振動発生装置
【課題】 重心が偏った錘をモータで回転して振動を発生する振動発生装置において、モータが１回転する間の速度変化を効率良くできるように制御可能な振動発生装置を提供する。
【解決手段】 重心が偏った錘が回転軸に固定されたモータの回転速度変化をエンコーダから得て、予め設定された速度変化プロファイルＰｖと実際の速度情報との差を回復できるようにフィードバック制御が行われる。さらに、モータに発揮させる理想的なトルク変化プロファイルＰｔが使用され、フィードバックされた補正速度情報がトルク変化プロファイルＰｔに追従するように、フィードフォワード制御が行われる。これにより、モータを理想的な速度変化で駆動できるようになる。
【解決手段】 重心が偏った錘が回転軸に固定されたモータの回転速度変化をエンコーダから得て、予め設定された速度変化プロファイルＰｖと実際の速度情報との差を回復できるようにフィードバック制御が行われる。さらに、モータに発揮させる理想的なトルク変化プロファイルＰｔが使用され、フィードバックされた補正速度情報がトルク変化プロファイルＰｔに追従するように、フィードフォワード制御が行われる。これにより、モータを理想的な速度変化で駆動できるようになる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量が偏った錘をモータで回転させて振動を発生する振動発生装置に係り、特に、錘が１回転する間の速度制御を行えるようにして、振動を効率良く発生させることができる振動発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゲーム装置用のコントローラや携帯用情報端末機器などに振動発生装置が搭載されている。この振動発生装置は、機器の筐体の内部に、モータの回転軸に重心が偏った錘が取り付けられており、錘が回転するときの慣性力によって筐体に振動が与えられる。
【０００３】
以下の特許文献１には、振動発生装置に関する発明が開示されている。
この振動発生装置は、重心が偏った２個の回転子を回転させ、２つの回転子の位相および回転速度を制御することで、筐体を保持した手に与える感触を制御するというものである。特に、２個の回転子の回転速度を急激に増速する期間と、この期間に続いて緩慢に減速する期間とを交互に繰り返すように制御することで、筐体を保持している手に、振動感覚に加えてトルク感覚と力感覚を与える技術的事項が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９０４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の図３や図４などに、回転速度を急激に増速する期間と緩慢に減速する期間を設定するための回転子の回転速度の制御方法が記載されている。これによると、回転子が１回転する期間の最初に正側の一定の大きさの回転トルクが与えられ、その後に負側の一定の大きさの回転トルクが与えられる。
【０００６】
しかし、この制御方法では、回転子に対し正側の一定の大きさの回転トルクを一定期間与えるために、１回転の開始時に回転トルクを負側から正側へ瞬時に向けるために大きなエネルギーが必要になり、この回転を繰り返すことで大きな消費電力が必要になる。また、特許文献１に示すものは、一定の大きさの正側の回転トルクと負側の回転トルク繰り返すという単純な制御しかできず、回転子に対し、効率の良い低電力の回転速度変化を与える制御を行うことができない。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、錘が取り付けられた回転軸が１回転する間の回転速度の変化を、低消費電力などを実現しやすい理想的な速度変化プロファイルやトルク変化プロファイルに近づけることができる振動発生装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、手で保持可能な大きさの筐体に、重心が回転中心から偏った錘が回転軸に取り付けられたモータと、前記回転軸の回転速度に応じて周波数が変化する速度検出パルスが得られるエンコーダと、前記モータに与える駆動電流を制御する制御部とが搭載されて、前記錘の回転によって前記筐体に振動が与えられる振動発生装置において、
前記制御部では、前記回転軸が１回転する間の速度変化を示す速度変化プロファイルが保持されており、前記速度検出パルスから得られた速度変化の検知情報を前記速度変化プロファイルにフィードバックするフィードバック制御が行われて、前記検知情報と前記速度変化プロファイルとの誤差を回復した補正速度情報が生成され、
前記補正速度情報が反映されたデューティ比を有する駆動パルスを生成するＰＷＭ制御部と、前記駆動パルスのデューティ比に応じた駆動電流を前記モータに与えるモータドライバが設けられ、前記モータが駆動され前記錘が回転して振動が発せられることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の振動発生装置は、モータの回転軸および錘が１回転する間の理想的なまたは目標となる速度変化を示す速度変化プロファイルのデータが予め保持されており、実際のモータの回転速度と速度変化プロファイルの速度変化との差を回復できるようにモータの回転速度が制御される。その結果、モータの回転速度の変化によって筐体に対して振動と共にいずれかの向きの力を与えることなどが可能になり、しかもこのような動作を最少の電力消費で効率的に行わせる速度制御が可能になる。
【００１０】
さらに、本発明は、前記制御部には、前記回転軸が１回転する間に前記モータへ与えるべきトルクの変化を示すトルク変化プロファイルが保持されており、前記フィードバック制御と共に、前記トルク変化プロファイルでフィードフォワード制御が行なわれて、前記補正速度情報が得られるものである。
【００１１】
フィードバック制御では、速度変化プロファイルで与えられる目標速度に対する回転速度の遅れなどを回復できる一方で、フィードフォワード制御は位相進み補償となるため、フィードバック制御のみを実施するものに比較して、フィードバック制御とフィードフォワード制御の双方を行うことで、外乱に作用されずに理想的なトルク変化を発生させることができる。
【００１２】
本発明は、前記トルク変化プロファイルの時間に対するトルク変化は、１回転の期間の最初にトルクが徐々に上昇する上昇区間と、トルクが正方向から負方向へ時間軸に対して垂直に変化する急変区間とを有しており、前記急変区間のトルク変化によって、前記錘が１回転する途中で前記筐体に力が与えられることが好ましい。
【００１３】
上記のトルク変化プロファイルは、一回転の開始初期にトルクが徐々に高くなる上昇区間を有しているが、この上昇区間ではトルク変化が緩やかであるため、トルク変化に伴う振動感を和らげながら、正のトルク区間において遠心力を蓄積することができる。そして、急変区間でトルクを正側から負側へ急激に変化させることで、筐体を保持している手に、急激なトルク変化に伴う振動を感じさせることで、いずれかの方向へ向く力を感じさせることが可能になる。
【００１４】
また、１回転の開始初期にトルクが徐々に高くなる上昇区間を有し、正側のトルクが徐々に増加するため、この正側のトルクを蓄積するのに要するエネルギーを節約でき、消費電力を低下させることが可能になる。
【００１５】
本発明は、前記急変区間では、負側のトルクの絶対値が一時的に大きくなり、前記急変区間を超えると、前記絶対値が徐々に小さくなるものが好ましい。
この構成により、急変区間でのトルクの変化量を大きくできる。
【００１６】
本発明は、前記筐体に姿勢の変化を検知する加速度センサが設けられ、前記トルク変化プロファイルのトルク変化が、前記加速度センサの検知出力で補正される。または、前記筐体に角速度センサが設けられ、前記トルク変化プロファイルのトルク変化が、前記角速度センサの検知出力で補正されるものとして構成できる。
【００１７】
上記のように加速度センサや角速度センサを設けていると、手で保持した筐体の姿勢や動きを検知できる。その検出データによってトルク変化プロファイルを補正することにより、動いて姿勢が変化している途中であっても、筐体から手に目的となるトルク変化の感触、すなわち力の変化の感触を与えることができるようになる。
【００１８】
本発明は、前記筐体に、それぞれが前記錘を有するモータが２個設けられ、それぞれのモータに設けられたエンコーダから回転軸の位相を検知する位相検出パルスが得られ、前記制御部では、２つのモータから得られる前記位相検出パルスの位相差を回復するフィードバック制御が行われるものとして構成される。
【００１９】
上記振動発生装置は、２つのモータの回転位相と回転速度を制御することで、筐体に対して種々のモードの振動を与えることができる。この場合に、２つのモータの位相差を常に適正に設定することが可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の振動発生装置は、理想的なまたは目標となる速度変化プロファイルに合わせてモータの回転速度を制御しているため、一方向へ向けられた力を感じさせるような振動モードを常に安定して発揮させることができ、またトルク変化を理想的に且つ省電力で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態の振動発生装置を示す平面図、
【図２】第１の実施の形態の振動発生装置の２つのモータの錘の回転位相と発生する振動との関係を示す図１をＩＩ矢視方向から見た正面図、
【図３】本発明の第２の実施の形態の振動発生装置を示す平面図、
【図４】第２の実施の形態の振動発生装置のモータの錘の回転位相を示す図３をＩＶ矢視方向から見た正面図、
【図５】振動発生装置の回路ブロック図、
【図６】モータ駆動部の回路構成図、
【図７】（Ａ）は速度変化プロファイルの説明図、（Ｂ）はトルク変化プロファイルの説明図、
【図８】トルク変化プロファイルの他の構成例を示す説明図、
【図９】ＰＷＭ制御部で発せられる駆動パルスとトルク変化との関係を示す模式図、
【図１０】制御部の制御動作を示す動作説明図、
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に示す本発明の第１の実施の形態の振動発生装置１は、ゲーム装置用などのコントローラとして使用されるものである。
【００２３】
図１に示す振動発生装置１は、筐体２を有している。筐体２は人が両手で保持するのに適した大きさであり、右側部２ａが右手で保持され、左側部２ｂが左手で保持される。筐体２の表面には、ゲーム装置などを遠隔で操作するための各種操作部材が設けられており、筐体２の内部には、ゲーム装置などの機器本体との間で操作情報やフィードバック情報を交信するために交信装置が設けられている。
【００２４】
筐体２の内部に第１のモータＭ１と第２のモータＭ２が、Ｘ方向に間隔を空けて搭載されている。第１のモータＭ１の回転軸３ａと第２のモータＭ２の回転軸３ｂは互いに平行で、共にＺ方向に延びている。第１のモータＭ１の回転軸３ａに錘４ａが固定され、第２のモータＭ２の回転軸３ｂに錘４ｂが固定されている。図２に示すように、錘４ａはその重心が回転軸３ａの軸芯から偏った位置にあり、錘４ｂはその重心が回転軸３ｂの軸芯から偏った位置にある。
【００２５】
なお、第１のモータＭ１ならびに第２のモータＭ２として、モータの内部のロータ部が回転軸の軸芯から偏った位置にあって、重心が回転軸から偏った錘を有するモータと実質的に同じ機能を発揮するものを使用してもよい。このモータはモータの構造部の内部に偏芯錘が構成されていることとなり、錘が外部に出ていないために機器を小型に構成しやすくなる。
【００２６】
図５に示すように、筐体２の内部に、第１のモータＭ１の回転によってパルスを出力するエンコーダ５ａと、第２のモータＭ２の回転によってパルスを出力するエンコーダ５ｂが設けられている。エンコーダ５ｂは第１のモータＭ１の後部に取り付けられ、エンコーダ５ｂは第２のモータＭ２の後部に取り付けられている。
【００２７】
エンコーダ５ａ，５ｂのそれぞれは、回転軸３ａ，３ｂと共に回転する回転板と、この回転板に円周方向へ向けて一定のピッチで形成されたスリットと、前記スリットを検知する光学検知素子とを有している。それぞれのエンコーダ５ａ，５ｂからは、回転軸３ａ，３ｂが１回転する間に１５０個発生する速度検出パルスが得られる。回転軸３ａ，３ｂが等速回転しているとき、検出される速度検出パルスの周波数は一定であり、回転軸３ａ，３ｂの回転速度が変化すると、これに比例して速度検出パルスの周波数が変化する。速度検出パルスは位相が互いに９０度相違するＡ相パルスとＢ相パルスを有しており、回転軸３ａ，３ｂの回転方向を検出できる。
【００２８】
なお、本明細書での「回転速度」や「速度」は、モータの回転軸の「角速度」と同じ意味である。
【００２９】
また、エンコーダ５ａ，５ｂのそれぞれからは、回転軸３ａ，３ｂが１回転する度に１個の位相検出パルス（インデックスパルス）が得られる。図５では、エンコーダ５ａ，５ｂのそれぞれから得られる位相検出パルスがＺ相パルスとして記載されている。
【００３０】
前記位相検出パルスが得られたときの位相を基準として回転軸３ａ，３ｂに錘４ａ，４ｂを固定することで、２個のモータＭ１，Ｍ２に設けられた錘４ａ，４ｂの相対位置を常に制御することができる。
【００３１】
図１に示すように、振動発生装置１の筐体２の内部に制御部１０が設けられている。
制御部１０はＣＰＵやメモリを主体に構成されており、予め格納されたプログラムに基づいて第１のモータＭ１と第２のモータＭ２の回転速度や回転位相を制御する制御動作が行われる。図１０には、制御部１０で実行される制御動作が処理ブロック図として示されている。
【００３２】
制御部１０にＰＷＭ制御部２９が設けられており、前記制御部１０での制御動作に基づいて、ＰＷＭ制御部２９から第１のモータ用の駆動パルス１１ａと第２のモータ用の駆動パルス１１ｂが出力される。第１のモータ用の駆動パルス１１ａと第２のモータ用の駆動パルス１１ｂは、制御動作によってデューティ比が制御されたパルス信号である。
【００３３】
図６に示すように、制御部１０には、第１のモータ駆動部１２ａと第２のモータ駆動部１２ｂが接続されている。制御部１０から出力された第１のモータ用の駆動パルス１１ａが、第１のモータ駆動部１２ａに与えられると、駆動パルス１１ａが積分回路１３ａで積分されて平滑化され、ゲイン設定回路１４ａでゲインが調整されて、第１のモータドライバ１５ａに与えられる。制御部１０から出力された第２のモータ用の駆動パルス１１ｂも、第２のモータ駆動部１２ｂ内の積分回路１３ｂで積分されて平滑化され、ゲイン設定回路１４ｂでゲインが調整されて、第２のモータドライバ１５ｂに与えられる。
【００３４】
また、積分回路１３ａ，１３ｂによる平滑化回路を用いずに、Digital Analog Convertor（Ｄ／Ａ変換回路）を用いて、ＰＷＭ信号をアナログ値に変換して第１のモータドライバ１５ａと第２のモータドライバ１５ｂに与えてもよい。
【００３５】
第１のモータＭ１と第２のモータＭ２はＤＣモータであり、第１のモータＭ１は第１のモータドライバ１５ａによって回転駆動され、第２のモータＭ２は第２のモータドライバ１５ｂによって回転駆動される。
【００３６】
図５に示すように、第１のモータＭ１に接続されたエンコーダ５ａから得られるＡ相とＢ相の速度検出パルスおよびＺ相の位相検出パルスは制御部１０に与えられ、第２のモータＭ２に接続されたエンコーダ５ｂから得られるＡ相とＢ相の速度検出パルスおよびＺ相の位相検出パルスも制御部１０に与えられる。これにより、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２の回転制御がフィードバック制御によって行われる。
【００３７】
図１と図５に示すように、振動発生装置１の筐体２に加速度センサ１８と角速度センサ１９が搭載されている。加速度センサ１８は、加速度に反応する質量とその質量の変位量を検知する検知手段とを有しており、互いに直交するｘ軸とｙ軸およびｚ軸方向の加速度を個別に検知できる。加速度センサ１８により検知されたｘ軸の加速度成分とｙ軸の加速度成分およびｚ軸の加速度成分が制御部１０に与えられる。この加速度センサ１８により、重力の加速度の向きが検知され、重力方向に対する筐体２の姿勢が検出される。または、筐体２が手で急激に動かされるなど筐体２に加速度が与えられたときも、この加速度が検出される。
【００３８】
角速度センサ１９は振動型ジャイロなどであり、筐体２が手で保持されて動かされたときのコリオリ力の変化に反応して角速度に比例した出力が得られる。振動型ジャイロでは、ｘ軸周り角速度とｙ軸周りの角速度およびｚ軸周りの角速度が検出され、それぞれの検出信号が制御部１０に与えられる。
【００３９】
制御部１０では、筐体２に設けられた操作部材で遠隔操作を行うときの操作情報や、ゲーム装置の本体から送られてくる振動の発生指令と停止指令、さらには振動の種別指令などに基づいて、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２とを駆動する。
【００４０】
図２（Ａ）に示す制御例では、第１のモータＭ１の錘４ａと第２のモータＭ２の錘４ｂが、互いに位相が一致した状態で時計方向へ回転駆動される。重心が偏った２つの錘４ａ，４ｂが同じ周期で回転することで筐体２に比較的振幅の大きい振動を与えることができる。
【００４１】
図２（Ｂ）に示す制御例では、第１のモータＭ１の錘４ａと第２のモータＭ２の錘４ｂが、位相が１８０度相違した状態を保ちながら、同じ方向へ回転駆動される。この場合、筐体２に比較的振幅の小さい振動を与えることができる。
【００４２】
図２（Ｃ）に示す制御例は、第１のモータＭ１の錘４ａと第２のモータＭ２の錘４ｂが、図示左右方向に離れた位置関係が１回転に１度発生する位相関係を維持して、互いに逆方向へ回転駆動される。この場合、筐体２に対して、Ｙ方向の振幅が比較的大きく、Ｘ方向の振幅が比較的小さい振動が与えられる。
【００４３】
また、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２の１回転の間の速度（角速度）を変化させることにより、図２（Ａ）の回転例において、筐体２を保持している手に対して一定の向きの力が作用する感触を与えることができる。
【００４４】
例えば、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２を時計回りに回転させて、錘４ａと錘４ｂが＋Ｙ側に位置したときに反時計方向へ向く大きな加速度の変化を与えて時計方向への速度を減速させる。これにより、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２から筐体２に対して、錘の角速度の急激な減少で発生する反力に伴う回転振動と共に＋Ｘ方向への錘による慣性力が与えられて、筐体２を保持する手に対して、あたかも筐体２が＋Ｘ方向へ押されているような、または図２（Ａ）において時計回り方向へ捻られるような感触が与えられる。
【００４５】
図２（Ｃ）の回転例は、第１のモータＭ１の錘４ａと、第２のモータＭ２の錘４ｂとが逆回転で、Ｘ方向成分が互いに打ち消されるために、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２の１回転の間の速度（角速度）を、例えば増速から減速へと変化させたときに、筐体２を保持する手に対して捩るような感触はあまり与えられず、錘の角速度の減少により発生する反力と、錘の慣性力によって、筐体２を保持している手に対して、振動と共に、＋Ｙ方向または―Ｙ方向に向けて強い力が与えられているような感触が与えられる。
【００４６】
以下においては、図２（Ａ）に示す回転例において、１回転に一度、筐体２に対して＋Ｘ方向への力を与え、その結果、筐体２があたかも＋Ｘ方向へ押されているかのような感触を得るための制御動作を説明する。
【００４７】
図１０では、第１のモータＭ１とこれに接続されているエンコーダ５ａが１つのブロックで示され、第２のモータＭ２とこれに接続されているエンコーダ５ｂが１つのブロックで示されている。
【００４８】
以下で説明する制御動作では、図２（Ａ）に示すように、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２が同じ方向へ回転しているため、エンコーダ５ａから得られるＡ相の速度検出パルスとＺ相の位相検出パルスが使用され、エンコーダ５ｂから得られるＡ相の速度検出パルスとＺ相の位相検出パルスが使用されて、制御動作が行われる。
【００４９】
以下では第１のモータＭ１の回転速度を制御する制御動作を説明するが、第２のモータＭ２の回転速度の制御も同じである。
【００５０】
図７（Ｂ）は、第１のモータＭ１が１回転する間に発生させようとしているトルクの変化を示すトルク変化プロファイルＰｔを示しており、図７（Ａ）は、第１のモータＭ１を駆動するときの１回転の間の速度変化を示す速度変化プロファイルＰｖを示している。
【００５１】
図７（Ｂ）に示すトルクは、第１のモータＭ１を駆動するエネルギーと同じ次元である。また、図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔは、第１のモータドライバ１５ａから第１のモータＭ１に与えられる駆動電流の変化と等価である。よって、図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔを、第１のモータＭ１を駆動するために駆動電流の変化を示す電流変化プロファイルと読み替えることもできる。また、図７（Ｂ）に示すトルク変化および駆動電流の変化は、第１のモータＭ１の回転軸３ａの加速度の変化と同じである。
【００５２】
図１０に示すように、制御部１０内のメモリ内のテーブルＴ１に、図７（Ａ）に示す速度変化プロファイルＰｖが目標値（理想値）として書き込まれて保持されており、テーブルＴ２に、図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔが目標値（理想値）として書き込まれて保持されている。
【００５３】
図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔでは、回転軸３ａの１回転の周期をτとしたときに、回転し始めて最初のほぼ（１／３）・τの期間で正側の回転トルクが発生し、その後の（２／３）・τの期間で負側の回転トルクが発生する。これに対応する速度変化プロファイルＰｖでは、最初のほぼ（１／３）・τの期間が増速区間であり、その後の（２／３）・τの期間が減速区間である。
【００５４】
トルク変化プロファイルＰｔの正側の回転トルクを発生させる区間の最初のτａが上昇区間であり、この上昇区間τａで正側の回転トルクが徐々に上昇する。そして、（１／３）・τの期間のうちの残りのτｂの区間では回転トルクが一定である。（１／３）・τを経過した後の急変区間τｃにおいて、正側の回転トルクから負側の回転トルクへ急激に変化する。このトルク変化は、図７（Ｂ）に示すように、時間軸に対してほぼ垂直に下がるように急激に変化する。そして、その後の（２／３）・τの期間では、負側の回転トルクの絶対値が徐々に小さくなっていく。
【００５５】
図７（Ａ）に示す速度変化プロファイルＰｖでは、上昇区間τａで回転速度が徐々に上昇して行き、τｂでは速度変化が一定加速度で上昇していく。そして急変区間τｃにおいて、トルクの正側から負側への反転に応じて、回転方向と逆向きの加速度が急激に作用する。その後は、回転速度が（２／３）・τの時間をかけて徐々に低下していく。
【００５６】
前記急変区間τｃでは、第１のモータＭ１のトルクが正側から負側へ急激に変化し、回転方向と逆向きの加速度が急激に作用するため、第１のモータＭ１から筐体２に対して正側トルクにより蓄えられた錘による慣性力と、錘の角速度の減少で発生する反力（モータのブレーキトルク）とが合致して、大きなベクトルが与えられる。急変区間τｃを、図２（Ａ）に示すように錘４ａが＋Ｙ側に至ったとき、あるいはそれよりも少し前のタイミングとなるように設定することで、筐体２を手で保持しているときに、手に対して回転振動と共にあたかも＋Ｘ方向へ押されているかのような感触を与えることができる。
【００５７】
図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔは、第１のモータドライバ１５ａから第１のモータＭ１に与えられる駆動電流の変化と等価である。駆動電流を与える電流変化プロファイルでは、急変区間τｃにおいて、正側の電流値と負側の電流値との落差を大きくしているが、上昇区間τａでは急変区間τｃに至るまでに電流値を徐々に上昇させ、急変区間τｃを超えた後の（２／３）・τの時間で負側の電流値の絶対値を徐々に低下させている。そのため、急変区間τｃにおいて、正側の電流値と負側の電流値との落差を大きくでき、正側の回転トルクと負側の回転トルクとの落差を大きくできて、筐体２に大きな慣性力を与えることができる。その一方で、急変区間τｃの前後で電流値を徐々に変化させることで、１回転の間の消費電力を低減できるようになる。
【００５８】
また、（１／３）・τの期間では、正側のトルクの蓄積に伴う反力が徐々に増加することにより、与えたい方向とは別な方向に作用する反力の影響を低減でき、これによりエネルギーの消費を低減できる。
【００５９】
図８に示すトルク変化プロファイルＰｔａは、急変区間τｃにおいて、負側に大きなトルク変化Ｐｔ１を与えている。これにより、大きなブレーキトルクを与えて発生する反力を増加させることが可能である。また、モータ回転に伴う逆起電力も利用可能となるため、より強いブレーキトルクを利用することも可能となり、低トルクのモータを使用し低消費電力で大きな力を発生することができる。
【００６０】
また、急変区間τｃの直後では、負側のトルクの絶対値を小さくし、その絶対値を徐々に小さくすることで、消費エネルギーを少なくできるようになる。
【００６１】
図１０に示すように、制御部１０の制御動作では、第１のモータＭ１が駆動されると、エンコーダ５ａからＡ相の速度検出パルス２１が得られる。回転速度算出部２２では、間欠的に送られてくる速度検出パルス２１の周期の変化から速度情報２３が求められる。この速度情報２３と、テーブルＴ１に保持されている図７（Ａ）に示す速度変化プロファイルＰｖとが比較され、その誤差情報２４に基づいて、比例補正部２５で比例補正が行われ、積分補正部２６で積分補正が行われる。
【００６２】
比例補正部２５と積分補正部２６では、テーブルＴ１から与えられる速度変化プロファイルＰｖと実際の第１のモータＭ１の回転で得られた速度情報２３との誤差を回復させるフィードバック制御が行われる。比例補正部２５では、実際の回転速度が速度変化プロファイルＰｖに対して遅れたり進んでいるときに、その誤差に比例させて速度を回復させる補正情報が生成される。この場合、補正の残差が発生するが、積分補正部２６ではこの残差を累積させる補正が行われる。
【００６３】
比例補正部２５と積分補正部２６とで補正された補正速度情報２７に基づいてモータ駆動信号２８が生成され、これがＰＷＭ制御部２９に与えられて第１のモータ用の駆動パルス１１ａが生成される。図６に示すように、駆動パルス１１ａがモータ駆動部１２ａに与えられて、ＤＣ成分に変換されて第１のモータドライバ１５ａに与えられる。
【００６４】
図９（Ａ）（Ｂ）は、ＰＷＭ制御部２９で生成される駆動パルス１１ａと、モータ駆動部１２ａで平滑されて第１のモータドライバ１５ａから第１のモータＭ１に与えられる駆動電流Ｉとの関係を模式的に示している。図９（Ａ）に示す駆動方法では、駆動パルス１１ａは、（１／３）・τの期間で、２．５Ｖの基準電位とする正側のパルスがその周波数が徐々に高くなるように与えられ、その後、２．５Ｖを基準電位とする負側のパルスに反転し、負側のパルスの周波数が徐々に低下する。一方、図９（Ｂ）に示す駆動方法では、駆動パルスのデューティー比を変化させている。
【００６５】
図９（Ａ）または（Ｂ）の駆動方法では共に、第１のモータドライバ１５ａから第１のモータＭ１に与えられる駆動電流Ｉが、図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔに追従する波形変化となる。
【００６６】
上記の閉ループにより、目標となる速度変化プロファイルＰｖと、実際の第１のモータＭ１の回転速度の差を回復するようフィードバック制御が行われる。
【００６７】
さらに、図１０に示すように、テーブルＴ２に、図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔが保持されている。このトルク変化プロファイルＰｔは、第１のモータＭ１が発揮すべき目標となる理想的なトルク変化を示している。エンコーダ５ａから得られた速度検出パルス２１に基づく実際の速度情報を使用したフィードバック制御で補正された補正情報に、さらにトルク変化プロファイルＰｔが加算されて前記補正速度情報２７が得られる。
【００６８】
このフィードフォワード制御により、予め理想状態として登録されているトルク変化プロファイルが与えられることになり、温度変化によるモータの回転特性の変動や、モータドライバなどの回路の動作の変動があったとしても、フィードフォワード補償に伴う位相進み補償による効果により、フィードバック補償ゲインを強くすることが可能となり、外部環境変化の影響を受けにくくなる。よって、よりトルク変化プロファイルＰｔに近づけるような補正速度情報２７を生成することができ、第１のモータＭ１の１回転中に筐体２に対して一定方向の力を与えるような駆動制御を安定して行うことができる。
【００６９】
図１０に示す第２のモータＭ２に対する駆動制御は、第１のモータＭ１に対するものと全く同じである。第２のモータＭ２の回転速度の変化は第１のモータＭ１と同じであるため、第２のモータＭ２の制御系統においてもテーブルＴ１に図７（Ａ）に示す速度変化プロファイルＰｖが保持され、テーブルＴ２に図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔが保持される。
【００７０】
図１０に示すように、第１のモータＭ１のエンコーダ５ａから得られた位相検出パルス３３ａが位相検出部３４ａに与えられ、位相検出部３４ａで位相検出パルス３３ａが得られてからの経過時間が計測される。同様に、第２のモータＭ２のエンコーダ５ｂから得られた位相検出パルス３３ｂが位相検出部３４ｂに与えられ、位相検出パルス３３ｂが得られてからの経過時間が計測される。比較部３５において、位相検出部３４ａで計測された経過時間と位相検出部３４ｂで計測された経過時間との差（位相差）が求められ、その位相差の情報が、第１のモータＭ１の制御系統の比例補正部２５と積分補正部２６に与えられて、第１のモータＭ１のための補正速度情報２７が得られる。
【００７１】
これにより、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２が常に同じ位相で回転できるようになる。２つのモータＭ１，Ｍ２が、同じ位相で同期して同じ速度変化を有して回転するため、２つのモータＭ１，Ｍ２から筐体２に大きな振動と、さらに一定の向きの力を増幅して与えることができる。
【００７２】
図１０に示すように、加速度センサ１８からの検出情報と、それぞれのエンコーダ５ａ，５ｂから得られる回転情報とが、トルク修正算出部４１に与えられる。トルク修正算出部４１では、モータＭ１，Ｍ２の回転特性と、偏心して回転する錘４ａ，４ｂの慣性モーメントなどから、筐体２の姿勢の変化や筐体の加速度の変化により発生したトルク修正情報が算出される。
【００７３】
また、角速度センサ１９からの検出情報と、それぞれのエンコーダ５ａ，５ｂから得られる回転情報とが、トルク修正算出部４２に与えられる。トルク修正算出部４２では、モータＭ１，Ｍ２の回転特性と、筐体２に発生した角速度情報などからトルク修正情報が得られる。この２つのトルク修正情報が、修正情報４３として、それぞれのモータＭ１，Ｍ２の制御系統のテーブルＴ２のトルク変化プロファイルＰｔに加算される。
【００７４】
例えば、手で保持されている筐体２が手の動きによって＋Ｘ方向へ急激に動かされているときに、モータＭ１，Ｍ２を図７（Ｂ）に示すトルク変化を示すように動作させて、＋Ｘ方向へ押すような力を発生させようとすると、手に感じる＋Ｘ方向の力が低下してしまう。この場合には、前記修正情報４３によりその分だけトルク変化を増強できるようにトルク変化プロファイルＰｔが修正される。これにより、筐体２から手に対して＋Ｘ方向へ押しているような感触を十分な大きさで与えることができる。
【００７５】
逆に、手の動きによって筐体２が−Ｘ方向へ急激に動かされているときは、前記修正情報４３によってトルク変化が低減するようにトルク変化プロファイルＰｔが修正される。
【００７６】
本発明の振動発生装置は、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２の配置が、図１に示すものに限られるものではない。例えば、図３と図４に示す第２の実施の形態の振動発生装置１０１では、筐体１０２内において、第１のモータＭ１の回転軸３ａと第２のモータＭ２の回転軸３ｂとが同一線上に配置されている。図３では、回転軸３ａと回転軸３ｂが互いに逆向きに延びているが、回転軸３ａと回転軸３ｂが互いに向かい合うように、２つのモータＭ１，Ｍ２が配置されてもよい。
【００７７】
この振動発生装置１０１は、筐体１０２を片手で保持するゲーム装置用のコントローラなどとして使用することができる。
【００７８】
さらに、図１に示す第１のモータＭ１の回転軸３ａと第２のモータＭ２の回転軸３ｂが、筐体２に対して垂直（図１の紙面に対して垂直）に向けられたものであってもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１，１０１ 振動発生装置
２，１０２ 筐体
３ａ，３ｂ 回転軸
４ａ，４ｂ 錘
５ａ，５ｂ エンコーダ
１０ 制御部
１１ａ 第１のモータ用の駆動パルス
１１ｂ 第２のモータ用の駆動パルス
１５ａ 第１のモータドライバ
１５ｂ 第２のモータドライバ
１８ 加速度センサ
１９ 角速度センサ
２３ 速度情報
２４ 誤差情報
２５ 比例補正部
２６ 成分補正部
２７ 補正速度情報
２９ ＰＷＭ制御部
３３ａ，３３ｂ 位相検出パルス
３４ａ，３４ｂ 位相検出部
Ｍ１ 第１のモータ
Ｍ２ 第２のモータ
Ｐｔ トルク変化プロファイル
Ｐｖ 速度変化プロファイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量が偏った錘をモータで回転させて振動を発生する振動発生装置に係り、特に、錘が１回転する間の速度制御を行えるようにして、振動を効率良く発生させることができる振動発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゲーム装置用のコントローラや携帯用情報端末機器などに振動発生装置が搭載されている。この振動発生装置は、機器の筐体の内部に、モータの回転軸に重心が偏った錘が取り付けられており、錘が回転するときの慣性力によって筐体に振動が与えられる。
【０００３】
以下の特許文献１には、振動発生装置に関する発明が開示されている。
この振動発生装置は、重心が偏った２個の回転子を回転させ、２つの回転子の位相および回転速度を制御することで、筐体を保持した手に与える感触を制御するというものである。特に、２個の回転子の回転速度を急激に増速する期間と、この期間に続いて緩慢に減速する期間とを交互に繰り返すように制御することで、筐体を保持している手に、振動感覚に加えてトルク感覚と力感覚を与える技術的事項が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９０４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の図３や図４などに、回転速度を急激に増速する期間と緩慢に減速する期間を設定するための回転子の回転速度の制御方法が記載されている。これによると、回転子が１回転する期間の最初に正側の一定の大きさの回転トルクが与えられ、その後に負側の一定の大きさの回転トルクが与えられる。
【０００６】
しかし、この制御方法では、回転子に対し正側の一定の大きさの回転トルクを一定期間与えるために、１回転の開始時に回転トルクを負側から正側へ瞬時に向けるために大きなエネルギーが必要になり、この回転を繰り返すことで大きな消費電力が必要になる。また、特許文献１に示すものは、一定の大きさの正側の回転トルクと負側の回転トルク繰り返すという単純な制御しかできず、回転子に対し、効率の良い低電力の回転速度変化を与える制御を行うことができない。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、錘が取り付けられた回転軸が１回転する間の回転速度の変化を、低消費電力などを実現しやすい理想的な速度変化プロファイルやトルク変化プロファイルに近づけることができる振動発生装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、手で保持可能な大きさの筐体に、重心が回転中心から偏った錘が回転軸に取り付けられたモータと、前記回転軸の回転速度に応じて周波数が変化する速度検出パルスが得られるエンコーダと、前記モータに与える駆動電流を制御する制御部とが搭載されて、前記錘の回転によって前記筐体に振動が与えられる振動発生装置において、
前記制御部では、前記回転軸が１回転する間の速度変化を示す速度変化プロファイルが保持されており、前記速度検出パルスから得られた速度変化の検知情報を前記速度変化プロファイルにフィードバックするフィードバック制御が行われて、前記検知情報と前記速度変化プロファイルとの誤差を回復した補正速度情報が生成され、
前記補正速度情報が反映されたデューティ比を有する駆動パルスを生成するＰＷＭ制御部と、前記駆動パルスのデューティ比に応じた駆動電流を前記モータに与えるモータドライバが設けられ、前記モータが駆動され前記錘が回転して振動が発せられることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の振動発生装置は、モータの回転軸および錘が１回転する間の理想的なまたは目標となる速度変化を示す速度変化プロファイルのデータが予め保持されており、実際のモータの回転速度と速度変化プロファイルの速度変化との差を回復できるようにモータの回転速度が制御される。その結果、モータの回転速度の変化によって筐体に対して振動と共にいずれかの向きの力を与えることなどが可能になり、しかもこのような動作を最少の電力消費で効率的に行わせる速度制御が可能になる。
【００１０】
さらに、本発明は、前記制御部には、前記回転軸が１回転する間に前記モータへ与えるべきトルクの変化を示すトルク変化プロファイルが保持されており、前記フィードバック制御と共に、前記トルク変化プロファイルでフィードフォワード制御が行なわれて、前記補正速度情報が得られるものである。
【００１１】
フィードバック制御では、速度変化プロファイルで与えられる目標速度に対する回転速度の遅れなどを回復できる一方で、フィードフォワード制御は位相進み補償となるため、フィードバック制御のみを実施するものに比較して、フィードバック制御とフィードフォワード制御の双方を行うことで、外乱に作用されずに理想的なトルク変化を発生させることができる。
【００１２】
本発明は、前記トルク変化プロファイルの時間に対するトルク変化は、１回転の期間の最初にトルクが徐々に上昇する上昇区間と、トルクが正方向から負方向へ時間軸に対して垂直に変化する急変区間とを有しており、前記急変区間のトルク変化によって、前記錘が１回転する途中で前記筐体に力が与えられることが好ましい。
【００１３】
上記のトルク変化プロファイルは、一回転の開始初期にトルクが徐々に高くなる上昇区間を有しているが、この上昇区間ではトルク変化が緩やかであるため、トルク変化に伴う振動感を和らげながら、正のトルク区間において遠心力を蓄積することができる。そして、急変区間でトルクを正側から負側へ急激に変化させることで、筐体を保持している手に、急激なトルク変化に伴う振動を感じさせることで、いずれかの方向へ向く力を感じさせることが可能になる。
【００１４】
また、１回転の開始初期にトルクが徐々に高くなる上昇区間を有し、正側のトルクが徐々に増加するため、この正側のトルクを蓄積するのに要するエネルギーを節約でき、消費電力を低下させることが可能になる。
【００１５】
本発明は、前記急変区間では、負側のトルクの絶対値が一時的に大きくなり、前記急変区間を超えると、前記絶対値が徐々に小さくなるものが好ましい。
この構成により、急変区間でのトルクの変化量を大きくできる。
【００１６】
本発明は、前記筐体に姿勢の変化を検知する加速度センサが設けられ、前記トルク変化プロファイルのトルク変化が、前記加速度センサの検知出力で補正される。または、前記筐体に角速度センサが設けられ、前記トルク変化プロファイルのトルク変化が、前記角速度センサの検知出力で補正されるものとして構成できる。
【００１７】
上記のように加速度センサや角速度センサを設けていると、手で保持した筐体の姿勢や動きを検知できる。その検出データによってトルク変化プロファイルを補正することにより、動いて姿勢が変化している途中であっても、筐体から手に目的となるトルク変化の感触、すなわち力の変化の感触を与えることができるようになる。
【００１８】
本発明は、前記筐体に、それぞれが前記錘を有するモータが２個設けられ、それぞれのモータに設けられたエンコーダから回転軸の位相を検知する位相検出パルスが得られ、前記制御部では、２つのモータから得られる前記位相検出パルスの位相差を回復するフィードバック制御が行われるものとして構成される。
【００１９】
上記振動発生装置は、２つのモータの回転位相と回転速度を制御することで、筐体に対して種々のモードの振動を与えることができる。この場合に、２つのモータの位相差を常に適正に設定することが可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の振動発生装置は、理想的なまたは目標となる速度変化プロファイルに合わせてモータの回転速度を制御しているため、一方向へ向けられた力を感じさせるような振動モードを常に安定して発揮させることができ、またトルク変化を理想的に且つ省電力で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態の振動発生装置を示す平面図、
【図２】第１の実施の形態の振動発生装置の２つのモータの錘の回転位相と発生する振動との関係を示す図１をＩＩ矢視方向から見た正面図、
【図３】本発明の第２の実施の形態の振動発生装置を示す平面図、
【図４】第２の実施の形態の振動発生装置のモータの錘の回転位相を示す図３をＩＶ矢視方向から見た正面図、
【図５】振動発生装置の回路ブロック図、
【図６】モータ駆動部の回路構成図、
【図７】（Ａ）は速度変化プロファイルの説明図、（Ｂ）はトルク変化プロファイルの説明図、
【図８】トルク変化プロファイルの他の構成例を示す説明図、
【図９】ＰＷＭ制御部で発せられる駆動パルスとトルク変化との関係を示す模式図、
【図１０】制御部の制御動作を示す動作説明図、
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に示す本発明の第１の実施の形態の振動発生装置１は、ゲーム装置用などのコントローラとして使用されるものである。
【００２３】
図１に示す振動発生装置１は、筐体２を有している。筐体２は人が両手で保持するのに適した大きさであり、右側部２ａが右手で保持され、左側部２ｂが左手で保持される。筐体２の表面には、ゲーム装置などを遠隔で操作するための各種操作部材が設けられており、筐体２の内部には、ゲーム装置などの機器本体との間で操作情報やフィードバック情報を交信するために交信装置が設けられている。
【００２４】
筐体２の内部に第１のモータＭ１と第２のモータＭ２が、Ｘ方向に間隔を空けて搭載されている。第１のモータＭ１の回転軸３ａと第２のモータＭ２の回転軸３ｂは互いに平行で、共にＺ方向に延びている。第１のモータＭ１の回転軸３ａに錘４ａが固定され、第２のモータＭ２の回転軸３ｂに錘４ｂが固定されている。図２に示すように、錘４ａはその重心が回転軸３ａの軸芯から偏った位置にあり、錘４ｂはその重心が回転軸３ｂの軸芯から偏った位置にある。
【００２５】
なお、第１のモータＭ１ならびに第２のモータＭ２として、モータの内部のロータ部が回転軸の軸芯から偏った位置にあって、重心が回転軸から偏った錘を有するモータと実質的に同じ機能を発揮するものを使用してもよい。このモータはモータの構造部の内部に偏芯錘が構成されていることとなり、錘が外部に出ていないために機器を小型に構成しやすくなる。
【００２６】
図５に示すように、筐体２の内部に、第１のモータＭ１の回転によってパルスを出力するエンコーダ５ａと、第２のモータＭ２の回転によってパルスを出力するエンコーダ５ｂが設けられている。エンコーダ５ｂは第１のモータＭ１の後部に取り付けられ、エンコーダ５ｂは第２のモータＭ２の後部に取り付けられている。
【００２７】
エンコーダ５ａ，５ｂのそれぞれは、回転軸３ａ，３ｂと共に回転する回転板と、この回転板に円周方向へ向けて一定のピッチで形成されたスリットと、前記スリットを検知する光学検知素子とを有している。それぞれのエンコーダ５ａ，５ｂからは、回転軸３ａ，３ｂが１回転する間に１５０個発生する速度検出パルスが得られる。回転軸３ａ，３ｂが等速回転しているとき、検出される速度検出パルスの周波数は一定であり、回転軸３ａ，３ｂの回転速度が変化すると、これに比例して速度検出パルスの周波数が変化する。速度検出パルスは位相が互いに９０度相違するＡ相パルスとＢ相パルスを有しており、回転軸３ａ，３ｂの回転方向を検出できる。
【００２８】
なお、本明細書での「回転速度」や「速度」は、モータの回転軸の「角速度」と同じ意味である。
【００２９】
また、エンコーダ５ａ，５ｂのそれぞれからは、回転軸３ａ，３ｂが１回転する度に１個の位相検出パルス（インデックスパルス）が得られる。図５では、エンコーダ５ａ，５ｂのそれぞれから得られる位相検出パルスがＺ相パルスとして記載されている。
【００３０】
前記位相検出パルスが得られたときの位相を基準として回転軸３ａ，３ｂに錘４ａ，４ｂを固定することで、２個のモータＭ１，Ｍ２に設けられた錘４ａ，４ｂの相対位置を常に制御することができる。
【００３１】
図１に示すように、振動発生装置１の筐体２の内部に制御部１０が設けられている。
制御部１０はＣＰＵやメモリを主体に構成されており、予め格納されたプログラムに基づいて第１のモータＭ１と第２のモータＭ２の回転速度や回転位相を制御する制御動作が行われる。図１０には、制御部１０で実行される制御動作が処理ブロック図として示されている。
【００３２】
制御部１０にＰＷＭ制御部２９が設けられており、前記制御部１０での制御動作に基づいて、ＰＷＭ制御部２９から第１のモータ用の駆動パルス１１ａと第２のモータ用の駆動パルス１１ｂが出力される。第１のモータ用の駆動パルス１１ａと第２のモータ用の駆動パルス１１ｂは、制御動作によってデューティ比が制御されたパルス信号である。
【００３３】
図６に示すように、制御部１０には、第１のモータ駆動部１２ａと第２のモータ駆動部１２ｂが接続されている。制御部１０から出力された第１のモータ用の駆動パルス１１ａが、第１のモータ駆動部１２ａに与えられると、駆動パルス１１ａが積分回路１３ａで積分されて平滑化され、ゲイン設定回路１４ａでゲインが調整されて、第１のモータドライバ１５ａに与えられる。制御部１０から出力された第２のモータ用の駆動パルス１１ｂも、第２のモータ駆動部１２ｂ内の積分回路１３ｂで積分されて平滑化され、ゲイン設定回路１４ｂでゲインが調整されて、第２のモータドライバ１５ｂに与えられる。
【００３４】
また、積分回路１３ａ，１３ｂによる平滑化回路を用いずに、Digital Analog Convertor（Ｄ／Ａ変換回路）を用いて、ＰＷＭ信号をアナログ値に変換して第１のモータドライバ１５ａと第２のモータドライバ１５ｂに与えてもよい。
【００３５】
第１のモータＭ１と第２のモータＭ２はＤＣモータであり、第１のモータＭ１は第１のモータドライバ１５ａによって回転駆動され、第２のモータＭ２は第２のモータドライバ１５ｂによって回転駆動される。
【００３６】
図５に示すように、第１のモータＭ１に接続されたエンコーダ５ａから得られるＡ相とＢ相の速度検出パルスおよびＺ相の位相検出パルスは制御部１０に与えられ、第２のモータＭ２に接続されたエンコーダ５ｂから得られるＡ相とＢ相の速度検出パルスおよびＺ相の位相検出パルスも制御部１０に与えられる。これにより、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２の回転制御がフィードバック制御によって行われる。
【００３７】
図１と図５に示すように、振動発生装置１の筐体２に加速度センサ１８と角速度センサ１９が搭載されている。加速度センサ１８は、加速度に反応する質量とその質量の変位量を検知する検知手段とを有しており、互いに直交するｘ軸とｙ軸およびｚ軸方向の加速度を個別に検知できる。加速度センサ１８により検知されたｘ軸の加速度成分とｙ軸の加速度成分およびｚ軸の加速度成分が制御部１０に与えられる。この加速度センサ１８により、重力の加速度の向きが検知され、重力方向に対する筐体２の姿勢が検出される。または、筐体２が手で急激に動かされるなど筐体２に加速度が与えられたときも、この加速度が検出される。
【００３８】
角速度センサ１９は振動型ジャイロなどであり、筐体２が手で保持されて動かされたときのコリオリ力の変化に反応して角速度に比例した出力が得られる。振動型ジャイロでは、ｘ軸周り角速度とｙ軸周りの角速度およびｚ軸周りの角速度が検出され、それぞれの検出信号が制御部１０に与えられる。
【００３９】
制御部１０では、筐体２に設けられた操作部材で遠隔操作を行うときの操作情報や、ゲーム装置の本体から送られてくる振動の発生指令と停止指令、さらには振動の種別指令などに基づいて、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２とを駆動する。
【００４０】
図２（Ａ）に示す制御例では、第１のモータＭ１の錘４ａと第２のモータＭ２の錘４ｂが、互いに位相が一致した状態で時計方向へ回転駆動される。重心が偏った２つの錘４ａ，４ｂが同じ周期で回転することで筐体２に比較的振幅の大きい振動を与えることができる。
【００４１】
図２（Ｂ）に示す制御例では、第１のモータＭ１の錘４ａと第２のモータＭ２の錘４ｂが、位相が１８０度相違した状態を保ちながら、同じ方向へ回転駆動される。この場合、筐体２に比較的振幅の小さい振動を与えることができる。
【００４２】
図２（Ｃ）に示す制御例は、第１のモータＭ１の錘４ａと第２のモータＭ２の錘４ｂが、図示左右方向に離れた位置関係が１回転に１度発生する位相関係を維持して、互いに逆方向へ回転駆動される。この場合、筐体２に対して、Ｙ方向の振幅が比較的大きく、Ｘ方向の振幅が比較的小さい振動が与えられる。
【００４３】
また、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２の１回転の間の速度（角速度）を変化させることにより、図２（Ａ）の回転例において、筐体２を保持している手に対して一定の向きの力が作用する感触を与えることができる。
【００４４】
例えば、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２を時計回りに回転させて、錘４ａと錘４ｂが＋Ｙ側に位置したときに反時計方向へ向く大きな加速度の変化を与えて時計方向への速度を減速させる。これにより、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２から筐体２に対して、錘の角速度の急激な減少で発生する反力に伴う回転振動と共に＋Ｘ方向への錘による慣性力が与えられて、筐体２を保持する手に対して、あたかも筐体２が＋Ｘ方向へ押されているような、または図２（Ａ）において時計回り方向へ捻られるような感触が与えられる。
【００４５】
図２（Ｃ）の回転例は、第１のモータＭ１の錘４ａと、第２のモータＭ２の錘４ｂとが逆回転で、Ｘ方向成分が互いに打ち消されるために、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２の１回転の間の速度（角速度）を、例えば増速から減速へと変化させたときに、筐体２を保持する手に対して捩るような感触はあまり与えられず、錘の角速度の減少により発生する反力と、錘の慣性力によって、筐体２を保持している手に対して、振動と共に、＋Ｙ方向または―Ｙ方向に向けて強い力が与えられているような感触が与えられる。
【００４６】
以下においては、図２（Ａ）に示す回転例において、１回転に一度、筐体２に対して＋Ｘ方向への力を与え、その結果、筐体２があたかも＋Ｘ方向へ押されているかのような感触を得るための制御動作を説明する。
【００４７】
図１０では、第１のモータＭ１とこれに接続されているエンコーダ５ａが１つのブロックで示され、第２のモータＭ２とこれに接続されているエンコーダ５ｂが１つのブロックで示されている。
【００４８】
以下で説明する制御動作では、図２（Ａ）に示すように、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２が同じ方向へ回転しているため、エンコーダ５ａから得られるＡ相の速度検出パルスとＺ相の位相検出パルスが使用され、エンコーダ５ｂから得られるＡ相の速度検出パルスとＺ相の位相検出パルスが使用されて、制御動作が行われる。
【００４９】
以下では第１のモータＭ１の回転速度を制御する制御動作を説明するが、第２のモータＭ２の回転速度の制御も同じである。
【００５０】
図７（Ｂ）は、第１のモータＭ１が１回転する間に発生させようとしているトルクの変化を示すトルク変化プロファイルＰｔを示しており、図７（Ａ）は、第１のモータＭ１を駆動するときの１回転の間の速度変化を示す速度変化プロファイルＰｖを示している。
【００５１】
図７（Ｂ）に示すトルクは、第１のモータＭ１を駆動するエネルギーと同じ次元である。また、図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔは、第１のモータドライバ１５ａから第１のモータＭ１に与えられる駆動電流の変化と等価である。よって、図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔを、第１のモータＭ１を駆動するために駆動電流の変化を示す電流変化プロファイルと読み替えることもできる。また、図７（Ｂ）に示すトルク変化および駆動電流の変化は、第１のモータＭ１の回転軸３ａの加速度の変化と同じである。
【００５２】
図１０に示すように、制御部１０内のメモリ内のテーブルＴ１に、図７（Ａ）に示す速度変化プロファイルＰｖが目標値（理想値）として書き込まれて保持されており、テーブルＴ２に、図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔが目標値（理想値）として書き込まれて保持されている。
【００５３】
図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔでは、回転軸３ａの１回転の周期をτとしたときに、回転し始めて最初のほぼ（１／３）・τの期間で正側の回転トルクが発生し、その後の（２／３）・τの期間で負側の回転トルクが発生する。これに対応する速度変化プロファイルＰｖでは、最初のほぼ（１／３）・τの期間が増速区間であり、その後の（２／３）・τの期間が減速区間である。
【００５４】
トルク変化プロファイルＰｔの正側の回転トルクを発生させる区間の最初のτａが上昇区間であり、この上昇区間τａで正側の回転トルクが徐々に上昇する。そして、（１／３）・τの期間のうちの残りのτｂの区間では回転トルクが一定である。（１／３）・τを経過した後の急変区間τｃにおいて、正側の回転トルクから負側の回転トルクへ急激に変化する。このトルク変化は、図７（Ｂ）に示すように、時間軸に対してほぼ垂直に下がるように急激に変化する。そして、その後の（２／３）・τの期間では、負側の回転トルクの絶対値が徐々に小さくなっていく。
【００５５】
図７（Ａ）に示す速度変化プロファイルＰｖでは、上昇区間τａで回転速度が徐々に上昇して行き、τｂでは速度変化が一定加速度で上昇していく。そして急変区間τｃにおいて、トルクの正側から負側への反転に応じて、回転方向と逆向きの加速度が急激に作用する。その後は、回転速度が（２／３）・τの時間をかけて徐々に低下していく。
【００５６】
前記急変区間τｃでは、第１のモータＭ１のトルクが正側から負側へ急激に変化し、回転方向と逆向きの加速度が急激に作用するため、第１のモータＭ１から筐体２に対して正側トルクにより蓄えられた錘による慣性力と、錘の角速度の減少で発生する反力（モータのブレーキトルク）とが合致して、大きなベクトルが与えられる。急変区間τｃを、図２（Ａ）に示すように錘４ａが＋Ｙ側に至ったとき、あるいはそれよりも少し前のタイミングとなるように設定することで、筐体２を手で保持しているときに、手に対して回転振動と共にあたかも＋Ｘ方向へ押されているかのような感触を与えることができる。
【００５７】
図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔは、第１のモータドライバ１５ａから第１のモータＭ１に与えられる駆動電流の変化と等価である。駆動電流を与える電流変化プロファイルでは、急変区間τｃにおいて、正側の電流値と負側の電流値との落差を大きくしているが、上昇区間τａでは急変区間τｃに至るまでに電流値を徐々に上昇させ、急変区間τｃを超えた後の（２／３）・τの時間で負側の電流値の絶対値を徐々に低下させている。そのため、急変区間τｃにおいて、正側の電流値と負側の電流値との落差を大きくでき、正側の回転トルクと負側の回転トルクとの落差を大きくできて、筐体２に大きな慣性力を与えることができる。その一方で、急変区間τｃの前後で電流値を徐々に変化させることで、１回転の間の消費電力を低減できるようになる。
【００５８】
また、（１／３）・τの期間では、正側のトルクの蓄積に伴う反力が徐々に増加することにより、与えたい方向とは別な方向に作用する反力の影響を低減でき、これによりエネルギーの消費を低減できる。
【００５９】
図８に示すトルク変化プロファイルＰｔａは、急変区間τｃにおいて、負側に大きなトルク変化Ｐｔ１を与えている。これにより、大きなブレーキトルクを与えて発生する反力を増加させることが可能である。また、モータ回転に伴う逆起電力も利用可能となるため、より強いブレーキトルクを利用することも可能となり、低トルクのモータを使用し低消費電力で大きな力を発生することができる。
【００６０】
また、急変区間τｃの直後では、負側のトルクの絶対値を小さくし、その絶対値を徐々に小さくすることで、消費エネルギーを少なくできるようになる。
【００６１】
図１０に示すように、制御部１０の制御動作では、第１のモータＭ１が駆動されると、エンコーダ５ａからＡ相の速度検出パルス２１が得られる。回転速度算出部２２では、間欠的に送られてくる速度検出パルス２１の周期の変化から速度情報２３が求められる。この速度情報２３と、テーブルＴ１に保持されている図７（Ａ）に示す速度変化プロファイルＰｖとが比較され、その誤差情報２４に基づいて、比例補正部２５で比例補正が行われ、積分補正部２６で積分補正が行われる。
【００６２】
比例補正部２５と積分補正部２６では、テーブルＴ１から与えられる速度変化プロファイルＰｖと実際の第１のモータＭ１の回転で得られた速度情報２３との誤差を回復させるフィードバック制御が行われる。比例補正部２５では、実際の回転速度が速度変化プロファイルＰｖに対して遅れたり進んでいるときに、その誤差に比例させて速度を回復させる補正情報が生成される。この場合、補正の残差が発生するが、積分補正部２６ではこの残差を累積させる補正が行われる。
【００６３】
比例補正部２５と積分補正部２６とで補正された補正速度情報２７に基づいてモータ駆動信号２８が生成され、これがＰＷＭ制御部２９に与えられて第１のモータ用の駆動パルス１１ａが生成される。図６に示すように、駆動パルス１１ａがモータ駆動部１２ａに与えられて、ＤＣ成分に変換されて第１のモータドライバ１５ａに与えられる。
【００６４】
図９（Ａ）（Ｂ）は、ＰＷＭ制御部２９で生成される駆動パルス１１ａと、モータ駆動部１２ａで平滑されて第１のモータドライバ１５ａから第１のモータＭ１に与えられる駆動電流Ｉとの関係を模式的に示している。図９（Ａ）に示す駆動方法では、駆動パルス１１ａは、（１／３）・τの期間で、２．５Ｖの基準電位とする正側のパルスがその周波数が徐々に高くなるように与えられ、その後、２．５Ｖを基準電位とする負側のパルスに反転し、負側のパルスの周波数が徐々に低下する。一方、図９（Ｂ）に示す駆動方法では、駆動パルスのデューティー比を変化させている。
【００６５】
図９（Ａ）または（Ｂ）の駆動方法では共に、第１のモータドライバ１５ａから第１のモータＭ１に与えられる駆動電流Ｉが、図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔに追従する波形変化となる。
【００６６】
上記の閉ループにより、目標となる速度変化プロファイルＰｖと、実際の第１のモータＭ１の回転速度の差を回復するようフィードバック制御が行われる。
【００６７】
さらに、図１０に示すように、テーブルＴ２に、図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔが保持されている。このトルク変化プロファイルＰｔは、第１のモータＭ１が発揮すべき目標となる理想的なトルク変化を示している。エンコーダ５ａから得られた速度検出パルス２１に基づく実際の速度情報を使用したフィードバック制御で補正された補正情報に、さらにトルク変化プロファイルＰｔが加算されて前記補正速度情報２７が得られる。
【００６８】
このフィードフォワード制御により、予め理想状態として登録されているトルク変化プロファイルが与えられることになり、温度変化によるモータの回転特性の変動や、モータドライバなどの回路の動作の変動があったとしても、フィードフォワード補償に伴う位相進み補償による効果により、フィードバック補償ゲインを強くすることが可能となり、外部環境変化の影響を受けにくくなる。よって、よりトルク変化プロファイルＰｔに近づけるような補正速度情報２７を生成することができ、第１のモータＭ１の１回転中に筐体２に対して一定方向の力を与えるような駆動制御を安定して行うことができる。
【００６９】
図１０に示す第２のモータＭ２に対する駆動制御は、第１のモータＭ１に対するものと全く同じである。第２のモータＭ２の回転速度の変化は第１のモータＭ１と同じであるため、第２のモータＭ２の制御系統においてもテーブルＴ１に図７（Ａ）に示す速度変化プロファイルＰｖが保持され、テーブルＴ２に図７（Ｂ）に示すトルク変化プロファイルＰｔが保持される。
【００７０】
図１０に示すように、第１のモータＭ１のエンコーダ５ａから得られた位相検出パルス３３ａが位相検出部３４ａに与えられ、位相検出部３４ａで位相検出パルス３３ａが得られてからの経過時間が計測される。同様に、第２のモータＭ２のエンコーダ５ｂから得られた位相検出パルス３３ｂが位相検出部３４ｂに与えられ、位相検出パルス３３ｂが得られてからの経過時間が計測される。比較部３５において、位相検出部３４ａで計測された経過時間と位相検出部３４ｂで計測された経過時間との差（位相差）が求められ、その位相差の情報が、第１のモータＭ１の制御系統の比例補正部２５と積分補正部２６に与えられて、第１のモータＭ１のための補正速度情報２７が得られる。
【００７１】
これにより、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２が常に同じ位相で回転できるようになる。２つのモータＭ１，Ｍ２が、同じ位相で同期して同じ速度変化を有して回転するため、２つのモータＭ１，Ｍ２から筐体２に大きな振動と、さらに一定の向きの力を増幅して与えることができる。
【００７２】
図１０に示すように、加速度センサ１８からの検出情報と、それぞれのエンコーダ５ａ，５ｂから得られる回転情報とが、トルク修正算出部４１に与えられる。トルク修正算出部４１では、モータＭ１，Ｍ２の回転特性と、偏心して回転する錘４ａ，４ｂの慣性モーメントなどから、筐体２の姿勢の変化や筐体の加速度の変化により発生したトルク修正情報が算出される。
【００７３】
また、角速度センサ１９からの検出情報と、それぞれのエンコーダ５ａ，５ｂから得られる回転情報とが、トルク修正算出部４２に与えられる。トルク修正算出部４２では、モータＭ１，Ｍ２の回転特性と、筐体２に発生した角速度情報などからトルク修正情報が得られる。この２つのトルク修正情報が、修正情報４３として、それぞれのモータＭ１，Ｍ２の制御系統のテーブルＴ２のトルク変化プロファイルＰｔに加算される。
【００７４】
例えば、手で保持されている筐体２が手の動きによって＋Ｘ方向へ急激に動かされているときに、モータＭ１，Ｍ２を図７（Ｂ）に示すトルク変化を示すように動作させて、＋Ｘ方向へ押すような力を発生させようとすると、手に感じる＋Ｘ方向の力が低下してしまう。この場合には、前記修正情報４３によりその分だけトルク変化を増強できるようにトルク変化プロファイルＰｔが修正される。これにより、筐体２から手に対して＋Ｘ方向へ押しているような感触を十分な大きさで与えることができる。
【００７５】
逆に、手の動きによって筐体２が−Ｘ方向へ急激に動かされているときは、前記修正情報４３によってトルク変化が低減するようにトルク変化プロファイルＰｔが修正される。
【００７６】
本発明の振動発生装置は、第１のモータＭ１と第２のモータＭ２の配置が、図１に示すものに限られるものではない。例えば、図３と図４に示す第２の実施の形態の振動発生装置１０１では、筐体１０２内において、第１のモータＭ１の回転軸３ａと第２のモータＭ２の回転軸３ｂとが同一線上に配置されている。図３では、回転軸３ａと回転軸３ｂが互いに逆向きに延びているが、回転軸３ａと回転軸３ｂが互いに向かい合うように、２つのモータＭ１，Ｍ２が配置されてもよい。
【００７７】
この振動発生装置１０１は、筐体１０２を片手で保持するゲーム装置用のコントローラなどとして使用することができる。
【００７８】
さらに、図１に示す第１のモータＭ１の回転軸３ａと第２のモータＭ２の回転軸３ｂが、筐体２に対して垂直（図１の紙面に対して垂直）に向けられたものであってもよい。
【符号の説明】
【００７９】
１，１０１ 振動発生装置
２，１０２ 筐体
３ａ，３ｂ 回転軸
４ａ，４ｂ 錘
５ａ，５ｂ エンコーダ
１０ 制御部
１１ａ 第１のモータ用の駆動パルス
１１ｂ 第２のモータ用の駆動パルス
１５ａ 第１のモータドライバ
１５ｂ 第２のモータドライバ
１８ 加速度センサ
１９ 角速度センサ
２３ 速度情報
２４ 誤差情報
２５ 比例補正部
２６ 成分補正部
２７ 補正速度情報
２９ ＰＷＭ制御部
３３ａ，３３ｂ 位相検出パルス
３４ａ，３４ｂ 位相検出部
Ｍ１ 第１のモータ
Ｍ２ 第２のモータ
Ｐｔ トルク変化プロファイル
Ｐｖ 速度変化プロファイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手で保持可能な大きさの筐体に、重心が回転中心から偏った錘が回転軸に取り付けられたモータと、前記回転軸の回転速度に応じて周波数が変化する速度検出パルスが得られるエンコーダと、前記モータに与える駆動電流を制御する制御部とが搭載されて、前記錘の回転によって前記筐体に振動が与えられる振動発生装置において、
前記制御部では、前記回転軸が１回転する間の速度変化を示す速度変化プロファイルが保持されており、前記速度検出パルスから得られた速度変化の検知情報を前記速度変化プロファイルにフィードバックするフィードバック制御が行われて、前記検知情報と前記速度変化プロファイルとの誤差を回復した補正速度情報が生成され、
前記補正速度情報が反映されたデューティ比を有する駆動パルスを生成するＰＷＭ制御部と、前記駆動パルスのデューティ比に応じた駆動電流を前記モータに与えるモータドライバが設けられ、前記モータが駆動され前記錘が回転して振動が発せられることを特徴とする振動発生装置。
【請求項２】
前記制御部には、前記回転軸が１回転する間に前記モータへ与えるべきトルクの変化を示すトルク変化プロファイルが保持されており、前記フィードバック制御と共に、前記トルク変化プロファイルでフィードフォワード制御が行なわれて、前記補正速度情報が得られる請求項１記載の振動発生装置。
【請求項３】
前記トルク変化プロファイルの時間に対するトルク変化は、１回転の期間の最初にトルクが徐々に上昇する上昇区間と、トルクが正方向から負方向へ時間軸に対して垂直に変化する急変区間とを有しており、前記急変区間のトルク変化によって、前記錘が１回転する途中で前記筐体に力が与えられる請求項２記載の振動発生装置。
【請求項４】
前記急変区間では、負側のトルクの絶対値が一時的に大きくなり、前記急変区間を超えると、前記絶対値が徐々に小さくなる請求項３記載の振動発生装置。
【請求項５】
前記筐体に姿勢の変化を検知する加速度センサが設けられ、前記トルク変化プロファイルのトルク変化が、前記加速度センサの検知出力で補正される請求項２ないし４のいずれかに記載の振動発生装置。
【請求項６】
前記筐体に角速度センサが設けられ、前記トルク変化プロファイルのトルク変化が、前記角速度センサの検知出力で補正される請求項２ないし５のいずれかに記載の振動発生装置。
【請求項７】
前記筐体に、それぞれが前記錘を有するモータが２個設けられ、それぞれのモータに設けられたエンコーダから回転軸の位相を検知する位相検出パルスが得られ、前記制御部では、２つのモータから得られる前記位相検出パルスの位相差を回復するフィードバック制御が行われる請求項１ないし６のいずれかに記載の振動発生装置。
【請求項１】
手で保持可能な大きさの筐体に、重心が回転中心から偏った錘が回転軸に取り付けられたモータと、前記回転軸の回転速度に応じて周波数が変化する速度検出パルスが得られるエンコーダと、前記モータに与える駆動電流を制御する制御部とが搭載されて、前記錘の回転によって前記筐体に振動が与えられる振動発生装置において、
前記制御部では、前記回転軸が１回転する間の速度変化を示す速度変化プロファイルが保持されており、前記速度検出パルスから得られた速度変化の検知情報を前記速度変化プロファイルにフィードバックするフィードバック制御が行われて、前記検知情報と前記速度変化プロファイルとの誤差を回復した補正速度情報が生成され、
前記補正速度情報が反映されたデューティ比を有する駆動パルスを生成するＰＷＭ制御部と、前記駆動パルスのデューティ比に応じた駆動電流を前記モータに与えるモータドライバが設けられ、前記モータが駆動され前記錘が回転して振動が発せられることを特徴とする振動発生装置。
【請求項２】
前記制御部には、前記回転軸が１回転する間に前記モータへ与えるべきトルクの変化を示すトルク変化プロファイルが保持されており、前記フィードバック制御と共に、前記トルク変化プロファイルでフィードフォワード制御が行なわれて、前記補正速度情報が得られる請求項１記載の振動発生装置。
【請求項３】
前記トルク変化プロファイルの時間に対するトルク変化は、１回転の期間の最初にトルクが徐々に上昇する上昇区間と、トルクが正方向から負方向へ時間軸に対して垂直に変化する急変区間とを有しており、前記急変区間のトルク変化によって、前記錘が１回転する途中で前記筐体に力が与えられる請求項２記載の振動発生装置。
【請求項４】
前記急変区間では、負側のトルクの絶対値が一時的に大きくなり、前記急変区間を超えると、前記絶対値が徐々に小さくなる請求項３記載の振動発生装置。
【請求項５】
前記筐体に姿勢の変化を検知する加速度センサが設けられ、前記トルク変化プロファイルのトルク変化が、前記加速度センサの検知出力で補正される請求項２ないし４のいずれかに記載の振動発生装置。
【請求項６】
前記筐体に角速度センサが設けられ、前記トルク変化プロファイルのトルク変化が、前記角速度センサの検知出力で補正される請求項２ないし５のいずれかに記載の振動発生装置。
【請求項７】
前記筐体に、それぞれが前記錘を有するモータが２個設けられ、それぞれのモータに設けられたエンコーダから回転軸の位相を検知する位相検出パルスが得られ、前記制御部では、２つのモータから得られる前記位相検出パルスの位相差を回復するフィードバック制御が行われる請求項１ないし６のいずれかに記載の振動発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−４５３１１（Ｐ２０１３−４５３１１Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８３２０９（Ｐ２０１１−１８３２０９）
【出願日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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