(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ひずみゲージを含む測定ブリッジに搬送波電源電圧を印加して、前記測定ブリッジの出力からひずみゲージのひずみ抵抗に応じた信号を得る搬送波型ひずみ測定装置において、
前記測定ブリッジに矩形波の搬送波電源電圧を印加するブリッジ電源回路と、
前記測定ブリッジの出力を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力を反転する反転回路と、複数の入力端子、複数の制御端子および出力端子を有し、前記複数の制御端子に入力される制御信号に応じ前記複数の入力端子への入力信号を選択的に抽出して前記出力端子から出力するマルチプレクサと、からなる検波回路と、
前記ブリッジ電源回路および前記マルチプレクサの前記複数の制御端子に所定の第１の制御信号、第２の制御信号および第３の制御信号を与えて、前記ブリッジ電源回路および前記マルチプレクサを同期制御する制御回路と、
前記検波回路のひずみ抵抗に応じた信号成分を含む出力信号から搬送波成分を除去するキャリアフィルタ回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記第１の制御信号を前記ブリッジ電源回路に出力し前記ブリッジ電源回路から所定の周期Ｔ１の矩形波の搬送波電圧を出力するように駆動制御し、
前記第２の制御信号を前記マルチプレクサの前記制御端子に出力し、前記増幅回路の出力および前記反転回路の出力を前記搬送波周期と同一の周期Ｔ１で前記マルチプレクサから交互に繰り返し出力するように駆動制御し、
前記第３の制御信号を前記マルチプレクサの前記制御端子に出力し、出力波形の立ち上がりと立ち下がり付近にリプルが生じている時間を容量分出力時間Ｔ２として予め設定しておき、前記容量分出力時間Ｔ２の開始直前から前記容量分出力時間Ｔ２が経過した後の時点までの時間Ｔ３にわたり、前記第３の制御信号を前記マルチプレクサの前記制御端子に出力し、前記マルチプレクサの出力端からの出力がゼロ電圧となるように駆動制御し、
前記制御回路で前記ブリッジ電源回路およびマルチプレクサを駆動制御することによって、容量分の影響を有効に取り除き、抵抗分のみに相当する出力を前記検出回路より出力させ、
さらに、前記検波回路の出力を前記キャリアフィルタ回路を介して、搬送波成分を取り除くことによって測定しようとするひずみゲージの抵抗変化分に応じた直流レベル信号を検出するように構成したことを特徴とする搬送波型ひずみ測定装置。
【請求項２】
前記容量分出力時間Ｔ２は、
前記測定ブリッジの各辺間や接続点と接地電位との間に生ずる分布容量の影響で出力波形の立ち上がりと立ち下がり附近に生じるリプルの発生から消滅に至る時間に基づいて設定することを特徴とする請求項１に記載の搬送波型ひずみ測定装置。
【請求項３】
前記容量分出力時間Ｔ２は、
前記測定ブリッジに含まれる前記ひずみゲージの抵抗値、前記測定ブリッジから測定回路までの入力ケーブルの長さ、前記搬送波周波数等を考慮して、設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の搬送波型ひずみ測定装置。
【請求項４】
前記測定回路は、前記増幅回路、前記反転回路、前記マルチプレクサ、前記制御回路、前記ブリッジ電源回路および前記キャリアフィルタ回路から構成されていることを特徴とする請求項３に記載の搬送波型ひずみ測定装置。
【請求項５】
前記検波回路は、前記反転回路と前記マルチプレクサとを含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の搬送波型ひずみ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ひずみゲージを含む測定ブリッジに搬送波電源電圧を印加して、前記測定ブリッジの出力からひずみゲージのひずみ抵抗に応じた信号を得る搬送波型ひずみ測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ひずみゲージを使用した応力測定には、ひずみゲージおよび抵抗をブリッジ接続してなる測定ブリッジに搬送波電源電圧を印加して、測定ブリッジの出力から搬送波にひずみゲージのひずみ抵抗に応じた信号成分が重畳した信号を取り出し、ひずみ抵抗に応じた信号を得る搬送波型ひずみ測定装置が多用されている。その理由は、この種の搬送波型ひずみ測定装置が、原理的に電源から発生するハム等のノイズによる影響および測定ブリッジに接続する接点などに生ずる熱起電力の影響を受けにくいため、高安定で且つ高精度なひずみ測定を行うことができるからである。
本出願人は、ひずみゲージを含む測定ブリッジに正弦波等の搬送波電源電圧を印加して、前記測定ブリッジの出力からひずみゲージのひずみ抵抗に応じた信号を得る搬送波型ひずみ測定装置において、容量の不平衡分を自動的に打ち消すことで抵抗分のみを測定することが可能な搬送波型ひずみ測定装置を先に提案しており、例えば特許文献１（特開２０１０−２６６４０８号）等に開示されている。
【０００３】
即ち、特許文献１に係る搬送波型ひずみ測定装置は、
ひずみゲージを含む測定ブリッジと、
前記測定ブリッジに結合トランスを介して印加する搬送波を発生する搬送波発振回路と、
前記測定ブリッジに印加される搬送波に重畳された測定信号を入力トランスを介して受け増幅する搬送波増幅回路と、
前記搬送波増幅回路の出力を受けて前記測定ブリッジの容量変化分に対応する不平衡成分を抽出し、前記不平衡成分に対応した補償量の信号を出力する容量分位相検波回路と、
少なくとも１つの発光ダイオードとこれと対峙するように配置された受光ダイオードからなる光信号伝達手段と、
前記補償量の信号に応じて前記発光ダイオードの発光輝度を制御する容量分打消し駆動回路と、
前記発光ダイオードの発光を受けて、電気信号に変換する前記受光ダイオードに流れる電流に応じて前記補償量に対応した極性と振幅を持つ補償用電位に変換し、前記極性に応じて出力波形の位相を変えて前記搬送波に前記補償用電位を重畳して前記入力トランスの１次側に供給し、前記測定ブリッジに発生する容量成分による不平衡成分を自動的に打消す容量分打消し回路と、
２次側の各回路に電力を供給する２次側電源と、
前記２次側電源から電力トランスを介して電力を受け、１次側の各回路に電力を供給する１次側電源回路と、
を具備し、
前記搬送波増幅回路、前記容量分位相検波回路、前記容量分打消し駆動回路、前記発光ダイオード、前記搬送波発振回路および前記２次側電源に対し、
前記測定ブリッジ、前記容量分打消し回路、前記受光ダイオードおよび前記１次側電源回路は、
前記入力トランス、前記光信号伝達手段、前記結合トランスおよび前記電力トランスからなる電磁的手段および前記光信号伝達手段により接続され、電気的には絶縁された状態で接続されていることを特徴としている。
【０００４】
上述したように、特許文献１に示された構成おいては、容量の不平衡分を自動的に打ち消すために、容量分位相検波回路、容量分打ち消し駆動回路、並びに光信号伝達手段を利用した打ち消し回路等の多くの複雑な回路が必要とされる。このため、特許文献１の構成は、回路構成が複雑になり、部品数も多くなってしまうことから、小型化、省電力化および低コスト化の妨げとなっている。
一般にひずみ測定を行う際には、測定点からひずみ測定装置まで入力ケーブルを引き回す必要があるが、上述した搬送波型ひずみ測定装置を使用する場合には、入力ケーブルによる分布容量の存在を考慮しなければならない。入力ケーブルの分布容量は、測定ブリッジの抵抗値の初期不平衡と共に、容量分の初期不平衡成分として現れる。ひずみゲージの抵抗値の変化分は、測定に必要なものであるが、容量分は正確な測定を妨げる要因となる。そのため、容量不平衡成分を打ち消すための回路が必要となる。従来のひずみ測定装置における容量分打ち消し回路は、特許文献１に示されたように回路構成が複雑であり電気部品を多く使用することから、装置そのものの小型化、省電力化および低コスト化を妨げる要因となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２６６４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、特許文献１に示されたような従来の搬送波型ひずみ測定装置においては、容量の不平衡成分を打ち消して抵抗分のみを測定するために、回路構成が複雑で多くの電気部品を使用する容量分打ち消し回路を必要としており、このような容量分打ち消し回路の存在が、装置そのものの小型化、省電力化および低コスト化を妨げる要因となっていた。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、複雑な構成の容量分打ち消し回路を用いることなく、容量分の影響を回避することができ、回路構成の簡略化および部品点数の削減を可能とし、装置の小型化、省電力化および低コスト化を達成し得る搬送波型ひずみ測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述した目的を達成するためになされたものであり、次のような特徴を有している。
請求項１に記載した発明に係る搬送波型ひずみ測定装置は、
ひずみゲージを含む測定ブリッジに搬送波電源電圧を印加して、前記測定ブリッジの出力からひずみゲージのひずみ抵抗に応じた信号を得る搬送波型ひずみ測定装置において、
前記測定ブリッジに矩形波の搬送波電源電圧を印加するブリッジ電源回路と、
前記測定ブリッジの出力を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力を反転する反転回路と、複数の入力端子、複数の制御端子および出力端子を有し、前記複数の制御端子に入力される制御信号に応じ前記複数の入力端子への入力信号を選択的に抽出して前記出力端子から出力するマルチプレクサと、からなる検波回路と、
前記ブリッジ電源回路および前記マルチプレクサの前記複数の制御端子に所定の第１の制御信号、第２の制御信号および第３の制御信号を与えて、前記ブリッジ電源回路および前記マルチプレクサを同期制御する制御回路と、
前記検波回路のひずみ抵抗に応じた信号成分を含む出力信号から搬送波成分を除去するキャリアフィルタ回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記第１の制御信号を前記ブリッジ電源回路に出力し前記ブリッジ電源回路から所定の周期Ｔ１の矩形波の搬送波電圧を出力するように駆動制御し、
前記第２の制御信号を前記マルチプレクサの前記制御端子に出力し、前記増幅回路の出力および前記反転回路の出力を前記搬送波周期と同一の周期Ｔ１で前記マルチプレクサから交互に繰り返し出力するように駆動制御し、
前記第３の制御信号を前記マルチプレクサの前記制御端子に出力し、出力波形の立ち上がりと立ち下がり付近にリプルが生じている時間を容量分出力時間Ｔ２として予め設定しておき、前記容量分出力時間Ｔ２の開始直前から前記容量分出力時間Ｔ２が経過した後の時点までの時間Ｔ３にわたり、前記第３の制御信号を前記マルチプレクサの前記制御端子に出力し、前記マルチプレクサの出力端からの出力がゼロ電圧となるように駆動制御し、
前記制御回路で前記ブリッジ電源回路およびマルチプレクサを駆動制御することによって、容量分の影響を有効に取り除き、抵抗分のみに相当する出力を前記検出回路より出力させ、
さらに、前記検波回路の出力を前記キャリアフィルタ回路を介して、搬送波成分を取り除くことによって測定しようとするひずみゲージの抵抗変化分に応じた直流レベル信号を検出するように構成したことを特徴としている。
【０００８】
請求項２に記載した発明に係る搬送波型ひずみ測定装置は、請求項１の搬送波型ひずみ測定装置であって、
前記容量分出力時間Ｔ２は、
前記測定ブリッジの各辺間や接続点と接地電位との間に生ずる分布容量の影響で出力波形の立ち上がりと立ち下がり附近に生じるリプルの発生から消滅に至る時間に基づいて設定することを特徴としている。
請求項３に記載した発明に係る搬送波型ひずみ測定装置は、請求項１または２の搬送波型ひずみ測定装置であって、
前記容量分出力時間Ｔ２は、
前記測定ブリッジに含まれる前記ひずみゲージの抵抗値、前記測定ブリッジから測定回路までの入力ケーブルの長さ、前記搬送波周波数等を考慮して、設定することを特徴としている。
請求項４に記載した発明に係る搬送波型ひずみ測定装置は、請求項３の搬送波型ひずみ測定装置であって、
前記測定回路は、前記増幅回路、前記反転回路、前記マルチプレクサ、前記制御回路、前記ブリッジ電源回路および前記キャリアフィルタ回路から構成されていることを特徴としている。
【０００９】
請求項５に記載した発明に係る搬送波型ひずみ測定装置は、請求項１の搬送波型ひずみ測定装置であって、
前記検波回路は、前記反転回路と前記マルチプレクサとを含んで構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、複雑な構成の容量分打ち消し回路を用いることなく、容量分の影響を回避することができ、回路構成の簡略化および部品点数の削減を可能とし、装置の小型化、省電力化および低コスト化を達成し得る搬送波型ひずみ測定装置を提供することができる。
すなわち、本発明の請求項１の搬送波型ひずみ測定装置によれば、
ひずみゲージを含む測定ブリッジに搬送波電源電圧を印加して、前記測定ブリッジの出力からひずみゲージのひずみ抵抗に応じた信号を得る搬送波型ひずみ測定装置において、
前記測定ブリッジに矩形波の搬送波電源電圧を印加するブリッジ電源回路と、
前記測定ブリッジの出力を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力を反転する反転回路と、複数の入力端子、複数の制御端子および出力端子を有し、前記複数の制御端子に入力される制御信号に応じ前記複数の入力端子への入力信号を選択的に抽出して前記出力端子から出力するマルチプレクサと、からなる検波回路と、
前記ブリッジ電源回路および前記マルチプレクサの前記複数の制御端子に所定の第１の制御信号、第２の制御信号および第３の制御信号を与えて、前記ブリッジ電源回路および前記マルチプレクサを同期制御する制御回路と、
前記検波回路のひずみ抵抗に応じた信号成分を含む出力信号から搬送波成分を除去するキャリアフィルタ回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記第１の制御信号を前記ブリッジ電源回路に出力し前記ブリッジ電源回路から所定の周期Ｔ１の矩形波の搬送波電圧を出力するように駆動制御し、
前記第２の制御信号を前記マルチプレクサの前記制御端子に出力し、前記増幅回路の出力および前記反転回路の出力を前記搬送波周期と同一の周期Ｔ１で前記マルチプレクサから交互に繰り返し出力するように駆動制御し、
前記第３の制御信号を前記マルチプレクサの前記制御端子に出力し、出力波形の立ち上がりと立ち下がり付近にリプルが生じている時間を容量分出力時間Ｔ２として予め設定しておき、前記容量分出力時間Ｔ２の開始直前から前記容量分出力時間Ｔ２が経過した後の時点までの時間Ｔ３にわたり、前記第３の制御信号を前記マルチプレクサの前記制御端子に出力し、前記マルチプレクサの出力端からの出力がゼロ電圧となるように駆動制御し、
前記制御回路で前記ブリッジ電源回路およびマルチプレクサを駆動制御することによって、容量分の影響を有効に取り除き、抵抗分のみに相当する出力を前記検出回路より出力させ、
さらに、前記検波回路の出力を前記キャリアフィルタ回路を介して、搬送波成分を取り除くことによって測定しようとするひずみゲージの抵抗変化分に応じた直流レベル信号を検出するように構成したことにより、
複雑な構成の容量分打ち消し回路を用いることなく、搬送波周期Ｔ１から容量分出力時間Ｔ２を間引いて取り除いた残りの直流部分に生じる出力を連続して効果的に取得することができ、回路構成の簡略化および部品点数の削減を達成し、装置の小型化、省電力化および低コスト化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る搬送波型ひずみ測定装置の測定回路の構成を、当該搬送波型ひずみ測定装置に測定ブリッジを接続した状態として回路構成を示すブロック図である。
【図２】図１の搬送波型ひずみ測定装置の測定回路内の検波回路の詳細な回路構成を示すブロック図である。
【図３】ひずみを測定しようとする被測定部位に添着したひずみゲージおよび抵抗を用いてホイートストンブリッジを構成した測定ブリッジを図１の搬送波型ひずみ測定装置に接続する接続構成を示す接続実体図である。
【図４】測定ブリッジを搬送波型ひずみ測定装置へ接続する詳細な接続構成を示す等価回路図である。
【図５】図４の等価回路における測定ブリッジ出力の波形の例を詳細に示す波形図である。
【図６】図２の検波回路における各部の波形を示す各部波形図である。
【図７】図４の等価回路における測定ブリッジ部分をさらに簡略化して示す等価回路およびブリッジ電源の印加に対するブリッジ出力波形を示す図である。
【図８】図１の搬送波型ひずみ測定装置の測定回路内の検波回路の処理原理を説明するためにひずみゲージの抵抗値が、それぞれ１２０Ω、３５０Ωおよび１０００Ωの場合における分布容量の変化に対する時定数τの大きさを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の搬送波型ひずみ測定装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１〜図４は、本発明の一つの実施の形態に係る搬送波型ひずみ測定装置の要部の構成を示している。図１は、本発明の実施の形態に係る搬送波型ひずみ測定装置の測定回路の構成を、当該搬送波型ひずみ測定装置に測定ブリッジを接続した状態として示すブロック図、図２は、図１の搬送波型ひずみ測定装置の測定回路内の検波回路の詳細な構成を示すブロック図、図３は、ひずみを測定しようとする部位に添着したひずみゲージおよび抵抗を用いてホイートストンブリッジを構成した測定ブリッジを図１の搬送波型ひずみ測定装置に接続する接続構成を模式的に示す接続実体図、そして図４は、測定ブリッジを搬送波型ひずみ測定装置へ接続する詳細な接続構成を示す等価回路図である。
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る搬送波型ひずみ測定装置の測定回路の構成を示すブロック図であり、一般的なひずみ測定において、この実施の形態に係る搬送波型ひずみ測定装置にホイートストンブリッジで構成された測定ブリッジを接続した状態として示している。
【００１４】
図１には、一つの実施の形態に係る搬送波型ひずみ測定装置に接続した測定ブリッジ１１および当該搬送波型ひずみ測定装置本体を構成する測定回路１２を示している。
図１に示す測定ブリッジ１１は、接続点Ａ、接続点Ｂ、接続点Ｃおよび接続点Ｄの４つの接続点を有しており、測定ブリッジ１１の接続点Ａと接続点Ｂとの間にひずみゲージＲ１を接続し、接続点Ｂと接続点Ｃとの間に抵抗Ｒ２を接続し、接続点Ｃと接続点Ｄとの間に抵抗Ｒ３を接続し、そして接続点Ｄと接続点Ａとの間に抵抗Ｒ４を接続して、ホイートストンブリッジ回路を構成している。ひずみゲージＲ１は、被測定物の起歪部、すなわち測定しようとするひずみ変形が発生する部位に、例えば、接着、融着、溶着等の手段により、添着され、当該起歪部のひずみの大きさに応じて抵抗値が変化する。
図１に示す測定回路１２は、増幅回路１３、検波回路１４、キャリアフィルタ回路１５、ブリッジ電源回路１６および制御回路１７を備えている。ブリッジ電源回路１６は、測定ブリッジ１１に矩形波の搬送波ブリッジ電源電圧を印加する。増幅回路１３は、測定ブリッジ１１からの出力を検出し増幅する。検波回路１４は、増幅回路１３の出力を信号処理して、測定ブリッジ１１のひずみゲージＲ１の抵抗値変化に応じた信号成分を含む信号を取り出す。キャリアフィルタ回路１５は、検波回路１４の出力からブリッジ電源電圧に基づく搬送波成分を除去する。制御回路１７は、ブリッジ電源回路１６と検波回路１４を制御して、所定のタイミングで同期的に作動させる。
【００１５】
図１に示した搬送波型ひずみ測定装置の構成において、測定回路１２内のブリッジ電源回路１６の出力は、ケーブル１１ａおよび１１ｃを介してそれぞれ測定ブリッジ１１の接続点Ａおよび接続点Ｃに接続しており、これら接続点Ａと接続点Ｃの間に矩形波の搬送波ブリッジ電圧を印加する。測定ブリッジ１１からの出力は、接続点Ｂおよび接続点Ｄにそれぞれ接続されたケーブル１１ｂおよび１１ｄを介して増幅回路１３で検出され増幅される。増幅回路１３の出力は、検波回路１４により詳細を後述するように信号処理されて、測定ブリッジ１１のひずみゲージＲ１の抵抗値変化に応じた信号成分を含む信号が取り出される。検波回路１４の出力から不要な搬送波成分をキャリアフィルタ１５にて除去して、所要の信号成分をキャリアフィルタ１５から出力する。
制御回路１７は、第２の制御信号、第３の制御信号としての２種の制御信号１７ａおよび１７ｂを検波回路１４に供給して検波回路１４を制御するとともに、第１の制御信号としての制御信号１７ｃをブリッジ電源回路１６に供給し、ブリッジ電源回路１６の搬送波周期を制御する。
次に、検波回路１４の詳細な構成および処理動作について図２を参照して説明する。
【００１６】
図２は、検波回路１４の詳細な構成を示しており、検波回路１４は、反転回路１８と、マルチプレクサ１９とから構成している。マルチプレクサ１９は、入力端子１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、出力端子１９ｅおよび制御端子１９ｆ、１９ｇを有する。増幅回路１３の出力信号１３ａを、マルチプレクサ１９の入力端子１９ａと、反転回路１８とに入力している。反転回路１８は、増幅回路１３の出力を反転（「×（−１）」、すなわち−１倍）して、マルチプレクサ１９の入力端子１９ｂに入力している。また、マルチプレクサ１９の入力端子１９ｃおよび１９ｄは、共に基準電位点（通常は、いわゆるグラウンドレベル等と称される接地電位点）２０に接続されている。
ここで、マルチプレクサ１９の動作を説明する。
マルチプレクサ１９は、制御端子１９ｆおよび１９ｇの電圧レベルが、高（ＨＩＧＨ）レベルか、低（ＬＯＷ）レベルか、に基づいて、入力端子１９ａ、１９ｂ、１９ｃおよび１９ｄのいずれか１つをオン（ＯＮ）として、オンとされた端子の入力信号を出力端子１９ｅに出力する。制御端子１９ｆおよび１９ｇの電圧レベルは、制御回路１７から供給される制御信号１７ａおよび１７ｂによって制御される。マルチプレクサ１９の制御端子１９ｆおよび１９ｇの電圧レベルと、それらの組み合わせによってオンとされて出力端子１９ｅに導出される入力端子との関係を次表に示している。
【００１７】
【表１】
0006433049.tif 000002
【００１８】
表１によれば、例えば、第２の制御信号として、制御端子１９ｆが低レベル、制御端子１９ｇが低レベルのときには、入力端子１９ａがオンとされて、増幅回路１３の出力を受ける入力端子１９ａの電圧がそのまま出力端子１９ｅに出力される。
また、表１によれば、例えば、第２の制御信号として、制御端子１９ｆが高レベル、制御端子１９ｇが低レベルのときには、入力端子１９ｂがオンとされて、反転回路１８からの出力を受ける入力端子１９ｂの電圧がそのまま出力端子１９ｅに出力される。
図３は、測定回路１２から測定ブリッジ１１に至る接続構成を実体的な図として示しており、図４は、図３の構成の電気的な等価回路を示している。測定ブリッジ１１は、既に述べたようにひずみを測定しようとする部位に添着したひずみゲージＲ１と抵抗Ｒ２〜Ｒ４を用いてホイートストンブリッジを構成したものである。
図３には、固定抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４およびひずみゲージＲ１でホイートストンブリッジを構成してなる測定ブリッジ１１を、４本の接続線からなる入力ケーブル２１を介して測定回路１２に接続した状態を示している。このような状態において、測定ブリッジ１１には、分布容量が生じる。この分布容量は、測定ブリッジ１１の出力信号中に、初期不平衡値としてあらわれるとともに、容量分の不平衡値としてもあらわれる。この場合、ひずみゲージＲ１の抵抗値変化分は、測定に必要なものであるが、容量分およびその変化分は、上述したように、正確な測定を妨げる要因、すなわち測定精度阻害要因となる。
【００１９】
この測定精度阻害要因についてさらに詳細に検討する。
図３に示す測定回路１２と、測定ブリッジ１１との間の回路構成では、入力ケーブル２１が介在することにより、測定ブリッジ１１の隣接する２辺の各接続点と接地（グラウンド〜ＧＮＤ）電位との間に分布容量が存在する。
すなわち、測定ブリッジ１１の４辺の抵抗をＲ１〜Ｒ４、各辺間の分布容量をＣｂ１〜Ｃｂ４、入力ケーブル２１の各接続線のケーブル抵抗をｒ１〜ｒ４、各接続点、すなわち各接続線と接地電位との間の分布容量をＣｇ１〜Ｃｇ４とすると図４に示すような等価回路となる。図４においては、搬送波ブリッジ電圧をＥ、そしてブリッジ出力電圧をｅとして示している。
ひずみ測定において、必要なのはひずみゲージＲ１の抵抗変化分である。実際にひずみ測定を実施し、ひずみゲージＲ１に抵抗変化分ΔＲ１が生じ、ブリッジ出力電圧ｅを増幅回路１３で増幅した時の出力波形の例を図５に示している。図５においては、時間軸ｔに対する搬送波周期をＴ１として出力波形を示している。
図５（ａ）に示す波形は、各辺間の分布容量Ｃｂ１〜Ｃｂ４、各接続点と接地電位との間の分布容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４がゼロであって、抵抗変化分ΔＲ１が生じた場合における理想的な出力波形である。
【００２０】
しかしながら、現実には、各辺間や各接続点と接地電位との間に必ず分布容量が存在するため、出力波形は、図５（ａ）のような波形にはならず、図５（ｂ）のようなリプルが生じることが多い。図５においては、時間軸ｔに対するリプルの周期をＴ２として示している。その原因について、次に説明する。
リプルの片側（半サイクル）の大きさを算出するために、図４のブリッジ回路を簡略化する。ブリッジの４辺の抵抗が、同じ抵抗値である（抵抗バランスがとれている）とし、各辺の抵抗値を、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４≒Ｒとし、各辺間の分布容量については、Ｃｂ１≠Ｃｂ２、Ｃｂ３＝Ｃｂ４＝０とし、各接続点と接地電位との間の分布容量については、Ｃｇ１＝Ｃｇ２＝Ｃｇ３＝Ｃｇ４＝０と仮定する。ここでゼロと仮定した分布容量Ｃｂ３、Ｃｂ４、Ｃｇ１、Ｃｇ２、Ｃｇ３およびＣｇ４は、実際に存在し、本来考慮しなければならないが、リプルの片側だけの大きさを理解するためには、これらの分布容量についてＣｂ３＝Ｃｂ４＝０、Ｃｇ１＝Ｃｇ２＝Ｃｇ３＝Ｃｇ４＝０とおいても差支えない。
図７（ａ）は、このような考察に基づいて図４を簡略した図であり、図７（ｂ）は、接続点Ａと接続点Ｃとの間にブリッジ電源電圧Ｅを印加した時の接続点Ｂと接続点Ｄとの間のブリッジ出力電圧ｅを示している。
図７（ａ）の等価回路の伝達関数は、次式（１）であらわされる。
【００２１】
【数１】
0006433049.tif 000003
【００２２】
図７（ａ）の接続点Ａと接続点Ｃとの間に１ステップのブリッジ電源Ｅを印加して、ラプラス変換をすると、出力電圧eは、次式（２）のようになる。
【００２３】
【数２】
0006433049.tif 000004
【００２４】
となる。リプルの大きさは、次式（３）：
【００２５】
Ｃｂ１−Ｃｂ２≪Ｃｂ１＋Ｃｂ２                    （３）
であるため、ほとんど時定数τ＝Ｒ（Ｃｂ１＋Ｃｂ２）／２によって決定される。
【００２６】
図８に、ひずみゲージの抵抗値が、それぞれ１２０Ω、３５０Ωおよび１０００Ωの場合における分布容量の変化に対する時定数τの大きさを示している。
例えば、図３に示した入力ケーブル２１を１００ｍ延長したとき、その分布容量として、Ｃｂ１＋Ｃｂ２＝４０００ｐＦ、ゲージ抵抗Ｒ＝１２０Ωであるとすると、時定数２４０ｎＳである。
図５（ｂ）には、ひずみゲージＲ１に抵抗変化分ΔＲが生じるとともに、各辺間や各接続点と接地電位との間に分布容量がある場合の出力波形の一例である。図５（ｂ）の波形においては、容量分の影響で出力波形の立ち上がり、立ち下がり付近にリプルが生じている。図５（ｂ）においては、この時のリプルが生じている時間をＴ２としており、ここでは容量分出力時間と称する。この容量分出力時間Ｔ２は、図７（ｂ）に示した時定数に相当する。搬送波周波数が低ければ低いほど、時間軸ｔからみると、搬送波周期Ｔ１に対する容量分出力時間Ｔ２の割合は低くなる。
ひずみ測定において必要なのは抵抗変化分の測定であって、搬送波周期Ｔ１から、容量分出力時間Ｔ２を間引いて取り除いた、残りの直流（ＤＣ）部分に生じる出力が得られればよい。
【００２７】
図６は、図２に示す検波回路１４を用いた時の出力波形の一例である。
図６（ａ）は、増幅回路１３の出力波形を示しており、この信号がマルチプレクサ１９の入力端子１９ａに入力される。図６（ｂ）は、反転回路１８の出力波形を示しており、この信号がマルチプレクサ１９の入力端子１９ｂに入力される。図６（ｃ）は、制御回路１７から出力される制御信号１７ａの信号波形を示しており、この信号がマルチプレクサ１９の制御端子１９ｆに入力される。図６（ｄ）は、制御回路１７から出力される制御信号１７ｂの信号波形を示しており、この信号がマルチプレクサ１９の制御端子１９ｇに入力される。
ここで、制御回路１７の制御動作について図２、図６および表１を参照して具体的に説明する。
まず、制御回路１７は、制御信号１７ｃによって、ブリッジ電源回路１６を制御する（図１も参照されたい）。この場合、搬送波ブリッジ電源電圧の搬送波周期がＴ１となるように制御する。したがって、この搬送波ブリッジ電源電圧により生起される計測ブリッジ１１のブリッジ出力に基づく、増幅回路１３の出力および反転回路１８の出力は、図６（ａ）および図６（ｂ）にそれぞれ波形を示すように、搬送波周期Ｔ１と同一の周期となる。
【００２８】
図６（ｃ）に示す制御回路１７から出力される制御信号１７ａは、搬送波周期Ｔ１と同一の周期で低（ＬＯＷ）レベルと高（ＨＩＧＨ）レベルとを交互に繰り返すように制御される。容量分の影響を取り除くためには、図６に示す容量分出力時間Ｔ２に生じる容量分の出力波形を間引く必要がある。
表１によれば、制御信号１７ｂ、すなわちマルチプレクサ１９の制御端子１９gの電圧レベルが高（ＨＩＧＨ）レベルのときは、マルチプレクサ１９の出力端子１９ｅの出力は、基準電位点２０に接続されたマルチプレクサ１９の入力端子１９ｃまたは１９ｄの電圧、すなわち基準電位であるためゼロ電圧となる。
図６（ｄ）に示す制御回路１７から出力される第３の制御信号としての制御信号１７ｂは、容量分出力時間Ｔ２の開始時間よりも早く電圧レベルが高（ＨＩＧＨ）レベルとなり、容量分出力時間Ｔ２の終了時間より遅く低（ＬＯＷ）レベルとなるように制御される必要がある。図６（ｄ）に示す期間Ｔ３は、制御信号１７ｂの波形の電圧レベルが高（ＨＩＧＨ）レベルとなっている期間に相当し、このときの出力端子１９ｅの出力波形は、図６（ｅ）の波形となる。
【００２９】
表１からわかるように、図６（ｃ）および図６（ｄ）に波形を示す第２の制御信号並びに第３の制御信号としての制御信号１７ａおよび１７ｂとして制御回路１７からマルチプレクサ１９の制御端子１９ｆおよび１９gに与えられる制御信号１７ａおよび１７ｂの電圧レベルによって、マルチプレクサ１９の入力端子１９ａおよび１９ｂにそれぞれ与えられる増幅回路１３の出力および反転回路１８の出力、並びに基準電位としてのゼロ電圧のうちのいずれかが選択され、マルチプレクサ１９の出力端子１９ｅに導出されて出力される。
図６に示すハッチング部は、このようにして選択された出力をあらわしている。図６（ｅ）のハッチング部が、ひずみ測定において必要となる抵抗変化分に対応する部分のみを抽出した出力であり、この出力における搬送波成分がキャリアフィルタ回路１５で取り除かれて、キャリアフィルタ回路１５の出力として、図６（ｆ）のような波形が得られる。
上述したように、制御回路１７により、ブリッジ電源回路１６およびマルチプレクサ１９を制御することにより、抵抗分のみに相当する出力を得て、さらにキャリアフィルタ回路１５を介して、搬送波成分を取り除き、測定しようとするひずみゲージの抵抗変化分に応じた直流レベル信号として検出している。
【００３０】
この実施の形態に係る搬送波型ひずみ測定装置は、測定ブリッジに電源として印加する電圧を搬送波とすることで、原理的にノイズに強い構成とし、さらに搬送波電源電圧を矩形波とすることで、搬送波の周期、マルチプレクサの制御信号を制御し、ひずみ測定に不要な容量分の出力を間引いて取り除き、測定に必要な抵抗変化分に応じた出力のみを効果的に検出することができる。この場合、従来から利用されているものとおおむね同様な検波回路における信号処理を工夫するだけで、容量分の影響を有効に取り除くことができ、従来から利用されていた容量分打ち消し回路が不要となるため、回路の簡略化を図ると同時に、部品点数の削減、測定装置そのものの小型化、省電力化および低コスト化が実現可能となる。
この実施の形態に係る搬送波型ひずみ測定装置は、測定ブリッジに電源として印加する電圧を搬送波とすることで、原理的にノイズに強い構成とし、さらに搬送波電源電圧を矩形波とすることで、搬送波の周期、マルチプレクサの制御信号を制御し、ひずみ測定に不要な容量分の出力を間引いて取り除き、測定に必要な抵抗変化分に応じた出力のみを効果的に検出することができる。
【００３１】
この場合、従来から利用されているものとおおむね同様な検波回路における信号処理を工夫するだけで、容量分の影響を有効に取り除くことができ、従来から利用されていた容量分打ち消し回路が不要となるため、回路の簡略化を図ると同時に、部品点数の削減、測定装置そのものの小型化、省電力化および低コスト化が実現可能となる。
なお、本発明は、上述し且つ図面に示した実施の形態にのみ限定されることなく、その要旨を変更しない範囲内で種々変形して実施することができる。
たとえば、上述した実施の形態においては、測定ブリッジ１１として、歪みゲージＲ１と、
抵抗Ｒ２〜Ｒ４を用いてホイートストンブリッジを構成したものを示したが、４個ともひずみゲージでブリッジを構成したり、２個のひずみゲージと、２個の固定抵抗とをもって、ブリッジを構成してもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１１  測定ブリッジ
１１ａ〜１１ｄ  ケーブル
１２  測定回路
１３  増幅回路
１４  検波回路
１５  キャリアフィルタ回路
１６  ブリッジ電源回路
１７  制御回路
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ  制御信号
１８  反転回路
１９  マルチプレクサ
１９ａ〜１９ｄ  入力端子
１９ｅ  出力端子
１９ｆ、１９ｇ  制御端子
２０  基準電位点
Ｒ１  ひずみゲージ
Ｒ２〜Ｒ４  （固定）抵抗
【図１】
0006433049.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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