KR20140112386A - 다수의 동기화 진동 액츄에이터로부터의 비대칭적이고 일반적인 진동 파형 - Google Patents

다수의 동기화 진동 액츄에이터로부터의 비대칭적이고 일반적인 진동 파형 Download PDF

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네이든 델슨
존 휴스턴
게이브 그라함
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코액티브 드라이브 코포레이션
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Abstract

본 개시물은 햅틱 피드백을 사용자에게 제공하며(도 87 내지 도 88) 그리고 현존 진동형 디바이스의 성능을 개선하는 범용 동기화 진동 디바이스에 관련한다. 동기화된 진동을 제공하기 위하여, 선형 회전식 액츄에이터(1102), 인터리빙된 회전 매쓰 액츄에이터(1250a,b)를 포함하는 회전 이심 매쓰 액츄에이터(1210), 및 로킹 매쓰 액츄에이터(490)를 포함하는 상이한 액츄에이터 타입이 채용될 수도 있다. 제어기 (502)는 신호를 하나 이상의 드라이버 회로로 전달하여 액츄에이터의 진동 크기, 주파수, 및 방향을 조절한다. 시스템은 오브젝트(1100) 상에 힘을 인가할 수도 있으며, 센서는 그 오브젝트의 피쳐(들)를 측정한다. 이러한 정보는 진동 디바이스 제어기(도 58)로 제공되는데, 그러면 이것이 진동 파형을 수정하여 전체 시스템 성능을 개선할 수 있다. 푸리에 합성이 진동 액츄에이터의 위상 및 주파수를 제어함으로써 임의로 성형된 파형을 근사화하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 파형은 일 방향에서의 피크 힘이 다른 방향에서의 피크 힘보다 더 큰 비대칭성을 포함할 수 있다(도 44).

Description

다수의 동기화 진동 액츄에이터로부터의 비대칭적이고 일반적인 진동 파형{ASYMMETRIC AND GENERAL VIBRATION WAVEFORMS FROM MULTIPLE SYNCHRONIZED VIBRATION ACTUATORS}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 특허 출원 번호 제 13/030,663 호로서 2011 년 2 월 18 일에 출원되고 발명의 명칭이 "SYNCHRONIZED VIBRATION DEVICE FOR HAPTIC FEEDBACK"인 출원의 부분계속출원인데, 이것은 미국 출원 번호 제 11/476,436 호로서, 2006 년 6 월 27 일에 출원되고 2011 년 4 월 5 일에 미국 특허 번호 제 7,919,945 호로서 발행되며, 2005 년 6 월 27 일에 출원되고 발명의 명칭이 "SYNCHRONIZED VIBRATION DEVICE FOR HAPTIC FEEDBACK"인 출원에 대한 우선권을 주장하는 출원의 계속 출원인데, 이들의 전체 개시물은 여기에서 명시적으로 본 명세서에 원용에 의해 포함된다. 또한, 본 출원은 미국 가특허 출원 번호 제 61/453,739 호로서 2011 년 3 월 17 일에 출원되고 발명의 명칭이 "ASYMMETRIC AND GENERAL VIBRATION WAVEFORMS FROM MULTIPLE SYNCHRONIZED VIBRATION ACTUATORS"인 출원 및 미국 가특허 출원 번호 제 61/511,268 로서 2011 년 7 월 25 일에 출원되고 발명의 명칭이 "ASYMMETRIC AND GENERAL VIBRATION WAVEFORMS FROM MULTIPLE SYNCHRONIZED VIBRATION ACTUATORS"인 출원의 출원일에 대한 우선권을 주장하는데, 이들의 전체 개시물은 여기에서 명시적으로 본 명세서에 원용에 의해 포함된다.
햅틱 디스플레이, 햅틱 인터페이스, 힘 피드백 디바이스, 진동형 피더, 미용 제품, 개인용 위생 제품, 개인용 오락 제품, 개인용 마사지기, 목재 수확기(tree harvesters), 및 지층 진동기(seismic vibrators)를 포함하는 광범위한 애플리케이션에서 진동 디바이스가 사용된다. 햅틱 디스플레이를 포함하는 몇몇 널리 사용되는 제품은 소니 컴퓨터 엔터테인먼트의 PlayStation® 3용 DUALSHOCK® 3 무선 제어기; 소니 컴퓨터 엔터테인먼트의 플레이스테이션® 3용 모션 게이밍을 위한 PlayStation® Move 모션 제어기; 마이크로소프트 코포레이션의 Xbox 360 Wireless Speed Wheel; 및 Nintendo Wii를 가지고 하는 모션 게이밍을 위하여 사용되는 Wii Remote™ Plus 제어기를 포함한다.
진동 액츄에이터는 통상적으로 햅틱 감흥(sensations)을 생성하기 위한 최소 및 최저 비용 방법이다. 그러므로, 광범위한 햅틱 감흥을 생성하기 위하여 진동 액츄에이터를 사용하는 것은 이점을 가진다. 흔한 저비용 진동 액츄에이터는 이심 회전 매쓰 액츄에이터(Eccentric Rotating Mass actuators; ERMs) 및 선형 공진 액츄에이터(Linear Resonant Actuators; LRAs)를 포함한다. ERM 및 LRA 모두의 장점들 중 하나는 이들이 저 전력 입력으로부터 상대적으로 큰 진동력을 생성할 수 있다는 것이다. ERM 및 LRA 모두는 일반적으로 운동 에너지를 그들의 램프-업 기간 도중에 증강한다; ERM은 이것을 자신의 회전 매쓰의 속도가 증가할 때 수행하고, LRA는 이것을 자신의 운동 매쓰의 진동의 진폭이 증가할 때 수행한다. 이러한 저비용 액츄에이터들은 스마트폰 및 비디오게임 제어기와 같은 소비자 전자공학 제품 내를 포함하는 많은 애플리케이션 내에서 사용된다.
많은 스마트폰들은 오늘날 전체 디바이스를 진동시킴으로써 경고를 생성하기 위하여 단일 ERM 또는 단일 LRA 중 어느 하나를 사용한다. 이것은 디바이스가 개인의 주머니 속에 있는 동안에 진동 경고가 감지될 수 있다는 장점을 가진다. 게임 제어기(또한 "비디오게임 제어기" 또는 간단히 "제어기"라고 상호교환가능하도록 공통적으로 명명됨)는 Xbox 360 Wireless Controller 또는 Xbox 360 Wireless Speed Wheel(이들 모두는 마이크로소프트 제품임)과 같은 양손 디바이스 내에 흔히 두 개의 ERM을 내장한다. 가끔 이러한 듀얼-ERM 제어기는 큰 회전 매쓰를 가지는 하나의 ERM 및 작은 회전 매쓰를 가지는 다른 ERM으로써 구성된다. Wii Remote™ Plus(닌텐도 사의 제품임)와 같은 한 손 제어기는 통상적으로 진동 피드백을 사용자에게 제공하기 위하여 단일 ERM을 가질 것이다.
거의 모든 현존 진동 디바이스의 공통 제한사항은 진동형 힘의 방향성을 정의할 수 없다는 것이다. ERM 액츄에이터는 평면 내에서 회전하는 구심력을 생성하며, 그리고 일반적으로 진동의 방향(다시 말해서, 회전 구심력 벡터의 순시 방향)은 진동의 방향의 높은 변화율에 부분적으로 기인하여 햅틱 애플리케이션에서 감지될 수 없다. ERM에서, 구심력은 모터 샤프트에 의하여 이심 매쓰로 인가되며, 그리고 동등하며 반대인 원심력이 모터 샤프트로 인가된다. 이 문서에서 구심 및 원심이라는 용어 모두는 이들이 동일하지만 반대되는 힘들이라는 이해를 가지고 사용된다. LRA는 앞뒤로 진동하며, 따라서 진동의 축을 감지하는 것이 가능할 수도 있는데, 하지만 역방향에 상대적인 정방향에서의 다른 감흥을 제공하거나 또는 그 반대의 경우를 제공하는 것은 가능하지 않다. 햅틱 애플리케이션이 흔히 방향이 게임의 본질적인 컴포넌트인 컴퓨터 게이밍에서와 같이 오디오 및 비디오 디스플레이와 함께 결합되기 때문에, 방향에도 대응하는 햅틱 감흥을 제공하는 것이 바람직하다. 더욱이, 예컨대 시각 장애인을 가이드하기 위하여, 사람이 시각적 큐를 가지지 않는 애플리케이션들에 대하여 방향성의 햅틱 큐를 생성하는 것이 유용할 것이다. 그러므로, 방향성의 인간-지각가능 표시를 진동형 햅틱 디스플레이 및 인터페이스에서 제공하는 것이 바람직하다. 추가적으로, 방향성 및 비-방향성 파형 모두를 포함하는 광범위한 진동 파형을 생성하기 위하여 진동 액츄에이터를 사용하는 것도 이점을 가진다.
진동 방향의 감흥을 제공하는 몇몇 햅틱 진동 디바이스들이 존재했는데, 하지만 이러한 종래의 구현형태들은 단점을 가진다. 구체적으로 설명하면, 일 방향에서 반대 방향보다 더 큰 햅틱 감흥을 생성하기 위하여 비대칭 진동이 사용되어 왔다.
그러나, 현존하는 비대칭 진동기는 복잡하고, 고비용이며, 또는 제한된 제어가능성을 가진다. 이들은 부피가 크며 저 전력 효율을 가지는 경향을 띤다. Tappeiner 등은 비대칭 방향성 햅틱 큐를 생성한 진동 디바이스의 시범을 보였는데(Tappeiner, H.W.; Klatzky, R.L.; Unger, B.; Hollis, R., "Good vibrations: Asymmetric vibrations for directional haptic cues", World Haptics 2009, Third Joint Euro Haptics Conference and Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environments and Teleoperator Systems), 하지만 이 디바이스는 고 전력 및 고가의 6-DOF 자기 부양(magnetic levitation) 햅틱 디바이스를 사용한다. Amemiya 등이 햅틱 애플리케이션용 비대칭 진동을 역시 생성하는 디바이스를 예시하였는데(Tomohiro Amemiya; Hideyuki Ando; Taro Maeda; "Kinesthetic Illusion of Being Pulled Sensation Enables Haptic Navigation for Broad Social Applications, Ch.21, Advances in Haptics, pp.403-414"), 하지만 이 디바이스는 6 개의 링크들을 가지는 복잡하고 큰 링크 시스템(linkage system)을 사용하며 진동의 방향이 실-시간으로 수정될 수 없는 것으로 보인다.
ERM을 사용하는 진동 디바이스의 다른 제한사항은 진동의 진폭이 진동의 주파수에 의존한다는 것인데, 이것은 진동력이 이심 매쓰의 구심 가속도로부터 생성되기 때문이다. 몇몇 종래의 접근법은 주파수 및 진폭을 독립적으로 제어하기 위하여 다수의 ERM을 사용하였는데, 하지만 이러한 프로세스에서 ERM들 사이의 오프셋에 기인하여 바람직하지 않은 토크 효과를 역시 생성한다.
햅틱 방향성 큐를 생성하는 것 뿐만 아니라 레거시 햅틱 효과를 렌더링함으로써, 단일 게임 제어기가 신규한 감흥 및 현존 감흥 모두를 생성할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 그러므로, 본 명세서에서 설명된 본 개시물의 하나의 양태 및 연관된 실시예는 진동 디바이스, 및 비대칭 진동을 생성하기 위하여 그리고 진동력 및 다른 진동 파형의 방향을 제어하기 위하여 적은 양의 전력을 사용하는 저비용 진동 액츄에이터를 채용하는 그러한 디바이스들을 작동시키는 방법들을 포함한다. 본 개시물에서 설명된 양태들은 이러한 제한사항을 평면의 전체 360 도에서 제어될 수 있는 고유한 방향성 햅틱 큐 및 다른 진동 파형을 생성할 수 있는 디자인을 통해서 다룬다. 광범위한 진동 효과를 제공하기 위하여, 진폭 및 주파수를 독립적으로 제어할 수 있는 것이 바람직하다. 본 개시물은 ERM을 사용하며 토크 진동을 생성하지 않으면서도 진동력 및 주파수의 독립적 제어를 허용하는 진동 디바이스를 설명한다. 토크 효과가 생성되지 않기 때문에, 진동력은 ERM이 회전하는 중에도 제로로까지 떨어질 수 있다. 이러한 접근법을 가지고, 진동력은 ERM이 일정 속도까지 회전수가 증가하거나 감소하도록 대기할 필요 없이 켜지거나 꺼질 수 있으며, 따라서 진동력이 더 신속하게 켜지거나 꺼지도록 하며 진동 디바이스의 응답성을 효과적으로 증가시킨다.
본 개시물은 다수의 진동 액츄에이터들로부터 비대칭이며 일반적인 파형 진동 프로파일들을 생성하는 수단을 제공함으로써, 공지된 진동 디바이스의 단점 및 제한사항을 극복한다. 이러한 진동은 힘 진동, 토크 진동, 또는 결합된(combined) 힘 및 토크 진동을 오브젝트 상에 또는 지면에 인가할 수 있다. 다양한 실시예들 및 대체예들이 이하 제공된다.
일 실시예에 따르면, 진동 디바이스가 제공된다. 진동 디바이스는 그 안에서 액츄에이터들의 위상 및 주파수가 제어되고 동기화되는 다수의 진동 액츄에이터 또는 기계적 발진기를 포함한다. 각각의 액츄에이터의 진동의 진폭도 역시 더 넓은 범위의 파형들을 제공하기 위하여 제어가능할 수도 있다. 이러한 동기화 및 제어를 통하여, 몇 가지 실시예들에서 일 방향에서 더 높은 피크를 가지며 반대 방향에서 더 낮은 피크를 가지는 비대칭 파형을 포함하는 임의로 성형된 진동 파형들을 생성하는 것이 가능하다. 이러한 접근법을 이용하면, 비대칭 진동의 장점이 저비용 및 저 전력 진동 액츄에이터들을 가지고 실현될 수 있다. 더욱이, 진동의 방향은 다수의 자유도로 제어될 수 있다.
많은 진동 액츄에이터들은 정현파형을 생성한다. 흔한 저비용 진동 액츄에이터는 ERM 및 LRA를 포함한다. 피봇팅 액츄에이터 및 로킹 액츄에이터는 덜 흔하지만 미국 특허 번호 제 7,994,741 호에서 설명되며, 그리고 많은 애플리케이션들에서 LRA를 대체할 수 있다. 진동을 생성할 수 있는 다른 타입의 액츄에이터, 다시 말해서 "진동 액츄에이터"는 보이스 코일, 선형 액츄에이터, 선형 힘 액츄에이터, 기상(pneumatic) 액츄에이터, 유체(hydraulic) 액츄에이터, 압전 액츄에이터, 정전기 액츄에이터, 전기활성 폴리머(electroactive polymers; EAPs), 솔레노이드, 초음파 모터, 및 진동 링크(vibrating linkages)를 구동하는 모터를 포함한다. 본 개시물은 진동 액츄에이터들로부터의 진동 파형들이 중첩되어 원하는 결합된 파형을 생성하도록 하는 방식으로 다수의 진동 액츄에이터를 결합한다.
많은 실시예들에서, 다수의 진동 액츄에이터가 마운팅 플랫폼(등가적으로 "베이스 판" 또는 "서브-프레임" 또는 "하우징"이라고 명명됨) 상에 마운트됨으로써, 각각의 액츄에이터로부터의 진동력들이 모두 벡터적으로 합산되어 결합된 진동 파형을 생성하도록 한다. 각각의 진동 액츄에이터의 위상 및 주파수를 제어하기 위하여 제어 방법이 사용된다. 몇 가지 실시예들에서, 진폭도 역시 제어된다. 더욱이, 몇 가지 실시예들에서, 푸리에 합성의 방법이 사용되어 정현파형들의 집합의 원소들 각각 중에서 원하는 위상, 주파수, 및 진폭을 선택하여 원하는 결합된 진동 파형을 생성한다. 사실상, 충분한 액츄에이터가 있으면 대칭적 및 비대칭 진동 파형 모두를 포함하는 임의의 진동 파형을 근사화하는 것이 가능하다.
단일 진동 액츄에이터는 진동력, 토크, 또는 힘 및 토크를 생성한다. 많은 진동 액츄에이터들은 정현파형과 같은 간단한 진동 파형을 생성한다. 본 개시물에서, 다수의 진동 액츄에이터들은 이들이 결합된 진동 파형을 생성하도록 구성된다. 많은 실시예에서, 다수의 진동 액츄에이터들은 마운팅 플랫폼에 고정되어, 개개의 진동 액츄에이터로부터의 힘 및 토크가 벡터적으로 합산되어 결합된 진동력, 토크, 또는 힘 및 토크를 생성하도록 한다. 이러한 마운팅 플랫폼은 사람에 의하여 쥐어지거나, 사람에 의하여 착용되거나 또는 그렇지 않으면 사람과 접촉하도록 배치되거나, 사람에게 부착되거나, 오브젝트에 부착되거나, 또는 표면 상에 배치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 마운팅 플랫폼은 이동(locomotion) 디바이스의 일부이며, 진동력은 추진력(propulsion force)을 생성한다.
다수의 진동 액츄에이터들은, 그들의 진동의 주파수, 및 진동의 상대 위상을 제어함으로써 서로 동기화될 수 있다. 몇 가지 경우들에서, 진동의 진폭도 역시 제어된다. 진동의 주파수, 위상, 및 진폭은 진동력, 토크, 또는 힘 및 토크 파형의 특성을 지칭할 수 있다. 거의 LRA 및 ERM을 포함하는 많은 진동 액츄에이터들에서, 진동력은 시간적으로 운동 매쓰의 모션과 일치한다. LRA가 있으면 매쓰는 앞뒤로 발진한다. ERM이 있으면, 이심 매쓰가 축 주위를 회전한다. 이에 상응하여 진동 액츄에이터의 동기화도 역시 다수의 운동 매쓰들의 모션의 주파수 및 위상, 그리고 몇 가지 경우들에서는 모션의 진폭의 제어를 지칭할 수 있다.
햅틱 애플리케이션에 대하여 특히 유용한 파형의 하나의 카테고리는 비대칭 파형이다. 이러한 파형은 반대 방향에서의 이러한 피크보다 더 큰 피크 힘, 피크 가속도, 또는 힘("저크(jerk)")의 피크 변화율을 일 방향에서 생성한다. 비대칭 파형도 역시 토크, 또는 토크 및 힘 파형에 인가된다. 이러한 파형은 특정한 방향에 대응하는 햅틱 감흥을 제공할 수 있다. 일 예에서, 두 개의 LRA가 마운팅 플랫폼 상에 마운트됨으로써, 그들의 힘 벡터들이 서로에 대하여 정렬되도록 하는데, 이들은 LRA 쌍이라고 정의된다. 하나의 LRA의 주파수는 그 쌍 내의 다른 LRA의 주파수의 두 배로 설정된다.
두 개의 액츄에이터들 사이의 진동의 상대 위상은 동기화되어, 일 방향에서 두 개의 진동력들의 피크가 동일한 부호를 가지고 동시에 발생하도록 하고, 따라서 보강(양의) 간섭을 이용한 중첩을 통하여 결합되어 전체 진동력의 크기를 증가시키도록 한다. 반대 방향에서, 두 개의 액츄에이터들의 피크는 동시에 발생하지만 반대 부호를 가지고 발생하며, 따라서 상쇄(음의) 간섭을 이용한 중첩을 통하여 부분적으로 서로 상쇄하고 이를 통하여 전체 진동력의 크기가 감소된다. 이러한 접근법을 이용하면, 더 큰 피크 힘이 일 방향에서 감지되고 더 낮은 피크 힘이 반대 방향에서 감지된다. 두 개의 액츄에이터들 사이의 진동의 상대 위상은, 결합된 파형의 더 큰 힘이 부호를 바꾸고 반대 방향에서 발생하도록 변경될 수 있다. 햅틱 애플리케이션에서는, 더 높은 피크 힘이 더 긴 지속기간을 가지는 더 낮은 크기 힘보다 더 유의미한 감지 입력(sensory input)으로서 감지될 수 있다. 이를 통하여, 일 방향에서 반대 방향보다 더 큰 피크 힘을 생성함으로써, 햅틱 큐가 순방향 및 역방향과 같은 원하는 방향에서 생성될 수 있다.
다른 예에서, LRA의 세트는, 그 세트 내의 LRA들이 서로에 대하여 정렬된 그들의 힘 벡터를 가지도록 하는 방위(orientation)에서 마운팅 플랫폼 상에 마운트된다. 푸리에 파형 합성이 원하는 진동 파형을 근사화하기 위하여 각각의 LRA의 위상, 주파수, 및 진폭을 선택하도록 사용될 수 있다. 하나의 예시적 파형은 톱니파(Sawtooth waveform)인데, 이것은 반대 방향보다 일 방향에서 더 갑작스런 변화를 생성한다. 이러한 방식으로, 톱니파는 방향성 햅틱 큐를 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 세트 내의 LRA의 개수가 3 개라면, 톱니파는 1의 상대 진폭에서의 제 1 고조파; 1/2의 상대 진폭에서의 제 2 고조파; 및 1/3의 상대 진폭에서의 제 3 고조파를 가지고 생성될 것이다. 일 방향에서 높은 피크 힘을, 그리고 반대 방향에서 더 낮은 피크 힘을 생성하는 LRA의 세트로부터 다른 파형들이 생성될 수 있다.
다른 예에서, 두 개의 LRA 쌍들이 마운팅 플랫폼 상에 마운트된다. LRA 쌍들은, LRA 쌍 중 하나가 평면의 x-축과 정렬되고, 그리고 제 2 LRA 쌍이 동일한 평면의 y-축과 정렬되도록 방위결정된다. 각각의 LRA의 진동의 위상, 주파수, 및 진폭은 마이크로프로세서, FPGA 또는 다른 제어기에 의하여 제어된다. 각각의 LRA 쌍에서, 하나의 LRA는 그 쌍 내의 다른 LRA의 주파수의 두 배에서 동작됨으로써, 비대칭 진동 파형이 각각의 LRA 쌍의 축을 따라서 생성될 수 있게 한다. x-축과 정렬된 LRA 쌍의 주파수는 y-축과 정렬된 LRA 쌍의 주파수와 동일하도록 설정된다.
LRA 쌍의 진동의 진폭 및 위상을 제어함으로써, 진동력들의 벡터 중첩을 통하여 평면 내의 임의의 방향과 정렬된 결합된 진동력을 생성하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 비대칭 진동의 방향은 평면 내에서 360 도 모두에서 제어될 수 있다. 유사한 실시예에서는, 두 개의 LRA 쌍들은 그들의 힘의 축들이 동일한 기하학적 평면 내에 있지만 두 개의 LRA 쌍이 x 및 y 축들과 같이 서로 직교하지 않는 상태로 마운팅 플랫폼 상에 마운트된다. 오히려, LRA 쌍의 축들은 선형 대수 방식으로 기하학적 평면에 걸친다(span). 따라서, 직교식으로 정렬된 쌍들이 없는 경우에도, 비대칭 진동이 평면의 360 도 모두에서 독립적으로 제어될 수 있다.
다른 예에서, 3 개의 쌍의 LRA는 그들의 힘의 축이 3 개의 축들이 3 차원의 공간에 걸치도록 방위결정되는 상태로 마운팅 플랫폼 상에 마운트된다. 이러한 방식에서, 비대칭 진동은 임의의 3D 방향에서 임의로 생성될 수 있다.
다른 예에서, 두 개의 LRA 쌍은 양자의 쌍들의 축들이 단일 축에 정렬된 상태로 마운팅 플랫폼 상에 마운트된다. 두 쌍은 설정된 거리만큼 떨어지게 이격되어 원하는 토크 효과를 생성한다. 양자의 쌍은, 그들의 힘들이 동시에 동일한 방향에서 발생함으로써, 이를 통하여 알짜 힘을 마운팅 플랫폼 상에 발생시키지만, 알짜 토크를 마운팅 플랫폼 내의 중심점 주위에 발생시키지 않도록 제어될 수 있다. 다른 제어 접근법을 사용하면, 하나의 쌍으로부터의 힘은 동기화되어, 이것이 다른 쌍의 반대 방향을 가지며, 이를 통하여 마운팅 플랫폼 상에 알짜 토크를 생성하도록 할 수 있다. 다른 변형예도 각각의 쌍이 비대칭 진동 파형을 생성하도록 함으로써, 마운팅 플랫폼에 인가된 피크 토크가 다른 방향보다 일 방향에서 더 크도록 한다. 이러한 방식에서, 회전 방향의 감지를 제공하는 햅틱 큐를 생성하는 것이 가능하다. 이것은 비대칭 토크 진동의 일 예이다.
본 개시물의 하나의 양태에 따르면, 제어기(예를 들어, 마이크로프로세서 또는 FPGA)가 다수의 진동 액츄에이터의 진동을 동기화하기 위하여 사용되며, 제어기 구현형태는 제어되는 중인 진동 액츄에이터의 타입에 의존한다. LRA, 로킹 액츄에이터, 및 피봇팅 액츄에이터는 유사한 제어기를 사용하고 액츄에이터로 인가된 전압 또는 전류를 제어하는 액츄에이터 드라이버를 포함할 수 있다. LRA는 앞뒤로 병진하는 운동 매쓰 및 매쓰를 중앙에 위치시키는 복원 스프링을 가진다.
유사한 방식에서, 로킹 액츄에이터 및 피봇팅 액츄에이터는 앞뒤로 흔들리며 이것을 중앙에 위치시키는 복원 스프링을 가지는, 회전 관성을 가지는 매쓰를 가진다. LRA, 로킹 액츄에이터, 및 피봇팅 액츄에이터는 통상적으로 공진 주파수를 가지며, 그리고 액츄에이터 드라이버는 통상적으로 정현 또는 구형파 프로파일을 사용한다. 액츄에이터 드라이버가 액츄에이터의 공진 주파수 근처에서 동작한다면, 큰 진동력이 생성될 수 있다. LRA, 로킹 액츄에이터, 및 피봇팅 액츄에이터는 센서에 대한 필요성이 없이 오픈-루프 제어기와 동기화될 수 있다. 제어기는 원하는 주파수, 위상, 및 진폭에서 각각의 액츄에이터에 대한 구동 파형을 생성할 수 있다.
동기화 LRA, 로킹 액츄에이터, 및 피봇팅 액츄에이터에 대한 제어기의 정밀도는 다수 개의 방법으로 개선될 수 있다. LRA, 로킹 액츄에이터, 또는 피봇팅 액츄에이터의 물리적 성질은 액츄에이터 드라이버 파형과 그 액츄에이터에 의하여 생성된 진동력 파형 사이에 위상 래그(phase lag)를 생성한다. 이러한 위상 래그는 액츄에이터가 구동되는 중인 주파수에 기초하여 변동할 수도 있다. 추가적으로, 액츄에이터 램프-업 및 주파수, 위상, 또는 진폭에서의 변화 도중에, 액츄에이터 드라이버 파형과 진동력 파형 사이에 다른 불일치가 존재할 수 있다.
동기화의 정밀도는, 액츄에이터 다이내믹스(dynamics) 및 위상 래그를 특징짓고 이러한 정보를 제어기 내에 통합함으로써, 진동력들이 원하는 방식으로 동기화되도록 함으로써 개선될 수 있다. 동기화의 정밀도를 개선하기 위한 추가적 방법은 운동 매쓰의 모션 또는 각각의 액츄에이터의 진동력을 측정하는 센서를 추가하고, 폐-루프 피드백 제어를 사용하여 제어 신호를 실-시간으로 정정한다. 많은 소비자 제품은 모션 감지를 위한 3-축 가속도계와 같은 MEMS 센서를 사용한다. 각각의 액츄에이터를 주기적으로, 각각의 진동 액츄에이터를 차례대로 공지된 진동 테스트 패턴으로써 구동하고 모션 감지 센서를 이용하여 결과적인 진동을 측정하는 선택적(occasional) 교정 루틴을 통하여 각각의 진동 액츄에이터를 주기적으로 특징짓는 것이 가능하다.
다른 실시예는 ERM 액츄에이터를 사용한다. ERM은 모터의 회전자로 연결된 샤프트에 부착된 이심 매쓰를 가지는 모터를 채용하는데, 이것은 모터 하우징에 부착된 모터의 고정자에 상대적으로 회전한다. 단일 ERM은 자신의 샤프트의 회전축에 직교하는 평면 내에 회전 구심력을 생성한다. 몇몇 실시예는 ERM 쌍을 사용하는데, 이것은 마운팅 플랫폼 상에 마운트된 것들과 유사한 특성을 가지며 그들의 회전축들이 정렬되는 두 개의 ERM으로 이루어진다. 몇 가지 실시예들에서, 두 개의 ERM의 이심 회전 매쓰들은 동일한 주파수에서 서로에 대하여 역회전하도록 제어된다.
한 쌍 내의 ERM들이 역회전하는 경우, 구심력의 중첩은 선형 축을 따라 정현 진동력을 산출하는데, 이것은 힘 축이라고 정의되고 ERM의 회전축에 직교한다. (기어 또는 타이밍 벨트와 같은) 제어기 또는 기계적 커플링은 각각의 ERM의 속도 및 그 쌍 내의 두 개의 ERM의 이심 매쓰들 사이의 회전의 상대 위상을 동기화할 수 있다. 위상의 동기화는 그 쌍에 의하여 생성된 힘의 힘 축의 방향을 제어한다. 이에 상응하여, 동기화된 ERM 쌍은 진동력을 선형 축을 따라서 생성할 수 있는데, 여기에서 힘 축의 방향은 ERM들의 상대 위상에 의하여 제어된다. 단일 ERM의 회전 속도를 증가시키는 것은 그것의 진동력의 크기를 증가시킬 수 있다. 또한 ERM 쌍은 양자의 이심 매쓰들이 동일한 방향에서 회전하며, 이를 통하여 결합된 구심 진동력을 생성하는 공-회전 모드(co-rotating mode)에서 제어될 수 있다. 이러한 구심력은 현존 또는 과거의 게임 제어기들을 에뮬레이팅하는 레거시 효과를 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 또한 공-회전 ERM은 진동력의 크기를 진동의 주파수로부터 독립적으로 수정하기 위하여 제어될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 하나의 예는 마운팅 플랫폼 상에 마운트된 모든 4 개의 ERM의 회전축들이 평행 방향으로 정렬되는 두 개의 ERM 쌍을 사용한다. 하나의 ERM 쌍은 제 2 ERM 쌍의 주파수의 두 배에서 동작된다. 각각의 ERM 쌍의 위상은 양자의 ERM 쌍의 힘 축의 방향들이 서로 평행하게 정렬되도록 제어된다. 더욱이, 진동의 타이밍은, 일 방향에서 양자의 ERM 쌍의 진동력의 피크들이 동시에 그리고 동일한 방향에서 발생하고, 따라서 보강 간섭을 통하여 결합하여 전체 진동력의 크기를 증가시키도록, 두 개의 ERM 쌍들 사이에서 동기화된다. 제 1 방향에서 양자의 ERM 쌍의 진동력의 피크들은 동시에 그러나 반대 방향에서 발생하는데, 따라서 상쇄 간섭을 통하여 부분적으로 서로 상쇄하고 이를 통하여 전체 진동력의 크기를 감소시켰다. 이러한 접근법을 이용하면, 더 큰 피크 힘이 일 방향에서 생성되고 더 낮은 피크 힘이 반대 방향에서 생성되기 때문에 비대칭 진동이 생성된다. 이러한 실시예에서 비대칭 진동의 방향은 평면 내에서 360 도 모두에서 제어될 수 있다.
ERM은 동기화되어, LRA를 가지고 사용된 방법과 유사한 방식으로 푸리에 합성을 사용하여 광범위한 진동 파형을 생성할 수 있다. 각각의 ERM 쌍의 회전 매쓰의 질량(mass) 및 이심률은 원하는 주파수에서의 힘의 적합한 진폭에 대하여 선택될 수 있다. 대안적으로는, ERM들의 공-회전 쌍은 동기화되어 고정된 회전 매쓰의 이심률이라는 제한 사항이 없이 진동력의 진폭을 제어할 수 있다. 다수의 ERM 쌍이 회전축들이 정렬된 상태로 마운팅 플랫폼 상에 마운트될 수 있다.
이러한 구성에서 임의의 파형 프로파일이 근사화될 수 있고, 힘 축의 방향은 ERM의 회전축들에 직교하는 평면 내에서 제어가능하다. 다른 실시예들에서, ERM 쌍은, 하나의 ERM 쌍의 회전 축이 제 2 ERM 쌍의 회전축과 병렬로 정렬되지 않는 방위에서 마운트될 수 있다. 더욱이, 활성화되며 어떤 두 개의 ERM들도 평행 진동축 또는 직교하는 진동 축을 가지지 않는 다수의 ERM들이 존재하는 유용한 실시예가 존재한다. 이것의 일 예는 각각 사면체의 면 상에 마운트되는 4 개의 ERM일 것이다. 이러한 ERM들 중 다양한 공-회전하며 역-회전하는 쌍들을 활성화시킴으로써, 다양한 현저한 햅틱 효과들이 획득될 수 있다. 이러한 접근법을 이용하여 3D 진동이 생성될 수 있다. 또한 동기화된 진동은 ERM 및 LRA 액츄에이터를 단일 마운팅 플랫폼 상에 결합함으로써 생성될 수 있다.
비대칭 파형은 두 개의 진동 액츄에이터만 있으면 생성될 수 있다. 푸리에 합성을 사용함으로써, 파형의 충실도는 파형의 고조파를 생성하는 추가적 액츄에이터를 추가함으로써 임의의 정밀도까지 증가될 수 있다. 따라서, ERM 쌍 또는 LRA 쌍이 채용될 수도 있는 반면에, ERM 트라이어드(triad) 또는 ERM 쿼드(quad), LRA 트라이어드 또는 LRA 쿼드 등등도 역시 사용할 수 있다.
ERM의 공-회전 쌍은 이심 매쓰들이 180 도 이위상(out of phase)이 되도록 제어될 수 있다. 이러한 접근법을 사용하면, 전체 진동력이 상당히 감소될 것이다. 이러한 구성에서, 자이로스코픽 효과(gyroscopic effect)가 감지되고 햅틱 효과를 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 일반적으로 햅틱 자이로스코픽 효과는 큰 회전 관성을 요구한다.
ERM 액츄에이터들을 동기화하기 위하여 사용된 통상적 제어 방법은 LRA의 그것과는 상이하다. 동기화를 위하여 ERM의 주파수 및 위상을 제어하는 것이 필요하다. 거의 모든 현존 ERM 액츄에이터들은 온-오프 동작 또는 저 정밀도 속도 제어에서 제어되며, 그리고 그들의 위상에 있어서 동기화되지 않는다. ERM의 주파수 및 위상을 제어하는 한 가지 방법은 모터의 샤프트 상의 인코더 또는 전위차계와 같은 포지션 센서를 사용하는 것이다. 원하는 동기화를 획득하기 위하여 피드백 제어가 사용될 수 있는데, 하지만 포지션 센서의 가산된 비용은 바람직하지 않다.
본 개시물의 양태에 따라서 채용되는 컴포넌트는 저비용 주파수 및 위상 센서인데, 이것은 ERM을 동기화한다기 위하여 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 주파수 및 위상 센서는 언제 회전 매쓰가 지나가는지를 검출한다. 센서는 광학적 반사성 센서, 광학적 관통형(pass-through) 센서, 홀-효과 센서, 또는 다른 타입의 센서일 수도 있다. 마이크로프로세서 또는 다른 제어기는 각각의 ERM의 회전 매쓰가 지나가는 시간을 추적할 수 있다. 매쓰가 센서 주위에서 회전하는 연속적인 시간들 사이의 인터벌은 회전의 주파수를 계산하기 위하여 사용된다. 다수의 센서 측정들이 사용되어 센서의 해상도를 증가시킬 수 있다. 추가적으로, 상태 관찰자가 센서 측정들 사이의 인터벌에서 이심 매쓰의 포지션을 예측하기 위하여 사용될 수 있다. 상이한 ERM 상의 센서들 사이의 상대적인 시간이 각각의 ERM의 상대 위상을 측정하기 위하여 사용된다. 각각의 ERM의 주파수 및 상대 위상의 정보를 이용하여, 제어기는 각각의 ERM의 속도를 증가시키거나 감소시켜서 원하는 동기화를 달성할 수 있다. 이전에 언급된 바와 같은 다른 방법은, 소비자 디바이스에 대한 모션 감지의 일차적 용도를 가지며 - 또한 ERM 및 LRA를 특징짓고 교정하는 이차 용도를 가질 수도 있는 MEMS 가속도계를 사용하는 것이다.
다른 양태에 따르면, 모터 드라이버가 각각의 ERM으로 인가된 전압 또는 전류를 제어하기 위하여 사용될 수도 있다. 모터 드라이버는 모터를 단일 방향에서 회전시킬 수 있고, 또는 H-브릿지와 같은 양방향성 모터 제어기일 수 있다. 양방향성 모터 제어기가 사용되는 경우, 리버스 전압이 ERM으로 인가되어 이것의 속도를 더 빨리 늦출 수 있으며, 따라서 동기화 요구 사항에 맞게 더 빨리 조절할 수 있다. 추가적으로, 양방향성 모터 제어기가 사용되는 경우, ERM 쌍은 역-회전 방향에서 그리고 공-회전 방향 모두에서와 같이 동작될 수 있다. 공-회전 방향은 큰 결합된 구심 진동력을 생성할 수 있으며, 그리고 비-동기화된 ERM 진동을 시뮬레이션하는 레거시 진동 효과를 생성하기 위하여 사용될 수 있다.
다수의 진동 액츄에이터들의 동기화가 광범위한 진동 효과를 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 이것은 방향 효과, 자이로스코픽 효과, 진폭 효과, 및 2D 및 3D 효과를 포함한다.
본 개시물의 일 양태에 따르면, 진동 디바이스는 마운팅 플랫폼 및 복수 개의 액츄에이터를 포함한다. 복수 개의 액츄에이터의 각각은 동작의 연속적인 사이클 동안 그 액츄에이터의 힘 출력의 진폭을 증강(build up)하도록 구성된다. 복수 개의 액츄에이터의 각각은 마운팅 플랫폼에 부착되어 복수 개의 액츄에이터의 힘 출력들이 마운팅 플랫폼 상에 중첩되도록 한다. 복수 개의 액츄에이터는, 힘 출력에 대응하여, 원하는 힘 출력 파형의 적어도 두 개의 상이한 고조파에 대한 힘 파형을 동시에 생성함으로써, 각각의 액츄에이터가 원하는 출력 파형의 단일 고조파를 생성하도록 한다.
일 예에서, 상기 복수 개의 액츄에이터 각각은 선형 공진 액츄에이터(linear resonant actuator), 이심 회전 매쓰 액츄에이터(eccentric rotating mass actuator), 피봇팅 액츄에이터(pivoting actuator), 및 로킹 액츄에이터(rocking actuator)로 이루어진 군에서 선택된다. 다른 예에서, 상기 복수 개의 액츄에이터 중 두 개는 인터리빙된 이심 회전 매쓰들로서, 상기 두 개의 액츄에이터가 제어기에 의하여 개별적으로 제어가능하여 상기 두 개의 액츄에이터의 중첩된 힘 출력이 실질적으로 제로 힘 및 실질적으로 제로 토크로 합산되도록 비-제로 힘 출력을 동시에 생성하도록 배치되는, 이심 회전 매쓰들을 포함한다.
일 대체예에서, 상기 적어도 두 개의 상이한 고조파는 원하는 출력 파형의 제 1 고조파를 포함한다. 다른 대체예에서, 상기 적어도 두 개의 상이한 고조파는 원하는 출력 파형의 제 2 고조파를 포함한다. 그리고, 제 3 대체예에서, 상기 적어도 두 개의 상이한 고조파는 원하는 출력 파형의 제 3 고조파를 포함한다.
일 예에 따르면, 진동 디바이스는 복수 개의 액츄에이터로 커플링되어 상기 원하는 출력 파형의 진폭을 제어하는 제어기를 더 포함한다. 다른 예에 따르면, 진동 디바이스는 햅틱 방향성 큐를 생성하도록 구성된다.
일 대체예에서, 상기 진동 디바이스는 원격 제어, 게임 제어기, 및 시계로 이루어진 군에서 선택된 핸드헬드 전자 디바이스 내에 구현되고, 상기 진동 디바이스는 상기 핸드헬드 전자 디바이스에 대한 하나 이상의 햅틱 효과를 생성하도록 구성된다. 이러한 경우에, 게임 제어기는 운전 게임 제어기 및 모션 게임 제어기를 포함하는 군에서 선택될 수도 있다.
본 개시물의 다른 양태에 따르면, 진동 디바이스는 마운팅 플랫폼, 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터, 및 제어기를 포함한다. 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터들 각각은 마운팅 플랫폼에 부착된다. 제어기는 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터로 커플링되어 각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 주파수 및 위상을 독립적으로 제어한다.
일 대체예에서, 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터를 포함한다. 각각의 쌍은: 제 1 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터가 제 1 회전 주파수(f1)에서 역-회전하여 제 1 선형 진동력을 생성하도록 구성되도록, 그리고 제 2 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터가 제 2 회전 주파수(f2)에서 역-회전하여 제 2 선형 진동력을 생성하도록 구성되되, 상기 제 2 회전 주파수(f2)는 상기 제 1 회전 주파수(f1)의 정수배가 되도록, 정렬되고 상기 마운팅 플랫폼에 부착됨으로써, 상기 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 동작에 의하여 생성된, 상기 마운팅 플랫폼 상의 결합된 선형 진동력 파형이 비대칭이 되도록 한다.
일 예에서, 상기 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 공전축들(axes of revolution)은 실질적으로 평행하다. 다른 예에서, 상기 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 상기 제어기에 의하여 제어되어, 상기 제 1 쌍이 제 1 회전 주파수(f1)에서 동작 중일 때의 제 1 선형 진동력이, 상기 제 2 쌍이 제 2 회전 주파수(f2)에서 동작 중일 때의 제 2 선형 진동력의 실질적으로 두 배가 되도록, 구심력을 생성한다.
다른 예에서, 상기 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 공전축들은 동일 선 상에 있다. 또 다른 예에서, 상기 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 공전축들은 동일 평면 상에 있다. 그리고 다른 예에서, 상기 제어기는 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터를 사용하여 햅틱 방향성 큐를 생성하도록 구성된다.
다른 대체예에 따르면, 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터들 사이의 상대 위상은 상기 제어기에 의하여 제어되어 각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터에 의하여 생성된 구심력을 상쇄하고; 그리고 각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터에 의한 구심력에 의하여 생성되는 토크들은 서로 상쇄한다.
일 예에서, 주파수, 방향 및 각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터들 사이의 상대 위상은 상기 제어기에 의하여 제어되어 선결정된 축을 따라 결합된 진동력을 생성한다. 이러한 경우에서, 선결정된 축을 따라 결합된 진동력은 비대칭일 수도 있다.
다른 예에서, 상기 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 제 1 이심 회전 매쓰 액츄에이터 및 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 동일한 이심률을 가지며; 그리고 상기 제어기는 상기 제 1 및 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터를 동일한 주파수에서 그리고 상기 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터 내의 다른 이심 회전 매쓰 액츄에이터에 상대적으로 동일한 위상에서 동작시키도록 구성된다.
다른 대체예에서, 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 제 1 회전축을 가지는 제 1 이심 회전 매쓰 액츄에이터 및 제 2 회전축을 가지는 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터를 포함하는데, 제 1 및 제 2 축들은 동일 선 상에 있다. 제 1 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 제 1 회전축 상에 투영된 제 1 포지션에 이심의 중심을 가지는 제 1 이심 매쓰를 가진다. 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 제 2회전축 상에 투영된 제 2 포지션에 이심의 중심을 가지는 제 2 이심 매쓰를 가진다. 제 1 및 제 2 포지션 사이의 거리는 실질적으로 제로이다.
다른 대체예에서, 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 제 1 회전축을 가지는 제 1 이심 회전 매쓰 액츄에이터, 제 2 회전축을 가지는 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터, 및 제 3 회전축을 가지는 제 3 이심 회전 매쓰 액츄에이터를 포함하는데, 여기에서 제 1, 제 2 및 제 3 축은 동일 선 상에 있다. 제 1 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 제 1 회전축 상에 투영된 제 1 포지션에 이심의 중심을 가지는 제 1 이심 매쓰를 가진다. 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 제 2회전축 상에 투영된 제 2 포지션에 이심의 중심을 가지는 제 2 이심 매쓰를 가진다. 그리고 제 3 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 제 3 회전축 상에 투영된 제 3 포지션에 이심의 중심을 가지는 제 3 이심 매쓰를 가진다. 제 1 포지션과 제 2 포지션 사이의 거리 곱하기 제 2 이심률은 제 1 포지션과 제 3 포지션 사이의 거리 곱하기 제 3 이심률과 동일하다. 이러한 경우에, 제 1 이심 매쓰의 이심률은 상기 제 2 이심률 더하기 제 3 이심률과 동일할 수도 있다.
본 개시물의 다른 양태에서, 진동 디바이스는 마운팅 플랫폼, 평행하게 정렬되며 마운팅 플랫폼에 부착된 한 쌍의 선형 공진 액츄에이터, 및 제어기를 포함한다. 각각의 선형 공진 액츄에이터는 가동 매쓰를 포함한다. 제어기는 선형 공진 액츄에이터의 그 쌍으로 커플링된다. 제어기는 상기 선형 공진 액츄에이터 중 첫 번째 것을 제어하여 제 1 주파수(f1)의 제 1 정현(sinusoidal) 진동력을 상기 마운팅 플랫폼 상에 전달하고, 그리고 상기 선형 공진 액츄에이터 중 두 번째 것을 제어하여 제 2 진동 주파수(f2)의 제 1 정현 진동력을 상기 마운팅 플랫폼 상에 전달하도록 구성되는데, 상기 제 2 주파수(f2)는 상기 제 1 주파수(f1)의 정수 배이다. 더 나아가 제어기는 상기 제 1 및 제 2 정현 진동력의 진폭 및 위상을 제어하여 비대칭인 결합된 진동 파형을 생성하도록 구성된다.
일 예에서, 상기 제 1 및 제 2 선형 공진 액츄에이터는 각각 상기 제 2 선형 공진 액츄에이터의 공진 주파수를 포함하는 주파수의 범위에서 동작가능하다. 이러한 경우에, 상기 제 2 선형 공진 액츄에이터의 공진 주파수는 상기 제 1 선형 공진 액츄에이터의 공진 주파수의 정수 배가 되도록 튜닝될 수도 있다.
다른 예에서, 상기 진동 디바이스는 제 1 및 제 2 선형 공진 액츄에이터를 사용하여 햅틱 방향성 큐를 생성하도록 구성된다. 다른 예에서, 상기 진동 디바이스는 하나 이상의 컴퓨터-생성 시각적 이벤트에 대응하는 햅틱 효과를 생성하도록 구성된다.
또 다른 예에서, 상기 진동 디바이스는 핸드헬드 제어기 내에 배치되고, 그리고 상기 진동 디바이스는 상기 핸드헬드 제어기에 대한 효과를 생성하도록 구성된다. 추가 예에서, 상기 진동 디바이스는 사용자에 의하여 착용가능한 디바이스 내에 배치되고, 그리고 상기 착용가능 디바이스에 대한 햅틱 효과를 생성하도록 구성된다. 그리고 또 다른 예에서, 상기 진동 디바이스는 사용자를 경로점으로부터 경로점으로 안내하는 네비게이션 디바이스의 일부이다.
도 1 은 본 개시물의 양태와 함께 사용하기에 적합한 다수 개의 상이한 파형 타입들을 도시하는 차트이다.
도 2 는 위상차를 가지는 한 쌍의 진동 프로파일을 도시한다.
도 3 은 한 쌍의 동위상 진동 프로파일을 도시한다.
도 4 는 본 개시물의 양태와 함께 사용하기 위한 선형 모션 진동 액츄에이터를 도시한다.
도 5a 및 도 5b 는 본 개시물의 양태에 따르는 선형 모션 진동 액츄에이터의 일 예를 도시한다.
도 6a 및 도 6b 는 본 개시물의 양태에 따르는 선형 모션 진동 액츄에이터의 다른 예를 도시한다.
도 7a 및 도 7b 는 본 개시물의 양태에 따르는 선형 모션 진동 액츄에이터의 또 다른 예를 도시한다.
도 8a 및 도 8b 는 본 개시물의 양태에 따르는 선형 모션 진동 액츄에이터의 또 다른 예를 도시한다.
도 9 는 본 개시물의 양태에 따르는 선형 모션 진동 액츄에이터의 또 다른 예를 도시한다.
도 10 은 본 개시물의 양태에 따르는 진동 디바이스를 도시한다.
도 11 은 본 개시물의 양태에 따라서 반시계방향 회전을 생성하기 위한, 도 10 의 진동 디바이스를 도시한다.
도 12 은 본 개시물의 양태에 따라서 시계방향 회전을 생성하기 위한, 도 10 의 진동 디바이스를 도시한다.
도 13 은 본 개시물의 양태에 따라서 힘의 방향에서의 변화를 생성하기 위한, 도 10 의 진동 디바이스를 도시한다.
도 14 는 본 개시물의 양태에 따르는 비-직교 선형 액츄에이터를 채용하는 진동 디바이스를 도시한다.
도 15 는 본 개시물의 양태에 따르는 3 차원의 힘 벡터의 생성을 위한 일 세트의 선형 액츄에이터를 채용하는 진동 디바이스를 도시한다.
도 16 은 본 개시물의 양태에 따르는 게임 제어기를 도시한다.
도 17 은 본 개시물의 양태에 따르는 진동 디바이스를 도시한다.
도 18 은 본 개시물의 양태에 따르는 다른 진동 디바이스를 도시한다.
도 19 는 본 개시물의 양태에 따르는, 결합된 토크를 생성하기 위한 진동 디바이스를 도시한다.
도 20 은 본 개시물의 양태에 따르는, 결합된 토크를 생성하기 위한 다른 진동 디바이스를 도시한다.
도 21 은 본 개시물의 양태에 따르는, 이심 매쓰를 가지는 회전식 진동 액츄에이터를 도시한다.
도 22 는 본 개시물의 양태에 따르는, 한 쌍의 이심 매쓰 액츄에이터를 가지는 진동 디바이스를 도시한다.
도 23 은 본 개시물의 양태에 따르는 이심 매쓰 액츄에이터의 동기 진동을 도시한다.
도 24a 내지 도 24c 는 본 개시물의 양태에 따르는 피봇팅 액츄에이터를 도시한다.
도 25a 내지 도 25c 는 본 개시물의 양태에 따르는 다른 피봇팅 액츄에이터를 도시한다.
도 26 은 본 개시물의 양태에 따르는, 한 쌍의 스프링 디바이스를 이용하는 피봇팅 액츄에이터를 도시한다.
도 27a 내지 도 27f 는 본 개시물의 양태에 따르는 또 다른 피봇팅 액츄에이터를 도시한다.
도 28 은 본 개시물의 양태에 따르는, 회전식 액츄에이터를 채용하는 동기화된 진동 시스템을 도시한다.
도 29a 및 도 29b 는 본 개시물의 양태에 따르는 게임 제어기를 도시한다.
도 30 은 본 개시물의 양태에 따르는 로킹 액츄에이터를 도시한다.
도 31 은 본 개시물의 양태에 따르는 진동 시스템을 도시한다.
도 32 는 본 개시물의 양태에 따르는, 진동 시스템의 제어를 도시한다.
도 33 은 본 개시물의 양태에 따르는, 진동 시스템의 제어를 도시한다.
도 34 는 본 개시물의 양태에 따르는, 진동 시스템의 제어를 도시한다.
도 35 는 본 개시물의 양태에 따르는 진동 시스템을 도시한다.
도 36a 및 도 36b 는 본 개시물의 양태에 따르는 수학식 파라미터 및 패턴 선택 처리를 도시한다.
도 37 은 본 개시물의 양태에 따르는 햅틱 인터페이스 시스템을 도시한다.
도 38 은 본 개시물의 양태에 따르는 다른 햅틱 인터페이스 시스템을 도시한다.
도 39 는 본 개시물의 양태에 따르는, 진동 프로파일의 제어를 도시한다.
도 40 은 본 개시물의 양태에 따르는 진동 액츄에이터를 도시한다.
도 41 은 본 개시물의 양태에 따르는 다른 진동 액츄에이터를 도시한다.
도 42 는 본 개시물의 양태에 따르는 진동 디바이스 제어기를 도시한다.
도 43 은 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한 두 개의 선형 공진 액츄에이터를 가지는 진동 디바이스를 도시한다.
도 44 는 본 개시물의 양태에 따르는, 두 개의 동기화된 사인파의 비대칭성을 가지는 결합된 파형을 생성하는 위상 오프셋과의 중첩을 도시한다.
도 45 는 본 개시물의 양태에 따르는, 비대칭 파형을 생성하는 두 개의 선형 공진 액츄에이터의 진동 사이클 내의 시간 단계들을 도시한다.
도 46 은 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한, 서로 직접적으로 부착된 두 개의 선형 공진 액츄에이터를 도시한다.
도 47 은 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한, 서로 나란히(in line) 부착된 두 개의 선형 공진 액츄에이터의 대체예를 도시한다.
도 48 은 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한, 슬라이더-크랭크 링크를 사용하는 진동 디바이스를 도시한다.
도 49 는 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한, n 개의 LRA를 가지는 진동 디바이스를 도시한다.
도 50 은 본 개시물의 양태에 따르는 비대칭 펄스 트레인을 도시한다.
도 51 은 본 개시물의 양태들에 따르는 제로 DC를 가지는 펄스 트레인을 도시한다.
도 52 는 본 개시물의 양태에 따르는, 비대칭성을 최대화하기 위한 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
도 53 은 본 개시물의 양태에 따르는 파형 비대칭의 일 예를 도시한다.
도 54 는 본 개시물의 양태에 따르는 파형 비대칭의 다른 예를 도시한다.
도 55 는 본 개시물의 양태에 따르는 파형 비대칭의 또 다른 예를 도시한다.
도 56 은 본 개시물의 양태에 따르는 동기화된 삼각 파형을 도시한다.
도 57 은 본 개시물의 양태에 따르는, 비대칭 토크를 생성할 수 있는 진동 디바이스를 도시한다.
도 58 은 본 개시물의 양태에 따르는, 한 쌍의 선형 힘 액츄에이터의 일반적 동기화된 진동에 대한 제어기를 도시한다.
도 59 는 본 개시물의 양태에 따르는, 언제 운동 매쓰가 중간점 포지션을 지나는지를 검출하는 센서를 가지는 선형 힘 액츄에이터를 도시한다.
도 60 은 본 개시물의 양태에 따르는, 마운팅 플랫폼에 부착된 센서를 도시한다.
도 61 은 본 개시물의 양태에 따르는, 센서 측정을 사용하여 명령된 진폭, 위상 및/또는 주파수를 업데이트하는 진동 디바이스 제어기를 도시한다.
도 62 는 본 개시물의 양태에 따르는, LRA들의 두 개의 직교 세트를 포함하는 진동 디바이스를 도시한다.
도 63 은 본 개시물의 양태에 따르는, LRA들의 두 개의 비-직교 세트를 포함하는 진동 디바이스를 도시한다.
도 64 는 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한 ERM을 도시한다.
도 65 는 본 개시물의 양태에 따르는, 임의의 개수의 ERM을 사용하는 진동 디바이스를 도시한다.
도 66 은 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한 4 개의 ERM을 가지는 진동 디바이스를 도시한다.
도 67 은 본 개시물의 양태에 따르는, 비대칭 파형을 생성하는 ERM의 진동 사이클 내의 시간 단계들을 도시한다.
도 68 은 복수 개의 ERM 쌍을 가지는 예시적 진동 디바이스를 도시한다.
도 69 는 본 개시물의 양태에 따라서 사용되는 일 예에서 4 개의 수직으로 적층된 ERM을 가지는 진동 디바이스를 도시한다.
도 70 은 본 개시물의 양태에 따르는, 수직으로 적층된 4 개의 ERM을 가지는 진동 디바이스에 대한 비대칭 파형의 시간 단계를 도시한다.
도 71 은 동일한 방향에서 회전하는 두 개의 ERM을 가지는 진동 디바이스를 도시한다.
도 72 는 본 개시물의 양태에 따르는, ERM들의 4 개의 공-회전 쌍을 가지는 진동 디바이스를 도시한다.
도 73a 및 도 73b 는 본 개시물의 양태에 따르는, 상이한 배치로 마운트된 두 개의 ERM을 가지는 진동 디바이스를 도시한다.
도 74 는 본 개시물의 양태에 따르는, 반응 휠로서 사용되기 위하여 구성된 이심 매쓰를 도시한다.
도 75 는 본 개시물의 양태에 따르는, 인터리빙된 매쓰를 가지는 ERM 쌍을 도시한다.
도 76a 및 도 76b 는 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한 3 개의 ERM을 가지는 예시적 구성을 도시한다.
도 77 은 한 행에 정렬된 3 개의 ERM을 가지는 다른 구성을 도시한다.
도 78 은 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한 센서를 가지는 ERM을 도시한다.
도 79 는 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한 반사성 광 센서를 가지는 ERM을 도시한다.
도 80 은 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한 시선(line of sight) 센서를 가지는 ERM을 도시한다.
도 81 은 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한 홀 효과 센서를 가지는 ERM을 도시한다.
도 82 는 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한, 한 행에 정렬된 네 개의 ERM을 가지는 진동 디바이스를 도시한다.
도 83 은 본 개시물의 양태에 따르는, 힘의 상쇄가 있는 파형의 시간 단계를 도시한다.
도 84 는 동일한 중심을 공유하는 두 쌍의 ERM을 가지는 진동 디바이스를 도시한다.
도 85a 및 도 85b 는 본 개시물의 양태에 따르는, 변동하는 두께를 가지는 인터리빙된 매쓰가 있는 ERM 쌍을 도시한다.
도 86a 내지 도 86c 는 본 개시물의 양태에 따르는, 서포트 베어링을 가지는 인터리빙된 매쓰가 있는 ERM 쌍을 도시한다.
도 87 은 본 개시물의 양태에 따르는, 시각 디스플레이를 가지는 시스템 내의 햅틱 피드백을 도시한다.
도 88 은 본 개시물의 양태에 따르는, 시각 디스플레이를 가지는 시스템 내의 햅틱 피드백의 다른 예를 도시한다.
도 89 는 본 개시물의 양태에 따르는, 센서 피드백을 가지는 진동 디바이스를 도시한다.
도 90 은 본 개시물의 양태와 함께 사용되기 위한 이동 디바이스(locomotion device)를 도시한다.
본 개시물의 앞선 양태, 피쳐 및 장점은 바람직한 실시예의 후속하는 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조하여 고려될 경우 더욱 잘 이해될 것인데, 여기에서 유사한 도면 번호는 유사한 엘리먼트를 나타낸다.
본 명세서에서 사용될 때, 액츄에이터는 기계적 모션 또는 힘을 생성할 수 있는 디바이스이다. 액츄에이터는 에너지 원을 기계적 모션 또는 힘으로 변환할 수 있다. 에너지 원은 전기적, 기상, 유체, 또는 다른 에너지 원일 수 있다. 액츄에이터의 예는 회전식 및 선형 모터들을 포함한다. 전기적 액츄에이터의 예는 DC, AC, 및 스테퍼 모터를 포함한다.
용어 "방향"은 또한 벡터 방향이라고 지칭되는 축의 방위를 포함한다. 특정한 방향으로 정렬된 벡터는 축을 따라 양의 방향에 있거나 또는 축을 따라 음의 방향에 있을 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "방향"은 원 내의 모든 각도, 예컨대 0 내지 360 도 사이에서 구별될 수도 있다. 및/또는 진동 제어는 단일 축을 따라 양의 방향 및 음의 방향 사이에서 구별될 수도 있다. 더욱이, 본 명세서에서 용어 "제어기"는 몇 가지 상황에서는 게임 제어기를 지칭하도록, 그리고 다른 상황에서는 액츄에이터의 실-시간 제어기, 예컨대 마이크로프로세서 또는 ASIC을 지칭하도록 사용된다.
본 개시물에서, 용어 "일반적 동기화된 진동(General Synchronized Vibration)"은 타이밍의 제어를, 그리고 몇 가지 경우에서는 또한 진폭의, 다수의 진동력들, 토크들, 또는 힘 및 토크의 제어를 지칭한다. 이러한 진동력 및 토크의 소스는 전자기력, 정전기력, 자기력, 탄성력, 구심력과 같은 관성력, 압전, 기상, 유체, 또는 다른 힘 및 토크 소스일 수 있다. 이러한 진동력 및 토크의 소스는 Thorsten A. Kern에 의한 텍스트 "Engineering Haptic Devices: A Beginner's Guide for Engineers", ⓒ 2009에 설명된 것들을 포함할 수 있다(이것의 전체 개시물은 명시적으로 본 명세서에 원용에 의해 포함된다). 이러한 진동력 및 토크는 별개의 진동 액츄에이터로부터 또는 다수의 힘, 토크, 또는 힘 및 토크를 생성하는 액츄에이터들로부터 생성될 수 있다. 일반적 동기화된 진동에서, 힘, 토크, 또는 힘 및 토크는 이들이 오브젝트 상에 결합된 힘, 토크, 또는 힘 및 토크를 생성하도록 벡터적으로 결합된다. 힘 및 토크 벡터의 벡터 조합도 역시 중첩이라고 지칭된다. 일반적 동기화된 진동은 결과적으로 오브젝트 상에 결합된 진동력, 결합된 진동 토크, 또는 결합된 진동력 및 진동 토크를 초래한다. 오브젝트 상에 인가된 힘은 또한 그 오브젝트 상에 토크를 인가할 수 있다. 이에 상응하여, 이 문서에서 힘이라고 지칭하는 것은 또한 명백하게 그렇지 않다고 설명되지 않으면 힘 및 토크에도 적용된다.
실례 애플리케이션 및 본 명세서에서 식별되는 임의의 전체적으로 포함된 참조 사이에 용어의 용법에서의 차이가 존재하는 경우에는, 상이한 용어 정의의 용법은 본 개시물 내의 용도에 의하여 관리될 것이다.
진동(또는 진동형) 액츄에이터는 반복된 힘을 오브젝트 상에 전달할 수 있다. 이러한 반복된 힘은 각각의 반복 동안의 시간동안 유사한 힘 프로파일을 반복시킬 수 있다. 예들은 이심 매쓰를 가지는 회전식 모터, 및 매쓰를 앞뒤로 이동시키는 선형 액츄에이터를 포함한다. 이러한 액츄에이터는 DC, AC, 스테퍼, 또는 다른 타입의 액츄에이터일 수 있다. 진동 액츄에이터는 각각의 사이클에서 유사한 힘 프로파일(파형)을 반복시킬 수 있으며, 또는 사이클 사이의 힘 프로파일에 변동이 존재할 수 있다. 사이클들 사이의 변동은 진폭, 주파수, 위상, 및 프로파일 형상에서 존재할 수 있다.
힘이 반복된 사이클 안에서 생성되는 경우, 이것은 진동형 힘을 생성할 수 있다. 반복된 힘 사이클의 프로파일(또한 파형이라고도 지칭됨)은 정현 형상, 삼각파, 구형파, 또는 도 1 에 도시된 바와 같은 다른 반복된 프로파일을 가질 수 있다. 진동의 주파수는 얼마나 빈번하게 진동 사이클이 반복되는지를 기술한다. 진동의 주파수 f는 단위 시간 당 진동의 개수로서 정의되며, 그리고 흔히 그 단위가 초당 사이클인 헤르쯔로 주어진다. 진동의 주기 T는 시간 단위로 표현된 각각의 사이클의 지속 시간이다. 주파수와 진동의 주기 사이의 수학적 관련성은 다음 수학식 1 에 의하여 주어진다:
Figure pct00001
진동력 F는 수학식 2인 경우 반복된 사이클을 가지는데,
Figure pct00002
여기에서 T는 진동의 주기이고 t는 시간이다.
진동 디바이스의 목적에 대해서는, 진동의 주기가 근사적이어도 충분하기 때문에, 수학식 3 이 만족되는 경우 진동은 반복된 사이클을 가지는 것으로 간주된다:
Figure pct00003
하나의 진동 파형은 정현파형인데, 여기에서 진동력은 수학식 4 에 의하여 주어질 수 있다:
Figure pct00004
여기에서, F(t)는 시간의 함수로서의 힘이다. A는 힘의 최대 진폭이고. ω는 초당 라디안 단위의 진동의 주파수이다(헤르츠 단위의 주파수는 f=ω/(2π)이다). 그리고 φ는 라디안 단위의 진동의 위상이다. ωt = 2π 라면, 힘 프로파일은 자신을 반복한다.
진동 액츄에이터는 반복된 힘을 오브젝트 상에 전달할 수도 있다. 액츄에이터의 다이내믹스에 기인하여, 단일 액츄에이터는 다수의 주파수에서의 힘들을 동시에 전달할 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 진동을 분석하고 진동 디바이스를 설명하기 위한 목적을 위하여, 액츄에이터의 모션 수단의 일차 주파수는 그 안에 운동 에너지의 최대 성분을 가지는 주파수를 의미한다.
진동의 주기는 한 진동 사이클의 시작에서 다음 사이클의 시작 사이에 경과된 시간에 의하여 정의될 수 있다. 따라서 진동의 주기를 식별하기 위하여 사이클의 시작을 식별하는 것이 유용하다. 사이클의 시작을 정의하기 위한 한 가지 방법은 사이클의 시작을 프로파일 내의 최대 진폭을 가지는 점으로서 정의하는 것이다. 도 1 은 사인파(12), 삼각파(14), 임의로 성형된 프로파일(16), 및 구형파(18)의 진동 프로파일을 도시하는 진폭대 시간 차트(10)이다. 이러한 프로파일 각각에 대한 주기는 T에 의하여 지정된다.
사인파(12), 삼각파(14), 및 임의의 프로파일 파(16) 모두는 각각의 반복된 사이클 동안에 최대 진폭의 고유점을 가질 것이며, 및 이러한 최대 진폭의 점이 사이클의 시작을 정의하기 위하여 사용된다. 구형파(18)는 사이클 내에 최대 진폭의 고유점을 가지지 않는다; 이러한 경우에는 프로파일 상의 반복점이 그 사이클의 시작을 지정하기 위하여 선택될 수 있다. 도 1 에서, 구형파(18)가 낮은 값으로부터 높은 값으로 천이하는 점이 사이클의 시작점으로서 지정되며, 그리고 반복된 프로파일의 주기를 정의하기 위하여 사용된다. 따라서, 반복된 사이클이라고 표현될 수 있는 임의의 프로파일은 진동을 나타낼 수 있다.
신호의 형상이 정확하게 반복된 프로파일로 이루어지지 않는 경우, 진동의 주파수도 역시 식별될 수 있다. 사이클의 진폭에서의 변동 및 사이클 프로파일의 형상에서의 작은 변화가 있어도 여전히 그 사이클의 시작을 지정하는 고유점을 식별할 수 있다. 프로파일 내의 반복점이 식별될 수 있기만 하다면, 각각의 사이클의 시작, 진동 기간, 및 진동 주파수가 결정될 수 있다.
진동의 위상은 진동의 사이클의 시작의 타이밍을 정의한다. 두 개의 진동 파형들 사이의 위상차는 한 파형 내의 진동 사이클의 시작과 다른 파형의 진동 사이클의 시작 사이의 차분으로서 정의된다. 만일 두 개의 프로파일들 사이의 진동의 위상에 비제로 차분이 존재한다면, 그러면 사이클의 시작은 시간에서 일치하지 않는다. 도 2 는 그들 사이에 위상차 Δ를 가지는 두 개의 진동 프로파일(22 및 24)을 도시하는 진폭대 시간 차트(20)이다. 위상차 Δ는 도 2 에 도시된 바와 같이 시간의 단위로 주어질 수 있다. 대안적으로는, 진동의 위상도 역시 정현 진동에 대하여 라디안 단위로 주어질 수 있다. 두 개의 파형들 사이의 위상차 Δ가 제로라면, 두 개의 파형들은 도 3 의 진폭대 시간 차트(30)에서 도시된 바와 같이 동-위상인 것으로 간주된다.
사이클의 시작을 식별하는 것이 가능하다면, 진동의 진폭 및 주파수가 진동의 사이클 사이에서 변화하는 경우에도 진동의 위상을 식별하는 것이 가능하다.
동기화된 진동의 하나의 구현형태는 두 개 이상의 진동 파형들의 중첩에 의하여 형성되는 진동력인데, 여기에서 각각의 파형은 규칙적으로 반복하는 기초로 시간에 있어서 다른 파형의 피크와 일치하는 피크를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 각각의 파형들은 동일한 주파수 및 이들 사이의 특정된 위상차를 가질 것이다. 중첩은 바람직하게는 힘, 토크, 또는 힘 및 토크의 벡터 합일 수 있다. 통상적으로, 이러한 진동 파형의 소스는 상이한 진동 액츄에이터들이다. 흔히 동기 진동에서는, 파형들은 그들 사이의 제로 위상차를 가지며, 따라서 진동 파형들은 동-위상에 있고 동기 진동 상태에 있다. 본 명세서에서 사용될 때, 특정된 위상차는 0°와 360°를 포함하며 그 사이의 범위를 가질 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서, 특정된 위상차는 0° 또는 180°이다. 동기화된 진동에서, 다양한 진동 파형들이 상이한 진폭을 가질 수 있다. 도 3 은 동기화되는 삼각 프로파일의 두 개의 진동 파형을 도시한다. 이러한 파형들 모두는 동일한 주파수를 가지며, 이들은 상이한 진폭을 가지고, 파형들은 동-위상에 있다. 도 3 의 양자의 파형들의 최대 진폭은 동시에 발생한다.
통상적으로, 동기화된 진동 프로파일은 유사한 성형된 프로파일을 가질 것이다. 그러나, 상이한 성형된 진동 프로파일을 가지는 진동 액츄에이터들도 역시 진동의 주파수를 매칭시키고 파형들 사이의 위상차를 한정함으로써 동기되어 진동될 수 있다. 진동의 위상 및 주파수의 매칭은 근사적으로 수행될 수 있으며 여전히 동기화된 진동을 초래한다.
동기화된 진동은 두 개의 진동 프로파일을 서로 합산함으로써 생성될 수 있는데, 여기에서 제 2 진동 프로파일의 진폭은 제 1 진동 프로파일의 진폭의 배수이다. 이러한 승산 인자는 양수일 수도 음수일 수도 있다.
만일 각각의 진동 액츄에이터의 힘의 피크 진폭이 근사적으로 동일한 시간에 반복적으로 발생하는 두 개 이상의 진동 액츄에이터들이 존재한다면, 이러한 액츄에이터들은 동-위상이고 동기 진동 상태에 있다. 힘의 피크 진폭은 진동 액츄에이터의 또는 진동 디바이스의 좌표계의 양의 또는 음의 방향에 있을 수 있다. 따라서 만일 한 액츄에이터로부터의 양의 피크 진폭이 다른 액츄에이터의 음의 피크 진폭과 근사적으로 동일한 시간에 발생한다면, 이러한 액츄에이터들은 동-위상에 있으며 동기 진동 상태에 있다.
예시적인 선형 모션 진동 액츄에이터(100)가 도 4 에 도시된다. 도시된 바와 같이, 선형 모션 진동 액츄에이터(100)는 운동 매쓰(102) 및 베이스(104)를 포함한다. 운동 매쓰(102)는 전후방 선형 모션에서 베이스(104)에 대하여 이동한다. 힘은 베이스(104)로부터 운동 매쓰(102)로 그리고 유사한 방식으로 운동 매쓰(102)로부터 베이스(104) 상으로 인가될 수 있다. 힘 전달은, 예를 들면, 자기력, 탄성력, 및/또는 리드 스크류 힘을 통하여 발생할 수 있다. 본 개시물에 따라 사용되기 위하여 적합한 선형 액츄에이터의 예들은 발명의 명칭이 "Vibration Device"인 미국 특허 번호 제 5,136,194 호 및 제 6,236,125 호에서, 그리고 미국 특허 출원 번호 제 11/325,036 호에서 기술되는데, 이들의 전체 개시물은 본 명세서에서 원용에 의하여 통합된다.
선형 모션 진동 액츄에이터(100) 내의 운동 매쓰(102)가 앞뒤로 이동할 때, 힘이 운동 매쓰(102) 및 베이스(104) 사이에서 생성된다. 이러한 힘은 액츄에이터(100)의 베이스(104)를 통하여 액츄에이터가 마운트되는 오브젝트(미도시)로 전송될 수 있다. 또한, 운동 매쓰(102)는, 액츄에이터(100) 외부의 핸들(미도시)과 같은 오브젝트에 부착될 수도 있으며, 그리고 힘을 직접적으로 액츄에이터(100)의 외부에 있는 오브젝트로 전송할 수도 있다.
선형 모션 진동 액츄에이터(100) 내의 힘은 보이스 코일에서와 같은 자기력일 수도 있다. 운동 매쓰(102)는 예를 들면, 영구 자석, 전자석, 강자성 재료, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다. 베이스(104)는 예를 들면, 영구 자석, 전자석, 강자성 재료, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다. 자기력은 베이스(104)와 운동 매쓰(104)의 가속도 및 모션을 생성하는 운동 자석 사이에서 생성될 수도 있다. 선형 모션 진동 액츄에이터(100) 내의 전자석을 이용하여 생성된 힘은 전자석을 통하여 흐르는 전류를 제어함으로써 변조될 수 있다.
본 개시물에 따르는 선형 모션 진동 액츄에이터(100)의 일 실시예는 도 5a 및 도 5b 에서 선형 모션 진동 액츄에이터(110)로서 도시된다. 액츄에이터(110)는 바람직하게는 전자석을 포함하는 운동 매쓰(112) 및 베이스(114)에 부착된 영구 자석(116)을 포함한다. 운동 매쓰(112)의 모션은 도 5a 의 측면도에 도시된 바와 같이 x 축을 따라 발생한다. 영구 자석(116)의 자화 극성은 영구 자석(116) 상의 N 개의 및 S 극에 의하여 도시된 바와 같이 x 축을 따라 발생한다. 전자석은 바람직하게는 x 축 주위에 권선된 코일로서 구성된다. 도 5b 의 단면도에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 전자석의 형상은 바람직하게는 원통형이며 영구 자석(116)의 형상은 바람직하게는 관상인데, 하지만 전자석 및 영구 자석(116)은 임의의 다른 구성을 가질 수도 있다. 이러한 실시예에서, 양자의 전자석 및 영구 자석(116)은 그들에 인접하게 배치되어 액츄에이터(110)의 힘 출력을 증가시키는 강자성 재료를 가질 수도 있다.
이러한 실시예에서, 액츄에이터(110) 내의 힘은 전자석 내의 전류를 제어함으로써 변조될 수 있다. 전자석 내의 전류가 일 방향에서 흐르는 경우, 자기력은 운동 매쓰(112)를 액츄에이터의 일측을 향하여 푸시할 것이다. 반대로 전자석 내의 전류가 반대 방향으로 흐르는 경우, 운동 매쓰(112)는 액츄에이터(110)의 타측으로 푸시될 것이다. 전자석 내의 전류의 양을 증가시키는 것은 운동 매쓰(112) 상에 인가된 힘의 양을 증가시킬 것이다.
본 개시물에 따르는 선형 모션 진동 액츄에이터(100)의 다른 실시예가 도 6a 및 도 6b 에 도시된다. 여기에서, 선형 모션 진동 액츄에이터(120)는 바람직하게는 영구 자석을 포함하는 운동 매쓰(122) 및 베이스(124)에 부착된 전자석(126)을 포함한다. 운동 매쓰(122)의 모션은 도 6a 의 측면도에 도시된 바와 같이 x 축을 따라 발생한다. 영구 자석의 자화 극성은 영구 자석 상의 N 개의 및 S 극에 의하여 도시된 바와 같이 x 축을 따라 발생한다. 전자석(126)은 바람직하게는 x 축 주위에 권선된 코일이다. 도 6b 의 단면도에서 도시된 바와 같이, 이러한 실시예에서 전자석(124)의 형상은 관상이며 영구 자석의 형상은 원통형이다.
이러한 실시예에서, 양자의 전자석(124) 및 운동 매쓰(122)의 영구 자석은 그들에 인접하게 배치되어 액츄에이터(120)의 힘 출력을 증가시키는 강자성 재료를 가질 수도 있다. 액츄에이터(120) 내의 힘은 전자석(124) 내의 전류를 제어함으로써 변조될 수 있다. 전자석(124) 내의 전류가 일 방향에서 흐르는 경우, 자기력은 운동 매쓰(122)를 액츄에이터(120)의 일측을 향하여 푸시할 것이다. 반대로 전자석 내의 전류가 반대 방향으로 흐르는 경우, 운동 매쓰(122)는 액츄에이터(120)의 타측으로 푸시될 것이다. 전자석 내의 전류의 양을 증가시키는 것은 운동 매쓰(122) 상에 인가된 힘의 양을 증가시킬 것이다.
본 개시물의 양태에 따르는 선형 모션 진동 액츄에이터(100)의 다른 실시예는 도 7a 및 도 7b 에 도시되는데, 이것은 도 6a 및 도 6b 에 도시된 실시예와 유사하다. 여기에서, 액츄에이터(130)는 운동 매쓰(132) 및 베이스(134)를 포함한다. 운동 매쓰(132)는 바람직하게는 영구 자석을 포함한다. 전자석(136)은 적어도 부분적으로 운동 매쓰(132)를 감싼다. 전자석(136)은 바람직하게는 베이스(134)로 연결된다. 액츄에이터(120)와는 달리, 이러한 실시예에서 액츄에이터(130)는 바람직하게는 도 7a 의 측면도에서 도시되는 바와 같이 양단에서 베이스(134)로 그리고 운동 자석(132)으로 부착되는 하나 이상의 스프링(138)을 포함한다. 스프링(138)은 운동 매쓰(132)를 중심 포지션, 예를 들면 전자석(136)의 양단 사이의 중간으로 복귀시키는 방향으로 힘을 생성하도록 동작가능하다.
스프링(138)은 액츄에이터 전력이 오프일 때 운동 매쓰(132)를 중심 포지션에 근접하게 유지하도록, 그리고 운동 매쓰(132)가 액츄에이터(130)의 이동의 일단에 있을 때 복원력을 제공하도록 기능한다. 스프링(138)의 강성(stiffness)은 액츄에이터(130)의 고유 주파수가 원하는 고유 주파수들에서 진동의 진폭을 증가시키도록 선택될 수 있다. 이러한 스프링 효과는 단일 스프링으로부터, 비선형 스프링으로부터, 연장(extension) 스프링, 및 압축 스프링으로부터 생성될 수 있다. 본 개시물과 함께 채용될 수도 있는 다수 개의 이러한 스프링 구성이 앞서 언급된 미국 특허 출원 번호 제 11/325,036 호에서 기술된다.
본 개시물의 양태에 따르는 선형 모션 진동 액츄에이터(100)의 다른 실시예가 도 8a 및 도 8b 에 도시된다. 액츄에이터(140)가 영구 자석을 포함하는 운동 매쓰(142), 베이스(144), 및 베이스(144)에 커플링된 전자석(146) 및 적어도 부분적으로 감싸는 운동 매쓰(142)를 포함한다는 점에서, 이러한 실시예는 도 6a, 도 6b, 도 7a 및 도 7b 에 도시된 실시예들과 유사하다. 전자석(146)은 예를 들어, 진동력이 액츄에이터(140)로부터 베이스(144)로, 예를 들어 사용자가 진동력을 지각하게 하도록 전송되도록 견고하게 또는 반-견고하게 커플링될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 한 쌍의 영구 자석(148)이 베이스에 부착되며 도 8a 의 측면도에서 도시된 바와 같이 양단에서 운동 자석(142)에 상대적으로 동작하는 상태에 있다. 도 8a 에서 N 개의 및 S로 도시되는 바와 같이 영구 자석(148)은 운동 매쓰(142)를 밀어내도록 그리고 운동 매쓰(142)를 중심 포지션을 복귀시키는 방향으로 힘을 생성하도록 구성되는 극들을 가진다. 영구 자석(148)은 액츄에이터 전력이 오프일 때 운동 매쓰(142)를 중심 포지션에 근접하게 유지하도록, 그리고 운동 매쓰(142)가 액츄에이터(140)의 이동의 일단에 있을 때 복원력을 제공하도록 기능한다.
베이스(144)에 부착된 영구 자석(148)의 크기는, 액츄에이터(140)의 고유 주파수가 원하는 고유 주파수들에서 진동의 진폭을 증가시키도록 선택될 수 있다. 액츄에이터(140)는 동작의 상이한 모드 또는 시간 도중에 하나 이상의 고유 주파수가 선택되도록 제어될 수도 있다. 도 8a 에 도시된 바와 같은 척력 자기력을 센터링(centering) 힘을 운동 매쓰(142)의 운동 영구 자석 상에 생성하기 위하여 사용하는 것은 도 7a 에 도시된 바와 같은 스프링(138)을 사용하는 것보다 더 낮은 마찰을 제공할 수 있으며, 따라서 액츄에이터 효율 및 평탄도(smoothness)를 증가시킬 수 있다. 본 개시물에서 사용되기에 적합한 운동 매쓰를 센터링하기 위한 영구 자석의 용법들을 도시하는 다수 개의 구성이 앞서 언급된 "진동 디바이스" 특허 출원에서 기술된다.
역시 본 개시물과 함께 이용될 수도 있는 선형 모션 진동 액츄에이터의 대체 실시예들은 운동 매쓰를 액츄에이터의 모션의 범위의 중심을 향하여 복귀시키는 스프링 및 자석 모두를 홀로 또는 조합하여 포함한다.
본 개시물에 따르는 선형 모션 진동 액츄에이터(100)의 다른 대안적인 실시예가 도 9 에 도시된다. 이러한 실시예는, 이것이 베이스(154)에 상대적으로 이동하기 위한 강자성 운동 플런져(152)를 가진다는 점에서 솔레노이드와 유사한 액츄에이터(150)를 포함한다. 전류가 코일(156)을 통하여 흐를 때 플런져(152)는 전자기 코일(156) 내로 견인된다. 코일 (156)은 베이스(154)에 커플링된다. 강자성 엔드 피스(158)는 코일(156) 내에 또는 그 단부에 위치결정되어 액츄에이터(150)의 힘 출력을 증가시킬 수 있다. 스프링 디바이스(160)는 엔드 피스(158)의 반대에 포지셔닝될 수도 있다. 스프링 디바이스(160)는 바람직하게는 플런져(152)를 코일(156) 외부로 철수시키기 위하여 채용된다. 도 9 에 도시된 바와 같이, 코일(156)의 일단 및 스프링(160)의 일단 모두가 바람직하게는 액츄에이터(150)의 베이스(154)로 고정된다. 코일(156) 및 스프링(160)은 단일 베이스 상의 상이한 섹션들에 고정될 수도 있거나, 또는 서로 커플링되는 별개의 베이스 엘리먼트에 고정될 수도 있다. 코일(156) 내의 전류는 턴온 및 턴오프되어 진동력을 생성할 수 있다.
본 개시물에 따르는 진동 디바이스(200)의 바람직한 실시예가 도 10 에 도시된다. 이러한 실시예에서, 진동 디바이스(200)는 바람직하게는 자신 상부에 마운트되는 두 개의 선형 모션 진동 액츄에이터, 즉 액츄에이터(202) 및 액츄에이터(204)를 포함한다. 액츄에이터(202)는 운동 매쓰(206)를 포함하고 액츄에이터(204)는 운동 매쓰(208)를 포함한다. 진동 액츄에이터(202, 204)는 힘을 진동 액츄에이터(202, 204)로부터 진동 디바이스(200)로 전송하는 방식으로 진동 디바이스(200)에 부착된다. 바람직하게는, 진동 디바이스(200)는 진동 액츄에이터(202, 204)가 연결되는 엔클로저 또는 베이스(미도시)를 가진다.
진동 액츄에이터(202, 204)는 바람직하게는 상대적으로 견고한 방식으로 진동 디바이스 엔클로저 또는 베이스에 부착된다. 견고한 부착은 공통 베이스를 진동 디바이스(200)로 제공하는데, 그 위에서 양자의 진동 액츄에이터(202, 204)로부터의 힘들이 인가된다. 이러한 실시예에서, 두 개의 액츄에이터(202, 204)는 서로에 대해 근사적으로 직각으로 마운트된다. 액츄에이터(202)에 의하여 생성된 힘은 힘 벡터 F 1 으로서 도시되고, 액츄에이터(204)로부터의 힘 벡터는 F 2 로서 도시된다. 본 명세서에서 표현될 때, 벡터 및 행렬은 굵은 폰트로 지정되고 스칼라는 굵지 않게 지정된다. 진동 디바이스(200)에 의하여 생성된 결합된 힘은 액츄에이터(202, 204) 모두로부터의 진동력들의 벡터 합이고, 도 10 에서 벡터 F combined 로서 도시된다.
진동 액츄에이터(202 및 204)에 의하여 진동 디바이스(200) 상에 인가된 결합된 힘 F combined 는 각각의 액츄에이터로부터의 진동력들의 중첩이고 시간 t의 함수이다. 힘 벡터 F combined (t)는 벡터 수학식:
Figure pct00005
에 의하여 주어지는데, 여기에서 F 1 (t)는 액츄에이터(202)로부터의 시간의 함수로서의 힘 벡터이고, F 2 (t)는 액츄에이터(204)로부터의 시간의 함수로서의 힘 벡터이다.
액츄에이터(202, 204) 모두는 진동형 방식으로 동작될 수 있다. 사인파 진동의 경우에, 액츄에이터 힘들은 수학식 6 및 수학식 7 에 의하여 제공될 수 있다:
Figure pct00006
및,
Figure pct00007
여기에서 A1 및 A2 각각은 진동의 개별적인 진폭이고, a 1 및 a 2 는 진동의 개별적인 방향에 대응하는 단위 벡터이며, ω1 및 ω2 는 진동의 개별적인 주파수이고, φ1 및 φ2 는 개별적인 위상 각도이며, t는 시간이다. 구형파, 삼각파, 및 다른 프로파일을 포함하는 다른 프로파일 진동도 역시 각각의 액츄에이터를 가지고 구현될 수 있다.
도 10 에 도시되는 예에서, 액츄에이터(202)는 y 축을 따라서 정렬되며, 따라서 단위 벡터 a 1 은 수학식 8 에 의하여 표현된다:
Figure pct00008
그리고 x 축을 따라서 정렬된 단위 벡터 a 2 는 수학식 9 에 의하여 표현된다:
Figure pct00009
결합된 힘 벡터 F combined 는 액츄에이터(202 및 204)로부터의 힘들의 중첩에 의하여 주어지며, 따라서 수학식 10 에 의하여 주어진다:
Figure pct00010
도 10 에 도시되는 액츄에이터(202 및 204)를 동-위상이며 동기 진동 상태에 있는 방식으로 진동시키는 것이 가능하다. 이러한 진동 하에서는, 단일 진동 주파수 ω 및 단일 위상 φ가 존재할 것이다. 이에 상응하여, F combined 는 수학식 11에 의하여 주어질 수 있다:
Figure pct00011
이러한 동-위상 및 동기 진동이 있으면 진동이 동기화되고, 그러면 선형 모션 진동 액츄에이터 모두로부터의 피크 힘은 진동의 각각의 사이클 동안에 동일한 순간에 발생할 것이다. 진동력의 알짜 방향은 [a 1A1 + a 2A2]의 벡터 조합이다. 따라서, 동기화된 진동 및 동-위상 진동에서, 진동 디바이스는 그 디바이스 내의 액츄에이터들 각각의 방향 및 크기로부터의 힘들의 벡터 조합으로부터 초래되는, 특정된 방향의 진동력을 특정된 주파수에서 생성한다. 각각의 선형 모션 진동 액츄에이터 내의 진동의 크기를 제어하는 것, 및 이를 통하여 F combined 의 진동의 알짜 방향을 제어하는 것이 가능하다.
바람직한 예에서, 각각의 액츄에이터의 진동 주파수 ω, 위상 φ, 및 파형은 실질적으로 동일하다. 예를 들면, ω2 는 ω1 과 실질적으로 동등하도록 설정될 수도 있으며 φ2 는 φ1과 실질적으로 동등하도록 설정될 수도 있다. 오직 예로서, ω2 는 ω1의 값의 10% 내로, 더 바람직하게는 ω1의 값의 5% 내로 설정될 수도 있다. 이와 유사하게, 오직 예로서, φ2 는 ω1의 값의 10% 내로, 더 바람직하게는 ω1의 값의 5% 내로 설정될 수도 있다. 다른 예에서, 주파수 및/또는 위상은 서로 정확하게 동일하도록 설정될 수도 있다. 대안적으로는, 각각의 액츄에이터의 주파수, 위상, 및/또는 파형은, 사용자가 주파수, 위상 또는 파형에서의 차이를 인식할 수 없도록 설정될 수도 있다. 다른 대체예에서, 만일 진동 디바이스가 햅틱 애플리케이션 내에서 사용자에게 힘 감흥을 생성하기 위하여 사용된다면, 사용자에 의하여 검출되지 않을 수도 있거나 사용자에 의하여 현저하게 감지되지 않을 수 있는 작은 변동이 발생할 수도 있다. 다른 경우에서, 햅틱 애플리케이션 내의 또는 진동형 피더 애플리케이션 내의 힘 감흥은, 햅틱 애플리케이션 내의 사용자 성능 또는 진동형 피더의 성능이 현저하게 변화되지 않도록 미세하게 변동할 수도 있다.
또한 수학식 11 을 임의의 형상의 진동 프로파일/파형에 적용하는 것이 가능하다. 여기에서, 파형 p(t)는 시간 t에서의 파형 형상을 나타내기 위하여 사용될 수도 있다. 진동의 주기는 p(t) = p(t + nT)로 표현될 수도 있는데, 여기에서 n = 1, 2, 3, 등이고 T는 진동의 주기이다. 이러한 경우에, 임의로 성형된 동기화된 진동 프로파일은 다음 수학식 111 에 의하여 표현될 수도 있다:
Figure pct00012
각각의 액츄에이터에 대한 진동력의 방향이 베이스 부재에 대하여 실질적으로 상수인 경우에, 임의로 성형된 동기화된 진동 프로파일은 수학식 112 에 의하여 표현될 수도 있다:
Figure pct00013
어떻게 F combined 의 방향이 제어될 수 있는지를 예시하기 위하여, 피크 크기 A1 및 A2가 각각의 액츄에이터(202 및 204) 내의 운동 매쓰(206 및 208)들 각각의 위치에 의하여 도 10 및 도 11 에서 표현된다. 도 10 에서, 액츄에이터(202) 및 액츄에이터(204) 모두는 바람직하게는 동일한 진폭에서 진동되며, 대응하는 F combined 는 액츄에이터(202, 204)들 사이에서 근사적으로 45 도 각도에서 존재한다.
액츄에이터(202, 204) 내의 진동력의 크기를 변경함으로써, 결합된 힘 효과의 진동의 방향을 제어하는 것이 가능해진다. 도 11 에서, 액츄에이터(202)는 액츄에이터(202)의 이동 한계의 단부에서 운동 매쓰(206)의 피크 포지션에 의하여 도시되는 바와 같이 피크 진폭에서 진동하고 있다. 그러나, 액츄에이터(204)는 액츄에이터(204)의 이동 한계의 중간에 더 근접한 운동 매쓰(208)의 피크 포지션에 의하여 도시되는 바와 같이 더 낮은 피크 진폭에서 진동하고 있다. 또한 더 낮은 피크 힘은 도 11 에서 F 2 에 대한 더 짧은 길이 벡터에 의하여 도시된다. 결합된 힘 F combined 의 방향은(f 1 )및 F 2 의 벡터 합산의 결과이고, 진동을 위하여 도 10 에 도시된 방향에 상대적으로 반시계방향으로 회전된다.
유사한 방식으로, 결합된 힘의 방향은 도 12 에 도시된 바와 같이 시계방향으로 회전될 수 있다. 도 12 에 도시된 진동 케이스는 액츄에이터(202)의 진동의 피크 진폭이 도 10 에 도시된 것에 상대적으로 감소되지만, 액츄에이터(204)의 피크 진폭은 여전히 높게 유지되는 것을 보여준다. 이러한 경우에서,(f 1 )및(f 2 )의 벡터 합산은 결과적으로 도 10 에 도시된 방향에 상대적으로 도 12 에서 F combined 의 시계방향 회전을 초래한다.
F combined 의 방향을 인접 사분면으로 변경하는 것도 역시 가능하다. 도 13 에 도시된 바와 같이, F 2 의 부호는 도 10 에 도시되는 양의 x 방향에 상대적으로, 음의 x 축의 방향을 가지는 것으로 변경되었다. (f 2 )의 부호에서의 변경은 위의 수학식 11 에서의 A2 의 부호를 변경함으로써 획득될 수 있다. 액츄에이터(204) 진동을 액츄에이터(202)의 위상과 180 도 이위상이 되게 정의함으로써, 결합된 힘 수학식의 유사한 표현을 획득할 수 있다는 것에 주의해야 한다. 그러나, 액츄에이터 진동 진폭 상에 부호를 변경하는 것은 수학식 11 에 나타난 동기 진동의 수학식의 형태를 유지한다. 따라서, 180 도 이위상인 것으로 표현될 수 있는 진동은, 동-위상 진동이지만 진동의 음의 진폭을 가지는 것으로도 표현될 수 있다.
본 개시물에 따르는 진동 디바이스의 대체 실시예가 도 14 에 도시된다. 여기에서, 진동 디바이스(210)는 개별적인 운동 매쓰(216 및 218)를 가지는 제 1 액츄에이터(212) 및 제 2 액츄에이터(214)를 포함한다. 도 14 는 두 개의 선형 모션 진동 액츄에이터(212, 214)가 xy 평면과 정렬되는 2 차원의 실시예를 표현한다. 이러한 실시예에서 액츄에이터(212, 214)가 서로 직교할 필요가 없다. A1 및 A2 는 각각 액츄에이터(212 및 214)의 진동의 진폭인데, a 1 및 a 2 는 각각 액츄에이터(212 및 214)의 진동의 방향을 특정하는 단위 벡터이다.
단위 벡터 a 1 은 수학식 12 에 의하여 주어진다:
Figure pct00014
여기에서 각도 α는 도 14 에 도시된 바와 같이, x 축에 상대적인 액츄에이터 1 의 방위를 기술한다. 단위 벡터 a 2 는 수학식 13 에 의하여 주어진다:
Figure pct00015
여기에서 각도 β는 도 14 에 도시된 바와 같이, x 축에 상대적인 액츄에이터 2 의 방위를 기술한다.
주어진 진동 파형에 대하여, 도 14 의 액츄에이터(212 및 214)로부터의 힘 벡터의 최대 크기 F 1,max 및 F 2,max 는 수학식 14 및 15 에 의하여 주어질 수 있다:
Figure pct00016
Figure pct00017
액츄에이터(212 및 214)가 동기되어 그리고 동-위상으로(예를 들어 동일한 주파수를 가지고 그리고 제로 위상차를 가지고) 진동된다면, 최대 힘 진폭은 동시에 발생한다. 따라서 최대 결합된 힘 벡터 F combined ,max는 힘 벡터의 중첩을 통하여 주어지며, 수학식 16 에 의하여 주어진다:
Figure pct00018
액츄에이터 방향들의 행렬 D L 이 생성될 수 있는데, 여기에서 이것의 열들 각각은 진동 디바이스 내의 선형 모션 진동 액츄에이터의 진동의 방향에 대응하는 단위 벡터이다. 두 개의 선형 모션 진동 액츄에이터를 가지는, 도 14 에 도시되는 것과 같은 진동 디바이스에 대하여, 행렬 D L 은 수학식 17 에 의하여 주어진다:
Figure pct00019
여기에서 a 1 및 a 2 는 열 벡터이다.
결합된 힘의 행렬 표현은 수학식 18 에 의하여 주어진다:
Figure pct00020
여기에서 A1 및 A2 는 스칼라이다. 평면에서의 진동의 경우에, 벡터 a 1 및 a 2 는 2x1 벡터일 것이며 행렬 D L 은 2x2일 것이다.
방향 행렬 D L 이 가역(invertible)이라면, 원하는 결합된 힘 벡터 F combined 에 대응하는 개개의 액츄에이터 내의 진동의 진폭은 수학식 19 에 의하여 주어진다:
Figure pct00021
액츄에이터가 직교하도록 정렬되는 경우, 방향 행렬 D L은 정규직교적(orthonormal)이며 이것의 역(inverse)은 아래에 나타난 바와 같이 자신의 전치(transpose)로서 주어진다:
Figure pct00022
제어되는 중인 힘의 방향보다 더 많은 진동 액츄에이터가 존재하기 때문에 방향 행렬 D L 이 가역이지 않은 경우, 행렬 D L 의 의사 역(pseudo inverse)이 사용될 수 있다. 예를 들어, 만일 xy 평면에 3 진동 액츄에이터가 존재하고, 제어 목적이 오직 2 차원의 힘만을 제어하는 것이라면, D L 행렬은 수학식 21 에 의하여 주어진다:
Figure pct00023
여기에서 a 1, a 2, 및 a 3는 2x1 열 벡터이다.
의사 역은 Wellesley-Cambridge Press에 의하여 2003년에 출판된, Gilbert Strang 저의 "Introduction to Linear Algebra" 3판에서 기술되는데, 이것의 전체 개시물은 본 명세서에서 참조에 의하여 통합된다.
의사 역 D L +를 계산하기 위한 한 가지 방법은 수학식 22 에 의하여 주어진다:
Figure pct00024
이러한 경우에서 각각의 액츄에이터에 대한 진동의 진폭은 수학식 23 에 의하여 주어질 수 있다:
Figure pct00025
결합된 힘 벡터 F combined 를 진동의 방향 및 진폭의 관점에서 특정하는 것이 가능하다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 2 차원의 실시예에 대하여 진동의 결합된 진폭은 스칼라 Acombined에 의하여 특정될 수 있으며 진동의 방향은 각도 쎄타에 의하여 특정될 수 있다. 이러한 2 차원의 실시예에서 F combined 는 수학식 24 에 의하여 주어질 수 있다:
Figure pct00026
따라서, 진동의 진폭 A1 및 A2가 수학식 25 에 의하여 주어지는 바와 같이 진동의 방향, 쎄타, 진동의 결합된 진폭 Acombined, 및 방향 행렬 D L의 관점에서 표현될 수 있다는 것을 알 수 있다:
Figure pct00027
수학식 25 는 A1 및 A2의 스칼라 크기를 제공한다. A1의 부호가 A2의 부호와 상이한 경우, 진동 파형은 수학식의 결과를 사용하여 직접적으로 생성될 수 있다. 대안적으로는, 파형은 A1 및 A2 의 절대 값을 사용하지만, 한 파형이 다른 파형과는 완전히 이위상인 것을 사용하여 생성될 수 있다. 사인파는 이것이 180 도 이위상인 경우 완전히 이위상인 것으로 정의된다. 일반적 파형은 한 파형의 진동의 최대 양의 진폭이 다른 파형의 최대 음의 진폭과 일치하는 경우 완전히 이위상인 것으로 정의된다. 완전히 이위상에서 진동하는 두 개의 액츄에이터들의 모습이 도 13 에 도시된다. 완전히 이위상에서 진동하는 두 개의 액츄에이터는 또한 동기화된 진동 상태에 있는 것으로 간주된다.
진동의 결합된 방향을 도 14 에 도시된 바와 같이 단위 벡터 a combined 의 관점에서 특정하는 것도 역시 가능하다. 벡터 F combined 는 수학식 26 에 의하여 주어질 수 있다:
Figure pct00028
본 개시물의 양태에 따르는 다른 구성은 3 차원의 구성인데, 여기에는 도 15 에 도시된 바와 같이 적어도 3 개의 선형 모션 진동 액츄에이터가 존재한다.
도 15 의 진동 디바이스(220)에서, 액츄에이터(222, 224 및 226) 각각은 운동 매쓰(228, 230 및 232)를 각각 포함한다. 액츄에이터(222, 224 및 226)는 바람직하게는 서로 직교하며 xyz 좌표계와 정렬된다. 대안적인 3 차원의 실시예에서, 액츄에이터 반드시 서로 직교할 필요는 없으며, 액츄에이터의 힘 벡터는 3 차원의 벡터 공간에 걸친다. 이러한 대체예를 가지고, 3 차원 힘의 임의의 방향이 생성될 수 있다. 3 차원의 경우에서, 진동의 결합된 방향은 3x1 단위 벡터 a combined 에 의하여 특정될 수 있다. 3 차원의 결합된 힘은 아래에 보이는 바와 같이 2 차원 케이스에 대한 것과 동일한 수학식에 의하여 주어질 수 있다
Figure pct00029
여기에서 a combined 및 F combined 은 3 차원의 벡터이다.
본 개시물에 따르는 진동 디바이스는 임의의 위치 및 방위에서 임의의 개수의 액츄에이터를 포함할 수도 있다.
도 16 은 한 쌍의 액츄에이터(242 및 244)를 가지는 진동 디바이스(240)를 도시한다. 액츄에이터(242 및 244)는 운동 매쓰(246 및 248)를 각각 포함한다. 이러한 실시예에서, 진동 디바이스 하우징(250)이 컴퓨터 또는 비디오 게임용 핸드헬드 게임 제어기로서 구성된다. 선형 모션 진동 액츄에이터(242)는 좌측 핸들 내에 위치결정되어 있는 것으로 도시되고 선형 모션 진동 액츄에이터(244)는 우측 핸들 내에 위치결정되어 있는 것으로 도시된다. 액츄에이터(242 및 244)는 직교할 필요가 없으며, 동일한 평면 내에 있을 필요가 없다.
본 개시물에 따르는 진동 디바이스의 다른 대체 실시예가 도 17 에 도시되는데, 여기에서 진동 디바이스(260)는 제 1 선형 모션 진동 액츄에이터(262) 및 제 2 선형 모션 진동 액츄에이터(264)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 액츄에이터(262, 264)는 서로의 상부에 위치결정된다. 이러한 구성의 장점은, 액츄에이터(262, 264)가 진동 디바이스(260)의 중심 주위에 거의 토크를 생성하지 않는다는 것인데, 이것은 몇몇 진동 애플리케이션에서는 소망될 수도 있다.
도 17 의 변형에서, 도 18 은 서로 수직으로 배치된 두 개의 선형 액츄에이터(272 및 274)를 가지는 게임 제어기(270)를 도시한다. 액츄에이터(272 및 274)는 바람직하게는 견고하게 게임 제어기의 케이스(276)에 마운트된다. 액츄에이터(272 및 274)는 임의의 각도의 평면 내에 마운트될 수 있다; 그러나, 이들은 바람직하게는 케이스(276)의 수평 평면 내에 마운트된다. 액츄에이터(272 및 274)는 반드시 포개지도록 위치결정될 필요가 없으며, 오히려 이들은 게임 제어기의 케이스(276)와 같은 동일한 견고한 보디에 부착될 수 있다. 물론, 3개 이상의 선형 액츄에이터를 바람직하게는 서로에 대하여 직각으로 케이스(276)에 부착하여 케이스(276)의 3 차원의 공간에 걸치는 힘 벡터를 생성하는 것이 가능하다. 더욱이, 액츄에이터는 서로 직각일 필요가 없다. 바람직하게는, 액츄에이터는 상이한 방위를 가지고 서로에 상대적으로 포지셔닝된다.
본 개시물에 따르는 진동 디바이스의 다른 실시예가 도 19 에 도시된다. 여기에서, 진동 디바이스(280)는 두 개의 선형 모션 진동 액츄에이터(282 및 284)를 포함하는데, 이들은 그들의 방위에서 정렬되지만 거리 D에 의하여 분리된다. 액츄에이터(282)는 운동 매쓰(286)를 포함하고 액츄에이터(284)는 운동 매쓰(288)를 포함한다. 액츄에이터(282, 284)는, 액츄에이터(284) 내의 운동 매쓰(288)가 y 축을 따라 양의 극단을 가질 때 액츄에이터(282) 내의 운동 매쓰(286)가 y 축을 따라 음의 극단에 있도록 진동될 수도 있다. 이러한 방식에서, 두 개의 액츄에이터(282, 284)는 동기 방식으로 진동될 때 결합된 토크를 생성한다. 일 예에서, 도 19 에 도시되는 실시예는, 동기화될 때 운동 매쓰(286 및 288)가 동일한 방향으로 이동하고, 이를 통하여 y 축을 따라 결합된 힘을 생성하도록 작동될 수 있다. 이러한 방식에서, 도 19 에 도시되는 구성은 결합된 토크, 결합된 힘, 또는 힘 및 토크의 조합을 생성하도록 사용될 수 있다.
본 개시물의 양태에 따르는 진동 디바이스(290)의 대체 실시예가 도 20 에 도시된다. 여기에서, 각각 운동 매쓰를 가지는 3 개의 선형 모션 진동 액츄에이터(292, 294 및 296)가 xy 평면 상에서 방위결정된다. 이러한 실시예에서 결합된 힘 및 결합된 토크를 생성하는 것이 가능하다. 각각의 액츄에이터(292, 294 및 296) 내의 진동의 진폭을 변조함으로써 결합 힘 및 토크를 독립적으로 제어하는 것도 역시 가능하다. 결합된 토크 및 힘은 각각의 액츄에이터에 의하여 생성된 힘 및 토크의 중첩이다. 독립적으로 제어될 수 있는 3 개의 액츄에이터가 존재하기 때문에, x 축을 따르는 힘, y 축을 따르는 힘, 및 xy 평면 상의 선택된 점 주위의 토크의 성분이 모두 독립적으로 변조될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 진동 디바이스 실시예에서, 진동 액츄에이터는 진동 디바이스에 견고, 반-견고 또는 비-견고 방식으로 부착될 수도 있다. 진동 액츄에이터가 비-견고 방식으로 진동 디바이스에 부착되는 경우에도, 진동 디바이스는 모든 진동 액츄에이터로부터의 힘의 중첩을 전송하도록 동작가능하다. 진동 액츄에이터가 견고 방식에서 진동 디바이스에 부착되는 경우, 진동 디바이스에 의하여 인가된 결합된 힘은 진동 디바이스가 힘 및 토크를 다른 보디로 전송하는 위치에 덜 의존적이 된다. 추가적으로, 진동 액츄에이터와 진동 디바이스 사이의 부착이 더 견고해 질수록, 진동 디바이스의 모든 점들에서 힘 중첩의 타이밍이 더 균일해진다.
일 예에서, 예를 들어 미국 특허 번호 제 6,275,213 호 및 제 6,424,333 호에서 보이는 바와 같이 액츄에이터를 직접적으로 사람의 손 및 신체에 부착하는 것이 가능하다. 액츄에이터가 손 또는 신체로 직접적으로 부착되거나 간접적으로 커플링되는 본 개시물의 용법에서, 각각의 액츄에이터로부터의 진동력은 신체의 상이한 위치에서 직접적으로 감지될 수도 있는데, 하지만 동기화된 결합된 힘 벡터는 여전히 액츄에이터의 동작을 동기화함으로써 신체에 인가될 수 있다.
본 개시물에 따르는 진동 디바이스는 회전식 진동 액츄에이터를 가지고 그리고 선형 모션 진동 액츄에이터를 가지고 제작될 수 있다. 몇 가지 경우들에서, 회전식 진동 액츄에이터를 제조하는 비용은 선형 모션 진동 액츄에이터를 제조하는 비용보다 더 적다. 따라서, 만일 비용이 중요 요소라면, 선형 모션 진동 액츄에이터 대신에 또는 이와 조합하여 회전식 진동 액츄에이터를 이용하는 것이 바람직할 수도 있다. 그러나, 회전식 진동 액츄에이터를 가지고 동기화된 진동을 생성하기 위해서는, 액츄에이터의 회전식 포지션(rotary position)을 회전 속도와 함께 제어하는 것이 필요하다.
회전식 진동 액츄에이터는, 예를 들어, DC 모터, 회전식 솔레노이드, 회전식 스테퍼 모터, 서보 모터, 또는 다른 타입의 회전식 액츄에이터를 포함할 수도 있다. 회전식 액츄에이터의 하나의 장점은 그들의 상대적으로 낮은 비용이다. 서보 모터는 피드백을 위하여 포지션 센서 및/또는 속도 센서를 사용한다. 몇 가지 상황들에서 회전식 스테퍼 모터가 더 바람직할 수 있는데, 이것은 이것이 센서의 사용이 없이도 포지션 및 속도의 제어를 가능하게 하기 때문이다.
도 21 은 본 개시물과 함께 사용하기에 적합한 회전식 진동 액츄에이터(300)를 도시한다. 액츄에이터(300)는 샤프트(306)를 따라 회전식 액츄에이터(304)에 커플링된 이심 매쓰(302)를 포함한다. 회전식 액츄에이터(304)가 회전될 때, 원심력이 도 21 에서 벡터 CF에 의하여 도시되는 바와 같이, 이심 매쓰(302)와 정렬된 방사상 방향에서 생성된다.
많은 현존 진동기들은 이심 매쓰를 가지지만 동기화된 진동이 없는 회전식 진동 액츄에이터를 이용한다. 본 개시물에 따르면, 한 쌍의 회전식 진동 액츄에이터가 모션의 단일 방향과 정렬된 진동력을 획득하도록 구성될 수 있다. 이에 상응하여, 한 쌍의 이러한 회전식 액츄에이터는 특정 방향에서의 진동력이 요구되는 경우 사용될 수 있다.
예를 들면, 본 개시물에 따르는 진동 디바이스는, 오직 예로서, 도 22 에 도시된 바와 같이 반대 방향으로 회전하는 두 개의 회전식 진동 액츄에이터를 가지고 제작될 수 있다. 도시된 바와 같이, 진동 디바이스(310)는 각각 이심 매쓰(316 및 318)를 개별적으로 가지는 한 쌍의 회전식 진동 액츄에이터(312 및 314)를 포함한다. 액츄에이터(312)는 바람직하게는 시계방향으로 회전하며, 액츄에이터(314)는 바람직하게는 반시계방향으로 회전한다. 도시된 방위에서, 양자의 액츄에이터로부터의 원심력 벡터는 y 축과 정렬되고 중첩되어 y 방향에서 결합된 힘 벡터 CVF를 생성한다.
회전식 진동 액츄에이터를 가지면, 동기화된 진동을 선형 모션 진동 액츄에이터를 가지고 설명된 동기화된 진동과 유사한 방식으로 동기화된 진동을 생성하는 것이 가능하다. 회전식 진동 액츄에이터에서, 두 개의 회전식 액츄에이터가 근사적으로 동일한 평면 내에서 반대 방향의 동일한 각속도로 회전하는 경우, 그리고 액츄에이터들 사이의 상대적인 각도가 액츄에이터 원심력 벡터가 반복하여 원하는 진동력의 방향에서 정렬하도록 제어되는 경우, 동기화된 진동이 발생하는 것으로 정의된다.
진동력의 방향은 원심력 벡터가 정렬되게 되는 각도를 제어함으로써, 한 쌍의 회전식(또는 로킹) 진동 액츄에이터를 가지고 제어될 수 있다. 그러므로, 어떻게 결합된 힘의 방향이 다수의 선형 진동 액츄에이터를 가지고 제어될 수 있는지와 유사한 방식으로, 결합된 힘의 방향을 회전식 액츄에이터를 가지고 제어하는 것이 가능하다.
도 23 은 도 22 에 대하여 설명된 바와 같은 두 개의 회전식 진동 액츄에이터의 실시예를 도시하는데, 여기에서 액츄에이터는 다수 개의 포지션에서 동기화된 진동 상태에서 제어된다. 도 23 에 도시된 바와 같이, 결합된 힘 벡터 CFV는 y 축에서 유지되며, 그리고 이것의 크기는 액츄에이터의 회전 포지션에 따라서 변화한다. 최대 결합된 힘 벡터는 양자의 회전식 액츄에이터로부터의 원심력이 정렬되는 경우 발생한다.
본 개시물과 함께 사용되기에 적합한 대안적 타입의 회전식 액츄에이터는 피봇팅 매쓰를 가지는 회전식 액츄에이터이다. 도 24a 내지 도 24c 는 개별적인 예시적인 피봇팅 액츄에이터(400)의 정면, 측면, 및 저면도를 도시하는데, 액츄에이터는 회전식 액츄에이터(404)에 상대적으로 피벗하도록 동작가능한 매쓰(402)를 포함한다. 매쓰(402)는 샤프트(406)를 통하여 회전식 액츄에이터(404)에 연결된다. 매쓰(402)의 질량 중심은 매쓰(402)의 보디 상의 어느 지점에나 위치될 수 있다. 따라서, 질량 중심은 회전축과 동심적이거나, 또는 회전축에 대해 이심적일 수도 있다. 피봇팅 액츄에이터(400)는 위에서 논의된 회전식 진동 액츄에이터와 유사한 방식으로 동작하도록 구성될 수도 있다.
도 25a 내지 도 25c 에서 볼 수 있는 바와 같이, 회전식 액츄에이터(404)는 서포트(408)로 부착될 수도 있는데, 이것은 이제 다른 오브젝트(미도시)에 연결될 수도 있다. 바람직하게는 스프링 디바이스(410)는 피봇팅 매쓰(402)를 서포트(412)로 커플링하는데, 이것은 서포트(408)와 동일한 또는 상이한 서포트일 수도 있다. 도 25a 는 피봇팅 매쓰(402)가 중앙 포지션에 있을 때 스프링 디바이스(410)가 휴지 상태(rest state)에 있는 피봇팅 액츄에이터(400)를 도시한다.
매쓰(402)는 시계방향 또는 반시계방향 방식 중 하나에서 피벗할 수도 있다. 도 25b 는 반시계방향 동작을 도시한다. 여기에서, 스프링 디바이스(410)는 압축된 상태에 있다. 도시된 바와 같은 이 실시예에서, 스프링 디바이스(410)는 주로 선형인 압축력을 받으며 도면의 우측을 향하여 적용된다. 도 25c 는 매쓰(402)의 시계방향 동작을 도시한다. 여기에서, 스프링 디바이스(410)는 주로 선형인 힘에 응답하여 비압축된 상태에 있으며, 도면의 좌측을 향하여 적용된다.
진동 힘 및/또는 토크는 도 25a 내지 도 25c 에 도시된 바와 같은 피봇팅 액츄에이터(400)를 사용하여 생성될 수 있다. 피봇팅 액츄에이터(400)는 활성화되어 피봇팅 매쓰(402)를 우선 제 1 시계방향으로 그리고 반시계방향으로, 또는 그 반대의 순서로 피벗할 수 있다. 피봇팅 매쓰(402)가 앞뒤로 흔들릴 때, 스프링 디바이스(410)는 진동력, 토크, 또는 진동력 및 토크 모두를 이것이 서포트(408)를 통해 부착된 오브젝트 상에 생성한다. 이러한 방식으로, 만일 피봇팅 매쓰(402)가 회전축과 동심인 질량 중심을 가진다면, 피봇팅 매쓰(402)는 진동 토크를 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 또한 이러한 방식으로, 만일 피봇팅 매쓰(402)가 회전축과 이심인 질량 중심을 가진다면, 피봇팅 매쓰(402)는 진동력을 생성하기 위하여 사용될 수 있다.
진동력 및/또는 토크는 매쓰를 앞뒤로 이동시킴으로써 생성될 수 있다. 진동 파형의 시작을 매쓰가 자신의 모션 방향을 뒤집는 시점으로서 정의하는 것이 가능하다. 선형 액츄에이터에 대하여, 방향의 반전(reversal)은 병진(translation)의 반전이다. 회전식 액츄에이터에 대하여, 방향의 반전은 회전의 반전이다. 일반적으로, 액츄에이터 내의 매쓰의 모션의 반전은 병진 및 회전 모두를 포함할 수도 있다.
운동 매쓰에 부착된 스프링 디바이스를 가지는 액츄에이터에서, 에너지는 특히 매쓰가 매쓰 및 스프링 시스템의 고유 주파수에 근접하게 앞뒤로 이동되는 경우 스프링 디바이스 내에 축적될 수 있다. 이러한 경우에서, 최대 진동력이 스프링 디바이스의 최대 변형에서 발생할 수 있는데, 이것은 매쓰가 자신의 최대 변위에 도달하고 자신의 방향을 반전시킬 때 발생할 수 있다. 이에 상응하여, 동기화된 진동 상태에서 동작하고 있는 두 개의(또는 더 많은) 액츄에이터 내의 운동 매쓰는 거의 동시에 방향을 반전시킬 수 있다.
진동을 생성하기 위한 대안적 방법은, 피봇팅 액츄에이터(400)를 시계방향(또는 반시계방향)으로 작동시키고 이제 스프링 디바이스(410)가 피봇팅 매쓰(402)를 반시계방향(또는 시계방향)에서 회전시키도록 하면서 피봇팅 액츄에이터(400)를 비활성화하는 것일 것이다. 이러한 접근법은 피봇팅 액츄에이터를 사용하게 하며 단일 방향에서만 동작하는 회로부를 제어하도록 할 것이다.
도 26 은 피봇팅 액츄에이터(400), 즉 피봇팅 액츄에이터(400')의 변형예를 도시하는데, 이것은 바람직하게는 회전식 액츄에이터(404)에 상대적으로 피벗하도록 동작가능하며 샤프트(406)를 통하여 그것에 연결되는 피봇팅 매쓰(402)를 포함한다. 위에서와 같이, 회전식 액츄에이터(404)는 서포트(408)로 부착될 수도 있는데, 이것은 이제 다른 오브젝트(미도시)에 연결될 수도 있다. 바람직하게는 제 1 스프링 디바이스(410a)는 피봇팅 매쓰(402)를 제 1 서포트(412a)에 커플링하며, 제 2 스프링 디바이스(410b)도 피봇팅 매쓰(402)를 제 2 서포트(412b)에 커플링한다. 서포트(412a 및 412b)는 단일 서포트, 물리적으로 연결된 분리 서포트, 또는 물리적으로 단절된 서포트일 수도 있다. 서포트(412a,b) 중 하나 또는 모두는 서포트(408)와 동일하거나 상이한 서포트일 수도 있다.
채용될 수 있는 피봇팅 액츄에이터(400)의 한 타입은 DC 모터이다. 그러나, 이 애플리케이션에서는 DC 모터의 모든 컴포넌트들이 필요한 것이 아닌데, 이것은 출력 샤프트가 연속적으로 회전하지 않기 때문이다. 이에 상응하여 모터 브러시를 가지는 것이 반드시 필요하지는 않은데, 이것은 비용 및 전력 손실 및 마찰 손실을 감소시킬 수 있다. 바람직한 예에서, 피봇팅 액츄에이터(400)는 본질적으로 고정자 및 회전자를 포함할 수도 있다. 고정자는 정지될 수도 있으며 바람직하게는 영구 자석 및/또는 전자석을 포함한다. 회전자는 피벗하도록 동작가능하며 영구 자석 및/또는 전자석을 포함할 수 있다. 고정자 및 회전자 내의 자석들의 극성은, 전자석을 활성화시키면 전자기 토크가 회전 매쓰(402) 상에 작용되도록 하도록 구성될 수 있다.
도 25a 내지 도 25c 의 실시예에서, 스프링 디바이스(410)는 일반적으로 선형 방식으로 동작하도록 구성된다. 그러나, 작은 액츄에이터를 가지고 진동력의 큰 크기를 생성하기 위해서, 시스템의 공진을 이용하는 것이 이로울 수 있다. 도 25a 내지 도 25c 에 도시된 실시예는 매쓰 및 스프링을 모두 가지며, 따라서 공진 주파수를 가진다. 만일 액츄에이터가 이러한 공진 주파수에서 또는 이에 근접하게 여기되면, 큰 진폭 진동이 발생할 수 있다. 그러나, 진동 디바이스를 주파수의 일정 범위에서 작동시키는 것이 소망될 수 있다. 앞서 언급된 "Vibration Device" 특허 출원에서 논의된 바와 같이, 디바이스가 비선형 탄성력을 사용하여 가변 공진 주파수를 가지는 것이 가능하다. 이에 상응하여, 진동 디바이스 내에 비선형 스프링을 사용하여 주파수의 일정 범위에서 진동의 더 큰 진폭을 획득할 수 있다.
선형 스프링 엘리먼트를 사용하는 경우에도 비선형 탄성력을 생성하는 것이 가능하다. 도 27a 에 도시되는 실시예를 고려한다. 여기에서, 피봇팅 액츄에이터(420)는 회전식 액츄에이터(424)에 상대적으로 피벗하도록 동작가능한 매쓰(422)를 가진다. 매쓰(422)는 샤프트(426)를 통하여 회전식 액츄에이터(424)에 연결된다. 회전식 액츄에이터(424)는 서포트(427)로 부착될 수도 있는데, 이것은 이제 다른 오브젝트(미도시)에 연결될 수도 있다. 바람직하게는 스프링 디바이스(428)는 피봇팅 매쓰(422)를 서포트(427')로 커플링하는데, 이것은 서포트(427)와 동일한 또는 상이한 서포트일 수도 있다.
도 27a 에 도시된 바와 같이, 스프링 디바이스(428)는 바람직하게는 피봇팅 매쓰 축과 동일선에 배치된다. 피봇팅 매쓰(422)가 중심 포지션 주위에서 조금 회전되는 경우, 매우 적은 연장이 스프링 디바이스(428)에서 발생한다. 이에 상응하여, 유효 스프링 상수는 낮고 공진 주파수도 낮다.
저 주파수 동작은, 바람직한 몇 가지 상황들에서, 예를 들면 저 주파수 효과를 가지는 게임에서 바람직하다. 예를 들면, 게임은 200 헤르쯔 아래 범위, 예컨대 15 헤르츠와 150 헤르쯔 사이에서 액션 또는 이벤트를 생성할 수도 있다. 어떤 경우에는 액션 또는 이벤트는 20-50 헤르쯔만큼 낮거나 예컨대 약 10-20 헤르쯔로 더 낮을 수도 있다. 이러한 액션/이벤트의 예는 총성, 차가 제어되지 못하고 회전하는 것과 같은 자동차 관련 사운드, 및 회전자 날개의 회전과 같은 헬리콥터 관련된 사운드를 포함한다. 이심 매쓰 액츄에이터는 햅틱 감흥을 이러한 주파수 범위에서 생성하기에 적합하지 않을 수도 있지만, 피봇팅 액츄에이터 또는 선형 액츄에이터는 이러한 주파수를 생성할 수도 있다.
피봇팅 매쓰(422)의 회전의 크기가 증가함에 따라, 스프링 디바이스(428)의 연장이 도 27b 및 도 27c 에 도시된 바와 같이 증가한다. 이에 상응하여, 회전의 더 큰 진폭을 위하여, 유효 스프링 상수는 더 높으며, 시스템의 고유 주파수도 더 높아진다. 비선형 탄성력이 사용될 경우 신속하게 진동 진폭을 증가시키기 위하여, 여기 주파수는 이것이 항상 진동 디바이스의 고유 주파수와 매치하도록 변동될 수 있다.
도 27d 는 샤프트(436)를 통하여 회전식 액츄에이터(434)에 커플링된 회전 매쓰(432)를 가지는 회전 액츄에이터(430)를 도시한다. 회전식 액츄에이터(434)는 바람직하게는 서포트(437)로 커플링되며, 이것은 이제 다른 오브젝트(미도시)로 연결될 수도 있다. 이러한 대체예에서, 비틀림 스프링(438)과 같은 스프링 디바이스는 회전 매쓰(432)와 회전식 액츄에이터(434) 사이에 부착된다. 도시된 바와 같이, 비틀림 스프링(438)의 일단 또는 탱(tang; 439a)은 회전 매쓰(432)에 부착되며, 타단 또는 탱(439b)은 서포트(437)(또는, 대안적으로는, 회전식 액츄에이터(434) 자체)에 부착된다. 비틀림 스프링(438)은, 이러한 스프링 디바이스가 회전식 액츄에이터(434) 및 서포트(437)에 상대적으로 회전 매쓰(432)의 큰 회전 정도를 허용하기 때문에 채용될 수도 있다.
도 27e 및 도 27f 는 다른 회전 액츄에이터, 즉 회전 액츄에이터(440)를 도시한다. 회전 액츄에이터(440)는 내부에 슬롯(443)을 가지는 회전 매쓰(442), 회전식 액츄에이터(444), 및 회전 매쓰(442)를 회전식 액츄에이터(444)에 커플링하는 샤프트(446)를 포함한다. 회전식 액츄에이터(444)는 바람직하게는 서포트(447)로 커플링되며, 이것은 이제 다른 오브젝트(미도시)로 연결될 수도 있다. 이러한 실시예에서 핀(445)이 슬롯(443) 내에 홀딩된다. 스프링 디바이스(448)는 일단 또는 탱(449a)에서 핀(445)에 커플링된다. 스프링 디바이스(448)는 타단 또는 탱(449b)에서 서포트(447')에 커플링된다. 서포트(447')는 바람직하게는 서포트(447)와는 상이하며, 또는, 대안적으로는 회전식 액츄에이터가 커플링되기 시작하는 서포트(447)의 상이한 섹션인 것이 바람직하다.
도 27e 는 "휴지" 포지션에 있는 스프링 디바이스(448)를 도시한다. 도 27f 는 "압축된" 포지션에 있는 스프링 디바이스(448)를 도시한다. 여기에서, 오직 예로서, 회전 매쓰(442)는 시계 방향으로만 회전할 수도 있다. 회전 매쓰(442)가 회전할 때, 핀(445)은 슬롯(443)에 상대적으로 운동하는데, 하지만 스프링 디바이스(448)는 서포트(447')에 상대적으로 실질적으로 동일한 방위를 유지한다. 이러한 방식에서, 고정된(447') 상에 인가된 힘은 운동 매쓰(442)가 회전하는 것과 상대적으로 동일한 방향에서 유지한다. 스프링 디바이스(448)가 자신의 휴지 포지션으로부터 연장되거나 압축되기 이전에 샤프트(446)의 어느 정도의 회전을 허용할 갭을 슬롯(443)과 핀(445) 사이에 내장시키는 것이 가능하다. 갭은 비-선형 힘 효과를 회전 매쓰(442) 상에 생성할 것이며, 이것이 진동의 크기를 증가시키는데 도움이 될 수 있다. 갭은 샤프트(446)가 더 신속하게 더 높은 속도에 도달하도록 하고 그리고 회전 액츄에이터(440)가 더 신속하게 회전 관성을 증강하도록 할 것이다.
반면에 본 개시물과 함께 사용될 수도 있는 여러 타입의 액츄에이터들이 위에서 설명되었지만, 다른 타입의 액츄에이터도 그들이 본 명세서에서 설명된 바와 같이 제어될 수 있기만 하면 역시 채용될 수도 있다. 예를 들면, 별개의 또는 이산 "운동" 및 "정지된" 매쓰가 없는 압전 디바이스는 홀로 또는 다른 액츄에이터 타입과 조합되어 채용되어 진동력을 본 명세서에서 설명되는 방식으로 전달할 수도 있다.
도 28 은 동기화된 진동 시스템(450)을 도시하는데, 이것은 두 개의 진동 디바이스(452 및 454), 예컨대 도 24a 내지 도 24c, 도 25a 내지 도 25c, 도 26 및/또는 도 27a 내지 도 27f 중 임의의 것을 포함할 수도 있다. 물론, 세 개 이상의 진동 디바이스가 제공될 수도 있다. 비록 직교성이 요구되지 않는다고 해도, 진동 디바이스(452 및 454)는 바람직하게는 베이스 플레이트(456) 상에 일반적으로 도시된 바와 같이 직교 방식으로 마운트된다. 진동 디바이스(452)는 바람직하게는 주로 수평력을 베이스 플레이트(456) 상에 인가하는 스프링 디바이스(458)를 가지는 수평 진동기인 것이 바람직하다. 진동 디바이스(454)는 바람직하게는 주로 수직력을 베이스 플레이트(456) 상에 인가하는 스프링 디바이스(460)를 가지는 수직 진동기인 것이 바람직하다. 상이한 진동 디바이스의 진동력의 방향들이 정렬되지 않는 한, 진동의 결합된 방향을 본 명세서에서 설명된 바와 같은 그리고 앞서 언급된 "Vibration Device" 특허 출원에 있는 동기화된 진동 방법을 사용하여 제어하는 것이 가능하다.
본 개시물의 대체 실시예는 그의 진동면들이 동일하지 않은 두 개의 회전식 진동 액츄에이터를 포함한다; 그러나, 이러한 경우에 두 개의 평면들은 서로 직교하지 않는다. 이러한 실시예에서, 다른 액츄에이터의 평면 상에 투영될 수 있는, 하나의 액츄에이터로부터의 원심력의 성분이 동기 진동의 성분을 획득하기 위하여 사용될 수 있다.
일 예에서, 두 개 이상의 진동 디바이스는, 도 29a 에 도시된 바와 같은 게임 제어기 내의 마운트된 디바이스일 수도 있다. 여기에서, 게임 제어기(470)는 하우징(476)의 우측 및 좌측 핸들 각각 내에 마운트된 한 쌍의 진동 디바이스(472 및 474)를 포함한다. 진동 디바이스(472 및 474)의 진동의 방향은 바람직하게는 정렬되지 않으며, 따라서 진동의 방향을 본 명세서에서 논의되는 동기화된 진동 접근법을 사용하여 제어하는 것이 가능하다.
동기화된 진동이 가능한 실시예를 획득하기 위하여 사용될 수 있는 회전식 액츄에이터 및 스프링의 많은 방위들이 존재한다. 예를 들면, 액츄에이터들 모두의 회전축은 스프링 방향이 변동할 수 있는 동안 정렬될 수 있으며, 이것은 동기화된 진동에 대한 대안적 구성을 가능하게 한다. 도 29b 는 하우징(486) 내의 한 쌍의 진동 디바이스(482 및 484)를 가지는 게임 제어기(480)를 도시하는데, 여기에서 두 회전식 액츄에이터들 내의 회전하는 샤프트의 축들은 정렬되지만, 탄성력은 정렬되지 않는다.
도 30 은 회전식 및 피봇팅 진동 디바이스와 유사한 또 다른 변형예를 도시한다. 여기에서, 로킹 액츄에이터(490)는 바람직하게는 샤프트(494) 주위에서 회전가능한 로킹 추(rocking weight; 492)를 포함한다. 바람직하게는, 로킹 추(492)의 일단은 제 1 스프링 디바이스(496a)를 통하여 제 1 서포트(498a)에 동작적으로 커플링된다. 로킹 추(492)의 동일한 단부는 또한 바람직하게는 제 2 스프링 디바이스(496b)를 통하여 제 2 서포트(498b)에 동작적으로 커플링된다. 서포트(498a 및 498)는 단일 서포트, 물리적으로 연결된 분리 서포트, 또는 물리적으로 단절된 서포트일 수도 있다. 로킹 액츄에이터(490)는 위에서 설명된 임의의 구성에서, 게임 제어기와 같은 디바이스 내에 구현될 수도 있다.
한 쌍의 회전식 진동 액츄에이터의 동기화된 진동에 대한 제어기는 각각의 회전 샤프트의 각 포지션을 특정함으로써, 원심력 벡터가 정렬되는 각도가 원하는 힘 진동의 방향이 되도록 하고, 그리고 각 포지션의 방향은 증분됨으로써, 회전 속도가 원하는 진동 주파수와 매치하도록 한다.
선형 모션 진동 액츄에이터를 사용하는 하나 이상의 진동 디바이스에 대한 제어기를 가지는 시스템(500)이 도 31 에 도시된다. 진동 디바이스 제어기(502)는 원하는 진동 효과를 특정하며, 하나 이상의 드라이버 회로(들)(504a, 504b, ... 504N)는 필요한 전력을 액츄에이터(506a, 506b, ... 506N)로 제공한다. 각각의 액츄에이터(506)가 별개의 드라이버 회로(504)에 의하여 전력공급되는 중인 것으로 도시된 반면에, 다수의 액츄에이터(506)가 하나의 드라이버 회로(504)에 의하여 구동되는 것도 가능하다.
제어기(502)는, 오직 예로서 마이크로프로세서일 수도 있으며 드라이버 회로(들)(504)는 예를 들면, 하나 이상의 전기 증폭기일 수도 있다. 제어기(502) 및 구동 회로(504)는 단일 마이크로프로세서로 또는 단일 전기 회로로 집적될 수도 있다. 이 도면에서의 제어 방법은 N 개의 액츄에이터를 가지는 구성에 대한 것이며, 여기에서 N은 액츄에이터의 임의의 개수이다. 본 출원의 다양한 제어 방법을 도시하는 도면 중 몇 개는 두 개의 액츄에이터만을 도시한다. 그러나, 본 개시물에 따르는 제어 방법이 도 31 에 도시된 바와 같이 임의의 개수의 액츄에이터를 포함하도록 확장될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 32 는 두 개의 액츄에이터에 대한 제어 방법을 도시한다. 여기에서 제어기(502)는 각각의 액츄에이터(506)에 대한 원하는 진동 진폭 A, 주파수 f, 및 위상 p를 특정한다. 액츄에이터(506a)의 진폭, 주파수, 및 위상(A1, f1, p1)은 액츄에이터(506b)의 진폭, 주파수, 및 위상(A2, f2, p2)과 상이할 수도 있다. 원하는 진동력의 프로파일/파형은 사인파, 구형파, 삼각파, 또는 다른 프로파일, 예컨대 도 1 에 대하여 위에서 논의된 바와 같은 것일 수도 있다. 액츄에이터(506a,b)의 실제 진동 프로파일/파형은 구동 회로(504a,b) 및 액츄에이터(506a,b)의 다이내믹스에 기인하여 원하는 진동 프로파일과는 상이할 수도 있다.
도 33 은 진동의 주파수 f가 두 액츄에이터(506a,b)에 대하여 동일한 경우의 제어 방법을 도시한다. 도 34 는 진동의 주파수 f 및 진동의 위상 p가 두 액츄에이터(506a,b)에 대하여 동일한 경우의 제어 방법을 도시한다. 이러한 실시예에서, 액츄에이터(506a,b)는 바람직하게는 동기되어 구동됨으로써, 진동의 피크 진폭이 두 액츄에이터(506a,b) 모두에 대하여 거의 동시에 발생하도록 한다. 진동의 진폭은 액츄에이터(506a,b)들 사이에서 상이할 수도 있다.
도 35 는 진동 디바이스 제어기(502)가 내부 방향 및 진폭 제어기(508), 내부 주파수 제어기(510), 및 내부 진동 제어기(512)를 포함하는, 본 개시물에 따르는 제어 실시예를 도시한다. 방향 및 진폭 제어기(508)는 바람직하게는 결합된 진동 진폭 Acombined 및 진동의 방향 쎄타를 특정한다. 주파수 제어기(510)는 바람직하게는 진동 주파수 f를 특정한다. 진동 제어기(512)는 쎄타, Acombined, 및 f의 입력을 사용하여 진동 명령을 개개의 액츄에이터(506a,b)로 출력한다. 진동 제어기(512)는 본 명세서에서 논의된 바와 같은 사인파, 구형파, 삼각파, 또는 다른 프로파일을 포함하는 다양한 파형을 출력하도록 동작가능하다.
도 35 에 도시되는 진동 디바이스 제어기(502)로부터의 출력은 진동의 크기를 시간의 함수로서 각각의 구동 회로(504a,b)로 제공한다. 진동의 프로파일이 사인파인 경우에, 각각의 액츄에이터에 대한 시간의 함수로서의 진동의 진폭은 아래 수학식에 의하여 주어진다:
Figure pct00030
여기에서, t는 시간이고 ω는 초당 라디안 단위의 진동 주파수이다. 파라미터 p는 진동의 위상이며 제로로 설정될 수도 있다. 초당 진동의 단위인 주파수 f의 관점에서의 ω의 값은 ω = 2πf에 의하여 주어진다.
진동 액츄에이터가 명령 크기와 진동의 크기 사이에 선형 관련성을 가진다면, 수학식 28 로부터의 출력 A1(t) 및 A2(t)이 직접적으로 진동 액츄에이터로 인가되어 각도 쎄타에 대응하는 결합된 진동 방향을 생성할 수 있다. 그러나 몇몇 진동 액츄에이터는 명령 크기와 진동의 크기 사이에 비선형 관련성을 가질 수도 있다. 이러한 비선형 액츄에이터에 대하여 다음 수학식에서 보이는 바와 같이 액츄에이터의 비선형성을 보상하기 위하여, A1 및 A2의 크기를 조절하여 액츄에이터의 비선형성을 보상하는 선형화(linearization) 함수를 사용하여 방향 쎄타에서 진동을 생성하는 것이 가능하다.
Figure pct00031
위에서 설명된 선형화 수학식은 룩업 테이블이거나 스케일링 알고리즘이거나 다른 타입의 함수일 수 있다.
시간에 따라서 진동의 방향을, 예컨대 수학식 28 및 29 의 사용을 통하여 제어하는 능력이 본 개시물의 중요한 장점이다. 진동 방향을 제어하는 능력은 부품들을 원하는 방향으로 디렉팅하기 위하여 진동형 피더에서 사용될 수 있다. 추가적으로, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 햅틱 디바이스에 대하여 본 개시물을 사용하는 것의 여러 개의 장점이 존재한다.
도 36a 는 한 쌍의 선형 액츄에이터에 대한 다양한 입력 파라미터인 진폭, 위상 및 포지션(또는 시간)의 입력을 보여주는 시스템(550)을 도시한다. 컴퓨터(552)는 파라미터의 입력을 수신하는데, 이것은 바람직하게는 컴퓨터 키보드(미도시)를 사용하여 입력된다; 그러나, 파라미터는 또한 그래픽 사용자 인터페이스, 아날로그 전위차계, 또는 당업자에게 일반적으로 공지된 많은 다른 수단을 사용하여 입력될 수 있다. 그러면 선형 액츄에이터(554a 및 554b)에 대한 적합한 출력 파형이 컴퓨터(552)를 사용하여 계산된다. 각각의 파형은 바람직하게는 독립적이다. 비록 계산은 아날로그 컴퓨터를 사용하여 수행될 수도 있지만, 디지털 컴퓨터가 바람직하다.
만일 디지털 컴퓨터가 사용되면, 각각의 액츄에이터(554a,b)에 대한 디지털 출력은 이제 바람직하게는 개별적인 디지털-아날로그("DAC") 컨버터(556a 및 556b)로 공급되는데, 이것은 출력을 적합한 아날로그 파형으로 변환한다. 그러면, 아날로그 파형이 적합한 드라이버 회로(558a 및 558b)로 공급된다. 당업자는 각각의 액츄에이터(554a 및 554b)의 선형 진동을 변조하기 위하여 다른 수단을, 예를 들어 펄스 폭 변조("PWM")를 사용할 수 있다. 파라미터를 변경하면 최종 사용자에게 극단적으로 광범위하고 풍부한 세트의 햅틱 감흥이 생성된다.
변동하는 힘 효과를 생성하는 것에 추가하여, 진동의 방향을 제어할 수 있다 - 다시 말해서 진동의 방향은 정지된 상태로 유지될 수 있다. 결과인 힘 효과는 진동의 주파수보다 더 낮은 주파수를 가질 수 있다.
간단한 파라미터로부터 진동의 정밀한 패턴을 생성하기 위한 유용한 애플리케이션도 역시 존재한다. 이러한 패턴은 원, 타원 및 직선을 포함한다. 더욱이,패턴의 진폭 및 지속기간은 시간이 지남에 따라서 정밀하게 제어될 수도 있다. 더욱이, 패턴의 시퀀스가 원하는 대로 생성될 수도 있다.
도 36b 는 다양한 입력 파라미터의 입력이 복잡한 변형예들을 사용하는 진동 디바이스에 대한 패턴 번호, 진폭, 지속기간 및 시작-시간의 입력을 포함하는 시스템(550)을 도시한다. 파라미터는 바람직하게는 컴퓨터 키보드를 사용하여 입력된다. 각각의 선형 액츄에이터에 대한 적합한 출력 파형이 이제 컴퓨터(552)에서 계산된다. 위에서 설명된 바와 같이, 각각의 액츄에이터(554a 및 554b)에 대한 디지털 출력이 이제 적합한 아날로그 파형으로의 변환을 위하여 DAC(556a 및 556b)로 공급된다. 그러면 파형이 드라이버 회로(558a 및 558b)로 공급된다. 다시 말하건데, 다양한 파라미터는 최종 사용자에게 극단적으로 넓고 풍부한 세트의 햅틱 감흥을 생성한다.
본 개시물에 따라서 본 명세서에서 설명되는 각각의 진동 디바이스는 햅틱 인터페이스로서 사용될 수 있다. 햅틱 인터페이스는 사용자에게 힘 감흥을 제공한다. 햅틱 인터페이스는 컴퓨터 게이밍 제어기, 로봇 제어기, 수술 도구 제어기, 및 힘 감흥이 사용자에게 제공되는 다른 디바이스를 포함한다.
햅틱 인터페이스 애플리케이션을 가지는 본 개시물의 일 실시예(600)가 도 37 에 도시된다. 이러한 실시예에서, 시스템 제어기(602)는 사용자(606)에게 힘 감흥으로써 나타나는 힘을 생성하는 햅틱 인터페이스(604)로 힘 명령을 제공한다. 시스템 제어기(602)는 마이크로프로세서, 중앙 처리 유닛, ASIC, DSP, 게임 제어기, 아날로그 제어기, 또는 다른 타입의 제어기 또는 이들의 임의의 조합일 수도 있다. 사용자(606)는 사용자 명령으로서 시스템 제어기(602)로 다시 송신되는 명령을 햅틱 인터페이스(604)로 입력할 수 있다. 사용자 명령은 버튼을 누르는 것, 조이스틱을 움직이는 것, 햅틱 인터페이스를 다양한 레벨 힘에서 감싸쥐는 것, 햅틱 인터페이스를 이동시키는 것, 힘 및 토크를 햅틱 인터페이스에 인가하는 것을 통하여 그리고 다른 수단을 통하여 입력될 수 있다.
도 37 에 도시되는 일 실시예에서, 바람직하게는 이미지 명령을 시스템 제어기(602)로부터 수신하고 시각적 이미지를 사용자(606)에게 디스플레이하는 그래픽 디스플레이(608)가 존재한다. 그래픽 디스플레이(608)는, 예를 들면 컴퓨터 모니터, 텔레비전 모니터, LCD 디스플레이, 플라즈마 디스플레이, 광원의 조합, 또는 그래픽 이미지를 생성하기 위한 다른 타입의 수단일 수도 있다. 햅틱 인터페이스 애플리케이션은 또한 그래픽 디스플레이(608)가 없이 구현될 수도 있다.
햅틱 인터페이스 애플리케이션은 가상 환경의 시뮬레이션 또는 사용자(606)에 대한 실제 환경의 표현을 포함할 수 있다. 제어의 시스템 제어기 방법은 이러한 실제 또는 가상 환경에 기초할 수 있다. 통상적인 시뮬레이션된 환경은 게임, 운전 및 비행 시뮬레이션, 수술 시뮬레이션, 및 다른 타입의 시뮬레이션을 포함한다. 통상적인 실세계 환경은 로봇 및 원격 머신의 제어, 장거리 상호작용, 및 다른 타입의 환경을 포함한다. 햅틱 인터페이스가 사용되는 중인 실제 또는 시뮬레이션된 환경과 상관하는 힘 감흥을 햅틱 인터페이스가 제공하는 것이 흔히 바람직하다.
햅틱 인터페이스 애플리케이션을 가지는 다른 실시예(620)가 도 38 에 도시된다. 이러한 실시예는 도 37 의 것과 유사하며 시스템 제어기(622)를 포함하는데, 이것은 힘 명령을 사용자(626)에 의하여 수신되는 힘 감흥을 초래하는 힘을 생성하는 햅틱 인터페이스(624)로 제공한다. 또한 그래픽 디스플레이(628)가 이미지 명령을 시스템 제어기(622)로부터 수신하기 위하여 그리고 시각적 이미지를 사용자(626)에게 디스플레이하기 위하여 제공된다.
도 38 의 일 실시예에서, 햅틱 인터페이스(624)는 바람직하게는 진동 액츄에이터(미도시), 진동 제어기(632), 진동 디바이스 액츄에이터를 구동하는 드라이버 회로(634), 및 입력 디바이스(636)를 포함하는 진동 디바이스(630)를 포함하는데, 입력 디바이스는 사용자 입력을 검출할 수 있으며 버튼, 조이스틱, 및 압력 센서를 포함할 수 있다. 햅틱 인터페이스(624)의 컴포넌트는 본 명세서에서 설명되는 구성 중 임의의 것에 속하는 것일 수도 있다. 이러한 실시예에서 그래픽 디스플레이(628)는 바람직하게는 2 차원의 이미지를 제공한다. 그래픽 디스플레이(628)는 각도 쎄타에 의하여 특정된 방향에 있는 관심 대상인 오브젝트를 표시한다. 사용자(626)에 의하여 감지되는 힘 감흥이 쎄타와 같은 방향 및 다른 속성의 관점에서 그래픽 디스플레이 상의 이미지에 대응하는 것이 소망될 수도 있다.
도 38 에 도시되는 실시예는, 사용자(626)에 의하여 감지되는 힘 감흥이 특히 그래픽 디스플레이(628) 상의 이미지에 대응하게 진동 디바이스 제어기(632)에 의하여 생성되도록 이용될 수 있다. 진동 디바이스 제어기(632)는 위에서 설명된 바와 같은 진동의 진폭 Acombined, 힘의 방향 쎄타, 및 진동의 주파수 f 중 하나 이상을 특정할 수도 있다. Acombined, 쎄타, 및/또는 f의 값은 그래픽 디스플레이(628) 상의 이미지 및 시스템 제어기(622)에 의하여 사용되는 중인 환경에 대응하도록 선택될 수 있다. 진동 디바이스에 의하여 생성된 전체 힘 효과(주파수, 진폭, 힘 및 토크의 결합된 방향, 및 힘 효과의 지속 시간)는 그래픽 컴퓨터 시뮬레이션 내에서 이벤트들을 상관시킬 수 있다. 이러한 동작의 수 개의 예들이 뒤따른다.
제 1 예는 총을 발사하는 사용자의 시뮬레이션을 수반한다. 이러한 시뮬레이션에서, 진동 디바이스 제어기(632)는 발사하는 총의 방향을 나타내는 각도 쎄타, 총 반동(gun recoil)의 진폭을 나타내는 진동의 진폭 Acombined, 및 총알이 총을 떠나는 빈도를 나타내는 진동의 주파수 f를 특정할 수 있다.
제 2 예는 오브젝트들 사이의 영향을 수반한다. 이러한 시뮬레이션에서, 진동 디바이스 제어기(632)는 영향의 방향을 나타내는 각도 쎄타, 및 영향의 진폭을 나타내는 진동의 진폭 Acombined를 특정할 수도 있다.
제 3 예는 운송체를 운전하는 것을 수반한다. 이러한 시뮬레이션에서, 진동 디바이스 제어기(632)는 운송체 모션의 방향을 나타내는 각도 쎄타, 운송체가 도로의 턱 위를 지날 때의 운송체 진동의 주파수를 나타내는 진동의 주파수 f 또는 운송체의 속도, 및 도로의 턱의 크기를 나타내는 진동의 진폭 Acombined를 특정할 수 있다.
제 4 예는 제어되지 않아 회전하는 차 또는 우주선을 수반한다. 이러한 시뮬레이션에서, 진동 디바이스 제어기(632)는 운송체의 방위를 나타내는 각도 쎄타를 특정할 수 있다. 운송체 회전을 나타내기 위하여, 각도 쎄타가 시간이 지남에 따라서 변동할 수 있다. 각도 쎄타의 레이트는 진동 주파수와는 상이할 수 있다. 통상적으로 운송체가 회전하는 주파수는 통상적 진동 주파수보다 상당히 더 낮을 것이다.
위에서 설명된 운송체 회전을 생성하기 위하여 사용될 수 있는 알고리즘은 진동의 방향을 계속하여 변경시킨다. 다음 수학식을 사용하면, 진동의 방향은 초당 β 라디안의 레이트에서 회전될 수도 있다:
Figure pct00032
수학식 30 은 방향 변화의 주파수 β가 진동의 주파수 ω와는 독립적으로 수정될 수 있다는 것을 예시한다. 사용자(606 또는 626)와 같은 사용자는 진동의 주파수 및 진동의 방향 모두를 감지할 수 있다. 이러한 방식에서, β 및 ω 주파수 모두에서의 감흥이 사용자에 의하여 감지될 수 있다. 주파수 β를 주파수 ω보다 훨씬 더 낮게 설정하고, 이를 통하여 공지된 디바이스의 제한사항을 극복하는 것이 가능하다. 오직 예로서, β가 대략 1 Hz일 수도 있는 반면에, ω는 10 Hz와 100 Hz 사이에서 변동할 수도 있다. 다른 실례에서, β는 ω의 약 5%와 20% 사이에서 변동할 수도 있다. 물론, 다른 경우에는 ω 및 β는 유사하거나 동일할 수도 있으며, 대안적으로는, β가 ω보다 더 클 수도 있다. 이러한 예 모두는 원하는 특정한 효과에 의존할 것이다.
저 주파수 동작은, 바람직한 몇 가지 상황들에서, 예를 들면 저 주파수 효과를 가지는 게임에서 바람직하다. 예를 들면, 게임은 200 헤르쯔 아래 범위, 예컨대 1 헤르츠와 150 헤르쯔 사이에서 액션 또는 이벤트를 생성할 수도 있다. 어떤 경우에는 액션 또는 이벤트는 2 헤르쯔만큼 낮거나 예컨대 약 0.5 내지 1 헤르쯔로 더 낮을 수도 있다. 이러한 액션/이벤트의 예는 총성, 차가 제어되지 못하고 회전하는 것에 대응하는 것과 같은 자동차 관련 사운드, 및 회전자 날개의 회전과 같은 헬리콥터 관련된 사운드를 포함한다. 종래의 이심 매쓰 액츄에이터는 이러한 주파수 범위에서 햅틱 감흥을 생성하기에 적합하지 않을 수도 있다; 그러나, 동기화된 진동 상태에서 작동되는 두 개 이상의 진동 액츄에이터는 이러한 주파수를 생성할 수도 있다.
β는 임의의 특정 레이트 또는 레이트의 범위로 한정되지 않는다. 예를 들면, β는, 예를 들어 시간당 10 마일보다 적은 차량 스핀아웃의 저회전 액션을 나타내는 상대적으로 낮은 레이트일 수도 있고, 또는 β는, 예를 들어 시간당 40 마일이 넘는 속도에서의 차량 스핀아웃의 고회전 액션을 나타내는 상대적으로 높은 레이트일 수도 있다. 이와 유사하게, ω는 진동의 임의의 특정 주파수로 한정되지 않는다. 바람직하게는, ω는 사용자에 의하여 감지되거나 다른 경우 검출될 수 있는 주파수의 범위 내에서 설정된다.
수학식 30 은 진동 프로파일을 사인파로부터 구형파, 삼각파, 또는 다른 프로파일로 바꿈으로써 변경될 수도 있다. 추가적으로, 진동의 진폭 Acombined는 시간이 지남에 따라서 변동될 수 있다. 주파수 β 및 ω 역시 시간이 지남에 따라서 변동될 수 있다. 이러한 방식에서, 광범위한 힘 효과가 생성될 수 있다.
진동 액츄에이터는 햅틱 감흥을 동기화된 진동을 통하여 또는 다른 방식으로 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 액츄에이터는 방향성 정보를 운반할 필요가 없는 경우에는 동기화가 없이 진동될 수 있으며, 이제 액츄에이터는 방향성 정보를 햅틱 인터페이스를 통하여 운반할 필요성이 있는 경우에는 동기 진동으로 스위칭될 수 있다.
많은 선형 모션 진동 액츄에이터는 저전력 요구 사항을 가지고 힘의 상대적으로 높은 레벨을 획득하기 위하여 공진을 이용한다. 그러나, 힘의 이러한 높은 레벨을 획득하기 위해서는 다수 개의 진동 사이클이 진동의 피크 크기가 발생하기 이전에 발생해야 한다. 추가적으로 액츄에이터가 셧오프되는 경우, 액츄에이터 내의 운동 매쓰는 다수 개의 사이클 동안 계속하여 발진할 수도 있다. 따라서 액츄에이터의 다이내믹스는 액츄에이터의 순시 응답이 진동의 크기를 증가 또는 감소시키는 것을 방지한다.
결합된 힘의 방향을 제어하기 위하여 동기 진동이 사용되는 경우에는, 액츄에이터 다이내믹스는 결합된 힘의 방향이 바뀔 수 있는 속도를 제한할 수도 있다. 위에서 제공된 예들 중 하나는 차의 회전에 대응하는 햅틱 힘 감흥을 기술한다. 그러나, 액츄에이터 다이내믹스는 이러한 회전(spinning) 효과가 생성될 수 있는 레이트를 제한할 수도 있다. 아래에서 상세히 설명될 바와 같이, 동기되어 진동되는 진동 액츄에이터의 시스템에 대하여 힘의 방향이 바뀔 수 있는 레이트를 증가시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이 가능하다.
위의 수학식 25 는 각도 쎄타에 대응하는 결합된 힘 방향을 획득하기 위한, 액츄에이터의 진동의 요구된 진폭을 정의한다. 진동 디바이스 내의 주어진 액츄에이터에 대하여, 진동의 요구된 진폭은 Ades로서 정의되는데, 이것은 그 액츄에이터의 진동의 원하는 진폭을 표시한다. 만일 액츄에이터가 휴지 상태에 있거나 Ades보다 진동의 더 낮은 레벨에 있다면, 우선 액츄에이터를 진동의 더 높은 레벨에서 구동하여 더 신속하게 진동의 진폭을 Ades로 상승시키는 것이 바람직할 수도 있다. 반대로 만일 액츄에이터가 이미 Ades보다 더 높은 진폭에서 진동하고 있다면, 우선 액츄에이터를 더 낮은 레벨로 구동하거나 심지어는 액츄에이터를 정지시켜 더 신속하게 진동의 진폭을 Ades로 낮추는 것이 바람직할 수도 있다. 액츄에이터가 구동되는 진폭에서의 이러한 변동은 명령된 진동 크기에 대한 정정으로서 정의된다.
진동 크기에 대한 적합한 정정을 결정하는 한 가지 방법은 액츄에이터의 다이내믹스를 모델링하는 것이다. 이러한 접근법은 액츄에이터의 동적 상태 및 가장 신속하게 원하는 진동의 진폭을 생성하는 최적의 명령을 예측할 수 있도록 한다.
진동 크기에 대한 정정을 결정하는 대안적 방법은 액츄에이터의 동적 모델을 요구하거나 액츄에이터의 동적 상태를 명백하게 예측하는 것을 요구하지 않는다. 이러한 방법에서 카운터는 액츄에이터의 진동의 최근 개수 및 이러한 최근 진동 도중에 액츄에이터로 전송된 대응하는 명령을 추적하도록 유지된다. k 번째 진동에서의 액츄에이터로의 명령은 다음 수학식에 의하여 주어진다:
Acom_k = Ades_k + Acor_k
Ades_k는 k 번째 액츄에이터의 진동에 대한 원하는 액츄에이터 진폭을 나타낸다. Acor_k는 k 번째 진동에 대한 명령으로의 정정을 나타낸다. 그리고 Acom_k는 k 번째 진동에 대하여 액츄에이터로 전송된 명령의 실제 진폭을 나타낸다.
만일 k 번째 진동에서의 원하는 진폭이 이전의 진동 도중의 진폭보다 더 크다면, 거의 확실하게 진동 레벨이 증가될 필요가 있다. 이에 상응하여, 진동 k에서의 명령에 대한 정정 Acor_k는 현재 원하는 진폭 Ades_k 및 이전의 명령된 진폭 Acom_k-1 사이의 차분에 비례하도록 선택될 수 있다. Acor_k를 계산하기 위한 이러한 접근법을 기술했던 수학식은:
Figure pct00033
이다.
여기에서, K는 액츄에이터 성능에 기초하여 선택되는 이득이다. 이러한 동일한 수학식이 진동의 크기를 신속하게 감속하기 위하여 적용된다. Ades_k가 Acom_k-1의 값보다 더 적으면, 이것은 거의 확실하게 진동의 레벨이 감소될 필요가 있다는 것 및 정정 Acor_k가 음수라는 것을 표시한다. 만일 진동 진폭에서의 큰 감소가 명령된다면, Acor_k의 음수 크기가 Ades_k보다 더 클 수도 있으며, 액츄에이터로 전송된 실제 명령 Acom_k은 음수가 되어 결과적으로 액츄에이터의 운동 매쓰에 브레이킹을 초래할 것이다.
진동의 크기를 정정하는 다른 접근법은 두 개의 이전의 명령된 진폭을 고려하며,다음 수학식에 의하여 주어진다:
Figure pct00034
여기에서 K1은 k-1 번째 진동 명령에 대응하는 이득이며, K2는 k-2 번째 진동 명령에 대응하는 이득이다. 유사한 방식으로 더 오래된 명령들도 정정 알고리즘에 통합될 수 있다. 다음 수학식은 어떻게 "m"개의 종래의 명령이 액츄에이터 명령 내에 통합될 수 있는지를 보여준다.
Figure pct00035
다수의 진동 액츄에이터에 대한 제어의 대안적 방법은 수정된 동기화를 포함할 수도 있다. 수정된 동기화의 한 가지 방법은 한 액츄에이터가 다른 액츄에이터의 진동 주파수의 정수 배인 주파수에서 진동하는 것이다. 도 39 는 이러한 제어 방법을 도시하는, 두 개의 진동 프로파일(652 및 654)을 제공하는 플롯(650)이다. 프로파일(654)의 진동 주파수는 프로파일(652)의 두 배 주파수의 두 배이다. 진동의 사이클의 시작은 오직 프로파일 2에 대한 다른 사이클과 동시에 발생하도록 제어될 수 있다. 따라서 피크 진폭의 중첩은 오직 프로파일(654)에 대한 다른 사이클과 함께 발생한다. 이러한 수정된 동기화 방법은 진동 주파수의 임의의 정수 배, 임의의 진동 프로파일, 및 액츄에이터의 임의의 개수에 대하여 적용될 수 있다.
이러한 수정된 동기화 방법의 하나의 장점은 다수 개의 진동 주파수가 여전히 어느 정도의 중첩 또는 피크 진폭을 제공하면서 동시에 발생할 수 있다는 것이다. 피크 진폭의 중첩은, 어떻게 진동에 대한 방향이 동기화된 진동에 대하여 제어되는지와 유사한 방식으로 진동의 방향의 제어를 가능하게 한다. 동기화된 진동의 이러한 수정된 방법이 있으면, 결합된 힘의 방향을 진동 사이클의 일부 동안에만 특정하는 것이 가능하다. 그럼에도 불구하고, 진동에 대한 방향 성분은 피크의 중첩이 발생하는 시간에 인접하는 지속시간 동안 제어될 수 있다. 진동에서 피크들의 중첩이 존재하는 시간과 인접하여, 결합된 힘 벡터 Fcombined는 수학식 34 에 의하여 근사화될 수 있다:
Figure pct00036
여기에서, a1 및 a2는 각각 액츄에이터 1 및 액츄에이터 2 의 방향과 정렬된 단위 벡터이다. A1 및 A2 는 각각 피크들의 중첩의 지속시간 근처의 액츄에이터 1 및 액츄에이터 2의 힘의 진폭이다. 진폭 A1 및 A2 를 수정함으로써, 진폭 및 결합된 힘 벡터 Fcombined의 방향을 수정하는 것이 가능하다. 세 개 이상의 진동 액츄에이터가 존재하는 경우에는 유사한 접근법이 사용될 수 있다.
만일 반복적으로 이러한 진동 액츄에이터의 힘의 피크 진폭이 거의 동시에 발생하는 두 개 이상의 진동 액츄에이터가 존재한다면, 이러한 액츄에이터의 힘의 결합된 방향은 이러한 반복된 피크 진폭이 발생하는 시간 근처에서 제어될 수 있다. 이러한 경우에, 힘의 결합된 방향은 액츄에이터의 진동의 진폭을 수정함으로써 제어될 수 있다.
대안적 수정된 동기화는 두 개의 진동 액츄에이터를 동일한 주파수에서 구동하지만, 한 진동 액츄에이터는 그것의 힘의 피크 크기가 제 2 진동 액츄에이터가 제로 힘일 때 발생하도록 구동하는 것인데, 이것은 정현 진동에서는 90 도의 이위상이다. 이러한 수정된 동기화에서, 결합된 힘 방향은 각각의 진동 기간 동안에 원 또는 타원체에서 회전한다.
진동의 수정된 동기화에 대한 추가적 방법은, 프린스턴 대학교 출판부에 의하여 1998 년에 발간된 Eli Maor 저 "Trigonometric Delights"의 12 장에 있는 "Jules Lissajous and His Figures(이하 "Lissajous")"에서 기술되는 바와 같은, 프로파일의 중첩을 포함할 수도 있다. Lissajous의 전체 개시물은 본 명세서에서 원용되어 통합된다. Lissajous는 어떻게 프로파일이 주파수, 위상, 진폭, 및 프로파일의 다양한 조합을 통하여 통합되어 광범위한 출력 그림들을 생성하는지를 기술한다. 이들은 또한 Bowditch 곡선이라고 알려진다. Lissajous는 또한 어떻게 기하학적 형상이 다수의 진동 소스로부터 생성될 수 있는지를 기술한다. 진동의 이러한 조합은 본 개시물의 양태에 따르는 햅틱 디바이스 및 진동 디바이스에 적용될 수 있다. 따라서, Lissajous에서 설명되는 중첩의 개념은 진동 액츄에이터에 의하여 적용되어 광범위한 힘 감흥을 산출할 수 있다.
전기 액츄에이터는 흔히 제어기와 별개인 드라이버 회로를 요구한다. 드라이버 회로는 액츄에이터를 필요한 전력을 가지고 구동하기에 충분한 전류 및 전압을 제공한다. 광범위한 드라이버 회로가 전기 액츄에이터에 대하여 그리고 특히 진동 액츄에이터에 대하여 개발되어 왔으며, 당업자에게 공지된다. 이러한 드라이버 회로는 선형 드라이버, PWM 드라이버, 단극성 드라이버, 및 양극성 드라이버를 포함한다. 본 개시물에 따르는 진동 액츄에이터(700)에 대한 회로 블록도는 도 40 에 도시된 바와 같이 진동 제어기(702), 드라이버 회로(704), 및 액츄에이터(706)를 포함한다.
도 40 에 도시되는 진동 제어기(702)는 진동 디바이스 자체에 위치될 수 있으며 또는 원격에 위치될 수 있는데, 이 경우 진동 신호가 유선 또는 무선 통신을 통하여 드라이버 회로(704)로 송신된다.
진동 디바이스 또는 액츄에이터를 마이크로프로세서와 같은 디지털 제어기 또는 다른 디지털 회로로부터 제어하는 것이 흔히 바람직하다. 디지털 제어 회로는 흔히 저레벨 전력 출력을 가지며, 그러므로 액츄에이터를 구동하기 위하여 더 높은 전력 드라이버 회로를 요구한다. 추가적으로, 저비용 디지털 제어기는 흔히 디지털 출력을 가지지만 아날로그 출력을 가지지 않는다. 진동 제어기 회로부를 단순화하고 비용을 낮추기 위하여, 진동 신호는 운동 매쓰가 순방향 또는 역방향으로 이동하도록 시그널링하는 이진 로직 방향성 신호일 수 있다. 이러한 구성에서, 진동 신호는 원하는 진동 효과를 생성하는 구형파의 형태를 가질 수 있다. 이러한 구형파 제어 신호를 사용한다고 해도, 진동 액츄에이터의 실제 모션 및 진동력은 액츄에이터의 다이내믹스 때문에 정확하게 구형파를 추종하지는 않을 것이 거의 확실하다.
진동 제어기 회로부를 더욱 단순화하고 비용을 낮추기 위하여, 진동 신호의 진폭은 PWM 신호를 가지고 변조될 수 있는데, 여기에서 신호의 듀티 사이클은 진동의 진폭에 비례한다. 하나의 액츄에이터(716)에 대한 이러한 디지털 진동 제어기(712)를 가지는 실시예(710)가 도 41 에 도시된다. 이러한 실시예에서, 디지털 진동 제어기(712)의 출력은 진폭 신호를 PWM 형태로 가지며 방향 신호를 예를 들면 로직 비트의 형태로 가지는데, 이들 모두는 바람직하게는 드라이버 회로(714)로 전송된다. 이제 드라이버 회로(714)는 전력을 액츄에이터(716)로 전송한다.
디지털 제어 회로부가 전체 진동 디바이스를 동기화된 진동에서 제어하기 위하여 사용될 수 있다. 동기화된 진동에서 두 개 이상의 액츄에이터의 주파수 및 위상은 동일하다. 이에 상응하여, 단일 구형파가 동기화된 진동에 있는 액츄에이터의 진동의 방향을 제어하기 위하여 사용될 수 있다. 진동의 진폭은 별개의 PWM 신호를 가지고 각각의 액츄에이터에 대하여 독립적으로 제어될 수 있다.
도 42 는 진동 디바이스 제어기(722)가 한 방향성 신호 ("dir")를 생성하는 일 실시예(720)를 도시하는데, 이것은 구형파의 형태를 가질 수도 있다. dir 신호는 바람직하게는 한 쌍의 구동 회로(724a 및 724b)로 제공된다. 진동 디바이스 제어기(722)는 바람직하게는 한 쌍의 액츄에이터(726a 및 726b)로 갈 별개의 진폭 신호, A1 및 A2 를 PWM 형태로 생성한다. 진동 디바이스 제어기(722)는 바람직하게는 도 35 에 관련하여 위에서 설명된 실시예에서와 같이 방향 및 진폭 제어기(728), 주파수 제어기(730) 및 진동 제어기(732)를 포함한다. 방향 및 진폭 제어기(728), 주파수 제어기(730) 및 진동 제어기(732)는 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합으로 구성될 수도 있으며, 그리고 개별 컴포넌트 또는 프로세스로서 구현될 수도 있고, 또는 단일 컴포넌트 또는 프로세스로서 구현될 수도 있다.
도 42 의 실시예(720)는 동기 진동 상태에서 두 개의 액츄에이터를 가지는 진동 디바이스를, 예를 들면 도 10 내지 도 20 과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 제어하기 위하여 사용될 수도 있다. 실시예(720)는 두 개 이상의 액츄에이터를 완전히 이위상에서 진동시키기 위하여 사용될 수 있는데, 이것은 수학식 25 가 A1의 부호가 A2 의 부호와는 상이한 결과를 제공하는 동기화된 진동 도중에 발생한다. 두 개의 액츄에이터를 완전히 이위상에서 진동시키기 위하여, 이진 방향 신호 dir이 액츄에이터들 중 하나에 대하여 반전될 수 있다. 방향성 신호 dir의 반전은 드라이버 회로(724a 또는 724b)에서 발생할 수 있으며, 또는 진동 제어기(732)는 하나가 다른 것의 역인 두 개의 방향성 신호를 출력할 수 있다. 두 개의 액츄에이터가 완전히 이위상에서 구동되는 경우가 도 13 에 도시된다.
본 개시물에 따르는 전기 액츄에이터는 단극성 또는 양극성 드라이버를 가지고 구동될 수 있다. 단극성 드라이버는 액츄에이터 내의 전류를 일 방향에서 생성할 것이다. 단극성 드라이버는, 도 9 에 도시되는 액츄에이터(150)와 같은, 운동 매쓰가 강자성이고 전자기 코일이 인력 자기력만을 생성하는 액츄에이터에 대하여 매우 적합하다. 단극성 드라이버 회로의 일 예는 Darlington 어레이, 예컨대 텍사스 인스트루먼트에 의하여 제조되는 ULN2803A DARLINGTON TRANSISTOR ARRAY이다.
양극성 드라이버는 전류를 두 방향에서 생성할 수 있다. 양극성 드라이버는 운동 매쓰가 자기적인, 그리고 전자기 코일 내의 전류의 방향을 반전하는 것이 운동 매쓰 상의 힘의 방향을 반전할 수 있는 액츄에이터에 대하여 매우 적합하다. 이러한 액츄에이터의 예들이 도 5a 및 도 5b 내지 도 8a 및 도 8b 에서 제공된다. 양극성 드라이버 회로의 일 예는 H 브릿지, 예컨대 ST 마이크로일렉트로닉스에 의하여 제조된 L298이다. 대안적인 H 브릿지는 알레그로 마이크로시스템스(Allegro Microsystems)에 의하여 제조된 3958 및 3959 드라이버이다.
진동 회로에서, 드라이버 회로의 전력 출력을 알레그로 시스템스에 의하여 제조된 3958 및 3959 드라이버에서 사용되는 것과 같은 전하 펌프 커패시터의 사용을 통하여 증가시키는 것이 이로울 수 있다. 또한, 앞서 언급된 미국 특허 출원으로 발명의 명칭이 "Vibration Device"인 것에서 기술된 바와 같이, 커패시터를 선형 모션 진동 액츄에이터와 직렬로 포함시켜 공진 효과 및 에너지의 커패시터 내의 일시적 저장을 효과를 보는 것이 이로울 수 있다.
본 명세서에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 진동 액츄에이터는 햅틱 효과를 생성하기 위한 다양한 방법에서 사용될 수 있다. 진동 액츄에이터는 특정된 햅틱 효과의 지속시간 동안 연속적으로 동작될 수 있고, 또는 햅틱 효과 도중에 온 오프로 펄싱될 수 있다(pulsed). 진동 액츄에이터를 온 및 오프로 펄싱함으로써, 사용자는 진동의 적은 개수만을 감지하며, 이제 일시 정지를 감지하며, 그러면 진동이 재개된다. 이러한 방식에서, 액츄에이터를 온 및 오프로 펄싱하는 것의 주파수와 연관된 이차 감흥을 생성하는 것이 가능하다. 어떻게 이러한 펄스 효과가 사용될 수 있는지의 예들이 미국 특허 번호 제 6,275,213 호 및 제 6,424,333 에서 기술된다.
본 명세서에서 설명되는 액츄에이터들 중 임의의 것은 본 개시물에 따라서 사용되어 매우 다양한 햅틱 효과를 생성할 수도 있다. 선형 액츄에이터 및 로킹 매쓰 액츄에이터와 같은 몇몇 액츄에이터는 특히 저 주파수 동작에 적합할 수도 있는 반면에, 본 명세서에서 모든 액츄에이터는 동기화된 피드백을 제공할 수도 있다. 이러한 피드백은 게임, 가상 현실 장비, 수술 도구 및 건설 장비와 같은 실-세계 장비, 및 셀룰러 폰 및 페이저와 같은 휴대용 전자 디바이스에서 채용될 수도 있다. 오직 예로서, 셀룰러 폰 및 페이저는 상이한 진동 효과를 구현하여 상이한 호출자 또는 상이한 액션을 식별할 수도 있다. 동기화된 진동은, 예를 들면 게임에서의 총의 충격 또는 반동을 가지거나 운전 게임의 정면 및 측면 충격을 구별하기 위한 방향성 피드백을 제공할 수도 있다. 동기화된 진동은 또한 게임에서 진동력 벡터의 계속적 회전을 제공하여 제어되지 않는 차 회전을 시뮬레이션할 수도 있다. 동기화된 진동은 또한 수많은 다른 애플리케이션 및 상황에서 사용되어 풍부한 햅틱 경험을 사용자에게 제공할 수도 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 본 개시물의 다른 양태는 일반적 동기화된 진동을 포함한다. 일반적 동기화된 진동은 다수의 진동력의 주파수 및 위상이 제어된다는 점에서 비-동기화된 진동과는 상이하다. 일반적 동기화된 진동 접근법을 가지고 제어되지 않는 다수의 진동 액츄에이터를 가지는 실시예는 흔히 액츄에이터들 사이에 비일치 주파수, 진폭, 또는 상대 위상을 가질 것이다. 일반적 동기화된 진동을 가지면, 진동 액츄에이터의 주파수 및 위상은 기동 및 다양한 파형들 사이의 천이 도중에 변동할 수도 있다. 그러나, 액츄에이터가 동기화되면, 각각의 액츄에이터는 특정한 주파수 및 위상으로 제어된다.
흔히 각각의 액츄에이터는 시간의 주어진 지속시간 동안 고정된 주파수 및 위상으로 제어된다. 이러한 시간의 지속시간은 애플리케이션에 의존하는데, 하지만 통상적으로 동기화되는 중인 최고 주파수 진동력의 주기보다 더 길다. 햅틱 애플리케이션에서, 이러한 시간의 지속시간은 통상적으로 사람이 효과를 감지하기에 충분하다. 그러나, 진동의 원하는 파형이 빠르게 변동하는, 예컨대 회전의 감흥을 제공하기 위하여 사용되는 빠르게 변화하는 방향이 있는, 일반적 동기화된 진동의 몇몇 구현형태들이 존재한다. 이러한 빠르게 변동하는 파형에서, 진동 액츄에이터의 원하는 주파수 및 위상은 그 액츄에이터의 진동의 주기보다 더 짧은 지속기간 동안 변화할 수도 있다. 일반적 동기화된 진동의 공통 특성은, 다수의 진동 액츄에이터의 주파수 및 상대 위상이 무작위로 선택된 값이 아닌 원하는 값으로 명백하게 제어된다는 것이다.
일반적 동기화된 진동에서, 액츄에이터의 주파수 및 위상과 원하는 진동 효과 사이에는 통상적으로 일관적인 상관이 존재한다. 예를 들어, 소프트웨어 개발자들을 위한 햅틱 효과 라이브러리는 "스핀(spin)"이라고 명명된 루틴을 가질 수도 있는데, 이것이 복수 개의 진동 액츄에이터에 대한 원하는 주파수 및 위상의 시퀀스를 생성한다. 스핀 효과가 실행될 때마다, 유사한 시퀀스의 주파수 및 위상이 복수 개의 진동 액츄에이터에 의하여 생성된다.
본 개시물의 실시예는 베이스 플레이트, 서브-프레임, 하우징, 또는 엔클로저와 같은 마운팅 플랫폼 상에 마운트되는 다수의 진동 액츄에이터로 이루어진 진동 디바이스를 포함한다. 예를 들어, 마운팅 플랫폼은 게임 제어기의 하우징, 또는 진동 액츄에이터의 하우징일 수 있다. 마운팅 플랫폼은 힘 및 토크를 진동 액츄에이터들 사이에서 전달하며, 이를 통하여 진동력 및 토크가 서로 중첩되도록 한다. 마운팅 플랫폼은 바람직하게는 견고한데, 하지만 또한 상대적으로 견고한 컴포넌트이거나 반-견고 컴포넌트일 수 있다. 마운팅 플랫폼은 별개의 조각으로 제작될 수 있다. 마운팅 플랫폼은 그 위에 진동력이 인가되는 중인 오브젝트의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어 만일 다수의 진동 액츄에이터가 사람의 손 또는 다른 신체 일부에 마운트된다면, 힘은 이러한 액츄에이터로부터 팔 또는 신체 일부를 통하여 전송되며, 이제 팔 또는 신체 일부가 마운팅 플랫폼으로서 역할을 할 수 있다. 본 개시물은 다수의 진동 액츄에이터로부터의 힘 및 토크가 벡터적으로 결합되어 알짜 진동력, 진동 토크, 또는 진동력 및 토크를 생성할 수 있는 임의의 구성에 적용된다.
마운팅 플랫폼은 통상적으로 배터리, 제어 회로 보드, 및 하우징 및 고정자를 포함하는 진동 액츄에이터의 정지된 부분에 부착된다. 마운팅 플랫폼 및 아이템에 부착되는 이것의 결합된 매쓰는 "레퍼런스 매쓰(Reference Mass)"라고 정의된다. 진동력 및 토크는 진동 액츄에이터로부터 레퍼런스 매쓰로 전달된다. 만일 마운팅 플랫폼이 이동될 수 있다면, 진동력은 레퍼런스 매쓰를 흔들 수도 있다. 통상적으로 레퍼런스 매쓰는 "외부 오브젝트"와 접촉되며, 힘 및 토크는 레퍼런스 매쓰와 외부 오브젝트 사이에서 전송된다. 예를 들어, 사용자의 손에 쥐어진 게임 제어기는 힘 및 토크를 게임 제어기의 레퍼런스 매쓰로부터 사용자의 손 위로 전달할 것인데, 이것이 이 경우에는 외부 오브젝트이다. 마운팅 플랫폼은 지면에 부착될 수도 있는데, 이것은 또한 외부 오브젝트가 될 것이다. 지면에 부착된 진동 디바이스는 가끔 "쉐이커(Shaker)" 또는 "쉐이커 디바이스"라고 명명된다.
바람직한 실시예는 도 43 에 도시된 바와 같은 두 개의 정렬된 LRA를 사용한다. LRA(1102a) 및 LRA(1102b)는 마운팅 플랫폼(1100)에 부착되며 그들이 생성하는 진동의 축에서 정렬된다. 각각의 LRA는 운동 매쓰(1108), 및 마운팅 플랫폼(1100)에 부착된 하우징(1106)을 가진다. 진동 액츄에이터의 이러한 구성은 LRA 쌍이라고 지칭된다. 각각의 LRA로부터의 진동력이 마운팅 플랫폼(1100)을 통하여 함께 결합된다. LRA(102a)에 의하여 생성된 진동력은 F1으로서 지정되며 LRA(1102b)에 의하여 생성된 진동력은 F2로서 지정된다.
도 43 에 도시되는 실시예에 대하여, 비대칭 진동력을 생성하는 한 가지 방법은 LRA(1102b)를 LRA(1102a)의 주파수의 두 배에서 90 또는 -90 도의 특정 위상차를 가지고 작동시키는 것이다. 정현 진동을 가지는 이러한 실시예에서 진동력은:
F1 = B1sin(ω1t+φ1)
F2 = B2sin(ω2t+φ2)
에 의하여 주어지는데, 여기에서 ω2 = 2ω1이고,
φ1= 0 이며 φ2= -90 이다.
LRA 쌍에 대한 결합된 힘은:
Figure pct00037
에 의하여 주어진다.
통상적으로 진동 효과를 절대 시간에 상대적으로 제어하는 것이 중요하지 않다. 이에 상응하여, 위의 수학식 35 에서 기술된 진동 효과를 구현할 때, 위상 φ1 및 φ2 모두를 제어하는 것이 중요하지 않으며, 오히려 두 개의 액츄에이터들 사이의 상대 위상을 제어하는 것이 중요하다. 그러므로 몇 가지 구현형태들에서 위상 φ1 을 제로로 설정하고 φ2 만을 제어할 수 있다. 대안적으로는 액츄에이터들 사이의 위상차를 직접적으로 제어할 수 있다. 본 출원에서는, 통상적으로 모든 액츄에이터의 위상이 수학식에 나타난다. 그러나, 활용성을 잃지 않고서 액츄에이터들의 상대 위상만이 제어될 수 있다. 따라서 진동의 액츄에이터 2, 3, 4, 등의 위상은 액츄에이터 1의 위상에 상대적으로 제어될 것이다; 이를 통하여 액츄에이터 1 의 위상을 절대 시간에 상대적으로 제어할 필요성을 제거한다.
본 개시물의 피쳐는 동기화된 진동 파형들의 중첩의 사용을 포함한다. 다수의 진동력이 단일 진동 디바이스 상에 생성되는 경우, 그 디바이스에 대하여 결합된 진동력은 다수의 파형들의 중첩이다. 수학식 35 에 의하여 기술되는 두 개의 동기화된 사인파를 가지는 예가 도 44 에 도시된다. 도시된 바와 같이, 파형 2 는 파형 1의 주파수의 두 배를 가진다. 두 파형의 위상은, 0 의 시간에서 두 파형의 피크가 양의 방향에서 그들의 최대값을 가지며 힘 크기들이 서로 합산되도록(보강 간섭 또는 양의 간섭이라고도 지칭된다) 설정된다.
더욱이, 파형 1 이 자신의 음의 피크에 있는 시간에서는, 파형 2 는 양의 피크에 있으며, 그리고 힘 크기는 서로로부터 감산된다(상쇄 간섭 또는 음의 간섭이라고도 지칭된다). 이러한 동기화에 기인하여, 결합된 진동 파형은 비대칭이며, 이것은 양의 힘 값에 대한 힘 프로파일이 음의 힘 값에 대한 힘 프로파일과 상이하다는 것을 의미한다. 도 44 에 도시되는 비대칭 파형에서, 더 높은 피크 양의 힘 및 더 낮은 피크 음의 힘이 존재한다. 햅틱 애플리케이션에서, 양의 방향의 더 큰 힘은 음의 방향의 힘의 지속시간이 더 길다고 하여도 음의 방향의 더 낮은 크기 힘보다 더 큰 힘 감흥을 생성할 수 있다. 이러한 방식에서, 비대칭 진동이 진동 디바이스를 가지고 특정한 방향의 햅틱 큐(haptic cue)를 생성하기 위하여 사용될 수 있다.
LRA에서, 운동 매쓰는 액츄에이터 하우징에 상대적으로 이동하고, 복원 스프링은 힘을 운동 매쓰와 액츄에이터 하우징 사이에서 전달한다. LRA에 의하여 마운팅 플랫폼 상에 전달되는 힘은 복원 스프링으로부터의 힘, 및 고정자와 운동 매쓰 사이의 전자기력의 조합이다. 복원 스프링은, 예를 들어: 기계적 스프링 또는 자기적 스프링일 수 있다. 공진이 LRA 내에서 증강함에 따라, 스프링 복원력의 크기는 증가하고 액츄에이터 힘의 주된 부분이 된다. 이에 상응하여, LRA에 의하여 마운팅 플랫폼 상에 전달되는 피크 힘은 통상적으로 운동 매쓰의 피크 변위점에서 또는 그 근처에서 발생한다.
도 43 에서 운동 매쓰는 LRA의 우측에 치우치도록 그림으로 묘사되어, 액츄에이터 힘이 우측으로 인가되는 중인 것을 표시한다. 이에 상응하여, 도 43 에 도시되는 실시예가 수학식 35 에 의하여 기술되는 파형을 추종하도록 제어되는 경우, LRA(1102b)의 운동 매쓰가 우측으로의 자신의 피크 변위에 있을 때 LRA(1102a)의 운동 매쓰는 동시에 우측으로의 자신의 피크 변위에 있어서 결과적으로 우측으로의 큰 결합된 힘을 초래하며, 반면에 LRA(1102a)의 운동 매쓰가 좌측으로의 자신의 피크 변위에 있거나 근처에 있다면 LRA(1102b)의 운동 매쓰는 (이것이 두 배의 주파수에서 진동하고 있으므로) 우측으로의 자신의 피크 변위에 있거나 그 근처에 있으므로 결과적으로 힘 상쇄 및 좌측으로의 낮은 결합된 힘을 초래한다.
따라서, 이러한 실시예에서 운동 매쓰의 타이밍은 비대칭 진동 파형의 표시(indication)이다. 도 45 에서, 도 43 에 도시되는 실시예는 이것이 도 44 에서 도시되는 진동 파형을 구현하는 다양한 시간 단계에서 도시된다. 도 45 에서, 상단 LRA는 두 배의 주파수에서 진동하고 하단 LRA보다 더 낮은 힘을 생성하고, 운동 매쓰의 포지션은 각각의 LRA에 의하여 생성된 힘을 표시하며, 결합된 힘 벡터가 LRA들 사이에 도시된다. 도 45 내의 각각의 시간 단계는 더 느린 LRA의 주기 T에 따라서 명명된다.
도 43 에 도시되는 일 실시예에서, 액츄에이터들의 정렬은 정밀할 필요가 없다. 사실상, 햅틱 애플리케이션에서 두 개의 액츄에이터가 정밀하지 않게 정렬된다고 해도 생성되는 중인 주된 햅틱 효과를 포기하지 않을 수도 있다.
이러한 실시예의 변형예가 도 46 에 도시된다. 액츄에이터(1102a 및 1102b)는 직접적으로 서로 부착되어 더욱 콤팩트한 구성을 제공한다. 또한 LRA는 하우징, 샤프트, 전력 공급부, 및 다른 컴포넌트를 공유하여 디바이스를 더욱 콤팩트하게 만들 수 있다.
이러한 실시예의 다른 변형예가 도 47 에 도시된다. 액츄에이터(1102a 및 1102b)는 서로 나란하게 부착된다. 이러한 실시예에서, 각각의 LRA의 힘은 동일 선 상에 있고, LRA의 축을 따라서 알짜 토크를 생성하지 않는다. 이러한 실시예는 임의의 토크 출력이 없이 순수 힘 출력이 필요할 경우에 유용하다.
진동 액츄에이터 내의 진동력의 타이밍은 다수 개의 물리적 성질과 상관될 수 있다. 예를 들어, 많은 LRA에서 스프링은 복원력을 운동 매쓰 상에 인가하고, 진동력은 대략적으로 운동 매쓰의 포지션과 상관된다. ERM에서, 진동력의 방향은 대략적으로 회전 이심 매쓰의 각 포지션과 상관한다. 도 48 에 도시되는 슬라이더-크랭크 진동 액츄에이터(1110)와 같은 링크 매커니즘이 진동을 생성하기 위하여 사용될 수 있으며, 여기에서 회전 모터(1114)가 이동 매쓰(1120)를 앞뒤로 이동시킨다. 이러한 링크가 있으면, 진동력은 운동 매쓰의 가속도와 상관될 수 있다. 진동력이 다수 개의 물리적 성질과 상관될 수 있기 때문에, 일반적 동기화된 진동도 주파수 및 포지션의 위상 또는 진동 액츄에이터 내의 운동 매쓰의 가속도에 의하여 특징지어질 수 있다.
본 개시물의 피쳐는 다수의 진동 액츄에이터로부터의 진동 파형들을 결합하여 더 복잡한 진동 파형을 생성하는 것을 포함한다. 수학식 35 에 의하여 기술되며 도 44 에 도시되는 비대칭 진동은 오직 이러한 한 타입의 결합된 진동 파형이다. 도 49 에서 도시되는 더 일반적인 실시예는 모두 동일한 축과 정렬되는 N 개의 LRA의 세트를 가진다. 일 양태에 따르면, 일반적 동기화된 진동에서 복수 개의 진동 액츄에이터가 위상 및 주파수에서, 그리고 몇 가지 경우에서는 진폭에서 동기화된다. 광범위한 진동 효과는 모든 N 개의 액츄에이터의 주파수 및 위상을 제어함으로써 생성될 수 있다.
진동력 F는 F(t+T) = F(t) 일 경우 주기 T 동안 반복되는 사이클에 있다. i 번째 액츄에이터의 반복된 사이클 내의 진동력은
Fi(t+Δi+Ti) = Fi(Δi+t)에 의하여 주어질 수 있는데,
여기에서 Δi는 위상이고 Ti는 i 번째 액츄에이터의 주기이다. 도 49 에 도시되는 실시예에 대하여, 모두 동일한 축과 정렬된 일 세트의 N 개의 LRA가 존재한다. 만일 모든 액츄에이터가 설정된 주파수 및 위상에서 동작되면, 결합된 진동력은 수학식 36 에 의하여 주어질 수 있다:
Figure pct00038
일반적인 경우에, Fi 의 파형은 사인파, 삼각파, 구형파, 또는 다른 파형을 포함하는 광범위한 파형일 수 있다. 몇 가지 실시예들에서, 최저 주파수를 가지는 액츄에이터의 주파수가 기본 주파수 ω1이라고 정의되고, 잔여 액츄에이터는 기본 주파수의 정수 배에서 진동한다. 이러한 실시예에서 기본 주파수의 주기는 T1으로 주어지고 잔여 진동 주기는:
T1 = 2T2 , T1 = 3T3, . . . T1 = NTN
을 만족하도록 주어진다.
모든 진동 액츄에이터가 기본 주파수의 정수 배에서 진동하면, 결합된 파형은 기본 주파수의 주기를 가지는 반복된 파형을 가진다. 또한, 기본 주파수는 제 1 고조파라고 지칭된다.
일반적 동기화된 진동을 구현하는 한 가지 방법은 정렬된 세트의 각각의 액츄에이터 내의 정현 진동을 이용하고, 푸리에 파형을 사용하여 각각의 액츄에이터의 위상, 주파수, 및 진폭을 선택하여 원하는 진동 파형을 근사화하는 것이다. 정현파형을 가지는 일 세트의 N 개의 정렬된 액츄에이터에 대하여, 정렬된 세트의 결합된 힘 FAlignedSetFourier는 수학식 37 에 의하여 주어진다:
Figure pct00039
광범위한 추가적 파형이 일 세트의(복수 개의) 진동 파형들로부터 합성될 수 있다. 푸리에 합성은 임의의 파형이 사인파의 조합으로부터 근사화될 수 있는 방법인데, 이 파형은 대칭적 및 비대칭 파형 모두를 포함한다. 다른 액츄에이터의 진동의 주파수의 정수 배인 주파수에서 진동하는 액츄에이터를 사용하는 것이 유리하다. 세트 내의 최저 주파수는 기본 주파수 또는 제 1 고조파라고 지칭되고, 제 2 고조파는 기본 주파수의 두 배이며, 제 3 고조파는 기본 주파수의 세 배이고, 기타 등등이 만족된다.
고조파를 사용하는 것의 장점은, 그 세트 내의 모든 파형이 기본 주파수의 주기로 반복함으로써, 결합된 파형의 반복하는 파형 프로파일을 제공하는 것이다. 많은 진동 애플리케이션에서, 각각의 진동 액츄에이터는 제로 DC 성분을 가지는 반복된 파형을 가지는 힘을 생성하며, 결합된 힘은 수학식 37에 의하여 기술된다. 이에 상응하여, 결합된 진동력은 DC 성분을 가지지 않는다. 푸리에 합성이 광범위한 파형을 생성하는 데에 사용된다. 하나의 예시적 파형은 톱니파인데, 이것은 일 방향에서 힘의 갑작스런 변화를 생성한다. 이러한 방식으로, 톱니파는 방향성 햅틱 큐를 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 파형들의 세트가 3 개의 사인파로 이루어지는 경우, 톱니파는 1의 상대 진폭에서의 제 1 고조파; 1/2의 상대 진폭에서의 제 2 고조파; 및 1/3의 상대 진폭에서의 제 3 선형 사인파를 가지고 생성될 수 있다. 푸리에 파형 합성을 가지면, 대칭적 및 비대칭 파형 모두를 포함하는 임의의 파형이 근사화될 수 있다. 푸리에 파형 합성을 사용하는 경우, 보강 및 상쇄 간섭 모두가 양과 음의 힘 진폭 모두에 대하여 발생할 수 있다.
LRA의 동작 장점은 공진을 사용하여 상대적으로 저 전력 입력으로부터 높은 크기 진동력을 생성하는 것이며, LRA는 자신의 스프링 강성 및 운동 매쓰를 최적화함으로써 특정한 공진 주파수를 가지도록 설계되고 제조될 수 있다. 일반적 동기화된 진동의 실시예에서, 원하는 파형의 고조파 중 적어도 일부에 대응하는 공진 주파수를 가지는 일 세트의 LRA를 선택하는 것이 이로울 수 있다. 예를 들어, 일 세트의 n 개의 LRA를 가지는 도 49 의 것과 같은 진동 디바이스에 대하여, 제 1 LRA(1102a)는 ω1의 특정 공진 주파수를 가질 수 있으며, 제 2 LRA(1102b)는 2ω1의 특정 공진 주파수를 가질 수 있고, 제 3 LRA는 3ω1의 특정 공진 주파수를 가질 수 있는데, 이런 식으로 제 N LRA(1102n)까지 마찬가지이다.
비록 LRA가 일반적으로 그들의 공진 주파수에서 동작하도록 지정되지만, LRA를 입력 명령 신호 당 더 낮은 진폭 힘 출력을 가지고 다른 주파수에서 동작시킬 수 있다. 더 낮은 진폭 힘 출력이 통상적으로 더 높은 고조파에서 요구되기 때문에, 모두 동일한 공진 주파수를 가지는 LRA가 있는 진동 디바이스를 제작하지만, 이들을 상이한 주파수에서 동작시킬 수 있다. 예를 들어, 일 세트의 2 개의 LRA를 가지는 진동 디바이스에 대하여, LRA 모두는 (3/2)ω1의 특정 공진 주파수를 가질 수 있는데, 여기에서 제 1 LRA는 ω1에서 구동되고, 제 2 LRA는 2ω1에서 구동된다. 이러한 구성에서 LRA 모두는 입력 신호를 증폭하고 있지만, 그들이 LRA의 공진 주파수에서 구동되었다면 얻었을 것보다는 낮은데, 공진 주파수는 이러한 예에서는 (3/2)ω1이다.
비대칭 진동 파형이 방향성 햅틱 큐를 생성하기 위하여 유용하며, 푸리에 합성을 사용하여 합성될 수 있다. 예를 들면, 주파수, 위상, 및 정현 진동의 진폭을 선택하여 높은 레벨의 비대칭을 생성하는 방법의 일 예가 이하 논의된다. 진동 파라미터가 일 세트의 2 개, 3 개, 및 4 개의 액츄에이터에 대하여 특정된다. 추가적으로, 임의의 개수의 액츄에이터에 대하여 높은 레벨의 진동 비대칭성을 가지는 파형에 대한 파라미터를 식별하기 위한 프로세스가 제공된다. 높은 레벨의 비대칭성은 이 예에 의하여 특정된 값들이 단지 대략적으로 구현된다고 하더라도 획득될 수도 있다는 것에 주의해야 한다. 예를 들면, 두 개의 사인파의 중첩의 경우에, 진동의 진폭에 30% 에러가 존재한다면 원하는 비대칭 효과의 90%가 여전히 실현될 것이다.
푸리에 합성은 정현파의 중첩을 가지고 임의의 파형을 근사화하도록 한다. 그러나, 일부 애플리케이션에서는 양의 방향에서 음의 방향에서보다(또는 그 반대의 경우도 마찬가지이다) 더 높은 피크 크기를 가지는 비대칭 파형을 생성하는 것이 유익하다. 그러면, 질문은 주어진 개수의 중첩된 사인파들의 비대칭의 양을 최대화할 최적의 근사화 함수가 무엇인가? 가 된다. 제로 DC 성분을 가지며 따라서 오직 사인파만로만 구성될 수 있는 비대칭 파형을 고려하는 것이 특히 흥미롭다. 제로 DC 성분을 가지는 파형은 각각의 진동기가 통상적으로 제로 DC 성분을 가질 것이기 때문에 일 세트의 진동기로부터 진동을 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 비대칭 펄스 트레인이 도 50 에 도시된다. 펄스-트레인은 비대칭 파형의 하나의 예일 뿐이지만 이것은 유용한 예이다. 펄스-트레인이 제로 DC 성분을 가지기 위해서는 축 상부의 영역이 필요하다. 따라서:
Figure pct00040
, 및
Figure pct00041
인데,
여기에서 W는 펄스 폭이고, V는 골 진폭이고, T는 반복된 펄스의 주기이고, P는 피크 진폭이다.
펄스-트레인 내의 비대칭의 양은 V에 대한 P의 퍼센티지 증가에 의하여 정의될 수 있다. 비대칭의 양을 W를 감소시킴으로써 증가시킬 수 있는데, 이것은 얇고 높은 펄스를 생성할 것이다. 그러나, 만일 W가 너무 작다면, 파형은 적은 개수의 사인파를 가지고는 양호하게 근사화되지 않을 것이다. 이에 상응하여, 해석적 질문은, "N 개의 사인파로 구성된 파형에 대한 W의 최적의 값이 무엇인가?"라는 것이다
도 51 은 제로 DC 성분을 가지는 펄스-트레인을 도시한다. 이러한 파형이 주어지면, 다음 푸리에 급수에 따르는 자신의 푸리에 계수를 발견할 수도 있다:
Figure pct00042
,
여기에서 f(t)는 임의의 파형이며 a0=0일 때 이것은 제로 DC 성분을 가진다. 푸리에 계수는 위의 수학식 양측을 sin(2 π n t) 또는 cos(2 π n t)로써 승산하고 이제 항들을 소거함으로써 계산될 수 있다. 계수들은:
Figure pct00043
이다.
a0에 대한 수학식은 DC 성분이 제로라면 유효하다. 위의 펄스 파형에 대하여, 다음 수학식이 주어진다:
Figure pct00044
유사한 방식으로 다음 수학식이 얻어진다:
Figure pct00045
위의 수학식으로부터 V를 대입하면, 결과는:
Figure pct00046
이다.
도 52 는 비대칭성을 최대화하기 위한 프로세스를 도시하는 흐름도이다. 흐름도에 도시된 바와 같이, 프로세스는 다수 개의 사인파를 선택하는 것, 및 이제 W에 대한 값을 추론(추정)하는 것을 포함한다. 그러면 푸리에 계수가 계산되고, 및 시간 도메인 파 f(t)가 위에서 설명된 수학식에 따라서 생성된다. 그러면, f(t) 내의 비대칭의 양이 계산된다. 프로세스는 W에 대한 상이한 값을 가지고 반복될 수도 있으며, 거의 모든 비대칭성을 제공하는 W에 대한 값이 선택된다.
푸리에 계수는 다음과 같이 an 및 bn에 의하여 표현될 수 있다:
사인파 및 위상을 사용하는 대안적 표현은:
Figure pct00048
이다.
두 개의 표현을 관련시키기 위하여, 사인 합산 공식:
Figure pct00049
이:
Figure pct00050
의 관계를 가지고 사용될 수도 있다.
Figure pct00051
으로 두는데, 여기서
Figure pct00052
이다.
일 시나리오에서, 도 52 에 도시되는 프로세스는 아래 표 1에 따르는 사인파들의 범위에 대하여 구현되었다.
Figure pct00053
표 1 내의 변수 "NACT"는 이것이 액츄에이터의 개수도 나타낼 수 있기 때문에 사인파의 개수를 정의하기 위하여 사용된다. 두 개의 사인파에 대하여, 100%의 비대칭성이 획득될 수 있는데, 이것은 양의 방향에서(또는 그 반대의 경우도 마찬가지이다) 두 배 크기가 존재한다는 것을 표시한다. 더 많은 개수의 사인파가 표 1에 도시된 바와 같이 더 높은 양의 비대칭성을 제공할 수 있다. 일 예가 도 44 에 도시된다. 다른 예가 도 53 내지 도 55 에 도시된다.
일반적 동기화된 진동은 일 세트의 비-정현파형을 가지고 수행될 수 있다. 푸리에 합성의 사용이 없어도, 비대칭 파형은 파형을 동기화하여 일 방향에서 두 개 이상의 파형의 양의 간섭을 생성하고, 반대 방향에서 두 개 이상의 파형의 음의 간섭을 생성함으로써 생성될 수 있다. 비-정현파형을 가지는 실시예는 여전히, 두 개 이상의 파형의 피크가 일 방향에서 양의 간섭을 가지고 동시에 발생하고, 또한 반대 방향에서 음의 간섭을 가지고 동시에 발생하도록 할 수 있다.
도 56 은 서로 동기화되는 두 개의 삼각 파형을 도시한다. 프로파일(1112a)은 프로파일(1112b)의 진폭의 두 배를 가지는 반면에, 프로파일(1112b)은 프로파일(1112a)의 주파수의 두 배에서 진동한다. 프로파일(1112a 및 1112b)의 피크는, 양의 간섭이 있는 시간에서 그리고 음의 간섭이 있는 시간에서 동시에 발생한다. 프로파일(1112a 및 1112b)의 결합된 파형은 비대칭 파형을 도 44 에서의 결합된 파형과 유사한 방식으로 생성할 것이다.
특히 구별되는 진동 효과를 생성하기 위하여, 몇몇 LRA 진동 액츄에이터는 운동 매쓰를 변위 스톱(travel stop)으로 푸시하기에 충분히 높은 진폭에서 동작될 수 있으며, 이를 통하여 충격력(impact force)을 각각의 발진 도중에 생성한다. 변위 스톱에서의 충격은 정현파가 아닌 진동 파형을 생성할 것이다. 다수의 이러한 액츄에이터는 서로 동기화되어, 양과 음의 간섭을 변위 스톱이 있는 매쓰의 충격의 실례로서 생성할 수 있다. 이러한 구성은 진동력의 첨예한 피크를 생성할 수 있는데, 여기에서 진동의 방향은 제어가능하다. 진동의 이러한 첨예한 피크는 총의 반동을 시뮬레이션하는 것과 같은 충격에 대응하는 햅틱 감흥을 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 광범위한 진동 효과가 비-정현 진동들을 가지고 생성될 수 있다. 유사한 접근법이 다른 파형을 가지고 생성될 수 있다는 것을 이해하면서, 사인파 진동 파형을 사용하는 예들이 본 명세서에서 제공된다.
시뮬레이션된될 수 있는 하나의 파형은 "손실된 기초(missing fundamental)" 파형이라고 지칭되는데, 이것은 인간 지각의 현상을 이용한다. Peter M. Todd, D. Gareth Loy 저, "Music and Connectionism", MIT 출판사 2003 에서 설명된 바와 같이, 인간은 사운드가 저 주파수의 정수 배인 더 높은 주파수를 포함한다면, 특정 주파수가 존재하지 않는다고 해도 사운드가 그 주파수의 피치를 포함한다고 지각할 수도 있다. 햅틱 애플리케이션에서, 저 주파수 진동은 사이즈 및 전력 제약에 기인하여 생성하기가 곤란할 수도 있는 반면에, 더 높은 주파수 진동을 생성하는 것은 더 쉬울 수도 있다. 원하는 저 주파수를 포함하지 않지만 원하는 저 주파수의 정수 배에서 더 높은 주파수를 포함하는 진동 파형이 생성될 수 있다. 사운드 내의 손실된 기초를 지각하는 것과 같이, 인간은 원하는 저 주파수 진동을 지각할 수도 있다. 진동 내의 손실된 기본을 지각하는 것은, 청각 또는 시각적 효과를 원하는 저 주파수에 포함시킴으로써 향상될 수 있다.
도 57 에 도시되는 실시예는 마운팅 플랫폼 주위에 비대칭 토크를 생성할 수 있다. 한 쌍의 LRA(1116a 및 1116b)는 마운팅 플랫폼(1100)의 상단을 향하여 마운트된다. 제 2 쌍의 LRA(1118a 및 1118b)가 마운팅 플랫폼(1100)의 하단을 향하여 마운트된다. 상단 쌍의 LRA가 동일한 크기지만 하단 쌍과는 반대 방향 힘을 가지고 동작된다면, 순수 토크가 마운팅 플랫폼 상에 생성된다. 상단 및 하단 쌍 모두가 도 44 에 도시되는 것과 같은 비대칭 파형으로 진동한다면, 토크 진동도 역시 비대칭이 되며 반시계방향보다 더 높은 피크 토크를 시계방향으로 인가할 수 있다(또는 그 반대의 경우도 마찬가지이다). 더욱이, 비대칭 토크 진동의 진폭은 각각의 LRA 내의 피크 힘을 비례하여 제어함으로써 제어될 수도 있다.
LRA는 진동력을 축을 따라서 생성하며 따라서 "선형 힘 액츄에이터"라고 기술된다. 다른 선형 힘 액츄에이터는 슬라이더-크랭크 진동기, 랙(rack) 및 피니온 진동기, 공진을 사용하지 않는 선형 액츄에이터, 피스톤, 및 솔레노이드를 포함한다. (미국 특허 출원 번호 제 11/476,436 호에서 설명된 것과 같은) 로킹 액츄에이터 및 피봇팅 액츄에이터는 근사적으로 축과 나란하며 많은 애플리케이션에 대하여 선형 힘 액츄에이터라고 간주될 수 있는 힘을 생성한다. 사실상, LRA를 채용하는 것으로 본 명세서에서 설명되는 임의의 실시예도 선형 힘 액츄에이터 또는 근사적으로 축과 나란한 힘을 생성하는 다른 액츄에이터를 가지고 구현될 수 있다.
한 쌍의 선형 힘 액츄에이터의 일반적 동기화된 진동에 대한 제어기가 도 58 에 도시되는데, 이것은 도 43 에 도시되는 것과 같은 실시예를 제어할 수 있다. 진동 디바이스 제어기는 주파수 f, 명령된 진폭 Ac, 및 명령된 위상 pc의 명령을 생성한다. 드라이버 회로는 액츄에이터를 구동하는 전압 및 전류를 생성한다. 드라이버 회로는 사인파, 구형파, 삼각파의 파형, 또는 다른 파형을 출력한다. 액츄에이터는 드라이버 회로의 파형 출력과 유사한 힘 파형을 생성할 수도 있다. 대안적으로는, 액츄에이터는 드라이버 회로의 파형 출력과는 상이한 힘 파형을 생성할 수도 있다. 예를 들어, 드라이버 회로는 구형파를 출력할 수도 있지만 액츄에이터는 액츄에이터의 피직스(physics)에 기인하여 거의 사인파인 힘을 생성할 수도 있다.
LRA 및 ERM 진동 액츄에이터 모두는 그들의 최대 힘 출력을 생성하기 위한 속도로 상승하는데 어느 정도 시간을 소요한다. 본 명세서에서 설명되는 실시예는 상승 기간 동안에 액츄에이터들을 동기화할 수도 하지 않을 수도 있는 제어기를 포함한다. 추가적으로, 진동 디바이스는 한 진동 효과로부터 다른 진동 효과로 천이하도록 명령될 수도 있다. 이러한 천이 시간 인터벌 동안에, 제어기는 액츄에이터를 동기화할 수도 하지 않을 수도 있다.
진동 디바이스 제어기는 마이크로프로세서 또는 다른 프로그래밍가능한 디바이스일 수 있다. 진동 디바이스 내의 각각의 액츄에이터에 대하여, 진동 디바이스 제어기는 진동의 주파수, 진동의 위상, 진동의 진폭, 또는 이러한 파라미터의 임의의 조합을 변경할 수 있다. 이러한 파라미터를 변경시키는 능력이 단일 진동 디바이스가 광범위한 파형을 생성하도록 한다.
진동 액츄에이터의 힘 출력의 위상 및 진폭은 제어 신호 및 액츄에이터의 물리적 특성 모두에 의존한다. 예를 들어 제어 신호와 액츄에이터의 힘 출력 사이에 위상 래그가 흔히 존재한다. 액츄에이터 출력의 파형과 제어 신호의 파형을 구별하기 위하여, 아래첨자 "c" 명명법이 사용되어 제어 파형을 지정한다. 따라서 명령된 진폭 Ac 및 명령된 위상 pc는 반드시 실제 액츄에이터 힘의 진폭 및 위상에 대한 직접적 상관인 것은 아니다. 예를 들어, 주파수 ω에서 φc 및 전압 피크 크기 A c를 가지는 정현 전압 신호에 의하여 구동되는 LRA 액츄에이터의 진동 디바이스 제어기의 명령 전압 V는 수학식 38 에 의하여 주어진다:
Figure pct00054
그러나, 액츄에이터에 내재하는 위상 래그 및 액츄에이터의 주파수 응답에 기인하여, 액츄에이터의 정상 상태 힘 출력 Fa는 수학식 39 에 의하여 주어질 수도 있다:
Figure pct00055
위상 래그는 φ와 φc 사이의 차분이다. 주파수 응답은 Ac와 A 사이의 비율에서 반사된다. 위상 래그 및 주파수 응답 모두는 진동 주파수와 함께 변동할 수 있으며 흔히 액츄에이터 특이적 보드 선도에 의하여 표현되는 액츄에이터 피직스의 함수이다. 동기화된 진동의 효과적인 구현을 위하여, 각각의 진동 액츄에이터 내에 내재하는 위상 래그를 고려하는 것이 이로울 수 있다. 이것은 동등하지만 반대 위상인 오프셋을 제어기 파형에 합산하여 액츄에이터 위상 래그가 동기화에 영향을 주지 않도록 함으로써 수행될 수 있다.
이러한 오프셋을 구현하는 한 가지 방법은 룩업 테이블, 보드 선도, 또는 주어진 진동 주파수에 대한 적합한 위상 오프셋을 결정하는 각각의 액츄에이터에 대한 알고리즘을 사용하는 것이다. 추가적으로, 룩업 테이블, 보드 선도, 또는 알고리즘을 사용하여 원하는 진동력 크기를 생성하기 위하여 필요한 요구된 전압 크기를 결정하는 것이 이로울 수 있다. 푸리에 합성 접근법 및 본 명세서에서 설명되는 진동의 양과 음의 피크를 매칭시키는 접근법은 액츄에이터 구동 회로로부터의 파형의 위상이 아닌 액츄에이터 힘 출력의 실제 위상에 대하여 구현된다. 본 명세서에서 명명법을 단순화하기 위하여, 액츄에이터 피직스에 기인한 위상 래그는 동기화와 관련된 수학식에 일반적으로 포함되지 않는다. 오히려, 적합한 명령 신호가 그 출력을 제공하기 위하여 생성된다는 이해와 함께, 진동력 출력 F를 나타내는 더 간결한 명명법이 사용된다. 명령 신호는 액츄에이터 피직스에 기초하여 요구된 필요한 위상 래그 및 크기 조절을 포함한다. 크기 제어는 전압, 전류, 전압 또는 전류의 PWM 신호, 또는 상기 액츄에이터를 구동하기 위하여 사용되는 다른 타입의 명령을 가지고 구현될 수 있다. 푸리에 합성 접근법 및 진동의 양과 음의 피크를 매칭하는 접근법은 특정한 타겟 주파수 및 진동 디바이스 내의 액츄에이터에 대한 진동의 위상을 기술한다; 그러나, 이러한 타겟 주파수 및 위상이 정확하게 일치하지 않는 경우에도, 전체 진동 효과는 가끔 원하는 파형과 충분히 근접하여 원하는 효과를 획득한다.
제작 산포에 기인하여, 동일한 어셈블리들 라인 상에서 제작된 두 개의 액츄에이터는 그들의 보드 선도에 영향을 주며 위상 래그, 진폭 특성 또는 공진 주파수를 포함하는 상이한 물리적 특성을 가질 수도 있다. 몇 가지 실시예들에서 센서 또는 센서들은 액츄에이터의 위상, 액츄에이터의 진동의 진폭, 또는 진폭 및 위상을 검출하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 센서는 광 센서, 홀-효과 센서 또는 언제 운동 매쓰가 중간점 또는 진동의 다른 점을 지나는지를 검출하는 다른 타입의 센서일 수 있다. 이러한 한 실시예가 도 59 에 도시되는데, 여기에서 센서(1128)는 선형 힘 액츄에이터(1124)로 통합되고 언제 운동 매쓰(1126)가 중간점 포지션에 도달하는지를 검출한다. 액츄에이터 내에 통합된 센서는 액츄에이터 성능의 연속적, 계속적 또는 주기적 측정을 제공할 수 있으며 디바이스가 사용 중인 동안 교정 파라미터를 업데이트하기 위하여 사용될 수 있고, 특정된 교정 기간을 요구하지 않는다.
감지하는 다른 방법은 도 60 에 도시된 바와 같이 액츄에이터(1124a 및 1124b)를 진동 디바이스(1134)의 마운팅 플랫폼(1100)에 부착하는 것이다. 이러한 센서(1136)는 가속도계 또는 마운팅 플랫폼의 결합된 모션 또는 결합된 힘을 측정하는 다른 센서일 수 있다.
진동 디바이스를 자기-교정하기 위하여 센서 측정이 사용될 수 있다. 테스트 패턴은 각각의 액츄에이터를 개별적으로 작동시켜 액츄에이터 위상 래그, 힘 진폭 특성, 및 공진 주파수를 식별할 수 있다. 이러한 특성은 룩업 테이블, 보드 선도, 또는 액츄에이터로의 전압 명령을 생성하기 위하여 사용되는 알고리즘을 업데이트하기 위하여 사용될 수 있다. 또한 다수의 액츄에이터의 결합된 힘이 측정되어 원하는 힘 효과가 획득되는 중이라는 것을 확인할 수 있다. 이에 상응하여, 진동 디바이스 제어기는 센서 측정을 사용하여 도 61 에 도시된 바와 같은 명령된 진폭, 위상, 및 주파수를 업데이트할 수 있다.
본 개시물의 실시예는 또한 다수의 세트의 정렬된 진동 액츄에이터를 가지는 구성을 포함한다. 두 개의 세트의 액츄에이터를 포함하는 이러한 한 구성이 도 62 에 도시된다. 세트 1 은 모두 진동 디바이스(1134)의 x 축과 정렬된 두 개의 LRA(1138a 및 1138b)로 이루어진다. 세트 2 는 모두 진동 디바이스의 y 축과 정렬된 두 개의 LRA(1140a 및 1140b)로 이루어진다. 세트 1 은 힘(FS1B1)을 LRA(1138a)로부터 생성하며, 힘(FS1B2)을 LRA(1138b)로부터 생성한다. 세트 2 는 힘(FS2B1)을 LRA(1140a)로부터 생성하며, 힘(FS2B2)을 LRA(1140b)로부터 생성한다.
도 62 에 도시되는 일 실시예에서, 결합된 진동력은 모든 진동 액츄에이터의 벡터 합이다. 미국 특허 출원 번호 제 11/476436 호의 명명법을 사용하면, a1 및 a2 는 각각 세트 1 및 세트 2 로부터의 힘과 정렬된 단위 벡터이다. 도 62 에 도시되는 실시예에 대한 하나의 제어 접근법에서, 두 세트의 파형은 유사한 형상을 가지지만 상이한 크기를 가지도록 제어된다. 크기 계수가 변수 A에 의하여 지정되는데, 여기에서 스칼라 A1은 세트 1 의 파형을 승산하고 스칼라 A2는 세트 2 의 파형을 승산한다. 정현파형을 가지는, 이러한 제어 접근법에서의 결합된 힘 벡터 F combined 는 수학식 40 에 의하여 주어진다:
Figure pct00056
미국 특허 출원 번호 제 11/476,436 호에서 기술된 바와 같이, 벡터 F combined 에 대한 원하는 방향을 생성할 A1 및 A2의 크기를 선택하는 방법들이 존재하는데, 하지만 이러한 방법은 진동의 축만을 특정하고 힘의 크기가 양수인지 음수인지를 특정하지 않을 수도 있고, 따라서 진동의 고유한 방향의 범위를 180 도의 범위로 한정할 수도 있다. 본 개시물의 하나의 양태에 따르면, 진동의 방향을 마운팅 플랫폼의 평면의 360 도 모두에서 제어하도록 하는 일 실시예는 후속하는 파라미터 관련성을 가질 수도 있다:
ω2 = 2ω1;
-90 도와 +90 도 사이의 방향에 대해서, φ1= 0 및 φ2= -90;
90 도와 270 도 사이의 방향에 대해서, φ1= 0 및 φ2= 90
A1 및 A2 는 위의 수학식 19 에 의하여 특정됨
다수의 세트의 정렬된 진동 액츄에이터를 가지는 다수의 다른 실시예도 가능하다. 각각의 세트의 정렬된 액츄에이터는 임의의 파형 pAlignedSet 를 생성할 수 있다. 임의로 성형된 프로파일로부터 생성된 동기화된 진동의 실시예가 위에서 설명된다. 많은 이러한 실시예는 각각의 파형을 생성하는 단일 액츄에이터를 보여준다. 그러나, 일 세트의 정렬된 액츄에이터가 이러한 파형을 생성하도록 하는 것도 역시 가능하다. 그러므로, 이러한 실시예는 일 세트의 정렬된 액츄에이터가 단일 액츄에이터를 대체하는 구성을 포함하도록 확장될 수 있다. 이러한 구성에서, 임의의 파형 프로파일은 본 명세서에서 논의된 바와 같은 임의의 파형의 형태 pAlignedSet를 가질 것이다.
이에 상응하여, 비대칭 진동의 실시예는 3D 구성 및 비-직교 구성을 포함한다. 두 개의 비-직교 LRA 쌍의 예가 도 63 에 도시된다. 이러한 LRA는 xy 평면 전체의 원하는 방향에서 파형을 생성할 수 있다. 각각의 정렬된 세트 내의 액츄에이터는 LRA, 로커 액츄에이터, 및 근사적으로 선형인 힘을 생성하는 다른 세트의 액츄에이터일 수 있다. 모든 세트가 유사한 성형된 파형을 가지지만 잠재적으로 상이한 크기를 가지는, M 개의 정렬된 세트에 대한 결합된 힘 벡터를 기술하는 수학식은 수학식 41 에 의하여 주어진다:
Figure pct00057
A의 값을 결정하기 위하여 사용되는 위에서 설명된 접근법도 이러한 구성에 적용될 수 있다. 라인, 원, 타원, 포물선 등을 포함하는, 다양한 Lissajous 진동 패턴도 역시 위에서 설명된다. 비대칭 진동 파형은 Lissajous의 일 부분 동안에 다른 부분보다 더 큰 피크 힘을 생성하기 위하여 사용될 수 있다.
본 개시물의 다른 양태로 전환하면, ERM이 도 64 에서 묘사된다. 기본적인 ERM은 모터(1204), 샤프트(1208), 및 이심 매쓰(1206)를 포함한다. 모터(1204)는 DC 브러시드 모터, DC 브러시리스 모터, AC 인덕션 모터, 스테퍼 모터, 또는 전기적 에너지를 회전식 모션으로 전환하는 임의의 다른 디바이스일 수 있다. 샤프트(1208)는 모터의 회전식 모션을 이심 매쓰의 회전식 모션으로 전송하는 전력 전송 엘리먼트이다. 그러나, 다른 전력 전송 방법은 모터(1204)의 회전식 모션을 이심 매쓰(1206)의 회전식 모션으로 전송하는 임의의 수단, 예컨대 벨트, 기어 트레인, 체인 또는 회전식 조인트일 수 있다. 이심 매쓰(1206)는 자신의 질량 중심과 일치하지 않는 축 상에서 회전하는 임의의 보디일 수 있다. 더욱이, 전력 전송 엘리먼트는, 이심 매쓰(1206)의 회전축이 모터(1204)의 회전축과 반드시 일치하거나 이와 평행하지 않으며, 이심 매쓰(1206)가 모터(1204)와 반드시 동일한 각속도로 회전하지 않도록 하는 기하학적 구조를 포함할 수도 있다.
진동력을 생성하는 한 가지 방법은 이심 매쓰가 모터 샤프트에 부착되어 있는 ERM을 이용하는 것이다. 모터가 회전할 때, 원심력이 모터 상에 생성된다. 이심 매쓰의 회전의 주파수 및 위상을 제어함으로써 일반적 동기화된 진동이 다수의 ERM에 적용될 수 있다. 도 65 는 임의의 개수 M 개의 ERM를 사용하는 진동 디바이스(1200)의 일 실시예를 도시한다; 첫 번째 두 개는 ERM(1210a, 1210b) 이고, 마지막 것은 ERM(1210m)이다. 모든 ERM은 마운팅 플랫폼(1202)에 부착되고, 디바이스의 결합된 진동력은 모든 ERM으로부터의 벡터 합이다.
i 번째 ERM에 대하여, Ai는 진동력의 진폭이고, ωi는 진동의 주파수이며, φi는 진동의 위상이다. 도 65 의 ERM의 결합된 진동력은 다음과 같이 x 및 y 좌표에서 주어진다:
FEx = A1cos(ω1t + φ1) + A2cos(ω2t + φ2) + … + AMcos(ωMt + φM)
FEy = A1sin(ω1t + φ1) + A2sin(ω2t + φ2) + … + AMsin(ωMt + φM)
도 66 은 4 개의 ERM(1212a, 1212b, 1214a, 및 1214b)을 사용하는 진동 디바이스(1200)에 대한 일 실시예를 도시한다. 모든 4 개의 ERM은 마운팅 플랫폼(1202)에 부착되며 디바이스의 결합된 진동력은 모든 4 개의 ERM으로부터의 벡터 합이다.
ERM에 의하여 마운팅 플랫폼 상으로 전달되는 힘 및 토크는 회전하는 이심 매쓰로부터의 원심력의 조합, 모터의 고정자와 회전자 사이의 토크 및 자이로스코픽 효과와 같은 다른 관성력에 기인한다. ERM의 속도가 증가함에 따라 원심력이 증가하며 통상적으로 진동력의 주된 부분이 된다. 이에 상응하여, ERM의 속도가 증가되었으면, ERM에 의하여 마운팅 플랫폼 상에 전달된 진동력은 회전하는 이심 매쓰에 의하여 전달된 원심력에 근접한다.
일 실시예에서 ERM은, 쌍 내의 각각의 ERM이 동일한 이심 매쓰를 가지며 동일한 각속도에서 동작하지만 ERM들이 서로 반대 방향에서 회전하는, 역-회전 쌍으로 구성된다. 도면은 ERM(1212a) 및 ERM(1212b)으로 구성된 제 1 역-회전 쌍을 가지는 ERM의 이러한 일 실시예를 도시한다. 이러한 제 1 쌍만의 결합된 진동력은 다음에 의하여 주어진다:
FE1x = A1cos(ω1t + φ1 + σ1) + A1cos(-ω1t - φ1 + σ1)
FE1y = A1sin(ω1t + φ1 + σ1) + A1sin(-ω1t - φ1 + σ1)
ERM(1212a)과 ERM(1212b) 사이의 위상차는 두 개의 변수 φ1 및 σ1에 의하여 표현되는데, 여기에서 φ1은 시간적 위상을 나타내며 전체 위상에서의 차분의 절반이고, σ1은 기하학적 각도를 나타내고 전체 위상차의 평균의 절반이다. ERM에 대하여, 진동력의 크기 A는 mrω2과 동일한데, 여기에서 m은 질량이고, r은 이심률의 반경이며, ω는 초당 라디안 단위의 회전의 각속도이다. 삼각함수 공식을 통하여, 제 1 ERM 쌍의 이러한 결합된 진동력 벡터는 다음 수학식에 의하여 표현될 수 있다. 이러한 구성에서, 단일 역-회전 쌍으로부터의 힘은 각도 σ1에 의하여 정의되는 힘 방향의 축과 정렬된 정현 진동력을 생성한다.
Figure pct00058
도 66 의 실시예는 ERM(1214a) 및 ERM(1214b)에 의하여 형성되는 제 2 역-회전 쌍을 가지는데, ERM들 모두는 서로 동일한 이심 매쓰를 가지며 서로 동일한 각속도이지만 반대 방향에서 동작 중이다. 이러한 제 2 역-회전 쌍은 다음의 결합된 진동력을 생성한다:
FE2x = A2cos(ω2t + φ2 + σ2) + A2cos(-ω2t - φ2 + σ2)
FE2y = A2sin(ω2t + φ2 + σ2) + A2sin(-ω2t - φ2 + σ2)
하나의 제어 방법에서, σ1 및 σ2는 동일한 값 σ와 동일하게 설정되며, 그러므로 ERM 쌍 모두는 동일한 축을 따라 진동을 생성하고, 모든 4 개의 ERM의 결합된 진동력 벡터는 수학식 43 에 의하여 주어진다:
Figure pct00059
다른 제어 방법에서, σ2는 π+σ1와 동일하게 설정되며, 그러므로 ERM 쌍 모두는 동일한 축을 따라서 진동을 생성하지만, 제 2 ERM 쌍으로부터의 기여분은 음의 부호를 가진다. 이러한 방법을 이용하면, 모든 4 개의 ERM의 결합된 진동력 벡터는 수학식 44 에 의하여 주어진다:
Figure pct00060
일반적 동기화된 진동을 선형 힘 액츄에이터와 ERM에 적용하는 것 사이에는 유사성이 존재한다. 양자의 케이스에서, 결합된 진동력은 사인파의 중첩으로 구성될 수 있고, 양자의 케이스에서 비대칭 진동을 구현하는 것이 가능하다. 비대칭 진동의 일 실시예는 두 개의 정현파의 중첩을 위하여 상대 크기 및 위상을 사용한다. 이러한 실시예에서, 기본 주파수의 진폭은 제 2 고조파의 두 배이다. 도 66 에 도시되는 실시예에 대하여, 높은 비대칭성을 위한 구성이 다음 표 2 에 표시된다. 기하학적 각도 σ는 임의로 원하는 진동의 방향에 기초하여 선택될 수 있다. 제 2 ERM 쌍의 이심률은 제 1 ERM 쌍의 이심률에 상대적으로 표현된다. 제 2 ERM 쌍의 회전의 속도는 제 1 ERM 쌍의 회전의 속도의 두 배이다. 높은 레벨의 비대칭성은 표 2 에서 특정된 값들이 단지 대략적으로 구현된다고 하더라도 획득될 수도 있다는 것에 주의해야 한다. 예를 들면, 두 개의 사인파의 중첩의 경우에, 진동에 30% 에러가 존재한다면 원하는 비대칭 효과의 90%가 여전히 실현될 수도 있다.
Figure pct00061
일반적 동기화된 진동의 단계가 표 2 에 표시된 구성의 경우에 대하여 도 67 에 도시된다. 시간 t는 기본 주파수의 주기의 관점에서 표현되는데, 여기에서 T1=2π/ω1이다. 도 67 의 최상측 예시에서 볼 수 있는 바와 같이, 시간 t=0 에서 모든 ERM의 힘은 양의 방향에서 진동의 축과 정렬되고, 이심 매쓰의 포지션은 모두 동일한 방위로 정렬된다. 이에 상응하여, t=0에서 결합된 진동력은 큰 크기를 가진다. 중심 예시에서 도시된 바와 같은 t=T1/4 에서, 결합된 힘 벡터는 진동의 축을 따라 음의 방향에 있는데, 그러나 기여분이 오직 ERM(1214a) 및 ERM(1214b)으로부터만 발생하고 ERM(1212a) 및 ERM(1212b)으로부터의 힘은 서로 상쇄되기 때문에, 음의 크기는 피크 값에 있지 않다. 하단 예시에서 도시된 바와 같은 t=T1/2 에서, 결합된 힘 벡터는 역시 진동의 축을 따라 음의 방향에 있는데, 그러나 음의 간섭이 제 1 ERM 쌍(ERM(1212a 및 1212b))과 제 2 ERM 쌍(ERM(1214a 및 1214b)) 사이에 존재하기 때문에, 음의 크기는 피크 값에 있지 않다. t=T1/2 에서, 제 1 ERM 쌍의 힘은 제 2 ERM 쌍으로부터의 힘의 반대 방향에 있으며, 제 1 ERM 쌍의 이심 매쓰의 방위는 제 2 ERM 쌍의 이심 매쓰의 방위에 대해 180 도 반대이다. 이에 상응하여, 비대칭 진동이 진동의 축과 정렬된 양의 방향을 따라 발생하는 더 큰 피크 힘을 가지고 생성된다. 표 2 에 표시된 바와 같이, ERM(1214a 및 1214b)의 시간적 위상도 역시 π로 설정될 수 있는데, 이러한 경우 비대칭 진동이 진동의 축과 정렬된 음의 방향을 따라서 더 큰 피크 힘을 가지고 발생할 것이다.
도 68 에 도시된 바와 같이 복수 개의 ERM 쌍을 가지는 실시예도 가능한데, 이것은 N 개의 ERM 쌍을 가진다; 첫 번째 두 쌍은 1216a 및 1216b이고 마지막 쌍은 1216n이다. 하나의 제어 방법에서 제 1 ERM 쌍(1216a)은 기본 주파수에서 회전되고, 제 2 ERM 쌍(1216b)은 기본 주파수의 두 배에서 회전되며, 이런 방식으로 모든 N 개의 쌍에 대해서 진행하는데, 제 N 쌍(1216n)은 기본 주파수의 N 배에서 회전한다. 푸리에 합성을 사용하면, 광범위한 파형을 근사화하는 것이 가능하다.
도 68 에 도시되는 일 실시예에서, 쌍 내의 각각의 ERM은 동일한 이심률을 가질 수 있으며, 각각의 쌍은 그 쌍 내의 한 ERM이 동일한 회전 속도를 가지지만 다른 ERM의 반대 방향에서 회전하도록 제어될 수 있다. 더 높은 피크 힘을 반대 방향에서의 피크 힘에 상대적인 방향에서 가지는 비대칭 진동이 생성될 수 있다. 비대칭성의 높은 양이 도 52(및 표 1)와 관련하여 논의된 프로세스를 사용하여 생성될 수 있는데, 이것은 각각의 고조파 사인파에 대한 크기 및 위상을 특정한다. ERM의 진동의 크기는 이심률 mr 및 각속도 ω의 제곱의 곱이다. 따라서, i 번째 ERM의 이심률을 상대 사인파 진폭의 함수로서 나타내면 수학식 45 에 의하여 주어진다:
Figure pct00062
위상은 근사화되는 중인 펄스-트레인의 특정한 파형의 시작 시간에 상대적으로 표현될 수도 있다. 몇 가지 구현형태들에서 제 1 고조파의 위상을 제로로 설정하고 다른 고조파의 위상을 제 1 고조파에 상대적으로 표현하는 것이 더 편리하다. 제 N 고조파의 위상 φn을 제 1 고조파에 상대적인 제 N 고조파의 위상으로 변환하는 공식은 다음 수학식 46 에 의하여 주어진다:
Figure pct00063
추가적으로, 위상은 일련의 사인파에 상대적으로 정의될 수도 있는데, 반면에 수학식 42 의 ERM 진동은 여현파의 관점에서 특정된다. 여현파는 정현파인데 그 위상이 사인파로부터 90 도 만큼 천이된다. 표 1 은 2 개, 3 개, 및 4 개의 사인파를 중첩하는 실시예에 대한 파라미터를 보여준다. 이러한 파라미터는, 여현 표현에 대한 90-도 천이와 함께 수학식 45 및 수학식 46 을 사용하여, 2 개, 3 개, 및 4 개의 ERM 쌍을 가지는 실시예에 대한 관련된 파라미터로 변환될 수 있다. 아래에 제공된 표 3 은 비대칭성의 높은 레벨을 생성하는, ERM 상에 대한 이러한 파라미터를 보여준다. 도 52 에서 설명된 방법은 임의의 개수의 ERM 쌍의 개수에 대한 파라미터를 특정하기 위하여 사용될 수 있다.
Figure pct00064
표 3
일반적 동기화된 진동을 ERM을 가지고 구현하는 것은 광범위한 진동 주파수가 특정한 공진 범위로 한정되지 않고 생성될 수 있다는 장점을 가진다. ERM 주파수가 증가함에 따라 원심력이 증가하고, 파형 진폭 A1 및 An 의 비율은 일정하게 유지된다. 이에 상응하여, 표 2 및 표 3 에 나타난 바와 같이, 주파수 상에서 이심률의 단일 비율을 가지고 비대칭 진동의 높은 레벨이 생성될 수 있다,
4 개의 ERM을 가지는 실시예가 도 69 에 도시된다. ERM(1222a, 1222b, 1224a 및 1224b)은 수직으로 튜브(1220) 내에 적층되는데, 이것이 마운팅 플랫폼(1202)으로서 역할을 한다. 이러한 실시예는, 어떻게 플레이스테이션® Move motion 제어기가 손에 쥐어지는 지와 유사하게 손에 의하여 쥐어지는 사용자 입력 디바이스로서 사용될 수 있다. 적층된 ERM을 가지는 구성이, 광범위한 핸드헬드 디바이스에 대하여 그리고 진동력을 광범위한 신체 부분으로 인가하기에 편리하다.
일반적 동기화된 진동의 단계가 도 69 에 표시된 구성의 경우에 대하여 도 70 에 도시된다. 도 69 에 도시되는 부품들은 도 70 에 도시된 것과 동일한 부품이지만 부품 번호는 도 70 에서 표시되지 않는다. 도 70 의 각각의 프레임은 ERM의 이심 매쓰를 도시하고, 각각의 매쓰로부터 연장하는 선은 매쓰가 생성하는 원심력 벡터를 표시한다. 모든 ERM의 결합된 힘 벡터가 ERM 아래의 굵은 선으로 표시된다. 도 70 에 도시되는 일 실시예에서 상단 두 개의 ERM(1222a 및 1224b)은 평면도 관점으로부터 시계방향으로 회전하고 있으며, 하단 두 개의 ERM(1222a 및 1224b)은 반시계방향으로 회전하고 있다. 더욱이 상단 ERM(1224b) 및 하단 ERM(1224a)은 더 낮은 이심 매쓰를 가지며 중간 두 개의 ERM(1222a 및 1222b)의 주파수의 두 배로 회전하고 있다.
상이한 주파수 및 매쓰 관련성을 가지는 다른 실시예도 가능하다. 시간 t는 기본 주파수의 주기의 관점에서 표현되는데, 여기에서 T1=2π/ω1이다. 도 70 에서 볼 수 있는 바와 같이, 시간 t=0 에서 모든 ERM의 힘은 양의 방향에서 진동의 축과 정렬되고, 이심 매쓰의 포지션은 모두 동일한 방위로 정렬된다. 이에 상응하여, t=0에서 결합된 진동력은 큰 크기를 가진다. t=2T1/8 에서, 결합된 힘 벡터는 진동의 축을 따라 음의 방향에 있는데, 그러나 기여분이 오직 ERM(1224a) 및 ERM(1224b)으로부터만 발생하고 ERM(1222a) 및 ERM(1222b)으로부터의 힘은 서로 상쇄되기 때문에, 음의 크기는 피크 값에 있지 않다. t=4T1/8 에서, 결합된 힘 벡터는 역시 진동의 축을 따라 음의 방향에 있는데, 그러나 음의 간섭이 제 1 ERM 쌍(ERM(1222a 및 1222b))과 제 2 ERM 쌍(ERM(1224a 및 1224b)) 사이에 존재하기 때문에, 음의 크기는 피크 값에 있지 않다. t=4T1/8 에서, 제 1 ERM 쌍의 힘은 제 2 ERM 쌍으로부터의 힘의 반대 방향에 있으며, 제 1 ERM 쌍의 이심 매쓰의 방위는 제 2 ERM 쌍의 이심 매쓰의 방위에 대해 180 도 반대이다. 결합된 진동력의 크기가 시간의 각 시점에서 이심 매쓰 아래의 선에 의하여 표시된다.
다른 진동 디바이스가 도 71 에 도시되는데, 여기에서 디바이스는 동일한 방향에서 회전 중인 마운팅 플랫폼(1202)에 부착된 두 개의 ERM(1230a 및 1230b)을 포함한다. 두 ERM의 회전 속도 및 이심률이 동일한 경우, 이러한 구성은 공-회전 쌍(Co-Rotating Pair), 또는 "CORERM 쌍"이라고 지칭된다. ERM 이심 매쓰들 사이의 중심은 COREMR 쌍의 중심이라고 지칭된다. 두 개의 ERM들 사이의 각도가 각도 c의 고정값에서 유지된다면, CORERM 쌍은 단일 ERM과 균등한 결합된 원심력을 생성한다. 그러나, CORERM 쌍의 원심력의 크기는 각도 c의 함수이다. c가 제로와 같으면 결합된 힘 크기는 단일 ERM의 그것의 두 배이고, c가 180 도와 같으면 전체 이심률이 없기 때문에 원심력 크기는 제로와 동일하다. 이에 상응하여, c가 180 도에 가깝다면, 원심력은 CORERM 쌍의 주된 힘 출력이 아닐 수도 있다. 대신, 자이로스코픽 또는 토크 효과가 진동 디바이스 상에 인가된 힘 및 토크의 더 큰 부분을 차지할 수도 있다. A가 쌍 내의 ERM들 중 오직 하나로부터의 힘의 크기이고, ω가 회전 속도이며, φ가 회전의 위상인 경우에는, CORERM 쌍에 의하여 생성된 결합된 진동력은 수학식 47 에 의하여 주어진다:
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단일 진동 디바이스가 역-회전 쌍 또는 공-회전 쌍 중 하나로서 ERM과 유사하게 동작할 수 있다. 진동 디바이스를 ERM들 중 일부가 CORERM으로서 기능하는 모드에서 진동 디바이스를 작동시키는 것에는 다수 개의 장점이 존재한다. 하나의 장점은 진동의 크기가 CORERM 쌍을 사용함으로써 증가될 수 있다는 것이다. 다른 장점은 단일 ERM 회전을 시뮬레이션하는 레거시 진동 효과가 생성될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 햅틱 인터페이스는 어떤 때에는 비대칭 진동력을 생성하도록 그리고 다른 때에는 단일 ERM을 시뮬레이션하도록 동작될 수 있다. 만일 사용자가 단일 ERM으로부터의 햅틱 신호에 익숙하다면, CORERM 쌍은 이러한 익숙한 효과가 생성되도록 한다.
많은 수의 공-회전 ERM이 위상 오프셋이 없이 서로 동기화될 수 있으므로, 그들의 힘 크기는 결합하여 하나의 큰 ERM과 유사한 진동 효과를 생성한다. 만일 모든 공-회전 ERM이 병위된(co-located) 중심을 가지는 CORERM 쌍이라면, 결합된 힘에 대한 중심은 단일한 큰 ERM에서와 같게 될 것이다.
CORERM 쌍을 사용하는 다른 장점은, 이들이 더 넓은 범위의 파형을 가지는 푸리에 합성을 가능하게 한다는 것이다. 이러한 한 실시예는 도 66 내의 각각의 ERM을 도 72 에 도시되는 CORERM 쌍과 교체하는 것이다. 도 66 의 ERM(1212a, 1212b, 1214a, 및 1214b)은 도 72 의 CORERM(1232a, 1232b, 1234a, 및 1234b)에 대응한다. 이러한 일 실시예는 도 66 의 원래의 구성과 유사할 것인데, 하지만 여기에서 각각의 ERM으로부터의 원심력의 크기는 (CORERM 쌍 내의 각도 c를 조절함으로써) 회전의 속도와 독립적으로 조절될 수 있다. 푸리에 합성은 사인파의 진폭, 위상, 및 주파수가 조절될 수 있는 사인파의 중첩을 이용하여 임의의 파형이 근사화되게 한다. 충분히 많은 CORERM 쌍을 가지면, 제로-DC 오프셋을 가지는 임의의 파형이 근사화될 수 있다. 도 72 의 실시예는 또한 진동의 방향이 제어되도록 한다.
진동력의 진폭의 제어는 햅틱 애플리케이션을 위하여 사용되는 비대칭 진동에서 특히 유용할 수 있다. 진동 디바이스는 한 손, 양 손으로 쥘 수 있고, 다른 신체 부분으로 홀딩할 수 있으며, 다른 신체 부분에 부착되거나 임의의 신체 부분과 접촉되게 배치될 수도 있다. 일반적으로 햅틱 진동 디바이스의 적어도 두 개의 측면이 사용자와 접촉하며, 각각의 측면은 그들의 신체의 다소 상이한 위치에서 사용자와 접촉한다. 이러한 상이한 위치는 도 69 에 도시된 바와 같은 튜브 진동 디바이스의 그립의 상이한 측면들일 수 있다.
사람의 감각은 감지 이벤트가 지각되기 이전에 임계가 초과될 것을 요구한다. 일 실시예에서, 비대칭 파형의 크기는, 진동 디바이스의 일측에 지각의 임계보다 아래인 낮은 진동력이 생성되고 반대측에 지각의 임계보다 위인 더 높은 피크 힘이 생성되도록 조절된다. 이러한 방식으로, 심지어 진동 디바이스가 신체의 다수 개의 위치와 접촉한다고 해도 진동력은 진동 디바이스와 접촉하는 거의 한 위치에서 지각될 수도 있다. 진동의 방향이 변동됨에 따라, 진동이 지각되는 신체의 위치도 역시 변동될 수도 있다. 이러한 접근법은 진동의 방향에 따라서 크게 변동하는 효과를 생성하기 위하여 진동을 사용하며, 따라서 방향성 큐를 표시하기 위하여 유용하다.
튜브 내에 2 개의 ERM을 가지는 실시예가 도 73 에 도시된다. 도 73a 에서 ERM(1222a 및 1222b)은 튜브(1220)의 중심에 근접하게 마운트되며, 이를 통하여 ERM들 사이의 거리에 기인하는 토크 진동을 감소시킨다. 이러한 구성을 제어하는 한 방법은 ERM을 역-회전 모드에서 동작시키고 힘 효과로부터의 외란(distraction)을 최소화하기 위하여 적은 토크 진동만을 가지고 특정 방향에서 힘을 생성하는 것이다. 도 73b 에서 ERM(1222a 및 1222b)은 튜브(1220)의 단부에 근접하게 마운트되며, 이를 통하여 ERM들 사이의 거리에 기인하는 토크 진동을 증가시킨다. 이러한 구성을 제어하는 한 방법은 ERM을 역-회전 모드에서 동작시키고, 큰 토크 진동 효과를 동시에 생성하면서 특정 방향에서 힘을 생성하는 것이다.
도 69 의 실시예도 역시 CORERM 쌍을 가지고 동작될 수 있다. ERM(1224a 및 1224b)은 하나의 쌍을 형성할 수 있으며, ERM(1222a 및 1222b)은 다른 쌍을 형성할 수 있다. 이러한 CORERM 쌍 모두가 동일한 방향에서 회전하고 있으며 180 위상차를 가지는 경우, 진동 디바이스 상에는 알짜 힘 또는 알짜 토크가 없을 것이다. 그러나, 이러한 실시예는 최소의 힘 또는 토크 진동을 가지고 자이로스코픽 효과를 생성할 것이다. 이러한 구현형태는 검 또는 무거운 매쓰를 비디오 게임 또는 다른 타입의 시뮬레이션에서 이동시키는 감흥을 생성하기 위하여 사용될 수 있다.
ERM과 마운팅 플랫폼 사이의 힘은 원심력 및 모터 고정자와 회전자 사이에서 생성된 모터 토크를 포함한다. ERM이 동작 속도에서 회전하고 있는 경우, 원심력은 통상적으로 크며 모터 토크로부터의 효과를 압도한다. 그러나, 몇몇 실시예는 모터 토크로부터의 효과를 전면으로 운반할 수 있다. 평행 축을 가지는 두 개의 ERM이 180 도의 위상 오프셋을 가지는 공-회전 쌍으로서 작동되는 경우, 두 개의 이심 매쓰는 서로 평형을 이루고 원심력은 서로 상쇄된다. 이러한 실시예에서, 회전축 주위의 토크는 더 현저하게 감지될 수 있다. 회전축 주위의 토크는 회전 매쓰를 가속하고 및 감속하는 동안에 감지된다. 더 높은 토크는 흔히 주기적으로 모터로 인가된 전압을 반전시킴으로써 생성될 수 있는데, 이것은 모터 내의 전자기력 (역 EMF)이 인가되는 중인 역 전압에 가산될 수 있기 때문이다.
회전축 주위의 더 높은 토크도 회전 매쓰에 갑작스런 감속을 주기 위한 브레이크를 사용함으로써 생성될 수 있다. 이러한 접근법은 토크를 생성하기 위한 반응-휠 방법(reaction-wheel method)으로서 공지되며, 토크 효과를 인가하기 위한 접지된 액츄에이터가 존재하지 않는 경우에는 유용하다. 도 74 는 반응 휠로서 사용되도록 구성된 이심 매쓰(1206)를 도시한다. 림(1242)이 이심 매쓰(1206)에 부착되며, 브레이크(1244)가 접촉할 표면을 생성한다. 브레이크(1244)가 작동될 때 상대적으로 높은 토크가 생성될 수 있다. 반응-휠 구성은 일반적 동기화된 진동이 생성할 수 있는 광범위한 효과의 다른 예이다. 단일 진동 디바이스는, 역-회전 모드, 공-회전 모드에서 그리고 반응-휠로서 동작되는 ERM을 가질 수 있다.
ERM 쌍의 일 실시예는 인터리빙된 매쓰를 사용하는데, 이것의 일 예가 도 75 에 도시된다. 이러한 실시예에서, 이심 매쓰의 형상은 매쓰들이 서로의 안에 인터리빙될 수 있지만 여전히 독립적으로 회전하도록 구현된다. 인터리빙된 매쓰가 있으면, ERM 모두가 동일한 회전축을 공유할 수 있다. 추가적으로, 이심력(eccentric forces)이 동일한 평면을 공유하도록 매쓰 분포(mass distribution)가 구현될 수 있다(이것은 도 75 의 측면도의 높이에 의하여 표시될 수 있다). 쌍 내의 각각의 ERM은 이심 컴포넌트 및 모터의 회전자와 같은 대칭적 컴포넌트 모두를 포함하는 회전하는 매쓰를 가진다. 이심 매쓰의 질량 중심은 회전 매쓰의 이심 컴포넌트만의 질량 중심을 지칭한다. 이심 매쓰의 질량 중심은 ERM의 회전축 주위를 회전하는데, 하지만 이것의 포지션은 (선형 대수 방식으로) 회전축 상의 단일점 상으로 투영될 수 있다. 인터리빙된 매쓰가 있으면, 이심 매쓰의 기하학적 구조 및 밀도는 두 ERM로부터의 이심 매쓰의 질량 중심이 회전축 상의 동일한 포지션 상으로 투영되도록 선택될 수 있다. 이러한 구성에서, 두 ERM으로부터의 이심력은 동일한 평면을 공유한다. 도 75 에서, ERM1(1250a)은 모터(1252a) 및 반-원 단면을 가지도록 성형된 이심 매쓰(1254a)를 포함하며, ERM2(1250b)는 모터(1252b) 및 호 단면(arc section)을 가지도록 성형된 이심 매쓰(1254b)를 포함한다. 두 개의 매쓰의 독립적 회전을 가능하게 하는 이심 매쓰의 다른 형상도 가능하다.
인터리빙된 매쓰가 있는 일 실시예에서, ERM 쌍은 ERM들 사이의 거리에 기인하는 토크를 생성하지 않고 원심력을 생성할 수 있다. 인터리빙된 ERM 쌍은 토크 진동이 없이 순수 힘 진동을 생성하기 위하여 유용하다. 인터리빙된 ERM 쌍은 공-회전 쌍으로서 동작될 수 있으며, 이를 통하여 진동의 진폭을 진동의 주파수와는 독립적으로의 변동시킨다. 공-회전 인터리빙된 쌍은 ERM들 사이의 180 도 각도와 0 도 각도 사이에서 스위칭하여 신속하게 진동 효과를 켜거나 끌 수 있다. 토크 효과가 존재하지 않기 때문에, 전체 진동 감흥은 ERM이 180 도의 상대 위상 각도를 가지는 경우 꺼질 것이다. 추가적으로, 이러한 구성은 토크 진동을 생성하지 않고 자이로스코픽 효과를 생성할 수 있다.
인터리빙된 ERM 쌍은 또한 역-회전 쌍으로서 동작될 수 있으며, 이를 통하여 축을 따라 진동력을 생성한다. 인터리빙된 ERM의 위상을 제어함으로써, 진동력의 방향이 제어될 수 있다.
3 개의 ERM을 가지는 실시예가 도 76a 및 도 76b 에 도시된다. 도 76a 에서, 튜브로서 성형된 마운팅 플랫폼(1202)은 중심 ERM(1312)을 홀딩하고, ERM(1314a)은 중심 ERM 위에 위치되며, 및 ERM(1314b)은 중심 ERM 아래에 위치된다. 모든 3 개의 ERM은 이들의 회전축이 동일 선 상에 있도록 정렬된다. 이 도면에서, 치수 A 는 ERM(1312)의 회전 이심 매쓰의 중심의 회전축 상으로의 투영과 ERM(1314a)의 회전 이심 매쓰의 중심의 회전축 상으로의 투영 사이의 회전축에 따른 거리이다. 유사한 방식으로, ERM(1314b)은 이것의 회전 이심 매쓰의 중심의 회전축 상으로의 투영과 ERM(1312)의 회전 이심 매쓰의 중심의 회전축 상으로의 투영의 그것 사이의, 회전축에 따른 거리 B에 있도록 위치결정된다. 더욱이, ERM(1314a 및 1314b)은 동일한 주파수 및 동일한 위상에서 동작하도록 동기화될 수 있는데, 이것은 회전축을 따라 센터링된 결합된 힘을 생성할 것이다.
거리 A 곱하기 ERM(1314a)의 이심률이 거리 B 곱하기 ERM(1314b)의 이심률과 동일하면, 동기화된 ERM(1314a 및 1314b)으로부터의 결합된 진동력은, 회전측 상에서 ERM(1312)의 이심 매쓰의 중심이 투영되는 지점과 동일한 이 축을 따르는 지점에 투영된다. 이러한 구성에서, 모든 3 개의 ERM으로부터의 결합된 진동력은 동일한 평면을 공유한다. 이러한 구성이 있으면, 진동력은 모든 3 개의 ERM으로부터 토크를 생성하지 않으면서 생성될 수 있다. 이에 상응하여, 3 개의 ERM이 있는 도 76a 의 실시예는 이것이 2 개의 ERM이 있는 도 75 에 도시되는 실시예와 기능적으로 유사한 모드에서 동작될 수 있는데, 하지만 도 76a 의 실시예는 표준 성형된 이심 매쓰를 사용한다. 도 76a 의 실시예는 공-회전 모드에서 동작될 수 있는데, 여기에서 모든 3 개의 ERM은 동일한 방향에서 그리고 동일한 주파수에서 회전한다. ERM(1314a 및 1314b)은 동일한 위상을 가지고 동작될 수 있으며, 이러한 위상은 중심 ERM의 위상 (1312)에 상대적으로 조절될 수 있는데, 이것이 진동력의 진폭을 변조할 것이다.
만일 ERM(1314a)의 이심률 더하기 ERM(1314b)의 이심률이 ERM(1312)의 이심률과 동일하다면, 모든 3 개의 ERM이 회전하고 있을 때 진동력의 완전한 상쇄가 발생할 수 있다. 이러한 완전한 상쇄는 진동력의 신속한 온오프 제어를 가능하게 한다. 도 76a 의 실시예는 또한 역-회전 모드에서 동작될 수 있는데, 여기에서 ERM(1314a 및 1314b)의 회전의 방향 및 위상은 동일하지만, 중심 ERM(1312)은 반대 방향에서 동작된다. 역-회전 모드에서, 축에 따른 진동력이 생성될 수 있으며, 진동의 방향은 ERM의 상대 위상의 변조에 의하여 제어될 수 있다. 도 76a 의 실시예는 또한 도 75 의 인터리빙된 실시예와 유사한 모드에서 동작될 수 있다; 여기에서, 중심 ERM은 꺼질 수 있고 ERM(1314a)은 ERM(1314a)과 이위상으로 동작되어 로킹 토크를 디바이스 내에 생성할 수 있다. 추가적으로, 도 76a 의 각각의 ERM은 상이한 주파수에서 동작될 수 있다. 더 작은 이심 매쓰가 있는 ERM은 흔히 더 높은 상단 주파수에서 동작될 수 있으며, 이를 통하여 도 76a 의 실시예는 더 넓은 범위의 진동 효과를 생성할 수 있다.
3 개의 ERM을 가지는 다른 실시예가 도 76b 에 도시된다. 튜브로서 성형된 마운팅 플랫폼(1202)은 중심 ERM(1312)을 홀딩하고, ERM(1314a)은 중심 ERM 위에 위치되며, 및 ERM(1314b)은 중심 ERM 아래에 위치된다. 모든 3 개의 ERM은 이들의 회전축이 동일 선 상에 있도록 정렬된다. 도 76b 에서, 치수 A 는 ERM(1312)의 회전 이심 매쓰의 중심과 ERM(1314a)의 회전 이심 매쓰의 중심 사이의 회전축에 따른 거리이다. ERM(1314b)은 회전축을 따라, 회전 이심 매쓰의 자신의 중심과 ERM(1312)의 회전 이심 매쓰의 중심의 그것 사이에서 동일한 거리 A에 위치결정된다.
ERM(1314a 및 1314b)의 이심률이 중심 ERM(1312)의 이심률의 절반이고, ERM(1314a 및 1314b)이 동일한 주파수 및 동일한 위상에서 동작하도록 동기화되면, 그러면 진동력 및 토크의 완전한 상쇄가 180 도의 위상 오프셋에서 발생할 수 있다. 따라서, 도 76b 의 실시예는 도 76a 의 실시예와 동일한 기능성 장점을 가질 수 있다. 도 76b 의 실시예의 다른 장점은, 두 개의 ERM이 동일한 규격을 가지며, 따라서 더 용이하게 제작될 수 있다는 것이다.
3 개의 ERM을 가지는 추가적 실시예가 도 77 에 도시된다. 마운팅 플랫폼(1202)은 중심 ERM(1312)을 홀딩하고, ERM(1314a)은 중심 ERM의 일측에 위치되며, 그리고 ERM(1314b)은 중심 ERM의 타측에 위치된다. 모든 3 개의 ERM은 이들의 회전축이 평행하도록 정렬된다. 모든 3 개의 ERM이 동일한 방향에서 회전하는 경우, 도 77 의 실시예는 도 76a 및 도 76b 의 실시예와 유사한 진동 효과를 생성할 수 있다; 모든 3 개의 ERM 으로부터의 주파수는 동일할 수 있고, ERM(1314a 및 1314b)의 위상이 동일할 수 있으며, 그리고 중심 ERM(1312)과의 상대 위상이 진동력의 크기를 결정할 것이다.
진동력의 완전한 상쇄를 제공하기 위하여, ERM(1314a 및 1314b)의 회전 매쓰의 이심률은 중심 ERM(1312)의 그것의 절반이 되도록 선택될 수 있다. 진동 토크의 완전한 상쇄는 중심 ERM(1312)이 ERM(1314a 및 1314b)들 사이의 중심에 위치될 때 공-회전 모드에서 발생할 수 있다. 도 77 의 실시예는 또한 역-회전 모드에서 동작될 수 있는데, 여기에서 ERM(1314a 및 1314b)은 동일한 방향에서 동일한 위상을 가지고 회전하고, 중심 ERM(1312)은 반대 방향에서 회전한다. 이러한 역-회전 모드는 축을 따라 진동력을 제공하고, 진동력의 방향은 ERM의 위상에 의하여 제어될 수 있다. 그러나, 도 77 의 실시예에서, ERM의 축들이 동일 선 상에 있지 않기 때문에 역-회전 모드 도중에 진동 토크가 존재할 것이다.
도 77 의 실시예는 또한 역-회전 모드에서 동작될 수 있는데, 여기에서 ERM(1314a 및 1314b)은 동일한 방향에서 동일한 위상을 가지고 회전하고, 중심 ERM(1312)은 반대 방향에서 회전한다. 이러한 역-회전 모드는 축을 따라 진동력을 제공하고, 진동력의 방향은 ERM의 위상에 의하여 제어될 수 있다. 그러나, 도 77 의 실시예에서, ERM의 축들이 동일 선 상에 있지 않기 때문에 역-회전 모드 도중에 진동 토크가 존재할 것이다.
ERM의 일반적 동기화된 진동은 회전 이심 매쓰의 주파수 및 위상 모두의 제어를 요구한다. 한 가지 방법은 스테퍼 모터와 같은 모터를 사용하는 것인데, 여기에서 포지션 및 속도는 원하는 일련의 단계를 특정함으로써 오픈-루프로 정의될 수 있다. 다른 방법은 주파수 및 위상을 측정하는 센서 또는 센서들을 가지는 닫힌 루프 제어를 사용하는 것이다. 센서(1260)가 있는 ERM이 도 78 에 도시된다. 센서(1262)는 이심 매쓰의 포지션을 빈번한 인터벌에서 측정하는 연속 포지션 센서일 수 있다. 연속 센서는 인코더, 전위차계, 일련의 기어 이빨 또는 회전 오브젝트의 다른 피쳐를 검출하는 홀 효과 센서, 또는 다른 타입의 포지션 센서일 수 있다. 이심 매쓰의 속도는 후속 회전들 사이의 시간으로부터, 포지션 측정의 도함수를 취함으로써, 또는 직접적으로 타코미터를 사용하여 계산될 수 있다.
주파수 및 위상을 감지하는 다른 방법은 언제 모터 샤프트가 모터 하우징에 상대적인 설정 포지션 만큼 회전하는지, 또는 모터 하우징에 상대적인 설정 포지션들의 개수를 검출하는 이산 센서를 사용하는 것이다. 이러한 이산 센서는 샤프트로 커플링된 회전 오브젝트를 반사시키는 반사성 광 센서, 언제 모터 샤프트로 커플링된 회전 오브젝트가 시선(line of site)을 인터럽트하는지를 검출하는 시선(line-of-sight) 광 센서, 회전 샤프트로 커플링된 이산 컴포넌트를 검출하는 홀 효과 센서, 또는 샤프트 포지션의 이산 검출을 위한 다른 방법을 사용할 수 있다.
도 79 는 이심 매쓰(1206)로부터 반사하는 광을 검출하는 반사성 광 센서(1264)를 가지는 ERM을 도시한다. LED와 같은 광원(1268)이 이심 매쓰(1206)의 경로 상을 비추고 있다. 이심 매쓰(1206)가 센서(1266) 주위에서 회전할 때, 광이 이심 매쓰(1206)로부터 광 센서(1266) 내로 반사한다. 이심 매쓰(1206)의 각각의 회전에 대하여, 광 센서(1266)는 언제 이심 매쓰(1206)가 센서(1266)의 범위 내로 진입하는지를 검출하고 광을 반사하기 시작하며, 이심 매쓰(1206)가 센서(1266)의 범위를 벗어나면 광의 반사를 중지한다. ERM(1264)의 속도는 각각의 회전의 인터벌, 예컨대 이심 매쓰(1206)가 광을 반사하기 시작하는 시간의 사이에 결정될 수 있다. 대안적으로는 ERM(1264)의 속도는 이심 매쓰(206)가 광을 반사하는 시간의 지속시간에 의하여 계산될 수 있다. 이심 매쓰(1206)의 위상은 광 센서(1266)의 상승 또는 하강 에지와 같은 특정 이벤트의 타이밍에 의하여 결정될 수 있는데, 이것은 이심 매쓰(1206)가 광의 반사를 시작하고 중지하는 시간에 대응한다.
도 80 은 시선 광 센서(1270)를 가지는 ERM을 도시한다. 광 센서(1266)는 언제 이심 매쓰(1206)가 광 경로를 인터럽트하는지를 검출한다. LED와 같은 광원(1268)이 이심 매쓰(1206)의 경로 상을 비추고 있다. 이심 매쓰(1206)가 광 경로를 통하여 회전한다면, 센서(1266)는 인터럽트를 검출한다. 도 81 은 홀 효과 센서(1272)가 있는 ERM을 도시한다. 홀 효과 센서(1274)는 이심 매쓰(1206)가 회전해 지나갈 때에 트리거링된다.
ERM을 가지고 일반적 동기화된 진동을 구현하려면 주파수 및 위상이 원하는 파형을 합성하기 위하여 사용되는 각각의 ERM에 대해서 제어되어야 한다. 주파수 ω 및 위상 φ 모두는 ERM의 회전 샤프트의 포지션 θ가 시간의 함수로서의 원하는 포지션에 있도록 제어함으로써 제어될 수 있다. 이에 상응하여, 주파수 및 위상의 제어는 또한 시간에 따르는 원하는 포지션 궤적에 맞춘 이심 매쓰의 포지션의 제어와 등가일 수 있다. 샤프트 포지션의 측정은 연속적으로 또는 이산 시점들에서, 예컨대 샤프트가 특정 포지션을 지날 때에 수행될 수 있다. 연속 측정은 인코더 또는 포지션을 주파수 인터벌마다 측정하는 다른 타입의 센서를 가지고 수행될 수 있다. 이산 측정은 언제 이심 매쓰가 지나가는지를 검출하는 광 센서를 가지고 수행될 수 있다. 이산 측정은 모터 회전의 단일 포지션에서 또는 다수의 포지션에서 수행될 수 있다. 이산 측정은 회전의 방향도 역시 측정하는 제 2 센서를 가지고 증강될 수 있다. 방향 센서는 제 1 광 센서에 근접하게 마운트된 제 2 광 센서일 수 있다. 회전의 방향은 어떤 광 센서가 처음으로 트리거링되는지에 의하여 결정될 수 있다.
광범위한 방법이 ERM의 포지션 및 속도의 실-시간 제어를 위하여 사용될 수 있다. 한 가지 방법은 비례-적분-제어이다. 다른 방법은 Donald E. Kirk 저 "Optimal Control Theory: An Introduction", Dover Publications 2004에 의하여 기술된 바와 같은 시간 최적 제어를 포함한다. 일 세트의 동기화된 ERM을 제어하기 위한 하나의 실-시간 제어 접근법이 이하 제공된다. 이 접근법은 이산 센서를 가지고 사용하기 위하여 기록되지만, 연속 센서에도 역시 적용될 수 있다. 연속 센서가 사용되는 경우, 시스템의 동적 성능은 모터로의 명령을 연속적으로 더 정확하게 업데이트함으로써 개선될 수 있다.
M 개의 ERM이 있는 시스템에 대한 예시적인 제어 접근법이 이제 논의된다. i=1 내지 M인 각각의 ERM에 대하여, 원하는 주파수 ωdes ,i 및 원하는 위상 φdes ,i를 정의한다. 원하는 회전의 방향은 dirdes ,i = sign(ωdes ,i)으로서 정의된다. 다음 변수를 초기화한다:
a. 시간, t = 0
b. 각각의 ERM의 공전수, nrev i = 0 (모든 i에 대하여)
다음으로, 원하는 주파수 ωdes ,i에 대응하는 각각의 ERM에 오픈-루프 명령 Vopen_loop,i를 제공함으로써 모터 회전을 시작한다. 오픈-루프 명령은 모터의 토크-속도 곡선에 의하여 결정될 수 있으며 종단 속도를 원하는 값으로서 발생시킬 전압에 대응한다. 선택적인 기동 동작은 모터를 높은 전압 또는 최대 전압에서 턴온하여 기동 시간을 감소시킨다. 센서가 존재하여 회전의 속도를 검출하기 때문에, 전압은 ERM이 적합한 속도에 도달할 때에 원하는 레벨로 감소될 수 있다. 이러한 방식에서, 동기화를 위하여 사용되는 센서는 또한 전체 진동 디바이스의 기동 시간을 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 각각의 ERM이 자신의 이산 센서를 지날 때에:
c. 시간을 측정하고 기록한다: tmeas,i = t
d. 측정된 시간에서 원하는 포지션을 계산한다:
θdes ,i = ωdes ,i tmeas ,i + φdes ,i
e. 측정된 시간에서 측정된 포지션 θmeas ,i를 계산한다:
공전수를 증분한다: nrev i = nrev i + 1
θmeas,i = 2π diri nrevi + θsensor_offset,i
인데, θsensor _ offset ,i는 이산 센서의 마운팅 위치에 기초하며, 흔히 제로와 같다.
diri는 ERM 회전의 실제 방향이다. 통상적으로 ERM은 초기 오픈-루프 명령의 방향에서 회전할 것이다. 그러나, 제 2 센서 입력을 사용하여 회전의 방향을 측정하거나, 또는 모터 명령의 시간 이력을 사용하여 방향을 계산하는 것도 역시 가능하다.
f. 포지션의 에러 θerror,i를 각각의 ERM에 대하여 계산한다:
θerror,i = θdes,i - θmeas,i
각각의 ERM의 포지션 에러를 감소시키기 위하여 제어 규칙이 구현될 수도 있다. 제어 분야의 제어 접근법의 광범위한 제어가 존재하는데, 이것은 다음을 포함한다:
g. 포지션에서의 계산된 에러에 기초한 비례, 적분, 미분("PID"). 모터로의 명령은 다음이 될 것이다:
Vcom,i = Kp,i θerror,i + KI,i ∫ θerror,i dt + KD,i dθerror,i / dt
h. 오픈-루프 명령을 ERM으로의 베이스라인 명령으로 사용하는데, 이는 이것이 모터의 특성에 기초하기 때문이며, 그리고 PID를 적용하여 잔여 에러를 정정한다. 모터로의 명령은 다음이 될 것이다:
Vcom,i = Vopen_loop,i + Kp,i θerror,i + KI,i ∫ θerror,i dt + KD,i dθerror,i / dt
오픈-루프 명령을 사용하면 큰 적분 제어 이득에 대한 필요성을 감소시킬 수 있으며, 동적 성능을 개선할 수 있다.
i. 상태-공간 제어 접근법. 각각의 ERM의 물리적 상태는 자신의 포지션 및 속도 모두의 함수이다. ERM이 자신의 이산 센서를 통과할 때마다, 공전의 속도가 마지막 센서 측정으로부터의 시간 인터벌로부터 계산될 수 있다. 상태-공간 접근법은 포지션 및 속도 모두를 사용하여 적합한 제어 신호를 결정한다. 센서 측정이 이루어지지 않는 지속기간 동안에, 상태 관찰자(state observer)가 모터의 포지션 및 속도를 추정하기 위하여 사용될 수 있는데, 여기에서 상태 관찰자의 모델은 모터 및 회전 매쓰의 물리적 성질에 기초한다.
j. 시간의 특정 지속시간 동안 모터를 최대 순방향 명령 및 최대 리버스 명령에서 동작시키는 뱅-뱅(bang-bang) 제어를 사용한다. 예를 들어, ERM이 정확한 속도에서 동작 중이지만 포지션이 위상 래그를 가진다면, 모터는 시간의 어떤 지속시간 동안에 가속되고, 이제 시간의 제 2 지속시간 동안에 원래의 속도로 다시 감속되어야 한다. 모터 다이내믹스의 물리적 모델이 사용되어 가속 및 감속의 적합한 지속 시간을 결정할 수 있다.
모든 제어 접근법과 함께, 양방향성 또는 단방향성 모터 드라이버가 사용될 수 있다. 양방향성 모터 드라이버를 사용하는 것의 장점은 모터가 회전의 방향을 바꾸지 않는다고 해도 리버스 전압을 인가함으로써 감속의 높은 레벨이 ERM으로 인가될 수 있다는 것이다. 이러한 접근법은 ERM을 동기화하는데 걸리는 시간을 감소시킬 수 있다. 양방향성 모터 드라이버를 사용하는 것의 다른 장점은 ERM이 역-회전 및 공-회전 모드 모두에서 동작될 수 있다는 것이다.
포지션 에러를 계산하는 대안적 방법이 아래에서 논의된다. 원하는 힘이 Aisin(ωit + φi)로 표현되고 원하는 포지션이 θi(t) = ωit + φ1으로 표현되는 경우에, ωi에 대응하는 개방된 루프 전압에서 모든 ERM을 시동한다. ERM 1 이 센서를 지나갈 때의 속도로 모터가 회전 속도를 높이도록 하여 이것이 동 위상에서 시작하게 하고, 이제 타이머를 리셋하여 t=0이 되게 한다. 다음 표 4 를 참조한다.
Figure pct00066
표 4 - ERM의 제어
디지털 시스템에서, ERM 제어가 다음을 포함할 수도 있다. 우선, 공전(revolution) 당 회전(rotation) 카운트를 설정한다(예를 들어 256 또는 512). 타이머 오버플로우를 정정하여 Δt = ti - ti -1 이 언제나 정확하도록 한다. ω를 시간 카운트당 회전 카운트의 관점에서 정의한다. 그리고 인터럽트(또는 다른 동작)를 사용하여 ERM이 센서를 지날 때의 손실을 방지한다.
동기화된 진동 디바이스의 몇몇 실시예는 결합된 힘 및 토크가 합산하여 제로가 되도록 제어될 수 있다. 이러한 실시예에서, 개개의 진동 액츄에이터로부터의 힘 및 토크는 서로 평형을 이룸으로써 알짜 제로 힘 및 토크를 생성한다. 이러한 일 실시예의 장점은, 진동 액츄에이터가 어느 속도까지 유도되고 진동 효과가 생성되지 않는 모드로 진입될 수 있다는 것이다. 진동 효과가 소망되는 경우에는, 이들은 액츄에이터를 그 속도까지 유도하기 위한 래그없이 진동의 위상을 수정함으로써 신속하게 구현될 수 있다. 이러한 실시예는 "회전 저장소(Spinning Reserve)"이라고 지칭되며, 그리고 필요할 때에 신속하게 전력을 제공하기 위하여 저장소 내에 보유되는, 전기적 유틸리티 발전소 내의 운동 에너지에 대하여 사용되는 동일한 용어와 유사하다. 회전 저장소 접근법은 진동이 신속하게 켜지고 꺼지도록 한다. 회전 저장소 실시예는 결합된 힘 및 토크가 합산하여 제로가 되도록 하는 방식으로 회전하고 있는 ERM 액츄에이터를 포함할 수 있다. 회전 저장소 실시예는 또한 결합된 힘 및 토크가 합산하여 제로가 되도록 하는 방식으로 진동하고 있는 LRA 액츄에이터 및 다른 공진 액츄에이터를 포함할 수 있다.
회전 저장소 접근법은 고속 온오프 응답 시간이라는 장점을 가지는데, 하지만 진동 액츄에이터가 전체 진동 효과가 생성되지 않는 때에도 작동되기 때문에 증가된 전력 소비도 역시 필요로 할 수 있다. 가산된 전력 소비를 감소시키기 위하여, 진동 액츄에이터는 진동력에 대한 필요성이 임박하다는 제 1 표시가 있으면 일정 속도까지 회전될 수 있다. 이러한 표시는 키스트로크, 컴퓨터 마우스 모션, 사용자가 터치-스크린을 터치하는 것, 게임 제어기의 센서를 통한 운동 검출, 진동 효과가 사용되는 게임 부분의 시작, 또는 원하는 진동 효과가 임박할 것이라는 것을 표시하는 임의의 다른 이벤트일 수 있다. 유사한 방식으로 전력은 진동에 대한 필요성이 더 이상 임박하지 않기만 하면 액츄에이터의 회전 속도를 줄이거나 정지시킴으로써 보존될 수 있다. 액츄에이터의 회전 속도를 줄이라는 표시는 사용자 입력이 등록되지 않는 동안 시간의 설정된 양이 지나가는 것, 진동 효과가 더 이상 필요하지 않는 컴퓨터 프로그램의 새로운 페이즈로의 천이, 또는 다른 표시를 포함할 수 있다. 액츄에이터의 회전 속도를 높이거나 낮추는 동안에, 액츄에이터는 이들이 회전 저장소 모드에 있으며 결합된 진동력을 생성하지 않도록 동기화될 수 있다. 이러한 방식에서, 사용자는 진동 액츄에이터의 회전 속도의 증가 및 감소를 감지하지 않을 것이다.
4 개의 ERM을 가지는 회전 저장소 실시예가 도 82 에 도시된다. 동기화된 진동이 도 82 에 도시되는 실시예로 인가될 수 있는데, 여기에서 결합된 힘 및 토크는 서로 상쇄한다. 이러한 한 실시예에서, ERM(1190a, 1190b, 1192a 및 1192b)의 이심률 및 회전 관성은 서로 동일하다. 이러한 한 제어 방법에서, 모든 4 개의 ERM는 동일한 방향에서 회전한다. 주파수 및 위상은 아래의 표 5 에서 표시될 수 있다. 일 세트의 ERM 내의 동기화된 위상은 절대 시간에만 상대적이지 않고 서로에 상대적으로 제어될 수 있다. 이에 상응하여, 표 5 및 이 문서 내의 다른 표에서 표시된 위상은 설명된 효과를 획득하는, 절대 시간에서의 위상들의 한 세트만을 나타낸다. 다른 위상 조합도 유사한 효과를 획득할 수 있다.
Figure pct00067
표 5
도 83 은 ERM이 시간과 함께 진행할 때의 표 5로부터의 ERM의 힘을 도시하는데, 여기에서 이미지의 각각의 행은 일회성 슬라이스를 예시한다(모두 8 개의 슬라이스가 있다). 표 5 에 표시된 주파수 및 위상에 대한 파라미터는 도 83 에 도시되는 힘 벡터에 대응한다. 유사한 방식으로, 진동 디바이스의 다른 구성 및 제어 방법도 역시 시뮬레이션될 수 있다.
동기화된 진동의 다른 방법이 도 82 에 도시되는 실시예로 인가될 수 있는데, 여기에서 결합된 힘 및 토크는 서로 상쇄한다. 이러한 제어 방법에서, ERM(1190a)은 ERM(1190b)의 반대 방향에서 회전하며, 그리고 ERM(1192a)은 ERM(1192b)의 반대 방향에서 회전한다. 주파수 및 위상은 표 6 에 표시될 수 있다.
Figure pct00068
표 6
ERM이 회전하는 중일 때, 이들은 모터 회전자 및 회전 매쓰의 각도 관성(angular inertia)에 기인하여 자이로스코픽 효과를 생성한다. ERM의 각속도가 큰 경우에는, 이러한 자이로스코픽 효과가 진동 디바이스의 방위에서의 변화에 응답하여 햅틱 감흥을 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 표 5 에 표시된 바와 같은 회전 저장소의 구현형태는 자이로스코픽 효과를 가지는데, 이것은 모든 ERM이 동일한 방향에서 회전하는 중이며 그들의 각도 관성이 결합되기 때문이다. 표 6 에 표시된 바와 같은 회전 저장소의 구현형태는 자이로스코픽 효과를 가지지 않는데, 이것은 절반의 ERM이 다른 절반의 반대 방향에서 회전하고 있으며, 따라서 회전 관성이 동일할 경우 각도 관성이 서로 상쇄하기 때문이다. 회전 저장소의 구현형태의 모드는 원하는 자이로스코픽 효과에 따라서 선택될 수 있다.
동기화된 진동의 다른 방법이 도 82 에 도시되는 실시예로 인가될 수 있는데, 여기에서 결합된 힘은 x 축을 따르는 힘을 생성하고 토크는 서로 상쇄한다. 주파수 및 위상은 표 7에 표시된 바와 같을 수 있다.
Figure pct00069
표 7
동기화된 진동의 다른 방법이 도 82 에 도시되는 실시예로 인가될 수 있는데, 여기에서 결합된 힘은 y 축을 따르는 힘을 생성하고 토크는 서로 상쇄한다. 주파수 및 위상은 표 8에 표시된 바와 같을 수 있다.
Figure pct00070
표 8
사실상 동기화된 진동이 도 82 에 도시되는 실시예로 인가될 수 있는데, 여기에서 결합된 힘은 XY 평면 내의 임의의 축을 따르는 힘을 생성한다. 30 도에서 축을 구현하고 토크가 서로 상쇄하는 제어가 표 9 에 표시된다.
Figure pct00071
표 9
동기화된 진동의 다른 방법이 도 82 에 도시되는 실시예로 인가될 수 있는데, 여기에서 결합된 토크가 생성되고 힘은 서로 상쇄한다. 하나의 이러한 순수 토크 실시예는 동등한 진폭 토크를 시계방향 및 반시계방향에서 생성하며, 대칭적 토크 구현형태라고 지칭된다. 대칭적 토크를 생성하는 주파수 및 위상은 표 10 에 표시된 바와 같을 수 있다.
Figure pct00072
표 10
순수 토크의 다른 구현형태는 비대칭 토크를 생성할 수 있는데, 여기에서 시계방향에서의 피크 토크는 반시계방향에서의 피크 토크보다 더 크고, 또는 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 4 개의 ERM 구성에 대한 하나의 이러한 비대칭 토크 구현형태는 표 11 에 표시되는 것과 같을 수 있다. 이것은 ERM(1192a 및 1192b)을 ERM(1190a 및 1190b)의 주파수의 두 배에서 작동시키고, 적절하게 위상을 제어함으로써 달성된다. 도 82 에 도시되는 구성에 대하여, 모든 ERM이 동일한 이심률을 가지는 경우에, 토크에서의 비대칭의 양은 ERM(1192a 및 1192b)을 ERM(1190a 및 1190b)의 거리에 상대적으로 중심으로부터 1/8의 거리에 배치함으로써 증가될 수 있다.
Figure pct00073
표 11
동기화된 진동의 또 다른 방법이 도 82 에 도시되는 실시예로 인가될 수 있는데, 여기에서 모든 ERM은 함께 회전하고, 힘은 서로 상쇄하지 않는다. 이러한 구현형태는, 모든 ERM의 이심률이 결합되게 할 하나의 큰 ERM의 영향을 생성한다. 대칭적 토크를 생성하는 주파수 및 위상은 표 12 에 표시된 바와 같을 수 있다.
Figure pct00074
표 12
광범위한 햅틱 효과가 본 명세서에서 설명되는 다양한 효과 사이에서 스위칭함으로써 생성될 수 있다. ERM이 두 개의 상이한 효과에서 동일한 속도로 회전하는 중일 때, (무-진동 회전 저장소를 포함하는) 효과들 사이의 변화가 신속하게 획득될 수 있다. 많은 경우에서, 영향에서의 변화는 특정 ERM 에서 90 도의 양의 또는 음의 위상 변화만을 요구한다.
동일한 축을 따라서 정렬되지 않은 4 개의 ERM이 있는 실시예도 역시 많은 유용한 효과를 생성할 수 있다. 도 84 는 4 개의 ERM의 실시예를 도시한다. 이러한 실시예가 동일한 이심률을 가지는 4 개의 ERM을 가지고 구현된다면, 회전 저장소 효과가 표 5 에 표시된 동일한 주파수 및 위상을 가지고 생성될 수 있다. 도 84 에서, ERM 쌍(1194a 및 1194b)의 중심은 ERM 쌍(1196a 및 1196b)과 동일한 중심을 가진다. 사실상, 동일한 중심을 공유하는 2 쌍의 ERM이 있는 임의의 실시예는 회전 저장소 모드에서 제어될 수 있다.
도 84 에 도시되는 실시예는, 순수 힘 진동을 특정 방향을 따라서 생성하도록 역시 제어될 수 있는데, 여기에서 토크들이 서로 상쇄한다. 표 7, 표 8, 및 표 9 에 표시된 것과 같은 동일한 주파수 및 위상이 사용될 수 있다. 대칭적 토크가 역시 표 이러한 실시예를 가지고 생성될 수 있는데, 하지만 주파수 및 위상은 표 5 에서 정의된 바와 같고, ERM(1190a, 1190b, 1192a, 및 1192b)은 ERM(1194a, 1194b, 1196a, 및 1196b)으로 각각 대체한다.
도 75 와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이, 인터리빙된 ERM 쌍이 본 개시물의 양태들에 따라서 채용될 수도 있다. 인터리빙된 ERM 쌍의 다른 실시예가 도 85a 및 도 85b 에 도시된다. 도 85a 에 도시된 바와 같이, 내부 이심 매쓰(1320a)는 모터(1322a)에 의하여 구동되고, 외부 이심 매쓰(1320b)는 모터(1322b)에 의하여 구동된다. 외부 이심 매쓰(1320b)는 모터(1322b)로부터 멀어질수록 벽이 두꺼워지도록 성형된다. 이러한 추가적 두께가 모터 주위의 이심 매쓰의 구조적 지지를 위하여 요구되는 재료를 보상한다. 도 85b 의 측면도에서 도시된 바와 같이, 내부 이심 매쓰(1320a)는 이심 매쓰(1320b) 내부의 보이드를 충진한다. 그 결과는, 이심 매쓰(1320a 및 1320b) 모두가 동일한 질량 중심을 공유한다는 것이며, 이것이 원치 않는 토크 효과를 제거한다.
인터리빙된 ERM 쌍의 다른 실시예가 도 86a 내지 도 86c 에 도시된다. 내부 이심 매쓰(1330a)는 모터(1332a)에 의하여 구동되고, 외부 이심 매쓰(1330b)는 모터(1332b)에 의하여 구동된다. 모터(1332a)로부터 더 멀리 있는 이심 매쓰(1330a)의 단부는 베어링(1334b)에 의하여 지지되는데, 이것은 이심 매쓰(1330b) 내부에 설치된다. 모터(1332b)로부터 더 멀리 있는 이심 매쓰(1330b)의 단부는 베어링(1334a)에 의하여 지지되는데, 이것은 이심 매쓰(1330a) 내부에 설치된다. 베어링(1334a 및 1334b)은 회전하는 이심 매쓰(1330a 및 1330b)가 양단에서 지지되도록 한다. 이것은 이심 매쓰(1330a 및 1330b)가 캔티레버 부하에 기인한 편향이 없이 더 빨리 회전하도록 하며, 모터(1330a 및 1330b) 내의 마찰을 감소시키도록 돕는다.
거의 모든 임의의 진동 디바이스의 성능은 본 명세서에서 논의되는 일반적 동기화된 진동의 방법 및 실시예를 적용시킴으로써 개선될 수 있다. 동기화를 위한 이러한 접근법은, 더 큰 피크 힘을 반대 방향보다 한 방향에서 생성하는 비대칭 파형을 포함하는 광범위한 파형이 생성되도록 한다. 애플리케이션은 지층 쉐이커(seismic shakers) 및 과실 수확기(fruit tree harvesters)로부터 진동형 피더 및 미세 진동 애플리케이션까지 분포한다. 본 명세서에서 설명되는 실시예는 진동의 복잡한 파형을 생성하기 위하여 사용되는 더 고가의 액츄에이션 디바이스를 대체할 수 있다. 이러한 애플리케이션은 특정한 지진 프로파일을 시뮬레이션하는 지진 쉐이커, 및 복잡한 햅틱 효과를 생성하기 위하여 사용되는 보이스 코일을 포함한다.
본 명세서에서 설명되는 햅틱 애플리케이션은 컴퓨터 게이밍을 포함하는 시각적 디스플레이를 가지는 임의의 디바이스, 3D 텔레비전을 포함하는 텔레비전, 핸드헬드 엔터테인먼트 시스템, 스마트폰, 데스크탑 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 의료용 디바이스, 수술 도구, 내시경, 헤드-업 디스플레이, 및 손목시계를 증강시키기 위하여 사용될 수 있다. 햅틱 피드백을 시각적 디스플레이를 가지는 시스템 내에 구현하는 것은 도 87 에 도시된다.
본 명세서에서 설명된 바와 같이, 진동력 큐는 특정한 방향에서 생성될 수 있으며, 그리고 이러한 방향은 그래픽 디스플레이 상에 표시되는 중인 오브젝트 또는 이벤트에 관련하는 방향에 대응하도록 선택될 수 있다. 도 88 은 각도 σ에 의하여 특정되는 관심 방향을 가지는 이미지가 있는 그래픽 디스플레이를 도시한다. 도 88 에 도시되는 진동 디바이스는 햅틱 큐를 동일한 방향에서 생성하여 다중-감각 입력을 제공하고 전체 사용자 경험을 향상시킬 수 있다.
더욱이, 예컨대 맹인을 안내하기 위한 것과 같이 사람이 시각적 큐를 가지지 않는 애플리케이션에 대하여, 또는 시야가 가려지거나 다른 태스크에 의하여 선점된 애플리케이션에 대하여 방향성의 햅틱 큐를 생성하는 것이 유용할 것이다. 예를 들어, 만일 사람이 방향성 햅틱 큐를 진동을 통하여 생성할 수 있는 모바일 폰과 같은 핸드헬드 디바이스를 가지고 있으며, 그 모바일 폰이 소지되는 동안에 자신의 절대 방위 및 그 사람이 목적지로 전진하기 위해서 취해야 하는 방위를 알고 있다면, 모바일 폰은 방향성 햅틱 큐를 그 폰을 소지한 사람이 변경해야 하는 방위에서의 방향 및 크기에 대응하는 진동(힘, 토크, 또는 결합된 힘 및 토크)을 통하여 통신할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 진동 디바이스는 진동을 사용하는 현존 디바이스의 성능을 개선하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어 진동은 과실 수확에서 사용된다. 운전자에게 복잡한 파형을 생성하고 진동의 방향을 제어하도록 함으로써, 익지 않은 과일은 나무에 놓아둔 채 더 높은 수율의 익은 과실이 수확될 수 있다. 진동형 피더는 공장 자동화에서 사용되며, 통상적으로 부품들의 원하는 모션을 획득하기 위해서는 상당한 양의 시행 착오를 수반한다. 운전자에게 복잡한 파형을 생성하고 진동의 방향을 제어하도록 함으로써, 원하는 부품 모션을 생성하는 것이 더 용이해질 수 있고 더 광범위한 부품이 진동형 피더를 가지고 처리될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 진동 디바이스는 진동 크기, 주파수, 및 방향과 같은 영역에서의 광범위하고 연속적인 조절을 허용한다. 진동 디바이스의 성능을 개선하기 위하여, 센서 피드백이 도 89 에 도시된 바와 같이 사용될 수 있다. 이러한 접근법이 있으면, 진동 디바이스는 힘을 오브젝트 상에 인가하며, 센서는 오브젝트의 피쳐 또는 피쳐들을 측정한다. 센서 정보는 진동 디바이스 제어기로 제공되는데, 그러면 이것이 진동 파형을 수정하여 전체 시스템 성능을 개선할 수 있다. 애플리케이션의 일 영역은 진동형 부품 피더인데, 여기에서 센서는 부품이 경로를 따라 이동하는 레이트를 측정하고, 파형은 부품 모션을 개선하기 위하여 수정된다. 애플리케이션의 다른 영역은 생물학적 및 화학적 솔루션의 준비 및 혼합일 수 있다. 센서는 혼합의 효율성을 측정할 수 있고, 진동 파형은 이에 상응하여 조절될 수 있다.
하나의 애플리케이션은 이동(locomotion)을 위해 일반적 동기화된 진동을 사용하는 것이다. 도 90 은 진동 디바이스(1200)가 표면(1282) 상에 놓여있는 실시예를 도시한다. 표면(1282)과 진동 디바이스(1200) 사이에 마찰이 존재한다. 이에 상응하여, 진동 디바이스(1200)의 모션은 표면(1282)에 평행한 힘이 마찰 임계를 초과할 경우에만 발생할 것이다. 이러한 실시예에서, 비대칭 파형은, 피크 양의 힘이 마찰 임계를 초과하고 피크 음의 힘이 마찰 임계보다 더 적게 되도록 생성되는 중이다. 이에 상응하여 각각의 진동 사이클에서, 양의 x 방향에서의 피크 힘이 마찰 임계를 초과한다면 진동 디바이스(1200)는 양의 x 방향으로 푸시될 수 있다.
그러나, 마찰 임계가 초과되지 않았기 때문에, 음의 x 방에서는 일반적으로 모션이 없을 것이다. 이러한 방식으로, 진동 디바이스(1200)는 양의 x 방향에서 진행할 것이다. x 축에 따르는 모션의 방향은 진동 액츄에이터의 동기화를 변경하고 음의 방향에서 더 큰 피크 힘을 가지는 비대칭 파형을 생성함으로써 반전될 수 있다. 위치 디바이스는, 진동 디바이스(1200)를 사용하여 표면(1282) 상의 임의의 방향으로 이동하도록 제작될 수 있는데, 여기에서 진동의 방향은 평면 상에서, 예컨대 도 62 및 도 66 에 도시되는 것과 같이 제어될 수 있다. 유사한 방식으로 도 57 에 도시되는 것과 같은 동 디바이스는 비대칭 토크 진동을 생성함으로써 회전하도록 제조될 수 있다.
또한 진동은 Jimmyjane's Form 2 Waterproof Rechargeable Vibrator와 같은 개인용 오락 제품에 대해서 사용된다. 진동은 또한 HoMedics® Octo-Node™ Mini Massager와 같은 개인용 마사지기 제품에 대해서 사용된다. 또한 진동은 에스떼 라우더 사의 TurboLash 및 랑콤 사의 Oscillation 마스카라 그리개와 같은 미용 제품에 대해서 사용된다. INOVA는 Vibroseis 지진 탐사를 위하여 AHV-IV Series Vibrator를 생산한다. 일반적 동기화된 진동은 사용자가 진동 파형 및 피크 진동력의 방향을 맞춤화하도록 함으로써 이러한 제품의 성능을 개선하기 위하여 사용될 수 있다.
일반적 동기화된 진동은 또한 치료용 의학 애플리케이션에서 사용될 수도 있다. 예를 들어, 진동 디바이스는 환자의 위를 진동시켜 소화를 도울 수 있으며, 환자 또는 센서는 어떻게 시간에 따라 진동을 조절할지를 결정할 수 있다.
비록 본 개시물의 양태는 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이러한 실시예는 본 개시물의 원리 및 적용의 단순한 예에 지나지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 개시물 그러므로 수 많은 변경이 예시적인 실시예에 이루어질 수도 있다는 것과 다른 배치구성물이 첨부된 청구범위에 정의되는 바와 같은 본 개시물의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 고안될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 오직 예로서, 일반적 동기화된 진동 및 본 개시물의 다른 이점들을 달성하면서 본 명세서의 실시예의 양태를 어느 정도 변경하는 것이 가능하다. 예를 들면, 진동의 주파수, 진동의 진폭, 진동의 프로파일 또는 파형, 진동의 위상, 진동의 타이밍, 액츄에이터의 정렬, 진동 디바이스의 강도, 액츄에이터와 진동 디바이스 사이의 부착의 강도, 및 디자인 및 제어 파라미터가 독립적으로 또는 이들의 임의의 조합에서 모두 조절될 수도 있다.
본 개시물은 게임 제어기 및 햅틱 감흥을 사용자에게 제공하는 다른 컴포넌트를 포함하는 진동형 디바이스를 포함하는 광범위한 산업상 이용가능성을 향유하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.

Claims (33)

  1. 진동 디바이스에 있어서,
    마운팅 플랫폼; 및
    복수 개의 액츄에이터로서, 상기 복수 개의 액츄에이터 각각은 그 액츄에이터의 힘 출력의 진폭을 연속적인 동작 사이클에 걸쳐 증강(build up)하도록 구성되는, 복수 개의 액츄에이터를 포함하며,
    상기 복수 개의 액츄에이터 각각은 상기 마운팅 플랫폼에 부착되어 상기 복수 개의 액츄에이터의 힘 출력이 상기 마운팅 플랫폼 상에 중첩되고, 그리고
    상기 복수 개의 액츄에이터는, 원하는 힘 출력 파형의 적어도 두 개의 상이한 고조파에 대하여 동시에 상기 힘 출력에 대응하는 힘 파형을 생성함으로써, 각각의 액츄에이터가 원하는 출력 파형의 단일 고조파를 생성하도록 구성되는, 진동 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 액츄에이터 각각은 선형 공진 액츄에이터(linear resonant actuator), 이심 회전 매쓰 액츄에이터(eccentric rotating mass actuator), 피봇팅 액츄에이터(pivoting actuator), 및 로킹 액츄에이터(rocking actuator)로 이루어진 군에서 선택되는, 진동 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 액츄에이터 중 두 개는 인터리빙된 이심 회전 매쓰들을 포함하며,
    상기 인터리빙된 이심 회전 매쓰들은, 두 개의 상기 액츄에이터가 제어기에 의하여 개별적으로 제어가능하여 비-제로 힘 출력을 동시에 생성함으로써, 두 개의 상기 액츄에이터의 중첩된 힘 출력이 실질적으로 제로 힘 및 실질적으로 제로 토크로 합산되도록 배치되는, 진동 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 상이한 고조파는 원하는 출력 파형의 제 1 고조파를 포함하는, 진동 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 상이한 고조파는 원하는 출력 파형의 제 2 고조파를 포함하는, 진동 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 상이한 고조파는 원하는 출력 파형의 제 3 고조파를 포함하는, 진동 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    복수 개의 액츄에이터에 커플링되어 상기 원하는 출력 파형의 진폭을 제어하는 제어기를 더 포함하는, 진동 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 디바이스는 햅틱 방향성 큐(haptic directional cues)를 생성하도록 구성되는, 진동 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 디바이스는 원격 제어, 게임 제어기, 및 시계로 이루어진 군에서 선택된 핸드헬드 전자 디바이스 내에 배치되고,
    상기 진동 디바이스는 상기 핸드헬드 전자 디바이스에 대한 하나 이상의 햅틱 효과를 생성하도록 구성되는, 진동 디바이스
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 게임 제어기는 운전 게임 제어기 및 모션 게임 제어기로 이루어진 군에서 선택되는, 진동 디바이스.
  11. 진동 디바이스로서,
    마운팅 플랫폼;
    상기 마운팅 플랫폼에 각각 부착되는, 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터; 및
    상기 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터에 커플링되어 각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 주파수 및 위상을 독립적으로 제어하는 제어기를 포함하는, 진동 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터를 포함하며,
    상기 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 각각의 쌍은:
    제 1 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터가 제 1 회전 주파수(f1)에서 역-회전하여 제 1 선형 진동력을 생성하도록 구성되고, 그리고
    제 2 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터가 제 2 회전 주파수(f2)에서 역-회전하여 제 2 선형 진동력을 생성하도록 구성되되, 상기 제 2 회전 주파수(f2)는 상기 제 1 회전 주파수(f1)의 정수배가 되도록, 정렬되고 상기 마운팅 플랫폼에 부착됨으로써,
    상기 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 동작에 의하여 생성된, 상기 마운팅 플랫폼 상의 조합된(combined) 선형 진동력 파형이 비대칭이 되도록 하는, 진동 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 공전축(axes of revolution)들은 실질적으로 평행한, 진동 디바이스.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 상기 제어기에 의하여 제어되어, 상기 제 1 쌍이 제 1 회전 주파수(f1)에서 동작 중일 때의 상기 제 1 선형 진동력이, 상기 제 2 쌍이 제 2 회전 주파수(f2)에서 동작 중일 때의 상기 제 2 선형 진동력의 실질적으로 두 배가 되도록, 구심력을 생성하는, 진동 디바이스.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 공전축들은 실질적으로 동일 선 상에 있는, 진동 디바이스.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터의 구심력 벡터들은 실질적으로 동일 평면 상에 있는, 진동 디바이스.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 두 쌍의 이심 회전 매쓰 액츄에이터를 사용하여 햅틱 방향성 큐를 생성하도록 구성되는, 진동 디바이스.
  18. 제 11 항에 있어서,
    복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터들 사이의 상대 위상은 상기 제어기에 의하여 제어되어 각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터에 의하여 생성된 구심력이 상쇄되고; 그리고
    각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터에 의한 구심력에 의하여 생성되는 토크들은 서로 상쇄되는, 진동 디바이스.
  19. 제 11 항에 있어서,
    주파수, 방향 및 각각의 이심 회전 매쓰 액츄에이터들 사이의 상대 위상은 상기 제어기에 의하여 제어되어 선결정된 축을 따라 조합된 진동력을 생성하는, 진동 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 선결정된 축에 따른 상기 조합된 진동력은 비대칭인, 진동 디바이스.
  21. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 제 1 이심 회전 매쓰 액츄에이터 및 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터를 포함하고, 상기 제 1 이심 회전 매쓰 액츄에이터 및 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 동일한 이심률을 가지며; 그리고
    상기 제어기는 상기 제 1 이심 회전 매쓰 액츄에이터 및 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터를 동일한 주파수에서 그리고 상기 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터 내의 다른 이심 회전 매쓰 액츄에이터에 상대적으로 동일한 위상에서 동작시키도록 구성되는, 진동 디바이스.
  22. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 제 1 회전축(axis of rotation)을 가지는 제 1 이심 회전 매쓰 액츄에이터, 및 제 2 회전축을 가지는 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터를 포함하고, 상기 제 1 축 및 제 2 축들은 동일 선 상에 있으며;
    상기 제 1 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 상기 제 1 회전축 상에 투영된 제 1 포지션에 이심의 중심을 가지는 제 1 이심 매쓰를 가지고;
    상기 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 상기 제 2 회전축 상에 투영된 제 2 포지션에 이심의 중심을 가지는 제 2 이심 매쓰를 가지며; 및
    상기 제 1 포지션과 제 2 포지션 사이의 거리는 실질적으로 제로인, 진동 디바이스.
  23. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수 개의 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 제 1 회전축을 가지는 제 1 이심 회전 매쓰 액츄에이터, 제 2 회전축을 가지는 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터, 및 제 3 회전축을 가지는 제 3 이심 회전 매쓰 액츄에이터를 포함하고, 상기 제 1 축, 제 2 축 및 제 3 축은 동일 선 상에 있으며;
    상기 제 1 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 상기 제 1 회전축 상에 투영된 제 1 포지션에 이심의 중심을 가지는 제 1 이심 매쓰를 가지고;
    상기 제 2 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 상기 제 2 회전축 상에 투영된 제 2 포지션에 이심의 중심을 가지는 제 2 이심 매쓰를 가지며;
    상기 제 3 이심 회전 매쓰 액츄에이터는 상기 제 3 회전축 상에 투영된 제 3 포지션에 이심의 중심을 가지는 제 3 이심 매쓰를 가지고; 그리고
    상기 제 1 포지션과 제 2 포지션 사이의 거리 곱하기 제 2 이심률은 상기 제 1 포지션과 제 3 포지션 사이의 거리 곱하기 제 3 이심률과 동일한, 진동 디바이스.
  24. 제 23 항에 있어서,
    제 1 이심 매쓰의 이심률은 상기 제 2 이심률 더하기 제 3 이심률과 동일한, 진동 디바이스.
  25. 진동 디바이스로서,
    마운팅 플랫폼;
    병렬로 정렬되고 상기 마운팅 플랫폼에 부착된 한 쌍의 선형 공진 액츄에이터로서, 각각의 선형 공진 액츄에이터는 가동 매쓰를 포함하는, 한 쌍의 선형 공진 액츄에이터; 및
    상기 한 쌍의 선형 공진 액츄에이터로 커플링된 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는 상기 선형 공진 액츄에이터 중 첫 번째 것을 제어하여 제 1 주파수(f1)의 제 1 정현 진동력(sinusoidal vibration force)을 상기 마운팅 플랫폼 상에 전달하고, 그리고 상기 선형 공진 액츄에이터 중 두 번째 것을 제어하여 제 2 진동 주파수(f2)의 제 2 정현 진동력을 상기 마운팅 플랫폼 상에 전달하도록 구성되고,
    상기 제 2 주파수(f2)는 상기 제 1 주파수(f1)의 정수 배이며,
    상기 제어기는 상기 제 1 정현 진동력 및 제 2 정현 진동력의 진폭 및 위상을 제어하여 비대칭인 조합된 진동 파형을 생성하도록 더 구성되는, 진동 디바이스.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 선형 공진 액츄에이터 및 제 2 선형 공진 액츄에이터는 각각 상기 제 2 선형 공진 액츄에이터의 공진 주파수를 포함하는 주파수의 범위에서 동작가능한, 진동 디바이스.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 제 2 선형 공진 액츄에이터의 공진 주파수는 상기 제 1 선형 공진 액츄에이터의 공진 주파수의 정수 배가 되도록 튜닝되는, 진동 디바이스.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 진동 디바이스는 상기 제 1 선형 공진 액츄에이터 및 제 2 선형 공진 액츄에이터를 사용하여 햅틱 방향성 큐를 생성하도록 구성되는, 진동 디바이스.
  29. 제 25 항에 있어서,
    상기 진동 디바이스는 하나 이상의 컴퓨터-생성 시각적 이벤트에 대응하는 햅틱 효과를 생성하도록 구성되는, 진동 디바이스.
  30. 제 25 항에 있어서,
    상기 진동 디바이스는 핸드헬드 제어기 내에 배치되고, 그리고 상기 진동 디바이스는 상기 핸드헬드 제어기에 대한 효과를 생성하도록 구성되는, 진동 디바이스.
  31. 제 25 항에 있어서,
    상기 진동 디바이스는 사용자에 의하여 착용가능한 디바이스 내에 배치되고, 그리고 상기 착용가능한 디바이스에 대한 햅틱 효과를 생성하도록 구성되는, 진동 디바이스.
  32. 제 25 항에 있어서,
    상기 진동 디바이스는 사용자를 한 경로점으로부터 다른 경로점으로 안내하는 네비게이션 디바이스의 일부인, 진동 디바이스.
  33. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 상이한 고조파는 원하는 출력 파형의 제 1 고조파를 포함하지 않는, 진동 디바이스.
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