JP3200469B2

JP3200469B2 - 直線変位測定装置

Info

Publication number: JP3200469B2
Application number: JP16127492A
Authority: JP
Inventors: シー．ヤコブセンスチーブン; シー．デービスクラーク; ジー．ムラデジョブスキーマイクル
Original assignee: ユニバーシティオブユタリサーチファウンデイション
Priority date: 1991-06-21
Filing date: 1992-06-19
Publication date: 2001-08-20
Anticipated expiration: 2016-08-20
Also published as: DE69213573T2; DE69213573D1; JPH05187807A; CA2070738A1; ATE142773T1; EP0519335B1; US5174159A; CA2070738C; EP0519335A3; EP0519335A2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般的には相対変位を検
出する装置に関し、特に対象物の歪みを測定する装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】供試体や対象物における歪み（歪みのな
い単位長さ当りのある方向における対象物の長さの変
化）の測定は直接的あるいは間接的に実施しうる。直接
的な歪み測定に用いられた試みのあるものは結合ワイヤ
歪み計（歪み検出ワイヤの格子を供試体に接合させるこ
とにより、その供試体の歪みによる格子の長さの変化が
ワイヤの抵抗を変化させ、その変化を測定できるも
の）、機械的歪み計（光学的あるいは機械的レバー装置
を用いて歪みを増倍し、それを適当なスケールで読み取
ることができるもの）、磁気歪み計（空隙を有する磁気
回路を含み、空隙が供試体の歪みの結果として変動する
と回路のパーミアンスを変動させて発生した歪みを指示
するもの）、半導体歪み計（電圧材料の抵抗が、加えら
れた応力と、その結果圧電材料の歪みと共に変動するも
の）、キャパシタンス歪み計（供試体の歪みによる要素
の分離における変動によって生じるキャパシタンスの変
動を測定して歪みを読取りできるもの）、および電界に
基く歪みセンサ（弾性の基板が電界生成要素と、１個以
上の電界検出要素とを含み、電界生成要素に対する電界
検出要素の位置を検出して相対運動を測定し、そのため
前記基板を取り付けている対象物の歪みを読み取ること
のできるもの）の使用を含む。その他の直接的な歪み測
定装置は音響歪み計、脆性ラッカコーティングやフォト
グリッド法を含む。

【０００３】供試体における歪みを間接的に測定するた
めの試みは変位ピックアップ装置、速度ピックアップ装
置および加速度検出装置の使用を含む。

【０００４】歪みを測定するための従来の試みのあるも
のの欠点は、採用された装置が、その歪みを測定すべき
供試体に取り付けたり、あるいは供試体と共に使用する
のが困難なことが多い。また、そのような装置は典型的
には製造が難しく、かつ高価につく。最後に、前述のよ
うな装置の多くは本質的に軸線方向の剛性が高度のた
め、接着の不具合により外れるのを阻止するために装置
の供試体への接着は高品質のものを必要とするが、これ
により供試体の接着に対して時間のかかる、慎重な準備
を必要とする。

【０００５】前述の電界に基く歪みセンサは前述の問題
の中にあるものを排除し、克服し、かつ極めてコンパク
トに、かつ安価に作ることができる（米国特許第４，９
６４，３０６号を参照のこと）、しかしながら、ある用
途に対しては、さらに精密な歪み変換器が必要とされる
か、少なくとも所望される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は製作が
容易で、効率的で高度に精密な一軸歪み変換器を提供す
ることである。

【０００７】本発明の別の目的は高解像力を有し、かつ
変換器のサイズに対してダイナミックレンジの大きい変
換器を提供することである。

【０００８】本発明のさらに別の目的は変換器を構成
し、作動させるのに要するワイヤやワイヤ結線が比較的
少ない変換器を提供することである。

【０００９】本発明の別の目的は極めて大規模の集積
（ＶＬＳＩ）を用いて製作するのに十分適した変換器を
提供することである。

【００１０】さらに別の本発明の目的は好ましくない機
械的作用や環境作用に対して全体的に感じないように構
成された変換器を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の前述並びにその
他の目的は、その直線変位を測定すべき直線方向に運動
可能の要素と、前記運動可能要素に配置され、前記要素
が運動するにつれて運動し前記要素の運動方向において
エミッタ上で直線方向に変動する電界の所定のパターン
を発生させるエミッタと、前記エミットが運動する軌道
に隣接してエミッタの近傍に配置されエミッタが運動さ
れるにつれて電界パターンの変動を検出し電界パターン
の変動を示す出力信号を発生させる検出器とを含む直線
変位および歪み測定装置の一特定実施例において実現さ
れる。そのような変動は検出器に対するエミッタの位置
と変位とを示す。エミッタの一部はその歪みを測定すべ
き対象物に結合し、また検出器の一部を対象物に結合さ
せることにより、エミッタと検出器との間の相対運動が
対象物において発生している歪みを指示する。

【００１２】本発明の一局面によれば、エミッタは直線
運動可能の要素に取り付けられた全体的に平坦なエミッ
タプレートであって、エミッタプレートによって画成さ
れた平面で運動し、電界を通常プレートの活性側から指
向するエミッタプレートからなる。検出器は活性側にあ
るエミッタプレートと全体的に平行の固定位置に配置さ
れることによりエミッタプレートが運動するにつれて電
界パターンの変動を検出する全体的に平坦な検出プレー
トを含む。

【００１３】本発明の別の局面によれば、運動可能の要
素は、その歪みを検出すべき対象物に取り付けうる細長
いタブからなる。エミッタプレートはタブに取り付けら
れ、前記プレートの活性側において所定のパターンで形
成された複数のエミッタ要素セクションを含み電気入力
信号に応答して電界を発生させる。本装置はさらに、電
気入力信号をエミッタ要素セクションへ供給する電気信
号発生器を含む。

【００１４】最後に、本発明のさらに別の局面によれ
ば、エミッタプレートの活性側に複数の直線トラックが
形成され、各トラックが複数の隔置された導電性セクシ
ョンを含んでいる。導電性材料の層がエミッタプレート
の活性側に面した側で検出プレートに配置され、電界を
発生させ、前記層に電圧信号が供給されると前記層とト
ラックセクションとを静電結合する。このように導電性
セクションは検出器によって検出される電界を発生する
ようにされる。電圧供給源は検出プレートの導電性材料
層に電圧信号を供給する。

【００１５】本発明の前述およびその他の目的、特徴お
よび利点は添付図面と関連して提供された以下の詳細説
明を検討すれば明らかとなる。

【００１６】

【実施例】図１を参照すれば、それに変換器が取り付け
られる供試体の歪みを測定するために本発明によって作
られた直線変位および歪み測定変換器の一特定実施例の
分解図が示されている。変換器は、歪みを測定すべき供
試体に取り付けられるベースプレート４を含む。検出プ
レート８は固定位置においてベースプレート４に配置さ
れている。開口１６を形成したスペーサ１２はベースプ
レート４に配置され検出器８を囲み、弾性の回路盤２０
がスペーサ１２の開口１６の内側でベースプレート４に
装着されている。弾性の回路盤２０は例えばプラスチッ
クのような弾性材料から作られ、検出プレート８に接続
してそこへ信号を供給したり、かつそこから信号を搬送
するための導電体を担持している。スペーサ１２には別
のスペーサ２４が配置され、さらに第３のスペーサ２８
がスペーサ２４上に配置されている。スペーサ２８の一
方の側に開口３２が形成され、以下間もなく説明するよ
うにＨ字形支持板即ち構造体４０のタブ３６を囲む弾性
シールを収容する。

【００１７】Ｈ字形構造体４０はフレーム４４と、脚４
８を介してフレームに結合された細長いタブ３６とを含
みフレームに対するタブの運動を許容する弾性プレート
である。タブ３６の下側には垂直力ばね３４が取り付け
られ、前記の垂直力ばねの中央にはエミッタプレート即
ちチップ３８が取り付けられている。これまで説明した
全ての部材が図示のように相互に接合されると、エミッ
タ３８はスペーサ２８、２４の中央開口を通して突出し
検出プレート８と軽く接触する。スペーサ２８と２４の
厚さはエミッタチップ３８が検出プレート８と丁度接触
できるように選定される。

【００１８】Ｈ字形構造体４０には、一方の側に開口５
６を有し、タブ３６のための弾性シールを収容するスペ
ーサ５２が取り付けられている。スペーサ５２の頂部に
別のスペーサ６０が配置され、カバープレート６４がス
ペーサ６０上に配置され組立体パッケージを覆い、かつ
その部材の汚染を阻止する。

【００１９】既述のように、スペーサ２８と５２との開
口３２と５６とはそこを通してタブ３６を突出させるこ
とができるようにそれぞれ形成されている。弾性シール
（図示せず）が開口３２，５６を充たし、タブ３６の周
りをシールし、タブの運動を許容するのみならずパッケ
ージへ汚染物等が入らないようにする。

【００２０】ベースプレート４とカバープレート６４と
は例えばベリリウム銅のような金属で作ってよく、スペ
ーサ１２，２４，２８，５２および６０も例えばベリリ
ウム銅のような金属から作ればよい。Ｈ字形構造体は、
垂直力ばね３４と同様弾性金属から作られる。前記部材
は従来接合技術を用いて相互に接合される。

【００２１】図２は、細長いタブ３６を結合するプレー
トフレーム４４を含む図１に示すＨ字形構造体４０の上
面図を示す。タブ３６はその自由端において、その歪み
を測定すべき供試体に取り付けられ、既述のように、ベ
ースプレート４（図１）も供試体に取り付けられ、ベー
スプレートとタブとの取り付け位置において供試体にお
いて発生している歪みがタブをベースプレートに対し
て、したがってフレーム４４に対して運動させる。

【００２２】フレーム４４は、端レール１０８によって
端部の一方において接合された一対のサイドレール１０
０，１０４を含む。サイドレール１００，１０４の他端
にはそれぞれ大きいプレートセクション１１２，１１６
が形成されている。タブ３６はプレートセクション１１
２および１１６の間を延び、かつ大きくされた取付けセ
クション１２０で終っている。取付けセクション１２０
は一方の側において一対の脚１２４，１２８によりサイ
ドレール１００に、他方の側において一対の脚１３２，
１３６によりサイドレール１０４に結合されている。フ
レーム４４は例えばベリリウム銅のような弾性材から作
られ、脚１２４，１２８，１３２および１３６が撓み、
そして細長いタブ３６がフレームに対して直線方向に運
動できるようにする。

【００２３】大きくされた取付けセクション１２０のい
ずれかの側から横方向にタブ１４０，１４４が延びてお
り、該タブに垂直力ばねプレート３４が取り付けられて
いる。プレートセクション１１２と１１６とはまた、タ
ブ１４８，１５２を含み、該タブは相互に向かって、か
つ細長いタブ３６のそれぞれ切欠きセクション１５６，
１６０へ延びている。タブ１４８，１５２はタブ３６の
直線方向運動を制限し、ある点を越えていずれかの方向
に運動するのを阻止する停止手段として作用する。即
ち、タブ１４８と１５２とは切欠きセクション１５６，
１５２の縁部と接触しある限度を越えたタブのそれ以上
の運動を阻止する。

【００２４】垂直力ばねプレート３４は、その上にエミ
ッタチップ３８が取り付けられている中央セクション１
６４を含む。垂直力ばねプレート３４もまた、中央セク
ション１６４を画成し、かつ複数の脚１７２により該中
央セクションに接合された境界領域１６８を含む。垂直
力ばねプレート３４は弾性材から作られ、中央セクショ
ン１６４を、したがってエミッタチップ３８を、Ｈ字形
構造体４０の大きくされた取付けセクションから垂直方
向外方に弾圧する。

【００２５】垂直力ばねプレート３４は点線１７６で示
す取付け脚によってタブ１４０，１４４に取り付けられ
ており、前記脚は垂直力ばねプレートを大きくした取付
けセクション１２０の上方で保持する。垂直力ばねプレ
ート３４の弾性と取付け脚１７６の位置とを組み合わせ
ることによりエミッタ３８をＨ字形構造体４０から垂直
方向外方に、かつ検出器８（図１）に向かって前述のよ
うに弾圧するよう作用する。例えば窒化ケイ素のような
耐摩耗フィルムをエミッタ３８および／または検出器８
に設け、これら２つの部材の間の摩擦と摩耗とを阻止す
る。エミッタ３８と検出器８とを軽くこすって接触して
配置させることの代りに、エミッタは検出器との接触か
ら丁度外れた状態で機械的サポートによって保持されう
る。

【００２６】図３は図１に示す検出プレート８とエミッ
タチップ３８との概略的な上面図である。エミッタチッ
プ３８の部分はチップの底側に位置され、チップは前述
のように検出チップ８上に配置される。

【００２７】エミッタチップ３８は矢印２０２で示す方
向に直線運動するように配置されている。チップ３８は
サファイヤプレート２０３を含み、その上に、チップの
運動方向と全体的に平行に延びるよう並置関係で位置し
た複数の直線トラック２０４が形成されている。各トラ
ック２０４には交互に導電性セグメントと非導電性セグ
メントとが形成されており、導電性セグメント２０８は
陰をつけ、非導電性セグメントは陰をつけずに示してい
る。（トラック２０４は単にセグメント化の概念を示す
ために単純に描き、図８に示すような実際のパターンを
示すものと考えてはならない。）導電性セグメント２０
８は電気的に相互に、かつプレート２０３の大部分の上
に来る導電性シート２２４に結合されている。導電性セ
グメント２０８と導電性層２２４とは、例えばアルミニ
ウムの層あるいはフィルムから作ることができる。後述
のように、導電性セグメント２０８は拡大して、トラッ
ク２０４上で直線方向に変化する電界パターンを生成す
るように付勢しうる。導電性セグメント２０８は全て相
互に電気的に接続されているので、導電性パターンは遮
断されていない領域と電気的に連続し、これも後述のよ
うに静電結合によりパターンを帯電することができる。

【００２８】エミッタチップ３８上のセクションの導電
性パターンはグレイコードを提供するように形成され、
そのため（そこに電界センサが位置する）点の横方向の
軌跡を通ってエミッタチップが運動することによりコー
ドの値を増分変化させることが有利である。勿論、もし
コードの値がエミッタチップが動くにつれて増分変化す
るとすれば、この値を検出して検出器に対するエミッタ
の直線変位、したがって歪みを示すことができる。

【００２９】トラック２０４のグラフ表示を図５に示
す。トラックは、一対の各トラックが図８に示すよう
に、該対の他方のトラックから少なくとも１本のトラッ
クが離隔していることを除いて図示のように相補即ち共
役対２５２，２５６、等のように形成される。各対のト
ラックは、単に説明をしやすくするために図５において
は並置関係で位置したものとして示されている。各対の
トラックが相補即ち共役対とされている局面は一対のト
ラック２５２のセグメント２５２ａおよび２５２ｂに関
して示されている。セグメント２５２ａは図５において
陰をつけて示され、それが金属化されていること、即ち
導電性材料の層で形成されていることを示し、一方明る
い、即ち陰をつけていないセグメント２５２ｂはセグメ
ントが非導電性であることを示している。セグメント２
５２ａと２５２ｂとはエミッタプレート上であるが、も
っとも個別の離隔したトラックにおいて同じ横方向位置
を占める。同様に（セグメント２５２ａおよび２５２ｂ
より大きい）セグメント２５６ａと２５６ｂとは、セク
ション２５６ａが金属化され、セクション２５６ｂが金
属化されていないという点において共役性である。既述
のように、金属化されたセグメントは電界を生成するこ
とができ、一方金属化されていないセグメントは電界を
発生させることができず、このように、電界はエミッタ
チップ上で生成され、これがチップの運動方向において
直線的に変化する。

【００３０】再び図３を参照すれば、アレイの軸線の横
方向に並置関係で位置した導電性フィンガ２１６のアレ
イ２１２が示されている。導電性フィンガ２１６は全て
導体２２０により導電性シート２２４に結合されること
によって、導電性シートを付勢させることにより導電性
フィンガを付勢して金属化されたセグメント２０６と正
に同様に電界を発生させる。

【００３１】導電性フィンガのアレイ２１２はバーニャ
アレイに形成され、グレイコードトラック２０４の一方
の値から次の値までの増分即ち遷移の間のエミッタチッ
プ３８の位置と運動とを検出する手段を提供する。即
ち、グレイコードトラック２０４に沿った一方の値から
別の値への遷移は運動のある間隔即ち距離にわたって発
生し、バーニャアレイ２１２がそのような間隔内での位
置と運動とを検出するように提供される。直線変位をバ
ーニャアレイで測定する方法は本明細書に参考のために
組み入れてある米国特許第４，９６４，３０６号に記載
され、同じ技術がここでも利用されている。このよう
に、グレイコードトラック２０４は本発明の変換器に対
して大きなダイナミックレンジを提供し、バーニャアレ
イ２１２が望ましい高解像度を提供する。

【００３２】図３に示され、かつ例えばケイ素から作ら
れた検出プレート８は、エミッタチップ３８が検出プレ
ート８の上方に配置されると、セグメント化したトラッ
ク２０４の横方向に延びるように位置された電界センサ
２３２のアレイを含む。詳細に後述するすように、アレ
イ２３２における各センサはセグメント化したトラック
の各々と対向して配置されている。検出プレート８に
は、エミッタプレート３８と検出プレート８とが図１に
示すように組み立てられると導電性フィンガがアレイ２
１２に対向して位置するよすうに位置した電界センサ２
３６の第２のアレイが形成されている。アレイ２３６の
センサは、均等に隔置され下に位置する導電性フィンガ
２１２より正に僅かに広く離れて均等に離隔されている
横方向の検出要素２６０として図４に最良に示されてい
る。即ち、センサのアレイ２３６と導電性フィンガのア
レイ２１２との所定の距離にわたって、センサより１個
多い導体フィンガがあり、この形態によって変換器のバ
ーニヤ測定スケールを規定する。

【００３３】図８は、直線アレイに配列され、グレイコ
ードを提供するように形成された相補トラックの配置列
を示す。トラックは右側に示され、金属化された部分は
陰をつけて示され「０」を示し、非金属化部分は「１」
を示す。トラックに沿って各増分進行に対する対応のコ
ード値は左側に示され、コード値は一ビットづつ増分
し、一方トラックの頂部から底部へ増分することが判
る。また、トラックの全ての金属化した部分は電気的に
連続しており、エッチングや写真製版技術を用いて容易
に作ることができる。

【００３４】再び図３を参照すれば、検出プレート８の
約２／３を覆いセンサアレイ２３２を部分的に囲繞する
ように配置されている導電シート２４０が示されてい
る。また集積回路２２８が検出プレート８に形成され、
エミッタプレート３８のセンサアレイ２３２，２３６に
よって検出された直線変位即ち歪みを計算するための処
理ロジックを提供する。集積回路２２８はまた、方形波
信号の形態で付勢信号を導電シート２４０に提供する。
導電シート２４０の方は、導電シート２４０をエミッタ
チップ３８の導電シート２２４と容量的に結合する電界
を発生させ、そのため導電性セグメント２０８と導電性
フィンガ２１２とは付勢されて希望する電界パターンを
生成する。

【００３５】図４は本発明のエミッタの代替実施例の上
面図を示す。この実施例においては、２組の相互に指状
化した導電性フィンガ２４１，２４２が提供され、各組
のフィンガは各々の導電性シート２４３，２４４に電気
的に結合されている。対応する検出プレートにおける２
個の個別の導電性シートは導電性シート２４３，２４４
を静電結合して導電性フィンガアレイ２４１，２４２を
１８０度位相をずらすよう駆動即ち付勢してバイポーラ
エミッタアレイを提供する。バイポーラエミッタアレイ
の利点は相互に指状化したフィンガによって放射された
電界のより良好なコントラストが得られることであり、
このため変換器の分解能を向上させる。

【００３６】図６を参照すれば、複数のセグメント化し
たトラック３０８を示す、エミッタチップ３０４の一部
の概略図が示されている。トラック上には２列でセンサ
３１２の横アレイ（グレイコードアレイ）とセンサ３１
６の共直線アレイ（バーニャアレイ）とが配置された状
態で示されている。

【００３７】これらのセンサアレイは検出プレート（図
６には示さず）に位置する。バーニャアレイ３１６は図
３、図４および図５に関して説明したように導電性フィ
ンガから作られるよりもむしろ、代替的に一対の相補性
のセグメント化したトラック３１８から構成されてい
る。

【００３８】前記アレイにおける各センサは、トラック
から発生される電界をさえぎる相補対の各トラック上に
それぞれ配置されている要素３２０，３２４のような２
個の電界検出要素を含む。前記アレイにおける各センサ
はまた、（例えば検出要素３２０，３２４のような）検
出要素に結合された再生差動増幅器を含む。この形態に
より、検出要素３２０，３２４は、それらがその上に位
置している２個のトラックが共役性であるため反対の状
態を検出する。即ち、一方の検出要素は帯電されたセク
ションからの電界を検出するとき、他方の検出要素は非
帯電セクションからの電界の不在を検出したり、あるい
はその逆を行う。このように（例えば高レベル信号と低
レベル信号のように）反対の信号が検出要素３２０，３
２４により再生差動増幅器３２８に供給される。差動増
幅器３２８の方は入力信号の値の間の差を示す出力信号
を発生させる。再生差動増幅器は回路を内蔵しているた
め、ストローブされると、もし２個のセンサプレートの
中の最初の方の結合された電界の量が第２のプレートの
それより大きいとすれば第１の信号を提供し、もし第２
のプレートがより大きい結合された電界を受け取ったと
すれば第２の信号を提供する。電界を検出するために共
役性トラックと再生差動増幅器とを用いることの検出に
おける信頼性は単一のトラックを用いた場合に達成しう
るものに対して電界のある場合と電界の無い場合との間
で変移する。

【００３９】バーニャアレイ３１６に対しては、センサ
の数は、バーニャアレイによって覆われるトラック３１
８の部分上のセグメント遷移（あるいはもしフィンガが
用いられるとすれば、導電性フィンガ）の数より１個だ
け少ないことが有利である。この形態によれば、エミッ
タチップ３０４の極めて小さい直線変位であってもバー
ニャアレイ３１６における一連のセンサが遷移を検出す
ることにより小さい増分変位を読み取ったり、測定す
る。実際、バーニャアレイ３１６は、横アレイのセンサ
３１２によって検出される一連の増分の間の直線変位あ
るいはグレイコード値の変化を微細に読み取る。

【００４０】検出要素と差動増幅器とを含むセンサは、
ＶＬＳＩ製造技術を利用して検出プレート上で作られ
る。センサの出力は、これもＶＬＳＩ技術を用いて（図
３において集積回路２２８として識別している）検出プ
レート上で作られる解釈および計算ロジックに供給され
る。そのようなロジックはバーニャアレイ解釈ロジック
３３０を含み、該ロジックはバーニァアレイのセンサ３
１６におけるセンサからの出力を受け取り、センサ出力
によって代表されるバーニャスケール読取りをバイナリ
コード化した値に変換する。このことはテーブル探索あ
るいは従来の組合せロジックあるいは統計的サンプリン
グにより実証しうる。このバイナリ値はロジック３３０
により組合せロジック回路３３３へ供給される。前記回
路３３３はバーニャアレイおよびグレイコードアレイか
らの情報を組み合わせて変位を示す出力デジタル値とす
る。

【００４１】グレイコードセンサアレイ３１２における
センサからの出力は、センサの出力をグレイコードセン
サアレイが出合うグレイコードの値のバイナリ表示へ変
換する、グレイコードからバイナリへの変換器３３２へ
供給される。このバイナリ情報は組合せロジック回路３
３３へ供給され、この回路は前記情報をロジック３３０
から受け取ったバイナリ情報と組み合わせ、それをシフ
トレジスタ３１４へ供給する。

【００４２】シフトレジスタ３３４に記憶されたバイナ
リ情報は、最も有意でないビット位置を示すロジック３
３０の情報とより有意のビット位置を示すコンバータ３
３２からの情報と共に、エミッタチップ３０４の直線位
置即ち変位を、従って変換器がその上に取り付けられて
いる供試体において発生している歪みを指示する。

【００４３】このように、チップを動かせながらグレイ
コードの変化を検出することによりエミッタチップ３０
４のより粗い位置即ち変位が検出され、一方センサのバ
ーニァアレイ３１６は（グレイコードの値の各増分の間
の）エミッタチップの位置あるいは変位をより微細に検
出する。

【００４４】シフトレジスタ３３４に記憶された情報は
カウンタ／比較器回路３４０から受け取られたシフト信
号に応答してレジスタからバストランシーバ３３８まで
選択的にシフトしうる。カウンタ／比較器回路３４０は
バストランシーバ３３８によって供給されたクロックパ
ルスを計数し、計数がアドレスレジスタ３４４に記憶さ
れているアドレスに対応する値に達すると、シフト信号
がシフトレジスタ３３４へ供給される。アドレスレジス
タ３４４に記憶されたアドレスは図６に示す回路がその
一部をなす特定の変換器を識別する。このように、アド
レスレジスタ３４４を用いることにより多くの変換器の
出力を図６に示すバス３４８のような単一の出力バス上
に多重化することができる。実際、バストランシーバ３
３８によってカウンタ／比較器回路３４０へ供給された
クロックパルスはまた他の変換器の他のカウンタ／比較
器回路へ平行して供給され、それぞれの変換器を識別す
る特定のアドレスに対応するカウンタ／比較器が届く
と、対応するシフトレジスタに記憶されている変位即ち
歪み測定値がバス３４８へ供給され、最終的に利用ユニ
ット３５２へ供給される。このように、歪みの測定値は
バス３４８に多重化され、かつ利用ユニット３５２へ供
給され、該利用ユニットは情報を表示し、その中で歪み
が発生している供試体を調整する上でそれを使用するよ
うに処理したり、等々を行いうる。バス３４８と利用ユ
ニット３５２とは全ての変換器に対して共通であり、一
方各変換器は独自のバストランシーバ、シフトレジス
タ、カウンタ／比較器、アドレスレジスタ等を含んでい
る。そのような全てのロジックや回路はＶＬＳＩ技術を
用いて、図３に示す集積回路セクション２２８において
検出プレート８上で製作しうる。

【００４５】図６に示すロジックや回路を含むことの代
りに、センサの出力を処理して直線変位即ち歪みを検出
するための計算を行うようマイクロプロセッサを設ける
ことができる。このことは、図９に示すようにバーニァ
アレイのセンサの各々の出力をプロットすることにより
生成される波形の位相を決めるアルゴリズムを用いるこ
とを含む多数の方法で実施することができる。アレイに
おける最初のセンサに対するこの周期的な波形の位相が
エミッタと検出器との間の変位を示す。センサが単に２
つの可能な出力状態を有するストローブした再生差動増
幅器である場合、各センサに対するデータ点はセンサを
多数回ストローブし、かつストローブされた回数に対し
て、増幅器の２個のセンサプレートにおいて受け取られ
た電界強度の差を示すものとして受け取った最初の出力
状態の数の比を用いることにより生成する必要がある。
アルゴリズムによって検出された波形の位相は次にバイ
ナリ値に変換される。

【００４６】検出要素と差動増幅器とを用いるセンサの
代りに、バーニャアレイの導電性フィンガから発出する
電界強度の変動を検出するために電界効果型トランジス
タを設けることができる。電界効果型トランジスタは、
周知のように、その値が検出された電界の強度と比例す
る出力信号を提供する。そのような出力は図７に示すア
ナログからデジタルへの変換器によってアナログ形態か
らデジタル形態に変換しうる。ここでは２個のアナログ
からデジタルへの変換器４０４，４０８が示されてい
る。各々のアナログからデジタルへの変換器はライン４
１０ａ，４１０ｂ、等にわたって異なる電界効果型トラ
ンジスタからの出力を受け取る。ランプ電圧は比較器４
２０へ供給され、比較器の方は、ランプ電圧レベルが対
応する電界効果型トランジスタから受け取った信号のレ
ベルに達するとカウンタ４２４に信号を出す。クロック
パルス発生器４１６からのクロックパルスはカウンタ４
２４に供給され、該カウンタは比較器４２０から信号が
受け取られるまでパルスを計数し、前記信号が受け取ら
れるとカウンタはその時にあった計数値を出力リード４
２８へ供給し、例えば図６において説明したような解釈
および計算ロジック回路へ転送する。このように、各々
の電界効果型トランジスタからの出力信号のレベルは処
理のためにデジタル値に変換される。カウンタ４２４、
比較器４２０、ランプ電圧発生器４１２およびクロック
パルス発生器４１６は全て従来の装置である。

【００４７】前述の装置は本発明の原理の適用を例示す
るのみであることを理解すべきである。本発明の精神と
範囲とから逸脱することなく当該技術の専門家は多数の
修正や代替装置を考案でき、したがって、特許請求の範
囲はそのような修正や代替装置を網羅する意図である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理に従って作った直線変位および歪
み測定装置の分解図。

【図２】図１に示すＨ字形構造体、垂直力ばね、および
エミッタの上面図。

【図３】図１に示す装置の検出器とエミッタとの上面
図。

【図４】本発明において使用されるエミッタの別の実施
例の上面図。

【図５】グレイコードトラックとバーニャアレイとを含
むように示された本発明のエミッタの一実施例の上面
図。

【図６】本発明のエミッタの一実施例の直線トラックに
対して位置した検出要素を示す上面図。

【図７】本発明において使用するに適したアナログ／デ
ジタル変換器の一実施例の概略図。

【図８】グレイコード形態を提供する直線相補トラック
の概略図。

【図９】本発明のバーニャアレイセンサの代表的な出力
をプロットしたグラフ。

【符号の説明】

４ベースプレート８検出プレート１２スペーサ２０回路盤２４，２８スペーサ３４ばね３６タブ３８エミッタプレート４０支持プレート４４フレーム６０，６６カバープレート１００，１０４サイドレール１０８端レール１１２，１１６プレートセクション１２０取付けセクション１２４，１２８脚１３２，１３６脚２０８導電性セグメント２１２導電性フィンガ２２４，２４０導電性シート２３２，２３６センサアレイ２２８集積回路２４１，２４２導電性フィンガ２４３，２４４導電性シート３０４エミッタチップ３０８セグメント化したトラック３１２センサアレイ３１６センサアレイ３２０，３２４検出要素３２８差動増幅器３３０解釈ロジック３３３組合せロジック回路３３４シフトレジスタ３３８バストランシーバ３４０カウンタ／比較器３４４アドレスレジスタ３４８バス３５２利用ユニット４０４，４０８アナログ／デジタル変換器４１２ランプ電圧信号発生器４１６クロックパルス発生器４２０比較器４２４カウンタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マイクルジー．ムラデジョブスキーアメリカ合衆国ユタ州ソルトレイクシティー，イーストハリウッドレーン 2269 (56)参考文献特表平３−502132（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/34

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】その直線変位を測定すべき直線方向に運
動可能の要素と、前記運動可能要素に配置され前記要素が運動するにつれ
て運動し、前記要素の運動方向においてエミッタ手段上
で直線的に変動する電界の所定のパターンを生成するエ
ミッタ手段と、前記エミッタ手段が運動するにつれて電界パターンの変
動を検出するように前記エミッタ手段が運動する軌道に
隣接して前記エミッタ手段に近接して配置され、電界パ
ターンの変化、したがって運動可能要素の直線変位の変
動を示す出力信号を発生させる検出手段とを含むことを
特徴とする直線変位測定装置。
【請求項２】前記エミッタ手段が直線方向に運動可能
の要素に取り付けられ、エミッタプレートにより画成さ
れる平面を運動し、かつ前記プレートの活性側から直角
に電界を指向する、全体的に平坦なエミッタプレートを
含み、かつ前記検出手段が固定位置に配置され、その活
性側のエミッタプレートと全体的に平行であって、エミ
ッタプレートが運動するにつれて電磁界パターンの変動
を検出する全体的に平坦な検出プレートを含むことを特
徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】前記運動可能の要素が細長いタブ手段を
含み、前記エミッタプレートがタブ手段に取り付けら
れ、前記プレートの活性側に所定のパターンで形成さ
れ、電気入力信号に応答して電界を発生させる複数のエ
ミッタ要素セクションを含み、さらに電気入力信号をエ
ミッタ要素セクションに供給する手段をさらに含むこと
を特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】前記エミッタ手段がさらに、タブ手段と
エミッタプレートとの間に配置され、前記プレートを検
出プレートとの軽度のこすり接触となるように弾圧し、
検出プレートが該検出プレート上に配置され、エミッタ
プレートと軽度のこすり接触をする耐摩耗フイルムを含
むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】前記弾圧手段が、ばねプレートの平面に対して垂直の方向に弾性であっ
て、エミッタプレートが取り付けられる中央セクション
と、外側フレームセクションと、中央セクションをフレ
ームセクションに接続する複数の脚とを有するばねプレ
ートと、前記ばねプレートのフレームセクションと、タブ手段と
の間に配置され、ばねプレートをタブ手段の上方に保持
する取付け脚とを含むことを特徴とする請求項４に記載
の装置。
【請求項６】前記電気入力信号供給手段が、エミッタプレートの活性側に面する側で検出プレートに
配置された導電性材料の層であって電圧信号が前記層に
供給されると電界を生成し前記層とエミッタ要素セクシ
ョンとを静電結合し、前記エミッタ要素セクションがそ
のため電界を発生させる導電材料の層と、導電材料層に電圧信号を供給する電圧供給手段とを含む
ことを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項７】前記エミッタ要素セクションが電気的に
相互に結合されることを特徴とする請求項６に記載の装
置。
【請求項８】前記エミッタ要素セクションが、トラッ
クの方向にエミッタプレートに沿って直線的に連続して
パターンを変えるように位置した複数の直線の、並置の
選択的にセグメント化されたトラックに変えられること
を特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】前記検出手段が、トラックの全体的に横
方向に、検出プレートのアレイに配置され、エミッタプ
レートが運動するにつれて電界パターンの変化を検出す
る第１の複数の電界センサを含むことを特徴とする請求
項８に記載の装置。
【請求項１０】前記セグメント化されたトラックがデ
ジタルグレイコードを提供するように形成され、エミッ
タプレートが所定量の増分を運動すると、センサが少な
くともコードにおける少なくとも１ビットの変動を検出
することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】グレイコードを示すトラックセグメン
トが複数の対の相補トラックに形成され、対の各トラッ
クは少なくとも１個のトラックが分離されて横方向に離
隔されており、前記センサが複数の対のセンサからな
り、各対が各対の相補トラックに隣接して位置されトラ
ックから発出する電界を検出することを特徴とする請求
項１０に記載の装置。
【請求項１２】各対のセンサが、エミッタプレートが
運動するにつれて導体が出合いうる電界を遮るために各
対の相補トラックに隣接した一対の導電体と、前記導電
体に結合され前記導電体が遮る電界の間の差を表わす出
力信号を発生させる差動増幅器とを含むことを特徴とす
る請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】前記センサが、各トラックが通過して
運動するにつれてトランジスタにより検出される電界の
強度を示す出力信号を発生させる電界効果型トランジス
タからなることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】前記エミッタプレートがさらに、全体
的にトラックに対して平行のアレイにおいて並置関係で
位置され、エミッタ要素セクションが電界を発生させる
と電界を発生するようにエミッタ要素セクションに電気
的に結合されている複数の均等間隔の導電性フインガを
含み、前記検出手段がさらに、エミッタプレートの導電
性フインガのアレイに対向して検出プレートのアレイに
配置され、エミッタプレートがセンサに対して動くにつ
れてフインガから発出する電界の強度の変化を検出する
第２の複数の電界センサを含み、前記第２の複数のセン
サが均等に離隔されることによって、ある範囲にわたる
ある点における各センサがバーニャ形態で導電性フイン
ガに直接対向して位置した唯一のセンサであることを特
徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１５】一方の極性の電気信号によりアレイ中
の導電性フインガを１個おきに付勢する手段と、別の極
性の電気信号によりアレイ中の残りの導電性フインガを
付勢する手段とを含むことを特徴とする請求項１４に記
載の装置。
【請求項１６】第２の複数のセンサの間隔が導電性フ
インガの間隔と相違することを特徴とする請求項１４に
記載の装置。
【請求項１７】前記センサがそれぞれ、センサアレイの方向において離隔された一対の導電体
と、前記対の導電体に結合され、前記対の導体の一方が
他方よりも導電性フインガに近接すると第１の信号を発
生させ、かつ他方の導電体が前記一方の導電体より導電
性フインガに近接すると第２の信号を発生させることに
よりストローブ信号に応答する検出増幅器とを含み、前記検出手段がさらに、ストローブ信号を前記検出増幅
器に選択的に供給する手段と、前記検出増幅器から第１
と第２の信号を受け取り、かつ検出増幅器に供給された
所定数のストローブ信号に対して各検出増幅器から受け
取った第１の信号の数を検出する手段とをさらに含むこ
とを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】前記対の導電体と導電性フインガとが
バーニャスケールを画成するように相互に対して位置し
ていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】前記検出手段がさらに、前記の結合された第１と第２の信号から、所定数のスト
ローブ信号に対して各検出増幅器によって発生した第１
の信号の数を示し、かつ前記導電性フインガと対の導電
体との間の間隔の差に対応した周期を有する周期的なデ
ータプロットを生成する手段と、アレイにおける第１の検出増幅器に対する周期曲線の位
相を検出することにより検出プレートに対するエミッタ
プレートの変位を検出する手段とを含むことを特徴とす
る請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】前記位相検出手段が曲線の零交差を計
算し位相を現わす処理手段を含むことを特徴とする請求
項１９に記載の装置。
【請求項２１】前記位相検出手段が、所定の数理関数
を曲線の少なくとも一部に方形適合させ位相を現わす処
理手段を含むことを特徴とする請求項１９に記載の装
置。
【請求項２２】前記位相検出手段が零の平均値を有す
る修正曲線を生成するに十分な量だけ曲線をオフセット
し、修正した曲線のセクションを積分し、積分が零に最
も近く、修正された曲線が正の遷移である、修正された
曲線に沿った位置を検出することにより位相を現わす処
理手段を含むことを特徴とする請求項１９に記載の装
置。
【請求項２３】前記センサが、その大きさが、それに
対してトランジスタが露出されている電界の強度を表わ
すアナログ信号を発生させる電界効果型トランジスタか
らなることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２４】前記検出手段が電界効果型トランジス
タによって発生したアナログ信号をデジタル信号に変換
するアナログ／デジタル変換手段をさらに含むことを特
徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】前記アナログからデジタルへの変換手
段が、一連のランプ信号を発生させるランプ信号発生器と、一連のクロックパルスを発生させるクロック手段と、それぞれ異なる電界効果型トランジスタとランプ信号発
生器とに結合され、対応する電界効果型トランジスタか
らのアナログ信号をランプ信号と比較し、比較された信
号が適合すると出力信号を発生させる複数の比較手段
と、それぞれ異なる比較手段とクロック手段とに結合され、
対応する比較手段からの出力信号の受取りの間受け取ら
れるクロックパルスの数を表わすデジタルカウントを提
供する複数のカウンタとを含むことを特徴とする請求項
２４に記載の装置。
【請求項２６】第１の複数のセンサに結合され、第１
の複数のセンサにより検出されたグレイコード値を表わ
す第１のバイナリデータを生成する手段と、第２の複数のセンサに結合され、第２の複数のセンサに
より検出されたバーニャ測定値を表わす第２のバイナリ
データを生成する手段と、エミッタプレートの検出プレートに対する直線変位を示
すバイナリワードにおいて第１と第２のバイナリデータ
を組み合わせる手段とをさらに含むことを特徴とする請
求項１４に記載の装置。
【請求項２７】利用ユニットに結合されたデータバス
と、バイナリワードを一時的に記憶するシフトレジスタと、本装置を識別するアドレス番号を記憶するアドレスレジ
スタと、アドレスレジスタに結合され、クロックパルスを受け取
り、かつ計数し、クロックパルスのカウントがアドレス
番号の値と等しくなるとその中味をデータバスへシフト
するようにシフトレジスタに信号を出すカウンタ／比較
器手段と、クロックパルスをカウンタ／比較器手段に供給する手段
とをさらに含むことを特徴とする請求項２６に記載の装
置。
【請求項２８】その歪みを測定すべき対象物に取り付
け可能のフレームと、一端においてフレームに接合され、該フレームに対して
直線方向に運動可能であって、他端において対象物に取
り付け可能の細長い要素と、前記細長い要素に配置され、前記要素が運動するにつれ
て運動するエミッタ手段であって、前記エミッタ手段の
運動方向に延びトラックの長さにわたって変動する電界
の所定パターンを生成する少なくとも１個の直線トラッ
クを含むエミッタ手段と、前記トラックの運動軌道に隣接してエミッタ手段に近接
してフレームに配置され、前記トラックが検出手段に対
して運動するにつれて電界パターンの変動を検出し、前
記変動を、したがって検出手段に対するエミッタ手段の
運動量を表わす出力信号を発生させる検出手段とを含む
ことを特徴とする一軸歪み変換器。
【請求項２９】前記フレームが可撓性構造体を含み、
前記可撓性構造体が、第１と第２の離隔し、全体的に平行のサイドレールと、
前記サイドレールの選択した端部を接合し、サイドレー
ルに対して全体的に垂直の端レールと、相互に対して全体的に平行に延び第１のサイドレールを
一端において細長い要素の一方の側に接合する第１の対
の横方向に可撓性の脚と、相互に対して全体的に平行に延び第２のサイドレールを
前記一端において細長い要素の他方の側に接合する第２
の対の横方向に可撓性の脚とを含み、前記脚が前記の細
長い要素をサイドレールに対して一軸運動できるように
していることを特徴とする請求項２８に記載の変換器。
【請求項３０】検出手段とエミッタ手段との間に配置
された耐摩耗フイルムと、エミッタ手段と細長い要素と
の間に配置され、エミッタ手段を、検出手段上のフイル
ムと軽度のこすり接触するため細長い要素から離れる方
向にエミッタ手段を弾圧する弾性の弾圧手段とをさらに
含むことを特徴とする請求項２９に記載の変換器。
【請求項３１】前記弾圧手段が、ばねプレートの平面に対して直角の方向に弾性的であ
り、その上にエミッタ手段が配置される中央セクション
と、外側の支持セクションと、前記中央セクションを支
持セクションに接合し、中央セクションを細長い要素か
ら離れる方向に弾圧する複数の弾性脚とを有するばねプ
レートと、前記ばねプレートの支持セクションと細長い要素との間
に配置され、ばねプレートを細長い要素の上方ある距離
をおいて保持する取付けパッドとを含むことを特徴とす
る請求項３０に記載の変換器。
【請求項３２】前記フレームがさらに、その上に前記検出手段が配置されるベースプレートであ
って、対象物に取り付け可能のベースプレートと、前記ベースプレート上に配置されエミッタ手段を囲む第
１のスペーサであって、前記可撓性の構造体が第１のス
ペーサ上にあって、そのためエミッタ手段が検出手段と
の軽度の接触状態に配置されている第１のスペーサと、前記可撓性構造体のサイドレールと端レールとに配置さ
れた第２のスペーサと、前記第２のスペーサ上に配置されたカバープレートとを
含むことを特徴とする請求項３１に記載の変換器。
【請求項３３】前記エミッタ手段が、その運動方向に
延在する複数の平行で直線のトラックを含み、前記トラ
ックの各々が付勢されると電界を生成する複数の離隔さ
れた導電性セクションを画成するようにセグメント化さ
れており、前記検出手段が、エミッタ手段がセンサに対
して運動するにつれて各トラックの電界を検出し、かつ
検出された電界を示す電気出力信号を発生させるように
それぞれが各トラックに隣接して位置している複数のセ
ンサを含み、前記変換器がさらに、前記導電性セクショ
ンを付勢する手段と、検出手段に対するエミッタ手段の
運動量を示す、電気出力信号からの利用情報を発生させ
る手段とを含むことを特徴とする請求項３０に記載の変
換器。
【請求項３４】前記トラックのセクションが、検出手
段上の固定の横方向軌跡を通るトラックの運動に対して
その値が増分変化するグレイコードを画成するように形
成され、かつ前記センサが前記横方向の軌跡と一致した
アレイに位置していることを特徴とする請求項３３に記
載の変換器。
【請求項３５】前記検出手段が、選定されたトラック
に隣接して直線配置され、選定されたトラックのセクシ
ョンに対して位置され、第２の複数のセンサに対する選
定されたトラックの運動のバーニャ測定値を提供する第
２の複数のセンサをさらに含むことを特徴とする請求項
３４に記載の変換器。
【請求項３６】トラックが複数の対の相補トラックと
して形成され、一対のトラックの中の一方のトラックの
セクションがいずれかの所定の横方向位置において一対
のトラックの中の他方のトラックのセクションと共役性
であり、各センサが、一対のトラックの各トラックに隣接して配置され各トラ
ックのセクションによって生成された電界を検出する一
対の検出要素と、対の検出要素に結合され、検出要素によって検出される
電界の間の差を示すセンサ信号を発生する再生差動増幅
器とを含むことを特徴とする請求項３５に記載の変換
器。
【請求項３７】各対の相補トラックが少なくとも１個
のトラック分、離隔して横方向に位置していることを特
徴とする請求項３６に記載の変換器。
【請求項３８】前記付勢手段が検出手段に配置され電
圧信号に応答して電界を生成しエミッタ手段の導電性セ
クションを付勢し、かつそれらが電界を生成するように
させる導電性プレートと、電圧信号を導電性プレートへ
供給する手段とを含み、前記導電性セクションが電気的
に相互に結合されていることを特徴とする請求項３３に
記載の変換器。
【請求項３９】前記付勢手段が、検出手配に配置され
電圧信号に応答して電界を生成することによってエミッ
タ手段の導電性セクションを付勢し、かつそれらが電界
を生成させるようにした導電性プレートと、電圧信号を
導電性プレートへ供給する手段とを含み、前記導電性セ
クションが電気的に相互に結合されていることを特徴と
する請求項３４に記載の変換器。
【請求項４０】前記エミッタ手段がさらに、トラック
の前記導電性セクションに電気的に結合され、検出手段
の導電性プレートにより生成された電界の少なくとも一
部を遮る第２の導電性プレートを含むことを特徴とする
請求項３９に記載の変換器。