JP4148689B2 - 回転体計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転機器や車両などに設けられた回転体の回転速度や出力トルクを非接触で高精度に計測する回転体計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転体の回転速度や出力トルクを計測する装置としては、例えば、特開平５−３４２２２号公報に記載されている装置が知られている。
この公報記載の装置は図１４に示すように、被検体の回転軸７０に取り付けられ格子パターンを有する第１および第２の回転体７１Ａ，７１Ｂと、これら第１および第２の回転体７１Ａ，７１Ｂに光を照射する第１および第２の光源装置７２Ａ，７２Ｂと、これら第１および第２の光源装置７２Ａ，７２Ｂから照射され第１および第２の回転体７１Ａ，７１Ｂによって反射した光の影絵パターンを検知する第１および第２の光電変換素子７３Ａ，７３Ｂと、これら第１および第２の光電変換素子７３Ａ，７３Ｂの出力からトルクを求める演算手段７４で構成される。
【０００３】
第１および第２の回転体７１Ａ，７１Ｂによる反射光の影絵パターンは、被検体の回転を影絵的に拡大して変位する。この変位は、第１および第２の光電変換素子７３Ａ，７３Ｂによって検知される。そして、演算手段７４によって第１および第２の回転体７１Ａ，７１Ｂの回転の基準位置と回転量が検出され、回転量の差からトルクの算出が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記装置では、回転機器および車両などへ適用する場合、第１および第２の回転体７１Ａ，７１Ｂの製作・取り付けが困難であり、また、回転体７１Ａ，７１Ｂ上の格子パターンは高精度に作製する必要があるため時間と手間がかかる。これらの結果としてコスト高になるなどの問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、回転機器や車両などの回転体へ簡単に適用して回転速度あるいは出力トルクを計測することができる簡素かつ低コストな回転体計測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明の回転体計測装置は、回転速度または出力トルクの少なくともいずれか一方を計測すべき対象回転体の表面に取り付けられた反射手段に照射して前記計測を行うための波長可変の照射光線を発生する光線発生手段と、一方向光線伝送路および双方向光線伝送路を介して前記照射光線を導入され前記照射光線を前記反射手段に照射して反射光線を受光する送受信手段と、前記一方向光線伝送路と前記双方向光線伝送路のあいだに接続されて前記一方向光線伝送路から導入された単一の照射光線を複数に分割して複数の双方向光線伝送路へ送出するとともに、前記送受信手段によって受光され前記双方向光線伝送路によって伝送された前記反射光線を前記照射光線と分離し、前記複数の双方向伝送路から導入された複数の反射光線を合成して単一の反射光線を形成し反射光線伝送路へ送出する光線分割合成手段と、反射光線伝送路を介して前記光線分離手段に接続されて前記反射光線の波長を選択して検知する光検知手段と、この光検知手段が出力する出力信号のサンプリング周波数を選択して信号処理し前記対象回転体の回転速度または出力トルクの少なくともいずれか一方を演算する信号処理手段とを備えた構成とする。
【０００７】
このように構成された請求項１の発明の回転体計測装置では、反射手段に照射される照射光線は所定の照射ビーム径に絞られる。そして反射光線は短い立上り、立下り時間のパルス状となる。
【０００８】
この反射光線は、照射光線を伝送したと同じ双方向光線伝送路によって伝送され、光検知手段によってパルス状の出力信号が検知される。信号処理手段では、出力信号の立上りまたは立下りにおいてトリガ時間を抽出し、回転速度または出力トルクを求める。
【０００９】
その結果、回転速度または出力トルクの計測精度は反射光線の立上り立下り時間で決定され、照射光線の照射ビーム径を調整することによって所定の計測精度に設定することができ、高精度計測が必要とされる回転機器および車両などへの適用が可能となる。
【００１０】
そして、送受信手段はビーム倍率を調整するだけの構造であり、また双方向光線伝送路が照射光線とその反射光線の伝送路を兼ねるため数量が少なく、さらに反射手段は対象回転体表面の一部に取り付けるだけよいため、本発明の回転体計測装置は、簡素かつ低コスト、適用が簡単であるという特長を有する。
【００１１】
なお、対象回転体の回転速度だけを測定する場合には反射手段および送受信手段は１個でよいが、出力トルクも測定するためには対象回転体の軸方向に所定の距離をおいて複数の反射手段および送受信手段を備える必要がある。
【００１３】
さらに請求項１の発明によれば、対象回転体の回転軸が変動する場合には、波長可変の光線発生手段を用いて照射光線の波長を変え、波長によって光学レンズの焦点距離が異なる色収差を利用することにより、照射光線の照射ビーム径を調整し、所定の計測精度に設定することができる。その結果、回転軸が変動する回転機器および車両などへの適用が可能となる。
【００１９】
この発明によれば、単一の照射光線の分割と複数の反射光線の合成を光線分割合成手段で行うことにより、光線の分割と合成を一つの光線分割合成手段で行うことができる。その結果、簡素かつ低コストな回転体計測装置とすることができる。
【００２０】
また、この発明によれば、反射光線に外乱光が混入する場合には、波長選択手段により、外乱光を遮断して反射光線の波長を選択して計測し、反射光線を高SN比で検知することができる。その結果、対象回転体が外乱光環境に存在する場合であっても、回転速度や出力トルクを所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００２２】
この発明によれば、光検知手段の出力信号にノイズが重畳する場合には、サンプリング周波数選択手段により、光検知手段の出力に対するサンプリング周波数を調整することによってノイズを除去した出力信号を得ることができる。その結果、光検知手段の出力信号にノイズが重畳する場合であっても、回転速度や出力トルクを所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態の回転体計測装置を図１を参照して説明する。すなわち、本実施の形態の回転体計測装置は、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂを発生する第１および第２の光線発生装置２ａ，２ｂと、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂを伝送する第１および第２の一方向光線伝送路３ａ，３ｂおよび双方向光線伝送路４ａ，４ｂと、対象回転体５の表面に取り付けられ、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂを反射する第１および第２の反射板６ａ，６ｂと、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂを第１および第２の反射板６ａ，６ｂに照射し、第１および第２の反射板６ａ，６ｂによる第１および第２の反射光線１ａｒ，１ｂｒを受光する第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂとを備えている。
【００３２】
さらに本実施の形態の回転体計測装置は、前記第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂによって受光され、第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂによって伝送された第１および第２の反射光線を第１および第２の照射光線と分離する第１および第２の光線分離装置８ａ，８ｂと、第１および第２の光線分離装置８ａ，８ｂによって分離され、第１および第２の反射光線伝送路９ａ，９ｂによって伝送される第１および第２の反射光線を光学フィルタ１０ａ，１０ｂを通して受けて検知する第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂと、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂの出力信号を電気信号伝送路１２を通して受けて信号処理する信号処理装置１４とを備えている。信号処理装置１４の入力端にはサンプリング周波数選択装置１３が設けられている。また、送受信装置７ａ，７ｂは位置調整装置１５ａ，１５ｂを備えている。
【００３３】
第１および第２の光線発生装置２ａ，２ｂは、固体、気体、液体、半導体等の各種レーザ、指向性を有するLEDやランプ等、指向性を有する光源で構成されている。
【００３４】
また、第１および第２の光線伝送路３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ，９ａ，９ｂは、ガラスやプラスチック等の光ファイバで構成される。光ファイバと第１および第２の光線発生装置２ａ，２ｂとの光学的結合は非球面レンズ等の光学素子を用いて行い、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂが高効率で光ファイバへ入射するようにする。なお、光ファイバを用いることなく、ミラーやレンズを用いて第１および第２の照射光線１ａ，１ｂを空間伝送するようにしてもよい。
【００３５】
対象回転体５に取り付ける第１および第２の反射板６ａ，６ｂはＡｇ，Ａｕ，Ａｌ，ＳＵＳ等の金属材料で構成され、その寸法が次の式（１）、（２）を満足するように構成される。厚さLt[m]は、対象回転体５に取り付けることができれば制限はない。
La≫φ （１）
Lb≫φ （２）
【００３６】
ただし、La[m]は第１および第２の反射板６ａ，６ｂの横の長さ（対象回転体５の軸方向の長さ），Lb[m]は第１および第２の反射板６ａ，６ｂの縦の長さ（対象回転体５の周方向の長さ）であり、φ[m]は第１および第２の照射光線１ａ，１ｂの照射ビーム径である。
そして、第１の反射板６ａは対象回転体５の伝達軸の駆動側に取り付けられ、第２の反射板６ｂは伝達軸の負荷側に取り付けられている。
【００３７】
第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂは、ビーム倍率Fで第１および第２の照射光線１ａ，１ｂを拡大・縮小でき、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂの正反射である第１および第２の反射光線１ａｒ，１ｂｒを受光できるように構成する。このような構成は数多く存在するが、第１の送受信装置７ａを例に挙げてその構成例を図２に示す。ビーム倍率Fは次の式（３）で設定することができる。
Ｆ＝fa／fb （３）
ただし、fa[m]はレンズ１７の焦点距離、fb[m]はレンズ１６の焦点距離である。
【００３８】
第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂに備えられた第１および第２の位置調整装置１５ａ，１５ｂはステッピングモータ等で構成され、第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂの位置を調整して、第１および第２の反射板６ａ，６ｂに照射する第１および第２の照射光線１ａ，１ｂの照射ビーム径を調整することができるようになっている。
【００３９】
第１および第２の光線分離装置８ａ，８ｂは、第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂによって第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂから伝送される第１および第２の反射光線１ａｒ，１ｂｒを第１および第２の照射光線１ａ，１ｂから分離するように構成する。このような構成は数多く存在するが、第１の光線分離装置８ａを例に挙げてその構成例を図３に示す。
【００４０】
すなわち、第１の双方向光線伝送路４ａによって伝送される第１の反射光線１ａｒは、レンズ１８、ビームスプリッタ２０、ミラー２１、レンズ２２の順で進み、反射光線伝送路９ａによって第１の光検知装置１１ａへ伝送される。一方、第１の一方向光線伝送路３ａによって伝送される第１の照射光線１ａは、レンズ２３、ビームスプリッタ２０、レンズ１８の順で進行し、第１の双方向光線伝送路４ａによって第１の送受信装置７ａへ伝送されるようになっている。
【００４１】
第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂは、フォトダイオード、光電管、光電子増倍管等の各種の光電変換素子で構成される。そして、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂと同一波長の光を選択して受光できるように第１および第２の光学フィルタ１０ａ，１０ｂが取り付けられている。
【００４２】
信号処理装置１４はサンプリング周波数選択装置１３および計算機で構成される。サンプリング周波数選択装置１３はAD変換器で構成され、ハード的手段またはソフト的手段によって第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂの出力を任意のサンプリング周波数でデジタル電気信号に変換し、計算機へ伝送するようになっている。計算機は前記デジタル電気信号に対してソフト的手段によって各種演算を行うようになっている。
【００４３】
以上のように構成した本発明の第１の実施の形態の回転体計測装置の作用を次に説明する。
計測対象とする対象回転体５としては、車両、船舶、列車等の動力部、発電機、電動機、モータ等の機器が挙げられる。
【００４４】
第１の光線発生装置２ａから出射された第１の照射光線１ａは、第１の一方向光線伝送路３ａに入射して伝送され、第１の光線分離装置８ａ、第１の双方向光線伝送路４ａを経て、第１の送受信装置７ａへ伝送される（図１）。なお、第１の光線分離装置８ａの内部では、第１の一方向光線伝送路３ａから入射する第１の照射光線１ａは、レンズ２３、ビームスプリッタ２０、レンズ１８を経て第１の双方向光線伝送路４ａに入射する（図３）。
【００４５】
そして、第１の照射光線１ａは、第１の送受信装置７ａにより、対象回転体５の表面上において前記（１），（２）式および次に示す式（４）を満足する照射ビーム径φ[m]となるように照射される。
φ＝Ｆ・Φ （４）
【００４６】
ただし、Ｆは第１の送受信装置７ａによる第１の照射光線１ａのビーム倍率であり、Φ[m]は第１の双方向光線伝送路４ａにおける第１の照射光線１ａのビーム径である。
照射された第１の照射光線１ａは、対象回転体５の第１の反射板６ａに照射されて正反射し、第１の反射光線１ａｒとなる。
【００４７】
第１の反射光線１ａｒは対象回転体５の一回転毎に得られ、次の式（５）に示す立上り・立下り時間tr[s]を有する単一のパルス光線となる。
tr＝φ／Vr （５）
ただし、Vr[ｍ/ｓ]は対象回転体５の回転速度である。
【００４８】
第１の反射光線１ａｒは第１の送受信装置７ａへ戻り、第１の双方向光線伝送路４ａ、第１の光線分離装置８ａ、第１の反射光線伝送路９ａを経て、第１の光検知装置１１ａへ伝送される。なお、第１の光線分離装置８ａの内部では、第１の双方向光線伝送路４ａから入射する第１の反射光線１ａｒは、レンズ１８、ビームスプリッタ２０、ミラー２１、レンズ２２を経て第１の反射光線伝送路９ａに出射する。
【００４９】
一方、第２の光線発生装置２ｂから出射した第２の照射光線１ｂについても同様の作用を受ける。この結果、第１の光検知装置１１ａでは図４に示す第１の出力信号２７が得られ、第２の光検知装置１１ｂでは図４に示す第２の出力信号２８が得られる。第１および第２の出力信号２７，２８は一回転毎に得られ、信号処理装置１４へ逐次伝送される。
【００５０】
信号処理装置１４では、図４に示すように第１および第２の出力信号２７，２８の立上振幅値に閾値Vth[V]を設定し、第i回転目における第１の出力信号２７のトリガ時間trg1[s]、第２の出力信号２８のトリガ時間trg2[s]、第i+1回転目における第１の出力信号２７のトリガ時間trg1'[s]および第２の出力信号２８のトリガ時間trg2'[s]を抽出する。そして、次の式（６）、（７）により回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を求める。
【００５１】
【数１】
【００５２】
【数２】
【００５３】
ただし、η[Nm/rad]は対象回転体５の該当部のねじり剛性であり、trg1[s]は第１の出力信号から求めたトリガ時間、trg1'[s]は１回転後の第１の出力信号から求めたトリガ時間、trg2[s]は第２の出力信号から求めたトリガ時間、trg2'[s]は１回転後の第２の出力信号から求めたトリガ時間である。
【００５４】
以上に述べた作用の結果、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度は、式（５）に示した第１および第２の反射光線の立上り・立下り時間で決定され、第１および第２の照射光線の照射ビーム径φ[m]を調整することによって所定の計測精度に設定することができ、高精度計測が必要とされる回転機器および車両などへの適用が可能となる。
【００５５】
そして、第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂはビーム倍率を調整するだけの構造であり、また第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂが照射光線とその反射光線の伝送路を兼ねるため数量が少なく、さらに第１および第２の反射板６ａ，６ｂは対象回転体５の表面の一部に取り付けるだけよいため、簡素かつ低コスト、適用が簡単であるという特長を有する。
【００５６】
この第１の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５の回転中、回転軸の位置が変動して第１および第２の照射光線１ａ，１ｂの照射ビーム径φ[m]が大きくなる場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００５７】
このような状況の場合には、第１の位置調整装置１５ａにより第１の送受信装置７ａの位置調整を行って第１の照射光線１ａを調整し、所定の照射ビーム径φ[m]となるようにする。同様に、第２の送受信装置７ｂについても第２の位置調整装置１５ｂにより第２の照射光線１ｂを調整し、所定の照射ビーム径φ[m]となるようにする。
【００５８】
以上に述べた作用の結果、対象回転体５の回転軸が変動する場合であっても、第１および第２の位置調整装置１５ａ，１５ｂを用いて第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂの位置調整を行うことにより、第１および第２の照射光線の照射ビーム径φ[m]を調整して所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、回転軸が変動する回転機器および車両などへの適用が可能となる。
【００５９】
またこの第１の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５が、太陽や照明などの外乱光環境に直接曝されて第１および第２の反射光線１ａｒ，１ｂｒに外乱光が混入し、第１および第２の出力信号２７，２８にノイズが重畳してSN比が低下する場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００６０】
このような状況の場合であっても、第１および第２の光学フィルタ１０ａ，１０ｂが第１および第２の照射光線だけを選択できるようになっているため、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂでは、外乱光を除去して高SN比の第１および第２の出力信号２７，２８を得ることができる。
【００６１】
以上に述べた作用の結果、第１および第２の反射光線１ａｒ，１ｂｒに外乱光が混入する場合であっても、第１および第２の光学フィルタ１０ａ，１０ｂにより、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂでは、外乱光を除去した高SN比の第１および第２の出力信号２７，２８を得ることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、対象回転体５が外乱光環境に存在する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００６２】
またこの第１の実施形態の回転体計測装置において、第１および第２の出力信号２７，２８に高周波数ノイズfnhが重畳してSN比が低下する場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００６３】
このような状況の場合には、サンプリング周波数選択装置１３において、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂの出力に対して高周波数ノイズfnhの周波数fnh[Hz]より小さいサンプリング周波数で取り込むことにより、高周波数ノイズfnhを除去して高SN比の第１および第２の出力信号２７，２８を得ることができる。
【００６４】
以上に述べた作用の結果、第１および第２の出力信号２７，２８に高周波数ノイズfnhが重畳する場合、サンプリング周波数選択装置１３により、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂの出力に対して高周波数ノイズfnhの周波数より小さいサンプリング周波数で取り込むことによって高周波数ノイズfnhを除去した高SN比の第１および第２の出力信号２７，２８を得ることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。
【００６５】
その結果、第１および第２の出力信号２７，２８に高周波数ノイズfnhが重畳する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００６６】
さらにこの第１の実施の形態の回転体計測装置において、第１および第２の出力信号２７，２８に時間的にランダムなノイズが重畳してSN比が低下する場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００６７】
このような状況の場合、信号処理装置14において、時間：1/f[s]を波形の取り込み時間単位とし、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂの出力波形を任意の時刻から各々Ns個取り込む。そして、Ns個の出力波形を積算して平滑化することにより、時間的にランダムなノイズを除去して高SN比の第１および第２の出力信号２７，２８を得ることができる。
【００６８】
以上に述べた作用の結果、第１および第２の出力信号２７，２８に時間的にランダムなノイズが重畳する場合、信号処理装置１４の平滑化処理手段により、時間：1/f[s]を波形の取り込み時間単位として各々Ns個の出力波形を取り込み、Ns個の出力波形を積算して平滑化することによって、時間的にランダムなノイズを除去した高SN比の第１および第２の出力信号２７，２８を得ることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。
【００６９】
その結果、第１および第２の出力信号２７，２８に時間的にランダムなノイズが重畳する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００７０】
次に、本発明の第２の実施の形態の回転体計測装置を図５を参照して説明する。
この実施の形態の回転体計測装置は、第１および第２のパルス照射光線を出射する第１および第２のパルス光線発生装置２９，３０と、第１および第２のパルス光線を伝送する第１および第２の一方向光線伝送路３ａ，３ｂおよび双方向光線伝送路４ａ，４ｂと、対象回転体５の表面に複数取り付けられ、第１および第２のパルス照射光線を反射する第１および第２の反射板群３１，３２と、照射径を光学的に調節して第１および第２のパルス照射光線を第１および第２の反射板群３１，３２に照射し、第１および第２の反射板群３１，３２による第１および第２のパルス反射光線を受光する第１および第２の照射径可変送受信装置３３，３４とを備えている。
【００７１】
さらにこの実施の形態の回転体計測装置は、前記第１および第２の照射径可変送受信装置３３，３４によって受光され、第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂによって伝送された第１および第２のパルス反射光線を第１および第２のパルス照射光線と分離する第１および第２の光線分離装置８ａ，８ｂと、第１および第２の光線分離装置８ａ，８ｂによって分離され、第１および第２の反射光線伝送路９ａ，９ｂによって伝送される第１および第２のパルス反射光線を検知する第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂと、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂの出力信号を電気信号伝送路１２を通して受けて信号処理する信号処理装置１４とを備えている。信号処理装置１４は、サンプリング周波数選択装置１３および計算機で構成されている。
【００７２】
第１および第２のパルス光線発生装置２９，３０は、パルス発振形式の固体、気体、液体、半導体等の各種レーザ、パルス点灯のLED、フラッシュランプ等、パルス発振形式の指向性を有する光源で構成されている。
第１および第２の反射板群３１，３２は、第１および第２の反射板６ａ，６ｂを対象回転体５の周方向に各々nr個取り付けた構成になっている。
【００７３】
第１および第２の照射径可変送受信装置３３，３４は、可変ビーム倍率で第１および第２のパルス照射光線を拡大・縮小でき、第１および第２のパルス照射光線の正反射である第１および第２のパルス反射光線を受光できるように構成されている。このような構成は数多く存在するが、第１の照射径可変送受信装置３３を例に挙げてその構成例を図６に示す。可変ビーム倍率：Fvは次の式（８）で表すことができ、レンズ１７とレンズ３５の間隔dr[m]をレンズ駆動装置３６によって変えることによって、第１の照射径可変送受信装置３３を移動させることなく所定の照射ビーム径に設定することができる。
【数３】
ただし、fc[m]はレンズ３５の焦点距離である。
【００７４】
以上のように構成した本発明の第２の実施の形態の回転体計測装置の作用を次に説明する。
まず、第１および第２のパルス光線発生装置２９，３０において、第１および第２のパルス照射光線の繰り返し周波数fL[Hz]が、対象回転体５の回転速度f[Hz]に第１および第２の反射板群３１，３２における反射板の構成個数nrを乗じた周波数より十分大きく、さらに第１および第２のパルス照射光線のパルス時間幅tL[s]が、各反射板の周方向長さLb[m]を対象回転体５の回転速度Vr[m/s]で除した値より十分大きい値となるように設定する。
【００７５】
この場合、第１および第２のパルス照射光線はパルス光であり高強度であるため、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂでは、図７に示す高SN比の第１および第２の出力信号群３７，３８を得ることができる。そして、第１および第２のパルス照射光線は、繰り返し周波数fL[Hz]、パルス時間幅tL[s]であるため、一回転毎に漏れなく各々nr個の出力信号群を得ることができる。
【００７６】
第１および第２の出力信号群３７，３８は信号処理装置１４へ逐次伝送され、図７に示すように第i回転目における第１および第２の出力信号群３７，３８の第ｊ番目のパルスに対してトリガ時間trg1[s]およびtrg2[s]、第i+1回転目における第１および第２の出力信号群３７，３８の第ｊ番目のパルスに対してトリガ時間trg1'[s]およびtrg2'[s]を抽出する。そして、前記の式（６）、（７）により回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を求める。
【００７７】
以上に述べた作用の結果、第１および第２のパルス光線発生装置２９，３０が照射する第１および第２のパルス照射光線はパルス光であるため、前記第１の実施の形態における連続光の照射光線１ａ，１ｂに比べて高強度であり、高SN比の第１および第２の出力信号群３７，３８を得ることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、ノイズ対策を軽減することができ、簡素かつ低コスト、適用が簡単な回転体診断装置とすることができる。
【００７８】
この第２の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５の回転中、回転軸の位置が変動して第１および第２のパルス照射光線の照射ビーム径φ[m]が大きくなる場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００７９】
このような状況の場合には、第１の照射径可変送受信装置３３のレンズ駆動装置３６によってレンズ３５を移動させて照射ビーム径を光学的に縮小し、第１のパルス照射光線の所定の照射ビーム径φ[m]となるようにする。同様に、第２の照射径可変送受信装置３４についても、第２のパルス照射光線の所定の照射ビーム径φ[m]となるようにする。
【００８０】
以上に述べた作用の結果、対象回転体５の回転軸が変動する場合であっても、第１および第２の照射径可変送受信装置３３，３４を用いて第１および第２のパルス照射光線のビーム径を光学的に拡大または縮小することにより、第１および第２のパルス照射光線の照射ビーム径φ[m]を調整し、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、回転軸が変動する回転機器および車両などへの適用が可能となる。
【００８１】
またこの第２の実施の形態の回転体計測装置において、第１および第２の出力信号群３７，３８に高周波数ノイズfnhが重畳し、SN比が低下する場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００８２】
このような状況の場合には、信号処理装置１４において、デジタル電気信号に変換後の第１および第２の出力信号群３７，３８に対し、高周波数ノイズfnhの周波数の逆数より大きなサンプリング時間Δtで出力信号群を抽出して第１および第２の出力信号群３７，３８とすることにより、高周波数ノイズfnhを除去して高SN比の第１および第２の出力信号群３７，３８を得ることができる。
【００８３】
以上に述べた作用の結果、第１および第２の出力信号群３７，３８に高周波数ノイズfnhが重畳する場合、信号処理装置１４におけるサンプリング時間調整手段により、デジタル電気信号に変換後の第１および第２の出力信号群３７，３８に対して高周波数ノイズfnhの周波数の逆数より大きなサンプリング時間Δtで出力信号群を抽出することによって高周波数ノイズfnhを除去した高SN比の第１および第２の出力信号群３７，３８を得ることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。
【００８４】
その結果、第１および第２の出力信号群３７，３８に高周波数ノイズfnhが重畳する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００８５】
またこの第２の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５の回転中、回転軸が振動して第１および第２のパルス照射光線の照射ビーム径φ[m]の大きさが変動する場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]の値も変動し、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００８６】
このような状況の場合には、信号処理装置１４において、各回転毎に得られる回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測値をＮ回転の間で平均し、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]とする。この際、回転軸の振動の影響を十分低減できるように、Ｎ回転にかかる時間：N/f[s]は、回転軸の振動周期に比べ十分長くなるように設定する。
【００８７】
以上に述べた作用の結果、対象回転体５の回転中、回転軸が振動する場合であっても、信号処理装置１４における平均化処理手段により、各回転毎に得られる回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測値をＮ回転の間で平均することによって回転軸の振動の影響を低減することができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、回転軸が振動する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００８８】
さらにまた、この第２の実施の形態の回転体計測装置においては、第１および第２の反射板群３１，３２は、前記第１の実施の形態における第１および第２の反射板６ａ，６ｂを各々nr個取り付けた構成になっているため、信号処理装置１４では、図７に示すようにnr個のパルスで構成される第１および第２の出力信号群３７，３８を一回転毎に得ることができる。そして、nr個の各パルスにおいて回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測値を得ることができるため、２nr個の回転速度f[Hz]と、nr×nr個の出力トルクTrq[Nm]を一回転毎に得ることができる。
【００８９】
そこで、対象回転体５の回転中、回転軸が振動して回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する場合には、２nr個の回転速度f[Hz]の計測値およびnr×nr個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を平均して、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]とする。
【００９０】
以上に述べた作用の結果、対象回転体５の回転中、回転軸が振動する場合であっても、第１および第２の反射板群３１，３２を対象回転体５の周方向に各々nr個備え、２nr個の回転速度f[Hz]の計測値および、nr×nr個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を一回転毎に得て平均することにより振動の影響を低減することができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。
【００９１】
その結果、対象回転体５の回転軸が振動する場合であっても、第１および第２の反射板群３１，３２を対象回転体５の周方向に各々nr個備えて多くの計測値で平均することより、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００９２】
次に、本発明の第３の実施の形態の回転体計測装置を図８を参照して説明する。
本実施の形態の回転体計測装置は、第１から第４の照射光線の波長を選択することができる第１から第４の波長可変光線発生装置３９，４０，４１，４２と、第１から第４の照射光線を伝送する第１から第４の一方向光線伝送路３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄおよび双方向光線伝送路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと、対象回転体５の表面に取り付けられ、第１から第４の照射光線に対する反射率が対象回転体５の周方向に分布を有する第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７と、第１から第４の照射光線を第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７に照射し、第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７による第１から第４の反射光線を受光する第１から第４の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄとを備えている。
【００９３】
さらに本実施の形態の回転体計測装置は、前記第１から第４の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄによって受光され、第１から第４の双方向光線伝送路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄによって伝送された第１から第４の反射光線を第１から第４の照射光線と分離する第１から第４の光線分離装置８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄと、第１から第４の光線分離装置８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄによって分離され、第１から第４の反射光線伝送路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄによって伝送される第１から第４の反射光線を検知する第１から第４の光検知装置１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、第１から第４の光検知装置１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの出力信号を信号処理する信号処理装置１４とを備えている。
【００９４】
第１から第４の波長可変光線発生装置３９，４０，４１，４２は、固体、気体、液体、半導体等の波長可変レーザ、各種の波長選択素子或いは波長変換素子等を取り付けて発振波長を適宜に変えることができるようになっている各種のレーザ、LED、ランプで構成されている。また、発振波長が異なる複数個のレーザ、LED、ランプで構成することもできる。
【００９５】
第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７は、前記第１の実施の形態における第１および第２の反射板６ａ，６ｂと材質および寸法が同一であるが、その表面が加工され、反射率が高い領域と低い領域が規則的或いは不規則的に周方向に分布する構造になっている。表面の加工は、例えば、超音波やレーザ光を用いて行うことができる。
【００９６】
第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７の例を図９に示す。図９では、高反射領域４８と低反射領域４９が規則的に分布する規則分布領域５０と不規則的に分布する二種類の不規則分布領域５１，５２が、対象回転体５の軸方向に並ぶ構造になっている。なお、軸方向の分布は、回転軸の軸方向の移動を検知するために設けたものであり、必ずしも必要ではない。
【００９７】
第１から第４の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに関し、本実施の形態では、図８に示すように第１および第２および第３の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃが対象回転体５の軸方向に取り付けられ、第４の送受信装置７ｄが周方向に取り付けられている。なお、周方向の取付個数ns個、軸方向の取付個数na個については、特に制限はない。
【００９８】
信号処理装置１４では、図１０に示す第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９が得られ信号処理が行われる。回転速度f[Hz]は、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９のいづれの信号からでも求めることができる。一方、出力トルクTrq[Nm]は、軸方向に関して同一位置にある第３と第４の出力信号５８，５９の組み合わせを除き、任意の信号の組み合わせから求めることができる。
【００９９】
以上のように構成した第３の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５の回転中、回転軸の位置が変動して第１から第４の照射光線の照射ビーム径φ[m]が大きくなる場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【０１００】
このような状況の場合には、第１から第４の波長可変光線照射装置３９，４０，４１，４２によって第１から第４の照射光線の波長を変え、第１から第４の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄから照射される第１から第４の照射光線の焦点距離を色収差を利用して調整することにより照射ビーム径を光学的に縮小し、所定の照射ビーム径φ[m]となるようにする。ここで、対象回転体５の回転軸が第１から第４の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに近づいた場合には、青色側の短波長の照射波長とし、逆に遠ざかった場合は、赤色側の長波長の照射波長とする。
【０１０１】
以上に述べた作用の結果、対象回転体５の回転軸が変動する場合であっても、第１から第４の波長可変光線照射装置３９，４０，４１，４２を用いて第１から第４の照射光線の波長を変え、波長によって光学レンズの焦点距離が異なる色収差を利用することにより照射ビーム径を光学的に拡大または縮小することにより、第１から第４の照射光線の所定の照射ビーム径φ[m]を調整し、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、回転軸が変動する回転機器および車両などへの適用が可能となる。
【０１０２】
この第３の実施の形態の回転体計測装置において、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９に高周波或いは低周波のノイズが重畳し、信号の立上りまたは立下りからトリガ時間を抽出することが困難になる場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【０１０３】
このような状況の場合には、信号処理装置１４において、第１および第２の出力信号５６，５７に対し相関法を適用する。最初に回転速度f[Hz]を求める。次に、時間変数τ[s]を用いて次の式（９）に示す相関関数Cr(τ)を計算する。
【数４】
【０１０４】
ただし、tは時間変数、Sm(t)は第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９のいずれか、２δは相関演算する時間領域、Ciはi回転目のSm(t)が検知された時刻である。
【０１０５】
そして、i回転目とi+1回転目の出力信号は同一形状であるため、相関関数Cr(τ)が最大となる場合の時間変数値τmax[s]が、式（６）に示した（trg1 −trg1’）、（trg2 −trg2’）となる。なお、時間変数値τmax[s]は、対象回転体５の回転周期に等しい。回転速度f[Hz]は、時間変数値τmax[s]の逆数として求めることができる。
【０１０６】
次に、出力トルクTrq[Nm]を求める。時間変数τ[s]を用いて次の式（１０）に示す相関関数Cd(τ)を計算する。
【０１０７】
【数５】
ここで、Sn(t)はSm(t)と組み合わせる第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９のいずれかである。ただし、第３と第４の出力信号の組み合わせは除く。
【０１０８】
そして、第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７は同一形状であるため、相関関数Cd(τ)が最大となる場合の時間変数値τmax[s]が、式（７）に示される|trg1 −trg2|となる。従って、出力トルクTrq[Nm]を式（７）から求めることができる。
【０１０９】
以上に述べた作用の結果、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９に高周波或いは低周波のノイズが重畳し、信号の立上りまたは立下りからトリガ時間を高精度に抽出することが困難な場合であっても、式（９）、（１０）に示した相関法を第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９に適用することにより、式（６）に示される（trg1 −trg1’）、（trg2 −trg2’）、式（７）に示される|trg1 −trg2|を高精度に求めることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。
【０１１０】
その結果、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９に高周波或いは低周波のノイズが重畳し、信号の立上りまたは立下りからトリガ時間を高精度に抽出することが困難な場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【０１１１】
またこの第３の実施の形態の回転体計測装置においては、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９にパルス形状のノイズが重畳し、信号の立上りまたは立下りからトリガ時間の抽出が困難になる場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]の抽出を誤り、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【０１１２】
このような状況の場合には、第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７を適用し、図１０に示される複数パルスで構成される第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９とする。このような複数パルスの信号に対し、式（９）、（１０）を計算して相関関数Cr(τ)、Cd(τ)の最大値を求めることにより、時間変数値τmax[s]を誤りが少なく高精度に求めることができる。
【０１１３】
以上に述べた作用の結果、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９にパルス形状のノイズが重畳し、信号の立上りまたは立下りからトリガ時間の抽出が困難な場合であっても、第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７を適用することにより、複数パルスで構成される第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９として相関関数Cr(τ)、Cd(τ)の最大値を求めることにより、時間変数値τmax[s]を誤りが少なく高精度に求めることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。
【０１１４】
その結果、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９にパルス形状のノイズが重畳し、信号の立上りまたは立下りからトリガ時間の抽出が困難な場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【０１１５】
この第３の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５の周方向に取り付けた第３および第４の送受信装置７ｃ，７ｄと第１の送受信装置７ａの作用および効果は次のとおりである。
【０１１６】
すなわち、信号処理装置１４では、回転速度f[Hz]は、第３および第４の送受信装置７ｃ，７ｄの出力である第３および第４の出力信号５８，５９のそれぞれから得ることができる。一方、出力トルクTrq[Nm]は、第１および第３の送受信装置７ａ，７ｃの出力である第１および第３の出力信号５６，５８、あるいは第１および第４の送受信装置７ａ，７ｄの出力である第１および第４の出力信号５６，５９から得ることができる。
【０１１７】
従って、一般的には、一方の送受信装置を周方向にns個備えた場合、ns個の回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測値を一回転毎に得ることができる。他方の送受信装置もns個備えた場合は、２ns個の回転速度f[Hz]の計測値およびns×ns個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を一回転毎に得ることができる。
【０１１８】
そこで、対象回転体5の回転中、回転軸が振動して回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する場合には、２ns個の回転速度f[Hz]、ns×ns個の出力トルクTrq[Nm]を平均して、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]とする。
【０１１９】
このようにして、対象回転体５の回転中、回転軸が振動する場合であっても、送受信装置を対象回転体５の周方向に各々ns個備え、２ns個の回転速度f[Hz]の計測値およびns×ns個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を一回転毎に得て平均することにより振動の影響を低減することができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、対象回転体５の回転軸が振動する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【０１２０】
さらにこの第３の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５の軸方向に取り付けた第２および第３の送受信装置７ｂ，７ｃと第１の送受信装置７ａの作用および効果は次のとおりである。
【０１２１】
すなわち、信号処理装置１４では、回転速度f[Hz]は、第１および第２および第３の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃの出力である第１および第２および第３の出力信号５６，５７，５８のそれぞれから得ることができる。一方、出力トルクTrq[Nm]は、第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂの出力である第１および第２の出力信号５６，５７および第１および、第３の送受信装置７ａ，７ｃの出力である第１および第３の出力信号５６，５８および、第２および第３の送受信装置７ｂ，７ｃの出力である第２および第３の出力信号５７，５８からそれぞれ得ることができる。従って、一般的には、送受信装置を軸方向にna個備えた場合、na個の回転速度f[Hz]の計測値および、na×(na−1)/2個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を一回転毎に得ることができる。
【０１２２】
そこで、対象回転体５の回転中、回転軸が振動して回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する場合には、na個の回転速度f[Hz]の計測値、na×(na−1)/2個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を平均し、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]とする。
【０１２３】
以上に述べた作用の結果、対象回転体５の回転中、回転軸が振動する場合であっても、送受信装置を対象回転体５の軸方向にna個備え、na個の回転速度f[Hz]の計測値およびna×(na−1)/2個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を一回転毎に得て平均することにより振動の影響を低減することができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、対象回転体５の回転軸が振動する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【０１２４】
次に、本発明の第４の実施の形態の回転体計測装置を図１１を参照して説明する。
本実施の形態の回転体計測装置は、照射光線を発生する光線発生装置２と、発生された照射光線を伝送する一方向光線伝送路３と、伝送された照射光線を第１および第２の照射光線に分割し、さらに第１および第２の反射光線を一つに合成する光線分割合成装置６０と、第１および第２の照射光線を伝送するとともに第１および第２の反射光線を伝送する第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂと、対象回転体５の表面に取り付けられ、第１および第２の照射光線を反射する第１および第２の反射板６ａ，６ｂとを備えている。
【０１２５】
さらに本実施の形態の回転体計測装置は、前記第１および第２の照射光線を第１および第２の反射板６ａ，６ｂに照射し、第１および第２の反射板６ａ，６ｂによる第１および第２の反射光線を受光する第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂと、第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂによって受光されて第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂによって伝送され、光線分割合成装置６０によって合成された後、反射光線伝送路９によって伝送される反射光線を検知する光検知装置１１と、光検知装置１１の出力信号を信号処理する信号処理装置１４とを備えている。
【０１２６】
光線分割合成装置６０は、一方向光線伝送路３によって伝送される照射光線を第１および第２の照射光線に分割するともに、第１および第２の反射光線を一つに合成し、反射光線伝送路９へ送出するように構成されている。このような構成は数多く存在するが、その一例を図１２に示す。
【０１２７】
すなわち、光線伝送路３，４ａ，４ｂ，９のいずれか一つによって入射される光線が、レンズ６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄを介してビームスプリッタ６２で反射成分と透過成分に二分割され、対向する光線伝送路３，４ａ，４ｂ，９のいずれか一つおよびビームスプリッタ６２の向きで決まる光線伝送路３，４ａ，４ｂ，９のいずれか一つの２つに出射されるようになっている。
【０１２８】
また、第１および第２の反射板６ａ，６ｂは、対象回転体５の周方向に対し、第１および第２の反射板６ａ，６ｂの周方向長さLb[mm]より長い間隔を離して取り付けられている。
【０１２９】
以上のように構成した第４の実施の形態の回転体計測装置において、光線発生装置２から出射した照射光線は、一方向光線伝送路３によって光線分割合成装置６０へ伝送される。そして、光線分割合成装置６０において照射光線は、レンズ６１ｂを経て約半分がビームスプリッタ６２で反射し、レンズ６１ａを経て第１の双方向光線伝送路４ａへ出射され、第１の照射光線となる。一方、ビームスプリッタ６２を透過する他の約半分の照射光線は、レンズ６１ｄを経て第２の双方向光線伝送路４ｂへ出射され、第２の照射光線となる。
【０１３０】
以上に述べた作用の結果、光線発生装置２が発生する照射光線を光線分割合成装置６０で分割して第１および第２の照射光線とすることにより、１個の光線発生装置で２つの照射光線を得ることができる。その結果、簡素かつ低コストな回転体計測装置とすることができる。
【０１３１】
なお、この第４の実施の形態の回転体計測装置において、第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂによって受光され、第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂによって伝送される第１および第２の反射光線は、光線分割合成装置６０へ各々伝送される。
【０１３２】
第１の双方向光線伝送路４ａから入力される第１の反射光線は、レンズ６１ａを経てビームスプリッタ６２を透過し、レンズ６１ｃを経て反射光線伝送路９へ出力される。なお、ビームスプリッタ６２で反射する部分は用いない。
【０１３３】
他方、第２の双方向光線伝送路４ｂから入力される第２の反射光線は、レンズ６１ｄを経てビームスプリッタ６２で反射し、レンズ６１ｃを経て反射光線伝送路９へ出力される。なお、ビームスプリッタ６２で透過する部分は用いない。そして、第１および第２の反射光線は、反射光線伝送路９によって光検知装置１１へ伝送される。
【０１３４】
光検知装置１１では、図１３に示す出力信号６３が得られる。そして、回転速度f[Hz]は、i回転時とi+1回転時の第１の反射板６ａによる波形６４または第２の反射板６ｂによる波形６５から求めることができ、出力トルクTrq[Nm]は、第１の反射板６ａによる波形６４および第２の反射板６ｂによる波形６５から求めることができる。
【０１３５】
このようにして、第１および第２の反射光線を光線分割合成装置６０で合成して光検知装置１１で検知することにより、１台の光検知装置１１だけで第１の反射板６ａによる波形６４および第２の反射板６ｂによる波形６５を得ることができる。その結果、簡素かつ低コストな回転体計測装置とすることができる。
【０１３６】
さらになお、この第４の実施の形態の回転体計測装置において、光線分割合成装置６０は、１つの一方向光線伝送路３から入力される照射光線を第１および第２の照射光線に分割し、第１の照射光線を第１の双方向光線伝送路４ａに出力し、第２の照射光線を第２の双方向光線伝送路４ｂへ出力する。他方、第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂによって伝送される第１および第２の反射光線を共に１つの反射光線伝送装置９へ出力する。
【０１３７】
このようにして、第１および第２の照射光線への分割に加え、第１および第２の反射光線の合成を光線分割合成装置６０だけで行うことができる。その結果、簡素かつ低コストな回転体計測装置とすることができる。
【０１３８】
以上、本発明の４つの実施の形態の回転体計測装置を説明したが、これら４つの実施の形態における構成要素を適宜入れ替えた実施の形態も可能である。
【０１３９】
【発明の効果】
本発明によれば、回転機器や車両などの回転体へ簡単に適用して回転速度あるいは出力トルクを非接触で高精度に計測することができる簡素かつ低コストな回転体計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の回転体計測装置の構成を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の回転体計測装置における送受信装置の構成を示す図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の回転体計測装置における光線分離装置の構成を示す図。
【図４】本発明の第１の実施の形態の回転体計測装置における出力信号を示す図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の回転体計測装置の構成を示す図。
【図６】本発明の第２の実施の形態の回転体計測装置における照射径可変送受信装置の構成を示す図。
【図７】本発明の第２の実施の形態の回転体計測装置における出力信号を示す図。
【図８】本発明の第３の実施の形態の回転体計測装置の構成を示す図。
【図９】本発明の第３の実施の形態の回転体計測装置における分布型反射板を示す図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の回転体計測装置における出力信号を示す図。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の回転体計測装置の構成を示す図。
【図１２】本発明の第４の実施の形態の回転体計測装置における光線分割合成装置の構成を示す図。
【図１３】本発明の第４の実施の形態の回転体計測装置における出力信号を示す図。
【図１４】従来の回転体計測装置を示す図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…照射光線、１ａｒ，１ｂｒ…反射光線、２，２ａ，２ｂ…光線発生装置、３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ…一方向光線伝送路、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…双方向光線伝送路、５…対象回転体、６ａ，６ｂ…反射板、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ…送受信装置、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ…光線分離装置、９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ…反射光線伝送路、１０ａ，１０ｂ…光学フィルタ、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…光検知装置、１２…電気信号伝送路、１３…サンプリング周波数選択装置、１４…信号処理装置、１５ａ，１５ｂ…位置調整装置、１６，１７，１８…レンズ、２０…ビームスプリッタ、２１…ミラー、２２，２３…レンズ、２７，２８…出力信号、２９，３０…パルス光線発生装置、３１，３２…反射板群、３３，３４…照射径可変送受信装置、３５…レンズ、３６…レンズ駆動装置、３７，３８…出力信号群、３９，４０，４１，４２…波長可変光線発生装置、４５，４６，４７…分布反射板、４８…高反射領域、４９…低反射領域、５０…規則分布領域、５１，５２…不規則分布領域、５６，５７，５８，５９…第１〜第４の出力信号、６０…光線分割合成装置、６１，６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ…レンズ、６２…ビームスプリッタ、６３…出力信号、６４…第１の反射板による波形、６５…第２の反射板による波形、７０…回転軸、７１Ａ，７１Ｂ…回転体、７２Ａ，７２Ｂ…光源装置、７３Ａ，７３Ｂ…光電変換素子、７４…演算手段。
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転機器や車両などに設けられた回転体の回転速度や出力トルクを非接触で高精度に計測する回転体計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転体の回転速度や出力トルクを計測する装置としては、例えば、特開平５−３４２２２号公報に記載されている装置が知られている。
この公報記載の装置は図１４に示すように、被検体の回転軸７０に取り付けられ格子パターンを有する第１および第２の回転体７１Ａ，７１Ｂと、これら第１および第２の回転体７１Ａ，７１Ｂに光を照射する第１および第２の光源装置７２Ａ，７２Ｂと、これら第１および第２の光源装置７２Ａ，７２Ｂから照射され第１および第２の回転体７１Ａ，７１Ｂによって反射した光の影絵パターンを検知する第１および第２の光電変換素子７３Ａ，７３Ｂと、これら第１および第２の光電変換素子７３Ａ，７３Ｂの出力からトルクを求める演算手段７４で構成される。
【０００３】
第１および第２の回転体７１Ａ，７１Ｂによる反射光の影絵パターンは、被検体の回転を影絵的に拡大して変位する。この変位は、第１および第２の光電変換素子７３Ａ，７３Ｂによって検知される。そして、演算手段７４によって第１および第２の回転体７１Ａ，７１Ｂの回転の基準位置と回転量が検出され、回転量の差からトルクの算出が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記装置では、回転機器および車両などへ適用する場合、第１および第２の回転体７１Ａ，７１Ｂの製作・取り付けが困難であり、また、回転体７１Ａ，７１Ｂ上の格子パターンは高精度に作製する必要があるため時間と手間がかかる。これらの結果としてコスト高になるなどの問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、回転機器や車両などの回転体へ簡単に適用して回転速度あるいは出力トルクを計測することができる簡素かつ低コストな回転体計測装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明の回転体計測装置は、回転速度または出力トルクの少なくともいずれか一方を計測すべき対象回転体の表面に取り付けられた反射手段に照射して前記計測を行うための波長可変の照射光線を発生する光線発生手段と、一方向光線伝送路および双方向光線伝送路を介して前記照射光線を導入され前記照射光線を前記反射手段に照射して反射光線を受光する送受信手段と、前記一方向光線伝送路と前記双方向光線伝送路のあいだに接続されて前記一方向光線伝送路から導入された単一の照射光線を複数に分割して複数の双方向光線伝送路へ送出するとともに、前記送受信手段によって受光され前記双方向光線伝送路によって伝送された前記反射光線を前記照射光線と分離し、前記複数の双方向伝送路から導入された複数の反射光線を合成して単一の反射光線を形成し反射光線伝送路へ送出する光線分割合成手段と、反射光線伝送路を介して前記光線分離手段に接続されて前記反射光線の波長を選択して検知する光検知手段と、この光検知手段が出力する出力信号のサンプリング周波数を選択して信号処理し前記対象回転体の回転速度または出力トルクの少なくともいずれか一方を演算する信号処理手段とを備えた構成とする。
【０００７】
このように構成された請求項１の発明の回転体計測装置では、反射手段に照射される照射光線は所定の照射ビーム径に絞られる。そして反射光線は短い立上り、立下り時間のパルス状となる。
【０００８】
この反射光線は、照射光線を伝送したと同じ双方向光線伝送路によって伝送され、光検知手段によってパルス状の出力信号が検知される。信号処理手段では、出力信号の立上りまたは立下りにおいてトリガ時間を抽出し、回転速度または出力トルクを求める。
【０００９】
その結果、回転速度または出力トルクの計測精度は反射光線の立上り立下り時間で決定され、照射光線の照射ビーム径を調整することによって所定の計測精度に設定することができ、高精度計測が必要とされる回転機器および車両などへの適用が可能となる。
【００１０】
そして、送受信手段はビーム倍率を調整するだけの構造であり、また双方向光線伝送路が照射光線とその反射光線の伝送路を兼ねるため数量が少なく、さらに反射手段は対象回転体表面の一部に取り付けるだけよいため、本発明の回転体計測装置は、簡素かつ低コスト、適用が簡単であるという特長を有する。
【００１１】
なお、対象回転体の回転速度だけを測定する場合には反射手段および送受信手段は１個でよいが、出力トルクも測定するためには対象回転体の軸方向に所定の距離をおいて複数の反射手段および送受信手段を備える必要がある。
【００１３】
さらに請求項１の発明によれば、対象回転体の回転軸が変動する場合には、波長可変の光線発生手段を用いて照射光線の波長を変え、波長によって光学レンズの焦点距離が異なる色収差を利用することにより、照射光線の照射ビーム径を調整し、所定の計測精度に設定することができる。その結果、回転軸が変動する回転機器および車両などへの適用が可能となる。
【００１９】
この発明によれば、単一の照射光線の分割と複数の反射光線の合成を光線分割合成手段で行うことにより、光線の分割と合成を一つの光線分割合成手段で行うことができる。その結果、簡素かつ低コストな回転体計測装置とすることができる。
【００２０】
また、この発明によれば、反射光線に外乱光が混入する場合には、波長選択手段により、外乱光を遮断して反射光線の波長を選択して計測し、反射光線を高SN比で検知することができる。その結果、対象回転体が外乱光環境に存在する場合であっても、回転速度や出力トルクを所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００２２】
この発明によれば、光検知手段の出力信号にノイズが重畳する場合には、サンプリング周波数選択手段により、光検知手段の出力に対するサンプリング周波数を調整することによってノイズを除去した出力信号を得ることができる。その結果、光検知手段の出力信号にノイズが重畳する場合であっても、回転速度や出力トルクを所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態の回転体計測装置を図１を参照して説明する。すなわち、本実施の形態の回転体計測装置は、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂを発生する第１および第２の光線発生装置２ａ，２ｂと、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂを伝送する第１および第２の一方向光線伝送路３ａ，３ｂおよび双方向光線伝送路４ａ，４ｂと、対象回転体５の表面に取り付けられ、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂを反射する第１および第２の反射板６ａ，６ｂと、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂを第１および第２の反射板６ａ，６ｂに照射し、第１および第２の反射板６ａ，６ｂによる第１および第２の反射光線１ａｒ，１ｂｒを受光する第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂとを備えている。
【００３２】
さらに本実施の形態の回転体計測装置は、前記第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂによって受光され、第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂによって伝送された第１および第２の反射光線を第１および第２の照射光線と分離する第１および第２の光線分離装置８ａ，８ｂと、第１および第２の光線分離装置８ａ，８ｂによって分離され、第１および第２の反射光線伝送路９ａ，９ｂによって伝送される第１および第２の反射光線を光学フィルタ１０ａ，１０ｂを通して受けて検知する第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂと、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂの出力信号を電気信号伝送路１２を通して受けて信号処理する信号処理装置１４とを備えている。信号処理装置１４の入力端にはサンプリング周波数選択装置１３が設けられている。また、送受信装置７ａ，７ｂは位置調整装置１５ａ，１５ｂを備えている。
【００３３】
第１および第２の光線発生装置２ａ，２ｂは、固体、気体、液体、半導体等の各種レーザ、指向性を有するLEDやランプ等、指向性を有する光源で構成されている。
【００３４】
また、第１および第２の光線伝送路３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ，９ａ，９ｂは、ガラスやプラスチック等の光ファイバで構成される。光ファイバと第１および第２の光線発生装置２ａ，２ｂとの光学的結合は非球面レンズ等の光学素子を用いて行い、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂが高効率で光ファイバへ入射するようにする。なお、光ファイバを用いることなく、ミラーやレンズを用いて第１および第２の照射光線１ａ，１ｂを空間伝送するようにしてもよい。
【００３５】
対象回転体５に取り付ける第１および第２の反射板６ａ，６ｂはＡｇ，Ａｕ，Ａｌ，ＳＵＳ等の金属材料で構成され、その寸法が次の式（１）、（２）を満足するように構成される。厚さLt[m]は、対象回転体５に取り付けることができれば制限はない。
La≫φ （１）
Lb≫φ （２）
【００３６】
ただし、La[m]は第１および第２の反射板６ａ，６ｂの横の長さ（対象回転体５の軸方向の長さ），Lb[m]は第１および第２の反射板６ａ，６ｂの縦の長さ（対象回転体５の周方向の長さ）であり、φ[m]は第１および第２の照射光線１ａ，１ｂの照射ビーム径である。
そして、第１の反射板６ａは対象回転体５の伝達軸の駆動側に取り付けられ、第２の反射板６ｂは伝達軸の負荷側に取り付けられている。
【００３７】
第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂは、ビーム倍率Fで第１および第２の照射光線１ａ，１ｂを拡大・縮小でき、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂの正反射である第１および第２の反射光線１ａｒ，１ｂｒを受光できるように構成する。このような構成は数多く存在するが、第１の送受信装置７ａを例に挙げてその構成例を図２に示す。ビーム倍率Fは次の式（３）で設定することができる。
Ｆ＝fa／fb （３）
ただし、fa[m]はレンズ１７の焦点距離、fb[m]はレンズ１６の焦点距離である。
【００３８】
第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂに備えられた第１および第２の位置調整装置１５ａ，１５ｂはステッピングモータ等で構成され、第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂの位置を調整して、第１および第２の反射板６ａ，６ｂに照射する第１および第２の照射光線１ａ，１ｂの照射ビーム径を調整することができるようになっている。
【００３９】
第１および第２の光線分離装置８ａ，８ｂは、第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂによって第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂから伝送される第１および第２の反射光線１ａｒ，１ｂｒを第１および第２の照射光線１ａ，１ｂから分離するように構成する。このような構成は数多く存在するが、第１の光線分離装置８ａを例に挙げてその構成例を図３に示す。
【００４０】
すなわち、第１の双方向光線伝送路４ａによって伝送される第１の反射光線１ａｒは、レンズ１８、ビームスプリッタ２０、ミラー２１、レンズ２２の順で進み、反射光線伝送路９ａによって第１の光検知装置１１ａへ伝送される。一方、第１の一方向光線伝送路３ａによって伝送される第１の照射光線１ａは、レンズ２３、ビームスプリッタ２０、レンズ１８の順で進行し、第１の双方向光線伝送路４ａによって第１の送受信装置７ａへ伝送されるようになっている。
【００４１】
第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂは、フォトダイオード、光電管、光電子増倍管等の各種の光電変換素子で構成される。そして、第１および第２の照射光線１ａ，１ｂと同一波長の光を選択して受光できるように第１および第２の光学フィルタ１０ａ，１０ｂが取り付けられている。
【００４２】
信号処理装置１４はサンプリング周波数選択装置１３および計算機で構成される。サンプリング周波数選択装置１３はAD変換器で構成され、ハード的手段またはソフト的手段によって第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂの出力を任意のサンプリング周波数でデジタル電気信号に変換し、計算機へ伝送するようになっている。計算機は前記デジタル電気信号に対してソフト的手段によって各種演算を行うようになっている。
【００４３】
以上のように構成した本発明の第１の実施の形態の回転体計測装置の作用を次に説明する。
計測対象とする対象回転体５としては、車両、船舶、列車等の動力部、発電機、電動機、モータ等の機器が挙げられる。
【００４４】
第１の光線発生装置２ａから出射された第１の照射光線１ａは、第１の一方向光線伝送路３ａに入射して伝送され、第１の光線分離装置８ａ、第１の双方向光線伝送路４ａを経て、第１の送受信装置７ａへ伝送される（図１）。なお、第１の光線分離装置８ａの内部では、第１の一方向光線伝送路３ａから入射する第１の照射光線１ａは、レンズ２３、ビームスプリッタ２０、レンズ１８を経て第１の双方向光線伝送路４ａに入射する（図３）。
【００４５】
そして、第１の照射光線１ａは、第１の送受信装置７ａにより、対象回転体５の表面上において前記（１），（２）式および次に示す式（４）を満足する照射ビーム径φ[m]となるように照射される。
φ＝Ｆ・Φ （４）
【００４６】
ただし、Ｆは第１の送受信装置７ａによる第１の照射光線１ａのビーム倍率であり、Φ[m]は第１の双方向光線伝送路４ａにおける第１の照射光線１ａのビーム径である。
照射された第１の照射光線１ａは、対象回転体５の第１の反射板６ａに照射されて正反射し、第１の反射光線１ａｒとなる。
【００４７】
第１の反射光線１ａｒは対象回転体５の一回転毎に得られ、次の式（５）に示す立上り・立下り時間tr[s]を有する単一のパルス光線となる。
tr＝φ／Vr （５）
ただし、Vr[ｍ/ｓ]は対象回転体５の回転速度である。
【００４８】
第１の反射光線１ａｒは第１の送受信装置７ａへ戻り、第１の双方向光線伝送路４ａ、第１の光線分離装置８ａ、第１の反射光線伝送路９ａを経て、第１の光検知装置１１ａへ伝送される。なお、第１の光線分離装置８ａの内部では、第１の双方向光線伝送路４ａから入射する第１の反射光線１ａｒは、レンズ１８、ビームスプリッタ２０、ミラー２１、レンズ２２を経て第１の反射光線伝送路９ａに出射する。
【００４９】
一方、第２の光線発生装置２ｂから出射した第２の照射光線１ｂについても同様の作用を受ける。この結果、第１の光検知装置１１ａでは図４に示す第１の出力信号２７が得られ、第２の光検知装置１１ｂでは図４に示す第２の出力信号２８が得られる。第１および第２の出力信号２７，２８は一回転毎に得られ、信号処理装置１４へ逐次伝送される。
【００５０】
信号処理装置１４では、図４に示すように第１および第２の出力信号２７，２８の立上振幅値に閾値Vth[V]を設定し、第i回転目における第１の出力信号２７のトリガ時間trg1[s]、第２の出力信号２８のトリガ時間trg2[s]、第i+1回転目における第１の出力信号２７のトリガ時間trg1'[s]および第２の出力信号２８のトリガ時間trg2'[s]を抽出する。そして、次の式（６）、（７）により回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を求める。
【００５１】
【数１】
【数２】
ただし、η[Nm/rad]は対象回転体５の該当部のねじり剛性であり、trg1[s]は第１の出力信号から求めたトリガ時間、trg1'[s]は１回転後の第１の出力信号から求めたトリガ時間、trg2[s]は第２の出力信号から求めたトリガ時間、trg2'[s]は１回転後の第２の出力信号から求めたトリガ時間である。
【００５４】
以上に述べた作用の結果、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度は、式（５）に示した第１および第２の反射光線の立上り・立下り時間で決定され、第１および第２の照射光線の照射ビーム径φ[m]を調整することによって所定の計測精度に設定することができ、高精度計測が必要とされる回転機器および車両などへの適用が可能となる。
【００５５】
そして、第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂはビーム倍率を調整するだけの構造であり、また第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂが照射光線とその反射光線の伝送路を兼ねるため数量が少なく、さらに第１および第２の反射板６ａ，６ｂは対象回転体５の表面の一部に取り付けるだけよいため、簡素かつ低コスト、適用が簡単であるという特長を有する。
【００５６】
この第１の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５の回転中、回転軸の位置が変動して第１および第２の照射光線１ａ，１ｂの照射ビーム径φ[m]が大きくなる場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００５７】
このような状況の場合には、第１の位置調整装置１５ａにより第１の送受信装置７ａの位置調整を行って第１の照射光線１ａを調整し、所定の照射ビーム径φ[m]となるようにする。同様に、第２の送受信装置７ｂについても第２の位置調整装置１５ｂにより第２の照射光線１ｂを調整し、所定の照射ビーム径φ[m]となるようにする。
【００５８】
以上に述べた作用の結果、対象回転体５の回転軸が変動する場合であっても、第１および第２の位置調整装置１５ａ，１５ｂを用いて第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂの位置調整を行うことにより、第１および第２の照射光線の照射ビーム径φ[m]を調整して所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、回転軸が変動する回転機器および車両などへの適用が可能となる。
【００５９】
またこの第１の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５が、太陽や照明などの外乱光環境に直接曝されて第１および第２の反射光線１ａｒ，１ｂｒに外乱光が混入し、第１および第２の出力信号２７，２８にノイズが重畳してSN比が低下する場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００６０】
このような状況の場合であっても、第１および第２の光学フィルタ１０ａ，１０ｂが第１および第２の照射光線だけを選択できるようになっているため、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂでは、外乱光を除去して高SN比の第１および第２の出力信号２７，２８を得ることができる。
【００６１】
以上に述べた作用の結果、第１および第２の反射光線１ａｒ，１ｂｒに外乱光が混入する場合であっても、第１および第２の光学フィルタ１０ａ，１０ｂにより、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂでは、外乱光を除去した高SN比の第１および第２の出力信号２７，２８を得ることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、対象回転体５が外乱光環境に存在する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００６２】
またこの第１の実施形態の回転体計測装置において、第１および第２の出力信号２７，２８に高周波数ノイズfnhが重畳してSN比が低下する場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００６３】
このような状況の場合には、サンプリング周波数選択装置１３において、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂの出力に対して高周波数ノイズfnhの周波数fnh[Hz]より小さいサンプリング周波数で取り込むことにより、高周波数ノイズfnhを除去して高SN比の第１および第２の出力信号２７，２８を得ることができる。
【００６４】
以上に述べた作用の結果、第１および第２の出力信号２７，２８に高周波数ノイズfnhが重畳する場合、サンプリング周波数選択装置１３により、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂの出力に対して高周波数ノイズfnhの周波数より小さいサンプリング周波数で取り込むことによって高周波数ノイズfnhを除去した高SN比の第１および第２の出力信号２７，２８を得ることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。
【００６５】
その結果、第１および第２の出力信号２７，２８に高周波数ノイズfnhが重畳する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００６６】
さらにこの第１の実施の形態の回転体計測装置において、第１および第２の出力信号２７，２８に時間的にランダムなノイズが重畳してSN比が低下する場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００６７】
このような状況の場合、信号処理装置14において、時間：1/f[s]を波形の取り込み時間単位とし、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂの出力波形を任意の時刻から各々Ns個取り込む。そして、Ns個の出力波形を積算して平滑化することにより、時間的にランダムなノイズを除去して高SN比の第１および第２の出力信号２７，２８を得ることができる。
【００６８】
以上に述べた作用の結果、第１および第２の出力信号２７，２８に時間的にランダムなノイズが重畳する場合、信号処理装置１４の平滑化処理手段により、時間：1/f[s]を波形の取り込み時間単位として各々Ns個の出力波形を取り込み、Ns個の出力波形を積算して平滑化することによって、時間的にランダムなノイズを除去した高SN比の第１および第２の出力信号２７，２８を得ることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。
【００６９】
その結果、第１および第２の出力信号２７，２８に時間的にランダムなノイズが重畳する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００７０】
次に、本発明の第２の実施の形態の回転体計測装置を図５を参照して説明する。
この実施の形態の回転体計測装置は、第１および第２のパルス照射光線を出射する第１および第２のパルス光線発生装置２９，３０と、第１および第２のパルス光線を伝送する第１および第２の一方向光線伝送路３ａ，３ｂおよび双方向光線伝送路４ａ，４ｂと、対象回転体５の表面に複数取り付けられ、第１および第２のパルス照射光線を反射する第１および第２の反射板群３１，３２と、照射径を光学的に調節して第１および第２のパルス照射光線を第１および第２の反射板群３１，３２に照射し、第１および第２の反射板群３１，３２による第１および第２のパルス反射光線を受光する第１および第２の照射径可変送受信装置３３，３４とを備えている。
【００７１】
さらにこの実施の形態の回転体計測装置は、前記第１および第２の照射径可変送受信装置３３，３４によって受光され、第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂによって伝送された第１および第２のパルス反射光線を第１および第２のパルス照射光線と分離する第１および第２の光線分離装置８ａ，８ｂと、第１および第２の光線分離装置８ａ，８ｂによって分離され、第１および第２の反射光線伝送路９ａ，９ｂによって伝送される第１および第２のパルス反射光線を検知する第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂと、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂの出力信号を電気信号伝送路１２を通して受けて信号処理する信号処理装置１４とを備えている。信号処理装置１４は、サンプリング周波数選択装置１３および計算機で構成されている。
【００７２】
第１および第２のパルス光線発生装置２９，３０は、パルス発振形式の固体、気体、液体、半導体等の各種レーザ、パルス点灯のLED、フラッシュランプ等、パルス発振形式の指向性を有する光源で構成されている。
第１および第２の反射板群３１，３２は、第１および第２の反射板６ａ，６ｂを対象回転体５の周方向に各々nr個取り付けた構成になっている。
【００７３】
第１および第２の照射径可変送受信装置３３，３４は、可変ビーム倍率で第１および第２のパルス照射光線を拡大・縮小でき、第１および第２のパルス照射光線の正反射である第１および第２のパルス反射光線を受光できるように構成されている。このような構成は数多く存在するが、第１の照射径可変送受信装置３３を例に挙げてその構成例を図６に示す。可変ビーム倍率：Fvは次の式（８）で表すことができ、レンズ１７とレンズ３５の間隔dr[m]をレンズ駆動装置３６によって変えることによって、第１の照射径可変送受信装置３３を移動させることなく所定の照射ビーム径に設定することができる。
【数３】
【００７４】
以上のように構成した本発明の第２の実施の形態の回転体計測装置の作用を次に説明する。
まず、第１および第２のパルス光線発生装置２９，３０において、第１および第２のパルス照射光線の繰り返し周波数fL[Hz]が、対象回転体５の回転速度f[Hz]に第１および第２の反射板群３１，３２における反射板の構成個数nrを乗じた周波数より十分大きく、さらに第１および第２のパルス照射光線のパルス時間幅tL[s]が、各反射板の周方向長さLb[m]を対象回転体５の回転速度Vr[m/s]で除した値より十分大きい値となるように設定する。
【００７５】
この場合、第１および第２のパルス照射光線はパルス光であり高強度であるため、第１および第２の光検知装置１１ａ，１１ｂでは、図７に示す高SN比の第１および第２の出力信号群３７，３８を得ることができる。そして、第１および第２のパルス照射光線は、繰り返し周波数fL[Hz]、パルス時間幅tL[s]であるため、一回転毎に漏れなく各々nr個の出力信号群を得ることができる。
【００７６】
第１および第２の出力信号群３７，３８は信号処理装置１４へ逐次伝送され、図７に示すように第i回転目における第１および第２の出力信号群３７，３８の第ｊ番目のパルスに対してトリガ時間trg1[s]およびtrg2[s]、第i+1回転目における第１および第２の出力信号群３７，３８の第ｊ番目のパルスに対してトリガ時間trg1'[s]およびtrg2'[s]を抽出する。そして、前記の式（６）、（７）により回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を求める。
【００７７】
以上に述べた作用の結果、第１および第２のパルス光線発生装置２９，３０が照射する第１および第２のパルス照射光線はパルス光であるため、前記第１の実施の形態における連続光の照射光線１ａ，１ｂに比べて高強度であり、高SN比の第１および第２の出力信号群３７，３８を得ることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、ノイズ対策を軽減することができ、簡素かつ低コスト、適用が簡単な回転体診断装置とすることができる。
【００７８】
この第２の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５の回転中、回転軸の位置が変動して第１および第２のパルス照射光線の照射ビーム径φ[m]が大きくなる場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００７９】
このような状況の場合には、第１の照射径可変送受信装置３３のレンズ駆動装置３６によってレンズ３５を移動させて照射ビーム径を光学的に縮小し、第１のパルス照射光線の所定の照射ビーム径φ[m]となるようにする。同様に、第２の照射径可変送受信装置３４についても、第２のパルス照射光線の所定の照射ビーム径φ[m]となるようにする。
【００８０】
以上に述べた作用の結果、対象回転体５の回転軸が変動する場合であっても、第１および第２の照射径可変送受信装置３３，３４を用いて第１および第２のパルス照射光線のビーム径を光学的に拡大または縮小することにより、第１および第２のパルス照射光線の照射ビーム径φ[m]を調整し、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、回転軸が変動する回転機器および車両などへの適用が可能となる。
【００８１】
またこの第２の実施の形態の回転体計測装置において、第１および第２の出力信号群３７，３８に高周波数ノイズfnhが重畳し、SN比が低下する場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００８２】
このような状況の場合には、信号処理装置１４において、デジタル電気信号に変換後の第１および第２の出力信号群３７，３８に対し、高周波数ノイズfnhの周波数の逆数より大きなサンプリング時間Δtで出力信号群を抽出して第１および第２の出力信号群３７，３８とすることにより、高周波数ノイズfnhを除去して高SN比の第１および第２の出力信号群３７，３８を得ることができる。
【００８３】
以上に述べた作用の結果、第１および第２の出力信号群３７，３８に高周波数ノイズfnhが重畳する場合、信号処理装置１４におけるサンプリング時間調整手段により、デジタル電気信号に変換後の第１および第２の出力信号群３７，３８に対して高周波数ノイズfnhの周波数の逆数より大きなサンプリング時間Δtで出力信号群を抽出することによって高周波数ノイズfnhを除去した高SN比の第１および第２の出力信号群３７，３８を得ることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。
【００８４】
その結果、第１および第２の出力信号群３７，３８に高周波数ノイズfnhが重畳する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００８５】
またこの第２の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５の回転中、回転軸が振動して第１および第２のパルス照射光線の照射ビーム径φ[m]の大きさが変動する場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]の値も変動し、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【００８６】
このような状況の場合には、信号処理装置１４において、各回転毎に得られる回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測値をＮ回転の間で平均し、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]とする。この際、回転軸の振動の影響を十分低減できるように、Ｎ回転にかかる時間：N/f[s]は、回転軸の振動周期に比べ十分長くなるように設定する。
【００８７】
以上に述べた作用の結果、対象回転体５の回転中、回転軸が振動する場合であっても、信号処理装置１４における平均化処理手段により、各回転毎に得られる回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測値をＮ回転の間で平均することによって回転軸の振動の影響を低減することができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、回転軸が振動する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００８８】
さらにまた、この第２の実施の形態の回転体計測装置においては、第１および第２の反射板群３１，３２は、前記第１の実施の形態における第１および第２の反射板６ａ，６ｂを各々nr個取り付けた構成になっているため、信号処理装置１４では、図７に示すようにnr個のパルスで構成される第１および第２の出力信号群３７，３８を一回転毎に得ることができる。そして、nr個の各パルスにおいて回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測値を得ることができるため、２nr個の回転速度f[Hz]と、nr×nr個の出力トルクTrq[Nm]を一回転毎に得ることができる。
【００８９】
そこで、対象回転体５の回転中、回転軸が振動して回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する場合には、２nr個の回転速度f[Hz]の計測値およびnr×nr個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を平均して、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]とする。
【００９０】
以上に述べた作用の結果、対象回転体５の回転中、回転軸が振動する場合であっても、第１および第２の反射板群３１，３２を対象回転体５の周方向に各々nr個備え、２nr個の回転速度f[Hz]の計測値および、nr×nr個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を一回転毎に得て平均することにより振動の影響を低減することができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。
【００９１】
その結果、対象回転体５の回転軸が振動する場合であっても、第１および第２の反射板群３１，３２を対象回転体５の周方向に各々nr個備えて多くの計測値で平均することより、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【００９２】
次に、本発明の第３の実施の形態の回転体計測装置を図８を参照して説明する。
本実施の形態の回転体計測装置は、第１から第４の照射光線の波長を選択することができる第１から第４の波長可変光線発生装置３９，４０，４１，４２と、第１から第４の照射光線を伝送する第１から第４の一方向光線伝送路３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄおよび双方向光線伝送路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと、対象回転体５の表面に取り付けられ、第１から第４の照射光線に対する反射率が対象回転体５の周方向に分布を有する第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７と、第１から第４の照射光線を第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７に照射し、第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７による第１から第４の反射光線を受光する第１から第４の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄとを備えている。
【００９３】
さらに本実施の形態の回転体計測装置は、前記第１から第４の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄによって受光され、第１から第４の双方向光線伝送路４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄによって伝送された第１から第４の反射光線を第１から第４の照射光線と分離する第１から第４の光線分離装置８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄと、第１から第４の光線分離装置８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄによって分離され、第１から第４の反射光線伝送路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄによって伝送される第１から第４の反射光線を検知する第１から第４の光検知装置１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、第１から第４の光検知装置１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの出力信号を信号処理する信号処理装置１４とを備えている。
【００９４】
第１から第４の波長可変光線発生装置３９，４０，４１，４２は、固体、気体、液体、半導体等の波長可変レーザ、各種の波長選択素子或いは波長変換素子等を取り付けて発振波長を適宜に変えることができるようになっている各種のレーザ、LED、ランプで構成されている。また、発振波長が異なる複数個のレーザ、LED、ランプで構成することもできる。
【００９５】
第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７は、前記第１の実施の形態における第１および第２の反射板６ａ，６ｂと材質および寸法が同一であるが、その表面が加工され、反射率が高い領域と低い領域が規則的或いは不規則的に周方向に分布する構造になっている。表面の加工は、例えば、超音波やレーザ光を用いて行うことができる。
【００９６】
第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７の例を図９に示す。図９では、高反射領域４８と低反射領域４９が規則的に分布する規則分布領域５０と不規則的に分布する二種類の不規則分布領域５１，５２が、対象回転体５の軸方向に並ぶ構造になっている。なお、軸方向の分布は、回転軸の軸方向の移動を検知するために設けたものであり、必ずしも必要ではない。
【００９７】
第１から第４の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに関し、本実施の形態では、図８に示すように第１および第２および第３の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃが対象回転体５の軸方向に取り付けられ、第４の送受信装置７ｄが周方向に取り付けられている。なお、周方向の取付個数ns個、軸方向の取付個数na個については、特に制限はない。
【００９８】
信号処理装置１４では、図１０に示す第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９が得られ信号処理が行われる。回転速度f[Hz]は、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９のいづれの信号からでも求めることができる。一方、出力トルクTrq[Nm]は、軸方向に関して同一位置にある第３と第４の出力信号５８，５９の組み合わせを除き、任意の信号の組み合わせから求めることができる。
【００９９】
以上のように構成した第３の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５の回転中、回転軸の位置が変動して第１から第４の照射光線の照射ビーム径φ[m]が大きくなる場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【０１００】
このような状況の場合には、第１から第４の波長可変光線照射装置３９，４０，４１，４２によって第１から第４の照射光線の波長を変え、第１から第４の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄから照射される第１から第４の照射光線の焦点距離を色収差を利用して調整することにより照射ビーム径を光学的に縮小し、所定の照射ビーム径φ[m]となるようにする。ここで、対象回転体５の回転軸が第１から第４の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄに近づいた場合には、青色側の短波長の照射波長とし、逆に遠ざかった場合は、赤色側の長波長の照射波長とする。
【０１０１】
以上に述べた作用の結果、対象回転体５の回転軸が変動する場合であっても、第１から第４の波長可変光線照射装置３９，４０，４１，４２を用いて第１から第４の照射光線の波長を変え、波長によって光学レンズの焦点距離が異なる色収差を利用することにより照射ビーム径を光学的に拡大または縮小することにより、第１から第４の照射光線の所定の照射ビーム径φ[m]を調整し、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、回転軸が変動する回転機器および車両などへの適用が可能となる。
【０１０２】
この第３の実施の形態の回転体計測装置において、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９に高周波或いは低周波のノイズが重畳し、信号の立上りまたは立下りからトリガ時間を抽出することが困難になる場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]が大きくなり、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【０１０３】
このような状況の場合には、信号処理装置１４において、第１および第２の出力信号５６，５７に対し相関法を適用する。最初に回転速度f[Hz]を求める。次に、時間変数τ[s]を用いて次の式（９）に示す相関関数Cr(τ)を計算する。
【数４】
ただし、tは時間変数、Sm(t)は第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９のいずれか、２δは相関演算する時間領域、Ciはi回転目のSm(t)が検知された時刻である。
【０１０５】
そして、i回転目とi+1回転目の出力信号は同一形状であるため、相関関数Cr(τ)が最大となる場合の時間変数値τmax[s]が、式（６）に示した（trg1 −trg1’）、（trg2 −trg2’）となる。なお、時間変数値τmax[s]は、対象回転体５の回転周期に等しい。回転速度f[Hz]は、時間変数値τmax[s]の逆数として求めることができる。
【０１０６】
次に、出力トルクTrq[Nm]を求める。時間変数τ[s]を用いて次の式（１０）に示す相関関数Cd(τ)を計算する。
【０１０７】
【数５】
【０１０８】
そして、第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７は同一形状であるため、相関関数Cd(τ)が最大となる場合の時間変数値τmax[s]が、式（７）に示される|trg1 −trg2|となる。従って、出力トルクTrq[Nm]を式（７）から求めることができる。
【０１０９】
以上に述べた作用の結果、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９に高周波或いは低周波のノイズが重畳し、信号の立上りまたは立下りからトリガ時間を高精度に抽出することが困難な場合であっても、式（９）、（１０）に示した相関法を第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９に適用することにより、式（６）に示される（trg1 −trg1’）、（trg2 −trg2’）、式（７）に示される|trg1 −trg2|を高精度に求めることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。
【０１１０】
その結果、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９に高周波或いは低周波のノイズが重畳し、信号の立上りまたは立下りからトリガ時間を高精度に抽出することが困難な場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【０１１１】
またこの第３の実施の形態の回転体計測装置においては、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９にパルス形状のノイズが重畳し、信号の立上りまたは立下りからトリガ時間の抽出が困難になる場合がある。この場合、式（５）に示した立上り・立下り時間tr[s]の抽出を誤り、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する。
【０１１２】
このような状況の場合には、第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７を適用し、図１０に示される複数パルスで構成される第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９とする。このような複数パルスの信号に対し、式（９）、（１０）を計算して相関関数Cr(τ)、Cd(τ)の最大値を求めることにより、時間変数値τmax[s]を誤りが少なく高精度に求めることができる。
【０１１３】
以上に述べた作用の結果、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９にパルス形状のノイズが重畳し、信号の立上りまたは立下りからトリガ時間の抽出が困難な場合であっても、第１から第３の分布型反射板４５，４６，４７を適用することにより、複数パルスで構成される第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９として相関関数Cr(τ)、Cd(τ)の最大値を求めることにより、時間変数値τmax[s]を誤りが少なく高精度に求めることができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。
【０１１４】
その結果、第１から第４の出力信号５６，５７，５８，５９にパルス形状のノイズが重畳し、信号の立上りまたは立下りからトリガ時間の抽出が困難な場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【０１１５】
この第３の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５の周方向に取り付けた第３および第４の送受信装置７ｃ，７ｄと第１の送受信装置７ａの作用および効果は次のとおりである。
【０１１６】
すなわち、信号処理装置１４では、回転速度f[Hz]は、第３および第４の送受信装置７ｃ，７ｄの出力である第３および第４の出力信号５８，５９のそれぞれから得ることができる。一方、出力トルクTrq[Nm]は、第１および第３の送受信装置７ａ，７ｃの出力である第１および第３の出力信号５６，５８、あるいは第１および第４の送受信装置７ａ，７ｄの出力である第１および第４の出力信号５６，５９から得ることができる。
【０１１７】
従って、一般的には、一方の送受信装置を周方向にns個備えた場合、ns個の回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測値を一回転毎に得ることができる。他方の送受信装置もns個備えた場合は、２ns個の回転速度f[Hz]の計測値およびns×ns個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を一回転毎に得ることができる。
【０１１８】
そこで、対象回転体5の回転中、回転軸が振動して回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する場合には、２ns個の回転速度f[Hz]、ns×ns個の出力トルクTrq[Nm]を平均して、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]とする。
【０１１９】
このようにして、対象回転体５の回転中、回転軸が振動する場合であっても、送受信装置を対象回転体５の周方向に各々ns個備え、２ns個の回転速度f[Hz]の計測値およびns×ns個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を一回転毎に得て平均することにより振動の影響を低減することができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、対象回転体５の回転軸が振動する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【０１２０】
さらにこの第３の実施の形態の回転体計測装置において、対象回転体５の軸方向に取り付けた第２および第３の送受信装置７ｂ，７ｃと第１の送受信装置７ａの作用および効果は次のとおりである。
【０１２１】
すなわち、信号処理装置１４では、回転速度f[Hz]は、第１および第２および第３の送受信装置７ａ，７ｂ，７ｃの出力である第１および第２および第３の出力信号５６，５７，５８のそれぞれから得ることができる。一方、出力トルクTrq[Nm]は、第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂの出力である第１および第２の出力信号５６，５７および第１および、第３の送受信装置７ａ，７ｃの出力である第１および第３の出力信号５６，５８および、第２および第３の送受信装置７ｂ，７ｃの出力である第２および第３の出力信号５７，５８からそれぞれ得ることができる。従って、一般的には、送受信装置を軸方向にna個備えた場合、na個の回転速度f[Hz]の計測値および、na×(na−1)/2個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を一回転毎に得ることができる。
【０１２２】
そこで、対象回転体５の回転中、回転軸が振動して回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]の計測精度が低下する場合には、na個の回転速度f[Hz]の計測値、na×(na−1)/2個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を平均し、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]とする。
【０１２３】
以上に述べた作用の結果、対象回転体５の回転中、回転軸が振動する場合であっても、送受信装置を対象回転体５の軸方向にna個備え、na個の回転速度f[Hz]の計測値およびna×(na−1)/2個の出力トルクTrq[Nm]の計測値を一回転毎に得て平均することにより振動の影響を低減することができ、所定の計測精度で回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を計測することができる。その結果、対象回転体５の回転軸が振動する場合であっても、回転速度f[Hz]および出力トルクTrq[Nm]を所定の計測精度で求めることが可能となる。
【０１２４】
次に、本発明の第４の実施の形態の回転体計測装置を図１１を参照して説明する。
本実施の形態の回転体計測装置は、照射光線を発生する光線発生装置２と、発生された照射光線を伝送する一方向光線伝送路３と、伝送された照射光線を第１および第２の照射光線に分割し、さらに第１および第２の反射光線を一つに合成する光線分割合成装置６０と、第１および第２の照射光線を伝送するとともに第１および第２の反射光線を伝送する第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂと、対象回転体５の表面に取り付けられ、第１および第２の照射光線を反射する第１および第２の反射板６ａ，６ｂとを備えている。
【０１２５】
さらに本実施の形態の回転体計測装置は、前記第１および第２の照射光線を第１および第２の反射板６ａ，６ｂに照射し、第１および第２の反射板６ａ，６ｂによる第１および第２の反射光線を受光する第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂと、第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂによって受光されて第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂによって伝送され、光線分割合成装置６０によって合成された後、反射光線伝送路９によって伝送される反射光線を検知する光検知装置１１と、光検知装置１１の出力信号を信号処理する信号処理装置１４とを備えている。
【０１２６】
光線分割合成装置６０は、一方向光線伝送路３によって伝送される照射光線を第１および第２の照射光線に分割するともに、第１および第２の反射光線を一つに合成し、反射光線伝送路９へ送出するように構成されている。このような構成は数多く存在するが、その一例を図１２に示す。
【０１２７】
すなわち、光線伝送路３，４ａ，４ｂ，９のいずれか一つによって入射される光線が、レンズ６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄを介してビームスプリッタ６２で反射成分と透過成分に二分割され、対向する光線伝送路３，４ａ，４ｂ，９のいずれか一つおよびビームスプリッタ６２の向きで決まる光線伝送路３，４ａ，４ｂ，９のいずれか一つの２つに出射されるようになっている。
【０１２８】
また、第１および第２の反射板６ａ，６ｂは、対象回転体５の周方向に対し、第１および第２の反射板６ａ，６ｂの周方向長さLb[mm]より長い間隔を離して取り付けられている。
【０１２９】
以上のように構成した第４の実施の形態の回転体計測装置において、光線発生装置２から出射した照射光線は、一方向光線伝送路３によって光線分割合成装置６０へ伝送される。そして、光線分割合成装置６０において照射光線は、レンズ６１ｂを経て約半分がビームスプリッタ６２で反射し、レンズ６１ａを経て第１の双方向光線伝送路４ａへ出射され、第１の照射光線となる。一方、ビームスプリッタ６２を透過する他の約半分の照射光線は、レンズ６１ｄを経て第２の双方向光線伝送路４ｂへ出射され、第２の照射光線となる。
【０１３０】
以上に述べた作用の結果、光線発生装置２が発生する照射光線を光線分割合成装置６０で分割して第１および第２の照射光線とすることにより、１個の光線発生装置で２つの照射光線を得ることができる。その結果、簡素かつ低コストな回転体計測装置とすることができる。
【０１３１】
なお、この第４の実施の形態の回転体計測装置において、第１および第２の送受信装置７ａ，７ｂによって受光され、第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂによって伝送される第１および第２の反射光線は、光線分割合成装置６０へ各々伝送される。
【０１３２】
第１の双方向光線伝送路４ａから入力される第１の反射光線は、レンズ６１ａを経てビームスプリッタ６２を透過し、レンズ６１ｃを経て反射光線伝送路９へ出力される。なお、ビームスプリッタ６２で反射する部分は用いない。
【０１３３】
他方、第２の双方向光線伝送路４ｂから入力される第２の反射光線は、レンズ６１ｄを経てビームスプリッタ６２で反射し、レンズ６１ｃを経て反射光線伝送路９へ出力される。なお、ビームスプリッタ６２で透過する部分は用いない。そして、第１および第２の反射光線は、反射光線伝送路９によって光検知装置１１へ伝送される。
【０１３４】
光検知装置１１では、図１３に示す出力信号６３が得られる。そして、回転速度f[Hz]は、i回転時とi+1回転時の第１の反射板６ａによる波形６４または第２の反射板６ｂによる波形６５から求めることができ、出力トルクTrq[Nm]は、第１の反射板６ａによる波形６４および第２の反射板６ｂによる波形６５から求めることができる。
【０１３５】
このようにして、第１および第２の反射光線を光線分割合成装置６０で合成して光検知装置１１で検知することにより、１台の光検知装置１１だけで第１の反射板６ａによる波形６４および第２の反射板６ｂによる波形６５を得ることができる。その結果、簡素かつ低コストな回転体計測装置とすることができる。
【０１３６】
さらになお、この第４の実施の形態の回転体計測装置において、光線分割合成装置６０は、１つの一方向光線伝送路３から入力される照射光線を第１および第２の照射光線に分割し、第１の照射光線を第１の双方向光線伝送路４ａに出力し、第２の照射光線を第２の双方向光線伝送路４ｂへ出力する。他方、第１および第２の双方向光線伝送路４ａ，４ｂによって伝送される第１および第２の反射光線を共に１つの反射光線伝送装置９へ出力する。
【０１３７】
このようにして、第１および第２の照射光線への分割に加え、第１および第２の反射光線の合成を光線分割合成装置６０だけで行うことができる。その結果、簡素かつ低コストな回転体計測装置とすることができる。
【０１３８】
以上、本発明の４つの実施の形態の回転体計測装置を説明したが、これら４つの実施の形態における構成要素を適宜入れ替えた実施の形態も可能である。
【０１３９】
【発明の効果】
本発明によれば、回転機器や車両などの回転体へ簡単に適用して回転速度あるいは出力トルクを非接触で高精度に計測することができる簡素かつ低コストな回転体計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の回転体計測装置の構成を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の回転体計測装置における送受信装置の構成を示す図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の回転体計測装置における光線分離装置の構成を示す図。
【図４】本発明の第１の実施の形態の回転体計測装置における出力信号を示す図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の回転体計測装置の構成を示す図。
【図６】本発明の第２の実施の形態の回転体計測装置における照射径可変送受信装置の構成を示す図。
【図７】本発明の第２の実施の形態の回転体計測装置における出力信号を示す図。
【図８】本発明の第３の実施の形態の回転体計測装置の構成を示す図。
【図９】本発明の第３の実施の形態の回転体計測装置における分布型反射板を示す図。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の回転体計測装置における出力信号を示す図。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の回転体計測装置の構成を示す図。
【図１２】本発明の第４の実施の形態の回転体計測装置における光線分割合成装置の構成を示す図。
【図１３】本発明の第４の実施の形態の回転体計測装置における出力信号を示す図。
【図１４】従来の回転体計測装置を示す図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…照射光線、１ａｒ，１ｂｒ…反射光線、２，２ａ，２ｂ…光線発生装置、３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ…一方向光線伝送路、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…双方向光線伝送路、５…対象回転体、６ａ，６ｂ…反射板、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ…送受信装置、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ…光線分離装置、９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ…反射光線伝送路、１０ａ，１０ｂ…光学フィルタ、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…光検知装置、１２…電気信号伝送路、１３…サンプリング周波数選択装置、１４…信号処理装置、１５ａ，１５ｂ…位置調整装置、１６，１７，１８…レンズ、２０…ビームスプリッタ、２１…ミラー、２２，２３…レンズ、２７，２８…出力信号、２９，３０…パルス光線発生装置、３１，３２…反射板群、３３，３４…照射径可変送受信装置、３５…レンズ、３６…レンズ駆動装置、３７，３８…出力信号群、３９，４０，４１，４２…波長可変光線発生装置、４５，４６，４７…分布反射板、４８…高反射領域、４９…低反射領域、５０…規則分布領域、５１，５２…不規則分布領域、５６，５７，５８，５９…第１〜第４の出力信号、６０…光線分割合成装置、６１，６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ…レンズ、６２…ビームスプリッタ、６３…出力信号、６４…第１の反射板による波形、６５…第２の反射板による波形、７０…回転軸、７１Ａ，７１Ｂ…回転体、７２Ａ，７２Ｂ…光源装置、７３Ａ，７３Ｂ…光電変換素子、７４…演算手段。
Claims (1)
- 回転速度または出力トルクの少なくともいずれか一方を計測すべき対象回転体の表面に取り付けられた反射手段に照射して前記計測を行うための波長可変の照射光線を発生する光線発生手段と、一方向光線伝送路および双方向光線伝送路を介して前記照射光線を導入され前記照射光線を前記反射手段に照射して反射光線を受光する送受信手段と、前記一方向光線伝送路と前記双方向光線伝送路のあいだに接続されて前記一方向光線伝送路から導入された単一の照射光線を複数に分割して複数の双方向光線伝送路へ送出するとともに、前記送受信手段によって受光され前記双方向光線伝送路によって伝送された前記反射光線を前記照射光線と分離し、前記複数の双方向伝送路から導入された複数の反射光線を合成して単一の反射光線を形成し反射光線伝送路へ送出する光線分割合成手段と、反射光線伝送路を介して前記光線分離手段に接続されて前記反射光線の波長を選択して検知する光検知手段と、この光検知手段が出力する出力信号のサンプリング周波数を選択して信号処理し前記対象回転体の回転速度または出力トルクの少なくともいずれか一方を演算する信号処理手段とを備えたことを特徴とする回転体計測装置。
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