JPH08504269A - トルク変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 トルク変換器は、トルクにより変形可能なシャフト上のひずみ検出手段と、トルク信号を回転するシャフトから静止したブラシ手段に送るためのスリップリング手段を有する。スリップリング手段は、焼結グラファイトのような炭素材料で作られた環状の円盤であり、ブラシ手段は、フレキシブル金属の別個の細片であって、張力状態でそれそれのスリップリングの円盤の周りに部分的に巻きついている。ひずみ検出手段と炭素製円盤との電気的接触は、何枚ものプリント回路基板を用いてとり、各プリント回路基板には環状もしくは実質上環状の部分があり、その導電性のコーティングを、それそれの炭素製円盤の表面に直接接触させる。炭素製円盤とプリント回路基板は、シャフトで軸方向に押さえつけられている。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の名称］ トルク変換器 ［発明の分野］ 本発明は、例えばナットとボルトの確かな基準に従った締め付けを改善する場 合に使用する、回転シャフトのトルク変換器に関するものである。この変換器は 、締め付け用工具の校正に使用したり、あるいは工具の付属装置または構成部分 として組み合わせたりすることができる。 ［発明の背景］ 従来のひずみ計は、整流子リングと炭素ブラシを使って、信号を回転ひずみ計 から非回転の電気回路に伝達している。その結果、重大な問題が４つ発生してい る。それは、摩擦接触による信号の雑音の問題、震動する条件下での接触部分の 浮き上がりによる信号の損失、磨耗による寿命の短縮、および組み立て中の導電 性の磨耗粒子の飛散である。 金属・金属・炭素間の電気的接触（metal-to-metal carbon electrical cont act）を十分とるため、炭素ブラシのワイヤを固定することは、確立した技術で ある。従来、ブラシを形成する炭素棒の一方の端に穴を あけもしくは作り、フレキシブルワイヤないしより線（braid）の導体の一方の 端をこの穴に入れ、穴の中のワイヤないしより線の周りに銅粉のような金属粉末 を充填することによって、このワイヤもしくはより線の導体を適切な位置に固定 している。次に、この金属粉末を詰め固める。その後、焼結を行う場合もある。 ブラシを形成する炭素棒には常に破壊応力が生じる可能性があるが、それでもこ の固定手段はかなり緊密であり、確実である。最近の傾向として機器を保守不要 とすることがある。これは、炭素ブラシの性能仕様が厳しくなっており、これま でなら産業界で受け入れられていた、故障発生率の比較的低いブラシでも、現在 では用途によっては受け入れられない故障率だと考えられていることを意味する 。そのような用途のひとつがトルク変換器である。トルク変換器の場合、寿命中 は誤りなく作動することを保証するような性能仕様を要求される傾向が強い。従 って、従来の棒状の堅い炭素ブラシを用いる機器ではこの仕様を満たさない。 トルク伝達シャフトに取り付けられたひずみ計でトルクを測定すると、スリッ プリングブラシの接触が変動する結果、信号に雑音が発生しやすくなる。特に、 シャフトに対して突然横からかなりの震動を短時間与え、衝撃トルクもしくはパ ルストルクを加えた場合、 雑音がじゃまになる可能性がある。 われわれの欧州特許明細書EP 232606公報は、新しいトルク変換器について記 載している。このトルク変換器では、金属整流子のスリップリングから電気信号 を取り出す従来の炭素ブラシに代えて、フレキシブル特性を持つ細片に、炭素材 料で作った自由に曲がる細片を張り付け（積層）して使っている。これが、金属 製スリップリングの周りに部分的に巻きつき、しかもこのスリップリングに触れ て張力状態にある（押圧されている）。この薄片を重ねたフレキシブル（可撓性 ）細片の炭素材料は、金属製スリップリングとブラシ接触（摺接）し、また接触 部分が長い弧になっているため、信号の雑音のほとんど全部を効果的に除去する 。 接触部分の弧は180度を上回ることが望ましい。さらに、フレキシブル積層帯状 細片（strips）の間で、炭素と金属の電気的接触を十分とるという問題は、フレ キシブル帯状細片のそれぞれを、導電性のクランプ部材に固定するたけで解決す る。 大部分の用途は上記の方法で十分であるが、この方法ではブラシの定期交換が 必要である。金属のスリップリングが、フレキシブル帯状細片の薄い炭素層の上 を絶えず滑っていくため炭素が擦り減り、炭素の表面が不連続になった場合は、 再び信号の雑音が問題になる。従って、これをアフターサービス不要の保証付き 装置として販売することはできない。 従って、EP 232606のように信号の雑音が少なく、しかも擦り減るという同じ 問題にさらされることもなく、従って寿命中はアフターサービス不要の保証を付 けることができるトルク変換器を考案することが非常に望ましい。 ［発明の概要］ 本発明はトルク変換器を提示するものであり、このトルク変換器は、トルクに より変形可能なシャフト、トルクに関連した電気信号を生成するためのシャフト 上のひずみ検出手段、信号を受け取るため、シャフトと一緒に（conjoint）回転 するように取り付けたスリップリング手段、および対応する電気回路手段に信号 を送るため、スリップリング手段の周りに部分的に巻きつき、しかもこのスリッ プリング手段に張力下に接触して、このスリップリング手段と電気的に摺接（ブ ラシ接触）する、フレキシブル帯状細片のブラシ手段（strip brush means）を 有し、 該スリップリング手段は、シャフトと同軸に配置され、しかも電気的には互い に絶縁された複数の炭素材料の円盤で構成され、 該ひずみ検出手段と個々の炭素円盤との電気的接続は、スリップリング手段の 炭素円盤の間で軸方向に押圧された環状もしくは実質上環状のプリント回路基板 を介して行われ、 該フレキシブル帯状細片のブラシ手段は複数の金属帯状細片を、炭素製スリッ プリングの各円盤毎にひとつずつ有する。 本発明により、EP 232606のトルク変換器の構成要素の炭素と金属の位置を逆 にすることで、このように性能特性を著しく改善できるとは驚くべきことである 。しかしながら、ひずみ検出子と適当でしかも半永久的で誤りがない電気的接触 をとれるような炭素円盤構造のスリップリングを考案するには、多大の設計作業 と独創的な工夫を要した。堅い炭素ブラシ棒におけるワイヤの固定に従来用いら れていた技術を採用して、スリップリングの堅い炭素材料の中でコネクタワイヤ を固定した場合は、使用中の破損および故障に対して必要な保証はなかったであ ろう。事実、衝撃締め具もしくは衝動締め具と一緒にトルク変換器を使用すると 、使用中のスリップリングにかかる応力は著しく大きくなり、そのうちコネクタ ワイヤを従来の方法で固定することはきわめて不適切だということが判明した。 従って、われわれは、環状もしくは概ね環状の円盤形のプリント回路基板を使 用して、隣り合う炭素製スリップリングを切り離し、また同時にプリント回路基 板の環状もしくは概ね環状の表面にプリントされた導電層を利用して、スリップ リングの炭素材料と直接に 電気的接触をとる、上記のような非常に効果的なシステムを考案した。主な利点 は、並べた炭素製スリップリングとその間に介装されるプリント回路基板がシャ フト上で軸方向に押圧されているため、破壊を誘起する応力から電気的接続は実 質的に解放されていることである。また、プリント回路基板と炭素製スリップリ ングの電気的接触は、各スリップリングの環状の表面全体もしくは概ね全体で一 様になり、電気分布のパターンが従来実際に達成されたものと比べてもっと一様 になる。スリップリングの内部抵抗のため電気出力に生じるひずみは、実際上な くなっている。 本発明のトルク変換器のもう一つ非常に重要な利点は、EP 232606で採用して いる、以前の技術で作った類似点のある一番新しいシャフトと比較して、回転シ ャフトとスリップリングアセンブリは、慣性モーメントがはるかに小さいことで ある。慣性モーメントが小さいのは、もっぱら、EP 232606の金属製スリップリ ングに比べ、円盤形の炭素製スリップリングが著しく軽いためであり、それは炭 素材料の密度が小さいことによる。そのため、スリップリングがシャフトの回り に滑る恐れがなくなり、実際的には非常に重要な利点がある。さらに、衝撃工具 もしくは衝動工具と一緒に使用する場合の変換器の動的性能の点でも、慣性モー メントが小さいことは重要な利点になる。本発明のト ルク変換器をパルス締め工具と一緒に使用すると、駆動パルスは、幅がわずか1 −3ミリ秒、フリーケンシーないし間隔がおよそ20ミリ秒であることに留意され たい。このパルスによって、スリップリングに数千G（１Ｇ＝９．８１ｍ／ｓ²） の表面圧力がかかる可能性がある。このような圧力の下では、慣性モーメントが 比較的小さいため、スリップリングを十分堅固に組み立てて、シャフトに対する 回転の動きを阻止できることが、本発明の特に優れた利点である。ただし、スリ ップリングをシャフトにもっとしっかり接着させるため、シャフトのキー溝に接 着剤もしくはシール充填材（potting compound）を注入することが好ましいであ ろう。 しかしながら、本発明の主な利点は、EP 232606の場合に存在した、使用中に おいて、フレキシブル帯状細片のブラシの交換の必要がまったくなくなったこと である。本発明のブラシは金属製であり、スリップリングの炭素材料よりも硬く すれば、磨耗は、フレキシブル帯状細片のブラシでなく、かならずスリップリン グで生じるようにすることができる。炭素ブラシの磨耗度がきわめて大きい場合 でも、本発明のデザインによって性能をまったく落とさずに対応することができ 、従って、寿命中は保守が一切不要なことを保証できるトルク変換器を設計する ことが可能である。 ［図面の簡単な説明］ 第1図は、本発明によるトルク変換器の軸に対して直角方向の断面図である。 第2図は、第1図のトルク変換器の軸方向の断面図である。 第3図は、第1図と第2図の変換器の円盤形の炭素製スリップリングのひとつの 軸方向の断面図である。 第4図は、第3図のスリップリングの等寸斜視図である。 第5a図は、第3図と第4図のスリップリングと一緒に使用するプリント回路基板 コネクタの平面図である。 第5b図は、第5ａ図のコネクタの斜視図である。 第6a図、第6b図、第7a図、第7b図、第8a図、第8b図は、それぞれ第5a図と第5b図 に対応する図であるが、夫々異つたプリント回路基板コネクタに関する。 第9図は、第8a図のコネクタの平面図を拡大したものである。 第10図は、第1図のフレキシブル帯状細片のブラシ手段の平面図である。 第11図は、第1図のトルク変換器の制御システムのブロック図である。 第12図は、使用中のトルク変換器の斜視図である。 ［実施例の図面を参照しての説明］ まず第1図と第2図について、トルク変換器のハウジング1には、入力側の軸受 装置4と出力側の軸受装置6の間にシャフト2が取り付けられている。シャフト2に は、トルクによって変形可能な細くなった部分8がある。シャフト2の工具入力側 5に衝撃工具もしくはパルス工具を接続することができ、シャフトの出力側（端 ）７は、ナットのような締め具を締めるため、ソケットレンチのアダプタに出力 を送る。 ひずみ計10と12は細くなった部分8に接続され、配線18は、ひずみ計10と12か ら、シャフト2の機械加工したスロット19をひとつ（もしくはスロットを複数） 通って、スリップリングアセンブリ20に至る。 ブラシアセンブリ22はハウジング1に固定され、このブラシアセンブリ22には 、それそれ端が絶縁棒37とプリント回路基板38の間に接続されたフレキシブルな 四つの帯状細片（ストリップ）24が含まれ、これはスクリューとナット32で固定 される。ひとつのフレキシブル帯状細片のブラシ手段24を第10図の平面図に示す 。これは幅が一様な電気ヒックオフ部分24aで構成され、ピックオフ部分24aの端 はそれぞれわずかに幅の広がった固定部分24bになっており、電気接続部分24cに つながっている。固定部分24bのそれぞれには横方向のスロット24dが形成され、 また電気接続部分24cのそれぞれの端には円形の末端部24eが形成されており、こ れはそれぞれのスクリュー32との接続に使用する。 四つの張力付勢ばね26が絶縁棒37の下に取り付けられ、スクリュー32の頭で所 定の位置から動かないようになっており（第1図）、棒37にダブルカンチレバー の形で配設される。各ばね26の両端はかぎ形（hooked end）になっており、これ が、フレキシブル帯状細片のブラシ手段24の横方向のスロット24dを貫通するこ とによって、フレキシブル帯状細片を、スリップリングアセンブリ20の炭素製ス リップリングの周りで張力状態にする。 スリップリングアセンブリ20は四つの炭素製スリップリング40で構成され、こ の炭素製スリップリングは、シャフトのねじを切った部分44に螺合するナット42 によって、ワッシャ50と52の間で押圧された状態になっている。ワッシャ52は、 シャフト2に形成された肩部に当接する。あるいは、この肩部をスリップリング4 0の直径と同じ大きさにすることによって、スリップリング40に対する支えを完 全なものにすることもできる。その場合、ワッシャ52は不要である。ワッシャ50 には、シャフト2の機械（ミーリング）加工（milled）スロットに達するキー形 部分があり、これをしっかり締めてスリップリングアセンブリ20を押圧したとき 、ナット42の回転の動きが個々の炭素製スリップリング40に伝わらないようにな っている。 端にある炭素製スリップリング40と端にあるワッシャ50および52との間、およ び並んで隣り合うスリップリング40の間には、第9図に示すようなプリント回路 基板54が介装される。このプリント回路基板54には、炭素製スリップリング40を 互いに、また端にあるワッシャ50および52と電気的に絶縁すること、さらに炭素 製スリップリング40と配線18の間に電気的接触をとること、の二重の機能がある 。第9図では、プリント回路基板として可能な方式のひとつについて、その形状 を図示している。この場合、絶縁性の裏当て材料（基材）56は概ね環状の形に形 成され、円周部から中心に向かって短い突起部分58が付いている。絶縁材料56、 58の表面、もしくは周表面のかなりの（実質的な）部分は、導電性材料の連続し た層60で覆われている。隣り合うスリップリングの間、および並んだスリップリ ングの両端に、プリント回路基板54を入れてスリップリング40を組み付けると、 導電性材料60はスリップリングの炭素材料と面−面接触によってしっかり接触し 、また円周部から中心に向かう突起部分58は機械加工スロット19のどれかに入る 。導電性材料は、プリント回路基板の片面だけに施しても、両面に施しても、ど ちらでもよい。プリント回路基板５４の片面に導電性がある場合、両面に導電性 があるものと同じ効果を持たせるには、回路基板を二枚ひと組で背中合わせに使 用す ればよい。その場合、導電性材料60を外に向ければ、それそれのスリップリング と接触する。もっとも、このような並べ方が有効なのは、主として、同一のスリ ップリング40の両面で電気的接触をとることが望ましい場合である。通常は、ス リップリング40それぞれの片面だけで電気的接触をとれば十分であり、その場合 は片面のプリント回路基板で十分である。 スリップリング40それぞれが、プリント回路基板54によって配線18に接続され 、しかもシャフト2と電気的に絶縁されていれば、端にあるスリップリング40と 、ワッシャ50および52のいずれか一方もしくは両方との間に、プリント回路基板 54の代わりに、環状の単なる絶縁用円盤を入れてもよい。 第5a図から第8b図までは、プリント回路基板54として可能な他の形態を四つ図 示している。第5a図では、絶縁用の裏当て材料が第9図に示す形状をもつプリン ト回路基板を示す。突起部分58の導電性被覆材60の上に、プリント回路の細片60 をはんだ付けする。このプリント回路の細片は、プリント回路として配線18を載 せたものである。第5a図の細片60の端にある隠れた（shaded）部分62は、突起部 分58を覆う導電性材料にはんだ付けされる部分である。62を58にはんだ付けして から、プリント回路基板を第5b図に示す曲がった形状にできるようにするため、 第5a図のプリント回路基板 54では、好ましくはフレキシブルな絶縁材料を用いる。 第6a図と第6b図は、類似の形状で、はんだ付けの接合部分を必要としないプリ ント回路基板としてどのようなものがあるかを示す。プリント回路の伸ばした細 片60は、プリント回路基板54の他の部分と一緒に、部分を成すものとして作られ る。第6b図を見れば非常によくわかるが、このプリント回路基板54の概ね環状の 部分は、周囲の切り抜き部分もしくは隙間64と一緒に形成される。組み立ての際 、炭素製スリップリング40に不必要なひずみが生じないようにするため、この構 造にすると、プリント回路基板を非常に薄くする必要がある。 第7a図の構造にすると、もっと厚いプリント回路基板でも使うことができる。 この構造は、絶縁材料の両面に導電性材料を用いた両面のプリント回路基板に適 している。58aおよび58bと突起部分が二つあり、一方は基板の片面の導電性材料 、もう一方は基板の反対側の面の導電性材料で覆われている。第7b図に示すよう な配線18の点はんだ付けができるように、突起部分58aおよび58bにごく小さな穴 を開ける。 第8a図と第8b図では、片面にだけ導電性材料を使ったプリント回路基板に配線 18を取り付ける場合の、類似の点はんだ付け技術の利用方法を図示する。 スリップリングアセンブリ20をシャフト2に取り付 けるには、一連のワッシャ、プリント回路基板、およびスリップリングの連続す る要素をシャフト2に順番にはめ込む。それからナット42をしっかり締めて、炭 素製スリップリング40を並べたものを軸方向に押さえつける。そうすることによ って、このスリップリングと、それそれのプリント回路基板54の導電性被覆材60 との電気的接続が、望ましくしかも十分なものになる。 次に、シャフトを旋盤の中心軸の間にセットし、さらにフレキシブル帯状細片の ブラシ手段24を正確に配置するため、機械加工により、炭素製スリップリング40 の外周に軸方向に幅を有する溝41（第3図）を作る。 必要であれば、機械で加工する前もしくは後に、機械加工したスロット19に圧 力をかけた状態で接着剤もしくはシール充填材（potting compound）を注入して もよい。そうすることによって、炭素製スリップリング40はシャフト2にもっと しっかり固定される。 第11図では、シャフト2の工具入力側5に接続されたパルス工具100と、出力側7 を通して作用を受けるナット102を図式で示す。トルク変換器のひずみ計10と12 は、スリップリング40と帯状細片24によってできる四つのチャネルのホイートス トンブリッジの形で回路101に接続され、実際のトルクを表す信号を生成する。 この信号をRC回路網104に送ることによって、雑音を取り除いて実際のトルク信 号を変調させ、その結果、 ナットが保持するトルクに比例した信号にすることができる。次に、トルクを保 持した信号（トルクを代表する信号）はコンパレータ106に送られ、ここで、こ の信号を、設定手段108から送られる設定可能な基準信号と比較することによっ て、基準信号のレベルに達したとき、制御回路110の電源スイッチを切る。 第12図では使用中のトルク変換器を図示する。工具100にはホース112で動力を 供給する。変換器1の出力はケーブル114でボックス116に送られる。このボック ス116には、第11図に関して上述した電気回路が入っている。変換器1は小さくま とまっていることがわかる。配置を変更して、ボックス116の電気回路とディス プレイを、工具100もしくはトルク変換器1と組み合わせてもよい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゴールデイング、イアン バリー イギリス、シーヴィー22 ７イーエー ウ ォーウィックシャー、ラグビー、スパイサ ー プレイス 51 (72)発明者 レスター、アンドル チャールズ イギリス、エルイー６ ０ジェーディー レスター、ラトビー、チャペル レイン 18

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1．トルクにより変形可能なシャフト、 トルクに関連した電気信号を生成するためのシャフト上のひずみ検出手段、 信号を受け取るため、シャフトと一緒に回転するように取り付けたスリップ リング手段、および 対応する電気回路手段に信号を送るため、スリップリング手段の周りに部分 的に巻きつき、しかもこのスリップリング手段に張力下に接触し、このスリップ リング手段と電気的に摺接する、フレキシブル帯状細片のブラシ手段 を有し、 該スリップリング手段は、シャフトと同軸に配置され、しかも電気的には互 いに絶縁された複数の炭素材料の円盤で構成され、ひずみ検出手段と個々の炭素 円盤との電気的接続は、スリップリング手段の炭素円盤の間で軸方向に押圧され た環状もしくは実質上環状のプリント回路基板を介して行われ、また 該フレキシブル帯状細片のブラシ手段は複数の金属帯状細片を、炭素製スリ ップリングの各円盤毎にひとつずつ有する ことを特徴とするトルク変換器。 2．請求項第1項に記載するトルク変換器であって、該プリント回路基板が、環状 もしくは実質上環状の部 分と、内側に向いた耳の部分を含み、少なくとも片面において環状もしくは実質 上環状の部分と耳の部分の両方の上に互いに導電層が配され、耳の部分で電気入 力リード線に接続されることを特徴とするトルク変換器。 3．請求項第2項に記載するトルク変換器であって、該電気入力リード線が、フレ キシブルプリント回路基板の導体であることを特徴とするトルク変換器。 4．請求項第2項に記載するトルク変換器であって、該電気入力リード線がワイヤ であることを特徴とするトルク変換器。 5．請求項第2項から第4項の一に記載するトルク変換器であって、前記トルクに より変形可能なシャフトに該ひずみ検出手段を収容する、軸方向に延びる機械加 工スロットが少なくともひとつあり、プリント回路基板の内側に向いた耳の部分 がこのスロット中に入ることを特徴とするトルク変換器。 6．請求項第5項に記載するトルク変換器であって、該シャフト、該円盤形の炭素 製スリップリング、該プリント回路基板のそれぞれの隙間をすべて、注入した充 填材で埋めることを特徴とするトルク変換器。 7．請求項第1項〜第6項の一に記載するトルク変換器であって、前記フレキシブ ル帯状細片のブラシ手段の金属細片が、ケミカルミリングで処理した金めっき のベリリウム銅の細片で構成されることを特徴とするトルク変換器。 8．請求項第7項に記載するトルク変換器であって、各細片の幅がおよそ1mm、厚 さが0．05mmであることを特徴とするトルク変換器。 9．請求項第7項又は第8項に記載するトルク変換器であって、金めっきが、軟金 の下地コーティングと硬金の表面層コーティングを含むことを特徴とするトルク 変換器。 10．請求項第9項に記載するトルク変換器であって、軟金層の厚さが4ミクロンか ら6ミクロンであることを特徴とするトルク変換器。 11．請求項第9項又は第10項に記載するトルク変換器であって、硬金層の厚さが3 ミクロンから4ミクロンであることを特徴とするトルク変換器。 12．請求項第１項〜第１１項の一に記載するトルク変換器であって、前記フレキ シブル帯状細片のブラシ手段の金属細片が、中央で固定された片持ばねの両端と 係合して張力下にあることを特徴とするトルク変換器。 13．請求項第１項〜第１２項の一に記載するトルク変換器の組み立て方法であっ て、 円盤形のグラファイト製スリップリングおよびプリント回路基板製電気コネク タを並べたものをシャフト にはめ込むこと、 プリント回路基板を軸方向に押圧して並べ、このプリント回路基板と個々のス リップリングの境界面との電気的接触をよくするため、押圧手段をしっかり締め ること、 さらにその後、円盤形のグラファイト製スリップリングの直径を同じにするた め、シャフトを切削加工すること、から成ることを特徴とする方法。 14．請求項第13項に記載する方法であって、切削加工中に円盤形の炭素製スリッ プリングのそれぞれの周囲に溝を形成することにより、最終組み立てにおいて、 対応するフレキシブル帯状細片のブラシ手段の軸方向の配設位置にすることを特 徴とする方法。