JP2019220161A - ハプティック・アクチュエータの減衰 - Google Patents
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Abstract
【課題】ハプティック振動を減衰させるための装置及び方法を提供する。【解決手段】ハプティック出力装置は、装置ハウジング内に配置される。ハプティック出力装置は、ハプティック・アクチュエータ210およびハプティック質量を有し、ハプティック質量はハウジングに対して動くことができる。減衰機構は、装置ハウジング内に配置される。コントローラ186は、第1の時刻で、ハプティック信号を発生させて、ハプティック・アクチュエータ210に送出し、第1の時刻の後に生じる第2の時刻で、減衰信号を発生させて減衰機構に送出する。方法は、ハウジング内にあるハプティック質量を動かすステップと、ハプティック質量を動かすステップに応じてハウジングを振動させるステップと、ある期間の後に、ハプティック質量の動きを減衰させるステップと、ハプティック質量の動きを減衰させるステップに応じてハウジングの振動を実質的に除去するステップを含む。【選択図】図12
Description
本特許文書はハプティック・アクチュエータ(haptic actuators)に関し、より詳細には、ハプティック・アクチュエータの減衰(damping)に関する。
ハプティック効果(haptic effects)は、人と電子装置の相互作用を高めるために用いられる。ハプティック効果によって、使用者は、典型的にはハプティック出力装置によって発生させられた接触感覚または触覚感覚(touch or tactile sensation)を経験することができる。このような装置は一般に、質量(mass)を前後に駆動して、または動かして振動を生成するハプティック・アクチュエータを有する。動作時、ハプティック信号は、ハプティック・アクチュエータに加えられてハプティック・アクチュエータを動かす、または振動させる。次いで、ハプティック・アクチュエータは、質量を動かして振動を発生させる。振動を止めるために、ハプティック信号は止められ、次いで、ブレーキ・パルスまたは信号がハプティック・アクチュエータに加えられる。ブレーキ・パルスまたは信号は、ハプティック信号とは位相がずれ、典型的には180°位相がずれている。これは、ハプティック・アクチュエータが逆方向に動くように促し、それによって、アクチュエータおよびハプティック質量(haptic mass)の動きが止まる。
このようなハプティック出力装置に伴う問題としては、ハプティック事象(haptic event)に関連した事象が終わった後に、ある期間の間、ハプティック・アクチュエータが振動し続ける、または動き続けるテール振動(tail vibration)を質量が有する可能性があることである。ハプティック効果が所望の期間より長く続く。その結果、このようなブレーキ技法は、極めて短時間のハプティック効果を発生させるためには有効ではない。
この特許文書の一態様は、ハプティック振動を減衰させるための装置を対象とする。ハプティック出力装置は、装置ハウジング内に配置される。ハプティック出力装置は、ハプティック・アクチュエータおよびハプティック質量を有し、ハプティック質量はハウジングに対して動くことができる。減衰器(damper)は、装置ハウジング内に配置される。コントローラは、第1の時刻で、ハプティック信号を発生させて、ハプティック・アクチュエータに送出し、第1の時刻の後に生じる第2の時刻で、減衰信号(damping signal)を発生させて、減衰器に送出するようにプログラムされる。
この特許文書の別の態様は、ハプティック振動を減衰させる方法を対象とする。本方法は、ハウジング内にあるハプティック質量の位置を動かすステップと、ハプティック質量を動かすステップに応じてハウジングを振動させるステップと、ある期間の後に、ハプティック質量の動きを減衰させるステップと、ハプティック質量の動きを減衰させるステップに応じてハウジングの振動を実質的に除去するステップとを含む。
図面を参照して様々な実施形態を詳細に説明する。ここでは、いくつかの図面にわたって、類似の参照符号は類似の部品および組立体を表す。様々な実施形態を参照するが、これらは添付の特許請求の範囲を限定するものではない。さらに、本明細書で述べるいかなる例も、限定することを意図したものでなく、添付の特許請求の範囲に対する多くの可能な実施形態のうちのいくつかを述べたものすぎない。
適切な場合はいつでも、単数形で用いられている用語は複数形を含み、また、その逆の場合もある。本明細書では、「1つ(a)」の使用は、特に断らない限り、または「1つまたは複数(one or more)」の使用が明らかに不適切でない限り、「1つまたは複数」を意味する。「または(or)」の使用は、特に断らない限り、「および/または」を意味する。「備える(comprise、comprises、comprising)」、「含む(include、includes、including)」、「有する(has、having)」の使用は相互に交換可能であって、限定することを意図したものではない。「など(such as)」という用語もまた、限定することを意図したものではない。例えば、「含む(including)」という用語は、「含むが、それに限定されるものではない」を意味するものとする。
本明細書で開示される値および構造物は近似的なものであり、これらは、環境因子、製造工程および製造機器における公差および誤差範囲(tolerances and margins of error)、異なる材料の性能、装置の摩損、ならびに他の因子などの様々な因子のため変わり得る。近似の用語の例としては、「約(about)」、「ほぼ(approximately)」、および「実質的に(substantially)」が含まれる。
大まかに言えば、本特許文書は、ハプティック出力装置の動きまたは振動を減少させるまたは除去するためにハプティック・アクチュエータの動きを減衰させることに関する。減衰させるということは、アクチュエータの動きを小さくする、または完全に止めることとすることができる。本明細書で開示する実施形態の利点は、ハプティック・アクチュエータを極めて急速に減衰させて、その結果、極めて短いハプティック効果を発生させることができることである。極めて短いハプティック効果が有用になり得る用途としては、クリックなどの極めて短い触覚感覚を有するボタンまたはスイッチをシミュレートまたはエミュレートすることが含まれる。別の例は、ボールが弾むのをシミュレートする触覚感覚である。
ハプティック効果を発生させることに対する多くの他の用途があり得る。例えば、本明細書で開示する実施形態はまた、より長い持続時間を有するハプティック効果とともに用いることができる。減衰を徐々に増大/減少させて、直線運動、回転、加速、減速、あるいは坂を上りまたは下りすること、の感覚を与えることができる。さらに他の例では、電子装置が、タッチ・スクリーンまたは自由空間での身ぶりなどのユーザ・インタフェースを通じて、身ぶりを感知すると減衰を変えることができる。電子装置が、(1)上下、(2)左右、(3)前後、(4)ヨー(yaw)(鉛直軸周りの回転または運動)、(5)ピッチ(水平軸周りの回転または運動)、および(6)ロール(roll)(直交水平軸周りの回転または運動)の6自由度(6DOF:six degrees of freedom)にわたって動いてもまた、減衰を変えることができる。減衰を増大させる、減衰を減少させる、減衰を昇降させる、減衰を調整する、減衰を振動させる、減衰の長さまたは振幅の他の変化、およびこれらの組み合わせによって減衰を変えることができる。このタイプの減衰の制御は、ハプティック効果を設計するとき、ハプティック開発者に非常に大きな柔軟性を与える。
本明細書で使用するとき、ハプティック・アクチュエータは、ハプティック質量の動きを制御するハプティック・アクチュエータを含む、機械的な動きを有する任意のアクチュエータとすることができる。ハプティック・アクチュエータの例としては、モータなどの機構、ソレノイドなどのリニア・アクチュエータ、磁気または電磁機構、ならびに形状記憶合金、圧電材料、電気活性ポリマ、およびスマート流体(smart fluids)を含む材料などのスマート材料が含まれる。
本明細書で開示し、減衰機構とともに用いられるハプティック・アクチュエータは、シンバルを駆動して圧電変換器の振動を増幅する圧電変換器を有する圧電アクチュエータ、およびばねに取り付けられた質量が前後に駆動されるリニア共振アクチュエータ(LRA:Linear Resonant Actuator)を含む。
しかしながら、本明細書で開示するものなどの減衰機構は、機械的な運動を発生させる任意のタイプのハプティック・アクチュエータとともに用いることができる。他の例としては、他のタイプの圧電アクチュエータ、他のタイプのLRA、ソレノイド共振アクチュエータ(SRA:solenoid resonant actuator)、電磁アクチュエータ、偏心回転質量(ERM:Eccentric Rotating Mass)を駆動するモータまたはスマート材料、外力に曝された(exposed)ときに、または外力に刺激を受けたときに動く(電気活性ポリマまたは形状記憶合金などの)スマート材料、ボイス・コイル・アクチュエータ、電気活性ポリマ(EAP:electro−active polymer)アクチュエータ、可動磁石アクチュエータ、スマート・ゲル、変形可能な表面、あるいは任意の他のハプティック出力装置またはハプティック出力装置を振動させる機械的な動きを有する構成部品群が含まれる。
さらに、本明細書で開示するハプティック・アクチュエータおよび減衰機構は、ハプティック効果を有することが望ましい任意の電子装置とともに使用することができる。例としては、携帯電話、スマート・フォン、ゲーム・コントローラ、タブレット・コンピュータ、計算器、ゲーム機、ハプティック動作可能なウェアラブル装置、医療装置、医療用モニタ、安全機器、GPS装置、自動車構成部品、眼鏡、ヘルメット、腕時計、スマート・ウォッチ、および任意の他の電子装置が含まれる。
図1は、減衰前後のハプティック・アクチュエータの動きをプロットしたグラフである。このグラフは、時間とともに動くハプティック・アクチュエータの振幅aをプロットしたものである。減衰は時刻t1において始まる。グラフの振幅軸に沿った0の振幅値は、アクチュエータが自然状態または静止状態にあるときのアクチュエータの位置である。本明細書で開示する実施形態は、ゼロ(0)の時刻と時刻t1との間の期間が望ましいまたは決められた任意の値を有するように構成またはプログラムすることができる。1つの可能な例では、時刻t1は15マイクロ秒である。あるいは、ハプティック・アクチュエータの動きを減少させるように減衰させることはできるが、動きを完全に取り除くことはできない。さらに他の実施形態では、ハプティック・アクチュエータの動きは、ハプティック・アクチュエータの減衰を様々な時点で増減して様々なハプティック効果を生成するように制御される。
図2から4は、対向するシンバル102aと102bの間に配置された圧電変換器114を有するハプティック・アクチュエータ100を示す。各シンバルは、縁部104と、弓形部(bow)108と、縁部104と弓形部108の間をつなぐテーパ部(taper)106とを有する。さらに、各シンバル102aおよび102bと圧電変換器114の間に空洞(cavity)112が画定される。各シンバル102aおよび102bはまた、それの弓形部108内に、空洞112と流体連通(in fluid communication)するポート110を有する。動作時、電気信号またはハプティック信号が圧電変換器114に加えられると、圧電変換器114は動いて、または曲がって振動する。シンバル102aおよび102bは振動を増幅し、金属などの任意の適切な材料より作ることができる。図2に示したハプティック・アクチュエータ100の例は、ニューヨーク州ユニオンデールのTDK U.S.A. CorporationからPowerHap(登録商標)という商品名で市販されている。
図5は、固定台118と、ハプティック質量120と、ばね122aおよび122bと、減衰機構124と、ハプティック・アクチュエータ100とを有するハプティック出力装置116を示す。この実施形態では、固定台118は、ハプティック出力装置116の他の構成部品に対して固定された、または動くことができない位置にあり、またハプティック出力装置116が取り付けられた電子装置に対して固定された位置にある。ハプティック質量120は、ばね122aおよび122bによって固定台118に動作可能に接続される。ハプティック・アクチュエータ100は、固定台118と移動質量(moving mass)120の間に配置される。シンバル102bは、固定台118の方を向いてそれに動作可能に接続され、シンバル102aは、移動質量120の方を向いてそれに動作可能に接続される。ハプティック出力装置116は、電子装置内に取り付けられる。
減衰機構124は、移動質量120の近位に配置される。例示的な実施形態では、減衰機構124は、移動質量120の非常に近くに配置されるが、接触はしない。他の代替の実施形態では、電磁減衰器124は、移動質量120およびハプティック・アクチュエータ100の動きを制御することができる限り、移動質量120に対して他の位置を有することができる。
例示的な実施形態ではまた、減衰機構124は、電磁減衰機構を形成するように電気コイルを含む。移動質量120は、磁場によって吸引または反発する(attract or repel)鉄系材料を含む。動作時、ハプティック・アクチュエータ100の圧電変換器114は、それを振動させる電気信号またはハプティック駆動信号を受け取る。シンバル102aおよび102bは振動を増幅して、ハプティック質量120を固定台118に対して動かす。移動質量120は振動して、ハプティック出力装置116が取り付けられた電子装置もまた振動させる。所定の期間が経過するなど決められた事象後に、減衰機構124はエネルギーが与えられる。減衰機構124が電磁コイルを含む場合、電流がコイルを流れ、次いでコイルが、移動質量120を吸引または反発して動きまたは振動を止める磁場を発生させる。磁場が移動質量120を吸引するか反発するかは、電磁コイルを通る電流の方向およびその結果生じる磁場の向きによる。あるいは、電磁減衰器124は、それの磁場をハプティック質量120に対して加えることに加えて、またはその代わりに、その磁場を直接ハプティック・アクチュエータ100に加えるように配置される。
他の実施形態では、減衰機構124は、ハプティック質量120またはハプティック・アクチュエータ100の動きを止めるための、電磁コイル以外の機構、または電磁コイルに加えた機構を有する。例えば、減衰機構124は、電場を発生させる材料または変換器を有することができ、移動質量120は、電場に曝されたときに決められた方向に動くように促される材料を有することができる。
代替の実施形態では、シンバル102aおよび102bの一方または両方の空洞112は、磁場、電場、電流、または電圧などの外力に曝される、または刺激されると、粘度が変化するスマート流体で満たされる。例示的な実施形態では、スマート流体の粘度は、刺激されていないと約1mPasから約100mPasの範囲であり、スマート流体の粘度は、刺激されると約100mPasから約10,000mPasの範囲である。
スマート流体の一例は、磁気粘性流体(MRF:magnetorheological fluid)などの強磁性流体(ferrofluid)である。MRFは、媒体流体中に懸濁された大きなサイズの磁性粒子である。磁性粒子は、磁場に曝す(expose)ことによって選択的に分極されることができる。磁化されていない状態では、磁性粒子は、媒体流体中にランダムに分散されている。磁場が強いほどMRFの粘度は高く、磁場が弱いほどMRFの粘度は低い。磁場が無ければ、MRFは、ハプティック・アクチュエータ100の動きまたは振動に対して最小限の減衰しか与えない。
MRFが、減衰機構124のコイルからの磁場に曝されると、MRFは磁化状態に入り、磁性粒子は、磁気双極子モーメント(magnetic dipole moments)を発生させて分極化される。分極化された粒子は、磁場に対する磁束線の一般的な方向に列方向に整列する。磁性粒子が整列すると、MRFの粘度が高くなる、またはMRFの圧縮性が小さくなる。MRFの粘度が高いほど、ハプティック・アクチュエータ100の動きまたは振動に対する減衰効果は大きくなる。磁場の強度が増大すると、磁性粒子の双極子モーメントもまた増大し、それが、磁性粒子間の吸引力を増大させる。この増大した吸引力が、MRFの粘度をさらに高くし、ハプティック・アクチュエータ100の動きまたは振動への減衰効果をさらに増大させる。磁場の強度が減少すると、磁性粒子の双極子モーメントもまた減少し、それが、磁性粒子間の吸引力を減少させる。この減少した吸引力が、MRFの粘度を低くし、MRFの減衰効果を減少させる。この実施形態では、減衰機構124およびハプティック・アクチュエータ100は、磁場の強度または大きさを調節することによって、所望の減衰応答を与えるように調整することができる。磁場が強いほどMRFの粘度は高く、磁場が弱いほどMRFの粘度は低い。
スマート流体の別の例は、電場に曝されると粘度を変化するように刺激される電気粘性流体(electrorheological fluid)である。他の実施形態は、さらに他のタイプのスマート流体を使用することができ、磁場または電場以外の他のタイプの力によって刺激することができる。
図6は、ハプティック出力装置および減衰機構の代替の実施形態である。この実施形態では、ハプティック出力装置125は、ハプティック出力装置116に実質的に類似しており、固定台128と、移動質量120と、ばね122aおよび122bと、ハプティック・アクチュエータ100とを含む。固定台128は、固定台128の外面と、シンバル102bおよび空洞112に画定されたポート110の間を流体連通する流体ダクト136を画定する。減衰機構125は、ポンプ130と、減衰流体(damping fluid)を保持する貯槽134と、ポンプ130と流体ダクト136の間を流体連通する導管132aと、貯槽134とポンプ130の間を流体連通する導管132bとを含む。減衰流体は、貯槽134と空洞112の間を容易に流れるのに、およびシンバル102bと圧電変換器114の間の動きを減衰させるのに適した任意の流体とすることができる。
アクチュエータ100の振動または動きを減衰させるために、ポンプ130は流体を貯槽134からシンバル102bの空洞112に注入する。流体は、シンバル102bおよび圧電変換器114の振動を遅くし、または止めて、移動質量120の動きを止めて、ハプティック出力装置125の振動を止めて、電子装置の振動を止める。ハプティック・アクチュエータ100の動きを減衰させた後に、ポンプ130は流れを逆にして、減衰流体を空洞112から除去、流出、および排出し、その結果、ハプティック・アクチュエータ100を再び作動させ、動かす、または振動させることができる。
ポンプ130は、任意のタイプの機構、電気化学プロセス、毛細管機構、あるいは流体を流すことができる他の現象または働きとすることができる。このようなポンプ機構およびプロセスの例としては、電極、磁気および静電機構、電気化学反応、機械的機構、マイクロ電気機械(MEMS:microelectromechanical)機構、ナノ電気機械スケール(NEMS:nanoelectromechanical scale)機構、あるいは、流体もしくはスマート流体を貯槽134と空洞112の間で動かす、またはそのような流体が貯槽134と空洞112の間を動くようにする任意の他のタイプのものまたはプロセスが含まれる。スマート流体は減衰流体として動作することができる。
代替の実施形態は、様々な構成のポンプ、1つまたは複数のポンプ、あるいは他の機構を使用して、ハプティック・アクチュエータ100の動きを減衰させるために減衰流体を移動および貯蔵することができる。他の代替の実施形態は、流体を両方のシンバル102aおよび102bの空洞112に注入することができ、それによってより強い減衰またはより急速な減衰応答時間を得ることができる。このような代替の実施形態は、2つのポンプおよび貯槽の組立体(assembly)、2つのポンプおよび単一の貯槽の組立体、または、単一のポンプおよび単一のポンプから両方のシンバル102aおよび102bのポート110への2つの流体通路、を含むことができる。さらに別の実施形態は、圧電変換器114を通って、両方のシンバル102aおよび102bによって画定された空洞112間を流体連通させるポートを含む。
図7は、減衰機構140の代替の実施形態を示す。この実施形態では、減衰機構140は、ハプティック出力装置116に実質的に類似しており、固定台142と、移動質量144と、ばね146aおよび146bと、減衰アクチュエータ148とを含む。図示の例では、減衰機構140は、移動質量144が移動質量120に対向するように配向されている。減衰アクチュエータ148は、移動質量144が移動質量120と位相がずれて振動するように動作させられる。例示的な実施形態では、移動質量144の動きは、移動質量120と180°位相がずれている。他の実施形態では、移動質量144と移動質量120との動きの間の位相差は180°より小さく、0°より大きい。
減衰機構140は、ハプティック出力装置116に直接対向するように示されているが、他の実施形態は、ハプティック機構140とハプティック出力装置116の異なる配置を有する。例えば、減衰機構140とハプティック出力装置116は、より遠くにまたはより近くに間隔を空けて配置する、並べて配置する、互いからずらす、あるいは、移動質量120および144が平行で同じ方向を向くように、または互いに対してある角度が付くように向くように配向することができる。さらに他の実施形態では、減衰機構140とハプティック出力装置116は、電子装置内の異なる位置にある。
図示の実施形態では、減衰アクチュエータ148とハプティック・アクチュエータ100は同じタイプのアクチュエータである。他の実施形態では、減衰アクチュエータ148はハプティック・アクチュエータ100とは異なる種類のアクチュエータである。
図8は、減衰機構140に実質的に類似の減衰機構150を示す。この実施形態では、減衰機構150は移動質量を有さない。減衰機構150は、ハプティック・アクチュエータ100から移動質量120の反対側に配置される。作動すると、減衰アクチュエータ148は、移動質量120がハプティック・アクチュエータ100の反対方向に動くように促す。移動質量120を反対方向に動かすように促す動きは、ハプティック質量の動きを減衰させて、ハプティック・アクチュエータ100およびハプティック出力装置116の振動の動きを減衰させる。
図9は、ハプティック質量156と、ハウジング158と、ばね160と、磁気コイル162とを有するLRA154を示す。ハウジングは空洞184を画定する。ハプティック質量156は鉄系材料を含み、空洞184内に配置される。ばね160は、ハプティック質量156とハウジング158の間に接続される。ばね160は、ハプティック質量156がハウジング158の長さの中間位置において静止位置161となるように促す。磁気コイル162は、ハプティック質量156の移動経路に沿って空洞184の周りに巻かれて、ハプティック質量156の静止位置161の両側に沿って延在する。使用時、磁気コイル162は、エネルギーを与えられて、空洞184を通ってハウジング158の長さに沿って延在する磁場を発生させる。磁場は移動質量156を一方向に動かすように促し、ばね160を伸ばす、または圧縮する。移動質量156が決められた距離動いた後に、ばね160の力は移動質量156が反対方向に動くように促す。移動質量156が反対方向に所定の距離動くと、ハプティック質量156は再び方向を逆転する。ハプティック質量156の前後の動きがハプティック・アクチュエータ154を振動させる。代替の実施形態では、ハプティック質量156の表面に電気絶縁体がある。
減衰機構は、電気吸着(electro-adhesion)を使用してハプティック移動質量156の動きを減衰させ、電気的接地(electrical ground)164と、電極166と、電気絶縁体168とを含む。ハプティック質量156は導電性であり、電気的接地164に電気的に接続される。動作時、電極166はエネルギーを与えられて、電極166とハプティック質量156の間に電位を生成する。ハプティック質量156は電極166の方に動くように促されて、ハプティック質量156とハウジング158の間に摩擦を生成する。摩擦は、ハプティック質量156の動きを減衰させ、ハプティック質量156の動きを止めるまたは遅くして、静止位置161に止め、ハプティック・アクチュエータ154が振動するのを止める。
図10は、LRA154に対する代替の減衰機構を示す。この実施形態では、減衰機構は、電気的接地164と、電極172および電気絶縁体170とを含む。しかしながら、ハウジング158は接地164に電気的に接続される。電極172および電気絶縁体170は、移動質量156に取り付けられる。電極172は、ばね160を通じて電源と電気的に連通している。電気絶縁体170は、電極172とハウジング158の間に配置される。あるいは、電気絶縁体170は、移動質量156の代わりに空洞184に近位のハウジング158に動作可能に接続することができる。図10に示す減衰機構は、図9に示し本明細書で説明した減衰機構と実質的に同じように動作する。
さらに他の実施形態は、LRAにおいてハプティック質量156の動きを減衰させるために使用された、図5に示した減衰機構124に類似の電磁石減衰機構を使用する。これらの実施形態では、電磁石は、ハプティック質量156の動きに沿ってハウジング158の端部に配置される。電磁石にエネルギーが与えられると、その結果生じた磁場はハプティック質量156をハウジング158の端部の方へ吸引し、ハプティック質量156の動きを止める、または遅くする。あるいは、電磁石はハウジング158の側面に沿って配置され、ハプティック質量156の動きに平行に延在する。これらの実施形態において、電磁石にエネルギーを与えられると、ハプティック質量156はハウジング158の側面に当たるように促されて、摩擦または吸着を生成して、ハプティック質量156の動きを遅くする、または止める。さらに他の実施形態では、減衰機構は、電磁石および電気吸着の両方を含むことができる(例えば、電極、絶縁体、および接地の構成)。
さらに他の実施形態では、空洞184は、磁場、電場、電流、または電圧などの外力に曝される、または刺激されると、粘度が変化するススマート流体で満たされる。この実施形態では、減衰機構は、電磁石、電極、または外力を発生させ、発生した外力を空洞184内の流体に加えるように配置された他の変換器を含む。
図11は、LRA174および減衰機構178の別の代替の実施形態を示す。この実施形態では、LRA174は、LRA154に実質的に類似しており、ハプティック質量156と、ばね160と、コイル162と、ハウジング175とを含む。ハウジング175は空洞184を画定する。減衰機構178は、減衰機構127に実質的に類似しており、減衰流体で満たされた貯槽134と、ポンプ130と、貯槽134とポンプ130の間を流体連通する導管132bと、ポンプ130と流体ダクト176の間を流体連通する導管132aとを含む。減衰機構178は、減衰機構127に実質的に類似に動作するが、減衰流体を空洞184に出し入れする。
代替の実施形態は、本明細書で開示した組み合わせ以外の、ハプティック・アクチュエータと減衰機構の組み合わせを使用することができる。さらに、本明細書で開示したアクチュエータ以外のハプティック・アクチュエータとともに減衰機構を使用することができる。さらに他の実施形態は、本明細書で開示した減衰機構に加えて、またはその代わりに、異なるタイプの減衰機構を使用することができる。
次に図12を参照すると、本明細書で開示するハプティック・アクチュエータ210および減衰機構208のためのコントローラ186は、バス214と、プロセッサ190と、入力/出力(I/O:input/output)コントローラ202と、メモリ192と、クロック188と、ハプティック駆動回路206と、減衰駆動回路204とを備える。バス214は、I/Oコントローラ202およびメモリ192を含むコントローラ186の様々な構成部品をプロセッサ190に結合する。バス214は、典型的には、制御バス、アドレス・バス、およびデータ・バスを含む。しかしながら、バス214は、コントローラ186内の構成部品間のデータを伝送するのに適した任意のバス、またはバスの組み合わせとすることができる。
プロセッサ190は、情報を処理するように構成された任意の回路を備えることができ、任意の適切なアナログまたはデジタル回路を含むことができる。プロセッサ190はまた、命令を実行するプログラマブル回路を含むことができる。プログラマブル回路の例としては、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路(ASIC:application specific integrated circuit)、プログラマブル・ゲートアレイ(PGA:programmable gate array)、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ(FPGA:field programmable gate array)、あるいは命令を実行するために適した任意の他のプロセッサまたはハードウェアが含まれる。様々な実施形態では、プロセッサ190は、単一の装置、あるいは単一のコントローラまたは別個の装置内に物理的に配置された2つ以上の装置の組み合わせを備えることができる。
I/Oコントローラ202は、コントローラ186、および周辺装置または外部装置の動作を監視する回路を備える。I/Oコントローラ202はまた、コントローラ186と周辺装置または外部装置(図示せず)の間のデータの流れを管理する。外部装置は、コントローラ186およびハプティック・アクチュエータ210が組み入れられた同じ物品または装置内に配置することができる、またはシステムの外部に配置することができる。I/Oコントローラ202がインタフェースをとることができる他の周辺装置または外部装置の例としては、センサ、外部記憶装置、モニタ、キーボードなどの入力装置、マウスまたは押しボタン、外部コンピューティング装置、モバイル装置、送受信器、およびアンテナが含まれる。
ハプティック駆動回路206は、本明細書でより詳細に説明するように、プロセッサ190から命令を受け取って、ハプティック駆動信号を発生させて、次いで、それをハプティック・アクチュエータ210に加える。同様に、減衰駆動回路204は、プロセッサ190から命令を受け取って、減衰信号を発生させて、それを減衰機構208に加える。少なくともいくつかの実施形態では、減衰信号とハプティック信号の発生の間の遅延時間は、0秒より長く約20mSよりも短い。他の実施形態では、遅延時間は約10mSより短い。他の実施形態では、遅延時間は約15mSである。さらに、減衰信号は、ハプティック信号と位相がずれている。例えば、減衰信号は、減衰信号と約180°位相をずらすことができる。他の実施形態では、減衰信号のハプティック信号からの位相のずれは、0°より大きく、180°より小さい。
クロック188は、コントローラ186内の様々なハードウェア構成部品の動作を同期させるために使用される周期信号を発生させる。本明細書でより詳細に開示するように、クロック188はまた、ハプティック・アクチュエータ210と減衰機構208の動作を協調させるために使用される時間間隔を測定するために使用することができる。
メモリ192は、ランダム・アクセス・メモリ(RAM:random access memory)、読み出し専用メモリ(ROM:read only memory)、電気的に消去可能なプログラマブル読出し専用メモリ(EEPROM:electrically erasable programmable read−only memory)、フラッシュ・メモリ、磁気メモリ、光メモリ、または任意の他の適切なメモリ技術などの揮発性メモリを備えることができる。メモリ192はまた、揮発性メモリと非揮発性メモリの組み合わせを備えることができる。
メモリ192は、ハプティック検出モジュール194、ハプティック効果決定モジュール196、ハプティック効果制御モジュール198、および減衰制御モジュール200を含む、プロセッサ190によって実行するためのいくつかのプログラム・モジュールを記憶するように構成される。各プログラム・モジュールは、1つまたは複数の特定のタスクを実行するデータ、ルーチン、オブジェクト、コール、および他の命令の集まりである。特定のプログラム・モジュールが本明細書で開示されるが、様々な実施形態で、各モジュールに対して説明される様々な命令およびタスクは、単一のプログラム・モジュール、モジュールの異なる組み合わせ、本明細書で開示するもの以外のモジュール、またはコントローラ186と通信する遠隔の装置によって実行されるモジュール、によって実行することができる。
コントローラ186が使用される環境および用途に応じて、事象検出モジュール194は、センサ、アンテナ、加速度計、または他の位置決めセンサ、2Dおよび3Dカメラ、ならびに遠隔装置などの様々な装置からのデータを受け取るようにプログラムされる。事象検出モジュール194はまた、ビデオ・ゲーム、監視ソフトウェア、電話ソフトウェア、および他のタイプのアプリケーションなどのプログラムからフラグまたは命令などのデータを受け取ることができる。データを受け取ると、事象検出モジュール194は、ハプティック効果またはハプティック効果の減衰に関連した事象、状態、または動作状態があるかどうかを判定する。
例示的な実施形態では、ハプティック効果決定モジュール196は、いつハプティック効果を送出するかを決定する。コントローラ186が異なるハプティック効果を送出するようにプログラムされた場合、ハプティック効果決定モジュール196はまた、どのハプティック効果を送出するかを決定する。ハプティック効果決定モジュール196が、どのハプティック効果を送出するかを決定するために使用することができる例示的な技法には、ハプティック効果を選択するように決定するためにプログラムされた規則が含まれる。例えば、コントローラ186は、携帯電話、ゲーム装置、GPS受信器、医療装置、あるいは任意の他の装置またはソフトウェアとインタフェースをとることができ、送出すべき様々なハプティック効果を決定することができる。
ハプティック効果決定モジュール196は、どのハプティック駆動信号をハプティック・アクチュエータ210に送出するかを決定すると、その決定をハプティック効果制御モジュール198に伝える。ハプティック効果制御モジュール198は、決定されたハプティック効果に対応する電気的なパラメータ、特性、または特徴を得る。ハプティック効果制御モジュール198は、電気的なパラメータをI/Oコントローラ202に伝え、I/Oコントローラ202はそれらをアクチュエータ駆動回路206に出力する。アクチュエータ駆動回路206は、増幅器と直列の信号発生器を有し、信号発生器は、次いで、ハプティック効果制御モジュール198によって与えられた電気的なパラメータを具現化するハプティック駆動信号を発生させる。アクチュエータ駆動回路206は、ハプティック駆動信号をハプティック・アクチュエータ210に加える。
ハプティック駆動信号を発生させるために使用することができる信号パラメータの例としては、事象に関連する、周波数、振幅、位相、反転、持続時間、波形、アタック・タイム、立ち上がり時間、立ち下がり時間、ラグ・タイムまたはリード・タイムが含まれる。さらに、ハプティック駆動信号に対する信号および波形の例としては、直流信号、交流信号、矩形波、正弦波、ステップ信号、三角波、鋸波、およびパルスが含まれる。さらに、ハプティック駆動信号は、約2Vから約10Vの範囲の電圧、および約0.1mAから約0.5mAの範囲の電流を有することができる。代替の実施形態では、ハプティック駆動信号は、2Vより低い電圧、または10Vより高い電圧、0.1mAより少ない電流、または0.5mAより多い電流を有することができる。ハプティック駆動信号の周波数は、約210Hzから約250Hzの範囲とすることができる。代替の実施形態では、周波数は、210Hzより低く、または250Hzより高くすることができる。代替の実施形態では、ハプティック駆動信号は、これらの範囲の外の電圧または周波数を有することができる。さらに、ハプティック駆動信号の所望の電圧および周波数は、アクチュエータの構造、アクチュエータに使用される材料のタイプ、空所(void)108内でハプティック質量120を支持するために使用される構造に応じて変えることができる。
代替の実施形態では、ハプティック駆動信号を発生させるために使用するために、ハプティック・アクチュエータ210または電気的なパラメータを通じて送出されるハプティック効果の決定がない。このような実施形態では、コントローラ186は、決められたハプティック駆動信号をハプティック・アクチュエータ210に送出するように単純にプログラムされている、またはハードウェアにより実現されていることさえある。
減衰制御モジュール200は、いつ減衰機構208を作動させるかを決定する。減衰制御モジュール200は、様々な基準に基づいていつ減衰機構208を作動させるかを決定することができる。例えば、減衰制御モジュール200は、クロック188を監視して、ハプティック駆動回路206がハプティック信号を発生させるように命令された後の決められた時間に、減衰駆動回路204に減衰信号を発生させるように命令することができる。別の例では、減衰制御モジュール200は、センサなどの装置を監視して、センサから受け取った入力に基づいて減衰駆動回路204にいつ減衰信号を発生させるように命令するかを決定することができる。さらに別の例では、減衰制御モジュール200は、ソフトウェア・アプリケーションを監視して、ソフトウェアから受け取ったデータに基づいて減衰駆動回路204にいつ減衰信号を発生させるように命令するかを決定することができる。
例示的な実施形態では、減衰制御モジュール200は、決定された減衰信号に対応する電気的なパラメータ、特性、または特徴を得る。減衰制御モジュール200は、電気的なパラメータをI/Oコントローラ202に伝え、I/Oコントローラ202はそれらを減衰駆動回路204に出力する。減衰駆動回路204は、増幅器と直列の信号発生器を有し、信号発生器は、次いで、減衰モジュール200によって与えられた電気的なパラメータを具現化する減衰信号を発生させる。例示的な実施形態では、ハプティック効果決定モジュール196および減衰決定モジュール200は、ハプティック出力装置と減衰機構の制御の実行を協調させ、ハプティック出力装置と減衰機構の動作を協調させて、様々なハプティック効果を発生させ送出する。
減衰信号は、減衰機構208を効果的に動作させる任意のタイプの信号とすることができる。例えば、減衰信号は、ハプティック信号を発生させるために本明細書で開示したものに類似した波形を有することができる。減衰信号はまた、直流信号とすることができる。減衰信号は、増大する、または減少する振幅を有することができる。
図12に示す実施形態は、コントローラが、ハプティック・アクチュエータまたはハプティック質量の速度または位置などの、ハプティック出力装置210の動作に関係した測定値または他の情報のいかなるフィードバックも受け取らない開ループである。
図13は、コントローラ186が、ハプティック・アクチュエータ210、またはハプティック・アクチュエータ210によって動作する質量の動きを監視するセンサ212から入力を受け取る、代替の閉ループの実施形態を示す。コントローラ186は、図12に示したコントローラに実質的に類似している。この実施形態の応用例では、コントローラ186および減衰制御モジュール200は、センサ212からフィードバックを受け取る。フィードバックは、ハプティック・アクチュエータまたは移動質量の特性、または動作に関係した測定値または他の情報を含む。このような特性の例は、動きの速度または加速度、あるいは位置を含む。
減衰制御モジュール200は、このフィードバック情報を使用して、例えば、ハプティック質量がどれだけ速く動くかを監視することができる。減衰制御モジュール200は、次いで、ハプティック質量の速度が、決められた値より下に下降した、または決められた値より上に上昇したことを検知すると、減衰駆動回路204を制御して減衰信号を発生させることができる。別の例では、減衰制御モジュール200は、センサ212を使用して、ハプティック・アクチュエータがハプティック駆動回路206によって作動させられた後にハプティック質量が作る振動の数を監視することができる。減衰制御モジュール200は、次いで、減衰駆動回路204を制御して減衰信号を発生させることができる。さらに他の例では、センサ212は、ハプティック質量の動き以外のものまたは事象を監視することができ、減衰制御モジュール200は、次いで、センサ212によって監視されたものまたは事象に応じて減衰駆動回路204を制御して減衰信号を発生させることができる。
さらに、コントローラ186およびセンサ212は、任意の適切な閉ループ制御システムを有するように構成することができる。コントローラ186およびセンサ212の構成例としては、比例積分微分(PID:proportional integral derivative)、リード/ラグ(lead/lag)、線形二乗、線形、および非線形閉ループ制御システムが含まれる。
上記の様々な実施形態は、単なる例示として提供されたものにすぎず、本明細書に添付された特許請求の範囲を限定するように解釈されるべきではない。当業者であれば、本明細書で例示し説明した例示的な実施形態および応用に従うことなく、また、以下の特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく行うことができる様々修正および変更を容易に認識するであろう。
Claims (45)
- ハプティック振動を減衰させるための装置であって、
装置ハウジングと、
前記装置ハウジング内に配置されたハプティック出力装置であって、ハプティック・アクチュエータ、および前記装置ハウジングに対して動くことができるハプティック質量を有するハプティック出力装置と、
前記装置ハウジング内に配置された減衰器と、
第1の時刻で、ハプティック信号を発生させて、前記ハプティック・アクチュエータに送出し、前記第1の時刻の後に生じる第2の時刻で、減衰信号を発生させて、前記減衰器に送出するようにプログラムされたコントローラと
を備える、装置。 - 前記ハプティック信号が第1の位相を有し、前記減衰信号が第2の位相を有し、前記第1の位相が前記第2の位相とは異なる、請求項1に記載の装置。
- 前記減衰信号の前記第2の位相が、前記ハプティック信号の前記第1の位相からほぼ180°位相がずれている、請求項2に記載の装置。
- 前記コントローラが前記ハプティック信号を前記ハプティック・アクチュエータに送出すると、前記ハプティック・アクチュエータが前記装置ハウジングを振動させ、
前記コントローラが前記減衰信号を前記減衰器に送出すると、前記減衰器が前記装置ハウジングの振動を実質的に除去する、請求項2に記載の装置。 - 前記第1の時刻と前記第2の時刻の間の期間が、約0mSより長く、約20mSより短い、請求項1に記載の装置。
- 前記第1の時刻と前記第2の時刻の間の期間が約15mSである、請求項5に記載の装置。
- 前記ハプティック出力装置が、リニア共振アクチュエータ、圧電ハプティック・アクチュエータ、およびシンバルの組み合わせ、またはこれらの組み合わせよりなるグループから選択される、請求項1に記載の装置。
- 前記ハプティック出力装置が空所を画定し、前記減衰器が、前記空所に配置されたスマート流体を含み、前記スマート流体が、外部場に曝されると第1の粘度を有し、前記外部場がなければ第2の粘度を有し、前記第1の粘度が前記第2の粘度より高く、前記スマート流体が、前記外部場に曝されると前記ハプティック質量の動きを減衰させる、請求項1に記載の装置。
- 前記第2の粘度が約1mPaから約100mPaの範囲にあり、前記第1の粘度が約100mPaから約10,000mPaの範囲にある、請求項1に記載の装置。
- 前記スマート流体が電気粘性流体であり、前記外部場が電場である、請求項8に記載の装置。
- 前記スマート流体が磁気粘性流体であり、前記外部場が磁場である、請求項8に記載の装置。
- 前記ハプティック出力装置が、前記ハプティック質量が配置された前記空所を画定するハプティック出力装置ハウジングを有する、請求項8に記載の装置。
- 前記ハプティック出力装置が圧電ハプティック・アクチュエータおよびシンバルを備え、前記圧電ハプティック・アクチュエータと前記シンバルが協同して前記空所を画定する、請求項8に記載の装置。
- 前記ハプティック出力装置が空所を画定し、前記減衰器が、流体と、前記空所と流体連通したポンプとを含む、請求項1に記載の装置。
- 前記ハプティック出力装置が、前記ハプティック質量が配置された前記空所を画定するハプティック出力装置ハウジングを有する、請求項14に記載の装置。
- 前記ハプティック出力装置が圧電ハプティック・アクチュエータおよびシンバルを備え、前記圧電ハプティック・アクチュエータと前記シンバルが協同して前記空所を画定し、前記シンバルがポートを画定し、前記ポートが前記ポンプと流体連通している、請求項14に記載の装置。
- 前記ハプティック質量が鉄系材料を含み、
前記減衰器が、前記ハプティック質量の近位に配置された電磁石を含み、
前記減衰信号が前記電磁石にエネルギーを与える、請求項1に記載の装置。 - 前記ハプティック出力装置がハプティック出力装置ハウジングを備え、前記電磁石、前記ハプティック質量、および前記ハプティック・アクチュエータが前記ハプティック出力装置ハウジング内に配置される、請求項17に記載の装置。
- 前記減衰器が、減衰アクチュエータおよび減衰質量を含み、前記減衰器が前記減衰信号を受け取ると、前記減衰アクチュエータが前記減衰質量を動かす、請求項1に記載の装置。
- 前記減衰アクチュエータが、前記減衰質量を一方向に動かすように配置され、
前記ハプティック・アクチュエータが前記ハプティック質量を実質的に反対方向に動かすように配置される、請求項19に記載の装置。 - 前記ハプティック出力装置が前記ハプティック信号を受け取ると、前記ハプティック・アクチュエータが、前記ハプティック質量を一方向に動かすように促し、
前記減衰器が減衰アクチュエータを含み、前記減衰器が前記減衰信号を受け取ると、前記減衰アクチュエータが、前記ハプティック質量を反対方向に動かすように促すように配置される、請求項1に記載の装置。 - 前記減衰アクチュエータが、前記ハプティック質量に対して直接力を働かせるように配置される、請求項21に記載の装置。
- 前記減衰器が、前記ハプティック質量の近位に配置された電極を有し、
前記減衰信号が、前記電極と前記ハプティック質量の間に電位を生成する、請求項1に記載の装置。 - 電気絶縁体が、前記電極と前記ハプティック質量の間に配置され、
前記ハプティック質量が接地に電気的に接続された、請求項23に記載の装置。 - 前記電極が前記ハプティック質量に取り付けられ、
前記ハプティック出力装置がハプティック出力装置ハウジングを有し、前記ハプティック質量が前記ハプティック出力装置ハウジング内に配置され、前記ハプティック出力装置ハウジングが接地に電気的に接続された、請求項23に記載の装置。 - 電気絶縁体が、ハプティック質量に取り付けられた前記電極と前記ハプティック出力装置ハウジングの間に配置される、請求項25に記載の装置。
- 前記コントローラと電気的に通信し、前記ハプティック質量と関連した動きを検知するように配置されたセンサをさらに備え、
前記センサが、前記ハプティック質量の前記動きの特性を表すフィードバック信号を前記コントローラに入力し、
前記フィードバック信号が電気的な特性を有し、前記コントローラによって発生させられる前記減衰信号が、前記フィードバック信号の前記電気的な特性の関数である、請求項1に記載の装置。 - 前記センサが、加速度計、位置センサ、およびこれらの組み合わせよりなるグループから選択された、請求項27に記載の装置。
- 前記センサが前記ハプティック質量の動きを検知する、請求項28に記載の装置。
- 前記センサが、前記ハプティック質量の位置、前記ハプティック質量の加速度、前記ハプティック質量の速度、およびこれらの組み合わせよりなるグループから選択された動きを検知する、請求項29に記載の装置。
- 前記センサが前記装置ハウジングの動きを検知する、請求項28に記載の装置。
- 前記センサが、前記装置ハウジングの加速度、前記装置ハウジングの速度、およびこれらの組み合わせよりなるグループから選択された動きを検知する、請求項31に記載の装置。
- ハプティック振動を減衰させる方法であって、
ハウジング内にあるハプティック質量を動かすステップと、
前記ハプティック質量を動かすステップに応じて前記ハウジングを振動させるステップと、
ある期間の後に、前記ハプティック質量の動きを減衰させるステップと、
前記ハプティック質量の動きを減衰させるステップに応じて前記ハウジングの振動を実質的に除去するステップと
を含む、方法。 - 位相を有するハプティック信号を発生させ、前記ハプティック信号を、前記ハプティック質量を動かすハプティック・アクチュエータに加えるステップと、
前記ハプティック信号の前記位相とは異なる位相を有する減衰器信号を発生させ、前記減衰器信号を減衰器に加えて、前記減衰器が前記ハプティック質量の動きを減衰させるステップと
をさらに含む請求項33に記載の方法。 - 前記ハプティック信号をハプティック・アクチュエータに加えるステップと、前記減衰器信号を減衰器に加えるステップの間の期間が、0mSより長く、約20mSより短い、請求項34に記載の方法。
- ハプティック出力装置が、前記ハプティック質量が配置されたハウジングを含み、
前記ハプティック質量の動きを減衰させるステップが、前記ハプティック出力装置に画定された空所内に流体を入力するステップを含む、請求項33に記載の方法。 - 空所を画定するハプティック・アクチュエータが、前記ハプティック質量に動作可能に接続され、
前記ハウジングに流体を注入するステップが、前記ハプティック・アクチュエータに画定された前記空所に流体を注入するステップを含む、請求項33に記載の方法。 - ハプティック出力装置がハウジングを含み、前記ハプティック質量が前記ハウジングに配置され、スマート流体が前記ハウジングに配置され、
前記ハプティック質量の動きを減衰させるステップが、前記スマート流体に、前記スマート流体の粘度を高める場を加えるステップを含む、請求項33に記載の方法。 - ハプティック・アクチュエータが、前記ハプティック質量に動作可能に接続され、前記ハプティック・アクチュエータはスマート流体が配置された空所を画定し、
前記ハプティック質量の動きを減衰させるステップが、前記スマート流体の粘度を高める場を前記スマート流体に加えるステップを含む、請求項33に記載の方法。 - 前記ハプティック質量が鉄系材料を含み、
前記ハプティック質量の動きを減衰させるステップが、前記ハプティック質量を磁場に曝すステップを含む、請求項33に記載の方法。 - 電磁石が、動く前記質量の近位に配置され、
前記ハプティック質量を磁場に曝すステップが、前記電磁石にエネルギーを与えるステップを含む、請求項40に記載の方法。 - ハプティック出力装置が、前記ハプティック質量が配置されたハウジングを含み、
前記ハプティック質量の動きを減衰させるステップが、前記ハプティック質量と前記ハウジングの間に電位を発生させるステップを含む、請求項41に記載の方法。 - 前記ハプティック質量と前記ハウジングの間に電位を発生させるステップが、電荷を前記ハプティック質量に加え、電気的接地を前記ハウジングに加えるステップを含む、請求項42に記載の方法。
- 前記ハプティック質量を動かすステップが、第1のハプティック・アクチュエータを作動させるステップを含み、前記第1のハプティック・アクチュエータの動きが第1の位相を有し、
前記ハプティック質量の動きを減衰させるステップが、第2のハプティック・アクチュエータを作動させるステップを含み、前記第2のハプティック・アクチュエータの動きが前記第1の位相とは異なる第2の位相を有する、請求項42に記載の方法。 - 前記第2の位相が前記第1の位相から約180°ずらされた、請求項44に記載の方法。
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