JP2011145286A - 磁気式力覚センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 支持部材に弾性支持された作用部(4)と、特定の方位に対して隣り合う磁石の磁極面が互いに逆となるように配された2つ以上の磁石(3a〜3d)から構成された磁束発生源(7)と、前記作用部における、磁極面が互いに逆となる少なくとも2つの前記磁石の磁極面に対向した位置にそれぞれ設けられた第1磁電変換素子(1a〜1d)と、
前記第1磁電変換素子の間に第2磁電変換素子(2a〜2d)とを有し、前記第1磁電変換素子の出力に基づき垂直方向成分の力を検出し、前記第2磁電変換素子の出力に基づき水平方向成分の力を検出する磁気式の力覚センサ。
【選択図】 図1
Description
作用部に受けた力によって変位可能な前記作用部と磁束発生源との相対位置に基づいて前記力を検知する磁気式力覚センサにおいて、
支持部材に弾性支持された作用部と、
特定の方位に対して隣り合う磁石の磁極面が互いに逆となるように配された2つ以上の磁石から構成された磁束発生源と、
磁極面が互いに逆となる少なくとも2つの前記磁石の磁極面に対向した位置にそれぞれ設けられた第1磁電変換素子と、
前記第1磁電変換素子の間に第2磁電変換素子とを有し、
前記第1磁電変換素子の出力に基づき前記作用部に受けた力における垂直方向成分の力を検出し、前記第2磁電変換素子の出力に基づき前記作用部に受けた力における水平方向成分の力を検出することを特徴とする磁気式力覚センサを提供する。
(実験例1−1)
図3は2次元静磁界モデルで行った磁場シミュレーションの結果である。同図は空気中にZ軸方向に5mm、X軸方向に5mmの大きさを持つ磁石3を2個配置した。また、隣り合う磁石3はZ軸の方位に対して極性を逆としている。ここで、磁石3には残留磁束密度1.4T、保磁力1000kA/m程度を有するNd−Fe−B磁石の特性を設定した。
特許文献1に記載の従来例では、水平方向成分と垂直方向成分の検出に同一の磁電変換素子を用いなければならない。そのため、水平方向成分と垂直方向成分の感度を同一にしなければ、どちらかの感度を犠牲にすることになる。そのため、従来例では、水平方向と垂直方向の変位量に対する磁束密度変化量を同じにすることが望まれる。本発明の効果を、(水平方向変位に対する磁束密度変化量)/(垂直方向変位に対する磁束密度変化量)=1を基準として効果範囲を検証する。
また、磁電変換素子を磁場のX方向成分を検出するように配置することで、実験例1−1に示した水平方向の力成分の検出と垂直方向の力成分の検出を逆にしても良い。以下図3、図5を用いながら説明する。
実験例1では2個の隣り合う磁石3の構造により水平X方向と垂直Z方向の他軸干渉の低減することができる本発明の構成を示した。6軸力覚センサは、X方向、Z方向だけなくY方向にも変位させる必要がある。しかしながら、Y方向には極性が逆の隣り合う磁石が配置されていないため、実験例1と同じ他軸干渉の低減効果を得ることができない。そこで、図1に示すように4個の磁石3a〜3dを配置することで、X,Y,Z全ての方向にも極性が逆の隣り合う磁石が存在する構成とした。
垂直方向成分Fz,Mx,Myを算出するためには、磁石の磁極面の中心に対向して配置された第1磁電変換素子1a〜1dによって検出された垂直方向成分の磁場を用いる。第1磁電変換素子1aの変位によって生じる出力変化を信号増幅部8で増幅し、A/D変換器等からなる変換器9を用いてV1aとして検出する。同様に1b〜1d素子についてもV1b〜V1dとする。
Fz=V1a+V1b+V1c+V1d
Mx=(V1a+V1b)−(V1c+V1d)
My=(V1b+V1c)−(V1a+V1d)
Fz, Mx, My は、演算部10で以上のように計算される。Fzは4つの素子の総変化量により算出し、MxはX方向に対して平行に配置した素子2組のペアの変化量によって算出し、MyはY方向に対して平行に配置した素子2組のペアの変化量により算出することができる。
水平方向成分Fx,Fy,Mzを算出するためには、第1磁電変換素子の間にそれぞれ配置された第2磁電変換素子2a〜2dによって検出された水平方向成分の磁場を用いる。第2磁電変換素子2aの変位によって生じる出力変化を信号増幅部8で増幅し、A/D変換器等からなる変換器9を用いてV2aとして検出する。同様に2b〜2d素子についてもV2b〜V2dとする。
Fx=V2b−V2d
Fy=V2a−V2c
Mz=V1a+V1b+V1c+V1d
Fx, Fy, Mz は、演算部10で以上のように計算される。FxはX方向に対して垂直に配置した素子のペアの変化量によって算出し、FyはY方向に対して垂直に配置した素子のペアの変化量によって算出し、Mzは4つの素子の総変化量により算出することができる。
磁気式力覚センサは、外力を受けて、磁電変換素子と磁束発生源の相対変位によって生じる磁束密度変化を検出して、力、モーメントを算出する。そのため、高感度にするためには相対変位量を大きくすればよい。磁気式力覚センサでは、作用部4は力点、弾性体5の中心は支点、磁電変換素子1、2は作用点となる。支点から作用点までの距離が長くなるほど外力に対する変位量は大きくなる。弾性体5と磁電変換素子1、2間の距離を長くすれば、特にモーメント成分Mx,My,Mzを高感度にすることができる。
2(2a〜2d) 第2磁電変換素子
3(3a〜3d) 磁石
4 作用部
5 弾性体
6 磁電変換素子実装基板
7 磁束発生源
8 信号増幅部
9 変換部
10 演算部
101 磁電変換素子
102 磁束発生源
Claims (6)
- 受けた力によって変位可能な作用部と磁束発生源との相対位置によって変化する磁電変換素子の出力に基づいて前記力を検出する磁気式力覚センサにおいて、
支持部材に弾性支持された作用部と、
特定の方位に対して隣り合う磁石の磁極面が互いに逆となるように配された2つ以上の磁石から構成された磁束発生源と、
前記作用部における、磁極面が互いに逆となる少なくとも2つの前記磁石の磁極面に対向した位置にそれぞれ設けられた第1磁電変換素子と、
前記第1磁電変換素子の間に第2磁電変換素子とを有し、
前記第1磁電変換素子の出力に基づき垂直方向成分の力を検出し、前記第2磁電変換素子の出力に基づき水平方向成分の力を検出することを特徴とする磁気式力覚センサ。 - 前記第2磁電変換素子は隣り合う前記磁石の境界と対向した位置に設けられたことを特徴とする請求項1に記載の磁気式力覚センサ。
- 前記磁束発生源は2×2個の磁石から構成されることを特徴とする請求項1に記載の磁気式力覚センサ。
- 前記2×2個の磁石の磁極面に対向してそれぞれ配置された4個の第1磁電変換素子と、前記第1磁電変換素子の間にそれぞれ配置された4個の第2磁電変換素子から構成されることを特徴とする請求項3に記載の磁気式力覚センサ。
- 前記第1磁電変換素子と前記第2磁電変換素子との組みが前記作用部に複数配置され、磁電変換素子の前記組みにたいして、2×2個の磁石から構成された前記磁束発生源がそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項1記載の磁気式力覚センサ。
- 受けた力によって変位可能な作用部と磁束発生源との相対位置によって変化する磁電変換素子の出力に基づいて前記力を検出する磁気式力覚センサにおいて、
支持部材に弾性支持された作用部と、
特定の方位に対して隣り合う磁石の磁極面が互いに逆となるように配された2つ以上の磁石から構成された磁束発生源と、
前記作用部における、磁極面が互いに逆となる少なくとも2つの前記磁石の磁極面に対向した位置にそれぞれ設けられた第1磁電変換素子と、
前記第1磁電変換素子の間に第2磁電変換素子とを有し、
前記第1磁電変換素子の出力に基づき水平方向成分の力を検出し、前記第2磁電変換素子の出力に基づき垂直方向成分の力を検出することを特徴とする磁気式力覚センサ。
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