JPH10111190A - 回転トルク測定方法および回転トルク測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 渦巻き状ばねを用いて微小な回転トルクを計
測する際でも全角度範囲にわかってトルクカーブを得る
ことのできる回転トルク測定方法および回転トルク測定
器を提供すること。 【解決手段】 被測定物Ｗの固定部Ｗ２と可動部Ｗ１と
の間に発生する回転トルクを測定するにあたって、可動
部Ｗ１に対して測定用部材１９を介して該可動部の変位
を打ち消す方向にばね力を作用する渦巻き状ばね１８を
機構的に接続し、この状態で、前記固定部Ｗ２を回転さ
せたときの可動部Ｗ１の変位量を測定することによって
トルクを計測する。ここで、渦巻き状ばね１８としては
ばね定数がトルクピーク値の２倍から３倍までの範囲に
あるものを用いる。その結果、渦巻き状ばね１８にいわ
ゆるとびの現象が発生しないので、微小なトルクについ
ても全角度範囲にわたってトルクカーブを得ることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、マイクロマシン等
に設けられた微小回転物体の微小な回転トルクを測定す
るのに適した回転トルク測定方法および回転トルク測定
器に関するものである。さらに詳しくは、微小な回転ト
ルクを測定するにあたってピークトルク値だけでなくト
ルクカーブも測定するための技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来からある代表的なトルク測定器とし
ては、図１５に示すように、駆動側１０１と被測定物側
である従動側１０２との間で軸線周りにねじられるトー
ションバー１０３を用いたものがある。このトルク測定
器では、トルク量に応じたトーションバー１０３のねじ
れ量をロータリーエンコーダ１０４、１０５等のセンサ
で検出し、図１６に示すような出力カーブの位相差から
トルクを測定する。ここで、トーションバー１０３のね
じれ量は歪みゲージなどで測定することもある。しか
し、近年、機器の小型化にともないその駆動源となるモ
ータや発電機においても超小型化が進む中にあって、従
来の測定方式では、被測定物がマイクロマシン等に代表
される微小回転物体となると、トルク量に応じたトーシ
ョンバー１０３のねじれ量が微小となるため、ロータリ
ーエンコーダ１０４、１０５から得られるセンサ出力が
極めて小さい。従って、測定感度・分解能ともに低くな
るので、正確なトルク測定が行えないという問題点があ
る。それ故、従来は、微小な回転トルクについては計算
で求めたり、簡易実験により推定するなどの方法で対処
せざるを得ない。

【０００３】そこで、このような微小なトルク量に対し
ても精度よく測定できる方法として、渦巻き状ばね（つ
る巻きばね／ひげぜんまい）を使用した微小回転トルク
測定器が提案されている（特公平７−３３７１号）。こ
の公報に開示されているトルク測定器では、被測定物の
固定部と可動部との間に発生する回転トルクを測定する
にあたって、可動部に対してその変位を打ち消す方向に
ばね力を作用する渦巻き状ばねを機構的に接続し、この
状態で固定部側を回転させたときの可動部の変位量を測
定する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に開示されたものでは、トルクのピーク値だけしか測
定されず、微小回転体の回転角度に対するトルクカーブ
を測定することはできないという問題点がある。すなわ
ち、詳しくは図４を参照して本発明の実施の形態の欄で
後述するが、可動部の回転角度が０°の基準状態（位置
Ｐ１に相当する状態）からたとえば矢印Ｓに沿って渦巻
き状ばねが巻き込まれる方向に変形し、静的トルクカー
ブのピーク値に相当する状態（位置Ｐ２に相当する状
態）にまで変形すると、矢印Ｔで示すように、位置Ｐ３
に相当する状態にまで一気に変形する現象（いわゆる、
渦巻き状ばねのとびの現象）が発生する。このため、位
置Ｐ２に相当する状態に達した以降の領域Ｑについては
トルク値を得ることができず、トルクカーブを測定でき
ない。

【０００５】そこで、本発明の課題は、上記問題点を解
消することにあり、渦巻き状ばねを用いて微小な回転ト
ルクを計測する際でも全角度範囲にわたってトルクカー
ブを得ることのできる回転トルク測定方法および回転ト
ルク測定器を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、被測定物の固定部と可動部との間に発
生する回転トルクを測定するにあたって、前記可動部に
対して該可動部の変位を打ち消す方向にばね力を作用す
る渦巻き状ばねを機構的に接続し、この状態で前記固定
部を回転させたときの前記可動部の変位量を測定するこ
とによって前記固定部と前記可動部との間の回転トルク
を計測する回転トルク測定方法において、前記渦巻き状
ばねとしてばね定数がトルクピーク値の２倍以上のもの
を用いることを特徴とする。

【０００７】本発明では、図４を参照して説明した渦巻
き状ばねのとびの現象を理論的に解析した結果、渦巻き
状ばねのばね定数とトルクピーク値との間に所定の関
係、すなわち、渦巻き状ばねのばね定数をトルクピーク
値の２倍以上とすれば、とびの現象が発生しないという
知見を得た。従って、このような条件に設定すると、図
４に示すトルクカーブ１周期にわたって回転トルクを測
定できる。それ故、微小な回転トルクについてもトルク
カーブを得ることができる。

【０００８】本発明では、前記渦巻き状ばねとしてばね
定数がトルクピーク値の２倍から３倍までの範囲のもの
を用いることが好ましい。渦巻き状ばねのばね定数が大
きすぎると小さなトルク変動に対して感度が低下する
が、ばね定数の上限をトルクピーク値の３倍と設定して
おけば、渦巻き状ばねのとびの現象がなく、かつ測定感
度も実使用上十分に高いレベルを維持できる。

【０００９】このような回転トルクの測定方法は、たと
えば、受け部材と、該受け部材に両端が軸支され軸線周
りに回転可能な支持固定部と、一端は前記受け部材に固
定され他端は前記支持固定部に固定される渦巻き状ばね
と、被測定物の固定部側を回転させる回転手段と、前記
支持固定部に固定され該支持固定部に被測定物の可動部
側の変位を伝達する測定用部材と、該測定用部材の回転
角度を読み取る読取手段とを有する回転トルク測定器に
おいて、前記渦巻き状ばねとしてばね定数がトルクピー
ク値の２倍以上のものを用いることによって実施でき
る。

【００１０】この場合でも、測定感度を低下させないと
いう観点から、前記渦巻き状ばねとしてばね定数がトル
クピーク値の２倍から３倍までの範囲のものを用いるこ
とが好ましい。

【００１１】本発明では、前記受け部材は、前記支持固
定部を軸支するピボット軸受けを備えていることが好ま
しい。このように構成すると、被測定物から与えられる
荷重で先端が変形を生じない範囲でピボット先端の曲率
半径を小さくするほど、軸摩擦トルクを小さくすること
ができるので、より正確なトルク測定ができ、測定精度
が向上する。

【００１２】本発明では、前記測定用部材は、前記支持
固定部から同軸状に延びる針状になっていることが好ま
しい。このように構成すると、測定用部材の重量および
慣性トルクが十分小さく影響を与えないため、より微小
なトルクカーブの測定が可能となる。

【００１３】本発明において、前記読取手段としては、
たとえば、前記測定用部材の回転角度を目視により読み
取るためのメジャースコープを用いることができる。

【００１４】本発明において、前記回転手段は、被測定
物の固定部側を所定の角度ごと自動的に回転させる自動
回転手段であることが好ましい。このように構成する
と、被測定物の固定部側を自動的に回転させるので、ト
ルクカーブを計測するのに便利である。

【００１５】この場合には、前記読取手段は、前記測定
用部材を撮像する撮像装置と、該撮像装置の撮像結果に
基づいて前記測定用部材の回転角度を画像認識により自
動的に読み取る画像処理手段とを備えていることが好ま
しい。このように構成すると、測定用部材の回転角度を
画像認識処理により自動的に検出するため、トルクカー
ブの測定は高精度・高分解能化し、測定の個人誤差やば
らつきが少なくなるとともに、測定時間の短縮化を図る
ことができる。

【００１６】本発明において、前記読取手段は、前記測
定用部材の一部に固着された反射手段と、該反射手段に
光を照射する光源部と、前記反射手段からの反射光を検
出する光位置検出素子とを備え、前記測定用部材の回転
角度を前記光位置検出素子による検出結果に基づいて読
み取るように構成されていることが好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】

［実施の形態１］図１は、本発明に係る回転トルク測定
器の概略側面図である。

【００１８】図１において、本形態に係る回転トルク測
定器１０は、小型発電機や小型ステップモータにおける
ロータ（被測定物の可動部）とステータ（被測定物の固
定部）と間のトルクカーブなどを手動により測定するタ
イプのものである。回転トルク測定器１０は、メジャー
スコープ（分度器付き接眼レンズ）１１を備える顕微鏡
１２を備え、この顕微鏡１２の測定台１６には、回転ス
テージ１３、Ｘ−Ｙステージ１４、被測定物Ｗを保持し
ておく試料固定台１５とがこの順に構成されている。

【００１９】顕微鏡１２の測定台１６から上方に延びる
支柱１６０には２つの固定装置１６１、１６２が取り付
けられている。これらの固定装置１６１、１６２のう
ち、上方に位置する固定装置１６１に対しては前記の顕
微鏡１２が連結され、下方に位置する固定装置１６２に
対しては渦巻き状ばね（図示せず。）を保持している支
持固定部１７が連結されている。ここで、固定装置１６
１、１６２は、いずれも支柱１６０上で高さ位置を調整
できるとともに、支柱１６０の軸線周りに回転させるこ
とも可能である。従って、固定装置１６１、１６２は、
支持固定部１７およびメジャースコープ１１などをそれ
ぞれ高さ調整および回転調整することができる。ここ
で、支持固定部１７に連結されている渦巻き状ばねは、
後述するとおり、被測定物の回転トルクを検出するため
のものである。

【００２０】図２は、渦巻き状ばねおよび測定用部材を
支持固定する支持固定部の断面図、図３は、渦巻き状ば
ねと測定用部材を固定した部分の平面図である。

【００２１】支持固定部１７は上下２枚の受け板１７
１、１７２を備え、これらの受け板１７１、１７２の間
に渦巻き状ばね１８と、測定用部材１９の細く直線的に
延びた上端側水平部１９０が位置するようになってい
る。受け板１７１、１７２には、玉軸受け１７３、１７
４がそれぞれ構成され、これらの玉軸受け１７３、１７
４に対して回転中心軸１７５の上端部および下端部が支
持されている。受け板１７１、１７２の間において受け
板１７１の下面部には端末固定部１７６が構成され、そ
こには渦巻き状ばね１８の端末１８０が固定されてい
る。

【００２２】また、図３に示すように、渦巻き状ばね１
８は、その巻き中心部分１８１がばね固定用リング１７
７を介して回転中心軸１７５に固定され、かつ、この固
定リング１７７には測定用部材１９の上端側水平部１９
０の先端部も固定されている。

【００２３】ここで、図２からわかるように、測定部材
１９の他端部分である下端側水平部１９１は被測定部Ｗ
の可動部Ｗ１に接触している。従って、被測定物Ｗの可
動部Ｗ１と固定部Ｗ２との間にトルクをかけたときにそ
の可動部Ｗ１が変位（回転）すると、その変位は測定用
部材１９を介して回転中心軸１７５に伝達され、回転中
心軸１７５が軸線周りに回転する一方、それに抗するよ
うに渦巻き状ばね１８が伸縮する。従って、バランスが
とれて停止したときの可動部Ｗ１の変位量（回転角）を
測定用部材１９の変位量（回転角）としてメジャースコ
ープ１１から目視により読み取れば、渦巻き状ばね１８
のばね定数が既知であるので、被測定物Ｗにかけられた
トルクを測定できることになる。

【００２４】このように構成したトルク測定器１０にお
いてトルクカーブを測定する方法を説明する。まず、Ｘ
−Ｙステージ１４により被測定物Ｗの可動部Ｗ１と測定
用部材１９の下端側水平部１９１との位置関係などを調
整した後、被測定物Ｗの固定部Ｗ２側につながる回転ス
テージ１３を一方向に所定の角度ずつ回転させる。する
と、それにつれて被測定物Ｗの可動部Ｗ１側につながる
測定用部材１９も渦巻き状ばね１８のばね力とバランス
する位置まで回転する。次に、測定用部材１９の上端側
水平部１９０の角度変位［ｄｅｇ．］を顕微鏡１２に設
けられたメジャースコープ１１により目視測定して、そ
の測定値と、渦巻き状ばねのばね定数ｋ［ｍｇｆｍｍ／
ｄｅｇ．］とからトルク値を算出する。

【００２５】例えば、ばね定数０．２ｍｇｆｍｍ／ｄｅ
ｇ．の渦巻き状ばね１８を使い、測定用部材１９の変位
量から求めた可動部Ｗ１の角度変位が５０ｄｅｇ．であ
る場合、トルク値は、０．２ｍｇｆｍｍ／ｄｅｇ．×５
０ｄｅｇ．＝１０ｍｇｆｍｍとなる。

【００２６】ここで、従来の測定方法のままでは、図４
に示すように回転部Ｗ１の基準位置Ｐ１から測定し始め
て、静的トルクカーブのピーク値近くになると、次の静
的安定位置付近にとんでしまう。図５は、このような条
件下での実測結果である。ここで横軸は、可動部Ｗ１の
静的安定位置からの回転角である。この可動部Ｗ１の回
転角θは、固定部Ｗ２（回転ステージ１３）側の回転角
θｓを測定して、以下の式 θ＝θｓ−θｈ［ｄｅｇ．］ θｈ：渦巻き状ばねの回転角（測定用部材１９の変位
量） により求める。

【００２７】このようにしてトルクカーブを測定してい
くうちに、従来の測定方法では、図４および図５に示す
ように、ピーク値４５ｄｅｇ．を過ぎた５０ｄｅｇ．付
近で次の静的安定位置である１８０ｄｅｇ．に被測定物
Ｗの可動部Ｗ１の位置がとんでしまう。このような渦巻
き状ばね１８のとび現象があると、図６に示すように、
静的安定位置を中心に±４５ｄｅｇ．の角度範囲でしか
トルクカーブを測定できない。

【００２８】そこで、本発明では、以下に説明する渦巻
き状ばね１８のとび現象の解析結果に基づいて、渦巻き
状ばね１８のばね定数を最適化してある。

【００２９】まず、トルクの測定では、被測定物Ｗの固
定部Ｗ２側をｃｗ方向（時計周り方向）にある回転角θ
ｓ回転させると、それにつれて被測定物Ｗの可動部Ｗ１
につながる渦巻き状ばね１８および測定用部材１９は、
ｃｗ方向にθｈ回転する。したがって、被測定物Ｗの可
動部Ｗ１の回転角θは、 θ＝θｓ−θｈ （１） となる。

【００３０】ここで、図７に示すように、簡単のために
被測定物Ｗの可動部Ｗ１の回転角θに対するトルクカー
ブをサイン波と見做して Ｔ（θ）＝−Ｔ₀ ｓｉｎ（θ） （２） Ｔ₀ ：トルクカーブのピーク値 と置く。このとき被測定物Ｗの固定部Ｗ２側の角度変位
θｓを可動部の回転角θの関数としてΘ( θ) とする
と、つり合いの方程式は Ｔ（θ）＋ｋ（Θ（θ）−θ）＝０ （３） となる。

【００３１】従って、（２）式を（３）式に代入する
と、 −Ｔ₀ ｓｉｎ（θ）＋ｋ（Θ（θ）−θ）＝０ （４） となる。

【００３２】ここで、定数であるトルクのピーク値Ｔ₀
と渦巻き状ばね１８のばね定数ｋとの比をτ（＝Ｔ／
ｋ) とすると、（４）式は、 −τｓｉｎ（θ）＋（Θ（θ）−θ） ＝０ （５） となる。従って、τをパラメータにして縦軸に被測定物
のトルクＴ（θ）、横軸に固定部側の変位角度Θ（θ）
をとり、（５）式をグラフで示すと図８のようになる。
図８からわかるように、トルクのピーク値Ｔ₀ と渦巻き
状ばね１８のばね定数ｋとの比であるτ（＝Ｔ₀ ／ｋ）
が１以上であるような２や３の場合には、固定部Ｗ２の
回転方向とは逆向きとなり、固定部Ｗ２の側の変位角度
Θ（θ）が後戻りをしている。このような場合、固定部
Ｗ２の回転角Θ（θ）に対するトルクＴ（θ）は最大で
３値をもつ。しかし実際の測定では、固定部をｃｗ方向
に強制的に変位させていくため、矢印Ｘで示すような後
戻り（反時計周りの方向／ｃｃｗ方向) はできない。従
って、矢印Ｙで示すように、トルクＴ（θ）は一方から
他方（次の静的安定位置に近い所）にとばなければいけ
ない。これが渦巻き状ばね１８を用いるトルク測定にお
けるとびの現象となっていると考えられる。

【００３３】このような観点から、図５に示したとび現
象がある実測結果を見直すと、以下に示すように、 渦巻き状ばねのばね定数：ｋ＝０．２１９［ｍｇｆｍｍ
／ｄｅｇ．］ ｋ′＝０．２１９／ｔａｎ１゜＝１２．５５ ［ｍｇｆ
ｍｍ/ ｍｍ］ トルクピーク値Ｔ₀ ：１３［ｍｇｆｍｍ］ ∴ τ＝Ｔ₀ ／ｋ＝１３／１２．５５＝１．０４ τは１．０４であった。それ故、τが１以上である場合
に相当し、トルクＴ（θ）の傾きが無限大になるので、
理論上とび現象が起きたのである。

【００３４】そこで、本発明では、理論的には図８に示
すトルクＴ（θ）の傾きが無限大にならないばね定数の
渦巻き状ばね１８を用いればよいことに着目して、τが
１以下のばね定数ｋを用いることとしている。

【００３５】このように、τが１以下のばね定数をもつ
渦巻き状ばね１８を用いて確認した結果を図９に示す。
図９には、τが０．４３のばね定数をもつ渦巻き状ばね
１８を用いたときの測定結果である。また、図１０に
は、比較例としてτが０．７３のばね定数をもつ渦巻き
状ばね１８を用いたときの測定結果も示してある。

【００３６】これらの実験結果からわかるように、τが
０．５以下であればとび現象がなく安定して測定できる
ことが明らかとなった。

【００３７】ここで、τを渦巻き状ばね１８のばね定数
ｋで表現すると、 τ（＝Ｔ₀ ／ｋ）≦０．５ → ｋ≧２Ｔ₀ ［ｍｇｆｍｍ/ ｍｍ］（６） となり、ばね定数ｋがトルクピーク値の２倍以上をもつ
渦巻き状ばね１８であればよい。

【００３８】本発明において、ばね定数ｋがあまり大き
くしすぎると小さなトルク変動に対して感度が低下する
ため、測定精度が低下する。したがって、ばね定数ｋが
トルクピーク値の３倍以下（τ＝０．３３）であれば渦
巻き状ばね１８のとびの現象がなく、かつ測定感度も低
下しない範囲で十分安定して測定できる。

【００３９】それ故、本発明では、トルクカーブ測定に
おける最も望ましい渦巻き状ばね１８のばね定数は、 ３・Ｔ₀ ≧ ｋ ≧ ２・Ｔ₀ （７） Ｔ₀ ［ｍｇｆｍｍ］：トルクピーク値 であるといえる。

【００４０】［実施の形態２］図１１は、実施の形態２
に係る回転トルク測定器の要部を示す断面図である。な
お、以下の説明において、実施の形態１と共通する部分
については同一の符号を付してそれらの説明を省略す
る。

【００４１】図２に示した回転トルク測定器１０の支持
固定部１７では回転中心軸１７５の受け部には玉軸受け
１７３、１７４を用いた構造となっているが、本形態で
は、この受け部に玉軸受け１７３、１７４に代えて、図
１１に示すように、ピボット軸受け１７８、１７９を用
いてある。このように構成すると、この部分での軸摩擦
が低減する。それ故、被測定物Ｗの側から加わる荷重で
ピボット先端が変形を生じない範囲でピボット先端の曲
率半径を小さくするほど、軸摩擦トルクを小さくするこ
とができる。よって、本形態では、軸摩擦が低減した
分、より正確なトルク測定ができ、測定精度が向上す
る。

【００４２】［実施の形態３］図１２は、実施の形態３
に係る回転トルク測定器の要部を示す断面図である。こ
の図に示すように、本形態では、渦巻き状ばね１８の回
転中心軸１７５に測定用部材１９Ａが同軸状に直結して
おり、この測定用部材１９Ａは、被測定物Ｗの可動部Ｗ
１に連結されて回転トルクを渦巻き状ばね１９に伝達す
る役目をしている。

【００４３】また、測定分解能をさらに向上させようと
する場合は、別部材からなる測定用部材１９Ａの代わり
に渦巻き状ばね１８の回転中心軸１７５を延長し、その
延長した部分を測定用部材１９Ａとする。さらに、測定
用部材１９Ａの下端部を針状にする。そして、被測定物
Ｗの回転中心位置と一致するように、被測定物Ｗと測定
用部材１９Ａの下端部とを連結すれば、被測定物Ｗの回
転トルクを測定用部材１９Ａ、回転中心軸１７５、およ
び渦巻き状ばね１８に伝達することが可能となる。

【００４４】このように構成すると、測定用部材１９Ａ
の重量および慣性トルクが測定結果に影響を及ぼさない
ため、より微小なトルクカーブの測定が可能となる。さ
らに、被測定物Ｗの回転部の形状に関係なく、回転中心
位置さえ一致させれば多種多様な形状の被測定物Ｗのト
ルクカーブを測定できるという利点がある。

【００４５】［実施の形態４］図１３は、実施の形態４
に係る回転トルク測定器の要部を示すブロック図であ
る。実施の形態１ないし３に係る回転トルク測定器で
は、渦巻き状ばね１８の回転中心軸１７５に固定された
測定用部材１９、１９Ａの回転角を顕微鏡１２を通して
メジャースコープ１１にて目視測定していた。しかし、
目視測定による角度検出では測定精度・分解能ともに限
界があり、測定ばらつきや個人誤差を多く含む。そこ
で、本形態では、渦巻き状ばね１８（測定用部材１９、
１９Ａ）を撮像管２１０を介して撮像した後、その撮像
結果に対して画像認識処理装置２１で画像認識処理を行
うことによって、測定用部材１９、１９Ａの角度位置を
読み取るようになっている。また、被測定物Ｗの固定部
Ｗ２をある回転角度ごと自動回転させる自動回転ステー
ジ２３を用いるようになっている。従って、画像認識処
理装置２１から出力されてくる回転角θｈ、自動回転ス
テージ２３から出力されてくる回転角θｓ、および渦巻
き状ばね１８のばね定数ｋに基づいて、マイクロコンピ
ュータで構成されたメインコントローラ２５で回転トル
クを算出すれば、その算出結果に基づいてパーソナルコ
ンピュータのＣＲＴ画面２６などにトルクカーブとして
グラフ表示させることができる。

【００４６】このように構成した回転トルク測定器で
は、測定用部材１９、１９Ａの回転角度（被測定物Ｗの
可動部Ｗ１の変位量）を画像認識処理により検出するた
め、トルクカーブの測定は高精度・高分解能化し、測定
の個人誤差やばらつきが少なくなるとともに、測定時間
の短縮化を図ることができる。それ故、小型発電機や小
型ステップモータにおけるロータ−ステータ間のトルク
カーブの測定に適している。

【００４７】［実施の形態５］図１４（ａ）は、実施の
形態５に係る回転トルク測定器の要部を示すブロック
図、図１４（ｂ）はその検出原理を説明する説明図であ
る。

【００４８】図１４（ａ）に示すように、本形態に係る
回転トルク測定器では、渦巻き状ばね１８の角度検出を
光てこに代表される光学的拡大機構により検出する構成
にしてある。すなわち、渦巻き状ばね１８の回転中心軸
１７５付近にはそれと同軸に回る反射ミラー３１を設置
し、光源３２からはレーザ光等の直進性のよい光を反射
ミラー３１に向けて照射する。トルクが加わり測定用部
材１９、１９Ａを介して回転中心軸１７５の回転角が変
化すると反射ミラー３１も同期して回転する。このた
め、反射ミラー３１で反射した光はある距離に設置して
ある光位置検出装置３３上を走査するので、この位置か
ら変位量を検出できる。従って、光位置検出装置３３か
ら出力されてくる回転角θｈ、自動回転ステージ２３か
ら出力されてくる回転角θｓ、および渦巻き状ばね１８
のばね定数ｋに基づいて、マイクロコンピュータで構成
されたメインコントローラ２５で回転トルクを算出すれ
ば、その算出結果に基づいてパーソナルコンピュータの
ＣＲＴ画面２６などにトルクカーブとしてグラフ表示さ
せることができる。

【００４９】この角度検出方法を用いた回転トルク測定
器では、図１４（ｂ）からわかるように、反射ミラー３
１と光位置検出装置３３との距離Ｌ２を大きくとれば、
反射ミラー３１の回転角θｈ、すなわち測定用部材１
９、１９Ａの微小角度変位θｈが光位置検出装置３３に
おいて拡大された受光範囲Ｌ１として、高精度・高分解
能化された状態で検出される。それ故、本形態によれ
ば、トルクカーブの測定は高精度・高分解能化し、測定
の個人誤差やばらつきが少なくなるとともに測定時間の
短縮化が図れ、さらに、動きの速い被測定物でも追従性
よく検出できる。

【００５０】［その他の実施の形態］なお、上記のいず
れの形態でも微小回転トルク測定器について述べてきた
が、測定範囲が数ｇｆｃｍ以上の比較的大きなトルクを
計測する場合でも同様に、渦巻き状ばねのばね定数さえ
最適化すれば、本発明に係るトルクカーブ計測方法およ
び回転トルク測定器を適用できる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、被測
定物の固定部と可動部との間に発生する回転トルクを渦
巻き状ばねを用いて測定するにあたって、渦巻き状ばね
としてばね定数がトルクピーク値の２倍以上のものを用
いることを特徴とする。従って、本発明によれば、渦巻
き状ばねのばね定数とトルクピーク値との関係を渦巻き
ばねのとびの現象が発生しない条件に限定してあるた
め、微小な回転トルクについてもトルクカーブを得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る回転トルク測定器
の全体構成を示す概略構成図である。

【図２】図１に示す回転トルク測定器において、渦巻き
状ばねおよび測定用部材を支持固定する支持固定部の断
面図である。

【図３】図１に示す回転トルク測定器において、渦巻き
状ばねと測定用部材を固定した部分の平面図である。

【図４】渦巻き状ばねを利用した従来の回転トルク測定
器において生じる渦巻きばねのとびの現象を示す説明図
である。

【図５】渦巻き状ばねを利用した従来の回転トルク測定
器による回転トルクの測定例を示すグラフである。

【図６】渦巻き状ばねを利用した従来の回転トルク測定
器による回転トルクカーブの測定可能な範囲を示すグラ
フである。

【図７】渦巻き状ばねを利用した回転トルク測定器にお
けるトルクカーブと渦巻きばねとの釣合いを示すグラフ
である。

【図８】渦巻き状ばねを利用した回転トルク測定器にお
けるトルクのピーク値Ｔ₀ と渦巻き状ばねのばね定数ｋ
との比τ（Ｔ₀ ／ｋ）をパラメータとしたときの被測定
物のトルクＴ（θ）と、固定部側の変位角度Θ（θ）と
の関係を示すグラフである。

【図９】渦巻き状ばねを利用した回転トルク測定器にお
けるトルクのピーク値Ｔ₀ と渦巻き状ばねのばね定数ｋ
との比τ（Ｔ₀ ／ｋ）を０．４３に設定したときに得ら
れたトルクカーブを示すグラフである。

【図１０】渦巻き状ばねを利用した回転トルク測定器に
おけるトルクのピーク値Ｔ₀ と渦巻き状ばねのばね定数
ｋとの比τ（Ｔ₀ ／ｋ）を０．７３に設定したときに得
られたトルクカーブを示すグラフである。

【図１１】本発明の実施の形態２に係る回転トルク測定
器において、渦巻き状ばねおよび測定用部材を支持固定
する支持固定部の断面図である。

【図１２】本発明の実施の形態３に係る回転トルク測定
器において、渦巻き状ばねおよび測定用部材を支持固定
する支持固定部の断面図である。

【図１３】本発明の実施の形態４に係る回転トルク測定
器において、画像認識処理装置のブロック図である。

【図１４】本発明の実施の形態５に係る回転トルク測定
器において、光学的拡大機構のブロック図である。

【図１５】トーションバーを利用した従来の回転トルク
測定器の要部を示す構成図である。

【図１６】図１５に示す従来の回転トルク測定器におい
て駆動側および従動側のロータリエンコーダーからそれ
ぞれ得られる出力を示すグラフである。

【符号の説明】

１０ 回転トルク測定器 １１ メジャースコープ １２ 顕微鏡 １３ 回転ステージ １４ Ｘ−Ｙステージ １５ 試料固定台 １６ 測定台 １７ 支持固定部 １８ 渦巻き状ばね １９、１９Ａ 測定用部材 ２１ 画像認識処理装置 ２３ 自動回転ステージ ２５ メインコントローラ ２６ パーソナルコンピュータのＣＲＴ画面 ３１ 反射ミラー ３２ 光源 ３３ 光位置検出装置 １０１ 駆動側 １０２ 従動側 １０３ トーションバー １０４、１０５ ロータリーエンコーダ １６１、１６２ 固定装置 １７１、１７２ 受け板（受け部材） １７３、１７４ 玉軸受け １７５ 回転中心軸 １７６ 端末固定部 １７７ 固定リング １７８、１７９ ピボット軸受け １８０ 渦巻き状ばねの端末 １８１ 渦巻き状ばねの巻き中心部分 １９０ 上端側水平部 １９１ 下端側水平部 ２１０ 撮像管 Ｗ 被測定物 Ｗ１ 被測定物の可動部 Ｗ２ 被測定物の固定部

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の固定部と可動部との間に発生
   する回転トルクを測定するにあたって、前記可動部に対
   して該可動部の変位を打ち消す方向にばね力を作用する
   渦巻き状ばねを機構的に接続し、この状態で前記固定部
   を回転させたときの前記可動部の変位量を測定すること
   によって前記固定部と前記可動部との間の回転トルクを
   計測する回転トルク測定方法において、 前記渦巻き状ばねとしてばね定数がトルクピーク値の２
   倍以上のものを用いることを特徴とする回転トルク測定
   方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記渦巻き状ばねと
   してばね定数がトルクピーク値の２倍から３倍までの範
   囲のものを用いることを特徴とする回転トルク測定方
   法。
3. 【請求項３】 受け部材と、該受け部材に両端が軸支さ
   れ軸線周りに回転可能な支持固定部と、一端は前記受け
   部材に固定され他端は前記支持固定部に固定される渦巻
   き状ばねと、被測定物の固定部側を回転させる回転手段
   と、前記支持固定部に固定され該支持固定部に被測定物
   の可動部側の変位を伝達する測定用部材と、該測定用部
   材の回転角度を読み取る読取手段とを有する回転トルク
   測定器において、 前記渦巻き状ばねとしてばね定数がトルクピーク値の２
   倍以上のものを用いたことを特徴とする回転トルク測定
   器。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記渦巻き状ばねと
   してばね定数がトルクピーク値の２倍から３倍までの範
   囲のものを用いたことを特徴とする回転トルク測定器。
5. 【請求項５】 請求項３または４において、前記受け部
   材は、前記支持固定部を軸支するピボット軸受けを備え
   ていることを特徴とする回転トルク測定器。
6. 【請求項６】 請求項３または４において、前記測定用
   部材は、前記支持固定部から同軸状に延びる針状になっ
   ていることを特徴とする回転トルク測定器。
7. 【請求項７】 請求項３ないし６のいずれかにおいて、
   前記読取手段は、前記測定用部材の回転角度を目視によ
   り読み取るためのメジャースコープを備えていることを
   特徴とする回転トルク測定器。
8. 【請求項８】 請求項３ないし６のいずれかにおいて、
   前記回転手段は、被測定物の固定部側を所定の角度ごと
   自動的に回転させる自動回転手段であることを特徴とす
   る回転トルク測定器。
9. 【請求項９】 請求項８において、前記読取手段は、前
   記測定用部材を撮像する撮像装置と、該撮像装置の撮像
   結果に基づいて前記測定用部材の回転角度を画像認識に
   より自動的に読み取る画像処理手段とを備えていること
   を特徴とする回転トルク測定器。
10. 【請求項１０】 請求項３ないし６のいずれかにおい
    て、前記読取手段は、前記測定用部材の一部に固着され
    た反射手段と、該反射手段に光を照射する光源部と、前
    記反射手段からの反射光を検出する光位置検出素子とを
    備え、前記測定用部材の回転角度を前記光位置検出素子
    による検出結果に基づいて読み取るように構成されてい
    ることを特徴とする回転トルク測定器。