JPH05506504A - ひずみ測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ひずみ測定方法及び装置 背景 本発明は、応力によって生じる歪みを測定するための方法及び装置に関するもの である。多くの用途において、構造及び構成要素の静的及び動的荷重を含むひず み測定及び後続するこうした測定からの情報の引き出しを必要としている。本発 明は、特に、ただし、それだけというわけではないが、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、ブ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。

Σ土久■定 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２二ニートン・メートル未満のトルク測定には蘭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ン冒ンの直径が小さ 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、充電セルを照射する。充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、充電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・二ニートン・メートルの 範囲からＯ〜５００ミリ・二ニートン・メートルの範囲にわたるトルク、及び、 ０．５〜３００００ｒｐｍ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。

背景技術 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１５には、出力電極１ ２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１ １及び１２は、圧電基Ｗ１３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１り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、酸化ガリウム七いった各種圧電結晶の影響を利用するこ とができる。今後、こうした表面弾性波デバイスは、ｒｓＡＷ共振器」と呼ぶこ とにする。

ＳＡＷ＃ｔｉ！ｔの場合、対をなす電極の一方に電気１号を７３１１えると、そ れは、基板上において電気入力信号を出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、電気入力信号を送り出す。

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 ニア州すンディエゴのＡｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ、Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅ ｄによって出版されたＣｏ１１ｎ　ＣａｍｐｂｅｌｌによるｒｓｕｒｆａｃｅＡ ｃｏｕｓｔｉｃ　Ｗａｖｅ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　Ｔｈｅｉｒ　Ｓｉｇｎａ ｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ＡｐｐＨｃａｔｌｏｎｓＪ　（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 その最も広い概念において、本発明は、ＳＡＷ共振器を利用したひずみ測定方法 及び装置に関するものである。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 間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（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（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。

本発明によるＳＡＷ共振器は、広範囲にわたる用途に用いることが可能であり、 次に、そのいくつかについて節単に説明することにする。

荷重測定 本発明は、回転荷重及び静荷重の大きさを測定するのに用いることが可能である 。荷重を受ける物品が、圧電材料から成るか、あるいは、圧電材料を組み込んで いる場合、ＳＡＷ共振器電極アレイは、材料の一体式変換器を形成する領域に被 着させることができる。トルク測定に関連して後述するように、２つ以上のこう した変換器利用することが可能である。

圧力測定 本発明は、とりわけ、車体のような静的部分に取り付けた呼びかけ装置から自動 車の空気を詰めたロード・タイヤのような移動部品に取り付けた変換器への入力 及び出力信号のの非接触伝送を利用して、圧力測定を行うのに役立つものである 。この方法によれば、圧力、及び、摩耗といった他のパラメータを周期的にまた は連続してモニタすることが可能である。

温度測定 トルク測定に関連した温度の評価については、２つ以上のＳＡＷ変換器からの出 力信号の処理に関連して、後述する。本発明は、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興なる、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、各ストラツプに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度になる。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、１ ｍＷ未満の動作電力レベルを用いることが可能である。

ジャイロスコープ装置 半球が共振状層になり、回転すると、加えられるひずみのパターンも、１／３の 回転速度で、半球に対して回転することが知られている。共振時、半球の反対側 のポイントは、外側に移動するが、へりを９０度移動した反対側のポイントは、 内側に移動する。さらに、このプロセスは逆転される。このひずみは、半球のま わりにおいて９０度だけＳＡＷ共振器を離して配置することによって、圧縮ひず みについては一方の共振器で、張力ひずみについてはもう一方の共振器でといっ た形で検出し、ゼロ位置を確定することができる。こうしたジャイロスコープ装 置には、いくつかの航法及び誘導用途がある。特に、半球が、通常、圧電材料（ 石英またはセラミックのような）で作られている場合には、電極アレイを半球材 料に直接被着させることが可能である。結果として、こうしたアセンブリから導 き出されるひずみ及び温度情報は、ジャイロスコープ装置の性能を向上させるた めに利用することができる。

磁界測定 本発明による装置は、弾性圧電材料（石英のような）に配置された導体に流れる 電流によって生じる無効ラブラース力によって誘導されるひずみを受ける、前記 弾性圧電材料におけるひずみの差を検出することによって磁界を測定する方法に 利用することが可能である。こうしたひずみは、磁界に直交している。実際、ひ ずみは、比例する振幅及び位相の電流に変換されるＯこれによって、さらに、ひ ずみが誘発され、このひずみによって、さらに、その周波数が磁界に比例するフ ィードパ１りが生じることになる。こうした装置は、ベクトル磁力計であり、全 磁界の測定には、こうした装置を３つ直交して配置することが必要になる。こう した装置の利点の１つは、石英のような圧電材料の時間依存要素と温度依存要素 の両方に対する固有の安定性にある。圧電材料でもあり、半導体材料でもあるガ リウム砒素のような他の材料によって、ＳＡＷ共振要素以外に、電子増幅器また は他の回路要素を変換器に一体化する一体化も可能になる。

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、第１の実施例を形成する変換器の線図である。

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１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。

図１０及び１１は、第２の実施例の線図である。

図１２．１３、及び、１４は、第３の実施例の！Ｉ５！！ｌである。

図１５は、ＳＡＷ装置の線図である。

実施例の説明 図１〜９に関連して解説の下記実施例には、動的トルクを測定する１つ以上のＳ ＡＷ共振器の利用が示されている。解説の特徴は、他の用途にも適用可能である 。

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。

これには、ＳＡＷ共振共振器変換器基板が固定されたシャフトＳが示されている 。変換器Ｔの中心線Ｃは、シャフトＳの縦軸Ａに対して４５度に配置されている 。加えられるトルクが、シャフトの右端から時計廻り方向に加えられる場合（矢 印Ｋによって示すように）、変換器Ｔに張力がかかる。トルク方向が逆になると 、変換器が圧縮される。

図」− 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。

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：的な周波数は、５ ００ＭＨｚであり、従って、０．１％の変化によって、５００ＫＨｚ　（５Ｘ１ ０５Ｈ２）の周波数変化が生じることになる。

実際に用いる場合には、２つのＳＡＷ共振器変換器Ｔ１及びＴ２が、図示のよう に、中心線ＣＩ及びＣ２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、矢印に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。

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ＴＩ及びＴ２は、それぞれ、出力信号周波数Ｆｌ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Ｆｌ−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、ＩＭＨｚ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、Ｆｌ−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。

は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。

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ＩＧＨｚ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−８を送り出す。差信号は、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 向性においで、１８ｄＢの典型的な損失に対して感度が鈍い。

これには、コイル及びプローブによって、ＳＡＷ共振器変換器ＴＩ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０１〜Ｃ３は、それ ぞれ、７ヤ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ＴＩおよびＴ２に結合されている。コイルは、船舶のプロペラ・／ヤフトの 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 −ｃａ及びプローブＰ１及びＦ３に関して５０オームである。増幅器Ａ１及びＡ ２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（ｒＡＧＣＪ 　）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。

これには、図６に基づ（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に示すように位蓋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Ｃｌ−Ｃ５は、図６に関連して解説のように、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、制御電流をビン・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、ビン・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（ンヤストの角変位に対する 出力）を発生させることができる。

」炙 図６及び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、 ５００ＭＨｚ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の出力を直接ミクサＭに送るｏ　（５００＋　５００　）　Ｍ　Ｈ ｚ及び（５００−５００）ＭＨｚを表すミクサＭの出力が、分割される。差侶号 （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Ｍ ２に送られる。

ミクサＭ２は、ライン１２によって、ＩＧＨｚ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ツサＭＰに送られる温度信 号を表しており、これによって、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、マイクロプロセツサ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４ ５度の角度で取り付けられている。他の取り付は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。

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 組み込んだ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ＩＭ Ｈｚの周波数）は、インダクタ９６Ａ１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９８Ａ１ダイオード９８Ｂ、及び、イン ピーダス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ｆｌ及び増幅器９ ４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容することが可能になる。こうしたパ フケージによって、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。

図１１１」」２ 図１Ｏは、部分断面立面図であり、図１１は、ジャイロスコープ装置を上方から 見た平面図である。共振可能な半球１０１が、圧電材料から製造され（この場合 は石英であるが、ＰＺＴセラミックのような材料を用いることも可能である）、 密閉し、真空排気を施したハウジング１０２内に収容されている。半球ｌｏｔの へり１０３は、その外側が離散的強制電極のアレイ１０４と境を接し、その内側 が強制電極の相補形アレイ１０５と境を接する環の中に位置している。アレイ１ ０４．１０５は、へり１０３と同じ水平レベルに取り付けられている。半球１０ １には、それぞれ、ハウジング１０２の壁面に取り付けられたプローブ１０９． １１０によって入力エネルギ源及び周波数センサに結合可能なＳＡＷ共振装置１ ０７．１０８が取り付けられている。ケーブル出力１１１は、強制電極アレイ１ ０４．１０５及びプローブ１０９．１１０に接続されたハウジングに対するケー ブルの気密通路を形成する。

半球１０１は、強制電極アレイ１０４．１０５によって共振状態になる。次に、 半球１０１は、軸Ｘ廻りを回転し、周知のように、加えられるひずみのノイター ンは、半球の回転速度の１／３の速度で、半球１０１に対して回転する。共振時 、半球のへり１０３における反対側のポイントは、外側に移動し、縁１０３の廻 りで９０度移動した反対側のポイントは、内側に移動するので、半球にひずみが 生じる。該プロセスが、次に、逆転する。半球１０１まわりにおいて角度を９０ 度離して、ＳＡＷ共振器１０７．１０８を配置することによって、このひずみの 検出は、圧縮ひずみに関してはＳＡＷ共振！１１０７によって行い、引っ張りひ ずみに関しては共振器１０８によって行って、ゼロひずみ位置を確定することが できる。こうしたジャイロスコープ装置は、いくつかの航法及び誘導用途を有し ている。とりわけ、半球１０１を圧電材料で製造することによって、ＳＡＷ共振 器１０７．１０８は、直接半球１０１の本体に組み込まれることになる。この用 途にＳＡＷ共振器を用いると、高感度と、良好な周波数応答が得られる。これら は、もつと低い共振周波数及び容量によるゼロ位置の検出を利用したものに比べ ると、はるかに小さい共振器の製造を可能にする。結果として、こうしたアセン ブリから導き出されるひずみ及び温度情報は、ジャイロスコープ装置の性能を向 上させるために、利用することができる。第３のＳＡＷ共振器を半球１０１に配 置することによって、ひずみパターンの移動方向を表した信号を送り出すことが 可能になる。

これらには、圧力の変化を被ることになるダイヤフラムにＳＡＷ共振器を取り付 けることによって、圧力の変化を測定するＳＡＷの利用が示されている。一般に 、ダイヤフラムは、一方の側には、張力に関して１つの共振器を備え、もう一方 の側には、圧縮に関してもう１つの共振器を備えている。次に、ミクサＭＰから の和の出力によって温度信号が得られた、図８に関連して解説のものと同様のや り方で、信号を混合して、ひずみ出力の温度補償が行われる。各種結合方法を用 いることが可能である。

図１２．１３には、内部１２３に所定の圧力まで充填されている、空気入りタイ ヤ１２２（図１２に断面が示されている）の取り付けられた自動車のホイール１ ２１が示されている。ホイール１２１は、車体１２５に取り付けられたサスベン ジ１ン装置１２４に既知の方法で装着される。ホイールのヘリ１２６には、図１ ４に関連してさらに詳細に解説のＳＡＷ共振器変換器アセンブリ１２７が取り付 けられている。アセンブリ１２７からの出力信号は、ホイール１２１の近くにお いて、車体構造に取り付けられたプロセッサ１２８Ａに結合されている、プロー ブ１２８によって周期的に検知される。図１３には、プローブ１２８から角度的 にオフセットしたアセンブリ１２７が示されている。

図１４には、並置された変換器アセンブリ１２７とプローブ１２８がさらに詳細 に示されている。ホイールのへり１２６には、ア／寸−チャ１３０が開いており 、これを通って、アセンブリ１２７の本体１３１がタイヤの内部１３０に延びて ％％る。本体１３１は、ナブト１３２によってへり１２９に固定されており、０ リング１３３が、本体１３１と一体化したフランジ１３４とへり１２６の間にお いて耐流体シールを維持する働きをする。本体１３１の端部ア／電−チャ１３５ は、キャビティ１３６に対して開いている。キャビティ１３６は、たわみダイヤ フラム１３８によって、本体１３１のボア１３７の残りから隔離されてｔする。

ダイヤフラム１３８は、上側に被着したＳＡＷ共振器変換器１３９と、下側に被 着した第２の変換器１４０を備えている。回路カプセル１４１は、プローブ１２ ８に取り付けられた対応するフィル１４３に対するコイル１４２を用−またデー タの送受信に適合するように、ボア１３７内に配置されている。データは、タイ ヤ圧に直接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。

要約書 ＳＡＷ共振変換器は信号入力と信号出力とを備えた電極を基板上にかみ合わせて 形成し、その変換器はひずみを測定する部材に所定の方向で組み合わせている。

信号入力に駆動信号を加え、その駆動信号によって駆動されると変換器はその信 号出力に出力共振周波数を検出する。検出された信号は、変換器を取り付けた部 材に加えられた応力によるその部材の中に生じたストレスによって引き起こされ て変換器に発生したひずみとしての情報になるように処理される。

補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成４年９月３日

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １． １　信号入力及び信号出力を備え、互いにかみ合った電極（１１、１２）が被着 されている基板（１３）を有し、ひずみを測定すべき部材（Ｓ）において所定の 配向で結合するようになっているＳＡＷ共振器変換器（１０、Ｔ、Ｔ１、Ｔ２） の位置決めを行うステップと、 ２　交換器の信号入力に駆動信号を加えるステップと、３　駆動信号によって駆 動される時、信号出力において、少なくとも変換器（１０、Ｔ、Ｔ１、Ｔ２）の 出力共振周波数を検出するステップと、４　出力共振周波数振号に処理を施して 、変換器（１０、Ｔ、Ｔ１、Ｔ２）が結合されている部材によって基板（１３） に加えら札る応力による基板（１３）の応力によって誘発される、変換器に発生 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ひずみの測定方法。
2. ２． １　回転するシャフト（Ｓ）の外側またはその近くの離散的位置に配置されて、 信号入力（Ｃ１）及び信号出力（Ｃ２、Ｃ３）を有するとともに、ＳＡＷ共振器 を有する変換器（１０、Ｔ、Ｔ１、Ｔ２）の少なくとも１つを、シャフト上にお いて軸に対して所定の配向になるように位置決めするステップと、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時、 信号出力（Ｃ２、Ｃ３）において、少なくとも変換器（Ｔ、Ｔ１、Ｔ２）の出力 共振周波数を検出するステップと、４　出力共振周波数信号に処理を施して（Ａ １、Ａ２、Ｍ、Ｍ２、ＭＰ）、シャフト（Ｓ）によって伝達されるトルクによる シャブト（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伝達されるトルクの測 定方法。
3. ３． 信号入力（Ｃ１）に信号を加えるステップが、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送信器（Ｐ１）によって実施きれることを特徴と する請求項１または２に記載のトルクの測定方法。
4. ４． 信号出力（Ｃ２、Ｃ３）において検出するステップが、誘導、容量、または、電 波手段によって信号出力（Ｃ２、Ｃ３）に結合さた信号受信器（Ｐ２、Ｐ３）に よって実施されることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載のトルクの 測定方法。
5. ５． それぞれ、ＳＡＷ共振器を備える２つの変換器（１０、Ｔ１、Ｔ２）が、シャフ ト（Ｓ）が軸まわりを第１の方向に回転すると（ｋ）、変換器の一方（Ｔ１）に 圧縮が生じ、もう一方の変換器（Ｔ２）には張力がかかり、シャフトが逆方向に 回転すると、変換器の一方（ＴＩ）に張力がかかり、もう一方の変換器（Ｔ２） には圧縮が生じるというように、相補対としてシャフト（Ｓ）に取り付けられて いることを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載のトルクの測定方法。
6. ６． 変換器の一方（Ｔ１）からの共振周波数の出力によって第１の振号周波数が生じ 、もう一方の変換器（Ｔ２）からの共振周波数（ｆ１）の出力によって第２の信 号周波数（ｆ２）が生じ、第１と第２の周波数のいずれかまたは両方が、混合プ ロセス（Ｍ）の前に処理される（Ｒ１、Ｒ２）ことを特徴とする請求項５に記載 のトルクの測定方法。
7. ７． １　互いにかみ合った１対の電極（１１、１２）が、一方の側に取り付けられた 圧電基板（１３）と、 ２　対をなす電極の一方（１１）が信号入力で、対をなす電極のもう一方（１２ ）が信号出力で、 ３　基板（１３）の前記一方の側（１４）に対するもう一方の側（１５）が、応 力が加わえられた際に、基板（１３）が応力を加えることの可能なコンポーネン トから生じるひずみを受けるように、応力を加えることの可能なコンポーネント に取り付けるようになっており、 ４　信号入力に、所定の周波数の入力信号を加えるための発生器（Ａ１、Ａ２） と、 ５　信号出力において出力信号を検出するためのモニタ（Ｍ）と、６　基板（１ ３）に対して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の可能 な信号プロセッサ（ＭＰ）とを含む少なくとも１つのＳＡＷ共振器（Ｔ、Ｔ１、 Ｔ２）によって特徴づけられるひずみの測定装置。
8. ８． １　トルクの伝達を測定すべきシャフト（Ｓ）に直接または間接的に取り付ける ようになっている基板（１３）に設けられた互いにかみ合った電極（１１、１２ ）を有し、それぞれ又はいずれからの変換器（１０、Ｔ、Ｔ１、Ｔ２）が、シャ フト（Ｓ）の回転による信号入力及び信号出力を備えているＳＡＷ共振器を有す る少なくとも１つの変換器（１０、Ｔ、Ｔ１、Ｔ２）と、２　信号入力に駆動信 号を加える手段（Ｃ１）と、３　駆動信号によって駆動される時、信号出力にお いて、少なくとも変換器の出力共振周波数を検出する手段（Ｃ２、Ｃ３）と、４ 　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（１０、Ｔ、Ｔ１、Ｔ ２）に発生するひずみに関する情報を引き出す信号処理手段（Ｍ）とによって特 徴づけられるシャフトによって伝達されるトルクの測定装置。
9. ９． 信号入力に駆動信号を加える手段（Ｃ１）が、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送信器（Ｐ１）を有することを特徴とする請求 項７または８に記載のトルクの測定装置。
10. １０． 信号出力において、少なくとも変換器の出力共振周波数を検出する手段（Ｃ２、 Ｃ３）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受 信器（Ｐ２、Ｐ３）を有することを特徴とする請求項７、８、または、９に記載 のトルクの測定装置。
11. １１． シャフトが軸まわりを第１の方向に回転すると（ｋ）、変換器の一方（Ｔ１）に 圧縮が生じ、もう一方の変換器（Ｔ２）には、張力がかかり、シャフトが逆方向 に回転すると、変換器の一方（Ｔ１）に張力がかかり、もう一方の変換器（Ｔ２ ）には、圧縮が生じるように、それぞれ、ＳＡＷ共振器から構成される２つの変 換器（Ｔ１、Ｔ２）が相補対としてシャフト（Ｓ）に取り付けられていることを 特徴とする請求項７、８、９、または、１０に記載のトルクの測定装置。
12. １２． 信号処理手段（Ｍ）が、変換器の一方（Ｔ１）から共振周波数（Ｆ１）出力、も う一方の変換器（Ｔ２）から共振周波数（Ｆ２）出力を受信し、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 出した合成信号を送り出すことを特徴とする請求項１０に記載のトルクの測定装 置。
13. １３． チャンバを２つの独立した加圧可能な容積に分割するダイヤフラムを組み込み、 ダイヤフラムに圧力差が加えられると、ダイヤフラムが所定の変位を受け入れる ようになっているダイヤフラム（１３８）にＳＡＷ共振器（１３９、１４０）が 取り付けられている請求項６に記載の装置によって特徴づけられる圧力を測定す るための装置。