專利名稱：磁性的力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測力或力矩分量并且使用磁電變換器檢測磁通產(chǎn)生源中的磁通變化的磁性的力傳感器。特別地，本發(fā)明涉及在磁通產(chǎn)生源處產(chǎn)生的磁場變化時(shí)的校正操作。
背景技術(shù)：
當(dāng)例如使用機(jī)械手組裝部件時(shí)，力傳感器被安裝到機(jī)械手的腕部，檢測在組裝作 業(yè)期間產(chǎn)生的力或者力矩分量，并且控制手部的取向。在日本專利公開No. 2004-325328(專利文獻(xiàn)I)中討論了使用磁性地檢測作用部的位移的方法的力傳感器。在日本專利公開No. 2004-325328中討論的有關(guān)結(jié)構(gòu)被示出在圖5中。在該有關(guān)結(jié)構(gòu)中，布置嵌入在彈性部件中的永磁體14以及與永磁體的磁極相對的四個(gè)磁電變換器15a 15d。當(dāng)作用力被施加到彈性部件時(shí)，永磁體14被移位，并且磁電變換器15a 15d (諸如霍爾元件)檢測由此產(chǎn)生的磁場的變化?；谒鶛z測到的磁場的變化,可以檢測X軸方向、Y軸方向和Z軸方向上的力分量。在日本專利公開No. 2004-325328中，永磁體被用于磁通產(chǎn)生源。一般，由永磁體產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度的絕對值由于永磁體的溫度而變化(也就是說，絕對值具有預(yù)定的溫度系數(shù))。當(dāng)由于從電路板產(chǎn)生的熱和從外部(諸如在其附近布置的馬達(dá))接收的熱而使永磁體的溫度增大時(shí)，磁場的強(qiáng)度降低。因此，在由永磁體產(chǎn)生的磁場中使用的設(shè)備需要補(bǔ)償由其溫度所引起的磁場的變化。除了例如其溫度的影響之外，磁場還隨永磁體的時(shí)間的變化而變化。與此對比，在日本專利公開No. 2005-321592 (專利文獻(xiàn)2)中，使用了利用被設(shè)置有溫度傳感器的溫度補(bǔ)償電路來執(zhí)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒āＪ境隽嗽谌毡緦＠_No. 2005-321592中討論的有關(guān)結(jié)構(gòu)。圖6A示出了設(shè)置在與永磁體14相對的位置處的霍爾元件16。圖6B示出了與鄰近于霍爾元件設(shè)置的恒壓源(未示出)連接的溫度補(bǔ)償電路。當(dāng)從霍爾元件到選擇器的輸出電壓由于溫度上升而降低時(shí)，設(shè)置在鄰近于霍爾元件設(shè)置的溫度補(bǔ)償電路中的溫度傳感器的負(fù)溫度特性使得從溫度補(bǔ)償電路輸出到霍爾元件的電流值與溫度上升成比例地增大。通過向霍爾元件輸出增大的電流，增大了已經(jīng)由于溫度上升而降低的從霍爾元件16到選擇器的輸出電壓。然而，在專利文獻(xiàn)2中討論的有關(guān)示例中，對接收磁通的霍爾元件的輸出執(zhí)行溫度補(bǔ)償。因此，當(dāng)在永磁體和溫度傳感器的熱容(比熱)之間存在差別或者局部的溫度上升(例如，霍爾元件的溫度變化而永磁體14本身的溫度增大)時(shí)，溫度傳感器難以準(zhǔn)確測量永磁體的平均溫度。另外，溫度補(bǔ)償電路需要與例如永磁體和霍爾元件的傳感器分離地設(shè)置，由此增大成本和尺寸。本發(fā)明被執(zhí)行以便克服上述問題，并且提供可以準(zhǔn)確地檢測和校正由磁通產(chǎn)生源產(chǎn)生的磁場的變化的緊湊的磁性的力傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種磁性的力傳感器，基于彼此相對的作用部的位置和磁通產(chǎn)生源的位置來檢測力，所述作用部是能夠由于所述作用部接受到的所述力而移位的。所述磁性的力傳感器包括由支撐部件彈性地支撐的所述作用部；固定到所述作用部的第一磁電變換器；面向第一磁電變換器布置的所述磁通產(chǎn)生源；布置在相對于所述磁通產(chǎn)生源固定的位置處的第二磁電變換器；以及運(yùn)算處理部，所述運(yùn)算處理部基于第二磁電變換器的輸出校正第一磁電變換器的輸出。根據(jù)本發(fā)明，可以提供具有未使用額外的結(jié)構(gòu)組件(諸如溫度補(bǔ)償電路)的緊湊的結(jié)構(gòu)的力傳感器。根據(jù)本發(fā)明的磁性的力傳感器，可以校正由除溫度變化以外的因素所引起的由磁通產(chǎn)生源產(chǎn)生的磁場的變化。


圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的磁性的力傳感器的結(jié)構(gòu)。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的溫度補(bǔ)償方法。圖3示出了從利用相對于Z軸對稱的二維靜磁場模型的仿真獲得的磁通線。圖4示出了從利用相對于Z軸對稱的二維靜磁場模型的仿真獲得的磁通線。圖5示出了有關(guān)的磁性的力傳感器的結(jié)構(gòu)。圖6A和圖6B示出了有關(guān)的力傳感器的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式圖I最清楚地示出了本發(fā)明的特征，并且是沿著磁性的力傳感器的X-Z軸截取的截面圖。在圖I中，附圖標(biāo)記I表示向其施加力的作用部，并且附圖標(biāo)記2表示在外殼處彈性地支撐作用部I的彈性部件。作用部I被彈性地支撐以便在力被施加到作用部時(shí)是可移位的。附圖標(biāo)記3表不用于安裝磁電變換器的襯底。附圖標(biāo)記4a和4b表不磁電變換器(在下面被稱為“移位磁電變換器”)。附圖標(biāo)記5表示磁通產(chǎn)生源。附圖標(biāo)記6表示支撐磁通產(chǎn)生源5并且磁電變換器被安裝于其的安裝襯底。附圖標(biāo)記7表示設(shè)置在安裝襯底6上并且其相對于磁通產(chǎn)生源5的位置固定的磁電變換器(在下面被稱為“固定磁電變換器”)。
磁通產(chǎn)生源5可以是以ND-Fe-B磁鐵、Sm-Co磁鐵、Sm-Fe-N磁鐵和鐵氧體磁鐵為代表的永磁體；或者是通過使電經(jīng)過卷繞在磁性材料之上的線圈來產(chǎn)生磁力的電磁體。固定磁電變換器7以及移位磁電變換器4a和4b是將磁場的變化作為電信號(hào)輸出的兀件,諸如霍爾元件、MR元件、磁性阻抗元件、磁通門元件或者卷繞的線圈。作用部I不必由外殼支撐。作用部I可以由能夠利用彈性部件支撐作用部I的支撐部件支撐。當(dāng)力被施加到作用部I時(shí)，作用部I與安裝襯底3以及移位磁電變換器4a和4b一起由于彈性部件2的彈性變形而相對于磁通產(chǎn)生源5移位。這使得與移位量成比例的電信號(hào)的變化作為來自移位磁電變換器4a和4b的輸出而被獲得。與此對比，即使力被施加到作用部1，在安裝有固定磁電變換器7的安裝襯底6處也不出現(xiàn)輸出的電氣變化。也就是說，當(dāng)由于環(huán)境變化(諸如溫度的增大(或者降低)或者磁通產(chǎn)生源5隨時(shí)間的變化)而改變在磁通產(chǎn)生源5處產(chǎn)生的磁通的變化時(shí)，在固定磁電變換器7處出現(xiàn)輸出的變化。將參考圖I描述計(jì)算力和力矩的方法。例如，假設(shè)作用部I接收Z軸方向上的力Fz和Y軸方向上的力矩My。通過移位磁電變換器4a和4b以及固定磁電變換器7的磁通密度的變化量是B4a、B4b和B7。kz和ky是用于根據(jù)磁通密度的變化量計(jì)算力和力矩的靈敏度系數(shù)Fz=kz((B4a+B4b)_B7)My=ky(B4a_B4b)如上所述，通過獲取元件之間的差別，可以根據(jù)通過移位磁電變換器4a和4b以及固定磁電變換器7的磁通密度的變化量計(jì)算施加到作用部I的力和力矩。這里，可以看出，不僅在檢測溫度變化(如下所述)時(shí)，而且在檢測力時(shí)，固定磁電變換器也用作輸出基準(zhǔn)元件。接下來，將參考圖2描述根據(jù)本發(fā)明的溫度補(bǔ)償方法。附圖標(biāo)記4a和4b表示上述的移位磁電變換器并且附圖標(biāo)記7表示固定磁電變換器。附圖標(biāo)記8表不用于放大磁電變換器的信號(hào)的信號(hào)放大器。信號(hào)放大器8與磁電變換器連接。附圖標(biāo)記9表示用于將輸出信號(hào)從磁電變換器裝載到運(yùn)算部中的并且與信號(hào)放大器8連接的信號(hào)轉(zhuǎn)換器。附圖標(biāo)記10表示基于運(yùn)算部的運(yùn)算結(jié)果執(zhí)行向移位磁電變換器的反饋操作的信號(hào)調(diào)節(jié)器。信號(hào)調(diào)節(jié)器10被形成為使得用于執(zhí)行校正操作的信號(hào)可以在移位磁電變換器的輸出被輸入到轉(zhuǎn)換器9之前被輸出。當(dāng)由磁通產(chǎn)生源5產(chǎn)生的磁場由于例如溫度變化或者隨時(shí)間的變化而改變了 Λ B時(shí)，固定磁電變換器7的輸出電壓改變了 Λ V7=ks Λ B。這里，ks表示用于從磁通變化量轉(zhuǎn)換到輸出電壓的系數(shù)。下面將描述從執(zhí)行產(chǎn)生磁場的變化量的檢測到執(zhí)行校正操作的過程。〈I、產(chǎn)生的磁場的變化量的檢測〉由運(yùn)算部檢測通過轉(zhuǎn)換器9的由磁通產(chǎn)生源5的產(chǎn)生的磁場的變化引起的固定磁電變換器7的輸出的變化。信號(hào)放大器8的信號(hào)放大系數(shù)是G倍系數(shù)。當(dāng)固定磁電變換器7的輸出電壓由于磁場的變化而變化時(shí)，通過信號(hào)放大器8輸出的電壓改變了 AVt=GAV7。由運(yùn)算部利用由例如Α/D轉(zhuǎn)換器形成的轉(zhuǎn)換器檢測改變量AVt。這使得可以根據(jù)AB=AVt/ksG計(jì)算已經(jīng)改變的磁通密度。這里，轉(zhuǎn)換器的檢測分辨率必須允許令人滿意檢測出要被校正的變化。〈2、靈敏度系數(shù)的校正〉當(dāng)由磁通產(chǎn)生源5產(chǎn)生的磁場變化時(shí)，通過由于外力改變作用部I和磁通產(chǎn)生源5彼此相對的位置而產(chǎn)生的磁電變換器的輸出也變化。因此，為了根據(jù)磁電變換器的輸出來計(jì)算準(zhǔn)確的外力值，必須根據(jù)產(chǎn)生的磁場來校正傳感器輸出的靈敏度系數(shù)kz和ky。如上所述，如果以磁通變化Λ B為基礎(chǔ)，在變化之前的磁通密度是B，則在考慮產(chǎn)生的磁場的變化的校正之后的靈敏度系數(shù)是{(B- Δ B) / B}Xk0P{(B-AB)/B}Xky。當(dāng)產(chǎn)生的磁場不變化(Λ B=O)時(shí)，(B-Λ B)/B的值變?yōu)?，并且上述靈敏度系數(shù)分別變?yōu)閗z和ky。〈3、偏移操作>當(dāng)由磁通產(chǎn)生源5產(chǎn)生的磁場變化時(shí)，固定磁電變換器7的輸出從在輸出被輸入到轉(zhuǎn)換器9時(shí)的基準(zhǔn)電壓值改變了 AVt。基于作為差的Λ Vt，每個(gè)移位磁電變換器4的偏移量(offset) AVoff在運(yùn)算部處被計(jì)算。每個(gè)移位磁電變換器4的輸出電壓改變了AV4=kdAB，使得Λ Voff=G Λ V4。這里，kd是用于從磁通變化量轉(zhuǎn)換到輸出電壓的系數(shù)。如在檢測產(chǎn)生的磁場的變化量的部分中所討論的，可以根據(jù)AVt計(jì)算ΛΒ，使得可以計(jì)算Δ Voff。調(diào)節(jié)器10執(zhí)行向與移位磁電變換器4a和4b連接的信號(hào)放大器8的反饋操作，使得AVoff被抵消。這使得可以基于固定磁電變換器7的輸出實(shí)時(shí)校正每個(gè)移位磁電變換器4的偏移量。當(dāng)因?yàn)橛纱磐óa(chǎn)生源5產(chǎn)生的磁場的變化量相對于時(shí)間的變化非常小而沒必要實(shí)時(shí)校正每個(gè)偏移量時(shí)，與每個(gè)移位磁電變換器的基準(zhǔn)電壓值(也就是說，在外力不被施加到作用部I時(shí)的電壓值)的差可以被抵消?？梢员惠斎氲矫總€(gè)轉(zhuǎn)換器9的信號(hào)范圍是特定范圍。因此，在任何移位磁電變換器的輸出偏移時(shí)，可以由傳感器檢測的范圍變窄。上述偏移操作對于適當(dāng)?shù)乩每梢员惠斎氲矫總€(gè)轉(zhuǎn)換器9的信號(hào)范圍而言是有意義的?！?、輸出計(jì)算操作〉考慮對產(chǎn)生的磁場的變化進(jìn)行的校正的表達(dá)式被如下地示出。這里，kp= (B-Λ B)/ B是校正靈敏度系數(shù)。Fz=kp X kz((B4a+B4b)-B7)My=kpXky (B4a_B4b)可以理解，由于移位磁電變換器4a和4b的偏移量在將電信號(hào)輸入到轉(zhuǎn)換器9之前被調(diào)節(jié)，因此偏移量不影響由運(yùn)算部11執(zhí)行的計(jì)算。因此，與不執(zhí)行校正操作的情況相t匕，可以僅僅通過乘以校正靈敏度系數(shù)來容易地校正產(chǎn)生的磁場的變化量，使得外力和力矩可以被準(zhǔn)確地計(jì)算。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，基于由磁通產(chǎn)生源產(chǎn)生的磁場來校正靈敏度系數(shù)。因此，可以校正由除溫度以外的因素所引起的產(chǎn)生的磁場的變化，諸如不能由利用溫度補(bǔ)償電路的有關(guān)方法校正的由隨時(shí)間的變化所引起的產(chǎn)生的磁場的變化。如上面已經(jīng)討論的，期望的是磁性的力傳感器中的由外力所引起的輸出的變化和由磁通產(chǎn)生源5產(chǎn)生的磁場的變化所引起的輸出的變化被準(zhǔn)確地檢測。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)，必須在可以最容易地檢測到磁通的變化量的位置處布置磁電變換器。因此，進(jìn)行其研究。圖3和圖4不出了磁場仿真結(jié)果。利用相對于Z軸對稱的關(guān)于磁通產(chǎn)生源5的二維靜磁場模型執(zhí)行仿真。由于產(chǎn)生的磁場在左右方向上是對稱的，因此在圖3和圖4中磁極的中心線被畫在左端，并且僅僅示出了右半邊。在圖3中，在Z軸方向上具有4mm的厚度和在X軸方向上具有2mm的厚度的磁通產(chǎn)生源5被布置在空氣中。在圖4中，在Z軸方向上具有4mm的厚度和在X軸方向上具有Imm的厚度的磁性材料13被卷繞在磁通產(chǎn)生源5之上。這里，每個(gè)磁通產(chǎn)生源具有殘留磁通密度為I. 4T且矯頑力為1000kA/m的Nd-Fe-B磁鐵的特性。磁性材料的相對磁導(dǎo)率被設(shè)定為5000。磁通的變化量最大的位置是磁通線最密集的位置。根據(jù)從單獨(dú)使用磁通產(chǎn)生源5的情況(圖3 )和布置可以控制磁通的流動(dòng)的磁性材料的情況(圖4 )獲得的結(jié)果，應(yīng)當(dāng)理解，磁通線最密集的位置(也就是說，磁通的變化量最大的位置)靠近每個(gè)磁通產(chǎn)生源5的磁極端面?；谶@個(gè)結(jié)果，將考慮布置移位磁電變換器4a和4b以及固定磁電變換器7的位置。難以將固定磁電變換器和移位磁電變換器安裝在同一個(gè)襯底上。因此，需要為安裝固定磁電變換器和移位磁電變換器提供分離的襯底。結(jié)果，要求至少兩個(gè)襯底。磁通線在磁通產(chǎn)生源的兩個(gè)磁極(北(N)極和南(S)極)附近密集?？梢岳斫?，如果在磁極附近設(shè)置磁電變換器，則可以靈敏地檢測磁電變換器相對于磁通產(chǎn)生源的移位的變化。特別地，當(dāng)如圖3和圖4所示地棒狀的磁通產(chǎn)生源5的磁極具有端面時(shí)，可以將固定磁電變換器7固定到磁極之一的端面，并且將移位磁電變換器4a和4b布置在面向另一個(gè)磁極的位置處。可以理解，這種結(jié)構(gòu)使得可以最準(zhǔn)確地檢測力和由磁通產(chǎn)生源產(chǎn)生的磁場的變化。本發(fā)明可適當(dāng)?shù)貞?yīng)用作為在工業(yè)的機(jī)械手中使用的力傳感器。雖然已經(jīng)參考示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所公開 的示例性實(shí)施例。以下權(quán)利要求的范圍將被給予最寬的解釋從而包括所有這樣的修改、等同的結(jié)構(gòu)與功能。本申請要求2009年11月26日提交的日本專利申請No. 2009-269186的權(quán)益，該日本專利申請整體通過參考被并入于此。
權(quán)利要求
1.一種磁性的力傳感器，基于彼此相對的作用部的位置和磁通產(chǎn)生源的位置來檢測力，所述作用部是能夠由于所述作用部接受到的所述力而移位的，所述磁性的力傳感器包括: 由支撐部件彈性地支撐的所述作用部； 固定到所述作用部的第一磁電變換器； 面向第一磁電變換器布置的所述磁通產(chǎn)生源； 布置在相對于所述磁通產(chǎn)生源固定的位置處的第二磁電變換器；以及 運(yùn)算處理部，所述運(yùn)算處理部基于第二磁電變換器的輸出校正第一磁電變換器的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁性的力傳感器，還包括調(diào)節(jié)器，所述調(diào)節(jié)器將所述運(yùn)算處理部的運(yùn)算結(jié)果反饋到第一磁電變換器， 其中對第一磁電變換器的輸出執(zhí)行抵消第一磁電變換器的偏移量的反饋，所述第一磁電變換器的偏移量是基于先前設(shè)定的基準(zhǔn)電壓值與在外力不被施加到所述作用部時(shí)的第二磁電變換器的輸出的電壓值之間的差來被計(jì)算的。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁性的力傳感器，還包括調(diào)節(jié)器，所述調(diào)節(jié)器將所述運(yùn)算處理部的運(yùn)算結(jié)果反饋到第一磁電變換器， 其中，在由所述磁通產(chǎn)生源產(chǎn)生的磁場為B并且基于第二磁電變換器的輸出計(jì)算的由所述磁通產(chǎn)生源產(chǎn)生的磁場的變化為AB時(shí)，執(zhí)行用于使第一磁電變換器的輸出為(B-AB)/B倍輸出的反饋。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁性的力傳感器，其中第二磁電變換器被布置在所述磁通產(chǎn)生源的磁極中的一個(gè)磁極附近，并且第一磁電變換器被設(shè)置在所述磁通產(chǎn)生源的另一個(gè)磁極附近。
全文摘要
本發(fā)明提供磁性的力傳感器，其可以準(zhǔn)確地檢測和校正由磁通產(chǎn)生源(5)產(chǎn)生的磁場的變化。因此，檢測由外力所引起的磁場的變化的移位磁電變換器(4a)以及在其處不出現(xiàn)由外力所引起的磁場的變化的固定磁電變換器(7)被設(shè)置為面向磁通產(chǎn)生源的磁極的端面。固定磁電變換器檢測由例如隨時(shí)間的變化以及環(huán)境變化(諸如傳感器內(nèi)部的溫度上升)所引起的磁場的變化?；谄錂z測量，運(yùn)算部執(zhí)行校正操作，使得移位磁電變換器的偏移量或者靈敏度系數(shù)被校正。
文檔編號(hào)H01C10/10GK102667433SQ20108005267
公開日2012年9月12日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者佐藤修一 申請人:佳能株式會(huì)社