JPH0510836A - 張力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型化を可能とし温度ドリフトを少なくし、
かつ共振を防止する。 【構成】 張力検出ロールの回転軸を支持する軸受部２
と、この回転軸に直角方向である荷重方向に軸心より等
距離に設けられ軸受部２を支持する２つの支持梁１と、
この支持梁１を固定する固定部３と、この支持梁１の少
なくとも一方の表面に付着された歪ゲージ４とを備え回
転軸を支持する軸受部を内蔵させる。また温度補償回路
を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、紙、フィルム、布、金
属箔等のシート状のものの総称であるウエブや線材等を
ロールにより搬送する際の張力を検出する検出装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】このようなウエブや線材の張力検出装置
は、例えば、特開昭61-28834号公報や特願平2-44014 号
公報に開示されているように、材料に生じる変位を電気
信号に変換しているが、この変換する素子としては、差
動変圧器、光素子等が実用に供されている。しかしこれ
らは外形が歪ゲージに比べ大きい。

【０００３】図10は差動変圧器により変位を検出する装
置の一例を示す図である。ウエブ21は張力検出ロール20
を矢印方向に押し下げようとし、この力の分力にバネ22
が対抗する。バネ22の変位は差動変圧器を構成するコイ
ル23と鉄心24の相対変位となり、この変位を電気信号と
して取り出す。変位とウエブ21の張力について、予め作
成した関係式又はグラフなどから変位を検出することに
よりウエブ21の張力を検出する。

【０００４】また、歪ゲージを使用した張力検出器とし
て、実開昭62-79130号公報のように検出器ではローラ軸
を固定支持し、回転軸受は検出器の外の固定軸とローラ
の間に設けるもの、又せん断歪を計測するせん断型張力
検出器が使用されている。

【０００５】図11はローラ軸を固定支持した張力検出器
を備えたロールを示す図である。ロール20はロール軸25
に回転軸受26を介して取り付けられており、ロール軸25
は張力検出器27に固定されている。

【０００６】図12はせん断型張力検出器27の構造を示
す。ロール軸25を支持する軸支持部29は、上下２本の梁
28により固定部30に接続されている。また、軸支持部29
と固定部30はロール軸25の軸心位置に設けられたせん断
力検出板31によって一体化されている。せん断力検出板
31は（ａ）図の矢印で示す荷重方向に板の表面が並行と
なるように設置され、この両表面に歪ゲージ32を付着
し、矢印で示す荷重によりせん断力検出板31に生じるせ
ん断歪を検出する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年の製紙、加工機械
は需要の増加にともない、生産量の増加、効率化、低コ
スト化等の様々な要求に対応する必要が生じてきてい
る。こうした機械に使用される張力検出器にも、それに
応じて、特に高速運転に対して安定な張力検出が可能で
あり、かつ小型化が不可欠となってきている。

【０００８】現在張力検出器としては、図10で説明した
差動変圧器を用いる方式のものが圧倒的に多い。この方
式の問題点は次の通りである。ロール重量に対して検
出系はバネ定数が小さいので、固有振動数が回転数に近
く、共振が発生する場合がある。特に装置の高速化が進
んでおり共振防止対策が困難となっている。変位に対
する電気信号の感度は、分解能で数μｍがせいぜいであ
る。なお歪ゲージの場合0.05μｍまで可能である。差
動変圧器を構成するコイル23や鉄心24があるため小型化
に限界がある。

【０００９】また、図11、図12に示すせん断型張力検出
器の場合、せん断力検出板31がロール軸25の軸心位置に
近い。このためロール軸25より軸受26で発生する熱が伝
達されやすく、この熱により歪ゲージ32に温度ドリフト
が生じ検出値の精度が低下する。特に、運転開始時や運
転速度を変えた時には軸受温度が時間経過に従って変化
するので、このような過度状態の張力検出値が不安定に
なる。また、せん断力検出板31は、軸支持部29と固定部
30の相対変位が生じるようにするため、一体の丸棒から
軸支持部29、梁28、固定部30およびせん断力検出板31を
削り出してゆくので加工費用が多くかかる。

【００１０】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
もので、小型化が可能で温度ドリフトの少ない張力検出
装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、連続体を搬送するロールに加わる荷重から連続体の
張力を検出する張力検出装置において、前記ロールの回
転軸の荷重を支持する荷重支持部と、この回転軸に直角
方向に軸心より等距離に設けられ前記荷重支持部を支持
する２つの支持梁と、この支持梁を固定する固定部と、
前記支持梁の少なくも一方の表面に付着された歪ゲージ
とを備えたものである。

【００１２】また、前記荷重支持部に軸受を設け前記ロ
ールの回転軸を前記軸受で回転支持するようにする。

【００１３】また、前記荷重支持部が軸受を有するアダ
プタを支持するようにする。

【００１４】また、前記荷重支持部が、軸受を介して回
転するロールの固定軸を支持するようにする。

【００１５】また、前記固定部をこの固定部を支持する
外部部材に対し、前記荷重方向に合わせて取り付け角度
を調整できるようにしたものである。

【００１６】また、前記歪ゲージは４個でブリッジを構
成し、対向する歪ゲージの各対の一方のゲージに並列に
温度補正抵抗を設け、この温度補正抵抗の少なくとも一
方に直列に抵抗温度係数の大きなリニア正温度係数抵抗
を設けたものである。

【００１７】

【作用】ロールの回転軸を支持する軸受部に回転軸より
荷重方向に荷重が加わるとこの荷重は梁を介して固定部
へ伝えられる。この場合の梁に生じる応力を図２を用い
て説明する。（ａ）〜（ｃ）は、（ｄ）に示す上下２つ
の梁のうち上側の梁の状態を表したもので（ａ）はたわ
み角、（ｂ）はたわみ、（ｃ）は応力を示す。応力は引
張りと圧縮の応力が表れ、それぞれの位置に歪ゲージを
貼ることにより引張り、圧縮応力を検出することができ
る。下側の梁の応力は上側と反対になり、上側の梁の引
張り応力の位置に圧縮応力が発生する。故に（ｄ）に示
す位置に歪ゲージを貼ることにより引張り、圧縮応力を
検出することができる。歪ゲージは温度ドリフトの影響
を避けるため軸受からなるべく離れていた方がよいの
で、（ｄ）に示すように軸受より遠い位置に歪ゲージを
貼って、上梁で引張り応力、下梁で圧縮応力を検出する
ようにするのがよい。

【００１８】また、荷重支持部に軸受を設けることによ
りロール軸を直接回転支持することにより小型化ができ
る。

【００１９】また、荷重支持部にアダプタを設けること
により、種々のサイズのロール軸径のロールを回転支持
することができる。

【００２０】また、荷重支持部が固定軸を支持できるこ
とによりこの固定軸に軸受を介して回転支持されるロー
ルを支持することができる。

【００２１】張力検出ロールは荷重方向が常に鉛垂方向
となるよう取り付けられるとは限らない。固定部を荷重
方向に合わせて外部部材に取り付けられるようにするこ
とにより利用範囲が広くなる。

【００２２】荷重支持部には発熱源である軸受より熱が
伝わり、この熱が梁にも伝達されてくる。このため歪ゲ
ージには温度補正抵抗を設けると共にこれに直列に抵抗
温度係数の大きなリニア正温度係数抵抗を設けらること
により、熱伝達による影響をできるだけ少なくする。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明の実施例の構成図である。（ａ）は
横断面を示し、（ｂ）はＡ−Ａ断面を示す。１は軸受部
２と固定部３を結ぶ梁で上下２本で構成される。２は軸
受部で検出ロールの軸を回転支持する軸受５を内蔵し、
軸受５から伝わる矢印方向の荷重を梁１に伝える。３は
固定部で２つの梁１から伝達された力およびモーメント
を外部部材に伝達するものであり、外部部材と固着され
ている。なお、梁１、軸受部２、固定部３は一体構造
（モノブロック）となっている。円筒形であるから、小
さいスペースに取り付けることができるし、材料も安価
で入手しやすい。また梁は上下の平面加工と中心軸側の
２本の穴加工により削り出されるので加工が容易であ
る。２本の加工穴の間をノコギリで切断加工することに
より、上下２本の梁が得られるので加工が簡単である。
また小型で弾性係数が大きいので共振を生じない。

【００２４】歪ゲージは（ａ），（ｂ）に示すように上
下梁１にそれぞれ２枚づつが図２（ｄ）に示す位置に貼
付けられている。この結果荷重が矢印下方に働いた場
合、上梁１の歪ゲージ４には引張歪が生じ、下梁１の歪
ゲージ４には圧縮歪が生じる。このような位置に歪ゲー
ジ４を設けるのは、熱源である軸受５からできるだけ離
し、かつ上下に放熱する側に設けることにより熱の影響
を少なくするためである。

【００２５】張力検出ロールの回転軸を回転支持する軸
受５と梁１の距離は、装置小型化の要求により小さくな
っている。一方軸受部２は軸受５の高速回転のため発熱
し、固定部３との間に温度勾配が生じる。圧縮歪と引張
歪を検出するには図２（ｃ）に示すように上下、いずれ
かの梁１の圧縮応力発生部と引張応力発生部に歪ゲージ
４を貼付けることも可能であるが、温度勾配により軸受
５に近い圧縮応力発生部の方が引張応力発生部より高い
温度となる。このため本実施例では図１および図２
（ｄ）に示すように上下梁１上で、それぞれの軸受５か
ら等しい位置でかつ軸受５からできるだけ遠い位置に歪
ゲージ４を貼付け、熱の影響を少なく、かつ等しく受け
るようにしている。

【００２６】図３は図１に示す本実施例の張力検出装置
にロールを取り付けた状態を示す図である。ロール円筒
部６は側板７によりロール軸８に一体に固定され、ロー
ル軸８が軸受５に回転支持される。

【００２７】前述の実開昭62-79130号公報に記載の装置
はそのロールの軸が細くて長く、つまり断面係数が小で
長い。このためロール軸の撓みが大きい。これに対し、
図１、図３に示す本実施例では回転軸受を張力検出装置
に内蔵し、ロール軸８を短くしている。ロール径が大き
いと断面２次モーメントが大きくなり、ロール軸８の撓
みは小さくなり自動調心する必要がない。しかも軸受５
は簡単な構造でかつ防塵性に優れ、しかも小さいものを
採用できる。

【００２８】図４は４枚の歪ゲージ４を引張、圧縮角２
枚づつとしホイートストーンブリッジを構成した状態を
示す図である。この場合はアクティブゲージ（歪ゲー
ジ）は必ずしも４枚でなければならないということはな
いが、アクティブゲージの数が少なくなれば出力信号レ
ベルが小さくなり、対ノイズ特性等に不利となること、
および温度補償のために、４ゲージ方式を用いる。

【００２９】図４において、Ｒ１とＲ３、Ｒ２とＲ４が
対となり、例えば、上梁１にＲ１とＲ３、下梁１にＲ２
とＲ４が貼られる。Ｖ．Ｂはブリッジ供給電圧、Ｖout
はブリッジ出力電圧となり、次式が成立する。 Ｖout ＝Ｖ．Ｂ・（Ｒ１・Ｒ３−Ｒ２・Ｒ４）／（Ｒ１
＋Ｒ２）・（Ｒ３＋Ｒ４） ……（１） また、抵抗値と歪との関係は次式で示される。 △Ｒ／Ｒ＝Ｇ．Ｆ△Ｌ／Ｌ ……（２） Ｇ．Ｆ：ゲージファクタ △Ｒ／Ｒ：抵抗の変化量 △Ｌ／Ｌ：歪変化量 上式より歪ゲージは 引張→抵抗値 大 圧縮→抵抗値 小 となる特性を持つ。

【００３０】図１で下方を荷重方向とした場合、Ｒ１と
Ｒ３が引張、Ｒ２とＲ４が圧縮となり、次式を（１）式
に代入する。 Ｒ１→Ｒ１＋△Ｒ１ Ｒ２→Ｒ２−△Ｒ２ Ｒ３→Ｒ３＋△Ｒ３ Ｒ４→Ｒ４−△Ｒ４ ここで簡単のため、４枚の歪ゲージ４が全て同じ歪（△
Ｒ１＝△Ｒ２＝△Ｒ３＝△Ｒ４＝△Ｒ）を生じ、かつＲ
１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒとすると、（１）式は近似的
に、 Ｖout ＝（△Ｒ／Ｒ）・Ｖ．Ｂ ……（３） または、 Ｖout ＝（Ｇ．Ｆ・△Ｌ／Ｌ）・Ｖ．Ｂ ……（４） となる。△Ｌと荷重は比例するから結局荷重に比例した
Ｖout を得る。なお、図１の荷重方向は上下２方向を示
しているが、下方向の荷重によるＶout に対し、上方向
の荷重による出力は、Ｖout の極性を逆にしたものでよ
い。

【００３１】（３）式、（４）式は４つの歪ゲージの特
性が全て等しいとして導かれた式であるが、現実には個
々の歪ゲージ４の特性が異なるので、温度補正と零補正
が必要となる。ゲイン補正は、本張力検出装置を使用す
る機械に設置した際に、メータ校正で調整するため不要
であり、更にゲインの温度補正についてはゲージ特性と
して不要である。温度が平衡状態で変化が小さい時に
は、４ゲージ方式では補償効果がかなりあるが、近くに
発熱体である軸受があり、この回転速度が変わる時は、
温度も過渡状態となるので補正回路が必要となる。

【００３２】図５、図６に温度補正回路を示す。図５は
環境温度の上昇に対し、正にドリフトする場合の補正回
路で、図６はその逆の負のドリフトの補正回路である。
ＲＰはリニア正温度係数抵抗で、金属皮膜抵抗よりはる
かに大きな温度係数を持つ抵抗である。ＨＬ，ＨＲは補
正抵抗である。本実施例では次のような値の抵抗を用い
た。 ＲＰの温度係数：3600×10^-6／℃ ＨＬ、ＨＬの温度係数：±100 ×10^-6／℃

【００３３】次に零補正抵抗を付与した回路例を図７に
示す。ＲＬ、ＲＲが零補正用抵抗である。零補正は温度
補正を行って補正抵抗値を決定した後に行う。なお、本
実施例では、ＲＬ、ＲＲは金属皮膜抵抗を使用したが、
可変抵抗としてもよい。出力Ｖout は増幅変換され電気
信号として伝送される。

【００３４】なお、本実施例と図12に示すせん断型張力
検出器との性能比較を行ったが、本実施例の方が温度ド
リフトが少なく安定した性能を示した。これは本実施例
の歪ゲージ取り付け位置が発熱源であるロール軸や軸受
から離れた位置にあることと、張力検出装置の外面に取
り付けられているため冷却効果もよいためでないかと思
われる。

【００３５】図８は荷重方向の変化に応じて本実施例を
取り付ける場合を示す。（ａ）に示すように下方に荷重
が加わる場合が多いが、（ｂ），（ｃ）に示すように本
装置を取り付ける機械によって荷重方向が変わることが
ある。（ｄ）は図１におけるＢ−Ｂ矢視を示したもの
で、固定部３と外部部材（本装置を取り付ける機械の部
材）との取合角度γを荷重方向に合わせて調整できるよ
うにしたものである。６は固定部３と外部部材とを結合
する取り付けボルト穴を示す。ラップ角２θでの張力Ｔ
がかかったとき、その合力が垂直方向とγであるとき、
張力検出装置を水平に取りつけた時検出する力はcos γ
・２Ｔcos θであるが（ｃ）のように取り付けると２Ｔ
cos θとなり検出する力が大きくできる。円筒形である
から荷重方向に合わせて取り付けても外形およびスペー
スに影響がない。

【００３６】図９は図１に示す装置にアダプタ７をボル
ト８で取り付けた例を示す。アダプタ７を介して伝達さ
れる荷重を本実施例の装置はアダプタ７がなく直接取り
付けた場合と同様に検出することができる。これにより
径の異なる軸受を有する張力検出ロールも取り付け可能
となる。また市販のフランンジ形ユニットを取り付けた
張力検出ロールも取り付け可能となる。また、図１に示
す軸受５を除去し、図10に示すように張力検出ロールの
回転軸を支持する構造にすることも容易にできる。

【００3 ７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、軸受部と固定部を結ぶ２本の梁に歪ゲージを取り付
けることにより、温度ドリフトの少ない小型の装置を実
現することができる。特に２つの梁は対称性を有し、２
つの梁の同じ位置に歪ゲージを取り付けることにより軸
受からの伝熱、環境温度変化が同じ条件となるので、温
度特性が良好となる。また形状もシンプルで小型である
ので加工も容易であり、差動変圧器型のように小さいバ
ネ定数を用いてないので弾性係数が大きく、共振の恐れ
がなく高速回転にも対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を示す図である。

【図２】梁に生じるたわみ、応力を示す図である。

【図３】本実施例にロールを取り付けた状態を示す図で
ある。

【図４】歪ゲージの基本回路を示す図である。

【図５】温度上昇に対し正のドリフトをする場合の補正
回路図である。

【図６】温度上昇に対し負のドリフトをする場合の補正
回路図である。

【図７】零補正を含む最終補正回路を示す図である。

【図８】荷重方向が異なる場合の本実施例の取り付けを
説明する図である。

【図９】アダプタを取り付けた場合を示す図である。

【図10】差動変圧器型張力検出器の構成を示す図であ
る。

【図11】せん断型張力検出器と張力検出ロールとの関係
を示す図である。

【図12】せん断型張力検出器の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 梁 ２ 軸受部 ３ 固定部 ４ 歪ゲージ ５ 軸受 ６ ロール円筒部 ７ 側板 ８ ロール軸 ９ 取り付けボルト 10 アダプタ 11 ボルト

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 連続体を搬送するロールに加わる荷重か
   ら連続体の張力を検出する張力検出装置において、前記
   ロールの回転軸の荷重を支持する荷重支持と、この回転
   軸に直角方向に軸心より等距離に設けられ前記荷重支持
   部を支持する２つの支持梁と、この支持梁を固定する固
   定部と、前記支持梁の少なくも一方の表面に付着された
   歪ゲージとを備えたことを特徴とする張力検出装置。
2. 【請求項２】 前記荷重支持部に軸受を設け前記ロール
   の回転軸を前記軸受で回転支持するようにしたことを特
   徴とする請求項１記載の張力検出装置。
3. 【請求項３】 前記荷重支持部が軸受を有するアダプタ
   を支持するようにしたことを特徴とする請求項１記載の
   張力検出装置。
4. 【請求項４】 前記荷重支持部が、軸受を介して回転す
   るロールの固定軸を支持するようにしたことを特徴とす
   る請求項１記載の張力検出装置。
5. 【請求項５】 前記固定部をこの固定部を支持する外部
   部材に対し、前記荷重方向に合わせて取り付け角度を調
   整できるようにしたことを特徴とする張力検出装置。
6. 【請求項６】 前記歪ゲージは４個でブリッジを構成
   し、対向する歪ゲージの各対の一方のゲージに並列に温
   度補正抵抗を設け、この温度補正抵抗の少なくとも一方
   に直列に抵抗温度係数の大きなリニア正温度係数抵抗を
   設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載
   の張力検出装置。