WO1998030869A1 - Procede de mesure d'information portant sur la rotation d'un corps rotatif et instrument de mesure de l'information portant sur la rotation - Google Patents

Description

明 細 書 回転体の回転情報測定方法および回転情報測定装置 技 術 分 野

この発明は、 小さな回転体の回転時における回転情報として、 回転角の時間情報、 角速度、 角加速度、 トルク、 およびエネルギーを非接触で正確に測定するための回 転情報測定方法および回転情報測定装置に関する。 背 景 技 術

例えば、 時計の指針駆動用のァクチユエータとして使われているステップモータ やマイクロモータのロータのような小さな回転体の回転状況を把握するためには、 その回転情報として回転時の微小トルクや微小エネルギー等を測定する必要がある。 従来、 このような回転体の微小トルクを測定する方法としては、 被測定対象の回 転体に基準負荷トルク発生器を接触させることによってその回転体の発生トルクを 推定する方法や、 回転体に歪みゲージなどを用いたトルク測定器具を接続してその 回転体が発生したトルクを測定する方法などが採用されていた。

そのため、 回転体の発生トルクが基準負荷に対して十分大きな時はほぼ正確に発 生トルクを推定することができた。 しかし、 回転体の発生トルクが基準負荷に対し て小さい場合には、 基準負荷の接触の有無やトルク測定器具のイナ一シャの存在に よって、 その回転体の挙動が変化してしまう。 そして、 究極的には回転体が回転で きなくなってしまうため、 回転中のトルクを測定することは困難であった。

このため、 マイクロモータなどの性能評価を行いたいというニーズは多くありな がら、 従来の方法によっては、 小さな回転体の回転時における微小トルクを正確に 測定することはできなかった。 また、 同様にしてその回転時の微小エネルギーを精 度よく測定することも困難であった。 この発明は、 こような問題を解決するためになされたものであり、 上述のような 小さな回転体の回転時における回転情報、 すなわち回転角の時間情報、 角速度、 角 加速度、 トルク、 およびエネルギーを非接触で正確に測定できるようにする回転情 報測定方法と、 その測定方法を実施するための回転情報測定装置とを提供すること を目的とする。 発 明 の 開 示

この発明による回転体の回転情報測定方法は、 上記の目的を達成するため、 被測 定対象としての回転体の回転軸の先端にその回転軸線に対して傾斜した反射面を形 成しておく。

そして、 上記回転体の回転中に上記反射面に対して上記回転軸線に沿う方向から 光ビームを照射し、 その回転体の回転開始後、 上記反射面による反射光を上記回転 軸線を中心とする同一円周上に所定角度間隔を置いて設置した複数の光検出素子に よって検出することにより、 基準時点から上記複数の各光検出素子によって上記反 射光がそれぞれ検出されるまでの経過時間を、 上記回転体の回転角の時間情報とし て測定する。

その回転角の時間情報を時間で微分することによって、 上記回転体の角速度を測 定することができる。

その角速度をさらに時間で微分することによって、 上記回転体の角加速度を測定 することができる。

さらに、 その角加速度に上記回転体の慣性モーメント （イナ一シャともいう） を 乗ずることにより、 該回転体に作用するトルクを測定することができる。

そして、 そのトルクを、 上記回転体の回転開始後該トルクを測定した回転角度範 囲で積分することにより、 その回転角度範囲の終端で上記回転体が持つ回転のエネ ルギ一を測定することができる。 あるいは、 ある時点において測定された角速度を ω、 上記回転体の慣性モーメン トを Iとすると、 該時点における上記回転体が持つ回転のエネルギー Εを、

Ε = ( ΐ / 2 ) · Ι · ω ² の演算によって求めて測定することもできる。

また、 この発明による回転体の回転情報測定装置は、 上記測定方法を実施するた め、 回転軸の先端にその回転軸線に対して傾斜した反射面を形成した回転体を被測 定対象とし、 その回転体の回転情報を測定する装置であって、 少なくとも次の各手 段を有する。

その各手段とは、 上記回転体の回転中に上記反射面に対して上記回転軸線に沿う 方向から光ビームを照射する光ビーム照射手段と、 上記回転軸線を中心とする同一 円周上に所定角度間隔を置いてそれぞれ上記反射面による反射光を検出するように 配置された複数の光検出素子からなる反射光検出手段と、 上記回転体の回転開始後、 上記反射面による反射光を上記複数の光検出素子によって検出することにより、 基 準時点から上記複数の各光検出素子によって上記反射光がそれぞれ検出されるまで の経過時間を、 上記回転体の回転角の時間情報として測定する手段である。

さらに、 上記測定された回転角の時間情報を時間で微分することによって角速度 を算出する角速度演算手段を設ければ、 上記回転体の角速度を測定することができ る。

さらにまた、 その測定された角速度を時間で微分することによって角加速度を算 出する角加速度演算手段を設ければ、 上記回転体の角加速度を測定することができ る。

そして、 その測定された角加速度に上記回転体の慣性モーメントを乗ずることに より、 該回転体に作用するトルクを算出するトルク演算手段を設ければ、 回転体の トルクを測定することができる。

さらに、 その測定されたトルクを上記回転体の回転開始後該トルクを測定した回 転角度範囲で積分するエネルギー演算手段を設ければ、 その回転角度範囲の終端で 上記回転体が持つ回転のエネルギーを測定することができる。

あるいは、 ある時点において測定された角速度 ωと、 上記回転体の慣性モ一メン ト I とから、 該時点における上記回転体が持つ回転のエネルギー Εを、

Ε = ( 1 / 2 ) · I · ω ² の演算によって算出するエネルギー演算手段を設けるように してもよい。

上記回転体を回転駆動する駆動手段を設ければ、 回転駆動手段を持たない回転体 の回転情報も測定することが可能になる。

上記各回転情報測定装置において、 それぞれ各演算手段によって算出される トル クゃエネルギー等の回転情報を表示する表示手段を設ければ、 測定結果を目で確認 しながら測定することができる。 図面の簡単な説明

第 1図はこの発明による回転体の回転情報測定装置の一実施形態を示すプロック 構成図である。

第 2図はこの発明の具体的な第 1の実施形態の被測定対象とする回転体である口 —タを有する 2極ステップモータの断面図である。

第 3図はその回転体の回転軸の反射面に対する第 1の実施形態の回転情報測定装 置の光ビーム照射手段と反射光検出手段の配置を示す側面図である。

第 4図は同じくその反射光検出手段の各光検出器の配置を示す平面図である。 第 5図はその測定結果としての回転角の時間情報、 角速度、 および角加速度の表 示例を示す線図である。

第 6図は同じくそのトルクおよびエネルギーの表示例を示す線図である。

第 7図はこの発明の具体的な第 2の実施形態において反射光検出手段に使用する フォトダイォードアレイの斜視図である。

第 8図はこの発明の具体的な第 3の実施形態の回転情報測定装置を回転体と共に 示す側面図である。

第 9図は第 8図における円環状のフォトダイォ一ドアレイ 3 8の平面図である。 第 1 0図は同じく第 3の実施形態における回転角の時間情報測定手段および記憶 手段の具体例を示すプロック回路図である。

第 1 1図は第 1 0図におけるパラレルのパルス信号とシリアルのパルス信号の関 係を示すタイミング図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

第 1図は、 この発明による回転体の回転情報測定装置の一実施形態を示すプロッ ク構成図である。

この回転情報測定装置は、 回転軸 1 aの先端にその回転軸線 1 cに直交する平面 に対して傾斜した反射面 1 bを形成した回転体 1を被測定対象とし、 その回転体 1 の回転情報を測定する装置である。

そして、 回転体 1の回転中に反射面 1 bに対して回転軸線 1 cに沿う方向から光 ビームを照射する光ビーム照射手段 2と、 回転軸線 1 cを中心とする同一円周上に 所定角度間隔を置いてそれぞれ反射面 1 bによる反射光を検出するように配置され た複数の光検出素子からなる反射光検出手段 3と、 回転体 1の回転開始後、 その反 射面 1 bによる反射光を反射光検出手段 3の複数の光検出素子によって検出するこ とにより、 基準時点から上記複数の各光検出素子によって反射光がそれぞれ検出さ れるまでの経過時間を、 回転体 1の回転角の時間情報として測定する回転角の時間 情報測定手段 4とを、 最小限必要な構成としている。

この例ではさらに、 記憶手段 5、 演算手段 6、 および表示手段 7と、 回転体 1を 回転駆動するための駆動手段 8およびその任意の駆動波形を発生する駆動波形発生 手段 9とを備えている。 回転体 1側にその駆動手段を備えている場合には、 この測 定装置側に駆動手段 8および駆動波形発生手段 9を備える必要はない。

この測定装置を使用すれば、 この発明による回転体の回転情報測定方法を実施す ることができる。

すなわち、 回転体 1の回転中にその回転軸 1 aの先端に傾斜して形成された反射 面 1 bに対して、 光ビーム照射手段 2によって回転体 1の回転軸線 1 cに沿う方向 から光ビームを照射し、 その回転体 1の回転開始後、 その反射面 1 bによる反射光 を反射光検出手段 3を構成する回転軸線 1 cを中心とする同一円周上に所定角度間 隔を置いて設置された複数の光検出素子によって検出することにより、 回転角の時 間情報測定手段が、 基準時点から上記複数の各光検出素子によって反射光がそれぞ れ検出されるまでの経過時間を、 回転体 1の回転角の時間情報として測定する。 そして、 この所定回転角度ごとの回転時間の情報を記憶手段 5に一時記憶させた 後、 演算手段 6によって必要な回転情報を算出して表示手段 7に表示させる。 その演算手段 6は、 回転角の時間情報を時間で微分することによって角速度を算 出する角速度演算手段と、 その角速度を時間で微分することによって角加速度を算 出する角加速度演算手段と、 その角加速度に回転体 1の慣性モーメント （イナーシ ャともいう） を乗ずることにより回転体 1に作用するトルクを算出するトルク演算 手段の機能を有する。

さらに、 この演算手段 6に、 そのトルクを回転体 1の回転開始後該トルクを測定 した回転角度範囲で積分することによって、 その回転角度範囲の終端で上記回転体 が持つ回転のエネルギーを算出するエネルギー演算手段、 あるいは、 ある時点にお いて測定された角速度 ωと、 回転体 1の慣性モーメント I とから、 該時点における 回転体 1が持つ回転のエネルギー Εを、 Ε = ( ΐ Ζ 2 ) · Ι · ω ² の演算によって算出 するエネルギー演算手段の機能も持たせることができる。

そして、 その算出結果をそれぞれ C T R表示器あるいは液晶表示器等による表示 手段 7に表示させることができる。 次に、 この発明の具体的な第 1の実施形態として、 この回転情報測定装置の被測 定対象である回転体 1が、 時計の針を回転させるためのァクチユエータとして使わ れている 2極ステップモータのロータである場合の例を、 第 2 A図乃至第 6図を参 照して説明する。

第 2 A図および第 2 B図は、 回転体 1であるロータを有する 2極ステップモータ の断面図およびそのロータ 1の斜視図、 第 3図はその回転体 1の回転軸 1 aの反射 面 1 bに対する回転情報測定装置の光ビーム照射手段 2と反射光検出手段 3の配置 を示す側面図、 第 4図は同じくその反射光検出手段 3の各光検出器の配置を示す平 面図である。

第 2 A図に示す 2極ステップモータ 1 0は、 回転体 1であるロータ （以下 「ロー タ 1」 という） がステ一タ 1 2内に設けられ、 そのステ一タ 1 2にはコイル 1 3が 卷装されており、 そのコイル 1 3に駆動パルスが印加されることによって励磁され、 ロータ 1をステップ回転させる。

そのロータ 1には、 第 2 B図にも示すようにその中心に回転軸 1 aを貫通させて —体に設けており、 その回転軸 l aに小歯車 （カナ） 1 4を嵌合固定している。 そ して、 この回転軸 1 aが輪列受け 1 5と地板 1 6の各軸受部によって回転自在に支 持されている。

さらに、 この回転軸 1 aの輪列受け 1 5から突出する先端面を斜めに鏡面加工す ることにより、 回転軸線 1 cに対して角度 0だけ傾斜した反射面 1 bを形成してい る。 この例では、 その傾斜角度 0はおよそ 4 5度である。

なお、 この反射面 l bは、 回転軸 1 aの先端を直接斜めに鏡面加工する代わりに、 回転軸 1 aの先端面に回転軸線 1 cに対して傾斜した反射面 1 bを有する光反射部 材を貼着して形成するようにしてもよい。 しかし、 その場合には、 回転体 1の挙動 に影響を与えないように、 できる限りその質量が小さいことが望ましい。 光反射部 材の設置位置が回転軸上であることを考慮すると、 現実的には光反射部材の質量は ロータ 1の質量の 1 %未満であればほとんど影響はない。

光ビーム照射手段 2は第 3図に示すように、 ベ一スプレート 1 7上に立設された 支柱 1 8の上部にホルダ 2 1が取付ねじ 2 2によって固設され、 そのホルダ 2 1の 水平に延びる上支持片 2 1 aに光源として半導体レーザ 2 3を、 下支持片 2 1 bに 集光レンズ 2 4をそれぞれ回転軸 1 aの回転軸線 1 c と光軸を一致させて取り付け ている。

半導体レーザ 2 3は、 近赤外域の 9 0 0 n m付近の波長にピークを有するレーザ 光を発光する。 そのレーザ光を集光レンズ 2 4によって集光して細いレーザビーム L Bとし、 下支持片 2 1 bの透孔 2 1 cから回転軸線 1 cに沿って （図示の例では 鉛直方向に） 回転軸 1 aの反射面 1 bの中心部に照射する。

このとき、 反射面 1 bに対するレーザビーム L Bの入射角は 4 5度であるから、 反射角も 4 5度になり、 反射光 L Rは回転軸線 1 c と直交する方向 （図示の例では 水平方向） の平面内に反射される。 反射面 1 bの回転軸線 1 cに対する傾斜角度が 4 5度でない場合には、 円錐面内に反射されることになる。 これらの平面あるいは 円錐面を反射光が形成する掃引面という。

反射光検出手段 3は第 3図及び第 4図に示すように、 フォ トダイォード又はフォ ト トランジスタ等の光検出素子 3 1を備えた光検出器 3 2を、 回転体 1の回転軸線 1 cを中心とする上記掃引面上の同一円周 （第 4図に一点鎖線 3 3で示す） 上に、 所定の角度間隔を置いてそれぞれ反射面 1 bの中心に向けて多数配設している。 第 4図に示す例では、 ロータ 1が静止時に反射光が到達する地点を基点 P。 とし て、 6度間隔で計 3 8個 （チャネル C H 1から C H 3 8 ) の光検出器 3 2を配置し た。

それは、 時計用の 2極ステップモータによる 1ステップの駆動によるロータ 1の 回転角度が 1 8 0度であるから、 オーバシュート分の角度 αとして 4 2度とつて 2 2 2度の角度範囲での回転情報を測定するためである。 各光検出器 3 2は第 3図に示すように、 ベ一スプレート 1 7上に立設された支柱 3 4とそれに平行な送りねじ 3 5とによって回動不能に支持され、 送りねじ 3 5を 回転させることにより、 反射光 L Rの入射位置に合わせて高さ方向の位置を調整で きるようになっている。 3 6は送りねじ 3 5と光検出器 3 2との間のバックラッシ を除くためのコイルスプリングである。

各光検出器 3 2の光検出素子 3 1 としては、 フォ トダイオード （N E C製 P H— 3 0 2 ) を用いることにより、 半導体レ一ザ 2 3が発光するレ一ザ光の波長とのマ ツチングを図り、 高速応答を達成することができた。 しかし、 光検出素子は反射光 L Rを検出できればよいので、 光ビーム照射手段 2の光源との相性によりフォトダ ィォ一ド以外のものを用いてもよい。

この回転情報測定装置によれば、 反射光検出手段 3の各光検出素子 3 1の基点 P o からの角度位置は既知であるから、 2極ステップモータ 1 0のステップ駆動に よりロータ 1がステップ回転したとき、 その駆動開始時点あるいは光検出器 3 2の 基点 P。 にある光検出素子 3 1が反射光 L Rを検出しなくなった時点 （これらを

「基準時点」 とレヽう） から、 反射光 L Rの掃引により順次各光検出器 3 2の光検出 素子 3 1が反射光 L Rを検出するまでの経過時間 （回転時間に相当する） を測定す ることにより、 回転を始めたロータ 1の回転角の時間情報が精度よく得られる。 第 1図に示した回転角の時間情報測定手段 4としてマイクロコンピュータを用い て、 この装置全体の時間管理を行うことにより、 1 s程度の精度を有するロータ 回転角に対する時間情報が比較的容易に得られる。

その得られた回転角に対する時間情報は、 記憶手段 5に一時記憶された後、 演算 手段 6によって前述した角速度， 角加速度， トルク， またはエネルギーのうちの知 りたい物理量に変換され、 表示手段 7に表示される。

その測定結果、 すなわち 2極ステップモータのロータを被測定対象としたときの 各種回転情報の表示例を第 5図および第 6図に示す。 第 5図の （a ) に示す曲線 7 1は、 回転角の時間情報測定手段 4によって測定さ れた回転角に対する時間情報を、 回転時間を横軸に回転角を縦軸にして示した回転 角（rad) の時間特性を示す曲線である。

同図の （b ) に示す曲線 7 2は、 この回転角の時間特性を時間で微分することに より得られた角速度 （rad/sec)の時間特性を示す曲線である。

同図の （c ) に示す曲線 7 3は、 その角速度の時間特性をさらに時間で微分する ことにより得られた角加速度（rad/sec²)の時間特性を示す曲線である。

第 6図に示す曲線 7 4は、 曲線 7 3で示した角加速度の値にロータ 1のイナーシ ャ （質量） を乗ずることにより得られたトルク （N · m) の回転角特性を回転角 0 radから π rad ( 1 8 0度） までの回転角度範囲 （第 5図に Tで示す角速度がピー クになるまでの時間に相当する） で示した曲線である。

このトルクの値を、 それを測定した回転角 0 radから π radまでの回転角度範囲 で積分することにより、 この角度範囲の終端である π rad回転した時点における口 ータ 1の回転によるエネルギーを算出できる。 それを第 6図に斜線を施して示す部 分の面積で表わす。 トルクが 0より上側の部分は正のエネルギー、 0より下側の部 分は負のエネルギーを示し、 その差が _π rad回転した時点でのエネルギーの大きさ を表す。

その後ロータ 1はオーバシュ一トして、 わずかな正逆回動を操り返しながら回転 角 π radの位置で停止する。

なお、 ある時点において測定された角速度を ω、 回転体 1の慣性モーメントを I とすると、 該時点における回転体 1が持つ回転のエネルギー Εを、

Ε = ( 1 / 2 ) · I · ω ² の演算によって算出して、 それを表示することもできる。 このように、 この回転情報測定装置およびそれを使用した回転情報測定方法によ れば、 2極ステップモータのロータの実際の回転状況を把握するための各種の回転 情報を、 ロータに接触することなく、 したがってその回転挙動に影響を与えずにそ の回転角度範囲にわたって正確に測定することができる。

次に、 この発明の具体的な第 2の実施形態について説明する。

上述の第 1の実施の形態においては、 2極ステップモータのロータの動きに合わ せて光検出素子 3 1を 6度間隔で設置したが、 光検出素子を回転体の運動に応じて 配置することにより多方面の応用が可能である。 たとえば、 時計の針の運針状況を 把握することも可能である。

ステップ運針を行う秒針に注目すると、 秒針は 1ステップ 6度という回転を行な つているが、 動いている時間は 1 O m s以下であるために、 従来はその非定常な運 針状況を正確に把握できなかった。 しかしこの発明による回転情報測定装置およぴ 回転情報測定方法を用いれば、 秒針が実際に動いている状態での運針状況の把握が 可能である。

そこで、 秒針軸の先端部をその回転軸線に対して傾斜した斜面に形成し、 そこに 光反射部材として微小ミラ一を設置して反射面を形成する。 例えば、 厚さ 1 0 0ミ クロンの S i ゥヱハー面上に金 （A u ) を蒸着した後、 縦横 1 0 0ミクロンの大き さに切り出したものを微小ミラーとする。

このときの微小ミラ一の重量はおよそ 2 . 3 /z gであり、 四番車と秒針を合わせ た重量がおよそ 8 m gであるのに対してその重量比は高々 0 . 1 %未満である。 そ のため、 微小ミラ一を取り付けたことによる秒針軸の回転挙動に与える影響は無視 しうる。

そして、 この実施形態においては、 第 1の実施形態における反射光検出手段 3の 各光検出器 3 2に代えて、 秒針軸の回転軸線を中心とする上記微小ミラ一による反 射光の掃引面内で同一円周上に、 第 7図に示すように S i ゥヱハー上に複数のフォ トダイォード 3 7 aを作り込んだフォ トダイォードアレイ 3 7を配設する。

このフォ トダイォードアレイ 3 7を使用することによって、 秒針の 1ステップの 回転角度である 6度の狭い範囲内にも多数の光検出素子であるフォトダイォード 3 7 aを配置でき、 結果的に狭い角度領域内の運針状況も十分精度よく把握すること が可能になる。

反射光検出手段として用いたフォトダイォードアレイ 3 7は、 第 7図に示すよう な形状で、 縦 5 m ni、 横 0 . 8 m mのフォトダイオード 3 7 aが横方向に 1 mmの ピッチで 3 5素子が整列している構成のものである。

なお、 このように多数のフォトダイォ一ド 3 7 aを平面に配列したフォトダイォ 一ドアレイ 3 7を用いても、 反射光を受光する角度範囲が 6度という狭い範囲であ るため、 どのフォトダイォード 3 7 aの受光面も反射面からの距離が殆ど変わらず、 精度上の問題は生じない。

次に、 この発明の具体的な第 3の実施形態について説明する。

第 8図は、 その回転情報測定装置を被測定物である回転体と共に示す側面図であ る。 この実施形態においては、 回転体 1の回転軸 1 aの先端部に、 回転体 1の回転 軸線 1 cに対して傾斜角 Θがおよそ 8 5度 （回転軸線 1 cに直交する平面に対して およそ 5度） の傾きをもつように反射面 1 bを形成した。 この傾きにより反射面 1 bからの反射光 L Rは、 光ビーム照射手段 2から回転軸線 1 cに沿って照射される レーザビーム L Bに対しておよそ 1 0度の角度をもって回転体 1の回転に伴なつて 回転し、 円錐状の掃引面を形成する。

光ビーム照射手段 2は、 第 3図に示した第 1の実施形態のものと同様に、 半導体 レーザおよび集光レンズ等によって構成されている。

そして、 反射光検出手段としては、 この光ビーム照射手段 2の周囲を囲むように、 第 9図に示すような円環形状のフォ トダイォードアレイ 3 8を配設した。 この円環 形状のフォトダイォ一ドアレイ 3 8は、 ドーナツのような円環形状の S i ゥヱハー の表面に、 円環中心から放射状に広がる直線によって円周方向に等分割された複数 の光検出素子であるフォトダイォード 3 8 aを形成している。

このようにフォトダイオード 3 8 aを円環形状に配列することによって、 全周に おいて時間情報の測定が可能になる。 この実施形態における円環形状のフォトダイ ォードアレイ 3 8は、 各フォトダイォード 3 8 aの中心を通る基準円の半径が 3 0 m m , 素子間ピッチが 3 . l mm で 6 0素子が円周方向に配列されている。

光ビーム照射手段 2は、 そのレーザビーム照射光軸と円環形状のフォ トダイォー ドアレイ 3 8の中心軸とを一致させて一体に組み合わせてュニッ ト化することが可 能である。 そうすることにより、 前述の第 1， 第 2の実施形態で必要であった光ビ ーム照射手段 2と光検出素子との位置関係の調整を行う必要がなくなる。

ただし、 光ビーム照射手段 2と円環形状のフォ トダイォードアレイ 3 8とが一体 となったものと、 回転軸 1 a上の反射面 1 bとの間の距離を、 反射光 L Rが適切に 円環形状のフォトダイォ一ドアレイ 3 8の各フォトダイォード 3 8 aに入射するよ うに調整することは必要である。

このように、 反射光検出手段を光ビーム照射手段に近づけるか、 もしくは一体化 することにより、 回転情報測定装置が必要とする空間が小さくなり、 装置の小型化 が可能になる。 また、 被測定物である回転体を移動させることが困難な場合に、 回 転情報測定装置を持ち運んで測定を行うことが可能になる。

さらに、 光ビーム照射手段による光ビームの照射方向は鉛直方向だけでなく、 水 平方向あるいは任意の角度に設定することも容易になる。

ここで、 この第 3の実施形態に使用する第 1図における回転角の時間情報測定手 段 4と記憶手段 5に相当する部分の回路構成例を第 1 0図によって説明する。 この実施形態においては、 回転角の時間情報測定手段 4を 2値化回路群 4 1 とパ ラレルシリアル変換器 4 2とカウンタ 4 3とによって構成している。 また、 記憶手 段 5をデコーダ 5 0と R AM等のメモリ 5 1によって構成している。

円環形状のフォ トダイォードアレイ 3 8の各フォ ドダイォ一ド 3 8 aカ 、 第 8図 に示した回転体 1の回転時にその回転軸 1 aの反射面 1 bからの反射光 L Rを順次 受光することによって出力する検出信号 S dを、 'それぞれ 2値化回路群 4 1の各 2 値化回路 （コンパレータによって構成される） 4 1 aによって 2値化してパルス信 号 P dに変換する。

6 0個のフォ トダイォード 3 8 aによるチャネル C H 1〜C H 6 0の各検出信号 S dを、 それぞれ 2値化回路群 4 1の各 2値化回路 4 1 aによって 2値化し、 順次 タイ ミングがずれたパラレルのパルス信号 P dを、 全て個別の信号線によってパラ レルシリアル変換器 （O R回路によって構成される） 4 2に入力させ、 そこでシリ アルなパルス信号 P sに変換する。

このパラレルのパルス信号 P dとシリアルなパルス信号 P sの関係を第 1 1図に 示す。 この例ではチャネル C H 1〜C H 6 0の 6 0本の信号線によるパラレルのパ ルス信号 P d l〜P d 60 が 1本の信号線によるシリアルのパルス信号 P sに変換さ れる。

このシリアルのパルス信号 P sを、 クロックパルス c pをカウントする時間測定 用のカウンタ 4 3のトリガ端子に入力させる。

このカウンタ 4 3は、 第 8図に示した回転体 1の回転開始時点 （第 1図の駆動回 路 8からの駆動パルスの出力時点） 、 あるいはシリアルのパルス信号 P sの最初の 立下りエッジ （これらを 「基準時点」 とする） をトリガとして、 カウント値をリセ ッ トしてクロックパルス c pのカウント動作を開始する。 その後、 シリアルのパル ス信号 P sの立上りエッジと立下りエッジをトリガとして、 その時のカウント値を 出力してメモリ 5 1に記憶させていく。 このカウント値が、 基準時点からの経過時 間あるいは回転体 1の回転時間に相当する。

このとき、 デコーダ 5 0は、 トリガとなったパルスが円環形状のフォ トダイォー ドアレイ 3 8の中のどのフォトダイォ一ド 3 8 aからの検出信号 S dによるパルス であつたかを同時に判定する。 そのため、 デコーダ 5 0にはパラレルシリアル変換 器 4 2への入力と同じく 2値化回路群 4 1の各 2値化回路 4 1 aからのパルス信号 P dが入力され、 円環形状のフォ トダイォードアレイ 3 8の該当するフォトダイォ —ド 3 8 aの素子番号を示す識別コードをメモリ 5 1に出力する。 この例において は、 その識別コードとして 6ビッ トのバイナリ信号を用いた。

したがって、 メモリ 5 1に記憶されるデータは、 デコーダ 5 0からの識別コード と、 シリアルのパルス信号 P sの立上りと立下りを区別するコードと、 カウンタ 4 3からのカウント値の合計 3種類のデータであり、 シリアルのパルス信号 P sの立 上り又は立下りエッジが発生する度に新しい 3種類のデータがメモリ 5 1に記憶さ れていく。 このようにすることにより、 記憶するデータ量を大幅に縮小することが できる。

なお、 シリアルのパルス信号 P sの立上り又は立下りの一方のエッジでのみ力ゥ ンタ 4 3のカウント値を記憶するようにしても、 一定回転角毎の回転時間情報を得 ることができる。 しかし、 立上り と立下りの両方のエッジでカウンタ 4 3のカウン ト値を記憶するようにすれば、 そのカウント値の平均値をとることによって、 各フ ォ トダイオード 3 8 aの中心で反射光を受光した時点までの回転時間情報を算出す ることができる。

その後の演算手段 6による、 角速度， 角加速度， トルク， およびエネルギーの算 出方法は前述の実施形態と同様である。

この第 1 0図に示した回路は、 2値化回路群 4 1を構成する 2値化回路の数を反 射光検出手段 3を構成する光検出素子の数に合わせることにより、 前述の第 1 , 第 2の実施形態の回転角の時間情報測定手段および記憶手段としても使用することが できる。

この発明の各実施形態によって測定したトルクおょぴエネルギーの精度について は、 回転体の慣性モーメントの精度に依存するところが大きい。 部品公差および回 転時の偏心などを考慮すると、 計測値 ± 5 %以内程度の精度は有していると推定さ れる。

この発明の具体的な実施形態を 3通り説明したが、 反射光検出手段の構成、 測定 角度範囲、 時間情報の処理方法など、 上述の実施の形態に示されたものに限定され ることなく、 種々の組み合わせあるいは変更が可能である。

この発明によれば、 従来は正確な把握ができなかった小さな回転体の回転時の運 動状況を定量的に測定できるようになり、 その回転体の性能評価が可能になる。 ステップモータに関していえば、 入力したエネルギーは印加した電流と電圧から 算出できるため、 測定されたロータの回転エネルギーとの比較からモータとして実 際に運動しているときの効率がわかり、 設計値との誤差や特性のパラツキなどが今 後の開発指針として確認できる。

また、 時計の針の動きに関しても、 人の目に美しく映る運針状況と現状との差異 が明確になるため、 今後の開発指針が得られる。

この発明による回転体の回転情報測定方法およぴその測定装置は、 従来計測でき なかった小さなトルクやエネルギーの測定おょぴ非定常的な動きをする回転体に対 する回転情報の測定に特に有効である。 上述以外の応用例としては、 アブソリュー トエンコーダあるいはワウフラッタゃジッタ測定器などにも適用可能である。 産業上 の利用性

この発明による回転体の回転情報測定方法およびその測定装置によれば、 従来は 正確な測定が不可能であつたような小さな回転体の微小なトルクおよび微小エネル ギ一等の回転情報を、 回転体の回転挙動に影響を与えることなく非接触で測定でき、 特に回転体が非定常な動きをする場合の測定に有効である。

また、 回転体が実際に運動している状況下での測定が可能で、 かつその結果とし て種々の回転情報が定量的に得られるために、 設計値と現実とのズレなども容易に 判り、 今後の開発指針が明確になるなど、 従来にない多くの利点がある。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 被測定対象としての回転体の回転軸の先端にその回転軸線に対して傾斜した反 射面を形成しておき、

前記回転体の反射面に対して前記回転軸線に沿う方向から光ビームを照射し、 該 回転体の回転開始後、 前記反射面による反射光を前記回転軸線を中心とする同一円 周上に所定角度間隔を置いて設置した複数の光検出素子によって検出することによ り、 基準時点から前記複数の各光検出素子によって前記反射光がそれぞれ検出され るまでの経過時間を、 前記回転体の回転角の時間情報として測定することを特徴と する回転体の回転情報測定方法。

2 . 請求の範囲第 1項記載の回転体の回転情報測定方法によって測定した回転角の 時間情報を、 時間で微分することによって前記回転体の角速度を測定することを特 徴とする回転体の回転情報測定方法。

3 . 請求の範囲第 2項記載の回転体の回転情報測定方法によって測定した角速度を、 さらに時間で微分することによって前記回転体の角加速度を測定することを特徴と する回転体の回転情報測定方法。

4 . 請求の範囲第 3項記載の回転体の回転情報測定方法によつて測定した角加速度 に前記回転体の慣性モ一メントを乗ずることにより、 該回転体に作用するトルクを 測定することを特徴とする回転体の回転情報測定方法。

5 . 請求の範囲第 4項記載の回転体の回転情報測定方法によって測定したトルクを、 前記回転体の回転開始後該トルクを測定した回転角度範囲で積分することにより、 該回転角度範囲の終端で前記回転体が持つ回転のエネルギーを測定することを特徴 とする回転体の回転情報測定方法。

6 . 請求の範囲第 2項記載の回転体の回転情報測定方法によって測定したある時点 における角速度を ω、 前記回転体の慣性モーメントを I として、 該時点における前 記回転体が持つ回転のエネルギー Εを、 E = ( lノ 2 ) · Ι · ω ² の演算によって求め て測定することを特徴とする回転体の回転情報測定方法。

7 . 回転軸の先端にその回転軸線に対して傾斜した反射面を形成した回転体を被測 定対象とし、 その回転体の回転情報を測定する装置であって、

該回転体の前記反射面に対して前記回転軸線に沿う方向から光ビームを照射する 光ビーム照射手段と、

前記回転軸線を中心とする同一円周上に所定角度間隔を置いてそれぞれ前記反射 面による反射光を検出するように配置された複数の光検出素子を備えた反射光検出 手段と、

前記回転体の回転開始後、 前記反射面による反射光を前記複数の光検出素子によ つて検出することにより、 基準時点から前記複数の各光検出素子によって前記反射 光がそれぞれ検出されるまでの経過時間を、 前記回転体の回転角の時間情報として 測定する手段と、

を有することを特徴とする回転体の回転情報測定装置。

8 . 請求の範囲第 7項記載の回転体の回転情報測定装置によって測定された回転角 の時間情報を、 時間で微分することによって前記回転体の角速度を算出する角速度 演算手段を設けたことを特徴とする回転体の回転情報測定装置。

9 . 請求の範囲第 8項記載の回転体の回転情報測定装置によって測定された角速度 を、 さらに時間で微分することによって前記回転体の角加速度を算出する角加速度 演算手段を設けたことを特徴とする回転体の回転情報測定装置。

1 0 . 請求の範囲第 9項記載の回転体の回転情報測定装置によって測定された角加 速度に前記回転体のイナーシャ （質量） を乗ずることにより、 該回転体に作用する トルクを算出するトルク演算手段を設けたことを特徴とする回転体の回転情報測定

1 1 . 請求の範囲第 1 0項記載の回転体の回転情報測定装置によって測定されたト ルクを、 前記回転体の回転開始後該トルクを測定した回転角度範囲で積分すること により、 該回転角度範囲の終端で前記回転体が持つ回転のエネルギーを算出するェ ネルギ一演算手段を設けたことを特徴とする回転体の回転情報測定装置。

1 2 . 請求の範囲第 8項記載の回転体の回転情報測定装置によって測定されたある 時点における角速度 ωと、 前記回転体の慣性モーメントを Iとから、 該時点におけ る前記回転体が持つ回転のエネルギー Εを、 E = ( l 2 ) · Ι · ω ² の演算によって 算出するエネルギー演算手段を設けたことを特徴とする回転体の回転情報測定装置。

1 3 . 請求の範囲第 7項記載の回転体の回転情報測定装置において、

前記回転体を回転駆動する駆動手段を設けたことを特徴とする回転体の回転情報 測定装置。

1 4 . 請求の範囲第 1 0項記載の回転体の回転情報測定装置において、

前記トルク演算手段によって算出されたトルクを表示する表示手段を設けたこと を特徴とする回転体の回転情報測定装置。

1 5 . 請求の範囲第 1 1項記載の回転体の回転情報測定装置において、

前記エネルギー演算手段によって算出されたエネルギーを表示する表示手段を設 けたことを特徴とする回転体の回転情報測定装置。

1 6 . 請求の範囲第 1 2項記載の回転体の回転情報測定装置において、

前記エネルギー演算手段によって算出されたエネルギーを表示する表示手段を設 けたことを特徴とする回転体の回転情報測定装置。