JPH11344395A

JPH11344395A - 回転軸の変形検出方法および装置

Info

Publication number: JPH11344395A
Application number: JP15236998A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Shimamoto; 篤嶋本
Original assignee: SHINANO TECHNOLOGY KK; System Seiko Co Ltd
Current assignee: SHINANO TECHNOLOGY KK; System Seiko Co Ltd
Priority date: 1998-06-02
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 1999-12-14

Abstract

(57)【要約】【課題】回転軸の変形や負荷を簡便な構成で非接触に
測定する。【解決手段】回転軸１０の外周面に、軸方向に所定の
距離を隔てて、それぞれ、二つの反射面１１ａ、反射面
１１ｂおよび反射面１２ａ、反射面１２ｂを備えた第１
反射溝１１および第２反射溝１２を周方向に刻設し、各
々に臨む位置に、検査光ビーム３１および検査光ビーム
３２を放射する第１光源２１および第２光源２２と、各
反射面からの反射光３１ａ、反射光３１ｂを検出する光
センサ４１、光センサ４２、および反射光３２ａ、反射
光３２ｂを検出する光センサ５１、光センサ５２を配置
し、回転軸１０の変形に応じて変化する、光センサ４
１、４２、５１、５２の出力を信号処理部６０にて処理
することにより、回転軸１０の変形状態を検出信号出力
６１として外部に出力する回転軸の変形検出装置であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転軸の変形検出技
術に関し、特に、回転軸にて発生する伸縮変形や撓み変
形、さらにはそれに基づく負荷などの測定に適用して有
効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】回転軸は軸受けで支持されて、回転運動
や回転揺動運動などを行う機械要素であり、多くの場
合、ベルト車やはずみ車や歯車や車輪などの種々の要素
が取り付けられて使用される。

【０００３】このような回転軸には、たとえば車軸など
のように、主として曲げ作用を受けてトルクの伝達を行
わないもの、たとえば工作機械の主軸のように、主とし
てトルクつまり回転方向の動力の伝達を行うもの、たと
えば歯車軸やベルト車軸などのように、曲げ作用を受け
ながらトルクの伝達を行うもの、さらに、たとえばプロ
ペラ軸やスクリュー軸などのように、曲げ作用の他に引
張り、圧縮作用をも同時に受けてトルクの伝達を行うも
のがある。

【０００４】回転軸が特定の条件のもとで作動している
ときに、回転軸に対してトルクなどの負荷がどの程度作
用しているかを動作状態にて測定することが必要となる
場合がある。たとえば、先端に砥石が設けられた回転軸
を駆動して研削作業を行う場合には、砥石に目詰まりが
発生すると、回転軸に発生するトルクが一定値以下とな
るので、それを検出することにより、砥石の目詰まり状
態を検出することができる。同様に、工具の摩耗状態を
回転軸に加わる軸方向の負荷やトルク負荷によって検出
することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来、回転軸に加わる
トルクを測定する場合には、歪みゲージなどを軸表面に
貼り付けて軸外周面の歪み量を測定するようにしている
が、歪みケージからの電気信号を測定器本体に送るため
に、回転軸とこれの回りに配置された固定部材との間で
ブラシなどを用いる必要があり、測定装置が複雑となる
という技術的課題があった。

【０００６】なお、特開平７−５０５６号公報には、反
射性のバンドを測定対象の回転軸の２箇所に巻回して、
各々からの反射光差異を処理することにより、回転軸に
加わるトルクを測定する技術が開示されているが、当該
技術では、回転軸の伸縮変形や撓み変形等の測定にはな
んら配慮されていない。

【０００７】本発明の目的は、回転軸に加わる伸縮変形
や撓み変形、さらにはそれらに基づく負荷等の情報を簡
単な構造で非接触式に測定し得るようにすることにあ
る。

【０００８】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００１０】すなわち、本発明の回転軸の変形検出方法
は、回転軸の外周部の軸方向に離間した位置に、各々が
反射面を有する第１および第２の反射領域を配置すると
ともに、第１および第２の反射領域の各々に検査光を照
射し、第１および第２の反射領域の各々の反射面にて反
射される検査光の反射光路の変化に基づいて、回転軸の
変形を検出するものである。

【００１１】また、本発明の回転軸の変形検出装置は、
回転軸の外周部の軸方向に離間した位置に配置され、各
々が反射面を有する第１および第２の反射領域と、第１
および第２の反射領域の各々に検査光を照射する第１お
よび第２の光源部と、第１および第２の反射領域の各々
の反射面にて反射される検査光の反射光路の変化を検出
する光検出手段と、光検出手段から得られる反射光路の
変化に基づいて、回転軸の変形を観測する変形検出手段
とを備えたものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００１３】図１は本発明の一実施の形態である回転軸
の変形検出方法を実施する変形検出装置の構成の一例を
示す概念図であり、図２および図３は、その作用の一例
を示す概念図である。

【００１４】図１には、たとえば、モータやエンジンな
どの駆動源と砥石や歯車などの被駆動部材との間に設け
られる回転軸１０の一部が示されており、本実施の形態
では、この回転軸１０の撓み変形（すなわち曲げモーメ
ントＭ）および軸方向の伸縮変形（引張ないし圧縮方向
の荷重Ｗ）をそれぞれ測定する場合を例に採って説明す
る。

【００１５】図１に例示されるように、本実施の形態の
場合、回転軸１０には、軸方向に所定の間隔Ｌを置い
て、略Ｖ字形の断面形状を有する二つの第１反射溝１１
および第２反射溝１２が周方向に刻設され、それぞれ、
二つの反射面１１ａ、反射面１１ｂおよび反射面１２
ａ、反射面１２ｂを備えている。

【００１６】この二つの第１反射溝１１および第２反射
溝１２の各々対向する位置には、第１光源２１および第
２光源２２が配置されており、それぞれから、対応する
第１反射溝１１および第２反射溝１２に向かって検査光
ビーム３１および検査光ビーム３２を照射している。こ
の第１光源２１および第２光源２２は、たとえばＨｅ−
Ｎｅレーザ源で構成され、その場合、検査光ビーム３１
および検査光ビーム３２は、Ｈｅ−Ｎｅレーザビームで
ある。第１光源２１および第２光源２２は、光源制御部
２０にて駆動される。

【００１７】第１反射溝１１の二つの反射面１１ａ、反
射面１１ｂの各々に対向する位置には、光センサ４１お
よび光センサ４２、が配置されており、第２反射溝１２
の二つの反射面１２ａ、反射面１２ｂの各々に対向する
位置には、光センサ５１および光センサ５２、が配置さ
れている。

【００１８】第１反射溝１１に設けられた光センサ４１
および光センサ４２は、それぞれ、第１反射溝１１に照
射される検査光ビーム３１のうち、反射面１１ａにて反
射された反射光３１ａ、および反射面１１ｂにて反射さ
れた反射光３１ｂ、を検出するように配置されている。

【００１９】同様に、第２反射溝１２に設けられた光セ
ンサ５１および光センサ５２は、それぞれ、第２反射溝
１２に照射される検査光ビーム３２のうち、反射面１２
ａにて反射された反射光３２ａ、および反射面１２ｂに
て反射された反射光３２ｂ、を検出するように配置され
ている。

【００２０】本実施の形態の場合、光センサ４１、光セ
ンサ４２および光センサ５１、光センサ５２は、たとえ
ば、２分割フォトダイオードやフォトダイオードの表面
抵抗の変化を利用した光スポット位置センサ等の受光素
子で構成され、入射する反射光３１ａ、３１ｂ、反射光
３２ａ、３２ｂの入射位置の変化を一次元的に検出する
ことが可能になっている。

【００２１】すなわち、たとえば２分割フォトダイオー
ドで光センサ４１（４２）（５１）（５２）を構成した
場合、二つの受光領域Ａ、受光領域Ｂ（受光領域Ｃ、受
光領域Ｄ）（受光領域Ｅ、受光領域Ｆ）（受光領域Ｇ、
受光領域Ｈ）の各々の間の中立位置（光センサ４１の中
央部の破線位置）からの反射光３１ａ（３１ｂ）（３２
ａ）（３２ｂ）のスポットの入射位置の偏りに比例し
て、当該受光領域Ａ（Ｃ、Ｅ、Ｇ）、受光領域Ｂ（Ｄ、
Ｆ、Ｈ）の各々からの出力レベルが増減し、これによ
り、反射光３２ａの光路の変化を、二つの受光領域Ａ、
受光領域Ｂの配列方向において一次元的に検出可能とな
る。

【００２２】本実施の形態の場合、光センサ４１（４
２）（５１）（５２）の各々における二つの受光領域の
配列方向は、検査光ビーム３１（３２）の光路と、その
反射光３１ａ（３１ｂ）（３２ａ（３２ｂ））の光路を
含む平面に平行に設定されており、これにより、回転軸
１０の伸縮や撓み変形等に起因する反射面１１ａ、１１
ｂおよび反射面１２ａ、１２ｂの変位が、光センサ４１
（４２）（５１）（５２）の各々に対する反射光３１ａ
（３１ｂ）（３２ａ（３２ｂ））の二つの受光領域に対
する入射位置の変化として検出される。

【００２３】光センサ４１、４２および光センサ５１、
５２の各々の出力は、信号処理部６０に入力され、後述
のようにして、たとえば回転軸１０の伸縮変形や撓み変
形等の検出信号出力６１が外部に出力される。なお、光
センサ４１、４２、５１、５２の各々からの信号処理部
６０に対する出力は２系列（出力線４１ａ、出力線４１
ｂ、および出力線４２ｃ、出力線４２ｄ、および出力線
５１ｅ、出力線５１ｆ、および出力線５２ｇ、出力線５
２ｈ）であるが、図１では簡単のため１本の線で示して
ある。

【００２４】なお、光センサ４１、４２および光センサ
５１、５２の各々の出力は電流値としてそのまま信号処
理部６０で処理してもよいし、あるいは、電流値を電圧
値に変換した後に処理してもよい。

【００２５】また、簡単のため特に図示しないが、必要
に応じて、光源制御部２０にて、第１光源２１および第
２光源２２の各々から出力される検査光ビーム３１およ
び検査光ビーム３２に変調をかけ、光センサ４１、４
２、５１、５２の各々の出力を処理する信号処理部６０
にて検出信号を復調することにより、検査光ビーム３１
および３２以外の設置環境中の光等のノイズを低減する
ようにしてもよいことは言うまでもない。

【００２６】以下、本実施の形態の作用の一例について
説明する。まず、図２にて、回転軸１０の伸縮変形を検
出する場合について説明する。

【００２７】この伸縮変形を検出する場合では、図２に
例示されるように、信号処理部６０は、反転入力端子
（−）側に、光センサ４１、４２の出力線４１ａ、４２
ｃが接続され、非反転入力端子（＋）側に出力線４１
ｂ、４２ｄが接続された差動増幅器６２と、反転入力端
子（−）側に、光センサ５１、５２の出力線５１ｆ、５
２ｈが接続され、非反転入力端子（＋）側に出力線５１
ｅ、５２ｇが接続された差動増幅器６３と、これら二つ
の差動増幅器６２および６３の出力を加算して増幅し、
伸縮検出信号６１ａとして出力する加算増幅器６４で構
成されている。

【００２８】そして、回転軸１０の伸縮変形により、第
１反射溝１１の位置が、図２の左側（−ｘ方向）に移動
すると、反射面１１ａ（１１ｂ）で反射される反射光３
１ａ（３１ｂ）は、光センサ４１（４２）の受光領域Ａ
よりもＢ（ＣよりもＤ）側に偏った位置に入射する。従
って、上述のような結線の差動増幅器６２の出力は、−
ｘ方向への第１反射溝１１の変位に比例して増大するよ
うに変化する。

【００２９】また、回転軸１０の伸縮変形により、第２
反射溝１２の位置が、図２の右側（＋ｘ方向）に移動す
ると、反射面１２ａ（１２ｂ）で反射される反射光３２
ａ（３２ｂ）は、光センサ５１（５２）の受光領域Ｆよ
りもＥ（ＨよりもＧ）側に偏った位置に入射する。従っ
て、上述のような結線の差動増幅器６３の出力は、＋ｘ
方向への第２反射溝１２の変位に比例して増大するよう
に変化する。

【００３０】これにより、差動増幅器６２および６３の
出力の和をとる加算増幅器６４は、第１反射溝１１と第
２反射溝１２とが離間する方向、すなわち回転軸１０の
伸長変形に応じて増大し、収縮変形に応じて減少するよ
うに変化し、この変化によって、回転軸１０の伸縮変形
ΔＬを計測することが可能になる。

【００３１】そして、歪みε＝ΔＬ／Ｌが得られ、回転
軸１０の縦弾性係数をＥとすると、その断面に作用する
伸縮方向の応力σが、σ＝Ｅεにて求められる。さら
に、回転軸１０の断面積Ｓにて、伸縮方向の荷重Ｗが、
Ｗ＝σＳとして得られる。

【００３２】次に、回転軸１０の変形として、撓み量を
計測する場合について、図３を参照して説明する。

【００３３】この場合には、図３に例示されるように、
信号処理部６０を構成する差動増幅器６２の反転入力端
子（−）側に、光センサ４１、４２の出力線４１ｂ、４
２ｄを接続し、非反転入力端子（＋）側に出力線４１
ａ、４２ｃを接続するとともに、差動増幅器６３の反転
入力端子（−）側には、光センサ５１、５２の出力線５
１ｅ、５２ｇを接続し、非反転入力端子（＋）側には出
力線５１ｆ、５２ｈを接続し、これら二つの差動増幅器
６２および６３の出力を加算増幅器６４で加算して増幅
し、撓み検出信号６１ｂとして出力する構成となってい
る。

【００３４】そして、回転軸１０の撓み変形により、第
１反射溝１１の位置が、図３の反時計回り（＋θ方向）
に回動すると、反射面１１ａ（１１ｂ）で反射される反
射光３１ａ（３１ｂ）は、光センサ４１（４２）の受光
領域ＢよりもＡ（ＤよりもＣ）側に偏った位置に入射す
る。従って、上述のような結線の差動増幅器６２の出力
は、＋θ方向への第１反射溝１１の回動変位に比例して
増大するように変化する。

【００３５】また、回転軸１０の撓み変形により、第２
反射溝１２の位置が、図３の時計回り（−θ方向）に回
動すると、反射面１２ａ（１２ｂ）で反射される反射光
３２ａ（３２ｂ）は、光センサ５１（５２）の受光領域
ＥよりもＦ（ＧよりもＨ）側に偏った位置に入射する。
従って、上述のような結線の差動増幅器６３の出力は、
−θ方向への第２反射溝１２の変位に比例して増大する
ように変化する。

【００３６】従って、差動増幅器６２および６３の出力
を加算／増幅する加算増幅器６４の出力である撓み検出
信号６１ｂは、図３の上の凸側の撓み変形の増大に比例
して増加する。そして、この撓み検出信号６１ｂから回
転軸１０の曲率半径ρが得られ、回転軸１０の断面形状
によって決まる断面二次モーメントをＩ、縦弾性係数を
Ｅ、作用する曲げモーメントをＭとすると、Ｍ＝−（Ｅ
Ｉ／ρ）、（但し符号は、両端の変形が下向きに正）に
て、曲げモーメントＭ等の負荷を計測することができ
る。

【００３７】なお、信号処理部６０では、図２および図
３に例示される信号処理機能を重複して持ち、伸縮検出
信号６１ａと撓み検出信号６１ｂとを同時に並行して出
力する構成としてもよいし、あるいは、共通の差動増幅
器６２、６３および加算増幅器６４に対して、複数の光
センサ４１、４２および光センサ５１、５２の出力線の
接続状態を図示しないスイッチ等て切り替えることによ
り、伸縮検出信号６１ａの測定と、撓み検出信号６１ｂ
の測定とを外部から随意に切り替える構成としてもよ
い。

【００３８】また、反射領域の構成としては、上述のよ
うに第１反射溝１１および第２反射溝１２に限らず、た
とえば図４に例示されるように、反射面１１０ａおよび
反射面１１０ｂを有する第１反射突起１１０と、反射面
１２０ａおよび反射面１２０ｂを有する第２反射突起１
２０を回転軸１０に形成した構成でもよい。

【００３９】以上説明したように、本実施の形態の回転
軸の変形検出方法および装置によれば、回転軸１０の表
面に歪みゲージを張り付ける等の複雑な構成を用いるこ
となく、非接触で、しかも２分割フォトダイオードや光
スポット位置センサ等の簡単な受光素子にて、回転軸１
０の伸縮変形や撓み変形、さらにはそれらに基づく伸縮
荷重や曲げモーメント等の負荷を、回転軸１０の使用状
態において高精度に計測できる、という効果が得られ
る。

【００４０】この結果、たとえば、一端に図示しない砥
石が設けられた回転軸１０を他端側に設けられた図示し
ないモータ等にて回転駆動して研削作業を行う場合に
は、砥石に目詰まりが発生すると、回転軸に発生する負
荷が一定値以上となるので、それを検出することによ
り、砥石の目詰まり状態を検出することができる。同様
に、工具の摩耗状態を回転軸に加わる軸方向の負荷によ
って検出することができる。

【００４１】以上本発明者によってなされた発明を実施
の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施
の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しな
い範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【００４２】たとえば、反射領域としては、上述の実施
の形態に例示したように、回転軸自体の外周部に反射溝
や反射突起を形成する構成に限らず、たとえば、回転軸
の外周部に、溝や突起付きテープ等を貼付する構成とし
てもよい。

【００４３】さらに、反射領域から発生する反射光を、
光ファイバ等の光学系を用いて光検出手段に導く構成と
してもよい。

【００４４】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００４５】本発明の回転軸の変形検出方法によれば、
回転軸に加わる伸縮変形や撓み変形、さらにはそれらに
基づく負荷等の情報を簡単な構造で非接触式に測定する
ことができる、という効果が得られる。

【００４６】また、本発明の回転軸の変形検出装置によ
れば、回転軸に加わる伸縮変形や撓み変形、さらにはそ
れらに基づく負荷等の情報を簡単な構造で非接触式に測
定することができる、という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である回転軸の変形検出
方法を実施する変形検出装置の構成の一例を示す概念図
である。

【図２】本発明の一実施の形態である回転軸の変形検出
方法を実施する変形検出装置の作用の一例を示す概念図
である。

【図３】本発明の一実施の形態である回転軸の変形検出
方法を実施する変形検出装置の作用の一例を示す概念図
である。

【図４】本発明の一実施の形態である回転軸の変形検出
方法を実施する変形検出装置における変形例を示す概念
図である。

【符号の説明】

１０回転軸１１第１反射溝（第１の反射領域）１１ａ，１１ｂ反射面１２第２反射溝（第２の反射領域）１２ａ，１２ｂ反射面２０光源制御部２１第１光源（第１の光源部）２２第２光源（第１の光源部）３１検査光ビーム（検査光）３１ａ，３１ｂ反射光３２検査光ビーム（検査光）３２ａ，３２ｂ反射光４１光センサ（光検出手段）４１ａ，４１ｂ出力線４２光センサ（光検出手段）４２ｃ，４２ｄ出力線５１光センサ（光検出手段）５１ｅ，５１ｆ出力線５２光センサ（光検出手段）５２ｇ，５２ｈ出力線６０信号処理部（変形検出手段）６１検出信号出力６１ａ伸縮検出信号６１ｂ撓み検出信号６２，６３差動増幅器６４加算増幅器１１０第１反射突起（第１の反射領域）１１０ａ，１１０ｂ反射面１２０第２反射突起（第２の反射領域）１２０ａ，１２０ｂ反射面Ａ，Ｂ受光領域Ｃ，Ｄ受光領域Ｅ，Ｆ受光領域Ｇ，Ｈ受光領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸の外周部の軸方向に離間した位置
に、各々が反射面を有する第１および第２の反射領域を
配置するとともに、前記第１および第２の反射領域の各
々に検査光を照射し、前記第１および第２の反射領域の
各々の前記反射面にて反射される前記検査光の反射光路
の変化に基づいて、前記回転軸の変形を検出することを
特徴とする回転軸の変形検出方法。
【請求項２】請求項１記載の回転軸の変形検出方法に
おいて、前記第１および第２の反射領域は、前記回転軸
の軸方向に所定の間隔を置いて周方向に形成され、各々
の断面が略Ｖ字形で第１および第２の反射面を有する第
１および第２の反射溝または反射突起であり、前記第１
および第２の反射溝または反射突起の各々に対して、前
記回転軸の中心軸にほぼ直交する方向に照射され、前記
第１および第２の反射面にて反射された前記検査光の４
つの反射光路の変化に基づいて、前記回転軸の軸方向に
おける伸縮変形および前記回転軸の軸方向に交差する方
向の撓み変形の少なくとも一方を検出することを特徴と
する回転軸の変形検出方法。
【請求項３】回転軸の外周部の軸方向に離間した位置
に配置され、各々が反射面を有する第１および第２の反
射領域と、前記第１および第２の反射領域の各々に検査
光を照射する第１および第２の光源部と、前記第１およ
び第２の反射領域の各々の前記反射面にて反射される前
記検査光の反射光路の変化を検出する光検出手段と、前
記光検出手段から得られる前記反射光路の変化に基づい
て、前記回転軸の変形を観測する変形検出手段とを備え
たことを特徴とする回転軸の変形検出装置。
【請求項４】請求項３記載の回転軸の変形検出装置に
おいて、前記第１および第２の反射領域は、前記回転軸の軸方向
に所定の間隔を置いて周方向に形成され、各々の断面が
略Ｖ字形で第１および第２の反射面を有する第１および
第２の反射溝または反射突起であり、前記光検出手段は、前記第１の反射溝または反射突起に
おける前記第１および第２の反射面に対向して配置さ
れ、入出力する前記反射光路の変化を１次元的に検出す
る機能を有する第１および第２の受光素子と、前記第２
の反射溝または反射突起における前記第１および第２の
反射面に対向して配置され、入出力する前記反射光路の
変化を１次元的に検出する機能を有する第３および第４
の受光素子とからなり、前記変形検出手段は、前記第１、第２、第３および第４
の受光素子にて検出される前記検査光の４つの反射光路
の変化に基づいて、前記回転軸の軸方向における伸縮変
形および前記回転軸の軸方向に交差する方向の撓み変形
の少なくとも一方を検出することを特徴とする回転軸の
変形検出装置。