JP2009139270A

JP2009139270A - 張力検出装置

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Publication number: JP2009139270A
Application number: JP2007317041A
Authority: JP
Inventors: Hajime Tamaoki; 肇玉置; Shinya Kondo; 真也近藤; Soichi Ogawa; 倉一小川
Original assignee: Asahi Electronics Institute Ltd
Current assignee: Asahi Electronics Institute Ltd
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2027-12-07
Also published as: JP5393975B2

Abstract

【課題】高精度であって高速応答性にも優れ、かつ信頼性の高い張力検出装置を提供する。
【解決手段】剛性支持部材２１０に一端または両端が剛性連結された支軸２００と、この支軸２００にベアリング２２０を介して回転可能に支持されたロール３００とを備え、上記ロール３００の外周に巻き掛け状に搬送される連続体Ｍに作用する張力Ｔを検出する張力検出装置であって、上記支軸２００ないし上記剛性支持部材２１０における上記張力に起因した剪断応力の影響を受ける部位に上記支軸２００ないし上記剛性支持部材２１０の強度に影響を与えない細孔２１０を設けるとともに、この細孔２１０内に上記剪断応力を検出する応力センサ４００を埋設し、この応力センサ４００からの出力を用いて上記連続体に作用する張力Ｔとして取得するようにした。
【選択図】図１

Description

本願発明は、張力検出装置に関し、紙、フィルム、金属箔等のシート状、あるいは線材等の線状の長尺物をロール状に巻かれた状態から繰り出し、あるいは、ロール状に巻き取るのに際し、搬送中の長尺物に作用する張力を連続検出する技術に関する。

長尺物に対して処理を連続的に行う場合、ロール状に巻かれた状態から繰り出し、ロール状に巻き取るまでの１または複数のロールによる搬送途中において行われる。このような処理を長尺物の長手方向について均一に行うためには、搬送途中の長尺物に作用する張力を一定に保つことが望まれる。また、処理後の長尺物を中心から外周にわたって適正に巻き取るためにも、巻き取りロール近傍の長尺物の張力を一定に保つ必要がある。このような長尺物の張力の制御は通常、搬送途中の長尺物の張力をリアルタイムで検出し、巻き取りロールの駆動モータの駆動力をフィードバック制御することにより行われる。

上記のような用途に用いる長尺物の張力検出装置としては、たとえば特許文献１に記載されたものがある。同文献に記載された張力検出装置は、固定壁とロール軸支持部との間をロール軸の軸直角方向に離れる一対の薄状の梁で連結し、この一対の梁の表面に歪ゲージを貼着した構成を備える。ロールに巻きかけ状に搬送される長尺物の張力に起因してロール軸に荷重が作用すると、一対の梁が変形し、この変形が歪ゲージによって検出される。一対の梁の変形は長尺物に作用する張力を反映したものであるから、上記構成の張力検出装置によって長尺物の張力を検出することができる。

しかしながら、上記構成の張力検出装置においては、次のような問題がある。

第１に、歪ゲージは、一対の梁の表面の主応力を検出するものであるが、梁の各所において応力が異なることから、歪ゲージの貼着場所によって、出力が種々に変化するため、一定の再現性を得ることが非常に困難である。すなわち、梁の加工を精密に行った上で、歪ゲージの貼着場所を正確に規定し、さらに、必要な校正を行う必要があり、このことは、少なからずコスト上昇を招く。

第２に、剛性が比較的低い一対の梁がロール全体の固有周波数を低下させることから、ロールが共振によって大きく振動し、張力測定が不能に陥るおそれがあるし、また、ロールの振動に起因して、長尺物の張力に揺らぎが生じ、長尺物の巻き取りに悪影響を及ぼす虞れもある。すなわち、上記構成の張力検出装置は、高速応答性に乏しい。

第３に、繰り出し側のロールを停止し、巻き取り側のロールを回転させて長尺物の緊張状態を作り出す際、緊張状態となった瞬間に長尺物に巨大な張力が作用するが、このような張力に起因した荷重によって一対の梁が破損してしまう虞れもある。

特開平５−１０８３６号公報

本願発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、高精度であって高速応答性にも優れ、かつ信頼性の高い張力検出装置を提供することをその課題とする。

上記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を採用している。

本願発明によって提供される張力検出装置は、剛性支持部材に一端または両端が剛性接続された支軸と、この支軸にベアリングを介して回転可能に支持されたロールとを備え、上記ロールの外周に巻き掛け状に搬送される連続体に作用する張力を検出する張力検出装置であって、上記支軸ないし上記剛性支持部材における上記張力に起因した剪断応力の影響を受ける部位に上記支軸ないし上記剛性支持部材の強度に影響を与えない細孔を設けるとともに、この細孔内に上記剪断応力を検出する応力センサを埋設し、この応力センサからの出力を用いて上記連続体に作用する張力を取得するようにしたことを特徴とする。

好ましい実施の形態においては、上記応力センサは、上記ベアリングよりも上記剛性支持部材側の適部に設けられている。

ロールには、これに掛け回されて走行する連続体の張力に起因して軸直角方向の荷重が作用し、この荷重は、ベアリングを介して支軸に作用する。この荷重の影響を受けて、支軸ないしはその一端または両端が剛性接続される剛性支持部材にはさまざまな応力が作用する。上記構成に係る張力検出装置では、支軸ないしは剛性支持部材に作用する応力のうち、剪断応力を検出することにより、連続体の張力を検出するようにしている。剪断応力は、基本的には、ベアリングから剛性支持部材までのどの軸方向位置においても均等に作用するから、応力センサを設置するべき軸方向位置の自由度が高まる。また、応力センサは、支軸ないし剛性支持部材の強度に影響を与えない細孔内に埋設されているので、支軸ないしロールの共振周波数を高く設定することができ、共振による悪影響を減じて、応答性のよい張力検出を行うことができる。

好ましい実施の形態においてはまた、上記応力センサは、上記支軸ないし上記剛性支持部材の軸直交断面における、上記張力に起因した主応力の不感領域に配置されている。

上記主応力の不感領域では、引っ張り応力や圧縮応力が作用せず、剪断応力のみが作用する。したがって、ノイズ成分を排除し、精度よく剪断応力を検出することができ、このことは、精度良い張力検出に寄与する。

好ましい実施の形態においてはさらに、上記応力センサは、上記細孔が設けられる部材と同等の材質からなり、所定厚みを有する平板状の基体と、この基体の両面に設置された抵抗体と、を含んで構成され、上記基体は、その表面が上記支軸の軸線と平行となるように配置され、かつ、上記抵抗体は、上記基体の両面において、互いに対称となるように設置されている。

好ましい実施の形態においてはまた、上記応力センサにおける両面に設置された抵抗体は、上記基体の各面において、上記支軸に作用する荷重の方向に対してそれぞれ４５°の角度をもち、かつ互いに直交する関係にある１対の抵抗体である。

このような構成によれば、必要な抵抗体を含む応力センサが小型化され、上記した細孔内に適切に埋設することができる。

好ましい実施の形態においては、上記応力センサは、上記細孔内に充填された樹脂接着剤により、上記細孔の内壁との間の空隙を埋めるようにして埋設されている。

これらの構成によれば、必要な抵抗体を含む応力センサが小型化され、上記した細孔内に適切に埋設することができる。

好ましい実施の形態においてはまた、少なくとも温度補償部、増幅部、および、Ａ／Ｄ変換部を含む信号処理回路をさらに備えている。

好ましい実施の形態においてはさらに、上記応力センサにおける４つの抵抗体を抵抗要素とするブリッジ回路により構成されている。

これらの構成によれば、ベアリングから発生する熱の影響を排除して、連続して精度のよい張力検出を継続することができ、また、信号処理回路も簡易なものとなる。

本願発明のその他の特徴および利点は、図面を参照して以下に行う詳細な説明から、より明らかとなろう。

以下、本願発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１ないし図６は、本願発明に係る張力検出装置１００の一実施形態を示している。この張力検出装置１００は、たとえば、紙、フィルム、金属箔等の一定幅の帯状シート、あるいは線材等の帯状連続体Ｍに作用する張力を検出する装置である。

この張力検出装置１００は、両端が剛性支持部材２１０に剛性接続された所定長さの支軸２００と、この支軸に対してベアリング２２０を介して回転可能に支持された円筒状のロール３００と、上記支軸２００に埋設された応力センサ４００とを備えている。

支軸２００は、たとえば、ステンレスによって形成され、軸径は、たとえば２００ｍｍである。ロール３００は、適当な金属材料で形成され、好ましくは滑らかな表面をもっており、搬送するべき帯状シート（帯状連続体）Ｍの幅に対して十分な軸方向長さをもっている。ベアリング２２０は、ロール３００をその両端部付近で支軸２００に対して回転可能に支持するべく、２箇所において、支軸２００とロール３００との間に介装されている。なお、帯状連続体Ｍは、たとえば、厚み数十ないし数百μｍのフィルムである。

上記支軸２００ないしこれに支持されたロール３００は、このロール３００に巻き掛かるようにして搬送される帯状連続体Ｍに作用する張力Ｔに起因して、支軸２００に対し、軸直角方向の荷重が作用するように、他の搬送用ローラとの関係が規定される。図１に示す構成例では、ロール３００に対する上流側および下流側に、ロールより低位にある２つのローラ３１０，３２０を配置するとともに、搬送するべき帯状連続体Ｍを、上流側のローラ３１０の下部、上記ロール３００の上部、および下流側のローラ３２０の下部に順次掛け回るようにして取り回している。２つのローラ３１０，３２０およびロール３００は、自由回転する。この例では、２つのローラ３１０，３２０が同一高さ位置にあり、かつ、ロール３００からの距離が等しいので、ロール３００には、帯状連続体Ｍの張力Ｔ、ならびにロール３００の重量に起因して垂直方向下方を向く荷重Ｆが作用し、この荷重Ｆは、ベアリング２２０を介して支軸２００に作用する。上記のように取り回された帯状連続体Ｍは、最終的に、回転駆動制御される巻き取りローラ３３０に巻き取られる。

支軸２００における上記ベアリング２２０と剛性支持部材２１０との間には、たとえば、直径３ｍｍ程度の細孔２０１が、好ましくは、上記した荷重Ｆの方向と平行（軸直角方向）であり、支軸２００の軸心ＣＬを通る方向に設けられ、この細孔２０１内には、応力センサ４００が埋設される。より具体的には、上記荷重Ｆに起因した剪断応力を検出可能な応力センサ４００が、上記荷重Ｆに起因した主応力の不感領域において、上記細孔２０１の内部に埋設される。以下そのための具体的構成を詳説する。

上記主応力の不感領域とは、荷重Ｆに起因した支軸２００の軸方向の引っ張り応力も圧縮応力も作用しない領域をいい、軸方向に一様な断面を有する上記支軸２００の場合、通常、軸心ＣＬ付近に存在するが、このような応力不感領域は、実際に用いる支軸２００ないし剛性支持部材２１０の形態、荷重が作用する位置および方向にしたがって有限要素法を用いた解析をすることによって特定することができる。

図１に示したロール３００の支持構成の場合、ベアリング２２０と剛性支持部材２１０との間のいずれの箇所においても、上記荷重Ｆに起因した剪断応力が一様に作用する。そして、上記の主応力の不感領域は、支軸２００の軸心付近に存在する。したがって、支軸２００における上記ベアリング２２０から上記剛性支持部材２１０までの間の軸心付近に、剪断応力を検出しうる応力センサ４００を埋設することにより、引っ張り応力や圧縮応力成分がノイズとして混入することなく、上記荷重Ｆに起因した剪断応力を検出することができるのである。

応力センサ４００の具体的構成例を図３に示す。この応力センサ４００は、短辺が上記細孔２０１の内径と同等の約３ｍｍ、長辺がたとえば５ｍｍ程度の長矩形をした基板４１０の表裏両面に、それぞれ延長方向が基板の長辺方向に対して４５°傾斜し、かつ互いに９０°の交差角をもつ一対の抵抗体ａ，ｂ，ｃ，ｄを形成して構成されている。基板４１０としては、支軸２００の材質と同一の材質が選択されることが望ましく、本実施形態の場合は、ステンレスが採用され、厚みはたとえば０．５ｍｍである。この基板４１０には、絶縁被膜を介して上記の抵抗体ａ，ｂ，ｃ，ｄおよび必要な配線パターン４１１が、たとえば薄膜形成プロセスによって形成される。抵抗体ａ，ｂ，ｃ，ｄおよび配線パターン４１１は、端子部４１２を除き、保護膜（図示略）で覆われる。各端子部４１２には、必要な外部リード（図示略）が接続される。

上記構成の応力センサ４００は、図４および図５に詳示するように、上記細孔２０１内に、基板４１０の長辺が細孔２０１の対向する内壁に接するようにして埋設される。このとき、好ましくは、基板４１０の各面が支軸２００の軸心ＣＬと平行となり、かつ、軸心ＣＬを挟むように方向づけられる。また、細孔２０１の深さ方向の位置についていえば、基板４１０の中心が、支軸２００の軸心ＣＬ付近に位置するようにする。上記したように、この応力センサ４００を、主応力の不感領域に配置するためである。なお、応力センサ４００の細孔２０１への埋設固定は、たとえば、エポキシ系熱硬化性接着剤を細孔２０１内に充填することによって行われる。このとき、基板４１０の各長辺が細孔２１０の内壁に確実に固定されることが肝要である。

図６に示すように、応力センサ４００に含まれる４つの抵抗体ａ，ｂ，ｃ，ｄは、ブリッジ回路４５０の各抵抗要素を構成するように接続され、このブリッジ回路４５０の出力は、増幅回路４６０、ないしＡ／Ｄ変換部４７０を介して、所望の制御入力情報としての利用に供される。

上記構成において、ロール３００に掛け回る帯状連続体Ｍのロール３００への導入部分Ｍａとロール３００からの離脱部分Ｍｂとのなす角度をθとすると、支軸２００のベアリング位置には、帯状連続体Ｍの各部分Ｍａ，Ｍｂに作用する張力Ｔの垂直方向成分と、ロール３００の重量Ｒｗの和からなる荷重Ｆが作用する（式１）。

すなわち、図１に示したような帯状連続体Ｍのロール３００への取り回し構成において、荷重Ｆは、帯状連続体Ｍの張力Ｔの変動のみによって変動するから、上記荷重Ｆおよびその変動を正確に知ることができれば、実質的に、張力Ｔおよびその変動を正確に検出することができることになる。

図３に示す応力センサ４００において、荷重Ｆに起因して、抵抗体ｂおよびｄは伸長してそれらの抵抗値は増大し、抵抗体ａおよびｃは圧縮させられてそれらの抵抗値は減少する。各抵抗体ａ，ｂ，ｃ，ｄに生じる歪み量をそれぞれε_a，ε_b，ε_c，ε_dとすると、ブリッジ回路の出力電圧は、（ｋｓ＊Ｅ／４）＊（（ε_a−ε_b）＋（ε_c−ε_d））［ただし、Ｋｓは、ゲージ率、Ｅは、ブリッジ電圧］で表されるから、応力センサ４００の埋設部分における剪断応力に相当する出力電圧が、ある程度増幅された格好で出力される。この剪断応力は、支軸２００の弾性限度内で上記荷重Ｆの大きさと線形に対応する。上記荷重Ｆまた、各抵抗体ａ，ｂ，ｃ，ｄの温度係数は同じであるので、このブリッジ回路構成は、温度の影響を除外した温度補償機能をも発揮する。

また、上述したように、応力センサ４００は、支軸２００における主応力の不感領域に埋設されているから、荷重Ｆに起因した主応力による各抵抗体ａ，ｂ，ｃ，ｄの抵抗値変動は回避される。

さらには、この実施形態では、応力センサ４００の基板４１０は、支軸２００の材質と同じステンレスで形成されており、しかも、応力センサ４００を細孔２０１内に固定するためのエポキシ系熱硬化性接着剤は、硬化時の機械的性質がステンレスに近似している。

このようなことから、上記構成の張力検出装置１００によれば、荷重Ｆの大きさ、ひいては帯状連続体Ｍに作用する張力Ｔの大きさ、ないしは、それらのその変動をより精度良く検出することができる。

しかも、応力センサ４００は、支軸２００に設けた細孔２０１内に埋設されているから、細孔２０１によって支軸２００が強度低下をもたらすこともなく、強度低下によって支軸２００、ないしはロール３００の支持構成全体の共振周波数が低下するといったこともない。したがって、上記構成の張力検出装置１００によれば、帯状連続体Ｍに作用する張力Ｔを、応答性よく検出することができる。帯状連続体Ｍを各ローラ３１０，３２０ないしロール３００を取りまわし、先端を巻き取りローラ３３０に連結してこの巻き取りローラ３３０を回転駆動させる動作初期には、帯状連続体Ｍが弛緩状態から急激に緊張状態に移行する。上記構成の張力検出装置１００においては、このような急激な緊張状態への移行にも支軸２００の支持剛性が十分となることから、問題なく対処することができる。

このような張力検出装置１００の出力は、帯状連続体Ｍに作用する張力Ｔを常時監視するといったほか、たとえば、巻き取りローラ３３０の駆動制御の入力情報として利用し、連続搬送されつつ巻き取りローラ３３０に巻き取られる帯状連続体Ｍに作用する張力Ｔを一定に保つフィードバック制御を行うことができる。これにより、所定の処理済の帯状連続体Ｍの巻き取りローラ３３０への巻き取り品位を、その中心側から外周側にかけて、一定にすることができる。

もちろん、この発明の範囲は上記した実施形態に限定されることはなく、各請求項に記載した範囲内でのあらゆる変更は、すべて本願発明の範囲に含まれる。

実施形態では、ロール３００の支軸２００は、その両端を剛性支持部材２１０に剛性支持させているが、支軸２００を剛性支持部材２１０に対して片持ち状に剛性支持させる場合も、同様に本願発明を適用することができる。

また、実施形態では、ロール３００ないしこれを支持する支軸２００を水平状に配置しているが、ロール３００ないし支軸２００を垂直状に配置することもできる。この場合、ベアリングを介して支軸に軸直角方向に作用する荷重には、ローラの重量は含まれなくなる。

実施形態では、ロール３００の下流側にローラ３２０を配置し、ロール３００からの帯状連続体Ｍの離脱部分Ｍｂの走行角度を一定にしているが、図７に示す張力検出装置１００Ａのように、ロール３００から離脱した帯状連続体Ｍを直接巻き取りローラ３３０に巻き取る構成としてももちろんよい。この場合、ロール３００から離脱する部分の張力の垂直方向成分の大きさが、巻き取りローラ３３０への走行角度の変動によって変動する。このような変動は、帯状連続体Ｍの走行角度を直接光学センサによって検出したり、巻き取りローラ３００の回転数を検出して間接的に帯状連続体Ｍの走行角度を推定し、荷重Ｆの補正を行えばよい。

さらには、実施形態では、支軸２００自体に細孔２０１を設け、この細孔２０１内に応力センサ４００を埋設しているが、荷重Ｆの影響によって剪断力が作用する部位であれば、剛性支持部材２１０であっても、その部位に細孔を設け、この細孔内に応力センサを埋設することができる。

さらに、応力センサ４００の構成、および、細孔２０１内への配置の姿勢についても、図に示したもののほか、種々の変形が可能である。要は、ローラに巻き掛かる帯状連続体の張力Ｔに起因して軸直角方向に作用する荷重の大きさを、支軸に設けた細孔内においてこの支軸に作用する剪断応力として検出することができる応力センサによって検出することができればよいのである。

本願発明に係る張力検出装置の一実施形態の全体構成を示す模式図である。図１に示す張力検出装置の要部断面図であり、図１のII-II線断面に相当する図である。応力センサの一例の全体斜視図である。支軸の細孔に対する応力センサの埋設状態を示す詳細図である。図４のV-V線断面図である。応力センサを含む回路の一例の説明図である。本願発明に張力検出装置の他の実施形態の全体構成を示す模式図である。

符号の説明

１００，１００Ａ張力検出装置
２００支軸
２０１細孔
２１０剛性支持部材
２２０ベアリング
３００ロール
３１０ローラ
３２０ローラ
３３０巻き取りローラ
４００応力センサ
４１０基板
ａ，ｂ，ｃ，ｄ抵抗体
４１１配線パターン
４１２端子部
４５０ブリッジ回路
４６０増幅回路
４７０Ａ／Ｄ変換部
Ｆ荷重
Ｔ張力
ＣＬ軸心
Ｍ帯状連続体
Ｍａ導入部分
Ｍｂ離脱部分

Claims

剛性支持部材に一端または両端が剛性接続された支軸と、この支軸にベアリングを介して回転可能に支持されたロールとを備え、上記ロールの外周に巻き掛け状に搬送される連続体に作用する張力を検出する張力検出装置であって、
上記支軸ないし上記剛性支持部材における上記張力に起因した剪断応力の影響を受ける部位に上記支軸ないし上記剛性支持部材の強度に影響を与えない細孔を設けるとともに、この細孔内に上記剪断応力を検出する応力センサを埋設し、この応力センサからの出力を用いて上記連続体に作用する張力を取得するようにしたことを特徴とする、張力検出装置。
上記応力センサは、上記ベアリングよりも上記剛性支持部材側の適部に設けられている、請求項１に記載の張力検出装置。
上記応力センサは、上記支軸ないし上記剛性支持部材の軸直交断面における、上記張力に起因した主応力の不感領域に配置されている、請求項１または２に記載の張力検出装置。
上記応力センサは、上記細孔が設けられる部材と同等の材質からなり、所定厚みを有する平板状の基体と、この基体の両面に設置された抵抗体と、を含んで構成され、
上記基体は、その表面が上記支軸の軸線と平行となるように配置され、かつ、上記抵抗体は、上記基体の両面において、互いに対称となるように設置されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の張力検出装置。
上記応力センサにおける両面に設置された抵抗体は、上記基体の各面において、上記支軸に作用する荷重の方向に対してそれぞれ４５°の角度をもち、かつ互いに直交する関係にある１対の抵抗体である、請求項４に記載の張力検出装置。
上記応力センサは、上記細孔内に充填された樹脂接着剤により、上記細孔の内壁との間の空隙を埋めるようにして埋設されている、請求項４または５に記載の張力検出装置。
少なくとも温度補償部、増幅部、およびＡ／Ｄ変換部を含む信号処理回路をさらに備えている、請求項１ないし６のいずれかに記載の張力検出装置。
上記温度補償部は、上記応力センサにおける４つの抵抗体を抵抗要素とするブリッジ回路により構成されている、請求項７に記載の張力検出装置。