JPH04231827A

JPH04231827A - 薄円板状力センサ

Info

Publication number: JPH04231827A
Application number: JP3129718A
Authority: JP
Inventors: Hans-Conrad Sonderegger; ゾンデレッガー　ハンス　−　コンラット; Rolf Kuratle; クラトル　ロルフ; Peter Wolfer; ヴォルファー　ペーター; Reto Calderara; カルデララ　レト
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1991-05-31
Publication date: 1992-08-20

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【従来技術および発明が解決しようとする課題】圧電材
料とひずみゲージとに基づく円板形および環状力センサ
は商業的に入手可能である。約２０年この方とくに石英
負荷座金が、動的な単一および多重分力プロセスを測定
する上で周知されるようになった。この設計は、２個の
硬質且つ中実の円板の間に配置された結晶と、大部分が
圧電円板全体に達する導入された力とを具備することを
特徴とする。これは必然的に、標準的な座金の高さの約
２ないし３倍の全高を伴う。この諸例がＤＰ１　　９２
９　　４７８号およびＣＨ４７６　　９９０号に示され
ている。特に使用を監視する工業上の用途においては、
現今の増幅器技法のおかげで、有効な力の一部分のみを
検出すれば充分であり、それは力を平行させることによ
り最も簡単に行われる。但しこれは観測時間中、関係が
変化しないことを条件としている。αの値は、用途によ
り、２から１００００にわたり得る。長方形プラットホ
ーム内のこの種の力センサは、ＤＥ３４　　４０６７０
Ｃ２号により周知されている。上記測定プレートの場合
、市販の圧電力測定円板は接着されている。測定プレー
ト面に対するそれらの極めて重大な取付け高さは、アダ
プタプレートやスラスト座金により、数μｍ以内に適合
されなけばならない。この円板の一連の配列（市販の力
測定円板は既にその５個を備えている）の一つの結果は
、平行にされた力の伝達の検出における大きな不確実性
であるが、これは、接触面と共に、連続して配置された
８個の円板が予荷重に応じて種々の比率の弾性を備えた
１０個のギャップばね層を生成することによるものであ
る。１０個の異なるエアギャップにより上記の測定プレ
ートの個々の力測定円板は、同一加重の下で常に異なっ
た力測定信号を生成するが、これは、ギャップばね層の
影響を抑制することが困難なためである。

【０００２】本発明の目的は、測定円板にして、その測
定素子が半分以下、即ち５個未満のエアギャップを備え
るようにした測定円板を提供することにある。このため
に円板は、高い予荷重の下で測定素子へ個別に溶接され
る。この後で、完全な基底を得るために円板面が全体を
研削され、でき得る限り測定素子のカバー円板と一緒に
ラップ仕上される。次いで測定素子カバー円板は、ステ
ンシルを用いて正確に定められた蒸着層で被覆すること
ができる。これにより、本発明による薄円板状力センサ
を整合させるべき付加的なアダプタプレートやスラスト
座金なしで、はるかに容易に、より正確且つ確実にはめ
込むことができる。

【０００３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、隔置さ
れた全ての３座標Ｘ、Ｙ、Ｚにつき、ならびにモーメン
トＭに対し、感応性を有するセンサ内に測定素子がはめ
込まれる。全面研削された状態での蒸着により、定めら
れた力の平行化が得られる。ギャップばね層の数の減少
と、標準化された円板素子を用いて高い予荷重下で溶接
することによるそれらの最小化とによって、新しい種類
の薄円板状力センサがつくり出される。

【０００４】本発明は、主として、インピーダンス変成
器もしくはチャージ増幅器の技法と結び付けられた圧電
測定原理に基づくものである。通常、圧電材料として石
英（ＳｉＯ２　）が使用され、現今のチャージ増幅器に
関連して１５ｍｉｎ　まで持続する測定サイクルを可能
にさせており、従って完全な静的校正ができる。インピ
ーダンス変成器によれば短時間の現象しか検出できない
が、これらは、簡単な方法でセンサ内に統合することが
できる。圧力および力センサ用の、市販のインピーダン
ス変成器が、「ピエゾトロン・トランスデューサ（Ｐｉ
ｅｚｏｔｒｏｎ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）」なる商品名
の下で文献に記載されている。

【０００５】圧電セラミックの使用により更に強力な信
号が生成されるが、それらは短時間測定用にしか使用で
きず、一方、静的校正は困難ながら可能である。それに
も拘わらず、それらにより、諸利益を提供し得るはるか
に小さい素子が得られる。しかし、石英プレートは結晶
のカットに応じて圧縮およびせん断双方の応力を受ける
可能性があるので、石英は、多重成分動力測定用の理想
的材料であることが立証されている。

【０００６】ただし本発明は、他の周知のセンサ技法を
実施することもできる。従って薄い、また厚いフィルム
・プロセスの利用が考えられ、また、単一分力測定のみ
についてではあるが、容量性の諸原理のそれも考えられ
る。それにも拘わらずに圧電の原理は、達成可能な高い
剛性の故に、はるかに優れている。

【０００７】従って次の所見は専ら圧電装置に関するも
のである。

【０００８】本発明を次の実例につき詳細に説明する。

【０００９】

【実施例】図１は、船用ディーゼル機関のナット２とシ
リンダカバー４との間にはめ込まれた本発明による薄円
板状力センサ１の代表的な用法を示す。その目的は、シ
リンダ内の圧力曲線に対応するシリンダ・スタッド３に
より伝達される力を監視することにある。この場合、正
規の座金の寸法に対応する力センサを備えることが重要
であり、それにより、機械的な変更を要せずに、これら
を薄円板状力センサに置き換えることができる。

【００１０】図６は、上記の使用に適した薄円板状力セ
ンサ１の平面を示す。力Ｚを測定するため、一般に４組
の測定セル６が金属環１４内に設けられる。はめ込まれ
た測定素子６，７（図１０）の直径「ｄ」はこの用途に
適応されている。この小直径「ｄ」は、粗く機械加工さ
れた取付けに際しても、圧電円板の破壊を伴わずに多年
の確実な作動を可能にさせる利点を有する。４組の信号
電極は全て半径方向に外方へ向き、そこでそれらは、ケ
ーブル溝１２内のリング状線路１１を介して、接続ケー
ブル１０と接続される。多くの場合、インピーダンス変
成の目的で前置増幅器９が接続ハウジング８内に収容さ
れるが、測定されたチャージもケーブル１０を介してチ
ャージ増幅器へ直接に導くことができる。

【００１１】図２は、ケーブル溝１２を正面に向けた、
はめ込み測定素子を通る断面を示す。絶縁されたリング
状接続線路１１が中に置かれている。

【００１２】図３は、リング状接続線路１１の被覆をは
いだ部分に信号電極１５の接続部を備えた、図２に対す
る対応平面を示す。ケーブル溝１２全体を上方から簡単
にシールできる。

【００１３】図４は、測定素子が金属環１４内へいかに
して溶接されるか、を示す。測定素子はラム２１により
高圧の下に置かれ、レーザ溶接ファイバ２２を介し、レ
ーザ溶接により金属環１４へ接合される。次いで信号電
極１５がリング状線路１１へ接続され、全ての開いた溝
が極めて絶縁性の封止コンパウンド１３でシールされる
。このコンパウンド１３が固まった後、図４に示す如き
止り孔又は図７に示す如き通り孔の何れが選択されるか
に応じて、金属環１４が片面または両面を全体的に研削
される。但し、他の何れか適宜の方法を用いても良い。

【００１４】図８、図９および図１０は、本発明による
各種の多重成分力センサの実施例を示す。この種のセン
サは、主として監視する目的で、工作機械、ロボット、
車両等にはめ込まれる。これらの実施例は、インピーダ
ンス変成のための前置増幅器９と共に示されている。し
かし多くの場合、測定信号は、接続ケーブル１０を介し
、対応するチャージ増幅器へ直接に導く方が良い。図示
の如く半径方向へ導く代りに、中心方向へ接続部を導い
ても良い。

【００１５】図１１および図１２は、金属環１４の中間
直径円内にケーブル溝１２を置いた実施例の細部を示す
。その場合、電極には、２組の接続耳１５ａがある。

【００１６】図１３には、予め定めた高さ（Ｈ）を有す
る被覆２４の蒸着が示されているが、これは、図１４に
示す如きステンシル２３による簡単な方法で遂行できる
。この層２４の環表面の上方へ突出させることにより、
測定素子６，７を通過する力の流れの比率を増大させる
ことができる。

【００１７】図１５および図１６は二つの円板形測定素
子形式を示し、図１５は金属カバー円板１７、結晶円板
１６、その間の信号電極１５、および底部カバー円板２
０を含んでいる。圧電セラミックを備えた測定セルは同
じ方法で組み立てることができる。

【００１８】図１６は同じ形式の測定素子を示している
が、底部カバー円板はない。

【００１９】両形式の測定素子は周知の方法により融合
されてユニットを形成し、従ってわずかなギャップばね
効果しか現れない。融合の代りにそれらを接着すること
もでき、それにより同様に容易な取付けが可能となる。

【００２０】本発明は、押圧およびせん断に対する二つ
の測定素子形式６，７のみにより、多重成分力測定の数
多くの組合せを組み立て得ることを示している。金属環
の形のキャリア円板に予め組み立てられた、極力薄い円
板をはめ込んだ測定素子６，７により、複雑な取付け上
の要件に対する簡単な適応が可能となるが、他の形を選
択しても良い。

【００２１】本発明により達成された、最小限度へのギ
ャップばね効果の減少により、同じ機能を備えた種々の
測定素子からの出力信号の均一性についての、以前には
達成し得なかった信頼性がもたらされ、信号を予め定め
ることができる。更にまたこの種の薄円板状力センサは
、取り付ける際にアダプタ・プレートやスラスト座金を
測定し且つはめ込む必要が全くないので、取り付けるの
がはるかに簡単である。

【００２２】はるかに硬直な構造のため、所望の信号強
度を得るためには、厚さ数μｍの蒸着層で充分である。許容し得る素子直径「ｄ」の正しい選択により、最も困
難な取付け条件に匹敵し且つ長期間においても結晶の破
壊に全く遭遇しないように薄円板状力センサを作ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】薄円板状力センサの一用法。

【図２】はめ込まれた測定素子を通る断面。

【図３】図２に対する平面。

【図４】センサ円板内への測定素子の溶接。

【図５】図４に対する平面。

【図６】図１に用いられた薄円板状力センサの平面。

【図７】図６の断面Ａ−Ａ。

【図８】３座標軸上の力（Ｘ）、（Ｙ）、（Ｚ）を検出
する薄円板状力センサ。

【図９】トルクおよび軸線方向の力を検出する薄円板状
力センサ。

【図１０】３座標軸およびトルクを検出する薄円板状力
センサ。

【図１１】信号溝の細部。

【図１２】図１１に対する平面。

【図１３】断面。

【図１４】図１３に対する蒸着ステンシル。

【図１５】はめ込む測定素子を通る断面。

【図１６】はめ込む測定素子を通る断面。

【符号の説明】

１　　薄円板状力センサ６　　測定素子７　　測定素子１１　　リング状接続線路１４　　薄円板１５　　信号電極１６　　石英円板２４　　蒸着層Ｍ　　トルクＸ　　分力Ｙ　　分力Ｚ　　分力

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　力方向に合致し、押圧力およびせん断
力に感応し易く、且つねじ付ナットの下または力を伝達
する機械部品の間にはめ込むようにされた測定素子（６
）、（７）を備える薄円板状力センサにおいて、測定素
子（６）、（７）が力導入面を包含する５個以下のギャ
ップばね層を有し且つギャップばね作用を減少させるた
め高い機械的予荷重の下で薄円板（１４）に溶接され、
その後力測定貢献度を増すため予め定めた厚さ（Ｈ）の
蒸着層（２４）を設けられることを特徴とする薄円板状
力センサ。
【請求項２】　　請求項１に記載の薄円板状力センサに
おいて、測定素子（６）、（７）の直径（ｄ）が、不精
確な取付け状態の下でも圧電素子が破壊しないことを保
証する力センサ（１）の直径（Ｄ）に対する比を有する
ことを特徴とする薄円板状力センサ。
【請求項３】　　請求項１および請求項２に記載の薄円
板状力センサにおいて、測定素子（６）、（７）が圧電
材料に基づいており且つ種々の方向に切り取られた石英
円板を包有し、それらの信号電極（１５）が、外周の対
応的な溝内に置かれたリング状線路（１１）へ接続され
ることを特徴とする薄円板状力センサ。
【請求項４】　　請求項１および請求項２に記載の薄円
板状力センサにおいて、測定素子（６）、（７）が圧電
材料に基づいており且つ種々の方向に切り取られた圧電
セラミック円板（１６）を包有し、それらの信号電極（
１５）が、外周の対応的な溝内に置かれたリング状線路
（１１）へ接続されることを特徴とする薄円板状力セン
サ。
【請求項５】　　請求項１、請求項２、請求項３および
請求項４に記載の薄円板状力センサにおいて、測定素子
（６）、（７）が押圧力（Ｚ）にのみ感応することを特
徴とする薄円板状力センサ。
【請求項６】　　請求項１、請求項２、請求項３および
請求項４に記載の薄円板状力センサにおいて、測定素子
（６）、（７）が、それらが分力（Ｘ）、（Ｙ）、（Ｚ
）の少なくとも二つを検出するように配向されることを
特徴とする薄円板状力センサ。
【請求項７】　　請求項１、請求項２、請求項３および
請求項４に記載の薄円板状力センサにおいて、測定素子
（６）、（７）が、それがトルク（Ｍ）および軸線方向
力（Ｚ）を検出するように配向されることを特徴とする
薄円板状力センサ。
【請求項８】　　請求項１、請求項２、請求項３および
請求項４に記載の薄円板状力センサにおいて、測定素子
（６）、（７）が、それが分力（Ｘ）、（Ｙ）、（Ｚ）
およびトルク（Ｍ）を検出するように配向されることを
特徴とする薄円板状力センサ。
【請求項９】　　請求項１から請求項８に記載の薄円板
状力センサにおいて、測定素子（６）、（７）が、間に
信号電極（１５）を置き、１個または２個の金属カバー
円板と一緒に融合されて一ユニットを形成する２個の圧
電円板から成ることを特徴とする薄円板状力センサ。
【請求項１０】　　請求項１から請求項９に記載の薄円
板状力センサにおいて、測定素子（６）、（７）が、間
に信号電極（１５）を備えた圧電円板と絶縁円板とから
成ることを特徴とする薄円板状力センサ。
【請求項１１】　　請求項１から請求項９に記載の薄円
板状力センサにおいて、ケーブル接続ハウジング内に少
なくとも１組の前置増幅器がはめ込まれ、高インピーダ
ンス信号を低インピーダンス信号に変換することを特徴
とする薄円板状力センサ。