JP2010210461A - Force sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ロボット等に用いられる力覚センサーに関する。 The present invention relates to a force sensor used for a robot or the like.
力覚センサーは、例えば、ロボットのアーム部の先にあるハンド部等に装着され、ハンド部に加わる力を検出するために使用されている。ロボットは、電子部品の組立等の作業に応用される。電子部品の組立工程は多岐にわたり、多数のロボットが必要となるため、簡単な構造で製造コストの低減した力覚センサーが求められている。
力覚センサーとして、送信コイル基板と受信コイル基板とを弾性部材である支持用ゴムを挟んで、一定の間隔を持って平行に配置させた構造がある。送信コイル基板と受信コイル基板とに力が加わるとこれらの間の間隔が変化し、受信用コイルに発生する起電流が増減する。この起電力の増減を検出して変位量を測定し、支持用ゴムの圧縮特性から加わった力を測定する電磁誘導式が知られている(例えば、特許文献1参照)。
The force sensor is attached to, for example, a hand part at the tip of the arm part of the robot, and is used to detect a force applied to the hand part. The robot is applied to operations such as assembly of electronic components. Since the assembly process of electronic components is diverse and requires a large number of robots, a force sensor with a simple structure and reduced manufacturing cost is required.
As a force sensor, there is a structure in which a transmission coil substrate and a reception coil substrate are arranged in parallel with a predetermined interval with a supporting rubber that is an elastic member interposed therebetween. When force is applied to the transmission coil substrate and the reception coil substrate, the distance between them changes, and the electromotive current generated in the reception coil increases or decreases. There is known an electromagnetic induction type that detects the increase / decrease in the electromotive force, measures the amount of displacement, and measures the force applied from the compression characteristics of the supporting rubber (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、電磁誘導式では、送信コイルおよび受信コイルを、送信コイル基板と受信コイル基板とにそれぞれ形成した後、送信コイル基板と受信コイル基板とを弾性部材を挟んで平行に配置する際に、その間隔が一定でなかった場合等に、力覚センサー製造後の感度バランスの調整が難しい。したがって、感度や加わる力に応じた出力がばらつく。
また、電磁誘導式では、送信コイルおよび受信コイルへの配線が必要となり、構造が複雑になり、製造コストの低減が難しい。
However, in the electromagnetic induction type, after the transmission coil and the reception coil are formed on the transmission coil substrate and the reception coil substrate, respectively, when the transmission coil substrate and the reception coil substrate are arranged in parallel with the elastic member interposed therebetween, When the interval is not constant, it is difficult to adjust the sensitivity balance after manufacturing the force sensor. Therefore, the output corresponding to the sensitivity and applied force varies.
Further, in the electromagnetic induction type, wiring to the transmission coil and the reception coil is required, the structure is complicated, and it is difficult to reduce the manufacturing cost.
本発明は、上述の課題の少なくとも一つを解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least one of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
ヨークを備えた磁界発生部で形成される磁気回路を有する第1の基体と、前記磁気回路を横切る磁気センサーを有する第2の基体と、前記第1の基体と前記第2の基体との間に介在し、両者の間に加わる荷重によって弾性変形する弾性部材と、前記磁気センサーの位置調整手段または前記ヨークのパーミアンス調整手段のうち少なくとも一方とを備えていることを特徴とする力覚センサー。
[Application Example 1]
A first substrate having a magnetic circuit formed by a magnetic field generator having a yoke, a second substrate having a magnetic sensor crossing the magnetic circuit, and between the first substrate and the second substrate. A force sensor comprising: an elastic member that is elastically deformed by a load applied therebetween, and at least one of a position adjusting unit of the magnetic sensor and a permeance adjusting unit of the yoke.
この適用例によれば、磁気センサーの位置調整手段または磁気回路を構成するヨークのパーミアンス調整手段のうち少なくとも一方を備えているので、組立後において磁気回路と磁気センサーとの相対位置または磁気回路の少なくとも一方の調整が可能である。第1の基体と第2の基体とを弾性部材を介して組立てた際に、弾性部材の弾性変形等によって、第1の基体と第2の基体との相対位置がずれることにより、磁気回路と磁気センサーとの相対位置がずれて組立てられても、磁気回路中の磁気センサーの位置または磁気回路の少なくとも一方を調整できる。したがって、感度や加わる力に応じた出力のばらつきの少ない力覚センサーが得られる。 According to this application example, since at least one of the position adjusting means of the magnetic sensor or the permeance adjusting means of the yoke constituting the magnetic circuit is provided, the relative position of the magnetic circuit and the magnetic sensor after assembly or the magnetic circuit At least one of the adjustments is possible. When the first base and the second base are assembled through the elastic member, the relative position between the first base and the second base is shifted due to elastic deformation of the elastic member, etc. Even when the magnetic sensor is assembled with a relative position shifted, at least one of the position of the magnetic sensor in the magnetic circuit and the magnetic circuit can be adjusted. Therefore, a force sensor with little variation in output according to sensitivity and applied force can be obtained.
[適用例2]
上記力覚センサーであって、前記ヨークの形状は、前記磁気センサーの出力と前記荷重によって前記磁気回路中を移動する前記磁気センサーの移動距離とが比例関係になるような前記磁気回路を形成する形状であることを特徴とする力覚センサー。
この適用例では、磁気回路が、磁気センサーの出力と磁気センサーの移動距離とが比例関係になるように、ヨークの形状が形成されている。したがって、磁気センサーがヨークによって形成された磁気回路中のどの位置にあっても、感度や力に応じた出力が一定の力覚センサーが得られる。
[Application Example 2]
In the force sensor, the shape of the yoke forms the magnetic circuit such that an output of the magnetic sensor and a moving distance of the magnetic sensor moving in the magnetic circuit by the load are in a proportional relationship. Force sensor characterized by its shape.
In this application example, the shape of the yoke is formed so that the magnetic circuit has a proportional relationship between the output of the magnetic sensor and the moving distance of the magnetic sensor. Therefore, a force sensor having a constant output according to sensitivity and force can be obtained at any position in the magnetic circuit formed by the yoke.
[適用例3]
上記力覚センサーであって、前記磁界発生部は、永久磁石を備えていることを特徴とする力覚センサー。
この適用例では、磁界発生部に、配線の不要な永久磁石を用いているので、構造が簡単で小型の製造コストの低減した力覚センサーが得られる。
[Application Example 3]
The force sensor, wherein the magnetic field generator includes a permanent magnet.
In this application example, since a permanent magnet that does not require wiring is used for the magnetic field generator, a force sensor with a simple structure and a reduced manufacturing cost can be obtained.
以下、実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
(第1実施形態)
図1に本実施形態における力覚センサー10の概略図を示した。(a)は力覚センサー10の概略平面図、(b)は(a)におけるA−A概略断面図である。
Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
(First Embodiment)
FIG. 1 shows a schematic diagram of a
図1において、力覚センサー10は、第1の基体としての軸部1と弾性部材2と第2の基体としてのハウジング3と4つの磁界発生部4と4つの磁気センサー5と磁気センサー5の位置調整手段50とを備えている。
軸部1の中程にはリング状の凸部11が形成されている。また、ハウジング3はリング状でその内面には、溝31が形成されている。軸部1の凸部11が弾性部材2を介してハウジング3の溝31に嵌め込まれている。したがって、弾性部材2は、軸部1とハウジング3との間に介在している。
図には、軸部1の軸方向をZ軸として、力を検知する方向をX軸方向、Y軸方向として示した。
In FIG. 1, the
A ring-
In the figure, the axial direction of the
また、凸部11と溝31との間のZ軸方向には、スラスト方向の受け6A,6Bが配置され、軸部1のZ軸方向への移動あるいは軸部1のねじれるような変形はしにくくなっている。
したがって、本実施形態における力覚センサー10は、力のモーメントを検出しない力覚センサーである。
In addition,
Therefore, the
軸部1の凸部11の外周111には、軸部1の中心1Cを挟んで、X軸方向に2ヶ所、Y軸方向に2ヶ所、凹部12が形成され、凹部12の底面121には磁界発生部4が設けられている。また、磁界発生部4に対向するハウジング3の溝31の位置には、凹部32が形成され、凹部32の底面321には、磁気センサー5が配置されている。
On the
軸部1やハウジング3は、弾性部材2よりも変形し難く、しかも非磁性の材料で構成される。例えば、金属ではアルミニウム、非磁性のステンレス、黄銅、亜鉛、マグネシウムなど、その他セラミックや硬い樹脂なども使用することができる。
弾性部材2としては、シリコンゴム、フッ素系ゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム、ブチルゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、天然ゴムなど、およびこれらを発泡成形させた、より変形量が大きく取れるものなどを、それぞれの必要な荷重や変形量に応じて適宜選択することができる。
磁界発生部4には、電磁石、永久磁石等を用いることができるが、配線等が不要で構造が簡単、小型にできる点から永久磁石が好ましい。
永久磁石としては、フェライト系磁石、NdFeB系磁石、SmFe系磁石、アルニコ系磁石などが適している。永久磁石の数は1つでも2つでも良い。
磁気センサー5としては、ホール素子や磁気抵抗素子の半導体型のもの、フラックスゲート式のものなどが利用できる。
The
Examples of the
An electromagnet, a permanent magnet, or the like can be used for the magnetic
Suitable permanent magnets include ferrite magnets, NdFeB magnets, SmFe magnets, and alnico magnets. The number of permanent magnets may be one or two.
As the
力覚センサー10では、軸部1が、X軸方向又はY軸方向の力を受けると、軸部1が弾性部材2を変形させるように作用し、その変形量に応じた出力が生じる仕組みとなっている。
例えば、図1(b)中に示した白抜き矢印で示したように、軸部1の+X軸方向に力Fxが加えられた時には、弾性部材2にも+X軸方向に力が加わり、弾性部材2が変形し、軸部1は+X方向にある磁気センサー5に近づく。軸部1の移動に伴い磁界発生部4が移動すると、磁気センサー5を取り巻く磁界も変化し、4つの磁気センサー5の出力電圧は変化する。
In the
For example, as indicated by the white arrow shown in FIG. 1B, when a force Fx is applied in the + X-axis direction of the
ここで、+X軸方向にある磁気センサー5を磁気センサー(+X)、−X軸方向にある磁気センサー5を磁気センサー(−X)、+Y軸方向にある磁気センサー5を磁気センサー(+Y)、−Y軸方向にある磁気センサー5を磁気センサー(−Y)とする。
例えば、+X軸方向に力Fxが加わる前の出力電圧をV0とすると、+X軸方向に力Fxが加わった後の磁気センサー5の出力電圧V+X、V-X、V+Y、V-Yは、以下のとおり変化する。
磁気センサー(+X)の出力電圧V+X>V0
磁気センサー(−X)の出力電圧V-X<V0
磁気センサー(+Y)の出力電圧V+Y=V0
磁気センサー(−Y)の出力電圧V-Y=V0
これらの出力電圧の比較から、力覚センサー10として、+X軸方向への力Fxが作用したと判断される。力Fxの大きさは、予め力の大きさに応じて出力電圧Vの大きさを測定しておくことによって、出力電圧Vが分かれば、力Fxの大きさが分かる。
Here, the
For example, assuming that the output voltage before the force Fx is applied in the + X-axis direction is V 0 , the output voltages V + X , V -X , V + Y , V of the
Magnetic sensor (+ X) output voltage V + X > V 0
Magnetic sensor (−X) output voltage V −X <V 0
Magnetic sensor (+ Y) output voltage V + Y = V 0
Magnetic sensor (−Y) output voltage V −Y = V 0
From the comparison of these output voltages, it is determined that the
+Y軸方向の力Fyについても同様であり、以下のとおり変化する。
磁気センサー(+X)の出力電圧V+X=V0
磁気センサー(−X)の出力電圧V-X=V0
磁気センサー(+Y)の出力電圧V+Y>V0
磁気センサー(−Y)の出力電圧V-Y<V0
X軸方向とY軸方向の出力電圧の合成から、斜めからの力も計算することが出来る。
The same applies to the force Fy in the + Y-axis direction, and changes as follows.
Magnetic sensor (+ X) output voltage V + X = V 0
Magnetic sensor (−X) output voltage V −X = V 0
Magnetic sensor (+ Y) output voltage V + Y > V 0
Magnetic sensor (−Y) output voltage V −Y <V 0
An oblique force can also be calculated from the composition of the output voltages in the X-axis direction and the Y-axis direction.
図2(a)に、力覚センサー10の磁界発生部4および磁気センサー5付近の概略拡大断面図を示した。
図2(b)に、磁気センサー5の出力電圧と磁気センサー5の初期位置L0としたときの磁界発生部4に対する相対移動距離との関係図を示した。ここでは、磁界発生部4に向かう方向を正方向として表している。以下、図に基づいて検出原理を説明する。
図2(a)において、磁界発生部4と磁気センサー5とは、弾性部材2を介在させ、対向して配置されている。磁界発生部4は、2つの永久磁石41,42とヨーク43から構成されており、磁束44が軸部1の凸部11の外周側へ広がるように流れて再び戻るように磁気回路45が形成されている。
FIG. 2A is a schematic enlarged cross-sectional view of the vicinity of the
FIG. 2B shows a relationship diagram between the output voltage of the
In FIG. 2A, the magnetic
この磁束44を磁気センサー5で検出し、電圧として出力する。
軸部1が磁気センサー5に向かって力を受けると、弾性部材2が変形して、磁界発生部4と磁気センサー5との距離が小さくなり、磁気センサー5の出力は磁束44が増えて大きくなる。結果として、力を電圧として検出することができる。
図2(b)において、磁気センサー5の初期位置L0からの磁界発生部4に対する相対移動距離が大きくなる(磁界発生部4と磁気センサー5との距離が小さくなる)と、磁気センサー5の出力電圧が大きくなる。
This
When the
In FIG. 2B, when the relative movement distance from the initial position L 0 of the
図3に、磁気センサー5がホール素子の場合の回路例を回路図として示した。OPAmpはオペレーションアンプを、Trはトランジスターを、Rは抵抗を表している。
回路は、定電流部と計装アンプ部とバランス調整部とを備えている。これら各部の回路は周知の回路を用いることができ、また、具体的に図に示した回路に限らない。
FIG. 3 shows a circuit example when the
The circuit includes a constant current unit, an instrumentation amplifier unit, and a balance adjustment unit. As these circuits, well-known circuits can be used, and the circuit is not limited to the circuits shown in the drawings.
ホール素子では、以下の原理で磁束44の密度である磁界の強度を測定する。
p型またはn型の半導体試料において、例えば、x方向に電流を流し、y方向に磁場を加える。この時半導体試料を流れている荷電粒子(キャリア)は磁場によるローレンツ力を受けてz方向に動く。これによって電流と磁場の両方に直交する方向に電場(ホール電場)が現れる。これがホール効果であり、ホール素子はホール効果を利用して、磁界の強度を測定できる。
ホール素子に利用される半導体としては、ガリウム・ヒ素(GaAs)、インジウム・ヒ素(InAs)、インジウム・アンチモン(InSb)などであり、インジウム・アンチモンは高感度だが温度による影響を受け易く、ガリウム・ヒ素は温度による影響を受け難い等の特徴があり、用途によって使い分けることができる。
The Hall element measures the strength of the magnetic field, which is the density of the
In a p-type or n-type semiconductor sample, for example, a current is passed in the x direction and a magnetic field is applied in the y direction. At this time, charged particles (carriers) flowing through the semiconductor sample move in the z direction under the Lorentz force by the magnetic field. As a result, an electric field (Hall electric field) appears in a direction orthogonal to both the current and the magnetic field. This is the Hall effect, and the Hall element can measure the strength of the magnetic field using the Hall effect.
Examples of semiconductors used for the Hall element include gallium arsenide (GaAs), indium arsenide (InAs), and indium antimony (InSb). Indium antimony is highly sensitive but easily affected by temperature. Arsenic has characteristics such as being hardly affected by temperature, and can be used properly depending on the application.
精度良く磁界を測定しようとすると、ホール電流は一定である方が良く、定電流部によってホール電流を一定とする。ホール電流は抵抗Rhによって決めることができる。
ホール素子の出力部には、ホール電圧が発生するが、その電圧は小さいので、計装アンプ部によって増幅される。計装アンプ部は、1対の差動入力端子と基準端子を電位基準とするシングルエンド出力を持っており、入力インピーダンスが高く、同相信号除去比(CMR:COMMON MODE REJECTION)が70dB〜100dB程度あり優れている。
計装アンプ部の出力電圧Voutは、ホール電圧Vhと計装アンプ部のゲインによって式(1)のように表される。
In order to measure the magnetic field with high accuracy, it is better that the Hall current is constant, and the Hall current is made constant by the constant current portion. The Hall current can be determined by the resistance Rh.
A Hall voltage is generated at the output section of the Hall element, but since the voltage is small, it is amplified by the instrumentation amplifier section. The instrumentation amplifier unit has a single-ended output with a pair of differential input terminals and a reference terminal as a potential reference, high input impedance, and a common mode rejection ratio (CMR: COMMON MODE REJECTION) of 70 dB to 100 dB. Excellent to some extent.
The output voltage Vout of the instrumentation amplifier unit is expressed as shown in Expression (1) by the Hall voltage Vh and the gain of the instrumentation amplifier unit.
以上示したように、磁界に比例したホール電圧Vhが出力として得られる。また、計装アンプ部によって増幅されたホール電圧Vhのゼロ点がずれている場合には、バランス調整部によって調整することが出来る。
永久磁石41,42の材質や寸法・形状などを適切に設計することで、2つの永久磁石41,42に挟まれた空間の磁気回路である磁界勾配の傾きを加減することができる。
また、磁気センサー5の位置調整手段50によって、磁気センサー5の位置を磁束44の分布に対して移動させることができる。位置調整手段50としては、例えば、ネジ、マイクロメーター等を用いて、機械的に磁気センサー5の位置をX、Y、Z軸方向に調整することができる。
As described above, the Hall voltage Vh proportional to the magnetic field is obtained as the output. Further, when the zero point of the Hall voltage Vh amplified by the instrumentation amplifier unit is shifted, it can be adjusted by the balance adjusting unit.
By appropriately designing the material, dimensions, and shape of the
Further, the position of the
(変形例)
図4(a)に、変形例における磁界発生部40および磁気センサー5付近の概略拡大断面図を示した。図4(b)に、第1実施形態と同様に、磁気センサー5の出力電圧と磁気センサー5の初期位置L0としたときの磁界発生部40に対する相対移動距離との関係図を示した。第1実施形態と同じ構成要素には、第1実施形態と同じ符号を付した。
(Modification)
FIG. 4A shows a schematic enlarged cross-sectional view in the vicinity of the
磁界発生部40は、永久磁石49と2つのヨーク46,47から構成され、磁束44が軸部1の外周側へ広がるように流れて、再び戻るように磁気回路48が構成されている。
この場合、2つの46,47に挟まれた空間の磁界勾配を比較的均一に設計することも可能であり、ヨーク46,47の形状次第で磁界勾配の傾きも加減ができる。例えば、ヨーク46,47の形状を永久磁石から離れるに従って薄くするようにテーパーをつけ、そのテーパーの形状を変えることで磁界勾配の傾きも変えることができる。
The
In this case, the magnetic field gradient in the space between the two 46 and 47 can be designed to be relatively uniform, and the gradient of the magnetic field gradient can be adjusted depending on the shape of the
図4(a)において、ヨーク46,47に挟まれた空間の略均一になった磁界勾配中に磁気センサー5が配置されている。
また、ヨーク46,47の形状によっては、ヨーク46,47と弾性部材2が接触しないように、弾性部材2の形状を変えることも可能である。変形例では、ヨーク46,47の軸部1の凸部11からはみ出した部分には、弾性部材2が配置されていない。
In FIG. 4A, the
Further, depending on the shape of the
ヨーク46,47は、パーミアンス調整手段60を備えており、磁界勾配の傾き等を調整できるようになっている。パーミアンス調整手段60は、位置調整手段50と同様に、例えば、ネジ、マイクロメーター等を用いて、機械的にヨーク46,47の位置をX、Y、Z軸方向に調整することができる。
The
ヨーク46,47に挟まれた空間の磁界勾配が均一な場合、図4(b)に示すように、磁気センサー5の出力電圧と磁気センサー5の初期位置L0としたときの磁界発生部40に対する相対移動距離とは比例関係になる。
When the magnetic field gradient in the space between the
第1実施形態および変形例において、ヨーク43,46,47としては、飽和磁束密度が高い鉄系の材料、電磁軟鉄、低炭素鋼、珪素鋼板などが適しており、必要に応じて熱処理や防錆のためのメッキや塗装などが施される。ヨーク43,46,47の形状は、永久磁石からの磁束が磁気センサー5をできるだけ多く通るように磁気抵抗が小さくなるような形状が良い。永久磁石のパーミアンスから適した形状を選択し、それに応じたヨーク43,46,47の形状を設計することができる。
In the first embodiment and the modification, as the
図5には、弾性部材2の圧縮特性の例を示した。横軸が荷重を縦軸が変位量を示している。
図5では、荷重に対して変位量が比例せず、緩やかな上に凸の曲線になるが、選択される弾性部材2の種類や発泡の仕方によってもこの曲線の形状は変化する。
力覚センサー10の出力特性(荷重−出力電圧)は、弾性部材2の圧縮特性(荷重−変位量)と図2(b)および図4(b)に示した磁気センサー5の出力特性の両方によって決まる。
弾性部材2の種類を選択するには、弾性部材2の圧縮特性やその他繰り返し荷重に対する安定性、温度特性など総合的な観点で選ばれるが、特にロボットのエンドエフェクターとしては圧縮特性が重要である。先ず、弾性部材2の圧縮特性を決めて弾性部材2の種類やグレードなどを決め、次に磁気センサー5の出力特性が比例関係となるように、磁界発生部4,40の磁界勾配を設計する。
磁気センサー5の出力特性が比例関係であれば、出力電圧から簡単に荷重を求めることができ、弾性部材2の圧縮特性を考慮して変換する手段を必要としない。
In FIG. 5, the example of the compression characteristic of the
In FIG. 5, the amount of displacement is not proportional to the load and becomes a gently upward convex curve, but the shape of this curve also changes depending on the type of
The output characteristics (load-output voltage) of the
In order to select the type of the
If the output characteristics of the
また、磁気センサー5の位置調整手段50またはヨーク46,47のパーミアンス調整手段60のうち少なくとも一方を備えていればよく、位置調整手段50またはヨーク46,47のパーミアンス調整手段60によっても、磁界勾配の調整が可能である。
Further, it is sufficient that at least one of the position adjusting means 50 of the
このような本実施形態および変形例によれば、以下の効果がある。
(1)磁気センサー5の位置調整手段50または磁気回路48を構成するヨーク46,47のパーミアンス調整手段60のうち少なくとも一方を備えているので、組立後において磁気回路45,48と磁気センサー5との相対位置または磁気回路45,48の少なくとも一方の調整を可能にできる。軸部1とハウジング3とを弾性部材2を介して組立てた際に、弾性部材2の弾性変形等によって、軸部1とハウジング3との相対位置がずれることにより、磁気回路45,48と磁気センサー5との相対位置がずれて組立てられても、磁気回路45,48中の磁気センサー5の位置または磁気回路48の少なくとも一方を調整できる。したがって、感度や加わる力に応じた出力のばらつきの少ない力覚センサー10を得ることができる。
According to such this embodiment and modification, there exist the following effects.
(1) Since at least one of the position adjusting means 50 of the
(2)磁界発生部4,40に、配線の不要な永久磁石を用いているので、構造が簡単で小型の製造コストの低減した力覚センサー10が得られる。
(2) Since permanent magnets that do not require wiring are used for the
変形例によれば、以下の効果がある。
(3)磁気回路48が、磁気センサー5の出力と磁気センサー5の移動距離とが比例関係になるように、ヨーク46,47の形状が形成されている。したがって、磁気センサー5がヨーク46,47によって形成された磁気回路45,48中のどの位置にあっても、感度や力に応じた出力が一定の力覚センサー10が得られる。
According to the modification, the following effects are obtained.
(3) The shapes of the
(第2実施形態)
図6(a)には、本実施形態における力覚センサー20の概略平面図を(b)には、(a)におけるA−B−C−D−E−F概略断面図を示した。
本実施形態では、磁気センサー5と磁界発生部4とを多数配置して、力覚センサー20を多軸化したものである。同じ構成要素には同じ符号を付し、説明の必要なものだけ符号を付した。説明のない構成要素は、大きさ、形状が異なっていても第1実施形態と同様の機能、構造である。また、磁気センサー5の位置調整手段50およびパーミアンス調整手段60は省略してある。
本実施形態では、磁気センサー5と磁界発生部4との対は、12ヶ所設けられている。そのうち、8ヶ所は、Z軸方向に設けられている。
(Second Embodiment)
FIG. 6A is a schematic plan view of the
In this embodiment, a large number of
In the present embodiment, twelve pairs of the
弾性部材21は、Z軸方向に設けられた8ヶ所の磁気センサー5と磁界発生部4との対の内側にリング状に設けられている。また、第1実施形態におけるスラスト方向の受け6A,6Bは設けられていない。したがって、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向の他に、X、Y、Z軸方向へのモーメントMx、My、Mzについても測定可能である。
一例として図中斜線矢印でモーメントMを示した。モーメントMは、X成分およびY成分を持っている。
なお、本実施形態の軸部13には、貫通孔14が形成されている。
The
As an example, the moment M is indicated by a hatched arrow in the figure. The moment M has an X component and a Y component.
Note that a through
図7は、軸部13の中心と物体の接触位置との関係を示した図である。
座標の原点0は軸部13の中心1Cであり、N’(X1,Y1)は軸部13と物体との接触位置である。原点0を中心として物体の位置N’点の合成モーメントMは、モーメントのX成分をMx、モーメントのY成分をMyとして、M=(Mx2+My2)(1/2)と表される。
原点0からN’点までの距離をrとすればZ軸周りのモーメントMは、力FによりM=F×rと表される。
モーメントMx、Myの符号の正負からN’点がどの領域(X−Y平面上の第1〜第4象限のいずれか)にあるかがわかる。さらに、モーメントMx、Myの比から、角度θは、tanθ=My/Mxとなる。
距離rから、N’点の座標X1、Y1は、それぞれX1=r×cosθおよびY1=r×sinθとなる。
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the center of the
The
If the distance from the
From the sign of the moments Mx and My, it can be seen in which region (one of the first to fourth quadrants on the XY plane) the point N ′ is. Further, from the ratio of the moments Mx and My, the angle θ is tan θ = My / Mx.
From the distance r, the coordinates X1 and Y1 of the point N ′ are X1 = r × cos θ and Y1 = r × sin θ, respectively.
このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
(4)X軸、Y軸、Z軸方向への力だけでなく、モーメントMの各成分Mx、My、Mzについても測定可能である。
According to this embodiment, there are the following effects.
(4) Not only the forces in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions but also the components Mx, My, and Mz of the moment M can be measured.
(第3実施形態)
図8(a)には、本実施形態における力覚センサー70の概略平面図を、(b)には(a)におけるB−B概略断面図を示した。同じ構成要素には同じ符号を付し、説明の必要なものだけ符号を付した。説明のない構成要素は、大きさが異なっていても第1実施形態と同様の機能、構造である。
本実施形態においても、磁気センサー5の位置調整手段50およびパーミアンス調整手段60は省略してある。
(Third embodiment)
FIG. 8A shows a schematic plan view of the
Also in this embodiment, the position adjusting means 50 and the permeance adjusting means 60 of the
図8において、力覚センサー70は、第1の基体としての軸部71と第2の基体としてのベース73とを備えている。
軸部71の片端には、円盤形状の支持板72が設けられている。また、ベース73の形状は、底部731を有する円筒形状であり、リング状の蓋部74を備えている。蓋部74には中央に開口部741が形成されている。ベース73の底部731には回路部75が設けられ、その上には支持部76が設けられている。
支持板72には、磁界発生部4A,4B,4C,4Dが軸部71の中心7Cに対し回転対称になるように配置されている。一方、支持部76には、磁気センサー5A,5B,5C,5Dが磁界発生部4A,4B,4C,4Dに対向するように配置されている。
In FIG. 8, the
A disc-shaped
On the
軸部71の支持板72と支持部76とが平行になるように、軸部71の支持板72は、蓋部74と支持部76との間に弾性部材22で保持されている。したがって、軸部71とベース73との間には、弾性部材22が介在している。軸部71は、開口部741から突出している。
The
軸部71に、例えば、図中に白抜き矢印で示す+X方向の力Fxが加えられた時には、軸部71はベース73に対して+X方向に変位を生じる。すると、4つの磁気センサー5A,5B,5C,5Dの出力が平衡点からずれて、出力電圧が変化する。
ここで、4つの磁界発生部4A,4B,4C,4Dの磁界勾配の向きを変えて、出力電圧の符号を変え、X−Y平面上で力の方向が分かるようにしておく。例えば、表1のように各磁気センサーの出力電圧を設定しておく。
For example, when a force Fx in the + X direction indicated by a white arrow in the drawing is applied to the
Here, the direction of the magnetic field gradient of the four
ここで、第1象限方向への力(+X+Y)に対して、5Aは+、5Bは〜0、5Cは−、5Dは〜0の出力となり、第2象限方向への力(−X+Y)に対して、5Aは〜0、5Bは−、5Cは〜0、5Dは+の出力となり、第3象限方向への力(+X−Y)に対して、5Aは〜0、5Bは+、5Cは〜0、5Dは−の出力となり、第4象限方向への力(−X−Y)に対して、5Aは−、5Bは〜0、5Cは+、5Dは〜0の出力となる。 Here, with respect to the force in the first quadrant direction (+ X + Y), 5A is +, 5B is ˜0, 5C is −5, and 5D is ˜0, and the force in the second quadrant direction is (−X + Y). On the other hand, 5A is ˜0, 5B is -5, -5C is ˜0, and 5D is an output of +, and in contrast to the force in the third quadrant (+ X−Y), 5A is ˜0, 5B is + 5C Is 0 and 5D is an output of-, and 5A is -5B is 0, 5C is + 5D, and 5D is 0 output with respect to the force in the fourth quadrant (-XY).
このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
(5)磁気センサー5A,5B,5C,5Dの出力電圧の変化量から、X−Y平面上で加わった力の方向および大きさを知ることができる。
According to this embodiment, there are the following effects.
(5) The direction and magnitude of the force applied on the XY plane can be known from the amount of change in the output voltage of the
上述した実施形態および変形例以外にも、種々の変更を行うことが可能である。
ヨーク46,47の形状は、変形例で示した平面で囲まれた形状に限らず、曲面を持つ形状であってもよい。例えば、磁気センサー5の出力特性が比例関係となるように、磁界発生部4,40の磁界勾配を設計する際に、弾性部材2の圧縮特性に合わせて、ヨーク46,47の形状を、曲面を持つ形状としてもよい。
Various changes can be made in addition to the above-described embodiments and modifications.
The shape of the
また、磁界発生部と磁気センサーとの配置は、原点、X軸、Y軸、Z軸に対して対称な位置に配置されるものに限らず、非対称の位置に配置されていてもよい。
さらに、第1の基体としては、円柱状の軸部1,13,71を備えたものに限らない。例えば、三角柱や四角柱であってもよい。
Further, the arrangement of the magnetic field generation unit and the magnetic sensor is not limited to being arranged at a symmetric position with respect to the origin, the X axis, the Y axis, and the Z axis, and may be arranged at an asymmetric position.
Further, the first base is not limited to the one having the
1,13,71,72…第1の基体としての軸部および支持板、2,21,22…弾性部材、3…第2の基体としてのハウジング、4,4A,4B,4C,4D,40…磁界発生部、5,5A,5B,5C,5D…磁気センサー、10,20,70…力覚センサー、41,42,49…永久磁石、43,46,47…ヨーク、45,48…磁気回路、50…位置調整手段、60…パーミアンス調整手段、73…第2の基体としてのベース。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記磁気回路を横切る磁気センサーを有する第2の基体と、
前記第1の基体と前記第2の基体との間に介在し、両者の間に加わる荷重によって弾性変形する弾性部材と、
前記磁気センサーの位置調整手段または前記ヨークのパーミアンス調整手段のうち少なくとも一方とを備えている
ことを特徴とする力覚センサー。 A first base body having a magnetic circuit formed by a magnetic field generation unit including a yoke;
A second substrate having a magnetic sensor across the magnetic circuit;
An elastic member interposed between the first base and the second base and elastically deformed by a load applied between the first base and the second base;
A force sensor comprising: at least one of a position adjusting unit of the magnetic sensor and a permeance adjusting unit of the yoke.
前記ヨークの形状は、前記磁気センサーの出力と前記荷重によって前記磁気回路中を移動する前記磁気センサーの移動距離とが比例関係になるような前記磁気回路を形成する形状である
ことを特徴とする力覚センサー。 The force sensor according to claim 1,
The shape of the yoke is a shape that forms the magnetic circuit such that the output of the magnetic sensor and the moving distance of the magnetic sensor that moves in the magnetic circuit by the load are in a proportional relationship. Force sensor.
前記磁界発生部は、永久磁石を備えている
ことを特徴とする力覚センサー。 The force sensor according to claim 1 or 2,
The magnetic field generation unit includes a permanent magnet.
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