JP2021015118A - フレキシブルシャフトのトルク伝達効率測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フレキシブルシャフトのトルク伝達効率を正確に算出でき、その劣化を簡単に評価できることを課題とする。【解決手段】電動モーター１２からフレキシブルシャフト１に伝達される入力トルクを検出する入力トルク検出器１３と、電磁ブレーキ１５により負荷がかけられたフレキシブルシャフトの出力トルクを検出する出力トルク検出器１４を有する。トルク制御器２１により入力トルクが所定のトルク設定値となるように電磁ブレーキが制御される。入力トルク設定値に制御された入力トルクと出力トルク検出器で検出された出力トルクに基づいてフレキシブルシャフトのトルク伝達効率が算出される。【選択図】図１

Description

本発明は、駆動側の回転動力を従動側に伝達するフレキシブルシャフトのトルク伝達効率を測定する装置に関する。

フレキシブルシャフトは、回転運動を伝達するための動力伝達要素として、各種機器に利用されている。例えば、下記特許文献１には、原子力発電所内で事故が発生して人が立ち入れない場合、遠隔の場所からフレキシブルシャフトを用いてハンドルを操作し原子炉内の制御弁を開閉する装置が記載されている。

特開２０１４−１１８９９５号公報

フレキシブルシャフトは、一本のワイヤ上に数層のワイヤを巻き付けて製作され、そのトルク伝達効率は、ワイヤの材質、一層当たりのワイヤ数、ワイヤ層の数などのパラメータに依存するとともに、経年変化により劣化することが知られている。

従来では、フレキシブルシャフトのトルク伝達効率を正確に測定する方法がなく、経年変化で、あるいは欠陥により伝達効率が劣化したフレキシブルシャフトを使用している場合があり、作業効率を低下させ、またその交換時期を失していた、という問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するもので、フレキシブルシャフトのトルク伝達効率を正確に測定でき、その劣化を簡単に評価することが可能なフレキシブルシャフトのトルク伝達効率測定装置を提供することを課題とする。

本発明（請求項１）は、
駆動側の回転動力を従動側に伝達するフレキシブルシャフトのトルク伝達効率を測定する装置であって、
フレキシブルシャフトを回転させる電動モーターと、
電動モーターからフレキシブルシャフトに伝達される入力トルクを検出する入力トルク検出器と、
フレキシブルシャフトに負荷をかける負荷手段と、
負荷がかけられたフレキシブルシャフトの出力トルクを検出する出力トルク検出器と、
入力トルク設定値と前記入力トルク検出器で検出された入力トルクの差に応じてフレキシブルシャフトにかけられる負荷を調整し、入力トルクを入力トルク設定値に制御するトルク制御器と、
前記トルク制御器により入力トルク設定値に制御された入力トルクと出力トルク検出器で検出された出力トルクに基づいてフレキシブルシャフトのトルク伝達効率を算出する算出器と、
を備えることを特徴とする。

また、本発明（請求項２）は、
駆動側の回転動力を従動側に伝達するフレキシブルシャフトのトルク伝達効率を測定する装置であって、
フレキシブルシャフトを回転させる電動モーターと、
電動モーターからフレキシブルシャフトに伝達される入力トルクを検出する入力トルク検出器と、
フレキシブルシャフトに負荷をかける負荷手段と、
負荷がかけられたフレキシブルシャフトの出力トルクを検出する出力トルク検出器と、
出力トルク設定値と前記出力トルク検出器で検出された出力トルクの差に応じてフレキシブルシャフトにかけられる負荷を調整し、出力トルクを出力トルク設定値に制御するトルク制御器と、
前記トルク制御器により出力トルク設定値に制御された出力トルクと入力トルク検出器で検出された入力トルクに基づいてフレキシブルシャフトのトルク伝達効率を算出する算出器と、
を備えることを特徴とする。

本発明では、フレキシブルシャフトの入力（出力）トルクを所定のトルク設定値に制御し、この入力（出力）トルク設定値と、実際に検出された出力（入力）トルクに基づいてフレキシブルシャフトのトルク伝達効率を算出するので、正確なトルク伝達効率を求めることができ、フレキシブルシャフトの劣化を簡単に評価することが可能になる。

フレキシブルシャフトのトルク伝達効率を測定する構成を示した構成図である。 フレキシブルシャフトの構造を示した側面図である。 フレキシブルシャフトの入力トルクを所定の設定値に制御する構成を示したブロック図である。 フレキシブルシャフトのトルク伝達効率の測定結果を示したグラフ図である。 フレキシブルシャフトのトルク伝達効率を測定する他の構成を示した構成図である。 フレキシブルシャフトの出力トルクを所定の設定値に制御する構成を示したブロック図である。 フレキシブルシャフトのトルク伝達効率を測定する構成の他の実施例を示した構成図である。 フレキシブルシャフトのトルク伝達効率を測定する構成の更に他の実施例を示した構成図である。

以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１には、フレキシブルシャフトのトルク伝達効率を測定する装置が図示されている。測定対象となるフレキシブルシャフト１は、複数の支持台１１に支持されて基台１０上に設置される。

フレキシブルシャフト１は、図２に示すように、ワイヤ上に数層のワイヤをそれぞれ逆方向に巻き付けてなるインナーシャフト1ａと、インナーシャフト1ａを回転自在に軸受けし、インナーシャフト1ａを覆う可撓性のケーシング（アウターチューブあるいは撓み管ともよばれる）１ｂと、軸端部１ｃ、１ｄとから構成される。図２に示した一方軸端部１ｃはメス型、他方軸端部１ｄはオス型の継手となっているが、駆動側あるいは従動側の継手構造に従い、両軸端部とも、オス型あるいはメス型に構成されることもある。

電動モーター１２はインバーター２０から供給される電力により駆動され、その回転軸１２ａは、フレキシブルシャフト１と同質のフレキシブルシャフト１’の一端に結合される。なお、本明細書では、フレキシブルシャフトの一端（あるいは他端）に結合されるとは、そのインナーシャフトの一端（あるいは他端）に結合されることであり、フレキシブルシャフトが回転するとは、インナーシャフトが回転することをいう。

入力トルク検出器１３は、歪みゲージからなるトルクセンサー（不図示）を有しシャフトのトルクに応じたねじれ量を電圧に変換する。入力トルク検出器１３の入力側シャフトはフレキシブルシャフト１’の他端に結合され、出力側シャフトはフレキシブルシャフト１の一端に結合される。電動モーター１２を駆動すると、フレキシブルシャフト１’、１が回転し、電動モーターからフレキシブルシャフト１に伝達される入力トルクが入力トルク検出器１３により検出される。なお、フレキシブルシャフト１’を用いず、電動モーター１２の回転軸１２ａと入力トルク検出器１３の入力側シャフトを直結するようにしてもよい。

出力トルク検出器１４は、入力トルク検出器１３と同様な構成で、歪みゲージからなるトルクセンサーを有しシャフトのトルクに応じたねじれ量を電圧に変換する。出力トルク検出器１４の入力側シャフトはフレキシブルシャフト１の他端に結合され、その出力側シャフトはフランジ継手１５ａを介して負荷手段としての電磁ブレーキ１５のアーマチュア１５ｂに結合される。電磁ブレーキ１５は摩擦板式クラッチ（励磁作動型ブレーキ）で、磁力の大きさによってアーマチュア１５ｂとステーター１５ｃ間の距離（摩擦抵抗）が変化し、フレキシブルシャフト１に負荷（摩擦抵抗）をかける。出力トルク検出器１４は電磁ブレーキ１５により負荷がかけられたフレキシブルシャフトの出力トルクを検出する。

本実施例では、フレキシブルシャフト１の入力トルクが一定の設定値になるように、トルク制御器２１を用いてフレキシブルシャフト１にかかる負荷が制御される。図３には、トルク制御器２１の構成が図示されており、トルク制御器２１は、例えばダイヤルで種々のトルク値を設定できる入力トルク設定器２３から出力される入力トルク設定値と、入力トルク検出器１３により検出される入力トルクを比較し、その差に応じたブレーキ電圧を電磁ブレーキ１５に出力して、入力トルクが入力トルク設定値となるようなフィードバック制御を行う。

算出器２２は、トルク制御器２１により入力トルク設定値に制御された入力トルクと出力トルク検出器１４で検出された出力トルクの比をフレキシブルシャフトのトルク伝達効率として算出する。算出されたトルク伝達効率は、表示器に表示されたり、あるいは記録計に記録される。

次にこのように構成された装置を用いてフレキシブルシャフトのトルク伝達効率を測定する方法を説明する。測定対象となるフレキシブルシャフト１は、例えば１０ｍ長さであり、電動モーター１２は、例えば１８００ｒｐｍで回転される。電動モーター１２が回転すると、フレキシブルシャフト１’、１が回転し、電磁ブレーキ１５に出力されるブレーキ電圧に応じた負荷がフレキシブルシャフト１にかけられ、フレキシブルシャフト１の入力トルクと出力トルクがそれぞれ入力トルク検出器１３と出力トルク検出器１４で検出される。

本実施例では、図４に示したように、入力トルクが例えば５０Ｎ・ｍから１０Ｎ・ｍずつ減少され、その出力トルクが測定される。最初、５０Ｎ・ｍの入力トルクに対する出力トルクを測定するので、入力トルク設定器２３を用いて５０Ｎ・ｍのトルク設定値がトルク制御器２１に入力される。トルク制御器２１は、この入力トルク設定値と、入力トルク検出器１３により検出された入力トルクを比較し、その差に応じてブレーキ電圧を変化させ、入力トルク検出器１３で検出される入力トルクが入力設定器２３で設定された設定値になるように電磁ブレーキ１５を制御する。

入力トルクが一定の設定値（５０Ｎ・ｍ）となった状態で、出力トルク検出器１４でフレキシブルシャフトの出力トルクを測定する。例えば、伝達効率が高いフレキシブルシャフトの場合は、４０Ｎ・ｍの出力トルクが検出され、伝達効率が低い場合は、３０Ｎ・ｍの出力トルクが検出される。算出器２２は、伝達効率が高いフレキシブルシャフトの場合は、４０／５０＝０．８の伝達効率を算出し、伝達効率が低い場合は、３０／５０＝０．６の伝達効率を算出する。なお、電磁ブレーキ１５に出力されるブレーキ電圧（ブレーキ負荷）はフレキシブルシャフト１のトルク伝達効率に依存して変化し、伝達効率の高いフレキシブルシャフトの場合は、ブレーキ負荷率が６５％、低いフレキシブルシャフトの場合は、ブレーキ負荷率が５０％となる。

以下、入力トルクを１０Ｎ・ｍずつ減少させ、トルク制御器２１により、入力トルクを４０Ｎ・ｍ、３０Ｎ・ｍ、２０Ｎ・ｍ、１０Ｎ・ｍに設定し、それぞれ出力トルクを検出して、トルク伝達効率を算出する。

図４には、伝達効率の高いフレキシブルシャフトの測定値が丸印で、それを結ぶ線が実線で図示されており、また伝達効率の低いフレキシブルシャフトの測定値が三角印でそれを結ぶ線が点線で図示されている。この図から各測定値が例えば点線で示されたような値あるいはそれ以下になっている場合には、フレキシブルシャフトのトルク伝達効率が劣化したと判断して、フレキシブルシャフトを交換するための尺度とする。

なお、トルク伝達効率は、特定の入力トルク設定値（例えば、５０Ｎ・ｍ）に対して求めた伝達効率とするほかに、種々の入力トルク設定値（例えば、５０Ｎ・ｍから１０Ｎ・ｍ）を設定し、各入力トルク設定値ごとに求めたトルク伝達効率の平均値を、伝達効率とすることができる。また、算出器２２が算出した伝達効率は、図４に示したような形で表示器に表示したり、記録計に記録することができる。

実施例１では、入力トルクを所定の入力トルク値に設定してトルク伝達効率を測定したが、出力トルクを所定の出力トルク値に設定してトルク伝達効率を測定することもできる、この実施例が、図５、図６に図示されている。実施例１と同一の機器あるいは部材には、同一の符号が付されており、その機能は同一であるので、詳細な説明は省略する。

実施例２では、トルク制御器２１を用いて、フレキシブルシャフト１の出力トルクが一定の設定値になるように、フレキシブルシャフト１にかかる負荷が制御される。図６において、トルク制御器２１は、例えばダイヤルで種々のトルク値を設定できる出力トルク設定器３０から出力される出力トルク設定値と、出力トルク検出器１４により検出される出力トルクを比較し、その差に応じたブレーキ電圧を電磁ブレーキ１５に出力して、出力トルクが出力トルク設定値となるようなフィードバック制御を行う。

算出器２２は、トルク制御器２１により出力トルク設定値に制御された出力トルクと入力トルク検出器１３で検出された入力トルクの比をフレキシブルシャフトのトルク伝達効率として算出する。

実施例１と同様に、フレキシブルシャフト１’、１が回転され、出力トルク設定値に応じてフレキシブルシャフト１に負荷がかけられ、フレキシブルシャフト１の入力トルクと出力トルクがそれぞれ入力トルク検出器１３と出力トルク検出器１４で検出される。

最初、例えば４０Ｎ・ｍの出力トルクが設定され、トルク制御器２１は、この出力トルク設定値と、出力トルク検出器１４により検出された出力トルクを比較し、その差に応じてブレーキ電圧を変化させ、出力トルク検出器１４で検出される出力トルクが出力トルク設定器３０で設定された設定値になるように電磁ブレーキ１５を制御する。この状態で、入力トルク検出器１３で入力トルクを検出し、この出力トルク設定値と入力トルク検出値に基づいてトルク伝達効率を算出する。以下、出力トルクを１０Ｎ・ｍずつ減少させた値に設定し、それぞれ入力トルクを検出して、トルク伝達効率を算出する。図４に示す特性と同様な伝達効率を示す結果が得られる。

例えば、バルブなど出力側を回転させる必要トルクが事前に明らかな場合には、必要トルク値を出力トルクとして設定し、伝達効率を測定するのが好ましく、特に必要トルクが定まっていない場合には、実施例１の方法が選択するのが好ましい。本発明では、いずれの実施例１、２を選択しても、入力トルクあるいは出力トルクが所定の値に設定されるので、いずれの実施例でも、トルク伝達効率を正確に測定することができる。

本実施例では、フレキシブルシャフトに負荷をかける負荷手段としての電磁ブレーキは、摩擦板式クラッチであったが、他の電磁ブレーキ、たとえばパウダークラッチとすることもできる。また、負荷手段は、電磁力を利用したブレーキでなく、圧縮空気をブレーキシリンダに送り込み、ブレーキを作用させる空気ブレーキとすることもできる。

フレキシブルシャフトは、発明が解決しようとする課題の欄で記載したように、一本のワイヤ上に数層のワイヤを巻き付けて製作しており、フレキシブルシャフトにたわみがあると、ワイヤのよじれ、ねじれ、もつれなどで、トルク伝達効率の測定に誤差が生じる恐れがある。

この問題を解決する実施例３が図７に図示されている。図７において、実施例１と同一の機器あるいは部材には、同一の符号が付されており、その機能は同一であるので、詳細な説明は省略する。入力トルクを所定の入力トルク値に設定してトルク伝達効率を測定する場合は、図１に図示したような測定構成が用いられ、出力トルクを所定の出力トルク値に設定してトルク伝達効率を測定する場合には、図５に図示したような測定構成が用いられる。図７では、煩雑さを避けるために、モーター電力、入力トルク、出力トルク、ブレーキ電圧の入出力方向を示す矢印だけが図示されている。

図７において、電動モーター１２は、その回転軸１２ａと入力トルク検出器１３の入力側シャフトが直結されていて、レール４１上をフレキシブルシャフト１の延びる方向に前後に移動できるように、また回転軸１２ａとフレキシブルシャフト１のインナーシャフト１ａが同軸となるように、台車４０上に固定される。台車４０は、一端が床に固定された支柱４３の他端に取り付けられたレバーブロック（登録商標）４２と結合され、レバーブロック４２のレバーを回動させることにより、基台１０と同一線上にあるレール４１上を移動して、フレキシブルシャフト１に垂直方向にたるみがないように、テンションをかけることができる。

このような構成において、レバーブロック４２により、台車４０を左方向に引っ張って、フレキシブルシャフト１にテンションをかけ、図７に示したように、フレキシブルシャフト１が垂直方向にたるまないようにする。この状態で、実施例１に記載した方法を用いて、入力トルクを所定の入力トルク値に設定してトルク伝達効率を測定する。あるいは、実施例２に記載した方法で、出力トルクを所定の出力トルク値に設定してトルク伝達効率を測定する。フレキシブルシャフトにたわみがないので、ワイヤのよじれ、ねじれ、もつれなどによるトルク伝達効率の影響を排除して、トルク伝達効率を測定でき、経年変化あるいは欠陥によるトルク伝達効率の劣化を正確に評価することができる。

なお、図８に示したように、フレキシブルシャフト１にかかるテンションを測定する手段、例えば、ばね秤４４を設けることにより、フレキシブルシャフト１にかかっているテンションを測定することが可能になる。図８には、図７の構成で台車４０の左側に続く構成が図示されている。ばね秤４４は、レバーブロック４２と固定支柱４４間に設けられ、ばね秤４４内のばねとレバーブロック４２で台車４０を引張り、たわみがないようにフレキシブルシャフト１にテンションをかける。このような構成では、フレキシブルシャフト１にかけたテンションがばね秤４４で測定できるので、フレキシブルシャフト１にかけたテンションをパラメータとしたトルク伝達効率の測定が可能になる。

１、１’ フレキシブルシャフト
1ａ インナーシャフト
１ｂ ケーシング
１２ 電動モーター
１３ 入力トルク検出器
１４ 出力トルク検出器
１５ 電磁ブレーキ
２０ インバーター
２１ トルク制御器
２２ 記録計
２３ 入力トルク設定器
３０ 出力トルク設定器
４０ 台車
４１ レール
４２ レバーブロック
４４ ばね秤

Claims (8)

1. 駆動側の回転動力を従動側に伝達するフレキシブルシャフトのトルク伝達効率を測定する装置であって、
   フレキシブルシャフトを回転させる電動モーターと、
   電動モーターからフレキシブルシャフトに伝達される入力トルクを検出する入力トルク検出器と、
   フレキシブルシャフトに負荷をかける負荷手段と、
   負荷がかけられたフレキシブルシャフトの出力トルクを検出する出力トルク検出器と、
   入力トルク設定値と前記入力トルク検出器で検出された入力トルクの差に応じてフレキシブルシャフトにかけられる負荷を調整し、入力トルクを入力トルク設定値に制御するトルク制御器と、
   前記トルク制御器により入力トルク設定値に制御された入力トルクと出力トルク検出器で検出された出力トルクに基づいてフレキシブルシャフトのトルク伝達効率を算出する算出器と、
   を備えることを特徴とするフレキシブルシャフトのトルク伝達効率測定装置。
2. 駆動側の回転動力を従動側に伝達するフレキシブルシャフトのトルク伝達効率を測定する装置であって、
   フレキシブルシャフトを回転させる電動モーターと、
   電動モーターからフレキシブルシャフトに伝達される入力トルクを検出する入力トルク検出器と、
   フレキシブルシャフトに負荷をかける負荷手段と、
   負荷がかけられたフレキシブルシャフトの出力トルクを検出する出力トルク検出器と、
   出力トルク設定値と前記出力トルク検出器で検出された出力トルクの差に応じてフレキシブルシャフトにかけられる負荷を調整し、出力トルクを出力トルク設定値に制御するトルク制御器と、
   前記トルク制御器により出力トルク設定値に制御された出力トルクと入力トルク検出器で検出された入力トルクに基づいてフレキシブルシャフトのトルク伝達効率を算出する算出器と、
   を備えることを特徴とするフレキシブルシャフトのトルク伝達効率測定装置。
3. 前記トルク制御器は、入力トルク検出器で検出される入力トルクが所定の入力トルク設定値となるように、負荷手段を調整することを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルシャフトのトルク伝達効率測定装置。
4. 前記トルク制御器は、出力トルク検出器で検出される出力トルクが所定の出力トルク設定値となるように、負荷手段を調整することを特徴とする請求項２に記載のフレキシブルシャフトのトルク伝達効率測定装置。
5. 前記負荷手段が電磁力又は空気圧を利用したブレーキであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のフレキシブルシャフトのトルク伝達効率測定装置。
6. 前記算出器で算出されたトルク伝達効率を表示する表示器あるいは該トルク伝達率を記録する記録計が設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のフレキシブルシャフトのトルク伝達効率測定装置。
7. フレキシブルシャフトが垂直方向にたるまないように、フレキシブルシャフトにテンションをかける手段が設けられ、フレキシブルシャフトにたるみがない状態でフレキシブルシャフトのトルク伝達効率が測定されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のフレキシブルシャフトのトルク伝達効率測定装置。
8. フレキシブルシャフトにかけたテンションを測定する手段が設けられ、フレキシブルシャフトにかけたテンションに応じたフレキシブルシャフトのトルク伝達効率が測定されることを特徴とする請求項７に記載のフレキシブルシャフトのトルク伝達効率測定装置。

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