JPH01233338A - Load detector using piezoelectric sensor - Google Patents
Load detector using piezoelectric sensorInfo
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Abstract
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。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a load detection device using a piezoelectric sensor for measuring cutting force or cutting resistance of a machine tool.
[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。[Prior Art] The present inventors used a film sheet-like piezoelectric sensor as a device for detecting the cutting force or cutting resistance of a machine tool, and used this piezoelectric sensor to detect the cutting force or cutting resistance of a ball screw mechanism of the machine tool. We have proposed a load detection device that is installed at a position that receives the load caused by the load.
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。FIG. 1 shows a circuit configuration of a load detection device using a piezoelectric sensor.
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。In Fig. 8, 1 is a piezoelectric sensor as a transducer that detects the load due to cutting force or cutting resistance, and the piezoelectric sensor 1 is in the form of a film sheet with a thickness of about 0.2III11. .
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。As is well known, the piezoelectric sensor 1 generates an electric charge between the electrodes according to the load applied to the piezoelectric sensor. Therefore, in order to convert the electric charge generated according to the load of the piezoelectric sensor into a voltage signal, a charging circuit is used as an external circuit. A charge amplification circuit 2 known as an amplifier is provided.
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。The charge amplification circuit 2 has a capacitor C connected to the feedback circuit of the operational amplifier 3, and the piezoelectric sensor 1 can be regarded as a variable sound ff1cX since the generated charge ff1qx changes depending on the load.
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。Here, if the amplification factor A of the operational amplifier 3 is infinite, the charge generated by the piezoelectric sensor 1 is transferred as is, qx, to the feedback capacitor C due to the imaginary short effect of the operational amplifier 3, and ideally, the charge generated by the piezoelectric sensor 1 is ff1q
An output voltage EO proportional to x can be obtained. In reality, the amplification factor of operational amplifier 3 does not become infinite, so
The output voltage EO is EOζ-qX/C.
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。Further, a reset switch 4 is connected to the feedback circuit of the operational amplifier 3 in parallel with the capacitor C. That is, since a predetermined assembly load is applied to the piezoelectric sensor 1 in the initial state, the capacitor C is discharged and reset to zero before the load is detected.
[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。[Problem to be Solved by the Invention 1] However, in a conventional load detection device using such a piezoelectric sensor and a charge amplification circuit, as shown in FIG. 9, the output voltage EO of the charge amplification circuit changes over time. Drift that changes over time poses a problem, making it impossible to accurately detect the load.
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。That is, drift means that when the charge generated between the electrodes of the piezoelectric sensor 1 is amplified and converted into a voltage signal by the charge amplification circuit 2,
Since the input impedance of the charge amplification circuit 2 cannot be made infinite, this means that the charge generated in the piezoelectric sensor 1 leaks through the input impedance, causing the output to fluctuate.
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。Such drift is not a problem when detecting AC components such as vibrations, but when detecting DC components such as cutting loads.
This is a big problem when detecting specific components.
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。For this reason, in load detection using conventional piezoelectric sensors,
Phenomena such as vibrations with very short periods do not have the problem of drift, so they are effectively used to measure forces such as vibrations, but they can be used effectively to measure forces such as vibrations, but phenomena where a nearly constant load is applied over a relatively long period of time. (phenomena that last for more than one second) are not often used.
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。The present invention has been made in view of such conventional problems, and provides a load detection device using a piezoelectric sensor that allows the piezoelectric sensor to accurately detect the cutting load without being affected by drift. The purpose is to
[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。[Means for Solving the Problems] In order to achieve this object, the present invention has a method in which the load applied to one piezoelectric sensor increases and the load applied to the other piezoelectric sensor reverses the cutting load. It has a load detection mechanism in which two piezoelectric sensors are arranged, and a charge amplification circuit amplifies and converts each of the charges generated according to the load applied to each piezoelectric sensor into a voltage signal, and the output of one of the charge amplification circuits is inverted. After that, the output of the other charge amplification circuit and the addition circuit are added together.
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。A load detection mechanism with two piezoelectric sensors arranged can be used, for example, to detect the feed screw of a machine tool. Assemble and fix the piezoelectric sensors to both ends of the nut member screwed to the foot using presser feet, and connect a work table or tool stand to the side of the presser foot to which the piezoelectric sensors are fixed.
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。In another example of the load detection mechanism, a feed screw shaft of a machine tool is rotatably supported, and piezoelectric sensors are tightened and fixed on both sides of seven outer rings of a bearing that receives thrust force.
[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。[Function] In the load detection device of the present invention having such a configuration, a cutting load is applied to one piezoelectric sensor in a direction that increases the assembly load, and at the same time, a cutting load is applied to the other piezoelectric sensor in a direction that increases the assembly load. Since the applied load is applied in the direction of decreasing the applied load, the amount of charge generated according to the increase or decrease of the load of the two piezoelectric sensors is amplified and converted into a voltage signal by a charge amplification circuit, and then the amplified output of one is inverted and the amplified output of the other is converted. By adding them together using an adding circuit, it is possible to offset the drift that changes over time, and even if a constant load is continuously applied to the piezoelectric sensor, it can respond to the load without being affected by fluctuations due to drift. A detection signal can be obtained accurately.
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。In addition, since the detection outputs of two piezoelectric sensors are added together, the output voltage can be increased according to the load, and S
A detection signal with a good /N ratio can be obtained.
[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。[Embodiment] FIG. 1 is a circuit block diagram showing an embodiment of the present invention.
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。In FIG. 1, la and 1b are film sheet-like piezoelectric sensors, and as will be explained later, they are assembled into a load detection mechanism, and when a cutting load is applied, for example, the piezoelectric sensor 1a receives a cutting load. A cutting load is applied to the piezoelectric sensor 1b in a direction that increases the tightening load, and conversely, a cutting load is applied to the piezoelectric sensor 1b in a direction that decreases the assembly load.
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。Charge amplification circuits 2a and 2b known as charge amplifiers are provided following the piezoelectric sensors 'la and 1b. The charge amplification circuits 2a, 2b have operational amplifiers 3a, 3b,
Capacitor Ca in the feedback circuit of operational amplifiers 3a and 3b,
Cb is connected, and a reset switch 4a for performing discharge reset in parallel with capacitors Ca and Cb;
4b is connected.
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。Here, the principle of the charge amplification circuits 2a and 2b will be explained as follows, taking the charge amplification circuit 2a as an example.
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。Since the piezoelectric sensor 1a generates an electric current 1b q x according to the applied load, it can be regarded as a variable capacitor ff1cX.
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。Here, the input voltage of the operational amplifier 3a is El, and the output voltage is E.
Assuming that the O1 amplification factor is A and the charge of the feedback capacitor is qa, the following relational expression is obtained.
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。EO = -A-Ei Ei -Eo = qa / Ca Ei = (QX - qa) / (Cx + Cc)
However, CG is the signal cable capacitance between the piezoelectric sensor 1a and the charge amplification circuit 2a.
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。According to these relational expressions, qX=Qa ・(1+(Cx 0Cc)/(Ca(1
+A>) Ei = qa /Ca -1/ (1+A>E
o = -qa /Ca -A/ (1+A>).
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。Here, since the amplification factor A of the operational amplifier 3a is A>>1, qx~qa EiζO EO - qa/Ca.
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。Therefore, the input voltage Ei of the operational amplifier 3a is maintained at approximately zero, and all the charges generated in the piezoelectric sensor υ1a are stored in the feedback capacitor +j-Ca, and the charge amplification circuit 2a
The output voltage EO is uniquely determined by the ratio between the capacitance of the feedback capacitor Ca and the electric charge qx generated by the piezoelectric sensor 1a.
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。The principle of the charge increasing circuit 2a is the same as that of the charge amplifying circuit 2b provided in the piezoelectric sensor 1b.
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。The output of the charge amplification circuit 2a that converts and amplifies the charge generated by the piezoelectric sensor 1a into a voltage signal is input to the addition circuit 5, and the output of the charge amplification circuit 2b that converts and amplifies the charge generated by the piezoelectric sensor 1b is inverted by the inversion circuit 6. After that, it is added to the adder circuit 5. As a result, the adder circuit 5 outputs a signal obtained by adding the inverted output of the charge amplification circuit 2b to the amplified output of the charge amplification circuit 2a.
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
。FIG. 2 shows piezoelectric sensors 1a and lb shown in the embodiment of FIG.
It is an explanatory view showing one example of a load detection mechanism provided with.
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。In FIG. 2, 7 is a feed screw shaft, the right end of which is rotatably supported by a ball bearing 8.
A pair of support bearings 9a receives both radial load and thrust load at the left end.
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。The output shaft of a pulse motor (not shown) is connected to the shaft end taken out to the left from the bearing portion formed by the support bearings 9a and 9b.
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。A nut member 10 is screwed onto the feed screw shaft 7. Piezoelectric sensors 1a and 'lb are arranged at both ends of the nut member 10, and the nut member is tightened with bolts at positions shown by dashed lines using presser feet 11a and 11b. Piezoelectric sensor l at 10
a.
1bを締付け固定している。1b is tightened and fixed.
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。Figure 3 shows the nut member 1 for the screw shaft 7 in Figure 2.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an attached portion of the device 0;
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。In FIG. 3, the nut member 10 is connected to the feed screw shaft 7.
The piezoelectric sensors 1a and 1b are fitted into the shaft portions on both sides of the nut member 10, and the presser feet 11a and 11b are fitted from the outside and the nut is tightened by tightening the bolts at the positions indicated by the dashed lines. It is fastened and fixed to the member 10.
このような第2.3図に示す圧電センサ1a。Such a piezoelectric sensor 1a shown in FIG. 2.3.
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
。1b, the nut member 10
A presser foot 118 that tightens and fixes the piezoelectric sensors Ia and Ib to
.. The llb side is connected to the work table or tool stand of the machine tool, and the feed screw shaft 7 is connected by a pulse motor.
By rotating the nut member 10, the rotational movement is converted into a linear movement in the left-right direction, and the work table or tool stand is moved via the presser feet 118 and 11b.
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。At this time, for example, if the feed screw shaft 7 is rotated so as to send the nut member 10 to the right, the nut member 1
The axial load received by the piezoelectric sensor 1b placed on the right side of the nut member in response to the cutting load via the work table or tool stand acts in the direction of increasing the tightening load of the piezoelectric sensor 1b, and conversely increases the tightening load of the piezoelectric sensor 1b. An axial load acts on the piezoelectric sensor 1a mounted on the left side of the piezoelectric sensor 10 in a direction that reduces the tightening load of the piezoelectric sensor 1a. On the other hand, when the feed screw shaft 7 is rotated to move the nut member 10 to the left, a load is applied to the left piezoelectric sensor 1a in the direction of increasing the tightening load, and the right piezoelectric sensor 1b is affected by a load that increases the tightening load. The axial load acts in the direction that reduces the tightening load.
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。FIG. 4 is an explanatory diagram showing another embodiment of the load detection mechanism provided with the piezoelectric sensors 1a and 1b shown in FIG. 1.
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。In FIG. 4, piezoelectric sensors la and Ib are incorporated into support bearings 9a and 9b that rotatably support the feed screw shaft 7 and receive thrust. That is, the piezoelectric sensor 1a is installed on the left side of the long port bearing 9a installed in the bearing hole 13, and the piezoelectric sensor 1b is installed on the right side of the support bearing 9b, and the presser foot 14 is inserted into the bearing hole 13 from the outside of the piezoelectric sensor 1a. It is attached and fixed with bolts. The piezoelectric sensors 1a, 1b are suppressed by the sides of the support bearings 9a, 9bkT () and the actuator ring, and the inner ring is fitted into the feed screw shaft 7 side and rotates, so the piezoelectric sensors 1a, 1b Provided so that it does not come into contact with the Of course, the right end of the feed screw shaft 7 is rotatably supported by a ball bearing 8, and a nut member 10 for converting rotational motion into linear motion is screwed together.
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。FIG. 5 is a sectional view showing a piezoelectric sensor used in the present invention, and FIG. 6 is a partially cutaway plan view thereof.
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。5 and 6, the piezoelectric sensor has a piezoelectric material layer 2 in the center.
1, and electrode layers 22a, 22 on both sides of the piezoelectric material layer 21.
b, and the piezoelectric material layer 21 and the electrode layers 22a, 2
The piezoelectric sensor 2b is produced by cutting out a piezoelectric film in the form of a film sheet that constitutes a piezoelectric element typified by PZT. The detection sensitivity of a piezoelectric sensor is determined by the piezoelectric constant,
In other words, it is determined by the amount of electric charge generated per unit force, and the piezoelectric constant is constant regardless of the size of the area receiving the force of the piezoelectric sensor, so increasing the area reduces the load applied per unit area and increases detection sensitivity. without reducing
The rigidity of the sensor can be increased. In addition, the thickness of the film sheet-shaped piezoelectric sensor is about 0.2 mm, and even if the Young's modulus is small, the deformation (deformation strain) due to force is minute, and as shown in Figure 2-4, it can be rotated with a machine tool. Even if the piezoelectric sensors 1a and 1b are directly incorporated into the portion that converts motion into linear motion, the machining accuracy will not be affected.
更に、第5,6図に示す構造の圧電センサ1a。Furthermore, a piezoelectric sensor 1a having a structure shown in FIGS. 5 and 6.
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。1b, the capacitance of the feedback capacitors Ca and Cb of the charge amplification circuits 2a and 2b shown in FIG. 1 can be changed from 1kc+f' to 1000.
To! The load can be detected over a wide range up to jf, and a high resolution of about 100 (llf) can be obtained.
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。Referring again to FIGS. 5 and 6, insulating sheets 23a and 23b are further fixed with adhesive or the like on both sides of the film sheet-like piezoelectric sensor consisting of one layer 21 of piezoelectric material and electrode layers 22a and 22b on both sides. Lead wires 24a and 2/ib are drawn out from the electrode layers 22a and 22b.
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。Next, the operation of the embodiment shown in FIG. 1 will be explained with reference to the signal waveform diagram shown in FIG.
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。FIG. 7(a) shows the output voltage of the charge amplification circuit 2a that converts and amplifies the charge generated by the piezoelectric sensor 1a, and FIG. 7(b)
represents the output voltage of the charge amplification circuit 2b which converts and amplifies the charge generated by the piezoelectric sensor 1b.
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。Here, FIGS. 7(a) and 7(b) show a case where an increasing cutting load is applied to the piezoelectric sensor +J1a, and a decreasing cutting load is applied to the piezoelectric sensor 1b.
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。First, until the time to when the machine tool starts cutting, the reset switches 4a and 4b provided in the charge amplification circuits 2a and 2b are
are switched on, and both the feedback capacitors Ca and Cb are placed in a discharge reset state, and the electric charge generated by the assembly load of the piezoelectric sensors la and 1b is discharged and reset to make the output voltage zero. In this state, reset switch 4 at time to start cutting of the machine tool.
When a and 4b are switched off, the output voltage increases and decreases due to drift over time, and cutting starts at time t1, and a cutting load is applied to the piezoelectric sensor 1a in the direction of increasing the assembly load. , the output voltage of the charge amplification circuit 2a increases according to the cutting load;
The output voltage of b decreases in accordance with the cutting load.
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。The output voltage of the charge amplifying circuit 2a in FIG. 7(a) is inputted as is to the adding circuit 5, while the output voltage of the charge amplifying circuit 2b is inverted by the inverting circuit 6 to produce an inverted signal as shown in FIG. 7(C). and is applied to the additive circuit 5. As a result, the adder circuit 5 produces the tightening output shown in FIG. 7(d), which is the sum of the output voltage in FIG. 7(a) and the inverted voltage in FIG. 7(C), and the drift over time is canceled out. Furthermore, the output voltage obtained by adding the output voltage due to the change in cutting load can be increased by 1q.
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。That is, since the charge amplification circuits 2a and 2b have the same circuit configuration, the drift that occurs over time also matches, and by inverting one of them and adding them, it is possible to cancel out the drift almost completely. .
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
。Although the adder circuit 5 adds the inverted output of the charge amplification circuit 2b to the output of the charge amplification circuit 2a, it is of course possible to add and average the two.
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。Moreover, in the embodiment of FIG. 2.4, the piezoelectric sensor 1a,
1b is the workpiece' feed screw mechanism feed screw mechanism 1~
Alternatively, although it is provided on the port bearing, it may be similarly provided on the feed nut of the feed screw mechanism of the main shaft system or the support of the rear boat 11.
[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。[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, the load detection mechanism applies a cutting load to one piezoelectric sensor in a direction that increases the number of assembled carts, and at the same time applies a cutting load to the other piezoelectric sensor. is added in a direction that reduces the assembly C load,
After converting and amplifying the amount of charge generated by the two piezoelectric sensors in accordance with the increase or decrease of the cart into a voltage signal in a charge amplification circuit, the amplified output of one is inverted and added to the amplified output of the other in an adder circuit to calculate the passage of time. Even if a constant cutting load is continuously applied to the piezoelectric sensor, the detection signal corresponding to the cutting load can be accurately increased by 1 without being affected by the fluctuation due to the drift. Can be done.
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。Furthermore, since the detection outputs of the two piezoelectric sensors are added or averaged, the output voltage can be increased in accordance with the load, and a detection signal with a good S/N ratio can be obtained.
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Figure 1 is a circuit block diagram showing an embodiment of the present invention. Figure 2 is an explanatory diagram showing an embodiment of the load detection mechanism of the present invention. Figure 3 is a cross-sectional diagram of the nut portion in Figure 2. Figure; Figure 4 is an explanatory diagram showing another embodiment of the load detection mechanism of the present invention; Figure 5 is a sectional view of a piezoelectric sensor used in the present invention; Figure 6 is a partially cutaway view of Figure 5; Fig. 7 is a signal waveform diagram showing the operation of Fig. 1; Fig. 8 is a circuit block diagram showing the conventional device; Fig. 9 is a signal waveform diagram showing the conventional drift problem. be. Ia, 1b: Piezoelectric sensor 2a, 2b: Charge amplification circuit (chi V-amp) 3a, 3
b: Operational amplifiers 4a, 4b: Reset switch 5: Addition circuit 6: Reversing circuit 7: Feed screw shaft 8: Ball bearings 9a, 9b: Support bearing 10: Nut members 11a, 11b, 14: Presser foot 13: Bearing hole 21: Piezoelectric material layers 22a, 22b: i-pole layers 23a, 23b: insulating sheets 24a, 24b: I, J-wires Ca, Cb: capacitors Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5
Claims (1)
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。[Claims] 1. Two piezoelectric sensors in the form of film sheets; said 2 piezoelectric sensors so that when a load is applied, the load applied to one piezoelectric sensor increases and the load applied to the other piezoelectric sensor decreases. a load detection mechanism installed with one piezoelectric sensor; a charge amplification circuit provided for each of the two piezoelectric sensors that converts a generated charge corresponding to a load applied to the piezoelectric sensor into a voltage signal; one of the charge amplification circuits. 1. A load detection device using a piezoelectric sensor, comprising: an addition circuit that inverts the output of the charge amplification circuit and then adds the output of the charge amplification circuit to the output of the other charge amplification circuit. 2. The load detection mechanism has the two piezoelectric sensors assembled and fixed at both ends of a nut member screwed onto the feed screw shaft of the machine tool using a presser foot, and a work table or tool stand is connected to the presser foot side. Claim 1 characterized in that
A load detection device using the piezoelectric sensor described above. 3. The load detection mechanism rotatably supports a feed screw shaft of a machine tool, and the two piezoelectric sensors are installed on both sides of an outer ring of a bearing that receives thrust force and are fixed by tightening. A load detection device using the piezoelectric sensor according to 1.
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|---|---|---|---|
| JP63059823A JPH0769231B2 (en) | 1988-03-14 | 1988-03-14 | Load detection device using piezoelectric sensor |
| 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 (en) | 1988-03-14 | 1989-03-13 | Stress detector device |
| GB8919718A GB2223544B (en) | 1988-03-14 | 1989-08-31 | Feed-screw support structure |
| EP19890123017 EP0377145A3 (en) | 1988-03-14 | 1989-12-13 | Axial pretension-adjusting device for roller bearings and spindle nuts |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP63059823A JPH0769231B2 (en) | 1988-03-14 | 1988-03-14 | Load detection device using piezoelectric sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01233338A true JPH01233338A (en) | 1989-09-19 |
| JPH0769231B2 JPH0769231B2 (en) | 1995-07-26 |
Family
ID=13124334
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63059823A Expired - Lifetime JPH0769231B2 (en) | 1988-03-14 | 1988-03-14 | Load detection device using piezoelectric sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JPH0769231B2 (en) |
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| JPH0769231B2 (en) | 1995-07-26 |
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