JP2010053927A - 締め付け装置およびその軸力検出システム - Google Patents

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Abstract

【課題】締結部の緩み等に起因するトラブルを解決することを主な目的とし、施工時に正確な軸力を直接測定して検出し、パソコン等への発信機能をもつ読み取り装置を用いて任意の時期に簡単に締結部の軸力の点検や管理をし、比較的低価格にて軸力検出形のボルトおよびナットを提供することを課題とする。
【解決手段】ボルトまたはナットを含む締め付け装置の軸力を検出する手段を有する、締め付け装置の検出システムであって、締め付け装置の軸力値を検出するために所定個所に配設される歪みゲージと、歪みゲージに接続されて検出された軸力値と固有の識別情報とを無線により発信するためのＩＣタグと、を含む軸力検出器と、軸力検出器に電力を供給する手段と、軸力検出器から発信されたデータの読み取り装置と、を備えて構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ボルトやナットなどの締結用部材を用いて部材を締め付けるための締め付け装置、および、締め付け時の軸力を検出したり管理したりする締め付け装置の検出システムに関するものである。
ボルトやナットなどの締結用部材を締め付けてその締結部の信頼性を上げるために、軸力を一定にしようとする締め付け手段は数々ある。
例えば、1)トルクレンチにて締め付ける、2)ブレークアウエイ機構を取り入れる、3)ＳＰロックナット(定軸力締め込みナット)を用いるなどがある。
しかしながら、これらの締め付け手段には、種々の欠点がある。
トルクレンチを用いた締め付けでは、ボルトやナットは相手との摩擦係数の違いに影響されるので、トルクレンチを同じトルクの値にして締め付けても、得られる軸力はそれぞれ変化してしまう。
また、ブレークアウエイ機構を備えた締め付け装置や、定軸力式の締め込みナットである「ＳＰロックナット」は、トルクレンチによらずに一定トルクを得ようとするものであるが、前述のように、締め付け部材間の摩擦によって軸力が変化するという宿命的な欠点をもっている。
そして、施工管理上、ブレークアウエイ方式の締め付け装置では、規定トルクで締めたかどうかの確認は、再度トルクレンチで確認しなければならないが、送配電用鉄塔や電線上などにその締め付け個所がある場合には、その点検や確認は容易なことではない。
ブレークアウエイ機構を有する締め付け部材にしても、トラブルによってブレークアウエイ部をブレークした後の六角部を直接締め付けてしまうということがあり、これでは規定とは全く違ったトルクによって締付けられるので、施工不良となる。
ＳＰロックナットでは、締め付けを完了したかどうかは外見上分からないので、施工後の管理や点検が行えない。
上述のように、従来の締め付け手段では、締付けの適正化のため、ミスの起こる確立を小さくする点では評価できるが、締付け後の点検を行わない限り、適正な締付けが行われているかどうかは確認できない。
さらに、適正な締付けが行われていたとしても、締付けトルクで間接的に軸力を管理しているため、前述の理由で、得られる軸力はどうしても比較的大きなバラツキを避けることが出来ない。
本出願人が本発明の技術分野に関連して出願した特許文献としては、例えば次のようなものがある。
特開２００６−１４４８３８号公報 特開２００１−１７３６２６号公報 特公平６−７２６０６号公報
このように、従来の締め付けに関連する技術では、締結部の緩み等に起因するトラブルが後を絶たないといえる。加えて、ボルト等の締めすぎによる機器の破壊を防ぐため、必要以上に安全率を取ることが設計上強いられ、結果的に機器の重量増、コストアップを招いている。
本発明では、従来の上述した問題点を解決することを目的とし、施工時に正確な軸力を直接測定して検出できること、パソコン等への発信機能をもつ読み取り装置を用いて、任意の時期に簡単に締結部の軸力の点検や管理ができること、比較的低価格にて軸力検出形のボルトおよびナットが提供できること、などをその課題としている。
（１）締め付けの軸力値を検出する手段を有する締め付け装置であって、
前記軸力値を検出するために所定個所に配設される歪みゲージと、前記歪みゲージに接続されて前記歪みゲージで検出された軸力値と固有の識別情報とを無線により発信するためのＩＣタグと、を含む軸力検出器と、
前記軸力検出器に電力を供給する手段と、を備えて構成される。
（２）(１)の締め付け装置において、
前記締め付け装置はボルトまたはナットを含み、
前記歪みゲージとＩＣタグとは、前記締め付け装置を締め付け工具で締め付けたときに、前記締め付け工具が当たらない位置に配設される。
（３）ボルトまたはナットを含む締め付け装置の軸力を検出する手段を有する、締め付け装置の検出システムであって、
前記締め付け装置の軸力値を検出するために所定個所に配設される歪みゲージと、前記歪みゲージに接続されて前記検出された軸力値と固有の識別情報とを無線により発信するためのＩＣタグと、を含む軸力検出器と、
前記軸力検出器に電力を供給する手段と、
前記軸力検出器から発信されるデータの読み取り装置と、を備えて構成される。
締結装置のトラブルは締付け時の軸力が適性でないことに起因することが多いと考えられることから、本発明を適用すれば、施工時に軸力を直接測定して検出でき、目的の軸力であることを確認できれば、緩み等トラブルを未然に防ぐことができる。
本発明において、パソコン等への発信機能をもつ読み取り装置を用いるなら、読み取り装置を近づけさえすれば、任意の時期に簡単に締結部の軸力点検ができる。
また、読み取り装置を締結部の近くにおいておけば、常時、締結部の軸力監視が可能である。
さらに、本発明によるシステムや方法を適用すれば、締結部への予想外の力(大きな軸力変化)など、事故の監視なども可能になる。例えば、原子力設備・車・航空機・鉄道などの重要保安部においてこのような手法を取ることにより、事故の予防や事故原因の解明にも役立てることができる。
また、鉄道のレールの枕木への固定に、本技術を用いたボルトを使用した場合には、高速試験車に適当な読み取り機を設置することにより、定期的に高速に、ボルトの緩み点検が実施でき、省力化、安全性向上につなげることができる。
次に、添付の図面を参照して、本発明による締め付け装置およびその軸力検出システムの実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、締め付け装置の軸力検出システム(Ｓ１,Ｓ２)の構成図である。
図１(１)に示す軸力検出システムＳ１は、ボルトまたはナットを含む締め付け装置の締め付けの軸力を検出する手段を有し、「軸力検出器１０−読み取り装置１６−パソコン１８」が一体的に接続された構成からなる。「軸力検出器１０−読み取り装置１６」は無線にて、「読み取り装置１６−パソコン１８」は無線または有線にて接続される。
軸力検出器１０は、締め付け装置の軸力値を検出するために所定個所に取り付けられる歪みゲージ１１と、この歪みゲージ１１に接続されて検出された軸力値を無線により発信するためのＩＣタグ１２と、を備えている。
ＩＣタグ１２は、ＩＣチップ(マイクロチップ)とアンテナとが内蔵された、固有の識別情報を持った一般的なものであるが、ＩＣタグのマイクロチップには、歪みゲージによる歪み検出に必要な一切の機能をもたせて、その電源はＩＣタグ１２を構成するアンテナへの読み取り装置１６からの電波による誘導電流を利用している。
こうして、ＩＣタグ１１と歪みゲージ１２とを一体化して製作された軸力検出器１０は市販のボルトやナットに組み込めるように、できるだけコンパクトなものとして構成され、この軸力検出器１０をボルトやナットなどの締め付け部材の軸力測定する部位に貼り付ける。このとき、貼り付けられる軸力検出器１０が、締め付け部材を締め込むときの締め付け工具の施工に邪魔にならないような位置に取り付けるものとする。そして、このＩＣタグ１１と歪みゲージ１２とが内蔵された軸力検出器１０は、市販のボルトやナットに組み込めるほどの大きさとする。
図１(１)の軸力検出システムＳ１においては、軸力検出装置１０は、ボルトやナットの軸力変化に対応した歪み変化を、無線接続される読み取り装置１６の電波を受けて、これをアンテナに生じる電流を駆動源として、歪みゲージ１１によって検出したのち、読み取り装置１６に発信できるように構成されている。
また、この読み取り装置１６の周辺にはパソコン１８を配置しておき、その検出結果を、無線または有線で発信できるようにする。
また、軸力検出装置１０内のＩＣタグａ１は、歪みゲージで検出された締め付け装置の軸力値のみならず、締め付け箇所(測定部位)に関する固有の識別情報をも同時に発信することができる。
ところで、本発明で採用するＩＣタグ１２は、メモリ機能のあるＩＣチップとアンテナとを搭載した非接触式の「ＲＦＩＤ」と呼ばれるものであり、プラスチック等の基材上のコイルパターンと容量素子とにより共振回路を形成して一定周波数の電波を受信して交信することができる。一般的には１２５ｋＨｚ未満、１３．５６ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ(マイクロ波)、ＵＨＦ帯の周波数帯が使用され、マイクロ波の場合の通信距離は数ｍと云われていたが、近年は通信距離のさらに長いものが開発されてきている。
また、周波数帯域によっては、電気的ノイズ、水分、金属などの影響を受けやすくなるので、軸力を測定する締め付け部材の材質や取り付け環境などに合わせて、適切な周波数体のＩＣタグを選択する必要がある。とりわけ、締め付け部材は鉄・アルミ・銅などの金属から成る場合が多いので、ＩＣタグの適切な選択は不可欠である。
図２に示すのは、本発明の軸力検出システムにおいて軸力検出に用いられる歪みゲージ１１の具体的な回路図の例である。この歪みゲージ１１は、４枚の歪みゲージｇ１〜ｇ４で形成されたホイートストンブリッジ回路からなり、歪みの計測では、これらの４枚の歪みゲージを、その抵抗が２枚ずつ交互に入る様に４ゲージ方式でブリッジ回路を組み、歪み出力が得られるもので、Ｅにブリッジ電圧を印加すると、被検出物の対象物理量に対応したひずみ電圧が得られるよう構成されている。
さて、図１(２)に示す軸力検出システムＳ２は、ボルトまたはナット等の締結部材を備える締め付け装置についての締め付けの軸力を検出する手段を有し、「軸力検出器２０−読み取り装置２６−パソコン２０」が一体的に接続された構成からなるのは、軸力検出システムＳ１と同じであるが、図１(２)の軸力検出器２０は、歪みの測定や受信／発信の駆動源となる電池２４を内蔵し、また、歪みゲージによる測定に必要な機能を別のＩＣチップ２３(マイクロチップ)に持たせた構成としているところが、軸力検出システムＳ１とは異なる。
図３は、締結部材のボルトまたはナットに、軸力検出器を配設する状況を示す外観斜視図である。
図３(１)は、締め付け用の六角形頭部を有するボルトＢ１において、歪みゲージとＩＣタグを内蔵した軸力検出器３０を六角形頭部の六角表面に配設した図であり、ここでは、六角形頭部の表面に凹溝３１が加工されており、この凹溝３１に軸力検出器３０を配設している。そのため、この図３(１)の軸力検出器３０は、施工の際に締め付け工具が当たることがなく、施工を邪魔しない位置に取り付けられている。
図３(１)のような、六角形頭部を有するボルトＢ１の頭部に歪みゲージを配設する方式では、ボルトの胴部の軸力を検出しないで、ボルトの頭部で軸力による引張応力を曲げ応力に返還して、これを一体化した軸力検出器３０にて検出するものであり、比較的低精度で安価にしてボルトに適用することができる。
つぎの図３(２)は、断面六角形の締め付け用のナットＮ１において、歪みゲージとＩＣタグを内蔵した軸力検出器４０を配設した図であるが、ナットＮ１では六角形の上下表面は他の部材と当接するし、また側面は締め付け工具が当たる個所であるので、側面から窪ませて凹溝４１を設けておき、そこに軸力検出器４０を配設している。
そのつぎの図３(３)は、図３(１)と同様の締め付け用の六角形頭部を有するボルトＢ２において、それぞれに歪みゲージとＩＣタグを内蔵した２つの軸力検出器(５０ａ,５０ｂ)を、２体六角形頭部の六角面上の凹溝(５１ａ,５１ｂ)にその中心から対称的に配設した図であり、２つの軸力検出器(５０ａ,５０ｂ)の位置は、施工の際に締め付け工具が当たらず、また施工を邪魔しないものである。
図３(１)のように、比較的低精度で安いコストが要求されるものは、ボルトの胴部で軸力を検出しないで、頭部に溝を加工し、軸力による引張応力を曲げ応力に返還して、これを一体化した軸力検出器にて検出する方式とするのがよい。この場合、１ヶ所(図３(１))では偏荷重への対応が難しいが、コストや検出精度の要求に応じて、軸力検出器を２ヶ所(図３(３))さらには３ヶ所とすることができ、複数個所への軸力検出器の配置によりパソコン等により受信した検出値を平均化して用いることとなる。
図３(４)は、図３(１)と同様の締め付け用の六角形頭部を有するボルトＢ３において、軸力検出器６０を配設する他の状況を示すものであるが、この図３(４)での歪みゲージ６１とＩＣタグ６２とは軸力検出器６０に共に内蔵されているのではなく、相互に接続されてはいるものの別々の位置に配設されたものとなっている。
すなわち、このボルトＢ３では、六角形頭部６３の六角表面から軸部６４の側面に貫ける通し溝６５が形成されており、歪みゲージ６１は胴部(軸部)６４の側面の通し溝６５に配設され、ＩＣタグ６２は六角形頭部６３の六角表面上に配設され、両者はリード線で相互に接続されている。
ここでは、歪みゲージ６１の位置が胴部６４の側面の位置にあるため、ボルトＢ３の胴部６４にかかる軸力を正確に測定することができる。
本発明の技術では、目的や要求レベルに応じて、その精度やコストを自在に適用することができる。例えば、原子力機器等重要保安部には比較的コストをかけることができるから、この図３(４)のように、ボルトの施工にじゃまにならないように、かつ軸力検出器を壊さないように、ボルトの胴部表面に溝を加工して、ここに軸力検出器を収納することができる。
この図３(４)の場合では、歪みゲージ６１を高精度に軸力を直接検出できるようにボルトの６４胴部に配置して、ＩＣタグ６２を電波の授受が可能なようにボルトの頭部に配置したものであり、歪みゲージ６１ＩＣタグ６２とはリード線にて接続しておき、これらの部材は耐候性の良い接着剤にてボルトに貼り付ければよい。
図３(４)のように、歪みゲージ部とＩＣタグ部を分離して、その間をリード線で電気的に接続しているタイプのものは、図３(１)よりは高めのコストがかかることになるから、軸力検出の用途等によって、それらを使い分けるとよい。
本発明による締め付け装置およびその軸力検出システムの技術を、ボルトやナット等の締結部材に適用したときには、施工後に、その場ですぐに、非接触で軸力を測定することができる。
そして、その結果を管理者のパソコン等に読み取り装置などで送ることにより、管理者は適正な軸力か否かを瞬時に判別でき、適正でなければ作業者に修正を指示することにより、確実に目的の軸力を得ることができる。
また、測定した軸力とともに締結装置の個々の識別情報をパソコン等に記録でき、その後の点検のための管理データとすることができる。
軸力検出器は、歪みゲージとＩＣタグを一体化したものからなり、ＩＣタグのマイクロチップには、軸力の歪みゲージによる測定ができる機能をもたせるとともに、その電源はＩＣタグを構成するアンテナへの読み取り装置からの電波による誘導電流を利用することができる。また、歪みゲージによる測定に必要な機能は、図１(２)のシステムのように、別のＩＣタグ(マイクロチップ)に持たせるよう構成してもいいし、電源としての電池を内蔵して、これらを一体化してもよい。
こうして歪みゲージとＩＣタグとが一体化された軸力検出器は、市販のボルトやナットに組み込めるようなコンパクトなものとして製造することは容易である。また、用途によっては、歪みゲージ部とＩＣタグ部を分離して、その間をリード線で電気的に接続しても良い。
本発明による締め付け装置の検出システムの例を示す構成図である。 本発明に適用される歪みゲージの回路構成の例を示す図である。 本発明による締め付け装置のボルトおよびナットに、歪みゲージ部とＩＣタグ部とを配設した例を示す外観斜視図である。
符号の説明
Ｓ１，Ｓ２ 締め付け装置の検出システム
１０，２０，３０，４０，５０ａ，５０ｂ 検出装置
１１，２１，６１ 歪みゲージ
１２，２２，６２ ＩＣタグ
２３ ＩＣチップ
２４ 電池
１６，２６ 読み取り装置
１８，２８ パソコン
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ ボルト
Ｎ１ ナット
３１，４１，５１ａ，５１ｂ 凹溝
６５ 通し溝

Claims (3)

  1. 締め付けの軸力値を検出する手段を有する締め付け装置であって、
    前記軸力値を検出するために所定個所に配設される歪みゲージと、前記歪みゲージに接続されて前記歪みゲージで検出された軸力値と固有の識別情報とを無線により発信するためのＩＣタグと、を含む軸力検出器と、
    前記軸力検出器に電力を供給する手段と、を備えて構成されることを特徴とする締め付け装置。
  2. 請求項１に記載の締め付け装置において、
    前記締め付け装置はボルトまたはナットを含み、
    前記歪みゲージとＩＣタグとは、前記締め付け装置を締め付け工具で締め付けたときに、前記締め付け工具が当たらない位置に配設される、ことを特徴とする締め付け装置。
  3. ボルトまたはナットを含む締め付け装置の軸力を検出する手段を有する、締め付け装置の検出システムであって、
    前記締め付け装置の軸力値を検出するために所定個所に配設される歪みゲージと、前記歪みゲージに接続されて前記検出された軸力値と固有の識別情報とを無線により発信するためのＩＣタグと、を含む軸力検出器と、
    前記軸力検出器に電力を供給する手段と、
    前記軸力検出器から発信されるデータの読み取り装置と、を備えて構成されることを特徴とする締め付け装置の軸力検出システム。
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