(57)【要約】【課題】  回転体の軸のトルクと回転速度を、簡便な方法でかつ非接触状態で同時に検出することである。【解決手段】  回転体のトルクの検出を行うとき、トルクと共にそのときの回転速度を求める必要があることが多い。また、トルクと回転速度の積は動力となるので、動力を算定するときも回転速度の値が必要となる。回転速度を検出は、インクリメンタルエンコーダ等を軸に連結することで可能であるが、装置が大きくなるので、できればトルク検出部に回転速度の検出機能を内蔵していることが望ましい。回転軸の入力軸側に固定したスリット列と、出力軸側に固定したスリット列との交差位置を通過した光スポットの重心位置の変化を、２次元のエリアセンサを用いて検出し、半径方向のトルク成分と円周方向の回転速度成分に分離して取り出すことを最も主要な特徴とする。【選択図】図１
2007010398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に加わるトルクによって入出力軸間の機械的なねじれ角を発生する機構を用いて、回転軸に対して一体回転するように入力軸側に同軸状態に固定した第１の円板と、この第１の円板に対向した状態で、前記回転軸に対して一体回転するように出力軸側に同軸状態に固定した第２の円板と、前記第１の円板に円周方向に向けて形成された第１のスリット列と、前記第２の円板に前記第１のスリット列に対向した位置に円周方向に向けて形成されていると共に、第１のスリット列に対して一定の角度で交差する方向に延びている第２のスリット列と、前記回転軸の回転に伴って発生する前記第１のスリット列に対する前記第２のスリット列との交差位置の変化を検出する装置で、前記第１および第２のスリット列を両側から挟む状態に配置された発光素子および２次元のエリアセンサを備え、前記第１のスリット列および第２のスリット列を通過した光スポットの重心位置の移動量を、半径方向のトルク成分と円周方向の回転速度成分に分離して取り出すことを特徴とする、トルクと回転速度の一体型検出装置
【請求項２】
回転軸に加わるトルクによって入出力軸間の機械的なねじれ角を発生する機構を用いて、回転軸に対して一体回転するように入力軸側に同軸状態に固定した第１の円板と、この第１の円板に対向した状態で、前記回転軸に対して一体回転するように出力軸側に同軸状態に固定した第２の円板と、前記第１の円板に円周方向に向けて形成された第１のスリット列と、前記第２の円板に前記第１のスリット列に対向した位置に円周方向に向けて形成されていると共に、第１のスリット列に対して１点で交差するアルキメデスの螺旋曲線の一部を用いた第２のスリット列と、前記回転軸の回転に伴って発生する前記第１のスリット列に対する前記第２のスリット列との交差位置の変化を検出する装置で、前記第１および第２のスリット列を両側から挟む状態に配置された発光素子および２次元のエリアセンサを備え、前記第１のスリット列および第２のスリット列を通過した光スポットの重心位置の移動量を、半径方向のトルク成分と円周方向の回転速度成分に分離して取り出すことを特徴とする、トルクと回転速度の一体型検出装置
【請求項３】
請求項１において、前記のスリット列を通過する通過光の重心位置の移動量から半径方向のトルク成分を求めるとき、２次元エリアセンサの位置情報に基づいて直線性の補正を加えることを特徴とするトルクと回転速度の一体型検出装置
【請求項４】
請求項３において、前記のスリット列を通過する通過光の重心位置の移動量から半径方向のトルク成分を求めるとき、２次元のエリアセンサが微少センサを平面上にX-Y方向に配列した２次元イメージセンサで、各微少センサの位置情報に基づいて直線性の補正を加えることを特徴とするトルクと回転速度の一体型検出装置
【請求項５】
請求項１または２において、２次元のエリアセンサがマルチスポット光の検出が可能なエリアセンサで、センサの円周方向に対応する寸法と前記スリットの間隔との関係を、エリアセンサ内に常に１個以上の光スポットが存在するように決めたことを特徴とするトルクと回転速度の一体型検出装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転体の、軸のトルクと回転速度の検出を、非接触状態で行う検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転中の軸のトルクと回転速度を検出することは重要な課題であり、これまでにいろいろな検出装置が開発され実用化もされている。回転軸のトルクを検出する方法で最も代表的なものはトーションバー方式で、軸の歪みをストレインゲージで検出する方法、磁歪材料を用いて歪みにより磁気特性が変化することで検出する方法、あるいは入出力軸間の機械的なねじれ角を電気的または光学的手段により検出する方法などがある。
【０００３】
トーションバー方式は、軸の長手方向の寸法が必要なので検出部の軸方向の長さが長くなる。検出部の長さを短くするため、円盤の内周と外周に入出力軸を結合して、内周と外周の間に弾性体の板バネを配置して、入出力軸間に加わったトルクによって板バネの部分に発生した歪みを検出し、板バネの変形によって発生した円周方向の変位を検出する方法（以下板バネ方式と呼ぶ）もある。この方法は装置が薄型にできるのが利点であるが、径方向の寸法は大きくなる。
【０００４】
トーションバー方式の軸の歪みや、板バネ方式の弾性体の円周方向歪みを検出するための最も基本的な方法は、歪みの発生部分にストレインゲージを貼り付ける方法である。しかしストレインゲージを貼り付ける部分は回転体の上にあるので、装置の固定部からの電源の供給や信号の取り出しのためスリップリング等を必要とし、構造が複雑高価となり、かつ信頼性にも問題があるものであった。スリップリングを無くすため回転トランスで電源の供給と信号の伝達を行う非接触方式もあるが、構造が複雑で高価になるという問題があった。磁歪材料を用いて歪みにより磁気特性が変化することで検出する方法、あるいは入出力軸間の機械的なねじれ角を電気的または光学的手段により検出する方法は、非接触でトルクを検出できる利点があるので、種々の方式が開発されている。
【０００５】
回転体のトルクの検出を行うとき、トルクと共にそのときの回転速度を求める必要があることが多い。例えば、モータのトルク・スピード特性の測定などが顕著な例である。また、トルクと回転速度の積は動力となるので、動力を算定するときも回転速度の値が必要となる。回転速度を検出は、インクリメンタルエンコーダ等を軸に連結することで可能であるが、装置が大きくなるので、できればトルク検出部に回転速度の検出機能を内蔵していることが望ましい。そこでトルク検出装置内にトルク測定用のスリット列の他に回転速度検出用のスリット列と検出手段を組み込んだ方式があるが、スリット列部が大きくなり検出手段も余分に必要となるので装置が複雑になる。トルク検出用のスリット列を利用して、インクリメンタルエンコーダに相当する２相出力を得る方法もあるが、９０度位相差のA、B相出力を得るためには、スリット列に対して少なくとも２個の検出手段を配置する必要と、パルス信号出力を得る回路が必要であり、さらに回転速度情報を求めるにはパルス信号の計数回路、またはパルス信号の周期測定回路等の演算回路が必要である。
【特許文献１】特開平６−３３７２１２「角度および角加速度の一体型検出装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決しようとする問題点は、回転体の軸のトルクと回転速度を、簡便な方法でかつ非接触状態で同時に検出することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、回転軸の入力軸側に固定したスリット列と、出力軸側に固定したスリット列との交差位置を通過した光スポットの重心位置の変化を、２次元のエリアセンサを用いて検出し、半径方向のトルク成分と円周方向の回転速度成分に分離して取り出すことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、回転軸に加わるトルクによって入出力軸間の機械的なねじれ角を発生する機構を用いて、回転軸の入力軸に固定したスリット列と出力軸に固定したスリット列の交差位置を通過した光スポットの重心位置の変化を２次元のエリアセンサを用いて検出することにより、簡単な構造で回転軸のトルク成分と回転速度成分に分離して取り出すことができる。
【０００９】
前記のスリット列を通過する通過光の重心位置の移動量から半径方向のトルク成分を求めるとき、２次元エリアセンサの位置情報に基づいて直線性の補正を加えることができる。
【００１０】
前記のスリット列を通過する光スポットの重心位置の移動量から半径方向のトルク成分を求めるとき、２次元のエリアセンサを、微少センサを平面上にX-Y方向に配列した２次元イメージセンサを用いることにより、各微少センサの位置情報に基づいて直線性の補正を容易に加えることができる。
【００１１】
また、マルチスポット光の検出が可能なエリアセンサを用いることにより、センサの円周方向に対応する寸法と前記スリットの間隔との関係を、エリアセンサ内に常に１個以上の光スポットが存在するようにすると、回転速度信号を時間的にとぎれることなく常時検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
回転軸に加わるトルクによって入出力軸間の機械的なねじれ角を発生する機構を用いて、非接触でトルクと回転速度を同時に検出する目的を、最小の部品点数で実現した。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明装置の１実施例の断面図であって、回転軸１は両端をベアリング２によって回転自在に支持されており、回転軸のほぼ中央部にはトーションバーを形成するための小径部１０が設けられている。回転軸１の一方を入力軸１１、もう一方を出力軸１５としたとき、入出力軸間にトルクが加わるとトーションバー部１０にはねじれが発生し、入出力軸間にはトルクに比例したねじれ角を生じるので、このねじれ角を検出することにより入出力軸に加わったトルクを検出することができる。入力軸１１側に同軸状態に一体回転するように第1の円板１２を固定し、出力軸１５側に同軸状態で一体回転するように第２の円板１６を固定する。第1の円板１２と第２の円板１６は、入出力軸間に加わったトルクによって発生したねじれ角を持ったまま、互いに対向した位置で軸１と同軸状態で回転する。
【００１４】
図２に、円板１２とスリット列１３、円板１６とスリット列１７の配列状態を示す。円板１２には第1のスリット列１３が円周方向に形成されており、円板１６には第２のスリット列１７が円周方向に形成されている。第１のスリット列１３は一定のピッチｐで形成された半径方向に延びるスリットから構成されている。これに対してスリット列１７は同じピッチｐであるが、半径方向に対して一定の角度だけ傾斜した方向に延びるスリットから構成されている。
【００１５】
図３は、スリット列１３とスリット列１７のスリット群の中から、互いに対向した一組のスリット１３ａと１７ａを取り出した状態を示す。スリット１３ａは半径方向に延びるスリット列１３の一つで、スリット１７ａは半径方向に対して一定の角度αだけ傾斜した方向に延びるスリット列１７の一つで、両者の交差部分Aが光の通過部分を形成している。回転軸１にトルクが加わっていないときの交差部分Aの回転軸中心からの距離をｒ0とすると、トルクが加わらない限りｒ0は変化せず、回転軸１が回転しているときもｒ0は変わらないで回転を続けることになる。ここで入力軸１１と出力軸１５の間にトルクが加わってねじれ角θが発生すると、スリットの交差部分Aは半径方向に移動して回転中心からの距離ｒが変化する。回転軸１が回転しているときは変わったｒの状態で回転を続けることになる。すなわちスリットの交差部分Aの、円周方向の移動量を検出すれば回転軸1の回転速度が求まり、半径方向の移動量を検出すれば回転軸に加わったトルクを求めることができることになる。
【００１６】
図３から、ねじれ角θの変化に対するスリットの交差部分Aの回転中心からの距離ｒの関係をｒ(θ)として求めると次式のようになる。ここでαはスリット１７のスリット１３に対する傾斜角である。
【数１】
2007010398.tif 000003
数式１は距離ｒとねじれ角θの関係が直線的では無いことを示している。θの値が小さな範囲では直線性を期待することもできるが、非直線性を無視できないときは、なんらかの補正を加える必要がある。
【００１７】
ねじれ角θと距離ｒの関係を直線的にすることは、第２のスリット列にアルキメデスの螺旋曲線を用いることで可能であることが知られている。図４は、この曲線をスリット１７に用いた場合で、ねじれ角θと距離ｒの関係は次式のようになり、距離ｒをねじれ角θに比例して直線的に変化させることができる。ここでｋは比例定数である。
【数２】
2007010398.tif 000004
【００１８】
円板１２と１６のスリット部１３と１７の両側から挟む状態で、発光素子と受光素子を組み合わせた光学式センサ３を配置すると、発光素子から出た光はスリットの交差部分Aを通過した光スポットは受光素子で検出される。発光素子には一般に発光ダイオード３１を使用する。受光素子に２次元のエリアセンサ３２を用いると、スリットの交差部分Aを通過した光スポットの２次元平面上の位置を求めることができる。このとき光スポットの円周方向の移動量は軸の回転速度を示し、半径方向の移動量は軸のトルクを示すことになるので、回転軸1の回転速度とトルクを同時に検出できる効果がある。２次元のエリアセンサには、フォトダイオードを応用した位置検出素子PSDの２次元検出型や、微少な光学センサを２次元平面に配列した２次元イメージセンサを用いることができる。図５は２次元イメージセンサの動作説明図である。すなわちx-y方向に微少センサが例えば256×256並べられており、光スポットの位置はx-y軸を高速スキャンすることにより求めることができる。PSDに比べ、出力の直線性の向上、マルチスポットの検出が可能、外部駆動回路が簡便等のメリットがある。
【００１９】
前記のスリット列を通過する通過光の重心位置の移動量から半径方向のトルク成分を求めるとき、２次元エリアセンサの位置情報に基づいて演算処理を行うことにより直線性の補正を加えることができる。２次元のエリアセンサとして微少センサを平面上にX-Y方向に配列した２次元イメージセンサを用いた場合、PSDに比べ外部駆動回路が簡単になるので、直線性の補正がより容易になるという効果がある。
【００２０】
図６は、エリアセンサ32の円周方向の検出幅wとスリット列のピッチpとの関係を示す説明図である。エリアセンサ32の検出幅wは有限であり、軸の回転により光スポットは円周方向に移動するので、いずれ光スポットは検出エリアからはずれることになる。しかし円板には多数のスリット列が配置されているので、次のスリットからの光スポットが順次検出エリアに入るようにすることで連続的な検出を可能とすることができる。次の光スポットが入射してトルクと回転速度が検出されるまでの間、必要に応じて測定値をメモリしておくことも可能である。またエリアセンサに同時に２個の光スポットが入射したときにも、両方の位置を認識できるセンサを用いて、常時少なくとも１個以上の光スポットがエリアセンサ内にあるように、センサの円周方向の検出幅wとスリット列のピッチｐを定めれば、途切れることなく連続的に検出を行うことができるという効果が得られる。一般にフォトダイオードを応用した位置検出素子PSDは２個の光スポットの位置を分離することは難しいが、微少な光学センサを２次元平面に配列した２次元イメージセンサの場合、複数の光スポットの位置を検出することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
回転体の軸のトルクと回転速度の検出を、非接触状態で簡単な構造で行えるので、モータのトルク・スピード特性測定装置、トルクと回転速度から動力を算定することによりモータ総合特性測定装置、その他締め付けトルク測定装置等産業上の利用可能性は非常に高い。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施例である検出装置を示す断面図である。
【図２】図１の装置の、スリット円板上のスリット列の配列状態を示す説明図である。
【図３】図２のスリットにおける、互いに対向した一組のスリットの交差部分Aと、ねじれ角の関係を示す説明図である。
【図４】図３のスリットの一方にアルキメデスの螺旋曲線を用いたときの、スリットの交差部分Aと、ねじれ角の関係を示す説明図である。
【図５】２次元イメージセンサの動作説明図である。
【図６】エリアセンサの検出幅とスリット列のピッチの関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２３】
１    回転軸
１１    入力軸
１２    スリット円板A
１３    スリット列A
１５    出力軸
１６    スリット円板Ｂ
１７    スリット列Ｂ
２    軸受
３    光センサ
３１    発光ダイオード
３２    ２次元エリアセンサ
【図１】
2007010398.tif 000005
【図２】
2007010398.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007010398.tif 000009
【図６】
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