(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受圧面が設定されたロードセル本体を軸受装置内に配置し、該ロードセル本体の周面に貼着された複数の歪みゲージでホイートストンブリッジ回路を構成することで、軸受に作用する荷重による前記ロードセル本体の変形を電気抵抗の変化に変換し、荷重に比例した抵抗変化による出力を検出する軸受荷重測定用ロードセルであって、前記ロードセル本体の受圧面が、前記ロードセル本体の軸線方向に沿って前記ロードセル本体の両面に同位相で且つ周方向に所定の間隔で突設された複数対の突起部の先端面に設定されると共に、前記歪みゲージが、前記ロードセル本体の対となる前記突起部間であって前記ロードセル本体の周面にそれぞれ貼着され、保護カバーにより覆われていることを特徴とする軸受荷重測定用ロードセル。
【請求項２】
前記歪みゲージは、周方向に等間隔で４箇所に設けられ、それぞれ圧縮歪みを検出するためのアクティブ歪みゲージと検出値の温度補償用に利用されるダミー歪みゲージを含むことを特徴とする請求項１に記載の軸受荷重測定用ロードセル。
【請求項３】
前記歪みゲージは、周方向に等間隔で８箇所に設けられ、それぞれ圧縮歪みを検出するためのアクティブ歪みゲージと検出値の温度補償用に利用されるダミー歪みゲージを含むことを特徴とする請求項１に記載の軸受荷重測定用ロードセル。
【請求項４】
前記ロードセル本体の横断面形状は、円形、四角形、楕円のいずれか１つの形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の軸受荷重測定用ロードセル。
【請求項５】
前記ロードセル本体の軸線方向に沿って前記ロードセル本体の両側には１対のフランジが設けられ、前記フランジの外周側にはＯリングを介して前記保護カバーが設けられ、前記保護カバーは断熱材で覆われていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の軸受荷重測定用ロードセル。
【請求項６】
前記ロードセル本体の軸線方向に沿って前記ロードセル本体の両側には１対のフランジが設けられ、前記ロードセル本体と、前記複数対の突起部と、前記一対のフランジは、ステンレス鋼又は機械構造用炭素鋼で一体形成したものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の軸受荷重測定用ロードセル。
【請求項７】
連続鋳造設備の圧延機に使用される軸受装置に組み付けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の軸受荷重測定用ロードセル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は軸受荷重測定用ロードセルに関し、特に、高温多湿等の特殊環境で使用される軸受に作用する荷重を測定する為の軸受荷重測定用ロードセルの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉄鋼設備及び圧延機等に使用されるロールネック軸受や連続鋳造設備に使用される軸受は、製品の品質向上、歩留り、生産能力の向上の為に使用条件が厳しくなる状況にある。この様な状況から軸受の寿命が問題となり、とくに軸受に負荷される荷重の把握が重要となっている。
【０００３】
従来より、このような軸受に作用する荷重（ラジアル荷重）を測定する方法としては、軸受装置内にロードセルを配置して軸受に作用する荷重を測定する方法が知られている。
即ち、前記ロードセルは、両端に受圧面が設定されたロードセル本体（起わい体）の周面に複数の歪みゲージを貼着すると共に、これらの歪みゲージでホイートストンブリッジ回路を構成することで、軸受に作用する荷重によるロードセル本体の変形を電気抵抗の変化に変換し、荷重に比例した抵抗変化による出力（電圧変化）を検出するものである。
【０００４】
ここで、従来のロードセルは、例えば、両端の受圧面が円環状のロードセル本体の外周面又は内周面上に、周方向に離間させて、複数個の歪みゲージを配置した構成である。そして、各歪みゲージに接続された入出力信号線は、それぞれブリッジ回路に結線するべく引き出された後、さらに歪み計に接続され、該歪み計からの出力信号を記録する記録機器に接続される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した如き従来のロードセルの場合は、受圧面の相手面の精度（粗さ、平坦度等）によって円周方向の荷重分布が悪い場合、歪みゲージの貼着位置によって検出される歪み量がばらつき、精度が悪いという問題があった。
【０００６】
また、上述した如き従来のロードセルを軸受装置内に配置する場合には、ロードセル本体の周面上に貼着された複数個の歪みゲージに接続される入出力信号線の配線作業や軸受装置外部への引出し配線が複雑になり、製作性が良くないという問題があった。
その上、前記ロードセル本体の周面上に貼着された各歪みゲージに接続された複数本の入出力信号線は、ロードセルを軸受装置内に組み立てる際、断線等の故障を起こす可能性があり、慎重に取扱う必要があるので、取扱い性が良くなかった。
【０００７】
また、例えば連続鋳造設備に使用される軸受のように、高温多湿等の特殊環境で使用される用途では、長期間の軸受荷重測定に際し、歪みゲージや入出力信号線を特殊環境の負荷から保護する必要があるが、上述した従来のロードセルではこれらの保護構造を採りにくく、電気的な故障（入出力信号線接続部の絶縁不良、歪みゲージの剥がれ等）が起こり易いという問題があった。
【０００８】
従って、本発明の目的は上記課題を解消することに係り、製作性や取り扱い性に優れ、高温多湿等の特殊環境でも長期間に亘って軸受の荷重を測定することができる良好な軸受荷重測定用ロードセルを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、受圧面が設定されたロードセル本体を軸受装置内に配置し、該ロードセル本体の周面に貼着された複数の歪みゲージでホイートストンブリッジ回路を構成することで、軸受に作用する荷重による前記ロードセル本体の変形を電気抵抗の変化に変換し、荷重に比例した抵抗変化による出力を検出する軸受荷重測定用ロードセルであって、前記ロードセル本体の受圧面が、前記ロードセル本体の軸線方向に沿って前記ロードセル本体の両面に同位相で且つ周方向に所定の間隔で突設された複数対の突起部の先端面に設定されると共に、前記歪みゲージが、前記ロードセル本体の対となる前記突起部間であって前記ロードセル本体の周面にそれぞれ貼着され、保護カバーにより覆われていることを特徴とする軸受荷重測定用ロードセルにより達成される。
【００１０】
上記構成によれば、歪みゲージの各貼着位置は、ロードセル本体に突設された複数対の突起部と対応した該ロードセル本体の周面であり、受圧面の相手面の精度が悪い場合でも、突起部に荷重が集まるため、該突起部に作用する歪みを歪みゲージにて精度良く検出することができる。
【００１１】
また、ロードセル本体の周面に貼着された歪みゲージや各歪みゲージに接続された複数本の入出力信号線は、保護カバーにより覆われることで、軸受荷重測定用ロードセルが高温多湿等の特殊環境で使用される場合にも、特殊環境の負荷から保護されるので、特殊環境下での長期間の軸受荷重測定が可能となる。又、前記入出力信号線が、保護カバーにより覆われた内部配線とされることで、軸受荷重測定用ロードセルを軸受装置内に組み込む際、断線等の故障を起こす可能性がなく、取扱い性が良くなる。
【００１２】
尚、好ましくは前記保護カバーが、防水・防滴の為のシール装置や、熱影響を防止する耐熱手段を備えることにより、より確実に特殊環境の負荷から歪みゲージや入出力信号線を保護することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の一実施形態に係る軸受荷重測定用ロードセルを詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る軸受荷重測定用ロードセルの一部破断斜視図、図２は図１に示したロードセルに組み込まれた複数の歪みゲージで構成されたホイートストンブリッジ回路の配線接続図、図３は図１に示したロードセルを圧延機等に使用されるロールネック軸受装置に組み付けた状態を示す要部縦断面図、図４は図３に示したロールネック軸受装置のIV−IV線に沿う断面図である。
【００１４】
本第１実施形態の軸受荷重測定用ロードセル１は、図１に示したように、測定荷重を受ける受圧面２ａ，２ｂが両端に設定されたロードセル本体２と、このロードセル本体２の外周面に貼着される４個の歪みゲージユニットＧ1 〜Ｇ4 と、該ロードセル本体２の外周面に貼着された歪みゲージユニットＧ1 〜Ｇ4 の周囲を密閉して覆う金属製の保護カバー６とを備えた構成である。
【００１５】
前記ロードセル本体２は、横断面形状が円形の筒状部２１と、該筒状部２１の両端の互いに対応する複数箇所（本実施形態においては、４箇所）からロードセル本体２の軸線方向に沿って突設された複数対（本実施形態においては、４対）の突起部２ｐ1 ，２ｑ1 、２ｐ2 ，２ｑ2 、２ｐ3 ，２ｑ3 、２ｐ4 ，２ｑ4 と、前記筒状部２１の両端近傍の外周に鍔状に形成された一対のフランジ６１，６２とを、ステンレス鋼や機械構造用炭素鋼等で一体形成したものである。
【００１６】
そして、前記突起部２ｐ1 ，２ｑ1 、２ｐ2 ，２ｑ2 、２ｐ3 ，２ｑ3 、２ｐ4 ，２ｑ4 の各先端面が、測定荷重を受ける前記受圧面２ａ，２ｂとなっている。尚、本実施形態の場合、これら突起部２ｐ1 〜２ｐ4 と突起部２ｑ1 〜２ｑ4 とは、それぞれ円筒を周方向に４等分した位置にそれぞれ設けられている。
【００１７】
前記各歪みゲージユニットＧ1 〜Ｇ4 は、図１及び図２に示したように、筒状部２１の両端の互いに対応する突起部（例えば２ｐ1 と２ｑ1 ）間に生じる圧縮歪みを検出するためのアクティブ歪みゲージＡ１〜Ａ４と、該検出値の温度補償用に利用されるダミー歪みゲージＤ１〜Ｄ４とで対を成しており、複数対の前記突起部（例えば２ｐ1 と２ｑ1 ）とそれぞれれ対応して筒状部２１の外周面に貼着されている。
【００１８】
そして、本実施形態の軸受荷重測定用ロードセル１は、４個の歪みゲージユニットＧ1 〜Ｇ4 の各歪みゲージＡ１〜Ａ４，Ｄ１〜Ｄ４に接続された複数本の入出力信号線１３が、図２に示すように、保護カバー６で覆われたロードセル本体２上で、検出値の平均化等により検出精度の向上や温度補償が可能なホイートストンブリッジ回路１１を構成している。これら入出力信号線１３は、前記保護カバー６に設けたプラグ部１４を介して、該保護カバー６から外部に引き出された入出力信号ケーブル１２（図１参照）に接続された配線構造を有している。なお、本実施形態における入出力信号ケーブル１２としては、４本の信号ケーブルを収容した４線シールドケーブルが使用されている。
【００１９】
前記保護カバー６は、ロードセル本体２の筒状部２１の外周面と、前記一対のフランジ６１，６２とで、筒状部２１の外周に歪みゲージユニットＧ１〜Ｇ４を収容する空間６５を画成している。本実施形態の場合、これらフランジ６１，６２の外周端には、Ｏリング等のシール装置６６が装備されており、防水・防滴環境対策として前記空間６５内を密封している。
【００２０】
そして、例えば図３に示すように、上記軸受荷重測定用ロードセル１を圧延機等のロール３０を支承しているロールネック軸受装置３１に組み付け、該ロールネック軸受装置３１の転がり軸受３３の軸受荷重を測定する場合、荷重測定対象の転がり軸受３３を支持するハウジング３２とベース３４との間に、適宜数の軸受荷重測定用ロードセル１を組み付ける。図３に示した本実施形態では、２個のロードセル１を転がり軸受３３の周方向に沿って所定の間隔で配置している。
【００２１】
各軸受荷重測定用ロードセル１から引き出されている入出力信号ケーブル１２の端部が、図４に示すように、中継接続用コネクタ１５を介して、それぞれ専用の第１及び第２の動歪み計１６，１７に接続されることにより、これら第１及び第２の動歪み計１６，１７が接続されているデータ監視・収集・記録機器１８に、各ロードセル１の検出したデータが集積記録可能となる。
【００２２】
上述した本実施形態の軸受荷重測定用ロードセル１によれば、歪みゲージユニットＧ１〜Ｇ４の各貼着位置は、ロードセル本体２の筒状部２１の両端に突設された複数対の各突起部２ｐ1 〜２ｐ4 ，２ｑ1 〜２ｑ4 と対応した該ロードセル本体２の外周面であり、これら突起部２ｐ1 ，２ｑ1 、２ｐ2 ，２ｑ2 、２ｐ3 ，２ｑ3 、２ｐ4 ，２ｑ4 に荷重が集まるため、受圧面の相手面の精度（粗さ、平坦度等）が悪い場合でも、これら突起部２ｐ1 〜２ｐ4 ，２ｑ1 〜２ｑ4 に作用する歪みを歪みゲージユニットＧ1 〜Ｇ4 にて精度よく検出することができる。
【００２３】
また、前記ロードセル本体２の周面に貼着された歪みゲージユニットＧ1 〜Ｇ4 や各歪みゲージＡ１〜Ａ４，Ｄ１〜Ｄ４に接続された複数本の入出力信号線１３は、シール装置６６を備えた保護カバー６により覆われることで、軸受荷重測定用ロードセル１が周囲から水がかかるような多湿の特殊環境で使用される場合にも、この様な特殊環境の負荷から保護されるので、特殊環境下での長期間の軸受荷重測定が可能となる。
又、前記入出力信号線１３が、保護カバー６により覆われた内部配線とされることで、前記軸受荷重測定用ロードセル１をロールネック軸受装置３１内に組み込む際、断線等の故障を起こす可能性がなく、取扱い性が良くなる。
【００２４】
更に、前記ロードセル本体２上に配置された複数個の歪みゲージユニットＧ1 〜Ｇ4 の各歪みゲージＡ１〜Ａ４，Ｄ１〜Ｄ４に接続された複数本の入出力信号線１３は、保護カバー６により覆われた空間６５内でホイートストンブリッジ回路１１を構成しており、プラグ部１４を介して該ホイートストンブリッジ回路１１の入出力信号線１３に接続された入出力信号ケーブル１２のみが軸受荷重測定用ロードセル１の外部に引き出された配線構造である。
【００２５】
そこで、軸受荷重の測定のために当該軸受荷重測定用ロードセル１を使用する場合、図４にも示したように、該入出力信号ケーブル１２を中継接続用コネクタ１５で第１及び第２の動歪み計１６，１７に接続するだけで、測定開始が可能になり、従来のように現場でその都度、外部のブリッジ回路に結線する必要がないので、現場でのケーブル接続作業が単純且つ容易になり、優れた取り扱い性を得ることができる。
【００２６】
尚、前記ロールネック軸受装置３１内に組み込む前記軸受荷重測定用ロードセル１の組み込み数は、上記実施形態に限らない。
例えば、取付寸法が許すなら、図５（ａ），（ｂ）に示したように、転がり軸受３３への軸受荷重測定用ロードセル１の組み込み数を軸受の軸線方向にも二列に配置して、合計４個の軸受荷重測定用ロードセル１で測定を行う構成とすることもできる。
【００２７】
このように、軸受荷重測定用ロードセル１の装備数を増大させることで、検出精度の向上を図ることができるが、該軸受荷重測定用ロードセル１の装備数が増大すると、それに伴ってコストアップするので、軸受荷重測定用ロードセル１の装備数は、取付スペースや要求される検出精度、予算に応じて適当な個数に設定するとよい。
【００２８】
図６乃至図８は、本発明の第２実施形態に係る軸受荷重測定用ロードセルを示したものである。
本第２実施形態の軸受荷重測定用ロードセル４１は、図６及び図７に示したように、上述した第１実施形態の軸受荷重測定用ロードセル１と比較すると、ロードセル本体４２が、横断面形状が円形の筒状部２１の両端の互いに対応する８箇所からロードセル本体４２の軸線方向に沿って突設された８対の突起部２ｐ1 ，２ｑ1 、２ｐ2 ，２ｑ2 、２ｐ3 ，２ｑ3 、２ｐ4 ，２ｑ4 、２ｐ5 ，２ｑ5 、２ｐ6 ，２ｑ6 、２ｐ7 ，２ｑ7 、２ｐ8 ，２ｑ8 を装備した構造に変更され、これら突起部の装備数の追加に合わせて、筒状部２１の外周面の８箇所に歪みゲージユニットＧ1 〜Ｇ8 を貼着したものであり、歪みゲージユニットＧ1 〜Ｇ8 の周囲が保護カバー６で覆われるという基本的な構成は、第１実施形態の軸受荷重測定用ロードセル１と共通である。
【００２９】
そして、これら突起部２ｐ1 ，２ｑ1 、２ｐ2 ，２ｑ2 、２ｐ3 ，２ｑ3 、２ｐ4 ，２ｑ4 、２ｐ5 ，２ｑ5 、２ｐ6 ，２ｑ6 、２ｐ7 ，２ｑ7 、２ｐ8 ，２ｑ8 の各先端面が、測定荷重を受ける受圧面２ａ，２ｂとなっている。
本実施形態の軸受荷重測定用ロードセル４１は、８個の歪みゲージユニットＧ1 〜Ｇ8 の各アクティブ歪みゲージＡ１〜Ａ８及びダミー歪みゲージＤ１〜Ｄ８（図示せず）に接続された複数本の入出力信号線１３が、図８に示すように、保護カバー６で覆われたロードセル本体４２上で、検出値の平均化等により検出精度の向上や温度補償が可能なホイートストンブリッジ回路４４を構成している。これら入出力信号線１３は、前記保護カバー６に設けたプラグ部１４を介して、該保護カバー６から外部に引き出された入出力信号ケーブル４５（図６参照）に接続された配線構造を有している点は、上記第１実施形態の軸受荷重測定用ロードセル１と同様である。
【００３０】
このように、一つのロードセルに装備する歪みゲージユニットを増やすことで、一つのロードセル当たりの検出精度が向上するが、装備した歪みゲージユニットの数量が多い分だけ、装置コストが高価になり、また、大型化する。
従って、１つのロードセル当たりに装備する歪みゲージユニットの数量は、ロードセルとしての許容寸法や要求される検出精度、予算に応じて適当な個数に設定するとよい。
【００３１】
図９は、本発明の第３実施形態に係る軸受荷重測定用ロードセルを示したものである。
本第３実施形態の軸受荷重測定用ロードセル４６は、図９に示したように、上記第２実施形態の軸受荷重測定用ロードセル４１におけるロードセル本体４２の内周面及び保護カバー６の外周面に、外部から歪みゲージユニットＧ1 〜Ｇ8 への熱伝導を防止する耐熱手段としての断熱材４７，４８を追加装備したものであり、それ以外は上記第２実施形態の軸受荷重測定用ロードセル４１と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００３２】
前記断熱材４７，４８の断熱材料は、使用温度環境によって使い分けられるが、例えば断熱性の高いプラスチック等のポリマー材料や、フッ素樹脂、シリコンなどの樹脂材料、ゴム材料等を使用することができる。
又、前記軸受荷重測定用ロードセル４１を使用する環境が、熱影響を防止する環境のみの場合は、保護カバー６のシール装置６６を省略すると共に、該保護カバー６自体を断熱材料で構成して空間６５を覆う構造とすることもできる。
【００３３】
上述のように、断熱材４７，４８等の耐熱手段を装備した構成にすると、高温・多湿環境での耐久性を大幅に向上させることができ、例えば連続鋳造設備に使用される軸受のように１００℃以上の高温で周囲から水がかかり、水蒸気中に覆われる過酷な使用環境下で使用される軸受の荷重測定においても、前記軸受荷重測定用ロードセル４１は入出力信号線接続部の絶縁不良や歪みゲージの剥がれ等の電気的な故障を発生することなく、長期に渡って高精度の歪み検出を安定して行うことができる。
【００３４】
尚、本発明の軸受荷重測定用ロードセルにおけるロードセル本体、歪みゲージ、突起部及び保護カバー等の構成は、上記各実施形態の構成に限定されるものではなく、種々の形態を採りうることは云うまでもない。
例えば、ロードセル本体の横断面形状は、上記各実施形態における円形に限らず、四角形、楕円、菱形などの任意の横断面形状のものを採用することが可能である。
又、より高精度の歪み検出を行う為、ロードセル本体の筒状部の内周面及び外周面の両側に歪みゲージユニットを貼着してホイートストンブリッジ回路を構成することもできる。更に、突起部はロードセル本体の両端ではなく、片側面のみに設けてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
上述したように、本発明の軸受荷重測定用ロードセルによれば、歪みゲージの各貼着位置は、ロードセル本体に突設された複数対の突起部と対応した該ロードセル本体の周面であり、受圧面の相手面の精度が悪い場合でも、突起部に荷重が集中するため、該突起部に作用する歪みを歪みゲージにて精度良く検出することができる。
【００３６】
また、ロードセル本体の周面に貼着された歪みゲージや各歪みゲージに接続された複数本の入出力信号線は、保護カバーにより覆われることで、軸受荷重測定用ロードセルが高温多湿等の特殊環境で使用される場合にも、特殊環境の負荷から保護されるので、特殊環境下での長期間の軸受荷重測定が可能となる。又、前記入出力信号線が、保護カバーにより覆われた内部配線とされることで、軸受荷重測定用ロードセルを軸受装置内に組み込む際、断線等の故障を起こす可能性がなく、取扱い性が良くなる。
従って、製作性や取り扱い性に優れ、高温多湿等の特殊環境でも長期間に亘って軸受の荷重を測定することができる良好な軸受荷重測定用ロードセルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る軸受荷重測定用ロードセルの一部破断斜視図である。
【図２】図１に示したロードセルに組み込まれた複数の歪みゲージで構成されたホイートストンブリッジ回路の配線接続図である。
【図３】図１に示したロードセルを圧延機等に使用されるロールネック軸受装置に組み付けた状態を示す要部縦断面図である。
【図４】図３に示したロールネック軸受装置のIV−IV線に沿う断面図である。
【図５】図３に示したロールネック軸受装置に組み付けるロードセルの組付け数を４個とした場合の配置例を示す縦断面図及びＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る軸受荷重測定用ロードセルの縦断面図である。
【図７】図６に示した軸受荷重測定用ロードセルの平面図である。
【図８】図６に示したロードセルに組み込まれた複数の歪みゲージで構成されたホイートストンブリッジ回路の配線接続図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る軸受荷重測定用ロードセルの縦断面図である。
【符号の説明】
１    軸受荷重測定用ロードセル
２    ロードセル本体
２ａ，２ｂ  受圧面
２ｐ1 〜２ｐ4   突起部
２ｑ1 〜２ｑ4   突起部
Ａ１〜Ａ８  アクティブ歪みゲージ
Ｄ１〜Ｄ８  ダミー歪みゲージ
Ｇ1 〜Ｇ4   歪みゲージユニット
６    保護カバー
１１    ホイートストンブリッジ回路
１２    入出力信号ケーブル
１３    入出力信号線
２１    筒状部
３０    ロール
３１    転がり軸受
３２    ハウジング
６５    空間
６６    シール装置
【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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