JP6117919B2 - 力を測定するための測定エレメント、測定本体及び測定配置、並びにそのような測定本体の使用 - Google Patents

Description

本発明は、面ｘ−ｙにおいて平滑にされ、そして面ｘ−ｙ上に垂直に作用する力Ｆｚを測定するために測定本体内に設置するよう意図される、対称族３２の結晶、特に、水晶でできた圧電測定エレメントに関する。そのような力Ｆｚは、力を受け電極を備えている測定エレメントの表面に電荷蓄積を引き起こす。この点において、本発明は測定エレメントのみに関し、その中で、力Ｆｚに直交して作用し、測定エレメントで誤差信号を生成する横力Ｆｘｙが、測定中に測定本体上に予想される。

圧力センサ又は力センサは、多くの用途で使用されている。そのようなセンサはしばしば、異なる力、すなわち全ての３つのデカルト方向ｘ、ｙ、ｚからの力、せん断力及びモーメントを同時に受ける。例示的用途は、製造プロセス、特に、力を加えることによってｘ−ｙ方向に併進運動が行われるフライス作業、平削り作業等における切断力の測定である。それぞれの用途に依存して、これらの力の幾つかが測定される必要がある。この文脈において、ｚ方向、ｘ方向及びｙ方向の力、並びにｚ方向のモーメントＭｚが通常特に関心事であり、処理される加工物の表面はｘ−ｙ方向に伸び、そしてその表面法線はｚ方向に伸びている。

そのような測定において、個々の力成分は，いずれにしても、他の力又はモーメントから独立して測定される必要がある。この目的のために、センサは、それぞれ一つの成分を測定する幾つかの個々の測定エレメントを備えた測定本体を含む。測定エレメントは通常、ディスク又は有孔ディスクにおいて実現され、圧電材料から成る。一定の数の正及び負の単位電荷が、測定エレメントの反対側の表面上に、特定の方向に作用する力に比例して発せられる。測定エレメントのそれぞれの表面上の電極はこれらの電荷を集め、特別の絶縁線中の電荷コンバータ又は増幅器に最終的に運ばれる。測定エレメントは負の力も測定することができ、そして電極との接触が常に確保されるように、予応力下でセンサ中又は測定本体中に設置する必要がある。

幾つかの力成分又はモーメントを同時に測定するために、異なるタイプの圧電又はピエゾ抵抗板を使用することができる。例えば、多成分センサにおいて、異なる板を互いの上面に積み重ねることが知られており、ここで各板は一つの力成分又は一つのモーメント成分のみを測定でき、そして力及びモーメントの全ての他の影響を比較的受けにくい。これらの板は通常、ディスク又は有孔ディスクの形態で成形される。有孔ディスクの形をした板の有利な点は、中央取付けボルトを使用できることに見ることができる。

しかしながら、特に、対称群３２の結晶から成り、板表面上に垂直に作用する力Ｆｚを測定するために意図されている圧電測定エレメントにおいて、成分Ｆｘ及びＦｙから構成される横力ＦｘｙがＦｚに対して直交してかけられる場合に、クロストークが起きることが測定された。そのような横力Ｆｘｙが生じるとき、これらのＦｚ測定エレメントは、電極と電気的接触状態にある表面上に、電荷が一定量で発せされる干渉信号を発生する。

このように作り出された干渉信号は、力Ｆｚのみに起因して生み出される信号上にそれが重ねられるので、得られた測定信号を歪める。干渉信号は、測定エレメントによって測定されるべきでない成分Ｆｘｙの公称値の５〜１０パーセントに容易に達することができる。このように、系統的測定誤差が作り出される。Ｆｚの測定中に、クロストークにより作り出された干渉信号は、Ｆｚによって引き起こされた信号と比較して大きなものであり得、そしてその量は、特に、例えば、フライス又は平削り作業においてそうであるように、横力Ｆｘｙの量が法線力Ｆｚよりも数倍大きい場合、測定エレメントを用いて測定されるべきである。

横力Ｆｘｙによって方向Ｆｚに生み出される干渉信号は、対称群３２の圧電結晶から切り出される前述の測定エレメントにおいてのみ生じる。結晶板は、結晶学的Ｘ軸に垂直に作製された結晶の切片を用いて最終的に作り出される。これによって、力を測定するために特別に良く適合する、縦効果を備えた結晶板となり、これが、それらが前述の用途に好ましく使用される理由である。しかしながら、そのような測定エレメントにおいて、前述のクロストーク及び関連した干渉信号の発生が前述の用途において起こる。

異なる結晶学的方位を備えた他の測定エレメントは、横力Ｆｘｙが力Ｆｚに対して直交して測定エレメントに作用するとき、異なるように挙動する。それ故に本発明の対象物ではない。

これらの他の測定エレメントには、例えば、異なる圧電材料及び異なる点群からの材料、及び、例えば、ピエゾ抵抗材料又はピエゾセラミックスなどの結晶以外の材料でできた測定エレメントが挙げられる。これらの他の測定エレメントには、また、例えば、加速又はモーメント又はせん断力を測定するためなどの、面方位に対して垂直に作用する力を測定する以外の用途のために設計された測定エレメントの全てのタイプが挙げられる。これらのタイプの他の測定エレメントは、それぞれ本発明の対象ではない。

本発明の目的は、測定エレメント上に作用する横力Ｆｘｙによって引き起こされるクロストークが、負荷容量の顕著な損失なしで減少する、最初に記述されたタイプの測定エレメントを開示することである。従って、本発明は、クロストークが各々著しく低減される、測定本体、測定配置、及びそのような測定本体の使用を開示する。本発明は、また、そのような測定エレメントを殆ど労力なしにコスト効率的に製造する方法を開示することを目的とする。

これらの目的は、独立請求項の特徴によって達成される。

本発明は、本発明の測定エレメントが、直線的な側面を備えた少なくとも４つの、好ましくは８つの同一の測定エレメントセグメントから成るという考えに立っており、セグメントは互いに近くで隣接して配置され、側面で狭い隙間で離間してｘ−ｙ面内にあり、また、該セグメントは合同して、ディスク又は有孔ディスクの形を形成する。本発明によれば、例えば結晶の結晶学的Ｙ軸に平行にそれぞれが伸びる結晶方位は、全てのセグメントのｘ−ｙ面内で同じ方向に又は互いに直交して付加的に整列されるべきである。

この文脈では、用語「同一の」は、測定エレメントセグメントが同じ構成を有すること、すなわちそれらが同じ材料から成ること、そして特に、同じ形、寸法及びｘ−ｙ面に垂直に作用する力に対する感度を有することを意味する。横力Ｆｘｙによって引き起こされる測定エレメント上の干渉信号は、本発明の配置で減少される。

本発明は、図面を参照してもっと詳細に以下に記述される。これらの図において：
従来技術による測定エレメントの模式的上面図を示す。 ４つのセグメントを備えた本発明の測定エレメントの模式的上面図を示す。 ８つのセグメントを備えた本発明の測定エレメントの模式的上面図を示す。 本発明の測定本体の模式図を示す。 隣接して配置される本発明の測定エレメント対の模式図を示す。 本発明の測定配置の模式図を示す。 ａ）図１による固体石英ディスクにおいて；ｂ）図２による４つのセグメントを備えた測定エレメントにおいて；ｃ）図３による８つのセグメントを備えた、そして交互の結晶方位を備えた測定エレメントにおいて；Ｆｘｙの作用αの方向の結晶方位との一致に依存する横力Ｆｘｙによって引き起こされた干渉信号の測定された振幅Ｆｚを示す。

（本発明を実施する方法）
図を参照して、本発明を以下にもっと詳細に記述する。同一の成分／状況はそれぞれ、同じ参照符号によって識別される。

図１は、例えばディスク１０の形態の圧電測定エレメント４のような、従来技術による一体の測定エレメント４を示し、この場合、中央開口部３を備えた有孔ディスク１０の形態で実現される。測定エレメント４は、図において見ることができないその下面全体５を有した電極６上に位置している。示されていない第２の電極６’は測定エレメントディスク４の上面５’上に位置している。ディスク１０はｘ、ｙ方向に伸び、それに対する法線をｚと称する。測定エレメント４の結晶方位１１は表面ｘ−ｙ内で如何なる方向にも整列される。この結晶方位１１は結晶の切片を言い、例えば、結晶構造の向きＹ又はＺを指す。図１において、それはｙ方向に整列され、棒の形態で図示されている。測定エレメント４は、ディスク１０上にｚ方向に作用している力Ｆｚを、示されていない対応する線上の二つの電極６、６’によって拾うことができる、対応する測定信号を生み出すように実現される。

力Ｆｚに垂直に伸びている横力Ｆｘｙは、電極６、６’上に蓄積し、そして誤差信号に繋がる、ある量の電荷量子を意図せずに発生することが測定された。この誤差信号は、結晶構造１１の向きと、そこから横力Ｆｘｙがかけられる、ｘ−ｙ面内の向きαの一致度に関連して、正弦形態でその振幅を変える。図７ａは、適用角度（angle of application）と結晶方位１１の一致度に依存する干渉信号Ｆｘｙの振幅を示す。例えば、誤差信号は、結晶構造１１がｙ方向に伸び、横力Ｆｘｙがｘ方向に伸びる場合に最大である。従って、結晶方位１１及び横力Ｆｘｙが互いに平行に伸びる場合、誤差信号はゼロである。

図２は、電極６上、及び測定エレメント４の見ることができる表面５’上に横たわる、示されていない電極６’の下方に同様に位置する測定エレメント４の本発明の実施態様を示す。図１における測定エレメントに類似して、この測定エレメント４もまた対称族３２の結晶、特に、石英から成る圧電測定エレメントである。それは面ｘ−ｙ中に平滑に実現され、そして面ｘ−ｙに垂直に作用する力Ｆｚを測定するために測定本体内に設置されることが意図されている。

図１において示された測定エレメントとは対照的に、この測定エレメント４は４つの同一の測定エレメントセグメント７に分割される。これらのセグメントは、例えば、図１による有孔ディスクを、直交切片により２度中央を通って、切断することによって作製し得る。ディスク１０又はそのセグメント７の結晶構造１１のそれぞれの向きは、棒の形態で図示され、そしてこの場合全て同じ方向に整列される。同様に、それらは全てｙ方向に互いに平行に伸びる。

測定エレメントセグメント７はｘ−ｙ面内に在り、直線的側面８、８’を有し、そこでそれらは隣接するセグメント７の近くに配置され、そしてそこから狭い隙間９だけ離間させられる。例えば、隙間幅９はディスク１０を切断するのに使用される鋸の歯の幅に対応してもよい。電極６、６’の間のそれらの配置において、セグメント７は、隙間９と併せて、中央開口部３を備えた又は備えないディスク又は有孔ディスク１０の形を形成する。

実際の用途において、力Ｆｚは、測定エレメント４上に、又はセグメント７の電極６、６’上に垂直にそれぞれ作用する。圧電測定エレメント４は、正及び負の電荷量を表面５、５’上に生成し、それらを、表面５、５’と電気的に接続状態にある電荷を蓄積する電極６、６’に送る。これらの電極は、評価目的のために、電極と電気的に接触状態にある、示されていない線に最終的に電荷を送る。

最大の干渉信号の振幅は、測定エレメント４が、図１において図示されたような１個で実現される代わりに、図２に図示されたような４つのセグメント７に分割される場合、約半分に減ることが測定された。図７ｂは、図２による４つのセグメント７を備えた測定エレメント中で、干渉力Ｆｘｙによって引き起こされる対応する干渉信号の振幅を示す。

セグメント化に関して、測定エレメントの負荷容量が著しく減少されないように、測定エレメントディスク１０の全表面が過剰に減少されないことが、当然保証されるべきである。セグメント７の間の隙間９は、通常、ディスク又は有孔ディスク１０の全表面の２０パーセントを超えない、好ましくは１０パーセントを超えない量にするべきである。しかしながら、理論的ディスク１０の形態におけるそれらの配置において、そうでなければ誤差が再度生じるであろう故に、セグメント７は互いに接触することができない。従って、セグメント７は全有孔ディスク表面１０の少なくとも８０パーセント、好ましくは、少なくとも９０パーセントを覆う。

しかしながら、図３は８つのセグメント７に分割される、図２による発明測定エレメントを示す。図２における全てのセグメント７の結晶方位１１は、ｘ−ｙ面において同じ方向に、すなわち、ｙ方向に互いに平行に整列されたのに対し、図３における隣接するセグメント７の結晶方位１１は、本発明によればｘ−ｙ面の交互方向に互いに直交に整列される。

横力Ｆｘｙはセグメント７上に誤差信号を引き起こし、これは別のセグメント７によって部分的に相殺される。図３において示される配置に対するセグメント７は、硬い一体のディスク１０をいくつかの断片に切ることによって同様に作製されてもよく、例えば、第２のセグメント７毎に引き続いて取り除かれ、９０度回転され、そして再度、回転方向に関して隣の位置の後の位置に置かれる。

電極６、６’は、図で説明されたように、ディスク又は有孔ディスクの形態で連続的に形成されてもよい。この場合、それらは、少なくともセグメント７の両側に対してディスク又は有孔ディスク１０の表面を連続的に覆う。

図７ｃは、干渉力Ｆｘｙがかかる方向に依存して、図３による８つのセグメント７を備えた測定エレメントにおいて干渉力Ｆｘｙによって引き起こされる干渉信号の振幅を示し、セグメント７は異なる結晶方位を有する。この場合、干渉信号の振幅は、図１における元の干渉信号のほぼ１／８の量になる。

しかしながら、測定エレメント４の全てのセグメント７は同一であることが常に確保されるべきである。この文脈において、「同一である」は、それらが同じ材料でできていること、そしてＺ方向に作用する力に対して同じ感度を有することを意味する。それらの形及び寸法もまた同一である。それらは、測定エレメント４における配置に関して、すなわち、ディスクを切断する前の個々のセグメントの元の位置に従って、結晶方位１１に対してのみ異なってよい。結晶方位１１は、例えば、側面８又は８’に対して平行に又は横切るように整列されてもよい。

本発明の測定エレメント４は、図４に図示されるように、予応力下で測定本体２内に設置されるように提案される。

この目的のために、それらの力受け面５、５．１’が互いの上面に位置するように配置される２つの発明の測定エレメント４、４．１をそれぞれ使用することが望ましい。この目的のために、それらの分極方向は、通常、互い反対に整列される。従って、測定エレメント４、４．１は、測定エレメントの間に配置され、測定信号線１３に電気的に接合される共通電極６を特徴として持つ。この測定信号線は、力の成分Ｆｚの信号を増幅器、変換器及び／又は評価装置に送る。

測定本体２は、他の力成分及び／又はモーメント成分を測定できる追加の測定エレメント１２を特別に含んでもよい。ｘ方向の力Ｆｘ、及びｙ方向の力Ｆｙを測定するための測定エレメント対、並びにＺ方向のモーメントを決定するための測定エレメント対Ｍｚが、図４には特別に備えられている。測定本体２は、明確化の理由で、図から知ることはできないものの、予応力下で実現される。全ての測定エレメント４、４．１、１２は、ディスク又は有孔ディスク１０の形態で実現され、同じ外径、及び、該当する場合、同じ内径を有する。ｚ方向の予応力のため、それらは、表面５．１、５．１’、 ５、５’を隣接する電極６、６’にしっかりと凭れかけさせる。これらの状況は再び、明確化の理由で、図４から知ることはできない。この測定本体２において、全ての電極６’は互いに、並びに地面に電気的に接続される。

この文脈において、ｚ方向の力成分を測定するために供される測定エレメント４、４．１のみがセグメント７に分割されるが、力Ｆｘ、Ｆｙ又はモーメントＭｚを測定するための他の測定エレメント１２はそうでないことは注目すべきである。他の成分に対する測定信号のクロストークはそれほど強くはないので、このように生成された誤差は修正される必要はないであろう。

タワーの中の二つの測定エレメント４、４．１の配置において、本発明によれば、電極６で互いの反対側に横たわる二つのセグメント７、７．１が、図５において図示されるように、それらの結晶構造１１に関して互いに直交してそれぞれ整列されることが保証できる。二つの測定エレメント４、４．１は同一で、そして単に、互いに対して９０度だけ回転される。個々の誤差が、最も効率的な方法でこのように互いに相殺するので、クロストークによって引き起こされる測定誤差は、この場合に最低であることが測定された。

本発明によれば、測定電極６もまた、図６において図示されたように、互いから電気的に絶縁される幾つかの部分電極６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄから成り得る。これらの部分電極はそれぞれ、測定エレメントセグメント７．１（不可視）の正確に一つの力受け面５．１（不可視）のみを覆い、全ての部分電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは電気的に絶縁された方法で付加的な処理デバイスに接続される。これらの信号は特別に、測定信号振幅器１ｂでそれぞれの力Ｆｚｉに個別に増幅される。ここでｉは１、２、３、及び４を表し、そして最終的に信号Ｆｚを得るためにこれらの増幅の後でのみ組み合わされる。

１ 測定配置
２ 測定本体
３ 中心の円形開口部
４， ４．１ 測定エレメント、 ディスク
５ ５’ ； ５．１；５．１’ 測定エレメントの力受け面
６ ６； ６．１； ６．２； ６．３； ６．４ 電極
７ ７．１ 測定エレメントのセグメント
８ ８’ セグメントの側面
９ ギャップ、 中間スペース
１０ ディスク又は有孔ディスク
１１ 結晶方位
１２ 力Ｆｘ、Ｆｙ又はモーメントＭｚを測定する他の測定エレメント
１３ 線、測定線
１４ １４’測定本体の加力面
１５ 測定信号増幅器
ｘ 加力Ｆｚの方向を横断する座標
ｙ 加力Ｆｚの方向を横断する座標
ｚ 加力Ｆｚの方向に平行な軸
Ｘ 圧電結晶の結晶学的Ｘ軸
Ｆｘｙ 干渉力を引き起こすｘ−ｙ面内の力Ｆ
Ｆｚ 測定されるｚ方向の力Ｆ

Claims (18)

1. 面ｘ−ｙにおいて平滑にされ、面ｘ−ｙ上に垂直に作用する力Ｆｚを測定するために測定本体（２）内に設置されるよう意図された、対称族３２の圧電結晶から成る測定エレメントであって、
   力Ｆｚは、力を受け、電極（６、６’）を備えている前記測定エレメントの面（５、５’）上で電荷蓄積をもたらし、
   前記力Ｆｚに直交して作用し、前記測定エレメントで誤差信号を生成する横力Ｆｘｙが、測定中に測定本体（２）上に予測され、
   前記測定エレメントが、直線的側面（８、８’）を備えた少なくとも４つの同一の測定エレメントセグメント（７）から成ることを特徴とし、
   前記セグメント（７）はｘ−ｙ面内で、互いに近くに隣接して配置され、側面（８、８’）で狭い隙間（９）だけ離間されており、
   前記測定エレメント上に作用している横力Ｆｘｙによって引き起こされる干渉信号を減少させるために、前記セグメントは、合同してディスク又は有孔ディスク（１０）の形を形成し、そして
   結晶方位（１１）が、全ての前記セグメント（７）のｘ−ｙ面内で同じ方向に又は互いに直交して整列されることを特徴とする、測定エレメント。
2. 前記圧電結晶が水晶であり、前記測定エレメントが直線的側面（８、８’）を備えた少なくとも８つの同一の測定エレメントセグメント（７）から成ることを特徴とする、請求項１に記載の測定エレメント。
3. 前記セグメント（７）が、前記ディスク又は有孔ディスク（１０）の表面の少なくとも８０パーセントを覆うことを特徴とする、請求項１または２に記載の測定エレメント。
4. 前記セグメント（７）が、前記ディスク又は有孔ディスク（１０）の表面の少なくとも９０パーセントを覆うことを特徴とする、請求項１または２に記載の測定エレメント。
5. 前記同一の測定エレメントセグメント（７）が、同じ材料特性、形、寸法及び感度を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の測定エレメント。
6. 全ての、隣接して置かれた前記測定エレメントセグメント（７）の分極方向が、同じ方向に向けられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の測定エレメント。
7. 隣接する前記セグメント（７）の結晶方位（１１）が、ｘ−ｙ面内の交互方向において互いに直交して整列されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の測定エレメント。
8. 全ての前記測定エレメントセグメント（７）が、全ての前記測定エレメントセグメント（７）の部分信号を合計するために、互いに平行に電気的に接続されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の測定エレメント。
9. ２つの前記電極（６、６’）が、少なくとも前記ディスク又は有孔ディスク（１０）の表面を、前記セグメント（７）の両側に対して連続的に覆うことを特徴とする、請求項１〜８の１項に記載の測定エレメント。
10. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の測定エレメントであって、
    前記測定エレメント（７）の１つ又は両方の前記電極（６、６’）が、互いから電気的に絶縁され、それぞれが、1つの測定エレメントセグメント（７）の正確に一つの力受け面（５、５’）のみを覆う、幾つかの部分電極（６ａ、６ｂ、−−−）から成ることを特徴とし、
    全ての部分電極（６ａ、６ｂ、−−−）が、Ｆｚに対する部分的力信号を、追加的し処理し、引き続いて合計するためのデバイスに電気的に絶縁された状態で接続される、測定エレメント。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の二つの測定エレメント（４、４．１）を含んで成る測定本体であって、それらの力受け面（５’、５．１’）が互いの上面に位置するように、また、その間に配置される共通の電極（６）を特徴とするように、それらが配置されることを特徴とする、測定本体。
12. 異なる測定エレメント（４、４．１）の隣接するセグメト（７、７．１）の結晶方位（１１、１１．１）が互いに直交して整列されることを特徴とする、請求項１１に記載の測定本体。
13. 力Ｆｘ及び／又はＦｙ及び／又はモーメントＭｚを測定するための追加の測定エレメント（１２）を含んで成る、請求項１１または１２の１項に記載の測定本体。
14. Ｆｘ、Ｆｙ又はＭｚ用の全ての追加の測定エレメント（１２）が、一体のディスク又は有孔ディスク（１０）から成ることを特徴とする、請求項１３に記載の測定本体。
15. 前記測定本体（２）の加力面（１４、１４’）が、前記測定エレメント（４）の圧力受け又は力受け面（５、５’）に平行に整列されることを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の測定本体（２）。
16. 請求項８に記載の分離された部分電極を備えた請求項１３または１４に記載の測定本体（２）と、幾つかの測定信号増幅器（１５）を含んで成る測定配置において、電気的に絶縁された各部分電極（６ａ、６ａ’、６ｂ、６ｂ’、−−−）が、測定信号を変換するために、別々の測定信号増幅器（１５）に接続されることを特徴とする、測定配置。
17. 出力信号が合計されるように、全ての前記測定信号増幅器（１５）の出力が互いに電気的に接続されることを特徴とする、請求項１６に記載の測定配置。
18. 処理方向に直交して発生する力を測定するために、フライス又は平削り工具での、請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の測定本体（２）の使用。

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