JPH0159529B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、トルク伝達軸に生じるトルクの大き
さに比例したねじれ角を光電的に位相差信号に変
換して取出すトルク検出器に関する。

産業上の利用分野 トルクは、エンジン、モータ等の原動機の性能
を表わす重要な特性値の一つであり、原動機の検
査、あるいは研究開発における評価試験はもちろ
ん、その原動機と結合されるポンプ等の負荷装置
の性能試験においてトルクの測定は欠かせない。
トルク検出器は、このような試験に広く利用され
るものである。

従来技術 先ず、公知のものについて簡単に説明する。

第１図において、軸方向に間隔を隔てた軸１上
の２点には、環体１１，２１の基部が固着されて
その各開放端面に一体的に固着された円板１２，
２２は近接して対向し、その円板１２，２２の周
辺に穿設された等ピツチで、デユーテイ１：１の
スリツト列を挾んで発光素子３０と受光素子４０
が対向する状態に配置されている。

以上のものにおいて、いま、軸１がトルクを伝
達し、それにより軸１がねじられ、環体１１，２
１の基部間の軸１にねじられ角θが生じると、円
板１２と２２も一体的に相対角変位θを生じ、し
たがつて、両円板１２と２２のスリツトの重合面
積も角変位θに比例して変わり、その結果、投光
素子３０からその重合面積部分を介して受光素子
４０に達する光量が変わり、受光素子４０の出力
を変化させることになる。

さて、第２図は円板１２，２２のスリツト１
２′，２２′の重合状態と受光素子４０の出力との
関係を表わした図である。先ず、円板１２を基準
にして円板２２が角変位し、その結果、スリツト
１２′に対し２２′が右方に移動する場合の角変位
θと両スリツト１２′，２２′の重合面積の関係を
みるのに、いま、完全に非重合の状態（スリツト
１２′の左端と２２′の右端の位置が一致）から円
板２２が右方に回動すると、重合面積はその回動
角変位に比例して増加し、その角変位がスリツト
ピッチ角θpの1/2に達した際、完全に重合する。
続いて、そのθp／２からさらに右方に回動する
と、前記とは逆に、回動角変位に比例して減少
し、θpに達すると、再び元の状態の非重合とな
る。以上のように、スリツトト１２′，２２′の重
合面積は、角変位θに対して三角波状に変化する
わけである。次に、その重合面積と受光素子４０
の出力の関係をみるのに、理想的には両者は等し
い変化となるはずであるが、実際には両円板１
２，２２間での光の回折や発光面、受光面が円形
であること等に影響されて前記のように重合面積
が三角波状に変化した場合、受光素子４０の出力
はサイン波あるいはサイン波に極めて近似した(ロ)
に示すような変化を生じることになる。

したがつて、この受光素子４０の出力V〓を測
定しても、それは角変位θとは比例せず、直接θ
は求められない。

これを改善するものとして、位相差方式のもの
が、すでに特開昭55−164323号「光電式トルク検
出装置」として公知である。これは、前記第１図
の円板１２と２２の間隙を大にしてその間の軸上
にベアリングを介して円筒体を支承し、その円筒
体の左右端面には、円板１２，２２とそれぞれ対
向するように別の円板をそれぞれ固着し、左右の
それぞれにおいて、円板対を挾んで発光素子と受
光素子を対向させ、前記円筒体を外部モータと係
合させて常時軸の回転方向と反対方向に回転させ
るようにしたものである。これによれば、軸が静
止していても円板１２，２２とそれぞれ対向する
別の円板が回転させられているのでそのスリツト
ピツチθp回転ごとに各受光素子にはサイン波の
１周期分が発生し、その二つのサイン波の位相差
αは角変位θに比例することになる。

しかし、このものは、全体に大形化してしまう
ことが避けられず、また、構造も複雑化し、組立
に多大の手数を要すると共に、それだけ各構成部
品にも厳しい加工精度が要求される問題点があ
る。また、このものにおいては、軸回転数が低く
なればなるほど検出間隙が長くなり、広い軸回転
数範囲にわたつて一様の応答特性でトルクを求め
られない問題点が残る。

発明が解決しようとする問題点 本発明は、上記した従来技術の欠点を除き、部
品数が少なく、しかも小形でありながら、静止状
態を含む広い軸回転数範囲にわたつて高い応答特
性をもつトルク検出器を提供しようとするもので
ある。

問題点を解決するための手段 そこで、本発明は、位相変調検出方式の検出原
理をねじれ角の検出に利用したものであり、軸方
向の間隔を隔てた２点にそれぞれの基部を固着し
た２枚の円板を近接して対向させ、一方の円板の
周辺上には等ピツチに第１のスリツト列を形成
し、他方の円板の半径の異なる周辺上には第１の
スリツト列と同一ピツチで、互に配列位置が1/4
ピツチずつずれた第２、第３、第４、第５のスリ
ツト列をそれぞれ穿設し、その第１と第２、第１
と第３、第１と第４、第１と第５の各スリツト列
の対を各別に挾んで一方に第１、第２、第３、第
４の発光素子を、他方に第１、第２、第３、第４
の受光素子を配置して対向させ、その第１〜第４
の発光素子は、点灯制御部により互に90度ずつの
位相差をもつサイン波状出力で各別に点灯制御さ
せ、第１〜第４の受光素子出力の合成出力の位相
変化を測定するようにしたものである。

実施例 以下、本発明の実施例につき図面に基づいて詳
細に説明する。

機構部を示す第３図において、前記第１図と同
番号を付した軸１、取付環体１１，２１は第１図
と同様のものであり、その対向する環体１１，２
１の開放端面には円板１３，２３がそれぞれ固着
されている。その円板１３には第４図に示すよう
に等ピツチにデユーテイ１：１の第１のスリツト
列１４が形成され、それと対向する他方の円板２
３の周辺には第５図に示すように第１のスリツト
列１４と同じピツチを有し、各々は配列位置が互
に1/4ピツチずつずれた第２〜第５の４個のスリ
ツト列１５〜１８が外周から内周方向に順次形成
されている。そして、その第１のスリツト列１４
と各第２、第３、第４、第５のスリツト列１５〜
１８をそれぞれ挾んで対向する状態に第１の発光
素子３１と受光素子４１の対、第２の発光素子３
２と受光素子４２の対、第３の発光素子３３と受
光素子４３の対および第４の発光素子３４と受光
素子４４の対が配設されている。

第６図は、その第１〜第４の発光素子３１〜３
４の発光量を制御する点灯制御部５０の実施例で
あり、発振器５１の各90度位相のずれたsinωtと
cosωtの出力端子はそれぞれ前記第１、第２の発
光素子５４，５５の入力端子と結線されると共
に、インバータ５２，５３の各入力端子とそれぞ
れ結線されている。そして、インバータ５２，５
３の出力端子は、前記受光素子３３，３４の駆動
回路５６，５７の入力端子とそれぞれ結線されて
いる。

以上のものにおいて、いま、発振器５１により
トルクを求めようとする時間間隔Ｔに基づいて予
め定めた角速度ω（＝2π／Ｔ）のサイン波および
コサイン波を発振させて駆動回路５４，５５に入
力させると同時に、インバータ５２，５３により
それを反転させて駆動回路５６，５７に入力させ
ると、その各駆動回路５４〜５７により各発光素
子３１〜３４は、それぞれサイン波、コサイン
波、反転サイン波、反転コサイン波状に発光量が
制御される。ただし、この場合負の発光量はあり
得ないから、ある正の発光量の範囲、例えば、０
〜2Aの間で周期的変化を生じさせることになり、
それぞれ第１〜第４の発光素子３１〜３４の発光
量は、Ａ（sinωt＋１）、Ａ（cosωt＋１）、Ａ（−
sinωt＋１）、Ａ（−cosωt＋１）となる。そして、
この各光量は、それぞれが対向する第１のスリツ
ト列１４と各第２、第３、第４、第５のスリツト
列１５〜１８の重合部を透過して各対応する受光
素子４１〜４４に達し、そこで電気信号に変換さ
れることになる。したがつて、受光素子４１〜４
４に発生する電気信号もまたそれぞれ角速度ωの
サイン波、コサイン波、反転サイン波、反転コサ
イン波であり、その波高が光の透過面積、すなわ
ち、各対向するスリツトの重合面積の大きさに応
じて変わることになる。

さて、すでに前記第２図にて説明したように、
二つのスリツト列の重合面積は、角変位θが０か
らスリツトピツチθpまで変化する間に三角波状
に変化するが、その重合面積とそこを透過する光
量の関係はサイン波状に変化する。したがつて、
受光素子４１〜４４の出力は、それぞれ角速度ω
で周期的に変化しながらその高さも角変位θに応
じてサイン波状、コサイン波状、反転サイン波
状、反転コサイン波状に変化することになる。す
なわち、前記した各発光素子３１〜３４の発光量
は、対向する二つのスリツト列が完全に非重合の
場合、受光素子４１〜４４には達しないものとし
てそのときの受光素子４１〜４４の出力を０、完
全に重合したときの出力を０とおき、また、スリ
ツトトピツチ角θpを2πとする角変位θに対応し
た電気角をα（＝2πθ／θp）とおくと、受光素子
４１〜４４の出力e₁〜e₄は次のように表される。

e₁＝（Ｂ／２）（sinα＋１）（sinωt＋１） e₂＝（Ｂ／２）（cosα＋１）（cosωt＋１） e₃＝（Ｂ／２）（−sinα＋１）（−sinωt＋１） e₄＝（Ｂ／２）（−cosα＋１）（−cosωt＋１） 結局、この出力e₁〜e₄は角速度ωで、互に位相
が90度ずつずれた搬送波を、各々が90度の位相ず
れをもち、角変位θに対応する電気角αによつて
正弦波状に振幅変調させたものとなる。

以下、これら各出力e₁〜e₄は加算器60によつて
加算合成されることになり、その出力ｅは次のよ
うになる。

ｅ＝Ｂ〔cos（ωt−α）＋２〕 しかして、この合成出力ｅは、角速度ωのサイ
ン波出力であり、その位相αが角変位θに対応し
て変化することになる。したがつて、この合成出
力ｅの位相αを前記発振器５１の出力、あるいは
その反転出力のいずれかを基準に測定することに
より、所定の周期Ｔ（＝2π／ω）ごとに角変位
θ、すなわち、それに比例するトルクが求められ
ることになる。

なお、上記実施例においては、受光素子４１〜
４４の出力をそのまま加算する場合につき例示し
たが、フイルタを介して直流成分を除去した上で
加算させても同様であり、さらに受光素子４１〜
４４を共通の受光素子に置き換えて合成機能も併
せ持つようにしてもよい。

効 果 以上のとおりであり、本発明は、ねじれ角θに
応じて相対的に角変位させられる円板により互に
90度ずつの位相ずれをもつ４個のスリツト列対の
群にスリツトの重合変化を生じさせると共に、そ
の各重合部に投光する光量も互に90度ずつ位相の
ずれたサイン波状に変化させ、さらにそこを透過
した光量の合成出力を取り出すことにより、ねじ
れ角を合成出力の位相変化に変換しているので、
ねじれ角に比例するトルクは、合成出力の一定の
周期ごとに取り出すことができ、軸の静止中から
高速まで広い軸回転数にわたつて高い応答性をも
つてトルクが求められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知のものの検出部を示す正面図、第
２図はその動作説明図、第３図は本発明の検出機
構部の実施例を示す正面図、第４，５図は円板の
実施例を示す側面図、第６図は本発明の点灯制御
部の実施例を示すブロツク線図である。１３，２
３：円板、１４〜１８：スリツト例、３１〜３
４：発光素子、４１〜４４：受光素子、５０：点
灯制御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 軸方向の間隔を隔てた２点にそれぞれの基部
   を固着した２枚の円板を近接して対向させ、一方
   の円板の周辺上には等ピツチに第１のスリツト列
   を穿設し、他方の円板の半径の異なる周辺上には
   第１のスリツト列と同一ピツチで、互に配列位置
   が1/4ピツチずつずれた第２、第３、第４、第５
   のスリツト列をそれぞれ穿設し、その第１と第
   ２、第１と第３、第１と第４、第１と第５の各ス
   リツト列の対の一方側にはそれぞれ第１、第２、
   第３、第４の発光素子を配設してその発光量を互
   に90度ずつの位相ずれをもつサイン波状に各別に
   点灯制御部により制御させ、その各透過光量の合
   成光量に対応した出力の位相の変化量を取り出す
   ところのトルク検出装置。