JPH0565808B2 - - Google Patents
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- JPH0565808B2 JPH0565808B2 JP59032496A JP3249684A JPH0565808B2 JP H0565808 B2 JPH0565808 B2 JP H0565808B2 JP 59032496 A JP59032496 A JP 59032496A JP 3249684 A JP3249684 A JP 3249684A JP H0565808 B2 JPH0565808 B2 JP H0565808B2
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- Japan
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- disk
- force
- axis
- relationship
- ring
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
- G01L5/164—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in inductance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
- G01L1/122—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using permanent magnets
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
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。
るものである。
産業用ロボツ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”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
あるので卓上形ロボツトのような小形のロボツト
には使用できないという欠点があつた。
て、各関節等が受ける“力”や“モーメント”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
あるので卓上形ロボツトのような小形のロボツト
には使用できないという欠点があつた。
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
るようにしたものであり、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。
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
るようにしたものであり、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。
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ｚ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ｚ軸とした場合、ｚ軸回
りのモーメントMz、およびｘ軸方向の力Fx、ｙ
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つて
いる。
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ｚ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ｚ軸とした場合、ｚ軸回
りのモーメントMz、およびｘ軸方向の力Fx、ｙ
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つて
いる。
第２図に第１図の多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
４の円周上には等間隔に４個の永久磁石５ａ，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）および板ば
ね６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが内側を固着して設け
られている。また、円盤４の上面には摩擦係数の
小さな材料よりなる板、例えば弗素樹脂板７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、板ばね６ａ〜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
となつている。また、リング９の内側にはホール
素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが４個等間
隔に設けられており、永久磁石５ａ，５ｂ，５
ｃ，５ｄ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１１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
り易くなつている。
を示す。軸２には円盤４が固定されており、円盤
４の円周上には等間隔に４個の永久磁石５ａ，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）および板ば
ね６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが内側を固着して設け
られている。また、円盤４の上面には摩擦係数の
小さな材料よりなる板、例えば弗素樹脂板７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、板ばね６ａ〜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
となつている。また、リング９の内側にはホール
素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが４個等間
隔に設けられており、永久磁石５ａ，５ｂ，５
ｃ，５ｄ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１１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
り易くなつている。
上記のように、円盤４は弗素樹脂板７，１２を
介して上部板８と下部板１１に拘束されており、
ｚ軸回りおよびｘ、ｙ軸方向のみ運動可能となつ
ている。また、板ばね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。
介して上部板８と下部板１１に拘束されており、
ｚ軸回りおよびｘ、ｙ軸方向のみ運動可能となつ
ている。また、板ばね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軸に直角な面での断面図である。永
久磁石５ａ〜５ｄ、ホール素子１０ａ〜１０ｄ、
板ばね６ａ〜６ｄの位置関係がより明確に示され
ている。板ばね６ａ〜６ｄは、前述のように力に
比例した変位を生ぜしめる役目であり、板ばねに
限ることなく、第４図に示すように円盤４とリン
グ９の間を埋める高分子材料からなる弾性材１３
であつてもよい。
久磁石５ａ〜５ｄ、ホール素子１０ａ〜１０ｄ、
板ばね６ａ〜６ｄの位置関係がより明確に示され
ている。板ばね６ａ〜６ｄは、前述のように力に
比例した変位を生ぜしめる役目であり、板ばねに
限ることなく、第４図に示すように円盤４とリン
グ９の間を埋める高分子材料からなる弾性材１３
であつてもよい。
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。
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
つた面の中心をＡ、Ｂとする時、Ａ点、Ｂ点間の
ｘ軸方向の距離をｐ、ｙ方向の距離をｑとする。
永久磁石５をｘ軸方向にＮ極、Ｓ極となるように
着磁し、ホール素子１０を適当な姿勢で対向させ
る時、ｙ軸方向の距離ｑを一定に保つたまま距離
ｐを変化させるとホール電圧Ｖは第６図ａの実線
１４に示すように変化し、また、距離ｐを一定に
保つたまま距離ｑ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１７は実線１５
のｑ＝q0における接線である。ｑ＝q0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。
せた１組の様子を示している。それぞれの向い合
つた面の中心をＡ、Ｂとする時、Ａ点、Ｂ点間の
ｘ軸方向の距離をｐ、ｙ方向の距離をｑとする。
永久磁石５をｘ軸方向にＮ極、Ｓ極となるように
着磁し、ホール素子１０を適当な姿勢で対向させ
る時、ｙ軸方向の距離ｑを一定に保つたまま距離
ｐを変化させるとホール電圧Ｖは第６図ａの実線
１４に示すように変化し、また、距離ｐを一定に
保つたまま距離ｑ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１７は実線１５
のｑ＝q0における接線である。ｑ＝q0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＝｛ｄ（q0＋ｑ）＋β｝ｐ で表わすことができる。こゝにα、βは定数であ
る。
を近似するとホール電圧Ｖは、 Ｖ＝｛ｄ（q0＋ｑ）＋β｝ｐ で表わすことができる。こゝに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。
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１０の対向面における
中心をA1，A2，A3，A4およびB1，B2，B3，B4
とおけば第４図に示す基準位置においては A1点とB1点の関係より p1＝０、q1＝q0 A2点とB2点の関係より p2＝０、q2＝q0 A3点とB3点の関係より p3＝０、q3＝q0 A4点とB4点の関係より p4＝０、q4＝q0 となつている。p1〜p4は第５図に示すｐ、q1〜q4
はｑに相当している。
中心をA1，A2，A3，A4およびB1，B2，B3，B4
とおけば第４図に示す基準位置においては A1点とB1点の関係より p1＝０、q1＝q0 A2点とB2点の関係より p2＝０、q2＝q0 A3点とB3点の関係より p3＝０、q3＝q0 A4点とB4点の関係より p4＝０、q4＝q0 となつている。p1〜p4は第５図に示すｐ、q1〜q4
はｑに相当している。
同様に第７図のように移動した時には
A1とB1の関係より
p1＝−δcosθ、q1＝q0−δsinθ
A2とB2の関係より
p2＝−δsinθ、q2＝q0＋δcosθ
A3とB3の関係より
p3＝δcosδ、q2＝q0＋δsinθ
A4とB4の関係より
p4＝δsinθ、q2＝q0−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 p1＝rsinθ′、q1＝q0＋ｒ（１−cosθ′） A2とB2の関係より p2＝rsinθ′、q2＝q0＋ｒ（１−cosθ′） A3とB3の関係より p3＝rsinθ′、q3＝q0＋ｒ（１−cosθ′） A4とB4の関係より p4＝rsinθ′、q4＝q0＋ｒ（１−cosθ′） となる。よつて、それぞれのホール電圧は第７図
のように変化した場合は V1＝−（β＋αδsinθ）δcosθ V2＝−（β−αδcosθ）δsinθ V3＝（β−αδsinθ）δcosθ V4＝（β＋αδcosθ）δsinθ となり、第８図のように変化した場合は V1′＝｛β−αr（１−cosθ′）｝rsinθ′ ×rβθ′ V2′＝｛β−αr（１−cosθ′）｝rsinθ′ ×rβθ′ V3′＝｛β−αr（１−cosθ′）｝rsinθ′ ×rβθ′ V4′＝｛β−αr（１−cosθ′）｝rsinθ′ ×rβθ′ となる。
合は、ｒを円盤４の半径とすると、 A1とB1の関係より p1＝rsinθ′、q1＝q0＋ｒ（１−cosθ′） A2とB2の関係より p2＝rsinθ′、q2＝q0＋ｒ（１−cosθ′） A3とB3の関係より p3＝rsinθ′、q3＝q0＋ｒ（１−cosθ′） A4とB4の関係より p4＝rsinθ′、q4＝q0＋ｒ（１−cosθ′） となる。よつて、それぞれのホール電圧は第７図
のように変化した場合は V1＝−（β＋αδsinθ）δcosθ V2＝−（β−αδcosθ）δsinθ V3＝（β−αδsinθ）δcosθ V4＝（β＋αδcosθ）δsinθ となり、第８図のように変化した場合は V1′＝｛β−αr（１−cosθ′）｝rsinθ′ ×rβθ′ V2′＝｛β−αr（１−cosθ′）｝rsinθ′ ×rβθ′ V3′＝｛β−αr（１−cosθ′）｝rsinθ′ ×rβθ′ V4′＝｛β−αr（１−cosθ′）｝rsinθ′ ×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＋V1′ E2＝V2＋V2′ E3＝V3＋V3′ E4＝V4＋V4′ で表される。
ール電圧は、 E1＝V1＋V1′ E2＝V2＋V2′ E3＝V3＋V3′ E4＝V4＋V4′ で表される。
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ば、それぞれの方向の変
位を検出できることになる。
段により次の演算を行えば、それぞれの方向の変
位を検出できることになる。
回転方向 Er＝E1＋E2＋E3＋E4＝4rβθ′
ｙ軸方向 Ey＝E4−E2＝2βδsinθ
ｘ軸方向 Ex＝E3−E1＝2βδcosθ
すなわち、
θ′＝Er／4rβ
δ＝１／2β√2＋2
θ＝tan-1Ex／Ey
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になる。
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になる。
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
外周とリング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。
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
外周とリング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ばよい。
また、同様にリング９も他の形状のものでよく、
環状体であればよい。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ばよい。
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ばよい。
また、同様にリング９も他の形状のものでよく、
環状体であればよい。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ばよい。
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力に比例した変位を生ず
る弾性体で支持し、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から多方向に作
用する力を同時に検出できるようにしたので、安
価で、しかも小形な多分力検出器が実現できる利
点がある。
の中に同心となるように力に比例した変位を生ず
る弾性体で支持し、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から多方向に作
用する力を同時に検出できるようにしたので、安
価で、しかも小形な多分力検出器が実現できる利
点がある。
第１図はこの発明の一実施例の外観斜視図、第
２図はその内部の構成を示す分解状態の斜視図、
第３図は第１図の断面図、第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、第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は板ばね、７は弗素樹脂
板、８は上部板、９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す実
線、１６，１７はホール電圧の特性を近似する点
線である。
２図はその内部の構成を示す分解状態の斜視図、
第３図は第１図の断面図、第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、第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は板ばね、７は弗素樹脂
板、８は上部板、９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す実
線、１６，１７はホール電圧の特性を近似する点
線である。
Claims (1)
- １ 盤体を環状体の中に同心となるように力に比
例した変位を生ずる弾性体でｚ軸のまわりとｘ
軸、ｙ軸方向に変位可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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59032496A JPS60177232A (ja) | 1984-02-24 | 1984-02-24 | 多分力検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59032496A JPS60177232A (ja) | 1984-02-24 | 1984-02-24 | 多分力検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60177232A JPS60177232A (ja) | 1985-09-11 |
| JPH0565808B2 true JPH0565808B2 (ja) | 1993-09-20 |
Family
ID=12360602
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59032496A Granted JPS60177232A (ja) | 1984-02-24 | 1984-02-24 | 多分力検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60177232A (ja) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007009389A1 (de) * | 2007-02-20 | 2008-08-21 | Bizerba Gmbh & Co. Kg | Kraftmessvorrichtung und Verfahren zur Signalauswertung |
| KR101397273B1 (ko) * | 2009-12-15 | 2014-05-20 | 캐논 가부시끼가이샤 | 자기력 센서 |
| JP4963134B2 (ja) * | 2010-11-25 | 2012-06-27 | 株式会社トライフォース・マネジメント | トルクセンサ |
| JP4963138B1 (ja) * | 2011-07-27 | 2012-06-27 | 株式会社トライフォース・マネジメント | 力覚センサ |
| JP5735882B2 (ja) * | 2011-08-02 | 2015-06-17 | Ntn株式会社 | 磁気式荷重センサ |
| US11287340B2 (en) | 2018-07-02 | 2022-03-29 | Flexiv Ltd. | Multi-axis force and torque sensor and robot having the same |
| WO2021005755A1 (ja) * | 2019-07-10 | 2021-01-14 | 三菱電機株式会社 | センシングデバイスおよびセンシングデバイスシステム |
| CN110987244B (zh) * | 2019-10-08 | 2021-01-29 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种扁平盘式六维力传感器、检测方法及智能设备 |
| JP7021174B2 (ja) * | 2019-11-28 | 2022-02-16 | ファナック株式会社 | 変位検出方式の力検出構造及び力センサ |
| JP7714058B2 (ja) | 2021-06-17 | 2025-07-28 | シャンハイ・フレクシブ・ロボティクス・テクノロジー・カンパニー・リミテッド | 感知アセンブリ、力／トルクセンサアセンブリ及びロボット関節 |
-
1984
- 1984-02-24 JP JP59032496A patent/JPS60177232A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60177232A (ja) | 1985-09-11 |
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