JPH04344436A - 光学式トルク検出装置 - 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】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転するトルク伝達軸
に働くトルクを非接触で計測する光学式トルク検出装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のトルク検出装置の代表例として、
例えば軸受け摩擦トルクを測定するとき、駆動トルクを
モータで与え、モータ軸と軸受け軸の間にトーションバ
ーを設け、トーションバーの所定の位置にストレインゲ
ージを張り付けたものがある。このようなものでは、ス
トレインゲージから出力されるトルク信号はスリップリ
ングを介して取り出していため、このスリップリングが
、ノイズを発生したり、また寿命が短いなど信頼性に問
題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のトルク測定にお
いては、トルク信号をスリップリングを介して取り出し
ているため、ノイズが発生して検出感度が悪化したり、
寿命が短いなど信頼性に問題がある。

【０００４】本発明の目的は、これらの課題を解決する
ためになされたもので、停止或いは回転時のトルク伝達
軸に働くトルクを感度良く計測可能でかつ非接触で寿命
の問題のない光学式トルク検出装置を提供することにあ
る。 ［発明の構成］

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、トルクの付与
される駆動軸と伝達軸の間に設けられた軸径を細くした
部分、つまりトーションバーを挟んで両方駆動軸側と伝
達軸側に、同間隔および同角度のストライプパターン部
をそれぞれ形成し、これらのストライプパターン部に光
源から光を照射し、二つのストライプパターン部で反射
あるいは透過した光をそれぞれ第１および第２のセンサ
で受光し、トルク伝達軸にトルクが作用したときに、ト
ーションバーに生じる軸回りの歪みを、第１および第２
のストライプパターンの位相差（軸方向の移動量）とし
て計測するものである。

【０００６】

【作用】本発明によれば、回転するトルク駆動軸に働く
トルクを非接触で高精度に計測できる。

【０００７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳
細に説明する。図１は本発明の実施例に係わる光学式ト
ルク検出装置の要部正面図、図２は図１中のＡ−Ａ断面
図を示している。

【０００８】両端が拡径されたトーションバー１の一端
は駆動軸２に、他端は伝達軸３に固定されている。駆動
軸２の外周には外筒ホルダー４が、伝達軸３の外周には
外筒ホルダー５がそれぞれ固着されている。この外筒ホ
ルダー４及び外筒ホルダー５は図３に示されるように、
筒状で外周表面に、両者とも同一ピッチで同一傾斜角度
θのストライプパターン１０が形成されている。これら
外筒ホルダー４及び外筒ホルダー５はいずれも光が透過
する透過材質（例えばプラスティク、ガラス等）で形成
されており、外筒ホルダー４及び外筒ホルダー５それぞ
れの中空部に光源６、光源７が設置されている。

【０００９】そして、外筒ホルダー４に対し光源６と対
向する位置にＣＣＤセンサ８を、外筒ホルダー５に対し
光源７と対向する位置にＣＣＤセンサ９を設置してある
。光源６、光源７、ＣＣＤセンサ８、ＣＣＤセンサ９は
回転系即ちトーションバー１、外筒ホルダー４及び外筒
ホルダー５等と分離されて固定されている。

【００１０】なお、ストライプパターン１０は、薄金属
をライン状に巻き付けたり、エッチングによりストライ
プパターンを形成したり、または、蒸着等の方法で薄金
属をストライプ状に付着させることにより簡単に形成す
ることができる。光源６及び光源７から照射された光は
、各々外筒ホルダー４及び外筒ホルダー５を透過しＣＣ
Ｄセンサ８及びＣＣＤセンサ９へ照射される。

【００１１】今、伝達軸３にトルクが働くと、トーショ
ンバー１の凹部の両端に伝達軸３の円周方向の歪み、即
ち変位が生じる。図４で説明すると、応力Ｔ、トーショ
ンバーの凹部長さｌ，トーションバーの凹部半径ｒ，横
弾性係数Ｇとしたとき捩じり角ψは ψ＝２Ｔｌ／Ｇπｒ４ で表される。また円周方向の歪み長さはψ・ｒであるか
ら ψ・ｒ＝２Ｔｌ／Ｇπｒ３ で表される。一方図３に示すストライプパターン１０は
図４のＢ−Ｂ´軸垂直方向に対して角度θをもったパタ
ーンが印刷されている様子を示すものである。また、伝
達軸３にトルクが働くことにより外筒ホルダー４と外筒
ホルダー５に生じる位相ずれφは図５に示しているψ・
ｒ・ｔａｎθ で表される。即ち φ＝２Ｔｌｔａｎθ／Ｇπｒ３ となる。

【００１２】したがって位相ずれφを測定すればトルク
を測定することができる。また上記位相ずれφを表す式
の中に時間に規制された項がないためトーションバー１
が停止していても、また回転していても検出できる。

【００１３】ここでθ＝０度のとき、φ＝０となり、位
相ずれは検出できない。また、θ＝９０度のとき、φ＝
∞となり、やはり位相ずれは検出できないため、ストラ
イプパターン１０の角度θは０よりも大きく、９０度未
満（０＜θ＜９０）の範囲内で設定する必要がある。こ
の範囲内であればストライプパターン１０の角度は任意
に設定でき、角度を９０度に近ずくように大きくするほ
ど、検出感度は向上する。

【００１４】外筒ホルダー４及び外筒ホルダー５それぞ
れの中空部に設置された光源６、光源７から照射された
光は外筒ホルダー４及び外筒ホルダー５に印刷されたス
トライプパターン１０を通過し図６のＸ、Ｙに示すよう
にＣＣＤラインセンサ８，９の面素子上にパターンが投
写される。駆動軸２側による基準のパターンがＸで伝達
軸３側による測定側のパターンがＹである。Ｘ，Ｙとも
に同じ傾斜をもったパターンであるが図６では基準側と
測定側及びストライプパターンとＣＣＤセンサ素子両者
との機械的な位置ずれがあることを示している。また図
６のＹ´はトーションバー１に応力が加わり、歪みを生
じ外筒ホルダー４上の基準側ストライプパターンＹに対
し位相ずれを生じた外筒ホルダー５上のストライプパタ
ーンにより投写されたパターンである。

【００１５】図６のＸ、Ｙ、Ｙ´は上記投写されたパタ
ーンで、ＣＣＤラインセンサー８、９から読み出された
アナログ信号は二値化され図６のｘ，ｙ，ｙ´に示すよ
うなパルス列が得られる。即ちパルス列ｘは光源６と外
筒ホルダー４に印刷されたストライプパターン１０とＣ
ＣＤセンサ８による基準パルス列であり、パルス列ｙは
光源７と外筒ホルダー５に印刷されたストライプパター
ン１０とＣＣＤセンサ９による測定側パルス列であるか
ら、前記したようにｘとｙとのずれは機械的な取り付け
精度によるものであり、一定の値を持つパルス列ｙ´は
、パルス列ｙがトーションバー１に歪みが加えられたと
きに起こる位相ずれである。つまり、パルス列ｙとパル
ス列ｙ´との差のパルス数が上記位相ずれを表すパルス
数となる。

【００１６】したがって、トーションバー１の歪み量を
信号処理する場合（ｘ−ｙ）−（ｘ−ｙ´）として変位
量を求めることができる。この時トーションバー１の材
質（横弾性係数Ｇ）、形状（凹部長さｌ，半径ｒあるい
は断面形状等）、ストライプパターンの角度θを適当に
選ぶことによりトーションバー１の歪み量を直接パルス
列（ｙ−ｙ´）のパルス数として求めることができる。

【００１７】なお、本実施例では、外筒ホルダー４及び
外筒ホルダー５は透過材質としているが、これに限らず
図７に示すように外筒ホルダー４及び外筒ホルダー５の
表面を光反射面とし、その上にストライプパターン１０
を印刷して、外筒ホルダー４，５の外に設置された光源
６，７から照射された光を外筒ホルダー４及び外筒ホル
ダー５の反射面で反射しストライプパターン１０をＣＣ
Ｄセンサ８，ＣＣＤセンサ９に投写してもよい。

【００１８】また図８に示すようにトーションバー１の
駆動軸側および伝達軸側に軸方向のストライプパターン
を直接印刷してもよい。この実施例は前記実施例のよう
に外筒ホルダー４，５にストライプパターンを印刷せず
、トーションバー１に直接ストライプパターンを印刷し
たもので、外筒ホルダー４，５のような付属の構成部品
を必要とせず構成の簡略化が図れる。この図８の構成で
は、ストライプパターン１０はトーションバー１の軸方
向に平行なパターンとして形成し、先の実施例のように
傾ける必要はなく、ＣＣＤセンサ８，９はストライプパ
ターン１０の移動が直接検出できるように、ＣＣＤセン
サの８，９の受光素子の配列方向がストライプの方向に
対し直角となるようにＣＣＤセンサ８，９を設置する。

【００１９】さらに、以上の実施例では、外筒ホルダー
を中心に光源とＣＣＤセンサとを向かい合わせてあるが
、図９に示すように、外筒ホルダー４とＣＣＤセンサ８
ａとの間にレンズ２０を設置し、狭いパターン幅を印刷
したストライプパターンに対し、幅の広いＣＣＤセンサ
８ａでも適用可能として分解能を向上させることができ
る。なお、本発明は上記実施例に限定されること無くそ
の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが
できる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係わる光学
式トルク検出装置によれば、回転するトルク駆動軸に働
くトルクを非接触で精度良く計測できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の実施例に係わる光学式トルク検出
装置の要部正面図である。

【図２】　　図１中のＡ−Ａ線による断面図である。

【図３】　　本発明の実施例に係わるストライプパター
ンの図である。

【図４】　　図１中のトーションバーの凹部に応力が加
わったときの説明図である。

【図５】　　図１中のトーションバーの凹部に応力が加
わったとき、ストライプパターンの位相ずれを説明する
図である。

【図６】　　図１中のトーションバーの凹部に応力が加
わったとき、センサへの投写パターン及びＣＣＤセンサ
から取り出される出力信号を説明する図である。

【図７】　　本発明の他の実施例を示す概略図である。

【図８】　　本発明の他の実施例を示す概略図である。

【図９】　　本発明の他の実施例を示す概略図である。

【符号の説明】

１　　　　トーションバー ２　　　　駆動軸 ３　　　　伝達軸 ４　　　　外筒ホルダー（駆動軸側） ５　　　　外筒ホルダー（伝達軸側） ６　　　　光源（駆動軸側） ７　　　　光源（伝達軸側） ８　　　　ＣＣＤセンサ（駆動軸側） ８ａ　　ＣＣＤセンサ（駆動軸側） ９　　　　ＣＣＤセンサ（伝達軸側） １０　　ストライプパターン ２０　　レンズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トルクが付与される駆動軸と伝達軸とを連
   結するトーションバーと、前記駆動軸側に形成され所定
   のパターン間隔および角度を有する第１のストライプパ
   ターン部と、前記伝達軸側に形成され前記第１のストラ
   イプパターンと等しいパターン間隔および角度を有する
   第２のストライプパターン部と、前記第１および第２の
   ストライプパターン部に光を照射する光源と、この光源
   から照射された光が前記第１および第２のストライプパ
   ターン部を透過あるいは反射し、これらの透過あるいは
   反射光が入射されて前記第１および第２のストライプパ
   ターンをそれぞれ検出する第１および第２のセンサと、
   を備え、前記第１および第２のセンサの検出出力により
   前記第１および第２のストライプパターンの位相ずれの
   度合いから前記駆動軸に付与されるトルクを測定するこ
   とを特徴とする光学式トルク検出装置。