JP4901579B2 - 角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸回りの回転角の検出装置に係り、特に相対回転角度を出力するセミアブソリュート型角度検出器を用いて絶対回転角度を出力する角度検出装置に関する。

回転軸回りの回転角を正確に検出することは回転機構を有する装置の制御に欠くことはできない。例えば、撮像装置を備えるジンバル機能において、撮像される目標物体の移動に追随して撮像装置を回転させてこのジンバル機構が備えられた装置に対する目標物体の位置を算出するためには、各回転軸回りの回転角度を検出することが必要となる。

このような回転角度を検出するための従来の角度検出装置においては、回転軸回りの絶対回転角度を検出するアブソリュート型角度検出器を用いて構成されていた（例えば、特許文献１）。
特許２６０２９０８号公報

しかし、精度の高いアブソリュート型角度検出器は高価であるため、製品価格を押し上げるという問題点があった。

一方、セミアブソリュート型角度検出器は価格の安いが絶対回転角を出力するものではなく、ある角度を繰り返し出力するのみであるため、そのまま用いることができないという問題点があった。

本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、高精度の絶対回転角度を検出する安価な角度検出装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、回転モータによって回転される回転部材の回転を止めるストッパと、回転モータの回転軸の回転を検出するセミアブソリュート型角度検出器と、この回転モータによって演算と回転モータの制御を行なう制御部とを設け、この制御部が回転モータを回転部材がストッパによって止められるところまで回転させ、このときセミアブソリュート型角度検出器が出力した検出角度を基準角度として初期化し、この初期化後にセミアブソリュート型角度検出器の回転数であるピッチ数とセミアブソリュート型角度検出器の最大検出角度であるピッチ角を掛けた積と実測した検出角度を足した和から基準角を引いた差を絶対回転角度として算出する角度検出装置を提供する。

本発明によれば、角度検出装置にセミアブソリュート角度検出器を用い、セミアブソリュート角度検出器の出力を更に演算加工して絶対回転角度を算出する。このたため、高精度に絶対回転角度を算出する角度検出装置を安価に提供することが可能となるという効果がある。

以下、本発明による角度検出装置の一実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。

＜実施形態の詳細＞
図１は、本実施形態の角度検出装置をジンバル機構に設置した場合の構成を示す概要図である。図１に示すように、本実施形態の角度検出装置１０１は、互いに直交する回転軸１０２と回転軸１０３である２つのジンバル回転軸に回転部材１０９を回転させるジンバル機構に備えられている。

角度検出装置１０１は、回転軸１０２，１０３回りに回転する回転モータ１０４，１０５と；これらの回転モータ１０４，１０５の回転軸の回転を検出し、３６０°より小さい角度であるピッチ角度を出力するセミアブソリュート型角度検出器１０８（他の一つは図示せず。）と；これらの回転モータ１０４，１０５が回転させる回転部材１０９を予め定められた角度以上に回転しないように回転部材１０９の回転を停止させるストッパ１０６，１０７と；回転モータ１０４，１０５の回転を制御し、各セミアブソリュート型角度検出器から入力した検出角度から回転部材１０９の絶対回転角を算出する制御部（図示せず）と；を備える。

図１においては、ストッパ１０６，１０７は回転するほうの部材にそれぞれ突起として設けられているが、回転部材１０９を予め定められた角度以上に回転しないように回転部材１０９の回転を停止させるものであればその設置位置や形状を問わない。

また、図１においては各回転モータ１０４，１０５の回転部材１０９を挟んで反対側に各セミアブソリュート型角度検出器を設けているが、各回転モータ１０４，１０５と回転部材１０９に対して同じ側に各セミアブソリュート型角度検出器を設けてもよい。

図２は、本実施形態の角度検出装置１０１を設置したジンバル機構を図１の矢印Ａの方向からみた図である。図２に示すように、ストッパ１０６は支持部材２０１に当たって回転部材１０９が所定の角度以上に回転しないように回転部材１０９の回転を停止させる位置に設けられる。

図３は、本実施形態の角度検出装置１０１を設置したジンバル機構を図１の矢印Ｂの方向からみた図である。図３に示すように、ストッパ１０８は支持部材３０１に当たって回転部材１０９が所定の角度以上に回転しないように回転部材１０９の回転を停止させる位置に設けられる。

ここで、セミアブソリュート型角度検出器について説明する。本実施形態において用いるセミアブソリュート型角度検出器は、回転角度を検出して電気信号を出力する。アブソリュート型角度検出器は、１回転における絶対角度を出力する。これに対しセミアブソリュート型角度検出器は、回転軸が一定方向に回転するに従い、例えば０°から６０°を繰り返して出力する。このように、セミアブソリュート型角度検出器が出力する角度の最大値をピッチ角度と呼ぶ。

今、ピッチ角度が６０°であった場合、セミアブソリュート型角度検出器は、回転軸が一定方向に回転するに従い、６回ピッチ角度を出力する。このように、ピッチ角度を出力する回数をピッチ数と呼ぶ。

セミアブソリュート型角度検出器の例としては、インクリメンタル方式のロータリーエンコーダを挙げることができる。

図４は、セミアブソリュート型角度検出器の検出角度Ｘと回転軸の回転角度との関係を示したグラフである。ここで、ピッチ角は１回転におけるピッチ数をｎとすると（３６０／ｎ）で表される。このようにセミアブソリュート型角度検出器は、回転軸が一定方向に回転するとき、０°からＸ°を繰り返し出力する。

次に、本実施形態の角度検出装置１０１の接続の構成について説明する。図５に示すように、本実施形態の角度検出装置１０１は、第１のモータ５０１と、この第１のモータ５０１の回転軸の回転を伝える第１の伝達部５０３と、この第１の伝達部５０３から回転を伝えられる第１のセミアブソリュート角度検出器５０２と、第２のモータ５０４と、この第２のモータ５０４の回転軸の回転を伝える第２の伝達部５０６と、この第２の伝達部５０６から回転を伝えられる第２のセミアブソリュート角度検出器５０５と、制御部５０７とを備える。

第１の伝達部５０３と第２の伝達部５０６は、それぞれ歯車などの減速装置を用いることができるが、第１の伝達部５０３と第２の伝達部５０６を用いずに各モータの回転軸に直接セミアブソリュート角度検出器の回転部分を取り付けてもよい。

制御部５０７は、演算を行なう信号処理部５０８と、各モータの制御を行なうモータ制御部５０９とを有する。制御部５０７は、例えば演算装置であるＣＰＵと、記憶装置であるメモリを用いて構成することができる。

第１のセミアブソリュート角度検出器５０２と第２のセミアブソリュート角度検出器５０５からの出力は、それぞれ制御部５０７の信号処理部５０８に入力する。信号処理部５０９は、モータ制御部５０９にモータ制御信号を出力する。信号処理部５０８は、後述するように絶対回転角度５１０を出力する。

次に、本実施形態の角度検出装置１０１の制御部５０７の動作について説明する。絶命を簡潔にするために、先ず第１のモータ１０４の回転軸１０２の回転を検出するように設置されたセミアブソリュート型角度検出器１０８について述べる。

制御部５０７は、回転モータ１０４を回転部材１０９がストッパ１０６によって停止されるまで第１の方向に回転させ、回転部材１０９がストッパ１０６によって停止されたときにセミアブソリュート型角度検出器１０８から入力した検出角度を基準角に設定するとともにピッチ数を初期化、すなわち“０”に設定する。

制御部５０７はこの初期化後に、回転モータ１０４を第１の方向とは逆の第２の方向に回転させたときにセミアブソリュート型角度検出器１０８から入力した検出角度である制御検出角度が予め定められた値、すなわちピッチ角に達したときにピッチ数を加算して検出ピッチ数とする。

制御部５０７は、制御検出角度βに検出ピッチ数ｋとピッチ角度Ｐを掛けた積を加えた和から基準角αを引いた差を絶対回転角度Ｄとして出力する。すなわち、以下の（１）式により絶対回転角度Ｄを算出する。

Ｄ＝β＋ｋ×Ｐ−α ・・・ （１）
（１）式では、検出ピッチ数ｋとピッチ角度Ｐを掛けているが、制御検出角度がピッチ角を超えたときに絶対回転角度にピッチ角を累積加算して絶対回転角度Ｄを算出するように構成してもよい。

すなわち、初期化後に、回転モータ１０４を第１の方向とは逆の第２の方向に回転させたときにセミアブソリュート型角度検出器１０８から入力した制御検出角度がピッチ角を超えたときにピッチ角を絶対回転角度に累積加算し、制御検出角度と絶対回転角度とを加えた和から前記基準角を引いた差を絶対回転角度として出力するように構成してもよい。

制御部５０７は、回転モータ１０４を第２の方向に回転させた後に第１の方向に回転させたとき、制御検出角度βが直前の制御検出角度より大きくなった場合には検出ピッチ数から“１”を減算して検出ピッチ数ｋとするように構成することもできる。

図６を用いて具体的に説明する。図６は、制御部５０７の動作を示すフローチャートである。ステップＳ６０１において、制御部５０７は第１のモータ１０４を第１の方向に回転させる。

ステップＳ６０２において、制御部５０７は第１のモータ１０４が回転を手逸したかを判定する。判定の方法は、例えば一定時間毎に第１のセミアブソリュート角度検出器５０２から出力される値を、直前に第１のセミアブソリュート角度検出器５０２から出力された値を比較し、これらの差が所定の閾値以下であった場合には停止していると判定する。制御部５０７は、停止していないと判定したときはステップＳ６０１に戻り、手逸していると判定したときはステップＳ６０３に進む。

ステップＳ６０３において、制御部５０７は第１のセミアブソリュート角度検出器５０２から出力された検出角度を基準角αに設定する。さらに、ステップＳ６０４において、制御部５０７はピッチ数ｋに“１”を設定する。

ステップＳ６０５において、制御部５０７は第１のモータ１０４を第１の方向とは逆の第２の方向に回転させる。ステップＳ６０６において、このときの制御検出角度βがピッチ角と等しいかを判定する。制御部５０７は、等しいと判定したときはステップＳ６０７に進み、等しくないと判定したときはステップＳ６０８に進む。

ステップＳ６０７において、制御部５０７はピッチ数に“１”を加算する。ステップＳ６０８において、制御部５０７は上述した（１）式により絶対角度を算出し、出力し、ステップＳ６０５に戻る。

以上に、制御部５０７の第１のモータ１０４の回転軸１０２の回転を検出するように設置されたセミアブソリュート型角度検出器１０８に関する動作について述べたが、制御部５０７の第２のモータ１０５の回転軸１０３の回転を検出するように設置されたセミアブソリュート型角度検出器に関する動作についても同様の動作となる。

＜実施形態の効果＞
以上述べたように、本実施形態の角度検出装置１０１は、セミアブソリュート角度検出器を用い、ストッパによって回転が停止された角度に基づいて基準角を設定し、ピッチ数を初期化した後に、検出ピッチ数とピッチ角と制御検出角度と基準角から絶対回転角度を算出する。このため、高精度の角度検出装置を安価に提供することが可能となるという効果がある。

＜本発明の具体化における可能性＞
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

角度検出装置をジンバル機構に設置した場合の構成を示す概要図である。 角度検出装置を設置したジンバル機構を図１の矢印Ａの方向からみた図である。 角度検出装置を設置したジンバル機構を図１の矢印Ｂの方向からみた図である。 セミアブソリュート型角度検出器の検出角度Ｘと回転軸の回転角度との関係を示したグラフである。 角度検出装置の接続を示した構成図である。 制御部の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０１：角度検出装置、
１０２，１０３：回転軸、
１０４，１０５：回転モータ、
１０６，１０７：ストッパ、
１０８：セミアブソリュート型角度検出器、
１０９：回転部材。

Claims (6)

1. 回転軸回りに回転する回転モータと；
   前記回転モータの回転軸の回転を検出し、３６０°より小さい角度であるピッチ角度を出力するセミアブソリュート型角度検出器と；
   前記回転モータが回転させる回転部材を予め定められた角度以上に回転しないように回転部材の回転を停止させるストッパと；
   前記回転モータの回転を制御し、前記セミアブソリュート型角度検出器から入力した検出角度から前記回転部材の絶対回転角を算出する制御部と；
   を備える角度検出装置であって、
   前記制御部が、
   前記回転モータを前記回転部材が前記ストッパによって停止されるまで第１の方向に回転させ、前記回転部材が前記ストッパによって停止されたときに前記セミアブソリュート型角度検出器から入力した検出角度を基準角に設定するとともにピッチ数を初期化し、
   前記初期化後に、前記回転モータを第１の方向とは逆の第２の方向に回転させたときに前記セミアブソリュート型角度検出器から入力した検出角度である制御検出角度が予め定められた値に達したときにピッチ数を加算して検出ピッチ数とし、
   前記制御検出角度と前記検出ピッチ数と前記ピッチ角度と前記基準角とから絶対回転角度を算出して出力する、
   ことを特徴とする、角度検出装置。
2. 回転軸回りに回転する回転モータと；
   前記回転モータの回転軸の回転を検出し、３６０°より小さい角度であるピッチ角度を出力するセミアブソリュート型角度検出器と；
   前記回転モータが回転させる回転部材を予め定められた角度以上に回転しないように回転部材の回転を停止させるストッパと；
   前記回転モータの回転を制御し、前記セミアブソリュート型角度検出器から入力した検出角度から前記回転部材の絶対回転角を算出する制御部と；
   を備える角度検出装置であって、
   前記制御部が、
   前記回転モータを前記回転部材が前記ストッパによって停止されるまで第１の方向に回転させ、前記回転部材が前記ストッパによって停止されたときに前記セミアブソリュート型角度検出器から入力した検出角度を基準角に設定するとともにピッチ数を初期化し、
   前記初期化後に、前記回転モータを第１の方向とは逆の第２の方向に回転させたときに前記セミアブソリュート型角度検出器から入力した検出角度である制御検出角度が予め定められた値に達したときにピッチ数を加算して検出ピッチ数とし、
   前記制御検出角度に前記検出ピッチ数と前記ピッチ角度を掛けた積を加えた和から前記基準角を引いた差を絶対回転角度として出力する、
   ことを特徴とする、角度検出装置。
3. 回転軸回りに回転する回転モータと；
   前記回転モータの回転軸の回転を検出し、３６０°より小さい角度であるピッチ角度を出力するセミアブソリュート型角度検出器と；
   前記回転モータが回転させる回転部材を予め定められた角度以上に回転しないように回転部材の回転を停止させるストッパと；
   前記回転モータの回転を制御し、前記セミアブソリュート型角度検出器から入力した検出角度から前記回転部材の絶対回転角を算出する制御部と；
   を備える角度検出装置であって、
   前記制御部が、
   前記回転モータを前記回転部材が前記ストッパによって停止されるまで第１の方向に回転させ、前記回転部材が前記ストッパによって停止されたときに前記セミアブソリュート型角度検出器から入力した検出角度を基準角に設定し、
   前記初期化後に、前記回転モータを第１の方向とは逆の第２の方向に回転させたときに前記セミアブソリュート型角度検出器から入力した検出角度である制御検出角度と制御検出角度と前記ピッチ角度と前記基準角とから絶対回転角度を算出して出力する、
   ことを特徴とする、角度検出装置。
4. 回転軸回りに回転する回転モータと；
   前記回転モータの回転軸の回転を検出し、３６０°より小さい角度であるピッチ角度を出力するセミアブソリュート型角度検出器と；
   前記回転モータが回転させる回転部材を予め定められた角度以上に回転しないように回転部材の回転を停止させるストッパと；
   前記回転モータの回転を制御し、前記セミアブソリュート型角度検出器から入力した検出角度から前記回転部材の絶対回転角を算出する制御部と；
   を備える角度検出装置であって、
   前記制御部が、
   前記回転モータを前記回転部材が前記ストッパによって停止されるまで第１の方向に回転させ、前記回転部材が前記ストッパによって停止されたときに前記セミアブソリュート型角度検出器から入力した検出角度を基準角に設定し、
   前記初期化後に、前記回転モータを第１の方向とは逆の第２の方向に回転させたときに前記セミアブソリュート型角度検出器から入力した検出角度である制御検出角度が予め定められた値に達したときにピッチ角を絶対回転角度に累積加算し、
   前記制御検出角度と前記絶対回転角度とを加えた和から前記基準角を引いた差を絶対回転角度として出力する、
   ことを特徴とする、角度検出装置。
5. 互いに直交する回転軸である２つのジンバル回転軸に前記回転部材を回転させるジンバル機構に備えられ、
   ２つの前記回転モータが、それぞれ前記ジンバル回転軸毎に前記回転部材を回転させ、
   前記制御部が、前記回転部材の２つの前記ジンバル回転軸回りの絶対回転角度を出力する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の角度検出装置。
6. 前記セミアブソリュート型角度検出器が、インクリメンタル方式のロータリーエンコーダであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の角度検出装置。

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