JP2002276783A

JP2002276783A - 負荷検出装置

Info

Publication number: JP2002276783A
Application number: JP2001076083A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Okamura; 暉久夫岡村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2002-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】過大負荷が瞬間的に作用したときには反応せ
ずに、連続的に所要時間作用したときに検出器を反応さ
せる。【解決手段】変速機のケーシング２に固定された筒状
シリンダ３に変速機の固定要素と連動したピストン４が
軸方向に移動可能に挿入され、ピストン４前後の空洞５
ａ、５ｂが可変絞り弁７を介して導管６で連通状態にあ
る。これらは協働して瞬間的な衝撃負荷によるピストン
４の変位を防止する。前後の空洞５ａ、５ｂには圧縮ば
ね９ａ、９ｂが配置され、負荷がピストン４を押圧する
力と圧縮ばね９の抗力とが釣合う位置までピストン４は
変位して、作動杵１０に設けられたドッグ１１ａがセン
シング部１３と接触する。これらは協働して連続的な過
負荷に対して遅延的に近接スイッチ１２を作動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、増減速機、無段変
速機などの変速機や一般の動力伝達装置の伝動に関わる
要素の中でも、非回転要素の固定部分に取付けて、装置
に作用する負荷を検出する装置であって、特に負荷の状
態を信号として出力する負荷検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】負荷検出装置として実公昭６２−４５４
号公報が知られている。このものは入力軸から出力軸へ
の伝動系上に設けられた回動自在の内歯歯車の周に扇形
歯車が設けられ、ケーシングに一体化されたばねケース
により案内される作動杵上のラックが扇形歯車に噛合わ
されるとともに、内歯歯車に加わる負荷トルクにより圧
縮されるばねがばねケースと作動杵との間に介在されて
いて、この圧縮ばねによる抗力が所定値に達したときに
作動杵により作動させられる警報機等の機器作動用スイ
ッチが設けられる形式である。

【０００３】また、作動杵の平行移動量をラックとピニ
オンで回転に変えて指示目盛でトルクを連続的に読み取
る方法や作動杵に加わる荷重をロードセルなどで検出し
て信号を出力する方法などが公知である。

【０００４】これらは過負荷に起因する装置の損傷を防
止するために使用されるもので、一般に機械的強度に関
しては設計段階で予測できるものの、長時間の過負荷運
転が続くと温度上昇によって装置全体の寿命や精度、効
率などに悪影響を及ぼすことになる。従来技術の主目的
は長時間作用する過負荷を精度よく検出することにあ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術に関わる負荷検出装置はばねの変位量や作動杵に加わ
る荷重を直接検出するものであるため、動力伝達装置に
作用する全てのトルクに敏感に作用することになる。因
みに、機械の始動時に瞬間的に発生する起動トルクは定
格トルクの約３倍が作用し、電動機や変速機に許容され
る過負荷耐量は約２倍といわれている。

【０００６】このため従来技術の負荷検出装置でトルク
を検出して出力信号を得ようとすると、過負荷でもない
瞬間的なトルクまで危険信号として常時検出することに
なり、上記負荷検出装置による負荷トルクの調整は困難
を極めていた。

【０００７】本来ならば、瞬間的な過負荷については検
出器が反応せずに、所定時間過負荷が連続した場合に限
って検出器が作動すれば、通常の使用に対して頻繁に機
械を停止させるという不具合は解消される。また、ロー
ドセルなどで負荷を検出する場合でも、過負荷によるセ
ンサの破損を防止することもできる。

【０００８】これらの効果を得る一方法として、負荷が
時間の積分値として作動したときに作動杵が反応すれ
ば、上記不具合を解消することができる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の負荷検出方法
は、ケーシング内に伝動要素が内装されていて入力軸か
ら出力軸へと回転を伝達し、トルクの反力を伝動要素の
一部である固定要素で受ける変速機であって、該ケーシ
ングの外郭に両端を壁面で密封された筒状シリンダを固
定し、該筒状シリンダ内に筒状シリンダ内の内壁に沿っ
て前後方向に移動可能なピストンを挿入し、該ピストン
の前後に前方空洞及び後方空洞を設け、上記ピストンに
作動杵を固定してシリンダの壁面から該作動杵を突設さ
せた緩衝制動部と、変速機の固定要素を反力方向に変位
可能に支持し、固定要素と作動杵を連動させるととも
に、作動杵の前後方向の変位量を検出する検出器を設
け、作動杵と検出器との間又は筒状シリンダとピストン
との間に前方又は／及び後方に付勢するばねを設けた負
荷検出部とで構成したことを特徴としている。

【００１０】このものは、負荷を作動杵で受け、筒状シ
リンダとピストンに挟まれた空洞内の流体に加わる前後
方向の圧力で、空洞内の流体が前後何れかに微量ずつ移
動することによって、瞬間的な負荷変化に起因するピス
トンの大きな変位を防止する。一方、連続的な負荷に対
しては流体の微量な流出量が時間とともに多くなり、ピ
ストンの変位が増加して行くが、負荷の力と圧縮ばねの
抗力とが釣合うところでピストンの変位は停止する。こ
のとき作動杵の位置を検出器で検出すれば、検出器は瞬
間的な負荷変化には反応せずに連続的な負荷に対してだ
け反応することができる。

【００１１】従って、衝撃負荷に対しては、シリンダ内
の空洞に充満している流体が瞬間的な負荷を受け、作動
杵の変位はほとんど無視することができる。しかし、負
荷が連続して作用するときは流体が一方の空洞から他方
の空洞へ漏れ出して、ピストンは作用する力と一致した
一方の空洞側に作動杵とともに流体の漏れ量に依存して
徐々に移動する。

【００１２】この流体の時間当たりの漏れ量は一定して
いるため、時間に比例して作動杵が変位することにな
る。この変位は圧縮ばねと負荷トルクの反力が釣合うま
で続き、釣合った時点で作動杵の移動は停止する。従っ
て、瞬間的な過負荷に対しては、作動杵が反応すること
はないが、負荷が連続的に作用した場合のみ、所定の位
置まで移動して検出器を作動させることができる。この
場合の検出器は作動杵の変位量を直接読み取ることので
きる直線式あるいはラックとピニオンで回転に変換した
回転式の指示目盛又は電気信号に変換するリレーやセン
サであってもよい。

【００１３】また、上記ピストンを上記筒状シリンダの
両端壁面間の略中央付近に位置させ、前方空洞と後方空
洞に流体を封入するとともに前方及び後方に付勢するば
ねをそれぞれ設けたものでは、ピストンが前方及び後方
に付勢する圧縮ばねの協働によってシリンダのほぼ中央
に位置しているが、この場合は、前後両方向の過負荷を
検出することができるので、変速機の回転が正転、逆転
の何れであっても負荷検出装置を作動させることができ
る。

【００１４】上記ピストンに前方空洞と後方空洞を連通
する孔を穿設した場合は、孔の大きさによってこの孔を
通る流体の流量が任意に設定できるので、負荷検出装置
の組立て時点であらかじめ検出器が作動するまでの時間
を調整することができる。

【００１５】一方、上記筒状シリンダ内の前方空洞と後
方空洞を連通する導管又は可変絞り弁を設けた導管で構
成されたものでは、導管内の流量を調整することによ
り、負荷が連続的に作用して圧縮ばねと釣合うまでの時
間を外部から任意に設定することができるので、変速機
の容量や安全係数などに見合った検出器作動までの時間
を相手機械のシステムと全体の運転状況を観察しながら
調整することが可能となる。

【００１６】さらに、上記検出器が作動杵に設けたドッ
グと筒状シリンダ又はケーシングの固定部分に設けた近
接スイッチとで構成されたものでは、近接スイッチの信
号を各種制御機器への入力として使用することにより、
警報機を作動させたり、駆動源を停止させたり、速度や
トルクを制御することもできる。

【００１７】上記筒状シリンダ又はケーシングの固定部
分にロードセルを設けるとともに該ロードセルのセンシ
ング部と上記作動杵の間にばねを設けた場合は、変速機
の出力に作用する負荷トルクに比例した荷重を検出する
ことができ、しかも瞬間的な過負荷に対してはロードセ
ルに荷重を伝達せず、また、作動杵の変位に対しても作
動杵とロードセル間の圧縮ばねの変位量がロードセルの
変位量よりも大きく設定することにより、過負荷と変位
量の両変化に対してロードセルを保護することができ
る。

【００１８】これによって攪拌機や巻取機などの被動機
械の粘度や張力などの物理量、その他の制御量をトルク
に換算して駆動源及び変速機を制御することもできる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の負荷検出装置の一
実施形態を示す要部縦断面図である。図１において変速
機１（図示しない）のケーシング２に固定された筒状シ
リンダ３の内径よりもわずかに小さな外径をもつピスト
ン４が軸方向に移動可能に挿入され、ピストン４の前後
には空洞５ａ、５ｂが設けられていて、それぞれの空洞
５ａ、５ｂが連通するように筒状シリンダ３の外部に導
管６が架橋され、導管６は中央の可変絞り弁７で２分さ
れている。

【００２０】上記筒状シリンダ３に作動油８などの流体
を封入してピストン４を前後方向に変位させると、作動
油８は可変絞り弁７を通過して前後の空洞５ａ、５ｂの
容積が変化する。因みに、ピストン４が前方に変位した
とき、作動油８は前方に押された圧力で前方空洞５ａか
ら可変絞り弁７を通過して後方空洞５ｂに移動する。す
ると前方空洞５aの容積は小さくなると共に後方空洞５
ｂの容積は大きくなる。一方、ピストン４が後方へ変位
したときは、前述とは逆の動作が行われる。

【００２１】作動油８の移動時間は可変絞り弁７の断面
積が大きくなるほど速くなり、小さくなるほど遅くなる
ので、瞬間的に作用する過大な負荷の大きさと作動時間
を鑑みて可変絞り弁７の流量を調整する。

【００２２】また、前後の空洞５ａ、５ｂにピストン４
の変位方向に伸縮する圧縮ばね９ａ、９ｂを配置するこ
とによって、負荷がピストン４を押圧する力と前方圧縮
ばね９ａの抗力とが釣合う位置までピストン４は前方へ
変位するが、この変位位置を作動杵１０に設けられたド
ッグ１１ａと近接スイッチ１２のセンシング部１３とを
接触させることにより、近接スイッチ１２の出力信号を
得て警報器（図示しない）を作動させたり制御系への入
力信号とすることができる。

【００２３】この状態から作動杵１０の負荷が除去され
ると、前方圧縮ばね９ａの抗力が負荷に打ち勝ってピス
トン４は後方圧縮ばね９ｂと釣合う略中央位置まで後方
へ押し戻される。これら作動油８と圧縮ばね９が協働し
て本発明の負荷検出装置を構成している。

【００２４】ここで負荷の変化による作動油８と圧縮ば
ね９の作動原理を以下に説明する。すなわち、瞬間的に
作用する過大な負荷が前方に向けてピストン４に作用す
ると、ピストン４は前方へ変位しようとするが、可変絞
り弁７の流量制限によって前方空洞５ａの内圧は急激に
上昇するものの、前方空洞５ａの作動油８ａに阻まれて
瞬間的には変位できない。

【００２５】このまま過大な負荷が連続して作用する
と、ピストン４に作用する力に打ち負けて前方空洞５ａ
の作動油８ａは可変絞り弁７を通過して後方空洞５ｂに
徐々に移動する。作動油８の移動中の圧力は力に比例し
ているので、力が作用している限り作動油８ａは前方空
洞５ａから後方空洞５ｂに移動し続けるとともにピスト
ン４も前方へ変位し続ける。

【００２６】しかし、前方空洞５ａ内に設けられた圧縮
ばね９ａはピストン４の変位と共に圧縮されて抗力を増
加させ、負荷の力と抗力とが一致した時点でピストン４
の変位は停止する。ここで過大負荷の大きさが所定の値
を超えたときは、ピストン４に結合された作動杵１０の
先端にドッグ１１ａを設けて、ドッグ１１ａの変位位置
に近接スイッチ１２を設けておけば、許容値以上の過大
な負荷に対して信号を出力することができる。

【００２７】図２は負荷検出装置の作動時間と変位量の
関係を示すグラフである。図１に示す筒状シリンダ３の
前方壁面３１を筒状シリンダ３に螺設されたねじ３２に
螺合させて軸方向に変位可能にした場合は、図２縦軸の
ばね荷重に示すごとく、圧縮ばね９ａ、９ｂが変位を開
始する荷重を調整するとともに負荷の大きさとピストン
４の変位量とを微調整することができる。ばね荷重の変
化はばね定数を変えることによっても可能である。

【００２８】また、可変絞り弁７で作動油８の流量を調
整した場合は、ピストン４の変位速度、すなわち図２の
変位角度αを調整することになる。この場合、可変絞り
弁７の絞り量が大きくなって流量が少なくなる変位角度
αは小さくなり、可変絞り弁７の絞り量が小さくなって
流量が多くなると変位角度αは大きくなる。流量は作動
油８の粘度を変えることによっても調整することができ
る。因みに、近接スイッチ１２の取付け位置とドッグ１
１ａの位置調整とは相対的なものである。

【００２９】ピストン４の後方への変位については、前
記説明の前後方向を入れ替えた説明になるので省略する
が、この場合は、作動杵１０のドッグ１１ｂが近接スイ
ッチ１２のセンシング部１３と接触することになる。一
方、作動杵１０の変位位置に直線式指示目盛１４を設け
ることによって、負荷の変化を連続的に読み取ることが
できる。

【００３０】図３は負荷検出装置の第二実施形態の外観
図、図４はその要部縦断面図である。これは、図１に示
す近接スイッチ１２の代わりにロードセル２１を設けて
負荷に比例した信号を得ようとするものである。図３で
は、変速機１に内装された遊星歯車機構２２の固定要素
である内歯歯車２３と変速機１のケーシング２４の外部
に設けられた作動杵２５とを連結部材２６で連動させて
いる。連結部材２６はラックとピニオンのように凹凸の
関係にある噛合いあるいはピンと孔の結合であってもよ
い。

【００３１】筒状シリンダ２７とピストン２８で構成さ
れた緩衝制御部２９と圧縮ばね３０を内装した負荷検出
部３１とが作動杵２５を介して変速機１の左右に配置さ
れ、筒状シリンダ２７とロードセル２１の固定部分はケ
ーシング２４に固定され、作動杵２５のロードセル２１
側は支持部材３７によってシリンダ２７の前後方向に案
内されている。

【００３２】図４では筒状シリンダ２７とピストン２８
及びばねケース３２とばね座３３を設け、ピストン２８
とばね座３３とを作動杵２５で連結し、筒状シリンダ２
７とピストン２８で構成される前方空洞３４ａと後方空
洞３４ｂには作動油８が封入され、ピストン２８に穿設
された小孔３５を介して前方空洞３４ａと後方空洞３４
ｂとが導通している。ばねケース３２とばね座３３の間
には軸方向に付勢する圧縮ばね３０ａ、３０ｂをそれぞ
れ挿入し、ばねケース３２をロードセル２１のセンシン
グ部３５に結合している。

【００３３】圧縮ばね３０ａ、３０ｂを挿入したばねケ
ース３２とばね座３３が作動杵２５とロードセル２１の
センシング部３５の間に設けられているのは、ロードセ
ル２１のセンシング部３５の変位量が作動杵２５の変位
量に比べて少ないためである。検出器に変位量の規制が
ない場合は、図１のように筒状シリンダ３の前方空洞５
ａと後方空洞５ｂ内に圧縮ばね９ａ、９ｂを挿入したと
きの作動杵１０に検出器のセンシング部を直接固定して
もよい。検出器は電気信号を出力するものに限らず、読
取式の直線式指示目盛や回転式指示目盛であってもよ
い。

【００３４】このような構成においてピストン２８とば
ね座３３に連続的な力が前方に作用すると、ばねケース
３２がロードセル２１のセンシング部３５に固定されて
いるので、圧縮ばね３０ａには力に対する抗力が生じ、
この抗力の反力がロードセル２１で荷重の量として検出
されることになる。その他の作動は前記と同じなので省
略する。

【００３５】図５は負荷検出装置の第三実施形態の要部
縦断面図である。これは、変速機の固定要素がウォーム
減速機４１のウォーム軸４２のスラスト力を受けるスラ
スト座４３で構成した例である。このスラスト座４３は
ウォーム減速機４１のケーシング４４に対してウォーム
軸４２の軸線方向に移動可能に支持され、作動杵４５の
一端に固定されている。

【００３６】作動杵４５の略中央付近にはピストン４６
が設けられピストン４６を囲むように筒状シリンダ４７
が外装されていて緩衝制御部４８を構成している。作動
杵４５の他端にはばね座４９が固定され、ばね座４９か
ら圧縮ばね５０ａ、５０ｂを介してロードセル５１のセ
ンシング部５２の両端面５２ａ、５２ｂと連動してい
る。

【００３７】このような構成において、作動杵４５を介
してピストン４６に前方方向の瞬間的な過負荷が作用す
ると、前方空洞５３ａから作動油５４が小孔５５を通過
して後方空洞５３ｂに少量流出するもののピストン４６
は殆ど移動しない。しかし、連続的な力が前方に作用す
ると、ピストン４６の小孔５５からの作動油５４の流出
量が徐々に増加してピストン４６とともに作動杵４５及
びばね座４９が前方へ変位する。

【００３８】ばね座４９の変位は圧縮ばね５０ａを圧縮
し、圧縮ばね５０ａの抗力に順じてセンシング部５２の
端面５２ａに力が印可され、この力がロードセル５１か
ら外部への信号として出力される。その他の作動は前記
と同じなので省略する。

【００３９】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、衝撃負荷に対しては緩衝制動部内に充満している流
体が瞬間的に負荷を受け、安定した連続負荷に対しては
流体がピストンの前後に移動して、最終的には圧縮ばね
が負荷を受けることになるので、負荷検出装置は不意の
負荷変動に対しては反応することなく運転することがで
きるが、連続した過負荷に対しては反応して信号を出力
することになる。

【００４０】従って、駆動源を含む全体の装置は、温度
上昇や過負荷に起因する悪影響や損傷が解消され、寿命
が延長し精度や効率などの初期状態を長時間持続させる
ことができる。

【００４１】一方、筒状シリンダの前後の空洞を可変絞
り弁付きの導管で連通させたものでは、負荷が連続的に
作用して圧縮ばねと釣合うまでの時間を任意に調整する
ことができ、変速機の容量や安全係数あるいは装置全体
の運転状態を鑑みて、これらに見合った検出器作動まで
の時間設定が可能である。

【００４２】さらに、作動杵の移動をドッグと近接スイ
ッチで検出するものでは、簡単な構造で警報機を作動さ
せたり、駆動源を停止させたり、速度やトルクを制御す
ることもできる。

【００４３】また、作動杵に作用するトルクの反力をロ
ードセルで検出するものでは、伝動装置の出力に作用す
る負荷トルクに比例した荷重を検出することができるの
で、攪拌機や巻取り機などの相手機械の運転状態を粘度
や張力になどに関わる物理量として把握することによっ
て駆動源や変速機を最適状態に制御することができる。

【００４４】これらは何れも既存の変速機や装置全体の
構造を大きく変更することなく、変速機のケーシングに
負荷検出装置を取付けるだけの簡単な変更で負荷の検出
が可能になるため、メーカーはいうに及ばずユーザー側
で使用する相手機械のシステム制御やコストを考慮した
場合、少ない費用で高精度なトルクの制御が可能とな
り、総合的に大幅な性能向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる負荷検出装置の第一実施形態を
示す要部縦断面図である。

【図２】本発明に係わる負荷検出装置の作動時間と荷重
の関係を示すグラフである。

【図３】本発明に係わる負荷検出装置の第二実施形態を
示す外観図である。

【図４】図３に示す負荷検出装置の要部縦断面図であ
る。

【図５】本発明に係わる負荷検出装置の第三実施形態を
示す要部縦断面図である。

【符号の説明】

１変速機２ケ
ーシング３筒状シリンダ４ピ
ストン５ａ前方空洞５ｂ後
方空洞６導管７可
変絞り弁９ａ前方圧縮ばね９ｂ後
方圧縮ばね１０作動杵１１ド
ッグ１２近接スイッチ２１ロ
ードセル２２遊星歯車機構２３内
歯歯車２４ケーシング２５作
動杵２６連結部材２７筒
状シリンダ２８ピストン２９緩
衝制御部３０圧縮ばね３１負
荷検出部３２ばねケース３３ば
ね座３４ａ前方空洞３４ｂ後
方空洞３５小孔４１ウ
ォーム減速機４２ウォーム軸４３ス
ラスト座４４ケーシング４５作
動杵４６ピストン４７筒
状シリンダ４８緩衝制御部４９ば
ね座５０圧縮ばね５１ロ
ードセル５２センシング部５３空
洞５５小孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシング内に伝動要素が内装されてい
て入力軸から出力軸へと回転を伝達し、トルクの反力を
伝動要素の一部である固定要素で受ける変速機であっ
て、該ケーシングの外郭に両端を壁面で密封された筒状
シリンダを固定し、該筒状シリンダ内に筒状シリンダ内
の内壁に沿って前後方向に移動可能なピストンを挿入
し、該ピストンの前後に前方空洞及び後方空洞を設け、
上記ピストンに作動杵を固定してシリンダの壁面から該
作動杵を突設させた緩衝制動部と、変速機の固定要素を
反力方向に変位可能に支持し、固定要素と作動杵を連動
させるとともに、作動杵の前後方向の変位量を検出する
検出器を設け、作動杵と検出器との間又は筒状シリンダ
とピストンとの間に前方又は／及び後方に付勢するばね
を設けた負荷検出部とで構成したことを特徴とする負荷
検出装置。
【請求項２】上記ピストンを上記筒状シリンダの両端
壁面間の略中央付近に位置させ、前方空洞と後方空洞に
流体を封入するとともに前方及び後方に付勢するばねを
それぞれ設けた請求項１記載の負荷検出装置。
【請求項３】上記ピストンに前方空洞と後方空洞を連
通する孔を穿設した請求項１乃至２記載の負荷検出装
置。
【請求項４】上記筒状シリンダ内の前方空洞と後方空
洞を連通する導管又は可変絞り弁を設けた導管で構成さ
れた請求項１乃至２記載の負荷検出装置。
【請求項５】上記検出器が作動杵に設けたドッグと筒
状シリンダ又はケーシングの固定部分に設けた近接スイ
ッチとで構成された請求項１乃至４記載の負荷検出装
置。
【請求項６】上記筒状シリンダ又はケーシングの固定
部分にロードセルを設けるとともに該ロードセルのセン
シング部と上記作動杵の間にばねを設けた請求項１乃至
４記載の負荷検出装置。