JP3218327B2 - Angle detection sensor - Google Patents

Angle detection sensor

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JP3218327B2
JP3218327B2 JP25579499A JP25579499A JP3218327B2 JP 3218327 B2 JP3218327 B2 JP 3218327B2 JP 25579499 A JP25579499 A JP 25579499A JP 25579499 A JP25579499 A JP 25579499A JP 3218327 B2 JP3218327 B2 JP 3218327B2
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angle
coil
coils
detection sensor
angle detection
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聡 加賀美
雅幸 稲葉
博允 井上
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東京大学長
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は角度検出センサに
関し、特に、球ジョイントの3軸周りの回転角度を検出
するための角度検出センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an angle detection sensor, and more particularly to an angle detection sensor for detecting a rotation angle of a ball joint about three axes.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、ロボットの関節、ジョイスチック
等の操作レバーの軸受に、3軸自由度を持った球ジョイ
ントを用いたものが提供されている。例えば、ロボット
の分野においては、軽量化と動作の多自由度化を実現す
るため、股関節や足首関節のような3自由度を持つ関節
を、球ジョイントを用いて構成している。そして、この
ような球ジョイントは、機構部分が軽量かつ単純な構成
にできる利点を有している。
2. Description of the Related Art In recent years, there has been provided a robot using a ball joint having three degrees of freedom as a bearing for an operating lever such as a joint or a joystick of a robot. For example, in the field of robots, joints having three degrees of freedom, such as hip joints and ankle joints, are configured using ball joints in order to achieve weight reduction and multi-degree of freedom of motion. Such a ball joint has the advantage that the mechanism can be made lightweight and simple.

【0003】球ジョイントを用いた場合、ワイヤ等で牽
引して関節の角度を制御するためには、球ジョイントの
3軸の回転角度を測定することが必要となる。一般に、
3次元角度測定には、ホール素子を用いた測定素子や、
交代磁場を用いたVR用途の3次元位置測定装置などを
用いることが知られている。
When a ball joint is used, it is necessary to measure the rotation angles of three axes of the ball joint in order to control the joint angle by pulling with a wire or the like. In general,
For three-dimensional angle measurement, a measuring element using a Hall element,
It is known to use a three-dimensional position measuring device for VR use using an alternating magnetic field.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなホール素子を用いた測定素子や、3次元位置測定
装置は、その構造上、球ジョイントに組込むことが困難
であり、球ジョイントの回転角度検出には適していな
い。そこで、この発明の目的は、球ジョイントに容易に
組込むことができ球ジョインの3軸回転角度を測定可能
な角度検出センサを提供することにある。
However, the measuring element and the three-dimensional position measuring apparatus using the Hall element as described above are difficult to incorporate into a ball joint due to their structures, and the rotation angle of the ball joint is difficult. Not suitable for detection. Therefore, an object of the present invention is to provide an angle detection sensor which can be easily incorporated into a ball joint and can measure a three-axis rotation angle of a ball joint.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る角度検出センサは、球ジョイントの球
体部と、この球体部を摺動自在に受けた受部材とにそれ
ぞれコイルを組み込み、これらのコイルの磁気結合の強
度から球ジョイントに設けられたジョイント軸の角度を
測定することを特徴としている。
In order to achieve the above-mentioned object, an angle detection sensor according to the present invention has coils incorporated in a spherical portion of a ball joint and a receiving member slidably receiving the spherical portion. The angle of the joint axis provided in the ball joint is measured from the strength of the magnetic coupling of these coils.

【0006】上記角度検出センサの基本原理は、例え
ば、受部材に設けられた外側送信コイルに磁場を発生さ
せ、球体部に設けられ外側送信用コイルのループ内に位
置した受信コイルに誘導される起電力を測定すること
で、2つのコイルのなす角度を検出するものである。誘
導起電力の大きさは、送信コイル面と受信コイル面との
なす角度、つまり、ジョイント軸の角度のみによって決
定され、方向には依存しない。
The basic principle of the above angle detection sensor is that, for example, a magnetic field is generated in an outer transmitting coil provided on a receiving member and guided to a receiving coil provided in a sphere and located in a loop of the outer transmitting coil. The angle between the two coils is detected by measuring the electromotive force. The magnitude of the induced electromotive force is determined only by the angle between the transmitting coil surface and the receiving coil surface, that is, the angle of the joint axis, and does not depend on the direction.

【0007】球ジョイントの自由度として、3軸周りの
全ての回転角度を測定するためには、少なくとも送信コ
イルが2つ、受信コイルが2つ必要となる。送信、受信
コイルの組合わせはコイル4つとなるが、送信コイルへ
供給する電圧の周波数をコイル毎に変更し、各受信コイ
ルで受信した周波数成分をバンドパスフィルタ等の分離
部によって分解することで、送信側の2つのコイルと各
受信側のコイルとのなす角度をそれぞれ独立に求めるこ
とができ、3軸全ての回転角度を検出することが可能と
なる。
To measure all the rotation angles around three axes as the degrees of freedom of the ball joint, at least two transmitting coils and two receiving coils are required. The combination of the transmitting and receiving coils is four coils, but the frequency of the voltage supplied to the transmitting coil is changed for each coil, and the frequency component received by each receiving coil is decomposed by a separating unit such as a band-pass filter. The angle between the two coils on the transmitting side and each coil on the receiving side can be obtained independently, and the rotation angles of all three axes can be detected.

【0008】上記の基本原理に基づき、この発明に係る
角度検出センサは、球状の外面を持った球体部と、上記
球体部から延出じたジョイント軸と、ほぼ球状の内面を
有しているとともに上記球体部が回転自在に係合した凹
所を有した受部材と、を備えた球ジョイントにおける上
記ジョイント軸の3軸回転角度を検出する角度検出セン
サにおいて、上記球体部の外面に巻回されているととも
に、上記球体部の中心と一致した中心をそれぞれ有した
2つの第1コイルと、上記凹所を囲んで上記受部材に設
けられているとともに、上記球体部の中心と一致した中
心をそれぞれ有した2つの第2コイルと、上記第1およ
び第2コイルのいずれか一方の2つのコイルに互いに周
波数の異なる電圧を供給し交代磁場を発生させる電圧供
給部と、上記交代磁場により上記第1および第2コイル
の他方の2つのコイルに発生する誘導起電力を上記周波
数毎に検出し、検出された誘導起電力から上記ジョイン
ト軸の3軸周りでの回転角度をそれぞれ算出する算出部
と、を備えていることを特徴としている。
Based on the above basic principle, the angle detection sensor according to the present invention has a spherical portion having a spherical outer surface, a joint shaft extending from the spherical portion, and a substantially spherical inner surface. And a receiving member having a recess in which the spherical portion is rotatably engaged. The angle detecting sensor detects the three-axis rotation angle of the joint shaft in the ball joint, and is wound around the outer surface of the spherical portion. And two first coils each having a center coinciding with the center of the spherical portion, and a center provided on the receiving member surrounding the recess and coincident with the center of the spherical portion. A voltage supply unit for supplying voltages having different frequencies to one of the first and second coils to generate an alternating magnetic field; and The induced electromotive force generated in the other two coils of the first and second coils according to the field is detected for each of the frequencies, and the rotational angles around the three axes of the joint shaft are calculated from the detected induced electromotive force. And a calculation unit that performs the calculation.

【0009】また、この発明に係る角度検出センサは、
各コイルに発生した誘導起電力を周波数毎の出力電圧に
分離する分離部を備え、更に、上記第1コイルと第2コ
イルとのなす角度と出力電圧との関係を規定する関数デ
ータを格納した記憶部を備え、上記算出部は、上記検出
された周波数毎の出力電圧と上記記憶部に格納された関
数データとに基いて上記ジョイント軸の回転角度を算出
することを特徴としている。
[0009] Further, the angle detection sensor according to the present invention comprises:
A separation unit is provided for separating the induced electromotive force generated in each coil into output voltages for each frequency, and further stores function data for defining the relationship between the angle between the first coil and the second coil and the output voltage. A storage unit is provided, wherein the calculation unit calculates the rotation angle of the joint shaft based on the detected output voltage for each frequency and the function data stored in the storage unit.

【0010】上記一方の第1コイルと一方の第2コイル
とのなす角度をθ1a、上記一方の第1コイルと他方の
第2コイルとのなす角度をθ2a、他方の第1コイルと
上記一方の第2コイルとのなす角度をθ1b、上記他方
の第1コイルと上記他方の第2コイルとのなす角度をθ
2b、上記2つの第2コイルのコイル面同士がなす角度
を2ωとし、上記球体部の中心を通るx、y、z軸に対
する上記ジョイント軸のなす角度をそれぞれロール角
γ、ピッチ角β、ヨー角αとした場合、上記算出部は、
上記検出された周波数毎の出力電圧と上記記憶部に格納
された関数データとに基いて上記θ1a、θ2a、θ1
b、θ2bをそれぞれ算出するとともに、以下の式に基
いて上記ロール角γ、ピッチ角β、ヨー角αを算出す
る。
The angle between the one first coil and the one second coil is θ1a, the angle between the one first coil and the other second coil is θ2a, and the other first coil and the one second coil are θ2a. The angle between the second coil and the second coil is θ1b, and the angle between the other first coil and the other second coil is θ1b.
2b, the angle formed by the coil surfaces of the two second coils is 2ω, and the angles formed by the joint axis with respect to the x, y, and z axes passing through the center of the sphere are roll angle γ, pitch angle β, and yaw, respectively. When the angle is α, the calculation unit calculates
The θ1a, θ2a, θ1 based on the detected output voltage for each frequency and the function data stored in the storage unit.
b and θ2b are calculated, and the roll angle γ, pitch angle β, and yaw angle α are calculated based on the following equations.

【0011】[0011]

【数2】 (Equation 2)

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下図面を参照しながら、この発
明の実施の形態に係る角度検出センサを備えた球ジョイ
ントについて詳細に説明する。図1に示すように、球ジ
ョイントは、球状の外面を有しジョイント軸10に固定
された球体部12と、この球体部12を回転自在に受け
た受部材14と、を備えている。球体部12および受部
材14は、例えば合成樹脂により形成されている。ま
た、ジョイント軸10は、例えば真鍮によって形成され
ているとともに、球体部12の中心cを通る方向に沿っ
て、球体部12の外面から延出している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a ball joint provided with an angle detecting sensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the ball joint includes a spherical portion 12 having a spherical outer surface and fixed to a joint shaft 10, and a receiving member 14 rotatably receiving the spherical portion 12. The spherical portion 12 and the receiving member 14 are formed of, for example, a synthetic resin. The joint shaft 10 is formed of, for example, brass, and extends from the outer surface of the spherical body 12 along a direction passing through the center c of the spherical body 12.

【0013】受部材14は円柱形状に形成されていると
ともに、その一端面に開口したほぼ球状の凹所16を有
している。そして、球体部12の大部分は凹所16内に
摺動自在かつ回転自在に装着され、ジョイント軸10は
凹所16の開口を通って延びている。これにより、ジョ
イント軸10は、球体部12の中心cを通る3軸x、
y、zの周りでそれぞれ回転自在となっている。なお、
受部材14は、凹所16に対して球体部12を脱着でき
るように、二つの部分に分離可能に形成されている。
The receiving member 14 is formed in a cylindrical shape, and has a substantially spherical recess 16 opened at one end surface thereof. Most of the spherical portion 12 is slidably and rotatably mounted in the recess 16, and the joint shaft 10 extends through the opening of the recess 16. As a result, the joint shaft 10 has three axes x passing through the center c of the spherical body portion 12,
Each is freely rotatable around y and z. In addition,
The receiving member 14 is formed to be separable into two parts so that the spherical body part 12 can be attached to and detached from the recess 16.

【0014】一方、上記のように構成された球ジョイン
トには、ジョイント軸10の回転角度を検出する角度検
出センサ20が設けられている。図2に示すように、こ
の角度検出センサ20は、球体部12の外面に設けられ
た2つの第1コイル22a、22bと、凹所16を囲む
ように受部材14の外周面に設けられた2つの第2コイ
ル24a、24bと、を備えている。
On the other hand, an angle detection sensor 20 for detecting the rotation angle of the joint shaft 10 is provided in the ball joint configured as described above. As shown in FIG. 2, the angle detection sensor 20 is provided on the outer peripheral surface of the receiving member 14 so as to surround the two first coils 22 a and 22 b provided on the outer surface of the spherical body portion 12 and the recess 16. And two second coils 24a and 24b.

【0015】第2コイル24a、24bは送信用コイル
として機能し、電圧が供給されることによりそれぞれ交
代磁場を発生する。また、第1コイル22a、22bは
受信用コイルとして機能し、第2コイル24a、24b
により形成された交代磁場に応じて誘導された起電力を
発生する。そして、各第1コイル22a、22bに発生
した誘導起電力は、角度検出センサ20の検出出力とな
る。
The second coils 24a and 24b function as transmitting coils, and generate alternating magnetic fields when supplied with a voltage. The first coils 22a and 22b function as receiving coils, and the second coils 24a and 24b
Generates an induced electromotive force in accordance with the alternating magnetic field formed by. Then, the induced electromotive force generated in each of the first coils 22 a and 22 b becomes a detection output of the angle detection sensor 20.

【0016】第1コイル22a、22bは、それぞれ被
覆された銅線を、球体部12の外面に切られた2つの溝
に巻き付けることによって構成されている。そして、2
つの第1コイル22a、22bは、それぞれその中心が
球体部12の中心cと一致するように巻かれている。ま
た、第1コイル22a、22bは、ジョイント軸10の
軸方向と直交した法線ベクトルを持つ円周上に巻回さ
れ、かつ互いに90度の角度をなして設けられている。
すなわち、本実施の形態においては、2つの第1コイル
22a、22bは、ジョイント軸10と交差する円周上
の溝に沿って、かつ、コイル面が互いに直交するように
巻回されている。
The first coils 22a and 22b are formed by winding the coated copper wires around two grooves cut on the outer surface of the spherical body 12. And 2
The first coils 22a and 22b are wound so that their centers coincide with the center c of the spherical body portion 12, respectively. The first coils 22a and 22b are wound on a circle having a normal vector perpendicular to the axial direction of the joint shaft 10, and are provided at an angle of 90 degrees with each other.
That is, in the present embodiment, the two first coils 22a and 22b are wound along a circumferential groove intersecting with the joint shaft 10 and the coil surfaces are orthogonal to each other.

【0017】なお、第1コイル22a、22b間の角度
は、30°〜90°の範囲、より好ましくは60°ない
し90°の範囲に設定されている。また、第1コイル2
2a、22bは、凹所16内における球体部12の移動
を妨げないように、球体部12の外周面から突出するこ
となくほぼ面一に設けられている。
The angle between the first coils 22a and 22b is set in the range of 30 ° to 90 °, more preferably in the range of 60 ° to 90 °. Also, the first coil 2
2a and 22b are provided substantially flush without protruding from the outer peripheral surface of the spherical body portion 12 so as not to hinder the movement of the spherical body portion 12 in the concave portion 16.

【0018】一方、2つの第2コイル24a、24b
は、それぞれ円環状に巻回され、その中心が球体部12
の中心cと一致した状態で受部材14の外周面に固定さ
れている。各第2コイル24a、24bは、受部材14
の中心軸と直交する平面に対して角度ωだけ傾斜して設
けられている。そして、第2コイル24a、24bは、
送信用コイルとして機能し、正弦波形の電圧を流すこと
で交代磁場を発生させる。
On the other hand, two second coils 24a, 24b
Are respectively wound in an annular shape, and the center thereof is
Is fixed to the outer peripheral surface of the receiving member 14 in a state of being coincident with the center c. Each of the second coils 24a and 24b is
Are inclined at an angle ω with respect to a plane orthogonal to the central axis of And the second coils 24a, 24b are:
It functions as a transmitting coil and generates an alternating magnetic field by passing a sinusoidal waveform voltage.

【0019】なお、2つの第2コイル24a、24b同
士がなす角度2ωは、30°ないし90°の範囲に、よ
り好ましくは60°〜90°の範囲に設定されている。
The angle 2ω formed between the two second coils 24a and 24b is set in the range of 30 ° to 90 °, and more preferably in the range of 60 ° to 90 °.

【0020】本実施の形態において、第1コイル22
a、22bは、巻数5、直径24mm、第2コイル24
a、24bは、巻数10、直径35mm、角度ω=15
°に形成されている。この場合、第1コイルおよび第2
コイルのインダクタンスは、それぞれ1.9μH、9.
4μHとなる。
In this embodiment, the first coil 22
a and 22b have 5 turns, a diameter of 24 mm, and a second coil 24.
a and 24b are 10 turns, 35 mm in diameter, and angle ω = 15.
° formed. In this case, the first coil and the second coil
The inductances of the coils are 1.9 μH and 9.
It becomes 4 μH.

【0021】また、図3に示すように、角度検出センサ
20は、送信用の第2コイル24a、24bに互いに異
なる周波数の電圧を供給し交代磁場を発生させるファン
クションジェネレータ等の電圧供給部30と、送信用の
第2コイル22a、22bに誘導された起電力を測定す
るスペクトラムアナライザ等の測定部32と、を備えて
いる。測定部32によって測定された起電力は、バンド
パスフィルタ等の分離部34によって周波数毎に分離さ
れた後、すなわち、4つの出力に分離された後、制御部
および算出部として機能するCPU36に入力される。
As shown in FIG. 3, the angle detection sensor 20 includes a voltage supply unit 30 such as a function generator for supplying voltages of different frequencies to the transmission second coils 24a and 24b to generate an alternating magnetic field. And a measuring unit 32 such as a spectrum analyzer for measuring the electromotive force induced in the second coils 22a and 22b for transmission. After the electromotive force measured by the measurement unit 32 is separated for each frequency by a separation unit 34 such as a band-pass filter, that is, after being separated into four outputs, the electromotive force is input to a CPU 36 functioning as a control unit and a calculation unit. Is done.

【0022】更に、記憶部としてのメモリ40には、後
述するように、実験等により予め求められた、出力電圧
と角度との関係を規定する関数データが格納されてい
る。そして、CPU36は、この関数データ、および分
離部34を通って得られた各周波数の検出電圧に基いて
ジョイント軸10の3軸回転角度、つまり、ロール角、
ピッチ角およびヨー角を算出する。
Further, as will be described later, the memory 40 serving as a storage unit stores function data which is obtained in advance through experiments or the like and defines the relationship between the output voltage and the angle. Then, the CPU 36 determines the three-axis rotation angle of the joint shaft 10, that is, the roll angle, based on the function data and the detection voltage of each frequency obtained through the separation unit 34.
Calculate the pitch angle and yaw angle.

【0023】ここで、ジョイント軸10がx、y、z軸
となす角度を、それぞれロール角γ、ピッチ角β、ヨー
角αとしている。そして、第1コイル22aと第2コイ
ル24aとのなす角度をθ1a、第1コイル22aと第
2コイル24bとのなす角度をθ2a、第1コイル22
bと第2コイル24aとのなす角度をθ1b、第1コイ
ル22bと第2コイル24bとのなす角度をθ2bとす
ると、ロール角γ、ピッチ角β、ヨー角αは以下の式で
表される。
Here, angles formed by the joint axis 10 with the x, y, and z axes are a roll angle γ, a pitch angle β, and a yaw angle α, respectively. The angle between the first coil 22a and the second coil 24a is θ1a, the angle between the first coil 22a and the second coil 24b is θ2a, and the first coil 22
Assuming that the angle between b and the second coil 24a is θ1b and the angle between the first coil 22b and the second coil 24b is θ2b, the roll angle γ, the pitch angle β, and the yaw angle α are expressed by the following equations. .

【0024】[0024]

【数3】 (Equation 3)

【0025】前述した出力電圧と角度との関数は以下の
手法により求める。すなわち、送信側の1つの第2コイ
ルと、受信側の1つの第1コイルとを用い、これら2つ
のコイルのなす角度と出力電圧の振幅との関係を測定す
る。例えば、電圧供給部30から第2コイル24aに振
幅Vcc=5(V)、発振周波数f=1(MHz)の正
弦波を供給して交代磁場を発生させ、第1コイル22a
に誘導される起電力の周波数fの成分Vout(V)を
測定部32、分離部34を介して測定する。
The function between the output voltage and the angle described above is obtained by the following method. That is, using one second coil on the transmitting side and one first coil on the receiving side, the relationship between the angle formed by these two coils and the amplitude of the output voltage is measured. For example, a sine wave having an amplitude Vcc = 5 (V) and an oscillation frequency f = 1 (MHz) is supplied from the voltage supply unit 30 to the second coil 24a to generate an alternating magnetic field, and the first coil 22a
The component Vout (V) of the frequency f of the electromotive force induced by the measurement unit 32 is measured via the measurement unit 32 and the separation unit 34.

【0026】図4は、上記の測定結果を示したもので、
図中、×は実際の測定値であり、これらの測定値を直線
で近似している。そして、得られた近似直線から、第2
コイル24aに対する第1コイル22aの角度θ1aと
出力電圧との関係を示す関数を求める。
FIG. 4 shows the results of the above measurement.
In the figure, x represents actual measured values, and these measured values are approximated by straight lines. Then, from the obtained approximate straight line, the second
A function indicating the relationship between the angle θ1a of the first coil 22a with respect to the coil 24a and the output voltage is obtained.

【0027】また、上記と同様の手法により、他の角度
θ1b、θ2a、θ2bと出力電圧との関係を示す関数
を、それぞれ求める。このようにして求めた4つの関数
は、データとしてメモリ40に格納しておく。
In the same manner as above, a function indicating the relationship between the other angles θ1b, θ2a, θ2b and the output voltage is obtained. The four functions thus obtained are stored in the memory 40 as data.

【0028】一方、受信側の第1コイル22aに誘導し
た起電力を2つの周波数毎に分離することにより、角度
θ1a、θ2aに対応した出力電圧が得られ、また、受
信側の第1コイル22bに誘導した起電力を2つの周波
数毎に分離することにより、角度θ1b、θ2bに対応
した検出電圧が得られる。
On the other hand, by separating the electromotive force induced in the first coil 22a on the receiving side for each of two frequencies, output voltages corresponding to the angles θ1a and θ2a are obtained, and the first coil 22b on the receiving side is obtained. The detection voltage corresponding to the angles θ1b and θ2b can be obtained by separating the electromotive force induced in the above for every two frequencies.

【0029】例えば、一方の第2コイル24aに振幅5
V、発振周波数1MHzの電圧、他方の第2コイル24
bに振幅5V、発振周波数1.5MHzの電圧、をそれ
ぞれ供給した場合、一方の第1コイル22aに生じる誘
導起電力は図5(a)に示すようになり、この誘導起電
力を分離部34により周波数毎に分離すると、図5
(b)に示すように、第1コイル22aと第2コイル2
4aとの間の角度θ1aに対応する出力電圧、および図
5(c)に示すように、第1コイル22aと第2コイル
24bとの間の角度θ2aに対応する出力電圧とが得ら
れる。
For example, one of the second coils 24a has an amplitude of 5
V, a voltage having an oscillation frequency of 1 MHz, and the other second coil 24
When a voltage of 5 V and a voltage of an oscillation frequency of 1.5 MHz are supplied to b, the induced electromotive force generated in one first coil 22a is as shown in FIG. Fig. 5
As shown in (b), the first coil 22a and the second coil 2
4a, and an output voltage corresponding to an angle θ2a between the first coil 22a and the second coil 24b as shown in FIG. 5C.

【0030】また、他方の第1コイル22bに生じる誘
導起電力は図6(a)に示すようになり、この誘導起電
力を分離部34により周波数毎に分離すると、図6
(b)に示すように、第1コイル22bと第2コイル2
4aとの間の角度θ1bに対応する出力電圧、および図
6(c)に示すように、第1コイル22bと第2コイル
24bとの間の角度θ2bに対応する出力電圧が得られ
る。
The induced electromotive force generated in the other first coil 22b is as shown in FIG. 6A. When the induced electromotive force is separated for each frequency by the separation unit 34, FIG.
As shown in (b), the first coil 22b and the second coil 2
4a, and an output voltage corresponding to an angle θ2b between the first coil 22b and the second coil 24b as shown in FIG. 6C.

【0031】そして、得られた4つの検出電圧と上述し
た関数とから、角度θ1a、θ2a、θ1b、θ2bを
求め、更に、これらから上記式に基いてロール角γ、ピ
ッチ角β、ヨー角αを算出する。
Then, the angles θ1a, θ2a, θ1b, θ2b are obtained from the obtained four detected voltages and the above-mentioned functions, and the roll angle γ, pitch angle β, yaw angle α Is calculated.

【0032】本発明者等は、上記のように構成された角
度検出センサ20による検出精度を調べるため、以下の
実験を行った。図7に示すように、球ジョイントのジョ
イント軸10のピッチ角γを50.8°、ロール角βを
0°にそれぞれ固定し、ヨー角αを15°置きに0°か
ら360°まで変化させたときの出力電圧を測定した。
周波数による送信の多重化は行わず、送信用の第2コイ
ルには、振幅5(V)、発振周波数1(MHz)の正弦
波電圧を独立に印加した。
The present inventors conducted the following experiment in order to check the detection accuracy of the angle detection sensor 20 configured as described above. As shown in FIG. 7, the pitch angle γ of the joint axis 10 of the ball joint is fixed at 50.8 ° and the roll angle β is fixed at 0 °, and the yaw angle α is changed from 0 ° to 360 ° every 15 °. The output voltage at the time was measured.
Multiplexing of transmission by frequency was not performed, and a sinusoidal voltage having an amplitude of 5 (V) and an oscillation frequency of 1 (MHz) was independently applied to the second coil for transmission.

【0033】図8は、得られた出力電圧から算出したロ
ール角γ、ピッチ角β、ヨー角αを示している。ただ
し、ピッチ角βの出力は、180°で折返している。こ
の図から分かるように、ピッチ角βの平均値は44.9
°、ロール角γの平均値は−2.9°であり、実際のピ
ッチ角γ=50.8°、ロール角β=0°とほぼ近似し
た値を得ることができた。同時に、ヨー角αについて
も、実際の値に対して平均で5°程度のずれであった。
FIG. 8 shows a roll angle γ, a pitch angle β, and a yaw angle α calculated from the obtained output voltages. However, the output of the pitch angle β is turned back at 180 °. As can be seen from this figure, the average value of the pitch angle β is 44.9.
And the average value of the roll angle γ was −2.9 °, and values substantially similar to the actual pitch angle γ = 50.8 ° and the roll angle β = 0 ° could be obtained. At the same time, the yaw angle α was shifted by about 5 ° on average from the actual value.

【0034】上記のような値のずれは、ある方向へのド
リフトであり、ノイズ等に起因す誤差は少ない。そのた
め、前述した角度−出力電圧を示す関数を求めるための
近似直線をより正確に定めるとともに、各コイルをより
高い精度で巻くことにより、上述した誤差を低減し精度
の高い検出が可能となる。
The value shift as described above is a drift in a certain direction, and an error caused by noise or the like is small. For this reason, the approximation straight line for obtaining the function indicating the angle-output voltage described above is more accurately determined, and by winding each coil with higher accuracy, the above-described error is reduced and highly accurate detection becomes possible.

【0035】以上のように、上記構成の角度検出センサ
20によれば、球ジョイントを構成する球体部12の外
面に第1コイル22a、22bを設け、受部材14に凹
所16を囲む第2コイル24a、24bを設けることに
より、容易に球ジョイントに組込むことができる。同時
に、第2コイル24a、24bに電圧を供給して交代磁
界を発生させ、第1コイル22a、22bに誘導した起
電力を検出することにより、救ジョイントに設けられた
ジョイント軸10の3軸周りでの回転角度を精度良く検
出することができる。
As described above, according to the angle detection sensor 20 having the above-described configuration, the first coils 22a and 22b are provided on the outer surface of the spherical body 12 forming the ball joint, and the second member surrounding the recess 16 is formed in the receiving member 14. By providing the coils 24a and 24b, it is possible to easily incorporate the coils into the ball joint. At the same time, a voltage is supplied to the second coils 24a and 24b to generate an alternating magnetic field, and the electromotive force induced in the first coils 22a and 22b is detected. Can be accurately detected.

【0036】なお、この発明は上述した実施の形態に限
定されることなく、この発明の範囲内で種々変形可能で
ある。例えば、上述した実施の形態では、第1コイルを
受信側、第2コイルを送信側としたが、逆に、第1コイ
ルに電圧を供給して送信側とし、第2コイルを受信側と
して用いてもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be variously modified within the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the first coil is the receiving side, and the second coil is the transmitting side. Conversely, the voltage is supplied to the first coil to be the transmitting side, and the second coil is used as the receiving side. You may.

【0037】また、第1コイルおよび第2コイルの数は
それぞれ2個としたが、3個以上としてもよく、数を増
やすことにより検出精度を上げることができる。更に、
球体部、受部材、ジョイント軸の材質は必要に応じて変
更可能である。
The number of the first coil and the number of the second coil are each two, but may be three or more, and the detection accuracy can be improved by increasing the number. Furthermore,
The materials of the spherical body, the receiving member, and the joint shaft can be changed as necessary.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、球ジョイントに容易に組込むことができ、球ジョイ
ンの3軸回転角度を精度良く測定可能な角度検出センサ
を提供することができる。
As described in detail above, according to the present invention, it is possible to provide an angle detection sensor which can be easily incorporated into a ball joint and can accurately measure the three-axis rotation angle of the ball joint. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の実施の形態に係る球ジョイントを示
す平面図および断面図。
FIG. 1 is a plan view and a sectional view showing a ball joint according to an embodiment of the present invention.

【図2】上記球ジョイントに設けられた角度検出センサ
の第1および第2コイルを示す図。
FIG. 2 is a diagram showing first and second coils of an angle detection sensor provided on the ball joint.

【図3】上記角度検出センサの構成を概略的に示すブロ
ック図。
FIG. 3 is a block diagram schematically showing a configuration of the angle detection sensor.

【図4】コイルの角度と出力電圧との関係を測定した結
果を示すグラフ。
FIG. 4 is a graph showing a result of measuring a relationship between a coil angle and an output voltage.

【図5】上記角度検出センサの一方の第2コイルに生じ
た誘導起電力、および周波数毎に分離した誘導起電力を
示すグラフ。
FIG. 5 is a graph showing an induced electromotive force generated in one second coil of the angle detection sensor and an induced electromotive force separated for each frequency.

【図6】上記角度検出センサの他方の第2コイルに生じ
た誘導起電力、および周波数毎に分離した誘導起電力を
示すグラフ。
FIG. 6 is a graph showing the induced electromotive force generated in the other second coil of the angle detection sensor and the induced electromotive force separated for each frequency.

【図7】上記球ジョイントの3軸回転角度を測定する実
験方法を示す図。
FIG. 7 is a view showing an experimental method for measuring a three-axis rotation angle of the ball joint.

【図8】上記実験によるロール角、ピッチ角、ヨー角の
測定結果を示すグラフ。
FIG. 8 is a graph showing measurement results of a roll angle, a pitch angle, and a yaw angle in the above experiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…ジョイント軸 12…球体部 14…受部材 16…凹所 20…角度検出センサ 22a、22b…第1コイル 24a、24b…第2コイル DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Joint shaft 12 ... Spherical part 14 ... Receiving member 16 ... Concave part 20 ... Angle detection sensor 22a, 22b ... 1st coil 24a, 24b ... 2nd coil

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】球状の外面を持った球体部と、上記球体部
から延出じたジョイント軸と、ほぼ球状の内面を有して
いるとともに上記球体部が回転自在に係合した凹所を有
した受部材と、を備えた球ジョイントにおける上記ジョ
イント軸の3軸回転角度を検出する角度検出センサにお
いて、 上記球体部の外面に巻回されているとともに、上記球体
部の中心と一致した中心をそれぞれ有した2つの第1コ
イルと、 上記凹所を囲んで上記受部材に設けられているととも
に、上記球体部の中心と一致した中心をそれぞれ有した
2つの第2コイルと、 上記第1および第2コイルのいずれか一方の2つのコイ
ルに互いに周波数の異なる電圧を供給し交代磁場を発生
させる電圧供給部と、 上記交代磁場により上記第1および第2コイルの他方の
2つのコイルに発生する誘導起電力を上記周波数毎に検
出し、検出された誘導起電力から上記ジョイント軸の3
軸周りでの回転角度をそれぞれ算出する算出部と、 を備えていることを特徴とする角度検出センサ。
1. A sphere having a spherical outer surface, a joint shaft extending from the sphere, and a recess having a substantially spherical inner surface and rotatably engaged with the sphere. An angle detection sensor for detecting a three-axis rotation angle of the joint shaft in a ball joint having a receiving member, the center being wound on the outer surface of the spherical portion and coinciding with the center of the spherical portion. Two first coils respectively provided with the receiving member surrounding the recess, and two second coils each having a center coinciding with the center of the spherical portion; A voltage supply unit for supplying voltages having different frequencies to one of the two coils and the second coil to generate an alternating magnetic field, and the other two coils of the first and second coils by the alternating magnetic field The induced electromotive force generated at the joint axis is detected for each frequency, and the detected induced electromotive force
An angle detection sensor, comprising: a calculation unit that calculates each of the rotation angles about the axis.
【請求項2】上記各コイルに発生した誘導起電力を周波
数毎の出力電圧に分離する分離部を備えていることを特
徴とする請求項1に記載に角度検出センサ。
2. The angle detection sensor according to claim 1, further comprising a separation unit for separating an induced electromotive force generated in each of the coils into an output voltage for each frequency.
【請求項3】上記第1コイルと第2コイルとのなす角度
と出力電圧との関係を規定する関数データを格納した記
憶部を備え、上記算出部は、上記検出された周波数毎の
出力電圧と上記記憶部に格納された関数データとに基い
て上記ジョイント軸の回転角度を算出することを特徴と
する請求項2に記載の角度検出センサ。
3. A storage unit for storing function data defining a relationship between an angle between the first coil and the second coil and an output voltage, wherein the calculation unit is configured to output the output voltage for each of the detected frequencies. The angle detection sensor according to claim 2, wherein the rotation angle of the joint shaft is calculated based on the function data stored in the storage unit.
【請求項4】上記一方の第1コイルと一方の第2コイル
とのなす角度をθ1a、上記一方の第1コイルと他方の
第2コイルとのなす角度をθ2a、他方の第1コイルと
上記一方の第2コイルとのなす角度をθ1b、上記他方
の第1コイルと上記他方の第2コイルとのなす角度をθ
2b、上記2つの第2コイルのコイル面同士がなす角度
を2ωとし、 上記球体部の中心を通るx、y、z軸に対する上記ジョ
イント軸のなす角度をそれぞれロール角γ、ピッチ角
β、ヨー角αとした場合、 上記算出部は、上記検出された周波数毎の出力電圧と上
記記憶部に格納された関数データとに基いて上記θ1
a、θ2a、θ1b、θ2bをそれぞれ算出するととも
に、以下の式に基いて上記ロール角γ、ピッチ角β、ヨ
ー角αを算出することを特徴とする請求項3に記載の角
度検出センサ。 【数1】
4. An angle between the one first coil and the one second coil is θ1a, an angle between the one first coil and the other second coil is θ2a, and the other first coil and the second coil are the same. The angle between one of the second coils is θ1b, and the angle between the other first coil and the other second coil is θ1b.
2b, the angle formed by the coil surfaces of the two second coils is 2ω, and the angles formed by the joint axis with respect to the x, y, and z axes passing through the center of the spherical portion are a roll angle γ, a pitch angle β, and a yaw, respectively. When the angle is α, the calculation unit calculates the θ1 based on the detected output voltage for each frequency and the function data stored in the storage unit.
The angle detection sensor according to claim 3, wherein a, θ2a, θ1b, and θ2b are respectively calculated, and the roll angle γ, the pitch angle β, and the yaw angle α are calculated based on the following equations. (Equation 1)
【請求項5】上記2つの第1コイルのコイル面同士がな
す角度は30°〜90°に設定され、上記2つの第2コ
イルのコイル面同士がなす角度は30°〜90°に設定
されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれ
か1項に記載の角度検出センサ。
5. The angle between the coil surfaces of the two first coils is set to 30 ° to 90 °, and the angle between the coil surfaces of the two second coils is set to 30 ° to 90 °. The angle detection sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein:
【請求項6】上記2つの第2コイルのコイル面同士がな
す角度は50〜60°に設定されていることを特徴とす
る請求項5に記載の角度検出センサ。
6. The angle detection sensor according to claim 5, wherein the angle formed between the coil surfaces of the two second coils is set to 50 to 60 °.
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