JPH0136564B2 - - Google Patents
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- JPH0136564B2 JPH0136564B2 JP56197086A JP19708681A JPH0136564B2 JP H0136564 B2 JPH0136564 B2 JP H0136564B2 JP 56197086 A JP56197086 A JP 56197086A JP 19708681 A JP19708681 A JP 19708681A JP H0136564 B2 JPH0136564 B2 JP H0136564B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- central beam
- torsion
- mechanical vibrator
- frequency converter
- central
- Prior art date
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations
- G01B17/04—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations for measuring the deformation in a solid, e.g. by vibrating string
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
- G01L1/162—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、機械的振動子に捩り（回転角）を与
えた時、その共振周波数が変化することを利用し
て捩り又は回転角を検出する捩り（回転角）−周
波数変換器に関するものである。更に詳しくは、
本発明は、トルク測定や角加速度の測定を高精度
で行うことのできる捩り−周波数変換器に関する
ものである。
えた時、その共振周波数が変化することを利用し
て捩り又は回転角を検出する捩り（回転角）−周
波数変換器に関するものである。更に詳しくは、
本発明は、トルク測定や角加速度の測定を高精度
で行うことのできる捩り−周波数変換器に関する
ものである。
従来より、断面形状が矩形の梁を捩ると、その
断面係数が変り、これによつて梁の共振周波数が
変化する現象を利用した加速度計や角加速度計
は、例えば米国特許第3143891号、同3197753号、
同3181373号等で公知である。しかしながら、こ
れらの装置は、捩り検出手段たる矩形断面梁や回
転部分の支持に十字フレクシヤー構造、ダイヤフ
ラムを別に設け、また、梁とは別にトルク引き受
け用のフレクシヤを必要とするなど、全体構成が
複雑なものとなつていた。
断面係数が変り、これによつて梁の共振周波数が
変化する現象を利用した加速度計や角加速度計
は、例えば米国特許第3143891号、同3197753号、
同3181373号等で公知である。しかしながら、こ
れらの装置は、捩り検出手段たる矩形断面梁や回
転部分の支持に十字フレクシヤー構造、ダイヤフ
ラムを別に設け、また、梁とは別にトルク引き受
け用のフレクシヤを必要とするなど、全体構成が
複雑なものとなつていた。
ここにおいて、本発明は全体構成が簡単で、か
つ検出感度の高い捩り−周波数変換器を実現しよ
うとするものである。
つ検出感度の高い捩り−周波数変換器を実現しよ
うとするものである。
本発明に係る装置は、梁が捩られてその断面係
数が変わつて共振周波数が変化する原理を利用す
るのではなく、機械振動子に与えられる捩りを、
圧縮軸力に変換し、これを周波数変化として取り
出すようにした点に特徴がある。
数が変わつて共振周波数が変化する原理を利用す
るのではなく、機械振動子に与えられる捩りを、
圧縮軸力に変換し、これを周波数変化として取り
出すようにした点に特徴がある。
第１図は、本発明に係る装置の一例を示す構成
斜視図である。図において、１は一方の端に検出
すべき捩り（回転角θ）が与えられ、他方の端が
固定された機械振動子で、中心軸Clに対して対称
に構成されている。この機械振動子１は、中央梁
１１と、この中央梁１１の両側に平行して設置さ
れる外側梁１２，１３と、これらの梁のそれぞれ
の端部を結合させる結合片１４，１５とをもつて
いる。ここで、外側梁１２，１３は、与えられる
捩り（回転角）を、圧縮軸力に変換させる役目を
している。各結合片１４，１５には取付穴１６，
１７が設けられており、また、中央梁１１はここ
では、２本の支持フレクシヤー１８及び１９を介
して結合片１４，１５に取付けられている。この
支持フレクシヤは、中央梁１１の両端から共振振
動エネルギーが結合片側に漏れるのを防止するた
めのアイツレーシヨン手段を構成している。この
ような機械振動子１は、例えば一枚の板状材料を
削り出して構成するか、あるいは水晶板等をエツ
チングによつて構成する等してつくられる。２及
び３は、中央梁１１の表側と裏側とに取付けた中
央梁１１の励振手段及び振動検出手段で、これら
の手段としては、例えばPZTが用いられる。４
は発振回路で、励振手段２及び振動検出手段３に
結合し、機械振動子１をその共振周波数で振動さ
せる自励振回路を構成している。５は機械振動子
１の共振周波数を計数するカウンタ、６はカウン
タ５からの信号を入力する演算回路で、例えばマ
イクロプロセツサが用いられる。７は演算結果を
表示する指示計である。
斜視図である。図において、１は一方の端に検出
すべき捩り（回転角θ）が与えられ、他方の端が
固定された機械振動子で、中心軸Clに対して対称
に構成されている。この機械振動子１は、中央梁
１１と、この中央梁１１の両側に平行して設置さ
れる外側梁１２，１３と、これらの梁のそれぞれ
の端部を結合させる結合片１４，１５とをもつて
いる。ここで、外側梁１２，１３は、与えられる
捩り（回転角）を、圧縮軸力に変換させる役目を
している。各結合片１４，１５には取付穴１６，
１７が設けられており、また、中央梁１１はここ
では、２本の支持フレクシヤー１８及び１９を介
して結合片１４，１５に取付けられている。この
支持フレクシヤは、中央梁１１の両端から共振振
動エネルギーが結合片側に漏れるのを防止するた
めのアイツレーシヨン手段を構成している。この
ような機械振動子１は、例えば一枚の板状材料を
削り出して構成するか、あるいは水晶板等をエツ
チングによつて構成する等してつくられる。２及
び３は、中央梁１１の表側と裏側とに取付けた中
央梁１１の励振手段及び振動検出手段で、これら
の手段としては、例えばPZTが用いられる。４
は発振回路で、励振手段２及び振動検出手段３に
結合し、機械振動子１をその共振周波数で振動さ
せる自励振回路を構成している。５は機械振動子
１の共振周波数を計数するカウンタ、６はカウン
タ５からの信号を入力する演算回路で、例えばマ
イクロプロセツサが用いられる。７は演算結果を
表示する指示計である。
第２図及び第３図は第１図に示した機械振動子
の動作を説明するための説明図である。
の動作を説明するための説明図である。
いま、第２図において、機械振動子１の一端
（下側）を固定し、他端（上側）を角度θだけ捩
つたとすると、外側梁部分は捩られて短かくな
る。このため、中央梁部分に圧縮軸力が生ずる。
第３図において、中央梁１１は、励振手段２、振
動検出手段３及び発振回路４を含んで構成されて
いる自励振発振ループによつて共振周波数で横振
動しており、この中央梁１１に圧縮軸力Ｔが加え
られると、この共振周波数が圧縮軸力Ｔすなわ
ち、捩れ角θに対応して変化することとなる。し
たがつて、この共振周波数の変化をカウンタ５に
よつて検出し、所定演算を施すことによつて捩れ
角θを知ることができる。
（下側）を固定し、他端（上側）を角度θだけ捩
つたとすると、外側梁部分は捩られて短かくな
る。このため、中央梁部分に圧縮軸力が生ずる。
第３図において、中央梁１１は、励振手段２、振
動検出手段３及び発振回路４を含んで構成されて
いる自励振発振ループによつて共振周波数で横振
動しており、この中央梁１１に圧縮軸力Ｔが加え
られると、この共振周波数が圧縮軸力Ｔすなわ
ち、捩れ角θに対応して変化することとなる。し
たがつて、この共振周波数の変化をカウンタ５に
よつて検出し、所定演算を施すことによつて捩れ
角θを知ることができる。
次に、第３図に示すように、機械振動子１の寸
法を定めた場合の動作を数式を用いて更に詳しく
説明する。
法を定めた場合の動作を数式を用いて更に詳しく
説明する。
第２図において、角度θだけ捩つたとき、外側
梁１２，１３の長さが短くなるが、この縮み分δ
は、近似的に(1)式で示すことができる。
梁１２，１３の長さが短くなるが、この縮み分δ
は、近似的に(1)式で示すことができる。
δ≒Ｌ（１−cosθ′） (1)
ただしＬ：中央梁の結合片までの長さ
θ′＝ｄ／2L・θ（外側梁１２，１３の傾斜角）
ｄ：機械振動子の幅
また、ひずみは(2)式で示すことができる。
ε＝−δ／Ｌ＝１−cosθ′＝−2sin2θ′／２ (2)
ここで、中央梁１１の引張り剛性をK0′フレク
シヤ部１８，１９の引張り剛性をK1とすると、
(2)式で表わされるひずみεのうち、中央梁１１に
生じる分0は、(3)式で表わすことができる。
シヤ部１８，１９の引張り剛性をK1とすると、
(2)式で表わされるひずみεのうち、中央梁１１に
生じる分0は、(3)式で表わすことができる。
ε0＝K1／K0＋K1＝−2K1／K0＋K1sin2θ′／２ (3)
中央梁１１にこのようなひずみεが生ずると、
この中央梁１１には、(4)式で示すような圧縮軸力
Ｔが与えられたのと等価となる。
この中央梁１１には、(4)式で示すような圧縮軸力
Ｔが与えられたのと等価となる。
Ｔ＝ｂ・ｈ・Ｅ・ε0 (4)
ただし、ｂ：中央梁１１の幅
ｈ：中央梁１１の厚さ
Ｅ：中央梁１１の縦弾性係数
両端が固定された中央梁１１の基本モードの共
振周波数ｆと、軸力Ｔとは(5)式のような関係にあ
る。
振周波数ｆと、軸力Ｔとは(5)式のような関係にあ
る。
ｆ＝f0（１＋KT）1/2≒f0（１＋１／２KT） (5)
ただし、f0：Ｔ＝Ｏのときの共振周波数、
Ｋ＝l2／4π2IE
ｌ：中央梁１１のフレクシヤまでの長さ
Ｉ：振動方向に直角な主軸に関する断面２次モー
メント (3)、(4)式から(5)式は(6)式の通りとなる。
メント (3)、(4)式から(5)式は(6)式の通りとなる。
ｆ＝f0｛１−ｂ・ｈ・l2／２・4π2・Ｉ・2K1／（K0＋K
1）・sin2θ′／２｝＝f0｛１−３／π2・（ｌ／ｈ）2
・K1／（K0＋K1）・sin2ｄ／4L・θ｝(6) (6)式から明らかなように、中央梁１１の基本モ
ードの共振周波数ｆは、与えられる回転角度θに
対応して変化するもので、この共振周波数ｆから
角度θを知ることができる。
1）・sin2θ′／２｝＝f0｛１−３／π2・（ｌ／ｈ）2
・K1／（K0＋K1）・sin2ｄ／4L・θ｝(6) (6)式から明らかなように、中央梁１１の基本モ
ードの共振周波数ｆは、与えられる回転角度θに
対応して変化するもので、この共振周波数ｆから
角度θを知ることができる。
第４図は、第１図に示す構成の機械振動子にお
いて、捩り角θと共振周波数変化との関係を示し
た線図で、計算値を実線で、測定値を破線でそれ
ぞれ示す。
いて、捩り角θと共振周波数変化との関係を示し
た線図で、計算値を実線で、測定値を破線でそれ
ぞれ示す。
第４図から明らかなように、測定値は計算値と
良く一致しており、また、θ＝10゜以上では、角
度θと周波数変化とはほぼ直線的で、しかも傾斜
が大きくなつている。また、捩る方向によつて周
波数変化が逆になる。したがつて、機械振動子１
をあらかじめ捩つた状態とし、常にθ＝10゜以上
で使用するようにすれば、検出感度が高く、捩り
の方向が判別できる捩り一周波数変換器が実現で
きる。
良く一致しており、また、θ＝10゜以上では、角
度θと周波数変化とはほぼ直線的で、しかも傾斜
が大きくなつている。また、捩る方向によつて周
波数変化が逆になる。したがつて、機械振動子１
をあらかじめ捩つた状態とし、常にθ＝10゜以上
で使用するようにすれば、検出感度が高く、捩り
の方向が判別できる捩り一周波数変換器が実現で
きる。
本発明に係る変換器によれば、中央梁とこれを
支持するフレクシヤ部及び、中央梁に軸力を与え
るための外側梁を板状の一体構造で構成すること
ができるので、構成が簡単で、しかも検出感度の
高い捩り一周波数変換器が実現できる。
支持するフレクシヤ部及び、中央梁に軸力を与え
るための外側梁を板状の一体構造で構成すること
ができるので、構成が簡単で、しかも検出感度の
高い捩り一周波数変換器が実現できる。
第５図及び第６図は本発明の他の実施例を示す
構成図である。
構成図である。
第５図の実施例は、中央梁１１に支持する支持
フレクシヤ部１８，１９を単一構造としたもので
ある。この支持フレクシヤ部１８，１９の長さ及
び幅は、中央梁１１の共振振動エネルギーの端末
からの漏洩が最小になるように決められる。ここ
で、このフレクシヤ部の捩り剛性を弱くすると、
捩り（回転角）が中央梁にほとんど生じなくな
り、中央梁が捩られることによつて起こる共振周
波数変化をなくすることができる。すなわち、機
械振動子１が捩られたときに中央梁に生じる圧縮
軸力のみで、中央梁の共振周波数変化が生じ、感
度を上げることができる。
フレクシヤ部１８，１９を単一構造としたもので
ある。この支持フレクシヤ部１８，１９の長さ及
び幅は、中央梁１１の共振振動エネルギーの端末
からの漏洩が最小になるように決められる。ここ
で、このフレクシヤ部の捩り剛性を弱くすると、
捩り（回転角）が中央梁にほとんど生じなくな
り、中央梁が捩られることによつて起こる共振周
波数変化をなくすることができる。すなわち、機
械振動子１が捩られたときに中央梁に生じる圧縮
軸力のみで、中央梁の共振周波数変化が生じ、感
度を上げることができる。
第６図の実施例は、第５図実施例において、外
側梁１２，１３の中央部付近に窪み１２ａ，１３
ａを設け、外側梁１２，１３の捩り剛性を調節す
るようにしたものである。
側梁１２，１３の中央部付近に窪み１２ａ，１３
ａを設け、外側梁１２，１３の捩り剛性を調節す
るようにしたものである。
第７図及び第８図は、本発明に係る機械振動子
の適用例を示す構成図である。
の適用例を示す構成図である。
第７図に示す装置は、機械振動子１の一端をベ
ース８にネジ８０によつて固定し、他端に回転ト
ルクを与えるようにしてトルク計を構成したもの
である。
ース８にネジ８０によつて固定し、他端に回転ト
ルクを与えるようにしてトルク計を構成したもの
である。
第８図に示す原理模型は、機械振動子１の一端
を角加速度θ¨が与えられる軸９０に固定するとと
もに、他端に腕９１によつて支持される回転慣性
を与える重り９２を取付け、加速度計を構成した
ものである。軸９０は、軸受け９によつて回転可
能に支持されており、これに与えられた角加速度
θは、機械振動子１の腕９１が取付けられた一端
に角加速度θ¨に対応した捩りとして加わるように
なつている。
を角加速度θ¨が与えられる軸９０に固定するとと
もに、他端に腕９１によつて支持される回転慣性
を与える重り９２を取付け、加速度計を構成した
ものである。軸９０は、軸受け９によつて回転可
能に支持されており、これに与えられた角加速度
θは、機械振動子１の腕９１が取付けられた一端
に角加速度θ¨に対応した捩りとして加わるように
なつている。
なお、上記の各実施例において、中央梁１１を
励振させるための励振手段及びその振動を検出す
る振動検出手段は、これにPZTを貼布する場合
を想定したが、機械振動子を磁作材料で構成する
場合には、電磁的手段を用いてもよく、また、機
械振動子を水晶のような圧電材料で構成する場合
には、これに電極を取付けることによつて励振手
段、振動検出手段を構成してもよい。
励振させるための励振手段及びその振動を検出す
る振動検出手段は、これにPZTを貼布する場合
を想定したが、機械振動子を磁作材料で構成する
場合には、電磁的手段を用いてもよく、また、機
械振動子を水晶のような圧電材料で構成する場合
には、これに電極を取付けることによつて励振手
段、振動検出手段を構成してもよい。
以上説明したように、本発明によれば、全体構
成が簡単で、かつ検出感度の高い捩り−周波数変
換器が実現できる。
成が簡単で、かつ検出感度の高い捩り−周波数変
換器が実現できる。
第１図は、本発明に係る装置の一例を示す構成
斜視図、第２図及び第３図は動作説明図、第４図
は第１図装置において捩り角と周波数変化との関
係を示す線図、第５図及び第６図は本発明の他の
実施例を示す構成図、第７図及び第８図は本発明
に係る機械振動子の適用例を示す構成図である。 １……機械振動子、１１……中央梁、１２，１
３……外側梁、１４，１５……結合片、１６，１
７……取付穴、１８，１９……支持フレクシヤ、
２……励振手段、３……振動検出手段、４……発
振回路、５……カウンタ、６……演算器、７……
デイスプレイ。
斜視図、第２図及び第３図は動作説明図、第４図
は第１図装置において捩り角と周波数変化との関
係を示す線図、第５図及び第６図は本発明の他の
実施例を示す構成図、第７図及び第８図は本発明
に係る機械振動子の適用例を示す構成図である。 １……機械振動子、１１……中央梁、１２，１
３……外側梁、１４，１５……結合片、１６，１
７……取付穴、１８，１９……支持フレクシヤ、
２……励振手段、３……振動検出手段、４……発
振回路、５……カウンタ、６……演算器、７……
デイスプレイ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 中央梁、この中央梁の両側に平行して設置さ
れる外側梁、これらの梁のそれぞれの端部間を結
合させる結合片をもつ機械振動子、前記中央梁を
振動させる励振手段、前記中央梁の振動を検出す
る振動検出手段、前記機械振動子の一端を固定
し、他端に変換すべき捩りを機械振動子の中心軸
に対して回転するように与えることによつて前記
中央梁に圧縮軸力を与える捩り付与手段、前記振
動検出手段及び励振手段を含んで構成される自励
発振ループを備え、 前記自励発振ループから得られる中央梁の共振
周波数の変化から捩り（回転角）を知るようにし
た捩り−周波数変換器。 ２ 中央梁の両端部をフレクシヤーを介して結合
片に接続させるようにした特許請求の範囲第１項
記載の捩り−周波数変換器。 ３ 機械振動子の他端をあらかじめ一定の回転角
だけ捩つた状態とした特許請求の範囲第１項記載
の捩り−周波数変換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19708681A JPS5897610A (ja) | 1981-12-08 | 1981-12-08 | 捩り−周波数変換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19708681A JPS5897610A (ja) | 1981-12-08 | 1981-12-08 | 捩り−周波数変換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5897610A JPS5897610A (ja) | 1983-06-10 |
| JPH0136564B2 true JPH0136564B2 (ja) | 1989-08-01 |
Family
ID=16368485
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19708681A Granted JPS5897610A (ja) | 1981-12-08 | 1981-12-08 | 捩り−周波数変換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5897610A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH051801Y2 (ja) * | 1986-08-29 | 1993-01-18 | ||
| FR2824909B1 (fr) * | 2001-05-17 | 2003-09-05 | Sagem | Capteur de force a poutre vibrante et accelerometre en faisant application |
| GB0517340D0 (en) | 2005-08-25 | 2005-10-05 | Avery Berkel Ltd | Improvements in or relating to vibrating beam sensors |
| CH718762A1 (de) * | 2021-06-23 | 2022-12-30 | Digi Sens Holding Ag | Schwingbrücke für einen Schwingsaitensensor und Schwingsaitensensor. |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1455046A (en) * | 1974-07-19 | 1976-11-10 | Shell Int Research | Arrangement and method for measuring the rate-of-turn of a ship |
| JPS56164928A (en) * | 1980-05-22 | 1981-12-18 | Yokogawa Hokushin Electric Corp | Mechanical vibrator |
-
1981
- 1981-12-08 JP JP19708681A patent/JPS5897610A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5897610A (ja) | 1983-06-10 |
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