JPS609639A - 被回転物のトルク検出装置 - 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、被回転物を把持して回転駆動する回転把持部
と前記被回転物間に−生ずる動的なトルクを検出するよ
うにしたトルク検出装置に関するものである。

（従来技術） 従来、回転把持部の回転時における回転把持部と被回転
物間に生ずる動的なトノレクを検出する方法としては、
一般にトルク検出機構を駆動系の一部に組み込む直接的
な方法、あるいは、電動機からの負荷電流の変化より検
出する間接的な方法がある。

前者の方法の一例として回転切削工具の支柱部に歪み計
を貼り付け、その出力値からトルクを算出することがあ
る。しかし、この方法では回転する駆動系の中心部から
静止座標系に信号を何らかの手段で伝達する必要があシ
、測定精度に誤差が生じやすいこと、１たはそれを防ぐ
ことから装置の複雑さが生じる。すなわち、回転中の工
具支柱部上の歪み計よりの出力を、静止系の受信部へ導
電性の柔軟材を用いて接触して伝達している。このため
に、接触部の状郎の変化により、信号の伝達に不確実さ
があシ、それを防止するのに多大な技術的工夫が必要で
あった。

一方、後者の場合には、工作機械の原動機からの負荷電
流値の変化からトルクを換算する方法が採用されている
が、平均値として検出されるため精度上の問題が大きい
こと、および遅れなどが，ｌ応答速度が遅いなどの問題
があった。

これらの対策には、起動と加速時の駆動電流値、または
減速と停正時の制動電流の処理の仕方が大きな課題とな
っている。そのために本方法を適用できるのはトルクが
大きな加工、例えばプライス加工では荒削り時、ド！Ｊ
Ａ／では大穴径加工の場合である。

（発明の目的） 本発明は、この点に鑑みてなされたもので、その目的は
、回転把持部と被回転物間に生ずる動的なトルクを高精
度に検出し、かつ、応答性の向上を図るようにした被回
転物のトルク検出装置を提供することにある。

（発明の構成） このため本発明の構成は、被回転物を把持して回転駆動
する回転把持部と、回転把持部と被回転物の間に介装さ
れ、被回転物を回転方向に弾性的に変位可能に固定する
弾性体と、回転把持部に固着された第１の回転体と、第
１の回転体に対向して被回転物に固着された第２の回転
体と、第１および第２の回転体に臨んで設けられ、該両
者に生ずる回転位相差を非接触で検出するセンサと、セ
ンサからの信号に基いてトルク値に換算する信号処理回
路とからなることを特徴とするものである。

（作用） このように本発明は、被回転物と回転把持部の間に弾性
体を介装する構成としたので、回転把持部が回転して被
回転物と回転把持部の間に動的トルクが作用すると、被
回転物は回転把持部に対しトルクの作用する回転方向に
相対的に弾性変位し、その結果、回転把持部に固着した
第１の回転体と被回転物に固着した第２の回転体との間
にトｐクの大きさに対応した回転位相差が生ずる。

第１の回転体と第２の回転体間に生じた回転位相差は、
直ちにセンサによって非接触で検出され、この検出信号
は信号処理回路によシトルク値に変換されることとなる
。

すなわち、本発明は、被回転物と回転把持部間に作用す
るトルクの大きさに応じて、被回転物が回転把持部に対
し相対的に回転変位することから、この回転変位量（回
転位相差）より変動するトルクを連続的に検出するもの
である。

したがって、例えば被回転物である工具等が折損した場
合、突発的なトルクの変動を速かに検出することによシ
、工具等の折損を自動的に検知し得る。

また、本発明は−、第１および第２の回転体間の回転位
相差がセンサによって非接触で検出されるために、構造
が簡易であり、それにも拘らず、従来の接触式のトルク
検出装置のように使用による接触部の状縣変化によって
左右されることなく、高精度なトルク検出が可能となる
と共に、センサとは別に信号取出装置が不要になるとい
う利点を有する。

発明を実施するにあたシ前記センサとしては、光学的セ
ンサ、電磁センサ、高周波誘動センサ等が使用可能でｌ
）、使用するセンサの種類に応じて第１および第２の回
転体の形状・材質等を適宜設定すればよい。

なお、被回転物を回転方向に弾性変位可能に固定するた
めの弾性体としては、ゴム、ウレタン、軟質プラスチッ
ク等の弾性高分子材もしくは平バネ、皿バネ、コイルパ
ネ、金属バネ等の他の機械的弾性体を使用することがで
きる。高分子弾性体を使用した場合には、被回転物と回
転把持部間の振動・衝撃を吸収除去するだけでなく、電
気的絶縁物としての機能も有する。

この弾性体の−個数は１個または２個以上の３個、４個
その他の適当な個数だけ配設すればよく、その位置につ
いても、例えば被回転物の交換を簡便にするために回転
把持部側に設けてもよく、あるいは被回転物に常に一定
の弾性変形量を付与させるために被回転物側に設けても
よい。

（実施例） 以下、本発明の第１実施例を、フフィヌ盤の回転工具の
トルク検出装置に適用したものについて説明する。第１
図において、フライス盤のクイル１に回動自在に保持さ
れたスピンドル２には、回転把持部であるアーバ６が一
体に取シ付けられている。アーバ３の内側には、第２図
に示すように、弾性体であるウレタンプッシュ４および
金属プッシュ５を介して工具ホルダ（袂回転物）６が、
径方向に延びるポルト７によって固定的に設けられてい
る。

工具ホルダ６とアーパ３の内底面、内側面との間にはヌ
ラストベアリング８、ラジアルベアリング９がそれぞれ
装着されている。したがって、工具ホルダ６はアーが６
に対してアーバ６の軸方向には移動不可能に設けられ、
かつ、アーパ６の回転方向にはウレタンプッシュ４の弾
性強度の許容範囲内で相対変位可能に設けられている。

１０は工具ホルダ乙に取シ付けられた回１−＋Ｈｆ＋−
−−＋ｕ＋ｕ＼リノ 転工具（フフィス）である。

１１．１２は互に同一寸法の外周形状を有する外歯付円
板（第１、第２の回転体）で、外歯付円板１ｉ，１２は
アーバ６、工具ホルダ乙の外周面に相対向して固着され
ている。１３は外歯付円板１１．１２間の回転位相差を
非接触で検出するセンサとしての透過型のフォト七ンサ
で、ブラケット１４およびブラケット１５を介してクイ
／Ｌ／１の先端部に取り付けられている。フォト士ンサ
１３は発光部と受光部を有し、外歯付円板１１．１２の
外周部に臨むように設けられている。

フォ｝−１／サ１３には、該フォトセンサ１６が検出し
た信号に基いてトルク値に換算する信号処理回路１６が
接続されている。１７は信号処理回路１６によって換算
されたトルク値をアナログ式もしくはデジタル式に表示
する表示部である。

このトルク検出装置の作用について説明すると、先ず、
スピンド／ｔ／２０回転時にアーバ３と工具ホルダ６の
間にトルクが作用しない場合は、アーパ３と工具ホルダ
６に回転位相差が発生せず、外歯付円板１′１の外歯と
外歯付円板１２の外歯との間の周方向の隙間が無いため
に、フォトセンサ１３を通過する光量は零である。した
がって、表示部１７に表示されるトルク値は零である。

これに対し、アーパ３と工具ホルダ６の間にトルクが作
用した場合Ｋは、第３図に示すように、トルクの大きさ
に応じてアーバ３と工具ホルダ６間に回転位相差θが発
生し、外歯付円板１１の外歯と外歯付円板１２の外歯は
該両者間の周方向の隙間が大きくなる方向に回動変位す
る。このとき、フォト七ンサ１３を通過する光量は、第
４図に示すように、回転位相差θに対応して比例する。

コ（Ｄ−ｙオトセンサ１３０通過光量はそのまま電気信
号に変換されて信号処理回路１６に伝送される。信号処
理回路１６においてはフォト七ンサ１３で検出された信
号をトルク値に換算し、表示部１７によりアーバ６と工
具ホルダ６間に作用する動的トルクの値が連続的に表示
される。

第５図（ａ）は回転位相差θが小さいとき、第５図（ｂ
）は回転位相差θが大きいときのフォトセンサ１３を通
過する光量と時間の関係を示したもので、回転位相差θ
が大きい程、光通過時間の割合（デー−ティ・レシオ）
すなわチフォトセンサ１３を通過する光量が増大し、回
転位相差θが零のとき光量が最小（零）になる。

実施例において、外歯付円板１２の歯部に、第６図に示
すように、微細孔１２ａもしくは細状スリットを形成す
る構成としてもよい。このように構成してもフォトセン
サ１６を通過する光量は回転位相差θに応じて増減する
。

また、実施例においてウレタンプッシュ４は、１個だけ
配設して該ウレタンブッシ＝４に作用する荷重を小さく
できるように１−たので、取付けによる誤差が小さくな
ると共に、寿命が長くなってウレタンプソシュ４の交換
作業が不要となる。

このウレタンプッシュ４等の弾性体の配設態様としては
第７図ないし第１１図に示すようにしてもよい。第７図
はポノレト７およびウレタンプッシュ４を角９０度のピ
ッチで４個だけ配設したもので、大きなトルクを検出す
る場合でも安定したトルク検出が可能となり、回転工具
１０の把持力も増大する利点がある。

第８図はラジアルベアリング９の内側にウレタンプッシ
ュ４を１個だけ配設する構成としたもので、回転工具１
０を交換する際にウレタンプッシュ４を容易に交換でき
、微小のトルクでもよシ高精度なトルク検出を可能とす
る利点がある。

第９図はボルト７およびウレタンプッシュ４を角１２０
度のピッチで３個だけ配設したもので、回転工具１０の
把持力が３方向よシ作用するので、回転工具１０の取付
けを確実に行える利点がある。

第１０図はポルト７およびウレタンプッシュ４全角９０
度のピッチで４個だけ配設し、かつ、該４個のウレタン
プッシュ４をすべてラジアルベアリング９の内側に配置
させたもので、回転工具１０の把持力が増大し大きなト
ルクを安定して検出でき、しかも回転工ＡＩＯの交換時
、４個のウレタンプッシ：Ｌ４を一度に容易に交換でき
る利点がある。

第１１図はポルト７およびウレタンブッシー４を角９０
度のピッチで４個だけ配設し、かつ、該４個のウレタン
プッシュ４のうち２個をラジアルベアリング９の内側に
、残りの２個をラジアルベアリング９の外側にそれぞれ
配置させたもので、４個のウレタンプッシュ４のうち２
個を容易に交換できると共に、小さなトルクから大きな
トルクまで広い範囲で安定したトルク検出を行い得る利
点がある。

実施例によれば、切削加工時におけるアーパ３と工具ホ
ルダ６間の動的トルクを高精度で連続的に測定すること
ができ、万がー、回転工具１０が折損した場合は突発的
なトルクの増加を速かに検出するので、仕上げ削りのよ
うな微小トルクが発生する加工条件下でも回転工具１ｏ
の折損を速かＫ自動検出し得る。

また、トルク測定に影響を及ほす弾性体（ここではウレ
タンプッシ：Ｌ）はその材質を適宜選択することにより
、慣性モーメントを充分に小さく設定することができる
ので、トルクの検出精度および応答性の一層の向上を容
易に図ることができる。

さらに、フォトセンサ１３によシ変換された電気信号の
処理は、すべて静止系の信号処理回路１６内で行われる
ので、回路構成が簡単で信頼性が高い。その際、フォト
センサ１６の電気信号の周波数からは回転工具１０の回
転数も同時に検出することができる。

第１２図は本発明の第２実施例で、透過型のフオトセン
サを２個設けたものである。一方のフォトセンサ１３ａ
をアーバ（図略）側の外歯付円板１１に臨ませ、かつ、
他方の７ォトセンサ１３ｂを工具ホルダ（図略）側の外
歯付円板１２に臨ませる構成とし、フォトセンサｊ３ａ
の通過光との位相差よジアーパと工具ホルダ間に作用す
るトルクをめるようにしたものである。

アーパと工具ホルダ間に作用するトルクが小さいときは
、第１３図（ａ）に図示するフォトセンサ１３ａの通過
光と第１３図（ｂ）に図示するフォトセンサ１３ｂの通
過光との位相差は小さく、逆にアーバと工具ホルダ間に
作用するトルクが大きいときは、第１４図（ａｌに図示
するフォトセンサ１３ａの通過光と第１４図（ｂ）に図
示するフォトセンサ１３ｂの通過光との位相差は前記ト
ルクに対応して大きくなる。

第１５図は本発明の第３実施例で、前記第１実施例とは
異なりフォトセンサ１３は、反射型のものを１個だけ外
歯付円板１１．１２の外周部に臨むように設けたことを
特徴とするものであって、フォトセンサ１３に反射して
くる光量は、外歯付円板１１と１２間の回転位相差に対
応して検出され、前記第１実施例と同様の効果を奏し得
るものである。

第１６図は本発明の第４実施例で、前記第２実施例とは
異なシ、フォトセンサ１３ａ，１３ｂは反射型のものを
使用して、一方のフォトセンサ１３ａをアーパ（図略）
側の外歯付円板１１に臨ませ、かつ、他方のフォトセン
サ１３ｂを工具ホルダ（図略）側の外歯付円板１２に臨
ませる構成トシ、フォトセンサ１３ａの反射光とフォト
センサ１３ｂの反射光との位相差より、回転把持部であ
るアーバと被回転物である工具ホルダ間に作用するトル
クを検出するようにしたものであり、前記第３実施例と
同様の効果を奏し得るものである。なお、第１５図およ
び第１６図において外歯付円板１１．１２の黒色の外周
部は光反射材を示す。

本発明は前記第１ないし第４実施例に限定されるもので
はなく、その他種々の応用例が可能である。例えば、第
１図のものにおいて、フォトセンサの位置に該フォトセ
ンサに代えて高周波を付加した鉄心を設置し、外歯付円
板の外歯部が鉄心に接近したときに生ずる高周波誘導電
流を検知することにより、トルクを検出するようにして
もよい。

すなわち、トルクの増減に伴い鉄心と前記外歯との間隙
が増減することから、鉄心に生ずる高周波誘導電流の大
きさが定まりトルクに換算できる。

また、第１図のものにおいて、外歯付円板の代９に、交
番磁区を有するリング全外周部に取シ付けた円板（回転
体）を２枚設け、かつ、フォトセンサの代わシに、コイ
ルを巻回した鉄心を設置し、円板のリング部が鉄心に接
近したときに生ずる磁界による誘導電流を検出すること
により、トルクを検出するようにしてもよい。

このように構成すると、トルクの増減に伴い２枚の円板
間に位相差が生じ磁界の強さが増減することから、鉄心
に巻回したコイルに流れる磁界による誘導電流の大きさ
が定捷りトルクに換算できる。

第１ないし第４実施例と比較した上での前記２つの応用
例の長所は、切削油の飛散、油煙の発生等の悪環境下Ｋ
あっても、センサや回転体の清掃等を行うことなく高精
度のトノレク検出を安定して行えるということにある。

（発明の効果） 上述のように本発明は、弾性体を介して回転把持部に被
回転物を、その回転方向に弾性変位可能に固定し、回転
把持部に固着した第１の回転体と被回転物に固着した第
２の回転体との間の回転位相差よシ、回転把持部と被回
転物の間に作用する動的トルクを連続的に検出するよう
にしたから、次のような効果を奏する。

（１）前記回転位相差はセンサにより非接触で検出され
るので、従来の接触式のもののように接触部の状態変化
による検出誤差がなく検出精度が向上する。

（２）前記両回転体および弾性体の材質を適宜選択する
ことによりトルクが作用する部分と検出部の間の慣性モ
ーメントを充分小さ〈設定し得るので、従来に較べて応
答性が向−ヒする。

（３）上記両回転体間の回転位相差を非接触で検出した
後、センサ以下の信号処理はすべて静止部分である信号
処理回路において行われるので、回路構成が簡易化し信
頼性が高まる。

（４）センサによって前記回転位相差と共に得られる周
波数からは、被回転物の回転速度も同時に検出できる。

（５）センサを２個用いることにより、被回転物の回転
方向も同時に検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す半断面図、第２図は
第１図のＡ−Ａ線に沿った横断面図、第３図は第１図の
外歯付円板を示す平面図、第４図は回転位相差と光量の
関係を示す特性図、 第５図（ａｌ，（ｂ）は時間と光景の関係を示す特性図
、 第６図は第１図の外歯付円板の外周部に微細孔を形成し
たものを示す平面図、２， 第７図ないし第１１図はそれぞれ第１図のウレタンプッ
シュの配置と個数を変更させた変形例を示す断面図、 第１２図は本発明の第２実施例を示す要部正面図、 第１３図（ａｔ，（ｂ）および第１４図（ａ），（ｂ）
は第１２図のフォトセンサを通過する光量と時間の関係
を示す特性図、 第１５図は本発明の第６実施例を示す要部正面図、 第１６図は本発明の第４実施例を示す要部正面図である
。 ６・・・アーバ４・・・ウレタンプッシュ６・・・工具
ホルダ１０・・・回転工具１１．１２・・・外歯付円板
１３，１３ａ，１３ｂ・・・フォトセンサ１６・・・信
号処理回路 −２２３−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被回転物を把持して回転駆動する回転把持部と、
   前記回転把持部と被回転物の間に介装され、該被回転物
   を回転方向に弾性的に変位可能に固定する弾性体と、前
   記回転把持部に固着された第１の回転体と、該第１の回
   転体に対向して前記被回転物に固着された第２の回転体
   と、前記第１および第２の回転体に臨んで設けられ、該
   両回転体間の回転位相差を非接触で検出するセンサと、
   該センサからの信号に基いてトルク値に換算する信号処
   理回路とからなる被回転物のトルク検出装置。