JP2009294156A - トルク測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ブラシ電極などの摺動部材を設けることなく、簡単な構造で精度よく動的トルクを測定することができるトルク測定装置を実現する。
【解決手段】 本発明のトルク測定装置１０によれば、レーザ照射装置１２により負荷軸２２の回転に従って回転する測定盤１１にレーザ光Ｌを照射し、スリット１１ａを通過したレーザ光Ｌを、負荷軸２２に設けられた反射材１３ｄにより反射して、位置検出装置１４により反射材１３ｄで反射されたレーザ光Ｌの光跡Ｐ１、Ｐ２の位置を座標として検出する。そして、トルク算出装置２４により、負荷軸２２に発生するトルクに応じて移動する光跡の移動量に基づいてトルクを算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、駆動手段により回転駆動される負荷軸に生じたトルクを測定するトルク測定装置に関する。

従来より、自動車分野などにおいて、例えば、パワーステアリング用トルクセンサのトルクを測定するためのトルク測定装置が用いられている。例えば、特許文献１には、回転軸に歪ゲージが取付けられ、歪ゲージを介してワークのトルク量を電気信号に変えて取り出すように構成されたトルク測定装置が開示されている。
特開２０００−３９３６７号公報

上述のような構成のトルク測定装置では、歪ゲージの出力をブラシ電極などの摺動部材を用いて取り出す必要があるが、高速度で回転する回転体に適用し、動的トルクを測定する場合には、ブラシ電極の接触状態が悪くなるなどの要因により、高精度の測定を継続して行うことができないおそれがあった。

そこで、本発明は、ブラシ電極などの摺動部材を設けることなく、簡単な構造で精度よく動的トルクを測定することができるトルク測定装置を実現することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、駆動手段により回転駆動される負荷軸に生じたトルクを測定するトルク測定装置であって、光線を照射可能な照射装置と、前記負荷軸に設けられ、前記負荷軸の回転に従って回転され、前記照射装置により照射された光線が断続的に通過可能な通過部が形成された測定盤と、前記負荷軸に設けられ、前記通過部を通過した光線を反射する反射材と、前記反射材で反射された光線の光跡の位置を検出する位置検出装置と、前記位置検出装置により検出された光跡の位置から算出された、前記負荷軸に発生するトルクに応じて移動する光跡の移動量に基づいて、トルクを算出するトルク算出装置と、を備えた、という技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、照射装置により負荷軸の回転に従って回転する測定盤に光線を照射し、断続的に通過部を通過した光線を、負荷軸に設けられた反射材により反射して、位置検出装置により反射材で反射された光線の光跡の位置を検出することができる。そして、トルク算出装置により、負荷軸に発生するトルクに応じて移動する光跡の移動量に基づいてトルクを算出することができる。これにより、電極の摺動部などを設けることなく、簡単な構造で精度よくトルクの時間変化量などの動的トルクを測定することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のトルク測定装置において、前記照射装置は、レーザ光を照射する、という技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明のように、照射装置がレーザ光を照射するように構成すると、レーザ光は直進性がよく、輝度が高いため、位置検出装置において検出される光跡を明瞭な形にすることができるので、トルクの測定精度を向上させることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載のトルク測定装置において、前記トルク算出装置は、光跡の輝度分布より重心を算出し、前記重心の座標を光跡の位置として検出する、という技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明によれば、トルク算出装置により、光跡の輝度分布より重心を算出し、重心の座標を光跡の位置として検出するため、光跡の移動量を正確に算出することができるので、トルクの測定精度を向上させることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載のトルク測定装置において、光跡の移動方向が前記位置検出装置において設定された座標軸のいずれか一方と一致するように前記位置検出装置が配置されている、という技術的手段を用いる。

請求項４に記載の発明によれば、光跡の移動方向が位置検出装置において設定された座標軸のいずれか一方と一致するように位置検出装置が配置されているため、重心の座標を移動方向の座標のみ算出すればよく、演算の負荷を下げることができるとともに、光跡の移動量を正確に算出することができるので、トルクの測定精度を向上させることができる。

本発明のトルク測定装置について、パウダーブレーキでトルクを生じさせる場合を例に図を参照して説明する。図１は、トルク測定装置の構成を示す説明図である。図２は、トルク測定装置によるトルク測定原理を示す説明図である。図２（Ａ）は、トルクによるレーザ光の光路の変化を示す説明図であり、図２（Ｂ）は、トルクによるレーザ光の光跡の移動状況を示す説明図である。図３は、光跡の輝度分布を示す説明図である。図４は、レーザ光の光跡の重ね合わせ処理を示す説明図である。

図１に示すように、本実施形態では、トルク測定装置１０は、動力駆動部分であるモータ２０とトルク負荷部分であるパウダーブレーキ２１とを接続する負荷軸２２に設けられている。

トルク測定装置１０は、盤面が負荷軸２２に垂直で、負荷軸２２に同心となるように取り付けられた円盤状の測定盤１１と、測定盤１１にレーザ光Ｌを照射するレーザ照射装置１２及びレーザ光学系１３と、測定盤１１に照射され、レーザ光学系１３を経由したレーザ光Ｌを検出する位置検出装置１４と、位置検出装置１４により検出されたレーザ光Ｌの信号を演算処理してトルクを算出するトルク算出装置２４とを備えている。

測定盤１１には、外周部に円盤の中心方向に向かって溝状に形成されたスリット１１ａが設けられている。スリット１１ａは、レーザ光Ｌが通過可能な幅に形成されており、本実施形態では、スリット１１ａの幅は１．５ｍｍである。

レーザ光学系１３は、レーザ照射装置１２から照射されたレーザ光Ｌの光路を変更するためのミラー１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、負荷軸２２上に設けられ、レーザ光Ｌを反射する反射材１３ｄと、を備えている。レーザ光は直進性がよく、輝度が高いため、後述するレーザ光の光跡を明瞭な形にすることができるので、トルクの測定精度を向上させることができる。

反射材１３ｄは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウムを蒸着した樹脂材料などレーザ光Ｌを効率よく反射する材料により形成され、負荷軸２２にトルクが負荷された場合にもレーザ光Ｌを反射可能な寸法に形成されている。

ミラー１３ａは、レーザ照射装置１２から照射されたレーザ光Ｌを、測定盤１１のスリット１１ａが形成されている位置に導き、ミラー１３ｂは、スリット１１ａを通過したレーザ光Ｌを反射材１３ｄに導き、ミラー１３ｃは、反射材１３ｄにおいて反射されたレーザ光Ｌを後述する投影板１４ａに導く。

位置検出装置１４は、測定盤１１に照射され、レーザ光学系１３を経由したレーザ光Ｌの光跡を投影するための投影板１４ａと、投影板１４ａに投影されたレーザ光Ｌの光跡を撮像する撮像装置１４ｂとを備えている。本実施形態では、投影板１４ａとしてすりガラスを、撮像装置１４ｂとしてＣＭＯＳカメラを用いる。

次に、トルク測定装置１０を用いて、負荷軸２２に発生したトルクを測定する方法について説明する。モータ２０により負荷軸２２を回転させると、負荷軸２２の回転に従って測定盤１１も回転する。

レーザ照射装置１２によりレーザ光Ｌを連続照射すると、図２（Ａ）に示すように、スリット１１ａがレーザ光Ｌの光路を横切ったときに、レーザ光Ｌはスリット１１ａを通過する。負荷軸２２にトルクが負荷されていない場合のレーザ光Ｌの光路をＬ１に示す。スリット１１ａを通過したレーザ光Ｌは、ミラー１３ｂで反射され、反射材１３ｄに照射される。反射材１３ｄにより反射されたレーザ光Ｌは、ミラー１３ｃで反射されて、位置検出装置１４の投影板１４ａに光跡Ｐ１として投影される。ここで、光跡は、図２（Ｂ）に示すように、スリット１１ａの幅に応じて長円状となる。

投影板１４ａに投影されたレーザ光Ｌの光跡Ｐ１は、撮像装置１４ｂによりレーザ光Ｌの照射方向と反対側からデジタル画像として撮像される。デジタル画像は、撮像装置１４ｂに接続されたパソコンなどのトルク算出装置２４により演算処理され、画像上の座標と輝度が求められる。図２（Ｂ）では、横方向がＸ軸方向、縦方向がＹ方向として定義されている。

パウダーブレーキ２１により負荷軸２２にトルクを加えると、負荷軸２２の両端にねじりモーメントが作用することにより負荷軸２２にねじれ変形が生じる。これにより、反射材１３ｄの位置が、スリット１１ａに対してトルクに応じたねじれ角分だけ回転方向と逆方向にずれるため、反射材１３ｄによるレーザ光Ｌの反射角度がねじれ角の２倍だけ変化するので、レーザ光Ｌの光路はＬ２にシフトし、位置検出装置１４の投影板１４ａに投影される光跡は光跡Ｐ２に移動する。

ここで、位置検出装置１４は、光跡Ｐ２が光跡Ｐ１から見てＹ軸方向に移動するように配置されている。これにより、後述する光跡Ｐ１、Ｐ２の重心Ｇ１、Ｇ２の座標を移動方向であるＹ座標でのみ算出すればよく、演算の負荷を下げることができるとともに、光跡の移動量を正確に算出することができるので、トルクの測定精度を向上させることができる。

光跡Ｐ１と光跡Ｐ２との距離は、後述する演算処理により各光跡の画像処理を行い、光跡Ｐ１、Ｐ２の輝度分布の重心Ｇ１、Ｇ２をそれぞれ算出して、重心の移動量により代表させる。光跡の重心の移動量、つまり光跡Ｐ１と光跡Ｐ２との距離は、負荷軸２２のねじれ角及びトルクの大きさに比例する。撮像装置１４ｂにより撮像された光跡Ｐ２のデータを基にトルク算出装置２４により光跡Ｐ２の座標を求め、光跡Ｐ１と光跡Ｐ２との距離とを求める。そして、公知のトルク測定方法によりあらかじめ求めておいた光跡Ｐ１と光跡Ｐ２との距離とトルクとの関係に基づいて演算処理することにより、トルクを算出することができる。

次に、光跡Ｐ１、Ｐ２の輝度分布の重心Ｇ１、Ｇ２の算出方法について説明する。図３に一例を示すように、光跡は、中央が最も輝度が高く、周辺に向かうにつれて急激に輝度が低下する輝度分布を有している。座標点(x, y)における輝度をf(x, y)で示すと、全画面の座標の総輝度値(W)は、各座標の輝度値を順に加算して次式により求めることができる。ここで、iは横方向の画素数、jは縦方向の画素数である。

重心gの座標を(x_ｃ y_c)とすると、座標軸の各画素の輝度値と座標位置の乗積の和と総輝度値Wの除算の結果として表される。光跡の移動方向はＹ軸方向なので、次式により重心y_cのみを求める。

本実施形態で用いたＣＭＯＳカメラのフレームレートは１０ｆｐｓに設定した。０．１秒間隔で一枚の画像を撮影するため、０．１秒間の光跡の輝度を重ね合わせることになる。重ね合わせ処理は、図４に示すように、入力画像（Ａ）、（Ｂ）と出力画像を用いて、それぞれの入力画像の同じ位置にある画素の輝度値を比較して、高輝度値の画素を出力画像の同じ位置に代入する。この処理により、輝度分布が滑らかになるため、重心の測定精度が向上し、トルクの測定精度を向上させることができる。

［最良の実施形態の効果］
（１）本発明のトルク測定装置１０によれば、レーザ照射装置１２により負荷軸２２の回転に従って回転する測定盤１１にレーザ光Ｌを照射し、スリット１１ａを通過したレーザ光Ｌを、負荷軸２２に設けられた反射材１３ｄにより反射して、位置検出装置１４により反射材１３ｄで反射されたレーザ光Ｌの光跡Ｐ１、Ｐ２の位置を座標として検出することができる。そして、トルク算出装置２４により、負荷軸２２に発生するトルクに応じて移動する光跡の移動量に基づいてトルクを算出することができる。これにより、電極の摺動部などを設けることなく、簡単な構造で精度よくトルクの時間変化量などの動的トルクを測定することができる。

（２）位置検出装置１４により、光跡Ｐ１、Ｐ２の輝度分布より重心Ｇ１、Ｇ２を算出し、重心Ｇ１、Ｇ２の座標を光跡Ｐ１、Ｐ２の位置として検出するため、光跡の移動量を正確に算出することができるので、トルクの測定精度を向上させることができる。

（３）光跡の移動方向が位置検出装置１４において設定されたＹ軸方向と一致するように位置検出装置１４が配置されているため、重心Ｇ１、Ｇ２の座標をＹ座標のみ算出すればよく、演算の負荷を下げることができるとともに、光跡の移動量を正確に算出することができるので、トルクの測定精度を向上させることができる。

［その他の実施形態］
上述した実施形態では、レーザ光が断続的に通過する通過部として測定盤１１に１箇所設けられたスリット１１ａを採用したが、これに限定されるものではない。複数のスリットを、例えば６０°おきに等間隔で設けてもよい。ここで、それぞれのスリットに対応して反射材を設ける。また、通過部の形状は、スリット以外でもよく、例えば円径の穴部でもよい。

上述した実施形態では、レーザ光の光跡は、すりガラスに投影して反対側より撮像したが、これに限定されるものではない。例えば、黒色の検出板に光跡を投影し、レーザ光の照射側から撮像するような構成も採用することができるし、投影板１４ａを用いずに、レーザ光を直接ＣＣＤカメラなどの位置検出装置１４に照射して撮像してもよい。

スリット１１ａを経由したレーザ光が、反射材１３ｄに照射され、光跡を撮像することができれば、ミラーの数、光学配置は任意であり、ミラーを用いない構成も採用することができる。

位置検出装置１４は、光跡Ｐ２が光跡Ｐ１から見て座標軸のいずれか一方の方向に移動するように配置すればよく、Ｘ軸方向に移動するように配置することもできる。

［各請求項と実施形態との対応関係］
スリット１１ａが請求項１に記載の通過部に、レーザ照射装置１２が照射装置にそれぞれ対応する。

トルク測定装置の構成を示す説明図である。 トルク測定装置によるトルク測定原理を示す説明図である。図２（Ａ）は、トルクによるレーザ光の光路の変化を示す説明図であり、図２（Ｂ）は、トルクによるレーザ光の光跡の移動状況を示す説明図である。 光跡の輝度分布を示す説明図である。 レーザ光の光跡の重ね合わせ処理を示す説明図である。

符号の説明

１０ トルク測定装置
１１ 測定盤
１１ａ スリット
１２ レーザ照射装置
１３ レーザ光学系
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ ミラー
１３ｄ 反射材
１４ 検出装置
１４ａ 検出板
１４ｂ 撮像装置
２０ モータ
２２ 負荷軸
２４ トルク算出装置
Ｇ１、Ｇ２ 重心
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２ レーザ光
Ｐ１、Ｐ２ 光跡

Claims (4)

1. 駆動手段により回転駆動される負荷軸に生じたトルクを測定するトルク測定装置であって、
   光線を照射可能な照射装置と、
   前記負荷軸に設けられ、前記負荷軸の回転に従って回転され、前記照射装置により照射された光線が断続的に通過可能な通過部が形成された測定盤と、
   前記負荷軸に設けられ、前記通過部を通過した光線を反射する反射材と、
   前記反射材で反射された光線の光跡の位置を検出する位置検出装置と、
   前記位置検出装置により検出された光跡の位置から算出された、前記負荷軸に発生するトルクに応じて移動する光跡の移動量に基づいて、トルクを算出するトルク算出装置と、
   を備えたことを特徴とするトルク測定装置。
2. 前記照射装置は、レーザ光を照射することを特徴とする請求項１に記載のトルク測定装置。
3. 前記トルク算出装置は、光跡の輝度分布より重心を算出し、前記重心の座標を光跡の位置として検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトルク測定装置。
4. 光跡の移動方向が前記位置検出装置において設定された座標軸のいずれか一方と一致するように前記位置検出装置が配置されていることを特徴とする請求項３に記載のトルク測定装置。

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