JP2012233836A - 変位量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部に対する負荷が失われた時点で、可動部を初期位置の近傍まで戻すことができ、しかも、負荷が失われてから短時間で、可動部を完全に初期位置まで戻すことができる変位量検出装置を提供する。
【解決手段】センサヘッド４８を備える固定部１４と、固定部１４に固定した弾性体１５で支持される可動部１６とを備える。可動部１６に設けたセンサロッド４９の変位量をセンサヘッド４８で検出する。弾性体１５を、固定部１４で片持梁状に支持した前後一対の板バネ２３・２４で構成する。板バネ２３・２４の固定端および可動端を、それぞれブロック状のスペーサ２５・３１を間にして締結する。板バネ２３・２４の少なくとも一方の幅寸法を、板バネ２３・２４の固定端および可動端における締結領域５７・５９の幅寸法より大きく設定する。板バネ２３・２４の少なくとも一方に、締結領域５７・５９からはみ出る自由変形部６０を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、リニアセンサのセンサヘッドを備える固定部と、固定部に固定した弾性体で支持される可動部とを備えており、可動部と一体に変位するセンサロッドの変位量をセンサヘッドで検出する変位量検出装置に関する。本発明に係る変位量検出装置は、例えば自動ワインダ等の繊維機械装置における巻き取り中の糸の張力を測定するテンションセンサとして使用することができる。

繊維機械装置における巻き取り中の糸の張力をリニアセンサで測定するテンションセンサは、例えば特許文献１および特許文献２に公知である。両特許文献のテンションセンサは、リニアセンサのセンサヘッドを備える固定部と、固定部に固定した弾性体で支持される可動部とを備える。可動部には、測定対象となる糸が屈曲状態で接触する受動体と、リニアセンサのセンサロッドとが設けられている。受動体の変位に伴うセンサロッドの変位量をセンサヘッドで検出することにより、糸の張力を測定することができる。弾性体は、固定部で片持梁状に支持した前後一対の板バネで構成されている。両板バネの固定端および可動端は、幅方向の全長にわたって、固定部あるいは可動部に連結されている。

特開２００９−０４７５２６号公報 特開２０１０−００８２９３号公報

リニアセンサの測定値（可動部の変位量）は、可動部への負荷が解除された瞬間に初期値（ゼロ値）になることが理想である。しかし、特許文献１および特許文献２に係る従来のテンションセンサにおいては、可動部への負荷が解除されると、測定値は初期値に近付くものの、完全な初期値に復帰するまでには、８〜１０時間を要することが判明した。

本発明者等は、上記不具合の原因は、弾性体を構成する２枚の板バネに若干の撓みが残っているためであると考え、板バネの厚み寸法を大きくして、板バネの弾性力を大きくすることを試みた。このように、板バネの厚み寸法を従来よりも大きくすると、可動部への負荷が解除された瞬間の測定値をより初期値に近付けることができ、また、測定値が完全に初期値に復帰するまでの時間を若干短縮することができた。しかし、これら負荷が解除された瞬間の測定値、および測定値が完全に初期値に復帰するまでの時間が充分であるとは言えず、換言すれば、この方法では、リニアセンサの精度が充分に改善されたとは言えず、以前として改良の余地があることが判明した。

本発明の目的は、可動部に対する負荷が失われた瞬間の測定値を、より初期値に近付けることが可能であり、しかも、負荷が失われてから短時間で、可動部を完全に初期位置まで復帰させることができる変位量検出装置を提供することにある。

本発明の変位量検出装置は、リニアセンサ４７のセンサヘッド４８を備える固定部１４と、固定部１４に固定した弾性体１５で支持される可動部１６とを備える。可動部１６には、可動部１６と一体に変位するセンサロッド４９を設け、センサロッド４９の変位量をセンサヘッド４８で検出する。弾性体１５を、固定部１４で片持梁状に支持した前後一対の板バネ２３・２４で構成する。一対の板バネ２３・２４の固定端および可動端を、それぞれブロック状のスペーサ２５・３１を間にして締結する。一対の板バネ２３・２４の少なくとも一方の幅寸法を、板バネ２３・２４の固定端および可動端における締結領域５７・５９の幅寸法より大きく設定する。板バネ２３・２４の少なくとも一方に、固定端の締結領域５７、および可動端の締結領域５９からはみ出る自由変形部６０を設けることを特徴とする。

板バネ２３・２４の少なくとも幅方向の一端に自由変形部６０を設ける。

板バネ２３・２４の幅方向の両端に自由変形部６０を設け、自由変形部６０の幅寸法を同じに設定する。

可動部１６に、測定対象となる糸３が屈曲状態で接触する受動体３２を設ける。受動体３２の変位に伴うセンサロッド４９の変位量をセンサヘッド４８で検出して、糸３の張力を測定する。

本発明においては、一対の板バネ２３・２４の少なくとも一方の幅寸法を、板バネ２３・２４の固定端および可動端の締結領域５７・５９の幅寸法より大きく設定して、板バネ２３・２４の少なくとも一方に、締結領域５７・５９からはみ出る自由変形部６０を設けた。これによれば、可動部１６に対する負荷が失われた時点におけるリニアセンサ４７の測定値を、自由変形部６０を設けなかった場合に比べて大幅に初期値（ゼロ値）に近付けることができる。また、可動部１６に対する負荷が失われてから、リニアセンサ４７の測定値が初期値に復帰するまでの時間を、自由変形部６０を設けなかった場合に比べて大幅に短縮することができる。つまり、本発明によれば、可動部１６に対する負荷が失われた時点で、可動部１６を初期位置の近傍まで戻すことができ、しかも、負荷が失われてから短時間で、可動部１６を完全に初期位置まで戻すことができる。

上記の作用効果は、以下のようなメカニズムに拠るものと思料する。弾性体１５を２枚の板バネ２３・２４で構成した変位量検出装置においては、可動部１６に負荷を加えることにより可動部１６が変位して、板バネ２３・２４が初期状態から撓み変形する。このとき、板バネ２３・２４の弾性変形可能な部分と、固定端および可動端の締結領域５７・５９との境界部分に、撓み変形に由来する応力が集中し、この応力集中部分に、撓み変形時の歪が永久歪ではない形で残留して、可動部１６に対する負荷が取り除かれた後も、板バネ２３・２４が初期状態に復帰することを阻害する。換言すれば、所謂応力緩和に近い現象が生じる。
これに対して本発明においては、板バネ２３・２４の少なくとも一方に、応力集中が生じない自由変形部６０を設けたので、この自由変形部６０が、初期状態への高い復元力を発揮して、応力集中部分に歪が残留することを緩和する。従って、本発明によれば、可動部１６に対する負荷が失われた時点で、可動部１６が初期位置の近傍まで戻り（可動部１６に対する負荷が失われた瞬間の測定値をより初期値に近付けることができ）、しかも、負荷が失われてから短時間で、可動部１６を完全に初期位置まで戻すことができる。

本発明において自由変形部６０は、板バネ２３・２４の幅方向端部と幅方向中央部のどちらに配置してもよい。しかし、自由変形部６０を幅方向中央部に配置する場合は、締結領域５７・５９が板バネ２３・２４の幅方向両端部に配置される形になるので、板バネ２３・２４が締結される固定部１４および可動部１６の部材点数の増加あるいは形状の複雑化を招いてしまう。これに対して、本発明のように、自由変形部６０を板バネ２３・２４の少なくとも幅方向の一端に配置すると、板バネ２３・２４の固定端および可動端において、締結領域５７・５９が幅方向の一箇所のみに配置された形になる。従って、固定部１４および可動部１６の部材点数が多くなるのを避けることができ、また、固定部１４および可動部１６の構造を単純化することができる。

１つの自由変形部６０を板バネ２３・２４の幅方向一端に設ける形態よりも、当該自由変形部６０の半分の幅寸法を有する２つの自由変形部６０を板バネ２３・２４の幅方向両端に配置する形態の方が、より大きな復元力を発揮させて、応力集中部分に歪が残留するのをより的確に緩和することができる。１つの自由変形部６０を板バネ２３・２４の幅方向一端に配置する場合には、自由変形部６０における締結領域５７・５９から幅方向に離れた部分の弾性力が、締結領域５７・５９の周囲の応力集中部分に対してあまり作用しない。一方、２つの自由変形部６０を板バネ２３・２４の幅方向両端に配置する場合には、自由変形部６０の全体が、先の場合に比べて締結領域５７・５９の近くに位置する。従って、自由変形部６０が全体として持つ復元力を、応力集中部分に対して効果的に作用させることができ、応力集中部分に歪が残留するのをより的確に緩和することができる。また、板バネ２３・２４の幅方向両端の自由変形部６０の幅寸法を同じに設定すると、自由変形部６０が発揮する初期状態への復元力を、板バネ２３・２４の幅方向両端側で同じ大きさにすることができる。従って、可動部１６に対する負荷が取り除かれたときに、板バネ２３・２４に捻れを生じさせることなく、板バネ２３・２４をより確実に初期状態に復帰させることができる。

可動部１６に、測定対象となる糸３が屈曲状態で接触する受動体３２を設けて、受動体３２の変位に伴うセンサロッド４９の変位量をセンサヘッド４８で検出して、糸３の張力を測定する形態を採ることができる。つまり、本発明に係る変位量検出装置は、糸３の張力を測定するテンションセンサとして使用することができる。これによれば、糸３が切れて、受動体３２に対する糸３からの押圧力が失われた時点で、リニアセンサ４７の測定値が初期値の近傍値となり、しかも、短時間でリニアセンサ４７の測定値が初期値に復帰するので、糸３が切れたことを確実に検知することができる。

本発明に係る変位量検出装置を適用したテンションセンサの斜視図である。 テンションセンサの横断平面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 テンションセンサを備える繊維機械装置の概略構成図である。 本発明の実施形態に係るテンションセンサにおける弾性体の復元特性を示すグラフである。 本発明の実施形態の比較対象に係るテンションセンサにおける弾性体の復元特性を示すグラフである。

（実施形態） 図１から図５に、本発明に係る変位量検出装置を繊維機械装置のテンションセンサに適用した実施形態を示す。図５に示すように、繊維機械装置は、給糸部１から所定形状のパッケージ２を形成するものであり、給糸部１からパッケージ２に至る糸３の経路上に、テンションセンサ（変位量検出装置）５、テンションコントロール装置６、巻上げ装置７などを備える。

巻き取り時の糸３の張力が不均一であると、生産されるパッケージ２の歩留まりの低下を招き、また、過剰な張力が糸３に加わると糸品質の不良が発生する。そこで、巻き取り時の糸３の張力を均一に保つため、経路上の糸３の張力をテンションセンサ５により測定し、この測定結果に応じてテンションコントロール装置６により張力を大小に調整する。図５において符号９は、テンションセンサ５による測定結果に基づいてテンションコントロール装置６をコントロールするための制御部を示す。

図２に示すように、テンションセンサ５は、繊維機械装置のシャーシ１１にビス１２で固定された固定部１４と、固定部１４に固定した弾性体１５で支持される可動部１６とを有する。固定部１４は、アルミニウム等の金属を素材とする上方視で略Ｌ字状のブロック体であるベース体１７と、後述する連結ブロック（スペーサ）２５および挟持板２６とを含む。ベース体１７は、シャーシ１１に固定される左右方向に伸びる締結座１８と、締結座１８の基端部（右端部）から前方へ伸びる支持腕１９とを有する。締結座１８の遊端部（左端部）には、後述するリニアセンサ４７のセンサヘッド４８が装着されている。なお、本発明における前後、左右、上下とは、各図に示す交差矢印と、各矢印の近傍に表記した前後、左右、上下の表示に従う。

図１および図２に示すように、弾性体１５は、固定部１４で片持梁状に支持した前後一対の板バネ２３・２４で構成されている。板バネ２３・２４は、ＳＵＳ３０１等のステンレス鋼を素材として矩形状に形成されて、前後方向に所定間隔を置いて平行に配置されている。板バネ２３・２４の右端が固定部１４に連結された固定端とされ、左端が可動部１６に連結された可動端とされている。両板バネ２３・２４の固定端の間には、四角ブロック状の連結ブロック２５が装着されている。後側の板バネ２３の固定端は、ベース体１７の支持腕１９と連結ブロック２５とにより前後から挟持される。前側の板バネ２４の固定端は、連結ブロック２５と矩形状の挟持板２６とにより前後から挟持される。両板バネ２３・２４と連結ブロック２５と挟持板２６とを貫通して支持腕１９の前面にねじ込まれた上下一対のビス２７・２７によって、弾性体１５は固定部１４に固定されている。連結ブロック２５および挟持板２６はアルミニウム等の金属を素材として形成されている。

可動部１６は、両板バネ２３・２４の可動端の間に装着された四角ブロック状の支持ブロック（スペーサ）３１と、支持ブロック３１の左面側に設けられて糸３に接触する受動体３２と、２枚の矩形状の挟持板３３・３４とを含む。後側の板バネ２３の可動端は、支持ブロック３１と挟持板３３とにより前後から挟持され、前側の板バネ２４の可動端は、支持ブロック３１と挟持板３４とにより前後から挟持される。前側の挟持板３４と両板バネ２３・２４と支持ブロック３１とに挿通した上下一対のビス３５・３５を後側の挟持板３３にねじ込むことにより、両挟持板３３・３４と両板バネ２３・２４と支持ブロック３１とが締結されている（図４参照）。支持ブロック３１および挟持板３３・３４はアルミニウム等の金属を素材として形成されている。

受動体３２は、糸３に接するローラ状の案内部４１と、案内部４１を支持する支持軸４２とを有する。支持軸４２は、支持ブロック３１と一体に形成されており、基端側（右側）の大径部と先端側（左側）の小径部とを有する。案内部４１は、支持軸４２の小径部で回転自在に支持されている。符号４３は、座金４４を介して支持軸４２にねじ込まれたビスであり、先の座金４４によって案内部４１が小径部から抜け止めされている。案内部４１の外面には、上方向に走行移動する糸３を案内するＶ字状の案内溝が形成されている。案内部４１はセラミックスを素材とし、支持軸４２はアルミニウム等の金属を素材とし、ビス４３はポリアミド系の合成樹脂を素材として形成されている。

テンションセンサ５の測定要素となるリニアセンサ４７は、ベース体１７の締結座１８に装着された筒状のセンサヘッド４８と、センサヘッド４８に対して相対的に前後方向に直線変位可能に構成されたセンサロッド４９とで構成される。センサロッド４９は、前端が支持ブロック３１に連結されたロッド本体５０と、ロッド本体５０の後端に外嵌装着されたコア５１とからなる。センサヘッド４８の内周面には、一次コイルおよび複数の二次コイルからなるコイル群５２が設けられている。コア５１は、センサロッド４９の変位方向すなわち前後方向に所定間隔で配列された複数の磁気応答部材を備え、コイル群５２内に挿入されている。一次コイルに交流信号を印加すると、コイル群５２に対するコア５１の前後方向の変位量に応じた電気信号が二次コイルから出力される。

図１に示すように、糸３は案内部４１との接触部分において屈曲し、この接触部分において、案内部４１は、糸３の上流方向に加わる張力と、糸３の下流方向に加わる張力とを合成した後ろ向きの押圧力を受ける。案内部４１が後ろ向きの押圧力を受けると、図２に想像線で示すように、その押圧力の大きさに応じて、可動部１６の全体が固定部１４に対して後方に変位し、この変位に伴ってセンサロッド４９のコア５１が後方に変位する。このコア５１の変位量をセンサヘッド４８で検出することにより、糸３の張力を測定することができる。リニアセンサ４７による糸３の張力の測定値は制御部９に送られる。制御部９は測定値に基づいて、糸３に付与する張力をテンションコントロール装置６により増減させて、張力を最適値に近付ける制御を行い、また測定値が許容範囲を超えている場合には、巻上げ装置７を緊急停止させるなどの制御を行う。さらに制御部９は、糸３の張力の測定値が初期値（ゼロ値）もしくはその近傍値になった場合に、糸３が切れたとみなして巻上げ装置７を停止させる。

本実施形態に係るテンションセンサ５では、一対の板バネ２３・２４の上下方向（幅方向）寸法を、板バネ２３・２４の固定端および可動端における締結領域５７・５９の上下寸法より大きく設定した。固定端の締結領域５７とは、後側の板バネ２３における、ベース体１７の支持腕１９と連結ブロック２５とにより挟持される部分、および、前側の板バネ２４における、連結ブロック２５と挟持板２６とにより挟持される部分のことである（図２参照）。また、可動端の締結領域５９とは、後側の板バネ２３における、支持ブロック３１と挟持板３３とにより挟持される部分、および、前側の板バネ２４における、支持ブロック３１と挟持板３４とにより挟持される部分のことである。そして、本実施形態では、一対の板バネ２３・２４に、締結領域５７・５９の上下端からはみ出る自由変形部６０を設けた。上下の自由変形部６０の上下寸法は同一に設定されている。

具体的には、固定部１４を構成するベース体１７、連結ブロック２５および挟持板２６の上下寸法を９ｍｍに設定した。可動部１６を構成する支持ブロック３１および挟持板３３・３４の上下寸法も、固定部１４と同じ９ｍｍに設定した。一方、弾性体１５の板バネ２３・２４の上下寸法は、固定部１４および可動部１６の２倍にあたる１８ｍｍに設定した。つまり、各締結領域５７・５９の上下寸法は９ｍｍ、自由変形部６０の上下寸法はそれぞれ４．５ｍｍである。また、板バネ２３・２４の厚み寸法は０．１ｍｍに設定した。

図６は、本実施形態に係るテンションセンサ５のリニアセンサ４７の測定値（可動部１６の変位量）を縦軸に、時間を横軸にしたグラフである。一方、図７は、板バネ２３・２４の上下寸法を固定部１４および可動部１６と同じ９ｍｍに設定し、板バネ２３・２４に自由変形部６０を設けなかった以外は、本実施形態と同じ条件で試験を行った結果を示すグラフである。図６および図７において時点Ｔは、糸３が切れて、受動体３２に作用する糸３からの押圧力が失われた時点を示している。本実施形態（図６）の時点Ｔにおけるリニアセンサ４７の測定値Ｌ１は、自由変形部６０を設けていない比較対象（図７）における測定値Ｌ２よりも大幅に小さかった（Ｌ１＜＜Ｌ２）。
具体的にはＬ１＝０．００３ｍｍ、Ｌ２＝０．０１ｍｍであった。
また、本実施形態（図６）における、糸３が切れてからリニアセンサ４７の測定値が初期値に復帰するまでの時間Ｔ１は、比較対象（図７）における時間Ｔ２に比べて大幅に短かった（Ｔ１＜＜Ｔ２）。具体的にはＴ１＝１０〜１５秒、Ｔ２＝８〜１０時間であった。

上記のような結果が得られるのは、次の理由による。糸３からの押圧力を受けて可動部１６が後方へ変位して、板バネ２３・２４が初期状態から撓み変形すると、板バネ２３・２４の弾性変形可能な部分と、固定端および可動端の締結領域５７・５９との境界部分に、撓み変形に由来する応力が集中する。この応力集中部分に撓み変形時の歪が永久歪ではない形で残留して、糸３が切れた後も、板バネ２３・２４が初期状態に復帰することを阻害する。比較対象（図７）において、リニアセンサの測定値が初期値に復帰するまでに８〜１０時間を要したことが、これを示している。一方、本実施形態においては、締結領域５７・５９の上下に、応力集中が生じない自由変形部６０を設けた。自由変形部６０は、初期状態への高い復元力を発揮して、応力集中部分に歪が残留するのを緩和する。従って、本実施形態においては、糸３が切れて可動部１６に作用する力が失われた時点で、可動部１６を初期位置の近傍まで戻すことができ、しかも、糸３が切れてから短時間で、可動部１６を完全に初期位置まで戻すことができた。

締結領域５７・５９の位置は、板バネ２３・２４の固定端および可動端の上下方向中央部である必要は無い。場合によっては、固定端および可動端の上半部に締結領域５７・５９を配置し、板バネ２３・２４の下半部を自由変形部６０としてもよい。また、板バネ２３・２４の上下方向中央部に自由変形部６０を配置し、固定端および可動端の上下端部に締結領域５７・５９を配置してもよい。さらに、自由変形部６０を設けるのは、一対の板バネ２３・２４の一方のみであってもよい。固定部１４と可動部１６の上下寸法は同一である必要は無い。板バネ２３・２４は矩形状である必要は無く、例えば台形状などの形状であってもよい。板バネ２３・２４の固定端側の縁部どうしを繋いだ断面コ字状の１枚の金属板で弾性体１５を構成することができる。

３ 糸
５ 変位量検出装置（テンションセンサ）
１４ 固定部
１５ 弾性体
１６ 可動部
２３ 板バネ
２４ 板バネ
２５ スペーサ（連結ブロック）
３１ スペーサ（支持ブロック）
３２ 受動体
４７ リニアセンサ
４８ センサヘッド
４９ センサロッド
５７・５９ 締結領域
６０ 自由変形部

Claims (4)

1. リニアセンサのセンサヘッドを備える固定部と、該固定部に固定した弾性体で支持される可動部とを備えており、
   前記可動部には、該可動部と一体に変位するセンサロッドが設けられており、該センサロッドの変位量を前記センサヘッドで検出する変位量検出装置であって、
   前記弾性体は、前記固定部で片持梁状に支持した前後一対の板バネで構成されており、
   前記一対の板バネの固定端および可動端は、それぞれブロック状のスペーサを間にして締結されており、
   前記一対の板バネの少なくとも一方の幅寸法が、前記板バネの固定端および可動端における締結領域の幅寸法より大きく設定されており、
   前記板バネの少なくとも一方に、前記固定端の締結領域、および前記可動端の締結領域からはみ出る自由変形部が設けてあることを特徴とする変位量検出装置。
2. 前記板バネの少なくとも幅方向の一端に、前記自由変形部が設けてある請求項１に記載の変位量検出装置。
3. 前記板バネの幅方向の両端に前記自由変形部が設けられており、
   前記自由変形部の幅寸法が同じに設定してある請求項２に記載の変位量検出装置。
4. 前記可動部に、測定対象となる糸が屈曲状態で接触する受動体が設けられており、
   前記受動体の変位に伴う前記センサロッドの変位量を前記センサヘッドで検出して、前記糸の張力を測定する請求項１から３のいずれかひとつに記載の変位量検出装置。

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