JP4183201B2 - 応力センサ及び応力検出方法 - Google Patents
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また、前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出することを特徴とする。このような応力センサによれば、自由振動波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて測定することができる。しかも、応力検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、共振回路の基準共振周波数に依存しないので、検出対象に応じて共振回路の基準共振周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
また、前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させることを特徴とする。このような応力センサによれば、回路構成を複雑にすることなく、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を増やすだけで、自由振動波の位相ズレ成分を任意に増幅させることができるので、応力センサの検出精度を飛躍的に向上させることができる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも多くしたことを特徴とする。このような応力センサによれば、自由振動波の減衰が大きく、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を多くできない状況であっても、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数を多くし、要求精度を満たすことができる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも少なくしたことを特徴とする。このような応力センサによれば、自由振動波カウント処理の繰り返し時(継ぎ目)に発生する誤差(例えば、比較器性能に起因する繰り返し処理時間の変動誤差)の蓄積を抑制し、測定精度を向上させることができる。また、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数が実質的に制限されるので、一回の検出処理時間が著しく長くなることを避け、良好な応答性が得られる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数と一致させたことを特徴とする。このような応力センサによれば、要求される測定精度や応答性能に応じて、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数を設定するにあたり、自由振動波カウント処理の繰り返し回数と、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数とのバランスを均等に保ち、いずれか一方の偏った増減による測定精度の低下を防止することができる。例えば、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数に比して極端に多くした場合の如く、自由振動波カウント処理の繰り返し時(継ぎ目)に発生する測定誤差(例えば、比較器性能に起因する繰り返し処理時間の変動誤差)が蓄積されて、測定精度が低下するという問題を回避できる。また、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を、自由振動波カウント処理の繰り返し回数に比して極端に多くした場合の如く、自由振動波の振幅不足によって誤測定が発生するという問題を回避できる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数、及び/又は、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を変更する手段を備えることを特徴とする。このような応力センサによれば、使用条件に応じて自由振動波カウント数や繰り返し回数を変更し、応力検出の検出精度や応答性能を調整することができる。
また、前記検出コイルは、前記金属における検出領域及び/又は検出方向を限定するために、金属との間で閉磁路を構成することを特徴とする。このような応力センサによれば、金属における検出領域や検出方向を限定し、応力の検出精度をさらに向上させることができる。つまり、本発明の応力センサでは、応力に応じた自由振動波の位相ズレを、自由振動波の数だけ蓄積して検出するので、自由振動波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、金属における検出領域や検出方向を限定することにより、SN比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、磁歪式トルクセンサなどを構成する場合、検出コイル側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸であっても、本発明による応力検出の適用が可能となる。
また、前記検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、金属との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする。このような応力センサによれば、閉磁路に生じる磁束密度を高めて、金属の磁気的な特性変化を高精度に検出することができる。
また、前記金属は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする。このような応力センサによれば、応力に応じた磁歪膜における磁歪の逆効果にもとづいて、応力を高精度に検出できるだけでなく、応力検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の応力センサでは、メッキ法により成膜された磁歪膜(例えば、ニッケルメッキ)であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材(樹脂を含む)を対象として、高精度な応力検出を行うことができる。
また、本発明の応力検出方法は、金属に生じる応力を検出する応力検出方法であって、前記金属に対して近接配置される検出コイルと、該検出コイルに対して直列又は並列に接続されるコンデンサとが用いられ、前記検出コイルと前記コンデンサとからなる共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、前記金属に生じる応力を検出することを特徴とする。このような応力検出方法によれば、金属に生じる応力を高精度に検出することができる。すなわち、上記のような共振回路から減衰状に出力される自由振動波においては、応力による金属の磁気的な特性変化(透磁率変化など)が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、自由振動波における位相ズレは、振動波の数だけ蓄積されるので、応力に応じて変化する位相ズレを高精度に検出できる。
また、前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出することを特徴とする。このような応力検出方法によれば、自由振動波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて測定することができる。しかも、応力検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、共振回路の基準共振周波数に依存しないので、検出対象に応じて共振回路の基準共振周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
また、前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させることを特徴とする。このような応力検出方法によれば、回路構成を複雑にすることなく、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を増やすだけで、自由振動波の位相ズレ成分を任意に増幅させることができるので、応力センサの検出精度を飛躍的に向上させることができる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも多くしたことを特徴とする。このような応力検出方法によれば、自由振動波の減衰が大きく、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を多くできない状況であっても、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数を多くし、要求精度を満たすことができる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも少なくしたことを特徴とする。このような応力検出方法によれば、自由振動波カウント処理の繰り返し時(継ぎ目)に発生する誤差(例えば、比較器性能に起因する繰り返し処理時間の変動誤差)の蓄積を抑制し、測定精度を向上させることができる。また、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数が実質的に制限されるので、一回の検出処理時間が著しく長くなることを避け、良好な応答性が得られる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数と一致させたことを特徴とする。このような応力検出方法によれば、要求される測定精度や応答性能に応じて、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数を設定するにあたり、自由振動波カウント処理の繰り返し回数と、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数とのバランスを均等に保ち、いずれか一方の偏った増減による測定精度の低下を防止することができる。例えば、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数に比して極端に多くした場合の如く、自由振動波カウント処理の繰り返し時(継ぎ目)に発生する測定誤差(例えば、比較器性能に起因する繰り返し処理時間の変動誤差)が蓄積されて、測定精度が低下するという問題を回避できる。また、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を、自由振動波カウント処理の繰り返し回数に比して極端に多くした場合の如く、自由振動波の振幅不足によって誤測定が発生するという問題を回避できる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数、及び/又は、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を変更することを特徴とする。このような応力検出方法によれば、使用条件に応じて自由振動波カウント数や繰り返し回数を変更し、応力検出の検出精度や応答性能を調整することができる。
また、前記検出コイルは、前記金属における検出領域及び/又は検出方向を限定するために、金属との間で閉磁路を構成することを特徴とする。このような応力検出方法によれば、金属における検出領域や検出方向を限定し、応力の検出精度をさらに向上させることができる。つまり、本発明の応力検出方法では、応力に応じた自由振動波の位相ズレを、自由振動波の数だけ蓄積して検出するので、自由振動波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、金属における検出領域や検出方向を限定することにより、SN比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、磁歪式トルクセンサを構成する場合、検出コイル側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸であっても、本発明による応力検出の適用が可能となる。
また、前記検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、金属との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする。このような応力検出方法によれば、閉磁路に生じる磁束密度を高めて、金属の磁気的な特性変化を高精度に検出することができる。
また、前記金属は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする。このような応力検出方法によれば、応力に応じた磁歪膜における磁歪の逆効果にもとづいて、応力を高精度に検出できるだけでなく、応力検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の応力検出方法では、メッキ法により成膜された磁歪膜(例えば、ニッケルメッキ)であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材(樹脂を含む)を対象として、高精度な応力検出を行うことができる。
2 共振回路
3 検出回路
C コンデンサ
L 検出コイル
S 回転軸
11 磁歪式トルクセンサ
12、13 共振回路
14 検出回路
C1、C2 コンデンサ
L1、L2 検出コイル
22 引張・圧縮応力センサ
図1は、本発明の第一実施形態に係る応力センサ(簡易式トルクセンサ)の構成を示すブロック図である。この図に示される応力センサは、少なくとも軸表面が金属で形成される回転軸S(又は静止軸)を対象とし、該回転軸Sに生じるトルク(捻り応力)を検出する簡易式のトルクセンサ1であって、共振回路2及び検出回路3を備えて構成されている。なお、本実施形態のトルクセンサ1は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用してトルク検出を行う磁歪式トルクセンサであるが、トルクの極性検出機能や温度補償機能を備えていないため、簡易式と称する。
ちなみに、共振回路2を強制振動させる共振周波数fは、以下に示す式で求めることができる。
つぎに、本発明の第二実施形態に係る応力センサ(磁歪式トルクセンサ)について、図14〜図18を参照して説明する。ただし、基本的な応力の検出原理は、第一実施形態と同様であるため、第一実施形態の説明を援用する。
つぎに、本発明の第三実施形態に係る応力センサ(引張・圧縮応力センサ)について、図19を参照して説明する。ただし、第二実施形態と共通の部分については、第二実施形態と同一符号を付し、第二実施形態の説明を援用する。
Claims (20)
- 金属に生じる応力を検出する応力センサであって、前記金属に対して近接配置される検出コイルと、該検出コイルに対して直列又は並列に接続されるコンデンサとが備えられ、前記検出コイルと前記コンデンサとからなる共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、前記金属に生じる応力を検出することを特徴とする応力センサ。
- 前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出することを特徴とする請求項1記載の応力センサ。
- 前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させることを特徴とする請求項2記載の応力センサ。
- 一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも多くしたことを特徴とする請求項3記載の応力センサ。
- 一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも少なくしたことを特徴とする請求項3記載の応力センサ。
- 一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数と一致させたことを特徴とする請求項3記載の応力センサ。
- 一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数、及び/又は、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を変更する手段を備えることを特徴とする請求項2〜6のいずれかに記載の応力センサ。
- 前記検出コイルは、前記金属における検出領域及び/又は検出方向を限定するために、金属との間で閉磁路を構成することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の応力センサ。
- 前記検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、金属との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする請求項8記載の応力センサ。
- 前記金属は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の応力センサ。
- 金属に生じる応力を検出する応力検出方法であって、前記金属に対して近接配置される検出コイルと、該検出コイルに対して直列又は並列に接続されるコンデンサとが用いられ、前記検出コイルと前記コンデンサとからなる共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、前記金属に生じる応力を検出することを特徴とする応力検出方法。
- 前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出することを特徴とする請求項11記載の応力検出方法。
- 前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させることを特徴とする請求項12記載の応力検出方法。
- 一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも多くしたことを特徴とする請求項13記載の応力検出方法。
- 一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも少なくしたことを特徴とする請求項13記載の応力検出方法。
- 一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数と一致させたことを特徴とする請求項13記載の応力検出方法。
- 一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数、及び/又は、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を変更することを特徴とする請求項12〜16のいずれかに記載の応力検出方法。
- 前記検出コイルは、前記金属における検出領域及び/又は検出方向を限定するために、金属との間で閉磁路を構成することを特徴とする請求項11〜17のいずれかに記載の応力検出方法。
- 前記検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、金属との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする請求項18記載の応力検出方法。
- 前記金属は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする請求項11〜19のいずれかに記載の応力検出方法。
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