JPH04507289A - センサ - 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】 セ　ン　サ この発明は、請求の範囲第１項の前提部分に記載したタイプのセンサに関する。

〔技術の状態〕

機械的応力、ひずみまたは力を測定するに際し、磁気弾性材料を基材とする測定 センサを用いることは知られている。磁気弾性材料は、磁気弾性センサ素子から 、該センサ素子からの信号を評価する電子ユニットへの非接触信号送信を可能に する点で存利である。

磁気弾性材料の相対的透磁率は、例えばセンサか装着されている表面内における ひずみによってセンサ素子が受ける機械的応力に依存する。このプロセスの間に コイルシステムの助けを得て信号走査を達成することがてき、また、そのインダ クタンスは磁気弾性素子の透磁率の影響を受ける。

磁気弾性センサの重要な応用分野は、例えばＷＯ３８１００６９０特許明細書に 記載されるような回転シャフトのトルク測定である。この場合、磁気弾性素子は 、回転シャフト上の相互に近い軸方向の２つの帯域に装着され、該素子は２つの 主要な応力方向に配向している。一方では２つのセンサ・ソレノイドを有し、他 方では両方のセンサ・ソレノイド上で軸方向に伸びる励起ソレノイドを有するコ イルシステムが、これらのソレノイド中を通って軸方向に伸びるシャフトを備え ている。

このような態様は、出力信号に実質的な影響を与えることな（、ソレノイドに関 し回転シャフトの適度な軸方向変位を許容している点で有利である。しかし、ソ レノイドが回転シャフト全体を取囲んでいて、組立ておよび使用時のアクセスに 関して付帯的制約がある点で不利である。

上記のような不利益に鑑みて、回転シャフトを取囲む代りに回転シャフトに向合 うようにセンサコイルを配置し、該コイルの軸を回転シャフトの半径方向に対称 的に配置したものが知られている。しかしながら、このようなセンサコイルの配 置は、出力信号か磁気弾性要素の透磁率のみでなく、センサコイルに対する回転 シャフトの変位に大きく依存する点で重要な問題を含む。ＤＥ３６２０４１２− ＡＩ特許明細書には、この問題を軽減するための方法が記載されているが、この 技術は比較的小さな変位で対処しているに過ぎない。既知のセンサコイル装置に は複雑な応力をより詳細に分析するに適したものは見当らない。

高い精密度の測定結果を得るには、既知の装置にみられるように、センサがコイ ルと磁気弾性素子との間隔に関して、実質的に大きな依存性をもつことがないよ うにすることが望ましい。

非接触信号送信装置が多く知られている。全く異なる技術の領域、すなわち、盗 難防止システムにおいて、盗難防止用ラベルを用いることか知られている。この 盗難防止システムは電磁的手段によって検知領域内の盗難防止ラベルへの接近を 検知するシステムから構成され、この検知の原理は或種の共振現象に基づいてい る。

米国特許第４．５７８．６５４号にはそのような盗難防止ラベルが記載されてお り、このラベル内には厚いフィルム技術によって製造されたＬＣ回路か封入され ている。アンテナと送信機からなる検知システムの助けによって信号の送信か行 われる。送信機からの高周波エネルギーがＬＣ回路を励起して、所定の共振周波 数にて発振せしめ、これを検知システムの受信機が検知する。このシステムでは 、アンテナの周りの大きな検知領域内において難なく、且つアンテナに対するＬ Ｃ回路の位置とはかかわりなくＬＣ回路の共振を検知することができる。

しかしながら、盗難防止ラベルは対象物が成る領域内に存在するか否かを検知す るに過ぎない。すなわち、ラベルからの信号は測定量ないし同様な値に関する情 報を含んでいない。

〔発明の目的〕

本発明は、上記の２つの全く異なる領域の技術の利点を活用せんとするものであ る。すなわち、本発明の目的は、素子の変形を簡易に且つ高い信頼度をもって検 出し、そして、センサ自体と検知システムとの間隔によって影響されることなく 、測定信号を非接触的方法で送信することにある。

本発明に従えば、上記目的は、センサを請求範囲第１項の特徴部分に記載される ように構成することによって達成本発明に従えば、共振回路において磁気弾性素 子とコイルを集積することによって、これらの要素は一つのユニットとして、被 測定対象に容易に取付は可能となる。とりあげた測定値に依存して共振回路の共 振周波数は変動し、そして、その周波数は高周波電磁線手段によって走査するこ とができる。従って、測定された信号は、既知の補助手段の作用によって、非接 触的方法により検知でき、且つ、センサと検知手段との間隔に依存してその影響 を受けることがなく検知できるような周波数に変えられる。

センサを本発明のように集積ユニットとすることの他の本質的な利点は、たとえ 被測定対象が測定過程において手の届かないものであっても、異なる被測定対象 に容易に適用できることにある。加えて、本発明のセンサは低コストで且つ標準 品として容易に量産することができる。

コイルは測定本体に近く且つ該本体に関し固定された位置に装着できるので、コ イルのインダクタンスは測定本体が受ける機械的応力との関連性かより一層高い ものとなる。

その結果、強く且つ正確な測定信号を得ることができる。

本発明のさらに他の利点および特徴は、以下に具体例として記載したいくつかの 異なる実施態様から理解できるであろう。

〔図面の一覧〕

以下、添付図面について説明する。添付図面において、第１図は本発明のセンサ を具えた測定装置の構成図であり、第２図、第３図および第４図は本発明のセン サの互に異なる回路図であり、第５図および第６図は本発明のセンサの異なる実 施態様を示す図である。

〔発明の詳細な説明〕

第１図に部分的に概略を示す、可動素子の一例としてのシャフト１のパートが回 転して測定すべきトルクを受けたとする。測定のために、シャフトｌの外表面に 例えば接着剤手段によってセンサ２が取付けられ、かくして、ｌ・ルクはシャフ ト１上のひずみ測定手段によって間接的に測定される。詳細な構成を以下に示す センサ２は、装着部材例えばシャフトｌの支持構造材または同様な装置に装着さ れた検知装置３と協同する。検知装置３は高周波帯域内の電磁線の受信装置およ び送信装置を有し、これら両装置は共通のアンテナ５を利用している。同図にお いて、送信装置と受信装置は共通の電子ユニット６と一体となっており、該電子 ユニット６はセンサ２からの信号を処理する手段を具えている。この場合にも指 示ユニット７が電子ユニット６に接続している。この指示ユニット７はセンサ２ からの測定値を表示する。測定値の表示に代えて、電子ユニット６からの対応す る信号を別のプロセス制御に利用できることは言うまでもない。例えば、測定値 が成る値を超えたときにシャフト３の駆動を減結合するためにその信号を利用す ることができる。

簡易型のセンサ２を第２図に示す。同図には、センサ２の回路図が示されている 。この場合、コイル８とコンデンサ９が共同して電気共振回路ｌＯを構成してい る。コイル８は、以下に磁気弾性材料１１として示す磁気弾性材料製磁心を具え ており、この磁心はシャフト１の外表面に取付けるためのものである。磁気弾性 素子１１はセンサの測定本体を構成している。

それ故、コイル８は誘導的に弾性材料素子１１と結合している。磁気弾性素子１ １はアモルファス材料で構成することが好ましい。この場合、コイル８とコンデ ンサ９とを連結する２つの導電体１２．１３がコイル８とともに、集積アンテナ を構成しており、このアンテナは検知装置３からの電磁線を受け、また検知装置 ３へ電磁線を送る作用を果す。

第３図はセンサ２の変形態様を示している。このセンサ２は第２図に示すセンサ に対応するものであるが、コイル８およびコンデンサ９と並列に配置された特殊 アンテナ１４を余分に具えている。

第４図はさらに別の変形態様を示しており、この態様では磁気弾性素子１１は誘 導導体１５を介してコイル８と間接的に結合している。

第５図はセンサ２の構成を示す一例である。磁気弾性素その上面の所定位置には 電気コイル８が固定されている。

コイル８は、第３図に示す回路図に従って、コンデンサ９とアンテナループ１４ に平行に接続せる平坦ならせん路を構成している。コンデンサ９とアンテナ１４ は同様に素子１１の上面に固着されている。コイル８はワイヤ材料または薄いフ ォイル材料でできている。コンデンサ９は、コイル８およびストリップ１６と同 様に、平坦に構成されていて、センサか全体として実質的に平坦で薄い形状をな すことが好ましい。第５図において、ストリップ１６は不釣合に厚く示しである 。実際には、非常に薄く、３０μｍのオーダーまたは１ｍｍ未満の厚さを育する 。それ故、ストリップ１６、ひいてはセンサ２全体が可撓性であって、測定対象 １の表面に容易に追従した形状をとることができる。コイル８、コンデンサ９お よびアンテナＩ４が形成されている一方の面と磁気弾性素子ｌ！が形成された他 方の面との間は、例えば薄いセラミックディスク（図示せず）のような電気絶縁 体で構成されている。また、第５図において、コイル８の内方端とコンデンサ９ とを横断的に結ぶ線１３もコイル８と絶縁されている。このようにして、共振回 路ＩＯと磁気弾性素子１１とが、容易に取扱うことができ且つシャフト１その他 の被測定対象に容易に取付けることができるユニットを構成する。

第６図はセンサ２のコイル８と磁気弾性素子１１の変形態様を例示している。こ の例では、コイル８のコアを構成する磁気弾性素子１１が複数の互に平行に配置 された導体１９によってループ状に形成されている。コイ′ル８を形成する導電 体１９は磁気弾性材料製ワイヤ１８に対し実質的に直角に配向されていて、導電 体１９とワイヤ１８とか共同して織物と同様な絡合格子構造を有する網状組織を 形成している。さらに、このようなセンサの応用において、第６図には図示して いないが、電気コイル８はコンデンサ９およびアンテナ１４と接続している。コ ンデンサ９は、全体が集積ユニットを形成するように織物様構造体の上面に配置 することが好ましい。アンテナ１４も織物様構造体の上面に配置するかまたは同 構造体を取囲むように配置することができる。

取扱いの便宜上、織物状構造体、コンデンサ９およびアンテナ１４を囲繞キャス ティング中に埋込むことができる。

このキャスティングは例えばプラスチック材料の薄いフィルムで構成することが できる。このユニット全体を接着、加硫または他の同様な手段によってシャフト １に簡単に取付けることができる。しかしながら、キャスティングの弾性が過度 に高くてはならない。キャスティングまたはフィルムは、実際の応力または変形 を磁気弾性ワイヤ１８に伝達し得る材料で構成しなければならない。

測定センサ２の具体的形態は他の代替態様とすることができる。例えば、コイル ８とコンデンサ９をプラスチック積層体中に埋込まれた導体として構成し、この 積層体の成る層に磁気弾性材料のワイヤを埋設してプラスチック積層体に固着す ることができる。しかしながら、全ての態様に共通する特徴は、電気共振回路１ ０が磁気弾性素子１１に固く結合して集積一体化せるユニットを構成することに ある。さらに、コイル８は磁気弾性素子　１１に関し、非常に近接した固定され た位置に設置される。コンデンサ９と、若し適用可能ならば、別のアンテナ１４ もそのようなユニット中に集積一体化される。コイル８とコンデンサ９は、もち ろん、実際に相互に共同して作動し、一つの共振回路ｌＯを構成する複数のコイ ルおよび／またはコンデンサとすることもできる。

第１図に従って、回転シャフトＬ上のトルクを測定する応用においては、測定セ ンサ２は次のように作動する。シャフト１に働くトルクが機械的応力を生ぜしめ 、シャフト外表面に該応力に対応した変形を生ぜしめる。シャフトｌに対し決め られた位置に固着され、且つ、シャフト１に面する磁気弾性素子１１を具えた測 定センサ２は対応する機械的応力および変形を受ける。これによってその透磁率 か変化を受け、必然的に共振回路１０の一部を構成しているコイル８のインダク タンスに変化を生せしめる。

電子ユニット６に含まれる送信機の作用によって電磁線、より正確に言えば電波 信号かアンテナ５を介して測定センサ５に送信される。送信機は、可変であるが 所定の周波数をもつ電波信号を発するように構成されている。最初は、送信機は 、所定の共振回路１０に適用される周波数帯域内の掃引周波数を有する信号を発 する。

発せられた信号か、上記ケースにおいて適用される共振回路１０の共振周波数に 対応する周波数にて送信されると、該共振回路が励起され自励発振する。それ故 、共振回路が電波送信機として作用し、その発生信号が電子ユニット６の受信機 によって受イゴされる。このように信号が受信されると、共振回路１０が自励発 振の状態に到達したことか確かめられる。そして、実際の共振周波数は送信機の 所定周波数から計算することができる。この周波数が磁気弾性素子１．１の変形 の尺度となるので、既知の方法によって、シャフトｌが受けるトルクを計算する のに利用することができる。

さらに、電子ユニット６の送信機および受信機は、電波の球において周知のよう に、相互に順応し、その結果、送信機周波数が継続的かつ自動的に変って、共振 回路か連続的に自己発振を受ける。この連続的自己発振は、たとえ、磁気弾性素 子が受ける負荷が変動することによって周波数が変っても起こる。共振回路ＩＯ が共振する周波数は、常に、被測定対象の現実の変形を表わす測定値を構成する 。

もちろん、測定センサ２は、慣用される方法に従って、機械的変形から直接的ま たは間接的に演鐸される他の力、圧力などの大きさを検知するのに利用できる。

そのように測定値を表わす周波数は、少くとも適当な間隔に関しては、測定セン サ２と検知装置３との間隔には全く依存しない。信号送信の最良の条件は、測定 センサ２の共振回路１０が第３図に示す態様に従って別のアンテナ１４をもつよ うに構成されることにある。その結果、被測定対象が検知装置３に関して動くな らば、正確で強い信号を得ることができる。別のアンテナ１４がコンデンサ９と 協同して閉回路を構成し、この閉回路では、強い電流が脈動し、アンテナ１４か ら対応する強い発生信号を生ずる。若しアンテナ１４を用いないときはコイル８ のインダクタンスがそのような強い電流を制約する。同じ理由によって、共振回 路の変動せる周波数がより良い解析を可能にし、別のアンテナ１４を利用するな らば、コイルのインダクタンスが変動したときに一層正確な測定結果を産む。電 子ユニットのアンテナ５は、別の態様として、それぞれ送信機用と受信機用の２ つの別個のアンテナで構成することができる。

コンデンサのキャパシタンス値はコイルインダクタンス値に関連して、さらに所 要ならばアンテナ１４に関して選択すべきであり、それによって共振回路の共振 周波数が許容周波数の上限を超えることなく所望周波数帯域に保持される。かく して、磁気弾性素子が共振に役立つことになろう。適当な周波数帯域は１００　 ＫＨｚ〜１００ＭＨｚであろう。

より開発の進んだ態様では、いくつかの測定センサを同一の被測定対象に結着し 、それぞれ異なるマグニチュード、例えば別々の方向に働く力を走査せしめるこ とができる。

これらの場合、い（つかの測定センサに対し同じ検知装置を用いることができる 。但し、それぞれのセンサは、例えば異なる周波数帯域内の共振周波数手段によ って見分けることができる。

コイル８とコンデンサ９を並列に接続することによって多（の利点が得られるが 、両者を直列に接続することも可能である。この場合、両者が閉回路を形成する 必要はない。

本発明の範囲はここに説明した実施態様に限定されるものではなく、請求の範囲 の記述に基づく、磁気弾性素子がシステムの共振周波数に影響する他の実施態様 をも包含するものである。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．磁気弾性材料からなる測定本体（１１）と電気コイル（８）を含んでなる電 気共振回路（１０）とが誘導的に接続され、一つの単位（２）として一体化され ていて、被測定対象（１）に固着されるものであることを特徴とする被測定対象 の機械的応力、変形または同様なマグニチュードを検知するセンサ。 ２．測定本体（１１）がアモルファス材料でできていることを特徴とする請求の 範囲第１項記載のセンサ。 ３．測定本体（１１）と電気共振回路（１０）とが互に隣合って配置され、且つ 、両者が平坦な形状を有することを特徴とする請求の範囲第１項記載のセンサ。 ４．共振回路（１０）が、コイル（８）に並列に接続されたコンデンサ（９）を 含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載のセンサ。 ５．共振回路（１０）がコイル（８）に並列に接続されたアンテナ（１４）を含 むことを特徴とする請求の範囲第４項記載のセンサ。 ６．測定本体（１１）とコイル（８）とが一つの交絡構造をなしていることを特 徴とする請求の範囲第１項記載のセンサ。 ７．交絡構造が磁気弾性ワイヤ（１８）と導電体（１８）との回路網からなるこ とを特徴とする請求の範囲第６項記載のセンサ。 ８．相互接続構造（１８，１９）が電気絶縁材料、好ましくはセラミック材料製 電気絶縁材料を含むことを特徴とする請求の範囲第６項記載のセンサ。 ９．電気共振回路（１０）が電磁エネルギーを受け且つ送出するためのアンテナ （１４）を含み、且つ、コイル（８）、コンデンサ（９）およびアンテナ（１４ ）の相対的大きさが、電気共振回路の共振周波数が高周波帯域内となるように設 定されていることを特徴とする、測定信号を非接触送信する装置の部分を形成す るための請求の範囲第１項記載のセンサ。 １０．高周波帯城内の電磁エネルギーの送出機および受理機が被測定対象（１） に近接配置され、センサ（２）が被測定対象（１）に固着されるとともに測定本 体（１１）が被測定対象（１）に向合って配置され、上記送出機が共振回路（１ ０）を励起するように配置され、且つ、上記送出機が、被測定対象（１）の変形 に対応する測定値を構成する共振回路（１０）の共振周波数を検知するように配 置されていることを特徴とする、上記請求の範囲のいずれかに従って構成された センサ（２）からの測定信号を非接触送信する装置。