CN102667433A - 磁性的力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供磁性的力传感器，其可以准确地检测和校正由磁通产生源（5）产生的磁场的变化。因此，检测由外力所引起的磁场的变化的移位磁电变换器（4a）以及在其处不出现由外力所引起的磁场的变化的固定磁电变换器（7）被设置为面向磁通产生源的磁极的端面。固定磁电变换器检测由例如随时间的变化以及环境变化（诸如传感器内部的温度上升）所引起的磁场的变化。基于其检测量，运算部执行校正操作，使得移位磁电变换器的偏移量或者灵敏度系数被校正。

Description

磁性的力传感器

技术领域

本发明涉及检测力或力矩分量并且使用磁电变换器检测磁通产生源中的磁通变化的磁性的力传感器。特别地，本发明涉及在磁通产生源处产生的磁场变化时的校正操作。

背景技术

当例如使用机械手组装部件时，力传感器被安装到机械手的腕部，检测在组装作业期间产生的力或者力矩分量，并且控制手部的取向。在日本专利公开No.2004-325328（专利文献1）中讨论了使用磁性地检测作用部的位移的方法的力传感器。

在日本专利公开No.2004-325328中讨论的有关结构被示出在图5中。在该有关结构中，布置嵌入在弹性部件中的永磁体14以及与永磁体的磁极相对的四个磁电变换器15a~15d。当作用力被施加到弹性部件时，永磁体14被移位，并且磁电变换器15a~15d（诸如霍尔元件）检测由此产生的磁场的变化。基于所检测到的磁场的变化，可以检测X轴方向、Y轴方向和Z轴方向上的力分量。

在日本专利公开No.2004-325328中，永磁体被用于磁通产生源。一般，由永磁体产生的磁场的强度的绝对值由于永磁体的温度而变化（也就是说，绝对值具有预定的温度系数）。当由于从电路板产生的热和从外部（诸如在其附近布置的马达）接收的热而使永磁体的温度增大时，磁场的强度降低。因此，在由永磁体产生的磁场中使用的设备需要补偿由其温度所引起的磁场的变化。除了例如其温度的影响之外，磁场还随永磁体的时间的变化而变化。

与此对比，在日本专利公开No.2005-321592（专利文献2）中，使用了利用被设置有温度传感器的温度补偿电路来执行温度补偿的方法。

示出了在日本专利公开No.2005-321592中讨论的有关结构。图6A示出了设置在与永磁体14相对的位置处的霍尔元件16。图6B示出了与邻近于霍尔元件设置的恒压源（未示出）连接的温度补偿电路。

当从霍尔元件到选择器的输出电压由于温度上升而降低时，设置在邻近于霍尔元件设置的温度补偿电路中的温度传感器的负温度特性使得从温度补偿电路输出到霍尔元件的电流值与温度上升成比例地增大。

通过向霍尔元件输出增大的电流，增大了已经由于温度上升而降低的从霍尔元件16到选择器的输出电压。

然而，在专利文献2中讨论的有关示例中，对接收磁通的霍尔元件的输出执行温度补偿。因此，当在永磁体和温度传感器的热容（比热）之间存在差别或者局部的温度上升（例如，霍尔元件的温度变化而永磁体14本身的温度增大）时，温度传感器难以准确测量永磁体的平均温度。另外，温度补偿电路需要与例如永磁体和霍尔元件的传感器分离地设置，由此增大成本和尺寸。

本发明被执行以便克服上述问题，并且提供可以准确地检测和校正由磁通产生源产生的磁场的变化的紧凑的磁性的力传感器。

发明内容

本发明提供了一种磁性的力传感器，基于彼此相对的作用部的位置和磁通产生源的位置来检测力，所述作用部是能够由于所述作用部接受到的所述力而移位的。所述磁性的力传感器包括：由支撑部件弹性地支撑的所述作用部；固定到所述作用部的第一磁电变换器；面向第一磁电变换器布置的所述磁通产生源；布置在相对于所述磁通产生源固定的位置处的第二磁电变换器；以及运算处理部，所述运算处理部基于第二磁电变换器的输出校正第一磁电变换器的输出。

根据本发明，可以提供具有未使用额外的结构组件（诸如温度补偿电路）的紧凑的结构的力传感器。根据本发明的磁性的力传感器，可以校正由除温度变化以外的因素所引起的由磁通产生源产生的磁场的变化。

附图说明

图1示出了根据本发明的磁性的力传感器的结构。

图2示出根据本发明的温度补偿方法。

图3示出了从利用相对于Z轴对称的二维静磁场模型的仿真获得的磁通线。

图4示出了从利用相对于Z轴对称的二维静磁场模型的仿真获得的磁通线。

图5示出了有关的磁性的力传感器的结构。

图6A和图6B示出了有关的力传感器的结构。

具体实施方式

图1最清楚地示出了本发明的特征，并且是沿着磁性的力传感器的X-Z轴截取的截面图。

在图1中，附图标记1表示向其施加力的作用部，并且附图标记2表示在外壳处弹性地支撑作用部1的弹性部件。作用部1被弹性地支撑以便在力被施加到作用部时是可移位的。附图标记3表示用于安装磁电变换器的衬底。附图标记4a和4b表示磁电变换器（在下面被称为“移位磁电变换器”）。附图标记5表示磁通产生源。附图标记6表示支撑磁通产生源5并且磁电变换器被安装于其的安装衬底。附图标记7表示设置在安装衬底6上并且其相对于磁通产生源5的位置固定的磁电变换器（在下面被称为“固定磁电变换器”）。

磁通产生源5可以是以ND-Fe-B磁铁、Sm-Co磁铁、Sm-Fe-N磁铁和铁氧体磁铁为代表的永磁体；或者是通过使电经过卷绕在磁性材料之上的线圈来产生磁力的电磁体。固定磁电变换器7以及移位磁电变换器4a和4b是将磁场的变化作为电信号输出的元件，诸如霍尔元件、MR元件、磁性阻抗元件、磁通门元件或者卷绕的线圈。作用部1不必由外壳支撑。作用部1可以由能够利用弹性部件支撑作用部1的支撑部件支撑。

当力被施加到作用部1时，作用部1与安装衬底3以及移位磁电变换器4a和4b一起由于弹性部件2的弹性变形而相对于磁通产生源5移位。这使得与移位量成比例的电信号的变化作为来自移位磁电变换器4a和4b的输出而被获得。与此对比，即使力被施加到作用部1，在安装有固定磁电变换器7的安装衬底6处也不出现输出的电气变化。也就是说，当由于环境变化（诸如温度的增大（或者降低）或者磁通产生源5随时间的变化）而改变在磁通产生源5处产生的磁通的变化时，在固定磁电变换器7处出现输出的变化。

将参考图1描述计算力和力矩的方法。例如，假设作用部1接收Z轴方向上的力Fz和Y轴方向上的力矩My。通过移位磁电变换器4a和4b以及固定磁电变换器7的磁通密度的变化量是B4a、B4b和B7。kz和ky是用于根据磁通密度的变化量计算力和力矩的灵敏度系数：

Fz=kz((B4a+B4b)-B7)

My=ky(B4a-B4b)

如上所述，通过获取元件之间的差别，可以根据通过移位磁电变换器4a和4b以及固定磁电变换器7的磁通密度的变化量计算施加到作用部1的力和力矩。这里，可以看出，不仅在检测温度变化（如下所述）时，而且在检测力时，固定磁电变换器也用作输出基准元件。

接下来，将参考图2描述根据本发明的温度补偿方法。附图标记4a和4b表示上述的移位磁电变换器并且附图标记7表示固定磁电变换器。

附图标记8表示用于放大磁电变换器的信号的信号放大器。信号放大器8与磁电变换器连接。附图标记9表示用于将输出信号从磁电变换器装载到运算部中的并且与信号放大器8连接的信号转换器。附图标记10表示基于运算部的运算结果执行向移位磁电变换器的反馈操作的信号调节器。信号调节器10被形成为使得用于执行校正操作的信号可以在移位磁电变换器的输出被输入到转换器9之前被输出。

当由磁通产生源5产生的磁场由于例如温度变化或者随时间的变化而改变了ΔB时，固定磁电变换器7的输出电压改变了ΔV7=ksΔB。这里，ks表示用于从磁通变化量转换到输出电压的系数。下面将描述从执行产生磁场的变化量的检测到执行校正操作的过程。

<1、产生的磁场的变化量的检测>

由运算部检测通过转换器9的由磁通产生源5的产生的磁场的变化引起的固定磁电变换器7的输出的变化。

信号放大器8的信号放大系数是G倍系数。当固定磁电变换器7的输出电压由于磁场的变化而变化时，通过信号放大器8输出的电压改变了ΔVt=GΔV7。由运算部利用由例如A/D转换器形成的转换器检测改变量ΔVt。这使得可以根据ΔB=ΔVt/ksG计算已经改变的磁通密度。这里，转换器的检测分辨率必须允许令人满意检测出要被校正的变化。

<2、灵敏度系数的校正>

当由磁通产生源5产生的磁场变化时，通过由于外力改变作用部1和磁通产生源5彼此相对的位置而产生的磁电变换器的输出也变化。

因此，为了根据磁电变换器的输出来计算准确的外力值，必须根据产生的磁场来校正传感器输出的灵敏度系数kz和ky。如上所述，如果以磁通变化ΔB为基础，在变化之前的磁通密度是B，则在考虑产生的磁场的变化的校正之后的灵敏度系数是{(B-ΔB)/B}×kz和{(B-ΔB)/B}×ky。当产生的磁场不变化（ΔB=0）时，(B-ΔB)/B的值变为1，并且上述灵敏度系数分别变为kz和ky。

<3、偏移操作>

当由磁通产生源5产生的磁场变化时，固定磁电变换器7的输出从在输出被输入到转换器9时的基准电压值改变了ΔVt。基于作为差的ΔVt，每个移位磁电变换器4的偏移量（offset）ΔVoff在运算部处被计算。每个移位磁电变换器4的输出电压改变了ΔV4=kdΔB，使得ΔVoff=GΔV4。这里，kd是用于从磁通变化量转换到输出电压的系数。如在检测产生的磁场的变化量的部分中所讨论的，可以根据ΔVt计算ΔB，使得可以计算ΔVoff。调节器10执行向与移位磁电变换器4a和4b连接的信号放大器8的反馈操作，使得ΔVoff被抵消。这使得可以基于固定磁电变换器7的输出实时校正每个移位磁电变换器4的偏移量。当因为由磁通产生源5产生的磁场的变化量相对于时间的变化非常小而没必要实时校正每个偏移量时，与每个移位磁电变换器的基准电压值（也就是说，在外力不被施加到作用部1时的电压值）的差可以被抵消。

可以被输入到每个转换器9的信号范围是特定范围。因此，在任何移位磁电变换器的输出偏移时，可以由传感器检测的范围变窄。上述偏移操作对于适当地利用可以被输入到每个转换器9的信号范围而言是有意义的。

<4、输出计算操作>

考虑对产生的磁场的变化进行的校正的表达式被如下地示出。这里，kp=(B-ΔB)/B是校正灵敏度系数。

Fz=kp×kz((B4a+B4b)-B7)

My=kp×ky(B4a-B4b)

可以理解，由于移位磁电变换器4a和4b的偏移量在将电信号输入到转换器9之前被调节，因此偏移量不影响由运算部11执行的计算。因此，与不执行校正操作的情况相比，可以仅仅通过乘以校正灵敏度系数来容易地校正产生的磁场的变化量，使得外力和力矩可以被准确地计算。

在根据本发明的方法中，基于由磁通产生源产生的磁场来校正灵敏度系数。因此，可以校正由除温度以外的因素所引起的产生的磁场的变化，诸如不能由利用温度补偿电路的有关方法校正的由随时间的变化所引起的产生的磁场的变化。

如上面已经讨论的，期望的是磁性的力传感器中的由外力所引起的输出的变化和由磁通产生源5产生的磁场的变化所引起的输出的变化被准确地检测。为了实现这个，必须在可以最容易地检测到磁通的变化量的位置处布置磁电变换器。因此，进行其研究。

图3和图4示出了磁场仿真结果。利用相对于Z轴对称的关于磁通产生源5的二维静磁场模型执行仿真。由于产生的磁场在左右方向上是对称的，因此在图3和图4中磁极的中心线被画在左端，并且仅仅示出了右半边。

在图3中，在Z轴方向上具有4mm的厚度和在X轴方向上具有2mm的厚度的磁通产生源5被布置在空气中。在图4中，在Z轴方向上具有4mm的厚度和在X轴方向上具有1mm的厚度的磁性材料13被卷绕在磁通产生源5之上。

这里，每个磁通产生源具有残留磁通密度为1.4T且矫顽力为1000kA/m的Nd-Fe-B磁铁的特性。磁性材料的相对磁导率被设定为5000。

磁通的变化量最大的位置是磁通线最密集的位置。根据从单独使用磁通产生源5的情况（图3）和布置可以控制磁通的流动的磁性材料的情况（图4）获得的结果，应当理解，磁通线最密集的位置（也就是说，磁通的变化量最大的位置）靠近每个磁通产生源5的磁极端面。

基于这个结果，将考虑布置移位磁电变换器4a和4b以及固定磁电变换器7的位置。难以将固定磁电变换器和移位磁电变换器安装在同一个衬底上。因此，需要为安装固定磁电变换器和移位磁电变换器提供分离的衬底。结果，要求至少两个衬底。

磁通线在磁通产生源的两个磁极（北（N）极和南（S）极）附近密集。可以理解，如果在磁极附近设置磁电变换器，则可以灵敏地检测磁电变换器相对于磁通产生源的移位的变化。

特别地，当如图3和图4所示地棒状的磁通产生源5的磁极具有端面时，可以将固定磁电变换器7固定到磁极之一的端面，并且将移位磁电变换器4a和4b布置在面向另一个磁极的位置处。可以理解，这种结构使得可以最准确地检测力和由磁通产生源产生的磁场的变化。

本发明可适当地应用作为在工业的机械手中使用的力传感器。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围将被给予最宽的解释从而包括所有这样的修改、等同的结构与功能。

本申请要求2009年11月26日提交的日本专利申请No.2009-269186的权益，该日本专利申请整体通过参考被并入于此。

Claims (4)

1.一种磁性的力传感器，基于彼此相对的作用部的位置和磁通产生源的位置来检测力，所述作用部是能够由于所述作用部接受到的所述力而移位的，所述磁性的力传感器包括：

由支撑部件弹性地支撑的所述作用部；

固定到所述作用部的第一磁电变换器；

面向第一磁电变换器布置的所述磁通产生源；

布置在相对于所述磁通产生源固定的位置处的第二磁电变换器；以及

运算处理部，所述运算处理部基于第二磁电变换器的输出校正第一磁电变换器的输出。

2.根据权利要求1所述的磁性的力传感器，还包括调节器，所述调节器将所述运算处理部的运算结果反馈到第一磁电变换器，

其中对第一磁电变换器的输出执行抵消第一磁电变换器的偏移量的反馈，所述第一磁电变换器的偏移量是基于先前设定的基准电压值与在外力不被施加到所述作用部时的第二磁电变换器的输出的电压值之间的差来被计算的。

3.根据权利要求1所述的磁性的力传感器，还包括调节器，所述调节器将所述运算处理部的运算结果反馈到第一磁电变换器，

其中，在由所述磁通产生源产生的磁场为B并且基于第二磁电变换器的输出计算的由所述磁通产生源产生的磁场的变化为ΔB时，执行用于使第一磁电变换器的输出为(B-ΔB)/B倍输出的反馈。

4.根据权利要求1所述的磁性的力传感器，其中第二磁电变换器被布置在所述磁通产生源的磁极中的一个磁极附近，并且第一磁电变换器被设置在所述磁通产生源的另一个磁极附近。

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