JPS5972011A - ねじり計およびこれを用いた軸馬力計 - 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】 本発明はねじり計およびこれを用いた軸馬力計の改良に
関する。

従来より第１図（ａ）に示すように内燃機関、蒸気＠、
関、電動機等の原動機１で発生した動力、および推進器
、発電機、ポンプ、送風機等の受動機２で消費される動
力の大きさは動力計によって測定される。動力は動力を
伝達する中間伝達軸３の回転力率と回転速度との積に比
例する。従って回転速度は回転計により測定されるので
、動力計は単に軸３の回転力のみを測定する回転力率計
（トルクメータ）または軸３のねじれθ（第１図（ｂ）
）を測定するねじり計（トーションメータ）をさす場合
が多い。

ねじり計および、ねじり計を用いた軸馬力針（八じり動
力計）は、軸３のねじれθを測定する方法、原理、目的
等に従って、きわめて多くの種類が考案され設計製作さ
れている（日本舶用機関学会誌第１６巻第１０号参照）
Ｃ軸３のねじれθを測定する一般的な方法としては、特
別な測定用弾他軸を用いる場合と、実際の動力伝達Ｉ軸
３の外部に測定装置４（第１　＋９　（ａ）　）を付設
する場合とがあり、その測定原理（ｄ１軸３のある標点
距ｊｉｉｉｌ　Ｌ間のねじれによる角度の変化θを、あ
る半量の位置変化量に変え（ｃｃ’十ｃｃ’−ａθ−δ
）（第１図（１）））、これを機械的、光学的、電気的
に…１１定するか、あるいは磁歪などトルクにより変化
する物理ｌに変えて直接測定している。これによって得
られた測定値により、公式試運転に必要な船の契約法度
に要する軸馬力の測定、エンジンの燃料消費量の割合、
将来の設計に必要な実船と模型船との相似則に関する資
料等のデータや、運航管理に必要なエンジンの経済運転
に要する燃料消費量との比、船の運航の最高効率と船体
や推進器軸性能の１）命、軸出力の測定による運航−１
！理の合理化等のためのデータや、その他軸系の振動特
性やねじり振動についての管料啓、きわめて多くのテ〜
りを得ることができる。

原動４幾１が中間軸３全；径で動力を伝達している時の
軸馬力は、受動機２の回転軸の回転数Ｎと回＝３− 伝力率（ドルクツ′Ｐを測定することによって得られる
、回転力記′１゛ばそ゛れに出側して生ずる回転軸３の
ねじれθ（あるいはδ）をねじり計に」二って測定して
求められる。ねじれθは受動機２との干渉作用のため、
常に一層腹雑な変動を伴う。従って回転数一定の定常運
転の正・ｉＷな軸馬力を得るためには、ねじれの平均値
が求められるねじり計を用いなければならない。公式試
運転の場合、船体は宝速で・ｉ！ｌＩ］３の回転数Ｎお
よび回転力率Ｔは独立で、旨ぼ一定である。従って、回
転数Ｎを回転計で、回転力率Ｔをねじり計によりそれぞ
れ平均値を求め、次式から軸馬力Ｐが算出される（第１
図（１））参照）。

Ｐ＝π２Ｄ’ＧＮθ／　７．２−　Ｌ　・１．　Ｇ６−
　（ｉ）Ｄ゛軸径ｃｌｒＬ） Ｇ：軸胴の剛性率（ｋｇ／Ｃｒり Ｎ゛軸の回転数（ｒｐｍ） Ｌｏねじり基準軸長（ｃｍ　） ０６５間のねじり６ｒ４　（ｒａｄ　）４− しかるに、風波のめる一般外洋航海中では船内の動揺が
加わり、回転軸３の回転数Ｎ　ｉ−よび回転力率Ｔは船
の操縦法に関連して互いに干渉し合いそれぞれ独立では
ない。従って時々刻々変動する回転数Ｎ、回転力率Ｔ、
および両者の４？Ｊ　（Ｔ　Ｘ　Ｎ）である軸馬力Ｐの
時間的変化が計測できる高精度で耐久性のある安価なね
じり計およびこれを用いた軸馬力計が要求されていた。

多くのねじり計はその基本的な構造面から長い基線を用
いる円板型、スリーブ型、円環型、その他の型に大別さ
れ、比較的に新しいものでもｌ。

数種類をかぞえることができ、さらに、ねじれの検出・
測定方法によってそれぞれ機械的、光学的、電気的な型
に分類される。例えば、第１図ｔｃ）はスリーブ型、同
図（ｄ）は円環型のねじり計を示したもので、回転する
伝達軸３の基線５（長さＬ）の各々にディスク６、スリ
ーブ７、（あるいは円環８．８′）をそれぞれ固定し、
回転中の軸３のねじれθすなわちディスク６とスリーブ
７（あるいは円環８．８’）との微小な変位δ（δ−Ｒ
θ）を、それぞれ機械的、光学的、電気的な方法によっ
て測定するものである。また、光学的測定方法は、近年
尤学的デバイスの進歩と共に反射手段を用いないで直接
に変位δを計測することができるようになりつつある。

従来例として第１図（ｄ）に示した円環型の光学的ねじ
り計について簡単に説明する。

中・間伝達軸３の長さＬの基線５の各々に金属環８．８
′を回転軸Ｑ几と垂直に固定し、その上に光イア１　Ｓ
と曲率半径りの凹面鏡Ｍを対向して設け、さらにレンズ
■、プリズムＧ１フィルムＦとがそれぞれ軸３に設けて
あり、Ｏは曲率中心、Ｃは鏡心、従ってＯＣは主軸で、
軸３の回転軸の中心線ＱＲと平行になるように固定しで
ある。０を通りかつ主軸ＯＣと直角ななす直Ｍ　Ｘ＋　
、Ｘ２の延長上の任意のへにスリット状の光源ｓｌ置く
と、０点に関して対称かつ同大の反射像Ｐが得られる。

今、軸３が右廻りに回転する推進器とすれば、反対の向
きにねじれるので、凹面鏡Ｍは一亀源Ｓを通る直線ＸＩ
　Ｓ　Ｘ２と平行にδだけ変位してＭ′の位置すなわち
主軸ＯＣは０′Ｃ′に移動する。従って、光源Ｓの像は
Ｏ′と対称な（ゝ′に移動して明らかにＰＰ’　＝２ａ
（基線５の長さＬｌｍで約０．５　ｙｎｍ程度）となる
。

この変位２δをレンズ■で拡大し、特殊プリズムＧを通
して回転軸３の回転方向Ｘ、Ｉ：’Ｘ、、　　と直交す
る＠Ｘ′ＩＰＩＸ′２で回転するフィルム１面上にＰ′
の像Ｐ１を結像させることができる。このようにねｌ〕
れθは全く光学的方法によってフィルムＦの面上（（現
われるので、回転中の軸３の回転力率Ｔの変化は、軸３
の回転に伴いフィルムＦを矢印方向に回転することによ
って連α的に得られる。そ１．て軸３の外周面上の両側
に対称に、同−光学系金一封装備して両者の平均値から
常に正しい零点を求め、軸３のたわみによる影響分を除
く考慮を払うようにしである。零負荷の状態で回転軸３
を左右一回転さ４ｔだ画記録の平均値、すなわち静的零
、ガの記録を無負荷時の読みΔ０としてフィルム１面上
にとる。次に負荷時のねじれの変化を動的零、〒９とし
て記働し、１回転分のモ均・；直をΔ′とする。これよ
り両者の差Δ′−Δ０−Δが−１２−向回転力率に相７
− 当するねじれとなる。従ってとの時の回転軸３の１川転
数−ｚＮとすれば軸馬力Ｐは次式から得られる。

Ｐ＝ｋ・Δ　Ｎ　　　−−−−−−（２）ｋ、ねじυ計
定数 Δ：フイルム面上の像の平均変位（ｍｍ）Ｎ：軸の回転
数（ｒｐｍ） ところで、相対的微小変位δを光学的方法で拡大する上
述のような円環型・ねじり計では、基本軸長■」が長く
、装置類を装備するのに要する空間が広く装置の調整、
取付けが困難であったＣまだ、スリーブ等を用いるもの
にあっては、装置類の機械的要素が装着されるため、そ
の質量分布が回転軸９丁（、に対して不均等となり、遠
心力等の慣性力を受ける。また、光源部や反射手段等の
質量が太きいため、外界から振動を受けやすく、それに
よる誤差が大きくなる。また、装備上光源のスリット像
の幅が広くなりすぎ、光学的倍率を高めることができか
かった。そして、軸３の回転数Ｎは、−走航間の平均値
を求めているためその誤差が太８− きかった。しかもねじ！ｌ′１訂によっては、試運転完
了エンジン停止後でなければ軸馬力の請宋ハ得られない
等の多くの難点があった。

本発明は上述のような従来の錐点ケ解消するためになさ
れたもので、回転する軸の外周面上に、その長手方向に
対向して設けた光源と、光源からの光線を反射する反射
手段と、反射手段からの反射光を受光する一次元装置検
出素子とを塔載して、素子により回転する軸のねじれを
検出すると共に、素子からの出力が印Ｉ１口されて、こ
れに対応する回転する軸のねじれ量を表示し記録する外
部裟Ｍを備えたねじり計、および回転する軸のねじれ量
と回転計からの回転数とを演算処理し、回転する軸の軸
馬力を算出して軸馬力を表示し記録する外部装置を備え
た軸馬力計を提供することを目的とする。本発明によれ
ば、高精度で耐久性のある＠量コンパクトで安価な直読
式のねじり計およびこれを用いた軸馬力計４得ることが
できる。

以下本発明の一実施例を図面にもとづき詳細に説明する
。第２ｎｔａ）は本発明のねじり計およびこれを１羽い
た軸馬力計の説明図である。ねじれおよび軸馬力の測定
原理は従来の測定原理と同一である。す々わち回転する
軸３の無負荷時における反射う℃の受光面における受光
位置と、負荷時における反射光の受光面における受光位
置との変位は、回転する・軸３のねじれ、つオり回転力
率（トルク）Ｔに比例する。従ってこの変位を検出して
電気信号として取り出しねじれ量とし、これにその時屯
での軸３の回転速度（回転数Ｎ）との積を演算回路によ
り処理して軸馬力Ｐの時間的変化が得ら・ルる。

この測定原理にもとづき、本発明によるねじれ計および
これを用いた軸馬力計は、第２図（ａ）に示すように、
回転する中間伝達軸３の外周面上に塔載されて、軸３と
共に回転する装置部分１０（屯線内）と、この装置１０
と適切な接続方式をとることにより装置１０から送られ
る信号を演算処理し、かつ装置１０に電力を供給する床
に設置される外部装置部分１１（一点鎖線）あるいは１
１′（二点鎖線内）とからなっている。接続方式とじて
は光学的、機械的（例えばスリップコノククト等）、無
線変調波等その他種々の方式ケとることができるが、接
続信号数を少なくしてより正確に信号を伝達するため、
ある程度の前処理回路全軸３に塔載して無線変調波によ
る接続方式を採用し７である。

装置部１０は第２図：ａ）に示すように、長手方向に基
線１２に沿って所定の距離（２０〜３０儒）に、軸３の
回転軸ＱＲ，と直角に固定された金属環８．８′を介し
て対置された光源（例えばヘリウム−ネオン・カスレー
ザーあるいは半導体レーザー発射装置）１３と、直角プ
リズム１４あるいは：２向の直角プリズム１５．１５”
（第２図（ｂ））、または直角プリズムの代りにそれぞ
れコーナーキューブを用いた反射手段と、光源１３に隣
接して配設てれた例えは−次元位置検出素子（ＰＳＤ　
：　ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｄｅｔｅｃ
ｔｏｒ　）からなる受光部１６と、受光面１６の受光位
置からの電気信号を演算する処理回路１７と、電気信号
を送信するための発振器１Ｂおよび変調器１りと、変調
された電気信号全発射するアンテナ２０と、光源１３お
よび各装置晩類は蹄硯力を供給する電源装置２１とから
なり、それぞれ軽情小型化しである。

ＰＳＤは一次元型半導体装置検出器で、例えば浜松テレ
ビ■のＳ　ｌ　３５２は、平板状ンリコンの表面にＰ層
の均一な抵抗層全構成し、両辺にそれぞれ電極が設けで
ある。そして電極と光スポットの距離に応じて光゛電流
が按分されるように々っていて、２つの電極からの光電
流の差が電極と光スポットの距離を正確にリアルタイム
に表わすことができ、直線的に移動する光スポットの位
置を連続した電気信号として出力することができる。ま
だ、広い波長領域で高感度であり、位置直線性、位置分
解能に優れ、応答速度が速く光強度と位置信号とを同時
に測定できるプレナー型のＰ　Ｉ　ＩＮフォトダイオー
ドである。この］）　Ｓ　ｊ）は第２図ｔｅｌに示すよ
うに一次元の受光部１６と３本の電極２２−２４からな
る。入射光は輔３のねじれθに比例した位置に与えられ
る。そして電極２２．２３間の距離を／！（抵抗値＠、
ｌ）、電極２３から入射光の受光位置までの距離をＸ（
抵抗値ａＸ　）とすると、光の入射エネルギーはとれｆ
比例し７た光電流として、光の受光位置Ｘから電１ポ２
２．２３までの低抗貞Ｒｘに逆比例］、て分に１」され
、電極２２．２３から敗りＩＢされる。すなわち入射光
により生成したフ℃電流全Ｔｏ、電極′）、２．２３か
ら取り出される直流をＩＡ。

ＩＢ　として、ＩＡ−（Ｌ−ｘ）・■ｏ／ｌ、ＩＢ＝ｘ
−Ｔ、／ｌとなる。そして・寅ＳされＩＡとＩＢとの′
＋１］（■Ａ七ＩＢ）、差（ＩＡ−ＩＢ　）の比（ＩＡ
−ＩＢ）／（ＩＡ　＋ＩＢ　　）が求められて、出力■
。は（ＩＡ−ＩＢ＞／（ＩＡ＋ＩＢ　）＝　１−Ｋｘ、
（Ｋ＝　Ｖｉ　）となる。このように入射エネルギーに
無関係に光の入射位１１ｔに比例した直線性を待つ位置
信号が得らｎる。

外部装置４部１１は、受信用アンテナ２０′と装置部１
０からの変調波を受信し復調する受１笥器、復調器２５
と、復調されて得られたねじりθ（ねじりθに比例する
トルク”ｆ　）についてのデータを示すアナログ表示話
２Ｂ、デジタル記錬器２９からなっている。

また外部装置部１１′は、アンテナ２０′と、受悟器、
″０１調器２５と、褒詞されて得られたねじりθ（）ａ
じりθに比例するトルクＴ）についての信号と、軸回転
計２６からの回転数Ｎについての信号とを演算処理する
処理装置２７と、得られた軸馬力２１回転数Ｎのデータ
をアナログあるいはデジタルに表示し記・録する装置３
１１〜３３とからなっている。そして装置部１１．１１
′には各装置にそれぞれ電力を供給する電源装置３４が
設けてあり、′Ｆｔ　孫装置３４と電源装置２１とは軸
３に設けたプラン３５を介してスリップコンタクセしで
ある。

このように構成された装置部１０．１１（あるいは１１
′）は、軸３の回転と共にそれぞれ次のように動作する
。

まず電源装置２１．３４によって４！ｒ装置に所定の電
力が供給される。まず光源１３から発射されたレーザー
光線は対向して設けられた直角プリズム１４　（あるい
は２１固の直角プリズム１５．１５“（％　２１ｄ（ｂ
）　）　）で反射され、受光部１６の受光位置Ｐで受光
されて静的零点が測定される。そして、合軸３が右まわ
りに回転するとすれば、軸３のねじれθに従って軸３の
回転軸Ｑ１％と直角な方向に移動したプリズム１４’（
６るいは１・５′（第２　ｉＺ）山））の変位ｃｃ’（
−δ）に応じて受光面１６において受光位置が２δ（あ
るいは４δ）たけ変位したＰ′で受光される。そして受
光面１６に訃ける受光位置の、電極２３からの変位Ｘ（
第２１図・ｃｌ　）に比例した位置信号ｖｏ　＝　（１
−Ｋｘ　）　　が演算回路１７によって得られる。この
位置信号■。）は、発振器１Ｑ訃よび変調器１９全介し
て変調され、この変調信号をアンテナ２ｇによって装置
１１　（あるい＋４１１Ｊのアンテナ２１）′へ発射す
る。そしてアンテナ２０′ヲ介して受信された信号は、
受信器、復調器２５によって復調され位置信号■ｏとな
る。

この信号はねじれθ（ねじれθに比ｊＩＡＪするトルク
′Ｐ）についてのは号で、この信号はアナログ表示器２
８およびデジタル記録器２９に入力され、それぞれのデ
ータを表示する。

また、ねじれθ（ねじれθに比ｉ夕１１　ｊるトルク′
１゛）の信号は、装置１１′の処理装置２７に入力され
、軸３に別に設置された軸回幅計２６による回転数Ｎの
信号が装置２７に入力される。そして装置２７１ま、ト
ルクＴと回転数Ｎとの積ＴｘＮを演算して軸馬力Ｐの時
間的変化を出力する。このようにして得られたｉ％ｌ＋
　３に関する軸馬力１１回転数Ｎのデータは、連続して
アナログ表示器３０．３２、およびデジタル記録器３１
．３３にそれぞれ表示され記録されるＣまだ得られたチ
ー　タは他の磯躇に供給することができる。

以上の実施例からも明らかなように、本発明によるねじ
り計およびこれを用いた軸馬力計では、回転する軸の外
周面上に、その長手方向に対向して設けた光源と光源か
らの光線を反射する反射手段と、反射手段からの反射光
を受光する一次元位置検出素子とを塔載して、素子によ
シ回転する軸のねじれを検出すると共に、素子からの出
力が印加されて、これに対応する回転する軸のねじれ量
を喪示し記録する外部装置を備えたねじり計、および、
回転する軸のねじれ量と回転計からの回転数とを演算処
理し、回転する軸の軸馬力を算出して軸馬力を表示し記
録する外部装置を備えた軸馬力計としだので、高拮度で
耐久性のある軽量コンパクトでかつ安価となり、例えば
マイルポスト間の公試運転はその都度軸馬力Ｐが直読で
き、正常、異常、過度現象も蕗めたデータが得られるね
じり計およびこれを用いた軸馬−力計を堤供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図！、ａ）は中間伝達軸を介して連結さ′ｉする原
動機と受動機との関係を示す説明図、第１図市）は中間
伝達軸のねじれを示す説明図、第１図（Ｃ）は従来のス
リーブ型ねじシ計を示す説明図、第１１．Ｘｌ（ｄ）は
従来の光学式巴ｆｉｌをねしり計およびこれを用いた軸
馬力計を示す説明図、第２図（ａｌは本発明のねじり計
およびこれを用（八た軸馬力計の説明図、第２図（ｂ）
は２個の平面鏡を用いた反射装置潅の説明図、第２図（
Ｃ）は−次元位置検出素子（Ｐ８Ｄ７の演算処理回路の
説明図である、〜 ３・・・・・・・・軸 １０．１１．１１′・・・装置 １２・・・・・・基線 １３・・・・・光源 １４．１４′、１５．１５′、１５”・・・反射手段１
１３・・・・・−次元位置検出素子 １７　・・・・演算回路 １Ｂ　・・・・・発振器 １９　・・・・・変調器 ２０．２０′・・・アンテナ ２５・・・・・・受信器・復調器 ２６　・・・・軸回幅計 ２７・・・・・・処理装置 ２８．３０．３２　　・・表示器 ２！］、３１．３３　・・記録器 代理人　弁理士　　守　谷　−雄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　回転する軸の外周面上に、その長手方向に対向し
   て設けた光源と該光源からの光線を反射する反射手段と
   、該反射手段からの反射光を受光する一次元位置検出素
   子とを塔載して、該素子により前記軸のねじれを検出す
   ると共に、該素子からの出力が印加されて、これに対応
   する前記軸のねじれ量を表示し記録する外部装置が設け
   られたことを特徴とするねじり計。 ２、回転する軸の外周面上に、その長手方向に対向して
   設けた光源と該光源からの光ｐｌを反射する反射手段と
   、該反射手段からの反射光を受光する一次元位置検出素
   子とを塔載して、該素子により前記軸のねじれを検出す
   ると共に、該素子からの出力が印加されて、これに対応
   する前記軸の軸馬力を演算して表示し記録する外部装置
   が設けられたことを特徴とする軸馬力計。