JP2018017592A - Charge amplification circuit, physical quantity sensor device and robot - Google Patents
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Abstract
【課題】漏れ電流によるドリフトを低減することのできる電荷増幅回路、物理量センサー装置およびロボットを提供する。【解決手段】電荷増幅回路は、電圧源の電圧を降下させる減衰回路と、前記減衰回路で降下された前記電圧が印加されて電流を発生させる抵抗素子と、前記電流が入力される電荷増幅部と、を有する。また、前記電荷増幅部は、反転入力端および非反転入力端を有し、前記反転入力端および前記非反転入力端の間の電位差を増幅する演算増幅器と、前記演算増幅器の出力端と前記反転入力端との間に接続されるキャパシタと、を有する。【選択図】図1Provided are a charge amplification circuit, a physical quantity sensor device, and a robot that can reduce drift due to leakage current. An electric charge amplifying circuit includes an attenuating circuit for lowering a voltage of a voltage source, a resistance element for generating a current by applying the voltage dropped by the attenuating circuit, and a charge amplifying unit to which the current is input. And The charge amplifying unit has an inverting input terminal and a non-inverting input terminal, and amplifies an electric potential difference between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal; and an output terminal of the operational amplifier and the inverting terminal. A capacitor connected between the input terminal and the input terminal. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、電荷増幅回路、物理量センサー装置およびロボットに関するものである。 The present invention relates to a charge amplification circuit, a physical quantity sensor device, and a robot.
従来から様々な分野において、受けた物理量に応じた大きさの電荷を発生する物理量センサーの利用が盛んに行われている。通常、物理量センサーからの電荷は、増幅回路で電圧信号に変換して用いられている。そして、このような増幅回路としては、例えば、反転入力端、非反転入力端および出力端を有するオペアンプと、反転入力端と出力端との間に並列接続されたキャパシタ(積分コンデンサ)とを有する回路が一般的であり、このような回路によれば、反転入力端から入力された物理量センサーからの電荷がキャパシタに充電され、キャパシタの電圧(すなわち、電荷のキャパシタによる商値)により求められた電圧を出力端から出力することができる。 2. Description of the Related Art Conventionally, in various fields, physical quantity sensors that generate a charge having a magnitude corresponding to a received physical quantity have been actively used. Usually, the electric charge from the physical quantity sensor is converted into a voltage signal by an amplifier circuit and used. Such an amplifier circuit includes, for example, an operational amplifier having an inverting input terminal, a non-inverting input terminal and an output terminal, and a capacitor (integrating capacitor) connected in parallel between the inverting input terminal and the output terminal. The circuit is general, and according to such a circuit, the charge from the physical quantity sensor input from the inverting input terminal is charged in the capacitor, and is obtained from the voltage of the capacitor (that is, the quotient value of the charge by the capacitor). The voltage can be output from the output terminal.
しかしながら、通常、オペアンプの反転入力端には漏れ電流があり、これがキャパシタに充電され、増幅回路を長時間、繰り返し作動させることで、出力端の電圧が初期値から離れ変動してしまう「ドリフト」が発生する。ドリフトが生じたままで物理量の測定を開始すると、この「ドリフト」が測定の誤差となってしまい、物理量を精度よく検知することができない。そのため、従来では、キャパシタと並列接続されたスイッチング素子を設け、物理量の測定開始前にこのスイッチング素子を閉じてキャパシタの両端を短絡し、充電された「ドリフト」分の電荷をゼロにリセットしていた。 However, there is usually a leakage current at the inverting input terminal of the operational amplifier, which is charged to the capacitor and the voltage at the output terminal fluctuates away from the initial value when the amplifier circuit is operated repeatedly for a long time. Will occur. If measurement of a physical quantity is started with drift occurring, this “drift” becomes an error in measurement, and the physical quantity cannot be detected accurately. For this reason, conventionally, a switching element connected in parallel with the capacitor is provided, and before starting the measurement of the physical quantity, the switching element is closed and both ends of the capacitor are short-circuited, and the charged “drift” charge is reset to zero. It was.
また、「ドリフト」を低減する方法として、特許文献1に記載された構成が知られている。特許文献1に記載の電荷増幅回路では、補償電流がキャパシタを介して増幅回路に流れ込むことで漏れ電流が相殺され、ドリフトが低減されるようになっている。 Further, as a method of reducing “drift”, the configuration described in Patent Document 1 is known. In the charge amplifier circuit described in Patent Document 1, the compensation current flows into the amplifier circuit through the capacitor, so that the leakage current is canceled out and the drift is reduced.
しかしながら、特許文献1の構成では、キャパシタとして絶縁抵抗値が大きいフィルムコンデンサが用いられている。このフィルムコンデンサは、あくまでもコンデンサであって、抵抗素子の代替として用いることは想定されておらず、絶縁抵抗値のバラつき(個体差)が抵抗素子と比較して大きく、また、絶縁抵抗値の温度特性や経年劣化についても管理がされていない。そのため、補償電流が漏れ電流を相殺するのに適した大きさからずれてしまい、補償電流によって入力漏れ電流を精度よく相殺することが困難となる。 However, in the configuration of Patent Document 1, a film capacitor having a large insulation resistance value is used as the capacitor. This film capacitor is merely a capacitor and is not supposed to be used as a substitute for a resistance element. The insulation resistance value variation (individual difference) is larger than that of the resistance element, and the temperature of the insulation resistance value There is no control over characteristics and aging. For this reason, the compensation current deviates from a magnitude suitable for canceling the leakage current, and it becomes difficult to accurately cancel the input leakage current by the compensation current.
本発明の目的は、漏れ電流によるドリフトを低減することのできる電荷増幅回路、物理量センサー装置およびロボットを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a charge amplification circuit, a physical quantity sensor device, and a robot that can reduce drift due to leakage current.
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の電荷増幅回路は、電圧源の電圧を降下させる減衰回路と、
前記減衰回路で降下された前記電圧が印加されて電流を発生させる抵抗素子と、
前記電流が入力される電荷増幅部と、を有することを特徴とする。
これにより、漏れ電流によるドリフトを低減することのできる電荷増幅回路が得られる。
Such an object is achieved by the present invention described below.
The charge amplification circuit of the present invention includes an attenuation circuit that drops the voltage of the voltage source,
A resistance element that generates a current by applying the voltage dropped in the attenuation circuit;
And a charge amplifying unit to which the current is input.
As a result, a charge amplifier circuit capable of reducing drift due to leakage current is obtained.
本発明の電荷増幅回路では、前記電荷増幅部は、反転入力端および非反転入力端を有し、前記反転入力端および前記非反転入力端の間の電位差を増幅する演算増幅器と、
前記演算増幅器の出力端と前記反転入力端との間に接続されるキャパシタと、を有することが好ましい。
これにより、電荷増幅回路の構成が簡単となる。
In the charge amplification circuit of the present invention, the charge amplification unit has an inverting input terminal and a non-inverting input terminal, and amplifies a potential difference between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal;
It is preferable to have a capacitor connected between the output terminal of the operational amplifier and the inverting input terminal.
This simplifies the configuration of the charge amplification circuit.
本発明の電荷増幅回路では、前記抵抗素子の抵抗値は、1×108Ω以上1×1011Ω以下の範囲内にあることが好ましい。
これにより、抵抗素子として、その抵抗値や温度特性等を正確に把握可能なものを用いることができる。
In the charge amplifier circuit of the present invention, it is preferable that the resistance value of the resistance element is in a range of 1 × 10 8 Ω to 1 × 10 11 Ω.
Thereby, what can grasp | ascertain the resistance value, a temperature characteristic, etc. correctly can be used as a resistance element.
本発明の電荷増幅回路では、前記減衰回路の減衰率は、1/10,000以上1/10以下の範囲内にあることが好ましい。
これにより、抵抗素子として、その抵抗値や温度特性等を正確に把握可能なものを用いることができる。
In the charge amplification circuit of the present invention, it is preferable that the attenuation rate of the attenuation circuit is in a range of 1 / 10,000 or more and 1/10 or less.
Thereby, what can grasp | ascertain the resistance value, a temperature characteristic, etc. correctly can be used as a resistance element.
本発明の物理量センサー装置は、本発明の電荷増幅回路と、
前記電荷増幅回路に接続されており、物理量に応じた電荷が発生する物理量センサーと、を有することを特徴とする。
これにより、本発明の電荷増幅回路の効果を享受することができ、信頼性の高い物理量センサーが得られる。
The physical quantity sensor device of the present invention includes a charge amplification circuit of the present invention,
A physical quantity sensor connected to the charge amplifying circuit and generating a charge corresponding to the physical quantity.
Thereby, the effect of the charge amplification circuit of the present invention can be enjoyed, and a highly reliable physical quantity sensor can be obtained.
本発明の物理量センサー装置では、前記電荷増幅回路の温度に基づいて前記電圧源の電圧を制御する電圧源回路を有することが好ましい。
これにより、より効果的に漏れ電流によるドリフトを低減することができる。
The physical quantity sensor device of the present invention preferably includes a voltage source circuit that controls the voltage of the voltage source based on the temperature of the charge amplification circuit.
Thereby, the drift by leakage current can be reduced more effectively.
本発明の物理量センサー装置では、前記物理量センサーが物理量を受けていないときの前記電荷増幅回路の出力に基づいて前記電圧源の電圧を制御する電圧源回路を有することが好ましい。
これにより、より効果的に漏れ電流によるドリフトを低減することができる。
The physical quantity sensor device of the present invention preferably includes a voltage source circuit that controls the voltage of the voltage source based on an output of the charge amplification circuit when the physical quantity sensor does not receive a physical quantity.
Thereby, the drift by leakage current can be reduced more effectively.
本発明の物理量センサー装置では、前記物理量センサーは、力覚センサーであることが好ましい。
これにより、物理量センサー装置をロボットに適用し易くなる。
In the physical quantity sensor device of the present invention, it is preferable that the physical quantity sensor is a force sensor.
This makes it easy to apply the physical quantity sensor device to a robot.
本発明の物理量センサー装置では、前記物理量センサーは、トルクセンサーであることが好ましい。
これにより、物理量センサー装置をロボットに適用し易くなる。
In the physical quantity sensor device of the present invention, it is preferable that the physical quantity sensor is a torque sensor.
This makes it easy to apply the physical quantity sensor device to a robot.
本発明のロボットは、本発明の電荷増幅回路を備えることを特徴とする。
これにより、本発明の電荷増幅回路の効果を享受することができ、信頼性の高いロボットが得られる。
A robot according to the present invention includes the charge amplification circuit according to the present invention.
Thereby, the effect of the charge amplification circuit of the present invention can be enjoyed, and a highly reliable robot can be obtained.
以下、本発明の電荷増幅回路、物理量センサー装置およびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a charge amplification circuit, a physical quantity sensor device, and a robot of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る物理量センサー装置を示す回路図である。図2は、図1に示す電荷増幅回路からの出力の一例を示すグラフである。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a circuit diagram showing a physical quantity sensor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a graph showing an example of an output from the charge amplifier circuit shown in FIG.
図1に示す物理量センサー装置1は、電荷増幅回路2と、電荷増幅回路2に接続されており、物理量に応じた電荷が発生する物理量センサー3と、を有している。また、電荷増幅回路2は、電圧源回路4(電圧源)の電圧Vaを降下させる減衰回路21と、減衰回路21で降下された電圧Vaが印加されて電流を発生させる抵抗素子23と、電流が入力される電荷増幅部22と、を有している。また、電荷増幅部22は、反転入力端221a、非反転入力端221bおよび出力端221cを有し、反転入力端221aおよび非反転入力端221bの間の電位差を増幅する演算増幅器221(オペアンプ)と、演算増幅器221の出力端221cと反転入力端221aとの間に接続されるキャパシタ222(積分コンデンサ)と、を有している。このような物理量センサー装置1では、物理量センサー3から出力される電荷信号がキャパシタ222に充電され、キャパシタ222の電圧(すなわち電荷のキャパシタ222による商値)により求められた電圧が出力端221cから出力される。
A physical quantity sensor device 1 shown in FIG. 1 includes a
ここで、通常、演算増幅器221の反転入力端221aには漏れ電流があり、この漏れ電流がキャパシタ222に充電され、物理量センサー装置1を長時間、繰り返し作動させることで出力端221cの電圧が初期値から離れ変動してしまう「ドリフト」現象が発生する。ドリフトが生じたままで物理量の測定を開始すると、このドリフトが測定の誤差となってしまい物理量を精度よく検知することができないという問題が生じる。しかしながら、電荷増幅回路2では、減衰回路21によって降下された電圧が抵抗素子23に印加されたことで発生した微少な補償電流が反転入力端221aに流れ込むことで漏れ電流が相殺されるようになっているため、前述のドリフトを低減することができる。電荷増幅回路2では、減衰回路21により降下された低い電圧を用いることで、特許文献1のような極めて高い抵抗値を持つフィルムコンデンサの絶縁抵抗ではなく、抵抗素子23を用いて漏れ電流相当の微少な補償電流を発生させることができる。抵抗素子23はキャパシタの絶縁抵抗と異なり、抵抗値のバラつきや温度特性、経年劣化特性が保証された抵抗を用いることができるため、発生させる補償電流を正確にコントロールすることができる。そのため、このような電荷増幅回路2の効果を享受できる物理量センサー装置1は、高い信頼性を発揮することができる。以下、このような物理量センサー装置1について詳細に説明する。
Here, normally, there is a leakage current at the inverting
<物理量センサー>
物理量センサー3は、測定対象の物理量に対応する電荷を発生する。このような物理量センサー3としては特に限定されないが、水晶、トパーズ、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電体、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)等の圧電性有機フィルムの圧電効果を利用した圧電体センサーであることが好ましい。これにより、圧電体センサーからの高インピーダンスの電荷信号を電荷増幅回路2によって低インピーダンスの電圧信号に変換することができる。なお、上記のような圧電体センサーの中でも、特に、水晶を用いた圧電体センサーであることが好ましい。これは、水晶を用いた圧電体センサーは、広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有するためである。
<Physical quantity sensor>
The
また、圧電体センサーとしては特に限定されず、例えば、加速度センサー、角速度センサー、圧力センサー、力覚センサー、トルクセンサー等が挙げられるが、これらの中でも特に力覚センサー、トルクセンサーであることが好ましい。物理量センサー3を力覚センサーやトルクセンサーとすることで、後述する第3実施形態で述べるように、物理量センサー装置1をロボットに適用し易くなる。
Further, the piezoelectric sensor is not particularly limited, and examples thereof include an acceleration sensor, an angular velocity sensor, a pressure sensor, a force sensor, a torque sensor, and the like. Among these, a force sensor and a torque sensor are particularly preferable. . By using the
なお、物理量センサー3としては、測定対象の物理量が加わると、その物理量に対応する電荷を発生するものであれば、上記の物に限定されず、例えば、圧電効果を利用しないセンサーであってもよい。また、検出する物理量としても特に限定されず、例えば、光を検出するものであってもよい。
The
このような物理量センサー3の一方の電極は、反転入力端221aに接続され、他方の電極は、グランドに接続されている。
One electrode of such a
<電荷増幅回路>
図1に示すように、演算増幅器221は、反転入力端221a、非反転入力端221bおよび出力端221cを有し、反転入力端221aと非反転入力端221bとの間の電位差を増幅し、この増幅電圧を出力端221cに出力する。反転入力端221aは、物理量センサー3の一方の電極と接続されており、物理量センサー3からの電荷が反転入力端221aに流れ込むようになっている。一方、非反転入力端221bは、グランドに接続されている。また、反転入力端221aと出力端221cとの間にはキャパシタ222が並列接続されている。物理量センサー3から電荷が発生すると、反転入力端221aと非反転入力端221bとの間に、当該電荷と同極性の電位差が発生する。演算増幅器221は、当該電位差を反転増幅し、出力端221cに出力する。これによりキャパシタ222の出力端221c側の電極に物理量センサー3から発生した電荷の逆極性の電荷が発生する。このときキャパシタ222の反転入力端221a側の電極に、さらにその逆極性、すなわち物理量センサー3から発生した電荷と同極性の電荷が誘起するが、これは物理量センサー3から発生した電荷がキャパシタ222に移動することで行われる。この電荷の移動により反転入力端221aと非反転入力端221bとの間の電位差が減少するため、当該電位差が略ゼロ(0)となるまで演算増幅器221の反転増幅動作が継続し、物理量センサー3から発生した電荷が全てキャパシタ222に移動する。その結果としてキャパシタ222の両端に発生した電圧は発生した電荷をキャパシタ222のキャパシタンスで除した電圧となる。このように、電荷増幅部22が演算増幅器221とキャパシタ222とを有することで、電荷増幅部22(電荷増幅回路2)の構成が簡単となる。
<Charge amplification circuit>
As shown in FIG. 1, the
また、反転入力端221aと出力端221cとの間にはキャパシタ222と同様にスイッチング素子223が並列接続されている。このスイッチング素子223により、キャパシタ222に充電されたドリフト分の電荷をゼロ(0)にリセットすることができる。具体的には、スイッチング素子223がオフの場合、物理量センサー3から出力された電荷は、キャパシタ222に蓄えられ、物理量センサー3が受けた物理量に応じた大きさの電圧が出力端221cから出力される。一方、スイッチング素子223がオンになった場合、キャパシタ222の両端子間が短絡されるため、キャパシタ222に蓄えられた電荷が放電される。これにより、キャパシタ222に充電されたドリフト分の電荷をゼロにリセットすることができる。
A switching
減衰回路21および抵抗素子23は、電圧Vaから漏れ電流を相殺するための電流Iaを生成し、この電流を反転入力端221aに流し込むための回路である。なお、電流Iaは、漏れ電流と絶対値がほぼ同じで逆の極性を有している。このような構成とすることで、電流Iaによって漏れ電流をキャンセルすることができ、前述したドリフトを低減することができる。そのため、優れた検出精度を発揮することのできる物理量センサー装置1となる。特に、減衰回路21と抵抗素子23を用いて電圧Vaを減衰させることで、抵抗素子23の抵抗を従来(例えば、前述した特許文献1の構成)よりも小さくすることができる。そのため、抵抗素子23として、その抵抗値や温度特性等を正確に把握可能なものを用いることができ、より正確に電流Iaを生成することができ、電流Iaによって漏れ電流を相殺することができる。
The
ここで、電圧Vaの大きさとしては特に限定されず、例えば、−5V以上、+5V以下とすることができる。また、電圧Vaは、電圧源回路4から印加されるようになっている。また、電圧源回路4は、漏れ電流の大きさに応じて端子24に印加する電圧Vaの大きさを調整している。これにより、漏れ電流を電流Iaによって精度よく相殺することができる。
Here, the magnitude of the voltage Va is not particularly limited, and can be, for example, −5 V or more and +5 V or less. The voltage Va is applied from the
例えば、漏れ電流の大きさは、温度によって変化し、通常、温度が高くなる程、漏れ電流が大きくなる。そのため、電圧源回路4は、電荷増幅回路2の温度に基づいて端子24に印加する電圧Vaの大きさを制御するように構成されているのが好ましい。具体的には、例えば、予め電荷増幅回路2の温度と漏れ電流の大きさとの関係をテーブル(関係式)にして記憶しておき、さらには電荷増幅回路2の温度を検知する図示しない温度センサーを設け、温度センサーで検知された電荷増幅回路2の温度と前記テーブルとに基づいて、端子24に印加する電圧Vaの大きさを制御するように構成されているのが好ましい。これにより、より効果的に、漏れ電流によるドリフトを低減することができる。
For example, the magnitude of the leakage current varies depending on the temperature. Normally, the leakage current increases as the temperature increases. Therefore, the
また、別の構成として、電圧源回路4は、例えば、物理量センサー3が物理量を受けていないときの電荷増幅回路2の出力に基づいて、言い換えると、漏れ電流に起因した出力に基づいて端子24に印加する電圧Vaの大きさを制御するように構成されていているのが好ましい。例えば、物理量センサー3が物理量を受けていないときの電荷増幅回路2の出力(端子25の出力)が図2に示すように経時的に増大する場合には、この出力が一定となるように電源電圧Vaの大きさを制御すればよい。これにより、より効果的に、漏れ電流によるドリフトを低減することができる。
As another configuration, the
減衰回路21は、電圧Vaが印加される端子24と抵抗素子23との間に配置されており、電圧Vaを所定の減衰率で減衰させる回路である。減衰回路21は、直列接続された2つの抵抗素子211、212を有し、一端が端子24に接続され、他端がグランドに接続されている。このような減衰回路21では、抵抗素子211の抵抗をR1とし、抵抗素子212の抵抗をR2としたとき、R2/(R1+R2)の減衰率で電源電圧Vaを減衰させることができる。ここで、減衰回路21の減衰率としては、特に限定されないが、1/10,000以上、1/10以下であることが好ましく、1/100以上、1/20以下であることがより好ましい。減衰率をこのような範囲とすることで、減衰回路21によって電圧Vaをノイズに埋もれない範囲で十分に低くすることができ、その分、抵抗素子23の抵抗値を低く抑えることができる。そのため、抵抗素子23として、その抵抗値や温度特性等を正確に把握可能なものを用いることができる。
The
2つの抵抗素子211、212としては、特に限定されないが、その抵抗値や温度特性等を正確に把握可能なものを用いることが好ましい。これにより、減衰率を正確に把握することができる。このような抵抗素子211、212としては、例えば、炭素皮膜抵抗器、金属被膜抵抗器、酸化金属皮膜抵抗器、巻線抵抗器、ホウロウ抵抗器、セメント抵抗器等を用いることができる。
The two
一方、抵抗素子23の抵抗値としては、特に限定されないが、例えば、1×108Ω以上、1×1011Ω以下であることが好ましく、1×108Ω以上、1×1010Ω以下であることがより好ましい。このような範囲の抵抗値とすることで、漏れ電流に対応した十分に小さい電流Iaを生成することができる。また、このような範囲の抵抗値を有する抵抗素子23として、その抵抗値や温度特性等を正確に把握可能なものを用いることができる。なお、現状では、抵抗値が1×1012Ω以上となると、抵抗素子23として、その抵抗値や温度特性等を正確に把握可能なものを用いることが技術的かつコスト的に困難となる。
On the other hand, the resistance value of the
このような抵抗素子23としては、特に限定されないが、高抵抗で、温度特性が小さいものが好ましく、例えば、炭素皮膜抵抗器、金属被膜抵抗器、酸化金属皮膜抵抗器、巻線抵抗器、ホウロウ抵抗器、セメント抵抗器等を用いることができる。
Such a
<第2実施形態>
図3は、本発明の第2実施形態に係る物理量センサー装置の回路図である。図4は、図3に示す物理量センサー装置が有する物理量センサーの平面図である。図5は、図4に示す物理量センサーが有するセンサー素子の断面図である。
Second Embodiment
FIG. 3 is a circuit diagram of a physical quantity sensor device according to the second embodiment of the present invention. 4 is a plan view of a physical quantity sensor included in the physical quantity sensor device shown in FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of a sensor element included in the physical quantity sensor shown in FIG.
本実施形態に係る物理量センサー装置は、主に、物理量センサーが力覚センサーとトルクセンサーとを兼ねる複合センサーであること以外は、前述した第1実施形態の物理量センサー装置と同様である。 The physical quantity sensor device according to the present embodiment is the same as the physical quantity sensor device of the first embodiment described above except that the physical quantity sensor is a composite sensor that serves both as a force sensor and a torque sensor.
なお、以下の説明では、第2実施形態の物理量センサー装置に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図3ないし図5では前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。 In the following description, the physical quantity sensor device according to the second embodiment will be described with a focus on differences from the above-described embodiment, and description of similar matters will be omitted. 3 to 5, the same reference numerals are given to the same configurations as those of the above-described embodiment.
物理量センサー3は、力覚センサーおよびトルクセンサーを兼ねる複合センサーであり、6軸力(互いに直交するX、Y、Z軸方向の並進力成分およびX、Y、Z軸まわりの回転力成分)を検出する機能を有している。図4に示すように、物理量センサー3は、2つの基板31、32と、これら基板31、32の間に挟持された4つのセンサー素子33と、を有している。2つの基板31、32は、図示しない与圧ボルトにより固定されている。また、4つのセンサー素子33は、基板31、32の外周部に沿って等間隔(90°間隔)に配置されている。
The
各センサー素子33は、互いに直交する3軸(X軸、Y軸、Z軸)に沿って加えられた外力のそれぞれに応じて3つの電荷Qx、Qy、Qzを出力する機能を有している。図5に示すように、センサー素子33は、グランドに接地された4つのグランド電極層34と、Y軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qyを出力する第1センサー35と、Z軸に平行な外力(圧縮/引張力)に応じて電荷Qzを出力する第2センサー36と、X軸に平行な外力(せん断力)に応じて電荷Qxを出力する第3センサー37と、を有し、グランド電極層34と各センサー35、36、37が交互に積層されている。
Each
第1センサー35は、Y軸の負方向に配向した第1結晶軸CA1を有する第1圧電体層351と、Y軸の正方向に配向した第2結晶軸CA2を有する第2圧電体層353と、第1圧電体層351と第2圧電体層353との間に設けられ、電荷Qyを出力する出力電極層352と、を有している。なお、第1圧電体層351および第2圧電体層353は、例えば、Yカット水晶板で構成することができる。
The
第2センサー36は、Z軸の正方向に配向した第3結晶軸CA3を有する第3圧電体層361と、Z軸の負方向に配向した第4結晶軸CA4を有する第4圧電体層363と、第3圧電体層361と第4圧電体層363との間に設けられ、電荷Qzを出力する出力電極層362と、を有している。なお、第3圧電体層361および第4圧電体層363は、例えば、Xカット水晶板で構成することができる。
The
第3センサー37は、X軸の負方向に配向した第5結晶軸CA5を有する第5圧電体層371と、X軸の正方向に配向した第6結晶軸CA6を有する第6圧電体層373と、第5圧電体層371と第6圧電体層373との間に設けられ、電荷Qxを出力する出力電極層372と、を有している。なお、第5圧電体層371および第6圧電体層373は、例えば、Yカット水晶板で構成することができる。
The
以上、物理量センサー3について説明した。図3に示すように、本実施形態の物理量センサー装置1では1つのセンサー素子33について3つの電荷増幅回路2が接続されており、これら3つの電荷増幅回路2は、電荷Qx、Qy、Qzに対応している。また、各電荷増幅回路2には、前述した第1実施形態と同様に電圧源回路4が接続されている。そして、各電荷増幅回路2から出力された電圧Vx、Vy、Vzは、外力検出回路6に入力され、外力検出回路6によって、X軸方向の並進力成分、Y軸方向の並進力成分、Z軸方向の並進力成分、X軸まわりの回転力成分、Y軸まわりの回転力成分、Z軸まわりの回転力成分が検出されるようになっている。
The
このような第2実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。なお、本実施形態の物理量センサーは、力覚センサーとトルクセンサーとを兼ねた複合センサーであるが、物理量センサーとしては、特に限定されず、力覚センサーであってもよいし、トルクセンサーであってもよいし、他の物理量を検出するセンサーであってもよい。 Also according to the second embodiment, the same effects as those of the first embodiment described above can be exhibited. The physical quantity sensor of the present embodiment is a composite sensor that serves as both a force sensor and a torque sensor. However, the physical quantity sensor is not particularly limited, and may be a force sensor or a torque sensor. It may be a sensor that detects other physical quantities.
<第3実施形態>
図6は、本発明の第3実施形態に係るロボットの斜視図である。
<Third Embodiment>
FIG. 6 is a perspective view of a robot according to the third embodiment of the present invention.
図6に示すロボット9は、例えば、精密機器等の工業製品を製造する製造工程で用いることのできるロボットである。同図に示すように、ロボット9は、例えば床や天井に固定されるベース91と、ベース91に回動自在に連結されたアーム92と、アーム92に回動自在に連結されたアーム93と、アーム93に回動自在に連結されたアーム94と、アーム94に回動自在に連結されたアーム95と、アーム95に回動自在に連結されたアーム96と、アーム96に回動自在に連結されたアーム97と、これらアーム92〜97の駆動を制御する制御部98と、を有している。また、アーム97にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にはロボット9に実行させる作業に応じたエンドエフェクター99が装着される。
The robot 9 shown in FIG. 6 is a robot that can be used in a manufacturing process for manufacturing industrial products such as precision equipment. As shown in the figure, the robot 9 includes, for example, a base 91 fixed to a floor or a ceiling, an
このようなロボット9には、エンドエフェクター99に加えられる外力を検出する物理量センサー装置1が設けられている。そして、物理量センサー装置1が検出する力を制御部98にフィードバックすることにより、ロボット9は、より精密な作業を実行することができる。また、物理量センサー装置1が検出する力によって、ロボット9は、エンドエフェクター99の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、ロボット9は、より安全に作業を実行することができる。なお、この他にも、例えば、トルクセンサー装置としての物理量センサー装置1を各アーム92、93、94、95、96、97の関節部に配置してもよいし、力覚センサー装置としての物理量センサー装置1をエンドエフェクター99の指先に配置してもよい。
Such a robot 9 is provided with a physical quantity sensor device 1 that detects an external force applied to the
このように、ロボット9は、前述した物理量センサー装置1を有し、物理量センサー装置は、電荷増幅回路2を有しているため、前述した電荷増幅回路2の効果を享受することができ、信頼性の高いロボット9となる。
Thus, since the robot 9 has the physical quantity sensor device 1 described above and the physical quantity sensor device has the
このような第3実施形態によっても、前述した第1実施形態の効果を発揮することができる。なお、ロボットの構成としては特に限定されず、例えば、アームの数が本実施形態と異なっていてもよい。また、ロボットとしては、所謂、スカラロボットや双腕ロボットであってもよい。 The effect of the first embodiment described above can also be exhibited by the third embodiment. In addition, it does not specifically limit as a structure of a robot, For example, the number of arms may differ from this embodiment. The robot may be a so-called SCARA robot or double-arm robot.
以上、本発明の電荷増幅回路、物理量センサー装置およびロボットについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。 The charge amplification circuit, the physical quantity sensor device, and the robot of the present invention have been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each unit is an arbitrary function having the same function. It can be replaced with the configuration of In addition, any other component may be added to the present invention. Moreover, you may combine each embodiment suitably.
1…物理量センサー装置、2…電荷増幅回路、21…減衰回路、211、212…抵抗素子、22…電荷増幅部、221…演算増幅器、221a…反転入力端、221b…非反転入力端、221c…出力端、222…キャパシタ、223…スイッチング素子、23…抵抗素子、24、25…端子、3…物理量センサー、31、32…基板、33…センサー素子、34…グランド電極層、35…第1センサー、351…第1圧電体層、352…出力電極層、353…第2圧電体層、36…第2センサー、361…第3圧電体層、362…出力電極層、363…第4圧電体層、37…第3センサー、371…第5圧電体層、372…出力電極層、373…第6圧電体層、4…電圧源回路、6…外力検出回路、9…ロボット、91…ベース、92、93、94、95、96、97…アーム、98…制御部、99…エンドエフェクター、CA1…第1結晶軸、CA2…第2結晶軸、CA3…第3結晶軸、CA4…第4結晶軸、CA5…第5結晶軸、CA6…第6結晶軸、Ia…電流、Qx、Qy、Qz…電荷、Va…電源電圧、Vx、Vy、Vz…電圧
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Physical quantity sensor apparatus, 2 ... Charge amplification circuit, 21 ... Attenuation circuit, 211, 212 ... Resistance element, 22 ... Charge amplification part, 221 ... Operational amplifier, 221a ... Inverting input terminal, 221b ... Non-inverting input terminal, 221c ... Output terminal, 222, capacitor, 223, switching element, 23, resistance element, 24, 25 ... terminal, 3 ... physical quantity sensor, 31, 32 ... substrate, 33 ... sensor element, 34 ... ground electrode layer, 35 ... first sensor 351: First piezoelectric layer, 352: Output electrode layer, 353: Second piezoelectric layer, 36: Second sensor, 361: Third piezoelectric layer, 362: Output electrode layer, 363: Fourth
Claims (10)
前記減衰回路で降下された前記電圧が印加されて電流を発生させる抵抗素子と、
前記電流が入力される電荷増幅部と、を有することを特徴とする電荷増幅回路。 An attenuation circuit for dropping the voltage of the voltage source;
A resistance element that generates a current by applying the voltage dropped in the attenuation circuit;
A charge amplifying circuit comprising: a charge amplifying unit to which the current is input;
前記演算増幅器の出力端と前記反転入力端との間に接続されるキャパシタと、を有する請求項1に記載の電荷増幅回路。 The charge amplification section has an inverting input terminal and a non-inverting input terminal, and an operational amplifier that amplifies a potential difference between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal;
The charge amplification circuit according to claim 1, further comprising a capacitor connected between an output terminal of the operational amplifier and the inverting input terminal.
前記電荷増幅回路に接続されており、物理量に応じた電荷が発生する物理量センサーと、を有することを特徴とする物理量センサー装置。 The charge amplification circuit according to any one of claims 1 to 4,
A physical quantity sensor device comprising: a physical quantity sensor connected to the charge amplification circuit and generating a charge corresponding to the physical quantity.
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