JP2010216804A - Fastening body for detecting axial force, fastening body unit, and system for monitoring axial force - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ボルトをはじめとする締結体の軸力を検出したり管理する軸力検出用締結体、締結体ユニット、軸力監視システムに関する。 The present invention relates to an axial force detection fastening body, a fastening body unit, and an axial force monitoring system that detect and manage an axial force of a fastening body including a bolt.
各種車両、航空機、産業・工作機器などにおいて、ボルト、リベットをはじめとする締結体が広く使用されている。
この締結体を用いれば、対象物を締め付けした状態で保持することができる。例えばボルトとナットで部品をネジ締めすると、被締結体はボルトとナットで締め付け圧縮力を受けると共に、ボルトには引張り方向に軸力が生じた状態で保持される。
Fastening bodies such as bolts and rivets are widely used in various vehicles, aircraft, industrial and machine tools.
If this fastening body is used, the object can be held in a tightened state. For example, when components are tightened with bolts and nuts, the fastened body is tightened with the bolts and nuts and receives a compressive force, and the bolt is held in a state where an axial force is generated in the pulling direction.
ところが、締結体で被締結体をしっかりと締結しても、例えば締結体を取り付けた機械が稼動するといった日常的な稼動によって、経時的に締結体が弛んでその軸力が低下する。
締結体の弛みは、締結機能の低下につながり、疲れ破壊や部品脱落などの原因にもなる。
However, even if the fastened body is firmly fastened with the fastening body, the fastening body loosens over time due to, for example, a daily operation in which a machine to which the fastening body is attached is operated, and the axial force is reduced.
The looseness of the fastening body leads to a lowering of the fastening function, and also causes fatigue breakage and part dropout.
そこで、締結体の経時的な弛みを監視して、必要に応じてトルクレンチやスパナで増し締めするといった管理が行われている。
締結体の弛みを監視する方法として、従来から、ボルトにマークをつけておいて目視でマークの位置を検査目視でトルクチェックする方法や、ハンマでボルトあるいはボルトの付近を叩き、その打音を耳で聞いて、経験と勘で弛みをチェックする方法が一般的である。
Therefore, the management of monitoring the looseness of the fastening body over time and retightening with a torque wrench or spanner as necessary is performed.
As a method of monitoring looseness of a fastening body, conventionally, a mark is attached to a bolt and the position of the mark is visually inspected. A torque check is visually performed by using a hammer. A common method is to check for slack by listening and listening to the ear and experience and intuition.
一方、機械的方法、電気的方法または光学的方法を用いて、軸力を機器計測する技術も知られている。
電気的方法としては、(1)特許文献1に示されるように、電気抵抗線歪(ひずみ)ゲージを用いる方法があり、現場で手軽に計測できるといった理由で発展している。また(2)特許文献2に開示されているように超音波で測定する方法もある。
On the other hand, a technique for measuring an axial force by an instrument using a mechanical method, an electrical method, or an optical method is also known.
As an electrical method, (1) as shown in
(1)歪ゲージを用いる方法では、まず、ボルトの胴部分に歪ゲージを直接接着剤で貼るか、もしくはボルトの中心部に開けた細い穴に歪ゲージを挿入して接着剤で固め、その歪ゲージで計測用ブリッジを形成する。そして、このボルトを引張試験機にかけて引張荷重を与え、このときの歪出力を静歪計又は動歪計を使って読み取り、引張荷重(軸力)−歪出力の校正を行なう。 (1) In the method using a strain gauge, first, the strain gauge is directly attached to the bolt body with an adhesive, or the strain gauge is inserted into a narrow hole formed in the center of the bolt and hardened with an adhesive. A measuring bridge is formed with a strain gauge. Then, this bolt is applied to a tensile testing machine to give a tensile load, and the strain output at this time is read using a static strain meter or a dynamic strain meter to calibrate the tensile load (axial force) -strain output.
そして、校正済みのボルトを使って実際に締付けした後、その歪出力を動歪計で測定することで、校正時に得た引張荷重(軸力)歪出力との対応データに基づいて軸力を算出する。
(2)超音波で軸力を機器計測する方法では、ボルトの一端に超音波発射端子を当てて、その端子からボルトの長さ方向へ超音波ビームを発射する。発射された超音波ビームはボルトの他端で反射されて、元の発射端子に戻ってくるので、この所要時間を、締め付け前(t1)と締め付け後(t2)に測定し、その差異(△t)の半分(往復があるので)に音速を乗ずることにより、ボルトの伸びが正確に測定される。そして、測定したボルトの伸び量を軸力に換算する。
(2) In the method of measuring an axial force with ultrasonic waves, an ultrasonic wave emission terminal is applied to one end of the bolt, and an ultrasonic beam is emitted from the terminal in the length direction of the bolt. The emitted ultrasonic beam is reflected at the other end of the bolt and returns to the original launch terminal. Therefore, this required time is measured before (t1) and after (t2) the tightening, and the difference (Δ By multiplying the speed of sound by half of t) (since there is a round trip), the bolt elongation is accurately measured. Then, the measured amount of elongation of the bolt is converted into an axial force.
このように機器を用いて締結体のひずみを計測することによって、締結体が日常の稼動で経時的に弛むのを、経験や勘に頼ることなく監視することができる。そして、締結体の弛みを日常的に監視することによって、締結体の緩みに起因する事故を予防することができる。
しかしながら、(1)の歪ゲージを用いる測定方法の場合、各締結体に歪ゲージを貼り付けた後に校正を行うことが必要となるので、そのための手間がかかる。
By measuring the strain of the fastening body using the device as described above, it is possible to monitor the loosening of the fastening body over time during daily operation without depending on experience or intuition. And the accident resulting from loosening of a fastening body can be prevented by monitoring loosening of a fastening body on a daily basis.
However, in the case of the measurement method using the strain gauge of (1), it is necessary to perform calibration after attaching the strain gauge to each fastening body, which takes time.
(2)の超音波で測定する場合は、超音波探触子を測定しようとする締結体ごとに接触させる必要があり、装置コストもかかる。
本発明は、このような背景のもとに、比較的安価な装置で、ボルト等の締結体の締付け軸力の弛みを簡単に監視することができ、校正の手間も簡単な軸力検出用締結体並びに軸力監視システムを提供することを目的とする。
When measuring with the ultrasonic wave of (2), it is necessary to bring the ultrasonic probe into contact with each fastening body to be measured, and the apparatus cost also increases.
With this background, the present invention is a relatively inexpensive device that can easily monitor the loosening of the tightening axial force of a fastening body such as a bolt and can easily detect the axial force. An object is to provide a fastening body and an axial force monitoring system.
上記目的を達成するため、本発明では、ボルトなど長尺状の締結体に、当該締結体の軸力を検出するピン型のロードセルを埋め込んで軸力検出用締結体を構成した。ロードセルを埋め込む時の方向は締結体の軸方向と一致させることが好ましい。
上記ピン型のロードセルは、起歪体に歪ゲージを固着させることによって構成することができ、これを締結体に開設した孔の中に接合することが好ましい。
In order to achieve the above object, in the present invention, a pin-type load cell for detecting the axial force of the fastening body is embedded in a long fastening body such as a bolt to constitute an axial force detection fastening body. The direction in which the load cell is embedded is preferably matched with the axial direction of the fastening body.
The pin type load cell can be configured by fixing a strain gauge to a strain generating body, and it is preferable to join this in a hole opened in a fastening body.
歪ゲージの抵抗体としては、シリコン半導体あるいは金属薄膜を用いることが好ましい。
上記の軸力検出用締結体において、歪ゲージを組み込んだブリッジ回路、当該ブリッジ回路からのアナログ出力をディジタル変換するA/D変換器、及びデジタル変換した歪信号を無線で送信する歪信号送信部を設けることが好ましい。
A silicon semiconductor or a metal thin film is preferably used as the strain gauge resistor.
In the above-mentioned axial force detection fastening body, a bridge circuit incorporating a strain gauge, an A / D converter for digitally converting an analog output from the bridge circuit, and a strain signal transmitting unit for wirelessly transmitting the digitally converted strain signal Is preferably provided.
軸力検出用締結体には、電磁波を介して無線で供給される電力を受信する電力受信部を設け、当該電力受信部で受け取った電力で、ブリッジ回路、A/D変換器、歪信号送信部を駆動させることが好ましい。
上記の軸力検出用締結体と、当該軸力検出用締結体から離れた位置で、歪信号送信部から送信される歪信号を受信する歪信号受信器とで、軸力監視システムを構成することができる。
The axial force detection fastening body is provided with a power receiving unit that receives power supplied wirelessly via electromagnetic waves, and with the power received by the power receiving unit, a bridge circuit, an A / D converter, and a distortion signal transmission It is preferable to drive the part.
An axial force monitoring system is configured by the above-described axial force detection fastening body and a strain signal receiver that receives a strain signal transmitted from the strain signal transmission unit at a position away from the axial force detection fastening body. be able to.
このとき、歪信号受信部に、電力受信部に供給する電磁波を発信する発信部を設置することが好ましい。
上記軸力監視システムにおいて、歪信号送信部では、電力受信部に供給される電磁波を負荷変調することによって歪信号を送信し、信号受信部では、変調された電磁波から歪信号を復調することが好ましい。
At this time, it is preferable to install a transmitting unit that transmits the electromagnetic wave supplied to the power receiving unit in the distortion signal receiving unit.
In the axial force monitoring system, the distortion signal transmission unit transmits a distortion signal by load-modulating the electromagnetic wave supplied to the power reception unit, and the signal reception unit demodulates the distortion signal from the modulated electromagnetic wave. preferable.
上記の軸力検出用締結体と、当該軸力検出用締結体に関する管理情報を記録するICタグとで、締結体ユニットを構成してもよい。この管理情報は、個体識別コード,締付け日時,締付け軸力などである。
このとき、ICタグは軸力検出用締結体に固着することが好ましい。
上記締結体ユニットと、歪信号送信部から送信される歪信号を受信する歪信号受信器、及び、ICタグに対して管理情報を送受信するICタグリーダ/ライタを有する受信ユニットとで、軸力監視システムを構成することもできる。
A fastening body unit may be configured by the above-described axial force detection fastening body and an IC tag that records management information related to the axial force detection fastening body. This management information includes an individual identification code, a tightening date and time, a tightening axial force, and the like.
At this time, the IC tag is preferably fixed to the axial force detection fastening body.
Axial force monitoring between the fastening unit, a distortion signal receiver that receives a distortion signal transmitted from a distortion signal transmission unit, and a reception unit that has an IC tag reader / writer that transmits and receives management information to and from an IC tag A system can also be configured.
本発明の軸力検出用締結体によれば、締結体に埋め込まれているピン型のロードセルが締結体の軸力を電圧などに変換し出力することができるので、そのロードセルからの出力にもとづいて締結体の軸力を測定することができる。特に、ロードセルを埋め込む方向を締結体の軸方向と一致させれば、ロードセルで正確に軸力を検出できる。
従って、締結体の軸力を経時的に測定することによって、締結体の弛みを監視することができる。また、ハンマリング方法と比べると、経験と勘に頼ることがなく、簡単に短時間で測定が行なえ、また、信頼性も格段に向上する。
According to the fastening body for detecting an axial force of the present invention, the pin type load cell embedded in the fastening body can convert the axial force of the fastening body into a voltage or the like and output the voltage. Therefore, based on the output from the load cell. Thus, the axial force of the fastening body can be measured. In particular, if the direction in which the load cell is embedded matches the axial direction of the fastening body, the axial force can be accurately detected by the load cell.
Therefore, the looseness of the fastening body can be monitored by measuring the axial force of the fastening body over time. Compared with the hammering method, the measurement can be easily performed in a short time without relying on experience and intuition, and the reliability is remarkably improved.
また、従来技術(1)のように軸力検出用締結体に歪ゲージを直接貼り付けるのではなく、ピン型のロードセルを締結体に埋め込んだ構成としているので、ロードセル単体でロードセルの校正を行って、歪出力−伸びの関係を求めておけば、変換倍率を乗ずることによって締結体の軸力−歪出力との関係を算出することができる。すなわち、ロードセルを締結体に埋め込んだ後に校正を行わなくても、締結体の軸力−歪出力を算出することができる。 In addition, the strain gauge is not directly attached to the fastening member for detecting the axial force as in the prior art (1), but a pin-type load cell is embedded in the fastening member, so that the load cell is calibrated alone. If the strain output-elongation relationship is obtained, the relationship between the axial force of the fastening body and the strain output can be calculated by multiplying the conversion magnification. That is, the axial force-strain output of the fastening body can be calculated without performing calibration after the load cell is embedded in the fastening body.
ロードセルの断面積は締結体の断面積と比べて格段に小さいため、校正時の引張力は小さくて済む。従ってロードセルで校正すると、用いる引張試験機も比較的小型のもので清む。
また、1種類のロードセルを、さまざまな種類、サイズの締結体に用いることができるので、この点でも、校正作業に要する手間を簡略化でき、校正に要するコストも軽減できる。
Since the cross-sectional area of the load cell is much smaller than the cross-sectional area of the fastening body, the tensile force at the time of calibration can be small. Therefore, when calibrated with a load cell, the tensile tester used is also relatively small and clean.
Further, since one type of load cell can be used for various types and sizes of fastening bodies, the labor required for the calibration work can be simplified and the cost required for calibration can be reduced.
さらに、締結体の孔の中にロードセルを埋め込む工程は、締結体の孔の中に歪ゲージを直接埋め込む工程と比べると作業が容易である。従って、埋め込み工程での不良品の発生が抑えられ、埋め込んだボルトの軸力測定品質が安定する。
本発明に用いるピン型のロードセルは、起歪体に歪ゲージを固着することによって容易に形成できる。このロードセルを締結体に開設された孔内に接合すると、締結体に軸力がかかって伸張するのに伴って、起歪体も軸方向に引っ張られて伸張し、起歪体に固着されている歪ゲージも起歪体と共に変形して抵抗値が変化する。従って、歪ゲージの抵抗値変化を電気信号として取り出すことで、締結体の軸力を測定することができる。
Furthermore, the process of embedding the load cell in the hole of the fastening body is easier than the process of directly embedding the strain gauge in the hole of the fastening body. Therefore, the occurrence of defective products in the embedding process is suppressed, and the axial force measurement quality of the embedded bolt is stabilized.
The pin type load cell used in the present invention can be easily formed by fixing a strain gauge to a strain generating body. When this load cell is joined in the hole established in the fastening body, the strain body is stretched by being pulled in the axial direction as the fastening body is stretched by the axial force, and is fixed to the strain body. The strain gauge is also deformed together with the strain generating body, and the resistance value changes. Therefore, the axial force of the fastening body can be measured by taking out the change in resistance value of the strain gauge as an electrical signal.
歪ゲージの抵抗体として、シリコン半導体を用いれば、高いゲージ率が得られるので、出力を増幅しなくても高感度で測定することができる。一方、歪ゲージの抵抗体として、金属薄膜を用いれば、ゲージ率は低いが安定した出力が得られる。
上記の軸力検出用締結体において、歪ゲージからのアナログ出力をデジタル変換するA/D変換器、及びデジタル変換した歪信号を無線で送信する歪信号送信手段を設けておけば、歪信号送信手段から送信される歪信号を受信することによって、軸力検出用締結体の軸力を検出することができる。
If a silicon semiconductor is used as the strain gauge resistor, a high gauge factor can be obtained, and therefore measurement can be performed with high sensitivity without amplifying the output. On the other hand, if a metal thin film is used as a strain gauge resistor, a stable output can be obtained with a low gauge factor.
If the above-described fastening body for detecting an axial force is provided with an A / D converter for digitally converting an analog output from a strain gauge and a strain signal transmitting means for wirelessly transmitting a strain signal that has been digitally converted, strain signal transmission By receiving the strain signal transmitted from the means, it is possible to detect the axial force of the fastening member for detecting the axial force.
すなわち、上記軸力検出用締結体と、当該軸力検出用締結体から離れた位置で、歪信号送信部から送信される歪信号を受信する歪信号受信器とで、軸力監視システムを構成することができる。
従って、軸力検出用締結体から配線を引き出さなくても、離れた場所に無線で歪信号を取り出すことができる。それによって、締結体の整備点検作業の負担を軽減できる。
That is, an axial force monitoring system is configured by the axial force detection fastening body and a strain signal receiver that receives a strain signal transmitted from the strain signal transmission unit at a position away from the axial force detection fastening body. can do.
Therefore, it is possible to take out a distortion signal wirelessly at a remote location without drawing the wiring from the fastening member for detecting the axial force. Thereby, the burden of the maintenance inspection work of a fastening body can be reduced.
軸力検出用締結体に、電磁波を介して無線で供給される電力を受信する電力受信部を設けておいて、当該電力受信部で受け取った電力で、ブリッジ回路、A/D変換器、歪信号送信部を駆動させれば、軸力検出用締結体に電源バッテリを搭載しなくても歪信号を送信することができる。従って、軸力検出用締結体を小型で実現することができる。
上記軸力監視システムにおいて、電力受信部に供給する電磁波を発信する発信部を、歪信号受信部に設置しておけば、電力受信部と発信部とが同じ場所にあるため、発信部から軸力検出用締結体に無線で電力を供給しながら電力受信部で歪信号を受信するのに適している。
The axial force detection fastening body is provided with a power receiving unit that receives power supplied wirelessly via electromagnetic waves, and the power received by the power receiving unit is used to generate a bridge circuit, an A / D converter, a distortion By driving the signal transmission unit, it is possible to transmit a distortion signal without mounting a power source battery on the axial force detection fastening body. Therefore, the axial force detection fastening body can be realized in a small size.
In the above axial force monitoring system, if the transmitter for transmitting the electromagnetic wave supplied to the power receiver is installed in the distortion signal receiver, the power receiver and the transmitter are in the same place, so the transmitter from the transmitter The power receiving unit is suitable for receiving a distortion signal while wirelessly supplying power to the force detection fastening body.
上記軸力監視システムにおいて、歪信号送信部では、電力受信部に供給される電磁波を負荷変調することによって歪信号を送信し、信号受信部では、変調された電磁波から歪信号を復調すれば、歪信号送信部から信号受信部に歪信号を容易に安定して送ることができる。
上記の軸力検出用締結体と、当該軸力検出用締結体に関する管理情報を記録するICタグとで、締結体ユニットを構成すれば、ICタグリーダ/ライタで、ICタグに記録された管理情報を読み出したり、ICタグに管理情報を書き込んだりできる。
In the axial force monitoring system, the distortion signal transmission unit transmits a distortion signal by load-modulating the electromagnetic wave supplied to the power reception unit, and the signal reception unit demodulates the distortion signal from the modulated electromagnetic wave, The distortion signal can be easily and stably transmitted from the distortion signal transmission unit to the signal reception unit.
If a fastening body unit is composed of the above-described axial force detection fastening body and an IC tag that records management information related to the axial force detection fastening body, the management information recorded on the IC tag by the IC tag reader / writer Can be read and management information can be written to the IC tag.
従って、軸力検出用締結体の個体識別情報などを容易に得ることができ、検査記録を残すことも可能になる。
このICタグは軸力検出用締結体に固着しておけば、軸力検出用締結体から歪信号を受信するときに、合わせてICタグから管理情報を読み出すことも容易にできる。
上記締結体ユニットと、歪信号送信部から送信される歪信号を受信する歪信号受信器、及び、ICタグに対して管理情報を送受信するICタグリーダ/ライタを有する受信ユニットとで、軸力監視システムを構成すれば、ユニット間で歪信号の送受信と管理情報の送受信を容易に行うことができる。
Accordingly, individual identification information of the fastening member for detecting the axial force can be easily obtained, and an inspection record can be left.
If the IC tag is fixed to the axial force detection fastening body, the management information can be easily read from the IC tag when a strain signal is received from the axial force detection fastening body.
Axial force monitoring between the fastening unit, a distortion signal receiver that receives a distortion signal transmitted from a distortion signal transmission unit, and a reception unit that has an IC tag reader / writer that transmits and receives management information to and from an IC tag If the system is configured, transmission / reception of distortion signals and transmission / reception of management information can be easily performed between units.
図1,図2は、本発明の一実施形態にかかる締結体ユニットの構成を示す図である。
この締結体ユニット1は、軸力検出用ボルト10に、ピン型ロードセル20,送信器基板30,ICタグ50が装着されて構成されている。
図3は、締結体ユニット1を用いた軸力監視システムの構成を示すブロック図である。
当該締結体ユニット1とデータを送受信する受信ユニット100とで、軸力監視システムが構成されている。すなわち、受信ユニット100は、軸力検出用ボルト10に対して、ワイヤレス電力供給技術を用いて電力を送り、送信器基板30では、受け取った電力を用いて歪信号を測定し、受信ユニット100に送る。
1 and 2 are diagrams showing a configuration of a fastening body unit according to an embodiment of the present invention.
The
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an axial force monitoring system using the
The
ワイヤレス電力供給方式として、以下では、コイルアンテナ間を貫く磁束の変化で電力を送る誘導結合方式で行うこととするが、電磁後方拡散結合方式、密着型などの方式も採用できる。
1.締結体ユニットの構成
1−1 軸力検出用ボルト10
軸力検出用ボルト10は、軸部11と頭部12とからなり、軸部11の外周面にネジ山13が形成されている。ボルト10の材質としては、ステンレス,鉄などの金属、ポリカーボネイドやフェノール樹脂などのプラスチック、合金、セラミックが挙げられる。軸部11と頭部12とを同じ材質で形成してもよいし、別々の材質で形成してもよい(例えば、軸部11は鉄、頭部12はプラスチックで形成)。
As a wireless power supply method, in the following, an inductive coupling method in which electric power is transmitted by a change in magnetic flux passing between coil antennas is used, but an electromagnetic back diffusion coupling method, a close contact type, or the like can also be adopted.
1. Configuration of Fastening Body Unit 1-1 Axial
The axial
ボルト10はナット2と対で、被締結体3を締結して保持する。締結した状態で、被締結体3には圧縮力が加わり、軸部11にはこの圧縮力に相当する大きさの引っ張り軸力Pが加わる。
ボルト10には、中心軸に沿って、頭部12から挿入孔14が開設され、この挿入孔14に、ボルト10の軸力を検出するためのピン型ロードセル20が埋め込まれている。
The
An
このようにしてロードセル20を埋め込むと、その方向が軸部11の軸方向と一致するので、ロードセル20で正確に軸力が検出できる。
また、ボルト10の挿入孔14中にロードセル20を埋め込む工程は、ボルト10の孔の中に歪ゲージを直接埋め込む工程と比べると作業が容易である。従って、この埋め込み工程で不良品が発生するのも抑えられ、軸力測定の品質も安定する。
When the
The process of embedding the
ピン型ロードセル20には、歪信号を送信する送信器基板30が取り付けられている。
ボルト10の頭部12には、凹部15が形成され、送信器基板30はこの凹部15にはまり込んでいる。
また、凹部15の開口部はキャップ40で蓋われ、このキャップ40に、ボルト10の管理情報を記録するICタグ50が埋め込まれている。
A
A
The opening of the
1−2 ピン型ロードセル20と送信器基板30の設置
ピン型ロードセル20は歪ゲージ式のロードセルであって、加えられる荷重の大きさを測定して電気信号として出力することができる。
ロードセル20は、柱状又は板状の起歪体21に、歪ゲージ22が接着されて構成されている。起歪体21の両端には挿入孔14の内壁に接合される円柱状の接合端部21a,21bが形成され、この接合端部21a,21bは、挿入孔14の内径とほぼ同等の径を有し、接着材などで挿入孔14の内壁に強固に接合されている。
1-2 Installation of Pin
The
起歪体21は、アルミ合金や鋼材で作られた弾性体であって、歪ゲージ22が貼り付けられるゲージ貼付部21cと、その両端に形成された接合端部21a,21bとからなる。接合端部21a,21bと歪ゲージ形成部分とは、同一材料で一体形成することが望ましいが、別体で作製して接着剤などで接合してもよい。
接合端部21a,21bは、挿入孔14の径とほぼ同等の径に設定されて挿入孔の内壁に強固に接合されている。
The
The joining
例えば挿入孔14の径は直径3mmであり、接合端部21a,21bの直径は2.9mmである。
組み立て時には、送信器基板30を装着したロードセル20を、挿入孔14に挿入し、接合端部21a,21bの外周部を、挿入孔14の内壁に接着剤で強固に接合する。そして、凹部15を蓋するように、キャップ40を頭部12に取り付ける。
For example, the diameter of the
At the time of assembly, the
ボルト10とナット2で被締結体3を締め付けると、締め付け軸力Pに応じて軸部11が伸張し、起歪体21と、歪ゲージ22も変形してその抵抗値が変化する。従って、この歪ゲージ22の抵抗値変化を電気信号として取り出すことで、軸力を測定できる。
抵抗値変化は、ブリッジ回路で電圧信号に変換し、A/D変換器でデジタル信号として取り出す。
When the fastened body 3 is tightened with the
The resistance value change is converted into a voltage signal by a bridge circuit and taken out as a digital signal by an A / D converter.
この内容は、「3.ロードセル20によるボルト10の軸力検出」のところで詳しく説明する。
なお、ここでは図2に示すように送信器基板30を頭部12の凹部15に埋め込むこととしたが、送信器基板30を頭部12の外表面上に貼り付けてもよい。
また、頭部12が金属で形成されている場合は、送信器基板30のアンテナ部分(アンテナコイル35)を、頭部12の外側に配置したり、頭部12を取り巻くように配置することが好ましい。
This will be described in detail in “3. Detection of axial force of
Here, as shown in FIG. 2, the
When the
ボルト10にICタグ50を装着する形態についても、図2に示す例ではキャップ40内にICタグ50を埋め込んだが、ボルト近傍の適当な部位に取り付けたり埋め込んだりしてもよい。例えば、ボルト10とセットで使う座金に取り付けてもよい。
1−3 送信器基板30
送信器基板30は、起歪体21の接合端部21bに接合され、歪ゲージ22と配線でつながっている。
As for the form in which the
1-3
The
送信器基板30には、受信回路31,定電圧回路32,A/D変換器33,送信回路34,アンテナコイル35,ブリッジ回路36などが設けられている。
受信回路31は、交流電磁界中でアンテナコイル35が誘導発生する交流電圧を直流に整流して、定電圧回路32に供給するとともに、A/D変換器33,送信回路34に対しても駆動用電圧として電力を供給する。
The
The
定電圧回路32は、ブリッジ回路36の入力端子A−C間に、一定のブリッジ電圧Eを供給する。
歪ゲージ22の抵抗変化をブリッジ回路36から電圧として安定に出力する上で、ブリッジ電圧Eを一定に保つことが重要である。定電圧回路32として、結合係数Kが変化するのに応じて抵抗値が変化する分路抵抗を備える分路調整器を用いることが好ましい。
The
In order to stably output a resistance change of the
詳しくは、3−3「ブリッジ回路36への電圧供給」で説明する。
A/D変換器33は、ブリッジ回路36の出力端子(B−D間)の出力電圧を、デジタル信号に変換する。この信号は、ボルトにかかる歪(軸力)と対応関係があるので「歪データ(歪信号)」とする。
送信回路34は、A/D変換器33で生成された歪データ(デジタル信号)を、受信ユニット100の歪信号受信回路102に送る。
The details will be described in 3-3 “Voltage Supply to
The A /
The
このデータ送信については、「4.送信器基板30と受信ユニット100との間のデータ転送」のところで詳しく説明する。
1−4 ICタグ50
電源回路51は、交流電磁界中でアンテナコイル52が発生する交流電圧を直流に整流してメモリ回路53に供給するとともに、ICタグリーダ/ライタ110とのデータ送受信を行う。
This data transmission will be described in detail in “4. Data transfer between
1-4
The
電源回路51からICタグリーダ/ライタ110へのデータ送信は、搬送波を負荷変調する負荷変調方式を用いて行い、ICタグリーダ/ライタ110から電源回路51へのデータ送信も搬送波を変調する方式で行う。これによって無線で安定してデータを送ることができる。
メモリ回路53は、電源回路51から供給される直流電圧で駆動されて、メモりから管理データ(主としてボルト10に固有のデータであって管理に用いる。例えば、ボルト10の個体識別コード、使用部位、初期の軸力値や組み立て日時、過去に測定したボルト10の軸力)を読み出して、ICタグリーダ/ライタ110に送信したり、ICタグリーダ/ライタ110から送信される管理データを受信してメモリに書き込む。
Data transmission from the
The
2.受信ユニット100の構成
電源発信回路101は、アンテナコイル106から高周波の交流電磁波を発生する。その周波数は、例えば13.56MHzである。
歪信号受信回路102は、この電磁波を搬送波として送られてくる歪信号を受信して復調し、歪データを生成する。ここで得られる歪データにばらつきが生じる可能性を考慮して、歪信号受信回路102で歪データを繰り返し生成して平均化処理をすることが好ましい。
2. Configuration of Receiving Unit 100 The
The distortion
軸力換算回路103は、歪信号受信回路102で復調した歪データを、軸力データに変換する。
この変換は、あらかじめボルト10について、歪データ値と軸力値との対応表を作成し記憶しておき、当該対応表を参照することによって容易に行うことができる。
比較部104は、軸力換算回路103で算出した軸力データと、評価用データ(例えば、あらかじめ準備してある軸力の適正範囲を示すデータ、あるいはICタグリーダ/ライタ110がICタグ50から読み取った個体データ)とを比較する。
The axial
This conversion can be easily performed by creating and storing a correspondence table between strain data values and axial force values in advance for the
The
表示部105は、軸力換算回路103で算出した軸力データや、比較部104で評価した評価結果などを画面に表示する。
ICタグリーダ/ライタ110は、上記電源発信回路101と同様に、アンテナコイルから高周波の交流電磁波を発生してICタグ50に電力を供給するとともに、軸力換算回路103で算出した軸力データを電源回路51に送信したり、必要に応じて管理データを電源回路51に送信したり、電源回路51から送られる軸力データや管理データを受信する。
The
Similarly to the
3.ロードセル20によるボルト10の軸力検出
歪ゲージ22は、ベース23上に抵抗体24,保護被膜25が積層されて構成され、起歪体21のゲージ貼付部21c周面上又は平面上に接着剤26で接着されている。抵抗体としては、金属薄膜もしくはシリコンに不純物をドーピングしたシリコン半導体を用いることが好ましい。
3. Detection of the axial force of the
3−1 抵抗体として金属薄膜を用いる場合
ボルト10を締め付けると、締め付け軸力Pに応じて軸部11が伸張する(L→L+ΔL)。ロードセル20の接合端部21a,21bは軸部11に強固に接合されているので、軸部11が伸張するのに伴って、起歪体21のゲージ貼付部21cも軸方向に引っ張られて伸張する(l→l+Δl)。また、起歪体21に貼り付けられた歪ゲージ22も変形する。
3-1 Using a Metal Thin Film as a Resistor When the
歪ゲージ22における抵抗体24の抵抗値Rは、R=ρL/Aであらわされる。また、抵抗体に張力が加わってその長さlが伸びる(l→l+Δl)と、断面積が減少するので、抵抗値Rは増加する(R→R+ΔR)。
L:抵抗体の長さ
A:抵抗体の断面積
ρ:抵抗体の固有抵抗率
機械的ひずみと歪ゲージ抵抗体の抵抗変化との比率(ゲージ率G)は、金属薄膜ではG=(ΔR /R)/(ΔL/L)である。
The resistance value R of the
L: Length of resistor A: Cross-sectional area of resistor ρ: Intrinsic resistivity of resistor The ratio (gauge factor G) between mechanical strain and resistance change of strain gauge resistor is G = (ΔR / R) / (ΔL / L).
一般の金属はポアソン比σは0.3〜0.6程度と小さく、ゲージ率Gは1.6〜2.2程度である。歪ゲージに使用されている金属薄膜のゲージ率Gも、室温で約2であり、使用温度 によって少し変化する。
歪ゲージの抵抗変化は大変微小であるが、以下のように、ホイートストンブリッジ回路を用いることによって、当該抵抗変化を電圧変化に換算(ひずみ−電圧換算)することができる。
A general metal has a Poisson's ratio σ as small as about 0.3 to 0.6, and a gauge factor G is about 1.6 to 2.2. The gauge factor G of the metal thin film used for the strain gauge is also about 2 at room temperature, and changes slightly depending on the use temperature.
Although the resistance change of the strain gauge is very small, the resistance change can be converted into a voltage change (strain-voltage conversion) by using a Wheatstone bridge circuit as follows.
図3に示すように、ブリッジ回路36は、4個の抵抗が結線されてなり、4つの結線部分に端子A,B,C,Dを有しており、相対する2組の端子の一方(端子A−C)にはブリッジ電圧Eが印加され、他方(端子B−D)から出力電圧eが検出される。
A−B間の抵抗値をR1,B−C間の抵抗値をR2,C−D間の抵抗値をR3,D−A間の抵抗値をR4とすると、端子A−C間に印加されるブリッジ電圧Eと、端子B−C間に出力される出力電圧eとの関係は、
e=E(R1R3−R2R4)/(R1+R2)(R3+R4)で表わされる。
As shown in FIG. 3, the
The resistance value between A and B is R1, the resistance value between B and C is R2, the resistance value between C and D is R3, and the resistance value between D and A is R4. The relationship between the bridge voltage E and the output voltage e output between the terminals B-C is
e = E (R1R3-R2R4) / (R1 + R2) (R3 + R4).
このようなホイートストンブリッジ回路において、4個の抵抗の中、1つ以上にゲージ抵抗体を用いる。
例えば、1アクチブゲージ法では、図に示す端子A−B間に、ゲージ抵抗体を挿入する。
この場合、ブリッジ回路からの出力特性は、
Δe=(1/4)GEΔε…(式1)
であらわされ、機械的ひずみ変化Δεとブリッジ出力電圧変化Δeとは比例する。例えば、ゲージ率G=2.0,ブリッジ電圧E=4VとするとΔe=2Δεとなる。
In such a Wheatstone bridge circuit, a gauge resistor is used for one or more of the four resistors.
For example, in the one active gauge method, a gauge resistor is inserted between terminals A and B shown in the figure.
In this case, the output characteristics from the bridge circuit are
Δe = (1/4) GEΔε (Expression 1)
The mechanical strain change Δε and the bridge output voltage change Δe are proportional to each other. For example, if the gauge factor G = 2.0 and the bridge voltage E = 4V, Δe = 2Δε.
4アクチブゲージ法では、図5に示すように、4個の歪ゲージRg1,Rg2,Rg3,Rg4を柱状又は板状の起歪体21(ゲージ貼付部21c)に貼り付ける。すなわち、歪ゲージRg1と歪ゲージRg3とは、起歪体21の中心軸に対して互いに対称な位置に、中心軸に沿った方向に貼り付ける。歪ゲージRg2と歪ゲージRg4とは、起歪体21の中心軸に対して互いに対称な位置に、中心軸に対して垂直方向に貼り付ける。
In the 4-active gauge method, as shown in FIG. 5, four strain gauges Rg1, Rg2, Rg3, and Rg4 are attached to a columnar or plate-like strain generating body 21 (
そして、この4個のRg1,Rg2,Rg3,Rg4を、ブリッジ回路36の抵抗R1,R2,R3,R4として組み込むように接続する。
金属薄膜抵抗を用いる場合、ブリッジ回路36からの出力特性は、
Δe=E(1+σ)GΔε/2…(式2)
(σ:金属薄膜のポアソン比)で表わされ、やはり、機械的ひずみ変化Δεとブリッジ出力電圧変化Δeとは比例する。
The four Rg1, Rg2, Rg3, and Rg4 are connected so as to be incorporated as resistors R1, R2, R3, and R4 of the
When a metal thin film resistor is used, the output characteristic from the
Δe = E (1 + σ) GΔε / 2 (Expression 2)
(Σ: Poisson's ratio of the metal thin film) The mechanical strain change Δε and the bridge output voltage change Δe are proportional to each other.
この4アクチブゲージ法によれば、起歪体21の曲げひずみによる電圧変化分は打ち消されて、引張り圧縮ひずみによる電圧変化だけを検出することができ、また、温度補償もなされる。
なお、金属薄膜のゲージ率は小さいので、ブリッジ回路からの出力変化Δeも小さい。従って、出力電圧eを直流増幅器で増幅してからA/D変換器33でA/D変換することが望ましい。
According to the four-active gauge method, the voltage change due to the bending strain of the
Note that since the gauge factor of the metal thin film is small, the output change Δe from the bridge circuit is also small. Therefore, it is desirable to amplify the output voltage e with a DC amplifier and then perform A / D conversion with the A /
3−2 抵抗体として半導体を用いる場合
抵抗体として半導体を用いる場合、基本的には上記金属薄膜と同様であるが、抵抗体の抵抗変化は、主に半導体の圧抵抗効果による。すなわち、半導体の中には、この圧抵抗効果によって、金属と比べてひずみによる抵抗変化率Δρ/ρが極めて大きいものがあり、この場合のゲージ率Gは、G=(Δρ /ρ)/(ΔL/L)である。なお、半導体において圧抵抗効果が生じるしくみとして、マルチバレイ半導体のひずみによる等エネルギー面の変化に基づく説明がなされている。
3-2 Using a Semiconductor as a Resistor When a semiconductor is used as a resistor, it is basically the same as the metal thin film described above, but the resistance change of the resistor is mainly due to the piezoelectric resistance effect of the semiconductor. That is, some semiconductors have an extremely large resistance change rate Δρ / ρ due to strain compared to metal due to this piezoresistive effect, and the gauge factor G in this case is G = (Δρ / ρ) / ( ΔL / L). In addition, as a mechanism for generating a piezoresistive effect in a semiconductor, an explanation is made based on a change in an isoenergy surface due to strain of a multi-valley semiconductor.
半導体歪ゲージに用いる半導体材料の具体例としては、Si,Ge,InSbなどが挙げられる。これらの材料は、伝導型(p型,n型)や結晶方向によって特異なゲージ率を示す。
例えば、Si半導体は、以下のようなゲージ率を示し、そのゲージ率は大きい絶対値を持っている(「電気電子材料(共立出版)」を参照した)。
Specific examples of the semiconductor material used for the semiconductor strain gauge include Si, Ge, InSb, and the like. These materials exhibit a unique gauge factor depending on the conduction type (p-type, n-type) and the crystal direction.
For example, a Si semiconductor exhibits the following gauge factor, and the gauge factor has a large absolute value (see “Electrical and Electronic Materials (Kyoritsu Shuppan)”).
p型、結晶方向(100) ゲージ率G=10
p型、結晶方向(111) ゲージ率G=177
n型、結晶方向(100) ゲージ率G=−132
n型、結晶方向(111) ゲージ率G=−13
ゲージ率の絶対値が大きい半導体を用いれば、金属薄膜抵抗体を用いた歪みゲージと比べて50〜100倍程度の感度が得られ、歪ゲージのひずみに伴って生じるブリッジ回路の出力電圧変化Δeも数十mV程度となる。
p-type, crystal direction (100) gauge factor G = 10
p-type, crystal direction (111) gauge factor G = 177
n-type, crystal direction (100) gauge factor G = −132
n-type, crystal direction (111) gauge factor G = -13
If a semiconductor having a large absolute value of the gauge factor is used, the sensitivity is about 50 to 100 times that of a strain gauge using a metal thin film resistor, and the output voltage change Δe of the bridge circuit caused by the strain of the strain gauge. Is about several tens of mV.
従って、ブリッジ回路からの出力電圧Δeを増幅しなくても、A/D変換器33でA/D変換することができる。
半導体歪ゲージでロードセルを形成する場合、起歪体に歪ゲージを貼りつける形態以外に、起歪体自体をシリコンウェハで形成し、このシリコンウェハに不純物ドーピングによるゲージ部を形成してもよい。
Therefore, the A /
When forming a load cell with a semiconductor strain gauge, the strain body itself may be formed of a silicon wafer, and a gauge portion formed by impurity doping may be formed on the silicon wafer, in addition to a mode in which the strain gauge is attached to the strain body.
その製法は、例えば、シリコンウェハ上に、マスキング法でパターニングしながら不純物をドーピングすることによって半導体抵抗体層を形成し、更に配線パターンを描くことによってブリッジ回路を形成することができ、1アクチブゲージ法の場合はゲージを1つ、4アクチブゲージ法の場合は、ゲージを4つ形成する。各ゲージの寸法は、例えば縦0.3mm、横0.1mmである。 For example, a semiconductor resistor layer is formed by doping impurities on a silicon wafer while patterning by a masking method, and a bridge circuit can be formed by drawing a wiring pattern on the silicon wafer. In the case of the method, one gauge is formed, and in the case of the 4-active gauge method, four gauges are formed. The dimensions of each gauge are, for example, 0.3 mm long and 0.1 mm wide.
このシリコンウェハーを切り出すことによって起歪体のゲージ貼付部21cに相当する部分を形成することができる。切り出し寸法については、接合端部21a、21bとのバランスや接合強度を確保することを考慮しつつ、挿入孔14に挿入できる範囲で適宜決めればよく、例えば横2.5mm程度、長さ15mm〜30mmである。
そして接合端部21a,21bに相当する部材を接合すれば、歪ゲージとブリッジ回路を組み込んだシリコンウェハからなるロードセルを形成することができる。
By cutting this silicon wafer, a portion corresponding to the
If members corresponding to the joining
この製法によって、抵抗値120Ω、ゲージ率100のロードセルを作製することができる。
3−3 ブリッジ回路36の端子A−Cへの電圧供給
送信器基板30において、ブリッジ回路36の電源電圧として、小型バッテリを搭載してもよいが、本実施形態では、受信ユニット100から無線で供給される電力を送信器基板30が受け取ってブリッジ回路36などに供給するパッシブ型を採用している。
By this manufacturing method, a load cell having a resistance value of 120Ω and a gauge factor of 100 can be manufactured.
3-3 Voltage Supply to Terminal AC of
図4に基づいて、ブリッジ回路36の端子A−Cに一定電圧を供給するしくみを説明する。なお、パッシブ型駆動法については「RFIDハンドブック(日刊工業新聞)」に詳しく記載されている。
電源発信回路101を、送信器基板30に近い位置において、電源発信回路101のアンテナコイル106と送信器基板30のアンテナコイル35とを誘導結合させる。
A mechanism for supplying a constant voltage to the terminals A to C of the
The
そして、電源発信回路101において、交流電源で高周波電圧(13.56MHz)を発生させると、誘導結合しているアンテナコイル106及びアンテナコイル35を介して、当該高周波電圧が受信回路31で受信される。
受信回路31と、ブリッジ回路36の端子A−Cとの間には、定電圧回路32が介挿されている。
When the high-frequency voltage (13.56 MHz) is generated by the AC power supply in the power
A
図4に示している定電圧回路32は、比較的簡単な構成の分路調整器であって、整流器と、ツェナダイオードZDが発生する電圧をエミッタ接地されたnpnトランジスタのベースに供給する回路とが設けられている。
受信回路31で受信された高周波は、定電圧回路32において整流器で整流されて、ツェナダイオードZDとトランジスタによって、端子A−C間に印加される電圧が安定化される。
The
The high frequency received by the receiving
図6は、アンテナコイル106とアンテナコイル35との結合係数Kとブリッジ回路36の入力端子A−C間に入力される電圧との関係を示す図である。当図に示されるように、アンテナコイル同士が誘導結合されていてその結合係数Kがある程度以上あれば、一定の電圧Vzが入力端子A−C間に印加される。
なお、この電圧は、A/D変換器33、変調器34aなどの駆動電源としても用いられる。
FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the coupling coefficient K between the
This voltage is also used as a driving power source for the A /
このように送信器基板30では、バッテリを搭載しなくても、ブリッジ電圧などが供給されるようになっている。
3−4 軸力換算回路103に記憶させる対応表の作成(校正)
図7は、歪データΔeと軸力値Pとの対応関係の一例を示す図表である。
基本的に上記式1,2に示されるように、歪データΔeとΔεとは比例し、また、Δεは起歪体21の伸びΔlに相当し、このΔlはボルト10の軸力Pにほぼ比例するので、歪データ(Δe)とボルト10の軸力Pとは図7のようにほぼ比例する。
As described above, the
3-4 Creating a correspondence table to be stored in the axial force conversion circuit 103 (calibration)
FIG. 7 is a chart showing an example of the correspondence between the strain data Δe and the axial force value P.
Basically, as shown in the
ところで、実際には、ボルト10の軸力Pと歪データΔeとの関係は、ロードセル20を装着したボルト10ごとにばらつきがあるので、ボルト10ごとに校正を行って、図7に示すような歪データ値Δeと軸力値Pとの対応表を、各ボルト10ごとに作成しておくことが好ましい。
このような校正は、ロードセル20及び送信器基板30を装着した後に、引張試験機にかけて引張荷重(ボルト10の軸力)をいろいろ変えながら、歪データ(Δe)を測定することによって行うことができるが、各ロードセル20をボルト10に装着する前に、引張試験による測定を行って校正を行なうこともできる。
Actually, the relationship between the axial force P of the
Such a calibration can be performed by measuring strain data (Δe) while variously changing a tensile load (axial force of the bolt 10) by applying a tensile tester after mounting the
ロードセル20の断面積は、ボルト10の断面積と比べて格段に小さいため、ロードセル20で校正すれば校正時の引張力は小さくて済む。従って校正に用いる引張試験機も小型のもので行なえる。
なお、各ボルト10ごとに歪み電圧特性にばらつきが生じる要因は、各ボルト10に装着される前のロードセル20の特性にばらつきがあると考えられ、例えば、起歪体21に歪ゲージ22を貼り付けるときに生じるばらつきによって、ロードセル20の引張力と歪データの変化Δeとのばらつきが生じやすいが、ロードセル20にかかる引張力とボルト10の軸力Pとの関係は、あまりばらつかない。
Since the cross-sectional area of the
A factor that causes variations in the strain voltage characteristics for each
従って、ロードセル20にかかる引張力とボルト10の軸力Pとの変換倍数は、あらかじめ測定して求めておき、各ロードセル20について引張試験機を用いて校正すれば(引張力と歪データの変化Δeとの対応表を作成すれば)、各ボルト10にロードセル20を装着した後に校正しなくても、個別に作成したロードセル20にかかる引張力と歪データの変化Δeとの対応表と、ロードセル20にかかる引張力とボルト10の軸力Pとの変換倍率を乗じることによって、各ボルト10ごとに歪データ値Δeと軸力値Pとの対応表を作成することができる。
Therefore, the conversion multiple of the tensile force applied to the
以上のようにして各ボルト10ごとに、歪データ値Δeと軸力値Pとの対応表を作成し、各ボルト10の個体識別コードを付けて軸力換算回路103に記憶させておけば、ボルト10の軸力を測定しようとするときに、軸力換算回路103は、記憶されている対応表の中から当該ボルト10の個体識別コードが付いている対応表を参照することよって、歪信号受信回路102で復調した歪データから軸力データを算出することができる。
As described above, for each
4.送信器基板30と受信ユニット100との間のデータ転送
受信ユニット100と送信器基板30との間のデータ送受信、ならびにICタグリーダ/ライタ110とICタグ50との間のデータ送信は、RFIDタグで一般に使われているデジタル変調方式を用いて行う。
RFIDタグでは、ASK(amplitude shift keying 振幅シフトキーイング)あるいはFSK(周波数シフトキーイング)、PSK(位相シフトキーイング)といった方式が用いられている。この中で、ASK方式は、デジタル信号にもとづいて正弦波の振幅を変える方式であって、復調が容易であり、RFIDタグなど、近距離の通信に多く用いられている。本実施形態においてもこのデジタル変調方式を適用する。
4). Data transfer between
In the RFID tag, methods such as ASK (amplitude shift keying), FSK (frequency shift keying), and PSK (phase shift keying) are used. Among them, the ASK method is a method of changing the amplitude of a sine wave based on a digital signal, is easy to demodulate, and is often used for short-distance communication such as an RFID tag. This digital modulation method is also applied to this embodiment.
なお、受信ユニット100−送信器基板30間のデータ送受信と、ICタグリーダ/ライタ110−ICタグ50間のデータ送受信との間で、衝突を防止する(アンチコリジョン)ため、副搬送波の周波数を別々に割り当てたり、時分割で動作することが好ましい。
データ送受信の例として、図4を参照しながら、送信回路34から歪信号受信回路102に歪データを送信するしくみを説明する。
In order to prevent collision (anti-collision) between the data transmission / reception between the receiving unit 100 and the
As an example of data transmission / reception, a mechanism for transmitting distortion data from the
受信ユニット100の電源発信回路101は、上述したように周波数ft(13.56MHz)で交流電磁波を発信する。
送信器基板30の送信回路34は、変調器34aを備えている。
この変調器34aは、受信回路31で受信した周波数ft(13.56MHz)のクロック信号を1/64に分周して、周波数fs(212kHz)の副搬送波を生成する。さらに、生成した副搬送波を、A/D変換器33で生成された歪データ(デジタル信号)に基づいてASK変調する。
As described above, the
The
The
受信回路31においては、このようにASK変調された副搬送波にもとづいて、FETをON−OFFする。FETをON/OFFするのに伴って、受信回路31に負荷が組み込まれた状態とそうでない状態とに切り替わる(受信回路31の負荷が変動する)ので、もとの周波数ft(13.56MHz)の電磁波が負荷変調される。
このように、稼働周波数ftの電磁波を、周波数fsの副搬送波で負荷変調すると、周波数ftの波と周波数fsの波とが掛け合わせられるので、周波数(ft+fs)の波と周波数(ft−fs)の波が形成される。すなわち、周波数ftを中心として、両サイドに対称的に側波帯(サイドバンド)が形成され、上部側波帯の周波数は(ft+fs),下部側波帯の周波数は(ft−fs)となる。
In the receiving
In this way, when the electromagnetic wave having the operating frequency ft is load-modulated with the subcarrier of the frequency fs, the wave of the frequency ft and the wave of the frequency fs are multiplied, and thus the wave of the frequency (ft + fs) and the frequency (ft−fs). Waves are formed. That is, sidebands (sidebands) are symmetrically formed on both sides around the frequency ft, the frequency of the upper sideband is (ft + fs), and the frequency of the lower sideband is (ft−fs). .
歪信号受信回路102では、この2つの側波帯の中、一方から歪データ(デジタル信号)をとりだす。図4に示す例では、歪信号受信回路102では、受信した電磁波から、バンドパスフィルタ102aで稼働搬送波成分などを除去して上部側波帯だけを取り出し、最終的に復調器102bで歪データ(デジタル信号)に復調する。
5.軸力監視システムの利用形態
以上説明した軸力監視システムを用いて、以下のようにして、軸力測定用のボルト10を車両などに取り付けておけば、受信ユニット100をボルト10から近い位置において、非接触でボルト10の軸力を測定し、表示部105に表示することができる。
The distortion
5). Use Form of Axial Force Monitoring System If the axial
工場で車両を組立てる時に、車両の部分を締結するのに同種のボルトを多数使用する場合、そのすべてに対して軸力測定用のボルト10を用いてもよいが、一部だけに軸力測定用のボルト10を用いてサンプル的に軸力測定するようにしてもよい。
軸力測定用のボルト10を締結する現場には、受信ユニット100を設置しておく。そして、車の組立時に、適正に締め付けられたボルト10の締付け軸力データを測定する。この軸力データは軸力換算回路103で算出されるが、受信ユニット100の軸力換算回路103からICタグリーダ/ライタ110を経由してICタグ50に送られ、メモリ回路53に記録される。
When assembling a vehicle in a factory, when many bolts of the same type are used to fasten parts of the vehicle, the axial
The receiving unit 100 is installed at the site where the
ICタグリーダ/ライタ110からICタグ50には、この軸力データ以外に、ボルト10の個体識別コードや使用部位、組立てした日時などの管理データも、ICタグリーダ/ライタ110から送られてメモリ回路53に記録される。
工場から車両が出荷された後には、使用者に渡った車両が一時的に駐停車することがわかっている場所、例えば給油所などに、受信ユニット100を設置しておく。
In addition to the axial force data, the IC tag reader /
After the vehicle is shipped from the factory, the receiving unit 100 is installed in a place where it is known that the vehicle over the user is temporarily parked and stopped, for example, a gas station.
そうすれば、車両が一時的に駐停車する際に、受信ユニット100を用いて、ボルト10に非接触で、その時点のボルト10の軸力を確認することができる。
チェックした結果、ボルト10が弛んでいると判断された場合には、そこでボルト10の増し締め、並びにボルト10と同種のボルトがあればその増し締めを行なう。そして、増し締めたボルト10の軸力値と増し締め日時などをICタグ50に書き込んで記録内容を更新する。
Then, when the vehicle is parked and stopped temporarily, the receiving unit 100 can be used to check the axial force of the
As a result of checking, if it is determined that the
ボルト10が外れて紛失していたり折損したりしている場合には、新品のボルト10に交換して、そのICタグ50に新たな軸力などのデータを記録する。
7. 本実施形態の軸力監視システムによる効果
日常の運行に供されているボルトの軸力をハンマリングのように手作業でチェックすることはそれほど容易ではないため、従来は、よほどの異常現象が発生していない限りボルトの軸力をチェックすることもなく、日常の運行での軸力低下が十分に監視されなかったが、本実施形態にかかる軸力監視システムを用いれば、日常の運行に供されているボルトの軸力を容易にチェックできるので、軸力低下を十分に監視することができる。
When the
7). Effects of the axial force monitoring system of this embodiment Since it is not so easy to manually check the axial force of the bolts used for daily operation like hammering, so far abnormal phenomena have occurred. The axial force drop in daily operation was not sufficiently monitored without checking the axial force of the bolts, but if the axial force monitoring system according to this embodiment is used, the bolt is not used for daily operation. Since it is possible to easily check the axial force of the bolt that is being used, it is possible to sufficiently monitor the decrease in the axial force.
また、本実施形態の軸力監視システムを用いれば、ハンマリングのように経験や勘に頼ることがないので、信頼性も格段に向上する。
また、測定した結果を締結体に付けたICタグなどに記録しておくこともできる。
さらに、その時点の軸力を測定するだけではなく、ICタグに記録されているボルトの位置やボルトサイズ、適正に締め付けた年月日、その時の適正な軸力(締付け力)などの固体認識情報も同時にICタグから読み取んで比較することによって、新たな情報を得ることができる。たとえば、ボルトの位置と軸力低下の度合いとの関係を調べて、締結される場所によって軸力低下の傾向があるかどうかなどを把握することもできる。
Moreover, if the axial force monitoring system of this embodiment is used, since it does not depend on experience and intuition like hammering, reliability is also improved significantly.
Moreover, the measurement result can be recorded on an IC tag or the like attached to the fastening body.
In addition to measuring the axial force at that time, solid recognition such as bolt position and bolt size recorded on the IC tag, proper tightening date, proper axial force (tightening force) at that time, etc. New information can be obtained by simultaneously reading and comparing information from the IC tag. For example, the relationship between the position of the bolt and the degree of reduction in the axial force can be examined to determine whether or not there is a tendency for the axial force to decrease depending on the place to be fastened.
このようにきめ細かい軸力管理ができることによって、ボルトの弛みに起因する事故を未然に防止できる。
本実施形態の軸力監視システムにおいて、受信ユニット100を軽量でポータブルに作製すれば、列車や航空機に受信ユニット100を搭載するのも容易である。従って、列車や航空機にボルト10を装着しておいて、その駐停車の際や点検整備の際に、搭載している受信ユニット100でボルト10のチェックをし、各部位のボルトの弛みを検査することができる。
Such fine axial force management can prevent accidents caused by loose bolts.
In the axial force monitoring system of this embodiment, if the receiving unit 100 is made lightweight and portable, it is easy to mount the receiving unit 100 on a train or an aircraft. Therefore,
本実施形態の締結体ユニット1においては、ロードセル20をボルト10の挿入孔14に埋め込んでいるので、歪ゲージをボルト10の挿入孔に直接埋め込むのと比べて、埋め込み作業が容易である。
また、同じ種類のロードセル20を、さまざまな種類、サイズのボルト10に埋め込んで締結体ユニット1を校正することもできる。そうすることで、校正作業に要する手間を簡略化でき、校正に要するコストも軽減できる。
In the
Further, the
本発明は、ボルトやリベットなど、被締結体を締結した状態で保持する締結体の軸力を監視するのに利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for monitoring the axial force of a fastening body that holds a fastened body, such as a bolt or a rivet, in a fastened state.
1 締結体ユニット
10 軸力検出用ボルト
11 軸部
12 頭部
14 挿入孔
15 凹部
20 ピン型ロードセル
21 起歪体
22 歪ゲージ
24 抵抗体
30 送信器基板
31 受信回路
32 定電圧回路
33 A/D変換器
34 送信回路
35 アンテナコイル
36 ブリッジ回路
50 ICタグ
51 電源回路
52 アンテナコイル
53 メモリ回路
100 受信ユニット
101 電源発信回路
102 歪信号受信回路
106 アンテナコイル
110 ICタグリーダ/ライタ
DESCRIPTION OF
Claims (11)
当該締結体の軸力を検出するピン型のロードセルを埋め込んだことを特徴とする軸力検出用締結体。 To the long fastening body that fastens and holds the fastened body,
A fastening body for detecting an axial force, characterized in that a pin-type load cell for detecting the axial force of the fastening body is embedded.
起歪体に歪ゲージが固着されて構成され、
締結体に開設された孔内に接合されていることを特徴とする請求項1記載の軸力検出用締結体。 The load cell is
A strain gauge is fixed to the strain generating body.
The axial force detection fastening body according to claim 1, wherein the fastening body is joined in a hole formed in the fastening body.
シリコン半導体からなる抵抗体、または金属薄膜抵抗体を用いていることを特徴とする請求項2記載の軸力検出用締結体。 The strain gauge is
3. The axial force detection fastening body according to claim 2, wherein a resistor made of a silicon semiconductor or a metal thin film resistor is used.
電磁波を介して無線で供給される電力を受信する電力受信部を備え、
当該電力受信部で受け取った電力で、
前記ブリッジ回路、A/D変換器、歪信号送信部を駆動させることを特徴とする請求項4記載の軸力検出用締結体。 The axial force detection fastening body is:
A power receiving unit that receives power supplied wirelessly via electromagnetic waves,
With the power received by the power receiver,
The axial force detection fastening body according to claim 4, wherein the bridge circuit, the A / D converter, and the distortion signal transmission unit are driven.
当該軸力検出用締結体に関する管理情報を記録するICタグとで構成される締結体ユニット。 A fastening body for detecting an axial force according to claim 4 or 5,
A fastening body unit including an IC tag that records management information related to the axial force detection fastening body.
当該軸力検出用締結体から離れた位置で、前記歪信号送信部から送信される歪信号を受信する歪信号受信器を備えることを特徴とする軸力監視システム。 A fastening body for detecting an axial force according to claim 4 or 5,
An axial force monitoring system comprising a distortion signal receiver that receives a distortion signal transmitted from the distortion signal transmission unit at a position away from the axial force detection fastening body.
前記電力受信部に供給する電磁波を発信する発信部が設置されていることを特徴とする請求項8記載の軸力監視システム。 In the distortion signal receiving unit,
The axial force monitoring system according to claim 8, further comprising a transmitter that transmits an electromagnetic wave to be supplied to the power receiver.
前記電力受信部に供給される電磁波を負荷変調することによって歪信号を送信し、
前記信号受信部は、変調された電磁波から歪信号を復調することを特徴とする請求項8記載の軸力監視システム。 The distortion signal transmitter is
Transmitting a distortion signal by load-modulating the electromagnetic wave supplied to the power receiver,
The axial force monitoring system according to claim 8, wherein the signal receiving unit demodulates a distortion signal from the modulated electromagnetic wave.
前記歪信号送信部から送信される歪信号を受信する歪信号受信器、及び、前記ICタグに対して管理情報を送受信するICタグリーダ/ライタを有する受信ユニットとを備えることを特徴とする軸力監視システム。 The fastening body unit according to claim 6 or 7,
An axial force comprising: a distortion signal receiver that receives a distortion signal transmitted from the distortion signal transmission unit; and a reception unit having an IC tag reader / writer that transmits and receives management information to and from the IC tag. Monitoring system.
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