JP2002310646A - 関節アクチュエータのための角度変位検出装置 - Google Patents
関節アクチュエータのための角度変位検出装置Info
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- JP2002310646A JP2002310646A JP2001120633A JP2001120633A JP2002310646A JP 2002310646 A JP2002310646 A JP 2002310646A JP 2001120633 A JP2001120633 A JP 2001120633A JP 2001120633 A JP2001120633 A JP 2001120633A JP 2002310646 A JP2002310646 A JP 2002310646A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 絶対角度変位を非接触で高精度に検出する、
小型、軽量、薄型の角度変位検出装置を提供する。 【解決手段】 角度変位検出装置１は、所定の回転軸２
まわりに回転する回転体２と、回転体２の外周までの半
径方向のギャップｄを非接触で検出する距離センサ３と
で構成される。距離センサ３から回転体２外周までのギ
ャップｄが、回転体２の回転角θに応じて変わるよう
に、回転体２の形状が定められているので、距離センサ
３によって測定された回転体２の外周までのギャップｄ
を基に、回転体２の回転位置又は角度変位を検出するこ
とができる。
小型、軽量、薄型の角度変位検出装置を提供する。 【解決手段】 角度変位検出装置１は、所定の回転軸２
まわりに回転する回転体２と、回転体２の外周までの半
径方向のギャップｄを非接触で検出する距離センサ３と
で構成される。距離センサ３から回転体２外周までのギ
ャップｄが、回転体２の回転角θに応じて変わるよう
に、回転体２の形状が定められているので、距離センサ
３によって測定された回転体２の外周までのギャップｄ
を基に、回転体２の回転位置又は角度変位を検出するこ
とができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転体の角度変位
を検出する角度変位検出装置に係り、特に、アクチュエ
ータとして用いられるモータのシャフトの絶対角度変位
を検出する角度変位検出装置に関する。
を検出する角度変位検出装置に係り、特に、アクチュエ
ータとして用いられるモータのシャフトの絶対角度変位
を検出する角度変位検出装置に関する。
【０００２】更に詳しくは、本発明は、脚式移動ロボッ
トの関節アクチュエータとして用いられるモータのシャ
フトの絶対角度変位を検出する角度変位検出装置に係
り、特に、非接触で高精度に絶対角度変位を検出する、
小型、軽量、薄型の角度変位検出装置に関する。
トの関節アクチュエータとして用いられるモータのシャ
フトの絶対角度変位を検出する角度変位検出装置に係
り、特に、非接触で高精度に絶対角度変位を検出する、
小型、軽量、薄型の角度変位検出装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】電気的若しくは磁気的な作用を用いて人
間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボッ
ト」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ＲＯＢＯ
ＴＡ(奴隷機械)"に由来すると言われている。わが国で
は、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からで
あるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・
無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボット
などの産業用ロボット（industrial robot）であった。
間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボッ
ト」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ＲＯＢＯ
ＴＡ(奴隷機械)"に由来すると言われている。わが国で
は、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からで
あるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・
無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボット
などの産業用ロボット（industrial robot）であった。
【０００４】アーム式ロボットのように、ある特定の場
所に植設して用いるような据置きタイプのロボットは、
部品の組立・選別作業など固定的・局所的な作業空間で
のみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業
空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を
自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行
したり、ヒトやイヌあるいはその他の生命体に置き換わ
る種々の幅広いサービスを提供することができる。なか
でも脚式の移動ロボットは、クローラ式やタイヤ式のロ
ボットに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなる
が、階段や梯子の昇降や障害物の乗り越えや、整地・不
整地の区別を問わない柔軟な歩行・走行動作を実現でき
るという点で優れている。
所に植設して用いるような据置きタイプのロボットは、
部品の組立・選別作業など固定的・局所的な作業空間で
のみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業
空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を
自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行
したり、ヒトやイヌあるいはその他の生命体に置き換わ
る種々の幅広いサービスを提供することができる。なか
でも脚式の移動ロボットは、クローラ式やタイヤ式のロ
ボットに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなる
が、階段や梯子の昇降や障害物の乗り越えや、整地・不
整地の区別を問わない柔軟な歩行・走行動作を実現でき
るという点で優れている。
【０００５】最近では、イヌやネコのように４足歩行の
動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボ
ット、あるいは、ヒトのような２足直立歩行を行う動物
の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた
「人間形」若しくは「人間型」のロボット（humanoid r
obot）など、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展
し、実用化への期待も高まってきている。例えば、ソニ
ー株式会社は、１１月２５日に２足歩行の人間型ロボッ
ト"ＳＤＲ−３Ｘ"を公表した。
動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボ
ット、あるいは、ヒトのような２足直立歩行を行う動物
の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた
「人間形」若しくは「人間型」のロボット（humanoid r
obot）など、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展
し、実用化への期待も高まってきている。例えば、ソニ
ー株式会社は、１１月２５日に２足歩行の人間型ロボッ
ト"ＳＤＲ−３Ｘ"を公表した。
【０００６】この種の脚式移動ロボットは、一般に、多
数の関節自由度を備え、関節の動きをアクチュエータ・
モータで実現するようになっている。また、各モータの
回転位置、回転量などを取り出して、サーボ制御を行う
ことにより、所望の動作パターンを再現するとともに、
姿勢制御を行うようになっている。
数の関節自由度を備え、関節の動きをアクチュエータ・
モータで実現するようになっている。また、各モータの
回転位置、回転量などを取り出して、サーボ制御を行う
ことにより、所望の動作パターンを再現するとともに、
姿勢制御を行うようになっている。
【０００７】このように移動ロボットが多数の関節アク
チュエータで構成されているということは、動作パター
ンを忠実に再現したり、姿勢を高度に安定化させるため
には、各関節に配置されたモータのシャフトの回転角度
を正確に計測する必要があることを意味する。例えば、
２足直立歩行型の脚式移動ロボットの場合、重心位置が
高く、且つ、ＺＭＰ（Zero Moment Point）安定領域が
狭いので、機体の安定化並びに転倒の防止を図るために
は、より高精度にモータのシャフトの絶対角度変位を検
出しなければならない（ＺＭＰの概念並びにＺＭＰを歩
行ロボットの安定度判別規範に適用する点については、
Miomir Vukobratovic著"LEGGED LOCOMOTION ROBOTS"
（加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』（日刊工業
新聞社））に記載されている）。
チュエータで構成されているということは、動作パター
ンを忠実に再現したり、姿勢を高度に安定化させるため
には、各関節に配置されたモータのシャフトの回転角度
を正確に計測する必要があることを意味する。例えば、
２足直立歩行型の脚式移動ロボットの場合、重心位置が
高く、且つ、ＺＭＰ（Zero Moment Point）安定領域が
狭いので、機体の安定化並びに転倒の防止を図るために
は、より高精度にモータのシャフトの絶対角度変位を検
出しなければならない（ＺＭＰの概念並びにＺＭＰを歩
行ロボットの安定度判別規範に適用する点については、
Miomir Vukobratovic著"LEGGED LOCOMOTION ROBOTS"
（加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』（日刊工業
新聞社））に記載されている）。
【０００８】また、ロボットの機体全体の重量、容積、
並びに、重量バランスなどを考量すると、各関節アクチ
ュエータ用の角度検出装置は、小型で軽量、且つ薄型で
あることが望ましい。
並びに、重量バランスなどを考量すると、各関節アクチ
ュエータ用の角度検出装置は、小型で軽量、且つ薄型で
あることが望ましい。
【０００９】従来、絶対角度変位センサとしては、ポテ
ンショメータや、光学式ロータリ・エンコーダ、磁気式
レゾルバなどを挙げることができる。
ンショメータや、光学式ロータリ・エンコーダ、磁気式
レゾルバなどを挙げることができる。
【００１０】ポテンショメータは、理論上の分解能は無
限大であるが、可変抵抗部分に接触部分がある接触型の
センサであるため、摩耗などにより寿命が短い（ポテン
ショ・メータは、従来は巻線抵抗を使用した接触型構造
のものが多く、これは摺動子での機械的寿命が短い）。
限大であるが、可変抵抗部分に接触部分がある接触型の
センサであるため、摩耗などにより寿命が短い（ポテン
ショ・メータは、従来は巻線抵抗を使用した接触型構造
のものが多く、これは摺動子での機械的寿命が短い）。
【００１１】また、光学式ロータリ・エンコーダは、非
接触型であり、且つ、回転角をデジタル値で検出するこ
とができる。しかしながら、分解能を大きくするために
はセンサが厚さ方向に膨らんでしまうので小型化には向
かない。また、アナログ量検出ではないので、速度成分
を得るためにデジタル微分（差分）をする場合、低速回
転時の分解能が低下してしまう。
接触型であり、且つ、回転角をデジタル値で検出するこ
とができる。しかしながら、分解能を大きくするために
はセンサが厚さ方向に膨らんでしまうので小型化には向
かない。また、アナログ量検出ではないので、速度成分
を得るためにデジタル微分（差分）をする場合、低速回
転時の分解能が低下してしまう。
【００１２】また、磁気式レゾルバは、非接触型であ
り、回転角をアナログ多出力で検知し、３角関数の逆演
算で角度を算出する。しかしながら、分解能を大きくす
るためには、厚み方向に膨らんでしまうので、小型化に
は向かない。また、角度算出の演算が不可欠なので、専
用の演算器を実装しなければ検出時間が長くなってしま
う。検出時間が遅いと、サンプル時間の遅れを来たし、
サーボ制御が充分に機能しなくなる。
り、回転角をアナログ多出力で検知し、３角関数の逆演
算で角度を算出する。しかしながら、分解能を大きくす
るためには、厚み方向に膨らんでしまうので、小型化に
は向かない。また、角度算出の演算が不可欠なので、専
用の演算器を実装しなければ検出時間が長くなってしま
う。検出時間が遅いと、サンプル時間の遅れを来たし、
サーボ制御が充分に機能しなくなる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、アク
チュエータとして用いられるモータのシャフトの絶対角
度変位を高精度に検出することができる、優れた角度変
位検出装置を提供することにある。
チュエータとして用いられるモータのシャフトの絶対角
度変位を高精度に検出することができる、優れた角度変
位検出装置を提供することにある。
【００１４】本発明の更なる目的は、脚式移動ロボット
の関節アクチュエータとして用いられるモータのシャフ
トの絶対角度変位を高精度に検出することができる、優
れた角度変位検出装置を提供することにある。
の関節アクチュエータとして用いられるモータのシャフ
トの絶対角度変位を高精度に検出することができる、優
れた角度変位検出装置を提供することにある。
【００１５】本発明の更なる目的は、脚式移動ロボット
の関節アクチュエータとして用いられるモータのシャフ
トの絶対角度変位を非接触で高精度に検出することがで
きる、小型、軽量、薄型の優れた角度変位検出装置を提
供することにある。
の関節アクチュエータとして用いられるモータのシャフ
トの絶対角度変位を非接触で高精度に検出することがで
きる、小型、軽量、薄型の優れた角度変位検出装置を提
供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、上記
課題を参酌してなされたものであり、関節アクチュエー
タとして用いられるモータのシャフトの角度変位を検出
するための角度変位検出装置であって、被検対象となる
モータ・シャフトと同軸状に取り付けられた回転体と、
前記回転体の外周までの間隙を測定するセンサと、を具
備し、前記回転体の半径は、前記回転体の角度変位と前
記センサまでの間隙とが一意の関係となるように変化し
ている、ことを特徴とする関節アクチュエータのための
角度変位検出装置である。
課題を参酌してなされたものであり、関節アクチュエー
タとして用いられるモータのシャフトの角度変位を検出
するための角度変位検出装置であって、被検対象となる
モータ・シャフトと同軸状に取り付けられた回転体と、
前記回転体の外周までの間隙を測定するセンサと、を具
備し、前記回転体の半径は、前記回転体の角度変位と前
記センサまでの間隙とが一意の関係となるように変化し
ている、ことを特徴とする関節アクチュエータのための
角度変位検出装置である。
【００１７】本発明に係る角度変位検出装置は、所定の
回転軸まわりに回転する回転体と、回転体２の外周まで
の半径方向のギャップを非接触で検出するセンサとで構
成され、回転体を例えばロボットの関節アクチュエータ
・モータのシャフトに対して同軸状に取り付けて用いら
れる。
回転軸まわりに回転する回転体と、回転体２の外周まで
の半径方向のギャップを非接触で検出するセンサとで構
成され、回転体を例えばロボットの関節アクチュエータ
・モータのシャフトに対して同軸状に取り付けて用いら
れる。
【００１８】センサから回転体外周までのギャップｄ
が、回転体の回転角θに応じて変わるように、回転体の
形状が定められているので、センサによって測定された
回転体の外周までのギャップｄを基に、回転体の回転位
置又は角度変位を検出することができる。
が、回転体の回転角θに応じて変わるように、回転体の
形状が定められているので、センサによって測定された
回転体の外周までのギャップｄを基に、回転体の回転位
置又は角度変位を検出することができる。
【００１９】本発明に係る角度変位検出装置は、非接触
の検知システムなので、長寿命を期待することができ
る。
の検知システムなので、長寿命を期待することができ
る。
【００２０】前記センサは、例えば非可視光を前記回転
体の外周に照射する発光素子と、前記回転体の外周から
の反射光を受光する受光する受光素子の組み合わせで構
成される反射型センサで構成することができる。
体の外周に照射する発光素子と、前記回転体の外周から
の反射光を受光する受光する受光素子の組み合わせで構
成される反射型センサで構成することができる。
【００２１】受光素子に用いられる光センサは一般に小
型化が容易なので、検知システム並びに関節アクチュエ
ータ全体の小型、軽量、薄型化に貢献することができ
る。
型化が容易なので、検知システム並びに関節アクチュエ
ータ全体の小型、軽量、薄型化に貢献することができ
る。
【００２２】光センサは、一般に、対数関数で表現され
る検出距離特性を備えている。したがって、前記回転体
の半径と回転角の関係が１次関数で定義されるようにそ
の外周形状を形設した場合には、角度変位検出装置の検
出距離特性は、そのまま対数曲線を描くことになる。こ
れに対し、半径と回転角の関係が指数関数で定義される
ように回転体の外周形状を形設した場合には、角度変位
検出装置に対し線形的な検出距離特性を与えることがで
きる。つまり、任意の関数形状を選ぶことで、それに応
じた関数の値を得ることができる。
る検出距離特性を備えている。したがって、前記回転体
の半径と回転角の関係が１次関数で定義されるようにそ
の外周形状を形設した場合には、角度変位検出装置の検
出距離特性は、そのまま対数曲線を描くことになる。こ
れに対し、半径と回転角の関係が指数関数で定義される
ように回転体の外周形状を形設した場合には、角度変位
検出装置に対し線形的な検出距離特性を与えることがで
きる。つまり、任意の関数形状を選ぶことで、それに応
じた関数の値を得ることができる。
【００２３】また、本発明に係る角度変位検出装置の精
度は、回転体の側面形状の機械加工精度のみに依存する
ので、精度向上やバラツキの制御が容易である。
度は、回転体の側面形状の機械加工精度のみに依存する
ので、精度向上やバラツキの制御が容易である。
【００２４】また、本発明に係る角度変位検出装置は、
アナログ量検知を基本とするので、微分回路を付加する
ことで、角速度並びに角加速度成分信号を容易に生成す
ることができる。言い換えれば、本発明に係る角度変位
検出装置は、小型・薄型且つ高分解能で長寿命で、サー
ボ制御に向いた出力信号を容易に生成することができ
る。
アナログ量検知を基本とするので、微分回路を付加する
ことで、角速度並びに角加速度成分信号を容易に生成す
ることができる。言い換えれば、本発明に係る角度変位
検出装置は、小型・薄型且つ高分解能で長寿命で、サー
ボ制御に向いた出力信号を容易に生成することができ
る。
【００２５】また、前記回転体は、着磁が施された着磁
部分とそれ以外の非着磁部分とに化移転方向に分割され
るとともに、前記回転体の外周が着磁部分か否かを検出
する磁気センサをさらに備えていてもよい。
部分とそれ以外の非着磁部分とに化移転方向に分割され
るとともに、前記回転体の外周が着磁部分か否かを検出
する磁気センサをさらに備えていてもよい。
【００２６】反射型の距離センサのみを用いた場合に
は、対数的な検出距離特性を持つので、外周反射面との
距離が大きくなった回転位置では、回転角θの変化に伴
う出力Ｖの変化が緩やかとなり、分解能が低下してしま
う。
は、対数的な検出距離特性を持つので、外周反射面との
距離が大きくなった回転位置では、回転角θの変化に伴
う出力Ｖの変化が緩やかとなり、分解能が低下してしま
う。
【００２７】そこで、反射型のセンサと磁気センサの双
方の出力を組み合わせて使用することにより、回転対の
回転角の絶対値を、分解能を大きく検知することができ
るという訳である。
方の出力を組み合わせて使用することにより、回転対の
回転角の絶対値を、分解能を大きく検知することができ
るという訳である。
【００２８】本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、
後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳
細な説明によって明らかになるであろう。
後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳
細な説明によって明らかになるであろう。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施例を詳解する。
の実施例を詳解する。
【００３０】図１には、本発明の一実施形態に係る角度
変位検出装置１の基本構成を模式的に示している。同図
に示すように、この角度変位検出装置１は、所定の回転
軸２まわりに回転する回転体２と、この回転体２の側面
近傍に配設された距離センサ３とで構成される。
変位検出装置１の基本構成を模式的に示している。同図
に示すように、この角度変位検出装置１は、所定の回転
軸２まわりに回転する回転体２と、この回転体２の側面
近傍に配設された距離センサ３とで構成される。
【００３１】回転体２の回転軸は、角度変位の検出対象
であるモータのシャフト（図示しない）にシャフトとは
同軸状に回転するように一体的に取り付けられる。
であるモータのシャフト（図示しない）にシャフトとは
同軸状に回転するように一体的に取り付けられる。
【００３２】また、距離センサ３は、回転体２の外周ま
での半径方向のギャップｄを検出する非接触のセンサ素
子で構成される。
での半径方向のギャップｄを検出する非接触のセンサ素
子で構成される。
【００３３】本実施形態では、回転体２の半径ｒの長
さ、すなわち距離センサ３から回転体２外周までのギャ
ップｄが、回転体２の回転角θに応じて変わる（あるい
は、回転角θとギャップｄとが一意の関係となる）よう
に、回転体２の形状が定められている。図１に示す例で
は、回転体２は、カム形状に形設されている。
さ、すなわち距離センサ３から回転体２外周までのギャ
ップｄが、回転体２の回転角θに応じて変わる（あるい
は、回転角θとギャップｄとが一意の関係となる）よう
に、回転体２の形状が定められている。図１に示す例で
は、回転体２は、カム形状に形設されている。
【００３４】したがって、距離センサ３によって測定さ
れた回転体２の外周までのギャップｄを基に、回転体２
すなわちモータのシャフトの回転位置又は角度変位を検
出することができる。
れた回転体２の外周までのギャップｄを基に、回転体２
すなわちモータのシャフトの回転位置又は角度変位を検
出することができる。
【００３５】距離センサ３としては、例えば、測定対象
に対して照射した光の反射光に基づいて距離を測定する
反射型センサを用いることができる。この場合、測定対
象となる回転体２の外周部は、良好な反射光を得るため
に、アルミなどの素材を鏡面仕上げしたり、白い塗装を
施したり、アルミ蒸着を施しておくことが好ましい。
に対して照射した光の反射光に基づいて距離を測定する
反射型センサを用いることができる。この場合、測定対
象となる回転体２の外周部は、良好な反射光を得るため
に、アルミなどの素材を鏡面仕上げしたり、白い塗装を
施したり、アルミ蒸着を施しておくことが好ましい。
【００３６】図２には、反射型の距離センサ３の回路構
成例を模式的に示している。同図に示す例では、距離セ
ンサ３は、非可視ＬＥＤ（Light Emitting Diode）３１
とフォト・トランジスタ３２を直列接続して構成され
る。
成例を模式的に示している。同図に示す例では、距離セ
ンサ３は、非可視ＬＥＤ（Light Emitting Diode）３１
とフォト・トランジスタ３２を直列接続して構成され
る。
【００３７】非可視ＬＥＤ３１に順電流Ｉf（Ａ）を流
すと、非可視光が照射される。そして、回転体２の外周
部はこの非可視光を反射する。
すと、非可視光が照射される。そして、回転体２の外周
部はこの非可視光を反射する。
【００３８】フォト・トランジスタ３２は、回転体２の
外周からの反射光を受光すると、その受光強度に応じた
光電流（相対コレクタ電流）Ｉc（Ａ）を発生する。受
光強度は回転体２の外周反射面までのギャップｄに相応
する。したがって、距離センサ３が出力する光電流Ｉc
を電圧に変換して、所定の演算処理を施すことにより、
回転体２の外周反射面までのギャップｄを求めることが
できる。
外周からの反射光を受光すると、その受光強度に応じた
光電流（相対コレクタ電流）Ｉc（Ａ）を発生する。受
光強度は回転体２の外周反射面までのギャップｄに相応
する。したがって、距離センサ３が出力する光電流Ｉc
を電圧に変換して、所定の演算処理を施すことにより、
回転体２の外周反射面までのギャップｄを求めることが
できる。
【００３９】図３には、反射型の距離センサ３が持つ反
射面までの距離ｄと光電流Ｉcとの関係を示した検出距
離特性を示している。但し、非可視ＬＥＤ３１への順電
流Ｉ f＝１０ｍＡとし、エミッタ電圧ＶCE＝２Ｖとし、
周囲温度Ｔa＝２５℃とし、回転体２外周の反射面は反
射率９０％白色であるとする。同図に示す例では、距離
センサ３は、距離ｄ≒０．７ｍｍ付近のピーク以降では
対数的な検出距離特性を備えていることが判る。
射面までの距離ｄと光電流Ｉcとの関係を示した検出距
離特性を示している。但し、非可視ＬＥＤ３１への順電
流Ｉ f＝１０ｍＡとし、エミッタ電圧ＶCE＝２Ｖとし、
周囲温度Ｔa＝２５℃とし、回転体２外周の反射面は反
射率９０％白色であるとする。同図に示す例では、距離
センサ３は、距離ｄ≒０．７ｍｍ付近のピーク以降では
対数的な検出距離特性を備えていることが判る。
【００４０】既に述べたように、距離センサ３の出力か
ら得られた距離ｄを基に回転体２の角度変位を検出する
という仕組みは、回転体２の半径の長さすなわち距離セ
ンサ３から回転体２外周までのギャップｄが、回転体２
の回転角に応じて変わる（あるいは、回転角とギャップ
ｄとが一意の関係となる）ように、回転体２の形状が定
められている、ということによって実現される。
ら得られた距離ｄを基に回転体２の角度変位を検出する
という仕組みは、回転体２の半径の長さすなわち距離セ
ンサ３から回転体２外周までのギャップｄが、回転体２
の回転角に応じて変わる（あるいは、回転角とギャップ
ｄとが一意の関係となる）ように、回転体２の形状が定
められている、ということによって実現される。
【００４１】図４には、回転体２の形状の一例を示して
いる。この例の回転体２−１における回転角θと半径ｒ
との関係は、以下に示す式の通りである。
いる。この例の回転体２−１における回転角θと半径ｒ
との関係は、以下に示す式の通りである。
【００４２】
【数１】
【００４３】この例では、回転体２−１の半径ｒと回転
角θは１次関数で定義される。したがって、反射型距離
センサ３の出力特性は、図５に示すように、図３に示し
た検出距離特性をそのまま反映した対数曲線を描くこと
になる。このときの距離センサ３の出力Ｖと回転体２の
回転角θとの関係は、以下に示す式の通りとなる。但
し、Ａ及びＢはともに距離センサ３に固有の定数とし、
βはセンサ固有の定数（対数的ではない近似領域の特性
を吸収するオフセット）であるとする。
角θは１次関数で定義される。したがって、反射型距離
センサ３の出力特性は、図５に示すように、図３に示し
た検出距離特性をそのまま反映した対数曲線を描くこと
になる。このときの距離センサ３の出力Ｖと回転体２の
回転角θとの関係は、以下に示す式の通りとなる。但
し、Ａ及びＢはともに距離センサ３に固有の定数とし、
βはセンサ固有の定数（対数的ではない近似領域の特性
を吸収するオフセット）であるとする。
【００４４】
【数２】
【００４５】また、図６には、回転体２の形状に関する
他の例を示している。この例の回転体２−２における回
転角θと半径ｒとの関係は、以下に示す式の通りであ
る。
他の例を示している。この例の回転体２−２における回
転角θと半径ｒとの関係は、以下に示す式の通りであ
る。
【００４６】
【数３】
【００４７】この例では、回転体２−２の半径ｒと回転
角θは指数関数で定義される。したがって、反射型距離
センサ３の出力特性は、図７に示すように、線形的な性
質を持つことになる。このときの距離センサ３の出力Ｖ
と回転体２の回転角θとの関係は、以下に示す式の通り
となる。
角θは指数関数で定義される。したがって、反射型距離
センサ３の出力特性は、図７に示すように、線形的な性
質を持つことになる。このときの距離センサ３の出力Ｖ
と回転体２の回転角θとの関係は、以下に示す式の通り
となる。
【００４８】
【数４】
【００４９】但し、上式において、Ａは回転体２が持つ
略カム形状と距離センサ３との組み合わせによって定ま
る定数である。より具体的には、定数Ａは、距離センサ
３が本来持つ対数的な出力特性における対数の底に相当
する値と、回転体２が持つカム形状の寸法（Ｄ＋ｄ）／
Ｄの値により定まる。
略カム形状と距離センサ３との組み合わせによって定ま
る定数である。より具体的には、定数Ａは、距離センサ
３が本来持つ対数的な出力特性における対数の底に相当
する値と、回転体２が持つカム形状の寸法（Ｄ＋ｄ）／
Ｄの値により定まる。
【００５０】図４〜図７を参照しながら説明したよう
に、本実施形態に係る角度変位検出装置１によれば、回
転体２の角度変位θという入力と、距離センサ３からの
出力電圧Ｖとの間の入出力特性を、回転体２が持つカム
形状により任意に設定することができる。
に、本実施形態に係る角度変位検出装置１によれば、回
転体２の角度変位θという入力と、距離センサ３からの
出力電圧Ｖとの間の入出力特性を、回転体２が持つカム
形状により任意に設定することができる。
【００５１】図８には、本発明の他の実施形態に係る角
度変位検出装置１０の基本構成を模式的に示している。
同図に示すように、この角度変位検出装置１０は、所定
の回転軸２まわりに回転する回転体１２と、この回転体
１２の側面近傍に配設された２個の非接触型の距離セン
サ１３１及び１３２で構成される。
度変位検出装置１０の基本構成を模式的に示している。
同図に示すように、この角度変位検出装置１０は、所定
の回転軸２まわりに回転する回転体１２と、この回転体
１２の側面近傍に配設された２個の非接触型の距離セン
サ１３１及び１３２で構成される。
【００５２】回転体１２の回転軸は、角度変位の検出対
象であるモータのシャフト（図示しない）にシャフトと
は同軸状に回転するように一体的に取り付けられる。回
転体１２の外周部は、良好な反射光を得るために、アル
ミなどの素材を鏡面仕上げしたり、白い塗装を施した
り、アルミ蒸着を施しておくことが好ましい（同上）。
象であるモータのシャフト（図示しない）にシャフトと
は同軸状に回転するように一体的に取り付けられる。回
転体１２の外周部は、良好な反射光を得るために、アル
ミなどの素材を鏡面仕上げしたり、白い塗装を施した
り、アルミ蒸着を施しておくことが好ましい（同上）。
【００５３】この実施形態に係る回転体１２は、着磁部
１２１と、非着磁部１２２との組み合わせで構成され
る。図８に示す例では、着磁部１２１と、非着磁部１２
２は、ともに半円形状の構造体であり、回転角θに従っ
て回転体１２を２等分している。図示の例では、着磁部
１２１と非着磁部１２２は同一のカム形状を有している
が、本発明の要旨は必ずしもこれに限定されるものでは
ない。
１２１と、非着磁部１２２との組み合わせで構成され
る。図８に示す例では、着磁部１２１と、非着磁部１２
２は、ともに半円形状の構造体であり、回転角θに従っ
て回転体１２を２等分している。図示の例では、着磁部
１２１と非着磁部１２２は同一のカム形状を有している
が、本発明の要旨は必ずしもこれに限定されるものでは
ない。
【００５４】一方の非接触の距離センサ１３１は、図２
に示したものと同様の非可視ＬＥＤとフォト・ダイオー
ドの組み合わせで構成される反射型の距離センサでよ
い。
に示したものと同様の非可視ＬＥＤとフォト・ダイオー
ドの組み合わせで構成される反射型の距離センサでよ
い。
【００５５】回転体１２の半径ｒの長さ、すなわち距離
センサ１３１から回転体１２外周までのギャップｄが、
回転体１２の回転角θに応じて変わる（あるいは、回転
角とギャップｄとが一意の関係となる）ように、回転体
１２の形状が定められているので、距離センサ１３１に
よって測定された回転体２の外周までのギャップｄを基
に、回転体１２すなわちモータのシャフトの回転位置又
は角度変位を検出することができる。
センサ１３１から回転体１２外周までのギャップｄが、
回転体１２の回転角θに応じて変わる（あるいは、回転
角とギャップｄとが一意の関係となる）ように、回転体
１２の形状が定められているので、距離センサ１３１に
よって測定された回転体２の外周までのギャップｄを基
に、回転体１２すなわちモータのシャフトの回転位置又
は角度変位を検出することができる。
【００５６】但し、反射型の距離センサ１３１は、図３
を参照しながら既に説明したように、対数的な検出距離
特性を有するので上記の［数１］ように回転体１２の半
径ｒと回転角θが１次関数となるように、回転体１２の
カム形状を定義した場合には、距離センサ１３１の出力
Ｖと回転体２の回転角θとの関係は、同様に対数的な出
力曲線となる（図５を参照のこと）。このような場合、
距離センサ１３１と回転体１２の外周反射面との距離が
大きくなった回転位置では、回転角θの変化に伴う出力
Ｖの変化が緩やかとなり、分解能が低下してしまう。
を参照しながら既に説明したように、対数的な検出距離
特性を有するので上記の［数１］ように回転体１２の半
径ｒと回転角θが１次関数となるように、回転体１２の
カム形状を定義した場合には、距離センサ１３１の出力
Ｖと回転体２の回転角θとの関係は、同様に対数的な出
力曲線となる（図５を参照のこと）。このような場合、
距離センサ１３１と回転体１２の外周反射面との距離が
大きくなった回転位置では、回転角θの変化に伴う出力
Ｖの変化が緩やかとなり、分解能が低下してしまう。
【００５７】他方の距離センサ１３２は、ホール素子な
どの磁気センサを用いた非接触距離センサであるが、一
方の反射型距離センサ１３１における分解能の低下を補
うような役目を果たす。
どの磁気センサを用いた非接触距離センサであるが、一
方の反射型距離センサ１３１における分解能の低下を補
うような役目を果たす。
【００５８】図９には、他方の距離センサ１３２の回路
構成例を模式的に示している。同図に示すように、距離
センサ１３２は、磁界強度に応じた電圧を発生する磁気
センサ１３２−１と、基準電位１３２−２と、磁気セン
サ１３２−１の出力電位と基準電位１３２−２とを正帰
還により比較する比較器１３２−３とで構成される。
構成例を模式的に示している。同図に示すように、距離
センサ１３２は、磁界強度に応じた電圧を発生する磁気
センサ１３２−１と、基準電位１３２−２と、磁気セン
サ１３２−１の出力電位と基準電位１３２−２とを正帰
還により比較する比較器１３２−３とで構成される。
【００５９】この距離センサ１３２は、回転体１２の着
磁部１２１と対向しているときにはハイ・レベル信号を
出力し、非着磁部１２２と対向しているときにはロー・
レベル信号を出力する。
磁部１２１と対向しているときにはハイ・レベル信号を
出力し、非着磁部１２２と対向しているときにはロー・
レベル信号を出力する。
【００６０】図１０には、距離センサ１３１及び距離セ
ンサ１３２の出力特性を示している。但し、回転体１２
の着磁部１２１及び非着磁部１２２はいずれも半径ｒと
回転角θが１次関数として定義されたカム形状を持つも
のとする。
ンサ１３２の出力特性を示している。但し、回転体１２
の着磁部１２１及び非着磁部１２２はいずれも半径ｒと
回転角θが１次関数として定義されたカム形状を持つも
のとする。
【００６１】距離センサ１３１及び距離センサ１３２の
双方の出力を組み合わせて使用することにより、回転体
１２の回転角θの絶対値を、分解能を大きくして回転体
１２の角度変位を検知することができる。
双方の出力を組み合わせて使用することにより、回転体
１２の回転角θの絶対値を、分解能を大きくして回転体
１２の角度変位を検知することができる。
【００６２】［追補］以上、特定の実施例を参照しなが
ら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や
代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示とい
う形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈
されるべきではない。本発明の要旨を判断するために
は、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきで
ある。
ら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や
代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示とい
う形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈
されるべきではない。本発明の要旨を判断するために
は、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきで
ある。
【００６３】
【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
アクチュエータとして用いられるモータのシャフトの絶
対角度変位を高精度に検出することができる、優れた角
度変位検出装置を提供することができる。
アクチュエータとして用いられるモータのシャフトの絶
対角度変位を高精度に検出することができる、優れた角
度変位検出装置を提供することができる。
【００６４】また、本発明によれば、脚式移動ロボット
の関節アクチュエータとして用いられるモータのシャフ
トの絶対角度変位を高精度に検出することができる、優
れた角度変位検出装置を提供することができる。
の関節アクチュエータとして用いられるモータのシャフ
トの絶対角度変位を高精度に検出することができる、優
れた角度変位検出装置を提供することができる。
【００６５】また、本発明によれば、脚式移動ロボット
の関節アクチュエータとして用いられるモータのシャフ
トの絶対角度変位を非接触で高精度に検出することがで
きる、小型、軽量、薄型の優れた角度変位検出装置を提
供することができる。
の関節アクチュエータとして用いられるモータのシャフ
トの絶対角度変位を非接触で高精度に検出することがで
きる、小型、軽量、薄型の優れた角度変位検出装置を提
供することができる。
【００６６】本発明に係る角度変位検出装置は、非接触
の検知システムなので、長寿命を期待することができ
る。また、光センサ、磁気センサはいずれも小型化が容
易なので、検知システム並びに関節アクチュエータ全体
の小型、軽量、薄型化に貢献することができる。
の検知システムなので、長寿命を期待することができ
る。また、光センサ、磁気センサはいずれも小型化が容
易なので、検知システム並びに関節アクチュエータ全体
の小型、軽量、薄型化に貢献することができる。
【００６７】また、本発明に係る角度変位検出装置の精
度は、回転体の側面形状の機械加工精度のみに依存する
ので、精度向上やバラツキの制御が容易である。
度は、回転体の側面形状の機械加工精度のみに依存する
ので、精度向上やバラツキの制御が容易である。
【００６８】また、本発明に係る角度変位検出装置は、
アナログ量検知を基本とするので、微分回路を付加する
ことで、角速度並びに角加速度成分信号を容易に生成す
ることができる。言い換えれば、本発明に係る角度変位
検出装置は、小型・薄型且つ高分解能で長寿命で、サー
ボ制御に向いた出力信号を容易に生成することができ
る。
アナログ量検知を基本とするので、微分回路を付加する
ことで、角速度並びに角加速度成分信号を容易に生成す
ることができる。言い換えれば、本発明に係る角度変位
検出装置は、小型・薄型且つ高分解能で長寿命で、サー
ボ制御に向いた出力信号を容易に生成することができ
る。
【図１】本発明に係る角度変位検出装置１の基本構成を
模式的に示した図である。
模式的に示した図である。
【図２】反射型の距離センサ３の回路構成例を模式的に
示した図である。
示した図である。
【図３】反射型の距離センサ３の検出距離特性を示した
図である。
図である。
【図４】回転体２の形状の一例を示した図である。
【図５】図４に示した回転体２−１を用いた場合の距離
センサ３の出力特性を示した図である。
センサ３の出力特性を示した図である。
【図６】回転体２の形状に関する他の例を示した図であ
る。
る。
【図７】図６に示した回転体２−２を用いた場合の距離
センサ３の出力特性を示した図である。
センサ３の出力特性を示した図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る角度変位検出装置
１０の基本構成を模式的に示した図である。
１０の基本構成を模式的に示した図である。
【図９】他方の距離センサ１３２の回路構成例を模式的
に示した図である。
に示した図である。
【図１０】距離センサ１３１及び距離センサ１３２の出
力特性を示した図である。
力特性を示した図である。
１…角度変位検出装置 ２…回転体 ３…距離センサ ３１…非可視ＬＥＤ ３２…フォト・トランジスタ １０…角度変位検出装置（他の実施形態） １２…回転体 １２１…着磁部，１２２…非着磁部 １３１…反射型距離センサ １３２…磁気センサ型距離センサ １３２−１…磁気センサ，１３２−２…基準電位 １３２−３…比較器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｄ 5/14 Ｇ０１Ｄ 5/14 Ｈ ３Ｃ００７ 5/30 5/30 Ｆ Ｆターム(参考） 2F063 AA35 BA22 CA34 DA01 DA05 DD08 EA03 GA54 GA67 KA01 KA03 2F065 AA06 AA39 CC00 DD02 FF17 FF19 FF44 GG07 GG12 JJ01 JJ15 PP22 2F069 AA83 BB04 DD27 GG04 GG06 GG07 GG11 GG21 GG63 HH09 HH12 2F077 AA25 CC02 CC09 JJ01 JJ08 JJ22 VV01 2F103 BA37 CA01 CA03 DA13 EA11 EB32 3C007 AS00 BS27 HT33 KS04 KS21 KV08 KV11 KW07
Claims (5)
- 【請求項１】関節アクチュエータとして用いられるモー
タのシャフトの角度変位を検出するための角度変位検出
装置であって、 被検対象となるモータ・シャフトと同軸状に取り付けら
れた回転体と、 前記回転体の外周までの間隙を測定するセンサと、を具
備し、 前記回転体の半径は、前記回転体の角度変位と前記セン
サまでの間隙とが一意の関係となるように変化してい
る、ことを特徴とする関節アクチュエータのための角度
変位検出装置。 - 【請求項２】前記センサは、非可視光を前記回転体の外
周に照射する発光素子と、前記回転体の外周からの反射
光を受光する受光する受光素子の組み合わせで構成され
る反射型センサである、ことを特徴とする請求項１に記
載の関節アクチュエータのための角度変位検出装置。 - 【請求項３】前記回転体の半径と回転角の関係は１次関
数で定義される、ことを特徴とする請求項１に記載の関
節アクチュエータのための角度変位検出装置。前記回転
体の半径と回転角の関係は１次関数で定義される、こと
を特徴とする請求項１に記載の関節アクチュエータのた
めの角度変位検出装置。 - 【請求項４】前記回転体の半径と回転角の関係は指数関
数で定義される、ことを特徴とする請求項１に記載の関
節アクチュエータのための角度変位検出装置。 - 【請求項５】前記回転体は、着磁が施された着磁部分と
それ以外の非着磁部分とに化移転方向に分割され、 さらに前記回転体の外周が着磁部分か否かを検出する磁
気センサを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の
関節アクチュエータのための角度変位検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001120633A JP2002310646A (ja) | 2001-04-19 | 2001-04-19 | 関節アクチュエータのための角度変位検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001120633A JP2002310646A (ja) | 2001-04-19 | 2001-04-19 | 関節アクチュエータのための角度変位検出装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002310646A true JP2002310646A (ja) | 2002-10-23 |
Family
ID=18970633
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001120633A Pending JP2002310646A (ja) | 2001-04-19 | 2001-04-19 | 関節アクチュエータのための角度変位検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002310646A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004102115A1 (ja) * | 2003-05-16 | 2004-11-25 | Fujitsu Limited | 角度測定装置 |
| WO2007001037A1 (en) * | 2005-06-29 | 2007-01-04 | Honda Motor Co., Ltd. | Apparatus for monitoring joints of articulated robot |
| KR101034183B1 (ko) * | 2008-10-14 | 2011-05-12 | 재영솔루텍 주식회사 | 렌즈모듈의 변위량 및 틸트 측정장치 및 방법 |
| JP2013160141A (ja) * | 2012-02-06 | 2013-08-19 | Fuji Heavy Ind Ltd | クランク位相検知方法及びクランク位相検知装置 |
| CN109029514A (zh) * | 2018-07-13 | 2018-12-18 | 重庆理工大学 | 单码道绝对式时栅角位移测量系统 |
| CN111528908A (zh) * | 2020-05-09 | 2020-08-14 | 上海爱声生物医疗科技有限公司 | 一种b超设备及其探头 |
| CN111561899A (zh) * | 2020-04-29 | 2020-08-21 | 维沃移动通信有限公司 | 一种折叠角度检测方法及电子设备 |
| CN111561863A (zh) * | 2020-05-22 | 2020-08-21 | 维沃移动通信有限公司 | 一种电子设备 |
| JP2020187066A (ja) * | 2019-05-16 | 2020-11-19 | 下西技研工業株式会社 | 変位センサ |
| CN114599500A (zh) * | 2019-10-24 | 2022-06-07 | 西得乐集团 | 控制用于制造塑料容器的制造机械的活动构件移动的移动控制装置 |
-
2001
- 2001-04-19 JP JP2001120633A patent/JP2002310646A/ja active Pending
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004102115A1 (ja) * | 2003-05-16 | 2004-11-25 | Fujitsu Limited | 角度測定装置 |
| WO2007001037A1 (en) * | 2005-06-29 | 2007-01-04 | Honda Motor Co., Ltd. | Apparatus for monitoring joints of articulated robot |
| GB2431242A (en) * | 2005-06-29 | 2007-04-18 | Honda Motor Co Ltd | Apparatus for monitoring joints of articulated robot |
| US7602306B2 (en) | 2005-06-29 | 2009-10-13 | Honda Motor Co., Ltd. | Apparatus for monitoring joints of articulated robot |
| KR101034183B1 (ko) * | 2008-10-14 | 2011-05-12 | 재영솔루텍 주식회사 | 렌즈모듈의 변위량 및 틸트 측정장치 및 방법 |
| JP2013160141A (ja) * | 2012-02-06 | 2013-08-19 | Fuji Heavy Ind Ltd | クランク位相検知方法及びクランク位相検知装置 |
| CN109029514A (zh) * | 2018-07-13 | 2018-12-18 | 重庆理工大学 | 单码道绝对式时栅角位移测量系统 |
| JP2020187066A (ja) * | 2019-05-16 | 2020-11-19 | 下西技研工業株式会社 | 変位センサ |
| JP7347784B2 (ja) | 2019-05-16 | 2023-09-20 | 下西技研工業株式会社 | 変位センサ |
| CN114599500A (zh) * | 2019-10-24 | 2022-06-07 | 西得乐集团 | 控制用于制造塑料容器的制造机械的活动构件移动的移动控制装置 |
| CN111561899A (zh) * | 2020-04-29 | 2020-08-21 | 维沃移动通信有限公司 | 一种折叠角度检测方法及电子设备 |
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| CN111561863A (zh) * | 2020-05-22 | 2020-08-21 | 维沃移动通信有限公司 | 一种电子设备 |
| CN111561863B (zh) * | 2020-05-22 | 2022-04-15 | 维沃移动通信有限公司 | 一种电子设备 |
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