JPH10506191A - 回転軸のトルク測定用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 軸に取り付けらたかまたは接着されたセンサを用いないで軸パワーを計算する目的のために回転軸のトルクの測定を意図した装置。長時間精度は、パルス受信機に一つの単一光学電子センサだけを用いることによって増大される。温度変化及びエージングによるセンサ・データの変動は、精度に影響を及ぼさない。光は、源／送信機から光ファイバを通して送信される。ライト・ビームは、互いに適切な距離で軸に取り付けられたコーディング・ディスク／大歯車（16及び21）によって二つのエアー・ギャップにおいてパルスされる。光は、源／送信機（45）からかつライト・ビームが光コレクタ（32）でパルスされかつ加算される光学Ｕ形状素子（39、40）を介して光ファイバ（24ａ，24ｂ）によって送信される。二つのディスク／大歯車の羽根／歯間の時間変位は、軸トルクの測度であり、軸パワーをコンピュータ（50）で計算させることができる。軸振動の場合に精度を増大するために、幅変調パルスは、適切な数の軸回転で累積されかつ平均化される。精度は、軸回転毎のパルス数を二倍にするために立ち上がり及び立ち下がりパルス・エッジの両方を検出することによって増大される。

Description

【発明の詳細な説明】 回転軸のトルク測定用装置 この発明は、装荷された回転軸のねじれの角度を測定するための新しい方法を 記述する。角度が知られているときトルクを計算することが可能であり、またＲ ＰＭとしてのパワーも知られるかまたは測定される。 種々の型の機械装置に用いられる回転軸のパワーを測定するための最も利用さ れた方法は、これまで軸に接着されたストレインゲージ（抵抗線ひずみゲージ） によって行われていた。ストレインゲージによって測定された信号は、スリップ リングまたはテレメトリによりインストルメント・エレクトロニクス（計器電子 ）及びディスプレイに転送された。テレメトリが用いられとき、回転軸に取り付 けられかつ回転バッテリによってパワーが入力された送信機を有するか、または 新しいシステムでは、軸のストレインゲージ・エレクトロニクへのパワーの無線 転送を有することが必要である。 後者のシステムは、通称、磁気ホール効果センサを用いる。センサは、互いに 適切な距離で軸に配置された二つの大歯車により信号をとらえる。軸が装荷され るとき、それぞれが大歯車で感知している二つのホール効果センサによって検知 されたパルス間に時間遅延がある。パ ルス間の時間遅延は、装荷された軸のねじれ角度を決定する。これに類似するシ ステムは、“Antriebstechnik”33(1994)，No．8，53頁:“Entwicklung eines r obusten ber hrongslosen Drehzahl-Drehmoment-Messystems”に記載されている 。 米国特許第 4,520,681号公報は、互いに適切な内部距離でかつ軸に取り付けら れた回転コーダを有するパルス列原理を用いるシステムである。ねじれ角度は、 電子パルス間の時間遅延により測定される。二つのセンサは、各回転コーダに一 つのセンサが、互いに適切な距離で取り付けられる。該センサからのパルス間の 該時間遅延は、電子計数回路で測定される。米国特許第 4,520,681号公報では、 光または磁気センサが用いられている。このシステムは、出版物“Antriebs-tec hnik”33(1994),No．8の53頁に記載されたようなシステムに類似するかまたは同 一な原理を用いている。 上記システムは、装荷された軸のねじれ角度を検出することを可能にするため にそれらが二つの電子センサを用いなければならないという操作の共通な原理を 有する。 互いに離れて配置された二つのセンサを用いているシステムにおいて十分な精 度を達成するために、センサのトリガポインが互いにドリフトしないことが必要 である。エージング及び／又は温度変化は、トリガボインを互 いにあるいは反対方向にドリフトさせうる。 ここに記述する発明は、回転装荷軸のねじれ角度を測定するために一つのシン グル・センサシステムだけを用いる。これは、感知されたパルス間の測定された 時間遅延がドリフトできることを取り除きそれゆえに間違いが生ずることを取り 除く。この発明は、高い正確性及び長期安定性を有する新しいシステムとしてそ れ自体を与える。 上述したこれらの特性は、請求の範囲の請求項1に記述されている： 二つの羽根（3ａ，3ｂ）で生成されたパルス幅を測定することによって回転軸 のトルクを測定する装置であって、互いに適切な距離で前記軸（4）に取り付け られた該羽根（3ａ，3ｂ）によってパルスされる狭いライト・ビーム（2）によ りねじれ角度を測定し、かつ該ねじれ角度の全情報は、処理されるためにコンピ ュータ・メモリに記憶することができる形の電子信号を生成している光感知電子 検出器によって受信される幅変調された光パルスの連続信号に存在しかつ該軸の 該トルクは、モニタ上に表示することができる装置。 図1は、送信機として一つの光源、及び受信機として光感知エレクトロニクス ・センサを有する装置を示す。送信機として機能している、光源は、レーザ源ま たはＬＥＤ（発光ダイオード）でありうる。送信機（１）から は、回転軸（4）と並行に放射された狭いライト・ビーム（2）がある。 軸回転の間中ライト・ビームは、互いに適切な距離で軸に取り付けられた羽根 （3ａ）及び（3ｂ）によって遮られる。このように生成された光パルスは、受信 機と命名された（5）で受信される。光感知エレクトロニクス（6）は、電子パル スを生成する。軸が装荷されるとき、羽根（3ａ）及び（3ｂ）は、ねじれ角度に 等しい角度で変位される。 明／暗の時間は、装荷されていない時間ｔから装荷された時間ｔ＋Δｔまで増 大する。この主要部分は、軸に取り付けられかつ互いに時間Δｔで変位された羽 根（3ａ）及び（3ｂ）を表している図4に示される。 図2は、光ファイバ・ケーブル（9）を用いている一例を示す。該ケーブルから のビームは、羽根（3ａ）及び（3ｂ）で遮られる。ライト・ビームは、（3ａ） で空間を横切っている光源（1）から伝送されかつ光学受信機（7）によってさら にとらえられ、光ファイバ・ケーブル（9）、光学レンズ（10）を通して内部パ ルス発生電子回路を有する光感知受信機（6）に接続されている光学受信機（11 ）まで（3ｂ）で別の空間を横切って伝送される。光伝送のために光ファイバ・ ケーブルを用いることによって、図2（8）の軸受、等のような障害物をパスする ことができる。これは、遮っている羽根間 の距離を拡げかつ測定の精度を増大することを可能にする。 図3Ａは、ライト・ビーム変調に用いる二つのコーディング・ディスクまたは 大歯車を有する構成を示す。図3Ａに示すように、ライト・ビームは、Ｓ／Ｍで 示された源（12）からファイバ・ケーブルを通して光学送信機／レンズ（14）へ 伝送される。ライト・ビーム（15）が回転パルス変調ディスク（16）を通った後 、それは、接続された光ファイバ（18）更にレンズ（19）を通してパルス変調さ れたライト・ビームを次いで送信する光学受信機（17）によって受信される。ラ イト・ビーム（20）は、回転ディスク（21）を通過しかつ（それから）それがＳ ／Ｍとして示された光感知センサ（12）へ光ファイバ（23）を通って再送信され る光学受信機（22）によって受信される。このようにライト・ビームは、軸の回 転毎に多数のパルスの中にパルスされる。二つのコーディング・ディスク（16） 及び（21）の歯の間の変位は、ねじれ角度の測度であるパルス幅、トルク及び軸 パワーを決定する。 図3Ｂは、図3Ａに対する相補構成を示す。図3Ａでは、ライト・ビーム（15） 、（20）は、それが（16）及び（21）で二つの空間を通らなければならないので 、直列構成で配列されたファイバを通って送信される。図3Ｂに示した構成では 、源（12）から送信されたライト・ ビームは、二つの並行ビームに分けられる。ファイバ（24ａ）を通って送信され るライトは、ギャップ（間隙）（26）及びディスク（16ａ）を通る。第2の同様 なライト・ビームは、ギャップ（間隙）（30）及びディスク（21ａ）を通る。両 方のライト・ビーム（26）及び（30）は、それぞれディスク（16ａ）及び（21ａ ）によってパルスされる。ディスク（16ａ）及び（21ａ）は、図3のディスク（1 6）及び（21）と比較して逆になっている。ディスク（16ａ）及び（21ａ）は、 同じでありかつ狭い光開口部及び広い羽根を有する。開口部と羽根の適切な関係 は、1：4である。パルス変調された光は、ファイバ（28ａ）及び（28ｂ）を通し て送信される。二つのパルスされたライト・ビームは、光合計装置（32）で加算 される。（32）からの合成出力は、図3ＢでＳ／Ｍと命名された光感知電子受信 機（12）へ次いで送信されるパルス幅変調されたライト・ビームである。 図3Ａ及び3Ｂに示したような両方の構成は、原理的に光感知受信機及び（12） の検知機に同じ情報を付与する。図3Ａの構成と比較して、光のより低い減衰に より図3Ｂの構成が好ましい。ライト・ビームは、二つの並行経路に分けられ、 各ビームは、通るべきただ一つの空間を有する。更に、（28ａ）及び（28ｂ）か らのパルスの合計の後加算器（33）から出力される光パルスにおけるオフセット 信号を回避するために図3Ｂに示したよう な狭い開口部及び広い羽根を用いることが好ましい。 図5の（34）及び（35）は、図3Ａの二つのディスク（16）及び（21）でＡ１． ．．．Ａｎ及びＢ１．．．．Ｂｎとして示されたディスク羽根を通った後の光パ ルスを示す。図3Ｂから分かるように、ディスク／大歯車（16ａ）及び（21ａ） は、（16）及び（21）の逆モードである。 同じ軸に取り付けられたディスク／大歯車の両方は、一致しかつ互いに適切な 距離で離間される。 ディスク／大歯車（16）及び（21）の相互位置は、装荷されていない軸では重 要でない。それらは、Ａ１．．．．Ａｎの間に入っているＢ１．．．．Ｂｎの位 置にかつ軸の装荷中にオーバラッピングが回避されるように通常取り付けられる 。この状態は、図5の（34）及び（35）に示されている。軸が回転するとき光感 知センサ（12）は、図5の（36）で示したような光パルスを受信する。軸が装荷 されないならば、二つのディスク／大歯車の歯ＡとＢの間にｔで示した時間変位 がある。装荷されたときこの時間変位は、ｔ＋Δｔに増大する。ここで、Δｔは 、装荷の割合を表す。 図3Ａまたは図3Ｂの光感知センサ／受信機（12）によって受信された光信号は 、幅変調された電子パルスを生成する。パルス幅変調は、立ち上がりパルス・エ ッジ間の時間及び同様にまた立ち下がりパルス・エッジ間の 時間を測定することによって生成される。 図5の（37）は、Ａ及びＢの立ち上がりエッジによって生成されたパルスを示 す。図5の（38）は、同様に立ち下がりエッジによるものを示す。このパルス発 生モードは、軸の回転毎のパルス数を二倍にしかつディスク／大歯車の歯の数の ちょうど二倍である。 一連の幅変調パルス（37）及び（38）の両方は、高速電子レジスタで累積され る。 持続時間の合計は、平均化されかつ適当な軸の回転数または時間間隔で更新さ れる。 装荷されない時間変位である、オフセット時間ｔがゼロにされるとき、変位時 間Δｔは、適切な時間間隔後にレジスタにおいて累積された含有量を平均化する ことによって計算される。時間Δｔの更新は、選択可能な間隔に対して行うこと ができる。 ＲＰＭの計算は、軸の一回転のクロック・パルスを計数することによって実行 される。カウンタを駆動するためにより高いクロック周波数が用いられると、Ｒ ＰＭの測定は、高度な分解能及び精度を有する。 平均化された時間変位Δｔ、測定されたＲＰＭ及び軸のスチール・パラメータ の知識は、トルク及び軸パワーを計算することを可能にする。 この発明の実用的構成は、図6に示したように実行することができる。光は、 源Ｓ（45）から分割されたファ イバ（24ａ）及び（24ｂ）を通って送信される。二つのビームは、Ｕ形スペーシ ング（39）及び（40）を通過する。スペーシングのエアーギャップは、5〜10ｍ ｍｓ程度である。図3Ａ及び3Ｂに示したような構成と同様に該ライト・ビームは 、Ｕ形状センサのギャップを通っている適切な歯／羽根を備えた回転ディスクに よってパルスされる。 二つのエアー・スペーシング（39）、（40）を通った後、パルスされたライト ・ビームは、光加算素子（32）に収集される。ビームの合計は、光感知受信機（ 41）にファイバ（33）を通って送信される。ライトパルスの形状は、図5の（36 ）に示されている。受信機は、非常に短い高速応答を有する光感知検出器である 。検出器からの電子出力パルスは、ＴＴＬレベルの信号である。これらの実時間 信号は、情報が予備的に記憶されかつ測定したねじれ角度の平均化及び更新のた めに用いられるような非常に高速なＰＬＤ計数回路（47）で処理される。この処 理は、標準ＰＣ（49）によりデュプレックスＲＳ485通信回線を介して制御され る。 振動、等のような周期的な動きによってもたらされた誤りを除去するために、 ねじれ角度を表している信号は、軸の選択された回転数の後で合計されかつ平均 化される。 上記した方法で測定されかつ計算されたデータは、Ｒ ＰＭ、トルク及びパワーの正確な計算のために十分である。 ＲＰＭ、トルク及びパワーは、ＰＣモニタ（50）及び／又はＬＣＤディスプレ イ上で図的かつディジタル的の両方で表される。 この発明の大きな利点は、一つの光源及び単一の光感知電子検出器だけのその 使用にある。図3Ｂ及び図6示した構成では、光ファイバ（24ａ）及び（24ｂ）の 中に光を供給するために二つの独立した光源が用いられる。一つまたは二つの光 源の使用は、便宜上の問題である。この発明の顕著な特徴は、送信機から単一光 感知電子受信機／検出器に光を供給するための光ファイバの使用である。該構成 は、コーディング・ディスクが互いに最も都合がよい距離で軸に取り付けられう るという大きな利点がある。 上述したように二つの感知点、即ち、二つのディスク／大歯車は、一つの単一 検出器だけへの信号送信に対してファイバの使用により互いに大きな距離で軸に 取り付けることができる。 この方法で更なる軸受け及びバルクヘッドをバイパスすることができ、かつ感 知点の間、即ち、ディスク／大歯車間の距離は、精度を増大させるために可能な 限り大きくすることができる。図3Ａ、3Ｂ及び図6は、光ファイバによってバイ パスされた一つだけの軸受（8）を 有する軸構成を示す。 図7（51）及び（52）は、ディスク／大歯車の二つの異なるバージョンを示す 。デザイン（52）は、（51）の逆バージョンである。バージョン（51）は、暗い パルスを感知する。バージョン（52）は、明るいパルスを感知する。原理的に両 方の方法を用いることができる。それぞれ二つのディスク／大歯車・コーダ（51 Ａ）、（51Ｂ）または（52Ａ）、（52Ｂ）を通った後に光感知検出器をヒットす る表示された一連の明るい／暗いパルスは、Ａ１、Ｂ１、．．．．Ａ12、Ｂ12と して示される。示されたコーディング・ディスク上の羽根／歯の数は、12であり その結果としてパルス列Ａ１、．．．．Ｂ12は、軸の一回転に対応する。円（53 ）は、光源の取付けのための可能な場所を示す。既に説明したようにパルスＡ１ Ｂ１等の間のスペーシング（間隔）は、ねじれ従って回転軸のトルクを表す。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年１１月２８日 【補正内容】 請求の範囲 １．羽根（１６、２１）の通過の間隔を計算することによって、回転軸（４）に 発生したトルクを測定する装置であって、 互いに適切な距離で前記軸（４）に取り付けられた上記羽根（１６、２１）の 配置された２つのエアー・ギャップ（３９、４０）に光信号を伝達するための２ つの光ファイバー（２４ａ、２４ｂ）を用い、上記エアー・ギャップからの光パ ルスを加算する一つの加算素子（３２）と、光を伝達するためのさらなる光ファ イバー（３３）と、上記光信号を処理するための単一光感知検出器（４１）とを 備えたことを特徴とする装置。 ２．エアー・ギャップは、光学フォーク（３９、４０）にて具体化されてなるこ とを特徴とする請求項１記載の装置。 ３．上記シャフトのトルクに関する情報を格納するため電子カウンタ（47）を用 い、上記格納された情報を処理するためのコンピュータ（４９）を備えたことを 特徴とする請求項１記載の装置。 ４．回転軸上に配置された羽根（１６、２１）の通過の間隔を計算することによ って、該回転軸（４）に発生したトルクを測定する方法であって、 光ファイバー（２４ａ、２４ｂ）を介して、互いに適切な距離で前記軸（４） に取り付けられた上記羽根（１６、２１）の配置された２つのエアー・ギャップ （３９、４０）に伝達された光ビームを用い、上記エアー・ギャップにおいてパ ルス化された上記光ビームは加算素子（３２）において加算され、また上記パル スは光ファイバー（３３）を介して単一光感知検出器（４１）に伝達されてなる ことを特徴とする方法。 ５．エアー・ギャップは、光学フォーク（３９、４０）にて具体化され、単一光 感知検出器（４１）は上記光信号を、上記情報を格納するための電子カウンタ（ 47）に送られ、またデュプレックスコミュニケーション（４８）を介して、上記 信号が処理されるコンピュータ（４９）に送られる電気パルスに変換するために 用いられ、上記シャフトのトルク、回転角及び出力が算出されてなることを特徴 とする請求項４記載の方法。 ６．光信号を、立ち上りエッジの間隔及び立ち下りエッジの間隔の両方を表す電 気パスルに変換するために単一光感知検出器（４１）を用い、この検出器が選択 可能な 軸の回転数の変換されたパスルの幅の２倍の数を累積可能とすることを特徴とす る請求項４記載の方法。 ７．選択可能な軸の回転数を表すため、立ち上りエッジの間隔及び立ち下りエッ ジの間隔の両方を累積し、その値を計算して、角度が検出された時点の軸のねじ れを得ることを特徴とする請求項４記載の方法。 ８．光パルスが暗パルスにて置換されること、またその逆の置換が行われること によって、光の変換が行われることを特徴とする請求項４記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＲ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＲ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＶＮ 【要約の続き】 両方を検出することによって増大される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．二つの羽根で生成されたパルス幅を測定することによって回転軸のトルクを 測定する装置であって、 互いに適切な距離で前記軸（4 ）に取り付けられた該羽根（3ａ，3ｂ）によっ てパルスされる狭いライト・ビーム（2）によりねじれ角度を測定し、かつ該ね じれ角度の全情報は、処理されるためにコンピュータ・メモリに記憶することが できる形の電子信号を生成している光感知電子検出器によって受信される幅変調 された光パルスの連続信号に存在しかつ該軸の該トルクは、モニタ上に表示する ことができることを特徴とする装置。 ２．光に軸受（8）、バルクヘッド等のような障害物をバイパスさせることがで きる光ファイバ（9）を通して源（1）から光を送信することを特徴とする請求項 1に記載の回転軸のトルクの測定。 ３．前記軸の回転毎に多数の光パルス（34、35）を結果として生ずる多数の歯を 含んでいるコーディング・ディスクまたは大歯車（16、21）を用いて、かつ光パ ルス（34、35）の合計（36）が、ねじれ角度及び結果としてトルクを計算する目 的でそれぞれ立ち上がりエッジ間の時 間及び立ち下がりエッジ間の時間を測定するために光パルスを電子パルスの中に 転送する一つの単一光感知検出器を含む受信機（12）にファイバ（23）を通して 送信される全ての情報を含むことを特徴とする請求項1及び2記載の回転軸のトル クの測定。 ４．互いに適切な距離で前記軸に取り付けられたコーディング・ディスク／大歯 車（16ａ、21ａ）で二つのエアー・ギャップ（26、30）間を光ファイバを通して 光を送信する方法により、かつライト・ビームは、光パルスが光コレクタ（32） で合計され次いで光感知電子検出器（12）に該ファイバ（33）によって送信され た後エアー・ギャップにおいてパルスされることを特徴とする請求項1、2及び3 に記載の回転軸のトルクの測定。 ５．ファイバ（24ａ，24b）を通して一定の光を受信しかつビームが回転ディス ク／大歯車（16）及び（21）によってパルスされるようなｕ−プロフィール（39 ，40）のエアーギャップ間で狭いビームの該光を再送信するｕ−プロフィール（ 39，40）として形成された光センサを用いており、その後パルスされたライト・ ビームがファイバ（28ａ）及び（28ｂ）を通して送信されかつ、ねじれ角度の全 ての情報が記憶されかつ更にＲＰＭ、トルク及びパワーが計算されかつ表示され るようなコンピュー タ（49）へデュプレックス通信回線（48）によって転送されるような電子カウン タ（47）によって処理されるべきデータケーブル（46）によって光パルス（36） が送信される電子パルスを生成するような光感知電子検出器（41）へ合成光パル スがファイバ（33）によって送信されるような光コレクタ（32）で加算される方 法によることを特徴とする請求項1 から4に記載の回転軸のトルクの測定。 ６．ディスク（16ａ，21ａ）の羽根間の時間変位及び、それを通して前記パルス が前記光感知電子装置（12）に供給され、かつ形状（37）及び（38）にそれぞれ 変換される前記ファイバ（33）において形状（36）を有する合成生成光パルスで あり、該パルス形状（37）は、前記光パルスの立ち上がりエッジを検出すること によって生成され該パスル形状（38）は、前記光パルスの立ち下がりエッジを検 出することによって生成され、それゆえに前記ディスク（16ａ，21ａ）の羽根の 数の二倍の総数で前記軸の回転毎に電子幅変調パルスのダルブ・セットを生成す ることを特徴とする請求項1から5に記載の回転軸のトルクの測定。 ７．その後でねじれ角度が前記軸のＲＰＭが知られているとして計算される合計 された時間変位を平均化する前 に軸の回転数または選択された時間に対して前記コンピュータ・メモリに前記立 ち上がりエッジ（37）によって生成された前記幅変調パルス及び前記立ち下がり エッジ（38）によって生成された前記幅変調パルスを追加しかつ記憶することを 特徴とする請求項1から6に記載の回転軸のトルクの測定。 ８．それぞれ前記コーディング・ディスク（51）及び（52）により光パルスが暗 いパルスで置換されるかまたはその逆であるような逆信号の使用を特徴とする請 求項1ら7に記載の回転軸のトルクの測定。