JP6945333B2 - 軸型トルク変換器 - Google Patents

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。

本発明は、トルク検出部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、
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の方向を決定する光学素子と、
前記光学素子により方向が決定された光を受光する受光部と、
を備えている。

前記光源および前記光学素子は、前記回転軸の内部の空洞に配置され、
前記光学素子は、前記光源からの出力光を平行光とする回折光学素子と、前記回折光学素子からの平行光を反射する円錐形ミラーと、を備え、
前記円錐形ミラーにより反射された反射光は、前記回転軸に設けられたスリットを透過することにより、リング光として径方向外側に照射される、
ことが好ましい。

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をさらに備え、
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。

本発明の軸型トルク変換器の部分断面図である。 本発明の軸型トルク変換器の軸方向断面において光照射を示す図である。 本発明の軸型トルク変換器の径方向断面において光照射を示す図である。 本発明の軸型トルク変換器のスリットの一例を示す図である。 本発明の軸型トルク変換器の斜視図である。 本発明の軸型トルク変換器の回路図である。

図１は、本発明の軸型トルク変換器の部分断面図であり、図２は、本発明の軸型トルク変換器の軸方向断面において光照射を示す図であり、図３は、本発明の軸型トルク変換器の径方向断面において光照射を示す図であり、図４は、本発明の軸型トルク変換器のスリットの一例を示す図であり、図５は、本発明の軸型トルク変換器の斜視図である。
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は、軸方向に分割され、第１の回転軸部１１０（図１の右側）と第２の回転軸部１２０（図１の左側）とからなる。
第１の回転軸部１１０は、第２の回転軸部１２０側の一端に、後述する円錐形ミラー３４０が設けられている。
第２の回転軸部１２０は、第１の回転軸部１１０側の内部に空洞が設けられ、円筒形に構成されている。第２の回転軸部１２０には、光を透過させるためのスリット１２１Ｓが設けられている。

図４（ａ）に示すように、スリット１２１Ｓには、全周に透明部材Ｔが設けられていてもよいし、図４（ｂ）に示すように、スリット１２１Ｓには、一部に透明部材Ｔ１、Ｔ２、・・・が設けられていてもよいし、図４（ｃ）に示すように、スリット１２１Ｓが、複数の開口Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、・・・から構成され、各開口Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、・・・がランニングボンドのように配置されていてもよい。

また、第２の回転軸部１２０には、一部に第２の回転軸部１２０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。
なお、第１の回転軸部１１０の縁部１１３Ｅは、第２の回転軸部１２０の縁部１２３Ｅに接続され、第１の回転軸部１１０および第２の回転軸部１２０は、一体として構成されている。以下、第１の回転軸部１１０および第２の回転軸部１２０の両方を意味する場合には、単に回転軸１００として説明する。
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からの出力光の方向を決定する光学素子と、光学素子により方向が決定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、第２の回転軸部１２０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、第２の回転軸部１２０の内部の空洞の径方向中心に配置されている。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。

光学素子は、光源３２０からの出力光を平行光とする回折光学素子３３０（回析格子、コリメートレンズ等）と、回折光学素子３３０からの平行光を反射する円錐形ミラー３４０と、を備えている。回折光学素子３３０は、第２の回転軸部１２０の内部の空洞に配置されている。円錐形ミラー３４０は、第１の回転軸部１１０の一端に設けられ、第２の回転軸部１２０の内部の空洞に配置されている。円錐形ミラー３４０により反射された反射光は、スリット１２１Ｓを透過することにより、周方向に均一な照度のリング光として径方向外側に照射される。リング光は、スリット１２１Ｓ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、回折光学素子３３０と円錐形ミラー３４０とを備えている光学素子は、光源３２０からの光信号αを受光部３５０に非接触で伝達する。

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、第１の回転軸部１１０に取り付けられ、第１の回転軸部１１０と一体となって回転する。
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５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、第１の回転軸部１１０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６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、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、回折光学素子３３０および円錐形ミラー３４０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。

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。
例えば、図示例では、１つの発光素子からなる光源３２０が、第２の回転軸部１２０の内部の空洞の径方向中心に配置されているが、光源３２０は複数の発光素子から構成されてもよいし、光源３２０は、第２の回転軸部１２０の内部の空洞の径方向中心からずれて配置されてもよい。ただし、回転軸１００重力バランスを考慮すると、図示例の構成が好ましい。
また、支持板４００は、第２の回転軸部１２０に取り付けられてもよい。

１ 軸型トルク変換器
１００ 回転軸
１１０ 第１の回転軸部
１２０ 第２の回転軸部
１２１Ｓ スリット
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 回折光学素子
３４０ 円錐形ミラー
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 (3)

1. トルク検出部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、
   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の方向を決定する光学素子と、
   前記光学素子により方向が決定された光を受光する受光部と、
   を備えており、
   前記光源および前記光学素子は、前記回転軸の内部の空洞に配置され、
   前記光学素子は、前記光源からの出力光を平行光とする回折光学素子と、前記回折光学素子からの平行光を反射する円錐形ミラーと、を備え、
   前記円錐形ミラーにより反射された反射光は、前記回転軸に設けられたスリットを透過することにより、リング光として径方向外側に照射され、
   前記光源は、複数の発光素子から構成されており、
   前記スリットには、全周に透明部材が設けられている、
   軸型トルク変換器。
2. 前記空洞が形成された前記回転軸の外径は、一定である、
   請求項１に記載の軸型トルク変換器。
3. 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をさらに備え、
   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または２に記載の軸型トルク変換器。

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