JPH05215621A - 超音波トルクセンサ - Google Patents
超音波トルクセンサInfo
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- JPH05215621A JPH05215621A JP5419692A JP5419692A JPH05215621A JP H05215621 A JPH05215621 A JP H05215621A JP 5419692 A JP5419692 A JP 5419692A JP 5419692 A JP5419692 A JP 5419692A JP H05215621 A JPH05215621 A JP H05215621A
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- acoustic wave
- torsion bar
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- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
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Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 ねじれ部の変化が小さくても正確に伝達トル
クを測定すること。 【構成】 トーションバー４は、回転軸５，５′に対し
取付け部３，３′により取付けられている。トーション
バー４のねじれ部２には圧電素子１の表面にすだれ状電
極９が配置された表面弾性波素子が両面に貼付けられて
いる。回転軸５，５′にトルクが加わると、それに応じ
て、ねじれ部２がねじれるため圧電素子の板１，１′内
にひずみが生じ、圧電素子上の横波速度が変化して２つ
のすだれ状電極９間の発振周波数が変化する。
クを測定すること。 【構成】 トーションバー４は、回転軸５，５′に対し
取付け部３，３′により取付けられている。トーション
バー４のねじれ部２には圧電素子１の表面にすだれ状電
極９が配置された表面弾性波素子が両面に貼付けられて
いる。回転軸５，５′にトルクが加わると、それに応じ
て、ねじれ部２がねじれるため圧電素子の板１，１′内
にひずみが生じ、圧電素子上の横波速度が変化して２つ
のすだれ状電極９間の発振周波数が変化する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、回転機の動力伝達軸
に接続され、そのトルクを計測する超音波トルクセンサ
に関するものである。
に接続され、そのトルクを計測する超音波トルクセンサ
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、動力伝達軸のトルクの計測はトル
クに比例したねじれを計測したり、伝達軸の磁気異方性
を測定したり、ストレインゲージを貼付けたり、また圧
電素子を伝達軸にはさんで、そこに生ずる電位差を計測
したりして、それらの値から求めていた。
クに比例したねじれを計測したり、伝達軸の磁気異方性
を測定したり、ストレインゲージを貼付けたり、また圧
電素子を伝達軸にはさんで、そこに生ずる電位差を計測
したりして、それらの値から求めていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のトルク
を計測する装置は微少なトルクを計測するためには被検
体であるトーションバーを細くしなければならず、トー
ションバーを細くすると同時に大きなトルクを計測する
ことは、トーションバーの強度上の問題から不可能であ
ったり、さらに、計測電圧をそのままスリップリングを
介して送るため、計測電圧が低いと電磁干渉やノイズに
より計測が不正確になったり、また応答性が遅く、その
ため静トルク、動トルクの一方しか計測できない等の欠
点があった。
を計測する装置は微少なトルクを計測するためには被検
体であるトーションバーを細くしなければならず、トー
ションバーを細くすると同時に大きなトルクを計測する
ことは、トーションバーの強度上の問題から不可能であ
ったり、さらに、計測電圧をそのままスリップリングを
介して送るため、計測電圧が低いと電磁干渉やノイズに
より計測が不正確になったり、また応答性が遅く、その
ため静トルク、動トルクの一方しか計測できない等の欠
点があった。
【０００４】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたものであり、微少トルクから大トルクま
で正確に計測でき、また電磁環境に影響されず、静トル
ク、動トルクがどちらも計測でき、しかも応答性の速い
装置を得ることを目的とする。
ためになされたものであり、微少トルクから大トルクま
で正確に計測でき、また電磁環境に影響されず、静トル
ク、動トルクがどちらも計測でき、しかも応答性の速い
装置を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めにこの発明は、ねじれ部と取付け部よりなるトーショ
ンバーのねじれ部上に弾性表面波素子を貼付けた構造と
するものである。そして、弾性表面波の発振回路は取付
け部内部に組込み発振波をスリップリングを介して送り
出すことが好ましい。
めにこの発明は、ねじれ部と取付け部よりなるトーショ
ンバーのねじれ部上に弾性表面波素子を貼付けた構造と
するものである。そして、弾性表面波の発振回路は取付
け部内部に組込み発振波をスリップリングを介して送り
出すことが好ましい。
【０００６】また、別の構成としては、ねじれ部に圧電
体の円筒を用い、その表面上にすだれ状電極を配置する
構造にすることもできる。
体の円筒を用い、その表面上にすだれ状電極を配置する
構造にすることもできる。
【０００７】
【作用】本発明においては、ねじれ部と取付け部よりな
るトーションバーにおいて、ねじれ部上に弾性表面波素
子を貼付ける。弾性表面波素子に帰還増幅器を接続して
おくと、連結した軸にねじりが加わると、トーションバ
ーのねじれ部がねじれるため、その表面に貼付けられた
圧電素子内部にひずみが発生し、内部応力が変化する。
内部応力の変化により圧電素子上の表面波の音速が変る
から、発振周波数が変化し、周波数の変化がトルクの大
きさに応じて変化する。この周波数を測定して補正すれ
ばトルクの大きさが求められる。
るトーションバーにおいて、ねじれ部上に弾性表面波素
子を貼付ける。弾性表面波素子に帰還増幅器を接続して
おくと、連結した軸にねじりが加わると、トーションバ
ーのねじれ部がねじれるため、その表面に貼付けられた
圧電素子内部にひずみが発生し、内部応力が変化する。
内部応力の変化により圧電素子上の表面波の音速が変る
から、発振周波数が変化し、周波数の変化がトルクの大
きさに応じて変化する。この周波数を測定して補正すれ
ばトルクの大きさが求められる。
【０００８】なお、ねじれ部の両面に同じ弾性表面波素
子を貼付けておくと、ねじれ以外によるひずみ等を補正
することができる。ここで、ねじれ部に表面弾性波素子
を貼付けるかわりに、ねじれ部そのものを圧電体の中空
円筒とし、その上にすだれ状電極を配置することによ
り、より構造が単純なものを作成することもできる。
子を貼付けておくと、ねじれ以外によるひずみ等を補正
することができる。ここで、ねじれ部に表面弾性波素子
を貼付けるかわりに、ねじれ部そのものを圧電体の中空
円筒とし、その上にすだれ状電極を配置することによ
り、より構造が単純なものを作成することもできる。
【０００９】
【実施例】表面弾性波素子は図５（ａ）のように圧電素
子１の上にすだれ状電極９を配置させたものである。こ
れに帰還増幅器１０を接続すると、 ｆ＝（ｖs／ｌ）（ｎ−ΦE／２π） （１） ｌ：電極間の距離、ｖs：表面波の速度、ΦE：増幅器の
移相量、ｎ：整数 の周波数で発振する。距離ｌの長さや、表面波の速度ｖ
sが変化すると、周波数ｆは変化するがΔｆ，Δｌ，Δ
ｖsをそれぞれ周波数、長さ、速度の変化量とすると
（１）より Δｆ／ｆ＝Δｖs／ｖs−Δｌ／ｌ （２） となる。圧電素子の変位が少ない場合についてはΔｌ／
ｌは非常に小さいので、Δｆ／ｆ≒Δｖs／ｖsとなり、
従って圧電素子の表面音速の変化が周波数の変化として
検知される。
子１の上にすだれ状電極９を配置させたものである。こ
れに帰還増幅器１０を接続すると、 ｆ＝（ｖs／ｌ）（ｎ−ΦE／２π） （１） ｌ：電極間の距離、ｖs：表面波の速度、ΦE：増幅器の
移相量、ｎ：整数 の周波数で発振する。距離ｌの長さや、表面波の速度ｖ
sが変化すると、周波数ｆは変化するがΔｆ，Δｌ，Δ
ｖsをそれぞれ周波数、長さ、速度の変化量とすると
（１）より Δｆ／ｆ＝Δｖs／ｖs−Δｌ／ｌ （２） となる。圧電素子の変位が少ない場合についてはΔｌ／
ｌは非常に小さいので、Δｆ／ｆ≒Δｖs／ｖsとなり、
従って圧電素子の表面音速の変化が周波数の変化として
検知される。
【００１０】物体内の音速は内部応力の変化に従い変化
するという音弾性という性質があるが、ねじりによるせ
ん断応力による圧電素子上の表面音速が検出されるなら
ば、周波数変化によりトルクの測定が原理的に可能とな
る。
するという音弾性という性質があるが、ねじりによるせ
ん断応力による圧電素子上の表面音速が検出されるなら
ば、周波数変化によりトルクの測定が原理的に可能とな
る。
【００１１】また、図５（ｂ）は電極９，９間にシール
ド片９ａ，９ａを設けたものである。このシールド片９
ａ，９ａは電極９，９相互間の電磁干渉防止のために設
けたものである。電極９，９間に印加する電圧の周波数
が低い場合にはシールドしないと互いに干渉する。シ−
ルド片の設け方は、図５（ｃ）のような方法もある。
ド片９ａ，９ａを設けたものである。このシールド片９
ａ，９ａは電極９，９相互間の電磁干渉防止のために設
けたものである。電極９，９間に印加する電圧の周波数
が低い場合にはシールドしないと互いに干渉する。シ−
ルド片の設け方は、図５（ｃ）のような方法もある。
【００１２】図６（ａ）は同図（ｂ）に示すように厚さ
３ｍｍ，幅５０ｍｍのアルミ板に表面弾性波素子を貼付
けたものについて、ねじりモーメントＴと周波数変化Δ
ｆの関係をグラフ化したものである。これから、Δｆ＝
Ｋ・Ｔ（Ｋ：定数）という関係が成立している。
３ｍｍ，幅５０ｍｍのアルミ板に表面弾性波素子を貼付
けたものについて、ねじりモーメントＴと周波数変化Δ
ｆの関係をグラフ化したものである。これから、Δｆ＝
Ｋ・Ｔ（Ｋ：定数）という関係が成立している。
【００１３】以下、本発明の実施例を示す添付図面を参
照しながら、説明する。図１は本発明の一実施例を示す
概念図、図２は図１の構成を示す組立図、図３は本発明
の外部回路を示すブロック図、図４は本発明の他の実施
例を示す概念図、図５は表面弾性波素子による発振回路
を示す概念図、図６は実験結果を示す図である。
照しながら、説明する。図１は本発明の一実施例を示す
概念図、図２は図１の構成を示す組立図、図３は本発明
の外部回路を示すブロック図、図４は本発明の他の実施
例を示す概念図、図５は表面弾性波素子による発振回路
を示す概念図、図６は実験結果を示す図である。
【００１４】図１に示すトーションバー４は、回転軸
５，５′に対し取付け部３，３′により取付けられてい
る。トーションバー４のねじり部２には圧電素子１の表
面にすだれ状電極９が配置された表面弾性波素子が両面
に貼付けられている。回転軸５，５′にトルクが加わる
と、それに応じて、ねじれ部２がねじれるため圧電素子
の板１，１′内にひずみが生じ、圧電素子上の横波速度
が変化して２つのすだれ状電極９間の発振周波数が変化
する。なお、本実施例ではすだれ状電極により発生する
表面波の伝搬方向は回転軸に平行になるように配置して
いる。
５，５′に対し取付け部３，３′により取付けられてい
る。トーションバー４のねじり部２には圧電素子１の表
面にすだれ状電極９が配置された表面弾性波素子が両面
に貼付けられている。回転軸５，５′にトルクが加わる
と、それに応じて、ねじれ部２がねじれるため圧電素子
の板１，１′内にひずみが生じ、圧電素子上の横波速度
が変化して２つのすだれ状電極９間の発振周波数が変化
する。なお、本実施例ではすだれ状電極により発生する
表面波の伝搬方向は回転軸に平行になるように配置して
いる。
【００１５】図２は特に帰還増幅器の取付けを説明した
ものであり、表面弾性波素子からの電極は取付け部３，
３′に内蔵される帰還増幅器７に接続される。帰還増幅
器７はカバー８により保護される構造である。
ものであり、表面弾性波素子からの電極は取付け部３，
３′に内蔵される帰還増幅器７に接続される。帰還増幅
器７はカバー８により保護される構造である。
【００１６】図３（ａ）に示すように表面弾性波素子１
１，１１′よりなる発振回路からの信号は変換器１２，
１２′に送られ、周波数信号から電圧信号等に変換され
る。変換器１２，１２′から送られた信号は処理部１３
において比較されバイアスの補償等が行われる。なお、
図３（ｂ）に示すように発振回路１１の後段に送信回路
１４を設け信号を電波により送ることもできる。電波に
より送られた信号は受信回路１５により受信され、変換
器１２で電圧信号等になおされ、処理部１３においてト
ルクの値に変換される。
１，１１′よりなる発振回路からの信号は変換器１２，
１２′に送られ、周波数信号から電圧信号等に変換され
る。変換器１２，１２′から送られた信号は処理部１３
において比較されバイアスの補償等が行われる。なお、
図３（ｂ）に示すように発振回路１１の後段に送信回路
１４を設け信号を電波により送ることもできる。電波に
より送られた信号は受信回路１５により受信され、変換
器１２で電圧信号等になおされ、処理部１３においてト
ルクの値に変換される。
【００１７】次に本発明の他の実施例について図４によ
り説明する。トーションバー４においてねじれ部２は圧
電体の円筒上の２面からなり、その上に各すだれ状電極
９，９′が配置される。この実施例では各すだれ状電極
９，９′による弾性表面波素子は、対向した２組からな
っているが、円筒の大きさによってはさらに数を多くす
ることもできる。図４に示すように、ねじれ部２の上下
両面に弾性表面波素子を取付けると、ねじれ部２上の自
重等によるベンディングをキャンセルすることができ
る。
り説明する。トーションバー４においてねじれ部２は圧
電体の円筒上の２面からなり、その上に各すだれ状電極
９，９′が配置される。この実施例では各すだれ状電極
９，９′による弾性表面波素子は、対向した２組からな
っているが、円筒の大きさによってはさらに数を多くす
ることもできる。図４に示すように、ねじれ部２の上下
両面に弾性表面波素子を取付けると、ねじれ部２上の自
重等によるベンディングをキャンセルすることができ
る。
【００１８】圧電体２の材料としてはセラミック、圧電
プラスチック等が挙げられる。これは圧電体２の材料が
ある程度の硬度を有することにより、前述のΔｆ／ｆ＝
Δｖs／ｖs−Δｌ／ｌにおいて、ひずみに対する変位Δ
ｌ／ｌ≒０と置けるので表面音速の変化Δｖs／ｖs＝Δ
ｆ／ｆとなって周波数の変化として検知できる。
プラスチック等が挙げられる。これは圧電体２の材料が
ある程度の硬度を有することにより、前述のΔｆ／ｆ＝
Δｖs／ｖs−Δｌ／ｌにおいて、ひずみに対する変位Δ
ｌ／ｌ≒０と置けるので表面音速の変化Δｖs／ｖs＝Δ
ｆ／ｆとなって周波数の変化として検知できる。
【００１９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波ト
ルクセンサによれば、従来の方式に比較してねじれ部の
変位が小さくても周波数の変化を検出できるため、硬い
材料でトーションバーを作成できることから、小型で測
定レンジの広いトルクセンサを製作することができる。
また、出力が周波数の変化であることから電磁環境の影
響を受けず、正確な測定が可能である。さらに、出力が
周波数の変化であることからカウンタを介してＡ／Ｄコ
ンバータを用いず直接コンピュータに接続可能であり、
便利である。
ルクセンサによれば、従来の方式に比較してねじれ部の
変位が小さくても周波数の変化を検出できるため、硬い
材料でトーションバーを作成できることから、小型で測
定レンジの広いトルクセンサを製作することができる。
また、出力が周波数の変化であることから電磁環境の影
響を受けず、正確な測定が可能である。さらに、出力が
周波数の変化であることからカウンタを介してＡ／Ｄコ
ンバータを用いず直接コンピュータに接続可能であり、
便利である。
【図１】本発明の一実施例を示す概念図である。
【図２】図１の構成の詳細を示す組立て図である。
【図３】図１の外部回路を示すブロック図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す概念図である。
【図５】表面弾性波素子による発振回路を説明するため
の概念図である。
の概念図である。
【図６】図１の実施例の実験結果を示す図である。
１，１′ 圧電素子 ２ ねじれ部 ３，３′ 取付け部 ４ トーションバー ５，５′ 回転軸 ６，６′ スリップリング ７ 発振回路 ８ ふた ９，９′ すだれ状電極 １０ 帰還増幅器 １１，１１′ 表面弾性波素子 １２，１２′ 変換器 １３ 処理部 １４ 送信回路 １５ 受信回路
Claims (5)
- 【請求項１】 ねじれ部と取付け部よりなるトーション
バーを具備する超音波トルクセンサにおいて、圧電素子
上にすだれ状電極を設けた弾性表面波素子を前記ねじれ
部上に貼付けた構成を有することを特徴とする超音波ト
ルクセンサ。 - 【請求項２】 請求項１記載の弾性表面波素子の波動伝
搬方向がトーションバーのねじれに対し初振回路の周波
数変位が最大となるように前記弾性表面波素子が取付け
られたことを特徴とする超音波トルクセンサ。 - 【請求項３】 ねじれ部の両面に弾性表面波素子が貼付
けられたことを特徴とする請求項１記載の超音波トルク
センサ。 - 【請求項４】 取付け部内部に発振回路を組込み、その
発振回路の出力をスリップリングを介して送り出す構成
を有することを特徴とする請求項１記載の超音波トルク
センサ。 - 【請求項５】 ねじれ部と取付け部よりなるトーション
バーを具備する超音波トルクセンサにおいて、前記ねじ
れ部が中空の円筒形圧電体からなり、このねじれ部の表
面上にすだれ状電極を備えた表面弾性波素子を構成した
ことを特徴とする超音波トルクセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5419692A JPH05215621A (ja) | 1992-02-06 | 1992-02-06 | 超音波トルクセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5419692A JPH05215621A (ja) | 1992-02-06 | 1992-02-06 | 超音波トルクセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05215621A true JPH05215621A (ja) | 1993-08-24 |
Family
ID=12963795
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5419692A Pending JPH05215621A (ja) | 1992-02-06 | 1992-02-06 | 超音波トルクセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05215621A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2358927A (en) * | 1999-11-01 | 2001-08-08 | Transense Technologies Plc | Torque measurement using single Surface Acoustic Wave (SAW) device |
| WO2007075291A1 (en) * | 2005-12-22 | 2007-07-05 | Honeywell International Inc. | Torque sensor based steering response |
| CN115014604A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-09-06 | 国家纳米科学中心 | 一种柔性扭矩测量联轴装置、监测系统装置及测量方法 |
-
1992
- 1992-02-06 JP JP5419692A patent/JPH05215621A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2358927A (en) * | 1999-11-01 | 2001-08-08 | Transense Technologies Plc | Torque measurement using single Surface Acoustic Wave (SAW) device |
| WO2007075291A1 (en) * | 2005-12-22 | 2007-07-05 | Honeywell International Inc. | Torque sensor based steering response |
| CN115014604A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-09-06 | 国家纳米科学中心 | 一种柔性扭矩测量联轴装置、监测系统装置及测量方法 |
| CN115014604B (zh) * | 2022-07-22 | 2025-01-03 | 国家纳米科学中心 | 一种柔性扭矩测量联轴装置、监测系统装置及测量方法 |
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