JP2010085214A

JP2010085214A - 負荷計測装置

Info

Publication number: JP2010085214A
Application number: JP2008253853A
Authority: JP
Inventors: Ryuichiro Kame; 隆一郎亀; Masayuki Fujii; 正行藤井; Masatoshi Takada; 政敏高田
Original assignee: Tsubaki Yamakyu Chain Co Ltd; Tsubaki Emerson Co
Current assignee: Tsubakimoto Chain Co; Tsubaki Yamakyu Chain Co Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP4658175B2

Abstract

【課題】既存の構造物に構造の変更なしに後付で組み込みが簡単にでき、外部ノイズの影響を受けにくく、電圧降下による損失が発生しない負荷計測装置を提供する。
【解決手段】構造物Ｃに固定された少なくとも１つのメディア１１０とメディア１１０に記録された情報を読み取る少なくとも１つのレーザピックアップ１３０とレーザピックアップ１３０の出力を記憶演算する演算回路とを有し、メディア１１０がレーザピックアップ１３０で読み取り可能な凹凸形状のピット１２０を定間隔で配列することからなる位置データを記録し、レーザピックアップ１３０が位置データの初期値と計測時における現在値とを読み取り、演算回路が現在値と初期値との差に所定の定数を乗ずることにより構造物の負荷を求めることによって前記の課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造物に加わる負荷を計測する装置に関するものであり、さらに詳しくは、簡便に計測し且つ解析し、あらゆる構造物の設計、運転、過負荷保護、保守点検に寄与する特性を有する負荷計測装置に関するものである。

従来、負荷計測装置は、その負荷の種類に応じて圧縮負荷計測装置、引張負荷計測装置、捩れ負荷（トルク）計測装置などがあり、必要に応じて構造物に組み込まれて用いられている。これらの負荷計測装置は、構造物の変形量をセンサによって検出することによって負荷を計測することができる。このセンサの代表的なものとしては、ひずみゲージ式と圧電式とがある。ひずみゲージ式は、構造物の計測部分にひずみゲージを貼り付けて、その部分のひずみを測定することにより構造物に加わる負荷を求める方法である（例えば、特許文献１参照）。一方、圧電式は、水晶、ロッシェル、チタン酸バリウムなどの物質に周りから応力を作用させると、ある定まった方向に誘導分極を起こす圧電効果と呼ばれる現象を利用した方法であって、圧電素子を構造物の一部に組み込んで構造物の変形によって生じる圧電効果による電圧を測定することにより構造物に加わる負荷を求めるものである（例えば、特許文献２参照）。
特開平８−２９２７６号公報（第１３段落）特開平８−１０１９４１号公報（第１２段落）

前述したような従来の負荷計測装置においては、負荷計測装置の構成要素であるセンサ自身の負荷による変化を検出するため、センサを負荷が加わる経路中に組み込む必要がある。そのため負荷計測装置が組み込まれていない構造物において、構造物の使用中に負荷の計測が余儀なく必要とされた場合、構造物を改造して組み込まなくてはならないが、負荷計測装置の外形寸法や長さは負荷の大きさによって異なり、構造物の寸法上負荷計測装置を組み込むことが難しいという課題がある。

また、ひずみゲージ式によって構造物の変形を測定して負荷を求める場合、外部ノイズの影響によって計測値が狂いやすく、高精度で構造物の変形を測定することができないという課題がある。一方、圧電式は剛性に優れて線形性もよく、ヒステリシスも少なく感度、応答性に優れているが、電流のリークがあり、測定が長時間にわたる場合には電圧降下による損失が無視できないという課題がある。

そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、既存の構造物に構造の変更なしに後付で組み込みが簡単にでき、外部ノイズの影響を受けにくく、電圧降下による損失が発生しない負荷計測装置を提供することである。

まず、本請求項１に係る発明は、構造物に固定された少なくとも１つのメディアと該メディアに記録された情報を読み取る少なくとも１つのレーザピックアップと該レーザピックアップの出力を記憶演算する演算回路とを有する負荷計測装置において、前記メディアがレーザピックアップで読み取り可能な凹凸形状のピットを定間隔で配列することからなる位置データを記録し、前記レーザピックアップが前記位置データの初期値と計測時における現在値とを読み取り、前記演算回路が前記現在値と初期値との差に所定の定数を乗ずることにより構造物の負荷を求めることにより、前記課題を解決したものである。

そして、本請求項２に係る発明は、請求項１に係る負荷計測装置において、前記位置データが構造物の絶対位置情報であることにより、前記課題をさらに解決したものである。

また、本請求項３に係る発明は、請求項１に係る負荷計測装置において、前記ピットが構造物の変位方向に位相を９０°ずらして２列に配列されていることにより、前記課題をさらに解決したものである。

また、本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る負荷計測装置において、前記レーザピックアップが構造物上のメディアから所定の距離離れた位置に端部が固設された支持部材に前記メディアに対向するように固定されていることにより、前記課題をさらに解決したものである。

また、本請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る負荷計測装置において、前記レーザピックアップが構造物から独立した支持部材に固定されていることにより、前記課題をさらに解決したものである。

本発明の負荷計測装置によれば、構造物に固定された少なくとも１つのメディアとメディアに記録された情報を読み取る少なくとも１つのレーザピックアップとレーザピックアップの出力を記憶演算する演算回路とを有していることによって、既存の構造物に簡単に取り付けられ、利便性に富み、高精度にあらゆる構造物の負荷を計測することを実現できる。加えて、以下のような特有の効果に対応した格別の効果を奏することができる。

すなわち、本請求項１に係る負荷計測装置は、メディアがレーザピックアップで読み取り可能な凹凸形状のピットを定間隔で配列することからなる位置データを記録し、レーザピックアップが位置データの初期値と計測時における現在値とを読み取り、演算回路がレーザピックアップが読み取った位置データの現在値と初期値との差に所定の定数を乗ずることにより、構造物が負荷を受けてその大きさに比例して伸び、縮み、捩れが発生した際に、構造物に固定したメディアに記録されたデータの位置が変化するため、その変化をレーザピックアップで読み取ることにより、既存の構造物に構造の変更なしに後付で組み込みが簡単にでき、外部ノイズの影響を受けにくく、電圧降下による損失が発生しない構造物の負荷の計測が実現できる。

そして、本請求項２に係る負荷計測装置は、請求項１に係る負荷計測装置において、位置データが構造物の絶対位置情報であることにより、構造物の変化量及び変化の方向を絶対位置の変化として認識することができるので、メディアの数が１つであってもメディアに記録された絶対位置情報と構造物の基準点との変位を求めることによって負荷の大きさ及び方向の計測が実現できる。

また、本請求項３に係る負荷計測装置は、請求項１に係る負荷計測装置において、ピットが構造物の変位方向に位相を９０°ずらして２列に配列されていることにより、位置データが絶対位置情報でない場合であっても、負荷の変化の方向が逆向きになると２列に配列されたピットの相対的な変化の仕方も逆になるため、すなわち、正方向の変位が生じた際に１列目のピットが０であり次に２列目のピットが０である場合、負方向の変位が生じた際には１列目のピットが０であるとすると次に２列目のピットが１となるため、負荷の大きさだけでなく負荷の方向の計測が実現できる。

また、本請求項４に係る負荷計測装置は、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る負荷計測装置において、レーザピックアップが構造物上のメディアから所定の距離離れた位置に端部が固設された支持部材にメディアに対向するように固定されていることにより、構造物の基準点とメディアとの間の位置の変化を計測できるので、メディアの数が１つであっても負荷の計測が可能であるとともに、構造物に後付で簡単に負荷計測装置を装着することができる。

また、本請求項５に係る負荷計測装置は、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る負荷計測装置において、レーザピックアップが構造物から独立した支持部材に固定されていることにより、構造物が回転軸のようなものである場合であってもレーザピックアップを構造物とは独立して固定できるので、レーザピックアップの出力信号の伝送を有線で行うことができ、装置構成の簡略化が図られると共にノイズに強い計測が実現できる。

本発明の負荷計測装置は、構造物に固定された少なくとも１つのメディアとメディアに記録された情報を読み取る少なくとも１つのレーザピックアップとレーザピックアップの出力を記憶演算する演算回路とを有し、メディアがレーザピックアップで読み取り可能な凹凸形状のピットを定間隔で配列することからなる位置データを記録し、レーザピックアップが位置データの初期値と計測時における現在値とを読み取り、演算回路が現在値と初期値との差に所定の定数を乗ずることにより構造物の負荷を求めることにより、既存の構造物に構造の変更なしに後付で組み込みが簡単にでき、外部ノイズの影響を受けにくく、電圧降下による損失が発生しないものであれば、その具体的な実施の態様は、如何なるものであっても何ら構わない。

例えば、本発明の負荷計測装置が負荷の計測を行う構造物は、建屋の支柱や梁などの静止体であっても、工作機械の主軸や車両の車軸のような回転体であっても構わない。

また、本発明の負荷計測装置のメディアの構造物への固定方法は、接着剤による接着であっても、バンドによる締結であっても構わない。

さらに、本発明の負荷計測装置のメディア数は、１つであっても２つ以上であっても構わない。

本発明の一実施態様である実施例１について、図１に基づいて説明する。ここで、図１は、実施例１の負荷計測装置１００を構造物Ｃ（回転軸）に装着し、構造物Ｃに掛かる捩れ量を計測する概要を示す斜視図である。

まず、負荷計測装置１００の構造について説明する。構造物Ｃの表面に、１つのメディア１１０が接着剤で接着される。このメディア１１０には、レーザピックアップ１３０で読み取り可能な凹凸状のピット１２０が定間隔で構造物Ｃの軸方向に配列されている。本実施例においては、８個のピットによって、一つの位置データを構成している。これらの位置データは、構造物Ｃの円周方向の絶対位置情報を表している。すなわち、構造物Ｃの円周方向に３６０個の位置データを配列した場合、１つの位置データが中心角１度の変位を表していることになる。なお、図１においては、ピット１２０の凹凸を０と１で表現している。

また、構造物Ｃ上のメディア１１０から所定の距離離れた位置に端部が固設された支持部材１４０にメディア１１０に対向するようにレーザピックアップ１３０が固定されている。支持部材１４０は、その端部と固定部材１５０によって構造物Ｃを挟持してボルト１６０によって構造物Ｃに締結されている。メディアの構造、ピットの形成方法、ピットの読み取り方法は、ＣＤやＤＶＤなどに用いられている公知の技術を用いることができる。

次に、負荷計測装置１００を用いて構造物Ｃに掛かる捩れ量を計測する手順について説明する。まず、計測対象となる構造物Ｃの大きさ、硬度や支持部材１４０の固定位置とメディア１１０との距離などからなるパラメータを操作端末から入力する。次に計測開始信号をトリガーとしてレーザピックアップ１３０でメディア１１０のピット１２０の配列からなる位置データを読み取り、これを初期値として記憶する。そして、構造物Ｃへ負荷が加わった後、再度、レーザピックアップ１３０でメディア１１０の位置データの現在値を読み取る。この時、負荷により、構造物Ｃは捩れて支持部材１４０の固定位置に対してレーザピックアップ１３０の読み取り位置に変位が生じている。この変位量を位置データの現在値と記憶されている初期値との差から求める。そして、この変位量に操作端末から入力されたパラメータにより決まる変換定数Ｋを乗ずることにより負荷量が算出される。算出された負荷量は操作端末のディスプレイに表示される。さらに、必要に応じて、所定のアプリケーションソフトウェアにより所望の解析、演算が施され多目的な資料として出力される。

次に、本発明の別の実施態様である実施例２について、図２に基づいて説明する。ここで、図２は、実施例２の負荷計測装置２００を用いて構造物Ｃ（回転軸）に掛かる捩れ量を計測する概要を示す斜視図である。

まず、負荷計測装置２００の構造について説明する。構造物Ｃに、レーザピックアップ２３０で読み取り可能な凹凸状のピット２２０が定間隔で構造物Ｃの軸方向に配列された位置データ列が所定の距離を隔てて２個所に設けられたメディア２１０が構造物Ｃの表面に接着される。本実施例においては、８個のピットによって、一つの位置データを構成している。これらの位置データは、構造物Ｃの円周方向の絶対位置情報を表している。すなわち、構造物Ｃの円周方向に３６０個の位置データを配列した場合、１つの位置データが中心角１度の変位を表していることになる。

また、構造物Ｃとは独立した支持部材２４０にメディア２１０の２個所の位置データ列Ａ、Ｂにそれぞれ対向するように２つのレーザピックアップ２３０が固定されている。

次に、負荷計測装置２００を用いて構造物Ｃに掛かる捩れ量を計測する手順について説明する。まず、計測対象となる構造物Ｃの大きさ、硬度やメディア２１０上の２個所の位置データ列Ａ、Ｂ間の距離などからなるパラメータを操作端末から入力する。次に計測開始信号をトリガーとして２つのレーザピックアップ２３０でメディア２１０の２個所の位置データ列Ａ、Ｂの位置データをそれぞれ読み取り、これを初期値Ａ及び初期値Ｂとして記憶する。そして、構造物Ｃへ負荷が加わった後、再度、２つのレーザピックアップ２３０でメディア２１０の２個所の位置データ列Ａ、Ｂの位置データのそれぞれの現在値Ａ及び現在値Ｂを読み取る。この時、負荷により、構造物Ｃは捩れて２つの位置データ列Ａ、Ｂの位置データにはそれぞれ変位が生じている。そこで、位置データ列Ａの変位量Ａを位置データの現在値Ａと記憶されている初期値Ａとの差から求める。また、位置データ列Ｂの変位量Ｂを位置データの現在値Ｂと記憶されている初期値Ｂとの差から求める。そして、変位量Ａと変位量Ｂの差に操作端末から入力されたパラメータにより決まる変換定数Ｋを乗ずることにより負荷量が算出される。算出された負荷量は操作端末のディスプレイに表示される。さらに、必要に応じて、所定のアプリケーションソフトウェアにより所望の解析、演算が施され多目的な資料として出力される。

次に、本発明のさらに別の実施態様である実施例３について、図３に基づいて説明する。ここで、図３は、実施例３の負荷計測装置３００を用いて構造物Ｃ（回転軸）に掛かる圧縮負荷量及び引張負荷量を計測する概要を示す斜視図である。

まず、負荷計測装置３００の構造について説明する。構造物Ｃの表面に、１つのメディア３１０が接着される。このメディア３１０には、レーザピックアップ３３０で読み取り可能な凹凸状のピット３２０が定間隔で構造物Ｃの円周方向に配列されている。本実施例においては、８個のピットによって、一つの位置データを構成している。これらの位置データは、構造物Ｃの軸方向の絶対位置情報を表している。すなわち、構造物Ｃの軸方向に１ｍｍ間隔で位置データを配列した場合、１つの位置データが軸方向の１ｍｍの変位を表していることになる。なお、図３においては、ピット３２０の凹凸を０と１で表現している。

また、構造物Ｃ上のメディア３１０から所定の距離離れた位置に端部が固設された支持部材３４０にメディア３１０に対向するようにレーザピックアップ３３０が固定されている。支持部材３４０は、その端部と固定部材３５０によって構造物Ｃを挟持してボルト３６０によって構造物Ｃに締結されている。

次に、負荷計測装置３００を用いて構造物Ｃに掛かる圧縮負荷量及び引張負荷量を計測する手順について説明する。まず、計測対象となる構造物Ｃの大きさ、硬度や支持部材３４０の固定位置とメディア３１０との距離などからなるパラメータを操作端末から入力する。次に計測開始信号をトリガーとしてレーザピックアップ３３０でメディア３１０のピット３２０の配列からなる位置データを読み取り、これを初期値として記憶する。そして、構造物Ｃへ負荷が加わった後、再度、レーザピックアップ３３０でメディア３１０の位置データの現在値を読み取る。この時、負荷により、構造物Ｃは圧縮されて又は引っ張られて支持部材３４０の固定位置に対してレーザピックアップ３３０の読み取り位置に変位が生じている。この変位量を位置データの現在値と記憶されている初期値との差から求める。そして、この変位量に操作端末から入力されたパラメータにより決まる変換定数Ｋを乗ずることにより負荷量が算出される。算出された負荷量は操作端末のディスプレイに表示される。さらに、必要に応じて、所定のアプリケーションソフトウェアにより所望の解析、演算が施され多目的な資料として出力される。

次に、本発明のさらに別の実施態様である実施例４について、図４（ａ）及び図４（ｂ）に基づいて説明する。実施例４は、メディア４１０上のピット４２０の配列が実施例１乃至実施例３のものと相違しているのみで、負荷計測装置の基本的構成は変わらないのでメディア４１０についてのみ説明する。

まず、図４（ａ）に示したメディア４１０には、両端にレーザピックアップで読み取り可能な凹凸状のピット４２０が定間隔で配列されている。このメディア４１０を実施例２と同様に構造物（回転軸）の表面にピット４２０の列が円周方向となるように接着する。そして、２つのレーザピックアップでピット４２０の情報を読み取る。無負荷のとき２つのレーザピックアップは同じ情報を出力している。そして、負荷が加わると、構造物が捩れて２つのピット４２０の列の間に変位が生じる。その変位量から負荷量を算出することができる。この方法によれば、メディア４１０に記録する情報は、絶対位置情報である必要がなく１つのピット４２０を定間隔に配列するだけで良いためメディア４１０の製作コストを削減できるとともに情報の読み取りも簡単であるという利点があるが、変位量を２つのピット４２０の列の相対的なずれとして読み取っているため負荷の向きについては検出できないという欠点がある。

一方、図４（ｂ）に示したメディア４１０には、両端にレーザピックアップで読み取り可能な凹凸状のピット４２０が位相を９０°ずらして２列に配列されている。このメディア４１０を実施例２と同様に構造物（回転軸）の表面にピット４２０の列が円周方向となるように接着する。そして、２つのレーザピックアップでピット４２０の情報を読み取る。無負荷のとき２つのレーザピックアップは同じ情報を出力している。そして、負荷が加わると、構造物が捩れて２つのピット４２０の列の間に変位が生じる。その変位量から負荷量を算出することができる。この方法によれば、負荷の変化の方向が逆向きになると２列に配列されたピット４２２、４２４の相対的な変化の仕方も逆になるため、すなわち、正方向の変位が生じた際にＡ列のピット４２２が０であり次にＢ列のピットが０である場合、負方向の変位が生じた際にはＡ列のピットが０であるとすると次にＢ列のピットが１となるため、負荷の大きさだけでなく負荷の方向の計測も可能になる。

次に、本発明のさらに別の実施態様である実施例５について、図５に基づいて説明する。図５は、本発明の負荷計測装置５００を用いて建屋などの構造物１において支柱２及び梁３に加わる工作機械４の機械重量及び振動による負荷、地震などの自然災害による負荷などを計測する態様を示している。

構造物１の支柱２や梁３の少なくとも１箇所以上に、負荷計測装置５００を設置する。測定箇所に負荷計測装置５００のメディア５１０を固着し、そのメディア５１０に記憶された位置データをレーザピックアップ５３０で読み取れるように支持部材５４０を設置する。そして、その測定箇所に加わる変位量を計測してその値から負荷の大きさを計算し、モニターへの出力などを行う。

次に、本発明のさらに別の実施態様である実施例６について、図６に基づいて説明する。図６は、本発明の負荷計測装置６００、７００を用いて機械の部品に作用する負荷を計測する態様を示している。

多くの機械は、図６に示すように、原動機５を動力とし、減速機６、８と軸継手７、９を介して組立装置１０などを運転している。この時、それぞれの部品に作用する負荷（トルク）は異なるため負荷を把握すべき部品に負荷計測装置６００、７００を設置する。設置方法は、計測対象物が回転しているために負荷計測装置６００のようにレーザピックアップ６３０を支持部材６４０で計測対象物に固定し回転させながら計測する方法と、負荷計測装置７００のようにレーザピックアップ７３０を計測対象物とは独立した支持部材７４０に固定して計測する方法とがある。

負荷計測装置６００の場合、実施例１で説明したように、位置データを記憶したメディア６１０は１つ、レーザピックアップ６３０も１つで負荷の検出は可能である。一方、負荷計測装置７００の場合、実施例２で説明したように、位置データを記憶したメディア７１０を２つ以上又は位置データが離れた位置に２箇所以上記録されたメディアを１つ以上計測対象物に固定し、レーザピックアップ７３０も位置データの数量分だけ計測対象物と分離して据え付けることで負荷の計測が可能である。

次に、本発明のさらに別の実施態様である実施例７について、図７に基づいて説明する。図７は、本発明の負荷計測装置８００を用いて昇降装置１１を昇降軸１３に加わる負荷を計測する態様を示している。

昇降装置１１は、ジャッキ１２を用いてベース１４や荷物１５を上下させる。この時、荷物１５などの負荷はジャッキ１２の昇降軸１３に加わることから、負荷計測装置８００の位置データを記録したメディア８１０を昇降軸１３に固着し、レーザピックアップ８３０をメディア８１０の位置データを読み取ることができるように支持部材８４０で昇降軸１３に固設することにより、昇降軸１３に加わる負荷の大きさにより発生する昇降軸１３の変位量から各々の昇降軸１３の負荷を算出する。特に、荷物１５の置かれた位置によってこのような昇降装置１１の昇降軸１３に発生する負荷はそれぞれ異なることを計測することが可能になる。

以上のように、本発明の負荷計測装置は、既存の構造物に簡単に取り付けられ、利便性に富み、高精度にあらゆる構造物の負荷を計測することを実現できる。

実施例１の負荷計測装置により構造物の捩れ量を計測する概要を示す斜視図。実施例２の負荷計測装置により構造物の捩れ量を計測する概要を示す斜視図。実施例３の負荷計測装置により構造物の圧縮負荷量及び引張負荷量を計測する概要を示す斜視図。実施例４の負荷計測装置のメディアの平面図。実施例５の負荷計測装置により構造物の負荷を計測する概要を示す斜視図。実施例６の負荷計測装置により構造物の負荷を計測する概要を示す斜視図。実施例７の負荷計測装置により構造物の負荷を計測する概要を示す斜視図。

符号の説明

１・・・構造物
２・・・支柱
３・・・梁
４・・・工作機械
５・・・原動機
６、８・・・減速機
７、９・・・軸継手
１０・・・組立装置
１１・・・昇降装置
１２・・・ジャッキ
１３・・・昇降軸
１４・・・ベース
１５・・・荷物
１００、２００、３００、５００、６００、７００、８００・・・負荷計測装置
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０、８１０・・・メディア
１２０、２２０、３２０、４２０・・・ピット
１３０、２３０、３３０、５３０、６３０、７３０、８３０・・・レーザピックアップ
１４０、２４０、３４０、５４０、６４０、７４０、８４０・・・支持部材
１５０、３５０・・・固定部材
１６０、３６０・・・ボルト
Ｃ・・・構造物

Claims

構造物に固定された少なくとも１つのメディアと該メディアに記録された情報を読み取る少なくとも１つのレーザピックアップと該レーザピックアップの出力を記憶演算する演算回路とを有する負荷計測装置において、
前記メディアがレーザピックアップで読み取り可能な凹凸形状のピットを定間隔で配列することからなる位置データを記録し、
前記レーザピックアップが前記位置データの初期値と計測時における現在値とを読み取り、
前記演算回路が前記現在値と初期値との差に所定の定数を乗ずることにより構造物の負荷を求めることを特徴とする負荷計測装置。
前記位置データが構造物の絶対位置情報であることを特徴とする請求項１に記載の負荷計測装置。
前記ピットが構造物の変位方向に位相を９０°ずらして２列に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の負荷計測装置。
前記レーザピックアップが構造物上のメディアから所定の距離離れた位置に端部が固設された支持部材に前記メディアに対向するように固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の負荷計測装置。
前記レーザピックアップが構造物から独立した支持部材に固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の負荷計測装置。