JP5858493B2 - 締結要素が引張降伏限界負荷に達したか否かを指示する装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造部品における締結時の締結要素が引張降伏限界負荷に達したか否かを指示する装置および方法に関する。この締結要素はネジ加工された軸を含み、この軸は磁気ひずみ材料を含む。

構造部品における締結要素の締結時には、締結要素と構造部品との間の摩擦の影響によって、締結要素における応力が大雑把にしか推定できない事態が生じる。締結要素に過度に高い応力が負荷されると、締結要素が脆弱化し、破損する可能性がある。締結要素の応力における不確実性のために、締結要素を、最適負荷に対して安全上の余裕を見て締結する必要性が生じるが、その結果、締結要素が最適に使用されず、そのため、締結要素の寸法を大きくするか、あるいはその個数を増やすことが必要になる。締結要素の寸法を大きくするか、あるいはその個数を増やすと、締結要素および構造部品を含む構造体の重量が増大することになる。多くの用途において、構造体の重量を制限することが重要である。締結要素を、例えば、自動車、列車、航空機等の輸送構造体に用いる場合には、構造体の重量増大は運転コストの増加をもたらす。また、締結要素は、構造体を安全に一体化保持するために、十分に高い応力で締結することも重要である。

締結要素における応力を測定する既知の方法は、超音波信号が、伝送器によって締結要素の捩りヘッドから締結要素の軸の端部に送信されることに基づいている。この場合、信号は締結要素の軸の端部で反射される。この方法は、伝送器と、締結要素の捩りヘッドとが相互に物理的に接触しなければならず、十分な信号伝達を得るためにはゲルまたは同等品のような接触手段が必要になるという点で不利である。これによって、締結要素の回転状態において締結要素における応力の測定を実施することが難しくなる。さらに、十分な信号の応答を得るためには、締結要素の軸の特殊設計された端部を用いることが必要になる場合がある。

磁気ひずみ材料を含む軸の単軸引張降伏限界負荷を測定する方法が知られている。この方法は磁化率の最大値を特定することに基づいており、この最大値が単軸引張降伏限界負荷に対応する。この方法は、他方では、引張応力および捩り応力を含む締結要素の締結の場合のような、引張降伏限界負荷を決定するための多軸応力状態には適用できない。それは、磁化率の最大値が多軸引張降伏限界負荷に対応しないからである。

文献特開昭５６−０１９４２３号公報は、構造体において締め付けられたボルトにおける軸力を決定する装置に関する。この決定は、ボルトの頭部における圧縮応力によって形成される磁気的な変化の測定に基づいている。

本発明の第１の目的は、構造部品における締結時の締結要素が引張降伏限界負荷に達したか否かを指示する装置および方法を提供することにある。本発明の第２の目的は、締結される要素の締結を、引張降伏限界負荷に応じて制御する装置および方法を提供することにある。また本発明の第３の目的は、締結要素を最適負荷で締結する装置および方法を提供することにある。

第１の目的は、請求項１の前段部分による装置であって、
軸を貫通する交番磁界の発生手段と、
軸の瞬間磁化率に応じて変化する物理量の測定手段であって、前記磁界が軸を貫通した後にその磁界に曝露されるように調整される物理量の測定手段と、
その物理量の測定値を受信してその物理量の有意の変化を検出するように調整される制御ユニットであって、その有意の変化に基づいて、締結要素の軸が引張降伏限界負荷に達したか否かを指示するように調整される制御ユニットと、
を含むことを特徴とする装置によって実現される。

軸の瞬間磁化率は、磁気ひずみ材料を含む締結要素の軸における応力の変化時に変化する。発生した磁界は、軸を貫通する際に、軸の瞬間磁化率によって影響を受ける。物理量の測定手段は、軸を貫通した後の磁界に曝露され、軸の瞬間磁化率に応じて変化する物理量を測定するように調整される。

制御ユニットは、物理量の測定手段から物理量の測定値を受信してその物理量の有意の変化を検出するように調整される。この物理量の有意の変化が、締結要素の軸の引張降伏限界負荷に対応する。制御ユニットは、物理量の有意の変化を検出すると、締結要素が引張降伏限界負荷に達したことを指示するように調整される。

「引張降伏限界負荷（ｔｅｎｓｉｌｅ ｙｉｅｌｄ ｌｉｍｉｔ ｌｏａｄ）」という用語は、締結要素の軸の材料が弾性状態を超えて塑性状態に遷移する時の負荷のことを言う。

「瞬間磁化率（ｍｏｍｅｎｔａｒｙ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙ）」という用語は、多くの場合ギリシャ文字のχで表されるが、材料が外部磁界の中でどの程度磁化されるかを記述する材料特性のことを言う。磁気ひずみ材料の場合、瞬間磁化率は材料における応力によって影響を受ける。

この装置は、引張降伏限界負荷を指示するのに、締結要素との物理的な接触を必要としないという利点を有する。これによって、構造部品における締結要素の締結の間にも、引張降伏限界負荷を指示できる。この装置によって、締結要素を、締結要素の脆弱化または破損をもたらすような負荷に締結することが避けられる。さらに、締結要素を、構造体を一体化保持するには低過ぎる応力に締結するリスクが低減される。

引張降伏限界負荷に関する情報に基づいて、構造部品における締結要素の締結を最適化することが可能であり、それによって、締結要素および構造部品を含む構造体の重量を低減できる。この装置は、磁気ひずみ材料を含む軸を備えたあらゆるタイプの締結要素に用いることができる。

本発明の一実施態様によれば、物理量の有意の変化が軸のひずみに対して検出される。

本発明の一実施態様によれば、軸のひずみが、締結要素またはネジ付き締結装置の要素の回転と、そのネジ付き軸または締結装置の要素のネジピッチとに基づいて決定される。

「ネジピッチ（ｔｈｒｅａｄｅｄ ｐｉｔｃｈ）」という用語は、締結要素の特定の回転における軸または締結装置の要素の軸方向の変位の程度のことを言う。ネジピッチは、締結要素の異なる形態の間、および締結装置の要素の異なる形態の間において異なる。締結装置の要素は、例えば、回転すると、締結要素の軸における応力に影響を及ぼすボルトまたは類似の要素である。

本発明の一実施態様によれば、制御ユニットが、軸のひずみに対する物理量の主として一定の変化率を特定するように調整され、その場合、前記物理量の有意の変化は、その物理量の主として一定の変化率からの変化が第１の特定値を超えた場合に検出される。

物理量の主として一定の変化率は、少なくとも、締結要素の引張降伏限界負荷までの弾性状態の部分の間に存在する。引張降伏限界負荷において、主として一定の変化率から偏差する物理量の有意の変化が生起する。

本発明の一実施態様によれば、制御ユニットが、物理量の初期値または極大値のいずれかからの絶対的な変化が生じた場合に、物理量の有意の変化を検出するように調整される。

物理量の絶対的な変化に基づく引張降伏限界負荷時の物理量の有意の変化は、異なる強度、長さ、幾何学的形状、寸法等を有する締結要素のような、締結要素の異なる形態において異なる。

本発明の一実施態様によれば、締結要素が、一定または主として一定の回転速度で締結される。この場合、物理量の有意の変化は、締結要素の締結についての時間に関して検出される。一定の回転速度における締結要素の軸のひずみは締結の時間に応じて変化する。

本発明の一実施態様によれば、物理量の測定手段が、磁界が軸を貫通した後にその磁界に曝露されるように調整されるセンサー要素である。この場合、前記物理量は、このセンサー要素の抵抗およびインダクタンスの少なくともいずれかである。センサー要素の抵抗およびインダクタンスは軸の瞬間磁化率に応じて変化する。

本発明の一実施態様によれば、センサー要素が締結要素の捩りヘッドを少なくとも部分的に取り囲むように調整され、その捩りヘッドに捩り力が作用する。

本発明の一実施態様によれば、センサー要素がコイルのような誘導素子である。この誘導素子は、交番磁界に曝露されると電流を誘導するように調整され、この電流が制御ユニットによって検出される。

本発明の一実施態様によれば、交番磁界の発生手段が、１Ｈｚ〜１ＭＨｚ、好ましくは２８Ｈｚ〜３５０Ｈｚの周波数を有する交番電流を受け入れるように調整され、前記交番磁界を発生させる。

本発明の一実施態様によれば、交番磁界の発生手段がコイルのような誘導素子である。この誘導素子は、締結要素の捩りヘッドを少なくとも部分的に取り囲むように調整され、その捩りヘッドに捩り力が作用する。

本発明の一実施態様によれば、誘導素子が磁界センサーであって、そのセンサーのＨａｌｌ効果および磁気抵抗のいずれかに基づいて磁界を検出する磁界センサーである。

本発明の一実施態様によれば、装置が、軸を貫通する静磁界の発生手段を含む。この静磁界によって、物理量の有意の変化が強化され、物理量の有意の変化の検出が容易化される。

本発明の第２の目的は、請求項１１による本発明の実施態様によって実現される。この装置は、捩り力を締結要素またはネジ付き締結装置の要素に伝達するように調整される捩り伝達ユニットを含み、この捩り伝達ユニットは、制御ユニットによって、引張降伏限界負荷に達したことの指示に応じて制御されるように調整される。

本発明の一実施態様によれば、制御ユニットが、引張降伏限界負荷に達したことの指示において、捩り力を締結要素に伝達する捩り伝達ユニットを停止するように調整される。それによって、締結要素を塑性状態に負荷することが防止される。

本発明の一実施態様によれば、制御ユニットが、Ｒｐ０．２の限界による引張降伏限界負荷の指示において、捩り伝達ユニットの締結要素への捩り力の伝達を停止するように調整される。

本発明の一実施態様によれば、制御ユニットが、特定の締結要素に関する引張降伏限界負荷に達したことの情報を保存するように調整される。

本発明の第３の目的は、請求項１２による本発明の実施態様によって実現される。この場合、捩り伝達ユニットが、引張降伏限界負荷に達したことの指示に基づいて、締結要素の負荷を特定の補正値によって補正するために締結要素を回転させるように調整される。

引張降伏限界負荷は、構造部品における締結要素の負荷を特定の補正値によって補正するための基準として用いられる。この補正によって、締結要素に、引張降伏限界負荷から塑性状態への特定の補正値、あるいは弾性状態への特定の補正値を負荷することが可能になる。

本発明の一実施態様によれば、制御ユニットが、特定の締結要素に対する引張降伏限界負荷からの特定の補正値による前記補正の情報を保存するように調整される。

本発明の一実施態様によれば、制御ユニットが、前記物理量に関する測定値を受信し、締結要素の締結完了時にその物理量の情報を保存するように調整される。締結要素の締結は、引張降伏限界負荷において、あるいは、締結要素の応力を特定の補正値によって引張降伏限界負荷から補正した後に完了する。

本発明の一実施態様によれば、この装置は、締結要素の締結完了後に締結要素の軸を貫通する交番磁界を交番磁界の発生手段によって発生するように調整される。そして、この装置は、軸の瞬間磁化率に応じて変化する物理量を物理量測定手段によって測定し、締結要素の締結時の物理量を、締結完了後のある時間間隔における物理量と比較し、その物理量の変化が特定の制御値を超えているか否かを制御ユニットによって決定する。この場合、制御ユニットは、物理量が変化に関する特定の制御値を超えている場合には、変化が特定の制御値を超えていることを指示するように調整される。

締結要素の締結完了後のある時間間隔、例えば数ヶ月または数年を経過すると、締結要素における応力は、構造部品内の動き、あるいは、構造部品または締結要素の材料の降伏等によって低減する可能性がある。締結完了時における瞬間磁化率に応じて変化する物理量を、締結完了後のある時間間隔における瞬間磁化率と比較することによって、締結要素の応力における変化を検出できる。それによって、締結完了後のある時間間隔において十分高い応力を有しない締結要素を検出できる。

上記の目的は、請求項１２〜１５による方法によっても達成される。請求項１２による方法は次のステップを含む。すなわち、
−軸を貫通する交番磁界を発生させるステップと、
−軸の瞬間磁化率に応じて変化する物理量を測定するステップと、
−その物理量の有意の変化を検出するステップと、
−締結要素の軸が引張降伏限界負荷に達したか否かを、物理量の有意の変化に基づいて決定するステップと、
−前記決定に応じて、締結要素が引張降伏限界負荷に達したことを指示するステップと、
を含む。

本発明の一実施態様によれば、この方法は次のステップ、すなわち、
−軸のひずみに対する物理量の主として一定の変化率を特定するステップと、
−その物理量の主として一定の変化率からの偏差が、第１の特定値に達するかあるいはそれを超えた場合に、前記物理量の有意の変化を検出するステップと、
を含む。

本発明の一実施態様によれば、この方法は次のステップ、すなわち
−前記物理量の初期値または極大値のいずれかからの物理量の絶対的な変化を特定するステップと、
−その物理量の絶対的な変化が第１の特定値に達した場合に、前記物理量の有意の変化を検出するステップと、
を含む。

本発明の一実施態様によれば、この方法は次のステップ、すなわち
−軸のひずみを決定するステップと、
−軸のひずみの増大に対する物理量の主として一定の変化率を特定するステップと、
−第１の軸上のひずみ対第２の軸上の物理量を表すグラフにおける直線を確立するステップであって、第１軸におけるオフセットされた特定のひずみ値を始点として前記特定された一定の変化率で延びるような直線を確立するステップと、
−測定物理量が確立された直線とある特定の誤差範囲内で交差する場合に、前記物理量の有意の変化を検出するステップと、
−測定物理量が確立された直線とある特定の誤差範囲内で交差すると、締結要素がオフセットされた引張降伏限界負荷に達したことを指示するステップと、
を含む。

いくつかの状況においては、降伏点が明確に確定されないので、応力−ひずみ曲線の形状から引張降伏限界負荷を決定することが困難である。このような状況においては、引張降伏限界負荷を、例えば０．１または０．２％ひずみのようなオフセットされたひずみに対する物理量、好ましくはインダクタンスの一定の変化率に基づいて定義することができる。決定されたひずみによる測定物理量の点が、ひずみ対物理量を表すグラフにおける確立された直線と交差する場合に、有意の変化が検出される。

決定されたひずみによる測定物理量の交差は、決定されたひずみにおける測定物理量と、直線の対応ひずみにおける確立された直線の物理量との間の差異が第２の特定値より小さいことに対応して、ある誤差範囲内で検出される。

オフセットされたひずみを用いて有意の変化を決定することは、物理量の主として一定の変化率からの偏差に比較して、締結要素が引張降伏限界負荷に達したことの決定および指示における信頼性の改善をもたらす。

「一定の変化率（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｈａｎｇｅ）」という用語は、決定されたひずみによる物理量の測定値の傾きのことを言う。

本発明の一実施態様によれば、この方法は次のステップ、すなわち
−決定されたひずみにおける測定物理量と、確立された直線の対応するひずみにおける確立された直線の物理量の値との間の差異が第２の特定値より小さくなった場合に、前記物理量の有意の変化を検出するステップと、
−前記差異が第２の特定値より小さくなると、締結要素がオフセットされた引張降伏限界負荷に達したことを指示するステップと、
を含む。

本発明の一実施態様によれば、この方法は次のステップ、すなわち
−測定物理量のひずみと、確立された直線の対応する値における確立された直線の物理量の値との間の差異が第３の特定値より小さくなった場合に、前記物理量の有意の変化を検出するステップと、
−前記差異が第３の特定値より小さくなると、締結要素がオフセットされた引張降伏限界負荷に達したことを指示するステップと、
を含む。

本発明の一実施態様によれば、この方法は次のステップ、すなわち
−軸のひずみを、締結要素またはネジ付き締結装置の要素の回転と、そのネジ付き軸または締結装置の要素のネジピッチとに基づいて決定するステップ、
を含む。

本発明の一実施態様によれば、この方法は次のステップ、すなわち
−締結要素が引張降伏限界負荷に達したことの指示に応じて、締結要素の締結を完了するステップ、
を含む。

本発明の一実施態様によれば、この方法は次のステップ、すなわち
−引張降伏限界負荷に達したことの指示に基づいて、締結要素の負荷を特定の補正値によって補正するように締結要素を回転するステップ、
を含む。

以下、本発明を、本発明の異なる実施態様に関する記述によって、かつ添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１ａは、本発明の一実施態様による装置を示す。 図１ｂは、図１ａの装置の一部分の拡大図を示す。 図１ｃは、本発明の第１実施態様による方法全体のブロック図を示す。 図２ａは、インダクタンスの逆数に基づく物理量の有意の変化を検出するための図解の一例を示す。 図２ｂは、インダクタンスに基づく物理量の有意の変化を検出するための図解の一例を示す。 図３ａは、インダクタンスに基づく物理量の有意の変化を検出するための図解の一例を示す。 図３ｂは、抵抗に基づく物理量の有意の変化を検出するための別の例を示す。 図４は、締結要素の捩り角、締結力およびひずみの間の依存性を示す図である。 図５は、交番磁界の周波数による、コイルのインダクタンスおよび抵抗の間の依存性を示す図である。 図６は、本発明の第２実施態様による方法全体のブロック図を示す。 図７ａは、インダクタンスとオフセットされたひずみとに基づいて有意の変化を検出するための図解の一例を示す。 図７ｂは、有意の変化が検出された場合の図７ａの一部分の拡大図を示す。

図１ａは、構造部品５における締結時の締結要素３が引張降伏限界負荷に達したか否かを決定しかつ指示するための装置１の断面図を示す。図１ｂは、図１ａの装置１の一部分の拡大図である。この構成の結果、引張降伏限界の決定および指示は、締結要素３の締結の間にリアルタイムで行われる。

締結要素３は磁気ひずみ材料を含むネジ加工された軸７を含む。締結要素３は、例えば、ボルトまたは同様のネジ付き要素とすることができる。ネジ付き軸７は磁気ひずみ材料を含み、その材料の磁気特性は、材料内の機械的応力によって影響を受ける。磁気ひずみ材料は、例えば、鉄またはニッケルの種々の合金を含む。締結要素３は、捩り力を掛けるための、ネジ付き軸７に結合される捩りヘッド８を有する。

装置１は、軸７および捩りヘッド８を貫通する交番磁界の発生手段９、１２を含む。図示の実施態様においては、交番磁界の発生手段は、第１電流供給ユニット１２から交番電流が供給される第１コイル９を含む。第１コイル９は、捩りヘッド８との接触なしに捩りヘッド８の回りに配置される。第１コイル９と捩りヘッド８との間には空気間隙が設けられ、外部の捩りソケット１３が捩りヘッド８に捩り力を伝達するように調整される。

装置１は、軸７の瞬間磁化率に応じて変化する物理量の測定手段９、１４を含む。この物理量の測定手段は、交番磁界によって影響を受けるように調整されるセンサー要素を含む。図１ａおよび１ｂにおいては、このセンサー要素は、コイル、この場合第１コイル９である。第１コイル９は、軸７を貫通した後の交番磁界に曝露されるように調整される。物理量の測定手段は、また、交番磁界に曝露された後に第１コイル９に生じる物理量を測定するように調整される測定ユニット１４を含む。この物理量は、例えば、第１コイル９のインダクタンスおよび抵抗である。測定ユニット１４は、交番磁界によって第１コイル９内に誘導される電流に基づいて物理量を測定するように調整される。

従って、図示の実施態様においては、交番磁界の発生手段９、１２と、物理量の測定手段９、１４とは同じ第１コイル９である。別の実施態様においては、交番磁界の発生手段９、１２と、物理量の測定手段９、１４とは異なるコイルである。

装置１は、測定ユニット１４から物理量の測定値を受信するように調整される制御ユニット１６を含む。この制御ユニット１６は、受信した物理量の測定値に基づいて、物理量の有意の変化を検出するように調整される。また、制御ユニット１６は、有意の変化を検出した場合、締結要素３の軸７が引張降伏限界負荷に達したか否かを決定しかつ指示するように調整される。引張降伏限界負荷の指示は、例えば、表示灯、ラウドスピーカまたは類似の指示手段１８のような指示手段１８によって実現できる。

装置１は、締結要素３の捩りヘッド８に捩り力を伝達するように調整される捩り伝達ユニット１９を含む。捩り力は捩りソケット１３によって伝達される。

本発明の一実施態様によれば、引張降伏限界負荷の指示が、制御ユニット１６が捩り伝達ユニット１９に停止信号を伝達することによって実現される。この場合、捩り伝達ユニット１９から締結要素の捩りヘッド８への捩り力の伝達が停止される。別の実施態様においては、引張降伏限界負荷の指示が、制御ユニット１６が捩り伝達ユニット１９に指示信号を伝達することによって実現される。この指示信号は、締結要素３の負荷が引張降伏限界負荷から特定の補正値によって補正されるように、捩り伝達ユニット１９を誘発して捩り力を締結要素３の捩りヘッド８に伝達させる。

従って、制御ユニット１６は、引張降伏限界負荷に達したことの指示に応じて、捩り伝達ユニットの締結要素３の捩りヘッド８への捩り力の伝達を制御するように調整される。それによって、制御ユニット１６は、到達した引張降伏限界負荷を特定の補正値によって補正するように調整される。締結要素３が弾性状態に戻るように、あるいは、締結要素３が塑性状態になるように、締結要素３を特定の補正値によって引張降伏限界負荷から補正することが可能である。

装置１は、軸７を貫通する静磁界の発生手段２０、２２を含む。静磁界は、例えば、締結要素３の捩りヘッド８を取り巻く第２コイル２０によって生成される。第２コイル２０は、第２電流供給ユニット２２が第２コイル２０に直流電流を供給することによって静磁界を発生させる。第２コイル２０は第１コイル９の周囲に配置される。

捩りヘッド８は、構造部品５の表面に大部分平行な平面内に広がっている。第１コイル９は本質的にこの平面内に配置されている。同様に第２コイル２０も本質的にその平面内に配置される。この配置によって、発生した交番磁界と静磁界とが締結要素３の軸７を貫通する。

第１コイル９は、交番磁界を発生するために、１Ｈｚ〜１ＭＨｚ、好ましくは２８Ｈｚ〜３５０Ｈｚの周波数を有する交番電流を受け入れるように調整される。発生する交番磁界の周波数が高過ぎると、いわゆる表皮効果のために、磁界が締結要素３の表面を貫通できなくなる。従って、周波数が高過ぎると、締結要素３の引張降伏限界負荷の検出が不可能になる。

図１ｃは、締結要素３の締結時において引張降伏限界負荷を決定するための方法のブロック図を示す。この方法は、締結要素３の締結の間、連続的に用いるように調整される。

この方法のブロック３０は、締結要素３の軸７を貫通する交番磁界を発生させるステップを含む。この場合、この磁界は、締結要素３の軸７の磁気ひずみ特性によって影響を受ける。

この方法は、ブロック３２において、締結要素３の軸７の瞬間磁化率に応じて変化する物理量を測定するステップを含む。この物理量は、例えば、第１コイル９の抵抗またはインダクタンスである。

この方法は、ブロック３４において、物理量の有意の変化を検出するステップを含む。この方法の一実施態様においては、物理量の有意の変化の検出が、締結要素３の軸７のひずみに対する物理量の主として一定の変化率を特定し、かつ、その物理量の主として一定の変化率からの偏差を特定することによって行われる。この方法の別の実施態様においては、物理量の有意の変化の検出が、物理量の絶対的な変化を物理量の初期値または極大値に基づいて検出することによって実現される。

この方法は、ブロック３６において、締結要素の軸７が引張降伏限界負荷に達したか否かを、物理量の有意の変化に基づいて決定するステップを含む。締結要素３が引張降伏限界負荷に達したことが決定されると、この方法は、ブロック３８に従って、引張降伏限界負荷に達したことを指示するステップを含む。

本発明の一実施態様によれば、この指示は、指示信号の伝達を含み、この指示信号は、ブロック４０において、締結要素３の負荷の補正を発動させる。

引張降伏限界負荷に達したことの決定がまだなされていない場合には、この方法は、ブロック３０から繰り返される。従って、この方法は、引張降伏限界負荷が指示される状態になるまで反復されるように調整される。

図２ａ、２ｂ、３ａおよび３ｂは、制御ユニット１６による物理量の有意の変化の検出の異なる実施態様を示す。

図２ａは、締結要素３のひずみによるインダクタンスの逆数および締結力に関する図を示す。図２ａにおいては、物理量としてのインダクタンスの逆数の有意の変化が、締結要素３の軸７のひずみに対するインダクタンスの逆数の主として一定の変化を特定することによって検出される。物理量としてのインダクタンスの逆数の有意の変化は、物理量としてのインダクタンスの逆数の主として一定の変化率からの偏差が第１の特定値を超えた場合に検出される。

図２ａにおいては、約０．３％ひずみから約１．０％ひずみまでのひずみに対するインダクタンスの逆数の連続的な変化率が見られる。この連続的な変化率は破線によって表現されている。この連続的な変化率は、締結要素３が弾性状態にある場合のひずみに対する締結力の連続的な変化率と合致する。

約１パーセントのひずみにおいて、ひずみに対するインダクタンスの逆数の連続的な変化率は偏差し、新しい変化率が開始される。偏差した変化率は破線で描かれているが、この変化率は最初に特定された変化率よりも緩やかである。偏差した変化率は必ずしも連続である必要はない。

図２ａにおいては、ひずみに対する締結力も表現されている。インダクタンスの逆数の主として一定の変化率の偏差が、弾性状態から塑性状態への遷移点、すなわち締結要素３の引張降伏限界負荷に合致していることが看取できる。

図２ａの場合と同様に、図２ｂは、ひずみに対する物理量のインダクタンスと、ひずみに対する締結力とを示す図を表している。物理量としてのインダクタンスの有意の変化の決定は対応する同じ方法で行われる。

図３ａは、締結要素３のひずみによるインダクタンスおよび締結力の図を示す。図３ａにおいては、物理量としてのインダクタンスの有意の変化は、初期値または極大値に基づいてインダクタンスの絶対的な変化を特定することによって検出される。

物理量としてのインダクタンスの初期値または極大値からの絶対的な変化は、締結要素のタイプおよび引張降伏限界の定義に応じて変化する。図３ａにおいては、有意の変化の検出が、ａ、ｂ、ｃ、ｄで符号付けされた４つの異なる信号変化であって、特定のタイプの締結要素に対する初期値から引張降伏限界負荷Ｒｐ０．０１およびＲｐ０．２までの信号変化に基づいて示されている。信号変化ａおよびｂについては、物理量としてのインダクタンスの有意の変化が物理量の初期値に基づいており、信号変化ｃおよびｄの場合は、インダクタンスの有意の変化が物理量の極大値に基づいている。

Ｒｐ０．０１およびＲｐ０．２のような引張降伏限界負荷の異なる定義がある。信号変化ａおよびｃについては、物理量としてのインダクタンスの有意の変化の検出がＲｐ０．０１のタイプの引張降伏限界負荷に対して行われ、信号変化ｂおよびｄの場合は、物理量としてのインダクタンスの有意の変化の検出がＲｐ０．２のタイプの引張降伏限界負荷に対して実現される。

図３ｂに示す場合と同様に、ひずみに対する物理量としての抵抗の有意の変化の検出が示されている。物理量としての抵抗の有意の変化の検出は、物理量としての抵抗の初期値から、信号変化ａ’およびｂ’に対して行われ、物理量としての抵抗の最小値から、信号変化ｃ’およびｄ’に対して実現される。物理量としての抵抗の有意の変化の検出は、図３ａによる決定に対応する方法で実現される。

図４は、締結要素３の捩り角、締結力およびひずみの間の依存性を示す図である。軸７のひずみは、捩り角を伴う締結要素３または締結装置の要素の捩りに基づいて決定される。

捩りは、締結要素３の軸７のひずみおよび締結力に対応している。締結要素３の捩り角、締結力およびひずみの間の依存性は、ネジ付き軸または締結装置の要素のネジピッチに依存している。締結装置の要素は、図には表現されていないが、例えば、回転すると構造部品５に押し付けられるボルトまたは類似の要素である。この回転によって、締結要素３の軸７の応力が増大する。

図５は、コイル９が締結要素３に接続して配置された場合、インダクタンスおよび抵抗が周波数によってどのように変化するかを示している。例えば、コイル９は捩りヘッド８の上部に配置される。コイル９は、締結要素３の捩りヘッド８および軸７に影響を及ぼす交番磁界を発生し、その捩りヘッド８および軸７が、続いて、コイル９のインダクタンスおよび抵抗に影響を及ぼす。従って、図５は、コイル９によって測定される締結要素３からの磁気的な応答を示している。交番磁界の周波数が増大すると、コイル９の抵抗およびインダクタンスが減少し、またその逆も成り立つ。

締結要素３の近傍、例えば締結要素３の捩りヘッド８におけるコイル９の電気インピーダンスが測定される。コイル９の電気インピーダンスは、ｚ（ｆ）＝Ｒ（ｆ）＋ｊωＬとして表現できる。但し、Ｒは、締結要素３と構造部品５と捩りソケット１３とにおける磁気損失に応じて変化する電気抵抗であり、Ｌは、締結要素３と構造部品５と捩りソケット１３との励磁に同調する磁気応答を含むインダクタンスであり、ω＝２πｆである。このｆはコイル９における励磁周波数である。コイル９からの交番磁界が、数Ｈｚ〜数ｋＨｚの特定の周波数間隔においてコイル９のインピーダンスを測定するために用いられる。この交番磁界は、約０．１ｍＴの一定の励磁振幅を有し、測定されるべき機械的応力（ひずみ）の方向と合致する方向を備えている。コイル９が締結要素３と捩りソケット１３と構造部品５との近傍に配置されている場合の周波数の関数としてのＬおよびＲの典型的な測定値が図５に示されている。

締結要素３の特定の材料については、引張降伏点における物理量の一定の変化率の偏差に基づいて引張降伏点を決定することが難しい。図６は、本発明の第２実施態様による方法に関するブロック図を示す。この方法は、このような状況における使用に適している。

この方法は、ブロック３３ａにおいて、締結要素３の軸７のひずみを決定するステップを含むという点で、図１ｃに示す方法と異なっている。軸７のひずみは、例えば、締結要素３またはネジ付き締結装置の要素の回転と、そのネジ付き軸７または締結装置の要素のネジピッチとに基づいて決定できる。

この方法は、さらに、ブロック３３ｂにおいて、締結要素３を締結しながら軸７のひずみに対する物理量の主として一定の変化率を特定するステップを含む。一定の変化率を確立する一例が図７ａに示されており、第１直線Ｌ１の形で表現されている。

締結要素３を締結すると、締結要素３の軸３におけるひずみが徐々に増大する。従って、締結要素３の締結の間、そのひずみによる物理量に関する値を収集して、制御ユニット１６の記憶ユニット内に保存する。物理量の主として一定の変化率は、例えば、収集された値の平均値を見出すことによって特定される。この平均値が第１直線Ｌ１で表現されている。

この方法は、さらに、ブロック３３ｃにおいて、第１軸上のひずみ対第２軸上の物理量を表すグラフにおいて直線Ｌ２を確立するステップを含む。図７ａを参照されたい。直線Ｌ２は、特定のオフセットされたひずみ値、図７ａにおいては０．２％のひずみにおける第１軸を始点として、特定された物理量の主として一定の変化率で延びるように確立される。

この方法は、さらに、ブロック３４ａにおいて、決定されたひずみによる測定物理量が確立された直線Ｌ２と交差する場合に、締結要素３の引張降伏限界負荷に関する物理量の有意の変化を検出するステップを含む。この交差は、決定されたひずみおよび確立された直線Ｌ２の対応するひずみにおける測定物理量と確立された直線の物理量の値との間の差異Ｄ１が、第２の特定値Ｃ２より小さい場合に検出される。

オフセットされたひずみの値を用いることと、そのひずみによる物理量の一定の変化率を特定することと、特定された一定の変化率を含む直線Ｌ２を確立することと、確立された直線との測定値の交差を見出すこととによって、引張降伏限界負荷を、有意の変化の他の検出法に比べて、より確実に検出することが可能になる。これは、特に、引張降伏限界負荷における物理量の有意の変化に対する応答が弱い締結要素３の場合に重要である。

図７ａは、図６に示す方法の引張降伏限界負荷に関する有意の変化を検出するために用いるグラフの一例を示す。このグラフの第１軸、この場合ｘ軸は、軸７の決定されたひずみを表し、グラフの第２軸、この場合ｙ軸は、物理量としてのインダクタンスの逆数の測定値を表す。

インダクタンスの逆数の測定値および軸７のひずみの決定値は、締結要素３を締結する間、連続的に収集される。インダクタンスの逆数の測定値およびひずみの決定値は、グラフにプロットされ、グラフにおいて黒点として表現される。

ひずみによるインダクタンスの逆数の十分な個数の値が収集された後、一定の変化率が確立される。図７ａにおいては、一定の変化率は、グラフにおける丸い黒点に基づいて確立され、第１直線Ｌ１によって表現される。

一定の変化率が確立された後、第２直線Ｌ２が確立される。この第２直線Ｌ２は、特定のオフセットされたひずみ、この場合０．２％のひずみによる第１軸を始点として、確立された一定の変化率、すなわち第１直線Ｌ１の傾きで第１軸から延びている。従って、第２直線Ｌ２は第１直線Ｌ１と同じ傾きを有する。

インダクタンスの逆数の測定値の有意の変化は、決定されたひずみにおける測定物理量と、確立された直線Ｌ２の対応するひずみにおける確立された直線Ｌ２の物理量の値との間の差異Ｄ１が、第２の特定値Ｃ２より小さい場合に検出される。図７ａの一部分の拡大図を示す図７ｂを参照されたい。図７ｂにおいては、×印を付けられた黒点に対して、有意の変化が誤差範囲内で検出される。すなわち、有意の変化は、そのひずみによるインダクタンスの逆数の測定値が、確立された直線Ｌ２と誤差範囲内で交差する場合に検出される。

低励磁周波数における磁化率χは磁気異方性Ｋに逆比例するとして表現できる。これは、特に、熱変化による影響の程度が低い磁化率を有する材料について成り立つ。

材料については次の関係が存在する。

但し、Ｋは次のように記述できる。
Ｋ＝Ｋ_０＋Ｃσ
但し、σは締結要素３における機械的応力であり、Ｃは材料の磁気ひずみに依存する定数であり、Ｋ_０は機械的応力が加えられない場合の磁気異方性である。コイル系に対するインダクタンスは、コイル系と近接接続している磁気材料の透磁率に比例する。

χ＞＞１であるので、透磁率は磁化率にほぼ等しい。従って、

その結果、

すなわち、

となる。

従って、１／Ｌをひずみと共にプロットすると、捩りソケット１３または構造部品５のような周囲の磁気材料が捩りの間に変形されていないという条件の下で、締結要素に対するひずみ曲線が反映される。

本発明は、以上開示した実施態様に限定されず、添付の特許請求の範囲の枠内で修正および変更することが可能である。

例えば、第１電流供給ユニット１２および第２電流供給ユニット２２は同じ電流供給ユニットとすることができる。捩り力は、図１ａおよび１ｂに示すような外部捩りソケット１３、あるいはメスネジ工具のような内部工具のいずれかによって伝達される。

交番磁界の発生手段９、１２および物理量の測定手段９、１４は、静的状態、あるいは、締結要素３または締結装置の要素を回転する捩り伝達ユニット１３、１９と一緒に回転する状態のいずれかにおいて配置される。

Claims (15)

1. 構造部品（５）における締結時の締結要素（３）が引張降伏限界負荷に達したか否かを指示する装置（１）であって、前記締結要素（３）はネジ加工された軸（７）を含み、前記軸（７）は磁気ひずみ材料を含む装置（１）において、
   −捩り力を前記締結要素（３）に伝達するように調整される捩り伝達ユニット（１３、１９）と、
   −前記軸（７）を貫通する交番磁界の発生手段（９、１２）と、
   −前記軸（７）の瞬間磁化率に応じて変化する物理量の測定手段（９、１４）であって、前記磁界が前記軸（７）を貫通した後に前記磁界に曝露されるように調整される物理量の測定手段（９、１４）と、
   −前記物理量の測定値を受信して前記物理量の有意の変化を検出するように調整される制御ユニット（１６）であって、前記有意の変化に基づいて、前記締結要素（３）の軸（７）が引張降伏限界負荷に達したか否かを指示するように調整される制御ユニット（１６）と、
   を含むことを特徴とする、装置（１）。
2. 請求項１に記載の装置（１）において、前記物理量の有意の変化が、前記軸（７）のひずみに対して生じることを特徴とする、装置（１）。
3. 請求項２に記載の装置（１）において、前記軸（７）のひずみが、前記締結要素（３）またはネジ付き締結装置の要素の回転と、前記ネジ付き軸（７）または締結装置の要素のネジピッチとに基づいて決定されることを特徴とする、装置（１）。
4. 請求項２または３のいずれかに記載の装置（１）において、前記制御ユニット（１６）が、前記軸（７）のひずみに対する前記物理量の主として一定の変化率を特定するように調整され、その場合、前記物理量の有意の変化は、前記物理量の主として一定の変化率からの偏差が第１の特定値を超えた場合に検出されることを特徴とする、装置（１）。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置（１）において、前記制御ユニット（１６）が、前記物理量の初期値または極大値のいずれかからの絶対的な変化が生じた場合に、前記物理量の有意の変化を検出するように調整されることを特徴とする、装置（１）。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置（１）において、前記物理量の測定手段（９、１４）が、前記磁界が前記軸（７）を貫通した後に前記磁界に曝露されるように調整されるセンサー要素（９）を含み、その場合、前記物理量は、前記センサー要素（９）の抵抗およびインダクタンスの少なくともいずれかであることを特徴とする、装置（１）。
7. 請求項６に記載の装置（１）において、前記センサー要素（９）が前記締結要素（３）の捩りヘッド（８）を少なくとも部分的に取り囲むように調整され、前記捩りヘッド（８）に捩り力が作用することを特徴とする、装置（１）。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置（１）において、前記交番磁界の発生手段（９、１２）が誘導素子（９）を含み、前記誘導素子（９）は、前記締結要素（３）の捩りヘッド（８）を少なくとも部分的に取り囲むように調整され、前記捩りヘッド（８）に捩り力が作用することを特徴とする、装置（１）。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置（１）において、前記軸（７）を貫通する静磁界の発生手段（２０、２２）を含むことを特徴とする、装置（１）。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置（１）において、前記捩り伝達ユニット（１３、１９）は、前記制御ユニット（１６）によって、引張降伏限界負荷に達したことに応じて制御されるように調整されることを特徴とする、装置（１）。
11. 請求項１０に記載の装置（１）において、前記捩り伝達ユニット（１３、１９）が、引張降伏限界負荷に達したことの指示に基づいて、前記締結要素（３）の負荷を特定の補正値によって補正するために前記締結要素（３）を回転させるように調整されることを特徴とする、装置（１）。
12. 構造部品（５）における締結時の締結要素（３）が引張降伏限界負荷に達したか否かを指示する方法であって、前記締結要素（３）はネジ加工された軸（７）を含み、前記軸（７）は磁気ひずみ材料を含む方法において、
    −捩り伝達ユニット（１３、１９）により捩り力を前記締結要素（３）に伝達するステップと、
    −前記軸（７）を貫通する交番磁界を発生させるステップと、
    −前記軸（７）の瞬間磁化率に応じて変化する物理量を測定するステップと、
    −前記物理量の有意の変化を検出するステップと、
    −前記締結要素（３）の軸（７）が前記引張降伏限界負荷に達したか否かを、前記物理量の有意の変化に基づいて決定するステップと、
    −前記決定に応じて、前記締結要素（３）が前記引張降伏限界負荷に達したことを指示するステップと、
    を含むことを特徴とする、方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、
    −前記軸（７）のひずみに対する前記物理量の主として一定の変化率を特定するステップと、
    −前記物理量の主として一定の変化率からの偏差が第１の特定値を超えた場合に、前記物理量の有意の変化を検出するステップと、
    を含むことを特徴とする、方法。
14. 請求項１２または１３のいずれかに記載の方法において、
    −前記軸（７）のひずみを決定するステップと、
    −前記軸（７）のひずみの増大に対する前記物理量の主として一定の変化率を特定するステップと、
    −第１の軸上の前記ひずみ対第２の軸上の前記物理量を表すグラフにおける直線（Ｌ２）を確立するステップであって、前記第１軸におけるオフセットされた特定のひずみ値を始点として前記特定された一定の変化率で延びるような直線（Ｌ２）を確立するステップと、
    −前記測定物理量が前記確立された直線（Ｌ２）とある特定の誤差範囲内で交差する場合に、前記物理量の有意の変化を検出するステップと、
    −前記測定物理量が前記確立された直線（Ｌ２）とある特定の誤差範囲内で交差すると、前記締結要素（３）が前記オフセットされた引張降伏限界負荷に達したことを指示するステップと、
    を含むことを特徴とする、方法。
15. 請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法において、
    −前記引張降伏限界負荷に達したことの指示に基づいて、前記締結要素（３）の負荷を特定の補正値によって補正するように前記締結要素（３）を回転するステップ、
    を含むことを特徴とする、方法。

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