JP2008541121A - 弾性表面波トルク・温度センサ - Google Patents

Abstract

非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサは、Ｙ＋３４°カットの水晶で形成される共通基板１上に設けられた３つの弾性表面波共振器（ＳＡＷ）２，３，４を含む。第１のＳＡＷ２は、基板のＸ軸に対して＋４５°で傾く主軸を有する。基板のＸ軸は、使用中において、トルクが測定されるものの長手方向軸に一致するか、垂直となる。第２のＳＡＷ３は、基板のＸ軸に対して−４５°で傾く主軸を有する。第３のＳＡＷ４は、各ＳＡＷが平行とならないように、第２および第３のＳＡＷの両方の主軸に対して、主軸が好ましくは０〜３０°の範囲内の角度で傾くように配置される。第３のＳＡＷ４は、温度測定を可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルクと温度の両方を測るための弾性表面波に基づくセンサに関する。

出願人自身が以前に出願した英国特許第２３８１０６９号は、回転軸上のトルクを非接触で測定するための、Ｙ＋３４°カットの水晶で作られた１つの基板上に取り付けられた２つのＳＡＷデバイスを備えてなるＳＡＷセンサを開示する。２つのＳＡＷデバイスの一方は、基板のＸ軸に対して＋４５°の方向に向けられ、他方は、Ｘ軸に対して−４５°の方向に向けられている。２つのＳＡＷデバイスから取得された各信号間の差（２つのＳＡＷデバイスが共振装置である場合には共振周波数の差「Ｆ_Ｍ＝ｆ_１−ｆ_２」、または、２つのＳＡＷデバイスが反射型遅延線である場合には位相遅れの差）は、トルクに比例する。そして、示差測定法は、経時効果、温度の影響およびロータリＲＦカプラによって生じる回転誤差の部分的補償を可能にする。Ｙ＋３４°カットの水晶およびＸ軸に対して４５°の方向に向けられたＳＡＷデバイスの使用は、トルク感度を高い値にし、温度に伴うトルク感度の変化を減らし、温度に伴う共振周波数の変化を減らす。

それ故、この先行技術の方式は、ある程度は、トルク測定値の温度補償を単純化するが、補償の必要性を完全に排除しない。実際に、スチール製の軸に取り付けられたトルクセンサの感度の典型的な変化は、−３０℃〜９０℃の温度範囲内で約１〜２％である。さらに、２つのＳＡＷデバイスが原寸の約８〜１０％付近で完全に同一ではないという事実によって、ゼロトルク（ゼロオフセットＦ_０）での周波数差Ｆ_Ｍも、温度に伴って変化する。結果的に、トルク測定の高い精度を達成するために、温度を測定する必要があり、その上、補償を実行するための調整情報を使う必要がある。それ故、温度測定は、一般的に、トルクセンサに近接した場所に取り付けられた外付けの半導体センサ、熱抵抗センサまたは熱電対センサによって行われる。しかしながら、これらの装置は、必ず、ＳＡＷ基板から離して配置されていなければならず、その結果、その基板で得られる温度測定値の精度に限界がでてくる。

英国特許第２３８６６８４号は、圧力と温度の両方の測定値を取得することを可能とするために、１つの基板上に取り付けられた３つのＳＡＷデバイスを備えた弾性表面波に基づく圧力センサを開示する。ＳＡＷ共振器の1つ（ＰＳＡＷ）は、基板のうち圧力の変化に起因してひずみが変化する部位に取り付けられ、他の２つのＳＡＷデバイスは、基板のうちひずまない領域に取り付けられる。３つの共振器を使うことによって、２つの周波数差Ｆ_Ｐ、すなわちＰＳＡＷと、ＰＳＡＷに対して平行となるひずまないＳＡＷの１つ（Ｔ１ＳＡＷ）との各共振周波数間の差が計算され得る。この計算値は、主に圧力のみに依存する（Ｆ_ｐの温度補償は、示差測定法を用いて達成される）。第３の共振器（Ｔ２ＳＡＷ）は、Ｔ１ＳＡＷとＰＳＡＷに対してある角度をなしているので、その温度特性は、基板の異方性に起因するＴ１ＳＡＷのそれとは異なる。結果的に、Ｔ１ＳＡＷとＴ２ＳＡＷの各共振周波数の差Ｆ_ｔは、唯一、温度だけに依存する。従って、Ｆ_ｔの測定値からの温度の計算が容易になる。
英国特許第２３８１０６９号 英国特許第２３８６６８４号

本発明によれば、Ｙ＋３４°カットの水晶で形成される基板上に設けられる第１および第２のＳＡＷ共振器を備える非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、前記第１のＳＡＷは、基板のＸ軸に対して＋４５°で傾く主軸を有し、基板のＸ軸は、使用時において、トルクが計測されるものの長手方向軸に同じ向きになるか、その長手方向軸に垂直であり、前記第２のＳＡＷは、基板のＸ軸に対して−４５°で傾く主軸を有し、前記第１および第２の共振器の両方の主軸に対して所定の角度で傾く主軸を有する第３のＳＡＷをさらに備える弾性表面波トルク・温度センサが提供される。

本発明に係るセンサは、ロータリＲＦカプラによって生じる回転誤差または経年劣化による影響がない特に正確な方法で、トルクと局部温度の両方の計算を可能とする情報を与える受動的な無線センサを提供するという長所がある。

一実施形態では、３つのＳＡＷの全てが１つの基板に取り付けられている。しかしながら、もう１つの形態では、第１および第２のＳＡＷが第１の共通基板に設けられ、第３のＳＡＷが第１の基板から離れて形成される第２の基板に設けられる。この第２の基板は、第１の基板と一緒に１つのパッケージ内にまとめられる。第２の基板のＸ軸は、第１の基板のＸ軸と同じ向きになるか、第１の基板のＸ軸に対して９０°に配置されている。そして、第２の基板は、望ましくは、圧電材料で形成される。特に、圧電材料は、１０〜２５ｐｐｍ／℃の範囲内に実質的に収まる周波数の線形温度係数を有する。このことは、第２の基板を水晶で形成するために、特に有利となる。そして、Ｙ＋２５°以下のＹカット水晶および回転Ｙカット水晶が、特に推奨される。

第３のＳＡＷは、望ましくは、前記基板または各々の基板のＸ軸に対して角度αで傾く。αは、実質的に、０°≦α≦３０°の範囲内にあり、好ましくは、３０°未満がよい。

さらに有利な成果では、前記センサは、第３のＳＡＷの傾斜角に対して同じ角度であるが反対の角度で傾く第４のＳＡＷ共振器を含む。特に、前記第３および第４のＳＡＷは、基板のＸ軸に対して対称的に配置される。第３および第４のＳＡＷの両方は、温度情報を提供するために使われる。望ましくは、第３および第４のＳＡＷは、基板のＸ軸に対して各々＋α°および−α°で傾けられて、共通の基板上に設けられる。この共通基板は、第１および第２のＳＡＷを有した基板から離れて形成されてもよいが、第１および第２のＳＡＷを有した基板とともに一体的に形成されるのが望ましい。

発明がよく理解されるために、これから、一例としていくつかの実施例を説明する。参照する図面において、図１は本発明の第１実施形態に係るトルク・温度センサの概念図であり、図２は図１に係るセンサにとっての温度に伴う周波数差の変化を示すグラフであり、図３は図１のセンサにとっての主ひずみ成分の異なる値に対する温度に伴う周波数差の変化を示すグラフであり、図４は本発明の第２実施形態に係るトルク・温度センサの概念図であり、図５は温度特性と追加的な周波数との関係を示すグラフであり、図６は本発明の第３の実施形態に係るトルク・温度センサの概念図である。

最初に図１を参照すると、本発明の第１の実施形態に係るセンサの概略図が示されている。このセンサは、Ｙ＋３４°カットの水晶で作られ、その上に第１のＳＡＷ共振器Ｍ１ＳＡＷ２および第２のＳＡＷ共振器Ｍ２ＳＡＷ３が形成される基板１を備え、これらの共振器は、Ｘ軸に対してそれぞれ＋４５°および−４５°の方向で伝達されるような角度で形成される。言い換えると、２つのＳＡＷの主軸は、Ｘ軸に対してそれぞれ＋４５°および−４５°で傾いている。これは、温度Ｔに伴うこれらの共振器の周波数ｆ_２とｆ_１の最小限の変化と、トルクＭに対する最大感度（Ｆ_Ｍ＝ｆ_１−ｆ_２）と、温度に伴うこの感度の小さな変化を提供する。第３の共振器ＴＳＡＷ４は、その共振器内のＳＡＷがＸ軸に対して角度αで伝達されるような角度で、同じ基板上に設けられる。（ここで、各ＳＡＷが互いに平行とならないように、αは±４５°ではない。）３つの全ての共振器は、基板上の導電性のトラックまたはボンドワイヤによって、電気的に直列または並列に接続されている。一例として、共振周波数は、次のように選択され得る。

Ｍ１ＳＡＷの共振周波数ｆ_１＝４３７ＭＨｚ、Ｍ２ＳＡＷの共振周波数ｆ_２＝４３５ＭＨｚ、ＴＳＡＷの共振周波数ｆ_３＝４３３ＭＨｚ
基板１は、使用時において、トルクが計測されるシャフトなどの表面に取り付けられ、このトルクは、圧力監視用に開発された１軸ひずみ場とは対象的に２軸ひずみ場を生じさせ、この２軸ひずみ場（ひずみの主成分は、基板のＸ軸に対して±４５°の方向に沿った引張ひずみおよび圧縮ひずみである。）は、３つの全ての共振器がひずむように、基板に伝達される。

角度αの選択は、所望の測定温度範囲と、周波数差「Ｆ_Ｔ＝ｆ_２−ｆ_３」の所望の温度過敏性に依存する。ここで、ｆ_３は、ＴＳＡＷ４の共振周波数である。それはまた、ＴＳＡＷの反射格子の片から十分に大きな弾性表面波の反射率の値を有すべきという要求によって決定される。角度αは、０〜約３０°の範囲内とすることができる。

例えば、仮に「α＝０」としたとき、温度に対する感度は、最も低くなる。一方、この構成は、トルクに対して反応が鈍いＴＳＡＷの長所を有する。この場合、温度にのみ依存する差「Ｆ_Ｔ’＝ｆ_３−（ｆ_１＋ｆ_２）／２」を測定するために意味をなす。トルクからのこの差の独立は、Ｆ_Ｔ’の測定値からのＴの計算を単純化する。この構成における温度に伴うＦ_Ｔ’の変化は、図２に示されている。これによれば、温度感度がたったの約１ｋＨｚ／℃であることが分かり、明白な温度測定は６０℃以下でのみ可能である。

「α＝３０°」の場合、温度に対するＦ_Ｔの感度は、最大となる。しかしながら、その感度は、トルクにも依存する。基板表面上のひずみの主成分の３つの異なる値に対する、温度に伴うＦ_Ｔのおおよその変化は、図３に示されている。

これによれば、明白に温度測定できる範囲は、少なくとも−４０℃〜＋１２０℃の範囲であることが分かる。この特性は非常に線形であり、その温度感度は約９ｋＨｚ／℃となっている。

「α≠０」であるときの不利な点は、Ｆ_Ｔが温度だけでなくトルクにも依存するということである。しかしながら、この場合であっても、測定値Ｆ_ＭとＦ_ＴからトルクＭと温度Ｔの両方を計算するのはまだ可能である。可能な計算方法の１つは、以下に述べる。

２つの周波数差は、下記の方程式によって概算できる。

Ｆ_Ｍ＝Ｓ（Ｔ）Ｍ＋Ｆ_０（Ｔ），
Ｆ_Ｔ＝ａ_１＋ａ_２Ｔ＋ａ_３Ｍ＋ａ_４ＭＴ

ここで、Ｓ（Ｔ）は、温度に任意的に依存するトルク感度であり、Ｆ_０（Ｔ）は、温度に任意的に依存するトルク特性のオフセット量（０）である。これらの値は、較正参照テーブルに保存され得る。較正係数ａ_１〜ａ_４は、ちょうど一定となる。この較正係数ａ_１〜ａ_４は、個々に各センサの特性を示すか、全てのセンサにおいて同じとなる。

ＭとＴの計算は、反復の手法によって実行され得る。

１．「Ｔ＝Ｔ’」と仮定すると、温度の値は、前回の問い合わせを通じて計測されるか、外部の半導体温度センサから読み取られる。

２．トルクの最初の近似式を見つける；
Ｍ’＝［Ｆ_Ｍ−Ｆ_０（Ｔ’）］／Ｓ（Ｔ’）
３．訂正済みの温度値を計算する；
Ｔ＝（Ｆ_Ｔ−ａ_１−ａ_３Ｍ’）／（ａ_２＋ａ_４Ｍ’）
４．訂正済みのトルク値を計算する；
Ｍ＝［Ｆ_Ｍ−Ｆ_０（Ｔ）］／Ｓ（Ｔ）

必要に応じて、反復法は、計算されたＴとＭの値の精度を向上するために、続けることができる。

図１に示す実施形態では、３つの全てのＳＡＷは、共通の基板上に設置される。しかしながら、これが本質的要素ではないことが理解されるだろう。そして、図４は、第２の実施形態を説明する。この第２の実施形態において、センサは、２つの分離された基板１０，１１から成る。第１と第２のＳＡＷ共振器であるＭ１ＳＡＷ１２およびＭ２ＳＡＷ１３は、Ｙ＋３４°カットの水晶で作られる第１の基板１０上に形成される。この基板１０は、パッケージの基部にしっかりと貼り付けられる。パッケージの基部は、シャフトの表面から基板の表面にひずみを重大な損失なく伝えるために、シャフトまたは他の部分（図示せず）にしっかりと貼り付けられる。基板１０のＸ軸は、この実施例において、シャフトの軸と平行に揃えられる。この基板は、シャフトの表面に直接貼り付けることもできる。

温度測定のための第３の共振器ＴＳＡＷ１４は、独立して形成される第２の基板１１上に形成される。この基板１１は、約１０〜２５ｐｐｍ／℃の周波数の線形温度係数の適切な値を持った何らかの圧電材料によって作られる。望ましくは、基板は、Ｘ軸に沿った方向の共振器を有する水晶であるべきである。周波数の要求された温度係数は、Ｙ＋２５°以下のＹカットおよび回転Ｙカットを使うことによって得ることができる。例えば、仮に基板がＹカット水晶で作られる場合、温度に伴って結果として生じる「Ｆ_Ｔ’＝ｆ_３−（ｆ_１＋ｆ_２）／２」の変化は、図５に示されている。結果として生じる特性は、非常に線形であり、温度感度は高く、約１１ｋＨｚ／℃である。第３の共振器ＴＳＡＷ１４のための基板１１は、基板１１のひずみを完全に取り除くために、柔らかい接着剤によってトルクセンサパッケージの基部（またはシャフトに直接）に貼り付けられる。ＴＳＡＷ１４ダイは、トルクセンシングダイの上に配置することができるように、トルクパッケージの蓋にも貼り付けることができる。この形態では、センサの基部の領域を減らすことができる。

３つの全ての共振器は、例えば図４に示すように、パッケージの中において、導電性のトラック１５とボンドワイヤ１６によって直列または並列に電気的に接続されている。この実施形態の重要な利点は、Ｆ_Ｔ’がトルクに全く依存しないことである。それ故、Ｆ_Ｔ’の測定値からのＴの計算は、とてもシンプルである。また、較正データは少なくて済むだろう。前記実施形態と比較される本実施形態の欠点は、センサがより複雑で高価になることである。

本発明の第３の実施形態は、図６に図示される。この実施形態は、仮にα≠０である場合にＦ_Ｔがトルクに依存するといった、前記実施形態で生じていた問題を克服する。

この実施形態では、センサは、１つのＹ＋３４°カットの水晶の基板２０上に作られる。しかし、前記実施形態とは異なり、Ｘ軸に対して±４５°で配置される２つのトルク検出要素Ｍ１ＳＡＷ２１およびＭ２ＳＡＷ２２に加えて、２つの温度検出要素Ｔ１ＳＡＷ２３およびＴ２ＳＡＷ２４が設けられている。Ｔ１ＳＡＷ２３およびＴ２ＳＡＷ２４は、基板のＸ軸に対して同じ角度であるが反対の角度で対称な関係に配置されるとともに、共振周波数ｆ_４およびｆ_３を有する。第１の温度要素２３は、Ｘ軸に対して−α°となる伝播方向のＳＡＷを有する。第２の温度要素２４は、Ｘ軸に対して＋α°となる伝播方向のＳＡＷを有する。その角度αは、望ましい温度感度と、回折格子の片からの十分大きな弾性表面波反射とを与えるように選択される。

「Ｆ_Ｍ＝ｆ_１−ｆ_２」は、主に、トルクに依存して測定され、「Ｆ_Ｔ”＝ｆ_１＋ｆ_２−ｆ_３−ｆ_４」は、温度のみに依存して測定される。Ｆ_Ｔ”の測定値を使うと、温度を簡単に計算することができる。さらに、「Ｆ_Ｍ’＝ｆ_３−ｆ_４」は、トルク感度がより小さいけれども主にトルクに依存して、測定することができる。結果として、トルクは、トルク測定の信頼性を増加させる冗長度を我々に与えるＦ_Ｍ’の値からも計算することができる。

この実施形態の欠点は、増加したダイエリア、センサ問い合わせ時間、センサによって占められる広い周波数範囲である。

Claims (13)

1. Ｙ＋３４°カットの水晶で形成される基板（１）上に設けられる第１および第２のＳＡＷ共振器（２，３）を備える非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、
   前記第１のＳＡＷ（２）は、基板（１）のＸ軸に対して＋４５°で傾く主軸を有し、
   基板のＸ軸は、使用時において、トルクが計測されるものの長手方向軸に同じ向きになるか、その長手方向軸に垂直であり、
   前記第２のＳＡＷ（３）は、基板のＸ軸に対して−４５°で傾く主軸を有し、
   前記第１および第２の共振器（２，３）の両方の主軸に対して所定の角度で傾く主軸を有する第３のＳＡＷ（４）をさらに備えたことを特徴とする弾性表面波に基づくトルク・温度センサ。
2. 請求項１に記載の非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、
   前記第１、第２および第３のＳＡＷ（２，３，４）が、全て共通の基板（１）上に取り付けられていることを特徴とする弾性表面波に基づくトルク・温度センサ。
3. 請求項１に記載の非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、
   第１、第２のＳＡＷ（１２，１３）が、第１の共通基板（１０）上に設けられ、
   第３のＳＡＷ（１４）が、第１の基板とは別に形成される第２の基板（１１）上に設けられ、
   第２の基板が、第１の基板と一緒に１つのパッケージの中にまとめられていることを特徴とする弾性表面波に基づくトルク・温度センサ。
4. 請求項３に記載の非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、
   第２の基板（１１）のＸ軸は、第１の基板（１０）のＸ軸と同じ向きになるか、第１の基板のＸ軸に対して９０°で配置されることを特徴とする弾性表面波に基づくトルク・温度センサ。
5. 請求項３または請求項４に記載の非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、
   第２の基板（１１）は、特に１０〜２５ｐｐｍ／℃の範囲内に実質的に収まる周波数の線形温度係数を有する圧電材料で形成されることを特徴とする弾性表面波に基づくトルク・温度センサ。
6. 請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載の非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、
   第２の基板（１１）が、水晶を使って形成されていることを特徴とする弾性表面波に基づくトルク・温度センサ。
7. 請求項６に記載の非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、
   第２の基板（１１）が、Ｙ＋２５°以下のＹカット水晶または回転Ｙカット水晶で形成されていることを特徴とする弾性表面波に基づくトルク・温度センサ。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、
   第３のＳＡＷ（２３）は、基板または各々の基板のＸ軸に対して、実質的に０°≦α≦３０°の範囲内にある角度αで傾くことを特徴とする弾性表面波に基づくトルク・温度センサ。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、
   前記センサは、第３のＳＡＷ（２３）の傾きの角度に対して、同じ角度であるが反対の角度で傾けられた第４のＳＡＷ共振器（２４）を含み、
   前記第３、第４のＳＡＷ（２３，２４）は、温度情報を提供するために使われることを特徴とする弾性表面波に基づくトルク・温度センサ。
10. 請求項９に記載の非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、
    前記第３、第４のＳＡＷ（２３，２４）は、基板のＸ軸に関し対称に配置されることを特徴とする弾性表面波に基づくトルク・温度センサ。
11. 請求項１０に記載の非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、
    前記第３、第４のＳＡＷ（２３，２４）は、基板のＸ軸に対してそれぞれ＋α°と−α°とで傾いていることを特徴とする弾性表面波に基づくトルク・温度センサ。
12. 請求項１１に記載の非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、
    前記第３、第４のＳＡＷ（２３，２４）は、共通の基板上に設けられることを特徴とする弾性表面波に基づくトルク・温度センサ。
13. 請求項１２に記載の非接触式の弾性表面波に基づくトルク・温度センサであって、
    前記第３、第４のＳＡＷ（２３，２４）が形成される共通の基板（２０）は、第１、第２のＳＡＷ（２１，２２）を持った基板と一体に形成されていることを特徴とする弾性表面波に基づくトルク・温度センサ。

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