JP5425917B2 - サーボ装置 - Google Patents

Description

本発明は入力された制御信号に基づいて被制御対象物を操作するためのサーボ装置に関し、特に模型用ラジオコントロール装置、産業用ラジオコントロール装置やロボットに用いられるサーボ装置に関するものである。

ラジオコントロール用の被操縦装置には、送信機から送信された信号を受信する受信機と、操作対象を操作するための複数のサーボ装置が搭載されている。受信機は受信した信号を各チャンネル毎のパルス幅変調された信号（以下、ＰＷＭ信号という）に変換し、制御情報として各チャンネル毎にサーボ装置に与える。特許文献１等に示されるように、サーボ装置はモータを有しており、モータの回転を減速機構で減速して出力軸のサーボホーンを一定の角度範囲（例えば基準位置から±６０°）で回動させ、操作を行う。サーボ装置において、減速機構の出力軸にはポテンショメータが取り付けられており、出力軸の回転角度を検出してパルス幅を制御信号としてフィードバック制御を行い、所望の回転角度になるように制御している。
特開２００７−３１８９８６号公報

しかるに従来のサーボ装置では、出力軸が頻繁に回動するため、ポテンショメータも頻繁に回動する。又出力軸には外部から圧力が加わり易く、ポテンショメータにも圧力が加わるため、ポテンショメータが劣化し易いという欠点があった。ポテンショメータが劣化すると正確なフィードバック信号が得られなくなるため、出力軸の基準位置（ニュートラル）の角度がずれたり、所望の回転動作を行うことができなくなる。従ってサーボモータは頻繁に交換する必要があるという欠点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであって、ポテンショメータを用いることなく出力軸の回転角度を非接触で検出できるようにし、サーボ装置の信頼性を向上すると共に長寿命化を図ることを目的とする。

この課題を解決するために、本発明は、モータと、前記モータに連結され、前記モータの出力を減速する減速機構と、前記減速機構の回転軸に取付けられるマグネットと、前記マグネットの回動に基づいてサーボホーンの出力軸の回転角度を検出する磁気センサと、前記磁気センサからの出力及び外部からの制御信号との差分に基づいて差分信号が零となるように前記モータを回転制御する制御部と、を具備し、前記マグネットは、円板状部材であり、円板の面を２分するように対称に着磁され、少なくともその外周の一部に前記着磁に対して対称な切欠きを有するラジオコントロール用のサーボ装置である。

ここで前記制御部に与えられる外部からの制御信号は、パルス幅変調され、そのパルス幅によってサーボホーンの出力軸の回転角を制御するＰＷＭ信号であり、前記制御部は、ＰＷＭ信号をパルス幅に対応した指示データに変換するパルス幅角度データ変換部を有するものとしてもよい。

ここで前記減速機構の出力軸の回転角度に対応して前記磁気センサより得られる出力が直線的に変化する回転角度情報とするリニア変換部を更に有するようにしてもよい。

ここで前記制御部は、前記磁気センサより得られる出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部を更に有し、前記リニア変換部は、前記Ａ／Ｄ変換部によって変換されたデジタル信号の変化を関数を用いて直線状に変化するデータに変換するものとしてもよい。

ここで前記制御部は、前記磁気センサより得られる出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部を更に有し、前記リニア変換部は、前記Ａ／Ｄ変換部によって変換されたデジタル信号の変化を変換テーブルを用いて直線状に変化するデータに変換するものとしてもよい。

ここで前記磁気センサは、前記ホールＩＣと増幅器とが組み込まれたホールＩＣとしてもよい。

このような特徴を有する本発明によれば、サーボモータの回転角度をマグネットと磁気センサによって検出しているため、ポテンショメータを用いることなく出力軸の回転角度を非接触で検出することができる。従ってポテンショメータの劣化による誤動作やニュートラルの角度変動が生じることがなくなり、サーボ装置の信頼性を高め、長寿命化を図ることができるという効果が得られる。

図１は本発明の実施の形態によるサーボ装置の全体構成を示す斜視図である。 図２は本実施の形態によるサーボ装置のブロック図である。 図３は本実施の形態によるマグネット板及びマグネット板の磁束を検出する磁気センサの配置を示す図である。 図４は回転角度と磁気検出器の電圧、Ａ／Ｄ変換データ及びリニア変換データの関係を示す図である。

１０ 基板
１１ モータ
１２ 減速機構
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ ギア
１３ 出力軸
１４ サーボホーン
１５ マグネットホルダ
１６ マグネット
１７ 磁気センサ
１８ 増幅器
１９ ホールＩＣ
２０ 制御部
２１ Ａ／Ｄ変換部
２２ リニア変換部
２３ パルス幅角度データ変換部
２４ 差分演算部
２５ モータドライバ

図１は本発明の実施の形態によるサーボ装置の全体の構成を示す斜視図である。本図に示すように基板１０上にモータ１１が取付けられている。モータ１１には減速機構１２を構成するギア１２ａ，１２ｂ，１２ｃが順次連結されており、ギア１２ｃの出力軸にはサーボホーン１４が接続される。又本実施の形態ではギア１２ｃの出力軸１３に更にマグネットホルダ１５及びマグネット板１６が接続される。マグネット板１６は後述するように円板状の磁性体である。そしてこのマグネット板１６と所定の間隔を隔てて磁気センサ１７を配置する。磁気センサ１７はマグネット板１６の回転に伴う磁気の変化を検出し、回転角度情報を得るものである。

次に図２を用いて本実施の形態によるサーボ装置のブロック図について説明する。磁気センサ１７からの出力は増幅器１８によって増幅される。本実施の形態では磁気センサ１７としてホール素子を用いている。ホール素子と増幅器１８とは個別の素子を用いてもよいが、ここではこれらを組み合わせたリニアホールＩＣ１９をそのまま用いる。リニアホールＩＣ１９は所定の位置の磁束を検出し、磁束に比例した電圧信号を出力することができる。リニアホールＩＣ１９からの出力は制御部２０のＡ／Ｄ変換部２１に加えられる。Ａ／Ｄ変換部２１は入力電圧をデジタルデータに変換するものであり、その出力はリニア変換部２２に加えられる。リニア変換部２２は回転角度情報を直線的なデータに変換するものである。

又このサーボモータには図示しない受信機よりパルス幅変調された信号（ＰＷＭ信号）が加えられる。ＰＷＭ信号は例えば中心値が１．５ｍｓであり、送信機の操作に応じてパルス幅が１．５±０．６ｍｓの範囲で変化する信号である。このＰＷＭ信号は受信機よりパルス幅角度データ変換部２３に与えられる。パルス幅角度データ変換部２３はＰＷＭ信号をそのパルス幅に対応した指示データに変換するものである。パルス幅角度データ変換部２３の出力は差分演算部２４に与えられる。差分演算部２４は差分信号を０とするようにモータドライバ２５を介してモータ１１を駆動する。こうして構成されるフィードバックループにより、ＰＷＭ信号に応じた回転角度となるように制御される。

さてこの実施の形態のサーボ装置では、従来のポテンショメータに代えて、マグネット板１６と磁気センサ１７とを用いている。このため非接触で回転角度を検出することができる。ここでマグネット板１６は完全な円板であれば着磁状態が不明であるため、製造時にどの角度で固定するかは明確でなく、何らかの方法で磁気を検出する必要がある。従って製造を容易にするため、本実施の形態では図３（ａ）に示すようにＤ字形の形状としている。この場合マグネットホルダ１５も図１に示すようにＤ字形の窪みを有するものを用い、ここに円板状のマグネット板１６を埋め込むようにすれば製造工程を容易にすることができる。ここでマグネット板１６は図３（ａ）に示すように正面から見て対称に着磁されている。そして図３（ａ）のように着磁することで、マグネット板１６の極性を視覚的に判断することができる。そして図３（ｂ）に示すようにホールＩＣ１９の検出位置Ｐを正面から見て着磁されている磁極の境界位置となるように設定する。又図３（ｃ）に示すようにホールＩＣ１９とマグネット板１６との間隔をｇとする。

図４（ａ）は減速機構１２の出力軸１３の回転角度θと磁気センサ１６で検出される電圧との関係を示すグラフである。図示のようにホールＩＣ１９の出力は回転角度θに対してサイン波形状に変化し、マグネット板１６とホールＩＣ１９との間隔によってその振幅が曲線Ｃ１，Ｃ２に示すように変化する。従ってホールＩＣ１９とマグネット板１６との間隔ｇを、出力が飽和せず十分な電圧変化が得られる値に設定する。又本発明の実施の形態では、図４（ｂ）に示すようにホールＩＣ１９の出力を増幅し、Ａ／Ｄ変換部２１でデジタル信号に変換した後、図４（ｃ）に示すようにリニア変換部２２によって直線状に変化させている。これらの出力は実際には例えば１２ビットのデータであるが、図４（ｂ），（ｃ）では回転角度に対するデータの変化をアナログ値として示したものである。リニア変換部２２は磁気センサで検出される電圧変化を示す関数に対する逆の特性を有する関数、例えばアークサインの関数を用い、その係数を適宜設定することによって入力変化を直線状に変換する。このようにリニア変換部２２を用いることによって回転角度に対して角度データとを直線的に変化させることができ、従来のサーボ装置の機構をそのまま用いることができる。

尚本実施の形態ではリニア変換部２２としてアークサインによる関数を用いて変換しているが、入力信号に対してリニアとなる角度データを出力するテーブルをあらかじめ算出しておき、このテーブルをリードオンリメモリ（ＲＯＭ）など不揮発性記憶メモリに保持しておいてもよい。こうすれば入力信号に基づいてこのテーブルから角度データを読出すことによって、直線的に変化するデータを得ることができる。

又この実施の形態ではパルス幅変調された信号に基づいてモータの回転角度を制御するようにしているが、回転角度に対応するデジタルデータが直接与えられるサーボ装置であれば、パルス幅角度データ変換部２３を設けることなく、外部からのデジタルデータをそのまま差分演算部２４に入力するようにすることができる。

又この実施の形態ではマグネット板を円板の一部を切り換えてＤ字型の一部としているが、他の形状であってもよい。例えば長方形や左右に切欠きを有する形状とすることができる。

又この実施の形態ではギア１２ｃの軸を出力軸１３とし、この軸にサーボホーン１４とマグネットホルダ１５を取付けているが、モータ軸やその中間のギアの軸にマグネットを取付けるようにしてもよい。この場合には出力軸が所定角度だけ回動する際にも複数回回転するので、回転数も同時に検出する必要があるが、高分解能で出力軸の回転角度を検出することができる。

更にこの実施の形態ではリニアホールＩＣからの出力をデジタルデータに変換し、リニア変換、差分演算を行っているが、リニアホールＩＣの出力をアナログ信号のままリニア変換し、制御信号となるパルス幅を電圧信号に変換してその差分に基づいてモータドライバを駆動するアナログタイプのサーボ装置にも適用することができることはいうまでもない。

本発明はポテンショメータを用いることなく非接触で出力軸の回転角度を検出し、サーボ装置の長寿命化を図ることができるので、入力された制御信号に基づいて被制御対象物を駆動するためのサーボ装置、特に模型用ラジオコントロール装置、産業用ラジオコントロール装置やロボット用のサーボ装置に好適に用いることができる。

Claims (6)

1. モータと、
   前記モータに連結され、前記モータの出力を減速する減速機構と、
   前記減速機構の回転軸に取付けられるマグネットと、
   前記マグネットの回動に基づいてサーボホーンの出力軸の回転角度を検出する磁気センサと、
   前記磁気センサからの出力及び外部からの制御信号との差分に基づいて差分信号が零となるように前記モータを回転制御する制御部と、を具備し、
   前記マグネットは、円板状部材であり、円板の面を２分するように対称に着磁され、少なくともその外周の一部に前記着磁に対して対称な切欠きを有するものであるラジオコントロール用のサーボ装置。
2. 前記制御部に与えられる外部からの制御信号は、パルス幅変調され、そのパルス幅によってサーボホーンの出力軸の回転角を制御するＰＷＭ信号であり、
   前記制御部は、ＰＷＭ信号をパルス幅に対応した指示データに変換するパルス幅角度データ変換部を有するものである請求項１記載のサーボ装置。
3. 前記減速機構の出力軸の回転角度に対応して前記磁気センサより得られる出力が直線的に変化する回転角度情報とするリニア変換部を更に有する請求項１記載のサーボ装置。
4. 前記制御部は、前記磁気センサより得られる出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部を更に有し、
   前記リニア変換部は、前記Ａ／Ｄ変換部によって変換されたデジタル信号の変化を関数を用いて直線状に変化するデータに変換するものである請求項３記載のサーボ装置。
5. 前記制御部は、前記磁気センサより得られる出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部を更に有し、
   前記リニア変換部は、前記Ａ／Ｄ変換部によって変換されたデジタル信号の変化を変換テーブルを用いて直線状に変化するデータに変換するものである請求項３記載のサーボ装置。
6. 前記磁気センサは、前記ホールＩＣと増幅器とが組み込まれたホールＩＣである請求項１記載のサーボ装置。

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