(57)【要約】【課題】装置構成が従来よりも簡単なねじれ計、軸馬力計、トルク計及び弾性係数測定装置を提供する。【解決手段】回転軸のねじれ量を測定するねじれ計であって、回転軸の周面に設けられ、回転軸の軸方向に所定距離を隔てて平行対峙する第１、第２のリニアスケールと、固定設置され、第１、第２のリニアスケールを光学的に読み取る第１、第２の光学式エンコーダと、該第１、第２の光学式エンコーダの各読取値に基づいて回転軸のねじれ量を演算するねじれ量演算部と、該ねじれ量演算部の演算結果を測定結果として出力する出力装置とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸のねじれ量を測定するねじれ計であって、
前記回転軸の周面に設けられ、前記回転軸の軸方向に所定距離を隔てて平行対峙する第１、第２のリニアスケールと、
固定設置され、前記第１、第２のリニアスケールを光学的に読み取る第１、第２の光学式エンコーダと、
該第１、第２の光学式エンコーダの各読取値に基づいて前記回転軸のねじれ量を演算するねじれ量演算部と、
該ねじれ量演算部の演算結果を測定結果として出力する出力装置と
を備えることを特徴とするねじれ計。
【請求項２】
前記第１、第２のリニアスケールと前記第１、第２の光学式エンコーダとの光学的ギャップを安定化させるギャップ安定化手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のねじれ計。
【請求項３】
請求項１または２に記載のねじれ計と、
該ねじれ計の測定結果に基づいて前記回転軸に作用する軸馬力を演算する馬力演算部とを備え、
前記出力装置は、前記ねじれ量演算部の演算結果に代えて前記馬力演算部の演算結果を測定結果として出力することを特徴とする軸馬力計。
【請求項４】
請求項３に記載の軸馬力計と、
前記馬力演算部が演算した前記軸馬力に基づいて前記回転軸のトルクを演算するトルク演算部とを備え、
前記出力装置は、前記馬力演算部の演算結果に代えて前記トルク演算部の演算結果を測定結果として出力することを特徴とするトルク計。
【請求項５】
一対の回転軸を軸方向に相互接続する継手の横弾性係数を測定する弾性係数測定装置であって、
一方の回転軸の軸馬力及び軸回転数を測定する請求項３に記載の軸馬力計と、
他方の回転軸の周面に設けられ、前記第１、第２のリニアスケールに平行対峙する第３のリニアスケールと、
固定設置され、前記第３のリニアスケールを光学的に読み取る第３の光学式エンコーダと、
前記軸馬力計の測定結果と第２、第３の光学式エンコーダの各読取値に基づいて演算される前記一対の回転軸のねじれ量とに基づいて前記横弾性係数を演算する横弾性係数演算部とを備え、
前記出力装置は、前記馬力演算部の演算結果に代えて前記横弾性係数演算部の演算結果を測定結果として出力することを特徴とする弾性係数測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ねじれ計、軸馬力計、トルク計及び弾性係数測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、回転軸に発生するねじれを測定するねじれ計が開示されている。このねじれ計は、回転軸に独立して装着された検出リング間の変位を検出することによってネジレ角を求めるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−１８９４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来のねじれ計は、検出リングに対して非接触で電力を供給する電力供給系が必要であり、また測定データを無線送信する通信系も必要であり、よって装置構成が複雑であり、コスト高になると共にメンテナンス性にも難がある。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、装置構成が従来よりも簡単なねじれ計、軸馬力計、トルク計及び弾性係数測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、ねじれ計に係る第１の解決手段として、回転軸のねじれ量を測定するねじれ計であって、前記回転軸の周面に設けられ、前記回転軸の軸方向に所定距離を隔てて平行対峙する第１、第２のリニアスケールと、固定設置され、前記第１、第２のリニアスケールを光学的に読み取る第１、第２の光学式エンコーダと、該第１、第２の光学式エンコーダの各読取値に基づいて前記回転軸のねじれ量を演算するねじれ量演算部と、該ねじれ量演算部の演算結果を測定結果として出力する出力装置とを備える、という手段を採用する。
【０００７】
本発明では、ねじれ計に係る第２の解決手段として、前記第１、第２のリニアスケールと前記第１、第２の光学式エンコーダとの光学的ギャップを安定化させるギャップ安定化手段をさらに備える、という手段を採用する。
【０００８】
また、本発明では、軸馬力計に係る解決手段として、上記第１または第２の解決手段に係るねじれ計と、該ねじれ計の測定結果に基づいて前記回転軸に作用する軸馬力を演算する馬力演算部とを備え、前記出力装置は、前記ねじれ量演算部の演算結果に代えて前記馬力演算部の演算結果を測定結果として出力する、という手段を採用する。
【０００９】
また、本発明では、トルク計に係る解決手段として、上記解決手段に係る軸馬力計と、前記馬力演算部が演算した前記軸馬力に基づいて前記回転軸のトルクを演算するトルク演算部とを備え、前記出力装置は、前記馬力演算部の演算結果に代えて前記トルク演算部の演算結果を測定結果として出力する、という手段を採用する。
【００１０】
また、本発明では、弾性係数測定装置に係る解決手段として、一対の回転軸を軸方向に相互接続する継手の横弾性係数を測定する弾性係数測定装置であって、一方の回転軸の軸馬力及び軸回転数を測定する請求項３に記載の軸馬力計と、他方の回転軸の周面に設けられ、前記第１、第２のリニアスケールに平行対峙する第３のリニアスケールと、固定設置され、前記第３のリニアスケールを光学的に読み取る第３の光学式エンコーダと、前記軸馬力計の測定結果と第２、第３の光学式エンコーダの各読取値に基づいて演算される前記一対の回転軸のねじれ量とに基づいて前記横弾性係数を演算する横弾性係数演算部とを備え、前記出力装置は、前記馬力演算部の演算結果に代えて前記横弾性係数演算部の演算結果を測定結果として出力する、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、装置構成が従来よりも簡単なねじれ計、軸馬力計、トルク計及び弾性係数測定装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るねじれ計、軸馬力計及びトルク計の機能構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態における各物理量を示す第１の模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る弾性係数測定装置の機能構成を示すブロック図（ａ）及び各物理量を示す第２の模式図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
最初に、本実施形態に係るねじれ計、軸馬力計及びトルク計について図１を参照して説明する。これらねじれ計、軸馬力計及びトルク計は、図１（ａ）に示すように、回転軸Ｘのねじれ量並びに回転軸Ｘに作用する軸馬力及びトルクを測定する測定装置であり、第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂ、第１、第２の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｂ、演算装置３及び表示装置４を備えている。
【００１４】
回転軸Ｘは、特に限定されるものではなくが、例えば船舶の主機関の出力軸とプロペラとを連結する中間軸である。中間軸は、一端が出力軸に連結され、他端がプロペラが装着されたプロペラ軸の一端に連結されると共に中間軸受によって支持されている。このような中間軸は、主機関の回転動力をプロペラ軸を介してプロペラに伝達する力伝達部材であり、比較的大きなねじれ力が中心軸（回転中心）周りに作用する。なお、上記プロペラ軸は、船尾管軸受によって支持され、一端が中間軸の他端に連結されると共に他端にプロペラが装着固定されている。
【００１５】
第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂは、図１（ｂ）にも示すように回転軸Ｘの周面に設けられ、当該回転軸Ｘの軸方向に所定距離を隔てて平行対峙する所定幅の帯状部材である。すなわち、第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂは、回転軸Ｘの円周（周長）よりも若干短い長さの帯状部材であり、一端と他端とによって所定切れ目が形成された状態で回転軸Ｘに巻回されている。これら第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂは、所定幅かつ所定厚（例えば１〜２ｍｍ程度）の帯状母材の片面（表面）に、当該帯状母材の長手方向を配列方向とする多数のスケール（目盛）が所定ピッチで形成されている。
【００１６】
このような第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂにおいて、上記幅は例えば１０〜２０ｍｍ程度、厚さは例えば１〜２ｍｍ程度、ピッチは例えば３０μｍ程度である。また、第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂつまり帯状母材は、例えば線膨張係数が比較的低いステンレス製（金属製）である。なお、このような第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂは、所定の接着剤等によって回転軸Ｘの周面に接着固定される。
【００１７】
第１、第２の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｂは、回転軸Ｘの周囲に固定設置され、上記第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂの各スケール（目盛）に対して所定間隔を隔てて対向配置している。このような第１、第２の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｂのうち、第１の光学式エンコーダ２Ａは、第１のリニアスケール１Ａの近傍に固定配置され、第１のリニアスケール１Ａのスケール（目盛）を光学的に読み取る。第２の光学式エンコーダ２Ｂは、第２のリニアスケール１Ｂの近傍に固定配置され、第２のリニアスケール１Ｂのスケール（目盛）を光学的に読み取る。
【００１８】
すなわち、第１、第２の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｂは、反射型の光学式エンコーダであり、測定光をスケール（目盛）に照射する照射光学系と、測定光がスケール（目盛）で反射することにより発生する反射光を受光する受光光学系とを備える。このような第１、第２の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｂは、測定光がスケール（目盛）で反射して得られる反射光を検出（撮像）することによりスケール（目盛）を読み取る。
【００１９】
ここで、上述した第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂと第１、第２の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｂとの組み合わせによって得られるスケール（目盛）の測定分解能は、第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂに機械的精度と第１、第２の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｂの光学的及び電気的な処理精度が協働することにより、例えば１〜５０ｎｍ程度である。
【００２０】
演算装置３は、一種のコンピュータであり、該第１、第２の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｂの各読取値、つまり第１、第２の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｂにおける第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂの各読取値に基づいて回転軸Ｘのねじれ量δを演算する。また、この演算装置３は、ねじれ量δに基づいて回転軸Ｘに作用する軸馬力Ｐ及びトルクＴを演算する。
【００２１】
このような演算装置３は、演算結果であるねじれ量δ、軸馬力Ｐ及びトルクＴを画像信号として表示装置４に出力する。なお、この演算装置３におけるねじれ量δ、軸馬力Ｐ及びトルクＴの演算内容の詳細については、動作説明として後述する。また、このような演算装置３は、本発明のねじれ量演算部、馬力演算部及びトルク演算部に相当する。
【００２２】
表示装置４は、上記演算結果（ねじれ量δ、軸馬力Ｐ及びトルクＴ）を測定結果として表示する出力装置であり、例えば液晶モニタである。この表示装置４は、演算装置３から順次入力される画像信号に基づいて、回転軸Ｘのねじれ量δ、軸馬力Ｐ及びトルクＴを視覚的に表示する。
【００２３】
続いて、このように構成されたねじれ計、軸馬力計及びトルク計の動作について、図２をも参照して詳しく説明する。
【００２４】
軸馬力Ｐ（ｋＷ）は、周知のように回転軸Ｘの軸トルクＱ（Ｎｍ）及び軸回転数Ｎ（ｍｉｎ−１）によって式（１）のように与えられる。また、軸トルクＱ（Ｎｍ）は、回転軸Ｘの横弾性係数Ｇ（Ｎ／ｍｍ２）、極慣性モーメントＪ（ｍｍ４）及び単位長さ当たりのねじれ角θ’（ｒａｄ／ｍｍ）によって式（２）のように与えられる。
【００２５】
【数１】
2020109384.tif 000003
【００２６】
また、極慣性モーメントＪは、図２に示すように回転軸Ｘの直径Ｄ（ｍｍ）によって式（３）のように表される。さらに、上記ねじれ角θ’（ｒａｄ／ｍｍ）は、図２に示すように回転軸Ｘにおける第１のリニアスケール１Ａと第２のリニアスケール１Ｂとの間隔ｌ１（ｍｍ）、当該間隔ｌ１（ｍｍ）におけるねじれ角θ（ｒａｄ）及びねじれ量δ（ｍｍ）並びに回転軸Ｘの半径ｒ（ｍｍ）によって式（４）のように表される。なお、ねじれ量δ（ｍｍ）は、図２に示すようにねじれ角θ（ｒａｄ）に対応する回転軸Ｘの周面距離である。
【００２７】
【数２】
2020109384.tif 000004
【００２８】
ここで、図２の点ａ，ｂは第１のリニアスケール１Ａの基準点ａと第２のリニアスケール１Ｂの基準点ｂを示している。図２では２つの基準点ａ，ｂ間に周面上のオフセットがない状態を示しているが、このオフセット量は、回転軸Ｘが回転停止している状態における２つの基準点ａ，ｂの周面周りの位置偏差である。このようなオフセット量は、予め測定することが可能であり、既知の値（定数）として取り扱うことができる。したがって、上記オフセット量を考慮してねじれ量δ（ｍｍ）を演算することができる。
【００２９】
このようなねじれ量δ（ｍｍ）は、上述した式（１）〜（４）に基づいて式（５）のように表される。また、軸馬力Ｐ（ｋＷ）は、同じく式（１）〜（４）に基づいて式（６）のように表される。
【００３０】
【数３】
2020109384.tif 000005
【００３１】
このような式（５），（６）において、変数はねじれ角θ（ｒａｄ）及び軸回転数Ｎ（ｍｉｎ−１）である。演算装置３は、これらねじれ角θ（ｒａｄ）及び軸回転数Ｎ（ｍｉｎ−１）以外の物理量を定数として予め記憶している。また、演算装置３は、第１、第２の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｂの各読取値に基づいてねじれ角θ（ｒａｄ）を演算する。
【００３２】
すなわち、演算装置３は、回転軸Ｘが回転停止している状態における２つの基準点ａ，ｂの周面周りの位置偏差と回転軸Ｘが回転している状態における２つの基準点ａ，ｂの周面周りの位置偏差との差分からねじれ角θ（ｒａｄ）を演算する。そして、演算装置３は、このようにして得られたねじれ角θ（ｒａｄ）と定数として予め記憶している半径ｒ（ｍｍ）を式（４）に代入することによりねじれ量δ（ｍｍ）を演算する。
【００３３】
また、演算装置３は、図２に示すように第１の光学式エンコーダ２Ａあるいは第２の光学式エンコーダ２Ｂにおける第１のリニアスケール１Ａの基準点ａあるいは第２のリニアスケール１Ｂの基準点ｂの読取タイミングに基づいて回転軸Ｘの回転数つまり軸回転数Ｎ（ｍｉｎ−１）を演算する。
【００３４】
そして、演算装置３は、このようにして求めたねじれ量δ（ｍｍ）及び軸回転数Ｎ（ｍｉｎ−１）を式（６）に代入することにより軸馬力Ｐ（ｋＷ）を演算する。また、演算装置３は、このようにして求めた軸馬力Ｐ（ｋＷ）、軸回転数Ｎ（ｍｉｎ−１）及び式（２）を用いることにより軸トルクＱ（Ｎｍ）を演算する。
【００３５】
すなわち、本実施形態によれば、回転軸Ｘの周面に所定距離を隔てに設けられた第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂと、固定設置された第１、第２の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｂとの組み合わせるという簡単な構成により、回転軸Ｘのねじれ角θ（ｒａｄ）、ねじれ量δ（ｍｍ）及び軸回転数Ｎ（ｍｉｎ−１）を演算することが可能である。
【００３６】
そして、このようにして取得したねじれ量δ（ｍｍ）及び軸回転数Ｎ（ｍｉｎ−１）に基づいて軸馬力Ｐ（ｋＷ）及び軸トルクＱ（Ｎｍ）を容易に求めることが可能である。したがって、本実施形態によれば、装置構成が従来よりも簡単なねじれ計、軸馬力計及びトルク計を提供することが可能である。
【００３７】
次に、本実施形態に係る弾性係数測定装置について図３を参照して説明する。
【００３８】
この弾性係数測定装置は、主機関の出力軸Ｘｓと回転軸Ｘ（中間軸）とを連結する継手５（軸カップリング）の横弾性係数Ｇc（Ｎ／ｍｍ２）を測定するものである。この継手５は、出力軸Ｘｓと回転軸Ｘ（中間軸）とを軸方向（直線状）に相互接続する機械部品である。また、回転軸Ｘ（中間軸）及び出力軸Ｘｓは、本発明の一対の回転軸に相当し、回転軸Ｘ（中間軸）は本発明における一方の回転軸に相当し、出力軸Ｘｓは本発明における他方の回転軸に相当する。
【００３９】
この弾性係数測定装置は、上述した軸馬力計に第３のリニアスケール１Ｃ及び第３の光学式エンコーダ２Ｃを追加すると共に、演算装置３に代えて演算装置３Ｃを備える。
【００４０】
第３のリニアスケール１Ｃは、上述した第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂと基本的に同一のものであり、図３に示すように出力軸Ｘｓの周面に設けられている。この第３のリニアスケール１Ｃは、帯状部材であり、一端と他端とによって所定切れ目が形成された状態で出力軸Ｘｓに巻回されている。
【００４１】
第３の光学式エンコーダ２Ｃは、出力軸Ｘｓの周囲に固定設置され、上記第３のリニアスケール１Ｃのスケール（目盛）を光学的に読み取る。この第３の光学式エンコーダ２Ｃは、第１、第２の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｂと同様に反射型の光学式エンコーダであり、スケール（目盛）に測定光を照射して得られる反射光を検出することによりスケール（目盛）を読み取る。
【００４２】
演算装置３Ｃは、上述した演算装置３と同様に一種のコンピュータであり、第１〜第３の光学式エンコーダ２Ａ〜２Ｃの各読取値に基づいて、継手５（軸カップリング）の横弾性係数Ｇc（Ｎ／ｍｍ２）を演算する。すなわち、この演算装置３Ｃは、上述したように第１、第２の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｂの各読取値に基づいて軸馬力Ｐ（ｋＷ）及び軸回転数Ｎ（ｍｉｎ−１）を演算すると共に、第１、第３の光学式エンコーダ２Ａ，２Ｃの各読取値に基づいて出力軸Ｘｓと回転軸Ｘ（中間軸）とのねじれ量δc（ｍｍ）を演算する。
【００４３】
また、算装置３Ｃは、このようにして得られた軸馬力Ｐ（ｋＷ）及び軸回転数Ｎ（ｍｉｎ−１）並びにねじれ量δc（ｍｍ）を下式（７）に代入することにより横弾性係数Ｇc（Ｎ／ｍｍ２）を演算する。なお、この式（７）において、ｌ２は図３（ｂ）に示すように第１のリニアスケール１Ａと第３のリニアスケール１Ｃとの間隔（ｍｍ）である。また、このような算装置３Ｃは、本発明の横弾性係数演算部に相当する。
【００４４】
【数４】
2020109384.tif 000006
【００４５】
このような演算装置３Ｃは、演算結果である横弾性係数Ｇc（Ｎ／ｍｍ２）を画像信号として表示装置４に出力する。また、演算装置３Ｃは、横弾性係数Ｇc（Ｎ／ｍｍ２）の付帯情報として軸馬力Ｐ（ｋＷ）及び軸回転数Ｎ（ｍｉｎ−１）並びにねじれ量δc（ｍｍ）を画像信号として表示装置４に出力する。
【００４６】
このような本実施形態によれば、回転軸Ｘの周面に所定距離を隔てに設けられた第１、第２のリニアスケール１Ａ，１Ｂ及び出力軸Ｘｓの周面に設けられた第３のリニアスケール１Ｃ並びに固定設置された第１〜第３の光学式エンコーダ２Ａ〜２Ｃとの組み合わせに基づいて横弾性係数Ｇc（Ｎ／ｍｍ２）を取得するので、装置構成が従来よりも簡単な弾性係数測定装置を提供することが可能である。
【００４７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
【００４８】
（１）上記実施形態では船舶の主機関とプロペラとを連結する回転軸Ｘ（中間軸）に本願発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、中間軸以外の様々な回転軸に適用可能である。
【００４９】
（２）上記実施形態では第１〜第３のリニアスケール１Ａ〜１Ｃを回転軸Ｘの周面に設け、かつ、第１〜第３の光学式エンコーダ２Ａ〜２Ｃを回転軸Ｘの周囲に固定設置したので、互いに対抗する第１〜第３のリニアスケール１Ａ〜１Ｃの各スケール（目盛）と第１〜第３の光学式エンコーダ２Ａ〜２Ｃとの光学的ギャップ（光路長）は、例えば回転軸Ｘの振動等によって変化する虞がある。そして、このような光学的ギャップ（光路長）の変動は、スケール（目盛）の読取精度を低下させる要因である。
【００５０】
このような懸念を払拭するためには、上記光学的ギャップを安定化させるギャップ安定化手段を設ける必要がある。このギャップ安定化手段は、例えば第１〜第３の光学式エンコーダ２Ａ〜２Ｃを第１〜第３のリニアスケール１Ａ〜１Ｃに対して進退自在に保持する保持部材と、第１〜第３の光学式エンコーダ２Ａ〜２Ｃに備えられると共に周面が回転軸Ｘあるいは出力軸Ｘｓの周面に当接するプーリと、第１〜第３の光学式エンコーダ２Ａ〜２Ｃを第１〜第３のリニアスケール１Ａ〜１Ｃ側に付勢する不正部材（バネ等）から構成される。
【符号の説明】
【００５１】
Ｘ  回転軸
Ｘｓ  出力軸
１Ａ  第１のリニアスケール
１Ｂ  第２のリニアスケール
１Ｃ  第３のリニアスケール
２Ａ  第１の光学式エンコーダ
２Ｂ  第２の光学式エンコーダ
２Ｃ  第３の光学式エンコーダ
３  演算装置（ねじれ量演算部、馬力演算部、トルク演算部）
３Ｃ  演算装置（横弾性係数演算部）
４  表示装置（出力装置）  
５  継手
【図１】
2020109384.tif 000007
【図２】
2020109384.tif 000008
【図３】
2020109384.tif 000009