JP5185122B2 - 力測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械的な力を測定する装置に関する。本発明による装置は、例えば、鉄鋼業においてストリップ張力を測定又は製紙業において紙にかかる力を測定するのに適している。

直交する２つの測定方向での応力の差を測定するようになっているセンサを利用して、力を測定することは当技術分野で知られている。例えば、磁気弾性式力センサが、スウェーデン国特許第１５１２６７号明細書より公知である。その力センサは、磁気弾性材料の測定本体部と、測定本体部の少なくとも一部を取り囲み、測定本体部に力が作用していない時にはコイルの相互インダクタンスが実質的にゼロとなるように構成されている２つのコイルとを備えており、一方のコイルは磁化コイルとも呼ばれ、電流源に接続されており、もう一方のコイルは測定コイルと呼ばれ、電圧計に接続されている。このセンサは、磁歪性の材料が機械的応力に曝された時に、応力方向における透磁率が変化するという事実を利用している。このセンサは、測定本体部において直交する２つの測定方向で応力の差を測定する、つまり、測定本体部に作用する力の測定である。センサは、それが取り付けられている方向に応じて、圧縮／引張り力並びに剪断力を測定することができる。直交して取り付けられた２つの歪みゲージを利用することによって力を測定することも知られている。

正確に機能させるために、力センサには、適切な応力条件が与えられなくてはならない。適切な応力条件とは、測定本体部における二軸応力、二軸応力間の適切な関係、及び測定本体部における応力の適切なレベルである。好ましくは、二軸応力間の関係はマイナス１である、つまり、応力の大きさは等しいが反対方向になっているということである。測定本体部における応力の適切なレベルは、センサの種類に依存する。磁気弾性センサでは、正確に機能させるために、応力は歪みゲージよりも低いレベルでなくてはならない。したがって、センサにおける応力の大きさ及び方向が制御可能となっていることが望ましい。

磁気弾性式力センサにおける応力の最適なレベルは比較的低く、そのため、この種のセンサを用いて大きな力を測定することは難しい。そのようなセンサに最適な力よりも大きな力を測定可能にするために、測定本体部は、加えられた力の方向に材料の量が多くなるように設計され、それにより、測定本体部における応力のレベルは小さくなる。この解決策がもたらす問題は、周辺構造への要求が高くなり、それにより、製造が難しくなることである。材料の量が多いと、測定に影響を与える熱の問題も生じる。

本発明の課題は、改善された、機械的な力を測定する装置を提供することである。

この課題は、請求項１に規定した装置によって解決される。
このような装置は、管形状の変換器を備えており、この変換器は、力を力受容部材からセンサに伝達し、且つ受容部材によって受容された力をセンサに適する力へと変換するようになっており、これにより、センサは最適の条件下で作動できる。力受容部材は、変換器から半径方向に外方に延在するフランジを備えており、力受容部材及びセンサは、変換器の長手方向軸線に沿って互いに距離を置いて取り付けられている。力受容部材及びセンサは、センサの直交する測定方向に垂直な方向に、互いに距離を置いて取り付けられている。

変換器の機能は、磁気弾性式力センサにおいて最適な応力条件を生じさせることである。測定すべき力が力受容部材に加えられると、変換器はその力をセンサに適した応力に変換する。

変換器は、例えば、力受容部材に加えられた一軸応力をセンサにおける二軸応力に変換し、二軸応力間の望ましい関係を提供するように設計されている。一軸応力は、圧縮／引張り又は剪断応力である。変換器の形状によって、所望の変換及び応力間の関係が得られる。測定本体部における対称で且つ均一な二軸応力は、センサを最適に作動させ、ひいては測定装置の測定結果を改善する。

変換器は、例えば、受容した力の大きさを、センサに適したレベルに減少させるように設計されている。応力の大きさは、変換器の剛性、つまり、変換器の長さ及び厚みによって制御される。力受容部材の剛性も、そのような力の減少に影響を及ぼす。大きな力を測定する場合、変換器は、好ましくは、受容された力の大きさをセンサに適したレベルに減少させるように設計されている。これにより、センサの設計の際にそのセンサに適するものとされた力より大きい力を測定することが可能となる。

好ましくは、力測定装置は、外部構造、例えばロードセルに組み込まれるようになっている。センサにおける応力のレベルが制御されると、外部構造を最小化でき、より大きな張力に曝すことができる。変換器が、センサにおいて望ましい応力条件を提供でき、その一方では、外部構造を他の目的のために最適化することができる。構造を担持する力の領域がより狭いことにより、測定すべき力がより良好に統合され、応力及び温度変化に対する感応度が小さくなる。

よって、本発明により、外部構造を最小化し、力を担持する材料を減少させ、さらにセンサに対して適正な応力を得ることができる。本発明により、１ｋＮ〜１０００ｋＮの力を測定するための測定装置を設計することができる。

変換器は、管形状を有しており、力受容部材及びセンサは、変換器の長手方向軸線に沿って互いに距離を置いて取り付けられている。好ましくは、センサは、管状の変換器の内部に、センサの測定本体部が、変換器の壁部の一部と機械的に接触するように配置されており、力受容部材は、変換器の外側に取り付けられている。管形状は、センサに力を伝達するのに適している。変換器が管形状であることによって、力受容部材にかけられた一軸応力は、センサにおいての二軸応力に変換される。管形状のお陰で、力の減少を達成するのに必要な材料の量は減らされ、これにより、熱変動の影響は減少する。

本発明の実施形態によれば、力受容部材とセンサとの距離は、５〜１００ｍｍの範囲である。装置を介した力の低減に主として影響を及ぼす変換器の特性は、力受容部材とセンサとの距離、つまり、変換器の長さである。５〜１００ｍｍの範囲での距離により、約２〜２０倍の力低減係数が得られる。好ましくは、力受容部材とセンサとの範囲は、５ｍｍより大きい。センサにおける主応力比は、力受容部材とセンサとの間の距離が５ｍｍより大きい場合、１に近くなることが知られている。

本発明の実施形態によれば、変換器の壁部の厚みは、０．５〜１０ｍｍの範囲である。管状の変換器の壁部の厚みも、かけられる力の低減に影響を及ぼすが、力受容部材とセンサとの距離が及ぼす程ではない。

本発明の実施形態によれば、変換器は、シリンダ形状を有する。変換器がシリンダ形状であるお陰で、センサにおける主応力間の関係を制御することができる。それというのは、センサにおける主応力間の関係は、シリンダの直交する２つの直径間の関係に依存するからである。

本発明の実施形態によれば、変換器は、円形シリンダ形状を有する。変換器が円形シリンダ形状であるお陰で、センサにおける主応力間の関係はマイナス１となり、これは、応力が同じ大きさであるが異なる方向を有することを意味する。この二軸応力の関係は、センサのための最適条件である。

本発明の実施形態によれば、変換器及び力受容部材は、変換器の長手方向軸線を中心として回転対称となっている。例えば、力受容部材は、変換器から半径方向に外方に延在するフランジである。変換器及び力受容部材が回転対称であること並びにセンサにおける応力及び熱の流れが制御可能であることによって、変換器は、測定された方向にない力に対してはほぼ不感応となる。

本発明の実施形態によれば、装置は、変換器の長手方向軸線に沿ってセンサの反対側に、センサから前記第１の力受容部材と基本的に同じ距離を置いて取り付けられた第２の力受容部材を備えている。装置が力受容部材を１つしか有していない場合には、センサの測定本体部に作用する力は片側だけとなり、力測定に不都合となり得る測定本体部の湾曲が生じるリスクがある。この実施形態では、センサの測定本体部に作用する力が、本体部の両側で等しくなり、これにより本体部の屈曲が防止されるので測定が改善される。

本発明の実施形態によれば、センサは、磁気弾性材料からなる測定本体部と、この測定本体部の少なくとも一部を取り囲み、測定本体部に力が作用していない時にはコイルの相互インダクタンスが本質的にゼロであるように構成されている２つのコイルとを備えており、一方のコイルは、電流源に接続されており、もう一方のコイルは、電気的測定装置に接続されている。本発明は、正確に機能させるための応力条件に要求が多いこの種類のセンサにおいて特に有用である。

本発明の実施形態によれば、測定本体部、変換器及び力受容部材は、磁気弾性材料からできており、変換器、力受容部材及び測定本体部は一体となっている。この実施形態によって、測定本体部、変換器及び力受容部材を一体に製造でき、これにより、製造コストが減少する。

以下に、本発明の異なる実施形態の記述により、また添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１、２及び３に、本発明の実施形態による機械的な力を測定するための装置１を示す。装置１は、測定すべき力を受ける２つの力受容部材２ａ、２ｂと、直交する２つの測定方向５ａ、５ｂでの応力の差を測定するセンサ３と、力受容部材２ａ、２ｂからセンサ３に力を伝達し、その受容した力をセンサに適する力に変換する変換器４とを備えている。この変換器４は、力受容部材とセンサとの間に設けられている。センサは、例えば、磁気弾性センサ又は歪みゲージである。この実施形態では、センサは、４つの貫通孔７を有する磁気弾性材料からできた測定本体部６と、直交して取り付けられ、孔７を通って巻かれ、且つ測定本体部に力が働いていない時にはコイルの相互インダクタンスが本質的にゼロであるように構成されている２つのコイル８ａ、８ｂとを備えている磁気弾性センサである。励磁コイルである一方のコイル８ａは電流源に接続されており、測定コイルであるもう一方のコイル８ｂは電圧計に接続されている。

第１の力受容部材２ａは、センサの測定方向に垂直な方向でセンサ３から距離を置いて取り付けられており、センサの測定方向は、さらに、センサの測定本体部６が延在する平面に対して直交している。第２の力受容部材２ｂは、センサ３から反対の方向に同じ距離を置いて取り付けられている。力受容部材２ａ、２ｂとセンサ３との間の距離は、好ましくは、５〜１００ｍｍの範囲である。変換器の壁部の厚みは、好ましくは、０．５〜１０ｍｍの範囲である。

変換器４は、中空の管形状を有しており、この実施形態では、磁気弾性材料、例えばマルテンサイトステンレス鋼から作られている。図面に示すように、変換器４は、円形シリンダ形の断面を有している。センサ３は、管状の変換器の内部に、センサの測定本体部６が変換器の壁部の一部と直接的に接触するように配置されている。力受容部材２ａ、２ｂは、変換器４から半径方向に外方に延在するフランジの形状を有している。第１のフランジ２ａは、変換器の一方の端部に設けられており、第２のフランジ２ｂは、変換器のもう一方の端部に設けられており、センサ３は、変換器４の中央に設けられている。測定すべき力は、フランジ２ａ、２ｂに加えられる。すると、変換器４は、センサ３に対して適切な主応力を生じる。応力の大きさは、変換器の剛性、つまりその長さ及び厚み並びにフランジ２ａ、２ｂの剛性、つまりその幅及び高さによって制御される。好ましくは、測定本体部、フランジ及び変換器は、磁気弾性材料、例えばマルテンサイトステンレス鋼の一体部材からできている。

好ましくは、変換器４は、図４に示すように、外部構造１０に取り付けられている。外部構造は、例えば、ロードセルである。図４に、力測定装置１及び外部構造１０を通る長手方向断面図を示す。外部構造１０は、力受容部材２ａ、２ｂと直接的に接触させて取り付けられている。つまり、フランジ２ａ、２ｂは、外部構造１０を固定させる固定部材としても機能する。測定装置１は、溶接接合１２ａ〜１２ｄによって外部構造１０と結合している。外部構造１０、フランジ２ａ、２ｂ及び変換器４は、中空空間１４を画定しており、この空間により、変換器の壁部は、伝達された力によって変形され得る。装置１及び外部構造１０は、例えば、レーザ溶接を利用して溶接される。測定本体部における製造後の内部応力を減少させるためには、二次的処理、例えば熱処理が有用である。

図４の矢印は、装置の力を示している。図４に示すように、外部構造に作用する力は、外部構造の材料を通って、力受容部材２ａ、２ｂに伝達される。続いて、力受容部材２ａ、２ｂに作用する力は、変換器４を介してセンサ３に伝達され、その場合、力の大きさは、力受容部材２ａ、２ｂとセンサ３との間の距離ｌ及び変換器４の厚みｄに応じて減少する。距離ｌ及び厚みｄは、測定すべき力に対して調節される。変換器及び力受容部材の形状に応じて、装置は、外部構造に作用する１ｋＮ〜１０００ｋＮの力を測定するために調節することができる。

変換器及びフランジの寸法によって、測定本体部における応力の大きさ及び圧縮／引張り応力間の関係が制御される。フランジ２ａ、２ｂが圧縮力又は剪断力に曝される場合、変換器は、このような力を、センサの測定本体部において互いに垂直になっている二軸の圧縮／引張り応力に変換する。したがって、センサは、この種のセンサに最適な応力に曝される。変換器の全長が１０ｍｍを超える場合、センサにおける圧縮応力と引張り応力との間の関係は約０．９〜１．１となることが、シミュレーションにより示されている。変換器の壁部の厚み及びフランジの寸法を調節することによって、その関係を約１に調節することが可能となる。応力と同様に、変換器は、測定本体部における温度勾配を減少させる。応力を２０％減少させる変換器は、測定本体部における温度勾配も約２０％減少させる。

例えば、図１に示す、１〜５ｋＮといった小さな力を測定するのに適している力測定装置は、直径１５〜２０ｍｍ、長さ１０〜１５ｍｍ及び壁厚１〜２ｍｍの変換器と、高さ１〜２ｍｍ及び幅１〜３ｍｍの力受容部材とを有していてよい。この力測定装置は、加えられた力を約１．５〜３倍減少させる。

例えば、図１に示す、２００〜１０００ｋＮといった大きな力を測定するのに適している力測定装置は、直径３０〜３５ｍｍ、長さ４０〜５０ｍｍ及び壁厚３〜４ｍｍの変換器と、高さ２〜５ｍｍ及び幅３〜５ｍｍの力受容部材とを有していてよい。この力測定装置は、加えられた力を約５〜２０倍減少させる。

力測定装置１は、その取付け方向に応じて、圧縮／引張り力及び剪断力を測定することができる。図５に、外部構造１０に作用する圧縮力を測定するために取り付けられたセンサ３を示す。図５の矢印によって示されている外部構造１０に作用する圧縮力は、外部構造において一軸の圧縮応力を生じさせる。この外部構造における一軸圧縮応力は、センサ３の測定本体部６における二軸応力に変換される。この二軸応力は、加えられた力と同じ方向に作用する圧縮応力及び加えられた力に対して垂直方向に作用する引張り応力を含む。図５の矢印は、測定本体部における圧縮応力及び引張り応力を示す。よって、外部構造１０に作用する圧縮力によって、測定本体部６における二軸の直交する引張り応力及び圧縮応力が得られる。センサ３は、測定本体部における圧縮応力と引張り応力との差を測定する。

図６に、外部構造１０に作用する剪断力を測定するために取り付けられているセンサ３を示す。センサ３は、図５に示す圧縮力を測定するための取付けと比較すると４５度旋回されている。図６の矢印によって示すような外部構造１０に作用する剪断力によって、外部構造における一軸の剪断応力が生じる。外部構造における一軸の剪断応力は、センサ３の測定本体部６における二軸応力に変換される。この二軸応力は、加えられた力から４５度旋回された方向で作用する圧縮応力と、測定本体部における圧縮応力に対して垂直方向に作用する引張り応力とを含む。図６の矢印は、測定本体部における圧縮応力及び引張り応力を示す。よって、外部構造１０に作用する剪断力によって、センサ３の測定本体部における二軸の直交する引張り応力及び圧縮応力が得られる。センサ３は、測定本体部における圧縮応力と引張り応力との差を測定するようになっている。

備える／備えているという言葉は、本明細書で使用する場合、記載された特徴、整数、ステップ若しくは構成要素の存在を特定するために用いられる。しかし、この言葉は、１つ以上の追加的な特徴、整数、ステップ若しくは構成要素又はこれらの群の存在又は追加を包含するものではない。

本発明は、開示の実施形態に限定されることはなく、添付の特許請求の範囲内で変化及び変更させることができる。例えば、管の形状を変化させることができる。例えば、管の断面を楕円形にすることができる。別の実施形態では、本発明の装置は、変換器の一方の端部に取り付けられている力受容部材を１つのみ含んでいてもよく、センサは、変換器のもう一方の端部に取り付けられている。変換器及び力受容部材は、加えられる力に耐える強度を有し且つ測定に影響を及ぼさない任意の材料から作られていてよい。

本発明の実施形態による機械的な力を測定するための装置の斜視図を示す。 図１の装置の側面図を示す。 図１の装置の前面図を示す。 外部構造に取り付けられている図１の装置を示す。 図４に示す装置の、線Ａ−Ａに沿った断面図を示す。 図４に示す装置の別の実施形態の断面図を示す。

Claims (10)

1. 直交する２つの測定方向（５ａ、５ｂ）での応力の差を測定するセンサ（３）を備える、機械的な力を測定するための装置（１）であって、この装置が、
   測定すべき力を受容する少なくとも１つの力受容部材（２ａ、２ｂ）を備え、センサが、力受容部材にかかる力を測定し、
   − 前記装置が、力を力受容部材からセンサに伝達し、力受容部材によって受容された力をセンサに適した力に変換する、円形シリンダ形状の変換器（４）をさらに備え、
   − 力受容部材（２ａ、２ｂ）が、円形シリンダ形状の変換器（４）から半径方向に外方に延在するフランジを備え、
   − 力受容部材（２ａ、２ｂ）及びセンサ（３）が、円形シリンダ形状の変換器の長手方向軸線に沿って互いに距離（ｌ）を置いて取り付けられ、
   − 前記円形シリンダ形状の変換器（４）及び力受容部材（２ａ、２ｂ）が、前記円形シリンダ形状の変換器の長手方向軸線を中心とした回転対称であり、
   − 前記装置が、前記円形シリンダ形状の変換器（４）の長手方向軸線に沿ってセンサ（３）の反対側に、センサから前記第１の力受容部材（２ａ）と基本的に同じ距離（ｌ）を置いて取り付けられている第２の力受容部材（２ｂ）を備え、
   − 前記円形シリンダ形状の変換器（４）が、前記力受容部材（２ａ、２ｂ）にかかった一軸応力を、センサにおける二軸応力に変換するように設計され、
   − センサ（３）が、円形シリンダ形状の変換器（４）の内部で、円形シリンダ形状の変換器の壁部の一部に機械的に接触するように配置されていることを特徴とする、機械的な力を測定するための装置（１）。
2. 前記円形シリンダ形状の変換器が、前記受容された力の大きさを、前記センサに適したレベルに減少させるように設計されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記距離（ｌ）が、５〜１００ｍｍの範囲である、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記円形シリンダ形状の変換器の壁部の厚み（ｄ）が、０．５〜１０ｍｍの範囲である、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の装置。
5. センサ（３）が、磁気弾性センサである、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記センサ（３）が、磁気弾性材料からなる測定本体部（６）と、該測定本体部の少なくとも一部を取り囲む２つのコイル（８ａ、８ｂ）であって、前記測定本体部に力が作用していない時にはコイルの相互インダクタンスが基本的にゼロであるよう構成されているコイル（８ａ、８ｂ）とを備えており、前記コイルの一方が電流源に接続されており、もう一方のコイルが電気測定装置に接続されている、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の装置。
7. センサ（３）が測定本体部（６）を備え、センサの測定本体部が円形シリンダ形状の変換器の壁部の一部に機械的に接触する、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置。
8. 測定本体部（６）、円形シリンダ形状の変換器（４）及び力受容部材（２ａ、２ｂ）が磁気弾性材料で作られ、円形シリンダ形状の変換器、力受容部材及び測定本体部が一体に形成されている、請求項７に記載の装置。
9. ロードセルに組み込まれるようになっている、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の装置。
10. １ｋＮ〜１０００ｋＮの力を測定するのに適している、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の装置。

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