JPH04231829A

JPH04231829A - 平行にされた円板測定要素及び集積増幅器を有する介在式力センサ

Info

Publication number: JPH04231829A
Application number: JP3129719A
Authority: JP
Inventors: Hans-Conrad Sonderegger; ゾンデレッガー　ハンス　−　コンラット; Mario Giorgetta; ギオルゲット　マリオ; Peter Wolfer; ヴォルファー　ペーター
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】

【産業上の利用分野】本発明は、力に関して平行にされ
た測定要素を有し、力及びモーメントを伝達する機械部
品に取付けられる介在センサに関する。そのようなセン
サの重要な要件は、センサができるだけ円板又は板の形
をとり、それによりセンサが設置条件をできるだけ変え
ないようにすることである。

【０００２】

【従来の技術】この種の構成の主要な要件は、板を通し
て導かれる全部の力を力センサを通して導かれるより小
さい測定力とバイパスされる補足の力とに細分すること
がちょうど一定でなければならないことである。

【０００３】この種のセンサはＤＥ３４４０６７０Ｃ２
で知られている。これらの測定板に市販の力測定要素が
接着される。測定板表面と比較したそれらの非常に重大
な全体高さはアダプタ板及びスラスト座金によって数μ
ｍ以内まで正確に調節されねばならない。通常既に市販
の力測定要素に５つある多数の円板のこの直列連結の１
つの結果は、例えば接触表面と一緒に直列に連結された
８つの円板がそれらの予負荷に従って異なる弾性比を有
する１０の間隙ばね層を与えるのでこれらの要素を平行
にすることによって力伝達に大きな不確実性があること
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】その結果として、この
種の測定板中の個々の力測定要素はこれらの間隙の大き
さの制御が困難であるので１０の空隙のために異なる力
信号を与える。そのうえ、市販の力測定要素及び必要な
アダプタ及びスラスト座金の取付けのために、板厚は最
小１０〜１２ｍｍより小さく減らすことができない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は力測定構
造にかなり少ない空隙を有し、追加のアダプタ板及びス
ラスト座金を必要とせず、且つはるかに薄い力測定要素
及び測定板を提供することである。この目的は、測定要
素が力導入表面を含む５つより多くない間隙ばね層を有
する円板からなり、それにより測定要素が高い機械的負
荷状態で溶接されることと、センサ表面が平坦性を保証
するように研削されることと、測定要素が電荷増幅器構
造と一緒に組立体ユニットを形成することとによって達
成される。本発明によるこの組合せによって、新規な設
備及び監視の可能性が経済的なコストで、個々の力測定
要素の単一化された一定の信号状態をもって開発される
。

【０００６】本発明は第一に電荷増幅器と一緒に動作す
る圧電式力測定構造に関する。水晶（ＳｉＯ２　）が通
常ピエゾ材料として採用され、１〜２％の信号損失だけ
で１５分まで持続する測定を可能にし、それにより満足
な静的較正が可能である。ピエゾセラミックスの使用は
、より強い信号が必要とされ且つ準安定な測定が重要で
ない若干の場合に望ましいことがある。それにもかかわ
らず、水晶板は結晶の切断に依存して圧縮及びせん断の
両方で負荷されることができるので、水晶は多成分動力
計測に理想的な材料であることが分かっている。

【０００７】しかしながら、本発明は他の既知のセンサ
技術を利用することができる。このため、薄い及び厚い
フィルム加工及びおそらくキャパシタンスの原理の応用
が考えられる。しかしながら、圧電気だけが平行に配置
された固体金属板に対する必要な剛性を可能にする。

【０００８】それ故、以下の説明は圧電式構成に専ら言
及する。

【０００９】本発明は図面を参照してより詳細に説明さ
れる。

【００１０】

【実施例】図１は例えば中ぐり盤の駆動軸中に組込まれ
た環状の形を有する本発明による介在式センサ１を示す
。軸線方向力Ｚ及び駆動モーメントＭの測定が要求され
る。しかしながら、他の力成分も後で示すように選択さ
れることができる。力伝達が固体鋼円板の伝達にほぼ対
応するようにねじ３によって予負荷された介在式センサ
１が駆動軸２と工具担持軸４との間にある。機械の装備
条件の変更をできるだけ回避するために、介在式センサ
１の厚さＨはできるだけ小さく、典型的にはＤの約１／
１０又は数ｍｍである。

【００１１】図４で、介在式センサ１は金属円板１４か
らなり、その中に少なくとも１つの円板形状の測定要素
６が取付けられるが、通常は多数の円板形状の測定要素
６，７が円周方向に離間されている。

【００１２】結晶の切断に依存して、測定要素６，７は
圧力又はＺ力要素６、又はせん断力要素７からなり、そ
れによりＺ，Ｘ又はＹ力又はＭモーメントが結晶の感度
軸線の配向に従って測定されることができる。円板の内
腔に増幅器８が取付けられ、それへ測定要素６，７の信
号電極１５が直接に連結される。中心の連結スリーブ９
中に電力ライン及び信号ライン１０があり、該ラインは
ケーブルチャネル１２中で図示しない信号伝達へ通じる
。

【００１３】図２は図４での断面Ｅ−Ｅの詳細図である
。この変形例で、金属円板１４は盲穴を有し、その中に
測定要素が図８におけるように取付けられる。電荷増幅
器８は金属環状体１４の溝１８中に保持される。結晶円
板１６の間の信号電極１５は電荷増幅器８の対応する連
結点１９へ通じる。

【００１４】図３は図２の平面図を示す。金属環状体１
４は金属カバー円板１７へ溶接される。

【００１５】既に述べたように、図４は金属環状体１４
と組込み式電荷増幅器８からなる組立体ユニットを示し
、該増幅器に信号電極１５が直接に連結される。全体構
造はシール化合物１３によって気密シールされ、高度に
絶縁するライン又は連結部が設けられる必要がないので
取付けを容易にする。使用者は高絶縁センサ自体を取付
けることができる。しかしながら、電荷増幅器８は異な
る様態で連結されることができる。予負荷ボルト３は金
属環状体１４に真直ぐに通されることができる。

【００１６】図５は図８の測定セルがどのようにして金
属環状体１４に溶接されるかを詳細に示す。このために
、測定要素はプレスラム２１によって高い機械的負荷の
もとで配置され、その後それはレーザー溶接繊維２２に
よって環状体と溶接される。しかしながら、他の溶接技
術が応用されることができる。

【０００１７】図６で、カバー円板１７及び底部カバー
円板２０は僅かに過大な寸法にされている。溶接後、両
方の表面は二ホイールラップ盤でｖｖｖ仕上げまで平坦
に研削又はラップ加工される。

【００１８】カバー円板は金属環状体１４と同じ材料の
ものであるので、寸法Ｈ１及びＨ２は絶対に等しく、即
ち環状体１４上及び金属カバー円板１７上の研削又はラ
ップ加工は正確に同じ厚さの材料を除去する。

【００１９】図７は通穴のための測定要素を示す。この
実施例は図６で使用される。

【００２０】図８は盲穴のための測定要素を示す。この
実施例は図２で使用される。通常、２つの結晶又はセラ
ミック円板１６が設けられ、これらの間に信号電極１５
がある。１つだけのピエゾ円板を有する構成も可能であ
る。このとき、単一の電極は絶縁円板とピエゾ円板の間
にある。

【００２１】圧力結晶か又はせん断結晶かが両方の測定
要素形式のために使用されることができる。図７及び図
８の測定要素の結晶及び金属部分は組立体ユニットに融
解され、最小の間隙ばね作用と簡単な取付けを保証する
。しかしながら、接着も採用することができる。

【００２２】金属環状体１４が図６に示すような通穴を
有するか又は図２に示すような盲穴を有するか、又は１
つだけのピエゾ円板が使用されるかは設計上の選択事項
である。ことごとくの可能性は同じ主要な原理に従う。

【００２３】本発明によれば、測定要素６，７は高い機
械的予負荷状態で溶接されることが重要である。この後
、図７又は図８に従う要素が取付けられるかに依存して
、測定要素は一方又は両方の側で研削又はラップ加工さ
れる。このように、融解され又は接着された測定要素を
用いて、多数間隙ばね作用を減らす目的を達成すること
が可能である。信頼できる測定結果はそのような測定要
素から長期間にわたって期待できる。

【００２４】図９及び図１０は、集積された増幅器電子
機器帯ディジタル誘導信号リードオフ（図１０：図９の
平面図）を有する介在式のセンサの完全な応用例を示す
。勿論、他の無線伝送装置も採用されることができる。

【００２５】介在式センサ１は例えば力成分Ｘ，Ｙ，Ｚ
及び駆動モーメントＭの両方が完全に介在式センサ１を
通して導かれるように駆動軸２及び工具担持軸４の間で
予負荷ボルト３によってクランプされる。４つの測定さ
れた値のそれぞれに対して、２つの対称的に配置された
測定要素が提供され、全体で２つを圧縮力Ｚに役立て且
つ６つをせん断力及びモーメントＸ，Ｙ及びＭに役立て
る。従って、４つの電荷増幅器８が必要である。それら
は環状電子機器ハウジング２５中で接線方向に配置され
且つ取付けられ且つシールされる。

【００２６】電子機器ハウジング２５は回転する信号誘
導コイル２３を備えることができる。その中に他の伝送
電子機器部品が追加的に収容される。静止信号誘導コイ
ル２４は機械の案内通路に取付けられ且つ電圧供給部並
びに信号リードオフを含む。しかしながら、特別の伝送
ユニットによって駆動軸２の端部で中心に電荷増幅器８
のための信号リードオフ及び電圧供給部を設けることが
可能である。

【００２７】本発明によれば、電荷増幅器８は信号電極
１５が増幅器８のセラミック板へ真直ぐに連結されるこ
とができる。しかしながら、他の興味ある連結の可能性
がある。

【００２８】図１１は力接点表面の内側は配置された電
荷増幅器８を有する矩形の介在式センサを示す。

【００２９】図１１及び図１２の本発明による例は６つ
の測定要素を示し、２つがそれぞれ空間座標Ｘ，Ｙ及び
Ｚのためにある。再び本発明によれば、これらは高い機
械的プレスのもとで金属板２８中に溶接される（図２に
示す）。板２８は次に両側で研削及びラップ加工される
。

【００３０】若干の応用のために、特にもし力の小さい
変化が測定されるならば、幾つかの測定要素を他の測定
要素よりも多く負荷することが有利であることがある。

【００３１】そのような場合、ステンシル又は写真平版
によって測定要素６，７のカバー円板１７は正確に蒸着
時間の関数である厚さ「Ｓ」の蒸着層を与えられる。こ
のように、研削及びラップ加工された全表面に基づいて
、非常に正確に規定された追加の応力が、別の空隙作用
を測定要素にもたらす余分の円板又はフィルムを必要と
せずに、測定要素６，７に形成されることができる。

【００３２】電力パック２９が３つの電荷増幅器８（−
Ｘ，−Ｙ，−Ｚ）の前に有利に連結される。それは機械
の標準化された２４〜３６Ｖの回路網へ真直ぐに連結さ
れることができる。電荷増幅器及び電力パックはハイブ
リッドの形式であることができる。

【００３３】どのような形のセンサも円板形状の、環状
の又は矩形の介在式センサの代わりに選択されることが
できる。そのような形は機械の設計形状に適合されるこ
とができる。

【００３４】このように、本発明は工作機械及びロボッ
トでの切削力、リベット打ち力及び溶接力を測定し且つ
特に監視するために特に適した新しい範疇の介在式セン
サを作ることを可能にする。そのような監視センサを有
する機械は完全に自動的に動作することができる。圧電
計測は多成分動力計測に顕著に適している。欠点はそれ
が準静的に測定すること、及び高絶縁ケーブルがセンサ
と電荷増幅器との間に必要とされることである。市販の
ものよりも小さいファクターの新規に開発された電荷増
幅器のために、本発明によれば、連結ケーブルを必要と
しないように圧電式センサ及び電荷増幅器を１つのユニ
ットに組合せることが可能になった。水晶をピエゾ材料
として使用する準静的な測定の可能性は決定的に改善さ
れた。

【００３５】そのような組合せでの測定は１０％ＦＳ（
フルスケール）のジャンプ信号が５分間の力露呈後に２
％より少ないドリフトを生じたことを示した。

【００３６】機械加工で、作業サイクルの９５％が５分
間より短く持続するので、広い応用範囲が本発明による
このセンサ技術によって工業的な計測で開かれた。

【００３７】典型的には６〜８ｍｍの非常に低い高さＨ
によって、本発明による介在式センサは容易に取付けら
れることができ且つ機械の幾何形状の要件に簡単に適合
することができる。更に、センサはその安定正構造を目
にみえないほどだけ変える。標準化された円板測定要素
６，７の使用及びそれらを高い機械的圧力のもとで溶接
すること、また直列に連結された空隙の回避及び測定要
素を電荷増幅器へ直結すると同時にケーブル連結を回避
する可能性は、機械加工技術及びロボット工学で新しい
可能性を開く介在式センサ概念をもたらす。

【図面の簡単な説明】

【図１】円板の内腔中の電荷増幅器構造を有する組込み
式円板形状の介在式板センサの断面図。

【図２】図４の断面Ｅ−Ｅの図。

【図３】図２の平面図。

【図４】図１の断面Ａ−Ａの図。

【図５】測定要素のための溶接リグを示す側面図。

【図６】図２の変形例の断面図。

【図７】測定要素の断面図。

【図８】測定要素の断面図。

【図９】トルクをもつ４つの成分を測定するための装置
の構成の断面図。

【図１０】図９の平面図。

【図１１】組込み式増幅器構造を有する矩形の介在式板
センサ。

【図１２】図１１の断面図。

【図１３】測定要素に蒸着された金属層「Ｓ」を有する
センサの断面図。

【符号の説明】

１　　介在式センサ２　　駆動軸３　　ねじ４　　工具担持軸６，７　　測定要素８　　増幅器１３　　シール化合物１４　　金属円板１５　　電極１６　　結晶円板１７，２０　　カバー円板２３　　誘導コイル２５　　ハウジング２８　　金属板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　力に関して平行にされ且つ圧力又はせ
ん断力に感応する測定要素（６，７）を有し、力伝達機
械部品の間に取付けるための介在式センサにおいて、測
定要素（６，７）が力導入表面を含む５つより多くない
間隙ばね層を有する円板からなり、それにより測定要素
（６，７）が高い機械的予負荷のもとで溶接され、その
うえセンサ表面が平坦性を保証するように研削され、測
定要素（６，７）が電荷増幅器（８）及び他の電子機器
ユニットと一緒に必要な予負荷ボルト（３）も設けられ
ることができる組立体を形成することを特徴とする介在
式センサ。
【請求項２】　　測定要素（６，７）が圧電気を基礎と
し、且つ種々の方向へ切断された水晶円板（１６）を含
み、それらの信号電極（１５）がケーブルなしで電荷増
幅器（８）へ連結されたことを特徴とする請求項１に記
載された介在式センサ。
【請求項３】　　測定要素（６，７）が圧電気を基礎と
し、且つ種々の配向を有するピエゾセラミック円板（１
６）を含み、それらの信号電極（１５）がケーブルなし
で電荷増幅器（８）へ連結されたことを特徴とする請求
項１に記載された介在式センサ。
【請求項４】　　その環状の形により、電力パック（２
９）及び電荷増幅器（８）からなる電子機器が環状体の
内腔中に配置されることができ、同軸状の連結及び信号
ライン（９，１０）を装備して組立体ユニットを形成す
ることを特徴とする請求項１、２及び３のいずれか１項
に記載された介在式センサ。
【請求項５】　　その環状の形が環状体の内項（１８）
の内側に配置された電力パック（２９）及び電荷増幅器
（８）からなる増幅器構造を有することを特徴とする請
求項１、２、３及び４のいずれか１項に記載された介在
式センサ。
【請求項６】その環状の形が環状体の内項（１８）の外
側で接線方向に配置され且つ環状電子機器ハウジング（
２５）中に収容された電力パック（２９）及び電荷増幅
器（８）からなる増幅器構造を有することを特徴とする
請求項１、２、３及び４のいずれか１項に記載された介
在式センサ。
【請求項７】　　その環状の形が環状体の内腔（１８）
の外側で接線方向に配置された電力パック（２９）及び
電荷増幅器（８）からなる増幅器構造を有し、変成及び
伝送電子機器（３０）が環状電子機器ハウジング（２５
）中に収容され、エネルギを供給し且つ信号を伝送する
ための装置が遠隔計測装置（２３）上に接点のないこと
を特徴とする請求項１、２、３、４、５、及び６のいず
れか１項に記載された介在式センサ。
【請求項８】　　その矩形の形が分配板（２６）上のフ
ランジの内側に配置され且つ介在式センサ（１）の機械
的部品でシールされて組立体を形成する電力パック（２
９）及び電荷増幅器（８）からなる増幅器構造を有する
ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に
記載された介在式センサ。
【請求項９】　　測定要素（６，７）が板（２８）と比
較して伝導される力の比率を増加するように一定の厚さ
「Ｓ」の蒸着層（２７）を設けていることを特徴とする
請求項１から８までのいずれか１項に記載された介在式
センサ。
【請求項１０】　　多成分力Ｘ，Ｙ及びＺ並びにトルク
Ｍが検知されることができるように測定要素が配向され
ていることを特徴とする請求項１から９までのいずれか
１項に記載された介在式センサ。
【請求項１１】　　測定装置（６，７）がそれらの間に
位置決めされ、１つまたは２つの金属カバー円板（１７
，２０）と結合されて組立体ユニットを形成する２つの
結晶円板（１６）と信号電極（１５）とからなり、それ
により内部間隙ばね作用が殆ど存在しないようにしたこ
とを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項に
記載された介在式センサ。
【請求項１２】　　場合によりセンサ板（２８）又は円
板（１４）が測定要素（６，７）に適合した通穴を設け
ることができ、その中へ測定要素（６，７）が溶接され
ていることを特徴とする請求項１から１１までのいずれ
か１項に記載された介在式センサ。
【請求項１３】　　場合によりセンサ板（２８）又は円
板（１４）が盲穴をもうけることができ、その中へ測定
要素（６，７）が挿入され且つ溶接されていることを特
徴とする請求項１から１２までのいずれか１項に記載さ
れた介在式センサ。
【請求項１４】　　ピエゾ構造が結晶又はセラミック円
板と絶縁円板とからなり、これらの間に電極（１５）が
あることを特徴とする請求項１から１３までのいずれか
１項に記載された介在式センサ。