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公開番号2024106291
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-07
出願番号2023019492
出願日2023-01-26
発明の名称集積歪検出型荷重計測盤
出願人個人
代理人
主分類G01L 1/22 20060101AFI20240731BHJP(測定;試験)
要約【課題】大荷重に耐える剛性強度と小荷重変動を捉え得る力感受性を併せ持つ荷重計測法を提供する。
【解決手段】所要の形状寸法を有する盤状基体と歪伝達レバーおよび歪集積板状体を組み合わせて集積歪検出型荷重計測盤を構成し、歪集積板状体に歪検出素子を取付け、付加された荷重の下で盤状基体と同調して変形する板状体の歪を検出し、検出した歪値より荷重検出盤に作用する全体付加荷重を算出する方法を提案した。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
所要の全体形状・外寸法・厚さ寸法を有する金属製盤状基体、および、該盤状基体の盤面に設けられた直帯状溝の内部に取り付ける１対２本の金属製歪伝達レバー、および、該直帯状溝内に長手方向に連続するように並べられた１対２本の該歪伝達レバーの間にあってそれらを長手方向に連結する形で取り付けられる金属製歪集積板状体、および、該歪集積板状体に貼り付け又は取り付けられる金属製又は非金属性歪検出素子、などから構成される集積歪検出型荷重計測盤であって、該盤状基体は、所要の円形・楕円形・矩形・多角形等の上下盤面形状を持つ盤状体であり、使用目的に適合する所要の外寸法および厚さ寸法を持ち、該上盤面又は下盤面には、所要の幅寸法と深さ寸法を持ち、且つ、該盤面の重心等指定位置を通って当該盤面を横切る直帯状溝が掘り込まれ形成されており、該直帯状溝の底面上には、少なくとも２本の該歪伝達レバーが当該直帯状溝の長手方向に沿って連続するように敷設されており、敷設されている２本の該歪伝達レバーの２本合わせての長さが敷設されている当該直帯状溝の長さよりも所定の長さだけ短く作られており、それぞれの該歪伝達レバーの各一方の端部は、敷設されている各直帯状溝の端部すなわち該盤状基体の周縁部において、該盤状基体に締結されており、加えて、該歪伝達レバーそれぞれの他方の端部すなわち相対向する端部は、該歪集積板状体を介して連結結合されており、更に、該歪集積板状体の幅寸法および厚さ寸法および長さ寸法は、該歪伝達レバーの幅寸法および厚さ寸法および長さ寸法よりもそれぞれ小さく設計製作されており、すなわち、該歪集積板状体の横断面積および長さ寸法は、該歪伝達レバーの横断面積および長さ寸法の数分の一以下となるように設計製作されており、該直帯状溝に敷設されて該歪集積板状体によって連結され一体化さている２本の該歪伝達レバーに対して、該盤状基体の周縁部への該締結部位において、該盤状基体の該周縁部位より外側へ向かう変位が付与された場合に、該変位が該２本の歪伝達レバーにより該歪集積板状体へ伝達され、該歪集積板状体に該変位に対応する歪が誘発され、該歪が、装着した該歪検出素子により検出され、該検出歪値より、該盤状基体に発生する盤面内膨張変位を知り、その結果より，該盤状基体に対し盤面に垂直に加わる圧縮歪を算出し、該圧縮歪値より、該盤状基体即ち該荷重計測盤に加わる圧縮荷重を算出できる機能を有することを特徴とする該集積歪検出型荷重計測盤と該荷重計測盤を使用する荷重計測法。
続きを表示（約 970 文字）【請求項２】
請求項１に説明した該集積歪検出型荷重計測盤であって、該盤面に２本以上複数の該直帯状溝を形成して配置し、それぞれの該直帯状溝に各２本の該歪伝達レバーとそれらを連結する該歪集積板状体を配設したことを特徴とする該集積歪検出型荷重計測盤、および、該荷重計測盤を用いる荷重計測法。
【請求項３】
請求項１，２に述べた該集積歪検出型荷重計測盤に取り付ける該集積板状体に装着される該歪検出素子として、歪の付加により電気抵抗が変化する特定合金線の配線構造体を内蔵する板状素子、又は歪の付加により電気抵抗特性が変化するピエゾ素子を内蔵する板状素子、又は所要の磁性体材あるいはアモルファス材の薄膜を貼り付けて外部電磁場を印加し、歪の付加と共に変化する誘起電磁場の変化を検出する膜状素子、又は所要の磁性体あるいはアモルファス材の粉末を溶解噴射法により積層凝固させて形成した膜に外部電磁場を印加し、加わる歪によって発生する誘起電磁場の乱れを検出する膜状素子、などを使用して該歪検出素子を構成し、検出した歪値を電磁信号として、有線回路又は無線回路を使って外部へ伝達することを特徴とする該集積歪検出型荷重計測盤、および、該荷重計測盤を用いる荷重計測法。
【請求項４】
請求項１，２，３に述べた該集積歪検出型荷重計測盤であって、該盤状基体の上下の盤面が、単純に平坦ではなく、該盤状基体の中心部又は所要の部位が最も厚くなるように、又は最も薄くなるように、所要の厚み分布を持ち滑らかに連接する凸曲面形状、又は凹曲面形状、となるように作り込まれていることを特徴とする該集積歪検出型荷重計測盤、および、該荷重計測盤を用いる荷重計測法。
【請求項５】
請求項１，２，３，４に述べた該集積歪検出型荷重計測盤であって、その上下いずれかの盤面、又は、両盤面に、それぞれ密着して重なり合う外層盤状体を配設してあること、すなわち、所要の盤面形状と外寸法を持ち、該荷重計測盤と相対して重なり合う面が該荷重計測盤の表面形状と隙間なく重なり合う面形状を有していることを特徴とする該外層盤状体を、上下一方の盤面又は上下両盤面に重ね合わせて配設してあることを特徴とする該集積歪検出型荷重計測盤、および、該荷重計測盤を用いる荷重計測法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
、
本発明は、各種建築構造物、産業施設、工業生産ライン、製造機械設備、船舶、自動車、鉄道等運輸システム、通信設備、ライフライン設備など、社会基盤を支える広範な機構・構造・機械・機器の実装・実用に際して、それらの推進に必要不可欠な情報又はデータであり、あらゆる関連事象・事物の発現形態や作動挙動を解明し理解する上で知らねばならない物理量である作用力、すなわち、事象・事物を作動せしめている力、あるいは、事象・事物の発現の結果として発生する力、を測定し把握する技術・機器・方法に関わる考案であり、現在の高度工業化社会におけるあらゆる事象・事物に支配的に関係し、あらゆる関係性の根底にある物理量である作用力又は発生力を計測する手段・手法を提供しようとするものである。
続きを表示（約 2,700 文字）【０００２】
人間の社会活動や産業活動のあらゆる場面において、それらを支える多様な構築物や設備、機械、機器等に作用する力の大きさを知ることは、それらを適切に運用し活用して社会目標や産業目的を達成し、社会機構や生活環境を安定的に運用していく上で不可欠な要件である。例えば、通常の社会生活の中で、当該事物に作用する重力を知ることは極めて重要であり、重力即ち重さの計測無くしては、我々の社会生活は成り立たない。
【０００３】
産業・工業の場においても、様々な局面において、稼働中の機械設備の各部位に作用する力の大きさを知ることは、当該機械設備による安全安定した操業を実現し確保する上で、最も重要な要件の一つである。このため、効果的且つ効率的に作用力を検出する手段や計測機器は、常に求められている。
しかしながら、実際の生産機構や機械構造の運用・操業の中で、求められる作用力の検出・計測を達成することは必ずしも容易ではなく、ごく限られた場合に、ロードセルと呼ばれる荷重検出計を当該機械設備の可能な限られた部位に取付け、計測が行われているに過ぎない（図６参照）。
【０００４】
実生産環境下での作用力の計測の必要性は、数キログラムから数千トンまで広範囲に及んでいるが、特に、大型機械設備、例えば大型鍛造プレスや大型圧延機などに作用する大荷重を計測することは極めて重要であるが、容易ではない。例えば、大型圧延機の場合、正確な圧延荷重の検出は高速精緻な圧延加工を実現していく上で不可欠であるが故に、様々な手法手段を用いての実働中の圧延荷重の計測が行われ、その結果を用いての高度なプロセス制御に基く圧延作業が実現している。他方、例えば鍛造加工の場合、操業中の鍛造荷重の計測は必ずしも十分行われておらず、結果、各種鍛造加工の適正なプロセス制御が十分に実現できていないのが実情である。
【０００５】
本発明は、かかる状況に鑑み、小作用力から大作用力まで、任意の大きさの作用力の計測を、簡素且つ堅実な機構と合理的なコストで実現する方法を考案した成果であり、“集積歪検出型荷重計測盤”と命名した新たな構造と機能を具備する荷重計測盤とそれを用いた荷重計測法を提案するものである。
【背景技術】
【０００６】
大型機械構造物の稼働時に、各部位に作用する力を所要の精度を以て知ることは、当該機械構造物の機能設計や構造設計を進め、合理的な構築・製作を行う上で極めて重要である。また、該機械構造物が稼働中に、所要の各部位に作用する力を常時検出し知ることが出来れば、当該機械構造物の適切な稼働や望ましい操業を実現する上で、極めて有用な指針を得ることが出来る。
【０００７】
加えて、当該機械構造物や機械設備の使用条件を適正化し、また、常時使用負荷を監視することが出来れば、該機械構造物に加わる不測の過荷重や予期せぬ損傷を回避することが可能になり、当該機械構造物の使用寿命を長期化し、生産性の向上ばかりでなく、資源・エネルギーの節約にも大きく貢献することが出来る。当該機械構造物の内部各所・各部位に作用する力あるいは加わる負荷に関する情報やデータを得ることは、あらゆる機械技術の基盤的要件であり、その革新・進化の根幹を成すものである。すなわち、作用力や負荷荷重の検出や計測は、それら獲得データの分析を通して、工業化社会を支える技術システムの根底を知り、支えることと同義である。
【０００８】
従前技術では、かかる要求に応えるために、ロードセルと呼ばれる荷重検出計が用いられてきた。これは、当該機械構造物や機械設備にあって、作用する力の検出が望まれる部位に、円柱状又は円筒状の歪検出体を配設し又は挟み込み、該歪検出体の所要表面部位に電気抵抗変化型のいわゆる歪ゲージを貼付し、計測対象作用力が該歪検出体に加わり、該歪検出体に発生した歪が該歪ゲージの歪を誘起し、該歪ゲージに発生した歪が該歪ゲージに内蔵されている特定合金線の配線構造の電気抵抗の変化を誘発し、この電気抵抗の変化を電気信号として所要電気回路を通して外部へ取り出し、その結果より、該歪ゲージひいては該歪検出体に発生した歪を知り、更に、該歪検出体に作用した力および力の変化を知る方法である（図６参照）。
【０００９】
従来型の荷重検出計の機能特性と問題点を整理すると以下の様になる。
１）作用力検出が求められる機械構造の内部で、作用力を伝達し合う部位の間へ挟み込む形で該歪検出体が配設され、計測対象となる作用力を一方の部位から直接受けて他方の部位へ伝える役割を果たしつつ、該伝達力の付加により該歪検出体に発生する歪を検出する、という機能に基いている。２）該作用力の伝達に際して、該荷重検出計に許容される変形・歪の量は限定され、本来、該荷重検出計が配設されていない場合の当該機械構造の当該部位および周辺部位の変形状態の変化を誘発するほどの大きさの変形・歪であってはならない。３）しかしながら、該荷重検出計に発生する歪の量が、小さ過ぎず精度良く計測し易い程度であることが望ましく、計測中に発生が予想される歪が０．０３～０．１５％程度となることが望ましい。４）該荷重検出計には、計測対象作用力の細かな変動を的確に捉え得る程度の歪感度が望まれる。すなわち、該荷重検出計には、測定対象作用力の大きさとその変動範囲に適合する変形剛性と必要な歪感受性を併せ持つことが望まれる。
【００１０】
この要求を満足するためには、計測対象作用力とその変動範囲について、予め調査し、使用する荷重検出計に求められる望ましい剛性強度と歪感受性を付与すべく、その形状・寸法について、適正な設計をする必要がある。例えば、円筒柱状体の荷重検出計であれば、外径、内径、高さ、及び、材質の組合せにより、計測対象作用力の大きさと変動範囲に応じて、荷重検出計の出力を適正範囲内に収めるべく、最適寸法を定める必要がある。しかしながら、従来型荷重検出計では、［０００９］に示す機能、すなわち、一方で、測定対象作用力に対する十分高い剛性強度、他方で、作用力の微細な変動を検出できる柔軟な歪感受性、を併せ持つことは容易ではない。これら両特性は明らかに相反するものであり、この点において、従来型の荷重検出計を用いる荷重測定法には、応用の面での限界がある。
（【００１１】以降は省略されています）

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