JPH02179430A - 動的力を検出するためのトランスジューサ及び、該トランスジューサを含み、計測及び/又は制御する装置及び方法 - Google Patents
動的力を検出するためのトランスジューサ及び、該トランスジューサを含み、計測及び/又は制御する装置及び方法Info
- Publication number
- JPH02179430A JPH02179430A JP1266052A JP26605289A JPH02179430A JP H02179430 A JPH02179430 A JP H02179430A JP 1266052 A JP1266052 A JP 1266052A JP 26605289 A JP26605289 A JP 26605289A JP H02179430 A JPH02179430 A JP H02179430A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- signal
- transducer
- layer
- opposing surfaces
- envelope
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 4
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims description 3
- 229920000131 polyvinylidene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 2
- BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 1,1-Difluoroethene Chemical compound FC(F)=C BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims 1
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 3
- 238000003475 lamination Methods 0.000 abstract 2
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 abstract 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 abstract 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 abstract 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 6
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 4
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 4
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 229920002799 BoPET Polymers 0.000 description 1
- 239000005041 Mylar™ Substances 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 230000005226 mechanical processes and functions Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
- G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0688—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Soundproofing, Sound Blocking, And Sound Damping (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
この発明は、二つの機械的部品の対向する面間の動的(
ダイナミック)な力を検出するためのトランスジューサ
、及び該トランスジューサを用いてこのような力を測定
及び/又は制御する、方法及び装置に関する。
ダイナミック)な力を検出するためのトランスジューサ
、及び該トランスジューサを用いてこのような力を測定
及び/又は制御する、方法及び装置に関する。
種々の技術分野の中で、そのうちの一つの例えば工作機
械の分野においては、強固に結合されるべき、二つの構
成あるいは機械的な部品間の連続的あるいは衝撃的な力
を測定するが必要である。 材料を加工する間に工作機械が及ぼす力は、工作機械の
疲労の増大に伴い大きくなる。工作機械に加えられる力
をモとりすることは、工作機械の能率に対する重要な指
標となり、工作機械の耐用期間の経過に伴う交換を可能
にする。このことが、工作機械が破壊し、この破壊に伴
い加工される材料片を損傷させるといったことを極小に
する。加工される材料片が高価であればあるほど、この
ことがより重要となる。自動化された機械装置におけろ
工作機械の疲労を制御することし又、重要であり、疲労
しきった工作機械を取り替えることにより、品質及び生
産性を維持できる。
械の分野においては、強固に結合されるべき、二つの構
成あるいは機械的な部品間の連続的あるいは衝撃的な力
を測定するが必要である。 材料を加工する間に工作機械が及ぼす力は、工作機械の
疲労の増大に伴い大きくなる。工作機械に加えられる力
をモとりすることは、工作機械の能率に対する重要な指
標となり、工作機械の耐用期間の経過に伴う交換を可能
にする。このことが、工作機械が破壊し、この破壊に伴
い加工される材料片を損傷させるといったことを極小に
する。加工される材料片が高価であればあるほど、この
ことがより重要となる。自動化された機械装置におけろ
工作機械の疲労を制御することし又、重要であり、疲労
しきった工作機械を取り替えることにより、品質及び生
産性を維持できる。
ところが、多くの場合、一般の独立したロードセルを使
用してこの種のα(定を行うことは不可能であり、その
理由は、固定的なサイズの対象物に導入しようとすれば
、機構の機械的動作変えるか、あるいはその機能方法を
変えなければならないからである。例えば、もし、ロー
ドセルを導入したことによりミル機械のヘッドが変更さ
れたとき、加工動作を遂行するのに必要である機械的な
強固な結合を維持するこができない。 それ故、この発明の第1の目的は、機械的部品の二つの
対向する面間に、機械的動作及び機能方法の双方の構成
を変えることなく、挿入できるトランスジューサを提供
することである。
用してこの種のα(定を行うことは不可能であり、その
理由は、固定的なサイズの対象物に導入しようとすれば
、機構の機械的動作変えるか、あるいはその機能方法を
変えなければならないからである。例えば、もし、ロー
ドセルを導入したことによりミル機械のヘッドが変更さ
れたとき、加工動作を遂行するのに必要である機械的な
強固な結合を維持するこができない。 それ故、この発明の第1の目的は、機械的部品の二つの
対向する面間に、機械的動作及び機能方法の双方の構成
を変えることなく、挿入できるトランスジューサを提供
することである。
【課題を解決するための手段]
この発明によれば、この目的は、少なくとも部分的に圧
電材料で作られた、少なくとも1枚の比較的に薄い要素
を本質的に含み、この要素は、上記の対向する面間にガ
スケットとして挟むことができ、そして、上記対向する
面間の動的な変化の結果、各々が上記対向する面に対応
する、二つの対向する面間に電位差を生じ、そして、こ
の要素には、前記電位差に対応する電気的信号を用いる
ための外部回路に前記対向する面を接続する、−対のリ
ード手段を備えた、トランスジューサによって達成され
る。 ここでいう動的な力とは、例えば100秒に一回、ある
いは1/100秒のサイクル(0、01l−12)で生
じるような、静止状態に近い動的な力を含む。 外部の回路は、上述した電位差に対応する電気信号を用
いる。 この発明に基づいて作られたトランスジューサは、例え
ば一般のガスケットに対する取り替え品として、構造物
における二つの機械的部品の間に挿入され、構造を変化
することを必要としない。 好ましくは、圧電素子の材料は、ポリビニリデンフロラ
イド−2(PVF2)、あるいは圧電素子の一方が共重
合体のような重合材料である。圧電の重合材料は、壊れ
ずかつ、シート状のものであり、そして、可撓性で比較
的に曲がりやすいものである。これらの特性は、通常は
平らであるが、平面の欠陥及び/又は表面に粗さ有する
ような面間のガスケットとして用いるのに適した材料と
なる。その理由は、ガスケットが重合材料で構成される
と、これらの欠点を補い、二つの対向する表面が不連続
の箇所を結合するより、むしろガス炉・ソトを覆うこと
で、二つの対向する面を均等に結合する。 その可撓性の性質故に、圧電性の重合ガスケットを、平
坦でない二つの表面間に挟むことができる。例えば、ガ
スケットを、軸のベアリングとこれに係合するハウジン
グの間に挟むことができる。 しかしながら、圧電素子の形状を平坦ではなく、例えば
タイル形状にすることも可能である。 電気の観点から見れば、圧T8.xA子は、キャパシタ
にたとえろことができ、圧電素子自身に生じる電荷は、
際立った直線性でらって該圧電素子に印加された圧力に
比例する。圧電トランスジューサは、動的な力が加えら
れたときのみ信号を出力する。このことは、圧電ガスケ
ットが予め静止した力が印加した測定装置として用いら
れるので有利な点となる。例えば、ガスケットを工作機
械のヘッド収納部と工具ホルダーとの間のごとく、強固
に結合している二つの機械的部品の間に挟むことができ
る。この場合、圧電トランスジューサが変動する数グラ
ムの動的な負荷さえら測定するのに要求される感度を失
わないように、二つの部品が相互に結合される。このよ
うな測定を、収縮による計測のロードセルを用いて行う
のは可能ではない。 もし、収縮計測のロードセルを、200Kgの結合力で
もって二つの部品の間に挟んだとき、もはや数グラムの
ような負荷を測定することはできなしかしながら、圧電
トランスジューサは、動的な力あるいは圧力変化の結果
としてのみ信号を出力できるので、この信号を利用する
には、ある技術が必要となる。 この発明は又、圧電素子を含む装置及びこれに関連する
外部回路に関する。 装置は、圧電素子のよって注入される(衝撃的な力の信
号に比例する)電気信号のピークを取るようにしてもよ
く、あるいは、二つの対向する機械的部品の表面間の時
系列的な衝撃力に順に対応して時間経過を示す信号の包
絡線に対応する信号を採用してもよい。 更に、この発明は、対向する機械的部品の表面間に、動
的なピーク力あるいは繰り返しの動的力が所定のしきい
値を超過したときを決定するために圧電素子を使用する
方法に関する。 この発明は、添付した図面と共に以下の詳細な記述を読
むことによってより理解されるであろう。 尚、ここで記したものは一例であって限定するらのでは
ない。 【実施例】 第1図ないし第4図は、それぞれ異なった形状に構成さ
れた4個のトランスジューサを示し、各々がこの発明の
一実施例を示している。各々のトランスジューサは、比
較的に薄く、かつ可撓性のあるシートを含む。 第1図のトランスジューサは、帯状あるいは板状に形成
されている。第2図のトランスジューサは、円板に形成
されている。第3図のトランスジューサは、平坦でリン
グ状の形状を有する。第1図ないし第3図のトランスジ
ューサは、該トランスジューサの全体もしくは一部に、
第5図及び第6図に示したような構成を有する。 第4図は、平坦でリング状の形状をなすガスケットであ
る。この第4図のトランスジューサは、ガスケット10
の構成において第3図のトランスジューサと異なり、こ
のガスケット10は、90°の各位置角の4つの箇所に
圧電索子12が設けられており、その各々が第5図ある
いは第6図図示のものと同じ構成を有する。第4図図示
のようなトランスジューサの好ましい使用は後で説明す
る。 第5図は、例えば第1図ないし第3図図示の実施例のよ
うな種々の形状に形成できるトランスジューサ、もしく
は、第4図のトランスジューサの領域12の一つの構造
を含むことのできるトランスジューサ、の構造を示す縦
断面図である。 この第5図のトランスジューサは、基本的な素子として
、好ましくは、ポリビニリデンフロライド−2(1’V
F2)のような重合材料による圧電材料、もしくはその
共重合体の一つよりなる、薄い介在層(圧?1B)14
を含む。層■4は、外側の導電層16及び18からなる
積層構造の中間層を形成する。層16及び18は、圧電
層14のそれぞれの面に設けられる。この層16及び1
8は、例えば圧電層!4に接着されるスチールシートの
ような金属のシートを含むことができる。これとは別に
、層16及び!8は、層14を金属化することによって
得てもよい。もし、金属シートが接着されたとき、使用
される接着剤は必ずしし電気的に導電性である必要はな
い。その理由は、圧電層14は、キャパシタの誘電体と
等価であり、導電層16及び18は、キャパシタの導体
と等価であるためである。 圧ff1514が矢印Fの向きの成分を有する力あるい
は圧力の変化を受けたとき、対向する二つの面間に電位
差が生じる。電気リード線20及び22は、例えば半田
の手段でもって導電材料の16及びt8の各々の層に個
々に接続される。リード線20及び22は、上述した対
向する而を、上述した電位差に比例する電気信号を用い
る回路に接続する。このような回路の例は第12図ない
し第15図に示されている。 ある適用例に対しては、圧7TJ14及び導’M4I6
及び18のみを含むトランスジューサで十分である。し
かし、圧電装置からの負荷に対する変換は、キャパシタ
の場合のごとく、回路上にある問題点があり、問題点の
一つは、装置が高インピーダンスであり、それ故、電気
的ノイズを拾い易いということである。電気的ノイズに
対する影響の受は易さは、この発明によるトランスジュ
ーサが個々に企てられる応用において、より大きく拡大
される。例えば、工作機械に使用されるトランスジュー
サは、該工作機械に流れる大きい交流電流による磁界及
び重量のある電気モータが近くに存在することに起因し
て生じるノイズに特に影響を受易い。それ故、利用され
ない信号を作る電気ノイズを避けるために、第5図に示
したように、トランスジューサがシールドされる。 第5図を参照すると、隔離層24及び外側の導電材料層
26の手段によってシールドが行なわれている。隔離層
24は、屓18と層26との間に配される。隔離F!2
4は、マイラ、カプトン、P■C,テフロン及び非圧電
PVCを含むいずれの誘電体重合フィルム材料であって
もよい。層24は、好ましくは、特定の応用に対ずろ必
要性に合致するよう選択される。 第5図に示された層は、全体にわたり、およそ0 、3
111mの厚さを育し、外側の層26は、外側の屓I6
と同じ性質及び材料である。シールドの目的のために、
外側の導電層16及び26は、電気的に相互接続される
。Ff!r I 6及び26が金属シートを含むならば
、これらの屓は、好ましくは相互の半田付け28の手段
によって接続される。外側の金属(導体)層16及び2
6は、工作機械に用いられたときは、例えば、二つの対
向する金属表面の間を包囲するために用いられ、これに
より接地される。この場合、介在する導電性材料の層1
8からなる内部のコーティングによりノイズ信号が除去
されるのでこの層18は、電気の観点から見れば、有効
的なシールドを与える。 第6図は、内部にインピーダンス整合回路を備えた、こ
の発明のトランスジューサの一実施例を示しており、こ
の回路は、同時に信号処理を実行する。トランスジュー
サのインピーダンス整合、つまり、トランスジューサの
インピーダンスを下げることは、環境下における電気的
ノイズに対する影響を最小にする別の方法である。イン
ピーダンスの整合を、信号源にできる限り近い箇所で行
うのが有利となる。 第6図の部品で第5図におけろ部品に対応するものには
同じ番号が付されている。石の形状を何するマイクロ回
路30は、外側の層16に設けられている(第1図ない
し第4図ら同様)。マイクロ回路30は、インピーダン
スの整合を行う。電気リード線20及び22は、層14
及び18を回路30の入力部に接続する。ギガオームの
入力インピーダンスは、マイクロ回路30によっておよ
そ数オームのインピーダンスに低められる。このように
、出力導体32を介して利用できる回路に送給される信
号は、生じたいかなる電磁ノイズに対してもかなりに影
響を受けにくくなる。導体32は、又、マイクロ回路3
0への電流給電の必要性を示している。別の実施例では
、マイクロ回路30は、3層のみからなるトランスジュ
ーサに使用してもよい。この実施例では、マイクロ回路
30は、導体層16に接近して配され、電気リード線2
0及び22によって圧電層14及び第2の導電層18に
接続される。 一つの実施例では、第7A図を参照すると、マイクロ回
路30は、電界効果トランジスタ(FE′I′)を有し
、このF E 1’は、トランスジューサで生じた信号
を同時に前置き増幅(11i処理)し、かつ、信号自身
のインピーダンスの整合を行う。トランスジューサの層
18は、kTましくは、電気リード線22によってFE
Tのゲート端子に電気的に接続される。トランスジュー
サの層14は、リード線20によって接地される。F
E Tのドレイノ端子は、出力電気信号を出力し、そし
て好ましくは、抵抗Rdを介して電圧源■に接続されろ
。F E Tのソース端子は、好ましくは第2の抵抗R
sを介して接地される。抵抗Rd及びItsの抵抗値は
、所望の増幅率を得るために随色に選ばれろ。しし、イ
ンピーダンスの整合のみ(つまり増幅なし)を希望する
ならは、FETのソース端子は抵抗を介さず接地される
。 第7B図に示したマイクロ回路30の別の実施例は、例
えば、はぼ0.01Llz近傍の周波数で起きる静止状
態に近い動的力をモニタするために使用される。マイク
ロ回路30のこの実施例では、好ましくは電気リード線
22は、トランスジューサを抵抗R2を介して演算増幅
C34の負入力端子に接続する。演算増幅器34の正入
力端子は好ましくは、抵抗R3を介して接地される。フ
ィードバックループは、演算増幅器34の出力端子と負
入力端子との間に形成される。このフィードバックルー
プは、キャパシタC1と並列に接続された抵抗R1を含
む。抵抗111.R2及びR3及びキャパシタCtの値
は、回路の増幅率に依存するが、好ましくは、抵抗RI
Jt2及びR3は、それぞれ1011オーム、47オー
ム及び10目である。 第8図及び第9図は、この発明による圧電ガスケット(
第3図図示)の適用例を示す。ミル機械あるいはドリル
機械の、縦軸シャフトを有するヘッド39の底部には固
定用フランジ38が設けられる。ボルト締め付は用フラ
ンジ42を備えた6軸ホルダー40は、固定用フランジ
38でもってヘッド39に結合される。一つのドリル用
のきり刃を有する突出ミル44は、6軸ホルダー40の
心棒あるいはチャック46に装着される。 固定フランジ38とボルト締め付は用7ランジとの間に
挟まれる通常のリング状のガスケットは、この発明によ
る圧電ガスケット41に取り替えられろ。らしガスケッ
ト41にマイクロ回路30を備えているならば、マイク
ロ回路30が損傷しないように、はんのわずかたけ機械
の変形が必要となり、ガスケット41のマイクロ回路3
0のスペースのために固定用フランジ38に小さい切り
込み48が設けられる。第8図及び第9図のガスケット
41は、フランジ38及び42のそれぞれの対向する面
50及び52間に生じる軸方向(第9図の矢印F)の動
的力に感知する。 別の実施例では、第8図及び第9図のようなミル機械あ
るいはドリル機械のガスケット41は、第4図に示した
ようなガスケットを用いろことができる。この場合、圧
電素子12の領域は、軸方向の動的力のみでなく、側方
の動的力及び個々の向きを検知できる。 第10図は、例えば工作機械の回転軸54によりて与え
られる半径方向の動的力“R“を検知する圧電トランス
ジューサの適用例を示している。内部に回転軸54か貫
通する立設の機構56が示されている。ブッシング58
が回転軸54と機構56との間に設けられ、このブッシ
ング58は、機構56の円筒状ハウジング60内に挿入
される。 この発明によるトランスジューサ62は、ブッシング5
8とハウジング60との間に配される。 トランスジューサ62は、第1図及び第2図のような板
状もしくは帯状のものを含むことができ、理由としては
、それらの可撓性故に、湾曲した形状やタイル形状にす
ることができるためである。 トランスジューサ62は、両方向の矢印Rの向きの半径
方向の動的力を検出できるように設けられる。 第1f図は、ドリルあるいはミル動作−において、典型
的な動的力Fの時間経過を示している。最初の期間t1
では、工具の初期動作に基づく初期ピーク力が生じてい
る。これに続く期間t、では、力Fは比較的一定であり
、パワーがうまく伝達している期間である。この発明に
基づくトランスジューサは、期間t1の期間に作用した
ピーク力、及び期間t、に作用した比較的一定の力を検
出するのに適している。 第12図は、トランスジューサに作用するピーク力もし
くは、より一般的な衝撃力を検出するための装置を示し
ている。この装置は、シールドされた圧電トランジスタ
70、フロントエンド増幅器7!、ゲインをプログラム
できる増幅器72、及び前記増幅器72の出力を人力と
するしきい値比較器74を備える。76は、比較器74
に対するしきい値を示している。増幅器72のゲインを
選択可能としたことにより1.より多くの信号レベルの
“読み”が可能となる。 圧電トランスジューサ70によって人力された電気的ピ
ーク信号は増幅器72で増幅された後、比較器74によ
って所定のしきいvi76と比較され、比較器74の出
力部78に、計測信号及び/又は制御信号が出力される
。この最後の信号は、工作機械を停止させるための警報
指示あるいは池の目的のために供給使用される。 第12図の回路は、加工片の一端を連続的に加工処理す
る旋盤のような工作機械の場合に特に有用である。この
場合、工作機械が加工片を加工する開始時の処理に生じ
るピーク力が、工作機械の重大な疲労を示す。 第13図は、第11図の期間t、にある信号を用いる装
置を示している。この信号は、ドリルの刃やミル装置の
カッターのような工作機械で種々の端面を加工したとき
の典型的な信号である。加工片の処理の期間、力のピー
クは、加工片に対する工具刃の可動の周期に呼応する周
期に生じるものである。第13図(及び第14図及び第
15図)の装置は、工作機械の稼動期間に重要な信号を
得るために、繰り返される衝撃力を正確に検出する。 第13図の回路において、圧電トランスジューサ80の
出力は、ゲインが選択できる増幅器82(第12図の増
幅器72に類似)の入力部に印加される。増幅器82の
以降には、第2図の初期の期間1+のピーク信号を除去
するローパスフィルタ82が接続される。このピーク信
号は、加工片に対する刃が作用する開始時に対応する。 このピーク信号は、しきい値回路を不適当にトリップさ
せるので好ましくない。別の実施例では、刃と加工片と
の衝突を検知して刃の損傷を検出するために、ローパス
フィルタをバイパスずろことができろ。 この回路がその目的に使用されたとき、回路の応答時間
が重要なパラメータとなる。刃及び加工片への損傷を避
けるためには、高速の応答が必要となる。 ローパスフィルタ84の以脩には、包絡線検出器(いわ
ゆるピークからピークの検出器)86が続く。包絡線検
出器86は、増幅器82による増幅に基づき、トランス
ジューサ80から、第11図の期間t、の間に入力され
る繰り返しの動的力の信号のみを受は取る。これらの信
号から、検出器86は、繰り返し信号の包絡線に呼応す
る包絡線の信号を発生する。包絡線検出器86は又、工
作機械の構造物の機械的振動によって生じろノイズから
再生する機能を有している。フィルタを通した包絡線信
号は、次に決定手順に基づき処理され、そして、この後
、アナログのしきい値比較器88の入力部に印加される
。比較器88のしきい値入力は、番号90によって示さ
れる。もし、包絡線信号が所定のアナログのしきい値9
0を超過したとき、計測信号及び/又は制御信号が、比
較器88の出力部92に出ツノされる。出力部92の信
号は、第12図の回路に関して述べたと同じ目的のため
に利用される。 第14図は、第13図の変形例を示している。 図中の素子80,82.84及び86は、第13図にお
ける同じ番号のものと同等のらのである。包絡線検出器
86の以降には、アナログ/デジタル変換器94が接続
される。変換器94は、バッファ96の手段によってデ
ジタルデータを、矢印98によって示したように、例え
ば記憶装置のようなデータ処理システムに直接に転送す
る。好ましくは、決定論理回路も又、変換器94に接続
される。 デジタルしきい値比較器100は、第13図の比較器8
8と同じ機能を有し、その機能を実行する。 矢印102は、バッファ104の手段を介して比較器1
00の人力部に入力されるしきい値を示す。 バッファ回路106は、比較器+00の出力部にあり、
このバッファ106を通して(デジタル化された)包絡
線信号が出力108として送出される。出力108は、
第12図の回路に関して述べたと同じ目的のために用い
られる計測信号及び/又は制御信号である。 第15図は、第14図の回路の変形例を示している。同
−及び同等の素子は同一の番号80.82.84.86
及び94を付している。トランスジューサ80のような
圧電トランスジューサは、信号の連続的なドリフトの現
象にしばしば直面する。 そこで、(第11図の期間t、の)加工の間における連
続的な力成分の情報を保持するために、このような現象
を補償するのが望ましい。 マイクロプロセッサ+10は、信号のドリフトを補償す
る。このマイクロプロセッサ110は、破線の領域の回
路112で示される信号処理シーケンスの一部である。 このシーケンスは、マイクロプロセッサ110とは別に
、論理回路+14及びデジタル/アナログ変換器120
を含む。回路112は、システムの停止時の期間及び、
マイクロプロセッサ110によって制御される所定の時
間間隔てらって、変換器94によってデジタル化された
、不動作の位置にあるシステムのゼロ−比較信号の傾斜
あるいはドリフトを読み込む。この信号傾斜は、補間法
により一旦認識されると、ドリフトを補償する信号に変
換される。一方、システムの動作時、トランスジューサ
80よりのデジタル化された、補償信号は連続的に取り
込まれ、このようにしてドリフトの影響が補償される。 ンステ12の機能時及びオフ位置の状聾は、バッファ回
路+16の手段による信号11Bによってマイクロプロ
セッサ110に取り込まれる。 ドリフトの傾斜は、温度のごとく、予知できず、連続的
にモニタが必要となる、制御できないパラメータに依存
しているので、上述した補frtは、時間間隔にむしろ
接近したときに行なイつれ、論理回路!!4は、システ
ムの停止時の間の所定の時間間隔で傾斜の値を調べ、補
償値を更新する。 この発明の実施例では、マイクロブ[1セツザ110に
よって入力されるデジタル信号は、変換器120によっ
てアナログ信号に転換され、そして第13図の回路のご
とく、しきい値比較器122に供給される。比較器12
2の出力信号は、第12図、第13図及び第14図に関
して述べたと同じ目的のために用いられる。 上記の実施例は、この発明の主な点を単に述べたもので
あり、当業者にとってはこの発明の範囲及び主旨からそ
れることなく、種々の変形例の実施が可能であるという
ことが理解されるであろう。 【発明の効果] 以上説明したように、この発明によるトランスジューサ
は、可撓性の薄片状の圧電材料にて構成したので、例え
ば機械的部品の対向する面間に、該機械構成を変えるこ
となく、ガスケットとして挟むことができ、各種の動的
な力を検出できる。 又、このトランスジューサを用いた装置にれば、動的な
ピーク力及び繰り返しの力が所定値を超過したかの検出
を可能としたので、この装置を工作機械に適用すること
により、加工状況を検知でき、工作機械を非常停止させ
たり、刃の交換時を知ることができる。
電材料で作られた、少なくとも1枚の比較的に薄い要素
を本質的に含み、この要素は、上記の対向する面間にガ
スケットとして挟むことができ、そして、上記対向する
面間の動的な変化の結果、各々が上記対向する面に対応
する、二つの対向する面間に電位差を生じ、そして、こ
の要素には、前記電位差に対応する電気的信号を用いる
ための外部回路に前記対向する面を接続する、−対のリ
ード手段を備えた、トランスジューサによって達成され
る。 ここでいう動的な力とは、例えば100秒に一回、ある
いは1/100秒のサイクル(0、01l−12)で生
じるような、静止状態に近い動的な力を含む。 外部の回路は、上述した電位差に対応する電気信号を用
いる。 この発明に基づいて作られたトランスジューサは、例え
ば一般のガスケットに対する取り替え品として、構造物
における二つの機械的部品の間に挿入され、構造を変化
することを必要としない。 好ましくは、圧電素子の材料は、ポリビニリデンフロラ
イド−2(PVF2)、あるいは圧電素子の一方が共重
合体のような重合材料である。圧電の重合材料は、壊れ
ずかつ、シート状のものであり、そして、可撓性で比較
的に曲がりやすいものである。これらの特性は、通常は
平らであるが、平面の欠陥及び/又は表面に粗さ有する
ような面間のガスケットとして用いるのに適した材料と
なる。その理由は、ガスケットが重合材料で構成される
と、これらの欠点を補い、二つの対向する表面が不連続
の箇所を結合するより、むしろガス炉・ソトを覆うこと
で、二つの対向する面を均等に結合する。 その可撓性の性質故に、圧電性の重合ガスケットを、平
坦でない二つの表面間に挟むことができる。例えば、ガ
スケットを、軸のベアリングとこれに係合するハウジン
グの間に挟むことができる。 しかしながら、圧電素子の形状を平坦ではなく、例えば
タイル形状にすることも可能である。 電気の観点から見れば、圧T8.xA子は、キャパシタ
にたとえろことができ、圧電素子自身に生じる電荷は、
際立った直線性でらって該圧電素子に印加された圧力に
比例する。圧電トランスジューサは、動的な力が加えら
れたときのみ信号を出力する。このことは、圧電ガスケ
ットが予め静止した力が印加した測定装置として用いら
れるので有利な点となる。例えば、ガスケットを工作機
械のヘッド収納部と工具ホルダーとの間のごとく、強固
に結合している二つの機械的部品の間に挟むことができ
る。この場合、圧電トランスジューサが変動する数グラ
ムの動的な負荷さえら測定するのに要求される感度を失
わないように、二つの部品が相互に結合される。このよ
うな測定を、収縮による計測のロードセルを用いて行う
のは可能ではない。 もし、収縮計測のロードセルを、200Kgの結合力で
もって二つの部品の間に挟んだとき、もはや数グラムの
ような負荷を測定することはできなしかしながら、圧電
トランスジューサは、動的な力あるいは圧力変化の結果
としてのみ信号を出力できるので、この信号を利用する
には、ある技術が必要となる。 この発明は又、圧電素子を含む装置及びこれに関連する
外部回路に関する。 装置は、圧電素子のよって注入される(衝撃的な力の信
号に比例する)電気信号のピークを取るようにしてもよ
く、あるいは、二つの対向する機械的部品の表面間の時
系列的な衝撃力に順に対応して時間経過を示す信号の包
絡線に対応する信号を採用してもよい。 更に、この発明は、対向する機械的部品の表面間に、動
的なピーク力あるいは繰り返しの動的力が所定のしきい
値を超過したときを決定するために圧電素子を使用する
方法に関する。 この発明は、添付した図面と共に以下の詳細な記述を読
むことによってより理解されるであろう。 尚、ここで記したものは一例であって限定するらのでは
ない。 【実施例】 第1図ないし第4図は、それぞれ異なった形状に構成さ
れた4個のトランスジューサを示し、各々がこの発明の
一実施例を示している。各々のトランスジューサは、比
較的に薄く、かつ可撓性のあるシートを含む。 第1図のトランスジューサは、帯状あるいは板状に形成
されている。第2図のトランスジューサは、円板に形成
されている。第3図のトランスジューサは、平坦でリン
グ状の形状を有する。第1図ないし第3図のトランスジ
ューサは、該トランスジューサの全体もしくは一部に、
第5図及び第6図に示したような構成を有する。 第4図は、平坦でリング状の形状をなすガスケットであ
る。この第4図のトランスジューサは、ガスケット10
の構成において第3図のトランスジューサと異なり、こ
のガスケット10は、90°の各位置角の4つの箇所に
圧電索子12が設けられており、その各々が第5図ある
いは第6図図示のものと同じ構成を有する。第4図図示
のようなトランスジューサの好ましい使用は後で説明す
る。 第5図は、例えば第1図ないし第3図図示の実施例のよ
うな種々の形状に形成できるトランスジューサ、もしく
は、第4図のトランスジューサの領域12の一つの構造
を含むことのできるトランスジューサ、の構造を示す縦
断面図である。 この第5図のトランスジューサは、基本的な素子として
、好ましくは、ポリビニリデンフロライド−2(1’V
F2)のような重合材料による圧電材料、もしくはその
共重合体の一つよりなる、薄い介在層(圧?1B)14
を含む。層■4は、外側の導電層16及び18からなる
積層構造の中間層を形成する。層16及び18は、圧電
層14のそれぞれの面に設けられる。この層16及び1
8は、例えば圧電層!4に接着されるスチールシートの
ような金属のシートを含むことができる。これとは別に
、層16及び!8は、層14を金属化することによって
得てもよい。もし、金属シートが接着されたとき、使用
される接着剤は必ずしし電気的に導電性である必要はな
い。その理由は、圧電層14は、キャパシタの誘電体と
等価であり、導電層16及び18は、キャパシタの導体
と等価であるためである。 圧ff1514が矢印Fの向きの成分を有する力あるい
は圧力の変化を受けたとき、対向する二つの面間に電位
差が生じる。電気リード線20及び22は、例えば半田
の手段でもって導電材料の16及びt8の各々の層に個
々に接続される。リード線20及び22は、上述した対
向する而を、上述した電位差に比例する電気信号を用い
る回路に接続する。このような回路の例は第12図ない
し第15図に示されている。 ある適用例に対しては、圧7TJ14及び導’M4I6
及び18のみを含むトランスジューサで十分である。し
かし、圧電装置からの負荷に対する変換は、キャパシタ
の場合のごとく、回路上にある問題点があり、問題点の
一つは、装置が高インピーダンスであり、それ故、電気
的ノイズを拾い易いということである。電気的ノイズに
対する影響の受は易さは、この発明によるトランスジュ
ーサが個々に企てられる応用において、より大きく拡大
される。例えば、工作機械に使用されるトランスジュー
サは、該工作機械に流れる大きい交流電流による磁界及
び重量のある電気モータが近くに存在することに起因し
て生じるノイズに特に影響を受易い。それ故、利用され
ない信号を作る電気ノイズを避けるために、第5図に示
したように、トランスジューサがシールドされる。 第5図を参照すると、隔離層24及び外側の導電材料層
26の手段によってシールドが行なわれている。隔離層
24は、屓18と層26との間に配される。隔離F!2
4は、マイラ、カプトン、P■C,テフロン及び非圧電
PVCを含むいずれの誘電体重合フィルム材料であって
もよい。層24は、好ましくは、特定の応用に対ずろ必
要性に合致するよう選択される。 第5図に示された層は、全体にわたり、およそ0 、3
111mの厚さを育し、外側の層26は、外側の屓I6
と同じ性質及び材料である。シールドの目的のために、
外側の導電層16及び26は、電気的に相互接続される
。Ff!r I 6及び26が金属シートを含むならば
、これらの屓は、好ましくは相互の半田付け28の手段
によって接続される。外側の金属(導体)層16及び2
6は、工作機械に用いられたときは、例えば、二つの対
向する金属表面の間を包囲するために用いられ、これに
より接地される。この場合、介在する導電性材料の層1
8からなる内部のコーティングによりノイズ信号が除去
されるのでこの層18は、電気の観点から見れば、有効
的なシールドを与える。 第6図は、内部にインピーダンス整合回路を備えた、こ
の発明のトランスジューサの一実施例を示しており、こ
の回路は、同時に信号処理を実行する。トランスジュー
サのインピーダンス整合、つまり、トランスジューサの
インピーダンスを下げることは、環境下における電気的
ノイズに対する影響を最小にする別の方法である。イン
ピーダンスの整合を、信号源にできる限り近い箇所で行
うのが有利となる。 第6図の部品で第5図におけろ部品に対応するものには
同じ番号が付されている。石の形状を何するマイクロ回
路30は、外側の層16に設けられている(第1図ない
し第4図ら同様)。マイクロ回路30は、インピーダン
スの整合を行う。電気リード線20及び22は、層14
及び18を回路30の入力部に接続する。ギガオームの
入力インピーダンスは、マイクロ回路30によっておよ
そ数オームのインピーダンスに低められる。このように
、出力導体32を介して利用できる回路に送給される信
号は、生じたいかなる電磁ノイズに対してもかなりに影
響を受けにくくなる。導体32は、又、マイクロ回路3
0への電流給電の必要性を示している。別の実施例では
、マイクロ回路30は、3層のみからなるトランスジュ
ーサに使用してもよい。この実施例では、マイクロ回路
30は、導体層16に接近して配され、電気リード線2
0及び22によって圧電層14及び第2の導電層18に
接続される。 一つの実施例では、第7A図を参照すると、マイクロ回
路30は、電界効果トランジスタ(FE′I′)を有し
、このF E 1’は、トランスジューサで生じた信号
を同時に前置き増幅(11i処理)し、かつ、信号自身
のインピーダンスの整合を行う。トランスジューサの層
18は、kTましくは、電気リード線22によってFE
Tのゲート端子に電気的に接続される。トランスジュー
サの層14は、リード線20によって接地される。F
E Tのドレイノ端子は、出力電気信号を出力し、そし
て好ましくは、抵抗Rdを介して電圧源■に接続されろ
。F E Tのソース端子は、好ましくは第2の抵抗R
sを介して接地される。抵抗Rd及びItsの抵抗値は
、所望の増幅率を得るために随色に選ばれろ。しし、イ
ンピーダンスの整合のみ(つまり増幅なし)を希望する
ならは、FETのソース端子は抵抗を介さず接地される
。 第7B図に示したマイクロ回路30の別の実施例は、例
えば、はぼ0.01Llz近傍の周波数で起きる静止状
態に近い動的力をモニタするために使用される。マイク
ロ回路30のこの実施例では、好ましくは電気リード線
22は、トランスジューサを抵抗R2を介して演算増幅
C34の負入力端子に接続する。演算増幅器34の正入
力端子は好ましくは、抵抗R3を介して接地される。フ
ィードバックループは、演算増幅器34の出力端子と負
入力端子との間に形成される。このフィードバックルー
プは、キャパシタC1と並列に接続された抵抗R1を含
む。抵抗111.R2及びR3及びキャパシタCtの値
は、回路の増幅率に依存するが、好ましくは、抵抗RI
Jt2及びR3は、それぞれ1011オーム、47オー
ム及び10目である。 第8図及び第9図は、この発明による圧電ガスケット(
第3図図示)の適用例を示す。ミル機械あるいはドリル
機械の、縦軸シャフトを有するヘッド39の底部には固
定用フランジ38が設けられる。ボルト締め付は用フラ
ンジ42を備えた6軸ホルダー40は、固定用フランジ
38でもってヘッド39に結合される。一つのドリル用
のきり刃を有する突出ミル44は、6軸ホルダー40の
心棒あるいはチャック46に装着される。 固定フランジ38とボルト締め付は用7ランジとの間に
挟まれる通常のリング状のガスケットは、この発明によ
る圧電ガスケット41に取り替えられろ。らしガスケッ
ト41にマイクロ回路30を備えているならば、マイク
ロ回路30が損傷しないように、はんのわずかたけ機械
の変形が必要となり、ガスケット41のマイクロ回路3
0のスペースのために固定用フランジ38に小さい切り
込み48が設けられる。第8図及び第9図のガスケット
41は、フランジ38及び42のそれぞれの対向する面
50及び52間に生じる軸方向(第9図の矢印F)の動
的力に感知する。 別の実施例では、第8図及び第9図のようなミル機械あ
るいはドリル機械のガスケット41は、第4図に示した
ようなガスケットを用いろことができる。この場合、圧
電素子12の領域は、軸方向の動的力のみでなく、側方
の動的力及び個々の向きを検知できる。 第10図は、例えば工作機械の回転軸54によりて与え
られる半径方向の動的力“R“を検知する圧電トランス
ジューサの適用例を示している。内部に回転軸54か貫
通する立設の機構56が示されている。ブッシング58
が回転軸54と機構56との間に設けられ、このブッシ
ング58は、機構56の円筒状ハウジング60内に挿入
される。 この発明によるトランスジューサ62は、ブッシング5
8とハウジング60との間に配される。 トランスジューサ62は、第1図及び第2図のような板
状もしくは帯状のものを含むことができ、理由としては
、それらの可撓性故に、湾曲した形状やタイル形状にす
ることができるためである。 トランスジューサ62は、両方向の矢印Rの向きの半径
方向の動的力を検出できるように設けられる。 第1f図は、ドリルあるいはミル動作−において、典型
的な動的力Fの時間経過を示している。最初の期間t1
では、工具の初期動作に基づく初期ピーク力が生じてい
る。これに続く期間t、では、力Fは比較的一定であり
、パワーがうまく伝達している期間である。この発明に
基づくトランスジューサは、期間t1の期間に作用した
ピーク力、及び期間t、に作用した比較的一定の力を検
出するのに適している。 第12図は、トランスジューサに作用するピーク力もし
くは、より一般的な衝撃力を検出するための装置を示し
ている。この装置は、シールドされた圧電トランジスタ
70、フロントエンド増幅器7!、ゲインをプログラム
できる増幅器72、及び前記増幅器72の出力を人力と
するしきい値比較器74を備える。76は、比較器74
に対するしきい値を示している。増幅器72のゲインを
選択可能としたことにより1.より多くの信号レベルの
“読み”が可能となる。 圧電トランスジューサ70によって人力された電気的ピ
ーク信号は増幅器72で増幅された後、比較器74によ
って所定のしきいvi76と比較され、比較器74の出
力部78に、計測信号及び/又は制御信号が出力される
。この最後の信号は、工作機械を停止させるための警報
指示あるいは池の目的のために供給使用される。 第12図の回路は、加工片の一端を連続的に加工処理す
る旋盤のような工作機械の場合に特に有用である。この
場合、工作機械が加工片を加工する開始時の処理に生じ
るピーク力が、工作機械の重大な疲労を示す。 第13図は、第11図の期間t、にある信号を用いる装
置を示している。この信号は、ドリルの刃やミル装置の
カッターのような工作機械で種々の端面を加工したとき
の典型的な信号である。加工片の処理の期間、力のピー
クは、加工片に対する工具刃の可動の周期に呼応する周
期に生じるものである。第13図(及び第14図及び第
15図)の装置は、工作機械の稼動期間に重要な信号を
得るために、繰り返される衝撃力を正確に検出する。 第13図の回路において、圧電トランスジューサ80の
出力は、ゲインが選択できる増幅器82(第12図の増
幅器72に類似)の入力部に印加される。増幅器82の
以降には、第2図の初期の期間1+のピーク信号を除去
するローパスフィルタ82が接続される。このピーク信
号は、加工片に対する刃が作用する開始時に対応する。 このピーク信号は、しきい値回路を不適当にトリップさ
せるので好ましくない。別の実施例では、刃と加工片と
の衝突を検知して刃の損傷を検出するために、ローパス
フィルタをバイパスずろことができろ。 この回路がその目的に使用されたとき、回路の応答時間
が重要なパラメータとなる。刃及び加工片への損傷を避
けるためには、高速の応答が必要となる。 ローパスフィルタ84の以脩には、包絡線検出器(いわ
ゆるピークからピークの検出器)86が続く。包絡線検
出器86は、増幅器82による増幅に基づき、トランス
ジューサ80から、第11図の期間t、の間に入力され
る繰り返しの動的力の信号のみを受は取る。これらの信
号から、検出器86は、繰り返し信号の包絡線に呼応す
る包絡線の信号を発生する。包絡線検出器86は又、工
作機械の構造物の機械的振動によって生じろノイズから
再生する機能を有している。フィルタを通した包絡線信
号は、次に決定手順に基づき処理され、そして、この後
、アナログのしきい値比較器88の入力部に印加される
。比較器88のしきい値入力は、番号90によって示さ
れる。もし、包絡線信号が所定のアナログのしきい値9
0を超過したとき、計測信号及び/又は制御信号が、比
較器88の出力部92に出ツノされる。出力部92の信
号は、第12図の回路に関して述べたと同じ目的のため
に利用される。 第14図は、第13図の変形例を示している。 図中の素子80,82.84及び86は、第13図にお
ける同じ番号のものと同等のらのである。包絡線検出器
86の以降には、アナログ/デジタル変換器94が接続
される。変換器94は、バッファ96の手段によってデ
ジタルデータを、矢印98によって示したように、例え
ば記憶装置のようなデータ処理システムに直接に転送す
る。好ましくは、決定論理回路も又、変換器94に接続
される。 デジタルしきい値比較器100は、第13図の比較器8
8と同じ機能を有し、その機能を実行する。 矢印102は、バッファ104の手段を介して比較器1
00の人力部に入力されるしきい値を示す。 バッファ回路106は、比較器+00の出力部にあり、
このバッファ106を通して(デジタル化された)包絡
線信号が出力108として送出される。出力108は、
第12図の回路に関して述べたと同じ目的のために用い
られる計測信号及び/又は制御信号である。 第15図は、第14図の回路の変形例を示している。同
−及び同等の素子は同一の番号80.82.84.86
及び94を付している。トランスジューサ80のような
圧電トランスジューサは、信号の連続的なドリフトの現
象にしばしば直面する。 そこで、(第11図の期間t、の)加工の間における連
続的な力成分の情報を保持するために、このような現象
を補償するのが望ましい。 マイクロプロセッサ+10は、信号のドリフトを補償す
る。このマイクロプロセッサ110は、破線の領域の回
路112で示される信号処理シーケンスの一部である。 このシーケンスは、マイクロプロセッサ110とは別に
、論理回路+14及びデジタル/アナログ変換器120
を含む。回路112は、システムの停止時の期間及び、
マイクロプロセッサ110によって制御される所定の時
間間隔てらって、変換器94によってデジタル化された
、不動作の位置にあるシステムのゼロ−比較信号の傾斜
あるいはドリフトを読み込む。この信号傾斜は、補間法
により一旦認識されると、ドリフトを補償する信号に変
換される。一方、システムの動作時、トランスジューサ
80よりのデジタル化された、補償信号は連続的に取り
込まれ、このようにしてドリフトの影響が補償される。 ンステ12の機能時及びオフ位置の状聾は、バッファ回
路+16の手段による信号11Bによってマイクロプロ
セッサ110に取り込まれる。 ドリフトの傾斜は、温度のごとく、予知できず、連続的
にモニタが必要となる、制御できないパラメータに依存
しているので、上述した補frtは、時間間隔にむしろ
接近したときに行なイつれ、論理回路!!4は、システ
ムの停止時の間の所定の時間間隔で傾斜の値を調べ、補
償値を更新する。 この発明の実施例では、マイクロブ[1セツザ110に
よって入力されるデジタル信号は、変換器120によっ
てアナログ信号に転換され、そして第13図の回路のご
とく、しきい値比較器122に供給される。比較器12
2の出力信号は、第12図、第13図及び第14図に関
して述べたと同じ目的のために用いられる。 上記の実施例は、この発明の主な点を単に述べたもので
あり、当業者にとってはこの発明の範囲及び主旨からそ
れることなく、種々の変形例の実施が可能であるという
ことが理解されるであろう。 【発明の効果] 以上説明したように、この発明によるトランスジューサ
は、可撓性の薄片状の圧電材料にて構成したので、例え
ば機械的部品の対向する面間に、該機械構成を変えるこ
となく、ガスケットとして挟むことができ、各種の動的
な力を検出できる。 又、このトランスジューサを用いた装置にれば、動的な
ピーク力及び繰り返しの力が所定値を超過したかの検出
を可能としたので、この装置を工作機械に適用すること
により、加工状況を検知でき、工作機械を非常停止させ
たり、刃の交換時を知ることができる。
第1図ないし第4図は、この発明に係わる圧電ガスケッ
トの4つの型を示す斜視図、第5図は、第1図ないし第
4図の装置を示す、拡大比率を変えた拡大断面図、第6
図は、この発明の別の実施例を示す拡大断面図、第7図
A及び第7図Bは、この発明に係わる前置増幅回路の一
実施例を示す回路図、第8図は、ドリルヘッドに装着さ
れる第3図図示のガスケット及び、該ガスケットによっ
て導かれる信号を処理するための装置を示す斜視図、第
9図は、第8図図示のドリルヘッドの軸方向における部
分断面図、第10図は、この発明による圧電ガスケット
を用いた、円形の軸ベアリングを示す横断面図、第11
図は、ミル機械あるいはドリル機械のような機械的な処
理における動的力の時間的な変化特性を示すグラフ、第
12図は、この発明による圧電トランスジューサを含み
、衝撃力の信号を検出するために使用される装置の回路
図、第13図ないし第15図は、この発明による圧電ト
ランスジユーサを含み、繰り返しの動的力を検出するた
めに使几lされる装置の一実施例を示ずブ(1ツク図で
ある。 IO・・・ガスケット、12・・・圧電素子、14・・
・圧電層、16.18・・・導電層、20.22・・・
電気リード線、24・・・隔離層、26・・・導電材料
層、28・・・半田付け、30・・・マイクロ回路、3
2・・・出力導体、34・・・演算増幅器、41・・・
ガスケット、62.70.80・・・トランスジューサ
、71.82・・・増幅器、72・・・演算増幅器、7
4・・・l器、84・・・ローパスフィルタ、86・・
・包絡線検出器、88 比較器、94・・・A/D変換
器、」00・・・比較器、110・・・比較器、+14
・・・論理回路、120・・・D/A変換器、122・
・・比較器。 FIG、 5 FIG、6 FIG、7B FIG、9 FIG、8 FIG、10 FIG、11
トの4つの型を示す斜視図、第5図は、第1図ないし第
4図の装置を示す、拡大比率を変えた拡大断面図、第6
図は、この発明の別の実施例を示す拡大断面図、第7図
A及び第7図Bは、この発明に係わる前置増幅回路の一
実施例を示す回路図、第8図は、ドリルヘッドに装着さ
れる第3図図示のガスケット及び、該ガスケットによっ
て導かれる信号を処理するための装置を示す斜視図、第
9図は、第8図図示のドリルヘッドの軸方向における部
分断面図、第10図は、この発明による圧電ガスケット
を用いた、円形の軸ベアリングを示す横断面図、第11
図は、ミル機械あるいはドリル機械のような機械的な処
理における動的力の時間的な変化特性を示すグラフ、第
12図は、この発明による圧電トランスジューサを含み
、衝撃力の信号を検出するために使用される装置の回路
図、第13図ないし第15図は、この発明による圧電ト
ランスジユーサを含み、繰り返しの動的力を検出するた
めに使几lされる装置の一実施例を示ずブ(1ツク図で
ある。 IO・・・ガスケット、12・・・圧電素子、14・・
・圧電層、16.18・・・導電層、20.22・・・
電気リード線、24・・・隔離層、26・・・導電材料
層、28・・・半田付け、30・・・マイクロ回路、3
2・・・出力導体、34・・・演算増幅器、41・・・
ガスケット、62.70.80・・・トランスジューサ
、71.82・・・増幅器、72・・・演算増幅器、7
4・・・l器、84・・・ローパスフィルタ、86・・
・包絡線検出器、88 比較器、94・・・A/D変換
器、」00・・・比較器、110・・・比較器、+14
・・・論理回路、120・・・D/A変換器、122・
・・比較器。 FIG、 5 FIG、6 FIG、7B FIG、9 FIG、8 FIG、10 FIG、11
Claims (17)
- (1)機械的部品の二つの対向する面(50.52)間
の動的力を検出するトランスジューサであって、 少なくとも部分的に圧電材料で作られた、少なくとも1
枚の比較的に薄い要素(34)を本質的に含み、この要
素(34)は、上記の対向する面(50、52)間にガ
スケットとして挟むことができ、そして、上記対向する
面(50、52)間の動的な変化の結果、各々が上記対
向する面(50、52)に対応する、二つの対向する面
間に電位差を生じ、そして、この要素(34)には、前
記電位差に対応する電気的信号を用いるための外部回路
に前記対向する面(50、52)を接続する、一対のリ
ード手段(20、22)を備えたことを特徴とするトラ
ンスジューサ。 - (2)圧電材料は、重合材料である請求項1記載のトラ
ンスジューサ。 - (3)重合材料は、ポリビニリデン フロライド−2(
PVF2)もしくはその共重合体である請求項2記載の
トランスジューサ。 - (4)圧電素子は、積層構成における介在層(14)で
あり、導電材料にてなる一対の層(16、18)の相対
する面間に介在する請求項1ないし3のいずれかに記載
のトランスジューサ。 - (5)圧電素子は、積層構成の一部であり、該積層構成
は、第1の外層、導電材料層(16)、上記圧電素子(
14)、介在する第2の導電材料層(18)、絶縁層(
24)及び導電材料による外層(26)を順に含み、前
記二つの層(16、26)は、リード手段の一方(20
)に接続されるとともに遮蔽の目的のために、相互が電
気的に接続され、前記第2の層(18)は、一対の他の
リード手段(22)に接続される、請求項1ないし3の
いずれかに記載のトランスジューサ。 - (6)ガスケットは、信号処理及び/又はインピーダン
ス整合の目的のための、層形状を有すマイクロ回路(3
0)を含み、該マイクロ回路(30)の一端が前記リー
ド手段(20、22)に接続され、他端が、該マイクロ
回路(30)を励起するとともに上記外部回路に接続す
るための導体(32)に接続される請求項1ないし5の
いずれかに記載のトランスジューサ。 - (7)ガスケットは、比較的に可撓性の薄片よりなる請
求項2ないし6項のいずれかに記載のトランスジューサ
。 - (8)計測及び/又は制御の目的のために、機械的部品
(39、40)の二つの対向する面(50、51)間の
個々の衝撃的な力を検出する装置であって、 請求項1ないし7のいずれかの少なくとも一つのトラン
スジューサ(70)と、前記トランスジューサ(70)
で生じたピーク信号が供給される、外部の計測及び/又
は制御回路とを含み、前記信号は、個々の衝撃的な力に
対応していることを特徴とする装置。 - (9)トランスジューサ(70)と該トランスジューサ
に対応する外部回路との間に挿入され、ピーク信号が所
定のしきい値を超過したときに外部回路に計測及び/又
は制御信号を供給する比較器(74)を更に含む請求項
8記載の装置。 - (10)計測及び/又は制御のために、機械的部品(3
6、40)の二つの対向する面(50、52)間の繰り
返し衝撃力を決定するための装置であって、請求項1な
いし7のいずれかの少なくとも一つのトランスジューサ
(80)と、トランスジューサ(80)で生じた繰り返
しの信号が供給され、繰り返しの信号の包絡線に対応す
る包絡線信号を発生する、包絡線検出器(86)と、前
記包絡線検出器(80)に対応し、包絡線信号が供給さ
れる、外部の計測及び/又は制御回路を備えたことを特
徴とする装置。 - (11)個々の過渡的な衝撃力及び生じ得る振動ノイズ
を排除するために、トランスジューサ(80)と包絡線
検出器(84)との間に挿入されたローパスフィルタ(
84)を更に含む請求項10記載の装置。 - (12)包絡線信号が所定のしきい値を超過したとき、
計測及び/制御信号を後段の回路に供給するために、包
絡線検出器(86)と、該包絡線検出器(86)に対応
する外部回路との間に挿入されるしきい値比較器(88
、100、122)を更に含む請求項11記載の装置。 - (13)包絡線信号のドリフトを検出し補償するための
手段(112)を含む請求項10ないし12のいずれか
に記載の装置。 - (14)ドリフト検出手段及び補償手段は、衝撃力を含
まない期間における背景の信号を採取し、そしてこの信
号から補間処理を施して、衝撃力の存在する期間の包絡
線信号から引き出したドリフト補償信号を作成する、サ
ンプリング手段(114)を含む請求項13記載の装置
。 - (15)トランスジューサの使用による、機械的部品(
36、40)の二つの対向する面(50、51)間の動
的なピーク力が、所定のしきい値を超過したときを決定
するための方法であって、 請求項1ないし7のいずれかのトランスジューサを、上
記対向する面(50、51)間に接触して挿入し; 前記トランスジューサで生じた電気信号を増幅し; 前記増幅された電気信号所定の基準しきい値信号と比較
し; そして、前記電気信号が前記基準しきい値信号を超過し
たとき、動的ピーク力に対応する出力信号を発生させる
; ステップよりなることを特徴とする決定方法。 - (16)機械的部品(36、40)の二つの対向する面
(50、51)間の繰り返しの動的力が所定のしきい値
を超過したときを決定するための方法であって、 前記繰り返しの動的力に応答して繰り返しの電気信号を
発生できるように、請求項1ないし7のいずれかに記載
のトランスジューサを前記対向する面(50、51)間
に接触して挿入し; 前記トランスジューサで生じた電気信号を増幅し; 増幅された電気信号をローパスフィルタにて処理し; ローパスフィルタの処理後の前記繰り返しの電気信号に
対応する包絡線信号を発生させ; 前記包絡線信号を所定の基準しきい値信号と比較し; そして、前記包絡線信号が前記所定の基準しきい値信号
を超過したとき、出力信号を発生させる;ステップより
なることを特徴とする決定方法。 - (17)前記包絡線信号を比較するステップと、出力信
号を発生させるステップは更に、 前記包絡線信号をデジタル信号に変換し; 信号のドリフトを補償するために、前記デジタル信号に
ゼロ−比較補償信号を印加し; 補償されたデジタル信号を補償されたアナログ信号に変
換し; 前記補償されたアナログ信号を所定の基準しきい値信号
と比較し; そして、前記補償されたアナログ信号が前記基準しきい
値信号を超過したとき、出力信号を発生させる; ステップを含む請求項22記載の決定方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
IT67917-A/88 | 1988-10-12 | ||
IT67917/88A IT1224487B (it) | 1988-10-12 | 1988-10-12 | Trasduttore per la rivelazione di sforzi dinamici ed apparecchiatura di misurazione e o di controllo comprendente tale trasduttore |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02179430A true JPH02179430A (ja) | 1990-07-12 |
Family
ID=11306354
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1266052A Pending JPH02179430A (ja) | 1988-10-12 | 1989-10-11 | 動的力を検出するためのトランスジューサ及び、該トランスジューサを含み、計測及び/又は制御する装置及び方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0363785A3 (ja) |
JP (1) | JPH02179430A (ja) |
DD (1) | DD297873A5 (ja) |
IT (1) | IT1224487B (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08506166A (ja) * | 1992-11-10 | 1996-07-02 | インテレクチュアル・プロパティ・ホールディングス・ピーティーイー・リミテッド | 管継手 |
WO2015137251A1 (ja) * | 2014-03-10 | 2015-09-17 | 積水化学工業株式会社 | 圧電センサ |
JP2015169593A (ja) * | 2014-03-10 | 2015-09-28 | セイコーエプソン株式会社 | 力検出装置、ロボットおよび部品加工装置 |
WO2016027613A1 (ja) * | 2014-08-18 | 2016-02-25 | 株式会社村田製作所 | 圧電フィルムの積層体、及び曲げ検出センサ |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10249768A (ja) * | 1997-03-12 | 1998-09-22 | Tokai Rubber Ind Ltd | 力センサー |
GB2327763B (en) | 1997-08-01 | 1999-06-23 | Rotork Controls | Improved thrust sensors |
WO1999026046A1 (de) * | 1997-11-18 | 1999-05-27 | Schläpfer Messtechnik Ag | Piezoelektrischer dehnungssensor und verfahren zur messung von dehnungen auf oberflächen mit einem solchen sensor |
DE102006021707A1 (de) * | 2006-05-10 | 2007-11-15 | Schaeffler Kg | Lageranordnung mit einem piezoelektrischen Sensor |
GB2488092B (en) | 2010-11-03 | 2014-10-29 | Kittiwake Developments Ltd | A sensor based means of monitoring the mechanical condition of rotating machinery that operates intermittently |
WO2013132156A1 (en) * | 2012-03-05 | 2013-09-12 | Uutechnic Oy | Method for determining a bending moment of a drive shaft of a mixing apparatus, and a mixing system |
RU2702456C1 (ru) * | 2018-09-12 | 2019-10-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Силур" | Интеллектуальное уплотнение для контроля состояния разъемных соединений |
RU2695179C1 (ru) * | 2018-10-10 | 2019-07-22 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "СПЛАВ" (АО "НПО "СПЛАВ") | Уплотнительная прокладка для фланцевого соединения |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3151258A (en) * | 1960-12-10 | 1964-09-29 | Sonderegger Hans Conrad | Device for measuring the forces between components of an assembly |
US3894243A (en) * | 1974-06-06 | 1975-07-08 | Us Navy | Polymeric transducer array |
US4274282A (en) * | 1978-06-30 | 1981-06-23 | Productronix, Inc. | Sensor for reciprocating press |
DE2855746C3 (de) * | 1978-12-22 | 1981-07-30 | Kistler Instrumente Ag, Winterthur | Piezoelektrischer Dehnungsaufnehmer |
US4741231A (en) * | 1986-04-14 | 1988-05-03 | The Warner & Swasey Company | Tool force sensor and method of making same |
-
1988
- 1988-10-12 IT IT67917/88A patent/IT1224487B/it active
-
1989
- 1989-10-03 EP EP19890118283 patent/EP0363785A3/en not_active Withdrawn
- 1989-10-11 JP JP1266052A patent/JPH02179430A/ja active Pending
- 1989-10-11 DD DD89333506A patent/DD297873A5/de not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08506166A (ja) * | 1992-11-10 | 1996-07-02 | インテレクチュアル・プロパティ・ホールディングス・ピーティーイー・リミテッド | 管継手 |
CN1053961C (zh) * | 1992-11-10 | 2000-06-28 | 知识产权控股有限公司 | 连结器 |
WO2015137251A1 (ja) * | 2014-03-10 | 2015-09-17 | 積水化学工業株式会社 | 圧電センサ |
JP2015169593A (ja) * | 2014-03-10 | 2015-09-28 | セイコーエプソン株式会社 | 力検出装置、ロボットおよび部品加工装置 |
JPWO2015137251A1 (ja) * | 2014-03-10 | 2017-04-06 | 積水化学工業株式会社 | 圧電センサ |
JP2019056710A (ja) * | 2014-03-10 | 2019-04-11 | 積水化学工業株式会社 | 圧電センサ |
WO2016027613A1 (ja) * | 2014-08-18 | 2016-02-25 | 株式会社村田製作所 | 圧電フィルムの積層体、及び曲げ検出センサ |
JPWO2016027613A1 (ja) * | 2014-08-18 | 2017-06-01 | 株式会社村田製作所 | 圧電フィルムの積層体、及び曲げ検出センサ |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0363785A2 (en) | 1990-04-18 |
EP0363785A3 (en) | 1990-09-26 |
IT8867917A0 (it) | 1988-10-12 |
IT1224487B (it) | 1990-10-04 |
DD297873A5 (de) | 1992-01-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPH02179430A (ja) | 動的力を検出するためのトランスジューサ及び、該トランスジューサを含み、計測及び/又は制御する装置及び方法 | |
US4821584A (en) | Piezoelectric film load cell robot collision detector | |
US5140849A (en) | Rolling bearing with a sensor unit | |
JP2944315B2 (ja) | プリロード検出装置 | |
US20030038628A1 (en) | Self reference eddy current probe, measurement system, and measurement method | |
EP0538976A1 (en) | Apparatus for sensing operating shock on a disk drive | |
US6279810B1 (en) | Piezoelectric sensor for measuring bonding parameters | |
JPH09285944A (ja) | 空気軸受式工作機械の主軸異常検出装置 | |
US10175306B1 (en) | Large area magnetic flux sensor | |
JP6618126B2 (ja) | コンポーネント・トランスデューサ及びそのコンポーネント・トランスデューサを使用する多コンポーネント・トランスデューサ並びにその多コンポーネント・トランスデューサの使用 | |
US3979670A (en) | Apparatus for detecting and measuring peak-to-peak values in electrical signals | |
EP0216326A2 (en) | Electroacoustic transducer | |
US6831469B2 (en) | Micropower apparatus for low impedance measurements | |
US5349868A (en) | Pressure sensor including bridge circuit for detecting permeability of a magnetic layer | |
CN109580356B (zh) | 焊接强度检测方法及系统 | |
JPH10217069A (ja) | ワークと工具との近接・接触検知方法及び装置 | |
Higashi et al. | SNR enhancement of a spin-MEMS microphone by optimum bias magnetic field and demonstration of operation sound monitoring of rotating equipment | |
JP2022108343A5 (ja) | ||
US20230123365A1 (en) | Sensor and sensor processing device | |
Robbins et al. | Insert-mounted thin film sensors for real-time monitoring of tool conditions | |
JP2633125B2 (ja) | トルクセンサの温度特性の補償装置 | |
JPH0282135A (ja) | 可動部材の損傷検出方法及び装置 | |
JPS59212512A (ja) | すべり軸受の監視方法 | |
JPS6265390A (ja) | 積層型圧電変位素子 | |
JP6529082B2 (ja) | 電圧差における異常を検出する異常検出装置 |