JP5575995B1 - テンションセンサ - Google Patents

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Abstract

【課題】真空雰囲気中であってもセンサブロックから発生するアウトガスが問題となることはなく、腐食ガス雰囲気中であってもセンサブロックの腐食が問題となることのないようにする。
【解決手段】歪みゲージ１１，１２が取り付けられたセンサブロック１０と、センサブロック１０の周囲を閉じるベローズ本体２１と、センサブロック１０とベローズ本体２１の一方をセンサブロック１０が外部に密閉状態となるように固着する第１の固着手段（２２，４０，６０）と、センサブロック１０とベローズ本体２１の他方をセンサブロック１０が外部に密閉状態となるように固着する第２の固着手段（２３，３０，５０，７０）とを備える。ベローズ本体２１の伸縮方向がセンサブロック１０に印加する検出荷重方向と直交する方向になるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、剪断荷重を検出する荷重検出素子を備えたセンサブロックを外部雰囲気に対して完全遮蔽できるようにしたテンションセンサに関する。
紙、フィルム、セロファン、織物、箔、ゴム、銅等のウェブ（可撓性をもつ長尺物）の巻き取りや巻き戻しを行う場合、巻径の変化に伴ってウェブの張力が変動する。張力が変動すると、ウェブがしわ寄り、弛み、厚み変化などを引き起こし、最悪の場合はウェブの切断に至ることもある。また、印刷工程では、張力変動によるウェブの伸び縮みは、印刷ズレを起こす原因となる。
そこで従来では、ウェブの張力をテンションセンサによって常時検出し、その張力が一定となるように巻取側リールの巻取力、あるいは巻戻側リールのブレーキ力を制御することが行われている。
図５にテンションセンサによってウェブ１００の張力を検出する構造を示す（例えば、非特許文献１）。ウェブ１００は検出ローラ１１０に右下方向から右上方向に搬送されるように懸架されている。この検出ローラ１１０は軸受１２０によって支持され、この軸受１２０はテンションセンサとしてのセンサブロック１０の取付板１３０にボルト（図示せず）によって固着されている。そして、このセンサブロック１０は、張力検出ローラ機構（図示せず）の架台に取り付けられた取付金具１４０に固着されている。
図６にテンションセンサによる張力検出の原理図を示す。センサブロック１０は、取付板１３０と取付金具１４０の間に、縦方向に平行に形成されバネ部分として機能するバネ脚１０ａ，１０ｂを備え、その内側に歪みゲージ１１，１２が取り付けられている。
いま、ウェブ１００が上方向と下方向に同じ張力Ｔで懸架され搬送されている場合、その張力を合成した荷重Ｆは、その荷重Ｆ方向に対するウェブ１００の上側の角度をθ１、下側の角度をθ２とし、θ１＝θ２、θ＝θ１＋θ２とすると、
Ｆ＝２Ｔcos（θ／２）
で表される。
この荷重Ｆがセンサブロック１０の取付板１３０に対して横方向（検出方向）に印加するので、そのセンサブロック１０には脚１０ａ，１０ｂにわずかな歪み（変位）が発生し、この歪みによって歪みゲージ１１，１２の抵抗値が変化する。この歪みゲージ１１，１２はブリッジ回路（図示せず）に組み込まれており、その抵抗値の変化が張力検出電圧信号の変化として取り出される。取り出された張力検出電圧信号は、プリアンプ基板１３によって増幅され、張力制御装置（図示せず）に送られる。張力制御装置では、この張力検出電圧信号を取り込み処理することよって、ウェブ１００を巻取側の巻取力あるいは巻戻側のブレーキ力を制御する。これにより、ウェブ１００の張力Ｔが所望の一定値となるように制御され、張力変動が抑制される。
ところで、現在では、ロール状に巻かれた長さ数百ｍ〜数ｋｍのフィルム基板を巻き戻す過程において、蒸着、スパッタリング、コーティング等の処理を行って、そのフィルム基板上に連続的に成膜することで機能性薄膜を製造するロール to ロール方式の生産技術が採用されている。この方式を利用して、スマートフォンやタブレットのプラスチック基板、有機ＥＬやタッチパネルディスプレイ、半導体装置、太陽光パネル等の製造が行われている。このようなロール to ロールによる生産技術においても、ウェブであるフィルム基板の搬送時の張力制御が必要不可欠となってきている。
ウェブ制御装置、ＭＪテンションセンサ、株式会社ニレコ、[２０１３年８月１日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.nireco.jp/prod/web/tension/mj.html＞
上記したロール to ロール方式によって機能性薄膜を製造する際は、その製造が真空雰囲気中で行われる場合があり、このような真空雰囲気中でウェブの張力制御を行うときは、その真空雰囲気中に設置したセンサブロック１０の例えば歪みゲージ１１，１２を貼付する接着剤やプリント基板１３等の構成材料から出る有機材料がアウトガスとして引き出されて、製造ラインに悪影響を与えるおそれがある。また、このアウトガスの発生により歪みゲージ１１，１２の貼着力が低下してテンションセンサの寿命が短くなる恐れもある。
一方、前記ロール to ロール方式による成膜が特殊な腐食性ガス雰囲気中で行われる場合は、その腐食性ガスによってセンサブロック１０が劣化し、あるいは汚染されて、最悪の場合は破損を招き、ウェブ張力制御が機能不全に陥ってウェブの脱落事故等が発生するおそれがある。
本発明は以上のような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、真空雰囲気中であってもセンサブロックから発生するアウトガスが問題となることはなく、また腐食ガス雰囲気中であってもセンサブロックの腐食が問題となることのないよう対策を施したテンションセンサを提供することである。
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明のテンションセンサは、一方の面に平行な方向に印加する荷重を検出する荷重検出素子が取り付けられたセンサブロックと、該センサブロックの周囲を閉じるベローズ本体と、前記センサブロックの前記一方の面と前記ベローズ本体の一方の端部を前記センサブロックが外部に密閉状態となるように固着する第１の固着手段と、前記センサブロックの前記一方の面と反対側の他方の面と前記ベローズ本体の前記一方の端部と反対側の他方の端部を前記センサブロックが外部に密閉状態となるように固着する第２の固着手段とを備え、前記ベローズ本体の伸縮方向は前記センサブロックに印加する前記荷重の方向に対して直交する方向であり、前記第１の固着手段は、前記センサブロックの前記一方の面が中央部分に固着されるとともに前記ベローズ本体の前記一方の端部が周囲に固着される円盤形状の第１のベローズ取付体と、該第１のベローズ取付体の前記センサブロックと反対側に固着される第１の取付フランジとで構成され、前記センサブロックの前記第１のベローズ取付体への取付部分が、前記第１の取付フランジと前記第１のベローズ取付体の間に装填した第１のＯリングにより密閉されていることを特徴とする。
請求項２にかかる発明のテンションセンサは、一方の面に平行な方向に印加する荷重を検出する荷重検出素子が取り付けられたセンサブロックと、該センサブロックの周囲を閉じるベローズ本体と、前記センサブロックの前記一方の面と前記ベローズ本体の一方の端部を前記センサブロックが外部に密閉状態となるように固着する第１の固着手段と、前記センサブロックの前記一方の面と反対側の他方の面と前記ベローズ本体の前記一方の端部と反対側の他方の端部を前記センサブロックが外部に密閉状態となるように固着する第２の固着手段とを備え、前記ベローズ本体の伸縮方向は前記センサブロックに印加する前記荷重の方向に対して直交する方向であり、前記第２の固着手段は、前記センサブロックの前記他方の面に固着されるセンサベースと、前記ベローズ本体の前記他方の端部に固着されるリング形状の第２のベローズ取付体と、前記センサベースが中央に固着されるとともに周囲に前記第２のベローズ取付体が固着される第２の取付フランジとで構成され、前記センサベースの前記第２の取付フランジへの取付部分が、前記第２の取付フランジと前記第２のベローズ取付体の間に装填した第２のＯリングにより密閉されていることを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項２に記載のテンションセンサにおいて、前記第２のベローズ取付体の側面から前記センサブロックに接続される配線が外部雰囲気中に密閉状態で引き出されていることを特徴とする。
本発明によれば、センサブロックがベローズ本体と第１および第２の固着手段によって密閉され、そのセンサブロックが外部雰囲気に対して完全に遮蔽されるので、これを真空雰囲気中に配置しても、センサブロックの荷重検出素子を貼付する接着剤等からアウトガスが発生してロール to ロール方式による製造ラインに悪影響を与えることを防止できる。また、腐食性ガスの雰囲気中に配置したときでも、センサブロックに腐食が生じる恐れはなくなる。よって、ロール to ロール方式による製造ラインのウェブの張力検出に好適となる。
本発明の１つの実施例のテンションセンサの分解斜視図である。 本実施例のテンションセンサの別の角度から見た分解斜視図である。 本実施例のテンションセンサの断面図である。 本実施例のテンションセンサの張力検出ローラ機構への取り付けの説明図である。 従来のテンションセンサの張力検出ローラ機構への取り付けの説明図である。 従来のテンションセンサによる張力検出の原理説明図である。
図１、図２に本発明の１つの実施例のテンションセンサの分解斜視図を、図３に断面図をそれぞれ示す。本実施例のテンションセンサ２００は、若干前述したセンサブロック１０、そのセンサブロック１０の周囲を密閉するベローズ２０、センサブロック１０の下面に取り付けられるセンサベース３０、張力検出ローラ機構への取付用の第１の取付フランジ４０、同じく張力検出ローラ機構への取付用の第２の取付フランジ５０、センサブロック１０の密閉用のＯリング６０，７０、真空継手８０、および六角穴付ボルト９１〜９５を備える。
センサブロック１０は剛性の高い金属製であり、正面から裏面にかけて中央部分がくり抜かれた口形状を有し、互いに平行な両側のバネ脚１０ａ，１０ｂは、図面における上面と下面に平行に反対方向に加わる剪断荷重に応じて歪むバネ部分として機能し、その内側に荷重検出素子としての歪みゲージ１１，１２が貼付されている。１３はその歪みゲージ１１，１２を辺の一部とするブリッジ回路で得られる電圧信号を増幅する増幅器が搭載されるプリアンプ基板である。このプリアンプ基板１３に接続された信号線を内包するシールド付き４芯ケーブル１４が、センサブロック１０から外部に引き出されている。また、このセンサブロック１０の上面には六角穴付ボルト９３が螺合する４個のネジ穴１０ｃが、下面にも六角穴付ボルト９２が螺合する４個のネジ穴（図示せず）が、それぞれ形成されている。
ベローズ２０は、円形蛇腹形状のベローズ本体２１と、そのベローズ本体２１の上部周囲が溶接接合で密着された円盤形状の第１のベローズ取付体２２と、ベローズ本体２１の下部周囲が溶接接合で密着されたリング形状の第２のベローズ取付体２３とで構成され、それら全ては耐腐食性の金属で形成されている。第１のベローズ取付体２２の上面には、Ｏリング６０の装填用の円周溝２２ａが形成され、その円周溝２２ａの内側には上部が大径で中部から下部が小径の貫通した六角穴付ボルト９３の挿通用の４個の段付貫通穴２２ｂが形成され、円周溝２２ａの外側には六角穴付ボルト９５の挿通用の８個の貫通穴２２ｃが形成されている。また、第２のベローズ取付体２３の周囲には六角穴付ボルト９４の挿通用の８個の貫通穴２３ａが形成され、外周の適所には、センサブロック１０のシールド付き４芯ケーブル１４を引き出すための管ネジ（雌ネジ）穴２３ｂが形成されている。
センサベース３０は、円盤形状で金属製であり、上部が大径で中部から下部が小径の貫通した六角穴付ボルト９１の挿通用の４個の貫通穴３０ａと、下部が大径で中部から上部が小径の貫通した六角穴付ボルト９２の挿通用の４個の貫通穴３０ｂが形成されている。
第１の取付フランジ４０は円盤形状で金属製であり、周囲に等角度ピッチで上下方向に貫通した六角穴付ボルト９５の螺合用の８個のネジ穴４０ａが形成され、内側には張力検出ローラ機構の取付板１３０への取付用の貫通しない４個のネジ穴４０ｂが形成されている。
第２の取付フランジ５０も円盤形状で金属製であり、上面にＯリング７０の装填用の円周溝５０ａが形成され、その円周溝５０ａの内側に、六角穴付ボルト９２の頭部を収納する４個の有底の収納穴５０ｂと、六角穴付ボルト９１の先端部分が螺合する非貫通の４個のネジ穴５０ｃが形成され、円周溝５０ａの外側に、六角穴付ボルト９４の先端部分が螺合する非貫通又は貫通の８個のネジ穴５０ｄが形成されている。
なお、本実施例では、請求項記載の第１の固着手段は、第１のベローズ取付体２２と第１の取付フランジ４０とＯリング６０とによって構成される。また、第２の固着手段は、センサベース３０と第２のベローズ取付体２３と第２の取付フランジ５０とＯリング７０とによって構成される。
さて、以上説明した構成要素を有するテンションセンサ２００の組み立ては、以下のようにして行われる。まず、センサブロック１０の下面にセンサベース３０を取り付ける。このときは、４個の六角穴付ボルト９２の先端をセンサベース３０の裏面から４個の貫通穴３０ｂに挿入し、センサブロック１０の下面のネジ穴に、六角棒レンチを使用して螺合する。これにより、センサブロック１０の下面にセンサベース３０の上面が強固に取り付けられる。
次に、センサブロック１０が取り付けられたセンサベース３０を、第２の取付フランジ５０に取り付ける。このときは、４個の六角穴付ボルト９１の先端をセンサベース３０の上面から４個の貫通穴３０ａに挿入し、第２の取付フランジ５０のネジ穴５０ｃに、六角棒レンチを使用して螺合することによって行う。これにより、センサベース３０の下面に第２の取付フランジ５０の上面が強固に取り付けられる。このとき、センサベース３０をセンサブロック１０に固着している４個の六角穴付ボルト９２の頭部は、第２の取付フランジ５０の収納穴５０ｂの内に位置し、組み立ての支障にはならない。
次に、センサブロック１０をベローズ２０に取り付ける。このときは、センサブロック１０のシールド付き４芯ケーブル１４を第２のベローズ取付体２３の管ネジ（雌ネジ）穴２３ｂから外側に引き出しておいてから、４個の六角穴付ボルト９３の先端を第１のベローズ取付体２２の上面の４個の段付貫通穴２２ｂから挿入し、センサブロック１０の上面の４個のネジ穴１０ｃに、六角棒レンチを使用して螺合することによって行う。これにより、センサブロック１０がその周囲をベローズ本体２１に囲まれた状態で、第１のベローズ取付体２２の下面に強固に取り付けられる。
次に、ベローズ２０の第２のベローズ取付体２３を第２の取付フランジ５０に取り付ける。このときは、第２の取付フランジ５０の円周溝５０ａにＯリング７０を装填し、そのＯリング７０に押しつけるように第２のベローズ取付体２３の下面を載せてから、８個の六角穴付ボルト９４の先端を第２のベローズ取付体２２の上面の８個の貫通穴２３ａから挿入し、第２の取付フランジ５０のネジ穴５０ｄに、六角棒レンチを使用して螺合する。これにより、ベローズ２０の下部の内側は、Ｏリング７０によって外部から完全に遮蔽される。
次に、ベローズ２０の第１のベローズ取付体２２に第１の取付フランジ４０を取り付ける。このときは、第１のベローズ取付体２２の円周溝２２ａにＯリング６０を装填し、そのＯリング６０に押しつけるように第１の取付フランジ４０を載せてから、８個の六角穴付ボルト９５の先端を第１のベローズ取付体２２の貫通穴２２ｃの下方から上方に挿入し、第１の取付フランジ４０の８個のネジ穴４０ａに、六角棒レンチを使用して螺合する。これにより、ベローズ２０の上部の内側は、Ｏリング６０によって外部から完全に遮蔽される。
最後に、シールド付き４芯ケーブル１４に真空継手８０を挿入して、その真空継手８０を第２のベローズ取付体２３の管ネジ（雌ネジ）穴２３ｂに螺合する。そして、電線管（図示せず）をシールド付き４芯ケーブル１４に挿入してその先端を真空継手８０に真空接続すれば、この真空継手８０により、ベローズ２０の内部、つまりセンサブロック１０に通じる管ネジ（雌ネジ）穴２３ｂが外部に対して遮蔽される。このとき、電線管の他端が大気圧に通じていれば、ベローズ２０の内側はその電線管を経由して大気圧となる。
以上のようにして組み立てられたテンションセンサ２００は、第１の取付フランジ４０の上面に平行な方向に加わる検出方向の荷重が第１のベローズ取付体２２を介してセンサブロック１０の上面に平行な方向に印加し、第２の取付フランジ５０の下面に平行な方向に加わる検出方向の荷重の反力がセンサベース３０を介してセンサブロック１０の下面に平行な方向に印加し、これに応じてバネ脚１０ａ，１０ｂが撓むことで、歪みゲージ１１，１２に抵抗変化が発生し、検出方向の荷重を検出することができる。
このとき、センサブロック１０に印加される検出方向の荷重はベローズ本体２１にも印加されるが、その荷重の方向はベローズ本体２１と直交する方向であり、ベローズ本体２１の弾性撓みによって吸収されるので、センサブロック１０の歪みゲージ１１，１２が検出する歪みに影響を与えることはない。つまり、センサブロック１０の歪みゲージ１１，１２の検出精度がベローズ２０の影響によって低下することはない。
本実施例では、ベローズ２０の上側を円盤形状の第１のベローズ取付体２２によって予め閉じた形態のものとし、リング形状の第２のベローズ取付体２３の側からセンサブロック１０を挿入したものである。第２のベローズ取付体２２は開放されており、この第２のベローズ取付体２２の側を閉じるために、センサブロック１０にセンサベース３０を取り付け、そのセンサベース３０を第２の取付フランジ５０に取り付けることで、センサブロック１０の下側を閉じている。
図４に本実施例のテンションセンサ２００を張力検出ローラ機構に組み込んだ様子を示す。テンションセンサ２００は、その第２の取付フランジ５０が張力検出ローラ機構の架台に取り付けられた取付金具１４０にネジ（図示せず）で固着され、第１の取付フランジ４０が取付板１３０にネジ（図示せず）で固着され、その取付板１３０に検出ローラ１１０の軸受１２０がネジで取り付けられている。
以上から、本実施例のテンションセンサは、センサブロック１０の周囲がベローズ２０と第１および第２の取付フランジ４０，５０とＯリング６０，７０によって密閉される。このため、そのセンサブロック１０が外部雰囲気に対して完全に遮蔽されることになるので、このテンションセンサを真空雰囲気中に配置しても、センサブロック１０の歪みゲージ１１，１２を貼付する接着剤等からアウトガスが発生してロール to ロール方式による製造ラインに悪影響を与えることを防止できる。また、腐食性ガスの雰囲気中に配置しても、センサブロック１０に腐食が生じる恐れはなくなる。よって、ロール to ロール方式による製造ラインのウェブの張力検出に好適なテンションセンサを実現することができる。
なお、以上の実施例では、センサブロック１０のバネ脚１０ａ，１０ｂが上から下まで同じ断面積同じ断面形状の例で説明したが、そのセンサブロック１０のバネ脚１０ａ，１０は、上下方向の１又は２以上の同一レベルにおいて、その断面積断面形状を他の部分よりも小さくした同一形状にすることもできる。この場合は、より小さい剪断荷重までも高精度に検出することができる。
また、本実施例では、荷重検出素子として、荷重に応じて変位し伸縮することにより抵抗値が変化する歪みゲージ１１，１２を用いたが、これに限られるものではなく、微少変位を検出できる荷重検出素子であればよい。例えば、荷重に応じて変化する磁歪素子の透磁率を電気信号として取り出す磁歪式、荷重に応じて変化する２個の電極間の静電容量を検出する静電容量型、荷重に応じて自転軸と直交する軸についての振れ回り運動を検出するジャイロ型等のロードセルを使用できる。
１０：センサブロック、１０ａ、１０ｂ：バネ脚、１０ｃ：ネジ穴、１１，１２：歪みゲージ、１３：プリアンプ基板、１４：シールド付き４芯ケーブル
２０：ベローズ、２１：ベローズ本体、２２：第１のベローズ取付体、２２ａ：円周溝、２２ｂ：段付貫通穴、２２ｃ：貫通穴、２３：第２のベローズ取付体、２３ａ：貫通穴、２３ｂ：管ネジ（雌ネジ）穴
３０：センサベース、３０ａ：貫通穴、３０ｂ：貫通穴
４０：第１の取付フランジ、４０ａ：ネジ穴、４０ｂ：ネジ穴
５０：第２の取付フランジ、５０ａ：円周溝、５０ｂ：収納穴、５０ｃ：ネジ穴、５０ｄ：ネジ穴
６０，７０：Ｏリング
８０：真空継手
９１〜９５：六角穴付ボルト
１００：ウェブ
１１０：検出ローラ
１２０：軸受
１３０：取付板
１４０：取付金具

Claims (3)

  1. 一方の面に平行な方向に印加する荷重を検出する荷重検出素子が取り付けられたセンサブロックと、該センサブロックの周囲を閉じるベローズ本体と、前記センサブロックの前記一方の面と前記ベローズ本体の一方の端部を前記センサブロックが外部に密閉状態となるように固着する第１の固着手段と、前記センサブロックの前記一方の面と反対側の他方の面と前記ベローズ本体の前記一方の端部と反対側の他方の端部を前記センサブロックが外部に密閉状態となるように固着する第２の固着手段とを備え、前記ベローズ本体の伸縮方向は前記センサブロックに印加する前記荷重の方向に対して直交する方向であり、
    前記第１の固着手段は、前記センサブロックの前記一方の面が中央部分に固着されるとともに前記ベローズ本体の前記一方の端部が周囲に固着される円盤形状の第１のベローズ取付体と、該第１のベローズ取付体の前記センサブロックと反対側に固着される第１の取付フランジとで構成され、
    前記センサブロックの前記第１のベローズ取付体への取付部分が、前記第１の取付フランジと前記第１のベローズ取付体の間に装填した第１のＯリングにより密閉されていることを特徴とするテンションセンサ。
  2. 一方の面に平行な方向に印加する荷重を検出する荷重検出素子が取り付けられたセンサブロックと、該センサブロックの周囲を閉じるベローズ本体と、前記センサブロックの前記一方の面と前記ベローズ本体の一方の端部を前記センサブロックが外部に密閉状態となるように固着する第１の固着手段と、前記センサブロックの前記一方の面と反対側の他方の面と前記ベローズ本体の前記一方の端部と反対側の他方の端部を前記センサブロックが外部に密閉状態となるように固着する第２の固着手段とを備え、前記ベローズ本体の伸縮方向は前記センサブロックに印加する前記荷重の方向に対して直交する方向であり、
    前記第２の固着手段は、前記センサブロックの前記他方の面に固着されるセンサベースと、前記ベローズ本体の前記他方の端部に固着されるリング形状の第２のベローズ取付体と、前記センサベースが中央に固着されるとともに周囲に前記第２のベローズ取付体が固着される第２の取付フランジとで構成され、
    前記センサベースの前記第２の取付フランジへの取付部分が、前記第２の取付フランジと前記第２のベローズ取付体の間に装填した第２のＯリングにより密閉されていることを特徴とするテンションセンサ。
  3. 請求項２に記載のテンションセンサにおいて、
    前記第２のベローズ取付体の側面から前記センサブロックに接続される配線が外部雰囲気中に密閉状態で引き出されていることを特徴とするテンションセンサ。
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