磁石１３２及び第３の電磁石１３３は、同様にハウジング１１２の床又は天井に固定される、及び／又はハウジング１１２の２つのそれぞれ反対側の内部側面に固定される。これらの対向する内部側面は、ハウジング１１２の互いに対向する端部とすることができる。幾つかの場合、第２の電磁石１３２及び第３の電磁石１３３は、ハウジング１１２の中心により接近して配置することができる。例えば、２つの電磁石は、ハウジング１１２の床に固定することができ、電磁石１３２、１３３の各々と、上記で説明された２つの対向する内面のそれぞれの内面との間に距離が存在するように配置することができる。

幾つかの例において、可動質量体１１６は、ハウジング１１２内の１つ以上のばね１３６を介して懸架することができる。ばね１３６は、例えば、ばね鋼から作成することができる。ばねは、可動質量体１１６がハウジング１１２内で「浮く」こと、及び第１の軸１４０に沿って動くことを可能にするサスペンションを形成することができる。一実施形態において、可動質量体１１６を懸架することに用いられる材料は、ばね鋼、プラスチック、ゴム（例えば、シリコーンゴム又はブナＮゴム）、ナイロン、又は何らかの他の材料の１つ以上を含むことができる。一実施形態において、材料は、図２Ａに示すように、第２の電磁石１３２及び第３の電磁石１３３にそれぞれ対面する表面１１６ａ、１１６ｂにおいて、可動質量体１１６に取り付けることができる。一実施形態において、材料は、これに代えて又はこれに加えて、表面１１６ｃ〜１１６ｆのうちの少なくとも２つの表面等の、可動質量体１１６の他の表面に取り付けることができる。図２Ａは、第１の電磁石１３１を少なくとも部分的に取り囲む中空の矩形構造体の形を有する、可動質量体１１６を示している。一実施形態において、この矩形構造体は、貫通されている中心開口を有するフレームの形態を有することができる。別の実施形態では、可動質量体１１６は、半円断面を有する外壁形状（図７Ｂ及び図８Ｂを参照）又は任意の他の形状等の、異なる形状を有することができる。

一実施形態において、第１の電磁石１３１、第２の電磁石１３２、及び第３の電磁石１３３の各々は、金属ロッド（例えば、鉄ロッド）等の強磁性コアの周囲に巻かれたコイル（例えば、銅コイル）を備えることができる。幾つかの例において、１つ以上の電磁石は、強磁性コアを有しないコイルを備えることができる。これらの電磁石のうちの１つの電磁石のコイルを電流（例えば、ＡＣ又はＤＣ電流）が通過するとき、それぞれの電磁石は、この電磁石内に一時的な磁界を生成することができる。この磁界は、電流を止めることによって解消することもできるし、電流の方向を反転させることによって方向を反転することもできる。したがって、電磁石の磁極は、電流を反転させることによって、極性を反転することもできる。電流がＡＣ電流である場合、磁極の極性をＡＣ電流の周波数に対応する頻度で切り替えることができる。一実施形態において、電磁石１３１、１３２、及び１３３の各々の磁極は、第１の軸１４０と整合させることができる。

図２Ａの矢印に沿った、触覚アクチュエーター１１０の断面図が図２Ｂに示されている。図２Ａ及び図２Ｂに示す実施形態において、可動質量体１１６は、矩形フレーム形状の構造体とすることができ、これは、可動質量体１１６の２つのそれぞれ対向する側部又は端部（例えば、第１の端部１２１及び第２の端部１２２）を形成する第１の対の平行壁を有する、中心開口部又は閉鎖部を画定する。この矩形フレーム形状構造体は、第１の対の平行壁に直角である第２の対の平行壁を更に有することができる。第２の対の平行壁は、可動質量体１１６の２つの他のそれぞれの対向する端部又は側部（例えば、第３の端部１２３及び第４の端部１２４）を形成することができる。第１の対の壁及び第２の対の壁は、同一の厚さを有することもできるし、異なる厚さを有することもできる。図２Ａの矢印Ａの方向における壁の寸法は、矢印Ａの方向における３つの電磁石１３１、１３２、１３３のうちの任意のものの寸法（例えば、直径）より小さいものとすることもできるし、その寸法と同一とすることもできるし、その寸法よりも大きいものとすることもできる。

図２Ａ及び図２Ｂにおいて、矩形フレーム形状の構造体は、その内部に第１の電磁石１３１を配置するために、その中心において中心開口（例えば、切り欠き部分）を取り囲むものとして説明することもできる。中心開口もまた矩形形状とすることができ、又は任意の他の形状を有することができる。可動質量体が静止しているとき、第１の電磁石１３１は、中心開口の中心に配置することができる。中心開口は、第１の電磁石１３１に接触することなく運動の予想範囲内で可動質量体１１６が動くことを可能とするサイズを有することができる。

可動質量体は、強磁性材料と複数の永久磁石とを備える。幾つかの例において、上記で説明された壁を備える可動質量体の本体は、強磁性材料から作成される。幾つかの例において、強磁性材料は、可動質量体の別個の構成要素を形成し、この強磁性材料は、壁内に配することができる。図２Ｂにおいて、強磁性材料は、可動質量体１１６の第１の端部１２１における壁内にあるか又はこの壁を形成する強磁性材料１１８ａ（例えば、鉄プレート）と、可動質量体の第２の端部１２２における壁内にあるか又はこの壁を形成する強磁性材料１１８ｂとを含み、ここで、第２の端部１２２は、可動質量体１１６の第１の端部１２１の反対側にあるものとして本明細書に記載される場合がある。第１の端部１２１及び第２の端部１２２は、第１の軸１４０が第１の端部１２１及び第２の端部１２２を通過するような如く、第１の軸１４０に沿って位置合わせすることができる。一実施形態において、可動質量体１１６は、永久磁石のみから構成することができる（すなわち、強磁性材料が永久的に磁化されている）。一実施形態において、可動質量体は、強磁性材料のみを含むことができる。一実施形態において、可動質量体は、強磁性材料と、強磁性材料ではない追加の材料とを含む。一実施形態において、可動質量体１１６は、電磁石を含まない。

一実施形態において、永久磁石は、可動質量体の第３の端部１２３における壁を形成するか又はこの壁内に埋め込まれる永久磁石１２５、１２６、及び１２７と、可動質量体の第４の端部１２４における壁を形成するか又はこの壁内に埋め込まれる永久磁石１２８、１２９、及び１３０とを含む。複数の永久磁石１２５、１２６、１２８、及び１３０は、強磁性材料１１８ａ及び１１８ｂを磁化するように構成することができ、永久磁石１２７及び１２９は、永久磁石１２６、１３０から永久磁石１２５、１２８を隔離することに用いることができる。

図２Ｂにおいて、永久磁石１２５及び１２８は、第１の端部１２１に隣接するとともに第１の極性の磁極を有する、１つ以上の磁石の第１の組を形成することができる。永久磁石１２６及び１３０は、第２の端部１２２に隣接するとともに第１の極性と反対の、第２の極性の磁極を有する１つ以上の永久磁石の第２の組を形成することができる。幾つかの例において、永久磁石１２７及び１２９は、１つ以上の永久磁石の第１の組と第２の組との間に配置される１つ以上の永久磁石の第３の組を形成することができ、第１の極性及び第２の極性に直交する極性を有する磁極を有することができる。

一実施形態において、図２Ｂは、６つの別個の永久磁石と、可動質量体１１６の２つの対向する端部に配置される強磁性材料とを示す一方で、他の実施形態は、より多くの若しくはより少ない永久磁石（例えば、４つのみの永久磁石）、又は強磁性材料を有するより多くの若しくはより少ない位置、又はそれらの任意の組み合わせ等の、永久磁石及び強磁性材料の異なる組み合わせを有することができる。

一実施形態において、可動質量体１１６内の複数の永久磁石１２５、１２６、１２８、及び１３０は、図３に示すように、強磁性材料１１８ａ、１１８ｂを磁化するように構成することができる。この図面において、各永久磁石１２５、１２８のそれぞれの端部は、可動質量体１１６の第１の端部１２１において、強磁性材料１１８ａに隣接することができる。幾つかの例において、強磁性材料は、永久磁石の極（例えば、Ｎ極又はＳ極）に配置することができ、永久磁石のＮＳ軸に直交する平面を有することができる。永久磁石１２５及び１２８は、それらの磁極が第１の軸１４０と平行であるように方向付けることができる。同様に、図２Ｂに示すように、永久磁石１２６及び１３０は、可動質量体の第２の端部１２２において、強磁性材料１１８ｂに隣接することができる。

一実施形態において、永久磁石は、可動質量体の第１の端部及び第２の端部において強磁性材料を磁化するように構成することができ、それによって、電流が第１の電磁石に印加されるとき、第１の端部と第２の端部のうちの一方（例えば、第２の端部）における強磁性材料が第１の電磁石に引き付けられ、第１の端部及び第２の端部のうちの他方（例えば、第１の端部）における強磁性材料が第１の電磁石によって斥けられる。図３及び図４に示すように、強磁性材料１１８ａ又は１１８ｂは、強磁性材料のＮ極が強磁性材料の中心にあるように永久磁石によって磁化することができる。

強磁性材料の磁化によって、可動質量体が電磁石１３１、１３２、及び１３３によって生成される磁界によって作動されることが可能になる。図４は、ＡＣ電流を受け取ることによって磁極を生成する電磁石１３１、１３２及び１３３を示している。図４は、時間における或る瞬間（例えば、ｔ＝ｔ_１）におけるそれらの磁極を示している。ｔ＝ｔ_１において、第１の電磁石１３１のＮ極は、可動質量体１１６の第１の端部１２１における強磁性材料１１８ａのＮ極に対向している。第１の電磁石１３１のＳ極は、第２の端部１２２における強磁性材料１１８ｂのＮ極に対向している。したがって、可動質量体の第２の端部１２２は、第１の電磁石１３１に引き付けられ、その一方で、可動質量体の第１の端部１２１は、第１の電磁石１３１によって斥けられる。結果として、可動質量体１１６は、図４に示す矢印の方向を向く力Ｆを受けることができ、その方向に可動質量体を駆動することができる。後の時点（例えば、ｔ＝ｔ_２）において、図４に示す電磁石の磁極は、ＡＣ電流が方向を反転する際に、極性を反転することができる。したがって、ＡＣ電流は、電磁石１３１の磁極の極性の反転に起因して、後の時点（例えば、ｔ＝ｔ_２）において、力の方向を反転させることができる。結果として、ＡＣ電流を印加することによって、可動質量体１１６を第１の軸１４０に沿って前後に移動させる（例えば、振動させる）ことができる。１つの例において、ＡＣ電流は、アクチュエーターの共振周波数である周波数を有することができる。

図面に示すように、可動質量体１１６は、第２の電磁石１３２と第３の電磁石１３３との間に配置することができる。この構成において、可動質量体の第１の端部１２１は、第１の電磁石１３１と第２の電磁石１３２との間に位置することができ、その一方で、可動質量体の第２の端部１２２は、第１の電磁石１３１と第３の電磁石１３３との間に位置することができる。図４に示すように、電磁石１３２及び１３３の双方は、ＡＣ電流を受け取って、磁極を生成することができる。駆動中に電磁石１３１、１３２及び１３３に印加される電流によって、それらの磁極が同じ極性を有することができる。これは、例えば、３つの電磁石１３１、１３２、１３３の各々に対して同一の周波数及び位相を有するそれぞれのＡＣ電流を同時に流すことによって達成することができる。図４及び図５に示すように、３つの電磁石の磁極は全て、第１の軸１４０に沿って位置合わせすることができる。

図４及び図５に示す構成において、第２の電磁石１３２及び第３の電磁石１３３は、可動質量体１１６上に追加の力を作用させることができ、アクチュエーター１１０によって生成される任意の触覚効果の忠実度を改善することができる。例えば、第２の電磁石１３２のＳ極は、第１の端部１２１において強磁性材料１１８ａのＮ極上に引力を作用させることができる。この第２の電磁石１３２によって作用される引力は、同じ第１の端部１２１上の第１の電磁石１３１によって作用される斥力を増大させることができる。加えて、第３の電磁石１３３のＮ極は、第２の端部１２２において強磁性材料１１８ｂのＮ極上に斥力を作用することができる。この斥力は、同じ第２の端部１２２上の第１の電磁石１３１によって作用される引力を増大させることができる。したがって、第２の電磁石１３２及び第３の電磁石１３３は、可動質量体１１６上の第１の電磁石１３１によって作用される力を増大することができる。したがって、３つの電磁石を用いて、２Ｇ、５Ｇ、１０Ｇの加速度値、又は何らかの他の加速度値等の、触覚アクチュエーター１１０のための改善された加速度を提供することができる。

さらに、一実施形態において、第２の電磁石１３２及び第３の電磁石１３３を用いて、可動質量体１１６上に作用する力全体にわたる改善された制御を提供することによって、及び／又はアクチュエーター１１０における所望しない振動に対する制動を提供することによって、高忠実度の触覚効果を提供することができる。幾つかの例において、電磁石１３１が可動質量体の端部において強磁性材料を斥けるとき、電磁石１３１からの単独の斥力の大きさは、予測することが困難であり得る。なぜならば、強磁性材料と、電磁石のその端部における磁界との間の相互作用は、計算することがかなり困難となるからである。したがって、駆動信号と磁気反発から生じる結果としての力との間の関係は、推定することがかなり困難である。一実施形態において、第２の電磁石１３２の存在によって、図５に示すように、２つの電磁石間の離間又は領域である間隙「Ｇ」において第１の電磁石１３１と実質的に線形（リニア）の磁界を生成することによってこの問題に対処することができる。結果として、この間隙における強磁性材料１１８ａは、間隙内の位置に関わらず、一定の力を受けることができる。この２つの電磁石間の相互作用は、駆動信号と可動質量体１１６の第１の端部１２１に作用する力との間のよりシンプルな関係をもたらすことができ、触覚アクチュエーター１１０によって提供される触覚効果のより高い忠実度をもたらすことができる。加えて、第１の端部１２１上で第２の電磁石１３２によって作用される斥力は、その端部において第１の電磁石１３１によって作用される斥力よりも効果的とすることができ、したがって、可動質量体１１６上に作用する力全体と触覚アクチュエーター１１０のためのより良好な周波数応答とに寄与する。

一実施形態において、第２の電磁石１３２及び第３の電磁石１３３を用いて、アクチュエーター１１０において可動質量体１１６の運動（例えば、所望しない振動）を制動することができる。例えば、これらは、双方が可動質量体１１６上に斥力を同時に作用させ、可動質量体１１６をニュートラル位置に押すように構成することができる。幾つかの例において、ＤＣ電流を第２の電磁石１３２及び第３の電磁石１３３に印加して、制動機能を達成することができる。図６において、或るＤＣ電流が第２の電磁石１３２に印加され、別のＤＣ電流が第３の電磁石１３３に印加される。２つのＤＣ電流は反対の方向を有することにより、２つの電磁石が反対の極性で磁極を有するようなる。この構成において、双方の電磁石１３２、１３３は、可動質量体１１６においてそれぞれ強磁性材料のＮ極に対向するＮ極を生成することができる。結果として、双方の電磁石１３２、１３３は、ハウジング１１２内の中心位置等のニュートラル位置に向かって可動質量体１１６を押すことができる。これらのニュートラル位置に向かう斥力は、可動質量体１１６の不所望の振動（例えば、揺動テール）を減衰して取り除くことができる。

一実施形態において、両方の電磁石１３２、１３３が同時に可動質量体１１６引き付けるようにせしめる方向をＤＣ電流が有するようにすることができる。例えば、両方の電磁石１３２、１３３は、それぞれ可動質量体１１６のＮ極に向き合うＳ極を生成するように構成することができる。しかしながら、幾つかの例においては、可動質量体を押すように両方の電磁石１３２、１３３を構成することは、可動質量体を引き付けるように両方の電磁石を構成することよりも好ましい場合がある。これは、例えば、第２の電磁石１３２からの可動質量体への斥力が、第３の電磁石１３３からの斥力よりも僅かに大きい場合であっても、可動質量体が第２の電磁石１３２から押されて離れていくにつれてこのような不均衡が減少するためである。最終的には、可動質量体は、斥力が均衡する点まで押されるか、又は第３の電磁石１３３からの斥力が大きくなる点まで押される。結果として、可動質量体は、斥力が均衡するニュートラル位置（例えば、ハウジング１１２における中心位置）に向かって押される。逆に、両方の電磁石が可動質量体を互いに反対の方向に引き付けているとき、例えば、第２の電磁石１３２からの引力が第３の電磁石１３３からの引力よりも僅かに大きい場合、この不均衡は、逆に、可動質量体が第２の電磁石１３２に引き付けられて接近していくにつれて増大し得る。結果として、可動質量体は、引力が互いに均衡するニュートラル位置から引き離される（例えば、ハウジング１１２における中心位置から離れる）。ある実施形態においては、１つ以上のＡＣ電流を用いて制動効果を生成することができる。例えば、可動質量体１１６を作動させるために第１のＡＣ電流を第１の電磁石１３１に供給するようにしてもよい。可動質量体を制動するために、第１のＡＣ電流と同一の周波数を有し、第１のＡＣ電流と位相が１８０度ずれている、第２のＡＣ電流及び第３のＡＣ電流をそれぞれ第２の電磁石１３２及び第３の電磁石１３３に印加することができる。第２のＡＣ電流及び第３のＡＣ電流は、第１のＡＣ電流の一部が印加されるのと同じ時点において印加することもできるし、第２のＡＣ電流及び第３のＡＣ電流は、第１のＡＣ電流が止まったとき、又は第１のＡＣ電流が止まった後に印加することもできる。

一実施形態において、第１の電磁石１３１、第２の電磁石１３２、及び第３の電磁石１３３は、同一のサイズを有することができる。一実施形態において、第１の電磁石１３１は、第２の電磁石１３２及び／又は第３の電磁石１３３よりも長い（例えば、より多くの巻数のコイルを有する）ものとすることができる。例えば、第２の電磁石１３２及び第３の電磁石１３３の各々は、第１の電磁石１３１のコイルの長さの実質的に半分、又は半分未満の長さを有するコイルを有することができる。概して、第２の電磁石１３２及び第３の電磁石の各々は、第１の電磁石１３１の長さの実質的に半分又は半分未満の長さを有することができる。幾つかの例において、第１の電磁石１３１は、第２の電磁石１３２及び／又は第３の電磁石１３３よりも強力な磁界を生成するように構成することができる。例えば、第２の電磁石１３２及び第３の電磁石１３３の各々は、第１の振幅を有する任意の電流が第２の電磁石１３２及び第３の電磁石１３３のそれぞれの電磁石に提供されるとき、磁界を生成するように構成することができ、磁界は、第１の振幅を有する任意の電流が第１の電磁石１３１に提供されるときに第１の電磁石１３１によって生成される磁界の強度の実質的に半分の強度を有することができる。一実施形態において、第１の電磁石１３１、第２の電磁石１３２、及び第３の電磁石１３３は、０．５Ｇ〜３Ｇの可動質量体上の加速度を生成するように構成される。例えば、加速されている可動質量体が１００ｍｇ〜２００ｍｇである場合、３つの電磁石は、可動質量体上に０．５Ｎ〜６Ｎの合力を作用させるように構成することができる。

一実施形態において、電流源１６０を制御するコントローラー１５０は、触覚アクチュエーター１１０とは別個のプロセッサとすることもできるし、触覚アクチュエーター１１０内に組み込むこともできる。コントローラー１５０は、例えば、ユーザーインターフェースデバイス１０２、１０４上の処理回路（例えば、マイクロプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＰＧＡ）の一部とすることもできるし、アクチュエーター１１０の外部に配置される専用触覚コントローラーとすることもできるし、触覚アクチュエーター１１０内部に組み込まれた触覚コントローラーとすることもできる。コントローラー１５０の機能は、ハードウェア及び／又はソフトウェアにおいて（例えば、有形の非一時的コンピューター可読媒体上に記憶された１つ以上のコンピューター実行可能命令を通じて）実施することができる。一実施形態において、電流源１６０は、ユーザーインターフェースデバイス１０２、１０４のための汎用電源とするもできるし、触覚効果を生成するための専用電源とすることもできるし、任意の他の電源とすることもできる。

一実施形態において、コントローラー１５０は、触覚アクチュエーターによって触覚フィードバックを生成する方法を実行するように構成される触覚コントローラーとすることができる。本方法は、例えば、ハードウェア内で及び／又はソフトウェアを通じて（例えば、非一時的コンピューター可読媒体上に記憶された１つ以上のコンピューター実行可能命令を実行することを通じて）実行することができる。本方法における触覚アクチュエーターは、上記で説明された１つ以上の特徴を有することができる。例えば、アクチュエーターは、ｉ）ハウジングと、ｉｉ）ハウジングに固定される第１の電磁石と、ｉｉｉ）ハウジングに懸架されるとともに第１の電磁石を少なくとも部分的に取り囲む可動質量体とを有することができ、この可動質量体は、可動質量体の第１の端部における強磁性材料と、可動質量体の第１の端部と反対側の可動質量体の第２の端部における強磁性材料と、可動質量体の第１の端部及び第２の端部の強磁性材料を磁化するように構成された複数の永久磁石とを有する。本方法における触覚アクチュエーターは、ｉｖ）ハウジングに固定される第２の電磁石と、ｖ）ハウジングに固定される第３の電磁石とを更に有することができ、第２の電磁石及び第３の電磁石は、可動質量体の互いに対向する端部に対向する。

一実施形態において、本方法は、触覚コントローラーが、触覚効果が触覚アクチュエーターを用いて生成されることを決定するステップを含むことができる。触覚コントローラーは、その後、可動質量体を作動させるために、同一の周波数及び位相を有するＡＣ電流を第１の電磁石、第２の電磁石及び第３の電磁石に印加することができる。触覚コントローラーは、その後ＡＣ電流を止めることができる。ＡＣ電流が止められた後に又は止められたと同時に、触覚コントローラーは、異なる方向を有するＤＣ電流を第２の電磁石及び第３の電磁石に印加して、可動質量体の残存する運動を減衰させることができる。

上記で論述したように、可動質量体１１６は、矩形形状又は半円断面を有するシェル等の任意の形状を有することができる。これらの２つの例示の形状は、内部に第１の電磁石１３１等の電磁石を配置することができる空間（例えば、閉鎖部、キャビティ）を有することができる。この空間は、可動質量体１１６がキャビティ内で電磁石１３１と衝突することなく運動の予想範囲で動くための空所を提供するのに十分に大きいものとすることができる。これらの２つの例示の形状は、図７Ａ及び図７Ｂ（線Ａ−Ａに沿った）並びに図８Ａ及び図８Ｂ（線Ｂ−Ｂに沿った）における断面図によって示されている。図７Ａは、可動質量体１１６が矩形のフレーム又は閉鎖部の形状を有し、永久磁石（例えば、１２５及び１２８）を閉鎖部の両方の側部に有する、一例を示している。断面図は、ハウジング１１２内で浮いている可動質量体１１６を更に示している。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、可動質量体１１６をばねによって懸架することができる。破線の外形線で示す、第１の電磁石１３１がハウジングの背後に更に配置され、ハウジングの床に固定される。

図７Ｂは、半円断面を有するシェルの形状を有する可動質量体１１６Ｂを示している。この場合、断面図は、可動質量体１１６の端部において強磁性材料を磁化するための、円筒形状を有する単一の永久磁石１２５を示している。図７Ａ及び図７Ｂの双方において、第１の電磁石１３１は、基部構造体１７０を介してハウジング１１２の床に間接的に固定されるように示されている。

図８Ａ及び図８Ｂは、可動質量体１１６の端部１２１における強磁性材料１１８ａ／１１８ａ’の断面図を示している。図８Ａの実施形態において、強磁性材料１１８ａは、矩形プレートの形状を有することができる。図８Ｂの実施形態では、強磁性材料１１８ａ’は、半円プレートの形状を有することができる。双方の図面は、強磁性材料の中心においてＮ極を有するように磁化される強磁性材料を示している。

種々の実施形態を上述してきたが、これらの実施形態は、限定としてではなく本発明の単なる説明及び例示として提示されていることを理解すべきである。形式及び細部における種々の変更は本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく本発明内で行うことができることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、上述の例示的な実施形態のいずれかによって限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によってのみ規定されるべきである。本明細書において論考された各実施形態、及び本明細書において引用された各引用文献の各特徴は、他の任意の実施形態の特徴と組み合わせて用いることができることも理解されるであろう。

本願は、２０１６年１１月３日に出願された米国特許出願第１５／３４２，７４３号の利益を主張し、この出願の開示は引用することによりその全体が本明細書の一部をなす。さらに、本明細書において論考された全ての特許及び刊行物はその全体が、引用することにより本明細書の一部をなす。

Claims (16)

1. ハウジングと、
   第１の電磁石であって、前記ハウジングに固定され、該第１の電磁石の第１の端部及び第２の端部において第１の軸に整合する磁極を有するように構成された、第１の電磁石と、
   前記ハウジング内に配されるとともに前記第１の電磁石を少なくとも部分的に取り囲む可動質量体であって、
   ｉ）該可動質量体の第１の端部における強磁性材料と、該可動質量体の前記第１の端部とは反対側の該可動質量体の第２の端部における強磁性材料と、前記第１の軸が該可動質量体の前記第１の端部及び前記第２の端部を通過するようにされており、
   ｉｉ）該可動質量体の前記第１の端部及び前記第２の端部における前記強磁性材料を磁化するように構成された複数の永久磁石であって、電流が前記第１の電磁石に印加されるとき、前記第１の端部及び前記第２の端部のうちの一方における前記強磁性材料が前記第１の電磁石に引き付けられ、前記第１の端部及び前記第２の端部のうちの他方における前記強磁性材料が前記第１の電磁石によって斥けられるようになっている、複数の永久磁石と、
   前記ハウジングに固定されるとともに、前記第１の軸と整合する磁極を有するように構成された、第２の電磁石と、
   前記ハウジングに固定されるとともに、前記第１の軸と整合する磁極を有するように構成された、第３の電磁石と、
   を備え、前記第２の電磁石及び前記第３の電磁石は、前記可動質量体の対向する端部にそれぞれ対向し、前記可動質量体の前記第１の端部は、前記第１の電磁石と、前記第２の電磁石及び前記第３の電磁石のうちの一方との間にあり、前記可動質量体の前記第２の端部は、前記第１の電磁石と、前記第２の電磁石及び前記第３の電磁石のうちの他方との間にあるようになっている、触覚アクチュエーター。
2. 前記第２の電磁石及び前記第３の電磁石は、それぞれ、前記ハウジングの互いに対向する第１の端部及び第２の端部に固定される、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
3. 前記第１の電磁石、前記第２の電磁石、及び前記第３の電磁石の各々に、該電磁石の前記磁極が同じ極性を有するように、それぞれ電流を提供することによって、前記可動質量体が作動するように構成された、コントローラー、
   を更に備える、請求項２に記載の触覚アクチュエーター。
4. 前記コントローラーによって前記第１の電磁石、前記第２の電磁石、及び前記第３の電磁石に提供され、前記可動質量体の前記作動をもたらす前記それぞれの電流は、同一の周波数及び同一の位相を有する、請求項３に記載の触覚アクチュエーター。
5. 前記コントローラーによって前記第１の電磁石、前記第２の電磁石、及び前記第３の電磁石に提供され、前記可動質量体の前記作動をもたらす前記それぞれの電流は、前記可動質量体の共振周波数に対応する、請求項４に記載の触覚アクチュエーター。
6. 前記ハウジングは、該ハウジング内に前記可動質量体を懸架するばねを備える、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
7. 前記コントローラーは、前記第２の電磁石の前記磁極及び前記第３の電磁石の前記磁極が互いに反対の極性を有するように、前記第２の電磁石及び前記第３の電磁石にそれぞれ電流を提供することによって、前記可動質量体の制動をもたらすように構成される、請求項３に記載の触覚アクチュエーター。
8. 制動をもたらすように前記コントローラーによって提供される前記それぞれの電流は、前記第２の電磁石及び前記第３の電磁石をして前記可動質量体を斥けさせるようにする電流である、請求項７に記載の触覚アクチュエーター。
9. 制動をもたらすように前記コントローラーによって提供される前記それぞれの電流は、前記第２の電磁石に提供される第１の直流電流と、前記第３の電磁石に提供される第２の直流電流とを含み、前記第１の直流電流は、前記第２の直流電流と反対の方向である、請求項８に記載の触覚アクチュエーター。
10. 前記複数の永久磁石は、前記可動質量体の前記第１の端部に隣接するとともに第１の極性を有する磁極を有する１つ以上の永久磁石の第１の組を含み、前記可動質量体の前記第２の端部に隣接するとともに前記第１の極性とは反対の第２の極性を有する磁極を有する１つ以上の永久磁石の第２の組を含む、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
11. 前記１つ以上の永久磁石の第１の組と前記１つ以上の永久磁石の第２の組との間に位置する１つ以上の永久磁石の第３の組を更に含み、前記第３の組の前記１つ以上の磁石は、前記第１の極性及び前記第２の極性に直交する極性を有する磁極を有する、請求項１０に記載の触覚アクチュエーター。
12. 前記触覚アクチュエーターは、ソレノイド共振アクチュエーター（ＳＲＡ）である、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
13. 前記第２の電磁石及び前記第３の電磁石の各々は、第１の振幅を有する電流が前記第２の電磁石及び前記第３の電磁石のそれぞれの電磁石に供給されるとき、磁界を生成するように構成され、前記磁界は、前記第１の振幅を有する電流が前記第１の電磁石に供給されるときに前記第１の電磁石によって生成される磁界の強度の実質的に半分の強度を有する、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
14. 前記第１の電磁石、前記第２の電磁石及び前記第３の電磁石の各々は、強磁性コアの周囲に巻かれたコイルを備え、前記第２の電磁石及び前記第３の電磁石の各々は、前記第１の電磁石の前記コイルの長さの実質的に半分の長さを有するコイルを有する、請求項１３に記載の触覚アクチュエーター。
15. 前記可動質量体は、貫通する中心開口を備えた矩形フレームとして形成される、請求項１に記載の触覚アクチュエーター。
16. 前記可動質量体は、互いに平行である第１の対の壁を備え、互いに平行であるとともに前記第１の対の壁に直角である第２の対の壁を備え、前記第１の対の壁及び前記第２の対の壁は、内部に前記第１の電磁石が配置される前記中心開口を少なくとも部分的に取り囲み、前記可動質量体の前記第１の端部及び前記第２の端部における前記強磁性材料は、前記第１の対の壁に埋め込まれるか又は該第１の対の壁を形成し、前記複数の永久磁石は、前記第２の対の壁に埋め込まれるか又は該第２の対の壁を形成する、請求項１５に記載の触覚アクチュエーター。