JP4366615B2 - デュアル共振センサを組み込む分割リングカプラー - Google Patents

Description

（目的）
目的は、回転式シャフトと固定電子問合せ装置の二つの対向する面に設置される一つまたは二つの共振センサの間に非接触リンクを提供する、ＵＨＦ（極超短波）、特に４００ＭＨｚから５００ＭＨｚの周波数範囲で機能する回転式カプラーの設計を提案することである。カプラーは以下を保証しなければならない。

（ａ）カプラーの固定子入力で見られる共振センサ応答の最大振幅、
（ｂ）該応答振幅の最小変動、及び
（ｃ）回転角に伴うセンサの共振周波数の最小変動。

１．Ｒａｃａｌ特許国際公開第９６／３７９２１号パンフレット
該特許は四分の一波長の結合線方向性カプラー（図１，ａを参照すること）、つまり周知の４ポートマイクロ波装置に基づく回転式カプラーを開示している。それと提案されているカプラーの相違点は、後者の結合伝送回線が線形ではなく、周囲がλ／４（または回転角でＳ_４１という位相と振幅の変動を最小限に抑える場合は０．６２λ／４）に近い環状（図１、ｂを参照すること）であるという点である。

固定子リングのポート１から回転子リングのポート４への完全な出力伝達を達成するために、図２，ａに示されるように、四分の一波長の３ｄＢカプラーを装填することができる。ポート２と３は短絡し、出力ポート４はＺ＝Ｚ_０により負荷をかけられ、この場合Ｚ_０は外部回路の特性インピーダンスである。該伝送回線のポートはこのように定義されているため、つねに負荷Ｚがストリップの端部と接地平面（それは図中に示されていない）の間で接続されていることを留意することが重要である。

回転式ＲＦまたはマイクロ波カプラーは、ＳＡＷ共振器、ＳＴＷ共振器、及びＦＢＡＲ共振器またはシャフト面での歪みに敏感な他のタイプの共振構造に基づいたトルクセンサに必要とされる。それは、温度測定及び回転軸上での他の種類の測定を行うためにも使用できる。回転式カプラーは他の分野（例えばレーダ）で広く使用されているが、私たちは回転式カプラーのセンサ用途だけに関心がある。これより先では、興味のある物理量に敏感な任意のタイプの共振構造を示すために用語ＳＡＷセンサを使用するものとする。問合せ装置の目的はＳＡＷセンサの共振周波数を測定することである。センサが図２，ｂに示されているように負荷Ｚの代わりに回転子リングに接続されている場合には、質問者はＳ_１１内で共鳴ピーク、つまり固定子ポート１での周波数応答を容易に「見て」、周波数測定を行うことができる。

センサ用途の場合、固定子リングと回転子リングの間に厳密に定められた量の結合（例えば３ｄＢの結合）と、ポート１で共振周波数を測定できるようにするためにカプラーの厳密に定められた円周長さ（例えばλ／４）を有することは必須ではない。Ｓ_１１での共鳴ピークは幅広いカプラーの幾何学パラメータの範囲内に存在するが、その振幅と位置はＲａｃａｌ特許に開示されているカプラーの幾何学的配列に大いに依存している。いくつかのシャフト直径と周波数の場合、任意の回転角で十分に顕著な共鳴ピークを得ることはきわめて難しい。

センサ用途の場合、以下の二つの態様が重要である。

（ａ）Ｓ_１１での共鳴ピークの振幅は可能な限り大きくなくてはならない、及び
（ｂ）回転角に伴うＳ_１１での共鳴ピークの振幅と位置の変動は可能な限り小さくなくてはならない。

以下に引用されるＴｒａｎｓｅｎｓｅ特許は、この問題の解決をテーマにしている。

２．Ｔｒａｎｓｅｎｓｅ特許出願ＧＢ第２３２８０８６号
この出願は、カプラー帯域幅をわずかに広げ、ポート１で見られる共振周波数の角度変動を削減するために固定子リングの端子１と２の間に微調整用可変コンデンサを追加することでＲａｃａｌの特許と異なっている。ＳＡＷセンサは、図２，ｂに示されているように回転子リングの端子４と接地の間で接続されている。センサが複数のＳＡＷ共振器を含む場合には、それらのそれぞれが別の固定子リングに結合される別の回転子リングに接続される必要がある。本願に従って、すべての固定子リングと回転子リングは同じ固定子ボードと回転子ボードの上にあることができる。しかしながら、同心円状であるが、それらは異なる直径を有し、その結果、固定子入力で見られる共鳴ピークは回転角に伴い異なって変化する。結果として、共振周波数の間の差異を測定することは、角度周波数変動の効率的な消去を可能にしない。

３．Ｔｒａｎｓｅｎｓｅ特許出願ＧＢ第２３６８４７０号
この出願は、前記特許出願に説明されているカプラーに類似したカプラーを開示している。それは事実上、それぞれが完全な円ではなく単に半円を形成し、平行に接続されている２個のＲａｓｃａｌ型のカプラーからなる。これにより、カプラー総円周がλ／４より大きくなるように直径が大きい方のシャフトのあるカプラーを使用できる。ＳＡＷセンサはストリップライン端部と接地平面の間で再び接続されている。

４．Ｔｒａｎｓｅｎｓｅ特許出願第２３７１４１４号
この出願に開示されているカプラーは、すべての前記特許においてのように電磁的に結合された伝送回線に基づいていない。それは、電場によって結合を妨げる、間に接地された遮電壁のある二つの純粋に磁気的に結合されたループを活用している。このカプラーは円周が波長より大幅に短い低周波でも問題なく動くはずである。より高い周波数では、カプラーの両面に接地面がなく、場の制限が弱いために、かなりの放射損があり、カプラーも干渉の影響を受けやすくなる。固定子の入力での小さな信号振幅もこのカプラーにとっては問題がある。

５．Ｏ．Ｓｈｔｅｉｎｂｅｒｇ及びＳ．Ｚｈｇｏｏｎによる論文
該論文は、図２Ｃに示されているように二つの環状に結合された伝送回線からなるカプラーを説明している。ＳＡＷ共振器は、従来の技術の文書３においてのように端子４と接地の間で接続される代わりに、端子３と４の間で接続されている。
特許国際公開第９６／３７９２１号 英国特許出願第２３２８０８６号 英国特許出願第２３６８４７０号 特許出願第２３７１４１４号 Ｏ．Ｓｈｔｅｉｎｂｅｒｇ及びＳ．Ｚｈｇｏｏｎによる論文

本発明に従って、固定子が少なくとも第一の端部（１）と第二の端部（２）を有するようにその中に少なくとも一つの割れ目を有する固定子リングと、回転子リングが少なくとも第一の端部（３）と第二の端部（４）を有するようにその中に少なくとも一つの割れ目を有する回転子リングと、前記回転子リングが前記固定子リングと実質的に同軸方向に向けられ、前記固定子リングから軸に沿って離間され、該回転子リングの前記第一の端部と第二の端部の間で直列に電気的に結合される少なくとも一つのＳＡＷ共振器とを備え、該固定子リングの第一の端部（１）が、使用中に信号分析手段に結合され、該固定子リングの第二の端部（２）が抵抗器を通して接地に接続され、当該抵抗器の抵抗値が信号線の特性インピーダンスより大きく、前記固定子リングの端部はいずれも接地に直接的に接続されず、該回転子リングと該固定子リングのそれぞれが、電磁的に結合されたマイクロストリップ結合線を形成するために、電磁場を制限し、放射線を削減する独自の接地平面を有する分割リングカプラーが提供される。
使用中、該固定子リングの該端部の一方は、ネットワークアナライザまたは他の電子部品等の信号分析手段に結合される。好適実施形態では、固定子リングの他方の端部は抵抗器を通して接地に結合され、その値はさまざまな用途で変えられてよい。しかしながら、該抵抗器の該値が信号線の特性インピーダンスより大きいことが有利であることが判明している。一実施形態では、前記他方端部は開回路のまま、つまり事実上それに無限抵抗が付された状態とされてよい。

さらに詳細には、該少なくとも一つのＳＡＷ共振器は、該回転子リングの該第一の端部と第二の端部の間で接続される、つまりそれと直列である。複数の共振器は代わりに前記回転子リングに接続されてよい。一実施形態では、複数の共振器は互いに並列に、及び回転子リングと直列に接続されている。つまり、各共振器の一方の接点は回転子リングの第一の端部に接続され、各共振器の他方の接点は回転子リングの第二の端部に接続されている。

本発明のさらなる進展において、回転子リングは、それぞれのアーチ形のセクションが他方のアーチ形のセクションの一方の端部と関連付けられている二つの分割部分によって分離されている二つの別々のアーチ形のセクションに分割するために二重の分割リングとして形成されてよい。次に、それぞれが互いとだけではなく回転子リングの二つのアーチ形セクションとも直列に結合される二つの共振器つまり共振器組立品を有する回転子リングを形成するために、少なくとも一つのＳＡＷ共振器が、二つのアーチ形セクションのそれぞれの組の関連付けられた端部の間に結合される。それぞれの端部組について、複数のＳＡＷ共振器が互いに並列に、及び回転子リングに直列に接続されてよいことが理解されるのは言うまでもない。回転子リングが、少なくとも一つのＳＡＷデバイスが回転子リングの隣接するセクションの間で直列に結合されている三つ以上のセクションに再分割されてよいことも理解される。

カプラー及びその性能に関する説明
提案されているカプラーの第一の実施形態は図３，ａに示されている。それは回転するシャフトとポート１に接続されている固定問合せ機に取り付けられる単一の共振器を含む単一のセンサを結合するために使用される。問合せ機は、Ｔｒａｎｓｃｅｎｓｅ特許ＧＢ第０５１８９００号またはＴｒａｎｓｅｎｓｅ特許出願ＧＢ第３０８７２８．５号に開示されているように、ポート１で見られる共振周波数の連続追跡調査、またはＴｒａｎｓｅｎｓｅ特許出願ＧＢ第０１２０５７１．５号に開示されていたものに類似するパルス化問合せのどちらかを実行する。両方のケースとも重要な特徴はＳ_１１の周波数応答の共鳴ピークである。

前述の文書１、２、３に開示されているカプラーと同様に、提案されているカプラーは二つのマイクロストリップ分割リング、つまりそれらの間に約０．５ｍｍから２ｍｍの特定の隙間がある固定子リングと回転子リングからなる。それらの両方ともそのそれぞれの接地平面（図３では不図示）と電磁的に結合された伝送回線を形成する。各リングはただ一つの割れ目を有し、つまり４つのポートを形成する。提案されているカプラーと前述されたカプラーの主要な相違点は、共振センサがマイクロストリップの端部と接地平面の間ではなく、回転子リングを表すマイクロストリップラインの二つの隣接する端部の間で接続されているという点である。すなわち、ＳＡＷ共振器はその端部の一方に並列に接続される代わりに、分割リングと直列に接続されている。センサが、二つの別々の共振周波数が互いに直列にまたは並列に（例えば、それらの一方が基準として使用される）のどちらかで接続されている二つのＳＡＷ共振器からなる状況がある場合がある。この場合、センサは、本発明の第二の実施形態を開示する図３，ｂに示されるように依然として回転子分割リングと直列に接続できる。原則的には、センサはさまざまな共振周波数を有する任意の数の共振器を含むことができる。それらは、対応する数の連続周波数追跡調査ループによって、またはそれぞれＧＢ第０３０８７２８．５号またはＧＢ第０１２０５７１．５号に開示されているような単一のパルス化問合せ機によって依然としてポート１で問合せできる。

別の相違点は、固定子リングのポート２が一般的なケースでは抵抗器Ｒによって負荷をかけられているという点である。抵抗器の値を変えることによって、Ｓ_１１での共鳴ピークが十分に高い振幅と、同時にその振幅と位置の許容できる量の角度変動を有するように共振器付きのカプラーの周波数応答を調整できる。後者は図４，ａ，図４，ｂ及び図４，ｃから見ることができ、｜Ｓ_１１｜は、三つのケース、つまり（従来の技術の文書５でのように）Ｒ＝０、Ｒ＝５０Ω及びＲ＝Ωで異なる回転角の値について共振周波数の内の一つの近傍で周波数に対して描かれている。分割リングは以下のパラメータを有する。つまり線幅は２．４ｍｍであり、基板厚さ１．６ｍｍであり、基板誘電定数は４．７であり、隙間は１ｍｍであり、直径は共振時の０．５２４λというカプラー円周に相当する１９．８ｍｍである。ＳＡＷ共振器の両方とも、無負荷時Ｑ＝１２０００、直列共振インピーダンス４９Ω、及び静電容量１．９ｐＦを有する。グラフから分かるように、信号振幅は（従来の技術文書５においてのように）固定子リングの短絡したポート２について最小であり、それは次にＲの値の増加に伴い増加する。角度に伴うピーク振幅と位置の変動量はＲ＝０（０．６ｋＨｚ）及びＲ＞＞５０Ω（１．８ｋＨｚ）で最小であり、Ｒ＝５０Ω（７．８ＫｈＺ）で最大である。比較のために、図５は、同じパラメータを有する、図２，ｂに提示されている普通のカプラーの周波数応答を示している。分かるように、この場合の信号振幅はＲ＝１０ｋΩで提案されているカプラーの場合より少なくとも二倍小さく、ピーク振幅変動ははるかに大きく、ピーク位置変動（１．５ｋＨｚ）は同程度である。大きな値の抵抗器の代わりに開回路も使用できる。

図３に示されている新しいカプラーは従来の技術の文書１と２に開示されている旧いカプラー（図２，ｂを参照すること）より、大きい直径のシャフトを用いる作業により適している。波長で表されている円周長と対照してポート１で見られる共鳴ピークの振幅を提示する図６から分かるように、（Ｒ＝１０ｋΩの場合の）新しいカプラーの場合Ｌ＝０．６３λのあたりに振幅の幅広い最大値がある。４３０ＭＨｚでは、それは多くの自動車用途（例えばＥＰＡＳ用のトルクセンサ）のために通常１５ｍｍから２０ｍｍの直径を有するシャフトのための非常に便利なサイズである４８ｍｍというカプラー直径に相当する。旧いカプラーはカプラー直径１６ｍｍ、３２ｍｍ、及び８０ｍｍの場合に最大ピーク振幅を有するであろう。最初の二つのサイズは小さすぎ、最後のサイズは大きすぎる。

図３に示されている第一の実施形態と従来の技術の文書４に開示されている設計の相違点は、固定子リングと回転子リングが単に磁気的に結合されているループではないという点である。それらは電磁的に結合されている伝送回線である。それらのそれぞれは、電磁場を制限し、放射線を削減する独自の接地平面を有している。また、この設計のためのカプラー入力での共鳴ピークの十分に高い振幅を達成することもさらに容易である。

図３に示されている第一の実施形態と図２，ｃに示されている従来の技術の文書５に開示されている設計の相違点は、固定子リングの端子２が短絡していないという点である。代わりに、それは開回路にされるか、あるいは値が信号振幅と、端子１で見られる共振周波数の角度変動の量を最適化するために選択される抵抗器Ｒによって負荷をかけられるかのどちらかである。カプラーの固定された円周長さの場合、Ｒの存在が設計者に、端子１で見られる共鳴ピークのさらに大きな振幅を達成するために役立つさらに少しの自由度を与える。

カプラーの第三の実施形態は図７に示されている。非常に頻繁にトルクセンサはシャフトの曲げに完全に反応しない。曲げ補償は、二つの検出素子がシャフトの対向する側面に取り付けられ、二つのトルク読取値の平均が採取される場合に達成できる。原則的には両方の共振センサとも図２，ｂに示されている旧いカプラーのポート４に並列に接続できる。この場合、長い結合ワイヤまたは追加のマイクロストリップラインのどちらかが使用される必要がある。両方のケースで、それらはＳＡＷ共振器のインピーダンスを修正し、追加の整合回路が必要とされる可能性がある。回転子設計は、二つの共振センサが図７に示されているように回転子リングの二つの割れ目の中で直列に接続されている場合に大幅に簡略化される。二つの共振周波数の間に妥当な分離がある場合には、シャフトの反対側にある第二のセンサの存在は第一のセンサの性能に影響を与えない。図８では、検出素子のそれぞれに二つのＳＡＷ共振器がある場合のカプラーの周波数応答の例を見ることができる。第一の検出素子は４３０ＭＨｚと４３２ＭＨｚで動作する共振器を含み、第二の検出素子は４３５ＭＨｚと４３７ＭＨｚで動作する共振器を含んでいる。

必要とされる場合、三つ以上の検出素子が回転子リングの三つ以上の割れ目の中に直列に接続できる。

Claims (16)

1. 固定子が少なくとも第一の端部（１）と第二の端部（２）を有するようにその中に少なくとも一つの割れ目を有する固定子リングと、回転子リングが少なくとも第一の端部（３）と第二の端部（４）を有するようにその中に少なくとも一つの割れ目を有する回転子リングと、前記回転子リングが前記固定子リングと実質的に同軸方向に向けられ、前記固定子リングから軸に沿って離間され、該回転子リングの前記第一の端部と第二の端部の間で直列に電気的に結合される少なくとも一つのＳＡＷ共振器とを備え、該固定子リングの第一の端部（１）が、使用中に信号分析手段に結合され、該固定子リングの第二の端部（２）が抵抗器を通して接地に接続され、当該抵抗器の抵抗値が信号線の特性インピーダンスより大きく、前記固定子リングの端部はいずれも接地に直接的に接続されず、該回転子リングと該固定子リングのそれぞれが、電磁的に結合されたマイクロストリップ結合線を形成するために、電磁場を制限し、放射線を削減する独自の接地平面を有する分割リングカプラー。
2. 前記信号分析手段がネットワークアナライザを包含する請求項１に記載の分割リングカプラー。
3. 該固定子リングの前記第二の端部（２）が開回路である請求項１または請求項２に記載の分割リングカプラー。
4. 複数のＳＡＷ共振器が該回転子リングの該第一の端部（３）と第二の端部（４）の間で電気的に結合される請求項１〜３のいずれか一項に記載の分割リングカプラー。
5. 各ＳＡＷ共振器は、該回転子リングの該第一の端部（３）と第二の端部（４）と直列に、及び互いに並列に接続される請求項４に記載の分割リングカプラー。
6. 各ＳＡＷ共振器が該回転子リングの該第一の端部（３）と第二の端部（４）と直列に、及びそれぞれと直列に接続される請求項４に記載の分割リングカプラー。
7. 各ＳＡＷ共振器が該回転子リングの該第一の端部（３）と第二の端部（４）と直列に接続され、前記共振器のいくつかが互いと直列に、及び前記共振器の他と並列に接続される請求項４に記載の分割リングカプラー。
8. 該回転子リングが、それぞれのアーチ形のセクションの各端部が他方のアーチ形のセクションの隣接する端部と関連付けられている、該回転子リングを二つの実質的に半円形のアーチ形のセクションに分割する二つの割れ目を含む請求項１〜７のいずれか一項に記載の分割リングカプラー。
9. 該回転子リングが、それぞれのアーチ形のセクションの各端部が隣接するアーチ形のセクションの隣接する端部と関連付けられている、複数のアーチ形のセクションにそれを分割する複数の割れ目を含む請求項８に記載の分割リングカプラー。
10. 少なくとも一つのＳＡＷ共振器が回転子リングの関連付けられた端部（３、４）の各組の間で接続される請求項８または請求項９に記載の分割リングカプラー。
11. 各ＳＡＷ共振器が該回転子リングの該アーチ形セクションと直列に接続される請求項１０に記載の分割リングカプラー。
12. 複数のＳＡＷ共振器が該回転子リングの関連付けられた端部（３、４）の各組の間で接続され、各共振器が該回転子リングの前記アーチ形セクションと直列で接続される請求項１１に記載の分割リングカプラー。
13. 前記共振器が互いと直列に接続される請求項１２に記載の分割リングカプラー。
14. 前記共振器が互いと並列に接続される請求項１２に記載の分割リングカプラー。
15. 前記共振器が互いと直列に、及び他の共振器と並列に接続される共振器を含む請求項１２に記載の分割リングカプラー。
16. 該回転子リングと関連付けられた該接地平面が該固定子リングから遠く離れた該回転子リングの側面に位置し、該固定子リングと関連付けられた該接地平面が該回転子リングから遠く離れた該固定子リングの側面に位置する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の分割リングカプラー。

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