JPH1068665A - 力および（または）慣性測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 例えば工作物の機械加工によって生じる温度
変化によってもたらされる測定誤差を出来る限り補償す
る力および（または）慣性を測定する装置を提供する。 【解決手段】 引張りや圧力を感知する方向（ｚ方向）
から見て、力導入プラットフォーム（８）の各側に対向
する対として配置された多成分の力を測定するセル
（Ａ，Ｂ）を含む。前記測定セルは共通の予荷重ねじ１
０により予荷重が与えられる。相互に対向する力測定セ
ルＡ，Ｂの引張り／圧力感知方向は反対方向である。取
付け板１１および予荷重ねじ１０で発生する温度変化か
ら生じる測定信号は対向する測定セルにより消去され、
一方向に作用する力により発生する測定値は相互に加算
される。温度変化による測定エラーは補償され最小とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、力および（また
は）慣性を導入するプラットフォームおよび増幅器並び
に評価装置と関連し、圧電センサを備えた数個の多成分
の力測定セルを有し、各力測定セルが剪断および引張り
／圧力を感知するセンサディスクから構成されている、
力および（または）慣性測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ドイツ国特許公報ＤＥ−Ｃ １９５２５
２２号から、ベースプレートとカバープレートとの間で
予荷重をかけられて位置した、数個の多成分の力測定セ
ルを有する、力やトルクを測定する測定装置が知られて
いる。剪断および引張り／圧力を感知するセンサディス
クを収容している測定セルの予荷重は、測定セルを通
り、カバープレートからベースプレートへねじ込まれた
予荷重ねじによって加えられる。典型的に、例えば水晶
のような単結晶あるいは多結晶圧電セラミックからなる
センサの多成分測定セルにおける方向性は、センサの引
張り／圧力に対する感応性が、機械加工すべき工作物の
取付け板として作用するカバープレートの表面に対して
直角（ｚ方向）にあるようなものである。

【０００３】例えば工作物を機械加工することから生じ
る熱による、測定装置における温度変動は、カバープレ
ートや予荷重ねじでの異なる熱膨張を生ぜしめ、従って
予荷重を変えるため、圧力成分に対する力測定を誤まら
せることが判明している。

【０００４】特に工作物を微細に、かつ高精度に機械加
工する場合、温度変化による圧力成分におけるこれらの
測定値の誤差は許容されない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は温度変化によって生じる測定誤差を可能な限り補正す
る力測定装置を提供することである。新規の、温度変化
を補正した測定装置の使用は工作物の機械加工における
力および慣性の測定に限定されないことは勿論である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記の目的は、力測定セ
ルがセンサの引張り／圧力感知方向に向いてプラットフ
ォームの二端面に位置し、対で配置された引張り／圧力
感知センサディスクはプラットフォームを貫通自在の共
通の予荷重ねじが貫通し、該ねじによって予荷重が与え
られ、引張り／圧力感知センサディスクがプラットフォ
ームの端部において相互に対して反対側に位置し、少な
くとも概ね等量に偏向されていることを特徴とする本発
明によって達成される。

【０００７】センサディスクが反対方向に向いているた
め、センサ間に位置した力導入プレートにわたって長さ
を変化させ、この長さ変化を介して相互に対して反対方
向のセンサに作用する温度変化がこれらのディスクにお
いて反対の符号の電荷を設定するため、従って測定信号
において双方のセンサを中立化する。他方、一方向に作
用している力成分により、２個のセンサの電荷を追加
し、必要な力の測定信号を提供する。

【０００８】同様に、測定装置が一方向に加熱されると
すれば、温度変化により測定信号が発生する。熱は貫通
している予荷重ねじ内へ導かれ、これも多成分力測定セ
ルにおける温度依存の測定信号を中立化する。

【０００９】工作物を機械加工するには、プラットフォ
ームを、機械加工すべき工作物を取りつける剛性の取付
板とし、力測定セルを工作物を取付ける面に対して直角
に位置することが有利であることが判明した。

【００１０】全高が最小の動力計を得るには、プラット
フォームを測定点と、２個の外側組立てブロックとの間
に位置させればよく、それにより測定装置の設置をセン
サに対して近接して位置した２個のクランプねじにより
実行できるようにする。このため測定装置の極めて堅固
に、従って高い固有周波数のものとする。さらに、共通
の予荷重ねじを、撓みに関してプラットフォームの中立
軸に位置させることにより、プラットフォームの撓みに
よる誤差信号を小さく保つか、あるいは排除できる。

【００１１】例えば車両の車輪ハブのような、この新規
の測定装置の他の応用に対して、力を導入するプラット
フォームがディスクプレートの形態であり、該プラット
フォームは、２個の対向した多成分の力測定セルで相互
に離隔した、これも同様にディスクの形態の２個の力導
入プレートの間に配置される。

【００１２】数個の測定セルの信号の誘導は、もしも個
々の測定セルからの測定信号に対する信号リードが集合
導管に集められ、集合プラグコネクタを介して導出さ
れ、そこからケーブルリンクによって増幅器と評価装置
とへ導かれるとすれば簡単となる。しかしながら、増幅
器と評価装置とを力導入プラットフォーム自体、あるい
は取付けブロックのうちの１個に、あるいは力導入プレ
ートのうちの１個に収容することができ、そのため既に
増幅され、処理された信号を前進伝送することも可能で
ある。このような構成により新規な測定装置の作動の信
頼性を高める。

【００１３】

【発明の実施の態様】図１に示す現在の技術水準を実施
した装置において、ベースプレート１とカバープレート
２との間で配設された予荷重のかけられた４個の多成分
力測定セルＡが設けられている。予荷重はカバープレー
ト２と測定セルＡとを通り、ベースプレート１にねじ込
まれている予荷重ねじ３によって加えられる。カバープ
レート２には、極く簡単に示す工具５によって機械加工
されている工作物４が取り付けられている。

【００１４】図２に示す１個の力測定セルＡは数個の圧
電センサディスク６を含み、該ディスクのうちの少なく
とも１個は長方形座標系のｚ方向における引張り／圧力
を感知し、少なくともそれぞれ１個はｘおよびｙ方向に
おける剪断を感知する。前述のように予荷重ねじ３を通
すために、測定セルＡは孔７を有している。ｘ，ｙおよ
びｚ方向における信号成分に対する測定セルＡの信号リ
ード接続は、ｘ，ｙ，およびｚで指示する。測定セルＡ
の引張り／圧力に対する感知を再現するとセルのｚ方向
は測定装置に加えられた圧力の方向と同一であるため、
測定装置と、測定セルとに対する２つの座標系は図１と
図２とを比較すれば判るように同じ方向性を有してい
る。

【００１５】工作物４を機械加工することにより、測定
装置は、一方では温度上昇ΔＴ（図１）を持続し、他方
では力Ｆを持続しており、前記力のｚ方向の成分Ｆ_Z の
みを図２に示す。温度上昇ΔＴのため、予荷重ねじ３は
Δｌだけ伸び（図１）、ｚ方向での力Ｆ_Z の測定におい
て測定誤差を生ぜしめる。

【００１６】本発明による装置（図３および図４）によ
れば、カバープレート２は、Ｕ字形支持体９に担持され
たＴ字形取付けプラットフォーム８に代っている。力測
定セルＡとＢとはもはや水平方向に配置されるのではな
く、Ｕ字形支持体９の直立部とＴ字形プラットフォーム
８の胴部との間で垂直方向に抑制されている。本発明に
よれば、測定セルＡとＢとは、プラットフォーム８の胴
部を通り、プラットフォーム８を摩擦することなく貫通
している単一の予荷重ねじ１０によって予荷重が与えら
れている。さらに、測定セルＡ，Ｂのセンサディスク６
は、まずセンサディスク６の引張り／圧力感知方向に固
定されたセンサディスク６のｚ方向が予荷重ねじ１０の
方向と一致し、一方測定セルＡの引張り／圧力感知方向
が測定セルＢのそれとは反対となるように配置され、か
つ方向づけられている。図５で示すように、測定セルの
座標系は結果的に、測定装置のそれに対して９０度回転
している。

【００１７】測定セルＡとＢとの間でプラットフォーム
８の胴部における、従って予荷重ねじ１０における温度
上昇が力Ｆ_T を発生させ、この力はセルＡとＢとの間で
等分に分けられる。測定セルの座標に関して、例えば測
定セルＡにおける引張り／圧力感知センサディスクの所
定方向性においては、電荷−Ｑ_Z は力１／２Ｆ_T の関数
として発生し、一方測定セルＢにおいては電荷＋Ｑ
_Z が、引張り／圧力感知センサディスクの方向性が反対
のため、これも力１／２Ｆ_T の関数として発生する。２
つの温度依存性信号電荷が合わされると、全体の電荷は
温度による力Ｆ_T （図３）の影響によりＱ_Z （Ｆ_T ）＝
０となり、そのため温度による影響が補正される。

【００１８】他方、工具５によって加えられる一方向に
作用する力Ｆ（図４）により、電荷＋Ｑ_Z は測定セルＡ
の成分Ａ_Z および測定セルＢの成分Ｂ_Z に対する力１／
２Ｆの関数として、（測定セルに対する座標系におい
て）ｚ方向に追加され、全体の電荷２Ｑ_Z を力Ｆの関数
として提供する。本発明の双方の効果については図３と
図４とに示し、公式で表現する。

【００１９】図５と図６の方は、工作物の機械加工用に
用いる動力計の構造を、それぞれ三次元および断面で示
す。この動力計の特徴は全高Ｈが極めて低いことである
（図６）。この動力計は、回転工具５（図６）で機械加
工される工作物４を取り付ける極めて堅固な取付け板１
１を有し、該取付け板はまた測定セルＡおよびＢのため
の力導入板としても作用する。測定セルＡとＢは取付け
板１１と取付けブロック１２との面の間で垂直位置に保
持され、予荷重は前記取付け板１１と取付けブロック１
２とを通る予荷重ねじ１０によって加えられる。取付け
板１１と予荷重ねじ１０との変形による誤差を最小とす
るために、予荷重ねじ１０は取付け板１１の撓みに対し
て中立の軸心１３（図６）に位置している。

【００２０】取付けブロック１２は、図示していない取
付けボルトを通すための多数の孔１４を有する。取付け
ボルトは測定装置自体を例えば工作機械に取り付けうる
ようにする。孔１４は測定セルＡおよびＢにできるだけ
近く位置させることにより取り付けられた測定装置の剛
性をできるだけ高くし、本装置に高い固有周波数を与え
る。

【００２１】図１および図２と同様、図５は、一方が取
付け板１１の上方で左側にある測定装置全体に係わるも
ので、他方は前方右側の測定セルＡと、その背後の測定
セルＢとに係わる２種類の座標系を示す。測定セルＡお
よびＢにおける引張り／圧力感知センサの方向性が反対
のため、測定セルに係わる座標系のｚ軸は反対方向にあ
り、反対の符号で示す。

【００２２】個々の測定セルからの信号リード１５（図
５）は集合プラグコネクタ１６まで達し、そこからケー
ブル１７を介して、図示していない増幅器および評価装
置まで来る。しかしながら、増幅器と評価装置とを取付
け板１１および（または）取付けブロック１２のうちの
１個、あるいは図５において点線で示す空洞１８，１９
に収容することも可能である。これらの空洞１８，１９
から、既に増幅し、処理した信号がさらに導かれ、本装
置の安定性を高める。

【００２３】図７に示す典型的な実施例は車輪の力と慣
性とを測定するために車輪のハブに取り付けた回転測定
装置を示す。中間リング２０を介して、自動車の車輪の
リム２１が、力導入プラットフォームを構成するディス
クプレート２２に接合されている。ディスクプレート２
２の二方の側に測定セルＡとＢとが接触しており、測定
セルの方はディスクプレート２２と、２個の力導出プレ
ート２３，２４との間に貫通した予荷重ねじ１０によっ
て抑制されている。前述の例と同様、これらのセンサデ
ィスクは、それらの引張り／圧力感知性が予荷重ねじ１
０の方向にあるように方向づけられ、測定セルＡおよび
Ｂにおけるディスクプレート２２と予荷重ねじ１０の膨
張による温度上昇によって起因する力からの測定信号が
相互に相殺し、一方一方向の力によって提供される測定
セルＡおよびＢの電荷が所望の測定信号に付与される。
図示していない車輪のハブに取り付けるために、力導出
プレート２３，２４はこれもディスク状の取付け部２５
に接合されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】現在の技術水準を実施した力測定装置を示す
図。

【図２】図１で用いる現在の技術水準の多成分力測定セ
ルを示す図。

【図３】純粋に熱負荷された本発明による力測定装置を
示す概略図。

【図４】外部からの力で負荷された力測定装置の概略
図。

【図５】高さが最小の動力計としての本発明による力測
定装置の概略図。

【図６】温度や力の影響を受ける状態で工作物を機械加
工するために採用した図５に示す装置を示す図。

【図７】車両の車輪ハブに対して回転ディスクを用いた
本発明の別の実施例を示す図。

【符号の説明】

１ ベースプレート ２ カバープレート Ａ，Ｂ 超小形構成要素力測定セル ３ 予荷重ねじ ４ 工作物 ５ 工具 ６ センサディスク ７ 孔 ｘ，ｙ，ｚ 測定された力のｘ，ｙおよびｚ成分の信号
のための測定セルの信号リード接続 ΔＴ 温度上昇 Δｌ 長さ変化 ８ Ｔ字形プラットフォーム ９ Ｕ字形支持体 １０ 貫通予荷重ねじ Ｆ_T 温度上昇ΔＴによって生じた力 Ｆ 工作物の機械加工によって生じた力 ±Ｑ_Z １／２Ｆ_T あるいは１／２Ｆの力によってそれ
ぞれ発生した（測定セルに係わる座標系における）ｚ方
向の電荷 Ａ_Z （測定セルに係わる座標系における）測定セルＡ
の引張り／圧力感知要素 Ｂ_Z （測定セルに係わる座標系における）測定セルＢ
の引張り／圧力感知要素 １１ 取付け板 １２ 取付けブロック １３ 中立軸線 １４ 孔 １５ 信号リード １６ 集合プラグコネクタ １７ ケーブル １８ 空洞 １９ 空洞 ２０ 中間リング ２１ リム ２２ ディスクプレート ２３ 力導出プレート ２４ 力導出プレート ２５ 取付け部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨゼフ スティルニマン スイス国ウィンターツール，オストシュト ラーセ 10 (72)発明者 デニス コーラー スイス国ネフテンバッハ，チューリッヒシ ュトラーセ 28エイ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 力および（または）慣性を導入するプラ
   ットフォーム（８，１１，２２）と、増幅器並びに評価
   装置と関連し、圧電センサ（６）を具備した数個の多成
   分の力測定セル（Ａ，Ｂ）を有する力および（または）
   慣性測定装置であって、前記力測定セル（Ａ，Ｂ）が剪
   断および（または）圧力を感知するディスクから構成さ
   れている測定装置において、前記力測定セル（Ａ，Ｂ）
   が前記センサ（６）の引張り／圧力感知方向に向いて、
   前記プラットフォーム（８，１１，２２）の両端面に位
   置しており、引張り／圧力を感知するセンサディスク
   （６）が対として、相互に対して反対側に位置し、プラ
   ットフォーム（８，１１，２２）を貫通自在の共通の予
   荷重ねじ（１０）が貫通し、予荷重を与えられ、前記引
   張り／圧力感知センサ（６）が前記プラットフォーム
   （８，１１，２２）の端部において相互に対して反対側
   に位置し、少なくとも概ね等量の偏向を有することを特
   徴とする力および（または）慣性測定装置。
2. 【請求項２】 プラットフォーム（８，１１）が機械加
   工すべき工作物（４）のための堅固な取付け板であり、
   力測定セル（Ａ，Ｂ）が工作物（４）を取り付ける面に
   対して直角に配置されていることを特徴とする請求項１
   に記載の測定装置。
3. 【請求項３】 プラットフォーム（１１）が測定セル
   （Ａ，Ｂ）と２個の外側の取付けブロック（１２）との
   間の最小高さの動力計用に設計されており、前記取付け
   ブロック（１２）は測定装置をセンサ近傍に位置した２
   個の固定要素（図６）により取り付けるように作用する
   ことを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
4. 【請求項４】 プラットフォーム（１１）の撓みに対し
   て中立の軸線（１３）に位置する共通の予荷重ねじ（１
   ０）を含むことを特徴とする請求項２または３に記載の
   測定装置。
5. 【請求項５】 ディスクプレート（２２）の形態で、力
   を導入するプラットフォームであって、前記ディスクプ
   レートが同様にディスク状で、相互に対して対向して配
   置された２個の多成分の力測定セル（Ａ，Ｂ）を離隔し
   た２個の力導出プレートの間に位置しているプラットフ
   ォームを含むことを特徴とする請求項１に記載の測定装
   置。
6. 【請求項６】 力測定セル（Ａ，Ｂ）からの測定信号の
   ための信号リード（１５）が集合導管に集められ、集合
   プラグコネクタ（１６）を介して導き出され、そこから
   前記信号リードは増幅器や評価装置へのケーブル接続部
   （１７）として集合プラグコネクタから導かれることを
   特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の
   測定装置。
7. 【請求項７】 増幅器および評価装置が力測定プラット
   フォーム（８，１１）、あるいは取付けブロック（１
   ２）のうちの１個、あるいは力導出プレート（２３，２
   ４）の一方に収容され、すでに増幅され、かつ処理され
   た信号のそれ以上の伝送が可能であることを特徴とする
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の測定装置。