JP3108881B2

JP3108881B2 - ひずみ測定方法及び装置

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Publication number: JP3108881B2
Application number: JP03505512A
Authority: JP
Inventors: ロンズデール，アンソニイ; ロンズデール，ブライアン
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-03-03
Filing date: 1991-03-04
Publication date: 2000-11-13
Anticipated expiration: 2015-11-13
Also published as: GB9004822D0; WO1991013832A3; AU7334191A; EP0518900B1; EP0518900A1; WO1991013832A2; JPH05506504A; KR930700830A; US5585571A; ATE156262T1; DK0518900T3; BR9106101A; DE69127074D1; KR100199230B1; CA2077085A1; AU655764B2; DE69127074T2

Description

【発明の詳細な説明】背景本発明は、特に、回転シャフトによって動力が伝達さ
れる際に生じる動的トルクの測定に関するものである。

技術分野静的及び動的ひずみの測定には、従来の抵抗ひずみ計
が広く用いられている。それらは、フリッジ回路に組み
込まれた抵抗素子を特徴としており、該抵抗素子の少な
くともいくつかが固定されているコンポーネントの応力
による抵抗素子の変化が、ブリッジ回路によって定量化
される。

抵抗ひずみ計は、該ひずみ計がしっかり固定されてい
るシャフトによって伝達されるトルクの測定に用いるこ
とが可能である。シャフトのスリップ・リングを利用し
て、信号入力がひずみ計に送られ、ひずみ計からの信号
出力が回復させられる。トルク伝達時におけるシャフト
のねじれから生じるひずみ計の形状変化は、スリップ・
リングによってモニタされる。ただし、スリップ・リン
グの利用には、いくつかの欠点がある。スリップ・リン
グのブラシの抗力によって、下方トルク値を表す信号の
測定にとって重要なエラーが生じることになり、抗力
は、摩擦の条件によって、また、摩耗が生じるにつれて
変動する可能性がある。慣性の効果によって、スリップ
・リングを支持するシャフトが受けることになる加速に
制限が加えられる。リングとブラシは、電気的ノイズを
発生する。

トルク測定は、一方では、小規模の実験室用ミキサの
利用に関連した粘性によって生じる極めて小さいトルク
から、航空機及び船舶用推進装置の伝動軸に生じる極め
て大きいトルクにまで及ぶ可能性がある。一般に、スリ
ップ・リング・システムは、約２ニュートン・メートル
未満のトルク測定には簡単に適用できないことが明らか
になっている。一般に、シャフトのひずみ計セクション
の直径が小さくなると、適合するサイズのひずみ計の取
り付けに利用可能な面積が不十分になり、発生する電気
的ノイズの大きさによっては、SN比が有効利用を損なう
ことになる。極めて長いシャフトのもう一方の端部に、
スリップ・リング及び関連する装置を用いると、アクセ
ス及び収容の問題が生じる。

抵抗ひずみ計に対する代替案として、光学トルク変換
器が、シャフトのトルク測定のために利用されるように
なってきた。光学変換器の場合、半径方向に延びるセグ
メント化された回折格子がシャフトに取り付けられる。
光源アレイからの出力が、回折格子を通って、光電セル
を照射する。光電セルからの信号出力は、シャフトにか
かるトルクによって直接的に変動する。測定の精度は、
シャフトの速度またはトルク範囲による影響を受けな
い。光源の強さをモニタすることによって、光源セルの
出力が光源の変動によって変化しないように保証するこ
とが可能である。

現在では、こうした光学／電子計器は、０〜10ミリ・
ニュートン・メートルの範囲から０〜500ミリ・ニュー
トン・メートルの範囲にわたるトルク、及び、0.5〜300
00rpmの回転速度について、広く利用されている。光学
電子システムの技術的利点は、かなりのものであるが、
高価である。とりわけ、セグメント化された回折格子の
製造が高くつく。さらに、アレイ内の光源を定期的に交
換する必要から、計器にアクセスして、保守及び較正を
行わなければならないので、設計上の制約を課すことに
なる。

以下の説明では、「表面弾性波共振器」に言及する。
こうした共振器は、圧電基板に配置された超小形構造に
よって構成される。超小形構造は、基板に薄い導電性金
属層として配置された、少なくとも１対の、交互にはさ
み込まれた櫛形の（「互いにかみ合った」）電極によっ
て形成されている。図１［図15］には、出力電極12がは
さみ込まれた入力電極11を備える表面弾性波デバイス10
の基本モデルが示されている。電極は、厚さが約1000オ
ングストロームのアルミニウム（他の良好な導体を利用
することも可能である）を被着させたものである。電極
11及び12は、圧電基板13の上面14に被着されている。た
わみ性プラスチック・ポリマーから、セラミック及び石
英といった硬質材料まで、圧電材料の多くは、基板に適
している。ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、酸
化ビスマス・ゲルマニウム、及び、酸化ガリウムといっ
た各種圧電結晶の形態を利用することができる。今後、
こうした表面弾性波デバイスは、「SAW共振器」と呼ぶ
ことにする。

SAW共振器の場合、対をなす電極の一方に電気信号を
加えると、それは、基板上において電気入力弾性波に変
換する変換器の働きをする。対をなす電極のもう一方
は、このプロセスを逆転し、基板上に弾性波が到着する
と、電気出力信号を送り出す。

SAW共振器は、「高Ｑ」デバイス、すなわち、回路の
選択性が高く、該回路が通過させる帯域幅が狭いデバイ
スの働きをしている。SAW共振器は、遅延線、周波数フ
ィルタ、帯域フィルタ、オシレータ、送受切換え器、及
び、コンボルバといった信号処理用途に広く用いられて
いるいくつかの表面弾性波デバイスに含まれる。SAWデ
バイスは、現在の研究及び開発の対象である。米国カリ
フォルニア州サンディエゴのAcademic Press.Incorpor
atedによって出版されたColin Campbellによる「Surfa
ce Acoustic Wave Devices and Their Signal P
rocessing Applications」（1989年度版）を含む、い
くつかの出版物を利用することが可能である。

発明の開示本発明の第１の態様の第１の態様によれば： 1.層補対として取り付けられる、それぞれ、SAW共振器
から構成される、１対の変換器（T1、T2）をシャフト
（Ｓ）に位置決めして、軸（Ａ）まわりでシャフト
（Ｓ）が第１の方向に回転（Ｋ）すると、一方の変速器
（T1）が圧縮されて、もう一方（T2）に張力がかかり、
シャフトが逆の方向に回転すると、一方の変換器（T1）
に張力がかかって、もう一方（T2）が圧縮されるように
し、各変換器毎に信号入力（C1）及び信号出力（C2、C
3）を設け、該信号入力及び信号出力を、回転するシャ
フト（Ｓ）の外側またはその近くの離散位置に配置する
ステップと、 2.信号入力（C1）に駆動信号を加えるステップと、 3.駆動信号によって駆動されると、変換器（Ｔ、T1、T
2）の少なくとも出力共振周波数を信号出力（C2、C3）
で検出するステップと、 4.各変換器または両方の変換器の出力共振周波数信号に
処理を施して、シャフト（Ｓ）によって伝達される動的
トルクによるシャフト（Ｓ）の応力によって誘発され
る、変換器（T1、T2）に発生するひずみに関する情報を
引き出すステップとによって特徴づけられる回転軸を備えたシャフトによっ
ては伝達される動的トルクの測定方法が提供される。

本発明の第１の望ましいバージョンによれば、該方法
には、さらに、変換器の１つ（T1）からの出力共振周波
数によって、第１の信号周波数が生じ、もう１つの変換
器（T2）からの出力共振周波数（f1）によって、第２の
信号周波数（f2）が生じ、第１と第２の信号のいずれか
または両方が、混合プロセス（Ｍ）の前に処理を受ける
（R1、R2）という特徴がある。

本発明の第１の態様の第２の望ましいバージョン、ま
たは、第１の態様の第１の望ましいバージョンによれ
ば、該方法には、さらに、信号入力（C1）に信号を加え
るステップが、低電力の誘導、容量、または、電波手段
によって信号入力に結合された信号発信器（P1）によっ
て実施されるという特徴がある。

本発明の第１の態様の第３の望ましいバージョン、ま
たは、その第１または第２の望ましいバージョンによれ
ば、該方法には、さらに、信号出力（C2、C3）における
検出ステップは、誘導、容量、または、電波手段によっ
て信号出力（C2、C3）に結合された信号受信器（P2、P
3）によって実施されるという特徴がある。

本発明の第２の態様によれば、回転軸を備えたシャフ
トによって伝達される動的トルクを測定する装置は、そ
れぞれ、相補対としてシャフト（Ｓ）に位置決めされた
SAW共振器から構成される、１対の変換器（T1、T2）を
特徴としており、軸（Ａ）まわりでシャフト（Ｓ）が第
１の方向に回転（Ｋ）すると、一方の変換器（T1）が圧
縮されて、もう一方（T2）に張力がかかり、シャフトが
逆の方向に回転すると、一方の変換器（T1）に張力がか
かって、もう一方（T2）が圧縮され、各変換器毎に、信
号入力（C1）及び信号出力（C2、C3）が、回転するシャ
フト（Ｓ）の外側またはその近くの離散位置に配置され
ており、各SAW共振器（T1、T2）は、一方の側に１対の
互いにかみ合った電極（11、12）が取り付けられてい
て、対をなす電極の一方（11）が、信号入力（C1）に接
続され、対をなす電極のもう一方（12）が、信号出力
（C2）に接続されている圧電基板（13）と、信号入力
（C1）に所定の周波数の入力信号を加えるための発生器
（A1、A2）と、信号出力（C2、C3）において信号を検出
するモニタ（Ｍ）と、信号プロセッサ（MP）から構成さ
れ、これによって、基板（13）に加えられるひずみから
生じる出力信号の変化を導き出すことができるようにな
っている。

本発明の第２の態様の第１の望ましいバージョンによ
れば、該装置には、信号入力（C1）に信号を加える手段
が、誘導、容量、または、電波手段によって信号入力
（C1）に結合された信号発信器（P1）から構成されると
いう特徴がある。

本発明の第２の態様の第２の望ましいバージョンによ
れば、該装置には、信号出力（C2、C3）における検出手
段が、誘導、容量、または、電波手段によって信号出力
に結合された信号発信器（P2、P3）から構成されるとい
う特徴がある。

本発明の第２の態様の第３の望ましいバージョン、ま
たは、その第１または第２の望ましいバージョンによれ
ば、該装置には、さらに、信号処理手段（Ｍ）が、一方
の変換器（T1）からの出力共振周波数（F1）及びもう一
方の変換器（T2）からの出力共振周波数（F2）を受信し
て、両方の信号またはその導関数を混合して、両方の信
号（F1、F2）またはその導関数から導き出される合成信
号を発生するようになっているという特徴がある。

本発明の第２の態様の第４の望ましいバージョンによ
れば、第３の望ましいバージョンによる装置には、さら
に、信号処理手順（Ｍ）は、信号出力として、変換器対
（T1、T2）の出力から導き出される、変換器の領域にお
ける周囲温度の関数である和信号、及び、測定されたト
ルクの関数である差信号を送り出すという特徴がある。

本発明の第２の態様の第５の望ましいバージョンによ
れば、第４の望ましいバージョンの装置には、さらに、
差信号と和信号（またはその導関数）が共通のプロセッ
サ（MP）に送られるという特徴がある。

本発明の第２の態様の第６の望ましいバージョンによ
れば、該装置には、さらに、変換器（91、92）、発生器
（93、94）、及び、ミクサ（95）が、トルクの測定を行
うべきシャフトに取り付けるようになったユニットとし
てパッケージされており、各変換器からの信号出力は、
ミクサによって組み合わせられ、その後、共通の出力装
置（97）に送られて、該出力装置から送信されるという
特徴がある。

変換器の基板及びそれに取り付けられた電極がひずみ
のない所定の基本状態にある場合、入力電極に信号が入
力されると、表面弾性波が出力電極に送られ、出力電極
から特性共振周波数出力信号が送り出される。基板が、
ひずみを受けている場合、結果生じる電極アレイの相対
的形状変化によって、共振出力周波数が変化するが、こ
の変化は、検出し、ひずみの振幅またはその関数に関連
づけることができる。これは、基板のひずみに伝達可能
な応力源が与えられると、SAW変換器の形状変化から生
じる信号変化によって該応力源を分析することができる
ので、ひろく適用することが可能である。

SAW共振器の動作周波数は、数メガヘルツ〜数ギガヘ
ルツに及ぶ広い周波数範囲において任意に選択すること
ができる。用いる周波数が高くなれば、変換器に必要な
エンベロープが小さくなり、利用可能なスペースに制限
のあるひずみに関する用途の場合、特に有利になる可能
性がある。用いられる共振周波数は、電極の形状及び基
板材料を含むいくつかの要素によって決まる。表面弾力
波の速度は、基板材料の温度によって変動する。SAW共
振器を極小サイズに製造できれば、広範囲の用途におい
てひずみ測定装置としての利用を容易にすることができ
る。

電極間は、「表面弾性」波（レイリー波としても知ら
れている）によって結合することができる。こうした波
の場合、基板は、特に２つの理由から円滑な伝搬表面を
備える必要がある。第１に、表面の欠陥は、電極の個々
の部分を破壊し、周波数応答に影響を及ぼす可能性があ
る。第２に、表面波のエネルギは、１または２波長の厚
さの層内に集中する。

電極の結合に用いることのできるもう１つの音響伝搬
モードは、「表面スキミング・バルク」波である。表面
スキミング・バルク波は、表面弾性波よりも深く基板内
に入り込むので、従って、表面弾性波モードの場合に生
じるよりも損失が大きくなる。しかし、バルク波は、基
板表面の欠陥による影響を受けにくい。

動作モードの選択は、行おうとするひずみ測定によっ
て決まる。

SAW共振器は、変換器に対する信号入力及び変換器か
らの信号出力が、外部制御システムとの非接触結合（誘
導、容量、または、電波手段といった）によって伝送さ
れるシステムにおいて利用することが可能である。電極
の電気的接触が直接行われない非接触結合を可能にする
ことによって、とりわけ、本質的安全の必要がある場
合、または、物理的接続が測定すべき共振に影響を及ぼ
す場合には、いくつかの利点が得られることになる。こ
うした非接触システムは、とりわけ、回転メカニズムに
おいて好都合である。SAW変換器は、抵抗ひずみ計の代
わりに用いることが可能である。いずれにせよ、SAW変
換器は、いくつかの形態をとることができるが、すべ
て、動作周波数と電極の形状の間に正確で、固有の関係
をもたらすものである。

単一ポートのSAW共振器が、動作のために必要とする
接続部は２つだけである。こうした変換器は、負の入力
抵抗特性を備えた増幅器に利用して、SAW共振器のイン
ピーダンス変更によって、振動状態を維持することがで
きるので、都合がよい。

２ポートの共振器は、対応する単一ポート・タイプに
比べると損失が少なく、マルチ・モードで動作させるこ
とができるので、移相に関して有利であり、高精度の用
途に用いることが可能である。

本発明から得られる他の利点には、トルク測定に関連
して温度評価が可能ということがある。これについて
は、SAW変換器からの出力信号の処理に関連して、後述
する。一般に、SAW変換器は、バイメタル・ストリップ
を構成する一方の金属の膨張係数が、もう一方の金属の
膨張係数とは異なるバイメタル・ストリップに関連して
用いることが可能である。温度が変化する場合、ストリ
ップの一方の側には、圧縮が生じ、もう一方の側には、
張力が作用する。従って、各ストリップにSAW共振器を
取り付けることによって、その出力間における周波数の
差は、材料のひずみによる周囲温度を表すことになる。
代替案として、周波数の和が材料の膨張による温度の測
定になる。こうした装置の場合、非接触結合と組み合わ
せることによって、本質的安全要件を満たすことにな
る、1mW未満の動作電力レベルを用いることが可能であ
る。

図面の簡単な説明次に、添付の図面に関連して、本発明の実施例のいく
つかについて説明する。

図１は、SAW装置の線図である。

図２は、増幅器と組み合わせられた、図１に関連して
解説のものと同様の変換器の回路図である。

図３は、２対になった、図２に示すタイプの変換器の
線図である。

図４は、増幅器と組み合わせられた、２対になった、
図３に関連して解説のものと同様の変換器の回路図であ
る。

図５は、補償及び補正を可能にするため、追加コンポ
ーネントに結合された、図４に関連して解説のコンポー
ネントを組み込んだ回路図である。

図６は、先行図に解説の変換器と出力装置の結合を示
す回路図である。

図７は、図６に示すシステムの応用例である。

図８は、図７に関連して解説の回路構成をさらに発展
させたものである。

図９は、図５に示す回路図に関連した集積超小形回路
装置の回路図である。

実施例の説明図３〜９に関連して解説の実施例には、動的トルクを
測定する対をなすSAW共振器の利用が示されている。

トルクを測定するため、各共振器の基板は、テストを
受けるシャフトまたは他のひずみを伝達する部材にしっ
かり取り付けられている。これは、直接行うこともでき
るし、あるいは、例えば、共振器のコンポーネントを有
害な環境から保護するため、共振器をカプセル封じする
場合に必要とされるように、基板と試験片との間のイン
ターフェイスによって行うことも可能である。トルク
（半径方向のひずみ）は、基板要素の形状変化から生じ
る、及び、同様に、基板に被着される電極電極の相対位
置の変化から生じる共振器の出力周波数の変化によって
測定される。半径方向のひずみは、テストを受けるシャ
フトの応力によって誘発され、加えられるトルクに比例
する。

SAW共振器の温度係数は、極めて低くなる可能性があ
る。その振動周波数は、約１ギガヘルツ（10⁹Hz）まで
になる可能性がある。典型的な周波数は、500MHzであ
り、従って、0.1％の変化によって、500KHz（５×10⁵H
z）の周波数変化が生じることになる。

図２図１に示すタイプの変換器Ｔは、増幅器Ａに接続され
る。該回路は、増幅器によって、共振器及び結合に関す
る正確な移相、及び、共振器及び結合に生じる損失を克
服するのに十分な利得が得られる場合、所定の周波数で
振動する。

図３２つのSAW共振器変換器T1及びT2が、中心線X1及びX2
が互いに直角になるように、シャフトＳに取り付けられ
る。シャフトに対して、矢印Ｋで示す時計廻り方向にト
ルクがかかると、変換器T1に圧縮応力が誘発され、変換
器T2には引っ張り応力が誘発される。温度変化は、両方
の構成要素に等しく作用する。代替対構成は、中心線が
互いに直角になるように（シャフトの軸に対して45
度）、シャフトの反対側に取り付けられた２つの変換器
によるものである。

図４対をなす変換器T1及びT2が、シャフトに対して、図３
に示すように取り付けられている。変換器T1及びT2は、
それぞれ、出力信号周波数F1及びF2を送り出す増幅器A1
及びA2に、それぞれ、結合されている。出力信号は、出
力Ｆを備えたミクサＭに送られる。出力周波数Ｆは、F1
＋F2とF1−F2である。F1＋F2の成分を無視すると、加え
られるトルクによる0.1％の変化について、1MHzの典型
的な周波数差が生じることになる。変換器からの出力
は、トルクに比例するだけであり、トルクが伝達されな
ければ、F1−F2は、ゼロに近くなる。温度または端荷重
の影響による変換器T1及びT2の形状変化は、両方に等し
く作用するので、正味の結果は、ゼロになる。

ほぼどんな材料の引っ張り強度も、温度に左右され
る。従って、周囲温度が分かれば、補正及び補償を行う
ことができる。従って、ミクサの出力Ｆ（F1＋F2）は、
基準と比較すると、各変換器の基板が取り付けられた材
料の温度に比例する信号周波数を送り出す。

図５この回路は、図４の回路と同様のものを組み込んでい
る。図４に関連して言及したコンポーネントが、同じ参
照番号で図５に示されている。さらに、図５には、もう
１つのミクサM2と基準信号発生器Ｒが示されており、温
度補正を施すことが可能になっている。ミクサＭの出力
周波数F1＋F2（＝Ａ）は、発生器Ｒからの、通常は1GHz
の信号Ｂと共に、ミクサM2に送られる。結果として、ミ
クサM2は、出力和として、Ａ＋ＢまたはＡ−Ｂを送り出
す。差信号Ａは、温度に関連した周波数であり、精密な
用途におけるスケール・ファクタの補正に用いることが
できる。

SAW装置は、超高周波領域で動作するので、最も効果
的な結合を行うためには、有限インピーダンス整合が必
要になる。本状況の場合、これは、約50オームのインピ
ーダンスに相当する。図３、４、及び、５に関連して解
説の装置は、指向性において、18dBの典型的な損失に対
して感度が鈍い。

図６これには、コイル及びプローブによって、SAW共振器
変換器T1及びT2のそれぞれにエネルギが結合される方法
が示されている。コイルC1〜C3は、それぞれ、シャフト
に取り付けられて、それによって回転するようになって
おり、変換器T1およびT2に結合されている。コイルは、
船舶のプロペラ・シャフトのような低速用途に適合す
る、シャフトが１回転する毎に、２回以上のピーク振幅
が生じるような設計を施すことが可能である。静的プロ
ーブP1〜P3が、シャフトに隣接して取り付けられてい
る。必要な整合インピーダンスは、コイルC1〜C3及びプ
ローブP1及びP3に関して50オームである。増幅器A1及び
A2は、各コイルとプローブの組み合わせ間における空間
の損失を考慮に入れると、関連する回路要素を振動させ
るのに十分な利得を生じなければならない。各増幅器に
は、コイルとプローブの間における距離の変化によって
生じる可能性のあるような、妥当なシステム損失に適応
するため、自動利得制御装置（「AGC」）が設けられて
いる。電力分割器R1、R2は、ミクサに送られる周波数を
調整する働きをしている。SAW共振器は、調波的に関連
している必要はない。ミクサＭからの周波数の差は、も
う１つのミクサを利用することによって、減少させるこ
とが可能である。

図７これには、図６に基づく制御装置の実施例が示されて
いる。変換器は、シャフトに対して、図６に示すように
位置決めされているので、結果的には、図７に示すよう
にはならない。コイルC1〜C3は、図６に関連しての解説
のように、プローブP1〜P3に信号を伝送する働きをす
る。ダイオードD1及びD2は、印加される電圧に応じてイ
ンピーダンスが変化し、AGC効果をもたらすようになっ
ている。増幅器からの出力電圧が上昇すると、整流され
て、制御電流をピン・ダイオードD1、D2に加えるために
利用され、ダイオード抵抗が減少し、増幅器の出力にレ
ベリングが施され、さらに、共振器から低周波数が出力
される。

この変換器構成の出力からは、それ以外の情報を得る
ことも可能である。従って、シャフトに対して、コイル
C1を偏心させることによって、各シャフトの回転に関連
した出力を発生させる場合、シャフトの回転速度は、ピ
ン・ダイオードの制御電流の振幅変調によって表すこと
が可能である。低速回転するシャフトの場合（船舶用プ
ロペラ・シャフトのような）、１つまたは複数のコイル
を用いることによって、シャフトが１回転する毎に同数
の出力（シャフトの角変位に対する出力）を発生させる
ことができる。

図８図６及び図７に関連して示し、解説した回路構成は、
ここでは、追加機構と組み合わせられる。図８に示すコ
ンポーネントには、図６及び７の両方または一方に示し
たものと形態及び機能が似ている場合、同じ番号が付け
られている。

シャフトＳには、コイルC1及びC2とプローブP1及びP2
によって制御回路構成の残りの部分には結合された変換
器T1及びT2が取り付けられている。この場合、T1の出力
周波数は、250MHzであり、変換器T2の出力周波数は、50
0MHzである。増幅器A1は、250MHzの出力を周波数二倍器
に送り、そこから、500MHzの出力信号が、ミクサＭに送
られる。増幅器A2は、500MHzの出力の直接ミクサＭに送
る。（500＋500）MHz及び（500−500）MHzを表すミクサ
Ｍの出力が、分割される。差信号（トルク信号を表す）
は、ライン10によって直接マイクロプロセッサMPに送ら
れる。和信号（温度信号を提供する）は、ライン11によ
って第２のミクサM2に送られる。ミクサM2は、ライン12
によって、1GHzの基準入力信号も受信する。ミクサM2の
出力は、ライン13を介してマイクロプロセッサMPに送ら
れる温度信号を表しており、マイクロプロセッサは、温
度補償出力を送り出すことが可能になる。結果として、
マイクロプロセッサMPは、回転速度、伝達されるトル
ク、テストを受けるシャフトＳが伝達する動力を示すデ
ィスプレイＷに対する出力に、相応の温度補償を施すこ
とになる。

図３、６、及び、８に示す変換器対が、互いに90度、
シャフトの軸に対して45度の角度で取り付けられてい
る。他の取り付け角度を利用することも可能である。一
般には、シャフトの荷重測定をチェックできるようにす
るため、互いに直角に取り付けられる２つの変換器につ
いて、一方の変換器がシャフトの軸に対して平行になる
ように取り付けることが可能である。こうして、シャフ
トの軸に対して平行になった変換器は、シャフトに対す
る軸方向の荷重に対して鋭敏になる。

この実施例は、シャフトに取り付けられた変換器と制
御回路要素の間におけるプローブ／コイル結合を利用し
ている。ただし、静的測定に用いる場合は、変換器をワ
イヤで制御回路要素に結合することが可能である。

図９音波共振器が正確に動作することを保証するために用
いられる方法は、十分な利得と位相の安定性をもたらす
必要がある。これらは、コイルの結合特性を含む回路パ
ラメータの精密な制御を必要としている。こうした制御
は、ある目的で作られる変換器には容易に適合する。し
かし、既存の機械的アセンブリに共振器を追加しなけれ
ばならない場合には、さらに、トルクまたは荷重センサ
といったコンポーネントを追加しなければならない。解
決策は、必要な電子回路と音波共振装置自体を組み合わ
せることである。図９には、図４に関連して解説のもの
と同様のやり方で、SAW共振器91、92、増幅器93、94、
及び、ミクサ95を組み込んた組み合わせ装置の回路図が
示されている。ミクサ95の出力（約1MHzの周波数）は、
インダクタ96A、コンデンサ96Bを介して、コイル97に送
られるが、該コイルは、コンデンサ98A、ダイオード98
B、及び、インピーダンス98Cに結合されて、ミクサ95及
び増幅器93、94に対する直流電源を形成している。電気
エネルギは、コイル97によって外部電源から結合されて
おり、コンデンサ98A,ダイオード98B、及び、インピー
ダンス98Cによって、相応に整流され、調整される。増
幅器93からの周波数f1及び増幅器94からの周波数f2は、
ミクサ95で混合され、その出力は、コイル97に戻され
る。励起源とミクサ95からの戻り信号の間には、かなり
の周波数差の存在するのが普通である。マイクロ回路を
用いることによって、共振器91、92と同じエンベロープ
に、関連する電子回路を収用することが可能になる。こ
うしたパッケージによって、測定すべきひずみを受ける
既存のシャフトまたは他のメカニズムに取り付けるコン
ポーネントを簡単に追加することが可能になる。

これらの実施例、とりわけ、図８に関連して解説の実
施例は、既存の装置に対して大幅に有利なひずみ測定シ
ステムをもたらすものである。

本発明の変換器は、サイズが小さく、極めて正確な出
力が可能であるだけでなく、製造コストが低く、大規模
な生産が可能である。SAW装置に基づくひずみ計変換器
は、既存のコンポーネント、あるいは、SAW自体の場合
のように、既存の変換器のコンポーネント（抵抗計また
は開口ディスクのような）に比べるとより安価で、固有
精度が高くなるように製造可能な電極被着プロセスを利
用する。さらに、コンポーネントの取り付けが、既存の
ひずみ計または光学トルク測定装置に比べて容易に行え
るようになる。

ある形態において、変換器は、電極及び作用回路構成
を保護するため、カプセル封じを施される。基板材料を
できるだけしっかり固定して、ひずみの最大伝達が試験
片から基板に生じることを保証するため、変換器は、そ
の応力が問題となるシャフトに対して、一般に、溶接ま
たは接着剤で取り付けられる。

SAW共振器は、サイズ及び質量を小さくすることが可
能である。結果として、慣性効果は、概して、慣性的に
重要なコンポーネントの取り付けを伴うことになる現在
利用されているシステムとは対照的に、最小になる。サ
イズ及び質量が小さいので、該システムは、多種多様な
動作条件に適応することが可能である。提案のSAW共振
システムは、信頼性が高く、電力消費の少ないソリッド
・ステート・コンポーネントを利用した周波数変調技法
に相当するものを利用して得られる高い精度と感度をも
たらす。関連する制御及び処理装置は、既存のデジタル
・プロセス及び装置とのインターフェイスが簡単に行え
る利用可能な信号処理方法及びコンポーネントを利用す
る。一般に、トルク測定の場合、テストを受けるシャフ
トを回転させることのできる速度、または、その加速ま
たは減速を行うことのできる速度に対して、該システム
のシャフト取り付け部分によって加えられる制限はほと
んどない。該システムは、また、起動時におけるゼロ・
シャフト速度からの起動、及び、極めて遅いシャフト速
度についても有効なデータを提供する。

提案されている本発明のSAW共振システムは、信号強
度の電力しか利用しないので、本質的に安全である。こ
れは、例えば、現在利用可能な、複数のランプに十分な
電力を用いる必要のある光学システムによるトルク測定
とは対照的である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ロンズデール，アンソニイイギリス国オーエックス15 ６ジェイビイ・バンバリー・バルスコート・バルスコートミル・（番地なし) (72)発明者ロンズデール，ブライアンイギリス国オーエックス15 ６ジェイビイ・バンバリー・バルスコート・バルスコートミル・（番地なし) (56)参考文献特開昭59−60332（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−317731（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−9330（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 3/10 G01L 1/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軸（Ａ）まわりでシャフト（Ｓ）が第１の
方向に回転（Ｋ）すると、一方の変換器（T1）が圧縮さ
れて、もう一方（T2）に張力がかかり、シャフトが逆の
方向に回転すると、一方の変換器（T1）に張力がかかっ
て、もう一方（T2）が圧縮されるように相補対としてシ
ャフト（Ｓ）に位置決めされたSAW共振器から成る１対
の変換器（T1、T2）を有し、それぞれの変換器用の信号
入力（C1）及び信号出力（C2、C3）を回転するシャフト
（Ｓ）の外側またはその近くの離散位置に配置し、各SA
W共振器（T1、T2）は、一方の側に１対の互いにかみ合
った電極（11、12）が取り付けられていて、対をなす電
極の一方（11）が、信号入力（C1）に接続され、対をな
す電極のもう一方（12）が、信号出力（C2）に接続され
ている圧電基板（13）を有し、さらに、信号入力（C1）
に所定の周波数の入力信号を加えるための発生器（A1、
A2）と、信号出力（C2、C3）における出力共振周波数
（F1）の信号及び出力共振周波数（F2）の信号を受信
し、変換器領域における周囲温度の関数である和信号
（F1＋F2）を発生すると共に測定されたトルクの関数で
ある差信号（F1−F2）を発生するモニタ（Ｍ）と、この
モニタ信号（Ｍ）からの上記和信号（F1＋F2）を基準信
号と比較して温度信号を発生する別なモニタ（M2）と、
上記差信号（F1−F2）がトルク信号として印加されると
共に上記温度信号が印加され、温度補償出力を送り出す
信号プロセッサ（MP）とを有し、これによって、基板
（13）に加えられるひずみから生じる出力信号の変化を
導き出すことができることを特徴とする、回転軸を備え
たシャフトによって伝達される動的トルクを測定する動
的トルクの測定装置。