JP7438060B2 - 応力検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、応力検出装置に関する。
鉄道等の架線(トロリーを含む)を引っ張る架線用テンションバランサには、架線の応力を検出する応力検出装置が設けられたものが知られている。例えば、特許文献1には、磁歪材料の周囲に励磁コイルと検出コイルとを巻回し、励磁コイルに交流電流を供給して磁歪材料の透磁率の変化を検出コイルで検出することで架線の応力を検出する技術が開示されている。
特開平11-208320号公報
ところで、架線に発生する応力の検出装置としては、検出精度が高いことは勿論のこと、屋外に設置されることから構造が簡易で耐久性に優れるものが望ましい。本発明は、そのような事情に鑑みてなされたもので、管理する部品が少ないのに検出精度が高い応力検出装置を提供することを目的としている。
本発明は、磁歪部材と、前記磁歪部材に荷重が加えられることで所定の箇所に発生する圧縮応力と他の所定の箇所に発生する引張応力により生じる内部磁化の変化をそれぞれ検出する検出手段と、前記内部磁化の変化に基づき前記磁歪部材の応力を検出する信号処理部とを備え、前記磁歪部材は、ばね特性を有し、前記磁歪部材は、外周にスリットを設けた円筒部材であり、前記スリットは、前記円筒部材に引張荷重が加えられたときに前記円筒部材にねじり変形をもたらすものであることを特徴とする。
本発明にあっては、磁歪部材に発生する圧縮応力と引張応力により生じるそれぞれの内部磁化の変化を検出するから、それら検出信号の振幅差が大きくなり、差動増幅した値が大きくなる。したがって、応力の検出精度を高めることができるのは勿論のこと、1つの磁歪部材でそのような効果が得られるので、構造が簡易で耐久性に優れたものとすることができる。
ここで、円筒部材は外周にスリットを有するから、円筒部材に引張荷重が加えられたときに前記円筒部材にねじり変形をもたらす。磁歪部材がばね特性を有すると、棒状や筒状あるいは塊状などの磁歪部材に荷重を与える場合と比較して荷重に対する変形が大きい。そのため、逆磁歪効果による内部磁化の変化が大きく、磁歪部材に発生する応力をさらに高精度に検出することができる。
具体的には、検出手段は、磁歪部材の圧縮応力を発生する箇所に近接して配置される第1のコイルと、磁歪部材の引張応力を発生する箇所に近接して配置される第2のコイルと、第1、第2のコイルに電流を供給する電源部とを備え、信号処理部は、コイルに電気的に接続され、コイルから出力される検出信号に基づいて磁歪部材に生じる応力を算出する。そして、信号処理部は、第1、第2のコイルから出力される検出信号を差動増幅することにより、より高精度に応力を検出することが可能となる。たとえば、第1のコイルと第2のコイルから出力される検出信号の符号が互いに逆となるように信号処理部の回路を設定することにより、2つの検出信号を差動アンプに通すことで検出信号が差動増幅されるとともに、2つの信号に含まれるノイズが打ち消し合うか減衰される。
第1、第2のコイルは、磁歪部材の複数箇所に設けられていることが望ましい。このような態様によれば、磁歪部材に荷重が偏って付加された場合であっても、磁歪部材の変形の大きな箇所と小さな箇所での内部磁化の変化が平均化されるので、磁歪部材に付加される真の応力に近い値を得ることができる。
第1、第2のコイルは鉄心に巻回されており、鉄心は、略コ字をなして一端面と他端面が磁歪部材に対向し、第1、第2のコイルが発生する磁力線の磁路を構成することが望ましい。このような態様では、磁力線が空気中を通る場合と比較して磁力線が通り易く、大きな逆磁歪効果を得ることができる。また、第1、第2のコイルを鉄心の両端部に巻回し、一方のコイルから出た磁力線を他方のコイルが吸い込むようにすることが望ましい。このような態様では、第1、第2のコイルが磁歪部材に接近するので、より強い磁力線を磁歪部材に通すことができる。なお、鉄心の材料は鉄に限らず、高透磁率の材料であればその種類は任意である。
磁歪部材に調整可能な予荷重を設けることが望ましい。予荷重を応力検出装置の諸元に合わせて調整すれば、応力検出の特性(直線性やヒステリシス特性)を最適設計することができる。なお、本発明を架線用テンションバランサに設ける場合には、架線(トロリーを含む)の重量が予荷重の一部または全部となる。
次に、本発明は、磁歪部材と、前記磁歪部材に荷重が加えられることで所定の箇所に発生する圧縮応力と他の所定の箇所に発生する引張応力により生じる内部磁化の変化をそれぞれ検出する検出手段と、前記内部磁化の変化に基づき前記磁歪部材の応力を検出する信号処理部とを備え、前記磁歪部材はコイルバネまたは円筒部材であり、前記検出手段を、コイルバネまたは円筒部材の内径側の面に近接して設けたことを特徴とする
また、コイルバネは、変形すると線材の位置が変化し、検出手段との相対位置が変化する。そこで、検出手段をホルダに支持し、ホルダをコイルバネの線材に固定することができる。
磁歪部材は、逆磁歪効果を持つ材料であれば任意である。たとえば、ニッケル、コバルト、鉄などを用いることができる。特に、純ニッケルは、逆磁歪効果が大きく、検出精度を高くできるものの、高額なため、逆磁歪効果をあまり損なわないような異種金属を含有するニッケル合金を用いることもできる。
ところで、応力は材料表面付近が一番大きく、内部に向かって小さくなる。そこで、ばね特性のある金属(ばね鋼など)の表面に、逆磁歪効果の大きい金属を被覆(メッキ)または積層(クラッド)して磁歪部材とすることもできる。このような磁歪部材は、ばねとしての強度と、高い逆磁歪効果を兼ね備えた構造となる。
本発明によれば、管理する部品が少ないのに検出精度が高い応力検出装置が提供される。
(A)は本発明の第1実施形態の応力検出装置を示す断面図、(B)は皿ばねに検出コイルを配置した状態を示す断面図である。 第1実施形態における検出コイルの変更例を示す断面図(A)と平面図(B)である。 第1実施形態の回路図である。 (A)は本発明の第2実施形態の応力検出装置を示す断面図であり、(B)は検出コイルをホルダによってコイルバネに固定した状態を示す断面図である。 (A)コイルバネに発生する応力を説明するための線材を示す斜視図であり、(B)は検出コイルの変更例を示す斜視図である。 本発明の第3実施形態の応力検出装置を示す側面図である。 円筒部材の側面に発生する応力を説明するための側面図である。 図6のA-A線断面図である。
1.第1実施形態
(構成)
図1は本発明の第1実施形態の応力検出装置100を示す断面図である。図1において符号10はケーシングである。ケーシング10は、有底円筒状をなす金属製のもので、その開口部には金属製のキャップ11が螺合されている。キャップ11の中央部には、ボルト12が螺合され、ボルト12は例えば架線に接続される。
ケーシング10の底部には、位置調整台13が配置され、位置調整台13には、皿ばね(磁歪部材)14が載置されている。位置調整台13は、ばね座としての機能の他に、その厚さを変更することによって皿ばね14の軸方向の位置を調整する機能を有する。皿ばね14は純ニッケルからなり、荷重を受けたときに圧縮応力を発生する圧縮面14aと引張応力を発生する引張面14bとを有している。ケーシング10の底部には貫通孔10aが形成され、位置調整台13にも貫通孔10aと同心の貫通孔13aが形成されている。
ケーシング10には、押圧ロッド15が収容されている。押圧ロッド15は、貫通孔13aおよび貫通孔10aを貫通してケーシング10の外方へ突出するロッド部15aと、皿ばね14の圧縮面14aに当接するフランジ部15bとを有している。ロッド部15aの端面には、ボルト16が螺合し、ボルト16は例えば架線用テンションバランサに接続される。
位置調整台13には、周方向に離間して複数(この実施形態では2つ)のコイル収容孔13bが形成されている。コイル収容孔13bは、皿ばね14の引張面14bに向け径方向外側へ傾斜しており、その軸線が引張面13bとほぼ直交している。そして、コイル収容孔13bには、鉄芯17aに巻回された引張応力検出用コイル(検出手段)17が収容されている。
ケーシング10の底部には、引張応力検出用コイル17に接続された導線を通すための孔10bが形成されている。また、皿ばね14の圧縮面14aに近接して鉄心18aに巻回された圧縮応力検出用コイル(検出手段)18が、その軸線を圧縮面14aとほぼ直交させて配置されている。ケーシング10の側壁部の圧縮応力検出用コイル18と対向する箇所には、圧縮応力検出用コイル18に接続された導線を通すための孔10cが形成されている。
図2は圧縮応力検出用コイル18の変更例を示す図である。図に示すように、圧縮応力検出用コイル18は、コ字状をなす鉄心18aの両端部に巻回されている。圧縮応力検出用コイル18は、磁力線が鉄心18aに添って例えば反時計回りに巡回するよう電流が流れるように設計されているため、磁力線は、圧縮応力検出用コイル18(左側)→コイルバネ14→圧縮応力検出用コイル18(右側)→鉄心→圧縮応力検出用コイル18(左側)と巡回する。なお、磁力線が時計回りに巡回するような設計としても良い。また、引張応力検出用コイル17も同様に構成することができる。
このような圧縮応力検出用コイル18では、鉄心18aが磁路として作用するので、強い磁力線を得ることができる。したがって、磁力線に対応する逆磁歪効果が大きく、大きな出力を得ることができるので、応力の検出精度を高めることができる。
図3は図1に示す応力検出装置100の回路図である。導線は、引張応力検出用コイル17および圧縮応力検出用コイル18と電源35とを接続する導線と、両コイル17,18と信号処理部40とを接続する導線とからなる。図3に示すように、一対の両コイル17,18は直列に接続されている。両コイル17,18の端部は、電源35に接続されるとともに抵抗Rおよび抵抗Rを介して信号処理部40に接続されている。また、両コイル17,18の他端部は信号処理部40に接続されている。
信号処理部40は、少なくとも差動アンプを備えている。信号処理部40には、引張応力検出用コイル17から引張応力が発生して減少した検出信号が入力され、圧縮応力検出用コイル18から圧縮応力が発生して増加した検出信号が入力される。両コイル17,18からは符号が同じノイズが信号処理部40に入力される。これらの信号とノイズが差動アンプを通ることにより、ノイズを打ち消しまたは減衰させながら検出信号が差動増幅処理される。
なお、本実施形態では、2対の引張応力検出用コイル17および圧縮応力検出用コイル18を用いているが、1対であってもよく、3対あるいはそれ以上を用いてもよい。両コイル17,18が多ければ、大きな検出信号を得ることができるとともに、皿ばね14に荷重が偏って付加された場合であっても、皿ばね14の変形の大きな箇所と小さな箇所での透磁率の変化が平均化されるので、皿ばね14に付加される真の応力に近い値を得ることができる。
(動作)
次に、上記構成の応力検出装置100の動作について説明する。
応力検出装置100を架線用テンションバランサに用いる場合には、架線用テンションバランサと架線との間に応力検出装置100を介装する。応力検出装置100には、架線(トロリーを含む)の重量により引張荷重が付加され、この引張荷重が予荷重となる。なお、予荷重が不十分な場合には、例えばボルト12にワイヤの端部を固定し、ワイヤの他端部に錘を固定して滑車に掛けるなどの手段を講ずることができる。
応力検出装置100に予荷重が付加された状態では、ケーシング10が図1(A)において右側に引っ張られ、皿ばね14は押圧ロッド15のフランジ部15bに押されて圧縮変形している。このとき、引張応力検出用コイル17と圧縮応力検出用コイル18には、電源35から供給される励磁電流が流れているため、鉄心17a,18aを通って巡回する磁界が発生している。
磁歪材料からなる皿ばね14の内部磁化や透磁率の大きさは、逆磁歪効果(ビラリ効果)により皿ばね14に生じる応力によって変化する。図1(B)の斜線は、透磁率の大きさを表しており、引張応力が発生している引張面14bよりも圧縮応力が発生している圧縮面14aの透磁率の方が大きい。すなわち、引張応力→無負荷→圧縮応力と漸次変化するに従って透磁率は非線形に増加する。ただし、応力と透磁率の関係が異なる材料もある。
予荷重を付加した状態で引張応力検出用コイル17と圧縮応力検出用コイル18が出力する検出信号は、信号処理部40に入力され、2つの信号を差動増幅するとともにノイズを打ち消しまたは減衰させた信号値は参照値として信号処理部40に記憶される。
ここで、例えば冬季に架線が冷却収縮されて皿ばね14がさらに圧縮変形したとすると、引張面14bの引張応力と圧縮面14aの圧縮応力が増加する。これにより、引張面14bの内部の透磁率は減少し、圧縮面14aの内部の透磁率が増加し、両コイル17,18かららの検出信号の振幅差が増加する。それら検出信号が入力された信号処理部40は、2つの検出信号を差動増幅するとともに、ノイズを打ち消しまたは減衰させた検出信号値を参照値と比較し、応力を算出する。
上記構成の応力検出装置100にあっては、皿ばね14に発生する圧縮応力と引張応力により生じるそれぞれの透磁率の変化を引張応力検出用コイル17と圧縮応力検出用コイル18によって検出するから、それら検出信号の振幅差が大きくなり、差動増幅した値が大きくなる。したがって、応力の検出精度を高めることができるのは勿論のこと、1つの皿ばね14でそのような効果が得られるので、構造が簡易で耐久性に優れたものとすることができる。
特に、上記実施形態では、磁歪部材として皿ばね14を用いているから、軸方向の寸法が小さく、構成をコンパクトにすることができる。また、上記実施形態においては、皿ばね14の引張面14bに配置された引張応力検出用コイル17と、圧縮面14aに配置された圧縮応力検出用コイル18とを備え、両コイル17,18から出力される検出信号の符号を互いに逆となるようにして信号処理部40に入力している。これにより、2つの検出信号が差動増幅されるとともに、2つの信号に含まれるノイズが互いに打ち消し合うか減衰されるので、皿ばね14に発生する応力をより高精度に検出することができる。
また、上記実施形態では、皿ばね14に予荷重を設け、さらに、純ニッケル製の皿ばね14を用いているので、逆磁歪効果が大きく応力の検出精度をさらに高めることができる。
2.第2実施形態
図4および図5は本発明の第2実施形態の応力検出装置200を示す図である。第2実施形態は、皿ばね14に代えてコイルバネ24を用いた点のみが上記第1実施形態と異なっている。そこで、以下の説明においては、上記第1実施形態と同等の構成要素には同符号を付してその説明を省略する。
図4に示すように、ケーシング10の底面と押圧ロッド15のフランジ部15bとの間には、純ニッケル製のコイルバネ(磁歪部材)24が介装されている。コイルバネ24が圧縮されると、その線材にはねじり変形が生じる。図5(A)は、ねじり変形が生じた場合の応力状態を示しており、図5(A)に示すように、線材の軸方向に対して45°の方向に引張応力Xと圧縮応力Yが発生する。そして、両応力は、コイルバネ24の内径側で最大となるから、引張応力Xが最大となる部分に対向して引張応力検出用コイル17が配置され、圧縮応力Yが最大となる部分に対向して圧縮応力検出用コイル18が配置されている。なお、第2実施形態では、押圧ロッド15を通す貫通孔10aを利用して導線を通している。
上記構成の応力検出装置200にあっては、前記第1実施形態の応力検出装置と同等の作用、効果を奏することは勿論のこと、磁歪部材としてコイルバネ24を用いているので、ストロークが長く、架線の大きな伸縮に対応することができる。
上記実施形態では、引張応力検出用コイル17と圧縮応力検出用コイル18は、例えば押圧ロッド15のヘッドに取り付けたブラケットに取り付けることができる。しかしながら、その場合、コイルバネ24が変形したときに、コイルバネ24の線材と両コイル17,18との間に位置ずれが生じる。そこで、図4(B)に示すように、両コイル17,18をホルダ19に収容し、ホルダ19をコイルバネ24の線材に固定することができる。
図5(B)は引張応力検出用コイル17と圧縮応力検出用コイル18の変更例を示す。図5(B)に示すように、両コイル17,18は、コ字状をなす鉄心17a,18aの中央部に巻回されている。そして、鉄心17a,18aをほぼ直角に交叉させて、それらの端面を引張応力Xが最大となる部分と圧縮応力Yが最大となる部分に対向して配置される。このようなコイル17,18を用いる応力検出装置では、鉄心17a,18aによって磁力線の磁路が形成されるので、強い磁力線を得ることができ、磁力線に対応して強い逆磁歪効果を得ることができる。なお、このようなコイル17,18は、皿ばね14や後述する円筒部材30にも適用することができる。
3.第3実施形態
図6~図8を参照して本発明の第3実施形態を説明する。図6は第3実施形態の応力検出装置300の側面図である。図6において符号30は円筒部材(磁歪部材)である。円筒部材30は純ニッケルで構成され、両開口部にはキャップ31が固定されている。また、キャップ31には、ボルト32が螺合されている。そして、円筒部材30には、軸方向の荷重が加えられたときにねじり変形するような加工が施されている。
図6に示すように、円筒部材30の側面には、2つの三角形状のスリット30aがそれらの斜辺を対向させて形成され、両スリット30aの間には、傾斜板部30bが形成されている。それらスリット30aの180°反対側にも同形同大の2つのスリット30aと傾斜板部30bが形成されている。このような円筒部材30に軸方向の引張荷重が作用すると、図5の矢印で示す方向のねじれ変形が生じる。これにより、傾斜板部30bがその長手方向に伸ばされる。そのときの応力状態を図6に示す。
図7に矢印で示すように、円筒部材30にねじり変形が生じると、傾斜板部30bの長手方向に添う方向の引張応力Xと、引張応力Xに直交する方向の圧縮応力Yが発生する。また、それら引張応力Xおよび圧縮応力Yは、円筒部材30の外径側よりも内径側の方が大きい。そこで、この実施形態では、円筒部材30の内径側で傾斜板部30bに対向する位置に引張応力検出用コイル17と圧縮応力検出用コイル18とを配置している。具体的には、一方の傾斜板部30bの長手方向に添って引張応力検出用コイル17を並べて配置し、他方の傾斜板部30bの長手方向と直交する方向に添って圧縮応力検出用コイル18を並べて配置している。
上記構成の応力検出装置300においては、引張荷重を受けたときの軸方向のストロークが小さいにも拘わらず、傾斜板部30bが伸びるので、傾斜板部30bに充分な引張応力と圧縮応力が発生する。したがって、前記第1実施形態と同等の作用、効果を得ることができるのは勿論のこと、ロードセルへの適用など応用の自由度が広いという利点がある。
4.変更例
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく以下のように種々の変更が可能である。
(1)磁歪部材として板ばねを用いることができる。その場合の押圧ロッドは、先端部のフランジに代えて板ばねの中央部に両側から係合するフックを有するものとする。
(2)前記実施形態では、引張応力検出用コイル17と圧縮応力検出用コイル18を用い
ているが、圧縮応力検出用コイル18のみを用いることができる。あるいは、引張応力検出用コイル17のみを用いることができる。
(3)本発明は架線用テンションバランサ以外の装置にも適用可能である。たとえば、引張試験機のロードセルなどにも適用可能である。
(4)前記実施形態では、電気回路によって透磁率の変化を検出しているが、磁気センサによって磁歪部材に生じる磁界の変化を検出して検出信号を信号処理部40で処理するように構成することができる。
本発明は、応力検出装置の分野に利用可能である。
10…ケーシング、10a…貫通孔、10b…孔、10c…孔、11…キャップ、12…ボルト、13…位置調整台、13a…貫通孔、13b…コイル収容孔、14…皿ばね(磁歪部材)、14a…圧縮面、14b…引張面、15…押圧ロッド、15a…ロッド部、15b…フランジ部、16…ボルト、17a…鉄芯、17…引張応力検出用コイル(検出手段)、18…圧縮応力検出用コイル(検出手段)、18a…鉄心、19…ホルダ、24…コイルバネ(磁歪部材)、30…円筒部材(磁歪部材)、31…キャップ、32…ボルト、30a…スリット、30b…傾斜板部、35…電源、40…信号処理部、100,200,300…応力検出装置、X…引張応力、Y…圧縮応力。

Claims (13)

  1. 磁歪部材と、
    前記磁歪部材に荷重が加えられることで所定の箇所に発生する圧縮応力と他の所定の箇所に発生する引張応力により生じる内部磁化の変化をそれぞれ検出する検出手段と、
    前記内部磁化の変化に基づき前記磁歪部材の応力を検出する信号処理部とを備え
    前記磁歪部材は、ばね特性を有し、
    前記磁歪部材は、外周にスリットを設けた円筒部材であり、
    前記スリットは、前記円筒部材に引張荷重が加えられたときに前記円筒部材にねじり変形をもたらすものであることを特徴とする応力検出装置。
  2. 前記検出手段は、前記磁歪部材の圧縮応力を発生する箇所に近接して配置される第1のコイルと、前記磁歪部材の引張応力を発生する箇所に近接して配置される第2のコイルと、前記第1、第2のコイルに電流を供給する電源部とを備え、前記信号処理部は、前記コイルに電気的に接続され、前記コイルから出力される検出信号に基づいて前記磁歪部材に生じる応力を算出することを特徴とする請求項に記載の応力検出装置。
  3. 前記第1、第2のコイルは、前記磁歪部材の複数箇所に設けられていることを特徴とする請求項に記載の応力検出装置。
  4. 前記信号処理部は、前記第1、第2のコイルから出力される検出信号を差動増幅することを特徴とする請求項またはに記載の応力検出装置。
  5. 前記第1、第2のコイルは鉄心に巻回されており、前記鉄心は、略コ字をなして一端面と他端面が前記磁歪部材に対向し、前記第1、第2のコイルが発生する磁力線の磁路を構成することを特徴とする請求項のいずれかに記載の応力検出装置。
  6. 前記第1、第2のコイルは前記鉄心の両端部に巻回され、一方のコイルから出た磁力線を他方のコイルが吸い込むようにしたことを特徴とする請求項に記載の応力検出装置。
  7. 前記磁歪部材に調整可能な予荷重を設けたことを特徴とする請求項1~のいずれかに記載の応力検出装置。
  8. 磁歪部材と、
    前記磁歪部材に荷重が加えられることで所定の箇所に発生する圧縮応力と他の所定の箇所に発生する引張応力により生じる内部磁化の変化をそれぞれ検出する検出手段と、
    前記内部磁化の変化に基づき前記磁歪部材の応力を検出する信号処理部と、
    を備え、
    前記磁歪部材はコイルバネまたは円筒部材であり、前記検出手段を、コイルバネまたは円筒部材の内径側の面に近接して設けたことを特徴とする応力検出装置。
  9. 前記検出手段をホルダに支持し、前記ホルダを前記コイルバネの線材に固定したことを特徴とする請求項に記載の応力検出装置。
  10. 前記磁歪部材はニッケルまたはニッケル合金であることを特徴とする請求項1~のいずれかに記載の応力検出装置。
  11. 前記磁歪部材は、ばね材に磁歪材料を被覆または積層したものであることを特徴とする請求項1~10のいずれかに記載の応力検出装置。
  12. ケーシングに、
    皿ばねと、
    前記皿ばねの圧縮面を押圧するフランジ部を備え、前記皿ばねを貫通して前記ケーシングから突出する押圧ロッドと、
    前記皿ばねの前記圧縮面と引張面とに近接して配置された検出手段と、
    を備え、
    前記検出手段は、前記押圧ロッドが前記ケーシングの外側へ引かれて前記皿ばねに荷重が加えられたときに、前記皿ばねの前記圧縮面に発生する圧縮応力と前記皿ばねの引張面に発生する引張応力により生じる内部磁化の変化をそれぞれ検出することを特徴とする応力検出装置。
  13. 前記内部磁化の変化に基づき前記皿ばねの応力を検出する信号処理部を備えた請求項12に記載の応力検出装置。
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