JP2019020152A - 回動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】転がり軸受の摩擦の影響を低減した回動機構を提供することを目的としている。【解決手段】回転軸１１と、回転軸１１を第１の転がり軸受１３ａ、１３ｂを介して支持する支持部１２と、回転軸１１に第２の転がり軸受１４ａ、１４ｂを介して規制された角度範囲で回転可能な回動部１５ａ、１５ｂと、回動部１５ａ、１５ｂに回転軸１１の軸線と同一軸上で接続されて、回転力を出力する出力軸１６と、回転軸１１に係合した加振手段１０で構成している。【選択図】図３

Description

本発明は、回転力変換器の較正等を行う計測装置に使用される回動機構に関するものである。

回転力変換器の較正に用いられる計測装置は、特許文献１に開示されているように（図７）、回転力変換器５と連結した出力軸１６（回転軸１１）に枠状のレバーを連結し、この出力軸１６は軸受を有する支持部１２で支持されていて、レバーの両端に錘１８ｃを吊り下げ、回転力変換器５に回転力を加えるものである。

特許文献２に開示されている回転力を発生させるものは、回転力変換器と連結した軸に連結されたレバーが平板状であって、この支軸を支持する軸受を格納するホルダが略Ｕの字の断面構造になっていた。

特開２００１−１３３３４９号公報 特開２０１３−１０８８３９号公報

このように構成された装置において、支点軸受の外輪とボールの摩擦、さらにボールと内輪との摩擦が全くない理想の支点軸受であれば、軸受の外輪を回転させても内輪の回転力は零である。しかし、実際にはこれらの間に摩擦があるので、錘を取り付けて回転力を得ようとしても所望の回転力が得られないという課題があった。これは軸受を構成する部品の真円度、回転振れ、軸受のレース面の仕上げ精度、圧痕及び混入したごみ、各構成部品及びその組立て精度等に起因するものである。

そこで回転の摩擦を減らすために、流体軸受を使用することも考えられるが、大きな回転力を生成する時には、流体軸受の流体圧を上げなければならなかったり、油圧軸受を用いたりする必要があって、高価で大がかりなものとなっていた。

このような問題に鑑みて、本発明は、小型かつ安価な転がり軸受を使用した際に摩擦の影響を低減した回動機構を提供することを目的としている。

請求項１に記載の回動機構は、上記の目的を達成するために、回転軸と、回転軸を第１の転がり軸受を介して支持する支持部と、回転軸に第２の転がり軸受を介して規制された角度範囲で回転可能な回動部と、回動部に接続されて回転軸の軸線と同一軸上に回転力を出力する出力軸と、を含んで構成されている。

請求項２に記載の回動機構は、上記の目的を達成するために、加振手段が回転軸に取り付けられて構成されている。

請求項３に記載の回動機構は、上記の目的を達成するために、加振手段が圧電素子を含むもので構成されている。

請求項４に記載の回動機構は、上記の目的を達成するために、回転軸が回動部及び出力軸より小さな質量で構成されている。

請求項５に記載の回動機構は、上記の目的を達成するために、
回動部が回転軸の軸方向にて支持部を挟み込むように設けられ、出力軸が円柱形状の端部にて回動部に接続されて構成されている。

請求項６に記載の回動機構は、上記の目的を達成するために、回動部が回転軸の軸方向にて複数の支持部により挟み込まれるように設けられ、出力軸が円柱の端部の一部を切り欠いた形状にて回動部に接続されて構成されている。

請求項１に記載の発明の回動機構によれば、回転力を出力する出力軸と、出力軸に係合して規制された角度で回転する回動部を支持する回転軸とが異なるように構成していることから、軸受の摩擦や構成部品の寸法誤差等の影響を排除し、これを転がり軸受を用いて小型に実現した回動機構を提供できる。

請求項２に記載の発明の回動機構によれば上記効果に加えて、振動を回転軸に与えることで、回転軸に係合した転がり軸受内の偏在した歪みを均等化して転がり摩擦が非常に低減された回動機構を提供できる。

請求項３に記載の発明の回動機構によれば上記効果に加えて、対象の回動機構に使用されている転がり軸受の偏在した歪みの均等化に最適な振動数を選択して、小型で着脱も容易な振動手段により転がり摩擦が低減されると共に組立て性及び調整にも優れた回動機構を提供できる。

請求項４に記載の発明の回動機構によれば上記効果に加えて、転がり軸受に嵌合した回動部及び出力軸よりも質量の小さな回転軸を用いることにより、効率の良い振動を印加することが可能となり、回転軸に係合した転がり軸受内の偏在した歪みを均等化して、さらに転がり摩擦が無視できる程度に低減された回動機構を提供できる。

請求項５に記載の発明の回動機構によれば上記効果に加えて、回動部が回転軸の軸方向にて支持部を挟み込むように設けられていることから、出力軸を円柱形状として全周に渡って端部にて回動部に接続でき、その端部が転がり軸受の位置規制も兼ねることができることから、部品加工や組立てが容易な回動機構を提供できる。

請求項６に記載の発明の回動機構によれば上記効果に加えて、出力軸が円柱の端部の一部を切り欠いた形状にて回動部に接続されていることから、この切り欠き部に回動部のストッパの役割をさせることができるため、部品点数を減らして回動部の質量を低減することができてコスト面でも有利であると共に、加振手段を取付けた際には加振効果の向上を図った回動機構を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る回動機構を用いた計測装置の斜視外観図である。 本発明の第１の実施形態に係る回動機構を用いた計測装置の斜視外観図である。 本発明の第１の実施形態に係る回動機構を図１で示す平面Ａで切断した断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る回動機構を用いた計測装置の斜視外観図である。 本発明の第２の実施形態に係る回動機構を用いた計測装置の斜視外観図である。 本発明の第２の実施形態に係る回動機構を図４で示す平面Ｂで切断した断面図である。 従来の計測装置の構成図である。

以下、本発明の第１の実施形態に係る回動機構について、図面を基に詳細な説明を行う。図１及び図２は本発明の第１の実施形態に係る回動機構を用いた計測装置の斜視外観図である。

計測装置はベース１上で較正する回転力変換器５を挟んでサーボモータ２と回動機構９と、サーボモータ２を駆動するモータドライバ３２と制御部３１とで構成されている。

回転力変換器５は、回転力を測定するための軸を有していて、その軸の一端は軸継手４ａを介してサーボモータ２の出力部に、他端は軸継手４ｂを介して回動機構９の出力軸１６にそれぞれ接続されている。回転力変換器５は、例えば回転力が伝達される軸の回転による捩れによって歪みが発生する起歪部を内部に有して、この起歪部に設けられた歪ゲージが検出する歪みを電気量に変換して、伝達回転力を測定するものである。本実施形態では、両端部に軸を設けた軸型の回転力変換器５を示しているが、両端部にフランジ部を設けてフランジ型の軸継手で繋ぐタイプのフランジ型の回転力変換器を適用することもできる。回転力変換器５はこれに限らず、磁歪方式で回転力を測定するものなども適用される。

回動機構９は、軸継手４ｂに固定接続される出力軸１６と、出力軸１６に接続して規制された角度範囲で回転可能な回動部１５ｂと、回動部１５ｂと一緒に規制された角度範囲で回転可能な回動部１５ａと、回動部１５ａと回動部１５ｂとを連結する連結柱１７ａ、１７ｂと、回動部１５ａと回動部１５ｂを支持する支持部１２と、加振手段１０等を含んで構成されている。そして連結柱１７ｂは、回動部１５ａと回動部１５ｂが回転した時、支持部１２に当って止めるストッパの役目もなしている。回動機構９の詳細は図３を用いて後述する。

ロッド１８ａは、回動機構９の連結柱１７ｂに取り付けられていて、対向して配置されている。そしてロッド１８ａの突出した端部は略コの字形状をなすヒンジ構造であって、錘連結部材１８ｂがロッド１８ａの貫通した穴に挿通された軸を中心として規制された角度範囲で回転できるように連結されていて、さらにその先には錘受け皿１８ｄが設けられている。

錘受け皿１８ｄは錘１８ｃを重ね置くように設けられた平板状のものであって、例えば錘連結部材１８ｂの端部のネジ部により接続されている。

センサ３０は例えば略円筒状の形状であって、支持部１２に固定されて、センサ３０の円筒端面とこれから離間した物体との距離を計測するセンサである。センサ３０の鉛直上方向にはロッド１８ａが位置していて、２つのロッド１８ａに対してそれぞれセンサ３０が計２個配置されている。センサ３０は支持部１２の側面から留めネジによって固定されている。センサ３０は例えばレーザ光などの光線を発してその反射光から測距するものが使用される。したがってロッド１８はセンサ３０からの光線を反射して戻すために一部に平面部を有している。

サーボモータ２は例えばＡＣサーボモータであって、ベース１上にＬ字型のモータブラケット３によって固定されている。サーボモータ２はモータドライバ３２と電気的にケーブルで接続され、モータドライバ３２からモータ駆動のための信号を受信する。一方サーボモータ２は内蔵している回転角検出器からサーボモータ２の回転角位置を送信出力する。

制御部３１は計測装置全体の制御を行うものであって、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、その他の記憶装置及び入出力装置を備えている。制御部３１は回転力変換器５、センサ３０及びモータドライバ３２と電気的に繋がっている。そして制御部３１は回転力変換器５で測定した伝達回転力の値と、２個のセンサ３０で測定したセンサ３０とロッド１８ａの距離とをそれぞれ予め定めた時間間隔で受信し、これを記憶する。一方制御部３１はモータドライバ３２を介してサーボモータ２の状態データの取得と、サーボモータ２への動作指令を行う。すなわち制御部３１は回転力変換器５、センサ３０及びモータドライバ３２から受信したデータを用いてサーボモータ２の制御値や回転力変換器５の較正のためのデータを演算して出力する機能を有している。

図３は本発明の第１の実施形態に係る回動機構を、図１で示す平面Ａで切断した断面図である。ベース１上には支持部１２が固定されていて、支持部１２はＴの文字を逆さにした形状をなしていて、水平方向に貫通した穴を有している。この穴に第１の転がり軸受１３ａ、１３ｂが両側から挿入されている。水平方向の貫通穴は直径の大きさが異なる段付きの穴で、第１の転がり軸受１３ａ、１３ｂの外輪の直径方向の外形がこれにわずかなすきまをもって嵌合する。そして貫通穴の段差部が第１の転がり軸受１３ａ、１３ｂの外輪の軸方向の位置規制をなしている。なお貫通穴はこれに限らず、止め輪を挿入して嵌め込む溝を有した形状であっても良い。

回転軸１１は支持部１２と第１の転がり軸受１３ａ、１３ｂを介して回転自在になっており、第１の転がり軸受１３ａ、１３ｂの内輪側とは例えばしまりばめの嵌め合いで結合されている。

回動部１５ａと回動部１５ｂは例えば円板形状であって、支持部１２を両側から挟み込むように設けられている。回動部１５ａと回動部１５ｂは連結柱１７ａと連結柱１７ｂ（図１、図２）にて連結され、ボルト１９ｂにて両側から固定されている。回動部１５ａと回動部１５ｂにも第２の転がり軸受１４ａ、１４ｂの外輪が嵌め込まれる貫通穴が円板中央部に設けられている。

回動部１５ａ側には第２の転がり軸受１４ａが嵌め込まれ、第２の転がり軸受１４ａの内輪は回転軸１１と例えばしまりばめで嵌合し、第２の転がり軸受１４ａの内輪は止め輪６にて軸方向位置が規制されている。そして第２の転がり軸受１４ａと支持部１２側の第１の転がり軸受１３ａとの内輪の中間には、円筒形のカラー７ａが挿入されていて、このカラー７ａが第２の転がり軸受１４ａと第１の転がり軸受１３ａの軸方向位置を規制している。

一方回動部１５ｂ側にも第２の転がり軸受１４ｂが嵌め込まれ、第２の転がり軸受１４ｂの内輪は回転軸１１と例えばしまりばめで嵌合し、第２の転がり軸受１４ｂの内輪は止め輪６にて軸方向位置が規制されている。そして第２の転がり軸受１４ｂと支持部１２側の第１の転がり軸受１３ｂとの内輪の中間には、円筒形のカラー７ａが挿入されていて、このカラー７ａが第２の転がり軸受１４ｂと第１の転がり軸受１３ａの軸方向位置を規制している。

さらに回動部１５ｂ側には径の寸法を複数有する段付きの円柱形状の出力軸１６がボルト１９ａによって固定され、出力軸１６の端部の突起状の部分が、第２の転がり軸受１４ｂの外輪の位置規制をしている。出力軸１６は軸継手４ｂと繋がっていて、かつ回転軸１１の軸線と同一軸上になるように構成されている。

加振手段１０は、回転軸１１に係合して回転軸１１へ振動を与える部材であって回転軸１１の端部から挿入されて固定されている。加振手段１０は例えば圧電素子を含むものであって、振動は回転軸１１を経由して、第１の転がり軸受１３ａ、第１の転がり軸受１３ｂ、第２の転がり軸受１４ａ及び第２の転がり軸受１４ｂの回転部へそれぞれ伝播することから、軸受の内部に生ずる偏在した歪みが均等化されて摩擦の影響を低減できる。加振手段１０が圧電素子の場合には、小型化や着脱が可能であって、第１の転がり軸受１３ａ、第１の転がり軸受１３ｂ、第２の転がり軸受１４ａ及び第２の転がり軸受１４ｂに偏在する歪みの均等化に最適な振動数を選択して効果的に加振することができる。なお回転軸１１は、回動部１５ａ、１５ｂ及び出力軸１６と比較して小さな質量であるように設けられていることから、回転軸１１から第１の転がり軸受１３ａ、第１の転がり軸受１３ｂ、第２の転がり軸受１４ａ及び第２の転がり軸受１４ｂへの振動が効果的に伝播することになる。

なお第１の転がり軸受１３ａ、１３ｂ、第２の転がり軸受１４ａ、１４ｂは本実施形態では深溝玉軸受であるがこれに限るものではない。

この構成で、いずれかの錘受け皿１８ｄに錘１８ｃを追加して載せアンバランスな荷重を回動部１５ａ、１５ｂに印加すると、重い方に回動部１５ａ、１５ｂは回り始めようとする。この回転力は出力軸１６にて回転力変換器５側へ伝達される。この時、出力軸１６に直接関与している軸受は第２の転がり軸受１４ａ、１４ｂだけである。一方で回動部１５ａ、１５ｂは第１の転がり軸受１３ａ及び第１の転がり軸受１３ｂを介して支持部１２によって支持されている。したがって従来の回転力を出力する装置のように出力軸１６と回転軸１１が同一の部材で構成されるものと比べて、出力軸１６は支持部１２の各種誤差の影響を受けにくくなる。

次いで本発明の第１の実施形態の回動装置及びこれを用いた計測装置による回転力変換器５の較正方法の一例を示す。

釣り合う重さの錘１８ｃを錘受け皿１８ｄに置き、加振手段１０にて回転軸１１へ加振印加を実行する。釣り合った状態で回動部１５ａ、１５ｂの動きを確認し、正常であれば加振手段１０の加振動作を停止させ、制御部３１をアクティブにする。制御部３１は、センサ３０から入力された入力信号等に基づいてロッド１８ａの傾斜状態を検出すると共に、この検出に基づいてロッド１８ａを地面に対し水平に保持すべく、モータドライバ３２を介してサーボモータ２を駆動制御する。

その後所望の回転力を発生させる錘１８ｃをいずれかの錘受け皿１８ｄに追加すると、回動部１５ａ、１５ｂは動き出そうとする。この時、制御部３１はセンサ３０から出力されたロッド１８ａとの距離を示す距離信号に基づいてロッド１８ａの傾斜状態を検出してロッド１８ａを地面に対し水平に保持すべく、モータドライバ３２を介してサーボモータ２を駆動制御する。

一方で制御部３１は、ロッド１８ａの両端に吊り下げられて対をなす錘１８ｃの重量の差を用いて、回転力変換器５に付加している回転力値を演算する。そして、この基準となる回転力値（回転力基準値）と、回転力変換器５から出力された回転力値（回転力測定値）とを比較して合わせ込むことにより回転力変換器５の較正を行うことができる。

図４及び図５は本発明の第２の実施形態に係る回動機構を用いた計測装置の斜視外観図である。基本的な構成は第１の実施形態と同じであるので相違点のみ記述する。

第２の実施形態では、回動機構９の回動部２５が１個の円板状の部材である。そしてベース１上に固定された支持部２２ａ、２２ｂが、回動部２５を挟んで両側から支持している。出力軸２６は一方は回動部２５に連結されていて、他方は軸継手４ｂに連結されている。出力軸２６は径寸法が異なる段付きの円柱の形状であって、回動部２５に連結される端部の大きな径の部分は支持部２２ｂとの干渉を避けるように、また回動部２５のストッパとしての役割をなすために端部の一部を切り欠いた形状となっている。出力軸２６は軸継手４ｂと繋がっていて、かつ回転軸２１の軸線と同一すなわち同軸になるように構成されている。

図６は本発明の第２の実施形態に係る回動機構を、図４で示す平面Ｂで切断した断面図である。ベース１上に支持部２２ａ、２２ｂが固定されていて、支持部２２ａ、２２ｂはＴの文字を逆さにした形状で、水平方向に貫通した穴を有している。この穴に第１の転がり軸受２３ａ、２３ｂがそれぞれ挿入されている。水平方向の貫通穴は段付きの穴で、第１の転がり軸受２３ａ、２３ｂの外輪がこれにわずかなすきまをもって嵌合する形状である。なお貫通穴はこれに限らず、止め輪を挿入する溝を設けて嵌め込む形状であっても良い。支持部２２ａ、２２ｂの貫通穴は段付きであって、この段差の部分が第１の転がり軸受２３ａ、２３ｂの外輪を軸方向において規制している。一方第１の転がり軸受２３ａ、２３ｂの内輪は、回転軸２１に設けられた止め輪６によって軸方向が規制されている。

回転軸２１は支持部２２ａ、２２ｂと第１の転がり軸受２３ａ、２３ｂを介して回転自在になっており、第１の転がり軸受２３ａ、２３ｂの内輪側とは例えばしまりばめの嵌め合いで結合されている。

回動部２５は例えば円板形状であって、支持部２２ａと支持部２２ｂにて両側から挟み込むように配置されている。回動部２５にも第２の転がり軸受２４の外輪が嵌め込まれる貫通穴が設けられている。この貫通穴は段付きとなっていて、第１の転がり軸受２３ａ、２３ｂの外輪の軸方向を規制するようになっている。

回動部２５側には第２の転がり軸受２４が嵌め込まれ、第２の転がり軸受２４の内輪は回転軸２１と例えばしまりばめで嵌合し、第２の転がり軸受２４の内輪と第１の転がり軸受２３ａ及び第１の転がり軸受２３ｂの内輪とは円筒形のカラー７ｂによって軸方向の位置が規制されている。一方第２の転がり軸受２４の外輪は、複数のボルト２９ｂで固定されるリング状の軸受押え８を介して軸方向位置が規制されている。

出力軸２６は、出力軸２６の軸線が回転軸２１の軸線と同軸になるように、ボルト２９ａによって回動部２５に固定されている。

加振手段１０は、第１の実施形態と同様に回転軸２１に係合して回転軸２１へ振動を与える部材である。加振手段１０によって振動は回転軸２１を経由して、第１の転がり軸受２３ａ、第１の転がり軸受２３ｂ、第２の転がり軸受２４の回転部にそれぞれ伝播することから、転がり軸受の内部に生ずる偏在した歪みが均等化されて摩擦の影響を低減できる。

この構成で、いずれかの錘受け皿１８ｄに錘１８ｃを追加してアンバランスな荷重を回動部２５に印加すると、重い方に回動部２５は回り始めようとする。この回転力は出力軸２６にて回転力変換器５側へ伝達される。この時、出力軸２６に直接関与している軸受は第２の転がり軸受２４だけであり、回動部２５は第１の転がり軸受２３ａ及び第１の転がり軸受２３ｂを介して回転軸２１を支持する支持部２２ａ、２２ｂによって支持されている。したがって従来の回転力を出力する装置のように出力軸１６と回転軸１１が同一の部材で構成されるものと比べて、支持部２２ａ及び支持部２２ｂの各種誤差の影響を受けにくくなる。

以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明の活用例として、較正機など荷重を測定する計測装置への適用が可能である。

１ ：ベース
２ ：サーボモータ
３ ：モータブラケット
４ａ、４ｂ ：軸継手
５ ：回転力変換器
６ ：止め輪
７ａ、７ｂ ：カラー
８ ：軸受押え
９ ：回動機構
１０ ：加振手段
１１、２１：回転軸
１２、２２ａ、２２ｂ ：支持部
１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ ：第１の転がり軸受
１４ａ、１４ｂ、２４：第２の転がり軸受
１５ａ、１５ｂ、２５ ：回動部
１６、２６ ：出力軸
１７ａ、１７ｂ ：連結柱
１８ａ ：ロッド
１８ｂ ：錘連結部材
１８ｃ ：錘
１８ｄ ：錘受け皿
１９ａ、１９ｂ、２９ａ、２９ｂ ：ボルト
３０ ：センサ
３１ ：制御部
３２ ：モータドライバ

Claims (6)

1. 回転軸と、
   前記回転軸を第１の転がり軸受を介して支持する支持部と、
   前記回転軸に第２の転がり軸受を介して規制された角度範囲で回転可能な回動部と、
   前記回動部に接続されて前記回転軸の軸線と同一軸上に回転力を出力する出力軸と、
   を含むことを特徴とする回動機構。
2. 加振手段が前記回転軸に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の回動機構。
3. 前記加振手段が圧電素子を含むものであることを特徴とする請求項２に記載の回動機構。
4. 前記回転軸が前記回動部及び前記出力軸より小さな質量で構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回動機構。
5. 前記回動部が前記回転軸の軸方向にて前記支持部を挟み込むように設けられ、前記出力軸が円柱形状の端部にて前記回動部に接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回動機構。
6. 前記回動部が前記回転軸の軸方向にて複数の前記支持部により挟み込まれるように設けられ、前記出力軸が円柱の端部の一部を切り欠いた形状にて前記回動部に接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回動機構。
   

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