KR101397273B1

KR101397273B1 - 자기력 센서

Info

Publication number: KR101397273B1
Application number: KR1020127017634A
Authority: KR
Inventors: 슈우이찌 사또
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2014-05-20
Also published as: US8952684B2; KR20120102751A; JP5677065B2; EP2513620B1; US20120274320A1; CN102652255B; CN102652255A; WO2011074211A1; JP2011145286A; EP2513620A1

Abstract

지지 부재에 의해 탄성 지지되는 작용 유닛; 자석의 자극 면 각각의 극성이 특정한 방향으로 인접한 자석들의 자극 면들 중 대응하는 자극 면의 극성과 반대가 되도록 배치된 2개 이상의 자석을 포함하는 자속 발생원; 작용 유닛에서 자석의 자극 면에 대향하는 위치에 각각 설치된 제1 자전 변환 소자; 및 제1 자전 변환 소자 사이에 설치된 제2 자전 변환 소자를 포함하는 자기력 센서를 제공한다. 힘의 수직 방향 성분은 제1 자전 변환 소자들의 출력에 기초하여 검출되고, 힘의 수평 방향 성분은 제2 자전 변환 소자의 출력에 기초하여 검출된다.

Description

자기력 센서{MAGNETIC FORCE SENSOR}

본 발명은 자속 발생원과 자전 변환 소자(magnetoelectric transducer) 사이의 상대 변위에 의해 발생된 자속 밀도의 변화를 검출하고, 자속 밀도의 변화를 힘과 모멘트 성분으로 변환하는 자기력 센서에 관한 것이다.

힘 센서는 X축, Y축, Z축의 3차원 좌표 공간에서의 각 축의 병진 방향으로 작용하는 힘 Fx, Fy, 및 Fz 및 각 축의 회전 방향으로 작용하는 모멘트 Mx, My, 및 Mz의 최대 6축을 따라 작용하는 힘 및 모멘트를 검출하는 센서이다. 이러한 힘 센서는, 예를 들어, 산업용 로봇 팔의 손목 부분에 장착된다. 힘 센서는 검출된 값을 얻기 위해 조립 작업 시에 발생된 힘과 모멘트를 검출할 수 있고, 검출된 값에 따라 조립 작업의 조작을 수정할 수 있다. 힘 센서의 검출 원리에 관해서는 이하의 특허문헌 1에서 기술된 것과 같은 자기식 검출 방법을 이용한 센서가 제시되어 있다.

도 10a 및 도 10b는 특허문헌 1에서 기술된 종래 기술의 예의 구성을 도시한다. 판 형상의 작용 유닛에 접속되도록 탄성 부재가 설치되고, 자속 발생원(102)이 탄성 부재 내에 매립된다. 4개의 자전 변환 소자(101)가 자속 발생원(102)의 자화 방향에 대향하도록 배치된다. 힘이 작용 유닛에 가해질 때, 자속 발생원(102)은 탄성 부재의 탄성 변형에 의해 변위된다. 변위에 의해 발생된 자속 밀도의 변화는 자전 변환 소자(101)에 의해 검출된다. 따라서, 3개의 축 방향, 즉, 자전 변환 소자(101)를 포함하는 면에 대해 자속 발생원(102)이 수평 방향으로 변위되는 X축과 Y축 및 자속 발생원(102)이 상기 면에 대해 수직 방향으로 변위되는 Z축 방향을 따라 작용하는 힘 성분이 검출될 수 있다.

그러나, 위에서 언급된 특허문헌 1에 기술된 센서로 대표되는 자기력 센서에서, 자전 변환 소자(101)의 위치를 포함하는 영역에서 발생된 자계는 수평 방향 및 수평 방향 둘 다에서 구배를 갖는다. 자계는 작용 유닛이 변위되는 방향에 따라 변화하고, 이런 자계의 변화는 자계의 구배를 이용하여 검출되어, 힘을 검출한다. 그 때문에, 어떤 경우에는, 측정 타겟을 따르는 출력이 다른 축을 따르는 출력에 의해 영향을 받는, 다른 축 성분으로부터의 간섭이 문제되고 있다.

예를 들어, 수평 방향만의 변위를 야기하는 외부 힘을 받는지 여부에 관계없이, 수직 방향의 변위의 경우에 발생되어야 하는 출력의 변화가 또한 구배의 영향으로 인해 나타나는, 다른 축 성분으로부터의 간섭의 문제가 생긴다.

일본 특허 공개 제2004-325328호

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 수평 방향 성분과 수직 방향 성분 사이에 발생하는 다른 축 성분으로부터의 간섭을 감소시키는 자기력 센서를 제공한다.

상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 힘을 받는 작용 유닛과 자속 발생원 사이의 상대 변위에 따라 변화하는 자속 밀도를 검출함으로써 힘을 검출하는 자기력 센서를 제공한다. 작용 유닛은 힘에 의해 변위가능하다. 자기력 센서는 다음의 소자를 포함한다: 지지 부재에 의해 탄성 지지되는 작용 유닛; 자석의 자극 면 각각의 극성이 특정한 방향으로 인접한 자석들의 자극 면들 중 대응하는 자극 면의 극성과 반대가 되도록 배치된 2개 이상의 자석을 포함하는 자속 발생원; 2개 이상의 자석의 자극 면에 대향하는 위치에 각각 설치된 제1 자전 변환 소자들; 및 제1 자전 변환 소자들 사이에 설치된 제2 자전 변환 소자. 작용 유닛이 받는 힘의 수직 방향 성분은 제1 자전 변환 소자들의 출력에 기초하여 검출되고, 작용 유닛이 받는 힘의 수평 방향 성분은 제2 자전 변환 소자의 출력에 기초하여 검출된다.

본 발명에 따른 자기력 센서에서, 제1 자전 변환 소자가 자석의 자극 면에 대향하는 위치에 존재하는 제1 자전 변환 소자에 관해서는, 자계의 수직 방향 성분의 자속 밀도는 제1 자전 변환 소자와 자속 발생원 사이의 상대 변위에 대해 많이 변화하지만, 수평 방향 성분의 자속 밀도는 적게 변화한다. 반면, 제1 자전 변환 소자 사이에 존재하는 제2 자전 변환 소자에 관해서는, 자계의 수평 방향 성분의 자속 밀도는 제2 자전 변환 소자와 자속 발생원 사이의 상대 변위에 대해 많이 변화하지만, 수직 방향 성분의 자속 밀도는 적게 변화한다. 각각의 자전 변환 소자는 그 위치에 배치되고, 힘이 검출되어, 수평 방향 성분과 수직 방향 성분 사이에 발생하는 다른 축 성분으로부터의 간섭이 감소될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 센싱 유닛의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 자기력 센서의 단면 구성을 도시한 도면.
도 3은 2개의 자석을 이용하여 수행된 시뮬레이션의 결과를 도시한 도면.
도 4a 및 도 4b는 수평 및 수직 방향에서의 변위에 대한 자속 밀도의 변화를 도시한 그래프.
도 5a 및 도 5b는 수평 및 수직 방향에서의 변위에 대한 자속 밀도의 변화를 도시한 그래프.
도 6은 수평 및 수직 방향에서의 자속 밀도의 변화량 간의 관계를 도시한 그래프.
도 7a 및 도 7b는 2 × 2 매트릭스로 설치된 자석을 이용하여 수행된 시뮬레이션의 결과를 도시한 그래프를 포함한다.
도 8은 본 발명에 따른 6축 자기력 센서의 출력의 흐름을 도시한 도면.
도 9a 및 도 9b는 2 × 2 매트릭스로 설치된 복수의 단자석이 배치된 구성을 도시한 도면.
도 10a 및 도 10b는 종래 기술의 힘 센서의 구성을 도시한 도면.

이후, 본 발명에 따른 힘 센서에 대해 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 설명의 번잡을 피하기 위해, 힘과 모멘트를 통합하여 어떤 경우에는 "힘"이라고 한다.

도 1은 본 실시예의 특징을 가장 명확하게 도시한 도면으로, 센싱 유닛의 사시도이다. 본 실시예에서, 힘의 센싱과 관련된 자전 변환 소자와 자속 발생원이 통합되는 유닛을 "센싱 유닛"이라고 한다. 센싱 유닛은, 아래에 설명되는, 작용 유닛(4)과 자속 발생원 사이의 상대 변위에 따라 변화하는 자속 밀도를 검출하고 검출된 자속 밀도의 변화를 전기 신호로 변환함으로써 힘과 모멘트를 검출하는 기능을 달성한다. 참조 번호(1a 내지 1d)는 자석의 자극 면에 대향하도록 배치된 제1 자전 변환 소자들을 표시하고, 이후, 제1 자전 변환 소자들을 서로 구별할 필요가 없을 때, 제1 자전 변환 소자(1a 내지 1d)는 총체적으로 "제1 자전 변환 소자(1)"라고 한다. 참조 번호(2a 내지 2d)는 제1 자전 변환 소자 사이에 배치된 제2 자전 변환 소자를 표시하고, 이후, 제2 자전 변환 소자들을 서로 구별할 필요가 없을 때, 제2 자전 변환 소자(2a 내지 2d)는 총체적으로 "제2 자전 변환 소자(2)"라고 한다. 참조 번호(3a 내지 3d)는 자속 발생원에 포함된 4개의 자석을 표시한다. 자석(3a 내지 3d)은 자석(3a 내지 3d)의 각 S극 또는 N극의 극성이 Z축 방향으로 인접한 자석들의 극들 중 대응하는 극의 극성과 반대가 되도록 배치된다.

자속 발생원은 자석의 자극 면 각각의 극성이 특정 방향으로 인접한 자석들의 자극 면들 중 대응하는 자극 면의 극성과 반대가 되도록 배치된 2개 이상의 자석을 포함하면 된다. 자속 발생원에 포함된 자석의 수는 반드시 4개일 필요는 없다. 부가적으로, 센싱 유닛의 수는 반드시 하나일 필요는 없고, 복수의 센싱 유닛이 하나의 센서에 설치될 수 있다.

또한, 배치된 자전 변환 소자의 수는 반드시 상술한 경우의 자전 변환 소자의 수일 필요는 없다. 본 출원의 발명에 따른 힘 센서의 사용자는 원하는 정밀도등에 따라 자전 변환 소자의 수를 적절히 선택할 수 있다.

도 2는 X축 및 Z축을 따라 취한, 도 1에 도시된 센싱 유닛을 갖는 자기력 센서의 단면도이다. 센싱 유닛은 튜브형을 갖는 하우징(K) 내부에 들어 있다.

참조 번호(4)는 외부에서 가해진 힘이 작용하는 작용 유닛을 표시한다. 참조 번호(5)는 작용 유닛(4)에 작용한 힘을 변위로 변환하는 탄성 부재를 표시한다. 참조 번호(6)는 제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)가 장착되는 기판을 표시한다. 참조 번호(7)는 복수의 자석을 포함하는 자속 발생원을 표시한다. 기판(6) 위에 장착된 제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)는 작용 유닛(4)에 고정된다. 또한, 작용 유닛(4)은 지지 부재인 하우징(K)에 의해 탄성 부재(5)를 통해 탄성 지지되어, 변위가능하게 된다. 또한, 지지 부재는, 반드시 하우징일 필요는 없고, 지지 부재가 판 부재 등의 탄성 부재를 통해 작용 유닛을 지지할 수 있는 것이라면 특정하게 한정되지 않는다.

자속 발생원(7)은, 각각 한 쌍의 N극 및 S극을 갖는 2개 이상의 자석(3)을 포함한다. 자속 발생원(7)은 복수의 자석이 하나의 자속 발생원에서 서로 접속된 패턴을 가지도록 형성될 수 있다. 즉, 자속 발생원은, 인접한 자석들 간의 경계에서 자석으로부터 발생된 자계의 방향이 반전되도록 구성되면 된다.

또한, 자석(3) 및 자속 발생원(7)은 ND-Fe-B 자석, Sm-Co 자석, Sm-Fe-N 자석 및 페라이트 자석으로 대표되는 영구 자석일 수 있고, 또는 자성체 주위로 권선된 코일에 통전함으로써 자력을 각각 발생하는 전자석일 수 있다. 제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)는 홀 소자, MR 소자, 자기 임피던스 소자, 플럭스게이트 소자, 권선 코일 등일 수 있다.

작용 유닛(4)이 X축 방향으로 작용하는 힘 Fx, Y축 방향으로 작용하는 힘 Fy, 및 Z축 방향으로 작용하는 모멘트 Mz를 받을 때, 제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)는 자속 발생원(7)에 대하여 수평 방향(X-Y 면)으로 상대적으로 변위된다. 반면, 작용 유닛(4)이 X축 방향으로 작용하는 모멘트 Mx, Y축 방향으로 작용하는 모멘트 My, 및 Z축 방향으로 작용하는 힘 Fz을 받을 때, 제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)는 수직 방향(Z-X 또는 Z-Y 면)으로 상대적으로 변위된다. 제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)는 제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)를 통과하는 자속의, 변위에 따라 발생된 자속 밀도의 변화를 검출하고, 자속 밀도의 변화를 힘 및 모멘트로 변환한다.

제1 실시예

도 3은 2차원 정자계 모델을 이용하여 수행된 자계 시뮬레이션의 결과를 도시한다. 도 2를 참조하면, Z축 방향으로 5㎜ 및 X축 방향으로 5㎜의 크기를 갖는 2개의 자석(3)이 대기에 배치된다. 또한, 인접한 자석(3)의 극성은 Z축 방향에 대해 서로 반대이다. 여기서, 약 1.4 T의 잔류 자속 밀도와 약 1,000 kA/m의 보자력을 갖는 ND-Fe-B 자석의 특성이 자석(3)에 해당하는 것으로서 설정된다.

제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)는 자석(3)의 자극 면에 대향하도록 배치되어 제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)가 자계의 Z축 방향 성분을 검출한다. (Z축 방향으로 자극면에서 1㎜ 떨어진 위치에 배치된) 자석(3)의 자극 면의 중심에 대향하도록 배치된 제1 자전 변환 소자(1)가 Z축 및 X축 방향 각각으로 ±50 마이크로미터만큼 더 변위될 때, 제1 자전 변환 소자(1)를 통과하는 자속의 자속 밀도의 변화가 도 4a에 도시된다. 수평 축은 변위(마이크로미터)를 나타내고, 수직 축은 자속 밀도의 변화량(mT)을 나타낸다.

도 4a를 참조하면, Z축 방향에서의 제1 자전 변환 소자(1)의 변위에 대해 자속 밀도가 많이 변화하지만, X축 방향에서의 제1 자전 변환 소자(1)의 변위에 대해 자속 밀도는 적게 변화한다.

다음에, (Z축 방향으로 자속면에서 1㎜ 떨어진 위치에 배치된) 인접한 자석들(3) 간의 경계에 대향하도록 배치된 제2 자전 변환 소자(2)가 Z축 및 X축 방향 각각으로 ±50 마이크로미터만큼 더 변위될 때, 제2 자전 변환 소자(2)를 통과하는 자속의 자속 밀도의 변화가 도 4b에 도시된다. 도 4b를 참조하면, 제2 자전 변환 소자(2)에 관해서, X축 방향에서의 제2 자전 변환 소자(2)의 변위에 대해 자속 밀도가 많이 변화하지만, Z축 방향에서의 제2 자전 변환 소자(2)의 변위에 대해 자속 밀도는 적게 변화한다는 것을 이해할 수 있다.

이것은 또한 도 3에 도시된 자속선으로부터 알 수 있다.

제1 자전 변환 소자(1)의 위치에서는, 제1 자전 변환 소자(1)를 교차하는 자속선의 수가 제1 자전 변환 소자(1)의 수직 변위로 인해 변화한다. 따라서, 자계의 Z축 방향 성분의 자속 밀도는 많이 변화한다.

대조적으로, 제1 자전 변환 소자(1)가 자석의 단부 면을 향해 수평으로 변위될 때, 자속선의 구배가 변화한다. 따라서, 자속 밀도가 감소한다. 그러나, 제1 자전 변환 소자(1)를 교차하는 자속선의 수는 제1 자전 변환 소자(1)가 자석의 단부에 접근함에 따라 증가하기 때문에, 자속 밀도는 증가한다. 그러므로, 자계의 Z축 방향 성분의 총 자속 밀도는 적게 변화한다.

다음에, 제2 자전 변환 소자(2)의 위치에서는, 자속선의 구배가 자극 면에 실질적으로 평행하다. 따라서, 자계의 Z축 방향 성분의 자속 밀도는 제2 자전 변환 소자(2)의 수직 변위로 인해 거의 변화하지 않는다.

대조적으로, 제2 자전 변환 소자(2)는 N극에서 S극으로의 자속의 방향이 인접한 자속 면들 주위에서 반전되는 영역에 위치할 수 있다. 자속의 방향이 급격하게 변화하기 때문에, 자계의 Z축 방향 성분의 자속 밀도도 제2 자전 변환 소자(2)의 수평 변위로 인해 많이 변화한다.

상술한 결과로부터, 자석(3)의 자극 면의 중심에 대향하도록 배치된 제1 자전 변환 소자(1)의 특성은 인접한 자석들(3) 간의 경계에 대향하도록 배치된 제2 자전 변환 소자(2)의 특성과는 반대인 것을 이해할 수 있다. 이 특성을 이용하여, 제1 자전 변환 소자(1)를 수직 방향 힘 성분의 검출에 사용하고 제2 자전 변환 소자(2)를 수평 방향 힘 성분의 검출에 사용하면, 수평 방향 힘 성분과 수직 방향 힘 성분 사이에 일어나는 다른 축 성분으로부터의 간섭이 감소될 수 있다.

배치에 관련된 위치를 이용하는 효과

특허문헌 1에 개시된 종래 기술의 예에서는, 수평 방향 성분과 수직 방향 성분의 검출을 위해 동일한 자전 변환 소자를 사용할 필요가 있다. 그 때문에, 수평 방향 성분이 검출되는 감도와 수직 방향 성분이 검출되는 감도가 동일하지 않으면, 그 감도들 중 어느 하나는 희생된다. 그러므로, 종래 기술의 예에서, 수평 방향의 변위량에 대한 자속 밀도의 변화량이 수직 방향의 변위량에 대한 자속 밀도의 변화량과 동일한 것이 바람직하다. 본 발명의 효과에 관해서, 효과가 달성될 수 있는 범위는 식(수평 방향의 변위에 대한 자속 밀도의 변화량)/(수직 방향의 변위에 대한 자속 밀도의 변화량)=1을 기준으로 하여 검증될 것이다.

제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)는, Z축 방향으로 자속 면에서 1㎜ 떨어지고 X축 방향으로 자석들(3) 간의 경계에서 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0, 및 4.5㎜ 떨어진 위치에 배치된다. 제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)가 수직 방향인 Z축 방향, 및 수평 방향인 X축 방향의 각각으로 ±50 마이크로미터만큼 변위되는 경우에, 자속 밀도의 변화에 관한 데이터가 도 3에 도시된 시뮬레이션의 결과로부터 획득된다.

도 6은 데이터를 이용하여 식(수평 방향의 변위에 대한 자속 밀도의 변화량)/(수직 방향의 변위에 대한 자속 밀도의 변화량)을 플롯한 결과를 도시한다. 도 6에 도시되고 X축 방향으로 0㎜ 떨어진 위치는 도 4b를 참조하여 설명된 배치에 상당하고, 도 6에 도시되고 X축 방향으로 2.5㎜ 떨어진 위치는 도 4a를 참조하여 설명된 배치에 상당한다는 점에 주목한다.

값이 1을 초과할 때, 그 값은 수평 방향의 변위에 대한 자속 밀도의 변화량이 수직 방향의 변위에 대한 자속 밀도의 변화량보다 크다는 것을 나타낸다. 대조적으로, 값이 1보다 작을 때, 그 값은 수직 방향의 변위에 대한 자속 밀도의 변화량이 수평 방향의 변위에 대한 자속 밀도의 변화량보다 크다는 것을 나타낸다. 따라서, 각각의 자전 변환 소자에 관해서, 자계의 수평 방향 성분을 검출하는 자전 변환 소자는 1 이상의 값을 포함하는 영역에 배치될 수 있고, 자계의 수직 방향 성분을 검출하는 자전 변환 소자는 1 이하의 값을 포함하는 영역에 배치될 수 있다.

부가적으로, 제1 자전 변환 소자가 자석의 자극 면의 중심에 대향하는 위치에 제1 자전 변환 소자가 더 가깝게 위치하고 제2 자전 변환 소자가 인접한 자석들 간의 경계에 대향하는 위치에 제2 자전 변환 소자가 더 가깝게 위치할수록, 본 발명의 효과를 더욱 높은 정도로 얻을 수 있다.

제2 실시예

또한, 제1 실시예에서 예시된 수평 방향 힘 성분의 검출과 수직 방향 힘 성분의 검출은, 자전 변환 소자가 자계의 X축 방향 성분을 검출하도록 자전 변환 소자를 배치함으로써 바뀔 수 있다. 이후, 이러한 자전 변환 소자의 배치가 도 3, 및 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명될 것이다.

제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)는 제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)가 자계의 X축 방향 성분을 검출하도록 단자석(3)에 대향하도록 배치된다. (Z축 방향으로 자극 면에서 1㎜ 떨어진 위치에서) 단자석(3)의 자극 면의 중심에 대향하도록 배치된 제1 자전 변환 소자(1)의 근방에서, 제1 자전 변환 소자(1)가 Z축 및 X축 방향 각각으로 ±50 마이크로미터만큼 변위될 때, 자속 밀도의 변화가 도 5a에 도시된다. X축 방향에서의 제1 자전 변환 소자(1)의 변위에 대해 자속 밀도가 많이 변화하지만, Z축 방향에서의 제1 자전 변환 소자(1)의 변위에 대해 자속 밀도는 적게 변화한다.

(Z축 방향으로 자극 면에서 1㎜ 떨어진 위치에서) 인접한 단자석들(3) 간의 경계에 대향하도록 배치된 제2 자전 변환 소자(2)의 근방에서, 제2 자전 변환 소자(2)가 Z축 및 X축 방향 각각으로 ±50 마이크로미터만큼 변위될 때, 자속 밀도의 변화가 도 5b에 도시된다. Z축 방향에서의 변위에 대해 자속 밀도가 많이 변화하지만, X축 방향에서의 변위에 대해 자속 밀도는 적게 변화한다.

이것은 또한 도 3에 도시된 자속선으로부터 알 수 있다.

제2 자전 변환 소자(2)의 위치에서는, 제2 자전 변환 소자(2)를 교차하는 자속선의 수가 제2 자전 변환 소자(2)의 수직 변위로 인해 변화한다. 따라서, 자계의 X축 방향 성분의 자속 밀도는 많이 변화한다.

대조적으로, 제2 자전 변환 소자(2)의 수평 변위로 인해 자속선의 구배가 변화한다. 따라서, 자계의 X축 방향 성분의 자속 밀도가 변화한다. 그러나, 수평 변위로 인한 자속 밀도의 변화는 수직 변위로 인한 자속 밀도의 변화보다 작다.

제1 자전 변환 소자(1)의 위치에서는, 제1 자전 변환 소자(1)가 자석의 단부 면을 향해 수평으로 변위될 때, 자속선의 구배가 변화한다. 따라서, 자속 밀도는 증가한다. 제1 자전 변환 소자(1)를 교차하는 자속선의 수가 증가하기 때문에, 자속 밀도는 증가한다. 그러므로, 자계의 X축 방향 성분의 총 자속 밀도는 많이 변화한다.

대조적으로, 제1 자전 변환 소자(1)가 자극 면을 향해 수직으로 변위될 때, 자속선의 구배가 변화한다. 따라서, 자속 밀도는 감소한다. 그러나, 제1 자전 변환 소자(1)를 교차하는 자속선의 수가 증가하기 때문에, 자속 밀도는 증가한다. 그러므로, 자계의 X축 방향 성분의 총 자속 밀도는 적게 변화한다.

상술한 제1 및 제2 실시예로부터 이해할 수 있듯이, 수평 방향 힘 성분을 검출하는 자전 변환 소자와 수직 방향 힘 성분을 검출하는 자전 변환 소자는, 자석의 자극 면 각각의 극성이 인접한 자석들의 자극 면들 중 대응하는 자극 면의 극성과 반대가 되도록 배치된 자속 발생원에 각각 배치된다. 이 방식으로, 수평 방향 힘 성분과 수직 방향 힘 성분 사이에 일어나는, 다른 축 성분으로부터의 간섭이 감소될 수 있다.

또한, 자전 변환 소자에 의한 자계의 수직 방향 성분의 검출을 자전 변환 소자에 의한 수평 방향 성분의 검출과 비교할 때, 자전 변환 소자에 의한 자계의 수직 방향 성분의 검출이 더 양호하다는 것을 이해할 수 있다. 왜냐하면, (자계의 수평 방향 성분을 검출하는 제1 자전 변환 소자에 대해) 변화가 상쇄되지 않는 성분이 남고, (자계의 수직 방향 성분을 검출하는 제2 자전 변환 소자에 대해) N극에서 S극으로의 변화의 급격함이 이용될 수 있기 때문이다. 이 결과는 또한 도 4a 및 도 4b 및 도 5a 및 도 5b로부터 이해될 수 있다.

제3 실시예

제1 실시예에서는, 수평 방향 성분인 X축 방향 성분과 수직 방향 성분인 Z축 방향 성분 사이에서 발생하는 다른 축 성분으로부터의 간섭이 인접하는 2개의 자석(3)을 이용하여 감소될 수 있는, 본 발명에 따른 구성을 제시한다. 6축 힘 센서는 X축 및 Z축 방향뿐만 아니라 Y축 방향으로도 변위될 필요가 있다. 그러나, 서로 반대인 극성을 갖는 자석들이 Y축 방향을 따라 배치되지 않기 때문에, 다른 축 성분으로부터의 간섭의 감소라는 제1 실시예에서 얻어진 효과와 동일한 효과를 얻을 수가 없다. 그 때문에, 4개의 자석(3a 내지 3d)이 도 1에 도시된 바와 같이 배치되어, 서로 반대되는 극성을 갖는 인접한 자석들이 X축, Y축, 및 Z축의 모두를 따라 존재하는 구성을 제공한다.

도 7a 및 도 7b는 동일한 형상을 갖는 상술한 4개의 자석(3a 내지 3d)이 배치된 경우에 3차원 정자계 모델을 이용하여 자계 시뮬레이션을 수행함으로써 얻어진 결과를 도시한다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, Z축 방향으로 5㎜, X축 방향으로 5㎜, 및 Y축 방향으로 두께인 5㎜의 크기를 갖는 4개의 자석(3a 내지 3d)이 대기에 배치된다. 또한, 인접한 자석들(3a 내지 3d)의 극성은 서로 반대이다. 여기서, 약 1.4 T의 잔류 자속 밀도 및 약 1,000 kA/m의 보자력을 갖는 ND-Fe-B 자석의 특성이 자석들(3a 내지 3d)에 해당하는 것으로서 설정된다.

8개의 자전 변환 소자, 즉, 제1 자전 변환 소자(1a 내지 1d) 및 제2 자전 변환 소자(2a 내지 2d)가 자석(3a 내지 3d)에 대향하도록 배치되어, 자전 변환 소자는 자속의 Z축 방향 성분을 검출한다. 도 7a는 (Z축 방향으로 자극 면에서 0.7㎜ 떨어진 위치에서) 자석들(3a 내지 3d)의 자극 면들 중 대응하는 자극 면의 중심에 대향하도록 배치된 제1 자전 변환 소자(1a)의 근방에서의 자속 밀도의 Z축 방향 성분의 상태를 도시한 그래프, 및 제1 자전 변환 소자(1a)가 Z축 및 X축 방향 각각으로 변위된 경우에 자속 밀도의 변화를 도시한 그래프를 포함한다. Z축 방향에서의 제1 자전 변환 소자(1a)의 변위에 대해 자속 밀도는 많이 변화하지만, X축 방향에서의 제1 자전 변환 소자(1a)의 변위에 대해 자속 밀도는 적게 변화한다.

또한, 자석(3)의 자극 면의 중심에 대향하도록 배치된 제1 자전 변환 소자(1b 내지 1d)는 발생된 자계의 대칭성으로 인해 상술한 특성과 유사한 특성을 또한 갖는다.

도 7b는 (Z축 방향으로 자속 면에서 0.7㎜ 떨어진 위치에서) 자석(3a 내지 3d) 중 대응하는 자석들 간의 경계에 대향하도록 배치된 제2 자전 변환 소자(2a)의 근방에서의 자속 밀도의 Z축 방향 성분의 상태를 도시한 그래프, 및 제2 자전 변환 소자(2a)가 Z축 및 X축 방향 각각으로 변위된 경우에 자속 밀도의 변화를 도시한 그래프를 포함한다. X축 방향에서의 제2 자전 변환 소자(2a)의 변위에 대해 자속 밀도는 많이 변화하지만, Z축 방향에서의 제2 자전 변환 소자(2a)의 변위에 대해 자속 밀도는 적게 변화한다.

또한, 자석(3) 간의 경계에 대향하도록 배치된 제2 자전 변환 소자(2b 내지 2d)는 발생된 자계의 대칭성으로 인해 상술한 특성과 유사한 특성을 또한 갖는다. 따라서, 자석(3a 내지 3d)이 2×2 매트릭스로 배치된 경우에도 다른 축 성분으로부터의 간섭이 감소될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.

상술한 바와 같이, X축, Y축, 및 Z축 방향 모두에서의 변위에 대해 다른 축 성분으로부터의 간섭의 감소 효과는 2×2 매트릭스로 배치된 자석을 포함하는 자속 발생원을 이용하여 얻어질 수 있다.

다음에, 2×2 매트릭스로 배치된 자석(3a 내지 3d)을 포함하는 자속 발생원을 이용하여 6축을 따르는 힘과 모멘트의 검출 원리를 본 발명에 따른 6축 힘 센서의 출력의 흐름을 도시한 블럭도인 도 8을 참조하여 설명한다.

수직 방향 성분 Fz , Mx , 및 My 의 검출

수직 방향 성분 Fz, Mx, 및 My를 계산하기 위해, 자석의 자극 면의 중심에 대향하도록 배치된 제1 자전 변환 소자(1a 내지 1d)에 의해 검출된 자계의 수직 방향 성분이 이용된다. 제1 자전 변환 소자(1a)의 변위에 의해 발생된 제1 자전 변환 소자(1a)의 출력의 변화가 신호 증폭기(8)에 의해 증폭되고, 아날로그-디지털(A/D) 변환기 등의 변환기(9)를 사용하여 V1a로서 검출된다. 마찬가지로, 제1 자전 변환 소자(1b 내지 1d)에 관해서도, V1b 내지 V1d가 검출된다.

Fz = V1a + V1b + V1c + V1d

Mx = (V1a + V1b) - (V1c + V1d)

My = (V1b + V1c) - (V1a + V1d)

Fz, Mx, 및 My는 상술한 바와 같이 계산 유닛(10)에 의해 계산된다. Fz는 4개의 자전 변환 소자의 출력의 변화량의 합을 이용하여 계산될 수 있다. Mx는 X축 방향에 평행하게 배치된 2쌍의 자전 변환 소자의 출력의 변화량을 이용하여 계산될 수 있다. My는 Y축 방향에 평행하게 배치된 2쌍의 자전 변환 소자의 출력의 변화량을 이용하여 계산될 수 있다.

수평 방향 성분 Fx , Fy , 및 Mz 의 검출

수평 방향 성분 Fx, Fy, 및 Mz를 계산하기 위해, 각각이 제1 자전 변환 소자(1a 내지 1d) 중 대응하는 제1 자전 변환 소자들 사이에 배치된 제2 자전 변환 소자(2a 내지 2d)에 의해 검출된 자계의 수평 방향 성분이 이용된다. 제2 자전 변환 소자(2a)의 변위에 의해 발생된 제2 자전 변환 소자(2a)의 출력의 변화가 신호 증폭기(8)에 의해 증폭되고, 아날로그-디지털(A/D) 변환기 등의 변환기(9)를 사용하여 V2a로서 검출된다. 마찬가지로, 제2 자전 변환 소자(2b 내지 2d)에 관해서도, V2b 내지 V2d가 검출된다.

Fx = V2b - V2d

Fy = V2a - V2c

Mz = V1a + V1b + V1c + V1d

Fx, Fy, 및 Mz는 상술한 바와 같이 계산 유닛(10)에 의해 계산된다. Fx는 X축 방향에 수직으로 배치된 2쌍의 자전 변환 소자의 출력의 변화량을 이용하여 계산될 수 있다. Fy는 Y축 방향에 수직으로 배치된 2쌍의 자전 변환 소자의 출력의 변화량을 이용하여 계산될 수 있다. Mz는 4개의 자전 변환 소자의 출력의 변화량의 합을 이용하여 계산될 수 있다.

상술한 바와 같이, 2×2 매트릭스로 배치된 자석의 자극 면에 대향하도록 각각 배치된 4개의 제1 자전 변환 소자는 수직 방향 성분을 검출하고, 제1 자전 변환 소자들 사이에 각각 배치된 4개의 제2 자전 변환 소자는 수평 방향 성분을 검출한다. 따라서, 수평 방향 성분과 수직 방향 성분 사이에 발생하는 다른 축 성분으로부터의 간섭을 감소시키는 6축 자기력 센서가 제공될 수 있다.

제4 실시예

자기력 센서는 외부 힘을 받고, 자전 변환 소자와 자속 발생원 사이의 상대 변위에 의해 발생된 자속 밀도의 변화를 검출하고, 힘과 모멘트를 계산한다. 그 이유로, 자기력 센서의 감도를 증가시키기 위해, 상대 변위의 양은 증가될 필요가 있다. 자기력 센서에서, 작용 유닛(4)은 힘이 가해지는 지점으로서 기능한다. 탄성 부재(5)의 중심은 받침점으로서 기능한다. 제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2)는 작용점으로서 기능한다. 외부 힘에 대한 변위량은 받침점부터 작용점까지의 거리에 따라 증가한다. 탄성 부재(5)와 제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2) 사이의 거리가 증가될 때, 모멘트 성분 Mx, My, 및 Mz가 검출되는 감도가 특히 증가될 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 2×2 매트릭스로 배치된 단자석의 4개 세트가 제공되고, 하나의 제1 자전 변환 소자(1) 및 하나의 제2 자전 변환 소자(2)가 2×2 매트릭스로 제공된 단자석의 세트의 각각 위에 배치된 도면이다. 탄성 부재(5)와 제1 및 제2 자전 변환 소자(1 및 2) 사이의 거리를 증가시키기 위해, 단자석의 크기를 증가시키는 방법이 이용될 수 있다. 그러나, 이 방법이 이용될 때, 자석의 체적이 증가하여 코스트와 경량화에 불리하게 된다. 따라서, 복수 세트의 배치가 보다 유리하다. 또한, 6축을 따르는 성분을 검출하는 계산 과정은 상술한 방법과 동일하다.

상술한 바와 같이, 수평 방향 성분과 수직 방향 성분 사이에서 발생하는 다른 축 성분으로부터의 간섭을 감소시키는 고감도 6축 자기력 센서가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 자기력 센서는, 예를 들어, 힘을 정밀하게 감지하여야 하는 로봇 팔에 장착될 수 있다.

본 발명이 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시예들로 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 다음의 청구 범위는 모든 그러한 변형 및 등가적 구조 및 기능을 포괄하도록 광범위하게 해석되어야 한다.

본 출원은, 그 전체가 본 명세서에 참고로 원용되는, 2009년 12월 15일자 출원된 일본 특허 출원 2009-284567호인 우선권을 주장한다.

Claims

힘을 받아 상기 힘에 의해 변위가능한 작용 유닛과 자속 발생원 사이의 상대 변위에 따라 변화하는 자속 밀도를 검출함으로써 상기 힘을 검출하는 자기력 센서이며,
지지 부재에 의해 탄성 지지되는 상기 작용 유닛과,
자석의 자극 면 각각의 극성이 특정 방향으로 인접한 자석들의 자극 면들 중 대응하는 자극 면의 극성과 반대가 되도록 배치된 2개 이상의 자석을 포함하는 상기 자속 발생원과,
상기 작용 유닛에서 상기 2개 이상의 자석의 자극 면에 대향하는 위치에 각각 설치된 제1 자전 변환 소자들(magnetoelectric transducers)과,
상기 제1 자전 변환 소자들 사이에 설치된 제2 자전 변환 소자를 포함하고,
상기 힘의 수직 방향 성분은, 상기 제1 자전 변환 소자들의 출력에 기초하여 수직 방향의 변위를 검출함으로써 계산되고,
상기 힘의 수평 방향 성분은, 상기 제2 자전 변환 소자의 출력에 기초하여 수평 방향의 변위를 검출함으로써 계산되는, 자기력 센서.
제1항에 있어서,
상기 제2 자전 변환 소자는 인접한 자석들 사이의 경계에 대향하는 위치에 설치되는, 자기력 센서.
제1항에 있어서,
상기 자속 발생원은 2×2 매트릭스로 설치된 자석들을 포함하는, 자기력 센서.
제3항에 있어서,
상기 제1 자전 변환 소자들은 2×2 매트릭스로 설치된 자석들의 자극 면에 대향하도록 각각 배치된 4개의 제1 자전 변환 소자를 포함하고,
상기 제2 자전 변환 소자는 상기 제1 자전 변환 소자들 사이에 각각 배치된 4개의 제2 자전 변환 소자를 포함하는, 자기력 센서.
제1항에 있어서,
상기 제2 자전 변환 소자는 제2 자전 변환 소자들을 포함하고, 상기 제1 자전 변환 소자들 중 하나 이상과 상기 제2 자전 변환 소자들 중 하나 이상의 복수의 그룹이 상기 작용 유닛에 배치되고,
상기 자속 발생원은 2×2 매트릭스로 설치된 자석들을 포함하는 자속 발생원들을 포함하고, 상기 자속 발생원들의 각각은 상기 제1 자전 변환 소자들과 상기 제2 자전 변환 소자들의 복수의 그룹 중 대응하는 그룹에 배치되는, 자기력 센서.
힘을 받아 상기 힘에 의해 변위가능한 작용 유닛과 자속 발생원 사이의 상대 변위에 따라 변화하는 자속 밀도를 검출함으로써 상기 힘을 검출하는 자기력 센서이며,
지지 부재에 의해 탄성 지지되는 상기 작용 유닛과,
자석의 자극 면 각각의 극성이 특정 방향으로 인접한 자석들의 자극 면들 중 대응하는 자극 면의 극성과 반대가 되도록 배치된 2개 이상의 자석을 포함하는 상기 자속 발생원과,
상기 작용 유닛에서 상기 2개 이상의 자석의 자극 면에 대향하는 위치에 각각 설치된 제1 자전 변환 소자들과,
상기 제1 자전 변환 소자들 사이에 설치된 제2 자전 변환 소자를 포함하고,
상기 힘의 수평 방향 성분은, 상기 제1 자전 변환 소자들의 출력에 기초하여 수평 방향의 변위를 검출함으로써 계산되고,
상기 힘의 수직 방향 성분은, 상기 제2 자전 변환 소자의 출력에 기초하여 수직 방향의 변위를 검출함으로써 계산되는, 자기력 센서.