JP2020528995A - 磁気センサを用いた一体型アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
本発明は、磁気センサを用いた一体型アクチュエータに関する。本発明の1様態であるモータにより回転するギヤに関する絶対角及び相対角の少なくとも1つを測定する測定器具において、磁石と、前記磁石の磁場のサイズ及び方向の少なくとも1つが、前記磁石の磁性が前記ギヤの回転によって変化することを感知する磁気センサとを含む。【選択図】図9
Description
本発明は、磁気センサを用いた一体型アクチュエータに関する。より詳しくは、多数の磁気センサを用いて、多極着磁磁石や精密ギヤを要しない中空状磁気式エンコーダ、及び前記エンコーダを一体型アクチュエータと結合して製品の性能とサイズを画期的に改善することができる磁気センサを用いた一体型アクチュエータに関する。
最近、産業社会において、単調な繰返し作業や潜在的に危険な作業は、ロボットを適用して生産性を増やし、人間は、より効率性の高い業務に再配置されている実情である。
一例として、工場の組立ラインでは、コンベアーベルトが設置されて必要部品を運送し、組立工程のためには、部品の上下車が必須であり、このような作業を過去では手動で行ったことにより、脊椎圧迫のような障害を誘発していた。
近年には、このような作業が多関節ロボットが代替することになって、安全性と生産性が大幅に向上している。
一方、ロボットの関節には、トルクを与えるモータだけでなく、モータのトルク増加のための減速機、また、関節の回転角度測定のための装置が共に設置される。
但し、従来には、前記の部品をそれぞれ製作して組立てる方式を適用することで、組立時に誤差が生じるだけでなく、小型化も難しいという不都合があった。
近年には、このような問題点を解決するため、前記の部品を内蔵したロボットアクチュエータが販売されている。
モータ-ギヤ-エンコーダの一体型アクチュエータを用いる場合、ロボット関節の製作が容易であるという特長を有している。
従来の一体型アクチュエータは、出力軸の位置測定のために、オン・アクシス方式(軸内方式)で磁気センサを搭載しており、磁気センサの搭載のための更なるメカニズムの設計方法が、一部業者によって先取りされている状況である。
しかし、現在の磁気式エンコーダ技術は、オン・アクシス方式よりは、中空軸デザインが可能なオフ・アクシス方式(軸外方式)が飛躍的に発展しているので、オフ・アクシス方式を適用した磁気式エンコーダの技術と、これを搭載した一体型アクチュエータ開発の必要性が生じている。
特許文献1:大韓民国特許庁登録番号第10-1308738号
特許文献2:大韓民国特許庁登録番号第10-2013-0045692号
特許文献2:大韓民国特許庁登録番号第10-2013-0045692号
本発明は、前記のような問題点を解決するために、磁気センサを用いた一体型アクチュエータを提供することである。
具体的に、本発明は、多数の磁気センサを用いて、多極着磁磁石や精密ギヤを要しない中空状の磁気式エンコーダ、及び前記エンコーダを一体型アクチュエータと結合して製品の性能とサイズを画期的に改善することができる磁気センサを用いた一体型アクチュエータを提供することである。
前記の技術的課題を達成するための本発明の一様態である測定器具は、モータにより回転するギヤに関する絶対角及び相対角の少なくとも1つを測定する測定器具において、磁石と、前記磁石の磁場のサイズ及び方向の少なくとも1つが、前記磁石の磁性が、前記ギヤの回転によって変化することを測定する磁気センサとを含むことを特徴とする。
前記磁石は、断面2極磁石である。
前記磁気センサは、複数であり、前記複数の磁気センサは、前記磁石を基準に所定の間隔で離隔配置される。
前記磁石は、円状の断面2極磁石であり、前記磁気センサは、複数であり、前記複数の磁気センサは、前記円状の断面2極磁石に隣接して、所定の間隔で離隔配置されることにより、前記ギヤの回転によって変化する値の歪を補償する。
前記測定器具は、中空状のアクチュエータに適用される。
また、前記の技術的課題を達成するための本発明の他の様態であるアクチュエータは、モータと、前記モータにより回転するギヤと、前記ギヤと連結されるギヤボックスと、
前記ギヤボックスの少なくとも一部に挿入され、前記モータによって回転する前記ギヤに関する絶対角及び相対角の少なくとも1つを測定する測定器具とを含むことを特徴とする。
前記ギヤボックスの少なくとも一部に挿入され、前記モータによって回転する前記ギヤに関する絶対角及び相対角の少なくとも1つを測定する測定器具とを含むことを特徴とする。
前記ギヤは、複数であり、前記モータと連結される入力側ケースと、前記複数のギヤのうち、前記入力側ケースと連結される第1の内歯歯車と、
前記複数のギヤのうち、外歯歯車及び前記入力側ケースに固定連結され、前記第1の内歯歯車と一端が噛み合って回転する偏心シャフトと、前記複数のギヤのうち、前記偏心シャフトの他端と噛み合って回転する第2の内歯歯車と、前記第2の内歯歯車に伝達された力を出力する出力部と、前記出力部が通過される軸受を備える出力ケースとを含む。
前記複数のギヤのうち、外歯歯車及び前記入力側ケースに固定連結され、前記第1の内歯歯車と一端が噛み合って回転する偏心シャフトと、前記複数のギヤのうち、前記偏心シャフトの他端と噛み合って回転する第2の内歯歯車と、前記第2の内歯歯車に伝達された力を出力する出力部と、前記出力部が通過される軸受を備える出力ケースとを含む。
前記入力ケースと前記第1の内歯歯車、前記第2の内歯歯車と出力部、及び前記ギヤボックスと測定器具の少なくとも一部は、一体型からなる。
前記偏心シャフト、外歯歯車、出力部、ギヤボックス、及び測定器具の少なくとも一部は、中空状からなる。
本発明は、磁気センサを用いた一体型アクチュエータを提供することができる。
具体的に、本発明は、多数の磁気センサを用いて、多極着磁磁石や精密ギヤを要しない中空状の磁気式エンコーダ、及び前記エンコーダを一体型アクチュエータと結合して、製品の性能とサイズを画期的に改善可能な磁気センサを用いた一体型アクチュエータを提供することができる。
一方、本発明で得られる効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及していない他の効果は、後述する本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって明確に理解されるだろう。
近年、産業社会において、単調な繰返し作業や潜在的に危険な作業は、ロボットを適用して生産性を増やし、人間は、より効率性の高い業務に再配置されている実情である。
ロボットの関節には、トルクを与えるモータだけでなく、モータのトルク増加のための減速機、また、関節の回転角度測定のための装置が共に設置される。
但し、従来には、前記の部品を別々製作して組立てる方式を適用することで、組立時に誤差が生じるだけでなく、小型化も不利であるという不都合があった。
このような問題点を解決するために、近年には、前記の部品を内蔵したロボットアクチュエータが販売されている。
モータ-ギヤ-エンコーダの一体型アクチュエータを用いる場合、ロボット関節の製作が容易であるというメリットがある。
図1には、本発明に関する従来のサイクロイド歯車の一例を示している。
図1に示しているように、従来のサイクロイド歯車100は、ケースの内周面を内歯歯車(Internal gear、30)として用い、内歯歯車30と接するように、2枚の外歯歯車(external gear、40、50)が設けられ、外歯歯車40、50を貫通する各溝の複数の出力ピン(Output pins、60)を用いて、出力部(Output carrier、70)と結合する複雑な製作・組立過程が求められるので、小型化に不利であった。
その上、減速機出力部70の回転角は、ロボット関節の回転角に該当するので、このための測定方法が共に備えなければならない。
図2は、本発明において、出力部に別のセンサ支持台を設け、磁気エンコーダのようなセンサを用いて、位置を測定する構造の一例を示している。
図2に示しているように、出力部70に別のセンサ支持台210を設置し、磁気エンコーダのようなセンサ130aを用いて、位置を測定することができる。
しかし、図2の構造では、センサ130aを支持する構造物210によって、関節の360度回転が不可であるだけでなく、軸方向の長さが増加して、軸一致の構造を有する多関節ロボットに使用するためには、デザインメリットが落ちるという重大な問題点が存在した。
これを解決するための先行技術が、公開特許10−2013−0045692に示されており、図3を参照して説明する。
図3は、図2の構造を改善して、減速機とシャフトを貫通する孔を開け、中空状のシャフト内に回転ロッドを設置した一例を示している。
図3に示しているように、減速機90とシャフト220を貫通する孔を開け、中空状のシャフト内に回転ロッドを設置している。
しかし、図3のような構造では、中空状のシャフトが必ず使用されるべきであるので、従来の中空状のアクチュエータと同様に、軸剛性が弱くなることはもちろん、シャフト内に回転ロッドが設置されることにより、中空状のシャフト内部を配線連結などとして活用可能なメリットを失っている。
図4は、本発明における超小型のサイクロイド減速機を用いた一体型アクチュエータの一例を示している。
図4に示しているように、アクチュエータに含まれる超小型のサイクロイド減速機は、従来のアクチュエータに適用されているサイクロイド減速機の構造、例えば、図1とは異なる形状を有する。
具体的に、本発明によると、モータ1に連結される入力側ケース2に、偏心シャフト3を軸受で固定し、偏心シャフト3は、2段で構成される外歯歯車4と同様に、軸受で固定する。
また、外歯歯車4の1段と2段は各々、入力側ケース2に取り付けられる第1の内歯歯車5と、出力部6に取り付けられる第2の内歯歯車7とに噛み合って回転し、第2の内歯歯車7が取り付けられた出力部6は、出力側ケース8に固定したクロスローラベアリング9を貫通する。
ここで、歯車の摩擦力をより減らすためには、互いに噛み合う外歯歯車4と第1の内歯歯車5、あるいは、外歯歯車と第2の内歯歯車7の間に、ピンローラベアリングを更に設けることができる。
そこで、図4における本発明の構造は、前述した従来の図1の構造とは異なり、多数の出力ピンが平板歯車を貫通する必要がないので、組立が簡単であるだけでなく、サイズを画期的に小型化することができる。
一方、前述したアクチュエータに適用されるエンコーダとしては、ロータリエンコーダ、光学式エンコーダ、磁気式エンコーダなどが挙げられる。
ロータリエンコーダは、回転方向の機械的変位量をデジタル信号に変換する角度測定センサであって、近年には、工作機械やロボットの高性能制御のために、回転部の速度・位置の精度高い測定が要求される分野で使用され、その重要性が大きくなっている。
また、光学式エンコーダは、回転軸に一定の間隔で配置されたスリットを有するディスクと光検出器(発光部と受光部)を用いる。
ここで、発光部の光がディスクに設けられたスリットを通過して受光部に到達すると、検出器を用いて、ディスクのパターンを出力する方式で、スリットの形状によって、インクリメンタル型とアブソリュート型に区分することができる。
アブソリュート型の光学式エンコーダは、出力信号線の数が増加するだけでなく、ディスクのサイズが相対的に大きいという不都合を有している。
これに対しては、以下の磁気センサを用いた磁気式エンコーダを使用可能である。
磁気式エンコーダは、使用する磁気センサの種類や磁石の種類によって、様々な方式で回転軸の位置を検出することができる。
磁気センサの種類には、ホールセンサや磁気抵抗が使われており、近年には、半導体集積技術が適用されて、半導体IC素子の形としても販売されている。
図5は、磁気センサにおいて、オン・アクシス方式とオフ・アクシス方式を説明するための図である。
図5に示しているように、磁気センサの設置方法は、センサを回転軸の中心部に設置するオン・アクシス方式と、回転軸の中心部と離隔した距離に設置するオフ・アクシス方式とに分けられる。
図5に示しているように、オフ・アクシス方式は、回転角を測定しようとする回転軸と離れた距離に磁気センサを設置するため、中空状の回転軸を使用可能である。しかし、測定信号の歪とノイズがオン・アクシス方式に比して、相対的に増加することと知られている。
図6は、本発明における一体型アクチュエータの動作を説明するための図である。
図6の(a)〜(c)に示しているように、モータは、DC/BLDC/PMSMで具現可能であり、ギヤは、ハーモニック歯車(Harmonic gear) / サイクロイド歯車(Cycloid gear) /遊星歯車(Planetary gear)で具現可能である。
また、位置測定センサ(エンコーダ)が用いられるが、入力軸相手位置(Incremental)のエンコーダは、モータ駆動用の高分解能で具現可能であり、出力軸絶対位置(Absolute)のエンコーダは、ロボット関節の回転角を測定する用途として用いられる。
従来の一体型アクチュエータは、出力軸位置測定のために、主に、オン・アクシス方式で磁気センサを搭載しており、磁気センサの搭載のための更なるメカニズムの設計方法が共に開発されている。
一方、本発明における方法は、オフ・アクシス方式を適用することにより、従来の一体型アクチュエータと比較して、小型化及び中空状のデザインが可能であるというメリットを有しており、オフ・アクシス方式の不都合(信号歪)は、多数の磁気センサを用いて克服する。
本発明の具体的な説明に先立って、オン・アクシス方式の磁気センサを搭載した一体型アクチュエータについて説明する。
図7a〜図7cには、本発明において、オン・アクシス方式の磁気センサを搭載した一体型アクチュエータの一例を示している。
図7aに示しているように、多数のスパーギヤを設置し、スパーギヤのギヤ比を組み合わせて、出力軸と1:1の回転比を維持する2つのスパーギヤ340、350の回転軸にそれぞれ、磁気センサ343b、353bを設置するオン・アクシス方式が示されている。
図7aにおける構造は、中空状のデザインにメリットを有していることに対して、多数のスパーギヤの使用による重さの増加と構造が複雑であるという不都合を有している。
また、図7bには、ギヤを貫通する中空状のシャフトを設置し、中空状のシャフト内に回転ロッドを貫通して、回転ロッド600の端に磁気センサを設置するオン・アクシス方式が示されている。
図7bにおける構造は、中空状のデザインが容易な2段サイクロイド歯車の内部を用いるユニックな方式であるが、回転ロッドの設置によって、中空状のデザインが不可であるという不都合を有している。
また、図7cに示しているように、超小型のサイクロイド減速機の出力部6に、一部をスパーギヤ10形状に成形し、ここに噛合わせる他のスパーギヤ11側に、絶対角や相対角を検出するための角度検出部、ここでは、磁気エンコーダ12と磁石13を設置した構造が示されている。
そこで、図7cにおける方法は、サイクロイド減速機の出力部6に、動力伝達構造物の一部を共に成形する方法と見なされる。
すなわち、図7cにおいては、サイクロイド歯車の出力部材にスパーギヤ形状を成形し、出力軸と1:1の回転比を持つスパーギヤの回転軸に磁気センサを設置するオン・アクシス方式を示している。
ここでは、軸方向の長さが減少し、中空状のデザインが可能であるというメリットがあるが、動力伝達のための出力部材のスパー形状とスパーギヤの摩耗によって、位置測定誤差が生じるという不都合がある。
図7a〜図7cで説明したように、更なるメカニズム(ギヤ、回転ロッド)が必要であるにもかかわらず、オフ・アクシス方式ではなく、オン・アクシス方式が使われている。
すなわち、多極着磁磁石を用いたオフ・アクシス方式のような場合、多極着磁磁石(multi pole magnet)の製作は、断面2極磁石(two pole magnet)に比べて相対的に難しく、絶対位置の検出が難しいという不都合がある。
N極とS極を特殊な形状に配列、位相差を持っている2つのリングマグネットを用いるので、製作が難しく、絶対位置の検出が困難である。
また、断面2極磁石を用いたオフ・アクシス方式もあるが、磁石からの隔離距離によって生じる高調波誤差と非線形性を克服するために、比較的複雑な信号処理方法が求められるという問題点がある。
結果として、現状では、コストアップの主原因である多数の磁気センサを用いて多極着磁磁石や精密ギヤを要しない中空状の磁気式エンコーダを開発し、一体型アクチュエータと結合して、製品の性能とサイズを画期的に改善した製品が必要である。
そこで、本発明は、前述した問題点を解決するために、磁気センサを用いた一体型アクチュエータを提供しようとする。
具体的に、本発明は、多数の磁気センサを用いて、多極着磁磁石や精密ギヤを要しない中空状の磁気式エンコーダ、及び前記エンコーダを一体型アクチュエータと結合して、製品の性能とサイズを画期的に改善することができる磁気センサを用いた一体型アクチュエータを提供している。
図8は、従来の中空軸又はスパーギヤを用いる構造と、本発明における磁気センサを用いた一体型アクチュエータ構造とを示している。
図8の(a)及び(b)を参照すると、更なるメカニズムとオン・アクシス磁気センサを用いる方式として、中空軸を用いる方式、及びスパーギヤを用いる方式が示されている。
また、図8の(c)を参照すると、本発明における構造として、信号処理アルゴリズム、断面2極磁石3400、及び多数のオフ・アクシス磁気センサ3600を用いる方式が示されている。
図9及び図10は、本発明における磁気センサを用いた一体型アクチュエータを示している。
図9及び図10に示しているように、本発明におけるオフ・アクシス方式は、前記の不都合を解消することができるため、従来のオン・アクシス方式を十分代替可能である。
具体的に、本発明における方法は、多数の磁気センサ3600を用いて、オフ・アクシス方式の限界点を克服している。
図9に示しているように、本発明の構造及び方法の特徴は、以下の通りである。
まず、断面2極磁石3400を用いる。
多極着磁磁石は、断面2極磁石3400と比較して、比較的複雑な形状の着磁ヨークを用いて製作されるので、生産が難しいだけでなく、絶対位置の測定のためには、特殊な形状の極(pole)配置が必要である。
これに対して、断面2極磁石3400は、比較的製作が簡単であり、絶対位置の測定が容易であるため、製品の生産性と価格競争力を向上することができる。
ついで、本発明では、信号処理部を用いることになるが、断面2極磁石3400を用いる場合、磁束と直角方向のセンサの出力が微弱であって、測定エラーが生じる問題点、及びノイズによって信号の歪が発生する問題点を解消することができる。
すなわち、本発明における方法は、多数の磁気センサ3600を磁石3400の周囲に特定の間隔で配置して、信号の歪を補償することができる信号処理技法を適用する。
また、本発明では、磁気センサ3600を出力端ではない入力端に配置して、感知された情報を更に用いる実施例が適用可能である。
また、入力端に配置されるセンサは、磁気センサ3600の他に、入力端の動きを感知する他の種類のセンサ(光センサ)を利用可能である。
最後に、本発明では、中空状のデザインへの製作が可能であるという特徴がある。
すなわち、図7a〜図7cで言及した更なるメカニズム(回転ロッド、ギヤなど)が不要であるので、製品の重さと設計の複雑度を大きく減少することができる。
特に、一体型アクチュエータに搭載する場合、出力軸に磁気センサ3600とリング磁石3400とが直接設置されて、コンパクトなサイズの中空状のデザインが可能である。
例えば、図9における入力軸の回転角測定方法は、従来の方法と同様に、オン・アクシス方式で示しているが、これは、状況によって除くか、他の方式と混用可能である。
具体的に、本発明の方法が適用されたコンパクトな中空状のアクチュエータの実施例を図11に示す。
そこで、本発明は、磁気センサを用いた一体型アクチュエータを提供することができる。
具体的に、本発明は、多数の磁気センサを用いて、多極着磁磁石や精密ギヤを要しない中空状の磁気式エンコーダ、及び前記エンコーダを一体型アクチュエータと結合して、製品の性能とサイズを画期的に改善することができる磁気センサを用いた一体型アクチュエータを提供することができる。
上述した本発明の実施例は、様々な手段により具現可能である。例えば、本発明の実施例は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせなどによって具現可能である。
ハードウェアによる具現の場合、本発明の実施例による方法は、1又はそれ以上のASICs(特定用途向け集積回路)、DSPs(デジタルシグナルプロセッサ)、DSPDs(デジタルシグナル・プロセッシング装置)、PLDs(プログラム可能論理素子)、FPGAs(現場でプログラム可能なゲートアレイ)、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサなどによって具現可能である。
ファームウェアやソフトウェアによる具現の場合、本発明の実施例による方法は、以上で説明した機能又は動作を行うモジュール、手続、又は関数などの形態で具現される。ソフトウェアコードは、メモリユニットに格納されて、プロセッサによって駆動される。前記メモリユニットは、前記プロセッサの内部又は外部に位置して、公知の様々な手段によって、前記プロセッサとデータを受け渡すことができる。
上述したように開示された本発明の好適な実施例に対する詳細な説明は、当業者が本発明を具現して実施できるように提供されている。前記では、本発明の好適な実施例を参照して説明したが、当該技術の分野における熟練した当業者は、本発明の領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更可能であることを理解されるだろう。例えば、当業者は、上述した実施例に記載された各構成を組み合わせる方式で利用可能である。よって、本発明は、ここに現れた実施形態に制限されることではなく、ここで開示された原理及び新規の特徴と一致する最広の範囲を付与しようとすることである。
本発明は、本発明の精神及び必須的な特徴を逸脱しない範囲で他の特定の形態に具体化することができる。よって、前記の詳細な説明は、あらゆる面で制限的に解析されてはいけなく、例示的なことと考えるべきである。本発明の範囲は、添付の請求項の合理的な解析によって決められるべきであり、本発明の等価範囲内でのあらゆる変更は、本発明の範囲に含まれる。本発明は、ここに示された実施形態に制限されることではなく、ここで開示された原理及び新規の特徴と一致する最広の範囲を付与しようとすることである。また、特許請求の範囲で明示的な引用関係がない請求項を結合して実施例を構成するか、出願後の補正によって、新たな請求項として含むことができる。
Claims (9)
- モータにより回転するギヤに関する絶対角及び相対角の少なくとも1つを測定する測定器具において、
磁石と、
前記磁石の磁場のサイズ及び方向の少なくとも1つが、前記磁石の磁性が、前記ギヤの回転によって変化することを測定する磁気センサと
を含むことを特徴とする測定器具。 - 前記磁石は、断面2極磁石であることを特徴とする請求項1に記載の測定器具。
- 前記磁気センサは、複数であり、
前記複数の磁気センサは、前記磁石を基準に所定の間隔で離隔配置されることを特徴とする請求項1に記載の測定器具。 - 前記磁石は、円状の断面2極磁石であり、
前記磁気センサは、複数であり、
前記複数の磁気センサは、前記円状の断面2極磁石に隣接して、所定の間隔で離隔配置されることにより、前記ギヤの回転によって変化する値の歪を補償することを特徴とする請求項1に記載の測定器具。 - 前記測定器具は、中空状のアクチュエータに適用されることを特徴とする請求項1に記載の測定器具。
- モータと、
前記モータにより回転するギヤと、
前記ギヤと連結されるギヤボックスと、
前記ギヤボックスの少なくとも一部に挿入され、前記モータによって回転する前記ギヤに関する絶対角及び相対角の少なくとも1つを測定する請求項1による測定器具と
を含むことを特徴とするアクチュエータ。 - 前記ギヤは、複数であり、
前記モータと連結される入力側ケースと、
前記複数のギヤのうち、前記入力側ケースと連結される第1の内歯歯車と、
前記複数のギヤのうち、外歯歯車及び前記入力側ケースに固定連結され、前記第1の内歯歯車と一端が噛み合って回転する偏心シャフトと、
前記複数のギヤのうち、前記偏心シャフトの他端と噛み合って回転する第2の内歯歯車と、
前記第2の内歯歯車に伝達された力を出力する出力部と、
前記出力部が通過される軸受を備える出力ケースと
を含むことを特徴とする請求項6に記載のアクチュエータ。 - 前記入力ケースと前記第1の内歯歯車、前記第2の内歯歯車と出力部、及び前記ギヤボックスと測定器具の少なくとも一部は、一体型からなることを特徴とする請求項7に記載のアクチュエータ。
- 前記偏心シャフト、外歯歯車、出力部、ギヤボックス、及び測定器具の少なくとも一部は、中空状からなることを特徴とする請求項7に記載のアクチュエータ。
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