JPH06200913A - 組立要素、組立方法及び組立機械 - Google Patents

組立要素、組立方法及び組立機械

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JPH06200913A
JPH06200913A JP5259433A JP25943393A JPH06200913A JP H06200913 A JPH06200913 A JP H06200913A JP 5259433 A JP5259433 A JP 5259433A JP 25943393 A JP25943393 A JP 25943393A JP H06200913 A JPH06200913 A JP H06200913A
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JP
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assembly element
force sensor
metal layer
sensor
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JP5259433A
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Serge M Bras
モーリス ブラス セルジュ
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P19/00—Machines for simply fitting together or separating metal parts or objects, or metal and non-metal parts, whether or not involving some deformation; Tools or devices therefor so far as not provided for in other classes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/24—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B31/00—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts
    • F16B31/02—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load
    • F16B2031/022—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load using an ultrasonic transducer

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、低価格、小型且つ使用が容
易でありながら、正確に且つ良好な再現性で実際の緊締
張力を良く表わすパラメータを測定することができるよ
うにした組立要素を提供することにある。 【構成】 組立要素は、対称軸線（Ｘ，Ｘ′）と二つの
面（３，４）を有している。対称形状の力センサ（５）
は、要素（１）の第１面（３）に固定され、組立要素と
同じ対称軸線（Ｘ，Ｘ′）を有する。好ましくは、力セ
ンサ（５）はセラミック支持部材（８）から成ってお
り、その一方の面には中心金属層（９）と環状金属層
（１０）とが付着されており、これらの層は変形に対す
る感度がよい導電性層（１１）によって互いに結合され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ボルト、リベット、ナ
ットあるいは座金や、ケーブル等の連結手段あるいは引
張手段のような組立要素、さらには二つの部分を結合す
るために用いられてその時に緊締張力を受ける他の類似
の要素に関する。本発明の形式の組立要素は、対称軸線
及び２個の対向面を有する。本発明は、組立方法及び組
立機械にも関し、後者の組立機械の語には、手動工具の
みならず、接合部における張力を検査するための機械も
包含される。
【０００２】
【従来の技術】組立要素によって結合された二部品の緊
締張力を測定するために現在までに用いられた方法は、
トルクの測定、あるいは、緊締角度の測定あるいはトル
ク及び緊締角度の測定を組み合わせ、適用可能な場合は
弾性限界で緊張を停止させるものであった。これらの技
術のいずれもが、圧縮力あるいは緊締張力を直接測定す
るものではなく、むしろこの緊締張力を導出できると思
われる二次的パラメータを測定するものである。しか
し、経験として、これらのパラメータと緊締張力との間
の対応関係には再現性がなかったので、その測定値は有
効視されなかった。
【０００３】欧州特許公開第381791号及び米国特許第42
94122号においては、頭部を具備する軸付きボルトのた
めの超音波測定方法が提案されている。頭部に取り付け
られた圧電センサは、軸の自由端により反射される超音
波を受信することができる。センサは、このため平坦で
対称軸に対して垂直位置になければならない。超音波の
遅れは、軸の延長に対応する。しかし、この複雑な方法
は、不確かである。
【０００４】英国特許第1315702号では、電磁装置をボ
ルトの頭部上に配置することによる測定方法が開示され
ている。この方法では、頭部の曲げ変形を測定すること
が可能である。しかし、この装置は、軸方向に垂直な方
向に摺動可能とされているので、圧縮力あるいはけん引
力が加えられた状態で半径方向変形を測定することはで
きない。センサは、ボルト頭部には取り付けられないの
で、緊締に伴なう回転中に信号が不安定となり、これに
よりフィートバック制御が阻害される。センサとボルト
の頭部との間に介在する極めて小量の塵埃により、測定
条件が変化し、結果に誤差が生じることになる。また、
この方法は、非磁性物質に対しては使用できない。更
に、この装置は、かさばり、費用も高い。この種の装置
を単一の組立要素に組み合わせて、これと共に売ること
はほとんど不可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、これらの欠
点を、低価格で、小型で且つ使いやすく、とりわけ本発
明による機械により、正確に且つ再現性良く実際の緊締
張力をより良く代表し且つこれからそれることのないパ
ラメータを測定することができるようにした組立要素に
よって軽減せんとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明による組立要素は
２つの対向面を備え、該要素の第１面上に配置され、好
ましくは該要素と同一の対称軸線を有する力センサを具
備している。本明細書では、対称軸線は、いかなる角度
で回転しても、初めの構造（conformation）を再び与え
る反復軸をも意味するものと解釈される。本発明によれ
ば、センサは、第１面に接合あるいはろう付けにより固
定され、第２面上にはこの要素用の安定な支持手段が設
けられる。例えば、緊締力が発生すると、要素の第１面
は張力、例えば、緊締張力などの張力の関数として、明
らかに再現可能なように変形するので、これに固定され
たセンサは屈曲するだけでなく、その位置により、圧縮
あるいは半径方向にけん引されて、つまり対称軸に対し
て垂直にも変形する。かくて、緊締張力の正しい代表値
がもたらされる。
【０００７】支持手段として、少なくとも３個の丸い突
出部を組立要素の第２面に設けることができる。このた
めに、好ましくは環状のリブを設けることもできる。必
要ならば、この環状リブを数個の弧に細分してもよい。
このリブにより、緊締される部品に十分画定された支持
点が軸線回りに提供され、かくて、得られる結果の再現
性が確実にされる。
【０００８】しかし、支持手段は、第２の面を矯正する
ことにより、あるいは、第２の面を外側から対称軸線に
向かい第１の面の方向に少なくとも３°だけ一部分だけ
でも傾けて、組立要素がこの第２の面を介して、固定し
ようとする部品の上に支承される時、円錐ロッキング効
果を発揮するように形成することもできる。
【０００９】好ましくは、力センサは、セラミック支持
部材からなっており、その一方の面には、中心金属層及
び環状金属層が付着され、これらの層を変形に対して感
度がよく導電性の層、特に、圧電抵抗層によって、互い
に接合する。このようにして、処理が容易で緊締張力を
表わす信号へ変換可能な電気的信号が得られる。しか
し、センサは、電気接点を形成するために、例えば、両
面上を金属被覆された圧電物質（チタン酸バリウム、ジ
ルコン酸鉛、石英等）の円板からなる圧電センサとする
ことが好都合である。
【００１０】別の局面として、本発明は、２つの面を備
えた組立要素であって、該要素の第１の面に配置された
力センサを備え、力センサは、セラミックにより形成さ
れており、その一面上には、中心金属層及び環状金属層
が付着されており、これらの層は変形に対し感度が良好
である導電層、特に圧電抵抗層により接合されているこ
とを特徴とする組立要素に関する。
【００１１】改良例によれば、ヒステリシス効果を回避
し、良好な再現性を確実に得ることができるようにする
ために、支持部材を形成するセラミックの弾性率は、組
立要素のそれより低くされる。組立要素が変形すると、
セラミック支持部材は、副次的な可塑性変形をもたらさ
ずに、部材の変形に追随する。かくて、本発明は、特に
セラミックの弾性率が200GPa以下であり、特に、150GPa
以下及びさらには、100GPa以下である場合の力センサに
関する。
【００１２】リブに対する力の不規則をあらかじめ防止
するために、力センサは円形であると好都合である。こ
れにより、力の差が補償され、緊締張力を計算及び測定
するための上流側のチェーンが簡単になる。
【００１３】力センサは、その長手方向軸が互いに角度
をなしている２個以上の別々のセンサから成っていても
よい。これらの各センサから送られる信号から、上流側
の適切な計算・測定チェーンによって緊締張力を正確に
測定することが可能となる。
【００１４】又、本発明は、対称軸線を有する組立要素
によって、二部品を連結するための方法において、力セ
ンサにより変形を測定することにより緊締張力を測定す
るものであって、センサを組立要素に接合あるいはろう
付けにより固定し、その変形を測定することより成るこ
とを特徴とする方法にも関する。センサによって、要素
の変形よりはむしろ要素の一面の形状を採るセンサの変
形を測定することにより、センサの、つまり要素の全て
の変形、特にその曲げ変形に加えてセンサの半径方向変
位が計算されるので、測定は、より確実なものとなり、
明らかに再現可能となる。
【００１５】本発明は、特に、頭部が上に載置された棹
体を有し、第１及び第２の面が、頭部上に設けられてい
る組立要素に関し、該棹体の自由端は超音波測定方法の
場合のように、対称軸線に対して厳密に垂直方向である
ことも厳密に心出しすることも必要なく、切断あるいは
型打ちにより粗面となっていてもよい。
【００１６】最後に、本発明は、前述の組立要素によっ
て、二部品あるいは数部品を結合するための機械に関す
る。この機械は、組立要素上に嵌合されるようになさ
れ、２個の第１電気接点を備えたソケットを有してお
り、これらの電気接点は、それぞれ、中心金属層及び環
状金属層と接触するように配設されており、これらの接
点の間には二部品を結合する緊締張力の作用の下に、セ
ンサの変形の関数としての信号を提供する測定チェーン
が接続されている。
【００１７】ねじ込み式組立体に対して非常に興味深い
一実施例によれば、計算及び測定チェーンは、二部品の
結合中にレンチにより組立要素に付与されるトルクによ
って発生する副次発生的信号を修正するためのトルク感
知回路を有する。実際、レンチにより与えられるトルク
により、除去される必要のある副次発生的信号が機械に
もたらされていることが発見されたことは意外であっ
た。
【００１８】接点抵抗を防ぐために、上記第１の接点以
外に２つの第２の接点を設け、これを中心金属層と環状
金属層との間に接続して電流源を設けてもよい。
【００１９】測定チェーンは、所望の張力（例えば、緊
締張力）が得られた際には、レンチの回転を中断させる
レンチ用の制御回路を備えることができる。これによ
り、今や、所定の緊締張力で明らかに再現可能な方法
で、ボルト、リベット、ナット等を緊締し、あるいは引
張装置または連結手段(ties)を緊締することができる。
【００２０】センサを組立要素の面に接合することは、
さらに好ましいことであるが、溶着により、これを達成
することも可能である。本発明によるセンサの製造過程
は、まず第１に、例えば、銀／パラジウムペーストで、
基板上に接点をスクリーン印刷し、オーブンで乾燥し、
そしておよそ１０分間程約８５０℃の温度でこれを焼成
する各段階より成っている。一度基板が冷却されると、
センサの抵抗部分がスクリーン印刷され、次いで乾燥さ
れ、約１０分間８５０℃で焼成される。
【００２１】
【実施例】図１において、平行面を有する二部品Ｐ１，
Ｐ２（あるいは同一部品の二部分）は、共通の対称軸線
Ｘ，Ｘ′を有するボルト１及びナット２間に把持されて
いる。ボルトは、0.45重量％のCo、1.48重量％のSi、0.
68重量％のMn、0.65重量％のCr及び0.24重量％のMoから
成り、残りは鉄であるAubert & Duval V300鋼により形
成される。この処理鋼は1800N/mm2の強度と210GPaの弾
性率を有する。ボルトの頭部は上面３と下面４とを有し
ており、これらは軸線Ｘ、Ｘ′に対してほぼ垂直方向に
あり、互いに対向している。対称形状の力センサ５は、
面３に接合され、軸線Ｘ、Ｘ′に対して対称をなしてい
る。少なくとも１ミクロンの厚さの接着剤は、商品名EP
O-TEK 350NOの下にVelizy 78140, impasse Latecoere 1
0番地所在のEpotechnyにより供給されているエポキシ系
接着剤である。面４には丸形の環状リブ６が設けられて
いる。
【００２２】図２は、力センサ５のより詳細な図であ
る。これは、接着剤の層７により面３に接着されてい
る。センサは125GPaの弾性率を有するセラミック支持部
材８を備え、支持部材８の接着材層と接触する面と対向
する面に、圧電抵抗層１１によって連結された中心金属
層９及び環状金属層１０が、スクリーン印刷によって形
成されている。この力センサは円形状をしている。安価
な変形例においては、接点を、多数のスポークによって
連結された中央タブレットと環状部分とから構成しても
よい。
【００２３】図３によれば、力センサはやはり円形をし
ており、その一面には２個の別々のセンサ１２，１３が
設けられており、その長手方向軸は互いに直角を成して
いる。センサ１２及び１３はボルトの頭部の半径と比較
して小さい、例えばその1/10より小さい長さを有してい
る。
【００２４】図６では、力センサ５の圧電抵抗層１１は
中心から始まって時計方向に回転する螺旋形状を有して
いる。この形状により、時計方向にねじ込まれるレンチ
によって発生する副次発生的信号の影響を少なくとも部
分的に修正することができる。
【００２５】図４に図式的に示される機械は、組立要素
１上に嵌合するようになされ、２個の第１の電気接点１
５，１６を備えたソケット１４を有しており、これらの
電気接点は、それぞれ中心金属層９及び環状金属層１０
と接触するように配設されている。これらの接点の間に
は、計算測定チェーン１７が接続されており、二部品Ｐ
１，Ｐ２が受ける緊締張力の作用の下に、力センサの変
形の関数としての信号を与える。
【００２６】チェーン１７と接点１５，１６との間には
トルクセンサを有する回路１８が取り付けられており、
このトルクセンサは、測定チェーン１７に送られる信号
について、二部品Ｐ１，Ｐ２が結合される時、レンチに
より組立要素に加えられるトルクにより発生する副次発
生的信号を修正するように構成されている。保持及び測
定用ソケット１４は常に存在するとしても、レンチは、
ソケット１４自体としてもよく、あるいはナット２に適
用される別個のレンチであってもよい。
【００２７】歯車付電動機１９はボルト１を回転させる
ように、かさ歯車２０を介してソケット１４を制御す
る。測定チェーン１７は制御回路２１も有しており、こ
れは、レンチとして作用するソケット１４の回転を所望
の緊締張力が得られた時に中断させるように歯車付電動
機１９を制御する。
【００２８】図５では、力センサはやはり接点１５及び
１６を介してチェーン１７に接続されるが、接点２２及
び２３により、一方では調整電流源２４に、他方では測
定システムの零電位に接続されている。このため、接点
２２，２３において何らかの偶発的接点抵抗があったと
しても、力センサによりチェーン１７に与えられる信号
には何の影響も及ぼさない。
【００２９】図７では、支持手段の第２の面４は、外側
から軸線ＸＸ′に向かってセンサ５が配置された第１の
面３に近接するように１°だけ傾斜させて形成されてい
る。ただし、この図では傾斜は非常に誇張されている。
【００３０】図８に示す組立要素は頭部３１を載置した
棹体３０を備えている。棹体の自由端３２は平面ではな
く、切り取ったままの粗面となっている。環状力センサ
３４は頭部３１の底面３３に接着されている。ボルトが
緊締されると、このセンサ３４はけん引力で半径方向に
変形する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による組立要素を用いた組立体の立面図
である。
【図２】本発明による組立要素上に結合された力センサ
の横断面図である。
【図３】力センサの変形例の平面図である。
【図４】本発明による機械の概略図である。
【図５】本発明による機械の変形例を示す電気図であ
る。
【図６】力センサの変形例の平面図である。
【図７】本発明による別の組立要素を示す立面図であ
る。
【図８】本発明によるさらに別の組立要素を示す立面図
である。
【符号の説明】
Ｐ１，Ｐ２ 部品 １ ボルト ２ ナット Ｘ，Ｘ′ 対称軸線 ３ 上面 ４ 下面 ５ 力センサ ７ 接着材層 ８ セラミック支持部材 ９ 中心金属層 １０ 環状金属層 １１ 圧電抵抗層 １２，１３ センサ １４ ソケット １５，１６ 電気接点 １７ チェーン １８ 回路 １９ 歯車付電動機 ２０ かさ歯車 ２１ 制御回路

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 二つの面（３，４）を備えた組立要素で
    あって、該要素（５）の第１の面（３）上に配置された
    センサ（５）を有し、該センサが第１の面（３）に接合
    またはろう付けすることにより固定され、当該要素のた
    めの安定した支持手段が第２の面（４）の設けられてい
    ることを特徴とする組立要素。
  2. 【請求項２】 前記支持手段は、第２の面（４）に設け
    られた少なくとも３個の突出部によって、若しくは、第
    ２の面（４）に設けられたリブ（６）によって形成され
    ているか、または、第２の面（４）を矯正することによ
    り、若しくは、第２の面を少なくとも部分的に外側から
    対称軸線（Ｘ、Ｘ’）に向かって第１の面の方向に少な
    くとも３°だけ傾斜させることにより形成されているこ
    とを特徴とする請求項１による要素。
  3. 【請求項３】 組立要素は、頭部が載置された棹体から
    成っており、前記二つの面（３、４）は、頭部に設けら
    れており、棹体の自由端は、軸線に対して、厳密には垂
    直方向にないことを特徴とする請求項１または２による
    要素。
  4. 【請求項４】 対称軸線と二つの面（３、４）を有する
    組立要素であって、該要素の第１の面上に配置された力
    センサ（５）を備えるものにおいて、前記力センサはセ
    ラミック支持部材（８）から成っており、その一方の面
    には中心金属層（９）と環状金属層（１０）とが付着さ
    れており、これらの層は変形に対する感度がよい導電性
    層（１１）によって互いに結合されていることを特徴と
    する組立要素。
  5. 【請求項５】 前記支持部材（８）を構成するセラミッ
    クの弾性率は、組立要素のそれよりも低いことを特徴と
    する請求項４による要素。
  6. 【請求項６】 前記セラミックの弾性率は、２００ＧＰ
    ａより低いことを特徴とする請求項５による要素。
  7. 【請求項７】 前記センサは、螺旋状圧電抵抗層（１
    １）を有することを特徴とする請求項４乃至６のいずれ
    が１項による要素。
  8. 【請求項８】 前記力センサは、２以上の別々のセンサ
    （１２、１３）から成っており、その長手方向軸は互い
    にある角度を成していることを特徴とする請求項１乃至
    ７のいずれか１項による要素。
  9. 【請求項９】 請求項１乃至８のいずれか１項による組
    立要素（１）によって、二つの部品（Ｐ１、Ｐ２）を結
    合するための機械において、組立要素（１）上に嵌合す
    るようになされ、２個の第１電気接点（１５、１６）を
    備えたソケット（１４）を有しており、これらの電気接
    点（１５、１６）は、それぞれ中心金属層（９）及び環
    状金属層（１０）と接触するように配設されており、こ
    れらの接点の間には、前記二部品（Ｐ１、Ｐ２）が受け
    る緊締張力の作用下で、力センサ（５）の変形の関数と
    しての信号を付与する測定チェ−ン（１７）が接続され
    ていることを特徴とする前記機械。
  10. 【請求項１０】 前記測定チェ−ン（１７）は、前記二
    部品（Ｐ１、Ｐ２）の結合中に、レンチによって組立要
    素に加えられるトルクにより発生する副次発生的信号を
    修正するようになされたトルク感知回路（１８）を有し
    ていることを特徴とする請求項９による機械。
  11. 【請求項１１】 前記中心金属層（９）及び環状金属層
    （１０）との間には、第１電気接点（１５、１６）以外
    の２個の第２接点（２２、２３）により電流源（２４）
    が接続されていることを特徴とする請求項９または１０
    による機械。
  12. 【請求項１２】 前記測定チェ−ンは、所望の緊締張力
    に達した時にレンチの回転を中断させる制御回路（２
    １）を有していることを特徴とする請求項９、１０また
    は１１による機械。
  13. 【請求項１３】 対称軸線を有する組立要素によって、
    二つの部品を結合するための方法において、緊締張力は
    力センサにより組立後の変形を計測することによって測
    定され、接合又はろう付けによりセンサを組立要素に固
    定し、その変形を測定することから成ることを特徴とす
    る前記方法。
JP5259433A 1992-09-25 1993-09-22 組立要素、組立方法及び組立機械 Pending JPH06200913A (ja)

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