JP2014106174A - 磁気式力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 磁電変換素子と磁束発生源との相対位置の校正を容易に実行できる磁気式力覚センサを提供する。
【解決手段】 上記課題を解決するため、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、前記作用部に配置された磁電変換素子と、前記磁束発生源における前記磁石が設けられ、前記磁石の磁極面に沿って変位可能な位置調整部と、を有する磁気式力覚センサを提供する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、磁束発生源と磁電変換素子の相対変位によって生じる磁束変化を検出し、力及びモーメント成分に変換する磁気式力覚センサに関するものである。

力覚センサは、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３次元座標空間における各軸の並進方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ、各軸の回転方向のモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの最大６軸の力およびモーメントを検出するセンサである。この力覚センサは、例えば産業用ロボットハンドの手首部分に取り付けられて、組付け作業に生じる力とモーメントを検出し、その検出値に応じて組付け作業動作を修正することができる。

力覚センサは、歪ゲージ式、静電容量式、磁気式など、用途に応じてさまざまな方式の力覚センサが知られている。このうち、磁気式の力覚センサは、構成がシンプルで安価に製造することができるため、各種用途での活用が期待されている。しかしながら、磁気式のセンサはその検出原理上、多軸干渉という課題（＝例えば、水平方向のみに変位する外力を受けたにも関わらず、磁場の勾配の影響により垂直方向に変位した際に生じる出力変化も現れる現象）があったため、各軸の出力を独立に精度良く検知することが困難だったため用途が限られていた。

そこで、この他軸干渉の課題を解決するため、特開２０１１−１４５２８６号公報（特許文献１）に記載の磁気式力覚センサは、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を備えている。

外力が作用する作用部には、磁極面が互いに逆となるように磁石の磁極面に対して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、第１磁電変換素子の間に第２磁電変換素子とを設けられている。そして第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、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。

このように、垂直方向成分の力と水平方向成分の力を独立に検出することで、磁気式の力センサの多軸干渉の課題を解消している。

特開２０１１−１４５２８６号公報

このような構成の磁気式力覚センサを利用する場合には、磁電変換素子と磁束発生源との相対位置を調整し、あらかじめ校正しておく必要がある。しかしながら、特許文献１にはユーザーにとって校正しやすい機構についての具体的記載がない。

本発明の目的は、磁電変換素子と磁束発生源との相対位置を調整しやすい磁気式力覚センサを提供することにある。本発明は、
作用部と、基台と、磁束発生源と、前記磁束発生源を有するホルダと、第１の磁電変換素子Ａと、第２の磁電変換素子Ａとを有する磁気式力覚センサであり、
前記作用部は、支持部材に支持されており、
前記磁束発生源は、第１の磁石と第２の磁石とを少なくとも有しており、
前記第１の磁電変換素子Ａは、前記第１の磁石の磁極面の中央部と対向して配置されており、
前記第１の磁石の前記磁極面の第１の磁極と、前記第２の磁石の前記磁極面の第２の磁極とは、隣り合っており、
前記第１の磁極と、前記第２の磁極とは逆極性であり、
前記第１の磁石と前記第２の磁石との境界に対向して、前記第２の磁電変換素子Ａが配置されており、
前記ホルダは、変位可能なように前記基台に設置されており、
前記ホルダの移動により、前記磁束発生源は、第１の磁電変換素子Ａ及び第２の磁電変換素子Ａに対する対向位置が変位し、
前記作用部に加わった外力を、前記磁気式力覚センサは、前記第１の磁電変換素子Ａの出力の値に基づき、前記第１の磁石の前記磁極面と前記第２の磁石の前記磁極面を基準とするＺ軸方向の力を前記検出部で検出し、前記第２の磁電変換素子Ａの出力の値に基づき、前記第１の磁石の前記磁極面と前記第２の磁石の前記磁極面基準とするＹ軸方向の力とＸ 軸方向の力とを前記検出部で検出する
ことを特徴とする磁気式力覚センサに関する。

本発明は、磁電変換素子と磁束発生源との相対位置を調整しやすい磁気式力覚センサを提供することが可能である。

磁気式力覚センサの斜視図である。 磁電変換素子と磁束発生源との配置を水平面上（ＸＹ平面上）の配置を示した、概略の透視図である。 位置調整部の具体的な構成を示した図である。 他の実施形態を示す図である。 センシングの拡大図である。 磁気式力覚センサの検出原理を最もよく表す図である。 本発明に係る６軸力覚センサの出力の流れを示したブロック図である。

添付図面を用いて、磁気式力覚センサを説明する。以下、力とモーメントとを併せて“力”と称することがある。

図６（ａ）は磁気式力覚センサの検出原理を表す図面の１つであり、磁気式力覚センサのセンシング部の模式的な斜視図である。本発明においては、力のセンシングに関係する磁電変換素子と磁束発生源とを併せてセンシング部と称する。センシング部は、以下で説明する作用部４と磁束発生源７との相対位置を、検知した磁場を電気信号に変換して検出する機能を果たす。センシング部は、磁石の磁極面に対向して配置された第１の磁電変換素子１ａ〜１ｄと、第１の磁電変換素子の間に配置された第２の磁電変換素子２ａ〜２ｄと、３ａ〜３ｄは磁束発生源を構成する４つの磁石３ａ〜３ｄとを有している。磁石３ａ〜３ｄは、Ｚ軸方向に対してそれぞれＮ極とＳ極とが互いに逆となるように配されている。

磁束発生源７は、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ていればよく、磁束発生源７を構成する磁石は４つである必要はない。また、センシング部は一つである必要はなく、一つのセンサに複数のセンシング部が設けられていてもよい。

さらに、配置された磁電変換素子の個数も上述の如くである必要は必ずしも無く、本発明に係る磁気式力覚センサの使用者が、所望の精度などに応じて適宜選択してよい。

図６（ｂ）は、図６（ａ）のセンシング部を有する磁気式力覚センサのＸ軸‐Ｚ軸に沿った断面図である。センシング部は、筒状の筐体Ｋの内部に収められている。

磁気式力覚センサは、外部からの力が作用する作用部４、作用部４に加わった力によって変位し加わった力を変位に変換する機能を担う弾性体５、磁電変換素子１及び磁電変換素子２が実装されている基板６、複数の磁石から構成される磁束発生源７を有している。基板６に実装されている磁電変換素子１及び磁電変換素子２は、基板６を介して作用部４に固定されている。また作用部４は弾性体５に支持されている。さらに、基板６に配された磁電変換素子１及び磁電変換素子２の出力を、Ａ／Ｄ変換する変換部、演算部及び記憶部を有している。変換部、演算部、記憶部は以下で改めて説明する。

磁束発生源７は、Ｎ極とＳ極を一対有する２つ以上の磁石３から構成されている。磁束発生源７は、一つの磁束発生源に複数の磁石を連接してなるパターンを形成してもよい。要するに、隣りあう磁石の境界を境にして、磁石から発生する磁場の向きが逆転するように構成されていれば良い。

また、磁石３および磁束発生源７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、磁性体のまわりに、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１及び磁電変換素子２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、又は、巻き線コイルである。

作用部４にＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向のモーメントＭｚを受けると、磁電変換素子１及び磁電変換素子２は、水平方向（Ｘ軸−Ｙ軸平面上）に磁束発生源７に対して相対的に変位する。一方で、作用部４にＸ軸方向のモーメントＭｘ、Ｙ軸方向のモーメントＭｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚを受けると、磁電変換素子１及び磁電変換素子２は、垂直方向（Ｚ軸−Ｘ軸またはＺ軸−Ｙ軸平面上）に相対的に変位することになる。磁電変換素子１及び磁電変換素子２は、この変位によって生じる磁電変換素子を通過する磁束密度の変化を検出して、力、モーメントに変換する。

つまり、前記磁束発生源は、第１の磁石と第２の磁石とを少なくとも有しており、第１の磁電変換素子Ａは、第１の磁石の磁極面の中央部と対向して配置されている。第１の磁石の磁極面の第１の磁極と、第２の磁石の前記磁極面の第２の磁極とは、隣り合っており、
第１の磁極と、前記第２の磁極とは逆極性であり、第１の磁石と第２の磁石との境界に対向して、前記第２の磁電変換素子Ａが配置されている。

図６（ｃ）は、図６（ａ）で示したセンシング部の側面から見た場合の立面図であり、発生する磁力線も記載していている。図６（ｃ）は、磁石３を２個配置し、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。磁電変換素子１及び磁電変換素子２は、磁石３の磁極面と対向するように配置し、それぞれ磁場のＺ軸方向成分を検出するように配置してある。第１の磁電変換素子１は、Ｚ軸方向の変位に対して流入する磁場のＺ軸方向成分の磁束密度の変化は大きいが、Ｘ軸方向の変位に対しては流入する磁場のＺ軸方向成分の磁束密度の変化は小さい。一方、第２の磁電変換素子２は、Ｘ軸方向の変位に対しては流入する磁場のＺ軸方向成分の磁束密度の変化は大きいが、Ｚ軸方向の変位に対しては流入する磁場のＺ軸方向成分の磁束密度の変化は小さい。

次に、２×２個の磁石３ａ〜３ｄで構成された磁束発生源により６軸の力およびモーメントを検出する原理について、本発明に係る６軸磁気式力覚センサの出力の流れを示したブロック図である図７を参照しながら説明する。

［垂直方向成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの検出］
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の磁電変換素子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の磁電変換素子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変換器を有する変換器９を用いてＶ１ａとして検出する。同様に、第１の磁電変換素子１ｂ〜１ｄについてもＶ１ｂ〜Ｖ１ｄとして検出する。

Ｆｚ＝Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ＋Ｖ１ｄ
Ｍｘ＝（Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ）−（Ｖ１ｃ＋Ｖ１ｄ）
Ｍｙ＝（Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ）−（Ｖ１ａ＋Ｖ１ｄ）
Ｆｚ， Ｍｘ， Ｍｙ は、演算部１０で上記の如く計算される。Ｆｚは４つの素子の総変化量により算出し、ＭｘはＸ軸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軸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。

［水平方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚの検出］
水平方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚを算出するためには、第１の磁電変換素子の間にそれぞれ配置された第２の磁電変換素子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の磁電変換素子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変換器を有する変換器９を用いてＶ２ａとして検出する。同様に、磁電変換素子２ｂ〜２ｄについてもＶ２ｂ〜Ｖ２ｄとして検出する。

Ｆｘ＝Ｖ２ｂ−Ｖ２ｄ
Ｆｙ＝Ｖ２ａ−Ｖ２ｃ
Ｍｚ＝Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ＋Ｖ１ｄ
Ｆｘ， Ｆｙ， Ｍｚ は、演算部１０で上記の如く計算される。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。

以上のように、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の磁電変換素子が垂直方向成分の力を検出し、第１の磁電変換素子の間にそれぞれ配置された４個の第２の磁電変換素子により水平方向成分の力を検出する。これにより、水平方向成分と垂直方向成分の他軸干渉を低減する６軸の磁気式力覚センサを提供することができる。

つまり作用部に加わった外力を、磁気式力覚センサは、第１の磁電変換素子Ａの出力の値に基づき、第１の磁石の磁極面と第２の磁石の磁極面を基準とするＺ軸方向の力を検出部で検出している。それとともに、第２の磁電変換素子Ａの出力の値に基づき、第１の磁石の磁極面と第２の磁石の磁極面基準とするＹ軸方向の力とＸ 軸方向の力とを検出部で検出する。

［位置調整部］
以下、図面を参照しながら、本実施形態の特徴である位置調整部について具体的に説明する。

図１は、前述の磁気式力覚センサの斜視図である。磁気式力覚センサは複数の柱型の構造体からなる筺体Ｋを備えており、また作用部４が円環状の枠体を備えた支持部材としての弾性体５に対して十字を切るように梁を架けて形成されている。作用部４には基板６が固定されており、基板６には磁電変換素子１及び磁電変換素子２が実装されている。磁電変換素子１及び磁電変換素子２は、ホルダに載置された複数の磁石を有する磁束発生源７と対向する位置に配置されている。

図２は、磁電変換素子と磁束発生源７との配置を水平面上（Ｘ軸−Ｙ軸平面上）の配置を示している概略の透視図である。図２では、磁気式力覚センサの作用部側を上方として上方から見た場合の配置を示しており、作用部４の梁の部分は破線で十字型に描いている。
図３では、２つの磁石からなる磁束発生源７、第１の磁電変換素子及び第２の磁電変換素子を有するセンシング部を４つ設けた構成を示している。

水平方向に加わった力と垂直方向に加わった力とをそれぞれ独立に検知する場合には、前述したように第１の磁電変換素子及び第２の磁電変換素子が磁束発生源７に対して所定の位置に配置されている必要がある。

図３は、位置調整部の具体的な構成を示した図である。紙面上で上下左右にそれぞれ磁束発生源７と磁電変換素子とを有するセンシング部が配置されている。説明のため左手のセンシング部の一部は説明のため一部部材の透視像を描いてある。

上手に設けられたセンシング部を代表して以下に説明する。磁束発生源７ａはホルダに対して固定されており、ホルダの側面に設けられたボルトによるネジ止めによってホルダに固定されている。ホルダは棒状の部材を有する基台に設けられたガイドに対して紙面に対して水平方向（Ｘ軸の方位）に対して変位可能に設置されている。

そして、ホルダには固定ネジを通すネジ穴が設けられていて、固定ネジはスライド可能な方向に対して長手をとった長穴が設けられた基台に挿入されている。固定ネジを緩めると、長穴の長手方向にホルダは基台に対して移動可能な状態となり、固定ネジを締めるとは基台に対して位置が固定される。一方、第１の磁電変換素子及び第２の磁電変換素子は、作用部４に対して基板を介して位置が固定されている。このような構成をとることで磁電変換素子に対して磁束発生源７の対向位置を相対的に調整ができる。

ホルダは、磁束発生源７を複数備え一体に保持できるように一枚の部材で構成してもよいが、それぞれのセンシング部で個別に調整可能となるように、それぞれ独立に設けられていることが好ましい。

図４は、他の実施形態を示す図である。

上述の構成と同じ部材には、同一の符号を付して説明を省略する。上述の例と比べて、スライドの変わりに回転軸を備えている点が異なる。磁束発生源７を保持したホルダは基台中心に設けられた回転軸に対して回転可能に保持されている。固定ネジが挿入されている長穴の長手方向は、回転の方向に沿って形成されている。このような構成をとることで磁電変換素子に対して磁束発生源７の位置を相対的に調整ができる。回転中心から磁束発生源が配置されている位置までの距離が、第１の磁電変換素子及び第２の磁電変換素子の間隔に対して大きな場合には、このような構成は、構造が簡便で好適である。

図５は、図４に示された上手のセンシング部の拡大図である。

回転軸から磁束発生源７の重心までの距離Ｌは１５．５ｍｍであり、磁石の１辺の長さは５ｍｍである。力を検知する際には、基準位置から±５０μｍの範囲で磁束発生源７と磁電変換素子との相対位置の変化を、磁電変換素子に流入する磁場の変化を介して検出する。したがって、長穴の長手の長さは２００μｍ＝０．２ｍｍほどあれば十分である。

すなわち回転軸を中心にＸ軸方向にΔＸ＝０．２ｍｍ変位することを想定したとき、この変位は距離Ｌより非常に小さいのでΔＹ≒０．２／１５．５ｍｍ＝０．０１３ｍｍと近似できる。したがって調整のための長穴の長手の大きさに対して、Ｙ軸方向にはほとんど変位しないので、十分に精度良く位置調整を実行することができる。

本発明は力を検出するための力センサとして好適に利用できる。

１（１ａ〜１ｄ） 第１磁電変換素子
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

Claims (4)

1. 作用部と、基台と、磁束発生源と、前記磁束発生源を有するホルダと、第１の磁電変換素子Ａと、第２の磁電変換素子Ａとを有する磁気式力覚センサであり、
   前記作用部は、支持部材に支持されており、
   前記磁束発生源は、第１の磁石と第２の磁石とを少なくとも有しており、
   前記第１の磁電変換素子Ａは、前記第１の磁石の磁極面の中央部と対向して配置されており、
   前記第１の磁石の前記磁極面の第１の磁極と、前記第２の磁石の前記磁極面の第２の磁極とは、隣り合っており、
   前記第１の磁極と、前記第２の磁極とは逆極性であり、
   前記第１の磁石と前記第２の磁石との境界に対向して、前記第２の磁電変換素子Ａが配置されており、
   前記ホルダは、変位可能なように前記基台に設置されており、
   前記ホルダの移動により、前記磁束発生源は、第１の磁電変換素子Ａ及び第２の磁電変換素子Ａに対する対向位置が変位し、
   前記作用部に加わった外力を、前記磁気式力覚センサは、前記第１の磁電変換素子Ａの出力の値に基づき、前記第１の磁石の前記磁極面と前記第２の磁石の前記磁極面を基準とするＺ軸方向の力を前記検出部で検出し、前記第２の磁電変換素子Ａの出力の値に基づき、前記第１の磁石の前記磁極面と前記第２の磁石の前記磁極面基準とするＹ軸方向の力とＸ 軸方向の力とを前記検出部で検出する
   ことを特徴とする磁気式力覚センサ。
2. 前記基台あるいは前記ホルダにそれぞれ設けられた長穴と固定ネジを有す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。
3. 前記ホルダを載置し前記ホルダを回転可能に支持する回転軸が設けられた基台を有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気式力覚センサ。
4. 前記磁束発生源は複数備えられており、各々の前記磁束発生源は独立に前記回転軸に対して回転可能に支持されてい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。
   

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