JPH11295106A - 弾性カップリング用トルクセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フック特性のある弾性カップリングを対象と
し、回転体側の変位検出発信手段を当該カップリングの
外部に容易に取り付け可能の構成とし、上記変位検出発
信手段は低コストの器材により構成するようにし、検出
変位自体が容易に表示可能のパルス式表現形式可能の弾
性カップリング用トルクセンサを提供する。 【構成】 変位検出発信手段２６と演算表示部２７とよ
りなり、変位検出発信手段２６により検出した検出信号
を演算表示部２７に入力して、当該回転系のトルク及び
伝達軸動力を演算表示する構成にし、変位検出発信手段
２６は、変位目盛り１５と、変位指示線１６と、目盛り
を読み込む光センサ１７、１８と、前記変位目盛り１５
を拡大する円柱状レンズ１９とより構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、負荷に応じて変形
する弾性部材を介して結合されたフック特性のある弾性
カップリング（以後弾性カップリングという）のトルク
センサに関し、特に該カップリングの負荷時における変
位検出発信手段を当該カップリングを解体することなく
目盛板や指標を外部に容易に取り付け可能の構造とし
た、弾性カップリング用トルクセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から使用されているトルク検出器
は、機械式、磁歪式、可変抵抗式、可変インダクタンス
式、光学式等はそれぞれの得失を持つものが開発且つ使
用されており、大部分は計測専用機として計画され、例
えば使用時には動力伝達軸間に設置される構成にしてあ
る。その殆どは回転体側の信号発信装置は後から取り付
けられるような簡単なものでなく複雑であり、それらを
使用しての計測に当たっては原動側、従動側の左右両軸
の間に前記検出器を挿入介在させる構造のため、原動
側、従動側の関連器材の取り付けないし据え付け位置の
変更を余儀なくさせられる場合もあり、据え付け面積の
拡大もある。

【０００３】また、従来のトルク検出器は上記のように
動力軸の軸間に介在させるため、その使用に当たって
は、トルク容量と回転数とを適当に選定する必要があ
る。即ち、回転機の公称トルクはわかっているが、変動
トルクの大きさは未知の場合が多く、トルク検出器の機
種の選定は結局推定に頼らざるを得ないものであり、こ
れを誤るとトルク検出器の損傷ないし再生不能の事態を
招来するものである。 また、取り付けに当たっては動
力軸の軸間に介在させるため、使用回転数が大きい場合
は検出器の軸受けの潤滑方法や軸の共振、それに伴うカ
ップリングの種類と重量の選定等種々煩雑な問題が介在
する。

【０００４】即ち、二軸を結合するカップリングはカッ
プリングそのものであり、トルクセンサは計測専用のセ
ンサであり、また、カップリングにトルクセンサの機能
を持たせた場合にはカップリングであるが、トルクセン
サでもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
に鑑みなされたもので、フック特性を有する弾性カップ
リングを基本的に改造、加工を行うことなく単に目盛り
板を貼りつけるとか、それらの目盛りを刻み込み、これ
らに非接触性のセンサ側で回転時の偏位角、トルク、伝
達動力の計測の行われる機能を有する弾性カップリング
用トルクセンサの提供を目的とする。

【０００６】原動側の回転機と従動側負荷を結合するカ
ップリングには、少なくとも従動側にトルク発生の場
合、その歪みである偏位角（「ずれ」）が少なくとも原
動側継手であるカップリングに接して集約発生するもの
で、例えば弾性カップリングをその対象とする。また、
トルク検出の対象は、トルク発生に起因する原動側と従
動側とのカップリング表面に直接表れる「ずれ」である
偏位角を検出するようにしたものである。

【０００７】また、上記カップリングはフック特性のあ
る弾性カップリングとする。

【０００８】また、回転体側の変位検出発信手段を当該
カップリングの外部に容易に取り付け可能の構成とし、
上記変位検出発信手段は低コストの器材により構成する
ようにしたもので、検出変位自体が容易に表示可能のパ
ルス式表現形式可能の構成としたものである。

【０００９】次に本願の負荷の加えられた二軸の相対偏
位角を計測する第１方法では、回転体に設けられた目盛
数を受光素子で直接読み取る方法であり、第２の方法で
は、偏位角の角度内で周波数逓倍回路と逓倍した光源の
発するパルス数を受光素子で読取り分解能を高めて高精
度の測定を行うものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そのために、本発明の弾
性カップリング用トルクセンサは、弾性結合するカップ
リングの相対位置の変位角を検出し、トルクと伝達軸動
力を演算表示するトルクセンサにおいて、無負荷時の原
動側カップリングに零目盛り線である基準指示線とそれ
に続く変位目盛りを設け、従動側カップリングには前記
基準指示線の延設位置に変位指示線を設け、該二組の指
示線の上部にそれぞれ設けた原動側センサと、従動側セ
ンサとを含む構成とした変位検出発信手段と、前記原動
側センサと従動側ンサの目盛り読取りを制御して変位角
を検出する変位検出手段と、検出値によりトルク及び伝
達軸動力を演算する演算表示部とより構成した、ことを
特徴とする。

【００１１】また、請求項１記載の検出手段は、原動側
センサの読取りを変位目盛りの零目盛り線である基準指
示線通過により開始させ、従動側センサの変位指示線通
過の読取り出力により原動側センサの前記読取りを停止
させる構成とした、ことを特徴とする。

【００１２】また、請求項１記載の原動側センサは、円
柱状レンズの投影側に複数の細分目盛を設け、細分した
各目盛り線上に該細分目盛りを読み取る個別センサを複
数個設けて、分解能向上センサを構成した、ことを特徴
とする。

【００１３】また、偏位角読取りの他の方法は前記の場
合に回転中の１目盛りに対してセンサが読取り、識別す
ることのできる最小の目盛り角度をθmin 、またはその
円弧長Ｌmin のとき、更にこれ以上に分解能を高めるた
め、光学系によることなく、センサの発光素子のパルス
光源を電気回路より、１目盛りの分割率１／σ、即ち分
解能をσ倍したパルス周波数で形成し、負荷で生じた偏
位角内のパルス数を回転毎に計測するように構成したこ
とを特徴とする。

【００１４】

【作用】従って、本発明の弾性カップリング用トルクセ
ンサに関する第１の方法によれば、無負荷時において、
原動側カップリングにはその外周に零目盛りである基準
指示線とそれに続く変位目盛りを設け、従動カップリン
グには前記基準指示線に延設して変位指示線を設け、該
目盛り読取り用光センサを原動側と従動側にそれぞれ設
けてあるため、負荷により発生したトルクに対応した
「偏位角」を変位検出手段に準拠作動する上記光センサ
を介しての読取り作業により検出でき、該検出値により
トルク及び伝達軸動力を演算表示できる。

【００１５】斯くして、既成のカップリングに大掛りな
改造手段に訴えることなく、単に目盛りの刻印かまたは
目盛り用紙を貼着するだけの作業により変位指示線と基
準指示線である零目盛りに続く変位目盛りを設け、該目
盛り読取り用光センサを設けるだけで低コストの変位検
出発信手段を容易に取り付けることができ、フック特性
のある弾性普遍性カップリングに容易に取り付け可能と
したトルクセンサを提供できる。

【００１６】また、請求項２記載の検出手段の構成によ
り、当該回転系のトルクにより一定の相対偏位角を以て
負荷運転されている基準指示線を含む変位目盛りと変位
指示線に原動側及び従動側センサを作動させれば、原動
側センサは零目盛りの通過から変位目盛りの読取りを開
始し、従動側センサによる変位指示線通過の読取り出力
により前記変位目盛りの読取りが「偏位角」に相当する
読取りを終了したところでその読取りを停止させられ
る。無負荷時に前記変位指示線と基準指示線である変位
目盛りの零目盛り線とは同一回動角上に一致するように
設けてあるため、上記読取りを停止した変位目盛りの目
盛り量が当該回転系の「偏位角」に相当し、「偏位角
量」として検出できる。

【００１７】また、請求項３記載の原動側センサの構成
により、変位目盛りの上部に拡大用円柱状レンズを設け
投影側に複数の細分目盛りを設け、それぞれの細分目盛
り上に該目盛り読取り用光センサを設けてあるため、変
位目盛りの各目盛に複数の細分目盛りを入れたことにな
り、分解能の向上を図ることができる。

【００１８】また、本発明の第２の方法に当たる請求項
４の記載で、回転中における１目盛りの分割率を１／σ
とするパルス周波数は、１目盛りの中心角θmin とする
パルスにより当該カップリング外周に刻まれる目盛り総
数は、（２π）／θmin となり、また、回転数をｎとす
れば、そのパルス数は、[（２π）／θmin ]×ｎとな
り、更に前記分割率１／σ を加味すれば上記パルス数
は、［（２π）／θmin ]×ｎ×σ となる。ここで、
分解率を上げるための１目盛りの分割率１／σは周波数
逓倍回路で倍増することができる。

【００１９】即ち、これは非直線波形よりの高調波の抽
出、あるいは非直線波形と線形波型のブリッジによる差
分回路、その他の既知の回路で、容易に発生させること
ができる。これを発光素子のパルス光源として、カップ
リング上の基準指示線及び変位指示線の２本の線を照射
し、１回転毎に受光素子が前記発光素子のパルスを基準
指示線読取りを開始し、変位指示線でその読取りを終止
させ、その間に受光素子が読み取ったパルス数は識別可
能の最小目盛りに対する基本周波数のσ倍となり、それ
だけ分解能が高められて、二軸の相対偏位角またはこれ
に対する円弧長が高精度に計測される。

【００２０】即ち、請求項１では二軸の相対偏位は基準
指示線と変位指示線との間にある目盛り数を読取り、請
求項４ではその両線との間における発光パルス数を受光
素子により読み取り開始時期と読取り終了時期を設定す
れば、その間の角度は二軸の相対偏位角θになる。この
場合に光源側より計測されたパルス数をＰとすれば、Ｐ
は前述の周波数逓倍回路により、σ倍のパルス光源とな
り、[（２π)／θmin ] ×ｎ×σ のパルス数がカウン
トされ、１回転に対してはこれをｎで除せば［（２π）
／θmin]×σのパルス数がカウントされる。即ち、θ＝
Ｐ／（２π×σ／θmin ）＝Ｐ×（θmin ／２π）×
（１／σ）となり、分解能は１／σだけ高精度化される
ことになる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
る構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特
に特定的な記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみ
に限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。図１
は、本発明の第１の発明である弾性カップリング用トル
クセンサの変位検出発信手段をの取り付け状況を示す図
で、（Ａ）は一部破断した側面図で、（Ｂ）は（Ａ）の
ＩーＩ視図である。図２は図１の基準指示線を含む変位
目盛りと変位指示線と受光素子との関係位置を示す展開
図である。図３は本発明の第１の方法の弾性カップリン
グ用トルクセンサの演算表示回路の概略の構成を示す系
統図である。図４は本発明の第２の方法におけるパルス
光源よりパルス数を測定する場合に分解能を高めるため
の周波数逓倍の回路の波形図を示す。

【００２２】図１に示すように、本発明の第１の発明の
弾性カップリング用トルクセンサは、変位検出発信手段
２６と演算表示部２７とよりなり、変位検出発信手段２
６により検出した検出信号を演算表示部２７に入力し
て、当該回転系のトルク及び伝達軸動力を演算表示する
構成にしてある。上記、変位検出発信手段２６は、変位
目盛り１５と、変位指示線１６と、該目盛りを読み込む
光センサ１７、１８と、前記変位目盛り１５を拡大する
円柱状レンズ１９とより構成する。

【００２３】上記変位目盛り１５と変位指示線１６は、
原動側駆動軸１１と従動軸１２を弾性部材２５を介して
弾性結合している原動側カップリング１３と従動側カッ
プリング１４の外周表面に刻印ないしシート状に形成貼
着し、当該回転系が無負荷時には図１（Ａ）に見るよう
に変位指示線１６と変位目盛り１５の基準指示線である
零目盛り線１５ａがカップリングの同一回動角の外周位
置に一直線を形成位置するように構成してあり、負荷運
転時には従動側の変位指示線１６は点線矢印方向に回転
位置を変位させしトルクを発生する。

【００２４】図１（Ａ）、（Ｂ）に見るように、円柱状
レンズ１９は、変位目盛り１５の目盛り線とその光軸が
平行且つ当該カップリングの軸芯Ｘ−Ｘ上に位置するよ
うに設け、該レンズの投影側の円柱面に拡大された変位
目盛りのひと目盛り分を複数個に分割した細分目盛り１
９ａ、１９ａ、… を設け、各細分目盛り上には光セン
サ１７の代わりに複数の図示してない光センサを設ける
ようにしたものである。 なお、上記光センサ１７、１
８及び円柱状レンズ１９投影側の設けた複数の光センサ
は、図２に見るようにカップリング１３、１４の外周上
に設けた前記変位目盛り１５、変位指示線１６の各目盛
り線を確実に読み取るようにしてある。

【００２５】上記各目盛りの光センサによるの読取りは
負荷回転時に行われ、この際負荷に対応して従動側カッ
プリング１４は原動側カップリングに対し、一定の遅れ
を伴って回転し、原動側カップリング１３上の変位目盛
り１５が矢印Ａ方向に先行して光センサ１７の検出位置
に達する。即ち、検出に際しては演算表示部２７内の検
出手段により、光センサ１７は変位目盛り１５の基準指
示線である零目盛り線１５ａの通過により作動し、前記
零目盛りに続行する各目盛りの読み取りを開始し、各目
盛り線毎に一個のパルスが図３のパルス選択回路３１に
入力され、変位パルス列を形成する。

【００２６】一方、前記「偏位角」に相当する遅れを以
て変位指示線１６が矢印Ｂ方向に移動して光センサ１８
の下部に到達して、該目盛り１６を読み取った光センサ
１８の出力により図３のパルス選択回路３１で前記光セ
ンサ１７による変位目盛り１５の読取り即ち変位パルス
列は「偏位角」を形成したところでその形成が停止され
る。

【００２７】ついで、光センサ１７の読取り開始より読
取り停止までの前記変位目盛りの各目盛りに該当する変
位パルス数の総計である「偏位角」により、トルク演算
回路３２でトルクが演算される。上記トルクの演算は１
回転毎に繰り返し行うことができ、これを記憶させ平均
値を当該回転系の正式トルクとして設定することが好ま
しい。演算されたトルクは分配回路３３を介して軸動力
演算回路３５に入力される。一方該回路３５には光セン
サ１８で検出された単位時間当たりの変位指示線１６の
通過読取り数が回転数として入力され、前記トルクと回
転数との積により軸動力を前記軸動力演算回路３５で演
算する。ついで、トルク表示器３４と軸動力表示器３６
に上記演算値をそれぞれ入力して表示可能にする。

【００２８】なお、上記、円柱状レンズ１９を設けた場
合は、変位目盛り１５の各目盛り間隔は拡大され、前記
レンズの投影側の円柱面に拡大された変位目盛りのひと
目盛り分を複数個に分割した細分目盛り１９ａ、１９
ａ、… を設け、各細分目盛り上には光センサ１７の代
わりに複数の図示してない光センサを設けるようにした
もので、分解能を向上させることができる。

【００２９】図４はパルス光源よりのパルス数を測定
し、相対偏位角を求める場合に分解能を高めるために使
用される簡単な周波数逓倍回路の一例で、その波形を示
す図である。（Ａ）は１目盛りの角度を読取り、識別し
得る最小目盛り角度の基本波形で、図のように周期Ｔの
矩形波に波形変換を行われたものとする。次にこれを微
分回路を通過させたものとすれば、（Ｂ）に示す波形と
なり、更に整流回路を通過させれば（Ｃ）に示す波形と
なる。これは（Ａ）に示す波形と比較すれば明らかに、
その周期は１／２、周波数は２倍に逓倍し、パルスの逓
倍変換が行われたことになる。この場合にこれを使用す
れば分解能は電気回路上で２倍に高められたことにな
る。

【００３０】図５（Ａ）に示すカップリング間に捻りコ
イルバネを挿入したもの、または例えば船舶のプロペラ
シャフトの場合は同図（Ｂ）に示すトーションバーを挿
入した場合に該当し、いずれも履歴現象を伴わないカッ
プリングには、カップリング間が離れている場合でも、
変位目盛りと基準目盛りの取り付け位置が正確に行われ
る限り本発明の第１の方法である弾性カップリング用ト
ルクセンサを使用できる。

【００３１】また、疑似負荷を従動側に加えることで静
的軸トルク較正値を求めることができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明の上記構成により、既成の弾性カ
ップリングに対し内部構造及び取り付け位置の変更を伴
うことなく、容易に取り付けが可能で、且つ負荷による
二軸の相対偏位角を容易に正確に計測することができ、
従って当該回転系のトルク及び伝達軸動力の演算表示が
できる。また、静的軸トルクの較正が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の弾性カップリング用トルクセンサの変
位検出発信手段をの取り付け状況を示す図である。同図
（Ａ）は一部破断した側面図で、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−
Ｉ視図である。

【図２】図１の基準目盛りと変位目盛りと受光素子の関
係位置を示す展開図である。

【図３】図１の演算表示回路の概略の構成を示す系統図
である。

【図４】パルス光源よりパルス数を測定する場合に分解
能を高めるための周波数逓倍の回路の波形図を示す。

【図５】本発明の弾性カップリング用トルクセンサの適
用可能の弾性カップリングの具体例を示す図で、（Ａ）
は捻りコイルばねを弾性体に使用したカップリングを、
（Ｂ）はトーションバーを弾性体に使用したカップリン
グを示す図である。

【符号の説明】

１１ 駆動軸 １２ 従動軸 １３ 原動側カップリング １４ 従動側カップリング １５ 変位目盛り １５ａ 基準指示線である零目盛り
線 １６ 変位指示線 １７、１８ 光センサ １９ 円柱状レンズ ２０ａ、２０ｂ、２５ 弾性部材 ２６ 変位検出発信手段 ２７ 演算表示部 ３１ パルス選択回路 ３２ トルク演算回路 ３３ 分配回路 ３４ トルク表示器 ３５ 軸動力演算回路 ３６ 軸動力表示器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フック特性の弾性結合するカップリング
   の相対位置の変位角を検出し、トルクと伝達軸動力を演
   算表示するトルクセンサにおいて、 無負荷時の原動側カップリングに零目盛り線である基準
   指示線とそれに続く変位目盛りを設け、従動側カップリ
   ングには前記基準指示線の延設位置に変位指示線を設
   け、該二組の指示線の上部にそれぞれ設けた原動側セン
   サと、従動側センサとを含む構成とした変位角検出発信
   手段と、 前記原動側センサと従動側センサの目盛り読取りを制御
   して変位角を検出する変位角検出手段と、検出値により
   トルク及び伝達軸動力を演算する演算表示部とより構成
   した、ことを特徴とする弾性カップリング用トルクセン
   サ。
2. 【請求項２】 前記検出手段は、原動側センサの基準指
   示線通過の読取りとともに該基準指示線に続く変位目盛
   りの読取りを開始し、従動側センサによる変位指示線の
   通過の読取りにより原動側センサの読取りを停止させる
   構成とした、ことを特徴とする請求項１記載の弾性カッ
   プリング用トルクセンサ。
3. 【請求項３】 前記原動側センサは、円柱状レンズの投
   影側に複数の細分目盛を設け、細分した各目盛り線上に
   該細分目盛りを読み取る個別センサを複数個設けて、分
   解能向上センサを構成した、ことを特徴とする請求項１
   記載の弾性カップリング用トルクセンサ。
4. 【請求項４】 前記センサは、回転中にセンサが１目盛
   りを読取り、識別し得る最小目盛り角度θmin 、または
   その円弧長Ｌmin に対して、１目盛りの分割率を１／σ
   とするパルス周波数を電気回路上で発生させてセンサの
   パルス光源とし、 前記変位角検出手段は、カップリング上の基準指示線、
   及び変位指示線の２本を照射し、１回転毎に受光素子が
   基準指示線でパルスの読取りを開始し、変位指示線でそ
   の読取りを終止させ、その間に受光素子が光源よりのパ
   ルスを読み取ったパルス数より、分解能がσ倍された二
   軸の相対偏位角、又は円弧長を検出する構成とした、こ
   とを特徴とした請求項１記載の弾性カップリング用トル
   クセンサ。