平成10年度 研究朝告 大分県産業科学技術センター

回転式トルク検出器の開発
一自動釣り機における回転速度及びトルク制御の研究一
小田原幸生
機械電子部

Development of Rotary Torque Detector
MStudy of Speed and Torque Controlof Motor for Automatic FishirlgⅥachine−

Yukio ODAWARA
Mechanics ＆ Electronics Division

要 旨
漁業用釣り機（電動リール）において，リールの回転速度とトルク調整が可能な自動釣り機の開発を行っている．トルク制御において良好な応答性を得るために，負荷に直結した回転軸のトルクを直接検出してフィードバック制御を行う必要があり，非接触による給電，光による信号伝送の機能を持つ，簡便な回転式トルク検出器を開発した．

1．緒 言

2．回転式トルク検出器の概要

一本釣りでは掛かった魚を引き寄せるため，単に釣り2．1 従来の方法との違い糸を引く（巻上げ）だけでなく，漁船の揺れや魚の遊泳トルク検出では検出対象が回転するので，検出部への電力供給や信号伝送のため，回転部との接点にスリップにより釣り糸に強い力がかかったら直ちに緩めること（巻下げ）が必要である。従来から釣り機には過負荷対策のリングや回転変圧器が用いられてきた．しかし，スリッため摩擦クラッチが使われているが，釣り糸の張力を一プリングでは接点の摩耗や接触不良が起き，保守や交換定に保つ手段としては適当でなく，一本釣り用釣り機へが必要であり，回転変圧器ではこれらの問題はないが，の適用は難しかった．

高価である．このため，検出を行う回転軸にひずみゲー

平成8年度に直流モータのチョッパ制御によりトルクジ及び検出回路（回転式トルク検出器）を取り付け，こ調整が可能な一本釣り用自動釣り機1）を開発したが，モれと観察者側の電源，表示装置との間で非接触により電ータとリールの間にある歯車の慣性のため，負荷が急激源供給，信号伝送を行う簡便なトルク検出方式を考案しに変化した時に制御が追従できない問題があった．そこた．トルク検出器の概略図をF岩g．1に示す．

で，リール回転軸のトルクを直接検出してフィードバック制御を行うため，回転式トルク検出器を開発した．

2．2 トルク検出器への電力供給
トルク検出器への電力供給には，ト発光索子 ルク検出暑削こ取り付けた環状のコイルに対しブ コイルを巻いた鉄心（内鉄型）の枠を鎖状にリンクさせ，電磁誘導により電力を供給する開放型回転変圧器を用いた，詳細は別稿の「回転式検出器への非接触電力供給方法」2）で述べたので，本報告では省略する．

受光素子 2．3 トルク検出回路
ひずみゲージによるトルク検出には直流方式を用いた3）．Fig．2に回路図を示す．
2のmm：：

回路の電源は，開放型回転変圧器からの交流電力を整流・安定化し，12（Ⅴ）

Fig、1トルク検出器の概略図単一電源とした。回路消費電流は回転ー68】平成10年度 研究報告 大分県産業科学技術センター†∨。 ′2．2〜12．ら（＼ノ）74しmA〕

ら8n（シールド）シ≡ツト±−＋∨「2（E正）（シールに）

安定化瓦路■

15k（1％）
1日k円

ミニ∴＋1／4・」ト」ち48
ち．9k（1クの十V12R71牒 4「 H ‖ 1喜⊥1）（グ．デパイセズ社

Fig．2 トルク検出回路
変圧器の駆動回路にフィードバックできないので，消費電流を一定に保ち，電圧の変動を押さえた．

PWM（パルス幅変調）回路において，回路を簡単にするため，三角波の発生にCpMOSタイマIC（ICL7555）

回転「†11∈」＝d．し＝1rさのコンデンサの充放電波形を用いた．この場合の出力のFig．3 シミュレーションによる受光強度の変化

直線性誤差を計算により求めた結果，最大1％となった・
回転変圧器からの漏れ磁束は，回転変圧器とトルク検出回路の間に設置したアルミ板と銅箔で軽減させること

そこで，受光強度の変化を小さくするため，複数個のができたが，なおトルク検出器の電源ラインや信号にパ発光素子，受光素子を用いた．今回は4個の発光素子，2ルス状ノイズやサージ。ノイズが残った。これは抵抗。

偶の受光素子を用いぎ 受光素子の配置は一方の入射光がコンデンサによるフィルタでは取り除くことはできず，最大の時に他方が最小になるように取り付け（回転中心からの取り付け角1350），それぞれを並列接続した．

増幅器の入力抵抗を高くして軽減することができた。

発光素子，受光素子の特性が揃っているものとしてシミ

2．4 トルク検出器からの信号伝送

検出信号はPWMを用い，トルク検出器に環状に取りュレーションした結果をFig．3に示す。この結果，受光強度の変化は5％となった．

付けた複数の発光素子を点滅させ，観察側に光伝送した．

もう一つの対策として，受光した信号のオン・レベル

この方式では次の問題がある．回転により，発光素子・受光素子の距離，角度が変化し，受光強度が変化する・とオフ・レベルをそれぞれサンプル＆ホールド回路で検一方， 受光素子などの回路の応答遅れにより，PWM波出し，PWMのオンオフ判定レベルを受光した信号の中形の立ち上がり，立ち下がりの波形は時間軸に対して垂間に制御するようにした．これは背景光の影響を軽減す直ではない．このため，PWMのオンオフ判定レベルを一定とすると，受光強度の変化により本来のPWM信号のオン時間，オフ時間が変わる。これはPWM伝送周波る効果もある．補整回路のブロック図をFig．4に示す．
比の信号を受光し，数を高くするほど顕著になる。

る．発光素子，受光素子の特性のバラツキから，シミュFig．5（a）はトルク検出器から送られた一定デューティl〈jヒ￣÷−そのPWM信号を記録したものであ平成て0年度 研究朝告 大分県産業科学技術センター

F音g．4 野WM信号補整回路のプロッタ図
レーションの結果（Fig．3）よりも受光強度の変化は大きい．（b）は補整しない場合，（G）はオンオフ判定レベルをPWM復言周回路出力（出力範掲 ±5V，fc＝188Hz）オン・レベルとオフ。レベルの中間に制御（補整係数k（しきい値補整 k＝⑦，6）＝0．5）したもので，この補整により誤差を半分に軽減で（m＞）

きた。しかし，なお受光強度の影響が見られるので，補（d） 9工

整係数k＝0．6とし9 受光強度の影響を何もしない場合の3分の1ヲ 全測定範囲の1000分の1に小さくできた．（d）（

これは，受光強度に対して，受光素子の応答速度も影響k＝◎．5）（c〉15工を受けるためである。この補整では9 背景光の強さが大きく変わる場合は非線形の影響を受けて誤差が大きくな（補整なし

k＝⑦．8）

るので，基本的に背景光は除去しなければならない．
（b）28Ⅰ

2．5 トルク検出器の製作
トルク検出器の回路は回転するため，円形のガラス・回転による賛光強度の変化（P勅封書号1。1kHz）

エポキシ製プリント基板上に回路を製作した．プリント配線を用いることにより細かい配線が可能になり，検出（a）

器が小型化できるが，配線が基板の表面に露出しているため絶縁の点で不利であり，温度によるゼロ点の変動を：∈ごJ引き起こすゎ そこで，初段の増幅器の入力には敢えてリード線による配線を用い，端子の間隔も広くとった。当F妄g．5 受光強度によるPWM信号補整の効果初，プリント配線にスプレー式防湿剤を塗布したが，却って絶縁性は低下した。最終的にはプリント配線をハンダ由メッキするだけにした。防湿処理にはもっと良い方法があるかと思われるが，今回は検討を行っていない。
2．8 ひずみゲーージの＝−ティング

当初はコーティングを行わなかったので，トルク検出器の温度特性を調べていた時，ひずみゲ洲ジ及び回転軸が結露し，ゼロ点が大きく変動してしまった− この反省からコーティング剤を用いることにした。
ひずみゲージのコーティングには，ひずみゲージ及びその接着剤の防湿と，ひずみゲージの温度分布を均鵬にする保温の目的がある。今回は，コーティング剤にエポキシ樹脂（アラルダイト）を用いたので，その施工と効果について述べる．

まず，ひずみゲージの上に直接エポキシ樹脂を2mmのF妄g．6 トルク検出部の写真

厚さに塗布したが，硬化中に液が垂れ，均一鵬な厚さが得−70−

平成10年度 研究部告 大分県産業科学技術センタ】

1Xて06びずみ→50．緬V

丁∂ble、1トルク検出器の試験結果

温度によるゼロ点の変動

10〜30℃で0．45×10￣6ひずみ

電源投入後の0．36×10】6ひずみ

指示範囲 ±5V（電源投入後20分を基準とした．）
40

ゼロ点の変動（10〜30℃，電源投入後1〜30分）
ゼロ点の経時変化 0．20×10▲6ひずみ2（〉（10〜30℃，電源投入後20分）

（39日）

0

回転による0。18×10▼6ひずみ
ゼロ点の変動
検出範囲 ±100×10￣6ひずみ
至直線性誤差1％以内 （計算値）
P鞘光伝送周波数 いkHz

−20
−40
0 1 2 3 6 10 20 30 40
時間（分）Fig．7 ゼロ点のドリフト

4．まとめられなかった．ひずみゲージを貼りつけた回転軸の径が1）回転式トルク検出器の開発を行い，開放型回転変圧器◎12Ⅰ皿 と小さかったこともあり，温度によるゼロ点の変による非接触給電，回転式検出器からのPWM光伝送動や経時変化が大きくなり，失敗であった．

次に，ひずみゲージの上に薄いシートを挟んでエポキの方式を確立した．

2）回転式トルク検出の特性の把握を行い，市販のひずみシ樹脂を薄くコーティングし（厚さ 約0。5mm），回転軸ゲージ測定器に匹敵する性能を確認した。ただしき ゼを回転させて樹脂が垂れないように硬化させた．そして，ロ点の温度変動は回路の絶縁が不完全であると大きく補強のためエポキシ樹脂の周りをビニルテープで被覆しなる。

た．（Fig．6）この結果について次の章で述べる．

5．緒 言

3． トルク検出器の試験

今後の課題として，釣り機のトルク制御に応用し，ト

3．1 トルク検出器の性能の把握

ルク検出の一つの方法として信頼性を確立したい．また，試作したトルク検出器について，基本的な性能の把握を行った。この結果をTabEe．1に示す．また，Fig．7に電他の回転体の計測に役立てることができるように，理論の確立を図りたい．

源投入後のゼロ点の変動を示す。

本研究で助言していただいた大分工業高等専門学校

3．2 試験結果についての考察電気工学科 兼田 護教授に感謝の意を表します。

ひずみゲージによる計測ではゼロ点が基準となるので，この安定性が非常に重要である．ゼロ点の温度影響について市販のひずみ測定器（直流型）と比べると，市販の参考文献
1）小田原幸生：平成8年度研究報告 P．96〜99

ものは0．2〃ひずみ／℃りであり，試作したものはこれよりも一桁小さく，遜色がない．

2）小田原幸生：平成10年度研究報告 p．71〜74

試験結果についてトルク検出器に用いた部品の規格か

3）トランジスタ技術別冊センサーインタづェーシンクヾNo。2

ら検証する．初段の増幅器（〃A714C）のオフセット電圧

ストレン￠ゲージの活用技術（p。82〜］▼02）

温度ドリフトは最大1〃Ⅴ／／℃5）（検出器出力は2000倍の2mV．′ノ／℃），他の増幅器（LM7射相当）は最大15〃1ソ℃6）（CQ出版社）1983
4）ひずみゲージによるひずみ測定入門（大成社）（検出器出力は10倍の0．15mVノ／℃）であり，抵抗器につ1998 第1刷 p．123いては温度係数の小さいものを対で用いるなどして温度5）FÅⅠ罠C王iILD社

影響を理論的には無視できる位に小さくした．1〃ひずみ

1982LINEÅR DIVISION PRODUCT6）NationalSemiconductor社

は検出器出力に換算すると，2。1（ゲージ率），12V（ひOperatlon81Ampliぎiers Data Book1993

ずみゲージ。ブリッジ電圧），2000（増幅率）をかけて50，4mVとなる。よって，回路の温度影響は，最も大きい初段の増幅器の数値（検出器出力2mV／J℃）をひずみ量に換算して0．041〝ひずみ／ノ′′℃となり，実際の結果もこれと同じオーダーの数値となった．

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