JP2005338894A - 回転体トルク計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 固定側から回転体側に電力を供給するロータリートランスの一次巻線と二次巻線との間の伝送効率を改善できる回転体トルク計測装置を提供することである。
【解決手段】 固定側に配設した一次巻線と回転体側に配設した二次巻線とから成るロータリートランスを介して前記固定側から前記回転側に向けて電磁誘導による電力の伝送を行ない、該電力を用いて前記回転体側にて該回転体に生じるトルクを検出し、該検出結果を前記回転体側から前記固定側に伝送する回転体トルク計測装置において、前記ロータリートランスの二次巻線側にコンデンサを接続し、前記ロータリートランスの漏洩インダクタンスと前記コンデンサとで直列共振回路を形成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転体のトルクを測定する回転体トルク計測装置に係り、特に回転体のトルク量を電気量として検出し、回転体から固定側へその電気量の伝送を非接触で行なう回転体トルク計測装置に関する。

従来、回転体のトルクの測定には、回転軸と回転軸により駆動される負荷軸との間に連結した円筒状の起歪体に貼着された歪みゲージによって、起歪体に発生するねじれ量を電気量に変換して検出し、これを固定側に伝送して回転体のトルク量を測定する装置が用いられている。

この伝送手段として回転体での電気信号を光信号に変換して固定側に非接触で伝送させて回転体のトルク量を測定する装置が提案されている。このような装置として、例えば図４に示す構造がある（特許文献１参照）。

図４は特許文献１に記載された従来の回転体トルク計測装置の正面図であり、図５はその側面一部断面図である。

この回転体トルク計測装置は、回転体に固着する駆動側フランジ１０１および従動側フランジ１０２を両端に有し、両フランジの間には所定の肉厚および径を有する中空円筒部である起歪体１００を具備している。

駆動側フランジ部１０１の外方端面は、負荷との間の動力伝達系中に連結される駆動側連結部材がネジ穴１０３にて結合され、従動側フランジ１０２には、駆動力伝達系の負荷部材がネジ穴１０４にて結合される。

中空円筒部である起歪体１００の最肉薄部である底部１０５に対向する内周には歪みゲージ１０６が貼着される。この歪みゲージ１０６を用いたセンサーは、起歪体１００に作用するトルクに応じた物理量を電気信号に変換する。

従動側フランジ１０２はその外周に一対のロータリートランス１１１を具備し、回転体側のロータリートランス１１１の一次巻線１１６（図６に示す）の磁心部１１２は開口部を有し、この開口部の内部には電気−光変換素子である発光ダイオード１１３が設置されている。１１４は固定側のロータリートランス１１１の二次巻線１１７（図６に示す）の磁心部である。

歪みゲージ１０６を用いたセンサーによる電気信号は、発光ダイオード１１３で光信号に変換され、この光信号は固定側に向けて伝送される。この回転体側から伝送された光信号は固定側に備えた光ファイバー１１５の側面に入射する。

光ファイバー１１５の側面から入射した光は光ファイバー１１５の端面に伝達し、端面に到達した光は光−電気変換素子で受光されて電気信号に変換され、この電気信号によってトルクの測定値を得る。

なお、この回転体トルク計測装置においては、高速回転により生ずる風力や遠心力による貼着歪ゲージ１０６ヘの弊害を緩和するために、従動側フランジ１０２の開口部の底部１０８には、電子回路を実装する回路基板１０９が取付けてあり、高速回転による風力、遠心力の弊害、貼着した歪ゲージ１０６が、外部からの水分、塵挨などで劣化することを回避するために、起歪体１００の開口部１０７には、蓋１１０が設けてある。

図６は、図４に示した従来の回転体トルク計測装置における回転体側と固定側の回路構成を示したブロック図である。

直流電源６１１による直流電圧は発振回路６１２にて周波数１５ＫＨｚ程度の交流電圧に変換され、これを、増幅回路６１３にて増幅し、固定側にあるロータリートランス１１１の一次巻線１１６に印加する。

ロータリートランス１１１は一次巻線１１６に対向して二次巻線１１７を有し、回転体側にあるロータリートランス１１１の二次巻線１１７に誘起した交流電圧は、整流、平滑する回路６１５により直流電圧とされ、安定化電源回路６１６により電源電圧の変動を少なくし、歪みゲージ用電源回路６１７から、歪みゲージ１０６によるホイートストンブリッジを形成したホイートストンブリッジ回路６１８に必要な電圧を供給している。

ホイートストンブリッジ回路６１８の出力は、増幅器６１９で増幅され、フィルタ回路６２０によって余分な周波数成分を除去された後、電圧の大きさを周波数の高低に変換する電圧−周波数変換器（Ｖ／Ｆ変換器）６２１により、周波数変調された信号に変換される。

電圧−周波数変換器（Ｖ／Ｆ変換器）６２１からの出力信号は電気−光変換素子１１３に入力され、電気−光変換素子１１３から出力された光信号は、固定側に配置された光ファイバー１１５にて受光され、光−電気変換素子であるフォトダイオード１３１にて光信号を電気信号に変換される。

変換された電気信号は、ＡＧＣ回路６２５で増幅され、増幅された信号は波形整形回路６２６を介して周波数−電圧変換器（Ｆ／Ｖ変換器）６２７により、周波数変化を電圧変化に変換された後、ローパスフィルタ回路６２８にてノイズ成分を除去される。

ローパスフィルタ回路６２８からの出力信号は、出力バッファ回路６２９に入力され、出力端子ＯＳからトルクの測定値が出力される。

特開２００２−２２５６６号公報

しかしながら、上記従来の回転体トルク計測装置では、回転体の起歪体１００に貼着した歪みゲージ１０６によって起歪体１００に発生するねじれ量を電気信号に変換し、この電気信号を発光ダイオード１１３で光信号に変換して伝達しているが、回転体の起歪体１００には、所定トルクに対応する歪み発生体としての主機能に加え、磁心としての機能も要求される。このため、起歪体１００は磁性体で、かつ材料強度の高い磁性材料にて形成する必要があり、通常、金属バルク体、例えば鉄系磁性材料のバルク体にて製作されている。金属バルク体の磁心は、例えば、自動車の車輪により回転させられるシャーシダイナモの測定ローラとダイナモメータやブレーキ機構などの負荷との間の動力伝達系中に連結される駆動側連結部材がネジ穴１０３を用いて結合されるように回転体の形状が取り付ける部材の構造に制約される結果、磁気的に閉磁路を形成していないことにより一次巻線１１６と二次巻線１１７との間の磁気的結合度が低く漏れ磁束が生じてしまうこと、それから高周波電磁誘導での使用において渦電流による損失が生じてしまうことから伝送効率が悪いという問題がある。伝送効率にのみ着目すれば好ましくは高周波損失の少ないフェライトなどを磁心に使用して磁気的に閉磁路構造とすることが適当である。

しかしながら、フェライトは耐衝撃性が低く、回転動作時に二次巻線１１７の膨張で破壊されてしまうなど強度信頼性に重大な問題があるため、フェライトで形成することは難しい。このため、伝送効率の改善には磁心としての機能も併せ持つ回転体の形状や巻線数の調整といった対策が行なわれているが、使用目的および使用環境による制約を受ける結果、起歪体１００の材質、形状の変更が難しいのが実情である。

そこで、渦電流や低い結合度による損失などを考慮して二次巻線１１７の巻数を増加させたり、一次巻線１１６に多くの電力を印加して二次側に所定の電力を得るようにしているが、二次巻線１１７の巻数増加は回転体の重量増加となってしまい、高回転時には二次巻線１１７の巻き崩れが発生しやすく、二次巻線１１７が破損してしまうという問題があって好ましくない。

また、一次巻線１１６の励磁電流を増やして二次側に所定の電力を得る方法では、一次巻線１１６に使用する線材を太くする必要や耐絶縁構造を行なう必要があり、線材における銅損と共に製造コストがかかるという問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、固定側から回転体側に電力を供給するロータリートランスの一次巻線と二次巻線との間の伝送効率を改善できる回転体トルク計測装置を提供することを目的とする。

本発明は、固定側に配設した一次巻線と回転体側に配設した二次巻線とから成るロータリートランスを介して前記固定側から前記回転側に向けて電磁誘導による電力の伝送を行ない、該電力を用いて前記回転体側にて該回転体に生じるトルクを検出し、該検出結果を前記回転体側から前記固定側に伝送する回転体トルク計測装置において、前記ロータリートランスの二次巻線側にコンデンサを接続し、前記ロータリートランスの漏洩インダクタンスと前記コンデンサとで直列共振回路を形成してなることを特徴とする。

また本発明は請求項１に記載の発明において、前記二次巻線側に接続したコンデンサが可変容量のコンデンサであることを特徴とする。

本発明の回転体トルク計測装置によれば、固定側から回転体側にロータリートランスを介して電磁誘導による電力の伝送を行なう構成において、回転体側に形成した漏洩インダクタンスと二次巻線側に接続したコンデンサにて直列共振回路を形成して共振させているため、効率よく二次巻線側に大きな出力を得ることができ、固定側から回転体側への電力の伝送効率を改善できるため、二次巻線の巻数を低減することができ、回転体トルク計測装置の信頼性を向上できる。

また、二次巻線側に接続したコンデンサを可変容量によるコンデンサにて構成することにより、駆動側連結部材が変化した場合でも容易に共振点になるように調整することができ、使用環境に柔軟に対応できる回転体トルク計測装置を提供することができる。

以下、本発明による回転体トルク計測装置の一実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の回転体トルク計測装置における回転体側と固定側の回路構成を示したブロック図であり、図２は、図１に示した一次巻線１１６と二次巻線１１６とを含む部分であるＡ部の等価回路図である。

本発明の回転体トルク計測装置の外観および基本構造は、図４〜図６に示した従来の回転体トルク計測装置と同じであるため、ここでは、上述の図１と図４〜図５を参照して説明する。

本実施の形態の回転体トルク計測装置は、回転体に固着する駆動側フランジ１０１および従動側フランジ１０２を両端に有し、両フランジの間には所定の肉厚および径を有する中空円筒部である起歪体１００を具備している。

駆動側フランジ部１０１の外方端面は、負荷との間の動力伝達系中に連結される駆動側連結部材がネジ穴１０３にて結合され、従動側フランジ１０２には、駆動力伝達系の負荷部材がネジ穴１０４にて結合される。

中空円筒部である起歪体１００の最肉薄部である底部１０５に対向する内周には歪みゲージ１０６が貼着される。この歪みゲージ１０６を用いたセンサーは、起歪体１００に作用するトルクに応じた物理量を電気信号に変換する。

従動側フランジ１０２はその外周に一対のロータリートランス１１１を具備し、回転体側のロータリートランス１１１の一次巻線１１６の磁心部１１２は開口部を有し、この開口部の内部には電気−光変換素子である発光ダイオード１１３が設置されている。１１４は固定側のロータリートランス１１１の二次巻線１１７の磁心部である。

歪みゲージ１０６を用いたセンサーによる電気信号は、発光ダイオード１１３で光信号に変換され、この光信号は固定側に向けて伝送される。この回転体側から伝送された光信号は固定側に備えた光ファイバー１１５の側面に入射する。

光ファイバー１１５の側面から入射した光は光ファイバー１１５の端面に伝達し、端面に到達した光は光−電気変換素子で受光されて電気信号に変換され、この電気信号によってトルクの測定値を得る。

なお、この回転体トルク計測装置においては、高速回転により生ずる風力や遠心力による貼着歪ゲージ１０６ヘの弊害を緩和するために、従動側フランジ１０２の開口部の底部１０８には、電子回路を実装する回路基板１０９が取付けてあり、高速回転による風力、遠心力の弊害、貼着した歪ゲージ１０６が、外部からの水分、塵挨などで劣化することを回避するために、起歪体１００の開口部１０７には、蓋１１０が設けてある。

次に、本実施の形態の動作について説明する。

直流電源６１１による直流電圧は発振回路６１２にて周波数１５ＫＨｚ程度の交流電圧に変換され、これを、増幅回路６１３にて増幅し、固定側にあるロータリートランス１１１の一次巻線１１６に印加する。

ロータリートランス１１１は一次巻線１１６に対向して二次巻線１１７を有し、回転体側にあるロータリートランス１１１の二次巻線１１７に誘起した交流電圧は、整流、平滑する回路６１５により直流電圧とされ、安定化電源回路６１６により電源電圧の変動を少なくし、歪みゲージ用電源回路６１７から、歪みゲージ１０６によるホイートストンブリッジを形成したホイートストンブリッジ回路６１８に必要な電圧を供給している。

ホイートストンブリッジ回路６１８の出力は、増幅器６１９で増幅され、フィルタ回路６２０によって余分な周波数成分を除去された後、電圧の大きさを周波数の高低に変換する電圧−周波数変換器（Ｖ／Ｆ変換器）６２１により、周波数変調された信号に変換される。

電圧−周波数変換器（Ｖ／Ｆ変換器）６２１からの出力信号は電気−光変換素子１１３に入力され、電気−光変換素子１１３から出力された光信号は、固定側に配置された光ファイバー１１５にて受光され、光−電気変換素子であるフォトダイオード１３１にて光信号を電気信号に変換される。

変換された電気信号は、ＡＧＣ回路６２５で増幅され、増幅された信号は波形整形回路６２６を介して周波数−電圧変換器（Ｆ／Ｖ変換器）６２７により、周波数変化を電圧変化に変換された後、ローパスフィルタ回路６２８にてノイズ成分を除去される。

ローパスフィルタ回路６２８からの出力信号は、出力バッファ回路６２９に入力され、出力端子ＯＳからトルクの測定値が出力される。

本実施の形態の回転体トルク計測装置と、図４〜図６に示した従来の回転体トルク計測装置との相違は、二次巻線１１７側にコンデンサＣを設け、漏洩インダクタンスとこの二次側に接続したコンデンサＣとで直列共振回路を形成したことにある。

図２は、図１の破線で囲んだＡ部であって、一次巻線１１６および二次巻線１１７の部分の等価回路図を示した図であり、Ｒ_１は一次巻線１１６の巻線抵抗、Ｒ_２は二次巻線１１７の巻線抵抗、Ｒｅは渦電流等価抵抗、Ｌ_１１は一次側での漏洩インダクタンス、Ｌ_１２は二次側での漏洩インダクタンス、Ｌｍは相互インダクタンスであり、Ｃは二次巻線１１７側に接続したコンデンサである。

本実施の形態の回転体トルク計測装置では、漏洩インダクタンスＬ_１２を共振インダクタンスとして使用し、コンデンサＣとで直列共振回路を形成している。

本実施の形態によれば、この漏洩インダクタンスＬ_１２とコンデンサＣとで直列共振するので、二次巻線１１７には大きな出力が得られる。得られた出力は整流・平滑回路６１５に入力されて整流・平滑される。整流は公知のブリッジ整流にて行なわれる。

コンデンサＣは二次巻線１１７側に接続したコンデンサを表わしているが、浮遊容量を含んだ形であっても勿論よい。

また、駆動側フランジ部１０１の外方端面に結合する駆動側連結部材の影響によりインダクタンスが変化する場合、二次巻線１１７側の共振周波数が変化し、最適な出力を得られなくなる。この場合には、コンデンサＣを最適な容量のコンデンサと交換することによって共振させることができる。

図３はコンデンサＣの容量と二次巻線側の出力の関係の一例を示した図である。図３の横軸はコンデンサＣの容量を示し、縦軸は二次巻線側の出力である電圧を示す。

図３を参照すると、コンデンサＣの容量を可変させることによって二次巻線側の出力が変化し、コンデンサＣの容量が特定の値のときに最も大きな出力になることがわかる。

この最も大きな出力は、漏洩インダクタンスと二次側に接続したコンデンサＣが直列共振したときに得られる。

このため、コンデンサＣは可変容量を利用した構成とすることによって、駆動側フランジ部１０１の外方端面に結合する駆動側連結部材が変化した場合でも容易に共振点になるように調整でき、使用環境に柔軟に対応できる。可変容量を利用したコンデンサとしては、例えば、トリマコンデンサが好適である。

なお、本発明の回転体トルク計測装置は、図４に示した構造に限定されるものでなく、非接触で一次巻線側から二次巻線側に電力を供給する構成の回転体トルク計測装置であれば適用できることは勿論である。

本発明の回転体トルク計測装置における回転体側と固定側の回路構成を示すブロック図である。 図１の一次巻線および二次巻線の部分であるＡ部の等価回路を示す図である。 図２におけるコンデンサの容量と二次巻線側の出力の関係を示す図である。 従来の回転体トルク計測装置の正面図である。 図４の回転体トルク計測装置の一部断面側面図である。 図４の回転体側と固定側の回路構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００ 起歪体
１０１ 駆動側フランジ
１０２ 従動側フランジ
１０３ ネジ穴
１０４ ネジ穴
１０５ 底部
１０６ 歪みゲージ
１０７ 開口部
１０８ 底部
１０９ 回路基板
１１０ 蓋
１１１ ロータリートランス
１１２ 磁心部
１１３ 発光ダイオード
１１４ 磁心部
１１５ 光ファイバー
１１６ 一次巻線
１１７ 二次巻線
６１１ 直流電源
６１２ 発振回路
６１３ 増幅回路
６１５ 整流、平滑する回路
６１６ 安定化電源回路
６１７ 歪みゲージ用電源回路
６１８ ホイートストンブリッジ回路
６１９ 増幅器
６２０ フィルタ回路
６２１ 電圧−周波数変換器（Ｖ／Ｆ変換器）
１３１ フォトダイオード
６２５ ＡＧＣ回路
６２６ 波形整形回路
６２７ 周波数−電圧変換器（Ｆ／Ｖ変換器）
６２８ ローパスフィルタ回路
６２９ 出力バッファ回路

Claims (2)

1. 固定側に配設した一次巻線と回転体側に配設した二次巻線とから成るロータリートランスを介して前記固定側から前記回転側に向けて電磁誘導による電力の伝送を行ない、該電力を用いて前記回転体側にて該回転体に生じるトルクを検出し、該検出結果を前記回転体側から前記固定側に伝送する回転体トルク計測装置において、
   前記ロータリートランスの二次巻線側にコンデンサを接続し、前記ロータリートランスの漏洩インダクタンスと前記コンデンサとで直列共振回路を形成してなることを特徴とする回転体トルク計測装置。
2. 前記二次巻線側に接続したコンデンサが可変容量のコンデンサであることを特徴とする請求項１に記載の回転体トルク計測装置。

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