JP5910971B2

JP5910971B2 - 締付固定部材の緩み検出装置

Info

Publication number: JP5910971B2
Application number: JP2013109946A
Authority: JP
Inventors: 吉久岡本; 喜幸浜橋; 宏太郎河原; 大介川本
Original assignee: Inaba Rubber Co Ltd
Current assignee: Inaba Rubber Co Ltd
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: JP2014228465A

Description

本発明は、ボルトやネジなどの締付固定部材の緩みの検出装置に関し、感圧導電性エラストマーを使用して、例えば、自動車や工業用設備等に使用される締付固定部材の経時変化による緩みや、振動等の影響による緩みを検知する緩み締付固定部材の検出装置に関する。

自動車や工業用設備等には多くのボルトやネジなどの締付固定部材が使用されており、これら締付固定部材の緩みを点検する手法として締付固定部材本体に緩みによる回転を検出するためにマーキングを施してそのずれ量を確認する作業が行われおり、マーキングに係わる締付固定部材の緩み検出方法は幾つか提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、その他に緩みを検知する方法が幾つか提案されており、例えば、ネジ緩みの検出法について、ネジ止めされた２つ以上の部材間に圧力センサを設けて、その部材から受ける圧力変位を検出して緩みを検出するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−３６５８号公報特開平５−５２６８４号公報

上記のマーキングに係わる緩み検出方法では、締付固定部材の緩みの点検を検査員が定期的に現地に赴いて目視や画像認識にて確認する作業が行われており、手間と労力がかかってしまう。さらに、締結固定部材が多数ある場合や確認し難い場所への点検作業に時間を要する場合がある。

また、上記の圧力センサを使用した手法では、ネジ止めされた２つ以上の被固定部材間に圧力センサを設けており、被固定部材間に圧力センサを設けるスペースの確保と被固定部材の形状加工が必要であり、被固定部材の組み立て構造上、圧力センサの配置に制限が出る場合がある。また、被締結部材単位におけるネジの緩みを検知することは可能であるが、ネジ単位における緩みを的確に検知することが難しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その特徴とするところは、請求項１の発明においては、複数の被固定部材を重ね合わせた一方側外面から締付固定部材の軸部を挿入して締付け固定する部材締付固定構造の当該締付固定部材の緩み検出装置において、前記一方側外面と前記締付固定部材の頭部の間に取付金具を介在させ、該取付金具に形成した凹部内に、２つの電極が互いに非接触状態で表面から露出して設けられた電極基板と、該電極基板の前記２つの電極に一面側が当接するように配設された感圧導電性エラストマーからなる感圧センサと、該感圧センサの他面側に絶縁材からなるカバー部材とを順に重ねた厚みが前記凹部の深さより小さい時には厚さ調整部材を加えて大きくなるように配設した検出用センサ部材と、前記検出用センサ部材と前記取付金具の中央孔に挿入されて前記複数の被固定部材と共に当該検出用センサ部材および前記取付金具を締付け固定する軸部を有する締付固定部材と、前記電極基板の２つの電極と電気的に接続された制御手段とを備えて構成されるところにある。

請求項２の発明は、前記制御手段が電圧値または抵抗値を計測し、予め設定しておいた所定の閾値を超えたときに緩みを検出することにある。

請求項３の発明は、前記２つの電極が、前記電極基板の表面上に電極基板形状と同心円状に配設した２つの櫛歯形状の電極配線であることにある。

請求項４の発明は、前記締付固定部材が、前記中央孔と前記複数の被固定部材に形成してある貫通孔に挿入されて前記複数の被固定部材の他方側外面へ突出した軸部を有するボルトと、前記軸部の前記他方側外面へ突出した部分に螺着したナットであることにある。

請求項５の発明は、前記締付固定部材が、前記中央孔を通過して前記複数の被固定部材にねじ込む外周面にねじを形成した先細の軸部を有するネジであることにある。

本発明によれば、ボルトやネジなどの締結固定部材で締結固定される複数の被固定部材の一方側外面と締結固定部材の頭部の間に取付金具を介在させて締付ける構造において、前記取付金具の凹部内に前記電極基板と、前記感圧導電性エラストマーからなる感圧センサと、前記絶縁材からなるカバー部材とを順に重ねて、更に必要に応じて調整部材をも重ねて検出用センサ部材として配設し、この検出用センサ部材の全体の厚みが前記凹部の深さより大きくしてあるので、締付固定部材の締付により、取付金具を介して受ける圧力を感圧センサ部材が感知して、締付固定部材が緩みを起こした時点の圧力変化に伴った電気的変化を電極基板の電極と接続された制御手段が計測し、予め設定しておいた所定の閾値を超えたときに緩みを検出することから、各締結固定部材の緩みを瞬時に確認することができ、被固定部材、締結固定部材の脱落や分解等の事故を未然に防止することができ、且つ、点検作業時間を大幅に短縮することができる。締付部材が緩みを起すと、弾力性のある感圧導電性エラストマーからなる感圧センサが圧縮された状態から元の状態に復元しようとして電気抵抗が大きくなるという変化を伴うからである。

また、前記取付金具と、前記電極基板、前記感圧センサ及び前記カバー部材、そして必要に応じて重ねた調整部材からなる検出用センサ部材は中央孔を有しているので、ここに締付固定部材の軸部を挿入して前記複数の被固定部材と共に簡単に固定できる。又、各部材の中央部に締結固定部材の軸部があり、この軸部に固定される頭部が取付金具の中央部を被固定部材方向へ締め付けているので、検出用センサ部の全面に均等に締付力や緩みが伝達され、検出精度が向上する。更に、被固定部材にセンサをそのまま取付ける構造であることから、締付固定部材毎に取り付けることができ、締付固定部材の１本単位における緩みを簡単に検出することができる。さらに、検出用センサ部材の配置場所を気にせず、低コストで取り付けることができる。

加えて、前記電極基板に電極基板外形形状と同心円状に配設した櫛歯形状を有する電極の配線構造にすることにより、電極上に配設された感圧センサと２つの電極面との反応可能領域が広くなることで、より精度の高い締付固定部材の緩みを検出できる利点がある。

前記締付固定部材がボルトとナットの場合には、複数の被固定部材に予め形成してある貫通孔と取付金具や検出用センサ部材の中央孔を一致させておいてから、それらの孔にボルトの軸部を挿通して、重なった複数の被固定部材の他方側外面に突出した部分にナットを螺着して締め付けるだけで良いので、作業が簡潔に行える。

前記締付固定部材がネジの場合には、予め重ねた複数の被固定部材の一方側外面の所定の締結位置に凹部に検出用センサ部材が収納されている取付金具を合わせて、取付金具の中央孔からネジの軸部を挿入して前記一方側外面にその先細の先端が突き当たってから頭部にねじ回しを当てて複数の被固定部材に貫通孔を開けながら複数の被固定部材の全てに到着するまでねじ込んで行く。そして、頭部が取付金具に当接した時点で許容トルクまで締め付けて締付固定が完了するので、作業が簡単である。ネジの場合は、被固定部材がねじ込み可能な柔軟材料であること、比較的軽量で小型の部材である材料の場合に適している。

本発明の実施例の要部断面説明図(ａ)と(ａ)のＸ−Ｘ方向視の感圧センサの通電領域図(ｂ)である。電極基板における電極の概略配置図である。電極基板における電極の他の概略配置図である。締め付けトルクと電圧特性を示すグラフ図である。本発明の応用例に係わる要部断面説明図である。本発明の他の実施例の要部断面説明図(ａ)と要部分解説明図(ｂ)である。本発明の他の実施例の要部断面説明図である。本発明の他の実施例の要部断面説明図である。本発明の他の実施例の要部断面説明図である。

この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。この発明の締付固定部材の緩み検出装置１の実施例は、図１に示すように、複数の被固定部材２を重ね合わせた一方側外面３と締付固定部材としてのボルト４の頭部５の間に検出用センサ部材６を収納する取付金具７を介在させて、これらにボルト４の軸部８を挿入して、重ね合わせた複数の被固定部材２の他方側外面９からの突出部分にナット１０で締付け固定する部材締付固定構造の当該締付固定部材４の緩み検出装置である。

前記被固定部材２は、例えば１つが自動車の構造体で他の１つがその部品である。この実施例においては被固定部材２は２つとしたが個数は問わない。そして、複数の被固定部材２には、貫通孔２１が形成されている。

前記取付金具７は、所定の厚みを有する金属製の材料からなる板材で、その一方側面の中央部に開口して所定の深さを有する凹部１１が形成されており、他方側面の中央部にボルト４の軸部８を挿入するための中央孔１２を有している。この取付金具７は、前記凹部１１に配設する検出用センサ部材６に適切な圧力を付与させる機能を有し、さらに、検出用センサ部材６等の汚染を防止する機能を有する。

前記取付金具７の凹部１１内に収納される前記検出用センサ部材６は、図２、図３に示すように、全体としては平座金形状を有し、２つの電極１３が互いに非接触状態で表面から露出して設けられた電極基板１４と、該電極基板１４の前記２つの電極１３に一面側が僅かの間隔を空けて面するように配設された感圧導電性エラストマーからなる感圧センサ１５と、該感圧センサ１５の他面側に絶縁材からなるカバー部材１６とを順に重ねたものからなるが、これら３つの部材の合計の厚みが前記凹部１１の深さより大きくない場合には、調整部材１７が更に重ね合わされて、前記凹部１１の深さより大きくなるように調整される。これにより、ナット１０を締め付けた時に、検出用センサ部材６の厚さ方向が圧縮されて、電極基板１４の表面上の２つの電極１３が感圧センサ１５で繋がってその電圧信号が制御手段１８に送信され、緩み状態が検知可能となる。また、この検出用センサ部材６の中央部には、前記取付金具７に形成した中央孔１２の形成位置と一致するように、中央孔１２が形成されている。取付金具７が通電性の材料からなる場合には、電極基板１４や感圧センサ１５が加圧されている場合にもその外周縁が取付金具７の凹部１１の内周面と接触しないように、凹部１１の直径よりも幾分小さく形成しておく必要がある。さらに、各部材の中央部に形成した中央孔１２には、ボルト４の軸部８が挿入されて位置決めがなされるので、各部材は軸部８と直交する方向には移動しないが、軸部８の軸心方向に独自に移動することを防止するために各部材をあらかじめ接着剤等で固定するのが望ましい。

前記調整部材１７は、材質としては硬質の絶縁性材料が適し、その外径は凹部１１の内径と同程度とすることにより、電極基板１４や感圧センサ１５の外周縁が凹部１１の内周面と接触することを防止している。そして、前述のように検出用センサ部材６の全体の厚さが取付金具７の凹部１１の深さより小さい場合には感圧センサ１５が作用しないために、それを是正するためである。その厚さは、感圧センサ１５の感度に合わせて適宜選択される。

前記電極基板１４は、ガラス繊維を混入したエポキシ樹脂、またはポリイミドを基材とした多層フィルム等の絶縁性部材からなり、２つの電極１３は当該基板表面に金や銅等の導電性材料をメッキ又はそれに類する化学処理を施すことにより形成されている。２つの電極１３には、それぞれ配線を通じて±の電流が流されて、電極基板１４の表面上に非接接触の状態で配置されている。電極基板１４の外形状が円であれば、同心円状に図２に示す櫛歯電極として形成されたり、図３に示すような単純な平行電極とされる。櫛歯形状であれば、電極１３上に配設される感圧センサ１５と２つの電極１３面との反応可能領域が広くなることで、より精度の高い締付固定部材の緩みを検出できる利点が生じる。

前記感圧導電性エラストマーからなる感圧センサ１５は、ゴム又はエラストマー等の絶縁体中に、金属又はカーボン等の導電粒子を混入、分散させたものであり、無加圧時においては、個々の導電粒子が互いに分離して電気的に絶縁状態にあるが、連続的に圧力を加えて圧縮変形を生じさせた状態では個々の導電粒子が接近又は接触し合うことにより、電気抵抗値が次第に低下するもので、圧力に応じて電気抵抗が変化する性質を有している。感圧センサ３の厚さは、図示の実施例では、０．５ｍｍとされているが、目的や要求に応じて感圧センサの厚さは０．３乃至２．５ｍｍ程度の範囲で適宜変更できる。

前記カバー部材１６は、例えば、ウレタン系ゴム等の絶縁材からなり、カバー部材１６の厚さは前記感圧センサ１５の厚みに応じて変更できる。

前記制御手段１８は、前記２つの電極１３と電気的に接続されており、検査用センサ部材６からもたらされた信号により、ボルト４に対するナット１０の緩みを検出して、それを検査員に判る状態で出力する。具体的には、警報ランプ、警報音、プリンタ、画像への出力、などが挙げられる。また、図５に示すように、制御手段に信号送信機１９を備えておけば、ワイアレス化が出来て遠隔地の受信機２０でこれを受信することで、多数の緩み検出装置を１か所で常時監視することが可能となる。

次に、上記構成からなるこの発明の締付固定部材の緩み検出手段の作用について説明する。まず、ボルト４の軸部８を取付金具７の中央孔１２及び検出用センサ部材６の中央孔１２に挿入しさらに複数の被固定部材２の貫通孔２１にも挿入する。そして、軸部８の他方側外面９よりの突出部分にナット１０を螺合して締め付ける。これによって、頭部５と被固定部材２の一方側外面３の間に取付金具７が挟まれて固定される。被固定部材２がボルト４が締め付けされていない状態では、被固定部材２と取付金具７の凹部１１において、接合された電極基板１４と感圧センサ１５とカバー部材１６の間に僅かな隙間があり、感圧センサ１５に圧力が加わっておらず絶縁状態を保持している。ボルト４の他方側外面９よりの突出部分の軸部８へのナット１０の締め付けにより取付金具７に圧力が加わると、カバー部材１６を介して感圧センサ１５に圧力が加わり圧縮変形することにより電気抵抗変化が生じて導通状態となり、この電気抵抗変化が前記２つの電極１３により取り出され、制御手段１８へ伝達される。この時の導通状態は図１（ｂ）に示す斜線の領域に感圧センサ１５が圧縮変形するので、この領域にある２つの電極１３が通電される。

一方、締結されたボルト４にナット１０の緩みが発生すると、取付金具７に加わっていた圧力が開放されてカバー部材１６への加圧力が解除されるとともに感圧センサ１５への加圧力も解除され、圧力に対応した電気抵抗値の変化が生じる。このとき、感圧センサ１５中の導電粒子同士の接触面積が小さくなることにより電気抵抗値が上昇し、図１に示す実施例では、制御手段１８により電気抵抗値が１０００ｋΩ以上を示したとき、被固定部材２と取付金具７の間に僅かな隙間が発生してボルト４の締付力が完全に開放された状態となった。従って、電気抵抗値の変化を観察すれば初期設定されたボルト４の締付け状態からの緩み具合を確認することができる。なお、発生した電気抵抗値は制御手段１８で電圧に変換することができる。さらに、制御手段１８は複数の信号入力端子を有しており、制御手段１８を一台使用することで、一度に複数本のボルト４の緩みを計測することができる。

ボルト４の締付け具合と電圧特性の関係を示す図４のグラフにおいて、締め付けトルクに対応した電圧変化が確認できる。ナット１０を締め付けた段階では締付けトルクが最大トルクに達した時に電圧値[Ｖ]は最大となり、ナット１０の緩みが開始されて進行してゆくと締付けトルクが次第に小さくなるに伴い電圧値は小さくなる。そして更にナット１０が緩むか、ボルト４の締付力が完全に解放された状態になると電圧値[Ｖ]は零になる。以上のことから、締付けトルクと対応した電気抵抗値の関係を予め調査し、電圧もしくは電気抵抗値の閾値を設定し、所定の閾値を超えたときに緩みを検知するよう制御することが可能である。また、この特性により電圧もしくは電気抵抗値から締付けトルクを推定することができる。

以上の説明は、締付固定部材が、ボルト４とナット１０の場合についてであるが、締結固定部材がネジの場合でも同様である。図示していないがネジは頭部に螺子回し用の−又は＋の溝を形成しており、軸部は先細の先端部を有しているので、この軸部を取付金具７の中央孔１２、検出用センサ部材６の中央孔１２へ挿入し、その先端部が被固定部材２の一方側外面３に当接した段階で、頭部の螺子回しを押圧しながら回転してその先細の先端部が複数の被固定部材２内部へと貫通孔を形成しながら進行してゆくことにより、締付け固定できる。この場合においても、ボルト４、ナット１０の場合と同様に、ネジの緩みを検出できる。

この発明の他の実施例について、図６を参照しながら説明する。この実施例が図１に示す実施例と異なる点は、検出用センサ部材６が、感圧センサ１５を挟んで電極基板１４が各電極１３毎に２つ挟んで存在して構成されている点である。締付トルクが生じた時には、２つの電極基板１４が共に感圧センサ１５に押し付けるために通電するので、図１の実施例と同様の作用効果を生じる。図１の実施例におけるカバー部材１６は、電極基板１４の電極１３と反対側面が絶縁性部材であるので、これがカバー部材１６を兼ねるためとくに必要ではないが、厚み調整のために入れてもよい。

又、他の実施例は、図７に示すように、２つの被固定部材２の一方側外面３と他方側外面９の両側に、それぞれ凹部１１に検出用センサ部材６を収納した取付金具７を取り付けたことである。この緩み検出装置であると、２つの検出用センサ部材６で緩みを検出するので、より精度よく緩みの検出が可能となる。

更に、他の実施例は、図８に示すように、ボルト４の頭部５を直接に被固定部材２の一方側外面３に当てて、もう一方の被固定部材２からの突出部分のボルト４の軸部８にねじ込むナット１０の内部に、検出用センサ部材６を収納し、他方側外面９に当接するようにしたものである。これによると、緩み検出装置１の部品点数を少なくできる。

更に、図９の実施例は、１つの被固定部材２にもう１つの被固定部材２を締付固定部材４の外周にねじを形成している先細の先端部を有する軸部８をねじ込んで取付したものである。頭部５と一方側外面３の間に検出用センサ部材６を収納した取付金具７が、図１の実施例と同様に取り付けられている。この実施例の場合には、一方側外面３を有する非固定部材２にはあらかじめ貫通孔２１が開けられているので、もう１つの被固定部材２に貫通孔を開けながらねじ込んで固定したものである。

この発明は、２以上被固定部材を締め付け固定するあらゆる個所に応用できるので、その利用は全技術分野に及ぶことから利用用途は極めて多大であり、産業への貢献は大きい。

１締付固定部材の緩み検出装置
２被固定部材
３一方側外面
４ボルト（締付固定部材）
５頭部
６検出用センサ部材
７取付金具
８軸部
９他方側外面
１０ナット
１１凹部
１２中央孔
１３電極
１４電極基板
１５感圧センサ
１６カバー部材
１７調整部材
１８制御手段
１９信号送信機
２０受信機
２１貫通孔

Claims

複数の被固定部材を重ね合わせた一方側外面から締付固定部材の軸部を挿入して締付け固定する部材締付固定構造の当該締付固定部材の緩み検出装置において、
前記一方側外面と前記締付固定部材の頭部の間に取付金具を介在させ、該取付金具に形成した凹部内に、２つの電極が互いに非接触状態で表面から露出して設けられた電極基板と、該電極基板の前記２つの電極に一面側が当接するように配設された感圧導電性エラストマーからなる感圧センサと、該感圧センサの他面側に絶縁材からなるカバー部材とを順に重ねた厚みが前記凹部の深さより小さい時には厚さ調整部材を加えて大きくなるように配設した検出用センサ部材と、前記検出用センサ部材と前記取付金具の中央孔に挿入されて前記複数の被固定部材と共に当該検出用センサ部材および前記取付金具を締付け固定する軸部を有する締付固定部材と、前記電極基板の２つの電極と電気的に接続された制御手段とを備えて構成されることを特徴とする締付固定部材の緩み検出装置。
前記制御手段が電圧値または抵抗値を計測し、予め設定しておいた所定の閾値を超えたときに緩みを検出することを特徴とする請求項１記載の締付固定部材の緩み検出装置。
前記２つの電極が、前記電極基板の表面上に電極基板形状と同心円状に配設した２つの櫛歯形状の電極配線であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の締付固定部材の緩み検出装置。
前記締付固定部材が、前記中央孔と前記複数の被固定部材に形成してある貫通孔に挿入されて前記複数の被固定部材の他方側外面へ突出した軸部を有するボルトと、前記軸部の前記他方側外面へ突出した部分に螺着したナットであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の締付固定部材の緩み検出装置。
前記締付固定部材が、前記中央孔を通過して前記複数の被固定部材にねじ込む外周面にねじを形成した先細の軸部を有するネジであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の締付固定部材の緩み検出装置。