JPH05332855A - 超音波トルクデバイスおよび超音波トルク測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電基板の変位に対応して超音波の伝搬時間
が変化する超音波トルクデバイスと、回転軸のトルクを
測定する超音波トルク測定装置を提供する。 【構成】 すだれ状電極２，４間、および３，５間にそ
れぞれ遅延線発振器を構成すると、すだれ状電極２，４
間、および３，５間にラム波が励振される。動力伝達体
６を回転軸７と８の間に装着し、回転軸７と８を回転さ
せると、動力伝達体６に設けられている圧電基板１には
回転軸７と８のトルク差に比例したねじれが生じる。こ
のねじれによる変位は、それぞれの遅延線発振器の発振
周波数の差に相関する。従って、この発振周波数の差か
ら回転軸７および８のトルク差を算出できる。 【効果】 感度が良く、微少なものから大きなものまで
広範囲のトルク測定が可能な超音波トルク測定装置と、
それに用いられるデバイスを構成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電基板の一方の板面
上に少なくとも４組のすだれ状電極Ａ１，Ａ２，Ｂ１，
Ｂ２を設けて成り、前記圧電基板のねじれによる変位に
対応して、前記すだれ状電極Ａ１とＡ２との間を伝搬す
る超音波の伝搬時間Ｔ１と、Ｂ１とＢ２との間を伝搬す
る超音波の伝搬時間Ｔ２との間に差異が生じる超音波ト
ルクデバイスと、該超音波トルクデバイスを遅延素子ま
たは共振子とする発振器を構成し、該発振器の発振周波
数から被検体としての回転軸のトルクを算出する超音波
トルク測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のトルク測定装置としては、吸収動
力計、反動動力計、ねじれトルク計等が挙げられる。吸
収動力計は、原動機の発生する動力を特殊な吸収装置で
吸収し、そこに作用するトルクを測定するものであり、
プロニーブレーキを利用したもの、水抵抗を利用したも
の等がある。反動動力計は、動力供給装置に作用する反
動トルクを測定するものであり、電気動力計等がある。
吸収動力計や反動動力計は原動機のトルク、または負荷
の消費トルクを測定するもので、特殊な測定装置が必要
なので実働状態で用いるには困難である。ねじれトルク
計は、動力伝達軸のねじれからトルクを測定するもので
あり、実働状態のトルクを測定するには最も適してい
る。動力伝達軸にはトルクに比例したねじれが発生して
いることから、そのねじれを測定すれば、トルクを求め
ることができる。ねじれを測定するには機械的、光学
的、電気的方法その他いろいろな方法がある。たとえ
ば、抵抗線ひずみ計型トルク計、磁わい型トルク計、磁
気誘導型トルク計、パルス式トルク計等が挙げられる。
これら従来のトルク測定装置は、概して大型で、微少な
トルクを測定することができなかった。また、構造上の
制約から実働状態で用いることができなかったり、電磁
干渉やノイズによる誤差を生じることが多かった。ま
た、測定対象のトルクの大きさに応じて別々の装置を必
要とした。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のトルク測定装置
は、概して大型で、微少なトルクの測定が不可能で、電
磁干渉やノイズによる誤差が多く、トルクの大きさに応
じたそれぞれの装置を必要とした。

【０００４】本発明の目的は、圧電基板の変位に対応し
て該圧電基板を伝搬する超音波の伝搬時間が変化し、超
音波トルク測定装置やその他の装置に応用される超音波
トルクデバイスを提供することにある。

【０００５】本発明のもう一つの目的は、感度が良く、
微少なものから大きなものまで広範囲のトルク測定が可
能で、電磁的影響下でも使用でき、静トルクおよび動ト
ルクの両方の測定が可能で、操作が簡単で、応答速度が
速く（測定時間が短く）、小型軽量な超音波トルク測定
装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の超音波
トルクデバイスは、圧電基板の一方の板面上に少なくと
も４組のすだれ状電極Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を設けて
成る超音波トルクデバイスにおいて、前記すだれ状電極
Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２は、電極指が円弧状でそれぞれ
の曲率中心が一致する円弧状すだれ状電極か、または電
極指が直線状である直線状すだれ状電極であって、前記
すだれ状電極Ａ１またはＢ１を入力用、Ａ２またはＢ２
を出力用とし、前記すだれ状電極Ａ１とＢ１との中心点
と、Ａ２とＢ２との中心点とを結ぶ直線に対し、前記す
だれ状電極Ａ１とＢ１、およびＡ２とＢ２とが互いに線
対称であって、前記すだれ状電極Ａ１とＡ２との間の超
音波の伝搬路と、Ｂ１とＢ２との間の超音波の伝搬路と
が互いに交差していて、前記すだれ状電極Ａ１とＡ２と
の離間距離、およびＢ１とＢ２との離間距離が等しく、
前記圧電基板のねじれによる変位に対応して、前記すだ
れ状電極Ａ１とＡ２との間を伝搬する超音波の伝搬時間
Ｔ１と、Ｂ１とＢ２との間を伝搬する超音波の伝搬時間
Ｔ２との間に差異が生じることを特徴とする。

【０００７】請求項２に記載の超音波トルクデバイス
は、前記超音波が弾性表面波で成り、前記圧電基板の厚
さが前記すだれ状電極Ａ１，Ａ２，Ｂ１またはＢ２の電
極周期長の３倍以上であることを特徴とする。

【０００８】請求項３に記載の超音波トルクデバイス
は、前記超音波がラム波で成り、前記圧電基板の厚さが
前記すだれ状電極Ａ１，Ａ２，Ｂ１またはＢ２の電極周
期長以下であることを特徴とする。

【０００９】請求項４に記載の超音波トルクデバイス
は、前記圧電基板がＰＶＤＦその他の高分子圧電フィル
ムで成ることを特徴とする。

【００１０】請求項５に記載の超音波トルク測定装置
は、請求項１，２，３または４に記載の超音波トルクデ
バイスを動力伝達体に設けて成る超音波トルク測定装置
であって、前記超音波トルクデバイスにおける前記すだ
れ状電極Ａ１，Ａ２間を超音波伝搬路とする遅延素子ま
たは共振子から成る第１の発振器と、前記すだれ状電極
Ｂ１，Ｂ２間を超音波伝搬路とする遅延素子または共振
子から成る第２の発振器とを構成し、前記超音波トルク
デバイスの前記圧電基板を前記動力伝達体に固着し、前
記動力伝達体を少なくとも１つの回転軸に固着し、前記
超音波トルクデバイスの前記圧電基板に前記回転軸のト
ルクに比例したねじれを生じさせ、前記超音波トルクデ
バイスにおける前記すだれ状電極Ａ１とＢ１との中心点
と、Ａ２とＢ２との中心点とを結ぶ直線は、前記回転軸
の軸方向と平行であって、前記伝搬時間Ｔ１およびＴ２
を前記第１の発振器の発振周波数ｆ１および前記第２の
発振器の発振周波数ｆ２でそれぞれ表し、該発振周波数
の差（ｆ２−ｆ１）から前記回転軸のトルクを算出する
ことを特徴とする。

【００１１】請求項６に記載の超音波トルク測定装置
は、前記動力伝達体が柱状で、前記動力伝達体の側面に
前記超音波トルクデバイスの前記圧電基板を固着し、前
記動力伝達体の一方の端を固定物に固定するかまたは回
転軸Ｃの片方の端に固定し、前記動力伝達体のもう一方
の端を回転軸Ｄの片方の端に固定し、前記回転軸Ｄのト
ルク、または前記回転軸Ｃと前記回転軸Ｄとの間のトル
ク差を算出することを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明の超音波トルクデバイスは、圧電基板
と、少なくとも４組のすだれ状電極Ａ１，Ａ２，Ｂ１，
Ｂ２とから成る簡単な構造を有する。前記すだれ状電極
Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２は、電極指が円弧状でそれぞれ
の曲率中心が一致する円弧状すだれ状電極か、または電
極指が直線状である直線状すだれ状電極で成る。前記す
だれ状電極Ａ１またはＢ１は入力用、Ａ２またはＢ２は
出力用として使用される。前記すだれ状電極Ａ１とＢ１
との中心点と、Ａ２とＢ２との中心点とを結ぶ直線に対
し、前記すだれ状電極Ａ１とＢ１、およびＡ２とＢ２は
互いに線対称になるように配置されている。しかも、前
記すだれ状電極Ａ１とＡ２との間の超音波の伝搬路と、
Ｂ１とＢ２との間の超音波の伝搬路とが互いに交差する
ように配置され、前記すだれ状電極Ａ１とＡ２との離間
距離、およびＢ１とＢ２との離間距離が等しくなるよう
に配置されている。このようにして、前記すだれ状電極
Ａ１とＡ２との間を伝搬する超音波の伝搬時間Ｔ１と、
Ｂ１とＢ２との間を伝搬する超音波の伝搬時間Ｔ２とが
同等になるようなデバイスが構成されている。従って、
前記圧電基板のねじれによる変位が生じた場合、前記変
位に対応して前記Ｔ１と、前記Ｔ２との間に差異が生じ
る。前記すだれ状電極Ａ１とＡ２との間の超音波の伝搬
路と、Ｂ１とＢ２との間の超音波の伝搬路とが互いに交
差するように配置されていることから、この（Ｔ２−Ｔ
１）の値は位相差レベルで検出することが可能となる。
このようにして、本発明の超音波トルクデバイスは、小
型軽量で、前記圧電基板の微少な変位から大きな変位ま
で検出することができ、しかも応答速度が速いので、検
出感度の優れた変位センサを構成することが可能であ
る。

【００１３】前記超音波として弾性表面波を用い、その
ときの前記圧電基板の厚さが前記すだれ状電極Ａ１，Ａ
２，Ｂ１またはＢ２の電極周期長の３倍以上であること
により、前記圧電基板のより微少な変位も検出すること
が可能となり、また、検出感度を向上させることができ
る。

【００１４】前記超音波としてラム波を用い、そのとき
の前記圧電基板の厚さが前記すだれ状電極Ａ１，Ａ２，
Ｂ１またはＢ２の電極周期長以下であることにより、前
記圧電基板のより微少な変位も検出することが可能とな
り、また、検出感度を向上させることができる。また、
前記圧電基板としては、圧電セラミックなどの他、ＰＶ
ＤＦその他の高分子圧電フィルムを使用することができ
る。該高分子圧電フィルムを用いることにより、該圧電
基板を湾曲した面に取り付けることも可能となる。

【００１５】本発明の超音波トルク測定装置は、動力伝
達体に検出素子としての前記超音波トルクデバイスを設
けることにより形成される。本装置においては、前記超
音波トルクデバイスの前記すだれ状電極Ａ１，Ａ２間を
超音波伝搬路とする遅延素子または共振子から成る第１
の発振器と、前記すだれ状電極Ｂ１，Ｂ２間を超音波伝
搬路とする遅延素子または共振子から成る第２の発振器
とが構成されている。前記超音波トルクデバイスの前記
圧電基板を前記動力伝達体に固着し、前記動力伝達体を
回転軸に固着することにより、前記超音波トルクデバイ
スの前記圧電基板に前記回転軸のトルクに比例したねじ
れを生じさせている。前記超音波トルクデバイスは、前
記超音波トルクデバイスにおける前記すだれ状電極Ａ１
とＢ１との中心点と、Ａ２とＢ２との中心点とを結ぶ直
線が、前記回転軸の軸方向と平行になるよう配置されて
いる。従って、前記超音波トルクデバイスの前記圧電基
板に前記回転軸のトルクに比例したねじれを生じた場
合、前記すだれ状電極Ａ１とＡ２との間を伝搬する超音
波の伝搬時間Ｔ１と、Ｂ１とＢ２との間を伝搬する超音
波の伝搬時間Ｔ２との間に差異が生じる。前記伝搬時間
Ｔ１およびＴ２を前記第１の発振器の発振周波数ｆ１お
よび前記第２の発振器の発振周波数ｆ２でそれぞれ表
し、該発振周波数の差（ｆ２−ｆ１）から前記回転軸の
トルクを算出することができる。このようにして、本発
明の超音波トルク測定装置によりトルクの検出が可能と
なる。

【００１６】前記動力伝達体が柱状であって、前記動力
伝達体の側面に前記超音波トルクデバイスの前記圧電基
板を固着し、前記動力伝達体の一方の端を固定物に固定
し、前記動力伝達体のもう一方の端を回転軸Ｄの片方の
端に固定することにより、該回転軸Ｄのトルクを検出す
ることができる。たとえば、ボルトを締めるレンチに前
記超音波トルクデバイスを設けることにより、どのよう
な値のトルクでボルトを締めたらよいのかが判断できる
ようになる。ただしこの場合、回転軸Ｄを固定しておい
てレンチ自身（動力伝達体に相当）を回転させることに
なる。また、柱状の前記動力伝達体の一方の端を回転軸
Ｃの片方の端に固定し、前記動力伝達体のもう一方の端
を回転軸Ｄの片方の端に固定することにより、前記回転
軸Ｃと前記回転軸Ｄとの間のトルク差を検出することが
できる。たとえば、自動車の車輪のシャフトに前記超音
波トルクデバイスを設けることにより、両車輪のトルク
差が検出することができる。このとき、前記シャフトは
前記動力伝達体に相当する。

【００１７】本発明の超音波トルク測定装置は、ボルト
を締めるレンチや、自動車の車輪のシャフトなどのよう
に、部品の中に超音波トルクデバイスを取入れ該超音波
トルクデバイスを前記部品の一部として応用するものの
他に、本装置自身を被検体に取り付けることによって前
記被検体の測定を可能にすることもできる。従って、様
々な静トルクや動トルクの測定が可能となる。また、微
少なものから大きなものまで広範囲のトルク測定が可能
で、電磁的影響下でも使用でき、応答速度が速いことか
ら測定時間も短くて済む。

【００１８】

【実施例】図１は本発明の超音波トルクデバイスの一実
施例を示す平面図である。本実施例は圧電基板１と、す
だれ状電極２と、すだれ状電極３と、すだれ状電極４
と、すだれ状電極５とから成る。圧電基板１は、直径１
４ｍｍ、厚さ２２０μｍの円板状の圧電セラミックＮＥ
ＰＥＣ−６（東北金属製）で成り、圧電基板１の分極軸
の方向は圧電基板１の厚さ方向と平行である。すだれ状
電極２，３，４および５はアルミニウム薄膜で成り、圧
電基板１上においてそれぞれが２．５対の電極指を有す
る４分割形の円弧状を成し、それぞれの電極周期長は４
３０μｍ、開口角は４５゜、中心周波数は１２．７ＭＨ
ｚである。

【００１９】図２は図１の超音波トルクデバイスを用い
て形成した超音波トルク測定装置を示す平面図である。
本実施例は図１の超音波トルクデバイスが動力伝達体６
の側面に設けられたものである。すだれ状電極２，３は
入力用に、すだれ状電極４，５は出力用に用いられ、す
だれ状電極２，４間および３，５間にそれぞれ遅延線発
振器が構成されている。動力伝達体６は円柱状であり、
図１の超音波トルクデバイスは、すだれ状電極２および
３の中心点とすだれ状電極４および５の中心点とを結ぶ
直線が動力伝達体６の軸方向と平行になるように配置さ
れている。動力伝達体６の側面は圧電基板１との固着部
分において平面状を成し、動力伝達体６の両端は回転軸
７および８にそれぞれ固定されている。本実施例の使用
時、すだれ状電極２，４間および３，５間にはラム波が
励振される。

【００２０】図３は図２の超音波トルク測定装置の側面
図である。圧電基板１は動力伝達体６の片側に設けられ
ているが、動力伝達体６の中心を点対称とする位置に圧
電基板１と同等なもう１つの圧電基板を設けることも可
能である。また、圧電基板としてＰＶＤＦの高分子膜を
使用すれば、動力伝達体の湾曲した側面にそのまま圧電
基板を設けることも可能である。

【００２１】図４は図２の超音波トルク測定装置におい
て、すだれ状電極２，４間および３，５間にそれぞれ構
成されている遅延線発振器９または１０の回路図であ
る。前記回路は、出力信号を増幅して入力側に帰還する
ための増幅器（７３３Ｃ）を含む。

【００２２】図５は圧電基板１の厚さ／波長（ｄ／λ）
と、ラム波の位相速度との関係を示す特性図である。Ａ
は反対称モード、Ｓは対称モード、それらの添字はモー
ド次数を示す。このように、ラム波には多数のモードが
存在し、それぞれの速度分散特性を有していることが分
かる。また、本図における○印はすだれ状電極の電極周
期長が２４０μｍ，３６０μｍおよび４８０μｍのとき
の測定値を示すものである。

【００２３】図２に示す超音波トルク測定装置の駆動
時、すだれ状電極２，４および３，５にそれぞれの遅延
線発振器９および１０を介して電気信号を入力すると、
その電気信号の周波数のうちすだれ状電極２および３の
示す中心周波数とその近傍の周波数の電気信号のみがラ
ム波に変換されて圧電基板１の伝搬経路上を伝搬しすだ
れ状電極４および５に至る。すだれ状電極４および５に
おいては、このようにして伝搬したラム波が再び電気信
号に変換されてそれぞれの増幅器（７３３Ｃ）に送りも
どされる。それぞれの増幅器（７３３Ｃ）では伝搬経路
上におけるラム波の消耗分とすだれ状電極の変換効率の
損失分の電気信号が増幅されて再びすだれ状電極２およ
び３に送られ、このようにして遅延線発振器９および１
０が構成される。周波数カウンタを設置することによ
り、この遅延線発振器９および１０が駆動しているとき
の発振周波数、つまり伝搬経路上を伝搬するラム波の周
波数に等しい発振周波数ｆ１およびｆ２を測定できる。
図２に示す超音波トルク測定装置を回転軸７および８に
固定し、回転軸７および８を回転させると、動力伝達体
６には回転軸７および８のトルク差に比例したねじれが
生じる。前記ねじれは圧電基板１に伝達され、圧電基板
１には前記ねじれによる変位が生じる。圧電基板１に変
位が生じることにより前記発振周波数ｆ１およびｆ２が
変化することから、前記発振周波数の差（ｆ２−ｆ１）
から回転軸７および８のトルク差を算出することができ
る。

【００２４】図６は前記発振周波数の差（ｆ２−ｆ１）
と、動力伝達体６のねじりモーメントとの関係を示す特
性図である。本図において、Δｆ１はねじりモーメント
に対するｆ１の変化分、Δｆ２はねじりモーメントに対
するｆ２の変化分、ΔｆはΔｆ１とΔｆ２との差を表
す。圧電基板１には、動力伝達体６のねじりモーメント
に相関したねじれが生じている。一般に、ラム波の発振
周波数は温度に相関しているが、２つのラム波の発振周
波数の差（ｆ２−ｆ１）をとることにより、温度の影響
を排除できる。このようにして、前記発振周波数の差
（ｆ２−ｆ１）と前記ねじりモーメントとの間に温度差
の影響を排除した形で良好な比例関係が見られることが
分かる。

【００２５】図７は本発明の超音波トルクデバイスのも
う１つの実施例を示す平面図である。本実施例は圧電基
板１１と、すだれ状電極１２と、すだれ状電極１３と、
すだれ状電極１４と、すだれ状電極１５とから成る。圧
電基板１１は、１辺が１４ｍｍ、厚さ２２０μｍの矩形
状の圧電セラミックＮＥＰＥＣ−６（東北金属製）で成
り、圧電基板１１の分極軸の方向は圧電基板１１の厚さ
方向と平行である。すだれ状電極１２，１３，１４およ
び１５はアルミニウム薄膜で成り、すだれ状電極１２，
１３は入力用に、すだれ状電極１４，１５は出力用に用
いられる。すだれ状電極１２および１３の中心点とすだ
れ状電極１４および１５の中心点とを結ぶ直線は、圧電
基板１１の１辺に平行であって、すだれ状電極１２と１
３、および１４と１５は前記直線に対し線対称をなして
いて、すだれ状電極１２と１３との離間距離、および１
４と１５との離間距離は互いに等しい。本実施例におけ
る超音波トルクデバイスを用いることによっても、図２
と同様な効力を示す超音波トルク測定装置を形成するこ
とができる。

【００２６】また、上記に示すように、ラム波を利用す
るだけでなく弾性表面波によるトルクの算出も可能であ
る。この場合には圧電基板の厚さはすだれ状電極の電極
周期長の３倍以上にする必要がある。

【００２７】

【発明の効果】本発明の超音波トルクデバイスは、圧電
基板にねじれによる変位が生じた場合、その圧電基板上
に設けられたすだれ状電極Ａ１とＡ２との間を伝搬する
超音波の伝搬時間Ｔ１と、Ｂ１とＢ２との間を伝搬する
超音波の伝搬時間Ｔ２との間に差異が生じる。このと
き、圧電基板の変位は伝搬時間差（Ｔ２−Ｔ１）に相関
する。（Ｔ２−Ｔ１）の値は、すだれ状電極Ａ１，Ａ２
間の超音波伝搬路Ｌ１と、Ｂ１，Ｂ２間の超音波伝搬路
Ｌ２とを交差させることにより、超音波伝搬路Ｌ１とＬ
２とを平行に配置する場合に比べてほぼ２倍の感度を有
する。従って、（Ｔ２−Ｔ１）の値は位相差レベルでの
検出が可能であって、しかも応答速度が速いので、本発
明の超音波トルクデバイスを用いれば検出感度の優れた
実時間応答での変位センサを構成することができる。し
かも、Ｔ１およびＴ２の個々の値はそれ自身ある程度の
温度の影響を受けるが、（Ｔ２−Ｔ１）という差によっ
て表していることから、温度による影響を排除できる。
このようにして、本発明の超音波トルクデバイスは、小
型軽量で、感度に優れ、圧電基板の微少な変位から大き
な変位まで広範囲にわたって検出することができる。ま
た、圧電基板に設けられるすだれ状電極は４組に限るも
のではない。２組（ａ，ｂ）のうちａ組を２分割してそ
の両方を入力用ａ１，ａ２としｂ組を２分割してその両
方を出力用ｂ１，ｂ２とする方法、３組（ａ，ｂ，ｃ）
のうちａ組を２分割してその両方を入力用ａ１，ａ２と
しｂ，ｃ組をそれぞれ出力用とする方法、同時に数組の
すだれ状電極の組み合せにより伝搬時間差を求める方法
が挙げられる。

【００２８】本発明の超音波トルクデバイスにおいて
は、超音波として弾性表面波またはラム波を採用するこ
とにより、圧電基板のより微少な変位も検出することが
可能となるばかりでなく、検出感度を向上させることが
できる。圧電基板としては、ＰＺＴ系での圧電セラミッ
クやＬｉＮｂＯ₃ のような圧電単結晶が挙げられる。ラ
ム波を採用する場合には圧電基板としてＰＶＤＦその他
の高分子圧電フィルムを使用することができ、圧電基板
を湾曲した面に取り付けることも可能となる。

【００２９】本発明の超音波トルク測定装置は、超音波
トルクデバイスを検出素子として動力伝達体に備えるこ
とにより形成される。回転軸に動力伝達体を固着するこ
とにより、その回転軸のトルクを求めることができる。
但し、超音波トルクデバイスは、超音波トルクデバイス
におけるすだれ状電極Ａ１とＢ１との中心点と、Ａ２と
Ｂ２との中心点とを結ぶ直線が、回転軸の軸方向と平行
になるよう配置されているものとする。動力伝達体に固
着している超音波デバイスの圧電基板にはその回転軸の
トルクに比例したねじれが生じる。この圧電基板のねじ
れによる変位は、超音波トルクデバイスのすだれ状電極
Ａ１，Ａ２間の超音波伝搬時間Ｔ１と、Ｂ１，Ｂ２間の
超音波伝搬時間Ｔ２との差（Ｔ２−Ｔ１）に相関する。
従って、超音波トルクデバイスにおいてすだれ状電極Ａ
１，Ａ２間を超音波伝搬路とする遅延素子または共振子
から成る第１の発振器と、Ｂ１，Ｂ２間を超音波伝搬路
とする遅延素子または共振子から成る第２の発振器とを
構成することにより、伝搬時間Ｔ１およびＴ２を第１の
発振器の発振周波数ｆ１および第２の発振器の発振周波
数ｆ２でそれぞれ表すことができる。この発振周波数の
差（ｆ２−ｆ１）から回転軸のトルクを算出することが
できる。このとき、（ｆ２−ｆ１）の値は、すだれ状電
極Ａ１，Ａ２間の超音波伝搬路Ｌ１と、Ｂ１，Ｂ２間の
超音波伝搬路Ｌ２とを交差させることにより、超音波伝
搬路Ｌ１とＬ２とを平行に配置する場合に比べてほぼ２
倍の感度を有する。また、ｆ１およびｆ２の個々の値は
それ自身ある程度の温度の影響を受けるが、（ｆ２−ｆ
１）という差によって表していることから、温度による
影響を排除できる。このようにして、本発明の超音波ト
ルク測定装置は、感度がよく、実時間応答が可能で、温
度による影響も排除でき、また、電磁的影響下でも使用
でき、トルクの微少な変化から大きな変化まで広範囲に
わたって検出することができる。

【００３０】超音波トルク測定装置の動力伝達体として
柱状構造を用い、動力伝達体の側面に超音波トルクデバ
イスの圧電基板を固着し、動力伝達体の一方の端を固定
物に固定し、動力伝達体のもう一方の端を回転軸Ｄの片
方の端に固定する構造を採用することにより、回転軸Ｄ
のトルクを検出することができる。たとえば、ボルトを
締めるレンチを動力伝達体とし、そこに直接超音波トル
クデバイスを設けることにより、どのような値のトルク
でボルトを締めたらよいのかが判断できるようになる。
ただしこの場合、回転軸Ｄを固定しておいてレンチ自身
を回転させることになる。また、動力伝達体の一方の端
を回転軸Ｃの片方の端に固定し、動力伝達体のもう一方
の端を回転軸Ｄの片方の端に固定する構造を採用するこ
とにより、回転軸Ｃと回転軸Ｄとの間のトルク差を検出
することができる。たとえば、自動車の車輪のシャフト
を動力伝達体とし、そこに超音波トルクデバイスを設け
ることにより、両車輪のトルク差を検出することができ
る。

【００３１】本発明の超音波トルクデバイスは、ボルト
を締めるレンチや、自動車の車輪のシャフトなどへ直接
取り付けることによりトルクを算出することができる
が、その他、超音波トルクデバイスを動力伝達体に取り
付けた構造を有する超音波トルク測定装置へも応用され
る。これは、超音波トルク測定装置自身を被検体に取り
付けることによって被検体のトルクを測定するものであ
る。このようにして、様々な静トルクや動トルクの測定
が可能となる。また、微少なものから大きなものまで広
範囲のトルク測定が可能で、電磁的影響下でも使用で
き、応答速度が速いことから実時間レベルでの測定がで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波トルクデバイスの一実施例を示
す平面図。

【図２】図１の超音波トルクデバイスを用いて形成した
超音波トルク測定装置を示す平面図。

【図３】図２の超音波トルク測定装置の側面図。

【図４】図２の超音波トルク測定装置において構成され
ている遅延線発振器９または１０の回路図。

【図５】圧電基板１の厚さ／波長（ｄ／λ）と、ラム波
の位相速度との関係を示す特性図。

【図６】発振周波数の差（ｆ２−ｆ１）と、動力伝達体
６のねじりモーメントとの関係を示す特性図。

【図７】本発明の超音波トルクデバイスのもう１つの実
施例を示す平面図。

【符号の説明】

１ 圧電基板 ２ すだれ状電極 ３ すだれ状電極 ４ すだれ状電極 ５ すだれ状電極 ６ 動力伝達体 ７ 回転軸 ８ 回転軸 ９ 遅延線発振器 １０ 遅延線発振器 １１ 圧電基板 １２ すだれ状電極 １３ すだれ状電極 １４ すだれ状電極 １５ すだれ状電極

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電基板の一方の板面上に少なくとも４
   組のすだれ状電極Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を設けて成る
   超音波トルクデバイスにおいて、 前記すだれ状電極Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２は、電極指が
   円弧状でそれぞれの曲率中心が一致する円弧状すだれ状
   電極か、または電極指が直線状である直線状すだれ状電
   極であって、 前記すだれ状電極Ａ１またはＢ１を入力用、Ａ２または
   Ｂ２を出力用とし、前記すだれ状電極Ａ１とＢ１との中
   心点と、Ａ２とＢ２との中心点とを結ぶ直線に対し、前
   記すだれ状電極Ａ１とＢ１、およびＡ２とＢ２とが互い
   に線対称であって、 前記すだれ状電極Ａ１とＡ２との間の超音波の伝搬路
   と、Ｂ１とＢ２との間の超音波の伝搬路とが互いに交差
   していて、前記すだれ状電極Ａ１とＡ２との離間距離、
   およびＢ１とＢ２との離間距離が等しく、 前記圧電基板のねじれによる変位に対応して、前記すだ
   れ状電極Ａ１とＡ２との間を伝搬する超音波の伝搬時間
   Ｔ１と、Ｂ１とＢ２との間を伝搬する超音波の伝搬時間
   Ｔ２との間に差異が生じることを特徴とする超音波トル
   クデバイス。
2. 【請求項２】 前記超音波が弾性表面波で成り、前記圧
   電基板の厚さが前記すだれ状電極Ａ１，Ａ２，Ｂ１また
   はＢ２の電極周期長の３倍以上であることを特徴とする
   請求項１に記載の超音波トルクデバイス。
3. 【請求項３】 前記超音波がラム波で成り、前記圧電基
   板の厚さが前記すだれ状電極Ａ１，Ａ２，Ｂ１またはＢ
   ２の電極周期長以下であることを特徴とする請求項１に
   記載の超音波トルクデバイス。
4. 【請求項４】 前記圧電基板がＰＶＤＦその他の高分子
   圧電フィルムで成ることを特徴とする請求項３に記載の
   超音波トルクデバイス。
5. 【請求項５】 請求項１，２，３または４に記載の超音
   波トルクデバイスを動力伝達体に設けて成る超音波トル
   ク測定装置であって、 前記超音波トルクデバイスにおける前記すだれ状電極Ａ
   １，Ａ２間を超音波伝搬路とする遅延素子または共振子
   から成る第１の発振器と、前記すだれ状電極Ｂ１，Ｂ２
   間を超音波伝搬路とする遅延素子または共振子から成る
   第２の発振器とを構成し、 前記超音波トルクデバイスの前記圧電基板を前記動力伝
   達体に固着し、前記動力伝達体を少なくとも１つの回転
   軸に固着し、前記超音波トルクデバイスの前記圧電基板
   に前記回転軸のトルクに比例したねじれを生じさせ、 前記超音波トルクデバイスにおける前記すだれ状電極Ａ
   １とＢ１との中心点と、Ａ２とＢ２との中心点とを結ぶ
   直線は、前記回転軸の軸方向と平行であって、 前記伝搬時間Ｔ１およびＴ２を前記第１の発振器の発振
   周波数ｆ１および前記第２の発振器の発振周波数ｆ２で
   それぞれ表し、該発振周波数の差（ｆ２−ｆ１）から前
   記回転軸のトルクを算出することを特徴とする超音波ト
   ルク測定装置。
6. 【請求項６】 前記動力伝達体は柱状で、 前記動力伝達体の側面に前記超音波トルクデバイスの前
   記圧電基板を固着し、 前記動力伝達体の一方の端を固定物に固定するかまたは
   回転軸Ｃの片方の端に固定し、前記動力伝達体のもう一
   方の端を回転軸Ｄの片方の端に固定し、前記回転軸Ｄの
   トルク、または前記回転軸Ｃと前記回転軸Ｄとの間のト
   ルク差を算出することを特徴とする請求項５に記載の超
   音波トルク測定装置。