JP2015215302A - 角度検出装置および角度検出装置を利用したサーボ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサを使用した角度検出装置において、磁気センサや磁石に特別な加工をおこなうことなく、検出可能な回転角度の範囲を拡張する。【解決手段】回転軸５に配置した磁石７を回転軸５に対して、傾けて配置する。磁石７を回転軸に対して直交するように配置する場合に比べて、磁石７と磁気センサ８の距離の変化が大きくなるため、回転角度に応じた磁束密度の変化が大きくなる。これにより、磁気センサ８の出力の直線性が向上し、回転軸５の回転角度の検出範囲が拡張する。【選択図】図３

Description

本発明は磁石および磁気センサを利用した回転軸の回転角度を検出する角度検出装置に関し、特にサーボ装置に利用される角度検出装置に関するものである。

角度検出装置は、回転運動をおこなう軸である回転軸に取り付けるなどして、回転軸が何度回転しているのか、回転角度を検出するために使用される。

角度検出装置を制御に利用する機器として、模型用ラジオコントロール機器や産業用機器、ロボットなどに使用されるサーボ装置がある。

サーボ装置は、操縦装置から受け取った操縦信号と、角度検出装置によって求めた回転軸である出力軸の回転角度を用いてフィードバック制御をおこない、出力軸を操縦信号で指定した回転角度と一致するように制御する装置である。

特に、模型用ラジオコントロール機器などの遠隔操作される機器に使用されるサーボ装置は、受信装置に接続され、受信装置が受信した操縦装置からの操縦信号に応じて駆動する。

模型用ラジオコントロール機器に使用されるサーボ装置の角度検出装置には、検出素子として、従来ポテンショメータが利用されていた。ポテンショメータは可変抵抗器を用いたものであり、出力軸の回転角度に応じて出力する電圧が変化し、この電圧を基に出力軸の回転角度を検出することができる。

ポテンショメータは、安価でもあるため利用しやすい検出素子ではあるが、可変抵抗器を用いており、抵抗体とブラシを備えている。これらは接触して動作するため、長時間使用することで抵抗体や摺動部が摩耗してしまっていた。特に、抵抗体が摩耗すると、抵抗値に変化が生じ、出力軸の基準位置がずれてしまったりして、出力軸の回転角度を正確に検出できなくなるという問題があった。

そこで、検出素子として、非接触型の素子である磁気センサを使用した角度検出装置及びこれを用いたサーボ装置が開発され、特許文献１に示されている。

図７を用いて特許文献１に示された、磁気センサを使用したサーボ装置の構成について説明する。サーボ装置２０は、モータ２１と、モータ２１の回転を減速して伝達する減速機２２と、減速機２２の最終段で回転を外部に出力する出力軸２３と、出力軸２３の端部に接続した磁石２４と、筐体内部に設けられた磁気センサ２５と、筐体内部に設けられた図示しない制御部を備えている。

特許文献１のサーボ装置では磁気センサとして、ホール素子を用いている。ホール素子と磁石は接触していないので長時間使用しても部品の摩耗は起こらず、ポテンショメータのように回転角度の検出ができなくなるという問題は起こらない。

再公表特許２０１１−０３０３７６号

しかし、磁気センサを使用した場合、検出可能な回転角度はポテンショメータの場合に比べて一般的に狭くなってしまっている。磁気センサの一種であるホール素子を用いた例を図４を用いて説明する。

図４（ａ）は出力軸５’方向から円板形状の磁石７’と磁気センサ８の様子を示した図である。磁石７’の円周上９０°毎に点７’ａ、点７’ｂ、点７’ｃ、点７’ｄを設けている。このときの磁気センサ８と最も接近している磁石７’の円周上の点の距離を磁石位置として、出力電圧との関係を図５（ｃ）の比較例１として示す。図５（ｃ）より、点７’ａを中心とした±約４５°程度の範囲で、磁石位置に対して出力電圧が直線的に変化しており、回転角度が検出可能とされている。

これに対して、模型用ラジオコントロール機器用のサーボ装置では基準の位置から±６０°程度の範囲の回転角度の検出ができることが望ましい。また、産業用機器に使用されるサーボ装置では±７５°程度の範囲の回転角度の検出ができることが望ましい。

本発明はこのような問題点に対して、磁石やホール素子に特別な加工をおこなうことなく、配置の方法を工夫することで容易にホール素子など磁気センサの検出範囲を拡張させることを目的とするものである。

請求項１記載の角度検出装置は、回転可能に支持された磁石と、磁石に対向して配置された磁気センサと、磁石の回転による磁束の変化で磁気センサの出力を変化させる角度検出装置において、磁石の回転によって磁気センサと磁石の距離が変化するように磁石を配置したことを特徴とする。

請求項２記載の角度検出装置は、請求項１に記載の角度検出装置において、磁石は回転可能な軸に取り付けられており、軸に対して磁石が傾けて配置されていることを特徴とする。

請求項３記載の角度検出装置は、請求項１または２に記載の角度検出装置において、磁石は円板形状であり、円板の中心を通過する直線に対して対称に２極に着磁されたことを特徴とする。

請求項４記載の角度検出装置は、請求項３に記載の角度検出装置において、磁石は回転可能な軸に取り付けられており、磁石を着磁の境界面に沿って傾けて軸に配置されていることを特徴とする。

請求項５記載の角度検出装置は、請求項１から４のいずれかひとつの角度検出装置において、磁気センサはホール素子と、増幅回路を備えていることを特徴とする。

請求項６記載のサーボ装置は、請求項１から５のいずれかひとつの角度検出装置と、モータと、モータと連結し、モータの出力を減速する減速機と、減速機に連結し、角度検出装置が取り付けられた出力軸と、角度検出装置の出力と外部から入力された操縦信号を比較し、差分がゼロとなるようにモータを回転制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

磁石や磁気センサに特別な加工等をすることなく、配置を工夫することによって、角度検出装置の検出可能範囲を拡張することができる。これによって、従来のポテンショメータを使用したサーボ装置と同様の回転角度の検出可能範囲を維持したまま、角度検出装置としての寿命を向上させることができる。

本発明の実施例におけるサーボ装置のブロック図である。 本発明の実施例におけるサーボ装置の制御部のブロック図である。 本発明の実施例における角度検出装置の磁石の配置を模式的に示した図である。 本発明に対する比較例の角度検出装置の磁石の配置を模式的に示した図である。 本発明の実施例と比較例における磁気センサの出力を示した図である。 本発明の他の実施例における磁気センサの出力を示した図である。 従来のポテンショレスサーボ装置の構成を示した図である。

［実施例１］
以下、図1から図３を引用して発明を実施するための実施例１を説明する。図１はサーボ装置の構成を示したブロック図である。図２はサーボ装置の制御部の構成を示したブロック図である。図３は角度検出装置６の磁石７と磁気センサ８の配置を模式的に示した図である。図３（ａ）は出力軸５方向から磁石７を見た図、図３（ｂ）は図３（ａ）をＰ方向から見た図である。

本実施例ではサーボ装置１を模型用ラジオコントロール機器に使用している。

まず、図示していない構成も含めたサーボ装置１周辺の構成について説明する。サーボ装置１は、遠隔操作される機器の内部に搭載され、受信装置と接続されている。受信装置は操縦装置から送信された操縦信号を受信し、これをチャンネル毎のパルス幅変調信号（以下、ＰＷＭ信号）に変換する。そして、このＰＷＭ信号がサーボ装置１へ入力される。サーボ装置１は、ＰＷＭ信号に応じて出力軸５に接続された機器の可動部を駆動制御する。

サーボ装置１の各構成について説明する。サーボ装置１は、制御部２と、モータ３と、減速機４と、出力軸５と、角度検出装置６を備えている。

制御部２は、信号処理部１０と、パルス幅比較部１１と、モータドライバ１２を備えている。制御部２は、制御用ＬＳＩ（Large Scale Integration）としてワンチップのＩＣ（Integrated Circuit）を用いてもよいし、複数のＩＣや回路素子を組み合わせた構成としてもよい。

信号処理部１０は、ＰＷＭ信号をパルス幅に応じた出力軸５の回転角度の目標値情報に変換する。パルス幅比較部１１は、目標値情報と、後述する角度検出装置６から受け取った回転角度情報を比較し、差分がゼロとなるように差分信号を生成する。モータドライバ１２は、差分信号をモータ３を駆動するための駆動信号に変換し、モータ３へ出力する。

モータ３は、制御部２からの駆動信号に応じて回転運動を出力する装置である。減速機４は、モータ３の出力をサーボ装置１の出力軸５に伝達する歯車である。モータ３の回転数と出力軸５の回転角度が所定の関係となるように減速機４を選択し、ギヤ比を調整する。

出力軸５は、モータ３の回転を減速機４によって所定のギヤ比で、外部に出力するための回転可能な軸である回転軸である。本実施例のように模型用ラジオコントロール機器に使用するサーボ装置１の場合、出力軸５の一方の端部はサーボ装置１の外部に突出し、図示しないサーボホーン等の接続部材を用いて、機器の可動部に接続されている。

角度検出装置６は磁石７と磁気センサ８を備えている。磁石７は出力軸５の他方の端部に出力軸５と連動して回転可能に取り付けられている。本実施例で使用した磁石７は、円板形状をしている。さらに、円板の中心を通過する直線に対して対象に２極に着磁されている。

磁気センサ８として、本実施例ではホール素子と増幅回路を備えたリニアホールＩＣを用いている。ホール素子は磁束密度の変化を電圧値で出力することができ、増幅回路と組み合わせることで、磁束密度の変化を電圧値の変化としてアナログに出力することができる。さらに、この電圧値から磁石７の回転角度を求めて、回転角度情報として制御部２に出力している。

本実施例での磁石７と磁気センサ８の配置に関して説明する。図３（ａ）は、回転軸５方向から磁石７を見た図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）をＰ方向から見た図である。

ここで出力軸５の軸方向を紙面上下方向とすると、磁石７は、点７ａが紙面上下方向について磁気センサ８に対して最も遠くなるように、点７ｃが紙面上下方向について磁気センサ８に対して最接近するように傾けて配置されている。具体的には、本実施例では磁石７を出力軸５に対して傾けて配置している。その傾きは出力軸５に直交する面に対して角度θとして表されている。本明細書では、角度θを磁石７の傾きとして説明する。なお、本実施例では磁石７の傾きは、およそ１０°となっている。

また、磁石７と磁気センサ８の距離とは、出力軸５の回転に伴い、磁気センサ８に最も接近する磁石７の円周上の点と、磁気センサ８との距離をいう。

さらに、本実施例では磁石７は、直径７ａ−７ｃを境界として、点７ｂがＳ極、点７ｄがＮ極となるように着磁されている。

［実施例２］
実施例２は、磁石の配置方法が実施例１の角度検出装置及びサーボ装置とは異なる。その他の構成については、実施例１と同様なので説明を省略する。

図３を用いて実施例２の磁石の配置について説明する。実施例２では、直径７ｂ−７ｄを境界として、磁石７は点７ａがＮ極、点７ｃがＳ極となるように着磁され、配置されている。

［実施例３］
実施例３は、磁石の配置方法が実施例１の角度検出装置及びサーボ装置とは異なる。その他の構成については、実施例１と同様なので説明を省略する。

図３を用いて実施例３の磁石の配置について説明する。実施例３では、直径７ｂ−７ｄを境界として、磁石７は点７ａがＳ極、点７ｃがＮ極となるように着磁され、配置されている。

［比較例］
比較例の構成について、図４を用いて説明する。比較例は特許文献１に示されているように磁石を磁気センサに対して平行に配置した角度検出装置及びサーボ装置である。図４（ｂ）の実線で示したのが比較例での磁石７’の配置位置であり、点線で示したのが実施例で示した磁石７の配置位置である。その他の構成については実施例１と同様なので説明を省略する。

図４から明らかなように、実施例の紙面上下方向に対する磁石７の点７ａと磁気センサ８の距離と、比較例の紙面上下方向に対する磁石７’と磁気センサ８の距離が一致するよう調整している。

実施例１、２、３とそれぞれ磁石の着磁に対する配置が一致する比較例１、２、３について検討する。

［比較結果］
実施例１と比較例１を比較した結果を図５に示す。また、実施例２と比較例２を比較した結果を図６（ａ）に示す。さらに、実施例３と比較例３を比較した結果を図６（ｂ）に示す。なお、磁気センサ８であるリニアホールＩＣは、印加電圧が３Ｖであり、０から３Ｖの間で電圧を出力するものを使用している。

図５において、磁石位置とは出力軸５または５’の回転に伴い、磁気センサ８に最も接近する磁石７または７’の円周上の点の位置をいう。そして、点７ａまたは７’ａを中心とした出力電圧の直線性を実施例１と比較例１で比較する。

ここで直線性について説明する。まず、実施例１において、点７ａから出力軸５の回転角度±３０°の２点の出力電圧値を通過する磁石位置に対する出力電圧の直線を基準直線とする。そして、同じ磁石位置での基準直線上の出力電圧値と実際の出力電圧値の差分をリニアホールＩＣへの印加電圧で除して百分率で表した値を直線性とする。比較例１も同様に、点７’ａから出力軸５の回転角度±３０°の２点の出力電圧値を通過する磁石位置に対する出力電圧の直線を基準直線とする。図５（ｂ）において、実施例１と実施例１の基準直線を示す。また、図５（ｃ）において、比較例１と比較例１の基準直線を示す。

磁石７’が従来どおりの配置方法である比較例１の場合、点７’ａを中心とした±約４５°の範囲で出力電圧がほぼ基準直線に沿って出力される。このとき、比較例１の点７’ａを中心とした±４５°の位置の直線性は±１．５％である。これに対して、実施例１は直線性±１．５％を確保しようとした場合、点７ａを中心とした±約６５°まで検出範囲を広げることができる。

また、図５と図６から実施例同士を比較すると実施例１が磁気センサ８の出力電圧の直線性が最も良くなることがわかる。しかし、実施例２や３についてもそれぞれ比較例２、３よりも、出力電圧の直線性が向上し、検出可能範囲が広くなっている。

今回使用したリニアホールＩＣは、０から３Ｖの間で出力をおこなうものを使用している。よって、電圧の閾値以上に磁束密度が変化していて、実施例の形態では検出できない回転角度が存在する。このような場合は、リニアホールＩＣの感度を調整することで、磁石の傾きが本実施例と同一でも検出可能な回転角度の範囲を増減させることができる。

以上、実施例１から実施例３までを挙げて発明を実施するための形態について説明したが、発明を実施するための形態はこれらに限られるものではない。

例えば、磁気センサとして、より感度の高いリニアホールＩＣを用いれば、磁石の傾きがより緩やかであっても、出力電圧の直線性が向上し、検出可能な回転角度の範囲を広げることができる。

また、磁石の傾きが大きい場合は、傾きが小さい場合と比べて、磁石のわずかな回転で磁気センサからみた磁界強度が大きく変化するので、回転角度情報に揺らぎ（ジッタ）が生じる可能性がある。そのため、感度の高い磁気センサを用いて、磁石の傾きはできるだけ小さくすることが望ましい。特に、磁石の傾きは５°〜３０°程度とすることが望ましい。

また、実施例では角度検出装置を模型用ラジオコントロール機器のサーボ装置に使用したが、本発明の角度検出装置を回転軸の角度を計測する他の用途に使用してもよい。

１、１０…サーボ装置
２…制御部
３、１１…モータ
４、１２…減速機
５、１３…出力軸
６…角度検出装置
７、７’、１４…磁石
８、８’、１５…磁気センサ

Claims (6)

1. 回転可能に支持された磁石と、
   磁石に対向して配置された磁気センサと、
   前記磁石の回転による磁束の変化で前記磁気センサの出力を変化させる角度検出装置において、
   前記磁石の回転によって前記磁気センサと前記磁石の距離が変化するように前記磁石を配置したことを特徴とする角度検出装置。
2. 請求項１に記載の角度検出装置において、
   前記磁石は回転可能な軸に取り付けられており、
   前記軸に対して前記磁石が傾けて配置されていることを特徴とする角度検出装置。
3. 請求項１または２に記載の角度検出装置において、
   前記磁石は円板形状であり、前記円板の中心を通過する直線に対して対称に２極に着磁されたことを特徴とする角度検出装置。
4. 請求項３に記載の角度検出装置において、
   前記磁石は回転可能な軸に取り付けられており、
   前記磁石を着磁の境界面に沿って傾けて前記軸に配置されていることを特徴とする角度検出装置。
5. 請求項１から４のいずれかひとつの角度検出装置において、
   前記磁気センサはホール素子と、
   増幅回路を備えていることを特徴とする角度検出装置。
6. 請求項１から５のいずれかひとつの角度検出装置と、
   モータと、
   前記モータと連結し、前記モータの出力を減速する減速機と、
   前記減速機に連結し、前記角度検出装置が取り付けられた出力軸と、
   前記角度検出装置の出力と外部から入力された操縦信号を比較し、差分がゼロとなるように前記モータを回転制御する制御部とを備えた、サーボ装置。
   

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