JPH03194431A - トルク測定回路 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、−船釣には、軸に作用するトルクを測定する
方法および装置に関し、より詳細には、軸速度にかかわ
らず、かつ複雑な計算を行う必要なくトルク表示を容易
に行うことができる方法および装置に関する。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は次の通りである。すなわち、速度にかか
わりなく軸トルクを測定する方法を提供すること、−個
の単極センサのみを用いるトルク検知トランスデユーサ
を提供すること、ヘリコプタ−ターボプロップ機および
同様の航空機エンジンにおける軸トルクを検知するのに
適したトルク測定回路を提供すること、回転軸に作用し
、軸の不均質を補うようなトルクを測定する方法および
装置を提供すること、自ら記録を行うトルク検知器を提
供すること、フェーズロックループを用いて、トルクを
測定する軸の回転速度とはかかわりなく、一定の分解能
を有するトルク信号を発するトルク測定回路を提供する
こと、および、従来技術のものよりも少ない部品を用い
て、結果としてより小さく、かつより低価格となってい
るトルク測定回路を提供することである。本発明のこれ
らの目的および利点ならびに他の目的および利点は自明
であるものもあり、また以下に説明されるものもある。

〔課題を解決するための手段〕

一般に、回転している軸に作用するトルクを測定する方
法は、軸の角速度に比例する反復率を有する第一パルス
列と、軸の角速度に比例する反復率を有する第二パルス
列とを用いる。第二パルス列のパルスの間には第一パル
ス列のパルスがはさみ込まれるように位置し、第二パル
ス列のパルスは軸に作用しているトルクに比例する角度
だけ第一パルス列のパルスから遅れている。第一パルス
列のパルスＡｔの発生とその次に続く第二パルス列のパ
ルスＢｌとの間の第一の時間間隔は、前記の第二パルス
列のパルスＢ１の発生とその次に続く第一パルス列のパ
ルスＡ２との間の第二の時間間隔と同様に、計時される
。第二の時間間隔を第一の時間間隔から減算して軸トル
クを示す値が得られる。計時工程および減算工程は、第
一の時間間隔の間にカウンターをインクリメントし、第
二の時間間隔の間にカウンターをデクリメントすること
によって行うこともできる。

また、本発明の態様の一つとして、軸トルク測定回路が
提供される。この軸トルク測定回路は、軸の回転によっ
て発生する第一および第二パルス列に応答する。各パル
ス列は軸の角速度に比例する反復率を有する。この軸ト
ルク測定回路は、軸に作用するトルクを表示する出力を
発する。この出力は軸速度とは独立である。軸トルク測
定回路は、軸の回転に応答して、第一および第二パルス
列において挟まれた形にあるパルスの複合位相変調信号
を発するセンサを備えている。二つのパルス列の間の位
相差は軸に作用するトルクに比例している。軸トルク測
定回路は出力パルス列を発するフェーズロックループを
有している。この出力パルス列の反復率は複合位相変調
信号の反復率の整数倍数である。カウンターはコマンド
を受けると作動し、インクリメント・モードにおいて出
力パルス列のパルス数を計数し、さらにコマンドを受け
るとデクリメント・モードにおいて出力パルス列のパル
ス数を計数する。軸トルク測定回路は、さらに、複合位
相変調信号に応答してカウンターをインクリメント・モ
ードとデクリメント・モードとに交互に変換するコマン
ドを発する制御回路を備えている。この制御回路は各パ
ルスに応答してカウンターを一方のモードから他方のモ
ードに変換し、次のパルスに応答して他方のモードから
一方のモードに戻す変換を行う。所定の数（ｌまたはあ
る整数倍数）の軸の各々が回転した後に、初期計数ある
いはオフセットがカウンターにロードされる。

ここに述べる例示は本発明の一つの態様としての好適な
実施例であり、この例示はいかなる意味においても、開
示の範囲、すなわち本発明の範囲を制限するものとして
解釈されるべきものではない。

〔実施例〕

一般的には、加速が行われている間においては、または
、角速度一定の場合でも駆動力を伝達している間におい
ては、軸にはトルクが作用している。

第１図および第２図に示すトルク測定装置は長さ１０の
軸１１の一部を用いる。この軸１１−の一部は軸１１に
作用するトルクによってねじり力が作用している。軸の
一部ｌＯの一方の端面付近にあるリム２３には一連の歯
１３、Ｉ５が形成されており、軸の一部１０の他方の端
面付近において軸１１に固定されている環状体２５には
歯１６．１７．１９が形成されている。交互に配置され
ている歯は長さｌＯの間隔をおいて軸の一部に固定され
ているが、環状体すなわち中空円筒部材２５はこれらの
歯を相互に接近させることが可能である。

このような構成は「トルクチューブ」としてよく知られ
ているものである。上記の歯はそれらの通過に関するあ
る種の記録を残すことができ、また、例えば、これらの
歯は通常は開状態であるリードスイッチの接点を閉じる
機能を有するような磁極ともなり得る。すなわち、歯が
そのスイッチの極めて近くを通過したときにスイッチの
接点が閉じられる。好ましい形態においては、上記の歯
は、これらの歯が回転して検知コイル２１を通過したと
きに検知コイル２１′と接続している磁気回路のリラク
タンスを変化させることができる強磁性体である。他の
検知装置のみならず、光学検知装置を用いることもでき
る。この光学検知装置は一連のパルスを交互に発生させ
、それらのパルスの一方は軸１１の一部のそれぞれの端
面と対応している。

軸１１の一部（以下Ｆ軸部分」という）がトルクを受け
ると、軸部分の一方の端面付近に支持された歯と他方の
端面に支持された歯との間の相対的な角度差が変化する
。すなわち、軸１１にトルクが作用すると一方の歯が他
方の中間の歯に対して角度θだけ先行または後退する。

第３Ａ図はトルクが作用していない状態を示し、第３Ｂ
図はト。

ルクによって軸部分ｌＯが角度θだけねじりを生じてい
ることを示す。この角度θは実際の軸トルクｔ　〔イン
チ・ポンド〕と次式のような関係にある。

ｔ＝θπｒ２Ｇ／２１ ここで、Ｇはせん断弾性係数であり単位は〔ポンド／イ
ンチ２〕である。半径ｒと長さ１０の単位はインチであ
る。このように、パラメータはすべて軸部分１０の既知
の属性であり、軸部分１０の弾性範囲内においては、ト
ルクｔとトルク角θは正比例し、その比例定数は（πｒ
”Ｇ／２１）であり、これは一般に知られているもので
ある。このため、ある特定のトランスデユーサおよび軸
の配置については、トルク角すなわちねじりの測定値は
既知の定数の分だけ実際のトルクの測定値と異なり、一
方が求まれば、即座に他方が求まることになる。

通常は開いているリードスイッチ、すなわち可変リラク
タンス検知コイル２１のような単一のセンサが歯の近く
に配置されており、各々の歯の通過を検知して一連のパ
ルスを発する。図示されているように、軸部分の各端面
には等間隔に設けられた四つの歯が配置されており、一
方の軸端部における歯は他方の軸端部における歯とはオ
フセットされている。−船釣には、いずれかの端面にお
ける一連の歯は角度（β十φ）をもって等角度間隔に隔
置されており、一方、センサ（各端面に配置されている
もの）により検知された一連の歯はトルクがない状態で
の角度βをもって隔置されており、これに続く歯は角度
φをもって隔置されている。ここで注意すべきことは、
軸の一方の端面に形成されている歯１３．１５により生
じたパルスの各対、すなわちスイッチの閉じは軸の他方
の端面の位置を表す歯１７によって生じたパルスによっ
て分断されていることである。そのうえ、軸のねじりに
よって、軸の一方の端面に対応するパルスは軸の他方の
端面において歯によって生じたパルスよりも遅れを生じ
、この遅れもしくは連続する歯相互間の角度の増加分θ
（ねじりの方向によってβまたはφのうちの一方となる
）および次の組の連続する歯相互間の角度の減少分θ（
βまたはφのうちの他方である）を用いることによって
軸に作用しているねじりを測定することができる。トル
クの大きさにかかわらず、 β＋θ≠φ＋θ となるように角度βを選べば、作用しているトルクの方
向の分解能が向上する。

第３Ａ図において、角度（β＋φ）は同じ軸端面に形成
されている隣接する歯の間の任意の角度である（歯が四
つの場合には４５°である）。反対側の端面における歯
の一つはこれら隣接する二つの歯の間に位置し、図示し
であるように、軸部分にトルクが作用していない場合に
は一方の歯から角度βだけ離れている。このように、ト
ルクが作用していない場合におけるスイッチ２１を付勢
する隣接する歯（各軸端面において形成されているもの
）の間の角度、すなわちスイッチ２１によって発生した
隣接するパルスの間の角度は交互にβとφである。軸に
作用するトルクが増加すると、極１７および極１９は、
第３Ｂ図に示すように例えば時計方向に移動し、これに
よって極１３と極１７の間の角度βは角度増分θだけ大
きくなり、一方、極１５と極１７との間の角度は角度増
分θだけ減少する。ストップウォッチその他のタイミン
グもしくは一定数計数器を用いて、応力状態にある軸が
一つの極から他の極へ回転するのに要する時間を測定す
ることもできる。二つの連続する時間間隔の差を求める
ことによって角度θを測定することができる。しかしな
がら、この測定値は速度に依存している。この測定値を
正規化するため、この測定値は二つの連続する時間間隔
の和で除し、さらに、実際の角度測定値を求めるため、
時間総計に対する時間差の比に角度１／２（β＋φ）を
乗じる。この測定値の正規化を行うことによって、測定
値がこれらの計算を行う回路、ひいてはその費用を用い
ることなく軸角速度とは独立となり、この正規化は、第
４図に示すように、速度依存型タイミングパルスを用い
て行うことができる。

第４図において、第５Ａ図に示すパルス列（トルクがな
い状態）、あるいは第５Ｃ図に示すパルス列（第２図の
矢印２９．３１の方向におけるねじりが作用している状
態）は単極リラクタンスセンサ２１から位相比較器２７
へ送られる。位相比較器２７に送られた入力信号の位相
変調を消すために、第５Ａ図に示すようなβとφとの間
の差、または第５Ｃ図に示すような（β十θ）と（φ＋
θ）との間の差に基づく入力信号は１／２で除される。

位相比較器２７はフィルター３３および電圧制御発振器
３５とフェーズロックループとして接続されており、Ｎ
で除算を行うカウンター３７を経由するフィードバック
を受ける。フィードバックループにおいてＮによる除算
を行うことによって、フェーズロックループにおいて入
力周波数にＮが乗ぜられ、一方、フィルター３３は騒音
を消すのに有効である。これによって、ライン３９上の
カウンター４１への入力は、反復率Ｎに反復率１／２を
乗じた値を有し、第５Ａ図または第５Ｃ図に示す波形を
有する一定のパルス列、すなわち、軸の１回転当たりＮ
Ｋパルス（Ｋは端面毎の歯の数で、図示の実施例ではに
＝４である）、あるいはＮＫＷヘルツ（Ｗは１秒当たり
の軸の角速度である）となる。各端面における図示した
四つの歯については、カウンターへの入力は４ＮＷヘル
ツの軸速度依存信号である。制御ロジック回路４３は第
５Ａ図または第５Ｃ図に示したパルス列の各パルスに応
答して、カウンター４１が計数を行っている方向を逆転
させる。すなわち、インクリメントとデクリメントとを
逆転させる。βとθとが等しくないようにそれらを選択
すると、制御ロジック回路４３はカウンター４１からの
オーバーフローを検出することもできる。このオーバー
フローは「アップ」と「ダウン」の役割が逆転しており
、その状態を修正することができることを示すものであ
る。β＋θを１８０電気度より小さい角度に選定するこ
とによって、フェーズ角度は、それが正であるか負であ
るかを問わず、常に既知である。

制御ロジック４３は各回転終了後に計数をラッチし、ク
リアーし、再スタートさせることもできる。

回転全体にわたるこの平均化によって許容誤差を解消す
ることができる。

特別な例として、βく０、すなわちＰＣＢである無トル
クの状態を考える。回転全体にわたってカウンター４１
はカウントとして４Ｂ−４Ｐ＜０を蓄積する。オフセッ
ト値μ＝４Ｐ−４８＞Ｏを予めカウンターにロードする
ことによって、各回転の終了時における最終カウントは
０となり、これはトルクが作用していない（θ＝０）状
態を示す。オフセットラッチ４５はこの値μ（この値は
回路を特定の軸に対して適合させるためにプログラム可
能であるように選択することができる）を各回転の始期
において予めカウンター４１にロードする。軸がトルク
を受けると、カウンターは各回転毎に、 ４　（Ｂ＋Ｔ）−４（Ｐ−Ｔ）十μ ＝４Ｂ−４Ｐ＋８７十μ＝４Ｂ−４Ｐ＋８Ｔ＋４Ｐ−４
Ｂ Ｔ を蓄積する。軸の回転終了時におけるカウンター内の値
Ｖは比例式 ％式％ を用いて次式のように実際の角度軸変位θと関係する。

θ＝　（Ｖ／８）（３６０／２ＮＫ） ＮＫ＝４５であれば、デイスプレィユニット４９によっ
て表されるカウンター４１内の値は「度」で表した角度
軸変位となるが、Ｎは１５（１０のオーダーとなるよう
に選定する方がより実際的である。それにより、十分な
回転に対する十分な数のカウントを得ることができ、さ
らにデイスプレィ４９に送り、デイスプレィ４９に表示
することが必要なときにカウンター内の結果を再測定す
ることができる。Ｎの値はゲインラッチ４７を介して与
えられた軸に回路を適合させるためプログラム可能であ
るように選択し得る。

第６図は第４図において述べたものに類似した回路のよ
り詳細なブロック図であるが、第６図の回路はＮ　（Ｎ
は１５（１０に固定されている）の数値を選択する融通
性に欠けているとともに、オフセット値μをプログラム
可能にセットする融通性にも欠けている。第４図および
第６図において同じブロックは同じ数字で表されている
。第６図の信号調整回路５１は第７図により詳細に示さ
れている。入力信号は単極ピックアップセンサ２１に入
力され、同一または非同−のモードフィルタリングを行
う。さらに、この信号調整回路５Ｉにはディジタルパル
スフィルター８８とともに零通過検知器８６が含まれて
おり、回路のフェーズロックループ部分８４に向かう出
力信号６１の調整を行う。

第６図の回路のフェーズロックループ部分８４を第８図
に示すが、このフェーズロックループ部分８４はフェー
ズ検知器２７、ループフィルター３３および電圧制御発
振器３５について市販の集積回路５３、例えばＲＣＡ　
ａｎｄ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏ
ｒのＨＣ４０４６を用いる。Ｎで除する回路は集積回路
５５．５７．５９と連結しているＨＣｌ６３型カウンタ
ー３７　（ＲＣＡ　ａｎｄ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｅｍ
ｌｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社製）においてその機能が発揮さ
れる。

第７図のライン６１上の出力信号は第８図の同じ番号の
ライン上の入力である。

第８図を参照すると、実際にはカウンターは三つのチッ
プ６５．６７．６９によって実行される。

これら三つのチップは、ライン７５上にある第６図に示
す同期化及び制御論理ブロック７７と、ライン６１上の
カウンター許容信号とからアップまたはダウンの指示を
受ける。これらのカウンターチップの出力はデイスプレ
ィ・ドライバー７１゜７３に送られる。これらのチップ
は制御論理回路７７からのライン７９上のパワーアップ
クリアー信号によって電力がオン状態にされたときにク
リアーされる。

以上の説明から、前述した目的および特徴に適合した新
規な装置が開示され、また、当業者にとっては特許請求
の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなく形
状、配置その他の詳細について多くの応用を行うことが
できることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は軸と、軸に並置されたトルク供給トランスデユ
ーサの単極センサの端面図、 第２図は第１図に示した軸とトルク供給トランスデユー
サの単極センサとの側面図、 第３Ａ、３Ｂ図はトルクの角度計算を説明した幾何学的
な説明図、 第４図は第１図および第２図のトランスデユーサに応答
してトルク角度表示を行う回路の概略的なブロック図、 第５Ａ〜５Ｄ図は第４図に示した回路の理解の補助とな
る無トルクおよびトルク波形図、第６図は第４図に示し
た回路とはやや異なるトルク測定回路の概略的なブロッ
ク図、 第７図は第６図に示した回路に用いるのに適した信号調
整回路のより詳細な回路図、 第８図は第６図に示した回路に用いるのに適したフェー
ズロックループおよび分割回路のより詳細な回路図、で
ある。 各図面においては共通の参照符号は共通の部品を示す。 〔符号の説明〕 １１・・・軸　　１３．１５．１６．１７．１９・・・
歯・・・検知コイル ・・・環状体 ・・・ループフィルター ・・・電圧制御発振動器 ・・・制御ロジック ・・・オフセットラッチ ・・・ゲインラッチ ・・・パルスフィルター ２３・・・リム ２７・・・位相比較器 ■・・・信号調整回路 ＦＩＧ ／ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　３Ａ ＦＩＧ、、３Ｂ ＦＩＧ、４ Ｔ３ ５Ｔ６ ７ ５ Ｏ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸に作用するトルクを測定する方法において
   、 反復率が前記回転軸の角速度に比例するような第一パル
   ス列を形成し、 反復率が前記回転軸の角速度に比例するような第二パル
   ス列を形成し、該第二パルス列のパルスの間には前記第
   一パルス列のパルスがはさみ込まれ、かつ前記第二パル
   スのパルスは前記回転軸に作用するトルクに比例する量
   だけ前記第一パルス列のパルスから遅れており、 前記第一パルス列のあるパルスの発生とそのパルスに続
   く前記第二パルス列のパルスの発生との間の第一インタ
   ーバルを計時し、 前記第二パルス列のパルスの発生とそのパルスに続く前
   記第一パルス列のパルスの発生との間の第二インターバ
   ルを計時し、 前記第一インターバルから前記第二インターバルを減算
   して位相差を計算し、この位相差は軸トルクを表す値と
   なっていることを特徴とするトルク測定方法。
2. （２）前記計時過程および減算過程は、 前記第一インターバルの間においてカウンターをインク
   リメントし、 前記第二インターバルの間においてカウンターをデクリ
   メントする過程を含むことを特徴とする請求項（１）記
   載のトルク測定方法。
3. （３）十分な数だけ前記インクリメントおよびデクリメ
   ント過程を繰り返し、少なくとも一回の軸回転にわたっ
   てトルクを平均化することを特徴とする請求項（２）記
   載のトルク測定方法。
4. （４）軸トルクを表す値を正規化して軸の角速度とは独
   立のトルク値を求める過程を含むことを特徴とする請求
   項（１）記載のトルク測定方法。
5. （５）前記正規化過程は、 反復率が軸角速度（一秒当たりの回転数）の整数倍であ
   る信号を発信し、 該信号の発信の反復数を計数する過程を備えており、 前記計時過程および減算過程は、 前記第一インターバルの間において反復数のカウントを
   増分し、 前記第二インターバルの間において前記カウントをデク
   リメントする過程を備えていることを特徴とする請求項
   （４）記載のトルク測定方法。
6. （６）十分な数だけ前記カウントの増分およびデクリメ
   ントを繰り返し、少なくとも一回の軸回転にわたってト
   ルクを平均化する過程を備えていることを特徴とする請
   求項（５）記載のトルク測定方法。
7. （７）前記信号発信過程は、 前記第一および第二パルス列を組み合わせて第三パルス
   列を形成し、 反復率が前記第三パルス列の反復率に対して整数倍であ
   る信号を発信する過程を備えていることを特徴とする請
   求項（５）記載のトルク測定方法。
8. （８）前記第三パルス列の反復率は前記第一パルス列の
   反復率の２倍であることを特徴とする請求項（７）記載
   のトルク測定方法。
9. （９）位相差を評価し、トルクの角度方向を求める過程
   を備えていることを特徴とする請求項（８）記載のトル
   ク測定方法。
10. （１０）軸の回転によって発生し、反復率が軸の角速度
    に比例する第一および第二パルス列に応答する回路であ
    って、軸に作用するトルクを表し、かつ、軸速度とは独
    立の出力を発する回路において、 軸の回転に応答して前記第一および第二パルス列からの
    はさみ込みパルスの複合位相変調信号を発信し、二つの
    パルス列の間の位相差は軸に作用するトルクに比例して
    いるセンサと、反復率が前記複合位相変調信号の反復率
    の整数倍である出力パルス列を発するフェーズロックル
    ープと、 コマンドによってインクリメントモードにおける前記出
    力パルス列のパルス数を計数し、次のコマンドによって
    デクリメントモードにおける前記出力パルス列のパルス
    数を計数するカウンターと、 前記複合位相変調信号に応答して、前記カウンターをイ
    ンクリメントモードとデクリメントモードとに交互に変
    換するコマンドを発する制御手段と、 一定数の軸回転の後に初期カウントを前記カウンターに
    ロードする手段と、 を備える回路。
11. （１１）前記制御手段は各パルスに応答して一方のモー
    ドから他方のモードに変換し、次のパルスに応答して前
    記他方のモードから前記一方のモードに戻すものである
    ことを特徴とする請求項（１０）記載の回路。
12. （１２）前記出力パルス列の反復率を与える位相変調信
    号の反復率の特定の整数倍を修正する手段をさらに備え
    ていることを特徴とする請求項（１０）記載の回路。
13. （１３）前記一定数は１であることを特徴とする請求項
    （１０）記載の回路。
14. （１４）前記位相差の絶対値を求め、トルクの実際の角
    度方向を決定する手段を備えていることを特徴とする請
    求項（１３）記載の回路。