JP5500957B2 - 磁気式力覚センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁束発生源の磁束変化を磁電変換素子で力、モーメント成分を検出する磁気式力覚センサに関し、特に、磁束発生源の発生磁場が変化した際の補正に関するものである。

力覚センサは、例えば、ロボットアームにより部品の組立を行う場合、手首部分に取付けられ組付け作業の際に生じる力やモーメント成分を検出し、ハンド部の姿勢制御を行うために用いられる。力覚センサには、特開２００４−３２５３２８号（特許文献１）に記載されているように作用部の変位を磁気的に検出する方法を利用しているものが提示されている。

特許文献１に記載の従来例の構造を図５に示す。弾性体に埋め込まれた永久磁石１４と、その永久磁石１４の磁極に対して対向するように４つの磁電変換素子１５ａ〜１５ｄを配置している。弾性体に作用力が加わると永久磁石１４が変位し、それによって生じた磁場の変化をホール素子などの磁電変換素子１５ａ〜１５ｄによって検出する。この検出した磁場の変化に基づき、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の力成分の検出を可能としている。

特許文献１では磁束発生源に永久磁石を使用している。一般的に、永久磁石が発生する磁場の強さは、永久磁石の温度によりその絶対値は変化する（所定の温度係数を有している）。永久磁石は、回路基板から発せられる熱、周囲に配置されたモータ等といった外部から受ける熱によって温度が上昇すると、磁場の強さが弱まってしまう。したがって、永久磁石が発生する磁場を用いる機器は、その温度による磁場の変化を補償する必要がある。また、温度等の影響以外にも、永久磁石の経年変化によっても磁場は変化する。

これに対して、特開２００５−３２１５９２（特許文献２）のように温度センサを設けた温度補償回路により温度補償を行う方法が取られている。

特許文献２に記載の従来例の構造を図に示す。図６（ａ）において、永久磁石１４に対向する位置に設けられたホール素子１６が描かれている。また図６（ｂ）にはホール素子に隣接して設けられた定電圧源（不図示）に接続された温度補償回路が描かれている。
ホール素子からセレクタへの出力電圧が、温度上昇が生じて低下した場合、ホール素子に隣接して設けられた温度補償回路に備えられた温度センサの負の温度特性により、温度上昇に比例して温度補償回路からホール素子に出力される電流値が高められる。
この高められた電流がホール素子１６に出力されることで、温度上昇により低下していたホール素子１６からセレクタへの出力電圧が回復することになる。

特開２００４−３２５３２８号公報 特開２００５−３２１５９２号公報

しかしながら、引用文献２記載の従来例では、磁束の受け手であるホール素子の出力に対して温度補償するものであった。したがって、永久磁石と温度センサの熱容量（比熱）の違いがある場合や、永久磁石１４そのものが温度上昇する一方でホール素子に温度変化が無いなど局所的に温度上昇が生じた場合には温度センサが永久磁石の平均温度を正確に測定することは困難である。また温度補償回路をホール素子や永久磁石などの検出子とは別に設けなければならず、コストや小型化の観点からも不利である。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、磁束発生源の発生磁場の変動を精度よく検出し、補正することが可能な、コンパクトな磁気式力覚センサを提供することにある。

上記課題を解決するため本発明は、
作用部に受けた力によって変位可能な前記作用部と磁束発生源との相対位置に基づいて前記力を検知する磁気式力覚センサにおいて、
支持部材に支持された作用部と、
前記作用部に固定された第一の磁電変換素子と、
前記第一の磁電変換素子に対向して配置された磁束発生源と、
前記磁束発生源する相対位置を固定して配置された第二の磁電変換素子と、
前記第一の磁電変換素子の出力を、前記第二の磁電変換素子の出力に基づいて補正する演算処理部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、温度補償回路など付加的な構成を用いないコンパクトな構成の力覚センサを提供できる。また本発明の磁気式力覚センサによると、温度変動以外の原因で発生した磁束発生源の発生磁場の変動に対しても補正可能である。

本発明に係る磁気式力覚センサの構造を示す図である。 本発明の本発明の温度補償方法について説明するための図である。 Ｚ軸対称の２次元静磁場モデルでシミュレーションを行った磁束線図である。 Ｚ軸対称の２次元静磁場モデルでシミュレーションを行った磁束線図である。 従来の磁気式力覚センサの構造を示す図である。 従来の力センサの構造を示す図である。

図１は本発明の特徴を最もよく表す図面であり、磁気式力覚センサのＸ−Ｚ軸に沿った断面図である。

図１において１は力が印加される作用部、２は作用部１を筐体に弾性支持する弾性体であり、作用部１は力が作用部に印加された際に変位可能に弾性支持されている。３は磁電変換素子を実装するための基板、４ａ〜４ｂは磁電変換素子（以下では変位磁電変換素子と記す）、５は磁束発生源、６は磁束発生源５を支持すると共に、磁電変換素子を実装する基板である。７は実装基板６上に設けられ、磁束発生源５との相対位置が固定された磁電変換素子（以下では固定磁電変換素子と記す）である。

磁束発生源５はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ磁石、フェライト磁石に代表されるような永久磁石であってもよく、磁性体まわりに、コイルを巻き、通電することによって磁力を発生させる電磁石であってもよい。固定磁電変換素子７および変位磁電変換素子４ａ〜４ｂはホール素子、ＭＲ素子、磁気インピーダンス素子、フラックスゲート素子、巻き線コイルなど、磁場の変化を電気信号として出力することができるものである。また作用部１は筐体に対して支持されている必要は無く、作用部１は弾性体を介して支持できる支持部材に支持されていればよい。

作用部１に力が印加されると、作用部１は実装基板３と変位磁電変換素子４ａ、４ｂとともに弾性体２の弾性変形によって磁束発生源５に対して変位を生じる。それによって、変位磁電変換素子４ａ、４ｂからは、変位量に比例した電気信号の変化が出力として得られる。一方で、固定磁電変換素子７が取り付けられた実装基板６は作用部１に力が印加されても出力の電気的変化は生じない。つまり、固定磁電変換素子７の出力に変化が生じる場合は、温度上昇（もしくは温度低下）や磁束発生源５の経年変化等の環境変動による磁束発生源５の発生磁束量に変化があったときである。

力、モーメントの算出方法について図１を参照しながら説明する。例えば、それぞれ、作用部１にＺ軸方向の力Ｆｚ、Ｙ軸方向のモーメントＭｙを受けたとする。変位磁電変換素子４ａ、４ｂ及び、固定磁電変換素子７を通過する磁束密度の変化量をそれぞれＢ４ａ、Ｂ４ｂ、Ｂ７とする。ｋｚ、ｋｙは磁束密度変位量から力、モーメントに算出するための感度係数である。
Ｆｚ＝ｋｚ（（Ｂ４ａ＋Ｂ４ｂ）−Ｂ７）
Ｍｙ＝ｋｙ（Ｂ４ａ−Ｂ４ｂ）

以上のように、各々の素子の差分を取ることにより、変位磁電変換素子４ａ、４ｂ及び、固定磁電変換素子７を通過する磁束密度の変化量から、作用部１に加わった力及びモーメントを算出することができる。ここで、固定磁電変換素子７は以下で説明する温度変化の検出だけでなく力検出の際に、出力の基準素子としても機能することがわかる。

次に、本発明の温度補償方法について図２を参照しながら説明する。４ａ、４ｂは上述した変位磁電変換素子であり、７は固定磁電変換素子である。

８は磁電変換素子の信号を増幅するための信号増幅部であり、個々の磁電変換素子に接続されている。９は磁電変換素子からの出力信号を演算部へ取り込むための信号変換器であり、信号増幅部８にそれぞれ接続されている。１０は演算部の演算結果をもとに、変位磁電変換素子へフィードバックする信号調整器であり、変位磁電変換素子の出力が変換器９に入力される前に補正処理を行うための信号を出力できる構成になっている。

温度変動や経年変化などによって、磁束発生源５の発生磁場がΔＢ変動した結果、固定磁電変換素子７の出力電圧がΔＶ７＝ｋｓΔＢ変化する。ここで、ｋｓは磁束変化量から出力電圧へ変換するための係数である。発生磁場の変動分の検出から補正処理までを以下に示す。

＜１．発生磁場変動分の検出＞
固定磁電変換素子７により、変換器９を通して磁束発生源５の発生磁場の変動によって生じる出力変化を演算部で検出する。
信号増幅部８の信号増幅率をＧ倍とする。磁場変動によって固定磁電変換素子７の出力電圧がΔＶ７変化すると、信号増幅部８を介して出力される電圧はΔＶｔ＝ＧΔＶ７変化する。この変化分ΔＶｔをＡ／Ｄ変換器等から構成される変換器を通して演算部で検出する。これにより、ΔＢ＝ΔＶｔ／ｋｓＧから変化した磁束密度を計算できる。ここで、変換器の検出分解能は、上記の補正したい変化を十分検出できるものでなければならない。

＜２．感度係数の補正＞
磁束発生源５の発生磁場が変化すると、外力によって生じる作用部１と磁束発生源５との相対位置の変化により生じる磁電変換素子の出力も変化する。
よって、磁電変換素子の出力から正確な外力の値を算出するためには、センサ出力の感度係数ｋｚ，ｋｙを発生磁場に応じて修正する必要がある。前述したように、変化した分の磁束変化ΔＢに基づき、変動前の磁束密度をＢとすると、発生磁場の変動の影響を含んだ補正後の感度係数は｛（Ｂ−ΔＢ）／Ｂ｝×ｋｚおよび｛（Ｂ−ΔＢ）／Ｂ｝×ｋｙとすればよい。なお、発生磁場に変動がない場合（ΔＢ＝０）の場合は、（Ｂ−ΔＢ）／Ｂの値は１となり、上記の感度係数はそれぞれｋｚ、ｋｙとなる。

＜３．オフセット処理＞
磁束発生源５の発生磁場が変化することにより、固定磁電変換素子７の出力が変換器９に入力される際の基準電圧値からΔＶｔ変化したとする。差分であるΔＶｔ分に基づき変位磁電変換素子４のオフセット分ΔＶｏｆｆを演算部で計算する。変位磁電変換素子４の出力電圧がΔＶ４＝ｋｄΔＢ変化し、ΔＶｏｆｆ＝ＧΔＶ４となる。ここで、ｋｄは磁束変化量から出力電圧へ変換するための係数である。上記の発生磁場変動分の検出の項目にて述べたようにΔＶｔからΔＢを算出できるため、ΔＶｏｆｆが算出できる。このΔＶｏｆｆをキャンセルするように調整器１０により変位磁電変換素子４ａ，４ｂと接続された信号増幅部８へフィードバックする。これにより、固定磁電変換素子７の出力に基づいて変位磁電変換素子４のオフセットをリアルタイムに補正することができる。なお、磁束発生源５の発生磁場変動量が時間変化に対して軽微でリアルタイムに補正が必要でない場合には、変位磁電変換素子の基準電圧値（作用部１に外力が加わっていないときの電圧値）からの差分をキャンセルするようにしてもよい。

また、変換器９に入力できる信号範囲は特定のレンジに決められている。よって、変位磁電変換素子の出力にオフセットが生じるとセンサの検出できる範囲が狭まってしまう。上述のオフセット処理は、変換器９に入力可能な信号範囲を適切に使うためにも有意義である。

＜４．出力計算処理＞
一方、発生磁場変動の補正を含んだ計算式は以下のように示される。ここで、ｋｐ＝（Ｂ−ΔＢ）／Ｂは補正感度係数である。
Ｆｚ＝ｋｐ×ｋｚ（（Ｂ４ａ＋Ｂ４ｂ）−Ｂ７）
Ｍｙ＝ｋｐ×ｋｙ（Ｂ４ａ−Ｂ４ｂ）
変位磁電変換素子４ａ、４ｂのオフセットは変換器９に電気信号が入力される前に調整されるので演算部１１による計算には影響を及ぼさないことがわかる。よって、補正を行なわない場合と比べて補正感度係数を乗算するだけで容易に発生磁場の変動分を補正し、正確な外力やモーメントを算出することができる。
また本発明の方法は磁束発生源の発生する発生磁場そのものに基づいて感度係数を補正するため、従来の温度補償回路を用いた方式では補正できなかった経年変化による発生磁場の変化など、温度以外の原因で生じる発生磁場の変化にも対応できる。

既に述べたように、磁気式の力覚センサにおいては外力によって生じる出力変化および磁束発生源５の発生磁場の変動によって生じる出力変化を精度良く検出することが望まれる。そのためには、磁束の変化量が最も検出しやすい箇所に磁電変換素子を配置することが重要である。そのための検討を行った。

図３、図４に磁場シミュレーションの結果を示す。シミュレーションはＺ軸対称の磁束発生源５に関する２次元静磁場モデルで行った。発生する磁場も左右対称のため、図３および図４中では磁極の中心線を左端に描き、右半分のみ図示している。

図３は空気中にＺ軸方向の厚み４ｍｍ、Ｘ軸方向の厚み２ｍｍの磁束発生源５を配置しており、図４は磁束発生源５にＺ軸方向の厚み４ｍｍ、Ｘ軸方向の厚み１ｍｍの磁性体１３が巻き付けてある。
ここで、磁束発生源には残留磁束密度１．４Ｔ、保磁力１０００ｋＡ／ｍのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石の特性を設定し、磁性体の比透磁率は５０００に設定した。

磁束の変化量が最大となる箇所は、磁束線が最も密な箇所である。磁束発生源５単体（図３）、磁束の流れを制御できる磁性体を設置した（図４）、いずれの結果からも磁束線が最も密な箇所、つまり、磁束の変化量が最も取れる箇所は磁束発生源５の磁極端面付近であることが了解される。

この結果に基づいて、固定磁電変換素子４ａ、４ｂと変位磁電変換素子７の配置箇所を検討する。固定磁電変換素子と変位磁電変換素子を同一基板上に実装することは困難である。よって、固定磁電変換素子と変位磁電変換素子を実装するための基板は分離しなければならず、少なくとも２枚の基板が必要である。

磁束発生源の２つの磁極（Ｎ極、Ｓ極）の近傍には磁束線が密であり、磁極の近傍に磁電変換素子を設ければ、磁束発生源との相対変位の変化を敏感に検知することができることがわかった。

特に図３、図４に示したように棒状の磁束発生源５の磁極に端面を有する場合は、固定磁電変換素子７を一方の磁極の端面に固定し、また変位磁電変換素子４ａ、４ｂが他方の磁極と対向する位置に配置することができる。このような構成は、最も精度良く力および磁束発生源の発生磁場の変動を検出できる構造であることがわかる。

本発明は、産業用ロボットアームで用いる力覚センサとして好適である。

１ 作用部
２ 弾性体
３ 変位磁電変換素子用実装基板
４ａ〜４ｂ 変位磁電変換素子
５ 磁束発生源
６ 固定磁電変換素子用実装基板
７ 固定磁電変換素子
８ 信号増幅部
９ 信号変換部
１０ 信号調整部
１１ 演算部
１２ 磁束線
１３ 磁性体
１４ 永久磁石
１５ａ〜１５ｂ 磁電変換素子
１６ ホール素子

Claims (4)

1. 作用部に受けた力によって変位可能な前記作用部と磁束発生源との相対位置に基づいて前記力を検知する磁気式力覚センサにおいて、
   支持部材に支持された作用部と、
   前記作用部に固定された第一の磁電変換素子と、
   前記第一の磁電変換素子に対向して配置された磁束発生源と、
   前記磁束発生源に対する相対位置を固定して配置された第二の磁電変換素子と、
   前記第一の磁電変換素子の出力を、前記第二の磁電変換素子の出力に基づいて補正する演算処理部とを有することを磁気式力覚センサ。
2. 前記演算処理部の演算結果を前記第一の磁電変換素子へフィードバックする調整器を有し、
   あらかじめ定められた基準電圧値と、前記作用部に外力が加わっていないときの前記第二の磁電変換素子の出力による電圧値との差分をキャンセルするフィードバックが、前記第一の磁電変換素子の出力に対して行われることを特徴とする請求項１項記載の磁気式力覚センサ。
3. 前記演算処理部の演算結果を前記第一の磁電変換素子へフィードバックする調整器を有し、
   磁束発生源の発生する磁場をＢ、前記第二の磁電変換素子の出力に基づいて算出された磁束発生源が発生する磁場の変動をΔＢとしたとき、第一の磁電変換素子の出力を、（Ｂ−ΔＢ）／Ｂ倍するフィードバックが行なわれることを特徴とする請求項１記載の磁気式力覚センサ。
4. 前記第二の磁電変換素子は前記磁束発生源の一方の磁極近傍に配置され、前記第一の磁電変換素子は前記磁束発生源の他方の磁極近傍に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の磁気式力覚センサ。

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