JP7077262B2 - 回転軸のねじり量測定装置、および、ねじり量測定方法 - Google Patents

Description

本開示は、回転時に回転軸に生じるねじり量の測定手法に関する。

従来から、回転軸のねじり振動計として回転角変動（以下、ねじり振動と言う）を測定する各種の方法や装置が提案されている（例えば、特許文献１～２）。特許文献１では、回転体に一定間隔の縞状反射テープを貼り付け、センサにより回転時の縞パルス信号を検出する。回転体にねじり振動が発生した場合、本来均一な時間間隔（＝角度間隔）で検出される縞パルス信号の検出時間間隔が変動する。この変動を１回転で１パルスのターゲットを検出するセンサから得られる回転信号を用いてパルス間隔変動を回転角変動に変換する。

特開平６－３０７９２２号公報 特開平３－７８６４２号公報

しかし、特許文献１に記載の方法は、ねじり振動の測定を目的としたものであり、ねじり振動は測定可能であるが、回転軸が回転トルクにより一定角度を保ったままねじれた状態になった際のねじれ角（以下、平均ねじれ角という）を測定できない。また、平均ねじれ角およびねじり振動量を同時に測定したい場合に、両者の測定を簡易な構成により行う手法が望まれる。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、回転時の回転軸に生じる平均ねじれ角を測定可能な回転軸のねじり量測定装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転軸のねじり量測定装置は、
駆動源と前記駆動源により駆動される被駆動体とを接続する回転軸の回転時に生じる平均ねじれ角を算出するための回転軸のねじり量測定装置であって、
前記回転軸の外周面に設けられた第１ターゲット部を前記回転軸の１回転毎に１回検出する第１センサの出力データである第１時系列データを取得するよう構成された第１データ取得部と、
前記回転軸の前記外周面における、前記第１ターゲット部よりも前記被駆動体側に設けられた第２ターゲット部を前記１回転毎に１回検出する第２センサの、前記第１時系列データと同時刻の出力データを含む第２時系列データを取得するよう構成された第２データ取得部と、
取得された前記第１時系列データおよび前記第２時系列データに基づいて、前記回転時の前記回転軸に生じる前記平均ねじれ角を算出するよう構成された平均ねじれ角算出部と、を備え、
前記平均ねじれ角算出部は、
前記回転軸に平均ねじれが生じない第１速度で前記回転軸を回転させた際の前記第１時系列データおよび前記第２時系列データを含む参照時系列データと、前記回転軸に前記平均ねじれが生じる第２速度で前記回転軸を回転させた際の前記第１時系列データおよび前記第２時系列データを含む対象時系列データとに基づいて、前記平均ねじれ角を算出する。

上記（１）の構成によれば、駆動源（例えばエンジンなど）の動力を被駆動体（例えば発電機など）に伝達する回転軸には、相対的に駆動源側に近い側に第１ターゲット部が設けられ、相対的に被駆動体に近い側に第２ターゲット部が設けられている。また、第１センサおよび第２センサの各々が、第１ターゲット部および第２ターゲット部がそれぞれ設けられた回転軸における軸方向位置で回転軸に対向しつつ、回転軸と共に回転しないように固定的に設置されるなどすることで、回転軸の回転時において同時にセンシングを通して第１時系列データおよび第２時系列データを取得可能になっている。

そして、このような測定系において、上記の第１時系列データおよび第２時系列データを、回転軸に平均ねじれが生じていない状態（参照時系列データ）、および回転軸に平均ねじれが生じている状態（対象時系列データ）の各々でのセンシングを通してそれぞれ取得し、取得した参照時系列データおよび対象時系列データに基づいて、平均ねじれ角を算出する。

ここで、第１ターゲット部および第２ターゲット部は、それぞれ、回転軸における互いに異なる軸方向位置に部分的に設けられているので、上記の各々の時系列データには、１回転毎に１回検出される各ターゲット部の検出タイミングが時間軸上に間欠的に示される。よって、例えば、第２時系列データに含まれる第２ターゲット部の検出タイミングが、第１時系列データに含まれる隣接する２つの第１ターゲット部の検出タイミング間のどこに位置するかを見れば、１回転が３６０度なので、第１ターゲット部に対する第２ターゲット部の回転軸の周方向における相対的な位置関係が得られる。つまり、第１ターゲット部が１回転する間のどのタイミングで第２ターゲット部が検出されるかを得ることで、第１ターゲット部を基準とした際の第２ターゲット部の周方向における相対的な位置（角度）が得られる。

したがって、例えば、参照時系列データから回転軸に平均ねじれのない場合の第１ターゲット部に対する第２ターゲット部の相対位置と、対象時系列データから回転軸に平均ねじれが生じている場合の第１ターゲット部に対する第２ターゲット部の相対位置とを比較するなど、参照時系列データおよび対象時系列データに基づいて、回転軸の回転時に生じる平均ねじれ角を容易に算出することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記平均ねじれ角算出部は、
前記第１時系列データにおいて時間軸上で相互に隣接する２つの前記第１ターゲット部の検出位置の間における、前記第２時系列データにおける前記第２ターゲット部の検出位置の同一の前記時間軸上における相対位置に基づいて、前記第１ターゲット部に対する前記第２ターゲット部の、前記回転軸の周方向における角度位置を算出する角度位置算出部を有し、
前記参照時系列データに基づいて算出された前記角度位置と、前記対象時系列データに基づいて算出された前記角度位置との差異に基づいて、前記平均ねじれ角を算出する。

上記（２）の構成によれば、第２時系列データに含まれる第２ターゲット部の検出タイミングが、第１時系列データに含まれる隣接する２つの第１ターゲット部の検出タイミング間のどこに位置するかを示す角度位置を、参照時系列データおよび対象時系列データのそれぞれについて算出する。これによって、例えば対象時系列データに基づいて算出された角度位置から、参照時系列データに基づいて算出された角度位置を差し引くことにより、平均ねじれ角を算出することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）～（２）の構成において、
前記回転軸の前記外周面に前記回転軸の周方向に沿って相互に間隔を開けて設けられた複数の第３ターゲット部が前記回転軸の回転に従って間欠的に順次検出された第３時系列データを取得するよう構成された第３データ取得部と、
前記第３時系列データに基づいて、ねじり振動量を算出するねじり振動量算出部と、をさらに備える。

上記（３）の構成によれば、回転軸の外周面において周方向に沿って相互に間隔を開けて設けられた複数の第３ターゲットの検出信号を含む第３時系列データに基づいて、ねじり振動量を算出する。これによって、平均ねじれ角と、ねじり振動量を同時に測定することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記複数の第３ターゲット部は、前記第２ターゲット部が設けられた前記回転軸の軸方向位置において、前記第２ターゲット部に前記周方向で隣接して設けられており、
前記第２時系列データは、前記第２ターゲット部および前記複数の第３ターゲット部が前記第２センサによって前記回転軸の１回転毎にそれぞれ間欠的に順次検出されることにより、前記第３時系列データを含んでおり、
前記ねじり振動量算出部は、前記第２時系列データに含まれる前記第３時系列データに基づいて、前記ねじり振動量を算出する。

上記（４）の構成によれば、複数の第３ターゲット部および第２ターゲット部は、回転軸における同じ軸方向位置において回転軸の周方向に沿って並んで設けられており、第２センサにより得られた第２時系列データには、複数の第３ターゲット部および第２ターゲット部の各々の間欠的な検出信号が含まれる。これによって、第３時系列データを得るためのセンサを別途設けることなく、１つのセンサによる簡易な構成により、ねじり振動量を測定することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記複数の第３ターゲット部は、相互に同一となる前記周方向の長さを有しつつ、前記周方向に沿って互いに等間隔となるように配置されていると共に、
前記複数の第３ターゲット部の各々の前記周方向の長さは、前記第２ターゲット部の前記周方向の長さとは異なる。

上記（５）の構成によれば、回転軸における同一の軸方向位置において周方向に沿って設けられた第２ターゲット部と、各第３ターゲット部との検出信号は、その各々の周方向における長さを異ならせることにより、第２時系列データにおける検出信号の形を変えることで、判別可能にされる。これによって、第２時系列データにおいて、第２ターゲット部の検出信号と、複数の第３ターゲット部の検出信号とを容易に区別することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（３）～（５）の構成において、
前記ねじり振動量算出部は、前記第１速度で前記回転軸を回転させた場合の前記第３時系列データと前記第２速度で前記回転軸を回転させた場合の前記第３時系列データとの比較に基づいて、前記ねじり振動量を算出する。

上記（６）の構成によれば、第３ターゲット部の形状の公差があったとしても、回転軸にねじれが生じている場合とねじれが生じていない場合とでそれぞれ測定された第３時系列データに基づいて、ねじり振動量を精度良く測定することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）～（６）の構成において、
前記回転軸は、前記駆動源の出力軸と、前記被駆動体に前記出力軸の回転を入力する入力軸と、前記出力軸と前記入力軸とを接続する継手と、を含んで構成されており、
前記第１ターゲット部は、前記出力軸に設けられ、
前記第２ターゲット部は、前記入力軸に設けられている。

上記（７）の構成によれば、回転軸は、エンジンの出力軸（クランク軸）などとなる駆動源の出力軸と、被駆動体の入力軸とを弾性体継手などの継手を含んで構成される。継手が有る場合には、回転軸が剛体である場合とは異なり、平均ねじれがより顕著に生じ易く、このような場合の平均ねじれを測定することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）～（７）の構成において、
前記駆動源はエンジンであり、
前記被駆動体は発電機である。
上記（８）の構成によれば、エンジンと発電機とを接続する回転軸における平均ねじれ角およびねじり振動量を測定することができる。

（９）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転軸のねじり量測定方法は、
駆動源と前記駆動源により駆動される被駆動体とを接続する回転軸の回転時に生じる平均ねじれ角を算出するための回転軸のねじり量測定装置であって、
前記回転軸の外周面に設けられた第１ターゲット部を前記回転軸の１回転毎に１回検出する第１センサの出力データである第１時系列データを取得する第１データ取得ステップと、
前記回転軸の前記外周面における、前記第１ターゲット部よりも前記被駆動体側に設けられた第２ターゲット部を前記１回転毎に１回検出する第２センサの、前記第１時系列データと同時刻の出力データを含む第２時系列データを取得する第２データ取得ステップと、
取得された前記第１時系列データおよび前記第２時系列データに基づいて、前記回転時の前記回転軸に生じる前記平均ねじれ角を算出する平均ねじれ角算出ステップと、を備え、
前記平均ねじれ角算出ステップは、
前記回転軸に平均ねじれが生じない第１速度で前記回転軸を回転させた際の前記第１時系列データおよび前記第２時系列データを含む参照時系列データと、前記回転軸に前記平均ねじれが生じる第２速度で前記回転軸を回転させた際の前記第１時系列データおよび前記第２時系列データを含む対象時系列データとに基づいて、前記平均ねじれ角を算出する。
上記（９）の構成によれば、上記（１）と同様の効果を奏する。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、回転時の回転軸に生じる平均ねじれ角を測定可能な回転軸のねじり量測定装置が提供される。

本発明の一実施形態に係る回転軸のねじり量測定装置を含む測定系を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る第２ターゲット部を含む縞状反射テープを示す図である。 本発明の一実施形態に係る回転軸のねじり量測定装置の機能ブロックを示す図である。 発明の一実施形態に係る（ａ）第１速度の回転軸に対するセンシングにより得られた第１時系列データおよび第２時系列データと、（ｂ）第２速度の回転軸に対するセンシングにより得られた第１時系列データおよび第２時系列データを示す図である。 図４に対応した第１ターゲット部に対する第２ターゲット部の角度位置を示す図である。 本発明の一実施形態に係るねじり量測定方法を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るねじり量測定装置１を含む測定系を概略的に示す図である。また、図２は、本発明の一実施形態に係る第２ターゲット部９２を含む縞状反射テープＴを示す図である。

ねじり量測定装置１（以下、単に、ねじり量測定装置１）は、図１に示すような、駆動源７１と、この駆動源７１により駆動される被駆動体７２とを接続する回転軸８において駆動源７１による回転トルクによって回転時に生じる平均ねじれ角、あるいはねじり振動量などとなるねじり量（ねじり角）を測定するための装置である。この測定対象となる回転軸８の外周面には、回転軸８の回転時にセンサ（Ｓ１～Ｓ２）によりセンシングされる複数（複数種類）のターゲット部（９１～９３）が設けられる。また、各ターゲット部が位置する回転軸８の軸方向における位置（以下、軸方向位置）には、回転軸８をセンシングする複数のセンサＳが設置される。そして、ねじり量測定装置１は、回転軸８の回転時においてセンシングを実行する各センサから出力される時系列データＤ（時間推移データ）に基づいて、回転軸８に生じているねじり量を測定する。

具体的には、図１に示すように、回転軸８における相対的に駆動源７１側には第１ターゲット部９１が設けられ、相対的に被駆動体７２側には第２ターゲット部９２が設けられる。これらターゲット部は、それぞれ、回転軸８の外周面の周方向に沿って部分的に設けられる。また、第１ターゲット部９１を検出するための第１センサＳ１、および第２ターゲット部９２を検出するための第２センサＳ２が、各ターゲット部９が位置する軸方向位置において回転軸８の外周面に対向するように、回転軸８と共に回転しない冶具（不図示）などによって固定的に設置される。つまり、各センサ（Ｓ１～Ｓ２）は、回転軸８と共に回転する第１ターゲット部９１および第２ターゲット部９２を、それぞれ、回転軸８が１回転する度に１回検出されるようにセットされる。そして、これらの各センサによるセンシングの実行により得られる検出信号（パルス信号）の信号値を、その検出値の検出時刻と共に時間の経過に従って順次記録することで、上記の時系列データ（Ｄ１～Ｄ２。後述する図４参照）が得られる。

図１に示す実施形態について説明すると、駆動源７１はエンジンであり、被駆動体７２は発電機である。また、回転軸８は、エンジンの出力軸８１（クランク軸）と、この出力軸８１と共に回転し、出力軸８１の回転（回転動力）を発電機に入力する入力軸８２と、上記の出力軸８１と入力軸８２とを接続する継手８３とで構成されている。この継手８３は、回転軸８を介して発電機へ伝わるエンジンの振動を減衰させために弾性体継手となっており、出力軸８１と入力軸８２とはゴムやバネなどの弾性体を含む継手８３介して連結されている。そして、第１ターゲット部９１は、エンジン（駆動源７１）の出力軸８１に設けられ、第２ターゲット部９２は、発電機（被駆動体７２）の入力軸８２に設けられている。

また、第１ターゲット部９１は、回転軸８の外表面から突出した突起部で形成されている。そして、この第１ターゲット部９１を検出するための第１センサＳ１は渦電流変位センサとなっており、金属面とセンサとの距離（ギャップ）の変化を測定することによって、第１ターゲット部９１を検出する。よって、第１センサＳ１から得られる時系列データを第１時系列データＤ１と呼ぶとすると、第１ターゲット部９１は回転軸８の１回転ごとに１回検出されるため、の第１時系列データＤ１をグラフに表すと、後述する図４（ａ）や図４（ｂ）に示すように、第１ターゲット部９１の検出信号Ｓａは時間の経過に従って間欠的に出現する。したがって、回転軸８と共に回転する第１ターゲット部９１の回転ごとのタイミングが検出信号Ｓａの出現タイミングにより把握することが可能となる。

他方、第２ターゲット部９２は、回転軸８の外周面において周方向に沿って貼付された縞状の反射テープ（以下、縞状反射テープＴ）の一部分で形成されている。本実施形態では、縞状反射テープＴは、被駆動体７２の入力軸８２と継手８３とを連結するためのフランジ８２ｆに貼付されているが、回転軸８の他の部分でも良い。図２に示すように、縞状反射テープＴの表面には、反射部Ｔｗ（白色の部分）と、反射部Ｔｗに比べて反射率が非常に低い非反射部Ｔｂ（黒色の部分）とが交互に設けられている。換言すれば、縞状反射テープＴには、任意の複数の反射部Ｔｗ、および任意の複数の非反射部Ｔｂを有している。そして、複数の非反射部Ｔｂのうちの１つが、他の非反射部Ｔｂ（後述する第３ターゲット部９３）よりも、回転軸８の周方向に沿った長さ（周方向長）が長くされている。第２ターゲット部９２を形成する非反射部Ｔｂの周方向長をＬ２とし、他の非反射部Ｔｂの周方向長をＬ３とすると、Ｌ２＞Ｌ３である。そして、この周方向長が最も長い非反射部Ｔｂによって第２ターゲット部９２が形成されている。

そして、この第２ターゲット部９２を検出するための第２センサＳ２は、光電センサやレーザセンサなどで構成されており、照射した光（可視光や赤外線、レーザ）の反射光の光量の変化により第２ターゲット部９２を検出するようになっている。このため、第２センサＳ２から得られる時系列データＤを第２時系列データＤ２と呼ぶとすると、後述する図４（ａ）や図４（ｂ）に示すように、この第２時系列データＤ２のグラフ上には、複数の反射部Ｔｗを時間軸に沿って順次検出した検出信号（パルス信号）が含まれる。そして、複数の反射部Ｔｗの各々の検出信号Ｓｃは、第２ターゲット部９２以外のところでは等間隔で並ぶが、第２ターゲット部９２の両側の反射部Ｔｗところで、他の間隔とは異なる間隔（不等間隔）になるので、この不等間隔によって第２ターゲット部９２が検出される。また、第２時系列データＤ２において、第２ターゲット部９２の検出信号Ｓｂのみに着目すると、第２ターゲット部９２は回転軸８の１回転ごとに１回検出されるので、その検出信号Ｓｂは時間の経過に従って間欠的に出現することになる。したがって、回転軸８と共に回転する第２ターゲット部９２の回転ごとのタイミングが、不等間隔の出現タイミングにより把握することが可能となる。

ただし、図１～図２に示す実施形態に本発明は限定されない。上述した実施形態では、第２ターゲット部９２は、縞状反射テープＴにおける非反射部Ｔｂの一つで形成されていたが、反射部Ｔｗの一つの周方向長を他のものよりも長くすることにより形成しても良い。この場合、第２ターゲット部９２とそれ以外の反射部Ｔｗとでは検出信号の形状（波形）が異なるので、第２ターゲット部９２の検出信号Ｓｂを、他の反射部Ｔｗの検出信号から区別することが可能である。あるいは、他の幾つかの実施形態では、縞状反射テープＴに代えて、第２ターゲット部９２のみが形成されている反射テープを用いても良い。つまり、第２ターゲット部９２が設けられた回転軸８の軸方向位置において、回転軸８の周方向に沿った他の外周面の反射率は同じであっても良い。また、反射テープを用いなくても良く、その軸方向位置における周方向に沿った表面の一部の反射率を、他の手法により、他の部分の反射率と異ならせることによって、第２ターゲット部９２を設けても良い。

また、上記の第１センサＳ１については、第１センサＳ１は、光電センサやレーザセンサなどであっても良い。この場合には、第１ターゲット部９１における第１センサＳ１と対面する外周面の反射率が、その軸方向位置における周方向に沿った外周面を含む他の部分と変えられていることで、第１ターゲット部９１を検出する。この際、第１ターゲット部９１は、突起部でなくても良く、他の部分とは反射率を異ならせることが可能な反射テープであっても良い。渦電流変位センサは汚れ等の影響がないので耐環境面でロバストである反面、検出部が主として金属である必要があり、検出物の取付ける対象が回転体でありその取付け自由が高くない。他方、光電センサ等は、検出物が反射テープなど貼付により可能であるため取付け自由度が高く、測定系の構築が容易である反面、汚れ等に弱いため、清浄な環境下での使用や、メンテ等が必要となる。

また、上記の第２ターゲット部９２については、例えば、上述したのと同様な突起部であっても良い。あるいは、第２ターゲット部９２は、上述したフランジ８２ｆを継手８３に固定するための互いに等間隔に設けられた複数のボルト８２ｂなど、回転軸８の外周に一定間隔で複数個設置された検出物のうちの一か所を取り除くことにより形成しても良い。これによって、後述する図４と同様に、各ボルト８２ｂの検出信号が不等間隔となる部分を形成することが可能である。また、回転軸８の外周に一定間隔で複数個設置された検出物のうちの１つの形状を他のものと変えることにより、第２センサＳ２による検出信号の形状が他のものと変わるようにしても良い。第２センサＳ２についても、第２ターゲット部９２の形態に応じて、第２ターゲット部９２を検出可能な光電センサやレーザセンサ、渦電流変位センサなどのいずれかであっても良い。

そして、ねじり量測定装置１は、上述したような測定系において、回転軸８を駆動源７１により回転させた状態で、第１センサＳ１および第２センサＳ２によりセンシングを行うことで得られる第１時系列データＤ１および第２時系列データＤ２に基づいて、以下のように平均ねじれ角を測定する。

以下、このねじり量測定装置１について、図３～図６を用いて説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る回転軸のねじり量測定装置の機能ブロックを示す図である。図４は、本発明の一実施形態に係る（ａ）第１速度の回転軸８に対するセンシングにより得られた第１時系列データＤ１ａおよび第２時系列データＤ２ａと、（ｂ）第２速度の回転軸８に対するセンシングにより得られた第１時系列データＤ１ｂおよび第２時系列データＤ２ｂを示す図である。図５は、図４に対応した第１ターゲット部９１に対する第２ターゲット部９２の角度位置を示す図である。

図３に示すように、ねじり量測定装置１は、第１データ取得部２１と、第２データ取得部２２と、平均ねじれ角算出部３と、を備える。これらの機能部について、第２ターゲット部９２が上述した縞状反射テープＴの一部により設けられている場合（図２参照）を例に、それぞれ説明する。

なお、図４の各グラフにおいて、各ターゲット部は信号レベルが上昇している時間位置で検出されているが、その際の信号レベルは、回転軸８の外周面におけるターゲット部が存在しない部分の信号レベルを基準に記載している。また、図４では、簡略化のために、波状（矩形状）のパルス信号を線状に記載している。

また、ねじり量測定装置１は、例えばコンピュータで構成されても良い。コンピュータは、図示しないＣＰＵ（プロセッサ）や、ＲＯＭやＲＡＭといったメモリを備えている。さらに、外部記憶装置を備えても良い。そして、主記憶装置にロードされたプログラム（ねじり量測定プログラム）の命令に従ってＣＰＵが動作（データの演算など）することで、動作する。

第１データ取得部２１は、上述した第１センサＳ１の出力データである上述した第１時系列データＤ１を取得するよう構成された機能部である。第１センサＳ１は、上述したように、回転軸８の外周面に部分的に設けられた第１ターゲット部９１を回転軸８の１回転毎に１回検出するように設置されたセンサである。第１ターゲット部９１は第１センサＳ１により回転軸８の１回転毎に１回検出されるので、この第１時系列データＤ１から、第１ターゲット部９１が１回（３６０度）しているタイミングが把握可能となる。

第２データ取得部２２は、上述した第２センサＳ２の出力データである上述した第２時系列データＤ２を取得するよう構成された機能部である。第２センサＳ２は、上述したように、回転軸８の外周面における、第１ターゲット部９１よりも被駆動体７２側に部分的に設けられた第２ターゲット部９２を１回転毎に１回検出するように設置されたセンサである。また、この第２データ取得部２２が取得する第２時系列データＤ２は、例えば第１センサＳ１および第２センサＳ２で同時にセンシングを行うなどによって得られるものであり、第１時系列データＤ１と同時刻の出力データを含む。本実施形態では、第２ターゲット部９２が、縞状反射テープＴにおける周方向長Ｌが最も長い１つの非反射部Ｔｂで形成されている場合に対応しているので、第２ターゲット部９２は、第２ターゲット部９２の両側の反射部Ｔｗの間によって検出される。具体的には、隣接する２つの反射部Ｔｗの間隔が最も長いとところによって第２ターゲット部９２が検出される。

平均ねじれ角算出部３は、上述した第１データ取得部２１および第２データ取得部２２によりそれぞれ取得された第１時系列データＤ１および第２時系列データＤ２に基づいて、回転時の回転軸８に生じる平均ねじれ角を算出するよう構成された機能部である。具体的には、この平均ねじれ角算出部３は、回転軸８に平均ねじれが生じない速度（以下、第１速度Ｖａ）で回転軸８を回転させた時に各センサから出力された第１時系列データＤ１ａおよび第２時系列データＤ２ａを含む参照時系列データＧｒと、回転軸８に平均ねじれが生じる速度（以下、第２速度Ｖｂ）で回転軸を回転させた時に各センサから出力された第１時系列データＤ１ｂおよび第２時系列データＤ２ｂを含む対象時系列データＧｔとに基づいて、平均ねじれ角を算出する。例えば、第１速度Ｖａ（回転数）は極低側回転時の速度であり、第２速度Ｖｂは高速回転時の速度である（Ｖａ＜Ｖｂ）。そして、算出した平均ねじれ角をディスプレイ１２に出力するようになっている。

図３に示す実施形態では、平均ねじれ角算出部３は、第１時系列データＤ１において時間軸上で相互に隣接する２つの第１ターゲット部９１の検出位置の間における、第２時系列データＤ２における第２ターゲット部９２の検出位置の同一の時間軸上における相対位置に基づいて、第１ターゲット部９１に対する第２ターゲット部９２の、回転軸８の周方向における角度位置を算出する角度位置算出部３２を有する。そして、上記の参照時系列データＧｒに基づいて算出された角度位置（θｒ）と、対象時系列データＧｔに基づいて算出された角度位置（θｔ）との差異に基づいて、平均ねじれ角を算出する。

すなわち、角度位置算出部３２は、図４に示すように、第１時系列データＤ１および第２時系列データＤ２を、時間軸を合わせて重ね合わせた際に、第２ターゲット部９２の検出位置が、この位置を挟むようにして位置する２つの第１ターゲット部９１の検出位置に対して、相対的にどのような位置にあるかを算出する。つまり、第１ターゲット部９１の検出周期をＴｐ、第１ターゲット部９１の検出信号Ｓａから第２ターゲット部９２の検出信号Ｓｂまでの経過時間をＴｅとすると、図４に示すように、角度位置は、Ｔｅ÷Ｔｐ×３６０（度）となる。このように算出した角度位置は、第１ターゲット部９１の１回転（３６０度）を基準とした第２ターゲット部９２の周方向における角度に相当する。

そして、この角度位置の計算を、参照時系列データＧｒおよび対象時系列データＧｔについてそれぞれ算出すれば、第２ターゲット部９２についての、第１ターゲット部９１を基準とした、回転軸８に平均ねじれが生じていない際の角度位置（θｒ。図５（ａ）参照）、および回転軸８に平均ねじれが生じている際の角度位置（θｔ。図５（ｂ）参照）の両方が得られる。つまり、回転軸８に平均ねじれが生じることによって、その角度位置がθｒからθｔになったことを意味するので、平均ねじれ角算出部３は、平均ねじれ角を、θｒ－θｔで算出する。このようにして、平均ねじれ角は算出される。なお、図５において、θｒ＋θ２＝３６０度、θｔ＋θ２´＝３６０度である。

上記の構成によれば、駆動源７１（例えばエンジンなど）の動力を被駆動体７２（例えば発電機など）に伝達する回転軸８には、相対的に駆動源７１側に近い側に第１ターゲット部９１が設けられ、相対的に被駆動体７２に近い側に第２ターゲット部９２が設けられている。また、第１センサおよび第２センサの各々が、第１ターゲット部９１および第２ターゲット部９２がそれぞれ設けられた回転軸８における軸方向位置で回転軸８に対向しつつ、回転軸８と共に回転しないように固定的に設置されるなどすることで、回転軸８の回転時において同時にセンシングを通して第１時系列データＤ１および第２時系列データＤ２を取得可能になっている。

そして、このような測定系において、上記の第１時系列データＤ１および第２時系列データＤ２を、回転軸８に平均ねじれが生じていない状態（参照時系列データＧｒ）、および回転軸８に平均ねじれが生じている状態（対象時系列データＧｔ）の各々でのセンシングを通してそれぞれ取得し、取得した参照時系列データＧｒおよび対象時系列データＧｔに基づいて、平均ねじれ角を、容易に算出することができる。

次に、上述した平均ねじれ角と、ねじり振動量とを同時に測定する実施形態について、説明する。
上述したように、図１に示す実施形態では、回転軸８においては、駆動源７１の出力軸８１と被駆動体７２との間に継手８３が設置されている。これらは回転体として一体として回転するが、回転時のトルクにより回転軸８は常にねじれながら回転している。継手８３が剛体の場合には、ねじれは微小であるが、それが弾性体継手のようなゴムや薄板を積層したもの等で出力軸８１と入力軸８２とを結合した場合、継手８３のねじれが大きく、継手８３を起点にして出力軸８１と入力軸８２とが常に、平均ねじれ角となる相対角度差をもってねじれた状態で回転する。一方、エンジンなどの駆動源７１では回転軸８を回転させる力は各気筒の爆発により与えられるため、厳密には回転軸８への回転荷重は間欠的である。そのため回転軸８は一定回転中での微小なねじれの変化（ねじり振動）が発生している。本実施形態では、この平均ねじれ角とねじれ振動量を同時に計測する。

幾つかの実施形態では、図３に示すように、上記のねじり量測定装置１は、回転軸８の外周面に周方向に沿って相互に間隔を開けて設けられた複数の第３ターゲット部９３が回転軸８の回転に従って間欠的に順次検出された第３時系列データＤ３を取得するよう構成された第３データ取得部２３と、この第３データ取得部２３によって取得された第３時系列データＤ３に基づいて、ねじり振動量を算出するねじり振動量算出部４と、をさらに備えても良い。

本実施形態では、第３ターゲット部９３は、縞状反射テープＴが有する複数の反射部Ｔｗによって形成されている。換言すれば、複数の第３ターゲット部９３は、第２ターゲット部９２が設けられた回転軸８の軸方向位置において、第２ターゲット部９２に周方向で隣接して設けられている。よって、本実施形態では、第２時系列データＤ２は、第２ターゲット部９２および複数の第３ターゲット部９３が第２センサによって回転軸８の１回転毎にそれぞれ間欠的に順次検出されることにより、１回転毎に第３ターゲット部９３の数と同数の検出信号Ｓｃを含む第３時系列データＤ３を含んでいる。このため、第３データ取得部２３は、入力された第２時系列データＤ２から、第２ターゲット部９２の検出信号Ｓｂを削除するなどすることによって、第２時系列データＤ２から第３時系列データＤ３を抽出することで、第３時系列データＤ３を取得する。

また、本実施形態では、ねじり振動量算出部４は、縞状反射テープＴなの反射部Ｔｗなどの等間隔に配置された複数の第３ターゲット部９３の各々の周方向長が全て同一の場合を前提に、第３時系列データＤ３に基づいて、ねじり振動量を算出するようになっている。換言すれば、複数の第３ターゲット部９３は、相互に同一の周方向長を有しつつ、回転軸８の周方向に沿って互いに等間隔となるように配置されているのを前提としている。このため、ねじり量測定装置１の記憶装置には、第３時系列データＤ３における相互に隣接する第３ターゲット部９３の検出信号Ｓｃの時間間隔（パルスピッチ間隔）あるいは角度間隔などが基準間隔として記憶されている。例えば、回転軸８にねじれが生じていない場合の各第３ターゲット部９３の間隔（長さ）を記憶しておき、回転速度（回転数）などから、取得した第３時系列データＤ３における第３ターゲット部９３のパルスピッチ間隔や角度間隔を算出するようにしても良い。

そして、ねじり振動量算出部４は、回転軸８にねじれが生じている場合に得られた第３時系列データＤ３ｂに含まれる各第３ターゲット部９３の検出信号Ｓｃ（パルス信号）について、相互に隣接する検出信号Ｓｃのパルスピッチ間隔あるいは角度間隔と、上記の基準間隔との差を算出し、各検出信号Ｓｃの時刻と共に記憶することで、ねじり振動量を算出しても良い。これによって、第３時系列データＤ３ｂを得るためのセンサを別途設けることなく、１つのセンサによる簡易な構成により、ねじり振動量を測定することが可能となる。

他の幾つかの実施形態では、図３に示すように、ねじり振動量算出部４は、上記の第１速度Ｖａで回転軸８を回転させた場合（極低速回転時）の第３時系列データＤ３ａと、上記の第２速度Ｖｂで回転軸８を回転させた場合（高速回転時）の第３時系列データＤ３ｂとの比較に基づいて、ねじり振動量を算出しても良い。すなわち、上述したように、第３時系列データＤ３における第３ターゲット部９３の位置を知っておくことでねじれ振動量の測定は可能であるが、複数の第３ターゲット部９３の各々を等間隔に配置したとしても、実際には加工や取付け上の誤差（パルスピッチ誤差）が発生している場合がある。よって、このような誤差を、回転軸８にねじれが発生していない場合の第３時系列データＤ３ａを用いてキャンセルすることができ、計測精度向上が図れる。

具体的には、回転軸８にねじれが発生していない場合の第３時系列データＤ３ａに基づいて、複数の第３ターゲット部９３の検出信号Ｓｃ間の間隔をそれぞれ記憶する。この時、例えば、第１ターゲット部９１の第１センサＳ１によるセンシングと、第３ターゲット部９３の第２センサＳ２によるセンシングとを同時に行うことにより、同時期の第１時系列データＤ１ａおよび第３時系列データＤ３ａを取得しておき、第１ターゲット部９１の検出信号Ｓａの位置を基準に、複数の第３ターゲット部９３の検出信号Ｓｃ間の基準間隔を記憶しても良い。こうして各検出信号Ｓｃ間の間隔をそれぞれ記憶したデータである基準ピッチテーブルＰｂを作成する。基準ピッチテーブルＰｂを参照することで、例えば基準から数えてｘ番目（ｘは２以上の整数）の上記の間隔の値を得ることが可能となる。

そして、回転軸８にねじれが発生している際に同時にセンシングすることにより得られた第１時系列データＤ１ｂおよび第３時系列データＤ３ｂを得ておき、第３時系列データＤ３ｂに基づいて、複数の第３ターゲット部９３の検出信号Ｓｃ間の間隔をそれぞれ算出すると共に、これらの算出した各間隔と比較すべき基準ピッチテーブルＰｂ（パルスピッチテーブル）の誤差を、第１時系列データＤ１ｂに基づいてそれぞれ選択し、算出した各間隔を補正する。これによって、第３ターゲット部９３の形状の公差があったとしても、回転軸８にねじれが生じている場合とねじれが生じていない場合とでそれぞれ測定された第３時系列データＤ３に基づいて、ねじり振動量を精度良く測定することが可能となる。

ただし、本実施形態に本発明は限定されない。他の幾つかの実施形態では、複数の第３ターゲット部９３は、第２ターゲット部９２とは、異なる軸方向位置において回転軸８の周方向に沿って設けられていても良い。この場合には、第２センサＳ２とは異なる第３センサを、第２センサＳ２と同様に固定的に設置し、回転軸８の回転時にセンシングを行うことで、第３時系列データＤ３を取得しても良い。

上記の構成によれば、回転軸８の外周面において周方向に沿って相互に間隔を開けて設けられた複数の第３ターゲット部９３の検出信号Ｓｃを含む第３時系列データＤ３に基づいて、ねじり振動量を算出する。これによって、平均ねじれ角と、ねじり振動量を同時に測定することができる。

以下、上述したねじり量測定装置１が実行する処理に対応するねじり量測定方法について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の一実施形態に係るねじり量測定方法を示す図である。ねじり量測定方法は、駆動源７１と、この駆動源７１により駆動される被駆動体７２とを接続する回転軸８の回転時に生じる平均ねじれ角を算出するための回転軸のねじり量測定装置である。

そして、図６に示すように、ねじり量測定方法は、上述した第１センサＳ１の出力データである上述した第１時系列データＤ１を取得する第１データ取得ステップと、第２データ取得ステップを実行する。第２データ取得ステップ（Ｓ２）は、上述した第２センサＳ２の出力データである上述した第２時系列データＤ２を取得する第２データ取得ステップと、上記の第１データ取得ステップおよび第２データ取得ステップによりそれぞれ取得された第１時系列データＤ１および第２時系列データＤ２に基づいて、回転時の回転軸８に生じる平均ねじれ角を算出する平均ねじれ角算出ステップと、を備える。これらの第１データ取得ステップと、第２データ取得ステップと、平均ねじれ角算出ステップは、それぞれ、既に説明した第１データ取得部２１、第２データ取得部２２、平均ねじれ角算出部３が実行する処理内容と同様であるため、詳細は省略する。

図６に示す実施形態では、ステップＳ１において、上記の第１速度Ｖａ（極低速回転時）で回転軸８を回転させている時に、第１センサＳ１よび第２センサＳ２によるセンシングを同時に実行しつつ、上記の第１データ取得ステップおよび第２データ取得ステップを実行することで、上述した第１時系列データＤ１ａおよび第２時系列データＤ２ａを含む参照時系列データＧｒを取得する。引き続くステップＳ２において、上記の第２速度Ｖｂ（高速回転時）で回転軸８を回転させている時に、第１センサＳ１よび第２センサＳ２によるセンシングを同時に実行しつつ、上記の第１データ取得ステップおよび第２データ取得ステップを実行することで、上述した第１時系列データＤ１ｂおよび第２時系列データＤ２ｂを含む対象時系列データＧｔを取得する。そして、ステップＳ３において、上記の平均ねじれ角算出ステップを実行することで平均ねじれ角を算出する。なお、上記のステップＳ１とステップＳ２との順番は逆であっても良い。

また、幾つかの実施形態では、図６に示す実施形態では、ねじり量測定方法は、上述した第３時系列データＤ３を取得する第３データ取得ステップと、この第３データ取得ステップによって取得された第３時系列データＤ３に基づいて、ねじり振動量を算出するねじり振動量算出ステップと、をさらに備えても良い。これらの第３データ取得ステップと、ねじり振動量算出ステップとは、それぞれ、既に説明した第３データ取得部２３、ねじり振動量算出ステップが実行する処理内容と同様であるため、詳細は省略する。

図６に示す実施形態では、上記のステップＳ１において、さらに、上記の第３データ取得ステップを共に実行することで、上述した第１時系列データＤ１ａ、第２時系列データＤ２ａおよび第３時系列データＤ３ａを含む参照時系列データＧｒを取得する。また、上記のステップＳ２において、さらに、上記の第３データ取得ステップを共に実行することで、上述した第１時系列データＤ１ｂ、第２時系列データＤ２ｂおよび第３時系列データＤ３ｂを含む対象時系列データＧｔを取得する。そして、上記のステップＳ３に続くステップＳ４において、上記のねじり振動量算出ステップを実行することでねじり振動量を算出する。なお、上記のステップＳ３とステップＳ４との順番は逆であっても良い。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

１ ねじり量測定装置
１２ ディスプレイ
２１ 第１データ取得部
２２ 第２データ取得部
２３ 第３データ取得部
３ 平均ねじれ角算出部
３２ 角度位置算出部
４ ねじり振動量算出部
７１ 駆動源
７２ 被駆動体
８ 回転軸
８１ 出力軸
８２ 入力軸
８２ｂ ボルト
８２ｆ フランジ
８３ 継手
９ ターゲット部
９１ 第１ターゲット部
９２ 第２ターゲット部
９３ 第３ターゲット部

Ｓ１ 第１センサ
Ｓ２ 第２センサ
Ｄ１ 第１時系列データ
Ｄ１ａ 第１時系列データ（第１速度で回転時）
Ｄ１ｂ 第１時系列データ（第２速度で回転時）
Ｄ２ 第２時系列データ
Ｄ２ａ 第２時系列データ（第１速度で回転時）
Ｄ２ｂ 第２時系列データ（第２速度で回転時）
Ｄ３ 第３時系列データ
Ｄ３ａ 第３時系列データ（第１速度で回転時）
Ｄ３ｂ 第３時系列データ（第２速度で回転時）
Ｇｒ 参照時系列データ
Ｇｔ 対象時系列データ
θｒ 角度位置（参照時系列データ）
θｔ 角度位置（対象時系列データ）
Ｔ 縞状反射テープ
Ｔｂ 非反射部
Ｔｗ 反射部
Ｌ 周方向長（反射部、非反射部）
Ｓａ 検出信号（第１ターゲット部）
Ｓｂ 検出信号（第２ターゲット部）
Ｓｃ 検出信号（第３ターゲット部）
Ｖａ 第１速度
Ｖｂ 第２速度
Ｐｂ 基準ピッチテーブル

Claims (9)

1. 駆動源と前記駆動源により駆動される被駆動体とを接続する回転軸の回転時に生じる平均ねじれ角を算出するための回転軸のねじり量測定装置であって、
   前記回転軸の外周面に設けられた第１ターゲット部を前記回転軸の１回転毎に１回検出する第１センサの出力データである第１時系列データを取得するよう構成された第１データ取得部と、
   前記回転軸の前記外周面における、前記第１ターゲット部よりも前記被駆動体側に設けられた第２ターゲット部を前記１回転毎に１回検出する第２センサの、前記第１時系列データと同時刻の出力データを含む第２時系列データを取得するよう構成された第２データ取得部と、
   取得された前記第１時系列データおよび前記第２時系列データに基づいて、前記回転時の前記回転軸に生じる前記平均ねじれ角を算出するよう構成された平均ねじれ角算出部と、を備え、
   前記平均ねじれ角算出部は、
   前記回転軸に平均ねじれが生じない第１速度で前記回転軸を回転させた際の前記第１時系列データおよび前記第２時系列データを含む参照時系列データと、前記回転軸に前記平均ねじれが生じる第２速度で前記回転軸を回転させた際の前記第１時系列データおよび前記第２時系列データを含む対象時系列データとに基づいて、前記平均ねじれ角を算出することを特徴とする回転軸のねじり量測定装置。
2. 前記平均ねじれ角算出部は、
   前記第１時系列データにおいて時間軸上で相互に隣接する２つの前記第１ターゲット部の検出位置の間における、前記第２時系列データにおける前記第２ターゲット部の検出位置の同一の前記時間軸上における相対位置に基づいて、前記第１ターゲット部に対する前記第２ターゲット部の、前記回転軸の周方向における角度位置を算出する角度位置算出部を有し、
   前記参照時系列データに基づいて算出された前記角度位置と、前記対象時系列データに基づいて算出された前記角度位置との差異に基づいて、前記平均ねじれ角を算出することを特徴とする請求項１に記載の回転軸のねじり量測定装置。
3. 前記回転軸の前記外周面に前記回転軸の周方向に沿って相互に間隔を開けて設けられた複数の第３ターゲット部が前記回転軸の回転に従って間欠的に順次検出された第３時系列データを取得するよう構成された第３データ取得部と、
   前記第３時系列データに基づいて、ねじり振動量を算出するねじり振動量算出部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の回転軸のねじり量測定装置。
4. 前記複数の第３ターゲット部は、前記第２ターゲット部が設けられた前記回転軸の軸方向位置において、前記第２ターゲット部に前記周方向で隣接して設けられており、
   前記第２時系列データは、前記第２ターゲット部および前記複数の第３ターゲット部が前記第２センサによって前記回転軸の１回転毎にそれぞれ間欠的に順次検出されることにより、前記第３時系列データを含んでおり、
   前記ねじり振動量算出部は、前記第２時系列データに含まれる前記第３時系列データに基づいて、前記ねじり振動量を算出することを特徴とする請求項３に記載の回転軸のねじり量測定装置。
5. 前記複数の第３ターゲット部は、相互に同一となる前記周方向の長さを有しつつ、前記周方向に沿って互いに等間隔となるように配置されていると共に、
   前記複数の第３ターゲット部の各々の前記周方向の長さは、前記第２ターゲット部の前記周方向の長さとは異なることを特徴とする請求項４に記載の回転軸のねじり量測定装置。
6. 前記ねじり振動量算出部は、前記第１速度で前記回転軸を回転させた場合の前記第３時系列データと前記第２速度で前記回転軸を回転させた場合の前記第３時系列データとの比較に基づいて、前記ねじり振動量を算出することを特徴とする請求項３～５のいずれか１項に記載の回転軸のねじり量測定装置。
7. 前記回転軸は、前記駆動源の出力軸と、前記被駆動体に前記出力軸の回転を入力する入力軸と、前記出力軸と前記入力軸とを接続する継手と、を含んで構成されており、
   前記第１ターゲット部は、前記出力軸に設けられ、
   前記第２ターゲット部は、前記入力軸に設けられていることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の回転軸のねじり量測定装置。
8. 前記駆動源はエンジンであり、
   前記被駆動体は発電機であることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の回転軸のねじり量測定装置。
9. 駆動源と前記駆動源により駆動される被駆動体とを接続する回転軸の回転時に生じる平均ねじれ角を算出するための回転軸のねじり量測定装置であって、
   前記回転軸の外周面に設けられた第１ターゲット部を前記回転軸の１回転毎に１回検出する第１センサの出力データである第１時系列データを取得する第１データ取得ステップと、
   前記回転軸の前記外周面における、前記第１ターゲット部よりも前記被駆動体側に設けられた第２ターゲット部を前記１回転毎に１回検出する第２センサの、前記第１時系列データと同時刻の出力データを含む第２時系列データを取得する第２データ取得ステップと、
   取得された前記第１時系列データおよび前記第２時系列データに基づいて、前記回転時の前記回転軸に生じる前記平均ねじれ角を算出する平均ねじれ角算出ステップと、を備え、
   前記平均ねじれ角算出ステップは、
   前記回転軸に平均ねじれが生じない第１速度で前記回転軸を回転させた際の前記第１時系列データおよび前記第２時系列データを含む参照時系列データと、前記回転軸に前記平均ねじれが生じる第２速度で前記回転軸を回転させた際の前記第１時系列データおよび前記第２時系列データを含む対象時系列データとに基づいて、前記平均ねじれ角を算出することを特徴とする回転軸のねじり量測定方法。

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