JP2013130443A - Force sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電体に交流電圧を印加した状態で圧電体に作用する押圧力を検出する力センサに関する。 The present invention relates to a force sensor that detects a pressing force acting on a piezoelectric body in a state where an AC voltage is applied to the piezoelectric body.
一般に、組立ロボットのエンドエフェクタ、例えば平行グリッパーや多点支持装置等のロボットハンドには、ワークの把持力を検出するために、力センサが設けられている。従来の力センサとして、歪ゲージ、静電容量式等が開発されているが、これらを利用した力センサはいずれも部材の変形を利用しているため、測定の高感度化、高範囲化を実現するためには十分な変形量が必要となる。そのため外形寸法を小型化した際には、十分な変形量が得ることができないため、出力信号振幅が低下し、外来雑音ノイズよりも信号振幅が低下する状況が生じてしまい精度が低いものであった。 In general, an end effector of an assembly robot, for example, a robot hand such as a parallel gripper or a multi-point support device, is provided with a force sensor in order to detect a gripping force of a workpiece. As conventional force sensors, strain gauges, capacitance types, etc. have been developed, but since all force sensors using these use deformation of members, it is possible to increase the sensitivity and range of measurement. To achieve this, a sufficient amount of deformation is required. For this reason, when the external dimensions are reduced, a sufficient amount of deformation cannot be obtained, so that the output signal amplitude is reduced, resulting in a situation in which the signal amplitude is lower than the external noise noise, and the accuracy is low. It was.
そこで、圧電体を用いた力センサが知られている(特許文献1参照)。圧電体は、瞬間的な力に対しては電圧を発生させるが、定常的な力に対しては電圧が発生しない。従って、圧電体に交流電圧を印加して圧電体に振動を発生させ、圧電体に外部から作用する押圧力により圧電体のインピーダンスが変化することに基づき、そのときの圧電体の両端の電圧振幅の変化量により力を検出している。この特許文献1では、交流電源に接続された1次コイルと一対の電極に接続された2次コイルとを電磁結合させて、非接触で一対の電極に給電するようにしている。 Therefore, a force sensor using a piezoelectric body is known (see Patent Document 1). The piezoelectric body generates a voltage for an instantaneous force, but does not generate a voltage for a steady force. Therefore, based on the fact that an AC voltage is applied to the piezoelectric body to generate vibration in the piezoelectric body, and the impedance of the piezoelectric body changes due to the pressing force acting on the piezoelectric body from the outside, the voltage amplitude at both ends of the piezoelectric body at that time The force is detected by the amount of change. In Patent Document 1, a primary coil connected to an AC power source and a secondary coil connected to a pair of electrodes are electromagnetically coupled to supply power to the pair of electrodes in a non-contact manner.
この種の力センサに対する給電構造としては、図7に示すように、圧電体30に固定して設けられた一対の電極31,32に外部から引き回した電線33,34を半田や導電性接着剤等で接続する構造が一般的である。
As a power supply structure for this type of force sensor, as shown in FIG. 7,
また、力センサの発明とは異なるが、コイル間の結合度の変動による給電変動を補償する方法が提案されている(特許文献2参照)。この特許文献2では、2次コイルからの出力を検出してフィードバック制御している。
Further, although different from the invention of the force sensor, a method for compensating for power supply fluctuation due to fluctuation of coupling degree between coils has been proposed (see Patent Document 2). In this
しかし、力センサへの給電のために、図7に示すように、外部から引き回した電線33,34を電極31,32に接続する構造では、電線33,34の質量のばらつきや電線33,34の引き回し方によって圧電体30の振動特性が変化してしまう。そのため、電極31,32に電線33,34を接続した構成で、押圧力を高精度に検出することが困難であった。
However, in the structure in which the
また、従来の構成では、2次コイルが圧電体とは別体に設けられているが、2次コイルを圧電体に一体に設けることも考えられる。圧電体を剛体である基台に直接設けた場合、小さな押圧力で圧電体の振動状態が急激に変化し、検出出力がすぐに飽和するため、検出可能な押圧力の範囲を確保するために、圧電体と圧電体が設けられる基台との間には、弾性変形する支持部材を介在させることがある。このように支持部材を介在させると、押圧力による支持部材の圧縮変形により圧電体の位置が変化するので、1次コイルと2次コイルとの相対位置が変化し、コイル間の結合度が変化し、力センサの出力が変化するという別の問題が発生する。 In the conventional configuration, the secondary coil is provided separately from the piezoelectric body, but it is also conceivable to provide the secondary coil integrally with the piezoelectric body. When a piezoelectric body is directly provided on a rigid base, the vibration state of the piezoelectric body changes suddenly with a small pressing force, and the detection output is saturated immediately. A support member that is elastically deformed may be interposed between the piezoelectric body and the base on which the piezoelectric body is provided. When the support member is interposed in this way, the position of the piezoelectric body changes due to compressive deformation of the support member due to the pressing force, so the relative position between the primary coil and the secondary coil changes, and the degree of coupling between the coils changes. However, another problem that the output of the force sensor changes occurs.
また、特許文献2のようにフィードバック制御する場合には、フィードバック制御のための複雑な回路が必要となり、コストが高く大型化するという問題が生じる。
Further, when feedback control is performed as in
そこで、本発明は、フィードバック制御のための回路を設けることなく、圧電体の位置が変動しても押圧力の検出結果の変動を抑制することができる力センサを提供することを目的とするものである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a force sensor that can suppress fluctuations in the detection result of the pressing force even if the position of the piezoelectric body fluctuates without providing a circuit for feedback control. It is.
本発明は、交流電源に接続される1次コイルと、前記1次コイルが固定される基台と、外部から受ける押圧力に応じてインピーダンスが変化する平板状の圧電体と、前記基台と前記圧電体との間に介在され、前記基台に対して前記圧電体を支持し、前記圧電体が受ける前記押圧力により弾性変形する弾性体で形成された支持部材と、前記圧電体の両面に設けられた一対の電極と、前記一対の電極に接続され、前記1次コイルと電磁結合する2次コイルと、前記押圧力として前記圧電体のインピーダンスの変化を検出する検出部と、を備え、前記1次コイル及び前記2次コイルのうち一方のコイルが、直列接続された第1コイル片及び第2コイル片に分割されており、前記第1コイル片及び前記第2コイル片が、前記支持部材の弾性変形に基づく前記圧電体の移動方向に、互いに間隔をあけて配置され、前記1次コイル及び前記2次コイルのうち他方のコイルが、前記移動方向に対して前記第1コイル片と前記第2コイル片との間に配置されている、ことを特徴とする。 The present invention includes a primary coil connected to an AC power source, a base on which the primary coil is fixed, a plate-like piezoelectric body whose impedance changes according to a pressing force received from the outside, and the base. A support member that is interposed between the piezoelectric body, supports the piezoelectric body with respect to the base, and is elastically deformed by the pressing force received by the piezoelectric body; and both surfaces of the piezoelectric body A pair of electrodes provided on the secondary coil, a secondary coil connected to the pair of electrodes and electromagnetically coupled to the primary coil, and a detection unit that detects a change in impedance of the piezoelectric body as the pressing force. One of the primary coil and the secondary coil is divided into a first coil piece and a second coil piece connected in series, and the first coil piece and the second coil piece are Based on elastic deformation of support member In the moving direction of the piezoelectric body, the other coils of the primary coil and the secondary coil are spaced apart from each other, the first coil piece and the second coil piece with respect to the moving direction. It is arrange | positioned between these, It is characterized by the above-mentioned.
本発明によれば、一対の電極への給電を、1次コイル及び2次コイルの電磁結合により非接触で行うことができ、一対の電極に外部からの給電線を接続する必要がないので給電線の接続状態や接触状態の影響を受けず、押圧力の検出結果の変動を抑えることができる。更に、圧電体の位置が変化し、1次コイルと2次コイルとの位置関係が変動した場合でも、押圧力の検出結果の変動を抑えることができる。 According to the present invention, power can be supplied to the pair of electrodes in a non-contact manner by electromagnetic coupling of the primary coil and the secondary coil, and there is no need to connect an external power supply line to the pair of electrodes. Variations in the detection result of the pressing force can be suppressed without being affected by the connection state or contact state of the electric wire. Furthermore, even when the position of the piezoelectric body changes and the positional relationship between the primary coil and the secondary coil changes, fluctuations in the detection result of the pressing force can be suppressed.
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る力センサの概略構成を示す断面図である。図1に示すように、力センサ100は、剛体である基台1と、基台1に固定された1次コイル2と、平板状の圧電体(圧電振動子ともいう)3と、圧電体3の両面3a,3bに設けられた一対の電極4,5と、を備えている。また、力センサ100は、一対の電極4,5に接続され、1次コイル2と非接触に配置され、1次コイル2と電磁結合する2次コイル6を備えている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a force sensor according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
一対の電極4,5のうち、一方の電極(第1電極)4は、圧電体3の一方の平面3aに固定して設けられ、他方の電極(第2電極)5は、圧電体3の他方の平面3bに固定して設けられている。2次コイル6は、本第1実施形態では圧電体3の両面3a,3bに跨って固定して設けられている。これら圧電体3、一対の電極4,5、2次コイル6により圧電ユニット8が構成されている。
Of the pair of
また、力センサ100は、基台1と圧電体3(即ち圧電ユニット8)との間に介在され、基台1に対して圧電体3(即ち圧電ユニット8)を支持し、圧電体3が受ける押圧力Fにより弾性変形(圧縮変形)する弾性体で形成された支持部材20を備えている。この支持部材20は、例えばゴムやスポンジ等の弾性体である。
The
また、力センサ100は、圧電体3の支持部材20と対向する平面3bとは反対の平面3aに対向して設けられ、外部から作用する押圧力Fを圧電体3に均等に伝達する力伝達部材19を備えている。本第1実施形態では、力伝達部材19は、支持部材20と同じ弾性体で構成されている。
Further, the
基台1は、例えばロボットのエンドエフェクタにおけるフィンガ本体やロボットアームのロボット本体、あるいはこれら本体とは別体に構成され、本体に固定される固定体である。 The base 1 is, for example, a finger main body in a robot end effector, a robot main body of a robot arm, or a separate body from these main bodies and is a fixed body fixed to the main body.
基台1には、凹部11が形成されている。凹部11には、凹部11の底面11aから開口端11bに向かって、支持部材20、圧電ユニット8、力伝達部材19が順次積層して配置されている。支持部材20は、底面11aと圧電体3との間に介在するように、凹部11の底面11a上に設けられている。
A
なお、図1では、説明の都合上、支持部材20、圧電ユニット8、力伝達部材19が間隔をあけて図示されているが、実際には、これら支持部材20、圧電ユニット8、力伝達部材19の隣接するもの同士は互いに接触している。
In FIG. 1, for convenience of explanation, the
基台1の表面には、凹部11を覆うように、即ち力伝達部材19を覆うように、これら力伝達部材19、圧電ユニット8及び支持部材20を凹部11に収容保持するカバー部材12が固定して設けられている。このカバー部材12によりこれら力伝達部材19、圧電ユニット8及び支持部材20が凹部11から脱落しないように規制されている。このカバー部材12は、ゴムやスポンジ等の弾性体で構成され、押圧力Fを力伝達部材19に伝達することができる。
A
図2は、圧電ユニット8を示す説明図であり、図2(a)は、圧電ユニット8の正面図、図2(b)は、圧電ユニット8の断面図、図2(c)は、圧電ユニット8の底面図である。
2A and 2B are explanatory views showing the
本第1実施形態では、2次コイル6は、圧電体3の一方の平面3aに形成された第1コイルパターン41と、圧電体3の他方の平面3bに形成された第2コイルパターン51と、を有し、これらコイルパターン41,51が配線パターン7で連結されて構成される。
第1コイルパターン41及び第2コイルパターン42のそれぞれは、それぞれの平面3a,3bに渦巻状に形成されている。配線パターン7は、圧電体3の側面、具体的には外側面3cの一部に形成されている。第1電極4は、圧電体3の一方の平面3aに形成され、第2電極5は、圧電体3の他方の平面3bに形成されている。
In the first embodiment, the
Each of the
電極4,5、コイルパターン41,51及び配線パターン7は、例えばスクリーン印刷、物理蒸着(PVD)、化学蒸着(CVD)等により、マスクを用いて圧電体3に一体に成膜される。あるいは、圧電体3に導電膜を成膜した後、マスクを用いてエッチングを施し、電極4,5、コイルパターン41,51及び配線パターン7を形成してもよい。
The
図2(a)及び図2(b)に示すように、第1電極4と第1コイルパターン41とは、同一の平面3aに一体に成膜されている。したがって、第1電極4と第1コイルパターン41とを半田や導電性接着剤等で接続する必要がない。また、図2(b)及び図2(c)に示すように、第2電極5と第2コイルパターン51とは、同一の平面3bに一体に成膜されている。したがって、第2電極5と第2コイルパターン51とを半田や導電性接着剤等で接続する必要がない。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
第1電極4と第2電極5とは、圧電体3を挟んで互いに正対している。第1コイルパターン41の一端41aは配線パターン7に接続され、他端41bは第1電極4に接続されている。また、第2コイルパターン51の一端51aは配線パターン7に接続され、他端51bは第2電極5に接続されている。
The
第1コイルパターン41と第2コイルパターン51とは、圧電体3を挟んで互いに正対している。つまり、これらコイルパターン41,51の一方を他方に投影した場合、それらが平面視重なるようになっている。
The
なお、本第1実施形態では、2次コイル6が、第1コイルパターン41と第2コイルパターン51とを直列接続した構成としたが、これに限定するものではない。2次コイル6が、圧電体3の両面3a,3bのうちいずれかの平面のみに設けられたコイルパターンであってもよい。また、2次コイル6は、一対の電極4,5と一体に成膜される場合について説明したが、これに限定するものではなく、圧電体3と一体に移動するよう圧電体3に固定されていればよい。その際、2次コイル6は、一対の電極4,5に電気的に接続していればよい。
In the first embodiment, the
図1に示す1次コイル2から2次コイル6に非接触で給電されることにより、一対の電極4,5には交流電圧が印加され、これらに挟まれる圧電体3には、一対の電極4,5による電界が印加され、これにより圧電体3は物理的に振動する。
By supplying power from the
この状態で外部からカバー部材12及び力伝達部材19を介して圧電体3に押圧力Fが作用すると、圧電体3を介して押圧力Fが支持部材20に作用し、支持部材20が圧縮変形する。これにより、圧電体3の一方の面3aには、力伝達部材19からの押圧力Fが作用すると共に、圧電体3の他方の面3bには、支持部材20からの反作用による押圧力Fが作用することとなり、圧電体3には両面3a,3bから均等に押圧力Fが作用することとなる。そして、この押圧力Fにより圧電体3の振動状態が変化し、圧電体3のインピーダンスが押圧力Fに応じて変化する。
In this state, when a pressing force F acts on the
図3は、力センサの回路構成を示す電気回路図である。力センサ100は、図3に示すように、1次コイル2に直列接続されたインピーダンス素子14と、圧電体3に作用する押圧力Fとして、圧電体3のインピーダンスの変化を検出する検出部15と、を備えている。この検出部15は、1次コイル2の端子間に接続され、圧電体3のインピーダンスに応じて変化する1次コイル2の端子間電圧を直接検出する電圧検出器である。つまり、検出部15は、圧電体3のインピーダンスの変化として、1次コイル2の端子間電圧を直接検出する。インピーダンス素子14は、抵抗素子、コンデンサ素子、インダクタンス素子等の受動素子である。1次コイル2は、インピーダンス素子14を介して交流電源Eに接続される。交流電源Eは、一定周波数で一定交流電圧を出力する定電圧電源である。1次コイル2は交流電源Eより供給される交流信号によって駆動される。
FIG. 3 is an electric circuit diagram showing a circuit configuration of the force sensor. As shown in FIG. 3, the
インピーダンス素子14と1次コイル2とで構成される直列回路には、交流電源Eの高周波の交流電圧が印加される。そして、1次コイル2に印加された交流電圧により、2次コイル6には、交流電圧が誘起される。2次コイル6と一対の電極4,5で挟まれた圧電体3とにより電気共振回路が形成されており、一対の電極4,5には、交流電圧が印加され、圧電体3には交番電界が印加される。これにより圧電体3は、振動することとなる。
A high-frequency AC voltage from the AC power source E is applied to the series circuit composed of the
圧電体3に押圧力Fが作用し、振動状態が変化すると、圧電体3のインピーダンスが変化し、この変化に応じて電気共振回路の共振状態が変化し、2次コイル6側の電圧が変動する。これにより、1次コイル2の端子間電圧が変動する。つまり、1次コイル2と2次コイル6との間は電磁結合によって信号の授受がされるようになっている。
When the pressing force F acts on the
検出部15は、押圧力Fとして、圧電体3のインピーダンスに応じて変化する1次コイル2の端子間電圧を検出する。即ち、検出部15により検出される1次コイル2の電圧(電圧振幅)は圧電体3のインピーダンスに対応しており、検出部15は、圧電体3のインピーダンス、つまりは圧電体3に作用する押圧力Fを示す信号を検出していることになる。
The
ところで、本第1実施形態では、1次コイル2及び2次コイル6のうち一方のコイルとして1次コイル2が、図1及び図3に示すように、直列接続された第1コイル片21及び第2コイル片22に分割されている。第1コイル片21及び第2コイル片22は、図1に示すように、支持部材20の弾性変形(圧縮変形)に基づく圧電体3の移動方向Xに、互いに間隔をあけて配置されている。本第1実施形態では、移動方向Xは、基台1の凹部11の底面11aに垂直な方向である。
By the way, in this 1st Embodiment, as shown in FIG.1 and FIG.3, the
1次コイル2及び2次コイル6のうち他方のコイルである2次コイル6は、移動方向Xに対して第1コイル片21と第2コイル片22との間に配置されている。つまり、2次コイル6が固定された圧電体3が、移動方向Xに対して第1コイル片21と第2コイル片22との間に配置されている。1次コイル2の第1コイル片21は、凹部11の開口端11b側に配置され、第2コイル片22は、凹部11の底面11a側に配置されている。
The
なお、本第1実施形態では、コイル片21,22は、直接、基台1に固定されるが、固定具等を介して基台1に固定されていてもよい。
In the first embodiment, the
次に図1において、2次コイル6と一対の電極4,5で挟まれた圧電体3からなる圧電ユニット8に外力が作用し、基台1に対して図1の上下方向に移動した場合の動作について説明する。
Next, in FIG. 1, when an external force acts on the
圧電ユニット8が基台1に対して下方に動いた場合の動作について説明する。圧電ユニット8が下方に動いた場合、1次コイル2の第1コイル片21と2次コイル6との距離が長くなる。これによって、コイル21,6間の結合度が低下し、信号源である交流電源Eより1次コイル2の第1コイル片21を経由して供給される信号により、2次コイル6に励起される電力が低下する。また同時に1次コイル2の第2コイル片22と2次コイル6との距離が短くなる。これによってコイル22,7間の結合度が上昇し、信号源である交流電源Eより1次コイル2の第2コイル片22を経由して供給される信号により、2次コイル6に励起される電力が上昇する。このような動作によって、信号源である交流電源Eからの信号により一対の電極4,5に給電される電力は、圧電体3の移動による影響によらず、ほぼ一定に保たれる。
The operation when the
次に、圧電ユニット8が基台1に対して上方に動いた場合の動作について説明する。圧電ユニット8が上方に動いた場合、1次コイル2の第1コイル片21と2次コイル6との距離が短くなる。これによって、コイル21,6間の結合度が上昇し、信号源である交流電源Eより1次コイル2の第1コイル片21を経由して供給される信号により、2次コイル6に励起される電力が上昇する。また同時に1次コイル2の第2コイル片22と2次コイル6との距離が長くなる。これによってコイル22,6間の結合度が低下し、信号源である交流電源Eより1次コイル2の第2コイル片22を経由して供給される信号により、2次コイル6に励起される電力が低下する。このような動作によって、信号源である交流電源Eからの信号により一対の電極4,5に給電される電力は、圧電体3の移動による影響によらず、ほぼ一定に保たれる。
Next, an operation when the
以上、本第1実施形態によれば、一対の電極4,5への給電を、1次コイル2及び2次コイル6の電磁結合により非接触で行うことができる。また、一対の電極4,5に外部からの給電線を接続する必要がないので給電線の接続状態や接触状態の影響を受けず、押圧力の検出結果の変動を抑えることができる。更に、圧電体3の位置が変化し、1次コイル2と2次コイル6との位置関係が変動した場合でも、検出部15による押圧力の検出結果の変動を抑えることができる。したがって、フィードバック制御を行うための補償回路を別途設ける必要がなく、簡単な構成で検出部15による検出結果を安定化させることができ、コスト高となるのを抑制することができ、補償回路を省略できるので力センサ100の小型化を実現できる。
As described above, according to the first embodiment, power can be supplied to the pair of
また、第1電極4と第1コイルパターン41とが一体に圧電体3の一方の平面3aに成膜され、第2電極5と第2コイルパターン51とが一体に圧電体3の他方の平面3bに成膜されているので、半田や導電性接着剤を用いる場合よりも質量のばらつきが小さい。また、検出部15は、押圧力Fとして、1次コイル2に生じた電圧を検出するので、一対の電極4,5に検出用の電線を接続する必要もない。したがって、圧電体3の振動特性が変動するのを抑制することができ、検出部15による検出結果が安定し、精度よく押圧力Fを検出することができる。
The
また、圧電体3(即ち圧電ユニット8)が弾性体である支持部材20及び力伝達部材19に挟まれているので、圧電体3には両面3a,3bから押圧力Fが均等に作用する。従って、圧電体3の各位置における振動状態のばらつきが低減され、その結果、押圧力Fの検出精度が向上する。
Further, since the piezoelectric body 3 (that is, the piezoelectric unit 8) is sandwiched between the
なお、電圧検出器である検出部15は、図4(a)に示すように、インピーダンス素子14の端子間に接続され、インピーダンス素子14の端子間電圧を検出することで、1次コイル2の端子間電圧を間接的に検出するようにしてもよい。交流電源Eが出力する交流電圧は一定であり、インピーダンス素子14と1次コイル2とに分圧されているので、インピーダンス素子14の端子間電圧は、1次コイル2の端子間電圧の変動に応じて変動する。いずれにしても、検出部15により検出される電圧(電圧振幅)は圧電体3のインピーダンスに対応しており、検出部15は、圧電体3のインピーダンス、つまりは圧電体3に作用する押圧力Fを示す信号を検出していることになる。
As shown in FIG. 4A, the
また、検出部15が、図4(b)に示すように、1次コイル2に流れる電流を検出する電流センサであってもよい。1次コイル2を流れる電流は、電圧と同様、圧電体3のインピーダンスに応じて変化するので、検出部15は、この1次コイル2を流れる電流を検出することで、圧電体3に作用する押圧力Fを検出することになる。つまり、検出部15は、1次コイル2の電圧及び電流の少なくとも一方を検出すればよく、一対の電極4,5に電線を接続する必要がないので、検出精度が向上するものである。
Further, the
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係る力センサについて説明する。図5は、本発明の第2実施形態に係る力センサの概略構成を示す断面図である。なお、本第2実施形態において、上記第1実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a force sensor according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a force sensor according to the second embodiment of the present invention. Note that in the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図5に示すように、本第2実施形態の力センサ100Aの1次コイル2の一対のコイル片21,22は、2次コイル6を挟み込むように、2次コイル6と相対する位置に配置されている。本第2実施形態では、第1コイル片21は、圧電体3の一方の面3aに対向して2次コイル6の第1コイルパターン41と正対し、第2コイル片22は、圧電体3の他方の面3aに対向して2次コイル6の第2コイルパターン51と正対している。
As shown in FIG. 5, the pair of
圧電体3は、支持部材20の弾性変形(圧縮変形)により基台1の凹部11の底面11aに垂直な移動方向Xに移動するが、各コイル片21,22は、コイルパターン41,51と相対している。従って、圧電体3の位置が変動しても、各コイル片21,22と、2次コイル6との正対状態が保持される。これにより、1次コイル2と2次コイル6との電磁結合度が高くなり、押圧力Fの検出感度が向上する。
The
[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態に係る力センサについて説明する。図6は、本発明の第3実施形態に係る力センサの概略構成を示す断面図である。なお、本第3実施形態において、上記第1実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。図6に示すように、力センサ100Bは、基台1に固定される1次コイル2Aと、一対の電極4,5に接続され、1次コイル2Aと非接触で電磁結合する2次コイル6Aと、を備えている。
[Third Embodiment]
Next, a force sensor according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a force sensor according to the third embodiment of the present invention. Note that, in the third embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. As shown in FIG. 6, the
本第3実施形態では、1次コイル2A及び2次コイル6Aのうち、一方のコイルとして2次コイル6Aが、直列接続された第1コイル片61及び第2コイル片62に分割されている。第1コイル片61は、圧電体3の一方の平面3aに成膜された渦巻状の第1コイルパターンであり、第2コイル片62は、圧電体3の他方の平面3bに成膜された渦巻状の第2コイルパターンである。
In the third embodiment, of the
第1コイル片61と第1電極4とは、一方の平面3aに一体に成膜され、第2コイル片62と第2電極5とは、他方の平面3bに一体に成膜されている。したがって、これらを電気的に接続するのに半田や導電性接着剤等を用いる必要がない。
The
第1コイル片61と第2コイル片62とは、圧電体3の側面、本第3実施形態では、外側面3cに、これらコイル片61,62と一体に成膜された配線パターン63で直列接続される。圧電体3、一対の電極4,5及び2次コイル6Aにより圧電ユニット8Aが構成されている。
The
2次コイル6Aの第1コイル片61が一方の平面3aに固定して設けられ、第2コイル片62が他方の平面3bに固定して設けられている。したがって、一対のコイル片61,62は、支持部材20の弾性変形に基づく圧電体3の移動方向Xに互いに間隔をあけて配置されたこととなる。具体的には、一対のコイル片61,62は、圧電体3の厚み分だけ互いに間隔をあけて配置されている。
The
1次コイル2A及び2次コイル6Aのうち他方のコイルである1次コイル2Aは、圧電体3の側面、本第3実施形態では外側面3cと相対する位置に配置されるよう基台1に固定されている。これにより、1次コイル2Aは、移動方向Xに対して第1コイル片61と第2コイル片62との間に配置されていることとなる。
The
本第3実施形態の力センサ100Bの動作について説明する。2次コイル6Aと一対の電極4,5で挟まれた圧電体3とにより電気共振回路が形成されている。この共振回路に給電するために、1次コイル2Aが2次コイル6Aの一対のコイル片61,62の間に配置されており、1次コイル2Aは不図示の交流電源より供給される信号によって駆動される。これによって1次コイル2Aと2次コイル6Aとの間は電磁結合によって信号の授受がされるようになっている。
The operation of the
次に、圧電体3に外力が作用し、図6の下方向に圧電ユニット8Aが移動した場合の動作について説明する。圧電体3の両面3a,3bには、両面3a,3bに配置された力伝達部材19及び支持部材20を介して外力が均等に加えられる。
Next, an operation when an external force acts on the
圧電ユニット8Aが下方に動いた場合、1次コイル2Aと2次コイル6Aの第2コイル片62との距離が長くなる。これによってコイル2A,62間の結合度が低下し、不図示の信号源である交流電源より1次コイル2Aを経由して供給される信号により2次コイル6Aの第2コイル片62に励起される電力が低下する。また同時に1次コイル2Aと2次コイル6Aの第1コイル片61との距離が短くなる。これによってコイル2A,61間の結合度が上昇し、信号源である交流電源より1次コイル2Aを経由して供給される信号により第1コイル片61に励起される電力が上昇する。
When the
このような動作によって、信号源である交流電源より駆動された信号により一対の電極4,5に給電される電力は、圧電ユニット8Aの移動による影響によらずほぼ一定に保たれる。
With such an operation, the power supplied to the pair of
以上、本第2実施形態によれば、一対の電極4,5への給電を、1次コイル2A及び2次コイル6Aの電磁結合により非接触で行うことができる。また、一対の電極4,5に外部からの給電線を接続する必要がないので給電線の接続状態や接触状態の影響を受けず、押圧力の検出結果の変動を抑えることができる。更に、圧電体3の位置が変化し、1次コイル2Aと2次コイル6Aとの位置関係が変動した場合でも、検出部による押圧力の検出結果の変動を抑えることができる。したがって、フィードバック制御を行うための補償回路を設ける必要がなく、簡単な構成で検出部による検出結果を安定化させることができ、コスト高となるのを抑制することができ、補償回路を省略できるので力センサ100Bの小型化を実現できる。
As described above, according to the second embodiment, power can be supplied to the pair of
また、第1電極4と2次コイル6Aの第1コイル片61とが一体に圧電体3の一方の平面3aに成膜され、第2電極5と2次コイル6Aの第2コイル片62とが一体に圧電体3の他方の平面3bに成膜されている。また、第1コイル片61と第2コイル片62とを接続する配線パターン7がこれらコイル片61,62と一体に成膜されている。この構成により、半田や導電性接着剤を用いる場合よりも質量のばらつきが小さい。また、検出部は、押圧力Fとして、1次コイル2Aに生じた電圧を検出するので、一対の電極4,5に検出用の電線を接続する必要もない。したがって、圧電体3の振動特性が変動するのを抑制することができ、検出部による検出結果が安定し、精度よく押圧力Fを検出することができる。
In addition, the
また、圧電体3(即ち圧電ユニット8A)が弾性体である支持部材20及び力伝達部材19に挟まれているので、圧電体3には両面3a,3bから押圧力Fが均等に作用する。従って、圧電体3の各位置における振動状態のばらつきが低減され、その結果、押圧力Fの検出精度が向上する。
In addition, since the piezoelectric body 3 (that is, the
なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications can be made by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention.
1…基台、2…1次コイル、3…圧電体、4…第1電極、5…第2電極、6…2次コイル、15…検出部、20…支持部材、21…第1コイル片、22…第2コイル片、100…力センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base, 2 ... Primary coil, 3 ... Piezoelectric body, 4 ... 1st electrode, 5 ... 2nd electrode, 6 ... Secondary coil, 15 ... Detection part, 20 ... Support member, 21 ...
Claims (5)
前記1次コイルが固定される基台と、
外部から受ける押圧力に応じてインピーダンスが変化する平板状の圧電体と、
前記基台と前記圧電体との間に介在され、前記基台に対して前記圧電体を支持し、前記圧電体が受ける前記押圧力により弾性変形する弾性体で形成された支持部材と、
前記圧電体の両面に設けられた一対の電極と、
前記一対の電極に接続され、前記1次コイルと電磁結合する2次コイルと、
前記押圧力として前記圧電体のインピーダンスの変化を検出する検出部と、を備え、
前記1次コイル及び前記2次コイルのうち一方のコイルが、直列接続された第1コイル片及び第2コイル片に分割されており、
前記第1コイル片及び前記第2コイル片が、前記支持部材の弾性変形に基づく前記圧電体の移動方向に、互いに間隔をあけて配置され、
前記1次コイル及び前記2次コイルのうち他方のコイルが、前記移動方向に対して前記第1コイル片と前記第2コイル片との間に配置されている、
ことを特徴とする力センサ。 A primary coil connected to an AC power source;
A base on which the primary coil is fixed;
A plate-like piezoelectric body whose impedance changes according to the pressing force received from the outside;
A support member formed between an elastic body that is interposed between the base and the piezoelectric body, supports the piezoelectric body with respect to the base, and is elastically deformed by the pressing force received by the piezoelectric body;
A pair of electrodes provided on both sides of the piezoelectric body;
A secondary coil connected to the pair of electrodes and electromagnetically coupled to the primary coil;
A detection unit that detects a change in impedance of the piezoelectric body as the pressing force;
One of the primary coil and the secondary coil is divided into a first coil piece and a second coil piece connected in series,
The first coil piece and the second coil piece are arranged at intervals in the moving direction of the piezoelectric body based on elastic deformation of the support member,
The other coil of the primary coil and the secondary coil is disposed between the first coil piece and the second coil piece with respect to the moving direction.
A force sensor characterized by that.
前記圧電体は、前記移動方向に対して前記第1コイル片と前記第2コイル片との間に配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の力センサ。 The one coil is the primary coil;
The piezoelectric body is disposed between the first coil piece and the second coil piece with respect to the moving direction.
The force sensor according to claim 1.
前記第1コイル片は、前記圧電体の一方の平面に設けられ、前記第2コイル片は、前記圧電体の他方の平面に設けられており、
前記1次コイルは、前記圧電体の側面と相対する位置に配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の力センサ。 The one coil is the secondary coil;
The first coil piece is provided on one plane of the piezoelectric body, and the second coil piece is provided on the other plane of the piezoelectric body,
The primary coil is disposed at a position facing the side surface of the piezoelectric body.
The force sensor according to claim 1.
前記第2コイル片は、前記圧電体の他方の平面に成膜された渦巻状の第2コイルパターンである、
ことを特徴とする請求項3に記載の力センサ。 The first coil piece is a spiral first coil pattern formed on one plane of the piezoelectric body,
The second coil piece is a spiral second coil pattern formed on the other plane of the piezoelectric body.
The force sensor according to claim 3.
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の力センサ。 The detection unit detects at least one of the voltage and current of the primary coil that changes according to the impedance of the piezoelectric body as the pressing force.
The force sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein:
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011279354A JP2013130443A (en) | 2011-12-21 | 2011-12-21 | Force sensor |
US13/711,558 US20130160567A1 (en) | 2011-12-21 | 2012-12-11 | Force sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011279354A JP2013130443A (en) | 2011-12-21 | 2011-12-21 | Force sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013130443A true JP2013130443A (en) | 2013-07-04 |
Family
ID=48908116
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011279354A Pending JP2013130443A (en) | 2011-12-21 | 2011-12-21 | Force sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2013130443A (en) |
-
2011
- 2011-12-21 JP JP2011279354A patent/JP2013130443A/en active Pending
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