JPH0694550A - Ultrasonic torque sensor - Google Patents

Ultrasonic torque sensor

Info

Publication number
JPH0694550A
JPH0694550A JP24043092A JP24043092A JPH0694550A JP H0694550 A JPH0694550 A JP H0694550A JP 24043092 A JP24043092 A JP 24043092A JP 24043092 A JP24043092 A JP 24043092A JP H0694550 A JPH0694550 A JP H0694550A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ultrasonic
torque
torque sensor
piezoelectric element
measured
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP24043092A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takaaki Takesute
貴昭 武捨
Katsumi Saruwatari
克己 猿渡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ono Sokki Co Ltd
Original Assignee
Ono Sokki Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ono Sokki Co Ltd filed Critical Ono Sokki Co Ltd
Priority to JP24043092A priority Critical patent/JPH0694550A/en
Publication of JPH0694550A publication Critical patent/JPH0694550A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PURPOSE:To obtain an ultrasonic torque sensor capable of accurately measuring torque over a range from minute torque to large torque with high accuracy, capable of measuring both of static torque and dynamic torque and not requiring a correction circuit correcting the effect of ambient temp. CONSTITUTION:Two sets of ultrasonic transmitters 32a, 34a and ultrasonic receivers 32b, 34b are arranged on the surface of a piezoelectric element 30 so that an ultrasonic wave propagates in directions mutually crossing the surface of the piezoelectric element 30 at a right angle. Further, feedback circuits 36a, 36b applying the signals received by the ultrasonic receivers 32b, 34b to the ultrasonic transmitters 32a, 34a are provided.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、回転機の動力伝達軸等
に作用するトルクを計測する超音波トルクセンサに関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic torque sensor for measuring torque acting on a power transmission shaft of a rotating machine.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、動力伝達軸等に作用するトル
クを計測するトルクセンサとして次の(1)〜(4)に
示すものが知られている。 (1)ストレインゲージを動力伝達軸の表面に貼付け、
電気抵抗の変化を測り歪みを求めることによりトルクを
計測するストレインゲージトルクセンサ。
2. Description of the Related Art Conventionally, there are known torque sensors for measuring torque acting on a power transmission shaft and the like as shown in the following (1) to (4). (1) Attach the strain gauge to the surface of the power transmission shaft,
A strain gauge torque sensor that measures torque by measuring changes in electrical resistance and determining strain.

【0003】(2)動力伝達軸に作用する応力の大きさ
に伴ってこの動力伝達軸の透磁率が変化することを利用
してトルクを計測する磁気トルクセンサ。 (3)動力伝達軸に作用するねじれを計測することによ
りトルクを計測する位相差トルクセンサ。 (4)圧電素子を動力伝達軸に挿入し、この動力伝達軸
のねじれによって圧電素子がねじれる際にこの圧電素子
に生ずる電位差を計測することによりトルクを計測する
圧電トルクセンサ。
(2) A magnetic torque sensor that measures torque by utilizing the fact that the magnetic permeability of the power transmission shaft changes with the magnitude of the stress acting on the power transmission shaft. (3) A phase difference torque sensor that measures torque by measuring the twist acting on the power transmission shaft. (4) A piezoelectric torque sensor that measures torque by inserting a piezoelectric element into a power transmission shaft and measuring a potential difference generated in the piezoelectric element when the piezoelectric element is twisted due to twisting of the power transmission shaft.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】トルクセンサには、静
トルク、動トルクの両方が測定でき、しかも測定精度が
良く、ダイナミックレンジが広い(微少トルクから大ト
ルクまで計測できる)という条件が求められている。し
かし、上記従来の各種トルクセンサはそれぞれ欠点を有
し、これらの条件を同時に全て満たすことができない。
The torque sensor is required to have a condition that both static torque and dynamic torque can be measured, and that the measurement accuracy is good and the dynamic range is wide (from small torque to large torque can be measured). ing. However, the above-mentioned conventional torque sensors have their respective drawbacks, and cannot satisfy all of these conditions at the same time.

【0005】例えば、圧電素子トルクセンサでは、計測
回路の応答性が遅いため、静トルクしか計測できないと
いう問題がある。また、ストレインゲージトルクセン
サ、磁気トルクセンサ、圧電トルクセンサにおいて、微
小なトルクを計測するためには被検体であるトーション
バーを細くしなければならない。しかし、トーションバ
ーを細くして大きなトルクを計測することは、トーショ
ンバーの強度上の問題から不可能であるため、ダイナミ
ックレンジが狭くなるという問題がある。
For example, the piezoelectric element torque sensor has a problem that only static torque can be measured because the response of the measuring circuit is slow. Further, in the strain gauge torque sensor, the magnetic torque sensor, and the piezoelectric torque sensor, in order to measure a minute torque, the torsion bar that is the subject must be thin. However, it is impossible to make the torsion bar thin and measure a large torque because of the strength problem of the torsion bar, so that there is a problem that the dynamic range becomes narrow.

【0006】また、磁気トルクセンサ、位相差トルクセ
ンサでは、計測電圧をそのままスリップリングを介して
送るため、計測電圧が低い場合は電磁干渉やノイズによ
り計測が不正確となり、測定精度が悪くなるという問題
がある。本発明は、上記事情に鑑み、高精度で微少トル
クから大トルクまで正確に計測でき、しかも静トルク、
動トルクのいずれも計測できる超音波トルクセンサを提
供することを目的とする。
Further, in the magnetic torque sensor and the phase difference torque sensor, the measured voltage is sent as it is through the slip ring. Therefore, when the measured voltage is low, the electromagnetic interference and noise make the measurement inaccurate and the measurement accuracy deteriorates. There's a problem. In view of the above circumstances, the present invention is capable of accurately measuring from a small torque to a large torque with high accuracy, and a static torque,
It is an object of the present invention to provide an ultrasonic torque sensor capable of measuring any dynamic torque.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の超音波トルクセンサは、被測定体に作用するトルク
を計測するための超音波トルクセンサにおいて、超音波
が被測定体表面を所定の第1の方向に伝播するように被
測定体表面に配置される、第1の超音波送信子及び第1
の超音波受信子と、超音波が被測定体表面を第1の方向
と交差する第2の方向に伝播するように被測定体表面に
配置される、第2の超音波送信子及び第2の超音波受信
子とを備えたことを特徴とするものである。
An ultrasonic torque sensor of the present invention which achieves the above object is an ultrasonic torque sensor for measuring a torque acting on an object to be measured. A first ultrasonic transmitter and a first ultrasonic transmitter arranged on the surface of the object to be measured so as to propagate in a first direction of
And the second ultrasonic transmitter and the second ultrasonic transmitter, which are arranged on the surface of the object to be measured so that the ultrasonic waves propagate in the second direction intersecting the surface of the object to be measured. And an ultrasonic receiver of the above.

【0008】また、上記第1及び第2の超音波送信子、
および上記第1及び第2の超音波受信子のそれぞれが、
圧電素子上に配置されたすだれ状電極であることが好ま
しい。
Further, the first and second ultrasonic transmitters,
And each of the first and second ultrasonic receivers,
It is preferably a comb-shaped electrode arranged on the piezoelectric element.

【0009】[0009]

【作用】物体内を伝播する音の速度は、この物体の内部
応力の変化に伴って変化するという音弾性効果が知られ
ている。そこで、本発明者は、被測定体に作用するトル
クをこの被測定体を伝播する音の周波数変化から計測す
るために、被測定体にトルクTを作用させてこの被測定
体を捩じることによりこの被測定体に剪断応力を生じさ
せたとき、トルクTと周波数変化Δfとの間に比例関係
があることを実験により実証した。この実験について図
1、図2、図3を参照して説明する。
It is known that the velocity of sound propagating in an object changes in accordance with the change of internal stress of the object. Then, in order to measure the torque acting on the measured object from the frequency change of the sound propagating through the measured object, the inventor applies the torque T to the measured object and twists the measured object. As a result, it was verified by experiments that there is a proportional relationship between the torque T and the frequency change Δf when a shear stress is generated in this measured object. This experiment will be described with reference to FIGS. 1, 2 and 3.

【0010】図1は実験装置の概略を示す斜視図、図2
は実験に用いた超音波発振回路の概略構造を示す模式
図、図3は実験結果を示すグラフである。図1に示すよ
うに、厚さ3mm、幅50mmのアルミ板10の表面に
配置された圧電素子12の表面に1組のすだれ状電極1
4を貼付け(この圧電素子とすだれ状電極との組み合わ
せを表面弾性波素子という)、トルクTと周波数変化Δ
fとの関係を測定した。
FIG. 1 is a perspective view showing the outline of the experimental apparatus, and FIG.
Is a schematic diagram showing a schematic structure of an ultrasonic oscillation circuit used in an experiment, and FIG. 3 is a graph showing an experimental result. As shown in FIG. 1, one set of interdigital electrodes 1 is formed on the surface of a piezoelectric element 12 arranged on the surface of an aluminum plate 10 having a thickness of 3 mm and a width of 50 mm.
4 is attached (the combination of this piezoelectric element and the interdigital transducer is called a surface acoustic wave element), the torque T and the frequency change Δ
The relationship with f was measured.

【0011】図1に示す表面弾性波素子に、図2に示す
ように帰還増幅器16を接続して超音波発振回路を形成
した場合、この超音波発振回路は、 f=(vs /d)(n−φE /2π) …(1) d:電極間の距離、vs :表面波の速度、φE :増幅器
の移相量、n:整数の周波数で発振する。
When a feedback amplifier 16 is connected to the surface acoustic wave device shown in FIG. 1 to form an ultrasonic oscillator circuit as shown in FIG. 2, the ultrasonic oscillator circuit has the following formula: f = (v s / d) (N−φ E / 2π) (1) d: distance between electrodes, v s : velocity of surface wave, φ E : amount of phase shift of amplifier, n: oscillation at integer frequency.

【0012】電極間の距離d、表面波の速度vs が変化
したときは、周波数fも変化する。ここで、Δf、Δ
d、Δvs をそれぞれ周波数、距離、速度の変化量とす
ると式(1)から、 Δf/f=Δvs /vs −Δd/d …(2) となる。圧電素子12の変形が少ないときはΔd/dが
非常に小さいため、Δf/f=Δvs /vs とできる。
この結果、圧電素子の表面音速の変化が周波数の変化と
して検知される。
When the distance d between the electrodes and the surface wave velocity v s change, the frequency f also changes. Where Δf and Δ
When d and Δv s are changes in frequency, distance, and speed, respectively, from equation (1), Δf / f = Δv s / v s −Δd / d (2) Since Δd / d is very small when the deformation of the piezoelectric element 12 is small, Δf / f = Δv s / v s can be obtained.
As a result, a change in the surface acoustic velocity of the piezoelectric element is detected as a change in frequency.

【0013】図3の実線は理論値、破線は実測値を示
す。図3に示すように、トルクTと周波数変化Δfとの
間には、Δf=K・T(K:定数)という関係が成立す
る。従って、被測定体を伝播する超音波の音速の変化す
る割合を周波数変化として検出し、この超音波の周波数
変化により被測定体に作用したトルクの測定ができる。
本発明の超音波トルクセンサでは、第1及び第2の超音
波送信子からそれぞれ発振された超音波が被測定体表面
をそれぞれ第1及び第2の方向に互いに交差して伝播
し、それぞれ第1及び第2の超音波受信子で受信され
る。第1の方向及び第2の方向にそれぞれ伝播する超音
波の音速が、被測定体に作用するトルクの変化に伴って
変化する。このため、上記のように、第1及び第2の超
音波受信子で受信された超音波の周波数が、被測定体に
作用するトルクの大きさに応じてそれぞれ変化する。従
って、この周波数を測定することによりトルクの値が求
められる。また、第1及び第2の超音波受信子で受信さ
れる周波数の位相を求めることによっても、被測定体に
作用するトルクの大きさが求められる。
The solid line in FIG. 3 shows the theoretical value, and the broken line shows the measured value. As shown in FIG. 3, a relationship of Δf = K · T (K: constant) is established between the torque T and the frequency change Δf. Therefore, the rate of change of the sound velocity of the ultrasonic wave propagating through the measured object can be detected as a frequency change, and the torque acting on the measured object can be measured by the frequency change of the ultrasonic wave.
In the ultrasonic torque sensor of the present invention, the ultrasonic waves respectively oscillated from the first and second ultrasonic transmitters propagate across the surface of the measured object in the first and second directions, respectively, and respectively propagate to the first and second directions. It is received by the first and second ultrasonic receivers. The sound velocity of the ultrasonic wave propagating in each of the first direction and the second direction changes with a change in the torque acting on the measured object. Therefore, as described above, the frequencies of the ultrasonic waves received by the first and second ultrasonic receivers change according to the magnitude of the torque acting on the measured object. Therefore, the torque value can be obtained by measuring this frequency. The magnitude of the torque acting on the measured object can also be obtained by obtaining the phases of the frequencies received by the first and second ultrasonic receivers.

【0014】超音波の周波数は高く、この超音波の伝播
速度を測定することによりトルクを測定するため、トル
クの変化速度が速い場合でも追従性が良く、静トルクも
動トルクも測定でき、しかも、分解能も高い。また、周
波数が出力信号として外部機器へ出力されるため、電磁
環境に影響されず測定精度が良い。しかも、周波数の変
位できる幅が広いため、ダイナミックレンジが広い。さ
らに、2組の超音波送信子と超音波受信子とを用いてい
るため、周波数に対する周囲温度の影響を互いに打ち消
し合う。このため、周囲温度の影響を考慮した補正を行
う必要がない。
Since the frequency of the ultrasonic wave is high and the torque is measured by measuring the propagation speed of the ultrasonic wave, the followability is good even when the changing speed of the torque is fast, and the static torque and the dynamic torque can be measured. , High resolution. Moreover, since the frequency is output to the external device as an output signal, the measurement accuracy is good without being affected by the electromagnetic environment. Moreover, since the frequency can be displaced in a wide range, the dynamic range is wide. Further, since the two sets of ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers are used, the influences of the ambient temperature on the frequencies cancel each other out. Therefore, it is not necessary to make a correction in consideration of the influence of the ambient temperature.

【0015】また、超音波発振子及び超音波受信子のそ
れぞれが、圧電素子上に配置されたすだれ状電極である
場合は、取扱いが容易な超音波トルクセンサが得られ
る。
When each of the ultrasonic oscillator and the ultrasonic receiver is a comb-shaped electrode arranged on the piezoelectric element, an ultrasonic torque sensor that is easy to handle can be obtained.

【0016】[0016]

【実施例】次に、図4、図5、図6を参照して本発明の
第1実施例の超音波トルクセンサについて説明する。図
4は、第1実施例の超音波トルクセンサの超音波送信子
と超音波受信子とからなるすだれ状電極が、回転軸に接
続されたねじれ部に取り付けられた状態を示す斜視図で
ある。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, an ultrasonic torque sensor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4, 5 and 6. FIG. 4 is a perspective view showing a state in which the interdigital electrode including the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver of the ultrasonic torque sensor of the first embodiment is attached to the twisted portion connected to the rotating shaft. .

【0017】超音波トルクセンサ20は、回転軸22
a、22bに作用したトルクを測定するための装置であ
り、トルクの作用でねじれるねじれ部24を有するトー
ションバー26が、このトーションバー26と回転軸2
2a、22bとを取り付ける取付け部材28a、28b
を介して回転軸22a、22bに取付けられている。こ
の取付け部材28a、28bはそれぞれ回転軸22a、
22bと共に回転する構成となっている。ねじれ部24
には、圧電素子30の表面に2組のすだれ状電極32
a、32b及び34a、34bが配置されることにより
構成された表面弾性波素子が貼付けられている。すだれ
状電極32a、34aからは超音波が発振され、この超
音波は圧電素子30の表面上を互いに直交し伝播してそ
れぞれすだれ状電極32b、34bで受信される。ま
た、すだれ状電極32a、32b及び34a、34b
は、それぞれ取付け部材28a、28bに内蔵された帰
還増幅器36a(取付け部28bに内蔵されている帰還
増幅器36bは図示せず)に接続され、2組の超音波発
振回路(後述する図5参照)が形成されている。この帰
還増幅器36aは、カバー38aにより保護されてい
る。この2つの超音波発振回路を循環する超音波の周波
数を表わす信号は、それぞれスリップリング40a、4
0b等を通って図示しない演算回路へ入力され、この演
算回路でトルクに変換される。
The ultrasonic torque sensor 20 includes a rotary shaft 22.
This is a device for measuring the torque acting on a and 22b, and a torsion bar 26 having a twisted portion 24 that is twisted by the action of the torque is provided on the torsion bar 26 and the rotary shaft 2.
Mounting members 28a, 28b for mounting 2a, 22b
It is attached to the rotating shafts 22a and 22b via. The mounting members 28a and 28b are respectively attached to the rotary shaft 22a and
It is configured to rotate together with 22b. Twisted part 24
2 sets of interdigital electrodes 32 on the surface of the piezoelectric element 30.
The surface acoustic wave element constituted by arranging a, 32b and 34a, 34b is attached. Ultrasonic waves are oscillated from the interdigital electrodes 32a and 34a, and these ultrasonic waves propagate orthogonally to each other on the surface of the piezoelectric element 30 and are received by the interdigital electrodes 32b and 34b, respectively. Also, the interdigital electrodes 32a, 32b and 34a, 34b.
Are connected to feedback amplifiers 36a built in the mounting members 28a and 28b (the feedback amplifier 36b built in the mounting portion 28b is not shown), and are connected to two sets of ultrasonic oscillation circuits (see FIG. 5 described later). Are formed. The feedback amplifier 36a is protected by a cover 38a. The signals representing the frequencies of the ultrasonic waves circulating in the two ultrasonic wave oscillating circuits are respectively slip rings 40a and 4a.
It is input to an arithmetic circuit (not shown) through 0b or the like and converted into torque by this arithmetic circuit.

【0018】次に、図5、図6を参照して上記した超音
波トルクセンサの作用について説明する。図5は2組の
超音波発振回路の概略構成を示す構成図、図6は図5に
示す超音波発振回路を備えた超音波トルクセンサの概略
構成を示すブロック図である。図4に示す回転軸22
a、22bにトルクが加わると、このトルクに応じてね
じれ部24がねじれるため、圧電素子30内にひずみが
生じてこの圧電素子30の表面を伝播する超音波の横波
速度が変化する。この結果、2組の超音波発振回路42
a、42bの発振周波数が変化する。この2つの発振周
波数の変化を表す信号は、それぞれ変換器44a、44
bで周波数信号から電圧信号に変換され、この電圧信号
は演算回路46に入力されてこの演算回路46でトルク
の値に変換される。これにより、回転軸22a、22b
に作用したトルクが測定され、この結果は、図示しない
表示装置に表示される。
Next, the operation of the above-described ultrasonic torque sensor will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a configuration diagram showing a schematic configuration of two sets of ultrasonic oscillation circuits, and FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic torque sensor including the ultrasonic oscillation circuit shown in FIG. Rotating shaft 22 shown in FIG.
When torque is applied to a and 22b, the twisted portion 24 is twisted according to the torque, so that strain is generated in the piezoelectric element 30 and the transverse wave velocity of the ultrasonic wave propagating on the surface of the piezoelectric element 30 changes. As a result, two sets of ultrasonic oscillator circuits 42
The oscillation frequencies of a and 42b change. The signals representing the changes in these two oscillation frequencies are converted into converters 44a and 44, respectively.
In b, the frequency signal is converted into a voltage signal, and this voltage signal is input to the arithmetic circuit 46 and converted into a torque value by the arithmetic circuit 46. Thereby, the rotary shafts 22a, 22b
The torque exerted on is measured, and the result is displayed on a display device (not shown).

【0019】次に、2組の超音波発振回路を用いて周波
数の変化を測定してトルクを求めるために演算回路で行
われる演算について説明する。被測定体が剛体のとき
は、上述のようにΔf/f=Δv/vが成り立つ。ここ
で、 vT0:圧電素子30に応力が付加されていないときに、
すだれ電極32a(34a)からすだれ電極32b(3
4b)へ伝播する超音波の音速 vT1:圧電素子30に応力が付加されたときに、すだれ
電極32aからすだれ電極32bへ伝播する超音波の音
速 vT2:圧電素子30に応力が付加されたときに、すだれ
電極34aからすだれ電極34bへ伝播する超音波の音
速 f :圧電素子30に応力が付加されていないときに、
すだれ電極32a(34a)からすだれ電極32b(3
4b)へ伝播する超音波の周波数 Δf1 :圧電素子30に応力が付加されたときに、すだ
れ電極32aからすだれ電極32bへ伝播する超音波の
周波数の変化分 Δf2 :圧電素子30に応力が付加されたときに、すだ
れ電極34aからすだれ電極34bへ伝播する超音波の
周波数の変化分 k:係数 とすると、 (vT1−vT0)/vT0=k(Δf1 /f) …(3) (vT2−vT0)/vT0=k(Δf2 /f) …(4) となる。
Next, the calculation performed by the calculation circuit to obtain the torque by measuring the change in frequency using two sets of ultrasonic oscillation circuits will be described. When the measured object is a rigid body, Δf / f = Δv / v holds as described above. Here, v T0 : When no stress is applied to the piezoelectric element 30,
From the interdigital electrode 32a (34a) to the interdigital electrode 32b (3
4b) Sound velocity of ultrasonic wave v T1 : Propagation speed of ultrasonic wave from the interdigital transducer 32a to the interdigital transducer 32b when stress is applied to the piezoelectric element 30 v T2 : Stress is applied to the piezoelectric element 30 At this time, the sound velocity f of the ultrasonic wave propagating from the interdigital transducer 34a to the interdigital transducer 34b f: When no stress is applied to the piezoelectric element 30,
From the interdigital electrode 32a (34a) to the interdigital electrode 32b (3
4b) The frequency of ultrasonic waves propagating to Δf 1 : When the stress is applied to the piezoelectric element 30, the change in frequency of the ultrasonic waves propagating from the interdigital transducer 32a to the interdigital transducer 32b Δf 2 : The stress is applied to the piezoelectric element 30. when the added ultrasonic frequency variation k propagating from interdigital electrodes 34a to interdigital electrode 34b: when the coefficient, (v T1 -v T0) / v T0 = k (Δf 1 / f) ... (3 ) (V T2 −v T0 ) / v T0 = k (Δf 2 / f) (4)

【0020】また、 τmax :圧電素子に作用した剪断応力 σ1 :τmax により生じる圧縮応力 σ2 :τmax により生じる引張応力 CA :係数 とすると、 |(1/2)(σ2 −σ1 )|=|τmax | …(5) CA (σ2 −σ1 )=(vT2−vT1)/vT0 …(6) であることが知られており、式(4)−式(3)、式
(5)、式(6)から (vT2−vT1)/vT0=k{(Δf2 /f)−(Δf1 /f)} =CA (σ2 −σ1 ) =(CA /2)τmax …(7) となる。
Τ max : Shear stress acting on the piezoelectric element σ 1 : Compressive stress generated by τ max σ 2 : Tensile stress generated by τ max C A : Coefficient: | (1/2) (σ 2 σ 1) | = | τ max | ... (5) C a (σ 2 -σ 1) = (v T2 -v T1) / v T0 ... are known to be (6), equation (4) - equation (3), equation (5), (v T2 -v T1) from equation (6) / v T0 = k {(Δf 2 / f) - (Δf 1 / f)} = C A (σ 2 - sigma 1) = a (C a / 2) τ max ... (7).

【0021】この結果、2k{(Δf2 /f)−(Δf
1 /f)}=CA ・τmax τmax =(2k/CA ){(Δf2 /f)−(Δf1
f)} から、τmax が計測できる。また、トルクTはT=κa
2 τmax であるため(κab2 は、形状係数)、 T=κab2 ・(2k/CA ){(Δf2 /f)−(Δ
1 /f)} となりトルクが求められる。
As a result, 2k {(Δf 2 / f)-(Δf
1 / f)} = C A · τ max τ max = (2k / C A) {(Δf 2 / f) - (Δf 1 /
f)} can be used to measure τ max . Further, the torque T is T = κa
because it is b 2 τ max (κab 2 is a shape factor), T = κab 2 · ( 2k / C A) {(Δf 2 / f) - (Δ
f 1 / f)} and the torque is obtained.

【0022】尚、図7に示すように、超音波発振回路4
2aに送信回路48aを接続して周波数信号を電波によ
り送信し、受信回路50aで受信させ、周波数信号を電
圧信号に変換する変換器44aで電圧信号等に変換させ
て演算回路46でトルクを演算させる構成にすることも
できる。次に、この超音波トルクセンサでは、表面弾性
波素子の周囲の温度が変化しても補正の必要が無いとい
う点について説明する。
As shown in FIG. 7, the ultrasonic oscillator circuit 4
The transmitting circuit 48a is connected to 2a to transmit a frequency signal by radio waves, the receiving circuit 50a receives the frequency signal, the converter 44a for converting the frequency signal into a voltage signal converts it into a voltage signal or the like, and the arithmetic circuit 46 calculates the torque. It is also possible to adopt a configuration that allows it. Next, it will be described that the ultrasonic torque sensor does not need to be corrected even if the temperature around the surface acoustic wave element changes.

【0023】トルクTは上述のように、T={(2kκ
ab2 )/(CA f)}(Δf2 −Δf1 )から求めら
れる。しかし、実際に計測される周波数は、表面弾性波
素子の周囲温度の変化の影響を受けて変化した周波数で
ある。この変位分をδとすると、 Δf1 ’=Δf1 +δ Δf2 ’=Δf2 +δ となる。
The torque T is, as described above, T = {(2kκ
ab 2 ) / (C A f)} (Δf 2 −Δf 1 ). However, the actually measured frequency is a frequency that is changed under the influence of a change in the ambient temperature of the surface acoustic wave element. If this displacement is δ, then Δf 1 ′ = Δf 1 + δ Δf 2 ′ = Δf 2 + δ.

【0024】このためトルクは T’={(2kκab2 )/(CA f)}(Δf’2
Δf’1 ) となる。しかし、変位分δは相互にキャンセルされてし
まうため Δf2 ’−Δf1 ’=Δf2 −Δf1 となり、T’=Tとなり補正の必要がない。
Therefore, the torque is T ′ = {(2kκab 2 ) / (C A f)} (Δf ′ 2
Δf ′ 1 ). However, since the displacement amount δ is canceled by each other, Δf 2 ′ −Δf 1 ′ = Δf 2 −Δf 1 and T ′ = T, and no correction is necessary.

【0025】このため、本実施例の超音波トルクセンサ
は、表面弾性波素子固有の温度特性による影響を受けず
に、トルクを正確に測定できる。これに対し、超音波の
送受信に1組のすだれ状電極だけを使用してトルクを測
定する場合は、温度の影響を受けるため別に補正回路を
もたなければならないという欠点を有する。
Therefore, the ultrasonic torque sensor of this embodiment can accurately measure the torque without being affected by the temperature characteristics peculiar to the surface acoustic wave device. On the other hand, when the torque is measured by using only one set of interdigital transducers for transmitting and receiving ultrasonic waves, there is a drawback that a separate correction circuit must be provided because of the influence of temperature.

【0026】次に、図8を参照して本発明の第2実施例
の超音波トルクセンサについて説明する。図8は、第2
実施例の超音波トルクセンサの概略構成を示すブロック
図である。本実施例の超音波トルクセンサは、表面弾性
波の位相差からトルクを測定する装置である。
Next, an ultrasonic torque sensor according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows the second
It is a block diagram showing a schematic structure of an ultrasonic torque sensor of an example. The ultrasonic torque sensor of the present embodiment is a device that measures torque from the phase difference of surface acoustic waves.

【0027】この超音波トルクセンサ60には、圧電素
子62上に配置された2組のすだれ状電極64a、64
b及び66a、66bからなる表面弾性波素子が備えら
れており、この表面弾性波素子は、図4に示すねじれ部
24に取り付けられて使用される。すだれ状電極64
a、66aは周波数f0 の超音波を発振し、これらの超
音波はすだれ状電極64b、66bでそれぞれ受信され
る。
In this ultrasonic torque sensor 60, two sets of interdigital electrodes 64a and 64 arranged on the piezoelectric element 62 are provided.
The surface acoustic wave element composed of b and 66a, 66b is provided, and this surface acoustic wave element is used by being attached to the twisted portion 24 shown in FIG. Interdigital transducer 64
a and 66a oscillate ultrasonic waves of frequency f 0 , and these ultrasonic waves are received by the interdigital electrodes 64b and 66b, respectively.

【0028】表面弾性波は、φ+2nπ=(2xf0
/v)+φE Δφ=−(2πf0 L/v2 )Δv で表せることが知られている。ここで、 φE :電気回路の位相遅延量 f0 :発振周波数 L :電極間距離(64aと64bとの距離) v :すだれ状電極から発振される超音波の伝播速度 Δφ:位相差 Δv:超音波の伝播速度の差 である。
The surface acoustic wave is represented by φ + 2nπ = (2xf 0 L
/ V) + φ E Δφ = − (2πf 0 L / v 2 ) Δv Here, φ E : Phase delay amount of electric circuit f 0 : Oscillation frequency L: Distance between electrodes (distance between 64a and 64b) v: Propagation velocity of ultrasonic waves oscillated from interdigital transducer Δφ: Phase difference Δv: It is the difference in the propagation velocity of ultrasonic waves.

【0029】そこで、2組のすだれ状電極による各位相
差Δφをそれぞれ位相差検出器64c、66cで検出
し、さらにこれらの位相差Δφの差を位相差算出器68
で求めることにより伝播速度vの変化が検出できる。次
に、この伝播速度vの変化の検出について説明する。こ
こで、 Δφ1 :圧電素子62に応力が付加されているときの、
すだれ電極64aからすだれ電極64bへ伝播する超音
波の位相差 Δφ2 :圧電素子62に応力が付加されているときの、
すだれ電極66aからすだれ電極66bへ伝播する超音
波の位相差 vT0:圧電素子62に応力が付加されていないときに、
すだれ電極64a(66a)からすだれ電極64b(6
6b)へ伝播する超音波の音速 vT1:圧電素子62に応力が付加されたときに、すだれ
電極64aからすだれ電極64bへ伝播する超音波の音
速 vT2:圧電素子62に応力が付加されたときに、すだれ
電極66aからすだれ電極66bへ伝播する超音波の音
速 CA :係数 とすると、上述のΔφ=−(2πf0 L/v)(Δv/
v)から、 (vT1−vT0)/vT0=ΔvT1/vT0=−(v/2πf
0 L)Δφ1 (vT2−vT0)/vT0=ΔvT2/vT0=−(v/2πf
0 L)Δφ2 ここで、式(7)から (vT2−vT1)/vT0=CA (σ2 −σ1 )=(CA
2)τmax よって、 (vT2−vT1)/vT0=(v/2πf0 L)(Δφ1
Δφ2 )=(CA /2)τmax T=κab2 τmax (κab2 は形状係数)であるた
め、位相差Δφ1 、Δφ 2 を求めることにより演算器7
0でトルクを検出することができる。
Therefore, each phase by two sets of interdigital electrodes
The difference Δφ is detected by the phase difference detectors 64c and 66c, respectively.
The phase difference calculator 68 calculates the difference between these phase differences Δφ.
The change in the propagation velocity v can be detected by obtaining Next
The detection of the change in the propagation velocity v will be described below. This
Where Δφ1 : When stress is applied to the piezoelectric element 62,
Supersonic waves propagating from the blind electrode 64a to the blind electrode 64b
Wave phase difference Δφ2 : When stress is applied to the piezoelectric element 62,
Supersonic waves propagating from the interdigital transducer 66a to the interdigital transducer 66b
Wave phase difference vT0: When no stress is applied to the piezoelectric element 62,
From the interdigital transducer 64a (66a) to the interdigital transducer 64b (6)
Sound velocity of ultrasonic wave propagating to 6b) vT1: When the piezoelectric element 62 is stressed, the blind
Sound of ultrasonic waves propagating from the electrode 64a to the interdigital electrode 64b
Speed vT2: When the piezoelectric element 62 is stressed, the blind
Sound of ultrasonic waves propagating from the electrode 66a to the interdigital electrode 66b
Speed CA : Assuming a coefficient, the above-mentioned Δφ = − (2πf0 L / v) (Δv /
From v) to (vT1-VT0) / VT0= ΔvT1/ VT0=-(V / 2πf
0 L) Δφ1 (VT2-VT0) / VT0= ΔvT2/ VT0=-(V / 2πf
0 L) Δφ2 From equation (7), (vT2-VT1) / VT0= CA (Σ2 −σ1 ) = (CA /
2) τmax Therefore, (vT2-VT1) / VT0= (V / 2πf0 L) (Δφ1 −
Δφ2 ) = (CA / 2) τmax T = κab2 τmax (Κab2 Is the shape factor)
Phase difference Δφ1 , Δφ 2 By calculating
The torque can be detected at 0.

【0030】尚、上記各実施例では、ねじれ部の一方の
面にだけ弾性表面波素子を取付けたが、ねじれ部の上下
両面に弾性表面波素子を取付けると、ねじれ部上の自重
等によるベンディングをキャンセルすることができる。
圧電素子の材料としてはセラミック、圧電プラスチック
等が挙げられる。このような材料により圧電素子の材料
がある程度の硬度を有するため、上述したΔf/f=Δ
s /vs −Δd/dにおいて、ひずみに対する変位Δ
d/d≒0とおくことができ、この結果、表面音速の変
化Δf/f=Δvs /vs となって周波数の変化として
検知できる。
In each of the above embodiments, the surface acoustic wave element is attached to only one surface of the twisted portion. However, when the surface acoustic wave element is attached to both upper and lower surfaces of the twisted portion, bending due to the weight of the twisted portion or the like occurs. Can be canceled.
Examples of the material of the piezoelectric element include ceramics and piezoelectric plastics. Since the material of the piezoelectric element has a certain degree of hardness due to such a material, the above-mentioned Δf / f = Δ
In v s / v s −Δd / d, displacement Δ with respect to strain
It is possible to set d / d≈0, and as a result, the change in surface acoustic velocity Δf / f = Δv s / v s can be detected as a change in frequency.

【0031】上記実施例では、超音波発振回路が数MH
z以上の超音波を発振するため、トルクの変化速度が速
い場合でも追従性が良く、静トルクも動トルクも測定で
きる。また、発振回路が数MHz以上の超音波を発振す
るため分解能が高い。また、周波数を信号として出力す
るため、電磁環境に影響されず測定精度が良い。しか
も、周波数の変位できる幅が広いため、ダイナミックレ
ンジが広い。
In the above embodiment, the ultrasonic oscillator circuit has several MH.
Since ultrasonic waves of z or more are oscillated, the followability is good even when the rate of change of torque is fast, and both static torque and dynamic torque can be measured. Further, the oscillating circuit oscillates ultrasonic waves of several MHz or more, so that the resolution is high. Further, since the frequency is output as a signal, the measurement accuracy is good without being affected by the electromagnetic environment. Moreover, since the frequency can be displaced in a wide range, the dynamic range is wide.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波ト
ルクセンサによれば、2組の超音波送信子と超音波受信
子とを備えているため、超音波の周波数に対する周囲温
度の影響を考慮した補正回路が不要となる。また、それ
ぞれの超音波受信子からの出力が周波数の変化であるた
め、電磁環境の影響を受けずに正確なトルクの測定画が
可能である。また、超音波を利用して剪断応力を求める
ことによりトルクを検出するため、高精度で微少トルク
から大トルクまで正確に計測でき、静トルク、動トルク
のどちらも計測できる。
As described above, according to the ultrasonic torque sensor of the present invention, since it has two sets of ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers, the influence of ambient temperature on the frequency of ultrasonic waves. Therefore, a correction circuit taking into consideration is unnecessary. Further, since the output from each ultrasonic receiver is a change in frequency, it is possible to accurately measure the torque without being affected by the electromagnetic environment. Further, since the torque is detected by obtaining the shear stress using the ultrasonic wave, it is possible to accurately measure from a small torque to a large torque with high accuracy, and it is possible to measure both static torque and dynamic torque.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の基礎となった実験装置の概略を示す斜
視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing an outline of an experimental apparatus which is the basis of the present invention.

【図2】実験に用いた超音波発振回路の概略構造を示す
模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic structure of an ultrasonic oscillator circuit used in an experiment.

【図3】図1に示す実験装置で行った実験の結果を示す
グラフである。
FIG. 3 is a graph showing a result of an experiment conducted by the experimental apparatus shown in FIG.

【図4】本発明の第1実施例の超音波トルクセンサの超
音波発振回路が、回転軸に接続されたねじれ部に取り付
けられた状態を示す斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view showing a state in which the ultrasonic oscillation circuit of the ultrasonic torque sensor according to the first embodiment of the present invention is attached to a twisted portion connected to a rotating shaft.

【図5】2組の超音波発振回路の概略構成を示す構成図
である。
FIG. 5 is a configuration diagram showing a schematic configuration of two sets of ultrasonic oscillation circuits.

【図6】図5に示す超音波発振回路を備えた超音波トル
クセンサの概略構成を示すブロック図である。
6 is a block diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic torque sensor including the ultrasonic oscillation circuit shown in FIG.

【図7】発振回路からの周波数信号を電波で送り、演算
回路でトルクの値を演算させる構成の概略を示す概略構
成図である。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing an outline of a configuration in which a frequency signal from an oscillation circuit is transmitted by radio waves and a value of torque is calculated by a calculation circuit.

【図8】本発明の第2実施例の超音波トルクセンサの概
略構成を示すブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic torque sensor according to a second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

12、30、62 圧電素子 14、32a、32b、34a、34b 64a、64
b、66a、66b すだれ状電極 16、36a 帰還増幅器 42a、42b 超音波発振回路
12, 30, 62 Piezoelectric element 14, 32a, 32b, 34a, 34b 64a, 64
b, 66a, 66b Interdigital electrodes 16, 36a Feedback amplifier 42a, 42b Ultrasonic oscillator circuit

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被測定体に作用するトルクを計測するた
めの超音波トルクセンサにおいて、 超音波が前記被測定体表面を所定の第1の方向に伝播す
るように前記被測定体表面に配置される、第1の超音波
送信子及び第1の超音波受信子と、 超音波が前記被測定体表面を前記第1の方向と交差する
第2の方向に伝播するように前記被測定体表面に配置さ
れる、第2の超音波送信子及び第2の超音波受信子とを
備えたことを特徴とする超音波トルクセンサ。
1. An ultrasonic torque sensor for measuring a torque acting on an object to be measured, wherein the ultrasonic torque sensor is arranged on the surface of the object to be measured so that ultrasonic waves propagate on the surface of the object to be measured in a predetermined first direction. A first ultrasonic transmitter and a first ultrasonic receiver, and the ultrasonic wave so that the ultrasonic wave propagates on the surface of the ultrasonic measurement object in a second direction intersecting the first direction. An ultrasonic torque sensor comprising a second ultrasonic transmitter and a second ultrasonic receiver arranged on the surface.
【請求項2】 前記第1及び第2の超音波送信子、およ
び前記第1及び第2の超音波受信子のそれぞれが、圧電
素子上に配置されたすだれ状電極であることを特徴とす
る請求項1記載の超音波トルクセンサ。
2. The first and second ultrasonic wave transmitters and the first and second ultrasonic wave receivers are interdigital electrodes arranged on a piezoelectric element. The ultrasonic torque sensor according to claim 1.
JP24043092A 1992-09-09 1992-09-09 Ultrasonic torque sensor Pending JPH0694550A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP24043092A JPH0694550A (en) 1992-09-09 1992-09-09 Ultrasonic torque sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP24043092A JPH0694550A (en) 1992-09-09 1992-09-09 Ultrasonic torque sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0694550A true JPH0694550A (en) 1994-04-05

Family

ID=17059375

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP24043092A Pending JPH0694550A (en) 1992-09-09 1992-09-09 Ultrasonic torque sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0694550A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3108881B2 (en) Strain measurement method and device
US4107626A (en) Digital output force sensor using surface acoustic waves
JP2005505775A (en) Temperature-stable SAW sensor with third-order elastic constant
US4549436A (en) Surface-acoustic-wave, digitized angular accelerometer
US4676663A (en) Arrangement for remote ultrasonic temperature measurement
US5910647A (en) Electronic weighing apparatus utilizing surface acoustic waves
JPS6156450B2 (en)
US7053319B2 (en) Electronic weighing apparatus utilizing surface acoustic waves using sensors operating at different frequencies, having temperature compensation, and a push oscillator
JPH0694550A (en) Ultrasonic torque sensor
Si-Chaib et al. Applications of ultrasonic reflection mode conversion transducers in NDE
JP3590900B2 (en) Ultrasonic flow meter
JPH05215621A (en) Ultrasonic torque sensor
JPH0894594A (en) Ultrasonic humidity sensor and ultrasonic temperature/ humidity sensor
US6211473B1 (en) Electronic weighing apparatus utilizing surface acoustic waves
US6812413B1 (en) Electronic weighing apparatus utilizing surface acoustic waves
JPH0641888B2 (en) SAW force sensor
RU2352905C2 (en) Meter of fluid mass transported in oil pipeline
JP3099485B2 (en) Ultrasonic transducer for stress measurement device
JPH05164631A (en) Method and apparatus for measuring stress
JPH05332855A (en) Ultrasonic torque device and ultrasonic torque measuring apparatus
JPS594270Y2 (en) Vibrating density meter
JPH0749944B2 (en) Simultaneous measurement of material thickness and sound velocity
JP2731622B2 (en) Ultrasonic thickness gauge
JPS6242015A (en) Temperature correcting method for ultrasonic flow meter
JPH08285708A (en) Pressure sensor

Legal Events

Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20000822