JPS5897610A - 捩り−周波数変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、機械的振動子に捩シ（回転角）を与えた時、
その共振周波数が変化することを利用して捩り又は回転
角を検出する捩り（回転角）−周波数変換器に関するも
のである。更に詳しくは、本発明は、トルク測定や角加
速度の測定を高精度で行うことのできる捩り一周波数変
換器に関するものである。

従来より、断面形状が矩形の梁を捩ると、その断面係数
が変沙、これによって梁の共振周波数が変化する現象を
利用した加速度計や角加速度針は、例えば米国特許第３
，１４３，８９１号、同３　、１９７．７５３号、同３
．１８１，３７３号等で公知である。しかしながら、こ
れらの装置は、捩り検出手段たる矩形断面梁や回転部分
の支持に十字フレクシャー構造、ダイヤフラムを別に設
け、また、梁とは別にトルク引き受は用のフレクシャを
必要とするなど、全体構成が複雑なものとなっていた。

ここにおいて、本発明は全体構成が簡単で、かつ検出感
度の高い捩シー周波数変換器を実現しようとするもので
ある。

本発明に係る装置は、梁が捩られてその断面係数が変わ
って共振周波数が変化する原理を利用するのではなく、
機械振動子に与えられる捩りを、圧縮軸力に変換し、こ
れを周波数変化として取り出すようにした点に特徴があ
る。

べき捩り（回転角θ）が与えられ、他方の端が固定され
た機械振動子で、中心軸Ｃｅに対して対称に構成されて
いる。この機械振動子１は、中央梁１１と、この中央梁
１１の両側に平行して設置される外側梁１２．１３と、
これらの梁のそれぞれの端部を結合させる結合片１４．
１５とをもっている。ここで、外側梁１２．１３は、与
えられる捩シ（回転角）を、圧縮軸力に変換させる役目
をしている。各結合片１４．１５には取付穴１６．１７
が設けられており、また、中央梁１１はここでは、２本
の支持フレクシャー１８及び１９を介して結合片１４．
１５に取付けられている。

この支持フレクシャは、中央梁１１の両端から共振振動
エネルギーが結合片側に漏れるのを防止するためのアイ
ツレ−７，７手段を構成している。このような機械振動
子１は、例えば一枚の板状材料を削り出して構成するか
、あるいは水晶板等をエツチングによって構成する等し
てつくられる。２段としては、例えばＰＺＴが用いられ
る。４は発振回路で、励振手段２及び振動検出手段３に
結合し、機械振動子１をその共振周波数で振動させる自
動振回路を構成している。５は機械振動子１の共振周波
数を計数するカウンタ、６Ｆｉカクンタ５がらの信号を
入力する演算回路で、例えばマイクロプロセッサが用い
られる。７は演算結果を表示する指示計である。

第２図及び第３図は第１図に示した機械振動子の動作を
説明するための説明図である。

いま、第２図において、機械振動子１の一端（下側）を
固定し、他端（上側）を角度ｌだけ捩ったとすると、外
側梁部分は捩られて短かくなる。

このため、中央梁部分に圧縮軸力が生ずる。第５図にお
いて、中央梁１１は、励振手段２、振動検出手段３及び
発振回路４を含んで構成されている自励振発振ループに
よって共振周波数で横振動しており、この中央梁１１に
圧縮軸力Ｔが加えられゐと、この共振周波数が圧縮軸力
Ｔすなわち、捩れ角θに対応して変化することとなる。

したがって、この共振周波数の変化をカウンタ５によっ
て検出し、所定演算を施すことによって捩れ角θを知る
ことができる。

次に、第３図に示すように、機械振動子１の寸法を定・
めた場合の動作を数式を用いて更に詳しく説明する。

第２図において、角度ｌだけ捩ったとき、外側梁１２．
１３の長さが短くなるが、この縮み分δは、近似的に（
１）式で示すことができる。

／Ｉ傘Ｌ（１−ｃｏｓθｌ　）　　　　　　　　　　　
　（１）ただしＬ：中央梁の結合片までの長さ り・−↓、９（外側梁１２．１３の傾斜角）Ｌ ｄ：機械振動子の幅− また、ひずみεは（２）式で示すことができる。

、；ｚ−δルー　１−　ｃｏｓθ１ ２　θ゛（２） 雪−２ｓｉｎ　　２ ここで、中央梁１１の引張り剛性をＫ。、フレクシャ部
１８．１９の引張レー性をに工とすると、（２）式で表
わされるひずみεのうち、中央梁１１に生じる分０は、
（Ｓ）式で表わすことができる。

１ ε０°罵Ｔ五 中央梁１１にこのようなひずみ６が生ずると、この中央
梁１１には、（４）式で示すような圧縮軸力Ｔが与えら
れたのと等価となる。

Ｔ″ｂ′ｈ′Ｅ−εｏ（４） ただし、ｂ：中央梁１１の幅 ｈ：中央梁１１の厚さ Ｅ：中央梁１１の縦弾性係数 両端が固定された中央梁１１の基本モードの共振周波数
ｆと、軸力Ｔとは（５）式のような関係にある。

ｆ　−ｆ。（１＋　ＫＴ）１／２ 今ｆ（ｔ　＋　−！−ｘｒ） ０　２　　　　　　　　　　　　（５）ただし、ｆｏ：
Ｔ−０のときの共振周波数、ｔ：中央梁１１の７レクシ
ヤまでの長さｌ：振動方向に直角な主軸に関する断 面２次モーメント （３）　、　（４）式から、（５）式は（６）式の通り
となる。

（６） （６）式から明らかなように１中央梁１１の基本モード
の共振周波数ｆは、与えられる回転角度θに対応して変
化するもので、この共振周波数ｆから角度θを知ること
ができる。

第４図は、第１図に示す構成、の機械振動子に−おいて
、捩り角θと共振周波数変化との関係を示した縮図で、
計算値を実線で、測定値を破線でそれぞれ示す。

第４図から明らかなように、測定値は計算値と良く一致
しており、また、θ−１０’以上では、角度Ｉと周波数
変化とはほぼ直線的で、しかも傾斜が大きくなっている
。また、捩る方向によって周波数変化が逆になる。した
がって、機械振動子１をあらかじめ捩った状態とし、常
にθ讃１０・以上で使用するようにすれば、検出感度が
高く、捩りの方向が判別できる捩り一周波数変換器が実
現できる・本発明に係る変換器によれば、中央梁とこれ
を支持するフレクシャ部及び、中央梁に軸力を与えるた
めの外側梁を板状、の一体構造で構成することができる
ので、構成が簡単で、しかも検出感度の高い捩り一周波
数変換器が実現できる。

第５図及び第６図は本発明の他の実施例を示す構成図で
ある。

第５図の実施例は、中央梁１１を支持する支持ツクシャ
部１８．１９を単一構造としたものである。この支持７
レクシヤ部１８．１９の長さ及び幅は、中央梁１１の共
振振動エネルギーの端末からの漏洩が最小になるように
決められる。ここで、このフレクシャ部の捩り剛性を弱
くすると、捩り（回転角）が中央梁にほとんど生じなく
なり、中央梁が捩られることによって起こる共振周波数
変化をなくすることができる。す表わち、機械振動子１
が捩られたときに中央梁に生じる圧縮軸力のみで、中央
梁の共振周波数変化が生じ、感度を上げることができる
。

第６図の実施例は、第５図実施例において、外側梁１２
．１３の中央部付近に窪み１２ｍ、　１３−を設け、外
側−１２，１３の捩り剛性を調節するようにしたもので
ある。

第７図及び第８図は、本発明に係る機械振動子の適用例
を示す構成図である。

第７図に示す装置は、機械振動子１の一端をベース８に
ネジ８０によって固定し、他端に回転トルクを与えるよ
うにしてトルク針を構成したものである。

第６図に示す原理模臘は、機械振動子１の一端を角加速
度θが与えられる軸９０に固定するとともに、他端に腕
９１によって支持される回転慣性を与゛にる重り叡を取
付け、加速度計を構成したものである。軸９０は、軸受
け？によって回転可能に支持されており、これに与えら
れた角加速度θは、機械振動子１の腕９１が取付けられ
た一端に角加速度θに対応した捩りとして加わるように
なっている。

なお、上記の各実施例において、中央梁１１を励振させ
るための励振手段及びその振動を検出する振動検出手段
は、これにＰＺＴを貼布する場合を想定したが、−機械
振動子を磁作材料で構成する場合には、電磁的手段を用
いてもよく、マた、機械振動子を水晶のような圧電材料
で構成する場合には、これに電極を取付けることによっ
て励振手段、振動検出手段を構成してもよい。

以上説明したように１本発明によれば、全体構　。

成が簡単で、かつ検出感度の高い捩り一周波数変換器が
実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る装置の一例を示す構成斜視図、
第２図及び第５図は動作説明図、第４図は第１図装置に
おいて捩り角と周波数変化との関係を示す線図、第５図
及び第６図は本発明の他の実施例を示す構成図、第７図
及び第８図は本発明に係る機械振動子の適用例を示す構
成図である。 １−機械振動子、１１−中央梁、１２．１３−外側梁、
１４、１５−結合片、１６．１７−取付穴、１８．１９
−支持フレクシャ、２−励振手段、３・−振動検出手段
、４・・・発振回路、５・−力ウンタ、６・−演算器、
７・−ディスプレイ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　中央梁、この中央梁の両側に平行して設置さ
   れる外側梁、これらの梁のそれぞれの端部間を結合させ
   る結合片をもつ機械振動子、前記中央梁を振動させる励
   振手段、前記中央梁の振動を検出させる振動検出手段を
   具備し、前記機械振動子の一端を固定し、他端に変換す
   べき捩りを与えることによって前記中央梁に圧縮軸力を
   与え、中央梁の共振周波数の変化から捩り（回転角）を
   知るようにした捩り一周波数変換器。 （２）　　中央梁の両端部を７レクシヤーを介して結合
   片に接続させるようにした特許請求の範囲第１項記載の
   捩シー周波数変換器。 （５）　　機械振動子の他端をあらかじめ一定の回転角
   だけ捩りた状態とした特許請求の範囲第１項記載の捩り
   一周波数変換器。