JPH05506506A - レーザ検出装置 - 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】 レーザ検出装置 本発明はレーザ検出装置であって、例えばトルクメータまたは回転軸系を通して 伝達されるトルクを測定する装置、軸エンコーダまたは角度位置を指示する装置 用のレーザ検出装置に関する。

工業設備においては、回転軸にトルクを与えるギヤボックスを介して例えば内燃 機関、ガスタービンまたは電気モータといった動力源からコンプレッサ、ダイナ モ、プロペラまたは車輪といった受動機へと動力が伝達される。従って、トルク の伝達はより効率的で信頼性のある伝動装置を研究し、開発するために最も重要 な事柄である。設計者は、歯車の摩耗、ベアリングやカップリングの故障、軸の 疲労破壊および他の関連する捩れ振動およびノイズの問題を最小にするために安 定したトルク伝達装置を提供することに関心を寄せている。更に、最近の動力伝 達装置は可撓性カップリングを使用するものが多々あり、かかる可撓性カップリ ングの寿命は高レベルの変動トルクがあると大幅に制限される。

今日まで、これらの分野における発展は、被駆動系を通る時間分解されたトルク を直ちにかつ正確に測定しつる装置がなかったために遅れている。

本発明の一特徴によれば、レーザ光線を発生して回転軸の面に指向させる装置、 前記レーザ光線と組合わされ、前記面で戻り散乱された（　ｂａｃｋｓｃａｔｔ ｅｒｅｄ　）光の強さを検出して、検出した光の強度に関した出力信号を発生す る検出装置、および基準波形を記憶する記憶手段を有すると共に前記レーザ光線 と組合わされた信号処理装置を備え、この信号処理装置は前記基準波形に対する 検出強度出力信号の位相を示す出力信号、従って基準位置に対する軸の角度位置 の指示を発生するようにしたレーザ検出装置が提供される。

本発明の他の特徴によればかかるレーザ検出装置を少なくとも二つ備え、これら のレーザ検出装置によって発生されたレーザ光線を、回転軸に沿ってその長さ方 向に間隔を置いた位置において、この回転軸の面に指向させ、更に各検出装置の 信号処理装置からの出力信号を比較して前記回転軸を通して伝達されるトルクを 指示する比較装置を備えたレーザトルクメータが提供される。

以下、本発明による軸エンコーダおよびレーザトルクメータの一例を、図面を参 照して詳細に説明する。

第１図は本発明による軸エンコーダまたは角度位置検出装置を示す図、 第２図は本発明によるトルクメータを概略的に示す図である。

第１図に示す軸エンコーダ１０は回転軸１２の角度位置を測定するのに「スペッ クルパターン」の形成を利用するスペックルパターンはレーザビームが光学的に 粗い面に入射した時に形成される。位相がずれたしかしコヒーレント成分の波の 強め合う干渉と弱め合う干渉とは、戻し散乱される光に高強度および低強度の無 秩序の分布を生ぜしめる。この分布がスペックルパターンと称される。パターン 中の各スペックルの大きさはその範囲をよぎって一定であると考えられかつ隣接 するスペックルとは互いに関連はない。

粗な面が動くと、パターンを形成するスペックルは前記面における散乱のポピユ レーションに十分な変化が生じ、スペックルが「ボイル」するまで前記面と一緒 に移動しようとする。従って、軸１２の表面の場合のように、前記面が回転すれ ば、前記面における散乱の照射されたポピユレーションが各回転に伴って反復す るので、いかなる平面内で観察されるスペックルパターンも各回転に正確に伴っ て反復する。

適当な充電検出器を用いてスペックルパターンをサンプリングすれば、光電検出 器の活性部分上の集積された強度に瞬時的に比例する周期的信号が得られる。

一本のレーザビーム１４が回転軸１２上の光学的粗面に指向される。その結果帯 られる光電検出器１８によるスペックルパターン出力を示す信号が、前記軸の一 回転の間に先に発生された基準パターンを示す記憶された信号と比較される。検 出したパターンと記憶したパターンとの位相差を信号処理装置２０によってめて 、軸１２の相対的角度位置の正確な指示を提供する。記憶されたパターンを既知 の軸位置のパルス信号に組合わせると絶対角度位置をめることができる。

軸によって伝達される時間分解されたトルクをめるには既知の距離だけ離れた二 本のビームを用いて軸の面の捩れを測定する必要がある０周期的な各波形が適当 なメモリにディジタルの形で記憶されており、「無負荷」の状態では記憶された 信号と現時点の信号とが一緒にロックされる。続いて、軸１′？、に負荷がかか ると、記憶された波形に対するその時の各波形の位相が軸の捩じれに比例して変 化する。軸上の二つのモニタ位置でこの位相差を測定すると、伝達されているト ルクを計算することができる。

はとんどの面は光学的に十分に粗であるからモニタのために必要なスペックルパ ターンを発生することができる。

しかし、金属部分の機械加工された部分は、安全な低出力のレーザを使用してモ ニタするのを許容するに十分なほどに光を反射しない。従って、より反射性の良 い部分を回転体に設けるのが好ましい。

第２図に示す如く、既知の間隔を置いた位置１２ａ、１２ｂにおいて軸１２に反 射テープを固定することにより光学的に粗な反射面を形成することができる。レ ーザ源１４ａ、１４ｂからのレーザビームは、ビームスプリッタ１６ａ、１６ｂ により、既知の間隔を置いた位置１２ａ、１２ｂにおいて軸の表面に指向される 。１２ａ、１２ｂにおいて反射テープで戻し散乱された光、即ちスペックルパタ ーンは、検出器１８ａ、１８ｂによって検出され、これらの検出器からの出力信 号はそれぞれ信号処理装置２０ａ、２ｏｂに送られる。多くの機械加工された要 素の場合、その面は光学的に十分に粗であるから反射テープは必ずしも使用する 必要はない。

信号処理装置２０ａ、２０ｂは記憶手段を有し、この記懐手段には軸１２が回転 する時に発生される周期的な強度パターンが記憶される。上述したように、記憶 された波形は光電検出器１８ａ、１８ｂによって発生される信号と比較するのに 使用され、負荷がかかった時の軸１２の捩れを示す信号を出力する。これらの出 力信号は位相比較器２２に送られ、位相比較器２２は軸１２によって伝達されて いる瞬時トルクに比例した信号を発生する。

上述したトルクメータは直ちに、時間分解されたトルク測定値を提供することが できると共に以下の効果を有する（イ）このトルクメータは無接触式であるので 、軸に測定装置を取付けるための高価で長時間にわたる「非運転時間」を回避し つる。

（ロ）簡単に使用することができ、単にビームを軸の面に指向させるだけである 。

（ハ）無接触式であるので、軸の広範囲な大きさ、形状および速度に対して融通 性がある。

（ニ）このトルクメータは容易に可搬式にすることができる。

（ホ）可動部がなく摩耗しにくいので寿命が長い。

（へ）安価に製造することができる。

回転している軸上の粗面によって作られるスペックルパターンは、回転軸の角度 位置を指示する軸エンコーダと関連して使用することができる。

要　約　書 二本のレーザ光線を、回転軸に沿ってその長さ方向に間隔を置いた点１２ａ、１ ２ｂにおいて、回転軸の面に指向させる。前記軸の光学的に粗な面によって戻し 散乱された光を検出器１８ａ、１８ｂによって検出する。これらの検出器は検出 された強度に関する出力信号を発生する。各光線に組合わされた信号処理袋ｆｉ ２０ａ、２０ｂが基準波形を記憶する記憶手段を備えている。信号処理装置２０ ａ。

２０ｂは記憶手段に記憶された基準波形に対する検出された強度の位相を示す信 号を発生する。比較器２２が信号処理装置２０ａ、２０ｂからの出力信号を比較 して軸１２を通して伝達されるトルクの指示を与える。あるいは、軸の角度位置 の指示を与えるために一本の光線と検出器とを使用することができる。

平成４年１１月２７日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．レーザ光線を発生して回転軸１２の面に指向させる装置、前記レーザ光線と 組合わされ、前記面１２で戻し散乱された光の強さを検出して、検出した光の強 度に関した出力信号を発生する検出装置１８、および基準波形を記憶する記憶手 段を有すると共に前記レーザ光線と組合わされた信号処理装置２０を備え、この 信号処理装置２０は前記基準波形に対する検出強度出力信号の位相を示す出力信 号、従って基準位置に対する軸１２の角度位置の指示を発生するようにしたこと を特徴とするレーザ検出装置。
2. ２．請求の範囲１による少なくとも二つのレーザ検出装置１０を備え、これらの レーザ検出装置１０によって発生されたレーザ光線を、回転軸１２に沿ってその 長さ方向に間隔を置いた位置１２ａ，１２ｂにおいてこの回転軸１２の面に指向 させ、更に各検出装置の信号処理装置２０ａ，２０ｂからの出力信号を比較して 前記回転軸１２を通して伝達されるトルクを指示する比較装置２２を備えたレー ザトルクメータ。
3. ３．レーザ光線の入射点１２ａ，１２ｂにおける軸面が光学的に粗であることを 特徴とする請求の範囲１または２記載の装置。
4. ４．実質的に第２図について説明したレーザトルクメータ。
5. ５．実質的に第１図について説明したレーザ検出装置。
6. ６．レーザ光線を回転体１２の面に指向させ、前記レーザ光線が前記面に入射す る点において戻し散乱された光の強度を検出し、記憶された基準波形に対する検 出した強度の位相を示す信号、従って、基準位置に対する回転体の角度位置の指 示を発生することを特徴とする回転体の特性を測定する方法。
7. ７．基準波形は回転体１２が回転している時に戻し散乱される光の強度を検出す ることにより発生することを特徴とする請求の範囲６記載の方法。
8. ８．請求の範囲６により、回転体１２の長さ方向に沿って間隔を置いた二つまた はそれ以上の位置における前記回転体１２の相対的な角度位置の指示を与え、角 度位置を示す信号を比較して前記回転体１２を通して伝達されるトルクを指示す ることを特徴とする、回転体により伝達されるトルクを測定する方法。
9. ９．実質的に第１図について説明した、回転体の相対的角度位置を測定する方法 。
10. １０．実質的に第２図について説明した、回転体により伝達されるトルクを測定 する方法。