(57)【要約】      （修正有）【課題】    変速機を介して駆動用電動機からの駆動力が伝達される回転軸の回転トルクを精度良く適切に管理できると共に、回転軸を備える既存の装置に対しても安価かつコンパクトに取り付けることのできるトルク検出装置を提供する。【解決手段】  変速機１９を介して回転モータ２０からの駆動力が伝達されることにより混合ミキサー１１に設けられた回転軸１３ｂを回転駆動させる混合攪拌装置１０において、回転軸１３ｂの回転トルクを検出するためのトルク検出装置であって、トルク演算検出器２３と、変速機１９を挟んだ回転モータ２０側に設けられ、駆動時における回転モータ２０への供給電圧及び供給電流を検出して検出結果をトルク演算検出器２３に送る電圧・電流検出手段２４と、変速機１９を挟んだ混合ミキサー１１側に設けられ、変速機１９の出力軸の回転数を検出して検出結果をトルク演算検出器２３に送る回転数検出手段２５とを備えている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変速機を介して駆動用電動機からの駆動力が伝達されることにより装置本体に設けられた回転軸を回転駆動させる回転駆動装置において、前記回転軸の回転トルクを検出するためのトルク検出装置であって、
トルク演算検出器と、前記変速機を挟んだ前記駆動用電動機側に設けられ、駆動時における前記駆動用電動機への供給電圧及び供給電流を検出して検出結果を前記トルク演算検出器に送る電圧・電流検出手段と、前記変速機を挟んだ前記装置本体側に設けられ、前記変速機の出力軸の回転数を検出して検出結果を前記トルク演算検出器に送る回転数検出手段とを備えており、
前記トルク演算検出器は、前記電圧・電流検出手段から送られる前記供給電圧及び供給電流に基づいて演算された前記駆動用電動機の入力電力から、予めトルク演算検出器に記憶された前記起動用電動機の巻線抵抗と前記供給電流とから演算された銅損を減算して出力動力を求め、求めた出力動力に基づいて前記回転軸の基礎トルクを演算し、前記回転数検出手段から送られる前記回転数に基づいて前記変速機の効率を鑑みた補正係数を演算し、演算された前記基礎トルクと前記補正係数から前記回転軸の回転トルクを検出するトルク検出装置。
【請求項２】
前記トルク演算検出器において演算される補正係数は、前記トルク演算検出器に予め入力演算された前記変速機に関する回転数と補正係数との相関関係から、前記回転数の検出結果に基づいて得られる請求項１記載のトルク検出装置。
【請求項３】
前記トルク演算検出器は、検出された前記回転軸の回転トルクが予め設定されたしきい値に達した際に装置停止信号を発する請求項１又は２に記載のトルク検出装置。
【請求項４】
前記装置本体は、前記回転軸に取り付けられた回転羽根によって攪拌を行う攪拌装置である請求項１〜３のいずれかに記載のトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルク検出装置に関し、特に変速機を介して駆動用電動機からの駆動力が伝達されることにより装置本体に設けられた回転軸を回転駆動させる回転駆動装置において、回転軸の回転トルクを検出するためのトルク検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば流動性を有する洗剤、シャンプー、練り歯磨き、化粧料、食品等の液体製品やゲル状製品を、複数の材料を混合して形成する場合、攪拌羽根を取り付けた回転軸を備える混合攪拌装置が一般的に用いられる。このような混合攪拌装置によれば、材料の種類や濃度によって、攪拌中の混合材料の粘度が相違することになるため、混合材料の粘度や攪拌速度等から予想される回転トルクに充分に耐え得る強度の攪拌羽根や回転軸を使用する必要がある。また、混合材料によって過大な回転トルクが負荷されて、攪拌羽根や回転軸に破損を生じるおそれがある場合には、これをいち早く検知して、攪拌作業を中断する必要がある。特に、攪拌中の混合材料に、例えば乳化剤等が添加されて粘度が著しく増加する場合には、攪拌用の攪拌羽根や回転軸に過度の負荷がかからないようにその回転トルクを適切に管理して、これらの破損を確実に防止できるようにする必要がある。
【０００３】
このような回転軸の回転トルクを管理する方法としては、回転軸に直接、あるいは歯車機構等を介して回転軸と連結する駆動軸に、トルク検出器やトルクリミッター等を取り付け、回転軸に負荷される回転トルクが過度に大きくなった場合には、混合攪拌装置を停止するようにしたものが知られているが、これらのトルク検出器やトルクリミッターは、高価であると共に、特に既存の混合攪拌装置に増設しようとする場合には、大掛かりな移設工事や改造工事が必要になる。
【０００４】
一方、例えばホイストクレーンの駆動装置において、ケーブルを巻取る回転軸としてのケーブルドラムの回転トルクを、ホイストクレーンを駆動する誘導電動機への供給電圧や供給電流を検出すると共に誘導電動機の回転数を検出することによって、管理する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−１８０６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の回転軸の回転トルクを管理する方法によれば、誘導電動機（駆動用電動機）への供給電圧や供給電流を検出して電気的に処理することにより、検出機構をコンパクトに構成することが可能であるが、誘導電動機に供給される電流と電圧から出力トルクを単に演算するだけでは、演算過程には出力トルクに変換されない誘導電動機の銅損が含まれているので、演算された出力トルクに誘導電送機の銅損に起因する誤差が含まれることになり、正確な出力トルクとはならない。また、単に誘導電動機への入力側の供給電圧や供給電流等を検出するものであるため、例えば電動モータ等の駆動用電動機と装置本体に設けられた回転軸との間に変速機を設けたものの如く、変速機を挟んだ両側の回転トルクの割合が一定になるとは限らない機構の場合には、装置本体における回転軸の回転トルクを正確に管理することが困難である。さらに、特許文献１に記載の回転軸の回転トルクを管理する方法によれば、荷重を降下させる際の着床時におけるケーブルの緩みを検出するためのものであることから、その精度が低く、回転軸に生じた過大な回転トルクによる負荷を精度良く瞬時に検知して、混合攪拌装置の攪拌中における破損を未然に防止するために用いるのには適していない。
【０００６】
本発明は、変速機を介して駆動用電動機からの駆動力が伝達される回転軸の回転トルクを精度良く適切に管理できると共に、特に回転軸を備える既存の装置に対しても安価かつコンパクトに取り付けることのできるトルク検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、変速機を介して駆動用電動機からの駆動力が伝達されることにより装置本体に設けられた回転軸を回転駆動させる回転駆動装置において、前記回転軸の回転トルクを検出するためのトルク検出装置であって、トルク演算検出器と、前記変速機を挟んだ前記駆動用電動機側に設けられ、駆動時における前記駆動用電動機への供給電圧及び供給電流を検出して検出結果を前記トルク演算検出器に送る電圧・電流検出手段と、前記変速機を挟んだ前記装置本体側に設けられ、前記変速機の出力軸の回転数を検出して検出結果を前記トルク演算検出器に送る回転数検出手段とを備えており、前記トルク演算検出器は、前記電圧・電流検出手段から送られる前記供給電圧及び供給電流に基づいて演算された前記駆動用電動機の入力電力から、予めトルク演算検出器に記憶された前記起動用電動機の巻線抵抗と前記供給電流とから演算された銅損を減算して出力動力を求め、求めた出力動力に基づいて前記回転軸の基礎トルクを演算し、前記回転数検出手段から送られる前記回転数に基づいて前記変速機の効率を鑑みた補正係数を演算し、演算された前記基礎トルクと前記補正係数から前記回転軸の回転トルクを検出するトルク検出装置を提供することにより、上記目的を達成したものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のトルク検出装置によれば、変速機を介して駆動用電動機からの駆動力が伝達される回転軸の回転トルクを精度良く適切に管理できると共に、特に回転軸を備える既存の装置に対しても安価かつコンパクトに取り付けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の好ましい一実施形態に係るトルク検出装置は、例えば図１に示すように、液体製品やゲル状製品として、例えばシャンプーや練り歯磨き等を複数の材料を混合して製造するための回転駆動装置である３軸式混合攪拌装置１０に設けられ、攪拌装置１０の装置本体である混合ミキサー１１において回転可能に配設された攪拌羽根１２ｂ，１２ｃを有する回転軸１３ｂ，１３ｃが、混合材料の攪拌中に過度の回転トルクが負荷されて破損するのを効果的に防止するために、これらの回転軸１３ｂ，１３ｃの回転トルクをコンパクトな構成によって精度良く適切に管理できるようにすることを目的として採用されたものである。
【００１０】
本実施形態によれば、３軸式混合攪拌装置１０の混合ミキサー１１には、下端部分に攪拌羽根１２ａとしてホモタービンやホモディスパーが取り付けられた円柱ロッド状の第１回転軸１３ａと、攪拌羽根１２ｂとして複数のタービンが外周部分に取り付けられた円筒ロッド状の第２回転軸１３ｂと、攪拌羽根１２ｃとして複数のパドルが内周部分に取り付けられた円筒ケーシング状の第３回転軸１３ｃとが設けられており、これらの回転軸１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、第１回転軸１３ａの軸心を中心として同心状に配置されている。また、各回転軸１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、同心状に配置された、混合ミキサー１１から上方に突出するホモシャフト１４、ステータ回転支持筒１５、及びパドル回転支持筒１６と各々連結されている。
【００１１】
さらに、本実施形態によれば、第２回転軸１３ｂと連結するステータ回転支持筒１５、及び第３回転軸１３ｃと連結するパドル回転支持筒１６は、各々、例えば傘歯車によるギア機構１７ｂ，１７ｃを介して、第２駆動軸１８ｂ及び第３駆動軸１８ｃと連結されており、これらの第２駆動軸１８ｂと第３駆動軸１８ｃは、変速機１９を介して駆動用電動機としての回転モータ２０と各々連結している。
【００１２】
そして、本実施形態のトルク検出装置は、例えばこのような変速機１９を介して回転モータ２０からの駆動力が伝達されることにより、混合ミキサー１１に設けられた第２回転軸１３ｂ及び第３回転軸１３ｃを回転駆動させる３軸式混合攪拌装置１０において、例えば攪拌羽根１２ｂ，１２ｃが取り付けられた第２回転軸１３ｂや第３回転軸１３ｃによって攪拌中の混合材料が、例えば乳化剤の投入によってその粘度が急激に増大し、回転トルクが上昇して回転軸１３ｂ，１３ｃに予期しない過度の回転荷重が負荷される場合でも、このような過度の回転トルクを電気的に速やかに検知して例えば回転軸１３ｂ，１３ｃの回転駆動を停止することにより、回転軸１３ｂ，１３ｃの破損を効果的に防止することが可能なように設けられたものである。
【００１３】
なお、本実施形態によれば、円柱ロッド状の第１回転軸１３ａと連結してこれを支持するホモシャフト１４には、変速機を介することなく、回転ベルト２１を介して回転モータ２２からの駆動力が伝達されるようになっている。
【００１４】
また、本実施形態によれば、第２回転軸１３ｂ及び第３回転軸１３ｃの各回転トルクを検出するための機構として、同様の構成のトルク検出装置が各々設けられていることから、以下においては、これらを代表して、第２回転軸１３ｂの回転トルクを検出するための装置について説明する。
【００１５】
すなわち、本実施形態のトルク検出装置は、変速機１９を介して回転モータ２０からの駆動力が伝達されることにより混合ミキサー１１に設けられた第２回転軸１３ｂを回転駆動させる混合攪拌装置１０において、第２回転軸１３ｂの回転トルクを検出するための装置であって、図２にも示すように、トルク演算検出器２３と、変速機１９を挟んだ回転モータ２０側に設けられ、駆動時における回転モータ２０への供給電圧及び供給電流を検出して検出結果をトルク演算検出器２３に送る電圧・電流検出手段２４と、変速機１９を挟んだ混合ミキサー１１側に設けられ、変速機１９の出力軸である第２駆動軸１８ｂの回転数を検出して検出結果をトルク演算検出器２３に送る回転数検出手段２５とを備えている。
【００１６】
そして、本実施形態によれば、トルク演算検出器２３は、電圧・電流検出手段２４から送られる検出された供給電圧及び供給電流に基づいて演算された回転モータ２０の入力電力から、予めトルク演算検出器２３に記憶された回転モータ２０の巻線抵抗と供給電流とから演算された銅損を減算して出力動力を求め、求めた出力動力に基づいて第２回転軸１３ｂの基礎トルクとして変速機１９の入力軸の回転トルクを演算し、回転数検出手段２５から送られる検出された回転数に基づいて変速機２５の効率を鑑みた補正係数を演算し、演算された基礎トルクと補正係数から第２回転軸１３ｂの回転トルクを検出するようになっている。
【００１７】
本実施形態のトルク検出装置を構成するトルク演算検出器２３は、例えば公知の各種の演算回路やトランスデューサ等を備えており、当該トルク演算検出器２３に組み込まれた各種の演算ソフト等によって、例えば後述する演算方法に従って、電圧・電流検出手段２４から取り込んだ回転モータ２０への供給電圧及び供給電流に基づいて演算された回転モータ２０の入力電力から、予めトルク演算検出器２３に記憶された回転モータ２０の巻線抵抗と供給電流とから演算された銅損を減算して出力動力を求め、求めた出力動力に基づいて第２回転軸１３ｂの基礎トルクを演算することができるようになっている。
【００１８】
また、トルク演算検出器２３には、例えば変速機１９の製品カタログや説明書に記載されている変速機１９の規格やスペック等に基づいて、変速機１９の入力軸のトルクが変速機１９の出力軸である第２駆動軸１８ｂに伝達される際の回転数と効率との関係を示す数値が入力されると共に、例えば減速機効率、変速機効率、及び減速比を含む一体化した補正係数（η）と、第２駆動軸１８ｂの回転数（ｒｐｍ）との相関関係が、線形補間によって予め演算されて記憶されており、この相関関係に従って、回転数検出手段２５によって検出された第２駆動軸１８ｂの回転数（ｒｐｍ）から、補正係数（η）を容易に演算することができるようになっている。
【００１９】
さらに、トルク演算検出器２３は、演算された基礎トルクや回転トルク等をディスプレイ等に表示するモニタ機能を備えていると共に、回転トルクのしきい値が設定されていて、検出された第２回転軸１３ｂの回転トルクが予め設定されたしきい値に達した際に、装置停止信号を発して即座に混合攪拌装置１０を停止させる機能を備えている。
【００２０】
電圧・電流検出手段２４は、例えば電圧要素用ノイズフィルタや電流要素用ノイズフィルタ等を備えていて、混合攪拌装置１０の駆動時における回転モータ２０への入力側の供給電圧及び供給電流を測定検出すると共に、測定した供給電圧及び供給電流を、トルク演算検出器２３のトランスデューサ等に送って入力することができるようになっている。
【００２１】
回転数検出手段２５は、例えばエンコーダ、電磁式回転検出器、光電式回転検出器等からなり、変速機１９の出力軸である第２駆動軸１８ｂに取り付けられて、当該第２駆動軸１８ｂの回転数（ｒｐｍ）を測定検出すると共に、測定した回転数（ｒｐｍ）をトルク演算検出器２３の演算回路等に送って入力することができるようになっている。なお、第２駆動軸１８ｂと、第２回転軸１３ｂのステータ回転支持筒１５とは、傘歯車によるギア機構１７ｂを介して連結していることにより、そのギア比によって、第２駆動軸１８ｂの回転数から、ステータ回転支持筒１５及び第２回転軸１３ｂの回転数を容易かつ正確に算出可能であると共に、第２駆動軸１８ｂによる回転トルクが、第２回転軸１３ｂに効率良く正確に伝達されるようになっている。
【００２２】
そして、本実施形態のトルク検出装置によれば、トルク演算検出器２３において、電圧・電流検出手段２４によって検出された供給電圧及び供給電流と、回転数検出手段２５によって検出された第２駆動軸１８ｂの回転数とに基づいて、基礎トルクと第２駆動軸１８ｂの回転トルク、及び攪拌羽根１２ｂが取り付けられた第２回転軸１３ｂの回転トルクとが、例えば以下のようにして演算されることになる。
【００２３】
すなわち、まず測定された供給電圧（Ｖ）及び供給電流（Ｉ）から、例えば下記（式１）によって、回転モータ２０の出力動力（Ｐ）が求められる。
【００２４】
【数１】
2006170939.tif 000003
【００２５】
また、入力軸を介した変速機１９への入力トルクは、回転モータ２０の出力トルクと等しいことから、（式１）によって求められた回転モータ２０の出力動力（Ｐ）に基づいて、例えば下記（式２）によって、変速機１９への入力トルクが、第２駆動軸１８ｂの基礎トルク（τ'）として求められる。
【００２６】
【数２】
2006170939.tif 000004
【００２７】
ここで、（式１）において、√３・Ｖ・Ｉ・cosθは回転モータ２０の入力電力であり、Ｉ2・Ｒは銅損である。また、銅損は、モータ電流Ｉの２乗に比例するので、モータ電流Ｉの変動に伴って大きく変動するが、（式１）より入力電力からＩ2・Ｒが減算されることによって回転モータ２０の出力動力（Ｐ）には含まれない。したがって、基礎トルク（τ'）は、（式１）において銅損Ｉ2・Ｒを減算された出力動力（Ｐ）に基づいて（式２）より求められるので、モータ電流Ｉの変動により大きく変動する銅損に起因する誤差は含まれない。なお、（式１）において、Ｒ（巻線抵抗（Ω））は、三相モータの場合、線間抵抗の３／２倍となる。
【００２８】
一方、トルク演算検出器２３には、第２駆動軸１８ｂの回転数（ｒｐｍ）と補正係数（η）との相関関係が予め演算されて記憶されており、この相関関係に、回転数検出手段２５によって検出された第２駆動軸１８ｂの回転数（ｒｐｍ）をあてはめることにより、当該回転数（ｒｐｍ）に対する補正係数（η）が容易に演算されると共に、求められた補正係数（η）を基礎トルク（τ'）に乗じることによって、例えば下記（式３）から、第２駆動軸１８ｂの回転トルク（τ）がトルク演算検出器２３において精度良く瞬時に演算されることになる。
【００２９】
【数３】
2006170939.tif 000005
【００３０】
また、第２駆動軸１８ｂの回転トルク（τ）が精度良く瞬時に演算されることにより、当該第２駆動軸１８ｂと一定のギア比のギア機構１７ｂを介して連結しているステータ回転支持筒１５及び第２回転軸１３ｂの回転トルクもまた、精度良く瞬時に演算されることになる。
【００３１】
そして、本実施形態のトルク検出装置によれば、変速機１９を介して回転モータ２０からの駆動力が伝達される第２回転軸１３ｂの回転トルクを精度良く適切に管理することができると共に、特に回転トルクが過度に負荷された際に装置を停止させるためのトルク検出器やトルクリミッターを備えていない、既存の混合攪拌装置１０に対しても、安価かつコンパクトに取り付けることができる。すなわち、本実施形態によれば、トルク演算検出器２３と、電圧・電流検出手段２４と、回転数検出手段２５とからなる安価かつ簡易な構成によって、変速機１９の出力軸の回転数と、回転モータ２０の入力電力から銅損を減算した回転モータ２０の動力と、変速機１９の効率とに基づいて、第２駆動軸１８ｂや第２回転軸１３ｂの回転トルクを演算して管理する。また変速機１９を挟んだ回転モータ２０側の供給電圧や供給電圧のみならず、第２回転軸１３ｂの回転トルクが直接反映される変速機１９を挟んだ混合ミキサー１１側の第２駆動軸１８ｂの回転数を検出して回転トルクを管理する。これらによって、回転モータ２０のモータ電流が変動して回転モータ２０の銅損が変動した場合でも、又は回転数によって変速機１９の効率が変化する場合でも、当該回転数から変速機効率等を鑑みた補正係数（η）を演算して、供給電圧や供給電圧から演算された基礎トルクを補正することができるので、回転トルクの高精度の検出、管理を行うことが可能になる。
【００３２】
また、本実施形態のトルク検出装置は、電気的に接合されたトルク演算検出器２３と、電圧・電流検出手段２４と、回転数検出手段２５とによって簡易に構成することができるので、各々を所定の場所に取り付けることにより、トルク検出装置を備えていない既存の混合攪拌装置１０に対して当該装置を増設する場合でも、大掛かりな移設工事や改造工事を要することなく容易に設置することが可能になる。
【００３３】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば補正係数は、製品カタログや説明書に記載された変速機に関する性能表示から得られるものである必要は必ずしもなく、また管理すべき回転軸は、３軸式混合攪拌装置に設けられた回転軸や、その他の攪拌装置に設けられた回転羽根を有する回転軸に限定されることなく、攪拌装置以外の種々の装置に用いられる回転軸の回転トルクを管理するために用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態に係るトルク検出装置を３軸式混合攪拌装置に取り付けた装置構成の説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るトルク検出装置の装置構成の説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ３軸式混合攪拌装置
１１  混合ミキサー（装置本体）
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ  攪拌羽根
１３ａ  第１回転軸
１３ｂ  第２回転軸
１３ｃ  第３回転軸
１４  ホモシャフト
１５  ステータ回転支持筒
１６  パドル回転支持筒
１７ｂ，１７ｃ  ギア機構
１８ｂ  第２駆動軸
１８ｃ  第３駆動軸
１９  変速機
２０，２２  回転モータ
２３  トルク演算検出器
２４  電圧・電流検出手段
２５  回転数検出手段
【図１】
2006170939.tif 000006
【図２】
2006170939.tif 000007