JP7416724B2

JP7416724B2 - 応力検出装置

Info

Publication number: JP7416724B2
Application number: JP2020562983A
Authority: JP
Inventors: 大幸種子田; 憲一朗田見; 実小宮
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2024-01-17
Anticipated expiration: 2039-12-02
Also published as: KR20210090690A; US11473986B2; WO2020137374A1; KR102458745B1; JPWO2020137374A1; EP3904854A4; CN113227736B; CN113227736A; EP3904854A1; US20220065713A1

Description

本発明は、応力検出装置に関するものである。

従来、電車には、屋根上にある集電装置（パンタグラフ）が電車線と接し、この電車線から電気エネルギーが供給される。電車への給電を安定させるためには、電車線の張力が一定であることが望まれる。また、電車線は、温度や摩耗によってその張力が変化するため、バランサーによってその張力が一定になるように調整される。電車線の張力は、応力検出装置によって検出される（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１では、磁歪部の周囲に設けられたコイルによって透磁率の変化を検出し、検出した透磁率から張力を求めている。

特開平１１－２０８３２０号公報

ところで、張力測定の精度向上のため、一層高精度に応力を検出することができる応力検出装置が望まれている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、応力を高精度に検出することができる応力検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる応力検出装置は、外部から荷重に応じた引張応力または圧縮応力によって変形する第１の磁歪部材と、導電性材料を用いて形成され、前記第１の磁歪部材を巻回してなる第１の巻回部と、を有する第１の検出部と、前記第１の磁歪部材の磁歪定数とは異なる磁歪定数を有し、外部から荷重に応じた引張応力または圧縮応力によって変形する第２の磁歪部材と、導電性材料を用いて形成され、前記第２の磁歪部材を巻回してなる第２の巻回部と、を有する第２の検出部と、を備え、前記第１および第２の検出部は、圧縮応力または引張応力による透磁率の強さを電気的にそれぞれ検出し、互いに符号が反対の検出信号をそれぞれ出力することを特徴とする。

また、本発明にかかる応力検出装置は、上記の発明において、前記第１および第２の検出部は、直列接続されることを特徴とする。

また、本発明にかかる応力検出装置は、上記の発明において、前記第１の検出部は、圧縮応力による透磁率の強さを電気的に検出し、前記第２の検出部は、引張応力による透磁率の強さを電気的に検出することを特徴とする。

また、本発明にかかる応力検出装置は、上記の発明において、前記第１の磁歪部材の磁歪定数と、前記第２の磁歪部材の磁歪定数とは、互いに符号が異なることを特徴とする。

また、本発明にかかる応力検出装置は、上記の発明において、前記第１および第２の検出部がそれぞれ出力する前記検出信号を差動増幅する信号処理部、をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、応力を高精度に検出することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施の形態にかかる応力検出装置の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す応力検出装置の断面図である。図３は、図１に示す応力検出装置における、応力の動線について説明する図である。図４は、図１に示す応力検出装置の回路図である。図５Ａは、磁歪定数が負の部材に、引張応力がかかった場合の内部磁化方向を示す図である。図５Ｂは、磁歪定数が負の部材に、圧縮応力がかかった場合の内部磁化方向を示す図である。図６Ａは、磁歪定数が正の部材に、引張応力がかかった場合の内部磁化方向を示す図である。図６Ｂは、磁歪定数が正の部材に、圧縮応力がかかった場合の内部磁化方向を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施の形態にかかる応力検出装置の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す応力検出装置の断面図である。図２は、図１に示す応力検出装置１の中心軸Ｎと平行、かつ該中心軸Ｎを通過する平面を切断面とする断面図である。以下、図１、２において、中心軸Ｎ方向の左側を一端、右側を他端として説明する。

応力検出装置１は、応力検出時に一端が固定される第１部材２と、中心軸Ｎに沿って第１部材２と並べて設けられ、応力検出時に他端が計測対象に接続する第２部材３と、第１部材２、及び第２部材３の一部が挿通される筒状の第１磁歪部材４と、第２部材３が挿通される筒状の第２磁歪部材５と、第１磁歪部材４および第２磁歪部材５の外周に巻回されるコイル６とを備える。また、応力検出装置１には、コイル６に電源を供給する電源部３０と、コイル６と電気的に接続する信号処理部４０とが接続される。信号処理部４０は、コイル６から取得した検出信号を処理することによって内部磁化による透磁率の強さや変化を算出し、算出結果を出力する。

第１部材２は、例えば金属材料を用いて形成される。第１部材２は、中心軸Ｎ方向に延びる本体部２１と、本体部２１の一端に連なり、使用時（応力検出時）に固定される固定部２２とを有する。本体部２１の固定部２２側の端部には、第１磁歪部材４と螺合するフランジ部２１１が形成されている。固定部２２には、固定対象に係止する孔部２２ａが形成されている。

第２部材３は、例えば金属材料を用いて形成される。第２部材３は、中心軸Ｎ方向に延びる第１本体部３１と、第１本体部３１の外周に設けられる第２本体部３２と、第１本体部３１とによって第２磁歪部材５を挟持する挟持部３３と、第１本体部３１の他端に連なり、使用時に検出対象が接続する固定部３４とを有する。固定部３４には、検出対象が係止される孔部３４ａが形成されている。

第１本体部３１の一端側の端部には、第２磁歪部材５に当接する第１フランジ部３１１が形成されている。

第２本体部３２は、筒状をなして延びる筒状部３２１と、筒状部３２１の一端側の端部に設けられ、該筒状部３２１の外周側に突出して第１磁歪部材４に当接する第２フランジ部３２２が設けられている。
また、第２本体部３２には、中心軸Ｎ方向に貫通する第１貫通孔３２３と、中心軸Ｎと直交する方向に貫通する第２貫通孔３２４とが形成されている。
第１本体部３１は、第１貫通孔３２３に挿通される。なお、図２では、第１部材２の一部が第１貫通孔３２３に挿入されているが、第１部材２の一部が第１貫通孔３２３に挿入されない構成としてもよい。第１部材２および第２部材３が、中心軸Ｎ方向に延在する観点で、第１部材２の一部が第１貫通孔３２３に挿入されている方が好ましい。
第１フランジ部３１１は、第２貫通孔３２４を経て第２本体部３２の外部に延出する。

挟持部３３は、中空円柱状をなす。挟持部３３の内周面には、筒状部３２１の螺合部３２１ａと螺合する螺合部３３１が設けられている。挟持部３３は、第１フランジ部３１１との間で第２磁歪部材５を挟持する。

第１磁歪部材４は、磁歪材料を用いて形成される。第１磁歪部材４は、他端側に設けられ、内周側に突出する第１縮径部４１と、一端側に設けられ、本体部２１の螺合部２１１ａと螺合する螺合部４２とを有する。

第２磁歪部材５は、第１磁歪部材４の磁歪定数と異なる磁歪定数を有する磁歪材料を用いて形成される。第２磁歪部材５は、一端側に設けられ、内周側に突出する第２縮径部５１と、他端側に設けられ、内周側に突出する第３縮径部５２とを有する。
第１磁歪部材４および第２磁歪部材５は、例えば磁歪特性を有していれば、軟磁性材料を用いて形成してもよい。

コイル６は、導電性材料を用いて形成される。コイル６は、一端側に設けられ、第１磁歪部材４に巻回される第１巻回部６ａと、他端側に設けられ、第２磁歪部材５に巻回される第２巻回部６ｂとを有する。
コイル６には、電源部３０から電源が供給される。
また、コイル６は、信号処理部４０と電気的に接続し、磁歪部材の内部磁化の変化（ここでは透磁率の強さ）を検出する検出信号を信号処理部４０に出力する。

応力検出装置１は、使用時（応力検出時）、第１部材２、第２フランジ部３２２、第１磁歪部材４および第１巻回部６ａによって、引張応力による透磁率の強さを検出する引張応力検出部１０を構成し、第２フランジ部３２２を除く第２部材３、第２磁歪部材５および第２巻回部６ｂによって、圧縮応力による透磁率の強さを検出する圧縮応力検出部２０を構成する。引張応力検出部１０および圧縮応力検出部２０は、応力検出のための透磁率の強さを電気的に検出する検出部１００を構成する。

また、応力検出装置１は、使用時には、固定部２２が電車のバランサー（図示せず）に固定され、固定部３４が、電車線（図示せず）に接続される。

図３は、図１に示す応力検出装置における、応力の動線について説明する図である。応力検出装置１に対して、固定部３４に引張り荷重Ｆ（図２参照）が加わった場合、この荷重によって第１本体部３１が引っ張られる。
この際、第１フランジ部３１１が、第２磁歪部材５の第２縮径部５１に対し、他端側への荷重Ｙ₁を加える。このとき、第２縮径部５１に加わる荷重（荷重Ｙ₁）によって、第３縮径部５２が、挟持部３３に他端側への荷重Ｙ₂を加える。
挟持部３３に荷重（荷重Ｙ₂）が加わると、筒状部３２１が他端側に引っ張られ、第２フランジ部３２２も他端側に引っ張られる。この際、第２フランジ部３２２は、第１縮径部４１に対し、他端側への荷重Ｙ₃を加える。
引張による荷重が加わっている際、荷重Ｙ₁に対し、第２縮径部５１からの反力Ｙ₁₁が加わる。同様に、荷重Ｙ₂に対し、挟持部３３からの反力Ｙ₂₁が加わり、荷重Ｙ₃に対し、第１縮径部４１からの反力Ｙ₃₁が加わる。
このように、応力検出装置１では、上述した荷重によって、応力がかかる動線を、一本の動線Ｙ₁₀で表現することができる。

コイル６が励磁している状態において、固定部３４が引っ張られて、応力検出装置１に上述した荷重が加わると、第１磁歪部材４には引張応力が生じ、第２磁歪部材５には圧縮応力が生じる。これら引張応力および圧縮応力が生じると、第１磁歪部材４および第２磁歪部材５では、逆磁歪効果によって内部磁化の強さが変化する。応力検出装置１では、引張応力および／または圧縮応力による内部磁化の強さが検出される。本実施の形態において、引張応力検出部１０および圧縮応力検出部２０から出力される検出信号は、互いに符号が反対となっている。この検出信号には、伝送経路においてノイズが重畳することがあるが、このノイズは、引張応力検出部１０からの検出信号、および圧縮応力検出部２０からの検出信号において、互いに同じ符号となる。ここでいう符号は、検出値の正負のことをさす。

図４は、図１に示す応力検出装置の回路図である。本実施の形態において、第１巻回部６ａと第２巻回部６ｂとは、直列に接続される。第１巻回部６ａと第２巻回部６ｂとの接続態様、および、上述したような応力がかかる動線（動線Ｙ₁₀）から、引張応力検出部１０および圧縮応力検出部２０は、直列接続されているといえる。
引張応力検出部１０と圧縮応力検出部２０とを直列接続することによって、各検出部（磁歪部材）にかかる応力を均等にすることができる。

また、第１巻回部６ａの第２巻回部６ｂに接続する側と反対側の端部と、第２巻回部６ｂの第１巻回部６ａに接続する側と反対側の端部とは、それぞれ電源部３０に接続するとともに、リファレンス抵抗Ｒ₁、Ｒ₂とそれぞれ接続する。

信号処理部４０は、少なくとも差動アンプを用いて構成される。本実施の形態において、信号処理部４０は、符号が互いに反対の検出信号と、符号が同じノイズを含む信号が入力され、入力された信号を差動増幅処理する。符号（正負）が互いに反対の検出信号と、符号が同じノイズとが入力されることによって、伝送路において重畳されたノイズを打ち消し（減衰し）つつ、測定に用いるべき検出信号を増幅することができる。
信号処理部４０または外部の演算装置において、差動増幅後の信号から求まる透磁率の変化（変化量または変化率）を用いて電車線の張力が測定される。測定された張力によって、電車線の張力を監視し、適切な張力に維持される。

続いて、磁歪部材における内部磁化の変化について、図５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂを参照して説明する。図５Ａは、磁歪定数が負の部材に、引張応力がかかった場合の内部磁化方向を示す図である。図５Ｂは、磁歪定数が負の部材に、圧縮応力がかかった場合の内部磁化方向を示す図である。

磁歪定数が負の部材２００では、引張応力が生じると、内部磁化方向は、引張応力とは垂直な方向となる（図５Ａ参照）。これに対し、部材２００に圧縮応力が生じると、内部磁化方向は、圧縮応力に平行な方向となる（図５Ｂ参照）。磁歪定数が負の部材２００としては、例えばニッケルが挙げられる。

図６Ａは、磁歪定数が正の部材に、引張応力がかかった場合の内部磁化方向を示す図である。図６Ｂは、磁歪定数が正の部材に、圧縮応力がかかった場合の内部磁化方向を示す図である。

磁歪定数が正の部材２０１では、引張応力が生じると、内部磁化方向は、引張応力に平行な方向となる（図６Ａ参照）。これに対し、部材２０１に圧縮応力が生じると、内部磁化方向は、圧縮応力とは垂直な方向となる（図６Ｂ参照）。磁歪定数が正の部材２０１としては、例えば鉄が挙げられる。

上述した第１磁歪部材４および第２磁歪部材５に採用する材料としては、保磁力が小さいものであることが好ましい。例えば、引張応力および圧縮応力に対する保磁力が磁歪定数の正負によって変わる場合、各応力に対して保磁力が小さくなる材料を組み合わせることが好ましい。例えば、磁歪定数の組み合わせとして、引張応力が加わる側を負の磁歪定数、圧縮応力が加わる側を正の磁歪定数とし、磁歪定数の符号が互いに異なる設定としてもよい。

上述した実施の形態では、応力検出装置１において、引張応力による透磁率の変化を検出する引張応力検出部１０と、圧縮応力による透磁率の変化を検出する圧縮応力検出部２０とを設け、信号処理部４０の作動増幅処理によって透磁率の変化を出力する構成とした。本実施の形態は、ノイズを除去しつつ、引張応力および圧縮応力による透磁率の変化を、利得を増大させたものとして取得できる。本実施の形態によれば、応力を高精度に検出することができる。

また、上述した実施の形態によれば、第１部材２、第２部材３、第１磁歪部材４および第２磁歪部材５を金属材料で形成することによって、例えば従来のロードセルと比して、応力検出装置１の耐久性を向上することができる。

また、上述した実施の形態によれば、応力検出装置１は、金属加工によって形成される簡易な構造であるため、製造に特殊な加工を必要としない。このため、同等の性能を有する装置と比して、安価に製造することが可能である。

なお、上述した実施の形態では、圧縮応力を検出する検出部と、引張応力を検出する検出部との、互いに異なる応力を検出する二つ検出部を有する構成を説明したが、検出部の構成はこれに限らない。例えば、二つの検出部が、引張応力をそれぞれ検出する構成としてもよいし、圧縮応力をそれぞれ検出する構成としてもよい。また、検出部の数は二つに限らず、三つ以上有する構成としてもよい。検出部を三つ以上有する構成の場合、各検出部が検出する応力は、圧縮応力および引張応力のいずれに設定してもよい。この際、各検出部の磁歪部材が有する磁歪定数は、互いに異なる。

また、上述した実施の形態では、圧縮応力検出部と引張応力検出部とが直列に接続されている例を説明したが、圧縮応力検出部と引張応力検出部とを並列に接続した構成としてもよい。

また、上述した実施の形態では、圧縮応力検出部の検出結果（信号）と、引張応力検出部の検出結果（信号）とを差動増幅処理する例を説明したが、いずれか一方の検出結果を出力対象に採用する構成としてもよい。一方の検出結果を採用する場合、信号処理部４０は、増幅アンプとは異なる演算回路によって構成され、例えば、ノイズレベルが小さい方の検出結果を採用して出力する。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。上述した実施の形態では、電車線の張力を検出（測定）する例を説明したが、その他、線材の張力を測定する測定対象に対して応力検出装置１を採用できる。

以上説明したように、本発明に係る応力検出装置は、応力を高精度に検出するのに好適である。

１応力検出装置
２第１部材
３第２部材
４第１磁歪部材
５第２磁歪部材
６コイル
６ａ第１巻回部
６ｂ第２巻回部
２１本体部
２２、３４固定部
３０電源部
３１第１本体部
３２第２本体部
３３挟持部
４０信号処理部

Claims

外部から荷重に応じた引張応力または圧縮応力によって変形する第１の磁歪部材と、
導電性材料を用いて形成され、前記第１の磁歪部材を巻回してなる第１の巻回部と、
を有する第１の検出部と、
前記第１の磁歪部材の磁歪定数とは異なる磁歪定数を有し、外部から荷重に応じた引張応力または圧縮応力によって変形する第２の磁歪部材と、
導電性材料を用いて形成され、前記第２の磁歪部材を巻回してなる第２の巻回部と、
を有する第２の検出部と、
を備え、
前記第１および第２の検出部は、圧縮応力または引張応力による透磁率の強さを電気的にそれぞれ検出し、互いに符号が反対の検出信号をそれぞれ出力する
ことを特徴とする応力検出装置。
前記第１および第２の検出部は、直列接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の応力検出装置。
前記第１の検出部は、圧縮応力による透磁率の強さを電気的に検出し、
前記第２の検出部は、引張応力による透磁率の強さを電気的に検出する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の応力検出装置。
前記第１の磁歪部材の磁歪定数と、前記第２の磁歪部材の磁歪定数とは、互いに符号が異なる
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の応力検出装置。
前記第１および第２の検出部がそれぞれ出力する前記検出信号を差動増幅する信号処理部、
をさらに備えることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の応力検出装置。