JP2018179924A - 軸型トルク変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転する回転軸に作用するトルクを間断なくかつ正確に測定可能な軸型トルク変換器を提供する。【解決手段】軸型トルク変換器は、回転軸と、トルク検出部と、回転軸に取り付けられ、回転軸と一体となって回転する支持板と、を備え、トルク検出部は、回転軸に作用するトルクを検出するトルク検出素子と、トルク検出素子から得られたトルク値を光信号として出力する光源と、光源からの出力光を導光するリング状の導光部と、導光部から出射された光を受光する受光部と、を備え、光源および導光部は、支持板に取り付けられ、光源は、導光部の内側に配置され、光源からの出力光は、導光部内を伝わることにより、導光部の外周面から径方向外側に照射される。【選択図】図２

Description

本発明は、自動車部品の検査設備、発電機またはモータ等のトルク測定に用いる軸型トルク変換器に関する。

従来から、自動車部品の検査設備、発電機またはモータのトルク測定に用いる軸型トルク変換器は知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の軸型トルク変換器の構成は、ひずみゲージからの電気信号を処理して検出信号として赤外線通信で送信する検出回路と、筐体に固定した基板上に設けられて検出回路からの検出信号を受信して外部に出力する出力回路と、を備えている。

特開２０１４−０９８７１８号公報

特許文献１に記載されたような軸型トルク変換器を用いてトルク測定を行う際、回転軸を例えば２５，０００ｒｐｍという非常に高速で回転させる場合がある。この場合、回転軸と回転軸固定部（ステータ）とが互いに軸受（ベアリング）でしっかりと固定され、かつ、回転軸で検出される常に変動するトルク信号を間断なく、すなわち常時継続的にかつ正確に回転軸固定部に伝達するための非接触の信号伝達構造が必要である。
これに伴って、軸型トルク変換器の場合、トルク検出用のひずみゲージおよびこのひずみゲージから得られたわずかな出力信号を増幅して回転固定部に常時伝達するための様々な電子部品や電気部品を回転軸付近に配置することが必要である。
発電機またはモータのトルクを測定する際には、トルクが短い時間で急激に変化するので、出力信号の伝達がわずかな時間でも途切れると、この部分の出力信号を固定側で得ることができなくなり、この欠落した出力信号を予測演算することは極めて困難になる。伝達できなかった出力信号の一部についてこの出力信号を推定したのでは実際のトルク特性値と合致しなくなる。

また、特許文献１に記載の軸型トルク変換器では、回転軸に設けられた円板状の基板に上述の電子部品や電気部品が配置されているが、上述のような高速回転で回転する回転軸に設けられたひずみゲージからの出力信号を常時継続的に回転固定部に伝達する構成については何ら言及されていない。

本発明の目的は、高速回転する回転軸に作用するトルクを間断なく、すなわち常時継続的にかつ正確に測定可能な軸型トルク変換器を提供することにある。

本発明の第１実施形態に係る軸型トルク変換器は、
回転軸と、
トルク検出部と、
前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸と一体となって回転する支持板と、
を備えた軸型トルク変換器であって、
前記トルク検出部は、
前記回転軸に作用するトルクを検出するトルク検出素子と、
前記トルク検出素子から得られたトルク値を光信号として出力する光源と、
前記光源からの出力光を導光するリング状の導光部と、
前記導光部から出射された光を受光する受光部と、
を備え、
前記光源および前記導光部は、前記支持板に取り付けられ、
前記光源は、前記導光部の内側に配置され、
前記光源からの出力光は、前記導光部内を伝わることにより、前記導光部の外周面から径方向外側に照射される。

本発明の第２実施形態に係る軸型トルク変換器は、
回転軸と、
トルク検出部と、
前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸と一体となって回転する支持板と、
を備えた軸型トルク変換器であって、
前記トルク検出部は、
前記回転軸に作用するトルクを検出するトルク検出素子と、
前記トルク検出素子から得られたトルク値を光信号として出力する光源と、
前記光源からの出力光を導光するリング状の導光部と、
前記導光部から出射された光を受光する受光部と、
を備え、
前記光源は、前記支持板に取り付けられ、
前記導光部は、前記回転軸に取り付けられ、内周面および外周面を有し、前記内周面の内側に円錐台形の空洞が設けられ、
前記光源は、前記導光部の外側に配置され、
前記光源からの出力光のうちの第１の部分が前記内周面で反射することにより、かつ、前記光源からの出力光のうちの第２の部分が前記導光部内を伝わることにより、前記導光部の外周面から径方向外側に光が照射される。

前記導光部の前記支持板側と反対側の面に設けられた反射板をさらに備える、
ことが好ましい。

複数の前記光源が、前記支持板の周方向に等間隔に配置されている、
ことが好ましい。

前記支持板には、前記光源を制御するための回転側制御回路の構成要素が配置されている、
ことが好ましい。

本発明の第１実施形態に係る軸型トルク変換器の部分断面図である。 本発明の第１実施形態に係る軸型トルク変換器の部分拡大図である。 本発明の第１実施形態に係る軸型トルク変換器の斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る軸型トルク変換器の回路図である。 本発明の第１実施形態に係る軸型トルク変換器の変形例の部分拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る軸型トルク変換器の部分断面図である。 本発明の第２実施形態に係る軸型トルク変換器の部分拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る軸型トルク変換器の変形例の部分拡大図である。

図１は、本発明の第１実施形態に係る軸型トルク変換器の部分断面図であり、図２（ａ）は、その部分拡大斜視図であり、図２（ｂ）は、その部分拡大側面図であり、図２（ｃ）は、図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図であり、図３は、その斜視図である。
なお、図１において、各構成要素の電気的な接続関係に関しては図示を省略している。

軸型トルク変換器１は、回転軸１００と、軸支持部２００と、トルク検出部３００と、支持板４００と、ハウジング５００と、電磁コイル６００と、回路基板７００と、を備え、回転軸１００に作用するトルクを出力信号に変換する。
以下の説明において、回転側とは、回転軸１００、トルク検出部３００および支持板４００などの回転する部分を総称して言い、固定側とは、軸支持部２００、ハウジング５００および回路基板７００などの固定された部分を総称して言う。

回転軸１００には、測定対象物である自動車部品の検査設備、発電機またはモータ等を作動させた際にトルクが作用する。回転軸１００には、一部に回転軸１００よりも小径の外径寸法を有するトルク検出軸部１２２が形成され、トルク検出軸部１２２に、後述するトルク検出素子３１０が取り付けられている。
回転軸１００は、例えば金属でできている。

軸支持部２００は、軸受２１０を備えており、回転軸１００を回転可能に支持する。

トルク検出部３００は、回転軸１００に作用するトルクを検出するトルク検出素子３１０と、トルク検出素子３１０から得られたトルク値を光信号αとして出力する光源３２０と、光源３２０からの出力光を導光するリング状の導光部３３０と、導光部３３０から出射された光を受光する受光部３５０と、を備えている。

トルク検出素子３１０は、回転軸１００に形成されたトルク検出軸部１２２の周方向に配置されている。トルク検出素子３１０は、ひずみゲージで構成されたホイートストンブリッジ回路であって、ここでは詳細な構成については図示しないが、ひずみゲージは、例えばポリイミド樹脂等でできた可撓性を有するシートと、このシートの上に幅の狭い銅箔パターンを互いに間隔を狭めて九十九（つづら）折り状に複数折り返して形成したひずみゲージ素子と、ひずみゲージ素子の両端から各素子の延在方向と同一方向に伸びたパターン延在部と、各パターン延在部とそれぞれ繋がって形成された矩形状のハンダタブと、を有している。

光源３２０は、支持板４００に取り付けられ、リング状の導光部３３０の内側に配置されている。光源３２０は、少なくとも１つのＬＥＤまたはレーザー等の発光素子からなる。光源３２０は、トルク検出素子３１０の出力に応じて光信号αを出力する。

導光部３３０は、支持板４００に取り付けられ、光入射面および光反射面となる内周面３３０ｉと、光出射面となる外周面３３０ｏと、を有するリング状の部材である。すなわち、導光部３３０は、内周面３３０ｉの内側に円柱形の空洞が設けられ、この空洞内に光源３２０が配置されている。
光源３２０からの出力光のうち、内周面３３０ｉに垂直に入射する光は、そのまま外周面３３０ｏから出射する。一方、光源３２０からの出力光のうち、内周面３３０ｉに対して傾斜して入射する光は、導光部３３０の内部で光路が変更され、内周面３３０ｉおよび外周面３３０ｏで反射を繰り返し、外周面３３０ｏから出射する。
内周面３３０ｉのうち、少なくとも一部には、溝やドットが形成され、また、光を反射する光反射面が形成されていているため、導光部３３０の内部に入射した光がこれらの溝やドットで光路が変更され、また、光反射面で反射することにより、光は外周面３３０ｏから出射する。
このように、光源３２０からの出力光は、導光部３３０内を伝わることにより、外周面３３０ｏ全体から周方向に均一な照度で径方向外側に照射される。この照射光は、導光部３３０に対向して設けられた固定側の受光部３５０によって受光される。すなわち、導光部３３０は、光源３２０からの光信号αを受光部３５０に非接触で伝達する。
光の伝送効率の観点から、光源３２０と導光部３３０とが接触していること、および、光源３２０の幅（回転軸１００の方向の長さ）と導光部３３０の厚さとが同一であることが好ましい。また、図示を省略するが、導光部３３０の支持板４００側と反対側の面には反射板が設けられていることが好ましい。また、反射板は、光源３２０および導光部３３０の両方を覆うように配置されていると、光源３２０側に漏れた光も有効利用できるためより好ましい。
導光部３３０は、ポリカーボネート等の樹脂でできている。

受光部３５０は、固定側にある回路基板７００に取り付けられている。受光部３５０は、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の受光素子からなる。受光部３５０は、光源３２０からの光信号αを受光し電気信号に変換する。

支持板４００は、所定の厚さおよび直径を有し、円盤状に形成されたいわゆるＰＣＢと呼ばれる印刷回路基板からなる。支持板４００は、回転軸１００に取り付けられ、回転軸１００と一体となって回転する。
支持板４００は、導光部３３０側の面が白色であり、反射板として機能することが好ましい。
支持板４００には、後述する回転側制御回路４５０の大部分の構成要素（抵抗、キャパシタ等）が均等に配置されていることが好ましい。図示例では、説明の簡略化のために回転側制御回路４５０が支持板４００の一部に配置されているが、実際は、回転側制御回路４５０の構成要素は、回転軸１００の中心軸線回りにバランスよく均等に、すなわち支持板４００の全体に配置されていることが好ましい。これにより、回転軸１００が高速回転した際に、支持板４００にブレが生じなくなるため好ましい。
あるいは、支持板４００に、ダミーの錘のようなものを配置し、この錘と回転側制御回路４５０の構成要素との重力バランスをとることもできる。この場合、回転側制御回路４５０の構成要素を均等に配置しなくてもよい。
また、支持板４００には、図示しない回路パターンが形成され、回転側制御回路４５０と光源３２０とが電気的に接続されている。

ハウジング５００は、その両側部５０１ａ、５０１ｂにおいて、軸支持部２００と組み合わさって密閉空間を形成し、外部に存在する外乱光が内部、特に受光部３５０に入射しないように遮光する機能を有する。なお、ハウジング５００の形状について、図３では、上部５０２が円筒状であり、底部５０３が平板状の例が示されるが、底部５０３も円筒状にして、ハウジング５００の全体を円筒形状としてもよいし、上部５０２を平板状にして、ハウジング５００の全体を直方体形状としてもよい。
ハウジング５００は、例えば金属でできている。

電磁コイル６００は、互いに対向して配置された固定側コイル６０２と回転側コイル６０３とを備えている。固定側コイル６０２は、ハウジング５００の上部５０２と底部５０３との間に固定され、回転側コイル６０３は、回転軸１００に固定されている。固定側コイル６０２と回転側コイル６０３との組み合わせで電磁誘導により固定側から回転側に電力が供給される。

回路基板７００は、ハウジング５００に配置され、受光部３５０および固定側検出回路７５０が取り付けられている。固定側検出回路７５０は、リード線７５０ａによってハウジング５００の上部５０２の外側に配置されたコネクタ７５０ｂに電気的に接続されている。コネクタ７５０ｂは、外部との信号の入出力を行う。

図４は、本発明の軸型トルク変換器の回路図である。軸型トルク変換器１は、光源３２０を制御するための回転側制御回路４５０と、受光部３５０からの電気信号を検出するための固定側検出回路７５０と、をさらに備えている。

回転側制御回路４５０は、平滑回路４０４、安定化電源回路４０５、ひずみゲージ電源回路４０６、ホイートストンブリッジ回路４０７、増幅器４０８、フィルタ回路４０９、電圧／周波数変換器４１０等を備えている。

固定側検出回路７５０は、電源７０１、発振回路７０２、増幅器７０３、ＡＧＣ回路７０４、波形整形回路７０５、周波数／電圧変換回路７０６、ローパスフィルタ回路７０７、出力バッファ回路７０８、出力端子７０９等を備えている。

電源７０１の出力が発振回路７０２に供給され、さらに増幅器７０３を介して、例えば、１５〜２０ｋＨｚ程度の周波数の交流電圧が固定側コイル６０２に印加される。
電磁誘導により固定側コイル６０２から回転側コイル６０３に電力が供給される。

平滑回路４０４は、回転側コイル６０３に誘起した交流電圧を整流、平滑し、リップル電圧が少ない直流電圧を安定化電源回路４０５に供給する。安定化電源回路４０５は、変動を極力低減した電圧をひずみゲージ電源回路４０６に供給する。ひずみゲージ電源回路４０６は、必要な電圧をホイートストンブリッジ回路４０７に供給する。ホイートストンブリッジ回路４０７は、トルク検出素子３１０のひずみゲージで構成される。
ホイートストンブリッジ回路４０７の出力は、増幅器４０８で増幅され、フィルタ回路４０９によって余分な周波数成分の雑音が除去された後、電圧／周波数変換器（Ｖ／Ｆ変換）４１０に供給される。
電圧／周波数変換器（Ｖ／Ｆ変換）４１０は、電圧の大きさを周波数の高低に変換する。周波数変調することにより、光源３２０および受光部３５０の非線形の影響を除去することができる。

光源３２０が発光した光信号αは、受光部３５０によって受光される。受光部３５０から出力される電気信号は、ＡＧＣ回路（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ）７０４によって振幅変動が調整され、振幅がロジックレベルまで増幅される。増幅された信号は、波形整形回路７０５を介して、周波数／電圧変換回路（Ｆ／Ｖ変換）７０６に供給される。周波数／電圧変換回路（Ｆ／Ｖ変換）７０６によって、周波数変動が電圧変動に変換された後、ローパスフィルタ回路７０７によって不要なノイズ成分が除去される。
ローパスフィルタ回路７０７は、例えば、公知の二次、または三次のバターワースフィルタ等を用いる。そして、ローパスフィルタ回路７０７は、出力バッファ回路７０８に接続され、出力端子７０９にトルクの測定値が供給される。

なお、以上ではホイートストンブリッジ回路からの出力信号をアナログのまま周波数変調して送信する例を示したが、Ａ／Ｄ変換によりデジタル信号とし、必要ならばさらに変調をかけて送信してもよい。その場合、固定側で受信した信号は、デジタル信号として出力してもよく、Ｄ／Ａ変換によりアナログ信号として出力してもよい。

以上説明したように、本発明の第１実施形態に係る軸型トルク変換器１において、トルク検出素子３１０によって検出された回転軸１００のトルク情報は、光源３２０からの光信号αに変換され、光信号αは、導光部３３０を介して径方向外側に均一に照射され、受光部３５０によって受光される。これにより、回転軸１００の回転中は、光源３２０からの光信号αを受光部３５０に間断なく伝達することができ、高速回転する回転軸１００に作用するトルクを間断なく、すなわち常時継続的にかつ正確に測定することができる。

図５（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る軸型トルク変換器の変形例の部分拡大斜視図であり、図５（ｂ）は、その部分拡大側面図である。
変形例の軸型トルク変換器は、３つの光源３２０を有する点以外、上述した軸型トルク変換器１と同一である。３つの光源３２０は、互いに１２０度の角度で配置されている。この構成により、径方向外側に照射される光の均一性が向上するとともに、回転軸１００が高速回転した際に、支持板４００にブレが生じなくなるため好ましい。

図６は、本発明の第２実施形態に係る軸型トルク変換器の部分断面図であり、図７（ａ）は、その部分拡大斜視図であり、図７（ｂ）は、その部分拡大断面図である。
第２実施形態に係る軸型トルク変換器２は、光源３２０および導光部３４０以外、上述した軸型トルク変換器１と同一である。

光源３２０は、支持板４００に取り付けられ、導光部３４０の外側に配置されている。また、３つの光源３２０は、互いに１２０度の角度で配置されている。

導光部３４０は、回転軸１００に取り付けられ、光反射面となる内周面３４０ｉと、光出射面となる外周面３４０ｏと、を有するリング状の部材である。導光部３４０は、内周面３４０ｉの内側に円錐台形の空洞が設けられ、内周面３４０ｉは、外周面３４０ｏに対して傾斜している。導光部３４０の支持板４００側と反対側の面には、反射板３４５が設けられている。反射板３４５は、導光部３４０を覆うように配置されているので、光源３２０からの光信号の漏れを防止することができる。
光源３２０からの出力光のうち、第１の側面３４０ａに垂直な第１の部分（図７（ｂ）における破線矢印）は、第１の側面３４０ａから入射し、内周面３４０ｉで反射し、外周面３３０ｏから出射する。光源３２０からの出力光のうち、第１の側面３４０ａに対して傾斜した第２の部分は、第１の側面３４０ａから入射し、導光部３３０の内部で光路が変更され、第１の側面３４０ａおよび第２の側面３４０ｂで反射を繰り返し、外周面３４０ｏから出射する。
このように、光源３２０からの出力光は、導光部３４０内を伝わることにより、外周面３３０ｏ全体から周方向に均一な照度で径方向外側に照射される。この照射光は、導光部３３０に対向して設けられた固定側の受光部３５０によって受光される。すなわち、導光部３４０は、光源３２０からの光信号αを受光部３５０に非接触で伝達する。
なお、図示例では、３つの光源３２０が設けられているが、光源３２０は、１つ以上であればよい。ただし、複数の光源３２０が、支持板４００の周方向に等間隔に配置されていることが好ましい。

図８は、本発明の第２実施形態に係る軸型トルク変換器の変形例の部分拡大図である。
変形例では、導光部３４０の円錐台形の空洞の右側に、導光部３４０と回転軸１００との接続部が設けられ、導光部３４０が確実に回転軸１００に取り付けられる。なお、反射板３４５は設けなくてもよい。

上述した各実施形態に記載した各構成要素の形状、寸法、材質等は、単なる一例であり、本発明の効果を発揮し得る範囲内で適宜変更が可能である。

１ 軸型トルク変換器
２ 軸型トルク変換器
１００ 回転軸
１２２ トルク検出軸部
２００ 軸支持部
２１０ 軸受
３００ トルク検出部
３１０ トルク検出素子
３２０ 光源
３３０ 導光部
３４０ 導光部
３４５ 反射板
３５０ 受光部
４００ 支持板
４５０ 回転側制御回路
５００ ハウジング
５０２ 上部
５０３ 底部
６００ 電磁コイル
６０２ 固定側コイル
６０３ 回転側コイル
７００ 回路基板
７５０ 固定側検出回路

Claims (5)

1. 回転軸と、
   トルク検出部と、
   前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸と一体となって回転する支持板と、
   を備えた軸型トルク変換器であって、
   前記トルク検出部は、
   前記回転軸に作用するトルクを検出するトルク検出素子と、
   前記トルク検出素子から得られたトルク値を光信号として出力する光源と、
   前記光源からの出力光を導光するリング状の導光部と、
   前記導光部から出射された光を受光する受光部と、
   を備え、
   前記光源および前記導光部は、前記支持板に取り付けられ、
   前記光源は、前記導光部の内側に配置され、
   前記光源からの出力光は、前記導光部内を伝わることにより、前記導光部の外周面から径方向外側に照射される、
   軸型トルク変換器。
2. 回転軸と、
   トルク検出部と、
   前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸と一体となって回転する支持板と、
   を備えた軸型トルク変換器であって、
   前記トルク検出部は、
   前記回転軸に作用するトルクを検出するトルク検出素子と、
   前記トルク検出素子から得られたトルク値を光信号として出力する光源と、
   前記光源からの出力光を導光するリング状の導光部と、
   前記導光部から出射された光を受光する受光部と、
   を備え、
   前記光源は、前記支持板に取り付けられ、
   前記導光部は、前記回転軸に取り付けられ、内周面および外周面を有し、前記内周面の内側に円錐台形の空洞が設けられ、
   前記光源は、前記導光部の外側に配置され、
   前記光源からの出力光のうちの第１の部分が前記内周面で反射することにより、かつ、前記光源からの出力光のうちの第２の部分が前記導光部内を伝わることにより、前記導光部の外周面から径方向外側に光が照射される、
   軸型トルク変換器。
3. 前記導光部の前記支持板側と反対側の面に設けられた反射板をさらに備える、
   請求項１または２に記載の軸型トルク変換器。
4. 複数の前記光源が、前記支持板の周方向に等間隔に配置されている、
   請求項１から３のいずれかに記載の軸型トルク変換器。
5. 前記支持板には、前記光源を制御するための回転側制御回路の構成要素が配置されている、
   請求項１から４のいずれかに記載の軸型トルク変換器。

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