JP2021169998A

JP2021169998A - ボルト締付力感知座金

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Publication number: JP2021169998A
Application number: JP2021025603A
Authority: JP
Inventors: 朱秀鋒; Hsiu-Feng Chu; 朱育緯; Yu-Wei Chu
Original assignee: China Pneumatic Corp
Current assignee: China Pneumatic Corp
Priority date: 2020-04-13
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2021-10-28
Also published as: TW202138777A; TWI742612B

Abstract

【課題】ボルトが緩むことを防止し、ボルトの締付状態を監視するボルト締付力感知座金を提供する。【解決手段】ボルト締付力感知座金は、感知座金１、信号処理装置及び接続線アセンブリ３を備える。感知座金１は、本体１１、センサ素子１２及びブッシュ１３を有する。本体１１は、金属材料からなるとともに、ボルト５のねじ部５２の外径を組み合わせる同軸の軸孔１１１を有する。軸孔１１１に対して垂直な本体１１の両端面には、緩み防止構造がそれぞれ設けられる。本体１１の外周には、内側に凹んだ環状溝１１２が形成され、センサ素子１２が環状溝１１２内に貼り合わされ、本体１１が軸方向で受ける力により発生する変形検出値を測定する。ブッシュ１３は、本体１１及びセンサ素子１２を覆う。接続線アセンブリ３は、ブッシュ１３に配設され、センサ素子１２及び信号処理装置と電気的に接続される。【選択図】図４

Description

本発明は、ボルト締付力感知座金に関し、特に、ボルトが緩むことを防止し、ボルトの締付状態を監視する、ボルト締付力感知座金に関する。

ボルトの締付作業では、均一の締付力によりボルトを締付けることが非常に重要である。また、締付けられたボルトが振動により緩んで、重大な事故、損害が発生することを防ぐことも非常に重要であった。

ボルトテンションゲージは、現在の所、ねじの締付力の制御精度が最も正確な超音波技術を利用したツールであったが、その製作及び施工にかかるコストが高価であったため、あまり普及していない。また、ボルトの締付力を感知する感知ボルト（ボルトの軸心の適切な箇所に、変形センサ素子を粘着して締付力を感知するボルト）を有するため、高価な上、オープンエンドレンチのみでしか締付けることができなかったため、施工し難くて非効率的で、あまり普及していなかった。また、ねじの締付力の制御及び検出には、ボルトトランスデューサー（ＢｏｌｔＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）又は圧縮センターホール型荷重計（Ｃｅｎｔｅｒ−ｈｏｌｅｔｙｐｅＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＬｏａｄＣｅｌｌ）又は圧電検出リングなどの軸方向力検出装置を代わりに使用してもよかった。しかし実際には上述した数種類の方式は、その製作コストの多寡、使用上の難易度、制御精度の高低などに関わらず、振動又は人的要因により壊れて緩んでしまい、危険が生じる虞があった。そのため、ボルトが緩むことを防ぐように設計し、締付状態を遠隔監視するシステムにして異常が発生したときに直ちに知らせなければ、トルク又は締付力の制御をさらに正確に行っても無駄となることがあった。

また、ボルトトランスデューサー、圧縮センターホール型荷重計などを使用すると、ボルトを締付ける締付力の変化を監視することができるが、ボルトトランスデューサー又は圧縮センターホール型荷重計の硬度が、緩み防止座金の硬度に近いため、ボルトを締付ける際、緩み防止座金の鋸歯状リブがボルトトランスデューサー又は圧縮センターホール型荷重計の端面に嵌入させることができず、ボルトが緩むことを防ぐことは困難であった。

そこで、本発明者は、上記課題を解決するための鋭意検討を重ねた結果、かかる知見に基づいて、本発明に想到するに至った。本発明の課題は、ボルトが緩むことを防ぐ機能と、ボルトの締付状態を監視する機能とを兼ね備え、従来技術の欠点を改善して産業上の利用価値があり、インダストリー４．０の趨勢発展の必要性を満たし、ボルトを締付ける際の締付力を制御することができる上、締付けられたボルトが振動により緩んでしまうことを防ぎ、さらには、有線方式又は無線方式により継続的にボルトが振動又は人的要因により緩んでいないか、締付状態を監視し、構造の安全性を半永久的に確保し、施工の記録及び責任に関して追跡・チェックを行う、ボルト締付力感知座金を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、感知座金、信号処理装置及び接続線アセンブリを備えた、ボルト締付力感知座金であって、前記感知座金は、本体、センサ素子及びブッシュを有し、前記本体は、金属材料からなるとともに、ボルトのねじ部の外径を組み合わせる同軸の軸孔を有し、前記軸孔に対して垂直な前記本体の両端面には、緩み防止構造がそれぞれ設けられ、前記本体の外周には、内側に凹んだ環状溝が形成され、前記センサ素子が前記環状溝内に貼り合わされ、前記本体が軸方向で受ける力により発生する変形検出値を測定し、前記ブッシュは、金属又はプラスチック材料からなるか、プラスチック絶縁材料により鋳込み成形されるとともに、前記センサ素子を覆って保護し、前記信号処理装置は、信号増幅器、マイクロプロセッサ、ペアリングスイッチ、電源回路ユニット、信号伝送ユニット、記憶ユニット、ＲＦアンテナ及び警告ユニットを有し、前記接続線アセンブリは、前記ブッシュに配設され、前記センサ素子及び前記信号処理装置と電気的に接続されることを特徴とする、ボルト締付力感知座金を提供する。

前記軸孔に対して垂直な前記本体の両端面に設けられた緩み防止構造は、両端面とも弧形状リブ面であるか、両端面とも楔状カム面であるか、一端面が弧形状リブ面で、他端面が楔状カム面であることが好ましい。

前記軸孔に対して垂直な前記本体の端面に設けられた緩み防止構造は、弧形状リブ面であり、前記弧形状リブ面の弧形状断面は、傾斜角度が前記ボルトのリード角より大きいとともに、前記ボルトのヘリカル方向とは関係がないことが好ましい。

前記軸孔に対して垂直な前記本体の端面に設けられた緩み防止構造は、楔状カム面であり、前記楔状カム面の楔状カムは傾斜角度が前記ボルトのリード角より大きいとともに、前記楔状カムの傾斜方向が前記ボルトのヘリカル方向と同じであることが好ましい。

前記軸孔に対して垂直な前記本体の端面に設けられた緩み防止構造は、楔状カム面であり、前記楔状カム面に緩み防止座金が組み合わされ、前記本体の前記楔状カム面と前記緩み防止座金の前記楔状カム面とが互いに対応して嵌合されることが好ましい。

前記緩み防止座金の前記楔状カム面の背面に設けられた鋸歯状リブ面の鋸歯状リブの断面の傾斜角度は、前記ボルトのリード角より大きく、前記鋸歯状リブの断面の傾斜方向は、前記ボルトのヘリカル方向と反対であることが好ましい。

前記本体及び前記緩み防止座金の硬度は同じであり、前記本体及び前記緩み防止座金の硬度は、前記ボルトのねじ頭部の硬度及び被固定部材の表面硬度よりも大きいことが好ましい。

前記センサ素子は、前記本体が軸方向で受ける力で発生する変形検出値を検出する抵抗式ひずみゲージ又は圧力センサ素子であることが好ましい。

前記信号処理装置は、変形検出値を増幅処理したデジタル信号を、予めキャリブレーションして記憶した締付力パラメータに基づき、演算し続けて締付力値を得て、無線方式によりトルク工具のコントローラへ伝送して前記ボルトの締付力を制御し、前記信号処理装置は、有線方式又は無線方式によりゲートウェイへ伝送し、前記締付力値を監視装置へアップロードし、前記変形検出値が所定値を超えたときに、前記監視装置が警告を発することが好ましい。

前記信号処理装置の前記信号増幅器と、他のマイクロプロセッサ及び他の信号伝達ユニットとは、前記センサ素子と電気的に接続されるとともに、前記ブッシュで覆われ、締付過程で、前記本体が軸方向で受ける力により発生する変形検出値を増幅処理してデジタル信号を得て、予めキャリブレーションして記憶した締付力パラメータに基づき、演算し続けて締付力値を得て、前記他の信号伝達ユニットにより、前記接続線アセンブリを介してリーダー又は通信ボックスに伝送し、締付情報を読取るか、無線方式により前記締付力値をコントローラへ伝送して前記ボルトの締付力を制御し、締付が完了した後、前記リーダー又は前記通信ボックスは、有線方式又は無線方式によりゲートウェイと通信してクラウドサーバへアップロードし、前記ボルトの締付状態を遠隔監視することが好ましい。

本発明のボルト締付力感知座金は、締付けられたボルトの締付力を検出するとともに、ボルトが緩むことを防ぎ、ボルトの締付状態を監視することができる。

本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金の各種緩み防止構造を示す説明図である。本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金を右ねじボルトの緩み防止座金と組み合わせて使用する状態を示す説明図である。本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金を左ねじボルトの緩み防止座金と組み合わせて使用する状態を示す説明図である。本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金を右ねじボルトと組み合わせたときの状態を示す説明図である。図３のボルト締付力感知座金を左右ねじボルトに応用したときの状態を示す分解斜視図である。図３の左右ねじボルトの両方を用いることができる本体の組合せ応用の緩み防止構造を示す断面図である。本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金を右ねじボルトと組み合わせたときの状態を示す説明図である。図６のボルト締付力感知座金を右ねじボルトに応用したときの状態を示す分解斜視図である。図６の右ねじボルトに用いる感知座金の組合せ応用の緩み防止構造を示す断面図である。本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金を左ねじボルトに応用して組み合わせたときの状態を示す説明図である。図９のボルト締付力感知座金を左ねじボルトに応用したときの状態を示す分解斜視図である。図９の左ねじボルトに用いる感知座金の組合せ応用の緩み防止構造を示す断面図である。本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金を左ねじボルトと組み合わせたときの状態を示すもう一つの説明図である。図１２のボルト締付力感知座金を右ねじボルトに応用したときの状態を示すもう一つの分解斜視図である。図１２の左ねじボルトに用いる感知座金の組合せ応用のもう一つの緩み防止構造を示す断面図である。本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金を左ねじボルトに応用して組み合わせたときの状態を示すもう一つの説明図である。図１５のボルト締付力感知座金を左ねじボルトに応用したときの状態を示すもう一つの分解斜視図である。図１５の左ねじボルトに用いる感知座金の組合せ応用のもう一つの緩み防止構造を示す断面図である。本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金を示す組立図である。本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金を示すもう一つの組立図である。本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金の感知座金のキャリブレーションを示す説明図である。本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金の感知座金のもう一つのキャリブレーションを示す説明図である。本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金の応用を示す説明図である。本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金を示すもう一つの組立図である。図２３のボルト締付力感知座金の応用を示す説明図（１）である。図２３のボルト締付力感知座金の応用を示す説明図（２）である。

以下、本発明の目的、特徴及び効果をより分かりやすくするために、具体的な実施形態について図に基づいて詳しく説明する。

図１、図２Ａ、図２Ｂ、図５、図８、図１１、図１４及び図１７を参照する。図１、図２Ａ、図２Ｂ、図５、図８、図１１、図１４及び図１７に示すように、本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金は、少なくとも本体１１及びその緩み防止構造から構成されてなる。本体１１は、金属材料からなるとともに、軸孔１１１を有する。軸孔１１１に対して同軸かつ垂直な両端面は、図１の１ａのように弧形状リブ面１１３に成形されるか、図１の１ｂ及び１ｃのように楔状カム面１１４に成形されるか、図１の１ｄ及び１ｅのように楔状カム面１１４と弧形状リブ面１１３との組合せに成形される。図１の１ａは、弧形状リブ面１１３の弧形状リブ１１３１の傾斜角度１１３２がボルト５のリード角５３より大きくなるようにし、図１の１ａの緩み防止構造を左回転又は右回転のボルトに適用し、図１の１ｂ及び１ｃの楔状カム面１１４の楔状カム１１４１の傾斜角度１１４２をボルト５のリード角５３よりも大きくし、摩擦力でなく張力（ｔｅｎｓｉｏｎ）によりボルト５が緩むことを防ぎ、図１の１ｂ及び１ｃの緩み防止構造は、図２Ａ及び図２Ｂの緩み防止座金４と組み合わせて使用してもよい。図１の１ｄ及び１ｅの緩み防止構造は、一面が弧形状リブ面１１３に成形され、他面が楔状カム面１１４に成形され、図２Ａ及び図２Ｂの緩み防止座金４のうちの１枚を組み合わせて使用してもよい。図１の１ｂ、１ｃ、１ｄ及び１ｅの本体１１の楔状カム面１１４は、組み合わせる緩み防止座金４の楔状カム面４１と等しい寸法及び硬度を有し、使用するボルト５及び被固定部材７の表面よりも硬度が高い。本体１１の楔状カム１１４１の傾斜角度１１４２は、使用するボルト５の回転方向と同じである。緩み防止座金４の楔状カム面４１の背面に設けた鋸歯状リブ面４２の鋸歯状リブ４２１の傾斜角度４２２は、緩み防止座金４の他方の端面の楔状カム４１１の傾斜角度４１２と同じであるが、傾斜方向は反対である。

図３、図４、図５及び図２２を参照する。図３、図４、図５及び図２２に示すように、本発明の一実施形態に係るボルト締付力感知座金（ＢｏｌｔＦｏｒｃｅＳｅｎｓｉｎｇＷａｓｈｅｒ）は、感知座金１、信号処理装置２及び接続線アセンブリ３を含む。感知座金１は、本体１１、センサ素子１２及びブッシュ１３を有する。本体１１は、ボルト５のねじ部５２の外径を組み合わせる同軸の軸孔１１１を有する。本体１１の外周には、内側に凹んだ環状溝１１２が形成される。軸孔１１１に対して垂直な本体１１の両端面には、緩み防止構造がそれぞれ設けられる。緩み防止構造は、弧形状リブ面１１３でもよい。センサ素子１２を環状溝１１２内に貼り合わせ、ボルト５を締付けたときに発生する締付力による変形検出値を本体１１が得る。ブッシュ１３は、金属又はプラスチック材料からなるか、プラスチック絶縁材料により鋳込み成形し、本体１１及びセンサ素子１２を覆って保護する。信号処理装置２は、マイクロプロセッサ２１、信号増幅器２２、ペアリングスイッチ（ｐａｉｒｉｎｇｓｗｉｔｃｈ）２３、電源回路ユニット２４（例えば、商用電源又は電池）、信号伝送ユニット２５（例えば、伝送インタフェースカード）、記憶ユニット２６（例えば、メモリ又はメモリカード）、ＲＦアンテナ２７（又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標））及び警告ユニット２８（例えば、ブザー又は警告灯）を有する。信号増幅器２２、ペアリングスイッチ２３、電源回路ユニット２４、信号伝送ユニット２５、記憶ユニット２６、ＲＦアンテナ２７及び警告ユニット２８は、マイクロプロセッサ２１と電気的に接続される。ペアリングスイッチ２３は、識別のためにＲＦラベルに代替してもよい。また、信号処理装置２は、屋外で使用できるように、表示、マッチ識別、位置決め及び避雷などの機能を有し、所定のパラメータに依り、ボルト５の位置及び締付力の状態をクラウドサーバ９２（図１６を参照する）へ伝送して遠隔監視するか、ボルト５の締付力の変位量が所定範囲を超えたときに警告を行ってもよい。また、感知座金１は、キャリブレーションによりその軸方向力の大きさと、発生する変形検出値との間の関係式を得て、信号処理装置２の記憶ユニット２６に記憶する。接続線アセンブリ３は、ブッシュ１３に挿通され、センサ素子１２及び信号処理装置２と電気的に接続される。上述した実施形態の他、信号処理装置２中の信号増幅器２２、マイクロプロセッサ２１及び信号伝送ユニット２５は、図４に示すように、センサ素子１２を本体１１の環状溝１１２内に貼り合わせるとともに、センサ素子１２と電気的に接続され、ブッシュ１３が信号増幅器２２、マイクロプロセッサ２１、信号伝送ユニット２５及びセンサ素子１２を同時に覆う。そのため、増幅処理されたデジタル信号又はキャリブレーションされたデータは、接続線アセンブリ３及び信号処理装置２を介して外部装置６（例えば、信号リーダー（ｓｉｇｎａｌｒｅａｄｅｒ）、転送装置（ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇｄｅｖｉｃｅ）、コントローラ９１又はクラウドサーバ９２）に伝送される。

上述したように、ボルト５が感知座金１の本体１１の軸孔１１１、被固定部材７の貫通孔７１及び被ロック部材８のねじ孔８１に挿通されて螺合される際、信号処理装置２の信号伝送ユニット２５を介し、感知座金１からの変形検出値を受信する。信号処理装置２のマイクロプロセッサ２１が演算し続けて締付力の変化を得るとともに、同期で無線（例えばＲＦアンテナ）方式によりコントローラ９１まで伝送し（コントローラは、空気駆動、電気駆動又は油圧駆動のトルク締付工具のコントローラである）、コントローラ９１に設定された目標締付力まで締付けると、コントローラ９１が直ちに動力源を切断すると同時に、警報又はランプにより作業員に知らせる。締付けた後、感知座金１の両端面の弧形状リブ面１１３の複数の弧形状リブ１１３１（図５を参照する）が、ボルト５のねじ頭部５１の底部及び被固定部材７の表面にそれぞれ嵌入される。感知座金１の両端面の緩み防止構造は、ボルト５が振動により緩むことを防ぐことができる。また、感知座金１の両端面に弧形状リブ面１１３が設けられている場合、ボルト５は右ねじ又は左ねじのボルトでもよい。図２２に示すように、感知座金１は信号処理装置２を介して有線方式（例えばＲＳ４８５）又は無線方式（例えばＲＦアンテナ）によりゲートウェイ（Ｇａｔｅｗａｙ）３０及び周辺の監視装置（例えばクラウドサーバ９２）と電気的に接続され、遠隔監視を行う。ゲートウェイ３０は、屋外で使用するために、必要に応じて測位装置（例えばＧＰＳ）又は避雷装置を別途設け、所定のパラメータに依り、ボルト５の位置及び締付力の状態をクラウドサーバ９２へ伝達して遠隔監視を行う。ボルト５の締付力の変位量が設定範囲を超えた場合、信号処理装置２の警告ユニット２８又はコントローラ９１により警報を直ちに発する。また、複数の信号処理装置２を同一のゲートウェイ３０に電気的に接続し、コントローラ９１又はクラウドサーバ９２などの周辺装置に伝送してもよい。また、信号処理装置２及び感知座金１へのアクセスはそれぞれ個別に行われてもよい。感知座金１の本体１１の端面又はブッシュ１３上の適宜な箇所には、感知座金１のキャリブレーションに関連したパラメータを識別するか読取る素子が貼り付けられている。例えば、感知座金１の製造番号、一次元又は二次元バーコード、ＲＦラベルなどであり、感知座金１が信号処理装置２に電気的に接続されると、感知座金１のキャリブレーションパラメータを得て、締付力値の演算と、記憶、伝達、監視などその他関連した処理を行ってもよい。このように、本実施形態のボルト締付力感知座金は、ボルト５の締付過程で生じた締付力の変化を把握し、締付けた後、その締付状態を継続的に監視し、振動により緩むか人的要因により壊れたときに警報を直ちに発することにより、構造の安全性を半永久的に確保することができる。また、信号処理装置２の記憶ユニット２６に記憶した施工情報に基づき、関連した責任の追跡・チェックを行ってもよい。

図１、図２Ａ、図２Ｂ、図６、図７、図８、図９、図１０及び図１１を参照する。図１、図２Ａ、図２Ｂ、図６、図７、図８、図９、図１０及び図１１に示すように、本実施形態の感知座金１の本体１１は、軸孔１１１に対して垂直な両端面に設けられた緩み防止構造は、楔状カム面１１４でもよい。楔状カム面１１４は、両端面に円環放射線状に配列された複数の楔状カム（ｗｅｄｇｅｃａｍ）１１４１を有する。本体１１の楔状カム面１１４の楔状カム１１４１の傾斜角度１１４２は、ボルト５のリード角５３より大きい。

図１、図２Ａ、図２Ｂ、図６、図７、図８、図９、図１０及び図１１を参照する。図１、図２Ａ、図２Ｂ、図６、図７、図８、図９、図１０及び図１１に示すように、締付力感知座金１に緩み防止座金４を組み合わせて使用する。緩み防止座金４は、緩み防止座金４の楔状カム面４１と本体１１の楔状カム面１１４とを互いに嵌合して緩むことを防ぐために、本体１１の両端面にそれぞれ配設される。本体１１は、金属材料からなる。本体１１の硬度は、緩み防止座金４と同じ硬度を有し（その硬度の変位量は許容範囲内である）、本体１１の硬度は、ボルト５のねじ頭部５１の硬度及び被固定部材７の硬度よりも大きい。

図１、図２Ａ、図２Ｂ、図６、図７、図８、図９、図１０及び図１１を参照する。図１、図２Ａ、図２Ｂ、図６、図７、図８、図９、図１０及び図１１に示すように、本実施形態の本体１１と組み合わせて使用する緩み防止座金４の楔状カム面４１は、本体１１の楔状カム面１１４と同じ寸法構造である複数の楔状カム４１１を有し、円環放射線状に配列される。緩み防止座金４の他面は鋸歯状リブ面４２であり、円環放射線状に配列されて被固定部材７の端面に対向する複数の鋸歯状リブ４２１を有し、ボルト５を締付けると、鋸歯状リブ４２１が被固定部材７の表面に噛合される。

図２Ａ、図６、図７、図８及び図１４を参照する。図２Ａ、図６、図７、図８及び図１４に示すように、本実施形態で使用するボルト５は右ねじであり、本体１１の楔状カム１１４１の傾斜角度１１４２及び緩み防止座金４の楔状カム４１１の傾斜角度４１２の傾斜方向と、ボルト５のヘリカル方向とは同じである。緩み防止座金４の鋸歯状リブ面４２の鋸歯状リブ４２１の傾斜角度４２２と、緩み防止座金４の楔状カム面４１の傾斜角度４１２とは同じであるが、傾斜方向は反対である。

図１、図２Ａ、図２Ｂ、図１２、図１３、図１４、図１５、図１６及び図１７を参照する。図１、図２Ａ、図２Ｂ、図１２、図１３、図１４、図１５、図１６及び図１７に示すように、本実施形態において、軸孔１１１に対して垂直な本体１１の両端面の緩み防止構造は、前述した２つの形式を組み合わして応用してもよく、ボルト５のねじ頭部５１の底部に対向する本体１１の端面は、弧形状リブ面１１３に成形されてもよい。ボルト５が締付けられるとき、弧形状リブ１１３１をねじ頭部５１の底部に直接嵌入させるため、緩み防止座金４を使用する必要はなく、被固定部材７に対向した端面が楔状カム面１１４に成形される。楔状カム面１１４は、複数の楔状カム（ｗｅｄｇｅｃａｍ）１１４１を有する。複数の楔状カム１１４１は、本体１１の端面に円環放射線状に配列され、その傾斜角度１１４２は、ボルト５のリード角５３より大きく、本体１１は、被固定部材７に対向した端面が楔状カム面１１４に成形され、１組２枚である緩み防止座金４のうちの１枚を組み合わせて使用してもよい。緩み防止座金４は、楔状カム面４１と本体１１の楔状カム面１１４とが嵌合されて緩むことを防ぐ。緩み防止座金４は、楔状カム面４１の背面の鋸歯状リブ面４２の鋸歯状リブ４２１が被固定部材７の端面に嵌入される。鋸歯状リブ４２１の傾斜角度４２２は、ボルト５のリード角５３より大きい。鋸歯状リブ４２１の断面の傾斜方向は、ボルト５のヘリカル方向と反対であり、その作用原理は前述した説明と同じである。

図４、図７、図１０、図１３、図１６、図１８及び図１９を参照する。図４、図７、図１０、図１３、図１６、図１８及び図１９に示すように、本実施形態の接続線アセンブリ３は、コネクタ３１１と結合するデュアルコネクタ接続線３２でもよいし、シングルコネクタ接続線３１でもよい。センサ素子１２のセンサ信号線１２１（図４を参照する）は、コネクタ３１１と電気的に接続される。図１８に示すように、センサ素子１２は、ブッシュ１３上のコネクタ３１１及びデュアルコネクタ接続線３２のコネクタヘッド３１２を介し、信号処理装置２のコネクタ２０と電気的に接続されるか、図１９に示すように、シングルコネクタ接続線３１によりセンサ信号線１２１と電気的に接続され、シングルコネクタ接続線３１をブッシュ１３に挿通させて信号処理装置２のコネクタ２０と電気的に接続させてもよい。

図４、図７、図１０、図１３及び図１６を参照する。図４、図７、図１０、図１３及び図１６に示すように、本実施形態のセンサ素子１２は、本体１１が軸方向で受ける力で発生する変形検出値を検出する、抵抗式ひずみゲージ又は圧力センサ素子（例えば、圧電シート）である。

図２０及び図２１を参照する。図２０及び図２１に示すように、本実施形態の信号処理装置２と感知座金１とを対にして電気的に接続する。感知座金１をキャリブレーションした後、信号処理装置２の記憶ユニット２６には、本体１１の変形検出値と、対応した軸方向の締付力との関係曲線とを記憶し、各感知座金１と、感知座金１と電気的に接続された信号処理装置２とを組み合わせて使用してもよい。図２０を参照する。図２０に示すように、本実施形態のボルト締付力感知座金をキャリブレーションするとき、ボルト５を感知座金１の軸孔１１１と、マスター圧縮ロードセル（ｍａｓｔｅｒｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｌｏａｄｃｅｌｌ）７２の貫通孔７２１と、被固定部材７の貫通孔７１とに挿通させて被ロック部材８のねじ孔８１に締付け、トルクによりアキシャル荷重を発生させ、感知座金１の変形検出値及びマスター圧縮ロードセル７２の軸方向力の数値を得て、感知座金１の変形検出値と締付力との関係曲線を構築するとともに、感知座金１と電気的に接続された信号処理装置２の記憶ユニット２６又は周辺の記憶装置に記憶する。感知座金１のシリアルナンバー及び関連したキャリブレーションパラメータは、一緒に記憶させる。図２１を参照する。図２１に示すように、本実施形態のボルト締付力感知座金をキャリブレーションするとき、圧力機構７３を介して感知座金１と、同軸設置されたマスター圧縮ロードセル７２とに軸方向力を付与し、被固定部材７を感知座金１及びマスター圧縮ロードセル７２の設計範囲内まで下押しし、感知座金１の変形検出値及びマスター圧縮ロードセル７２の軸方向力の数値を得て、感知座金１の変形検出値と締付力との関係曲線を構築し、感知座金１と電気的に接続された信号処理装置２の記憶ユニット２６又は周辺の記憶装置に記憶し、感知座金１のシリアルナンバー及び関連したキャリブレーションパラメータも一緒に記憶する。複数の感知座金１をキャリブレーションするとき、各感知座金１のコードとともに、キャリブレーションパラメータを信号処理装置２の記憶ユニット２６に入力し、対にして記録する。また、各感知座金１のコードは、キャリブレーションパラメータとともに、周辺の記憶装置又はクラウドデータベースに記憶し、施工するときに信号処理装置２へダウンロードして入力し、演算使用する。また、各感知座金１のコードは、キャリブレーションパラメータとともに、一次元又は二次元バーコードをブッシュ１３の外周に貼り付けるか、ブッシュ１３のシングルコネクタ接続線３１に接続し、使用者が有線又は無線のスキャナーによりバーコードを走査し、感知座金１のコード及びキャリブレーションパラメータを信号処理装置２へ入力して対にしてから演算を行う。

図３、図６、図９、図１２及び図１５を参照する。図３、図６、図９、図１２及び図１５に示すように、本実施形態の電源回路ユニット２４は、二次電池、商用電源又はソーラーエネルギー発電源である。マイクロプロセッサ２１は、電源回路ユニット２４の容量が下限に達したときに、警告ユニット２８により通知し、電源回路ユニット２４の交換又は修理を行う。

図２２を参照する。図２２に示すように、本実施形態の信号処理装置２は、所定の時間間隔で感知座金１の締付状態が所定範囲内にあるか否かをチェックし、データを外部装置（例えば、コントローラ９１又はクラウドサーバ９２）に伝送するか、外部装置（例えば、コントローラ９１又はクラウドサーバ９２）を有線方式又は無線方式により信号処理装置２の記憶ユニット２６と電気的に接続させ、感知座金１の締付状態が所定範囲内にあるか否かをチェックする。上述したように、ボルト５の締付作業を行うときは、ボルト５を本体１１の軸孔１１１と、被固定部材７の貫通孔７１と、被ロック部材８のねじ孔８１とに挿通させ、被固定部材７及び被ロック部材８を締付ける。実際の施工工程では、信号処理装置２の信号伝送ユニット２５により、感知座金１からの変形検出信号を受信し、信号処理装置２のマイクロプロセッサ２１が信号をフィルタ増幅処理してデジタル信号に変換し、予めキャリブレーションした締付力パラメータに基づき、継続的に演算して締付力の変化を得るとともに、同期で有線方式（例えばＲＳ４８５）又は無線方式（例えばＲＦアンテナ）により電動インパクトトルク工具に内蔵されたコントローラ９１か、気圧インパクトレンチに接続されたコントローラ９１（図２２を参照する）へ伝送する。コントローラ９１は、気圧駆動、電気駆動又は油圧駆動のコントローラである。ボルト５の締付力がコントローラ９１に設定した締付力の目標値に達した場合、コントローラ９１により動力源を直ちに切断するとともに、警報又はランプにより作業員に知らせる。ボルト５が締付けられた後、感知座金１の両端面の弧形状リブ面１１３の複数の弧形状リブ１１３１（図１及び図４を参照する）は、ボルト５のねじ頭部５１の底部及び被固定部材７の頂部にそれぞれ嵌入される。感知座金１は、両端面の緩み防止構造によりボルト５が振動により緩むことを防ぐことができる。図２２を参照する。図２２に示すように、感知座金１は、信号処理装置２を介して電気的に接続されたゲートウェイ（Ｇａｔｅｗａｙ）３０及び周辺の監視装置（例えばクラウドサーバ９２）により遠隔監視を行う。ゲートウェイ３０は、屋外で使用できるように、必要に応じて測位装置（例えばＧＰＳ）又は避雷装置を別途設け、所定のパラメータに基づき、ボルト５の位置及び締付力の状態をクラウドサーバ９２へ伝送して遠隔監視を行ってもよい。ボルト５の締付力の変位量が設定範囲を超えた場合、信号処理装置２の警告ユニット２８又はコントローラ９１により直ちに警報を発する。また、複数の信号処理装置２は、１つのゲートウェイ３０に電気的に接続された後、コントローラ９１又はクラウドサーバ９２などの周辺装置と電気的に接続されてもよい。さらに、信号処理装置２及び感知座金１へのアクセスはそれぞれ個別に行われてもよい。感知座金１の端面又はブッシュ１３上の適宜な箇所には、感知座金１のキャリブレーションに関連したパラメータを識別するか読取る部材が貼り付けられている。例えば、感知座金１の製造番号、二次元バーコード、ＲＦラベルなどであり、感知座金１が信号処理装置２に電気的に接続されると、感知座金１のキャリブレーションパラメータを得て、締付力値の演算と、記憶、伝達、監視などその他関連した処理を行ってもよい。このように、本発明のボルト締付力感知座金は、ボルト５の締付の施工品質を確保しながら、締付けられた状態を継続的に監視し、構造の安全性を半永久的に確保することができる。また、信号処理装置２の記憶ユニット２６に記憶した施工情報に基づき、関連した責任の追跡・チェックを行ってもよい。

図２３を参照する。図２３に示すように、本実施形態のボルト締付力感知座金１’は、元の信号処理装置２の信号増幅器２２と、センサ素子１２及び他のマイクロプロセッサ２１１と、他の信号伝達ユニット２５１と、を電気的に接続するとともに、ブッシュ１３で覆われ、本体１１が軸方向で受ける力により発生する変形検出値を増幅処理して演算し、締付力を得た後、接続線アセンブリ３を介してリーダー２’又は通信ボックス（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｎｇｂｏｘ）２’’に伝送する（図２４Ｂを参照する）。リーダー２’又は通信ボックス２’’は、元の信号処理装置２の代替として用いられる。リーダー２’又は通信ボックス２’’は、締付力などの情報の読取り又は伝送の機能のみ有し、通信ボックス２’’は、リーダー２’と比べ、無線通信ユニット（ＬＯＲＡその他類似の機能を有する要素）２９が増設され、遠隔監視に用いてもよい。

図２３、図２４Ａ及び図２４Ｂを参照する。図２４Ａに示すように、感知座金１’の締付作業を行う際、センサ素子１２が検出した変形検出値を、他方のマイクロプロセッサ２１１及び信号増幅器２２により増幅処理してデジタル信号を得て、予めキャリブレーションして記憶した締付力パラメータに基づき、締付力値を演算し続け、他の信号伝達ユニット２５１（ＵＡＲＴ）及び接続線アセンブリ３を介してリーダー２’に伝送してから、無線方式により工具のコントローラ９１又は周辺の表示装置に伝送し、所望の締付力になるまで締付けられると、コントローラ９１により動力源を切断するか、表示装置により警告を発して締付けを停止する。締付けた後は、リーダー２’により、有線方式で携帯電話、タブレットコンピュータ又はノート型パソコンと通信し、締付の数字を随時監視してもよい。図２４Ｂに示すように、感知座金１’を締付けた後、他の信号伝達ユニット２５１（ＵＡＲＴ）及び接続線アセンブリ３を介して通信ボックス２’’に伝送してから、有線方式又は無線方式によりゲートウェイ３０に伝送するか、クラウドサーバ９２にアップロードし、ボルトの締付状態を随時、遠隔監視し、数値が設定範囲を超えたときに警告を発する。

当該分野の技術を熟知するものが理解できるように、本発明の好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではない。本発明の主旨と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本発明の特許請求の範囲は、このような変更や修正を含めて広く解釈されるべきである。

１感知座金
１’ 感知座金
２信号処理装置
２’ リーダー
２’’ 通信ボックス
３接続線アセンブリ
４緩み防止座金
５ボルト
６外部装置
７被固定部材
８被ロック部材
１１本体
１２センサ素子
１３ブッシュ
２０コネクタ
２１マイクロプロセッサ
２２信号増幅器
２３ペアリングスイッチ
２４電源回路ユニット
２５信号伝送ユニット
２６記憶ユニット
２７ＲＦアンテナ
２８警告ユニット
２９無線通信ユニット
３０ゲートウェイ
３１シングルコネクタ接続線
３２デュアルコネクタ接続線
４１楔状カム面
４２鋸歯状リブ面
５１ねじ頭部
５２ねじ部
５３リード角
７１貫通孔
７２マスター圧縮ロードセル
７３圧力機構
８１ねじ孔
９１コントローラ
９２クラウドサーバ
１１１軸孔
１１２環状溝
１１３弧形状リブ面
１１４楔状カム面
１２１センサ信号線
２１１他のマイクロプロセッサ
２５１他の信号伝達ユニット
２５２無線通信ユニット
３１１コネクタ
３１２コネクタヘッド
４１１楔状カム
４１２傾斜角度
４２１鋸歯状リブ
４２２傾斜角度
７２１貫通孔
１１３１弧形状リブ
１１３２傾斜角度
１１４１楔状カム
１１４２傾斜角度

Claims

感知座金、信号処理装置及び接続線アセンブリを備えた、ボルト締付力感知座金であって、
前記感知座金は、本体、センサ素子及びブッシュを有し、前記本体は、金属材料からなるとともに、ボルトのねじ部の外径を組み合わせる同軸の軸孔を有し、前記軸孔に対して垂直な前記本体の両端面には、緩み防止構造がそれぞれ設けられ、前記本体の外周には、内側に凹んだ環状溝が形成され、前記センサ素子が前記環状溝内に貼り合わされ、前記本体が軸方向で受ける力により発生する変形検出値を測定し、前記ブッシュは、金属又はプラスチック材料からなるか、プラスチック絶縁材料により鋳込み成形されるとともに、前記本体及び前記センサ素子を覆い、
前記信号処理装置は、信号増幅器、マイクロプロセッサ、ペアリングスイッチ、電源回路ユニット、信号伝送ユニット、記憶ユニット、ＲＦアンテナ及び警告ユニットを有し、
前記接続線アセンブリは、前記ブッシュに配設され、前記センサ素子及び前記信号処理装置と電気的に接続されることを特徴とする、ボルト締付力感知座金。
前記軸孔に対して垂直な前記本体の両端面に設けられた緩み防止構造は、両端面とも弧形状リブ面であるか、両端面とも楔状カム面であるか、一端面が弧形状リブ面で、他端面が楔状カム面であることを特徴とする請求項１に記載のボルト締付力感知座金。
前記軸孔に対して垂直な前記本体の端面に設けられた緩み防止構造は、弧形状リブ面であり、
前記弧形状リブ面の弧形状断面は、傾斜角度が前記ボルトのリード角より大きいとともに、前記ボルトのヘリカル方向とは関係がないことを特徴とする請求項２に記載のボルト締付力感知座金。
前記軸孔に対して垂直な前記本体の端面に設けられた緩み防止構造は、楔状カム面であり、
前記楔状カム面の楔状カムは傾斜角度が前記ボルトのリード角より大きいとともに、前記楔状カムの傾斜方向が前記ボルトのヘリカル方向と同じであることを特徴とする請求項２に記載のボルト締付力感知座金。
前記軸孔に対して垂直な前記本体の端面に設けられた緩み防止構造は、楔状カム面であり、
前記楔状カム面に緩み防止座金が組み合わされ、
前記本体の前記楔状カム面と前記緩み防止座金の前記楔状カム面とが互いに対応して嵌合されることを特徴とする請求項４に記載のボルト締付力感知座金。
前記緩み防止座金の前記楔状カム面の背面に設けられた鋸歯状リブ面の鋸歯状リブの断面の傾斜角度は、前記ボルトのリード角より大きく、
前記鋸歯状リブの断面の傾斜方向は、前記ボルトのヘリカル方向と反対であることを特徴とする請求項５に記載のボルト締付力感知座金。
前記本体及び前記緩み防止座金の硬度は同じであり、
前記本体及び前記緩み防止座金の硬度は、前記ボルトのねじ頭部の硬度及び被固定部材の表面硬度よりも大きいことを特徴とする請求項５又は６に記載のボルト締付力感知座金。
前記センサ素子は、前記本体が軸方向で受ける力により発生する変形検出値を検出する抵抗式ひずみゲージ又は圧力センサ素子であることを特徴とする請求項１に記載のボルト締付力感知座金。
前記信号処理装置は、変形検出値を増幅処理したデジタル信号を、予めキャリブレーションして記憶した締付力パラメータに基づき、演算し続けて締付力値を得て、無線方式によりトルク工具のコントローラへ伝送して前記ボルトの締付力を制御し、
前記信号処理装置は、有線方式又は無線方式によりゲートウェイへ伝送し、前記締付力値を監視装置へアップロードし、前記変形検出値が所定値を超えたときに、前記監視装置が警告を発することを特徴とする請求項１に記載のボルト締付力感知座金。
前記信号処理装置の前記信号増幅器と、他のマイクロプロセッサ及び他の信号伝達ユニットとは、前記センサ素子と電気的に接続されるとともに、前記ブッシュで覆われ、締付過程で、前記本体が軸方向で受ける力により発生する変形検出値を増幅処理してデジタル信号を得て、予めキャリブレーションして記憶した締付力パラメータに基づき、演算し続けて締付力値を得て、前記他の信号伝達ユニットにより、前記接続線アセンブリを介してリーダー又は通信ボックスに伝送し、締付情報を読取るか、無線方式により前記締付力値をコントローラへ伝送して前記ボルトの締付力を制御し、締付が完了した後、前記リーダー又は前記通信ボックスは、有線方式又は無線方式によりゲートウェイと通信してクラウドサーバへアップロードし、前記ボルトの締付状態を遠隔監視することを特徴とする請求項１に記載のボルト締付力感知座金。