JPH06221943A - 多成分の力およびモーメントの測定装置 - Google Patents

多成分の力およびモーメントの測定装置

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JPH06221943A
JPH06221943A JP5265037A JP26503793A JPH06221943A JP H06221943 A JPH06221943 A JP H06221943A JP 5265037 A JP5265037 A JP 5265037A JP 26503793 A JP26503793 A JP 26503793A JP H06221943 A JPH06221943 A JP H06221943A
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piezoelectric
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JP5265037A
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Paul Engeler
エンゲラー ポール
Mario Giorgetta
ギオルゲッタ マリオ
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 バイオメカニックス、一般的な機械的技術、
ロボットなどの技術において動的力またはモーメントを
繰返し現象に関連して測定可能にする多成分の力および
モーメントの測定装置を提供する。 【構成】 本発明による多成分の力およびモーメントの
測定装置は、共通の力導入部材２，４９，６３による圧
力および張力にそれぞれ感応する少なくとも２つの圧電
部材４，４８，５５，６１，６２がそれらの部材に生じ
た圧縮および引張り力成分を協働して測定するように構
成され、またこの測定装置に作用する１つまたはそれ以
上のトルクによって生じたモーメント力を場合に応じて
組として加算または減算し、これにより１つまたは複数
の加数が信号電荷として評価回路１５に導かれることを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は多成分の力およびモーメ
ントの測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ダイナモメーターによる平ワッシャーセ
ンサーを使用した多成分の力の測定は良く知られてい
る。このような適用に関しては、圧縮荷重および切断荷
重にクォーツ負荷ワッシャーを使用する圧電計測学が増
々受入れられてきている。これに必要とされるクォーツ
結晶ディスクはクォーツロッドから全て長手方向に切断
される。静的較正が必要なために容認されてはいない
が、圧電セラミックは原理的に使用し得る。
【０００３】また圧電装置において圧力トランスデュー
サは横方向に切断されたロッド部材のような圧電結晶体
であることも知られている。
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、こ
のような圧電ロッド部材が曲げモーメントを生じるよう
に使用されて、それらの信号が適正に処理されるならば
多成分の力の測定が可能になるという新しい発見に基づ
いた測定装置を提供することである。このような力およ
びモーメントのトランスデューサは非常に小さく且つ簡
単に作れる。それらは小型化に好適である。何故なら、
信号強さがディスク結晶体アレーよりも多数倍も大きい
からである。
【０００５】
【課題を達成するための手段】本発明による測定装置
は、共通の力導入部材による圧縮および引張りにそれぞ
れ感応する少なくとも２つの圧電部材が、圧力および引
張り成分の両方を測定するように配置され、またこの測
定装置に作用する１つまたはそれ以上のモーメントによ
って圧電部材に生じたモーメント力によって組として発
生された圧縮または引張り力を場合に応じて加算または
減算して、この加数が信号電荷として評価回路に導かれ
ることを特徴とする。
【０００６】本発明、および本発明に関連する他の特徴
および利点が、図面に示した典型的な実施例を参照して
以下に更に詳細に説明される。
【０００７】
【実施例】図１および図２による測定装置は本体１およ
び頂部プレート２を有して構成され、機械的事前荷重を
付与した状態で１組の結晶体４ｂ、４ｄを取囲む弾性的
なクランピングスリーブ３として延在して、本体１に剛
性的に連結されている。結晶体組４ｂ、４ｄは典型的に
は扇形断面（図２）の２つのロッド状結晶体で作られて
いる。この結晶体ロッドは圧電材料から横方向に切り出
されている。クォーツを圧電材料として使用するのが好
ましいが、他の適当な材料も使用できる。圧電セラミッ
クもこのような圧電ロッドに処理できる。更にピエゾ抵
抗ロッドが圧電部材としても十分に使用できる。
【０００８】結晶体組４ｂ、４ｄは、力Ｆｘの作用の下
でロッド４ｄは荷重を受けるが、ロッド４ｂは荷重を受
けないように取付けられる。何故なら、これらのロッド
は取付けられるときに機械的な事前荷重を受けて配置さ
れるからである。横方向の断面において、結晶体ロッド
は、負荷を受けた状態で平面−接地のセグメント内面の
負電荷を電極５ｂ、５ｄの接点６ｂ、６ｄに放出する一
方、シリンダー外面の正電荷はクランピングスリーブ３
に直接に導かれるように、分極されている。
【０００９】適用例に応じて、同じまたは異なる極性の
結晶体組が使用できる。図１は異なる極性、すなわち負
荷を受けた状態で接点６ｂ、６ｄの両方に負電荷が生じ
る極性の結晶体組４ｂ、４ｄを示している。例えばＦｘ
モーメントのみを測定するとすれば、異なる極性の結晶
体組が有利である。何故なら、両方の接点面の電荷を受
け取る図示していない共通の電極により、電荷加算が両
方の結晶ロッドに関して自動的に生じるからである。
【００１０】力Ｆｘはレバーアームｌによって曲げモー
メントを発生し、この曲げモーメントは結晶体組４ｂ、
４ｄにおいて重力中心間の距離ｋによるアンローディン
グ力−ローディング力でカウンターモーメントを発生す
る。曲げ力Ｆｘに加えて、正の軸線方向力が結晶体組に
直接に作用する。この軸線方向力、または何れかの方向
の力による軸線方向モーメントもまた対抗される、すな
わち負方向に与えられる。
【００１１】２つの結晶体ロッドにおいて、図６に関連
して示されるように引き続く電気的処理においてＦｘお
よびＦｙとして表される力ｘおよびｚのベクトル加算が
自動的に行われる。
【００１２】図３および図４は図１および図２に似た構
造を示している。ｙ方向においても力モーメントの測定
を可能にするために、第２結晶体組４ａ、４ｃが使用さ
れる。電荷の送り出しのため完璧な接触を保証するため
に、これもまた扇形の横断面を有する結晶体ロッドが図
４にのみ示されている絶縁充填材８によってクランピン
グスリーブ３の壁に対して押圧される。結晶体ロッドの
全ての内面は別の電極と接触されており、この電極は絶
縁体７を通して連結ケーブルに通じている。この構造に
よれば、２つの直交するモーメント力ＦｘおよびＦｙが
軸線方向力Ｆｚの他にここで測定できる。
【００１３】図５は、特に直交しない力の配向に対して
好適なデルタ形の結晶体ロッド構造１１を示している。
この実施例によれば、隣り合う結晶体ロッドの部分だけ
が互いに対する組として割り当てられる。
【００１４】図６は個々の結晶体４ａ、４ｂ、４ｃおよ
び４ｄを有して構成された結晶体組立体４を示してお
り、これに助成されて個々の結晶体ロッドからの信号が
処理される。個々のロッドは場合に応じて圧縮または引
張りにおいてのみ応力を生じる。図３に示された実施例
における結晶体組立体の機械的な事前荷重のために、引
張り応力は事前荷重が中立化される場所で限度まで可能
となる。
【００１５】結晶体部材の他の形態もまた可能であり、
例えば四角形の横断面とされるか、または立方形または
正６面体とされることができる。扇形断面の結晶体ロッ
ドは、金属化された外面の電荷が接触の問題を生じない
で円筒形の事前荷重を付与するスリーブ３（図３）に直
接に伝達できる利点を有している。
【００１６】個々の電極に通じるリード線は一緒にして
ケーブル１３とされ、増幅器ハウジング１５に導かれ
る。これには４つの電荷増幅器１４が取付けられてお
り、また２つの微分器１６および加算ユニット１７も取
付けられている。これらの部材は図示したように配線さ
れて、所望の力成分Ｆｙ、ＦｘおよびＦｚが出力部にて
得られるようにされる。図１４によるダイナモメーター
のような大きな実施例によれば、評価回路の全体が測定
装置の力トランスデューサの内部に収容できる。
【００１７】図７は、本発明による測定装置の、典型的
に運動機械の手動制御用のジョイスティックとしての適
用例を示している。この測定装置１８は基部１９に取付
けられる。クランピングスリーブ２０が力の連結部２１
に一体化されており、その上に延長部２２が取付けら
れ、ノブ２３で終端している。ｘ−ｙ面における力は測
定装置１８上のレバーアームｌを介して作用する。望ま
れるならば、ジョイスティックは３成分に関して、すな
わち更に軸線方向ｚの成分に関して、装備できる。
【００１８】図８は２つの平行にガイドされた力プレー
トの間の二重構造を示している。２つの結晶体組立体２
６ａ、２６ｂはそれぞれ一対の圧電結晶体を有する。変
位ΔＳだけプレート２４を移動させることに加えて、平
行な力Ｆｘは組立体に反対方向のモーメントを生じ、こ
れは信号処理において加算できる。勿論図４に示すよう
にｙ軸方向におけるモーメント力に関して追加の結晶体
組を備えることもできる。
【００１９】図９は、比較的薄い弾性的な横断面を例と
して有するプラットフォームビーム３１を示している。
力Ｆｚの作用の下でビーム３１は「Ｓ」だけ撓む。この
撓みは伝達部２７を経て２つの力モーメントトランスデ
ューサにモーメントＭｘ１およびＭｘ２を生じる。力Ｆ
ｚの付加位置および多成分トランスデューサの軸線から
のその距離ｍ、ｎは単純な計算関係によって表される。
このような構造は３つまたは４つの力モーメントトラン
スデューサ３２、３３を有する軽量バイオメカニックス
プラットフォームで有利となる。
【００２０】図９に対照的に、図１０は力Ｆｚを負荷さ
れたときに実質的な撓みを生じない剛性プラットフォー
ムビーム３５を示している。剪断力を測定可能にするた
めに、弾性構造部３８が力モーメント伝達部３６および
トランスデューサ３７の間に備えられている。このよう
にしてビームに作用する力Ｆｘを測定することが可能で
ある。この種類の構造はまた、３つまたはそれ以上のト
ランスデューサ３７を備えたバイオメカニックスプラッ
トフォームに関して興味を引き起こす。
【００２１】図１１は多成分歪トランスデューサとして
使用する本発明による測定構造を示している。この目的
のために、力モーメントトランスデューサは適正に較正
されねばならない。この図示した適用例は、射出モール
ド成形機、金属成形機のタイボルトのような機械支柱の
軸線に取付けるのに特に好適である。繰返し作動におい
て例えば偏心力付与装置による撓みが測定できる。図示
した典型的な実施例で、機械支柱の力伝達端部４１は周
知の方法で機械ヨーク４２に連結される。力モーメント
トランスデューサ４３が六角形部材４４を取付けて位置
決めすることで準備されている穴内に剛性的に取付けら
れ、ｘおよびｙ軸に対して直接に配置される。この位置
はロックナット４５で好適される。測定基部４６は従っ
てその測定基部４６から機械的に適当に絶縁されている
取付けねじ４７によって機械支柱にしっかりと係止され
る。結晶体組４８は、締まり嵌め面５０と摩擦圧接され
ているクランピング部材４９により発生された予荷重の
下に置かれる。これは平面、球面または円錐面とされ得
る。締まり嵌め面５０上で、力Ｆｘ、ＦｙおよびＦｚは
測定され、歪として評価される。
【００２２】図１２はプレート状構造部５２に取付けら
れた図１１と同じトランスデューサ４３を示している。
力は相互作用ボール５５および円錐面５６を経て伝達さ
れ、これらのボールおよび面はプレート５２の中立軸線
の外側に配置されている。
【００２３】この形式の多成分力モーメント測定装置は
自動車のような複雑な物体に対する新しい計測学的なア
プローチを可能にし、運転、ステアリング操作および制
動の動的駆動テストにおけるモーメントの特別なダイナ
モメーターによる評価を可能にする。
【００２４】図１３は加速度を測定する３成分測定構造
を示す。この組立体は取付け本体５１および取付けねじ
１５２により測定点に固定される。鐘形質量体５４が結
晶アレー１５５をクランピングスリーブの内側で取囲
む。ハウジングカバー１５６により、トランスデューサ
は外側から包囲される。質量体５３の重力中心「Ｓ」は
レバー長さ「ｌ」だけ力導入部材から移動される。
【００２５】関数は驚くほど簡単である。すなわち加速
度方向ｘおよびｙにおいて、慣性が結晶アレー５５のモ
ーメントとして重力中心「Ｓ」を経て作用する。ｚ方向
では、慣性力は結晶アレー全体に直接且つ均等に作用す
る。
【００２６】図１４および図１５は典型的にはマイクロ
マシーニングのためのダイナモメーターを示す。結晶体
組６１、６２は機械的予荷重の下で頂部プレート６３を
経てクランピングスリーブ６０により設定される。頂部
プレート６３上には機械加工テーブル６４が取付けら
れ、このテーブル上に機械加工されるマイクロ部品が取
付けられる。レバーアーム「ｌ」はテーブル面と取付け
導入面６５との間に形成される。結晶体組６１、６２で
形成される立方体の空所６６は電子評価回路６７を受入
れるのが有利と開発でき、この回路は遮蔽ケージ６８の
内側に配置される。これは、個々の全ての増幅器並びに
加算ユニットおよび微分器が標準化されたプリント回路
基盤上に単独で配置され、他の応用例のためにも低コス
トで大量に生産できるという事実によって特に可能にさ
れる。
【００２７】図１５の横断面は、クォーツロッドから横
方向に切断した扇形の結晶６１、６２を示しており、こ
れらは例えば負荷を加えられたときに内側平面に負電荷
を発生し、外側円筒面に正電荷を発生する。同じ負荷の
下で同じ組の他の結晶体があれば、これもまた内側平面
に負電荷を発生し、外側円筒面に正電荷を発生し、同じ
極性の結晶体組が備えられる。しかしながら多くの場
合、極性の異なる結晶体組の使用が見い出され得る。組
をなす結晶体は従って知られている方法で負側を円筒面
に切断される。
【００２８】本発明による測定装置の実施例において、
モーメントおよび軸線方向の力は特に同時に処理でき
る。力は結晶体内部で加算または減算され、得られた加
数は信号電荷として測定電極に伝達され、そこから評価
回路に導かれる。本発明による構造がここでは多成分力
トランスデューサの組立てに好適であり、これは結局小
型化および小さな力およびモーメントに関する高信号レ
ベルの発生に好適である。更にこれらは歪測定のために
較正できる。
【００２９】このようにしてこれまで実現できなかった
多くの新しい適用例が可能になる。それらの幾つかが図
面に示されているが、他の追加される適用例も実現でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による多成分の力およびモーメントの測
定装置を通る断面図。
【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩにおける横断面図。
【図３】２組の圧電ロッド部材を有する本発明による測
定装置を通る断面図。
【図４】図３の線ＩＶ−ＩＶにおける横断面図。
【図５】３つの圧電ロッド部材を有する測定装置の横断
面図。
【図６】図３および図４により設定された３成分結晶用
の評価回路。
【図７】ジョイスティック制御部材としての本発明によ
る測定装置の使用を示す部分的断面とした側面図。
【図８】２つの平行なプレート間の二重測定構造を備え
た実施例の部分的断面図。
【図９】弾性頂部プレートを備えたダイナモメーター構
造を示す断面図。
【図１０】剛性頂部プレートを備えたダイナモメーター
構造を示す断面図。
【図１１】歪トランスデューサとして機械支柱に取付け
られる本発明による測定構造の部分的断面の側面図。
【図１２】プレートに取付けるための図１１による測定
構造の断面図。
【図１３】３成分加速度計としての本発明による測定構
造を示す断面図。
【図１４】ダイナモメーターとしての本発明による測定
構造の他の実施例を示す断面図。
【図１５】図１４の線ＸＶ−ＸＶにおける横断面図。
【符号の説明】
１ 本体 ２ 頂部プレート ３ クランピングスリーブ ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 結晶体 ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 電極 ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 接点 ７ 絶縁体 ８ 絶縁充填材 １３ ケーブル １４ 電荷増幅器 １５ 増幅器ハウジング １６ 微分器 １７ 加算ユニット １８ 測定構造 １９ 基部 ２０ クランピングスリーブ ２２ 延長部 ２３ ノブ ２４，２５ プレート ２７ 伝達部 ３２，３３ 力モーメントトランスデューサ ３５ ビーム ３６ 伝達部 ３７ トランスデューサ ３８ 剛性構造部 ４１ 伝達端部 ４２ 機械ヨーク ４３ トランスデューサ ４４ 六角形部分 ４６ 測定基部 ５１ 取付け本体 ５２ プレート状構造部 ５３，５４ 質量体 ５５ 相互作用ボール ５６ 円錐面 ６０ クランピングスリーブ ６１，６２ 結晶体 ６３ 頂部プレート ６４ テーブル ６５ 導入面 ６６ 空所 ６７ 評価回路 ６８ スクリーニング回路 １５２ 取付けねじ １５５ 結晶アレー １６５ ハウジングカバー

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 共通の力導入部材（２，４９，６３）に
    よる圧力および張力にそれぞれ感応する少なくとも２つ
    の圧電部材（４，４８，５５，６１，６２）がそれらの
    部材に生じた圧縮および引張り力成分を協働して測定す
    るように構成され、またこの測定装置に作用する１つま
    たはそれ以上のトルクによって生じたモーメント力を場
    合に応じて組として加算または減算し、これにより１つ
    または複数の加数が信号電荷として評価回路（１５）に
    導かれることを特徴とする多成分の力およびモーメント
    の測定装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の装置であって、ロッド
    形状をした圧電部材（４，４８，５５，６１，６２）を
    特徴とする多成分の力およびモーメントの測定装置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の装置であって、圧電部
    材が横方向に切断され、力およびモーメントの導入箇所
    に電荷を全く発生させないように機械加工されたクォー
    ツ結晶であり、これによりクォーツ結晶が測定装置内で
    平行な横方向軸線を有していることを特徴とする多成分
    の力およびモーメントの測定装置。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の装置であって、圧電部
    材が同じ極性の圧電セラミックで構成されていることを
    特徴とする多成分の力およびモーメントの測定装置。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の装置であって、モーメ
    ントの形成が直交座標系にて得られるように、互いに直
    交して割り当てられた組をなす圧電部材を特徴とする多
    成分の力およびモーメントの測定装置。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の装置であって、モーメ
    ントの形成が非直交座標系で得られるように圧電部材が
    配置されていることを特徴とする多成分の力およびモー
    メントの測定装置。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の装置であって、圧電部
    材（４）が扇形の横断面を有していることを特徴とする
    多成分の力およびモーメントの測定装置。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載の装置であって、評価回
    路が少なくとも２つの電荷増幅器（１４）、少なくとも
    １つの微分器（１６）および少なくとも１つの加算ユニ
    ット（１７）を含んで構成されたことを特徴とする多成
    分の力およびモーメントの測定装置。
  9. 【請求項９】 請求項５に記載の装置であって、評価回
    路が４つの電荷増幅器（１４）、２つの微分器（１６）
    および１つの加算ユニット（１７）を含んで構成された
    ことを特徴とする多成分の力およびモーメントの測定装
    置。
  10. 【請求項１０】 請求項８に記載の装置であって、評価
    回路が圧電部材（６１，６２）の間の自由空間（６６）
    の内部に配置されていることを特徴とする多成分の力お
    よびモーメントの測定装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１に記載の装置であって、クラ
    ンピングスリーブ（６３ａ）とされたハウジングを有
    し、１組の圧電部材（６１，６２）で囲まれた空間（６
    ６）の内部で、シールド（６８）の内部に収容された評
    価回路（６７）を有し、電極が対応する電荷増幅器（図
    １４，図１５）に直接導かれてダイナモメーターとして
    構成されたことを特徴とする多成分の力およびモーメン
    トの測定装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１に記載の装置であって、典型
    的にはバイオメカニクスおよびサポートにおける個々の
    力を検出するための少なくとも２つの測定装置（３２，
    ３３）を有する弾性ビームプラットフォームとして使用
    され、回路がモーメント力（図９）により生じた圧縮お
    よび引張り力を決定して合計力の付与点を確認するよう
    に設計されていることを特徴とする多成分の力およびモ
    ーメントの測定装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１に記載の装置であって、典型
    的にバイオメカニクスおよびサポートに使用される少な
    くとも２つの測定装置（３７，３７ａ）を有する剛性ビ
    ームプラットフォーム（３５）として設計され、各測定
    装置の力導入部分（３６）がプラットフォーム（図１
    ０）に弾性的にリンクされた弾性構造部（３８）を有し
    ていることを特徴とする多成分の力およびモーメントの
    測定装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１に記載の装置であって、例え
    ば機械支柱および類似物（図１１）の軸線における長手
    方向の力および曲げ力を測定する伸び計として較正され
    ることを特徴とする多成分の力およびモーメントの測定
    装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１に記載の装置であって、典型
    的にはロボットに使用されるジョイスティックとされ、
    制御指令が２つまたは３つの成分（図７）で入力され得
    ることを特徴とする多成分の力およびモーメントの測定
    装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１に記載の装置であって、圧電
    部材を取囲む鐘形の振動質量（５３）により座標系の少
    なくとも１軸方向の加速度を決定するように設計され、
    加速力は重力中心（Ｓ）でレバーアーム（１）を介して
    力導入部分（５８）に作用することを特徴とする多成分
    の力およびモーメントの測定装置。
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