JP2887285B1 - Ball joint rotation detector - Google Patents
Ball joint rotation detectorInfo
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Abstract
【要約】
【課題】 より簡単に出力軸回りの回転を検出できるよ
り小型の球ジョイント回転検出装置を提供する。
【解決手段】 出力軸５を有するロータ１を収納したハ
ウジング３からなる球ジョイントにおいて、出力軸に直
交した方向に１対の磁極１３、１５を備えハウジングに
ホール素子などを使用した２個の磁気検出器１７、１９
を備えて、その出力からロータの磁極位置の経度を算出
する経度測定器２３と、出力軸の対極に設けた光ビーム
源９とハウジングの底面に展設された２次元光位置検出
デバイス（ＰＳＤ）１１から構成されるなどして出力軸
の傾きを検出する軸傾き検出器２１と、経度測定器と軸
傾き検出器の測定結果を用いて出力軸の軸回り回転角を
算出する軸回り回転角算出器２５とを備える。Provided is a smaller ball joint rotation detector that can more easily detect rotation around an output shaft. SOLUTION: In a ball joint composed of a housing 3 accommodating a rotor 1 having an output shaft 5, two magnetic poles having a pair of magnetic poles 13 and 15 in a direction orthogonal to the output shaft and using a Hall element or the like in the housing. Detectors 17, 19
, A longitude measuring device 23 for calculating the longitude of the position of the magnetic pole of the rotor from the output, a light beam source 9 provided at the opposite pole of the output shaft, and a two-dimensional optical position detection device (PSD) mounted on the bottom surface of the housing. A) a shaft tilt detector 21 configured to detect the tilt of the output shaft, and a rotation around the axis calculating the rotation angle of the output shaft using the measurement results of the longitude measuring device and the shaft tilt detector. And an angle calculator 25.
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、球ジョイントにお
ける出力軸の傾きと軸周りの回転を検出する回転検出器
に関し、特に、ハウジング内の駆動部の揺動により球を
回転させて出力軸に連結された物の向きを変化させたり
軸回りに回転させたりするために使用する小型の球ジョ
イントに用いることができる回転検出器に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a rotation detector for detecting a tilt of an output shaft and a rotation around the axis of a ball joint, and more particularly to a rotation detector for rotating a ball by swinging a driving unit in a housing to apply the rotation to an output shaft. The present invention relates to a rotation detector that can be used for a small ball joint used to change the direction of a connected object or rotate it around an axis.
【０００２】[0002]
【従来の技術】小型の球ジョイントは、メンテナンス検
査や医療検査に用いる検査装置、レーザ照射装置やロボ
ットアイの駆動機構など、小型で高性能な各種装置にお
いて部材の姿勢や方向を制御するための部品として使用
される。特に回転駆動機構を内蔵した球ジョイントは、
各種の搬送機器やそれらの玩具などの駆動輪として使用
したり、パラレルリンク型ロボットや工作機械の駆動部
など回転移動機構を有する物の駆動体として使用するこ
とができる。こうした小型の駆動機構を備えた球ジョイ
ントとして、本願出願者による特開平１０-６７０４に
開示されたものがあるが、マイクロマシーン技術の進展
やロボット作業の対象の広がりに伴って、この種の小型
の駆動式球ジョイントに対する要請がますます強くなっ
ている。2. Description of the Related Art A small ball joint is used for controlling the posture and direction of members in various small and high-performance devices such as an inspection device used for maintenance inspection and medical inspection, a laser irradiation device, a driving mechanism for a robot eye, and the like. Used as a part. In particular, ball joints with a built-in rotation drive mechanism
It can be used as a driving wheel for various transport devices and their toys, and as a driving body for an object having a rotary movement mechanism such as a driving unit of a parallel link robot or a machine tool. As a ball joint provided with such a small driving mechanism, there is a ball joint disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-6704 by the present applicant. However, with the development of micro-machine technology and the spread of robot work targets, this kind of small ball joint has There is an increasing demand for driven ball joints.
【０００３】球ジョイントを各種装置器具に取り込んで
活用するためには、出力軸の姿勢や回転に関する正確な
測定が欠かせない。しかし、近年発達してきた球ジョイ
ントは極めて小型精密化していて、計測機構も小さく堅
牢でかつ測定により球ジョイントに与える負荷が小さい
ことが要求される。２個のロータリーエンコーダと出力
軸の間に２本のスライドバーを渡して、スライドバーの
方向から出力軸の傾きを検出する方法もあるが、この方
法では装置が大きくまた測定負荷のため球ジョイントの
円滑な動きを阻害し、付属部品を含めた球ジョイントの
小型化が困難である。また、出力軸の傾きは測定できて
も回転角を知ることができない。In order to take the ball joint into various equipment and utilize it, it is essential to accurately measure the attitude and rotation of the output shaft. However, recently developed ball joints are extremely miniaturized and precise, and require a small and robust measuring mechanism and a small load applied to the ball joint by measurement. There is also a method in which two slide bars are passed between two rotary encoders and the output shaft, and the inclination of the output shaft is detected from the direction of the slide bar. , And it is difficult to reduce the size of the ball joint including accessory parts. Further, even if the inclination of the output shaft can be measured, the rotation angle cannot be known.
【０００４】これらの困難を解消する方法として、本願
出願者の出願に係る特開平８−１４８６４号公報に、ロ
ータに２個の光源を設けハウジングの底面あるいは側面
に２次元光位置検出デバイス（ＰＳＤ）を設けて各光源
から照射される光のスポット位置を２次元ＰＳＤによっ
て検出しロータの回転を計測する方法が開示されてい
る。この方法は、図５に示すように、ロータの回転出力
軸の反対側に第１の光源を仕込み、この照射方向から出
力軸の傾きを検出し、さらにこれとは異なる方向に光を
放射する第２の光源をロータに仕込んでその照射方向か
ら軸の回転角を算出するようになっている。As a method for solving these difficulties, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-14864 filed by the present applicant discloses a method in which two light sources are provided on a rotor and a two-dimensional light position detecting device (PSD) is provided on the bottom or side surface of a housing. ) Is provided to detect the spot position of the light emitted from each light source by two-dimensional PSD and measure the rotation of the rotor. In this method, as shown in FIG. 5, a first light source is provided on the opposite side of the rotation output shaft of the rotor, the inclination of the output shaft is detected from the irradiation direction, and light is emitted in a different direction. The second light source is charged into the rotor, and the rotation angle of the shaft is calculated from the irradiation direction.
【０００５】ＰＳＤは照射光分布の重心を検出する道具
なので、１個のＰＳＤで２個の光源の照射位置を時分割
で検出するには光源の切り替え機構も内蔵しなければな
らない。このように２個の光源を使用することで、ロー
タの構造が複雑となり高度の加工を必要とし、またこれ
ら機構を収納するため、ロータを小さくすることも困難
である。さらに、複数の照射口を遮蔽しないようにする
ため、ロータを同心に保持する球受け構造やロータを駆
動する機構に制約があった。なお、複数の光源があるた
め相互に干渉して生じる測定誤差を小さくする工夫も必
要であった。[0005] Since the PSD is a tool for detecting the center of gravity of the irradiation light distribution, in order to detect the irradiation positions of the two light sources with one PSD in a time-division manner, a light source switching mechanism must be incorporated. The use of two light sources in this way complicates the structure of the rotor and requires advanced processing. In addition, since these mechanisms are housed, it is difficult to reduce the size of the rotor. Further, in order not to shield the plurality of irradiation ports, there are restrictions on a ball receiving structure for holding the rotor concentrically and a mechanism for driving the rotor. In addition, since there are a plurality of light sources, it is necessary to devise measures to reduce measurement errors caused by mutual interference.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、より簡単に軸回りの回転を検出で
きるより小型の球ジョイント回転検出装置を提供するこ
とである。SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a smaller ball joint rotation detecting device capable of detecting rotation around an axis more easily.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、出力軸を有するロータとロータを中心位置に保持す
る球受けを備えたハウジングからなる球ジョイントに用
いる本発明の球ジョイント回転検出装置は、ロータの出
力軸に直交した方向に１対の磁極を備えハウジングに少
なくとも２個の磁気検出器を備えてこの磁気検出器の出
力からロータの磁極位置の経度を算出する経度測定器
と、出力軸の傾きを検出する軸傾き検出器と、経度測定
器と軸傾き検出器の測定結果を用いて出力軸の軸回り回
転角を算出する軸回り回転角算出器とを備えることを特
徴とする。In order to solve the above-mentioned problems, a ball joint rotation detecting device according to the present invention is used for a ball joint comprising a rotor having an output shaft and a housing having a ball receiver for holding the rotor at a center position. A longitude measuring device having a pair of magnetic poles in a direction orthogonal to the output shaft of the rotor, having at least two magnetic detectors in the housing, and calculating the longitude of the magnetic pole position of the rotor from the output of the magnetic detector; An axis inclination detector for detecting an axis inclination, and an axis rotation angle calculator for calculating an axis rotation angle of the output shaft using the measurement results of the longitude measuring instrument and the axis inclination detector. .
【０００８】なお、磁気検出器はホール素子を用いて非
接触で磁極位置を検出するようにしたものであってもよ
い。また、磁気検出器２個を、ハウジング底面と平行で
ロータの中心を含む面内でロータ中心を挟んで直角の位
置に配設するようにすることが好ましい。軸傾き検出器
には、ロータ出力軸の対極に設けた光ビームを発生する
光源とハウジングの底面に展設された２次元光位置検出
デバイス（ＰＳＤ）を用いて、出力軸の傾きを２次元で
測定するようにしたものを使用することができる。[0008] The magnetic detector may use a Hall element to detect the magnetic pole position in a non-contact manner. Preferably, the two magnetic detectors are disposed at a right angle to the center of the rotor in a plane parallel to the bottom surface of the housing and including the center of the rotor. The tilt of the output shaft is two-dimensionally determined using a light source for generating a light beam provided at the opposite pole of the rotor output shaft and a two-dimensional light position detection device (PSD) mounted on the bottom of the housing. Can be used.
【０００９】本発明の球ジョイント回転検出装置によれ
ば、ロータを磁化しておいて少なくとも２個の磁気検出
器で磁場強度を測定して磁極位置を知るようにしたの
で、測定のためにはロータにただ１個の光源を組み込め
ば足りるから、小さなロータにも十分適用できる。な
お、ロータを出力軸を回転軸とした回転体と見るとロー
タ表面にある磁極は回転体の赤道上に存在することにな
る。正負の磁極がロータの赤道上の対向する位置に対に
なって存在するため、磁気検出器の測定出力は磁気検出
器と中心を結ぶ線と正負の磁極を結ぶ線の角度の余弦に
比例する。したがって、ハウジングを基準とした磁極の
経度αすなわち磁気検出器の属する面内に投影した角度
αは、２個の磁気検出器から得られる測定出力から求め
られる。According to the ball joint rotation detecting device of the present invention, since the rotor is magnetized and the magnetic field intensity is measured by at least two magnetic detectors to determine the magnetic pole position, Since only one light source needs to be incorporated in the rotor, it can be applied to a small rotor. When the rotor is viewed as a rotating body having an output shaft as a rotation axis, the magnetic poles on the rotor surface exist on the equator of the rotating body. Since the positive and negative magnetic poles are paired at opposing positions on the equator of the rotor, the measured output of the magnetic detector is proportional to the cosine of the angle of the line connecting the magnetic detector to the center and the line connecting the positive and negative magnetic poles . Accordingly, the longitude α of the magnetic pole with respect to the housing, that is, the angle α projected on the plane to which the magnetic detector belongs, can be obtained from the measurement outputs obtained from the two magnetic detectors.
【００１０】一方ハウジングに対する回転軸の傾き
（φ,θ）は、軸傾き検出器により求めることができ
る。したがってロータの赤道面の傾きが知れるので、静
止座標系とも言うべきハウジング側の座標系からロータ
に固定された座標系への座標変換行列Ｔを用いることに
より、磁極の経度αを出力軸の回転角βに変換すること
ができる。On the other hand, the inclination (φ, θ) of the rotation axis with respect to the housing can be obtained by an axis inclination detector. Therefore, since the inclination of the equatorial plane of the rotor is known, the longitude α of the magnetic pole is converted into the rotation of the output shaft by using a coordinate transformation matrix T from a coordinate system on the housing side, which can be called a stationary coordinate system, to a coordinate system fixed to the rotor. Angle β.
【００１１】なお、磁気検出器としてホール素子を用い
ると、極く小型の検出素子により非接触で磁極位置を検
出することができる。また、磁気検出器２個を、ハウジ
ング底面と平行でロータの中心を含む面内でロータ中心
を挟んで直角の位置に配設することは、磁気検出器を静
止座標系の２軸に配置することであり、このため、ハウ
ジングを基準とした磁極の経度αは２個の磁気検出器か
ら得られる測定出力の比のアークタンジェントから求め
ることができ、演算が極めて簡単になる。When a Hall element is used as the magnetic detector, the position of the magnetic pole can be detected by a very small detecting element in a non-contact manner. Further, disposing the two magnetic detectors at a right angle to the center of the rotor in a plane parallel to the bottom surface of the housing and including the center of the rotor means that the magnetic detectors are arranged on two axes of the stationary coordinate system. Therefore, the longitude α of the magnetic pole with respect to the housing can be obtained from the arc tangent of the ratio of the measurement outputs obtained from the two magnetic detectors, and the calculation becomes extremely simple.
【００１２】なお、軸傾き検出器として出力軸と結合し
た２本のビームの傾きから求める方法や撮像装置を用い
た光学的な方法など各種のものが利用できる。特に、ロ
ータ出力軸の対極に設けた光ビームを発生する光源とハ
ウジングの底面に展設された２次元光位置検出デバイス
（ＰＳＤ）を用いて、出力軸の傾きを２次元で測定する
軸傾き検出器を用いると、極めて小型な機構であるので
小さなハウジングに組み込むことができ、また非接触で
測定するので接触負荷トルクを生じさせずに、出力軸角
度を検出することができる。Various types of shaft inclination detectors can be used, such as a method for obtaining the inclination of two beams coupled to the output shaft or an optical method using an imaging device. In particular, a shaft inclination for measuring the inclination of the output shaft in two dimensions using a light source for generating a light beam provided at the opposite pole of the rotor output shaft and a two-dimensional light position detection device (PSD) installed on the bottom surface of the housing. When the detector is used, the mechanism is extremely small, so that it can be incorporated in a small housing. Since the measurement is performed without contact, the output shaft angle can be detected without generating a contact load torque.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
を実施例に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の球
ジョイント回転検出装置の１実施例を示す構成図、図２
から図４はその測定原理を説明する図面である。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of a ball joint rotation detecting device according to the present invention, and FIG.
To FIG. 4 are drawings for explaining the measurement principle.
【００１４】図１中、１はロータ、３はハウジング、５
は出力軸、７は球受け、９は光源、１１は光位置検出素
子、１３はＮ極、１５はＳ極、１７は第１の磁気検出
器、１９は第２の磁気検出器、２１は軸傾き検出器、２
３は経度測定器、２５は回転角算出器である。ロータ１
は図示しない駆動ユニットによりハウジング３の中で回
転駆動され、これに固定されている出力軸５の向きを変
えたり軸回転をさせたりする。球受け７はロータ１の中
心を常に一定の位置に保持する働きをする。光源９はロ
ータ１表面上、出力軸５の対極に当たる位置に配設され
ていて、軸心方向に光ビームを放射する。光源９はＬＥ
Ｄなど小型軽量で指向性の良いものが好ましい。また光
源９の電力は出力軸５内を通した導線で外部から供給し
ても良いが、電池をロータ１内に組み込んで供給しても
よい。In FIG. 1, 1 is a rotor, 3 is a housing, 5
Is an output shaft, 7 is a ball receiver, 9 is a light source, 11 is a light position detecting element, 13 is an N pole, 15 is an S pole, 17 is a first magnetic detector, 19 is a second magnetic detector, 21 is Shaft tilt detector, 2
3 is a longitude measuring device, and 25 is a rotation angle calculator. Rotor 1
Is driven to rotate in the housing 3 by a drive unit (not shown), and changes the direction of the output shaft 5 fixed thereto and rotates the shaft. The ball receiver 7 functions to always maintain the center of the rotor 1 at a fixed position. The light source 9 is disposed on the surface of the rotor 1 at a position corresponding to the opposite pole of the output shaft 5, and emits a light beam in the axial direction. Light source 9 is LE
D and the like, which are small and light and have good directivity are preferable. Further, the power of the light source 9 may be supplied from the outside by a conductor passing through the output shaft 5, or may be supplied by incorporating a battery in the rotor 1.
【００１５】光位置検出素子１１は、照射光分布の重心
位置を２次元情報として取り出すもので、たとえば２次
元半導体光位置検出素子（ＰＳＤ）を使用することがで
きる。光位置検出素子１１は、ハウジング３の底面に展
設されていて、光源９の照射位置を検出する。図２に示
すように、光位置検出素子１１の座標系の原点をロータ
１の中心の直下、距離Ｌの所に位置するように配置する
と、出力軸５の傾き（φ，θ）は光位置座標（ｘ，ｙ）
から次式で直ちに求められる。 φ＝tan-1（ｙ／ｘ） θ＝tan-1（（ｘ2＋ｙ2）1/2／Ｌ） 軸傾き検出器２１が光位置検出素子１１の測定出力を用
いてこれらの演算をし、結果を表示すると共に軸傾き測
定信号として回転角算出器２５に送る。The light position detecting element 11 extracts the position of the center of gravity of the irradiation light distribution as two-dimensional information. For example, a two-dimensional semiconductor light position detecting element (PSD) can be used. The light position detecting element 11 is provided on the bottom surface of the housing 3 and detects an irradiation position of the light source 9. As shown in FIG. 2, when the origin of the coordinate system of the light position detecting element 11 is located just below the center of the rotor 1 and at a distance L, the inclination (φ, θ) of the output shaft 5 becomes equal to the light position. Coordinates (x, y)
From the following equation. φ = tan −1 (y / x) θ = tan −1 ((x 2 + y 2 ) 1/2 / L) The axis tilt detector 21 performs these calculations using the measurement output of the optical position detecting element 11. The result is displayed and sent to the rotation angle calculator 25 as a shaft inclination measurement signal.
【００１６】ロータ１は出力軸５に対して垂直な方向に
磁化されていて、最も径の大きい赤道面上の対向位置に
１対の正磁極Ｎ１３と負磁極Ｓ１５が形成されている。
また、磁気検出器１７と磁気検出器１９がハウジング３
内の床面に平行な面内に設置されている。検出器設置面
は、出力軸５がハウジング床面に対して垂直になるとき
に磁極１３、１５が含まれるロータ１の赤道面と一致す
る面である。なお、磁気検出器１７、１９はロータ１の
中心に対して直角になる位置に設置されている。The rotor 1 is magnetized in a direction perpendicular to the output shaft 5, and has a pair of a positive magnetic pole N13 and a negative magnetic pole S15 at opposing positions on an equatorial plane having the largest diameter.
Further, the magnetic detector 17 and the magnetic detector 19 are
It is installed in a plane parallel to the floor inside. The detector installation surface is a surface that coincides with the equatorial plane of the rotor 1 including the magnetic poles 13 and 15 when the output shaft 5 is perpendicular to the housing floor. Note that the magnetic detectors 17 and 19 are installed at positions perpendicular to the center of the rotor 1.
【００１７】磁気検出器１７、１９は、正磁極Ｎ１３と
負磁極Ｓ１５により形成される磁場強度に対応し、磁極
軸の回転に伴い正弦波状の変化をする信号を出力する。
磁気検出器１７、１９としてホール素子を用いた小型の
測定器を使用すると、小さなハウジング３でもこれを収
容して球ジョイントを小型化することができる。磁気検
出器１７、１９の出力信号Ｖは、磁気検出器とロータ中
心を結ぶ直線に対する磁極軸の傾きβの余弦に比例し、
Ｖ＝Ａcosβなる関係が成立する。したがって、２個の
磁気検出器の出力を複合することにより磁気検出器とロ
ータ中心でなす面に投影した磁極の方向を示す角αを求
めることができる。The magnetic detectors 17 and 19 output a signal corresponding to the magnetic field intensity formed by the positive magnetic pole N13 and the negative magnetic pole S15 and changing in a sinusoidal manner with the rotation of the magnetic pole axis.
If a small measuring device using a Hall element is used as the magnetic detectors 17 and 19, even the small housing 3 can accommodate the small measuring device and reduce the size of the ball joint. The output signals V of the magnetic detectors 17 and 19 are proportional to the cosine of the inclination β of the magnetic pole axis with respect to a straight line connecting the magnetic detector and the center of the rotor,
The relationship V = Acosβ holds. Therefore, by combining the outputs of the two magnetic detectors, the angle α indicating the direction of the magnetic pole projected on the plane formed by the magnetic detector and the center of the rotor can be obtained.
【００１８】図３は、２個の磁気検出器の測定出力から
角αを求める原理を説明する図面である。磁気検出器Ｓ
ｘ、Ｓｙとロータ中心Ｏを含む検出器面Ｂ内に直交座標
系を想定し、ｘ軸上に設けられたｘ軸磁気検出器Ｓｘと
ｙ軸上に設けられたｙ軸磁気検出器Ｓｙにより、ロータ
面上Ｎｄの位置に存在するＮ極の経度、すなわちＮ極か
ら検出器面Ｂに下ろした垂線の足と中心Ｏを結ぶ線がｘ
軸となす角αを求めるものとする。FIG. 3 is a drawing for explaining the principle of obtaining the angle α from the measurement outputs of the two magnetic detectors. Magnetic detector S
Assuming an orthogonal coordinate system in the detector plane B including x, Sy and the rotor center O, an x-axis magnetic detector Sx provided on the x-axis and a y-axis magnetic detector Sy provided on the y-axis are used. , The longitude of the N pole existing at the position of Nd on the rotor surface, that is, the line connecting the center O and the leg of the perpendicular line dropped from the N pole to the detector surface B is x
An angle α to be formed with the axis is determined.
【００１９】ｘ軸磁気検出器Ｓｘの出力Ｖｘとｙ軸磁気
検出器Ｓｙの出力Ｖｙは、磁極軸すなわちロータ中心Ｏ
とＮ極を結ぶ方向ベクトルＮｄがｘ軸に対してなす角β
ｘとｙ軸に対してなす角βｙの関数で、 Ｖｘ＝Ａｘcosβｘ Ｖｙ＝Ａｙcosβｙ と表される。なお、Ａｘ、Ａｙはそれぞれの検出器の感
度を表す。The output Vx of the x-axis magnetic detector Sx and the output Vy of the y-axis magnetic detector Sy correspond to the magnetic pole axis, that is, the rotor center O.
Β formed by the direction vector Nd connecting the
Vx = Axcosβx Vy = Aycosβy, which is a function of the angle βy with respect to the x and y axes. Ax and Ay represent the sensitivities of the respective detectors.
【００２０】さらに、磁極軸Ｎｄが検出器面Ｂとなす角
をψとすると、 cosβｘ＝cosψcosα cosβｘ＝cosψsinα となるから、 Ｖｙ／Ｖｘ＝Ａｙcosψsinα／Ａｘcosψcosα＝（Ａｙ
／Ａｘ）tanα なる関係がある。ここでＡｘ＝Ａｙとすれば、 α＝tan-1（Ｖｙ／Ｖｘ） からＮ極の経度αを求めることができる。磁気検出器Ｓ
ｘ、Ｓｙとロータ中心Ｏを結ぶ線が直交していない場合
にも、計算が多少煩雑になるがＮ極の経度αを求めるこ
とができることは言うまでもない。Further, assuming that the angle formed by the magnetic pole axis Nd with the detector surface B is ψ, cosβx = cosψcosα cosβx = cosψsinα.
/ Ax) tanα. Here, if Ax = Ay, the longitude α of the N pole can be obtained from α = tan −1 (Vy / Vx). Magnetic detector S
When the line connecting x, Sy and the rotor center O is not orthogonal, the calculation becomes somewhat complicated, but it goes without saying that the longitude α of the N pole can be obtained.
【００２１】図４は、回転角算出器２５において出力軸
５の傾きと磁極Ｎの経度から出力軸回りの回転角を求め
るアルゴリズムを説明する図面である。磁極軸の方向ベ
クトルＮｄの先端座標は経度測定器２３により経度αが
与えられているので、検出器面Ｂの上にとった直交座標
系における座標値としてｚ成分を求めれば位置が確定で
きる。一方、出力軸５の方向ベクトルＺｒは、傾き測定
器２１により求められているので、検出器面Ｂの上にと
った直交座標系上における単位ベクトルＺｒの先端座標
は簡単に知ることができる。出力軸５の方向ベクトルＺ
ｒと磁極軸の方向ベクトルＮｄは直交関係にあるので、 Ｚｒ・Ｎｄ＝０ なる関係が成立する。これから、磁極軸の方向ベクトル
Ｎｄのｚ座標を求めることができる。FIG. 4 is a diagram for explaining an algorithm for obtaining the rotation angle around the output shaft from the inclination of the output shaft 5 and the longitude of the magnetic pole N in the rotation angle calculator 25. Since the longitude α is given to the tip coordinate of the direction vector Nd of the magnetic pole axis by the longitude measuring device 23, the position can be determined by obtaining the z component as a coordinate value in the orthogonal coordinate system on the detector surface B. On the other hand, since the direction vector Zr of the output shaft 5 is obtained by the inclination measuring device 21, the tip coordinates of the unit vector Zr on the orthogonal coordinate system on the detector surface B can be easily known. Direction vector Z of output shaft 5
Since r and the direction vector Nd of the magnetic pole axis have an orthogonal relationship, the relationship Zr · Nd = 0 is established. From this, the z coordinate of the direction vector Nd of the magnetic pole axis can be obtained.
【００２２】ここで、出力軸５の回りのロータ１の回転
角は、ロータ赤道面内において基準位置から計ったＮ磁
極の回転角と同じであるから、基準位置を出力軸５を垂
直姿勢にして検出器面Ｂとロータ赤道面を一致させたと
きのｘ軸に対応するＸｒ軸に取れば、図４における回転
角γで表される。基準軸Ｘｒの単位ベクトルは、出力軸
５の傾きから簡単に求まる。回転角γは、基準軸Ｘｒと
磁極軸Ｎｄのなす角であるから、上記で得られたベクト
ル値を用いて γ＝cos-1（Ｘｒ・Ｎｄ／|Ｘｒ||Ｎｄ|） で求めることができる。Here, the rotation angle of the rotor 1 around the output shaft 5 is the same as the rotation angle of the N pole measured from the reference position in the rotor equator plane. If the detector plane B is taken along the Xr axis corresponding to the x axis when the rotor equatorial plane coincides, it is represented by the rotation angle γ in FIG. The unit vector of the reference axis Xr can be easily obtained from the inclination of the output shaft 5. Since the rotation angle γ is an angle formed between the reference axis Xr and the magnetic pole axis Nd, it can be obtained by using the vector value obtained above as γ = cos −1 (Xr · Nd / | Xr || Nd |). it can.
【００２３】なお、軸傾き検出器は２次元光位置検出器
に限らず、磁気的な手段で出力軸５の傾きを知る方法や
機械的なリンク機構を使用した方法など、各種の方法を
使用したものが利用できる。また、磁気検出器の配置面
もハウジング底面に平行でなくてもよく、高さもロータ
中心位置に限らない。ロータ回転角を算出するためのア
ルゴリズムは上記実施例に説明したものに限らない。出
力軸の姿勢とロータ表面の定点についての位置情報は既
に３個の検出器で得られているから、外の演算方法でも
回転角度を算出することができることはいうまでもな
い。さらに磁気検出器の相互関係もロータ中心を挟む直
交関係に限らず任意の角度離しても良い。また、検出器
面に設定する座標系も直交座標系でなく、座標軸が直角
以外の角度で交わる３次元座標系、円筒座標系、球座標
系などであってもよい。The axis tilt detector is not limited to the two-dimensional optical position detector, and various methods such as a method of detecting the tilt of the output shaft 5 by magnetic means and a method of using a mechanical link mechanism are used. Can be used. Also, the arrangement surface of the magnetic detector does not have to be parallel to the bottom surface of the housing, and the height is not limited to the center position of the rotor. The algorithm for calculating the rotor rotation angle is not limited to the one described in the above embodiment. Since the position information about the attitude of the output shaft and the fixed point on the rotor surface has already been obtained by the three detectors, it is needless to say that the rotation angle can be calculated by an external calculation method. Further, the mutual relationship between the magnetic detectors is not limited to the orthogonal relationship sandwiching the center of the rotor, and may be separated by an arbitrary angle. The coordinate system set on the detector surface is not limited to the rectangular coordinate system, but may be a three-dimensional coordinate system in which coordinate axes intersect at an angle other than a right angle, a cylindrical coordinate system, a spherical coordinate system, or the like.
【００２４】[0024]
【発明の効果】上に詳細に述べた通り、本発明の球ジョ
イント回転検出装置は極めて小型に構成できるため、小
型の球ジョイントに適用して球ジョイントの出力軸位置
や回転の測定や測定結果をフィードバックして姿勢制御
するために使用することができる。As described in detail above, since the ball joint rotation detecting device of the present invention can be configured to be extremely small, it is applied to a small ball joint to measure the output shaft position and rotation of the ball joint and the measurement results. Can be used to control the attitude by feeding back.
【図１】本発明の球ジョイント回転検出装置の１実施例
を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of a ball joint rotation detecting device of the present invention.
【図２】本実施例の出力軸姿勢を測定する原理を説明す
る図面である。FIG. 2 is a diagram illustrating a principle of measuring an output shaft attitude according to the present embodiment.
【図３】本実施例の磁極の経度を測定する原理を説明す
る図面である。FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of measuring the longitude of the magnetic pole according to the present embodiment.
【図４】本実施例の出力軸回り回転角を算定する原理を
説明する図面である。FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of calculating a rotation angle around an output shaft according to the present embodiment.
【図５】従来の球ジョイント回転検出装置を示す構成図
である。FIG. 5 is a configuration diagram showing a conventional ball joint rotation detecting device.
１ ロータ ３ ハウジング ５ 出力軸 ７ 球受け ９ 光源 １１ 光位置検出素子 １３、１５ 磁極 １７、１９ 磁気検出器 ２１ 軸傾き検出器 ２３ 経度測定器 ２５ 回転角算出器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rotor 3 Housing 5 Output shaft 7 Ball receiver 9 Light source 11 Optical position detection element 13, 15 Magnetic pole 17, 19 Magnetic detector 21 Axis inclination detector 23 Longitude measuring device 25 Rotation angle calculator
Claims (4)
位置に保持する球受けを備えたハウジングからなる球ジ
ョイントの回転検出装置であって、前記ロータが出力軸
に直交した方向に１対の磁極を備え前記ハウジングが少
なくとも２個の磁気検出器を備えて該磁気検出器の出力
から前記ロータの磁極位置の経度を算出する経度測定器
と、前記出力軸の傾きを検出する軸傾き検出器と、前記
経度測定器と前記軸傾き検出器の測定結果を用いて前記
出力軸の軸回り回転角を算出する軸回り回転角算出器と
を備えることを特徴とする球ジョイント回転検出装置。1. A rotation detecting device for a ball joint comprising a rotor having an output shaft and a housing having a ball receiver for holding the rotor at a center position, wherein the rotor has a pair of members in a direction orthogonal to the output shaft. A longitude measuring device having a magnetic pole, the housing having at least two magnetic detectors, and calculating a longitude of a magnetic pole position of the rotor from an output of the magnetic detector; and a shaft tilt detector for detecting a tilt of the output shaft. And a rotation angle calculator for calculating a rotation angle around the output shaft using a measurement result of the longitude measuring device and the shaft inclination detector.
接触で磁極位置を検出することを特徴とする請求項１記
載の球ジョイント回転検出装置。2. The ball joint rotation detecting device according to claim 1, wherein said magnetic detector detects a magnetic pole position in a non-contact manner using a Hall element.
底面と平行で前記ロータの中心を含む面内で該中心を挟
んで直角の位置に配設することを特徴とする請求項１ま
たは２記載の球ジョイント回転検出装置。3. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the two magnetic detectors are arranged in a plane parallel to the bottom surface of the housing and including the center of the rotor and at a right angle with the center interposed therebetween. The ball joint rotation detecting device according to the above.
軸の対極に設けた光ビームを発生する光源と前記ハウジ
ングの底面に展設された２次元光位置検出デバイス（Ｐ
ＳＤ）を用いて、前記出力軸の傾きを２次元で測定する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の球
ジョイント回転検出装置。4. A two-dimensional light position detecting device (P) mounted on a bottom surface of the housing and a light source for generating a light beam provided at a counter electrode of an output shaft of the rotor.
4. The ball joint rotation detecting device according to claim 1, wherein the inclination of the output shaft is measured two-dimensionally by using SD).
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| JP9077398A JP2887285B1 (en) | 1998-03-19 | 1998-03-19 | Ball joint rotation detector |
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| JPH11271014A JPH11271014A (en) | 1999-10-05 |
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1998
- 1998-03-19 JP JP9077398A patent/JP2887285B1/en not_active Expired - Fee Related
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| JPH11271014A (en) | 1999-10-05 |
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