(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線を照射する照射手段と、
この光線を複数の光線に分岐し、各光線のビーム径をそれぞれ調整して被測定体に照射するビーム調整手段と、
前記被測定体の表面に取り付けて前記複数の光線の反射状態をそれぞれ変化させる複数の反射手段と、
前記複数の光線のそれぞれの反射光の強度変化を検知する複数の検知手段と、
これら検知手段の出力信号に基づいて前記被測定体のトルクを演算する信号処理手段とを備え、
前記信号処理手段は、複数の検知手段の出力を相関処理して被測定体のトルクを求める相関処理手段を備え、
前記複数の反射手段は、刻印方式、印刷方式、エッチング方式などによって被測定体に直接反射パターンが形成され、さらに、前記被測定体の回転軸と平行な上側バーコード部及びこの回転軸と所定の角度を保つ下側バーコード部を有し、前記上側バーコード部と下側バーコード部との間隔から照射位置が求められ、この照射位置から前記被測定体の軸方向に関する移動量及び移動方向が求められることを特徴とするトルク計測装置。
【請求項２】
光線を照射する照射手段と、
この光線を複数の光線に分岐し、各光線のビーム径をそれぞれ調整して被測定体に照射するビーム調整手段と、
前記被測定体の表面に取り付けて前記複数の光線の反射状態をそれぞれ変化させる複数の反射手段と、
前記複数の光線のそれぞれの反射光の強度変化を検知する複数の検知手段と、
これら検知手段の出力信号に基づいて前記被測定体のトルクを演算する信号処理手段とを備え、
前記信号処理手段は、複数の検知手段の出力を相関処理して被測定体のトルクを求める相関処理手段を備え、
前記複数の反射手段は、前記被測定体に一周分巻き付けられ、この上端面と下端面とを突き合わせて取り付けられ、さらに、前記被測定体の回転軸と平行な上側バーコード部及びこの回転軸と所定の角度を保つ下側バーコード部を有し、前記上側バーコード部と下側バーコード部との間隔から照射位置が求められ、この照射位置から前記被測定体の軸方向に関する移動量及び移動方向が求められることを特徴とするトルク計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転機器の回転速度およびトルクを遠隔かつ非接触で計測するトルク計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転機器のトルクを非接触で計測する技術としては、特開平６−３４４６２号公報に開示された「トルク検出装置」が知られている。このトルク検出装置は、自動車などの動力伝達装置のシャフト部に発生するトルクを検出するものである。
【０００３】
このトルク検出装置の構成を図２９に示す。図２９に示すように、トルク検出装置は被測定回転体であるシャフト１の外周面に効率良く光を反射する線状の光反射体２が設けられており、この光反射体２に相対して発光素子３ａ，４ａおよび受光素子３ｂ，４ｂを各１個ずつ備えて構成された第１および第２の検出部３，４が配置されている。これらの検出部３，４は、発光素子３ａ，４ａによってシャフト１の軸方向の異なる２個所に光をそれぞれ照射し、その反射光を受光素子３ｂ，４ｂで検出するように構成されている。
【０００４】
したがって、シャフト１を回転させると、受光素子３ｂ，４ｂは、一周期毎に光反射体２からの信号をそれぞれ検出する。そして、その検出信号を波形整形回路によって整形することにより、図３０に示すように受光素子３ｂのパルス信号および受光素子４ｂのパルス信号を得ることができる。パルス信号の周期Ｔが、一周期の回転時間となる。また、受光素子３ｂのパルス信号に対する受光素子４ｂのパルス信号の遅れ時間ｔを用い、下記の式（１）に従ってトルク：Ｆｔを計算することができる。
【０００５】
【数１】
0004183370.tif 000002
【０００６】
このように上記トルク検出装置では、発光素子３ａ，４ａからシャフト１に光を照射し、光反射体２の反射光を受光素子３ｂ，４ｂで受光する。そして、図３１に示す光反射体２の検知信号に基づいて図３０に示すパルス信号を生成し、このパルス信号の周期から回転速度やトルクを算出するようにしている。
【０００７】
また、回転機器のトルクを計測可能な技術としては、特開平７−３２５０９５号公報に開示された「回転速度測定装置」が挙げられる。
【０００８】
この回転速度測定装置の構成を図３２に示し、この図３２では主要な部分のみに符号を付してある。図３２に示す回転速度測定装置では、設定周波数でパルス発光させたレーザダイオード５の光線をコリメータレンズ６によって平行光にして被測定回転体７に照射する。この照射光の反射は、被測定回転体７表面に形成された凹凸８などによって変化するため、被測定回転体７の回転に応じて反射光の強度が変化する。
【０００９】
そこで、この反射光をレンズ９を用いてフォトダイオード１０で受光し、この受光信号を信号処理することによって回転速度を算出する。この信号処理では、まず５００ｋＨｚの周波数成分を通過させる帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１１によって、パルス変調させたレーザ光の反射光の信号を抽出する。この後、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１２によって、高周波の信号成分を除去する。その除去後の信号の時間変化は、被測定回転体７の回転周期に対応した反射光の強度変化となる。
【００１０】
次に、制御回路１３によって信号をデジタル化して高速フーリエ変換を行い、図３３に示す周波数分布を求める。被測定回転体７の回転周波数は、分布頻度の大きい周波数ｆ０となる。回転周期Ｔは、１／ｆ０である。
【００１１】
トルクを計測する場合は、本回転速度測定装置を２個所に設置する。この場合、図３０に示す検知信号の遅れ時間ｔは、式（２）に従って求めることができるので、式（１）を用いてトルクを計算することができる。
【００１２】
【数２】
0004183370.tif 000003
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の回転機器のトルクを非接触で計測するトルク検出装置では、図３１に示す検知信号の立上り時間が通常数十μｓ程度である。したがって、この立上り時間より高い時間精度でパルス信号を生成してパルス信号の周期を求めることができない。このため、回転速度が回転毎に微妙に変化するような場合には、回転毎の回転速度やトルクを高精度に求めることができないという課題がある。例えば、軸径８５０ｍｍ、回転速度が３０００ｒｐｍとなる発電機器では、発電効率を高精度に監視するため回転毎に１００ｎｓの測定精度でパルス信号の周期を計測してトルクを求めることが望まれている。
【００１４】
一方、後者の回転機器の回転速度を非接触で計測する回転速度測定装置では、被測定回転体７の回転周期に対応した信号を抽出してフーリエ変換し、その周波数分布から回転周波数ｆ０を特定する。この装置では、図３３に示すように回転周波数ｆ０の分布頻度が大きい理想的な場合、回転周波数ｆ０の特定が可能となる。
【００１５】
しかしながら、一般に、回転体の回転速度は微妙に変動することが通常であり、図３４に示すように回転周波数ｆ０を中心に拡がる分布を有する。このような周波数分布を示す場合は、回転周波数ｆ０の特定が困難であるため、式（１）および式（２）を用いて高精度に回転速度やトルクを計算することができないという課題がある。また、この装置では、周波数分布から回転周波数ｆ０を特定するため、原理的に回転毎の回転速度を求めてトルクを計算することができないという課題がある。
【００１６】
そこで、本発明は上記事情を考慮してなされたもので、回転速度が微妙に変動する回転体に対して１０ｎｓより高い測定精度で回転毎に回転周期を求め、回転毎の回転速度およびトルクを高精度に計測可能なトルク計測装置を提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明の他の目的とするところは、被測定体の使用条件や雰囲気環境によって複数の反射体が外れることなく、被測定体の回転中、軸方向の移動、軸方向以外で変化方向と移動量が駆動側および負荷側でそれぞれ異なる位置変化が発生した場合や、装置にノイズや性能低下が発生した場合であっても、軸方向の変化方向および移動量を計測するとともに、トルクを高精度に計測可能なトルク計測装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、この光線を複数の光線に分岐し、各光線のビーム径をそれぞれ調整して被測定体に照射するビーム調整手段と、前記被測定体の表面に取り付けて前記複数の光線の反射状態をそれぞれ変化させる複数の反射手段と、前記複数の光線のそれぞれの反射光の強度変化を検知する複数の検知手段と、これら検知手段の出力信号に基づいて前記被測定体のトルクを演算する信号処理手段とを備え、前記信号処理手段は、複数の検知手段の出力を相関処理して被測定体のトルクを求める相関処理手段を備え、前記複数の反射手段は、刻印方式、印刷方式、エッチング方式などによって被測定体に直接反射パターンが形成され、さらに、前記被測定体の回転軸と平行な上側バーコード部及びこの回転軸と所定の角度を保つ下側バーコード部を有し、前記上側バーコード部と下側バーコード部との間隔から照射位置が求められ、この照射位置から前記被測定体の軸方向に関する移動量及び移動方向が求められるものである。
【００１９】
請求項１記載の発明によれば、ビーム調整手段によって光線を複数の光線に分岐し、各光線のビーム径を数μｍに調整して被測定体に照射することができる。この被測定体には高効率で反射する複数の反射手段が設けられているため、複数の検知手段では回転毎に立上がり時間が急俊なパルス信号を得ることができる。このパルス信号の立上がり時間は、照射された光線のビーム径が数μｍであるために非常に短くなる。前記被測定体が、例えば軸径８５０ｍｍ、回転速度３０００ｒｐｍの回転体の場合、立上がり時間が１０ｎｓ程度のパルス信号となる。信号処理手段では、パルス信号間の時間間隔を測定することによって所定の高い測定精度で回転周期を計測することができる。トルクは、複数の検知手段が出力するパルス信号から遅れ時間を演算して求めることができる。さらに、第１の検知手段に取り付けられた位置変動計測手段によって、第２の検知手段をモニタ監視することができ、振動や衝撃などで発生する第１および第２の検知手段の位置変動を計測することができる。この結果、第１および第２の検知手段の位置変動が原因となって発生するトルク計測精度の低下を低減させることができる。
さらに、複数の反射手段は、刻印方式、印刷方式、エッチング方式などによって被測定体に直接反射パターンが形成され、さらに、前記被測定体の回転軸と平行な上側バーコード部及びこの回転軸と所定の角度を保つ下側バーコード部を有し、前記上側バーコード部と下側バーコード部との間隔から照射位置が求められ、この照射位置から前記被測定体の軸方向に関する移動量及び移動方向が求められる。
【００２０】
また、請求項２に記載の発明は、光線を照射する照射手段と、この光線を複数の光線に分岐し、各光線のビーム径をそれぞれ調整して被測定体に照射するビーム調整手段と、前記被測定体の表面に取り付けて前記複数の光線の反射状態をそれぞれ変化させる複数の反射手段と、前記複数の光線のそれぞれの反射光の強度変化を検知する複数の検知手段と、これら検知手段の出力信号に基づいて前記被測定体のトルクを演算する信号処理手段とを備え、前記信号処理手段は、複数の検知手段の出力を相関処理して被測定体のトルクを求める相関処理手段を備え、前記複数の反射手段は、前記被測定体に一周分巻き付けられ、この上端面と下端面とを突き合わせて取り付けられ、さらに、前記被測定体の回転軸と平行な上側バーコード部及びこの回転軸と所定の角度を保つ下側バーコード部を有し、前記上側バーコード部と下側バーコード部との間隔から照射位置が求められ、この照射位置から前記被測定体の軸方向に関する移動量及び移動方向が求められるものである。
【００２１】
請求項２記載の発明によれば、複数の反射手段は、前記被測定体に一周分巻き付けられ、この上端面と下端面とを突き合わせて取り付けられ、さらに、前記被測定体の回転軸と平行な上側バーコード部及びこの回転軸と所定の角度を保つ下側バーコード部を有する。この上側バーコード部と下側バーコード部との間隔から照射位置が求められ、この照射位置から被測定体の軸方向に関する移動量及び移動方向が求められる。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００５４】
［第１実施形態］
図１は本発明に係るトルク計測装置の第１実施形態を示す構成図である。
【００５５】
図１に示すように、第１実施形態のトルク計測装置は、光線を照射する照射装置２０と、この光線を第１および第２の光線に分岐し、各光線のビーム径を調整して被測定体に照射するビーム調整装置２１と、被測定体の表面に取り付けて第１および第２の光線の反射状態を変化させる第１および第２の反射体２２，２３と、第１および第２の光線の反射光の強度変化を検知する第１および第２の検知装置２４，２５と、これら検知装置２４，２５の出力信号から回転周期を計算して被測定体のトルクを演算する信号処理手段としての信号処理装置２６とから大略構成されている。
【００５６】
照射装置２０は、指向性を有する光線を照射する光源で構成される。本実施形態では、波長６３２．８ｎｍで出力１０ｍＷの連続光を照射するＴＥＭ００モードのＨｅ−Ｎｅレーザとする。しかし、このＨｅ−Ｎｅレーザに限定されることはなく、各種レーザが適用可能である。また、発光ダイオードやランプなどにレンズ，スリット，ピンホール，リフレクターを組合わせて特定方向に高強度の光線を照射することができるようにしたパルス点灯型または連続光型の光源も適用可能である。
【００５７】
照射装置２０の光線は、ビーム調整装置２１のビームスプリッタ２７によって反射光と透過光に分割される。反射光側には、レンズ２９，３１、ビームスプリッタ３３、集光レンズ３５が同一光路上に順次配置され、その反射光は、レンズ２９，３１、ビームスプリッタ３３、集光レンズ３５を経て被測定体３７に照射される。一方、透過光側には、反射用のミラー２８をレンズ３０，３２、ビームスプリッタ３４、集光レンズ３６が同一光路上に順次配置され、ビームスプリッタ２７にて分割された透過光は、ミラー２８で反射してレンズ３０，３２、ビームスプリッタ３４、集光レンズ３６を経て被測定体３７に照射される。
【００５８】
この場合、ビームスプリッタ２７，３３，３４は、波長板で構成することもできる。また、レンズ２９およびレンズ３１で構成される光学系は、４０倍の拡大光学系であり、ビームエキスパンダーで代用することができる。同様に、レンズ３０とレンズ３２についてもビームエキスパンダーで代用することができる。集光レンズ３５，３６は、球面収差を補正可能なアクロマティックレンズで構成したり、アポクロマティックレンズなどのアプラナート、非球面レンズで構成することもできる。
【００５９】
第１および第２の反射体２２，２３は、被測定体３７の回転毎に照射された光線を反射するように取り付けられ、これらの反射体２２，２３は、光線を高効率で反射するシール状ミラーとする。なお、これらの反射体２２，２３は、光線を高効率で反射する物質であれば、いかなるものでも適用可能である。
【００６０】
被測定体３７は、例えば回転速度：３０００ｒｐｍ，周速：約１２５ｍ／ｓで回転する直径：８５０ｍｍの回転機器が用いられ、負荷装置３８によって被測定体３７の片側端に負荷を与えることができるものとする。この回転機器として本実施形態では、例えばコンバインドサイクル発電システムにおける蒸気タービンと発電機間のカップリング部が適用される。
【００６１】
なお、本実施形態の被測定体３７は、直径１〜８５０ｍｍ、材質が鉄またはステンレス鋼などで、負荷値が数万［Ｎｍ］の回転機器に適用可能である。
【００６２】
また、本実施形態では、微粒子，流体，気体などの微少粒子、自動車，航空機，船舶，列車などの移動物体、ねじれや伸縮が発生する機器を被測定体３７とし、変位量，速度，加速度を測定することもできる。
【００６３】
第１および第２の反射体２２，２３による反射光は、アバランシュフォトダイオードによって構成した第１および第２の検知装置２４，２５によって検知され、これらの検知装置２４，２５には、光電子増倍管，フォトダイオードなどが適用可能である。そして、第１および第２の検知装置２４，２５の検知信号は、汎用型の計算機で構成した信号処理装置２６に伝送される。この信号処理装置２６は、第１および第２の検知装置２４，２５の出力変動に合わせて閾値を変えて検知信号を抽出する変動閾値設定手段を備えている。
【００６４】
以上のように構成された第１実施形態のトルク計測装置の作用について説明する。
【００６５】
照射装置２０から照射されたビーム径０．６５ｍｍのレーザ光は、ビームスプリッタ２７によって反射する第１のレーザ光と透過する第２のレーザ光とに分離される。まず、第１のレーザ光に関しては、レンズ２９およびレンズ３１の拡大光学系によってビーム径が２５ｍｍに拡大される。この拡大された第１のレーザ光は、ビームスプリッタ３３を透過した後、集光レンズ３５によって被測定体３７の表面に照射される。この場合、第１のレーザ光のビーム径が、被測定体３７の表面で焦点を結ぶように集光レンズ３５の位置を微調整する。この焦点のビーム径：Ｗは、式（３），（４）から計算することができる。
【００６６】
【数３】
0004183370.tif 000004
【数４】
0004183370.tif 000005
【００６７】
本実施形態では、λ＝６３２，８ｎｍ，φ＝２５ｍｍ，ｆ＝５０ｍｍであり、ビーム径：Ｗ＝１．６μｍとなる。したがって、被測定体３７の表面における第１のレーザ光は、ビーム径：Ｗ＝１．６μｍのガウス分布となる。
【００６８】
また、被測定体３７に照射された第１のレーザ光は、被測定体３７に取り付けた第１の反射体２２に照射された場合には強く反射するものの、それ以外の被測定体３７の表面における反射は極めて微弱である。このため、回転毎に一定時間だけ第１のレーザ光の反射光を得ることができる。この反射光は反射体２２で正反射して、照射された光線と同一の光路で集光レンズ３５に入射する。この集光レンズ３５によって、反射光のビーム径：φ’は、φ’＝２５ｍｍになる。ここで、照射された光線のビーム径：φと反射光：φ’が同一の値であれば、被測定体３７の表面で焦点が結ばれていることを確認可能となる。
【００６９】
そして、ビーム径：φ’＝２５ｍｍとなった反射光は、ビームスプリッタ３３によって分離され、一方の反射光は、アバランシュフォトダイオードによって構成した第１の検知装置２４に入射する。この第１の検知装置２４では、回転毎に反射体２２による強い反射光を一定時間だけ検知するため、図２に示すパルス形状の第１の検知信号３９を得ることができる。なお、被測定体３７の表面における第１のレーザ光のビーム径が、１．６μｍと非常に小さいため、第１の検知信号３９の立上がり時間は１０ｎｓ程度となる。
【００７０】
一方、ビームスプリッタ２７を透過した第２のレーザ光は、ミラー２８で直角に反射される。この後、第２のレーザ光は、第１のレーザ光と全く同様の作用を受け、レンズ３０およびレンズ３２の拡大光学系、ビームスプリッタ３４を透過した後、集光レンズ３６によって被測定体３７の表面で焦点を結び、ビーム径：１．６μｍとなるように照射される。
【００７１】
そして、第２の反射体２３による反射光は、集光レンズ３６によってビーム径：２５ｍｍになった後、ビームスプリッタ３４によって分離されて第２の検知装置２５に入射する。この第２の検知装置２４では、回転毎に反射体２３の強い反射光を一定時間だけ検知するため、図２に示すパルス形状の第２の検知信号４０を得ることができる。なお、被測定体３７の表面における第２のレーザ光のビーム径が、第１のレーザ光と同様に１．６μｍと非常に小さいため、第２の検知信号４０の立上がり時間は１０ｎｓ程度となる。さらに、信号処理装置２６では、第１の検知信号３９および第２の検知信号４０を取り込み回転周期および軸トルクを演算する。
【００７２】
ここで、回転周期は、図２に示すように第１の検知信号３９の振幅に閾値を設定し、隣合う閾値の時間間隔から求める。第１および第２の検知信号３９，４０の振幅電圧は、検知信号毎に変化する場合がある。このため、閾値は、振幅電圧に対する割合で決定して振幅電圧の１０％に設定する。この割合は、適当に決定することができる。本実施形態によって得られた回転周期の変化を図３に示す。また、回転周期は、第２の検知信号４０から求めることもできる。
【００７３】
一方、第２の検知信号４０の閾値を第１の検知信号３９と同様に設定して第１および第２の検知信号３９，４０を比較すると、負荷装置３８の負荷によって図２に示す遅れ時間が発生する。この結果、遅れ時間と式（１）を用いて回転毎のトルクを求めることができる。
【００７４】
このように本実施形態によれば、空間を伝送して被測定体３７に照射される第１および第２のレーザ光は、被測定体３７の表面でビーム径が１．６μｍとなる。この反射光を検知装置２４，２５によって検知すると、被測定体３７には反射体２２，２３が取り付けられているため、立上がり時間が１０ｎｓ程度の第１および第２の検知信号３９，４０を回転毎に得ることができる。そして、信号処理装置２６では、検知信号３９，４０の時間的な振幅変動に合わせた閾値を設定することによって、図３に示す所定の精度で被測定体３７の回転周期を計測することができる。そして、図２に示す遅れ時間と式（１）を用いて、回転毎のトルクを所定の高精度で求めることができる。
【００７５】
この場合の計測精度は、トルク計測誤差が０．５％（計測角：６．８５×１０−４ｄｅｇ）となり、渦電流センサを用いた計測装置の計測誤差が５〜１０％であることから、計測精度を格段に高めることが可能となる。
【００７６】
［第２実施形態］
図４は本発明に係るトルク計測装置の第２実施形態を示す構成図である。なお、前記第１実施形態と同一または対応する部分には同一の符号を付して説明する。以下の各実施形態も同様である。
【００７７】
図４に示すように、第２実施形態のトルク計測装置は、光線を照射する照射装置２０と、この照射装置２０の光線を伝送する光伝送装置４１と、その光線を第１および第２の光線に分岐し、各光線のビーム径を調整して被測定体３７に照射するビーム調整装置４４と、被測定体３７の表面に取り付けて第１および第２の光線の反射状態を変化させる第１および第２の低反射体５１，５２と、第１および第２の光線の反射光の強度変化を検知する第１および第２の検知装置２４，２５と、これら検知装置２４，２５の出力信号から回転周期を計算して被測定体３７のトルクを演算する信号処理装置２６とから大略構成されている。
【００７８】
照射装置２０の光線を伝送する光伝送装置４１は、光線を光ファイバに入射させるレンズ４２、光ファイバ４３で構成する。この光ファイバ４３は、例えばＳＩ型単一モードであり、コア径：φｆ＝５μｍ、開口数：０．１１の石英ファイバとする。光ファイバ４３のコア径は、可及的に小さい方が望ましい。また、光ファイバの種類に関しては、照射装置２０のＨｅ−Ｎｅレーザの光線を伝送できれば良いため、ＳＩ型やＧＩ型、単一モードや多モードに限定されることなく、多成分系ファイバ，プラスチックファイバ，ポリマクラッドファイバなど各種のファイバが適用可能である。さらに、ビーム調整装置４４に設置された光コネクタ４５は、光ファイバ４３を着脱可能な構造になっているため、状況に応じて必要な長さの光ファイバを接続することができる。
【００７９】
光コネクタ４５によってビーム調整装置４４に伝送された光線は、分岐コネクタ４６によって光ファイバ４７，４８へ分岐される。光コネクタ４５は、金属環を用いたバット結合（平面と平面との結合）で光ファイバ４３とビーム調整装置４４とを接合する。ここで、光コネクタ４５は、上記の他にＶ溝を用いたバット結合、レンズによる伝送などでも構成することができる。また、光ファイバ４７，４８は、光ファイバ４３と同一の光ファイバとする。分岐コネクタ４６はプリズムで構成されており、二方向に分岐できるように構成されている。
【００８０】
光ファイバ４７へ伝送されて出射する光は、レンズ４９、ビームスプリッタ３３、集光レンズ３５を経て被測定体３７に照射される。一方、光ファイバ４８へ伝送されて出射する光は、レンズ５０、ビームスプリッタ３４、集光レンズ３６を経て被測定体３７に照射される。レンズ４９，５０は、球面収差を補正可能なアクロマティックレンズで構成したり、アポクロマティックレンズなどのアプラナート、非球面レンズで構成することもできる。
【００８１】
第１および第２の低反射体５１，５２は、被測定体３７の回転毎に一定時間の間だけ照射された光線を反射しないように取り付けられる。これら低反射体５１，５２は、被測定体３７表面よりも反射率が極めて低い黒色のビニル樹脂からなり、これらの低反射体５１，５２は、光線を吸収する物質であれば、いかなるものでも適用可能である。
【００８２】
以上のように構成された第２実施形態のトルク計測装置の作用について説明する。
【００８３】
照射装置２０から照射された例えばビーム径０．６５ｍｍのレーザ光は、レンズ４２によって光ファイバ４３へ導かれ、この光ファイバ４３によって伝送された光線は、光コネクタ４５によってビーム調整装置４４へ導かれる。そして、その光線は、分岐コネクタ４６によって光ファイバ４７，４８へ均等に分岐される。光ファイバ４７に伝送されて出射する第１のレーザ光は、まずレンズ４９によって平行光にされる。この平行光となった第１のレーザ光は、ビームスプリッタ３３を透過した後、集光レンズ３５によって被測定体３７の表面に照射される。
【００８４】
この場合、第１のレーザ光のビーム径が、被測定体３７の表面で焦点を結ぶように集光レンズ３５の位置を微調整する。被測定体３７の表面におけるビーム径：Ｗｆは、近似的に式（５）から計算することができる。
【００８５】
【数５】
0004183370.tif 000006
【００８６】
本実施形態では、レンズ４９の開口数を光ファイバの開口数と同一とするためＮＡＩＮ＝０．１１となる。ＮＡＯＵＴ＝０．２５、φｆ＝５μｍであるため、ビーム径：Ｗｆ＝２．２μｍとなる。したがって、被測定体３７の表面における第１のレーザ光は、ビーム径：Ｗｆ＝２．２μｍとなっている。
【００８７】
被測定体３７に照射された第１のレーザ光は、被測定体３７に取り付けた第１の低反射体５１に照射された場合には反射しないが、それ以外の被測定体３７の表面では反射される。このため、回転毎に一定時間だけ第１のレーザ光の反射光がない状態を得ることができる。反射光は、被測定体３７の表面のスペックルパターンである。反射光が存在する場合は、照射された光線と同一の光路で集光レンズ３５に入射する。そして、集光レンズ３５によって、反射光のビーム径：φｆ’は、φｆ’＝２５ｍｍになる。ここで、照射された光線のビーム径：φと反射光：φｆ’が同一の値であれば、被測定体３７の表面で焦点が結ばれていることを確認することができる。
【００８８】
そして、ビーム径：φｆ’＝２５ｍｍとなった反射光は、ビームスプリッタ３３によって分離され、一方の反射光は、アバランシュフォトダイオードによって構成した第１の検知装置２４に入射する。この第１の検知装置２４では、回転毎に一定時間だけ第１のレーザ光の反射光がない状態を検知するため、図５に示すパルス形状の第１の検知信号５３を得ることができる。被測定体３７の表面における第１のレーザ光のビーム径が、２．２μｍと非常に小さいため、第１の検知信号５３の立下がり時間は１０ｎｓ程度となる。
【００８９】
一方、分岐コネクタ４６によって光ファイバ４８へ分岐されて出射する第２のレーザ光は、第１のレーザ光と全く同様の作用を受け、レンズ５０によって平行光となってビームスプリッタ３４を透過した後、集光レンズ３６によって被測定体３７の表面で焦点を結ぶように照射される。この被測定体３７の表面におけるビーム径は、２．２μｍである。
【００９０】
被測定体３７に照射された第２のレーザ光は、被測定体３７の表面に照射された場合には反射光が存在し、低反射体５２に照射された場合は反射光が存在しないので、回転毎に一定時間だけ第２のレーザ光の反射光がない状態を得ることができる。反射光が存在する場合は、照射された光線と同一の光路で集光レンズ３６に入射する。そして、照射された光線と反射光のビーム径が同一の値であれば、被測定体３７の表面で焦点が結ばれていることを確認することができる。そして、反射光は、ビームスプリッタ３４によって分離され、一方の反射光は、アバランシュフォトダイオードによって構成した第２の検知装置２５に入射する。
【００９１】
この第２の検知装置２５では、回転毎に一定時間だけ第２のレーザ光の反射光がない状態を検知するため、図５に示すパルス形状の第２の検知信号５４を得ることができる。被測定体３７の表面における第２のレーザ光のビーム径が、２．２μｍと非常に小さいため、第１の検知信号５３の立下がり時間は１０ｎｓ程度となる。さらに、信号処理装置２６では、第１の検知信号５３および第２の検知信号５４を取り込み、回転周期およびトルクを算出する。
【００９２】
ここで、回転周期は、図５に示すように第１の検知信号５３の振幅に閾値を設定し、隣合う閾値の時間間隔から求める。第１および第２の検知信号５３，５４の振幅電圧は共に１Ｖ程度であるため、閾値は電圧値で固定して０．９Ｖとする。この閾値は、振幅電圧に応じて適当に決定することができる。本実施形態によって得られた回転周期の変化は、図６に示す前記第１実施形態の測定結果とほぼ同様であった。また、回転周期は、第２の検知信号５４から求めることもできる。
【００９３】
一方、第２の検知信号５４の閾値を第１の検知信号５３と同様に設定して第１および第２の検知信号５３，５４を比較すると、負荷装置３８の負荷によって図５に示す遅れ時間が発生する。この結果、遅れ時間と式（１）を用いて回転毎のトルクを求めることができる。
【００９４】
このように本実施形態によれば、光ファイバ４３によって照射装置２０のレーザ光を機器内部や狭隘部へ伝送することができる。そして、第１および第２のレーザ光は、被測定体３７の表面でビーム径が２．２μｍとなる。この反射光を検知装置２４，２５によって検知すると、被測定体３７には低反射体５１，５２が取り付けられているため、立下がり時間が１０ｎｓ程度の第１および第２の検知信号５３，５４を回転毎に得ることができる。また、信号処理装置２６では、その検知信号５３，５４の振幅電圧値から閾値電圧を固定設定することによって、図６に示す所定の精度で被測定体３７の回転周期を計測することができる。さらに、図５に示す遅れ時間と式（１）を用いて回転毎のトルクを所定の高精度で求めることができる。
【００９５】
［第３実施形態］
図７は本発明に係るトルク計測装置の第３実施形態を示す構成図である。
【００９６】
図７に示すように、第３実施形態のトルク計測装置は、レーザ光を照射する照射装置２０と、このレーザ光を第１および第２のレーザ光に分岐し、各レーザ光のビーム径を調整して被測定体３７に照射するビーム調整装置２１と、被測定体３７の表面に取り付けて第１および第２のレーザ光の反射状態を変化させる第１および第２の反射体５５，５６と、第１および第２のレーザ光の反射光を検知する第１および第２の検知装置２４，２５と、これら検知装置２４，２５の出力信号に対して検知信号以外の信号成分を除去するフィルタリング装置５７と、検知装置２４，２５の出力信号を相関処理して被測定体３７のトルクを求める相関処理装置５８とから大略構成されている。
【００９７】
第１および第２の反射体５５，５６は、図８に示すように、１ｃｍ×１ｃｍの大きさに設定され、照射された光線を高効率で反射する帯状の反射部分（白色部分）と光線を高効率で吸収する帯状の吸収部分（黒色部分）とが交互に配置されている。なお、その帯幅は数１０μｍのオーダーである場合もあり得る。ここで、上記反射部分はミラー状のアルミニウム薄膜、吸収部分（黒色部分）は黒色のビニル樹脂からなる。反射部分の物質は、光線を高効率で反射する物質であればいかなるものでも適用可能であり、吸収部分の物質も光線を吸収する物質であればいかなるものでも適用可能である。
【００９８】
また、低反射物質を用いず、ミラー状のアルミニウム薄膜をエッチングまたはハーフエッチングすることによって低反射部分を構成することができる。エッチングの場合、エッチングによって剥き出しになった非測定体３７の表面が低反射部分となる。ハーフエッチングの場合、ハーフエッチングされた部分では光が乱反射して正反射が小さくなるため、ハーフエッチング部分が低反射部分となる。そして、第１および第２の反射体５５，５６は、帯状の縞模様が被測定体３７の回転軸と平行となるように配置され、回転毎の一定時間だけ反射光の強度が極端に変動するように取り付けられている。
【００９９】
第１および第２の検知装置２４，２５の検知信号は、フィルタリング処理を行うフィルタリング装置５７、相関処理を行う相関処理装置５８に伝送される。フィルタリング装置５７および相関処理装置５８は、汎用型の計算機で構成されている。フィルタリング装置５７は、検知信号をサンプリング周波数：１ＧＨｚでデジタル化してフィルタリング処理を行う装置であり、ＬＣＲを用いたフィルタリング回路で構成することもでき、検知信号に対して直接フィルタリング処理を行うこともできる。また、相関処理装置５８についても、相関器で構成することもできる。
【０１００】
以上のように構成された第３実施形態のトルク計測装置の作用について説明する。
【０１０１】
照射装置２０から照射されたビーム径０．６５ｍｍのレーザ光は、ビーム調整装置２１のビームスプリッタ２７によって反射する第１のレーザ光と透過する第２のレーザ光とに分離される。この第１のレーザ光は、レンズ２９およびレンズ３１の拡大光学系によってビーム径が２５ｍｍとなる。そして、拡大された第１のレーザ光は、ビームスプリッタ３３を透過した後、集光レンズ３５によって被測定体３７の表面で焦点を結び、ビーム径が１．６μｍとなるように照射される。
【０１０２】
ここで、被測定体３７に照射された第１のレーザ光が、第１の反射体５５に照射された場合には、反射光が交互に強弱を繰り返す特有の反射状態となるが、それ以外の表面での反射は極めて小さい。このため、回転毎に一定時間だけ反射光が交互に強弱を繰り返す特有の反射状態となる。強い反射状態となった場合は、照射された光線と同一の光路で集光レンズ３５に入射する。この集光レンズ３５によって、反射光のビーム径：φ’は、φ’＝２５ｍｍになる。ここで、照射された光線のビーム径：φと反射光：φ’が同一の値であれば、被測定体３７の表面で焦点が結ばれていることを確認することができる。
【０１０３】
そして、ビーム径：φ’＝２５ｍｍとなった反射光はビームスプリッタ３３によって分離され、一方の反射光は、アバランシュフォトダイオードによって構成した第１の検知装置２４に入射する。この第１の検知装置２４では、この反射光を検知するものの、弱い反射状態になった場合には信号を検知しない。このような反射光の強弱が交互に繰り返されるため、図９に示すように櫛歯形状の第１の検知信号５９を回転毎に得ることができる。なお、被測定体３７の表面における第１のレーザ光のビーム径が１．６μｍと非常に小さいため、第１の検知信号５９の立上がりおよび立下がり時間は１０ｎｓ程度となる。
【０１０４】
一方、第２のレーザ光は、ミラー２８で直角に反射された後、第１のレーザ光と全く同一の作用を受け、レンズ３０およびレンズ３２の拡大光学系、集光レンズ３６によって被測定体３７の表面で焦点を結び、ビーム径：１．６μｍとなるように照射される。第２の反射体５６の弱い反射状態に照射された場合は、反射光が存在しないが、強い反射状態に照射された場合は、照射された光線と同一の光路で集光レンズ３６に入射する。そして、この集光レンズ３６によってビーム径：２５ｍｍになった後、ビームスプリッタ３４によって分離されて第２の検知装置２５に入射する。
【０１０５】
この第２の検知装置２５では、反射光の強弱が交互に繰り返されるため、図９に示す第１の検知信号５９と同様な櫛歯形状の第２の検知信号６０を回転毎に得ることができる。なお、被測定体３７の表面における第２のレーザ光のビーム径が１．６μｍと非常に小さいため、第２の検知信号６０の立上がりおよび立下がり時間は１０ｎｓ程度となる。
【０１０６】
さらに、第１の検知信号５９および第２の検知信号６０は、フィルタリング装置５７および相関処理装置５８に取り込まれて回転周期およびトルクが算出される。すなわち、まず、フィルタリング装置５７では、サンプリング周波数を１ＧＨｚとして第１および第２の検知信号５９，６０をデジタル値に離散化する。そして、デジタル値に離散化した第１および第２の検知信号５９，６０からノイズの周波数成分を除去する。この除去する周波数成分は、信号処理の対象となる反射体５５，５６による検知信号の周波数が数ＫＨｚであるため、５０ｋＨｚ以上の周波数成分とする。
【０１０７】
次いで、デジタル化してノイズを除去された第１および第２の検知信号５９，６０は、相関処理装置５８に伝送される。この相関処理装置５８では、時間的に異なる２つの検知信号５９，６０の相互相関関数から回転周期を求める。
【０１０８】
本実施形態では、図１０に示すように時間的に異なる二つのパルス信号を含む出力信号を抽出して関数：Ｆ（ｔ）とする。相互相関関数：Φ（τ）の定義は、式（６）とする。
【０１０９】
【数６】
0004183370.tif 000007
ここで、遅れ時間：τを０から増加させて相互相関関数：Φ（τ）の値を計算する。この計算は、図１０に示す最初のパルス信号を時間的に遅れさせて次のパルス信号との重なり度合を調べる操作に相当する。遅れ時間：τが回転周期に近づくと、このパルス信号が次のパルス信号に一致するようになり、相互相関関数：Φ（τ）の値が大きくなる。この値は、双方のパルス信号が最も一致した場合に最大となり、この時の遅れ時間：τが回転周期となる。
【０１１０】
さらに、本実施形態における相互相関関数：Φ（τ）の計算結果を図１１に示す。この結果、回転周期は４１．８２１２５５ｍｓとなる。この回転周期は、第１の検知信号５９と同様にして第２の検知信号６０から求めることもできる。
【０１１１】
トルクは、第１の検知信号５９と第２の検知信号６０との相互相関関数から求める。本実施形態では、図１２に示すように第１の検知信号５９の出力信号を抽出して関数：Ｇ１（ｔ）とし、第２の検知信号６０の出力信号を抽出して関数：Ｇ２（ｔ）とする。相互相関関数：Φｉ（τ）の定義は、式（７）とする。
【０１１２】
【数７】
0004183370.tif 000008
ここで、遅れ時間：τを０から増加させて相互相関関数：Φｉ（τ）の値を計算する。この計算は、第１の検知信号５９のパルス信号を時間的に遅れさせ、第２の検知信号６０のパルス信号との重なり度合を調べる操作に相当する。第１の検知信号５９のパルス信号と第２の検知信号６０のパルス信号は同一形状の信号であるため、負荷装置３８による負荷が存在しない場合、遅れ時間がなく一致する。一方、負荷装置３８による負荷が存在する場合には、第２の検知信号６０のパルス信号に遅れ時間が発生する。この遅れ時間は、時間的にずらした第１の検知信号５９のパルス信号が第２の検知信号６０のパルス信号と一致して相互相関関数：Φｉ（τ）が最大となった場合の遅れ時間：τである。
【０１１３】
本実施形態における相互相関関数：Φｉ（τ）の計算結果を図１３に示す。この結果、遅れ時間：τは、τ＝１１１ｎｓとなる。そして、この遅れ時間と式（１）を用いて回転毎のトルクを求めることができる。
【０１１４】
このように本実施形態によれば、空間を伝送して被測定体３７に照射される第１および第２のレーザ光は、被測定体３７の表面でビーム径が１．６μｍとなる。そして、反射光を検知装置２４，２５によって検知すると、その反射光の強弱が極端に変動する反射体５５，５６によって、図９に示される立上がりおよび立下がり時間が１０ｎｓ程度と非常に短い櫛歯形状の第１および第２の検知信号５９，６０を回転毎に得ることができる。この第１および第２の検知信号５９，６０に対し、周波数５０ｋＨｚ以上のノイズ成分をフィルタリング装置５７で除去するため、ノイズ環境下であっても立上がりおよび立下がり時間が１０ｎｓ程度の信号となる。
【０１１５】
相関処理装置５８では、立上がりおよび立下がり時間が１０ｎｓ程度と非常に短く、複雑な櫛歯形状となった第１または第２の検知信号５９または６０を相関処理をすることによって、図１１に示すように所定の高精度で被測定体３７の回転毎の回転周期を計測することができる。さらに、第１の検知信号５９と第２の検知信号６０を相関処理することによって図１３に示す遅れ時間を求め、この遅れ時間と式（１）を用いることによって、所定の高精度で回転毎のトルクを求めることができる。
【０１１６】
なお、前記第１〜第３実施形態では、ビーム調整装置２１，４４、第１および第２の検知装置２４，２５が物理的に結合して固定されている。
【０１１７】
［第４実施形態］
図１４は本発明に係るトルク計測装置の第４実施形態を示す構成図である。
【０１１８】
図１４に示すように、第４実施形態のトルク計測装置は、レーザ光を照射する照射装置２０と、このレーザ光を第１および第２のレーザ光に分岐し、各レーザ光のビーム径を調整して被測定体３７に照射する第１および第２の光送受信装置６１，６２と、被測定体３７の表面に取り付けて第１および第２のレーザ光の反射状態を変化させる第１および第２の反射体６５，６６と、第１および第２のレーザ光の反射光を検知する第１および第２の検知装置２４，２５と、これら検知装置２４，２５の出力信号に対して検知信号以外の信号成分を除去するフィルタリング装置５７と、検知装置２４，２５の出力信号を相関処理して被測定体３７のトルクを求める相関処理装置５８とから大略構成されている。
【０１１９】
照射装置２０のレーザ光は、第１の光送受信装置６１のビームスプリッタ２７によって反射光と透過光に分割される。その反射光は第１の光送受信装置６１のレンズ２９，３１、ビームスプリッタ３３および集光レンズ３５を経て被測定体３７に照射される。一方、透過光は、第２の光送受信装置６２に入射してミラー２８で反射し、レンズ３０，３２、ビームスプリッタ３４および集光レンズ３６を経て被測定体３７に照射される。
【０１２０】
また、第１の光送受信装置６１には、第２の光送受信装置６２の位置変動を計測する位置変動計測手段としての監視カメラ６３が設置されている。この監視カメラ６３は画像表示可能な装置であれば良く、ここではＣＣＤカメラを使用している。そして、第２の光送受信装置６２には、位置変動を認識するマーク６４が設けられている。このマーク６４は、監視カメラ６３で簡単に認識できるものであれば良く、ここでは、縦１ｃｍ×横１ｃｍ×厚さ１ｃｍのアルミニウム薄膜を使用している。また、第２の光送受信装置６２に特有の傷を付けてマーク６４の代用をすることもできる。
【０１２１】
第１または第２の反射体６５，６６は、図１５に示すように、光線を乱反射させる乱射領域と照射方向と同一方向へ反射させる反射領域とを有し、この反射領域は微少形状のリトロリフレクターで構成し、乱反射領域は微少形状の散乱反射板で構成されている。反射領域の物質は、照射方向と同一方向へ反射する物質であれば適用可能であり、乱反射領域の物質は、乱反射させる物質であれば適用可能である。
【０１２２】
以上のように構成された第４実施形態のトルク計測装置の作用について説明する。
【０１２３】
照射装置２０から照射されたビーム径０．６５ｍｍのレーザ光は、第１の光送受信装置６１のビームスプリッタ２７によって反射する第１のレーザ光と、透過して第２の光送受信装置６２に入射する第２のレーザ光とに分離される。
【０１２４】
第１の光送受信装置６１の内部を進む第１のレーザ光は、レンズ２９およびレンズ３１の拡大光学系によってビーム径が２５ｍｍとなる。そして、拡大された第１のレーザ光は、ビームスプリッタ３３を透過した後、集光レンズ３５によって被測定体３７の表面で焦点を結び、ビーム径が１．６μｍとなるように照射される。
【０１２５】
ここで、被測定体３７に照射された第１のレーザ光が、第１の反射体６５に照射された場合には、反射と乱反射が交互に繰り返されるため特有の反射を示すようになるが、それ以外の被測定体３７の表面での反射は極めて小さい。このため、回転毎に一定時間だけ反射と乱反射を交互に繰り返す特有の反射を示すことになる。
【０１２６】
反射状態となった場合には、照射された光線と同一の光路で集光レンズ３５に入射する。この集光レンズ３５によって反射光のビーム径：φ’はφ’＝２５ｍｍになる。反射光はビームスプリッタ３３によって分離され、一方の反射光は、第１の検知装置２４に入射する。この第１の検知装置２４ではこの反射光を検知するが、乱反射状態になった場合には信号を検知しない。このような反射と乱反射が交互に繰り返されるため、図９と同様の櫛歯形状の第１の検知信号５９を回転毎に得ることができる。なお、被測定体３７の表面における第１のレーザ光のビーム径が１．６μｍと非常に小さいため、第１の検知信号５９の立上がりおよび立下がり時間は１０ｎｓ程度となる。
【０１２７】
一方、第２の光送受信装置６２に入射した第２のレーザ光は、ミラー２８で直角に反射された後、第１のレーザ光と全く同一の作用を受け、レンズ３０およびレンズ３２の拡大光学系、集光レンズ３６によって被測定体３７の表面で焦点を結び、ビーム径：１．６μｍとなるように照射される。第２の反射体６６の乱反射領域に照射された場合は、反射光が存在しないが、強い反射領域に照射された場合の反射光は、照射された光線と同一の光路で集光レンズ３６に入射する。そして、この集光レンズ３６によってビーム径：２５ｍｍになった後、ビームスプリッタ３４によって分離されて第２の検知装置２５に入射する。
【０１２８】
この第２の検知装置２５では、第２のレーザ光の反射と乱反射が交互に繰り返されるため、図９に示す第１の検知信号５９と同様な櫛歯形状の第２の検知信号６０を回転毎に得ることができる。なお、被測定体３７の表面における第２のレーザ光のビーム径１．６μｍと非常に小さいため、第２の検知信号６０の立上がりおよび立下がり時間は１０ｎｓ程度となる。
【０１２９】
さらに、第１の検知信号５９および第２の検知信号６０は、フィルタリング装置５７および相関処理装置５８に取り込まれて回転周期およびトルクが算出される。すなわち、フィルタリング装置５７では、サンプリング周波数を１ＧＨｚとして第１および第２の検知信号５９，６０をデジタル値に変換し、信号処理の対象となる反射体６５，６６による検知信号の周波数が数ＫＨｚであるため、５０ｋＨｚ以上の周波数成分を除去する。
【０１３０】
また、相関処理装置５８では、時間的に異なる２つの検知信号５９，６０を用い、式（６）で定義した相互相関関数：Φ（τ）を計算することによって回転周期を求める。そして、トルクは、第１の検知信号５９と第２の検知信号６０を用い、式（７）で定義した相互相関関数：Φｉ（τ）を計算することによって求める。本実施形態の相互相関関数：Φ（τ）、Φｉ（τ）の計算結果は第３実施形態と同様であり、回転周期やトルクは、第３実施形態と同一の結果となる。
【０１３１】
第１の光送受信装置６１に設置された監視カメラ６３は、第２の光送受信装置６２に設けられたマーク６４の位置変動を監視する。このマーク６４の位置変動を監視することによって、周囲環境からの振動を衝撃による第１の光送受信装置６１と第２の光送受信装置６２との位置関係の変化を検知する。そして、振動や衝撃を受けた場合、回転速度やトルクは相関処理装置５８に表示されず、振動または衝撃の検知が表示される。
【０１３２】
一方、位置関係の変動を補正するため、第１の検知信号５９と第２の検知信号６０を用い、式（７）で定義した相互相関関数：Φｉ（τ）を計算し、振動や衝撃を受けた時の遅れ時間を求める。この遅れ時間は、負荷装置３８によって生じる遅れ時間ではなく、振動や衝撃による第１の光送受信装置６１と第２の光送受信装置６２の位置関係の変動によって生じる遅れ時間：τ’である。したがって、位置関係が変化した場合は、式（７）で定義した相互相関関数：Φｉ（τ）を計算して遅れ時間：τ’を求め、位置関係の変化によって生じる遅れ時間：τ’の影響を考慮した式（８）に従ってトルク：Ｆｔを求める。
【０１３３】
【数８】
0004183370.tif 000009
【０１３４】
また、本実施形態のトルク計測装置（装置本体）、すなわち光送受信装置を軸方向に沿って複数設けることによって、軸方向の位置的な回転速度やトルクの変化を計測することができる。
【０１３５】
このように本実施形態によれば、空間を伝送されて被測定体３７に照射される第１おらび第２のレーザ光は、被測定体３７の表面でビーム径が１．６μｍとなる。そして、第１および第２の光送受信装置６１，６２によって反射光を検知すると、反射と乱反射が交互に繰り返す反射体６５，６６によって、図９に示すように立上がりおよび立下がり時間が１０ｎｓ程度と非常に短い櫛歯形状の第１および第２の検知信号５９，６０を回転毎に得ることができる。
【０１３６】
フィルタリング装置５７では、この第１および第２の検知信号５９，６０に対し、周波数５０ｋＨｚ以上のノイズ成分を除去するため、ノイズ環境下であっても立上がりおよび立下がり時間が１０ｎｓ程度の信号となる。
【０１３７】
相関処理装置５８では、立上がりおよび立下がり時間が１０ｎｓ程度と非常に短く、複雑な櫛歯形状となった第１または第２の検知信号５９または６０を相関処理をすることによって、図１１に示すように被測定体３７の回転毎の回転周期を高精度に計測することができる。さらに、第１の検知信号５９と第２の検知信号６０を相関処理することによって図１３に示すように遅れ時間を求め、この遅れ時間と式（１）を用いることによって、回転毎のトルクを高精度に求めることができる。
【０１３８】
そして、監視カメラ６３とマーク６４とによって、周囲環境からの振動や衝撃による第１および第２の光送受信装置６１，６２の位置変動を検知することができ、式（８）に従って位置変動による測定精度の低下を低減させることができる。
【０１３９】
なお、本実施形態のトルク計測装置は、軸方向に複数設けることができるため、軸方向の位置的な回転速度やトルクの変化を計測することができる。
【０１４０】
［第５実施形態］
図１６は本発明に係るトルク計測装置の第５実施形態を示す構成図である。
【０１４１】
図１６に示すように、第５実施形態のトルク計測装置は、レーザ光を照射する照射装置２０と、このレーザ光を光ファイバ４３に入射させるレンズ４２と、光ファイバ４３に入射したレーザ光を分岐する多分岐コネクタ６９と、この多分岐コネクタ６９に接続された光ファイバ７０，７１，７２，７３と、これらの光ファイバ７０〜７３にそれぞれ接続された第１，第２，第３，第４の光送受信装置７４，７５，７６，７７と、被測定体３７の表面に取り付けて反射状態を変化させる第１および第２の反射体２２，２３と、光ファイバ７０〜７３に分岐した各レーザ光の検知信号を相関処理して被測定体３７のトルクを求める相関処理装置５８とから大略構成されている。
【０１４２】
光ファイバ７０，７１，７２，７３は、光ファイバ４３と同一の光ファイバであり、ＳＩ型単一モードであり、コア径：φｆ＝５μｍ、開口数：０．１１の石英ファイバとする。ファイバ光を分岐する多分岐コネクタ６９はプリズムで構成されており、四方向に分岐できるように構成されている。
【０１４３】
第１，第２，第３，第４の光送受信装置７４，７５，７６，７７は、ビーム調整手段および照射された光線の反射光を検知する検知手段を備えた第１の光送受信装置６１で構成されている。そして、被測定体３７の回転速度およびトルクは、第１または第２の光送受信装置７４，７５で構成される第１の測定系、第３および第４の光送受信装置７６，７７で構成される第２の測定系の計２系統で測定される。第１および第２の測定系は、被測定体３７の円周方向に設置される。なお、光送受信装置７４〜７７を円周方向に複数設置して多系統で回転速度およびトルクを測定することが可能である。本実施形態では、原理的に同じであるため二系統とする。
【０１４４】
第１および第３の光送受信装置７４，７６には、ＬＥＤ７８，８０が取り付けられている。そして、これらのＬＥＤ光の位置変化を検出するため、対向する位置に設置した第２および第４の光送受信装置７５，７７には、位置変動計測手段としての縦横２次元のポジションセンサ７９，８１が取り付けられている。ＬＥＤ７８，８０は赤外線ＬＥＤとしたが、特にこれに限定されることはない。
【０１４５】
以上のように構成された第５実施形態のトルク計測装置の作用について説明する。
【０１４６】
照射装置２０から照射されたビーム径０．６５ｍｍのレーザ光は、レンズ４２を経て光ファイバ４３へ入射する。この入射した光線は、多分岐コネクタ６９によって光ファイバ７０，７１，７２，７３へ均等に分岐される。
【０１４７】
ここで、光ファイバ７０に分岐した第１のレーザ光は、第１の光送受信装置７４に入射する。この第１の光送受信装置７４では、光送受信装置６１と同様の作用を第１のレーザ光に施し、被測定体３７の表面で焦点を結び、ビーム径が２．２μｍとなるように照射される。そして、被測定体３７の回転毎に反射体２２の検知信号を得ることができる。この第１のレーザ光の検知信号は、図２に示すような立上がり時間が１０ｎｓ程度のパルス信号となる。
【０１４８】
一方、光ファイバ７５に分岐した第２のレーザ光は、第２の光送受信装置７５に入射する。この第２の光送受信装置７５では、第１の光送受信装置７４と同様の作用を第２のレーザ光に施し、被測定体３７の回転毎に反射体２３の検知信号を得ることができる。この第２のレーザ光の検知信号は、図２に示すような立上がり時間が１０ｎｓ程度のパルス信号となる。
【０１４９】
相関処理装置５８では、この第１および第２のレーザ光の検知信号を用いて式（１）、式（６）、式（７）を計算し、第１および第２の光送受信装置７４，７５で構成される第１の測定系による回転速度：ｖ１，トルク：Ｆ１を求めることができる。
【０１５０】
また、光ファイバ７２，７３によって分岐した第３および第４のレーザ光についても、第３および第４の光送受信装置７６，７７によって同様の処理がなされ、相関処理装置５８において第２の測定系による回転速度：ｖ２，トルク：Ｆ２を求めることができる。
【０１５１】
そして、相関処理装置５８では、第１の測定系および第２の測定系で得られた回転速度ｖ１，ｖ２，トルクＦ１，Ｆ２に対し、系統数ｎ＝２として式（９）、式（１０）で示す平均化処理を行って回転速度ｖａｖｅ、トルクＦａｖｅを求める。
【０１５２】
【数９】
0004183370.tif 000010
【数１０】
0004183370.tif 000011
【０１５３】
第２および第４の光送受信装置７５，７７に取り付けられたポジションセンサ７９，８１は、第１および第３の光送受信装置７４，７６に取り付けられたＬＥＤ７８，８０から照射された光線を検知する。このポジションセンサ７９，８１は照射された光線の位置変動を検知することができるため、周囲環境による振動や衝撃が発生した場合、第１および第２の光送受信装置７４，７５間、第３および第４の光送受信装置７６，７７間の位置変化を検知することができる。そして、振動や衝撃を受けた場合、回転速度やトルクは相関処理装置５８に表示されず、振動または衝撃の検知が表示される。
【０１５４】
位置関係が変化した場合は、第１および第２の測定系の各々で式（７）で定義した相互相関関係：Φｉ（τ）を計算して位置変動による遅れ時間：τ’を求め、式（８）に従って第１および第２の測定系のトルクＦ１，Ｆ２を求める。そして、式（１０）による平均化処理によってトルクＦａｖｅを求めることができる。
【０１５５】
このように本実施形態によれば、光ファイバ４３，７０，７１，７２，７３によって、照射装置２０のレーザ光を機器内部や狭隘部へ伝送することが可能となる。そして、ファイバ伝送されて被測定体３７に照射される第１，第２，第３，第４のレーザ光は、被測定体３７の表面で焦点を結び、ビーム径が２．２μｍとなる。
【０１５６】
第１〜第４の光送受信装置７４〜７７によって、第１〜第４のレーザ光の反射光を検知すると、被測定体３７に取り付けた反射体２２，２３によって、各光送受信装置では図２に示すような立上がり時間が１０ｎｓ程度のパルス形状の検知信号を回転毎に得ることができる。
【０１５７】
相関処理装置５８では、式（６）に示す相互相関関数：Φ（τ）を計算して各光送受信装置から求まる回転速度を計算し、さらに式（９）に示す平均化処理を行うことによって、所定の高精度で被測定体３７の回転毎の回転周期を計測することができる。また、式（７）に示す相互相関関数：Φｉ（τ）を計算し、さらに式（１０）に示す平均化処理を行うことによって、所定の高精度で被測定体３７の回転毎のトルクを計測することができる。
【０１５８】
さらに、ＬＥＤ７８，８０およびポジションセンサ７９，８１によって、周囲環境からの振動や衝撃による第１〜第４の光送受信装置７４〜７７の位置変動を検知することができる。そして、式（８）、式（１０）に従って、位置変動を補正して平均化処理を施すことによって、光送受信装置の位置変動によるトルクの測定精度の低下を低減させることができる。
【０１５９】
また、本実施形態のトルク計測装置（装置本体）、すなわち光送受信装置を被測定体の円周方向に沿って複数設置することにより、各装置本体から計測されるトルク値を平均値処理することで、トルクの計測精度を向上させることができる。
【０１６０】
次に、上記第１〜第４実施形態と比べ、より具体的な実施形態を第６，第７実施形態として説明する。これらの実施形態は、コンバインドサイクル発電システムにおける蒸気タービン（駆動側）と発電機（負荷側）間のカップリング部などを被測定体３７としている。
【０１６１】
［第６実施形態］
図１７は本発明に係るトルク計測装置の第６実施形態を示す構成図である。
【０１６２】
図１７に示すように、第６実施形態のトルク計測装置は、光線を照射する照射装置２０と、この照射装置２０の光線を分岐して伝送する光伝送装置８５と、この分岐された第１および第２の光線のビーム径をそれぞれ調整して被測定体３７に照射する第１および第２のビーム調整装置８６，８７と、第１および第２の光線の反射光の強度変化を検知する第１および第２の検知装置２４，２５と、これら検知装置２４，２５の出力信号に基づいて被測定体３７のトルクを演算する信号処理装置２６とから大略構成されている。
【０１６３】
光伝送装置８５は、照射装置２０が照射する光線を光ファイバ４３に入射させるレンズ４２と、この入射した光線を光ファイバ４３で伝送し、この伝送された光線を第１および第２の光線に分岐する分岐器８８と、この分岐された第１の光線を第１のビーム調整装置８６に伝送する光ファイバ４７と、分岐された第２の光線を第２のビーム調整装置８７に伝送する光ファイバ４８とを備えて構成されている。
【０１６４】
照射装置２０は、指向性を有する光線を照射する光源で構成される。本実施形態では、波長６３２．８ｎｍで出力１０ｍＶの連続光を照射するＴＥＭ００モードのＨｅ−Ｎｅレーザとする。なお、照射装置１としては、各種のレーザ、特定方向に高強度の光線を照射できるようにした各種のＬＥＤやランプなどを用いることができる。
【０１６５】
照射装置２０が照射する光線を光ファイバ４３に入射させるレンズ４２は、球面レンズ，非球面レンズ，複数枚の張合せレンズまたは組合せレンズ，屈折率分布型レンズなどＨｅ−Ｎｅレーザを集光可能なる光学素子であれば、いかなるものでも適用可能である。同様に、分岐器８８は、Ｈｅ−Ｎｅレーザを分岐可能な光学素子であれば適用可能であり、光ファイバ４３については、６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを伝送可能な光ファイバであれば、いかなるものでも適用可能である。
【０１６６】
一方、照射装置２０を変更した場合は、レンズ４２、光ファイバ４３および分岐器８８を適宜選定する必要がある。第１および第２のビーム調整装置８６および８７は、分岐された第１および第２の光線のビーム径を調整し、第１および第２の反射体８９および９０に照射するように構成されている。
【０１６７】
第１および第２の反射部８９および９０は、図１８に示すように被測定体３７の軸方向に対して形状が変化する反射部に構成されている。これら第１および第２の反射体８９および９０は、被測定体３７の回転軸と平行な上側バーコード部９１と、その回転軸と一定角度を有する下側バーコード部９２とから反射パターンを形成している。この下側バーコード部９２の負荷側では、上側バーコード部９１との間隔が５．０ｍｍと最も狭くなっており、逆に、下側バーコード部９２の駆動側が上側バーコード部９１との間隔が最も広く、８．５ｍｍとなっている。
【０１６８】
そして、下側バーコード部９２の長さは３５ｍｍであるため、負荷側から駆動側へ１ｍｍだけ移動すると、上側バーコード部９１と下側バーコード部９２との間隔が０．１ｍｍだけ広くなるように構成されている。すなわち、負荷側を原点として軸方向左向きを正にとると、原点からの距離：Ｘｍｍにおける上側バーコード部９１と下側バーコード部９２との間隔：Ｌｍｍは、式（１１）によって表すことができる。
【０１６９】
【数１１】
Ｌ＝０．１・Ｘ＋５．０          ……（１１）
【０１７０】
なお、図１８に示す第１および第２の反射体８９および９０の軸方向の形状変化は、本実施形態に限定されることなく、軸方向の形状変化を考慮し、軸方向の位置が一義的に決定可能な形状であれば、いかなる形状変化のものでも良い。
【０１７１】
一方、上側バーコード部９１を形成する各バーコード線は、図１８に示すように太さ０．１ｍｍ、線の長さ３５ｍｍである。また、バーコード線の数は１０本であり、線の並びは、上から下に向かって０．１ｍｍ単位で０．１ｍｍから０．９ｍｍまで順次広くなっている。また、下側バーコード部９２は、被測定体３７の回転軸と所定の角度を保つようになっている以外、上側バーコード部１８と同様に形成されている。なお、１０本のバーコード線の並びは、バーコード内に繰り返しパターンが発生しなければ、どのような線間隔の並びにしても良い。また、繰り返しパターンが発生しなければ、バーコードの太さや本数を変えても良い。一方、バーコード線の長さは、回転中に発生する被測定体３７の軸方向移動量より長くなるようにしている。そして、このバーコード線が、第１のビーム調整装置８６から照射される第１の光線を反射しないようになっている。
【０１７２】
図１８に示す第１および第２の反射体８９および９０は、刻印方式，印刷方式，エッチング方式などによって、被測定体３７の表面の一部を加工して被測定体３７に直接反射パターンを作成する。
【０１７３】
刻印方式では、被測定体３７の表面を改質して反射体８９，９０を作成する。例えば、レーザマーキング装置によって反射体８９，９０を作成する場合は、図１９に示すようにレーザマーキング装置９３を移動装置９４に搭載し、この移動装置９４を被測定体３７と平行に設置する。レーザマーキング装置９３は、移動装置９４の上部に形成された案内溝９４ａに沿ってを被測定体３７に対して平行に移動可能に構成されているので、被測定体３７の駆動側および負荷側に移動させ、図１８に示す反射体８９および９０を被測定体３７の表面上にそれぞれマーキングする。
【０１７４】
レーザマーキング装置９３としては、ＣＯ２レーザ，ＹＡＧレーザなどが用いられ、原理的には、被測定体３７の表面上にレーザ光をスポット照射し、その表面を改質させながらレーザ光を走査することによって、バーコード線を作成する装置である。また、移動装置９４の長さは、被測定体３７の大きさに合わせて決定し、被測定体３７の大きさが小さい場合は、移動装置９４は不要になる。なお、結果的に被測定体３７の表面を改質して反射体８９および９０を作成する方法は、全てこの刻印方式に含まれる。
【０１７５】
また、印刷方式によって反射体８９および９０を作成する場合は、レーザマーキング装置９３を印刷装置に交換する。この印刷装置は、塗料やインクなどの物質を被測定体３７の表面上に吹き付けながら走査することによって、バーコード線を作成する装置である。なお、結果的に被測定体３７の表面上に物質を付着させて反射体８９および９０を作成する場合は、全てこの印刷方式に含まれる。
【０１７６】
さらに、エッチング方式では、被測定体３７の表面を削ることによって反射体８９および９０を作成する。例えば、図１９に示すレーザマーキング装置９３を加工用レーザ装置に交換する。この加工用レーザ装置では、レーザ光を被測定体３７の表面にスポット照射して表面を削ることによって、バーコード線を作成する。このようにして作成されたバーコード線では、ビーム調整装置８６，８７からの距離が変化して焦点から外れるため、反射光が小さくなって低反射領域となる。この他、エッチング方式には、ドライエッチングやケミカルエッチングなどの方式があるが、結果的に被測定体３７の表面を削って反射体８９および９０を作成する場合は、全てこのエッチング方式に含まれる。
【０１７７】
一方、図１７に示すように、第１の検知装置２４は、正負を反転した電気信号を出力するタイプのアバランシュフォトダイオードで構成され、第１のビーム調整装置８６によって受光した第１の反射体８９による第１の光線の反射光を伝送し、光伝送装置８５を構成する第１の光ファイバ９５に接続されている。同様に、第２の検知装置２５も正負を反転した電気信号を出力するアバランシュフォトダイオードで構成され、第２のビーム調整装置８７によって受光した第２の反射体９０による第２の光線の反射光を伝送し、光伝送装置８５を構成する第２の光ファイバ９６に接続されている。なお、第１および第２の検知装置２４および２５は、各種の光電子増倍管やフォトダイオードなどの光電変換器であれば、いかなるものでも適用可能である。
【０１７８】
これら第１および第２の検知装置２４および２５は、ＡＤ変換器９７に接続され、このＡＤ変換器９７では、第１および第２の検知装置２４および２５が出力するアナログ電気信号をデジタルデータに変換し、このデジタルデータを信号処理装置２６へ伝送する。そして、この信号処理装置２６では、ＡＤ変換器９７の出力信号を受け取って処理するようになっている。なお、信号処理装置２６は、ＡＤ変換器９７の出力信号を受け取ることができるような構成のものであれば、いかなる計算機でも良い。
【０１７９】
以上のように構成された第６実施形態のトルク計測装置の作用について説明する。
【０１８０】
被測定体３７は、駆動側と負荷側との間の伝達軸であり、この伝達軸の直径が８００ｍｍ、回転速度が３０００ｒｐｍ、周速が１２５ｍ／ｓとする。そして、駆動側に第１の反射体８９を形成する一方、負荷側に第２の反射体９０を形成して、伝達軸に発生する軸ねじれを測定して駆動源のトルクを求める。また、トルクだけでなく、回転軸の速度、加速度も求めることができる。
【０１８１】
被測定体３７は、車両，船舶，列車などの駆動部および負荷部を有する移動物体の回転軸、発電機、電動機、モータなどの機器の回転軸であり、被測定体３７の回転速度や伝達軸の直径には制限されない。このような適用対象では、回転軸が回転中に軸方向に移動することがあるとともに、高温，高湿，粉塵，強風などの環境下であることが多い。
【０１８２】
そのため、第１および第２の反射体８９および９０は、被測定体３７の表面を直接マーキング加工しているため、このような環境下であっても、回転中に被測定体３７から剥離することがないようになっている。
【０１８３】
照射装置２０から照射されたレーザ光は、レンズ４２によって集光されて光ファイバ４３に入射する。この光ファイバ４３に入射して伝送された光は、分岐器８８によって第１のレーザ光と第２のレーザ光とに分岐される。
【０１８４】
まず、第１のレーザ光は、光ファイバ４７によって第１のビーム調整装置８６に伝送される。そして、このビーム調整装置８６によって被測定体３７の表面上でビーム径が５μｍとなるように第１のレーザ光を調整し、被測定体３７へ照射する。この被測定体３７に照射された第１のレーザ光は、第１の反射体８９のバーコード線に照射された場合には反射しないが、それ以外の部分では非常に大きく反射する。この反射した第１のレーザ光はビーム調整装置８６に戻り、第１の光ファイバ９５によって伝送された後、第１の検知装置２４で検知される。したがって、被測定体３７が回転していると、第１の検知装置２４では、図２０に示すように第１の反射体８９のバーコード並びに等しい形状の第１の検知信号９８を一回転毎に得ることができる。
【０１８５】
一方、第２のレーザ光も上記第１のレーザ光と同様の作用を受ける。したがって、第２の検知装置２５では、図２０に示すように第２の反射体９０のバーコード並びに等しい形状の第２の検知信号９９を一回転毎に得ることができる。そして、第１および第２の検知信号９８および９９は、ＡＤ変換器９７によってデジタルデータに変換された後、信号処理装置２６へ伝送される。
【０１８６】
この信号処理装置２６では、第１の検知信号９８の内、上側バーコード部９１の波形である左側の波形を用いて相関演算を行い、被測定体３７の回転周期を求める。
【０１８７】
このため、式（１２）に従い、遅れ時間：τを変数として、時刻：ｔ＝Ｃにおける第１の検知信号９８の左側の波形と一回転後の第１の検知信号９８の左側の波形に関する相関関数：Φ（τ）を計算する。変数である遅れ時間：τの範囲は、２０ｍｓの前後数ｍｓを含む範囲であれば良く、１５ｍｓ＜τ＜２５ｍｓに限る必要はない。
【０１８８】
【数１２】
0004183370.tif 000012
【０１８９】
相関関数：Φ（τ）の計算結果を図２１に示す。図２１に示すように、相関関数：Φ（τ）は、鋭く大きいピークを一つだけ有する関数となる。時刻：ｔ＝Ｃにおける第１の検知信号９８の左側の波形と一回転後の第１の検知信号９８の左側の波形は、同一形状の波形であるため、相関関数：Φ（τ）が最大となる時の遅れ時間：τが回転周期：Ｔｔとなる。なお、回転周期：Ｔｔは、第２の検知信号９９によって求めることもできる。
【０１９０】
次に、信号処理装置２６では、第１の検知信号９８および第２の検知信号９９の左側の波形を用いて相関演算を行い、被測定体３７の駆動源のトルクを求める。
【０１９１】
このため、式（１３）に従い、遅れ時間：τを変数として、時刻：ｔ＝Ｃにおける第１の検知信号９８の左側の波形と同回転時の第２の検知信号９９の左側の波形に関する相関関数：Φｉ（τ）を計算する。変数である遅れ時間：τの範囲は、第１の検知信号９８の左側の波形と同回転時の第２の検知信号９９の左側の波形との計測時間差の前後数ｍｓを含む範囲であれば良く、０ｍｓ＜τ＜１ｍｓに限る必要はない。
【０１９２】
【数１３】
0004183370.tif 000013
【０１９３】
相関関数：Φｉ（τ）の計算結果を図２２に示す。図２２に示すように、相関関数：Φｉ（τ）は、鋭く大きいピークを一つだけ有する関数となる。時刻：ｔ＝Ｃにおける第１の検知信号９８の左側の波形と同回転時の第２の検知信号９９の左側の波形は、同一形状の波形であり、無負荷の場合は計測時間差がゼロであるため、相関関数：Φｉ（τ）が最大となる時の遅れ時間：τが、トルクによって発生する第１の検知信号９８と第２の検知信号９９との計測時間差：Ｔｒとなる。
【０１９４】
なお、第１および第２の反射体８９および９０の上側バーコード部９１は、被測定体３７の回転軸と平行になっているため、被測定体３７の回転中に軸方向の移動が発生した場合でも、この計測時間差：Ｔｒは誤差を発生することなく、一定になる。
【０１９５】
被測定体３７のトルク：Ｆｔは、この計測時間差：Ｔｒと回転周期：Ｔｔを用い、式（１４）によって求めることができる。
【０１９６】
【数１４】
0004183370.tif 000014
【０１９７】
次に、信号処理装置２６では、第１の検知信号９８の左側の波形および右側の波形を用いて相関演算を行い、被測定体３７の表面における第１のレーザ光の照射位置を特定する。
【０１９８】
このため、式（１４）に従い、変数である遅れ時間：τの範囲を０ｍｓ＜τ＜０．５ｍｓとして、時刻：ｔ＝Ｃにおける第１の検知信号９８の左側の波形と右側の波形に関する相関関数：Φ（τ）を計算する。
【０１９９】
相関関数：Φ（τ）の計算結果を図２３に示す。図２３に示すように、相関関数：Φｉ（τ）は、鋭く大きいピークを一つだけ有する関数となる。時刻：ｔ＝Ｃにおける第１の検知信号９８の左側の波形と右側の波形は、同一形状の波形であるため、相関関数：Φ（τ）が最大となる時の遅れ時間：τが、第１の検知信号９８の左側の波形と右側の波形の計測時間差：ＴＳとなる。
【０２００】
なお、第１の反射体８９の上側バーコード部９１は、被測定体３７の回転軸と平行であり、第１の反射体８９の下側バーコード部９２は、回転軸と所定の角度を有しているため、被測定体３７の回転中に軸方向の移動が発生した場合でも、この計測時間差：ＴＳは誤差を発生することなく一定である。
【０２０１】
この計測時間差：ＴＳと被測定体３７の周速度の積を計算することによって、第１の検知信号９８の左側の波形と右側の波形の間隔を求めることができるため、式（１１）によって第１のレーザ光の軸方向の照射位置を表す距離：Ｘｍｍを求めることができる。そして、この第１のレーザ光の照射位置の変化を記録することによって、被測定体３７の軸方向に関する移動量および移動方向を求めることが可能となる。同様に、第２の検知信号９９の左側の波形および右側の波形を用いて相関演算を行い、被測定体３７の表面における第２のレーザ光の照射位置も特定することができる。
【０２０２】
このように本実施形態によれば、第１および第２の反射体８９および９０をバーコード型の構造とすることによって、図２１に示すように鋭く大きいピークを一つだけ有する回転周期：Ｔｔの相関関数：Φ（τ）、同様に図２２に示すように鋭く大きいピークを一つだけ有する計測時間差：Ｔｒの相関関数：Φｉ（τ）を得ることができる。このため、本実施形態のトルク計測装置にノイズや性能低下が発生して、回転周期：Ｔｔの相関関数：Φ（τ）や計測時間差：Ｔｒの相関関数：Φｉ（τ）にノイズが重畳した場合であっても、回転周期：Ｔｔおよび計測時間差：Ｔｒを高精度に求めることができる。そして、式（１４）に従って、高精度にトルクを求めることができる。
【０２０３】
また、上側バーコード部９１と下側バーコード部９２との間隔が式（１１）で表される反射部とすることによって、第１または第２の検知信号９８または９９の左側の波形と右側の波形の間隔を求めることができ、第１または第２のレーザ光の軸方向の照射位置を求めることができる。そして、この第１または第２のレーザ光の照射位置の変化を記録することによって、被測定体３７の軸方向に関する移動量および移動方向を求めることが可能となる。
【０２０４】
さらに、被測定体３７の表面を直接マーキング加工して第１および第２の反射体８９および９０とすることで、第１および第２の反射体８９および９０の上側バーコード部９１は、被測定体３７の回転軸と平行に保持することができる一方、第１および第２の反射体８９および９０の下側バーコード部９２は、回転軸と所定の角度を保つことが可能となる。このため、被測定体３７の回転中に軸方向の移動が発生した場合でも、被測定体３７のトルクを求めるための計測時間差：Ｔｒ、軸方向に関する移動量および移動方向を求めるための計測時間差：ＴＳには誤差が発生することはない。
【０２０５】
したがって、式（１１）および式（１４）によって、被測定体３７の回転中に軸方向の移動が発生した場合でも、被測定体３７のトルク、軸方向の移動量および移動方向を高精度に求めることができる。この場合の計測精度は、トルク計測誤差が０．５％（計測角：６．８×１０−４ｄｅｇ）となり、渦電流センサを用いた計測装置の計測誤差が５〜１０％であることから、計測精度を格段に高めることが可能となる。また、第１および第２の反射体８９および９０が、被測定体３７の使用条件や雰囲気環境などによって被測定体３７から剥離するのを未然に防止することができる。
【０２０６】
［第７実施形態］
図２４は本発明に係る第７実施形態を示す構成図である。
【０２０７】
図２４に示すように、第７実施形態のトルク計測装置は、光線を照射する照射装置２０と、この照射装置２０の光線を４方向に分岐して伝送する光伝送装置１００と、この分岐された第１〜第４の光線のビーム径をそれぞれ調整して被測定体３７に照射する第１〜第４のビーム調整装置１０１〜１０４と、これら第１〜第４のビーム調整装置１０１〜１０４の強度変化を検知する第１〜第４の検知装置１０５〜１０８と、これら第１〜第４の検知装置１０５〜１０８の出力信号に基づいて被測定体３７のトルクを演算する信号処理装置２６とから大略構成されている。
【０２０８】
光伝送装置１００は、照射装置２０が照射する光線を光ファイバ４３に入射させるレンズ４２と、この入射した光線を光ファイバ４３で伝送し、この伝送された光線を第１〜第４の光線に均等に分岐する四分割分岐器１０９と、この分岐された第１〜第４の光線の光線を第１〜第４のビーム調整装置１０１〜１０４にそれぞれ伝送する光ファイバ１１０〜１１３と、第１〜第４のビーム調整装置１０１〜１０４と第１〜第４の検知装置１０５〜１０８とをそれぞれ接続する光ファイバ１１４〜１１７とから構成されている。
【０２０９】
第３のビーム調整装置１０３は被測定体３７の駆動側に設置され、被測定体３７を間に挟んで第１のビーム調整装置１０１と１８０°の角度で対向する位置に対をなして設置されている。また、第４のビーム調整装置１０４は負荷側に設置され、被測定体３７を間に挟んで第２のビーム調整装置１０２と１８０°の角度で対向する位置に対をなして設置されている。そして、第３および第４のビーム調整装置１０３および１０４は、第１および第２のビーム調整装置１０１および１０２と同様に、分岐された第３および第４の光線のビーム径を調整し、第１および第２の反射体１１８および１１９に照射するようになっている。
【０２１０】
第１および第２の反射体１１８および１１９は、図２６に示すように長さ：２５１２ｍｍ、幅：３５ｍｍ、厚さ：０．１ｍｍのＳＵＳ３１６の薄板で構成され、反射体１１８，１１９の上端面１２０および下端面１２１と平行に設けられた反射パターンとしてのバーコード部１２２を有している。このバーコード部１２２は、図１８に示す上側バーコード部９１と同じ構造とする。反射体１１８，１１９の長さは被測定体３７の円周と等しく、反射体１１８，１１９の幅は、回転中に発生する被測定体３７の軸方向移動量より長くなっている。そして、反射体１１８，１１９の材質であるＳＵＳ３１６は、光線を強く反射し、耐腐食性を有する材質である。なお、第１および第２の反射体１１８および１１９には、バーコード部１２２がそれぞれ一箇所しか設けていないが、バーコード部１２２を複数設けるようにしても良い。
【０２１１】
第１の反射体１１８は、図２６に示すように被測定体３７の駆動側に巻き付けて取り付けられる。その取付手段としては、溶接または接着剤などによって行い、第１の反射体１１８を被測定体３７に一周分巻き付け、第１の反射体１１８の上端面１２０および下端面１２１を衝き合わせて取り付けるようにする。同様にして、第２の反射体１１９は、被測定体３７の負荷側に巻き付けて取り付けられる。
【０２１２】
第３の検知装置１０７は、正負を反転した電気信号を出力するタイプのアバランシュフォトダイオードで構成され、第３のビーム調整装置１０３によって受光した第１の反射体１１８による第３の光線の反射光を伝送する第３の光ファイバ１１６に接続されている。同様に、第４の検知装置１０８も正負を反転した電気信号を出力するアバランシュフォトダイオードで構成され、第４のビーム調整装置１０４によって受光した第２の反射体１１９による第４の光線の反射光を伝送する第４の光ファイバ１１７に接続されている。
【０２１３】
第１〜第４の検知装置１０５〜１０８は、ＡＤ変換器９７に接続され、このＡＤ変換器９７では、第１〜第４の検知装置１０５〜１０８がそれぞれ出力するアナログ電気信号をデジタルデータに変換して信号処理装置２６へ伝送する。そして、この信号処理装置２６では、ＡＤ変換器９７が出力するデジタルデータを受け取って処理するようになっている。
【０２１４】
以上のように構成された第７実施形態のトルク計測装置の作用について説明する。
【０２１５】
被測定体３７は、前記第６実施形態と同様に、伝達軸の直径が８００ｍｍ、回転速度が３０００ｒｐｍ、周速が約１２５ｍ／ｓの伝達軸とする。そして、回転中の軸方向の移動に加え、移動量および移動方向が駆動側と負荷側とで異なる図２７に示すような位置変化が発生するものとする。なお、被測定体３７の回転速度や伝達軸の直径は、いかなる値でも良い。
【０２１６】
一方、被測定体３７に取り付けられる第１および第２の反射体１１８および１１９は、一周に亘って被測定体３７に巻き付けて取り付けられているため、被測定体３７との接触面積が広くなる。このため、高温，高湿，粉塵，強風などの環境下であっても、第１および第２の反射体１１８および１１９が、回転中に剥離することがないように取り付けられている。
【０２１７】
照射装置２０から照射されたレーザ光は、レンズ４２によって集光されて光ファイバ４３に入射する。この光ファイバ４３に入射して伝送された光は、四分割分岐器１０９によって第１のレーザ光から第４のレーザ光に分岐される。
【０２１８】
まず、第１のレーザ光は、光ファイバ１１０によって第１のビーム調整装置１０１に伝送される。そして、ビーム調整装置１０１によって、第１の反射体１１８の表面上でビーム径が５μｍとなるように第１のレーザ光を調整し、第１の反射体１１８へ照射する。第１の反射体１１８に照射された第１のレーザ光は、バーコード部１２２のバーコード線に照射された場合には反射しないが、それ以外の第１の反射体１１８の部分では非常に大きく反射する。この反射した第１のレーザ光はビーム調整装置１０１に戻り、第１の光ファイバ１１４によって伝送された後、第１の検知装置１０５で検知される。したがって、被測定体３７が回転していると、第１の検知装置１０５では、図２８に示すようにバーコード部１２２のバーコード並びに等しい形状の第１の検知信号１２３を一回転毎に得ることができる。
【０２１９】
同様に、第２から第４のレーザ光も第１のレーザ光と同様の作用を受ける。したがって、第２〜第４検知装置１０６〜１０８では、図２８に示すように第２，第３および第４の検知信号１２４，１２５，１２６を一回転毎に得ることができる。これら第１〜第４検知信号１２３〜１２６は、ＡＤ変換器９７によってデジタルデータに変換された後、信号処理装置２６へ伝送される。
【０２２０】
信号処理装置２６では、第１の検知信号１２３を用いて式（１２）に示す相関演算を行い、相関関数：Φ（τ）が最大となる時の遅れ時間を求め、被測定体３７の回転周期：Ｔｔを求める。同様に、第２から第４の検知信号１２４から１２６を用いて、被測定体３７の回転周期：Ｔｔを求めるようにしても良い。
【０２２１】
次に、信号処理装置２６では、第１および第２の検知信号１２３および１２４を用いて式（１３）に示す相関演算を行い、相関関数：Φｉ（τ）が最大となる時の遅れ時間を求め、計測時間差：Ｔ’ｒ１を求める。この計測時間差：Ｔ’ｒ１には、トルクによって発生する第１の検知信号１２３と第２の検知信号１２４の計測時間差：Ｔｒに加え、移動量および移動方向が駆動側と負荷側とで異なる図２７に示す被測定体３７の位置変化による計測時間誤差：ΔＴｒ１が含まれている。したがって、計測時間差：Ｔ’ｒ１は、式（１５）によって表すことができる。
【０２２２】
【数１５】
Ｔ’ｒ１＝Ｔｒ＋２・ΔＴｒ１      ……（１５）
【０２２３】
同様に、第３および第４の検知信号１２５および１２６を用いて式（１３）に示す相関演算を行い、相関関数：Φｉ（τ）が最大となる時の遅れ時間を求め、計測時間差：Ｔ’ｒ２を求める。この計測時間差：Ｔ’ｒ２には、トルクによって発生する第３の検知信号１２５と第４の検知信号１２６の計測時間差：Ｔｒに加え、移動量および移動方向が駆動側と負荷側とで異なる図２７に示す被測定体３７の位置変化による計測時間誤差：ΔＴｒ２が含まれている。そして、第３および第４のビーム調整装置１０３および１０４が第１および第２のビーム調整装置１０１および１０２と各々１８０°の角度対向して対をなすように設置されているため、この計測時間誤差：ΔＴｒ２は、ΔＴｒ１と値が等しく正負が逆となる。したがって、計測時間差：Ｔ’ｒ２は、式（１６）のように示すことができる。
【０２２４】
【数１６】
0004183370.tif 000015
【０２２５】
そして、式（１７）に示すように、計測時間差：Ｔ’ｒ１およびＴ’ｒ２を平均化処理する。
【０２２６】
【数１７】
0004183370.tif 000016
【０２２７】
この平均化処理の結果、移動量および移動方向が駆動側と負荷側とで異なる被測定体３７の位置変化による計測時間誤差：ΔＴｒ１およびΔＴｒ２をキャンセルすることができ、トルクによって発生する計測時間差：Ｔｒを求めることができる。
【０２２８】
この計測時間差：Ｔｒと回転周期：Ｔｔを用い、式（１４）を計算することによって、移動量および移動方向が駆動側と負荷側とで異なる被測定体３７の位置変化によって発生する計測誤差を補正し、トルク：Ｆｔを高精度に求めることができる。
【０２２９】
なお、移動量および移動方向が駆動側と負荷側とで異なる被測定体３７の位置変化による計測時間誤差：ΔＴｒ１およびΔＴｒ２の値は、図２７に示す第１および第２の距離センサ１２７および１２８を用いて求めることができる。第１の距離センサ１２７は、第１および第３のビーム調整装置１０１および１０３に対し、９０°の角度を有するように設置されている。同様に、第２の距離センサ１２８は、第２および第４のビーム調整装置１０２および１０４に対して９０°の角度を有し、かつ第１の距離センサ１２７と同じ側に設置されている。
【０２３０】
そして、被測定体３７の位置変化量：ΔＸを求め、式（１８）を用いることによって、移動量および移動方向が駆動側と負荷側とで異なる被測定体３７の位置変化による計測時間誤差：ΔＴｒ１およびΔＴｒ２の値を求めることができる。
【０２３１】
【数１８】
0004183370.tif 000017
【０２３２】
この式（１８）で求めた値を用い、式（１５）および式（１６）を計算することによって、式（１７）を用いることなく、トルクによって発生する計測時間差：Ｔｒを求めることができる。この場合、式（１７）に示す平均化処理が不要であり、すなわち、第３および第４のビーム調整装置１０３および１０４は不要となる。
【０２３３】
したがって、第１および第２の距離センサ１２７および１２８を用い、移動量および移動方向が駆動側と負荷側とで異なる被測定体３７の位置変化による計測時間誤差：ΔＴｒ１およびΔＴｒ２の値を求めた場合、第３および第４のビーム調整装置１０３および１０４は不要となる。
【０２３４】
第１の反射体１１８は、被測定体３７に一周分巻き付けられ、上端面１２０および下端面１２１を衝き合わせて取り付けられているため、被測定体３７の回転軸と平行に取り付けられている。同様に、第２の反射体１１９に関しても、被測定体３７の回転軸と平行に取り付けられているため、被測定体３７の回転中に軸方向の移動が発生した場合でも、計測時間差：Ｔｒには誤差が発生することなく一定になる。
【０２３５】
このように本実施形態によれば、信号処理装置２６では、第１および第２の検知信号１２３および１２４を用いて式（１３）に示す相関演算を行い、相関関数：Φｉ（τ）が最大となる時の遅れ時間を求めることによって、式（１５）に示す計測時間差：Ｔ’ｒ１を求めることができる。さらに、第３および第４の検知信号１２５および１２６を用いて式（１３）に示す相関演算を行い、相関関数：Φｉ（τ）が最大となる時の遅れ時間を求めることによって、式（１６）に示す計測時間差：Ｔ’ｒ２を求めることができる。
【０２３６】
そして、第３および第４のビーム調整装置１０３および１０４が、第１および第２のビーム調整装置１０１および１０２と各々１８０°の角度で対向して設置されているため、式（１７）に示す平均化処理を行うことによって、移動量および移動方向が駆動側と負荷側とで異なる図２７に示す被測定体３７の位置変化によって発生する計測時間誤差：ΔＴｒ１およびΔＴｒ２をキャンセルして誤差補正することができ、移動量および移動方向が駆動側と負荷側とで異なる図２７に示す被測定体３７の位置変化が発生した場合であっても、式（１４）によって被測定体３７のトルク：Ｆｔを高精度に求めることができる。
【０２３７】
さらに、第１および第２の反射体１１８および１１９は、被測定体３７に一周分巻き付けられ、上端面３３および下端面３４を突き合わせて取り付けられているため、被測定体３７の回転軸と平行に取り付けることが可能である。このため、被測定体３７の回転中に軸方向の移動が発生した場合でも、被測定体３７のトルクを求めるための計測時間差：Ｔｒには誤差が発生することはない。したがって、式（１１）および式（１４）によって、被測定体３７の回転中に軸方向の移動が発生した場合でも、被測定体３７のトルク：Ｆｔを高精度に求めることができる。
【０２３８】
また、第１および第２の反射体１１８および１１９は、被測定体３７との接触面積を広く確保することができるため、被測定体３７の使用条件や雰囲気環境などによって被測定体３７から剥離することを未然に防止することができる。
【０２３９】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば、上記第１〜第４，第６実施形態では、反射体、検知装置をそれぞれ２つずつ設置した場合について説明したが、これに限らず、各２つ以上の複数設置してもよい。
【０２４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、機器内部や狭隘部での計測が可能な光ファイバ、または空間を伝送された照射された光線に対し、ビーム調整手段によって光線を複数の光線に分岐し、各光線のビーム径を数μｍに調整して被測定体に照射することができる。
【０２４１】
そして、被測定体には反射状態が変化する複数の反射手段が設けられているため、複数の検知手段では、立上がりおよび立下がり時間が急峻で波形形状が特有の複数のパルス信号を回転毎に得ることができる。
【０２４２】
信号処理手段では、立上がりおよび立下がり時間が急峻で波形形状が特有の複数のパルス信号に対し、複数の出力変動を考慮した信号処理、または相関処理を施すことによって、所望の１０ｎｓより高い測定精度で回転周期およびトルクを演算することができる。
【０２４３】
また、本発明によれば、複数の反射手段は、それぞれ被測定体に直接反射パターンを形成した反射体であり、また被測定体の周方向長さと等しい高反射体とすることにより、被測定体の寸法，形状，材質，表面状態などに左右されることなく、複数の反射手段を被測定体の回転軸と平行に設けることが可能となる。これによって、被測定体の回転中に軸方向の移動が発生した場合でも、被測定体のトルクを高精度に計測することが可能となる。そして、複数の反射手段が被測定体の使用条件や雰囲気環境などによって被測定体から剥離するのを未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトルク計測装置の第１実施形態を示す構成図。
【図２】本発明の第１実施形態によって得られる計測結果を示すタイミングチャート。
【図３】本発明の第１実施形態によって得られる回転速度を示す図。
【図４】本発明に係るトルク計測装置の第２実施形態を示す構成図。
【図５】本発明の第２実施形態によって得られる計測結果を示すタイミングチャート。
【図６】本発明の第２実施形態によって得られる回転速度を示す図。
【図７】本発明に係るトルク計測装置の第３実施形態を示す構成図。
【図８】図７における反射体を示す拡大図。
【図９】本発明の第３実施形態によって得られる計測結果を示すタイミングチャート。
【図１０】本発明の第３実施形態において回転速度を求める方法を示す図。
【図１１】本発明の第３実施形態によって得られる回転速度を示す図。
【図１２】本発明の第３実施形態においてトルクを求める方法を示す説明図。
【図１３】本発明の第３実施形態によって得られるトルクを示す図。
【図１４】本発明に係るトルク計測装置の第４実施形態を示す構成図。
【図１５】図１４における反射体を示す拡大図。
【図１６】本発明に係るトルク計測装置の第５実施形態を示す構成図。
【図１７】本発明に係るトルク計測装置の第６実施形態を示す構成図。
【図１８】図１７における第１および第２の反射体を示す説明図。
【図１９】図１７における第１および第２の反射体を形成する装置を示す斜視図。
【図２０】本発明の第６実施形態によって得られる計測波形を示す図。
【図２１】本発明の第６実施形態によって得られる回転周期の演算処理結果を示す図。
【図２２】本発明の第６実施形態によって得られる計測時間差の演算処理結果を示す図。
【図２３】本発明の第６実施形態によって得られる他の計測時間差の演算処理結果を示す図。
【図２４】本発明に係るトルク測定装置の第７実施形態を示す構成図。
【図２５】図２４における第１および第２の反射体を示す説明図。
【図２６】図２４における第１および第２の反射体の取付方法を示す説明図。
【図２７】本発明の第７実施形態において、被測定体の回転中に発生する変化方向と移動量が駆動側および負荷側で各々異なる軸方向以外の回転軸の位置変化を示す説明図。
【図２８】本発明の第７実施形態によって得られる計測波形を示す図。
【図２９】第１の従来例であるトルク検出装置を示す構成図。
【図３０】第１の従来例によって得られる計測結果を示すタイミングチャート。
【図３１】第１の従来例によって得られる他の計測結果を示すタイミングチャート。
【図３２】第２の従来例である回転速度測定装置を示すブロック図。
【図３３】第２の従来例によって得られる計測結果を示す図。
【図３４】第２の従来例によって得られる他の計測結果を示す図。
【符号の説明】
２０  照射装置
２１  ビーム調整装置
２２  第１の反射体
２３  第２の反射体
２４  第１の検知装置
２５  第２の検知装置
２６  信号処理装置
２７  ビームスプリッタ
２８  ミラー
２９  レンズ
３０  レンズ
３１  レンズ
３２  レンズ
３３  ビームスプリッタ
３４  ビームスプリッタ
３５  集光レンズ
３６  集光レンズ
３７  被測定体
３８  負荷装置
３９  第１の検知信号
４０  第２の検知信号
４１  光伝送装置
４２  レンズ
４３  光ファイバ
４４  ビーム調整装置
４５  光コネクタ
４６  分岐コネクタ
４７  光ファイバ
４８  光ファイバ
４９  レンズ
５０  レンズ
５１  第１の低反射体
５２  第２の低反射体
５３  第１の検知信号
５４  第２の検知信号
５５  第１の反射体
５６  第２の反射体
５７  フィルタリング装置
５８  相関処理装置
５９  第１の検知信号
６０  第２の検知信号
６１  第１の光送受信装置
６２  第２の光送受信装置
６３  監視カメラ（位置変動計測手段）
６４  マーク
６５  第１の反射体
６６  第２の反射体
６９  多分岐コネクタ
７０  光ファイバ
７１  光ファイバ
７２  光ファイバ
７３  光ファイバ
７４  第１の光送受信装置
７５  第２の光送受信装置
７６  第３の光送受信装置
７７  第４の光送受信装置
７８  ＬＥＤ
７９  ポジションセンサ（位置変動計測手段）
８０  ＬＥＤ
８１  ポジションセンサ（位置変動計測手段）
８５  光伝送装置
８６  第１のビーム調整装置
８７  第２のビーム調整装置
８８  分岐器
８９  第１の反射体
９０  第２の反射体
９１  上側バーコード部（反射パターン）
９２  下側バーコード部（反射パターン）
９３  レーザマーキング装置
９４  移動装置
９５  第１の光ファイバ
９６  第２の光ファイバ
９７  ＡＤ変換器
９８  第１の検知信号
９９  第２の検知信号
１００  光伝送装置
１０１  第１のビーム調整装置
１０２  第２のビーム調整装置
１０３  第３のビーム調整装置
１０４  第４のビーム調整装置
１０５  第１の検知装置
１０６  第２の検知装置
１０７  第３の検知装置
１０８  第４の検知装置
１０９  四分割分岐器
１１０  光ファイバ
１１１  光ファイバ
１１２  光ファイバ
１１３  光ファイバ
１１４  光ファイバ
１１５  光ファイバ
１１６  光ファイバ
１１７  光ファイバ
１１８  第１の反射体
１１９  第２の反射体
１２０  上端面
１２１  下端面
１２２  バーコード部（反射パターン）
１２３  第１の検知信号
１２４  第２の検知信号
１２５  第３の検知信号
１２６  第４の検知信号
１２７  第１の距離センサ
１２８  第２の距離センサ
【図１】
0004183370.tif 000018
【図２】
0004183370.tif 000019
【図３】
0004183370.tif 000020
【図４】
0004183370.tif 000021
【図５】
0004183370.tif 000022
【図６】
0004183370.tif 000023
【図７】
0004183370.tif 000024
【図８】
0004183370.tif 000025
【図９】
0004183370.tif 000026
【図１０】
0004183370.tif 000027
【図１１】
0004183370.tif 000028
【図１２】
0004183370.tif 000029
【図１３】
0004183370.tif 000030
【図１４】
0004183370.tif 000031
【図１５】
0004183370.tif 000032
【図１６】
0004183370.tif 000033
【図１７】
0004183370.tif 000034
【図１８】
0004183370.tif 000035
【図１９】
0004183370.tif 000036
【図２０】
0004183370.tif 000037
【図２１】
0004183370.tif 000038
【図２２】
0004183370.tif 000039
【図２３】
0004183370.tif 000040
【図２４】
0004183370.tif 000041
【図２５】
0004183370.tif 000042
【図２６】
0004183370.tif 000043
【図２７】
0004183370.tif 000044
【図２８】
0004183370.tif 000045
【図２９】
0004183370.tif 000046
【図３０】
0004183370.tif 000047
【図３１】
0004183370.tif 000048
【図３２】
0004183370.tif 000049
【図３３】
0004183370.tif 000050
【図３４】
0004183370.tif 000051