JPH0493627A - トルク測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、トルク測定装置に関する。

〔従来の技術 従来の技術による電気的なトルク測定装置には、例えば
実公昭５４−３２５４７号公報に示されているようなも
のがある。

それは、被測定軸上に間隔をおいて固定した二つの両車
状内環体の外周面に対向して内周面が歯車状の外環体が
外筒の内壁に固定されており、内環体の同作＠部分の被
測定軸にベアリングを介して環状ヨーク体が支承され、
環状ヨーク体には内環体側に突出させてコイルが固定さ
れ、ヨーク体上にベアリングを介して前記外筒が支承さ
れ、外環体の直外側に位置して筒状永久磁石が固定され
ている。コイルは、内環体又は外環体のいずれが回転し
ても静止状態にある。

そして、被測定軸、即ち内環体を静止状態にして、外筒
、即ち外環体を回転し、その結果、左の環体と右の環体
との間に位相差がある限り、両コイルに誘起される交流
電圧には位相差が生じる。

被測定軸に既知の負荷回転を加えた場合にも、未知の負
荷回転を加えた場合にも両コイルに誘起される交流電圧
にはそれらに応じた位相差が生じる。それらの負荷時の
夫々の位相差と被測定軸静止状態での位相差との各差か
ら既知のトルクを基準として未知のトルクを算出するの
である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の従来の技術によるトルク測定装置は、次のような
欠点がある。

（１）外環体を機械的に回転駆動させるために、装償自
体の構造が大形化する。

（２）外環体を機械的に回転駆動させるために、外環体
を高速回転することが困難であり、その結果、発生信号
周波数を増加できず、応答性に限界がある。

（３）外環体と内環体との相対回転における磁束の変化
の位相差により被測定軸の捩じれを検出するのであるが
、内環体が外環体と反対方向に回転するときは磁束の変
化の検出周波数が高くなり測定が可能であるが、同方向
に回転するときは検出周波数が減少し、特に相対速度が
低いと益々減少して、トルクを測定することができない
。

（４）内環体が外環体と反対方向に回転するときは磁束
の変化の検出周波数が高くはなるが、その変化率が大き
くなり、位相差を検出する処理系回路の特性上の狂いが
生じ、広範囲に変化する回転数のトルクの正確な測定が
不可能である。

（５）外環体が機械的に常時回転するので、その伝動機
構や軸受等の機械系の寿命が摩損により限定される。

（６）磁束の変化を検出するべく永久磁石を磁気回路に
組込んで発電させる自己発電型においてエネルギを取出
すので、ブレーキ効果が生じる。

それは、高感度のトルク測定装置においては誤差となっ
てしまう。

この発明は、上記の従来の技術のトルク測定装置の欠点
を除去したトルク測定装置を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明による電磁誘導型のトルク測定装置は、回転自
在に支承されて、回転停止又は所定の回転数で回転駆動
されるトーションバーと、トーションバー〇岡端部に設
けられ、回転方向に所定ピッチでハウジングに固定され
、多相正弦波による回転磁界を発生する一対となった第
１回転磁界発生部及び第２回転磁界発生部と、トーショ
ンバーの両端部に設けられ、前記第１回転磁界発生部に
対向した第１誘導起電圧発生体及び第２回転磁界発生部
に対向した第２誘導起電圧発生体と、第１誘導起電圧発
生体及び第２誘導起電圧発生体の夫々の誘導起電圧の位
相差を検出する位相差計とから構成されている。

この発明による静電誘導型のトルク測定装置はハウジン
グに固定され、多相正弦波による回転電界を発生する一
対となった第１回転電界発生部及び第２回転電界発生部
と、ハウジングに回転自在に支承されて、回転停止又は
所定の回転数で回転駆動されるトーションバーと、トー
ションバーの両端部に設けられ、前記第１回転電界発生
部に対向した第１誘導電圧発生体及び第２回転電界発生
部に対向した第２誘導電圧発生体と、第１誘導電圧発生
体及び第２誘導電圧発生体の夫々の誘導電圧の位相差を
検出する位相差計とから構成されている。

〔作　　用〕 トーションバーの一方の端部に回転駆動源を結合して、
測定されるトルクを加えてトーションバーを回転停止又
は所定の計測回転速度で回転駆動する。

そして、電磁誘導型のトルク測定装置においては、第１
回転磁界発生部及び第２回転磁界発生部から発生する回
転磁界により第１銹導起電圧発生体及び第２誘導起電圧
発生体の夫々に誘導起電圧が誘起される。

第１誘導起電圧発生体と第２誘導起電圧発生体とは、ト
ーションバーの捩じれにより捩じれ量に応じた量だけ回
転方向に位相がずれるので、両者に発生する誘導起電圧
間には、捩じれ量に応じた位相差が生じる。

その位相差を位相差計により検出して、位相変位量が算
出され、それに基づいてトーションバーに加わるトルク
量が算出される。

静電誘導型のトルク測定装置においては、第１回転電界
発生部及び第２回転電界発生部から発生する回転電界に
より第１誘導電圧発生体及び第２誘導電圧発生体の夫々
に誘導電圧が誘起される。

第１誘導電圧発生体と第２誘導電圧発生体とは、トーシ
ョンバーの捩じれにより捩じれ量に応じた量だけ回転方
向に位相がずれるので、両者に発生する誘導電圧間には
、捩じれ量に応じた位相差が生じる。

その位相差を位相差計により検出して、位相変位量が算
出され、それに基づいてトーションバーに加わるトルク
量が算出される。

〔実　施　例〕

この発明の実施例を図面に従って説明する。

先ず第１実施例である電磁誘導型のトルク測定装置につ
いて説明する。

第１図に示すトルク測定装置においては、トーションバ
ー１は、両端部１ａ、ｌｂがハウジング２の両側の挿通
孔３，４に挿入され、挿通孔３，４で軸受５，６を介し
てハウジング２に回転自在に支承されており、中間部が
縮径されて捩じり部ＩＣを形成している。

トーションバー１、特に捩じり部ＩＣは、寸法及び物理
的諸元が適宜定められて製作されている。

ハウジング２内において、トーションバー１の両端部１
ａ、ｌｂには捩じり部ＩＣの両端に隣接した円板状のロ
ータ７．８が固着されていると共に、ハウジング２の内
面には、円板状のステータ９１０が固着され、ロータ７
．８とステータ９，１０とは適宜の間隙を介して第２図
及び第３図に示すような各パターン面を対向させて、回
転型のインダクトシン（プリント板による電磁誘導型ト
ランスジューサ）を構成している。

挿通孔３，４内において、トーションバー１の両端部１
ａ、ｌｂにはロータリトランスの回転子１１゜１２が固
着されていると共に、挿通孔３，４の内周面には、回転
子ＩＩ、＋２の外周面に適宜の間隙を介して対向したロ
ータリトランスの固定子１３．１４が固着されている。

ロータ７．８及びステータ９，１ｏのパターン、ロータ
リトランスの回転子１１．１２及び固定子１３．１４は
、第４図に示すような回路に組込まれて接続されている
。

駆動正弦波電源（５Ｆ！振器）２０がら駆動正弦波電流
ｓｉｎ波を供給する電流供給線２１及び駆動正弦波電流
ＣＯＳ波を供給する電流供給線２２がステータ９　１０
のパターン２３．２４に接続されており、ステータ９゜
１０のパターン２３．２４において、駆動正弦波電流ｓ
ｉｎ波が流れるパターン２３ａ、　２４ａと駆動正弦波
電流ｃｏｓ波が流れるパターン２３ｂ、　２４ｂとは、
１／４ピンチずれている。ロータ７．８のパターン２５
．２６は、ロータリトランスの回転子１１．１２に接続
結線され、ロータリトランスの固定子１３．１４は、帯
域フィルタ２９３０及び増幅器３１．３２が介在する信
号出力線２７２８により位相差計３３に接続されており
、位相差計３３には表示器３４が設けられている。

上記の電磁誘導型のトルク測定装置の作用について説明
する。

トーションバー１の一方の端部１ａに回転駆動源を結合
して、トーションバー１を回転停止又は所定の計測回転
速度で回転駆動する。そして、駆動正弦波電源２０から
電流供給線２１を介してステータ９１０のパターン２３
ａ、２４ａに駆動正弦波電流ｓｉｎ波を供給し、電流供
給！ｌＡ２２を介してステータ９゜１０のパターン２３
ｂ、　２４ｂに駆動正弦波電流ＣＯ５波を供給する。即
ち、駆動正弦波電源２０から位相が９０度ずれた２相正
弦波電流がステータ９．１０に供給されるのである。

すると、ステータ９．１０のパターン２３ａ、　２３ｂ
；２４ａ２４ｂに磁界が発生する結果、ロータ７．８の
パターン２５．２６に下記のような誘導起電圧Ｅが発生
する。

Ｅａ：駆動正弦波電流ｓｉｎ波による誘導起電圧Ｅｂ：
駆動正弦波電流ｃｏｓ波による誘導起電圧ｅ；正数 ｘニスデータ９．１０に対するロータ７．８の変位角度 ω：駆・動圧弦波電流の角周波数 ｔ：時間 ｐ：パターンのピッチ とすると、 Ｅａ＝　ｅ−ｃｏｓ（２ｘ　ｘ　／ｐ）　Ｘ５ｉｎ（ω
ｔ　）Ｅｂ＝　ｅ　串５ｉｎ（２πｘ　／ｐ）　ＸＣ０
５（（１）　ｔ　）Ｅ　　＝Ｅａ＋Ｅｂ　＝　　ｃ”５
ｉｎ（ωｔ　＋２　πｘ／ｐｌ）ロータ７に発生する誘
導起電圧は、ステータ９に印加される駆動正弦波電流ｓ
ｉｎ波又はｃｏｓ波の位相に対し変位角度Ｘにより位相
変調される。ロータ８に発生する誘導起電圧も同様にス
テータ１０に印加される駆動正弦波電流ｓｉｎ波又はｃ
ｏｓ波の位相に対し位相変調される。

ロータ７に発生する誘導起電圧による出力信号１がロー
タリトランス（回転子１１・固定子１３）を介して固定
側の帯域フィルタ２９に入力され、その圧力は増幅器３
１を介して位相差計３３に入力されると共に、ロータ８
に発生する誘導起電圧による出力信号２がロータリトラ
ンス（回転子１２・固定子１４）を介して固定側の帯域
フィルタ３０に入力され、その出力は増幅器３２を介し
て位相差計３３に入力される。

そこで、トーションバー１の他方の端部１ｂに負荷を結
合した上でトーションバー１を回転停止又は所定の計測
回転速度で回転駆動すると、トーションバー１にトルク
が加わり、トーションバー１、特に捩じり部ＩＣには、
トルク量に比例した捩じり角の捩じりが生じ、延いては
、ロータ７とロータ８との間には、捩じれ角に応じた相
対角度変位が生じる。

その結果、ロータ７に発生する誘導起電圧、即ち出力信
号１の位相に対してロータ８に発生する誘導起電圧、即
ち出力信号２の位相は、捩じれ角に比例した量だけ変位
する。

従って、位相差計３３においては、出力信号１の位相を
基準にした出力信号２の位相変位量が算出され、それに
基づいて上記のトルク量が算出され表示器３４に表示さ
れる。

次に第２実施例である静電誘導型のトルク測定装置につ
いて説明する。

第５図に示すトルク測定装置においては、第１実施例の
電磁誘導型のトルク測定装置における回転型のインダク
トシンの代りに可変静電誘導電極を用いて、ロータリー
トランスの代りに静電容量型カップリングが用いられて
いる。

即ち、回転型の可変静電誘導電極は、ロータ７゜８とス
テータ９．１０とが適宜の間隙を介して電極面を対向さ
せて構成している。そして、第７図に示すように、ステ
ータ９，１０の電極面には、放射状に等ピッチで４の整
数倍の極板４１，４＋・・・；４２，４２・・・が配設
され、第６図に示すように、ロータ７゜８の電極面には
、放射状に等ピッチで極板４１，４１・・・；４２，４
２・・・の１／４の数の極板４３．４３・・・；４４，
４４・・・が極板４１．４１・・・；４２，４２・・・
の４倍ピッチで配設されている。

更に、挿通孔３，４内において、トーションバー１の両
端部１ａ、ｌｂには静電容量型カンプリングの回転金属
リング５１ａ、５１ｂが回転絶縁リング５２ａ５２ｂを
介′して固着されていると共に、挿通孔３，４の内周面
には、回転金属リング５１ａ、５１ｂの外周面に適宜の
間隙を介して対向した静電容量型カップリングの固定金
属リング５３ａ、　５３ｂが固定絶縁リング５４ａ、　
５４ｂを介して固着されているステータ９．ｌＯ及びロ
ータ７．８の極板４］、４］・・・４２、４２・・・；
４３，４’３・・・；４４．４４・・・並びに静電容量
型カップリングの回転金属リング５１ａ、５１ｂ及び固
定金属リング５３ａ、５Ｆｂは、第８図に示すような回
路に組込まれて接続されている。

駆動正弦波電源（発振器）４０から駆動正弦波電流±ｓ
ｉｎ波を供給する電流供給線４５．４６及び駆動正弦波
電流上ｃｏｓ波を供給する電流供給線４７．４８がステ
ータ９，１０の極板４１，４１・・・；４２．４２・・
・に接続されており、ロータ７．８の極板４３，４３・
・・；４４．４４・・・は、ハウジング２とトーンヨン
バ−１とに対向して設けられた極板から成る静電結合４
９．５０を介して増幅器３１．．３２に接続され、更に
帯域フィルタ２９．３０が介在する信号出力線２７．２
８により共に位相差計３３に接続されており、位相差計
３３には表示器３４が設けられている。

上記の静電誘導型のトルク測定装置の作用について説明
する。

第１実施例と同様にトーションバー１を回転停止又は所
定の計測回転速度で回転駆動する。そして、駆動正弦波
電源４０から電流供給線４５，４６．４７゜４８を介し
てステータ９，１０の極板４１．４１・・・；４２，４
２・・に配列順に駆動正弦波電圧±ｓｉｎ波、＋　ｃｏ
ｓ波、ｓｉｎ波、−ｃｏｓ波を順に供給する。部ち、駆
動正弦波電源２０から位相が９０度ずれた４相正弦波電
圧がステータ９．１０に供給されるのである。

すると、ステータ９，１０の極板４１，４＋・・・；　
４２．４２・・とロータ７の極板４３・・・、４４・・
・とから成る可変静電誘導電極に下記のような誘導電圧
Ｅが発生する。

Ｅ＆駆動正弦波電流ｓｉｎ波による誘導電圧Ｅｂ：駆動
正弦波電流ｃｏｓ波による誘導電圧ｅ：正数 Ｘ：ステータ９，１０に対するロータ７．８の変位角度 ω：駆動正弦波電流の角周波数 ｒ：時間 ｐ：極板のピッチ とすると、 Ｅａ＝ｅ淘ｃｏｓ（２ｘｘ／ｐ）Ｘｓｉｎ（ｍｔ）Ｅｂ
＝＝　ｅ　４ｓｉｎ（２ｘ　ｘ　／ｐ）　ＸＣ０５（Ｇ
）　ｔ　）Ｅ　　＝Ｅａ＋Ｅｂ　＝　　ｅ−ｓｉｎ（ω
ｔ　＋２　ｔｃ　ｘ／ｐ）ロータ７に発生する誘導電圧
は、ステータ９に印加される駆動正弦波電圧±ｓｉｎ波
又は±ｃｏｓ波の位相に対し変位角度Ｘにより位相変調
される。ロータ８に発生する誘導電圧も同様にステータ
１０に印加される駆動正弦波電圧±ｓｉｎ波又は±ｃｏ
ｓ波の位相に対し位相変調される。

ロータ７に発生する誘導電圧による出力信号１が静を結
合４９を介して固定側の増幅器３１に入力され、その出
力は帯域フィルタ２９を介して位相差計３３に入力され
ると共に、ロータ８に発生する誘導電圧による出力信号
２が静電結合５０を介して固定側の増幅器３２に入力さ
れ、その出力は帯域フィルタ３０を介して位相差計３３
に入力される。

そこで、トーンヨンバ−１の他方の端１１ｂに負荷を結
合した上でトーションバー１を回転停止又は所定の計！
Ａ！回転速度で回転駆動すると、第１実施例と同様にし
てロータ７とロータ８との間には、捩じれ角に応じた相
対角度変位が生じる。

その結果、ロータフに発生する誘導電圧、即ち出力信号
１の位相に対してロータ８に発生する誘導電圧、即ち出
力信号２の位相は、捩じれ角に比例した量だけ変位する
。

従って、位相差計３３においては、出力信号１の位相を
基準にした出力信号２の位相変位量が算出され、それに
基づいて上記のトルク量が算出され、表示器３４に表示
される。

［発明の効果］ この発明によるトルク測定装置においては、回転磁界発
生部及び回転電界発生部は、固定部分のみで回転部分が
なく、機械的可動部分が少ない土構造が簡単となり、従
って、装置の精度が高く、装置の耐用期間が長い。

しかも、駆動電流の周ＩＩＬ数を増加させることにより
発生信号周波数が増加するので、応答性を速くすること
が可能である。

又、水晶発振器等による電気的なリファレンス周波数を
用いることができるので、機械的な回転によるリファレ
ンス周波数の場合より遥かに測定精度が高い。更に電気
的に回転磁界又は回転電界を構成し、高周波数で信号を
扱うのでトーションバーの高速回転の場合や正逆回転の
場合のトルク！１１１１定が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第１実施例におけるトルク測定装
置の断面正面図、 第２図は、第１図の■−■線における断面図、第３図は
、第１図のｍ−■線における断面図、第４図は、この発
明の第１実施例におけるトルク測定装置の回路図、 第５図は、この発明の第２実施例におけるトルク測定装
置の断面正面図、 第６図は、第５図のＶｌ−Ｖｌ線における断面図、第７
図は、第５図の■−■線における断面図、第８図は、こ
の発明の第２実施例におけるトルク測定装置の回路図で
ある。 ５３ｍ、５３ｂ：固定金属！Ｊ　ンク ５４ｍ、５４ｂ：固定絶縁リンク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転自在に支承されて、回転停止又は所定の回転
   数で回転駆動されるトーションバーと、トーションバー
   の両端部に設けられ、回転方向に所定ピッチでハウジン
   グに固定され、多相正弦波による回転磁界を発生する一
   対となった第１回転磁界発生部及び第２回転磁界発生部
   と、トーションバーの両端部に設けられ、前記第１回転
   磁界発生部に対向した第１誘導起電圧発生体及び第２回
   転磁界発生部に対向した第２誘導起電圧発生体と、第１
   誘導起電圧発生体及び第２誘導起電圧発生体の夫々の誘
   導起電圧の位相差を検出する位相差計とから構成された
   トルク測定装置
2. （２）ハウジングに固定され、多相正弦波による回転電
   界を発生する一対となった第１回転電界発生部及び第２
   回転電界発生部と、ハウジングに回転自在に支承されて
   、回転停止又は所定の回転数で回転駆動されるトーショ
   ンバーと、トーションバーの両端部に設けられ、前記第
   １回転電界発生部に対向した第１誘導電圧発生体及び第
   ２回転電界発生部に対向した第２誘導電圧発生体と、第
   １誘導電圧発生体及び第２誘導電圧発生体の夫々の誘導
   電圧の位相差を検出する位相差計とから構成されたトル
   ク測定装置