JP2007287117A - 単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステック｛ＣｏｎｔａｃｔｌｅｓｓＥｌｅｃｔｒｏｎＪｏｙｓｔｉｃｋｏｆＵｎｉｖｅｒｓａｌＪｏｉｎｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅＵｓｉｎｇＳｉｎｇｌｅＨｏｌｅＳｅｎｓｏｒ｝ - Google Patents

単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステック｛ＣｏｎｔａｃｔｌｅｓｓＥｌｅｃｔｒｏｎＪｏｙｓｔｉｃｋｏｆＵｎｉｖｅｒｓａｌＪｏｉｎｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅＵｓｉｎｇＳｉｎｇｌｅＨｏｌｅＳｅｎｓｏｒ｝ Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステックに関するものであって、ホールセンサーによる磁場の水平ベクターの回転を感知する原理を利用してジョイスティック棒末端の2次元座標を抽出するように具現したものであって、球形関節構造で人体工学的な側面で使用が容易であるだけでなく、構造の簡潔性で故障診断が容易であって、生産組立て工程の単純化及び效率性を極大化することができ、より向上した震動耐久性を有する長所がある。
【解決手段】これを具現するための本発明による単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステックはジョイスティック棒の下端に装着された棒形態の永久磁石が球形関節の連動によって、ホールセンサーの2次元平面上で棒磁石軸方向磁束に対する水平ベクターを形成して、上記ホールセンサーはこれを感知して電動車寄子のような制御対象の方向及び速度を制御することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステックに関するものであって、特にホールセンサーによる磁場の水平ベクターの回転を感知する原理を利用してジョイスティック棒末端の2次元座標を抽出するように具現したものであって、球形関節構造で人体工学的な側面で使用が容易であるだけでなく、構造の簡潔性で故障診断が容易であって、生産組立て工程の単純化及び效率性を極大化することができ、より向上した震動耐久性を有する単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステックに関するものである。
図1は従来の2個のセンサー構造を有した電子ジョイステック構造を示した外形斜視図である。
図1に提示されたように、従来の非接触式電子ジョイステックはホールセンサーをジョイスティック棒の回転軸x、y方向に装着し、各軸に対応される永久磁石の回転角情報を2次元ベクターにする方法を使用している。このような構造は、測定信号の正確度を向上することができ、複雑な信号処理及び補償過程が必要ないので、実時間性を保障することができるという長所があるが、ホールセンサー出力信号とジョイスティック棒末段の2次元動きの間には非線形関係が存在する。また、2個のホールセンサー構造は回転角測定のために永久磁石が各回転軸に装着されて設計寸法が増加され、震動耐久性を考慮した器具設計の複雑性も併せて増加するという問題点が存在する。
上記問題点を解決するために、最近は図2のような回転体構造を有したジョイスティックが提案されている。
図2は従来の単一ホールセンサー構造を有した電子ジョイステック構造を示した 外形斜視図である。図2のようにホールセンサーをジョイスティック棒の回転体球形中心に位置させ、棒の下端部には棒形態の永久磁石を設置した構造である。このような構造では、永久磁石の磁力線は常に回転中心に向けるようになって、回転体の球中心に位置したホールセンサーによって、ジョイスティック棒に対する2次元感知領域を形成するようになる。ホールセンサーの出力信号はジョイスティック棒に対する2次元感知領域を形成するようになる。ホールセンサーの出力信号は永久磁石によって生成された磁場の水平ベクターと比例されて、ジョイスティック棒の回転範囲を垂直軸を基準として±30゜に制限すると、水平面上のプラスマイナス360゜全方向で、高い線形性を持つことになる。
しかし、このような構造は回転体が全体器具部で相当な体積を占め、各回転体によって支持されなければならないので、摩擦力、震動耐久性を考慮すると、高剛性材質を使わなければならない。また、磁力線の方向が回転中心に向ければこそ線形性を維持するようになるので、器具加工において高い精密度を要求することになる。長い時間使用後、回転軸の摩耗によって、永久磁石の磁力線はホールセンサー平面の中心を通らないで、一定な偏差を維持するようになるので、正確度に直接影響を与えるようになる。このような偏差は使用者または使用環境によって、不確実性を持つのでリアルタイムに補償の具現は可能ではない。
したがって、本発明は上記問題点を解決するためなされたものであって、本発明の目的はジョイスティック棒の下端に装着された棒形態の永久磁石が球形関節の連動によって、ホールセンサーの2次元平面上で棒磁石軸方向磁束に対する水平ベクターを形成して、ホールセンサーはこれを感知して電動車寄子のような制御対象の方向及び速度を制御することができる単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステックを提供することにある。
また、本発明の他の目的は球形関節構造で人体工学的な側面で使用が容易であるだけでなく、構造の簡潔性で故障診断が容易であって、生産組立て工程の単純化及び效率性を極大化することができ、より向上した震動耐久性を有する単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式ジョイステックを提供することにある。
上記目的を果たすための本発明による単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステックは、ジョイスティック棒の下端に装着された棒形態の永久磁石が球形関節の連動によって、ホールセンサーの2次元平面上で棒磁石軸方向磁束に対する水平ベクターを形成して、上記ホールセンサーはこれを感知して電動車寄子のような制御対象の方向及び速度を制御することを特徴とする。
上記非接触式電子ジョイステックは、磁場方向のx軸成分に対応して、90゜の位相差を有する信号を入力する第1バッファーと、x方向のホールセンサー内部基準電圧を入力する第2バッファーで構成されたx軸入力バッファー;磁場方向のy軸成分に対応して90゜の位相差を有する信号を入力する第3バッファーと、y方向のホールセンサー内部基準電圧を入力する第4バッファーで構成されたy軸入力バッファー;制御器回路内部のx方向及びy方向の基準電圧をそれぞれ発生する第5及び第6バッファーで構成された基準電圧バッファー;上記第1バッファーの出力信号を一側に入力して、上記第2バッファー及び上記第5バッファーの出力信号を他側に入力する第7バッファーと、上記第3バッファーの出力信号を一側に入力して、上記第4バッファー及び上記第6バッファーの出力信号を他側に入力する第8バッファーを具備して、上記制御器回路内部の基準電圧と上記ホールセンサー基準電圧差を差動増幅及び低周波通過フィルタリングする低周波通過フィルター;及び上記第7バッファー及び上記第8バッファーの出力信号をそれぞれバファリングして出力する第9及び第10バッファーで構成された出力バッファー;とを含む。
ここで、上記ホールセンサーの出力信号と上記ジョイスティック棒との動きの間の非線形特性は、
上記 数学式1、 数学式2、 数学式3から、
上記 数学式4から、
(数学式5)を求め、
上記数学式のような非線形特性を有することが望ましい。
また、 上記数学式5で最大線形範囲(θc)は、
(数学式6)の関係を有し、
線形範囲を決めるパラメーター(ｋ)は、
(数学式7)の特性を有することが望ましい。
また、上記信号変換回路の増幅係数と正比例した 定数値(ζ)は、
上記 数学式3と上記数学式4から、
(数学式8)の関係を有し、
上記数学式8から、
(数学式9)の特性を有することが望ましい。
また、上記センサー出力と上記ジョイスティック棒の勾配に対する非線形補償は、
上記数学式10と上記数学式11から、
(数学式12)に表し、
(ここで、上記ε1 は設定された誤差範囲を表し、ε2は設定された誤差範囲を表す)の特性を有することが望ましい。
このように、本発明はジョイスティック棒の下端に装着された棒形態の永久磁石(33)が球形関節(31)の連動によって、ホールセンサー(32)の2次元平面上で棒磁石軸方向に対する水平ベクター(34)を形成して、ホールセンサーはこれを感知して電動車寄子のような制御対象の方向及び速度を制御することができる単一ホールセンサー構造と球形関節電子式ジョイスティック構造を新しく提示した。
本発明のジョイステック構造で設計仕様によって、センサー出力信号とジョイスティック棒の動きとの間には、根本的に非線形関係を表す。このような非線形效果は主に線形範囲の変化、信号幅の変化、線形範囲で曲線に対する線形度の変化で表現することができる。
センサー構造に係わる幾何学的特徴等が決まっていて、永久磁石の形状及び磁気感応勢いが与えられると、ホールセンサーの出力信号はジョイスティック運動によって、どんな特定された法則によって変更することになり、上述した非線形指標等は一定な値を維持することになる。 永久磁石に対する磁束密度分布、ホール素子の物理的特性に基づいて、非線形特性を解釈しようとすれば多様な物理要素等を代表するパラメーター値等に対する解釈及び確定過程が必要であるので、複雑性をもつようになる。
この故、本発明では物理学的理論に基づいた、複雑なモデリング過程を回避して線形範囲(θc)、信号の幅(ζ)、非線形曲線の線形度(ｎ)を考慮した遺伝性を有した非線形関数(λ（θ）)を導入して、ジョイスティック棒の動きによるホールセンサー出力信号の特性を解釈して、非線形補正式に基礎した新しい補償アルゴリズムを提示する。
図3でホールセンサーは磁場の方向のx、y軸成分に対応して、90゜の位相差を有する信号(図5の51、52)を出力する。温度のような外部環境の変化によって、一定な偏差を有したオフセット(offset)電圧が存在することになり、磁場が印加されない状態でも、外部に存在する磁界の影響、電磁波ノイズによって、基準電圧(図5の図3、54)に対してもオフセット(offset)電圧が維持される。これは測定誤差に与える原因でもある。
本発明では図5のように、制御器回路内部の基準電圧(55、56)とホールセンサー基準電圧(53、54)の差を差動増幅及び低周波通過フィルター(57)で構成して、オフセット電圧とノイズ成分が除去された信号を獲得することになる。
信号変換回路の各機能モジュールは、バッファーで隔離された簡単な回路の最適化設計を具現して、信号流れの連関性、ハードウェア的な独立性を確保して一つの機能モジュールの故障が他のモジュールに影響を及ぼすことがないように設計して維持補修が容易になった。
以下、本発明の実施例に対する構成及びその作用を添付した図面を参照しながら詳しく説明することにする。説明の便宜のため、図面の各部分の注釈等を以下のような規則によって記述する。注釈等は2桁数で表現し、又一番目数は図面の手順を表示し、二番目数は図面の各部分の手順を表示する。例えば、図3で一番目構成は球形関節であるので注釈を"31"で記述する。その他図面でも同じく適用される。
発明の效果
上述したように、本発明による単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステックによれば、ホールセンサーによる磁場の水平ベクターの回転を感知する原理を利用して、ジョイスティック棒末端の2次元座標を抽出するように具現したものであって、器具的な側面では図3のような球形関節構造のメカニズムを使って、センサー構造的側面では永久磁石に中心軸に対する磁束の水平ベクター回転を検出するように具現した。このように、球形関節構造を使えばジョイスティック器具部の複雑性を大幅に減らすことができ、また震動摩擦力による性能低下に対する問題点を根本的に解決することができる。また、構造の簡潔性のため故障診断が容易であって、生産組立て工程の単純化及び效率性を極大化することができ、より向上した震動耐久性を有する長所がある。
発明を実施するたの最良の形態
図3は本発明による単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステックの形状を示した図面である。
図1のジョイスティック構造とは異なって、発明では永久磁石の磁力線は球形関節(31)の回転中心に向けるようになる。永久磁石が球形関節(31)の動きによって、θ位傾いた時、中心線の磁気感応勢い、ベクトルＢはホールセンサー(32)平面で水平ベクターＢh(34)を形成して、ホールセンサー(32)平面の中心で水平成分Ｂx、Ｂy、が感知される。ホールセンサー(32)はこの二つの成分に対応して、位相が90゜である信号を出力することになる。ＢxとＢhは下記のように表現することができる。
ここで、λ(θ）は、永久磁石(33)の磁力線の分布特性、ジョイスティック棒の勾配によって形成された非線形效果を表した関数である。 もし、 永久磁石の磁束密度分布が均一であって、ジョイスティック棒の方向と平行になるとλ（θ）＝１を満足する。 しかし、 勾配θの増加にしたがって、水平ベクターＢhは一貫して増加するのではなく、特定された線形範囲を外れると、むしろ減少することになる。
棒形態の永久磁石(33)内部で磁力線の方向は中心線の方向とほとんど一致し、磁気感応勢いは最大値を有することになる。 しかし、 外部で磁力線の分布は永久磁石(33)のＮ極からＳ極に向けるようになる。 すなわち、内部の磁力線の方向は外部の磁力線の方向と反対になる。外部では永久磁石の中心線と離れるほど磁束密度は減少する。
永久磁石(33)が線形範囲内で動く時には、ホールセンサーはただＮ極で発散された磁力線に取り囲まれて勾配θの増加にしたがって、水平ベクターＢhは増加することになる。 しかし、線形範囲を超過した場合には、Ｎ極で発散された磁力線と永久磁石(33)の外部でＮ極からＳ極に向ける磁力線が共同に作用した原因で、勾配θの増加にしたがって、水平ベクターＢhは減少することになる。
このような非線形效果は本発明でジョイスティック幾何学的な構造選択と直接関連がある。すなわち、図4で永久磁石の長さＬ、ホームポジション(home position)で永久磁石の末端とホールセンサー平面の垂直距離Ｄ、ジョイスティック棒の勾配θの関数で表現することができる。 このような性質を基礎に、まず非線形関数λ（θ）をθnに対する減少関数で下記のようにモデリングする。
nはジョイスティック棒の勾配θの値sinとホールセンサー出力との間の線形度を表し、偶数値を有する。ｋは永久磁石の幾何学的特徴、 磁気感応勢い及び器具設計仕様による定数値になる。
ホールセンサーの出力電圧Ｖy、Ｖyは磁気感応勢いＢx、Ｂy成分と線形比例関係を有するので次の式で求められる。Ｃは信号変換回路の増幅係数であり、ａはジョイスティック棒の回転角を表す。
ホールセンサーの出力信号は増幅、低周波通過フィルター(57)、オフセット解除(offsets cancellation)過程を経った後、プロセッサ内部で処理されるので、数学式1、 数学式2、 数学式3から次のように表現される。
ここで、ζはセンサー出力に対する信号変換回路の増幅係数であって、永久磁石中心線における磁気感応勢い、プロセッサ内部のA/D変換器の解像度と正比例になり、垂直距離Ｄ2、 A/D 変換器の基準電圧Ｖrefと反比例になる定数値である。
本発明でジョイスティック構造形状から棒の動きは永久磁石末端の2次元座標で表現され、 sin（θ）と比例になる。 上記数学式4から、 プロセッサで処理されるA/D値とsin（θ）との間には非線形関係が存在するので、プロセッサではsin（θ）に対する線形補正過程を通さなければならない。 図 3でZ軸に対する回転角はA/D値から計算可能であり、上記数学式4から下記のように非線形補正式を得ることができる。
図6は数学式5に根拠した非線形特性に対する解釈結果である。横座標はsin（θ）値であり、縦座標はA/D値を表示する。(a)、(b)の結果からｋ値の増加にしたがって線形範囲が減るということを確認することができる。すなわち、ｋは線形範囲を決めるパラメーター値である。(Ｃ)、(Ｄ)は線形度を表すｎ値の変化によるシミュレーション結果である。ｎ値の増加にしたがって、定まった線形範囲で直線に近接することになる。
図6でA/D値の最大値に対応される勾配をθcと定義する。ジョイスティックシステムでθcは重要な性能指標であって、図4で垂直距離Dと永久磁石の長さＬの比例値の変化にしたがって線形範囲は変わることになる。Ｌを固定させ、Ｄを増加した時、θcが増加し、反対にＤを固定させ、Ｌを増加した時、θcが減少することを実験で証明した。
だけでなく、ＤとＬが定まった時θcは永久磁石の末端の面積Ｓと密接な関係を持つ。面積が大きければＮ極で発散された磁力線はホールセンサー(hall sensor)を充分に取り囲むのでθcは併せて増加することになる。上記数学式 5からｋ=0の場合、θc＝π／２を満足し、提案したジョイスティック構造からこれは線形範囲の極限値を表示する。上述した実験考察過程と設計指標による線形範囲の変化特性に根拠してθcはの以下のような式でモデリングする。
上記θcは、上記数学式5で最大A/D値に対応される勾配を表示する。また、上記θcは、上記数学式5で導関数が"0"である条件を満足するので線形範囲を決めるパラメーター値ｋとθcとの間の関係は以下のような式を満足する。
図7は線形範囲と垂直距離との間の関係を定量的に示した図表として、すぐＤの変化によるθcの変化関係と上記数学式6に根拠した理論値と実験測定値の比較結果を表したのである。そして、図8はジョイスティック器具設計指標変更による線形範囲と線形範囲を決めるパラメーター値の変化法則を3次元に表現した結果である。
電子制御部の信号変換回路では、ホールセンサーの出力信号に対して増幅処理をし、A/D変換器によってプロセッサ内部で処理されるので、ζは増幅係数ＣとA/D変換器の解像度Ｎと正比例関係を有する。また、永久磁石の磁気感応勢いジョイスティック棒の末端とホールセンサー平面との間の垂直距離とも直接関連がある。上記数学式3と上記数学式4から次のような式が成立される。
上記数学式8からζは以下のように表現される。
実際設計における垂直距離Ｄと永久磁石の長さＬの比例値を増加させる方法として、線形範囲θcを増加させるようになるが、このような場合には、信号変換回路の出力信号の減少する現象が発生されて、ジョイスティック棒の末端の位置正確度が下がることになる。だからジョイスティック器具部の設計指標が決定された場合には、ζ値は上記数学式9でモデリングされた信号変換回路の増幅係数Ｃを増加させる方法で解決することができる。
非線形補正式(数学式5)でプロセッサによって測定されたA/D値から直接sin（θ）値を求めることは不可能であるので、ニュトーン(Newton)方法を利用してジョイスティック棒の回転角θ数値解を求めた後、sin（θ）値を求めなければならない。実際応用で常用のジョイスティックは棒の回転範囲をプラスマイナス30゜以内に制限したので、任意のθ値に対してsin（θ）は唯一の値を有することになる。
ニュトーン(Newton)方法は、非線形方程式ｆ(x)＝０の解を求める数値解法の中で、簡便でありかつ収斂性が迅速であるので、一番広く使われている。関数f(x)が連続である導関数を持てば曲線y=f(x)の接線の方程式を求めることができる。任意の初期値に対応される接線がx軸と会う点から繰り返しアルゴリズムを行って求めようとする方程式の数値解を求めるのがニュトーン方法である。繰り返しアルゴリズムは以下の通りである。
ニュトーン(Newton)方法の2次収斂性に根拠して、現在値と前で求められた解の値の差があらかじめ設定された誤差範囲に入ることになると、ｆ(x)＝０を満足する近似解は求められる。
上記ε1は設定された誤差範囲を表す。上の結論から非線形補正式(数学式5)に対する数値解を求めることができる。
以下の条件が満足されるまで繰り返し計算を進行する。ε2は設定された誤差範囲を表す。
上記数学式13に対する演算過程は循環(recursive)するので、数値解を求めるに一定な時間がかかる。また、プロセッサ自らの演算速度の制限性でリアルタイム演算処理が難しいので、実際応用において測定されたA/D値からルックテーブル(looktable)を作成して直線補間をすることが效果的な方法である。
ラグランジェ(Lagrange)補間法やニュトーン(Newton)補間法を使って求めた補間多項式は与えられた点を正確に通る関数である。しかし、実験によって求めた測定値は多くの誤差を内包しているので、与えられた点で正確に一致する近似関数より与えられた資料に全体的に相応した関数を求めた方が良い。このように与えられた資料を代表する曲線を求める方法を曲線の適合と言う。だから、本発明で最小自乗近似法に基礎した実験曲線を基準として非線形補正式に基礎した補正結果の一致性を検証することになる。
A/D値からに対する線形補償を進行しなければならないので、実験環境から上記数学式5で に対する測定値を縦座標とし、
に対する測定値を横座標とするグラフを描く。
エンコーダー(Encoder)が装着されたDCモーターをジョイスティック棒の回転軸x、y軸に設置して、回転角に対するsin値を測定する。エンコーダー(Encoder)信号はスレーブ(slave) A、Bのプロセッサに入力されて回転角を計算し、ホールセンサーの出力は増幅及びフィルタリング過程を経ってマスター(master)プロセッサに入力される。スレーブ(slave) A、Bとマスター(master)との間はCANネットワーク(network)で構築されてリアルタイムに情報を交換する。本発明ではスレーブA、Bでカウント(count)されたパルス値をマスター(master)から受け入れた後、更にCAN通信を通じてコンピューターに転送する方法で、非線形曲線を獲得した。図9で(a)は最小自乗近似法を利用して実際実験曲線を10次多項式で近似した結果であり、(b)は実際実験曲線を表す。
非線形補正式(数学式5)でパラメーターｋ及びζの選択はジョイスティックシステムの性能に直接影響を与える。もし、ｋ、ζが上記数学式7と上記数学式9によって求められ、非線形補正式の数値解と最小二乗近似法を利用した10次近似多項式の値と一致すると、非線形特性に対するモデリング方法の正確性を説明することができる。実験方法はｋ及びζを最適化"した後、図9の適合曲線との一致性を検証する過程である。そして、最適化された値と理論値との比較結果を表している。
図10は実験曲線に対する10次多項式と非線形補正式(数学式5)の数値解の一致性を説明したグラフであって、最小二乗近似法に根拠した10次多項式とニュトーン方法を利用して非線形補正式の数値解との間の一致性を検証した実験結果を表している。
実験はＤ=1.3cm、Ｌ=2.5cm、Ｓ=0.8cm2、Ｂ=2000ガウス(Gauss)、Ｎ=10、Ｖref=5、Ｃ=40である条件で進行した。"最適化"された後、ｋ=1.639、ζ=1065であり、上記数学式7に根拠した理論値はｋ=1.697、上記数学式9に根拠した理論値はζ=1136を満足した。
図11は非線形補正式(数学式5)に根拠したシミュレーション結果と実際実験曲線 の一致性を検証したグラフであって、ジョイスティック棒の勾配によって、ホールセンサーで感知された信号の変化特性と補正式に根拠した非線形特性解釈との間の一致性を表す実験結果である。
実験結果は前でｋ 、ζに対してモデリングされた数式を利用して垂直距離と信号変換回路の増幅係数Ｃを"最適化"したものである。その他パラメーター値等は図10の実験条件と等しい。非線形補正式(数学式5)に対する数値解を求めないで、実際実験測定値と直接比較したので横座標はsin（θ）であり、縦座標はA/D値を表す。ジョイスティック棒の回転が線形範囲をはずれても非線形補正式は正確に実験曲線の変化を"追従"するということを確認することができる。
結論的に、実際実験曲線に対する測定過程で人為的な要素、測定装置の固有誤差及び測定環境から来るノイズのため、実験曲線自体に少量の誤差成分が含まれたが、図10及び図11の実験結果から非線形補正式は比較的正確に存在する非線形現象を表現することが分かる。
前で未説明した図5はホールセンサー出力に対する信号変換回路を示した回路図であって、第1バッファー(51)、第2バッファー(53)、第3バッファー(52)、第4バッファー(54)、第5バッファー(55)、第6バッファー(56)、低周波通過フィルター(57)、出力バッファー(58)を含む。
ここで、上記第1バッファー(51)は磁場方向のx軸成分に対応して90゜の位相差を有する信号を入力してバファリングし、上記第2バッファー(53)はx方向のホールセンサー内部基準電圧を入力してバファリングする。
そして、上記第3バッファー(52)は磁場方向のy軸成分に対応して90゜の位相差を有する信号を入力してバファリングし、上記第4バッファー(54)はy方向のホールセンサー内部基準電圧を入力してバファリングする。
上記第5及び第6バッファー(55)(56)は基準電圧バッファーとして、制御器回路内部のx方向及びy方向の基準電圧をそれぞれ発生する。
上記第7バッファー(57のx方向)は上記第1バッファー(51)の出力信号を一側に入力し、上記第2バッファー(53)及び上記第5バッファー(55)の出力信号を他側に入力してバファリングし、上記第8バッファー(57のy方向)は上記第3バッファー(52)の出力信号を一側に入力し、上記第4バッファー(54)及び上記第6バッファー(56)の出力信号を他側に入力してバファリングする。
上記低周波通過フィルター(57)は上記制御器回路内部の基準電圧と上記ホールセンサー基準電圧差を差動増幅及び低周波通過フィルタリングする第7バッファー(x方向)及び第8バッファー(y方向)で構成されている。
上記出力バッファー(58)は上記第7バッファー及び上記第8バッファーの出力信号をそれぞれバファリングして出力する第9及び第10バッファーで構成される。
上記構成を持つ信号変換回路は、制御器回路内部の基準電圧とホールセンサー基準電圧差を差動増幅及び低周波通過フィルターで構成してオフセット電圧とノイズ成分が除去された信号を獲得することができ、各機能モジュールは第1乃至第6バッファー(51乃至56)に隔離されて信号流れの連関性、ハードウェア的な独立性を確保して一つの機能モジュールの故障が他のモジュールに影響を及ぼすことがないように設計した。
図12は本発明で使われたジョイスティック電子制御部の各機能モジュールを説明したブロック構成図である。
上記ジョイスティック電子制御部は、図12に示されたように、2軸ホールセンサー、比較器、オフセット解除(Offset Cacellation)部、増幅(Amplification)器、低周波通過フィルター(Low pass filter)、プロセッサ、CANモジュール(Module)、RS232モジュール、D/Aコンバータ(Convert)、ユーザーインターフェース(User Interface)、モータードライバー(Motor Drive)などを含んで構成する。
図13は本発明で実際に製作された単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステックの写真図である。
本発明では単一ホールセンサーで磁場の回転を感知する原理を利用して非接触式電子ジョイステックの器具及び電子制御部を設計した(図12参照)。
ジョイスティック棒の実際回転とセンサー出力との間の非線形関係を理論的にモデリングして最小自乗近似法に根拠して実験とシミュレーションの間の一致性を証明した。
また、既存の最小自乗近似法を利用する代りに提案した球形関節構造のメカニズムから非線形補正方程式に基礎した新しい補償方法を提示した。
また、開発されたジョイスティックの電子制御部(図12)はCAN、RS232、D/A変換のような多様なインターフェースでモジュール化して多くの応用環境に適用可能に開発した。
また、ジョイスティック棒の回転範囲で1%以内の非線形誤差特性を確保することができ、デュアル(dual)センサー構造の器具的制限性を乗り越えて摩擦力及び震動による耐久性の問題点を根本的に解決した。
以上の本発明は上記に記述された実施例等によって限定されずに、当業者等によって多様な変形及び変更があり得、これは添付された特許請求範囲で正義される本発明の主旨と範囲に含まれるものと見るべきである。
図1は従来の2個のセンサー構造を有した電子ジョイステック構造を示した外形斜視図。 図2は従来の単一ホールセンサー構造を有した電子ジョイステック構造を示した外形斜視図。 図3は本発明による単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステックの形状を示した図面。 図4は永久磁石の磁束密度分布とホールセンサーの配置関係を説明した図面。 図5はホールセンサー出力に対する信号変換回路を示した回路図。 図6は数学式5に対して浮動したパラメーター値に対する非線形特性解釈を示したグラフ図。 図7は線形範囲と垂直距離との間の関係を定量的に示した図表。 図8はジョイスティック器具設計指標変更による線形範囲と線形範囲を決めるパラメーター値の変化法則を3次元で表現した結果を示した図面。 図9は最小自乗近似法に根拠してホールセンサーの信号変換回路の出力とジョイスティック勾配 のsin値に対する非線形実験曲線の10次多項式で相応した結果を示したグラフ図。 図10は実験曲線に対する10次多項式と非線形補正式(数学式5)の数値解の一致性を説明したグラフ図。 図11は非線形補正式(数学式5)に根拠したシミュレーション結果と実際実験曲線の一致性を検証したグラフ図。 図12は本発明で使われたジョイスティック電子制御部の各機能モジュールを説明したブロック構成図。 図13は本発明で実際に製作された単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステックの写真図。
符号の説明
11 : ホールセンサーと永久磁石が統合された回転角測定装置
21 : 回転体
22 : 回転体中心に位置したホールセンサー
23 : 支持軸
24 : ジョイスティック棒下端に装着された棒形態永久磁石(永久磁石中心線方向とジョイスティック棒の方向が一致するように設置)
31 : 球形関節(universal joint)
32 : 2軸ホールセンサー
33 : 棒形態の永久磁石
51 : 磁場方向のx軸成分に対応して90゜の位相差を有する信号を入力して
バファリングする第1バッファー
52 : 磁場方向のy軸成分に対応して90゜の位相差を有する信号を入力してバファリングする第3バッファー
53 : x方向のホールセンサー内部基準電圧を入力してバファリングする第2バッファー
54 : y方向のホールセンサー内部基準電圧を入力してバファリングする第4バッファー
55 : 制御器回路内部基準電圧(x方向)を入力してバファリングする第5バッファー
56 : 制御器回路内部基準電圧(y方向)を入力してバファリングする第6バッファー
57 : 差動増幅及び低周波通過フィルター
58 : 出力バッファー

<非線形特性解釈に係わる文字説明>
ｋ: 線形範囲を決めるパラメーター
θc: 最大線形範囲
ｎ: 線形度
Ｌ: 永久磁石長さ
Ｄ: 永久磁石末端とホールセンサー平面垂直距離
Ｓ: 永久磁石末端表面積
θ: ジョイスティック棒の勾配
λ(θ）: ジョイスティック棒の勾配に対する非線形関数
ａ: ジョイスティック棒の回転角
ζ: 信号変換回路の増幅係数と正比例した定数値
Ｃ: 信号変換回路の増幅係数
Ｎ: A/D変換器の解像度
Ｖref: A/D変換器の基準電圧

Claims (6)

  1. 非接触式電子ジョイステックにおいて、
    ジョイスティック棒の下端に装着された棒形態の永久磁石が球形関節の連動によって、ホールセンサーの2次元平面上で棒磁石軸方向磁束に対する水平ベクターを形成して、上記ホールセンサーはこれを感知して電動車寄子のような制御対象の方向及び速度を制御することを特徴とする単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステック。
  2. 第1項において、上記非接触式電子ジョイステックは:
    磁場方向のx軸成分に対応して90゜の位相差を有する信号を入力する第1バッファーと、x方向のホールセンサー内部基準電圧を入力する第2バッファーと、から構成されたx軸入力バッファー;
    磁場方向のy軸成分に対応して90゜の位相差を有する信号を入力する第3バッファーと、y方向のホールセンサー内部基準電圧を入力する第4バッファーと、から構成されたy軸入力バッファー;
    制御器回路内部のx方向及びy方向の基準電圧をそれぞれ発生する第5及び第6バッファーで構成された基準電圧バッファー;
    上記第1バッファーの出力信号を一側に入力し、上記第2バッファー及び上記第5バッファーの出力信号を他側に入力する第7バッファーと、上記第3バッファーの出力信号を一側に入力し、上記第4バッファー及び上記第6バッファーの出力信号を他側に入力する第8バッファーを具備して、上記制御器回路内部の基準電圧と上記ホールセンサー基準電圧差を差動増幅及び低周波通過フィルタリングする低周波通過フィルター;及び
    上記第7バッファー及び上記第8バッファーの出力信号をそれぞれバファリングして出力する第9及び第10バッファーで構成された出力バッファー;を含む上記ホールセンサーの出力に対する信号変換回路を含むことを特徴とする単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステック。
  3. 第1項または第2項において、
    上記ホールセンサーの出力信号と上記ジョイスティック棒の動きとの間の非線形特性は、
    上記 数学式1、 数学式2、 数学式3から、
    上記 数学式4から、
    (数学式5)を求め、
    上記数学式のような非線形特性を有することを特徴とする単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステック。
  4. 第3項において、
    上記数学式5で最大線形範囲(θc)は、
    (数学式6)の関係を有し、
    線形範囲を決める パラメーター(ｋ)は、
    (数学式7)の特性を有することを特徴とする単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステック。
  5. 第4項において、
    上記信号変換回路の増幅係数と正比例した 定数値(ζ)は、
    上記 数学式3と上記数学式4から、
    (数学式8)の関係を有し、
    上記数学式8から、
    (数学式9)の特性を有することを特徴とする単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステック。
  6. 第5項において、
    また、上記センサー出力と上記ジョイスティック棒の勾配に対する非線形補償は、
    上記数学式10と上記数学式11から、
    (数学式12)で表し、
    (ここで、上記 ε1は設定された誤差範囲を表し、ε２は設定された誤差範囲を表す)の特性を有することを特徴とする単一ホールセンサーを利用した球形関節構造の非接触式電子ジョイステック。
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