JPH0321840A - 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】 た艷△量贋 本発明は、一般に、トルク測定機器に関するものであり
、特に、トルク負荷に応じて所定の角変位を生ずる１対
の相対的に回転可能な部材を使用したトルク測定装置に
関するものである．免艷立１（ 回転軸のような回転部材により伝達されるトルクを測定
するための周知の装置は多種ある．付加されたトルクに
応じて相対的な回転運動を可能とする弾性的連結手段に
よって連結された例えば互いに同軸の２つの駆動軸のよ
うな入力要素と出力要素との間における相対回転運動の
関数として、トルクが測定されることが多い。

多くのこのような装置は、相対的に回転可能な１対の軸
にそれぞれ取り付けられたｌ対の同心の円板を用いてお
り、これらの円板は、軸のねじりによる角度的偏向によ
って互いに対して回転する．これらの円板には、スロッ
トや歯形孔等の形態の孔手段が設けられており、回転円
板の一方の側に配置された光源から光がこの孔手段を通
って、回転円板の他方の側に配置された受光器に伝達さ
れる。

上記特徴を有するトルク測定装置に付随する問題は、複
雑な電子部品がしばしば用いられること、及び高速機構
には適さないことである。例えば、米国特許第２　，５
８６　，５４０号では、多数のスロットからのパルス集
計法を採用しているが、このような集計手段は、高速の
システムに適用するのは非常に難しいと考えられる。ま
た、米国特許第４．４４６７４６号明細書には、スリッ
トを通過する不連続な光を計数するという方法を相対的
に回転可能な円板に適用するという内容の最近の例が開
示されている．また、上記又は他の従来のトルク測定手
段においては、高速作動時の伝達光の分解能の問題があ
る。

本発明は、光度の表示のみに依存する非常に単純なトル
ク測定装置を提供することにより前述した問題を解決す
ることを目的としており、またこのトルク測定装置では
、連続的に可変の信号が本装置の作動範囲全域にわたり
付加トルクに正比例して発生される． 免旦△鷹Ｉ 従って本発明の目的は、新規な改良型トルク測定装置を
提供することにある。

本発明の典型的な実施例において、本トルク測定装置は
、同軸の第ｌ及び第２の部材（同軸の駆動軸及び被駆動
軸のような回転可能な部材として示している）．これら
の同軸の部材を弾性連結手段が相互連結しており、これ
らの部材の一方に加えられたトルク負荷の大きさに比例
した相対的角変位が部材間に生じるようになっている．
また、１対の同軸の円板が前記部材に、一体となるよう
固定されている． 概略的に述べるならば、第１及び第２の同軸の部材、好
ましくは回転可能な円板にはそれぞれ、第１及び第２の
孔手段が設けられている．これらの孔手段は、同軸の部
材の相対的角変位に応じて互いに重なり合う重合関係と
なるよう移動できるように、半径位置に並んだ位置に配
置される。また、光源手段が設けられ、これらの孔手段
が重合関係にある場合、光が両方の同軸部材の孔手段を
通して伝達される。従って、伝えられる光の強度は、孔
手段の重なり合う度合いに実質的に正比例し、作動範囲
全体にわたって連続的に変化する単純な信号が形戒され
る。更に、重なり合った孔手段を通過した光を受信する
ために、光度検出手段ないしビックアップ手段が設けら
れている。以下で述べるが、光源手段及び光度検出手段
は両円板の両側に設けられる． 前述から、このような単純な構成は、光度のみを検出す
るので、回転部材の速度には影響を受けないことが分か
るであろう．言い換えれば、従来技術における集計法、
計数法又は他の信号処理法は完全に排除される。

本発明の一実施例において、前記孔手段は、トルクが増
加するに連れて信号を拡大させる目的で三角形状、即ち
扇状形状の開口を少なくとも一つ備えている．また、本
発明の他の実施例では、相対的に回転可能な円板のそれ
ぞれにある孔手段は、半径方向に同一の広がりをもち、
光度は孔手段の重合量に応じて単純に増減する。

本発明はまた、正逆両方向の弾性継手を提供し、更に一
方の円板の孔手段を他方の円板の１つの開口の両側に角
度をもって配置することによって、連結器を備えること
により、回転可能な部材の相対回転運動のいずれの方向
においてもトルクを測定できる構戒を企画している。

本発明の他の特徴は、孔手段を通過する光の強度が確実
にトルク負荷の大きさに正比例するように、弾性継手内
のばね手段の変動ばね定数に応じて形成された孔手段を
提供することである。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面と関連し
た以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

ｔ　施例の詳細ｔ説 図面について詳細に説明する。まず第１図では、本発明
の概念を具体化したトルク測定装置が総括的に符号１０
で示されており、この１・ルク測定装置１０は、駆動軸
ｌ２及び被駆動軸１４のような同軸の第１及び第２の回
転部材を備えている。駆動歯車１Ｇが駆動軸１２に連結
されているのが図示されているが、これは、この駆動歯
車１６が適切な動力源に通じる駆動歯車列の一部である
ことを示すためである。

１対の円板１８、２０が駆動軸ｌ２及び被駆動軸１４に
それぞれ固定されており、それらが一体的に回転すると
共に、これらの円板ｌ８、２０は、駆動軸１２と被駆動
軸１４の角変位に一致する角変位を生じるようになって
いる。勿論、これらの円板１８、２０は軸１２、１４と
一体的に形成でき、本機構において同軸に回転可能な部
材と見なされることは理解されよう． 実際に、本発明の図示実施例では、駆動円板１８及び被
駆動円板２０はそれぞれ、対をなすハブ２２及びハブ２
４の一部となっており、これらのハブ２２、２４はそれ
ぞれ駆動軸１２及び被駆動軸１４にスプライン結合され
ている。

第１図と関連して第４図及び第５図を参照すると、ハブ
２２及び２４は総括的に符号２５で示された弾性連結手
段の一部分を形成し、この弾性連結手段２５は、駆紗軸
１２及び被駆動軸１４を相互連結し、ひいては駆動円板
１８及び被駆動円板２０を相互連結している。よって、
これらは連動して回転するが、その一方では、相対的に
回転可能な部材（軸１２、１４）の一方に加えられたト
ルク負荷の大きさに比例して、両円板１８、２０間に相
対的な角変位を生じさせる。より詳細には、第５図に明
示されるように、ハブ２２は、外方に開いた若しくは半
径方向に突出した歯２６を有し、これらの歯２６は互い
に角度的に間隔があけられている。ハブ２４は、半径方
向内方に突出した複数の歯２８を有しており、これらの
歯２６はハブ２２の隣合う歯２６の間に配置されると共
に、これらの歯２６から角度的に間隔が置かれている．
各歯２６と、これに隣接する歯２８の互いに向き合った
側面間には、それぞれコイルばね３ｏが挟まれている。

従って、当該トルク測定装置の相対的に回転可能な部材
間が弾性的に連結されるだけでなく、軸１２と軸ｌ４と
の相対的な角回転、及び円板１８と円板２０との相対的
な角変位が正逆いずれの方向でも生じ得る。

駆動円板１８には、矩形形状のスロットの形態の第１の
孔千段３２が、その長手方向を半径方向に向けて設けら
れている。また、被駆動円板２０には、１対の三角形状
の開口の形態をとる第２の孔手段３４ａ、３４ｂが設け
られており、これらの頂点３６は互いに向き合っている
。

特に第２図を参照すると、少なくとも駆動円板１８のス
ロット３２の幅の間隔をあけて、被駆動円板２０の開口
３４ａ、３４ｂ（即ち頂点３６）が配置されていること
がわかるであろう。これらの孔手段３２、３４ａ、３４
ｂのこの相対的な配置は、第５図に示された弾性連結手
段の状態によって示されるような本測定装置の中立状態
に相当する。換言すれば、軸１２、１４がそれぞれの円
板１８、２０と共に、ばね３０によって予め定められた
所定のトルクで一体的に回転している場合には、円板１
８のスロット３２は、開口３４ａ、３４ｂ間の円板２０
の穴無し部分で軸方向に遮られる。

この状態が、ばね３０の所定の力により定められる本装
置のトルク無負荷状態を表す。

第４図を参照すると、総括的に符号４０で示される光源
が円板１８、２０の一方の側に設けられている。

光源４０は等方性のものが好ましい。また、総括的に符
号４２で示される光度検出手段が、円板ｌ８、２０の他
方の側に設けられている。この光度検出手段４２は、総
括的に符号４４で示された適当なサンプル及びホールド
回路に電気的に連結されている。光源、即ち光伝達手段
４０と、光度検出手段、即ち受光手段４２とは、本発明
の概念に従って光度を検出することだけを目的に設計さ
れていることがわかるであろう。既述のとおり、このよ
うな構成は高速度回転の影響を受けない。

更に、この光伝達／受光手段は、軸ｌ２、１４及び円板
１８、２０が回転している間、即ち、スロット３２と開
口３４ａ、３４ｂのいずれか一方との間に重なり合う関
係がある場合に、実際にパルスをビックアップしている
．パルスがビックアップされているので、当該原理を高
速の用途に適用するには、ピーク光がピックアップされ
る前に遮断されないように、光度検出千段４２は立ち上
がり時間が短い光学装置でなければならない。この目的
から、光度検出手段４２は、光電池に比べて多くのトル
ク測定手段に広く使用されているフォトトランジスタか
ら戒っている。光電池は低速度には使用可能と考えられ
るが、フォトトランジスタは、３０００Ｏｒｐｍ以上の
オーダーでも適用可能である， 次に作動について説明するが、第２図を第３図と比較し
て参照されたい。上述したように、第２図は中立状態を
図示したものであり、この場合、円板１８のスロット３
２が開口３４ａ、３４ｂ間の円板２０の穴無し部分によ
って遮断されるため、光源４０からの光は光度検出千段
４２に伝えられない。軸１２、１４の両者間において、
いずれかの方向にトルク負荷が加えられた場合、第５図
に示される弾性連結手段によって与えられるものとして
軸１２、１４が相対回転運動する。これによって、円板
１８、２０間にトルク負荷の方向に応じた相対的な角変
位が生ずる．例えば、第３図は、円板１８が円板２０に
対して矢印Ａ方向に角度的に変位されていることを示し
ている。言い換えれば、駆動軸１２が通常はＢ方向（第
１図）に駆動されると仮定すると、運転開始時にこの状
態が起こる。一方、この駆動軸１２が反対方向に駆動さ
れたとすると、被駆動軸１４からの逆駆動が当該機構内
にあった場合に、この状態が起こると考えられる。

第３図では、円板１８の矩形のスロット３２が円板２０
の三角形の開口３４に重なり合った状態になっているこ
とが示されている．この状態において、トルク負荷状態
が持続する限り、光が光源４０から伝達され、軸及び円
板の回転毎に光度測定手段４２によってビックアップさ
れる。中立位置にあるスロット３２の両側に２つの開口
３４ａ、３４ｂを用いることによって、正逆両方向のト
ルク負荷が検出できる。

言い換えれば、駆動軸ｌ２が矢印Ｂ方向（第１図〉に駆
動された場合、このような状態が軸１４上の逆駆動のト
ルク負荷に応じて存在することがあり、かかる場合、ス
ロット３２は、第３図の開口３４ａに重なり合う状態と
同様に、開口３４ｂに重なり合う。

幅が一定の矩形形状にスロット３２を形成し、かつまた
、上述のような三角形状に開口３４ａ、３４ｂを形或す
ることにより、より大きなトルクが円板ｌ８、２０のよ
り大きな相対的角変位を与え、そして、重なり合った孔
手段を貫通する光伝達部分を増加させる。ゆえに、伝達
された光の強度はトルク負荷に比例することとなる。

第６図は本発明の別の実施例を示しており、図示される
ように、中立状態時に被駆動円板２０′によって遮断さ
れる円弧形スロット３２′が駆動円板１８′に設けられ
ている。第２図及び第３図の実施例に関連して既に述べ
た三角形のスロット３４ａ、３４ｂと同様に、１対の同
心の円弧形スロット３４ａ　’　、３４ｂ　′が円板２
０に設けられている。また、中立状態のときには、円板
１８′のスロット３２′が、円板２０′のスロット３４
ａ′、３４ｂ′間の部分で遮断されることがわかるであ
ろう．これらの円板の相対的な角変位がトルク負荷に応
じたそれぞれの軸の相対回転運動によって生じた場合、
スロット３２′は、相対的角変位の方向に応じてスロッ
ト３４ａ′、３４ｂ′のいずれかと重なり合う。従って
、重なり合う度合が大きいほど、円板を貫通する光伝達
領域は大きくなり、その結果として、伝達された光度と
付加されたトルク負荷量との間に比例関係を生じる。

第７図は本発明の特徴を示しており、被駆動円板２０に
孔手段３４ａ、３４ｂと同様な孔手段が弾性連結千段２
５のコイルスプリングのばね定数に従って形成されてい
るところを示している。詳細に述べれば、開口３４ａ、
３４ｂ及び開口３４ａ　、３４ｂ’には、付加されたト
ルク負荷に光度が比例するように光を通過させる効果が
あるが、様々に変わる可能性のあるばねの反抗力の変化
に対し、非常に細かな考慮がなされ得る。言い換えると
、第５図には、ばね３０が実質的に１００＄伸長した状
態で示されているが、弾力連結手段にトルク負荷が適用
された際、ばね３０は圧縮され、ばね３０の隣合う巻回
部分が接するまで色々な態様で圧縮されると考えられる
．この圧縮過程中、コイルばね３０は直線的曲線に沿っ
て反抗力を及ぼさない。この反椀力は実際には、ばね３
０が１０ｏｚ伸びた状態と、ばね３０の隣合う巻同部分
が接する状態との間で変化する。

よって、第７図は、コイルばね３０の反撓力、即ちばね
の復元力に一致するように一辺５２が形戒された開口５
０ａ、５０ｂを示している。勿論、開口５０ａ、５０ｂ
の一辺５２の特定の形状は、弾性連結手段に使用されて
いるばねがどのような種類であっても、その所定の復元
力曲線に基づき、図示の形状はコイルばねの復元力曲線
になっている。

第７図に例示されるように、ばね手段の変量と開口の形
状とに相関関係をもたせることで、このばね変量が補正
開口形状によって無視できるようになるため、通過した
光の強度と付加された１〜ルク負荷との関係が可能な限
り正比例に近付く。

本発明は、その精神と中核的特徴から逸脱することなく
、他の独特な形態で具体化されることが可能であると理
解されるべきである。従って、前記実施例は全ての面に
おいて例示として考え、制限的なものとして考慮される
べきでなく、本発明は、この明Ｍｉ書に述べられた詳細
部分に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第■図は、本発明の概念を具体化したトルク測定装置の
一実施例の分解斜視図、第２図は、第１図の左測の円板
を見て示した本トルク測定装置の拡大正面図であり、中
立状態、即ち光の伝達が無い状態における孔手段を示す
図、第３図は、第２図の上部の部分正面図で、光伝達状
態の円板を示す図、第４図は、本トルク測定装置の円板
及び弾性連結手段の部分垂直断面図、第５図は、第４図
の５−５線に沿っての弾性連結手段の拡大断面図、第６
図は、光伝達用の孔手段の他の実施例を示す第３図と同
様な図、第７図は、弾性連結手段のばね定数に応じて形
戒された孔手段を示す第３図と同様な図である。図中、 １０・・・トルク測定装置 ｌ２・・・第ｌの回転部材（駆動軸） １４・・・第２の回転部材（被駆動軸）１８．２０・・
・円板　　　　２５・・・弾性連結手段３０・・・コイ
ルスプリング ３２・・・第１の孔手段（矩形スロット〉３４ａ，３４
ｂ・・・第２の孔手段（三角形開口）３６・・・項点　
　　　　　４０・・・光源４２・・・光度検出手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、互いに同軸の第１及び第２の部材と、 前記第１及び第２の部材の一方に及ぼされたトルク負荷
   の大きさに比例してこれらの第１及び第２の部材間に相
   対的角変位を生じさせるように、前記第１及び第２の部
   材を相互連結する弾性連結手段と、 前記第１及び第２の部材における前記相対的角変位に応
   じて互いに重なり合う重合関係となるよう移動できるよ
   うに、前記第１及び第２の部材にそれぞれ設けられてい
   ている互いに同心の第１及び第２の孔手段であって、前
   記第１の孔手段が、長手方向を半径方向に向けた一定の
   幅の細長いスロットの形態となっており、かつ、前記第
   ２の孔手段がほぼ三角形の開口の形態であり、その一の
   頂点が前記スロットに向けられている前記第１及び第２
   の孔手段と、 前記重合関係にある場合に、前記第１及び第２の部材の
   両方の前記第１及び第２の孔手段を通して光を伝達させ
   る光源手段であって、この伝達された光が前記第１及び
   第２の孔手段の重なり合う度合に正比例するようになつ
   ている前記光源手段と、 互いに重なり合つた前記第１及び第２の孔手段を通して
   伝達される光を受けるための光度検出手段と、 を備えているトルク測定装置。 ２、前記三角形の開口を１対備え、これらの開口が前記
   スロットの相対する各半径方向側に１つずつ配置され、
   これらの開口の頂点が前記スロットに向けられており、
   これにより当該トルク測定装置が正逆両方向に機能する
   請求項１記載のトルク測定装置。 ３、前記第１及び第２の孔手段の少なくとも一方が、前
   記弾性連結手段の復元力曲線に従つて不定形状とされて
   いる請求項１記載のトルク測定装置。 ４、前記三角形の開口の一辺が前記弾性連結手段の復元
   力曲線を表す線に従っている請求項３記載のトルク測定
   装置。 ５、前記光度検出手段がフォトトランジスタ手段から成
   る請求項１記載のトルク測定装置。