JPS63149502A - Angle detector - Google Patents

Angle detector

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JPS63149502A
JPS63149502A JP29728486A JP29728486A JPS63149502A JP S63149502 A JPS63149502 A JP S63149502A JP 29728486 A JP29728486 A JP 29728486A JP 29728486 A JP29728486 A JP 29728486A JP S63149502 A JPS63149502 A JP S63149502A
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piezoelectric
sheet
film
free end
rotation
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Toru Tsuchida
土田 亨
Sadao Kawamura
貞夫 川村
Sadahiro Matsuura
松浦 貞裕
Jun Nishida
純 西田
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Daikin Industries Ltd
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Abstract

PURPOSE:To achieve the miniaturization and wt. reduction of a sensor and to detect the signal relating to an angle of rotation by constituting one end of a bimorph type piezoelectric sheet as a fixed end and constituting the other end thereof as a free end on which bending force acts, and by taking out piezoelectricity between the electrodes thereof. CONSTITUTION:A piezoelectric sheet 2 is provided over a fixed member 4 and a movable member 5, and the member 5 is connected to the end part of the member 4 in a freely revolvable manner so as to be pivoltally supported by a pin 6. Further, the sheet 2 is formed into a bimorph type wherein thin piezoelectric films 8 are provided to both surface of a flexible support plate 7. One end of the support plate engaged with and fixed to the member 4 to become a fixed end 7a and the other end thereof is extended along the member 5 to becomes a free end 7b. The film 8 is composed of a polymer piezoelectric material and electrodes each composed of a conductive metal membrane are applied to both surfaces of the film 8 by vapor deposition. When the sheet 2 is bent by the revolution of the member 5, the film 8 generates piezoelectricity and, therefore, the piezoelectric charge quantity thereof is led out from the electrodes and subjected to predetermined operational processing to make it possible to detect the angle of rotation or rotational speed of the free end 7b.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 木光明は、高分子圧電材料を用いて回転角に関連した信
号を検出する角度検出装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) Kokumei relates to an angle detection device that detects a signal related to a rotation angle using a polymeric piezoelectric material.

(従来の技術) 一般に、各種回転体の回転角や回転速度を検出する角度
検出装置にはタコジェネレータやエンコーダなどが良く
知られている。このタコジェネレータは回転体に同期し
て回転子を磁界内で回転し、これにより誘起された電圧
が回転速度に比例することを利用して回転角や回転速度
を検出している。
(Prior Art) In general, tachometer generators, encoders, and the like are well known as angle detection devices that detect rotation angles and rotation speeds of various rotating bodies. This tachogenerator rotates a rotor in a magnetic field in synchronization with a rotating body, and detects the rotation angle and rotation speed by utilizing the fact that the voltage induced thereby is proportional to the rotation speed.

また、エンコーダは回転体に同期したデジタル信号をカ
ウンタで処即し、回転角や回転速度を検出している。
Furthermore, the encoder processes a digital signal synchronized with the rotating body using a counter to detect the rotation angle and rotation speed.

(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、上述した角度検出装置にJノいて、タコ
ジェネレータでは回転する磁石やコイルなどが必要とな
り、また、エンローダではデジタル信号の導出手段など
が必要となり、何れら大型大重量となるという問題があ
った。
(Problems to be Solved by the Invention) However, in addition to the angle detection device described above, the tachogenerator requires a rotating magnet or coil, and the encoder requires means for deriving a digital signal. There was a problem in that it was large and heavy.

特に、近年、作業用ロボッI・の開発、改良が盛んとな
っており、その際、ロボットの指などの多関節構造物に
おいて、高速な協調動作を実現する必要がある。しかし
、この多関節構造物に上述したタコジェネレータやエン
コーダを適用すると、全体が大型となり、しかも、大W
ffiとなるという問題がある。そこで、小型、軽量の
角度検出装置の出現が切望されていた。
In particular, in recent years, work robots I. have been actively developed and improved, and in this case, it is necessary to realize high-speed cooperative movements in multi-jointed structures such as robot fingers. However, if the above-mentioned tachogenerator and encoder are applied to this multi-jointed structure, the entire structure becomes large and the W
There is a problem that it becomes ffi. Therefore, there has been a strong desire for a small, lightweight angle detection device.

本発明は、斯かる点に鑑み、高分子圧電材料が曲げに比
例した圧電気を出力する点を発明者らは解明し、この圧
電気を利用して回転角に関連する信号を検出することに
より、小型、軽量化を図ることを目的とするものである
In view of this, the present invention has been made by the inventors to clarify the point that a polymer piezoelectric material outputs piezoelectricity proportional to bending, and to detect a signal related to the rotation angle using this piezoelectricity. The purpose of this is to reduce the size and weight of the device.

(問題点を解決するための手段) 上記目的を達成するために、本発明が講じた手段は、第
1図及び第2図に示すように、高分子圧電材料を主成分
とするバイモルフ型圧電シート(2)が形成されている
。そして、該圧電シート(2)はその一端が固定端(7
a)に、他端が曲げ力の作用する自由端(7b)に構成
されている。
(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the means taken by the present invention are as shown in FIGS. 1 and 2. A sheet (2) is formed. One end of the piezoelectric sheet (2) is a fixed end (7).
In a), the other end is configured as a free end (7b) on which bending force acts.

この圧電シート(2)の分極間の圧電気を取出す構成と
したものである。
The structure is such that the piezoelectricity between the polarizations of this piezoelectric sheet (2) is extracted.

(作用) 上記開成により、本発明では、圧電シート(2)の自由
端(7b)に荷重が作用し、該圧電シート〈2)が曲が
ると、圧電現象が生起する。この圧電現象で生じた圧電
シート(2)の圧電気、つまり圧@電vJFIを取出し
ている。この電荷量がら自由端(7b)の回転角や回転
速度が導出される。
(Function) According to the invention, when a load acts on the free end (7b) of the piezoelectric sheet (2) and the piezoelectric sheet (2) bends, a piezoelectric phenomenon occurs. The piezoelectricity of the piezoelectric sheet (2) generated by this piezoelectric phenomenon, that is, the piezoelectricity vJFI is extracted. The rotation angle and rotation speed of the free end (7b) are derived from this amount of charge.

従って、上記圧電シート(2)が高分子圧電材料を主成
分としているので、小型化を図ることができると共に、
軽量化を促進することができる。
Therefore, since the piezoelectric sheet (2) has a polymeric piezoelectric material as its main component, it can be downsized, and
Weight reduction can be promoted.

(実施例) 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail based on the drawings.

第1図及び第2図に示すように、(1)はロボットの関
節などにおける回転角及び回転速度を検出する角度検出
装置であり、圧電シート(2)に信号処理手段(3)が
連繋されて構成されている。
As shown in Figures 1 and 2, (1) is an angle detection device that detects the rotation angle and rotation speed of a robot's joints, etc., and a signal processing means (3) is connected to a piezoelectric sheet (2). It is composed of

該圧電シート(2)は、固定部材(4)と可動部材(5
)とに亘って設けられており、該可動部材(5)は固定
部材(4)の端部にピン(6)によって回動自在に枢支
されている。更に、上記圧電シート(2〉は可撓性の支
持板(7)の両面に薄膜の圧電フィルム(8)が設けら
れてバイモルフ型に形成され、該支持板(7)はアクリ
ル等の合成樹脂やリン青銅、鋼鉄板などにより湾曲容易
に形成されている。そして、上記支持板(7〉の一端は
固定部材(4)に嵌合固着されて固定端(7a)となり
、他端は可動部材(5)に沿って延長されて自由端(7
1) )となっている。該自由0N(7b)は可動部材
(5)に設けられた拘束部材(9)で拘束され、該拘束
部材(9)は2本の棒材が自由端(7b)を両側より挟
持するように設けられて成り、該拘束部材(9)は自由
端(7b)を可動部材(5)の可動方向にのみ拘束し、
支持板(7)の長手方向に対して該支持板(7)をスラ
イド自在とし、可動部材(5)の回動により圧電シート
(2)は曲げ力のみが作用丈るように設けられている。
The piezoelectric sheet (2) has a fixed member (4) and a movable member (5).
), and the movable member (5) is rotatably supported by a pin (6) at the end of the fixed member (4). Further, the piezoelectric sheet (2) is formed into a bimorph shape by providing thin piezoelectric films (8) on both sides of a flexible support plate (7), and the support plate (7) is made of synthetic resin such as acrylic. The supporting plate (7) is formed of a material such as phosphor bronze, steel plate, etc., so that it can be easily bent.One end of the support plate (7) is fitted and fixed to the fixed member (4) to become a fixed end (7a), and the other end is a movable member. (5) and is extended along the free end (7
1) ). The free 0N (7b) is restrained by a restraint member (9) provided on the movable member (5), and the restraint member (9) is configured such that two bars sandwich the free end (7b) from both sides. The restraining member (9) restrains the free end (7b) only in the movable direction of the movable member (5),
The support plate (7) is slidable in the longitudinal direction of the support plate (7), and the piezoelectric sheet (2) is provided so that only bending force is applied to the piezoelectric sheet (2) by rotation of the movable member (5). .

また、前記ビン(6)にはモータ(1o)が連結され、
該モータ(10)により可動部材(5)が固定部材(4
)に対して回動づるように構成されている。
Further, a motor (1o) is connected to the bin (6),
The movable member (5) is moved by the motor (10) to the fixed member (4).
).

上記圧電フィルム(8)は、第3図に示すように、高分
子圧電材料より成り、該圧電フィルム(8)の両面に圧
電電荷を取出ず導電性金属薄膜の電極(11)、(11
)が蒸着されて構成され、上記圧電シート(2)がバイ
モルフ型に構成されている。上記圧電フィルム(8)は
ポリフッ化ビニリデン(PVDF)やビニリデン・フル
オライド・トリフルオロエチレン共重合体(VDF/T
r FE)などの高分子材料で形成される他、第4図に
示す圧電フィルム(8a)は、上記高分子圧電材料の母
材に圧電セラミック等の粉末固体パ添加されて形成され
ている。
As shown in FIG. 3, the piezoelectric film (8) is made of a polymeric piezoelectric material, and conductive metal thin film electrodes (11), (11
) is formed by vapor deposition, and the piezoelectric sheet (2) is formed into a bimorph type. The piezoelectric film (8) is made of polyvinylidene fluoride (PVDF) or vinylidene-fluoride-trifluoroethylene copolymer (VDF/T
The piezoelectric film (8a) shown in FIG. 4 is formed by adding a powder solid material such as piezoelectric ceramic to the base material of the above-mentioned polymeric piezoelectric material.

この高分子圧電材料で圧電フィルム(8)を形成したの
は、水晶などの無機質圧電材料とその圧電性を比較する
と表1に示すとおりとなり、圧電性に婿れると共に、n
9 R’A加工等が極めて容易であり、安価に作製でき
るからである。
The piezoelectric film (8) was formed using this polymeric piezoelectric material because its piezoelectric properties are compared with those of inorganic piezoelectric materials such as quartz as shown in Table 1.
9 R'A processing etc. is extremely easy and it can be manufactured at low cost.

また、第3図に示すように支持板(7)の両面に圧電フ
ィルム(8)を貼着した理由は、該圧電フィルム(8)
は薄膜にすればするほど圧電効果が大きくなることにな
るが、PVDFなどの高分子材料のみの圧電フィルム(
8)では剛性が低く、たとえば、10μmの厚さの圧電
フィルム(8)のみでは使用できないので、支持板(7
)に接着して曲げ剛性を保持させている。一方、第4図
に示づように、圧電セラミック等の固体を添加した複合
物圧電材料を用いた圧電フィルム(8a)においては、
圧電性を低下させることなく、圧電フィルム(8a)自
体に固体で剛性を保持さけるようにしており、上記支持
材(7)を省略して訪膜状に加工することができること
になり、電極(11)を介して圧電フィルム(8a)を
1普してバイモルフ型を構成している。
Moreover, the reason why the piezoelectric film (8) is attached to both sides of the support plate (7) as shown in FIG.
The thinner the film, the greater the piezoelectric effect, but piezoelectric films made only of polymer materials such as PVDF (
8) has low rigidity and cannot be used alone with a piezoelectric film (8) with a thickness of, for example, 10 μm.
) to maintain bending rigidity. On the other hand, as shown in FIG. 4, in a piezoelectric film (8a) using a composite piezoelectric material to which a solid such as piezoelectric ceramic is added,
The piezoelectric film (8a) itself is solid and rigid without deteriorating its piezoelectricity, and the support material (7) can be omitted and processed into a membrane-like structure, and the electrode ( A bimorph type structure is constructed by connecting a piezoelectric film (8a) via a film 11).

次に、上記圧電シート(2)は可動部材(5)の回01
で曲げられると、圧電フィルム(8)が圧電気を生じる
ことになり、この圧電気と曲げとの関係について説明す
る。
Next, the piezoelectric sheet (2) is moved to the rotation 01 of the movable member (5).
When bent, the piezoelectric film (8) generates piezoelectricity, and the relationship between this piezoelectricity and bending will be explained.

第5図に示すように、2枚の圧電フィルム(8)、(8
)がバイモルフ型を構成しているので、曲げを作用させ
ると、中央の電極(11)面は引張り及び圧縮が作用し
ない中立面となり、上面に引張力が、下面が圧縮力がそ
れぞれ作用し、各圧電フィルム(8)の表面に電荷Iが
現われ、分極が生じることになる。そして、中央の電極
(11〉の電位と両端面の電1(i(11)の電位との
間(ab間)には電位差(電圧)が生じ、この電位差が
曲げ歪み、即ち、曲率1/′ρに対応している。そこで
、この電圧と曲率との関係は次式で与えられ、v=に−
g ・m・(1/ρ)・・・■V:電圧(V) g:圧電率(C/N> m :圧電フィルムの厚さくIIlm)ρ:曲率半径(
m ) k:比例定数 となる。この理論結果を検証するための実験結果は第6
図に示ずようになり、電圧Vが曲率1/ρに比例してい
ることが明らかとなっている。
As shown in Figure 5, two piezoelectric films (8), (8
) constitutes a bimorph type, so when bending is applied, the center electrode (11) surface becomes a neutral plane where neither tension nor compression acts, while the upper surface is subjected to tensile force and the lower surface is subjected to compressive force. , a charge I appears on the surface of each piezoelectric film (8), resulting in polarization. Then, a potential difference (voltage) is generated between the potential of the center electrode (11) and the potential of the electrode 1 (i(11)) on both end surfaces (between a and b), and this potential difference causes bending distortion, that is, the curvature 1/ ′ρ. Therefore, the relationship between this voltage and curvature is given by the following equation, where v=−
g・m・(1/ρ)...■V: Voltage (V) g: Piezoelectric constant (C/N> m: Thickness of piezoelectric film IIlm) ρ: Radius of curvature (
m) k: Constant of proportionality. The experimental results to verify this theoretical result are the 6th
As shown in the figure, it is clear that the voltage V is proportional to the curvature 1/ρ.

さらに、第7図に示すように、上記圧電フィルム(8)
の出力信@Pとその積分信号■を従来のタコジェネレー
タ及びポテンショメータの出力信8 G 、 Mと比較
するためにサーボ系を用いた実験結果においては、回転
角の目標値(24°〉をステップ関数信号Sで与えると
、圧電フィルム(8)の出力信号P及びその積分信号■
はタコジェネレータ等の出力信号G、Mに対応すること
ら明らかと成っている。
Furthermore, as shown in FIG. 7, the piezoelectric film (8)
In the experimental results using a servo system to compare the output signal @P and its integral signal ■ with the output signals 8G and M of a conventional tacho generator and potentiometer, When given as a function signal S, the output signal P of the piezoelectric film (8) and its integral signal ■
It is clear that G corresponds to the output signals G and M of a tacho generator or the like.

また、上記バイモルフ構造の圧電フィルム(8)、(8
)において、第8図に示すように、両面より力が作用し
て圧縮力が加わると、中央の電機(11)と両端面の電
極(11)とで電量が相殺され、雨雪ff1(11)、
(11)間(ab間〉で電位差は生じないことになる。
In addition, the bimorph structure piezoelectric films (8) and (8)
), as shown in Fig. 8, when compressive force is applied by force acting from both sides, the amount of electricity is canceled out between the electric machine (11) in the center and the electrodes (11) on both end faces, and the rain and snow ff1 (11 ),
(11) No potential difference occurs between (a and b).

よって、引張及び圧縮に対して出力はなく、補償されて
いる。しかも、温度変化に対しても上述と同じ作用でも
って出力はなく、温度補償がなされている。
Therefore, there is no output for tension and compression, and they are compensated. Furthermore, the same effect as described above occurs even when the temperature changes, and there is no output, and temperature compensation is performed.

次に、上述の圧電シーt−(2>の曲:4?、1 /ρ
と自由端(7b)の回転角θとの関係を第9図に示す片
持ちばりMに基づいて説明する。該圧電シート(2)の
自由端(7b)は可動部材(5)のビン(6)を中心に
回転するので、はりMの自由端は集中向ff1Wでδ変
位し、ビン(6)を中心にθ回転する。そして、はりA
の長さを91.固定端とビン(6)との良さを交2とす
ると、はりAの曲げはベルヌーイ・オイラーの法則より
次式で表わされ、 1/ρ−M/E I           ・・・■M
:曲げモーメント E:ヤング率、 r:断面2次七−メン]・ となる。そして、変位δ及び回転角θは次式で表わされ
、 δ=βWQ+3/El        ・・・■tan
θ=δ/(R++Qz)−■ β:定数 となる。そして、上記■式〜■式を変形すると、1 /
ρ −(1+  Q’ 2  / 11  電 )  
tan  θ /β G+・・・■ となり、このβ9.Q+、1!2は一定であるので、0
式は、次のように表わされる。
Next, the piezoelectric sheet t-(2> song: 4?, 1/ρ
The relationship between the rotation angle θ of the free end (7b) and the rotation angle θ of the free end (7b) will be explained based on the cantilever beam M shown in FIG. Since the free end (7b) of the piezoelectric sheet (2) rotates around the pin (6) of the movable member (5), the free end of the beam M is displaced by δ in the concentration direction ff1W and rotates around the pin (6). Rotate by θ. And beam A
The length of 91. Assuming that the quality of the fixed end and the bottle (6) is intersection 2, the bending of beam A is expressed by the following formula according to the Bernoulli-Euler law: 1/ρ-M/E I...■M
: Bending moment E: Young's modulus, r: Sectional quadratic 7-men]. The displacement δ and rotation angle θ are expressed by the following formula, δ=βWQ+3/El...■tan
θ=δ/(R++Qz)−■ β: Becomes a constant. Then, if we transform the above formulas ■ to ■, we get 1/
ρ − (1+ Q' 2 / 11 dens)
tan θ /β G+...■, and this β9. Since Q+, 1!2 is constant, 0
The formula is expressed as follows.

1/ρ−ktanθ          ・・・■に:
定数 従って、上述したように0式から電圧V、すなわち圧電
フィルム(8)が出力する電荷ff1Qと曲率1/ρと
は次式の関係にあるので、 Q(Xj/ρ            ・・・00式と
の関係から、 Q Oc1/ ρCX:tanθ        ・・
・■となり、圧電フィルム(8)の圧電の電荷量Qは自
由端(7b)の回転角θに比例することになる。
1/ρ−ktanθ...■:
Constant Therefore, as mentioned above, from the formula 0, the voltage V, that is, the charge ff1Q output by the piezoelectric film (8), and the curvature 1/ρ have the following relationship, so Q(Xj/ρ...00 formula From the relationship, Q Oc1/ ρCX:tanθ...
・■, and the amount of piezoelectric charge Q of the piezoelectric film (8) is proportional to the rotation angle θ of the free end (7b).

その際、圧電フィルム(8)の出力信号は電荷を取出す
ので、第7図に示すように、微分値となるので、0式は
次式に示すように、 dQ/dtccd  (1/p ) /dtocsec
 2 θdθ/ d t ・・・■に変形される。
At this time, since the output signal of the piezoelectric film (8) extracts the charge, it becomes a differential value as shown in FIG. 7, so the equation 0 becomes dQ/dtccd (1/p) / dtocsec
2 θdθ/ d t ... is transformed into ■.

次に、前記信号処理手段(3)について説明すると、該
信号処理手段(3)は、上記圧電シート(2)の出力信
号、すなわち2枚の圧電フィルム(8)の圧電気(電荷
色Q)を0式の関係に基づいて自由端(7b)の回転角
θ及び回転速度ωを算出するにうに構成されている。
Next, to explain the signal processing means (3), the signal processing means (3) processes the output signal of the piezoelectric sheet (2), that is, the piezoelectricity (charge color Q) of the two piezoelectric films (8). The rotation angle θ and the rotation speed ω of the free end (7b) are calculated based on the relationship expressed by Equation 0.

上記信号処理手段(3)は、第2図に示すように、オペ
アンプ(21)に積分演算回路(22)と閏数演鋒回路
(23)とが連繋されて構成されている。そして、圧電
フィルム(8)における支持板(7)側の電極(11)
はアースされ、引張力又は圧縮力が作用する外側の電極
(11)がオペアンプ(21)の負端子に接続されてい
る。上記オペアンプ(21)は正端子がアースされ、上
記2枚の圧電フィルム〈8〉の外側の電荷を中央の電極
電荷を基準として出力する。この際、取出した電荷量は
引張側と圧縮側とより取出しているので、曲率1/′ρ
に対して2倍となってJ5す、しかも、時間に対する微
分値d (1/ρ)/dtとなっている。
As shown in FIG. 2, the signal processing means (3) is constructed by linking an operational amplifier (21) with an integral calculation circuit (22) and a leap number operator circuit (23). And an electrode (11) on the support plate (7) side of the piezoelectric film (8)
is grounded, and the outer electrode (11) on which a tensile or compressive force acts is connected to the negative terminal of the operational amplifier (21). The positive terminal of the operational amplifier (21) is grounded, and outputs the charges on the outside of the two piezoelectric films <8> with reference to the charge on the central electrode. At this time, the amount of charge taken out is taken out from the tension side and compression side, so the curvature is 1/'ρ
J5 is twice that of J5, and the differential value with respect to time is d(1/ρ)/dt.

上記積分演算回路(22)はオペアンプ(21)の微分
信号を積分すると共に0式の逆関数から回転角θを算出
して出力する。また、上記関数演算回路(23)はオペ
アンプ(21)の微分信号から0式に基づいて余弦関数
等を演算し、回転速度ω(=dθ/dt>を算出して出
力する。
The integral calculation circuit (22) integrates the differential signal of the operational amplifier (21), and calculates and outputs the rotation angle θ from the inverse function of equation 0. Further, the function calculation circuit (23) calculates a cosine function etc. from the differential signal of the operational amplifier (21) based on equation 0, calculates and outputs the rotational speed ω (=dθ/dt>).

従って、可動部材(5)を固定部材(4)の延長上によ
りビン(6)を中心にモータ(10)で回動するとく第
2図鎖線参照)、圧電シート(2)の自由端(7b)は
回動方向にのみ拘束部材(9)で拘束されて回転する。
Therefore, when the movable member (5) is rotated by the motor (10) around the bottle (6) on the extension of the fixed member (4) (see the chain line in Figure 2), the free end (7b) of the piezoelectric sheet (2) ) rotates while being restrained by the restraining member (9) only in the rotational direction.

この回転により両圧電フィルム(8)、(8)の表面に
電荷が現われる。
This rotation causes charges to appear on the surfaces of both piezoelectric films (8), (8).

この電荷mQが0式及び第6図に示すように曲率1/ρ
に比例しているので、この電荷量をオペアンプ(21)
で導出する。その後、このオペアンプ(21)の出力信
@(微分値d (1/ρ) /dt)を積分演算回路〈
22)及び関数演算回路(23)で処理し、回転角θ及
び回転速度ωを算出して出力する。これにより、可動部
材(5)の回転角θ及び回転速度ωが検出される。
As shown in equation 0 and Figure 6, this charge mQ has a curvature of 1/ρ
Since it is proportional to the amount of charge, the operational amplifier (21)
Derive it as After that, the output signal @(differential value d(1/ρ)/dt) of this operational amplifier (21) is sent to the integral calculation circuit.
22) and a function calculation circuit (23) to calculate and output the rotation angle θ and rotation speed ω. Thereby, the rotation angle θ and rotation speed ω of the movable member (5) are detected.

そして、圧電フィルム(8)が高分子圧電材料等で形成
されているので、軽量小型となり、超軽量、超小型セン
サが実現される。
Since the piezoelectric film (8) is made of a polymeric piezoelectric material or the like, it is lightweight and small, and an ultra-lightweight and ultra-small sensor is realized.

次に、上述した角度検出@置(1)をロボットに適用し
た貝体例について第10図〜第13図に基づいて説明す
る。
Next, an example of a shell body in which the angle detection @position (1) described above is applied to a robot will be described based on FIGS. 10 to 13.

第10図及び第11図に示すように、(41)はロボッ
トの手、(42)、(42)・・・は手(41)に設け
られた指であって、法相(42)。
As shown in FIGS. 10 and 11, (41) is the robot's hand, (42), (42), . . . are fingers provided on the hand (41), and a leg (42).

(42)間でIC基板(43)を挟持している。An IC board (43) is held between (42).

上記上(42)は基端部位(44)、中間部位(45)
及び先端部位(46)が順に関節(47)を介して連接
されて成り、該基端部位(44)は中間部位(45)の
支持部位に、中間部位(45)は先端部位(46)の支
持部位になり、逆に、中間部位(45)は基端部位(4
4)に対して可動部位に、先端部位(46)は中間部位
(45)に対して可動部位に成っている。上記関節(4
7)はビン(6)によって各部位(44)、(45)。
Above (42) is the proximal part (44) and the intermediate part (45)
and a distal portion (46) are successively connected via a joint (47). The intermediate part (45) becomes the supporting part, and conversely, the intermediate part (45) becomes the proximal part (4
4), and the distal end portion (46) is a movable portion relative to the intermediate portion (45). The above joint (4
7) each part (44), (45) by bottle (6).

〈46)を回動自在に枢支しており、図示されていない
が、該ピン(6)にはモータ(10)が連結されて中間
部位(45)及び先端部位(46)が回動するように構
成されている。
(46) is rotatably supported, and although not shown, a motor (10) is connected to the pin (6) to rotate the intermediate portion (45) and the tip portion (46). It is configured as follows.

そして、上記基端部位(44)と中間部位(45)、及
び中間部位〈45)と先端部位〈46)との間には圧電
シート(2)が設けられている。
A piezoelectric sheet (2) is provided between the base end portion (44) and the intermediate portion (45), and between the intermediate portion (45) and the tip portion (46).

該圧電シート(2)は、上述したように、固定端(7a
)が基端部位〈44)又は中間部位(45)に固着され
、自由端(7b)が拘束部材(9)を介して中間部位(
45)又は先端部位(46)に回動方向のみ拘束されて
設けられている。
As mentioned above, the piezoelectric sheet (2) has a fixed end (7a
) is fixed to the proximal part (44) or the intermediate part (45), and the free end (7b) is attached to the intermediate part (44) through the restraining member (9).
45) or the distal end portion (46) so as to be restricted only in the direction of rotation.

また、上記圧電シート(2)に連繋される信号処理手段
(3)は、第12図及び第13図に示すように、両圧電
フィルム(8)、<8>の外側の電極(11)がオペア
ンプ(21)に接続されて圧電気(電荷)を取出してい
る。該オペアンプ(21)は積分演算回路(22)と関
数演算回路(23)に接@され、該積分演算回路(22
)はオペアンプ(21)が出力する微分信号d (1/
ρ)/dtを時間tで積分して曲率1/ρを算出して逆
rlJ@演障回路(24)に出力する。該逆関数演算回
路(24)は0式に基づいてjan’(1/ρ)から回
転角θを算出し、増幅器(25)及び関数演算回路(2
3)に出力している。
Further, as shown in FIGS. 12 and 13, the signal processing means (3) connected to the piezoelectric sheet (2) has an electrode (11) on the outside of both piezoelectric films (8), <8>. It is connected to an operational amplifier (21) to extract piezoelectricity (charge). The operational amplifier (21) is connected to the integral calculation circuit (22) and the function calculation circuit (23), and the operational amplifier (21) is connected to the integral calculation circuit (22) and the function calculation circuit (23).
) is the differential signal d (1/
ρ)/dt is integrated over time t to calculate the curvature 1/ρ and output it to the inverse rlJ@impairing circuit (24). The inverse function calculation circuit (24) calculates the rotation angle θ from jan'(1/ρ) based on the formula 0, and connects the amplifier (25) and the function calculation circuit (2
3) is output.

上記関数演算回路(23)は、余弦関数回路(26)と
乗算回路(27)とより微分演算回路を構成しており、
つまり、0式を微分した0式は次のとおり変形され、 dθ/dt(X−cos 2 θ、 d  (1/f)
 ) /dt−・・◎この0式より回転速度ω(=dθ
/dt)を算出している。従って、上記余弦関数回路(
26)は逆関数演算回路(24)の回転角θより余弦関
数CO52θを笥出し、乗算回路(27)は上記余弦関
数cos 2 θとオペアンプ(21)の微分関数d(
1/ρ)、/dtとを乗算し、回転速度ωを等出し、増
幅器(28)に出力している。
The function calculation circuit (23) constitutes a differential calculation circuit with a cosine function circuit (26) and a multiplication circuit (27),
In other words, the 0 equation that is differentiated from the 0 equation is transformed as follows, dθ/dt(X-cos 2 θ, d (1/f)
) /dt-...◎From this formula 0, rotation speed ω(=dθ
/dt) is calculated. Therefore, the above cosine function circuit (
26) calculates the cosine function CO52θ from the rotation angle θ of the inverse function calculation circuit (24), and the multiplication circuit (27) calculates the cosine function cos 2 θ and the differential function d( of the operational amplifier (21)).
1/ρ) and /dt to equalize the rotational speed ω and output it to the amplifier (28).

更に、上記各増幅器<25)、(28)の出力信号θ、
ωは減算回路〈29)で指令値下と比較され、この比較
値が増幅器(30)を介してモータ(10〉にフィード
バックされ、各部位(45)、(46)の回動が制御さ
れるように構成されている。
Furthermore, the output signal θ of each of the above amplifiers <25), (28),
ω is compared with the lower command value in the subtraction circuit (29), and this comparison value is fed back to the motor (10) via the amplifier (30) to control the rotation of each part (45) and (46). It is configured as follows.

次に、上記上(42)の制御について説明する。Next, the above control (42) will be explained.

例えば、先端部位(46)をモータ(1o〉で回動する
と、中間部位(45)との間に設けられた圧電シート(
2)の自由端(7b)は拘束部材(9)で先端部位(4
6)と共に回動し、両圧電フィルム(8)、(8)は曲
げ力が作用して曲がることになる。そして、両圧電フィ
ルム(8)。
For example, when the tip portion (46) is rotated by the motor (1o), the piezoelectric sheet (
2) The free end (7b) is a restraining member (9) and the tip part (4)
6), and both piezoelectric films (8), (8) are bent by bending force. And both piezoelectric films (8).

(8)に曲率1/ρに比例した電荷量Qが生じることに
なる。この電荷ff1Qはオペアンプ(21)で微分値
として取出される。続いて、上記オペアンプ(21)の
微分信号d (1/ρ)/dtは積分演算回路(22)
及び逆関数演算回路(24)で積分及び逆関数処理され
て回転角θが算出される。
In (8), a charge amount Q proportional to the curvature 1/ρ is generated. This charge ff1Q is extracted as a differential value by an operational amplifier (21). Next, the differential signal d (1/ρ)/dt of the operational amplifier (21) is sent to the integral calculation circuit (22).
Then, an inverse function calculation circuit (24) performs integration and inverse function processing to calculate the rotation angle θ.

一方、上記逆関数演算回路(24)の角度信号θは余弦
関数回路〈26)で余弦関数cos 2θに変換された
後、乗算回路(27)でオペアンプ(21)の微分信号
d (1/ρ)/dシが乗笥されて回転速度ωが算出さ
れる。
On the other hand, the angle signal θ of the inverse function calculation circuit (24) is converted into a cosine function cos 2θ by the cosine function circuit (26), and then the differential signal d (1/ρ )/d is multiplied to calculate the rotational speed ω.

その後、角度信号θと速度信号ωは増幅器(25)、(
28>を介して指令値下と比較され、増幅器(30)を
介してモータ(1o)にフィードバックされ、先端部位
(46)の回動が制御される。
After that, the angle signal θ and the speed signal ω are sent to the amplifier (25), (
28> and is compared with the lower command value, and fed back to the motor (1o) via the amplifier (30), thereby controlling the rotation of the tip portion (46).

第14図及び第15図は他の圧電シート(2a)を示し
、前実施例の圧電シート(2)が支持板(7)の両面に
圧電フィルム(8)、(8)を設けたのに代り、支持板
(7)の片面に2枚の圧電フィルム(8)、(8)を重
畳して設けたものであり、2枚の圧電フィルム(8)、
(8)の間に電極(11)が設けられている。その他は
前実施例と同様である。
14 and 15 show another piezoelectric sheet (2a), in which the piezoelectric sheet (2) of the previous embodiment had piezoelectric films (8), (8) provided on both sides of the support plate (7). Instead, two piezoelectric films (8), (8) are superimposed on one side of the support plate (7), and the two piezoelectric films (8),
An electrode (11) is provided between (8). The rest is the same as the previous embodiment.

第16図は他の実施例を示し、第12図、第13図がア
ナログ回路で表現したが、第16図に示すように、曲げ
による出力電圧をアナログ・デジタル変換器(31) 
 < A/ D  Converter)でデジタル化
し、第16図一点鎖線で示す回路部(32)をコンピュ
ータで演算処理し、その出力をデジタル・アナログ変換
器(33)(D/△ C0nverter)でアナログ
に戻して増幅器(30)にモータ動作電圧を与えてもよ
く、第13図と同様の動作を実現できる。
FIG. 16 shows another embodiment, and FIGS. 12 and 13 are expressed using analog circuits, but as shown in FIG.
<A/D Converter), the circuit section (32) shown by the dashed line in Fig. 16 is processed by a computer, and the output is converted back to analog using a digital-to-analog converter (33) (D/△C0nverter). The motor operating voltage may be applied to the amplifier (30) by using the amplifier (30), and an operation similar to that shown in FIG. 13 can be realized.

なお、各実施例における圧電シート(2)の拘束部材(
9)は2本の棒材で構成したが、1方向にのみ回動する
場合は1本の棒材でもよく、また、棒材の他、板材や係
合突起と係合溝などで構成してもよく、要するに長手方
向に移動自在で回動力向のみ拘束するものであればよい
In addition, the restraining member (
9) is composed of two bars, but if it rotates in only one direction, one bar may be used.In addition to the bar, it may also be composed of a plate, an engagement protrusion, an engagement groove, etc. In short, it is sufficient if it is movable in the longitudinal direction and restricted only in the direction of rotation.

また、上記角度検出装置(1)はロボツ1〜の指(42
)に設けたが、他の各種関節に設けてもよいことは勿論
であり、更に、人体の運動計測における各種回動部に設
けてもよい。
Further, the angle detection device (1) is connected to the fingers (42) of the robots 1 to 1.
), but it is of course possible to provide it at other various joints, and furthermore, it may be provided at various rotating parts in measuring human body motion.

(発明の効果) 以上のように、本発明の角度検出装置によれば、高分子
圧電材料でバイモルフ型圧電シートを形成したために、
圧電気より回転角及び回転速度等を導出することができ
るから、従来のタコジェネレータのように磁石やコイル
、またエンコーダのように回転信号の取出部などが省略
できるので、極めて小型に且つ軽量とすることができる
。従って、ロボットの指などの狭いスペースにも設ける
ことができるから、これら各種の制御を小スペースで行
うことができる。
(Effects of the Invention) As described above, according to the angle detection device of the present invention, since the bimorph piezoelectric sheet is formed of a polymeric piezoelectric material,
Since the rotation angle, rotation speed, etc. can be derived from piezoelectricity, it is possible to omit magnets and coils like in conventional tachogenerators, and the rotation signal extraction part like in encoders, making it extremely small and lightweight. can do. Therefore, since it can be provided even in a narrow space such as a robot's finger, these various controls can be performed in a small space.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

図面は本発明の実施例を示し、第1図は圧電シートの取
付状態を示す斜視図、第2図は角度検出装置の概略構成
図、第3図は圧電シートの拡大図、第4図は他の圧電フ
ィルムの拡大図、第5図は圧電現象を示す圧電シートの
概略図、第6図は電圧と曲率との関係図、第7図は圧電
シート、タコジェネレータ及びポテンションメータの出
力波形図、第8図は他の圧電現象を示す圧電シートの概
略図、第9図は曲率と回転角との関係を示す片持ばりの
平面図、第10図〜第13図はロボットに適用した角度
検出装置の実施例を示し、第10図はロボットの手の側
面図、第11図は指の平面図、第12図は角度検出装置
のブロック図、第13図は同回路ブロック図、第14図
は他の圧電シートを示す平面図、第15図は第14図B
部の拡大断面図、第16図は角度検出装置の他の例を示
す回路ブロック図である。 (1)・・・角度検出装置、(2)、(2a>・・・圧
電シート、(3)・・・信号処理手段、(6)・・・ビ
ン、(7)・・・支持板、(7a)・・・固定端、(7
b)・・・自由端、(8)、(8a)・・・圧電フィル
ム、(9)・・・拘束部材。 第4図 第3図 第9図 第7図 第8図 二n 第6図 第5図
The drawings show embodiments of the present invention; FIG. 1 is a perspective view showing the mounting state of the piezoelectric sheet, FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the angle detection device, FIG. 3 is an enlarged view of the piezoelectric sheet, and FIG. Enlarged view of other piezoelectric films, Figure 5 is a schematic diagram of a piezoelectric sheet showing the piezoelectric phenomenon, Figure 6 is a diagram of the relationship between voltage and curvature, and Figure 7 is the output waveform of the piezoelectric sheet, tachogenerator, and potentiometer. Fig. 8 is a schematic diagram of a piezoelectric sheet showing other piezoelectric phenomena, Fig. 9 is a plan view of a cantilever beam showing the relationship between curvature and rotation angle, and Figs. 10 to 13 are applied to a robot. 10 is a side view of the robot's hand, FIG. 11 is a plan view of the finger, FIG. 12 is a block diagram of the angle detection device, FIG. 13 is a block diagram of the same circuit, and FIG. Figure 14 is a plan view showing another piezoelectric sheet, and Figure 15 is Figure 14B.
FIG. 16 is a circuit block diagram showing another example of the angle detection device. (1)...Angle detection device, (2), (2a>...Piezoelectric sheet, (3)...Signal processing means, (6)...Bin, (7)...Support plate, (7a)...Fixed end, (7
b)...Free end, (8), (8a)...Piezoelectric film, (9)...Restriction member. Figure 4 Figure 3 Figure 9 Figure 7 Figure 8 Figure 2n Figure 6 Figure 5

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)高分子圧電材料を主成分とするバイモルフ型圧電
シート(2)を備え、該圧電シート(2)はその一端が
固定端(7a)に、他端が曲げ力の作用する自由端(7
b)に構成され、上記圧電シート(2)の分極間の圧電
気を取出すように構成されていることを特徴とする角度
検出装置。
(1) Equipped with a bimorph piezoelectric sheet (2) mainly composed of a polymeric piezoelectric material, one end of which is a fixed end (7a), and the other end is a free end (7a) on which bending force acts. 7
An angle detection device configured as in b), characterized in that it is configured to extract piezoelectricity between the polarizations of the piezoelectric sheet (2).
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