JP2017126178A

JP2017126178A - 慣性駆動制御装置

Info

Publication number: JP2017126178A
Application number: JP2016004736A
Authority: JP
Inventors: 健児岩田; Kenji Iwata
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2017-07-20

Abstract

【課題】振動部の慣性駆動制御を行なう場合に、感触の良い任意の振動波形を効率よく生成する慣性駆動制御装置を提供する。【解決手段】目標振動波形に対応する目標波形信号を生成する目標信号生成部２１０と、目標振動波形に基づく振動波形を出力する慣性駆動機構部１０と、慣性駆動機構部１０に入力する入力信号を演算して生成する入力信号生成部２２０と、を有し、目標信号生成部２１０は、目標波形信号を慣性駆動系の運動法則に従う振動波形として形成し、入力信号生成部２２０は、目標波形信号及び慣性駆動機構部１０に基づいて入力信号を生成するように構成する。【選択図】図３

Description

本発明は、慣性駆動制御装置に関する。

従来の技術として、質量体を支持する支持ばねと、質量体の相対変位を検知する検知部と、センサと質量体の間に配置され質量体を駆動するアクチュエータと、検知部から得られる相対変位信号をアクチュエータの駆動部にフィードバックすることにより質量体の振動制御を行なう駆動制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、振動装置の振動部の固有振動の減衰を考慮して振動部の残留振動を十分に抑制し、高速高精度な位置決め制御を実現する駆動制御装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。この駆動制御装置は、従来の位置決め制御装置に対して、２次フィルタの伝達関数Ｆ１（ｓ）を従来の位置決め制御装置における２次フィルタの伝達関数の分子にｓの一次項（２ζ_１／ω_１ｓ）を追加したものである。このような構成により、機械振動の減衰を考慮して、２次フィルタの分子にｓの一次項（２ζ_１／ω_１ｓ）を追加するようにしているので、振動部における残留振動を十分に抑制することができるとされている。

特開２０１０−２３０３１０号公報特開２００４−２７２７４９号公報

特許文献１の駆動制御装置では、制御対象である質量体の変位量等の検出を行なう検知部を要する構成であり、慣性駆動制御装置には適用が難しい。また、特許文献２の駆動制御装置では、慣性駆動する振動部の機械振動の減衰を考慮して２次フィルタの伝達関数を従来の２次系から変更している。しかし、このような振動制御は、慣性駆動する振動部の機械振動の減衰性を向上させるが、振動部の目標振動波形が設定された場合の制御には適用できないという問題があった。

従って、本発明の目的は、振動部の慣性駆動制御を行なう場合に、感触の良い任意の振動波形を効率よく生成する慣性駆動制御装置を提供することにある。

［１］本発明は、上記目的を達成するために、目標振動波形に対応する目標波形信号を生成する目標信号生成部と、前記目標振動波形に基づく振動波形を出力する慣性駆動機構部と、前記慣性駆動機構部に入力する入力信号を演算して生成する入力信号生成部と、を有し、前記目標信号生成部は、前記目標波形信号を慣性駆動系の運動法則に従う振動波形として形成し、前記入力信号生成部は、前記目標波形信号及び前記慣性駆動機構部に基づいて入力信号を生成することを特徴とする慣性駆動制御装置を提供する。

［２］前記入力信号生成部は、前記目標波形信号及び前記慣性駆動機構部に基づいて算出される伝達関数の逆ラプラス変換により求められることを特徴とする上記［１］に記載の慣性駆動制御装置であってもよい。

［３］また、前記目標信号生成部は、前記目標波形信号を、初期値ゼロ、収束点の値ゼロ、及び滑らかな連続波形として生成することを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の慣性駆動制御装置であってもよい。

本発明によれば、振動部の慣性駆動制御を行なう場合に、感触の良い任意の振動波形を効率よく生成することができる。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る慣性駆動制御装置の正面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ方向から見た慣性駆動制御装置の上平面図である。図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係る慣性駆動制御装置の駆動構成を示す概略ブロック図であり、図２（ｂ）は、伝達関数モデルを用いた伝達ブロック線図である。図３は、本実施の形態に係る慣性駆動制御装置の慣性駆動制御の方法を示す制御フロー図である。図４（ａ）は、比較例における効率よく生成できない目標振動波形の例を示す波形図であり、図４（ｂ）は、効率よく生成できる目標振動波形の例を示す波形図である。図５（ａ）は、慣性駆動制御における目標振動波形の関数例であり、図５（ｂ）は、振動部の変位、速度、加速度を示す波形図、図５（ｃ）は、目標振動、入力電流、生成振動を示す波形図である。図６（ａ）は、比較例における効率よく生成できない目標振動波形の関数例であり、図６（ｂ）は、振動部の変位、速度、加速度を示す波形図であり、図６（ｃ）は、目標振動、入力電流、生成振動を示す波形図である。図７は、本実施の形態に係る慣性駆動制御装置の生成振動と、比較例における効率よく生成できない目標振動波形により生成される生成振動とを比較した比較振動波形図である。

（本発明の実施の形態）
本発明の実施の形態に係る慣性駆動制御装置１は、目標振動波形に対応する目標波形信号を生成する目標信号生成部２１０と、目標振動波形に基づく振動波形を出力する慣性駆動機構部１０と、慣性駆動機構部１０に入力する入力信号を演算して生成する入力信号生成部２２０と、を有し、目標信号生成部２１０は、目標波形信号を慣性駆動系の運動法則に従う振動波形として形成し、入力信号生成部２２０は、目標波形信号及び慣性駆動機構部１０に基づいて入力信号を生成するように構成されている。

目標信号生成部２１０及び入力信号生成部２２０は、制御部２００として構成され、慣性駆動機構部１０の慣性駆動制御を行なう。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る慣性駆動制御装置の正面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ方向から見た慣性駆動制御装置の上平面図である。また、図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係る慣性駆動制御装置の駆動構成を示す概略ブロック図であり、図２（ｂ）は、伝達関数モデルを用いた伝達ブロック線図である。

本発明の実施の形態に係る慣性駆動制御装置１は、図１（ａ）に示す慣性駆動機構部１０の振動部である振動パネル２０を目標振動波形で振動させるために、制御部２００において目標波形信号及び慣性駆動機構部１０に基づいて入力信号を生成するものである。

ここで、慣性駆動とは、慣性駆動機構部の振動部（変位部としての振動パネル２０）の変位、速度、加速度等の検出結果を入力信号生成部２２０、慣性駆動機構部１０のアクチュエータ等にフィードバックせずに振動部の慣性力を利用して、入力信号のみに基づいて駆動制御する駆動である。

（慣性駆動機構部１０）
図１に示すように、慣性駆動機構部１０は、振動を呈示する振動部（変位部）である振動パネル２０と、振動発生部としてのボイスコイルモータ１００と、この振動パネル２０を支持する筐体３０と、振動パネル２０と筐体３０の間に介在し、所定の力で圧縮される支持部４０と、支持部４０に所定の力を付与して、振動パネル２０と筐体３０の間に支持部４０に圧縮力を付与する加圧部としてのバネ６０と、を有して構成されている。

支持部４０は、バネ６０のバネ力と釣り合う弾性力を発生させると共に、振動減衰のためのダンパとして機能する。すなわち、振動部（変位部）である振動パネル２０は、弾性力及びダンパである支持部４０及びバネ６０により支持され、振動発生部としてのボイスコイルモータ１００により慣性駆動される。

（振動パネル２０）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る慣性駆動制御装置の正面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ方向から見た慣性駆動制御装置の上平面図である。振動パネル２０は、例えば、アルミ等の金属材料、樹脂等の種々の材料が使用できる。

振動パネル２０は、図１等に示すように、板状体であり、上面２０ａには例えばタッチセンサが装着されて、タッチ検出装置とすることができる。この振動パネル２０は、駆動源としてのボイスコイルモータ１００により駆動されることにより、振動を呈示することができる。例えば、タッチ検出装置としての振動パネル２０にタッチした場合に、振動パネル２０を例えば図１（ａ）に示すＢ方向に振動させることにより、タッチしたことを操作者に報知する。その他、種々の操作に伴って振動パネル２０を振動させることにより、触覚呈示を行なうことができる。

振動パネル２０の下面２０ｂには取付部２２が形成され、取付部２２にボイスコイルモータ１００のコイル１１０が取付固定されている。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、振動パネル２０の隅部２１には、バネ６０のフック部を係止するための係止穴２０ｃが形成されている。また、振動パネル２０の下面２０ｂは、支持部４０の端部が当接する面とされている。

（筐体３０）
筐体３０は、図１等に示すように、板状体であり、例えば、アルミ等の金属材料、樹脂等の種々の材料が使用できる。振動パネル２０に対応して、隅部３１には、バネ６０のフック部を係止するための係止穴３０ｂが形成されている。また、筐体３０の上部３０ａは、支持部４０の端部が当接する面とされている。

（支持部４０）
支持部４０は、シリコンゴム等の弾性部材で形成されている。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、支持部４０は、矩形の枠形状とされているが、これに限られない。振動パネル２０と筐体３０の間に介在して弾性力で振動パネル２０を支持できる形状であればよい。また、支持部４０は、振動減衰のためのダンパとして機能し、ゴム、合成樹脂等の弾性部材で形成されている。例えば、ブチルゴム等のように、粘性及び弾性を備えて振動に対する制動作用を発揮するものであればよい。粘弾性ダンパとして市販される種々の弾性部材が使用できる。

（バネ６０）
バネ６０は、支持部４０に圧縮力を付与する加圧部として機能する。本実施の形態では、図１（ａ）等に示すように、バネ６０は引張りコイルバネを使用する。バネ６０は、引張り力によるコイル部とその両端に形成されたフック部から構成されている。このフック部は、振動パネル２０の係止穴２０ｃ及び筐体３０の係止穴３０ｂにそれぞれ引っ掛けられて係止される。これにより、振動パネル２０と筐体３０との間に引張り力を発生させる。したがって、振動パネル２０と筐体３０との間に介在する支持部４０に圧縮力を付与することができる。

（ボイスコイルモータ１００）
振動発生部としてのボイスコイルモータ１００は、図１（ａ）、（ｂ）等に示すように、コイル１１０と磁気回路１２０とから構成されている。コイル１１０は、振動パネル２０に取付固定され、磁気回路１２０は、支持部４５及びバネ６５を介して振動パネル２０に連結して取付けられている。これにより、磁気回路１２０が振動して生じる慣性力で振動パネル２０を振動させる慣性駆動機構を構成している。

コイル１１０は、エナメル線等のマグネットワイヤを複数回だけコイル状に巻回させて形成したものである。コイル１１０は、通電することにより、磁気回路１２０により発生する磁界からフレミング左手の法則に従って受けるローレンツ力により駆動され、振動発生源となる。

磁気回路１２０は、ヨーク（センターヨーク１２２、中継ヨーク１２４、サイドヨーク１２６）と磁石（永久磁石）１３０とから構成される。図１（ａ）、（ｂ）等に示すように、ヨーク（センターヨーク１２２、中継ヨーク１２４、サイドヨーク１２６）は、円筒、円盤形状に形成され、例えば、軟鉄、ケイ素鋼等の軟磁性材料により形成されている。磁石（永久磁石）１３０は、サイドヨーク１２６に取り付けられ、磁石１３０とセンターヨーク１２２の間に磁界を発生させる。

コイル１１０は、磁石１３０とセンターヨーク１２２の間に配置され、コイル１１０への通電が交流的であれば、Ｂ方向に往復移動する振動となる。これにより、磁気回路１２０が振動して生じる慣性力で振動パネル２０が振動し、慣性駆動される。

慣性駆動制御装置１は、上記構成部品の組み付け完了の状態で、制御部２００から出力される駆動電流がコイル１１０に通電されることにより、ボイスコイルモータ１００が加振される。

（制御部２００）
制御部２００は、図２（ａ）に示すように、慣性駆動機構部１０の振動部である振動パネル２０を目標振動波形で振動させるために、制御部２００において目標波形信号及び慣性駆動機構部１０に基づいて入力信号を生成する。入力信号ｘ（ｔ）は、慣性駆動機構部１０に入力され、振動部である振動パネル２０が、目標振動波形ｙ（ｔ）で振動する。

また、図２（ｂ）に示すように、慣性駆動機構部１０の駆動を伝達関数モデルで表現すると、入力信号Ｘ（ｓ）は、慣性駆動機構部１０の伝達関数Ｇ（ｓ）に入力され、振動部である振動パネル２０が、目標波形振動Ｙ（ｓ）で振動する。

図２（ａ）、（ｂ）からわかるように、本実施の形態に係る慣性駆動制御装置１は、慣性駆動機構部１０の出力信号の一部をフィードバックする従来制御方式とは異なり、目標振動波形に対応する目標波形信号を設計して生成し、この生成された入力信号を慣性駆動機構部１０に入力することにより、目標波形振動Ｙ（ｓ）で振動させる。すなわち、慣性駆動によって、感触の良い任意の振動波形を効率よく生成するものである。

図３は、本実施の形態に係る慣性駆動制御装置の慣性駆動制御の方法を示す制御フロー図である。以下、本実施の形態に係る慣性駆動制御装置１の制御方法をステップＳ１からＳ４にしたがってフロー図で説明する。

（目標振動波形の設計）
慣性駆動系の運動法則に従う振動波形として目標振動波形を形成する。慣性を利用して振動を生成するため、運動法則に従わない振動は生成できず、目標振動波形として生成しようとすると効率が悪い。そこで、目標振動波形として、変位、速度、加速度について運動法則に従う目標振動波形を設計する（ステップＳ１）。

目標振動波形の要点としては、（１）初期値≒０、（２）収束点≒０、（３）急峻な変化をしない、滑らかな変化をする連続な波形、が挙げられる。

図４（ａ）は、効率よく生成できない目標振動波形の例を示す波形図であり、図４（ｂ）は、効率よく生成できる目標振動波形の例を示す波形図である。図４（ａ）において、Ｃ１で示す初期値が０（ゼロ）でない場合、Ｃ２で示す収束点が０（ゼロ）でない場合、Ｃ３で示す急峻な変化をする場合、には慣性を利用した運動法則に従う振動が生成できない。一方、図４（ｂ）において、初期値が０（ゼロ）である場合、収束点が０（ゼロ）である場合、滑らかな変化をする連続な波形である場合、には慣性を利用した運動法則に従う振動が生成できる。

上記のような慣性を利用した運動法則に従う振動波形として、目標振動波形ｙ（ｔ）を設計する。ｓをラプラス演算子とすると、目標波形信号Ｙ（ｓ）は、

と表せる。

（入力信号の算出）
制御部２００は、伝達関数モデルを用いた目標振動波形Ｙ（ｓ）を生成するための入力信号Ｘ（ｓ）を算出する（ステップＳ２）。図２（ｂ）で示す伝達関数モデルを用いた伝達ブロック線図において、慣性駆動機構部の伝達関数をＧ（ｓ）とすると、
目標振動波形Ｙ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）Ｘ（ｓ）となる。
よって、Ｘ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）/Ｙ（ｓ）
したがって、入力信号は、

により、ラプラス逆変換により算出することができる。

（慣性駆動機構部１０への入力）
算出した入力信号ｘ（ｔ）を電流駆動信号として、慣性駆動機構部１０へ入力する（ステップＳ３）。すなわち、図１に示したコイル１１０に、ドライバ回路等を介して電流増幅した入力信号（電流）を慣性駆動機構部１０へ入力する。これにより、慣性駆動機構部１０を駆動する。

（振動生成、振動パネルの振動）
入力信号ｘ（ｔ）に基づいて、コイル１１０への通電により、振動生成する。すなわち、振動パネル２０の振動を生成させる。この振動波形は、目標振動波形とほぼ相似の振動波形となる。

（実施例）
図５（ａ）は、慣性駆動制御における目標振動波形の関数例であり、図５（ｂ）は、振動部の変位、速度、加速度を示す波形図、図５（ｃ）は、目標振動、入力電流、生成振動を示す波形図である。

図５（ａ）に示すように、目標振動波形の関数例は、
ｙ（ｔ）＝ｅｘｐ（ａ（ｔ−ｂ）^２）×ｓｉｎ（ｋ（ｔ−ｂ））
ａ、ｂ、ｋは任意定数

図５（ｂ）に示すように、変位のみでなく、速度、及び加速度も併せて設計し、初期値ゼロ、収束点ゼロ、急峻な変化をしない、滑らかな変化となる目標振動波形となるように設計する。

図５（ｃ）に示すように、目標振動波形を初期値ゼロ、収束点ゼロ、急峻な変化をしない、滑らかな変化となる目標振動波形となるように設計し、これに基づいて入力信号を算出して入力電流を求め、これに基づいて慣性駆動機構部１０を駆動して振動生成させる。これにより、図５（ｃ）に示すように、感触の良い任意の振動波形を効率よく生成することができる。

（比較例）
図６（ａ）は、比較例における効率よく生成できない目標振動波形の関数例であり、図６（ｂ）は、振動部の変位、速度、加速度を示す波形図であり、図６（ｃ）は、目標振動、入力電流、生成振動を示す波形図である。

図６（ａ）に示すように、目標振動波形の関数例は、

図６（ｂ）に示すように、目標振動波形の関数が滑らかな変化をする連続な波形でない場合である。

図６（ｃ）に示すように、目標振動波形の関数が滑らかな変化をする連続な波形でない場合は、入力信号（入力電流）は、長い時間の入力電流となる。一方、生成振動波形は、図５（ｃ）で示した生成振動波形と同様であり、触感的に大きな差異はない振動波形となっている。すなわち、触感的に大きな差異はない振動波形を生成するために、長い時間の入力信号（入力電流）と必要とし、効率よく振動生成を行なうことができない。

（実施例と比較例との比較）
図７は、本実施の形態に係る慣性駆動制御装置の生成振動と、比較例における効率よく生成できない目標振動波形により生成される生成振動とを比較した比較振動波形図である。

図７の実線で示す振動波形１は、実施例で示した本発明の実施例に係る振動波形であり、破線で示す振動波形２は、比較例で示した振動波形である。これらの振動波形の差異は、振動の立上がり、立下がり時の振幅に差異が見られるが、感触的に大きな差異はないものと考えられる。しかし、図５（ｃ）及び図６（ｃ）で示したように、入力電流の印加時間に大きな差がみられる。すなわち、本発明の実施例に係るような初期値ゼロ、収束点ゼロ、急峻な変化をしない、滑らかな変化となる目標振動波形を設計し、これに基づく入力電流を求めると、比較例に係るような滑らかな変化をする連続な波形でない場合の入力電流と比較すると、短い時間の入力信号（入力電流）とすることができ、かつ、感触のよい振動波形が得られる。

（本発明の実施の形態の効果）
上記のような構成により、次のような効果を有する。
（１）本実施の形態に係る慣性駆動制御装置１は、目標振動波形に対応する目標波形信号を設計して生成し、この生成された入力信号を慣性駆動機構部１０に入力することにより、目標波形振動で振動させる。このとき、目標振動波形として、変位、速度、加速度について運動法則に従う目標振動波形を設計する。これにより、短い時間の入力信号（入力電流）とすることができる。
（２）振動波形の変位、速度、加速度について生成振動を設計することで、アクチュエータへの振動印加後の残振動制御などの必要な入力電流が低減され、感触の良い任意の振動波形を効率よく生成することができる。
（３）慣性駆動機構部の伝達関数Ｇ（ｓ）、及び、目標振動波形として、変位、速度、加速度について運動法則に従って設計した目標振動波形Ｙ（ｓ）から、ラプラス逆変換により入力信号（入力電流）を算出する。これにより、慣性駆動系の運動法則に従う振動波形を効率よく生成することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、この実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。例えば、本実施の形態は、連続系モデルとしてラプラス変換を使用したが、離散値系モデルとして、ｚ変換を使用する制御方式によってもよい。

また、この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…慣性駆動制御装置
１０…慣性駆動機構部
２０…振動パネル
２１…隅部
２２…取付部
２６…隅部
３０…筐体
３１…隅部
３６…隅部
４０、４５…支持部
６０、６５…バネ
１００…ボイスコイルモータ
１１０…コイル
１２０…磁気回路
１２２…センターヨーク
１２４…中継ヨーク
１２６…サイドヨーク
１３０…磁石

Claims

目標振動波形に対応する目標波形信号を生成する目標信号生成部と、
前記目標振動波形に基づく振動波形を出力する慣性駆動機構部と、
前記慣性駆動機構部に入力する入力信号を演算して生成する入力信号生成部と、を有し、
前記目標信号生成部は、前記目標波形信号を慣性駆動系の運動法則に従う振動波形として形成し、
前記入力信号生成部は、前記目標波形信号及び前記慣性駆動機構部に基づいて入力信号を生成することを特徴とする慣性駆動制御装置。
前記入力信号生成部は、前記目標波形信号及び前記慣性駆動機構部に基づいて算出される伝達関数の逆ラプラス変換により求められることを特徴とする請求項１に記載の慣性駆動制御装置。
前記目標信号生成部は、前記目標波形信号を、初期値ゼロ、収束点の値ゼロ、及び滑らかな連続波形として生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の慣性駆動制御装置。