(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の部材の表面に形成された薄肉部分に連続して設けられた、中心線に対して左右略対称な２本のビームと、前記２本のビームの下端部を連結するようにして設けられた薄板と、
前記薄板の、前記２本のビームとの接合部分近傍に設けられたひずみゲージとを具え、
前記部材に負荷される摩擦力及び圧力の少なくとも一方を計測するようにしたことを特徴とする、センサ。
【請求項２】
前記２本のビームは、互いに略平行となるように設けたことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記摩擦力及び前記圧力を同時に計測するようにしたことを特徴とする、請求項１又は２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記２本のビーム及び前記薄板の少なくとも一方は、前記部材と同じ材料から構成されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のセンサ。
【請求項５】
所定の部材の表面に薄肉部分を形成する工程と、
前記薄肉部分に連続して、中心線に対して左右略対称な２本のビームを設ける工程と、
前記２本のビームの下端部を連結するように薄板を設ける工程と、
前記薄板の、前記２本のビームとの接合部近傍にひずみゲージを設ける工程と、
前記部材の前記薄肉部分に負荷された摩擦力を前記２つのビームを介した前記薄板の変形を前記ひずみゲージで検出することにより、前記摩擦力を計測する工程と、
を含むことを特徴とする、摩擦力計測方法。
【請求項６】
前記２本のビームは互いに略平行となるように設けることを特徴とする、請求項５に記載の摩擦力計測方法。
【請求項７】
前記２本のビーム及び前記薄板の少なくとも一方は、前記部材と同じ材料から構成することを特徴とする、請求項５又は６に記載の摩擦力計測方法。
【請求項８】
所定の部材の表面に薄肉部分を形成する工程と、
前記薄肉部分に連続して、中心線に対して左右略対称な２本のビームを設ける工程と、
前記２本のビームの下端部を連結するように薄板を設ける工程と、
前記薄板の、前記２本のビームとの接合部近傍にひずみゲージを設ける工程と、
前記部材の前記薄肉部分に負荷された圧力を前記２つのビームを介した前記薄板の変形を前記ひずみゲージで検出することにより、前記圧力を計測する工程と、
を含むことを特徴とする、圧力計測方法。
【請求項９】
前記２本のビームは互いに略平行となるように設けることを特徴とする、請求項８に記載の圧力計測方法。
【請求項１０】
前記２本のビーム及び前記薄板の少なくとも一方は、前記部材と同じ材料から構成することを特徴とする、請求項８又は９に記載の圧力計測方法。
【請求項１１】
所定の部材の表面に薄肉部分を形成する工程と、
前記薄肉部分に連続して、中心線に対して左右略対称な２本のビームを設ける工程と、
前記２本のビームの下端部を連結するように薄板を設ける工程と、
前記薄板の、前記２本のビームとの接合部近傍に複数のひずみゲージを設ける工程と、
前記部材の前記薄肉部分に負荷された摩擦力及び圧力を前記２つのビームを介した前記薄板の変形を前記複数のひずみゲージで検出する工程と、
前記複数のひずみゲージによるひずみ検出量間での差分を取ることにより、前記摩擦力を計測する工程と、
前記複数のひずみゲージによるひずみ検出量間での和を取ることにより、前記圧力を計測する工程と、
を含むことを特徴とする、摩擦力・圧力同時計測方法。
【請求項１２】
前記２本のビームは互いに略平行となるように設けることを特徴とする、摩擦力・圧力同時計測方法。
【請求項１３】
前記２本のビーム及び前記薄板の少なくとも一方は、前記部材と同じ材料から構成することを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の摩擦力・圧力同時計測方法。
【請求項１４】
所定の部材の表面に薄肉部分を形成する工程と、
前記薄肉部分に連続して、中心線に対して左右略対称な２本のビームを設ける工程と、
前記部材の前記薄肉部分に所定の摩擦力が負荷された際に、前記摩擦力を前記２本のビームの傾斜角度から計測する工程と、
を含むことを特徴とする、摩擦力計測方法。
【請求項１５】
前記２本のビームは互いに略平行となるように設けることを特徴とする、請求項１４に記載の摩擦力計測方法。
【請求項１６】
前記２本のビームは前記部材と同じ材料から構成することを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の摩擦力計測方法。
【請求項１７】
所定の部材の表面に薄肉部分を形成する工程と、
前記薄肉部分に連続して、中心線に対して左右略対称な２本のビームを設ける工程と、
前記部材の前記薄肉部分に所定の圧力が負荷された際に、前記圧力を前記２本のビームそれぞれの傾斜角度から計測する工程と、
を含むことを特徴とする、圧力計測方法。
【請求項１８】
前記２本のビームは互いに略平行となるように設けることを特徴とする、請求項１７に記載の摩擦力計測方法。
【請求項１９】
前記２本のビームは前記部材と同じ材料から構成することを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の摩擦力計測方法。
【請求項２０】
所定の部材の表面に薄肉部分を形成する工程と、
前記薄肉部分に連続して、中心線に対して左右略対称な２本のビームを設ける工程と、
前記部材の前記薄肉部分に所定の摩擦力及び圧力が負荷された際に、前記摩擦力を前記２本のビームそれぞれの傾斜角度の和から計測し、前記摩擦力を前記２本のビームそれぞれの差分から計測する工程と、
を含むことを特徴とする、摩擦力・圧力同時計測方法。
【請求項２１】
前記２本のビームは互いに略平行となるように設けることを特徴とする、請求項２０に記載の摩擦力計測方法。
【請求項２２】
前記２本のビームは前記部材と同じ材料から構成することを特徴とする、請求項２０又は２１に記載の摩擦力計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧延や鍛造、押出し、引き抜きなどの塑性加工中において、工具表面に働く圧力や摩擦力、及び射出成形やプレス成形などの金型表面に圧力や摩擦力、さらにはスラリーポンプや粉流体配管などの内面に働く圧力や摩擦力、また、タービンブレードなど高圧中で作動する羽根などの表面に働く圧力及び摩擦力などの検出に対して好適に用いることのできる、センサ、並びに前記摩擦力の計測方法、前記圧力の計測方法、及び前記摩擦力・圧力を同時に計測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、塑性加工などの高圧が作用する工具表面に働く摩擦力や圧力をピンポイントで測定するに際しては、前記工具の表面に穴を空けて凹部を形成し、前記凹部内に検出ピンを取り付けることによって行なう、いわゆる測圧ピンタイプ法が用いられていた。
【０００３】
しかしながら、このような方法では検出面と工具面とに段差が生じ、被加工材料がこの段差でつかえて正確な摩擦力及び圧力を測定することができなかった。また、検出ピンと工具穴との間の隙間に潤滑材が吸い込まれて、実際の摩擦条件とは異なった境界面が形成され、摩擦力及び圧力を正確に計測することができないという問題があった。さらには、前記隙間に被加工材がつまって計測自体が不可能となるという問題もあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、工具表面などに作用する摩擦力及び圧力を正確に計測することのできる、新規なセンサを提供するとともに、前記摩擦力及び前記圧力を計測する方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、所定の部材の薄肉部分に連続して設けられた、中心線に対して左右略対称な２本のビームと、前記２本のビームの下端部を連結するようにして設けられた薄板と、
前記薄板の、前記２本のビームとの接合部分近傍に設けられたひずみゲージとを具え、
前記部材に負荷される摩擦力及び圧力の少なくとも一方を計測するようにしたことを特徴とする、センサに関する。
【０００６】
また、本発明は、所定の部材の表面に薄肉部分を形成する工程と、
前記薄肉部分に連続して、中心線に対して左右略対称な２本のビームを設ける工程と、
前記２本のビームの下端部を連結するように薄板を設ける工程と、
前記薄板の、前記２本のビームとの接合部近傍にひずみゲージを設ける工程と、
前記部材の前記薄肉部分に負荷された摩擦力を前記２つのビームを介した前記薄板の変形を前記ひずみゲージで検出することにより、前記摩擦力を計測する工程と、
を含むことを特徴とする、摩擦力計測方法に関する。
【０００７】
さらに、本発明は、所定の部材の表面に薄肉部分を形成する工程と、
前記薄肉部分に連続して、中心線に対して左右略対称な２本のビームを設ける工程と、
前記２本のビームの下端部を連結するように薄板を設ける工程と、
前記薄板の、前記２本のビームとの接合部近傍にひずみゲージを設ける工程と、
前記部材の前記薄肉部分に負荷された圧力を前記２つのビームを介した前記薄板の変形を前記ひずみゲージで検出することにより、前記圧力を計測する工程と、
を含むことを特徴とする、圧力計測方法に関する。
【０００８】
本発明によれば、工具などの部材の薄肉部分に対して前述した２本のビーム、薄板、及びひずみゲージからなるセンサを直接的に付加し、前記センサが前記部材と一体となるようにして構成している。これによって、前記部材の前記薄肉部分に作用する摩擦力及び圧力を直接的に計測することができるようになるので、上述した従来の測圧ピンタイプ法などと比較して、前記部材表面に作用する摩擦力及び圧力を正確に計測することができる。
【０００９】
また、前記部材の前記薄肉部分には穴加工などが施されていないため、上述した潤滑剤の目詰まりや、被加工材の目詰まりなどが生じることがない。したがって、摩擦力及び圧力の計測を長時間安定的に行なうことができる。
【００１０】
なお、本発明においては、ひずみゲージを複数設け、これらひずみゲージの検出値に対する差分を適宜に取ることによって、摩擦力及び圧力を同時に計測することができる。
【００１１】
本発明のその他の特徴については以下の発明の実施の形態において詳細に説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のセンサの一例を示す斜視図であり、図２は、図１に示すセンサの断面図である。図１及び図２に示すように、工具１の表面１Ｂには、薄肉部分１Ａが形成されている。そして、薄肉部分１Ａと連続するようにして、略平行な２本のビーム３及び４が設けられている。２本のビーム３及び４の下端側は薄板５で連結され、薄板５の、２本のビーム３及び４の接合部近傍において複数のひずみゲージ６−１〜６−４が設けられている。
【００１３】
ひずみゲージ６−１〜６−４は電気抵抗型のものや圧電素子を利用したものなどを使用することができる。
【００１４】
図３は、複数のひずみゲージ６−１〜６−４の配置を示すものであり、ひずみゲージ１及び３、ひずみゲージ２及び４が対角線上に位置するようにして形成されている。なお、ひずみゲージ６−１及び６−２、並びに６−３及び６−４は一体的に構成することができ、結果的に２つのひずみゲージのみを用いるようにすることもできる。
【００１５】
本発明のセンサ１０は、２本のビーム３及び４、薄板５、及びひずみゲージ６−１〜６−４から構成され、薄肉部分１Ａを通じて工具１と一体的に構成されている。このとき、より正確な計測を実行するためには、ビーム３及び４、並びに薄板５の少なくとも一つは工具１と同じ材料から構成する。
【００１６】
図４及び図５は、本発明のセンサを用いた摩擦力及び圧力の計測原理を説明するための図である。図４に示すように、工具１の薄肉部分１Ａに対して、左側から右側へ向かう摩擦力が作用したとすると、薄肉部分１Ａは前記摩擦力の上流側では下方に向って倒れ込み、下流側では上方に反るようにして変形する。したがって、図４に示すように、前記摩擦力の上流側に位置するビーム３及び前記摩擦力の下流側に位置するビーム４は、薄肉部分１Ａの変形に応じて、同方向に傾くようになる。
【００１７】
この結果、ビーム３及び４を連結していた薄板５がたわむようになり、ひずみゲージ６−２及び６−３によって薄板５の伸び量が検出され、ひずみゲージ６−１及び６−４によって薄板５の縮み量が検出される。
【００１８】
一方、図５に示すように、工具１の薄肉部分１Ａに対して上方から圧力が作用したとすると、薄肉部分１Ａは下方に向ってたわむようになり、ビーム３及び４は、薄肉部分１Ａの変形を受けて同程度の割合で変形するようになる。したがって、ひずみゲージ６−１〜６−４の総てにおいて同程度のひずみ量が検出される。
【００１９】
したがって、ひずみゲージ６−２及び６−３によるひずみ検出量と、ひずみゲージ６−１及び６−４によるひずみ検出量との差分を取れようにすれば、上述した圧力付加によるひずみ量が相殺され、摩擦力によるひずみ量だけが検出されるようになる。逆に、ひずみゲージ６−２及び６−３による検出量と、ひずみゲージ６−１及び６−４による検出量との和を取ることにより、上述した摩擦力によるひずみ量が相殺され、圧力付加によるひずみ量だけが検出されるようになる。
【００２０】
したがって、図１及び図２に示すように、本発明のセンサ１０を薄肉部分１Ａを介して工具１の一体となるように構成することにより、工具１の表面１Ｂに負荷される摩擦力及び圧力を同時に検出することができる。
【００２１】
さらに、工具１の表面１Ｂに作用する摩擦力及び圧力を直接的に計測することができるようになるので、上述した従来の測圧ピンタイプ法などと比較して、工具表面１Ｂに作用する摩擦力及び圧力を正確に計測することができる。また、工具１Ｂの薄肉部分１Ａには穴加工などが施されていないため、潤滑剤の目詰まりや、被加工材の目詰まりなどが生じることがない。したがって、摩擦力及び圧力の計測を長時間安定的に行なうことができる。
【００２２】
図６及び図７は、本発明に従ってアルミニウム円柱材のすえこみ圧縮した場合の摩擦力分布び圧力分布を調べたものである。図６から明らかなように、摩擦力は円柱の中心から外部へ向けて上昇しており、従来の摩擦力分布と同様の傾向を示した。また、図７から明らかなように、圧力は円柱の中心に向かうにつれて上昇しており、従来の圧力分布と同様の傾向を示した。したがって、本発明により、潤滑剤の目詰まりや、被加工材の目詰まりなどが生じることがなく、所定の工具などに対する摩擦力及び圧力を計測できることが判明した。
【００２３】
図８〜１０は、本発明の計測方法の変形例を示す説明図である。なお、同様の構成要素に対しては同様の参照符号を用いている。図８〜１０においては、工具１の薄肉部分１Ａと連続するようにして略平行な２本のビーム３及び４のみを設け、下端側を接続するための薄板及びひずみゲージは設けていない。
【００２４】
この場合においても、図８に示すように、図中矢印で示すような左側から右側へ向かう摩擦力が薄肉部分１Ａに作用したとすると、薄肉部分１Ａは前記摩擦力の上流側では下方に向って倒れ込み、下流側では上方に反るようにして変形する。したがって、薄肉部分１Ａの上流側に設けられたビーム３と下流側に設けられたビーム４とは、同方向に同じ傾斜角度αで傾斜するようになる。
【００２５】
また、図９に示すように、薄肉部分１Ａに上方から圧力が負荷されたとすると、薄肉部分１Ａは下方に向ってたわむようになり、ビーム３及び４は、薄肉部分１Ａの変形を受けて同程度の割合で変形するようになる。したがって、ビーム３及び４は、異なる方向に傾斜角度βで傾斜するようになる。
【００２６】
したがって、上述した摩擦力と圧力とが薄肉部分１Ａに同時に負荷されているような場合においては、図１０に示すように、ビーム３は傾斜角度α＋βで傾斜するようになり、ビーム４は傾斜角度α−βで傾斜するようになる。したがって、ビーム３及び４の傾斜角度の和を取れば２αなる値を得、摩擦力を計測することができるようになる。また、ビーム３及び４の傾斜角度の差を取れば２βなる値を得、圧力を計測できるようになる。
【００２７】
本態様においても、前記同様の理由から、ビーム３及び４は工具１と同じ材料から構成することが好ましい。
【００２８】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００２９】
例えば、上述した例においては、２本のビームを互いに略平行となるように配置しているが、中心線に対して左右略対称となるものであれば良い。例えば、中心線に対して左右対称となるように前記２本のビームを設けることもできる。また、上述した例においては、一方向に負荷される摩擦力の計測についてのみ述べているが、ビーム３及び４と略直角方向において、一対のビームを追加的に設けることによって、２方向に負荷される摩擦力、すなわち２次元的に負荷される摩擦力を計測することもできる。
【００３０】
また、図１１に示すように、工具１の薄肉部分１Ａの裏面に対してひずみゲージ６−１〜６−４（奥方向に位置するひずみゲージ６−３及び６−４は図示していない）を直接的に取付けることによって、薄肉部分１Ａに摩擦力が負荷された際の薄肉部分１Ａの変形量を直接的に計測し、前記摩擦力を計測するようにすることもできる。
【００３１】
この場合、薄肉部分１Ａに対して左側から右側へ向けて摩擦力が作用したとすると、薄肉部分１Ａの上流側には伸びが発生し、下流側には縮みが発生する。したがって、前記伸び量をひずみゲージ６−２及び６−４で計測し、前記縮み量をひずみゲージ６−１及び６−３で計測することにより、前記摩擦力を計測することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、工具表面などに作用する摩擦力及び圧力を正確に計測することのできる、新規なセンサを提供するとともに、前記摩擦力及び前記圧力を計測する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサの一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示すセンサの断面図である。
【図３】複数のひずみゲージの配置図である。
【図４】本発明のセンサを用いた摩擦力の計測原理を説明するための図である。
【図５】本発明のセンサを用いた圧力の計測原理を説明するための図である。
【図６】本発明に従ってアルミニウム円柱材をすえこみ圧縮した場合の摩擦力分布を示すグラフである。
【図７】本発明に従ってアルミニウム円柱材をすえこみ圧縮した場合の圧力分布を示すグラフである。
【図８】本発明の計測方法の変形例を示す説明図である。
【図９】同じく本発明の計測方法の変形例を示す説明図である。
【図１０】同じく本発明の計測方法の変形例を示す説明図である。
【図１１】本発明の計測方法の他の変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  工具
１Ａ  工具の薄肉部分
１Ｂ  工具の表面
３、４  ビーム
５  薄板
６−１〜６−４  ひずみゲージ
１０  センサ
【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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【図１１】
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