JP2611955B2 - トルク検出器およびトルク測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ）技術分野 本発明は、トルク検出器およびトルク測定装置に関
し、より詳細には、トルク伝達軸の原動側および負荷側
に各１対設けられた回転部材と固定部材との間に発生す
る位相差をもとにトルク伝達軸に伝達（負荷）されるト
ルクを検出するトルク検出器およびこのトルク検出器を
用いてトルク伝達軸に伝達されるトルクを測定するトル
ク測定装置に関するものである。

（ｂ）従来技術 負荷が連結されるトルク伝達軸の負荷側と、モータや
エンジン等の原動機が連結される原動側との間のトルク
を測定するものとして、負荷側と原動側との間に一体的
に連結されるトルク伝達軸またはトルク検出軸のねじれ
（せん断ひずみ）をひずみゲージによって検出すること
で、上記トルクを測定するトルク測定器があるが、被測
定体が回転体であることから、静止している装置にテレ
メータあるいはスリップリング装置等を用いて、測定デ
ータを伝達するが、スリップリングの回転接触雑音ある
いは誘導雑音による測定精度の低下を避け得なかった。

この欠点を除去するために、トルク伝達軸の上記負荷
側および上記原動側に固定された回転円板の相対位相差
を検出することで、非接触により上記トルクを測定する
ものがすでに提案されている。

例えば、原動側を代表として第14図に示すように、ト
ルク検出軸85の原動側85aに固定されフランジ86に回転
円板87が同軸的に固定され、一方、この回転円板87と同
心的に不動部に固定された固定円板88が近接して配設さ
れる。そして固定円板88および回転円板87の外周縁部に
は、放射状方向に長いスリット87a,88aが等間隔で多数
設けられ、この２つのスリット87a,88aを通して投光器9
0からの光を受光器89で受ける。尚、図示していない
が、トルク検出軸85の図中左方が負荷側で、この負荷側
も同様に構成されているとして、負荷側および原動側85
aの回転円板87のスリット87aの位置を予め一致させてお
き、同様の固定円板88のスリット88aの位置も負荷側と
原動側85aとで一致させておけば（ただし、不一致で
も、その量が既知であればよい）、回転円板87が回転を
始めてしかる後、スリット87aと88aが揃い始めて投光部
90からの光が透過し始め、スリット87aと88aが形成する
開口部が全開になり、これを過ぎて再度小さくなって全
面閉状態になる。そして、回転円板87は回転しているの
で、受光器89では受光量がゼロ→小→大→最大→大→小
→ゼロを繰返すことになる。スリット87a,88aの周回方
向の幅を適切に設定すれば、上記変化は正弦波的にな
り、受光器89からは略正弦波信号が得られる。従って、
原動側85aおよび負荷側での上記正弦波信号の位相を比
較することによって、トルク検出軸85のねじれの程度が
検出できる。つまり、該ねじれが皆無であれば、上記相
対位相差の変化もゼロ、すなわちトルクもゼロと測定さ
れる。

ところが、始動時あるいは停止時等においては、原動
側85が駆動されていても負荷側が動かないので、結局原
動側85aの回転円板87も負荷側の回転円板も回転できな
くなり、上記正弦波信号が得られなくなる。つまり、ト
ルクの測定ができなくなるという問題があった。そし
て、この問題を解決するために、トルク検出軸85の回転
数が所定の値を下回ったならば、固定円板88を、上記原
動軸85を回転させる駆動力とは別の駆動力で一定回転さ
せるということも考えられるが構成や調整が複雑になる
という問題があった。

（ｃ）目的 本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、その目的
とするところは、頗る簡素な構成で、しかもトルク伝達
軸とは非接触状態でスリップリング等の発熱を伴う部材
を用いる必要がなく、トルク伝達軸と一体に回転する回
転板が回転中は勿論のこと、その回転数が著しく低下乃
至は停止した場合でも、確実に且つ容易にトルクの検出
および測定が可能なトルク検出器およびトルク測定装置
を提供することにある。

（ｄ）構成 上述の目的を達成させるために、請求項（１）に記載
の発明は、トルク伝達軸の原動側および負荷側のそれぞ
れに固定され互いに同一形状の第１のスリットを有する
平板体または円筒体よりなる原動側回転部材および負荷
側回転部材と、これら原動側回転部材および負荷側回転
部材に近接して不動部に固定され、互いに同一形状の第
２のスリットを有する平板体または円筒体よりなる原動
側固定部材および負荷側固定部材と、上記原動側の上記
第１のスリットと上記第２のスリットとで形成される相
対開口量および上記負荷側の上記第１のスリットと上記
第２のスリットとで形成される相対開口量をそれぞれ検
出し電気信号に変換する原動側開口量検出器および負荷
側開口量検出器とを備え、上記両開口量検出器の検出出
力の周期的変化から上記両回転部材間の相対位相差を検
出することで上記トルク伝達軸に伝達されるトルクを検
出するトルク検出器において、上記第１および第２のス
リットのうちの一方のスリット形状を、異なる半径の二
つの同心円の間または所定幅の円帯の間を所定の角度で
等分割して形成される扇形状または矩形状とし、この扇
形状スリットまたは矩形状スリットを上記所定の角度間
隔で上記平板体または上記円筒体に複数形成し、上記第
１および第２のスリットのうちの他方のスリットの形状
を、異なる半径の二つの同心円の間または所定幅の円帯
の間を上記所定の角度とは異なる角度で等分割して形成
される扇形状または矩形状とし、この扇形状スリットま
たは矩形状スリットを上記異なる角度で等間隔に上記平
板体または円筒体に複数形成し、上記原動側および上記
負荷側の両固定部材に形成された上記第２のスリットに
対向させて周回方向に等角度間隔で上記原動側開口量検
出器および負荷側開口量検出器を複数個配置し、上記原
動側の上記第１のスリットと上記第２のスリットおよび
上記負荷側の上記第１のスリットと上記第２のスリット
でそれぞれ形成される任意時点の上記相対開口量が、周
回方向に対し順次増加と減少を少なくとも１周期にわた
って繰返す周期的な変化をするように構成したことを特
徴とするものであり、 請求項（２）に記載の発明は、第１および第２のスリ
ットのうちの一方のスリットの形状を、異なる半径の二
つの同心円の間または所定幅の円帯の間を所定の角度で
等分割して形成される扇形状または矩形状とし、この扇
形状スリットまたは矩形状スリットを上記所定の角度間
隔で平板体または円筒体に複数形成し、上記第１および
上記第２のスリットのうちの他方のスリットの形状を、
上記一方のスリットと同一の形状の扇形状または矩形状
とし、この扇形状スリットまたは矩形状スリットを、上
記一方の複数のスリットに対するずれ量が少なくとも１
周期にわたって順次増加乃至減少するように不等角度間
隔で平板体または円筒体に複数形成したことを特徴とす
るものであり、 請求項（３）に記載の発明は、第１および第２のスリ
ットのうちの一方のスリットの形状を、異なる半径の２
つの同心円の間または所定幅の円帯の間を所定の角度で
等分割して形成される扇形状または矩形状とし、この扇
形状スリットまたは矩形状スリットを上記所定の角度お
きに等間隔で複数形成し、上記第１および上記第２のス
リットのうち他方のスリットの形状を、上記扇形または
矩形を対角線で２分割して形成される一方向に向って次
第にその幅を減じる略三角形状および上記一方向に向っ
て次第にその幅を増す略逆三角形状とし、これら略三角
形状スリットおよび略逆三角形状スリットを周回方向に
交互に形成し、原動側固定部材および負荷側固定部材に
形成された第２のスリットの一端と他端の間を半径方向
に複数に略等分割して区画される複数の仮想のトラック
上にそれぞれの該トラックにおける相対開口量を検出し
得るように開口量検出器を配設したことを特徴とするも
のであり、 請求項（４）に記載の発明は、上記原動側の上記回転
部材と上記固定部材の各スリットおよび上記負荷側の上
記回転部材と上記固定部材の各スリットでそれぞれ形成
される任意時点の相対開口量が各スリットの位置に応じ
て順次増加と減少を少なくとも１周期にわたって繰返す
周期的な変化をするように形成された上記スリットに対
向して配設され且つ少なくとも上記１周期分の周期信号
よりなる開口信号群が得られるように所定の位置に複数
配設された複数の上記原動側開口量検出器および上記負
荷側開口量検出器を含む第１および第２の開口信号群発
生部を持ったトルク検出器と、上記第１および第２の開
口信号群発生部からの２つの開口信号群をそれぞれ１つ
ずつ同時に受けそれぞれの内容を一時的に記憶する２組
の一時記憶回路と、この２組の一時記憶回路からの２組
の記憶出力をそれぞれ１組ずつ受け多数の該記憶出力の
うちの１つを所定の順序で且つ所定の時間間隔で順次切
換えて出力する２つの信号切換回路と、この２つの信号
切換回路からの標本化出力をそれぞれ受け時系列のアナ
ログ信号である該標本化出力を補間して滑らかにする２
つの補間回路と、この２つの補間回路からの出力を共に
受けこの二つの信号の位相差を検出して出力する位相比
較回路と、この位相比較回路の出力を受けて上記位相差
をトルクに変換するトルク量変換回路とを具備し、上記
原動側回転部材および上記負荷側回転部材の一方または
双方が静止している状態でも任意の時点でのトルクを測
定し得るように構成したことを特徴とするものである。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて具体的に
説明する。

第１図は、本発明に係るトルク測定装置の全体構成を
示すブロック図である。

第１図において、１〜８はトルク伝達軸の例えば駆動
側（詳しくは後述）にそれぞれ設けられた開口量検出器
としての透過型のフォトセンサで、それぞれアノードが
電源V1に並列接続されてカソードがすべて接地された発
光ダイオード1a〜8aおよびコレクタがすべて電源V2に接
続されて該発光ダイオード1a〜8aからの光を１対１に受
け、それぞれのエミッタより相対開口（後述）に対応し
た光量信号を出力するフォトトランジスタ９〜16より構
成され、上記フォトセンサ１〜８をもって第１の開口信
号群発生部17を構成している。

18はそれぞれのアナログの入力端に上記フォトトラン
ジスタ９〜16のエミッタが接続された８つのサンプルホ
ールド回路SH1〜SH8より成り、デジタルの入力端にそれ
ぞれホールドパルス（P1）を受ける一時記憶回路として
のサンプルホールド部である。

19は上記サンプルホールド回路SH1〜SH8が保持してい
る記憶出力としてのホールド光量信号（A1）〜（A8）を
受けてこのうち１つを選択しサンプリングパルス（P2）
のタイミングに基づいて該選択を所定の順序で順次切換
えて標本化出力としてのサンプル信号（S1）として出力
する信号切換回路としてのアナログマルチプレクサ（以
下、「MPX」と略記する）である。

20はそれぞれ負荷側（詳しくは後述）に配設され、上
記第１の開口信号群発生部17と略同一に構成された第２
の開口信号群発生部、21は上記サンプルホールド部18と
略同一に構成され、上記第２の開口信号群発生部20から
の光量信号を受けるサンプルホールド部、22も同様に上
記MPX19と略同一に構成され、サンプル信号（S2）を出
力するMPXである。

23および24はそれぞれ時系列のアナログ信号であるサ
ンプル信号（S1）、（S2）を受けこれらを時間軸上で補
間して滑らかな波形にした補間化信号（e1）、（e2）を
出力する補間回路としてのローパスフィルタ（以下、
「LPF」と略記する）、25および26はそれぞれ上記補間
化信号（e1）、（e2）を受けこれらが0Vを正方向に超え
たときはＨレベル、負方向に超えたときはＬレベルとな
る位相化信号（E1）、（E2）を出力する、シュミットト
リガ回路等を用いたゼロクロス・コンパレータ（以下、
「CMP」と略記する）である。

27は上記位相化信号（E1）、（E2）をそれぞれ受ける
正進行論理微分回路（以下「正微分回路」と略記する）
28,29より成り、それぞれ該位相化信号（E1）、（E2）
の立上りエッジを検出してこれら両信号間の位相差に対
応するトリガ信号（GT1）、（GT2）を出力する位相比較
回路、30は上記トリガ信号（GT1）、（GT2）を受け、上
記位相に対応するカウントパルス（E0）を出力するカウ
ンタ、31はこのカウントパルス（E0）を受けてこれをト
ルク量に変換するトルク量変換回路、32はこのトルク量
変換回路31からの表示信号（DSP）を受けて上記トルク
量を表示する表示器、33は上記ホールドパルス（P1）お
よびサンプリングパルス（P2）を発生するタイミングジ
ェネレータである。尚、このタイミングジェネレータ33
は、サンプリングパルス（P2）の他にMPX19,22の切換ア
ドレスも出力しているが、図示は省略する。

第２図は、第１図の実施例の一部の構成を示すもの
で、本発明に係るトルク検出器の全体構成を概念的に示
す斜視図である。

第２図において、34はモータあるいは原動機等が連結
されるトルク伝達軸の原動側（以下「原動軸」とい
う）、35は負荷が接続される原動側（以下「負荷軸」と
いう）、36は上記原動軸34と負荷軸35との間に一体的に
連結されたトルク伝達軸としてのトルク検出軸、37は多
数のスリット（第１のスリット）が同心円上に形成され
たスリット部37aを有する回転自在に原動軸に固定され
た平板体よりなる回転部材としてのロータ、38はロータ
37と近接して且つ同心軸に配設されて不動部に固定され
た平板体よりなる固定部材としてのステータである。39
および40も同様に負荷軸側に配設された回転部材として
のロータおよびステータで、ステータは上記スリット
（第１のスリット）とは異なる形状の多数のスリット
（第２のスリット）が同心円上に形成されたスリット部
40aを有している。尚、ロータ39およびステータ38も図
示はしていないが、スリット部37aおよび40aと同一形状
のスリット部を有している。

尚、以下の図面において、上記第１図および第２図と
共通する部位には同一符号を付して説明は省略する。

第３図および第４図は、本発明に係るトルク検出器の
第１実施例の要部である第１および第２スリット部の構
成を模式的に示す模式図および具体的に示す正面図であ
る。

第３図において、41はステータ38のスリット部に設け
られた幅Ｗを有する第２のスリット部としてのスリット
部で、42〜49は、このスリット部41を成し、位置P0〜P8
の間に間隔Lqで等配された開口面積Ｗ×Lpを有する８個
の固定スリットである。50〜58同じく幅Ｗを有し、第１
のスリット部としてロータ37のスリット部37aに設けら
れ、上記位置P0〜P8の間に間隔Lsで等配された開口面積
Ｗ×Lrを有する９個の回転スリットである。59は上記固
定スリット42〜49と回転スリット50〜58がそれぞれ形成
する相対開口を示す相対開口部、60〜67はこの相対開口
部59を成す相対開口である。そして、フォトセンサ１〜
８は固定スリット42〜49と同じ位置に一対一に配設され
ている。従って、相対開口部59をパルス信号波形として
見たとき、各相対開口60〜67のパルス幅を振幅に変換し
たものがホールド光量信号（A1）〜（A8）に対応する。
尚、位置P8はP0に等しい。また、この例ではLp＝Lq、Lr
＝Lsとする。

次に、第４図の構成であるが、上述のように第３図を
具体化したものなので、第３図との対応関係のみを説明
する。第４図において、θ０はP0およびP8に対応し、θ
ｐおよびθｑがLpおよびLqに対応し、θｒおよびθｓが
LrおよびLsに対応している。尚、スリット部37a,41が図
面上重なっていて説明しにくいので、スリット部37a,41
の外周側に示す円弧状の矢印で固定スリット42〜49の位
置（開口範囲）を示し、内周側の矢印で回転スリット50
〜58の位置（開口範囲）を示す。また、フォトセンサ１
〜８は、半径方向のスリット部41が設けられた開口予定
位置上の周回方向に固定スリット42〜48と同じ位置に配
設されている。

つまり、上述の相対開口部59で示すようにロータ37が
ステータ38に対していかなる角度でも相対開口60〜67の
それぞれの開口面積が、周回方向に周期的に変化するよ
うに構成されている。

第５図および第６図は、本発明に係るトルク検出器の
第２実施例の構成を模式的に示す模式図および具体的に
示す正面図である。

第５図において、68はステータ38のスリット部に設け
られた幅Ｈを有する第２のスリット部としてのスリット
部で、位置P9〜P10の間に間隔Lbで等配された開口面積
Ｈ×Laを有する８個の固定スリットより成る。69は幅Ｈ
を有する第１のスリット部としてロータ37のスリット部
37aに設けられたスリット部で、開口面積Ｈ×Lcを有す
る８個の回転スリットが、上記各固定スリットを基準に
それぞれ間隔L1,L2,L3,L4,L5,L6、L7（但し、L1＝L7＜L
2＝L6＜L3＝L5＜L4）ずつずらして配設されて成る。70
は上記スリット部68と69の各スリットが形成する相対開
口部である。また、フォトセンサ１〜８はスリット部68
の各固定スリットと同じ位置に１対１に配設されてい
る。尚、この列においては、La＝Lb＝Lcとする。また、
P9はP10に等しい。

第６図において、θ０はP9およびP10に対応し、θａ
およびθｂはLaおよびLbに対応し、θｃはLcに対応し、
L1〜L7はθ１〜θ７はL1〜L7に対応している。従って、
θａ＝θｂ＝θｃであり、θ１＝θ７、θ２＝θ６、θ
３＝θ５（θ１＜θ２＜３＜θ４）である。

尚、この実施例においても、周回方向に対して相対開
口部70の各相対開口の開口面積が周期的に変化するよう
に構成され、作用として先の実施例と同等なので、詳し
い説明は省略する。

また、上述のトルク検出器の２つの実施例では、原動
軸34側の構成しか説明しなかったが、負荷軸35側も、そ
れぞれ同様に構成されているものとする。

第７図〜第10図は、本発明に係るトルク検出器の第３
実施例を示す正面図で、第７図および第８図は、それぞ
れ固定スリットおよび回転スリットの形状を一部省略し
て示し、第９図は、上記固定スリットおよび上記回転ス
リットが組合わされたときの代表的な状態を示し、第10
図は、上記フォトセンサの配置を示している。

第７図において、71はステータ38のスリット部に設け
られたスリット部で二つの異なる半径、即ち第１の半径
Raと、これより大きい第２の半径Rbとよりなる二つの同
心円の間（幅W1）を周回方向に所定の角度τａで等分割
（８の整数倍）して形成される扇形状を呈する複数の固
定スリットより成る。72,72aは上記スリット部71を構成
する１つの固定スリットを代表として示し、角度τｂ
（τａ＝τｂ）と幅W1から決まる開口面積を有してい
る。73は上記角度τａと幅W1とで規定される遮光部であ
る。

第８図において、74はロータ37のスリット部37aに設
けられたスリット部で、各スリットの形状を、異なる半
径、半径Rcと半径Rb（Rc＜Rd）の同心円の間を所定の角
度τｃで等分割して形成される扇形を対角線で２分割し
て形成される放射方向に向って次第にその幅を減じる略
三角形状および上記放射方向に向って次第にその幅を増
す略逆三角形状とし、これら略三角形状スリット79およ
び略逆三角形状スリット78を周回方向に交互に形成して
ある。図示の実施例では、扇形を２分割する対角線を直
線ではなく、若干湾曲させた曲線状に形成してある。
尚、75,76,77は、周回方向に上記周回方向に上記固定ス
リット72と同一個数等配され、このスリット部74の一部
を構成する３組の回転スリットである。尚、この例にお
いては、τａ＝τｂ＝τｃ、Ra＝Rc、Rb＝Rdとする。従
って、W1＝W2である。

第９図において、TR1〜TR5は略逆三角形状スリット78
の幅W1を半径方向に５等分したトラック、80〜84はそれ
ぞれこのトラックTR1〜TR5上の開口面積である。尚、説
明を煩雑にしないために、回転スリット76を代表として
示し、さらに、扇形状のスリット部71,74を直線の帯状
に変換して示してある。そして、同図では、固定スリッ
ト72上に略逆三角形状スリット78が合致して該略逆三角
形状スリット78そのものの開口面積が相対開口を形成
し、略三角形状スリット79は遮光部73にすべて閉ざされ
ている状態を示しているが、この状態のとき、固定スリ
ット72の隣接する固定スリット72aにも上記略逆三角形
状スリット78を開口面積とする相対開口が形成されてい
る。つまり、スリット部71のすべての固定スリット上で
同じ形状（面積）の相対開口が形成されるように構成さ
れている。

第10図において、１〜８は第１図で説明したフォトセ
ンサで、例えば紙面の裏側に発光ダイオード1a〜8aが配
置され、ロータ37およびステータ38を挟むように対向し
て紙面表側にフォトトランジスタ９〜16が配置されてい
る。さらに平面上の配置は、各トラックTR1〜TR5上に、
反時計方向に順次フォトセンサ１〜５が45゜ずつずれて
配置され、さらにフォトセンサ６〜８は、再びトラック
TR4〜TR2上に45゜ずつずれて配置されている。

すなわち、スリット部71の各固定スリット（72,72a
等）は、Ｎを整数とすると、８×Ｎ個で構成されている
ので、例えば、固定スリット72にフォトセンサ１を合せ
たとすれば、他のフォトセンサ２〜８も他のスリット
（図示せず）に必然的に合致し、さらに上述のように、
各固定スリット上の相対開口全周にわたって、すべて略
同一なので、周回方向の配置が45゜ずつずれていても任
意の放射線上に一直線に配置した場合と等価である。

尚、上述の説明は、原動軸34側のステータ38、ロータ
37についての説明であったが、負荷軸35側のロータ39、
ステータ40についても同様に構成されているものとす
る。

第11図は、第１図に示す実施例の動作を説明するため
のタイミングチャートである。

第12図および第13図は、本発明の根拠となる理論を説
明するための説明図である。

第12図および第13図において、Ωは第１図に示したMP
X19、22の切換速度（サンプリング速度）を示す角速
度、ωはロータの回転速度を示す角速度、θ１は例えば
原動軸34側のロータ37とステータ38との初期位相差、θ
２は負荷軸35側のロータ39とステータ40との初期位相
差、ｔは時間である。尚、Ω，ω，θ1,θ２の単位はす
べてラジアンである。また、第１図のt1〜t9をサンプリ
ング周期Ｔとし、1/T＝φとすれば、Ω＝２πφであ
り、ロータの回転周波数をｆとすれば、ω＝２πｆの関
係がある。

このように構成された本実施例の動作を説明する。ま
ず、第１図に示す実施例の動作を説明するに先立って、
各トルク検出器と開口信号群発生部17との関係について
述べる。

第４図および第６図のトルク検出器では、ロータ37が
回転しているとき、すなわちスリット部37aおよび69の
回転スリット50〜58（およびθｃを付した矢印に対応）
が、反時計方向に回転しているときには、１つのフォト
センサ（例えばフォトセンサ１）の出力変化に着目する
と、横軸が時間であるパルス波形として見た相対開口部
59および70で示す減少と増加を周期的に繰返す周期信号
（波形）が得られ、さらにフォトセンサ２〜８に関して
は、上記周期信号が逐次所定の時間ずつ遅れた出力波形
群がそれぞれフォトセンサ２〜８で得られる。そして、
フォトセンサ８の出力は、フォトセンサ１の出力を基準
にして約１周期分遅れている。

すなわち、フォトセンサ１〜８からのそれぞれの出力
で開口信号群を構成している。

また、ロータ37が停止している場合は、第４図および
第６図に示す角度で停止したとして、上述のようにそれ
ぞれのフォトセンサ１〜８から相対開口60〜67に対応す
る出力が得られる。つまり、フォトセンサ１（詳しくは
フォトトランジスタ９）の出力が最大で、順次減少し、
フォトセンサ５の出力が最小となり、フォトセンサ６か
ら再び順次出力が増加し、フォトセンサ16の出力がフォ
トセンサ２の出力と略等しくなるような周期信号（波
形）が得られる。そして、この周期波形を時間軸上に配
列（後述）すると、上記開口信号群に対応する時系列信
号が得られる。この周期波形の周期性は、ロータ37の停
止位置（ステータ38に対する角度）に関係なく保持され
る。

次に、第７図〜第８図に示すトルク検出器について述
べる。ロータ37すなわちスリット部74が回転していると
き、例えばトラックTR1すなわちフォトセンサ１に着目
すると、増加と減少を繰返す周期信号（波形）が得ら
れ、トラックTR2〜TR5においては、該周期信号が順次所
定時間ずつ遅れた出力波形が得られる。ただし、フォト
センサ２と８、フォトセンサ３と７、フォトセンサ４と
６のペアからはそれぞれ時間的にズレのないペアの出力
が得られる。つまり、擬似的な開口信号群が得られるの
である。

さて、スリット部74が停止したとき、第９図に示すよ
うな位置で停止したとすると、フォトセンサ１〜５はそ
れぞれ開口面積80〜84に対応して最大から最小の出力が
得られ、さらにフォトセンサ６〜８は開口面積83,82,81
を検出するから、結局、フォトセンサ１で最大となり、
これより順次減少してフォトセンサ５で最小になり、こ
れより再び増加してフォトセンサ８はフォトセンサ２の
出力と略同一となって増加と減少を周期的に繰返す周期
波形が擬似的に得られる。そして、上記同様に時間的に
配列し直すと開口信号群に対応する時系列信号が得られ
る。また、この周期波形の周期性は、ロータ37の停止位
置に関係なく保持される。

さて、第２図に示すように原動軸34、トルク検出軸3
6、負荷軸35が共に矢印の方向に回転し、しかも、トル
ク検出軸36にねじれが発生しているとする。そして、原
動軸34側のステータ38とロータ37のスリットの位置関係
がそれぞれのトルク検出器において、第４図、第６図お
よび第９図に示す状態にあるとし、負荷軸35側のロータ
39とステータ40のスリットの位置関係は上記ねじれの分
だけロータ37よりもロータ39の方が位相が遅れている
（回転角が少ない）とする。

つまり、便宜的には、第３図および第４図において、
相対開口66,67にフォトセンサ1,2が対応し、相対開口60
〜65にフォトセンサ３〜８が対応しているような状態と
考えればよい。もちろん第５図、第６図に対しても同様
である。以下、この状態のことを「遅れた位置関係」と
いう。

また、第９図においては、回転スリット76が図中左方
に少し移動し、略逆三角形状スリット78と略三角形状ス
リット79との両開口が固定スリット72と相対開口を形成
している状態に対応する。

尚、以下の動作説明は、第３図および第４図のトルク
検出器を代表として述べる。

また、ホールドパルス（P1）がサンプルホールド部1
8,21に印加される時点t1,t9,t17は、ロータ37,39の回転
に対してまったく任意であるが、説明の都合上、ロータ
37とステータ38のスリットが第４図の関係になった時、
第１回目のホールドパルス（P1）が時点t1で出力される
ものと仮定する。従って、上述したように、フォトトラ
ンジスタ９〜16から出力される光量信号は、フォトトラ
ンジスタ９からのものが最大で、以下、徐々に減少し、
フォトトランジスタ13からのものが最小となり、フォト
トランジスタ14から再び増加する。これらを時点t1にて
サンプルホールド回路SH1〜SH8がホールドし、ホールド
光量信号（A1）〜（A8）として出力する。そして、タイ
ミングジェネレータ33は、時点t1〜t9までのサンプリン
グ周期Ｔの間に時点t1〜t8までの８個のサンプリングパ
ルス（P2）を順次出力する。これを受けたMPX19は、第1
1図に示すように時点t1〜t8の間にサンプル信号（S1）
を出力する。つまり、第11図の時点t1におけるサンプル
信号（S1）はその振幅が最大となり、以下、時点t2〜t5
のサンプル信号（S1）も徐々にその振幅を減少し、時点
t6〜t8では再びサンプル信号（S1）の振幅は増加する。

一方、負荷軸35側からのサンプル信号（S2）も、第２
の信号発生部20およびサンプルホールド部21を介してMP
X22より出力される。すなわち、サンプル信号（S2）
は、第11図に示すように、トルク検出軸36に発生するね
じれ（トルクに対応している）の分遅れることのみ相違
するが、サンプル信号（S1）と同様に生成され、時点t1
から増加して時点t3で最大となり、時点t7で最小となっ
て時点t8から再び増大するような変化を示す。

これらのサンプル信号（S1）、（S2）は、それぞれLP
F23,24にて補間され、直流分が除去されて滑らかな正弦
波状の補間化信号（e1）、（e2）として出力される。こ
れらの信号（e1），（e2）から位相成分を検出するため
に、まず、CMP25,26は、それぞれ補間化信号（e1），
（e2）が0Vを上回るとＨレベル、下回るとＬレベルとな
る位相化信号（E1）、（E2）を出力する。すなわち、補
間化信号（e1）を代表として説明すると、時点t3にてＬ
レベル、時点t7にてＨレベル、時点t11にて再びＬレベ
ルとなる位相化信号（E1）を出力する。この位相化信号
（E1），（E2）を受ける正微分回路28,29は、それぞれ
時点t7および時点t1,t9にて該位相化信号（E1）、（E
2）の立上りエッジを検出してトリガ信号（GT1）および
（GT2）を出力する。カウンタ30はトリガ信号（GT1）を
受けた時点t7からカウントを開始してカウントパルス
（E0）を出力し、トリガ信号（GT2）を受けた時点t9で
このカウントを停止する。すなわち、サンプル信号（S
1）と（S2）との相対位相差が得られたのである。そし
て、このカウントパルス（E0）を受けたトルク量変換回
路31が上記位相差に対応するカウントパルス（E0）のカ
ウント数をトルク量に変換し、これを表示信号（DSP）
として出力し、表示器32に上記トルク量を表示させる。

上述の説明は、ロータ39,37の回転・静止の別を明示
しなかったが、いずれの場合も同様である。すなわち、
静止している場合は、原動軸34側のロータ37とステータ
38のスリットの位置関係が第４図に示すようになってお
り、負荷軸35側のロータ39とステータ40のスリットの位
置関係が上記遅れた位置関係になっており、トルク検出
軸36のねじれが変化しない時間内では、第４図の状態と
該遅れた位置関係の状態が保持されている。そして、ロ
ータ39,37が回転している場合は、第４図の状態と上記
遅れた位置関係の状態が所定周期で瞬時のみ現われるの
であるが、サンプルホールド部18,21は、ロータの回転
角速度より高い繰返しホールドパルス（P1）によって時
点t1の瞬時の状態を記憶（ホールド）するので、ロータ
39,37の回転の影響を受けない。すなわち、ロータ39,37
の回転・静止に関係なくトルク測定が可能なのである。

次に、第12図および第13図によって定量的な説明を行
う。サンプリングパルス（P2）およびロータ37,39の回
転数の２つの変数をそれぞれ搬送波および変調波に対応
させると、位相変調に対応するので、補間化信号（e
1）、（e2）は、k1,k2を比例定数とすると、それぞれ、
次の（１），（２）式のように表わせる。

e1＝k1・cos｛Ωｔ＋θ１・cosωｔ｝ ……（１） e2＝k2・cos｛Ωｔ＋θ２・cosωｔ｝ ……（２） 尚、以下の記述において比例定数k1,k2は省略する。
ロータ37,39が静止しているときはω＝０であるから、
（１）式および（２）式は、次の（３），（４）式のよ
うになる。

e1＝cos（Ωｔ＋θ１） ……（３） e2＝cos（Ωｔ＋θ２） ……（４） ここで、Ed＝e1−e2とおくと、 ただし、 α＝tan^-1｛（sinθ２−sinθ１）／（cosθ１ −cosθ２）｝ ……（６） 尚、ここで、θ1,θ２≪１とすれば、cosθ≒θ、sin
θ≒θであるから（５）式は、（７）式のように表わす
ことができる。

すなわち、原動軸34側のロータ37とステータ38との初
期位相θ１と、負荷軸35側のロータ39とステータ40との
初期位置θ２とから、（７）式第１項に示す（θ１−θ
２）が相対位相差として求まることがわかる。尚、第２
項のcos（Ω＋α）は上記相対位相差（θ１−θ２）が
サンプリング周期Ｔと同じ周期で周期的に繰返し現われ
ることを示している。つまり、第11図に対応させると、
カウントパルス（E0）が上記Edに対応する。

次に、ロータ37,39が回転している場合について述べ
る。この場合は、ω≠０であるから、（１）式、（２）
式をそれぞれベッセル函数で展開して、 e1≒cosΩｔ＋（θ1/2）cos｛（Ω＋ω）ｔ＋ （π/2）｝＋（θ1/2）cos｛（Ω−ω）ｔ＋ （π/2）｝ ……（８） e2≒cosΩｔ＋（θ2/2）cos｛（Ω＋ω）ｔ＋ （π/2）｝＋（θ2/2）cos｛（Ω−ω）ｔ＋ （π/2）｝ ……（９） Ed＝e1−e2より Ed＝−｛（θ１−θ２）/2｝｛sin（Ω＋ω）ｔ ＋sin（Ω−ω）ｔ｝ ……（10） ここで、Ω≫ωとすれば、 Ed＝−（θ１−θ２）sinΩｔ ……（11） となる。

すなわち、静止の場合と同様に相対位相差（θ１−θ
２）がサンプリング周期Ｔを周期として繰返し現われ
る。

このように、本実施例によれば、原動軸34および負荷
軸35にそれぞれロータ37とステータ38およびロータ39と
ステータ40を設け、それぞれのロータ37,39とステータ3
8,40とにそれぞれスリット部37aと40またはスリット部6
9と68またはスリット部74と71を設け、相対開口59およ
び70で示すように、周回方向に相対開口60〜67の開口量
が周期的に変化し、これに対応する開口信号群が得られ
るトルク検出器あるいは半径方向のトラックTR1〜TR5で
順次変化する開口面積80〜84とフォトセンサ１〜８との
組合せで擬似的な開口信号群が得られるトルク検出器を
用い、それぞれの開口信号群を光量信号として検出し、
これをサンプルホールド部18,21でホールドし、MPX19,2
2によって時系列のアナログ信号であるサンプル信号（S
1）、（S2）として出力し、このサンプル信号（S1）、
（S2）の位相差からロータ37と39の相対位相差を求める
ことで、トルク検出軸36のトルクを測定するように構成
したから、ロータ37,39の回転・静止にかかわりなくト
ルクを測定することができるという利点がある。

また、従来のようにロータ37,38が静止していると
き、ステータ38,40を回転させる必要がないので構成が
頗る簡略になるという利点がある。

尚、本発明は、上述の実施例に限定されることなく、
その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施ができる
ものである。

例えば、フォトセンサ１〜８は、透過型のものに限る
ことなく、発光ダイオード1a〜8aと同じ側にフォトトラ
ンジスタ９〜16を配設した、いわゆる反射型を用いても
よい。この場合、各スリットは、同形状の反射面に形成
すればよい。

また、上述した実施例においては、原動側回転部材、
負荷側回転部材、原動側固定部材および負荷側固定部材
として、円板状の平板体を用いているが、薄肉円筒状の
円筒体を用いてもよい。このような円筒体を用いた場
合、スリットの形状は、第３図および第４図に示すよう
に、所定幅（円筒体の円筒部の幅よりも小さい幅）の円
帯の間を所定の角度で等分割して形成される矩形状と
し、この矩形状スリットを上記所定の角度間隔で上記円
筒体に複数形成することになる。そして、この場合の固
定スリットと回転スリットの関係は、第４図および第６
図に示した実施例と同様に設定すればよい。

また、第８図に示す実施例の円板状の回転部材（ロー
タ）を円筒状の円筒体に置き換える場合のスリットの形
状として、固定スリットは矩形状とし、回転スリット
は、矩形を対角線で２分割して形成される一方向に向っ
て次第にその幅を減じる三角形状および一方向に向って
次第にその幅を増す逆三角形状とし、これら三角形状ス
リットおよび逆三角形状スリットを円筒体の周回方向に
交互に形成すればよい。

また、スリット部74の各回転スリット75〜77は、第８
図に示す略三角形状および略逆三角形状に限ることな
く、径方向に周期性を有する変化が発生する形状に形成
されているならば、他の形状でもよい。

また、フォトセンサ１〜８の平面上の配置は、第10図
に示すように45゜ずつずらすことなく、フォトセンサ１
〜８の大きさ等の問題がなければ、任意の１つのスリッ
ト上に一直線に配置してもよい。

また、トラックTR1〜TR5は５分割に限ることなく、分
解能と動作速度および配設スペース等のかねあいで決め
るならば、その分割数を増減してもよい。

また、CMP25,26は0Vを基準にするに限らず、補間化信
号（e1）、（e2）の最大振幅を超えない範囲内で任意の
電圧を基準にしてもよい。

また、第１のスリットとしてのスリット部37a,69,74
をロータ37（および39）に、第２のスリットとしてのス
リット部41,68,71をステータ38（および40）に設けるに
限らず、それぞれロータ37に第２のスリットを設け、ス
テータ38に第１のスリットを設けるようにしてもよい。

また、スリット部41,68のそれぞれの固定スリット42
〜49の数は、説明をしやすくするために８個としたが、
８個に限ることなく、トルクの負荷によってトルク伝達
軸が、ねじれるねじれ角を考慮して適宜増減すればよ
い。例えば、ねじれ角が３゜であれば、120本のスリッ
トを形成すれば、必要充分な分解能が得られることにな
る。また、第１実施例（第３図、第４図）のトルク検出
器において、回転側のスリット部37と固定側のスリット
部41のスリット数の関係は、１サンプリングで１周期の
開口信号群を得るには、スリット数の差が１であればよ
く、２周期分の開口信号群を得るには、スリット数の差
が２であればよい。また、スリット部41と37aの幅Ｗお
よびスリット部68と69の幅Ｈはそれぞれ等しくなくても
よい。

また、第４図および第６図のトルク検出器において、
固定スリット42〜49および回転スリット50〜58の数が百
数十個に及ぶ多数のとき、フォトセンサ１〜８は、固定
スリット42〜49に１対１に対応するに限らず、測定精度
の低下が問題にならないならば、等配の条件が保持され
ている限り実施例に示した８個でもよい。この場合、１
つのフォトセンサは、複数のスリットからの光量を受け
るが、フォトセンサの大きさが、それ程大きくない限
り、光量が平均化されるだけであるので、検出精度の低
下は生じない。

（ｅ）効果 以上、詳述したように請求項（１）〜（３）に記載の
発明によれば、回転するトルク伝達軸側から検出信号を
取り出すために、発熱を伴うスリップリングや高価なテ
レメータ等を用いる必要がなく、従って発熱や、回転接
触雑音および誘導雑音に伴う検出精度への影響がなく、
安価に且つ簡素に構成でき、トルク伝達軸と一体に回転
する回転板が回転中は勿論のこと、その回転数が著しく
低下乃至は停止した場合でも、従来装置のように固定板
を回転駆動することなく確実に且つ容易にトルクを検出
することができ、また、請求項（４）に記載の発明によ
れば、上記特徴を有するトルク検出器を用いて、トルク
伝達軸の回転・静止の別なく、確実且つ容易にトルク測
定を行い得るトルク測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、請求項（１）に記載の発明に係るトルク測定
装置の一実施例の全体構成を示すブロック図、第２図
は、第１図に示す実施例に用いられるトルク検出器の全
体構成を概念的に示す斜視図、第３図および第４図は、
それぞれ請求項（１）に記載の発明に係るトルク検出器
の要部である第１および第２のスリット部の構成を模式
的に示す模式図および具体的に示す正面図、第５図およ
び第６図は、それぞれ請求項（２）に記載の発明に係る
実施例の構成を模式的に示す模式図および具体的に示す
正面図、第７図〜第10図は、いずれも請求項（３）に記
載の発明に係るトルク検出器の実施例を示す正面図で、
第７図および第８図は、それぞれ固定スリットおよび回
転スリットの形状を一部省略して示し、第９図は、上記
固定スリットおよび回転スリットが重合されたときの相
対開口の代表的な状態を示し、第10図は、フォトセンサ
の配置を示したものであり、第11図は、第１図に示す実
施例の動作を説明するためのタイミングチャート、第12
図および第13図は、本発明の根拠となる理論を説明する
ための説明図、第14図は、従来例を示す一部破断の側面
図である。 １〜８……フォトセンサ、 1a〜8a……発光ダイオード、 ９〜16……フォトトランジスタ、 17……第１の開口信号群発生部、 18,21……サンプルホールド部、 SH1〜SH8……サンプルホールド回路、 19,22……アナログマルチプレクサ（MPX）、 20……第２の開口信号群発生部、 23,24……ローパスフイルタ（LPF）、 25,26……ゼロクロスコンパレータ（CMP）、 27……位相比較回路、 28,29……正進行論理微分回路、（正微分回路）、 30……カウンタ、 31……トルク量変換回路、 32……表示器、 33……タイミングジェネレータ、 34……原動軸、35……負荷軸、 36……トルク検出軸、 37,39……ロータ、 38,40……ステータ、 37a,40a,41,68,69,71,74……スリット部、 42〜49,72,72a……固定スリット、 50〜58,75〜77……回転スリット、 59,70……相対開口部、 73……遮光部、 78……略逆三角形状スリット、 79……略三角形状スリット、 TR1〜TR5……トラック。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トルク伝達軸の原動側および負荷側のそれ
   ぞれに固定され互いに同一形状の第１のスリットを有す
   る平板体または円筒体よりなる原動側回転部材および負
   荷側回転部材と、これら原動側回転部材および負荷側回
   転部材に近接して不動部に固定され、互いに同一形状の
   第２のスリットを有する平板体または円筒体よりなる原
   動側固定部材および負荷側固定部材と、上記原動側の上
   記第１のスリットと上記第２のスリットとで形成される
   相対開口量および上記負荷側の上記第１のスリットと上
   記第２のスリットとで形成される相対開口量をそれぞれ
   検出し電気信号に変換する原動側開口量検出器および負
   荷側開口量検出器とを備え、上記両開口量検出器の検出
   出力の周期的変化から上記両回転部材間の相対位相差を
   検出することで上記トルク伝達軸に伝達されるトルクを
   検出するトルク検出器において、上記第１および第２の
   スリットのうちの一方のスリット形状を、異なる半径の
   二つの同心円の間または所定幅の円帯の間を所定の角度
   で等分割して形成される扇形状または矩形状とし、この
   扇形状スリットまたは矩形状スリットを上記所定の角度
   間隔で上記平板体または上記円筒体に複数形成し、上記
   第１および第２のスリットのうちの他方のスリットの形
   状を、異なる半径の二つの同心円の間または所定幅の円
   帯の間を上記所定の角度とは異なる角度で等分割して形
   成される扇形状または矩形状とし、この扇形状スリット
   または矩形状スリットを上記異なる角度で等間隔に上記
   平板体または円筒体に複数形成し、上記原動側および上
   記負荷側の両固定部材に形成された上記第２のスリット
   に対向させて周回方向に等角度間隔で上記原動側開口量
   検出器および負荷側開口量検出器を複数個配置し、上記
   原動側の上記第１のスリットと上記第２のスリットおよ
   び上記負荷側の上記第１のスリットと上記第２のスリッ
   トでそれぞれ形成される任意時点の上記相対開口量が、
   周回方向に対し順次増加と減少を少なくとも１周期にわ
   たって繰返す周期的な変化をするように構成したことを
   特徴とするトルク検出器。
2. 【請求項２】請求項１に記載のトルク検出器において、
   第１および第２のスリットのうちの一方のスリットの形
   状を、異なる半径の二つの同心円の間または所定幅の円
   帯の間を所定の角度で等分割して形成される扇形状また
   は矩形状とし、この扇形状スリットまたは矩形状スリッ
   トを上記所定の角度間隔で平板体または円筒体に複数形
   成し、上記第１および上記第２のスリットのうちの他方
   のスリットの形状を、上記一方のスリットと略同一の形
   状の扇形状または矩形状とし、この扇形状スリットまた
   は矩形状スリットを、上記一方の複数のスリットに対す
   るずれ量が少なくとも１周期にわたって順次増加乃至減
   少するように不等角度間隔で平板体または円筒体に複数
   形成したことを特徴とするトルク検出器。
3. 【請求項３】請求項１に記載のトルク検出器において、
   第１および第２のスリットのうちの一方のスリットの形
   状を、異なる半径の２つの同心円の間または所定幅の円
   帯の間を所定の角度で等分割して形成される扇形状また
   は矩形状とし、この扇形状スリットまたは矩形状スリッ
   トを上記所定の角度おきに等間隔で複数形成し、上記第
   １および上記第２のスリットのうち他方のスリットの形
   状を、上記扇形または矩形を対角線で２分割して形成さ
   れる一方向に向って次第にその幅を減じる略三角形状お
   よび上記一方向に向って次第にその幅を増す略逆三角形
   状とし、これら略三角形状スリットおよび略逆三角形状
   スリットを周回方向に交互に形成し、原動側固定部材お
   よび負荷側固定部材に形成された第２のスリットの一端
   と他端の間を半径方向に複数に略等分割して区画される
   複数の仮想のトラック上にそれぞれの該トラックにおけ
   る相対開口量を検出し得るように開口量検出器を配設し
   たことを特徴とするトルク検出器。
4. 【請求項４】トルク伝達軸の原動側および負荷側にそれ
   ぞれ固定された原動側回転部材および負荷側回転部材の
   各スリットと、上記原動側回転部材および上記負荷側回
   転部材にそれぞれ近接して不動部に固定された原動側固
   定部材と負荷側固定部材の各スリットとによってそれぞ
   れ形成される相対開口量の変化を複数の原動側開口量検
   出器および負荷側開口量検出器で検出し、該両開口量検
   出器からそれぞれ出力される検出出力の周期信号の位相
   を比較してその位相差から上記伝達軸に加わるトルクを
   測定するトルク測定装置において、上記原動側の上記回
   転部材と上記固定部材の各スリットおよび上記負荷側の
   上記回転部材と上記固定部材の各スリットでそれぞれ形
   成される任意時点の相対開口量が各スリットの位置に応
   じて順次増加と減少を少なくとも１周期にわたって繰返
   す周期的な変化をするように形成された上記スリットに
   対向して配設され且つ少なくとも上記１周期分の周期信
   号よりなる開口信号群が得られるように所定の位置に複
   数配設された複数の上記原動側開口量検出器および上記
   負荷側開口量検出器を含む第１および第２の開口信号群
   発生部を持ったトルク検出器と、上記第１および第２の
   開口信号群発生部からの２つの開口信号群をそれぞれ１
   つずつ同時に受けそれぞれの内容を一時的に記憶する２
   組の一時記憶回路と、この２組の一時記憶回路からの２
   組の記憶出力をそれぞれ１組ずつ受け多数の該記憶出力
   のうちの１つを所定の順序で且つ所定の時間間隔で順次
   切換えて出力する２つの信号切換回路と、この２つの信
   号切換回路からの標本化出力をそれぞれ受け時系列のア
   ナログ信号である該標本化出力を補間して滑らかにする
   ２つの補間回路と、この２つの補間回路からの出力を共
   に受けこの二つの信号の位相差を検出して出力する位相
   比較回路と、この位相比較回路の出力を受けて上記位相
   差をトルクに変換するトルク量変換回路とを具備し、上
   記原動側回転部材および上記負荷側回転部材の一方また
   は双方が静止している状態でも任意の時点でのトルクを
   測定し得るように構成したことを特徴とするトルク測定
   装置。