KR102130951B1

KR102130951B1 - 각도 검출 장치 및 각도 검출 장치를 이용한 서보 장치

Info

Publication number: KR102130951B1
Application number: KR1020170044564A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 츠치야; 잇페이 고니시
Original assignee: 후다바 덴시 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2020-07-07
Also published as: US20150330811A1; KR20150130252A; DE102015006219A1; KR20170040181A; JP2015215302A; DE102015006219B4; JP6209486B2; US9770668B2

Abstract

각도 검출 장치는 회전 가능하게 지지된 자석과, 자석에 대향하여 배치된 자기 센서를 포함한다. 자기 센서의 출력은 자석의 회전에 의한 자속의 변환에 따라 변환된다. 자석은 자석의 회전에 의해서 자기 센서와 자석의 거리가 변화하도록 배치되어 있다.

Description

각도 검출 장치 및 각도 검출 장치를 이용한 서보 장치{ANGLE DETECTING DEVICE AND SERVO APPARATUS USING SAME}

본 발명은 자석 및 자기 센서를 이용한 회전축의 회전 각도를 검출하는 각도 검출 장치에 관한 것이며, 특히 서보 장치에 이용되는 각도 검출 장치에 관한 것이다.

각도 검출 장치는, 회전 운동을 행하는 축인 회전축에 부착하는 등을 하여, 회전축이 몇 번 회전하고 있는지, 회전 각도를 검출하기 위해서 사용된다.

각도 검출 장치를 제어에 이용하는 기기로서 모형용 무선 조정 기기나 산업용 기기, 로봇 등에게 사용되는 서보 장치가 있다.

서보 장치는, 조종 장치로부터 받은 조종 신호와 각도 검출 장치에 의해서 구한 회전축인 출력축의 회전 각도를 이용하여 피드백 제어를 행하고, 출력축을 조종 신호로 지정한 회전 각도와 일치하도록 제어하는 장치이다.

특히, 모형용 무선 조정 기기 등의 원격 조작 되는 기기에 사용되는 서보 장치는, 수신 장치에 접속되어 수신 장치가 수신한 조종 장치로부터의 조종 신호에 따라 구동한다.

모형용 무선 조정 기기에 사용되는 서보 장치의 각도 검출 장치에는, 검출 소자로서 종래 전위차계(potentiometer)가 이용되고 있었다. 전위차계는 가변 저항기를 이용한 것이고, 출력축의 회전 각도에 따라 출력하는 전압이 변하고, 이 전압을 기본으로 출력축의 회전 각도를 검출할 수 있다.

전위차계는, 저렴하기 때문에 이용하기 쉬운 검출 소자이지만, 가변 저항기를 이용하고 있어 저항체와 브러시를 구비하고 있다. 이들은 접촉하여 동작하기 때문에, 장시간 사용하는 것으로 저항체나 접동부가 마모해 버렸다. 특히, 저항체가 마모하면, 저항값에 변화가 생겨 출력축의 기준 위치가 어긋나 버리거나, 출력축의 회전 각도를 정확하게 검출할 수 없게 된다고 하는 문제가 있었다.

그래서, 검출 소자로서 비접촉형의 소자인 자기 센서를 사용한 각도 검출 장치 및 이것을 이용한 서보 장치가 개발되어 특허 문헌 1에 나타나 있다.

도 7을 이용하여 특허 문헌 1에 나타낸, 자기 센서를 사용한 서보 장치의 구성에 대해 설명한다. 서보 장치(20)는, 모터(21)와, 모터(21)의 회전을 감속하여 전달하는 감속기(22)와, 감속기(22)의 최종단에서 회전을 외부에 출력하는 출력축(23)과, 출력축(23)의 단부에 접속한 자석(24)과, 케이스 내부에 설치된 자기 센서(25)와, 케이스 내부에 설치된 도시하지 않는 제어부를 구비하고 있다.

특허 문헌 1의 서보 장치에서는 자기 센서로서, 홀 소자를 이용하고 있다. 홀 소자와 자석은 접촉하고 있지 않았기 때문에 장시간 사용해도 부품의 마모는 일어나지 않고, 전위차계와 같이 회전 각도의 검출을 할 수 없게 된다고 하는 문제는 일어나지 않는다.

일본 재공표 특허 제2011－030376호

그러나, 자기 센서를 사용했을 경우, 검출 가능한 회전 각도는 전위차계의 경우에 비해 일반적으로 좁게 되어 버린다. 자기 센서의 일종인 홀 소자를 이용한 예를 도 4를 이용하여 설명한다.

도 4(a)는 출력축(5') 방향에서 원판 형상의 자석(7')과 자기 센서(8)의 형태를 나타내는 도면이다. 자석(7')의 원주상 90°마다 점(7'a), 점(7'b), 점(7'c), 점(7'd)을 마련하고 있다. 이때의 자기 센서(8)와 가장 접근하고 있는 자석(7')의 원주상의 점의 거리를 자석 위치로 하여 출력 전압과의 관계를 도 5(c)의 비교예 1로서 나타내고 있다. 도 5(c)보다, 점(7'a)을 중심으로 한 대략 ±45°정도의 범위에서, 자석 위치에 대해서 출력 전압이 직선적으로 변화하고 있어, 회전 각도가 검출 가능으로 되어 있다.

이것에 대해서, 모형용 무선 조정 기기용의 서보 장치에서는 기준의 위치로부터 ±60°정도의 범위의 회전 각도의 검출을 행할 수 있는 것이 바람직하다. 또, 산업용 기기에 사용되는 서보 장치에서는 ±75°정도의 범위의 회전 각도의 검출을 행할 수 있는 것이 바람직하다.

본 발명은 이러한 문제점에 대해서, 자석이나 홀 소자에 특별한 가공을 행하는 일 없이, 배치의 방법을 궁리함으로써 용이하게 홀 소자 등 자기 센서의 검출 범위를 확장시키는 것을 목적으로 하는 것이다.

청구항 1 기재의 각도 검출 장치는, 회전 가능하게 지지된 자석과, 자석에 대향해서 배치된 자기 센서를 포함하는 각도 검출 장치로서, 자기 센서의 출력은 자석의 회전에 의한 자속의 변화에 따라 변화되고, 자석의 회전에 의해서 자기 센서와 자석의 거리가 변화하도록 자석을 배치한 것을 특징으로 한다.

청구항 2 기재의 각도 검출 장치는, 청구항 1에 기재된 각도 검출 장치에 있어서, 자석은 회전 가능한 축에 장착되어 있고, 회전 가능한 축에 대하여 기울어져 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 3 기재의 각도 검출 장치는, 청구항 1 또는 2에 기재된 각도 검출 장치에 대하고, 자석은 원판 형상이며, 원판의 중심을 통과하는 직선에 대해서 대칭 2극을 갖도록 착자(着磁)된 것을 특징으로 한다.

청구항 4 기재의 각도 검출 장치는, 청구항 3에 기재된 각도 검출 장치에 있어서, 자석은 회전 가능한 축에 장착되어 있고, 자석은 2극의 경계면을 따라서 기울어져 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 5 기재의 각도 검출 장치는, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항의 각도 검출 장치에 있어서, 자기 센서는 홀 소자와 증폭 회로를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 6 기재의 서보 장치는, 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항의 각도 검출 장치와, 모터와, 모터에 연결되고, 모터의 출력을 감속하는 감속기와, 감속기 및 각도 검출 장치에 연결된 출력축과, 각도 검출 장치의 출력과 외부로부터 입력된 제어 신호를 비교하고, 각도 검출 장치의 출력과 제어 신호의 차분이 제로가 되도록 모터의 회전을 제어하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

자석이나 자기 센서에 특별한 가공 등을 하는 일 없이, 배치를 궁리함으로써, 각도 검출 장치의 검출 가능 범위를 확장할 수 있다. 이것에 의해서, 종래의 전위차계를 사용한 서보 장치와 같은 회전 각도의 검출 가능 범위를 유지한 채로, 각도 검출 장치로서의 수명을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서의 서보 장치의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 있어서의 서보 장치의 제어부의 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 있어서의 각도 검출 장치의 자석의 배치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 대한 비교 예의 각도 검출 장치의 자석의 배치를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예에 있어서의 자기 센서의 출력을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 있어서의 자기 센서의 출력을 나타낸 도면이다.
도 7은 종래의 무전위차계 서보 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

실시예 1

이하, 도 1 내지 도 3을 인용하여 발명을 실시하기 위한 실시예 1을 설명한다. 도 1은 서보 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다. 도 2는 서보 장치의 제어부의 구성을 나타낸 블럭도이다. 도 3은 각도 검출 장치(6)의 자석(7)과 자기 센서(8)의 배치를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 3(a)은 출력축(5) 방향에서 자석(7)을 본 도면, 도 3(b)은 도 3(a)을 P 방향에서 본 도면이다.

본 실시예에서는 서보 장치(1)를 모형용 무선 조정 기기에 사용하고 있다.

우선, 도시하지 않는 구성도 포함한 서보 장치(1) 주변의 구성에 대해 설명한다. 서보 장치(1)는, 원격 조작되는 기기의 내부에 탑재되어 수신 장치와 접속되고 있다. 수신 장치는 조종 장치로부터 송신된 조종 신호를 수신하고, 이것을 채널마다의 펄스폭 변조 신호(이하, PWM 신호)로 변환한다. 그리고, 이 PWM 신호가 서보 장치(1)에 입력된다. 서보 장치(1)는, PWM 신호에 따라 출력축(5)에 접속된 기기의 가동부를 구동 제어한다.

서보 장치(1)의 각 구성에 대해 설명한다. 서보 장치(1)는, 제어부(2)와, 모터(3)와, 감속기(4)와, 출력축(5)과, 각도 검출 장치(6)를 구비하고 있다.

제어부(2)는, 신호 처리부(10)와, 펄스폭 비교부(11)와, 모터 드라이버(12)를 구비하고 있다. 제어부(2)는, 제어용 LSI(Large Scale Integration)로서 원칩의 IC(Integrated Circuit)를 이용해도 좋고, 복수의 IC나 회로 소자를 조합한 구성으로 해도 좋다.

신호 처리부(10)는, PWM 신호를 펄스폭에 따른 출력축(5)의 회전 각도의 목표치 정보로 변환한다. 펄스폭 비교부(11)는, 목표치 정보와, 후술하는 각도 검출 장치(6)로부터 받은 회전 각도 정보를 비교하고, 차분이 제로가 되도록 차분 신호를 생성한다. 모터 드라이버(12)는, 차분 신호를 모터(3)를 구동하기 위한 구동 신호로 변환하고, 모터(3)에 출력한다.

모터(3)는, 제어부(2)로부터의 구동 신호에 따라 회전 운동을 출력하는 장치이다. 감속기(4)는, 모터(3)의 출력을 서보 장치(1)의 출력축(5)에 전달하는 톱니바퀴이다. 모터(3)의 회전수와 출력축(5)의 회전 각도가 소정의 관계가 되도록 감속기(4)를 선택하고, 기어비를 조정한다.

출력축(5)은, 모터(3)의 회전을 감속기(4)에 의해서 소정의 기어비로, 외부에 출력하기 위한 회전 가능한 축인 회전축이다. 본 실시예와 같이 모형용 무선 조정 기기에 사용하는 서보 장치(1)의 경우, 출력축(5)의 한쪽의 단부는 서보 장치(1)의 외부로 돌출하고, 도시하지 않는 서보 호른 등의 접속 부재를 이용하여, 기기의 가동부에 접속되고 있다.

각도 검출 장치(6)는 자석(7)과 자기 센서(8)를 구비하고 있다. 자석(7)은 출력축(5)의 한쪽의 단부에 출력축(5)과 연동하여 회전 가능하게 장착되고 있다. 본 실시예에서 사용한 자석(7)은, 원판 형상을 하고 있다. 또한, 원판의 중심을 통과하는 직선에 대해서 대상으로 2극으로 착자되고 있다.

자기 센서(8)로서 본 실시예에서는 홀 소자와 증폭 회로를 구비한 리니어 홀 IC를 이용하고 있다. 홀 소자는 자속 밀도의 변화를 전압치로 출력할 수 있어 증폭 회로와 조합함으로써, 자속 밀도의 변화를 전압치의 변화로서 아날로그로 출력할 수 있다. 또한, 이 전압치로부터 자석(7)의 회전 각도를 구하고, 회전 각도 정보로서 제어부(2)에 출력하고 있다.

본 실시예에서의 자석(7)과 자기 센서(8)의 배치에 관해서 설명한다. 도 3(a)은, 회전축 5 방향에서 자석(7)을 본 도면이다. 도 3(b)은, 도 3(a)을 P 방향에서 본 도면이다.

도 3(b)에서, 출력축(5)의 축방향을 상하 방향으로 하면, 자석(7)은, 점(7a)이 지면 상하 방향에 대해 자기 센서(8)에 대해서 가장 멀어지도록, 점(7c)이 상하 방향에 대해 자기 센서(8)에 대해서 최접근하도록 기울어져 배치되어 있다. 구체적으로는, 본 실시예에서는 자석(7)을 출력축(5)에 대해서 기울어져 배치하고 있다. 그 기울기는 출력축(5)에 직교하는 면에 대해서 각도 θ로서 나타내고 있다. 본 명세서에서는, 각도 θ을 자석(7)의 기울기로서 설명한다. 또, 본 실시예에서는 자석(7)의 기울기는, 대략 10°로 되어 있다.

또, 자석(7)과 자기 센서(8)의 거리는, 출력축(5)의 회전에 수반하고, 자기 센서(8)에 가장 접근하는 자석(7)의 원주상의 점과, 자기 센서(8)와의 거리를 말한다.

또한, 본 실시예에서는 자석(7)은, 직경 7a－7c를 경계로 하여, 점(7b)이 S극, 점(7d)이 N극으로 되도록 착자되고 있다.

실시예 2

실시예 2는, 자석의 배치 방법이 실시예 1의 각도 검출 장치 및 서보 장치와는 다르다. 그 외의 구성에 대해서는, 실시예 1과 마찬가지이므로 설명을 생략한다.

도 3을 이용하여 실시예 2의 자석의 배치에 대해 설명한다. 실시예 2에서는, 직경 7b－7d를 경계로 하여, 자석(7)은 점(7a)이 N극, 점(7c)이 S극으로 되도록 착자되어서 배치되어 있다.

실시예 3

실시예 3은, 자석의 배치 방법이 실시예 1의 각도 검출 장치 및 서보 장치와는 다르다. 그 외의 구성에 대해서는, 실시예 1과 마찬가지이므로 설명을 생략한다.

도 3을 이용하여 실시예 3의 자석의 배치에 대해 설명한다. 실시예 3에서는, 직경 7b－7d를 경계로 하여, 자석(7)은 점(7a)이 S극, 점(7c)이 N극으로 되도록 착자되어서 배치되어 있다.

비교예

비교예의 구성에 대해서, 도 4를 이용하여 설명한다. 비교예는 특허 문헌 1에 나타나는 바와 같이 자석을 자기 센서에 대해서 평행하게 배치한 각도 검출 장치 및 서보 장치이다. 도 4(b)의 실선으로 나타낸 것이 비교예에서의 자석(7')의 배치 위치이며, 점선으로 나타낸 것이 실시예에서 나타낸 자석(7)의 배치 위치이다. 그 외의 구성에 대해서는 실시예 1과 마찬가지이므로 설명을 생략한다.

도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예의 지면 상하 방향에 대한 자석(7)의 점(7a)과 자기 센서(8)의 거리와, 비교예의 지면 상하 방향에 대한 자석(7')과 자기 센서(8)의 거리가 일치하도록 조정하고 있다.

실시예 1, 2, 3과 각각 자석의 착자에 대한 배치가 일치하는 비교예 1, 2, 3에 대해 검토한다.

비교 결과

실시예 1과 비교예 1을 비교한 결과를 도 5에 나타낸다. 또, 실시예 2와 비교예 2를 비교한 결과를 도 6(a)에 나타낸다. 또한, 실시예 3과 비교예 3을 비교한 결과를 도 6(b)에 나타낸다. 또, 자기 센서(8)인 리니어 홀 IC는, 인가 전압이 3V이며, 0에서 3V의 사이에서 전압을 출력하는 것을 사용하고 있다.

도 5에 있어서, 자석 위치와는 출력축(5 또는 5')의 회전에 수반하고, 자기 센서(8)에 가장 접근하는 자석(7 또는 7')의 원주상의 점의 위치를 말한다. 그리고, 점(7a 또는 7'a)을 중심으로 한 출력 전압의 직선성을 실시예 1과 비교예 1로 비교한다.

여기서 직선성에 대해 설명한다. 우선, 실시예 1에 있어서, 점(7a)으로부터 출력축(5)의 회전 각도 ±30°의 2점의 출력 전압치를 통과하는 자석 위치에 대한 출력 전압의 직선을 기준 직선으로 한다. 그리고, 같은 자석 위치에서의 기준 직선상의 출력 전압치와 실제의 출력 전압치의 차분을 리니어 홀 IC에의 인가 전압으로 제하고 백분율로 나타낸 값을 직선성으로 한다. 비교예 1도 마찬가지로, 점(7'a)으로부터 출력축(5)의 회전 각도 ±30°의 2점의 출력 전압치를 통과하는 자석 위치에 대한 출력 전압의 직선을 기준 직선으로 한다. 도 5(b)에 있어서, 실시예 1과 실시예 1의 기준 직선을 나타낸다. 또, 도 5(c)에 있어서, 비교예 1과 비교예 1의 기준 직선을 나타낸다.

자석(7')이 종래의 배치 방법인 비교예 1의 경우, 점(7'a)을 중심으로 한 대략 ±45°의 범위에서 출력 전압이 거의 기준 직선을 따라서 출력된다. 이 때, 비교예 1의 점(7'a)을 중심으로 한 ±45°의 위치의 직선성은 ±1.5%이다. 이것에 대해, 실시예 1은 직선성 ±1.5%를 확보하려고 한 경우, 점(7a)을 중심으로 한 대략 ±65°까지 검출 범위를 넓힐 수 있다.

또, 도 5와 도 6으로부터 실시예끼리를 비교하면 실시예 1이 자기 센서(8)의 출력 전압의 직선성이 가장 좋아지는 것을 알 수 있다. 그러나, 실시예 2나 3에 대해서도 각각 비교예 2, 3보다, 출력 전압의 직선성이 향상되고, 검출 가능 범위가 넓어지고 있다.

금회 사용한 리니어 홀 IC는, 0에서 3V의 사이에서 출력을 행하는 것을 사용하고 있다. 따라서, 전압의 임계치 이상으로 자속 밀도가 변화하고 있고, 실시예의 형태에서는 검출할 수 없는 회전 각도가 존재한다. 이러한 경우는, 리니어 홀 IC의 감도를 조정함으로써, 자석의 기울기가 본 실시예와 동일해도 검출 가능한 회전 각도의 범위를 증감시킬 수 있다.

이상, 실시예 1로부터 실시예 3까지를 들어서 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 설명했지만, 발명을 실시하기 위한 형태는 이들에 한정되는 것은 아니다.

예를 들면, 자기 센서로서, 보다 감도가 높은 리니어 홀 IC를 이용하면, 자석의 기울기가 보다 완만해도, 출력 전압의 직선성이 향상되고, 검출 가능한 회전 각도의 범위를 넓힐 수 있다.

또, 자석의 기울기가 큰 경우는, 기울기가 작은 경우와 비교해서, 자석의 약간의 회전으로 자기 센서에서 본 자계 강도가 크게 변화하므로, 회전 각도 정보로 요동(지터)이 생길 가능성이 있다. 그 때문에, 감도가 높은 자기 센서를 이용하여, 자석의 기울기는 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 특히, 자석의 기울기는 5°~ 30°정도로 하는 것이 바람직하다.

또, 실시예에서는 각도 검출 장치를 모형용 무선 조정 기기의 서보 장치에 사용했지만, 본 발명의 각도 검출 장치를 회전축의 각도를 계측하는 다른 용도에 사용해도 좋다.

1, 10 : 서보 장치 2 : 제어부
3, 11 : 모터 4, 12 : 감속기
5, 13 : 출력축 6 : 각도 검출 장치
7, 7', 14 : 자석 8, 8', 15 : 자기 센서

Claims

회전 가능하게 지지된 자석과,
자석에 대향해서 배치된 자기 센서
를 포함하는 각도 검출 장치로서,
상기 자기 센서의 출력은 상기 자석의 회전에 의한 자속의 변화에 따라 변화되고,
상기 자석의 회전에 의해서 상기 자기 센서와 상기 자석의 거리가 변화하도록 상기 자석을 배치하되,
상기 자석은 원판 형상이며, 상기 원판의 중심을 통과하는 직선에 대해서 대칭 2극을 갖도록 착자되며,
상기 자석은 회전 가능한 축에 장착되어 있고, 상기 2극의 경계면을 따라서 5°~ 30° 기울어져 있되,
상기 자석의 상기 2극의 경계면 중 하나의 끝 부분은 자기 센서와의 상하 방향에 대해서 상기 자기 센서와 가장 멀어지고, 상기 경계면 중 다른 하나의 끝 부분은 상기 자기 센서와의 상하 방향에 대해서 최접근하도록 배치된 것
을 특징으로 하는 각도 검출 장치.
회전 가능하게 지지된 자석과,
자석에 대향해서 배치된 자기 센서
를 포함하는 각도 검출 장치로서,
상기 자기 센서의 출력은 상기 자석의 회전에 의한 자속의 변화에 따라 변화되고,
상기 자석의 회전에 의해서 상기 자기 센서와 상기 자석의 거리가 변화하도록 상기 자석을 배치하되,
상기 자석은 회전 가능한 축에 장착되어 있고, 상기 회전 가능한 축에 대해 기울어져 있으며,
상기 자석은 원판 형상이며, 상기 원판의 중심을 통과하는 직선에 대해서 대칭 2극을 갖도록 착자되었으며,
상기 자석은 상기 2극의 경계면을 따라서 5°~ 30° 기울어져 있되,
상기 자석의 상기 2극의 경계면 중 하나의 끝 부분은 자기 센서와의 상하 방향에 대해서 상기 자기 센서와 가장 멀어지고, 상기 경계면 중 다른 하나의 끝 부분은 상기 자기 센서와의 상하 방향에 대해서 최접근하도록 배치된 것
을 특징으로 하는 각도 검출 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 자기 센서는 홀 소자와,
증폭 회로
를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 각도 검출 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 각도 검출 장치와,
모터와,
상기 모터에 연결되고, 상기 모터의 출력을 감속하는 감속기와,
상기 감속기 및 상기 각도 검출 장치에 연결된 출력축과,
상기 각도 검출 장치의 출력과 외부로부터 입력된 제어 신호를 비교하고, 상기 각도 검출 장치의 상기 출력과 상기 제어 신호의 차분이 제로가 되도록 상기 모터의 회전을 제어하는 제어부를 구비한
서보 장치.