JP2003199974A - 触覚フィードバックインターフェースデバイス用の方向接触フィードバック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】触覚フィードバックインターフェースデバイス
内に設けられた方向触覚フィードバックを提供する。 【解決手段】インターフェースデバイス２００は、それ
ぞれが移動慣性質量２０６／２１０を含む、少なくとも
二つのアクチュエータアセンブリ２０２、２０４を含
む。異なる大きさで上記アクチュエータアセンブリ２０
２、２０４に提供された一つの制御信号は、上記ユーザ
が感じる方向慣性感覚を提供する。より大きな大きさの
波形を一つのアクチュエータ２０８／２１２に付与し
て、ハウジング内の上記アクチュエータの位置にほぼ対
応する方向を有する感覚を提供し得る。別の実施形態に
おいて、上記アクチュエータアセンブリはそれぞれ回転
慣性質量を含み、上記制御信号は異なるデューティサイ
クルを有して方向感覚を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の背景）本発明は、概して、人間が
コンピュータシステムとインタフェイスすることを可能
にするインタフェイスデバイスに関し、より詳細には、
ユーザがコンピュータシステムに入力を提供することを
可能にし、かつ、コンピュータシステムがユーザに触覚
フィードバック（ｈａｐｔｉｃ ｆｅｅｄｂａｃｋ）を
提供することを可能にするコンピュータインタフェイス
デバイスに関する。

【０００２】ユーザは、コンピュータ上で機能およびタ
スクを実行するために、コンピュータによって表示され
る環境と相互作用し得る。このような相互作用のために
使用される一般的な人間−コンピュータインタフェイス
デバイスは、コンピュータシステムに接続されているマ
ウス、ジョイスティック、トラックボール、ゲームパッ
ド、ステアリングホイール、スタイラス、タブレット、
感圧性の球面などを含む。典型的には、コンピュータ
は、ユーザによるジョイスティックハンドルまたはマウ
スなどの物理的な操作手段の操作に応じて環境をアップ
デートして、表示画面および音声スピーカを利用して視
覚および音声のフィードバックをユーザに提供する。コ
ンピュータは、インタフェイスデバイス上に設けられて
いるセンサを通してユーザによるユーザ操作手段の操作
を感知し、このセンサは、コンピュータに所各信号を送
信する。いくつかのインタフェイスデバイスにおいて、
運動感覚力フィードバック（ｋｉｎｅｓｔｈｅｔｉｃ
ｆｏｒｃｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ）または接触フィードバ
ック（ｔａｃｔｉｌｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ）（より一般
的には、本明細書中、「触覚フィードバック」として公
知である）もまたユーザに提供される。これらの種類の
インタフェイスデバイスは、インタフェイスデバイスの
ユーザ操作手段を操作しているユーザによって感知され
る物理的感覚を提供し得る。１つ以上のモータまたは他
のアクチュエータは、ハウジングまたは操作手段に結合
され、制御コンピュータシステムに接続されている。コ
ンピュータシステムは、制御信号または命令をアクチュ
エータに送信することにより、表示されるイベントおよ
び相互作用と共に、かつ、それらと協同して出力を制御
する。

【０００３】多くの低コストの触覚デバイスは、慣性的
に接地している（ｉｎｅｒｔｉａｌｌｙ−ｇｒｏｕｎｄ
ｅｄ）接触フィードバックを提供し、この接触フィード
バックは、物理的（地球の）地面に対して移動している
操作手段の動作の自由度に直接対応して力を出力する運
動感覚性フィードバックよりも、慣性質量に関して力を
伝達し、かつ、ユーザによって感知される。例えば、多
くの現在利用可能なゲームパッドコントローラは、偏心
質量を有するスピニングモータを含み、このスピニング
モータは、ゲーム内で起きているイベントと協同して、
コントローラのハウジングに力感覚を出力する。いくつ
かの触覚マウスデバイスにおいて、ピン、ボタン、また
はマウスのハウジングは、制御されたカーソルと他のグ
ラフィカルオブジェクトとの相互作用によって動かされ
得、これらのハウジング領域に触ることによりユーザに
よって感知される。

【０００４】このような安価な触覚コントローラの１つ
の問題は、異なる種類の力感覚をユーザに伝達する能力
が制限されていることである。触覚の方向付けおよび調
整に関して、開発者により多くの柔軟性を提供するデバ
イスがより望ましい。さらに、現在利用可能な慣性コン
トローラは、回転質量の一般的な方向への出力パルスお
よび振動しか提供できない。従って、感覚は、任意の特
定の方向に出力されていないようにユーザに感知される
が、デバイスのハウジング上へと単に出力されているよ
うに感知される。しかし、ゲームおよび他のコンピュー
タによって実施される環境における多くのイベントは方
向ベースであり、現在の慣性触覚デバイスが提供し得な
い触覚の方向性によって利益を得る。

【０００５】（発明の要旨）本発明は、触覚フィードバ
ックインタフェイスデバイス内に方向触覚フィードバッ
ク（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｈａｐｔｉｃ ｆｅｅｄ
ｂａｃｋ）を提供することに向けられている。このよう
な方向フィードバックに使用される、発明による触覚デ
バイスの電力効率の特徴についても説明する。

【０００６】より詳細には、本発明のインタフェイスデ
バイスは、方向触覚フィードバックをユーザに提供し、
このインタフェイスデバイスは、ホストコンピュータと
通信している。このデバイスは、ユーザによって物理的
に接触されるハウジングと、ユーザ入力を感知するため
の少なくとも１つのセンサとを含む。少なくとも２つの
アクチュエータアセンブリは、それぞれ、移動している
慣性質量を含み、方向慣性感覚（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａ
ｌ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｓｅｎｓａｔｉｏｎ）をハウジ
ングに引き起こすためにハウジング内に配置される。単
一の制御信号がそれぞれのアクチュエータアセンブリに
異なる振幅で提供され、ユーザによって感知される方向
慣性感覚が提供される。好適には、より大きな振幅の波
形がある特定のアクチュエータアセンブリに与えられ、
ハウジング内のその特定のアクチュエータアセンブリの
位置にほぼ対応する方向を有する感覚が提供される。例
えば、左側のアクチュエータアセンブリにより大きな振
幅を与えて、左の方向を有する感覚を提供する。

【０００７】コンピュータから高レベルの命令を受信
し、かつ、アクチュエータアセンブリを制御するローカ
ルプロセッサが含まれ得る。この高レベルの命令は、ア
クチュエータアセンブリ間で出力電流を分割して、アク
チュエータアセンブリ間の軸に沿う方向慣性感覚のため
の所望の位置を提供する方法を示すバランスパラメータ
を含み得る。アクチュエータアセンブリは、慣性質量を
直線的に振動させ得るか、または、偏心回転質量を回転
させ得る。制御信号は、２つの制御信号に分割され得、
一方は他方の位相からずれており、それぞれはアクチュ
エータアセンブリの１つに送信される。本発明の方法
は、同様に、方向慣性感覚の出力を可能にする。

【０００８】本発明の別の局面において、インタフェイ
スデバイスが、方向触覚フィードバックをユーザに提供
し、ユーザによって物理的に接触されるハウジングと、
ユーザ入力を検出するための少なくとも１つのセンサと
を含む。少なくとも２つのアクチュエータアセンブリ
は、それぞれ、一方向性によって駆動させられる回転慣
性質量を含む。アクチュエータアセンブリは、ハウジン
グ内に配置されて、方向慣性感覚をハウジングに引き起
こし、ここで、制御信号がそれぞれのアクチュエータア
センブリに異なるデューティサイクルで提供されて、ユ
ーザによって感知される方向慣性感覚が提供される。例
えば、命令振幅の制御信号が左側のアクチュエータアセ
ンブリに与えられて、左の方向を有する感覚が提供され
る。同様の制御が右の方向に関しても提供され得る。バ
ランスパラメータを含む高レベルの命令が使用され得、
出力振動の振幅をアクチュエータアセンブリ間で分配す
る方法が示される。制御信号の一方は他方の位相からず
れていることが可能である。制御信号はまた、制御信号
が決して同じ時に存在しないようにインターレースされ
得る。あるいは、制御信号の一方が他方と同じ時に存在
する場合、一方または両方の信号は、所定の周波数およ
びデューティサイクルでパルスを与えられて、アクチュ
エータアセンブリの平均電力要件を減少させる。本発明
の方法は、同様に、方向慣性感覚の出力を可能にする。

【０００９】本発明は、有利なことに、低コストのアク
チュエータを使用する接触フィードバックのための方向
接触フィードバック感覚を提供する。これらの感覚は、
これらの種類の触覚デバイスにおけるより多種多様な感
覚を可能にし、ゲームで遊ぶ経験、または、他の種類の
コンピュータアプリケーションと相互作用する経験がユ
ーザにとってより満たされるものであることを可能にす
る。電力有効性の特徴もまた、低電力デバイスの実施形
態を可能にして、本明細書中で開示される方向触覚を提
供する。

【００１０】本発明のこれらの利点および他の利点は、
下記の本発明の詳細を読み、いくつかの図面をよく見る
ことにより当業者に明らかになる。

【００１１】（好適な実施形態の詳細な説明）図１は、
触覚フィードバックシステム１０の透視図であり、この
触覚フィードバックシステム１０は、本発明に使用する
ことに適しており、ユーザによるデバイスの操作に基づ
いてホストコンピュータに入力を提供することが可能で
あり、かつ、ホストコンピュータによって実行されるプ
ログラム内で起きているイベントに基づいて、システム
のユーザに触覚フィードバックを提供することが可能で
ある。システム１０は、ゲームパッドインタフェイスデ
バイス１２およびホストコンピュータ１４を含むゲーム
パッドシステム１０として、例示的な形式で示される。

【００１２】ゲームパッドデバイス１２は、手持ち式コ
ントローラの形式であり、ビデオゲームコンソールシス
テムのために現在利用可能な多くのゲームパッドの形お
よび大きさに類似する。インタフェイスデバイス１０の
ハウジング１５は、グリップ突起部１６ａおよび１６ｂ
においてデバイスを掴む２つの手を簡単に収容するよう
に成形されている。図示の実施形態において、ユーザ
は、彼または彼女の指によって、デバイス１２上の種々
の制御にアクセスする。他の実施形態において、インタ
フェイスデバイスは、卓上または他の表面上に静止する
デバイス、縦型アーケードゲーム機、ラップトップ型デ
バイス、または、着用式（ｗｏｒｎ ｏｎｔｈｅ ｐｅ
ｒｓｏｎ）、手持ち式、もしくはユーザの片手で使用さ
れる他のデバイスなどを含む多種多様な形式を取り得
る。

【００１３】方向パッド１８がデバイス１２上に含まれ
得、ユーザがホストコンピュータ１４に方向性入力を提
供することを可能にする。最も一般的な実施形態におい
て、方向パッド１８は、４つの拡張部分を有する十字形
もしくはディスク、または、中心点から９０度の間隔で
四方に広がる方向性位置のようにおおよそ成形されてお
り、ここで、ユーザは、拡張部分２０の１つを下に押す
ことによって、対応する方向に関する方向性入力信号を
ホストコンピュータに提供し得る。

【００１４】ハウジング１５の表面から突出する１つ以
上のフィンガージョイスティック２６がデバイス１２内
に含まれ得、１以上の自由度によってユーザによって操
作され得る。例えば、ユーザは、デバイスの各グリップ
１６ａおよび１６ｂを掴み、親指または指を使用して２
自由度（または、いくつかの実施形態において、３以上
の自由度で）でジョイスティック２６を操作し得る。こ
の動作は、ホストコンピュータ１４に提供される入力信
号へと変換され、方向パッド１８によって提供される信
号と異なる信号であり得る。いくつかの実施形態におい
て、別の線形またはスピンの自由度が、ジョイスティッ
クに提供され得る。他の実施形態において、ジョイステ
ィック２６の代わりに、または、それに加えて、球面が
提供され得、ここで、球面の１つ以上の部分は、ハウジ
ング１５の左側、右側、上面、および／または下面から
拡張し得、その結果、球面は、ユーザによって２回転自
由度内で所定の位置で回転され得、ジョイスティックと
同様に動作する。線形または回転自由度が、ジョイステ
ィックに関して提供され得る。

【００１５】ボタン２４、ジョイスティック２６、およ
び方向パッド１８の代わりに、または、それに加えて、
他の制御が、ハウジング１５を掴む手の簡単に届く範囲
内に配置され得る。例えば、１つ以上のトリガボタン
が、ハウジングの下面に配置され得、ユーザの指によっ
て押され得る。他の制御もまた、デバイス１２の種々の
位置に提供され得、ゲーム内のスロットル制御のための
ダイアルまたはスライダー、４方向または８方向のハッ
トスイッチ、ノブ、トラックボール、ローラまたは球面
などを含む。任意のこれらの制御はまた、接触フィード
バックなどの触覚フィードバックを提供され得る。

【００１６】さらに、ユーザがデバイスを操作する際に
ユーザによって接触されるハウジング自体は、好適に
は、下記でより詳細に説明するように、接触フィードバ
ックを提供する。ハウジングの移動可能な部分もまた、
接触フィードバックを提供し得る。従って、ハウジング
も接触フィードバックを提供し得、かつ、方向パッド１
８（または、他の制御）も別の接触フィードバックを提
供し得る。触覚フィードバックを提供される他のボタン
または他の制御のそれぞれもまた、他の制御とは別の接
触フィードバックを提供し得る。

【００１７】インタフェイスデバイス１２は、任意のい
くつかの種類の通信媒体であり得るバス３２を介してホ
ストコンピュータ１４に結合される。例えば、シリアル
インタフェイスバス、パラレルインタフェイスバス、ま
たは、ワイヤレス通信リンク（無線、赤外線など）が使
用され得る。特定の実施例は、ユニバーサルシリアルバ
ス（ＵＳＢ）、ＩＥＥＥ １３９４（Ｆｉｒｅｗｉｒ
ｅ）、ＲＳ−２３２、または他の規格を含み得る。いく
つかの実施形態において、デバイスのアクチュエータの
ための電力は、バス３２もしくは他のチャネルを通して
伝達される電力によって供給または補足され得るか、ま
たは、電力供給／保存デバイスがデバイス１２上に設け
られ得る。

【００１８】インタフェイスデバイス１２は、ホストコ
ンピュータ１４に制御信号を報告し、ホストコンピュー
タ１４からの命令信号を処理するために必要な回路を含
む。例えば、センサ（および、その関連回路）を使用し
て、デバイスの制御の操作の感知および報告をホストコ
ンピュータに行うことが可能である。デバイスはまた、
好適には、ホストからの命令信号を受信し、かつ、１つ
以上のデバイスアクチュエータを使用して命令信号によ
って接触感覚を出力する回路を含む。ゲームパッド１２
は、好適には、ゲームパッド１２のハウジング上に力を
生成するように動作可能なアクチュエータアセンブリを
含む。この動作について、図２を参照して、下記でより
詳細に説明する。

【００１９】ホストコンピュータ１４は、好適には、ビ
デオゲームコンソール、パーソナルコンピュータ、ワー
クステーション、または、１つ以上のホストマイクロプ
ロセッサを典型的に含む他のコンピューティングもしく
は電子デバイスである。Ｎｉｎｔｅｎｄｏ、Ｓｅｇａ、
またはＳｏｎｙ製のシステムなどの種々のホームビデオ
ゲームシステムの１つ、テレビの「セットトップボック
ス」、または、「ネットワークコンピュータ」などが使
用され得る。あるいは、ＩＢＭと互換性があるパーソナ
ルコンピュータもしくはＭａｃｉｎｔｏｓｈのパーソナ
ルコンピュータなどのパーソナルコンピュータ、また
は、ＳＵＮもしくはＳｉｌｉｃｏｎ Ｇｒａｐｈｉｃｓ
製のワークステーションなどのワークステーションが使
用され得る。あるいは、ホスト１４およびデバイス１２
は、アーケードゲーム機、携帯型もしくは手持ち式のコ
ンピュータ、車両用コンピュータ、もたは、他のデバイ
ス内の単一のハウジング内に含まれ得る。ホストコンピ
ュータシステム１４は、好適には、周辺装置およびイン
タフェイスデバイス１２を介してユーザが相互作用する
ホストアプリケーションプログラムを実施する。例え
ば、ホストアプリケーションプログラムは、ビデオもし
くはコンピュータゲーム、医療シミュレーション、科学
分析プログラム、実行システム、グラフィカルユーザイ
ンタフェイス、製図／ＣＡＤプログラム、または他のア
プリケーションプログラムであり得る。本明細書中、コ
ンピュータ１４は「グラフィカル環境」を提供すると言
われ得、このグラフィカル環境は、グラフィカルユーザ
インタフェイス、ゲーム、シミュレーション、または他
の画像環境であり得る。コンピュータは、「グラフィカ
ルオブジェクト」または「コンピュータオブジェクト」
を表示し、これらのオブジェクトは、当業者に周知なよ
うに、物理的オブジェクトでないが、コンピュータ１４
によって表示デバイス３４上に画像として表示され得る
データおよび／またはプロシージャの論理ソフトウェア
ユニットコレクションである。ソフトウェアを触覚フィ
ードバックデバイスとインタフェイスさせる適切なソフ
トウェアドライバは、Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，Ｃａｌｉｆｏ
ｒｎｉａのＩｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏ
ｎが販売している。

【００２０】表示デバイス３４は、ホストコンピュータ
１４内に含まれ得、標準表示画面（ＬＣＤ、ＣＲＴ、フ
ラットパネルなど）、３−Ｄゴーグル、映像表示デバイ
ス（例えば、プロジェクタもしくは車両内のヘッドアッ
プディスプレイ）、または任意の他の画像出力デバイス
であり得る。典型的には、ホストアプリケーションは、
表示デバイス３４および／または他のフィードバック上
に表示されるべき聴覚信号などの画像を提供する。例え
ば、表示画面３４は、ＧＵＩおよび／またはアプリケー
ションプログラムからのグラフィカルオブジェクトを表
示し得る。

【００２１】他の実施形態において、多くの他の種類の
インタフェイスまたは制御デバイスが、本明細書中に説
明される本発明に使用され得る。例えば、マウス、トラ
ックボール、ジョイスティックハンドル、ステアリング
ホイール、ノブ、スタイラス、グリップ、タッチパッ
ド、または他のデバイスが、本明細書中に説明するよう
に、慣性触覚から利益を得ることが可能である。さら
に、他の種類の手持ち式デバイスが、現在説明されてい
る発明に使用することにかなり適しており、手持ち式の
リモコンデバイスもしくは携帯電話、または、手持ち式
の電子デバイスもしくはコンピュータなどが、本明細書
中に説明される触覚フィードバック構成要素に使用され
得る。本明細書中に説明される感覚は、例えば、デバイ
スの表面から垂直に出力され得るか、または、ジョイス
ティックハンドル、トラックボール、スタイラス、グリ
ップ、ホイール、もしくはデバイス上にある他の操作可
能なオブジェクトから出力され得るか、または、所望の
方向または範囲に出力され得る。

【００２２】作動中、インタフェイスデバイス１２の制
御はユーザによって操作され、この制御は、実施されて
いるアプリケーションプログラム（単数または複数）を
アップデートする方法をコンピュータに示す。デバイス
１２のハウジング１５内に含まれる電子インタフェイス
は、デバイス１２をコンピュータ１４に結合し得る。ホ
ストコンピュータ１４は、インタフェイスデバイスから
の入力を受信し、この入力に応じてアプリケーションプ
ログラムをアップデートする。例えば、ゲームがグラフ
ィカル環境を表し、ここで、ユーザは、方向パッド１
８、ジョイスティック２６、および／またはボタン２４
を使用して、１つ以上のグラフィカルオブジェクトまた
はエンティティを制御する。ホストコンピュータは、力
フィードバック命令および／またはデータをデバイス１
２に提供して、デバイスに触覚フィードバックを出力さ
せ得る。

【００２３】図２ａおよび図２ｂは、それぞれ、方向慣
性フィードバックのために、本発明の一実施形態に使用
するための２つのアクチュエータを含む、デバイス１２
の実施形態１００の平面断面図および側面図である。図
示の実施形態は、任意の慣性インタフェイスデバイスに
使用され得るが、デバイスハウジングの異なる部分をユ
ーザが両方の手によって掴む手持ち式デバイスが最適で
あり得る。この実施形態は、説明を目的として、ゲーム
パッドとして説明される。ゲームパッドハウジング１０
１は、ホストコンピュータシステムに入力を提供するた
めにユーザによって操作されるゲームパッド接触インタ
フェイスデバイス１２を開示する。ユーザは、典型的に
は、各グリップ１６を１つの手で掴み、指を使ってハウ
ジング１０１の中央部分にある入力デバイスを操作する
ことによりデバイスを操作する。

【００２４】ハウジング１０１は、好適には、２つの高
調和振動ドライブのアクチュエータアセンブリ１０２お
よび１０４を含む。これらのアクチュエータアセンブリ
は、任意の種々の方法によって実施され得る。最適なア
クチュエータアセンブリは、高調和振動し得る慣性質量
を提供し、かつ、慣性質量に中央揃えのばねの力を含
み、有効かつ非常に制御可能な慣性感覚を可能にする。
一実施形態において、図２〜図８を参照して本明細書中
に説明するアクチュエータアセンブリが使用され得る。
他の実施形態において、アクチュエータアセンブリ１０
２および１０４は、高調和振動ドライブのアクチュエー
タアセンブリであり得、このアクチュエータアセンブリ
は、慣性質量をほぼ直線的に振動させる湾曲部に結合さ
れている回転モータ（または、他のアクチュエータ）を
提供し、従って、接触フィードバックを提供する。慣性
質量は、モータ自体であり得る。アクチュエータは、本
明細書中に説明されるアクチュエータと同様に、例え
ば、正弦波などの周期的な制御信号と高調和振動して制
御される。慣性質量は、任意の方向に振動させられ得
る。例えば、矢印１０６によって示されるように、１つ
の所望な方向は上および下である。他の実施形態におい
て、音声コイル（移動しているコイル）アクチュエータ
などの他の種類のアクチュエータが使用され得る。さら
に他の実施形態において、下記で説明するように、回転
モータの軸上に提供される偏心質量などの回転慣性質量
が使用され得る。

【００２５】高調和振動ドライブのアクチュエータアセ
ンブリ１０２および１０４は、好適には、デバイスによ
って許容される最大の空間的な位置ずれが間にある状態
で配置される。例えば、ゲームパッドの実施形態におい
て、アセンブリ１０２および１０４は、ゲームパッドの
異なるハンドグリップ１６内に配置され得る。これによ
り、ユーザによって方向性の力がより簡単に感知される
ことが可能になる。アクチュエータアセンブリ１０２お
よび１０４はまた、好適には、アクチュエータの大き
さ、ばねの剛度、慣性質量、および減衰（提供される場
合）などの関連特性が同じである。これにより、デバイ
スの各端部において慣性力がほぼ同じであることが可能
になり、方向のバランシングがより効果的になることが
可能になる。他の実施形態は、アクチュエータアセンブ
リの異なる間隔および／または大きさを含み得る。

【００２６】図３は、図２ａ〜図２ｂを参照して説明さ
れる２つのアクチュエータの実施形態１００に使用する
ための本発明の制御方法を示す機能図（ｆｕｎｃｔｉｏ
ｎａｌ ｄｉａｇｒａｍ）であり、この制御方法は、２
つのアクチュエータアセンブリの間の位置におけるユー
ザによって空間的に配置され得る方向接触フィードバッ
クを提供する。図３ａの時間対電流のグラフ１３０は、
初期制御波形１３２を示し、この初期制御波形１３２
は、デバイスのアクチュエータによって出力されるべき
基本振動を提供し、所望の周波数、持続時間、および振
幅を有する。波形は、軸に沿って正の方向と負の方向と
の両方に質量を高調和振動させて駆動させる駆動関数で
ある。この波形は、種々のパラメータによって所望なよ
うに調整され得る。例えば、図３ｂのグラフ１３４に示
されるように、振動の持続時間の異なる点で所望のレベ
ルに調整された振幅を有する波形１３８を提供するため
に、包絡線（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）１３６が適用され得
る。他のアプリケーションにおいて、包絡線を適用する
必要はない。

【００２７】制御波形１３８がアクチュエータアセンブ
リに出力される（または、制御波形１３８を実施する制
御信号が出力される）場合、各アクチュエータアセンブ
リに基本波形と同形状の波形が提供されるが、振幅は調
整されており、その結果、命令された電流は、２つのア
クチュエータアセンブリ１０２および１０４の間で分割
される。ユーザが感知しない方向を有する振動または他
の慣性力感覚を提供するために、両方のアクチュエータ
アセンブリに等しい量の電流が提供されて、等しい振幅
の振動が各アクチュエータから出力される。しかし、慣
性感覚が感知される方向を有する場合、一方のアクチュ
エータは、他方のアクチュエータよりも多くの電流が提
供され、すなわち、他方のアクチュエータよりも一方の
アクチュエータの方がより大きな振幅の慣性力を出力す
る。グラフ１４０および１４２は、グラフ１３４の波形
から得られた、アクチュエータアセンブリ１０２および
１０５に送信された制御波形を示す。これらのグラフ
は、「左」方向がユーザによって感知される状況を示
す。グラフ１４０の波形１４４は、命令された１００％
振幅の７０％の振幅であり、デバイスの左側の左アクチ
ュエータ１０４に送信される。グラフ１４２の波形１４
６は、命令振幅の３０％（残りの量の電流）を有し、デ
バイスの右側のアクチュエータ１０２に送信される。右
方向が出力される場合、デバイスの右側にあるアクチュ
エータ１０２に多くの量の電流（より大きな振幅）が提
供される。ユーザは、方向性振動として、より強い振動
をデバイスの一方に感知する。

【００２８】接触感覚の方向性は、ゲームなどの多くの
アプリケーションに有用であり得る。例えば、ゲーム内
のユーザの車が左側の障壁に衝突する場合、左アクチュ
エータがより強い振動を出力して、この衝突の方向を示
し得る。プレーヤーのキャラクターが左側を殴られる場
合、左の振動が出力され得る。

【００２９】２つのアクチュエータ間の振幅の分割によ
って、ユーザは、２つのアクチュエータアセンブリのど
こか間にある位置で、出力の慣性感覚を感知する。ユー
ザは、ある一方の力が強いほど、そのアクチュエータア
センブリの近くでその結果として生じる力が出力される
ように感知する。例えば、図４は、アクチュエータアセ
ンブリ１０２および１０４が示されるゲームパッド１０
０の図を示す。軸１５２は、ユーザが結果として生じる
慣性力を感知し得る可能なおおよその位置を示す。図３
の波形命令から、左アクチュエータアセンブリ１０４
は、右アクチュエータアセンブリ１０２（３０％）より
大きな力（７０％）を出力し、ユーザは、そのより大き
な振幅に比例して左アクチュエータにより接近して配置
される、ハウジング１０１のおおよその位置１５０で、
慣性力が出力されるように感知する。慣性感覚が同じ基
本波形によって命令され、従って、同じ周波数で同期し
て出力されるため、これは効果的である。振幅の分割
は、軸１５２に沿う任意の点で感知方向を出力するよう
な任意の所望の方法で変えられ得る。

【００３０】このやり方で方向を命令する１つの方法
は、「バランス」パラメータを特定することである。例
えば、ホストコンピュータは、デバイス１２上のローカ
ルプロセッサに高レベルの命令を提供し得る。この高レ
ベルの命令は、周波数、振幅、包絡線アタック（ｅｎｖ
ｅｌｏｐｅ ａｔｔａｃｋ）およびフェードパラメー
タ、ならびに、バランスパラメータなどのパラメータを
含み得る。バランスパラメータは、例えば、ある範囲内
の数字として特定され得る。例えば、０〜９０の範囲
が、ベクトルの力方向をシミュレートするために使用さ
れ得る。４５の値がアクチュエータアセンブリの出力間
の正確なバランスを示し、その結果、慣性力がデバイス
の両側で均等に感じられる。４５以下の値は左側の力の
振幅がより大きいことを示し、値０まで同様である。こ
の値０は、命令電流の１００％が左アクチュエータを制
御し、右アクチュエータの出力がないことを示す。値９
０は、右アクチュエータが完全な出力を有し、左アクチ
ュエータが出力を有さないように制御する。あるいは、
割合は、左アクチュエータなどのデフォルトアクチュエ
ータアセンブリに特定かつ適用され得る。例えば、値６
５は、命令振幅の６５％が左アクチュエータに適用され
るべきであり、命令の振幅の残りの３５％が右アクチュ
エータに適用されることを示す。ローカルプロセッサ
は、命令バランスによって２つの出力制御信号のスケー
リングを実行し得、かつ、各アクチュエータアセンブリ
１０２および１０４に適切な調整信号を提供し得る。

【００３１】あるいは、ホストコンピュータは、各アク
チュエータに調整制御信号を直接送信することにより、
または、ホストから伝達された制御信号を各アクチュエ
ータに送信することをローカルプロセッサに直接指示す
ることにより、バランス機能を直接命令し得る。

【００３２】実施形態１００の重要な機能は、両方のア
クチュエータアセンブリが、好適には、同期かつ同相の
ままであることである。単一の波形を使用して両方のア
クチュエータを制御するが、波形の振幅は、方向または
バランスが崩れた感覚を慣性力に示すために変えられ
る。従って、ある一方の質量がより早く加速して、質量
の元の位置からより多くの距離を移動し、結果として、
そのアクチュエータアセンブリからより大きな力が出力
される以外は、各アクチュエータアセンブリの質量は調
和して振動する。これにより、空間の配置によって単一
の感覚が創造されるため、ユーザは、方向性をよりよく
感知することが可能になる。他の実施形態において、ア
クチュエータは非同期であり得るが、これにより、力感
覚に提供される方向性がより少なくなる傾向がある。

【００３３】別のアクチュエータが他の実施形態に含ま
れ得る。例えば、振幅振動を増加させるために、左側に
２つのアクチュエータが提供され得、右側に２つのアク
チュエータが提供され得る。あるいは、接触フィードバ
ックに別の方向を提供するために、別のアクチュエータ
が、前、後ろ、上部、または下部の位置に配置され得
る。好適には、各アクチュエータは、利用可能な電力の
所望の割合で同じ波形を受信して、方向性を達成する。
例えば、３つのアクチュエータアセンブリが三角形の構
成で提供される場合、結果として生じる慣性力感覚を感
知する位置は、３つ全てのアクチュエータアセンブリの
間のどこかに配置され、力の位置に第２の寸法を効果的
に追加する。この位置は、各アクチュエータアセンブリ
への電流の振幅を適切に調整することにより調整され得
る。

【００３４】実施形態１００によって達成され得る別の
重要な方向の効果は、慣性力の「一掃」である。このよ
うな一掃は、アクチュエータアセンブリ間の電流のバラ
ンスを継続的に変化させ、その結果、２つのアクチュエ
ータの実施形態において、慣性力の感知位置を右から左
または左から右へと（または、実施されるような他の方
向に）滑らかに移動させる。例えば、ローカルプロセッ
サは、高レベルの一掃命令によって、特定の持続時間に
わたって（上記の慣例を用いて）０から９０へと継続的
かつ均等にバランスパラメータを変化させるように命令
され得る。持続時間を変化させることにより、早い一掃
またはより遅い一掃が命令され得る。次いで、一掃の間
に各アクチュエータアセンブリが受信する命令電流の割
合にローカルプロセッサを変化させると、ユーザは、デ
バイスの左側で開始し、右側の方へ軸１５２におおよそ
沿って移動し、かつ、右アクチュエータで終了する慣性
力を感知する。これにより、例えば、ゲーム内のユーザ
の車が右側で衝突する場合、慣性振動は、この衝突の方
向を伝達するために、右側から左側へと高速に（例え
ば、１〜２秒で）一掃され得る。３つ以上のアクチュエ
ータアセンブリを含む実施形態において、力の位置は、
感知位置が全てのアクチュエータの間の所望の経路を移
動するように電流を分割することにより、２つの寸法に
一掃され得る。

【００３５】他の制御機能は、左アクチュエータアセン
ブリと右アクチュエータアセンブリとの間のバランス制
御に加えて（または、その代わりに）、左アクチュエー
タアセンブリと右アクチュエータアセンブリとの間の位
相シフトの使用を含み得る。例えば、各アクチュエータ
に送信される制御波形の間（従って、慣性質量の振動の
間）の９０度の位相シフトは、交互のビーティング効果
（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｂｅａｔｉｎｇ ｅｆｆｅ
ｃｔ）（左−右）と共に、周波数が倍になった印象をユ
ーザに与え得る。これは、感知されるより高い周波数に
おいて、より高い振幅の力感覚を可能にし得る。なぜな
らば、低い周波数に伴う慣性質量の大きな位置ずれが依
然として生じているが、ユーザによって感知される結果
は、より高い周波数であるからである。さらに、共振周
波数は有用であり得る。例えば、アクチュエータアセン
ブリの共振周波数が約４０Ｈｚである場合、９０度だけ
位相を移相された２つの（同じ種類の）アクチュエータ
アセンブリを実行させることにより、強いピークの振幅
は４０Ｈｚで生じ、別の強いピークは８０Ｈｚで生じ
る。

【００３６】さらに、５〜１０度などの小さな位相シフ
トは、主要周波数（ｍａｓｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）
のようにユーザに感じられるが、ユーザが、力の各イン
パルスがより長持ちするような印象を受けるため、各パ
ルスは少しだけ強く感じられる。さらに、１０〜３０度
などのより大きな位相シフトは、「スタッターステッ
プ」（すなわち、振動の各サイクルにおける力の急速な
ポップポップ（ｐｏｐ−ｐｏｐ））の興味深い感覚をユ
ーザに与え得る。位相はまた、高レベルの命令のパラメ
ータとしてデバイスに送信され得る。

【００３７】最後に、１８０度の大きな位相シフトが、
ユーザにとって接触感覚を非常に興味深いものに感じさ
せ得る。なぜならば、あるアクチュエータの慣性質量
が、上に移動し、かつ、移動の限界に達する間、他のア
クチュエータの他の慣性質量が、下に移動し、かつ、下
の限界に達するからである。これにより、ゲームパッド
または他のインタフェイスデバイスのおおよそ中心にト
ルク（例えば、ゲームパッド全体が、軸１５２上のおお
よそ中心点の周りを回転しているような感覚）を負わせ
得る。あるサイクルにおいて、トルクはある回転方向で
あり、次のサイクルにおいて、トルクの回転方向は逆に
なり、従って、交互のトルクが提供される。この感覚
は、慣性質量が同相の状態で移動する場合より、ユーザ
にとってより強烈に感じられ得る。別の実施形態におい
て、正規化された（例えば、正の方向などの１つの方向
にのみ提供される）方形波が命令されて、慣性質量は、
元の位置から１つの方向にのみ移動させられ得る。次い
で、この波形は、２つのアクチュエータアセンブリの間
で１８０度だけ位相を移相され得る。これにより、トル
クの方向が決して切り換らない時計回りのビーティング
トルクが引き起こされ得る。あるいは、波形が負の方向
に正規化される場合、反時計回りのビーティングトルク
が引き起こされる。

【００３８】別の実施形態において、アクチュエータア
センブリ１０２および１０４からの左‐右の慣性感覚
は、例えば、ホストコンピュータによって出力されるス
テレオ（左‐右）音声と協調され得る。例えば、ゲーム
内のユーザ、または、ホストコンピュータ、テレビ、も
しくは他のデバイス上の音声‐映像表示の上を飛行機が
飛び得、この飛行機の音は、左のスピーカから始まって
右のスピーカに移動して出力されて、位置的な音声効果
を表す。左および右のアクチュエータアセンブリによっ
て出力される力感覚は、協調して、音と調和して、イン
タフェイスデバイスの左側から出力を開始し、右側に移
動し得る。力感覚はまた、パン撮りするカメラからの眺
めなどの表示される画像と同期され得る。いくつかの実
施形態において、力感覚の振幅はまた、例えば、音の大
きさと相互に関係し得る。ホストコンピュータは、力感
覚に命令して、ホストも制御している音声または映像と
同期させ得る。

【００３９】上記の接触効果の全ておよびその変化例
は、所望の効果を達成するために種々の方法によって組
み合わされ得る。従って、本発明のアクチュエータアセ
ンブリの制御方式を使用することにより、多種多様の接
触効果が可能である。

【００４０】図５ａおよび図５ｂは、それぞれ、方向慣
性フィードバックのために本発明の別の実施形態に使用
される２つのアクチュエータを含むデバイス１２の別の
実施形態２００の平面断面図および側面図である。ゲー
ムパッドハウジング２０１は、２つのアクチュエータア
センブリ２０２および２０４を含む。上記の実施形態に
おいて、アクチュエータアセンブリは、線形的に調和し
て振動させられ得る慣性質量を含む。図５ａおよび図５
ｂに示される本実施形態において、アクチュエータアセ
ンブリ２０２および２０４は回転慣性質量を含み、偏心
回転質量（ＥＲＭ）２０６が右グリップ１６ｂ内のアセ
ンブリ２０２内のアクチュエータ２０８の回転軸に結合
され、偏心回転質量（ＥＲＭ）２１０が左グリップ１６
ａ内のアセンブリ２０４内のアクチュエータ２１２の回
転軸に結合される。アクチュエータ２０８は、グリップ
１６ａ内のハウジング２０１に厳格に（または、対応し
て）結合されており、アクチュエータ２１２は、グリッ
プ１６ｂ内のハウジング２０１に厳格に（または、対応
して）結合されている。偏心質量２０６および２１０
は、くさび形、円柱形、または他の形であり得る。回転
されると、質量は、その動作の範囲内で偏心慣性質量が
移動するため、ハウジング２０１を振動させる。

【００４１】高調和振動ドライブのアクチュエータアセ
ンブリ２０２および２０４は、好適には、デバイスによ
って許容される最大の空間的な位置ずれが間にある状態
で配置される。例えば、ゲームパッドの実施形態におい
て、アセンブリ２０２および２０４は、ゲームパッドの
異なるハンドグリップ１６ａおよび１６ｂ内に配置され
得る。これにより、ユーザによって方向性の力がより簡
単に感知されることが可能になる。他の実施形態におい
て、アセンブリ２０２および２０４は、ハウジングの他
の領域内に配置され得るが、この場合も、好適には、か
なりの空間距離によって離されている（例えば、ハウジ
ングの反対側）。アクチュエータアセンブリ２０２およ
び２０４は、それぞれの関連特性（アクチュエータの大
きさ、慣性質量、および減衰（提供される場合））が同
じであり得、デバイスのそれぞれの端部において慣性力
がおおよそ同じように感知されることを可能にし、方向
感覚が効果的であることを可能にする。他の実施形態に
おいて、異なる大きさまたは他の特性を有するアクチュ
エータアセンブリが使用され得る。

【００４２】（一方向ＥＲＭモータによる接触感覚の制
御）図５ａ〜図５ｂに示される慣性回転アクチュエータ
アセンブリは、慣性質量が回転されると、インタフェイ
スデバイス１２のユーザに振動および衝撃を出力し得
る。これらの方法において、周期的な触覚効果の周波数
および振幅は、別個に変化し得、かつ、ＥＲＭアクチュ
エータなど（ただし、これに限定されない）の単一自由
度の一方向ドライブのアクチュエータに表示され得る。

【００４３】多くの標準的なゲームパッド振動触覚デバ
イスは、固定された振幅および周波数でＥＲＭを回転さ
せ、これらの２つは、堅固に結合されている。例えば、
高い周波数の振動は、必然的に高い振幅であり、低い周
波数の振動は、必然的に低い振幅である。図５ａ〜図５
ｂの実施形態に使用するために説明され、かつ、上記の
用途で説明された制御の方法は、１自由度（ＤＯＦ）の
一方向ドライブの回転アクチュエータの振幅および周波
数の別個の変化を可能にし、すなわち、高価な双方向電
流ドライバを使用する必要はない。なぜならば、ＥＲＭ
は、１つの回転方向にのみ駆動される必要があるからで
ある。この技術は、ＥＲＭが、減衰正弦波または重ね合
わされた波形などの複雑な振動を創造することを可能に
するため、重要である。従来のデバイスのＥＲＭは、そ
の速度におおよそ線形的に結合された振幅を有してい
た。本発明は、余分なクラッチ、回路、または機械部品
を利用せずに、これらの制御方法（例えば、ローカルマ
イクロプロセッサのファームウェアまたはデバイス１２
の他のコントローラに実施されている）だけを使用し
て、ＥＲＭモータを使用して任意の振幅の周波数の範囲
を実行し得る。本明細書中に説明する制御方法は、回転
モータだけでなく、他の種類の回転または線形の１ＤＯ
Ｆアクチュエータ（例えば、移動する磁石モータ、ソレ
ノイド、ボイスコイルアクチュエータなどを含む）に適
用され得ることに留意されたい。

【００４４】この制御方法において、周波数命令、振幅
命令、および関数（すなわち、正弦波、方形波、三角
波）が、パラメータまたは入力としてファームウェアに
供給され得る。その次に、ＰＣなどのパーソナルコンピ
ュータで使用される既存のＩｍｍｅｒｓｉｏｎ／Ｄｉｒ
ｅｃｔＸプロトコルが行われ、ここで、振動は、振幅、
周波数、および関数の種類のパラメータ（ならびに、所
望であれば、別のパラメータ）によって制御される。こ
れらのパラメータの等価物が、他の実施形態で供給され
得る。

【００４５】図６に示される時間対振幅の関係を示すグ
ラフ２５０に例が示される。周波数５Ｈｚおよび５０％
振幅の正弦波２５２が、デバイスによって出力されるべ
き所望の振動として示される（この図、および次の同様
の図の全ては、１秒の入力および出力信号を得る）。こ
の制御方法は、波形のそれぞれの周期がどこで始まるか
（または、始まるべきか）を決定し、１つの周期につき
特定の持続時間だけ、制御信号２５４をより高いまたは
「オン」レベルに上昇させる。制御信号２５４は、他の
時間は「オフ」または低い状態である。「オン」レベル
は、モータを活動させ、ＥＲＭ２０６または２１０をそ
の単一の回転方向に回転させる。従って、周期的な制御
信号は、所望（命令）の周波数に基づく周波数を有す
る。制御信号２５４を使用して、アクチュエータを１つ
の周期につき１回脈動させることにより、特定の周波数
を有する振動の感知がユーザに伝達される。制御信号
は、図示のように周期の最初に高レベルに上昇され得る
か、または、周期内の他の時間に高レベルに上昇され得
る。

【００４６】周期的効果の振幅は、制御信号のデューテ
ィサイクルを調整することにより描かれる（例えば、制
御信号２５４の各周期における持続時間（「周期毎のオ
ンタイム」））。制御信号２５４はオンかオフかのいず
れかであるが、制御信号がオンのままである周期毎の時
間は、振幅命令またはパラメータによって決定される。
図６において、可能な振幅の５０％を有する正弦波がリ
クエストされる。本発明によって、このリクエストされ
た振幅は、２５０ｍｓ毎に１５ｍｓの間オンになる制御
信号２５４を生成する。比較のために、同じ周波数を有
する１００％振幅の波形が図７に示され、グラフ２５４
と同様のグラフ２６０が示される。制御信号２６４は、
周波数命令が変化していないため、上記の制御信号２５
４と同じ間隔でオンになる。しかし、制御信号２６４が
オンのままでいる時間は２倍であり、振動の振幅が２倍
であるようにユーザに感じさせる。制御信号がオンであ
る時間が長いほど、アクチュエータが加速する時間も長
くなる。本発明の場合、ＥＲＭはより大きな角速度に達
し、力は角速度の２乗に比例するため、ユーザの手によ
り大きな力が感知される。好適には、質量は回転を止め
ることを決して許容されず、その結果、静止摩擦を克服
する必要があるのは、たった一度（回転の最初）だけで
ある。制御信号が長くオンのままでありすぎると、回転
質量は、複数回循環し、最終的には、自然（共振）の周
波数に達する。この時、ユーザは、命令された周波数で
なく、システムの自然の周波数を感知する。

【００４７】従って、本発明によって、１）制御信号が
どのくらいの頻度でオンになるかは、周波数命令に直接
依存し、２）制御信号がどのくらいの長さオンのままで
あるか（制御信号のオンタイム）は、振幅命令に関係す
る。制御信号のオンタイムの決定は、異なる方法で達成
され得る。本明細書中、２つの異なる方法が示される。
第１に、オンタイムは、「周期の割合」として調整され
得る。制御信号が、各周期の固定された割合の時間だけ
オンになる場合、周波数が増加すると、周期毎のオンタ
イムは減少する。さらに、制御信号は、より頻繁にオン
になる。最終結果として、周波数に関わりなく、制御信
号が各秒に同じ時間だけオンになることが挙げられる。
この技術は、周波数が増加すると、アクチュエータに一
定の力が加えられ、周波数の範囲にわたって感知される
大きさは同じであり続けるという利点を提供する。

【００４８】所望の振動を命令することに関するこの
「周期の割合」による技術の問題は、多くの実施形態に
おいて、比較的低い周波数でうまく機能し得ないことで
ある。低い周波数（例えば、いくつかの実施形態におい
て、２Ｈｚより低い周波数）において、大きすぎる力
が、アクチュエータに一回で加えられる。例えば、１秒
間から得られる力の全てが、周期の最初に連続的な１２
５ｍｓで加えられる場合、このオンタイムの間、回転ア
クチュエータは、制御信号が高いまま何回か循環し、そ
の結果、この１２５ｍｓの間の振動（パルス）出力は、
命令周波数ではなく、アクチュエータの回転速度の周波
数としてユーザによって感知される。従って、デバイス
による振動出力は、命令（低い）周波数に対応し得な
い。

【００４９】本発明の第２の方法は、低い周波数におけ
るこの問題を回避し得、従って、多くのＥＲＭ振動触覚
デバイスに関して振動を出力するより適切な方法を提供
し得る。第２の方法は、周期の割合ではなく、周期毎の
固定された最大時間に関して、制御信号を高く設定す
る。従って、任意の周波数に関する１００％振幅のオン
タイムは同じである。１００％より低い命令振幅のオン
タイムは、１００％より低い命令振幅の量に比例してよ
り低くなる。これにより、周期毎の最大オンタイムが有
効に確立され、１回の連続的なオンタイムの間に複数回
の循環を行うほど長くアクチュエータがオンであること
を防止する。アクチュエータが複数回の循環（例えば、
いくつかの実施形態において、約２〜３回以上）を行う
ことが許容される場合、ユーザは、命令周波数（例え
ば、１０Ｈｚより低くあり得る周波数）ではなく、アク
チュエータの回転速度に基づくより高い周波数を感知す
る。この方法は、この結果を防止する。いくつかの実施
形態において、特定のモータに関するより低い周波数に
おける１００％振幅のリクエストは、単一周期に関して
１パルスより多いとユーザに感知させるような循環回数
よりほんの少し少ない回数（例えば、２〜３循環など）
によって質量を回転させるオンタイムと同一視され得
る。このオンタイムは、実験的に決定され得る。第２の
技術の欠点は、周波数が増加すると、離れているオンタ
イムがより接近し、アクチュエータが最終的には、実際
に、１周期よりも長くオンであるようにリクエストされ
ることである。この時点で、制御信号は常にアソートさ
れ、質量は恒常的に回転し、周波数および振幅はもはや
別個に変化しない。

【００５０】大きさを制御信号のＯＮタイムにマッピン
グする二つの技術は、周波数範囲のうちの異なる部分に
対して適するため、好適な実施形態は、二つの技術を組
み合わせたり融合して、各方法の欠点を回避する。好適
な組み合わせの方法において、第二の方法は、指令され
た周波数が特定の融合閾値周波数より下である場合のみ
用いられ、第一の方法は、この閾値周波数より上の指令
された周波数に対して用いられ得る。制御信号の大きさ
が変化する場合でも融合は可能である。第一に、システ
ムの動力学に基づいて融合閾値を選択する。融合周波数
はＯＮタイムが最長である周波数である。したがって、
この周波数の１００％の大きさに対応するＯＮタイムの
各期間に対して一つの振動パルス（例えば、２質量回
転）を提供する融合周波数が選択されるべきである。例
えば、上述のような大きなモータ／質量の組み合わせを
用いた場合、１０Ｈｚを融合閾値周波数として用いるこ
とが可能である。１０Ｈｚより上の指令された周波数に
対して、第一の方法（「期間の比率」）を用いて制御信
号のＯＮタイムを計算し、１０Ｈｚより下の指令された
周波数に対して、第二の方法（「期間ごとの固定時
間」）を用い得る。他の実施形態において他の閾値が用
いられ得る。二つの方法を融合するには、二つの方法の
最大の大きさが融合閾値周波数で一致する（すなわち、
方法間の移行がスムーズである）ようにスケーラを選択
する。例えば、１０Ｈｚで制御信号のＯＮタイムが２５
ｍｓであると、１０Ｈｚで１００％の大きさの振動が生
成され得る。指令された周波数が１０Ｈｚより下の数値
から融合周波数に接近する場合、「期間の比率」の方法
は１０Ｈｚで２５ｍｓのＯＮタイムを生成するようにス
ケーリングされ、用いられるスケーラは保持され、１０
Ｈｚより上の周波数に対するこの方法に適用される。所
望の効果に応じて、例えば、融合領域の擬態帯（ｍｉｍ
ｉｃ ｂａｎｄ）パスフィルタまたは融合閾値周波数の
いずれか一方の側のローパス／ハイパスの組み合わせな
ど、より高度な融合技術が用いられ得る。

【００５１】周波数とは無関係の大きさの指令を可能に
する別の方法は、制御信号に対して二つのレベルのみを
有するのではなく、リクエストされた大きさに比例して
制御信号２５４の振幅を変化させることである。これは
単独で実行され得るか、または上述の第一の方法および
第二の方法のいずれかまたは両方と共に実行され得る。
例えば、変動振幅を有する他の種類の波形を制御信号
（正弦波、三角波など）として用い得る。制御信号の振
幅を設定または変化させる一つの効率的な方法は、上述
したような制御信号用に選択されたＯＮタイムの間にパ
ルス幅変調（ＰＷＭ）を提供したり、または所定の他の
方法を用いてＯＮタイムの間に制御信号デューティサイ
クルを変化させることである。しかし、ＰＷＭは別個の
ＰＷＭモジュールを必要と得、これによりデバイスのコ
ストが増加し得る。ＰＷＭ方式を避けるために、上述の
第一の方法および第二の方法を、ビットバンギング（ｂ
ｉｔ−ｂａｎｇｉｎｇ）によって実行し得る。ビットバ
ンギングでは、ローカルのマイクロプロセッサは、ＰＷ
Ｍモジュールを用いずにアクチュエータに直接制御信号
を出力する。ビットバンギングによって、制御信号の大
きさは直接制御され得ず、ＰＷＭモジュールの要件が排
除され、プロセッサまたはインターフェースデバイスの
コストが潜在的に減少する。

【００５２】図５ａ〜図５ｂの実施形態にあるように、
振動の大きさおよび周波数を独立に変化させる上述の技
術を複数のアクチュエータ上に同時に用いることが可能
である。この制御技術に関するさらなる発明の特徴を以
下に説明する。

【００５３】（電力効率用の制御信号の組み合わせ）上
述の制御信号を用いて、相互に独立した出力振動の大き
さおよび周波数を制御する。この制御方法を、アクチュ
エータアセンブリ２０２および２０４などの複数のアク
チュエータに対して用いることが可能である。例えば、
それぞれが専用制御信号を用いるアセンブリ２０２およ
び２０４の両方を同時に作動することが可能である。

【００５４】複数のアクチュエータアセンブリを同時に
動作させる一つの問題は、著しい電力量がアクチュエー
タを駆動させるために必要であることである。いくつか
の実施形態において、利用可能な電力が少ないと、複数
のアクチュエータアセンブリの使用が制限され得る。例
えば、インターフェースデバイス１２が、固有の専用電
源を有さず、ＵＳＢ（これも限られた量の電力を提供す
る）などの通信チャネルを介してホストコンピュータ１
４から電力供給される場合、アクチュエータアセンブリ
を動作させるために利用可能な電力量はかなり制限され
る。または、ホストコンピュータに対して無線リンクの
みを有するインターフェースデバイス１２の場合、限ら
れた電力を有する電池（または他の携帯の電力格納デバ
イス）をインターフェースデバイス内で用いてアクチュ
エータを駆動する。このよう電力制限がある多くの場
合、二つ以上のアクチュエータアセンブリを同時に用い
ると、さほど強くない触覚（ｈａｐｔｉｃ）の感覚が出
力される。

【００５５】本発明の一方法によって、二つのアクチュ
エータアセンブリを制限された利用可能な電力量で同時
に動作することが可能になる。図８ａおよび図８ｂは、
上述のようにＥＲＭを回転させて、大きさおよび周波数
を独立に制御する制御信号を示すグラフ２７０および２
７２である。グラフ２７０は、一つのアクチュエータア
センブリ（例えば、アセンブリ２０２）に付与された制
御信号２７４を示し、グラフ２７２はもう一方のアクチ
ュエータアセンブリ（例えば、アセンブリ２０４）に付
与された制御信号２７６を示す。制御信号２７４および
２７６は、同じ周波数ならびに期間Ｔ１およびＴ２を有
する。制御信号２７４は、信号がＨＩＧＨの場合ＯＮタ
イムを有し、信号がＬＯＷの場合ＯＦＦタイムを有し、
デューティサイクルは約４０％であることが示される。
制御信号２７４がＯＮの間、利用可能な電力のすべてま
たはほとんどを用いてモータが回転されるため、大きい
振動が提供される。しかし、制御信号２７４がＯＮの
間、制御信号２７６はＯＦＦのままである。制御信号２
７４がＯＦＦの場合のある時点で制御信号２７６がＯＮ
になり、制御信号２７４がＯＮに戻る前に信号２７６は
ＯＦＦになる。したがって、制御信号２７６は信号２７
４から位相がシフトされ、これによって、制御信号が同
時にＯＮになることが決してない。これによって、任意
のある時間にすべての利用可能な電力を一つのアクチュ
エータに対して用いることが可能になり、利用可能な電
力を、二つのアクチュエータアセンブリ２０２と２０４
との間で分割する必要はない。

【００５６】あるいは、制御信号２７６を、制御信号２
７４の後に少しだけ遅らせることも可能である。これ
は、ＥＲＭが休止（または他の状態）から回転を開始す
るためにより多くの電力を必要とするが、回転を維持す
るためには多くの電力を必要とし得ない場合に有用であ
り得る。例えば、両方のＥＲＭに必要な開始電流が利用
可能な電力量より大きい場合、一つのＥＲＭに必要な開
始電流にもう一方のＥＲＭに必要な回転電流を足した電
流は、利用可能な電力量内にあり得、したがって、第一
のＥＲＭが開始および回転した直後に第二のＥＲＭが開
始することが可能になる。いくつかの実施形態におい
て、制御信号の組み合わせを少なくすると、ユーザが感
じる振動がより効果的になる。なぜならば、各アクチュ
エータアセンブリから結果として生じる振動が、より同
期に生じるようになり、互いに「弱め合う（ｗａｓｈ
ｏｕｔ）」可能性が低いからである。

【００５７】制御信号２７４および２７６の周波数およ
びデューティサイクル（移行したＯＮタイム幅）を変化
させて、図６および図７に関して上述したような種々の
振動の大きさを生成し得る。このように変化された場
合、制御信号は、好適には、同じ周波数およびデューテ
ィサイクルで維持される。これにより、例えば、あたか
もハウジング全体から、ハウジングの両側から等しく生
成される出力など、ユーザにとっては非方向性の振動が
生成される。

【００５８】図６および図７に関して上述したような方
法で用いられた制御信号は、好適には、５０％より大き
いデューティサイクルを有さない。なぜならば、多くの
実施形態において、これにより、アクチュエータアセン
ブリが指令された周波数ではなく自然な周波数で動作す
るようになるからである。例えば、ユーザは指令された
周波数ではなく、継続的に回転するＥＲＭの周波数を感
じる。したがって、この方法は効果的であり得、かつ、
組み合わせが可能であるため、電力を割り当てて、限ら
れた電力量でできるだけ強い振動を提供し得る。したが
って、この組み合わせの方法により、電力効率方式にお
いて二つのアクチュエータによって出力される振動の大
きさおよび周波数を独立して制御することが可能にな
る。

【００５９】図９ａおよび図９ｂは、異なる周波数およ
び／または重複を有する制御信号に関する、本発明の電
力割り当て方法を示すグラフ２８０および２８２であ
る。グラフ２８０は特定の周波数および期間Ｔ１を有す
る制御信号２８４を示し、グラフ２８２は特定の周波数
および期間Ｔ２を有する制御信号２８６を示す。ＯＮタ
イムの信号は、時間Ａの量（通常、各期間ごとに異な
る）だけ重複する。重複は、５０％より大きいデューテ
ィサイクルが必要な所定の環境、または制御信号が異な
る周波数および／またはデューティサイクルである場合
に回避し得ない場合がある。例えば、一つのアクチュエ
ータアセンブリ２０２に、ある周波数で振動を出力する
ように指令したり、他のアクチュエータアセンブリ２０
４に、異なる周波数で振動を出力するように指令したり
して、ユーザが感じる特定の触覚の感覚を達成し得る。

【００６０】本発明によって、制限された電力量をこの
ような状況で用いることを可能にするには、好適には、
制御信号を、重複時間Ａの間に所定のデューティサイク
ルおよび周波数でＯＦＦおよびＯＮにする。これによ
り、両方のアクチュエータが動作している場合に、各ア
クチュエータに対する平均電力消費を減少させることが
可能になり、したがって、利用可能な電力量を効率的に
用いることが可能になる。例えば、図９ｃに示すよう
に、制御信号２８４は、重複時間期間Ａの間、特定のデ
ューティサイクルおよびより高い周波でパルス状にさ
れ、これにより、この重複の間に制御信号２８４の電力
要件を減少させることが可能になる。これは実質的に、
ＰＷＭタイプの制御である。これにより、アクチュエー
タの振動出力の大きさが減少する（これは、ユーザには
わずかにしか分からない）。一方、制御信号２８６も、
重複期間の間に（図９ｂにおいて点線２８８によって示
すように）特定のデューティサイクルおよび周波数でパ
ルス状にされる。したがって、利用可能な電力を二つの
アクチュエータアセンブリ間で共有して、各アクチュエ
ータによる出力が減少し、利用可能な電力量内になる。
図面では、重複の間の制御信号の図示する周波数を用い
得る実際の周波数より低く誇張して示す。

【００６１】制御信号が重複期間の間にパルス状にされ
るデューティサイクルおよび／または周波数を、インタ
ーフェースデバイス１２の動作特徴（例えば、アクチュ
エータ、ＥＲＭ、増幅器の特徴）から決定し得る。重複
の間に両方のアクチュエータを電力量内で動作すること
を可能にする所定のレベル（例えば、制御信号が継続的
にＯＮのままである場合、効果的な重複の大きさは全大
きさの７５％であり得る）に、制御信号の電力要件を減
少するようにデューティサイクルを選択することが可能
である。通常、重複期間の間、パルスが同時にＯＮにな
らないように制御信号を調整する必要はない。これは、
制御信号の比較的高い周波数に起因するため、両方の制
御信号がＨＩＧＨであっても、コンデンサなどの駆動回
路内のコンポーネントが所定の電力レベルを維持するだ
けに十分に充電されることが可能になる。他の実施形態
において、制御信号が同時にＯＮにならないように、重
複期間の間の制御信号を調整し得、可能であれば、時間
が交代するごとにＯＮにし得る。重複期間の間の制御信
号の周波数は、コンデンサを有する駆動回路の能力およ
び所望の電力レベルを維持する他のエネルギー格納コン
ポーネントに基づいて選択される。

【００６２】いくつかの実施形態において、重複期間の
間の制御信号のデューティサイクルを、二つの制御信号
の周波数または期間Ｔに基づいて調整し得る。例えば、
通常、制御信号の期間Ｔ１およびＴ２が短くなればなる
ほど（すなわち、周波数が高くなればなるほど）、アク
チュエータを動作するために必要な電力が多くなる。い
ずれかまたは両方の制御信号が短い期間を有する場合、
重複の間の制御信号のデューティサイクルが減少し、よ
り少ない電力が消費され得る（すなわち、重複期間の間
の効果的な大きさが小さくなる）。いくつかの実施形態
において、期間Ｔ１またはＴ２が非常に長い場合、ＥＲ
ＭはＯＮタイムの後半の間に運動量を得るため、必要な
電力がより少なくなり得る。重複期間の間の制御信号の
デューティサイクルを決定する場合に、これが考慮され
得る。いくつかの実施形態において、高周波振動が、他
のアクチュエータによって出力されたより低い周波数の
振動によって「弱め」られないように、高周波の制御信
号に対するデューティサイクルを増加させ得る。

【００６３】制御信号はそれぞれ、アクチュエータアセ
ンブリの個々の特徴に基づいて、重複期間の間、異なる
デューティサイクルおよび／または周波数を有し得る。
いくつかの実施形態において、一つの制御信号のみが重
複期間の間にパルス状にされる。

【００６４】ローカルプロセッサ（図１１参照）は、い
かに移相が信号を制御し、および／またはいかに重複期
間の間に制御信号をパルス状にするかを制御し得る。例
えば、図５ａおよび図５ｂの別のＯＮタイムの実施形態
において、マイクロプロセッサは制御信号が送信された
場合にモニタリングし得、他の制御信号がＯＦＦの場
合、一つの制御信号しか送信し得ない。

【００６５】上述の電力効率制御方法を、類似の制御信
号またはＯＮタイムを有する他の信号を用いて制御され
得る他の種類のアクチュエータを有する他の実施形態に
も用いることが可能である。

【００６６】（回転慣性アクチュエータアセンブリを用
いた方向感覚）上述の制御方法を用いて、電力が制限さ
れたデバイスにおいて相互に独立した出力振動の大きさ
および周波数を制御することが可能である。この制御方
法を、上述の方向慣性触覚の感覚を出力する方法と共に
用いることも可能である。

【００６７】図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃおよび図１
０ｄはそれぞれ、グラフ３１０、３１２、３１４および
３１６であり、図５ａ〜図５ｂに関して説明した二つの
アクチュエータの実施形態で用いる、本発明の制御方法
における制御信号を示す。この制御信号は、方向接触
（ｔａｃｔｉｌｅ）フィードバック（この場合、二つの
アクチュエータ間の位置にいるユーザによって空間的位
置が察知され得る接触フィードバック）を提供する。グ
ラフ３１０および３１２は、図８ａおよび図８ｂの信号
に類似し、図６および図７の方法によって決定されるよ
うな所定の振動の大きさおよび周波数を生じる制御信号
３１８および３２０を示す。制御信号を、所望の場合に
は、期間、包絡線などの他のパラメータを用いて調整し
得る。

【００６８】所望のパラメータを決定した後、制御信号
をさらに改変して、以下に説明する方向性または「バラ
ンス」を提供する。図１０ｃのグラフ３１４において、
制御信号３２２がＯＮタイムの際に減少して、第一のア
クチュエータアセンブリに、より小さな平均電流が提供
される。一方、図１０ｄのグラフ３１６において、制御
信号３２４がＯＮタイムの際に、制御信号３２２の減少
した量と同じ量だけ増加して、より大きな平均電流が第
二のアクチュエータアセンブリに提供される。したがっ
て、第一のアクチュエータアセンブリはさらに電力量を
提供され、第二のアクチュエータは、第一のアクチュエ
ータにさらに供給された電力量だけ少ない電力が提供さ
れる。例えば、制御信号３２４は、より大きなデューテ
ィサイクル（例えば、２５％だけ増加したデューティサ
イクル）を有するため、より多くの電力がアクチュエー
タに提供され、より強い振動が出力される。制御信号３
２２は、対応する量（２５％）だけ低いデューティサイ
クルを有するため、このアクチュエータから出力される
振動の大きさがより低くなる。これにより、指令された
大きさの全１００％が、二つのアクチュエータアセンブ
リ間で異なって分配される。

【００６９】したがって、振動の大きさは、二つのアク
チュエータアセンブリ２０２と２０４との間で指令され
た大きさを分割することによってスケーリングされる。
ユーザが方向を感知しない振動または他の慣性力感覚を
提供するために、両方のアクチュエータアセンブリは、
等しい電力量（平均電流）を提供され、これにより、図
１０ａ〜図１０ｂにあるように、等しい大きさの振動が
各アクチュエータから出力される。しかし、慣性感覚が
方向を感知する場合、制御信号のＯＮタイムが調整され
る。すなわち、一つのアクチュエータは、もう一方より
多い平均電流を提供され、もう一方のアクチュエータに
よって出力される慣性力より大きな大きさの慣性力がこ
のアクチュエータによって出力される。制御信号３２４
がゲームパッドデバイス２００の左のアクチュエータア
センブリ２０４に付与された場合、左の振動がより大き
いため、ユーザは左の方向を感知する。右の方向が出力
された場合、デバイスの右側のアクチュエータ２０２
は、より多くの平均電流量を提供される。ユーザは、方
向性振動としてデバイスの一方の側により強い振動を感
知する。例えば、ゲームでユーザの車両が左の障壁にぶ
つかった場合、左のアクチュエータがより強い振動を出
力して、この衝突の方向を示し得る。

【００７０】二つのアクチュエータの間の指令された大
きさの分割に応じて、ユーザは二つのアクチュエータア
センブリ間のいずれかの位置において出力慣性感覚を得
る。一方の力が強ければ強いほど、ユーザは結果の力を
出力するアクチュエータアセンブリがより近いと感じ
る。これは、上述の図４に示す位置と同様である。この
ように方向を指令する一つの方法は、上述したような
「バランス」パラメータを指定したり、ホストにアクチ
ュエータアセンブリに直接指令させることである。さら
なるアクチュエータを、上述の実施形態１００に類似し
た実施形態２００でも実現し得、実施形態２００を用い
て掃引効果を指令および出力することが可能である。

【００７１】図１１は、本発明での使用に適した触覚フ
ィードバックシステムの一実施形態を示すブロック図で
ある。

【００７２】ホストコンピュータ１４は、好適には、ホ
ストマイクロプロセッサ４００、クロック４０２、表示
画面２６および音声出力デバイス４０４を含む。ホスト
コンピュータは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、
リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）および入力／出力（Ｉ
／Ｏ）エレクトロニクス（図示せず）などの他の周知の
コンポーネントも含む。表示画面２６は、ゲーム環境の
画像、オペレーティングシステムのアプリケーション、
シミュレーションなどを表示し、スピーカなどの音声出
力デバイス４０４は、ユーザに音声出力を提供する。記
憶デバイス（ハードディスクドライブ、ＣＤ ＲＯＭド
ライブ、フロッピ（Ｒ）ディスクドライブなど）、プリ
ンタ、他の入力デバイスおよび出力デバイスなどの他の
種類の周辺機器もホストプロセッサ４００に結合され得
る。

【００７３】マウス、ゲームパッドなどのインターフェ
ースデバイス１２は、双方向バス２０によってホストコ
ンピュータシステム１４に結合される。双方向バスは、
ホストコンピュータシステム１４とインターフェースデ
バイスとの間でいずれかの方向で信号を送信する。バス
２０は、ＲＳ２３２シリアルインターフェース、ＲＳ−
４２２、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、ＭＩＤ
Ｉまたは当業者に周知の他のプロトコルなどのシリアル
インターフェースバスであっても、パラレルバスであっ
ても、無線リンクであってもよい。いくつかのインター
フェースも、デバイス１２のアクチュエータに電力を供
給し得る。

【００７４】デバイス１２は、ローカルマイクロプロセ
ッサ４１０を含み得る。必要に応じて、ローカルマイク
ロプロセッサ４１０を、デバイス１２のハウジング内に
設けて、マウスの他コンポーネントとの効率的な通信を
可能にし得る。プロセッサ４１０は、デバイス１２にと
ってローカルであると考えられる。本明細書において、
「ローカル」は、ホストコンピュータシステム１４内の
あらゆるプロセッサとは分けられたマイクロプロセッサ
であるプロセッサ４１０を指す。さらに、「ローカル」
は、好適には、デバイス１２の触覚フィードバックおよ
びセンサＩ／Ｏ専用のプロセッサ４１０を指す。マイク
ロプロセッサ４１０は、コンピュータホスト１４からの
指令またはリクエストを待つソフトウェア指示を提供さ
れ得、指令またはリクエストをデコードし、指令または
リクエストによって入力信号および出力信号を処理／制
御する。さらに、プロセッサ４１０は、センサ信号を読
み出し、これらのセンサ信号、時間信号、ホスト指令と
一致して選択された、格納または中継された指示から適
切な力を計算することによって、ホストコンピュータ１
４から独立して動作し得る。マイクロプロセッサ４１０
は、一つのマイクロプロセッサチップ、複数のプロセッ
サおよび／または共同プロセッサチップ、および／また
はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の機能を含み得
る。

【００７５】マイクロプロセッサ４１０は、センサ（単
数または複数）４１２から信号を受信して、ホストコン
ピュータ１４によってバス２０を介して提供される指示
によって、信号をアクチュエータアセンブリ５４に提供
し得る。例えば、ローカルの制御の実施形態において、
ホストコンピュータ１４はバス２０を介してマイクロプ
ロセッサ４１０に高レベルの監視指令を提供し、マイク
ロプロセッサ４１０は指令をデコードし、高レベルの指
令により、かつ、ホストコンピュータ１４から独立した
センサおよびアクチュエータに対する低レベルの力制御
ループを管理する。この動作は、米国特許第５，７３
４，３７３号により詳細に記載される。ホスト制御ルー
プにおいて、力指令は、ホストコンピュータからマイク
ロプロセッサ４１０に出力されて、マイクロプロセッサ
に、指定された特徴を有する力または力覚を出力させる
ように指示する。ローカルのマイクロプロセッサ４１０
は、一つ以上の所与の自由度でマウスの位置を記載する
位置データなどのデータをホストコンピュータに報告す
る。データは、ボタン２４の状態、ｄ−パッド２０など
も記載し得る。ホストコンピュータは、データを用いて
実行されたプログラムを更新する。ローカルの制御ルー
プにおいて、アクチュエータ信号は、マイクロプロセッ
サ４１０からアクチュエータアセンブリ４３４に提供さ
れて、センサ信号は、センサ４１２および他の入力デバ
イス４１８からマイクロプロセッサ４１０に提供され
る。本明細書において、用語「触覚の感覚」または「接
触の感覚」は、ユーザに感覚を提供するアクチュエータ
アセンブリによって出力される一つの力または一連の力
を指す。マイクロプロセッサ４１０は、入力されたセン
サ信号を処理して、以下の格納された指示によって適切
な出力アクチュエータ信号を決定し得る。マイクロプロ
セッサは、ユーザオブジェクト上で出力されるべき力を
ローカルに決定する際にセンサ信号を用いたり、センサ
信号から得られた位置データをホストコンピュータに報
告し得る。

【００７６】さらに他の実施形態において、他のより簡
単なハードウェアをデバイス１２にローカルに設けて、
マイクロプロセッサ４１０に類似した機能を提供し得
る。例えば、固定された論理を組み込んだハードウェア
状態マシーンを用いて、信号をアクチュエータアセンブ
リ４３４に提供して、センサ４１２からセンサ信号を受
信して、所定の順序、アルゴリズムまたはプロセスによ
って接触信号を出力し得る。ハードウェア内の所望の機
能で論理を実現する技術は当業者によって周知である。

【００７７】異なるホスト制御された実施形態におい
て、ホストコンピュータ１４は、バス２０を介して低レ
ベルの力指令を提供し得る。これらの力指令は、マイク
ロプロセッサ４１０または他の（例えば、より簡単な）
回路部を介して、アクチュエータアセンブリ４３４に直
接伝送される。したがって、ホストコンピュータ１４
は、デバイス１２へのすべての信号およびデバイス１２
からのすべての信号を直接制御および処理する。

【００７８】簡単なホスト制御の実施形態において、ホ
ストからデバイスへの信号は、所定の周波数および大き
さにおいてアクチュエータをパルス状にするか否かを示
す一つのビットであり得る。より複雑な実施形態におい
て、ホストからの信号は、所定のパルス強度を提供する
大きさ、および／またはパルスに対して大きさおよび感
覚の両方を提供する方向を含み得る。より複雑な実施形
態において、ローカルプロセッサを用いて、時間をかけ
て付与される所望の力値を示すホストから簡単な指令を
受信して、次いで、マイクロプロセッサは一つの指令に
基づいて出力し得る。より複雑な実施形態において、接
触の感覚パラメータを備えた高レベルの指令が、ホスト
の介入から独立して、全感覚を付与し得るデバイス上の
ローカルプロセッサに伝えられ得る。これらの方法の組
み合わせを、一つのデバイス１２に対して用いることが
可能である。

【００７９】ＲＡＭおよび／またはＲＯＭなどのローカ
ルメモリ４２２は、好適には、マウス１２内のマイクロ
プロセッサ４１０に結合されて、マイクロプロセッサ４
１０用の指示を格納し、一時的な他のデータを格納す
る。例えば、マイクロプロセッサによって出力され得る
一連の格納された力値、またはユーザオブジェクトの現
在位置に基づいて出力されるべき力値のルックアップテ
ーブルなどの力プロファイルをメモリ４２２内に格納す
ることが可能である。さらに、ローカルクロック４２４
をマイクロプロセッサ４１０に結合して、ホストコンピ
ュータ１２のシステムクロックに類似したタイミングデ
ータを提供し得る。タイミングデータは、例えば、アク
チュエータアセンブリ４３４によって出力される力（例
えば、計算された速度に依存した力、または他の時間に
依存した要素）を計算するために必要であり得る。ＵＳ
Ｂ通信インターフェースを用いた実施形態において、マ
イクロプロセッサ４１０用のタイミングデータは、ＵＳ
Ｂ信号から交代で取り出され得る。

【００８０】センサ４１２は、デバイスおよび／または
一つ以上のマニピュランダムまたは制御の位置または運
動を感知したり、位置または運動を表す情報を含む信号
をマイクロプロセッサ４１０（またはホスト１４）に提
供する。操作を検出することに適切なセンサは、デジタ
ル光エンコーダ、光センサシステム、線形光エンコー
ダ、電位差計、光センサ、速度センサ、加速センサ、ひ
ずみ計を含み、または他の種類のセンサも用いられ得、
相対センサまたは絶対センサのいずれかが提供され得
る。当業者に周知であるように、光センサインターフェ
ース４１４を用いて、センサ信号をマイクロプロセッサ
４１０および／またはホストコンピュータシステム１４
によって理解され得る信号に変換し得る。

【００８１】アクチュエータアセンブリ４３４は、マイ
クロプロセッサ４１０および／またはホストコンピュー
タ１４から受信された信号に応答して、上述のようなデ
バイス１２のハウジングに力を伝送する。アクチュエー
タアセンブリ４３４は、例えば、慣性質量を移動させる
ことによって慣性力を生成し得る。接触の感覚を生成す
るハウジングに対して部材を駆動させるアクチュエータ
などの他の種類のアクチュエータも用い得る。

【００８２】アクチュエータインターフェース４１６
を、必要に応じて、アクチュエータアセンブリ４３４と
マイクロプロセッサ４１０との間に接続として、マイク
ロプロセッサ４１０からの信号を適切な信号に変換し
て、アクチュエータアセンブリ４３４を駆動させ得る。
インターフェース４１６は、電力増幅器、スイッチ、デ
ジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）、アナログ／デ
ジタル制御器（ＡＤＣ）および他のコンポーネントを含
み得る。他の入力デバイス４１８を、デバイス１２内に
設けて、ユーザによって操作された場合に、入力信号を
マイクロプロセッサ４１０またはホスト１４に送信す
る。このような入力デバイスは、ボタン２４、ｄ−パッ
ド２０などを含み、さらなるボタン、ダイアル、スイッ
チ、スクロールホイールまたは他の制御またはメカニズ
ムを含み得る。

【００８３】電源４２０を、必要に応じて、アクチュエ
ータインターフェース４１６および／またはアクチュエ
ータアセンブリ４３４に結合されたデバイス１２内に設
けて、電力をアクチュエータに提供したり、別個のコン
ポーネントとして提供し得る。あるいは、電力を、デバ
イス１２とは異なる電源から引いたり、バス２０を介し
て受け取り得る。さらに、受け取られた電力はデバイス
１２によって格納および調整され得、アクチュエータア
センブリ４３４を駆動させるために必要な場合に用いら
れたり、または補足的な方式で用いられ得る。いくつか
の実施形態は、（米国特許第５，９２９，６０７号に記
載されるように）デバイス内の電力格納デバイスを用い
て、ピークの力が付与され得ることを保証する。あるい
は、この技術は無線デバイス内で用いられ得る。この場
合、バッテリ電源を用いて、接触アクチュエータを駆動
し得る。必要に応じて、安全スイッチ４３２を設けて、
ユーザが安全上の理由からアクチュエータアセンブリ４
３４を停止させることが可能になる。

【００８４】本発明をいくつかの好適な実施形態の観点
から説明したが、本発明の変更、置換および均等物は、
明細書を読み図面を検討した際に当業者に明らかとなる
と考えられる。例えば、ジョイスティック、ステアリン
グホイール、ゲームパッドおよびリモートコントロール
を含む、触覚フィードバックデバイスの多くの異なる実
施形態を用いて、本明細書に記載する接触の感覚を出力
することが可能である。さらに、特定の用語は、記述を
明らかにする目的で用いられ、本発明を限定するために
は用いられない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に使用することに適しているゲ
ームパッド触覚フィードバックシステムの透視図であ
る。

【図２ａ】図２ａは、方向慣性フィードバックを提供す
るための２つのアクチュエータを含む触覚インタフェイ
スデバイスの実施形態の平面断面図である。

【図２ｂ】図２ｂは、方向慣性フィードバックを提供す
るための２つのアクチュエータを含む触覚インタフェイ
スデバイスの実施形態の側面図である。

【図３】図３は、図２ａ〜図２ｂの２つのアクチュエー
タの実施形態に使用するための本発明の制御方法を示す
機能図である。

【図４】図４は、インタフェイスデバイスと、ユーザが
合成慣性力を感知し得る可能なおおよその位置との図示
である。

【図５ａ】図５ａは、２つのアクチュエータと回転慣性
質量とを含む触覚インタフェイスデバイスの別の実施形
態を示す平面断面図である。

【図５ｂ】図５ｂは、２つのアクチュエータと回転慣性
質量とを含む触角インタフェイスデバイスの別の実施形
態を示す側面図である。

【図６】図６は、所望の正弦波振動とその振動を提供す
るための制御信号との時間対振幅の関係を示すグラフで
ある。

【図７】図７は、所望の正弦波振動とその振動を提供す
るための制御振動との時間対振幅の関係の別の例を示す
グラフである。

【図８】図８ａおよび８ｂは、２つの異なるアクチュエ
ータアセンブリによって質量を回転させ、かつ、振幅お
よび周波数を別個に制御するための制御信号を示すグラ
フである。

【図９】図９ａ、９ｂおよび９ｃは、異なる周波数およ
び／またはオーバーラップを有する制御信号に関する本
発明の電力割当て方法を示すグラフである。

【図１０】図１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄは、
方向触覚フィードバックを提供するための本発明の制御
方法の制御信号を示すグラフである。

【図１１】図１１は、本発明に使用することに適してい
る触覚フィードバックシステムの一実施形態を示すブロ
ック図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローゼンバーグ， ルイス ビー. アメリカ合衆国 カリフォルニア 95132, サン ノゼ， フェルター ロード 5002 (72)発明者 ムーア， デイビッド エフ. アメリカ合衆国 カリフォルニア 94061, レッドウッド シティー， ダブリュ ー． オークウッド ブールバード 318 (72)発明者 マーティン， ケネス エム. アメリカ合衆国 カリフォルニア 95033, ロス ゲイトス， オールド マイン ロード 21560 (72)発明者 ゴールデンバーグ， アレックス エス. アメリカ合衆国 カリフォルニア 94043, マウンテン ビュー， ウエスト ミド ルフィールド 2225 Ｆターム(参考） 2C001 CA02 CC01 5B087 AA09 AB12 BB21 BC26

Claims (39)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 方向触覚フィードバックをユーザに提供
   するインターフェースデバイスであって、該インターフ
   ェースデバイスはホストコンピュータと通信し、該デバ
   イスは、 該ユーザが物理的に接触するハウジングと、 該ユーザからユーザ入力を検出する少なくとも一つのセ
   ンサと、 該ハウジングに結合された少なくとも二つのアクチュエ
   ータアセンブリであって、該アクチュエータアセンブリ
   のそれぞれは移動慣性質量を含み、該アクチュエータア
   センブリは該ハウジング内に位置決めされて該ハウジン
   グ上に方向慣性感覚を発生させ、一つの制御信号が該ア
   クチュエータアセンブリのそれぞれに異なる大きさで提
   供されて、該ユーザが感じる該方向慣性感覚を提供す
   る、アクチュエータアセンブリとを備える、インターフ
   ェースデバイス。
2. 【請求項２】 前記波形のより大きな大きさが前記アク
   チュエータアセンブリのうちの特定のアクチュエータア
   センブリに付与されて、前記ハウジング内の該特定のア
   クチュエータアセンブリの位置にほぼ対応する方向を有
   する感覚を提供する、請求項１に記載のインターフェー
   スデバイス。
3. 【請求項３】 前記波形のより大きな大きさが前記アク
   チュエータアセンブリのうちの左のアクチュエータアセ
   ンブリに付与されて左の方向を有する感覚を提供し、該
   波形のより大きな大きさが該アクチュエータアセンブリ
   のうちの右のアクチュエータアセンブリに付与されて右
   の方向を有する感覚を提供する、請求項２に記載のイン
   ターフェースデバイス。
4. 【請求項４】 前記コンピュータから高レベルの指令を
   受信して、該高レベルの指令によって前記アクチュエー
   タアセンブリを制御するローカルプロセッサをさらに備
   える、請求項１に記載のインターフェースデバイス。
5. 【請求項５】 前記高レベルの指令はバランスパラメー
   タを含み、該バランスパラメータは、いかに前記アクチ
   ュエータアセンブリ間の出力電流を分割して、該アクチ
   ュエータアセンブリ間の軸に沿って前記方向慣性感覚の
   所望の位置を提供するかを示す、請求項４に記載のイン
   ターフェースデバイス。
6. 【請求項６】 前記高レベルの指令は、前記慣性感覚の
   周波数および大きさを指定する周波数および大きさのパ
   ラメータを含み、該周波数および大きさは互いに独立す
   る、請求項５に記載のインターフェースデバイス。
7. 【請求項７】 前記高レベルの指令は、前記慣性感覚上
   のエンベロープを指定する少なくとも一つのエンベロー
   プパラメータを含み、該エンベロープは該慣性感覚の大
   きさを改変する、請求項５に記載のインターフェースデ
   バイス。
8. 【請求項８】 前記アクチュエータアセンブリはそれぞ
   れ、前記慣性質量を線形に振動させる、請求項１に記載
   のインターフェースデバイス。
9. 【請求項９】 前記制御信号は高調波であり、前記慣性
   質量を二つの方向に駆動させる、請求項８に記載のイン
   ターフェースデバイス。
10. 【請求項１０】 前記制御信号は二つの制御信号に分割
    されて、該制御信号のうちの一つはもう一方の制御信号
    と位相が異なり、該制御信号はそれぞれ該アクチュエー
    タアセンブリのうちの一つに送信される、請求項１に記
    載のインターフェースデバイス。
11. 【請求項１１】 前記アクチュエータアセンブリはそれ
    ぞれ前記慣性質量を回転させる、請求項１に記載のイン
    ターフェースデバイス。
12. 【請求項１２】 前記慣性質量は一つの回転方向でのみ
    回転する、請求項１１に記載のインターフェースデバイ
    ス。
13. 【請求項１３】 前記アクチュエータアセンブリのそれ
    ぞれによって生成された個々の慣性感覚それぞれの大き
    さおよび周波数が、相互から独立して調整可能である、
    請求項１２に記載のインターフェースデバイス。
14. 【請求項１４】 前記ハウジングは二つのグリップを含
    み、前記アクチュエータアセンブリそれぞれは該グリッ
    プのうちの一つにある、請求項１に記載のインターフェ
    ースデバイス。
15. 【請求項１５】 方向触覚フィードバックをユーザに提
    供するインターフェースデバイスであって、該インター
    フェースデバイスは、コンピュータの表示によって前記
    触覚フィードバックを提供し、該デバイスは、 該ユーザが物理的に接触するハウジングと、 該ユーザからユーザ入力を検出する少なくとも一つのセ
    ンサと、 該ハウジングに結合された少なくとも二つのアクチュエ
    ータアセンブリであって、該アクチュエータアセンブリ
    はそれぞれ、一方向に駆動される回転慣性質量を含み、
    該アクチュエータアセンブリは該ハウジング内に位置決
    めされて該ハウジング上に方向慣性感覚を発生させ、制
    御信号が該アクチュエータアセンブリのそれぞれに異な
    るデューティサイクルで提供されて、該ユーザが感じる
    該方向慣性感覚を提供する、アクチュエータアセンブリ
    とを備える、インターフェースデバイス。
16. 【請求項１６】 前記制御信号の指令された大きさが該
    アクチュエータアセンブリのうちの左のアクチュエータ
    アセンブリに付与されて左の方向を有する感覚を提供
    し、該制御信号の指令された大きさが該アクチュエータ
    アセンブリのうちの右のアクチュエータアセンブリに付
    与されて右の方向を有する感覚を提供する、請求項１４
    に記載のインターフェースデバイス。
17. 【請求項１７】 前記コンピュータから高レベルの指令
    を受信して、該高レベルの指令によって前記アクチュエ
    ータアセンブリを制御するローカルプロセッサをさらに
    備える、請求項１５に記載のインターフェースデバイ
    ス。
18. 【請求項１８】 前記高レベルの指令はバランスパラメ
    ータを含み、該バランスパラメータは、いかに該アクチ
    ュエータアセンブリ間の出力振動の大きさを分割して、
    該アクチュエータアセンブリ間の軸に沿って前記方向慣
    性感覚の所望の位置を提供するかを示す、請求項１７に
    記載のインターフェースデバイス。
19. 【請求項１９】 前記高レベルの指令は、前記慣性感覚
    の周波数および大きさを指定する周波数および大きさの
    パラメータを含み、該周波数および大きさは互いに独立
    する、請求項１８に記載のインターフェースデバイス。
20. 【請求項２０】 前記高レベルの指令は、前記慣性感覚
    上のエンベロープを指定する少なくとも一つのエンベロ
    ープパラメータを含み、該エンベロープは該慣性感覚の
    大きさを改変する、請求項１８に記載のインターフェー
    スデバイス。
21. 【請求項２１】 前記制御信号のうちの一つはもう一方
    の制御信号と位相が異なり、該制御信号はそれぞれ該ア
    クチュエータアセンブリのうちの一つに送信される、請
    求項１５に記載のインターフェースデバイス。
22. 【請求項２２】 前記制御信号のうちの一つはもう一方
    の制御信号と位相が異なる、請求項１５に記載のインタ
    ーフェースデバイス。
23. 【請求項２３】 前記制御信号のうちの一つは、該制御
    信号が同時にＯＮに決してならないように前記もう一方
    の制御信号と組み合わされる、請求項２２に記載のイン
    ターフェースデバイス。
24. 【請求項２４】 前記制御信号のうちの一つが前記もう
    一方の制御信号と同時にＯＮになる場合に、該制御信号
    のうちの少なくとも一つは所定の周波数およびデューテ
    ィサイクルでパルス状にされて、該アクチュエータアセ
    ンブリのうちの少なくとも一つの平均電力要件を減少さ
    せる、請求項１５に記載のインターフェースデバイス。
25. 【請求項２５】 方向触覚フィードバックを、インター
    フェースデバイスを操作するユーザに提供する方法であ
    って、該インターフェースデバイスはホストコンピュー
    タと通信し、該方法は、 該インターフェースデバイスの該操作に基づいて該ユー
    ザから入力を検出する工程と、 該ユーザが物理的に接触する該インターフェースデバイ
    スのハウジング上に方向慣性感覚を出力する工程であっ
    て、該方向慣性感覚は少なくとも二つのアクチュエータ
    アセンブリによって発生し、該アクチュエータアセンブ
    リはそれぞれ、慣性質量を移動させ、該アクチュエータ
    アセンブリは該ハウジング内に位置決めされて該方向慣
    性感覚を発生させ、一つの制御信号は該アクチュエータ
    アセンブリのそれぞれに異なる大きさで提供されて、該
    ユーザが感じる該方向慣性感覚を提供する、工程とを包
    含する方法。
26. 【請求項２６】 前記波形のより大きな大きさは前記ア
    クチュエータアセンブリのうちの特定のアクチュエータ
    アセンブリに付与されて、前記ハウジング内の該特定の
    アクチュエータアセンブリの位置にほぼ対応する方向を
    有する感覚を提供する、請求項２５に記載の方法。
27. 【請求項２７】 前記波形のより大きな大きさが前記ア
    クチュエータアセンブリのうちの左のアクチュエータア
    センブリに付与されて左の方向を有する感覚を提供し、
    該波形のより大きな大きさが該アクチュエータアセンブ
    リのうちの右のアクチュエータアセンブリに付与されて
    右の方向を有する感覚を提供する、請求項２６に記載の
    方法。
28. 【請求項２８】 前記コンピュータから高レベルの指令
    を受信して、該高レベルの指令によって前記アクチュエ
    ータアセンブリを制御するローカルプロセッサをさらに
    含み、該高レベルの指令はバランスパラメータを含み、
    該バランスパラメータは、いかに該アクチュエータアセ
    ンブリ間の出力電流を分割して、該アクチュエータアセ
    ンブリ間の軸に沿って該方向慣性感覚の所望の位置を提
    供するかを示す、請求項２６に記載の方法。
29. 【請求項２９】 前記高レベルの指令は、前記慣性感覚
    の周波数および大きさを指定する周波数および大きさの
    パラメータを含み、該周波数および大きさは互いに独立
    する、請求項２８に記載の方法。
30. 【請求項３０】 前記アクチュエータアセンブリはそれ
    ぞれ、前記慣性質量を線形に振動させ、前記制御信号は
    高調波であり、該慣性質量を二つの方向に駆動させる、
    請求項２５に記載のインターフェースデバイス。
31. 【請求項３１】 前記制御信号は二つの制御信号に分割
    されて、該制御信号のうちの一つはもう一方の制御信号
    と位相が異なり、該制御信号はそれぞれ前記アクチュエ
    ータアセンブリのうちの一つに送信される、請求項２５
    に記載のインターフェースデバイス。
32. 【請求項３２】 前記アクチュエータアセンブリはそれ
    ぞれ前記慣性質量を回転させる、請求項２５に記載のイ
    ンターフェースデバイス。
33. 【請求項３３】 方向触覚フィードバックを、インター
    フェースデバイスを操作するユーザに提供する方法であ
    って、該インターフェースデバイスはホストコンピュー
    タと通信し、該方法は、 該インターフェースデバイスの該操作に基づいて該ユー
    ザから入力を検出する工程と、 該ユーザが物理的に接触する該インターフェースデバイ
    スのハウジング上に方向慣性感覚を出力する工程であっ
    て、該方向慣性感覚は少なくとも二つのアクチュエータ
    アセンブリによって発生され、該アクチュエータアセン
    ブリのそれぞれは慣性質量を一方向に回転させ、該アク
    チュエータアセンブリは該ハウジング内に位置決めされ
    て該方向慣性感覚を発生させ、制御信号は該アクチュエ
    ータアセンブリのそれぞれに異なるデューティサイクル
    で提供されて、該ユーザが感じる該方向慣性感覚を提供
    する、工程とを包含する方法。
34. 【請求項３４】 前記制御信号の指令された大きさは前
    記アクチュエータアセンブリのうちの左のアクチュエー
    タアセンブリに付与されて左の方向を有する感覚を提供
    し、該制御信号の指令された大きさは該アクチュエータ
    アセンブリのうちの右のアクチュエータアセンブリに付
    与されて右の方向を有する感覚を提供する、請求項３３
    に記載の方法。
35. 【請求項３５】 前記ホストコンピュータから受信され
    た高レベルの指令は前記アクチュエータアセンブリを制
    御し、バランスパラメータを含み、該バランスパラメー
    タは、いかに該アクチュエータアセンブリ間の出力振動
    の大きさを分割して、該アクチュエータアセンブリ間の
    軸に沿って前記方向慣性感覚の所望の位置を提供するか
    を示す、請求項３３に記載の方法。
36. 【請求項３６】 前記高レベルの指令は、前記慣性感覚
    の周波数および大きさを指定する周波数および大きさの
    パラメータを含み、該周波数および大きさは互いに独立
    する、請求項３５に記載の方法。
37. 【請求項３７】 前記制御信号のうちの一つはもう一方
    の制御信号と位相が異なる、請求項３３に記載の方法。
38. 【請求項３８】 前記制御信号のうちの一つは、該制御
    信号が同時にＯＮに決してならないように前記もう一方
    の制御信号と組み合わされる、請求項３７に記載の方
    法。
39. 【請求項３９】 前記制御信号のうちの一つが前記もう
    一方の制御信号と同時にＯＮである場合に、該制御信号
    のうちの少なくとも一つは所定の周波数およびデューテ
    ィサイクルでパルス状にされて、該アクチュエータアセ
    ンブリのうちの少なくとも一つの平均電力要件を減少さ
    せる、請求項３３に記載の方法。