(57)【要約】【課題】  塵芥の付着などに起因する誤差を小さくすることができる非接触式のトルク検出装置を提供する。【解決手段】  被計測物である回転軸体の軸線方向両端面にそれぞれ径方向に光通過溝を刻設し、または当該回転軸体の外周面の所定距離だけ離れた位置にそれぞれ径方向に貫通する光通過穴を穿設しておき、回転する前記回転軸体の側方からその外周面に向けて法線方向に発光部からの光線を照射し、受光・演算処理部にて前記各光通過溝または前記各光通過穴を通過する光線をそれぞれ受光し、これらの受光タイミングの相対的ずれを検出して前記回転軸体の軸トルクを計測するように構成したことを特徴とするトルク計測装置。前記各光通過溝または前記各光通過穴は、互いに実質的に同じ向きに穿設されるのが好ましい。また、前記光通過溝または前記光通過穴は、前記回転軸体の軸心まわりに一定角度ごとに複数対刻設配置することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物である回転軸体の軸線方向両端面にそれぞれ径方向に光通過溝を刻設し、または当該回転軸体の外周面の所定距離だけ離れた位置にそれぞれ径方向に貫通する光通過穴を穿設しておき、回転する前記回転軸体の側方からその外周面に向けて法線方向に発光部からの光線を照射し、受光・演算処理部にて前記各光通過溝または前記各光通過穴を通過する光線をそれぞれ受光し、これらの受光タイミングの相対的ずれを検出して前記回転軸体の軸トルクを計測するように構成したことを特徴とするトルク計測装置。
【請求項２】
前記各光通過溝または前記各光通過穴は、互いに実質的に同じ向きに穿設されてなる請求項１に記載のトルク計測装置。
【請求項３】
前記光通過溝は、前記回転軸体の軸線方向両端面にそれぞれ軸心まわりに一定角度ごとに複数対刻設配置されてなる請求項１または２に記載のトルク計測装置。
【請求項４】
前記光通過穴は、前記回転軸体の外周面の所定距離だけ離れた位置にそれぞれ軸心まわりに一定角度ごとに複数対穿設配置されてなる請求項１または２に記載のトルク計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転中の回転軸体のねじれを光学的に検出し、当該検出結果に基づいて前記回転軸体に加えられるトルクを計測するトルク計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水や蒸気の保有するエネルギーを利用してタービンを回転させて発電を行なう発電タービンプラントでは、高効率であるとともに、高い運用性および安全性が要求される。このような性能を確保するために、タービンなどの回転軸体に加えられるトルクなどを確実に把握することが重要となっている。近年、この回転軸体に加えられるトルクを光学的に非接触で計測する装置が数多く提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
特許文献１記載のトルク計測装置は、回転軸体の外周面の軸線方向に沿った１直線上に光反射部を設けるとともに、この光反射部と対向配置された発光素子および受光素子からなる第１および第２の検出部を前記軸線方向２箇所に設け、各検出部より出力される受光信号のタイミングずれに基づいてトルクを算出する制御装置を設けた構成とされている。また、特許文献２および３記載のトルク計測装置は、発光する発光部と、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回転軸体に照射するビーム調整手段と、前記回転軸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、これらの検知手段の出力信号に基づいて回転周期を計算して前記回転軸体のトルクを求める信号処理手段とを備えた構成とされている。
【特許文献１】特開平６−３４４６２号公報
【特許文献２】特開２０００−２０５９７７号公報
【特許文献３】特開２００２−３３３３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これらのトルク検出装置では、発光装置からの光線を一端光反射部または反射手段に照射し、その反射光を受光部で受光するため、当該光反射部などへの塵芥などが付着している場合や回転軸体自体が偏芯している場合には、光反射部からの反射光の光路が一定せず、光量が減少し、トルク計測に誤差が生じやすいという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、塵芥の付着や軸の偏芯などに起因する誤差を小さくすることができる非接触式のトルク検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的は、以下の（１）〜（２）のトルク計測装置によって達成される。
（１）被計測物である回転軸体の軸線方向両端面にそれぞれ径方向に光通過溝を形成し、または当該回転軸体の外周面の所定距離だけ離れた位置にそれぞれ径方向に貫通する光通過穴を穿設しておき、回転する前記回転軸体の側方からその外周面に向けて法線方向に発光部からの光線を照射し、受光・演算処理部にて前記光通過溝または前記光通過穴の各対を通過する光線をそれぞれ受光し、これらの受光タイミングの相対的ずれを検出して前記回転軸体の軸トルクを計測するように構成したことを特徴とするトルク計測装置。
（２）前記各光通過溝または前記各光通過穴は、互いに実質的に同じ向きに穿設されてなる前記（１）のトルク計測装置。
（３）前記光通過溝は、前記回転軸体の軸線方向両端面にそれぞれ軸心まわりに一定角度ごとに複数対刻設配置されてなる前記（１）または（２）のトルク計測装置。
（４）前記光通過穴は、前記回転軸体の外周面の所定距離だけ離れた位置にそれぞれ軸心まわりに一定角度ごとに複数対穿設配置されてなる前記（１）または（２）のトルク計測装置。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のトルク計測装置によれば、回転する回転軸体の径方向に設けられた２つの光通過穴を通過してそこからそれぞれ当該外周面の法線方向に出射される光線を受光部によって受光するようにしたので、従来技術のように回転軸体の外周面に設けられた反射部などのように塵埃の堆積などによる誤差が生じにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【０００９】
図１は、本発明のトルク計測装置の一実施形態の構成図を示している。この図に示す本発明のトルク計測装置１は、不図示の回転駆動源からの回転駆動作用のもとで符号Ｒの方向に回転する回転軸体１０と、これを挟むように対向配置された発光部２および受光・演算処理部３と、発光部２からの光線を分岐する分岐手段１６と、分岐した２本の光線の案内手段１８〜２２とで構成されている。回転軸体１０は、複数の回転軸体をその軸線方向に軸継手などを用いて連結した連結体で構成されたものであってもよく、一体に成型されたものであってもよい。
【００１０】
回転軸体１０には、その外周面に所定の距離（この距離を説明の便宜上、「ｘ」とする。）だけ離して当該回転軸体１０をその回転中心を通り径方向に貫通する２つの光通過穴１４、１５が穿設されている。これら１対の光通過穴１４、１５は、互いに同じ向きに平行に穿設されていてもよく異なる向きに穿設されていてもよいが、好ましくは互いに実質的に同じ向きに（平行に）穿設されているのがよい。また、光通過穴１１、１２は、これらのそれぞれを発光部２からの光線が通過可能であればよく、その直径は回転軸体１０の強度特性に大きく影響しない範囲で適宜設定できる。なお、各光通過穴１４、１５の穿設方向両端の開口を通る円周上には、さらに互いに対をなす光通過穴をそれぞれ１つ以上穿設することができる。この場合、各対の光通過穴は、互いに略同じ向きか、または一定の位置関係となるように穿設されるのが好ましい。このように光通過穴を複数設けることで、トルクの計測精度の向上を図ることができる。
【００１１】
発光部２としては、連続発光可能な光源を備えたものが使用される。この光源としては、受光部で受光可能な種類の光線を発光できるものであれば特に制限されず、各種のレーザー、発光ダイオードなどの光電変換素子、または常用のランプなどが挙げられる。発光部２はまた、このような光源とレンズ、スリット、ピンホールなどを適宜組み合わせて連続発光可能に構成したものであってもよい。これらのうちでは、指向性を有する各種レーザーを用いるのが好ましい。この発光部２から出射された光線は、回転軸体１０の側方に設けられた分岐手段１６に入力される。
【００１２】
分岐手段１６は、発光部２からの光線の光路上に配置され、当該光線を２つに分岐している。このような分岐手段１６として、図１では、ハーフミラーなどの透過反射体１６１および反射体（反射ミラー）１６２との組合せを示すが、これに限られず、例えばビームスプリッターやプリズムなどを用いることもできる。ここで、透過反射体とは、入射した光線の一部を反射し、残部を透過する機能を備えたものを指している。
【００１３】
誘導手段１８、１９は、分岐手段１６によって分岐された２本の光線２６，２７をその光路に略直角に反射するように当該光路上に配置された反射体（例えば、反射ミラーなど）であり、各誘導手段１８、１９からの反射光は回転軸体１０の外周面に穿設された２つの光通過穴１１、１２の開口を通る円周上にそれぞれ法線方向から照射される。回転軸体１０の誘導手段１８、１９の設置された側とは反対の側方には、例えば反射ミラーなどの反射体で構成された誘導手段２０，２１が回転軸体１０を挟むように誘導手段１８、１９のそれぞれに対向して配置されている。回転軸体１０の光通過穴.１１、１２内を通過した光線は、これらの誘導手段２０，２１にてそれぞれ略直角に反射し、互いに接近する方向に進行する。誘導手段２０、２１からの２本の反射光は誘導手段２２に入力され、ここで再び略直角に反射し、受光部３に入射する。この誘導手段２２として、図１ではプリズムを用いているが、これに限定されず、例えば前記したような透過反射体と反射体とを適宜組み合わせて、相対する方向からこれらに入射した２本の光線を集光して別の方向に出射するように構成したものなどであってもよい。
【００１４】
受光・演算処理部３は、受光部４と、これと信号線６を介して接続された演算処理部５とを備えている。受光部４としては、光線を受光して、光電変換により電気信号を出力可能な公知の光電変換素子などが使用できる。このような光電変換素子の具体例としては、フォトダイオード、フォトトランジスタなどが挙げられる。また、ＣＣＤカメラなどの撮像装置などを受光部３として使用することもできる。この受光部３は、回転軸体１０の側方領域において誘導手段２２からの反射光を受光可能な位置に配置されている。この受光部３には、信号線６を介して演算処理部５が電気的に接続されている。演算処理部５は、受光部４からの電気信号の入力を受け、後述するように回転軸体１０に加わるトルクを演算、表示し、必要であれば外部に演算結果に対応する信号を出力する機能を備えている。なお、受光部４と演算処理部５とはそれぞれ別体で受光・演算処理部３を構成していてもよく、一体である受光・演算処理部３の内部の一部であってもよい。
【００１５】
また、図２は、本発明のトルク計測装置の実施形態の別の例を示している。この図に示すように、前記した光通過穴１１，１２の代わりに、回転軸体の軸線方向両端面にそれぞれ同じかまたは異なる向きに光通過溝１３、１４を刻設することもできる。そして、この実施形態では、分岐手段１６によって分岐された２本の光線が１対の光通過溝１３、１４内をそれぞれ通過するように、誘導手段１８〜２２の設置位置を適宜変更したものであり、それ以外の構成については前記実施形態と本質的に変わるところはない。なお、光通過溝は、より高い計測精度を得るために、回転軸体の軸線方向両端面にそれぞれ軸心まわりに一定角度ごとに刻設配置することができる。
【００１６】
次に、本発明のトルク計測装置の計測方法について説明する。図２に示す本実施形態は、前記のように光通過溝を採用し、誘導手段１８〜２２の設置位置を変更したものであり、図１に示す実施形態と基本的に計測方法は同じであるので、以下では図１に示す実施形態を例にとって計測方法を説明することとする。
【００１７】
前記のように、発光部２から出射され分岐手段１６にて分岐された２本の光線２６，２７は、誘導手段１８，１９を経て回転する回転軸体１０の外周面の１対の光通過穴１１、１２の開口が通る円周上にその法線方向から照射される。回転軸体１０の回転によって１対の光通過穴１１、１２にそれぞれ光線が入射した場合、穴内を通過した各光線２６、２７は、誘導手段２０〜２２で略直角に反射して受光部４にて受光される。受光部４では、受光と同時にまた受光中に光電変換により受光した光線の強度に比例した大きさの電気信号を生成し、該電気信号を信号線６を介して演算処理部６に出力し、受光しない間は光電変換が行なわれず電気信号を出力しない。
【００１８】
回転軸体１０がその軸心を中心として回転することで当該回転軸体１０にねじれが生じた場合、一方の光通過穴１４（または１５）に対して他方の光通過穴１５（または１４）の向きが当該軸心を中心として相対的に変化する。これにより、各光通過穴１４、１５内をそれぞれ通過した光線を受光部４が受光するタイミングにずれが生じる結果、生成される２つの出力信号（以下、電気信号ａおよび電気信号ｂという。）においてパルス立ち上がりのタイミングにずれ（時間差）が生じることになる。図３は、これら２つの電気信号ａ、ｂにおけるパルス発生のタイミングのずれを示している。この図において、符号Ｔは回転軸体の回転周期、ｔは２つの電気パルス信号ａ、ｂにおけるパルス発生のタイミングのずれ（時間差）である。
【００１９】
演算処理部５では、これら２つの電気信号ａ、ｂの入力を受けて前記時間差ｔを検出し、以下の式１によってこの回転軸体１０に加えられるトルクＦが演算される。
【数１】
2009204309.tif 000003
但し、F：回転軸体に加えられるトルク
K：回転軸体のねじりばね定数（ねじり剛性係数）
ｘ：２つの光通過穴の軸心間距離
ｔ：２つの電気パルス信号におけるパルスの立ち上がりの遅れ時間
Ｔ：電気パルス信号の周期
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、回転軸体の径方向に穿設した1対の光通過穴をそれぞれ通過してその法線方向外方に向けて出射される２本の光線を光電変換機能を備えた受光部で受光して２つの電気信号に変換し、回転軸体の軸ねじれに起因する受光部での受光のタイミングのずれをこれらの電気信号におけるパルス立ち上がりのタイミングのずれによって検出し、当該検出結果に基づいて回転軸体に加えられるトルクを求めるようにしたので、従来のような回転軸体の外周面に反射部を設ける技術のように塵埃による精度の低下が生じることがない。
【００２１】
なお、前記各実施形態では、１つの発光部からの光線を分岐手段で２本の光線に分岐し、これらの光線をそれぞれ回転軸体の所定の位置から受光部に導くのに誘導手段を設ける構成を示したが、分岐手段および誘導手段を用いない構成とすることもできる。この場合、２つの発光部を用い、これらを回転軸体の側方の1対の光通過穴（または光通過溝）が回転する円周上を照射するようにそれぞれ配置する一方、当該回転軸体を挟んでこれらの発光部と対向した位置に２つの受光部をそれぞれ設置する。これによって、各発光部から出射された光線は、１対の光通貨穴（光通過溝）の向きがそれぞれその光路と合致した場合に、これらの光通過穴（光通過溝）内を通過し、受光部によって受光されるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明のトルク計測装置は、発電タービンプラントのタービンのみならず、一般的な電動機などの回転機の回転中のねじれによるトルクの計測にも有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のトルク計測装置の実施形態の一例を示す図である。
【図２】本発明のトルク計測装置の実施形態の別の例を示す図である。
【図３】回転軸体にねじれが生じている場合の受光部から出力される２つの電気信号の波形例を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    トルク計測装置
２    発光部
３    受光・演算処理部
４    受光部
５    演算処理部
６    信号線
１０    回転軸体
１１、１２    光通過穴
１３、１４    光通過溝
１６    分岐手段
１６１    透過反射体
１６２    反射体
１８〜２２    誘導手段
２６、２７    分岐された光線（光路）
Ｒ    回転方向
【図１】
2009204309.tif 000004
【図２】
2009204309.tif 000005
【図３】
2009204309.tif 000006