JPH04118537A - トルク測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はトルク測定方法に関し、更に詳細には例えばモ
ータなどの回転機或いはドライブシャフトなどあらゆる
回転力伝達装置における回転軸の軸トルクを非接触によ
り測定する方法に関する。

（従来の技術） 一般に、トルクを受ける棒状の受動部材においては、そ
の表面で最大となるせん磁歪が発生する。

そこでトルクを測定する方法として、このせん磁歪を利
用したものが種々発明されている０例えば、歪によるせ
ん断角度を求める方法、歪による電気抵抗の変化を求め
る方法、歪による透磁率の変化を求める方法などである
。しかし、歪による光学的性質の変化の一つである光弾
性効果を利用した測定方法はない、そこで従来のトルク
測定方法として、高精度で且つコストが低く、しかも非
接触測定が可能な方法である歪による透磁率の変化を利
用したトルク測定方法について説明する。

外力が印加される棒状の受動部材が磁性材である場合に
は、外力によって受動部材に歪が生し、この歪に応して
その透磁率が変化する。従って、受動部材に磁束を通す
ことにより歪の度合を透磁率の変化として検出できる。

第３９図は例えば特開昭５７−２１１０３０号公報に示
された従来のトルク測定方法を示す概略構成図であり、
図において、１はトルクを受ける棒状の受動部材、２は
受動部材ｌに帯状に固着され、受動部材１に印加された
トルクによって発生する内部歪量に応じて透磁率が変化
する一対の高透磁率軟磁性材からなる磁歪層、３は各磁
歪層２ａ、２ｂの外周にそれぞれ設けられ、その透磁率
の変化量を検出する検出器であると同時に磁気駆動源で
もある一対３ａ、３ｂの検出コイルである。各磁歪層２
ａ、２ｂは複数個の短冊状素片から構成されており、左
右対称に±４５度の角度をなすよう配設されている。

次に、動作について説明する。受動部材１に外部からト
ルクが印加されると、短冊状素片からなる磁歪層２の長
軸方向を主軸とする主応力が発生する。この主応力は例
えば一方の磁歪層２ａの素片群が引張応力であるとすれ
ば、他方の磁歪層２ｂの素片群は圧縮応力である。そし
て、この２つの応力の絶対値は等しい。一般に、磁歪定
数がゼロではない磁性材料に応力が加わるとその磁気的
性質が変化し、結果として透磁率の変化をもたらすこと
は前述した通りであるが、この現象は機械エネルギを磁
気エネルギに変換するいわゆる磁歪変換器で使われるも
のであり、磁性材料を変形させると変形量に応じて透磁
率が変化するＶｉｌｌａｒｉ効果に該当する。又、磁歪
の大きさを定量的に表わす量である磁歪定数が正の場合
は、引張応力が働くときにｉ！ｉ磁率が増大し、圧縮応
力が働くときは透磁率が減少すること、及び磁歪定数が
負の場合にその逆の結果となることが知られている。従
って、外部より印加されたトルク量に応した変形を各磁
歪層２ａ、２ｂの透磁率変化として検出し、この透磁率
変化を検出コイル３ａ。

３ｂにより磁気的インピーダンスの変化として検出する
。そして、この２つのコイルの磁気的インピーダンス変
化の差を求めることにより、受動部材１に印加されたト
ルクによる歪量を測定し、これに伴うトルクを検出する
ことができる。このとき、差を求めることにより、トル
ク作用方向によるｉ！！ｉｉ磁率変化量の怒度差がなく
、線形な出力が得られる。また同時に曲げ応力や周囲温
度による感度影響を少なくできる。

（発明が解決しようとする課題） 従来の高精度で非接触測定が可能な歪による透磁率の変
化を利用したトルク測定方法は、以上のように構成され
ているので、棒状の受動部材に高剛性で、高価な磁歪膜
を成膜しなければならず、製造プロセスが複雑で、しか
もドリル、エンドミルなどの回転工具に代表される使い
捨て棒状受動部材への成膜においてはコストが割高にな
り、また、磁歪層の軸方向の長さを短くすると測定感度
が低下するため、小型化が困難であり、更に、トルク測
定のＳ／Ｎを上げるために、外部磁場の遮蔽機構や検出
用の磁束を効果的に磁歪層に導く機構などが必要である
などの問題点があった。

本発明の目的は、かかる従来の問題点を解消するために
なされたもので、外部磁場の影響を受けることなく、回
転する軸のトルクを非接触で簡便に検出感度高く測定で
き、しかも光弾性皮膜の成膜が容易で測定装置が安価で
、小型化できるトルク測定方法を提供することにある。

（ａｌ１題を解決するための手段） 本発明のトルク測定方法は、第１に、トルクを受ける棒
状の受動部材に光弾性皮膜を形成し、この光弾性皮膜に
光源から偏光特性が安定した光を入射し、この入射光を
前記光弾性皮膜と前記受動部材の境界面で反射させ、こ
の反射光を特定の偏光状態の光のみを通す検光子を通過
させ、この検光子通過光の強度を光強度検出器で検出し
、前記受動部材にかかるトルクを予め求めた検光子通過
光の強度とトルクとの関係から求めることを特徴とする
。

本発明のトルク測定方法は、第２に、トルクを受ける棒
状の受動部材に光弾性皮膜を形成し、光源から偏光ビー
ムスプリッタ−を介する光を前記光弾性皮膜と前記受動
部材の境界面に垂直に入射し、該境界面から反射した光
のうち前記偏光ビームスプリンターを介する光の強度を
検出器で測定し、この測定値より前記受動部材にかかる
トルクを測定することを特徴とする。

本発明のトルク測定方法は、第３に、トルクを受ける棒
状の受動部材に光弾性皮膜を形成し、前記光弾性皮膜と
前記受動部材の境界面に光を入射し、前記境界面から反
射した光をλ／４波長板を通して直線偏光に変換し、こ
の直線偏光の回転角度をもとに前記受動部材にかかった
トルクを測定することを特徴とする。

本発明のトルク測定方法は、第４に、トルクを受ける棒
状の受動部材に光弾性皮膜を形成し、前記光弾性皮膜と
前記受動部材との境界面に直線偏光を入射し、前記境界
面から反射した光をλ／４波長板を通し、更に前記光弾
性皮膜へ入射する直線偏光の振動方向と偏光子を透過す
る光の振動方向とのなす角が４５度以上９０度以下であ
る、偏光子を透過した光の強度を検出器で測定し、この
測定値により前記受動部材にかかったトルクを測定する
ことを特徴とする。

（作　用） 本発明における第１のトルク測定方法によると、歪によ
る複屈折率の変化すなわち光弾性効果を利用し、トルク
を受けることによる棒状受動部材表面の光弾性皮膜の屈
折率楕円体の変化を、偏光特性が安定した光をその光弾
性皮膜の内部を通すことにより、偏光状態の変化に変換
し、この光弾性効果を受は変化した偏光状態の反射光を
例えば入射光の偏光状態と異なる偏光状態の光のみを透
過させるなど特定の偏光状態の光を通す性質を有する検
光子を通過させ、光強度検出器でその検光子通過光強度
を検出することによりトルクを測定する。

本発明における第２のトルク測定方法によると、トルク
を受けることにより棒状の受動部材表面の光弾性皮膜の
屈折率楕円体が変化することを利用し、光源からの光を
偏光ビームスプリッタ−を介して直線偏光に変換し、そ
の直線偏光を光弾性皮膜の内部を通すことにより、屈折
率楕円体の変化に対応した楕円偏光に変換し、この楕円
偏光のうち入射直線偏光と直交する直線偏光成分を偏光
ビームスプリッタ−を介して光強度検出器で受け、その
透過光強度を検出することによりトルクを測定する。

本発明における第３のトルク測定方法によると、トルク
を受けることにより棒状の受動部材表面の光弾性皮膜の
屈折率楕円体が変化すること（光弾性効果）を利用し、
この光弾性皮膜内部に直線偏光を通して屈折率楕円体の
変化を直線偏光の偏光状態変化に変換する。そして、こ
の楕円偏光をλ／４波長板を通して直線偏光に変換し、
この直線偏光の回転角から光弾性効果を測定することに
よりトルクを測定する。

本発明における第４のトルク測定方法によると、トルク
を受けることにより棒状の受動部材表面の光弾性皮膜の
屈折率楕円体が変化することを利用し、この光弾性皮膜
内部に直線偏光を通し、屈折率楕円体の変化を直線偏光
の偏光状態変化に変換し、この楕円偏光をλ／４波長板
を通して直線偏光に変換し、この直線偏光を光弾性皮膜
へ入射する直線偏光の振動方向と偏光子を透過する光の
振動方向とのなす角が４５度以上９０度以下である偏光
子を透過させることによりゼロトルクにおいても直線偏
光の一部が検光子を透過するように設定し、この偏光子
透過光の強度を検出器で測定することによりトルクを測
定する。

（実施例） 以下、本発明のトルク測定方法を添付図面に示された実
施例によって更に詳細に説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係るトルク測定方法を
示す構成説明図である。第１図において、１はトルクｌ
ｌａ、Ｉｌｂを受ける棒状の受動部材、１２は受動部材
１１の表面１ａに形成された光弾性皮膜、１３は安定し
た偏光特性を示す光を光弾性皮膜１２に入射させる光源
、１４は入射光の偏光状態であると共に第１図の場合光
源１３の光の偏光状態をそれぞれ示している。また、１
５は光弾性皮膜１２と受動部材１との境界面１ａで反射
した光、すなわち反射光の偏光状態、１６は反射光の偏
光状態１５のうち入射光の偏光状態１４からの変化分１
７を通す検光子、１８は検光子１６を通過した光の強度
を測定する光強度検出器である。なお、１９は説明に使
用する座標系であり、棒状の受動部材１の中心線２０の
方向にｙ軸方向を取り、Ｚ軸をｙ軸に垂直で入射平面と
平行に取り、ｙ軸をｙ軸及びＺ軸に垂直に取ったもので
ある。

そこで、本発明に係る第１の実施例におけるトルク測定
方法について、断面が円形の受動部材１にトルクｌｌａ
、ｌｌｂがかかった場合、せん磁歪をＴ、剛性をＧ、受
動部材１の半径をｒ、トルクをＴとすると、表面ｌａ上
でのせん磁歪Ｔは、ｙ＝２Ｔ／（πｒ’Ｇ）となること
は材料力学の示すところである。従って、半径が一定す
なわち断面が円形ならば表面１ａの円周上のどこでも均
一なせん磁歪Ｔが得られる。このとき、表面１ａに光弾
性皮膜１２が形成されていれば、受動部材１の変形に従
って光弾性皮１Ｉ１１２もせん磁歪を起こす。

そして当然ながら、光弾性皮膜１２のせん磁歪も均一で
ある。この歪により光弾性皮膜１２の後述する屈折率楕
円体は変形する。このように応力歪による屈折率楕円体
の変化を光弾性効果と言う。

さて、一般に光弾性皮膜材料は等方性媒質であるから、
歪がないときは媒質の屈折率楕円体は球形である。従っ
て、そのｘｙ断面は第２図の説明図に示されるように円
形２１となる。しかし、ここでトルクによる歪が生じる
と、屈折率楕円体のｘｙ断面はｙ軸からの角度θ＝４５
度方向につぶれ、θ＝−４５度（１３５度）方向に伸び
た楕円形２２に変形する。そしてこの変形の度合はトル
クの大きさ即ちせん磁歪の大きさに比例する。また、ト
ルクの方向が変わると楕円の伸びる方向とつぶれる方向
が逆になる。このような性質を持つ光弾性皮膜１２の膜
厚が均一であると、せん磁歪が均一であるから光弾性効
果も均一になる。この光弾性効果が均一であることが、
光弾性効果を利用した、せん磁歪を起こすトルクの測定
において必要なトルク測定精度を確保する必要条件であ
る。

このような屈折率楕円体２２の媒体を光が通るとその偏
光状態が変化する。第３図（ａ）および第３図０））は
入射光の偏光状態１４が第２図に示される屈折率楕円体
２２のような媒体を通ると、どのような偏光状１１１５
に変化するかを示す模式説明図である。第３図（ａ）は
入射光の偏光状態１４を座標系１９によって表わしたも
のであり、ここでは代表的な偏光である楕円偏光を例と
して示されている。また、第３図（ｂ）はその偏光状態
１４の入射光が屈折率楕円体２２を通つた後の光の偏光
状態で、第１図の反射光の偏光状８１５に相当し、これ
も座標系１９によって表わしたものである。楕円偏光が
光弾性効果を受けるとこのように楕円偏光の長軸と短軸
の強度比が変化し、楕円形が変形する。

この場合即ち偏光状態１５は偏光状ｊｌｉ１４に比較し
て太くなる。この入射光である楕円偏光の変化分、例え
ば楕円の短軸の変化分あるいは長軸の変化分、短軸と長
軸の強度比の変化分または楕円偏光のＸ成分とＸ成分の
位相差の変化分などはトルク歪の関数となる。このよう
な現象および性質がトルクを受ける受動部材表面に形成
された光弾性皮膜による光弾性効果の特徴である。

再び第１図に戻って説明を続ける。このような性質をも
つ光弾性皮膜１２に偏光状態が安定した光、即ち偏光状
態の光弾性効果による変化を検出し易い光を入射し、光
弾性皮膜１２と受動部材１との境界面で反射させると、
その偏光状態は入射光の偏光状ｊＥ！ｔ１４から変化す
る。この変化分だけを検光子１６で通過（透過または反
射）させ、光強度検出器１８で検光子通過光強度として
検出する。この光強度がトルクの関数であることは、以
上の説明から明かである。トルクが小さい場合、一般に
偏光状態の変化の度合は、トルクの増加とともに変化す
る単調関数である。また、検光子１６は反射光の偏光状
態１５のうち入射光の偏光状態１４からの変化分１７を
通す作用があるから、変化分がないとき、即ちトルクの
ないときは検光子通過光強度はゼロである。従って、検
光子通過光の強度はトルクの増加と共に増加する単調増
加関数となる。しかし、どんな関数であるかは、入射光
の偏光状態１４に依存するため、測定の最初に校正デー
タを取る必要がある。トルク測定は、この校正データと
検光子通過光強度がわかれば原理的に可能となる０以上
がこの第１の実施例におけるトルク測定方法の動作であ
る。このようにして光を用いて非接触で簡便にトルク測
定が可能となる。

ところで、入射光を直接偏光とし、その偏光の振動方向
を受動部材１の中心線２０に対して平行かまたは垂直に
設定すると、トルク検出怒度及び精度が向上する。第４
図（ａ）〜第４図（ｄ）は各々振動方向が異なる４種類
の直線偏光１４の入射光が、第２図に示されるような屈
折率楕円体２２の媒体を通る時どのような偏光状態１５
になるかその偏光状態の変化を示す模式説明図である。

第４図（ａ）〜第４図（ｄ）において、左方が入射光の
偏光状態１４を座標系１９によって表わしたもの、右方
がその入射光に対する反射光の偏光状態１５を座標系１
９によって表わしたものである。第４図（ａ）および第
４図（Ｃ）で示される直線偏光の入射光は、光弾性効果
によって楕円偏光に変換される。第４図（ｂ）および第
４図（６）に示されるように、Ｘ軸からの角度θ＝４５
度方向右方向０１１３５度方向の直線偏光は、その偏光
状態に変化を受けない、しかし４５度方向および１３５
度方向以外の偏光状態の光はすべてその偏光状態に変化
を受ける。第５図の特性図に偏光の振動方向のＸ軸から
の角度θと楕円の長軸に対する短軸の強度比の関係を示
す。

横軸がＸ軸からの角度θであり、縦軸がその強度比で最
大値をＲ，１，とじた場合の楕円の長軸に対する短軸の
強度比Ｒである。

前述したように振動方向がＸ軸から角度θ＝４５度及び
θ＝１３５度ては強度比はゼロである。

しかしθ＝０度（１８０度）及びθ＝９０度、すなわち
Ｘ方向の偏光（受動部材の中心線に対して垂直な方向）
とＸ方向（受動部材の中心線に対して平行な方向）の偏
光が入射光の場合、楕円の長軸に対する短軸の強度比が
最大である。このような関係が、直線偏光の振動方向の
Ｘ軸からの角度θと楕円の長袖に対する短軸の強度比Ｒ
との間にはある。

次に、第２の実施例として上記した関係を用いたトルク
検出怒度及び精度のより向上したトルク測定方法につい
て、関係する図を参照して説明する。第６図および第７
図はそれぞれ振動方向１４が受動部材１の中心線２０に
垂直及び平行な直線偏光を光弾性皮膜１２に入射した様
子を示す斜視説明図で、いずれの図もトルクがかかって
いない場合である。例えば第７図において、光弾性皮膜
１２を成膜した受動部材１に、直線偏光の振動方向１４
が受動部材１の中心線２０に平行である光を入射すると
、トルクがかかっていない場合には反射光の偏光状Ｂ１
５は直線偏光のままであるが、トルク１１が加わると、
反射光の偏光状態１５は第８図の斜視説明図に示される
ように楕円偏光になる。第４図および第５図によって既
に説明したように、直線偏光の振動方向がｙ軸方向の場
合、即ち受動部材の中心線２０に対して振動方向が平行
である場合、偏光状態の変化する度合は垂直である場合
と並んで最大である。

しかし、第９図に示されるように入射光の偏光の振動方
向が受動部材１の中心線２０に垂直でも平行でもない場
合、第８図の場合と等しい大きさのトルクＩｌａ、ｌｌ
ｂを加えても反射光の偏光状態１５の変化、例えば楕円
偏光の短軸方向の強度変化は、第８図の場合よりも小さ
いことは前述した通りである。従って、第８図において
偏光状態１５の反射光を、例えば楕円の短軸方向の偏光
だけを透過する性質を有する検光子１６に入射すれば、
偏光の振動方向が入射平面に対して垂直である場合（第
６図）と並んで、検光子透過光強度は最大になる。この
ような、直線偏光と楕円偏光の比較は、偏光板、偏光ビ
ームスプリッタ−１偏光プリズムなどの直線偏光を分離
する偏光子を使用すれば、第３図に示された偏光の変化
のようなある楕円偏光と他の楕円偏光の比較よりはるか
に容易に高精度、高感度で行える。すなわち、検光子１
６として偏光子を用い、その偏光子（検光子）を入射光
の偏光方向に直交する偏光方向の光（第８図では楕円の
短軸方向の光）のみを通すように、換言すれば入射光と
同し偏光状態の光は通さないように配置すれば、反射光
の偏光状態のうち入射光の偏光状態からの変化分の分離
感度が向上する。

従って、検光子透過光強度の増加と分離感度の向上との
相乗効果によって、偏光状態の変化分の分離のＳ／Ｎが
向上し、トルク検出感度及び精度が向上する。このよう
なトルク測定方法は更に第３の実施例ないし第５の実施
例として後に詳しく説明する。

さて、棒状受動部材の多くは金属製であり、その表面は
曲面であることが多い、金属面で光が反射するときは、
入射光と異なる偏光状態になる現象が他の物質に比べて
強く現われる。しかし、入射平面に対する偏光の振動面
が平行かまたは垂直の場合と、入射角がゼロ度の場合は
、入射光の偏光状態が保たれたまま反射する。

入射平面に対して偏光の振動方向がα１の方位角をなす
ものとすると、反射光の方位角はαアは、ｊａｎ（αｚ
）　＝　Ｐ　−ｅｘｐ（−ｉΔ）　・ｔａｎ（ｃｒ＋）
と表わされる。ここで、ＰはＳ成分振幅反射率／ｐ成分
振幅反射率を、ΔはＰ成分とＳ成分の位相変化の差を、
ｉは虚数単位を表わす、この式かられかるように、入射
光の方位角α１が０度または９０度のとき、反射光の方
位角α２は入射光の方位角α１に等しい。

すなわち、入射光の振動方向が入射平面に対して平行か
または垂直であれば、反射による偏光状態の変化はない
。

この作用を用いて、反射による光弾性効果によらない偏
光状態の変化を抑制してトルクを測定する場合について
関係する図により説明する。第１０図は振動方向が入射
平面に平行な入射光の偏光状態を示す斜視説明図である
。入射光と反射光によって形成される入射平面２３に平
行に入射光の偏光の振動方向を設定し、棒状の受動部材
１に入射させる。この場合は、前述の説明における入射
光の方位角α、が０度の場合に相当する。従って、反射
光の方位角α２の変化はなく、反射光の偏光状態１５は
入射平面２３に平行の直線偏光である。第１１図の斜視
説明図に示すように入射平面２３に対して入射光の振動
方向が垂直な場合も入射光の方位角α、は９０度である
から、反射光の方位角α２の変化はなく、反射光の偏光
状態１５は入射平面２３に垂直な直線偏光である。

しかし、第１２図の斜視説明図に示されるように入射平
面２３に対して入射光の振動方向が平行または垂直では
ない場合は、入射光の方位角α１は０度または９０度の
どちらでもないから、反射光の方位角α、は変化し、位
相変化の差なども変化するため、反射光の偏光状態１５
は楕円偏光に変化する。上述した偏光の変化は受動部材
表面を近似的に平面とした場合であるが、実際は曲面で
ある場合が多い、その場合は、反射による偏光状態の変
化は更に複雑になる。従って、入射光の振動方向を入射
平面に対して平行かまたは垂直にすることによって、曲
面による悪影響を低減する効果も含めて、反射による偏
光状態の変化を抑制できる。

ただ、第１図に示される実施例では、入射角を０度にす
ることは不可能である。しかし、より０度に近づけるこ
とによって、反射による偏光状態の変化を小さくできる
。第１３図は金属表面での反射特性の一例を表わす特性
図であり、横軸は入射角、縦軸は直交する偏光状態が反
射によってまじり合う度合Ｐ（ｓ成分振幅反射率／ｐ成
分振幅反射率）を表わす、ここでは銀の場合を例として
示す。第１３図かられかるように、約１５度で０．１％
（１／１０００）程度Ｐが変化する。従って、第１４図
の斜視説明図に示されるように入射角２４を１５度以下
に設定すれば、反射による偏光状態の変化は０．１％以
下となり、十分なトルク測定精度が得られる。なお、５
ＵＳ３０４、真鍮、＾ｌ、５Ｓ４１等のトルク測定実験
結果からも１５度以下の場合殆ど測定誤差がないことが
確かめられている。

ところで、棒状受動部材１の表面での反射においては、
入射光がその進行方向に垂直な有限な断面積を持つため
、入射光の断面での位置によって入射角が様々にかわる
。第１５図の断面説明図は受動部材１の断面形状が円形
で、平面波である入射光の入射及び反射の様子を示す。

円の中心に向かう光の入射角は０度である。しかし、そ
れ以外の光の入射角は各々異なる。従って、偏光の振動
方向が入射平面に平行かまたは垂直ではない場合、反射
により偏光状態がかなり変化することになる。

そこで、第１６図の断面説明図に示すように、焦点２５
が受動部材の中心線２０上あるシリンドリカルレンズ２
６を使用すれば、平面波入射光はレンズによって受動部
材１のすべての面にＺＸ平面上では入射角０度で入射す
る。従って、ｚｘ平面内では反射による偏光の変化が発
生する原因は取り除かれる。しかし、第１７図の断面説
明図に示すように、焦点２５が受動部材の中心線２０上
にないシリンドリカルレンズ２６を使用すれば、ＺＸ平
面上において平面波入射光はレンズによって受動部材の
すべての面に入射角０度で入射しない、従って、ｚｘ平
面内についても入射角に起因する反射による偏光の変化
が発生する。

なお、レンズの焦点を厳密に中心線上に置く必要はなく
、要求されるトルク測定精度によって焦点位置の設定範
囲が決まることは言うまでもない。

また、使用するレンズはシリンドリカルレンズではなく
安価な球面レンズでもよいが、金属表面での反射による
偏光状態の変化による悪影響を取り除く効果は減少する
。

さらに、円柱状の受動部材１にはシリンドリカルレンズ
が適していると考えられるが、他の断面形状を持つ受動
部材１については、その表面に入射角０度で光を入射す
るレンズまたはプリズムなどの光学素子を用いればよい
。

また、検光子１６に入射する光は受動部材１と光弾性皮
膜１２の境界面で反射した光だけではない、偏光子、レ
ンズ２６、光弾性皮膜１２、受動部材１からの散乱光、
偏光子、レンズ２６、光弾性皮膜１２表面からの反射光
など、トルク測定に利用できる信号光ではない光（ノイ
ズ光）なども入射する。しかし、それらの光は一般に強
度が低く、または信号光とは異なる方向に伝ばんするも
のが多い、従って、フィルターで信号光以外の光を遮蔽
し、信号光のみを検光子１６に入射すれば、トルク検出
精度を向上できる。第１８図、第１９図は、信号光以外
の光を遮蔽するフィルタリング光学系を配設した場合の
概念を示す説明図である。

まず第１８図によって示すように、焦点２５が受動部材
の中心線２０上にあるシリンドリカルレンズ２６を使用
し、受動部材１と光弾性皮膜１２の境界面からの反射光
のうち、受動部材１の表面に入射角０度で入射した光の
反射光のみを平行光にする。従って、信号光（平行光）
以外の光は、レンズ２６から十分部れれば発散してしま
い信号光のみが残る。この平行光は、金属表面での反射
による偏光状態の変化による悪影響を受けていない。

この光を、第１９図に示すピンホールなどの平行光の断
面形状と同形の穴を有するフィルター２７を通すことに
より、信号光以外の光を遮蔽できる。

従って、ノイズ光や光弾性効果は受けているが反射によ
る偏光状態の変化も受けているような光は取り除かれ、
トルク測定精度が向上する。

なお、ピンホールなどの平行光断面形状と同形の穴を有
するフィルターを、光路上とこにおいてもノイズ光など
の遮光を行えるが、最もトルク検出精度に影響を与える
光学素子である検光子１６の前段に配置することが、ト
ルク測定精度を最も多く向上させる。

ところで、ピンホールなどの平行光の断面形状と同形の
穴を有するフィルター２７を複数個用い、光路上のレン
ズ、鏡、偏光子などの光学素子の前段および後段に置い
てノイズ光などの遮光を行えばトルク検出精度が上がる
ことは言うまでもない。

なお、シリンドリカルレンズ２６は安価な球面レンズで
もよいが、金属表面での反射による偏光状態の変化によ
る悪影響を取り除く効果は多少減少する。

さらに、入射角０度で入射した光の反射光のみを平行光
に変換する光学素子は、シリンドリカルレンズに限らず
、棒状受動部材の断面形状に適合したレンズやプリズム
などでよい。

これまでの説明では、入射平面と受動部材の中心線とが
平行な場合について述べてきたが、平行に限る必要はな
く、第２０図の斜視説明図のように入射平面と受動部材
の中心線とが垂直でも、また第２１図の斜視説明図のよ
うに平行と垂直の間の状態でも本発明は適用できる。し
かし、入射光の偏光状態の設定、検光子など光学素子の
配置の行い易い本発明の構成は、入射平面と受動部材の
中心線とが平行かまたは垂直な場合であることは明かで
ある。

次に、本発明の第３の実施例におけるトルク測定方法に
ついて説明する。

この第３の実施例に係るトルク測定方法は、第１の実施
例で用いた検光子１６を偏光子とし、更に該偏光子１６
として偏光ビームスプリッタ−を用い、光源１３からの
平面波の光を９０度方向に反射させて直線偏光に変換し
、この直線偏光のみをピンホール２７に通し且つシリン
ドリカルレンズ２６を介して光弾性皮膜１２と受動部材
１との境界面に垂直に入射させ、その反射光のうち偏光
ビームスプリッタ−１６を透過した光の強度を光強度検
出器１８で測定し、この測定値に基づいてトルクを測定
する（第２２図）。

偏光ビームスプリッタ−１６は、入射光の偏光成分を直
交する偏光成分（直線偏光）に分離して出射する光学素
子である。偏光ビームスプリッタ−１６にいろいろな偏
光状態の光が重ね合ねさつた光１５を垂直に入射すると
、当該偏光ビームスプリッタ−１６が２つのプリズムを
張り合わせたものであることから第２３図に示されるよ
うにその張り合わせ面で直交する偏光成分が分離される
。

第２３　［Ｋ　（ａ）では張り合わせ面で９０度方向に
反射された光の偏光状Ｊ１％ｊ１７’は第２３図ら）に
示されるように２軸方向に振動する偏光成分（直線偏光
）に、また張り合わせ面をまっすぐに透過した光の偏光
状態１７は第２３図（Ｃ）に示されるようにｙ軸方向に
振動する偏光成分（直線偏光）になる、このように偏光
ビームスプリッタ−１６は入射光を直交する２つの直線
偏光に分離するが、入射光１５が第２４図に示されるよ
うに偏光ビームスプリッタ−１６に垂直ではなく斜めに
入射すると偏光成分の分離は第２４図〜）および第２４
図（Ｃ）に示されるように不完全になる。すなわち、張
り合わせ面で反射する光の偏光状態１７′も透過する光
の偏光状態１７も直線偏光ではなく第２４図（ｂ）、（
Ｃ）に示されるように楕円偏光である。従って、このよ
うに入射光１５が傾いていると完全な直線偏光は得られ
ない。

また、第２５図（ａ）に示されるように全体として入射
光１５は偏光ビームスプリンター１６に垂直に入射して
いるが、入射光１５が広がりを持つ場合も偏光成分の分
離は不完全になる。これは光の広がりのために光の大部
分が結果的に傾いて入射したことになるからである。そ
のため、張り合わせ面で反射する光の偏光状態１７′も
透過する光の偏光状ｊｌｑ１７も直線偏光ではなく第２
５図に示されるような楕円偏光である。このように入射
光１５が広がりを持つと完全な直線偏光が得られない。

なお、入射光１５が広がりではなく挟まりを持つ場合も
同じ理由から第２５図らＬ（Ｃ）に示されるように完全
な直線偏光が得られない、従って、完全な２つの直線偏
光の分離を行なうためには広がり又は挟まりのない光即
ち平面波を偏光ビームスプリンター１６に垂直に入射す
ることが必要である。

再び第２２図を参照して説明を続ける。このような性質
を持つ偏光ビームスプリッタ−１６に光源１３からの広
がりの無い光（平面波）を垂直に入射すると９０度方向
へ反射した光は直線偏光１４となる。そこで、この直線
偏光をピンホール２７、シリンドリカルレンズ２６を通
して受動部材１の中心線２０に直交するように光弾性皮
膜１２を介して受動部材１の表面１ａに入射させる。

ピンホール２７およびシリンドリカルレンズ２６の働き
は第１６図および第１９図に関連して既に説明した通り
である。このようにして受動部材１の表面１ａすなわち
光弾性皮膜１２との境界面に垂直に入射した光の反射光
は、入射時とまったく同じ光路で偏光ビームスプリッタ
−１６に返ってく　る　。

この光が直線偏光のままであれば、偏光ビームスプリッ
タ−１６の張り合わせ面ですべて光源１３の方向へ反射
してしまい、透過する光は無いことから、光強度検出器
１８の測定値はゼロとなる。しかし、もし光弾性効果を
受けて楕円偏光に変化すると、直線偏光に直交する成分
１７が張り合わせ面を透過し、検出器１８で透過光の強
度が測定される。この検出された透過光強度は前述した
ようにトルクの関数である。厳密な１真によると、トル
クをＴ、垂直な成分の強度を■とすると、光のロスが無
い場合、Ｉ−１゜ｓｉｎ”（Ｋ−Ｔ）となる。

ここで、Ｋは光弾性皮膜に依、存する定数、■。は光源
の強度である。従って、入射直線偏光の振動方向に直交
する偏光成分１７の強度Ｉを測定すれば受動部材１にか
かったトルクＴが求められる。

しかし、Ｋの値は光弾性皮膜の性質に大きく依存するた
め、測定の最初に校正データを取る必要がある。トルク
測定は、この校正データと透過光強度がわかれば原理的
に可能となる。このような第３の実施例に係るトルク測
定方法によれば、非接触で、しかも受動部材への成膜が
簡単でコストが極めて低く、軸方向への小型化が原理的
に光の回折限界まで可能で、更に外部磁気の影響を受け
ないトルク測定を可能にする。

さて、第２２図に示された第３の実施例に係るトルク測
定方法では偏光ビームスプリンター１６で反射した光を
光弾性皮膜に入射させたが、第２６図に示されるように
光源１３から偏光ビームスプリンター１６を透過した光
（直線偏光）を光弾性皮膜１２に垂直に入射し、受動部
材１と光弾性皮膜１２との境界面での反射光のうち偏光
ビームスプリッタ−１６の張り合わせ面で反射した光の
強度を検出器１８で測定しても全く同様の効果を得るこ
とができる。

また、第２２図および第２６図にそれぞれ示されるトル
ク測定方法においてはいずれも偏光ビームスプリンター
１６での入射光と反射光とで形成される入射平面と、受
動部材１の中心！２０とは平行であったが、これに限定
されるものではなく、第２７図に示されるように前述の
入射平面と受動部材１の中心線２０とが垂直であっても
よいし、また図示してはいないが垂直と平行の間の任意
の角度であってもよい、但し、光源１３や偏光ビームス
プリッタ−１６などの光学素子の配置を容易に行なうた
めには、入射平面と受動部材１の中心線２０とは平行又
は垂直であることがよいことは言うまでもない。

更に、前述した第３の実施例に係るトルク測定方法にお
いて、ピンホール２７やシリンドリカルレンズ２６がな
くても、又はシリンドリカルレンズが非球面レンズや球
面レンズであってもよい。

但し、散乱光や迷光の影響、境界面への垂直入射光以外
の光の影響などによりトルク測定精度は低下する。

次に、本発明の第４の実施例に係るトルク測定方法につ
いて説明する。第２８図には第４の実施例に係るトルク
測定方法を実施する装置が示されている。第２８図にお
いて、符号２８は受動部材１と光弾性皮膜の境界面で反
射された光の位相をλ／４ずらず波長板、２９は直線偏
光のみを透過する偏光子１６を回転させると同時にその
回転角度を検出する回転機をそれぞれ示している。

第１の実施例で説明したように直線偏光１４が屈折率楕
円体２２の媒体を通るとその偏光状態が変化し、楕円偏
光になる（第４図）。そして、第３の実施例で説明した
ように振動方向の偏光成分１７の強度■を検出器１８で
検出すれば受動部材にかかったトルクＴが求められる。

しかし、トルクｌｌａ、ｌｌｂの方向が変ってもトルク
の大きさが等しいときは、楕円偏光の回転方向は異なる
もののまったく同し形の楕円偏光が得られるため（第４
図（ａ）および第４図（Ｃ））、光強度だけからはトル
クのかかった方向までは判断できない。また、ゼロトル
クの近傍では検出感度は極めて低い。

そこで、この第４の実施例に係るトルク測定方法では、
検出器１８での反射光受光経路にλ／４波長板２８を配
置し、楕円偏光をこのλ／４波長板２日に入れて直線偏
光に変換し、この直線偏光の振動方向と平面波直線偏光
を出射する光源１３、ここではＨｅ−Ｎｅレーザーの直
線偏光の振動方向とのなす角φを測定すればトルクの大
きさと同時にその方向もわかる。

この原理を第２９図を参照して説明すると、振動方向が
Ｘ軸方向である直線偏光が光弾性効果を受けると、例え
ば第２９図に符号１５で示されるように回転する楕円偏
光となる。この楕円偏光をλ／４波長板２８に入れる。

そして、このλ／４波長板２８をＸ軸方向の偏光の位相
が９０度遅れるように配置する。その結果、出てきた光
の偏光状Ｌ！ｉ１５はＸ軸からφ度傾いた直線偏光１５
′になる。この傾きφはトルクの関数であり、前述した
式の（Ｋ　−Ｔ）に等しい、すなわち、φ（Ｔ）＝に−
Ｔである。この式は傾きφがトルクに比例することを示
している。従って、この直線偏光の傾きφを測定すれば
、かかったトルクの大きさと方向がわかる。また、検出
感度は一定であり、ゼロトルク近傍でも感度の低下はな
い。

そこで、直線偏光の振動方向と光源１３の直線偏光の振
動方向との傾き角φ、即ちこの直線偏光のゼロトルクか
らの回転角の測定方法の一例を説明する。偏光子１６は
特定の方向の直線偏光のみを透過する光学素子である。

第３０図に示されるように、偏光子１６に直線偏光１５
′を入射する。

この直線偏光１５′は偏光子１６が通す直線偏光の振動
方向の成分１５′ａとこの成分に垂直な成分１５′ｂに
分解できる。ここで入射直線偏光１５′の振動方向と偏
光子１６が通す直線偏光１５′ａの振動方向とのなす角
をψとする。偏光子１６を透過した直線偏光１７の強度
１１は、成分１５′ａの強度と等しく、Ｉ、＝ｌ。ｃｏ
ｓ　（ψ）となる。Ｉｏは入射直線偏光１５′の強度で
ある。この入射直線偏光１５′の強度が一定な場合、透
過光１７の強度が一定ということは、角度ψが一定であ
る。従って、入射直線偏光１５′が回転した場合、透過
光１７の強度を一定にするように偏光子１６を回転させ
、この回転角度を測定すれば、入射直線偏光１５′の回
転した角度がわかる。

ところで、回転角度の測定の実際例を第３１図について
説明する。偏光子１６を光軸に対して回転する回転板３
０に取り付ける。この回転板３０は支柱３１に固定され
たＰＺＴ３２の伸縮によって回転する。ＰＺＴ３２の伸
縮は電源３３によって制御され、この電圧は電圧計３４
によって測定される。このような測定装置の操作方法に
ついて説明すると、まず、トルクがゼロで、電源３３の
電圧がゼロの場合の偏光子１６透過光の強度を検出器１
８で測定し記録する０次にトルクを受動部材１に加える
と、前述したように直線偏光１５′が回転する。その結
果、検出器１８の測定値が変化する。この変化を戻し記
録したゼロトルクでの測定値に一致するように、電源３
３の電圧をかけ、ＰＺＴ３２を伸縮させて回転板３０に
取り付けられた偏光子１６を回転させる。さて、Ｐ　Ｚ
Ｔ３２の伸縮によって回転板３０は回転するが、この時
の回転角度は、ＰＺＴ３２の長さの変化とＰＺＴ３２が
回転板を押す位置の回転中心からの距ｌ１１１Ｌから求
められる。また、ＰＺＴ３２の長さの変化はｔ′ａ３３
の電圧がわかれば求められる。従って、直線偏光１５′
の回転角度は電圧計３４の測定値から求められる。

なお、本発明の原理式１−１．ｃｏｓ（ψ）により明ら
かなように、ψが９０度の場合、入射光強度Ｉ０がいく
ら変動しても信号光Ｉはゼロである。

従って、検出器１８の測定値を常にゼロにするように偏
光子１６を回転すれば、光源１３の強度揺らぎ、又は光
弾性皮膜１２表面の汚れ、或いは空気の汚れなどにまっ
たく影響されずにトルク測定が可能である。実際の測定
では種々の原因で検出器１８に入射する光強度は変動す
る。しがし、λ／４波長板２８によって変換された直線
偏光１５′の傾きφは、強度にはまったく依存しない。

従って、検出器１日の測定価を常にゼロにするように偏
光子１６を回転すれば、検出器１８への入射光の強度変
動にまったく影響されないトルク測定ができる。

なお、偏光子としては、偏光プリズム、偏光ビームスプ
リッタ−１偏光板などどれでもよく、必要なトルク測定
精度によって選択すればよい。

更に、本発明の第５の実施例に係るトルク測定方法につ
いて説明する。

第３２図には第５の実施例に係るトルク測定方法を実施
する装置が示されている。このトルク測定方法によると
、平面波直線偏光を出射する光源、ここではＨｅ　−Ｎ
ｅレーザー１３がら出射した平面波直線偏光をシリンド
リカルレンズ２６を介して受動部材１と光弾性皮膜１２
との境界面１ａに照射し、その反射光をシリンドリカル
レンズ２６λ／４波長板２８．ピンホール２７．光＃１
３の直線偏光又は入射直線偏光１４の振動方向とｉｉ！
ｌｉ遇する先の振動方向とのなす角θが４５度以上９０
度以下である偏光子１６．干渉フィルター３５を介して
光強度検出器１８で受光する。この時、第３３図に示さ
れるように（第４の実施例に係るトルク測定方法におい
て第２９図で既に説明したが）　　λ／４波長板２Ｂか
ら出てきた光の偏光状Ｂ１５′はＸ軸からφ傾いた直線
偏光１５′になる。この直線偏光１５′をＸ軸からθ傾
いた直線偏光を通す偏光子Ｉ６に入れると、検出器１８
で測定される偏光子透過光強度Ｉは、Ｉ　＝　１．ｓｉ
ｎ”（９０−θ十φ（Ｔ））となる。前述したように角
度θはここではＸ軸からの角度で、４５度以上９０度以
下である。第３４図に偏光子透過光強度■とトルクの関
係を示す。横軸はトルク、縦軸は光源の強度■。をｒｌ
」とした場合の偏光子透過光強度ｒの相対強度である。

曲ｇ３６は第３３図に示された場合の強度変化で、θ−
８５度である。

また、曲１！３７は参考としてス／４波長板２８を用い
ないで且つ偏光子１６の傾きが９０度の場合の強度変化
で、即ち第３の実施例のトルク測定方法で説明した１、
ｓｉｎ”（Ｋ　−Ｔ　）の曲線である。この曲線３７は
式から明らかなように第３３区の偏光子１６の傾きθが
９０度の場合の強度変化と同じになる。このように第５
の実施例に係るトルク測定方法を用いると、曲線３７に
比べて曲線３６はトルクのかかった方向の判断がつき、
ゼロトルクでの感度の低下も低く、トルク測定特性が改
善できる。

なお、前述した式１　＝　Ｉｏｓｉｎ”（９０−θ＋φ
（Ｔ））又は第３４図により明らかなように、偏光子１
６の傾きθの角度によって検出感度を変更できる。

希望の感度に自由に設定できることは本実施例の大きな
特徴である。傾きθの角度を９０度から小さくしていく
と感度が上がるが、４５度を越えて更に小さくして行く
と逆に感度が低下していく。

従って、４５度が感度が一番高い。感度調整のためには
、傾きθの角度変化範囲は４５度から９０度までで十分
である。なお、感度の上昇にしだがってゼロトルクでの
強度も増加し、強度揺らぎによるノイズも増加する。す
なわちゼロトルク近傍ではＳ／Ｎが下がる。従って、感
度とＳ／Ｎを考慮しても最も適した傾きθを決めな（で
はならない。

また、前述の第４の実施例および第５の実施例のいずれ
についても光弾性皮膜での入射光と反射光とで形成され
る入射平面と、受動部材１の中心線とは平行であった。

しかし平行に限る必要はなく垂直であってもよい。また
、垂直と平行の間の任意の角度であってもよい。しかし
、光源や偏光ビームスプリッタ−などの光学素子の配置
を容品に行なうには、入射平面と受動部材１の中心線と
は平行または垂直がよいことは言うまでもない。

更に、レンズ２６．ピンホール２７．干渉フィルター３
５のどれかがなくても、またはレンズ２６がシリンドリ
カルレンズ以外の非球面レンズや球面レンズであっても
、本発明が適応できることは言うまでもない。しかし、
散乱光や迷光の影響、境界面での反射による偏光状態の
変化などにより、トルク測定精度は低下する。

ところで、各実施例において受動部１の断面形状は円形
に限る必要はなく多角形でもよい。しかし、前述したよ
うに表面のせん磁歪が均一な円形の棒状受動部材ｌを用
いれば、最もトルク測定精度がよい。このことについて
以下に説明する。

各実施例で示された断面が円形の受動部材においては、
すでに均一な光弾性効果が得られ、光弾性効果を利用し
たトルク測定においては必要な測定精度が十分確保でき
ることを述べた。

さてここで第３５図に示すように断面形状は円形ではな
く、多角形の場合を考える。この場合、受動部材の表面
１ａでのせん磁歪は場所により異なる。これは、半径ｒ
が場所により異なるためである。したがって、光弾性効
果も不均一になり、トルク測定精度が低下する。しかし
、せん磁歪分布あるいは光弾性効果分布を考慮してトル
ク測定を行なえば、トルク測定値の補正が可能であり、
測定精度もある程度向上する。さらに、第３６図のよう
に受動部材１が正多角形であれば、せん磁歪分布はどの
面でも同一になり、したがって光弾性効果の分布もどの
面でも同一になる。このような場合はトルク測定の補正
が容易であり、また、反射面が平面であるから、平面波
が平面波のまま反射し、シリンドリカルレンズ２６が不
用になり、入射光および反射光の光路調整が容易である
という効果はある。

なお、断面形状が円形な受動部材１においては、光弾性
皮膜１２の膜厚が不均一であっても、せん磁歪が均一で
あるため、光弾性効果の補正は容易である。せん磁歪が
均一である場合、光弾性皮膜１２の屈折率楕円体の変形
は表面１ａの円周上どこでも一定である。したがって、
光弾性効果は膜厚に比例するだけであり、表面１ａの円
周上どこでも一定である。一方、せん磁歪が不均一であ
ると、光弾性皮膜１２の屈折率楕円体２２の変形は不均
一になる。その結果、光弾性効果は、表面１ａの位置に
よって異なる膜厚と屈折率楕円体２２の複雑な関数とな
る。したがって、受動部材１の断面形状が円形な場合、
円形でない場合に比べて、光弾性皮膜が不均一なことに
よる光弾性効果の不均一を、はるかに容易に補正できる
。

さて一般に、断面形状が円形の棒材（受動部材）は、旋
削によって作られる。その表面１ａには、送りマークと
呼ばれる凸凹形状の切削痕による縞模様がある。このよ
うな受動部材１に光が当たって反射すると、表面１ａが
凸凹であるため光は散乱してしまう。この場合、正しい
角度での反射光つまり信号光の強度は低下する。さらに
、散乱光の大部分は表面１ａで複素屈折率による偏光状
態の変化を受ける。この散乱光がノイズ光となり、光弾
性効果による偏光状態の変化に重なり、信号光のＳ／Ｎ
が低下する。従って、受動部材１の表面１ａは平滑なほ
どよい、これはつまり反射率が高いことである。

また、トルク測定の信号強度は受動部材１の表面１ａで
の反射光強度に比例する。一方、ノイズの多くは光弾性
皮膜の表面１２ａの反射光であり・この強度は光弾性皮
膜１２への入射光強度に比例する。したがって、受動部
材１の表面１ａでの反射率が高いほど、光弾性皮膜の表
面１２ａでの反射光強度に対する受動部材の表面１ａで
の反射光強度が増加し、Ｓ／Ｎが向上することになる。

以上の２点の問題点を解決する方法としては、受動部材
１の表面１ａを平滑にするよりは、平滑で反射率の高い
膜を形成する方が遥かに容易である。第３７図に先高反
射膜３８を受動部材ｌの表面１ａに形成し、その表面に
光弾性皮ＷＩ１．１２を形成した受動部材の断面図を示
す。先高反射膜３８は、メツキ法またはスパッタ法また
は蒸着法またはＣＶＤ　（ケミカルヘーパーデポジシッ
ン）法またはｐＶＤ　（フィジカルペーパーデポジショ
ン）法またはエピタキシー法などで容易に形成できる。

このようにして先高反射膜３８を形成すれば、送りマー
クの凸凹が緩和もしくは消去でき散乱による信号光強度
の低下、ノイズの増加が抑えられ、また反射率が増大し
信号光強度を増加できる。

また、第３８図に示すように先高反射膜３８を接着剤３
９によって固着してもよい。この場合、送りマークの凸
凹は完全に消去できる。

また、光弾性皮膜の材料に適した性質は、透明であり、
光学的にまた材料力学的に等方等質であり、歪による光
弾性効果の大きさを表わす光弾性感度が高く、応カー歪
の関係と歪−複屈折の関係が広い範囲で直線的であり、
残留応力の除去が容易であり、力学的および光学的なり
リープが少なく、さらに成膜し易いことなどである。こ
のような性質を備えた光弾性皮膜の材料としては、エポ
キシ系樹脂またはフェノール樹脂またはセルロイドまた
はポリカーボネイトまたは酸化珪素が適している。

以上の光弾性材料のうち高分子材料は、液体状態のとき
に受動部材１に塗布し、その後硬化させればよく、成膜
方法が容易である。また、切削または研削が容易であり
、膜厚が管理し易い、さらに、材料も大部分が安価もの
である。酸化珪素に関してはスパッタ法などにより均一
な膜厚の成膜が行なえる。したがって、製造コストが究
めて低く抑えられる。

なお、各実施例において、一般に光弾性皮膜１２の材料
としては、エポキシ−無水フタル酸系またはアミン系の
エポキシ樹脂とくにエポキシ・ポリサルファイド共重合
体やフェノール樹脂、セルロイド、ポリカーボネイトな
どの安定供給を受けられる安価なポリマーが用いられ、
成膜は受動部材１に液体状のポリマーを塗布し、その後
硬化させれば形成でき、製造コストが極めて低く抑えら
れる。

また、光弾性皮膜１２の軸方向の長さは、入射光の進行
方向に垂直な断面の幅程度あれば、はぼすべての反射光
が光弾性効果を受けたことになる。

従って、入射光が直進する限界（回折限界）である波長
程度まで入射光の断面の幅を狭くできる。

すなわち、これら各実施例におけるトルク測定方法では
、光弾性皮膜の軸方向の長さを、原理的に波長程度まで
短くでき、小型化が容易なトルク測定装置を実現できる
。

なお、光源１３から出射される光の偏光状態は、直線偏
光、楕円偏光、円偏光などのどれでもよく（必要があれ
ば偏光子で変換すればよい）、また時間的に変化しても
よい。また、光源の強度も一定である必要はなく時間的
に変化してもよい。しかし、検光子Ｉ６及び光強度検出
器Ｉ８によって偏光状態の変化を検出するために、偏光
状態及び強度の時間変化に安定した規則性が必要である
。

但し、偏光状態及び強度の時間変化が少ないほど、トル
ク測定が容易であることは明らかである。例えば可視レ
ーザ光等が適当である。

また、検光子１６に関しては、ある特定の偏光状態の光
のみを通す性質があればよく、例えば入射光の偏光状態
からの変化分のみを透過もしくは反射する性質、ある一
定方向の直線偏光のみを透過もしくは反射する性質、あ
る一定の短軸対長軸比をもつ楕円偏光のみを透過もしく
は反射する性質など特に限定するものではない。

更に、光弾性皮膜材料はポリマーや溶融石英等の等方性
媒質に限るものではな（、Ｐ　ｂ　Ｍ　ｏ　Ｏ４やＬ　
ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓなどの異方性媒質でもトルク測定は可
能である。異方性媒質の場合は、屈折率楕円体の変化の
様子が等方性媒質の場合（第２図参照）と異なるが、ト
ルクによって光弾性効果が発生すれば、原理的にトルク
測定は可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明のトルク測定方法によれば
、トルクを受ける棒状受動部材に光弾性皮膜を形成し、
この光弾性皮膜に光源から偏光特性が安定した光を入射
し、この入射光を光弾性皮膜と受動部材の境界面で反射
させ、この反射光を特定の偏光状態の光を通す検光子を
通過させ、この検光子通過光の強度を光強度検出器で検
出し、受動部材にかかるトルクを予め求めた検光子通過
光の強度とトルクとの関係から求めるようにしたので、
光弾性効果即ち光を利用しているため非接触で、外部磁
場の影響を受けることなく、従って電動機など磁気を用
いた回転機などのトルク測定に対して磁気遮蔽などの機
構を必要とせず、簡便で、測定感度の高い且つ高精度な
トルク測定が可能となる。

また本発明のトルク測定方法によれば、トルクを受ける
受動部材に形成された光弾性皮膜に偏光ビームスプリン
ターを介して直線偏光を入射し、この反射光の強度を再
び偏光ビームスプリッタ−を介して光強度検出器で検出
することにより、非接触で、しかも受動部材への成膜が
簡単でコストが極めて低く、軸方向への小型化が原理的
に光の回折限界まで可能で、更に外部磁気の影響を受け
ないトルク測定を可能にする。

更に、本発明のトルク測定方法によれば、トルクを受け
る棒状受動部材に形成された光弾性皮膜に光を入射し、
その反射光をλ／４波長板を通して直線偏光に変換し、
この直線偏光の回転角度をもとに受動部材にかかったト
ルクを測定するようにしたので、ゼロトルク近傍でもト
ルク検出感度の低下がなく、トルクのかがった方向の判
断ができるという利点を更に得ることができる。

また、本発明のトルク測定方法によれば、トルクを受け
る受動部材に形成された光弾性皮膜に直線偏光を入射し
、その反射光をλ／４波長板を通し、更に光弾性皮膜へ
入射する直線偏光の振動方向と偏光子を透過する光の振
動方向とのなす角が４５度以上９０度以下である、偏光
子を透過した光の強度を検出器で測定し、この測定値に
より受動部材にかかったトルクを測定することにより、
偏光子透過光強度とトルクとの関係からトルクのかかっ
た方向の判断がつき且つゼロトルクでの感度の低下が抑
えられるだけではなく、感度の変更が可能であり、トル
ク測定特性が改善されるという効果を更に得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係るトルク測定方法を
示す構成図、第２図は本発明に係る光弾性皮膜の屈折率
楕円体の説明図、第３図（ａｌおよび第３図（ｂ）は同
屈折率楕円体を通ることによる楕円偏光の偏光状態の変
化の一例を示す模式説明図、第４図（ａ）〜（均は各々
本発明のトルク測定方法において入射光が直線偏光の場
合の光弾性効果を示す偏光状態の変化図、第５図は本発
明に係る偏光の振動方向とＸ軸のなす角と楕円偏光の長
軸と短軸の強度比の関係を示す特性図、第６図は入射光
の振動方向が受動部材の中心軸に垂直な場合の本発明の
第２の実施例を示す斜視説明図、第７図は入射光の振動
方向が受動部材の中心軸に平行な場合を示す斜視説明図
、第８図は第７図の受動部材にトルクが加わった場合を
示す斜視説明図、第９図は入射光の振動方向が受動部材
の中心軸に平行でも垂直でもない場合を示す斜視説明図
、第１０図は入射光の振動方向が入射平面に平行な場合
を示す斜視説明図、第１１図は入射光の振動方向が入射
平面に垂直な場合を示す斜視図、第１２図は入射光の振
動方向が入射平面に平行でも垂直でもない場合を示す斜
視説明図、第１３図はこの発明に係る金属反射特性の一
例を示す特性図、第１４図は入射角１５度以下に設定し
た場合を示す斜視説明図、第１５図は受動部材表面での
反射の様子を示す説明図、第１６図は入射光をレンズで
集光する状態を示す説明図、第１７図はレンズの焦点が
受動部材の中心線上にない場合を示す説明図、第１８図
は反射光をレンズで平行にした状態を示す説明図、第１
９図はフィルター（ピンホール）で信号光以外の光を取
り除いた状態を示す説明図、第２０図は受動部材の中心
線が入射平面に垂直である場合を示す斜視説明図、第２
１図は受動部材の中心線が入射平面に垂直でも平行でも
ない場合を示す斜視図、第２２図は本発明の第３の実施
例に係るトルク測定方法を示す構成説明図、第２３図（
ａ）は偏光ビームスプリ・ンターで入射光を直線偏光に
分離して出射する状態を示す説明図、第２３圓う）およ
び第２３図（Ｃ）はそれぞれ偏光ビームスプリンターで
分離された直線偏光の振動方向を示す説明図、第２４図
（ａ）は偏光ビームスプリッタ−に入射光が斜めに入っ
た場合の分離状態を示す第２３図（ａ）と同様な説明図
、第２４図の）および（Ｃ）は第２４図（ａ）で示され
た偏光ビームスプリンターで分離された振動偏光成分を
示す説明図、第２５図（ａ）は入射光が広がりを持って
偏光ビームスプリッタ−に入射した場合の分離状態を示
す説明図、第２５図（ｂ）および（Ｃ）は第２５図（ａ
）で示された偏光ビームスプリッタ−で分離された振動
偏光成分を示す説明図、第２６図および第２７図はそれ
ぞれ第２２図に示された第３の実施例の変形例に係るト
ルク測定方法を示す構成説明図、第２８図は本発明の第
４の実施例に係るトルク測定方法を示す構成説明図、第
２９図および第３０図はそれぞれ第４の実施例に係るト
ルク測定方法についての原理を示す説明図、第３１図は
第２８図で示された第４の実施例に係るトルク測定方法
における検光子の回転機を示す構成説明図、第３２図は
本発明の第５の実施例に係るトルク測定方法を示す構成
説明図、第３３図は第３２図に示された第５の実施例に
係るトルク測定方法についての原理を示す説明図、第３
４図は第５の実施例について信号光強度とトルクの関係
を示す特性図、第３５図は断面多角形の受動部材を示す
断面図、第３６図は断面が正多角形の受動部材を示す断
面図、第３７図は表面に光高反射膜を直接形成した受動
部材を示す断面図、第３８図は表面に光高反射膜を接着
によって形成した受動部材を示す断面図、第３９図は従
来の非接触トルク測定方法の１つである磁歪式トルク測
定方法を示す構成説明図である。 １・・・棒状の受動部材、ｌｌａ、Ｉｌｂ・・・トルク
、１２・・・光弾性皮膜、１３・・・光源、１４・・・
入射光の偏光状態、１５・・・反射光の偏光状態、１６
・・・検光子又は偏光子、１７・・・検光子通過光の偏
光状態、１８・・・光強度検出器、２２・・・屈折率楕
円体、２６・・・ンリンドリカルレンズ、２７・・・フ
ィルター（ピンホール）、２８・・・λ／４波長板、２
９・・・回転機。 なお、各図中、同一符号は同一部分または相当部分を示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）トルクを受ける棒状の受動部材に光弾性皮膜を形
   成し、該光弾性皮膜に光源から偏光特性の安定した光を
   入射し、該入射光を前記光弾性皮膜と前記受動部材の境
   界面で反射させ、この反射光を特定の偏光状態の光のみ
   を通す検光子を通過させ、この検光子通過光の強度を光
   強度検出器で検出し、前記受動部材にかかるトルクを予
   め求めた検光子通過光の強度とトルクとの関係から求め
   ることを特徴とするトルク測定方法。 （２）トルクを受ける棒状の受動部材に光弾性皮膜を形
   成し、光源から偏光ビームスプリッターを介する光を前
   記光弾性皮膜と前記受動部材の境界面に垂直に入射し、
   該境界面から反射した光のうち前記偏光ビームスプリッ
   ターを介する光の強度を検出器で測定し、この測定値よ
   り前記受動部材にかかるトルクを測定することを特徴と
   するトルク測定方法。（３）トルクを受ける棒状の受動
   部材に光弾性皮膜を形成し、前記光弾性皮膜と前記受動
   部材の境界面に光を入射し、前記境界面から反射した光
   をλ／４波長板を通して直線偏光に変換し、該直線偏光
   の回転角度をもとに前記受動部材にかかったトルクを測
   定することを特徴とするトルク測定方法。 （４）トルクを受ける棒状の受動部材に光弾性皮膜を形
   成し、前記光弾性皮膜と前記受動部材との境界面に直線
   偏光を入射し、前記境界面から反射した光をλ／４波長
   板を通し、更に前記光弾性皮膜へ入射する直線偏光の振
   動方向と偏光子を透過する光の振動方向とのなす角が４
   ５度以上９０度以下である、偏光子を透過した光の強度
   を検出器で測定し、この測定値により前記受動部材にか
   かったトルクを測定することを特徴とするトルク測定方
   法。