JPS60177232A - 多分力検出器 - Google Patents

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】 〔発明の技術分野〕 この発明は、小形で安価な多分力検出器に関するもので
ある。

〔従来技術〕

産業用ロボットのような複雑な構造体において、各関節
等が受ける力”や”モーメント二の複合力を同時に高精
度で検出するための多分力検出器には、従来、歪ゲージ
や圧電素子を用いたものがあるが、いずれも高価であり
、しかも大形であるので卓上形−ポットのような小形の
ロボットには使用できないという欠点があった。

〔発明の概要〕

この発明は、これらの欠点を解決するため、複数の永久
磁石とホール素子を結合させ、両者の相対位置の変化に
より各方向に作用する力を検出するようＫしたものであ
り、その目的は小形で安価な多分力検出器を実現するこ
とにある。以下この発明を図面について説明する。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明の一実施例であり、多分力検出器の外
観を示している。この図で、１は筐体で、円柱状をして
おり、円柱の軸と同軸上に軸２が設けられている。なお
、この明細書では、第１図の軸２の軸心方向を２軸、こ
れと直角をなす平面上の直交方向をＸ軸、ｙ軸と定義す
る。軸２は筐体１に対し、半径方向および円周方向に移
動可能であり、軸２の軸心を２軸とした場合、Ｚ軸回り
のモーメントＭ１．およびＸ軸方向の力ＦｘｒＹ軸方向
の力Ｆｙが軸２に作用する場合、それに応じた出力が信
号線３より出力される構造となっている。

ｌＩ４２図にｍ１図の砂分力検出器を分解した様子を示
す。軸２には円盤４が固定されており、円盤４０円周上
には等間隔に４個の永久磁石５　ａ、　５　ｂ。

５ｃ、５ｄ（以下総称するときは単に５という。

他の符号についても同様とするンおよび板はね６ａ、ａ
ｂ、６ｃ、６ｄが内側を固着して設けられている。また
、円盤４の上面にはＳＷＳ係数の小さな材料よりなる板
、例えは弗素樹脂板１があり、上部板８との間をすべり
易くしている。円盤４の外側には円盤４とほぼ同じ厚さ
をもつリング９が位置し、板はね６３〜６ｄの外側はリ
ング９の内側に固定され、リング９と円盤４は同心構造
となっている。また、リング８の内側にはホール素子１
０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが４個等間隔に設けられ
ており、永久磁石５ａ、５ｂｔ５ｃ＋　ｓｄと対向して
それぞれ組をなしている。リング９の下方には下部板１
１があり、下部板１１の上面には摩擦係数の小さな材料
、例えば弗素樹脂板１２があり、円盤４が下部板１１に
対しすべり易くなっている。

上記のように、円盤４は弗素樹脂板Ｔ、１２を介して上
部板８と下部板１１に拘束されており、２軸回りおよび
ｘ、ｙ軸方向のみ運動呵能となっている。また、板はね
６ａ〜６ｄの作用により、ｚ軸回りおよびＸ、ｙ軸方向
の力に比例した変位をするように構成されている。

第３図はｚ＠に直角な面での断面図である。永久磁石５
８〜５ｄｌホール素子１０ａ〜１０ｄ。

板はね６８〜６ｄの位置関係がより明確に示されている
。板はね６８〜６ｄは、前述のように力に比例した変位
な生ぜしめる役目であり、板はねに限ることなく、第４
図に示すように円盤４とリング８の間を埋める高分子材
料からなる弾性材１３であってもよい。

次に、このような構成により力が検出できる原理を説明
する。

第５図は永久磁石５とホール素子１０を対向させた１組
の様子を示している。それぞれの向い合った面の中心な
Ａ、Ｂとする時、Ａ点、Ｂ点間のＸ軸方向の距離なｐ、
ｙ方向の距離をｑとする。

永久磁石５をＸ軸方向にＮａｉ、ｓｏとなるように着磁
し、ホール素子１０を適当な姿勢で対向させ１４に示す
ように変化し、また、距ｆｉｐを一定に保ったまま距１
１ｑを変化させると第６図（ｂ）の実線１５に示すよう
に変化することはよく知られている。実線１４．１５を
図に示すように、それぞれ点線１６，１７で近似する。

点線１６は原点における実線１４の接線であり、点線１
７は実線１５のｑ”ｑｏＫおける接線である。ｑ＝ｑｏ
は基準となる永久磁石５とホール素子１０の間隔を意味
する。

さて、点線１６および１７のようにホール電圧を近似す
るとホール電圧Ｖは。

Ｖ＝ｌｄ（ｑｏ−ｑ）＋β）ｐ で表わすことができる。こ−にα、βは定数である。

第７図は、第３図または第４図に示す基準の位置からθ
方向にδだけ移動した状態を示したものである。

永久磁石５とホール素子１００対向面における中心をλ
１＋　Ａｔ　＊　Ａｓ　ｔ　Ａ４およびＢ１　＊　Ｂｔ
　ｒ　ＢＲｒＢ４とおげば第４図に示す基準位置におい
てはＡ１点とＢ、点の関係より ｐｍ＝Ｏ＋　ｌ　＝Ｑ。

Ａｔ点とＢ１点の関係より ｐｚ　＝Ｏ＊　ｑｔ　＝ｑ６ Ａｔ点と３８点の関係より ｐｍ　＝Ｏ＊　Ｑｓ　＝ｑ。

八番点と８４点の関係より ｐ４＝Ｏ１ｑ４＝ＣＬ。

となっている。ｐ１〜ｐ４は第５図に示すｐ＃ｑ１〜ｑ
４はｑｉｃ相当して〜・る。

同様に第７図のように移動した時には 人、とＢ１の関係より ｐ１″−δｃｏｓθ＋Ｑ１＝ｑＯ−δ＋ｓｔ？＋θＡ！
とＢｔの関係より ｐｔ＝−δｓｉ口θｒ　ｑ宜”ｑＯ＋δｃｏｓ　θＡ３
とＢ、の関係より ｐ８＝δｃｏｓθｒ　ｑｔ　＝ｑ６　＋ａ　ｓｉｎθ八
４とへ４の関係より １）４＝δｓｉｎθｒ　ｑｔ＝ｑｏ−δｃｏｓθまた、
第８図に示すように、θ′だけ回転した場合は、ｒを円
盤４の半径とすると、 Ａ１とＢ１の関係より １）！　＝　ｒ　ｓｉｎθ’ｐ　Ｑｓ　＝ｑ（１＋ｒ　
（１−ｃｏｓθ′）Ａ２とＢ、の関係より ｐ２　＝　ｒ　ｓｉｎθ’＋　ｑｔ　＝ｑｏ　＋ｒ　（
１−ｃｏａθ′）Ａ３とＢ１の関係より ｐｍ　＝ｒ　ｓｉｎ　Ｏ’ｒ　ｑ３　＝ｑ６　＋ｒ　（
１−ｃｏｓθ′）Ａ４とＢ４の関係より ｐ４＝　ｒ　ｓｉｎθ’ｒ　ｑ４　＝ｑ６　＋ｒ　（１
−ｃｏｓθ′）となる。よって、それぞれのホール電圧
はｆｓ７図のよプ忙変化した場合は ｖＩ＝＜β十αδｓｉｎθ）δｃｏｓθＶｔ＝＜β−α
δｃｏｔｏ）δｓｉｎθＶｓ”（β−αδｓｉｎθ）δ
ＣＱ８θＶ４””（β＋αδｃｏｓθ）δｓｉｎσとな
り、第８図のように変化した場合はｖ＋’＝（β−αｒ
　（１−ｃｏｓθ’））ｒｓｉｎθ畢ｒβθ′”　ＶＳ
＝（β−αｒ（ｌｃｏｓθ’））ｒｓｉｎθ′キｒβθ
′Ｖｓ＝（β−αｒ（１−ｃｏｓ１９’））ｒｓｉｎθ
′中ｒβθ′Ｖ７”ｌβ−αｒ　（１−ｃｏｓθ’）　
）　ｒ　ｓｉｎθ′中ｒβθ′となる。

両者が混在する場合は和となり、それぞれのホール電圧
は、 Ｅ１＝　ｖ１＋ｖＨ ｇ、＝ｖ、＋ｖ７ Ｅ３＝　Ｖ、　＋　Ｖ石 ’Ｅ４　＝　Ｖ４　＋Ｖ４ で表１される。

さて、これ等の出力を用い、適宜の周知演算手段により
次の演算を行えは、それぞれの方向の変位を検出できる
ことＫなる。

回転方向　Ｅ、　＝　Ｅ、　＋Ｅ、　十Ｅ３＋Ｂ。

＝４ｒβｒ ｙ：軸方向　ＥＦ”Ｂ４　Ｅｔ ＝２βδｓｉｎθ Ｘ軸方向　Ｅｘ＝Ｅ、−Ｅ。

＝２βδｃｏｓθ すなわち、 θ’　＝　Ｅ、　／　４　ｒβ によりそれぞれの変位を検出できる。また、変位はその
方向に作用する力に比例するので、結局力の大きさ、方
向を検出できることＫなる。

第９図はこの発明のさらに他の実施例を示すもので、永
久磁石５とホール素子１０とがずれて対向している場合
である。この実施例でも円盤４の外周とりング９の内周
との間に永久磁石５とホール素子１０が対向して配置さ
れていることに変りはない。

なお、以上の説明ではリング９に永久磁石５を、円盤４
にホール素子１０を配置した場合で説明したが、逆の配
置でもよいことはその原理よりみて明らかである。また
、上記実施例では円盤４とリング９を用いたが、円盤４
に限らず他の形状のものでもよく、一般的には盤体であ
れはよい。また、同様にリング９も他の形状のもので上
＜、環状体であれはよい。さらに、永久磁石５とホール
素子１０との組は必ずしも等間隔である必要はなく、不
等間隔でも補正を加えれはよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明は盤体を環状体の中に同
心となるようにカに比例した変位を生ずる弾性体で支持
り、盤体の外周と環状体の内周との間にホール素子と永
久磁石を組合せたものを複数組設け、両者の相対位置の
変化がら多方向に作」する力を同時に検出できるように
したので、女声で、しかも小形な多分力検出器が実現で
きるオＵ点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一笑施例の外観斜視図、第２図はそ
の内部の構成を示す分解状態の斜視図、＃ｌ！３図は第
１図の断面図、萬４図はこの発明の他の実施例を示す断
面図、第５図はホール素子と永久磁石の位置関係を示す
図、第６図（ａ）、（ｂ）はホール電圧の出力特性をそ
れぞれ示す図、鶏７図。 第８図はリング状態と円盤の相対変位を示す図、第９図
はこの発明のさらに他の実施例を示す断面図である。 図中、１は筐体、２は軸、３は信号線、４は円盤、５は
永久磁石、６は板はね、７は弗素樹脂板、８は上部板、
Ｓはリング、１０はホール素子、１１は下部板、１２は
弗素樹脂板、１３は弾性体、１４゜１５はホール電圧の
特性を示′ｊ実線、１６．１７はホール電圧の特性を近
似する点線である。 「デ憤 第２図 第３図 第４図 第５図 ■ 第６図 （ａ）　’　（ｂ） 第７図 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 盤体を環状体の中に同心となるように力に比例した変位
   を生する弾性体で２軸のまわりとＸ軸。 ｙ軸方向に変位用能に支持するとともに、前記盤体の外
   周と前記環状体の内周との間に永久磁石およびホール素
   子をそれぞれ対向するように複数組配置したことを特徴
   とする多分力検出器。