WO2008007431A1

WO2008007431A1 - Dispositif et programme de mesure de couple

Info

Publication number: WO2008007431A1
Application number: PCT/JP2006/313943
Authority: WO
Inventors: Shuichi Umezawa
Original assignee: The Tokyo Electric Power Company, Incorporated
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2008-01-17
Also published as: US20090288499A1; JPWO2008007431A1

Description

明細書

トルク計測装置及びプログラム

技術分野

[0001] 本発明は、回転体の回転速度および軸トルクを非接触で光学的に計測するトルク計測装置及びプログラムに関する。

背景技術

[0002] 例えば、コンノインドサイクル発電プラントや蒸気タービンプラントの熱効率の変化原因を特定するために、ガスタービンや蒸気タービンのような回転機器の駆動軸（回転体)のトルクを検出するための光学的なトルク計測装置が開発されている。このトルク計測装置では、回転体の軸方向の異なる位置に 1対の反射体を設け、両反射体にレーザ光を照射して両反射体力の反射光を検出し、反射光の周期的な強弱に基づいて回転体の回転周期を求め、両反射体からの反射光の遅れ時間に基づいて回転体のトルクを検出するようにしている（例えば、特許文献 1参照)。

[0003] このようなトルク計測装置では、信号処理に必要な反射光データの抽出や信号処理された処理結果の適否判定などは、解析者がマニュアル操作で行ってヽるので、解析作業に時間が掛かる。そこで、回転体に設けられた反射体で反射された反射光の反射パターン位置を信号処理装置で自動的に特定し、特定された反射パターン位置で定まる反射パターン範囲内のデータに基づいて、信号処理装置で自動的に回転体の回転周期またはねじれ量を算出し、算出された回転体のねじれ量に基づいてトルクを算出するようにしたものがある (例えば、特許文献 2参照)。

特許文献 1：特開 2002— 22564号公報

特許文献 2 :特開 2005— 16950号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] しかし、解析者のマニュアル操作で信号処理に必要な反射体からの反射光データの抽出を行う場合には解析作業に時間が掛カるだけでなぐ反射光データにノイズがある場合には反射光データの抽出が不正確となる。 [0005] また、特許文献 2のものでは、回転体の反射体からの反射光データを読み込み、読み込んだ反射光データの最大値及び最小値を基準としたトリガ値を作成して、そのトリガ値を超えた領域を反射体の反射パターンとするものであり、自動で反射体の位置を特定できるが、トリガ値を最大値と最小値との差分に一定の比率を乗算して算出しているので、比率の定め方によっては反射体の位置が正確に特定できない場合がある。反射体の位置が正確でないと、それに基づいて算出されるトルクにも誤差が生じることになる。

[0006] 本発明の目的は、回転体に取り付けられた反射体の位置をより正確に特定でき、回転体のトルクをより正確に得ることができるトルク計測装置及びプログラムを提供することである。

課題を解決するための手段

[0007] 請求項 1の発明に係わるトルク計測装置は、レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置からのレーザ光を回転体の表面に照射すると共に反射光を受信する光送受信装置と、前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられ前記光送受信装置力照射されたレーザ光を所定の反射パターンで反射する 1対の反射体と、前記光送受信装置で受信した反射光に基づ!、て前記回転体のトルクを求める信号処理装置とを備え、前記信号処理装置は、前記 1対の反射体で反射して得られる反射光の基準反射パターンを予め記憶する基準反射パターン記憶部と、前記回転体の回転に伴って入力される前記回転体の表面に照射されたレーザ光の反射光データを記憶する入力データ記憶部と、前記入力データ記憶部に記憶された前記回転体の反射光データから前記基準反射パターン記憶部に記憶された基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する反射体位置特定手段と、前記反射体位置特定手段で特定された反射体位置に基づヽて前記回転体のねじれ量を算出するねじれ量算出手段と、前記ねじれ量算出手段で算出された回転体のねじれ量に基づいてトルクを算出するトルク算出手段とを備えたことを特徴とする。

[0008] 請求項 2の発明に係わるトルク計測装置は、レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置からのレーザ光を回転体の表面に照射すると共に反射光を受信する光送受信装置と、前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられ前記光送受信装置力照射されたレーザ光を所定の反射パターンで反射する 1対の反射体と、前記光送受信装置で受信した反射光に基づ!/、て前記回転体のトルクを求める信号処理装置とを備え、前記信号処理装置は、前記 1対の反射体で反射して得られる反射光の基準反射パターンを予め記憶する基準反射パターン記憶部と、前記回転体の回転に伴って入力される前記回転体の表面に照射されたレーザ光の反射光データを記憶する入力データ記憶部と、前記入力データ記憶部に記憶された前記回転体の反射光データから前記 1対の反射体の概略位置を検出する反射体概略位置検出手段と、前記反射体概略位置検出手段で検出された 1対の反射体の概略位置近傍の反射光データ力前記基準反射パターン記憶部に記憶された基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する反射体位置特定手段と、前記反射体位置特定手段で特定された反射体位置に基づヽて前記回転体のねじれ量を算出するねじれ量算出手段と、前記ねじれ量算出手段で算出された回転体のねじれ量に基づいてトルクを算出するトルク算出手段とを備えたことを特徴とする。

請求項 3の発明に係わるトルク計測装置は、レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置からのレーザ光を回転体の表面に照射すると共に反射光を受信する光送受信装置と、前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられ前記光送受信装置力照射されたレーザ光を所定の反射パターンで反射する 1対の反射体と、前記光送受信装置で受信した反射光に基づ!、て前記回転体のトルクを求める信号処理装置とを備え、前記信号処理装置は、前記 1対の反射体で反射して得られる反射光の基準反射パターンを予め記憶する基準反射パターン記憶部と、前記回転体の回転に伴って入力される前記回転体の表面に照射されたレーザ光の反射光データを記憶する入力データ記憶部と、前記入力データ記憶部に記憶された前記回転体の反射光データのモデルに対する AICが最小となる点を判定して前記 1 対の反射体の存在領域を検出する反射体存在領域検出手段と、前記反射体存在領域検出手段で検出された 1対の反射体の存在領域の反射光データ力前記基準反射パターン記憶部に記憶された基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する反射体位置特定手段と、前記反射体位置特定手段で特定された反射体位置に基づいて前記回転体のねじれ量を算出するねじれ量算出手段と、前記ねじれ量算出手段で算出された回転体のねじれ量に基づいてトルクを算出するトルク算出手段とを備えたことを特徴とする。

[0010] 請求項 4の発明に係わるトルク計測装置は、レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置からのレーザ光を回転体の表面に照射すると共に反射光を受信する光送受信装置と、前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられ前記光送受信装置力照射されたレーザ光を所定の反射パターンで反射する 1対の反射体と、前記光送受信装置で受信した反射光に基づ!、て前記回転体のトルクを求める信号処理装置とを備え、前記信号処理装置は、前記 1対の反射体で反射して得られる反射光の基準反射パターンを予め記憶する基準反射パターン記憶部と、前記回転体の回転に伴って入力される前記回転体の表面に照射されたレーザ光の反射光データを記憶する入力データ記憶部と、前記入力データ記憶部に記憶された前記回転体の反射光データから前記 1対の反射体の概略位置を検出する反射体概略位置検出手段と、

前記反射体概略位置検出手段で検出された 1対の反射体概略位置近傍の反射光データのモデルに対する AICが最小となる点を判定して前記 1対の反射体の存在領域を検出する反射体存在領域検出手段と、前記反射体存在領域検出手段で検出された 1対の反射体の存在領域の反射光データ力前記基準反射パターン記憶部に記憶された基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する反射体位置特定手段と、前記反射体位置特定手段で特定された反射体位置に基づいて前記回転体のねじれ量を算出するねじれ量算出手段と、前記ねじれ量算出手段で算出された回転体のねじれ量に基づいてトルクを算出するトルク算出手段とを備えたことを特徴とする。

[0011] 請求項 5の発明に係わるプログラムは、コンピュータに実行させる手順として、回転体の回転に伴って入力される前記回転体の表面に照射されたレーザ光の反射光データを記憶する手順と、前記回転体の反射光データから前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられた 1対の反射体の基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する手順と、特定された一対の反射体の位置に基づいて前記回転体のねじれ量を算出する手順と、算出された回転体のねじれ量に基づいてトルクを算出する手順とを有する。

[0012] 請求項 6の発明に係わるプログラムは、コンピュータに実行させる手順として、回転体の回転に伴って入力される前記回転体の表面に照射されたレーザ光の反射光データを記憶する手順と、前記回転体の反射光データ力前記 1対の反射体の概略位置を検出する手順と、検出された 1対の反射体の概略位置近傍の反射光データから前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられた 1対の反射体の基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する手順と、特定された反射体位置に基づいて前記回転体のねじれ量を算出する手順と、算出された回転体のねじれ量に基づいてトルクを算出する手順とを有する。

[0013] 請求項 7の発明に係わるプログラムは、コンピュータに実行させる手順として、回転体の回転に伴って入力される前記回転体の表面に照射されたレーザ光の反射光データを記憶する手順と、前記回転体の反射光データのモデルに対する AICが最小となる点を判定して前記 1対の反射体の存在領域を検出する手順と、検出された 1対の反射体の存在領域の反射光データ力前記回転体の表面の軸方向に間隔を保つて設けられた 1対の反射体の基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する手順と、特定された反射体位置に基づ!ヽて前記回転体のねじれ量を算出する手順と、算出された回転体のねじれ量に基づいてトルクを算出する手順とを有する。

[0014] 請求項 8の発明に係わるプログラムは、コンピュータに実行させる手順として、回転体の回転に伴って入力される前記回転体の表面に照射されたレーザ光の反射光データを記憶する手順と、前記回転体の反射光データ力前記 1対の反射体の概略位置を検出する手順と、検出された 1対の反射体の概略位置近傍の反射光データのモデルに対する AICが最小となる点を判定して前記 1対の反射体の存在領域を検出する手順と、検出された 1対の反射体の存在領域の反射光データから前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられた 1対の反射体の基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する手順と、特定された反射体位置に基づいて前記回転体のねじれ量を算出する手順と、算出された回転体のねじれ量に基づいてトルクを算出する手順とを有する。

発明の効果

[0015] 本発明によれば、回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられた 1対の反射体で反射して得られる反射光の基準反射パターンを予め用意し、回転体の回転に伴つて入力される反射光データ力基準反射パターンに一致した反射光パターンを抽出し反射体位置を特定するので、反射体の位置を正確に検出することができる。従って、反射体の位置に基づいて算出されるトルクを正確に測定することが可能となる。

[0016] また、回転体の反射光データから 1対の反射体の概略位置または 1対の反射体の存在領域を検出しておき、その 1対の反射体の概略位置近傍または 1対の反射体の存在領域の反射光データに対して、基準反射パターンに一致した反射パターンを抽出するので、反射体の位置を迅速にしかも正確に検出することができる。

[0017] さらに、回転体の反射光データから 1対の反射体の概略位置を検出し、さらにその概略位置近傍反射光データから 1対の反射体の存在領域を検出し、その 1対の反射体の存在領域の反射光データに対して、基準反射パターンに一致した反射光バターンを抽出するので、反射体の位置をより迅速にし力も正確に検出することができる図面の簡単な説明

[0018] [図 1]本発明の第 1の実施の形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図。

[図 2]本発明の第 1の実施の形態における反射体の平面図。

[図 3]本発明の第 1の実施の形態における反射体の反射光データからトレンド成分を除！ヽた計測波形値を正規化した信号波形図。

[図 4]本発明の第 1の実施の形態における 1対の反射体から得られた反射光データの説明図。

[図 5]本発明の第 1の実施の形態に係わるトルク計測装置を用いてトルクを計測するトルク計測方法を示すフローチャート。

[図 6]本発明の第 2の実施の形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図。

[図 7]本発明の第 2の実施の形態における反射体概略位置検出手段での区間平均処理の説明図。

[図 8]本発明の第 2の実施の形態における反射体概略位置検出手段での反射体概略位置の検出処理の説明図。

[図 9]本発明の第 2の実施の形態に係わるトルク計測装置を用いてトルクを計測するトルク計測方法を示すフローチャート。

[図 10]本発明の第 3の実施の形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図。

[図 11]本発明の第 3の実施の形態における反射光データのモデルの AICpの計算範囲の説明図。

[図 12]本発明の第 3の実施の形態における反射光データのモデルの AICpの計算結果の説明図。

[図 13]本発明の第 3の実施の形態に係わるトルク計測装置を用いてトルクを計測するトルク計測方法を示すフローチャート

[図 14]本発明の第 4の実施の形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図。

[図 15]本発明の第 4の実施の形態に係わるトルク計測装置を用いてトルクを計測するトルク計測方法を示すフローチャート。

符号の説明

[0019] 11 · ··レーザ光出力装置、 12· ··光送受信装置、 13…回転体、 14…反射体、 15· ··光検知装置、 16· ··信号処理装置、 17· ··信号入力処理手段、 18· ··入力データ記憶部、 19…基準反射パターン記憶部、 20· ··反射体位置特定手段、 21· ··ねじれ量算出手段、 22…トルク算出手段、 23…出力処理手段、 24…出力装置、 25…反射部、 26 …吸収部、 27· ··反射体概略位置検出手段、 28· ··反射体存在領域検出手段発明を実施するための最良の形態

[0020] (第 1の実施の形態）

図 1は本発明の第 1の実施の形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図である。レーザ光出力装置 11から出力されたレーザ光は、光送受信装置 12を介して回転体 13の表面に照射される。回転体 13の表面には軸方向に間隔を保って一対の反射体 14a、 14bが設けられ、光送受信装置 12から照射されたレーザ光を所定の反射パターンで反射する。反射体 14a、 14bには、例えば、レーザ光を反射する部分とレーザ光を吸収する部分とがバーコード状に形成された反射パターンを有し、レーザ光が照射されたときその反射パターンに従った反射光が発生する。反射板 14a、 14bを含む回転体 13の表面で反射した反射光は光送受信装置 12で受信され、その反射光強度は光検知装置 15a、 15bで検出されて信号処理装置 16の信号入力処理手段 17に入力される。以下の説明では、回転体 13の周囲には、 1組の 1対の反射体 1 4a、 14bが設けられた場合について説明する。

[0021] 信号処理装置 16は、回転体 13の表面で反射された反射光のうち 1対の反射体 14 a、 14bで反射された反射光に基づいて回転体 13の回転周期やねじれ量を求め、さらにトルクを求めるものである。信号処理装置 16の信号入力処理手段 17は、例えば、入力した回転体 13の反射光をフィルタリング処理して、回転体 13の回転に伴う 1回転ごとの反射光データを入力データ記憶部 18に所定回転数分記憶する。

[0022] 一方、基準反射パターン記憶部 19には、予め 1対の反射体 14a、 14bで反射して得られる反射光の基準反射パターンが記憶されて!、る。反射体位置特定手段 20は、入力データ記憶部 18に記憶された回転体 13の反射光データを時系列的に順次入力し、基準反射パターン記憶部 19に記憶された基準反射パターンと比較してバタ

ヽ、一致する反射光データが存在する反射体位置をリアルタイムで特定する。

[0023] 反射体位置特定手段 20で特定された 1対の反射体 14a、 14bの位置は、ねじれ量算出手段 21に入力される。ねじれ量算出手段 21は、 1対の反射体 14a、 14bの位置に基づいて回転体 13のねじれ量を算出するものである。ねじれ量算出手段 21で算出された回転体 13のねじれ量は、トルク算出手段 22に入力され、トルク算出手段 22 はねじれ量算出手段 21で算出された回転体のねじれ量に基づいて回転体 13のトルクを算出する。トルク算出手段 22で算出された回転体 13のトルクは出力処理手段 23 で出力処理されて信号処理装置 16から外部に出力される。図 1では出力装置 24に出力される場合を示して、る。

[0024] 図 2は、反射体 14a、 14bの平面図である。反射体 14a、 14bは、図 2に示すように、照射された光線を高効率で反射する帯状の反射部（白色部分) 25と、光線を高効率で吸収する帯状の吸収部（黒色部分） 26とを交互に配置してバーコードパターンを構成している。基準反射パターン記憶部 19には、この反射体 14a、 14bのバーコードノターンで反射して得られる反射光の基準反射パターンが予め記憶されている。

[0025] 次に、反射体位置特定手段 20で反射体位置を特定する演算方法につ、て説明する。まず、回転体 13の反射光データに含まれる低周波トレンド成分を除去する。トレンド成分の除去のために、対象区間内の移動平均処理を次の（1)式のように定義する。 Nは移動平均の窓の幅、 Xは反射光データの計測波形値である。

[数 1]

N "

[0026] そして、（2)式のように計測波形値力移動平均波形値の差をとり、移動平均波形値で除算する。これにより、トレンド成分が除かれた計測波形値 Xが得られる。

k

[数 2]

X_k = ^^ ... ( 2 )

[0027] ここで、回転体 13の区間内の計測波形値は位置により振幅値が異なることがある。

これに対処するために計測波形値 Xを正規化する。正規ィ匕のために所定区間 jでの

k

波形値 X'を (3)式により定義する。この正規化により、反射体 14a、 14bのバーコ一

k

ドパターンで反射して得られる反射光データを検出する際において、一定の閾値を設定することが可能となる。

[数 3]

X'_{l k} = ^X 、 ■■· ( 3 )

Max X _{j k} )

[0028] 図 3は、反射体 14a、 14bの反射光データからトレンド成分を除いた計測波形値 X

k を正規ィ匕した信号波形図である。図 3では、回転体 13の反射光データのうち、反射体近傍の反射光データの信号波形を示している。信号波形 S1はトレンド成分を含んだ計測波形 Sl、曲線 S2は移動平均波形、信号波形 S3は正規化後の信号波形である。計測波形 S 1の振幅が小さい場合でも、信号が強調されていることがわ力る。 [0029] このようにして、反射体 14a、 14bの反射光データ力も信号波形 S3を抽出し、基準反射パターン記憶部 19に予め記憶した反射体の基準反射パターンとパターンマツチングを行う。そして、パターンが一致するときは反射体 14a、 14bの反射パターンであるので、そのバーコードパターンの開始位置及び終了位置を反射体位置とする。このように、パターンマッチングにより反射光データの中から反射体を抽出し反射体位置を特定する。従って、反射体位置をリアルタイムで精度よく特定することができる。

[0030] 次に、ねじれ量算出手段 21での回転体 13のねじれ量の算出方法について説明する。反射体位置特定手段 20で特定された反射体位置での反射光データは、図 4に示すように、回転体 13の 1回転につき、強弱が周期性をもって繰り返される反射バターンが現れる。図 4の上部は 1対の反射体 14a、 14bのうちの一方の反射体 14aの反射光データ Aであり、下部は他方の反射体 14bの反射光データ Bである。反射光データ Aの反射パターンより反射光データ Bの反射パターンが遅れ時間てだけ遅れて V、るのは、回転体 13にねじれ量が生じて、ることを表して、る。

[0031] ねじれ量算出手段 21では、まず、反射光データ Aの相関関数から回転体 13の回転周期を求める。いま、反射光データ Aを抽出して関数 F (t)とすると、反射光データ Aの相関関数 φ ( τ )は (4)式で示される。 Cは検出信号のずれ時間、 τは遅れ時間、 δは反射光データ Αの反射パターン幅である。

画 ί{τ) = {\ / 2δ) Υ F(t + )F(t) ■■■ ( 4 )

[0032] この相関関数 ( τ )が最大となる遅れ時間 τを求める。これは、反射光データ Αの最初の検出信号 (反射パターン)を時間的に遅れさせて次の検出信号 (反射光バターン）との重なり度合を調べる操作に相当し、遅れ時間てが回転周期に近付くと、最初の検出信号が次の検出信号で一致するようになり、相関関数 φ ( τ )の値が大きくなる。このときの遅れ時間てが回転周期となる。この回転周期は、反射光データ Αと同様に反射光データ Bからも求めることができる。

[0033] 一方、回転体 13のねじれ量は、反射光データ Aと反射光データ Bとの相関関数 φ i

( τ )から求める。いま、反射光データ Αの出力信号を抽出して関数 Gl (t)とし、第 2 の検出信号の出力信号を抽出して関数 G2 (t)とすると、相関関数 <Η ( τ )は（5)式で示される。 Ciは反射光データ Αの検出信号のずれ時間、 τは反射光データ Αと反射光データ Bとの遅れ時間、 δ iは反射光データ Αの反射パターン幅である。

[数 5]

[0034] この相関関数 ί ( τ )が最大となる遅れ時間 τを求める。これは、反射光データ A の検出信号 (反射パターン)を時間的に遅れさせ、反射光データ Bの検出信号 (反射ノターン）との重なり度合を調べる操作に相当する。相関関数 φ i ( τ )が最大になつたときの遅れ時間てが回転体 13の駆動軸のねじれ量に相当する。

[0035] 以上の説明では、相関関数を用いて回転体 13のねじれ量を算出するようにしたが、反射体 14aの反射光データ Αと反射体 14bの反射光データ Βとの遅れ時間を直接求め、これをねじれ量として求めるようにしてもよい。これは、反射体 14aの反射光データ A及び反射体 14bの反射光データ Bはともに、反射体位置特定手段 20で特定された反射体位置での反射光データであり、基準反射パターン記憶部 19に予め記憶した反射体の基準反射パターンとパターンマッチングが取れた反射パターンであるので、反射体位置の精度が高、ものであるからである。

[0036] 次に、トルク算出手段 22での回転体 13のトルクの算出方法について説明する。トルク算出手段 22は、ねじれ量算出手段 21で得られたねじれ量 (遅れ時間て )に基づいて回転体 13のトルク Ftを算出する。回転体 13のトルク Ftは（6)式で求められる。 K は回転体 13の駆動軸のねじればね定数、 Xは反射体 14aと反射体 14bとの距離、 T は回転体 13の回転周期である。

[0037] [数 6]

Ρί = 2 π Κχ· τ /Τ · ' · (6)

図 5は、本発明の第 1の実施の形態に係わるトルク計測装置を用いてトルクを計測するトルク計測方法を示すフローチャートである。まず、回転体 13の表面に照射されたレーザ光の反射光データを入力し、回転体 13の所定回転数分の反射光データを記憶する（Sl)。そして、回転体 13の反射光データから回転体 13の表面の軸方向に間隔を保って設けられた 1対の反射体 14a、 14bの基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する (S2)。特定された一対の反射体 14a、 14bの位置に基づいて回転体 13のねじれ量を算出し（S3)、算出された回転体のねじれ量に基づ!/、てトルクを算出する（S4)。

[0038] 第 1の実施の形態によれば、回転体 13の表面の軸方向に間隔を保って設けられた 1対の反射体 14a、 14bで反射して得られる反射光の基準反射パターンを予め用意し、回転体 13の回転に伴って入力される反射光データ力基準反射パターンに一致した反射光パターンをパターンマッチングによりリアルタイムで抽出し反射体位置を特定するので、反射体 14a、 14bの位置を精度よくリアルタイムで検出することができる。従って、反射体 14a、 14bの位置に基づいて算出される回転体 13のトルクをリアルタイムで正確に測定することが可能となり、回転体 13のトルクを監視制御に使用することが可能となる。

[0039] (第 2の実施の形態）

図 6は本発明の第 2の実施の形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図である。この第 2の実施の形態は、図 1に示した第 1の実施の形態に対し、入力データ記憶部 18に記憶された回転体 13の反射光データから 1対の反射体 14a、 14bの概略位置を検出する反射体概略位置検出手段 27を追加して設け、反射体位置特定手段 2 0は、反射体概略位置検出手段 27で検出された 1対の反射体 14a、 14bの概略位置近傍の反射光データ力基準反射パターン記憶部 19に記憶された基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定するようにしたものである。図 1と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

[0040] 反射体概略位置検出手段 27は、入力データ記憶部 18に記憶された回転体 13の反射光データを入力し、回転体 13の反射光データから 1対の反射体 14a、 14bの概略位置を検出する。反射体概略位置検出手段 27で反射体概略位置を検出する演算方法は、以下のようにして行う。まず、図 7に示すように、回転体 13の反射光データの計測波形全体を区間幅 Dの小区間に分割する。そして、（7)式に示すように、各区間において計測波形の振幅値 Xの平均値 Hを計算する。分割した区間幅 D (D= 2

k k

m)は、例えば 1個の反射体 14とほぼ同じのサイズとなるように定める。 [数 7]

[0041] 反射体 14a、 14b部分の反射光データは、その周辺の振幅値より大きいため、区間平均値が周辺の区間の平均値に比べて大きくなる。そこで、区間平均値 Hの極大位 k 置を順次求め、予め定めた値よりも大きな区間平均値 Hの極大位置を反射体概略 k

位置として決定する。例えば、図 7において、区間平均値 H 、H は周囲の区間平均

13 30

値より大きく予め定めた値より大きいので、区間平均値 H 、H の

13 30 極大位置を反射体概略位置として決定する。区間平均値 Hの極大位置は、図 8に示すように、区間をさ k

らに複数個の小区間に分割し、その小区間平均が極大となる位置 P

kを反射体 14a、

14bの概略位置とする。

[0042] 反射体位置特定手段 20は、反射体概略位置検出手段 27で検出された 1対の反射体 14a、 14bの概略位置近傍の反射光データを入力データ記憶部 18から入力する。反射体 14a、 14bの概略位置近傍の反射光データは、反射体概略位置 Pの前後 k の反射体幅よりやや大きめの幅内に位置する時系列の反射光データである。そして、反射体位置特定手段 20は、反射体 14a、 14bの概略位置近傍の反射光データと、基準反射パターン記憶部 19に記憶された基準反射パターンとを比較してパターンマツチングを行ヽ、一致する反射光データを抽出して反射体位置をリアルタイムで特定する。

[0043] 図 9は、本発明の第 2の実施の形態に係わるトルク計測装置を用いてトルクを計測するトルク計測方法を示すフローチャートである。まず、回転体 13の表面に照射されたレーザ光の反射光データを入力し、回転体 13の所定回転数分の反射光データを記憶する（Sl)。そして、回転体 13の反射光データから回転体 13の表面の軸方向に間隔を保って設けられた 1対の反射体 14a、 14bの概略位置を検出し (S2)、反射体概略位置近傍の反射光データから 1対の反射体 14a、 14bの基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する（S3)。特定された一対の反射体 14a、 14bの位置に基づいて回転体 13のねじれ量を算出し（S4)、算出された回転体のねじれ量に基づ、てトルクを算出する（S5)。 [0044] 第 2の実施の形態によれば、反射体位置特定手段 20は、反射体 14a、 14bの概略位置近傍の反射光データに対してのみパターンマッチングを行うので、第 1の実施の形態のようにすベての反射光データに対してパターマッチングを行う必要がない。従つて、第 1の実施の形態の効果に加え、さらに反射体位置の検出処理が短縮できる。

[0045] (第 3の実施の形態）

図 10は本発明の第 3の実施の形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図である。この第 3の実施の形態は、図 1に示した第 1の実施の形態に対し、入力データ記憶部 18に記憶された回転体の反射光データから 1対の反射体 14a、 14bの存在領域を検出する反射体存在領域検出手段 28を追加して設け、反射体位置特定手段 2 0は、反射体存在領域検出手段 28で検出された 1対の反射体 14a、 14bの存在領域の反射光データ力基準反射パターン記憶部 19に記憶された基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定するようにしたものである。図 1と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

[0046] 反射体存在領域検出手段 28は、入力データ記憶部 18に記憶された回転体 13の反射光データを入力し、 1対の反射体 14a、 14bの存在領域を検出する。反射体存在領域検出手段 28で反射体の存在領域を検出する演算方法は以下のようにして行

[0047] 計測された反射光データの波形データは、反射体 14a、 14bからの反射パターンが存在する領域の波形データと、反射パターンが存在しな!、領域の波形データとは、異なる性質を持っている。

[0048] そこで、入力データ記憶部 18に記憶された反射光データに対して、反射体 14a、 1 4bの反射光パターンが存在しない波形データのモデル Mlと、反射パターンが存在する領域の波形データのモデル M2とを想定する。そして、モデル Mlとモデル M2とを含んだ反射光データのモデル Mに対する AIC (Akaike's Infomation Critetion)を求め、その反射光データのモデル Mに対する AICが最小となる点を判定して、 1対の反射体 14a、 14bの存在領域を検出する。つまり、反射体 14a、 14bの開始位置及び終了位置を検出して、 1対の反射体 14a、 14bの存在領域を検出する。

[0049] ここで、 AICは下記の（8)式で示される。 Lは最大尤度、 log(L)は最大対数尤度であ 5 c

[0050] [数 8]

AIC _ 2 X log(L) + 2 Xパラメータ数 ·'·（8)

、ま、反射パターンが存在しな、領域の波形データのモデル Ml及び反射パターンが存在する領域の波形データのモデル M2は共に、区間平均値をモデルとして使用する。そうすると、モデル Mlの区間平均値はほぼ零となり、モデル Mlの区間平均値は反射パターンによる反射光レベルに応じた値となる。従って、モデル Mlとモデル M2を含んだ反射光データのモデル Mに着目すると、反射光データのモデル Mの適合度が最もよくなる点は、モデル Mlとモデル M2との境界点である。つまり、反射光データのモデル Mに対する AICが最小となる点を判定して、 1対の反射体 14a、 1 4bの開始位置及び終了位置を検出して、 1対の反射体 14a、 14bの存在領域を検出する。

[0051] 以上のことから、仮想的に反射光データのモデル Mを 2つに分割し、モデル Maの最大尤度 Laとして（9 1)式に示すものを想定し、モデル Mbの最大尤度 Lbとして ( 9 2)式に示すものを想定する。

[数 9]

Nは対象区間のデータ数、 eは自然対数の底、 δ は反射パターンが存在しない領 a

域の波形データの分散、 δ

b ²は反射パターンが存在する領域の波形データの分散であり、分散 δ ²は（10— 1)式で示され、分散 δ ²は（10— 2)式で示される。

a b

[数 10] び ( =丄∑ ( ，一 )² … ( 1。_ ι )

P ,=o

pはパラメータ、は区間平均直び ( ) = ^^ ∑ ( ） … （1 0 2)

N -p-\ —_+i pはパラメータ、は区間平均値、 Nはデータ数

[0053] 次に、（9 1)式を（8)式に代入して、モデル Maの AICaを求めると（11 1)式が得られる。この場合パラメータは pだけであるのでパラメータ数は 1である。同様に、（9 2)式を（8)式に代入するとともにパラメータ数に 1を代入して、モデル Mbの AlCb を求めると（ 11-2)式が得られる。

[数 11]

AIC_a = {( + l)llog(2^cr')+l)+2} … （1 1— 1) = {(N_ Xl。g(2 ^²)+l)+2} … ( 1 1 - 2)

[0054] そして、反射光データのモデル Mに対する AICpは、（12)式に示すように、 AICaと AlCbとの和として求められる。

[数 12]

AIC

p

[0055] 図 11は AICpの計算範囲の説明図である。例えば、反射光データの対象区間 HI のデータ数 Nに対しパラメータ pを変化させて（ 12)式で示される AICpの値を求める。対象区間 HI内に反射体の反射パターンの開始位置 (p=p )を含む場合には、図 1

0

2に示すように、パラメータ pが大きくなるにつれて AICpの値が徐々に小さくなり、最小値から急激に大きな値となる。このときの最小値の位置 (p=p )が反射体の開始位

0

置である。

[0056] 一方、図 11に示すように、対象区間 H2内に反射体の反射パターンの終了位置 (p =p )を含む場合には、図 12に示すように、ノラメータ pが大きくなるにつれて AICp

01

の値が徐々に小さくなり、急激に小さくなつて最小値となり、その後に徐々に大きくなる。このときの最小値の位置 (p=p )が反射体の終了位置である。

1

[0057] このように、反射体存在領域検出手段 28は、反射体 14a、 14bの存在位置を検出するにあたり、図 11に示すように、対象区間の反射光データに対して AICpのパラメータ Pを変化させて、図 12に示すように、反射光データのモデル Mの適合度が最も良くなる点を反射パターンが存在する領域と反射パターンが存在しない領域との境界点であるとして検出する。従って、反射体 14a、 14bの位置を反射体 14a、 14bの開始位置及び終了位置として検出するので、第 2の実施の形態の反射体概略位置より正確に検出することができる。

[0058] 反射体位置特定手段 20は、反射体存在領域検出手段 28で検出された 1対の反射体 14a、 14bの存在領域の反射光データを入力データ記憶部 18から入力する。反射体 14a、 14bの存在領域の反射光データは、反射体の開始位置から終了位置の幅よりやや大きめの幅内に位置する時系列の反射光データである。そして、反射体位置特定手段 20は、反射体 14a、 14bの存在領域の反射光データと、基準反射バターン記憶部 19に記憶された基準反射パターンとを比較してパターンマッチングを行 Vヽ、一致する反射光データを抽出して反射体位置をリアルタイムで特定する。

[0059] 図 13は、本発明の第 3の実施の形態に係わるトルク計測装置を用いてトルクを計測するトルク計測方法を示すフローチャートである。まず、回転体 13の表面に照射されたレーザ光の反射光データを入力し、回転体 13の所定回転数分の反射光データを記憶する（Sl)。そして、回転体 13の反射光データから回転体 13の表面の軸方向に間隔を保って設けられた 1対の反射体 14a、 14bの存在領域を検出し (S2)、存在領域の反射光データから 1対の反射体 14a、 14bの基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する (S3)。特定された一対の反射体 14a、 14bの位置に基づいて回転体 13のねじれ量を算出し（S4)、算出された回転体のねじれ量に基づ、てトルクを算出する（S5)。

[0060] 第 3の実施の形態によれば、反射体位置特定手段 20は、反射体 14a、 14bの存在領域の反射光データに対してのみパターンマッチングを行うので、第 1の実施の形態のようにすべての反射光データに対してパターマッチングを行う必要がない。また、第 2の実施の形態による反射体概略位置より、より正確に反射体の存在領域を検出できるので、反射体位置特定手段 20でのパターンマッチングの対象となる反射光データの量がより少なくなる。従って、第 1の実施の形態の効果及び第 2の実施の形態の効果に加え、さらに反射体位置の検出処理が短縮できる。

[0061] (第 4の実施の形態）

図 14は本発明の第 4の実施の形態に係わるトルク計測装置のブロック構成図である。この第 4の実施の形態は、図 10に示した第 3の実施の形態に対し、入力データ記憶部 18に記憶された回転体 13の反射光データから 1対の反射体 14a、 14bの概略位置を検出する反射体概略位置検出手段 27を追加して設け、反射体存在領域検出手段 28は、反射体概略位置検出手段 27で検出された 1対の反射体 14a、 14bの概略位置近傍の反射光データから 1対の反射体 14a、 14bの存在領域を検出し、反射体位置特定手段 20は、反射体存在領域検出手段 28で検出された 1対の反射体 1 4a、 14bの存在領域の反射光データ力基準反射パターン記憶部 19に記憶された基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定するようにしたものである。図 10と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

[0062] 反射体概略位置検出手段 27は、入力データ記憶部 18に記憶された回転体 13の反射光データを入力し、回転体 13の反射光データから 1対の反射体 14a、 14bの概略位置を検出する。反射体概略位置検出手段 27で反射体概略位置を検出する演算方法は、第 2の実施の形態で述べたように、回転体 13の反射光データの計測波形全体を小区間に分割し、分割した小区間の区間平均値 Hの極大位置を順次求め、

k

予め定めた値よりも大きな区間平均値 Hの極大位置を反射体概略位置として決定

k

する。

[0063] 反射体存在領域検出手段 28は、反射体概略位置検出手段 27で検出された 1対の反射体 14a、 14bの概略位置近傍の反射光データを入力データ記憶部 18から入力し、 1対の反射体 14a、 14bの概略位置近傍の反射光データに対して、第 3の実施の形態で述べた演算方法により、 1対の反射体 14a、 14bの存在領域を検出する。 [0064] 反射体位置特定手段 20は、反射体存在領域検出手段 28で検出された 1対の反射体 14a、 14bの存在領域の反射光データを入力データ記憶部 18から入力し、反射体 14a、 14bの存在領域の反射光データと、基準反射パターン記憶部 19に記憶された基準反射パターンとを比較してパターンマッチングを行、、一致する反射光データを抽出して反射体位置をリアルタイムで特定する。

[0065] 図 15は、本発明の第 4の実施の形態に係わるトルク計測装置を用いてトルクを計測するトルク計測方法を示すフローチャートである。まず、回転体 13の表面に照射されたレーザ光の反射光データを入力し、回転体 13の所定回転数分の反射光データを記憶する（Sl)。そして、回転体 13の反射光データから回転体 13の表面の軸方向に間隔を保って設けられた 1対の反射体 14a、 14bの概略位置を検出し (S2)、反射体概略位置近傍の反射光データから 1対の反射体 14a、 14bの存在領域を検出し (S3 )、存在領域の反射光データから 1対の反射体 14a、 14bの基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する（S4)。特定された一対の反射体 14a、 14bの位置に基づいて回転体 13のねじれ量を算出し（S5)、算出された回転体のねじれ量に基づ!/、てトルクを算出する（S6)。

[0066] 第 4の実施の形態によれば、反射体 14a、 14bの概略位置近傍の反射光データに対してのみ、反射体 14a、 14bの存在領域の検出処理を行い、さらに、その反射体 1 4a、 14bの存在領域の反射光データに対してのみパターンマッチングを行うので、第 3の実施の形態の効果に加え、より迅速力る正確に反射体の存在領域を検出できる

[0067] ここで、前述した各実施の形態にお!、て記載した手法は、コンピュータに実行させることのできるプログラムとして、記憶媒体に記憶し各装置に応用したり、通信媒体により伝送して各種装置に適用することも可能である。

[0068] 本発明における記憶媒体としては、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク

(CD-ROM, CD-R, DVDなど）、光磁気ディスク（MOなど）、半導体メモリなど、プログラムを記憶でき、かつコンピュータが読み取り可能な記憶媒体であれば、その記憶形式はいずれの形態であってもよい。また、ここで記憶媒体とは、コンピュータと独立した媒体に限らず、 LANやインターネットなどにより伝送されたプログラムをダウンロードして記憶または一時記憶した記憶媒体も含まれる。

Claims

請求の範囲

[1] レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置からのレーザ光を回転体の表面に照射すると共に反射光を受信する光送受信装置と、前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられ前記光送受信装置力照射されたレーザ光を所定の反射パターンで反射する 1対の反射体と、前記光送受信装置で受信した反射光に基づいて前記回転体のトルクを求める信号処理装置とを備え、

前記信号処理装置は、

前記 1対の反射体で反射して得られる反射光の基準反射パターンを予め記憶する基準反射パターン記憶部と、

前記回転体の回転に伴って入力される前記回転体の表面に照射されたレーザ光の反射光データを記憶する入力データ記憶部と、

前記入力データ記憶部に記憶された前記回転体の反射光データから前記基準反射パターン記憶部に記憶された基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する反射体位置特定手段と、

前記反射体位置特定手段で特定された反射体位置に基づいて前記回転体のねじれ量を算出するねじれ量算出手段と、

前記ねじれ量算出手段で算出された回転体のねじれ量に基づいてトルクを算出するトルク算出手段とを備えたことを特徴とするトルク計測装置。

[2] レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置からのレーザ光を回転体の表面に照射すると共に反射光を受信する光送受信装置と、前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられ前記光送受信装置力照射されたレーザ光を所定の反射パターンで反射する 1対の反射体と、前記光送受信装置で受信した反射光に基づいて前記回転体のトルクを求める信号処理装置とを備え、

前記信号処理装置は、

前記回転体の回転に伴って入力される前記回転体の表面に照射されたレーザ光の反射光データを記憶する入力データ記憶部と、前記入力データ記憶部に記憶された前記回転体の反射光データから前記 1対の反射体の概略位置を検出する反射体概略位置検出手段と、

前記反射体概略位置検出手段で検出された 1対の反射体の概略位置近傍の反射光データ力前記基準反射パターン記憶部に記憶された基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する反射体位置特定手段と、

[3] レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置からのレーザ光を回転体の表面に照射すると共に反射光を受信する光送受信装置と、前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられ前記光送受信装置力照射されたレーザ光を所定の反射パターンで反射する 1対の反射体と、前記光送受信装置で受信した反射光に基づいて前記回転体のトルクを求める信号処理装置とを備え、

前記信号処理装置は、

前記入力データ記憶部に記憶された前記回転体の反射光データのモデルに対する AICが最小となる点を判定して前記 1対の反射体の存在領域を検出する反射体存在領域検出手段と、

前記反射体存在領域検出手段で検出された 1対の反射体の存在領域の反射光デ一タカ前記基準反射パターン記憶部に記憶された基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する反射体位置特定手段と、前記反射体位置特定手段で特定された反射体位置に基づいて前記回転体のねじれ量を算出するねじれ量算出手段と、前記ねじれ量算出手段で算出された回転体のねじれ量に基づいてトルクを算出するトルク算出手段とを備えたことを特徴とするトルク計測装置。

[4] レーザ光を出力するレーザ光出力装置と、前記レーザ光出力装置からのレーザ光を回転体の表面に照射すると共に反射光を受信する光送受信装置と、前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられ前記光送受信装置力照射されたレーザ光を所定の反射パターンで反射する 1対の反射体と、前記光送受信装置で受信した反射光に基づいて前記回転体のトルクを求める信号処理装置とを備え、

前記信号処理装置は、

前記入力データ記憶部に記憶された前記回転体の反射光データから前記 1対の反射体の概略位置を検出する反射体概略位置検出手段と、

前記反射体概略位置検出手段で検出された 1対の反射体概略位置近傍の反射光データのモデルに対する AICが最小となる点を判定して前記 1対の反射体の存在領域を検出する反射体存在領域検出手段と、

前記反射体存在領域検出手段で検出された 1対の反射体の存在領域の反射光デ一タカ前記基準反射パターン記憶部に記憶された基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する反射体位置特定手段と、前記反射体位置特定手段で特定された反射体位置に基づいて前記回転体のねじれ量を算出するねじれ量算出手段と、

[5] コンピュータに、

回転体の回転に伴って入力される前記回転体の表面に照射されたレーザ光の反射光データを記憶する手順と、

前記回転体の反射光データ力前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられた 1対の反射体の基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する手順と、

特定された一対の反射体の位置に基づいて前記回転体のねじれ量を算出する手順と、

算出された回転体のねじれ量に基づいてトルクを算出する手順とを実行させるためのプログラム。

[6] コンピュータに、

前記回転体の反射光データ力前記 1対の反射体の概略位置を検出する手順と、検出された 1対の反射体の概略位置近傍の反射光データ力前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられた 1対の反射体の基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する手順と、

特定された反射体位置に基づいて前記回転体のねじれ量を算出する手順と、算出された回転体のねじれ量に基づいてトルクを算出する手順とを実行させるためのプログラム。

[7] コンピュータに、

前記回転体の反射光データのモデルに対する AICが最小となる点を判定して前記 1対の反射体の存在領域を検出する手順と、

検出された 1対の反射体の存在領域の反射光データ力前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられた 1対の反射体の基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する手順と、

[8] コンピュータに、回転体の回転に伴って入力される前記回転体の表面に照射されたレーザ光の反射光データを記憶する手順と、

前記回転体の反射光データ力前記 1対の反射体の概略位置を検出する手順と、検出された 1対の反射体の概略位置近傍の反射光データのモデルに対する AIC が最小となる点を判定して前記 1対の反射体の存在領域を検出する手順と、検出された 1対の反射体の存在領域の反射光データ力前記回転体の表面の軸方向に間隔を保って設けられた 1対の反射体の基準反射パターンに一致した反射光データの存在する位置を反射体位置として特定する手順と、