JPH01233338A - 圧電センサを用いた荷重検出装置 - Google Patents

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】 ［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。

［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。

第１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。

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０．２ＩＩＩＩ１１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ｆｆ１ｑｘが変化することから可変音ｆｆ１ｃＸ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−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ｆｆ１ｑ
ｘに比例した出力電圧ＥＯ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ＥＯは、 ＥＯζ−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。

［発明が解決しようとする課題１ 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ＥＯ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。

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。

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。

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、ドリフトの影響を受けることなく圧電センサによ
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、切削荷重に
対し一方の圧電センサに加わる荷重が増加すると共に他
方の圧電センサに加わる荷重が逆に現象するように２台
の圧電センサを配置した荷重検出機構を有し、各圧電セ
ンサに加わる荷重に応じた発生電荷のそれぞれを電荷増
幅回路で電圧信号に増幅変換し、電荷増幅回路の一方の
出力を反転した後に他方の電荷増幅回路の出力と加算回
路で加昇するようにしたものである。

２台の圧電セン４ノを配置した荷重検出機構は、例えば
工作機械の送りネジシｉ？フトに螺合したナツト部材の
両端に圧電センサをそれぞれ押え金により組み付【ノ固
定し、ワークテーブル又は工具台を圧電センサを固定し
た押え金側に連結する。

また荷重検出機構の他の例としては、工作機械の送りネ
ジシト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７ウタ一リング両側に圧電センサのそれぞれ
を締め付け固定する。

［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Ｃプることなく荷重に
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。

［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。

第１図において、ｌａ、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。

圧電センサ’ｌａ、１ｂに続いては、ヂャージアンプと
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２ａ、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。

圧電センサ１ａは加わる荷重に応じた電１ｂ　ｑ　ｘを
発生することから、可変容ｆｆ１ｃＸ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Ｅｌ、出力電圧をＥ
Ｏ１増幅率をＡ、帰還コンデンサーの電荷をｑａとする
と、次の関係式が得られる。

ＥＯ＝−Ａ−Ｅｉ Ｅｉ　−Ｅｏ　＝ｑａ　／Ｃａ Ｅｉ　＝　（ＱＸ　−ｑａ　）／　（Ｃｘ　＋Ｃｃ　）
但し、ＣＧ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。

これらの関係式により、 ｑＸ＝ Ｑａ　・（１＋（Ｃｘ　十Ｃｃ　）／　（Ｃａ　　（１
＋Ａ＞）Ｅｉ　＝ｑａ　／Ｃａ　−１／　（１＋Ａ＞Ｅ
ｏ　＝−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 ＥｉζＯ ＥＯ与−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υ１ａに発生した電荷は全て帰還コンデン
＋ｊ−Ｃａに蓄えられることとなり、電荷増幅回路２ａ
の出力電圧ＥＯ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。

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。

第２図は第１図の実施例に示した圧電センサ１ａ、ｌｂ
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
。

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にはナツト部材１０が螺合されてお
り、ナツト部材１０の両端に圧電センサ１ａ、’ｌｂ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ツト部材１０に圧電センサｌ
ａ。

１ｂ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に対するナツト部材１
０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、ナツト部材１０は送りネジシャフト７
に螺合するネジ穴１２を有し、ナツト部材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
ルト締めによりナツト部材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、ナツト部材１０
に圧電センサＩａ、Ｉｂを締付け固定する押え金１１８
．ｌｌｂ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ツト部材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１１８，１１ｂ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、例えばナツト部材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、ナツト部材１
０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【プ荷重を増加させる方向に作
用し、逆にナツト部材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、ナツト部材１０を左
側に移動するように送りネジシャフト７を回転したとぎ
には、左側の圧電センサ１ａに締イ」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
け荷重を減少さゼ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。

第４図において、圧電センサｌａ、Ｉｂ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。即ら、軸受
穴１３に組込んだ丈ポートベアリング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、９ｂｋＴお（）るアＩクターリ
ングの側面による抑圧を受りており、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、送りネジシレフト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
るためのナツト部材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。

第５，６図において、圧電センサは中央に圧電材料層２
１を有し、圧電材料層２１の両側に電極層２２ａ、２２
ｂを形成しており、圧電材料層２１と電極層２２ａ、２
２ｂ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
ング率が小ざくでも力による変形（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１ｋｃ＋ｆ’から１０００
に！ｊｆ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１００（ｌｌｆ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、圧電材お１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
センナ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、２／ｉｂ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。

第７図（ａ）は圧電センサ１ａの発生電荷を変換増幅覆
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＋Ｊ１ａ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ｔｏ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ｌａ、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ｔｏでリセットスイッチ４
ａ、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に組イ」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２
ｂ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
信号となって加的回路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）に示す加締出力を生じ、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
る出力電圧を加等した出力電圧を１ｑることができる。

即ち、電荷増幅回路２ａと２ｂは同じ回路偶成を有する
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
。

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′アーブルの送りねじ機構の送りナラ１〜
又はり“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ツト又はり゛ボート１１仙受に設け
るよう【こしてもよい。

［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車を
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Ｃフ荷重を減少させる方向に加わり、
２つの圧電センサの荷車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Ｃノることなく切
削荷重に応じた検出信号を正確に１昇ることができる。

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。

【図面の簡単な説明】

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図のナツ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。 Ｉａ、１ｂ：圧電センサ ２ａ、２ｂ：電荷増幅回路（チＶ−ジアンプ）３ａ、３
ｂ：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：ナツト部材 １１ａ、１１ｂ、１４：押え金 １３：軸受穴 ２１：圧電材料層 ２２ａ、２２ｂ：ｉ極層 ２３ａ、２３ｂ：絶縁シート ２４ａ、２４ｂ：Ｉ、Ｊ−ド線 Ｃａ、Ｃｂ：コンデンサ 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、フィルムシート状の２台の圧電センサと；荷重を受
   けた時に、一方の圧電センサに加わる荷重が増加する共
   に他方の圧電センサに加わる荷重が減少するように前記
   ２台の圧電センサを設置した荷重検出機構と； 前記圧電センサに加わる荷重に応じた発生電荷を電圧信
   号に変換する前記２台の圧電センサ毎に設けた電荷増幅
   回路と； 該電荷増幅回路の一方の出力を反転した後に他方の電荷
   増幅回路の出力と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。 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前記２台の圧電センサを
   抑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。 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前記２台の圧電センサを組み込ん
   で締め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。