KR101325542B1

KR101325542B1 - 자력 센서

Info

Publication number: KR101325542B1
Application number: KR1020127015722A
Authority: KR
Inventors: 슈우이치 사토
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2013-11-07
Also published as: US8978488B2; JP5500957B2; CN102667433A; US9574953B2; JP2011112511A; US20150068326A1; WO2011065267A3; WO2011065267A2; CN102667433B; US20120227513A1; KR20120093382A

Abstract

본 발명은 자속 발생원에 의해 발생된 자장의 변동을 정확히 검출하고 보정할 수 있는 자력 센서를 제공한다. 이에 따라, 외력에 의한 자장의 변화를 검출하는 변위 자전 변환소자 및 외력에 의한 자장의 변화가 발생하지 않는 고정 자전 변환소자를 자속 발생원의 자극의 단부측에 대향해서 설치한다. 고정 자전 변환소자는, 예를 들어, 경년 변화 및 센서의 내부 온도의 상승과 같은 환경 변동에 의한 자장의 변동을 검출한다. 그 검출량에 기초해서, 연산부는 보정 연산을 수행하여, 감도 계수 또는 변위 자전 변환소자의 오프셋이 보정된다.

Description

자력 센서{MAGNETIC FORCE SENSOR}

본 발명은 힘(force) 또는 모멘트 성분(moment component)을 검출하고 자전 변환소자(magneto-electric transducer)를 이용하여 자속 발생원(magnetic flux generating source)에서의 자속 변화를 검출(detect)하는 자력 센서에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 자속 발생원에서 발생되는 자장이 변할 경우의 보정 연산(correction operation)에 관한 것이다.

예를 들어, 로봇 팔을 이용하여 부품을 조립할 때, 로봇 팔의 손목 부분에 힘 센서를 부착시켜 조립 작업 동안 발생되는 힘 또는 모멘트 성분을 검출하고 손 부분의 방향(orientation)을 제어한다. 작용부(action portion)의 변위(displacement)를 자기적으로 검출하는 방법을 이용하는 힘 센서가 일본공개특허 2004-325328호(특허 문헌 1)에 기술되어 있다.

일본공개특허 2004-325328호에 기술된 관련 구조는 도 5에 도시되어 있다. 관련 구조에서는, 탄성 부재(resilient member)에 내장된 영구 자석(14) 및 영구 자석의 자극(magnetic poles)에 대향하는 4개의 자전 변환소자(15a 내지 15d)가 구비된다. 작용력(action force)이 탄성 부재에 가해지면, 영구 자석(14)은 변위되고, 홀 소자(Hall element) 등의 자전 변환소자(15a 내지 15d)는 그로 인해 발생된 자장 내의 변화를 검출한다. 검출된 자장의 변화를 기초로, X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향에서의 힘 성분을 검출할 수 있다.

일본공개특허 2004-325328호에서는, 영구 자석을 자속 발생원으로 이용한다. 일반적으로, 영구 자석에 의해 발생되는 자장 강도(strength)의 절대값은 영구 자석의 온도에 따라 변한다(즉, 절대값은 미리 결정된 온도 계수를 가진다). 영구 자석의 온도가 회로 기판으로부터 발생된 열 및 영구 자석 근처에 배치된 모터 등의 외부로부터 받은 열로 인해 증가하면, 자장의 강도는 감소된다. 그러므로, 영구 자석에 의해 발생된 자장내에서 사용되는 장치는 그 온도로 인한 자장의 변화를 보상할 필요가 있다. 자장은, 예를 들어, 영구 자석의 온도의 영향 이외에도 영구 자석의 경년 변화에 따라 변화한다.

대조적으로, 일본공개특허 2005-321592호(특허 문헌 2)에서는, 온도 센서가 구비된 온도 보상 회로(temperature compensation circuit)를 사용하여 온도 보상을 수행하는 방법이 이용된다.

일본공개특허 2005-321592호에 기술된 관련 구조가 도시된다. 도 6a는 영구 자석(14)에 대향하는 위치에 구비된 홀 소자(16)를 나타낸다. 도 6b는 홀 소자 근처에 구비된 정전압원(도시되지 않음)에 접속된 온도 보상 회로를 나타낸다.

홀 소자로부터 셀렉터(selector)로의 출력 전압이 온도 상승에 의해 감소되면, 홀 소자 근처에 설치된 온도 보상 회로 내에 구비된 온도 센서의 네거티브 온도 특성에 의해, 온도 보상 회로로부터 홀 소자로 출력되는 전류값이 온도 상승에 비례하여 증가한다.

증가된 전류를 홀 소자로 출력시킴으로써, 온도 상승에 의해 감소된 홀 소자(16)로부터 셀렉터로의 출력 전압은 증가한다.

그러나, 특허 문헌 2에 기술된 관련 예에서, 온도 보상은 자속을 받는 홀 소자의 출력에 대하여 수행된다. 그러므로, 영구 자석과 온도 센서의 열용량(비열) 간의 차이가 있는 경우 또는 국소적 온도 상승이 있는 경우(예를 들어, 영구 자석(14)자체의 온도가 상승된 반면 홀 소자의 온도는 변경되지 않음), 온도 센서가 영구 자석의 평균 온도를 정확히 측정하기는 어렵다. 또한, 온도 보상 회로는, 예를 들어, 영구 자석 및 홀 소자의 센서와 별도로 제공될 필요가 있으므로 비용 및 크기가 증가한다.

본 발명은 상술한 문제점들을 극복하기 위해 이루어진 것이며, 자속 발생원에 의해 발생된 자장내의 변화를 정확히 검출하고 보정할 수 있는 콤팩트한 자력 센서(compact magnetic force sensor)를 제공한다.

본 발명은 받은 힘에 의해 변위가능한 작용부와 자속 발생원의 상대 위치에 기초하여 힘을 검출하는 자력 센서를 제공한다. 자력 센서는 지지 부재(supporting member)에 의해 탄성적으로 지지되는 작용부; 작용부에 고정된 제1 자전 변환소자; 제1 자전 변환소자에 대향하도록 배치된 자속 발생원; 자속 발생원에 대해 고정된 위치에 배치된 제2 자전 변환소자; 및 제2 자전 변환소자의 출력을 기초로 제1 자전 변환소자의 출력을 보정하는 연산 처리부(operational processing section)를 포함한다.

본 발명에 따르면, 온도 보상 회로 등의 부가적인 구조적 구성소자를 사용하지 않는 콤팩트한 구조를 가지는 힘 센서를 제공할 수 있다. 본 발명의 자력 센서에 따르면, 온도 변동 이외에 요소들에 의해 야기된, 자속 발생원에 의해 발생된 자장의 변동을 보정할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자력 센서의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 온도 보상 방법을 도시한 도면.
도 3은 Z축에 대해 대칭인 2차원 정자장(static magnetic field) 모델을 이용한 시뮬레이션으로부터 획득한 자속선들을 나타낸 도면.
도 4는 Z축에 대해 대칭인 2차원 정자장 모델을 이용한 시뮬레이션으로부터 획득한 자속선들을 나타낸 도면.
도 5는 관련된 자력 센서의 구조를 나타낸 도면.
도 6a 및 도 6b는 관련된 자력 센서의 구조를 나타낸 도면.

도 1은 본 발명의 특징을 가장 명확하게 나타내며, 자력 센서의 X-Z축을 따라 절취한 단면도이다.

도 1에서, 참조 부호(1)는 힘이 가해지는 작용부, 참조 부호(2)는 하우징에서 작용부(1)를 탄성적으로 지지하는 탄성 부재(resilient member)를 나타낸다. 작용부(1)는 힘이 작용부에 가해질 때 변위할 수 있도록 탄성적으로 지지된다. 참조 부호(3)는 자전 변환소자를 실장하기 위한 기판을 나타낸다. 참조 부호(4a 및 4b)는 자전 변환소자(이후에는, "변위 자전 변환소자"라고 언급)를 나타낸다. 참조 부호(5)는 자속 발생원을 나타낸다. 참조 부호(6)는 자속 발생원(5)를 지지하고, 자전 변환소자를 실장하는 실장 기판을 나타낸다. 참조 부호(7)는 실장 기판(6)상에 구비되고, 그 자속 발생원(5)과의 상대적 위치가 고정된 자전 변환소자를 나타낸다(이후에는, "고정 자전 변환소자"라고 언급).

자속 발생원(5)은 ND-Fe-B 자석, Sm-Co 자석, Sm-Fe-N 자석 및 페라이트(ferrite) 자석으로 대표되는 영구 자석이거나; 혹은 자성체 상에 감겨진 코일을 통해 통전시킴으로써 자력을 발생하는 전자석일 수 있다. 고정 자전 변환소자(7) 및 변위 자전 변환소자(4a 및 4b)는 홀 소자, MR 소자, 자기 임피던스 소자, 플럭스 게이트 소자, 또는 권선 코일과 같이, 자장의 변화를 전기 신호로써 출력하는 소자이다. 작용부(1)는 하우징에 의해 지지될 필요가 없다. 작용부(1)는 탄성 부재를 이용해서 작용부(1)를 지지할 수 있는 지지 부재에 의해 지지될 수 있다.

작용부(1)에 힘이 가해지면, 작용부(1)는 실장 기판(3) 및 변위 자전 변환소자(4a 및 4b)와 함께 탄성 부재(2)의 탄성 변형에 의해 자속 발생원(5)에 대해서 변위될 수 있다. 이에 따라, 변위 자전 변환소자(4a 및 4b)로부터 얻어질 변위량에 비례하는 전기 신호의 변화가 출력으로서 얻어진다. 반대로, 힘이 작용부(1)에 가해지더라도, 고정 자전 변환소자(7)가 실장된 실장 기판(6)에서 출력의 전기적 변화는 발생하지 않는다. 즉, 자속 발생원(5)에서 발생된 자속량의 변화가 온도의 증가(또는 감소) 또는 자속 발생원(5)의 경년 변화 등의 환경적 변화에 의해 생기면, 고정 자전 변환소자(7)에 출력 변화가 발생한다.

힘 및 모멘트를 계산하는 방법은 도 1을 참조하여 기술될 것이다. 예를 들어, 작용부(1)가 Z축 방향으로 힘 Fz를 받고 Y축 방향으로 모멘트 My를 받는 것으로 가정한다. 변위 자전 변환소자(4a 및 4b) 및 고정 자전 변환소자(7)를 통과한 자속 밀도의 변화량은 B4a, B4b 및 B7이다. kz 및 ky는 자속 밀도의 변화량으로부터 힘과 모멘트를 계산하는 감도 계수(sensitivity coefficient)이다.

Fz = kz((B4a + B4b) - B7)

My = ky(B4a - B4b)

상술한 바와 같이, 소자들 사이의 차분을 취함으로써, 작용부(1)에 가해지는 힘 및 모멘트는 변위 자전 변환소자(4a 및 4b) 및 고정 자전 변환소자(7)를 통과하는 자속 밀도의 변화량으로부터 계산될 수 있다. 여기서, 고정 자전 변환소자는 온도 변화가 검출되었을 때(이하 기술)뿐만 아니라 힘이 검출되었을 때 출력 기준 소자(output reference element)로서도 기능함을 알 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 온도 보상 방법을 도 2를 참조하여 기술한다. 참조 부호(4a 및 4b)는 앞서 언급한 변위 자전 변환소자를 나타내고, 참조 부호(7)는 고정 자전 변환소자를 나타낸다.

참조 부호(8)는 자전 변환소자의 신호를 증폭하는 신호 증폭기를 나타낸다. 신호 증폭기(8)는 자전 변환소자와 접속된다. 참조 부호(9)는 자전 변환소자로부터의 출력 신호를 연산부(operational section)로 로딩하는 신호 변환기이고, 신호 증폭기(8)에 접속된다. 참조 부호(10)는 연산부의 연산 결과를 기초로 변위 자전 변환소자에 피드백 연산을 수행하는 신호 조정기(signal adjusters)를 나타낸다. 신호 조정기(10)는 변위 자전 변환소자의 출력이 변환기(9)에 입력되기 전에 보정 연산 수행을 위한 신호가 출력될 수 있도록 형성된다.

자속 발생원(5)에 의해 발생된 자장이, 예를 들어, 온도 변동 또는 경년 변화로 인해 ΔB만큼 변한다면, 고정 자전 변환소자(7)의 출력 전압은 ΔV7 = ΔksB 만큼 변한다. 여기서, ks는 자속 변화량으로부터 출력 전압으로 변환하기 위한 계수이다. 발생 자장의 변동량의 검출로부터 보정 연산을 수행하기까지의 프로세스가 이하에 기술된다.

<1. 발생된 자장의 변동량의 검출>

변환기(9)를 통해 자속 발생원(5)의 발생된 자장의 변동으로 인한 고정 자전 변환소자(7)의 출력의 변화가 연산부에 의해 검출된다.

신호 증폭기(8)의 신호 증폭률은 G 배율이다. 고정 자전 변환소자(7)의 출력 전압이 자장의 변동으로 인해 변화되면, 신호 증폭기(8)를 통해 출력되는 전압은 ΔVt = GΔV7만큼 변한다. 변화량 ΔVt는, 예를 들어, A/D 변환기에 의해 형성된 변환기를 이용해 연산부에 의해 검출된다. 이는 ΔB = ΔVt/ksG에서 변화된 자속 밀도를 계산할 수 있게 한다. 여기서, 변환기의 검출 분해능(detection resolution)은 보정해야 할 변화를 충분히 검출할 수 있어야 한다.

<2. 감도 계수의 보정>

자속 발생원(5)에 의해 발생된 자장이 변하면, 외력에 의한 동작부(1)와 자속 발생원(5)의 상대 위치 변화로 인해 발생되는 자전 변환소자의 출력도 변한다.

그러므로, 자전 변환소자의 출력으로부터 정확한 외력 값을 계산하기 위해서는, 센서 출력의 감도 계수 kz 및 ky를 발생된 자장에 따라 보정할 필요가 있다. 상술한 바와 같이, 자속 변화 ΔB를 기초로, 변화 전의 자속 밀도를 B라 하면, 발생된 자장의 변동을 고려한 보정 후의 감도 계수들은 {(B - ΔB)/B}×kz 및 {(B - ΔB)/B}×ky이다. 발생된 자장에 변동이 없을 경우(ΔB = 0), (B - ΔB)/B의 값은 1이 되고, 상술한 감도 계수는 각각 kz와 ky가 된다.

<3.오프셋 연산>

자속 발생원(5)에 의해 발생된 자장이 변하면, 고정 자전 변환소자(7)의 출력은, 출력이 변환기(9)에 입력될 때의 기준 전압값에서 ΔVt만큼 변한다. 차분인 ΔVt를 기초로, 각 변위 자전 변환소자(4)의 오프셋 ΔVoff를 연산부에서 계산한다. 각 변위 자전 변환소자(4)의 출력 전압은 ΔV4 = kdΔB만큼 변하여, ΔVoff = GΔV4가 된다. 여기에서, kd는 자속 변화량을 출력 전압으로 변환하기 위한 계수이다. 발생된 자장의 변동량을 검출하는 항목(section)에서 설명한 바와 같이, ΔB를 ΔVt로부터 계산할 수 있으므로, ΔVoff를 계산할 수 있다. 조정기(10)는 ΔVoff가 캔슬되도록 변위 자전 변환소자(4a 및 4b)에 접속된 신호 증폭기(8)에 피드백 연산을 행한다. 이는 고정 자전 변환소자(7)의 출력을 기초로 각 변위 자전 변환소자(4)의 오프셋을 실시간으로 보정할 수 있게 한다. 자속 발생원(5)에 의해 발생된 자장의 변동량이 시간의 변화에 대해 경미해서 각 오프셋을 실시간으로 보정할 필요가 없는 경우, 각 변위 자전 변환소자의 기준 전압값(즉, 외력이 작용부(1)에 가해지지 않을 때의 전압값)으로부터의 차분은 캔슬될 수 있다.

각 변환기(9)에 입력될 수 있는 신호 범위는 특정 범위이다. 그러므로, 임의의 변위 자전 변환소자의 출력이 오프셋이면, 센서에 의해 검출될 수 있는 범위는 좁아진다. 상술한 오프셋 연산은 각 변환기(9)에 입력될 수 있는 신호 범위를 적절하게 사용함에 있어 의미있다.

<4. 출력 계산 연산>

발생된 자장의 변동의 보정을 고려한 계산식이 아래에 기술되어 있다. 여기서, kp = (B - ΔB)/B는 보정 감도 계수이다.

Fz = kp × kz ((B4a + B4b) - B7)

My = kp × ky (B4a - B4b)

변위 자전 변환소자(4a 및 4b)의 오프셋이 전기 신호가 변환기(9)에 입력되기 전에 조정되므로, 오프셋은 연산부(11)에 의해 행해지는 계산에 영향을 미치지 않는다. 그러므로, 보정 연산이 행해지지 않는 경우와 비교하여, 외력 및 모멘트를 단지 보정 감도 계수를 곱하는 것만으로도 발생된 자장의 변동량을 쉽게 보정할 수 있어, 정확히 계산할 수 있다.

본 발명에 따른 방법에서는, 감도 계수는 자속 발생원에 의해 발생된 자장을 기초로 보정된다. 그러므로, 온도 보상 회로를 이용한 관련 방법에 의해 보정될 수 없었던 경년 변화에 따른 발생된 자장의 변화 등, 온도 이외의 요소에 의해 생기는 발생된 자장의 변화를 보정할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 자력 센서의 외력에 의한 출력의 변화 및 자속 발생원(5)에 의해 발생된 자장 변동에 의한 출력의 변화는 정확히 검출하는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위해서, 자속 변화량이 가장 쉽게 검출될 수 있는 위치에 자전 변환소자를 배치할 필요가 있다. 그러므로, 이에 대한 연구가 행해졌다.

도 3 및 도 4는 자장 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 시뮬레이션은 Z축에 대해 대칭인 자속 발생원(5)에 관한 2차원 정자장 모델을 이용해 행해졌다. 발생된 자장은 좌우 방향이 대칭이므로, 도 3 및 도 4에는, 자극의 중심선을 좌단에 그리고, 단지 우측 절반만 도시된다.

도 3에는, Z축 방향으로 두께 4 mm, X축 방향으로 두께 2 mm를 가지는 자속 발생원(5)이 공기 중에 배치되어 있다. 도 4에는, Z축 방향으로 두께 4 mm, X축 방향으로 두께 1 mm를 가진 자성체(13)(magnetic material)가 자속 발생원(5)을 둘러싸고 있다.

여기서, 각 자속 발생원은 잔류 자속 밀도 1.4 T, 보자력 1000 kA/m를 가진 Nd-Fe-B 자석의 특성을 가졌다. 자성체의 비투자율(relative permeability)는 5000으로 설정되었다.

자속의 변화량이 가장 큰 위치는 자속선이 가장 밀한 곳이다. 자속 발생원(5)만을 사용한 경우(도 3)로부터 및 자속의 흐름을 조정할 수 있는 자성체를 배치한 경우(도 4)로부터 획득된 결과로부터, 자속선이 가장 밀한 위치(즉, 자속의 변화량이 가장 큰 곳)는 각 자속 발생원(5)의 자극 단부측(end sides) 부근이라는 것을 알 것이다.

이 결과를 기초로, 변위 자전 변환소자(4a 및 4b) 및 고정 자전 변환소자(7)가 배치되는 위치가 고려될 것이다. 고정 자전 변환소자 및 변위 자전 변환소자를 같은 기판상에 실장하는 것은 어렵다. 그러므로, 고정 자전 변환소자 및 변위 자전 변환소자를 실장하기 위한 분리된 기판이 제공될 필요가 있다. 그 결과, 2개 이상의 기판이 필요하다.

자속선은 자속 발생원의 두 자극(북극(N) 및 남극(S)) 근처에서 밀하다. 자전 변환소자가 자극 근처에 배치되면, 자속 발생원에 대한 자전 변환소자의 변위의 변화를 민감하게 검출할 수 있음을 이해할 수 있다.

특히, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 막대 형상(rod-like)의 자속 발생원(5)의 자극이 단부측을 가지면, 자극의 하나의 단부측에 고정 자전 변환소자(7)를 고정하고, 다른 자극과 마주하는 위치에 변위 자전 변환소자(4a 및 4b)를 배치할 수 있다. 이러한 구조는 힘 및 자속 발생원에 의해 발생된 자장의 변동을 가장 정확하게 검출할 수 있게 함을 알 수 있다.

본 발명은 산업용 로봇 팔에 사용되는 힘 센서로서 적합하게 적용 가능하다.

본 발명이 예시적인 실시 형태를 참조로 기술되었으나, 본 발명이 개시된 예시적인 실시 형태로만 한정되는 것은 아니다. 이후 청구항의 범위는 모든 이러한 변형 및 균등한 구조 및 기능을 수반하도록 가장 넓은 해석이 부여될 것이다.

본 출원은 2009년 11월 26자로 출원된 일본특허출원 특개2009-269186호를 기초로 우선권 주장하며, 모든 내용은 참조로서 본 명세서에 원용된다.

Claims

받는 힘에 의해 변위가능한 작용부와 자속 발생원의 상대 위치에 기초하여 상기 힘을 검출하는 자력 센서로서,
지지 부재에 의해 탄성적으로 지지되는 상기 작용부;
상기 작용부에 고정된 제1 자전 변환소자;
상기 제1 자전 변환소자에 대향하도록 배치된 상기 자속 발생원;
상기 자속 발생원에 대해 고정된 위치에 배치된 제2 자전 변환소자; 및
상기 제2 자전 변환소자의 출력을 기초로 상기 제1 자전 변환소자의 출력을 보정하는 연산 처리부를 포함하는, 자력 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 자전 변환소자에 상기 연산 처리부의 연산 결과를 피드백하는 조정기를 더 포함하고,
상기 제1 자전 변환소자의 오프셋 - 상기 제1 자전 변환소자의 오프셋은 미리 설정된 기준 전압값과 외력이 상기 작용부에 가해지지 않을 때의 상기 제2 자전 변환소자의 출력 전압값 사이의 차를 기초로 계산됨 - 을 캔슬하는 피드백은 상기 제1 자전 변환소자의 출력에 대해서 수행되는, 자력 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 자전 변환소자에 상기 연산 처리부의 연산 결과를 피드백하는 조정기를 더 포함하고,
상기 자속 발생원에 의해 발생된 자장이 B이고, 상기 제2 자전 변환소자의 출력을 기초로 계산된, 상기 자속 발생원에 의해 발생되는 자장의 변동이 ΔB이면, 상기 제1 자전 변환소자의 출력을 (B - ΔB)/B 배의 출력이 되게 하는 피드백이 행해지는, 자력 센서.
제1항에 있어서,
상기 제2 자전 변환소자는 상기 자속 발생원의 자극중 하나 주위에 배치되고, 상기 제1 자전 변환소자는 상기 자속 발생원의 다른 자극 주위에 배치되는, 자력 센서.