(57)【要約】【課題】回転軸に横荷重が加わったときに、平行バネリンク内の弾性ヒンジが引っ張りのみの組み合わせとなる平行バネリンクが少なくとも１つは存在するように構成した回転軸保持機構を提供する。【解決手段】回転軸の回転中心から半径方向に実行長ｈの位置で弾性ヒンジにより回転軸に接合された可動辺と、一端が弾性ヒンジで前記可動辺に接合され他端が弾性ヒンジで固定部に接合された複数の互いに平行な実行長ｈの変形辺とからなる平行バネリンクを少なくとも２つ備えることにより前記回転軸の回動を許容する回転軸保持機構であって、前記可動辺と前記回転軸を接合する前記弾性ヒンジの接合方向は、前記回転中心から半径方向に前記実行長ｈより内側に位置する可動辺の接合部と、前記実行長ｈより外側に位置する回転軸の接合部とを弾性ヒンジで接合したものであることを特徴とする。【選択図】図１
2015184095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の回転中心から半径方向に実行長ｈの位置で弾性ヒンジにより回転軸に接合された可動辺と、一端が弾性ヒンジで前記可動辺に接合され他端が弾性ヒンジで固定部に接合された複数の互いに平行な実行長ｈの変形辺とからなる平行バネリンクを少なくとも２つ備えることにより前記回転軸の回動を許容する回転軸保持機構であって、
前記可動辺と前記回転軸を接合する前記弾性ヒンジの接合方向は、前記回転中心から半径方向に前記実行長ｈより内側に位置する可動辺の接合部と、前記実行長ｈより外側に位置する回転軸の接合部とを弾性ヒンジで接合したことを特徴とする回転軸保持機構。
【請求項２】
回転軸の回転中心から半径方向に実行長ｈの位置で弾性ヒンジにより固定部に接合された可動辺と、一端が弾性ヒンジで前記可動辺に接合され他端が弾性ヒンジで回転軸に接合された複数の互いに平行な実行長ｈの変形辺とからなる平行バネリンクを少なくとも２つ備えることにより前記回転軸の回動を許容する回転軸保持機構であって、
前記固定部と前記可動辺を接合する前記弾性ヒンジの接合方向は、前記回転軸の回転中心から半径方向に前記実行長ｈより内側に位置する可動辺の接合部と、前記実行長ｈより外側に位置する固定部の接合部とを接合したことを特徴とする回転軸保持機構。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の回転軸保持機構を、回転粘度計のトルク測定軸の保持機構として用いたことを特徴とする回転粘度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸を必要とする機構、機器の中で、必要とする回転量が小さいものに利用できる回転軸の保持機構に関し、高精度のトルク測定が必要な分野の課題解決に向けて考案されたものであって、特に、回転粘度計、或いは、回転粘度計型レオメータ（以下では、単に回転粘度計と記してもこの両者を指す。）におけるトルク測定に利用するのに好適である。
【背景技術】
【０００２】
回転軸の保持機構の多くは、ボールベアリング等の回転体を挟み込む構造のものが用いられる。これによって回転軸の精度と摩擦抵抗を軽減している。しかし、ベアリングに挟み込まれている回転体は、回転軸の精度を左右し、さらに、回転の抵抗を軸の回転と共に細かく変動させる。これが問題となる用途で、特に高精度、低摩擦抵抗が要求される場合には、空気の膜を挟み込む構造のエアベアリングが用いられる。しかし、エアベアリングは、別途高圧の空気源が必要な他、余りコンパクトにはできず、回転モーメントが大きくなってしまうという欠点があった。また、エアベアリングに供給する空気圧は、場合によってはトルクの発生源となり、高精度なトルク測定の軸受けとしてエアベアリングを用いる際に注意が必要な事項となっている。
高精度な回転軸を必要とする機構の内、回転を殆どしないものには、バネの変形によって必要な回転を担保できる構造の保持機構が採用可能であり、本発明者等も、弾性ヒンジ機構を用いる軸受け機構を先に出願している（特許文献１参照）。特許文献１の回転軸保持機構は図３に示すように、（１）平行バネリンクを複数用い、それぞれ（２）平行バネリンクの変形する側の辺の長さと角度を、平行バネと回転軸との接合点の回転軸心からの距離と方向に一致させた構造である。上記（１）の平行バネリンク構造を用いることにより、回転方向以外の変形に対して高い剛性を付与でき、上記（２）の長さを一致させることで、平行バネの変形による軸の移動を無くすことが出来るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１３２８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の平行バネリンクを持つ弾性ヒンジ機構による軸受けは、理想的には、薄い弾性ヒンジ部（板バネ）とその２倍の厚さの板バネにより、回転軸が軸の回転によって変動しない構成が可能である。ただし、バネの弾性による復元力が働くので、この復元力が問題になるときには板バネを薄く作る必要がある。
しかしながら、板バネを薄く作る時、特許文献１の構成によると、薄い板バネ構造で常に問題となる座屈限界により、軸受けの耐荷重性能の限界が低くなってしまう問題があった。
そこで、本発明の課題は、上記問題点を解決し座屈による耐荷重性能の低下を改善した回転軸保持機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
座屈は、薄い梁が長手方向から圧縮されるときの現象であるので、軸を支える弾性ヒンジ要素の組が圧縮と引っ張りの両方を同時に受ける上記特許文献１の従来構造に代え、圧縮のみか、引っ張りのみの組み合わせとなるように構成を変更する。軸に加わる横荷重を支える弾性ヒンジ要素を複数にすることで、あらゆる方向からの横荷重について引っ張り応力で軸を支える弾性ヒンジ要素が存在できる。この要素が座屈モードをもつ圧縮応力の要素を保護し軸受けの破壊を防ぐ。このために、平行バネリンクの可動部と軸構造を接続する弾性ヒンジ要素の方向を平行バネリンクの固定部へ接続する弾性ヒンジ要素の方向を逆にすることで解決できる。
また、平行バネリンクは、理想的には、平行四辺形の頂点の角度のみ変わる構造で、一辺が固定され、それに繋がっている二辺が変形して、他の一辺を平行移動させるものである。物がずれ動くことが無いので、非常になめらかな移動が可能であり、高精度な計測が必要なところで、機構部品に使われている。可動側の辺の動きは、詳細に見ると、変形辺を半径とする円運動になっており、可動辺に固定された任意の一点は、変形辺の長さと向きによって定められる一点を中心とする円周上を動く。従って、この位置に、角度可変のヒンジを配置すれば、回転軸を構成する要素となることが分かる。平行バネリンクが一つでは、ヒンジの角度は自由であるため、回転軸を規定できないので、１８０度方向では無い２つ以上の方向から、同一の軸上に円運動の中心を持つヒンジを平行バネリンクによって配置し、この軸に一致する回転軸を構成する。
【０００６】
すなわち、特許文献１の従来構造（図３参照）では、上記、ヒンジを配置する可動辺に固定された任意の点を、軸心を含む部材（中実の回転軸）につなげられた構造であったが、本発明では、ヒンジを配置する可動辺に固定された任意の点は実体としては軸心を含まない構造（中空の回転軸）をとり、仮想的な軸心の周囲を回転する部材に接合（図１参照）される。より現実的には、図１の構成の回転軸を固定部側とし、かつ、図１の構成の固定部を軸心を実体として含む可動軸側（回転軸）とする構成（図２参照）となる。
本発明は、回転軸の回転中心から半径方向に実行長ｈの位置で弾性ヒンジにより回転軸に接合された可動辺と、一端が弾性ヒンジで前記可動辺に接合され他端が弾性ヒンジで固定部に接合された複数の互いに平行な実行長ｈの変形辺とからなる平行バネリンクを少なくとも２つ備えることにより前記回転軸の回動を許容する回転軸保持機構であって、前記可動辺と前記回転軸を接合する前記弾性ヒンジの接合方向は、前記回転中心から半径方向に前記実行長ｈより内側に位置する可動辺の接合部と、前記実行長ｈより外側に位置する回転軸の接合部とを弾性ヒンジで接合したことを特徴とする。
また、本発明は、回転軸の回転中心から半径方向に実行長ｈの位置で弾性ヒンジにより固定部に接合された可動辺と、一端が弾性ヒンジで前記可動辺に接合され他端が弾性ヒンジで回転軸に接合された複数の互いに平行な実行長ｈの変形辺とからなる平行バネリンクを少なくとも２つ備えることにより前記回転軸の回動を許容する回転軸保持機構であって、前記固定部と前記可動辺を接合する前記弾性ヒンジの接合方向は、前記回転軸の回転中心から半径方向に前記実行長ｈより内側に位置する可動辺の接合部と、前記実行長ｈより外側に位置する固定部の接合部とを接合したことを特徴とする。
また、本発明は、回転粘度計であって、上記の回転軸保持機構を、回転粘度計のトルク測定軸の保持機構として用いたことを特徴とする回転粘度計である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、平行バネリンク機構を採用したので回転方向以外の変形に対して剛性の高い精密な回転軸保持機構が提供でき、エアベアリング等に比べて低コストでメンテナンスや取り扱いが容易であり、また、回転軸に横荷重が負荷された際に、少なくとも一つの平行バネリンクにおいてリンク内の全ての弾性ヒンジが引っ張り応力で回転軸を支えるようにしたので、弾性ヒンジ部の座屈による耐荷重性能が改善される。
また、本発明の回転軸保持機構を用いた回転粘度計では、座屈による耐荷重性能の改善により弾性ヒンジ部のさらなる薄型化が可能となり弾性ヒンジによる応力トルクを小さくすることができ高精度のトルク検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の回転軸保持機構の原理を説明した図である。
【図２】図２は、本発明の回転軸保持機構の一実施例を示した図である。図２の構造では、Ｂを回転軸側、Ｅを固定部側として用いることもできるし、逆に、Ｂを固定部側、Ｅを回転軸側として用いることもできる。
【図３】図３は、特許文献１の従来の回転軸保持機構の原理を説明した図である。
【図４】図４は、本発明の回転軸保持機構の、回転粘度計の回転軸保持機構への応用例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
まず、特許文献１の従来型の平行バネリンクによる回転軸保持機構について、図３を参照して説明する。図３において、Ａ：可動辺、Ｂ：固定部、Ｃ１、Ｃ２：変形辺、Ｄ：弾性ヒンジ、Ｏ：回転軸（ＯからＤに至る間は変形せずに剛体として一体的に回動する）であり、平行バネリンクの可動辺Ａは、互いに平行な変形辺Ｃ１、Ｃ２の実行長ｈと等しい半径ｈの円弧を描く。回転軸Ｏの中心としたい位置より、平行バネリンクに傾き（変形辺Ｃ１、Ｃ２の傾き）と長さ（ｈ）が一致する地点に回転軸Ｏと可動辺Ａとを接合する弾性ヒンジＤを設ける。このとき弾性ヒンジＤは可動辺Ａからみて回転軸Ｏの中心位置側に向けて回転軸と接合する。すると、回転軸Ｏは可動辺Ａの円弧状の運動に従う回転軸を構成する。この弾性ヒンジＤの位置に規定はないので、回転軸Ｏの位置は自由に設定できる。そして、図３の平行バネリンクが一つだけだと，弾性ヒンジＤにより回転軸Ｏの位置は固定されないので、一つの回転軸Ｏに対して方向の異なる二つ以上の平行バネリンクを組み合わせることで、回転軸Ｏの位置を決定できる。
以上説明した従来型の平行バネリンクによる回転軸保持機構では、回転軸に横荷重が加わった場合に、例えば、可動辺Ａと回転軸Ｏを接合する弾性ヒンジＤに引っ張り荷重がかかれば、変形辺Ｃ１、Ｃ２の両端の弾性ヒンジＤには圧縮荷重（座屈モード）がかかり、逆に、可動辺Ａと回転軸Ｏを接合する弾性ヒンジＤに圧縮荷重（座屈モード）がかかれば、変形辺Ｃ１、Ｃ２の両端の弾性ヒンジＤには引っ張り荷重がかかることとなり、一つの平行バネリンク内の弾性ヒンジには圧縮を受けているものと引っ張りを受けているものとが同時に存在するので、圧縮荷重のかかる弾性ヒンジ部の座屈破壊を防止するために弾性ヒンジ部の薄肉化に限界が有り、弾性ヒンジによる応力トルクを十分に小さくすることが必ずしもできなかった。
【００１０】
そこで、本発明では、回転軸に横荷重が加わった際に、一つの平行バネリンク内の弾性ヒンジが圧縮のみか、引っ張りのみの組み合わせとなるように改良するとともに、平行バネリンクを複数具備することで、あらゆる方向からの横荷重について、少なくとも一つの平行バネリンクにおいてリンク内の全ての弾性ヒンジが引っ張り応力で軸を支えるようにしたものである。
図１は、本発明の原理を説明するための図であり、図３の従来技術と異なるところは、回転軸と可動辺とを接合する弾性ヒンジＤの接合方向を逆にした点、つまり、可動辺Ａから見て回転軸の中心位置方向ではなく反対側の外側の回転体の一部Ｅに対して弾性ヒンジＤで接合した点である。Ａ：可動辺、Ｂ：固定部、Ｃ１、Ｃ２：変形辺、Ｄ：弾性ヒンジ、Ｏ：回転軸、Ｅ：回転軸の回転体の一部であり、平行バネリンクの可動辺Ａは、互いに平行な変形辺Ｃ１、Ｃ２の実行長ｈと等しい半径ｈの円弧を描く。回転軸Ｏの中心としたい場所より、平行バネリンクに傾き（変形辺Ｃ１、Ｃ２の傾き）と長さ（ｈ）が一致する地点に回転軸Ｏ（図では中心軸部分が中空な回転軸の回転体の一部Ｅ）と可動辺Ａを接合する弾性ヒンジＤを設ける。すると、回転軸Ｏは可動辺Ａの円弧状の運動に従う回転軸を構成する。但し、注意を要するのは、可動辺Ａと弾性ヒンジＤで接合される回転軸の回転体の一部Ｅは、接合点の弾性ヒンジＤから見て回転軸Ｏの回転中心側ではなく半径方向外側に配置され、可動辺Ａが接合点の弾性ヒンジＤから見て回転中心側に配置される接合方向を採用した点が肝要である。言い換えれば、可動辺Ａと回転軸Ｏを接合する弾性ヒンジＤの接合方向は、回転中心から半径方向に実行長ｈより内側に位置する可動辺Ａの接合部と、前記実行長ｈより外側に位置する回転軸Ｏ（Ｅ）の接合部とを弾性ヒンジＤで接合したことを特徴とするものである
なお、図１において、回転軸の回転体の一部Ｅから接合点の弾性ヒンジＤまで伸びている部材は回転体の一部Ｅと同様に回転軸と一体に剛体として回動することを表しているものである。また、図１では回転軸と可動辺とを接合する弾性ヒンジの接合方向の説明をわかりやすくするために中心軸部分に実体を持たない中空の回転軸を用いて説明したが、本発明の回転軸保持機構は必要とする回転量が小さい回転を許容するものであることを前提としているので、中実の回転軸であっても、中実の回転軸に穴や凹部や変形溝などを設け、当該穴や凹部や変形溝の内部に可動辺等の平行バネリンクの一部または全部を入れることによって前記接合方向を実現させることも可能である。
図１の本発明の平行バネリンク要素が一つだけだと、ヒンジＤによりＯの位置は固定されない。しかし、方向の異なる二つ以上の平行バネリンク要素を一つのＯに対して組み合わせることで、回転軸Ｏの位置を決定できる。但し、二つの平行バネリンク要素の場合、力の方向によっては、全てのヒンジ部に対して圧縮応力となる。通常三つ以上の本平行バネリンク要素を組み合わせることで、これを回避する（後述する軸を水平に配置した場合などは三つ以上が絶対条件ではない）。
なお、より現実的には、図１の構成の回転軸側Ｅを固定し、平行バネリンクの固定辺側Ｂを軸心を実体として含む可動軸とする構成となる（後述する図２のハッチング部分の構成を参照）。この場合の構成要素は、固定軸の固定部と可動軸を遠ざける方向に働く力は、構成する各弾性ヒンジ要素に対して引っ張り力となる。逆に、近づける方向の力は、各弾性ヒンジ要素に対して圧縮力として作用し、座屈モードが生じる。このように構成した平行バネリンク要素を３以上の方向から軸に接続すると、軸の横荷重に対する応力は、１つ以上の平行バネリンク要素において引っ張り応力のみとなり、他の平行バネリンク要素の座屈応力を解消する。ここで、３以上の方向としているのは絶対条件ではなく、例えば、軸を水平につり下げてつり下げた方向のみに荷重が掛かる軸では、下方向に引っ張る要素を省略できる。この構成により、より薄い部材を用いた弾性ヒンジ構造を構成することが可能となり、回転に対する復元力の小さい回転軸を作成することが可能となる。また、軸を水平に配置する等、軸に対して垂直方向の力を受けやすい構成での使用法に利用できる。
【実施例】
【００１１】
本発明の原理を図示した図１の例では、回転体の一部Ｅは中心軸部分に実体を持たないので、固定部Ｂを中心軸を含む領域に移動できる。この様にすると、中心軸を含む固定部であった部分を回転部とし、回転体であった部分を固定部とするように入れ替えて使用することができる。この構造を３方向から中心軸を含む図１のＢの領域を接続するためには、Ｂ上の弾性ヒンジの位置を可動辺方向にずらす必要がある。
このように構成した実施例を、図２に示す。図２において、Ａ：可動辺、Ｂ：回転部、Ｄ０〜Ｄ２：弾性ヒンジ、Ｏ：回転軸心、Ｅ：固定部であり、３方向から平行バネリンクを用いて回転軸を支える軸受けが作成される。なお、図２のハッチング部分が図１の平行バネリンク要素の一個分に対応する、ただし固定部Ｅと回転部Ｂが入れ替わっている（図１ではＢが固定部でＥが回転体の一部であった）。図２では、固定部となったＥの部分を適当な方法で固定し、回転軸実体を回転部Ｂ上の中心穴に通して回転軸実体と回転部Ｂを互いに固着し、回転部Ｂは回転軸実体と一体的に回動する。当該軸受けで、最も重要な点は、３つの平行バネ要素全てで、弾性ヒンジＤ１からＤ２の実効長ｈと方向が、回転軸心Ｏから弾性ヒンジＤ０までの実効長ｈと方向に一致していることであり、さらに、固定部Ｅと可動辺Ａを接合する弾性ヒンジＤ０の接合方向は、回転軸の回転軸心（回転中心）から半径方向に実行長ｈより内側に位置する可動辺Ａの接合部と、実行長ｈより外側に位置する固定部Ｅの接合部とを接合したことである。
この実施例では、回転に対する応力トルクを小さくするために、弾性ヒンジ部分を板バネを用いて製作しているが、これに限定されるものではなく、薄肉ヒンジによっても製作可能である。また、この実施例では３つの平行バネリンクを用いて構成したが、４つ以上の平行バネリンクを用いても構成できることはいうまでもなく、さらに、前述の軸を水平につり下げた方向のみに荷重が掛かる軸等では、２つの平行バネリンクでも構成可能である。
【００１２】
（回転粘度計への応用）
図４は、本発明の回転軸保持機構の回転粘度計への応用を説明するために、典型的な回転粘度計の一つである外筒回転方式の共軸二重円筒型回転粘度計の構成を示した図である。図４において、ａ・ｅ・ｆはトルク検出機構、ｂは精密な回転軸保持機構、ｃは内筒・外筒、ｄは恒温槽、ｇ・ｈは外筒の回転機構、ｉは恒温槽の昇降機構である。図４の外筒回転方式の共軸二重円筒型回転粘度計では、内筒と外筒の間に試料流体を入れ外筒を回転させた時の内筒に働くトルクを内筒軸に設けたトルク検出機構で検出することにより試料流体の粘度を測定する。図の例では、内筒軸が回転変位したときその回転変位を相殺するだけのトルクを内筒軸に負荷し、負荷したトルクの値を算出することによってトルクを検出する方式であって、内筒軸はほとんど回転しないが、トルクを正確に検出するためには回転の負荷変動が小さい精密な回転軸保持機構を用いる必要がある。そのため、従来は、回転の負荷変動が小さいエアベアリングの使用や、本発明者等による特許文献１の回転軸保持機構が提案されてきた。しかしながら、エアベアリングはコストと扱いやすさの両面で難点があり、特許文献１の回転軸保持機構は、前述のとおり軸へ横荷重が加わったときの薄い弾性ヒンジ部の座屈限界により、耐荷重性能の限界が低くなってしまうという難点があった。
そこで、回転粘度計の回転軸保持機構として、従来のエアベアリングや特許文献１の保持機構を、本発明の回転軸保持機構で置き換えた回転粘度計とすることにより、コストと扱いやすさの両面でより優れた回転粘度計とすることができ、また、回転軸へ加わる横荷重に対しても耐荷重性能の限界が高い回転粘度計とすることが可能である。
このようにして得られた回転粘度計は、軸の剛性及び耐荷重性能の限界を高く、且つ、慣性モーメントを小さくできるので、回転粘度計のトルクメータとしては理想的である。これにより、測定可能な領域を広げることが出来る。慣性モーメントが小さいことで、応答速度が上昇し、特に、レオメータの周波数領域拡大に貢献する。さらに、価格面だけでなく、性能の向上、メンテナンスの軽減や扱いやすさの向上が見込める。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明の回転軸保持機構は、高精度のトルク測定が必要な回転粘度計の回転軸を保持する機構として開発したものであるが、特にこれに限定されることなく、必要とする回転量が小さい回転軸の保持機構として広く用いることができる。
【図１】
2015184095.tif 000003
【図２】
2015184095.tif 000004
【図３】
2015184095.tif 000005
【図４】
2015184095.tif 000006