JPH04372830A - 光学式トルクメータ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軸部材の軸トルクを検
出する光学式トルクメータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のトルクメータとしては、例えば図
６に示すようなものがある。これは、トルクの発生で軸
が捩じれることにより生じる、軸両端に配置した同一歯
車の凸部の位相差を検出し、その位相差から軸トルクを
演算により求めるものである。即ち、軸部材１の一端に
位相差計測の基準となる歯車２を設け、他端に前記歯車
２と同一形状の位相差計測のための歯車３を設け、これ
ら各歯車２，３の外周に近接させてそれぞれセンサ４，
５を設ける。これらセンサ４，５は、歯車２，３の回転
によって凸部が近接する毎にハイレベルの出力を発生す
るよう構成されている。これらはハウジング６内に収納
されトルク検出部を構成している。

【０００３】従って、軸部材１の回転に伴って両歯車２
，３が回転すると、各センサ４，５からは図７に示すよ
うなパルス信号Ｓｉｇ　Ａ，Ｓｉｇ　Ｂが発生する。こ
れらパルス信号Ｓｉｇ　Ａ，Ｓｉｇ　Ｂは位相差計数回
路７に入力し、該位相差計数回路７で位相差時間Δｔが
算出される。そして、この位相差時間Δｔに基づいてト
ルク演算回路８で軸トルクが算出される。トルク演算回
路８において軸トルクは次のようにして求められ出力さ
れる。

【０００４】まず、位相差時間Δｔを次式により位相差
角度（軸部材の捩じれ角度）θに変換する。 θ＝Δｔ・ω ここで、ωはＳｉｇ　Ａ（又はＳｉｇ　Ｂ）の角速度で
ある。この位相差角度θに基づいて次式で軸トルクＴを
求める。

【０００５】Ｔ＝α・θ尚、αは軸部材１の構造及び材
質により決まる定数であり、軸部材の直径をｄ、軸部材
の長さをＬ、軸部材の横弾性係数をＧとすると、次式で
表される。 α＝（πｄ４　／３２Ｌ）・Ｇ

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のトルクメータでは、位相差時間が検出された後
でないと軸トルクは求められず、リアルタイムに出力を
得ることができない。また、トルクの測定範囲は歯車の
ピッチが大きい方が広くとれ、応答性は逆に歯車のピッ
チが小さい程良くなることから、測定範囲を広げようと
すれば応答性が低下し、応答性を良くしようとすれば測
定範囲が狭くなると言うように、測定範囲と応答性を同
時に向上させることができない。更には、軸部材が静止
状態の時には、パルスが発生せず軸トルクの測定ができ
ない等の問題点がある。

【０００７】尚、この他にも、ストレインゲージ式、静
電容量式或いは磁歪式等のトルクメータがあるが、それ
ぞれ熱安定性や直線性等に問題がある。本発明は上記の
事情に鑑みなされたもので、光学的に軸部材の捩じれを
直接計測して軸トルクを求める構成とすることにより、
従来の問題点を解決することのできる光学式トルクメー
タを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、軸部
材周面に固定された光源と、同じく前記軸部材周面に前
記光源と間隔を設けて対面して固定され前記光源からの
スポット光を受ける受光面上における前記スポット光の
照射位置に応じた出力を発生する受光素子と、該受光素
子の発生した出力に基づいて受光面上の照射位置の軸部
材周方向変位量を検出する照射位置変位量検出手段と、
該照射位置変位量検出手段の検出値に基づいて前記軸部
材の軸トルクを演算する軸トルク演算手段とを備えて構
成した。

【０００９】

【作用】かかる構成において、軸部材の静止状態又は回
転状態において、光源からのスポット光は受光素子の受
光面上に照射される。受光素子からは受光面上の照射位
置に応じた出力が発生する。即ち、軸部材が捩じれの無
い状態から軸トルクの発生により捩じれが生じると、光
源と受光素子との相対位置が軸部材周方向にずれること
から受光面上における光の照射位置もずれる。このずれ
量に応じた出力が受光素子から発生する。照射位置変位
量検出手段は、前記受光素子からの出力に基づいて軸部
材の捩じれに応じた光の照射位置の変位量を検出する。 この検出値に基づいて軸トルク演算手段は軸トルクを演
算する。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。本発明の第１実施例を示す図１及び図２において
、ハウジング１１に軸受１２を介して回転自由に軸支さ
れた軸部材１３の一端側には、軸部材１３に一体に固定
されるリング状の金具１４を介して光源としての発光素
子１５が取り付けられている。前記金具１４には、発光
素子１５前面にスリットを形成したリング状のスリット
板１６が取り付けられている。軸部材１３の他端側には
、軸部材１３と一体に固定される円筒状の金具１７を介
して、発光素子１５からの光を受ける受光素子としての
ＰＳＤ（Ｐｏｓｉ−ｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄ
ｅｔｅｃｔｏｒ）１８、ＰＳＤ１８受光面上における発
光素子１５からの光照射位置の変位量の検出を行う後述
する照射位置変位量検出手段としての検出回路１９、電
源給電用と信号伝達用を兼ねるコイル２０及び集光レン
ズ２１が取り付けられている。前記ＰＳＤ１８は、金具
１７に固定したリング状のＰＳＤ支持板２２によって固
定支持されており、受光面上における基準位置（受光面
中央）からの光照射位置の変位量に応じた出力を発生す
るものである。また、前記集光レンズ２１は、発光素子
１５からスリットを介して得られるスポット光を軸トル
クが発生していない状態でＰＳＤ１８の受光面上の前記
基準位置、即ち受光面中央に結像させるよう発光素子１
５とＰＳＤ１８との間に配置されている。尚、金具１４
，１７には、それぞれ軸部材１３が回転した時のバラン
スをとるためのバランスウエイト２３が取り付けられて
いる。図中、２４は発光素子１５の給電線を示し、ａは
発光素子１５からＰＳＤ１８への光軸を示す。

【００１１】また、ハウジング１１側には、回転側のコ
イル２０と対をなす固定側の電源給電用と信号伝達用を
兼ねるコイル２５が設けられ、該コイル２５に、前記検
出回路１９からの検出信号を両コイル２０，２５を介し
て受信して軸トルク値を演算する軸トルク演算手段とし
ての演算回路２６が接続されている。次に前記検出回路
１９及び演算回路２６の構成を図２に示し説明する。

【００１２】まず、検出回路１９は、ＰＳＤ１８からの
２つの出力電流をそれぞれ電圧に変換し且つ増巾する２
つのアンプ３１，３２と、該アンプ３１，３２からの出
力に基づいてＰＳＤ１８受光面上のスポット光の結像位
置（基準位置からの変位量）を算出する変位量算出回路
３３と、該変位量算出回路３３からの変位量を示す出力
信号を固定側に送信するために変調する変調回路３４と
、変調回路３４の出力を増巾する電力増巾アンプ３５と
、コイル２０に接続するタンク回路３６と、固定側から
の誘導給電信号を整流し回転側の各回路に必要な電源を
作るための電源回路３７とを備えて構成されている。

【００１３】一方、演算回路２６は、コイル２５に接続
するタンク回路４１と、回転側への誘導給電信号を作る
ための励振回路４２と、検出回路１９側から送信される
検出信号を再生するための復調回路４３と、該復調回路
４３からの出力に基づいて軸トルクを算出するトルク算
出回路４４と、各回路の電源を供給するための電源回路
４５とを備えて構成されている。

【００１４】次に軸トルクの検出動作を図３に基づいて
説明する。図３は、発光素子１５とＰＳＤ１８の固定部
を上から見た図である。ここで、発光素子１５側を駆動
側として、ＰＳＤ１８側を負荷側とする。まず、軸トル
クＴが零、つまり軸部材１３の捩じれが無い状態の時は
、図３（Ｂ）に示すように、発光素子１５からの光はス
リット板１６のスリットを介してスポット光となり、集
光レンズ２１を通過してＰＳＤ１８の受光面の中央位置
に結像する。

【００１５】次に、軸部材１３が図中矢印ｂ方向に回転
したとして、正の軸トルクが生じた場合を説明すると、
駆動側を基準とすると、軸部材１３は回転方向と反対方
向に捩じれ、その結果スポット光は図３（Ｃ）に示すよ
うに回転方向と反対方向寄りに結像する。同様に、負の
軸トルクが生じた場合は、図３（Ａ）に示すように回転
方向と同方向寄りに結像する。

【００１６】尚、集光レンズ２１は、発光素子１５から
の光をＰＳＤ１８の受光面に集光させるだけでなく、ト
ルクに比例した軸部材１３の微少な捩じれ角によるスポ
ット光の変位を、ＰＳＤ１８の受光範囲一杯まで光学的
に増巾する機能を持つもので、その関係式は、図３から
次のようなっている。ｃ＝（Ｌ１　／Ｌ２　）・Ｄここ
で、ｃは増巾後のスポット光変位量、Ｌ１　は焦点距離
、Ｌ２　は発光素子と集光レンズ間距離、Ｄはスポット
光の実変位量を示す。

【００１７】この式から増巾率はＬ１　に比例している
ので、Ｌ１を適切に選ぶことより微少なスポット光の実
変位量をＰＳＤ１８の最高感度域で検出できるようにす
ることができる。このようにして、ＰＳＤ１８の受光面
上に結像するスポット光は軸トルクに比例した量だけ変
位する。

【００１８】このようにスポット光が結像するＰＳＤ１
８では、バイアス電流Ｉ０　が受光面上の結像位置に応
じて２つの出力端子に分流されて出力電流Ｉ１　，Ｉ２
　が生じる。即ち、図３（Ｂ）の結像状態の時はＩ１　
＝Ｉ２　となり、（Ｃ）の結像状態の時はＩ１　＞Ｉ２
　となり、（Ａ）の結像状態の時はＩ１　＜Ｉ２　とな
る。かかるＰＳＤ１８からの出力電流Ｉ１　，Ｉ２　は
、各アンプ３１，３２で電圧値Ｖ１　，Ｖ２　に変換さ
れ、且つ適切なレベルまで増巾され、変位量算出回路３
３に入力する。

【００１９】変位量算出回路３３では、次式により結像
位置の中央からの変位量に対応した位置信号ＳＰ　を作
成する。 ＳＰ　＝（Ｖ１　−Ｖ２　）／（Ｖ１　＋Ｖ２　）ここ
で、算出回路３３の出力が０であれば、スポット光の変
位量は０で受光面の２つの出力端子間の中央に結像して
いる。また、それ以外の値では、中央から出力端子まで
の距離を百分率で示し、符号はどちらの出力端子寄りか
を示す。つまり、符号は軸部材１３の捩じれ方向に対応
し、位置信号ＳＰ　は中央から出力端子までの範囲にお
いて軸部材１３の捩じれ変位割合に対応している。

【００２０】このようにして求めた位置信号ＳＰ　は、
変調回路３４により周波数変調されて周波数変調信号ｆ
ｍ　として電力増巾アンプ３５で増巾された後、タンク
回路３６を介してコイル２０を励振する。そして、この
周波数変調信号ｆｍ　は誘導結合により固定側のコイル
２５に誘導され、タンク回路４１により周波数変調ｆｍ
　を取り出す。取り出された周波数変調信号ｆｍ　は、
復調回路４３で位置信号ＳＰ　に復調されてトルク算出
回路４４に入力され、該トルク算出回路４４において、
位置信号ＳＰ　に軸部材１３の構造及び材質とＰＳＤ１
８の受光面寸法により決まる定数Ｋを乗じることにより
、軸部材１３にかかる軸トルクＴが算出されてリアルタ
イムに出力される。

【００２１】ここで、トルク算出回路４４における軸ト
ルクの算出について説明する。本実施例の位置信号ＳＰ
　に基づく軸トルクＴの算出式は下記のようになる。Ｔ
＝α・ｓｉｎ　−１｛（ＳＰ　×Ｌｓ　）／ｒ｝αは前
述した軸部材の構造及び材質で決まる定数で、α＝（π
ｄ４　／３２Ｌ）・Ｇである。尚、ｄは軸部材１３の直
径、Ｌは軸部材１３の長さ、Ｇは軸部材１３の横弾性係
数である。また、Ｌｓ　はＰＳＤ１８の受光面中央から
出力端子までの距離、ｒは軸部材１３の中心からＰＳＤ
１８の受光点までの距離で、どちらもＰＳＤ１８の形状
により決まる定数である。

【００２２】従って、ｒがＬｓ　に比べて充分に大きけ
れば、軸トルクＴは下記の式で近似でき、位置信号ＳＰ
　に軸部材１３の構造及び材質とＰＳＤ１８の受光面寸
法により決まる定数Ｋを乗じて軸トルクＴを算出するこ
とができる。 Ｔ＝Ｋ・ＳＰ　 ここで、Ｋ＝｛（πｄ４　／３２Ｌ）・Ｇ｝・ｓｉｎ　
−１（Ｌｓ　／ｒ）以上のように、光学的に軸部材１３
の捩じれ角を直接且つ連続的に検出して、この検出値に
基づいて軸トルクを演算するようにしたので、軸部材１
３の静止状態や回転状態に関係なく連続的に発生軸トル
ク値をリアルタイムで計測でき、軸トルクの計測の応答
性が向上する。また、トルク計測範囲は、集光レンズ２
１の位置を変えるだけで応答性を低下させることなく容
易に変更することができる。更に、軸部材１３は単純な
丸棒で良く特別且つ精密な加工が不要なため製造コスト
を安価にできる利点がある。

【００２３】次に図４及び図５に第２実施例を示し説明
する。尚、第１実施例と同一構成要素には同一符号を付
して説明を省略する。この第２実施例のものは、発光素
子１５とＰＳＤ１８を軸部材１３の半径方向に対向配置
したものである。図において、軸部材１３の一端側には
、円筒状の金具５１が固定され、該金具５１の外周面に
円筒状の光導体５２が設けられている。また、軸部材１
３の他端側には、円筒状の金具５３が固定され、該金具
５３先端部外周面にＰＳＤ１８と検出回路５４が設けら
れている。そして、本実施例ではハウジング１１側に固
定された発光素子１５からの光は、光導体５２を介して
その照射口５２ａから金具５３に形成した開口部５３ａ
を介して軸部材半径方向に位置するＰＳＤ１８の受光面
上にスポット光として照射する。

【００２４】また、前記金具５３の基端側には、検出回
路５４からの信号を送信するための発光素子５５が設け
られている。この発光素子５５と対面するハウジング１
１の内壁には、リング状の光導体５６が設けられ、発光
素子５５からの光は、光導体５６を介して同じくハウジ
ング１１内壁に取り付けた受光素子５７で受光されて演
算回路５８に送られる。

【００２５】次に前記検出回路５４と演算回路５８の構
成について説明する。まず、検出回路５４は、第１実施
例と同様のアンプ３１，３２及び変位量算出回路３３と
、該変位量算出回路３３からの変位量を示す出力信号を
固定側に光の点滅により伝達するための信号を形成する
変調回路５９と、該変調回路５９の出力を増巾して発光
素子５５に送る電力増巾アンプ３５と、コイル２０に接
続し固定側からの誘導給電信号を整流し回転側の各回路
に必要な電源を作るための電源回路６０とを備えて構成
されている。

【００２６】一方、演算回路５８は、コイル２５に接続
し回転側へ電力を送るための誘導給電回路６１と、第１
実施例と同様の励振回路４２及び各回路の電源を供給す
るための電源回路４５と、回転側から発光素子５５と受
光素子５６を介して伝達された光の点滅信号から検出信
号を再生するための復調回路６２と、該復調回路６２か
らの出力に基づいて軸トルクを算出するトルク算出回路
６３とを備えて構成されている。

【００２７】次に動作を説明する。ハウジング１１に固
定された発光素子１５からの光は、軸部材１３側に取り
付けられた光導体５２にいかなる回転角度においても伝
達され、伝達された光は、光導体５２内部で拡散しＰＳ
Ｄ１８受光面直下の照射口５２ａからスポット光として
ＰＳＤ１８の受光面上に照射される。光の照射位置は、
第１実施例と同様に軸トルクに比例して変位する。そし
て、受光面上の照射位置を検出回路５４により検出する
。検出回路５４では、検出した照射位置を電気信号に変
換し、変調回路５９により光の点滅信号として発光素子
５５に送る。発光素子５５からの点滅信号は、光導体５
６に入射し光導体５６内部で拡散し、受光素子５７の受
光面を照射して電気信号に変換されて固定側の演算回路
５８に伝達される。演算回路５８では、受光素子５７か
らの電気信号を復調回路６２で復調して位置信号ＳＰ　
を取り出しトルク算出回路６３に出力する。そして、ト
ルク算出回路６３で、第１実施例と同様の計算式により
軸部材１３にかかる軸トルクが演算されリアルタイムで
出力される。

【００２８】この第２実施例でも第１実施例と同様の効
果を得ることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
源からの光が受光素子の受光面上に照射するようにし、
受光面上の照射位置が軸部材の捩じれ量に応じて変位す
るようにして、その変位量を検出して軸トルクを算出す
る構成としたので、軸部材の回転及び静止に関係なく連
続的に軸トルクを計測できる。従って、リアルタイムで
トルク検出ができトルク検出の応答性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す構成図

【図２】同上
第１実施例の検出回路と演算回路の構成図

【図３】同上
実施例の動作説明図

【図４】本発明の第２実施例を示す構成図

【図５】同上
第２実施例の検出回路と演算回路の構成図

【図６】従来
のトルクメータの一例を示す構成図

【図７】同上従来例
の動作説明図

【符号の説明】

１３　　　　軸部材　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　１５　　　　発光素子 １８　　　　ＰＳＤ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　１９，５４　　　　検出回路 ２０，２５　　　　コイル　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　２６，５８　　　　演算回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸部材周面に固定された光源と、同じく前
   記軸部材周面に前記光源と間隔を設けて対面して固定さ
   れ前記光源からのスポット光を受ける受光面上における
   前記スポット光の照射位置に応じた出力を発生する受光
   素子と、該受光素子の発生した出力に基づいて受光面上
   の照射位置の軸部材周方向変位量を検出する照射位置変
   位量検出手段と、該照射位置変位量検出手段の検出値に
   基づいて前記軸部材の軸トルクを演算する軸トルク演算
   手段とを備えたことを特徴とする光学式トルクメータ。