CN104379949B - 回转轴保持机构及使用该机构的回转粘度计 - Google Patents

Abstract

提供了小型化的高精度回转轴保持机构，能够用于所需回转量较少的机构。该回转轴保持机构具有多个平行弹簧链接；所述平行弹簧链接包含可动边、多个相互平行的变形边、使各变形边的一端与可动边连接的铰链、以及使各变形边的另一端与固定部连接的铰链；所述可动边在自回转轴的回转中心起沿半径方向的距离h处的连结点上，通过铰链与轴相连；所述回转轴保持机构将所述各变形边的实效长度设为h时，在自轴的回转中心起沿半径方向的距离h处的连结点上通过铰链与可动边相连的轴的回转，被允许在有限角度范围内，并且，所述多个平行弹簧链接至少包括2个以上方向不同的平行弹簧链接。还提供了利用该回转轴保持机构的回转粘度计。

Description

回转轴保持机构及使用该机构的回转粘度计

技术领域

本发明涉及能用于需要回转轴的机构、机器中的所需回转量较少的机构、机器的回转轴保持机构。

所述回转轴保持机构是为了解决需要高精度地测量转矩的领域中存在的课题而发明的，特别是在设想用于利用回转粘度计或回转粘度计型流量计(rheometer)(以下仅记为“回转粘度计”时也指这两者。)进行转矩测量的情况下而发明的，因此，本发明涉及具有回转轴保持机构的粘度计。

背景技术

以往，回转轴大多采用滚珠轴承等夹住回转体的结构。这考虑了回转轴的精度并减少了摩擦阻力。然而，夹在轴承中的回转体影响了回转轴的精度，且回转的阻力随着轴的回转而时时刻刻地发生变化。在存在上述问题的应用中，特别是要求高精度和低摩擦阻力的情况下，采用了夹住空气膜结构的空气轴承(专利文献5)。然而，空气轴承除了另外需要高压空气源以外，还存在无法小型化，回转力矩(moment)过大的缺陷。另外，向空气轴承提供的空气压有时会成为转矩的发生源，这成为将空气轴承用作高精度转矩测量的轴承时需要注意的问题。

另外，以往已经知道有以下保持机构，将并行运动的物体限制在因弹簧变形所限的范围内(专利文献1～4)。

(现有技术文献)

专利文献

专利文献1：特开平07-244057号公报。

专利文献2：特开2006-322714号公报。

专利文献3：特开2002-022867号公报。

专利文献4：特开2002-022868号公报。

专利文献5：特开2005-049214号公报。

发明内容

(本发明要解决的问题)

本发明的目的在于，在需要高精度回转轴的机构中，针对几乎不进行回转的机构，开发能够通过弹簧变形保证在所需的有限角度范围内回转的结构，提供以往没有的新颖的回转轴保持机构。

静态转矩测量不需要回转，因此可以使用该方法(即使不进行回转，仅为了测得作用于轴周围的转矩，也需要固定回转轴)。虽然使用多个簧片，并将轴架起，就能够模拟出回转轴，但使用简单的方法存在以下问题，即回转轴随着弹簧的变形而移动，导致伴随回转的转矩应力较大地偏离直线性。并且，还达到了用于提高回转方向与其他方向的变形所对应的应力系数比的界限，因而很难获得较高的轴精度。

(解决问题的方案)

作为解决上述问题的方法，本发明(1)使用了多个平行弹簧，(2)采用了以下构造：使平行弹簧的变形侧的边的长度h和角度，分别与自回转轴心起到平行弹簧和回转轴的连结点的距离h和方向一致。通过采用平行弹簧构造，能够赋予较强的刚性来抑制回转方向以外的变形给回转方向以外的变形赋予较高的刚性，并通过使长度一致，能够消除平行弹簧的变形导致的轴的移动。

即，本发明的回转轴保持机构具有多个平行弹簧链接(Link)；所述平行弹簧链接包含可动边、多个相互平行的变形边、使各变形边的一端与可动边连接的铰链、以及使各变形边的另一端与固定部连接的铰链；所述可动边在自回转轴的回转中心起沿半径方向的距离h处的连结点上，通过铰链与轴相连；所述回转轴保持机构的特征在于：将所述各变形边的实效长度设为h时，在自轴的回转中心起沿半径方向的距离h处的连结点上通过铰链与可动边相连的轴的回转，被允许在有限角度范围内，并且，所述多个平行弹簧链接至少包括2个以上方向不同的平行弹簧链接。

并且，本发明的回转轴保持机构的特征在于：所述各变形边的两端的铰链的弹簧常数总和与所述连结点处的铰链的弹簧常数相等。

并且，本发明的回转轴保持机构的特征在于：所述各变形边的两端的铰链的弹簧常数相同，且铰链长度均为长度L，所述连结点处的铰链的铰链长度为2L。

并且，本发明还为将所述回转轴保持机构用作回转粘度计中的转矩测量轴保持机构的回转粘度计。

(发明的效果)

根据本发明的回转轴保持机构，与以往的滚珠轴承、空气轴承相比，实现了小型化，且没有滚珠轴承导致的摩擦阻力以及回转体的转动导致的外部干扰等，也不受空气轴承导致的空气压等的影响，能够实现高精度的轴承。

此外，若将本发明的回转轴保持机构应用于回转粘度计的轴承中，就能够实现小型的高精度粘度计。

附图说明

图1是说明本发明的回转轴保持机构原理的概念图。

图2是本发明的最佳的回转轴保持机构的理论说明图。

图3是本发明的回转轴保持机构的一个实施例的示意图。

图4是上述实施例的主要部件之一的扩大说明图。

图5是以往的使用空气轴承的回转粘度计。

具体实施方式

图1是用于说明本发明的回转轴保持机构的原理的概念图。

理想的平行弹簧结构为：仅改变平行四边形顶点的角度，一边固定，与此相连的两边变形，剩余的一边可平行移动。由于此种平行弹簧不存在物体的偏离移动，因而能够实现非常圆滑的移动，在需要高精度测量的场合，可用作机构的部件。详细来看，可动侧的边的动作为以变形边为半径的圆形运动。固定在可动边上的任意一点在以由变形边的长度和朝向决定的一点为中心的圆周上运动。因此可知，如果在该任意一点的位置上配置角度可变的铰链，则该平行弹簧将成为构成回转轴的要素。该任意的点不需要一定存在于可动边上，仅需要相对于可动边的相对位置固定即可，理论上来说，无论距离多远都可以。由此，构造设计的自由度可得到大幅提高。然而，1个平行弹簧的铰链角度是自由的，因此无法规定回转轴。如果在2个以上位置上，将在同一轴上具有圆运动中心的铰链依据平行弹簧进行配置，则连接这两个铰链的物体就构成了与该轴一致的回转轴。

在图1中，A为可动边，B为固定部，C1、C2为可变边，D为铰链，O为回转轴(从O到D之间不变形)。于是，

(1)平行弹簧的可动边A描画出半径为h的弧。

(2)从回转轴O的中心位置起，在与平行弹簧的倾斜和长度一致的地点，设置使回转轴O与可动边A结合的铰链D。于是，O构成了沿A的圆弧状运动的回转轴。由于D的位置没有规定，因此可以自由设定回转轴O的位置。

(3)如果与图1中的平行弹簧的回转系统的链接只有1个，则由于铰链D，O的位置是不固定的。然而，如果组合方向不同的2个以上平行弹簧的链接，就可以决定回转轴O的位置。

对于图1的链接，涉及的是仅平行四边形的顶点变形的理想变形，但实际上，角度在变形边的一定范围内发生变化。结果，变形边的实效长度发生变化，可动边会从圆运动中偏离。通过将平行弹簧的变形边的形状统一，能够保持平行弹簧的平行性，但需要在回转运动中补偿实效半径变化的结构。从结论上说，如果将长度为L的板弹簧作为变形边的铰链部分来考虑，则对于构成回转轴的铰链而言，将长度为2L的簧片作为变形边的铰链部分时，回转轴的连结点的实效半径的变化就与变形边的实效长度的变化一致。另外，因铰链部分长度有限，因此为了将自由度产生的影响降到最小，将4个变形边的铰链与连结点的铰链的弹簧常数设为1：4，则二者的结构会产生相似的变形。

以簧片进行结合时，由于变形边倾斜而使其看上去变长。通过使与回转轴结合的结合部的簧片长度、和变形边的2个结合部的簧片的长度的和一致，能够补偿该长度效果。

从力的平衡的观点来看，也需要使变形边的簧片的回转弹性系数与回转轴的系数一致。

图2为本发明的平行弹簧的最佳变形的理论说明图。

在图2中，A为可动边，B为固定边，C为变形边，D为簧片(铰链)，O为回转轴。在图中，左侧的变形边C为变形前的状态，但其实际上与右侧的变形边C进行同样的变形，2个变形边C构成了平行四边形链接。

在变形边C的两端，长度为2a(＝L)的簧片弯曲成角度为2θ的圆弧状。此时，虚拟平行四边形的顶点位于自圆弧中心点起的θ角度延长线上。设圆弧的半径为R，则该圆弧中心点到连结点的距离可以用Rtanθ来表示。而实际长度为a＝Rθ，因此产生了偏差。由于回转轴侧具有单个铰链，因此，如果使该单个铰链与变形边上2处变化的合计量相匹配，则这些偏差就可以相互抵消。θ是共通的，因此，只需简单地将连结点处的铰链的有效长度取为2倍(＝2L)，就可以实现上述抵消。假设可动部(回转轴O)不受力的作用(通常的使用方法)，则来自回转轴的力与来自平行弹簧的固定侧的力相互平衡。其中，发挥铰链部分弯曲力矩作用的变形边的铰链有4个，与此相对，回转轴侧的铰链为1个，其以同样的弯曲角度达到平衡。为了实现该平衡，回转轴侧D的弹簧常数需要为变形边侧E的弹簧常数的4倍。(弹簧常数不一致时，将不会出现圆弧状的变形，从而无法正确地抵消与理想长度间的偏差。)

实施例

(实施例1)

图3为本发明的回转轴保持机构的一个实施例的示意图，图4为其主要部件的扩大图。

在图3中示出了通过线切割加工等来实现本发明的回转轴保持机构的一个例子。在图3所示的例子中，在每隔90°的共4个位置导入平行弹簧的链接。图3的A的部分构成平行弹簧的可动部，B的部分构成平行弹簧的固定部，O为回转轴。图4为将在图3的4个位置所设置的平行弹簧的其中1个链接扩大后的说明图。在图4中，A为平行弹簧的可动部，B为平行弹簧的固定部(严格来说与图3的形状并不一致，仅是为了说明而简化的图)，D为铰链，E为平行弹簧的铰链，O为轴。

铰链部D的线切割半径为铰链部E的2倍。另外，对于铰链部的厚度，D也为E的2倍。平行弹簧的链接进行半径为h的回转时，可动部A上的任意点也同样地进行半径为h的回转，设置在A上的铰链D也进行半径为h的回转。此时，铰链D被设置在从轴O的回转中心起距离为h的位置上，因此，轴O能够顺利地回转，回转中心也不会偏离。回转可能的有限角度范围与平行弹簧的可动范围一致，在该例中约为±0.1弧度。

从减少与回转相对的应力转矩等目的来看，也可以用簧片制作铰链部分。

在图3所示的实施例1中，在轴周围大约每隔90°共计4个位置上设置了平行弹簧的链接，但只要在方向不同的至少2个位置上设置，就可以确定轴的中心。例如，也可以不在大约每隔90°共计4个位置上设置，而是每隔120°共计3个位置设置。此外，在设置平行弹簧链接时，还可以沿轴方向移位来设置。例如，若在4个位置设置，则可以在轴的周围每隔180°共计2个位置设置，然后，沿轴方向移位并在轴的周围每隔180°共计2个位置设置，即在合计4个位置进行设置。

(实施例2)

本发明的回转轴保持机构为平行弹簧结构，因此转矩与回转角度在理论上是呈比例的。因而，只要测出回转角度，本发明也可以用作转矩测量仪。利用这一点，本发明可以用作回转粘度计的转矩测量单元。或者，将转矩测量轴进行了回转变位时用于抵消该回转变位的转矩施加到转矩测量轴上，通过计算施加的转矩值，本发明也能够用于转矩测量仪。

图5示出了以往的回转轴粘度计(同轴二重圆筒型)，图中的a、e、f为转矩检测机构，b为空气轴承，c为内筒、外筒，d为恒温槽，g、h为外筒的回转机构，i为恒温槽的升降机构。在图5的回转粘度计中，进行回转的圆筒轴(外筒)与用于测量转矩的圆筒轴(内筒)不同，内筒侧的回转轴几乎不进行回转。然而，为了精密地测量加到轴上的转矩，以往使用的是回转的负载变动较小的空气轴承。

在此，在本发明的回转粘度计中，通过将以往的空气轴承b替换成实施例1的回转轴保持机构，该回转粘度计能够在成本以及操作便捷性两方面得到优化。

如上所述得到的回转粘度计的转矩测量仪的轴的刚性增强，且惯性力矩减小，因此，用作回转粘度计的转矩测量仪是理想的。由此，能够扩大所能测量的范围。由于惯性力矩小，响应速度提高，特别是在流量计的频域扩大方面贡献巨大。对于高精度的回转粘度计，以往为了保持转矩测量轴而多采用昂贵的空气轴承，但通过替换成本发明的回转轴保持机构，可以预见，不仅在价格方面，而且对性能的提高、维护工作的减少以及使用便捷性的提高都有效果。

(产业上的利用可能性)

作为本发明的回转轴保持机构的应用，已在实施例2中示出了回转粘度计的例子，除此以外还可以应用于其他具有回转轴的机器。

Claims (4)

1.一种回转轴保持机构，具有多个平行弹簧链接；所述平行弹簧链接包含可动边、多个相互平行的变形边、使各变形边的一端与可动边连接的铰链、以及使各变形边的另一端与固定部连接的铰链；所述可动边在自回转轴的回转中心起沿半径方向的距离h处的连结点上，通过铰链与轴相连；该回转轴保持机构的特征在于：

将所述各变形边的实效长度设为h时，在自轴的回转中心起沿半径方向的距离h处的连结点上通过铰链与可动边相连的轴的回转，被允许在有限角度范围内，

并且，所述多个平行弹簧链接至少包括2个以上方向不同的平行弹簧链接。

2.根据权利要求1所述的回转轴保持机构，其特征在于：

所述各变形边的两端的铰链的弹簧常数总和与所述连结点处的铰链的弹簧常数相等。

3.根据权利要求2所述的回转轴保持机构，其特征在于：

所述各变形边的两端的铰链的弹簧常数相同，且铰链长度均为长度L，所述连结点处的铰链的铰链长度为2L。

4.一种回转粘度计，其特征在于：

将权利要求1至3中任一项所述的回转轴保持机构用作回转粘度计中的转矩测量轴保持机构。