JP6787625B2 - 回転角検出装置及びロータリエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、回転角を検出する技術に関するものである。

回転角を検出する技術としては、磁石を含む回転系とホール素子を含む固定系とを備え、回転軸に回転系を固定し基準座標系に固定系を固定した状態において、回転系の磁石の磁力を、固定系のホール素子で検出することにより、回転軸の基準座標系に対する回転角度を検出する回転角検出装置が知られている（たとえば、特許文献１）。

また、重力を利用して-90°から+90°の範囲内において傾斜角を検出する傾斜角センサの技術も知られている（たとえば、特許文献２）。

特開2012-83212号公報 特開2003-106835号公報

上述した回転角検出装置を検出対象の回転軸が特定されない汎用の回転角検出装置として適用する場合、回転角の検出を行う回転軸を変更する度に、回転角検出装置の回転系を回転軸に固定すると共に、回転角検出装置の固定系を基準座標系に固定する煩雑な作業が必要となる。また、周辺に回転角検出装置の固定系の基準座標系への固定に適した構造体が存在しない回転軸については、基準座標系に対する回転角の検出に困難を伴う。

よって、回転角検出装置を回転軸に固定するだけで、回転軸の基準座標系に対する回転角度を検出できれば、回転角検出装置の利便性は大きく向上する。
そこで、本発明は、基準座標系に固定する必要のない回転角検出装置を提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、回転軸の回転角度を検出する回転角検出装置を、前記回転軸に固定される回転シャフトと、前記回転シャフトによって、当該回転シャフトに対して回転可能に軸支されるベースと、前記ベースに対する回転シャフトの回転角を検出する回転角センサと、前記ベースの下部に固定されたウエイトと、前記回転シャフトが静止しているときに、重力によって収斂する前記ベースの姿勢を正立姿勢として、前記ベースの鉛直方向に対する傾斜角度に基づいて、当該ベースの正立姿勢からの傾斜角を検出する傾斜角検出手段と、前記回転角センサが検出した回転角と前記傾斜角検出手段が検出した傾斜角とを用いて、前記回転軸の回転角度を検出する検出部とを含めて構成したものである。

ここで、このような回転角検出装置は、前記検出部において、回転角センサが検出した回転角と前記傾斜角検出手段が検出した傾斜角を加算した角度を、前記回転軸の回転角度として検出するように構成してもよい。

または、このような回転角検出装置は、前記検出部において、前記傾斜角検出手段が検出した傾斜角が０であるときに、回転角センサが検出した回転角を、前記回転軸の回転角度として検出するように構成してもよい。

また、前記課題達成のために、本発明は、回転軸の回転角度を検出する回転角検出装置を、
前記回転軸に固定される回転シャフトと、前記回転シャフトによって、当該回転シャフトに対して回転可能に軸支されるベースと、前記ベースを前記回転シャフトに対して回動させる回動手段と前記ベースに対する回転シャフトの回転角を検出する回転角センサと、前記ベースの下部に固定されたウエイトと、前記回転シャフトが静止しているときに、重力によって収斂する前記ベースの姿勢を正立姿勢として、前記ベースの鉛直方向に対する傾斜角度に基づいて、当該ベースの正立姿勢からの傾斜角を検出する傾斜角検出手段と、前記傾斜角検出手段が検出する傾斜角が０となるように、前記回動手段による前記ベースの前記回転シャフトに対する回動を制御する制御手段と、前記回転角センサが検出した回転角を前記回転軸の回転角度として検出する検出部とを含めて構成したものである。

ここで、本発明は、併せて、以上の回転角検出装置と、前記検出部が検出した前記回転軸の回転角度が、所定の単位角度変化する度に、所定の信号を出力する信号出力部とを備えたロータリエンコーダも提供する。

以上のような回転角検出装置によれば、回転シャフトを回転軸に固定するだけで、回転軸の回転角を検出することができるので、基準座標系に対する固定の必要ない回転角検出装置が実現される。

以上のように、本発明によれば、基準座標系に固定する必要のない回転角検出装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る回転角検出装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転角検出装置の制御/信号処理系の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転角検出装置の動きを示す図である。 本発明の第２実施形態に係る回転角検出装置の他の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る回転角検出装置の制御/信号処理系の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
まず、第１の実施形態について説明する。
図１ａに、本第１実施形態に係る回転角検出装置の構成を示す。
いま、図中に示すように前後左右上下を定めるものとして、図１ａ１は回転角検出装置の前面を表し、図１ａ２は回転角検出装置の左側面を表し、図１ａ３は回転角検出装置の後面を表し、図１ａ４は図１ａ１の断面線A-Aによる回転角検出装置の断面を表し、図１ａ５は回転角検出装置を斜視したようすを表す。

図示するように、回転角検出装置は、ベース１、カバー２、ベアリング３、回転シャフト４、磁石５、回転角センサ６、傾斜角センサ７、ベース１に固定された制御/信号処理系８、ウエイト９を備えている。

ここで、回転シャフト４は、ベアリング３によって前後方向の軸を回転軸として回転可能にベース１によって軸支されており、回転シャフト４の左端面には磁石５が固定されている。

また、図１ｂに回転シャフト４と磁石５と回転角センサ６の配置関係を示すように、回転角センサ６は、磁石５と対向する配置でベース１に固定されている。ここで磁石５はＮ極とＳ極が周方向に交互に配置された磁石５である。そして、回転角センサ６は、たとえば、ホール素子やMR素子などを用いて検出した磁力から回転角センサ６に対する磁石５の回転角、すなわち、ベース１に対する回転シャフト４の回転角を検出する。

次に、傾斜角センサ７は、図１ａ２のカバー２を外した回転角検出装置を左方から観察したようすを図１ｃに示すように、ベース１に固定されており、重力を利用して傾斜角センサ７の重力方向（鉛直方向）に対する傾斜角、すなわち、ベース１の重力方向に対する傾斜角を検出する。

カバー２は、ベース１に固定され回転角検出装置の内部を保護している。
また、ウエイト９は、カバー２を介して、または、直接、ベース１の下部に固定された重りである。
ここで、このような回転角検出装置は、図１ｄ１、ｄ２に示すように、回転角を検出する回転軸１００に回転シャフト４を固定して使用する。すなわち、回転角検出装置の全体が回転軸１００によって支持されている形態で、回転軸１００の回転角を検出する。

次に、回転角検出装置の制御/信号処理系８の機能構成を図２に示す。
図示するように、制御/信号処理系８は、制御部８１、検出処理部８２、外部と無線通信を行う無線通信インタフェース８３よりなる。
また、図示を省略したがベース１には、制御/信号処理系８の電源を供給するバッテリも固定されている。また、バッテリは、ウエイト９またはウエイト９の一部として機能するように、ベース１の下部に固定、配置する。

さて、制御部８１は無線インタフェースを介して受信した外部からのモード設定指令に従って、検出モードとして連続回転角検出モード、静止回転角検出モード、ロータリエンコーダモードのいずれかを検出処理部８２に設定する。

検出処理部８２は、連続回転角検出モードが設定されているときには、回転角センサ６が検出している、回転軸１００に固定された回転シャフト４のベース１に対する回転角θ１に、傾斜角センサ７が検出している鉛直方向に対するベース１の傾斜角θ２を加算した角度θ１+θ２を回転軸１００の回転角θとして、無線通信インタフェース８３を介して外部に無線通信により出力する処理を繰り返し行う。

ここで、図３ａに示すように、回転軸１００が回転していない静止状態では、ウエイト９の作用により、ベース１の姿勢は、ベース１の下方が鉛直下方となる姿勢となる。ここで、このベース１の下方が鉛直下方となる姿勢にあるときに、傾斜角θ２として０を検出するように傾斜角センサ７は配置されている。

次に、回転軸１００が回転している状態では、図３ｂ１に示すように、ベース１は、回転軸１００に固定された回転シャフト４からベアリング３を介して加わるトルクにより幾分回転する。そして、回転軸１００の真の回転角は、図３ｂ２に示すように、回転軸１００に固定された回転シャフト４の回転角θ１に、ベース１の回転角θ２を加算した角度θ１+θ２となる。

ここで、ベース１の回転角θ２は、傾斜角センサ７によって、ベース１の鉛直方向に対する傾斜角θ２として検出される。よって、回転角センサ６が検出している、回転軸１００に固定された回転シャフト４のベース１に対する回転角θ１に、傾斜角センサ７が検出している鉛直方向に対するベース１の傾斜角θ２を加算した角度θ=θ１+θ２は、回転軸１００の回転角を正しく表すものとなる。

次に、検出処理部８２は、静止回転角検出モードが設定されているときには、傾斜角センサ７が検出している傾斜角が０であるときに、回転角センサ６が検出した、回転軸１００に固定された回転シャフト４のベース１に対する回転角θ１を回転軸１００の回転角θとして、無線通信インタフェース８３を介して外部に無線通信により出力する処理を行う。

ここで、回転軸１００が回転すると、図３ｂ１に示すように、ベース１は、回転軸１００に固定された回転シャフト４からベアリング３を介して加わるトルクにより幾分回転する。そして、その後、回転軸１００が回転を停止すると、図３ｃに示すように、ウエイト９の作用により、ベース１の姿勢は、ベース１の下方が鉛直下方となる姿勢となり、傾斜角センサ７として傾斜角０が検出される。

そして、ベース１の姿勢が、ベース１の下方が鉛直下方となるときの、回転軸１００の回転角は、回転角センサ６が検出している、回転軸１００に固定された回転シャフト４のベース１に対する回転角θ１に一致する。

よって、傾斜角センサ７が検出している傾斜角が０であるときの、回転角センサ６が検出している、回転軸１００に固定された回転シャフト４のベース１に対する回転角θ１は、回転軸１００の回転角を正しく表すものとなる。

なお、このような静止回転角検出モードの回転角の検出は、所定の回転角となるように回転制御される回転軸１００の回転角が正しく制御した回転角になっているかどうかを、回転角検出装置を用いて検証する用途に特に好適である。

また、検出処理部８２は、ロータリエンコーダモードが設定されているときには、回転角センサ６が検出している、回転軸１００に固定された回転シャフト４のベース１に対する回転角θ１に、傾斜角センサ７が検出している鉛直方向に対するベース１の傾斜角θ２を加算した角度θ=θ１+θ２が所定の単位角度増加する度に、パルス信号を、無線通信インタフェース８３を介して外部に無線通信により出力する処理を行う。

以上、本発明の第１の実施形態について説明した。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本第２実施形態に係る回転検出装置の前面、側面、後面、外観は、図１ａ１、ａ２、ａ３、ａ５と同様に表れる。
図４ａに、本第２実施形態に係る回転角検出装置の、図１ａ１の断面線A-Aによる断面を表す。
図示するように、本第２実施形態に係る回転角検出装置は、回転シャフト４にマグネット４０１を固定し、ベース１のマグネット４０１と対向する位置にコイル４０２を固定し、回転シャフト４をロータ、ベース１をステータとするモータとしても回転角検出装置が機能するようにしたものである。また、本第２実施形態に係る回転角検出装置は、図２に示した制御/信号処理系８に代えて、制御/信号処理系８０を設けたものである。

次に、図５に、本第２実施形態に係る回転角検出装置の制御/信号処理系８０の機能構成を示す。
図示するように、本第２実施形態に係る回転角検出装置の制御/信号処理系８０は、制御部８１、検出処理部８２、無線通信インタフェース８３に加え、コイル４０２を駆動するモータ駆動部８４、モータ駆動部８４を介してモータの回転角度、すなわち、ロータである回転シャフト４とステータであるベース１間の相対的な回転角度を制御するモータ制御部８５とを備えたものである。

このような構成において、モータ制御部８５は、傾斜角センサ７が検出するベース１の傾斜角θ２が０となるようにモータの回転角度をフィードバック制御する。
一方、制御部８１は無線インタフェースを介して受信した外部からのモード設定指令に従って、検出モードとして回転角検出モードとロータリエンコーダモードのいずれかを検出処理部８２に設定する。

そして、検出処理部８２は、回転角検出モードが設定されているときには、回転角センサ６が検出している、ベース１に対する、回転軸１００に固定された回転シャフト４の回転角θ１を回転軸１００の回転角θとして、無線通信インタフェース８３を介して外部に無線通信により出力する処理を行う。

なお、検出処理部８２は、傾斜角センサ７が検出するベース１の傾斜角θ２が０のときにのみ、回転軸１００に固定された回転シャフト４の回転角θ１を回転軸１００の回転角θとし、回転角θを出力するように構成してもよい。

ここで、本第２実施形態では、図４ｂに示すように、モータ制御部８５の制御により、ベース１の姿勢は、傾斜角センサ７として傾斜角０が検出される姿勢、すなわち、ベース１の下方が鉛直下方となる姿勢に維持される。

そして、このときの、回転角センサ６が検出している、ベース１に対する、回転軸１００に固定された回転シャフト４の回転角θ１は、回転軸１００の回転角を正しく表すものとなる。

また、検出処理部８２は、ロータリエンコーダモードが設定されているときには、回転角センサ６が検出している、ベース１に対する、回転軸１００に固定された回転シャフト４の回転角θ１が所定の単位角度増加する度に、パルス信号を、無線通信インタフェース８３を介して外部に無線通信により出力する処理を行う。

以上、本発明の実施形態について説明した。
ところで、以上の第１実施形態、第2実施形態では、回転検出装置から外部に無線通信を介して検出した回転角θやパルス信号を出力したが、これは、制御/信号処理系８と外部とをケーブルにより接続し、制御/信号処理系８から外部にケーブルを介して検出した回転角θやパルス信号を出力するようにしてもよい。また、この場合には、当該ケーブルを介して回転検出装置の電源を供給するようにしてよい。

１…ベース、２…カバー、３…ベアリング、４…回転シャフト、５…磁石、６…回転角センサ、７…傾斜角センサ、８…制御/信号処理系、９…ウエイト、８０…制御/信号処理系、８１…制御部、８２…検出処理部、８３…無線通信インタフェース、８４…モータ駆動部、８５…モータ制御部、１００…回転軸、４０１…マグネット、４０２…コイル。

Claims (5)

1. 回転軸の回転角度を検出する回転角検出装置であって、
   前記回転軸に固定される回転シャフトと、
   前記回転シャフトによって、当該回転シャフトに対して回転可能に軸支されるベースと、
   前記ベースに対する回転シャフトの回転角を検出する回転角センサと、
   前記ベースの下部に固定されたウエイトと、
   前記回転シャフトが静止しているときに、重力によって収斂する前記ベースの姿勢を正立姿勢として、前記ベースの鉛直方向に対する傾斜角度に基づいて、当該ベースの正立姿勢からの傾斜角を検出する傾斜角検出手段と、
   前記回転角センサが検出した回転角と前記傾斜角検出手段が検出した傾斜角とを用いて、前記回転軸の回転角度を検出する検出部とを有することを特徴とする回転角検出装置。
2. 請求項１記載の回転角検出装置であって、
   前記検出部は、回転角センサが検出した回転角と前記傾斜角検出手段が検出した傾斜角を加算した角度を、前記回転軸の回転角度として検出することを特徴とする回転角検出装置。
3. 請求項１記載の回転角検出装置であって、
   前記検出部は、前記傾斜角検出手段が検出した傾斜角が０であるときに、回転角センサが検出した回転角を、前記回転軸の回転角度として検出することを特徴とする回転角検出装置。
4. 回転軸の回転角度を検出する回転角検出装置であって、
   前記回転軸に固定される回転シャフトと、
   前記回転シャフトによって、当該回転シャフトに対して回転可能に軸支されるベースと、
   前記ベースと前記回転シャフトとの間に電磁力を働かせて前記ベースを前記回転シャフトに対して回動させる、当該回転角検出装置に内蔵された回動手段と、
   前記ベースに対する回転シャフトの回転角を検出する回転角センサと、
   前記ベースの下部に固定されたウエイトと、
   前記回転シャフトが静止しているときに、重力によって収斂する前記ベースの姿勢を正立姿勢として、前記ベースの鉛直方向に対する傾斜角度に基づいて、当該ベースの正立姿勢からの傾斜角を検出する傾斜角検出手段と、
   前記傾斜角検出手段が検出する傾斜角が０となるように、前記回動手段による前記ベースの前記回転シャフトに対する回動を制御する制御手段と、
   前記回転角センサが検出した回転角を前記回転軸の回転角度として検出する検出部とを有することを特徴とする回転角検出装置。
5. 請求項１、２、３または４記載の回転角検出装置と、
   前記検出部が検出した前記回転軸の回転角度が、所定の単位角度変化する度に、所定の信号を出力する信号出力部を有することを特徴とするロータリエンコーダ。