WO2022039225A1 - 応力検出装置 - Google Patents

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WO2022039225A1
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coil
magnetostrictive member
magnetostrictive
coils
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正 中込
憲一朗 田見
実 小宮
真也 茄子田
大幸 種子田
竜央馬 山口
寿太郎 大神
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日本発條株式会社
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/127—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using inductive means
    • G—PHYSICS
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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means
    • G01L5/0033—Force sensors associated with force applying means applying a pulling force

Definitions

  • the present invention relates to a stress detection device.
  • a tension balancer for overhead wires that pulls overhead wires (including trolleys) such as railways is equipped with a stress detection device that detects the stress of the overhead wires.
  • a stress detection device that detects the stress of the overhead wires.
  • an exciting coil and a detection coil are wound around a magnetostrictive material, an alternating current is supplied to the exciting coil, and a change in the magnetic permeability of the magnetostrictive material is detected by the detection coil to detect the stress of the overhead wire.
  • the technology for detecting is disclosed.
  • the device As a device for detecting stress generated on an overhead wire, it is desirable that the device has a simple structure and excellent durability because it is installed outdoors as well as having high detection accuracy.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a stress detection device having high detection accuracy even though there are few parts to be managed.
  • the present invention comprises a magnetostrictive member and a detection means for detecting changes in internal magnetization caused by a compressive stress generated at a predetermined location and a tensile stress generated at another predetermined location when a load is applied to the magnetostrictive member. It is characterized by including a signal processing unit that detects the stress of the magnetostrictive member based on the change in the internal magnetization.
  • the amplitude difference between the detected signals becomes large and the differentially amplified value becomes large. Therefore, it is possible to improve the stress detection accuracy, and since such an effect can be obtained with one magnetostrictive member, the structure can be simplified and the durability can be excellent.
  • the magnetostrictive member has spring characteristics.
  • the magnetic strain material having spring characteristics refers to a material obtained by processing the material into a predetermined shape so as to cause a desired elastic deformation with respect to an external force, and is generally used as a disc spring, a coil spring, or a leaf spring.
  • a spring for example, a spring is included in which a slit is formed on the outer periphery of a cylindrical member to facilitate elastic deformation with respect to an axial external force.
  • the slit causes torsional deformation of the cylindrical member when a tensile load is applied to the cylindrical member.
  • the magnetostrictive member has spring characteristics, the deformation with respect to the load is large as compared with the case where a load is applied to the magnetostrictive member such as a rod, a cylinder, or a lump. Therefore, the change in internal magnetization due to the magnetostrictive effect is large, and the stress generated in the magnetostrictive member can be detected with higher accuracy.
  • the detecting means has a first coil arranged close to the place where the magnetostrictive member generates compressive stress and a second coil arranged close to the place where the magnetostrictive member generates tensile stress. It includes a coil and a power supply unit that supplies current to the first and second coils, and the signal processing unit is electrically connected to the coil and applies stress to the magnetostrictive member based on the detection signal output from the coil. calculate. Then, the signal processing unit can detect the stress with higher accuracy by differentially amplifying the detection signals output from the first and second coils.
  • the two detection signals are passed through the differential amplifier for detection.
  • the noise contained in the two signals cancels out or is attenuated.
  • the first and second coils are provided at a plurality of locations on the magnetostrictive member. According to such an aspect, even when the load is unevenly applied to the magnetostrictive member, the change in internal magnetization at the large portion and the small portion of the deformation of the magnetostrictive member is averaged, so that the magnetostrictive member can be used. It is possible to obtain a value close to the true stress applied.
  • the first and second coils are wound around an iron core, and the iron core has a substantially U-shape with one end surface and the other end surface facing the magnetostrictive member, and the magnetic force lines generated by the first and second coils are magnetic. It is desirable to construct a road. In such an embodiment, the magnetic force lines can easily pass through as compared with the case where the magnetic force lines pass through the air, and a large magnetostrictive effect can be obtained. Further, it is desirable to wind the first and second coils around both ends of the iron core so that the magnetic force lines emitted from one coil are sucked by the other coil. In such an embodiment, since the first and second coils approach the magnetostrictive member, stronger magnetic force lines can be passed through the magnetostrictive member.
  • the material of the iron core is not limited to iron, and any type can be used as long as it is a material having a high magnetic permeability.
  • the weight of the overhead wire is a part or all of the preload.
  • the magnetostrictive member is a coil spring or a cylindrical member
  • a large stress is generated on the inner diameter side surface rather than the outer diameter side when deformed. Therefore, it is desirable that the detecting means be provided close to the inner diameter side surface of the coil spring or the cylindrical member.
  • the detection means can be supported by the holder, and the holder can be fixed to the wire rod of the coil spring.
  • the magnetostrictive member is arbitrary as long as it is a material having a reverse magnetostrictive effect.
  • nickel, cobalt, iron and the like can be used.
  • pure nickel has a large anti-magnetostrictive effect and can increase the detection accuracy, but since it is expensive, a nickel alloy containing a dissimilar metal that does not significantly impair the anti-magnetostrictive effect can also be used.
  • a metal having spring characteristics spring steel or the like
  • a metal having a large magnetostrictive effect to form a magnetostrictive member.
  • Such a magnetostrictive member has a structure having both strength as a spring and a high magnetostrictive effect.
  • a stress detection device having high detection accuracy is provided even though there are few parts to be managed.
  • (A) is a cross-sectional view showing the stress detection device of the first embodiment of the present invention
  • (B) is a cross-sectional view showing a state where a detection coil is arranged on a disc spring.
  • (A) is a cross-sectional view showing a stress detection device of the second embodiment of the present invention
  • (B) is a cross-sectional view showing a state where a detection coil is fixed to a coil spring by a holder.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a stress detection device 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • reference numeral 10 is a casing.
  • the casing 10 is made of metal having a bottomed cylindrical shape, and a metal cap 11 is screwed into the opening thereof.
  • a bolt 12 is screwed into the central portion of the cap 11, and the bolt 12 is connected to, for example, an overhead wire.
  • a position adjusting table 13 is arranged on the bottom of the casing 10, and a disc spring (magnetostrictive member) 14 is placed on the position adjusting table 13.
  • the position adjusting table 13 has a function of adjusting the axial position of the disc spring 14 by changing its thickness.
  • the disc spring 14 is made of pure nickel and has a compression surface 14a that generates compressive stress and a tension surface 14b that generates tensile stress when a load is applied.
  • a through hole 10a is formed in the bottom of the casing 10, and a through hole 13a concentric with the through hole 10a is also formed in the position adjusting table 13.
  • the pressing rod 15 is housed in the casing 10.
  • the pressing rod 15 has a rod portion 15a that penetrates the through hole 13a and the through hole 10a and projects outward from the casing 10, and a flange portion 15b that abuts on the compression surface 14a of the disc spring 14.
  • a bolt 16 is screwed to the end surface of the rod portion 15a, and the bolt 16 is connected to, for example, a tension balancer for overhead wire.
  • the position adjusting table 13 is formed with a plurality of (two in this embodiment) coil accommodating holes 13b separated in the circumferential direction.
  • the coil accommodating hole 13b is inclined outward in the radial direction toward the tension surface 14b of the disc spring 14, and its axis line is substantially orthogonal to the tension surface 13b.
  • the coil accommodating hole 13b accommodates the tensile stress detecting coil (detection means) 17 wound around the iron core 17a.
  • a hole 10b for passing a conducting wire connected to the tensile stress detection coil 17 is formed at the bottom of the casing 10. Further, a compression stress detecting coil (detection means) 18 wound around the iron core 18a in the vicinity of the compression surface 14a of the disc spring 14 is arranged so that its axis is substantially orthogonal to the compression surface 14a. A hole 10c for passing a conducting wire connected to the compressive stress detection coil 18 is formed at a portion of the side wall of the casing 10 facing the compressive stress detection coil 18.
  • FIG. 2 is a diagram showing a modified example of the compression stress detection coil 18.
  • the compressive stress detection coil 18 is wound around both ends of a U-shaped iron core 18a. Since the compressive stress detection coil 18 is designed so that a current flows so that the magnetic field lines circulate along the iron core 18a, for example, counterclockwise, the magnetic force lines are the compressive stress detection coil 18 (left side) ⁇ the coil spring 14 ⁇ .
  • the coil for compressive stress detection 18 (right side) ⁇ the iron core ⁇ the coil for compressive stress detection 18 (left side) circulates.
  • the design may be such that the magnetic force lines circulate clockwise.
  • the tensile stress detection coil 17 can be similarly configured.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the stress detection device 100 shown in FIG.
  • the lead wire includes a lead wire that connects the tensile stress detection coil 17, the compressive stress detection coil 18, and the power supply 35, and a lead wire that connects both the coils 17 and 18 and the signal processing unit 40.
  • the pair of both coils 17 and 18 are connected in series.
  • the ends of both coils 17 and 18 are connected to the power supply 35 and connected to the signal processing unit 40 via the resistance R1 and the resistance R2 . Further, the other ends of both coils 17 and 18 are connected to the signal processing unit 40.
  • the signal processing unit 40 includes at least a differential amplifier.
  • a detection signal in which tensile stress is generated and reduced from the tensile stress detection coil 17 is input to the signal processing unit 40, and a detection signal in which compressive stress is generated and increased is input from the compressive stress detection coil 18.
  • Noise having the same sign is input to the signal processing unit 40 from both coils 17 and 18.
  • two pairs of tensile stress detection coils 17 and compressive stress detection coils 18 are used, but one pair may be used, or three pairs or more may be used. If both coils 17 and 18 are large, a large detection signal can be obtained, and even when the load is unevenly applied to the disc spring 14, the transparency of the disc spring 14 at the large and small deformation points. Since the change in magnetic coefficient is averaged, it is possible to obtain a value close to the true stress applied to the disc spring 14.
  • the stress detection device 100 When the stress detection device 100 is used for the overhead wire tension balancer, the stress detection device 100 is interposed between the overhead wire tension balancer and the overhead wire. A tensile load is applied to the stress detection device 100 by the weight of the overhead wire (including the trolley), and this tensile load becomes a preload. If the preload is insufficient, measures such as fixing the end of the wire to the bolt 12 and fixing the weight to the other end of the wire and hanging it on the pulley can be taken.
  • the magnitude of the internal magnetization and magnetic permeability of the disc spring 14 made of a magnetostrictive material changes depending on the stress generated in the disc spring 14 due to the reverse magnetostriction effect (villary effect).
  • the diagonal line in FIG. 1B represents the magnitude of the magnetic permeability, and the magnetic permeability of the compressed surface 14a in which the compressive stress is generated is larger than that in the tensile surface 14b in which the tensile stress is generated. That is, the magnetic permeability increases non-linearly as the tensile stress ⁇ no load ⁇ compressive stress gradually changes.
  • some materials have different relationships between stress and magnetic permeability.
  • the detection signals output by the tensile stress detection coil 17 and the compressive stress detection coil 18 with the preload applied are input to the signal processing unit 40, and the two signals are differentially amplified and noise is canceled or attenuated.
  • the signal value is stored in the signal processing unit 40 as a reference value.
  • the signal processing unit 40 to which the detection signals are input differentially amplifies the two detection signals, compares the detection signal values with the noise canceled or attenuated with the reference values, and calculates the stress.
  • the stress detecting device 100 having the above configuration, the changes in the magnetic permeability caused by the compressive stress and the tensile stress generated in the disc spring 14 are detected by the tensile stress detecting coil 17 and the compressive stress detecting coil 18.
  • the amplitude difference of these detected signals becomes large, and the differentially amplified value becomes large. Therefore, it is possible to improve the stress detection accuracy, and since such an effect can be obtained with one disc spring 14, the structure can be simplified and the durability can be excellent.
  • the disc spring 14 since the disc spring 14 is used as the magnetostrictive member, the dimension in the axial direction is small and the configuration can be made compact. Further, in the above embodiment, the tensile stress detecting coil 17 arranged on the tensile surface 14b of the disc spring 14 and the compressive stress detecting coil 18 arranged on the compression surface 14a are provided from both coils 17 and 18.
  • the codes of the output detection signals are input to the signal processing unit 40 so as to be opposite to each other. As a result, the two detection signals are differentially amplified and the noises contained in the two signals cancel each other out or are attenuated, so that the stress generated in the disc spring 14 can be detected with higher accuracy.
  • the disc spring 14 is provided with a preload and the disc spring 14 made of pure nickel is used, the reverse magnetostrictive effect is large and the stress detection accuracy can be further improved.
  • FIG. 4 and FIG. 5 are diagrams showing the stress detection device 200 of the second embodiment of the present invention.
  • the second embodiment is different from the first embodiment only in that the coil spring 24 is used instead of the disc spring 14. Therefore, in the following description, the same components as those of the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • FIG. 5A shows a stress state when torsional deformation occurs, and as shown in FIG. 5A, tensile stress X and compressive stress Y in the direction of 45 ° with respect to the axial direction of the wire rod. Occurs. Since both stresses are maximum on the inner diameter side of the coil spring 24, the tensile stress detection coil 17 is arranged facing the portion where the tensile stress X is maximum, and faces the portion where the compressive stress Y is maximum. A coil 18 for detecting compressive stress is arranged. In the second embodiment, the conducting wire is passed through the through hole 10a through which the pressing rod 15 is passed.
  • the stress detection device 200 having the above configuration has the same operation and effect as the stress detection device of the first embodiment, and since the coil spring 24 is used as the magnetostrictive member, the stroke is long. It can handle large expansion and contraction of overhead wires.
  • the tensile stress detection coil 17 and the compressive stress detection coil 18 can be attached to, for example, a bracket attached to the head of the pressing rod 15.
  • both coils 17 and 18 can be housed in the holder 19, and the holder 19 can be fixed to the wire rod of the coil spring 24.
  • FIG. 5B shows a modified example of the tensile stress detection coil 17 and the compressive stress detection coil 18.
  • both coils 17 and 18 are wound around the central portion of the U-shaped iron cores 17a and 18a. Then, the iron cores 17a and 18a are crossed at substantially right angles, and their end faces are arranged so as to face the portion where the tensile stress X is maximum and the portion where the compressive stress Y is maximum.
  • a stress detection device using such coils 17 and 18 since magnetic paths of magnetic force lines are formed by the iron cores 17a and 18a, strong magnetic force lines can be obtained, and a strong magnetostrictive effect can be obtained corresponding to the magnetic force lines. can. It should be noted that such coils 17 and 18 can also be applied to the disc spring 14 and the cylindrical member 30 described later.
  • FIG. 6 is a side view of the stress detection device 300 of the third embodiment.
  • reference numeral 30 is a cylindrical member (magnetostrictive member).
  • the cylindrical member 30 is made of pure nickel, and caps 31 are fixed to both openings. Further, a bolt 32 is screwed into the cap 31.
  • the cylindrical member 30 is processed so as to be twisted and deformed when an axial load is applied.
  • two triangular slits 30a are formed on the side surface of the cylindrical member 30 so that their hypotenuses face each other, and an inclined plate portion 30b is formed between the two slits 30a. ..
  • Two slits 30a of the same shape and the same size and an inclined plate portion 30b are formed on the 180 ° opposite sides of the slits 30a.
  • the cylindrical member 30 when the cylindrical member 30 is twisted and deformed, a tensile stress X in the direction along the longitudinal direction of the inclined plate portion 30b and a compressive stress Y in the direction orthogonal to the tensile stress X are generated. Further, the tensile stress X and the compressive stress Y are larger on the inner diameter side than on the outer diameter side of the cylindrical member 30. Therefore, in this embodiment, the tensile stress detection coil 17 and the compressive stress detection coil 18 are arranged at positions facing the inclined plate portion 30b on the inner diameter side of the cylindrical member 30.
  • the tensile stress detection coils 17 are arranged side by side along the longitudinal direction of one inclined plate portion 30b, and the compressive stress detecting coils 18 are arranged along the direction orthogonal to the longitudinal direction of the other inclined plate portion 30b. Are arranged side by side.
  • the inclined plate portion 30b extends despite the small axial stroke when a tensile load is applied, so that sufficient tensile stress and compressive stress are generated in the inclined plate portion 30b. do. Therefore, it is possible to obtain the same actions and effects as those of the first embodiment, and there is an advantage that the degree of freedom of application such as application to a load cell is wide.
  • a leaf spring can be used as the magnetostrictive member.
  • the pressing rod shall have hooks that engage from both sides in the center of the leaf spring instead of the flange at the tip.
  • the tensile stress detection coil 17 and the compressive stress detection coil 18 are used, but only the compressive stress detection coil 18 can be used. Alternatively, only the tensile stress detection coil 17 can be used.
  • the present invention can be applied to devices other than tension balancers for overhead wires. For example, it can be applied to a load cell of a tensile tester.
  • the change in magnetic permeability is detected by the electric circuit, but the change in the magnetic field generated in the magnetostrictive member is detected by the magnetic sensor, and the detection signal is processed by the signal processing unit 40. be able to.
  • the present invention can be used in the field of stress detection devices.
  • cylindrical member (magnetostrictive member), 31 ... cap, 32 ... bolt, 30a ... slit, 30b ... inclined plate Unit, 35 ... power supply, 40 ... signal processing unit, 100, 200, 300 ... stress detector, X ... tensile stress, Y ... compressive stress.

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Abstract

【課題】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。 【解決手段】ケーシング１０に、皿ばね１４を配置し、押圧ロッド１５のフランジ部１５ｂを皿ばね１４に係合させて押圧ロッド１５のロッド部１５ａをケーシング１０から突出させてボルト１６を螺合させた。ケーシング１０の開口部にキャップ１１を螺合させ、キャップ１１にボルト１２を螺合させた。皿ばね１４の圧縮面１４ａに圧縮応力検出用コイル１８を対向させ、皿ばね１４の引張面１４ｂに引張応力検出用コイル１７を対向させた。

Description

応力検出装置
　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たことを特徴とする。
　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。
　磁歪部材は、ばね特性を有することが望ましい。ここで、ばね特性を有する磁歪材料とは、材料に加工を施して所定の形状とし、外力に対して所望の弾性変形を生じるようにしたものを言い、皿ばね、コイルバネ、板ばねといった一般的なばねは勿論のこと、例えば、円筒状の部材の外周にスリットを形成して軸方向外力に対して弾性変形し易くしたものなども含まれる。
　この場合、スリットは、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。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。
　磁歪部材がコイルバネまたは円筒部材の場合には、変形した際に外径側よりも内径側の面に大きな応力が発生する。そこで、検出手段は、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ることが望ましい。
　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Ｒ１および抵抗Ｒ２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 (14)

  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たことを特徴とする応力検出装置。
  2. 　前記磁歪部材は、ばね特性を有することを特徴とする請求項１に記載の応力検出装置。
  3. 　前記磁歪部材は、皿ばね、コイルバネ、板ばね、外周にスリットを設けた円筒部材のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の応力検出装置。
  4. 　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請求項３に記載の応力検出装置。
  5. 　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１～４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５に記載の応力検出装置。
  7. 　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５または６に記載の応力検出装置。
  8. 　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５～７のいずれかに記載の応力検出装置。
  9. 　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８に記載の応力検出装置。
  10. 　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１～８のいずれかに記載の応力検出装置。
  11. 　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請求項１～１０のいずれかに記の応力検出装置。
  12. 　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１１に記載の応力検出装置。
  13. 　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１～１２のいずれかに記載の応力検出装置。
  14. 　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１～１２のいずれかに記載の応力検出装置。
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