JPS5888632A - スラスト・トルク変換検出装置 - 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】 本発明は回転軸にかかるスラストとトルクを変位量に変
換し、これを非接触で外部に取り出す圧力変換検出装置
に関するものである。

回転軸にかかるスラストとトルクを求めたい場合として
は、切削力を測定する切削動力計とか、粘土を計る回転
式粘度計、さらには工業用ロボットに代表されるマテリ
アル・ハドリング機器用センサー等枚挙にいとまがない
。工作機械の主軸に切削動力計を取付ける場合を例にと
って説明すると、回転側に切削動力計を取付けても主軸
部分の剛性を低下させることがなく、しかも検出感度が
良好であり、また検出したスラストとトルクはこれを非
接触で外部に取り出せるものであることが最も望ましい
。検出したスラストとトルクを非接触で外部に取り出す
一つの方法としては無線によることが考えられる。

すなわち主軸側に増幅器や送信機およびこれに関する電
源等を装着し、歪ゲージを使用してスラストによるひず
み、トルクによるひずみを検出したならば、これらの信
号を電波として送信し、外部で受信する。しかし、この
方法は大きさの制約、調節の不便といった欠点を伴うこ
とになる。

本発明は、より簡単な構成でもって検出したひずみを外
部に取り出すことができる装置を提供することを目的と
してなされたものである。

本発明を添付した図面に示す実施例によって説明すると
、つぎのとおりである。

始めに軸方向と周方向にスラストとトルクに比例した変
位を生じさせる第１図に示す二重環構造の圧力変換器に
ついて説明する。これは内側環状部分１をトルク変形部
とし、外側環状部分２をスラスト変形部としたものであ
って、両部分１，２は両部分１，２の展開図である第２
−Ａ図と第２−Ｂ図において点線で斜線を施して示した
四つの連結個所３で一体的に結合されている。第２−Ａ
図と第２−Ｂ図の展開図から明らかなように、何れも円
周方向に四つの単位変形部を形成する点で共通している
が、前者の単位変形部は、細長い縦孔４，４間の二つの
角孔５，５を上下に穿設することで、角孔５，５に挟ま
れた中間部６の四隅を軸方向の弾性支持部７で支持する
構造となっている。前記した連結箇所３は中間部６に包
含される。そこで連結個所３でトルクＴが働くと、第２
−Ｃ図の如く各中間部６は変形可能であり、しかもスラ
ストに対しては充分な剛性を示す。一方、後者の単位変
形部は、細長い横孔８，８間に二つの角孔９，９を左右
に穿設することで、角孔９，９間に挟まれた中間部１０
の四隅を円周方向の弾性支持部１１で支持する構造とな
っている。前記した連結個所３は中間部１０に包含され
る。そこで連結個所３はスライドＰが働くと、第２−Ｄ
図の如く各中間部１０は変形可能であり、しかもトルク
に対しては充分は剛性を示す。したがって内側環状部分
１の前端にチャック（図示せず）を取付けるためのテー
パー状取付部１２を形成し、外側環状部分２の後端を主
軸（図示せず）に適宜固定することによって、例えばチ
ャックに保持したドリルで穿孔する際の切削力をテーパ
ー状取付部１２を介して内側環状部分上に伝達できるこ
とは勿論、四個所の連結個所３を介して外側環状部分２
にも伝達し、そのときのトルクに比例した変位を内側環
状部分上に、またスラストに比例した変位を外側環状部
分２にそれぞれ生じさせることができるものである。

第１図の例では何れの弾性支持部７，１１も平行平板状
となすために加工が面倒な角孔５，９の穿設を必要とし
たが、弾性支持部７，１１は平行平板状に限定されるも
のではない。例えば第２−Ｆ図のような加工が簡単な丸
孔１３とか、或いは第２−Ｆ図のような小さな二つの丸
孔間を切除して連結した孔１３′により得られる弾性支
持部７，１１であってもよい。同じ歪出力を得る場合、
第２−Ａ図よりも第２−Ｆ図、第２−Ｅ図よりも第２−
Ｆ図の変形部構造の方が変形を小さくできるという利点
がある。また二重環構造の内側と外側をトルク変形部と
スラスト変形部に振り当てる際、第１図とは逆の関係に
しても一向差しつかえないし、これに伴って主軸に固定
する側やテーパー状取付部１２の形成側の関係において
も逆にしてもよい。それのみならず、二重環構造の内側
と外側をトルク変形部とスラスト変形部とに振り当てね
ばならないこともなく、内側は専らチャック等に受けた
切削力を受承する部分となし、外側をトルク変形部兼ス
ラスト変形部とするような構造にもできる。第３−Ａ図
にはこのような場合の一例を示している。

第３−Ａ図に示す力変換器は、第３−Ｂ図の断面図から
わかるように、内側環状部分１４はチャツク等の軸が嵌
合するテーパー状内面１５を形成するだけである。外側
環状部分１６の単位変形部の展開図である第３−Ｄ図に
おいて点線で斜線を施した個所１７は内側環状部分１４
と外側環状部分１６との連結個所であって、第１図の例
と同様、円周方向の四個所に配されており（第３−Ｃ図
参照）、その個所を除いては間隙１８が形成され、基端
側に設けた空所１９と共に、チャック等に受けた切削力
で内側環状部分１４はどの方向にも変位可能としている
。

一方、回転軸側に連結保持される外側環状部分１６は、
その胴部２２より人径とした前部２０と後部２１とがあ
った、この前部２０と後部２１で回転軸側との連結保持
を行ない、そして胴部２２には第３−Ｄ図の如く各連結
個所１７を中心として左右に縦孔２３，２３，それより
も長い縦孔２４，２４，および長い縦孔２４，２４の両
端部間に上下に横孔２５，２５を穿設する。これによっ
て、連結個所１７を包含する中間部２６は軸方向に向く
四つの弾性支持部２７と円周方向に向く四つの弾性支持
部２８とで支持されることになる。したがって連結個所
１７から切削力が伝達されると、そのときのトルクとス
ラストに比例した変位が外側環状部分１６に生ずること
になる。

上述の如く、内側環状部分１，１４と外側環状部分２，
１６とを円周方向の複数の連結個所３，１７で連結し、
何れか一方の環状部分１，１４または２，１６を回転軸
への固定側、他の環状部分２，１６または１，１４を被
動体との結合側となし、上記連結個所３，１７を包含す
る両環状部分１，２の中間部６，１０または一方の環状
部分１６の中間部２６はその四隅を軸方向に向く弾性支
持部７，２７と円周方向に向く弾性支持部１１，２８に
より支持する構造とすることにより、これを回転軸側に
直接取付ける軸搭載型として使用しても、回転軸部分の
剛性を低下させることがなく、しかも良好な検出感度を
得ることが明瞭である。

ところで本発明の一つの実施態様では、上記した両環状
部分１，３または１４，１７に相対峙する鍔２０，３１
を設け、両鍔面に形成した頂角９０°のノッチ部３０と
頂角９０°の突起部３２とで軸方向に対し４５°傾く隙
間３３を形成するのである。これは、つぎに述べるよう
な理由によるものである。すなわち、無付加時、４５°
の方向に傾く隙間個所の周方向の間隙がそれぞれａ、ｈ
であったとする（第４−Ａ図参照）。受圧したトルクに
比例する周方向の変位Ｄ１を生じた際の周方向の間隙ａ
１，ａ２（第４−Ｂ図参照）は、 ａ１＝ａ−Ｄ１（１） ｂ１＝ｂ−Ｄ１（２） また受圧したスタストに比例する軸方向の変位Ｄ２を生
じた際の周方向の間隙ａ２，ｂ２（第４−Ｃ図参照）は
、二つの隙間とも軸方向に対して４５°傾いているため
に、軸方向の変位即周方向の変位であるから、 ａ２＝ａ−Ｄ２（３） ｂ２＝ｂ−Ｄ２（４） したがってトルクとスラストが同時に負荷された場合の
周方向の間隙ａ３，ｂ３（第４−Ｄ図参照）は、 ａ３＝ａ＋Ｄ１−Ｄ２（５） ｂ３＝ｂ−Ｄ１−Ｄ２（６） 上式からトルク、スラストに比例した変形量Ｄ１，Ｄ２
は、 Ｄ１＝１／２｛（ａ３−ｂ３）−（ａ−ｂ）｝（７）Ｄ
２＝１／２｛−（ａ３＋ｂ３）＋（ａ＋ｂ）｝（８）と
、きわめて簡単な演算式で表わすことができる。これは
二つの隙間とも軸方向に対して４５°傾かせたことによ
り、軸方向の変位即周方向の変位として扱えるからであ
る。

本発明では上記の如く隙間３３間隙でもってそのときの
変位Ｄ１，Ｄ２を検出するものであるから、例えば工具
からの熱的影響等で隙間３３間隔は左右されない構造で
あることが望ましい。

第３−Ａ図の鍔部２９は低熱膨脹金属製とし、しかも内
側環状部分１４からも或る間隔離し、連結個所１７の一
端に連結しているのは、この為である。頂角９０°のノ
ッチ部３０と突起部３２の数については、第１図の側で
は各２個としたけれども、これに限定されるものではな
い。

それのみならず、ノッチ部３０と突起部３２の頂角につ
いては必ずしも９０°に限られるものではない。頂角が
９０°以外の場合のスラスト・トルクによる軸方向、周
方向の隙間３３の変化量は頂角９０°の場合とは多少異
なるけれども、比較的簡単な演算で求めることができる
からである。これを更に■■していえば、ノッチブ３０
と突起部３２とで作る隙間３３の周方向の間隙が軸方向
について一定となっている隙間個所を少なくとも２個所
形成することといえる。

つまり、ノッチ部３０や突起部３２の先端部や根本部の
形状はどうでもよいし、左右対称の形状であろうと非対
称であろうと問う所ではなく、また第６図の如き平行な
二つの隙間３３，３３であってもよい。第６図の如くす
ると、温度変化による誤差を打消すことも可能になる。

隙間３３の無負荷時と負荷時の間隙ａ，ｂ，ａ３，ｂ３
を回転状態にあっても外部から測定するためには、適宜
の手段によって行なうことができる。第５図には、その
一例として外部から与えた反射光によって測定する光学
的手段による場合を示している。第５図中、符号３４は
第１図に示した圧力変換器であり、何れか一方の環状部
分を回転軸３５に取付けたならば他の環状部分はドリル
３９を取付けたチャック３８の結合側となること、前記
したとおりで、第１図の取付部１２および二つの鍔部２
９，３１は、第５図では符号３７と３６を付しており、
鍔部３６に画かれた一本の線は隙間３３を示している。

鏡面仕上げを施した鍔部３６円筒面に光源４０から出た
光を二枚のレンズ４１，４１を使って直径約０．１ｍｍ
程度に絞り、その光点の描く軌跡が丁度４５°傾いた隙
間３３部を横切るように設定すると、光点が鍔部３６円
筒面に当っているときには光の反射が行なわれるが、隙
間３３に当る間は反射が行なわれないことになる。

反射光をフォトトランジスタ４２で検出し、フォトトラ
ンジスタ４２からの出力信号をタイミングパルス発生器
４３に送って、反射光がなくなった時間だけゲート４４
を開かせる。ゲート４４が開くと、水晶発振器４５によ
り発生した１１ＭＨｚの基準クロックパルスがカウンタ
ー４６に流れて計数され、マイクロコンピューター４７
の主記憶に書き込まれていく。計数が終ったカウンター
４６は再度クリアーされ、つぎの隙間３３に光点が至る
まで待機する。このように反射光がなくなる時間からａ
，ｂ，ａ３，ｂ３が求められ、演算によって次々にＤ１
，Ｄ２の大きさが求められていく。

以上は光反射法により二つの変位Ｄ１，Ｄ２を検出する
場合について述べたが、例えば磁気センサー等の技術を
応用することによっても可能である。

本発明は上述したところから明らかなように、軸搭載型
として使用しても主軸部分の剛性を低下させず、それで
いて検出感度がよいという相反する要求を充足させるだ
けでなく、スラストやトルクで生じた変位を非接触で外
部に取り出す構造が極めて簡単である点で、その及ぼす
便液は甚だ大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる力変換検出装置の第１実施例を
示す分解斜視図、第２−Ａ図と第２−Ｂ図は第１図の内
側環状部分と外側環状部分の展開図、第２−Ｃ図と第２
−Ｄ図は変形時の状態を示す図、第２−Ｅ図と第２−Ｆ
図は弾性支持構造の変形例を示す図、第３−Ａ図から第
３−Ｄ図まではそれぞれ第２実施例を示す斜視図、Ａ−
Ｏ−Ｂに沿った縦断面図、Ｉ−Ｉ線に沿い矢印方向に見
た断面図、並びに単位変形部の平面図である。第４−Ａ
図から第４−Ｄ図までは４５°傾いた隙間の働きを説明
する説明図、第５図は光反射法によって隙間間隙を測定
する場合の説明図、第６図はノッチ部と突起部の他の実
施例を示す平面図である。 １，４…内側環状部分、２，１６…外側環状部分、３，
１７…複数の連結個所、６，１０…両環状部分の中間部
、７，２７…軸方向に向く弾性支持部、１１，２８…円
周方向に向く弾性支持部、２６…一方の環状部分の中間
部、２９，３１，３６…鍔部、３０…ノッチ部、３２…
突起部、３３…隙間。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．内側環状部分と外側環状部分とを円周方向の複数の
   連結個所で連結し、何れか一方の環状部分を回転軸への
   固定側、他の環状部分を被動体との結合側となし、上記
   連結個所を包含する両感状部分の中間部または一方の環
   状部分の中間部はその四隅を軸方向に向く弾性支持部と
   円周方向に向く弾性支持部により支持する構造となすと
   共に、両環状部分に相対峙する個所を設け、該個所に形
   成したノッチ部と突起部とで作る隙間の周方向の間隔が
   軸方向について一定となっている隙間個所を少なくとも
   ２個所形成したことを特徴とするスラスト・トルク変換
   検出装置。