JPWO2017069099A1 - 非接触トルク計測方法 - Google Patents

Abstract

運動負荷による故障や異常が発生しにくく、トルク検出に必要な部品数や組立工数を削減し、粉塵、油や汚れによる誤作動や計測不可能が発生しにくく、装置を密閉構造にする必要もない非接触トルク計測方法を提供する。このため、トルク伝達系における駆動側金属回転体及び従動側金属回転体間で伝達するトルクを計測するトルク計測方法であって、円周上一部または軸方向端面に凹凸状のマーカー部を設けた金属回転体に対しそれぞれ電磁コイルよりなる検出部を非接触で近接配置し、検出部及び金属回転体間に電磁誘導を起こすとともに検出部における誘導負荷を測定することで検出部及び金属回転体間の距離並びにマーカー部の位置を検出し、トルク伝達に伴って両金属回転体に発生するマーカー部の回転速度と回転位相差を測定し演算処理することにより伝達トルク値を算出する。

Description

本発明は、回転トルク伝達系において伝達トルクの大きさを非接触構造にて計測する被接触トルク計測方法に関する。

従来の技術では、例えばダイアフラムカップリングにおける伝達トルクの大きさを計測する際、ひずみゲージを用いて、ひずみ量を計測しトルクを算出している（ひずみゲージ方式）。またこの外、光学系を利用する光学読み取り方式や回転部に磁気円盤を組み付ける磁気ヘッド読み取り方式で回転を計測し、回転位相差からトルクを算出する技術が開発されている。

実開昭６２−１５５３３８号公報 実開平２−８８１４０号公報

しかしながらこれらの従来技術に対しては、以下の問題が指摘される。

（１）ひずみゲージ方式や磁気ヘッド読み取り方式では、カップリング回転部にひずみゲージや磁気円盤などの検出体を組み付けるため、これらの検出体に対し常に運動負荷が作用する。したがってこのように検出体に常に運動負荷が作用することによって検出体に故障または、異常が発生することがある。また、これらの方式では計測装置の部品数や組立工数が多いため、装置の製造費用が高い。
（２）光学読み取り方式では、読み取り部周囲に粉塵等が発生した場合、この粉塵等によって誤作動が起こることがある。また、読み取り部に油や汚れが付着することで計測が不可能になることもある。
（３）磁気ヘッド読み取り方式では、ギア部分が高速で回転すると危険であるため、装置を密閉構造にする必要がある。

本発明は以上の点に鑑みて、運動負荷による故障や異常が発生しにくく、トルク検出に必要な部品数や組立工数を削減することができ、粉塵、油や汚れによる誤作動や計測不可能が発生しにくく、装置を密閉構造にする必要もない非接触トルク計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１による非接触トルク計測方法は、トルク伝達系における駆動側金属回転体及び従動側金属回転体間で伝達するトルクを計測するトルク計測方法であって、円周上一部、または軸方向端面に凹凸状のマーカー部を設けた前記金属回転体に対しそれぞれ電磁コイルよりなる検出部を非接触で近接配置し、前記検出部及び前記金属回転体間に電磁誘導を起こすとともに前記検出部における誘導負荷を測定することで前記検出部及び前記金属回転体間の距離並びに前記マーカー部の位置を検出し、トルク伝達に伴って前記両金属回転体に発生する前記マーカー部の回転速度と回転位相差を測定し演算処理することにより伝達トルク値を算出することを特徴とする。

また、本発明の請求項２による非接触トルク計測方法は、上記した請求項１記載の非接触トルク計測方法において、前記回転位相差の測定時に、パルス化したサンプリングデータにおける重心の位置を位相検出の基準点とすることを特徴とする。

また、本発明の請求項３による非接触トルク計測方法は、上記した請求項１又は２記載の非接触トルク計測方法において、駆動側金属回転体及び従動側金属回転体は、ダイアフラムカップリングにおける駆動側ダイアフラム及び従動側ダイアフラムであることを特徴とする。

上記構成を備える本発明の非接触トルク計測方法は、
（ａ）電磁誘導方式の距離計測により、非接触式にて金属回転体の微小な凹凸（マーカー部）を計測する、
（ｂ）金属回転体（ダイアフラムなど）の外周面又は端面に設けた凹凸（マーカー部）を検出する、
（ｃ）凹凸（マーカー部）の検出により２つの回転体から発生するパルスの位相差を検出し、トルクを計測する、
ものである。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち本発明によれば、金属回転体に対し凹凸状のマーカー部を付設するのみで、ひずみゲージや磁気円盤などの検出体を組み付けることをしないため、回転負荷によって検出体に故障や異常が発生することがない。また、トルク検出に必要な部品数や組立工数を大幅に削減することができる。また、凹凸状のマーカー部は微小で良いため、構造が簡単となり、密閉構造にする必要がない。また、検出部の配置について自由度が増大する。更にまた、金属回転体の表面までの距離を計測するため、粉塵、油や汚れなどによる誤作動や計測不可能が発生しにくい。

本発明の実施例に係る非接触トルク計測方法において計測対象とするダイアフラムカップリングの説明図及び非接触トルク計測装置の説明図 誘導負荷波形を示す説明図 無負荷／低速回転時の出力波形を示す説明図 負荷／高速回転時の出力波形を示す説明図 （Ａ）はマーカー部の実測データを示す説明図、（Ｂ）は周期計算の基準点を示す説明図 （Ａ）はマーカー部のサンプリングデータを示す説明図、（Ｂ）は計算対象差分データを示す説明図 サンプリング時間の重心位置を示す説明図 可変スレッシュを示す説明図

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

当該実施例に係る非接触トルク計測方法は、トルク伝達系としてダイアフラムカップリングにおける駆動側ダイアフラム（駆動側金属回転体）及び従動側ダイアフラム（従動側金属回転体）間で伝達する伝達トルクの大きさを計測するものである。

図１に示すように、ダイアフラムカップリング１は、駆動側ダイアフラム２及び従動側ダイアフラム３をセンターチューブ４を介して互いに連結したものであって、駆動側ダイアフラム２からセンターチューブ４を介して従動側ダイアフラム３へトルクを伝達する。駆動側ダイアフラム２は駆動側フランジ５及びガード６間に挟持され、駆動側フランジ５は駆動側の回転軸（図示せず）に接続される。従動側ダイアフラム３は従動側フランジ７及びガード８間に挟持され、従動側フランジ７は従動側の回転軸（図示せず）に接続される。駆動側ダイアフラム２及び従動側ダイアフラム３はそれぞれ導電性を備える金属材質よりなる。

上記ダイアフラムカップリング１における本発明に特有の構成として、駆動側ダイアフラム２の外周部（外周面又は軸方向端面）及び従動側ダイアフラム３の外周部（外周面又は軸方向端面）にそれぞれ円周上の位置を合わせて円周上一部の凹凸状のマーカー部９，１０を設ける（予め凹凸状マーカー部９，１０のずれ量が分かっていれば、必ずしも円周上の位置を合わせる必要はない）。凹凸状のマーカー部９，１０の具体例としては、切削加工によって円周上一部の凹部を形成するが、そのほか例えば厚み約０．１〜０．２ｍｍのステンレスシールを各ダイアフラム２，３の外周部に貼付することによりこれを円周上一部の凸部としても良い。

図１は、上記ダイアフラムカップリング１に取り付ける非接触トルク計測装置の構造を併せて示している。

上記したように駆動側ダイアフラム２の外周部及び従動側ダイアフラム３の外周部にそれぞれ円周上の位置を合わせて円周一部の凹凸状のマーカー部９，１０を設け、各ダイアフラム２，３の外周側であって一定距離離れた位置にそれぞれ電磁コイルよりなる検出部１１，１２を非接触で配置する。検出部（コイル）１１，１２はこれをケーブル１３，１４を介して誘導負荷センサー本体１５及び計測ＭＰＵ１６に接続する。誘導負荷センサー本体１５は検出部（コイル）１１，１２を発振させ、その負荷変動から検出部（コイル）１１，１２及びダイアフラム２，３間の距離を計測する。凹凸状のマーカー部９，１０はそれ以外の凹凸加工のされていない部分と比べ、検出部（コイル）１１，１２及びダイアフラム２，３間の距離が変化するため、回転検出のマーカーとして作用する。検出部（コイル）１１，１２としては、安価なＰＣＢパターンコイルを使用することができる。

つぎに、上記距離の計測にもとづくトルク計算方法について説明する。

回転時、検出部（コイル）１１，１２の誘導負荷変動の出力波形は例えば図２に示すようになる。この例では、凹凸状のマーカー部９，１０として凸加工でなく凹み加工を行った際の実測波形データを示しているので、マーカー部９，１０の位置Ｐ_１〜Ｐ_４で負荷値が極端に低減している。

両ダイアフラム２，３に対し非接触で近接配置した検出部（コイル）１１，１２は、無負荷時または低速回転時に図３に示すとおり両検出部（コイル）１１，１２の位相が合うように適切な調整を行う。調整は機械的に行い、又は電気回路上若しくはソフトウェア上で行う。図では、線Ａが駆動側の検出部１１、線Ｂが従動側の検出部１２を示している。

負荷が掛かるとセンターチューブ４が捩れるため、図４に示すように両側の出力位相がずれてくる（ずれをｇにて示す）。したがってこの位相差を検出し、回転速度と位相差から計測ＭＰＵ１６で演算処理を行うことにより伝達トルク値を計算で求めることになる。

尚、凹凸状のマーカー部９，１０についてはこれを、ダイアフラム２，３ではなく、ダイアフラム２，３に接合するフランジ５，７又はガード６，８に設けるようにしても良い。

また、本発明の計測方法はダイアフラムカップリングに限らず、２つの金属回転体とこれを接続する円柱の駆動側と従動側のトルクを計測する際に有効である。

また、上記位相差検出を行うには、以下の手法を用いるのが有効である。

１．重心検出
（１）概要
図５（Ａ）（Ｂ）に示すように、従来の周期計算のための基準点算出方法によると、マーカー部のデータをパルス化し、サンプリングデータの立ち上がりとスレッシュ（閾値）とが交差する立ち上がりエッジの位置を位相検出の基準点（エッジによる基準点）としているが、この方法では、サンプリングデータがスレッシュより大きいか小さいかのみを見ており、サンプリングデータの量的な変化を考慮していない。これに対し図５（Ｂ）に示すように、上記立ち上がりエッジの位置に代えて、重心の位置を位相検出の基準点（重心による基準点）とすることにより、サンプリングデータの量的な変化を考慮し、基準点検出精度を向上することができる。

（２）実現方法
図６（Ａ）に示すように、スレッシュ以下の値を示すサンプリングデータを計算対象データとして重心を求める。先ず、計算対象データの合計を求め、合計データの１／２から各計算対象データを順々に差し引き、減算結果が０以下になるタイミングの計算対象データを、重心を含むサンプリングデータとする。次いで、この重心を含むサンプリングデータと残差分値との割合から、サンプリング時間内の位置を求め、重心とする。重心計算に用いるスレッシュは、後記する可変スレッシュにて決定するスレッシュである。１サンプリング時間は回転速度等の使用条件により最適な時間の設定を行う。

一層詳細には先ず、計算対象とするサンプリングデータの値を合計する。これには図６（Ｂ）に示すように、計算対象データごとに、スレッシュから計算対象データを差し引いた計算対象差分データを算出し、この計算対象差分データを合計する。
計算対象差分データ：Ｄ_Ｘ＝スレッシュ−サンプリングデータ

次いで、上記合計データの１／２から各計算対象差分データを先頭から順々に差し引き、減算結果が０以下となる点を、重心があるサンプリングデータとする。
Ｓ／２−Ｄ１＝Ｓ１
Ｓ１−Ｄ２＝Ｓ２
Ｓ２−Ｄ３＝Ｓ３
以下、減算結果が０以下となるまで繰り返す。

次いで、上記重心位置のサンプリングデータと残差分値との割合から重心を算出し、サンプリング時間に対する重心位置を決定する。
差分が０以下になるときの、重心があるサンプリングデータ：Ｄ_Ｘ
残差分値：Ｓ_Ｘ
サンプリング時間：Ｔ
重心＝Ｓ_Ｘ／Ｄ_Ｘ＊Ｔ

例えば、Ｄ_Ｘ＝１０００、Ｓ_Ｘ＝２００、Ｔ＝７５の場合、
重心＝２００／１０００＊７５＝１５
により図７に示すように、重心位置データの７５ｕｓのうちの１５ｕｓの位置に重心が求められる。

２．可変スレッシュ
（１）概要
従来の方法では、機器使用者がスレッシュを決定し、レジスタに設定しているが、回転によって偏心が生じた場合や、軸方向に変位があった場合、センサーデータのベース値が変動し、設定したスレッシュ値が適正条件から外れることが予想される。そこで、現在のベース値を反映して最適なスレッシュを自動決定することにより、パルス化精度を向上することができる。

（２）実現方法
現在のパルスから次のパルス、または１回転後の自パルスに対するスレッシュを求める。すなわち図８に示すように先ず、パルス期間の最小値を保持する。次いで、パルス期間が終了したら、パルス期間の半分の時間を待つ。時間経過後、サンプリングデータの平均からベース値を求める。次いで、最小値とベース値の平均からスレッシュを算出する。この方法によれば、レジスタ設定にて立ち下がりと立ち上がりのスレッシュにオフセットを与えることが可能となる。尚、ベース値の平均数はパルス期間のサンプリングデータ数としている。

１ ダイアフラムカップリング
２ 駆動側ダイアフラム（駆動側金属回転体）
３ 従動側ダイアフラム（従動側金属回転体）
４ センターチューブ
５，７ フランジ
６，８ ガード
９，１０ 凹凸状のマーカー部
１１，１２ 検出部（コイル）
１３，１４ ケーブル
１５ 誘導負荷センサー本体
１６ 計測ＭＰＵ

Claims (3)

1. トルク伝達系における駆動側金属回転体及び従動側金属回転体間で伝達するトルクを計測するトルク計測方法であって、
   円周上一部、または軸方向端面に凹凸状のマーカー部を設けた前記金属回転体に対しそれぞれ電磁コイルよりなる検出部を非接触で近接配置し、
   前記検出部及び前記金属回転体間に電磁誘導を起こすとともに前記検出部における誘導負荷を測定することで前記検出部及び前記金属回転体間の距離並びに前記マーカー部の位置を検出し、
   トルク伝達に伴って前記両金属回転体に発生する前記マーカー部の回転速度と回転位相差を測定し演算処理することにより伝達トルク値を算出することを特徴とする非接触トルク計測方法。
2. 請求項１記載の非接触トルク計測方法において、
   前記回転位相差の測定時に、パルス化したサンプリングデータにおける重心の位置を位相検出の基準点とすることを特徴とする非接触トルク計測方法。
3. 請求項１又は２記載の非接触トルク計測方法において、
   前記駆動側金属回転体及び従動側金属回転体は、ダイアフラムカップリングにおける駆動側ダイアフラム及び従動側ダイアフラムであることを特徴とする非接触トルク計測方法。

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