JP2009075083A - 磁気式力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 感度を高め、磁束発生源が外部へ与える影響を抑制し、ノイズに対しての信頼性を向上できる構造にした、力、モーメントを６軸検出する磁気式力センサを提供する。
【解決手段】 磁束発生源の外周部に磁束の流れを制御する磁性体を配置する。それによって、磁電変換素子に流入する磁束を集中させ、感度が高まる。磁束は透磁率の高い磁性体に優先的に入り込むため、磁束発生源が外部へ与える影響を抑制し、ノイズに対しての信頼性を向上できる。さらに、磁束発生源を中心として８つの磁電変換素子を配置することにより、力、モーメントを６軸検出できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、力、モーメント６方向成分を検出する力センサに関し、特に、磁束発生源の磁束変化を磁電変換素子で検出する磁気式力センサに関するものである。

力センサは、例えば、ロボットアームにより部品の組立を行う場合、手首部分に取付けられ組付け作業の際に生じる力やモーメント成分を検出し、ハンド部の姿勢制御を行うために用いられる。従来、力センサは、特開平０１−２６２４３１号（特許文献１）に記載されているように歪ゲージの抵抗変化から検出するものが主であった。また、特開２００４−３２５３２８号（特許文献２）に記載されているように作用部の変位を磁気的に検出する方法を利用しているものもある。

まず、特許文献１に記載の従来例の構造を図１１に示す。起歪部に作用する力、モーメント成分を同一梁上に配置された複数の歪ゲージの抵抗変化から算出するようになっている。

次に、特許文献２に記載の従来例の構造を図１２に示す。弾性体に埋め込まれた永久磁石と、その永久磁石の磁化方向軸に対して対向するように４つの磁電変換素子を配置している。作用力が加わると永久磁石が変位し、それによって生じた磁束の変位を磁電変換素子によって電気信号に変換し検出する。これにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３軸力成分の検出を可能としている。
特開平０１−２６２４３１号公報 特開２００４−３２５３２８号公報

しかしながら、特許文献１の発明においては、同一梁上に歪ゲージが複数配置した構成となっている。このため、起歪部に力を受けた場合、力が作用した軸方向の歪だけでなく、力が作用していない軸方向の歪を発生させてしまう他軸干渉が問題となる。この他軸干渉を少なくするために梁構造や信号処理を工夫する必要があり小型化、コストに対して不利である。さらに、歪ゲージの経年変化により耐久性、信頼性に問題がある。

また、特許文献２の発明においては、非接触で設けられた素子がそれぞれ独立している構成となっているため、特許文献１の発明の欠点を補っている。

しかしながら、磁性材料と磁電変換素子を対向させるように配置した構成では磁束は発散してしまうために、磁電変換素子に検出される磁束密度の変位が僅かとなり十分な感度が得ることが困難となる。加えて、磁性材料が単純に弾性体で埋め込まれており周辺機器に影響を与えるノイズ源となることや、磁電変換素子に外部からの磁束が容易に流入し出力に影響を与えるという問題がある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、感度を高め、磁束発生源が外部へ与える影響を抑制し、ノイズに対しての信頼性を向上できる構造にした、力、モーメントを６軸検出する磁気式力センサを提供することにある。

上記目的を達成するため、本出願に係る第１の発明によれば、磁束発生源の外周部には、前記磁束発生源の磁化方向軸を包囲して磁性体が配置されていることを特徴としている。

本出願に係る第２の発明によれば、請求項１に記載の磁性体は、センシング部を包囲して配置されていることを特徴としている。

本出願に係る第３の発明によれば、請求項１に記載の磁束発生源の磁化方向に対して、磁性体の外側端面は、磁束発生源の外側端面から突出してセンシング部の外周部に配置していることを特徴としている。

磁束発生源と磁電変換素子からなるセンシング部の外周部に磁性体を配置したことにより、磁束発生源からの磁束を磁性体により制御することができる。よって、磁電変換素子に流入させる磁束を集中することが可能となり、磁束発生源の位置変位が微小であっても比較的大きな磁束の変化を得られ、感度を高めることができる。

磁束発生源を取り囲むように複数配置し、さらに、１軸に対して少なくとも４つの磁電変換素子の電気的変位から、対をなす２つのペアにより算出することにより、力ならびにモーメントを６軸検出できる構成となる。

外部からの磁気ノイズが流入した場合、その磁気ノイズは透磁率の高い磁性体に優先的に入り込むため、磁電変換素子には到達し難い構成となるため、磁気ノイズに対しての信頼性が向上できる。

磁束発生源の外周部に磁性体を配置したことにより、磁束発生源から発せられる磁束を磁性体で閉じ込めやすくなる構造となり、外部へ影響を与えるノイズ源となることを抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、感度を高め、磁束発生源が外部へ与える影響を抑制し、ノイズに対しての信頼性を向上できる構造にした、力、モーメントを６軸検出する磁気式力センサを提供することができる。

図１は本発明の特徴を最もよく表す図面であり、同図（ａ）は、磁気式力センサのＸ−Ｚ軸に沿った断面図であり、同図（ｂ）は分解斜視図である。

図１において１は力が印加される作用部。２は力が印加された際に位置変位を生みだす弾性体。３は力センサの外枠。４は作用部と磁束発生源を支持する支柱。５は磁電変換素子を設置する磁電変換素子支持部。６ａ〜６ｄは磁束発生源の磁束変化を検出する磁電変換素子。７は磁束の流れを制御する磁性体。８は磁束を生み出す磁束発生源。９ａ〜９ｄは磁束発生源の磁束変化を検出する磁電変換素子である。本発明においては、磁電変換素子と磁束発生源を併せてセンシング部と以下称することがある。作用部１は剛性の高い支柱４を介して磁束発生源８と連結固定されている。また外枠３には磁電変換素子支持部５を介して磁電変換素子６ａ〜６ｄが磁束発生源８と間隙をもって固定されていて、磁電変換素子９ａ〜９ｄも同じく磁束発生源８と間隙をもって外枠に対して固定されている。

そして、外枠３と作用部１とが弾性体２を介して互いに変位可能に弾性支持されている。

また磁束発生源支持部１２は弾性体など剛性の低いもので構成され、磁束発生源８の姿勢を保持するために支柱４と対向する位置に配置されている。このような構成をとれば、作用部１に力が加わり外枠に対して姿勢が変化すると、その姿勢変化に追従して磁束発生源８も姿勢が変化し、外枠３に固定された磁電変換素子に対して相対位置が変化する。

磁束発生源８はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ磁石、フェライト磁石に代表されるような永久磁石であってもよく、磁性体まわりに、コイルを巻き、通電することによって磁力を発生させる電磁石であってもよい。磁電変換素子６，９はホール素子、ＭＲ素子、磁気インピーダンス素子、フラックスゲート素子などである。磁性体７は、空気とは異なる透磁率を持った材料から構成される。

作用部１に力が印加されると、支柱４に取付けられた磁束発生源８は弾性体２によって変位を生じる。それによって、各磁電変換素子からは、磁束発生源８の変位量に比例した電気的変位が得られる。

力、モーメントの算出方法について図２を参照しながら説明する。例えば、作用部にＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｚ軸方向に力Ｆｚ、Ｙ軸方向のモーメントＭｙを受けたとする。Ｘ軸方向の力Ｆｘによって磁電変換素子６ａ、９ａにそれぞれ磁束密度変位量−ΔＢｘが生じたとすると、６ｃ、９ｃにはそれぞれ磁束密度の変位量が＋ΔＢｘ生じることになる。また、Ｚ軸方向の力Ｆｚによって磁電変換素子６ａ、６ｃにそれぞれ磁束密度変位量−ΔＢｚが生じたとすると、９ａ、９ｃにはそれぞれ磁束密度の変位量が＋ΔＢｚ生じることになる。さらに、Ｙ軸方向のモーメントＭｙによって磁電変換素子６ａ、９ｃにそれぞれ磁束密度変位量＋ΔＢｙが生じたとすると、６ｃ、９ａにはそれぞれ磁束密度の変位量が−ΔＢｙ生じることになる。

磁電変換素子６ａに生じる磁束密度変位総量ΔＢ６ａ、磁電変換素子６ｃに生じる磁束密度変位総量ΔＢ６ｃ、磁電変換素子９ａに生じる磁束密度変位総量ΔＢ９ａ、磁電変換素子９ｃに生じる磁束密度変位総量ΔＢ９ｃとすると、
ΔＢ６ａ＝−ΔＢｘ−ΔＢｚ＋ΔＢｙ
ΔＢ６ｃ＝ΔＢｘ−ΔＢｚ−ΔＢｙ
ΔＢ９ａ＝−ΔＢｘ＋ΔＢｚ−ΔＢｙ
ΔＢ９ｃ＝ΔＢｘ＋ΔＢｚ＋ΔＢｙ
となる。

次に、各々の軸において相対関係にある磁電変換素子のペアを作り、差分をとる。ここで、ｋｘ、ｋｚ、ｋｙは磁束密度変位量から力、モーメントに算出するための比例係数である。
Ｆｘ
＝（ΔＢ６ｃ＋ΔＢ９ｃ）−（ΔＢ６ａ＋ΔＢ９ａ）
＝ｋｘ×ΔＢｘ
Ｆｚ
＝（ΔＢ９ａ＋ΔＢ９ｃ）−（ΔＢ６ａ＋ΔＢ６ｃ）
＝ｋｚ×ΔＢｚ
Ｍｙ
＝（ΔＢ６ａ＋ΔＢ９ｃ）−（ΔＢ９ａ＋ΔＢ６ｃ）
＝ｋｙ×ΔＢｙ

以上のようにして、本発明による力センサーでは、各軸に独立に力を加えた際に生じる磁束密度変位量の項だけになるので、各軸に生じた力を容易に算出できる。同様にして、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｘ軸方向のモーメントＭｙ、Ｚ軸方向のモーメントＭｚも算出できる。

（実験例１）
図３に磁場シミュレーションの結果を示す。シミュレーションはＺ軸対称の２次元静磁界モデルで行った。同図（ａ）は空気中にＺ軸方向の厚み４ｍｍ、Ｘ軸方向の厚み２ｍｍの磁束発生源を配置しており、同図（ｂ）は磁束発生源にＺ軸方向の厚み４ｍｍ、Ｘ軸方向の厚み１ｍｍの磁性体が巻き付けてある。ここで、磁束発生源には残留磁束密度１．４Ｔ、保磁力１０００ｋＡ／ｍのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石の特性を設定し、磁性体の比透磁率は５０００に設定した。

図３（ａ）の単純に空気中に磁束発生源だけを配置したものでは、磁束発生源から発せられる磁束が発散してしまい、その磁束が外部の周辺機器に悪影響を及ぼす恐れがある。一方で、図３（ｂ）に示したように、磁化方向軸を包囲するように磁束発生源の外周部に磁性体を配置した場合、空気より透磁率が高い磁性体に優先的に磁束が流れることにより、周囲へ発散するのを抑制される。これによって、磁束発生源が外部へ影響を与えるノイズ源となることを抑制することができる。

図３解析モデルにおいて、外部に磁束を発するノイズ源を配置したものを図４に示す。図４（ａ）では、磁電変換素子をどの場所に配置してもノイズ源からの磁束の影響を受ける。一方で、図４（ｂ）では、外部から磁気ノイズは透磁率が高い磁性体に流れるため、ノイズの影響を受ける箇所を限定できる。例えば、図４（ｂ）では磁電変換素子を磁束発生源のＺ軸方向の上面または下面に配置することで、磁気ノイズに対しての信頼性が向上できる。

次に、磁束発生源の外周部に磁性体を配置した際の磁電変換素子の配置個所について述べる。図５に図３（ｂ）モデルにおいて、Ｚ軸方向に磁束発生源から５００μｍ離した位置でのＸ軸方向の磁束密度のＸ成分をプロットしたものを示す。図上の矢印がプロット位置である。Ｘ軸方向に２０００μｍ付近、つまりは磁性体と空気層を境界にして磁束密度の変化量が急激に小さくなることがわかる。よって、十分な感度を得るためには、磁電変換素子は磁性体の外側端面よりも内側に配置することが望ましい。

（実験例２）
図６に磁場シミュレーションの結果を示す。図３（ｂ）に巻き付けられていた磁性体のＺ軸方向の厚みを、図６（ｂ）では６ｍｍに変更した。図６（ａ）の条件は図３（ａ）の実験例１と同じである。

磁電変換素子をＸ軸方向に５００μｍ、Ｚ軸方向に磁束発生源から５００μｍ離し、磁場のＸ成分を測定できるように配置したとする。その時に、磁束発生源をＸ軸方向に±５０μｍまたはＺ軸方向に±５０μｍ変位させたときに磁電変換素子に現れる磁束密度の変位量をΔＢｘ、ΔＢｚとすると、図７、８のようなグラフとなる。図６上の矢印がプロット位置である。図７がＸ軸方向に変位させたときの磁束密度の変位量ΔＢｘであり、図８がＺ軸方向に変位させたときの磁束密度の変位量ΔＢｚである。

次に、磁電変換素子をＸ軸方向に５００μｍ、Ｚ軸方向に磁束発生源から５００μｍ離し、磁場のＺ成分を測定できるように配置したとする。その時に、磁束発生源をＸ軸方向に±５０μｍまたはＺ軸方向に±５０μｍ変位させたときに磁電変換素子に現れる磁束密度の変位量をΔＢｘ、ΔＢｚとすると、図９、１０のようなグラフとなる。図６上の矢印がプロット位置である。図９がＸ軸方向に変位させたときの磁束密度の変位量ΔＢｘであり、図１０がＺ軸方向に変位させたときの磁束密度の変位量ΔＢｚである。

磁電変換素子を磁場のＸ、Ｚ成分測定できるように配置した。どちらの場合においても、磁性体を配置することによって変化曲線の傾きが大きくなる、すなわち感度が高くなることがわかる。これは、空気より透磁率が高い磁性体を配置することにより、磁束の流れを制御し、磁電変換素子に流入する磁束が集中したためである。このことから、磁束発生源の外周部に磁性体を配置することにより、単純に磁束発生源だけを配置した場合と比べて感度を高める効果があることがわかる。

また、図３（ｂ）、図６（ｂ）の磁束線の流れからわかるように、磁束発生源の磁化方向の厚みを磁性体より小さくすることで、磁束発生源から発せられる磁束を閉じ込めやすい構造となる。つまり磁性体の外側端面は、磁束発生源の外側端面から突出してセンシング部の外周部に配置すると、磁束発生源からの外部へ与えるノイズ源となることをさらに抑制することができる。

そのような構成をとると、磁電変換素子は、磁性体によって周囲を囲まれる構造となるため、磁気ノイズに対しての信頼性もさらに向上できる。

本発明に係る磁気式力センサの構造を示す図である。 本発明の力、モーメントを算出する方法を説明するための図である。 Ｚ軸対称の２次元静磁界モデルでシミュレーションを行った磁束線図である。 図３解析モデルにおいて、外部に磁束を発するノイズ源を配置した磁束線図である。 Ｚ軸方向に磁束発生源から５００μｍ離した位置でのＸ軸方向の磁束密度のＸ成分を示すグラフ Ｚ軸対称の２次元静磁界モデルでシミュレーションを行った磁束線図である。 磁電変換素子を磁場のＸ軸成分を測定できるように配置し、磁束発生源をＸ軸方向に±５０μｍの変位量に対しての磁電変換素子位置における磁束密度の変位量を示すグラフ 磁電変換素子を磁場のＸ軸成分を測定できるように配置し、磁束発生源をＺ軸方向に±５０μｍの変位量に対しての磁電変換素子位置における磁束密度の変位量を示すグラフ 磁電変換素子を磁場のＺ軸成分を測定できるように配置し、磁束発生源をＸ軸方向に±５０μｍの変位量に対しての磁電変換素子位置における磁束密度の変位量を示すグラフ 磁電変換素子を磁場のＺ軸成分を測定できるように配置し、磁束発生源をＺ軸方向に±５０μｍの変位量に対しての磁電変換素子位置における磁束密度の変位量を示すグラフ 従来の歪ゲージ式力センサの構造を示す図である 従来の磁気式力センサの構造を示す図である。

符号の説明

１ 作用部
２ 弾性体
３ センサ外枠
４ 支柱
５ 磁電変換素子支持部
６ａ〜６ｄ 磁電変換素子
７ 磁性体
８ 磁束発生源
９ａ〜９ｄ 磁電変換素子
１０ 磁束線
１１ ノイズ源

Claims (3)

1. 外部からの力が作用する作用部と、
   該作用部の力を電気信号に変換するセンシング部と、
   作用部を弾性支持する弾性体を備え、内部に前記センシング部を収めた外枠と、
   を有する磁気式力センサにおいて、
   前記センシング部には、前記作用部と連結された磁束発生源と、該磁束発生源が変位することによる磁束の変化量を検出する前記外枠に固定された磁電変換素子を有しており、磁束発生源の外周部には、前記磁束発生源の磁化方向軸を包囲して磁性体が配置されていることを特徴とする磁気式力センサ。
2. 前記磁性体は、センシング部を包囲して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気式力センサ。
3. 磁束発生源の磁化方向に対して、磁性体の外側端面は、磁束発生源の外側端面から突出して前記センシング部の外周部に配置していることを特徴とする請求項１に記載の磁気式力センサ。

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