JPH01274026A - トルク検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はトルク検出装置に係り、特に高速回転時、ある
いは微小トルクの検出に好適なトルク検出装置に関する
ものである。

〔従来の技術〕

従来の回転軸系のトルク検出装置は、特開昭５７−１９
４Ｑのように歪ゲージを貼った弾性体をトルク伝達軸系
内に挿入し、スリップリングを介して信号を取り出すも
のが一般的である。

また、非接触でトルクを検出する方法としては、トルク
が付加されると回転軸の回転数の低下を起すことを測定
する方法が昭和５９年度精機学会秋季大会学術講演会論
文集第７２３頁から第７２６頁に論じられており、比較
的大きいトルクが加わる時、あるいは回転数の小さい時
には有効な方法である。

さらに本発明出願人の出願に係る特開昭６２−２４７２
２２号のように非接触センサで弾性体変形を検知する方
式があるが、該方式の基本原理に係る発明であり、精度
的には尚改良の余地を残すものであった。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来技術におけるスリップリングによるトルク検出装置
では接触点が存在するため、高速回転では接触点での熱
発生等によりノイズが大きくなり正確な測定が困難とな
る。

また、主軸に作用するトルクによる主軸回転数の低下を
測定して非接触でトルクを検出する装置では、主軸の慣
性のため、トルクが主軸に作用してから主軸の回転数が
低下するまでの時間遅れが大きく、応答性が悪い等の問
題点があった。

さらに非接触センサにより弾性体変形を検知する方式で
は、トルク付加に伴う変形の検知を回転位相と無関係に
行っていたため、精密なトルク検出に欠けるという問題
があった。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、高速回転
においても応答性が良く精度の高いトルク測定を可能と
したトルク検出装置を提供する事を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明はトルクの大きさに追
従して半径方向に変形する弾性体を設けた回転軸系より
、トルク信号を抽出する装置において、弾性体の変形量
を検知する第１の非接触式センサと、回転軸の回転位相
を検知する第２のセンサと、該第１および第２のセンサ
の出力に基づいて回転位相に対応したトルク信号の変動
量を検知する手段を有することを特徴とする。

〔作用〕

本発明の実施例により、その作用を具体的に示す。

第１図において、ドリル穴あけ機の駆動軸３の下側につ
けた円筒状の弾性体５は後述するように。

ドリル９による切削トルクに追従して半径方向に弾性変
形する。

この変形量を非接触式センサ６により検出した後、駆動
軸３の円周上に一定の角度を隔てて刻んだマーカ２の有
無を検出する非接式センサ４の回転位相信号でサンプリ
ングする事によりドリル９に発生する切削トルクの時間
的変化を検出できる。

この信号には、弾性体５の機械的初期偏心や、弾性体５
の外周面に対向配置する非接触式センサ６の取付位置に
よる初期電圧、センサ系の温度。

時間的なドリフトが含まれる。そこで、同信号を記憶、
保持し、ドリフト信号に重じようする。しきい値設定器
１３の設定値に等しい切削トルクを検出する信号処理回
路を設けている。

また、トルク信号のサンプリング回数を増やすため、ド
リフト信号の対称性を利用し、あるいは正弦波形とみな
して補正計算を行う事により、トルク検出応答速度を改
善する事ができる。

〔実施例〕

以下、図面により、本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明実施例の概略的構成を示し、トリル穴あ
け機につけた主軸回転用モータ１を高速回転（毎分５万
〜１０万回転）させながら、軸系全体を所定速度で下降
させ、多層構造のプリント基板１０に穴径φ０．３ｎａ
〜φ０．５ｎｇｎ程度の微小穴をあける機構に、ドリル
９に発生する切削トルクを検出し処理する処理部７から
なっている。

モータ１による回転力は駆動軸３へ伝達され、同軸の円
周上に所定の間隔をあけてマーキングしたマーカ２の有
無を検出する回転位相センサ４を同軸の外周面に対向配
置して、１回転毎の回転位相信号を検出する。

一方、駆動軸３の下側につけた弾性体５は、ドリル９を
保持するチャック８を介して伝達する切削トルクによっ
て半径方向に弾性変形する機能を有する。

第２図（ａ）、（ｂ）にその詳細の構成と原理を示す。

同図（ａ）に示すように、弾性体５はすり割５１．５２
により、５３，５４．．５５の３部分に分かれており、
チャック８を介して負荷トルクが加わると第２図（ｂ）
に示すように弾性変形する。（ｂ）図はすり割５１の中
心部における円筒中心線に対する垂直断面図であり、無
負荷時には６０のように真円形状をしているが、負荷ト
ルク６１が加わると６５のような楕円形に変形する。

この変形量はトルクに比例する事が確かめられている。

トルクセンサ６によりこの半径方向の変位を検出すれば
切削トルクを検出できるためトルクセンサ６を弾性体５
の外周面に対向配置する。

第１図に示すように前記回転位相センサ４及び、トルク
センサ６により検出した信号はアンプ１１゜アンプ１２
を介して適当な倍率に増幅され、信号処理装置７に送ら
れる。

ここで非接触センサ４，６は既知の静電容量式変位計算
が用いられ、具体的にはつぎに示すようなものが適用さ
れる。

＋Ｄ　　２つの金属体をコンデンサ板と見たてて、この
物体間の距離に反比例してコンデンサの容量が変る湛を
利用した静電容量式非接触変位計。

（皇）高周波交流を与えたセンサのヘッドをＩＩＩ定物
に対向させたとき、これに発生するうず電流の強弱によ
りセンサと測定物の間隙を測定する、うず電流式非接触
変位計。

（り　　ある基ｉ＋Ｉ！ｉＩｔ＋＋定点からの変位をｄ
１！１定するレーザ式４１り定器。

ｔ７ｉ）　　投光−受光素子の組により構成された光フ
アイバー式非接触変位計。

この中で、（和は、測定精度が０．１μ以下と高精度で
あるが、システｌいが大きく価格も高価であり、概して
高級ｄＩす定器に適している。ｌ’ｆｉｉ　、■、　ｌ
Ｌ＋は性能２価格面ではほぼ同等であるが、測定物体の
反射率の関係で面の汚れ等の影響を受け、ｉｌｌ！ｌ定
結果に誤差を生じ易い。

■、■はコンパクト性にも秀れており、広い適用範囲を
有する。

信号処理装置７ではトルクセンサ６の１−ルク信号を回
転位相センサ４の回転位相信号でサンプリングし、位相
対応にトルクを検知できるため、同信号の経時変化を切
削トルクとして検出できる。

この場合、トルク解除すべき切削トルクに等しいしきい
値を予めしきい値設定器１３で与えておくと、この設定
値と等しくなったとき、ドリル９にオーバートルクが加
わったという信号を出すように構成されている。このと
き、ドリル９の先端をプリント基板１０の上側へ急速に
引き上げる、軸系上下動用駆動装置を有し、これにより
、切削トルクの解除を行う。このようにしてドリル９に
よる切削、トルク解除をくり返しながらプリント基板１
０の穴あけを行う。

次に５回転位相センサ４及び、トルクセンサ６によって
検出した信号の処理方法を第３図、第４図により詳述す
る。

第３図において、トルクセンサ６に発生する信号の経時
変化は同図（ａ）の６１で示すように一定周期を有する
正弦波形の振幅が変化した形をとる。

これは、（ｂ）に示すような弾性体５の機械的初期偏心
による交流的ドリフト信号Ｖｏと該弾性体５とトルクセ
ンサ６の初期設定間隙δによる直流オフセット電圧Ｖδ
の和に相当する信号６２がベースになっている。６１は
、これにセンサアンプ１２の温度２時間的ドリフトを含
む信号に、同図（ｃ）に示すような、弾性体５に与えら
れる切削トルクにより発生する変形量に等しい信号６３
を加えたものである。

従って、回転する弾性体５のトルク無負荷時は、前記ド
リフト信号による正弦波形６２のみが現われ、ドリル切
削によるトルク付加時には前記ドリフト信号と純然たる
切削トルクによる信号の和となるため、この場合は（ｂ
）の信号が（ｃ）の信号によって逆位相で打ち消されて
、次第に振幅が小さくなる。更に、切削トルクが増加す
る場合、第３図（ａ）に示したように、切削トルク信号
が強く現われて信号の位相が逆転するようになる。

次に、トルクセンサ６に現われる信号から、切削トルク
信号のみを抽出する方法の説明を第４図より行う。

第４図において、トルクセンサ６の検出信号は第３図の
場合同様（ａ）のように一定周期を有する正弦波形の振
幅変化となって表れるので、このままではトルク信号に
、あるしきい値を定めて、比較２判定するという事はで
きない。

本実施例では、これを弾性体５の１回転中の成る一定点
に着目してその点の経時変化を監視することにより可能
とするものである。これを実現する基本的な方式として
、駆動軸の円周上に回転位相マーカを１つ付け、これを
検知するセンサ４を設置することにより、回転位相信号
が主軸１回転につき１回発生するようにし、同回転位相
信号でトルクセンサ６の信号をサンプリングするもので
ある。第４図（、）はこれにより検知した１回転中の一
定点のトルク信号の１回転ごとに変化する経時変化を示
したものである。さらに、トルク信号の検出応答速度を
改善するため、駆動軸の円周上に回転位相マーカを互い
に１８０度隔てて２つ付け１回転位相信号を１回転当り
２回発生させ、トルクセンサ６のサンプリング信号の増
減傾向を半周期毎に、設定しきい値と比較２判定するこ
とにより第４図（ｄ）のような２倍の検出応答速度を実
現することができる。

このようにして、回転位相信号でサンプリングして得た
トルク信号ＶＴがある設定しきい値に達した時、トルク
オーバーとして、これを表示したり、さらにこれにより
ドリルの先端を急速に引き上げるトルク解除信号を送出
することを行う。しかしこのとき前記弾性体５の初期偏
心による交流ドリフト、トルクセンサ６の取付位置等の
オフセット信号等のため第４図の上記、（ｃ）、（ｄ）
のトルク信号がドリフトすることとなりこの結果、トル
ク検出精度が著しく低下し、再現性のないものになって
しまうので、本実施例では回転位相の１測定毎に設定し
きい値を変更する。

つぎに、これについて詳述する。ここではトルク信号の
絶対値が単に設定しきい値に達したか否かということだ
けで検出するのではな（、設定しきい値ＡＯそのものを
切削トルクの最大値との関連で設定するもので、これに
より、ドリフ１−信号の影響を排除する事ができる。す
なわち、トルク無負荷時のトルクセンサ６の信号、つま
り、■１゜Ｖ２のドリフト信号を記憶、保持し、この値
から解除すべき切削トルク信号に等しい設定しきい値Ａ
ｏ　を加算または減算し、この値と、トルク付加後のト
ルクセンサ６の信号が所定の値となったとき、トルク解
除信号を出す。

これを式で表すと、 なる」二下限を設定する。これに対し、トルク付加後の
トルク信号Ｖ０　が ・・・（２） となったとき、ドリフト信号に重じょうしだ設定しきい
値Ａ。を切削トルクが越えた事を検出する。

つぎにしきい値Ａ。の設定方式の一例を示す。

第５図（ａ）は本発明のしきい値Ａ。を設定する際のド
リルの負荷トルク′「ｏ　をキスラー動力計により計１
１１１１した結果であり、（ｂ）Ｉｎは該Ｔ。をセンサ
６により検出した値の増幅結果■１、の実験データの一
例を示したものである。

この場合はトリル系０．５φ　、ドリル回転数３０．０
ＯＯｒｐｉ＋の゛事例であるが、図示のように実切削１
−ルクＴｏとセンサの信号Ｖ　Ｈはほぼ比例している。

実切削トルクのドリル切損の限界値はＴＨ（例えば０．
９８Ｎ−ａｍ）であり、ごれに対応するセンサ出力の増
幅結果はＶＭ（例えば２．２Ｖ）である。この限界値に
おけるトルク−電圧比Ｒを算出すると ＴＭ となる。ＴＭはドリル径によって異り、０．５φのとき
は上記の通り０．９８Ｎ−ａｍであるが、０．３φのと
宵は０．１５Ｎ−ｃｎである。任意のドリル径に対する
切削トルクの値をＴＭＤとするとそれに対応する出力電
圧Ｖｅ１ｏは Ｖ　ｎｏ　＝　ＲＩＴ　ＭＤ　　　　　　　　　　　　
−（４）となる。上記しきい値Ａｏはこのドリル切損限
界値に近い値として選ばれ、例えばＡｏ＝　Ｏ−、８Ｖ
ＨＤとして定められろ。ここで０．８　　は一種の安全
係数である。

つぎに上記のトルク検出方式の具体的回路構成を第６図
により説明する。図において信号処理装置７は専用処理
装置として示したが汎用のマイクロプロセッサでも良い
。

第６図において、トルクセンサ６の信号をセンサアンプ
１２により増幅し、駆動軸より検出した回転位相センサ
４の出力を１１で増幅し、回転位相信号をタイミング発
生器２０のタイミング信号としてホールド器１８へ送り
、サンプリング信号とする。

タイミング発生器２０は、１１の出力をベースとして各
機能との時間的タイミングを合わせるために用いる。

ホールド器１８の信号のうち、１−ルク無負荷時に発生
するトルク信号（＝ドリフト信号）の上半周期分と下半
周期分をＡ／Ｄコンバータ１９でデジタル信号に変換し
、各々のデータをＤＶｌ。

ＤＶ２として初期値メモリ１７に格納する。

このデータはトルク無負荷時−例えばドリル切削直前に
随時更新し、前記ドリフトによる影響を最小限に押える
。

一方、上述の切削トルクの上限例えば０．８πＭに等し
い、しきい値設定器１３の設定値Ａｏを２進器１５によ
り２進数に変換したものを、耐記初期メモリ１７のデー
タから減算もしくは、加算して各々上述のα１．α２と
してドリフト補正器１６に格納する。

次に、前記αｌもしくはα２とトルク付加後のトルク信
号のデジタル値ＤＶＴが。

Ｄｖｔ≦（Ｅｌ、　０＝ｔｔ／２＋２ｎｎ　（ｎ＝１．
２＋　−）もしくは ＤＶＴ≧α２．θ＝３／２７ｃ＋２ｎπ（ｎ＝１．２．
−）となったことにより、コンパレータ２１が設定しき
い値と同等以上の切削トルクの生じた事を検出する。

第７図は本発明の別の実施例を示す。

トルク検出応答速度を更に改善する方式として、第７図
のように波形の対称性を利用して弾性体−回転当り４回
のトルク信号サンプリングを行う。

ここでは、駆動軸につける回転位相マークを、０゜π−
０，π＋０，２π−θの位置につける。この場合、ドリ
フト信号を記憶する初期メモリのデータをθ及び、π十
〇の地点で抽出したＶ、　、　Ｖ。

のデータに、しきい値Ｂ０　を加；成したものを各々、
β２．β１としてドリフト補正器に格納する。そして、
トルク付加後のトルク信号り、Ｔが。

Ｄ９．≦β、 もしくは。

Ｄｌ、≧β２ となったとき、設定しきい値と同等以上の切削トルクが
生じた事を検出する。

更に他の実施例として、第８図に示すように、トルク信
号検出点を更に多くする方法として、トルク無負荷時信
号の最大／最小振幅点の電圧Ｖ　Ｓ　ｌ■６　を検出す
る位置に回転位相信号を設け、■５゜■６にしきい値Ｃ
６を加減しかつ、正弦波形の補正を行うために、 （Ｖ５−Ｃ，）＝γ、 （Ｖ、＋Ｃ，）　＝γ２ としてドリフト補正器に格納し、トルク付加後のトルク
信号ＶＴが、コンパレータ２１で、Ｖｔ≦γ１・ｓｉｎ
θ もしくは ＶＴ≧γｚ−ｓｉｎ　Ｏ となった時、設定しきい値を超えて切削トルクが生じた
事を検出できる。

これにより、トルク検出のサンプリング回数を、信号処
理時間の許容範囲内でいくらでも増やし、高速回転軸で
発生する微小トルクを応答性良く検出できる。

但し、正弦波の腹部分と、節に近い部分の振幅変化量が
少ないので、トルク信号のデータとしては使わない等サ
ンプリング地点の回数や設定は該振幅の変化量などを総
合的に判断して採用する必要がある。

以上の実施例においてはしきい値ＡＯを外部から適宜与
えるものであるがしきい値設定器１３に上記（４）式を
記憶しておくことにより、使用するドリル怪に対してし
きい値を自動的に発生することも可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高速回転においても応答が良く、微小
トルクに対しても分解能の高いトルク検出装置を得る事
ができる。

たとえば、回転数が致方（５〜１０万）回転で、１〜リ
ル径がφ０．３．φ０．４．φ０．５　　の場合従来の
スリップリング方式のように接触点のためにノイズが発
生して正確な測定ができなかったり、また、トルクによ
る主軸の回転数低下検出方法のように主軸の慣性のため
、応答性が悪かったりということがない。また従来の弾
性体変形方式に比しても高精度であり、試作実験におい
ては最小検出１ヘルクＯ，１Ｎ−ａｕ、分解能０．０２
Ｎ−ｃｍなとの精度を得ることが出来た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体構成図、第２図は
本発明のトルクセンサの弾性体変形を示す説明図、第３
図、第４図は本発明の信号処理方法を説明する波形図、
第５図は本発明による１ヘルクｉｌｌ’ｌ定結果の一例
を示す図、第６図は本発明の一実施例を示す回路構成図
、第７図は本発明の他の実施例を説明する信号波形図、
第８図は本発明の更に別の実施例を説明する説明図であ
る。 ２・・・マーカ、４・・・回転位相センサ、５・・・弾
性体、６・・・トルクセンサ、７・・・信号処理装置、
９・・・ドリル、１３・・・しきい値設定器、１６・・
・ドリフト補正器、１７・・・初期値メモリ、１８・・
・ホールド器、１９・・Ａ／Ｄ変換器、２１・・・コン
パレータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、トルクの大きさに追従して半径方向に変形する弾性
   体を設けた回転軸系より、トルク信号を抽出する装置に
   おいて、弾性体の変形量を検知する第１の非接触式セン
   サと、回転軸の回転位相を検知する第２のセンサと、該
   第１および第２のセンサの出力に基づいて回転位相に対
   応したトルク信号の変動量を検知する手段を有すること
   を特徴とするトルク検出装置。 ２、回転位相に対応したトルク信号のドリフト量を検知
   し、該ドリフト量を補正する手段を有することを特徴と
   する請求項第１項記載のトルク検出装置。 ３、上記回転位相に対応したしきい値を超えるトルク信
   号を検知する手段を有することを特徴とする請求項第１
   項記載のトルク検出装置。 ４、上記しきい値を自動的に設定する手段を有する請求
   項第３項記載のトルク検出装置。５、回転軸の円周上の
   一定点に回転位相マーカを設け、上記第２のセンサで検
   出した回転位相信号でサンプリングしながら、設定しき
   い値以上のトルク信号を検知する手段を設けた事を特徴
   とするトルク検出装置。