(57)【要約】【課題】荷重方向の寸法が小さい荷重測定用センサユニットを提供する。【解決手段】荷重検出用センサユニット１１は、座面ＢＳに設置される板部１３と、板部１３の座面ＢＳとは反対側の板面１３１から突出し、その突端が受圧面１５１をなす複数の突起部１５と、突起部１５の歪みを検出するひずみゲージ１６と、を有する。板部１３には、突起部１５が配置される周溝１３２が設けられる。突起部１５は、周溝１３２の溝底部から板面１３１外に突出する。突起部１５は、周溝１３２の溝底部に向かって拡幅する曲率半径Ｒの曲面部１５２を介して、周溝１３２の溝底部に接続される。突起部１５の周溝１３２の溝底部からの高さは、受圧面１５１に掛かる荷重に対するひずみゲージ１６の出力が略線形になる高さである。【選択図】図１
2018017699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板部と、
前記板部の片側の板面から突出して設けられ、その突端が受圧面をなす２つ以上の突起部と、
前記突起部に設けられたひずみゲージと、
を備える荷重検出用センサユニット。
【請求項２】
前記板部は板厚方向に窪む周溝が形成され、前記突起部が前記周溝の溝底部から突出している請求項１に記載の荷重検出用センサユニット。
【請求項３】
前記突起部は、前記片側の板面側から前記溝底部に向かって拡幅する曲面部を介して前記溝底部に接続されている請求項２に記載の荷重検出用センサユニット。
【請求項４】
前記突起部の前記溝底部からの高さは、前記受圧面に掛かる荷重に対する前記ひずみゲージの出力が略線形になる高さである請求項２又は請求項３に記載の荷重検出用センサユニット。
【請求項５】
前記板部は、前記ひずみゲージに接続される配線を収容する配線用溝を有する請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の荷重検出用センサユニット。
【請求項６】
前記板部は、前記片側の板面が絶縁材料で被覆されている請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の荷重検出用センサユニット。
【請求項７】
回転軸を支持する転がり軸受と、
前記回転軸を前記転がり軸受を介して保持するハウジングと、
を備え、
前記ハウジングの下方に、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の前記荷重検出用センサユニットが設けられた軸受装置。
【請求項８】
前記ハウジングの垂直方向真下に前記荷重検出用センサユニットが一つのみ配置されている請求項７に記載の軸受装置。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の軸受装置をロールに組み込んだ連続鋳造設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重検出用センサユニット、及び軸受装置、並びに連続鋳造設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
転炉で精錬された溶鋼に連続鋳造を施して、スラブ（鋼の鋳造片）を作る連続鋳造設備が知られている。この連続鋳造設備における、溶鋼を送り出すためのロールは、その両側に突設されたロールネック部が軸受によって支持される。この軸受は、連続鋳造設備の鋳造中に重荷重が負荷され、しかも高温多湿の雰囲気に晒される。
このような設備では、鋳造中にどの程度の荷重が軸受に負荷されているかを想定することは困難である。そこで、この荷重を把握することを目的に、従来より種々の荷重測定方法が提案されてきた。
【０００３】
例えば、図１０に示すように、複数のころ１０１を介して内輪１０３を回転自在に支持する外輪１０５に対し、外輪１０５の外周側の複数箇所に切欠溝１０７を設け、各切欠溝１０７内にひずみゲージ１０９を設けたものが知られている。
【０００４】
また、別の方式として、図１１に示すように、荷重検出用センサユニット２０１を、ロール２０２を支承する軸受装置２０３に組み付けたものがある。この軸受装置２０３は、転がり軸受２０４を支持するハウジング２０５を有し、荷重検出用センサユニット２０１は、ハウジング２０５とベース２０６との間に配置される。荷重検出用センサユニット２０１は、図１２に示すように、測定荷重を受ける受圧面２１１，２１３が軸方向両端に設定された円筒形のロードセル本体２１０と、このロードセル本体２１０の外周面に貼着される複数のひずみゲージ２１５と、ひずみゲージ２１５の周囲を密閉して覆う保護カバー２１７とを備える（特許文献１，２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４３７０７１７号公報
【特許文献２】特許第５７３６７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、図１０に示す荷重測定方法では、軸受の外輪１０５に切欠溝１０７を設けるため、外輪１０５の強度が低下するという問題がある。
また、特許文献１記載の荷重測定方法では、ロードセル本体２１０の上下両端部に受圧面２１１，２１３が設けられている構造上、荷重検出用センサユニット２０１の上下方向（荷重方向）の高さ寸法Ｈ（図１１参照）が大きくなる。連続鋳造設備に使用される軸受の周辺は、荷重検出用センサユニット２０１を設置できるスペースが非常に制限され、特にハウジング２０５とベース２０６との間のスペースは狭小であるため、荷重方向の高さ寸法Ｈのより小さい軸受荷重測定用センサユニットの開発が求められている。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、荷重方向の寸法が従来よりも小さい荷重測定用センサユニット、及びこれを備えた軸受装置、並びに連続鋳造設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は以下の構成により達成される。
（１）  板部と、
前記板部の片側の板面から突出して設けられ、その突端が受圧面をなす２つ以上の突起部と、
前記突起部に設けられたひずみゲージと、
を備える荷重検出用センサユニット。
（２）前記板部は板厚方向に窪む溝が形成され、前記突起部が前記溝の溝底部から突出している（１）の荷重検出用センサユニット。
（３）前記突起部は、前記片側の板面側から前記溝底部に向かって拡幅する曲面部を介して前記溝底部に接続されている（２）の荷重検出用センサユニット。
（４）前記突起部の前記溝底部からの高さは、前記受圧面に掛かる荷重に対する前記ひずみゲージの出力が略線形になる高さである（２）又は（３）の荷重検出用センサユニット。
（５）前記板部は、前記ひずみゲージに接続される配線を収容する配線用溝を有する（１）〜（４）のいずれか一つの荷重検出用センサユニット。
（６）前記板部は、前記片側の板面が絶縁材料で被覆されている（１）〜（５）のいずれか一つに記載の荷重検出用センサユニット。
（７）回転軸を支持する転がり軸受と、
前記回転軸を前記転がり軸受を介して保持するハウジングと、
を備え、
前記ハウジングの下方に、（１）〜（６）のいずれか一つの前記荷重検出用センサユニットが設けられた軸受装置。
（８）前記ハウジングの垂直方向真下に前記荷重検出用センサユニットが一つのみ配置されている（７）の軸受装置。
（９）  （７）又は（８）の軸受装置をロールに組み込んだ連続鋳造設備。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、荷重測定用センサユニットの荷重方向の寸法を従来よりも小さくして、より限られたスペースでの荷重検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の荷重検出用センサユニットの実施形態を例示する斜視図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】図１の荷重検出用センサユニットが備える複数のひずみゲージで構成されるホイートストンブリッジ回路の回路図である。
【図４】荷重検出用センサユニットを連続鋳造設備用の軸受装置に適用した態様を示す正面図である。
【図５】（Ａ）は軸受装置を構成する荷重検出用センサユニットと分割型ハウジングの下側要素とが分離した状態を示す分解斜視図である。（Ｂ）は荷重検出用センサユニットと分割型ハウジングの下側要素とが接合した状態を示す斜視図である。
【図６】他の態様の軸受装置を示す正面図である。
【図７】図６のVII−VII断面図である。
【図８】（Ａ）は荷重検出用センサユニットの別の態様を示す斜視図である。（Ｂ）は荷重検出用センサユニットの更に別の態様を示す斜視図である。
【図９】荷重検出用センサユニットによる荷重検出特性（荷重に対する歪量の検出特性）の測定結果を示すグラフである。
【図１０】（Ａ）は従来の軸受荷重測定方式を適用した軸受装置の軸方向に沿った部分断面図である。（Ｂ）は（Ａ）の軸受装置の径方向に沿った部分断面図である。
【図１１】従来の別の軸受荷重測定方式を適用した軸受装置の部分断面図である。
【図１２】図１１の軸受装置に設けられた従来の荷重検出用センサユニットの部分破断斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
まず、荷重検出用センサユニットの実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態の荷重検出用センサユニット１１は、座面ＢＳ（図１１中のベース２０６に相当）に設置される板部１３と、板部１３の座面ＢＳとは反対側の板面（以下、「上面」とも記す）１３１から突出し、その突端が受圧面１５１をなす２つ以上の突起部１５と、突起部１５のひずみを検出するひずみゲージ１６と、を有する。図示例の突起部１５は、板部１３の片側の板面に合計４つの突起部１５ａ，５１ｂ，１５ｃ，１５ｄが形成されるが、突起部の数はこれに限らない。
【００１３】
板部１３は、この荷重検出用センサユニット１１の本体をなす扁平な矩形板状の要素である。板部１３の上面１３１側には、突起部１５が配置される周溝（凹部）１３２、配線を収容する配線用溝１３３、後述するハウジング３３の嵌合凹部３３３に嵌合する嵌合凸部１３４、等が設けられている。また、板部１３には、冷却水が供給される冷却用の貫通孔１３５、及び固定用ボルト（図示省略）を挿通するための挿通孔１３６、等が板厚方向（荷重方向）に貫通して設けられている。
【００１４】
突起部１５は、板部１３の両長辺の近傍であり、且つ、板部１３の重心に関して対称となる四つの位置にそれぞれ配置される。突起部１５の形状は、略直方体形状であるがこれに限らない。ひずみゲージ１６は、各突起部１５の一側面に貼着されている。図示例では、板部１３の長辺方向に互いに対向する突起部１５の側面に貼着されているが、これに限らない。
【００１５】
図２に示すように、突起部１５（１５ａであるが、１５ｂ〜１５ｄも同様）は、板厚方向に窪む周溝１３２の溝底部から板面１３１の外に突出している。突起部１５は、板面１３１側から周溝１３２の溝底部に向かって拡幅する曲率半径Ｒの曲面部１５２を介して、周溝１３２の溝底部に接続されている。突起部１５の周溝１３２の溝底部からの高さ寸法Ｈ１は、受圧面１５１に負荷される荷重に対するひずみゲージ１６の出力が略線形になる高さである。曲面部１５２の曲率半径Ｒは、受圧面１５１に負荷される荷重に対するひずみゲージ１６の出力特性等に応じて適宜選定される。
【００１６】
ひずみゲージ１６は、突起部１５の圧縮歪みを検出するためのアクティブゲージＡ１〜Ａ４と、アクティブゲージＡ１〜Ａ４による検出値の温度補償用に利用されるダミーゲージＤ１〜Ｄ４と、接続端子１６１〜１６４と、を有する。つまり、突起部１５ａにはアクティブゲージＡ１とダミーゲージＤ１が設けられ、突起部１５ｂにはアクティブゲージＡ２とダミーゲージＤ２が設けられる。また、突起部１５ｃにはアクティブゲージＡ３とダミーゲージＤ３が設けられ、突起部１５ｄにはアクティブゲージＡ４とダミーゲージＤ４が設けられる。
【００１７】
アクティブゲージＡ１〜Ａ４とダミーゲージＤ１〜Ｄ４は、それぞれ接続端子１６１〜１６４に接続されるとともに、各接続端子１６１〜１６４に入力信号線１６５及び出力信号線１６６が接続される。これにより、図３に例示するホイートストンブリッジ回路１７が構成される。入力信号線１６５及び出力信号線１６６は、配線用溝１３３を通して板部１３の外部に引き出された耐熱ケーブル１９（図５参照）に接続される。
【００１８】
板部１３の上面１３１のうち、少なくとも突起部１５が配置された周溝１３２及び配線用溝１３３は、シリコン等の絶縁材料で被覆され、防水性を有して保護される。
【００１９】
上記のように構成される荷重検出用センサユニット１１は、扁平な矩形板状の板部１３を本体とするプレート型のセンサユニットであり、且つひずみゲージ１６と受圧面１５１を突起部１５に集約される構造である。図１２に示した従来の荷重検出用センサユニット２０１と比較して荷重方向の高さ寸法Ｈを小さくできる。したがって、上記実施形態の荷重検出用センサユニット１１は、従来の荷重検出用センサユニット２０１よりも狭小なスペースに設置して、荷重検出を実施することができる。
【００２０】
更に、上記実施形態では、突起部１５が周溝１３２の溝底部から板面１３１の外に突出した構造を採用したことにより、受圧面１５１に負荷され荷重に対するひずみゲージ１６の出力が略線形になる十分な高さＨを確保しつつ、板部１３の板面１３１から突起部１５が直接突出した構造と比較して、荷重検出用センサユニット１１の荷重方向の高さ寸法Ｈを小さくすることができる。
【００２１】
また、上記実施形態では、突起部１５が一定の曲率半径Ｒの曲面部１５２を介して周溝１３２の溝底部に接続された構造が採用されている。これにより、突起部１５と周溝１３２の溝底部との境界が直角構造になっている場合と比較して、突起部１５に掛かる応力を分散させ、センサユニットの耐荷重性能を向上できる。また、この構造により、受圧面１５１に負荷される荷重に対するひずみゲージ１６の出力の線形性を向上させる効果も期待できる。
【００２２】
また、板部１３の周溝１３２、配線用溝１３３が絶縁材料で被覆されていることにより、冷却水等によるユニット内の電気回路の短絡を防止できる。
【００２３】
次に、上記構成の荷重検出用センサユニットを連続鋳造設備用の軸受装置に適用した態様について説明する。
図４に示す連続鋳造設備２１は、軸方向に３分割された圧延ロール２３ａ，２３ｂ，２３ｃと、圧延ロール２３ａ，２３ｂ，２３ｃが固定された回転軸２５と、回転軸２５の固定側端部を支持する固定側支持部２７Ａと、回転軸２５の自由側端部を支持する自由側支持部２７Ｂと、圧延ロール２３ａ，２３ｂの間、及び圧延ロール２３ｂ，２３ｃの間で回転軸２５の中間部を支持する２つの軸受装置３０Ａ，３０Ｂと、を備える。
【００２４】
軸受装置３０Ａ，３０Ｂは、回転軸２５を回転自在に支持する図示しない転がり軸受と、その転がり軸受を保持するハウジング３３Ａ，３３Ｂと、図１に例示した荷重検出用センサユニット１１と、を備える。荷重検出用センサユニット１１は、ハウジング３３Ａ，３３Ｂの垂直方向真下に設けられる。ハウジング３３Ａ，３３Ｂは、転がり軸受を包囲する上下２分割構造の分割要素（上側分割要素３３１、下側分割要素３３２）からなる分割型ハウジングである。
【００２５】
図５（Ａ）に示すように、ハウジング３３Ａ，３３Ｂの下側分割要素３３２における下端部の平面形状及び寸法は、荷重検出用センサユニット１１の板部１３の平面形状及び寸法と一致している。下側分割要素３３２の下端部には、板部１３の嵌合凸部１３４が嵌合する嵌合凹部３３３と、板部１３の冷却用の貫通孔１３５と連通する図示しない冷却孔とが設けられている。嵌合凹部３３３と嵌合凸部１３４とが互いに嵌合するように下側分割要素３３２と板部１３とを接合した後、板部１３の挿通孔１３６に固定用ボルトを挿通して締め込むことにより、図５（Ｂ）に示すように、下側分割要素３３２と荷重検出用センサユニット１１とが互いに完全に固定され一体化する。
【００２６】
上記のように構成された軸受装置３０は、図１２に示した従来の荷重検出用センサユニット２０１と比較して荷重方向の高さ寸法Ｈ（図２参照）が小さく且つ高性能の荷重検出用センサユニット１１を備えたことにより、非常にコンパクトな構造でありながら転がり軸受の荷重を高精度に測定できる。なお、図示例では２分割の例を示しているが、３分割以上に複数分割された分割要素であってもよい。
【００２７】
図６及び図７には、本構成の荷重検出用センサユニットを連続鋳造設備用の軸受装置として用いた他の態様が示されている。ここでは、上記の構成例と同一或いは機能が共通する構成要素については同一符号を付し、その説明を適宜省略又は簡略化する。
【００２８】
図６に示すように、この軸受装置４０は、その全体が一体に成形された一体成形品であるハウジング４１を備え、ハウジング４１下方の垂直方向真下に荷重検出用センサユニット４２が配置される。この荷重検出用センサユニット４２は、図４に示す固定側支持部２７Ａ、自由側支持部２７Ｂで使用されるハウジングである。
【００２９】
この荷重検出用センサユニット４２は、図７に示すように、板部１３における突起部１５の配置や周溝１３２、配線用溝１３３の配置及び形状が図１に例示した荷重検出用センサユニット１１と相違しているが、図１２に示した従来の荷重検出用センサユニット２０１と比較して荷重方向の高さ寸法Ｈ（図２参照）が小さく且つ高性能のプレート型センサユニットである点で共通する。この軸受装置４０も、非常にコンパクトな構造でありながら転がり軸受の荷重を高精度に測定可能である。
【００３０】
このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【００３１】
上記の例では、荷重検出用センサユニット１１，４２の板部１３に突起部１５が４つ配置されているが、突起部１５の数、形状及び配置の態様、周溝１３２、配線用溝１３３の配置及び形状、冷却水用の貫通孔１３５の有無等は、荷重測定対象に応じて適宜変更し得る。
【００３２】
図８には、突起部１５を板部１３の２箇所に配置した例が示されている。図８（Ａ）の荷重検出用センサユニット５１は、板部１３の長辺方向に延びる直方体形状の２つの突起部１５が、板部１３の両側の長辺近傍に配置されている。また、板部１３には、両突起部の突起部１５間に冷却水用の貫通孔１３５が設けられている。図８（Ｂ）の荷重検出用センサユニット５２は、板部１３の短辺方向に延びる直方体形状の２の突起部１５が、板部１３の長辺方向中央部寄りの位置に配置されている。また、板部１３には、冷却水用の貫通孔１３５は設けられていない。どちらの構造の荷重検出用センサユニット５１，５２も、扁平な矩形板状の板部１３を本体とするプレート型のセンサユニットであるため、図１２に示した従来の荷重検出用センサユニット２０１と比較して荷重方向の高さ寸法Ｈを小さくできる。
【００３３】
図９は突起部１５の受圧面１５１に掛かる荷重に対するひずみゲージ１６の出力（ひずみ量）の測定結果を示すグラフである。この測定は、突起部１５の高さ寸法Ｈ１の条件をいくつか変えて実施し、荷重に対するひずみ量の十分な線形性が得られた条件での測定結果を記録したものである。この測定結果から、突起部１５の高さ寸法Ｈ１を適正な値に選定しておけば、突起部１５の受圧面１５１に負荷される荷重に比例した正確なひずみ量を検出できることがわかる。
【００３４】
また、本発明の連続鋳造設備は、必要に応じて、図４に示す軸受装置３０Ａ，３０Ｂの少なくとも一方、図６に示す軸受装置４０を備えるものにしてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１１  荷重検出用センサユニット
１３  板部
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ  突起部
１６  ひずみゲージ
３０  軸受装置
３３  ハウジング
４０  軸受装置
４１  ハウジング
４２，５１，５２  荷重検出用センサユニット
１３１  板面
１３２  周溝
１３３  配線用溝
１３４  嵌合凸部
１３５  貫通孔
１３６  挿通孔
１５１  受圧面
１５２  曲面部
３３１  上側分割要素
３３２  下側分割要素
３３３  嵌合凹部
ＢＳ  座面
【図１】
2018017699.tif 000003
【図２】
2018017699.tif 000004
【図３】
2018017699.tif 000005
【図４】
2018017699.tif 000006
【図５】
2018017699.tif 000007
【図６】
2018017699.tif 000008
【図７】
2018017699.tif 000009
【図８】
2018017699.tif 000010
【図９】
2018017699.tif 000011
【図１０】
2018017699.tif 000012
【図１１】
2018017699.tif 000013
【図１２】
2018017699.tif 000014