特許 6697072 力及びトルクを検出する装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6697072

(24)【登録日】2020年4月27日

(45)【発行日】2020年5月20日

(54)【発明の名称】力及びトルクを検出する装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/16 20200101AFI20200511BHJP

【ＦＩ】

   G01L5/16

【請求項の数】14

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2018-511621(P2018-511621)

(86)(22)【出願日】2016年7月25日

(65)【公表番号】特表2018-526651(P2018-526651A)

(43)【公表日】2018年9月13日

(86)【国際出願番号】EP2016067605

(87)【国際公開番号】WO2017036671

(87)【国際公開日】20170309

【審査請求日】2018年5月2日

(31)【優先権主張番号】15183934.7

(32)【優先日】2015年9月4日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】502281471

【氏名又は名称】キストラー ホールディング アクチエンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】コーラー、デニス

【審査官】 岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０１２００５１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭６３−１３４９２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第３６４０１３０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ ５／００− ５／２８

Ｇ０１Ｌ １／００− １／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第２端面（８２、８２’）に対して傾斜して配置されている、第１端面（８１、８１’）を含む、複数の端面を有する載置プラットフォーム（８）と、
力成分（Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ、Ｆ_ｚ）を検出し、第１圧電ロードセル（Ａ、Ｂ）と第２圧電ロードセル（Ｃ、Ｄ）を含む、複数の圧電ロードセルとを具備し、複数の圧電ロードセルの各々は、水平作業面（ＸＹ）に配置され、載置プラットフォームの複数の端面のそれぞれ１つに対して、機械的にプレロードされる、力及びモーメントを測定する装置であって、
前記第１圧電ロードセル（Ａ、Ｂ）は、前記載置プラットフォーム（８）の前記第１端面（８１、８１’）に対して、プレロードされ、前記第２圧電ロードセル（Ｃ、Ｄ）は、前記載置プラットフォーム（８）の第２端面（８２、８２’）に対して、プレロードされ、
前記第１端面（８１、８１’）は、第２端面（８２、８２’）に対して垂直に配置され、第１座標軸（Ｘ）は、前記第１端面（８１、８１’）の法線の方向に延在し、第２座標軸（Ｙ）は、前記第２端面（８２、８２’）の法線の方向に延在し、前記複数の圧電ロードセルの第１圧電ロードセル（Ａ、Ｂ）は、第１端面（８１、８１’）に配置され、前記複数の圧電ロードセルの第２圧電ロードセル（Ｃ、Ｄ）は、第２端面（８２、８２’）に配置され、前記第１圧電ロードセル（Ａ、Ｂ）は、縦効果によって第１力成分（Ｆ_ｘ）を、かつ、せん断効果によって第２力成分（Ｆ_ｙ）を測定するように構成し、前記第２圧電ロードセル（Ｃ、Ｄ）は、せん断効果によって第１力成分（Ｆ_ｘ）を、かつ、縦効果によって第２力成分（Ｆ_ｙ）を測定するように構成し、
各圧電ロードセル（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）は、プレロードねじ（１０、１０’、１０’’、１０’’’）によって機械的にプレロードされる、又は、各圧電ロードセル（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）は、プレロードねじ（１０、１０’、１０’’、１０’’’）を用いて機械的にプレロードされ、前記プレロードねじ（１０、１０’、１０’’、１０’’’）は、前記圧電ロードセル（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の中央通路の中心を通って、前記端面（８１、８１’、８２、８２’）のスレッドにねじ込まれる、
ことを特徴とする、力及びモーメントを測定する装置。

【請求項2】

前記第１力成分（Ｆ_ｘ）と第２力成分（Ｆ_ｙ）はそれぞれ、一方ではせん断効果によって検出され、他方では縦効果によって検出されることにより、前記装置（１）は、前記水平作業面（ＸＹ）において等方性感度を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。

【請求項3】

前記第１圧電ロードセル（Ａ、Ｂ）は、せん断効果によって第３力成分（Ｆ_ｚ）を測定し、第２圧電ロードセル（Ｃ、Ｄ）は、せん断効果によって第３力成分（Ｆ_ｚ）を測定する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置（１）。

【請求項4】

前記載置プラットフォーム（８）は、水平作業面（ＸＹ）に配置された長方形のベース領域（８３）を有する直方体であり、前記載置プラットフォーム（８）は、４つの長方形の端面（８１、８１’、８２、８２’）を有し、前記端面（８１、８１’、８２、８２’）が前記ベース領域（８３）に対して垂直に延在し、２つの第１端面（８１、８１’）が第１垂直面（ＹＺ）に配置され、２つの第２端面（８２、８２’）が第２垂直面（ＸＺ）に配置されている、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置（１）。

【請求項5】

圧電ロードセル（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）は、前記端面（８１、８１’、８２、８２’）のそれぞれに配置される、又は、ロードセル（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）は、各端面（８１、８１’、８２、８２’）の中央に配置される、
ことを特徴とする請求項４に記載の装置（１）。

【請求項6】

前記圧電ロードセル（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）は、前記端面（８１、８１’、８２、８２’）の凹部に配置される、又は、前記圧電ロードセル（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）は、前記端面（８１、８１’、８２、８２’）の凹部にほぼ完全に収容される、
ことを特徴とする請求項５に記載の装置（１）。

【請求項7】

前記圧電ロードセル（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）は、互いに等距離（ｅ）に配置され、及び／又は、前記圧電ロードセル（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）は、前記載置プラットフォーム（８）上に十字形状に配置される、
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の装置（１）。

【請求項8】

中空シリンダの形状を有している前記圧電ロードセル（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の直径の面積の総和の、前記端面（８１、８１’、８２、８２’）の面積の総和に対する利用率は、２５％以上である、
ことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の装置（１）。

【請求項9】

中空シリンダの形状を有している前記圧電ロードセル（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の直径の面積の総和の、前記端面（８１、８１’、８２、８２’）の面積の総和に対する利用率は、５０％である、
ことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の装置（１）。

【請求項10】

前記第１座標軸（Ｘ）に沿った剛性は、前記圧電ロードセル（Ａ、Ｂ）の圧縮強度と前記圧電ロードセル（Ｃ、Ｄ）のせん断剛性の総和であり、前記第２座標軸（Ｙ）に沿った剛性は、前記圧電ロードセル（Ｃ、Ｄ）の圧縮強度と前記圧電ロードセル（Ａ、Ｂ）のせん断剛性の総和であり、それにより、前記装置（１）は、前記水平作業面（ＸＹ）において等方性の剛性を有し、前記装置（１）の固有振動数（ｆ）は、前記水平作業面（ＸＹ）において等方性を有する、
ことを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の装置（１）。

【請求項11】

各圧電ロードセル（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）は、複数の圧電変換器（６、６’、６’’）を備え、検出する力（Ｆ）及び／又は検出するモーメント（Ｍ）は、前記圧電変換器（６、６’、６’’）の表面に作用して、これらの表面に分極電荷を発生させ、信号電極は、前記圧電変換器（６、６’、６’’）の表面に関連し、前記信号電極が前記分極電荷をピックアップし、信号線（１５）は、ピックアップされた分極電荷を信号として伝送する、
ことを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一項に記載の装置（１）。

【請求項12】

前記第１圧電変換器（６）に関連する信号電極は、互いに直列に電気接続され、信号線（１５）を介して、前記力（Ｆ）の第１力成分（Ｆ_ｘ）に比例した分極電荷の総和である信号を伝送し、
前記第２圧電変換器（６’）に関連する信号電極は、互いに直列に電気接続され、信号線（１５）を介して、前記力（Ｆ）の第２力成分（Ｆ_y）に比例した分極電荷の総和である信号を伝送し、
前記第３圧電変換器（６’’）に関連する信号電極は、互いに直列に電気接続され、信号線（１５）を介して、前記力（Ｆ）の力成分（Ｆ_ｚ）に比例した分極電荷の総和である信号を伝送する、
ことを特徴とする請求項１１に記載の装置（１）。

【請求項13】

前記第１圧電変換器（６）に関連する２つの第１信号電極は、互いに直列に電気接続され、信号線（１５）を介して、前記力（Ｆ）の第１力成分（Ｆ_ｘ）に比例した分極電荷の総和である信号を伝送し、
前記第２圧電変換器（６’）に関連する２つの第１信号電極は、互いに直列に電気接続され、信号線（１５）を介して、前記力（Ｆ）の第２力成分（Ｆ_ｙ）に比例した分極電荷の総和である信号を伝送し、
前記第１圧電変換器（６）に関連するさらに２つの信号電極と、前記第２圧電変換器（６’）に関連するさらに２つの信号電極とは、互いに直列に電気接続され、信号線（１５）を介して、モーメント（Ｍ）の第３モーメント成分（Ｍ_ｚ）に比例した分極電荷の総和である信号を伝送し、
前記第３圧電変換器（６’’）に関連する前記信号電極は、互いに直列に電気接続され、信号線（１５）を介して、前記力（Ｆ）の力成分（Ｆ_ｚ）に比例した分極電荷の総和である信号を伝送する、
ことを特徴とする請求項１１に記載の装置（１）。

【請求項14】

前記信号電極は、並列接続され、信号線（１５）を介して、前記各圧電変換器（６、６’、６’’）からの分極電荷である個別信号をそれぞれ伝送する、
ことを特徴とする請求項１１に記載の装置（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、独立項のプリアンブルに記載の力及びモーメントを測定する装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

機械加工は、今もなお最も重要な成形方法であり、あらゆる種類の工業製品の製造プロセスにとって基本となるものである。機械加工の詳細な分析を行うことは、製造プロセスの最適化にとって重要である。従って、機械加工中に力及びモーメントの測定を行い、その結果得られた情報により、機械加工中に変換されたエネルギーの定量化、材料特性の判定、ツールの摩耗分析を行って、必要に応じた機械構造／部品の設計を可能にする。

【0003】

特許文献１には、力及びモーメントを測定する装置が開示されている。この装置が図１に概略的に示されている。Ｔ字型の載置プラットフォーム８には、ツール５により機械加工が行われたワークピース４が載置されている。載置プラットフォーム８のステムは、Ｕ字型のスタンド９の２つの脚部間に支持されている。このスタンド９の各脚部と載置プラットフォーム８のステム間には、圧電ロードセルＡ、Ｂが配置されている。これらの圧電ロードセルＡ、Ｂは、プレロードねじ１０によって機械的にプレロードされる。このプレロードねじ１０は、圧電ロードセルＡ、Ｂ、載置プラットフォーム８のステム、スタンド９の脚部を通る。このワークピース４の機械加工中は、一方向の力Ｆがプレロードねじ１０の前後面の方向に作用する。この一方向の力Ｆが圧電ロードセルＡ、Ｂ間に等しく分割される。圧電ロードセルＡが＋１／２Ｆの力によってアンロードされ、圧電ロードセルＢが＋１／２Ｆの力によってロードされる。各圧電ロードセルＡ、Ｂは、圧電変換器を備えている。この圧電変換器の結晶は、それらに作用する力によって分極電荷が生成されるよう配向される。圧電変換器は、それぞれ反対の分極方向を有する。従って、圧電ロードセルＡ、Ｂの分極電荷の総和は、それらに作用する力Ｆの大きさに比例する。

【0004】

タイプ指定９１１９ＡＡ１を有するこのタイプの力及びモーメントを測定する装置は、Ｋｉｓｔｌｅｒグループから市販されている。その詳細がデータシート第９１１９ＡＡ１＿００３＿０６０ｅ−０１．１３号に記載されている。この装置は、４つの圧電ロードセルを備え、そのうちの２つが載置プラットフォームのステムの両側にそれぞれ配置されている。この圧電ロードセルは、力Ｆの３つの直交する力成分Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ、Ｆ_ｚを測定する。分極電荷が成分別にピックアップされ、信号線を介して電荷増幅器に伝送されて、電気的に増幅された後、評価ユニットへと送られて電圧に変換される。この装置は、測定範囲、感度、固有振動数、重さ、全ベース領域などのパラメータで特徴付けられている。装置の測定範囲は、力成分Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ、Ｆ_ｚについて、−４ｋＮから＋４ｋＮの範囲である。装置の感度は、力成分Ｆ_ｘ、Ｆ_ｚについては約２６ｐｃ／Ｎ、力成分Ｆ_ｙについては約１３ｐｃ／Ｎである。装置の固有振動数は、力成分Ｆ_ｘは約６．０ｋＨＺ、力成分Ｆ_ｙは約６．４ｋＨＺ、力成分Ｆ_ｚは約６．３ｋＨＺである。その重さは９３０ｇで、全ベース領域は、１０９×８０ｍｍである。

【0005】

しかしながら、従来技術のデータシート９１１９ＡＡ１＿００３＿０６０ｅ−０１．１３による力及びモーメントを測定する装置は、異なる力成分に対して異方性感度を示す。特に、載置プラットフォームの水平作業面では、２６ｐｃ／Ｎの力成分Ｆ_ｘの感度は、１３ｐｃ／Ｎである力成分Ｆ_ｙの感度の２倍高い。機械加工は、多くの場合、水平作業面に対して、回転対称に行われるため、作業面の装置の実際の感度は、力成分Ｆ_ｙに関して低感度で決定される。さらに、６．０ｋＨＺまでのＦ_ｘの最低の固有振動数は、装置の使用を、１分間で最大６０，０００回転までのスピンドルスピードに制限するため、装置の固有振動数の増加が望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】欧州特出願公開第０８０６６４３号明細書

【発明の概要】

【0007】

本発明の目的は、力及びモーメントを測定する装置の感度及び固有振動数のパラメータのうちの少なくとも一つを向上させることである。

【0008】

この目的は、独立項の特徴によって達成される。

【0009】

本発明は、力及びモーメントを測定する装置に関し、この装置は、水平作業面において載置プラットフォームの端面に対して機械的にプレロードされ、力成分を測定する圧電ロードセルを備え、載置プラットフォームの少なくとも一つの第１端面は、少なくとも一つの第２端面に対して傾斜して配置されている。

【0010】

圧電力センサーが互いに傾斜して配置されている場合、載置プラットフォームの水平作業面における感度の異方性を回避することができることが分かっている。つまり、一つの力成分をせん断効果によって検出し、他の力成分を縦効果によって検出する。このようにすることで、せん断効果の感度が縦効果の２倍になる。圧電ロードセルを傾斜して配置することにより、水平作業面の２つの力成分がそれぞれ、一方ではせん断効果によって検出され、他方では縦効果によって検出される。従って、本発明の装置は、水平作業面において等方性の感度を示す。

【0011】

以下の図面を参照しながら、一例として、本発明を以下にさらに詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】従来知られている力及びモーメントを測定する装置を示す概略図である。

【図2】本発明に係る力及びモーメントを測定する装置の第１実施例の一部を示す概略上面図である。

【図3】図２に示す本発明に係る装置の第１実施例の一部の水平座標軸に沿った概略断面図である。

【図4】本発明に係る力及びモーメントを測定する装置の第２実施例の一部を示す概略上面図である。

【図5】図４に示す本発明に係る装置の第２実施例の一部の水平座標軸に沿った概略断面図である。

【図6】図２乃至図５に示す本発明に係る装置の信号ピックアップ伝送の第１実施例を示す概略図である。

【図7】図２乃至図５に示す本発明に係る装置の信号ピックアップ伝送の第２実施例を示す概略図である。

【図8】図２乃至図５に示す本発明に係る装置の信号ピックアップ伝送の第３実施例を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図２乃至図５は、本発明に係る力及びモーメントを測定する装置１の２つの実施例を示す。装置１は、座標軸ｘ、ｙ、ｚを有する直交座標系に配置されている。この装置１は、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、セラミック、プラスチックなどの機械的に耐久性のある剛性材料でできた載置プラットフォーム８を備えている。この載置プラットフォーム８には、ワークピースやツールを載置することができる。このツールやワークピースは図示されていない。機械加工を行うには、載置プラットフォーム８を、同様に図示されていないアダプタによって機械上に設置してもよい。

【0014】

載置プラットフォーム８は、水平作業面ＸＹに配置された長方形のベース領域８３を有する直方体であることが好ましい。載置プラットフォーム８は、４つの長方形の端面８１、８１’、８２、８２’を有し、この端面８１、８１’、８２、８２’がベース領域８３に対して垂直に延在している。第１座標軸Ｘは、第１端面８１、８１’の法線の方向に延在し、第２座標軸Ｙは、第２端面８２、８２’の法線の方向に延在している。第３座標軸Ｙは、水平作業面ＸＹに垂直である。つまり、２つの第１端面８１、８１’が第１垂直面ＹＺに配置され、２つの第２端面８２、８２’が第２垂直面ＸＺに配置されている。第１垂直面ＹＺは、第２垂直面ＸＺに対して斜めに延在している。この「斜めに」という副詞は、２つの垂直面ＹＺ、ＸＺが互いに対して傾斜する、ゼロとは異なる角度を意味するものである。各第１端面８１、８１’の中央には、第１座標軸Ｘに沿って延在するプレロードねじ１０、１０’のスレッドが配置されている。各第２端面８２、８２’の中央には、第２座標軸Ｙに沿って延在するプレロードねじ１０、１０’のスレッドが配置されている。載置プラットフォーム８のベース領域８３は、任意の大きさであってもよいが、１００×１００ｍｍ以下、好ましくは８０×８０ｍｍ以下、より好ましくは５０×５０ｍｍ以下、さらに好ましくは２５×２５ｍｍ以下、またさらに好ましくは２０×２０ｍｍ以下の寸法を有することが好ましい。載置プラットフォーム８の高さは、３０ｍｍ以下、好ましくは２５ｍｍ以下、より好ましくは２０ｍｍ以下である。従って、端面８１、８１’、８２、８２’の大きさは、１００×３０ｍｍ以下、好ましくは８０×３０ｍｍ以下、より好ましくは５０×２５ｍｍ以下、さらに好ましくは２５×２５ｍｍ以下、またさらに好ましくは２０×２０ｍｍ以下である。

【0015】

また、上記装置１は、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、セラミック、プラスチックなどの機械的に耐久性のある剛性材料でできたプレート７、７’、７’’、７’’’を備えている。各プレート７、７’、７’’、７’’’は、水平作業面ＸＹに配置された長方形のベース領域７３を有している。このプレート７、７’、７’’、７’’’は、第１及び第２座標軸Ｘ、Ｙに沿って、プレロードねじ１０、１０’、１０’’、１０’’’の配向通路を有している。各プレート７、７’、７’’、７’’’のベース領域７３は、任意の大きさであってもよいが、１００×１００ｍｍ以下、好ましくは８０×８０ｍｍ以下、より好ましくは５０×５０ｍｍ以下、さらに好ましくは２５×２５ｍｍ以下、またさらに好ましくは２０×２０ｍｍ以下であることが好ましい。各プレート７、７’、７’’、７’’’の高さは、３０ｍｍ以下、好ましくは２５ｍｍ以下、より好ましくは２０ｍｍ以下である。この装置１は、４つ以上のプレート７、７’、７’’、７’’’を備えていることが好ましい。

【0016】

上記装置１の全ベース領域は、載置プラットフォーム８のベース領域８３と、４つのプレート７、７’、７’’、７’’’のベース領域７３との総和であり、図３に示す実施例における装置１では、７５×７５ｍｍであることが好ましい。データシート９１１９ＡＡ１＿００３＿０６０ｅ−０１．１３に記載の従来から知られている力及びモーメントを測定する装置は、重さｍ’＝９００ｇ、高さ２５ｍｍで、全ベース領域が１０９×８０ｍｍである。従って、本発明に係る装置１の全ベース領域は、既知の装置の全ベース領域よりも約３５％小さい。そのため、本発明に係る装置１の重さｍも約３５％小さく、約５８０ｇである。これは、本発明に係る装置１の固有振動数ｆに影響を与える。本発明に係る装置１が線形振動を発生すると仮定した場合、固有振動数ｆは、重さｍに比例する。

【0017】

【数1】

【0018】

本発明に係る装置１の重さｍが既知の装置よりも約３５％小さいので、本発明に係る装置１の固有振動数ｆが約２５％高くなる。

【0019】

また、上記装置１は、複数の圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを備えている。この圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、プレロードねじ１０、１０’、１０’’、１０’’’のための中央通路を有する中空シリンダの形状を有していることが好ましい。圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの中空シリンダは、１０ｍｍ以下の高さを有する。また、圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの中空シリンダは、２０ｍｍ以下の直径を有する。装置１は、４つの圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを備えていることが好ましい。圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ、水平作業面ＸＹ内における載置プラットフォーム８の各端面８１、８１’、８２、８２’に配置されている。第１圧電ロードセルＡ、Ｂは、第１座標軸Ｘに沿って第１端面８１、８１’の中央にそれぞれ配置され、第２圧電ロードセルは、第２座標軸Ｙに沿って第２端面８２、８２’の中央にそれぞれ配置されている。圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、互いに等距離ｅに配置されている。そのため、装置１は、４つの圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが作業プラットフォーム８上の水平作業面ＸＹにおいて十字形を形成するよう構成されている。圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの中空シリンダ直径の面積の総和と、端面８１、８１’、８２、８２’の面積の総和との利用率は、２５％以上であり、好ましくは５０％である。図３及び図４に示す実施例では、中空シリンダ直径の大きさが２０ｍｍ、端面８１、８１’、８２、８２’の大きさが２５×２５ｍｍである。これにより、利用率が５０％となる。データシート９１１９ＡＡ１＿００３＿０６０ｅ−０１．１３に記載の従来から知られている力及びモーメントを測定する装置では、圧電ロードセルは、４つの端面のうちの２つだけにしか配置されておらず、さらに、これら２つの端面では、中空シリンダ直径の大きさが、端面の大きさの半分未満である。４つの端面のうちの残りの２つには圧電ロードセルが配置されない。これにより、利用率が２５％未満となる。

【0020】

図２及び図３に示すような装置１の第１実施例では、圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが、平坦な端面８１、８１’、８２、８２’に配置されている。図４及び図５に示すような装置１の第２実施例では、圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが、端面８１、８１’、８２、８２’の凹部に配置されている。圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、端面８１、８１’、８２、８２’の凹部にほぼ完全に収容されるように配置されている。この点で、「ほぼ」という副詞は、各圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが、±１０％の誤差で凹部に収まることを意味するものである。図２及び図３の第１実施例と比較して、圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが端面８１、８１’、８２、８２’の凹部に配置されることによって、装置１の外形寸法が圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの中空シリンダ高さの倍縮小することになる。さらに、端面８１、８１’、８２、８２’に凹部を設けることにより、載置プラットフォーム８が軽量化される。図２に示す実施例と比較して、装置１の外形寸法の縮小と、載置プラットフォーム８の重さｍの軽量化により、図３に示す実施例において、装置１の固有振動数ｆが増大することになる。

【0021】

圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、機械的プレロードにより載置プラットフォーム８に配置される。このため、第１圧電ロードセルＡ、Ｂは、第１及び第２プレロードねじ１０、１０’により、第１座標軸Ｘに沿って第１端面８１、８１’に機械的にプレロードされる。そして、第２圧電ロードセルＣ、Ｄは、第３及び第４プレロードねじ１０’’、１０’’’により、第２座標軸Ｙに沿って第２端面８２、８２’に機械的にプレロードされる。プレロードねじ１０、１０’、１０’’、１０’’’は、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、セラミック、プラスチックなどの機械的に耐久性のある剛性材料でできている。プレロードねじ１０、１０’、１０’’、１０’’’は、プレート７、７’、７’’、７’’’の通路の中心及び圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの中央通路を通って、載置プラットフォーム８の端面８１、８１’、８２、８２’のスレッドにねじ込まれる。このプレロードねじ１０、１０’、１０’’、１０’’’のねじ頭部は、プレート７、７’、７’’、７’’’の通路に埋め込まれている。圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと載置プラットフォーム８は、プレロードねじ１０、１０’、１０’’、１０’’’によって、プレート７、７’、７’’、７’’’に支持されている。この機械的プレロードにより、力Ｆを圧縮力や張力として検出可能である。また、機械的プレロードにより、圧電変換器６、６’、６’’と電極との間に非常に良好な電気接続が得られることになる。

【0022】

各圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、複数の圧電変換器６、６’、６’’を備えている。この圧電変換器６、６’、６’’は、円筒形状を有し、石英（ＳｉＯ_２単結晶）、カルシウムガロゲルマニウム酸塩（Ｃａ_３Ｇａ_２Ｇｅ_４Ｏ_１４又はＣＧＧ）、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４又はＬＧＳ）、トルマリン、ガリウムオルトリン酸塩などの圧電性結晶材料でできている。圧電変換器６、６’、６’’の切断は、力Ｆの検出やモーメントＭの検出が行われる高い感度が得られる結晶配向で行われる。このような高い感度が得られる結晶配向は、分極方向と呼ばれる。圧電ロードセルＡ、Ｂの圧電変換器６、６’、６’’は、それぞれ反対の分極方向で第１座標軸Ｘに沿って配置され、圧電ロードセルＣ、Ｄの圧電変換器６、６’、６’’は、それぞれ反対の分極方向で第２座標軸Ｙに沿って配置されている。

【0023】

圧電変換器６、６’、６’’の表面は、力Ｆが作用するそれらの表面に負及び正の分極電荷が生成されるよう配向されることが好ましい。機械的負荷の場合、力Ｆは、圧縮力として作用し、負の分極電荷が生成される。一方、機械的解放の場合、力Ｆは、張力として作用し、正の分極電荷が生成される。この力Ｆは、垂直抗力又はせん断力であってもよい。従って、縦効果とせん断効果とが区別される。縦効果は、面法線が垂直抗力の有効軸に平行な面において分極電荷を生じさせる。せん断効果は、面法線がせん断力の有効軸と垂直な面において分極電荷を生じさせる。各ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、３つの圧電変換器６、６’、６’’を備えている。

【0024】

各圧電変換器６、６’、６’’は、力Ｆの３つの力成分Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ、Ｆ_ｚを検出する。第１座標軸Ｘに沿って延在する第１圧電ロードセルＡ、Ｂでは、第１圧電変換器６が縦効果によって第１力成分Ｆ_ｘを検出し、第２圧電変換器６’がせん断効果によって第２力成分Ｆ_ｙを検出し、第３圧電変換器６’’がせん断効果によって第３力成分Ｆ_ｚを検出する。第２座標軸Ｙに沿って延在する第２圧電ロードセルＣ、Ｄでは、第１圧電変換器６がせん断効果によって第１力成分Ｆ_ｘを検出し、第２圧電変換器６’が縦効果によって第２力成分Ｆ_ｙを検出し、第３圧電変換器６’’がせん断効果によって第３力成分Ｆ_ｚを検出する。従って、水平作業面ＸＹの２つの力成分Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙは、一方ではせん断効果によって検出され、他方では縦効果によって検出される。このように、装置１は、水平作業面ＸＹにおいて等方性感度を示す。

【0025】

装置１は、垂直抗力の有効軸に平行な圧縮強度を有し、せん断力の有効軸に平行なせん断剛性を有する。せん断力は、垂直抗力に対して垂直に作用する。しかしながら、圧縮強度は、せん断剛性より高いことが分かっている。このように、データシート９０１７Ｃ＿０００−９６０ｄ−０１．１４には、３つの圧電ロードセルを備えた３成分力センサーに関して、約１４００Ｎ／μｍの圧縮強度と約３００Ｎ／μｍのせん断剛性について記載されている。よって、本発明に係る装置１の圧縮強度は、そのせん断剛性の約４．７倍である。装置１の４つの圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、作業プラットフォーム８上の水平作業面ＸＹにおいて十字形状に配置されている。剛性は、圧縮強度とせん断剛性の総和である。この剛性は、第１座標軸Ｘに沿った、２つの圧電ロードセルＡ、Ｂの圧縮強度と２つの圧電ロードセルＣ、Ｄのせん断剛性の総和である。また、この剛性は、第２座標軸Ｙに沿った、２つの圧電ロードセルＣ、Ｄの圧縮強度と２つの圧電ロードセルＡ、Ｂのせん断剛性の総和である。従って、本発明に係る装置１の剛性は、水平作業面ＸＹにおいて等方性を有する。

【0026】

この点で、本発明に係る装置１は、特許文献１に記載の従来から知られている力及びモーメントを測定する装置とは異なる。この既知の装置は、４つの圧電ロードセルＡ、Ｂをすべて水平作業面ＸＹの座標軸Ｙに沿って配置することを教示している。Ｙ座標軸に沿った剛性は、４つの圧電ロードセルＡ、Ｂの圧縮強度の総和と等しい。また、Ｘ座標軸に沿った剛性は、４つの圧電ロードセルＡ、Ｂのせん断剛性の総和と等しい。そのため、既知の装置の剛性は、Ｘ座標軸よりもＹ座標軸に沿った方が高くなる。従って、既知の装置の剛性は、水平作業面ＸＹにおいて異方性を有する。

【0027】

本発明に係る装置１の等方性剛性は、固有振動数ｆに影響を与える。よって、データシート９１１９ＡＡ１＿００３＿０６０ｅ−０１：１３に記載の従来から知られている力及びモーメントを測定する装置は、力成分Ｆ_ｘに対して約６．０ｋＨｚ、そして、力成分Ｆ_ｙに対して約６．４ｋＨｚの異方性固有振動数を有する。水平作業面ＸＹにおいて回転対称的に機械加工が行われ、固有振動数が従来の装置と同様に異方性を有する場合、実際の固有振動数は、Ｘ座標軸の低い方の固有振動数によって決まる。従って、本発明に係る装置１の固有振動数ｆは、水平作業面ＸＹにおいて等方性を有する。

【0028】

圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの圧電変換器６、６’、６’’は、ディスク形状であり、中央通路を有することが好ましい。圧電変換器６、６’、６’’のディスク面の高さは、圧電変換器６、６’、６’’のディスク直径の約１０分の１である。力Ｆは、圧電変換器６、６’、６’’の２つの表面を介して加えられる。これらの表面は、圧電変換器６、６’、６’’のディスク直径の面に存在する。各表面は、分極電荷をピックアップするための電極と関連している。この電極は図示されていない。電極は、鋼、銅、銅合金などの導電性金属でできている。各電極は、それと関連する表面と２次元で電気的に接続する。電極は、ディスク形状であり、中央通路を有することが好ましい。各圧電変換器６、６’、６’’は、その表面と関連する２つの電極の間に配置されている。これらの電極は、信号電極と対電極とに細分化される。載置プラットフォーム８にも対向する圧電変換器６、６’、６’’の表面に関連する電極は、信号電極として機能する。載置プラットフォーム８に背を向ける圧電変換器６、６’、６’’の表面に関連する電極は、対電極として機能する。この対電極は、接地電位である。

【0029】

各圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、純金属、ニッケル合金、コバルト合金、鉄合金、セラミック、プラスチックなどの機械的に耐久性のある剛性材料でできた円筒状のハウジングを備えている。このハウジングは、中央通路を有する中空シリンダであることが好ましい。ハウジングは、内側円周面と、外側円周面と、２つのベース領域とを有する。各圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの圧電変換器６、６’、６’’は、内側円周面と外側円周面との間の空間に配置されている。圧電変換器６、６’、６’’は、互いに積み重ねられている。この積み重ねられた圧電変換器の電極は、絶縁体によって、お互いに、かつハウジングに対して電気的に絶縁されている。この絶縁体は、中央通路を有するディスク形状であることが好ましい。この絶縁体は図示されていない。圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄのハウジングは、動作中に生じ得る衝撃やインパクトから圧電変換器６、６’、６’’、電極、絶縁体を保護する。さらに、ハウジングは、不純物（粉塵、湿気など）などの周辺環境からの悪影響からも圧電変換器６、６’、６’’、電極、絶縁体を保護する。最後に、ハウジングは、電磁放射線状の電気的及び電磁的干渉効果から圧電変換器６、６’、６’’、電極、絶縁体を保護する。

【0030】

図６乃至図８は、装置１の信号ピックアップ伝送の３つの実施例を概略的に示す。電極からピックアップされた分極電荷は、圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各ハウジングから電気フィードスルーを介して、かつ、各ハウジングの外側から信号線１５を介して電荷増幅器１６へ、またそこから評価ユニット１７へと伝達される。各圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、４つの信号線１５に電気的に接続されることが好ましい。各圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの３つの圧電変換器６、６’、６’’の信号電極の信号は、３つの信号線１５によって伝送される。３つの圧電変換器６、６’、６’’の対電極は、第４信号線１５を介して共通電位に接地される。

【0031】

図６に示す信号ピックアップ伝送の第１実施例では、信号電極と対電極が直列に接続されている。４つの圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの信号電極と対電極とは、プラグイン接続形式で、３つの信号線１５を介して、互いに電気接続されている。第１圧電変換器６に関連する信号電極は、互いに直列に電気接続され、信号線１５を介して、第１力成分Ｆ_ｘに比例した分極電荷の総和である信号を伝送する。

【0032】

【数2】

【0033】

ここで、２番目の添え字は、圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを示す。第２圧電変換器６’に関連する信号電極は、互いに直列に電気接続され、信号線１５を介して、第２力成分Ｆ_ｙに比例した分極電荷の総和である信号を伝送する。

【0034】

【数3】

【0035】

第３圧電変換器６’’に関連する信号電極は、互いに直列に電気接続され、信号線１５を介して、力成分Ｆ_ｚに比例した分極電荷の総和である信号を伝送する。

【0036】

【数4】

【0037】

これらの直列接続された信号電極を有する装置１は、力Ｆの３つの力成分Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ、Ｆ_ｚの３成分変換器である。

【0038】

図７に示す信号ピックアップ伝送の第２実施例では、信号電極と対電極が部分的に直列に、また部分的に並列に接続されている。４つの圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの信号電極と対電極とは、プラグ接続形式で、４つの信号線１５によって互いに電気的に接続されている。第１圧電変換器６に関連する２つの第１信号電極は、互いに直列に電気接続され、信号線１５を介して、第１力成分Ｆ_ｘに比例した分極電荷の総和である信号を伝送する。

【0039】

【数5】

【0040】

第２圧電変換器６’に関連する２つの第１信号電極は、互いに直列に電気接続され、信号線１５を介して、第２力成分Ｆ_ｙに比例した分極電荷の総和である信号を伝送する。

【0041】

【数6】

【0042】

第１圧電変換器６に関連するさらに２つの信号電極と、第２圧電変換器６’に関連するさらに２つの信号電極とは、互いに直列に電気接続され、信号線１５を介して、モーメントＭの第３モーメント成分Ｍ_ｚに比例した分極電荷の総和である信号を伝送する。

【0043】

【数7】

【0044】

第３圧電変換器６’’に関連する信号電極は、互いに直列に電気接続され、信号線１５を介して、第３力成分Ｆ_ｚに比例した分極電荷の総和である信号を伝送する。

【0045】

【数8】

【0046】

３つの圧電変換器６、６’、６’’の対電極は、第４信号線１５を介して共通電位に接地される。これらの部分的に直列接続、また部分的に並列接続された信号電極を有する装置１は、力Ｆの３つの力成分Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ、Ｆ_ｚとモーメントＭのモーメント成分Ｍ_ｚの４成分変換器である。

【0047】

図８に示す信号ピックアップ伝送の第３実施例では、圧電変換器６、６’、６’’に関連する信号電極が並列接続され、対電極が直列接続されている。４つの圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの３つの圧電変換器６、６’、６’’のそれぞれの分極電荷は、信号電極によってピックアップされ、１２個の信号線１５を介して個別信号として伝送される。これらの並列接続された信号電極を有する装置１は、１２成分変換器である。個別信号は、電荷増幅器１６で電気的に増幅され、評価ユニット１７に伝送される。この増幅された信号は、評価ユニット１７で処理される。このように、力Ｆの力成分Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ、Ｆ_ｚを測定する信号は、以下のように相互に関連付けることができる。

【0048】

【数9】

【0049】

ここで、２番目の添え字は、圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを示す。さらに、載置プラットフォーム８の中心に対してモーメントＭのモーメント成分Ｍ_ｘ、Ｍ_ｙ、Ｍ_ｚを測定する信号は、以下のように相互に関連付けることができる。

【0050】

【数10】

【0051】

ここで、ｅは、圧電ロードセルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの互いの距離である。

【0052】

本発明を知る当業者は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更を加えることができる。従って、当業者は、端面が３つしかない載置プラットフォームや、５つ以上の端面を有する載置プラットフォームを設けてもよい。さらに、当業者は、圧電変換器として、圧電性結晶材料の代わりに、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスや、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの圧電フィルムを使用してもよい。また、当業者は、載置プラットフォームの一つの端面に複数の圧電ロードセルを設けてもよい。

【符号の説明】

【0053】

Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 圧電ロードセル
ｅ 距離
ｆ 固有振動数
Ｆ 力
Ｆ_ｘ、Ｆ_ｙ、Ｆ_ｚ 力成分
ｍ、ｍ’ 重さ
Ｍ モーメント
Ｍ_ｘ、Ｍ_ｙ、Ｍ_ｚ モーメント成分
Ｘ、Ｙ、Ｚ 座標軸
ＸＹ 水平作業面
ＹＺ、ＸＺ 垂直面
１ 装置
４ ワークピース
５ ツール
６、６’、６’’ 圧電変換器
７、７’、７’’、７’’’ プレート
８ 載置プラットフォーム
９ スタンド
１０、１０’、１０’’、１０’’’ プレロードねじ
１５ 信号線
１６ 電荷増幅器
１７ 評価ユニット
７３ プレートのベース領域
８１、８１’ 第１端面
８２、８２’ 第２端面
８３ 載置プラットフォームのベース領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】