(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向の２点の位置で支持された帯状体の振動を計測することにより張力を測定する張力測定装置であって、
前記帯状体の幅方向右側および幅方向左側の変位量を非接触で検出して変位量信号としてそれぞれ出力する変位量検出手段と、
前記変位量信号の周波数特性を求めてピーク周波数成分を抽出し、幅方向右側および幅方向左側のピーク周波数成分同士を比較することにより幅方向における前記ピーク周波数成分の位相差を求め、逆相となるピーク周波数成分が存在すれば、幅方向右側および幅方向左側の１次固有振動数をそれぞれ特定し、これら１次固有振動数を基にして各側の張力および全体の張力を求める一方、逆相となるピーク周波数成分が存在しなければ、幅方向右側および幅方向左側に共通する１次固有振動数を特定し、該１次固有振動数を基にして全体の張力を求める張力算出手段と
を有していることを特徴とする張力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅板等の帯状体の振動を計測することにより帯状体の張力および幅方向の張力バランスを測定する張力測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、銅板やアルミ板、鋼板等の帯状体の通板もしくは巻き取りは、帯状体の走行経路上の前後にロールをそれぞれ配置し、各ロールで帯状体を挟持しながら送り出すと共に、所定の張力を帯状体に付与することにより行われる。この際、ロール間における張力の変動や幅方向の張力バランスに崩れが生じた場合には、帯状体の走行が不安定になったり、巻きずれが起きる等の問題が生じる。また、圧延工程の製造ラインにおいては、圧延ロールの出入り口で張力の変動や幅方向の張力バランスの崩れが生じると、帯状体の板厚が変動するという問題が生じる。
【０００３】
従って、帯状体の製造ラインにおいては、張力および幅方向の張力バランスを知ることが生産性や品質を向上させる上で極めて重要なものとなっており、従来から帯状体の張力および張力バランスを測定する各種の方法が実施および提案されている。
【０００４】
即ち、従来において、張力を測定する場合には、図９に示すように、走行する帯状体５１の上流側および下流側に案内ローラ５２を配置して帯状体５１を支持し、案内ローラ５２間において中間ロール５３を帯状体５１に押し当てる。そして、中間ロール５３に生じた反力をロードセル５４で測定し、ロードセル５４による測定値Ｆと走行角度αとを基にして張力を求める方法（ロードセル方式）が一般的に採用されている。
【０００５】
また、幅方向の張力バランスの測定は、上述の中間ロールおよびロードセルを幅方向に複数配置する分割ロードセル方式により行われたり、図１０に示すように、帯状体５１の幅方向に配置した複数の変位センサ５５により各配置箇所の固有振動数を測定し、これらの測定値を基にして行う方法が提案されている（特開昭６０−４６４０９号公報、特開平７−２１８３５８号公報、特開平６−４３０５１号公報等）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法では、張力と張力バランスとの両者を得ようとした場合、中間ロール５３やロードセル５４、変位センサ５５等の多くの機器が必要となって設備コストが高騰すると共に、機器構成が複雑化するという問題がある。
【０００７】
さらに、図９に示すように、中間ロール５３を用いて測定する方法では、中間ロール５３を帯状体５１に押し当てて張力を測定したときに、中間ロール５３が帯状体５１の表面に傷をつける場合がある。また、帯状体５１が非常に小さな張力で走行している場合には、帯状体５１の曲げ剛性によりロードセル５４に反力が生じるため、ロードセル５４の測定値Ｆを基にして得られる張力Ｔに大きな誤差が生じることになる。
【０００８】
そこで、本発明は、簡単および安価な構成であると共に、帯状体５１の表面を傷つけることなく張力および張力バランスを高精度に求めることができる張力測定装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、長手方向の２点の位置で支持された帯状体の振動を計測することにより張力を測定する張力測定装置であって、前記帯状体の幅方向右側および幅方向左側の変位量を非接触で検出して変位量信号としてそれぞれ出力する変位量検出手段と、前記変位量信号の周波数特性を求めてピーク周波数成分を抽出し、幅方向右側および幅方向左側のピーク周波数成分同士を比較することにより幅方向における前記ピーク周波数成分の位相差を求め、逆相となるピーク周波数成分が存在すれば、幅方向右側および幅方向左側の１次固有振動数をそれぞれ特定し、これら１次固有振動数を基にして各側の張力および全体の張力を求める一方、逆相となるピーク周波数成分が存在しなければ、幅方向右側および幅方向左側に共通する１次固有振動数を特定し、該１次固有振動数を基にして全体の張力を求める張力算出手段とを有していることを特徴としている。
【００１０】
上記の構成において、張力の弱い側の振動は、幅方向において弱い側のみで振動するか、幅方向において強い側と同相の振動を発生させるのに対し、張力の強い側の振動は、幅方向において弱い側に対して逆相の振動を発生させる。これにより、たとえ幅方向右側および幅方向左側の２か所のみで変位量を検出した場合であっても、帯状体の幅方向におけるピーク周波数成分の位相差が逆相であるか否かを基準にして幅方向の張力バランスの状態を確実に求めることができると共に、張力バランスが崩れている場合には、各側の１次固有振動数に基づいて各側の張力と全体の張力を高精度に求めることができる。また、このようにして張力を求めるための帯状体の変位量は、変位量検出手段により非接触で検出されている。これにより、必要最小限（２個）のセンサからなる変位量検出手段による簡単および安価な構成でもって、帯状体の表面を傷つけることなく張力および張力バランスを高精度に求めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図８に基づいて以下に説明する。
本実施の形態に係る張力測定装置は、図２に示すように、銅板やアルミ板、鋼板等の帯状体１の製造ラインに適用される。この製造ラインには、第１ロール８と第２ロール９とが帯状体１の走行方向（長手方向）の前後（２点）にそれぞれ配設されている。これらの各ロール８・９は、任意の速度で回転駆動される駆動ローラ８ａ・９ａと、回転自在に設けられた従動ローラ８ｂ・９ｂとからなっている。そして、両ロール８・９は、駆動ローラ８ａ・９ａと従動ローラ８ｂ・９ｂとで帯状体１を挟持し、図示しない制御装置により各駆動ローラ８ａ・９ａの回転速度が制御されることによって、両ロール８・９間の帯状体１に所定の張力を付与しながら帯状体１を送り出す。
【００１２】
上記の帯状体１の張力は、本実施形態の張力測定装置で測定されている。張力測定装置は、帯状体１の振動を非接触で検出する一対の非接触変位計３を有している。非接触変位計３は、図３に示すように、帯状体１の幅方向における右側（第１チャンネル）および左側（第２チェンネル）の２箇所に配置されており、各箇所の帯状体１の変位を検出する。尚、両非接触変位計３は、幅方向の右側および左側にそれぞれ配置されていれば、任意の場所に取り付け可能であるが、端部から等距離の位置に配置されるように、幅方向中央に対して左右対称の位置に配置されていることが高い測定精度を得る上で望ましい。また、非接触変位計３としては、光反射式の距離センサ等を挙げることができる。
【００１３】
上記の各非接触変位計３は、図２に示すように、フーリエ変換装置１１を介して張力演算器４に接続されている。フーリエ変換装置１１は、非接触変位計３からの変位信号を取り込んで測定点における振動の周波数応答を算出する。また、張力演算器４は、図１の張力算出ルーチンを実行可能になっており、張力算出ルーチンを実行することによって、フーリエ変換装置１１からの周波数応答結果（周波数特性）から１次固有振動数を求め、この１次固有振動数を基にして帯状体１の張力を算出する。尚、張力算出ルーチンによる張力の算出方法の詳細については後述する。また、張力演算器４は、算出した張力を画面表示する表示装置１０および図示しない制御装置に接続されている。制御装置は、張力が予め設定された目標張力となるように、第１ロール８および第２ロール９の回転速度をフィードバック制御する。
【００１４】
上記の構成において、張力測定装置の動作を図１のフローチャートに基づいて説明する。
先ず、帯状体１の前後を挟持する第１ロール８および第２ロール９が回転駆動されることによって、走行する帯状体１に所定の張力が付与される。これにより、帯状体１は、走行方向の両端が各ロール８・９でそれぞれ支持された状態になっているため、両ロール８・９間の中央部を振動の腹とした振動モードの１次固有振動数ｆで振動する。そして、この帯状体１に付与される張力Ｔと１次固有振動数ｆとは、（１）式の関係を有することになる。
【００１５】
Ｔ＝４Ｌ２  ｆ２  ρＡ                                    ・・・・（１）
ここで、Ｔ：張力値、Ｌ：支持間長さ、ｆ：１次固有振動数、ρ：帯状体比重、Ａ：帯状体断面積である。
【００１６】
次に、帯状体１の振動が幅方向右側および幅方向左側に配置された第１チャンネルおよび第２チャンネルの非接触変位計３・３により計測され、右側および左側における帯状体１の変位量を示す変位信号がフーリエ変換装置１１・１１にそれぞれ出力される。各チャンネルのフーリエ変換装置１１は、図５および図６に示すように、変位信号を取り込んで測定点における振動の周波数応答を算出し、この応答結果（周波数特性）を張力演算器４に出力する。この際、張力演算器４は、図１の張力算出ルーチンを実行しており、張力演算器４に出力された第１および第２チャンネルの周波数応答結果を取り込む（Ｓ１）。そして、各チャンネルにおいて、周波数応答結果の中から振幅が最大となる最大ピーク周波数ｆ０をそれぞれ求める（Ｓ２）。
【００１７】
次に、最大ピーク周波数ｆ０に対して所定値を減算および加算することによって、最大ピーク周波数ｆ０を中心とした下限値ｋ１および上限値ｋ２を求め、このｋ１≦ｆ０≦ｋ２の周波数帯域の範囲内に存在するピーク周波数成分を抽出する。そして、このようなピーク周波数成分の抽出を第１チャンネルおよび第２チャンネルについてそれぞれ行う（Ｓ３）。尚、下限値ｋ１および上限値ｋ２を決定する所定値は、測定対象ラインの運転条件（通板速度）や帯状体１の寸法等により定まるものであり、単位はＨｚである。
【００１８】
ここで、帯状体１の幅方向右側と幅方向左側とで張力に大きな差が生じていた場合には、張力の弱い側から強い側に対して振動が伝わり難いため、張力の弱い側が大きく振れても強い側がそれ程大きく振れることはない。一方、張力の強い側から弱い側に対しては、振動が伝わり易いため、張力の強い側が大きく振れると、張力の弱い側も大きく振れる。即ち、張力の弱い側の振動は、幅方向において弱い側のみで振動するか、幅方向において強い側と同相の振動を発生させるのに対し、張力の強い側の振動は、幅方向において弱い側に対して逆相の振動を発生させる。これにより、帯状体１の幅方向（第１チャンネルおよび第２チャンネル）における振動の位相の状態を基にして幅方向の張力バランスを求めることができると共に、各チャンネルにおける１次固有振動数ｆを上述の（１）式に代入することによって、帯状体１の幅方向右側および左側における張力を高精度に求めることができる。
【００１９】
そこで、次に、抽出したピーク周波数成分の両チャンネルにおける位相差Δψを求め、この位相差Δψの絶対値が逆相しきい値ｋ３以上（ｋ３≦｜Δψ｜）であるか否かを判定することによって、幅方向において逆相となるピーク周波数成分が存在するか否かを判定する（Ｓ４）。尚、逆相しきい値ｋ３は、測定対象ラインの運転条件（通板速度）や帯状体の寸法によって決まる値であり、単位は°（度）である。
【００２０】
全てのピーク周波数成分に対して上記の判定を行った結果、逆相となるピーク周波数成分が存在する場合には（Ｓ４，ＹＥＳ）、左右の張力バランスが崩れていると判断し、続いて逆相のピーク周波数成分の中から最低周波数（１次固有振動数ｆｂ）のピーク周波数成分を特定する（Ｓ５）。そして、張力の強い側から弱い側へ振動が伝播する際に、振動の振幅が減少していくことが一般的であるため、特定したピーク周波数成分における第１チャンネルの振幅と第２チャンネルの振幅とを比較し（Ｓ６）、振幅の大きい側（チャンネル）が強い張力に対応した１次固有振動数ｆｂで振幅していると決定する（Ｓ７）。
【００２１】
次に、検出範囲内において、１次固有振動数ｆｂよりも低周波数であり、且つ逆相とならないピーク周波数成分が存在するか否かを判定する（Ｓ８）。尚、このようなピーク周波数成分の検出において、１次固有振動数ｆｂよりも低周波数であることを検出要件とした理由は、１次固有振動数の減少と張力の低下とが比例関係にあるため、上述のＳ７で決定した強い張力の側（チャンネル）の１次固有振動数ｆｂよりも低周波数の１次固有振動数ｆａを弱い張力の側（チャンネル）が有していると考えられるからである。さらに、逆相とならないピーク周波数成分を検出要件とした理由は、張力の弱い側から強い側に対して振動が伝わり難いため、張力の弱い側の１次固有振動数ｆａの振動が幅方向において逆相になることはないと考えられるからである。
【００２２】
１次固有振動数ｆｂよりも低周波数であり、且つ逆相とならないピーク周波数成分が存在しない場合には（Ｓ８，ＮＯ）、幅方向における張力や振動の位相の関係に矛盾が生じるため、“検出不能”である旨を図２の表示装置１０に画面表示してオペレータに報知した後（Ｓ９）、本ルーチンを終了する。
【００２３】
一方、ピーク周波数成分が存在する場合には（Ｓ８，ＹＥＳ）、このピーク周波数成分が両チャンネルで検出されたものであるか否かを判定する（Ｓ１０）。そして、両チャンネルで検出された場合には（Ｓ１０，ＹＥＳ）、両チャンネルの中で振幅の大きい側のチャンネルの１次固有振動数ｆａを選択する一方（Ｓ１１）、両チャンネルで検出されなかった場合には（Ｓ１０，ＮＯ）、検出された側のチャンネルの１次固有振動数ｆａを選択する（Ｓ１２）。この後、例えば図３に示すように、張力の強い側（第２チャンネル）の１次固有振動数ｆｂと、張力の弱い側（第１チャンネル）の１次固有振動数ｆａとを上述の（１）式に代入することによって、各側（第１チャンネル、第２チャンネル）の張力Ｔｂ・Ｔａをそれぞれ求める。そして、両張力Ｔｂ・Ｔａを下式（２）に代入して平均化することにより幅方向の総張力Ｔｏｔａｌ  を算出し、この総張力Ｔｏｔａｌ  と各チャンネルの張力Ｔｂ・Ｔａとを図２の表示装置１０に画面表示し（Ｓ１３）、本ルーチンを終了する。この結果、表示装置１０を目視したオペレータは、例えば図７に示すような画面表示であれば、帯状体１の幅方向右側および幅方向左側における張力バランスの崩れの状態を認識することができると共に、総張力Ｔｏｔａｌ  から帯状体１の全体の張力も認識することができる。
【００２４】
Ｔｏｔａｌ＝（Ｔａ＋Ｔｂ）／２                        ・・・  （２）
【００２５】
また、Ｓ４において、幅方向において逆相となるピーク周波数成分が存在しない場合には（Ｓ４，ＮＯ）、両チャンネルについて検出された最大のピーク周波数成分のうち、第１チャンネルで検出された最大ピーク周波数ｆ０をｆ０ｃｈ１とし、第２チャンネルで検出された最大ピーク周波数ｆ０をｆ０ｃｈ２とする。そして、これらのｆ０ｃｈ１およびｆ０ｃｈ２が下記の関係式（３）を満足させるか否かを判定する（Ｓ１４）。
【００２６】
｜ｆ０ｃｈ１−ｆ０ｃｈ２｜≦Δｆ                      ・・・  （３）
ここで、Δｆは測定時の周波数分解能であり、範囲はＨｚである。例えば測定レンジが２００Ｈｚの場合、Δｆは０．２５Ｈｚとなる。
【００２７】
関係式（３）が満足しない場合には（Ｓ１４，ＮＯ）、張力や振動の関係に矛盾が生じるため、“検出不能”である旨を図２の表示装置１０に画面表示してオペレータに報知した後（Ｓ１５）、本ルーチンを終了する。一方、関係式（３）が満足する場合には（Ｓ１４，ＹＥＳ）、Ｓ２で求めた最大ピーク周波数ｆ０を１次固有振動数ｆａとし（Ｓ１６）、この１次固有振動数ｆａを上述の（１）式に代入することにより帯状体１の張力Ｔ０を求める。そして、この張力Ｔ０を図２の表示装置１０に画面表示し（Ｓ１７）、本ルーチンを終了する。この結果、表示装置１０を目視したオペレータは、帯状体１の全体が張力Ｔ０でもって走行し、張力バランスが均一であることを認識することができる。
【００２８】
尚、本実施形態において、Ｓ３における下限値ｋ１および上限値ｋ２を決定する際に用いられる所定値は、過去に選択した１次固有振動数等を参考にしながら、測定対象ラインの運転条件（通板速度）の状態に応じて変化させることが好ましい。例えば略一定速度で通板する場合のように張力が大きく変動しない運転条件下においては、下限値ｋ１および上限値ｋ２の範囲を狭くするように所定値を設定すれば、ピーク周波数成分の抽出数を減少させることができるため、その後の１次固有振動数の決定処理を短時間および高い信頼性で実行することができる。
【００２９】
上記のようにして幅方向右側や左側の張力、および全体の張力が求められると、これらの張力が図示しない制御装置に送信される。そして、これらを張力を受け取った制御装置は、図２に示すように、各駆動ローラ８ａ・９ａの回転速度を制御することによって、両ロール８・９間の帯状体１に所定の張力を付与するように制御する。これにより、図８に示すように、帯状体１の張力バランスおよび総張力が調整されながら走行することになると共に、帯状体１の張力の変動状態が連続的に記録されるため、品質管理を容易且つ高精度に行うことができる。
【００３０】
以上のように、本実施形態の張力測定装置は、図２に示すように、長手方向の２点の位置で支持された帯状体１の振動を計測することにより張力を測定する張力測定装置であって、帯状体１の幅方向右側および幅方向左側の変位量を非接触で検出して変位量信号としてそれぞれ出力する非接触変位計３（変位量検出手段）と、変位量信号の周波数特性を求めてピーク周波数成分を抽出し、幅方向右側および幅方向左側のピーク周波数成分同士を比較することにより幅方向におけるピーク周波数成分の位相差を求め、逆相となるピーク周波数成分が存在すれば、幅方向右側および幅方向左側の１次固有振動数をそれぞれ特定し、これら１次固有振動数を基にして各側の張力および全体の張力を求める一方、逆相となるピーク周波数成分が存在しなければ、幅方向右側および幅方向左側に共通する１次固有振動数を特定し、１次固有振動数を基にして全体の張力を求める張力算出手段（張力演算器４、フーリエ変換装置１１）とを有した構成にされている。
【００３１】
上記の構成において、張力の弱い側の振動は、幅方向において弱い側のみで振動するか、幅方向において強い側と同相の振動を発生させるのに対し、張力の強い側の振動は、幅方向において弱い側に対して逆相の振動を発生させる。これにより、たとえ幅方向右側および幅方向左側の２か所のみで変位量を検出した場合であっても、帯状体１の幅方向におけるピーク周波数成分の位相差が逆相であるか否かを基準にして幅方向の張力バランスの状態を確実に求めることができると共に、張力バランスが崩れている場合には、各側の１次固有振動数に基づいて各側の張力と全体の張力を高精度に求めることができる。また、このようにして張力を求めるための帯状体１の変位量は、非接触変位計３により非接触で検出されている。これにより、必要最小限（２個）のセンサからなる非接触変位計３による簡単および安価な構成でもって、帯状体１の表面を傷つけることなく張力および張力バランスを高精度に求めることができる。さらに、１次の固有振動数を検出する際に、幅方向左右の位相差を判断基準としているため、高次モードの固有振動数が現れ難いような場合でも１次固有振動数を確実に検出することができる。
【００３２】
尚、本実施形態においては、非接触変位計３が帯状体１の幅方向右側および幅方向左側にそれぞれ１個設けられているが、これに限定されるものではなく、幅方向右側および幅方向左側にそれぞれ複数個設けられていても良い。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、長手方向の２点の位置で支持された帯状体の振動を計測することにより張力を測定する張力測定装置であって、前記帯状体の幅方向右側および幅方向左側の変位量を非接触で検出して変位量信号としてそれぞれ出力する変位量検出手段と、前記変位量信号の周波数特性を求めてピーク周波数成分を抽出し、幅方向右側および幅方向左側のピーク周波数成分同士を比較することにより幅方向における前記ピーク周波数成分の位相差を求め、逆相となるピーク周波数成分が存在すれば、幅方向右側および幅方向左側の１次固有振動数をそれぞれ特定し、これら１次固有振動数を基にして各側の張力および全体の張力を求める一方、逆相となるピーク周波数成分が存在しなければ、幅方向右側および幅方向左側に共通する１次固有振動数を特定し、該１次固有振動数を基にして全体の張力を求める張力算出手段とを有した構成である。
【００３４】
上記の構成によれば、たとえ幅方向右側および幅方向左側の２か所のみで変位量を検出した場合であっても、帯状体の幅方向におけるピーク周波数成分の位相差が逆相であるか否かを基準にして幅方向の張力バランスの状態を確実に求めることができると共に、張力バランスが崩れている場合には、各側の１次固有振動数に基づいて各側の張力と全体の張力を高精度に求めることができる。また、このようにして張力を求めるための帯状体の変位量は、変位量検出手段により非接触で検出されている。これにより、必要最小限（２個）のセンサからなる変位量検出手段による簡単および安価な構成でもって、帯状体の表面を傷つけることなく張力および張力バランスを高精度に求めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】張力算出ルーチンのフローチャートである。
【図２】張力測定装置の配置状態を示す説明図である。
【図３】帯状体と張力の関係を示す説明図である。
【図４】帯状体とチャンネルとの関係を示す説明図である。
【図５】幅方向右側（第１チャンネル）における周波数応答を示すグラフである。
【図６】幅方向左側（第２チャンネル）における周波数応答を示すグラフである。
【図７】幅方向右側および左側の張力と総張力とを画面表示した状態を示す説明図である。
【図８】張力の時間経過における変化状態を示したグラフである。
【図９】従来の張力測定装置で張力を検出する状態を示す説明図である。
【図１０】従来の張力測定装置の斜視図である。
【符号の説明】
１  帯状体
３  非接触変位計
４  張力演算器
８  第１ロール
９  第２ロール
１０  表示装置
１１  フーリエ変換装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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