JP5378160B2 - トルク検出機能をもった回転スピンドル - Google Patents

Description

本発明は、工具にかかる加工トルクを高精度に検出する機能をもった回転スピンドルに関する。

微小なドリルやエンドミルなどの回転工具を用いて加工するとき、加工中に回転工具が折損しやすく、微細加工工程の障害になっている。このため、回転工具にかかる負荷を高精度に測定することが、回転工具の折損予防のほか、被加工物の加工精度や加工品質を確保する上でも、非常に重要な課題となっている。

一方で、回転スピンドルの機能としては、大きな加工トルクの変動に対しても回転速度変動の少ない安定した回転速度の得られることが望ましい。このため、回転駆動源の慣性モーメントは、比較的大きく採られるのが一般的である。これに対し、加工トルクを測定する場合、小さな加工トルク変動に対しても高感度にしかも高周波帯域まで測定可能にするには、工具からトルクセンサーに至る間の慣性モーメントは、可能な限り小さい方が望ましい。

すなわち急峻な加工トルク変動に対応した捩れ角の変化を来たし、それに比例した出力信号を検出することこそ肝要である。このときの角加速度は、回転慣性モーメントに逆比例する。このように、回転数変動と加工トルク測定の両性能はお互いに相容れない関係にある。

この回転工具にかかる負荷を、高精度に測定する手法の一つに、従来から、駆動主軸と副軸との間に、各種センサ機能を介在させて両軸間にかかる加工トルクの測定を可能にしている方法がある。

例えば、駆動主軸と副軸との間に、捩れ変形し易い弾性体を介在させ、負荷に伴う捩れ変形から加工トルクを測定する方法である（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、非特許文献１を参照）。すなわち、駆動主軸と副軸との間の相対的な捩れ変形をし易くして、検出感度を高めている。しかし、この捩れ剛性の低下に起因して、加工トルクの測定ができる周波数帯域の低下を来す問題があった。また回転軸の曲げ剛性の低下に伴って共振時の振動振幅が過大になり、臨界回転数（すなわち危険速度）の低下を来たし、高速回転が必須な微小工具にあっては、致命的な障害となっている。

また、加工トルクの測定においては、加工時の急峻な負荷変動の測定が不可欠であるが、副軸の慣性モーメントが大きいと、その回転慣性に埋もれてしまい、急峻な負荷変動があっても、その検出が極めて困難になる。

上述したように、従来の加工トルク測定においては、慣性や動剛性といった動力学的（すなわちダイナミックスの）視点が欠如しており、高周波帯域での加工トルクの測定が不可能であるばかりでなく、この副軸に回転工具を把持して被加工物を加工する加工系を構成した場合には、捩り振動や曲げ振動を生じ易い。そのため、（１）加工箇所では振動状態で加工され、本来の加工挙動とは異なってしまうこと、また、（２）加工トルクの測定データに、振動ノイズが多く含まれる結果となり、Ｓ／Ｎ比の低下を来すことから、対策が望まれている。とくに微小工具を高速回転させる高速スピンドルなどでは、上述の理由から、加工負荷の測定への適用が著しく制限されている。

特開昭６３−１２７８５７号公報 特許３６９２４９４号公報 特開２００７−２２９８２６号公報 特開２００８−１２６３９５号公報

精密工学会誌６７巻６号（２００１／６）９２７〜９３１頁

上述したように、捩り剛性あるいは測定周波数帯域と、加工トルクの測定感度とは、互いにトレードオフの関係にある。すなわち、加工トルクの検出感度を高めようとすれば、捩り剛性が低下し振動を生じやすくなり、測定できる周波数帯域の上限も低下する。逆に、捩り剛性を高め測定周波数帯域の上限を高めようとすれば、検出感度が劣化するというジレンマに陥っている。

このように従来技術によれば、急峻な加工トルク変動があっても正確な加工トルクを検出することができないという問題があった。
本発明では、これら測定周波数帯域と検出感度とを両立させることにあり、急峻な加工トルクの変動に対しても高精度に測定可能にすることを目的としている。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明のトルク検出機能をもった回転スピンドルでは、回転工具を把持できるチャックを内蔵したツールホルダと、該ツールホルダに嵌合され、回転自在に支承された副軸と、回転駆動源により回転自在に支承された駆動主軸と、前記駆動主軸と前記副軸との間に連結されたトルク変換素子と、該トルク変換素子と、前記駆動主軸若しくは前記副軸のいずれか一方の間に配置されて、これらを連結する回転継ぎ手とを備えた回転スピンドルであって、前記回転工具から前記副軸までの副軸系の回転軸心回りの慣性モーメントが、駆動主軸系の回転軸心回りの慣性モーメントに比べて大きくても３０％以下で構成され、前記回転継ぎ手は、１対のカプラを備え、該１対のカプラは所定のばね定数の捩りばねとしての弾性体を介して接続されるとともに、捩り粘性抵抗をもつ粘性抵抗体により該１対のカプラ間の回転方向の減衰比ζが０．４２５〜０．７１の範囲に設定されたことを要旨とする。

捩り振動する回転体の固有振動数は、回転体の慣性モーメントの平方根に逆比例する。従って、加工トルクの測定帯域の上限を高めるには、回転体の慣性モーメントを可能な限り小さくする必要がある。しかし現実には、モータロータやエアタービンといった回転駆動源の慣性モーメントの低減には、所望の機能確保のうえから本質的に限界がある。

そこで本発明では、回転軸を、駆動源をもった駆動主軸と回転工具を把持する副軸とに分離し、回転軸心が共通な駆動主軸と副軸の間を、回転工具で生じる加工トルクによる副軸の捩り振動の抑制機能をもった回転継ぎ手、すなわち捩り方向の減衰比ζが０．４２５〜０．７１の範囲にある回転継ぎ手、およびトルク検出素子により連結するとともに、回転工具から副軸までの副軸系の慣性モーメントを、モータロータや駆動主軸を含めた駆動主軸系の慣性モーメントに比べて大きくても３０％以下に小さくしたことを特徴とする回転スピンドルの構成としている。

本発明では、たとえば、副軸系と駆動主軸系の密度が概略同じと仮定すると、副軸系の代表寸法Ｌ_ｔと駆動主軸系の代表寸法Ｌ_ｄとの寸法比Ｌ_ｔ／Ｌ_ｄをおおよそ８０％以下に採ることにより、慣性モーメント比αが３０％以下となり、固有円振動数ω_ｎを２倍以上にでき、しかも制振構造の回転継ぎ手を用いて捩り振動を抑制したことにより、トルク検出素子の挿入により発生しがちな回転工具の捩り共振を回避できるので、加工系の動特性を変えることなく、回転工具の刃部にかかる加工トルクを高い周波数帯域まで忠実に検出可能にできるという効果がある。

また、捩り方向の減衰比ζが０．４２５〜０．７１の範囲にある回転継ぎ手により、計測の分野で実用的な範囲として多用されている±３ｄＢすなわち±３０％程度までの測定誤差に収めることが可能となっている。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記回転継ぎ手は、前記トルク変換素子と前記副軸の間に配置されて、これらを連結することを要旨とする。

本発明では、慣性モーメントの観点から、トルク検出素子の慣性モーメントが副軸系の慣性モーメントに追加されることがないので、副軸系の慣性モーメントを小さくできるという効果がある。

請求項３に係る発明では、請求項１又は請求項２に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記回転継ぎ手において、前記弾性体を介して接続された１対のカプラは、該カプラの少なくとも一部と面する微小間隙が設けられ、該微小間隙の少なくとも一部には粘性抵抗体が充填されて前記減衰比ζを得るように構成されたことを要旨とする。

この発明によれば、１対のカプラの少なくとも一部と面する部分において、両者間の捩り方向に粘性抵抗を与える微小間隙を設け、この微小間隙に粘性抵抗体を充填することで、副軸系の慣性モーメントを含めた捩り振動系において制振構造とすることができ、０．４２５〜０．７１の範囲の減衰比ζが得られるという効果がある。

ここで「微小間隙」としたのは、絶対的な寸法で特定されるものではなく、本発明の趣旨から本発明の回転継ぎ手が回転スピンドルとして許容できる捩り幅程度の間隙とすることをいう。また、弾性体と粘性抵抗体とを保持して所期の数値範囲とすることができる程度の間隙とすることをいう。

請求項４に係る発明では、請求項３に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記回転継ぎ手において、前記１対のカプラは、それぞれのセクタが前記回転軸心に関して対称位置に配置された上下１対のカプラよりなり、該１対のカプラ間に回転方向において微小間隙が形成されるように対向して組み立てられ、該微小間隙に前記弾性体および前記粘性抵抗体を介在させたことを要旨とする。

この発明によれば、１対のカプラのセクタを対称位置に配置したことにより、回転バランスが良いだけでなく、対向する１対のカプラのセクタ同士に間隙を持たせているので、１対のカプラの回転軸心相互の間にアライメント誤差がある場合でも、この誤差を許容し吸収できるという効果がある。

請求項５に係る発明では、請求項３又は請求項４に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記回転継ぎ手において、前記１対のカプラは、それぞれセクタが前記回転軸心に関して対称位置に配置された上下１対のカプラよりなり、該１対のカプラ間に回転方向において微小間隙が形成されるように対向して組み立てられるとともに、該１対のカプラとの間に微小間隙を形成するようにリングカバーを装着し、該リングカバーとの微小間隙に前記粘性抵抗体を介在させたことを要旨とする。

この発明によれば、１対のカプラが直接微小間隙を形成していないリングカバーといずれかのカプラとの間に形成される微小間隙にも粘性抵抗体を充填して効果的な減衰比を得ることができるという効果がある。従ってリングカバーを設けることで、粘性抵抗体を充填する面積を広く取ることができ、粘性抵抗体の材料選択の幅を広くすることができるという効果もある。また粘性抵抗体を過量に充填した場合に、オーバーフロー分を収納できる効果もある。

請求項６に係る発明では、請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記１対のカプラは、それぞれが頂角９０度の扇形状の２個のセクタが前記回転軸心に関して対称位置に配置された上下１対のカプラより構成されたことを要旨とする。

本発明では、頂角を９０度の扇形とすることで、製作が容易なことから高精度に加工でき、１対のカプラの回転バランスをさらに良好とすることができる。また、ここに形成される微小間隙の位置バランスも良好なものとすることができる。

請求項７に係る発明では、請求項３に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記回転継ぎ手において、前記１対のカプラは、一方のカプラの駆動力を他方のカプラに伝達するとともに、該１対のカプラの少なくともいずれかとの間に微小間隙が形成される伝達部材をさらに備え、組み立てられるとともに、前記１対のカプラは前記伝達部材との間に設けられた弾性体を介して連結され、該伝達部材との微小間隙に前記粘性抵抗体を介在させたことを特徴とする。

本発明では、一対のカプラが別部材である伝達部材を介して連結されているため、カプラの構成が簡易になるという効果がある。
請求項８に係る発明では、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記粘性抵抗体は、粘性流体からなり、該粘性流体が配置される前記微小間隙は、該粘性流体が毛細管現象を生じる間隙として構成されたことを要旨とする。

この発明によれば、このようなセクタ間の微小間隙に粘性流体として、例えば油脂のような粘性流体を粘性抵抗体として満たすことにより、トルク変換素子に対して副軸が捩り振動しようとするとき、回転継ぎ手の微小間隙に充填された粘性流体のスクィーズ効果による粘性抵抗により、効果的な制振効果を挙げて、所望の減衰比ζが得ることができるという効果がある。

なお、粘性流体には、例えば通常の鉱物油や合成油のような粘性流体が挙げられ、低コストで、簡易な構成とすることができるという効果がある。
請求項９に係る発明では、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記粘性抵抗体及び前記弾性体は、弾性体と粘性体の両性質を兼ね備えた粘弾性特性をもつ単一の粘弾性樹脂からなることを要旨とする。

この発明によれば、粘性抵抗体が、粘性抵抗のみならず、弾性体としての機能を併せ持つことができるという効果がある。そして、粘性抵抗体と弾性体とを同一の粘弾性樹脂が兼ねることで、部品数を削減して構造を簡易にすることができる。また、一般に粘弾性体は粘性流体と比較して流動性が低く、ある程度固体形状が維持されるため、微小間隙に保持しやすい。

請求項１０に係る発明では、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記粘性抵抗体は、磁気流体による粘性抵抗体からなり、前記対向するカプラの少なくとも一方とこのカプラと対向する部分に、硬磁性材及び導電体を用いて組み合わせる構造としたことを要旨とする。

この発明によれば、粘性流体として磁性流体を用い、セクタ若しくは伝達部材が形成する微小間隙の対向した垂直面に磁界をかけることで、同様の振動抑制効果を得ることができるだけでなく、粘性流体の散逸防止が可能になるという効果がある。

請求項１１に係る発明では、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記弾性体は、ゴム製の弾性膜から構成されたことを要旨とする。

この発明によれば、単純にしてコンパクトな構成とすることができるという効果がある。
請求項１２に係る発明では、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記弾性体は、板ばねから構成されたことを要旨とする。

この発明によれば、例えば、「く」の字形状、弧状などの形状や、材質、大きさ、厚さからばね定数Ｋの設計の自由度が高まること、また１対のカプラを組み立てるとき、回転軸心の方向に押し込むだけの簡単動作でできるという効果がある。さらに、ゴム製の弾性体に比べ金属やエンジニアリングプラスチックによるばねは、高い耐久性、耐摩耗性、耐油性、耐熱性、形状安定性を得やすい。

請求項１３に係る発明では、請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記トルク変換素子は、複数の螺旋状の磁歪セグメントが前記回転軸心を中心とする円周方向に全体が円筒状になるように等分配置されており、該磁歪セグメントの外側に、空隙をもって挿入された１条又は複数条の円筒状に巻き線したセンサコイルにより前記回転工具にかかる加工トルクを、磁歪セグメントの透磁率変化として検出できるようにしたことを要旨とする。

この発明によれば、回転工具にかかる加工トルクを、磁歪セグメントの透磁率変化として電気的に検出できるという効果がある。
請求項１４に係る発明では、請求項１３に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記センサコイルの外周を軟磁性体で覆い、前記螺旋状の磁歪セグメントと該軟磁性体とで、前記センサコイルの周りを磁束が取り囲むようにしたことを要旨とする。

この発明によれば、前記トルク変換素子の両端に生じた微小なトルクの変化を透磁率の変化として高感度に検出することができるという効果がある。
請求項１５に係る発明では、請求項１３又は請求項１４に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記磁歪セグメントを、合成樹脂でモールディングしたことを要旨とする。

この発明によれば、より高負荷に耐え、より高回転に耐えることができるという効果がある。
請求項１６に係る発明では、請求項１５に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記磁歪セグメントを、強化ファイバーで円筒状に巻回するとともに、該磁歪セグメントと前記巻回された強化ファイバーとともに合成樹脂でモールディングしたことを要旨とする。

この発明によれば、さらに高負荷に耐え、より高回転に耐えることができるという効果がある。
請求項１７に係る発明では、請求項１３又は請求項１４に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記磁歪セグメントを、円筒形の非磁性スリーブを覆うとともに、該磁歪セグメントを、合成樹脂でモールディングしたことを要旨とする。

この発明によれば、非磁性スリーブを別体で製作できるため、簡易にトルク検出素子を構成することができるという効果がある。
請求項１８に係る発明では、請求項１７に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記非磁性スリーブを円筒形状に巻回された強化ファイバーを合成樹脂でモールディングして形成したことを要旨とする。

この発明によれば、さらに高負荷に耐え、より高回転に耐えるトルク検出素子を簡易に構成することができるという効果がある。
請求項１９に係る発明では、請求項１乃至請求項１８のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記副軸を、軽合金により形成したことを要旨とする。

この発明によれば、例えば、副軸の素材を質量当たりの強度が高いジュラルミンやチタン合金などの軽合金とすることで、駆動主軸のモータロータを構成する鉄やステンレス合金と比較して副軸の強度を落とさず軽量化し、駆動主軸の慣性モーメントに対する副軸との慣性モーメントの比をさらに小さくすることができるという効果がある。

請求項２０に係る発明では、請求項１乃至請求項１９のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記副軸を、糸巻き形状の静圧軸受とするとともに、該静圧軸受を形成する微小間隙を回転軸心を通る断面内でＸ字状に配置した構造としたことを要旨とする。

この発明によれば、糸巻き形状の静圧軸受は、軸受スパンが短くても、回転工具の倒れ方向の負荷容量が大きく、剛性も高くできるという効果がある。また、このＸ字状の微小間隙の交叉角を変えることで、軸方向および半径方向の負荷容量を自在に変えることができる。例えば、主にドリル加工に用いられる場合には、上下の微小間隙の交叉角を９０°より小さくし、スラスト方向の負荷容量を増すこともできる。一方、主にエンドミル加工に用いられる場合には、上下の微小間隙の交叉角を９０°より大きくし、工具の軸直角方向の負荷容量を増すこともできるという効果がある。

なお、軸受スパンを短くしたことで、副軸の温度変化による熱膨張に対しても、その軸受の微小間隙への影響を小さく安定にできる。
また、静圧の作動流体としては、高速回転するため、例えばエアを用いるが、発熱が許容できる低回転速度であれば、油や水などの液体を作動流体として用いることもできる。微小間隙の大きさは、例えば、エアの場合には５〜１５μｍ、油や水の場合には１５〜５０μｍを好適に採用することができる。

請求項２１では、請求項１乃至請求項１９のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記副軸は、該副軸を支承する１対の副軸受に、アンギュラーコンタクト玉軸受を背面合わせ構造として用いたことを要旨とする。

本発明では、軸受スパンが短くても実質的な支点間距離を確保し、この工具倒れ方向の剛性を高めることができるという効果がある。
請求項２２に係る発明では、請求項１乃至請求項２１のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドルにおいて、前記駆動主軸は、モータロータ又はエアタービンを備えて駆動されることを要旨とする。

この発明によれば、質量の大きなモータロータあるいはエアタービンを駆動主軸に備えることで、駆動主軸に対する副軸の慣性モーメント比αを小さくすることができるという効果がある。

本発明の回転スピンドルによれば、副軸系の慣性モーメントを小さくし、しかも回転継ぎ手を用いて捩り振動を抑制したことにより、トルク検出素子の挿入により発生しがちな回転工具の捩じり共振を回避できるので、加工系の動特性を変えることなく、回転工具の刃部にかかる加工トルクを高い周波数帯域まで忠実に検出可能なトルク検出機能付き回転スピンドルを提供できる。

また、この検出された加工トルクを分析することにより、回転工具と被加工物とが接している加工個所での加工現象を把握することが可能になる。すなわち、回転工具の弾性変形量とそれに伴う切り残し量や加工誤差の予測、回転工具の切れ刃の摩耗や欠損の把握、回転工具の折損の予知、びびり振動などの加工現象の把握などが可能になる。

さらに、副軸系の慣性モーメントを抑制することで、必然的に副軸の軸受間の寸法も小さくなり、副軸を転がり軸受にて支承する場合にあっては、軸受温度の変化に伴うボールの予荷重の変化を抑制でき、また副軸を静圧軸受によって支承する場合にあっては、軸受温度の変化に伴う軸受の微小間隙の変化を低減できるので、回転数を変えながら使用する作業条件下においても、軸受温度の変化に伴う軸受機能への影響を鈍感にできる。

本発明の第１実施形態を示すスピンドルの垂直断面図 図１の外観図 捩り振動とトルク検出を説明するためのモデル図 慣性モーメントの固有振動数への影響を示すグラフ 同じ密度の均質な相似形状とした回転体の寸法比と慣性モーメント比の関係を示すグラフ 減衰比と測定許容差・測定周波数帯域との関係を示すグラフ 減衰比ζの測定誤差への影響との関係を示すグラフ 副軸部の垂直断面図 回転継ぎ手の組立構成図 図９の組立図 図１０におけるＢ−Ｂ矢視図 図１０におけるＡ−Ａ矢視図 トルク検出系の垂直断面図 トルク検出素子の製法の説明図 第４実施形態の回転継ぎ手の垂直断面図 図１５のＣ−Ｃ矢視図 第５実施形態の回転継ぎ手の垂直断面図 第６実施形態の回転継ぎ手の垂直断面図 第７実施形態の回転継ぎ手の垂直断面図 第８実施形態の回転継ぎ手の下カプラ 第９実施形態の副軸部の垂直断面図 第９実施形態の副軸部のもう一つの垂直断面図 第９実施形態の副軸部の他の垂直断面図 第１５実施形態のトルク検出系の垂直断面図 第１７実施形態のトルク検出素子の垂直段面図 第１８実施形態のトルク検出素子の垂直断面図 第１９実施形態の回転継ぎ手の組立構成図

（第１実施形態）
（回転スピンドルの概要）回転スピンドルは、図２に示すように、円柱状に形成された駆動部１の下部に径の小さい円柱状の副軸部２が連続して設けられる。その下部に回転工具３を装着する下部がテーパになった略円柱状のツールホルダ２７が設けられている。そして、リード線５を介して増幅器４に電気的に接続されている。

図１に示すように、本発明の回転スピンドルは、回転駆動する機能をもった駆動部１、回転工具３を把持しトルク検出素子（トルク変換素子）２１を内蔵した副軸部２、およびこのトルク検出素子２１からの出力信号を処理する増幅器４からなる。

駆動部１は、モータロータ８に圧入された駆動主軸１１が両端を主軸受１２、１３にて支承された状態で、モータケーシング１０とモータブラケット２４に収納された構成となっている。

また、副軸部２では、副軸１６が２個の副軸受１８、１９により副軸ケーシング１７に対し回転自在に支承されている。副軸１６の下端の軸心は雌テーパを有し、回転工具３を把持するコレットチャック２８を内蔵したツールホルダ２７の雄テーパと嵌合している。副軸１６の上端は、回転継ぎ手２０およびトルク検出素子２１を介して、駆動主軸１１と連結されている。ここで、駆動主軸１１、トルク検出素子２１、回転継ぎ手２０、副軸１６およびツールホルダ２７、回転工具３の６者が一つの回転軸心７を共有しており、モータロータ８の駆動により回転工具３が回転できる構造になっている。

一方、副軸ケーシング１７は、モータブラケット２４を介してモータケーシング１０にボルト結合され、副軸受１８、１９、およびトルク検出素子２１の対向位置にセンサコイル２２を内蔵している。センサコイル２２からはリード線５により増幅器４に電気接続され、トルク検出素子２１の磁気変化を検出し、回転工具３にかかる加工トルクＴの測定を可能にしている。

（トルク検出）本発明の特徴について、図３に示すモデル図を用いて、捩り振動とトルク検出機能との関係を動力学的視点から説明する。
なお、特に断らない限り、本明細書で述べる慣性モーメントは、全て回転軸心回りのものを指す。

駆動主軸１１、モータロータ８、トルク検出素子２１を含めた駆動主軸系の慣性モーメントをＪ_ｄ、その捩れ角をθ_ｄとし、副軸１６、コレットチャック２８を内蔵したツールホルダ２７（図３参照）、回転工具３を含めた副軸系の慣性モーメントをＪ_ｔ、その捩れ角をθ_ｔとする。この駆動主軸系と副軸系の両者が、捩りばね定数Ｋおよび捩り粘性抵抗Ｃで連結されており、回転工具３に加工トルクがかかったとき、トルク検出素子２１にかかる歪に比例した加工トルクの測定値が得られるモデルを考える。

このモデルにおける回転軸心７まわりのトルクＴの平衡式は、式（１）〜（３）

で与えられる。

トルク検出感度をβとすると、これは駆動主軸系の捩れ角θ_ｄと副軸系の捩れ角θ_ｔの差θ_ｔ−θ_ｄに比例すると見なせるから、βは式（４）

で与えられる。

式（３）および式（４）より、検出感度βを高めるには、式（５）

であることが必須である。

ここで、ラプラス演算子をｓ、またθ_ｔおよびθ_ｄのラプラス変換を、それぞれΘ_ｔ（ｓ）、Θ_ｄ（ｓ）とし、式（１）および式（２）を解くと、トルク検出感度βは、式（６）

から得られる。ここでラプラス演算子ｓは、式（７）

である。

あるいは、慣性モーメントの比αを、式（８）

とおくと、検出感度βは式（９）

により得られる。

ここで、固有円振動数をω_ｎ、減衰比をζとし、式（１０）、（１１）

とおけば、式（１２）

が得られる。

この式における右辺には、１自由度二次形の単弦振動を表すと全く同じ特性式が含まれている。すなわち、固有円振動数ω_ｎ近傍で共振挙動を示すが、減衰比ζを最適値に採ることで、その影響を抑制でき、また測定できる周波数帯域を広くできる。

図４は、式１０で与えられる慣性モーメント比αと固有円振動数ω_ｎの関係を示したもので、駆動主軸系に対し副軸系の慣性モーメントを小さくすることで、固有円振動数ω_ｎを高くできることが分かる。

駆動主軸系と副軸系が、いずれも同じ密度の均質な材質でできており、形状が相似形をしていると仮定した場合には、慣性モーメントは重量Ｇと直径Ｄの２乗の積Ｇ・Ｄ^２に比例するから、慣性モーメント比αは寸法比（副軸系の代表寸法Ｌ_ｔ／駆動主軸系の代表寸法Ｌ_ｄ）の５乗に比例し、図５のように示される。例えば、副軸系の寸法を駆動主軸系の寸法の７０％に採ると、αを０．１７程度にまで小さくでき、図４によれば、固有円振動数ω_ｎを最大１．９倍に高められることが分かる。

また図６に示すように、式（１２）によれば、許容される測定誤差およびそのときの測定周波数帯域、すなわち測定可能な周波数の上限への減衰比ζの影響を求めることができる。この図から、測定誤差が±１５％まで許容される場合には、減衰比ζを０．５０に採ることにより、測定周波数帯域を上記の固有円振動数ω_ｎのさらに１．１４倍まで向上できることが分かる。

ここで、図７を参照しながら、減衰比ζの測定誤差への影響を検討する。一般に、当業者において本発明のような測定機器では、実用上誤差を±３ｄＢまで許容することが慣例的に行われている。ここで、この観点から言えば、ζの下限値として０．４２５に採ったとき、測定可能な周波数帯域が、固有円振動数ω_nの１．３５倍にまで伸ばすことができる。

また同じように、少なくとも固有円振動数ω_nまで同じ許容測定精度±３ｄＢを保証するとき、ζの上限値は０．７１まで採ることが可能になる。
以上のことから、駆動主軸系と副軸系が回転継ぎ手などにより、所定のばね定数の捩りばねとともに、捩り粘性抵抗により回転方向の減衰比ζが０．４２５〜０．７１の範囲に設定された測定機器が実用上の誤差±３ｄＢ内とすることができる。

従来は、上記のような振動に配慮をしないでトルク測定を行っており、減衰比ζが０．１以下であったので、同じ誤差を許容するとすれば、測定可能な周波数帯域が、固有円振動数ω_nの０．５倍以下であり、本発明では測定可能な周波数帯域が大きく向上していることが分かる。

また、後者の減衰比ζが０．１以下の場合には、トルク検出素子を挿入しない実際の加工状態に比べて、５倍以上の大きな振幅で振動する歪められた加工系を構成してしまい、振動切削状態を呈することから、本発明の顕著な制振効果が得られていることが分かる。

以上の計算から、可能な限り、検出しようとする加工トルクの作用点に近い個所にトルク検出素子２１を配置し、副軸系の回転慣性を最小にすることが望ましい。また、式（１０）および（１１）において、減衰比ζが約０．５０になるように回転継ぎ手の捩りばね定数Ｋおよび捩り粘性抵抗Ｃを設計することにより、高い周波数帯域までの加工トルクの測定が可能になる。

現実的には、副軸の寸法減少に伴い支持剛性も低下することを勘案する必要がある。ここでは、寸法比Ｌ_ｔ／Ｌ_ｄをおおよそ８０％以下に採ることにより、慣性モーメント比αが３０％以下となり、固有円振動数ω_ｎを２倍以上にでき、本発明の効果が得られている。

ところで、この副軸１６の寸法を縮減するにあたって、副軸１６の長さを短くするに伴い、２個の副軸受１８，１９間の距離を縮減することになるが、その場合に、副軸１６の回転軸心に垂直な軸まわり（すなわち工具倒れ方向）の剛性が低下しがちである。

図８に示すように、この本発明では、この工具倒れ方向の剛性の低下に対して、副軸１６を支承する１対の副軸受１８、１９には、アンギュラーコンタクト玉軸受を背面合わせ構造として用い、軸受スパンが短くても実質的な支点間距離を確保し、この工具倒れ方向の剛性を高めている。この図からわかるように、ラジアル軸受と比較して、支点間距離Ｅを大きく取ることができる。

（回転継ぎ手）ここで図９に、上述の計算において所望の捩りばね定数Ｋと捩り粘性抵抗Ｃを確保するための回転継ぎ手２０の部品構成と組み立ての一例を示す。
また、図１０に回転継ぎ手２０の外観を示す。図１１には図１０のＢ−Ｂ矢視図を、図１２には図１０のＡ−Ａ矢視図を示す。

図９に示すように、回転継ぎ手２０は、中心角が９０°の扇状の２個の上セクタ３３を回転軸心７に対して対向位置に配置した上カプラ３１と、同様に中心角が９０°の扇状の２個の下セクタ３７を回転軸心７に対して対向位置に配置されている。

図１０に示すように、薄円筒状のリングカバー３４が、外形に装着され一体に結合された上カプラ３１と下カプラ３５とが、図１１、図１２に示すように回転軸心７方向にかみ合っている。このかみ合い状態での合計４個の各セクタ（上セクタ３３，３３、下セクタ３７，３７）間の回転方向に、耐油性ゴム製の弾性膜３８が貼り付けられ、対向する上セクタ３３と下セクタ３７間の４箇所には、０．０５ｍｍ程度の微小間隙Ｓを形成している。なお、図面においては、微小間隙Ｓは誇張して示している。

図１０に示す状態に上カプラ３１と下カプラ３５とを組み立てた後に、上カプラ３１に開口した注油孔７７より粘性抵抗体である粘性流体３９を注入する。注入された粘性流体３９は、毛細管現象により、上セクタ３３と下セクタ３７の４個のセクタによって形成された微小間隙Ｓを満たす。この状態で、上カプラ３１の上ボス３２はトルク検出素子２１とねじ締結され、下カプラ３５の下ボス３６は副軸１６とねじ締結される。

このようなセクタ間の微小間隙Ｓに粘性流体３９を満たすことにより、トルク検出素子２１に対して副軸１６が捩り振動しようとするとき、この回転継ぎ手２０の微小間隙Ｓに充填された粘性流体３９のスクィーズ効果による抵抗により、効果的な減衰比ζが得られる。

なお、２個の上セクタ３３および２個の下セクタ３７を、中心角９０°の扇形としたことにより、上カプラの軸心と下カプラの軸心との間にアライメント誤差がある場合でも、この誤差を許容し吸収できる効果がある。

（トルク検出系）次に図１３を用いて、トルク検出系５９について説明する。トルク検出系５９は、図１に示すように駆動主軸１１や回転継ぎ手２０と一体となって回転するトルク変換素子であるトルク検出素子２１と、該トルク検出素子の外筒を取り巻くセンサコイル２２を内蔵し副軸ケーシング１７に固定されたヨーク２３から構成されている。図１３に示すようにトルク検出素子２１の外筒とセンサコイル２２の内筒との間には、微小な空隙が形成されている。

この回転するトルク検出素子２１は、４０〜５０°のスキュー角をもつ螺旋形状の複数個の磁歪セグメント７１が円周方向に等間隔に配置されている。磁歪セグメント７１の外周は強化ファイバー７２により糸巻き様に巻かれ、空隙はエポキシ樹脂にて埋められ固化されている。磁歪セグメント７１の両端には初透磁率の大きな軟磁性合金（例えば、Ｎｉ、Ｆｅを主成分とする「パーマロイ」（登録商標））製の上リング６７、下リング６８が同心上で接着された一体モールド構成となっており、両端に作用するトルクによる磁歪セグメントの透磁率の変化に伴う磁束の変化を集束する。また、磁性合金にはＮｉ、Ｆｅにさらに、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒ等を添加してもよい。

一方、この磁磁束の変化信号を受信する固定側は、円筒状に巻き線されたセンサコイル２２が、コの字形断面をもつ軟磁性合金（例えば、「パーマロイ」（登録商標））製のヨーク２３の中に収納され、エポキシ樹脂にて固着されている。そして、センサコイル２２を、磁歪セグメント７１、上リング６７、ヨーク２３、下リング６８、永久磁石７０の５者で取り囲み、磁界がループをなす構成となっている。

ここで、トルク検出素子２１の製法について、図１４を用いて説明する。
まず、下端につばをもった円筒状の芯金治具７３を立てて、その円筒部にエポキシ樹脂を塗布した後に、磁性合金製の下リング６８、厚さ方向に極性をもつリング状の永久磁石７０を順に挿入し、ついで螺旋状の磁歪セグメント７１を等間隔に貼り付け、その上に、上リング６７を積み重ねる。その状態で、磁歪セグメント７１間の空間にエポキシ樹脂を充填し、磁歪セグメント７１の外円筒上にもエポキシ樹脂を塗布する。その上を、カーボン繊維やグラスファイバーなどの強化ファイバー７２で糸巻き状に巻き、さらにその上をエポキシ樹脂にて覆う。この状態でエポキシ樹脂を固化させる。

この凹凸状態に固化されたエポキシ樹脂の外形を、芯金治具７３の軸心を基準として切削・除去し、円筒状に仕上げる。次いで、この円筒状外形を基準にして、芯金治具７３を削除すると、内外形が同芯の円筒状をしたトルク検出素子２１が完成する。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）慣性モーメント比αが３０％以下となり、固有円振動数ω_ｎを２倍以上にでき、しかも制振構造の回転継ぎ手を用いて捩り振動を抑制した。これにより、トルク検出素子の挿入により発生しがちな回転工具の捩り共振を回避できるので、加工系の動特性を変えることなく、回転工具の刃部にかかる加工トルクを高い周波数帯域まで忠実に検出可能にできるという効果がある。

（２）また、捩り方向の減衰比ζが０．４２５〜０．７１の範囲にある回転継ぎ手により、計測の分野で実用的な範囲として多用されている±３ｄＢすなわち±３０％程度までの測定誤差に収めることが可能となっている。

（３）トルク検出素子２１の慣性モーメントが副軸系の慣性モーメントに追加されることがないので、副軸系の慣性モーメントを小さくできるという効果がある。
（４）１対のカプラの面する部分において、両者間の捩り方向に粘性抵抗を与える微小間隙Ｓを設け、この微小間隙Ｓに粘性流体３９を充填することで、副軸系の慣性モーメントを含めた捩り振動系において効果的に制振構造とすることができるという効果がある。

（５）１対のカプラのセクタを対称位置に配置したことにより、回転バランスが良いだけでなく、対向する１対のカプラのセクタ同士に間隙を持たせているので、１対のカプラの軸心相互の間にアライメント誤差がある場合でも、この誤差を許容し吸収できるという効果がある。

（６）さらに、頂角を９０度の扇形とすることで、１対のカプラの回転バランスをさらに良好とすることができる。また、ここに形成される微小間隙Ｓの位置バランスも良好なものとすることができる。

（７）セクタ間の微小間隙Ｓに粘性流体として、例えば油脂のような粘性流体３９を粘性抵抗体として満たした。これにより、トルク検出素子２１に対して副軸１６が捩り振動しようとするとき、回転継ぎ手２０の微小間隙Ｓに充填された粘性流体３９のスクィーズ効果による粘性抵抗により、効果的な制振効果を挙げて、所望の減衰比ζが得ることができるという効果がある。

（８）弾性体をゴム製の弾性膜３８から構成したので、単純にしてコンパクトな構成とすることができるという効果がある。
（９）トルク検出素子２１は、複数の螺旋状の磁歪セグメント７１が回転軸心７を中心とする円周方向に全体が円筒状になるように等分配置されている。そして、磁歪セグメント７１の外側に、空隙をもって挿入されたセンサコイル２２により回転工具３にかかる加工トルクを、磁歪セグメント７１の透磁率変化として検出できるようにした。このため、回転工具３にかかる加工トルクを、磁歪セグメント７１の透磁率変化として効率よく電気的に検出できるという効果がある。

（１０）センサコイル２２の外周を軟磁性体で覆い、螺旋状の磁歪セグメント７１と軟磁性体とで、センサコイル２２の周りを磁束が取り囲むようにしたので、トルク検出素子２１の両端に生じた微小なトルクの変化を透磁率の変化として高感度に検出することができるという効果がある。

（１１）磁歪セグメント７１を、モールド樹脂６９でモールディングしたので、より高負荷に耐え、より高回転に耐えることができるという効果がある。
（１２）さらに磁歪セグメント７１を、強化ファイバー７２で円筒状に巻回するとともに、磁歪セグメント７１と巻回された強化ファイバー７２とともにモールド樹脂６９でモールディングしたので、さらに高負荷に耐え、より高回転に耐えることができるという効果がある。

（１３）副軸１６は、副軸１６を支承する１対の副軸受１８，１９に、アンギュラーコンタクト玉軸受を背面合わせ構造として用いたので、軸受スパンが短くても実質的な支点間距離を確保し、この工具倒れ方向の剛性を高めることができるという効果がある。
（第２実施形態）
第１実施形態では、回転駆動源として、モータロータ８とモータステータ９からなる電動機を用いる場合について述べたが、回転駆動源としてエアタービン（図示を省略）を用いて回転駆動される場合であっても、全く同様の効果が得られる。この場合は、駆動主軸１１の質量を大きくすることは、駆動主軸系の慣性モーメントに比べて副軸系の慣性モーメントの比を小さくするので好ましい。
（第３実施形態）
第１実施形態では、副軸１６と回転継ぎ手２０、トルク検出素子２１、駆動主軸１１が、回転軸心上にこの順に並んでいる例について述べたが、回転継ぎ手２０とトルク検出素子２１が入れ替わり、副軸１６とトルク検出素子２１、回転継ぎ手２０、駆動主軸１１の順に並んだ構成（図示を省略）であっても、ほぼ同様の効果が得られる。すなわち、図３に示すモデル図において、慣性モーメントの観点からは、トルク検出素子の慣性モーメントが副軸系の慣性モーメントに追加され、Ｊ_ｔが多少大きくなり不利になるが、副軸１６に比べてトルク検出素子２１の慣性モーメントが相対的に小さいことを考慮すると、本発明の効果を損なうものではない。
（第４実施形態）
図１５、図１６に示すように、回転継ぎ手２０において、上セクタ３３の側壁とリングカバー３４の間に微小間隙Ｓを設け、この微小間隙Ｓに粘性流体３９'を充填して、この粘性流体３９’の粘性抵抗を利用し、所望の減衰比ζを得るようにしてもよい。この場合、セクタ間のみならず、リングカバー３４と接する大きな面積の微小間隙Ｓを利用できる。この場合には、上カプラ３１とリングカバー３４の上方の間隙から、粘性流体３９'が注入される。
（第５実施形態）
図１７に示すように、回転継ぎ手２０において、上セクタ３３の底面と下カプラ３５の間に微小間隙を形成し、該微小間隙に粘性流体３９”を充填して、該粘性流体の粘性抵抗を利用し、所望の減衰比ζを得るようにしてもよい。この場合には、上セクタ３３の底面と下カプラ３５の間の微小間隙Ｓも利用できるため、粘性流体の選択の幅が拡がるという効果がある。
（第６実施形態）
図１８に示すように、回転継ぎ手２０において、上セクタ３３の側壁とリングカバー３４の間および上セクタ３３の底面と下カプラ３５の間に微小間隙を形成し、双方の微小間隙に粘性流体３９'および粘性流体３９”を充填して、該粘性流体の粘性抵抗を利用し、所望の減衰比ζを得るようにしても、全く同様の振動抑制効果が得られる。

この場合には、微小間隙Ｓを形成している面積が上述の例よりも大きいため、より確実に所望の減衰比ζを得ることができる。
（第７実施形態）
図１９に示すように、回転継ぎ手において、ウエフタ付き形状のリングカバー３４'を用い、リングカバー３４'と上セクタ３３の側壁、上セクタ３３の底面と下カプラ３５の間、および上カプラの上端面とリングカバーのウエフタ下面の間の３カ所に微小間隙Ｓを形成した。そして、これらの微小間隙Ｓにそれぞれ粘性流体３９'、３９”、３９'”を充填し、この粘性流体の粘性抵抗を利用して、所望の減衰比ζを得るようにしても、全く同様の振動抑制効果が得られる。とくにこの実施形態では、回転による粘性流体の飛散防止ができる効果もある。
（第８実施形態）
図２０に示すように、上述の回転継ぎ手２０においては、弾性膜３８によるばねとしているが、下セクタ３７の垂直面に「く」の字形状のステンレスや燐青銅製の「く」の字板ばね４０を挿入しても、弾性膜と同様の捩りばね定数Ｋが得られ、同様の振動抑制効果が得られる。さらにこの実施形態では、ばね定数Ｋの設計の自由度が高まること、また下カプラ３５に上カプラ３１を組み立てるとき、押し込むだけの簡単動作でできるメリットもある。

なお、板ばねの形状は「く」の字形状に限定されず、さらに、板ばねにも限定されず、上カプラ３１と下カプラ３５間を介する弾性体として機能すればよい。また、ばねの材質は、例えばステンレスなどでは、耐熱性や耐久性が高まるが、その他エンジニアリングプラスチック製などとしてもよい。
（第９実施形態）
図２１に示すように、上述の実施形態では、副軸１６をアンギュラーコンタクト玉軸受の副軸受１８、１９により支承しているが、糸巻き形状の静圧軸受、図２２に示す内端面スラスト静圧軸受、あるいは図２３に示す外端面スラスト静圧軸受により支承すれば、さらに副軸１６を工具倒れ方向の剛性を高める効果が得られる。また、静圧軸受であれば、回転抵抗も少なく、回転軸心７のずれも小さくすることができる。

とくに、図２１示す糸巻き形状の静圧軸受では、静圧軸受を形成する微小間隙が、回転軸心を通る断面内でＸ字状に配置した構造となっており、背面合わせのアンギュラーコンタクト玉軸受と同様に、軸受スパンが短くても、回転工具３の倒れ方向の負荷容量が大きく、剛性も高くできるメリットがある。また、このＸ字状の微小間隙の交叉角を変えることで、軸方向および半径方向の負荷容量を自在に変えることができる。例えば、主にドリル加工に用いられる場合には、上下の微小間隙の交叉角を９０°より小さくし、スラスト方向の負荷容量を増すとよい。一方、主にエンドミル加工に用いられる場合には、上下の微小間隙の交叉角を９０°より大きくし、工具の軸直角方向の負荷容量を増すとよい。

なお、軸受スパンを短くしたことで、副軸の温度変化による熱膨張に対しても、その軸受間隙への影響を小さくできる。
また、静圧の作動流体としては、高速回転するためエアを用いるが、発熱が許容できる低回転速度であれば、油や水などの液体を作動流体として用いることにより、同様の効果が得られるほかより高い負荷容量、より高い軸受剛性が得られる。
（第１０実施形態）
副軸系には、慣性モーメントを低減することが必須であり、Ｇ・Ｄ^２のＧを低減することも必須である。このため副軸１６には比重が小さく比強度の高いジュラルミンやチタン合金などの軽合金を用いることで、副軸の慣性モーメントをよりいっそう低減でき、測定帯域をさらに向上できる。なお、これらの材質は軟質で表面が傷つきやすいが、この表面に硬質膜を膜付けすることで、これらの欠点をカバーできる。

もちろん、図２１に示した凸コーン４１，副軸７６，凸コーン４３、図２２に示した副軸４５，上フランジ４６，下フランジ４９、あるいは図２３に示した副軸７５への比強度の高い軽合金の適用は、慣性モーメント低減に極めて効果的である。
（第１１実施形態）
式（１）〜（１２）の計算に用いた捩り方向のばね定数Ｋを、回転継ぎ手のばね定数で代表させて説明しているが、実際にはトルク検出素子の捩り方向のばね定数Ｋｍも考慮する必要があり、捩り方向のばね定数Ｋの弾性膜３８あるいは、くの字板ばね４０とを直列に加えた実際のばね定数Ｋａは、式（１３）

で与えられる。このように回転継ぎ手の捩りばね定数も考慮して、式（１２）までをＫの代わりにＫａで置き換えて設計・製作することにより、より高周波帯域までの加工トルクを信頼性高く測定できる。
（第１２実施形態）
回転継ぎ手２０の微小間隙Ｓに、粘性流体３９として通常の鉱物油や合成油を満たして捩り粘性抵抗を得ている。

粘性抵抗体は、磁気流体による粘性抵抗体からなり、対向するカプラの少なくとも一方とこのカプラと対向する部分に硬磁性材及び導電体を用いて組み合わせる構造とすることもできる。ここでは、粘性流体として磁性流体を用い、セクタの微小間隙を形成する対向した垂直面に磁界をかけることで、同様の振動抑制効果を得ることができるだけでなく、粘性流体の散逸防止が可能になる。

また、粘性抵抗体としては、粘性流体に限らず、弾性体と粘性体の両性質を兼ね備えた粘弾性特性をもつシリコンゴムやウレタン樹脂などの粘弾性樹脂を微小間隙に充填して用いることもできる。この場合は、粘性抵抗に限らず弾性体としての性質も利用することができる。

この場合、弾性体と粘性抵抗体を異なる材料によらず同一の材料とすることができるので、弾性体と粘性抵抗体をそれぞれ用いることなく、粘弾性体のみで弾性体と粘性抵抗体を構成でき構成が簡易になり製造が容易になるという効果がある。また、粘性流体と比べ、粘性抵抗体としての保持が容易になる。
（第１３実施形態）
図２１に示すように、本発明では、永久磁石７０を用いて磁界を作っているが、センサコイル２２を２重の巻き線とし、一方の巻き線に電圧を印加して磁界を発生させ、他方の巻き線にてトルク変動による磁界の変化を検出するようにしても、全く同様のトルク検出機能が得られる。
（第１４実施形態）
トルク検出系５９の上リング６７、下リング６８およびヨーク２３には、例としてパーマロイ（登録商標）を用いているが、初透磁率の高い軟磁性材料であれば、その材質を問わず、効率的な磁気回路を形成でき、全く同じ機能を発揮できる。また副軸ケーシング１７に軟磁性を示す材質を用いて、ヨークと一体化すれば、少ない部品数で全く同様のトルク検出機能が得られる。
（第１５実施形態）
図１３には、磁歪セグメント７１の外周を強化ファイバーで周囲を多周回巻回し、トルク検出素子２１を強化する実施形態を示したが、図２４に示すように、強化ファイバーの代わりに非磁性スリーブ７４を用いてトルク検出素子の外筒を覆い内部を樹脂にて充填し固化するモールド構造としても、全く同様の補強効果を得ることができる。この場合、加工トルクを磁歪セグメント７１と非磁性スリーブ７４で分担して受けることになり、非磁性スリーブ７４が分担する加工トルクの分だけ検出感度が低下することになるが、一方で、より高負荷に耐える利点がある。
（第１６実施形態）
トルク検出素子２１の接着・固化に、エポキシ樹脂を用いてモールドした実施形態を示したが、エポキシ樹脂の替わりに、ポリイミドなどの他の樹脂を用いても、同様のトルク検出素子の機能を発揮できるばかりでなく、耐久性、耐熱性をさらに高めることができる。
（第１７実施形態）
図２５に示すように、第１５実施形態における非磁性スリーブ７４の代わりに、補強ファイバーにて補強された円筒状のＦＲＰ管７８を用いて、トルク検出素子を構成すれば、同様の補強効果が得られるばかりでなく、さらに非磁性スリーブ７４よりも強度を高めることができる。すなわち、ＦＲＰ管７８の円筒内面の円周方向に、磁歪セグメント７１を等配置して貼り付け、上端に上リング６７、下端には永久磁石７０および下リング６８を同心状に嵌め込み、隙間にモールド樹脂６９を充填し固化する。この実施形態では、煩雑な強化ファイバー７２の巻き付けおよびモールド樹脂６９の固化が事前に別工程で製作できるので、同心度を確保しやすいという効果もある。

なお、言うまでもなく上リング６７および下リング６８は、パーマロイ（登録商標）に限定されるものではなく、初透磁率の高い軟磁性材料であれば、同等の効果を発揮できる。
（第１８実施形態）
第１７実施形態における円周方向に、磁歪セグメント７１を等配置する代わりに、図２６に示すように、磁歪円筒体に複数個のヘリカル溝を加工した磁歪リング７９を用い、第１７実施形態と同様に組み立ててトルク検出素子２１を構成する。ヘリカル溝にはモールド樹脂６９を充填してもよい。このように構成してもトルク検出素子２１としては全く同様の効果が得られる。この場合には、ヘリカル溝加工に工数がかかるが、磁歪セグメント７１を組み立てる工数が削減できるという効果がある。

またこれまで述べてきた実施形態におけるトルク検出素子２１では、トルク検出素子２１の強度不足を補うため、強化ファイバー７２により補強し、あるいは第１５実施形態では非磁性スリーブ７４を用いて補強し、第１７実施形態や第１８実施形態では、ＦＲＰ管７８を用いて補強しているが、これらに限定されない。すなわち使用回転数が低く遠心力が無視できるなど、強度が確保できる使用条件下では、強化ファイバー７２や非磁性スリーブ７４、あるいはＦＲＰ管７８を用いなくても、これらは本発明の必須構成ではなく本発明のトルク検出素子２１を構成することができる。
（第１９実施形態）
第１実施形態では、上カプラ３１と下カプラ３５が相互に組み合わされて駆動力を伝達しているが、図２７に示すように、上カプラ３１と下カプラ３５が、別の伝達部材３０を介して駆動力を伝達してもよい。例えば、図２６では、同じ２枚の平らな長方形の板状の部材をその平面が直交するように平面視十字状に構成し、その直交部分を回転軸心７に沿って配置するとともに、上カプラ３１と下カプラ３５にそれぞれ十字状の溝２９を設けて、伝達部材３０を挿入し、上カプラ３１から下カプラ３５に駆動力を伝達するようにしてもよい。この場合、伝達部材と、上カプラ３１若しくは下カプラ３５との間に弾性膜３８を配設し、粘性抵抗体（図示省略）を充填する。もちろん、伝達部材３０は、例えば、１枚の板状部材、正三角柱、正四角柱、正六角柱など、その条件に合わせて種々の形状を採用することができることは言うまでもない。また、複数の伝達部材３０で連結されてもよい。

本発明は、一般の工作機械の主軸として利用できるほか、ＡＴＣ（自動工具交換）機能をもつ工作機械のスピンドルユニットとして利用できる。このほか、回転トルクを高精度に高周波帯域まで検出する手段として広く利用でき、例えば電動ドリルに適用すれば、一般家庭においても勘やスキルに依存しないで信頼性の高い加工ができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない限り、当業者により適宜変更されて実施できることは言うまでもない。

α…慣性モーメント比、Ｃ…粘性抵抗、Ｋ，Ｋａ，Ｋｍ…ばね定数、Ｓ…微小間隙、Ｔ…加工トルク、３…回転工具、７…回転軸心、８…モータロータ、１１…駆動主軸、１６，４５，７５，７６…副軸、１８，１９…副軸受、２０…回転継ぎ手、２１…（トルク変換素子としての）トルク検出素子、２２…センサコイル、２７…ツールホルダ、３０…伝達部材、３１…（１対のカプラを構成する）上カプラ、３３…上セクタ、３４…リングカバー、３５…（１対のカプラを構成する）下カプラ、３７…下セクタ、３８…（弾性体としての）弾性膜、３９、３９'、３９”、３９'”…（粘性抵抗体としての）粘性流体、４０…（弾性体としての板ばねとしての）くの字板ばね、５９…トルク検出系、７１…磁歪セグメント、７２…強化ファイバー、７４…非磁性スリーブ。

Claims (22)

1. 回転工具を把持できるチャックを内蔵したツールホルダと、
   該ツールホルダと嵌合され、回転自在に支承された副軸と、
   回転駆動源により回転自在に支承された駆動主軸と、
   前記駆動主軸と前記副軸との間に連結されたトルク変換素子と、
   該トルク変換素子と、前記駆動主軸若しくは前記副軸のいずれか一方との間に配置されて、これらを連結する回転継ぎ手とを備えた回転スピンドルであって、
   前記回転工具から前記副軸までの副軸系の回転軸心回りの慣性モーメントが、駆動主軸系の回転軸心回りの慣性モーメントに比べて大きくても３０％以下で構成され、
   前記回転継ぎ手は、１対のカプラを備え、該１対のカプラは所定のばね定数の捩りばねとしての弾性体を介して接続されるとともに、捩り粘性抵抗をもつ粘性抵抗体により該１対のカプラ間の回転方向の減衰比ζが０．４２５〜０．７１の範囲に設定された
   ことを特徴とするトルク検出機能をもった回転スピンドル。
2. 前記回転継ぎ手は、前記トルク変換素子と前記副軸の間に配置されて、これらを連結することを特徴とする請求項１に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
3. 前記回転継ぎ手において、
   前記弾性体を介して接続された１対のカプラは、該カプラの少なくとも一部と面する微小間隙が設けられ、
   該微小間隙の少なくとも一部には粘性抵抗体が充填されて前記減衰比ζを得るように構成された
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
4. 前記回転継ぎ手において、
   前記１対のカプラは、それぞれセクタが前記回転軸心に関して対称位置に配置された上下１対のカプラよりなり、
   該１対のカプラ間に回転方向において微小間隙が形成されるように対向して組み立てられ、
   該微小間隙に前記弾性体および前記粘性抵抗体を介在させた
   ことを特徴とする請求項３に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
5. 前記回転継ぎ手において、
   前記１対のカプラは、それぞれセクタが前記回転軸心に関して対称位置に配置された上下１対のカプラよりなり、
   該１対のカプラ間に回転方向において微小間隙が形成されるように対向して組み立てられるとともに、
   該１対のカプラとの間に微小間隙を形成するようにリングカバーを装着し、
   該リングカバーとの微小間隙に前記粘性抵抗体を介在させた
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
6. 前記１対のカプラは、それぞれが頂角９０度の扇形状の２個のセクタが前記回転軸心に関して対称位置に配置された上下１対のカプラより構成されたことを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
7. 前記回転継ぎ手において、前記１対のカプラは、一方のカプラの駆動力を他方のカプラに伝達するとともに、該１対のカプラの少なくともいずれかとの間に微小間隙が形成される伝達部材をさらに備え組み立てられるとともに、前記１対のカプラは前記伝達部材との間に設けられた弾性体を介して連結され、該伝達部材との微小間隙に前記粘性抵抗体を介在させたことを特徴とする請求項３に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
8. 前記粘性抵抗体は、粘性流体からなり、該粘性流体が配置される微小間隙は、該粘性流体が毛細管現象を生じる間隙として構成された
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
9. 前記粘性抵抗体及び前記弾性体は、弾性体と粘性体の両性質を兼ね備えた粘弾性特性をもつ単一の粘弾性樹脂からなる
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
10. 前記粘性抵抗体は、磁気流体による粘性抵抗体からなり、対向するカプラの少なくとも一方とこのカプラと対向する部分に硬磁性材及び導電体を用いて組み合わせる構造とした
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
11. 前記弾性体は、ゴム製の弾性膜から構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
12. 前記弾性体は、板ばねから構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
13. 前記トルク変換素子は、
    複数の螺旋状の磁歪セグメントが前記回転軸心を中心とする円周方向に全体が円筒状になるように等分配置されており、
    該磁歪セグメントの外側に、空隙をもって挿入された１条又は複数条の円筒状に巻き線したセンサコイルにより前記回転工具にかかる加工トルクを、磁歪セグメントの透磁率変化として検出できるようにした
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
14. 前記センサコイルの外周を軟磁性体で覆い、
    前記螺旋状の磁歪セグメントと該軟磁性体とで、前記センサコイルの周りを磁束が取り囲むようにした
    ことを特徴とする請求項１３に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
15. 前記磁歪セグメントを、合成樹脂でモールディングした
    ことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
16. 前記磁歪セグメントを、
    強化ファイバーで円筒状に巻回するとともに、
    該磁歪セグメントと前記巻回された強化ファイバーとともに合成樹脂でモールディングしたこと
    を特徴とする請求項１５に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
17. 前記磁歪セグメントを、円筒形の非磁性スリーブを覆うとともに、
    該磁歪セグメントを、合成樹脂でモールディングした
    ことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
18. 前記非磁性スリーブを円筒形状に巻回された強化ファイバーを合成樹脂でモールディングして形成した
    ことを特徴とする請求項１７に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
19. 前記副軸を、軽合金により形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項１８のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
20. 前記副軸を、糸巻き形状の静圧軸受とするとともに、該静圧軸受を形成する微小間隙を回転軸心を通る断面内でＸ字状に配置した構造とした
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１９のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
21. 前記副軸は、該副軸を支承する１対の副軸受に、アンギュラーコンタクト玉軸受を背面合わせ構造として用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項１９のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。
22. 前記駆動主軸は、モータロータ又はエアタービンを備えて駆動される
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項２１のいずれか１項に記載のトルク検出機能をもった回転スピンドル。

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