JP5132065B2 - 3-DOF rotation detection device and method - Google Patents
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Description
本発明は、3自由度回転を検出可能な3自由度回転検出装置及びその方法に関する。 The present invention relates to a three-degree-of-freedom rotation detection apparatus and method capable of detecting rotation with three degrees of freedom.
1自由度のみの回転だけでなく、多自由度の回転方向に回転できる超音波モータが知られている(例えば、特許文献1等参照)。このような超音波モータを制御するには、駆動部分の回転角度(回転変位)を検出する必要がある。回転検出装置としては、通常の一自由度のロータリエンコーダを複数組み合わせたものが考えられるが、このような検出装置を用いると、駆動部分の回転を非接触で検出することができず、超音波モータの構造や動作に制約を与える。
超音波モータの駆動部分(ロータ)の回転角度を非接触で検出する技術として、超音波モータのロータを球状磁石とし、この球状磁石の磁界を複数のホール素子により検出してロータの回転を検出するものが開示されている(特許文献2参照)。
また、超音波モータに限らず、球体の回転角度を非接触で検出する技術として、ケースに回転自在に収容された球体に磁石を埋め込み、この磁石の磁界をケースに設けたホール素子で検出することにより、多軸方向における球体の回転角度を非接触で検出するものが知られている(特許文献3参照)。
As a technology to detect the rotation angle of the drive part (rotor) of the ultrasonic motor in a non-contact manner, the rotor of the ultrasonic motor is a spherical magnet, and the magnetic field of this spherical magnet is detected by multiple Hall elements to detect the rotation of the rotor. Is disclosed (see Patent Document 2).
As a technique for detecting the rotation angle of a sphere without being limited to an ultrasonic motor, a magnet is embedded in a sphere rotatably accommodated in a case, and the magnetic field of the magnet is detected by a Hall element provided in the case. Thus, there is known one that detects a rotation angle of a sphere in a multi-axis direction without contact (see Patent Document 3).
ところで、上記特許文献2に開示された技術では、球状磁石の磁界は軸対称であるため、対称軸周りの回転を検出することができない。すなわち、3自由度の回転を一意に特定することができない場合が発生する。また、ロータに球状磁石を使用する必要があるため、ロータの設計自由度が小さい。
上記特許文献3に開示された技術では、球体の互いに略90度をなす位置に2つの磁石を設けると共に直交座標系の3軸周りの回転を検出するために、3対のホール素子を対称な位置にそれぞれ配置する必要がある。このため、ホール素子の配置の自由度が小さいという問題がある。さらに、この技術では、球体を回転させる操作棒の可動範囲においては球体の3自由度の回転検出が可能であるが、球体が各3軸周りに360度以上の回転をする場合には、球体の3自由度方向の回転角度を一意に特定することはできない。
By the way, in the technique disclosed in
In the technique disclosed in
本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、非接触で3自由度方向の回転を一意に特定できる3自由度回転検出装置及びその方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a three-degree-of-freedom rotation detection apparatus and method that can uniquely specify rotation in the three-degree-of-freedom direction without contact. There is.
本発明に係る3自由度回転検出装置は、略同形状の2つの磁石を備え、互いに直交する3つの軸の周りを前記3つの軸の交点を中心に回転可能であって、前記2つの磁石が前記3つの軸のうちの1つの軸に対して互いに対称な位置に配置され、前記2つの磁石のそれぞれが、各磁石の一方の端部の前記1つの軸に対する距離と他方の端部の前記1つの軸に対する距離とが異なるように配置され、前記2つの磁石の磁極の極性の向きが反転していることにより、前記3つの軸の交点に関して非対称性をもつ磁界が付与された被検出体と、前記被検出体から離隔し、かつ、同一直線上にない少なくとも3点において前記磁界を検出する磁界検出手段と、前記磁界検出手段による少なくとも前記3点における検出磁界に基づいて、前記磁界検出手段に対する前記被検出体の3自由度方向の回転角度を決定する3自由度回転決定手段と、を有することを特徴としている。
本発明に係る3自由度回転検出装置は、磁石を備え、鉛直方向の第1の軸と、該第1の軸に直交すると共に互いに直交する方向である第2の軸と第3の軸との周りを、前記第1の軸、前記第2の軸及び前記第3の軸の3つの軸の交点を中心に回転可能であって、前記磁石が、前記磁石の磁界対称軸線が前記3つの軸の交点を通らず、かつ、前記3つの軸の交点から前記磁石のN極までの距離と、前記3つの軸の交点から前記磁石のS極までの距離とが異なるように配置されることにより、前記3つの軸の交点に関して非対称性をもつ磁界が付与された被検出体と、前記被検出体から離隔し、かつ、同一直線上にない少なくとも3点において前記磁界を検出する磁界検出手段と、前記磁界検出手段による少なくとも前記3点における検出磁界に基づいて、前記磁界検出手段に対する前記被検出体の3自由度方向の回転角度を決定する3自由度回転決定手段とを有することを特徴としている。
本発明に係る3自由度回転検出装置は、球状の磁石であり、互いに直交する3つの軸の周りを前記3つの軸の交点を中心に回転可能であって、前記球状の磁石の一部に凹部が形成されていることにより、前記3つの軸の交点に関して非対称性をもつ磁界が付与された被検出体と、前記被検出体から離隔し、かつ、同一直線上にない少なくとも3点において前記磁界を検出する磁界検出手段と、前記磁界検出手段による少なくとも前記3点における検出磁界に基づいて、前記磁界検出手段に対する前記被検出体の3自由度方向の回転角度を決定する3自由度回転決定手段と、を有することを特徴としている。
この構成によれば、被検出体は、3自由度回転に関して非対称性をもつ磁界が付与されているので、磁界検出手段が検出する、同一直線上にない少なくとも3点における磁界の状態から、磁界検出手段に対する被検出体の3自由度方向の回転角度は一意に決まり、3自由度回転決定手段により被検出体の3自由度方向の回転角度を計測することができる。
The three-degree-of-freedom rotation detection device according to the present invention includes two magnets having substantially the same shape, and is rotatable around three axes orthogonal to each other around the intersection of the three axes. Are arranged symmetrically with respect to one of the three axes, and each of the two magnets has a distance between the one end of each magnet and the other end. Detected to be provided with a magnetic field having an asymmetry with respect to the intersection of the three axes by arranging the magnetic poles of the two magnets to be different in distance from each other and reversing the polarity direction of the magnetic poles of the two magnets. A magnetic field detecting means for detecting the magnetic field at at least three points that are separated from the detected body and are not on the same straight line, and the magnetic field based on the magnetic field detected at least at the three points by the magnetic field detecting means. Detection means It is characterized by having a three-degree-of-freedom rotation determining means for determining a third rotation angle in the optional direction of the detected body against.
A three-degree-of-freedom rotation detection device according to the present invention includes a magnet, a first axis in the vertical direction, and a second axis and a third axis that are orthogonal to the first axis and orthogonal to each other. Around the intersection of the three axes of the first axis, the second axis, and the third axis, and the magnet has a magnetic field symmetry axis of the three axes. The distance from the intersection of the three axes to the north pole of the magnet is not different from the intersection of the axes, and the distance from the intersection of the three axes to the south pole of the magnet is different. Thus, a detected object to which a magnetic field having asymmetry with respect to the intersection of the three axes is provided, and a magnetic field detecting means that detects the magnetic field at least at three points that are separated from the detected object and are not on the same straight line. And at least the three detected magnetic fields by the magnetic field detecting means Zui and is characterized by having a three-degree-of-freedom rotation determining means for determining a third rotation angle in the optional direction of the body to be detected with respect to the magnetic field detector.
The three-degree-of-freedom rotation detection device according to the present invention is a spherical magnet that can rotate around three axes orthogonal to each other around the intersection of the three axes, and is a part of the spherical magnet. Due to the formation of the recess, the detected object to which a magnetic field having asymmetry with respect to the intersection of the three axes is provided, and at least three points separated from the detected object and not on the same straight line. A three-degree-of-freedom rotation determination for determining a rotation angle in a three-degree-of-freedom direction of the detected object relative to the magnetic field detection means based on a magnetic field detection means for detecting a magnetic field and at least the three magnetic fields detected by the magnetic field detection means And means.
According to this configuration, since the magnetic field having asymmetry with respect to the rotation with three degrees of freedom is applied to the detected object, the magnetic field is detected from the state of the magnetic field at at least three points that are not on the same straight line detected by the magnetic field detection means. The rotation angle in the direction of 3 degrees of freedom of the detection object relative to the detection means is uniquely determined, and the rotation angle in the direction of 3 degrees of freedom of the detection object can be measured by the rotation determination means in 3 degrees of freedom.
上記構成において、3自由度回転決定手段は、3自由度方向の回転角度と少なくとも3点における検出磁界とを対応付けるマッピングデータを有する、構成を採用できる。
この構成によれば、複雑な演算処理をすることなくマッピングデータから3自由度方向の回転角度を一意に特定できるので、3自由度方向の回転角度の演算処理が軽減される。
In the above-described configuration, the three-degree-of-freedom rotation determining unit may employ a configuration having mapping data that associates the rotation angle in the three-degree-of-freedom direction with the detected magnetic field at at least three points.
According to this configuration, since the rotation angle in the three degrees of freedom direction can be uniquely specified from the mapping data without performing complicated calculation processing, the calculation processing of the rotation angle in the three degrees of freedom direction is reduced.
上記構成において、磁界検出手段は、複数の磁電変換素子を有し、3自由度回転決定手段は、複数の磁電変換素子のうち、その出力が最も大きな3つを選択して3自由度方向の回転角度を決定するのに用いる、構成を採用できる。
この構成によれば、複数の磁電変換素子のうち出力が最も大きな3つを使用して3自由度方向の回転角度を決定するので、精度良く回転角度を決定できる。
In the above configuration, the magnetic field detection means includes a plurality of magnetoelectric conversion elements, and the three-degree-of-freedom rotation determination means selects three of the plurality of magneto-electric conversion elements having the largest output and operates in the direction of three degrees of freedom. The configuration used to determine the rotation angle can be employed.
According to this configuration, the rotation angle in the three-degree-of-freedom direction is determined using three of the plurality of magnetoelectric transducers having the largest output, so that the rotation angle can be determined with high accuracy.
上記構成において、磁界検出手段は、少なくとも3以上の磁電変換素子を共通に保持する複数の基板を有し、複数の基板が前記被検出体にそれぞれ対向配置されている、構成を採用できる。
この構成によれば、各基板毎に3自由度方向の回転角度を計測できるので、自由度方向の回転角度の計測精度がさらに高まる。
In the above configuration, the magnetic field detection unit may have a plurality of substrates that hold at least three or more magnetoelectric conversion elements in common, and each of the plurality of substrates is disposed to face the detection target.
According to this configuration, since the rotation angle in the direction of three degrees of freedom can be measured for each substrate, the measurement accuracy of the rotation angle in the direction of freedom is further increased.
上記構成において、3自由度回転決定手段は、3自由度方向の回転角度と少なくとも3点における検出磁界との関係を学習してマッピングデータを形成する学習手段を有する、構成を採用できる。
この構成によれば、計測していないでデータ間を学習により補間できるので、連続的なマッピングデータを形成することができる。
In the above configuration, the three-degree-of-freedom rotation determining unit can employ a configuration including a learning unit that learns the relationship between the rotation angle in the three-degree-of-freedom direction and the detected magnetic field at at least three points to form mapping data.
According to this configuration, since the data can be interpolated by learning without measurement, continuous mapping data can be formed.
上記構成において、被検出体は、磁石と、前記磁石を支持する支持体とを含む、構成を採用できる。この場合に、磁石は、前記支持体に内蔵されている、構成とすることもでき、磁石は、支持体の表面に設けられている、構成とすることもできる。 In the above configuration, the configuration may be adopted in which the detection target includes a magnet and a support that supports the magnet. In this case, the magnet may be configured to be built in the support, and the magnet may be configured to be provided on the surface of the support.
上記構成において、被検出体は、3自由度回転が可能な超音波モータの回転子である、構成を採用できる。
この構成によれば、3自由度回転が可能な超音波モータの回転子の回転を非接触で検出することが可能となる。
In the above configuration, a configuration in which the detection target is a rotor of an ultrasonic motor capable of rotation with three degrees of freedom can be employed.
According to this configuration, it is possible to detect the rotation of the rotor of the ultrasonic motor capable of rotation with three degrees of freedom without contact.
本発明に係る3自由度回転検出方法は、略同形状の2つの磁石を備え、互いに直交する3つの軸の周りを前記3つの軸の交点を中心に回転可能であり、前記2つの磁石が前記3つの軸のうちの1つの軸に対して互いに対称な位置に配置され、前記2つの磁石のそれぞれが、各磁石の一方の端部の前記1つの軸に対する距離と他方の端部の前記1つの軸に対する距離とが異なるように配置された被検出体に、前記2つの磁石の磁極の極性の向きが反転していることにより、前記3つの軸の交点に関して非対称性をもつ磁界を付与し、前記被検出体から離れた所定の位置関係にある少なくとも3箇所に磁電変換素子を配置し、前記磁電変換素子の検出する、同一直線上にない少なくとも3点における検出磁界に基づいて、前記磁電変換素子に対する前記被検出体の3自由度方向の回転角度を検出する、ことを特徴としている。 3 DOF rotation detecting method according to the present invention, substantially comprises two magnets having the same shape, Ri rotatable der around three mutually orthogonal axes centered on the intersection of the three axes, the two magnets Are arranged symmetrically with respect to one of the three axes, and each of the two magnets has a distance between the one end of each magnet and the other end. A magnetic field having an asymmetry with respect to the intersection of the three axes is obtained by reversing the polarity direction of the magnetic poles of the two magnets on the detection object arranged so that the distance to the one axis is different. And, based on the detection magnetic field at at least three points that are not on the same straight line, which are detected by the magnetoelectric conversion element, arranged at least at three positions in a predetermined positional relationship apart from the detected object, For the magnetoelectric transducer Wherein detecting a third rotation angle in the optional direction of the body to be detected, it is characterized in that.
本発明によれば、磁気検出手段に対して3自由度回転する被検出体の3自由度方向の回転を非接触で一意に特定できる。 According to the present invention, the rotation in the direction of three degrees of freedom of the detected object that rotates three degrees of freedom with respect to the magnetic detection means can be uniquely specified without contact.
以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図1ないし図5は本発明に係る3自由度回転検出装置(以下、回転検出装置という)の一実施形態を示す図であって、図1は本発明の回転検出装置の基本的構成を説明するための透視図、図2は回転体に設けられた磁石の形成する磁界を説明するための図、図3は回転検出装置の電気系の構成を示す機能ブロック図、図4はセンサ基板とアンプとの関係を示す図、及び図5はマッピングテーブル部のマッピングデータの一例を示す図である。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
1 to 5 are diagrams showing an embodiment of a three-degree-of-freedom rotation detection device (hereinafter referred to as a rotation detection device) according to the present invention. FIG. 1 illustrates a basic configuration of the rotation detection device of the present invention. FIG. 2 is a diagram for explaining the magnetic field formed by the magnet provided on the rotating body, FIG. 3 is a functional block diagram showing the configuration of the electrical system of the rotation detecting device, and FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship with an amplifier, and FIG.
この回転検出装置は、図1に示すように、被検出体としての球状の回転体10、複数の磁電変換素子40A〜40Dを搭載した磁気検出手段としてのセンサ基板30等から構成される。
As shown in FIG. 1, the rotation detection device includes a spherical
また、回転検出装置の電気系は、図3に示すように、磁電変換素子40A〜40Dの出力をそれぞれ増幅するアンプ50A〜50D、アンプ50A〜50Dからのアナログ信号をそれぞれディジタル信号に変換するA/D変換器60A〜60D、A/D変換器60A〜60Dから検出信号(検出磁界情報)が入力される演算器70、後述するマッピングデータを保持するマッピングテーブル部80等から構成される。
Further, as shown in FIG. 3, the electrical system of the rotation detection device includes an
回転体10は、球状に形成された支持体11、2つの磁石20A、20B等から構成され、図示しない支持機構によりX軸,Y軸,Z軸からなる直交座標系の原点を回転中心として3自由度回転可能に支持されている。すなわち、回転体10は、X軸,Y軸,Z軸の各軸の周りに回転可能に支持されている。
The rotating
支持体11は、用途等に合わせて各種の材料で形成することができる。例えば、樹脂、カーボン等の非磁性材料で形成してもよく、磁性材料であってもよい。
この支持体11は、内部に磁石20A、20Bを内蔵するための空洞を有していてもよく、又、インサート成形等により磁石20A、20Bと一体的に形成されて中実であってもよい。
The support 11 can be formed of various materials in accordance with the application. For example, it may be formed of a nonmagnetic material such as resin or carbon, or may be a magnetic material.
The support 11 may have a cavity for containing the
磁石20A、20Bは、同一形状(円盤状)を有しており、図1及び図2に示すように、支持体11に内蔵されており、回転体10の回転と共に回転する。この磁石20A、20Bは、図2に示すように、回転体10の3自由度回転の回転中心に関して非対称性をもつ磁界を形成するように配置されている。
磁石20A、20Bの各々は、図2(B)に示すように、その磁界対称軸21に関して磁界が対称である。
回転体10は、図2(A)に示すように、対称な位置に配置されると共に略同形状の2つの磁石20A、20Bを備えており、磁石20A、20Bは、磁極の極性の向きが反転している。
図2(A)に示すように、回転体10に付与される磁界は、非対称性を有し、3次元空間内のすべての位置で異なることになる。このため、少なくとも所定の位置関係にある3点(同一直線上にない)の磁界の状態がわかれば磁石20A、20Bの位置を一意に決定することができる。これが本発明の3自由度回転の検出原理である。
The magnets 20 </ b> A and 20 </ b> B have the same shape (disc shape), and are built in the support body 11 as shown in FIGS. 1 and 2, and rotate with the rotation of the
Each of the
As shown in FIG. 2A, the rotating
As shown in FIG. 2A, the magnetic field applied to the
センサ基板30は、図示しない支持機構により、回転体10の回転中心から所定距離はなれた位置に支持されている。
センサ基板30は、樹脂、金属、セラミックス等の各種の材料で形成でき、複数の磁電変換素子を搭載するための平面を備えている。
The
The
磁電変換素子40A〜40Dは、例えば、ホール素子で形成され、センサ基板30の平坦な主面に搭載され、回転体10から離隔して対向配置されており、磁石20A、20Bの形成する磁界を検出して電気信号に変換し、これをアンプ50A〜50Dへ出力する。
この磁電変換素子40A〜40Dは、図4に示すように、検出する磁界に応じて変化する双極性の出力電圧V1,V2をアンプ50A〜50Dへ出力する。
The magnetoelectric conversion elements 40 </ b> A to 40 </ b> D are formed by, for example, Hall elements, mounted on the flat main surface of the
As shown in FIG. 4, the magnetoelectric conversion elements 40 </ b> A to 40 </ b> D output bipolar output voltages V <b> 1 and V <b> 2 that change according to the detected magnetic field to the amplifiers 50 </ b> A to 50 </ b> D.
アンプ50A〜50Dは、図4に示すように、出力電圧V1,V2を差動増幅回路により増幅して出力電圧Voutを出力する。尚、出力電圧Voutは、磁電変換素子40A〜40Dの検出する磁界の向き、すなわち、電圧V1,V2の大小に応じて正又は負の値をもつ。
As shown in FIG. 4, the amplifiers 50 </ b> A to 50 </ b> D amplify the output voltages V <b> 1 and V <b> 2 by a differential amplifier circuit and output an output voltage Vout. The output voltage Vout has a positive or negative value depending on the direction of the magnetic field detected by the
演算器70は、プロセッサ、メモリ等のハードウエア、所要のソフトウエア等から構成され、A/D変換器50A〜50Dからの信号、すなわち、磁電変換素子40A〜40Dの検出した磁界に応じた信号が入力され、これらの信号に基づいて、センサ基板30に対する球体10の3自由度方向の回転角度(X軸,Y軸,Z軸の各軸の周りの回転角度)RX,RY,RZを決定する。尚、演算器70は、回転角度と共に回転速度も算出可能である。
具体的には、演算器70は、マッピングテーブル部80に記憶されたマッピングデータを使用して回転角度RX,RY,RZを特定する。
The
Specifically, the
マッピングテーブル部80は、例えば、半導体メモリ等の記憶装置により形成され、図5に示すような磁電変換素子40A〜40Dの検出した磁界に応じた信号の値と回転角度RX,RY,RZとを対応付けるマッピングデータを保持している。
図5に示すマッピングデータは、回転体10のセンサ基板30に対する一の姿勢についてのものであり、実際には所定の回転角度毎に全ての姿勢についてマッピングデータが存在する。
The
The mapping data shown in FIG. 5 is for one posture of the
次に、マッピングデータの形成方法について図6ないし図8を参照して説明する。図6はマッピングシステムの一例を示す斜視図、図7はマッピングシステム及び3自由度回転検出装置の電気系の構成を示す機能ブロック図、及び図8はマッピングシステムにより形成された各種マッピングデータの例を示す図である。 Next, a mapping data forming method will be described with reference to FIGS. 6 is a perspective view showing an example of the mapping system, FIG. 7 is a functional block diagram showing the configuration of the electrical system of the mapping system and the three-degree-of-freedom rotation detection device, and FIG. 8 is an example of various mapping data formed by the mapping system. FIG.
図6及び図7に示すマッピングシステムは、上記した回転体10及びセンサ基板30を保持すると共にセンサ基板30に対して回転体10を3自由度回転させる回転支持機構を備えている。
この回転支持機構は、図示しない設置面に立設された支持柱120、回転体10をX軸,Y軸,Z軸周りに回転させるためのモータ110,111,112、センサ基板30を支持する支持アーム121、Y軸用のモータ111の出力軸とX軸用のモータ110とを連結する連結アーム122、X軸用のモータ110の出力軸とZ軸用のモータ112を連結する連結アーム123、Z軸用のモータ112と回転体110とを連結する連結ロッド124等からなる。
The mapping system shown in FIGS. 6 and 7 includes a rotation support mechanism that holds the
This rotation support mechanism supports a
また、マッピングシステムは、図7に示すように、モータ110,111,112へ駆動電流を供給するドライバ130,131,132、このドライバ130,131、132へ制御信号を出力するコントローラ140,141,142等を備えている。尚、モータ110,111,112は、ロータリエンコーダ等の図示しない回転角度検出器を備えており、この回転角度検出器で検出されたX軸,Y軸,Z軸周りの検出された回転角度CRX,CRY,CRZはドライバ130,131,132及びコントローラ140,141,142を通じて演算器70にフィードバックされるようになっている。
Further, as shown in FIG. 7, the mapping system includes
このマッピングシステムでは、Z軸用のモータ112を回転させると、連結ロッド124が自身の軸線周りに回転し、これと共に回転体10がZ軸の周りを回転する。X軸用のモータ110を回転させると、連結アーム123が旋回して回転体10がX軸の周りを回転する。Y軸用のモータ111を回転させると、連結アーム122が旋回して回転体10がY軸周りに回転する。
In this mapping system, when the Z-
マッピングシステムにおいて、回転体10を3自由度回転させると、演算器70には、回転体10の姿勢に応じて検出された回転角度CRX,CRY,CRZが入力されると共に、センサ基板30に対する回転体10の姿勢に応じて一意に決まる磁電変換素子40A〜40Dの出力がアンプ50A〜50D及びA/D変換器60A〜60Dを通じて入力される。
そして、演算器80では、例えば、図8に示すように、検出された回転角度CRX,CRY,CRZと磁電変換素子40A〜40Dの出力とを対応付けるマッピングデータを回転体10の各軸について所定角度毎(例えば、1度毎)に形成し、これをマッピングテーブル部80へ記憶する。
In the mapping system, when the
Then, in the
演算器70は、回転体10の回転角度を検出する際には、マッピングテーブル部80に記憶されたから磁電変換素子40A〜40Dの出力に対応する回転角度を特定することにより、回転体10の回転角度RX,RY,RZを出力する。
尚、マッピングシステム上においてもマッピングテーブルを使用して回転体10の回転角度を計測することは可能であり、又、このマッピングシステムによりマッピングデータを形成した後に、回転体10及びセンサ基板30を超音波モータ等の別の対象物に組み込むと共に、この対象物において形成したマッピングデータを使用して回転角度を計測することができる。このような構成にすることにより、演算器70における演算処理負担を大幅に軽減することができる。
When detecting the rotation angle of the
Note that it is possible to measure the rotation angle of the
図9は、マッピングシステムの他の例を示す斜視図である。
図6に示したマッピングシステムでは、センサ基板30を固定し、回転体10を回転させる構成にしたが、図9に示すマッピングシステムでは、支持アーム121により回転体10を支持し、センサ基板30をZ軸用のモータ112の出力軸に連結している。すなわち、このマッピングシステムにおいては、固定した回転体10に対してセンサ基板30を3自由度回転させる。この場合においても、上記と同様にマッピングデータを形成できると共に、センサ基板30に対する回転体10の3自由度方向の回転角度を検出できる。
FIG. 9 is a perspective view showing another example of the mapping system.
In the mapping system illustrated in FIG. 6, the
マッピングデータのさらに他の形成方法について説明すると、上記の演算器70において、例えば、ニューラルネットワーク等の学習システムを構成し、磁電変換素子40A〜40Dの出力と検出した回転角度CRX,CRY,CRZとを使用して、磁電変換素子40A〜40Dの出力と回転体10の回転角度との関係を学習させる。
そして、回転体10の回転角度を検出する際には、図10に示すように、磁電変換素子40A〜40Dの出力と回転体10の回転角度との関係を学習した学習システム70Bにより磁電変換素子40A〜40Dの出力を各軸周りの回転角度RX,RY,RZに変換する。
このように、磁電変換素子40A〜40Dの出力と回転体10の回転角度との関係を対応付けるマッピングデータを学習システム70Bにより形成することにより、計測していないでデータ間を学習により補間できるので、連続的なマッピングデータを形成することができる。
A description will be given of still another method of forming the mapping data. In the
And when detecting the rotation angle of the
In this way, by forming mapping data that associates the relationship between the outputs of the
次に、マッピングテーブルのさらに他の形成方法について図11ないし図13を参照して説明する。
本例では、図11に示すように、多数の磁電変換素子40を回転体10の周囲に配置し、これらの出力を演算器70に取り込む。
図11に示す演算器70内に構成された3出力演算部70Cは、各磁電変換素子40に対して回転体10を3自由度回転させた際に、複数の磁電変換素子40のうち、その出力が最も大きな3つを選択してマッピングデータを形成する。
Next, still another method of forming the mapping table will be described with reference to FIGS.
In this example, as shown in FIG. 11, a large number of magnetoelectric transducers 40 are arranged around the rotating
When the
ここで、3出力演算部70Cによるマッピングデータの具体的な形成処理例を図12に示すフローチャートを参照して説明する。
尚、図12に示す各種変数については、Vを磁電変換素子の出力電圧、V1,V2,V3を多数の磁電変換素子の出力電圧のうち3つの最大電圧(V1が1番大きく、V2が2番、V3が3番)、Vmを電圧保持変数、iをカウンタ変数、nを磁電変換素子数、Pを磁電変換素子40の位置、P1,P2,P3をそれぞれV1,V2,V3が得られた磁電変換素子40の位置、Pmを位置保持変数とする。
先ず、各種変数を初期化し(ステップST1)、次いで、各磁電変換素子40の出力電圧V(i)とV3との絶対値を比較し(ステップST2)、V(i)がV3よりも大きい場合には、V(i)とV2との絶対値を比較し(ステップST3)、V(i)がV3よりも小さい場合には、カウンタ変数iをインクリメントする(ステップST14)。
Here, a specific example of mapping data formation processing by the three-
For the various variables shown in FIG. 12, V is the output voltage of the magnetoelectric transducer, V1, V2, and V3 are the three maximum voltages (V1 is the largest and V2 is 2) among the output voltages of the many magnetoelectric transducers. No., V3 is No. 3), Vm is a voltage holding variable, i is a counter variable, n is the number of magnetoelectric conversion elements, P is the position of the magnetoelectric conversion element 40, and P1, P2, and P3 are obtained as V1, V2, and V3, respectively. Further, the position of the magnetoelectric conversion element 40, Pm, is set as a position holding variable.
First, various variables are initialized (step ST1), then the absolute values of the output voltages V (i) and V3 of each magnetoelectric transducer 40 are compared (step ST2), and V (i) is larger than V3 In step ST3, the absolute values of V (i) and V2 are compared (step ST3). If V (i) is smaller than V3, the counter variable i is incremented (step ST14).
ステップST3において、V(i)の絶対値がV2の絶対値よりも小さい場合にはV3、P3をVm,Pmに一時的に保存すると共にV3及びP3をV(i)及びP(i)で更新する(ステップST4)。そして、P1とP2を結ぶ直線とP1とP3を結ぶ直線とのなす角度θがゼロ度かを判断し、ゼロ度でない場合にはステップST14の処理を実行し、ゼロ度の場合(P1,P2,P3が同一直線上にある場合)には、V3、P3にVm,Pmを代入してV3、P3の更新を取りやめる。 In step ST3, when the absolute value of V (i) is smaller than the absolute value of V2, V3 and P3 are temporarily stored in Vm and Pm, and V3 and P3 are stored as V (i) and P (i). Update (step ST4). Then, it is determined whether the angle θ formed by the straight line connecting P1 and P2 and the straight line connecting P1 and P3 is zero degrees. When the angle θ is not zero degrees, the process of step ST14 is executed. In the case of zero degrees (P1, P2 , P3 are on the same straight line), Vm and Pm are substituted into V3 and P3 to cancel the update of V3 and P3.
ステップST3において、V(i)の絶対値がV2の絶対値よりも大きい場合には、V(i)とV1との絶対値を比較し(ステップST7)、V(i)の絶対値がV1よりも小さい場合には、V3、P3及びV2、P2を一時的に保存すると共にV2及びP2をV(i)及びP(i)で更新する(ステップST8)。そして、P1とP2を結ぶ直線とP1とP3を結ぶ直線とのなす角度θがゼロ度かを判断し(ステップST9)、ゼロ度でない場合にはステップST14の処理を実行し、ゼロ度の場合(P1,P2,P3が同一直線上にある場合)には、V3、P3及びV2,P2の更新を取りやめる(ステップST10)。 If the absolute value of V (i) is larger than the absolute value of V2 in step ST3, the absolute values of V (i) and V1 are compared (step ST7), and the absolute value of V (i) is V1. If smaller, V3, P3 and V2, P2 are temporarily stored, and V2 and P2 are updated with V (i) and P (i) (step ST8). Then, it is determined whether the angle θ formed by the straight line connecting P1 and P2 and the straight line connecting P1 and P3 is zero degrees (step ST9). If not, the process of step ST14 is executed. If P1, P2, and P3 are on the same straight line, updating of V3, P3 and V2, P2 is canceled (step ST10).
ステップST7において、V(i)の絶対値がV1の絶対値よりも大きい場合には、V3、P3、V2、P2、V1,P1を一時的に保存すると共にV1及びP1をV(i)及びP(i)で更新する(ステップST11)。そして、P1とP2を結ぶ直線とP1とP3を結ぶ直線とのなす角度θがゼロ度かを判断し(ステップST12)、ゼロ度でない場合にはステップST14の処理を実行し、ゼロ度の場合(P1,P2,P3が同一直線上にある場合)には、V3、P3、V2,P2及びV1、P1の更新を取りやめる(ステップST13)。
上記の処理を全ての磁電変換素子40の出力電圧について実行することにより(ステップST15)、V1,V2,V3及びP1,P2,P3を決定できる。
In step ST7, when the absolute value of V (i) is larger than the absolute value of V1, V3, P3, V2, P2, V1, and P1 are temporarily stored, and V1 and P1 are set to V (i) and Update with P (i) (step ST11). Then, it is determined whether the angle θ formed by the straight line connecting P1 and P2 and the straight line connecting P1 and P3 is zero degrees (step ST12). If not, the process of step ST14 is executed. If P1, P2, and P3 are on the same straight line, updating of V3, P3, V2, P2, and V1, P1 is canceled (step ST13).
By executing the above processing for all the output voltages of the magnetoelectric transducers 40 (step ST15), V1, V2, V3 and P1, P2, P3 can be determined.
そして、3出力演算部70Cは、図13に示すように、得られたV1,V2,V3及びP1,P2,P3と検出した回転角度とを対応付けたマッピングテーブルを形成して、これをマッピングテーブル部80に記憶する。
演算器70は、回転体10の回転角度を検出する際には、複数の磁電変換素子40のうち、その出力が最も大きな3つを選択して、これに対応する回転角度を図13に示すようなマッピングデータを用いて決定する。
この方法によれば、磁電変換素子40の数を増やすほど、精度良く回転体10の回転角度を検出することができる。
Then, as shown in FIG. 13, the three-
When the
According to this method, the rotation angle of the
次に、本発明の回転検出装置が適用された3自由度回転超音波モータについて図14及び図15を参照して説明する。
図14は本発明の回転検出装置が適用された3自由度回転超音波モータの概略構成を示す図、図15は超音波モータの電気系の構成を示す機能ブロック図である。尚、図14及び図15において、上記した実施形態と同一構成部分については同一符号を使用している。
Next, a three-degree-of-freedom rotary ultrasonic motor to which the rotation detection device of the present invention is applied will be described with reference to FIGS.
FIG. 14 is a diagram showing a schematic configuration of a three-degree-of-freedom rotary ultrasonic motor to which the rotation detection device of the present invention is applied, and FIG. 15 is a functional block diagram showing a configuration of an electric system of the ultrasonic motor. 14 and 15, the same reference numerals are used for the same components as those in the above-described embodiment.
この超音波モータは、図14に示すように、ロータとしての回転体10がステータ210に対して3自由度回転可能に図示しない支持機構により支持されている。
また、支持機構250により支持された複数のセンサ基板30が回転体10の周囲に略等間隔で配置されている。尚、センサ基板30は上記したように磁電変換素子40A〜40Dを搭載している。
In this ultrasonic motor, as shown in FIG. 14, the
In addition, a plurality of
ステータ210は、図示しない積層された圧電素子等からなるアクチュエータを備えており、縦振動と空間的に直交する2つのたわみ振動を励振して回転体10へ与えることにより(これらの振動を適宜組み合わせて回転体10へ与えることにより)、回転体10をX軸,Y軸,Z軸の周りに3自由度回転させる。
ステータ210に備わるアクチュエータは、図15に示すモータドライバ230により駆動される。
The
The actuator provided in the
モータコントローラ240は、演算器70からフィードバックされる回転体10の各軸周りの回転角度RX,RY,RZを使用してモータドライバ230へ与える制御指令を生成する。これにより、超音波モータの精密な回転位置制御及び回転速度制御が可能となる。尚、回転角度RX,RY,RZは、上記した各種の検出方法により検出できる。
The
本実施形態では、ステータ210から回転体10へ直接振動を与えるので、回転体10の形成材料は磨耗に強い材料を選択する必要があるが、回転体10は磁石20A,20Bを内蔵する構成としているので、回転体10の形成材料は自由に選択できる。
In the present embodiment, since vibration is directly applied from the
次に、回転体に非対称性をもつ磁界を与える他の方法について、図16ないし図20を参照して説明する。
図16に示す被検出体としての回転体10Aは、球状に形成され、回転中心から離隔した位置に円盤状に形成された単一の磁石20Cを内蔵している。
図16(B)に示すように、磁石20Cの磁界対称軸線は、回転体10Aのいずれの回転軸線からも離れているので、回転体10Aには非対称性をもつ磁界が付与されることになる。尚、磁石20Cを回転体10Aの表面に設けることも可能である。
Next, another method for applying a magnetic field having asymmetry to the rotating body will be described with reference to FIGS.
A rotating body 10A as a detected body shown in FIG. 16 is formed in a spherical shape and includes a single magnet 20C formed in a disk shape at a position separated from the rotation center.
As shown in FIG. 16B, since the magnetic field symmetry axis of the magnet 20C is away from any rotation axis of the rotating body 10A, a magnetic field having asymmetry is applied to the rotating body 10A. . The magnet 20C can be provided on the surface of the rotating body 10A.
図17に示す回転体10Bは、直方体形状に形成された磁石20Dが、その磁界対称軸線が回転体10Bの一の回転軸線J1に一致するように内蔵されている。
ここで、図17(B)に示すように、磁石20Dの磁界は、回転軸線J1に関して対称性を有するが、他の2つの回転軸線に関しては非対称性を有する。したがって、他の2つの回転軸線周りの回転角度は一意に決めることができる。
回転軸線J1の周りの回転については、磁石20Dの磁界を磁電変換素子によりサンプリングする際に、サンプリング時間内において、回転体10Bが回転軸線J1の周りを180度未満の範囲で回転する条件の下では、磁電変換素子に対する回転体10Bの回転軸線J1の周りの回転角度を一意に決めることができる。すなわち、直方体形状に形成された単一の磁石20Dを使用して回転体10Bに非対称性をもつ磁界を付与できる。
A rotating body 10B shown in FIG. 17 includes a magnet 20D formed in a rectangular parallelepiped shape so that its magnetic field symmetry axis coincides with one rotating axis J1 of the rotating body 10B.
Here, as shown in FIG. 17B, the magnetic field of the magnet 20D has symmetry with respect to the rotation axis J1, but has asymmetry with respect to the other two rotation axes. Therefore, the rotation angle around the other two rotation axes can be uniquely determined.
Regarding the rotation around the rotation axis J1, when the magnetic field of the magnet 20D is sampled by the magnetoelectric conversion element, the rotation body 10B rotates around the rotation axis J1 within a range of less than 180 degrees within the sampling time. Then, the rotation angle around the rotation axis J1 of the rotating body 10B with respect to the magnetoelectric conversion element can be uniquely determined. That is, a magnetic field having asymmetry can be applied to the rotating body 10B by using a single magnet 20D formed in a rectangular parallelepiped shape.
図18に示す回転体10Cは、球状磁石(磁化球)で形成されていると共に、表面の一部に凹部11が形成されている。凹部11が存在しない状態では、回転体10Cの磁界は回転対称性を有するが、凹部11を形成することにより、非対称性をもたせることができる。尚、凹部11の代わりに凸部を形成してもよい。
A rotating body 10C shown in FIG. 18 is formed of a spherical magnet (magnetized sphere), and a recess 11 is formed on a part of the surface. In a state where there is no recess 11, the magnetic field of the
図19に示す回転体10Dは、内部に円柱状の磁石20Eが配置されていると共に、磁石20Eの両方の磁極に対向して互いに異なる透磁率をもつ材料で形成された部材12及び部材13が配置されている。
磁石20Eの両方の磁極に対して透磁率の異なる部材12及び部材13を設けることにより、磁石20Eの磁界の対称性が崩れるので、回転体10Dに非対称性を有する磁界を与えることができる。
A
By providing the
図20に示す回転体10Eは、図18に示した回転体10Cと同様に、それ自体が磁石で形成されていると共に、透磁率の異なる物質15、6が不均一に含有されている。これにより、図19に示した回転体10Dと同様に、回転体10Dに非対称性を有する磁界を与えることができる。
A
上記実施形態では、被検出体としての回転体10を磁電変換素子40を搭載したセンサ基板30に対して3自由度回転させた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、回転体10を固定し、回転体10に対して磁電変換素子40(センサ基板30)を3自由度回転させて回転体10に対する磁電変換素子40を決定する構成とすることも可能である。
In the above embodiment, the case where the rotating
上記実施形態では、被検出体として球状の場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるわけではなく、被検出体の形状は種々変更できる。
また、複数の磁電変換素子40をセンサ基板30に搭載した場合について説明したが、各磁電変換素子40を別々に設置することも可能である。
In the above embodiment, the case where the object to be detected is spherical has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the shape of the object to be detected can be variously changed.
Moreover, although the case where the several magnetoelectric conversion element 40 was mounted in the sensor board |
上記実施形態では、本発明を超音波モータの3自由度回転の検出に適用した場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、3自由度回転する対象であれば適用可能である。 In the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to detection of rotation of three degrees of freedom of an ultrasonic motor has been described. However, the present invention is not limited to this and can be applied to any object that rotates three degrees of freedom.
上記実施形態では、マッピングデータを用いて3自由度方向の回転角度を計測する構成について説明したが、これに限定されるわけではなく、磁電変換素子の検出信号と磁電変換素子の配置情報等から3自由度方向の回転角度を算出することも可能である。 In the above embodiment, the configuration for measuring the rotation angle in the three-degree-of-freedom direction using the mapping data has been described. However, the present invention is not limited to this. From the detection signal of the magnetoelectric conversion element, the arrangement information of the magnetoelectric conversion element, and the like. It is also possible to calculate the rotation angle in the direction of three degrees of freedom.
上記実施形態では、磁石が支持体に内蔵された場合について説明したが、磁石が支持体の表面に露出するように設けることも可能である。 Although the case where the magnet was built in the support body was demonstrated in the said embodiment, it is also possible to provide so that a magnet may be exposed to the surface of a support body.
10、10A〜10E…回転体(被検出体)
20,20A〜20E…磁石
30…センサ基板(磁界検出手段)
40…磁電変換素子(磁界検出手段)
50A〜50D…アンプ
60A〜60D…A/D変換器
70…演算器(3自由度回転決定手段)
70B…学習システム(学習手段)
80…マッピングテーブル部
110、111,112…モータ
120…支持柱
121…支持部材
122,123…連結部材
124…連結棒
130〜132…ドライバ
140〜142…コントローラ
10, 10A to 10E ... Rotating body (detected body)
20, 20A to 20E ...
40: Magnetoelectric conversion element (magnetic field detecting means)
50A-50D ...
70B ... Learning system (learning means)
80 ... Mapping table 110, 111, 112 ...
Claims (12)
前記被検出体から離隔し、かつ、同一直線上にない少なくとも3点において前記磁界を検出する磁界検出手段と、
前記磁界検出手段による少なくとも前記3点における検出磁界に基づいて、前記磁界検出手段に対する前記被検出体の3自由度方向の回転角度を決定する3自由度回転決定手段と、
を有することを特徴とする3自由度回転検出装置。 Two magnets having substantially the same shape are provided and are rotatable around three axes orthogonal to each other around the intersection of the three axes, and the two magnets are arranged on one of the three axes. The two magnets are arranged so as to be symmetric with respect to each other, and the distance between one end of each magnet with respect to the one axis and the distance between the other end with respect to the one axis are different from each other. And the detected object to which a magnetic field having asymmetry with respect to the intersection of the three axes is applied by reversing the polarity direction of the magnetic poles of the two magnets,
Magnetic field detection means for detecting the magnetic field at at least three points apart from the detected object and not on the same straight line;
3-degree-of-freedom rotation determining means for determining a rotation angle of the detected body with respect to the magnetic field detecting means in the direction of 3-degree-of-freedom based on at least the three magnetic fields detected by the magnetic field detecting means;
A three-degree-of-freedom rotation detection device comprising:
前記被検出体から離隔し、かつ、同一直線上にない少なくとも3点において前記磁界を検出する磁界検出手段と、
前記磁界検出手段による少なくとも前記3点における検出磁界に基づいて、前記磁界検出手段に対する前記被検出体の3自由度方向の回転角度を決定する3自由度回転決定手段と、
を有することを特徴とする3自由度回転検出装置。 A first axis in the vertical direction, and a second axis and a third axis that are orthogonal to the first axis and orthogonal to each other. The three axes of the second axis and the third axis are rotatable about the intersection of the three axes, and the magnet does not pass through the intersection of the three axes, and the magnetic field symmetry axis of the magnet does not pass through the intersection of the three axes. By arranging the distance from the intersection of the axes to the N pole of the magnet and the distance from the intersection of the three axes to the S pole of the magnet , the asymmetry is obtained with respect to the intersection of the three axes. A detected object to which a magnetic field having
Magnetic field detection means for detecting the magnetic field at at least three points apart from the detected object and not on the same straight line;
3-degree-of-freedom rotation determining means for determining a rotation angle of the detected body with respect to the magnetic field detecting means in the direction of 3-degree-of-freedom based on at least the three magnetic fields detected by the magnetic field detecting means;
A three-degree-of-freedom rotation detection device comprising:
前記被検出体から離隔し、かつ、同一直線上にない少なくとも3点において前記磁界を検出する磁界検出手段と、
前記磁界検出手段による少なくとも前記3点における検出磁界に基づいて、前記磁界検出手段に対する前記被検出体の3自由度方向の回転角度を決定する3自由度回転決定手段と、
を有することを特徴とする3自由度回転検出装置。 A spherical magnet that is rotatable around three axes orthogonal to each other around the intersection of the three axes, and a recess is formed in a part of the spherical magnet, thereby A detected object provided with a magnetic field having asymmetry with respect to the intersection of the axes;
Magnetic field detection means for detecting the magnetic field at at least three points apart from the detected object and not on the same straight line;
3-degree-of-freedom rotation determining means for determining a rotation angle of the detected body with respect to the magnetic field detecting means in the direction of 3-degree-of-freedom based on at least the three magnetic fields detected by the magnetic field detecting means;
A three-degree-of-freedom rotation detection device comprising:
前記3自由度回転決定手段は、複数の磁電変換素子のうち、その出力が最も大きな3つを選択して前記3自由度方向の回転角度を決定するのに用いる、ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の3自由度回転検出装置。 The magnetic field detection means has a plurality of magnetoelectric conversion elements,
The three-degree-of-freedom rotation determining means is used for selecting a rotation angle in the three-degree-of-freedom direction by selecting three of the plurality of magnetoelectric transducers having the largest output. The 3-degree-of-freedom rotation detection device according to any one of 1 to 4.
前記複数の基板が前記被検出体にそれぞれ対向配置されている、ことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の3自由度回転検出装置。 The magnetic field detection means has a plurality of substrates that hold at least three or more magnetoelectric conversion elements in common,
6. The three-degree-of-freedom rotation detection device according to claim 1, wherein the plurality of substrates are respectively arranged to face the detection target.
前記被検出体から離れた所定の位置関係にある少なくとも3箇所に磁電変換素子を配置し、
前記磁電変換素子の検出する、同一直線上にない少なくとも3点における検出磁界に基づいて、前記磁電変換素子に対する前記被検出体の3自由度方向の回転角度を検出する、ことを特徴とする3自由度回転検出方法。 Two magnets having substantially the same shape are provided, and are rotatable around three axes orthogonal to each other around the intersection of the three axes, and the two magnets are relative to one of the three axes. The two magnets are arranged such that a distance between one end of each magnet with respect to the one axis and a distance between the other end with respect to the one axis are different from each other. A magnetic field having an asymmetry with respect to the intersection of the three axes is imparted to the detected object by reversing the polarity direction of the magnetic poles of the two magnets;
Arranging magnetoelectric transducers in at least three locations that are in a predetermined positional relationship away from the object to be detected;
The rotation angle in the direction of three degrees of freedom of the detected object relative to the magnetoelectric conversion element is detected based on detected magnetic fields at at least three points that are not on the same straight line that are detected by the magnetoelectric conversion element. Degree of freedom rotation detection method.
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