JPS6327701A - 角位置決定装置 - Google Patents

角位置決定装置

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JPS6327701A
JPS6327701A JP62166256A JP16625687A JPS6327701A JP S6327701 A JPS6327701 A JP S6327701A JP 62166256 A JP62166256 A JP 62166256A JP 16625687 A JP16625687 A JP 16625687A JP S6327701 A JPS6327701 A JP S6327701A
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JP
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teeth
rotor
angular position
stator
sensors
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JP62166256A
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クリスチャン　グレイズ
ギユイ　ルマルクアン
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/12—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using detecting coils using the machine windings as detecting coil
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02—Sensing devices
    • B25J19/027—Electromagnetic sensing devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/242—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by carrying output of an electrodynamic device, e.g. a tachodynamo

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は２個の静止型または回転型の同軸部材間に配惹
され、その磁気リラクタンスが万位Ｚ）の関数として変
化するように構成された角装置センサまたはトランスデ
ユーサに関するものである。
本発明はまた、上記センサまたはトランスジューサを数
個面えた角位置検出手段に関するものである。
［従来の技術］ ロボットのアーム継手の作動角度を精密に測定する必要
があるため、ロボット工学分野においては非常に精密な
角位置測定装置が要求される。円運動を微細に分割し得
る装置を相豆接続または角度増イ８器〈特に歯車）で延
長した一連の装置によって、微ＩＩＩな角変位の検査を
行うことが可能である。
磁気リラクタンス変化に基づく方法では、強磁性構造の
周囲に巻かれたコイルに交流″を気信号を流す過程が含
まれる。それにより生じた磁束は、相対的に変位する２
個の類似部材からなる磁気回路を流れる。電気回路を流
れる電気信号は上記磁束に大きく依存するので、電気信
号と磁束は同様な特性を持つ。それらの特性から、磁気
回路を形成する２個の部材の相対位ｄをセンサによって
求めることができる。
この現象を利用して角位置の決定に応用する装置は、空
隙で分離された歯列を備えたステータとロータによって
構成される。角位置センサの応用に関しては、ステータ
、ロータはインダクタとアマチャという概念であり、内
側、外側の部材を逆にしたり、平面空隙を挟むように２
個の部材を平行配冒することが可能であって、その呼称
はあまり重要ではない。この概念は本発明においても適
用される。
非常に精密な測定が可能な従来の万位■レン４ノには二
つの形式があり、それらの例を第１図、第２図に示す。
第一の例の場合は、コイルを巻いていない部材には、そ
の周囲にＭ個のパターン（突起または歯）が規則的に配
冒され、誘導部材の方にはｎＸＭ個の小さいパターンが
施されており、それらはｎ個のパターンからなるＭｌ［
ｐのグループに区分され、各グループにはコイルが巻か
れており、隣接コイルから２π／ｎだけ位相の違う交流
電流が各コイルに供給される。ただし、２梢コイルの場
合は４　Ｍ　ｆｌｙのパターンが必要である。
このＪ：うに上記センサは２π／Ｍラジアンの間隔で配
買された繰り返しパターンを備えている。
゛市気角は癲械角のＭ倍に等１）くなる。Ｍが大きくな
れば、原理上はより定精度が白土することになるが、部
材の加工上の誤差に基づく制約がある。特に、多相°１
七流を供給する場合にはコイルを巻いた部材上のパター
ン数が増加するので原理通りに粘度は向上しない。
第２図に示η第二の形式のセンサまたはトランスジュー
サは１．８．　ｃｕｓｈｒｎｇによる論文（“＾Ｎｅｗ
　　ｔｌｉｇｔ＋　　八ＣＣｕｒａＣｙ　Ａ１１（ｌｔ
ｌｌａｒ　　Ｐｏ５ｉｔｉｏｎ　　ＴｒａｌｌＳ−ラッ
クが設けられ、各ラックにｔまぼ等しい個数の歯が施さ
れている。この場合（まステータにコイルが巻かれてお
り、コイルには多相交流電流が供給される。このセンサ
の主な特長は一方の部材のラックが不規則な間隔で配置
されているため、同相のコイルを巻いたラックの歯が常
に他方゛の部材の歯に対向するのと同じような配列にな
ることである。また、ロータが回転すると、ステータ上
の一つのラックがロータの歯と対向し、ステータの別の
ラックが最初の位置に入るので、このローフ回転は、こ
れら２個のステータラックのコイルに供給される電流間
の位相差に等しい電気角　ば　に相当する。
このように原理的には上記二個とも同じであるので、や
はり、使用パターンの個数は加工公差によって実用上の
制限を受ける。
本発明によれば、筒車な構成、具体的にはロータとステ
ータに同数の歯を規則的に配置した角位置センサによっ
て上記制限を取り除くことが可能である。本発明の好適
実施例によれば、これらセンサを数個並列配置すること
により、従来より細かい角度単位を判別し得る角位置決
定手段が構成される。
［発明の要約１ 本発明は角位置センサに関するものであって、具体的に
は、規則的に分布する同数の歯を持ち、空隙によって分
離された強磁性体のロータおよびステータと、空隙の噴
気リラクタンスを？Ａ１１定するためにロータまたはス
テータ上のすべての歯の周囲に配置された単相コイルと
、ロータおよびステータが静止状態の時に、コイルを流
れる電気信号の変調状態を測定する電子システムとによ
って構成される。
本発明はまた、２個の同軸部材の角位置を決定する手段
に関するものであって、前記のセンサを複数個と、任意
のセンサのロータの歯とステータの歯との闇の変位角度
が他のセンサに関する対応角度と異なるような状態で一
方のロータと他方のステータを結合する機械的結合手段
と、異なるセンサの電子システムから得られる信号を結
合する電子的手段とによって構成される。
本発明の角位置決定手段の好適実施例によれば、ロータ
の歯数とセンサの個数の積で２πを割った商を加減する
か、またはロータの歯数で２πを割った値より小さい前
記商を逓倍することにより、任意のセンサについてロー
タの歯とステータの歯の間の変位角度を他のセンサに関
する対応角度から推論することが可能であり、使用セン
サの内の２個のセンサのロータおよびステータの歯の変
位差もまた、前記の商または倍数で表される。しかし、
センサの数が２個の場合は例外であって、ロータとステ
ータの歯の間の変位が歯数でπ／２または２π／３を割
った商と異なることが好ましい。
本発明の好適実Ｍ　ＩＰＩによれば、［１−夕およびス
テータのほぼ矩形状の歯の高さと歯の端部で形成される
円弧との比は０．５〜２であり、ロータおよびステータ
の歯で形成される円弧全体に対応する角度はπ／３〜π
となる。
［実施例］ 以下に付図を参照しながら本発明の詳細な説明する。
第１図はＭ個の歯３を持つロータ１と３’ｘ　Ｍ個の歯
４を持つステータ２とを備えた周知の装置を示す。電源
はコイル５．６．７を含む３相システムから供給される
。
各６Ｆ１３は３個の歯４と対向するように配置されてい
る。ロータ丁が角度α−２π／Ｍだけ回転すると前と同
様の状況が（ｑられ、これは電気角度２πに相当する。
ロータ１の回転が上記より小さい場合は、ロータ１とス
テータ２の相対位置に変化が生じる。その結果、ロータ
１とステータ２の歯の間のパーミアンスが変動し、空隙
８．９．１ｏ、１１を通過する磁束強度に変化が生じる
。従って、強度を一定値と仮定すると、ロータ１が角度
αに相当する周期で回転している間、コイル５．６．７
の端子電圧は連続的に変化する。これは複雑な現象であ
るため、この９初演則は公式化が困テ「であり、歯３．
４のＭ４込設計（空隙、高さ、弓状度、双方の歯の相対
形状）とコイル５〜７の位置に大きく依存する。しかし
、前記強度が回転角度の関数として実質的に正弦波的に
変動するようにすることは可能であって、これは測定の
利用には非常にイｉ刊である。
第２図は別の周知例を示すもので、改械的周期角度の一
部分に相当する電気角度２πを得ることが可能である。
この図に４３いて［１−夕２の歯４はラック１２上に形
成され、ラックによって区分された各歯列が３１９の電
圧からそれぞれ受電する。
なお、この位ｎにおいて、Ｂで示すラック１２のＦＡ４
はロータ１のｔ＠３と対向するが、ラックＡ１Ｃ上の歯
はこのような位置関係にならない、、、＃３に対する歯
への角変位は２１１！！Ｉｆ７）隣接歯３の分離角度の
１／３に等しく、それに対して歯Ｃの角変位は上記分離
角度の２／３となり、これは３組の間の電気的位相変化
２π／３に対応する。従って、上記変位に相当する機械
的角度すなわち２π／３Ｍ　（Ｍはｍ３の個数）だけ歯
を変位させる必要がある。
角度センサの具体的実現例を示す第２図は朋持し得る精
度を概念的に示すものであるが、ロータ２の機械加工に
は高い費用と困ガが伴う。そのため、本発明に利用する
第３図のセンサにはこの構成を採用しない。本発明の場
合も歯３．４を設けたロータ１．２を用いるが、ステー
タおよびロータの歯数を共にＭとし等間隔で配置し、全
ての歯の周囲すなわらこの場合はステータ２の歯４の周
囲に１個づつの」イル２０を設ける。しかし、多くの部
分に分割されたコイルとすることも可能である。但し、
この場合これらのすべての部分はすべての歯の周囲に巻
線を備えていな（プればならない。従って、電流は単相
である。［」−夕１の内径面には凹所を設けて、これを
キー満２１とし、ステータ２の外周囲には２個のキー満
２２．２３を設ける。これらキー満に対応するキーはそ
れぞれ参照番号４１．４２で示されている（第４図参照
）。
発明の説明なりｃｔする前に上記センサに関連づ″る一
般用語の定義すなわち、ロータはステータの内側、外側
のいずれに配置されるのか、あるいは空隙が平面になる
ように両者がシャフトにそって並列配ｄされるのか、コ
イルはロータ、ステータのいずれに巻かれるのか等につ
いて述べておく。−般的には、ロータ、ステータという
用語は本発明を容易に理解するためのもので、これらの
用語は本発明の範囲を限定しないものとする。
ロータ１の回転中、空隙２４の形状は変化し、上記例で
はステータ１とロータ２から形成される磁気回路のパー
ミアンスが変化し、コイル２０の電流も変化する。しか
し、この場合、電気角の関数としてほぼ正弦波的に変化
する電圧信号ずなわちｖ＝ｖ、ｃｏｓθ　ｓｉｎΩｔ（
Ωｔま交流信号の周波数）を１ｑることはできない。第
３図のセンサの場合、フーリエ展１ノーの結果として ■＝（ｖｏ十■１ＣＯ５θ＋・・＋Ｖ、　ＣＯＳ　ｉ　
（７＋−＝）　Ｓ山Ωｔが得られる。理想としてはｖ１
以外のすべての■、が相殺されることであるが、■ｏに
ついては不可能である。しかし、適切な形状の歯を用い
ることにより、Ｖ　　、Ｖ　　等の項の影響を小さくす
ることは可能である。コンビコータによるシミュレーシ
ョンの結果、ロータ上に規則的に配置されたほぼ矩形の
部分からなるＭ個の歯３については下記の法則が成り立
つことが判明した。すなわち、βをラジアンで表した場
合、比（Ｒ３ｅ−Ｒ３ｉ）／βＲ３ｅは０．５〜２、角
度βｘＭはπ／３〜πとなる。
上記比例関係はステータ２の歯４にも適用可能であって
、電流強度が一定であれば、係数■２、■３等を大幅に
減らすことが可能になるので、結果的に電圧は■＝（■
　＋Ｖ１ＣＯ５θ）　ｓｉｎΩｔとして（９られ、非常
に簡単に利用することができる。本発明の範囲内で定電
圧信号を供給することも可能であり、そのとき信号強度
（よθの関数として定数 （ｉ＝（ｉｏ＋ｉｌ　ｃｏｓＯ＋−・・＋ｉ、ｃｏｓｎ
θ：ｌ　ｓｉｎΩｔ）の範囲内で疑似正弦波的に変化す
る。なお、この信号は同様に電子的に処理される。
第４図には第３図に示す形式の２個の同一・のセンサま
たはｊ〜ランスデコー＋１２５．２６が２明示されてい
る。軽量化とケーブル通路を３９．けるため、２個のロ
ータは中空シャフト２２上に設置することが好ましい。
２個のロータ１の歯３の整合はキー満２１によって行わ
れる。しかし、第５図に示す外周上の一方のキー満２２
と他方のキー溝２３の整合によってステータの角変位が
生じる。溝２２．２３によって形成される角度は重要で
はないが、その値は２πをＭと使用センサ数またはその
倍数で割った商であるので、異なるステータの電気角は
それぞれＯ〜２π間に等間隔で分布し、それらはすべて
異なる値である。図には示されていないが、歯数３０の
３個のセンサの場合、角変位は電気的は２π／３、別様
的には２π／９０となる。大台生産の場合には、各セン
サのステータに２π／９０と２π／４５（最初のキーに
対してモジュロ２π／３０）の間隔で３個のキー溝を設
けることができる。ロータの回転の関数として３個のス
テータから得られる信号は、センサの応答が周期的かつ
正弦波的であると仮定すると第８図に示すようになる。
しかし、センサが２個の場合は例外である。その場合、
上記原理を適用するためには電気角度が２π／２になる
ように２個のセンサを配置すればよい。第６図は電気角
ρＯ１ρ１の間隔が２πではない場合に両方のセンサか
ら同一信号が出力されるごとを示している。すなわら、
信号と電気角の間の一義的な対応が失われることになる
。従って、ステータは異なる電気角で配置する必要があ
る。電気角の値どしてπ／２を採用するのが一般的であ
るが、２π／３も使用可能である。その場合は第７図に
示すような信号が１７られる。
第５図は本発明実施例の変形を部分的に直径方向から児
た図である。一般的には、この構造にＪりいては、すべ
ての歯の機能が同じであるので、ステータ２に対してロ
ータ１を厳密に芯合わせする必要はない。位四決め、真
円度、歯３．４の角度分布に誤差が生じても、第１図、
第２図の装置と比較して支障が非常に少ない。図には示
していないが、芯合わせはシャフト２７上と外周４０に
位置するボールベアリングによって行われると考えてよ
い。この角位置決定装置は基本的にはセンサ２５．２６
のみで構成されるので、ＩＰ１聞になる。
ステータ２と〇−タ１間の軸方向変位による影響は、そ
の長さを長くすることによって大幅に軽減することがで
きる。磁気回路のパーミアンスを異常に大きくしないた
めの確実な方策がある。第５図に示すように、２個の個
別〔１−夕の代わりに、２個のステータ２ａ、　２ｂに
対向し得る十分な良さの単一ロータ５１を使用すること
が可能である。
そうすれば、センサの取り付け、製作が更に簡単になる
。
また、図には示されていないが、各センサ２５．２６に
対してロータ１または５１の歯３の周囲に別の追加コイ
ルを巻くことにより、前記とは少し異となる角位置決定
装置を実現することも可能である。各センサ２５．２６
の二重コイルの一方は電源供給用として使用しく単一〇
−タの場合は第５図のように構成内にロータ用の電源が
必要）、他方は誘導電気信号収集用として使用する。
さらに、第３図で述べたようなセンサ２５を１個だけ使
用することも可能である。コイル２０の端子電圧と信号
強度の対応関係を抽出するための固定抵抗等によってシ
ャント回路を構成し、この回路を用いてコイル２０の端
子電圧とそのコイルを流れる信号強度を比較することが
できる。したがって、この比較動作はコイル２ｏを流れ
る信号の強度とシャント回路を流れる信号の強度とに関
して実行される。
単一センサ２５を使用する場合、広範囲な測定をしたい
ときに不確実要素があるので、πに等しい電気角の測定
しか実行できないという欠点がある。また、単一センサ
２５の場合は高ｗ１度が得られない。
本発明の上記実施例では、得られた信号は、例えば［５
ｙｎｃｈｒｏ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　１ｌａｎｄｂｏ
ｏｋ、　［１−ＣＤａｔａ口ａｖｉｃｅ　　Ｃｏｒｐｏ
ｒａｔｉｏｎ、１９８２Ｊに記載の回路など周知の回路
において電子的に利用される。
以上のように角位置センサ２５には多くの利貞がある。
このセン９−は形状が甲純であり、複雑な製造工程を必
要としない。さらに、中相コイルの使用によって、ロー
タ１、ステータ２を支持する部材２７．４０の同心性不
良や歯３．４の加■むらに起因する影響を制限すること
が可能である。
このような誤差は空隙全体２４にわたって平均化され、
結果的にはほとんど相段される。
上記センサ２５を複数個使用した角位置決定手段を用い
ることにより、補足的な利点が得られる。
角度の細分化が可能になると共に、単一の突出型ロータ
２５の使用により、支持部材２７．４０の同心性不良に
起因する影響をイ１１限ツることが可能である。並列配
置されるセンサ２５の個数については理論的には制約が
ないが、キー４１．４２による調節または設定精度が非
常に高ければ、実際にこの個数は多くなる。したがって
、本発明によれば、非常にａ精度な角位置α１定が可能
になり、これはロボット工学分野において非常に有用な
ことを示している。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来のセンサまたはトランスデユーサを軸方向
から見た図、 第２図は別の従来センサを軸方向から見た図、第３図本
発明に使用されるセンサを軸方向から見た図、 第４図は本発明の実施例の簡略透視図、第５図は本発明
の別の実施例の断面図、第６図〜第８図はリラクタンス
装置から１序られろ各種信号を示ず図である。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）２個の同軸部材に対する角位置センサであつて、
    規則的に分布する同数の歯を持ち、空隙によつて分離さ
    れた強磁性体のロータおよびステータと、前記のロータ
    、ステータ、空隙の磁気リラクタンスを測定するために
    前記ロータまたはステータ上のすべての歯の周囲に配置
    された少なくとも１個の単相コイルと、前記コイルを流
    れる電気信号の変調状態を測定する電子システムを有す
    ることを特徴とする角位置センサ。
  2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記ロータおよ
    びステータのほぼ矩形状の歯の高さと歯の端部で形成さ
    れる円弧との比が０．５〜２であり、ロータおよびステ
    ータの歯で形成される円弧全体に対応する角度がπ／３
    〜πであることを特徴とする角位置センサ。
  3. （３）２個の同軸部材に対する角位置決定手段であつて
    、 規則的に分布する同数の歯を持ち、空隙によつて分離さ
    れた強磁性体のロータおよびステータと、前記のロータ
    、ステータ、空隙の磁気リラクタンスを測定するために
    前記ロータまたはステータ上のすべての歯の周囲に配置
    された少なくとも１個の単相コイルと、前記コイルを流
    れる電気信号の変調状態を測定する電子システムとを各
    々が有する複数個の角位置センサと、 任意のセンサのロータの歯とステータの歯との間の変位
    角度がその他のセンサに関する角度と異なるような状態
    で一方のロータと他方のステータを結合する機械的結合
    手段と、 前記の異なるセンサの電子システムから得られる信号を
    結合する電子的手段と、 を有することを特徴とする角位置決定手段。
  4. （４）特許請求の範囲第３項において、３個のセンサが
    含まれ、ロータの歯数とセンサの個数の積で２πを割つ
    た商を加減するか、またはロータの歯数で２πを割つた
    値より小さい前記商を逓倍することにより、任意のセン
    サについてロータの歯とステータの歯の間の変位角度を
    他のセンサに関する対応角度から推論することが可能で
    あり、また、使用センサの内の２個のセンサのロータお
    よびステータの歯の変位差を前記の商または倍数によつ
    て表すことも可能であることを特徴とする角位置決定手
    段。
  5. （５）特許請求の範囲第３項において、２個のセンサが
    含まれ、２個のセンサのロータとステータの歯の変位角
    度差が、歯数でπ／２または２π／３を割つた商に等し
    いことを特徴とする角位置決定手段。
  6. （６）特許請求の範囲第３項において、ロータの歯が他
    のロータの歯の延長を形成することを特徴とする角位置
    決定手段。
  7. （７）特許請求の範囲第３項において、十分に長い単一
    のロータが含まれ、その歯が全ステータの歯と対向する
    ことを特徴とする角位置決定手段。
JP62166256A 1986-07-02 1987-07-02 角位置決定装置 Pending JPS6327701A (ja)

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EP (1) EP0251918B1 (ja)
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