JP4659841B2 - センサユニット - Google Patents

Description

本発明はセンサユニット、特に加速度センサや角速度センサを備え、ロボットの姿勢制御等に用いられるセンサユニットに関する。

ロボット等の移動体の姿勢制御に加速度センサや角速度センサが用いられている。直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とすると、各軸方向の加速度を３個の加速度センサで検出し、各軸回りの角速度を３個の角速度センサで検出する。軸回りの角度、あるいは姿勢角は、角速度センサの出力を時間積分して得られ、ピッチ角、ロール角、ヨー角が算出される。

特開２００４−２６８７３０号公報には、ジャイロセンサから出力される加速度データ及び姿勢データを用いて姿勢制御する技術が開示されている。

加速度センサをロボット等に用いる場合、他軸感度（Ｘ軸方向に着目したときのＹ軸方向及びＺ軸方向の感度）を抑制するために加速度センサが受ける加速度の向きをロボットの向きに高精度に合わせることが要求される。加速度センサをセンサユニットに取り付ける際、あるいは加速度センサを交換する際に、高精度に、かつ再現性よく位置決めできることが必要である。また、加速度センサには温度ドリフトが存在するため、これを校正ないし補償できることが必要である。

また、角速度センサをロボット等に用いる場合、姿勢角精度を確保するために、外部からの振動、特にモータサーボ振動等の高周波振動の影響を抑制することが必要である。

本発明の目的は、加速度センサを高精度に、かつ再現性よく位置決めして取り付けることのできるセンサユニットを提供することにある。

また、本発明の目的は、角速度センサを高精度に、かつ再現性よく位置決めして取り付けることのできるセンサユニットを提供することにある。

本発明の第１の態様である、加速度センサを備えるセンサユニットであって、センサ取付位置の基準面となる基準ベースと、前記基準ベースの少なくとも底面及び一側面を基準面として位置決めされ前記基準ベース上に立設される直方体形状の加速度センサブロックと、前記加速度センサブロックを構成する直交面のうち、前記基準ベースの底面に平行な面、及び一面は前記基準ベースの１辺と特定の位置関係にありかつ前記基準ベースの底面に垂直で他面は他の２面と垂直となるような２つの面にそれぞれ設けられ、それぞれ直交する３軸であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を検出する加速度センサとを有することを特徴とする。

第１の態様では、センサユニットに基準ベースを設け、この基準ベースの少なくとも２面を基準面として加速度センサを位置決めする。基準ベース上に加速度センサを取り付けるための加速度センサブロックを立設するが、加速度センサブロックの上面を基準ブロックの底面に対して平行に、加速度センサブロックの２つの面（２つの側面）を基準ブロックの底面に対して垂直に立設する。加速度センサを加速度センサブロックの上面及び２つの側面に配置することで、３個の加速度センサを容易にかつ確実に位置決めできる。基準ベースをＸ−Ｙ平面とすると、加速度センサブロックはＺ軸方向に立設し、その上面及び２つの側面はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向を規定する。かくして加速度センサブロックの３つの面に配置された３個の加速度センサは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の加速度を検出することとなり、基準ベースをロボットの向きに対して正確に位置決めすることで、各加速度センサもロボットの向きに対して正確に位置決めされる。

上記第１の態様において、前記加速度センサブロックに、前記加速度センサに近接して温度センサを配置してもよい。温度センサで検出された温度は前記加速度センサの出力を校正あるいは補償するために用いることができ、加速度センサの温度ドリフトを補償して高精度な加速度検出が可能となる。加速度センサブロックの材質は任意であるが、温度センサで正確に加速度センサの温度を計測するために熱伝導率の高い材質とするのが好適である。

また、上記第１の態様において、前記基準ベースの底面を基準面として前記基準ベース上に立設される第１、第２及び第３支持部材と、前記第１支持部材に防振用弾性部材を介して前記基準ベースの底面に平行に取り付けられ、Ｘ軸回りの角速度を検出する第１角速度センサと、前記第２支持部材に防振用弾性部材を介して前記基準ベースの底面に平行に取り付けられ、Ｙ軸回りの角速度を検出する第２角速度センサと、前記第３支持部材に防振用弾性部材を介して前記基準ベースの底面及び一側面に垂直に取り付けられ、Ｚ軸回りの角速度を検出する第３角速度センサとを有することが好適である。各角速度センサは、基準ベースの基準面を基準として立設される支持部材に取り付けされるため、加速度センサと同様に容易にかつ正確に位置決めされる。さらに、各角速度センサは、防振用弾性部材を介して取り付けられるため、外部振動の影響を抑制できる。

本発明によれば、加速度センサを高精度に、かつ再現性よく位置決めして取り付けることができ、取付精度を機械的に確保できる。また、本発明によれば、角速度センサを高精度に、かつ再現性よく位置決めして取り付けることもできる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１に本実施形態に係るセンサユニット１０の平面図を示す。また、図２に本実施形態に係るセンサユニット１０の側面図を示す。なお、センサユニットは図示しないケースで被覆されるが、図１、図２ではケースを取り除いた状態（あるいはケースの内部状態）を示す。

センサユニット１０は、その基底に基準ベース１２を備える。基準ベース１２は平面形状が四角の平板であり、その上に配置される加速度センサ及び角速度センサの取付基準面を提供する。具体的には、基準ベース１２の底面１２Ａ及び一側面１２Ｂが基準面を提供する。基準ベース１２はアルミ等の金属で形成される。

加速度センサブロック１４は、基準ベース１２上の所定位置に、基準ベース１２の２つの基準面１２Ａ及び１２Ｂを位置決めの基準として用いて立設される。加速度センサブロック１４は直方体形状をなし、その上面は基準面１２Ａに平行に、その側面は基準面１２Ａに垂直になるように位置決めされる。また、互いに直交する２つの側面の一方は基準面１２Ｂに平行に、他方は垂直に位置決めされる。加速度センサブロック１４は基準ベース１２と別体でもよいが、基準ベース１２と一体成形されていてもよい。加速度センサブロック１４は、熱伝導率の良好な金属、例えばアルミ等で構成される。加速度センサブロック１４を高熱伝導率で構成する理由は、後述するように加速度センサブロック１４に温度センサを設け、加速度センサの温度を計測するためである。加速度センサブロック１４の３つの面、すなわち上面及び互いに直交する２つの側面は、直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を規定する。加速度センサブロック１４の上面はその法線ベクトルがＺ軸に平行で、互いに直交する２つの側面はその法線ベクトルがそれぞれＸ軸、Ｙ軸に平行である。

加速度センサ１６は、加速度センサブロック１４の３つの面にそれぞれ接着される。３個の加速度センサ１６を第１、第２及び第３加速度センサと称すると、第１加速度センサは互いに直交する２つの側面の一方に接着され、第２加速度センサは他方の側面に接着され、第３加速度センサは上面に接着される。加速度センサブロック１４の各面は基準ベース１２の基準面に対して高精度に位置決めされているから、加速度センサ１６の計測面が接着すべき面と平行になるように治具等を用いて接着することで、加速度センサ１６の加速度方向を容易に位置決めできる。基準ベース１２あるいは全体のセンサユニット１０はロボット内に正確に位置決め固定されるから、加速度センサ１６の向きをロボットの向きに正確に合わせることができる。また、加速度センサ１６を交換する場合にも、新たな加速度センサ１６を加速度センサブロック１４の各面に対して正確に接着すればよい。

温度センサ１７は、加速度センサブロック１４の一側面であって、加速度センサ１６の近傍に配置される。図２では、温度センサ１７を加速度センサ１６の下方に配置しているが、これに限定されるものではない。温度センサ１７を上面に配置してもよい。加速度センサブロック１４は熱伝導率の高いアルミ等で構成されているから、温度センサ１７を加速度センサ１６の近傍に配置することで、加速度センサ１６の温度を高精度に検出できる。温度センサ１７と加速度センサ１６の設置距離に応じて温度センサの検出データを補正してもよい。温度センサ１７で検出された温度データは加速度センサ１６の温度ドリフトの校正あるいは補償に用いられる。メインプロセッサは、温度センサ１７からの出力に基づき、予め設定されメモリに記憶された校正テーブルあるいは校正演算式に従い加速度センサ１６の出力を校正する。

支持部材としての角速度センサ取付支柱１８は、基準ベース１２上に、それぞれ矩形の４頂点に位置するように４個一組として立設される。図では、２個の角速度センサ２４を取り付けるために、２組合計８個の角速度センサ取付支柱１８が基準ベース１２の上面に立設されている。これらの組を第１組、第２組と称すると、第１組の角速度センサ取付支柱１８は第２組の角速度センサ取付支柱１８よりも低く立設され、第１組の矩形長辺方向は第２組の矩形長辺方向に直角で、第１組の矩形長辺方向は基準面１２Ｂに直角、第２組の矩形長辺方向は基準面１２Ｂに平行となるように立設される。第１組の矩形長辺方向はＹ軸に平行、矩形短辺方向はＸ軸に平行で、第２組の矩形長辺方向はＸ軸に平行、矩形短辺方向はＹ軸に平行である。ここに、「矩形長辺方向」とは、４個の角速度センサ取付支柱１８の取付位置を頂点とする矩形の長辺の延在方向を意味するものとする。第１組及び第２組の角速度センサ取付支柱１８は、ともに基準ベース１２の底面１２Ａに垂直に立設される。また、角速度センサ取付支柱１８の先端部は、後述する防振用ゴムブッシュの受け台として機能すべく、逆錐体状に形成される。

また、基準ベース１２上であって、角速度センサ取付支柱１８に隣接する位置に角速度センサ取付ブロック１９が立設される。角速度センサ取付ブロック１９は平板形状であり、角速度センサ取付ブロック１９の一側面にも、４個１組の角速度センサ取付支柱１８が立設される。立設方向はＸ軸方向であり、これを第３組とすると、第３組の矩形長辺方向はＹ軸に平行、矩形短辺方向はＸ軸、Ｙ軸に垂直でＺ軸に平行である。

２個の角速度センサ２４は、それぞれ第１組の角速度センサ取付支柱１８及び第２組の角速度センサ取付支柱１８にネジ２２で締め付け固定される。これらの角速度センサ２４を第１角速度センサ２４及び第２角速度センサ２４と称すると、第１角速度センサ２４はプリント基板２３上に配置され、プリント基板２３は第１組の角速度センサ取付支柱１８に防振用弾性部材としてのゴムブッシュ２０を介してネジ２２で締め付け固定される。同様に、第２角速度センサ２４はプリント基板２３上に配置され、プリント基板２３は２組の角速度センサ取付支柱１８にゴムブッシュ２０を介してネジ２２で締め付け固定される。第１角速度センサ２４はＸ軸回りの角速度を検出し、第２角速度センサ２４はＹ軸回りの角速度を検出する。また、他の角速度センサ２４は、角速度センサ取付ブロック１９の一側面にネジ２２で締め付け固定される。これを第３角速度センサ２４と称すると、第３角速度センサ２４はプリント基板２３上に配置され、プリント基板２３は角速度センサ取付ブロック１９の側面のうち、基準面１２Ｂに垂直な側面に立設された第３組の角速度センサ取付支柱１８にゴムブッシュ２０を介してネジ２２で締め付け固定される。第３角速度センサ２４は、Ｚ軸回りの角速度を検出する。

図３に、Ｘ軸回りの角速度を検出する第１角速度センサ２４の分解斜視図を示す。基準ベース１２の底面１２Ａに垂直に４個の角速度センサ取付支柱１８が立設され、第１角速度センサ２４が配線されたプリント基板２３をゴムブッシュ２０を介してネジ２２で角速度センサ取付支柱１８に固定する。ゴムブッシュ２０は中央に貫通孔を有し、両端の断面積が広く形成される。プリント基板２３のゴムブッシュ２０が当接する位置には、ゴムブッシュ２０に嵌合する凹部２３ａが形成される。プリント基板２３は、ゴムブッシュ２０を介して角速度センサ取付支柱１８に懸架されることとなり、ゴムブッシュ２０が防振ゴムとして機能しモータサーボ等の外部振動が第１角速度センサ２４に伝達されることを抑制する。ネジ２２でプリント基板２３を締め付け固定する際に、ゴムブッシュ２０は締め付け力及びそのバネ定数に応じて変形するが、角速度センサ取付支柱１８の受け台のゴムブッシュ当接面を十分広くかつ平坦に設定することで、ゴムブッシュ２０をほぼ均一に変形させる（ほぼ均一につぶれる）ことができ、締め付け時の不均一変形による第１角速度センサ２４の傾きが抑制される。他の角速度センサ２４についても同様である。

以上説明したように、本実施形態では、基準ベース１２を設け、この基準ベース１２の２つの面を基準として加速度センサ１６及び角速度センサ２４を位置決め固定しているので、高精度な計測が可能になるとともに、交換時の位置決めも容易化される。

また、本実施形態では、位置決めに用いる高熱伝導率の加速度センサブロック１４に加速度センサ１６とともに温度センサ１７を設けているため、加速度センサ１６の温度を高精度に計測して加速度センサ１６の温度ドリフトを補償できる。

また、本実施形態では、角速度センサ２４をゴムブッシュ２０を介して角速度センサ取付支柱１８に取付固定しているため、外部振動の影響を排除して高精度に角速度を計測し、さらに角速度を時間積分することで各軸回りの姿勢角を検出できる。なお、角速度センサ２４の共振周波数はプリント基板２３の質量ｍ及びゴムブッシュ２０のバネ定数ｋに依存することから、これらを適当な値に調整することが好適である。

また、本実施形態における加速度センサ１６及び角速度センサ２４は、任意のタイプを用いることができる。角速度センサ２４を例示すると、水晶、多結晶シリコン、単結晶シリコン、金属薄膜、圧電体、金属＋圧電体等から構成されるセンサである。

また、本実施形態では、基準ベース１２上に加速度センサ１６と角速度センサ２４をともに配置しているが、加速度センサブロック１４及び加速度センサ１６のみを配置してもよい。

また、本実施形態では、図１に示すように、基準ベース１２に対し、その平面配置を左端から順に加速度センサ１６、Ｘ軸・Ｙ軸回りの角速度センサ２４、Ｚ軸回りの角速度センサ２４としているが、この順序は任意に変更できる。例えば、その平面配置を左端から順に加速度センサ１６、Ｚ軸回りの角速度センサ２４、Ｘ軸・Ｙ軸回りの角速度センサ２４としてもよく、あるいは、Ｘ軸・Ｙ軸回りの角速度センサ２４、加速度センサ１６、Ｚ軸回りの角速度センサ２４としてもよい。

また、本実施形態では、基準ベース１２の底面１２Ａ及び一側面１２Ｂを基準面として加速度センサ１６及び角速度センサ２４を位置決めしたが、基準ベース１２の他の側面も同様に基準面（外部と接触する面）として用いてよいのはいうまでもない。

また、本実施形態では、センサユニット１０をロボットに取り付けてロボットの姿勢制御に用いる例を示したが、これに限定されるものではなく、３軸の並進自由度及び各軸回りの回転自由度を有する任意の移動体に取り付けることができる。

実施形態のセンサユニットの平面図である。 実施形態のセンサユニットの側面図である。 実施形態のセンサユニットの一部分解斜視図である。

Claims (5)

1. センサユニットであって、
   センサ取付位置の基準面を有する基準ベースと、
   前記基準ベースの少なくとも底面及び一側面を基準面として位置決めされ、前記基準ベース上に立設される直方体形状の加速度センサブロックであり、前記基準ベースの底面に平行な第１面、前記基準ベースの１辺と特定の位置関係にあり、かつ前記基準ベースの底面に垂直な第２面と、前記第１面と前記第２面とに垂直な第３面を有する加速度センサブロックと、
   前記第１面に設けられ、Ｚ軸方向の加速度を検出する第１加速度センサと、
   前記第２面に設けられ、Ｘ軸方向の加速度を検出する第２加速度センサと、
   前記第３面に設けられ、Ｙ軸方向の加速度を検出する第３加速度センサと、
   を有し、さらに、
   前記基準ベースの底面を基準面として前記基準ベース上に立設される第１、第２及び第３支持部材と、
   前記第１支持部材に防振用弾性部材を介して前記基準ベースの底面に平行に取り付けられ、Ｘ軸回りの角速度を検出する第１角速度センサと、
   前記第２支持部材に防振用弾性部材を介して前記基準ベースの底面に平行に取り付けられ、Ｙ軸回りの角速度を検出する第２角速度センサと、
   前記第３支持部材に防振用弾性部材を介して前記基準ベースの底面及び一側面に垂直に取り付けられ、Ｚ軸回りの角速度を検出する第３角速度センサと、
   を有し、
   前記第１支持部材及び前記第２支持部材は、高低差を有して互いに交差するように前記基準ベース上に立設され、
   前記Ｘ軸、前記Ｙ軸、前記Ｚ軸は、互いに直交するセンサユニット。
2. 請求項１記載のセンサユニットにおいて、
   前記加速度センサブロックは、前記第２面が前記基準ベースの一側面に平行となるように位置決めされるセンサユニット。
3. 請求項１記載のセンサユニットにおいて、さらに、
   前記加速度センサブロックに設けられ、前記加速度センサに近接して配置された温度センサと、
   前記温度センサで検出された温度に基づき、前記加速度センサの出力を校正するプロセッサと、
   を有するセンサユニット。
4. 請求項１記載のセンサユニットにおいて、
   前記防振用弾性部材はゴムブッシュであり、
   前記第１、第２及び第３支持部材の前記ゴムブッシュが当接する先端部位には前記第１、第２及び第３角速度センサを前記ゴムブッシュを介してネジ止めするときに前記ゴムブッシュが略均一に変形するための受け台が形成されているセンサユニット。
5. 請求項１記載のセンサユニットにおいて、
   前記第１、第２及び第３支持部材の先端部位は、逆錐体状に形成されるセンサユニット。

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