JP2006337206A - 回転角度センサ及び回転角度センサを有する減速駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 十分な検出精度を有すると共に、小型化と部品点数削減を実現することができる回転角度センサを用いた減速駆動機構を得る。
【解決手段】 駆動モータ２６と、ギア２７ａ，２７ｂ，２７ｃからなる減速歯車列と、着磁された磁性体２８ａと磁気センサ２８ｃとからなる回転角度センサ２８とから構成されギアボックス２１に収納される減速駆動機構２０において、回転角度センサ２８の磁性体２８ａにＤの字状の貫通孔２８ｂを設けると共に、減速歯車列の最終段となるギア２７ｃの出力軸２９の一端部の断面形状を、磁性体２８ａの貫通孔２８ｂと係合するよう断面がＤの字状をなすように面取りしてＤの字状係合軸部２７ｄとなし、磁性体２８ａの貫通孔２８ｂに挿通するだけで、角度位相決めと回転の回り止めをがたなく行なうことができるようにした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ロボット型玩具の関節部に用いて好適な回転角度センサ及びこれを有する減速駆動機構に関する。

人型や動物型のロボット型玩具（以下、単に「ロボット」という）が市販されているが、このロボットに種々の動きを行なわせる際、関節を介して２つのアーム（腕）あるいは２つのレッグ（脚）などの間の開角度を変化させるようにしている。すなわち、ロボットでは、図６に示すように、頭部（ヘッド）１０、首部（ネック）１１、胴体部（ボディ）１２、アーム２１，２３、レッグ３１，３３などの複数の剛性を有する構造体同士が関節となる複数の回転軸で回動自在に制御されて、所望の姿勢をもつようになされる。
そして、例えばアーム２１，２３あるいはレッグ３１，３３などの構造体に、駆動機構が組み込まれる。このときの駆動機構は、図７に示すアーム２１，２３の例では、回転軸となる出力軸２９で連結される２つの構造体（アーム２１，２３）の一方には動力を発生させる駆動モータ２６、この駆動モータ２６の回転力を所望の回転数に減速しトルク力を生じさせる減速歯車列２７、アーム２１，２３の状態をモニタし動作に伴い変化する位置情報を得るための回転角度センサ２８などで構成され減速駆動機構２０をなすようにされている。

そして、複数ある関節のそれぞれについて、関節周りの回転角度をモニタし２つのアームなどの構造体間の角度とその構造体の長さとから現時点の姿勢を算出するとともに、動作指示に基き２つのアーム間の角度を所定速度で変化させ所望の動作を行なわせるようにしている。
このとき、図７に示すように、例えば減速歯車列２７の最終段の軸に回転角度センサ２８が取り付けられ、現時点の動作始点の位置角度の検出と、次の目標位置までの角度の算出、動作中の角度情報のフィードバックを行なうようにし、この減速歯車列の最後段の出力軸２９の回転力により、もう一方の構造体とのなす角度を変化させ姿勢を変えるようにする。

この回転角度センサには、接触式と非接触式のセンサがあり用いられている。接触式センサは、例えばブラシと抵抗体からなる構造でブラシの回転に伴う抵抗値の変化から回転角度を得るものであり、薄く小型に作製することができるものの、ブラシと抵抗体が機械的に接触しているため、抵抗体の磨耗や削れた異物によるノイズ発生で精度が劣化する不都合があるため、この種のロボットで高級なものには非接触式センサが用いられる。
非接触式センサには、光学式と磁気を用いたものがあり、光学式の例えばロータリエンコーダは、位置情報を印刷した位置パターン円板とこれを読み取る光学センサが内蔵され、センサ軸の回転に伴う角度信号を出力するようになされるものであるため、高精度のものではある程度の大きさの位置パターン円板を必要とし小型化しにくい不都合があり、この種のロボットなどの小型の玩具には磁気を用いたセンサが組み込まれる。

この磁気を用いた非接触式センサには、差動トランスと同様の電磁誘導式によるものと、磁性体とこの磁性体の磁界の変化を検知して電気信号に変換する磁気式によるものがある。前者はセンサの回転軸に強磁性体が設けられると共に、その周りに差動変圧器が配設され強磁性体の機械的変位をそれに比例した電圧、電流に変換するものである。一方、後者では可動の着磁された磁性体の近くにホール素子などの磁気センサが配設され、小型にもかかわらず比較的高精度で回転の角度検出を行なうことができるもので通常この磁気式センサが用いられる。
なお、従来知られている磁性体と磁気検知素子による回転角度センサとしては特許文献１に開示されているものがある。

一方、回転角度センサを出力軸に連結する方式としては、図８に示すように、一般にフレキシブルカップリングあるいは固定ねじにより行なわれる。

なお、回転駆動部と減速機構とサーボセンサ部を備えた減速駆動機構としては、特許文献２に開示されている減速機構一体型サーボアクチュエータが知られている。この特許文献２に記載されている減速機構一体型サーボアクチュエータは、減速機構歯車の一部に位置・速度検出機能を有する着磁構造を持たせ、且つ減速機構と磁界検出手段を組み合わせてサーボセンサを構成することで、アクチュエータ形状の自由度を束縛することなく、小型化と薄型化を実現するようにしたものである。
特開２００４−２４５８２３号公報（第２頁，図６） 特開平１１−８９１７６号公報（第２頁，図８）

しかしながら、特許文献２に開示されている減速機構一体型サーボアクチュエータでは、円筒状をなすアクチュエータ内のレイアウトがモータ部と出力軸を両端に配し、サーボセンサ部となる回転センサがモータ側の直近に設けられ、減速機構は出力軸側に設けられるため、減速出力軸の回転角度と回転センサから得られる角度信号に誤差が生じるおそれがある。また、モータ部と減速歯車機構と回転センサの回転軸が略同軸状に配設されているため、軸方向に長くなり薄型化に不都合であった。

一方、着磁された磁性体の磁束変化を磁気センサで検出する非接触式回転角度センサは、本来高精度で回転角度の変化を検出することができるが、この回転角度センサの回転軸の振れが直接磁界の変動をもたらしてしまうため、例えば駆動力を伝達するための出力軸に回転角度センサの回転軸を連結して使用するとき、回転角度センサの磁性体の軸心と、連結される駆動系の出力軸の軸心とを一致させることが重要となる。
しかし、駆動力を歯車によって確実に伝動する機構で、図８に示すように、関節に当たる部分の出力軸に直接回転角センサ１０１を装着するようにしたとき、従来の図８Ａに示すフレキシブルカップリング１０２による連結では全体の厚みが大きくなり組み込みスペースが大きくなると共に回転角センサ１０１の回転軸と出力軸の軸心同士を一致させるのが難しい不都合があった。

また、従来の図８Ｂ及びＣに示す固定ねじ式による連結でも、センサの周りに取付け穴１０１ａの設置や取付・調整をしやすくするため、工具を使用するための余裕空間を要しレイアウト上の制約が生じると共に軸心同士を一致させるのが難しいという不都合があった。
すなわち、従来の取付け方法では、回転角度センサの回転軸と出力軸との軸心同志を一致させることが難しいため、軸心のずれに伴う検出精度の劣化を避けることができず、また回転角度センサ１０１は駆動機構に対して外付けする形態となるため外形のコンパクト化にも支障が生じる不都合があった。

かかる点に鑑み本発明は、十分な検出精度を有すると共に、小型化と部品点数削減を実現することができる回転角度センサとこれを用いた減速駆動機構を提案するものである。

上記課題を解決するため、本発明は、円柱形状をなし、この円柱形状の軸方向に断面が略Ｄ字状をなす貫通孔が設けられると共に着磁された磁性体と、磁性体の貫通孔に係合する係合軸部を有する回転軸と、磁性体の磁束を検知するようにした磁気センサとを有し、貫通孔に係合軸部を挿通したとき、磁性体の円柱形状の中心と回転軸の中心ががたなく一致するように貫通孔と係合軸部とを形成したものである。

このように構成した本発明回転角度センサによれば、係合軸部を回転角度センサの磁性体の略Ｄ字状の貫通孔に挿通することで磁性体がこの係合軸部にがたなく固定されるだけでなく、磁性体と係合軸部の軸心ずれを生じさせることがなく、また機構の回転軸に一体に組み込むことができる。

また、上記課題を解決するため、本発明回転角度センサを有する減速駆動機構は着磁された磁性体の回転による磁束の変化を磁気センサにより検出してなる回転角度センサと、駆動モータと、この駆動モータの回転運動を減速する減速歯車列とを有し、円柱形状をなす磁性体の軸方向に断面が略Ｄ字状をなす貫通孔を設けると共に、減速歯車列の歯車の回転軸上に磁性体の貫通孔に係合する係合軸部を設け、貫通孔に係合軸部を挿通したとき、磁性体の円柱形状の中心と回転軸の中心ががたなく一致するように貫通孔と係合軸部とを形成したものである。

また、本発明は上記記載の回転角度センサを有する減速駆動機構において、磁性体を、減速歯車列の最終段の歯車の回転軸上に設けたものである。

このように構成した本発明回転角度センサを有する減速駆動機構によれば、歯車の係合軸部を回転角度センサの磁性体の略D字状の貫通孔に挿通することで回転角度センサが歯車の回転軸に固定され、磁性体がこの係合軸部にがたなく固定されるだけでなく、磁性体と係合軸部の軸心ずれを生じさせることがなく、回転角度センサが設けられる軸の回転角度を精度よく検出することができる。

さらに、本発明は上記記載の回転角度センサを有する減速駆動機構において、減速歯車列を中心固定の歯車列で構成し、この中心固定の歯車列の複数の歯車の回転軸を駆動モータの軸心に略平行に設けたものである。

このように構成した本発明回転角度センサを有する減速駆動機構によれば、減速歯車列の厚みを抑えることができ、減速駆動機構自体の薄型化、軽量化、部品点数の削減を行なうことができる。

本発明回転角度センサによれば、回転角度センサが設けられる軸の回転角度を精度よく検出することができると共に、回転軸に一体に組み込むことができるため機構の小型化、薄型化、部品の削減に寄与することができる。

また、本発明回転角度センサを有する減速駆動機構によれば、回転角度センサが設けられる軸の回転角度を精度よく検出することができると共に、減速駆動機構自体の薄型化、軽量化、部品点数の削減を行なうことができる。

本発明を実施するための最良の形態の例を図１〜図７を参照して説明する。

図６は、犬や猫などの４本足で歩く、４足式ロボットの概要を示すものである。図６で、１０は頭部、１１は首部、１２は胴体、１３は首部関節、１４は前脚第１関節、１５は後脚第１関節、２１は第１アーム、２２は前脚第２関節、２３は第２アーム、３１は第１レッグ、３２は後脚第２関節、３３は第２レッグである。
４足式ロボットの動作は、現時点における関節の状態（回転角度）に対し、所望の姿勢における関節の状態（回転角度）を算出し、複数の関節を所望の状態まで所定の速度で回動駆動することにより行なわれる。

例えば前脚においては、図７に示すように、前脚第２関節２２を回動させることにより、第１アーム２１と第２アーム２３とのなす角度を変えるため、第２アーム２３の側に駆動モータ２６、減速歯車列２７、回転角度センサ２８からなる減速駆動機構２０が内蔵される。そして、減速歯車列２７の出力軸２９が係合される第１アーム２１に対し、第２アーム２３が曲がるように駆動される。
すなわち、図６例のロボットでは、首部関節１３、前脚第１関節１４、前脚第２関節２２、後脚第１関節１５、後脚第２関節３２のそれぞれに、図７に示すような減速駆動機構２０が組み込まれ回動駆動されることで姿勢を変化するようになされる。

図２及び図３は、図７に示す第２アーム２３に内蔵される前脚第２関節２２を構成する減速駆動機構２０を示すもので、図２Ａは平面図、図２Ｂは正面図、図３は斜視図である。
減速駆動機構２０は、図２及び図３に示すように、回転軸にピニオンギア２６ａが設けられ動力を発生させる駆動モータ２６と、前脚第２関節２２における所望の回動速度とトルクを得るため軸上に大小の平歯車を持つギア２７ａ，２７ｂ及び大きい平歯車を持つギア２７ｃで構成される減速歯車列２７と、回転角度センサ２８から構成される。そして、駆動モータ２６による駆動力がピニオンギア２６ａからギア２７ａ，２７ｂ，２７ｃの順に次々に伝達されると共に減速され、最終のギア２７ｃの回転軸が減速駆動機構２０の出力軸２９（図７参照）となされる。
この減速駆動機構２０では、図２Ｂに示すようにギア２７ａ，２７ｂ，２７ｃに設けられる大小の平歯車を互い違いとなるように配設して、ギア２７ａ，２７ｂ，２７ｃの回転軸受の間隔を小さくし薄型化できるようにしている。

そして、減速駆動機構２０のギア２７ｃの出力軸２９には回転角度センサ２８が設けられる。
回転角度センサ２８は、図３に示すように、着磁された磁性体２８ａの回転に伴う磁束の変化を磁気センサ２８ｃとから構成されるものである。
この回転角度センサ２８は、磁性体２８ａが発生する磁界の変化を磁気センサ２８ｃが検出し、このときの磁束密度の大きさに応じた電圧を出力するセンサである。磁性体２８ａは、図１及び図４に示すように、中央にＤの字状の貫通孔２８ｂが設けられた円柱形状をなし着磁されたものである。
また、磁気センサ２８ｃは略矩形形状をなすホール素子などの磁気検知素子からなり、磁束の変化を電圧の変化として出力するものである。

そして、磁性体２８ａは減速駆動機構２０の全体カバー２５ａの上面側に設けられた円形凹部２５ｃをなす磁性体取付ブロックに回転自在に配設され、磁気センサ２８ｃは全体カバー２５ａの上面側に設けられた矩形凹部２５ｄをなす磁気センサ取付けブロックに固定される。そして、全体カバー２５ａの円形凹部２５ｃの底面には丸孔が設けられる。
ここで、磁性体取付ブロックの内径寸法は、磁性体の外径と同じ寸法で作製され、そのブロック内に挿入するだけで取付けが完了するようになされ、磁気センサ取付けブロックの内寸法は、磁気センサの外形と同じ寸法で作製され、そのブロック内に挿入するだけで取付けできるようになされる。

一方、大きな平歯車のみを有するギア２７ｃの回転軸である出力軸２９（図７参照）は、図１に示すように、出力軸２９の上側を面取りし、断面が磁性体２８ａの貫通孔２８ｂとがたなく係合するＤの字状係合軸部２７ｄを形成する。
ここで、Ｄの字状係合軸部２７ｄは、磁性体２８ａの２８ｂに挿通したとき、出力軸２９の軸心と円柱形状をなす磁性体２８ａの軸心とが一致すると共に、がたなく係合するように形成される。

このように構成した減速駆動機構２０は、先ず、図４に示すように、磁性体２８ａと磁気センサ２８ｃとをギアボックス２５の上カバー２５ａの上面側の円形凹部２５ｃの磁性体取付けブロックと矩形凹部２５ｄの磁気センサ取付けブロックに組み込む。
次に、磁気センサ２８ｃのリード線を引き出すようにしてカバー２５ｂを設ける。
次に、出力軸２９をなすギア２７ｃのＤの字状係合軸部２７ｄを、全体カバー２５ａの円形凹部２５ｃの底面の丸孔に挿通させて磁性体２８ａの貫通孔２８ｂに係合させると共に、先端をカバー２５ｂから突設するようにする。

次に、この状態でギア２７ａ、ギア２７ｂの軸の一端を上カバー２５ａの軸受孔に順に組み込んでからピニオンギア２６ａが設けられている駆動モータ２６を組み込む。
最後に、図示しない裏蓋により減速駆動機構２０のギア２７ａ，Ｄの字状係合軸部２７ｄを挿入するだけで取付けが完了だけでなく、回転角度検出における角度位相決め及び回転角度センサの遊びがないようにされる。

本例の円柱形状でＤの字状の貫通孔２８ｂを有する磁性体２８ａにより発生する磁界による表面磁束密度は、図５のように、回転角度に対して直線性をもつため、この矢印で示す直線部（検出有効角度）について磁気センサ２８ｃで検知された出力を変換し角度に換算することにより回転角度を算出することができる。なお、この波形は任意に形成することができるので、直線性を有する範囲を調整することで検出角度範囲を決定することができる。

このように構成した回転角度センサ２８を有する減速駆動機構２０は、図６に示す首部関節１３、前脚第１関節１４、前脚第２関節２２、後脚第１関節１５、後脚第２関節３２に使用することができる。図６及び図７に示す前脚第２関節２２を例に、ロボットを動作させて所定の姿勢をとらせる場合について説明する。
この場合、第１アーム２１に対しては前脚第２関節２２のギア２７ｃのＤの字状係合軸部２７ｄの先端が空回りせず係合し、ギア２７ｃの回転により第１アーム２１と第２アーム２３とのなす角度が変わるようになされる。

先ず、前脚第２関節２２に設置してある回転角度センサ２８から現在の位置情報を取得する。例えば、現在の位置が４５°であったとする。
次に、次の動作に必要な位置を算出する。例えば、次の位置が６０°とする。
次に、動作完了のときに予定されている到達位置まで移動するのに必要な移動量及び動作速度に応じて、駆動モータ２６が駆動され出力軸２９を動作支点として前脚第２関節２２が所定角度だけ回動動作される。すなわち、移動量としては差分１５°となる。
このとき、回転角度センサからの回動情報を取り込み、動作完了位置を検出した時点で動作を停止させるようにする。すなわち、回転角度センサでの検出が６０°のとき動作完了となる。

このような動作を、それぞれの関節において所定のタイミングで実行させることにより、４足式ロボットの姿勢を自在に変化させるようにする。なお、本例においては第１アーム２１と第２アーム２３の間には１軸に回動自在とされる前脚第２関節２２が設けられるとして説明したが、より柔軟な姿勢や動作を行なわせるため、例えば前脚第２関節２２の軸と直交する回動軸を有するように別の減速駆動機構を持たせ、第１アーム２１と第２アーム２３との間の姿勢の自由度を増やすようにしても良い。

本例の回転角度センサ２８によれば、Ｄの字状係合軸部２７ｄを回転角度センサ２８の磁性体２８ａの貫通孔２８ｂに挿入するだけで組立の位置が確定するため位置合わせが不要となるだけでなく、磁性体２８ａの回転軸ずれがないため角度の検出を精度良く行なうことができ、さらにＤの字状係合軸部２７ｄが設けられた歯車などの回転軸に一体に組み込むことができるため、小型化、薄型化を容易に行なうことができる。
また、本例の減速駆動機構２０によれば、減速駆動機構２０の最終ギア２７ｃの出力軸２９のＤの字状係合軸部２７ｄを回転角度センサ２８の磁性体２８ａの貫通孔２８ｂに挿入するだけで組立の位置が確定するため位置合わせが不要となるだけでなく、現在の関節の回動角度を精度良く検出することができ、次の動作の目標位置となる角度の算出を精度良く行なうことができる。また、本例ではギアボックス内に、駆動モータ２６、減速歯車列２７、回転角度センサ２８を収納するようにしたので、減速駆動機構２０機構全体の小型化、薄型化、軽量化できると共に、部品点数も削減することができる。

本発明の回転角度センサ及び回転角度センサは、上述例に限ることなく本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成を採り得ることは勿論である。

本発明回転角度センサの実施の形態の一例を示し、磁性体の減速歯車列の出力軸への装着の説明図である。 図１例の回転角度センサを用いた減速駆動機構を示すもので、図２Ａは平面図、図２Ｂは正面図である。 図２の減速駆動機構の斜視図である。 図３の減速駆動機構の回転角度センサの取付けの説明図である。 図１例の磁性体から回転に伴い発生される表面磁束密度の特性図である。 ４足式ロボットの部位構成の一例を示す説明図である。 図６の４足式ロボットの前脚第２関節部の減速駆動機構の構成図である。 従来の回転角度センサの取り付け構造を示す、Ａはカップリング式の正面図、Ｂ及びＣは固定ねじ式のそれぞれ正面図及び平面図である。

符号の説明

２０…減速駆動機構、２１…ギアボックス、２６…駆動モータ、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ…ギア、２７ｄ…Ｄの字状係合軸部、２８…回転角度センサ、２８ａ…磁性体、２８ｂ…Ｄの字状貫通孔、２８ｃ…磁気センサ、２９…出力軸

Claims (4)

1. 円柱形状をなし、該円柱形状の軸方向に断面が略Ｄ字状をなす貫通孔が設けられると共に着磁された磁性体と、
   前記磁性体の前記貫通孔に係合する係合軸部を有する回転軸と、
   前記磁性体の磁束を検知するようにした磁気センサとを有し、
   前記貫通孔に前記係合軸部を挿通したとき、前記磁性体の前記円柱形状の中心と前記回転軸の中心ががたなく一致するように前記貫通孔と前記係合軸部とを形成した
   ことを特徴とする回転角度センサ。
2. 着磁された磁性体の回転による磁束の変化を磁気センサにより検知してなる回転角度センサと、
   駆動モータと、
   該駆動モータの回転運動を減速する減速歯車列とを有し、
   円柱形状をなす前記磁性体の軸方向に断面が略Ｄ字状をなす貫通孔を設けると共に、前記減速歯車列の歯車の回転軸上に前記磁性体の前記貫通孔に係合する係合軸部を設け、
   前記貫通孔に前記係合軸部を挿通したとき、前記磁性体の前記円柱形状の中心と前記回転軸の中心ががたなく一致するように前記貫通孔と前記係合軸部とを形成した
   ことを特徴とする回転角度センサを有する減速駆動機構。
3. 請求項２記載の回転角度センサを有する減速駆動機構において、
   前記磁性体を、前記減速歯車列の最終段の歯車の回転軸上に設けた
   ことを特徴とする回転角度センサを有する減速駆動機構。
4. 請求項３記載の回転角度センサを有する減速駆動機構において、
   前記減速歯車列を中心固定の歯車列で構成し、該中心固定の歯車列の複数の歯車の回転軸を前記駆動モータの軸心に略平行に設けた
   ことを特徴とする回転角度センサを有する減速駆動機構。
   

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