JP2002236064A - Bolt with strain sensor, and strain sensor - Google Patents
Bolt with strain sensor, and strain sensorInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、歪みセンサ付きボ
ルト及び歪みセンサであり、特にボルトの締付け緩みを
検出することができる歪みセンサを装着したボルトに関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bolt with a strain sensor and a strain sensor, and more particularly to a bolt having a strain sensor capable of detecting loosening of the bolt.
【０００２】[0002]
【従来の技術】高層ビル、列車等の構造物は、大型ボル
トを使用しており、締付けたボルトが緩むと悪影響が発
生する。また、原子力部品、宇宙部品等の高精度部品に
おいては、受ける応力の検知が要求されている。このた
め、従来、被測定物の表面に歪みゲージを装着していた
が、応力集中点からの距離が長くなり、応力変化を感度
良くとらえることが難しかった。また、歪みゲージ装着
の際に接着剤を使用すると、高温や低温時での耐久性に
問題が有った。更に、埋め込み型歪みゲージでは、表面
処理等にコストや工数がかかっていた。2. Description of the Related Art High-rise buildings, trains, and other structures use large bolts, and any loosened bolts have an adverse effect. Further, in high-precision parts such as nuclear parts and space parts, detection of the stress received is required. For this reason, a strain gauge has conventionally been mounted on the surface of the object to be measured. However, the distance from the stress concentration point has been long, and it has been difficult to detect a stress change with high sensitivity. Further, when an adhesive is used when the strain gauge is attached, there is a problem in durability at high or low temperature. Further, in the embedded strain gauge, cost and man-hours are required for surface treatment and the like.
【０００３】歪みゲージをボルトの頭側面に貼着した
り、頭部に穿設した孔に嵌入することが提案されている
（特開平９−２６９２６８号公報、特開平１１−１１８
６３７号公報）が、検出対象はボルト頭部側面の変形や
締付け軸力による変形による歪みであって、応力集中点
からの距離が長くなり、また、軸方向の応力による歪み
ではないため、ネジの締付け緩みを正確には検知するこ
とができなかった。It has been proposed to attach a strain gauge to the side of the head of a bolt or to fit it into a hole formed in the head (JP-A-9-269268, JP-A-11-118).
No. 637), the object to be detected is distortion due to deformation of the side of the bolt head or deformation due to tightening axial force, the distance from the stress concentration point becomes long, and it is not distortion due to axial stress. Could not be detected accurately.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
問題を解決するものであり、応力集中点からの距離を短
くして応力変化を感度良くとらえることができ、また、
ボルト切削加工次第で任意の深さに歪みゲージを埋め込
むことができ、そして、歪みゲージ封止材料を任意に選
択でき、更に、フォトファブリケーションにより製造が
容易で、低コスト、高精度とすることが可能な歪みセン
サ付きボルト及び歪みセンサを提供することを目的とす
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the problems of the prior art, in which the distance from the stress concentration point can be shortened so that a change in stress can be detected with high sensitivity.
The strain gauge can be embedded at any depth depending on the bolt cutting process, and the sealing material for the strain gauge can be selected arbitrarily. Furthermore, photofabrication makes it easy to manufacture, low cost, and high precision It is an object of the present invention to provide a strain sensor-equipped bolt and a strain sensor capable of performing the following.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明は、歪みセンサを
装着してボルト締付け緩みを検出することができるボル
トであって、ボルト頭部に形成した凹部にボルト軸方向
の応力を受けて延び又は縮むゲージ抵抗部を有する歪み
ゲージを設ける歪みセンサ付きボルトである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a bolt capable of detecting loosening of a bolt by mounting a strain sensor, and extends in a recess formed in the head of the bolt by receiving a stress in the axial direction of the bolt. Alternatively, it is a bolt with a strain sensor provided with a strain gauge having a gauge resistance portion that shrinks.
【０００６】また、本発明は、上記歪みゲージは、凹部
に形成した空隙の上に設ける歪みセンサ付きボルトであ
る。Further, the present invention is a bolt with a strain sensor, wherein the strain gauge is provided above a gap formed in a concave portion.
【０００７】そして、本発明は、上記凹部は、封止材料
によって封止されている歪みセンサ付きボルトである。The present invention is a bolt with a strain sensor, wherein the recess is sealed with a sealing material.
【０００８】更に、本発明は、ボルトに装着してボルト
締付け緩みを検出する歪みセンサであって、ボルト軸方
向の応力を受けて延び又は縮むゲージ抵抗部を有し、か
つ、ボルト頭部に形成した凹部に取付ける歪みゲージを
備える歪みセンサである。Further, the present invention relates to a strain sensor which is attached to a bolt to detect loosening of the bolt tightening, which has a gauge resistance portion which expands or contracts by receiving a stress in the axial direction of the bolt, and which has a gauge resistance portion on the bolt head. This is a strain sensor including a strain gauge attached to the formed recess.
【０００９】[0009]
【発明の実施の形態】発明の実施の形態を説明する。本
発明の歪みセンサ付きボルト及び歪みセンサの発明の概
要、応力検出原理及び実施例について、図１〜図７を用
いて説明する。図１は、本発明の歪みセンサ付きボルト
（適正締付け状態）の概要説明図であり、（ｂ）は、ゲ
ージ抵抗部拡大図である。図２は、本発明の歪みセンサ
付きボルト（締付けの緩んだ状態）の概要説明図であ
り、（ｂ）は、ゲージ抵抗部拡大図である。図３は、本
発明の歪みセンサ付きボルトにおける応力検出原理の説
明図である。図４は、本発明の歪みセンサ付きボルトの
応力検出に使用するブリッジ回路の説明図である。図５
は、実施例の歪みセンサ付きボルトの説明図である。図
６は、実施例の歪みセンサ付きボルトの構造の説明図で
ある。図７は、実施例の歪みセンサ付きボルトの歪みゲ
ージの製造工程の説明図である。Embodiments of the present invention will be described. The outline of the invention of the bolt with a strain sensor and the strain sensor of the present invention, the principle of stress detection, and an embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic explanatory view of a bolt with a strain sensor (in a properly tightened state) of the present invention, and FIG. 1 (b) is an enlarged view of a gauge resistance portion. FIG. 2 is a schematic explanatory view of a bolt with a strain sensor of the present invention (in a loosened state), and FIG. 2B is an enlarged view of a gauge resistance portion. FIG. 3 is an explanatory view of the principle of stress detection in the bolt with a strain sensor of the present invention. FIG. 4 is an explanatory diagram of a bridge circuit used for detecting stress of a bolt with a strain sensor according to the present invention. FIG.
FIG. 3 is an explanatory view of a bolt with a strain sensor according to the embodiment. Drawing 6 is an explanatory view of the structure of the bolt with a strain sensor of an example. FIG. 7 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the strain gauge of the bolt with the strain sensor according to the embodiment.
【００１０】まず、発明の概要を説明する。本発明の歪
みセンサ付きボルト１は、図１（ａ）に示すように、ボ
ルト本体部１１とボルト頭部１２とから構成されてい
て、ボルト本体部１１は、側面周囲にネジが切られてお
り、一方、ボルト頭部１２は、凹部１３を有しており、
そして、凹部１３に形成した空隙１４の上に歪みセンサ
２が装着されている。そして、ボルト１が取付部材４に
締付けて固定されている状態であるときは、図１（ｂ）
に示すように、軸方向上側からの応力Ｐ１が大きくな
り、歪みゲージの変形量が大となってゲージ抵抗部２１
が縮むこととなる。一方、ボルト１の締付けが緩んだ状
態のときは、図２（ａ）（ｂ）に示すように、固定され
た状態に比べ、軸方向上側からの応力Ｐ２が小さくな
り、歪みゲージの変形量が少なくなって、ゲージ抵抗部
２１が延びることとなる。そして、ゲージ抵抗部２１の
抵抗値は延び縮み量に応じて変わるため、ゲージ抵抗部
２１に入力電圧を印加すると、出力電圧が変化する。し
たがって、オフセット状態（ボルト固定時）における出
力電圧と比較することにより、軸方向の応力Ｐが変化し
たことが分かり、ボルト１の締付け緩みを検出すること
が可能となる。First, the outline of the invention will be described. As shown in FIG. 1A, a bolt 1 with a strain sensor according to the present invention includes a bolt main body 11 and a bolt head 12, and the bolt main body 11 is threaded around a side surface. On the other hand, the bolt head 12 has a recess 13,
The strain sensor 2 is mounted on the gap 14 formed in the recess 13. When the bolt 1 is in a state of being fixedly fastened to the mounting member 4, FIG.
As shown in FIG. 7, the stress P1 from the upper side in the axial direction increases, the deformation amount of the strain gauge increases, and the
Will shrink. On the other hand, when the bolt 1 is loosely tightened, as shown in FIGS. 2A and 2B, the stress P2 from the upper side in the axial direction is smaller than that in the fixed state, and the deformation amount of the strain gauge is reduced. Is reduced, and the gauge resistance portion 21 is extended. Since the resistance value of the gauge resistor 21 changes according to the amount of expansion and contraction, when an input voltage is applied to the gauge resistor 21, the output voltage changes. Therefore, by comparing with the output voltage in the offset state (when the bolt is fixed), it is found that the stress P in the axial direction has changed, and it is possible to detect the loosening of the bolt 1.
【００１１】本発明の歪みゲージ付きボルトにおける応
力検出原理を説明する。一般に、被測定物に引っ張り力
（又は圧縮力）Ｐが加わると、図３に示すように、応力
が材料内部に発生する。この応力に比例した引っ張り歪
み（又は圧縮歪み）が生じ、被測定物の長さＬは、Ｌ＋
ΔＬ（又はＬ−ΔＬ）に変形する。歪みは、ＬとΔＬの
割合であるので、歪みεは、 ε＝ΔＬ／Ｌ ただし、Ｌ：被抵抗物イニシャル長、ΔＬ：外力Ｐによ
る変化分、で表される。そして、被測定物である歪みゲ
ージに歪みが発生すると、ゲージ抵抗部に歪みが生じ
る。生じた歪みに対応した抵抗変化と歪みεの関係は、 ε＝ΔＬ／Ｌ＝（ΔＲ／Ｒ）／Ｋ ただし、Ｒ：ゲージ抵抗値、ΔＲ：歪みを受けたときの
抵抗値変化量、Ｋ：ゲージ率（係数）、で表される。The principle of stress detection in the bolt with a strain gauge of the present invention will be described. Generally, when a tensile force (or a compressive force) P is applied to an object to be measured, a stress is generated inside the material as shown in FIG. A tensile strain (or a compressive strain) proportional to the stress is generated, and the length L of the measured object is L +
Deforms to ΔL (or L−ΔL). Since the strain is a ratio of L to ΔL, the strain ε is represented by ε = ΔL / L, where L: initial length of the object to be resisted, and ΔL: change due to external force P. When strain occurs in the strain gauge, which is the device under test, strain occurs in the gauge resistance section. The relationship between the resistance change corresponding to the generated strain and the strain ε is as follows: ε = ΔL / L = (ΔR / R) / K where R: gauge resistance value, ΔR: resistance value change amount when subjected to strain, K : Expressed by gauge factor (coefficient).
【００１２】本発明の歪みセンサ付きボルトにおける歪
みゲージの抵抗変化は微少な値なので、図４に示すよう
に、ブリッジ回路を用いて電圧に変換することができ
る。そして、ブリッジ回路の出力電圧ｅは、 ｅ＝｛（Ｒ１Ｒ３−Ｒ２Ｒ４）／（Ｒ１＋Ｒ２）（Ｒ３
＋Ｒ４）｝Ｅ ただし、Ｅ：入力電圧、Ｒ１：歪みゲージのゲージ抵抗
値、Ｒ２〜Ｒ４：固定抵抗値、で表されるので、出力電
圧ｅは、歪みゲージのゲージ抵抗値Ｒ１が変化すると、
変動することとなる。したがって、歪みセンサ付きボル
トについて、適正ボルト締付け時における出力電圧ｅ０
を事前に測定しておくと、判断対象のボルトにおける出
力電圧ｅを測定し、得られた出力電圧ｅについて、適正
ボルト締付け時における出力電圧ｅ０との差が所定の割
合（又は量）以上であるときに、ボルト締付けが緩んで
いると判断することができる。また、ボルト締付けが緩
んでいる時の出力電圧ｅ１を事前に測定し、そして、ボ
ルト締付けが緩んでいる時の出力電圧ｅ１との差が所定
の割合（又は量）以下であるときに、ボルト締付けが緩
んでいると判断することも可能である。更に、適正ボル
ト締付け時及びボルト締付けが緩んでいる時におけるそ
れぞれの出力電圧ｅ０、ｅ１を事前に測定しておくと、
判断対象のボルトを測定して得られた出力電圧ｅについ
て、出力電圧ｅ０及びｅ１と比較することにより、ボル
ト締付けの緩み具合を算出することも可能である。Since the resistance change of the strain gauge in the bolt with a strain sensor of the present invention is a very small value, it can be converted to a voltage using a bridge circuit as shown in FIG. The output voltage e of the bridge circuit is e = 、 (R 1 R 3 −R 2 R 4 ) / (R 1 + R 2 ) (R 3
+ R 4 )｝ E where E: input voltage, R 1 : gauge resistance value of strain gauge, R 2 to R 4 : fixed resistance value, so that output voltage e is gauge resistance value of strain gauge R When 1 changes,
Will fluctuate. Therefore, the output voltage e 0 of the bolt with the strain sensor when the bolt is properly tightened.
Is measured in advance, the output voltage e at the volt to be determined is measured, and the difference between the obtained output voltage e and the output voltage e 0 at the time of proper bolt tightening is a predetermined ratio (or amount) or more. It can be determined that the bolt tightening is loose. Further, the output voltage e 1 when the bolt fastening is loose measured in advance, and, when the difference between the output voltage e 1 when the bolt fastening is loose is a predetermined percentage (or amount) below It is also possible to determine that the bolt tightening is loose. Furthermore, when the output voltages e 0 and e 1 at the time of proper bolt tightening and when the bolt tightening is loose are measured in advance,
By comparing the output voltage e obtained by measuring the volt to be determined with the output voltages e 0 and e 1 , it is also possible to calculate the degree of loosening of the bolt tightening.
【００１３】実施例を説明する。本実施例のボルト１
は、図５に示すように、ボルト本体部１１と、ボルト頭
部１２とからなり、ボルト本体部１１は、周囲にネジが
切られており、ボルト頭部１２は、中心部を削って凹部
１３を形成し、凹部１３底面に歪みゲージ２を接着す
る。歪みゲージ２の下部は空洞１４となっている。歪み
ゲージ２から配線２５が出されており、そして、凹部１
３は樹脂又はパテ等の封止材料３で封止されている。歪
みゲージ２は、図６に示すように、Ｓｉウエハ２２と、
Ｓｉウエハ２２に形成されたゲージ抵抗部２１と、酸化
膜２３と、アルミパッド２４と、配線２５と、からな
る。歪みゲージ２は、ボルト頭部１２に形成した凹部１
３に装着しているため、軸方向の応力集中点からの距離
を短くすることができ、感度良くとらえることが可能で
あり、また、ボルト切削加工次第で任意の深さに埋め込
むことができ、また、歪みゲージ２は、空洞１４の上に
形成されているため、軸方向応力を受けると感度良く変
形することができる。An embodiment will be described. Bolt 1 of this embodiment
As shown in FIG. 5, the bolt body 11 includes a bolt head 11 and a bolt head 12. The bolt body 11 is threaded around the bolt head 12. 13 is formed, and the strain gauge 2 is bonded to the bottom of the recess 13. The lower part of the strain gauge 2 is a cavity 14. The wiring 25 is extended from the strain gauge 2 and the recess 1
Numeral 3 is sealed with a sealing material 3 such as resin or putty. As shown in FIG. 6, the strain gauge 2
It comprises a gauge resistor portion 21 formed on a Si wafer 22, an oxide film 23, an aluminum pad 24, and a wiring 25. The strain gauge 2 has a concave portion 1 formed in a bolt head 12.
3, the distance from the stress concentration point in the axial direction can be shortened, it is possible to capture with high sensitivity, and it can be embedded at any depth depending on the bolt cutting process. Further, since the strain gauge 2 is formed on the cavity 14, it can be deformed with high sensitivity when subjected to an axial stress.
【００１４】実施例の歪みセンサ付きボルトにおけるボ
ルト締付けの緩みの掲出について、説明する。配線２５
間に所定の入力電圧を印加して出力電圧ｅを測定する。
適正ボルト締付け時における出力電圧ｅ０を事前に測定
しているため、判断対象のボルトにおける出力電圧ｅを
測定して得られて出力電圧ｅについて、出力電圧ｅ０と
の差が所定の割合（又は量）以上であるときに、ボルト
締付けが緩んでいると判断することができる。A description will be given of the notification of loosening of the bolt tightening in the bolt with a strain sensor according to the embodiment. Wiring 25
During this period, a predetermined input voltage is applied and the output voltage e is measured.
Since the measured output voltage e 0 at proper bolt tightening in advance, the output voltage e is obtained by measuring the output voltage e in volts determination target, the percentage difference is given between the output voltage e 0 ( Or the amount) or more, it can be determined that the bolt tightening is loose.
【００１５】本実施例における歪みゲージの製造プロセ
スについて、図７を用いて説明する。まず、Ｓｉウエハ
２２を用意する（図７ａ）。そして、半導体技術によ
り、Ｓｉウエハ２２に酸化膜２３を積層する（図７
ｂ）。次に、フォトリソグラフィ技術により、不要な部
分の酸化膜を除去する（図７ｃ）。そして、不純物（ゲ
ージ抵抗）２１をドープする（図７ｄ）。再び酸化膜２
３を積層し、フォトリソグラフィをする（図７ｅ）。ア
ルミパッド２４をスパッタリングして配線２５を取り付
ける（図７ｆ）。このように、フォトファブリケーショ
ンにより製造が容易で、低コスト、高精度とすることが
可能な歪みゲージ２を製造することができる。The manufacturing process of the strain gauge in this embodiment will be described with reference to FIG. First, a Si wafer 22 is prepared (FIG. 7A). Then, an oxide film 23 is laminated on the Si wafer 22 by a semiconductor technology (FIG. 7).
b). Next, an unnecessary portion of the oxide film is removed by a photolithography technique (FIG. 7C). Then, an impurity (gauge resistance) 21 is doped (FIG. 7D). Oxide film 2 again
3 and photolithography (FIG. 7e). The wiring 25 is attached by sputtering the aluminum pad 24 (FIG. 7F). Thus, the strain gauge 2 that can be easily manufactured by photofabrication, can be manufactured at low cost, and has high accuracy can be manufactured.
【００１６】[0016]
【発明の効果】本発明によれば、応力集中点からの距離
を短くして応力変化を感度良くとらえることができ、ま
た、ボルト切削加工次第で任意の深さに歪みゲージを埋
め込むことができ、そして、歪みゲージ封止材料を任意
に選択でき、更に、フォトファブリケーションにより製
造が容易で、低コスト、高精度とすることが可能な歪み
センサ付きボルト及び歪みセンサを得ることができる。According to the present invention, the distance from the stress concentration point can be shortened so that the change in stress can be detected with high sensitivity, and the strain gauge can be embedded at an arbitrary depth depending on the bolt cutting process. Further, a strain gauge sealing material can be arbitrarily selected, and a bolt with a strain sensor and a strain sensor which can be easily manufactured by photofabrication, can be manufactured at low cost, and have high accuracy can be obtained.
【図１】本発明の歪みセンサ付きボルト（適正締付け状
態）の概要説明図。FIG. 1 is a schematic explanatory view of a bolt with a strain sensor (properly tightened state) of the present invention.
【図２】本発明の歪みセンサ付きボルト（締付けの緩ん
だ状態）の概要説明図。FIG. 2 is a schematic explanatory view of a bolt with a strain sensor of the present invention (in a state where tightening is loosened).
【図３】本発明の歪みセンサ付きボルトにおける応力検
出原理の説明図。FIG. 3 is an explanatory view of a stress detection principle in the bolt with a strain sensor of the present invention.
【図４】本発明の歪みセンサ付きボルトの応力検出に使
用するブリッジ回路の説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram of a bridge circuit used for detecting stress of a bolt with a strain sensor according to the present invention.
【図５】実施例の歪みセンサ付きボルトの説明図。FIG. 5 is an explanatory view of a bolt with a strain sensor according to the embodiment.
【図６】実施例の歪みセンサ付きボルトの構造の説明
図。FIG. 6 is an explanatory diagram of a structure of a bolt with a strain sensor according to the embodiment.
【図７】実施例の歪みセンサ付きボルトの歪みゲージの
製造工程の説明図。FIG. 7 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the strain gauge of the bolt with the strain sensor according to the embodiment.
１ ボルト １１ ボルト本体部 １２ ボルト頭部 １３ 凹部 １４ 空隙 ２ 歪みセンサ ２１ ゲージ抵抗 ２２ Ｓｉウエハ ２３ 酸化膜 ２４ アルミパッド ２５ 配線 ３ 樹脂 ４ 取付部材 REFERENCE SIGNS LIST 1 bolt 11 bolt main body part 12 bolt head part 13 concave part 14 air gap 2 strain sensor 21 gauge resistance 22 Si wafer 23 oxide film 24 aluminum pad 25 wiring 3 resin 4 mounting member
Claims (4)
を検出することができるボルトであって、 ボルト頭部に形成した凹部にボルト軸方向の応力を受け
て延び又は縮むゲージ抵抗部を有する歪みゲージを設け
ることを特徴とする歪みセンサ付きボルト。1. A bolt capable of detecting loosening of a bolt by mounting a strain sensor, the strain having a gauge resistance portion which expands or contracts by receiving a stress in a bolt axial direction in a concave portion formed in the bolt head. A bolt with a strain sensor, which is provided with a gauge.
おいて、 上記歪みゲージは、凹部に形成した空隙の上に設けるこ
とを特徴とする歪みセンサ付きボルト。2. The bolt with a strain sensor according to claim 1, wherein the strain gauge is provided on a gap formed in a concave portion.
ボルトにおいて、 上記凹部は、封止材料によって封止されていることを特
徴とする歪みセンサ付きボルト。3. The bolt with a strain sensor according to claim 1, wherein the concave portion is sealed with a sealing material.
出する歪みセンサであって、 ボルト軸方向の応力を受けて延び又は縮むゲージ抵抗部
を有し、かつ、ボルト頭部に形成した凹部に取付ける歪
みゲージを備えることを特徴とする歪みセンサ。4. A strain sensor which is attached to a bolt to detect loosening of a bolt tightening, the gauge sensor having a gauge resistance portion which expands or contracts by receiving a stress in a bolt axial direction, and which has a recess formed in a bolt head. A strain sensor comprising a strain gauge to be attached.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001030474A JP2002236064A (en) | 2001-02-07 | 2001-02-07 | Bolt with strain sensor, and strain sensor |
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