JPH0769231B2 - 圧電センサを用いた荷重検出装置 - Google Patents
圧電センサを用いた荷重検出装置Info
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- JPH0769231B2 JPH0769231B2 JP63059823A JP5982388A JPH0769231B2 JP H0769231 B2 JPH0769231 B2 JP H0769231B2 JP 63059823 A JP63059823 A JP 63059823A JP 5982388 A JP5982388 A JP 5982388A JP H0769231 B2 JPH0769231 B2 JP H0769231B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、工作機械の切削力又は切削抵抗を測定する圧
電センサを用いた荷重検出装置に関する。
電センサを用いた荷重検出装置に関する。
［従来の技術］ 本願発明者等は、工作機械の切削力又は切削抵抗を検出
する装置として、フィルムシート状の圧電センサを使用
し、この圧電センサを工作機械のボールネジ機構の切削
力又は切削抵抗による荷重を受ける位置に装着するよう
にした荷重検出装置を提案している。
する装置として、フィルムシート状の圧電センサを使用
し、この圧電センサを工作機械のボールネジ機構の切削
力又は切削抵抗による荷重を受ける位置に装着するよう
にした荷重検出装置を提案している。
第８図は圧電センサを用いた荷重検出装置の回路構成を
示す。
示す。
第８図において、１は切削力又は切削抵抗による荷重を
検出するトランジューサとしての圧電センサであり、圧
電センサ１としては0.2mm程度の厚さをもったフィルム
シート状のものが使用される。
検出するトランジューサとしての圧電センサであり、圧
電センサ１としては0.2mm程度の厚さをもったフィルム
シート状のものが使用される。
圧電センサ１は、周知のように圧電センサに加わる荷重
に応じた電荷を電極間に発生するものであり、このため
圧電センサの荷重に応じた発生電荷を電圧信号に変換す
るため外部回路としてチャージアンプとして知られた電
荷増幅回路２を設けている。
に応じた電荷を電極間に発生するものであり、このため
圧電センサの荷重に応じた発生電荷を電圧信号に変換す
るため外部回路としてチャージアンプとして知られた電
荷増幅回路２を設けている。
電荷増幅回路２は、オペアンプ３の帰還回路にコンデン
サＣを接続しており、圧電センサ１は荷重に応じて発生
電荷量qxが変化することから可変容量Cxと見做すことが
できる。
サＣを接続しており、圧電センサ１は荷重に応じて発生
電荷量qxが変化することから可変容量Cxと見做すことが
できる。
ここで、オペアンプ３の増幅率Ａを無限大とすると、オ
ペアンプ３のイマジナリーショート作用によって圧電セ
ンサ１の発生電荷はqxはそのまま帰還コンデンサＣに転
送され、理想的には圧電センサ１の発生電荷量qxに比例
した出力電圧E0を得ることができる。実際にはオペアン
プ３の増幅率は無限大にならないことから、出力電圧E0
は、 E0＝−qx/C となる。
ペアンプ３のイマジナリーショート作用によって圧電セ
ンサ１の発生電荷はqxはそのまま帰還コンデンサＣに転
送され、理想的には圧電センサ１の発生電荷量qxに比例
した出力電圧E0を得ることができる。実際にはオペアン
プ３の増幅率は無限大にならないことから、出力電圧E0
は、 E0＝−qx/C となる。
更に、オペアンプ３の帰還回路にはコンデンサＣと並列
にリセットスイッチ４が接続される。即ち、初期状態で
圧電センサ１には所定の組付け荷重が加わっているた
め、、荷重検出に先立ってコンデンサＣを放電リセット
して出力電圧を零とする。
にリセットスイッチ４が接続される。即ち、初期状態で
圧電センサ１には所定の組付け荷重が加わっているた
め、、荷重検出に先立ってコンデンサＣを放電リセット
して出力電圧を零とする。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような圧電センサと電荷増幅回路を
用いた従来の荷重検出装置にあっては、第９図に示すよ
うに電荷増幅回路の出力電圧E0が時間の経過と共に変化
するドリフトが問題となって正確に荷重を検出すること
ができない。
用いた従来の荷重検出装置にあっては、第９図に示すよ
うに電荷増幅回路の出力電圧E0が時間の経過と共に変化
するドリフトが問題となって正確に荷重を検出すること
ができない。
即ち、ドリフトとは、圧電センサ１の電極間に発生する
電荷を電荷増幅回路２で電圧信号に増幅変換する場合、
電荷増幅回路２の入力インピーダンスを無限大にするこ
とができないため、入力インピーダンスを通じて圧電セ
ンサ１で発生した電荷がリークし、出力が変動すること
を意味する。
電荷を電荷増幅回路２で電圧信号に増幅変換する場合、
電荷増幅回路２の入力インピーダンスを無限大にするこ
とができないため、入力インピーダンスを通じて圧電セ
ンサ１で発生した電荷がリークし、出力が変動すること
を意味する。
このようなドリフトは、振動等のAC的な成分を検出する
場合には問題とならないが、切削荷重のようにDC的な成
分を検出する場合には大きな問題となる。
場合には問題とならないが、切削荷重のようにDC的な成
分を検出する場合には大きな問題となる。
このため従来の圧電センサによる荷重検出にあっては、
非常に短い周期をもつ振動等の現象についてはドリフト
の問題がないことから振動等の力の測定に有効に利用さ
れているが、比較的長い時間に亘って略一定の荷重が加
わるような現象（１秒間以上連続するような現象）につ
いてはあまり利用されていない。
非常に短い周期をもつ振動等の現象についてはドリフト
の問題がないことから振動等の力の測定に有効に利用さ
れているが、比較的長い時間に亘って略一定の荷重が加
わるような現象（１秒間以上連続するような現象）につ
いてはあまり利用されていない。
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので、ドリフトの影響を得けることなく圧電サンサによ
って切削荷重を正確に検出できるようにした圧電センサ
を用いた荷重検出装置を提供することを目的とする ［課題を解決するための手段］ この目的を達成するため本発明にあっては、荷重を受け
る軸に装着するための通し穴が形成された第１及び第２
の圧電センサと、前記第１及び第２の圧電センサが前記
軸に対して同軸に装着されると共に、前記軸が軸方向の
荷重を受けたときに前記第１及び第２の圧電センサの一
方に加わる荷重が増加し、他方に加わる荷重が減少する
ように装着される荷重検出機構と、前記第１及び第２の
圧電センサに加わる荷重に応じて発生した電荷をそれぞ
れ電圧信号に変換する第１及び第２の電荷増幅回路と、
前記第１及び第２の電荷増幅回路の一方の出力信号と他
方の反転信号を加算する加算回路とを備えたことを特徴
とする。
ので、ドリフトの影響を得けることなく圧電サンサによ
って切削荷重を正確に検出できるようにした圧電センサ
を用いた荷重検出装置を提供することを目的とする ［課題を解決するための手段］ この目的を達成するため本発明にあっては、荷重を受け
る軸に装着するための通し穴が形成された第１及び第２
の圧電センサと、前記第１及び第２の圧電センサが前記
軸に対して同軸に装着されると共に、前記軸が軸方向の
荷重を受けたときに前記第１及び第２の圧電センサの一
方に加わる荷重が増加し、他方に加わる荷重が減少する
ように装着される荷重検出機構と、前記第１及び第２の
圧電センサに加わる荷重に応じて発生した電荷をそれぞ
れ電圧信号に変換する第１及び第２の電荷増幅回路と、
前記第１及び第２の電荷増幅回路の一方の出力信号と他
方の反転信号を加算する加算回路とを備えたことを特徴
とする。
荷重検出機構の一例としては、工作機械の送りネジシャ
フト に螺合したナット部材の両端において前記第１及び第２
の圧電センサが前記ネジシャフトに対して同軸に装着さ
れるように押え金により組み付け固定し、該押え金側に
ワークテーブル又は工具台を連結したことを特徴とす
る。
フト に螺合したナット部材の両端において前記第１及び第２
の圧電センサが前記ネジシャフトに対して同軸に装着さ
れるように押え金により組み付け固定し、該押え金側に
ワークテーブル又は工具台を連結したことを特徴とす
る。
荷重検出装置の他のとしては、工作機械の送りネジシャ
フトを回転自在に支持し、スラスト力を受けるベアリン
グのアウターリング両側において前記第１及び第２の圧
電センサが前記ネジシャフトに対して同軸に装着される
ように組み込んで組み付け固定したことを特徴とする。
フトを回転自在に支持し、スラスト力を受けるベアリン
グのアウターリング両側において前記第１及び第２の圧
電センサが前記ネジシャフトに対して同軸に装着される
ように組み込んで組み付け固定したことを特徴とする。
［作用］ このような構成を備えた本発明の荷重検出装置にあって
は、一方の圧電センサには切削荷重が組み付け荷重を増
加させる方向に加わると同時に他方の圧電センサには切
削荷重が組付け荷重を減少させる方向に加わることか
ら、２つの圧電センサの荷重増減に応じた発生電荷量を
電荷増幅回路で電圧信号に増幅変換した後に、一方の増
幅出力を反転して他方の増幅出力と加算回路で加え合わ
せることで、時間の経過と共に変化するドリフト分を相
殺することができ、圧電センサの一定の荷重が継続的に
加わってもドリフトによる変動を受けることなく荷重に
応じた検出信号を正確に得ることができる。
は、一方の圧電センサには切削荷重が組み付け荷重を増
加させる方向に加わると同時に他方の圧電センサには切
削荷重が組付け荷重を減少させる方向に加わることか
ら、２つの圧電センサの荷重増減に応じた発生電荷量を
電荷増幅回路で電圧信号に増幅変換した後に、一方の増
幅出力を反転して他方の増幅出力と加算回路で加え合わ
せることで、時間の経過と共に変化するドリフト分を相
殺することができ、圧電センサの一定の荷重が継続的に
加わってもドリフトによる変動を受けることなく荷重に
応じた検出信号を正確に得ることができる。
また２台の圧電センサの検出出力を加算していることか
ら、荷重に応じた出力電圧を大きくすることができ、S/
N比の良い検出信号を得ることができる。
ら、荷重に応じた出力電圧を大きくすることができ、S/
N比の良い検出信号を得ることができる。
［実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示した回路ブロック図であ
る。
る。
第１図において、1a,1bはフィルムシート状の圧電セン
サであり、後の説明で明らかにするように荷重検出機構
に組付けられ、切削荷重を受けたとき例えば圧電センサ
1aには切削荷重が締付け荷重を増加させる方向に加わ
り、逆に圧電センサ1bには組付荷重を減少させる方向に
切削荷重が加わる。
サであり、後の説明で明らかにするように荷重検出機構
に組付けられ、切削荷重を受けたとき例えば圧電センサ
1aには切削荷重が締付け荷重を増加させる方向に加わ
り、逆に圧電センサ1bには組付荷重を減少させる方向に
切削荷重が加わる。
圧電センサ1a,1bに続いては、チャージアンプとして知
られた電荷増幅回路2a,2bが設けられる。電荷増幅回路2
a,2bはオペアンプ3a,3bを有し、オペアンプ3a,3bの帰還
回路にコンデンサCa,Cbを接続しており、更にコンデン
サCa,Cbと並列に放電リセットを行なうためのリセット
スイッチ4a,4bを接続している。
られた電荷増幅回路2a,2bが設けられる。電荷増幅回路2
a,2bはオペアンプ3a,3bを有し、オペアンプ3a,3bの帰還
回路にコンデンサCa,Cbを接続しており、更にコンデン
サCa,Cbと並列に放電リセットを行なうためのリセット
スイッチ4a,4bを接続している。
ここで、電荷増幅回路2a,2bの原理を、例えば電荷増幅
回路2a側を例にとって説明すると次のようなる。
回路2a側を例にとって説明すると次のようなる。
圧電センサ1aは加わる荷重に応じた電荷qxを発生するこ
とから、可変容量Cxとみなすことができる。
とから、可変容量Cxとみなすことができる。
ここでオペアンプ3aの入力電圧をEi、出力電圧をE0、増
幅率をＡ、帰還コンデンサの電荷をqaとすると、次の関
係式が得られる。
幅率をＡ、帰還コンデンサの電荷をqaとすると、次の関
係式が得られる。
E0＝−Ａ・Ei Ei−E0＝qa/Ca Ei＝（qx−qa）／（Cx＋Cc） 但し、Ccは圧電センサ1aと電荷増幅回路2aとの間の信号
ケーブル容量である。
ケーブル容量である。
これらの関係式により、 qx＝ qa・｛１＋（Cx＋Cc）／（Ca（１＋Ａ）｝ Ei＝qa/Ca・1/（１＋Ａ） E0＝−qa/Ca・A/（１＋Ａ） となる。
ここでオペアンプ3aの増幅率ＡはＡ≫１であるから、 qx≒qa Ei≒０ E0≒−qa/Ca となる。
従って、オペアンプ3aの入力電圧Eiは略零に保たれ、圧
電センサ1aに発生した電荷は全て帰還コンデンサCaに蓄
えられることとなり、電荷増幅回路2aの出力電圧E0は帰
還コンデンサCaの容量と圧電センサ1aの発生電荷qxとの
比で一義的に定まる。
電センサ1aに発生した電荷は全て帰還コンデンサCaに蓄
えられることとなり、電荷増幅回路2aの出力電圧E0は帰
還コンデンサCaの容量と圧電センサ1aの発生電荷qxとの
比で一義的に定まる。
このような電荷増加回路2aの原理は圧電センサ1bに設け
た電荷増幅回路2bについても同様である。
た電荷増幅回路2bについても同様である。
圧電センサ1aの発生電荷を電圧信号に変換増幅する電荷
増幅回路2aの出力は加算回路５に入力され、圧電センサ
1bの発生電荷を変換増幅する電荷増幅回路2bの出力は反
転回路６で反転された後、加算回路５に加えられる。こ
の結果、加算回路５は電荷増幅回路2aの増幅出力に電荷
増幅回路2bの反転出力を加算した信号を出力するように
なる。
増幅回路2aの出力は加算回路５に入力され、圧電センサ
1bの発生電荷を変換増幅する電荷増幅回路2bの出力は反
転回路６で反転された後、加算回路５に加えられる。こ
の結果、加算回路５は電荷増幅回路2aの増幅出力に電荷
増幅回路2bの反転出力を加算した信号を出力するように
なる。
第２図は第１図の実施例に示した圧電センサ1a,1bを備
えた荷重検出機構の一実施例を示した説明図である。
えた荷重検出機構の一実施例を示した説明図である。
第２図において、７は送りネジシャフトであり、右端を
ボールベアリング８により回転自在に支持すると共に、
左端をラジアル荷重とスラスト荷重の両方を受ける一対
のサポートベアリング9a,9bにより回転自在に支持して
おり、サポートベアリング9a,9bによる軸受部から左側
に取り出さした軸端にはパルスモータ（図示せず）の出
力軸が連結される。送りネジシャフト７にはナット部材
10が螺合されており、ナット部材10の両端に圧電センサ
1a,1bを配置し、押え金11a,11bにより一点鎖線で示す位
置でのボルト締めによりナット部材10に圧電センサ1a,1
bを締付け固定している。
ボールベアリング８により回転自在に支持すると共に、
左端をラジアル荷重とスラスト荷重の両方を受ける一対
のサポートベアリング9a,9bにより回転自在に支持して
おり、サポートベアリング9a,9bによる軸受部から左側
に取り出さした軸端にはパルスモータ（図示せず）の出
力軸が連結される。送りネジシャフト７にはナット部材
10が螺合されており、ナット部材10の両端に圧電センサ
1a,1bを配置し、押え金11a,11bにより一点鎖線で示す位
置でのボルト締めによりナット部材10に圧電センサ1a,1
bを締付け固定している。
第３図は第２図のネジシャフト７に対するナット部材10
の取付け部分を取出して示した断面図である。
の取付け部分を取出して示した断面図である。
第３図において、ナット部材10は送りネジシャフト７に
螺合するネジ穴12を有し、ナット部材10の両側の軸部に
圧電センサ1a,1bを嵌め入れ、外側から押え金11a,11bを
嵌め入れて一点鎖線で示す位置でボルト締めによりナッ
ト部材10に締付け固定している。
螺合するネジ穴12を有し、ナット部材10の両側の軸部に
圧電センサ1a,1bを嵌め入れ、外側から押え金11a,11bを
嵌め入れて一点鎖線で示す位置でボルト締めによりナッ
ト部材10に締付け固定している。
このような第2,3図に示す圧電センサ1a,1bを備えた荷重
検出機構にあっては、ナット部材10に圧電センサ1a,1b
を締付け固定する押え金11a,11b側が工作機械のワーク
テーブル又は工具台に連結されており、パルスモータに
より送りネジシャフト７を回転することでナット部材10
により回転運動が左右方向の直線運動に変換され、押え
金11a,11bを介してワークテーブル又は工具台を移動さ
せるようになる。
検出機構にあっては、ナット部材10に圧電センサ1a,1b
を締付け固定する押え金11a,11b側が工作機械のワーク
テーブル又は工具台に連結されており、パルスモータに
より送りネジシャフト７を回転することでナット部材10
により回転運動が左右方向の直線運動に変換され、押え
金11a,11bを介してワークテーブル又は工具台を移動さ
せるようになる。
このとき、例えばナット部材10を右方向に送るように送
りネジシャフト７を回転したとすると、ナット部材10の
右側に配置した圧電センサ1bにワークテーブル又は工具
台を介して切削荷重に応じて受ける軸方向の荷重が圧電
センサ1bの締付け荷重を増加させる方向に作用し、逆に
ナット部材10の左側に装着した圧電センサ1aには圧電セ
ンサ1aの締付け荷重を減少させる方向に軸方向の荷重が
作用する。一方、ナット部材10を左側に移動するように
送りネジシャフト７を回転したときには、左側の圧電セ
ンサ1aに締付け荷重を増加させる方向の荷重が作用し、
右側の圧電センサ1bには締付け荷重を減少させる方向に
軸方向の荷重が作用する。
りネジシャフト７を回転したとすると、ナット部材10の
右側に配置した圧電センサ1bにワークテーブル又は工具
台を介して切削荷重に応じて受ける軸方向の荷重が圧電
センサ1bの締付け荷重を増加させる方向に作用し、逆に
ナット部材10の左側に装着した圧電センサ1aには圧電セ
ンサ1aの締付け荷重を減少させる方向に軸方向の荷重が
作用する。一方、ナット部材10を左側に移動するように
送りネジシャフト７を回転したときには、左側の圧電セ
ンサ1aに締付け荷重を増加させる方向の荷重が作用し、
右側の圧電センサ1bには締付け荷重を減少させる方向に
軸方向の荷重が作用する。
第４図は第１図に示した圧電センサ1a,1bを設ける荷重
検出機構の他の実施例を示した説明図である。
検出機構の他の実施例を示した説明図である。
第４図において、圧電センサ1a,1bは送りネジシャフト
７を回転自在に支持し、スラストを受けるサポートベア
リング9a,9bの部分に組込まれる。即ち、軸受穴13に組
込んだサポートベアリング9aの左側に圧電センサ1aを組
込むと共に、サポートベアリング9bの右側に圧電センサ
1bを組込み、圧電センサ1aの外側から軸受穴13に対し押
え金14をボルト締めにより取付けて締付け固定してい
る。圧電センサ1a,1bはサポートベアリング9a,9bにおけ
るアウターリングの側面による押圧を受けており、イン
ナーリングは送りネジシャフト７側に嵌め込まれて回転
することから圧電センサ1a,1bには接触しないように設
ける。勿論、送りネジシャフト７の右端はボールベアリ
ング８により回転自在に支持され、回転運動を直線運動
に変換するためのナット部材10が螺合されている。
７を回転自在に支持し、スラストを受けるサポートベア
リング9a,9bの部分に組込まれる。即ち、軸受穴13に組
込んだサポートベアリング9aの左側に圧電センサ1aを組
込むと共に、サポートベアリング9bの右側に圧電センサ
1bを組込み、圧電センサ1aの外側から軸受穴13に対し押
え金14をボルト締めにより取付けて締付け固定してい
る。圧電センサ1a,1bはサポートベアリング9a,9bにおけ
るアウターリングの側面による押圧を受けており、イン
ナーリングは送りネジシャフト７側に嵌め込まれて回転
することから圧電センサ1a,1bには接触しないように設
ける。勿論、送りネジシャフト７の右端はボールベアリ
ング８により回転自在に支持され、回転運動を直線運動
に変換するためのナット部材10が螺合されている。
第５図は本発明で用いる圧電センサを示した断面図であ
り、第６図にその平面図を一部破断して示す。
り、第６図にその平面図を一部破断して示す。
第5,6図において、圧電センサは中央に圧電材料層21を
有し、圧電材料層21の両側に電極層22a,22bを形成して
おり、圧電材料層21と電極層22a,22bでなる圧電センサ
はPZTに代表される圧電素子を構成するフィルムシート
状の圧電フィルムから切出すことで作り出される。圧電
センサの検出感度は圧電定数、即ち単位力当たりの発生
電荷量により決まり、圧電センサの力を受ける面積の大
小に係わらず圧電定数は一定であるため、面積を大きく
することにより単位面積当りに受ける荷重を低減して検
出感度を低下させることなく、センサの剛性を高めるこ
とができる。また、フィルムシート状の圧電センサの厚
さは0.2mm程度であり、ヤング率が小さくても力による
変形（変形歪）は微小であり、第2,4図に示すように工
作機械で回転運動を直線運動に変換する部分に直接、圧
電センサ1a,1bを組込んでも加工精度に影響を与えるこ
とはない。
有し、圧電材料層21の両側に電極層22a,22bを形成して
おり、圧電材料層21と電極層22a,22bでなる圧電センサ
はPZTに代表される圧電素子を構成するフィルムシート
状の圧電フィルムから切出すことで作り出される。圧電
センサの検出感度は圧電定数、即ち単位力当たりの発生
電荷量により決まり、圧電センサの力を受ける面積の大
小に係わらず圧電定数は一定であるため、面積を大きく
することにより単位面積当りに受ける荷重を低減して検
出感度を低下させることなく、センサの剛性を高めるこ
とができる。また、フィルムシート状の圧電センサの厚
さは0.2mm程度であり、ヤング率が小さくても力による
変形（変形歪）は微小であり、第2,4図に示すように工
作機械で回転運動を直線運動に変換する部分に直接、圧
電センサ1a,1bを組込んでも加工精度に影響を与えるこ
とはない。
更に、第5,6図に示す構造の圧電センサ1a,1bを使用する
ことにより、第１図に示した電荷増幅回路2a,2bの帰還
コンデンサCa,Cbのコンデンサ容量を切換えることによ
り1kgfから1000kgfまでの広い範囲に亘って荷重を検出
することができ、且つ100gf程度の高い分解能を得るこ
とができる。
ことにより、第１図に示した電荷増幅回路2a,2bの帰還
コンデンサCa,Cbのコンデンサ容量を切換えることによ
り1kgfから1000kgfまでの広い範囲に亘って荷重を検出
することができ、且つ100gf程度の高い分解能を得るこ
とができる。
再び第5,6図を参照するに、圧電材料層21と両側の電極
層22a,22bでなるフィルムシート状の圧電センサの両側
には更に絶縁シート23a,23bが接着剤等により固着さ
れ、電極層22a,22bからはリード線24a,24bが引き出され
ている。
層22a,22bでなるフィルムシート状の圧電センサの両側
には更に絶縁シート23a,23bが接着剤等により固着さ
れ、電極層22a,22bからはリード線24a,24bが引き出され
ている。
次に、第１図の実施例の動作を第７図の信号波形図を参
照して説明する。
照して説明する。
第７図（ａ）は圧電センサ1aの発生電荷を変換増幅する
電荷増幅回路2aの出力電圧を示し、また同図（ｂ）は圧
電センサ1bの発生電荷を変換増幅する電荷増幅回路2bの
出力電圧を示す。ここで、第７図（ａ），（ｂ）は圧電
センサ1aに増加方向の切削荷重が加わり、圧電センサ1b
に減少方向の切削荷重が加わった場合を示している。
電荷増幅回路2aの出力電圧を示し、また同図（ｂ）は圧
電センサ1bの発生電荷を変換増幅する電荷増幅回路2bの
出力電圧を示す。ここで、第７図（ａ），（ｂ）は圧電
センサ1aに増加方向の切削荷重が加わり、圧電センサ1b
に減少方向の切削荷重が加わった場合を示している。
まず、工作機械の切削を開始する時刻t0までは電荷増幅
回路2a,2bに設けたリセットスイッチ4a,4bのそれぞれは
スイッチオンされており、帰還コンデンサCa,Cbが共に
放電リセット状態におかれ、圧電センサ1a,1bの組付け
荷重により発生した電荷を放電リセットして出力電圧を
零としている。この状態で工作機械の切削加工を開始す
る時刻t0でリセットスイッチ4a,4bをスイッチオフする
と、時間の経過に伴ってドリフトによる出力電圧の増加
と減少を生じ、時刻t1で切削が始まって圧電センサ1aに
組付け荷重を増加する方向の切削荷重が加わると、電荷
増幅回路2aの出力電圧は切削荷重に応じて増加し、一
方、電荷増幅回路2bの出力電圧は切削荷重に応じて減少
するようになる。
回路2a,2bに設けたリセットスイッチ4a,4bのそれぞれは
スイッチオンされており、帰還コンデンサCa,Cbが共に
放電リセット状態におかれ、圧電センサ1a,1bの組付け
荷重により発生した電荷を放電リセットして出力電圧を
零としている。この状態で工作機械の切削加工を開始す
る時刻t0でリセットスイッチ4a,4bをスイッチオフする
と、時間の経過に伴ってドリフトによる出力電圧の増加
と減少を生じ、時刻t1で切削が始まって圧電センサ1aに
組付け荷重を増加する方向の切削荷重が加わると、電荷
増幅回路2aの出力電圧は切削荷重に応じて増加し、一
方、電荷増幅回路2bの出力電圧は切削荷重に応じて減少
するようになる。
第７図（ａ）の電荷増幅回路2aの出力電圧はそのまま加
算回路５に入力され、一方、電荷増幅回路2bの出力電圧
は反転回路６で反転されて第７図（ｃ）に示す反転信号
となって加算回路５に与えられる。その結果、加算回路
５は第７図（ａ）の出力電圧と（ｃ）の反転電圧とを加
算した同図（ｄ）に示す加算出力を生じ、時間経過に伴
うドリフト分が相殺され、更に切削荷重の変化による出
力電圧を加算した出力電圧を得ることができる。即ち、
電荷増幅回路2aと2bは同じ回路構成を有することから時
間の経過に伴って発生するドリフト分も一致し、一方を
反転して加算することで略完全にドリフト分を相殺する
ことができる。
算回路５に入力され、一方、電荷増幅回路2bの出力電圧
は反転回路６で反転されて第７図（ｃ）に示す反転信号
となって加算回路５に与えられる。その結果、加算回路
５は第７図（ａ）の出力電圧と（ｃ）の反転電圧とを加
算した同図（ｄ）に示す加算出力を生じ、時間経過に伴
うドリフト分が相殺され、更に切削荷重の変化による出
力電圧を加算した出力電圧を得ることができる。即ち、
電荷増幅回路2aと2bは同じ回路構成を有することから時
間の経過に伴って発生するドリフト分も一致し、一方を
反転して加算することで略完全にドリフト分を相殺する
ことができる。
尚、加算回路５にあっては電荷増幅回路2aの出力に反転
した電荷増幅回路2bの出力を加算しているが、両者の加
算平均を行なうようにしても良いことは勿論である。
した電荷増幅回路2bの出力を加算しているが、両者の加
算平均を行なうようにしても良いことは勿論である。
また第2,4図の実施例にあっては、圧電センサ1a,1bをワ
ークテーブルの送りねじ機構の送りナット又はサポート
軸受に設けているが、同様に主軸系の送りネジ機構の送
りナット又はサポート軸受に設けるようにしてもよい。
ークテーブルの送りねじ機構の送りナット又はサポート
軸受に設けているが、同様に主軸系の送りネジ機構の送
りナット又はサポート軸受に設けるようにしてもよい。
［発明の効果］ 以上説明してきたように本発明によれば、荷重検出機構
によって一方の圧電センサには切削荷重が組付け荷重を
増加させる方向に加わると同時に、他方の圧電センサに
は切削荷重が組付け荷重を減少させる方向に加わり、２
つの圧電センサの荷重増減に応じた発生電荷量を電荷増
幅回路で電圧信号に変換増幅した後に、一方の増幅出力
を反転して他方の増幅出力と加算回路で加え合わせるこ
とで、時間の経過と共に変化するドリフト分を相殺する
ことができ、圧電センサに一定の切削荷重が継続的に加
わってもドリフト分による変動を受けることなく切削荷
重に応じた検出信号を正確に得ることができる。
によって一方の圧電センサには切削荷重が組付け荷重を
増加させる方向に加わると同時に、他方の圧電センサに
は切削荷重が組付け荷重を減少させる方向に加わり、２
つの圧電センサの荷重増減に応じた発生電荷量を電荷増
幅回路で電圧信号に変換増幅した後に、一方の増幅出力
を反転して他方の増幅出力と加算回路で加え合わせるこ
とで、時間の経過と共に変化するドリフト分を相殺する
ことができ、圧電センサに一定の切削荷重が継続的に加
わってもドリフト分による変動を受けることなく切削荷
重に応じた検出信号を正確に得ることができる。
また、２台の圧電センサの検出出力を加算もしくは加算
平均していることから、荷重に応じた出力電圧を大きく
とることができ、S/N比の良い検出信号を得ることがで
きる。
平均していることから、荷重に応じた出力電圧を大きく
とることができ、S/N比の良い検出信号を得ることがで
きる。
第１図は本発明の一実施例を示した回路ブロック図； 第２図は本発明の荷重検出機構の一実施例を示した説明
図； 第３図は第２図のナット部分の断面説明図； 第４図は本発明の荷重検出機構の他の実施例を示した説
明図； 第５図は本発明で用いる圧電センサの断面図； 第６図は第５図を一部破断して示した平面図； 第７図は第１図の動作を示した信号波形図； 第８図は従来装置を示した回路ブロック図； 第９図は従来のドリフトの問題を示した信号波形図であ
る。 1a,1b:圧電センサ 2a,2b:電荷増幅回路（チャージアンプ） 3a,3b:オペアンプ 4a,4b:リセットスイッチ 5:加算回路 6:反転回路 7:送りネジシャフト 8:ボールベアリング 9a,9b:サポートベアリング 10:ナット部材 11a,11b,14:押え金 13:軸受穴 21:圧電材料層 22a,22b:電極層 23a,23b:絶縁シート 24a,24b:リード線 Ca,Cb:コンデンサ
図； 第３図は第２図のナット部分の断面説明図； 第４図は本発明の荷重検出機構の他の実施例を示した説
明図； 第５図は本発明で用いる圧電センサの断面図； 第６図は第５図を一部破断して示した平面図； 第７図は第１図の動作を示した信号波形図； 第８図は従来装置を示した回路ブロック図； 第９図は従来のドリフトの問題を示した信号波形図であ
る。 1a,1b:圧電センサ 2a,2b:電荷増幅回路（チャージアンプ） 3a,3b:オペアンプ 4a,4b:リセットスイッチ 5:加算回路 6:反転回路 7:送りネジシャフト 8:ボールベアリング 9a,9b:サポートベアリング 10:ナット部材 11a,11b,14:押え金 13:軸受穴 21:圧電材料層 22a,22b:電極層 23a,23b:絶縁シート 24a,24b:リード線 Ca,Cb:コンデンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 東保 喜八郎 富山県高岡市二上町150番地 富山県工業 技術センター中央研究所内 (72)発明者 角崎 雅博 富山県富山市飯野字殿田割25―４ 富山県 工業技術センター富山研究所内 (56)参考文献 特公 昭62−30510（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭59−13684（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭61−30268（ＪＰ，Ｙ２)
Claims (3)
- 【請求項１】荷重を受ける軸に装着するための通し穴が
形成された第１及び第２の圧電センサと、 前記第１及び第２の圧電センサが前記軸に対して同軸に
装着されると共に、前記軸が軸方向の荷重を受けたとき
に前記第１及び第２の圧電センサの一方に加わる荷重が
増加し、他方に加わる荷重が減少するように装着される
荷重検出機構と、 前記第１及び第２の圧電センサに加わる荷重に応じて発
生した電荷をそれぞれ電圧信号に変換する第１及び第２
の電荷増幅回路と、 前記第１及び第２の電荷増幅回路の一方の出力信号と他
方の反転信号を加算する加算回路と、 を備えたことを特徴とする圧電センサを用いた荷重検出
装置。 - 【請求項２】前記荷重検出機構は、工作機械の送りネジ
シャフトに螺合したナット部材の両端において前記第１
及び第２の圧電センサが前記ネジシャフトに対して同軸
に装着されるように押え金により組み付け固定し、該押
え金側にワークテーブル又は工具台を連結したことを特
徴とする請求項１記載の圧電センサを用いた荷重検出装
置。 - 【請求項３】前記荷重検出機構は、工作機械の送りネジ
シャフトを回転自在に支持し、スラスト力を受けるベア
リングのアウターリング両側において前記第１及び第２
の圧電センサが前記ネジシャフトに対して同軸に装着さ
れるように組み込んで組み付け固定したことを特徴とす
る請求項１記載の圧電センサを用いた荷重検出装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63059823A JPH0769231B2 (ja) | 1988-03-14 | 1988-03-14 | 圧電センサを用いた荷重検出装置 |
| US07/316,968 US4924713A (en) | 1988-03-14 | 1989-02-28 | Transducer to detect force which is applied to machine tool when machining workpiece and its attaching structure |
| DE3908175A DE3908175C2 (de) | 1988-03-14 | 1989-03-13 | Belastungs-Detektorvorrichtung |
| GB8919718A GB2223544B (en) | 1988-03-14 | 1989-08-31 | Feed-screw support structure |
| EP19890123017 EP0377145A3 (de) | 1988-03-14 | 1989-12-13 | Vorrichtung zur Einstellung der axialen Vorspannung von Wälzlagern und Spindelmuttern |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63059823A JPH0769231B2 (ja) | 1988-03-14 | 1988-03-14 | 圧電センサを用いた荷重検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01233338A JPH01233338A (ja) | 1989-09-19 |
| JPH0769231B2 true JPH0769231B2 (ja) | 1995-07-26 |
Family
ID=13124334
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63059823A Expired - Lifetime JPH0769231B2 (ja) | 1988-03-14 | 1988-03-14 | 圧電センサを用いた荷重検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0769231B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020106326A (ja) * | 2018-12-26 | 2020-07-09 | セイコーエプソン株式会社 | 力検出装置およびロボット |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103994845B (zh) | 2013-02-19 | 2019-09-10 | 精工爱普生株式会社 | 力检测装置、机械手、以及移动体 |
| JP6269800B2 (ja) * | 2016-12-20 | 2018-01-31 | セイコーエプソン株式会社 | 力検出装置、およびロボット |
| JP7143871B2 (ja) * | 2019-08-13 | 2022-09-29 | 株式会社椿本チエイン | 電動アクチュエータ |
| JP7275989B2 (ja) * | 2019-08-13 | 2023-05-18 | 株式会社椿本チエイン | 負荷荷重検出ユニット |
| CN114235229B (zh) * | 2021-12-18 | 2022-11-08 | 浙江大学 | 一种基于压电陶瓷传感器的超精密切削准静态力检测方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5913684A (ja) * | 1982-07-09 | 1984-01-24 | 東北電力株式会社 | 常温自然重合によるポリマ−含浸法 |
| JPS6130268U (ja) * | 1984-07-27 | 1986-02-24 | 日本電気株式会社 | プリント板 |
| JPS6230510A (ja) * | 1985-08-01 | 1987-02-09 | Toyo Alum Kk | 濾過膜の製造方法 |
-
1988
- 1988-03-14 JP JP63059823A patent/JPH0769231B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020106326A (ja) * | 2018-12-26 | 2020-07-09 | セイコーエプソン株式会社 | 力検出装置およびロボット |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01233338A (ja) | 1989-09-19 |
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