JP4893825B2 - 回転駆動機構の寿命試験装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は寿命試験装置及び方法に係り、より詳細には、回転駆動機構に繰り返しトルクを印加して寿命試験を行うための寿命試験装置及び方法に関する。

電気機器や電子機器などの製造物や機械部品の組み立てにはねじが用いられることが多い。製造工程においてねじ締めを行うために、ねじ締め装置が用いられる。ねじ締め装置は一般的にねじ締めドライバと称される。ねじ締めドライバは、電気モータ等の回転駆動源と、回転駆動源の回転力（トルク）をドライバ・ビットに伝えるための回転駆動機構を有している。

回転駆動機構は、回転力を伝えるための歯車列及び歯車の軸を回転可能に支持する軸受等を有する。製造工程において、ねじ締めドライバはねじ締め動作を繰り返し行うため、回転駆動機構の歯車や軸受には、ある程度の繰り返し動作に耐えられるような寿命が要求される。

回転駆動機構の歯車や軸受の寿命は、個々の部品としてある程度推定できるが、多数の歯車や軸受が組み合わされて構成される回転駆動機構としての寿命を推定するのは難しい。従来は、ねじ締めドライバを実際に使用しながら故障した時点で、故障した部品を交換したり、新品と交換したりしていた。

このように、従来はねじ締めドライバ全体の寿命を判定するための寿命試験は行われておらず、したがって、ねじ締めドライバ等の回転駆動機構に関する寿命試験装置を開示した先行文献を特定することはできない。

上述のように、従来はねじ締めドライバ全体の寿命を判定するための寿命試験は行われていなかったため、ねじ締めドライバの寿命を推定することができず、ねじ締めドライバの寿命がきて故障するまで使用することが多かった。しかし、製造工程中にねじ締めドライバが故障すると、製造工程を中断して修理することとなり、生産計画に支障をきたすという問題があった。

本発明の総括的な目的は、上述の問題を解決した新規で有用な回転駆動機構の寿命試験装置及び方法を提供することである。

本発明のより具体的な目的は、ねじ締めドライバ等の回転駆動機構の寿命試験を簡単に短時間で行うことのできる寿命試験装置及び方法を提供することである。

本発明の一つの局面によれば、回転駆動機構の寿命試験装置であって、該回転駆動機構に接続可能に構成された軸と、該軸が固定され、該軸を中心に回転可能に構成された重りと、前記重りを回転可能に支持する支持部材と、該支持部材を前記軸の前記長手方向に移動可能に案内するスライドガイドと、前記支持部材を前記軸の前記長手方向に往復移動させる駆動源とを有し、前記重りは前記軸の長手方向に移動可能に構成され、前記回転駆動機構は、ねじ締めドライバに組み込まれた回転駆動機構であり、前記軸は該ねじ締めドライバに用いられるビットの形状と同じ形状であることを特徴とする回転駆動機構の寿命試験装置が提供される。

また、本発明の他の局面によれば、ねじ締めドライバに組み込まれ、ネジ締めドライバに用いられるビットの形状と同じ形状である軸を接続可能に構成した回転駆動機構の寿命試験方法であって、該回転駆動機構に接続した前記軸に所定の重量の重りを接続し、前記回転駆動機構を駆動して前記軸を回転させ、該重りを繰り返し回転させることにより、前記回転駆動機構に繰り返してトルクを印加し、前記重りを回転軸の長手方向に沿って往復動させながら前記回転軸駆動機構を駆動することを特徴とする回転駆動機構の寿命試験方法が提供される。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、一層明瞭となるであろう。

本発明によれば、ねじ締めドライバ等の回転駆動機構の寿命試験を簡単に短時間で行うことができる。したがって、ねじ締めドライバの寿命が来る前に予め修理や交換を行うことができ、ねじ締めドライバの寿命に起因した故障などにより製造工程作業が中断されるといった問題を解消することができる。

ねじ締めドライバの寿命試験を行うための方法の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施例による寿命試験装置の斜視図である。 図２に示す寿命試験装置にねじ締めドライバを取り付けた状態を示す斜視図である。 発生したトルク、モータの回転速度、及び軸の上下移動を示す波形図である。

本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

以下の説明では、寿命試験が行われる回転駆動機構としてねじ締めドライバの駆動機構を用いた例について説明する。

図１はねじ締めドライバの寿命試験を行うための方法の一例を示す斜視図である。図１において、ねじ締めドライバ２は、回転駆動機構４と、駆動源としての電動モータ６とを有する。モータ６を駆動することで、モータ６の回転力が回転駆動機構４に伝わり、回転駆動機構４に取り付けられたビット８が回転する。これにより、ビット８の先端に接続されたねじを回転させることができる。

回転駆動機構４は、モータ６の回転力を伝えるための複数の歯車と、歯車を回転可能に支持するための軸と軸受を有している。これらの歯車には、ねじ締めドライバ２が駆動される毎にトルクが加わり、歯車は徐々に摩耗する。また、軸や軸受も徐々に摩耗する。このような摩耗が大きくなると回転駆動機構４は正常な動作を行うことができなくなり、寿命となる。
ねじ締めドライバ２の出力軸にはねじ頭のリセスと噛み合いねじにトルクを伝達して回転させるビット8が着脱自在に保持される。
ねじ締め時、ねじはねじ送りされるので、ビット8とリセスとの噛み合いが外れないよう出力軸をばねで押圧する。このように、出力軸は回転と軸スライドの２動軸作を同時行う。

以上のような構成のねじ締めドライバ２の寿命試験を行うために、図１に示す例では、ビット８にレバー１０が取り付けられる。レバー１０はビット８の長手方向軸に対して垂直に延在するように取り付けられる。そして、レバー１０を押圧することができるように、エアシリンダ１２が、レバー１０の近傍に配置される。すなわち、エアシリンダ１２の出力ロッド１２ａが、レバー１０の側面に当接するように、エアシリンダ１２が配置される。

ここで、ねじ締めドライバ２の回転駆動機構４の寿命試験を行うときは、モータ６の回転軸を固定して回転できない状態としておく必要がある。モータ６の回転軸を固定した状態で、エアシリンダ１２の出力ロッド１２ａによりレバー１０を押圧すると、ビット８が回転しようとする。ところが、ビット８は回転駆動機構４を介してモータ６の回転軸に接続されているため、回転することはできず、ビット８にトルクが印加される。このトルクは回転駆動機構４の歯車に伝達される。したがって、エアシリンダ１２の出力ロッド１２ａでレバー１０を繰り返し押圧することにより、所定のトルク（ねじ締め時のトルク）を回転駆動機構４の各部に繰り返し伝えることができ、回転駆動機構４の寿命試験を行うことができる。

上述の試験方法では、回転駆動機構４内の歯車は実際に回転することはなく、歯車同士の噛み合わせ位置は変化しない。したがって、歯車には、常に同じかみ合わせ位置でトルクが印加される。また、軸と軸受の相対位置も変化せず、常に同じ位置でトルクが印加される。ところが、実際の使用では、ねじを回転させるためにビット８が回転し、回転駆動機構４の歯車も回転し、ねじが締め付けられた時点で回転が止まり、ここで最大のトルクが印加される。

したがって、図１に示すような寿命試験方法であると、回転駆動機構４の歯車は、同じ噛み合い位置で繰り返しトルクが印加されることとなり、実際の条件とは異なってしまう。すなわち、歯車の同じ噛み合い位置で繰り返しトルクが印加されるため、歯車の一部分だけが摩耗することとなり、実際の寿命より短くなってしまうおそれがある。実際の使用では、歯車が回転してから止まった位置（任意の位置）で最大トルクが印加されるので、歯車の全体がまんべんなく摩耗するはずである。

このような不都合を解消するために、本発明の一実施例による寿命試験装置は、図２に示すような構成を有している。図２は本発明の一実施例による寿命試験装置の斜視図である。

図２に示す寿命試験装置は、鋼板等の剛性のある板材で形成されたフレーム（枠体）２０を有する。フレーム２０の底板２０ａにエアシリンダ２２が取り付けられる。エアシリンダ２２の出力軸には移動台（支持部材）２４が取り付けられ、移動台（支持部材）２４はエアシリンダ２２の出力軸の移動に伴って垂直方向に移動可能である。移動台２４の垂直方向の移動を案内するために、リニアガイド２６が設けられる。

リニアガイド２６のレール２６ａは、フレーム２０の後板２０ｂに固定される。レール２６ａに沿って移動するスライダ２６ｂは、移動台２４の側面に固定される。これにより、エアシリンダ２２を駆動してその出力軸が垂直方向に移動すると、移動台２４はリニアガイド２６により案内されながら垂直方向に移動する。

移動台２４の上部には、軸３０が軸受により回転可能に支持され、円柱状の重りとして機能するイナーシャ２８が軸３０に取り付く。イナーシャ２８の上面２８ａ側の軸３０は、ねじ締めドライバ２に取り付けられて使用されるビット８の形状と同じ形状に加工されている。したがって、軸３０は、ビット８と同様に、ねじ締めドライバ２の回転駆動機構４に取り付けることができる。

フレーム２０の上板２０ｃには、ねじ締めドライバ２が取り付けられる部分が設けられている。具体的には、ねじ締めドライバ２をボルトで固定するためのねじ穴２０ｄが上板２０ｃに設けられている。

図３は図２に示す寿命試験装置にねじ締めドライバ２を取り付けた状態を示す斜視図である。

ねじ締めドライバ２がフレーム２０に取り付けられると、イナーシャ２８から垂直上方に延在する軸３０は、ねじ締めドライバ２の回転駆動機構４に取り付けられた状態となる。これによりイナーシャ２８は回転駆動機構４に接続され、ねじ締めドライバ２を作動させると、モータ６の回転力が回転駆動機構４及び軸３０を介してイナーシャ２８に伝えられ、イナーシャ２８は回転する。

イナーシャは金属等の重量のある材料で形成されており、回転する際に大きな慣性力が作用する。この慣性力により回転トルクが軸３０に印加される。すなわち、イナーシャ２８の大きさを適当に決めておけば、イナーシャ２８を回転加速させる際に所望のトルクが軸３０に印加されるように構成することができ、ねじ締めドライバ２のモータ６を駆動する毎に発生する。したがって、ねじ締めドライバ２のモータ６を断続的に駆動することにより、軸３０を介して所定の大きさのトルクを回転駆動機構４に繰り返し印加することができる。これは、あたかもねじ締めドライバ２によりねじを連続的に締めている状態に相当する。

本実施例のようにイナーシャ２８（重り）の慣性力を利用してトルクを発生させる場合、モータ６は実際のねじ締め時と同様に駆動されため、実際のねじ締め時と同じ負荷をモータ６に加えることができる。このため、本実施例による寿命試験装置で試験することにより、回転駆動機構４の試験だけではなく、モータ６の繰り返し駆動寿命試験も同時に行うことができる。すなわち、モータ６も含めた回転駆動機構４の寿命試験を行うことができる。

なお、イナーシャ２８の大きさは、発生させるべきトルクの大きさに基づいて決定することができる。イナーシャ２８の慣性モーメントをＪ、イナーシャ２８を回転させる際の角加速度をω／ｔで表すと、イナーシャ２８を回転させる際に発生するトルクＴは以下の式で算出することができる。

Ｔ＝Ｊω／ｔ （１）
円柱イナーシャ２８の慣性モーメントＪは円柱の直径Ｄの二乗に比例するため、上式（１）は、以下のようになる。

Ｔ＝1/8*ｍＤ^２ω／ｔ （２）
ここで、角加速度ω／ｔはモータ６の特性で定まる値であり、ｍは円柱の質量である。式（２）を用いてトルクＴを算出することができる。所望のトルクＴとモータ６による回転の角加速度が既知であれば、イナーシャ２８に必要な大きさを算出することができる。また、発生させるべきトルクＴを変更する場合は、イナーシャ２８の大きさを変更すればよい。

イナーシャ２８の変更は、大きさの違うイナーシャ２８に交換することで達成できる。この場合、イナーシャ２８を移動台２４から容易に取り外すことができるような取り付け構造としておくことが好ましい。あるいは、イナーシャ２８の外周に別の重りを取り付けることとしてもよい。イナーシャ２８にねじ穴等の取り付け部を設けておくことで、容易に付加的な重りを取り付けたり、取り外したりすることができる。この場合、イナーシャ２８の回転時に偏荷重とならにように、付加的な重りはイナーシャ２８の回転軸に対して点対称になるように取り付けることが好ましい。

なお、イナーシャ２８の形状は、円柱形状に限ることなく、様々な形状を使用することができるが、回転により偏荷重がかからないように、回転軸に関して点対称な形状であることが好ましい。

本実施例による寿命試験装置では、上述のように移動台２４を垂直方向に移動することができる。すなわち、エアシリンダ２２を駆動することで、イナーシャ２８を回転させながら同時に垂直方向に往復移動させることができる。この動作は、実際のねじ締め時にビット８をねじ頭に押し付ける動作と同じであり、回転駆動機構４内のスプリングの寿命試験も同時に行うことができる。また、回転駆動機構４内の軸や軸受け及び歯車にも、実際のねじ締め時に作用する荷重を印加することができ、実際のねじ締めの条件により一層近づけて寿命試験を行うことができる。

なお、図３に示すように、ねじ締めドライバ２のモータ６に流れる電流を検出してトルク値として表示する表示装置３２を、モータ６の電源供給ライン６ａに接続することができる。ねじ締めドライバ２のモータ６を駆動する電流値は、発生するトルクに比例しているため、モータ６に供給される電流値を検出することで発生したトルクを求めることができる。表示装置３２は、実際に発生しているトルクの波形を表示することができる。また、発生したトルクのピークをカウントすることで、繰り返し回数を求めて表示することもできる。また、トルク波形を観察し、トルク波形が正常時のトルク波形からはずれたときを寿命であると判断することもできる。あるいは、モータ６への入力電流が一定値を超えた場合に寿命であると判断することもできる。

次に、本実施例による寿命試験装置により行われる寿命試験方法について説明する。

まず、図２に示す寿命試験装置において、所望のトルクが発生するようにイナーシャ２８設定する。次に、図３に示すように、イナーシャ２８の軸３０をねじ締めドライバ２の回転駆動機構４に接続しながら、ねじ締めドライバ２を寿命試験装置に取り付ける。すなわち、ねじ締めドライバ２を取り付けることにより、イナーシャ２８の軸３０は、ねじ締めドライバ２の回転駆動機構４に接続され、モータ６を駆動することで、イナーシャ２８が回転することとなる。

図４は、以下に説明する寿命試験方法において、発生したトルク、モータ６の回転速度、及びイナーシャ２８（軸３０）の上下移動を示す波形図である。

ねじ締めドライバ２を寿命試験装置に取り付けたら、寿命試験を開始する。寿命試験を始める際には、エアシリンダ２２を駆動してイナーシャ２８を下降した位置にしておく。この状態は、ねじ締めドライバに取り付けたビット８がスプリングで下降した状態と同じである。 この状態で、モータ６を正転させてイナーシャ２８をねじ締め方向に回転させ、所定のトルクを発生させる。モータ６の正転とは、ねじを締める方向に軸３０が回転するようにモータ６を回転させることである。所定のトルクが発生したらモータ６の駆動は停止される。イナーシャ２８は惰性で回転し続けるが、徐々に回転速度が落ちて停止する。

イナーシャ２８が惰性で回転している間に、エアシリンダ２２を駆動してイナーシャ２８を一旦上昇させる。これにより、軸３０も上昇し、回転駆動機構４に作用していたスラスト荷重は、ビット８が上昇した状態でねじ締め初期状態と等しくなる。そして、イナーシャ２８の回転が停止する前に、エアシリンダ２２を駆動してイナーシャ２８を下降させる。

イナーシャ２８の回転が停止したら、モータ６を逆転させて、イナーシャ２８を逆回転させることにより反対方向のトルクを発生させる。モータ６の逆転とは、ねじを緩める方向に軸３０が回転するようにモータ６を回転させることである。所定のトルクが発生したらモータ６の駆動は停止される。イナーシャ２８は惰性で逆回転し続けるが、徐々に回転速度が落ちて停止する。

イナーシャ２８が惰性で逆回転している間に、エアシリンダ２２を駆動してイナーシャ２８を一旦上昇させる。これにより、軸３０も上昇し、回転駆動機構４に作用していたスラスト荷重は、ビット８が上昇した状態でねじを外す終えた状態と等しくなる。そして、イナーシャ２８の回転が停止する前に、エアシリンダ２２を駆動してイナーシャ２８を下降させる。

以上の動作により、実際のねじ締め及びねじ緩めとほぼ同じ条件下で回転駆動機構４にトルクを印加することができ、この動作を繰り返すことで寿命試験を行うことができる。なお、上述の例では、ねじ締めとねじ緩めとを同時に試験しているが、ねじ締めのみの動作による寿命を試験することもできる。この場合、モータ６の逆転を行わず、逆転の代わりに正転を行えばよい。すなわち、断続的にモータ６の正転のみを行うことで、ねじ締めの条件のみを繰り返すことができる。また、ねじ緩めのみの動作による寿命を試験する場合は、モータ６の正転を行わず、正転の代わりに逆転を行えばよい。すなわち、断続的にモータ６の逆転のみを行うことで、ねじ緩めの条件のみを繰り返すことができる。

また、図４に示す例では、トルクを発生させてから次のトルクを発生させる間にシリンダ２２を駆動してイナーシャ２８（軸３０）の上昇・下降を行っているが、一つのトルク発生が終了してから軸３０を上昇させ、その状態で次ぎのトルクを発生させ、その後、軸３０を下降させて、再びトルクを発生させることとしてもよい。ビットが上昇した位置と下降した位置とでは、回転駆動機構４に印加されるスラスト荷重に大きな変化はないため、トルク発生は回転軸３０の上昇位置のいずれであってもよい。寿命試験を目的とした場合は、回転軸３０を往復上下動させれば十分である。

上述の実施例では、ねじ締めドライバ２の回転駆動機構４を例として説明したが、ねじ締めドライバ２に限ることなく、本発明は、例えばトルクレンチなどの他の工具の回転駆動機構や、様々な回転駆動機構の寿命試験に適用することができる。

本発明は、ねじ締めドライバ等の回転駆動機構の寿命試験装置及び方法に適用可能である。

２ ねじ締めドライバ
４ 回転駆動機構
６ モータ
６ａ 電源供給ライン
８ ビット
１０ レバー
１２ エアシリンダ
１２ａ 出力ロッド
２０ フレーム
２０ａ 底板
２０ｂ 後板
２０ｃ 上板
２０ｄ ねじ穴
２２ エアシリンダ
２４ 移動台
２６ リニアガイド
２６ａ レール
２６ｂ スライダ
２８ イナーシャ
２８ａ 上面
３０ 軸
３２ 表示装置

Claims (9)

1. 回転駆動機構の寿命試験装置であって、
   該回転駆動機構に接続可能に構成された軸と、
   該軸が固定され、該軸を中心に回転可能に構成された重りと、
   前記重りを回転可能に支持する支持部材と、
   該支持部材を前記軸の前記長手方向に移動可能に案内するスライドガイドと、
   前記支持部材を前記軸の前記長手方向に往復移動させる駆動源と
   を有し、
   前記重りは前記軸の長手方向に移動可能に構成され、
   前記回転駆動機構は、ねじ締めドライバに組み込まれた回転駆動機構であり、
   前記軸は該ねじ締めドライバに用いられるビットの形状と同じ形状である
   ことを特徴とする回転駆動機構の寿命試験装置。
2. 請求項１記載の回転駆動機構の寿命試験装置であって、
   前記重りは両方向に回転可能に構成されたことを特徴とする回転駆動機構の寿命試験装置。
3. 請求項１記載の回転駆動機構の寿命試験装置であって、
   前記重りは取り外し可能に構成されたことを特徴とする回転駆動機構の寿命試験装置。
4. 請求項１記載の回転駆動機構の寿命試験装置であって、
   前記回転駆動機構の駆動源は電動モータであり、
   該電気モータに接続されて該電動モータに流れる電流を検出してトルク値に換算し、換算したトルク値を表示する表示装置を更に有することを特徴とする回転駆動機構の寿命試験装置。
5. 請求項１記載の回転駆動機構の寿命試験装置であって、
   枠体と、
   該枠体の底部に取り付けられた往復駆動部と、
   該往復駆動部の駆動軸に取り付けられた支持部材と、
   該支持部材に回転可能に支持された重りと、
   該重りの回転軸上に設けられた軸と
   を有し、
   前記枠体は、前記回転駆動機構を有する装置を取り付けるための取り付け部を有し、該装置が前記枠体に取り付けられた際に前記軸は前記回転駆動機構に接続されるよう構成されたことを特徴とする回転駆動機構の寿命試験装置。
6. ねじ締めドライバに組み込まれ、ネジ締めドライバに用いられるビットの形状と同じ形状である軸を接続可能に構成した回転駆動機構の寿命試験方法であって、
   該回転駆動機構に接続した前記軸に所定の重量の重りを接続し、
   前記回転駆動機構を駆動して前記軸を回転させ、該重りを繰り返し回転させることにより、前記回転駆動機構に繰り返してトルクを印加し、
   前記重りを回転軸の長手方向に沿って往復動させながら前記回転軸駆動機構を駆動することを特徴とする回転駆動機構の寿命試験方法。
7. 請求項６記載の回転駆動機構の寿命試験方法であって、
   前記回転駆動機構の駆動は、正転と逆転を交互に繰り返し行うことを特徴とする回転駆動機構の寿命試験方法。
8. 請求項６記載の回転駆動機構の寿命試験方法であって、
   前記回転駆動機構に印加すべきトルクの大きさに基づいて、前記重りの重量を調整することを特徴とする回転駆動機構の寿命試験方法。
9. 請求項６記載の回転駆動機構の寿命試験方法であって、
   前記回転駆動機構を駆動するモータに流れる電流値から、前記回転駆動機構に印加されたトルク値を求め、表示装置に表示することを特徴とする回転駆動機構の寿命試験方法。

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