JPS63255633A - トルク検出装置およびトルク測定装置 - 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】 技術分野 本発明はｎｉ１定装置に関し、より特定的には駆動機の
ロータと負荷のロータとの間で伝達されるトルクを検出
する装置であって、トルクをΔ１り定するために信号処
理装置と組合わせて使用されるトルク検出装置に関する
。

従来技術 電動モータや内燃機関などの駆動機の駆動軸から負荷と
して作用する回転機械に付加されるトルクを検出しかつ
測定する装置はよく知られており、教育目的にも、また
は駆動機の運転を制御するｆ１□１７御系にトルク情報
を与えるためにも広く利用されている。

トルク検出装置の大抵のタイプは細くかつ可撓性を有す
る軸体を利用し、軸体はトルクか付加されるとその軸の
周りにわずかにねじられる。トルクを求めるためには、
軸体の軸方向に間隔を有して配置された位置上に形成さ
れたマーキングを用いてねじれ角が測定される。

さらに特定の実施例として、１９７５年３月１８１１付
でＰＲＡＴＴ、Ｊｒ他に交付された米国特シ１第３８７
１２１．５号はトルク測定装置を開示するが、この装置
においては軸体のねじれ角は光変調系を用いて求められ
、変調光は電気信号を発生し、この電気信号からトルク
情報が得られる。

さらに１９７６年２月３Ｈ付て５ＣＨＩＮＤＬＥＲに交
付された米国特許第３９３５７３３号は、他のタイプの
トルク測定装置に関し、その装置においては軸体のねじ
れ角は、ねじりが可能な軸体上で軸方向に間隔を有して
配置された位置に装着された磁気テープ上に記録される
２つの周期信号間の位相差を基礎にして測定される。

発明の概要 本発明は既存のトルク検出装置およびトルク測定装置の
改良である。

本発明によるトルク検出装置は細くかつ可撓性を有する
軸体を含み、軸体は、モータのような駆動機のロータと
駆動関係結合をなすように設けられた一端と、駆動機に
より駆動される負荷のロータに作動結合されるように設
けられた他端とを有し、可撓軸体は２つのロータ間の伝
動軸体として作用をする。

トルク検出装置はまた、可撓軸体上で軸方向に間隔を有
して配置された位置に装着された磁気テープのような一
対の記録媒体をも含む。好ましい具体例においては、各
磁気テープは可撓軸体の両端の各々に取付けられたカラ
ーの周縁上に装着される。各磁気テープ上には正弦波信
号のような周期信号が恒久的に記録されている。

この周期信号を検出して２つの独立した出力信号を発生
するために、一方のカラーの周縁に隣接して一対の読取
りヘッドが装着される。他方のカラー上に装着された磁
気テープ上に記録された周期信号を検出するためには、
単一の読取りへ・ソドを使用するのが好ましい。

トルク検出装置の可撓軸体を介して駆動機のロータから
負荷のロータへのトルクが付加されると、トルクに比例
する可撓軸体内のねじれ角は、２つの磁気テープ上に記
録されている周期信号間に位相差を形成しよう。読取り
ヘッドからの出力信号を処理することにより、位相差が
評価されかつトルク情報が得られる。

トルク測定装置を形成するために、トルク検出装置はマ
イクロコンピュータに作動結合される。

マイクロコンピュータの役目は、信号間の位相ずれを計
算してトルク値を求めるために、読取りヘッドからの出
力信号を処理することである。

一方のカラーに付属する周期信号を検出するために２つ
の読取りヘッドを配置することは、ロータの回転方向の
判定を＝Ｉ能とする。出力信号の一方が他方の信号より
遅れているか進んでいるかは、ロータが時＝１方向に回
転しているかまたは反時計方向に回転しているかの判定
を可能にする。

この特徴は、ねじれ角と回転方向とからトルクの大きさ
およびいずれの側のロータか動力を供給しているかを求
めるために、トルク測定装置を単純化しかつ使い易くし
て仕事をコンピュータに任せている。

好ましい具体例においては、読取りヘッドにより発生さ
れた出力信号はマイクロコンピュータに送られる前に高
域フィルタにより濾過される。この配置は以下に示す好
ましい具体例の記載中で詳細に説明されているように、
読取りヘッドからの出力信号を安定させることによりト
ルク測定装置廃 り 盲り度を改汲する。

従って本発明は一般的な態様において、−支持構造体と
、 −支持構造体に回転可能に装着されかつ検出されるべき
トルクを伝達するように設けられたねじり軸体であって
、トルクがねじり軸体にねじりを発生するところのねじ
り軸体と、 −ねしり軸体上で軸方向に間隔を有して配置された位置
に装着された第１および第２の記録媒体であって、周期
信号がその上に記録されているところの第１および第２
の記録媒体と、 −支持構造体に装着され、かつ第１および第２の記録媒
体のそれぞれと組合わされて周期信号を検出して次に出
力信号を発生する第１および第２の信号検出手段であっ
て、前記第１の信号検出手段がそれぞれ第１の記録媒体
上に記録されている周期信号を検出して次に出力信号を
発生するように間隔を設けて配置された一対のセンサを
含み、ねじりは第１および第２の信号検出手段の出力信
号の間に位相ずれを形成し、位相ずれはトルクを示すも
のであり、第１および第２の信号検出手段がトルクを求
めるためにこれにより発生された出力信号を処理して位
相ずれを測定するための電子装置に作動結合するように
設けられ、電子装置もまたねじり軸体の回転方向を判定
するために間隔を設けて配置された一対のセンサからの
出力信号を処理する第１および第２の信号検出手段とか
らなるトルク検出装置を含む。

本発明はまた、 −（ａ）支持構造体と、 （ｂ）前記支持構造体に回転可能に装着されかつ検出さ
れるべきトルクを伝達するように設けられたねしり軸体
であって、前記トルクか前記ねじり軸体にねじりを発４
目−るところのねじり軸体と、（ｃ）前記ねじり軸体上
で軸方向に間隔を有して配置された位置に装着された第
１および第２の記録媒体であって、前記第１および第２
の記録媒体上に周期信号が記録されているところの第１
および第２の記録媒体と、 （ｄ）前記支持構造体に装着され、かつ前記第１および
第２の記録媒体のそれぞれに組合わされて周期信号を検
出し次に出力信号を発生ずる第１および第２の信号検出
手段であって、前記ねしりは前記第１および第２の信号
検出手段の出力信号の間に位相ずれを形成し、前記位相
ずれは前記トルクを示すものであるところの第１および
第２の信号検出手段とを含むトルク検出装置と、−前記
第１および第２の信号検出手段により発生される出力信
号を濾過するために前記第１および第２の信号検出手段
に作動結合された高域フィルタ手段と、 −前記位相ずれをπ１算して次に前記トルクを求めるた
めに、濾過された出力信号を受入れて処理するように前
記高域フィルタ手段に作動結合されたコンピュータ手段
とからなるトルク測定装置をも含む。

具体例 本発明の好適具体例を添付図により説明する。

図、特に第１図によると、参照番号ｌＯで示される本発
明によるトルク検出装置は全体が円筒形の形状を有し、
適当な支持台１２上に装着される。トルク検出装置１０
は端部壁１５を設けた円筒ケーシング１４を含み、端部
壁１５は組立体の構造的剛性を確保することと、トルク
検出装置１０の内部部品を保護することとに利用される
。

端部壁１５からは、駆動機のロータと負荷のロータとに
それぞれに接続される継手１８．１８が伸長する。

検出装置１０の内部構造をさらに詳細に示す第２図によ
ると、継手部材１６は、継手１６の直径より実質的に大
きい直径を有するディスク部材２２と一体的に形成され
る軸体２０の一端に装着される。ディスク部材２２上に
はまた環状突起部２４か形成され、該突起部にはソケッ
ト２８を形成する中央四部２６が設けられる。突起部２
４にはまた、凹部２６を横断伸長する開孔３０が設けら
れる。

ディスク部材２２は、軸体２０を受入れる一対のころか
り軸受対３２を介してケーシング１４に対し回転可能に
装着される。

ディスク部材２２の周縁上には磁気テープ３４か装着さ
れ、この上には好ましくは正弦波特性の周期信号が記録
されている。

継手部材１８は、ディスク部材２２と同様のディスク部
材２２ａの軸体上に装着されるので、ここでは詳細には
説明しない。ディスク部材２２の要素に対応するディス
ク部材２２ａの要素は、添字ｒ　ａＪを付けて同一参照
番号で示される。

比較的細くかつ鋼のような弾性材料から製作されるねじ
り軸体３８は、部材２２と２２ａとの間に装着される。

ねじり軸体３８の両端には、拡大部すなわちヘッド４０
．４０ａがそれぞれ形成される。ヘッド４０、４０ａは
同一なので簡単のために説明はヘット４０のみにとどめ
、かつヘッド４０の要素と同一なヘッド４０ａの要素は
添字「ａ」を付けて同一参照番号で示す。ヘッド４０は
ソケット２８内に深く収容され、ヘッド４０には開孔３
０と心が一致する開孔４２が穿孔され、その中に固定ピ
ン４４が挿入されてヘッド４０のソケット２８からの望
外の抜は出しか防止される。

ディスク部＋４’２２．２２ａ間に金属スリーブ４６が
装着され、金属スリーブ４６はねじり軸体３８と同軸に
伸長する。

環状突起部２４ａは、参照番号４８で示される金属スリ
ーブ４６の一方の端部内に収容される。スリー−１６＝ ブ４６上で端部４８に隣接して、固定ピン４４ａを貫通
収容するための一対の開孔５０が形成される。

環状突起部２４は、５１で示される金属スリーブ４６の
他方の端部内に収容される。

スリーブ４６上で端部５１に隣接して、固定ピン４４を
収容するための一対の溝５２が形成される。溝５２は金
属スリーブ４６に対し円周方向に伸長する。

金属スリーブ４６の内径は、端部５１において突起部２
４と動きばめを形成するようにやや拡大され、これによ
りディスク部材２２は軸体３８をねしることによりスリ
ーブ４６に対しある限度内で回転可能であり、ピン４４
の端部は溝５２内で移動する。溝５２の長さはディスク
部材２２とシリンダ４６との間の相対運動の許容振幅を
決定し、これは軸体３８の過大ねじりを回避するように
計算される。

再度第１図によると、ディスク部材２２の周縁に隣接し
てケーシング１４に一対の読取りヘット５４゜５Ｇ（第
２図では点線で示される）か装着され、これらは各々に
出力信号を発生するために、磁気テープ３４上の正弦波
信号を検出する。ホール効果センザであるヘッド５４．
５６には、磁気テープ３４上に記録されている信号の周
期の１／４に相等する距離の間隔か相互間に設けられる
。

テープ３４ａ上に記録されている信号を検出するように
、ディスク部材２２ａに隣接してケーシング１４」二に
、同様にホール効果センザである単一読取りヘッド５８
（第２図では同様に点線で示される）か装着される。

本発明によるトルク検出装置１０の作動は次のとおりで
ある。

電動モータ、内燃機関などの駆動機の駆動軸は継手１６
．１８の一方に結合され、またポンプや発電機なとの負
荷の軸は他方の１１！手に結合される。例えば駆動機か
継手、１６に結合されると、負荷は継丁１８に結合され
る。

駆動機から負荷へのトルクが、トルク検出装置１０を介
して、さらに特にはねしり軸体３８により伝達される。

このときねじり軸体３８はその軸の周りにわずかにねじ
られ、そのねじれ角は付加されたトルクの振幅に比例す
る。

ねじれ角は、読取りヘッド５４．５６により発生される
信号と読取りヘッド５８により発生される信号との間に
位相ずれを形成する。出力信号間の位相ずれを測定して
トルク情報を得るためには、読取りヘッド５４．５ｆ３
および５８からの出力信号はマイクロコンピュータに送
られ、マイクロコンピュータは駆動機から負荷へ伝達さ
れるトルクを計算する目的のあるプログラムにより演算
を行なう。

トルク検出装置１０は、マイクロコンピュータと協働し
てトルク測定装置を構成する。

マイクロコンピュータとトルク計算プログラムとは、本
発明の部分を構成しないのでここでは詳細には説明しな
い。本発明によるトルク検出装置には種々のタイプのコ
ンピュータが使用可能であり、出力信号間の位相ずれを
測定して得られたヘッド５４．５６および５８の出力信
号からトルクを計算すべく、種々のプログラムを作成可
能であることを理解すべきである。

読取りヘッド５４．５６からの出力信号は、ディスク部
材２２．２２ａの回転方向を判定するために使用可能で
ある。ヘッド５６からの出力信号を基準にとり、もしヘ
ッド５４からの信号がヘッド５６からの信号より遅れる
ときは、ディスク部材２２．２２ａは矢印６０の方向の
時計方向に回転する。しかしもしヘッド５４からの信号
かヘッド５６からの信号より進んでいるときは、ディス
ク部材２２．２２ａは矢印６２に示すような反時計方向
に回転する。

継手１６または１８のどちら側に駆動機か結合されてい
るかを判定するために、この情報は、ヘッド５４、５６
およびヘッド５８からの信号の位相ずれの符号と組合わ
せて使用される。

例えばディスク部材２２．２２ａが矢印６０で示される
ように時計方向に回転し、かつ読取りヘッド５８からの
出力信号かヘッド５４．５６からの出力信号より遅れる
ときは、駆動機は継手１６側に結合されていてトルクを
継手１８の方向に伝達する。

ディスク部材２２．２２ａが矢印６２で示されるように
反時計方向に回転し、かつヘッド５８の信号かヘッド５
４．５６からの信号より進んでいるときは、駆動機は継
手１８に結合されている。

変更態様においては、本発明によるトルク測定装置の読
取りヘッド５４．５６および５８の各々は高域フィルタ
に結合され、この場合読取りヘッドにより発生された出
力信号はマイクロコンピュータに凛 入力される前に濾速される。この装置はトルク測定装置
の精度を改善する。

読取りヘッド５４．５６または５８のいずれかの読取り
ヘッドにより発生される周期信号の基準電圧レベルに対
する位置は、読取りヘッドと磁気テープとの間の空隙６
４により変ってくる。従って、等間隔時間に基準電圧レ
ベルと交差して安定な出力信号を得るためには、空隙６
４は一定間隔を維持しなければならない。しかし磁気テ
ープ３４．３４ａか袋打されているディスク部材２２．
２２ａにおいては半径方向に常に多少の変化があるので
、この要求を満たすことは実際にはむずかしい。従って
空隙６４はディスク部材の回転中に一定ではなくて変化
し、そのために出力信号は変動する。

一般的に言って出力信号は、２成分すなイつち、磁気テ
ープ上に記録されている周期信号と、その周期か磁気テ
ープを支持するディスク部材の１回転に対応するかなり
低周波の信号との和であるとみなしうる。

出力信号が基準電圧レベルと交差する位置は出力信号間
の位相ずれを測定するだめの基準マークとしてマイクロ
コンピュータにより使用されるので、これらの変動は測
定時の精度を低下させる。

高域フィルタを使用することにより、各出力信号のより
低周波の成分は除去されるかまたは少なくともかなり減
衰され、従ってトルク測定装置の精度は改善される。

種々のフィルタが使用ｉＪ能でかつそれらの構造の詳細
は資料から求め得るので、高域フィルタの特殊構造は本
発明にとって重要ではない。

例えば、コンデンサおよび抵抗体のような受動成分から
構成されたフィルタを使用してもよい。

このようなフィルタは高価ではないが、鮮明なカットオ
フ特性を得るにはその代りに明らかに好ましくない大き
な信号減衰を伴なうという大きな欠＝　２３一 点を有する。

一方能動フィルタはより高価ではあるかこのような欠点
はもたないので、コストの増加はフィルタをトルク検出
装置の特性に正確に追従させられるというその柔軟性に
より大きく補償される。

高域フィルタの形状か−１選択されると、その特性はト
ルク検出装置１０の運転条件により決定される。フィル
タは、ディスク部月２２．２２ａおよびねじり軸体３８
が到達可能な最大毎秒回転数に設定可能な鮮明なカット
オフ特性をもつべきである。

最後にフィルタは、読取りヘッド５４．５６および５８
により発生される出力信号が到達可能な最大周波数まで
できるだけ平らな周波数応答をもつべきである。

本発明は特定の具体例について記載されたが、この具体
例は本発明の主旨から逸脱することなく種々の方法で改
良または修正が可能なので、この記載を限定範囲と解釈
すべきではない。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲
に記載される。

【図面の簡単な説明】

の線２−２による断面図である。 １０・・・トルク検出装置、１４・・・支持構造体、２
２゜２２ａ・・・円形部祠、３４．３４ａ・・・第１お
よび第２の記録媒体、３８・・・ねじり軸体、４４・・
・ストッパ手段、５４゜５６・・・第１の信号検出手段
（第１のセンサ手段）、５８・・・第２の信号検出手段
（第２のセンサ手段）。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）−支持構造体と、 −前記支持構造体に回転可能に装着されかつ検出される
   べきトルクを伝達するように設けられたねじり軸体であ
   って、前記トルクが前記ねじり軸体にねじりを発生する
   ところのねじり軸体と、 −前記ねじり軸体上で軸方向に間隔を有して配置された
   位置に装着された第１および第２の記録媒体であって、
   周期信号がその上に記録されているところの第１および
   第２の記録媒体と、 −前記支持構造体に装着され、かつ前記第１および第２
   の記録媒体のそれぞれと組合わされて周期信号を検出し
   て次に出力信号を発生する第１および第２の信号検出手
   段であって、前記第１の信号検出手段がそれぞれ前記第
   １の記録媒体に付属の周期信号を検出して次に出力信号
   を発生するように間隔を設けて配置された一対のセンサ
   を含み、前記ねじりは前記第１および第２の信号検出手
   段の出力信号の間に位相ずれを形成し、前記位相ずれは
   前記トルクを示すものであり、前記第１および第２の信
   号検出手段が前記トルクを求めるためにこれにより発生
   された出力信号を処理して前記位相ずれを測定するため
   の電子装置に作動結合するように設けられ、前記電子装
   置もまた前記ねじり軸体の回転方向を判定するために間
   隔を設けて配置された一対のセンサからの出力信号を処
   理する第１および第２の信号検出手段とからなるトルク
   検出装置。
2. （２）各記録媒体が環状形状を有する磁気テープで構成
   される、特許請求の範囲第１項に記載の装置。
3. （３）各磁気環状テープが前記ねじり軸体に同軸的に装
   着された円形部材上に装着される、特許請求の範囲第１
   項に記載の装置。
4. （４）前記第１および第２のセンサ手段が、前記第１お
   よび第２のセンサ手段により発生される出力信号が前記
   電子装置により処理される前に出力信号を濾波するため
   に高域フィルタに結合されている、特許請求の範囲第１
   項に記載の装置。
5. （５）前記第２の信号検出装置が単一センサからなる、
   特許請求の範囲第１項に記載の装置。
6. （６）前記第１および第２の信号検出手段のセンサがホ
   ール効果センサである、特許請求の範囲第５項に記載の
   装置。
7. （７）前記ねじり軸体の過大ねじりを防止するために前
   記円形部材の１つに装着されたストッパ手段をさらに含
   む、特許請求の範囲第３項に記載の装置。
8. （８）−（ａ）支持構造体と、 （ｂ）前記支持構造体に回転可能に装着されかつ検出さ
   れるべきトルクを伝達するように設けられたねじり軸体
   であって、前記トルクが前記ねじり軸体にねじりを発生
   するところのねじり軸体と、 （ｃ）前記ねじり軸体上で軸方向に間隔を有して配置さ
   れた位置に装着された第１および第２の記録媒体であっ
   て、周期信号がその上に記録されているところの第１お
   よび第２の記録媒体と、 （ｄ）前記支持構造体に装着され、かつ前記第１および
   第２の記録媒体のそれぞれと組合わされて周期信号を検
   出し次に出力信号を発生する第１および第２の信号検出
   手段であって、前記ねじりは前記第１および第２の信号
   検出手段の出力信号の間に位相ずれを形成し、前記位相
   ずれは前記トルクを示すものである第１および第２の信
   号検出手段とを含むトルク検出装置と、 −前記第１および第２の信号検出手段により発生される
   出力信号を濾波するために前記第１および第２の信号検
   出手段に作動結合された高域フィルタ手段と、 −前記位相ずれを計算して次に前記トルクを求めるため
   に、濾波された出力信号を受入れて処理するように前記
   高域フィルタ手段に作動結合されたコンピュータ手段と
   からなるトルク測定装置。
9. （９）各記録媒体が環状形状を有する磁気テープで構成
   される、特許請求の範囲第８項に記載の装置。
10. （１０）各磁気環状テープが前記ねじり軸体に同軸的に
    装着された円形部材上に装着される、特許請求の範囲第
    ８項に記載の装置。