JP6647926B2 - 帯状体の歪分布測定装置、および歪分布測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、帯状体の幅方向の歪分布を測定する歪分布測定装置、および歪分布測定方法に関する。

金属の薄板、紙、樹脂フィルムのような帯状体の製造ラインにおいて、帯状体の幅方向の歪分布をその振動特性から求めるためには、例えば下記の特許文献１に記載されているように、帯状体の複数の固有振動数と振動モードを測定する必要がある。製造ラインで通板されている間の帯状体は一般的に振動が小さいので、その固有振動数と振動モードを測定することは困難である。そのため、圧縮空気を吹き付けるなどして帯状体を加振し、固有振動と振動モードを励起してこれらを測定している。なお、特許文献１には、帯状体の幅方向の複数の計測点で計測された振動変位から求められる帯状体の固有振動数および振動モードに基づいて帯状体の幅方向の応力分布を算出し、算出した応力分布に基づいて帯状体の幅方向の歪分布を算出することが記載されている。

上記したように、帯状体の幅方向の歪分布を測定する（算出する）に際し、前段階として帯状体の幅方向の応力分布を測定する（算出する）。この種の測定装置（＝張力測定装置）として、例えば下記の特許文献２に記載のものがある。その従来技術は、次のように構成されている。

特許文献２に記載の張力測定装置は、帯状体の幅方向に亘って複数設けられた加振手段と、帯状体に生じる振動モードを選択する振動モード選択手段と、振動モード選択手段で選択された振動モードに応じて、複数の加振手段のいずれかを用いて帯状体を加振するように加振手段を制御する加振制御手段と、帯状体の上下方向に沿った変位量を帯状体の幅方向の複数箇所で計測する変位量検出手段とを備える。振動モード選択手段で励起する振動モードを選択し、モード形態に応じた位置で加振手段を用いて帯状体を加振する。測定された振動波形の周波数を帯状体の固有振動数とし、当該固有振動数から帯状体の張力を算出する。

特開２０１４−８５１８１号公報 特許第５２６８５４８号公報

ここで、実際の帯状体の固有振動数および振動モードは、帯状体に付加される張力や歪分布の状態によって複雑に変化する。そのため、実際の製造ラインにおいてどの周波数にどのような振動モードが存在するのかを事前に把握することは難しい。しかしながら、特許文献２に記載の手法では、周波数および振動モードを決め打ちして帯状体を加振している。これでは、複数存在する固有振動数のうちのいくつかを取り漏らしてしまう恐れがある。また、複数の固有振動数を同時に測定したい場合には、特許文献２に記載の手法を適用することができない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の固有振動数のうちのいくつかを取り漏らすことを防止できるとともに、複数の固有振動数を同時に測定することができる構成を備える帯状体の歪分布測定装置、および歪分布測定方法を提供することである。

本発明に係る歪分布測定装置は、長手方向に張力を付与された帯状体の幅方向の歪分布を、長手方向の２箇所の支持部位間で測定する歪分布測定装置である。この歪分布測定装置は、前記支持部位間で前記帯状体に振動荷重を付加する振動荷重付加手段と、前記帯状体に付加された前記振動荷重によって前記帯状体に生じる上下方向の変位量を、前記帯状体の幅方向の複数の測定点で計測する振動計測手段と、前記帯状体にある複数の固有振動数の振動が励起されるように周波数を変化させながら前記帯状体に前記振動荷重を付加するように制御構成された制御装置と、を備えることを特徴とする。

この構成によると、帯状体にある複数の固有振動数の振動が励起されるように周波数を変化させながら帯状体に振動荷重を付加することで、複数の固有振動数および振動モードを漏れなく励起することができる。その結果、複数の固有振動数のうちのいくつかを取り漏らすことを防止できるとともに、複数の固有振動数を同時に測定することができる。

また本発明において、前記帯状体の幅寸法をＷ、前記帯状体の幅方向の端からの当該幅方向の距離をＸとしたとき、Ｘ＜Ｗ／８、Ｗ／８＜Ｘ＜Ｗ×２／９、Ｗ×２／９＜Ｘ＜Ｗ／２、Ｗ／２＜Ｘ＜Ｗ×７／９、Ｗ×７／９＜Ｘ＜Ｗ×７／８、およびＷ×７／８＜Ｘの範囲のうちの少なくとも１つの範囲内に前記振動荷重付加手段による加振位置が存在するように、前記振動荷重付加手段が配置されることが好ましい。

この構成によると、２〜４次モード全てにおける帯状体の幅方向の振動の節を避けて加振することになるので、少なくとも１〜４次モードに関してより効果的な加振となる（振動を発生させ易い）。なお、１次モードは振動の節が無い。

さらに本発明において、前記帯状体の幅方向の振動の節を跨いで前記帯状体の幅方向に複数の前記振動荷重付加手段が配置され、複数の前記振動荷重付加手段による加振の位相差αが、０°＜α＜１８０°となるように、前記制御装置が制御構成されていることが好ましい。

この構成によると、より多くの振動モードを効果的に励起することができる。

さらに本発明において、前記制御装置は、前記振動荷重付加手段を制御して前記振動荷重の周波数を０Ｈｚから５０Ｈｚへ変化させながら前記帯状体に前記振動荷重を付加するように制御構成されていることが好ましい。

一般的な金属の薄板製造ラインを通板される金属の薄板に複数存在する固有振動数は、０Ｈｚから５０Ｈｚの範囲に全て入っていることが多い。この構成によると、金属の薄板製造ラインを通板される金属の薄板に適した周波数範囲で、金属の薄板を加振することができる。

また本発明は、長手方向に張力を付与された帯状体の幅方向の歪分布を、長手方向の２箇所の支持部位間で測定する歪分布測定方法でもある。この歪分布測定方法は、前記支持部位間において、前記帯状体にある複数の固有振動数の振動が励起されるように周波数を変化させながら前記帯状体に振動荷重を付加する加振工程と、前記帯状体に付加された前記振動荷重によって前記帯状体に生じた上下方向の変位量を、前記帯状体の幅方向の複数の測定点で計測する振動計測工程と、を備えることを特徴とする。

上記歪分布測定方法においては、前記帯状体の幅寸法をＷ、前記帯状体の幅方向の端からの当該幅方向の距離をＸとしたとき、Ｘ＜Ｗ／８、Ｗ／８＜Ｘ＜Ｗ×２／９、Ｗ×２／９＜Ｘ＜Ｗ／２、Ｗ／２＜Ｘ＜Ｗ×７／９、Ｗ×７／９＜Ｘ＜Ｗ×７／８、およびＷ×７／８＜Ｘの範囲のうちの少なくとも１つの範囲内の加振位置で、前記帯状体に振動荷重を付加することが好ましい。

さらには、前記帯状体の幅方向の振動の節を跨ぐ、前記帯状体の幅方向の複数の加振位置で、加振の位相差αが０°＜α＜１８０°で前記帯状体に振動荷重を付加することが好ましい。

本発明によると、複数の固有振動数のうちのいくつかを取り漏らすことを防止できるとともに、複数の固有振動数を同時に測定することができる構成を備える帯状体の歪分布測定装置、および歪分布測定方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る歪分布測定装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係る歪分布測定装置のシステム構成図である。 図２に示す電磁弁への加振信号波形を示す図である。 加振周波数を変化させながら帯状体を加振することによる効果を示す図である。 帯状体の１〜４次モードの幅方向の節の位置を示す図である。 振動荷重付加手段としての電磁石を帯状体の幅方向に２つ配置した例であり、当該図６Ａの中の下方の図は、２つの電磁石への加振信号波形の一例を示す。 図６Ａに示す条件で２つの電磁石により帯状体を加振したときの帯状体に生じる振動振幅を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

（歪分布測定装置の構成）
図１〜５を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る歪分布測定装置について説明する。図１，２に示すように、歪分布測定装置は、長手方向に張力を付与された帯状体１の幅方向の歪分布を、長手方向の２箇所の支持部位（支持ロール２ａ，２ｂのよる支持部位）間で測定する装置であり、帯状体１に振動荷重を付加する振動荷重付加手段としてのエアノズル３と、付加された振動荷重によって帯状体１に生じる上下方向の変位量を計測する振動計測手段としての複数のレーザ変位計４と、エアノズル３の動きを制御し且つレーザ変位計４からの信号をもとにして帯状体１の歪分布を算出する制御装置としてのコンピュータ６とを備えている。

測定対象の帯状体１は、金属の薄板、紙、樹脂フィルムなどである。本実施形態では、金属の薄板を想定している。金属の薄板は、支持ロール２ａ，２ｂなどの複数の支持ロールで下方から支持されながらその長手方向に走行する（薄板製造ライン）。

振動荷重付加手段としては、エアノズル３のような非接触式の加振手段が好ましい。エアノズル３以外の非接触式加振手段としては、例えば電磁石などがある。図２に示し、図１には図示を省略しているが、エアノズル３は電磁弁５を付属しており、当該電磁弁５の開閉によりエアノズル３から圧縮空気が噴射したりしなかったりする。電磁弁５はコンピュータ６からの信号で制御される。非接触式加振手段として、空気（圧縮空気）、磁力を利用するもの以外に、水、油等の液体、静電力、電磁誘導による渦電流、音波などを利用するものを用いてもよい。また、帯状体１を直接打撃するなどする接触式の加振手段を振動荷重付加手段として用いてもよい。なお、本実施形態では、１つのエアノズル３を用いて、帯状体１の支持ロール２ａ，２ｂ間の１点を圧縮空気で加振するようにしている。

レーザ変位計４は、帯状体１の幅方向に沿って複数配置される。例えば、帯状体１の幅方向に沿って計１０個のレーザ変位計４が等間隔で配置される。帯状体１の長手方向においては、レーザ変位計４は、支持ロール２ａと支持ロール２ｂとの間のほぼ真ん中に配置される。なお、支持ロール２ａと支持ロール２ｂとの間のほぼ真ん中にレーザ変位計４を配置する必要は必ずしもなく、支持ロール２ａと支持ロール２ｂとの間に配置されていればよい。レーザ変位計４以外の変位計としては、渦電流式変位計、静電容量式変位計などを挙げることができる。

図２に示すように、コンピュータ６に接続されたＡＤ／ＤＡボード７より加振信号が出力されて増幅器８にて増幅された後に電磁弁５に入力される。増幅器８は、市販の汎用増幅器や、リレー、パワートランジスタなどである。電磁弁５に入力される加振信号の波形は、帯状体１の固有振動数が複数存在する周波数の範囲で変化させられる（図３）。

エアノズル３から噴射された圧縮空気によって帯状体１に生じた上下方向の変位量は、レーザ変位計４で検出され、レーザ変位計４からの変位量信号は、ＡＤ／ＤＡボード７を経てコンピュータ６に取り込まれる。

エアノズル３の好ましい配置（帯状体１の好ましい加振位置）について説明する。帯状体１に付加される長手方向の張力や歪分布の状態によって、帯状体１の幅方向の振動モードは複雑に変化する。帯状体１の幅方向の振動の節を加振しても、振動を効果的に励起することはできない。金属の薄板の製造ラインでは、金属の薄板（帯状体１）は、その幅方向において１〜４次モードの振動モードで振動することが多い。図５に、１〜４次モードの各振動モードが示されている。１次モードとは、帯状体１がその幅方向の一端から他端にかけて上下方向に同位相で一律に振動する振動モードのことである。２次モードとは、帯状体１の幅方向の一端側と他端側とが上下方向に逆位相で振動する振動モードのことである。

帯状体１の幅寸法をＷ、帯状体１の幅方向の端からの当該幅方向の距離をＸとしたとき、図５に示すように、２次モードではＸ＝Ｗ／２の位置に、３次モードではＸ＝２／９Ｗ、７／９Ｗの位置に、４次モードでは、Ｘ＝Ｗ／８、Ｗ／２、７／８Ｗの位置に、帯状体１の振動の節がある。なお、１次モードには振動の節はない。そのため、Ｘ＜Ｗ／８、Ｗ／８＜Ｘ＜Ｗ×２／９、Ｗ×２／９＜Ｘ＜Ｗ／２、Ｗ／２＜Ｘ＜Ｗ×７／９、Ｗ×７／９＜Ｘ＜Ｗ×７／８、およびＷ×７／８＜Ｘの範囲の中のいずれかの加振位置で、帯状体１に振動荷重を付加するようにエアノズル３が配置されることが好ましい。

さらには、帯状体１により効果的に振動を励起するためには、１〜４次モードの全ての振動モードにおける帯状体１の幅方向の振動の腹に近い部分を加振することが好ましい。そのため、図５より、帯状体１の幅方向の端部を加振するように、帯状体１の幅方向の端部にエアノズル３を配置することが好ましい。

帯状体１の長手方向においては、図１では、支持ロール２ａ，２ｂのうちの支持ロール２ａに近い側にエアノズル３を配置して、帯状体１の支持ロール２ａに近い側を加振位置としているが、支持ロール２ａと支持ロール２ｂとの間の中央部を加振位置とすることが好ましい。これにより、帯状体１により効果的に振動を励起することができる。

図３は、図２に示す電磁弁５への加振信号波形を示す図である。コンピュータ６からの加振信号は、例えば、０Ｈｚから徐々に周波数が大きくなる波形信号が用いられる。金属の薄板の製造ラインでは、０Ｈｚから５０Ｈｚへ変化する波形信号が好ましい。エアノズル３を用いて圧縮空気で帯状体１を加振する場合は、図３に示すような矩形波でよい。電磁石を用いて帯状体１を加振する場合は、高調波が含まれない正弦波とすることが好ましい。なお、０Ｈｚから徐々に周波数を大きくしていってもよいし、大きな周波数（例えば５０Ｈｚ）から０Ｈｚへ周波数を下げていってもよい。

図４は、加振周波数を変化させながら帯状体１を加振することによる効果を示す図である。図４中の実線は、加振を行わなかった場合の帯状体１の振動振幅であり、図４中の二点鎖線は、加振周波数を変化させながら加振した場合の帯状体１の振動振幅である。図４からわかるように、帯状体１にある複数の固有振動数の振動が励起されるように加振周波数を変化させながら帯状体１を加振することで、複数の周波数（固有振動数）において、帯状体１に効果的に振動を励起することができている。換言すれば、複数の固有振動数での振動を漏れなく励起することができている。

（歪分布の測定）
例えば図３に示す加振信号波形となる０Ｈｚから徐々に周波数が大きくなる加振信号が、ＡＤ／ＤＡボード７および増幅器８を経て電磁弁５に入力され、電磁弁５が開閉を繰り返す。これにより、エアノズル３がＯＮＯＦＦして、圧縮空気による振動荷重は、その周波数が変化しながら帯状体１に作用する。各周波数において複数のレーザ変位計４により各測定点で検出された帯状体１の上下方向の変位量信号は、ＡＤ／ＤＡボード７を経てコンピュータ６に取り込まれる。

コンピュータ６に取り込まれた変位量信号に対して、コンピュータ６内にてモード解析がなされ、帯状体１にある複数の固有振動数および振動モードなどの振動特性が求められる。これらの振動特性に基づいて、帯状体１の幅方向の応力分布がコンピュータ６にて算出される。そして算出された応力分布に基づいて帯状体１の幅方向の歪分布がコンピュータ６にて算出される。なお、帯状体１に生じる上下方向の変位量から、帯状体１の幅方向の応力分布を算出し、算出した応力分布から帯状体１の幅方向の歪分布を算出する手法については、特許文献１（特開２０１４−８５１８１号公報）を参照されたい。ここでの記載は省略する。

なお、帯状体１の幅方向の歪分布を求めるのに際し、上記したように、その前段階として、帯状体１の幅方向の応力分布を算出するので、本発明の歪分布測定装置（帯状体の歪分布測定装置）は、応力分布測定装置（帯状体の応力分布測定装置）としても用いることができる。

（振動荷重付加手段を２つ用いた場合の例）
図６Ａ、６Ｂを参照しつつ、振動荷重付加手段を２つ用いた場合の加振例を説明する。なお、検出された帯状体１の上下方向の変位量から、帯状体１の幅方向の歪分布を算出する手法は、前記した振動荷重付加手段が１つの場合と何ら変わるところはない。また、前記した実施形態では、エアノズル３を振動荷重付加手段としているが、ここでは、電磁石１３ａ，１３ｂを振動荷重付加手段としている。なお、前記した実施形態とおなじく、エアノズル３を振動荷重付加手段として用いてもよいし、エアノズル３以外の形式の振動荷重付加手段を用いてもよい。

図６Ａ中の上方に、帯状体１に対する振動荷重付加手段としての２つの、電磁石１３ａ，１３ｂの配置を示したように、２つの振動荷重付加手段を用いる場合、この配置に限定されることはないが、帯状体１の上方であって、帯状体１の幅方向中央に対して対称な位置に２つの電磁石１３ａ，１３ｂを配置することが好ましい。

さらには、帯状体１の幅方向中央に対して対称な位置に限られることはないが、全ての振動モードにおける帯状体１の幅方向の振動の節を跨ぐように、当該節に対して対称な位置に２つの電磁石１３ａ，１３ｂを配置することが好ましい。帯状体１の幅方向中央は、図５からわかるように、２次モードおよび４次モードの振動の節となる位置である。

ここで、電磁石１３ａ，１３ｂによる加振の位相差αが、０°＜α＜１８０°となるように、より好ましくは、位相差αが９０°となるように、コンピュータ６が制御構成されていることが好ましい。図６Ａ中の下方に、電磁石１３ａ，１３ｂへの加振信号波形の一例を示すように、この例では、電磁石１３ａ，１３ｂによる加振の位相差αを９０°としている。

位相差αが０°（同相）であると、帯状体１がその幅方向の一端から他端にかけて上下方向に同位相で一律に振動する１次モードや、３次モード（図５参照）は励起させやすいが、帯状体１の幅方向の一端側と他端側とが上下方向に逆位相で振動する２次モードや、４次モード（図５参照）は励起させにくい。一方、位相差αが１８０°（逆相）であると、２次モードや４次モードは励起させやすいが、１次モードや３次モードは励起させにくい。

これに対して、位相差αが０°＜α＜１８０°であると、２つの振動荷重付加手段による加振は、同相と逆相の両方の加振成分を持つようになるため、１次モード、３次モードといった奇数モードも、２次モード、４次モードといった偶数モードも、いずれも効果的に励起することができる。

（変形例）
前記した実施形態では、振動荷重付加手段を１つ配置する例と、２つ配置する例を示したが、振動荷重付加手段を３つ以上配置してもよい。

その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行えることは勿論である。

１：帯状体
２ａ、２ｂ：支持ロール
３：エアノズル（振動荷重付加手段）
４：レーザ変位計（振動計測手段）
６：コンピュータ（制御装置）

Claims (5)

1. 長手方向に張力を付与された帯状体の幅方向の歪分布を、長手方向の２箇所の支持部位間で測定する歪分布測定装置において、
   前記支持部位間で前記帯状体に振動荷重を付加する振動荷重付加手段と、
   前記帯状体に付加された前記振動荷重によって前記帯状体に生じる上下方向の変位量を、前記帯状体の幅方向の複数の測定点で計測する振動計測手段と、
   前記帯状体にある複数の固有振動数の振動が励起されるように周波数を変化させながら前記帯状体に前記振動荷重を付加するように制御構成された制御装置と、
   を備え、
   前記帯状体の幅方向の振動の節を跨いで前記帯状体の幅方向に複数の前記振動荷重付加手段が配置され、
   複数の前記振動荷重付加手段による加振の位相差αが、０°＜α＜１８０°となるように、前記制御装置が制御構成されていることを特徴とする、歪分布測定装置。
2. 請求項１に記載の歪分布測定装置において、
   前記帯状体の幅寸法をＷ、前記帯状体の幅方向の端からの当該幅方向の距離をＸとしたとき、Ｘ＜Ｗ／８、Ｗ／８＜Ｘ＜Ｗ×２／９、Ｗ×２／９＜Ｘ＜Ｗ／２、Ｗ／２＜Ｘ＜Ｗ×７／９、Ｗ×７／９＜Ｘ＜Ｗ×７／８、およびＷ×７／８＜Ｘの範囲のうちの少なくとも１つの範囲内に前記振動荷重付加手段による加振位置が存在するように、前記振動荷重付加手段が配置されることを特徴とする、歪分布測定装置。
3. 請求項１または２に記載の歪分布測定装置において、
   前記制御装置は、前記振動荷重付加手段を制御して前記振動荷重の周波数を０Ｈｚから５０Ｈｚへ変化させながら前記帯状体に前記振動荷重を付加するように制御構成されていることを特徴とする、歪分布測定装置。
4. 長手方向に張力を付与された帯状体の幅方向の歪分布を、長手方向の２箇所の支持部位間で測定する歪分布測定方法において、
   前記支持部位間において、前記帯状体にある複数の固有振動数の振動が励起されるように周波数を変化させながら前記帯状体に振動荷重を付加する加振工程と、
   前記帯状体に付加された前記振動荷重によって前記帯状体に生じた上下方向の変位量を、前記帯状体の幅方向の複数の測定点で計測する振動計測工程と、
   を備え、
   前記帯状体の幅方向の振動の節を跨ぐ、前記帯状体の幅方向の複数の加振位置で、加振の位相差αが０°＜α＜１８０°で前記帯状体に振動荷重を付加することを特徴とする、歪分布測定方法。
5. 請求項４に記載の歪分布測定方法において、
   前記帯状体の幅寸法をＷ、前記帯状体の幅方向の端からの当該幅方向の距離をＸとしたとき、Ｘ＜Ｗ／８、Ｗ／８＜Ｘ＜Ｗ×２／９、Ｗ×２／９＜Ｘ＜Ｗ／２、Ｗ／２＜Ｘ＜Ｗ×７／９、Ｗ×７／９＜Ｘ＜Ｗ×７／８、およびＷ×７／８＜Ｘの範囲のうちの少なくとも１つの範囲内の加振位置で、前記帯状体に振動荷重を付加することを特徴とする、歪分布測定方法。

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