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【発明の名称】 トルク計測装置
【発明者】 【氏名】梅沢 修一

【氏名】齋藤 和郎

【氏名】黒田 英彦

【氏名】兼本 茂

【氏名】佐藤 道雄

【氏名】近藤 卓久

【氏名】落合 誠
【要約】 【課題】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。

【解決手段】光線を照射する照射手段２０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３７に照射するビーム調整手段２１と、被測定体３７の表面に取り付けて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２２，２３と、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２４，２５と、これら検知手段２４，２５の出力信号に基づいて回転周期を計算して被測定体３７のトルクを求める信号処理手段２６とを備えた。
【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回転周期を計算して前記被測定体のトルクを求める信号処理手段とを備えたことを特徴とするトルク計測装置。
【請求項２】 請求項１記載のトルク計測装置において、照射手段の光線は、ビーム調整手段に光ファイバを通して伝送することを特徴とするトルク計測装置。
【請求項３】 請求項１記載のトルク計測装置において、複数の反射手段は、それぞれ光線の反射率が被測定体表面よりも低い低反射体であることを特徴とするトルク計測装置。
【請求項４】 請求項１記載のトルク計測装置において、複数の反射手段は、それぞれ光線の反射率が被測定体表面よりも高い高反射領域と、光線の反射率が前記高反射領域より低い低反射領域とを備えた反射体であることを特徴とするトルク計測装置。
【請求項５】 請求項１記載のトルク計測装置において、複数の反射手段は、それぞれ照射手段の光線を複数の検知手段の設置方向に反射させる反射領域と、前記照射手段の光線の少なくとも一部を前記複数の検知手段の設置方向以外に乱反射させる乱反射領域とを備えた反射体であることを特徴とするトルク計測装置。
【請求項６】 請求項１記載のトルク計測装置において、信号処理手段は、複数の検知手段の出力変動に合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たことを特徴とするトルク計測装置。
【請求項７】 請求項１記載のトルク計測装置において、複数の検知手段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手段を設けたことを特徴とするトルク計測装置。
【請求項８】 請求項１記載のトルク計測装置において、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設けたことを特徴とするトルク計測装置。
【請求項９】 請求項１記載のトルク計測装置において、複数の検知手段は第１および第２の検知手段を有し、前記第１の検知手段に取り付けて前記第２の検知手段をモニタ監視し、この第２の検知手段の位置変動を計測する位置変動計測手段を設けたことを特徴とするトルク計測装置。
【請求項１０】 請求項１記載のトルク計測装置において、複数の検知手段は第１および第２の検知手段を有し、前記第１の検知手段に取り付けられて前記第２の検知手段に向って光線を照射する照射手段と、前記第２の検知手段に取り付けられて照射された光線を検知して前記第１の検知手段と前記第２の検知手段の位置変動を計測する位置変動計測手段とを備えたことを特徴とするトルク計測装置。
【請求項１１】 請求項１から１０のいずれかに記載のトルク計測装置において、被測定体の周方向に沿って装置本体を設置したことを特徴とするトルク計測装置。
【請求項１２】 請求項１から１１のいずれかに記載のトルク計測装置において、被測定体の軸方向に沿って装置本体を設置した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１７に示す。図１７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個所に光線をそれぞれ照射し、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１８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。
【数１】

【０００５】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で検知する。そして、図１９に示す光反射体２の検知信号に基づいて図１８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。
【０００６】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。
【０００７】この回転速度測定装置の構成を図２０に示し、この図２０では主要な部分のみに符号を付してある。図２０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が強度変化する。
【０００８】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。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。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。
【０００９】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２１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。
【００１０】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１８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。
【００１１】
【数２】

【００１２】
【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装置では、図１９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。
【００１３】一方、後者の回転機器の回転速度を非接触で計測する装置では、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２１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。
【００１４】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２２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）を使っ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、本装置では、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。
【００１５】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。
【００１６】
【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、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回転周期を計算して被測定体のトルクを求める信号処理手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１７】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計算して求めることができる。
【００１８】請求項２記載の発明は、請求項１記載のトルク計測装置において、照射手段の光線は、ビーム調整手段に光ファイバを通して伝送することを特徴とするものである。
【００１９】請求項２記載の発明によれば、光ファイバを用いることによって空間伝送することが困難な場所へ照射手段の光線を容易に伝送することができ、機器内部や狭隘部などでのトルク計測が可能となる。
【００２０】請求項３記載の発明は、請求項１記載のトルク計測装置において、複数の反射手段は、それぞれ光線の反射率が被測定体表面よりも低い低反射体であることを特徴とするものである。
【００２１】請求項３記載の発明によれば、反射率が極めて小さい低反射体を反射手段として被測定体に設けることによって、回転毎に一定時間だけ照射された光線の反射光を極端に小さくさせることができる。この反射光を検知手段で検知すると、反射手段での反射光強度が被測定体の表面における反射光強度と比較して非常に小さいため、立下がり時間が非常に短いパルス信号を回転毎に得ることができる。
【００２２】請求項４記載の発明は、請求項１記載のトルク計測装置において、複数の反射手段は、それぞれ光線の反射率が被測定体表面よりも高い高反射領域と、光線の反射率が前記高反射領域より低い低反射領域とを備えた反射体であることを特徴とするものである。
【００２３】請求項４記載の発明によれば、光線を高効率で反射する領域と吸収する領域を備えた反射体を反射手段として被測定体に設けることによって、回転毎に一定時間だけ照射された光線の反射光強度を極端に変動させることができる。この反射光を検知手段で検知すると、立上がりおよび立下がり時間が非常に短いパルス信号群を回転毎に得ることができる。
【００２４】請求項５記載の発明は、請求項１記載のトルク計測装置において、複数の反射手段は、それぞれ照射手段の光線を複数の検知手段の設置方向に反射させる反射領域と、前記照射手段の光線の少なくとも一部を前記複数の検知手段の設置方向以外に乱反射させる乱反射領域とを備えた反射体であることを特徴とするものである。
【００２５】請求項５記載の発明によれば、複数の反射手段は、複数の検知手段の設置方向に反射させる反射領域と、前記照射手段の光線の少なくとも一部を前記複数の検知手段の設置方向以外に乱反射させる乱反射領域とを備えた反射体であることによって、複数の検知手段に入射する反射光の強度を回転毎に一定時間だけ極端に変動させることができる。このため、複数の検知手段では、立上がりおよび立下がり時間が非常に短いパルス信号群を回転毎に得ることができる。
【００２６】請求項６記載の発明は、請求項１記載のトルク計測装置において、信号処理手段は、複数の検知手段の出力変動に合わせて閾値を変えて反射手段の信号を抽出する変動閾値設定手段を備えたことを特徴とするものである。
【００２７】請求項６記載の発明によれば、変動閾値設定手段によって、検知信号の振幅に対する割合から反射手段の信号を抽出する閾値を設定するため、検知信号の出力変動が考慮されたパルス信号を抽出することができる。このため、検知手段の出力変動が原因となる検知信号の時間的抽出精度の低下を防止することができる。
【００２８】請求項７記載の発明は、請求項１記載のトルク計測装置において、複数の検知手段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手段を設けたことを特徴とするものである。
【００２９】請求項７記載の発明によれば、フィルタリング手段によって複数の検知手段の出力信号からノイズ成分を除去することができる。このため、複数の検知手段では、ノイズ環境下でも立上がりおよび立下がり時間が非常に短いパルス信号群を回転毎に得ることができる。
【００３０】請求項８記載の発明は、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設けたことを特徴とするものである。
【００３１】請求項８記載の発明によれば、複数の検出手段によって回転毎に得られるパルス信号を相関処理することで、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計算して求めることができる。
【００３２】請求項９記載の発明は、請求項１記載のトルク計測装置において、複数の検知手段は第１および第２の検知手段を有し、前記第１の検知手段に取り付けて前記第２の検知手段をモニタ監視し、この第２の検知手段の位置変動を計測する位置変動計測手段を設けたことを特徴とするものである。
【００３３】請求項９記載の発明によれば、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。
【００３４】請求項１０記載の発明は、請求項１記載のトルク計測装置において、複数の検知手段は第１および第２の検知手段を有し、前記第１の検知手段に取り付けられて前記第２の検知手段に向って光線を照射する照射手段と、前記第２の検知手段に取り付けられて照射された光線を検知して前記第１の検知手段と前記第２の検知手段の位置変動を計測する位置変動計測手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００３５】請求項１０記載の発明によれば、第１の検知手段に取り付けられた照射手段の光線を第２の検知手段に取り付けられた位置変動計測手段で検知することによって、振動や衝撃などで発生する第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。
【００３６】請求項１１記載の発明は、請求項１ないし１０のいずれかに記載のトルク計測装置において、被測定体の周方向に沿って装置本体を設置したことを特徴とするものである。
【００３７】請求項１１記載の発明によれば、装置本体を被測定体の周方向に沿って設置し、各装置本体から計測されるトルク値を平均化処理することによってトルクの計測精度を向上させることができる。
【００３８】請求項１２記載の発明は、請求項１ないし１１のいずれかに記載のトルク計測装置において、被測定体の軸方向に沿って装置本体を設置したことを特徴とするものである。
【００３９】請求項１２記載の発明によれば、装置本体を被測定体の軸方向に沿って設置することによって、軸方向に位置的なトルク変化を計測することができる。
【００４０】
【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。
【００４１】［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。
【００４２】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求め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。
【００４３】照射装置２０は、指向性を持つ光線を照射する光源で構成される。ここでは、波長６３２．８ｎｍ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。
【００４４】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ー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、ビームスプリッター３３、集光レンズ３５が同一光路上に順次設置され、その反射光は、レンズ２９，３１、ビームスプリッター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、ビームスプリッター３４、集光レンズ３６が同一光路上に順次設置され、ビームスプリッター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、ビームスプリッター３４、集光レンズ３６を経て被測定体３７に照射される。
【００４５】この場合、ビームスプリッター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。
【００４６】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。
【００４７】被測定体３７は、例えば回転速度：３０００ｒｐｍ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。
【００４８】なお、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。
【００４９】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。
【００５０】以上のようにして構成された第１実施形態のトルク計測装置の作用について説明する。
【００５１】照射装置２０から照射されたビーム径０．６５ｍｍのレーザ光は、ビームスプリッター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、ビームスプリッター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。焦点のビーム径：Ｗは、式（３），（４）から計算することができる。
【数３】

【数４】

【００５２】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。
【００５３】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小さい。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。
【００５４】そして、ビーム径：φ’＝２５ｍｍとなった反射光は、ビームスプリッター３３によって分離され、一方の光は、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。
【００５５】一方、ビームスプリッター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、ビームスプリッター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。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、ビームスプリッター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トルクを算出する。
【００５６】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。
【００５７】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。
【００５８】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。
【００５９】［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実施形態と同一の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。
【００６０】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、これら検知手段２４，２５の出力信号から回転周期を計算して被測定体３７のトルクを求める信号処理装置２６とから大略構成されている。
【００６１】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。
【００６２】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。
【００６３】光ファイバ４７へ伝送されて出射する光は、レンズ４９、ビームスプリッター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、ビームスプリッター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、球面収差を補正できる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。
【００６４】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小さ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。
【００６５】以上のようにして構成された第２実施形態のトルク計測装置の作用について説明する。
【００６６】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へ導光される。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、ビームスプリッター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。
【００６７】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。
【数５】

【００６８】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。
【００６９】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。
【００７０】ビーム径：φf ’＝２５ｍｍとなった反射光は、ビームスプリッター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。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。
【００７１】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ー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。被測定体３７の表面におけるビーム径は、２．２μｍである。
【００７２】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。反射光は、ビームスプリッター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。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及び第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。
【００７３】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の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。
【００７４】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。
【００７５】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、立上がり時間が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。
【００７６】［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。
【００７７】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、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。
【００７８】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と光線を高効率で吸収する帯状の吸収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、反射部分はミラー状のアルミニウム薄膜、吸収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。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。
【００７９】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。
【００８０】以上のようにして構成された第３実施形態のトルク計測装置の作用について説明する。
【００８１】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ー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、ビームスプリッター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。
【００８２】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。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。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ー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。
【００８３】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。
【００８４】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６６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、ビームスプリッター３４によって分離されて第２の検知装置２５に入射する。
【００８５】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。
【００８６】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：１ＧＨｚで第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。
【００８７】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つの第１の検知信号５９の相互相関関数から回転周期を求める。
【００８８】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。
【００８９】
【数６】

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。
【００９０】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。
【００９１】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。
【００９２】
【数７】

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。
【００９３】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。
【００９４】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。
【００９５】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。
【００９６】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。
【００９７】［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。
【００９８】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。
【００９９】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ー２７によって反射光と透過光に分割される。反射光は第１の光送受信装置６１のレンズ２９，３１、ビームスプリッター３３、集光レンズ３５を経て被測定体３７に照射される。透過光は、第２の光送受信装置６２に入射してレンズ３０で反射し、レンズ３０，３２、ビームスプリッター３４、集光レンズ３６を経て被測定体３７に照射される。
【０１００】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。
【０１０１】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。
【０１０２】以上のようにして構成された第４実施形態のトルク計測装置の作用について説明する。
【０１０３】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ー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。
【０１０４】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、ビームスプリッター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。
【０１０５】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。しかし、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。
【０１０６】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。この反射光のビーム径：φ’はφ’＝２５ｍｍである。反射光はビームスプリッター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。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。
【０１０７】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、集光レンズ３６によってビーム径：２５ｍｍになった後、ビームスプリッター３４によって分離されて第２の検知装置２５に入射する。
【０１０８】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。
【０１０９】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：１ＧＨｚで第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。
【０１１０】また、相関処理装置５８では、時間的に異なる２つの第１の検知信号５９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。
【０１１１】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。
【０１１２】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。
【数８】

【０１１３】また、本実施形態のトルク計測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。
【０１１４】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。
【０１１５】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。
【０１１６】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、所定の高精度で回転毎のトルクを求めることができる。
【０１１７】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。
【０１１８】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。
【０１１９】［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。
【０１２０】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に入射されるレンズ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。
【０１２１】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。
【０１２２】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。ここでは、原理的に同じであるため二系統とする。
【０１２３】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。
【０１２４】以上のようにして構成された第５実施形態のトルク計測装置の作用について説明する。
【０１２５】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によって光ファイバ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。
【０１２６】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、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。
【０１２７】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、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。
【０１２８】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。
【０１２９】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。
【０１３０】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。
【数９】

【数１０】

【０１３１】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の間、第３および第４の間の光送受信装置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。
【０１３２】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。
【０１３３】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。
【０１３４】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。
【０１３５】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。
【０１３６】さらに、ＬＥＤ７８，８０およびポジション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。
【０１３７】また、本実施形態のトルク計測装置（装置本体）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。
【０１３８】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つ以上の複数設置すればよい。
【０１３９】
【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。
【０１４０】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。複数のパルス信号の立上がりおよび立下がり時間は、複数の光線のビーム径が数μｍであるために１０ｎｓ程度になる。
【０１４１】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計測することができる。
【０１４２】また、ノイズを除去するフィルタリング手段、振動や衝撃による検知手段の位置変動を計測する位置変動計測手段によって、ノイズ，振動，衝撃などで発生する回転速度およびトルクの計測精度の低下を防止することができる。
【０１４３】さらに、本発明に係るトルク計測装置は、被測定体の軸方向に複数設置可能であるので、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。また、被測定体の円周方向に複数設置して平均化処理することによって、回転速度やトルクの計測精度の向上を図ることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００３０７８
【氏名又は名称】株式会社東芝
【識別番号】０００００３６８７
【氏名又は名称】東京電力株式会社
【出願日】 平成１１年１月１２日（１９９９．１．１２）
【代理人】 【識別番号】１０００７８７６５
【弁理士】
【氏名又は名称】波多野 久 （外１名）
【公開番号】 特開２０００−２０５９７７（Ｐ２０００−２０５９７７Ａ）
【公開日】 平成１２年７月２８日（２０００．７．２８）
【出願番号】 特願平１１−５６８８