JP2022041452A

JP2022041452A - ネジ、および、ネジの締め付け制御方法

Info

Publication number: JP2022041452A
Application number: JP2020146660A
Authority: JP
Inventors: 孝太郎森; Kotaro Mori; 史生成田; Fumio Narita
Original assignee: Tohoku University NUC; Ibaraki University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC; Ibaraki University NUC
Priority date: 2020-09-01
Filing date: 2020-09-01
Publication date: 2022-03-11

Abstract

【課題】形状やサイズにかかわらず、比較的簡単に締結力を検査可能であり、締結時に追加部材を要することなく、締結力を調整することができるネジ、および、ネジの締め付け制御方法を提供する。【解決手段】ネジは、磁歪効果を有する材料から成る。その材料は、磁歪材料または、磁歪材料を含む複合材料であることが好ましく、磁歪材料は、Ｃｏを６９ａｔ％乃至７９ａｔ％含む鉄コバルト系磁歪合金であることが好ましい。【選択図】図１

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り・ウェブサイトのアドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１２９９／ｊｓｍｅｍｅｃｊ．２０１９．Ｓ０３１０２ウェブサイトの掲載日：２０１９年（令和１年）９月２日・集会名：日本機械学会２０１９年度年次大会開催日：２０１９年（令和１年）９月８日～９月１１日・ウェブサイトのアドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０１６／ｊ．ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．２０２０．１０８１３１（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ａｒｔｉｃｌｅ／ａｂｓ／ｐｉｉ／Ｓ０２６３２２４１２０３０６６９２？ｖｉａ％３Ｄｉｈｕｂ）ウェブサイトの掲載日：２０２０年（令和２年）７月４日

本発明は、ネジ、および、ネジの締め付け制御方法に関する。

従来、ネジは、多くの機械や構造物で固定のために用いられているが、ネジを用いて固定したものは、ネジの弛みや滑り、疲労、腐食などの様々な要因により破損する可能性がある。特に、多くのネジは、普段から振動等の外力に曝されており、時間の経過と共に締結力が低下して、弛みが発生しやすいため、弛みが破損の最大の要因となっている。ただし、ネジの弛みを防ぐためには、ネジの締結力を単純に増加させればいいというわけではなく、過剰な力でネジを締結したときには、弛みとは別に、ネジおよびその周辺部の破損の原因となる。そこで、ネジの弛み防止や、ネジ周辺部に過度の力が働かないようにするためには、適切なトルクでネジを締結することが求められる。しかし、多くの現場では、経験に頼ったネジの締付けが行われているのが実状であった。

そこで、ネジの内部の力を計測するものとして、超音波を使用してネジの締結状態を検査する装置などが開発されている（例えば、特許文献１参照）。また、ネジの締結力を調整するために、ネジの頭部と非接合部材との間に、圧電素子や超磁歪素子、形状記憶合金などを含む締結力調整部材を設ける構造が開発されている（例えば、特許文献２参照）。

なお、本発明者等により、鉄コバルト系磁歪材料やその複合材料を、安価かつ大量に生産できる方法が開発されている（例えば、特許文献３または４参照）。この鉄コバルト系磁歪材料は、加工しやすく、強度も十分であるため、鉄の替わりに用いることができると考えられる。

特開２０１０－８１５１号公報特開２００１－５０２３０号公報特開２０１７－１６３１１９号公報特開２０１４－８４４８４号公報

特許文献１に記載のネジの締結状態の検査装置は、比較的大掛かりな装置であるため、検査に多大な労力を要すると共に、検査するネジの形状やサイズに制約があるといった課題があった。また、特許文献２に記載の構造は、締結力調整部材に、電圧や磁界、熱などを加えることにより、ネジの締結力を調整可能であるが、ネジを締結する際に、締結力調整部材も一緒に取り付ける必要があり、部材が一つ増えるため、締結時の手間が煩雑になるという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、形状やサイズにかかわらず、比較的簡単に締結力を検査可能であり、締結時に追加部材を要することなく、締結力を調整することができるネジ、および、ネジの締め付け制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るネジは、磁歪効果を有する材料から成ることを特徴とする。

本発明に係るネジは、磁歪効果を有する材料から成っているため、磁場によって締結力を調整することができる。例えば、締結前に磁場を印加して、磁歪効果で弾性変形させておき、締結後に磁場を取り除くことにより、残留応力が付加されるため、増し締めすることができる。これにより、締結時に追加部材を要することなく、締結力を調整することができる。

また、本発明に係るネジは、締結による変形により、逆磁歪効果で内部の磁束密度が変化するため、その磁束密度の変化を測定することにより、内部の軸力を評価することができる。このため、例えば、ホール素子やコイルといった市販の小型のセンサなどにより、磁束密度の変化を測定するだけで、形状やサイズにかかわらず、ワイヤレスかつ非接触で、比較的簡単に締結力を検査することができる。

また、本発明に係るネジは、締結により、内部に引張予荷重を付加することができるため、締結前と比べて、変形による磁束密度の変化が大きくなる。このため、締結力に対する磁束密度の感度が高くなり、高精度で締結力を検査することができる。

本発明に係るネジで、前記材料は、磁歪効果を有し、かつ使用時に破損しない強度を有していれば、いかなるものであってもよく、例えば、磁歪材料または、磁歪材料を含む複合材料であってもよい。また、その磁歪材料は、加工しやすく、強度も十分大きい鉄コバルト系磁歪合金であることが好ましく、特に、磁歪量が１００ｐｐｍより大きい、Ｃｏを６９ａｔ％乃至７９ａｔ％含む鉄コバルト系磁歪合金であることが好ましい。

本発明に係るネジは、磁歪効果を有する材料から成っているため、熱処理や磁場、予荷重により、その特性を変えることができる。このため、使用場所や使用条件などの状況に合わせて、所望の特性にして使用することができる。なお、本発明に係るネジは、雄ネジやボルト、ビスなどである。

本発明に係るネジの締め付け制御方法は、本発明に係るネジの締め付けを制御するためのネジの締め付け制御方法であって、所定の磁場をかけたときの、前記ネジの軸力と磁束密度の変化との関係をあらかじめ求めておく準備工程と、前記所定の磁場をかけた状態で、被締結物に対して前記ネジを締め付けつつ、前記ネジの磁束密度の変化を測定する測定工程と、前記測定工程で測定した前記磁束密度の変化から、前記準備工程で求めた前記関係に基づいて、前記ネジの軸力を推定する推定工程と、前記推定工程で推定した前記軸力が、所望の軸力になるまで、前記ネジの締め付け状態を変化させながら、前記測定工程と前記推定工程とを繰り返す調整工程とを、有することを特徴とする。

本発明に係るネジの締め付け制御方法は、本発明に係るネジを使用して、所望の軸力に調整してネジを締め付けることができ、ネジの締結力を調整することができる。本発明に係るネジの締め付け制御方法は、いかなる方法でネジに磁場をかけてもよく、例えば、磁石やコイルを利用して磁場をかけてもよい。また、いかなる方法で磁束密度の変化を測定してもよく、例えば、ホール素子やコイルといった市販の小型のセンサなどにより磁束密度の変化を測定してもよい。

本発明によれば、形状やサイズにかかわらず、比較的簡単に締結力を検査可能であり、締結時に追加部材を要することなく、締結力を調整することができるネジ、および、ネジの締め付け制御方法を提供することができる。

本発明の実施の形態のネジの一例のスタッドボルトを示す側面図である。図１に示すスタッドボルトを用いた締結試験の試験方法を示す側面図である。図２に示す締結試験結果の、スタッドボルトの締結トルク（Ｔ）と軸方向のひずみ（ε）との関係を示すグラフである。図２に示す締結試験結果の、各磁場での、スタッドボルトの締結トルク（Ｔ）と磁束密度の変化（ΔＢ）との関係を示すグラフである。図２に示す締結試験結果の、スタッドボルトの締結トルク（Ｔ）と、軸力（Ｆ）および磁束密度の変化（ΔＢ）との関係を示すグラフである。

以下、実施例等に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の実施の形態のネジは、磁歪効果を有する磁歪材料、または、磁歪材料を含む複合材料から成っている。本発明の実施の形態のネジは、例えば、加工しやすく、強度も十分大きい鉄コバルト系磁歪合金から成り、使用時に破損しない強度を有している。なお、本発明の実施の形態のネジは、雄ネジやボルト、ビスなどである。

次に、作用について説明する。
本発明の実施の形態のネジは、磁歪効果を有する材料から成っているため、磁場によって締結力を調整することができる。例えば、締結前に磁場を印加して、磁歪効果で弾性変形させておき、締結後に磁場を取り除くことにより、残留応力が付加されるため、増し締めすることができる。これにより、締結時に追加部材を要することなく、締結力を調整することができる。

また、本発明の実施の形態のネジは、締結による変形により、逆磁歪効果で内部の磁束密度が変化するため、その磁束密度の変化を測定することにより、内部の軸力を評価することができる。このため、例えば、ホール素子やコイルといった市販の小型のセンサなどにより、磁束密度の変化を測定するだけで、形状やサイズにかかわらず、ワイヤレスかつ非接触で、比較的簡単に締結力を検査することができる。

また、本発明の実施の形態のネジは、締結により、内部に引張予荷重を付加することができるため、締結前と比べて、変形による磁束密度の変化が大きくなる。このため、締結力に対する磁束密度の感度が高くなり、高精度で締結力を検査することができる。

本発明の実施の形態のネジは、磁歪効果を有する材料から成っているため、熱処理や磁場、予荷重により、その特性を変えることができる。このため、使用場所や使用条件などの状況に合わせて、所望の特性にして使用することができる。

本発明の実施の形態のネジとして、図１に示すスタッドボルト１１を用いて、締結試験を行った。図１に示すように、スタッドボルト１１は、Ｃｏを７１ａｔ％、Ｆｅを２９ａｔ％含む鉄コバルト系磁歪合金から成り、直径ｄが１２ｍｍ（Ｍ１２）、長さｌが１５０ｍｍ、一方の端部側のネジ部１１ａの長さｂ_１が１２ｍｍ、他方の端部側のネジ部１１ｂの長さｂ_２が４８ｍｍ、各ネジ部１１ａ，１１ｂのピッチｐが１．７５ｍｍである。また、スタッドボルト１１は、焼き鈍し処理は行っておらず、長さ方向に平行な磁化容易軸を有している。

図２に示すように、締結試験では、直方体（１００ｍｍ×１００ｍｍ×８０ｍｍ）の被締結体１と、２つのＭ１２のナット２ａ，２ｂを用いた。被締結体１は、中心を通るよう長さ方向に沿って設けられた貫通孔１ａを有している。貫通孔１ａの内径は、１３ｍｍである。また、被締結体１と２つのナット２ａ，２ｂは、非磁性のＳＵＳ３０３製である。締結試験では、まず、被締結体１の貫通孔１ａにスタッドボルト１１を挿入し、スタッドボルト１１の両端のネジ部１１ａ，１１ｂにそれぞれナット２ａ，２ｂを取り付けた。次に、被締結体１を万力で固定すると共に、一方のナット２ａも回転しないように固定した状態で、他方のナット２ｂを、トルクレンチを使用して締め付け、スタッドボルト１１の軸方向のひずみ、および磁束密度の変化を測定した。

軸方向のひずみの測定は、被締結体１の内部に位置するスタッドボルト１１の中心部の側面に、２つのひずみゲージ３を取り付け、各ひずみゲージ３からの出力をデータロガー４により測定して行った。磁束密度の変化の測定は、スタッドボルト１１の一方の端面にホール素子５を、他方の端面にネオジム磁石６を取り付け、ホール素子５の出力をテスラメータ７で測定して行った。なお、締結試験では、磁石を利用して磁場をかけているが、コイルなどいかなる方法で磁場をかけてもよい。

締結試験では、まず、５５０ｍＴの磁場をかけた状態で、トルクレンチにより、他方のナット２ｂの締付トルク（Ｔ）を５～５０Ｎｍの範囲で、５Ｎｍ間隔で変化させたときの、スタッドボルト１１の軸方向のひずみ（ε）を測定した。その結果を、図３に示す。図３に示すように、ひずみは、トルクの大きさにほぼ比例して大きくなっていることが確認された。

次に、磁場の大きさを、磁場なし（０ｍＴ）、２７０ｍＴ、４４８ｍＴ、５５０ｍＴの４段階で変えて、トルクレンチにより、他方のナット２ｂの締付トルク（Ｔ）を５～５０Ｎｍの範囲で、５Ｎｍ間隔で変化させたときの、スタッドボルト１１の磁束密度の変化（ΔＢ）を測定した。その結果を、図４に示す。図４に示すように、磁場がないときには、トルクを変化させても、磁束密度は変化しないことが確認された。また、磁場があるときには、トルクが大きくなるに従って、磁束密度の変化も大きくなり、その磁束密度の変化は、磁場が大きくなるに従って大きくなることが確認された。また、磁束密度の変化は、所定のトルクに達すると飽和しており、その飽和するときのトルクの大きさは、磁場が大きくなるに従って大きくなることも確認された。この結果から、磁場の大きさにより、磁束密度の変化を測定する際の感度を制御できるといえる。

次に、５５０ｍＴの磁場をかけたときについて、図３に示す軸方向のひずみ（ε）の測定結果から、各トルクでのスタッドボルト１１の軸力（Ｆ）を求め、図４に示す磁束密度の変化と合わせて、図５に示す。なお、軸力Ｆは、Ｆ＝Ｅ_ｂ×ε×Ａ_ｇ（ここで、Ｅ_ｂはスタッドボルト１１の縦弾性係数、Ａ_ｇはスタッドボルト１１の断面積）から求めた。図５に示すように、軸力は、トルクの大きさにほぼ比例して変化することが確認された。また、磁束密度の変化は、やや非線形ではあるが、飽和するまでは、トルクが大きくなるに従って大きくなっている。このことから、磁束密度の変化を測定することにより、軸力を評価可能であり、ワイヤレスかつ非接触で、比較的簡単にスタッドボルト１１の締結力を検査できるといえる。

また、図５に示す結果から、所定の磁場をかけたときの、ネジの軸力と磁束密度の変化との関係をあらかじめ求めておくことができるため、以下のように、ネジの締め付けを制御することができる。すなわち、所定の磁場をかけた状態で、被締結物に対してネジを締め付けつつ、ネジの磁束密度の変化を測定し、その測定した磁束密度の変化から、あらかじめ求めておいたネジの軸力と磁束密度の変化との関係に基づいて、ネジの軸力を推定する。その推定した軸力が所望の軸力になるまで、ネジの締め付け状態を変化させながら、磁束密度の変化の測定と軸力の推定とを繰り返す。これにより、所望の軸力に調整してネジを締め付けることができ、ネジの締結力を調整することができる。

１被締結体
１ａ貫通孔
２ａ、２ｂナット
３ひずみゲージ
４データロガー
５ホール素子
６ネオジム磁石
７テスラメータ

１１スタッドボルト
１１ａ、１１ｂネジ部

Claims

磁歪効果を有する材料から成ることを特徴とするネジ。
前記材料は、磁歪材料または、磁歪材料を含む複合材料であることを特徴とする請求項１記載のネジ。
前記磁歪材料は、鉄コバルト系磁歪合金であることを特徴とする請求項２記載のネジ。
前記磁歪材料は、Ｃｏを６９ａｔ％乃至７９ａｔ％含む鉄コバルト系磁歪合金であることを特徴とする請求項２記載のネジ。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のネジの締め付けを制御するためのネジの締め付け制御方法であって、
所定の磁場をかけたときの、前記ネジの軸力と磁束密度の変化との関係をあらかじめ求めておく準備工程と、
前記所定の磁場をかけた状態で、被締結物に対して前記ネジを締め付けつつ、前記ネジの磁束密度の変化を測定する測定工程と、
前記測定工程で測定した前記磁束密度の変化から、前記準備工程で求めた前記関係に基づいて、前記ネジの軸力を推定する推定工程と、
前記推定工程で推定した前記軸力が、所望の軸力になるまで、前記ネジの締め付け状態を変化させながら、前記測定工程と前記推定工程とを繰り返す調整工程とを、
有することを特徴とするネジの締め付け制御方法。