JPS60164229A

JPS60164229A - 力変換器

Info

Publication number: JPS60164229A
Application number: JP2029884A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tanigawa; 紘谷川
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1984-02-07
Filing date: 1984-02-07
Publication date: 1985-08-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は広範囲な力を検出できる力変換器に関する。

（従来技術とその問題点）従来、力を検出する場合において、直線的に移動するこ
とのできる可動片と、該可動片の移動量を検出するセン
サと、該可動片の移動が太きくなるに従い復元力が大き
くなるバネ材とを組み合わせ、さらに、該可動片に当該
力を印加せしめることにより、当該移動量を介して、該
センサの出力を計測Ｔることが行なわれていた。第１図
は該従来例を示す図であり、図憂こおいて、ｌは可動片
、２はスケールで例えば磁化された磁気スケール、３は
バネ材、４は外部から印加される力（その大きさがＦで
表わされる）を受ける受圧部、５は１と４とを連結して
いる連結棒である。該バネ材は固定されている壁６と該
可動片との間ｉこ設けられている。受圧部４にＦｒ、（
る力が印加された時、連結棒５および可動片１を介して
バネ材に圧縮力が作用し、該バネの復元力とＦとが等し
くなった状態で安定状態となる。該バネが弾性領域内で
動作している場合Ｉこは、可動片１の移動量と力Ｆとは
比例関係にあることが知られている。可動片ｌの移動は
、図示されていない手段により、スケール２に沿って摺
動Ｔるよう拘束されている。可動片Ｉｆこは磁気を検出
するセンサが埋設されていて、磁気スケール２上ｌこ存
在Ｔる小磁区を検出し、可動片１の移動に伴ない、移動
量ｔこ比例したパルスを送出する。該パルスを周知の電
気回路を用いて計数すれば、該移動量をデジタル的に計
数できる３即ち、該可動片ｌとスケール２（！：で移動
量を検出するセンサを構成している。かかる構成の変換
特性が第２図に示されている。図ζこおいて横軸は前記
外部から印加される力の大きさを、縦軸は該センサから
の出力信号の大きさを示している。前記した如く、核力
の大きさと、当該移動量と、該出力信号とは全て直線的
な関係にあるため、図示した如き直線的な変換特性が得
られている。当該直線性は、通常の場合ｆこ、最も好ま
しいとされているが、分解能おダイナミックレンジの面
からは不都合な点が多い。即ち、分解能は検出可能な最
小の力の変化分であり、磁気スケール２＃こ予め作りこ
まれている磁区の大きさに依存する。一方、ダイナミッ
クレンジは検出され得る力の最大値と最小値の比であり
、磁気スケール２に予め作りこまれている磁区の数、通
常は、磁気スケール２の長さに依存する。かかる理出に
より、磁気スケール２の長さを一定とするならば、分解
能とダイナミックレンジとは相反関係にある。即ち、分
解能を上げればダイナミックレンジが減少し、逆に、ダ
イナミックレンジを増大させれば分解能が下がる。

かかる相反的な関係を改善す、るためＩこ、磁気スケー
ルを長大化することが考えられるが、当該力変換器も大
型化し、機械的剛性の強化等に伴なう製造コストの向上
、適用分野の制限等好ましくない欠点が発生する。

一方、計測応用分野を除いては、力変換器の変換特性が
必らすしも直線的である必要は無い。通常は、力が微小
である場合には高い分解能が要求されるが、力が大きい
場合には低い分解能でも十分である。即ち、印加された
力に対してその一定比率値が検出できること、例えば、
該印加された力の何パーセントが分解して検出できるか
が重曹となる。従来、この種の要求に対しては、前記セ
ンサから得られた出力信号を圧縮、例えば対数変換回路
により対数圧縮することを行っている。しかしながら、
かかる処理を行った場合においても、第１図の構成例で
は、前記した分解能とダイナミックレンジの相反的な関
係を改善することはできなかった。

（発明の目的）本発明は、かかる従来の欠点を除去せしめて、分解能と
ダイナミックレンジの両者を改善した力変換ぼｇを提供
することにある。さらに、前記した圧縮、例えば対数圧
縮を機械的に行ない、圧縮のための複雑な電気回路を不
要とする新規な力変換器を提供する。

（発明の構成）本発明によれは、直線的に移動することのできる可！助
片と、該可動片の移動量を検出するセンサと、該可動片
に測定子べき力を印加せしめる手段と、当該測定Ｔべき
力と当該移動量とを非線形あるいは複数の直線からなる
折れ線形の関係にせしめる手段とを備えたことを特徴と
する力変換器が得られる。

（構成の詳細な説明）本発明は、上述の構成をとることにより従来技術の間司
点を解決した。本発明では、直線的に移動することので
きる可動片にバネ材の一端を固定し、骸可動片が測定す
べき力により移動し、該バネ材が収縮する際Ｉこ、当該
移動量と核バネ材の復元力とが非直線な関係になるよう
当該バネ材の材質、形状等を選定することにより、分解
能とダイナミックレンジの前記相反的な関係を大＠に改
善できる。

（実施例）以下本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。

第３図は本発明の第１の実施例を示す図、第４図は当該
実施例の変換特性を示Ｔ図である。図において、第１図
と同一番号は同一構成要素を示す。

同図において、３０は第１のバネ定数（当該バネに作用
する力と、核力により発生した当該バネの変位の比）を
有する第１のバネ材、３１は第２のバネ定数を有する第
２のバネ材である。当該２つのバネ定数の大小関係は問
われないが、同図では、便宜上、該第１のバネ定数の方
が該第２のバネ定数よりも小さい場合が例示されている
。かかる構成での変換特性は第４図の４０ζこ示されて
いる。なお、。

同図では、第１のバネ材３０のみが存在する場合の変換
特性４１と、第２のバネ材３１のみが存在する場合の変
換特性４２とが併せて示されている。先ず、当該特性４
１について説明する。即ち、第１のバネ材３０のみが存
在し、第２のバネ材３１が無い場合には、該可動片に印
加された測定すべき力Ｆと、可動片１とスケール２とか
らなる該ｌの移動量を検出するセンサからの出力とが比
例Ｔる領域Ｉと、核力Ｆｔこ依存せす該出力が一定値と
なる領域■とに区分される。該領域Ｉは該バネ材が通常
の弾性範囲内で作動する場合に対応している。一方、該
領域】■では、該バネ材を構成しているコイルが密接し
て、もはや該バネ材の全長かより短かくならす、バネと
して機能しない場合ｌこ対応している。

次に、該特性４２について説明する。即ち、第２のバネ
材３１のみが存在し、第１のバネ材３０が無い場合ｉこ
は、前記領域Ｉ、１［！こわたって、核力Ｆと該出力と
が比例している。しかしながら、当該第２のバネ定数は
大きい。即ち、バネ定数が硬いため、領域■での４１と
比較して、同一のＦに対する出力は小さい。次に、第１
のバネ材３０と第２のバネ材３１とが共存する場合の該
特性４０について説明する。

領域工では、第１のバネ材３０と第２のバネ材３１と１
が共に、核力Ｆと該出力との間に比例関係を有している
ため、やはり、両者が比例関係にある。しかしながら、
かかる場合のバネ定数は、第１のバネ材３０と第２のバ
ネ材３１のバネ定数の合成された値となるため、第４図
での傾きは、４１よりも大きい値になる。一方、領域Ｉ
Ｉｆこおいては、第１のバネ材３０のコイルが互いに密
接するため、バネとしては、第２のバネ材３１のみが機
能するため、全体としては４２と平行な特性が得られる
。かかる説明により、４０の特性が理解される。なお、
第４図では領域Ｉと領域ｌとの境界にて当該特性が折れ
曲るが如く示されているか、より微細に検討するならば
、該境界での変化は丸みを帯び滑らかに接続されている
。しかしながら、本発明では、かかる滑らかな接続をも
含めて、便宜上、折れ線形なる用語を用いていることに
注意すべきである。かか　。

−る折れ線形の関係により、測定すべき力のダイナミッ
クレンジが容易に拡大し、かつ、当該力の大きさに見合
った分解能も確保される。なお、前述した如く、可動片
１とスケール２とからなるセンサは可動片１の移動量に
比例した信号を出力しているので第４図の縦軸は該移動
量をも示していることになる。即ち、本実施例において
は、当該センサｌこ何ら特別仕様のものを適用させる必
要がなく、従来品が適用できる利点があり、かつ、第１
、第２のノリ′材３０．３１が当該測定すべき力と当該
移動量とを複数の直線からなる折れ線形の関係に讐しめ
る手段を構成しており、当該手段により、機械的な力の
前記圧縮が達成されている。なお、本実施例では、３０
．３１の二つのバネ材を用いたために、４０に示す二つ
の直線から成る折れ線形状が実現されているが、該バネ
材をそれぞれ異なるバネ定数を有するＮ個のバネ材で構
成することにより、Ｎ本の直線から成る折れ線形状を実
現することが可能となる。かかるＮ個のバネ材の使用に
より、該変換特性を滑らかな曲線に近づけることができ
、前記圧縮を対数圧縮時にするこ゛ともできる。

第５図は本発明の第２の実施例を示す図、第６図は当該
実施例の変換特性を示す図である。図において、第１図
と同一番号は同一構成要素を示Ｔ。

同図において、５０はバネ材であり、バネ定数が当該バ
ネ材の場所毎に変化している特徴がある。かかる変化は
、−例として図示されているが如く、単位長当りのバネ
の巻数を連続的に変化させることにより実現される、か
かる＃ｆ成Ｉこおいては、印加される力Ｆの増大に伴な
い、該バネ材の一端から順次コイルが密接し、該バネの
復元力が１の移動量と非線形な関係になることが明らか
である。

しかも、第６図Ｉこ当該構成の変換特性か示されている
ように、連続的Ｇこ変化下る関係が実現され、前記第１
の実施例よりも好ましい特性Ｉこなっている。第６図に
示した特性は、５０の構成法に依存しており、任意の特
性、例えば対数圧縮の特性を得るためζこ５０の構成法
、例えば単位長当りのコイル巻数の変化を設定Ｔること
ができる。当該対数圧縮が実現されている場合ｌこはＶ
該カの３桁にわたる変化により、１の移動量と該出方は
３倍の範囲に圧縮できる利点があり、ダイナミックレン
ジの拡大に有効な手段となる。等該対数圧稲の模様は、
第６図の軸上に例示した目盛ｌこより、より詳細に示さ
れている。

第７図一本発明の第３の実施例を示す図であり、第５図
と同一番号は同−構成要素を示している。

本実施例においては、該バネ材５０の一端を固定する壁
の位置が第５図の場合と異っており、ざらに、当該バネ
材の中央部を貫くように端結ｔ１１５か配置されている
特徴がある。本実施例での動作は第５図さ同様であるの
で詳述し１ｊいが、第６図ξ同様な非線形の当該変換特
性か得られる。

第８図は本発明の第４の実施例を示Ｔ図であり、該変換
特性に飽和特性を持たせることかできる特徴がある。同
図では、第３図に示した構成のうち、主要構成要素のみ
が示されており、同一番号は同一構成要素を示している
。図において、可動片１１こ連結した刻ｌのバネ押具’
６（Ｉは、第１のバネ材７゜を介して、第２のバネ押具
６１を押し、該６１は壁６との間の第２のバネ材７１を
押している。当該バネ押具６０．６１は壁６と一俸化さ
れている筒６５の内部に格納され、筒６５内部で摺動で
きる構造を有している。該摺動時の摩擦抵抗はｆ分に小
さく、バネ押具ω、６１が滑らかに摺動できることが望
ましい。

同図（ａ）、Φ）、（Ｃ）、（ｄ）は、それぞれ連結棒
５を介してＦｌ、　Ｆ、　、Ｆ、　、　Ｆ、の力が印加
された場合の、該バネ材の圧縮、および、該バネ押具の
位置が例示されている。また、同図＜ｅ＞ｉこは、該Ｆ
、　、Ｆ、、Ｆ、　、Ｆ、の大きさと、該実施例での変
換特性が例示されている。なお、同図ｉこは、前記２は
省略されている。同図（ａ）ＪこおいてＦｔ（ｌｈ微小
力あるいは零）が印加された時には、バネ材７０．７１
に押圧力が作用せず、出力も零である。同図Φ）ｌこお
いて、Ｆ２が印加された時には、バネ定数の小さい該バ
ネ材７０が、バネ定数の大きい該バネ材７１よりも多量
に圧縮される。該状況においては、該バネ定数の差によ
り、該圧縮の程度が変化する。また、当該差によりバネ
押具６０．６１の移動蓋も変化するが、バネ押具６０の
移動量の方かバネ押具６１の移動量よりも太きい。同図
（Ｃ）において、Ｆ、が印加された時には、該バネ材７
０のコイルは互いに密接して、もはや、バネきして作用
しなくなる。同時に、該ｐ　ｓ　に対しては、該バネ材
７１のみがバネとして作用するため、総合的なバネ定数
は大きくなり、同図（ｅ）４こ示した該変換特性の傾き
は緩かになる。同図（ｄ）Ｊこおいて、Ｆ、が印加され
た時には、該バネ材７１のコイルも互いに密接して、も
はや、バネとして作用しすくする。即ち、同図（ｅ）！
こ示すように、該印加される力かどんなに大きくなって
も、出力が飽和し、出力の増大は観測されない。かかる
動作説明に従い、当該変換特性の折れ線形状が明らかに
された。本実施例に示された構成例では、当該構成を容
易に組み立てられる利点がある。即ち、Ｗ６と筒６５と
から成る筒状物体ζこ、バネ材７１、バネ押具６１、バ
ネ材７０．バネ押具６０を順次押し込むことにより組み
立てられる。核組み立てを考慮するならば、核部６５の
形状を円筒とＴることが好ましいが、この限りではない
。また、バネ押具６０の長さと、バネ材７０の長さｉこ
ついては特憂こ限定されることはない。例えば、該バネ
材７０．７１をＳ成しているコイルが密接する以前に、
バネ押具６０と６１、および、バネ押具６１と壁６とが
密着するよう、バネ押具ω、６１の長さを短かくしても
良い。かかる場合においては、同図（Ｃ）、（ｄ）の状
態で、バネ材７０．７１のコイルか極度ｌこ密接するこ
とが無いため、バネ材７０．７１の負荷が制限されるの
で、バネ材としての寿命、信頼性を向上できる利点が発
生する。

即ち、バネ押具６０．６１の移動量の最大値がバネ材７
０．７１により制限されることはなく、バネ押Ａ、６０
．６１の形状により制限されることになる。

以上、実施例を挙げて本発明の詳細な説明を行った。説
明Ｇこ際しては、２を磁気スケールとしてきたが、本発
明はこれに限定されることはなく、当該可゛動片の移ａ
ｍを横用できるセンサならば全て適用されることは明ら
かである。例えば、ＸＹレコーダ等で実用化されている
超音波技術を用いた変位センサ、ロータリーエンコーダ
で実用化されている光源とスリットとを組み合わせた光
学的な変位センサ、該可動片に固定された光源とスリッ
ト１こより当該スリットを通過する光をフォトダイオー
ドが集積化されたりニアセンサで測定するセンサ等を適
用することができる。

（発明の効果）第９図はロボットマニピュレータのグリッパに取りつけ
られた本発明による力変換器を示す図である。図におい
て、９０はアーム、９１．９２はグリッパ、９３．９４
は該アームと該グリッパとを連結する棒、９５．９６は
当該力変換器、９７は把持対象物体である。該９５．９
６は概念的に示されており、第３図、第５図、第７図、
第８図での実施例が適用されている。同図に示した応用
例では、把持対象物体を破壊せず、かつ、滑ることなく
把持するために、当該グリッパの開閉動作は、該力変換
器からの出力信号を用いてセンサフィードバック制御さ
れている。即ち、該出力信号を用いて、所望の力で該把
持対象物体を押圧するようにグリッパの位置、角度等が
制御されている。当該応用例では、装置全停の信頼性を
向上させるために、該力変換器のダイナミックレンジが
大きいこと、および、該グリッパが該把持対象物体を押
圧する力の設定の細かさが、該抑圧力が大きくなるにつ
れて粗くなっても制御上何ら不都合が発生し１Ｃいこと
のために、本発明の有効な応用例である。

本発明による新規な力変換器は、かかる応用形態例から
明らかなように、広範囲な力を検出することができる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の力変換器を示す図であり、第２図はその
変換特性である。第３図は本発明の第１の実施例を説明
する図であり、第４図はその変換特性である。第５図は
第２の実施例を説明する図であり、第６図はその変換特
性である。第７図は第３の実施例を、第８図（ａｌ〜（
ｅ）は第４の実施例を説明Ｔる図である。第９図は本発
明の応用例を示す図である。図において、１・・・・・・可動片、　２・・・・・・磁気スケール
、３．３０．３１．５０．７０．７１・・・・・・バネ
材、　４・・・・・・受圧部、５・・・・・・連結棒、
　６・・・・・・壁、　４０．４１．４２・・・・・・
特性、　印、６１・・・・・・バネ押具、　９０・−・
・・・アーム、９１．９２・・・・・・グリッパ、　９
３．９４・・・・・・棒、９５．９６・・・力変換器、
　９７・・・・・・把持対象物体　である。代理入り団ｊＪ、内原　晋オ　１　図ど７１−２　図第３図オ　４　図７５　図７１−７　図オ　６　図７９　図

Claims

【特許請求の範囲】

直線的に移動することのできる可動片と、該可動片の移
動量を検出するセンサと、該可動片に測定すべき力を印
加せしめる手段と、当該測定すべき力と当該移動量とを
非線形あるいは複数の直線からなる折れ線形の関係Ｉこ
せしめる手段とを備えたことを特徴とする力変換器。