(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動時に変動トルクが作用する回転軸に装着されるトルク補償カムと、トルク補償カムに係合するカムフォロアと、カムフォロアをトルク補償カムに押圧しトルク補償カムを介して変動する負荷を回転軸に加えるための弾性力発生装置とを有し、回転軸に作用する変動トルクを相殺するよう構成されたトルク補償装置において、上記トルク補償カムが、回転軸を駆動し測定して得たトルク変動データに基づく変動トルクを、回転軸が等速回転すると仮定したときの値に修正した修正変動トルクを相殺する形状を有していることを特徴とするトルク補償装置。
【請求項２】
請求項１に記載のトルク補償装置において、上記トルク補償カムが、回転軸が０ラジアンから２πラジアンまで一周期回転する間の上記修正変動トルクから、その修正変動トルクの平均値またはその近似値を差し引いた変動分のトルクを相殺する形状を有していることを特徴とするトルク補償装置。
【請求項３】
連続的に一方向へ回転駆動される回転軸に装着されるトルク補償カムと、トルク補償カムに係合するカムフォロアと、カムフォロアをトルク補償カムに押圧しトルク補償カムを介して変動する負荷を回転軸に加えるための弾性力発生装置とを有し、回転軸に作用する変動トルクを相殺するよう構成されたトルク補償装置において、上記トルク補償カムが、回転軸が０ラジアンから２πラジアンまで一周期回転する間の測定データに基づく変動トルクを次式で定めるように修正した修正変動トルク
【外１】
0004084477.tif 000030
を相殺する形状を有していることを特徴とするトルク補償装置。
【数１】
0004084477.tif 000031
ここで、ｉは２からｎまでの整数、ｔｈは一周期回転に要する時間でｔｈ＝ｔｎ，Ｍｉは時間ｔｉにおける回転軸の測定されたトルク、θｉは時間ｔｉにおける回転軸の測定された角度変位である。
【請求項４】
請求項３に記載のトルク補償装置において、上記トルク補償カムが、回転軸が一周期回転する間の上記修正変動トルクから、その修正変動トルクの平均値またはその近似値を差し引いた変動分のトルクを相殺する形状を有していることを特徴とするトルク補償装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項に記載のトルク補償装置において、上記回転軸が、伝動カム装置を介して入力軸の連続回転運動を出力軸の所定形式の運動に変換する運動変換装置における上記入力軸であることを特徴とするトルク補償装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動時に変動トルクが作用する回転軸に装着されるトルク補償カムと、トルク補償カムに係合するカムフォロアと、カムフォロアをトルク補償カムに押圧しトルク補償カムを介して変動する負荷を回転軸に加えるための弾性力発生装置とを有し、回転軸に作用する変動トルクを相殺するようになっているトルク補償装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、連続回転運動を間欠的回転運動、揺動回転運動等の特殊な回転運動、或いはこれら回転運動同士、若しくはこれら回転運動と直線運動とを組み合わせたような運動等の所定形式の運動に変換するための運動変換装置が知られている。
即ち上記運動変換装置は、モータ等の駆動装置に連結される入力軸と、ターンテーブル或いはコンベヤ等の被駆動体に連結される出力軸とを備え、入力軸の連続回転運動を伝動カム装置を介して上記した如き所定形式の運動に変換し、この変換された運動を出力軸を介して被駆動体に伝達する構成になっている。
このような運動変換装置の作動時には、出力軸に作用して絶えず変動するトルクの反力が変動トルクとして入力軸に作用する。この変動トルクは、入力軸の均一な回転を妨げ作動時の振動及びそれに伴う作動誤差を生じるため、トルク補償装置を設けてその変動トルクを相殺することが一般に行われている。
【０００３】
例えば特開平１−１２０４７２号公報には、空気ばね式のトルク補償装置が提案されている。このトルク補償装置は、入力軸の連続回転運動が出力軸の運動に変換される際に発生する変動トルクに対しこのトルクと全く正反対のトルクを作りだし、これを入力軸に作用させることにより変動トルクを相殺することを可能にするもので、予め設計されたカム曲線を持つトルク補償カムに係合するカムフォロアの作動及びそれに伴うピストンのシリンダ内での往復移動により入力軸に加えるトルクの大きさを調整する構成となっている。この構成により、入力軸が一周期即ち３６０度回転する間の全ての区間にわたって入力軸トルクが一様かつ零に近い値になり、運動変換装置における変動トルクによる悪影響を除去できると同時に、駆動用モーターの容量を小さくすることが可能となった。
【０００４】
しかしながら、特開平１−１２０４７２号公報に開示されたトルク補償装置は、出力軸の慣性負荷や出力軸に作用するバネ力等の保存的なエネルギーを補償の対象としており、出力軸に作用する摩擦力等の保存的でない散逸的な力が作用する場合のトルク変動については考慮していなかった。即ち、摩擦力等は熱等に変換され発散してしまい、一般的には必要最小限のエネルギーロスと考えられているもので、上記公報には、摩擦力による変動トルクを補償しようという考え方は存在しなかった。しかし特定のカム機構においては摩擦力が支配的であったり無視できない場合があり、上記公報に記載の装置は、そのような状況に対処し得るものではなかった。
【０００５】
特開平９−２６９０４１号公報には、慣性負荷により入力軸に作用する変動トルクを相殺するばかりでなく、摩擦負荷により入力軸に作用する変動トルクの一部をも相殺することができ、しかも相殺し得ない変動トルクによりもたらされる不都合を最小限にすることができるようなトルク補償装置が提案されている。
【０００６】
詳述すれば、特開平９−２６９０４１号公報に記載のトルク補償装置は、摩擦負荷により入力軸に作用する変動トルクのうちで、その変動トルクから該変動トルクの平均値またはその近似値を差し引いた変動分のトルクは周期性を有し相殺可能であるという知見に基づいて構成されたものである。そして、その具体的構成は、伝動カム装置を介して入力軸の運動を出力軸の運動に変換する時に入力軸及び出力軸の少なくとも一方に作用する摩擦負荷により入力軸に作用する変動トルクからその変動トルクの平均値またはその近似値を差し引いた変動分のトルクと、慣性負荷により入力軸に作用する変動トルクとを、トルク補償装置の作動により入力軸に加えられる変動トルクによって相殺するようにしたものである。
この構成によれば、慣性負荷により入力軸に作用する変動トルクだけでなく、摩擦負荷により入力軸に作用する変動トルクの一部をトルク補償装置によって相殺するために、運動変換装置の作動時における振動及びそれに伴う作動誤差を効果的に軽減させることができる
【０００７】
なお、上記した変動トルクの「平均値」とは、入力軸が一周期の回転（即ち３６０度、２πラジアンの回転) をする間に入力軸に作用し絶えず変動するトルク値を平均して得られたトルク値を意味する。そして、入力軸が一周期回転する間に変動するトルクから、その回転の全域で一定値である上記平均値もしくはその近似値を差し引いて得られたトルクが、上記した「変動分のトルク」である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の運動変換装置におけるトルク補償装置のカム、即ちトルク補償カムの形状を設計する場合には、予め考えられる負荷状態を考慮し、それを数式化したものに従い設計する方法が一般的であった。そのような方法は、負荷の分布状態が明白で、かつそれが数式で表される連続量であることを前提とした計算を行うため、負荷条件が解析に必要な項目を満たしている場合にはかなり厳密なカム曲線を導きだすことができる。しかしながら、一般的に負荷条件を正確に把握することは難しく、またその数式化が困難なこともあるため、個々の運動変換装置に対し、常に最適なカム曲線を有するトルク補償カムを設計するこは困難であった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決し、実際の負荷状態に適合したカム曲線を有するトルク補償カムを備えたトルク補償カム装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
すなわち本発明は、駆動時に変動トルクが作用する回転軸に装着されるトルク補償カムと、トルク補償カムに係合するカムフォロアと、カムフォロアをトルク補償カムに押圧しトルク補償カムを介して変動する負荷を回転軸に加えるための弾性力発生装置とを有し、回転軸に作用する変動トルクを相殺するよう構成されたトルク補償装置において、上記トルク補償カムが、回転軸を駆動し測定して得たトルク変動データに基づく変動トルクを、回転軸が等速回転すると仮定したときの値に修正した修正変動トルクを相殺する形状を有していることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、連続的に一方向へ回転駆動される回転軸に装着されるトルク補償カムと、トルク補償カムに係合するカムフォロアと、カムフォロアをトルク補償カムに押圧しトルク補償カムを介して変動する負荷を回転軸に加えるための弾性力発生装置とを有し、回転軸に作用する変動トルクを相殺するよう構成されたトルク補償装置において、上記トルク補償カムが、回転軸が０ラジアンから２πラジアンまで一周期回転する間の測定データに基づく変動トルクを次式で定めるように修正した修正変動トルク
【外２】
0004084477.tif 000002
を相殺する形状を有していることを特徴とするトルク補償装置を提供する。
【数２】
0004084477.tif 000003
ここで、ｉは２からｎまでの整数、ｔｈは一周期回転に要する時間でｔｈ＝ｔｎ，Ｍｉは時間ｔｉにおける回転軸の測定されたトルク、θｉは時間ｔｉにおける回転軸の測定された角度変位である。
【００１２】
好ましくは、上記トルク補償カムは、回転軸が０ラジアンから２πラジアンまで一周期回転する間の上記修正変動トルクから、その修正変動トルクの平均値またはその近似値を差し引いた変動分のトルクを相殺する形状を有している。
【００１３】
なお、例えばある特定の運動変換装置に装着するためのトルク補償装置を設計する場合に、運動変換装置の回転軸即ち入力軸に作用する変動トルクの測定は、運動変換装置が完成した後にそれを作動させて行えばよい。
【００１４】
【発明の作用効果】
本発明においては、トルク補償カムを装着すべき回転軸に作用する変動トルクを実際に測定し、その測定したトルクデータに基づく変動トルクを、回転軸が等速回転すると仮定したときの値に修正した修正変動トルクを相殺する形状を有している。このように、トルク補償カムの形状が実際に測定したデータに基づく変動トルクを修正した修正変動トルクを相殺する形状に設計されているために、回転軸に作用する変動トルクを良好に相殺することができる。
また、トルク補償カムの形状を、上記した修正変動トルク
【外３】
0004084477.tif 000004
を相殺するように設計すれば、変動トルクの相殺をより良好に行うことができる。
さらに、トルク補償カムの形状を、回転軸が一周期回転する間の上記修正変動トルクから、その修正変動トルクの平均値またはその近似値を差し引いた変動分のトルクを相殺する形状を有するように設計すれば、摩擦負荷に基づいて回転軸に生じる変動トルクの一部をも相殺することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を適用することができるトルク補償装置２を装着した運動変換装置１を示しており、（Ａ）はその部分断面正面図、（Ｂ）は部分断面側面図である。トルク補償装置２は、運動変換装置１の入力軸４に嵌着されたトルク補償カム１１と、カムフォロワ１２と、弾性力発生装置とを有している。弾性力発生装置は、機械要素の圧縮ばねからなりスライドガイド１５及びばね受け１６からなるハウジング内に収納されたばね部材１３を有する。ばね部材１３は、スライダ１４に回転可能に装着されたカムフォロア１２をトルク補償カム１１へ向けて押圧している。上記弾性力発生装置とカムフォロア１２とを有するユニットは、運動変換装置１の側面に取付けボルト１７により固定されている。また、図中、１０は、出力軸８に固着した完成質量体を示している。
上記運動変換装置の作動時には、回転軸即ち入力軸４に加えられた連続回転運動が運動変換装置１内に設けられている伝動カム装置（図２の３参照) を介して出力軸８へ伝達されて運動が間欠回転運動に変換され、同時に入力軸４に嵌着されたトルク補償カム１１が回転して、スライダ１４を上下に移動させてばね部材１３を伸縮させつつ、カムフォロア１２を回転させる。
このようなトルク補償カム１１の回転およびそれに伴う弾性力発生装置の作動によって、入力軸４の回転運動を出力軸８の間欠回転運動に変換するときに入力軸に作用する変動トルクが相殺される。本発明は、このようなトルク補償装置におけるトルク補償カム１１に適用し得るものである。
【００１６】
図２は、図１に示した運動変換装置１の内部構成を示している。即ちこの運動変換装置１はインデキシングドライブとして構成されており、従来の構成と同様に、ハウジング５内に外部駆動装置から伝達される回転駆動力を伝える入力軸４と、伝動カム装置３とを具備する。伝動カム装置３は、入力軸４に設けた割出用カム６と、出力軸８に嵌着され、割出用カム６にころがり接触するカムフォロア９を有するターレット７とを有する。なお、このインデキシングドライブに代えて、公知のパラレルカム式インデックス等を使用することも、もちろん可能である。
【００１７】
本発明は、図１および図２に示したようなトルク補償装置におけるトルク補償カムに適用し得るものであり、その基本的特徴は、トルク補償カムの形状即ちカム曲線を、実際に測定したトルクデータに基づく変動トルクを相殺するようなものに設計する点にある。
そのトルクデータは、例えば図３に示した機器を使用して得ることができる。即ち、例えば、運動変換装置１の入力軸４にモータ等の駆動装置２０と、トルク変換器２１とを装着し、駆動装置２０によって入力軸４を所定の回転数で駆動して、トルク変換器２１の出力トルクを動ひずみ計測器等の計測器２２によって計測することにより、トルクデータを得ることができる。このようにして得たトルクデータは、パソコン等のデータ処理装置２３に入力して、必要な解析をするとよい。好ましくは、ロータリーエンコーダ等の回転角度検出器２４を入力軸４に連結して、入力軸４の角度変位若しくは角速度をも測定し、後記する解析を行って、トルクデータに基づく変動トルクを、入力軸が等速回転すると仮定したときの値に修正して得た修正変動トルクを相殺するような形状のトルク補償カムを設計するとよい。
【００１８】
既述のように、従来技術においては、負荷状態を予測しそれを数式化したものに従って相殺すべき変動トルクを求め、それを解析してトルク補償カムの形状を設計していた。これに対し、本発明では、実際の測定により得たトルクデータに基づいて相殺すべき変動トルクを決定する。
また、一般に、トルクが変動している場合の入力軸の回転は等速ではないため、測定されるトルクデータも等速回転時のデータではない。しかし、トルク補償装置を用いることにより入力軸回転は等速に近づくため、設計段階でできるだけ等速時のトルク変動を把握したいところである。従って、トルクデータに基づく変動トルクを、入力軸が等速回転すると仮定したときの値に修正して得た修正変動トルクを相殺するようにするのが、より好ましい。そこで、本発明の好ましい実施形態においては、トルク変動だけでなく、入力軸の角度変位θ若しくは入力軸の回転速度
【外４】
0004084477.tif 000005
をも測定する。
【００１９】
なお、相殺すべき変動トルクを解析してそれを相殺するトルク補償カムのカム曲線の形状を設計する手法自体は周知であり、例えば特開昭第９−２６９０４１号公報には、慣性負荷により生じる変動トルクだけでなく、摩擦負荷によりより生じる変動トルクの一部をも相殺するためのトルク補償カムの形状を設計する解析手法が記載されている。
以下、相殺すべき上記修正変動トルクを定めるための解析法について説明し、また、その修正変動トルクを相殺するトルク補償カムのカム曲線の形状を設計する手法についても、簡単に説明する。
【００２０】
運動変換装置の入力軸の回転角度をθ、出力軸の回転角度をτ、出力軸に作用するトルクＭｏにより入力軸に発生するトルクをＭとすると、微小時間ｄｔにおいてそれぞれの軸のなす仕事量は、出力軸上でＭｏ・d τ、入力軸上でＭ・d θとなる。ここで、出力軸から入力軸への換算が効率１００％と仮定すれば、仮想仕事の原理により、両者の仕事量は同じとなることから、次式が成立する。
【数３】
0004084477.tif 000006
上記（ａ）式により、入力軸トルクＭと入力軸の回転速度
【外５】
0004084477.tif 000007
との間には、次式で示される関係が成立する。
【数４】
0004084477.tif 000008
【００２１】
図４は、入力軸がθo ＝０ラジアンからθｎ＝２πラジアンまで一周期回転し、その一周期に要する時間がｔo ＝０からｔn ＝ｔh であるときの、入力軸の回転角度と時間との関係を示しており、線Ａは測定された回転角度と時間との関係、線Ｂは入力軸が等速回転すると仮定したときの回転角度と時間との関係（計算値) を示している。また、図５は、同一時間に測定されたトルクデータに基づく変動トルクＭi を示している。
ここで、測定された角速度を
【外６】
0004084477.tif 000009
等速回転時即ち平均の角速度を
【外７】
0004084477.tif 000010
とすると、それら角速度は、次式で表わされる。なお、ここで、ｉは２以上の整数（ｉ＝２，３，４------ｎ）を示す。
【数５】
0004084477.tif 000011
【００２２】
上記（ｂ）式より分かるように、入力軸のトルクと角速度は反比例するため、測定した変動トルクＭi （ｉ＝２，３，------ｎ）を等速時のデータに修正した変動トルク
【外８】
0004084477.tif 000012
は、次式のようになる。
【数６】
0004084477.tif 000013
図６は上式（ｃ）で示される修正変動トルク
【外９】
0004084477.tif 000014
を、測定された変動トルクＭi と比較して示している。修正変動トルク
【外１０】
0004084477.tif 000015
は、より等速駆動時のトルク分布に近いと考えられるものであるため、トルク補償カムの形状は、この修正変動トルクを相殺するように設計するのが好ましい。
【００２３】
次に、修正変動トルク
【外１１】
0004084477.tif 000016
を相殺するトルク補償カムの設計手法を簡単に説明する。
修正変動トルク
【外１２】
0004084477.tif 000017
を相殺するトルク補償カムを設計する際には、図６に示した修正変動トルク
【外１３】
0004084477.tif 000018
のトルク変動を積分して時間毎の累積、即ち図７に示される
【外１４】
0004084477.tif 000019
を求め、さらに、入力軸が1 周期回転する間に消費される
【外１５】
0004084477.tif 000020
のエネルギーを均一に消費する場合の線
【外１６】
0004084477.tif 000021
（図７参照) を求めて、その線の傾きに相当し次式で表される平均トルク
【外１７】
0004084477.tif 000022
を求める。
【数７】
0004084477.tif 000023
【００２４】
修正変動トルク
【外１８】
0004084477.tif 000024
と平均トルク
【外１９】
0004084477.tif 000025
とは、図８に示されているようなものになる。ここで、平均トルク
【外２０】
0004084477.tif 000026
は、摩擦負荷により入力軸に作用する変動トルクのうちの相殺もしくは補償できないトルクである。この点は、既述の特開平第９−２６９０４１号公報に記載されている通りである。従って、トルク補償装置のトルク補償カムの形状は、次式で表され、また図９に示されている変動トルク
【外２１】
0004084477.tif 000027
を補償するように設計すればよい。
【数８】
0004084477.tif 000028
【００２５】
なお、上記の記載においては、修正変動トルクから、その修正変動トルクの平均値を差し引いた変動分のトルク、即ち摩擦負荷により入力軸に作用する変動トルクの一部をも相殺するものとしているが、摩擦負荷によるトルクを無視する場合には、トルク補償カムの形状は、修正変動トルク
【外２２】
0004084477.tif 000029
を補償するように設計すればよい。
また、トルクの変動を補償する適切な形状のカムを設計したときに、弾性力発生装置が、そのカムの形状に応じて適切に変化する負荷を入力軸に加えるようになっていなければならないことは、当然である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用することができるトルク補償装置が装着されている運動変換装置を示す図。
【図２】上記運動変換装置として採用することができるインデキシングドライブを示す断面図。
【図３】運動変換装置の作動時に入力軸に生じる変動トルクと入力軸の回転変位とを測定する装置を示す概略図。
【図４】測定された入力軸の回転角度とその回転角度を平均した平均回転角度とを時間の関数として示す図。
【図５】測定された入力軸の変動トルクを時間の関数として示す図。
【図６】測定された入力軸の変動トルクと、それを等速回転時のものに近づくように修正した修正変動トルクとを時間の関数として示す図。
【図７】上記した修正変動トルクを積分して時間毎の累積を求めた線と、その線から時間当りに均一にエネルギーを消費させていく線とを示す図。
【図８】上記修正変動トルクとそれを平均した平均トルクとを示す図。
【図９】上記修正変動トルクから上記平均トルクを差し引いた、補償すべき変動トルクを示す図。
【符号の説明】
１  運動変換装置
２  トルク補償装置
３  伝動カム装置
４  入力軸
６  割出用カム
７  ターレット
８  出力軸
９  カムフォロワ
１１  トルク補償カム
１２  カムフォロア
１３  ばね部材
２０  駆動装置
２１  トルク変換器
２２  計測器
２３  データ処理装置
２４  回転角度検出器
【図１】
0004084477.tif 000032
【図２】
0004084477.tif 000033
【図３】
0004084477.tif 000034
【図４】
0004084477.tif 000035
【図５】
0004084477.tif 000036
【図６】
0004084477.tif 000037
【図７】
0004084477.tif 000038
【図８】
0004084477.tif 000039
【図９】
0004084477.tif 000040