JPS6233538B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転軸に装着して該回転軸にかかるス
ラストとトルクを検出する素子に関する。

この種のスラスト・トルク検出素子が適用され
る一つの分野としては切削抵抗力を測定する切削
動力計があり、これ迄にも種々の切削動力計に関
する提案がなされている。然し乍ら、この切削動
力計を大型ボール盤といつたものにも適用可能と
なすと共に、ゲインが大であり、二分力に分解し
て測定するときに相互の干渉が小さく、ヒステリ
シスがない直線性を有し、着力点が変わつても出
力に与える影響が少なく、周波数特性が必要範囲
内で一定している等々の基本的要件を満足させる
ためには、なお一層の改善すべき余地が残されて
いた。かかる検出素子は例えば工作機械の高度な
自動化を計るため要請される自己診断機能を付与
するうえで必須不可欠なものである。

本発明の目的は、上記した要件を総合的に満た
すことができる回転軸装着型のスラスト・トルク
検出素子を提供することにある。

本発明者は、一方向のみ弾性を有し他の二方向
には充分剛性を有する構造を得るために、角材の
横腹に角穴をあけた第１−Ａ図に示す平行な二枚
の薄板部分２，２′をもつ片持梁状部材１にあつ
ては、第１−Ｂ図に示すような横荷重Ｐを負荷す
ることによつて図示の如く撓むから、各薄板部分
２，２′の根本部分にそれぞれストレーンゲージ
３乃至６を張り付けると、ストレーンゲージ３，
６は引張歪を、ストレーンゲージ４，５は圧縮歪
を受け、これら四枚のストレーンゲージでブリツ
ジを組めばＰに比例した出力信号を得ることがで
きること、かかる平行薄板部分による弾性支持構
造は基本的に薄板部分の曲げによつて生ずる歪を
利用しているのでゲインが非常に大きいばかりで
なく、Ｐと直交する力に対しては剛性が大である
ので干渉量が非常に小さいロードセルたらしめる
ことが可能であり、しかも薄板部分２，２′の距
離や巾を大きくすることで着力点の変化による出
力変動を小さく押えることができること、平行バ
ネ状弾性支持構造であれば必ずしも薄板部分２，
２′に限られるものではなく、第１−Ａ図の角穴
の代わりに第１−Ｃ図の丸孔７としても差しつか
えないこと、更には二枚の薄板部分２，２′の距
離を大きくとりたい場合には例えば第１−Ｄ図の
如く小さい二つの丸穴８，８を直線状の穴９で連
絡するといつたように、その穴形状の如何を問わ
ないし、しかもその特性は第１−Ａ図の基本型と
何ら変りないことが、これ迄の研究結果から知る
ことができた。

本発明は上記した基本原理に立脚し、これを回
転軸装着型のスラスト・トルク検出素子たらしめ
るべく案出したものである。即ち、本発明のスラ
スト・トルク検出素子は、筒状部材の筒部に、ス
ラストに対して変形自在な平行バネ状弾性支持構
造個所を対向して形成すると共に、トルクに対し
て変形自在な放射状に配置したバネ状弾性支持構
造個所を対向して形成してある。上記平行バネ状
弾性支持構造個所は中心軸に平行な平面状のスリ
ツトと上記筒状部材の上下の端部近傍の中心軸に
垂直な平面とで形成され、上記放射バネ状弾性支
持構造個所は中心軸に平行な円筒状のスリツトと
中心軸に平行な溝又は穴とで形成され、更に上記
平行バネ状弾性支持構造個所と上記放射バネ状弾
性支持構造個所とが軸方向の沿つて互いに並列に
配設されていて、上記双方の弾性支持構造個所が
中心軸方向に関して異なつた位置に前後して直列
的に配置されることはない構造となつている。

上記のように本発明によれば、平行平板（即ち
上記平行バネ状弾性支持構造個所）及び放射平板
（即ち上記放射バネ状弾性支持構造個所）は一つ
の中心軸の廻りに円筒状に配設されていること
（円筒状配置）、そして、この平行平板は中心軸に
平行な平面状のスリツトと筒状部材上下の端部近
傍の中心軸に垂直な平面とで実現しているので、
薄板部分は軸方向に距離の異なる二つの平面より
なる組が複数組出来、同様に、放射平板は中心軸
に平行な円筒状のスリツトと軸に平行な溝や穴と
で実現しているので薄板部は軸に平行で中心軸か
ら放射状にのびる複数対の組になつている（平行
平板・放射平板の複数対性）。更に、平行平板構
造と放射平板構造とが中心軸方向の位置に沿つて
並列的に配置されているのであつて、前後して直
列的に配置されることはない（並列配置）という
構造上の特徴を備えている。

上記の三つの構成上の特徴についての利点は次
の通りである。まず、「円筒状配置」としたこと
により中心軸周辺が空いているから、この部分に
他の部品や工具が入り込めるし、電気的配線もこ
こを通ることが出来る。次に「平行平板・放射平
板の複数対性」により、それぞれが検出しようと
する方向の力やトルクによつて容易に変形する
が、その他の方向の力やトルクに対しては非常に
剛になる。そのため、検出器が力やトルクを受け
たときにも中心軸はほとんど傾くことがない。ま
た、「並列配置」即ち、トルクの検出機構（即ち
放射平板）と軸力の検出機構（即ち平行平板）と
が並列に配置されているので直列に配置したもの
に較べ軸方向の長さが短くなり機械装置の中に組
込むときの占有空間が小さくて済む。更に、一定
の長さの制限のもとでも平行平板の２枚の板の間
隔、放射平板の高さ等を大きくとれるので所謂
「ふんばり」の効果が大きく、他の方向の力やモ
ーメントによる変形や出力への干渉が小さくなる
という効果もある。

以下に、添付図面に示した幾つかの実施例によ
つて本発明を詳述する。

第２図に示した第１実施例は、筒状部材１０の
筒部にスラスト検知部−トルク検知部−スラスト
検知部−トルク検知部といつた機能の異なる二種
の検知部を円周方向に交互に配設するようにした
例である。この筒状部材１０の筒部は90゜の位相
をもつて設けた四つの縦分割溝１１により四分割
され、対向する二つの筒部には上下両端面に開口
するスリツト１２を円周方向に穿設しその両側に
トルク検知用の放射状に配置したバネ状弾性支持
構造個所Ａ，Ａと、残りの対向する二つの筒部に
は左右の縦分割溝１１，１１端面に開口するスリ
ツト１３を長手方向に穿設し、その両側にスラス
ト検知用の平行バネ状弾性支持構造個所Ｂ，Ｂを
形成している。筒状部材１０の上下の端部にはそ
れぞれ以下のようにしてフランジ１４，１５を螺
着するのであるが、フランジ１４に内ネジ１６を
設け、内ネジ１６と螺合するネジ１８は上記した
トルク検知部の上方側面にだけ切り、スラスト検
知部の上方側面にはそのようなネジを欠如さす。
一方、フランジ１５の内ネジ１７と螺合するネジ
１９はスラスト検知部の下方側面にだけ切り、ト
ルク検知部の下方側面にはそのようなネジを欠如
さす。何れのネジ螺合個所もあとで溶接によりし
つかりと固定するのが望ましい。フランジ１５は
例えば工作機械の主軸等の回転軸に固定する。

いま回転軸に固定したフランジ１５とは反対側
に当るフランジ１４側に、矢印Ｔで示したトルク
と矢印Ｐで示したスラストが負荷されたとする
と、トルクＴはネジ１６，１８部を経てトルク検
知部の弾性支持構造個所Ａのうちスリツト１２に
対して外側に当る部分に伝達されて内側に当る部
分との間で歪を生ずる。またスラストＰは筒状部
材１０の内側部分を介しスラスト検知部の弾性支
持構造個所Ｂのうちスリツト１３に対して内側に
当る部分に伝達されて固定したネジ１９，１７部
で受け止めている外側に当る部分との間で歪を生
ずる。何れの歪も第１−Ｄ図に示したストレーン
ゲージ３乃至６と同様の手段を施すことによつて
電気的信号として取り出せること、勿論、ポテン
シヨメータ、差動変圧器、磁気エンコーダの原理
を利用したり、また圧動素子で取出すことも可能
である。

それらの電気的信号を非接触で外部に取り出す
一つの手段としては、図示するを省略したが、筒
状部材１０の内側に装着可能としたホルダーに２
組の歪増巾器−FM送信器およびその駆動用電源
である電池を組み込み、該FM送信器の高周波出
力はフランジ１５の外周に巻きつけた二本のアン
テナに導いて送信させることによつて可能であ
る。

第３図に示した第２実施例は、筒状部材２０の
内側に工具が嵌合するテーパー孔２１を設け、従
つて検知すべきスラストＰにしろトルクＴにしろ
筒状部材２０の内側から外側に伝達される点で前
方から後方に伝達される第１実施例とは相違して
いる。この筒状部材２０はテーパー孔２１を形成
した内スリーブ部分２０ａが90゜の位相をもつて
配置した連結部分２０ｃを介して外スリーブ部分
２０ｂと一体構成されて成り、連結部分２０ｃは
該筒状部材２０の上端側と下端側とに設けた環状
溝２２，２３と、これら両環状溝２２，２３を連
通するワイヤカツトによる四つの円弧状溝２４に
より形成することができる（第４−Ａ図、第４−
Ｂ図参照）。外スリーブ部分２０ｂは第４−Ｃ図
に示すような溝形状をもつた単位パターンが円周
方向に四つ連設されて成り、各単位パターンは連
結部分２０ｃの上下と左右にそれぞれ対をなす横
溝２５，２５′、第１の縦溝２６，２６′および第
２の縦溝２７，２７′を穿設し、こうして連結部
分２０ｃに対してその左右上下にスラスト検知用
の平行平板状弾性支持構造個所２８ａ，２８ｂ，
２８ｃ，２８ｄおよびトルク検知用のバネ状弾性
支持構造個所２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄを
構成している。つまり第２実施例ではスラスト検
知部とトルク検知部とを単位パターン内に両存さ
せていて、内スリーブ部分２０ａにスラストＰと
トルクＴとが負荷され、連結部分２０ｃを介して
外スリーブ部分２０ｂに伝達されるとき、スラス
トＰによりイとロで示したストレーンゲージは引
張歪を、ハとニで示したストレーンゲージは圧縮
歪を受け、またトルクＴによりホとヘで示したス
トレーンゲージは引張歪を、トとチで示したスト
レーンゲージは圧縮歪を受けることになる。

第８−Ａ図と第８−Ｂ図に示した第３実施例
は、トルク検知部とスラスト検知部を同心状に配
置し、特に第８−Ａ図の例は、トルクＴに対して
変形自在な放射状に配置したバネ状弾性支持構造
Ａを放射状に向く板状部分で構成した点で他の実
施例とは相異している。

本発明の構成による効果を確認するため、第１
実施例の検出素子について実験した結果をつぎに
示す。スラスト負荷時の検定曲線は第５図のとお
りで、直線性、ヒステリシス特性とも良好であ
り、スラストに対するトルクの干渉は４％程度で
ある。トルク負荷時の検定曲線は第６図のとおり
で、これも直線性、ヒステリシス特性とも良好で
あり、トルクに対するスラストの干渉は１％程度
である。トルクの着力点変化による影響を調べた
がほとんど変化を生じなかつた。第７図はスラス
ト検知部、トルク検知部のそれぞれの出力に及ぼ
す横荷重の影響を調べたものであつて、横荷重
1N当りのそれぞれの出力に対する干渉量を歪み
量で表わしたものである。図では、チヤツクの爪
の先端から重錘の荷重点までの距離をパラメータ
とし、横軸は横荷重の作用方向（角度）を表わし
ている。この場合の干渉量は横荷重の着力点、作
用方向によつて異なり、例えばチヤツク先端から
42.5mmの位置に主軸に直交した横荷重10Nが作用
すれば、主軸が回転することによりスラスト検知
部とトルク検知部に生ずる最大歪は10N×0.025
μst／Ｎ＝0.25μstおよび10N／0.06μst／Ｎ＝
0.6μst程度でしかない。このように高精度のス
ラスト・トルクの測定が可能であるから、その出
力を用いて所望の最適制御とか事故監視システム
といつた高度な自動機械の実現を可能とする点
で、本発明の及ぼす便益は甚だ大なるものがあ
る。

【図面の簡単な説明】

第１−Ａ図から第１−Ｄ図までは本発明の原理
を説明する図、第２図は本発明の第１実施例を示
す分解斜視図、第３図は本発明の第２実施例を示
す斜視図、第４−Ａ図は第３図の−Ｏ−線を
含む面で切断した際の断面図、第４−Ｂ図は第４
−Ａ図の−線に沿い切断し矢印方向に見た断
面図、第４−Ｃ図は第２実施例における単位パタ
ーンの平面図、第５図から第７図までは第１実施
例のスラスト検定曲線、トルク検定曲線およびス
ラストとトルク各出力に及ぼす横荷重の影響を示
す図、第８−Ａ図と第８−Ｂ図は本発明の第３実
施例を示す一部を破断した斜視図である。 １０……筒状部材、Ａ……トルク検知用の放射
状に配置したバネ状弾性支持構造個所、Ｂ……ス
ラスト検知用の平行バネ状弾性支持構造個所。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 筒状部材の筒部に、スラストに対して変形自
   在な平行バネ状弾性支持構造個所を対向して形成
   すると共に、トルクに対して変形自在な放射状に
   配置したバネ状弾性支持構造個所を対向して形成
   し、 上記平行バネ状弾性支持構造個所は中心軸に平
   行な平面状のスリツトと上記筒状部材の上下の端
   部近傍の中心軸に垂直な平面とで形成され、 上記放射バネ状弾性支持構造個所は中心軸に平
   行な円筒状のスリツトと中心軸に平行な溝又は穴
   とで形成され、 上記平行バネ状弾性支持構造個所と上記放射バ
   ネ状弾性支持構造個所とが軸方向に沿つて互いに
   並列に配置されたことを特徴とするスラスト・ト
   ルク検出素子。