JP4251975B2

JP4251975B2 - 変位に対応する電気信号発生方法及びデバイス

Info

Publication number: JP4251975B2
Application number: JP2003415194A
Authority: JP
Inventors: 康彦大江
Original assignee: Kitakyushu Foundation for Advancement of Industry Science and Technology
Current assignee: Kitakyushu Foundation for Advancement of Industry Science and Technology
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: JP2005172691A

Description

本発明は、ロボットのアームや人体各部位などの変位を電気信号として取り出す方法およびデバイスに関する。

自動車の組み立てラインにおけるロボットの関節や人体の各部位、精密機械工業における加工対象、モーションキャプチャなどのように、対象の変位量を高い精度でかつダイナミックに検出することが必要とされる分野は多い。

このような要請に応えるべく、変位センサとして、空芯コイルばねとこの空芯コイルばねの可変インピーダンスに並列容量Ｃを配設した並列容量回路に抵抗を直列に配設した線形補償回路と、この線形補償回路に高周波定電流を流す電源と出力部とから構成される線形補償素子によって変位に対して略線形に補償された出力特性をもつ変位センサが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００３−６５７０４号公報

しかしながら、上記先行技術によるときは、空芯高周波コイルばねの可変インダクタンスを利用しインピーダンスを出力パラメータとするものである処から、電磁波ノイズの影響を受けやすく、出力信号の信号（Ｓ）／雑音（Ｎ）比が低下する問題があった。即ち、空芯高周波コイルばねに電流が流れると、自己誘導によってコイル自体に起電力が生じる。しかし、この起電力（自己誘導、自己インダクタンス）に電磁波ノイズが加わった場合、ノイズと信号の区別がつかない。

本発明は、電磁波ノイズの影響を受けることがなく、高い精度で対象の変位に対応する電気信号を発生することができる方法及びデバイスを提供することを、目的とする。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、一のｎｐｎ形トランジスタ又はｐｎｐ形トランジスタのエミッタを共通端子とするエミッタ接地回路としてベースに入力端子を接続してスイッチングし一方、他のｎｐｎ形トランジスタ又はｐｎｐ形トランジスタのエミッタを共通端子とするエミッタ接地回路としてベースに抵抗を介して出力端子を接続し、それぞれのｎｐｎ形トランジスタ又はｐｎｐ形トランジスタのコレクタを出力端子に接続するとともにエミッタを金属製コイルばねを介して接地し、前記金属製コイルばねの伸縮量に対応する逆起電力の大きさを電源電圧に加算して検出するよう構成してなる変位に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項２に記載の発明は、ｎｐｎ形トランジスタ又はｐｎｐ形トランジスタのエミッタを共通端子とするエミッタ接地回路としてベースに入力端子を接続してスイッチングするとともにエミッタを金属製コイルばねを介して接地し一方、出力端子を前記ｎｐｎ形トランジスタ又はｐｎｐ形トランジスタのコレクタに接続するとともに、抵抗およびダイオードを介してエミッタに接続し、前記金属製コイルばねの伸縮量に対応する逆起電力の大きさを電源電圧に加算して検出するよう構成してなる変位に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項３に記載の発明は、入力端子をダイオードおよび金属製コイルばねを介して接地するとともにダイオードおよび抵抗を介して前記コイルばねに接続する分岐回路を形成してスイッチングし一方、出力端子を、ダイオードを介して前記分岐回路におけるダイオードおよび抵抗間に接続し、前記金属コイルばねの伸縮量に対応する逆起電力の大きさを電源電圧に加算して検出するよう構成してなる変位に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項４に記載の発明は、金属製コイルばねの径方向内部に磁芯を嵌装した請求項１乃至請求項３に記載の変位に対応する電気信号発生デバイスである。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４に記載の金属製コイルばねの伸縮に伴う変位を、前記金属製コイルばねの抵抗値Ｒ_ｓをパラメータとして、増幅回路により下記式から電圧信号として検出するようにした変位に対応する電気信号発生方法である。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項４に記載の金属製コイルばねに、該金属製コイルばねよりも径小の抵抗体を嵌装し、金属製コイルばねの伸縮に伴う変位を、前記金属製コイルばねの抵抗値Ｒ_ｓをパラメータとして、増幅回路により下記式から電圧信号として検出するようにした変位に対応する電気信号発生方法である。

請求項７に記載の発明は、抵抗体が、可撓性を有する材料または金属製コイルばねである請求項６に記載の変位に対応する電気信号発生方法である。

本発明によれば、従来、エンコーダを使用していたロボットのアームの関節の変位や人体各部位の変位を、金属製コイルばねとトランジスタを構成要素とするきわめて小型、簡潔なデバイスで高精度下に計測することが可能となる。また、本発明によるときは、金属製コイルばねそのものをエンコーダとして人体の動作を計測するモーションキャプチャをはじめＦＡ（factory automation）分野におけるロボットの動作・姿勢の計測をすることができ、広範な分野においてその利用が可能となる。

また、本発明は、従来技術におけるような高周波コイルばねの可変インダクタンスを利用するものではないから、環境からの電磁波ノイズを影響を全く受けることなしに、対象の変位量を高精度下に電気信号として取り出すことができる。また、変位が線形的なもののみならず、弧状の場合であっても検出できる。

さらに、発明によれば、金属製コイルばねと２箇のトランジスタおよび抵抗からなる簡潔な回路構成で、電磁波ノイズの影響を受けることなしに対象の変位を逆起電力をパラメータとし電気信号として検出できる。

請求項２に記載の発明によれば、金属製コイルばねと１箇のトランジスタとダイオードおよび抵抗からなる簡潔な回路構成で、電磁波ノイズの影響を受けることなしに対象の変位を逆起電力をパラメータとし電気信号として検出できる。

請求項５乃至請求項７に記載の発明によるときは、金属製コイルばねと可撓性抵抗体および増幅回路または金属製コイルばねと増幅回路からなる簡潔な構成で、対象の変位量を金属製コイルばねの抵抗をパラメータとし電気信号として検出できる。

本発明は、導電性コイルがもつ、電流の変化を小さくし安定化させる性質即ち平滑化作用を利用している。コイルをトランジスタでスイッチングしたときに、導電性コイルに発生する逆起電力を電源電圧に加算して検出するようにしている。

一方、発明者は、位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置を、特願２００３−１８７４８３号にて提案した。この発明の位置・姿勢変化に対応する電気信号発生装置は、対象のＸ、Ｙ、およびＺ軸方向への傾きを高い精度で電気信号として検出可能なきわめて小型のデバイスである。本発明の位置、変位に対応する電気信号発生デバイスと組み合わせて用いることにより、たとえばロボットのアームの変位、傾き（姿勢）を、超小型のデバイスで高精度下に検出することができる。

図１（ａ）に、本発明の一実施例に係る、変位に対応する電気信号発生デバイスの回路を示す。図１（ａ）において、１は一方のｎｐｎ形トランジスタであって、ベースＢに入力端子５が接続されている。コレクタＣには出力端子が接続され、エミッタＥは、直列に接続されている金属製コイルばね３および抵抗４を介して接地されている。２は他方のｎｐｎ形トランジスタであり、ｎｐｎ形トランジスタ１と同じ特性を有し、両者で入力端子５から入力される信号を増幅する。図１（ａ）において、７および８は抵抗である。Ｖは電源電圧である。

この実施例において、金属製コイルばね３としては、弾性に優れ導電率の高い金属材料たとえば燐青銅線を巻回して得られるものが好ましい。金属製コイルばね３はまた、エナメル、ビニールといった絶縁物で被覆されていることが好ましい。これによって、金属製コイルばね３が伸縮を繰り返す際に生じる金属間のショートを防止し、対象の変位を測定するときのノイズを軽減させることができる。さらに、金属製コイルばね３の素線として中空素線（空芯線）を用いることもできる。

また、金属製コイルばね３の径方向内部に磁芯を嵌装することによって、金属製コイルばね３の伸縮量に対応して金属製コイルばね３に発生する逆起電力をより強くし、変位の測定精度を向上させることができる。磁芯としては、金属製コイルばね３と同様に彎曲し得る可撓性を有するものであることが望ましい。可撓性を有する磁芯材料としては、金属、液体、ガス体のものを用いることができる。ガス体の磁芯を用いる場合は、ガス（気体）を包み込む膜が必要である。こうすることによって、変位が線形的なものに限らず弧状の変位であっても電気信号として検出できる。磁芯材料も金属製コイルばね３と同様に、絶縁物で被覆されたものであることが望ましい。これによって、金属製コイルばね３が伸縮を繰り返す際に生じる金属間のショートを防止し、対象の変位を測定するときのノイズを軽減させることができる。

次に、図１（ａ）に示す変位に対応する電気信号発生デバイスの動作を説明する。入力端子から信号が入力されると、この信号に対応してｎｐｎ形トランジスタ１のエミッタ電流とｎｐｎ形トランジスタ２のエミッタ電流の和に等しい電流が金属製コイルばね３に流れる。金属製コイルばね３に流れる電流の大きさは、抵抗４の抵抗値によって制限（設定）される。但し、各トランジスタを飽和状態とする場合は、抵抗４は必要ない。

ここで、入力端子からの信号が減少すると、ｎｐｎ形トランジスタ１のエミッタ電流が減少する。而して、金属製コイルばね３に流れる電流も減少する。しかし、金属製コイルばね３においては、金属製コイルばね３に流れる電流が変化すると、その変化を打ち消すような逆起電力を発生する。金属製コイルばね３に流れるｎｐｎ形トランジスタ１のエミッタ電流が減少する向きは、図１（ａ）における矢印Ａの向きであるから、金属製コイルばね３は矢印Ｂの向きに逆起電力を発生する。この逆起電力によって金属製コイルばね３はそこに流れる電流を一定にしようとするから、ｎｐｎ形トランジスタ１のエミッタ電流の減少分だけｎｐｎ形トランジスタ２のエミッタ電流が増加する。

このように、ｎｐｎ形トランジスタ１のエミッタ電流とｎｐｎ形トランジスタ２のエミッタ電流とは相補的に流れるから、入力端子５から入力された信号は、ｎｐｎ形トランジスタ１とｎｐｎ形トランジスタ２によって増幅され、それらの信号の差（差動成分）が出力端子６に出力される。

ここで、金属製コイルばね３が伸縮すると、伸縮量に対応して金属製コイルばね３が発生する逆起電力が変化する。即ち、金属製コイルばね３が収縮しているときにはコイルとして逆起電力は大きく、金属製コイルばね３が伸長したときには逆起電力は小さくなる。

而して、金属製コイルばね３が収縮状態にあるときに入力端子５への正の電圧の印加を停止すると、ｎｐｎ形トランジスタ１は開放状態即ち、段落００２０に記載しているスイッチングのＯＦＦ状態となる。従って、ｎｐｎ形トランジスタ１を通じて金属製コイルばね３に流れていたエミッタ電流も流れなくなる。金属製コイルばね３はコイルとしての機能を有しているから、金属製コイルばね３に流れる電流が変化するとその変化を打ち消すような逆起電力を発生する。金属製コイルばね３を流れるｎｐｎ形トランジスタ１のエミッタ電流が減少する向きは、図１（ａ）における矢印Ａの向きであるから金属製コイルばね３は矢印Ｂの向きに逆起電力を発生する。この逆起電力によって金属製コイルばね３はそこに流れる電流を一定に保持しようとするから、ｎｐｎ形トランジスタ２を通じて今まで流れていたｎｐｎ形トランジスタ１のエミッタ電流に相当する電流が流れる。即ち、ｎｐｎ形トランジスタ１から流れていた電流を補うために流れたｎｐｎ形トランジスタ２からの電流に対応して出力端子６の電圧が低下する。

一方、金属製コイルばね３が伸長すると、金属製コイルばね３に生じる逆起電力は小さくなる。而して、金属製コイルばね３の伸縮量に対応する起電力の大きさを測定することによって金属製コイルばね３それ自体の伸縮量を電気信号として検出することができる。

図１（ａ）に示す実施例（実施例１）は、図１（ｂ）に示す、ｐｎｐ形トランジスタを用いる回路によっても同様に実施することができる。図１（ｂ）において、１１、１２はｐｎｐ形トランジスタ、１３は金属製コイルばね、１４は抵抗、１５は入力端子、１６は出力端子、１７、１８は抵抗、Ｖは電源電圧である。

図２に、本発明の他の実施例に係る、変位に対応する電気信号発生デバイスの回路を示す。図２において、２１、２２はダイオードであって、入力端子２５側が順方向バイアスとなるように回路に挿入される。２３は金属製コイルばね、２４は抵抗、２６は出力端子、２７，２８は抵抗である。２９はダイオードであり、出力端子２６側が順方向バイアスとなるように接続されている。

図２に示す、抵抗とダイオード２１，２２、および２９からなる回路は、図１（ａ）に示すｎｐｎ形トランジスタを用いた回路と等価な回路であり、ダイオードの向きを変えれば図１（ｂ）に示すｐｎｐ形トランジスタを用いた回路と等価な回路となる。而して、この図２に示す回路の動作は、図１（ａ）に示す回路の動作と同様となる。

図３に、実施例１におけるｎｐｎ形トランジスタ２に代えてダイオード３９を用いた本発明の他の実施例に係る回路を示す。図３において、図１（ａ）におけると同一の符号は同一の回路構成要素を示す。この実施例において、金属製コイルばね３３の素線として中空素線（空芯線）を用いることもできる。

次に、図３に示す本発明の他の実施例に係る変位に対応する電気信号発生デバイスの動作を説明する。入力端子３５から信号が入力されると、信号に対応してｎｐｎ形トランジスタ３１のエミッタ電流とダイオード３９からの電流が金属製コイルばね３３に流れる。ｎｐｎ形トランジスタ３１のエミッタ電流とダイオード３９からの電流の和に等しい電流は、抵抗３４の抵抗値によって制限（設定）される。しかし、各素子を飽和状態とするときは、抵抗３４は必要ない。

入力端子３５に入力される信号が減少すると、ｎｐｎ形トランジスタ３１のエミッタ電流は減少する。而して、金属製コイルばね３３は、金属製コイルばね３３を流れる電流が変化するとその変化を打ち消すような逆起電力を発生する。金属製コイルばね３３を流れるｎｐｎ形トランジスタ３１のエミッタ電流が減少する向きは、図３における矢印Ａの向きであるから金属製コイルばね３３は矢印Ｂの向きに逆起電力を発生する。この逆起電力によって金属製コイルばね３３はそこに流れる電流を一定に保持しようとするから、ｎｐｎ形トランジスタ３１のエミッタ電流の減少分だけダイオード３９を流れる電流が増加する。

この実施例において、ダイオード３９を用いた理由は、金属製コイルばね３３の伸縮に対応して金属製コイルばね３３に生じた逆起電力の逆流を防止するためである。従って、順方向に電流を流す素子であれば、ダイオード３９に代えて用いることができる。

上記のように、ｎｐｎ形トランジスタ３１のエミッタ電流とダイオード３９からの電流は、相補的に流れるので、入力端子３５からの信号はｎｐｎ形トランジスタ３１とダイオード３９の作用により生じた逆起電力分の差（差動成分）が出力端子３６に出力される。その際、金属製コイルばね３３の伸縮量に対応して金属製コイルばね３３が発生する逆起電力が変化するから、金属製コイルばね３３に生じる逆起電力を検出することによって、金属製コイルばね３３の伸縮量に対応する電気信号を取り出すことができる。

図４に、本発明の他の実施例に係る、絶縁被覆された金属製コイルばね４３を示す。金属製コイルばね４３が外力によって伸縮すると、図４におけるＡ、Ｂ間の抵抗値が変化する。ここで、金属製コイルばね４３の伸縮に伴って変化した抵抗をＲ_ｓとして、この抵抗Ｒ_ｓの変化を、図５に示す増幅回路によって電圧の変化として検出することができる。Ｖ_ｏ：出力電圧、Ｖ_ｉ：入力電圧、Ｒ_ｆ：帰還抵抗、
Ｒ_ｓ：金属製コイルばね４３におけるＡ、Ｂ間の抵抗とすると、出力電圧Ｖ_ｏは次式で与えられる。

図６に、図１乃至図３における金属コイルばね３、１３、２３、および３３に相当する金属製コイルばね４３の径方向中心部に、軸方向に延在する抵抗体４２を嵌装した実施態様を示す。抵抗体４２としては、絶縁被覆された可撓性を有する抵抗体、たとえば導電性ゴム或は絶縁被覆された素線からなる抵抗の大きな金属材料で作ったコイルばね等を用いると、金属製コイルばね４３の伸縮が線形的なものに限らず弧状の変位であってもそれに追随して変形し得る。

図６に示す図１乃至図３における金属コイルばね３、１３、２３、および３３に相当する金属製コイルばね４３のＡ点を固定し、Ｂ点を引っ張ってＡ、Ｂ間の距離を大きくすると、抵抗体４２の影響を受け、金属製コイルばね４３におけるＡ、Ｂ間の抵抗値が大きくなる（抵抗体４２の抵抗値が金属製コイルばね４３のそれよりも小さいときは、Ａ、Ｂ間の抵抗値は小さくなる）。この抵抗値の変化を、図５に示す増幅回路で検出することができる。金属製コイルばね４３と抵抗体４２間で摩擦があるときにはノイズを生じるが、ローパスフィルタで除去することができる。

本発明の変位に対応する電気信号発生方法及びデバイスは、対象の変位を電気信号として検出することができるから、変位、歪、軸力、張力、曲げ、せん断、残留応力、圧力、風圧、土圧、水圧、波圧、加速度、振動、応力頻度、沈下、伸縮、地滑り、地下水位等々、対象の変位をパラメータとして検出可能な物理量を測定することができる。従って、航空機、造船、船舶（変位、応力頻度）、施工管理（歪検出等）、橋梁（撓み）、鉄道（内空変位）、トンネル（トンネルの歪計測システム）、各種エネルギプラント（歪、変位、撓み、軸力、曲げ、せん断、残留応力）、各種機械、自動車（撓み、残留応力）等広範な分野への応用が可能である。

本発明の一実施例に係る回路図であって、（ａ）はｎｐｎ形トランジスタを用いた回路、（ｂ）はｐｎｐ形トランジスタを用いた回路である。本発明の他の実施例に係る回路図本発明の他の実施例に係る回路図本発明の他の実施例に係る金属製コイルばねを示す正面図図３に示す金属製コイルばねの抵抗値の変化を検出するための回路図図３に示す金属製コイルばねの径方向中心部に抵抗体を嵌装した状態を示す正面図

符号の説明

１ｎｐｎ形トランジタ
２ｎｐｎ形トランジタ
３金属製コイルばね
４抵抗
５入力端子
６出力端子
７抵抗
８抵抗
９ダイオード
１１ｐｎｐ形トランジタ
１２ｐｎｐ形トランジタ
１３金属製コイルばね
１４抵抗
１５入力端子
１６出力端子
１７抵抗
１８抵抗
２１ダイオード
２２ダイオード
２３金属製コイルばね
２５入力端子
２６出力端子
２７抵抗
２８抵抗
２９ダイオード
３１ｎｐｎ形トランジスタ
３３金属製コイルばね
３４抵抗
３５入力端子
３６出力端子
３７抵抗
３８抵抗
３９ダイオード
４２抵抗体
４３金属製コイルばね
Ｂベース
Ｃコレクタ
Ｅエミッタ
Ｖ電源電圧

Claims

一のｎｐｎ形トランジスタ又はｐｎｐ形トランジスタのエミッタを共通端子とするエミッタ接地回路としてベースに入力端子を接続してスイッチングし一方、他のｎｐｎ形トランジスタ又はｐｎｐ形トランジスタのエミッタを共通端子とするエミッタ接地回路とするとともにベースに抵抗を介して出力端子を接続し、それぞれのｎｐｎ形トランジスタ又はｐｎｐ形トランジスタのコレクタを出力端子に接続するとともにエミッタを金属製コイルばねを介して接地し、前記金属製コイルばねの伸縮量に対応する逆起電力の大きさを電源電圧に加算して検出するよう構成してなる変位に対応する電気信号発生デバイス。
ｎｐｎ形トランジスタ又はｐｎｐ形トランジスタのエミッタを共通端子とするエミッタ接地回路としてベースに入力端子を接続してスイッチングするとともにエミッタを金属製コイルばねを介して接地し一方、出力端子を前記ｎｐｎ形トランジスタ又はｐｎｐ形トランジスタのコレクタに接続するとともに、抵抗およびダイオードを介してエミッタに接続し、前記金属製コイルばねの伸縮量に対応する逆起電力の大きさを電源電圧に加算して検出するよう構成してなる変位に対応する電気信号発生デバイス。
入力端子をダイオード及び金属製コイルばねを介して接地するとともにダイオード及び抵抗を介して前記金属製コイルばねに接続する分岐回路を形成してスイッチングし一方、出力端子を、ダイオードを介して前記分岐回路におけるダイオードおよび抵抗間に接続し、前記金属製コイルばねの伸縮量に対応する逆起電力の大きさを電源電圧に加算して検出するよう構成してなる変位に対応する電気信号発生デバイス。
金属製コイルばねの径方向内部に磁芯を嵌装した請求項１乃至請求項３何れかに記載の変位に対応する電気信号発生デバイス。
請求項１乃至請求項４に記載の金属製コイルばねの伸縮に伴う変位を、前記金属製コイルばねの抵抗値Ｒ_ｓをパラメータとして、増幅回路により下記式から電圧信号として検出するようにしたことを特徴とする特徴とする変位に対応する電気信号発生方法。
請求項１乃至請求項４に記載の金属製コイルばねに、該金属製コイルばねよりも径小の抵抗体を嵌装し、金属製コイルばねの伸縮に伴う変位を、前記金属製コイルばねの抵抗値Ｒ_ｓをパラメータとして、増幅回路により下記式から電圧信号として検出するようにしたことを特徴とする特徴とする変位に対応する電気信号発生方法。
抵抗体が、可撓性を有する材料または金属製コイルばねである請求項６に記載の変位に対応する電気信号発生方法。