(57)【要約】シャフト（５）上に装着された表面音波（ＳＡＷ）装置（４）への信号カップリングを形成するロータリ信号カプラは、ディスク（２３）に装着され且つＳＡＷ装置（４）に接続された第１の導電ループ（２１）と、ディスク（２４）上に装着され且つ外部の電気回路に接続される第２の導電ループ（２２）とを備えている。ディスク（２３）はシャフト（５）に対して固定され、ディスク（２４）はその中でシャフト（５）が回転する構造体に対して固定され、これにより、ループ（２１、２２）が誘導結合される。複数の放射状に延びるフィンガの形態を成すことが好ましい接地スクリーン（２７）は、ディスク（２３）上に配置されるとともに、ループ（２１、２２）間に位置されてその間の静電結合を除去する。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定構造体に対して回転可能なシャフト上に装着されるＳＡＷ装置への信号カップリングを形成するロータリ信号カプラであって、ＳＡＷ装置に接続され且つシャフトに対して固定された第１の導電ループと、電子回路に接続可能で且つ固定構造体に対して固定された第２の導電ループとを備え、第１および第２の導電ループは、並列に配置されて、その間に誘導結合を形成するとともに、シャフトを固定構造体に対して回転させた時に互いの間隔を略一定に維持するように配置され、また、第１の導電ループと第２の導電ループとの間に配置されて接地された導電手段を備えているロータリ信号カプラ。
【請求項２】
各ループは、所定の材料から成るディスク上に設けられ、一方のディスクがシャフトに固定され、他方のディスクは、その中でシャフトが回転する構造体に固定されている、請求項１に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項３】
導電手段が一方のディスクに設けられている、請求項２に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項４】
導電手段は、一方のディスクの面上に設けられたスクリーンを備えている、請求項３に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項５】
ディスクは、その間に小さな空隙または絶縁材料から成るウエハを介在させた状態で、互いに対向して配置されている、請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項６】
一方のループは、他方のディスクに近い一方のディスクの面上に設けられ、他方のループは、一方のディスクから遠い他方のディスクの面上に設けられている、請求項２ないし請求項５のいずれか一項に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項７】
導電手段は、一方のディスクに近い他方のディスクの面上に設けられている、請求項６に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項８】
導電手段が金属スクリーンを備え、この金属スクリーンは、好ましくは、その全てが接地された複数の放射状に延びるフィンガによって形成されている、先行する請求項のいずれかに記載のロータリ信号カプラ。
【請求項９】
一方のループが導電手段に電気的に接続されている、先行する請求項のいずれかに記載のロータリ信号カプラ。
【請求項１０】
導電手段は、これに接続されたループのための接地面を形成し、ループおよび接地面が協働して送信ラインを形成する、請求項９に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項１１】
複数の各装置に接続され且つそれぞれがシャフトに対して固定された複数の第１の導電ループと、電気回路に接続可能な複数の第２の導電ループとを有し、これによって、電気回路と各装置との間で信号を送信することができる、先行する請求項のいずれかに記載のロータリ信号カプラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ロータリ信号カプラ、すなわち、互いに対して回転可能な２つの構成部品間に信号カップリングを形成する装置に関する。
【０００２】
公開国際特許出願ＷＯ９１／１３８３２は、シャフトに加えられるトルクの測定に特に適した歪み測定方法および装置を開示している。この開示された方法および装置は、シャフト上に装着された表面音波（ＳＡＷ）装置を使用する。このような装置を使用するには、装置それ自体と対応する駆動／測定回路との間に、高周波信号、一般には無線周波数（ＲＦ）信号の通路が必要である。ＳＡＷ装置が取り付けられるシャフトが小さな角度範囲にわたってのみ回転する場合、ＳＡＷ装置は、その対応する駆動／測定回路に固有のものであっても良い。しかしながら、ＷＯ９１／１３８３２に開示されたトルク測定技術の多くの用途は、ＳＡＷ装置とその対応する駆動／測定回路との間の配線に影響を受けず、また、そのような用途には、必要な接続を成すために、ロータリ信号カップリング装置を使用する必要がある。
【０００３】
先行する英国特許公報ＧＢ−Ａ−２３２８０８６は、ＳＡＷ装置に対する必要なカップリングをＲＦ周波数で形成するために使用できるロータリ信号カップリング装置を開示している。記載された装置は一対の送信ラインを有しており、各送信ラインは、導電トラックと、対応する接地面とを備えている。各トラックは略円形であるが、隙間が形成されており、これにより、その対応する接地面と共に送信ラインを形成している。トラックは、ＳＡＷ装置を支持するシャフトの周りに同心的に配置されている。一方のトラックおよびその対応する接地面はシャフトに固定され、一方、他方のトラックおよびその対応する設置面はシャフトが貫通する固定構造体に対して固定されている。トラックは、絶縁材料から成る薄いシートまたは小さな空隙により離間されている。固定構造体に固定されたトラックの一端部は駆動／測定回路に接続され、シャフトに固定されるトラックの一端部はＳＡＷ装置に接続されている。駆動／測定回路およびＳＡＷ装置に接続される各接続部と反対側のトラックの端部は、接地されても良く、あるいは、開回路のままであっても良い。
【０００４】
ＧＢ−Ａ−２３２８０８６の構成において、各送信ライン間の結合度は、各トラック間に任意の特定の間隔がある場合、トラックの長さによって決まる。結合度が高い場合、トラックの長さは、結合される信号の周波数に対して最適化されなければならない。また、送信ラインを形成するため、各トラックは、それに対応する接地面をそれぞれ有していなければならない。これらの特性によって、カップリング装置の設計が制限され、特に、カップリング装置のサイズを小さくしながら十分な結合度を得ることが難しくなる。
【０００５】
そこで、我々は、ＳＡＷ装置への必要な信号カップリングを形成することができるカップリング装置であって、カップリング装置によって与えられる結合度がＧＢ−Ａ−２３２８０８６の場合のように送信ラインの長さによってではなくカップリング装置内に設けられたループのインダクタンスによって決定されるカップリング装置を考案した。一方のループは、実際に、送信ラインの環状のトラックによって形成されても良い。このトラックは、それに対応する接地面を有している。しかしながら、一方のループが送信ラインによって形成される場合であっても、他方のループは、導電材料から成る単純な一巻きであっても良く、それに対応する接地面を有している必要はない。
【０００６】
本発明の一態様によれば、固定構造体に対して回転可能なシャフト上に装着されるＳＡＷ装置への信号カップリングを形成するロータリ信号カプラは、ＳＡＷ装置に接続され且つシャフトに対して固定された第１の導電ループと、電子回路に接続可能で且つ固定構造体に対して固定された第２の導電ループとを備え、第１および第２の導電ループは、並列に配置されて、その間に誘導結合を形成するとともに、シャフトを固定構造体に対して回転させた時に互いの間隔を略一定に維持するように配置され、また、第１の導電ループと第２の導電ループとの間に配置されてループ間の電気結合を除去、または実質的に除去するように接地された導電手段を備えている。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態によれば、十分なカップリング（−４ｄＢ以上）が得られ、かつ、１００〜１７０ＭＨｚの周波数帯域にわたって略均一な応答が得られることが分かった。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態において、各ループは、所定の材料から成るディスク上に設けられ、一方のディスクがシャフトに固定され、他方のディスクは、その中でシャフトが回転する構造体に固定されている。ディスクは、その間に小さな空隙または絶縁材料から成るウエハを介在させた状態で、互いに対向して配置されている。一方のループは、他方のディスクに近い一方のディスクの面上に設けられ、他方のループは、一方のディスクから遠い他方のディスクの面上に設けられている。導電手段は、一方のディスクに近い他方のディスクの面上に設けられている。このような構成によれば、容易に製造でき且つ大量生産ベースで実施できる構造体が得られる。
【０００９】
本発明の前記特徴、他の特徴、利点は、一例として与えられた好ましい実施形態の以下の説明から、また、添付図面を参照することにより明らかとなる。
【００１０】
まず、図１には、同軸ケーブル２と同軸ケーブル３との間に信号カップリングを形成する従来技術のカプラ１が概略的に示されている。図示のカプラにおいて、同軸ケーブル２は、駆動／測定回路（図示せず）に接続され、同軸ケーブル３は、シャフト５上に装着されたＳＡＷ装置４に接続されている。したがって、カプラは、シャフト５に加えられるトルクを測定するための駆動／測定回路とＳＡＷ装置との間の信号接続を容易にする。
【００１１】
カプラ１は、適当な手段によって固定支持部に固定された第１の部分６と、シャフト５に固定された第２の部分７とを備えている。部分６、７は、互いに対向しており、実際には、小さな空隙によって或は絶縁材料から成る薄いシートによって分離されている。図面では、部分６の構造がはっきりと見えるように、部分６、７の分離が誇張されている。実際には、部分６、７は、僅かな量、一般的には１ｍｍほど離間されている。
【００１２】
第１の部分６は絶縁材料から成るシート８を備えている。このシート８は、第２の部分７から離れたその側で、金属スクリーン９を支持している。同様に、第２の部分７は、第１の部分６から離れたその側で金属スクリーン１１を支持する絶縁材料からなるシート１０を備えている。スクリーン９は、例えば同軸ケーブル２のスクリーン１２に接続することにより接地される。スクリーン１１は、例えば同軸ケーブル３のスクリーン１３によって、シャフト５に電気的に接続される。シャフト５は一般に接地されており、したがって、スクリーン８、１１は電気的に接続される。
【００１３】
第１の部分６上には、２つの環状トラック１４、１５が形成されている。基本的な構成においては、１つのトラックだけが存在するが、より複雑な構成においては、幾つかの別個のトラックが存在していても良い。別個のトラックは、更に別の装置への信号カップリングのために使用されても良い。例えば、２つの別個のＳＡＷ装置がシャフトに固定される場合、２つの別個のトラックを使用して、これらのＳＡＷ装置へのカップリングを形成する。
【００１４】
トラック１４、１５は、任意の適当な材料、例えば銅箔によって形成されていても良い。
【００１５】
トラック１４、１５は、各トラックの電気的な不連続部を形成する隙間１６を除いて、完全な円形を成している。トラック１４の一端は、同軸ケーブル２のコア１７に接続されている。別のトラック、例えばトラック１５が使用される場合、このトラックは、それに対応する適当なケーブル接続部を有している。図示のため、外側のトラック１４だけがケーブルに接続されて示されている。
【００１６】
第１の部分６に近い第２の部分７の面には、前述したように、部分６のトラックと鏡像関係を成すトラックが形成されている。部分７の外側のトラックの一端は、同軸ケーブル３のコア１８に接続され、部分７の外側のトラックの他端は、同軸ケーブル３のスクリーン１３および部分７のスクリーン１１に接続されている。
【００１７】
各トラックおよびその対応する接地面は、送信ラインを形成している。各送信ライン同士の結合度は、各送信ラインの長さによって決まる。この長さは、円形の送信ラインの場合、トラックの半径に比例している。また、各トラックは、必要な送信ラインを形成するために、それに対応する接地面を有していなければならない。これらの要素は、カップリングの設計を著しく制限する。
【００１８】
図２〜図１１には、本発明の様々な実施形態が示されている。
【００１９】
第１の実施形態において、改良されたカプラ２０は、ＳＡＷ装置４に接続された第１の導電ループ２１と、適当なケーブルによって駆動／測定回路（図示せず）に接続可能な第２の電気ループ２２とを備えており、励起信号をＳＡＷ装置４に供給するとともに、ＳＡＷ装置４の特徴的な応答を解析する。同調用可変コンデンサ１９は、両方のループを横切って接続され、ループの特性の同調を容易にする。
【００２０】
ループ２１、２２は各ディスク２３、２４上に装着される。ディスク２３はシャフト５に固定され、ディスク２４は、シャフト５が装着された固定構造体に固定されている。これらのディスクは、実際には、互いに近接して装着されており、小さな空隙によって或は絶縁材料から成るウエハによって分離されていても良い。明確化のため、図面では、これらのディスクの分離を誇張した。
【００２１】
ループ２１は、ディスク２４から遠いディスク２３の面２５上に装着されている。ループ２２は、ディスク２３に近いディスク２４の面２６上に装着されている。ループ２１、２２間には電気スクリーン２７が設けられている。このスクリーン２７は、ディスク２４に最も近いディスク２３の面２８に適当なスクリーニング材料を固定することによって設けると都合が良い。図５に示されるように、スクリーン２７は、金属から成る多数の放射状フィンガ２９の形態を成していると都合が良い。これらのフィンガは、使用時にシャフト５に電気的に接続される共通の中心リング３０によって一括して接続される。シャフト５はそれ自体が接地されており、したがって、スクリーン２７は、ループ２１、２２間に接地スクリーンを形成し、これにより、ループ間の静電結合を減らし或は実質的に除去する。
【００２２】
複数のＳＡＷ装置がシャフト５上に装着される場合、ディスク２３、２４には、更に別の複数のループが設けられても良い。これらの各ループは、各ＳＡＷ装置へのカップリングを形成する。ループが同心的に配置されていても良い。図４は、２つのＳＡＷ装置への接続に適した２つのループ２１Ａ、２１Ｂを有するディスク２３を示している。
【００２３】
図２には、ループ２１、２２が異なる直径を有し、ループ２１がループ２２よりも小さく略示されているが、無論、実際には、両方のループが図示のようになっていても良く、あるいは、両方のループの直径が等しくても良く、または、ループ２１がループ２２よりも大きくても良い。
【００２４】
前述した本発明の実施形態の場合、ＳＡＷ装置と駆動／測定回路との間の結合は、２つのループの電磁結合によって成されるため、「接地面」は、従来技術ＧＢ−Ａ−２３２８０８６において必要とされたようには必要とされない。このように接地面が不要になれば、実質的に、カップリングを簡単に設計することができる。しかしながら、必要に応じて、ディスク２３から遠いディスク２４の面３１には、接地スクリーン３２が設けられていても良い。そのような接地スクリーン３２は、ループ２２と協働して送信ラインを形成する接地面として使用されても良い。なお、ループ２２および接地面がディスク２４上で送信ラインを形成する場合であっても、その構成は、ＧＢ−Ａ−２３２８０８６によって代表されるような従来技術とは依然として異なる。これは、接地面がループ２１に関連付けられておらず、また、ループ２１、２２間にスクリーン２７が介在しているからである。
【００２５】
図６に示される本発明の第２の実施形態において、ループ２２の一端は、接地されるとともに、接地スクリーン３２に接続されている。したがって、この構成において、ループ２２および接地面３２は、不安定な入力特性を有する送信ラインを形成する。
【００２６】
第１および第２の実施形態の性能が図７および図８に示されている。第１の実施形態または第２の実施形態２０、２４のいずれかとＳＡＷ装置とを備えたシステムの全体の応答が図７にグラフで示されている。一方、実施形態それ自体のカプラ応答が図８に示されている。比較のため、第３の実施形態のカプラ応答が図９に示されている。第３の実施形態（図示せず）においては、放射状電気シールド２７がディスク２３にではなくディスク２４に設けられている。ロータディスク２３は、その面２８上に、同心円形ループのための支持部を備えるとともに、その面２５上に、金属スクリーン接地面のための支持部を備えている。ディスク２４の面２６は、放射状電気シールド２７を支持するために使用される。ディスク２４の反対側の面（３１）は、固定ループを装着するために使用される。これにより、放射状電気シールド２７は、ディスク２３およびディスク２４の同心ループ間に配置される。従来技術のカプラ１のステータ部６に設けられた接地面は、第３の実施形態には存在しない。第３の実施形態のループは、それぞれが安定または不安定である入力部および出力部を形成するように接続されても良い。第３の実施形態の放射状電気シールド２７は、ディスク２４に設けられたループに電気的に接続されても良い。
【００２７】
特定の状況では、第３の実施形態を使用することが不適当である。例えば、ディスク２４を比較的大きな金属部分に密に近接させて配置することが必要な場合、ディスク２４に設けられるループの効果は減少する。そのような場合、金属部分とループとの間の間隔を最大にすることが好ましい。その際、金属部分に隣接するディスク２４の面からディスク２４の反対側の面までループを移動させることが有益である。前述したように、そのような構成は、本発明の第１および第２の実施形態によって与えられる。
【００２８】
第１および第２の実施形態２０、２４が好ましい用途が図１０に示されている。この図は、ベアリング３７、３８を介してシャフト５を支持する金属本体３６を備えた多軸ボール盤３５を示している。シャフト５の一端には、チャック３９およびビット４０が設けられている。ビット３０から遠いシャフト５の端部には、駆動ギアが設けられている。
【００２９】
シャフト６上には、複数のＳＡＷ装置４が装着されている。各ＳＡＷ装置は、シャフト５に固定されたディスク４１に設けられたループに電気的に接続されている。ループは、ボール盤の金属本体に固定されたディスク４３から遠いディスク４１の面４２上に設けられている。適当な駆動／測定回路に接続されたループは、ディスク４１に近いディスク４３の面４４上に設けられている。ディスク４３に最も近いディスク４１の面４５上には、電気シールドが設けられている。幾つかのＳＡＷ装置が必要な場合には、複数組のループが設けられても良い。ベアリング３８に最も近いディスク４３の面には、面４４上に形成されたループのための接地面として作用するようにカバーする接地メタルが設けられている。したがって、駆動／測定回路に接続されたループは、送信ラインを形成しても良い。
【００３０】
図１１には、本発明の別の実施形態が示されている。この実施形態においては、第１および第２の実施形態において説明したように、第１のディスク５１上に第１のループ５０が設けられ、一方、第２のディスク５４上に第１の放射状電気シールド５２および第２のループ５３が設けられている。第３のディスク５０上には第３のループ５５が設けられ、一方、第４のディスク５９上には、第１および第２の実施形態において説明した鏡像関係を成して、第２の放射状電気シールド５７および第４のループ５８が設けられている。第１および第３のディスク５１、５６は支持構造体６０に固定され、第２および第４のディスク５４、５９はシャフト５に固定されている。シャフト５は、それ自体、２つのベアリング６１、６２により、支持構造体６０に対して回転可能に装着されている。このように、ループを軸方向に離間させることにより（これらのループを同心的に配置するのではなく）、図１１に示されるカプラの全直径は、前述したカプラのそれよりも小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ＧＢ−Ａ−２３２９０８６に開示された従来技術のロータリ信号カプラを概略的に示している。
【図２】
本発明の第１の実施形態の電気回路を概略的に示している。
【図３】
第１の実施形態の機械的な構成を概略的に示している。
【図４】
第１の実施形態のステータ／ロータに設けられた同心トラックを概略的に示している。
【図５】
第１の実施形態の放射状スクリーンを概略的に示している。
【図６】
第２の実施形態の電気回路を概略的に示している。
【図７】
ＳＡＷ装置に接続された第１または第２の実施形態を備えるカップリングシステムの全応答を概略的に示している。
【図８】
第１または第２の実施形態カップリング応答を概略的に示している。
【図９】
本発明の第３の実施形態のカップリング応答を概略的に示している。
【図１０】
多軸ボール盤で使用される本発明の第１または第２の実施形態を概略的に示している。
【図１１】
本発明の第４の実施形態を概略的に示している。
【図１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年10月16日(2002.10.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定構造体に対して回転可能なシャフト上に装着されるＳＡＷ装置への信号カップリングを形成するロータリ信号カプラであって、ＳＡＷ装置に接続され且つシャフトに対して固定された第１の導電ループと、電子回路に接続可能で且つ固定構造体に対して固定された第２の導電ループとを備え、第１および第２の導電ループは、並列に配置されて、その間に誘導結合を形成するとともに、シャフトを固定構造体に対して回転させた時に互いの間隔を略一定に維持するように配置され、また、第１の導電ループと第２の導電ループとの間に配置されて接地された導電スクリーン手段を備えているロータリ信号カプラ。
【請求項２】
各ループは、所定の材料から成るディスク上に設けられ、一方のディスクがシャフトに固定され、他方のディスクは、その中でシャフトが回転する構造体に固定されている、請求項１に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項３】
導電スクリーン手段が一方のディスクに設けられている、請求項２に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項４】
導電スクリーン手段は、一方のディスクの面上に設けられたスクリーンを備えている、請求項３に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項５】
ディスクは、その間に小さな空隙または絶縁材料から成るウエハを介在させた状態で、互いに対向して配置されている、請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項６】
一方のループは、他方のディスクに近い一方のディスクの面上に設けられ、他方のループは、一方のディスクから遠い他方のディスクの面上に設けられている、請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項７】
導電スクリーン手段は、一方のディスクに近い他方のディスクの面上に設けられている、請求項６に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項８】
導電スクリーン手段が金属スクリーンを備えている、先行する請求項のいずれかに記載のロータリ信号カプラ。
【請求項９】
金属スクリーンは、その全てが接地された複数の放射状に延びるフィンガによって形成されている、請求項８に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項１０】
一方のループが導電スクリーン手段に電気的に接続されている、先行する請求項のいずれかに記載のロータリ信号カプラ。
【請求項１１】
導電スクリーン手段は、これに接続されたループのための接地面を形成し、ループおよび接地面が協働して送信ラインを形成する、請求項１０に記載のロータリ信号カプラ。
【請求項１２】
複数の各装置に接続され且つそれぞれがシャフトに対して固定された複数の第１の導電ループと、電気回路に接続可能な複数の第２の導電ループとを有し、これによって、電気回路と各装置との間で信号を送信することができる、先行する請求項のいずれかに記載のロータリ信号カプラ。
【国際調査報告】
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