(57)【要約】【課題】    高速回転物の回転に伴う軸トルクの高分解能計測をする際に、回転物から非回転計測器間の数１０Ｍｂｐｓ以上の高速で確実な無線での計測信号のデータ伝送方式が求められている。【解決手段】    データ伝送方式として回転物と非回転物の間の伝送方法を終端抵抗で終端されるストリップライン非共振伝送線路の漏洩電磁界結合で行い、ストリップラインの構造は、プリント板上にパターンで、回転軸の回転円周方向に円弧状に形成し、回転物、および非回転物と対向配置することにより、数１０Ｍｂｐｓ以上の高速データ伝送を可能にする広帯域性および回転に伴う安定な伝送特性を実現し、伝送方法を実現した。 【選択図】図１
2010061487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転物に装着されたセンサ、および計測回路の計測データを外部計測機器にデジタル伝送する回転物計測装置において、回転物に装着されたストリップラインの伝送軸方向に垂直な表面方向に所定の距離を有して非回転物として平行配置されるストリップラインの伝送軸方向に垂直な表面方向と電磁結合することにより前記デジタル伝送を行う
ことを特徴とする回転物からのデータ伝送方法。
【請求項２】
前記回転物に装着される、および前記非回転物として配置される前記ストリップラインの構造は、プリント板上に配線パターンで形成されることを特徴とする請求項１記載の回転物からのデータ伝送方法。
【請求項３】
前記回転物に装着される、および前記非回転物として配置される前記ストリップラインの形状は、前記回転物の回転軸の回転円周方向に伝送線路が円弧状に形成され、かつ回転物に装着される、および非回転物として配置される前記ストリップラインが、対向配置される、ことを特徴とする請求項１、および請求項２記載の回転物からのデータ伝送方法。
【請求項４】
前記回転物に装着される、または前記非回転物として配置される前記ストリップラインの数量は、回転に伴う伝送の結合係数が所定の平坦性を有するために複数個で構成されることを特徴とする請求項１、から請求項３記載の回転物からのデータ伝送方法。
【請求項５】
前記回転物に装着される、または前記非回転物として配置される前記ストリップラインの数量は、回転に伴う伝送の結合係数が所定の平坦性を有するために、回転中心軸に対称に４個で構成されることを特徴とする請求項１、から請求項４記載の回転物からのデータ伝送方法。
【請求項６】
前記回転物に装着される、または前記非回転物として配置される前記複数個のストリップラインへの信号の供給、もしくは信号の受信方法は、ストリップライン型分配器、抵抗型分配器、もしくはトランス結合型分配器により接続されることを特徴とする請求項１、から請求項５記載の回転物からのデータ伝送方法。
【請求項７】
前記回転物に装着されたセンサ、および計測回路の計測データは回転物の軸トルク計測データを含むことを特徴とする請求項１、から請求項６記載の回転物からのデータ伝送方法。
【請求項８】
前記回転物からのデータ伝送方法は回転物に装着されたセンサ、および計測回路、と前記外部計測機器の間で双方向データ伝送を行うことを特徴とする請求項１、から請求項７記載の回転物からのデータ伝送方法。
【請求項９】
前記回転物に装着されたセンサ、および計測回路で使用される電力の供給方法は、前記回転物からのデータ伝送方法とは異なる結合方法で電力供給されることを特徴とする請求項１、から請求項８記載の回物からのデータ伝送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
回転物の回転部分に装着されたセンサで計測された高分解能でかつ高速な計測データを外部計測機器にデジタル伝送を行なう方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、センサ、および電子回路部品の小型化、高性能化とともに回転物の回転部分にセンサ、および計測回路を装着し、計測データを外部計測機器にデジタル伝送を行なうことが多くなっている。
【０００３】
回転物の回転部分にセンサ、および計測回路を装着しての計測項目には歪み（変位量、振動）、温度、回転数・角度がある。これらの計測は、非回転外部からは正確な計測が不可能で、回転部分にセンサ、および計測回路を装着し、計測データを回転物から、非回転外部の計測機器に計測データを伝送する必要がある。
【０００４】
また、回転に伴う高分解能計測の必要性から、例えば回転に伴う回転軸の伝達トルクを計測する場合は、回転物上に複数個の歪みゲージを装着し６分力の伝達トルクを計測する。この計測では後述するように１０Ｍｂｐｓ（ｂｉｔ／ｓｅｃ）以上にも計測データ量は増大する。
【０００５】
従来から、回転物から非回転外部の計測機器に計測データ、および計測のための制御信号を伝送する方法として、スリップリング等の直接信号線を接続して伝送、もしくは無線伝送等が用いられている。
【０００６】
このほか、伝送方法として電気信号を電気―光変換器で光信号に変換して伝送する光伝送を用いた方法も提案されている。しかし、高速回転物特有の油などの回転に伴う飛散物のような光伝送経路障害物が想定される分野では光伝送方式は安定したデータ伝送方式とはいえない。
【０００７】
これらの先行文献として文献１では伝送方式として無線伝送方式を用いていて、伝送距離が短距離であることを利用して送信最終段の電力増幅器を省く等の省電力化を図っている。しかし、無線伝送方法としては、例に示されているように送信周波数２７MHz付近の周波数にFM変調をかける通常の伝送方式を用いていて、伝送帯域はせいぜい１００ＫＨz程度の狭帯域の信号伝送を想定している。またアンテナ形状については、構造図の例により開示はされているが、回転に伴う伝送特性への考慮等からは広帯域データ伝送を対象とはされていない。
【０００８】
また、文献２では、回転軸に対して垂直な面で送信アンテナ、および受信アンテナで無線伝送方式によりデータ伝送をすることが開示されているが、特に伝送方式、およびアンテナについての詳細方法は開示されていないので通常の無線伝送方式によるデータ伝送で特に広帯域データ伝送を意図したものではないと思われる。
【０００９】
【特許文献１】--------特開平８−３５８９５号公報
【特許文献２】--------特開２００１−３０４９８５号公報
【００１０】
このように、過去の文献によれば、軸トルクの計測データを無線伝送方式でデータ伝送をすることは公知である。しかし本発明のように例えば１０，０００ｒｐｍもの高速に回転する回転物の６分力の伝達トルクを角度分解能０．５度以上の高分解能で計測したデータを伝送する伝送方式を意図した過去文献は見当たらない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、高速で回転する回転物にセンサ、および計測回路を装着し、計測データを外部非回転計測機器に無線伝送を行うために、回転物と非回転物の間の伝送特性が数１０Ｍｂｐｓの広帯域を有し、回転に伴う伝送特性の変動が少なく、高速伝送を可能にする、および回転物に装着される回路素子が少なくすることにより安定な伝送方式が必要であることをもとになされたものである。
【００１２】
この安定したデータ伝送方式として回転物と非回転物の間の伝送方法を非共振回路の伝送線路の漏洩電磁界結合で行い広帯域性および回転に伴う安定な伝送特性を実現し、高速伝送を可能にする、および回転物に装着される回路素子が少なくするために、伝送の際の変調方法をＡＳＫとして実現している。
【００１３】
さらに、回転物が回転軸を中心とする回転に伴う電磁界結合を確実にするために、伝送線路としてストリップラインを用いて、回転軸の回転円周方向に円弧状に形成し、かつ回転物、および非回転物上に対向して配置する構造としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
これらの問題を解決する方法として回転物に装着されたセンサ、および計測回路の計測データを外部計測機器にデジタル伝送する回転物計測装置において、回転物に装着されたストリップラインの伝送軸方向に垂直な表面方向に所定の距離を有して非回転物として平行配置されるストリップラインの伝送軸方向に垂直な表面方向と電磁結合することにより前記デジタル伝送を行うことで高速回転物から高速で多量の計測データを伝送できる。
【００１５】
また好ましくは前記回転物に装着される、および前記非回転物として配置される前記ストリップラインの構造は、プリント板上に配線パターンで形成することにより実現できる。
【００１６】
回転に対する伝送を確実に行うために前記回転物に装着される、および前記非回転物として配置される前記ストリップラインの形状は、前記回転物の回転軸の回転円周方向に伝送線路が円弧状に形成され、かつ回転物に装着される、および非回転物として配置されるストリップラインが、対向配置される形状としている。
【００１７】
さらに、前記回転物に装着される、または前記非回転物として配置される前記ストリップラインの数量は、回転に伴う伝送の結合係数が所定の平坦性を有するために複数個で構成することにより広帯域な周波数範囲を有する伝送確実性が実現できる。
【００１８】
好適には、前記回転物に装着される、または前記非回転物として配置される前記ストリップラインの数量は、回転に伴う伝送の結合係数が所定の平坦性を有するために、回転中心軸に対称に４個で構成することとしても実現できる。
【００１９】
また、前記回転物に装着される、または前記非回転物として配置される前記複数個のストリップラインへの信号の供給、もしくは信号の受信方法は、ストリップライン型分配器、抵抗型分配器、もしくはトランス結合型分配器により接続しても良い。
【００２０】
また、前記回転物に装着されたセンサ、および計測回路の計測データは回転物の軸トルク計測データを含むこともある。
【００２１】
さらに、前記回転物からのデータ伝送方法は回転物に装着されたセンサ、および計測回路、と前記外部計測機器の間で双方向データ伝送を行うこともできる。これにより、回転物に装着される計測器への計測開始信号などの制御信号を伝送でき、より複雑な計測が実現できる。
【００２２】
また、前記回転物に装着されたセンサ、および計測回路で使用される電力の供給方法は、前記回転物からのデータ伝送方法とは異なる結合方法で電力供給することで、計測データの無線伝送と電力の供給方法を回転に伴う伝送干渉性を排除できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、高速に回転する回転物にセンサ、および計測回路を装着し、計測データを外部計測機器にデジタル伝送する場合に、伝送帯域を数１０ＭＨｚ以上の広帯域の回転に伴う現象を、高速および高分解能で計測したデータを、高速回転に影響を受けない伝送方法で外部の非回転計測機器に伝送することにより、回転する部分でしか行えない現象の計測が行えるようになる。
【００２４】
特に、回路簡略化のためのASK変調方式での復調におけるジッタの発生を、回転に伴う伝送距離変動を回転方向に対して複数個にストリップライン非共振伝送線路の漏洩電磁界結合を用いることにより伝送距離変動を少なくし、また結合特性を平坦化することにより、ビットレート数１０ＭＨｚ以上の広帯域デジタル無線伝送を実現している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の基本となる計測データの高速データ伝送の必要性を回転物に装着された６分力計測装置の例で説明する。通常６分力計測は回転物の回転軸に対し対称的に円周上に装着される複数個の歪みゲージの信号をブリッジ回路、増幅回路、およびAD変換器で計測している。
【００２６】
例えば、１０，０００ｒｐｍで回転する回転物の歪み特性を角度分解能０．５度で計測するためには１２０，０２４データ／ｓｅｃ、さらにシリアル伝送とすると１６ｂｉｔ（６５，５３６）分解能の測定を行うと１，９２０，３８４データ／ｓｅｃ・ｃｈのデータとなる。さらに、６分力計測のために８個の歪みゲージの同時測定が必要とすると８ｃｈで１５，３６３，０７２ｂｐｓ（１６Ｍｂｐｓ）のデータ伝送速度が必要である。
【００２７】
何らかの伝送符号化を行う、例えばマンチェスターコードで伝送すると、ＮＲＺで１６Ｍｂｐｓのデータ伝送信号では伝送クロック２０MHzが必要とされる。
【００２８】
これらの大容量の高速信号を無線伝送をする場合、変調方式により周波数帯域を圧縮して伝送する方式もあるが、本発明のように高速回転物にセンサ、および計測回路を装着し、計測データを外部計測機器の無線伝送をするためには、回転に伴う回転揺らぎによる伝送距離の変化、回転遠心力による部品への影響等から、回転物に装着される部品は出来るだけ少なく、かつ構成がシンプルであることが望ましい。
【００２９】
本発明では、高速・大容量データ伝送の一方法として、最も回路構成上簡単な無線伝送のベースバンド信号をシリアル・マンチェスターコードでのASK変調方式を用いている。
【００３０】
これらの１０，０００ｒｐｍで回転する回転物のから伝送クロック２０Ｍ以上もの高速デジタル伝送を実現するために、従来の無線伝送で使用されていた送信アンテナ、および受信アンテナによる送受信方式では、波長の長さ以下の近接離の伝送を行う場合、アンテナに生じる定在波に制限され通信帯域の平坦性が保てなくなり、回転に伴うアンテナーアンテナ間の伝送特性に伝達ギャップが生じることが知られている。
【００３１】
この、近接距離の伝達ギャップをなくする方法として、回転物と非回転外部機器との伝送距離がせいぜい数センチであることに着目して、ストリップラインの伝送軸方向に垂直な表面方向に所定の距離を有して非回転物として配置されるストリップラインの伝送軸方向に垂直な表面方向と電磁結合することによりデジタル伝送を行う方法を用いた。
【００３２】
この方法により、アンテナ方式による伝送に比較し伝送される電力効率は劣化するが、送信端での終端抵抗で終端されるストリップラインの非共振性の平坦な伝送特性を維持した状態での漏洩電磁界を、受信端の同様な終端抵抗で終端される非共振性の平坦な伝送特性を有するストリップラインで受信することにより、結合される伝達周波数領域の平坦性を維持し、さらに回転に伴う送受ストリップラインの相対位置変動における、アンテナ方式における定在波に伴う伝達特性変動に比較して、結合特性変動の少ない回転物からの近距離の広帯域データ伝送方式を実現している。
【００３３】
図２にこのストリップラインでの電磁結合方式の概要図を示す。図２では送信端の最終段送信信号がストリップラインに接続され、さらにストリップラインの先端に接続された終端抵抗器で終端されていることを示している。送信信号はストリップラインの特性インピダンスおよび終端抵抗器の値を整合することにより周波数特性が平坦性を維持したまま終端抵抗で消滅されることになり、ストリップラインを伝達する信号は信号の周波数に依存しない非共振の平坦な特性となる。
【００３４】
通常、ストリップラインは平板伝送線が両面にグラウンド導体、および均質誘電体に挟まれたＴＥＭモードで伝送される伝送線路として説明され、変形として誘電体の伝送線の片方を大気として、使用するマイクロストリップラインと区分して使用されることもあるが、本発明では、実施例として結合器にマイクロストリップライン、分配器にストリップラインを使用していているが、ここでは総称としてストリップラインを用いる。
【００３５】
また、送信側のストリップラインの伝送軸方向に垂直な表面方向に所定の距離を有して、ストリップラインの伝送軸方向に垂直な表面方向に受信側のストリップラインを、送信側と同様に先端を終端抵抗器に接続した状態で配置することにより、送信側のストリップラインの垂直な表面方向に誘起される漏洩電磁界により電磁結合することができ、図２の受信側のストリップラインに信号が結合伝達され、平坦な周波数特性を維持したまま伝送される。
【００３６】
この伝送方式は、送信部、および受信部も終端抵抗を有する低い特性インピダンス回路となる。また、送受ストリップライン間の空間距離により、ストリップラインの特性インピダンス、および結合伝送電力効率は変化するが、空間距離を所定の距離、例えば本発明では伝送周波数３００ＭＨｚの場合、数
ｍｍ 以上の距離、を置くことにより結合伝送電力効率を従来のアンテナ伝送に比較し劣化するが、ストリップラインの特性インピダンスに影響を与えない結合が行える。この結合方式により、伝送距離が数センチ以下での制限下ではあるが、数１０ＭＨｚ以上もの広帯域結合を回転する結合方式が実現できる方式としては、きわめて有効な方式といえる。
【００３７】
この伝送方式は、送信部、および受信部ともに同様な終端抵抗器とストリップラインで構成されるために、送信受信機能を切り替えるだけで双方向の伝送が行える特徴も有している。
【００３８】
また、この方式は結合部がアンテナ構造でないため、伝送インピダンスが低く、かつ終端抵抗で終端されているために、計測機器から外部に発生される放出電磁界はきわめて低く、また信号を受信するさいもインピダンスが低いため外部からノイズを受けにくい特徴がある。
【００３９】
また、このストリップラインの結合器を回転物から非回転物への無線伝送する場合、図２に示した結合方式の概要図を回転物に用いるためにストリップラインの結合器の形状を円弧上にしている。この結合方法を図３の例で示す。
【００４０】
図３でこのストリップラインの結合器を回転物から非回転物への無線伝送する場合の結合方法を示す。図３の例では回転物の円周方向に送信ストリップラインを円弧状に配置し、このストリップラインの垂直な表面方向に対向する位置に非回転側の、ここでは受信側のストリップラインを同様に円弧状に配置していることを示している。この送信ストリップラインと受信側のストリップラインとの垂直方向の間隔が伝送距離である。
【００４１】
また、図３には、この結合が行われる際の断面の拡大図を示していて、送受側の各々のストリップラインがストリップラインが誘電体層、およびグランド面で構成され、対向する位置関係に配置している様子を示している。このようにストリップラインを回転軸の円周方向に円弧上に形成し、対向する配置とすることで、回転に対して平坦な結合特性が得られる。
【００４２】
さらにこの円弧状ストリップラインを回転物の伝送方法として使用する場合、送受ストリップライン間の相対位置が回転により結合する結合相手のストリップラインが順次変化する。この結合切り替わり現象を回転物の円周方向に送信ストリップラインを複数個配置することによりこの回転に伴う結合係数の平坦な伝送を行うことが出来る。
【００４３】
図４には送信ストリップラインを４個、軸中心に対称に配置し使用し送信信号を増幅器、分配器を介して接続する例を示している。また、外周に受信部の同様な終端抵抗器とストリップラインを１個で結合することを示している。
これにより、送信側の回転物が回転しても、常に受信部のストリップラインと回転しながら結合対象のストリップラインが切り替わりながら結合していることになり、回転に伴う伝送特性の平坦性が維持できる。
【００４４】
この方式により、４個、または複数個のストリップラインの円周方向の間隔を、相互干渉を起こさない程度に小さくしておくことにより、また、アンテナ方式による定在波に伴う伝達特性の変動に比較して、平坦な結合平坦性が得られる。
【００４５】
さらに、図５では４個、または複数個のストリップラインでの回転に伴う伝送平坦性を得るために、ストリップラインへの給電端、および終端抵抗部分での電磁界の乱れの影響を少なくするために、結合部分をストリップラインの部分的位置で結合する方法を示している。この方法により、回転に伴う受信側のストリップラインと結合関係が複数個の送信側ストリップラインで切り替わる際の位相変動を少なく出来る。
【００４６】
図４では送信側に４個のストリップラインを配置しているが、伝送平坦性、および位相平坦性を更に良くするためには、同様な方式で８個のストリップラインを軸中心に対称に配置することも出来る。さらに受信側にストリップラインを４個配置しても良いし、送受信側両方に４個、または複数個配置しても良い。この場合は、図４に加えて、受信側に分配器を介する必要がある。
【００４７】
図４に示す分配器はストリップライン型分配器、抵抗分配器型、トランス型分配器のいずれでもよく、増幅器とストリップラインおよび終端抵抗のインピダンス整合をとることにより、円周上に配置されるストリップ線路上に同様な信号強度で信号が伝送される方法であれば良い。
【００４８】
図６に、図４の分配器として使用するストリップライン型分配器を例として示している。図６ではストリップラインの特性インピダンスが線幅により決められることを利用して、３段の異なる特性インピダンスＺ０、１／２Ｚ０、１／４Ｚ０、のストリップラインで、１個の出力インピダンス１／４Ｚ０  の送信側増幅器の信号４個の特性インピダンスＺ０ の終端抵抗器、およびストリップラインに分配している。
【００４９】
これにより分配器でインピダンス整合を取ることにより、送信側増幅器の信号を終端抵抗器、およびストリップラインに反射なく伝送することにより、ストリップライン上に定在波の生じることを防ぎ、平坦な結合平坦性が得られる。また、このストリップライン型分配器は電子回路部品を使用することなく、プリントパターンのみで実現できることもあり、回転振動に伴う部品劣化も少なく、形状も薄く実現できる特徴も有している。
【実施例】
【００５０】
以下、本発明の好適な実施例について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明にかかるストリップライン結合方法を用いた回転型分力計測装置の構成の一例である。同図に示す回転型分力計測装置１は、計測対象物である回転部に設置され、８個の受感部毎に構成されたブリッジ回路で構成されるトルクセンサ１１の出力信号を、所定の測定開始信号、または軸の回転角度検出信号から得られるタイミング信号に応じてサンプリングするデータ収集部２１と、計測された計測データを伝送する送出部２３とで構成される回転物に装着される回転測定部と、回転部の外部であって、回転しない受信部２４、および受信されたデータで計測をつかさどる信号処理部２５とから構成される。
【００５１】
データ収集部２１は、トルクセンサ１１からの出力信号８本を入力して、測定開始信号２１ａのタイミング信号に応じてサンプリングしてＡＤ変換する手段であり、ＡＤ変換器２１ｂ、ＡＤ変換器出力を送出部２３でＡＳＫ変調のためのシリアルデータに変換するデータ変換部２１ｃといった電子回路により構成される。
【００５２】
送出部２３は、データ収集部２１で収集された出力信号を結合器２３ｃで非回転部に送出する手段であり、受信部２４は、送出部２３から送出された出力信号を結合器２４ａで受信する手段である。
【００５３】
また送出部２３は、回転部と非回転部の相対位置検出により、計測対象物である軸の回転角度を検出するためのロータリエンコーダ２３ｄを有していて受信部２４の検出器２４ｄで回転角度情報として検出される。この回転角度の検出方法は、光、磁気、電磁気を使用するエンコーダ方式の検出器で実現可能であり、従来より知られている方式を用いて実現される。
【００５４】
例えば、光エンコーダ方式の角度検出部は、回転基準位置及び検出角度（例えば１度）毎にスリットを外周に刻んだ円形のスリット板を回転測定部に固定し、非回転受信・給電部に、投光素子、受光素子を配置することにより、回転角度に応じて回転基準位置情報及び角度情報をパルス列で出力し、これをパルスカウンターで読取り、回転基準位置情報と合わせて、０〜３６０度までの微小角度毎に回転角度タイミング信号を得るものである。
【００５５】
またＡＤ変換器で回転角度検出信号から得られるタイミング信号に応じてサンプリングをする場合には、非回転受信・給電部から回転角度情報を回転測定部に伝送する必要があるが、この場合、送出部２３と受信部２４を双方向結合することになるが、これはデュープレックサを用いる通常の無線伝送方式で容易に実現できる。
【００５６】
また、測定回転部には、非回転受信・給電部から供給される交流電力を受電コイル４２を用いて非接触で受電し、整流・安定電源化後、回転測定部で使用される電力として用いる回転受電部４０を有する。非回転受信・給電部から供給される交流電力の供給は非回転給電部５０で発信機により交流信号を発生し、増幅後給電コイル５１を用いて送出される。
【００５７】
この交流を用いた非接触の給電方法は数３５０ｋＨｚの交流を用いて電磁誘導により行われるが、使用周波数が本発明にかかるストリップライン結合方法に使用する数１００ＭＨｚの伝送周波数帯域に影響を与えない周波数領域を使用するものであれば良く、本発明には関係しない公知技術で実現できるために詳細説明は省く。
【００５８】
更に図１の回転型分力計測装置１について詳細な説明を行う。回転型分力計測装置１では回転測定部が装着される回転物の回転に伴い、回転物の回転中心軸の直交座標系３方向に加わる力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びこれらの軸回りに働くトルクＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの直交座標系６分力について、回転軸に固定したトルクセンサ１１を受感部位に配置した歪ゲージと、歪ゲージで構成されたブリッジ回路とを用いて計測する。
【００５９】
軸トルクのトルクセンサ１１の取り付けは駆動側と負荷側の間に受感部位を設け、その受感部位に歪ゲージを貼り付けて行われる。ここでは受感部位の形成方法の一例として、軸トルクの６分力計測の説明の簡略性から駆動側の駆動円環と負荷側の負荷円環の間にアーム受感部位を設ける方法で説明する。
【００６０】
図７は、本発明の回転型分力計測装置１のうち、トルクセンサ１１の受感部位に配置された歪ゲージＡ１〜Ｈ４の配置の一実施例を示す図であり、図７（ａ）はｘｚ平面図、図７（ｂ）はｘ軸方向から見たｙｚ側断面図である。
【００６１】
図７ではトルクセンサ１１は、負荷側に負荷円環１３と、駆動側の駆動円環１２との間で十字状に配置された４本のＴ字型アーム１４とからなっており、これらが一体に形成されている。
【００６２】
アーム１４は、駆動円環１２を負荷円環１３の間の歪の受感部位であり、受感面にトルクセンサ（本実施例では直交せん断型歪ゲージＡ１〜Ｈ４）を貼り付ける等して配置し、受感面に対して垂直方向にかかる歪みを検出する。尚、センサの種類は、歪ゲージ以外のものでもよく、また歪ゲージの種類は、直交せん断型の他、ビーム型でもよい。
【００６３】
本実施例のアーム１４は、第１受感ビーム１６と、第２受感ビーム１５の２つの受感ビームから構成される。
第１受感ビーム１６は、駆動円環１２に連結された四角柱であって、四角柱の対向する２面に各々歪ゲージＥ１〜Ｈ４が貼り付けられた薄板状の弾性継手である。
【００６４】
第２受感ビーム１５は、一端が第１受感ビーム１６に、他端が負荷円環１３に各々連結され、対向する２面に各々凹部１５ａが形成されたＩ字断面部１５ｂを有するＩ字断面シャービーム型受感ビームであり、弾性部である凹部１５ａの両底面に直交せん断型歪ゲージＡ１〜Ｄ４が貼り付けられる。
【００６５】
第２受感ビーム１５は、図７に示したように、負荷円環１３及び第１受感ビーム１６と連結される両端に、Ｉ字断面部１５ｂの外径よりも細い四角柱状のくびれ部１５ｃを有していてもよい。
【００６６】
尚、図７においては、４本のアーム１４のうち１本のみにつき、詳細な符号を付しているが、残りのアーム１４についても同様であるので省略するものとする。
【００６７】
歪ゲージの具体的な貼付方法について説明すると、Ａ１〜Ａ４，〜，Ｄ１〜Ｄ４の歪ゲージは、第２受感ビーム１５（受感部）の２つの凹部１５ａの両底面に、各々相対する位置に貼り付けられている。本実施例では、例えば、一方の面にＡ１とＡ２が第１受感ビーム１６の長手方向に沿って並列し、他方の面にＡ３とＡ４が貼られ、Ａ１とＡ３、Ａ２とＡ４はそれぞれ対向している。
【００６８】
また、Ｅ１〜Ｅ４，〜，Ｈ１〜Ｈ４の歪ゲージは、第１受感ビーム１６（受感部）を形成する面の表裏面の両端に、各々相対する位置に貼られる。本実施例では、例えば、一方の面にＥ１とＥ２が貼られ、他方の面にＥ３とＥ４が貼られ、Ｅ１とＥ３、Ｅ２とＥ４はそれぞれ対向している。
【００６９】
このように、アーム１４はそれぞれに２本の受感ビーム１５，１６を有しており、本実施例では、トルクセンサ１１は、計８本の受感ビーム１５，１６の各々に形成された計８個の受感部を有している。そして、各受感部（受感ビーム１５，１６）から得られる歪ゲージ信号は、受感部毎に構成された計８個のブリッジ回路からの出力信号として各々取り出される。
【００７０】
図７に示しているトルクセンサ１１は、負荷側に負荷円環１３と、駆動側の駆動円環１２との間で十字状に配置された４本のＴ字型アーム１４での構造としているが、この構造には限らず回転物の駆動円環と負荷円環の間の歪の受感部に、例えば駆動円環と負荷円環の間に薄厚軸部をもうけ受感部として、歪みゲージを貼り付ける方法で実現できる。
【００７１】
ブリッジから出力信号はデータ収集部２１に送られ測定開始信号２１ａからのタイミング信号に応じてＡＤ変換器２１ｂでサンプリングされる。本実施例では、ＡＤ変換器２１ｂではトルクの測定精度０．０１％／ＦＳを得るために分解能１６ｂｉｔ（６５，５３６）、回転速度１０，０００ｒｐｍでの回転物を０．５度毎に計測するために１２０ＫＨｚのサンプリングレート、また、軸トルクの６分力トルクを計測するために８ｃｈ同時にＡＤ変換されている。
【００７２】
このＡＤ変換された信号は、シリアル信号としてリアルタイムに取り出すと、単純計算で１５，３６３，０７２ｂｐｓ（１６Ｍｂｉｔ／ｓｅｃ）のデータ伝送速度信号となる。
【００７３】
ＡＤ変換器２１ｂからのシリアル信号を伝送のビットレートの確実性を有した変調信号とするためにデータ変換器２１ｃでＡＤパリティ信号の付加、およびマンチェスターコード化を行っている。
【００７４】
本実施例では、前述のように回転物から非回転物に無線伝送方式を用い、回転に伴う伝送方法の回路構成の簡便性、確実性からＡＳＫ変調方式を用いていて、図１の送出部２３で発信器２３ｂのキャリア信号をＡＳＫ変調器２３ａで変調して結合器２３ｃで受信部２４に送出している。具体的にはキャリア周波数３０５ＭＨｚ、伝送帯域２６５〜３４５ＭＨｚの信号帯域を使用している。
【００７５】
送出部２３からの信号は結合器２３ｃを介して受信部２４に結合される。この回転物から非回転物に無線伝送方式でデータ伝送する回転型分力計測装置１の位置関係を図８で説明する。図８では、歪み検出構造としてトルクセンサ１１を図７に示す駆動円環１２と負荷円環１３の構造をアーム構造ではなく、回転軸部に薄厚軸部をもうけ受感部として、歪みゲージを貼り付ける方法で示しているが、受感部に複数の歪みゲージを装着し、６分力計測を行うのは同じである。
【００７６】
図８では左方向から駆動円環１２に回転トルクを与え、右方向負荷円環１３に負荷トルク（図示していない）を加えて、その間の回転に伴うトルクの伝達特性を受感部に貼り付けた歪みゲージからの信号計測から６分力計測を行っている。
【００７７】
検出された歪みゲージからの信号は歪み検出部の駆動円環１２に金属で形成される支持構造体６７で送出部分配器プリント板６５、受電部コイル支持誘電体６２、受電コイル４２、および送出部結合器プリント板６１を積層的に固定される。
【００７８】
この送出部分配器プリント板６５は３層構造の両面が銅薄で、中央部の配線パターンを誘電体でサンドイッチ構造に形成され中央部の配線パターン、および両面の銅薄でストリップライン構造を設け、ストリップライン型分配器が配置される。また、終端抵抗、分配用のコア、もしくは抵抗器等がこの銅薄部分に配置される。受電部コイル支持誘電体６２は受電コイル４２の固定用部品で厚さ３ｍｍ 程度の誘電物で形成され、切り取り穴部で受電コイル４２を固定保持する。
【００７９】
さらに受電部コイル支持誘電体６２に送出部結合器プリント板６１が積層される。この送出部結合器プリント板６１にストリップラインとして送出部の結合器がパターン形成される。この結合器はグラウンド面を送出部分配器プリント板６５に表面銅薄とし、受電部コイル支持誘電体６２と送出部結合器プリント板６１の誘電体部を誘電体、および送出部結合器プリント板６１の表面パターン６１ｃを伝送線路としたストリップラインとして形成される。
【００８０】
この送出部分配器プリント板６５、受電部コイル支持誘電体６２、受電コイル４２、および送出部結合器プリント板６１間の信号授受は各々のプリント板のスルーホール、および接続線により接続される。
【００８１】
また、この送出部結合器プリント板６１の表面の結合器パターンが、受信部結合器プリント板７１の表面の結合器パターン６１ｃと結合される。図１の受信部２４は送出部２３と同様に、受信部回路プリント板７５、給電部コイル支持誘電体７２、給電コイル５１、および受信部結合器プリント板７１を積層的に固定される。また、この配線は送出部２３と同様に各々のプリント板のスルーホール、および接続線により接続され、別途支持構造体を設けても良い。
【００８２】
また、図８で送出部結合器プリント板６１と受信部結合器プリント板７１の間隔は２ｍｍとしていて、回転に伴う間隔変動は±０．５ｍｍ以下の特性を示した。
【００８３】
この実施例による軸回転に伴う伝送の結合係数の例を図１０に示す。図１０では回転角度０度から３６０度を円周反時計方向にした、中心点から広がり方向に結合係数を示していて、回転に伴う本実施例による伝送周波数３００ＭＨｚでの結合係数を±１ｄＢ線とともに示している。本発明の方法で結合係数の回転に伴う変動が、無線伝送での振幅変動によるジッタ発生教養限界の±１ｄＢ以下である良好な結果を示している。
【００８４】
また、回転物に装着される図１に示すデータ収集部２１、送出部２３、回転受電部４０等を校正する電気部品は回転部計測回路（図８の８２）の部分に装着される。
【００８５】
この図８に示す回転型分力計測装置１の位置関係は、回転物からの信号データを送出部結合器プリント板６１、および受信部結合器プリント板７１との結合を回転に伴い円滑に結合させる構造の一実施例であり、結合器の制作方法の変更、結合器の送出部、および受信部の個数の変更、分配器の方法の変更等で適宜変更される。
【００８６】
受信部結合器２４ａで受信した信号は受信部２４で増幅、およびフイルタリングされた後、復調・整形器２４ｂでデジタル信号とされ、信号処理部２５に創出される。信号処理部２５で８個のトルクセンサの出力信号に復調され、さらに、軸中心の直交座標系の６分力に変換される。
【００８７】
この信号処理部２５の詳細な構成の一例を図９に示す。同図に示した信号処理部２５は、データ復調回路と、信号補正回路と、座標変換回路と、フィルタとを有している。尚、以下の各部の説明は、回転物にかかる６分力を求める場合の一実施例として行う。
【００８８】
データ復調回路は、変調されて送られてきた出力信号（本実施例では１本の８ｃｈ多重化信号）を、計８本の出力信号（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ））に復調する手段である。
【００８９】
信号補正回路は、出力信号を、予め記憶してある回転トルクセンサ１１の角度位置毎の補正情報（補正係数）に基づいて補正する手段である。尚、信号補正回路の有無は任意である。信号補正回路は、公知の技術を用いて構成されていればよい。例えば、既知の出力信号を負荷として与えた時の、トルクセンサ１１の出力信号を読取り、これらの信号を比較演算して相互相関性を表す補正係数を求め、メモリ等に記憶しておくことで容易に実現できる。
【００９０】
この出力信号は、受感部毎の歪ゲージの特性、異なる受感部間の歪ゲージの干渉特性（誤差）を有したまま、信号補正回路に入力されるため、出力信号毎に歪ゲージの特性、受感部毎の異なる変形に従った正しい補正が行われ、その後の分力の算出が高精度に行われる。補正は、線形１次補正だけでも十分であり、高度な補正は特に必要とされない。
【００９１】
尚、分力の算出誤差をより少なくするためには、各出力信号が理論値に最も近くなるように補正情報の係数を調整したり、各出力信号のｎ次の項及び各項の積を補正項として加え、補正を行ってもよい。その際、各補正項はまとめて補正行列にして演算してもよい。また更に、トルクセンサ１１の回転に応じた回転変形を組み入れた高次補正が行われてもよい。
【００９２】
このように、分力算出後ではなく分力算出前に、受感部毎の検出独立性、異なる受感部間の非干渉性が維持された状態で、出力信号毎に歪ゲージの特性、受感部毎の異なる変形に従った補正が行われるので、補正演算は容易に行われ、また補正の妥当性も増し、正しく高精度な分力が求められる。
【００９３】
座標変換回路は、復調された計８本の出力信号を回転角度毎に軸中心の直交座標系の６分力に座標変換する手段である。また、信号補正回路
の有無は任意である。本実施例では、変換は、次式で示す行列演算により行われる。
【００９４】
【数１】
2010061487.tif 000003
【００９５】
ここで、Ｆｘ〜Ｍｚは、直交座標系のｘ、ｙ、ｚ軸方向に加わる力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びこれらの軸回りに働くトルクＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６分力、Ａ〜Ｈは、出力信号は、受感部毎の歪ゲージの特性、異なる受感部間の歪ゲージの干渉特性（誤差）を有したまま、信号補正回路に入力されるため、出力信号毎に歪ゲージの特性、受感部毎の異なる変形に従った正しい補正が行われ、正しい分力演算に貢献する。受感部毎の出力信号、Ｋ１１〜Ｋ６８は変換行列（変換のためのマトリックス）である。
【００９６】
この変換行列は、予め使用するトルクセンサ１１について、静止状態で、駆動系の回転角度（例えば、１度）毎に、負荷側から負荷トルクとして既知の６分力を加え、その時の出力信号Ａ〜Ｈを測定し、これらの相関関係を求めることにより得られ、得られた変換行列は、補正情報の１つとしてメモリ等に記憶させておく。尚、本実施例での変換行列は以下のようになる。
【００９７】
【数２】
2010061487.tif 000004
【００９８】
このように変換行列を予め求めておくことで、８本の出力信号から６分力への変換が素早く行われ、信号処理の高速化に貢献する。
【００９９】
フィルタは、回転時のトルクのデータを得るために、座標変換回路で求められた軸中心の直交座標系の６分力から、計測対象物を含めた実回転座標系の分力に変換する手段である。尚、フィルタの有無は任意である。
【０１００】
以上説明した回転型分力計測装置１の構成は、従来より用いられている装置と比較して以下のメリットがある。すなわち、従来は、回転物からの計測信号を、低速信号として無線伝送を行っていたために回転に伴う平均的な回転トルクの計測は行われていたが、本発明によると、１０，０００ｒｐｍで回転する回転物のから伝送クロック２０MHz以上もの高速デジタル伝送を実現するために、回転に伴う伝送特性に伝達ギャップが生じることをなくする方法として、回転物と非回転外部機器との伝送距離がせいぜい数センチであることに着目して、ストリップラインの伝送軸方向に垂直な表面方向に所定の距離を有して非回転物として配置されるストリップラインの伝送軸方向に垂直な表面方向と電磁結合することによりデジタル伝送を行う方法を用いることにより高速回転体上の計測データの広帯域伝送を可能とする方法を実現したことにより１０，０００ｒｐｍで回転する回転物の６分力の歪み特性を角度分解能０．５度で計測することが可能となった。
【０１０１】
このストリップラインの伝送軸方向に垂直な表面方向に所定の距離を有して非回転物として配置されるストリップラインの伝送軸方向に垂直な表面方向と電磁結合することによりデジタル伝送を行う方法は、高速回転物の高速、高分解能測定を可能とするデータ伝送方法であり、回転物上に装着するセンサを、例えば振動、音響、等に変更することにより各種の回転物上からの計測を可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】回転物からのデータ伝送を実現する回転型分力計測装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明にかかわる広帯域結合器の結合方法を示す概略図である。
【図３】本発明にかかわる広帯域結合器の回転体への実装方式の概略図である。
【図４】本発明にかかわる広帯域結合器の回転体への実装方式として４個の結合器を用いた例の概略図である。
【図５】本発明にかかわる広帯域結合器の回転体への実装方式として４個の結合器を用いた例の変形例の概略図である。
【図６】複数の広帯域結合器への分配方法のストリップライン分配器の例である。
【図７】本発明にかかわる回転型分力計測装置の、トルクセンサの受感部位に配置された歪ゲージの配置の一実施例を示す図である。
【図８】本発明にかかわる回転型分力計測装置の回転物、および非回転物の位置関係を示す一実施例である。
【図９】本発明にかかわる回転型分力計測装置の信号処理部の実施例を示す例である。
【図１０】本発明にかかわる回転型分力計測装置の回転体から非回転回転体への回転に伴う結合特性を示す例である。
【符号の説明】
【０１０３】
１：回転型分力計測装置
１１：トルクセンサ
１２：駆動円環
１３：負荷円環
１４：アーム
１５：第２受感ビーム
１６：第１受感ビーム
２１：データ収集部
２３：送出部
２４：受信部
２５：信号処理部
４０：回転受電部
４２：受電コイル
５０：非回転給電部
５１：給電コイル
６１：送出部結合器プリント板
６２：受電部コイル支持誘電体
６５：送出部分配器プリント板
６７：支持構造体
７１：受信部結合器プリント板
７２：給電部コイル支持誘電体
７５：受信部回路プリント板
８２：回転部計測回路
【図１】
2010061487.tif 000005
【図２】
2010061487.tif 000006
【図３】
2010061487.tif 000007
【図４】
2010061487.tif 000008
【図５】
2010061487.tif 000009
【図６】
2010061487.tif 000010
【図７】
2010061487.tif 000011
【図８】
2010061487.tif 000012
【図９】
2010061487.tif 000013
【図１０】
2010061487.tif 000014