JPH0159530B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、トルク伝達軸に生じるトルクの大き
さに比例したねじれ角を光電的に位相差信号に変
換して取出すトルク検出器に関する。

産業上の利用分野 トルクは、エンジン、モータ等の原動機の性能
を表わす重要な特性値の一つであり、原動機の検
査、あるいは研究開発における評価試験はもちろ
ん、その原動機と結合されるポンプ等の負荷装置
の性能試験においてトルクの測定は欠かせない。
トルク検出器は、このような試験に広く利用され
るものである。

従来技術 先ず、公知のものについて簡単に説明する。

第１図において、軸方向に間隔を隔てた軸１上
の２点には、環体１１，２１の基部が固着されて
その各開放端面に一体的に固着された円板１２，
２２は近接して対向し、その円板１２，２２の周
辺に穿設された等ピツチで、デユーテイー１：１
のスリツト列を挾んで発光素子３０と受光素子４
０が対向する状態に配置されている。

以上のものにおいて、いま、軸１がトルクを伝
達し、それにより軸１がねじられ、環体１１，２
１の基部間の軸１にねじれ角θが生じると、円板
１２と２２も一体的に相対角変位θを生じ、した
がつて、両円板１２と２２のスリツトの重合面積
も角変位θに比例して変わり、その結果、投光素
子３０からその重合面積部分を介して受光素子４
０に達する光量が変わり、受光素子４０の出力を
変化させることになる。

さて、第２図は円板１２，２２のスリツト１
２′，２２′の重合状態と受光素子４０の出力との
関係を表わした図である。先ず、円板１２を基準
にして円板２２が角変位し、その結果、スリツト
１２′に対し２２′が右方に移動する場合の角変位
θと両スリツト１２′，２２′の重合面積の関係を
みるのに、いま、完全に非重合の状態（スリツト
１２′の左端と２２′の右端の位置が一致）から円
板２２が右方に回動すると、重合面積はその回動
角変位に比例して増加し、その角変位がスリツト
ピツチ角θpの1/2に達した際、完全に重合する。
続いて、そのθp／２からさらに右方に回動する
と、前記とは逆に、回動角変位に比例して減少
し、θpに達すると、再び元の状態の非重合とな
る。以上のように、スリツト１２′，２２′の重合
面積は、角変位θに対して三角波状に変化するわ
けである。次に、その重合面積と受光素子４０の
出力の関係をみるのに、理想的には両者は等しい
変化となるはずであるが、実際には、両円板１
２，２２間での光の回折や発光面、受光面が円形
であること等に影響されて前記のように重合面積
が三角波状に変化した場合、受光素子４０の出力
はサイン波あるいはサイン波に極めて近似した(ロ)
に示すような変化を生じることになる。

したがつて、この受光素子４０の出力V〓を測
定しても、それは角変位θとは比例せず、直接θ
は求められない。

これを改善するものとして、位相差方式のもの
がすでに特開昭55−164323号「光電式トルク検出
装置」として公知である。

これは、前記第１図の円板１２と２２の間隙を
大にしてその間の軸上にベアリングを介して円筒
体を支承し、その円筒体の左右端面には、円板１
２，２２とそれぞれ対向するように別の円板をそ
れぞれ固着し、左右のそれぞれにおいて、円板対
を挾んで発光素子と受光素子を対向させ、前記円
筒体を外部モータと係合させて常時軸の回転方向
と反対方向に回転させるようにしたものである。
これによれば、軸が静止していても円板１２，２
２とそれぞれ対向する別の円板が回転させられて
いるので、そのスリツトピツチθp回転ごとに各
受光素子にはサイン波の１周期分が発生し、その
二つのサイン波の位相差αは角変位θに比例する
ことになる。

しかし、このものは、全体に大形化してしまう
ことは避けられず、また、構造も複雑化し、組立
に多大の手数を要すると共に、それだけ各構成部
品にも厳しい加工精度が要求される問題点があ
る。また、このものにおいては、軸回転数が低く
なればなるほど検出間隙が長くなり、広い軸回転
数範囲にわたつて一様の応答特性でトルクを求め
られない問題点が残る。

発明が解決しようとする問題点 本発明は、上記した従来技術の欠点を除き、構
造が部品数が少なく、しかも小形でありながら、
静止状態を含む広い軸回転数範囲にわたつて高い
応答特性をもつトルク検出器を提供しようとする
ものである。

問題点を解決するための手段。

そこで、本発明は、位相変調検出方式の検出原
理をねじれ角の検出に利用したものであり、軸方
向の間隔を隔てた２点にそれぞれの基部を固着し
た２枚の円板を近接して対向させ、一方の円板の
周辺上には等ピツチに第１のスリツト列を形成
し、他方の円板の半径の異なる周辺上には第１の
スリツト列と同一ピツチで、互に配列位置が1/4
ピツチずれた第２、第３のスリツト列をそれぞれ
穿設し、その第１と第２のスリツト列、第１と第
３のスリツト列をそれぞれ挾んで一方に第１、第
２の発光素子を、他方に第１、第２の受光素子を
配置して対向させ、その第１、第２の発光素子
は、点灯制御部により互に90度の位相ずれをもつ
サイン波状出力で各別に点灯制御させ、第１、第
２の受光素子出力と前記点灯制御部の90度位相差
の二つのサイン波状出力を反転させた出力との合
成出力と、前記サイン波状出力、またはその反転
出力との位相差を取出すようにしたものである。
すなわち、本発明は、機構部分の構成は１対の発
光および受光素子の増加のみとし、発光素子の点
灯をサイン波状に制御させることにより光電的に
そのサイン波と同じ周期ごとに角変位に対応する
位相変化をもつ出力が得られるようにしたもので
ある。

実施例 以下、本発明の実施例につき図面に基づいて詳
細に説明する。

機構部を示す第３図において、前記第１図と同
番号を付した軸１、取付環体１１，２１は第１図
と同様のものであり、その対向する環体１１，２
１の開放端面には円抜１３，２３がそれぞれ固着
されている。その円板１３に形成された第１のス
リツト例１４は第４図に示すように、等ピツチの
デユーテイー１：１のものであり、それと対向す
る他方の円板２３の周辺には、第５図に示すよう
に第１のスリツト列１４と同じピツチを有し、
各々は配列位置が互に1/4ピツチずれた外周の第
２、その内側の第３のスリツト列２４，２５が形
成されている。そして、その第１と第２のスリツ
ト列１４，２４、第１と第３のスリツト列１４，
２５をそれぞれ挾んで対向するように第１の発光
素子と受光素子３１，４１、第２の発光素子３２
と受光素子４２がそれぞれ配設されている。

第６図は、その発光素子３１，３２の発光量を
制御する点灯制御部５０と、受光素子４１，４２
の出力の取出部を示すブロツク線図であり、発振
器５１のサイン波出力端子およびそれと90度だけ
位相のずれたコサイン波の出力端子は、それぞれ
前記発光素子３１，３２の駆動回路５４，５５の
入力端子と結線されると供に、インバータ５２，
５３の入力端とも結線されている。そして、その
インバータ５２，５３の出力端子と受光素子４
１，４２の出力端子は、加算器６０の増幅部の入
力端子にそれぞれ結線されている。

以上のものにおいて、いま、発振器５１により
トルクを求めようとする時間間隔Ｔによつて定め
た角速度ω（＝2π／Ｔ）のサイン波およびコサイ
ン波を発振させ、駆動回路５４，５５にそれぞれ
入力させると、発光素子３１，３２の発光量は、
そのサイン波およびコサイン波状に変化させられ
ることになる。ただし、この場合、発光素子３
１，３２の発光量を負の値とすることは不可能で
あり、当然、ある正の発光量の範囲、例えば、０
〜2Aの間の発光量、すなわちＡ（sinωt＋１）お
よびＡ（cosωt＋１）の発光量に制御される。そ
して、光量Ａ（sinωt＋１）のうち第１と第２のス
リツト列１４，２４を透過した分が受光素子４１
に達し、光量Ａ（cosωt＋１）のうち、第１と第
３のスリツト列１４，２５を透過した分が受光素
子４２に達し、それぞれ入射光量に対応した電気
信号に変換されることになる。したがつて、各受
光素子４１，４２に発生する電気信号もまた角速
度ωのサイン波およびコサイン波となり、その波
高が光の透過面積、すなわち、各対向するスリツ
トの重合面積によつて変わることになる。

さて、すでに前記第２図により説明したよう
に、二つのスリツトの重合面積は両円板１３，２
３の相対角変位θが０からスリツトピツチθpま
で変化する間に三角波状に変化するが、重合面積
とその透過光量の関係はサイン波状に変化する。
したがつて、受光素子４１，４２の出力も、それ
ぞれ角速度ωで変化しながら同時にその高さが角
変位θに応じてサイン波、コサイン波状に変化す
ることになる。

すなわち、いま、前記した発光素子３１，３２
の発光量Ａ（sinωt＋１）、Ａ（cosωt＋１）が投光
され、それらと対向するスリツトが完全に非重合
のときの受光素子４１，４２の出力を０、完全に
重合したときの出力を2Bとおくと、受光素子４
１，４２の出力e₁、e₂はスリツトピツチθpを2πと
する電気角α（＝2πθ／θp）によつて次のように
表される。

e₁＝(B/2)(sinα+1)(sinωt+1) e₂＝(B/2)(cosα+1)(cosωt+1) (1) 続いて、各出力e₁、e₂は加算器６０に入力さ
れ、そこにインバータ５２，５３から導入され、
受光素子の変換係数に応じたＢ／２倍に増幅され
た（Ｂ／２）（−sinωt）、（Ｂ／２）（−cosωt）
と加算され、次のような合成出力ｅに変過され
る。

ｅ＝（Ｂ／２）〔cos（ωt−α） ＋｛２＋sinθ ＋cosθ｝〕 (2) ここで、右辺第２項の｛ ｝内は、第１項の
cos（ωt−α）のレベルを変化させるだけであり、
結局、合成出力ｅは角速度ωの交流電圧信号で、
その位相が角変位θに比例して変化するものとな
る。

したがつて、以下、この合成出力ｅと前記発振
器５１、あるいはインバータ５２，５３のいずれ
か一つとの位相を比較することにより、位相の変
化量α、すなわち、角変位θは合成出力の一定の
周期Ｔ（＝2π／ω）ごとに得られる。

なお、上記実施例においては、受光素子４１，
４２の出力をそのまま加算器６０に入力して加算
させる場合を例示したが、中途にフイルタを介し
てe₁、e₂を０レベルを中心に変化する（Ｂ／２）
（sinα＋１）sinωt、（Ｂ／２）（cosα＋１）cosωt
に変換後加算させてもよい。

効 果 以上のとおりであり、本発明は、ねじれ角θに
応じて相対的に角変位させられる円板により互に
90度の位相ずれをもつ２個のスリツト列対にその
重合変化を生じさせると共に、その各重合部に投
光する光量を90度位相のずれたサイン波状に変化
させ、さらにその受光出力と投光出力の反転出力
とを合成し、ねじれ角をその合成出力の位相変化
に変換して取り出すので、ねじれ角に比例するト
ルクはその合成出力の一定の周期ごとに取出すこ
とができ、軸の静止中から高速まで広い軸回転数
範囲にわたつて高い応答性をもつてトルクが求め
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知のものの検出部を示す正面図、第
２図はその動作説明図、第３図は本発明の検出機
構部の実施例を示す正面図、第４，５図は円板の
実施例を示す側面図、第６図は本発明の点灯制御
部の実施例を示すブロツク線図である。１３，２
３：円板、１４，２４，２５：スリツト列、３
１，３２：発光素子、４１，４２：受光素子、５
０：点灯制御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 軸方向の間隔を隔てた２点にそれぞれの基部
   を固着した２枚の円板を近接して対向させ、一方
   の円板の周辺上には等ピツチに第１のスリツト列
   を穿設し、他方の円板の半径の異なる周辺上には
   第１のスリツト列と同一ピツチで、互に配列位置
   が1/4ピッチずれた第２、第３のスリツト列をそ
   れぞれ穿設し、その第１と第２のスリツト列、第
   １と第３のスリツト列をそれぞれ挾んで一方に第
   １、第２の発光素子を、他方に第１、第２の受光
   素子を配置して対向させ、その第１、第２の発光
   素子は、点灯制御部により互に90度の位相ずれを
   もつサイン波状光量に各別に点灯制御させ、第
   １、第２の受光素子出力と前記点灯制御部の90度
   位相差の２つのサイン波状出力の各反転出力との
   合成出力と前記のサイン波状出力またはその反転
   出力との位相差からトルクを検出するところのト
   ルク検出装置。