JP2020165715A - 接触圧測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】互いに接触する２つの部材の間の接触圧を、２つの部材を備えた装置の全体寸法等に影響を及ぼすことなく測定する。【解決手段】接触圧測定装置２は、第１部材４と第２部材６との間に挟まれる着圧部１６、及び着圧部１６から延長される延長部１８を有するシート８と、延長部１８に生じるひずみを検出するひずみ検出器１０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、互いに接触する２つの部材の接触圧を測定する接触圧測定装置及び測定方法に関する。

互いに接触する２つの部材の接触圧を測定する技術としては、例えば特許文献１から３に開示される技術が公知である。

特許文献１には、短冊シートが圧力ローラ対に引き込まれる力をトルクゲージで測定することで、圧力ローラ対の圧力を測定する技術が開示されている。

特許文献２には、一対のローラ間に感圧インクが充填された感圧部を備えた圧力計測シートを配置して、圧力に応じた感圧インクの電気抵抗値の変化を検出することで一対のローラの圧力を測定する技術が開示されている。

特許文献３には、２本のプレスロール間にピエゾ素子から成る複数の圧力検知器を配置して、２本のプレスロール間の圧力を測定する技術が開示されている。

特開２００１−２６４１９２号公報 特開２００８−６４６０９号公報 特開平７−２９４３４７号公報

互いに接触する２つの部材の接触圧の測定は、２つの部材を備えた装置の全体寸法等に影響を及ぼすことなく行うことが求められる。特に、一方又は双方の部材が回転体である場合には、回転体が回転している間の動的な接触圧を測定できることが求められる。

本開示の一態様は、互いに接触する第１部材と第２部材との接触圧を測定する接触圧測定装置であって、第１部材と第２部材との間に挟まれる着圧部、及び着圧部から延長される延長部を有するシートと、延長部に生じるひずみを検出するひずみ検出器と、を備える接触圧測定装置である。

本開示の他の態様は、互いに接触する第１部材と第２部材との接触圧を測定する接触圧測定方法において、第１部材と第２部材との間にシートを挟み、シートの第１部材と第２部材とに挟まれた位置以外の場所におけるひずみを検出し、ひずみに基づいて接触圧を判別することを特徴とする、接触圧測定方法である。

一態様の接触圧測定装置では、シートの延長部に生じるひずみを検出するようにしたから、第１部材と第２部材との間に圧力検知器等を挟む必要が無く、測定中に第１部材と第２部材との間隔が広がらない。第１部材と第２部材との接触圧は延長部のひずみに基づいて測定できるから、装置の全体寸法を予め大きくしたりすることなく接触圧を測定できる。第１部材及び第２部材の一方又は双方がローラ等の回転体である場合には、回転体の回転に伴って生じる延長部のひずみを経時的に検出することで、実動作環境での第１部材と第２部材との間の動的な接触圧を測定できる。

第１実施形態の接触圧測定装置の概念図である。 図１の側面図である。 第２実施形態の接触圧測定装置の概念図である。 第１部材と第２部材との間に図３のシートを設置した状態の上面図である。 図３の接触圧測定装置により測定された圧力の測定結果を示す図である。 第３実施形態の接触圧測定装置の概念図である。 光弾性体の複屈折による縞模様の像を示す図である。 接触圧測定方法を説明する図で、サーマルプリンタに図３のシートを設置した状態を示す斜視図である。 図８を異なる方向からみた斜視図である。

以下、添付図面を参照して、本開示の実施の形態を説明する。それぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付す。また、同様の事項に関する説明については記載を省略することがある。

（第１実施形態）
図１及び図２を参照して、第１実施形態の接触圧測定装置（以下「測定装置」）２について説明する。図１は測定装置２の概念図である。測定装置２は、互いに接触する第１部材４と第２部材６との接触圧を測定する。測定装置２の測定対象の一例として、第１部材４はローラ等の回転体であり、第２部材６は金属板等の板状部材である。

測定装置２は、シート８と、ひずみ検出器１０とを備える。ひずみ検出器１０は、ひずみゲージ１２と、ひずみゲージ１２に接続される検出回路１４とを含む。シート８は外力により弾性変形する部材からなり、例えば０．１ｍｍ以下の厚みを有するＰＥＴフィルムにより形成される。検出回路１４は、シート８から伝わるひずみによるひずみゲージ１２の抵抗変化を電圧に変換し、この電圧の変化に基づきシート８のひずみを検出する。

シート８は着圧部１６を有する。着圧部１６は第１部材４と第２部材６とに挟まれ、第１部材４及び第２部材６から圧力を受ける。またシート８は、着圧部１６から延長される延長部１８と、延長部１８に設けられ、例えば第１部材４と第２部材６とを備える装置の一部分である不図示の他の静止体に固定される固定部２０とを有する。

ひずみゲージ１２は、延長部１８に取り付けられる。ひずみゲージ１２は、着圧部１６と固定部２０との間で延長部１８に生じるひずみを検出する。

図２は図１の側面図である。図２を参照して、測定装置２により第１部材４と第２部材６との接触圧を測定する手順及び原理を説明する。本実施形態の測定においては、例えば第１部材４を図で上下方向に動かないように固定した上で、第２部材６を図で上方に向かって加圧する。この加圧により着圧部１６は第１部材４と第２部材６とに挟まれ、第１部材４及び第２部材６から力（接触圧）Ｆを受ける。

着圧部１６を第１部材４と第２部材６との間に接触圧Ｆで挟んだ状態で第１部材４を矢印Ａ方向に回転させると、シート８と第１部材４との間の摩擦係数μ１及びシート８と第２部材６との間の摩擦係数μ２に応じて、延長部１８に図で右方向への引張力Ｆ１が加わる。延長部１８は引張力Ｆ１によって弾性的に延伸され、延伸速度が一定（零を含む）の間、Ｆ１＝Ｆ（μ１＋μ２）の関係が成立する。

引張力Ｆ１と引張力Ｆ１によって生じる延長部１８のひずみσとの間には、σ＝Ｆ１／Ｅの関係が成立する（Ｅはヤング率）。Ｆ１＝Ｆ（μ１＋μ２）及びσ＝Ｆ１／Ｅの関係式から、Ｆ＝σＥ／(μ１＋μ２)の関係が導かれる。したがって、ひずみ検出器１０が検出した延長部１８のひずみσに基づいて、接触圧Ｆを求めることができる。

測定装置２では、第１部材４と第２部材６とに挟まれる着圧部１６ではなく、着圧部１６から延長される延長部１８に生じるひずみσを、延長部１８に取り付けられたひずみ検出器１０で検出するようにしている。第１部材４と第２部材６との間に厚みのある圧力検知器等の検出機構を挟む必要が無いため、接触圧測定時の第１部材４と第２部材６との間隔が広がることもない。第１部材４と第２部材６との接触圧Ｆは延長部１８のひずみσに基づいて測定できるから、第１部材４及び第２部材６を備えた装置の全体寸法を予め大きくしたりすることなく、接触圧Ｆを測定できる。また第１部材４の回転に伴って生じる延長部１８のひずみσを経時的に検出することで、実動作環境での第１部材４と第２部材６との動的な接触圧Ｆを測定できる。

（第２実施形態）
図３から図５を参照して、第２実施形態の測定装置２６について説明する。測定装置２６は、シート２８とひずみ検出器４２とを備え、互いに接触する第１部材４と第２部材６との接触圧を測定する。図３は測定装置２６の概念図である。図４は第１部材４と第２部材６との間にシート２８を設置した状態を示す上面図である。シート２８は外力により弾性変形する、例えば０．１ｍｍ以下の厚みのＰＥＴフィルムにより形成される。

シート２８は、互いに並列に配置される複数（図では５個）の帯状部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ（以下、帯状部３０とも総称する）を備える。ここで帯状とは、細長い矩形状であることを意味する。各帯状部３０は例えば３ｍｍから５ｍｍ程度の等ピッチで配置される。

各帯状部３０は、着圧部３２を有する。シート２８は、全ての着圧部３２が第１部材４及び第２部材６から同時に接触圧Ｆを受けるように、第１及び第２部材４、６に対して配置される。

各帯状部３０は、着圧部３２から延長される延長部３４と、延長部３４に設けられ不図示の他の静止体に固定される固定部３６とを有する。他の静止体は、例えば第１部材４と第２部材６とを備える装置の一部分である。

各延長部３４には、ひずみゲージ３８が取り付けられる。ひずみゲージ３８は、着圧部３２と固定部３６との間で延長部３４に生じるひずみを検出する。ひずみ検出器４２は、複数（図では５個）のひずみゲージ３８と、検出回路４０とを含む。検出回路４０は、個々の延長部３４から伝わるひずみによる個々のひずみゲージ３８の抵抗変化を電圧に変換し、電圧の変化に基づき各延長部３４のひずみを検出する。

シート２８は、複数の帯状部３０と一体に形成される複数（図では４個）の第１の連結部４４を有する。隣り合う帯状部３０は、それぞれの固定部３６で第１の連結部４４により互いに連結される。複数の固定部３６が互いに連結されていることで、シート２８を他の静止体へ固定することが容易となる。

各帯状部３０は、着圧部３２から延長部３４の反対側に延長される先端部４６を有する。シート２８は、帯状部３０と一体に形成される複数（図では４個）の第２の連結部４８を有し、隣り合う帯状部３０は、それぞれの先端部４６において第２の連結部４８により互いに連結される。複数の先端部４６が互いに連結されていることで、各帯状部３０を第１部材４と第２部材６との間へ配置する際の位置決めが容易となる。

測定装置２６は、第１実施形態の測定装置２と同様の手順で、第１部材４と第２部材６との接触圧を測定する。まず、全ての帯状部３０の着圧部３２を第１部材４と第２部材６との間に接触圧Ｆで挟む。この状態で第１部材４を矢印Ａ方向に回転させると、個々の延長部３４に引張力Ｆ１が加わる。各延長部３４に取り付けられたひずみゲージ３８は、引張力Ｆ１により各延長部３４に生じるひずみを検出する。ひずみ検出器４２は、各ひずみゲージ３８が検出した各延長部３４のひずみに基づいて、各着圧部３２に加わる接触圧Ｆを測定する。ここで、第１部材４と第２部材６との接触圧Ｆが第１部材４の軸線４ａに沿った方向へ不均一に生じている場合、個々の帯状部３０の着圧部３２から延長部３４に加わる引張力Ｆ１は一様でなくなり、延長部３４毎に異なるひずみが生じる。ひずみ検出器４２は、個々のひずみゲージ３８が検出した延長部３４のひずみに基づいて、個々の着圧部３２に不均一に加わる接触圧Ｆを測定することができる。

測定装置２６では、着圧部３２ではなく、延長部３４に生じるひずみをひずみ検出器４２で検出するようにしたから、第１部材４と第２部材６との間に圧力検知器等を挟む必要が無い。

図５は、接触圧Ｆが第１部材４の軸線４ａに沿って不均一に生じている場合の、個々の延長部３４のひずみに基づいて測定された接触圧Ｆの分布を示す。図５に示すように、測定装置２６によれば、第１部材４と第２部材６との間の接触圧Ｆの第１部材４の軸線方向への分布状態を知ることができる。

なおシート２８は、接触圧の測定対象である第１部材４及び第２部材６の軸線方向の長さなどの寸法や、要求される接触圧分布測定の詳細さ等に応じて、任意の数の帯状部３０を設けることができる。

（第３実施形態）
図６及び図７を参照して、第３実施形態の測定装置５０について説明する。測定装置５０は、シート５２とひずみ検出器５４とを備え、互いに接触する第１部材４と第２部材６との接触圧を測定する。

図６は測定装置５０の概念図である。シート５２は、着圧部５８と、延長部６０と、固定部６１とを有する。

ひずみ検出器５４は、延長部６０の図で上方と下方とにそれぞれ配置される一対の偏光フィルタ６２、６４と、偏光フィルタ６２の図で上方に配置される光源６６とを有する。光源６６は、例えば蛍光灯、白熱灯、白色ＬＥＤ等である。またひずみ検出器５４は撮像素子を有するカメラなどの光学測定器６８を有する。

シート５２の少なくとも延長部６０は、光弾性ポリウレタン等の光弾性体により形成される。光弾性体は外力を受けて複屈折を起こす弾性体であり、例えば図７に示すように複屈折を起こした光弾性体に現れる干渉縞を光学的手段により観察できる。干渉縞は光弾性体に発生する応力に応じて変化するため、ひずみ検出器５４は、干渉縞を光学測定器６８により測定することで延長部６０に加わる応力の分布を検出でき、検出した応力に基づいて延長部６０に生じるひずみを検出する。

図６を参照して、測定装置５０により第１部材４と第２部材６との接触圧を測定する手順及び原理を説明する。まず、着圧部５８を第１部材４と第２部材６との間に接触圧Ｆで挟む。この状態で第１部材４を矢印Ａ方向に回転させると、延長部６０に引張力Ｆ１が加わり、引張力Ｆ１により延長部６０に発生した応力に応じて複屈折を起こす。光源６６からの光を偏光フィルタ６２により偏光させて延長部６０に照射し、延長部６０を透過した光を偏光フィルタ６４により偏光させると、光学測定器６８は複屈折を延長部６０に現れる干渉縞として測定し、延長部６０に生じるひずみを検出する。検出したひずみは、測定装置２と同様に接触圧Ｆと相関を有する。ひずみ検出器５４は、光学測定器６８が検出した延長部６０のひずみに基づいて、着圧部５８に加わる接触圧Ｆを測定する。

なおシート５２は、第２実施形態のシート２８と同様に複数の帯状部を有してもよい。シート５２が複数の帯状部を有する場合、第１部材４の軸線方向に複数の帯状部を並べて配置し、各帯状部の延長部６０の干渉縞を光学測定器６８により測定することで、第１部材４の軸線方向の接触圧Ｆの分布を求めることができる。

（測定方法）
次に、本開示の他の態様である接触圧測定の一実施形態を、図８及び図９を参照して説明する。以下では、測定装置２６を用いた測定方法を説明するが、測定装置２又は５０を用いて測定することもできる。図８はサーマルプリンタ７０にシート２８を設置した状態を示す斜視図である。図９は図８を異なる方向からみた斜視図である。

サーマルプリンタ７０は、ローラ７２（第１部材）と、サーマルヘッド７４（第２部材）と、ばね７５と、モータ７６とを有する。ローラ７２は歯車列７３を介してモータ７６に連結され、モータ７６の駆動力により回転する。ばね７５は、サーマルヘッド７４をローラ７２に向けて弾性的に付勢し、ローラ７２とサーマルヘッド７４との間に接触圧Ｆを生じさせる。サーマルプリンタ７０は、ローラ７２とサーマルヘッド７４との間に挟んだ感熱紙をローラ７２の回転により搬送しながら、サーマルヘッド７４によって文字等を印刷する。

サーマルプリンタ７０の継続的な使用により、印刷にムラが生じる場合がある。印刷にムラが生じる要因の１つとして、ローラ７２が摩耗し、ローラ７２とサーマルヘッド７４とで挟んだ感熱紙に加わる接触圧がローラ７２の軸線７２ａに沿った方向へ不均一に生じていることが考えられる。このような不具合の特定のために、測定装置２６を用いてローラ７２とサーマルヘッド７４との接触圧Ｆを測定する。

本実施形態の接触圧測定方法の対象となるサーマルプリンタ７０は、ローラ７２とサーマルヘッド７４とが、接触圧Ｆで接触する閉鎖位置と、互いに離隔する開放位置との間で矢印Ｂ方向へ相対的に開閉できる構成を有する。測定装置２６によりローラ７２とサーマルヘッド７４との間の接触圧Ｆを測定する際には、ローラ７２とサーマルヘッド７４とを開放して着圧部３２をローラ７２又はサーマルヘッド７４に載せた後、ローラ７２とサーマルヘッド７４とを閉鎖位置に移動して両者間に着圧部３２を挟む。この状態で、着圧部３２は、ローラ７２及びサーマルヘッド７４から接触圧Ｆを受ける。本実施形態によるシート２８の厚さは０．１ｍｍ以下であり、サーマルプリンタ７０で使用される用紙の厚みと同程度である。

図９に示すように、サーマルプリンタ７０は感熱紙が配置される用紙ホルダ７８を有する。測定装置２６による接触圧測定時には、固定部３６を、静止体の一例である用紙ホルダ７８に両面テープ等により固定する。

測定装置２６によりローラ７２とサーマルヘッド７４との接触圧を測定する手順を説明する。まず、全ての帯状部３０の着圧部３２をローラ７２とサーマルヘッド７４との間に挟む。この状態でローラ７２を矢印Ａ方向に回転させると個々の延長部３４に引張力Ｆ１が加わる。各延長部３４に取り付けられたひずみゲージ３８は、引張力Ｆ１により各延長部３４に生じるひずみを検出する。ひずみ検出器４２は、各ひずみゲージ３８が検出した各延長部３４のひずみに基づいて各着圧部３２に加わる接触圧Ｆを測定する。検出回路４０はパーソナルコンピュータ等の演算処理装置に接続される。

本実施形態の測定方法では、シート２８の厚みをサーマルプリンタ７０で使用される紙と同程度の厚みとすることによって、用紙に印刷する場合と同等の条件での接触圧測定が可能となる。そのため、サーマルプリンタ７０の実動作環境でのローラ７２とサーマルヘッド７４との間の動的な接触圧Ｆを測定できる。

上記の実施形態は例示であり発明を限定するものではない。例えば、第１部材と第２部材との双方がローラ等の回転体であってもよい。

２、２６、５０ 接触圧測定装置
４ 第１部材
６ 第２部材
８、２８、５２ シート
１０、４２、５４ ひずみ検出器
１６、３２、５８ 着圧部
１８、３４、６０ 延長部
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ 帯状部
３８ ひずみゲージ
６８ 光学測定器
７０ サーマルプリンタ
７２ ローラ
７４ サーマルヘッド

Claims (5)

1. 互いに接触する第１部材と第２部材との接触圧を測定する接触圧測定装置であって、
   前記第１部材と前記第２部材とに挟まれる着圧部、及び該着圧部から延長される延長部を有するシートと、
   前記延長部に生じるひずみを検出するひずみ検出器と、
   を備える接触圧測定装置。
2. 前記シートは、各々が前記着圧部、及び前記延長部を有して互いに並列に配置される複数の帯状部を備え、
   前記ひずみ検出器は各延長部のひずみを検出する、請求項１に記載の接触圧測定装置。
3. 前記延長部は光弾性体からなり、
   前記ひずみ検出器は、前記延長部の複屈折を測定する光学測定器を備える、請求項１又は２に記載の接触圧測定装置。
4. 互いに接触する第１部材と第２部材との接触圧を測定する接触圧測定方法において、
   前記第１部材と前記第２部材との間にシートを挟み、
   前記シートの前記第１部材と前記第２部材とに挟まれた位置以外の場所におけるひずみを検出し、
   前記ひずみに基づいて前記接触圧を判別することを特徴とする、接触圧測定方法。
5. 前記第１部材あるいは前記第２部材の少なくとも一方はローラであり、
   前記シートを前記第１部材と前記第２部材とで挟んだ後に、前記ローラを回転させて前記シートに引張力を加えることを特徴とする、請求項４に記載の接触圧測定方法。