(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的安価に、ボルト等の締結体の締付け軸力の弛みを簡単に監視することができる軸力検出用締結体並びに軸力監視システムを提供する。【解決手段】締結体ユニット１は、軸力検出用ボルト１０に、ピン型ロードセル２０，送信器基板３０，ＩＣタグ５０が装着されて構成されている。受信ユニットは、軸力検出用ボルト１０に対して、ワイヤレス電力供給技術を用いて電力を送り、送信器基板３０では、受け取った電力を用いて歪信号を測定し、受信ユニットに送る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被締結体を締結して保持する長尺状の締結体に、
当該締結体の軸力を検出するピン型のロードセルを埋め込んだことを特徴とする軸力検出用締結体。
【請求項２】
前記ロードセルは、
起歪体に歪ゲージが固着されて構成され、
締結体に開設された孔内に接合されていることを特徴とする請求項１記載の軸力検出用締結体。
【請求項３】
前記歪ゲージは、
シリコン半導体からなる抵抗体、または金属薄膜抵抗体を用いていることを特徴とする請求項２記載の軸力検出用締結体。
【請求項４】
前記歪ゲージを組み込んだブリッジ回路、当該ブリッジ回路からのアナログ出力をディジタル変換するＡ／Ｄ変換部、及び前記デジタル変換した歪信号を無線で送信する歪信号送信部を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の軸力検出用締結体。
【請求項５】
前記軸力検出用締結体は、
電磁波を介して無線で供給される電力を受信する電力受信部を備え、
当該電力受信部で受け取った電力で、
前記ブリッジ回路、Ａ／Ｄ変換器、歪信号送信部を駆動させることを特徴とする請求項４記載の軸力検出用締結体。
【請求項６】
請求項４または５記載の軸力検出用締結体と、
当該軸力検出用締結体に関する管理情報を記録するＩＣタグとで構成される締結体ユニット。
【請求項７】
前記ＩＣタグは、前記軸力検出用締結体に固着されていることを特徴とする請求項６記載の締結体ユニット。
【請求項８】
請求項４または５記載の軸力検出用締結体と、
当該軸力検出用締結体から離れた位置で、前記歪信号送信部から送信される歪信号を受信する歪信号受信器を備えることを特徴とする軸力監視システム。
【請求項９】
前記歪信号受信部には、
前記電力受信部に供給する電磁波を発信する発信部が設置されていることを特徴とする請求項８記載の軸力監視システム。
【請求項１０】
前記歪信号送信部は、
前記電力受信部に供給される電磁波を負荷変調することによって歪信号を送信し、
前記信号受信部は、変調された電磁波から歪信号を復調することを特徴とする請求項８記載の軸力監視システム。
【請求項１１】
請求項６または７記載の締結体ユニットと、
前記歪信号送信部から送信される歪信号を受信する歪信号受信器、及び、前記ＩＣタグに対して管理情報を送受信するＩＣタグリーダ／ライタを有する受信ユニットとを備えることを特徴とする軸力監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルトをはじめとする締結体の軸力を検出したり管理する軸力検出用締結体、締結体ユニット、軸力監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種車両、航空機、産業・工作機器などにおいて、ボルト、リベットをはじめとする締結体が広く使用されている。
この締結体を用いれば、対象物を締め付けした状態で保持することができる。例えばボルトとナットで部品をネジ締めすると、被締結体はボルトとナットで締め付け圧縮力を受けると共に、ボルトには引張り方向に軸力が生じた状態で保持される。
【０００３】
ところが、締結体で被締結体をしっかりと締結しても、例えば締結体を取り付けた機械が稼動するといった日常的な稼動によって、経時的に締結体が弛んでその軸力が低下する。
締結体の弛みは、締結機能の低下につながり、疲れ破壊や部品脱落などの原因にもなる。
【０００４】
そこで、締結体の経時的な弛みを監視して、必要に応じてトルクレンチやスパナで増し締めするといった管理が行われている。
締結体の弛みを監視する方法として、従来から、ボルトにマークをつけておいて目視でマークの位置を検査目視でトルクチェックする方法や、ハンマでボルトあるいはボルトの付近を叩き、その打音を耳で聞いて、経験と勘で弛みをチェックする方法が一般的である。
【０００５】
一方、機械的方法、電気的方法または光学的方法を用いて、軸力を機器計測する技術も知られている。
電気的方法としては、（１）特許文献１に示されるように、電気抵抗線歪（ひずみ）ゲージを用いる方法があり、現場で手軽に計測できるといった理由で発展している。また（２）特許文献２に開示されているように超音波で測定する方法もある。
【０００６】
（１）歪ゲージを用いる方法では、まず、ボルトの胴部分に歪ゲージを直接接着剤で貼るか、もしくはボルトの中心部に開けた細い穴に歪ゲージを挿入して接着剤で固め、その歪ゲージで計測用ブリッジを形成する。そして、このボルトを引張試験機にかけて引張荷重を与え、このときの歪出力を静歪計又は動歪計を使って読み取り、引張荷重（軸力）−歪出力の校正を行なう。
【０００７】
そして、校正済みのボルトを使って実際に締付けした後、その歪出力を動歪計で測定することで、校正時に得た引張荷重（軸力）歪出力との対応データに基づいて軸力を算出する。
（２）超音波で軸力を機器計測する方法では、ボルトの一端に超音波発射端子を当てて、その端子からボルトの長さ方向へ超音波ビームを発射する。発射された超音波ビームはボルトの他端で反射されて、元の発射端子に戻ってくるので、この所要時間を、締め付け前（ｔ1）と締め付け後（ｔ2）に測定し、その差異（△ｔ）の半分（往復があるので）に音速を乗ずることにより、ボルトの伸びが正確に測定される。そして、測定したボルトの伸び量を軸力に換算する。
【特許文献１】特開２００５−１４０６５３号公報
【特許文献２】特開２００６−３０８３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように機器を用いて締結体のひずみを計測することによって、締結体が日常の稼動で経時的に弛むのを、経験や勘に頼ることなく監視することができる。そして、締結体の弛みを日常的に監視することによって、締結体の緩みに起因する事故を予防することができる。
しかしながら、（１）の歪ゲージを用いる測定方法の場合、各締結体に歪ゲージを貼り付けた後に校正を行うことが必要となるので、そのための手間がかかる。
【０００９】
（２）の超音波で測定する場合は、超音波探触子を測定しようとする締結体ごとに接触させる必要があり、装置コストもかかる。
本発明は、このような背景のもとに、比較的安価な装置で、ボルト等の締結体の締付け軸力の弛みを簡単に監視することができ、校正の手間も簡単な軸力検出用締結体並びに軸力監視システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明では、ボルトなど長尺状の締結体に、当該締結体の軸力を検出するピン型のロードセルを埋め込んで軸力検出用締結体を構成した。ロードセルを埋め込む時の方向は締結体の軸方向と一致させることが好ましい。
上記ピン型のロードセルは、起歪体に歪ゲージを固着させることによって構成することができ、これを締結体に開設した孔の中に接合することが好ましい。
【００１１】
歪ゲージの抵抗体としては、シリコン半導体あるいは金属薄膜を用いることが好ましい。
上記の軸力検出用締結体において、歪ゲージを組み込んだブリッジ回路、当該ブリッジ回路からのアナログ出力をディジタル変換するＡ／Ｄ変換器、及びデジタル変換した歪信号を無線で送信する歪信号送信部を設けることが好ましい。
【００１２】
軸力検出用締結体には、電磁波を介して無線で供給される電力を受信する電力受信部を設け、当該電力受信部で受け取った電力で、ブリッジ回路、Ａ／Ｄ変換器、歪信号送信部を駆動させることが好ましい。
上記の軸力検出用締結体と、当該軸力検出用締結体から離れた位置で、歪信号送信部から送信される歪信号を受信する歪信号受信器とで、軸力監視システムを構成することができる。
【００１３】
このとき、歪信号受信部に、電力受信部に供給する電磁波を発信する発信部を設置することが好ましい。
上記軸力監視システムにおいて、歪信号送信部では、電力受信部に供給される電磁波を負荷変調することによって歪信号を送信し、信号受信部では、変調された電磁波から歪信号を復調することが好ましい。
【００１４】
上記の軸力検出用締結体と、当該軸力検出用締結体に関する管理情報を記録するＩＣタグとで、締結体ユニットを構成してもよい。この管理情報は、個体識別コード，締付け日時，締付け軸力などである。
このとき、ＩＣタグは軸力検出用締結体に固着することが好ましい。
上記締結体ユニットと、歪信号送信部から送信される歪信号を受信する歪信号受信器、及び、ＩＣタグに対して管理情報を送受信するＩＣタグリーダ／ライタを有する受信ユニットとで、軸力監視システムを構成することもできる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の軸力検出用締結体によれば、締結体に埋め込まれているピン型のロードセルが締結体の軸力を電圧などに変換し出力することができるので、そのロードセルからの出力にもとづいて締結体の軸力を測定することができる。特に、ロードセルを埋め込む方向を締結体の軸方向と一致させれば、ロードセルで正確に軸力を検出できる。
従って、締結体の軸力を経時的に測定することによって、締結体の弛みを監視することができる。また、ハンマリング方法と比べると、経験と勘に頼ることがなく、簡単に短時間で測定が行なえ、また、信頼性も格段に向上する。
【００１６】
また、従来技術（１）のように軸力検出用締結体に歪ゲージを直接貼り付けるのではなく、ピン型のロードセルを締結体に埋め込んだ構成としているので、ロードセル単体でロードセルの校正を行って、歪出力−伸びの関係を求めておけば、変換倍率を乗ずることによって締結体の軸力−歪出力との関係を算出することができる。すなわち、ロードセルを締結体に埋め込んだ後に校正を行わなくても、締結体の軸力−歪出力を算出することができる。
【００１７】
ロードセルの断面積は締結体の断面積と比べて格段に小さいため、校正時の引張力は小さくて済む。従ってロードセルで校正すると、用いる引張試験機も比較的小型のもので清む。
また、１種類のロードセルを、さまざまな種類、サイズの締結体に用いることができるので、この点でも、校正作業に要する手間を簡略化でき、校正に要するコストも軽減できる。
【００１８】
さらに、締結体の孔の中にロードセルを埋め込む工程は、締結体の孔の中に歪ゲージを直接埋め込む工程と比べると作業が容易である。従って、埋め込み工程での不良品の発生が抑えられ、埋め込んだボルトの軸力測定品質が安定する。
本発明に用いるピン型のロードセルは、起歪体に歪ゲージを固着することによって容易に形成できる。このロードセルを締結体に開設された孔内に接合すると、締結体に軸力がかかって伸張するのに伴って、起歪体も軸方向に引っ張られて伸張し、起歪体に固着されている歪ゲージも起歪体と共に変形して抵抗値が変化する。従って、歪ゲージの抵抗値変化を電気信号として取り出すことで、締結体の軸力を測定することができる。
【００１９】
歪ゲージの抵抗体として、シリコン半導体を用いれば、高いゲージ率が得られるので、出力を増幅しなくても高感度で測定することができる。一方、歪ゲージの抵抗体として、金属薄膜を用いれば、ゲージ率は低いが安定した出力が得られる。
上記の軸力検出用締結体において、歪ゲージからのアナログ出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器、及びデジタル変換した歪信号を無線で送信する歪信号送信手段を設けておけば、歪信号送信手段から送信される歪信号を受信することによって、軸力検出用締結体の軸力を検出することができる。
【００２０】
すなわち、上記軸力検出用締結体と、当該軸力検出用締結体から離れた位置で、歪信号送信部から送信される歪信号を受信する歪信号受信器とで、軸力監視システムを構成することができる。
従って、軸力検出用締結体から配線を引き出さなくても、離れた場所に無線で歪信号を取り出すことができる。それによって、締結体の整備点検作業の負担を軽減できる。
【００２１】
軸力検出用締結体に、電磁波を介して無線で供給される電力を受信する電力受信部を設けておいて、当該電力受信部で受け取った電力で、ブリッジ回路、Ａ／Ｄ変換器、歪信号送信部を駆動させれば、軸力検出用締結体に電源バッテリを搭載しなくても歪信号を送信することができる。従って、軸力検出用締結体を小型で実現することができる。
上記軸力監視システムにおいて、電力受信部に供給する電磁波を発信する発信部を、歪信号受信部に設置しておけば、電力受信部と発信部とが同じ場所にあるため、発信部から軸力検出用締結体に無線で電力を供給しながら電力受信部で歪信号を受信するのに適している。
【００２２】
上記軸力監視システムにおいて、歪信号送信部では、電力受信部に供給される電磁波を負荷変調することによって歪信号を送信し、信号受信部では、変調された電磁波から歪信号を復調すれば、歪信号送信部から信号受信部に歪信号を容易に安定して送ることができる。
上記の軸力検出用締結体と、当該軸力検出用締結体に関する管理情報を記録するＩＣタグとで、締結体ユニットを構成すれば、ＩＣタグリーダ／ライタで、ＩＣタグに記録された管理情報を読み出したり、ＩＣタグに管理情報を書き込んだりできる。
【００２３】
従って、軸力検出用締結体の個体識別情報などを容易に得ることができ、検査記録を残すことも可能になる。
このＩＣタグは軸力検出用締結体に固着しておけば、軸力検出用締結体から歪信号を受信するときに、合わせてＩＣタグから管理情報を読み出すことも容易にできる。
上記締結体ユニットと、歪信号送信部から送信される歪信号を受信する歪信号受信器、及び、ＩＣタグに対して管理情報を送受信するＩＣタグリーダ／ライタを有する受信ユニットとで、軸力監視システムを構成すれば、ユニット間で歪信号の送受信と管理情報の送受信を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１，図２は、本発明の一実施形態にかかる締結体ユニットの構成を示す図である。
この締結体ユニット１は、軸力検出用ボルト１０に、ピン型ロードセル２０，送信器基板３０，ＩＣタグ５０が装着されて構成されている。
図３は、締結体ユニット１を用いた軸力監視システムの構成を示すブロック図である。
当該締結体ユニット１とデータを送受信する受信ユニット１００とで、軸力監視システムが構成されている。すなわち、受信ユニット１００は、軸力検出用ボルト１０に対して、ワイヤレス電力供給技術を用いて電力を送り、送信器基板３０では、受け取った電力を用いて歪信号を測定し、受信ユニット１００に送る。
【００２５】
ワイヤレス電力供給方式として、以下では、コイルアンテナ間を貫く磁束の変化で電力を送る誘導結合方式で行うこととするが、電磁後方拡散結合方式、密着型などの方式も採用できる。
１．締結体ユニットの構成
１−１  軸力検出用ボルト１０
軸力検出用ボルト１０は、軸部１１と頭部１２とからなり、軸部１１の外周面にネジ山１３が形成されている。ボルト１０の材質としては、ステンレス，鉄などの金属、ポリカーボネイドやフェノール樹脂などのプラスチック、合金、セラミックが挙げられる。軸部１１と頭部１２とを同じ材質で形成してもよいし、別々の材質で形成してもよい（例えば、軸部１１は鉄、頭部１２はプラスチックで形成）。
【００２６】
ボルト１０はナット２と対で、被締結体３を締結して保持する。締結した状態で、被締結体３には圧縮力が加わり、軸部１１にはこの圧縮力に相当する大きさの引っ張り軸力Ｐが加わる。
ボルト１０には、中心軸に沿って、頭部１２から挿入孔１４が開設され、この挿入孔１４に、ボルト１０の軸力を検出するためのピン型ロードセル２０が埋め込まれている。
【００２７】
このようにしてロードセル２０を埋め込むと、その方向が軸部１１の軸方向と一致するので、ロードセル２０で正確に軸力が検出できる。
また、ボルト１０の挿入孔１４中にロードセル２０を埋め込む工程は、ボルト１０の孔の中に歪ゲージを直接埋め込む工程と比べると作業が容易である。従って、この埋め込み工程で不良品が発生するのも抑えられ、軸力測定の品質も安定する。
【００２８】
ピン型ロードセル２０には、歪信号を送信する送信器基板３０が取り付けられている。
ボルト１０の頭部１２には、凹部１５が形成され、送信器基板３０はこの凹部１５にはまり込んでいる。
また、凹部１５の開口部はキャップ４０で蓋われ、このキャップ４０に、ボルト１０の管理情報を記録するＩＣタグ５０が埋め込まれている。
【００２９】
１−２  ピン型ロードセル２０と送信器基板３０の設置
ピン型ロードセル２０は歪ゲージ式のロードセルであって、加えられる荷重の大きさを測定して電気信号として出力することができる。
ロードセル２０は、柱状又は板状の起歪体２１に、歪ゲージ２２が接着されて構成されている。起歪体２１の両端には挿入孔１４の内壁に接合される円柱状の接合端部２１ａ，２１ｂが形成され、この接合端部２１ａ，２１ｂは、挿入孔１４の内径とほぼ同等の径を有し、接着材などで挿入孔１４の内壁に強固に接合されている。
【００３０】
起歪体２１は、アルミ合金や鋼材で作られた弾性体であって、歪ゲージ２２が貼り付けられるゲージ貼付部２１ｃと、その両端に形成された接合端部２１ａ，２１ｂとからなる。接合端部２１ａ，２１ｂと歪ゲージ形成部分とは、同一材料で一体形成することが望ましいが、別体で作製して接着剤などで接合してもよい。
接合端部２１ａ，２１ｂは、挿入孔１４の径とほぼ同等の径に設定されて挿入孔の内壁に強固に接合されている。
【００３１】
例えば挿入孔１４の径は直径３ｍｍであり、接合端部２１ａ，２１ｂの直径は２．９ｍｍである。
組み立て時には、送信器基板３０を装着したロードセル２０を、挿入孔１４に挿入し、接合端部２１ａ，２１ｂの外周部を、挿入孔１４の内壁に接着剤で強固に接合する。そして、凹部１５を蓋するように、キャップ４０を頭部１２に取り付ける。
【００３２】
ボルト１０とナット２で被締結体３を締め付けると、締め付け軸力Ｐに応じて軸部１１が伸張し、起歪体２１と、歪ゲージ２２も変形してその抵抗値が変化する。従って、この歪ゲージ２２の抵抗値変化を電気信号として取り出すことで、軸力を測定できる。
抵抗値変化は、ブリッジ回路で電圧信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器でデジタル信号として取り出す。
【００３３】
この内容は、「３．ロードセル２０によるボルト１０の軸力検出」のところで詳しく説明する。
なお、ここでは図２に示すように送信器基板３０を頭部１２の凹部１５に埋め込むこととしたが、送信器基板３０を頭部１２の外表面上に貼り付けてもよい。
また、頭部１２が金属で形成されている場合は、送信器基板３０のアンテナ部分（アンテナコイル３５）を、頭部１２の外側に配置したり、頭部１２を取り巻くように配置することが好ましい。
【００３４】
ボルト１０にＩＣタグ５０を装着する形態についても、図２に示す例ではキャップ４０内にＩＣタグ５０を埋め込んだが、ボルト近傍の適当な部位に取り付けたり埋め込んだりしてもよい。例えば、ボルト１０とセットで使う座金に取り付けてもよい。
１−３  送信器基板３０
送信器基板３０は、起歪体２１の接合端部２１ｂに接合され、歪ゲージ２２と配線でつながっている。
【００３５】
送信器基板３０には、受信回路３１，定電圧回路３２，Ａ／Ｄ変換器３３，送信回路３４，アンテナコイル３５，ブリッジ回路３６などが設けられている。
受信回路３１は、交流電磁界中でアンテナコイル３５が誘導発生する交流電圧を直流に整流して、定電圧回路３２に供給するとともに、Ａ／Ｄ変換器３３，送信回路３４に対しても駆動用電圧として電力を供給する。
【００３６】
定電圧回路３２は、ブリッジ回路３６の入力端子Ａ−Ｃ間に、一定のブリッジ電圧Ｅを供給する。
歪ゲージ２２の抵抗変化をブリッジ回路３６から電圧として安定に出力する上で、ブリッジ電圧Ｅを一定に保つことが重要である。定電圧回路３２として、結合係数Ｋが変化するのに応じて抵抗値が変化する分路抵抗を備える分路調整器を用いることが好ましい。
【００３７】
詳しくは、３−３「ブリッジ回路３６への電圧供給」で説明する。
Ａ／Ｄ変換器３３は、ブリッジ回路３６の出力端子（Ｂ−Ｄ間）の出力電圧を、デジタル信号に変換する。この信号は、ボルトにかかる歪（軸力）と対応関係があるので「歪データ（歪信号）」とする。
送信回路３４は、Ａ／Ｄ変換器３３で生成された歪データ（デジタル信号）を、受信ユニット１００の歪信号受信回路１０２に送る。
【００３８】
このデータ送信については、「４．送信器基板３０と受信ユニット１００との間のデータ転送」のところで詳しく説明する。
１−４  ＩＣタグ５０
電源回路５１は、交流電磁界中でアンテナコイル５２が発生する交流電圧を直流に整流してメモリ回路５３に供給するとともに、ＩＣタグリーダ／ライタ１１０とのデータ送受信を行う。
【００３９】
電源回路５１からＩＣタグリーダ／ライタ１１０へのデータ送信は、搬送波を負荷変調する負荷変調方式を用いて行い、ＩＣタグリーダ／ライタ１１０から電源回路５１へのデータ送信も搬送波を変調する方式で行う。これによって無線で安定してデータを送ることができる。
メモリ回路５３は、電源回路５１から供給される直流電圧で駆動されて、メモりから管理データ（主としてボルト１０に固有のデータであって管理に用いる。例えば、ボルト１０の個体識別コード、使用部位、初期の軸力値や組み立て日時、過去に測定したボルト１０の軸力）を読み出して、ＩＣタグリーダ／ライタ１１０に送信したり、ＩＣタグリーダ／ライタ１１０から送信される管理データを受信してメモリに書き込む。
【００４０】
２．受信ユニット１００の構成
電源発信回路１０１は、アンテナコイル１０６から高周波の交流電磁波を発生する。その周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚである。
歪信号受信回路１０２は、この電磁波を搬送波として送られてくる歪信号を受信して復調し、歪データを生成する。ここで得られる歪データにばらつきが生じる可能性を考慮して、歪信号受信回路１０２で歪データを繰り返し生成して平均化処理をすることが好ましい。
【００４１】
軸力換算回路１０３は、歪信号受信回路１０２で復調した歪データを、軸力データに変換する。
この変換は、あらかじめボルト１０について、歪データ値と軸力値との対応表を作成し記憶しておき、当該対応表を参照することによって容易に行うことができる。
比較部１０４は、軸力換算回路１０３で算出した軸力データと、評価用データ（例えば、あらかじめ準備してある軸力の適正範囲を示すデータ、あるいはＩＣタグリーダ／ライタ１１０がＩＣタグ５０から読み取った個体データ）とを比較する。
【００４２】
表示部１０５は、軸力換算回路１０３で算出した軸力データや、比較部１０４で評価した評価結果などを画面に表示する。
ＩＣタグリーダ／ライタ１１０は、上記電源発信回路１０１と同様に、アンテナコイルから高周波の交流電磁波を発生してＩＣタグ５０に電力を供給するとともに、軸力換算回路１０３で算出した軸力データを電源回路５１に送信したり、必要に応じて管理データを電源回路５１に送信したり、電源回路５１から送られる軸力データや管理データを受信する。
【００４３】
３．ロードセル２０によるボルト１０の軸力検出
歪ゲージ２２は、ベース２３上に抵抗体２４，保護被膜２５が積層されて構成され、起歪体２１のゲージ貼付部２１ｃ周面上又は平面上に接着剤２６で接着されている。抵抗体としては、金属薄膜もしくはシリコンに不純物をドーピングしたシリコン半導体を用いることが好ましい。
【００４４】
３−１  抵抗体として金属薄膜を用いる場合
ボルト１０を締め付けると、締め付け軸力Ｐに応じて軸部１１が伸張する（Ｌ→Ｌ＋ΔＬ）。ロードセル２０の接合端部２１ａ，２１ｂは軸部１１に強固に接合されているので、軸部１１が伸張するのに伴って、起歪体２１のゲージ貼付部２１ｃも軸方向に引っ張られて伸張する（ｌ→ｌ＋Δｌ）。また、起歪体２１に貼り付けられた歪ゲージ２２も変形する。
【００４５】
歪ゲージ２２における抵抗体２４の抵抗値Ｒは、Ｒ＝ρＬ／Ａであらわされる。また、抵抗体に張力が加わってその長さｌが伸びる（ｌ→ｌ＋Δｌ）と、断面積が減少するので、抵抗値Ｒは増加する（Ｒ→Ｒ＋ΔＲ）。
Ｌ：抵抗体の長さ
Ａ：抵抗体の断面積
ρ：抵抗体の固有抵抗率
機械的ひずみと歪ゲージ抵抗体の抵抗変化との比率（ゲージ率Ｇ）は、金属薄膜ではＧ＝（ΔＲ ／Ｒ）／（ΔＬ／Ｌ）である。
【００４６】
一般の金属はポアソン比σは０．３〜０．６程度と小さく、ゲージ率Ｇは１．６〜２．２程度である。歪ゲージに使用されている金属薄膜のゲージ率Ｇも、室温で約２であり、使用温度 によって少し変化する。
歪ゲージの抵抗変化は大変微小であるが、以下のように、ホイートストンブリッジ回路を用いることによって、当該抵抗変化を電圧変化に換算（ひずみ−電圧換算）することができる。
【００４７】
図３に示すように、ブリッジ回路３６は、４個の抵抗が結線されてなり、４つの結線部分に端子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを有しており、相対する２組の端子の一方（端子Ａ−Ｃ）にはブリッジ電圧Ｅが印加され、他方（端子Ｂ−Ｄ）から出力電圧ｅが検出される。
Ａ−Ｂ間の抵抗値をＲ1，Ｂ−Ｃ間の抵抗値をＲ2，Ｃ−Ｄ間の抵抗値をＲ3，Ｄ−Ａ間の抵抗値をＲ4とすると、端子Ａ−Ｃ間に印加されるブリッジ電圧Ｅと、端子Ｂ−Ｃ間に出力される出力電圧ｅとの関係は、
ｅ＝Ｅ（Ｒ1Ｒ3−Ｒ2Ｒ4）／（Ｒ1＋Ｒ2）（Ｒ3＋Ｒ4）で表わされる。
【００４８】
このようなホイートストンブリッジ回路において、４個の抵抗の中、１つ以上にゲージ抵抗体を用いる。
例えば、１アクチブゲージ法では、図に示す端子Ａ−Ｂ間に、ゲージ抵抗体を挿入する。
この場合、ブリッジ回路からの出力特性は、
Δｅ＝（１／４）ＧＥΔε…（式１）
であらわされ、機械的ひずみ変化Δεとブリッジ出力電圧変化Δｅとは比例する。例えば、ゲージ率Ｇ＝２．０，ブリッジ電圧Ｅ＝４ＶとするとΔｅ＝２Δεとなる。
【００４９】
４アクチブゲージ法では、図５に示すように、４個の歪ゲージＲｇ1，Ｒｇ2，Ｒｇ3，Ｒｇ4を柱状又は板状の起歪体２１（ゲージ貼付部２１ｃ）に貼り付ける。すなわち、歪ゲージＲｇ1と歪ゲージＲｇ3とは、起歪体２１の中心軸に対して互いに対称な位置に、中心軸に沿った方向に貼り付ける。歪ゲージＲｇ2と歪ゲージＲｇ4とは、起歪体２１の中心軸に対して互いに対称な位置に、中心軸に対して垂直方向に貼り付ける。
【００５０】
そして、この４個のＲｇ1，Ｒｇ2，Ｒｇ3，Ｒｇ4を、ブリッジ回路３６の抵抗Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4として組み込むように接続する。
金属薄膜抵抗を用いる場合、ブリッジ回路３６からの出力特性は、
Δｅ＝Ｅ(１＋σ）ＧΔε／２…（式２）
（σ：金属薄膜のポアソン比）で表わされ、やはり、機械的ひずみ変化Δεとブリッジ出力電圧変化Δｅとは比例する。
【００５１】
この４アクチブゲージ法によれば、起歪体２１の曲げひずみによる電圧変化分は打ち消されて、引張り圧縮ひずみによる電圧変化だけを検出することができ、また、温度補償もなされる。
なお、金属薄膜のゲージ率は小さいので、ブリッジ回路からの出力変化Δｅも小さい。従って、出力電圧ｅを直流増幅器で増幅してからＡ／Ｄ変換器３３でＡ/Ｄ変換することが望ましい。
【００５２】
３−２  抵抗体として半導体を用いる場合
抵抗体として半導体を用いる場合、基本的には上記金属薄膜と同様であるが、抵抗体の抵抗変化は、主に半導体の圧抵抗効果による。すなわち、半導体の中には、この圧抵抗効果によって、金属と比べてひずみによる抵抗変化率Δρ／ρが極めて大きいものがあり、この場合のゲージ率Ｇは、Ｇ＝（Δρ ／ρ）／（ΔＬ／Ｌ）である。なお、半導体において圧抵抗効果が生じるしくみとして、マルチバレイ半導体のひずみによる等エネルギー面の変化に基づく説明がなされている。
【００５３】
半導体歪ゲージに用いる半導体材料の具体例としては、Ｓｉ，Ｇｅ，ＩｎＳｂなどが挙げられる。これらの材料は、伝導型（ｐ型，ｎ型）や結晶方向によって特異なゲージ率を示す。
例えば、Ｓｉ半導体は、以下のようなゲージ率を示し、そのゲージ率は大きい絶対値を持っている（「電気電子材料（共立出版）」を参照した）。
【００５４】
ｐ型、結晶方向（１００）  ゲージ率Ｇ＝１０
ｐ型、結晶方向（１１１）  ゲージ率Ｇ＝１７７
ｎ型、結晶方向（１００）  ゲージ率Ｇ＝−１３２
ｎ型、結晶方向（１１１）  ゲージ率Ｇ＝−１３
ゲージ率の絶対値が大きい半導体を用いれば、金属薄膜抵抗体を用いた歪みゲージと比べて５０〜１００倍程度の感度が得られ、歪ゲージのひずみに伴って生じるブリッジ回路の出力電圧変化Δｅも数十ｍＶ程度となる。
【００５５】
従って、ブリッジ回路からの出力電圧Δｅを増幅しなくても、Ａ／Ｄ変換器３３でＡ/Ｄ変換することができる。
半導体歪ゲージでロードセルを形成する場合、起歪体に歪ゲージを貼りつける形態以外に、起歪体自体をシリコンウェハで形成し、このシリコンウェハに不純物ドーピングによるゲージ部を形成してもよい。
【００５６】
その製法は、例えば、シリコンウェハ上に、マスキング法でパターニングしながら不純物をドーピングすることによって半導体抵抗体層を形成し、更に配線パターンを描くことによってブリッジ回路を形成することができ、１アクチブゲージ法の場合はゲージを１つ、４アクチブゲージ法の場合は、ゲージを４つ形成する。各ゲージの寸法は、例えば縦０．３ｍｍ、横０．１ｍｍである。
【００５７】
このシリコンウェハーを切り出すことによって起歪体のゲージ貼付部２１ｃに相当する部分を形成することができる。切り出し寸法については、接合端部２１ａ、２１ｂとのバランスや接合強度を確保することを考慮しつつ、挿入孔１４に挿入できる範囲で適宜決めればよく、例えば横２．５ｍｍ程度、長さ１５ｍｍ〜３０ｍｍである。
そして接合端部２１ａ，２１ｂに相当する部材を接合すれば、歪ゲージとブリッジ回路を組み込んだシリコンウェハからなるロードセルを形成することができる。
【００５８】
この製法によって、抵抗値１２０Ω、ゲージ率１００のロードセルを作製することができる。
３−３  ブリッジ回路３６の端子Ａ−Ｃへの電圧供給
送信器基板３０において、ブリッジ回路３６の電源電圧として、小型バッテリを搭載してもよいが、本実施形態では、受信ユニット１００から無線で供給される電力を送信器基板３０が受け取ってブリッジ回路３６などに供給するパッシブ型を採用している。
【００５９】
図４に基づいて、ブリッジ回路３６の端子Ａ−Ｃに一定電圧を供給するしくみを説明する。なお、パッシブ型駆動法については「ＲＦＩＤハンドブック（日刊工業新聞）」に詳しく記載されている。
電源発信回路１０１を、送信器基板３０に近い位置において、電源発信回路１０１のアンテナコイル１０６と送信器基板３０のアンテナコイル３５とを誘導結合させる。
【００６０】
そして、電源発信回路１０１において、交流電源で高周波電圧（１３．５６ＭＨｚ）を発生させると、誘導結合しているアンテナコイル１０６及びアンテナコイル３５を介して、当該高周波電圧が受信回路３１で受信される。
受信回路３１と、ブリッジ回路３６の端子Ａ−Ｃとの間には、定電圧回路３２が介挿されている。
【００６１】
図４に示している定電圧回路３２は、比較的簡単な構成の分路調整器であって、整流器と、ツェナダイオードＺＤが発生する電圧をエミッタ接地されたｎｐｎトランジスタのベースに供給する回路とが設けられている。
受信回路３１で受信された高周波は、定電圧回路３２において整流器で整流されて、ツェナダイオードＺＤとトランジスタによって、端子Ａ−Ｃ間に印加される電圧が安定化される。
【００６２】
図６は、アンテナコイル１０６とアンテナコイル３５との結合係数Ｋとブリッジ回路３６の入力端子Ａ−Ｃ間に入力される電圧との関係を示す図である。当図に示されるように、アンテナコイル同士が誘導結合されていてその結合係数Ｋがある程度以上あれば、一定の電圧Ｖｚが入力端子Ａ−Ｃ間に印加される。
なお、この電圧は、Ａ／Ｄ変換器３３、変調器３４ａなどの駆動電源としても用いられる。
【００６３】
このように送信器基板３０では、バッテリを搭載しなくても、ブリッジ電圧などが供給されるようになっている。
３−４  軸力換算回路１０３に記憶させる対応表の作成（校正）
図７は、歪データΔｅと軸力値Ｐとの対応関係の一例を示す図表である。
基本的に上記式１，２に示されるように、歪データΔｅとΔεとは比例し、また、Δεは起歪体２１の伸びΔｌに相当し、このΔｌはボルト１０の軸力Ｐにほぼ比例するので、歪データ（Δｅ）とボルト１０の軸力Ｐとは図７のようにほぼ比例する。
【００６４】
ところで、実際には、ボルト１０の軸力Ｐと歪データΔｅとの関係は、ロードセル２０を装着したボルト１０ごとにばらつきがあるので、ボルト１０ごとに校正を行って、図７に示すような歪データ値Δｅと軸力値Ｐとの対応表を、各ボルト１０ごとに作成しておくことが好ましい。
このような校正は、ロードセル２０及び送信器基板３０を装着した後に、引張試験機にかけて引張荷重（ボルト１０の軸力）をいろいろ変えながら、歪データ（Δｅ）を測定することによって行うことができるが、各ロードセル２０をボルト１０に装着する前に、引張試験による測定を行って校正を行なうこともできる。
【００６５】
ロードセル２０の断面積は、ボルト１０の断面積と比べて格段に小さいため、ロードセル２０で校正すれば校正時の引張力は小さくて済む。従って校正に用いる引張試験機も小型のもので行なえる。
なお、各ボルト１０ごとに歪み電圧特性にばらつきが生じる要因は、各ボルト１０に装着される前のロードセル２０の特性にばらつきがあると考えられ、例えば、起歪体２１に歪ゲージ２２を貼り付けるときに生じるばらつきによって、ロードセル２０の引張力と歪データの変化Δｅとのばらつきが生じやすいが、ロードセル２０にかかる引張力とボルト１０の軸力Ｐとの関係は、あまりばらつかない。
【００６６】
従って、ロードセル２０にかかる引張力とボルト１０の軸力Ｐとの変換倍数は、あらかじめ測定して求めておき、各ロードセル２０について引張試験機を用いて校正すれば（引張力と歪データの変化Δｅとの対応表を作成すれば）、各ボルト１０にロードセル２０を装着した後に校正しなくても、個別に作成したロードセル２０にかかる引張力と歪データの変化Δｅとの対応表と、ロードセル２０にかかる引張力とボルト１０の軸力Ｐとの変換倍率を乗じることによって、各ボルト１０ごとに歪データ値Δｅと軸力値Ｐとの対応表を作成することができる。
【００６７】
以上のようにして各ボルト１０ごとに、歪データ値Δｅと軸力値Ｐとの対応表を作成し、各ボルト１０の個体識別コードを付けて軸力換算回路１０３に記憶させておけば、ボルト１０の軸力を測定しようとするときに、軸力換算回路１０３は、記憶されている対応表の中から当該ボルト１０の個体識別コードが付いている対応表を参照することよって、歪信号受信回路１０２で復調した歪データから軸力データを算出することができる。
【００６８】
４．送信器基板３０と受信ユニット１００との間のデータ転送
受信ユニット１００と送信器基板３０との間のデータ送受信、ならびにＩＣタグリーダ／ライタ１１０とＩＣタグ５０との間のデータ送信は、ＲＦＩＤタグで一般に使われているデジタル変調方式を用いて行う。
ＲＦＩＤタグでは、ＡＳＫ(amplitude shift keying  振幅シフトキーイング）あるいはＦＳＫ（周波数シフトキーイング）、ＰＳＫ（位相シフトキーイング）といった方式が用いられている。この中で、ＡＳＫ方式は、デジタル信号にもとづいて正弦波の振幅を変える方式であって、復調が容易であり、ＲＦＩＤタグなど、近距離の通信に多く用いられている。本実施形態においてもこのデジタル変調方式を適用する。
【００６９】
なお、受信ユニット１００−送信器基板３０間のデータ送受信と、ＩＣタグリーダ／ライタ１１０−ＩＣタグ５０間のデータ送受信との間で、衝突を防止する（アンチコリジョン）ため、副搬送波の周波数を別々に割り当てたり、時分割で動作することが好ましい。
データ送受信の例として、図４を参照しながら、送信回路３４から歪信号受信回路１０２に歪データを送信するしくみを説明する。
【００７０】
受信ユニット１００の電源発信回路１０１は、上述したように周波数ｆｔ（１３．５６ＭＨｚ）で交流電磁波を発信する。
送信器基板３０の送信回路３４は、変調器３４ａを備えている。
この変調器３４ａは、受信回路３１で受信した周波数ｆｔ（１３．５６ＭＨｚ）のクロック信号を１／６４に分周して、周波数ｆs（２１２ｋＨｚ）の副搬送波を生成する。さらに、生成した副搬送波を、Ａ／Ｄ変換器３３で生成された歪データ（デジタル信号）に基づいてＡＳＫ変調する。
【００７１】
受信回路３１においては、このようにＡＳＫ変調された副搬送波にもとづいて、ＦＥＴをＯＮ−ＯＦＦする。ＦＥＴをＯＮ／ＯＦＦするのに伴って、受信回路３１に負荷が組み込まれた状態とそうでない状態とに切り替わる（受信回路３１の負荷が変動する）ので、もとの周波数ｆt（１３．５６ＭＨｚ）の電磁波が負荷変調される。
このように、稼働周波数ｆtの電磁波を、周波数ｆsの副搬送波で負荷変調すると、周波数ｆtの波と周波数ｆsの波とが掛け合わせられるので、周波数（ｆt＋ｆs)の波と周波数（ｆt−ｆs)の波が形成される。すなわち、周波数ｆtを中心として、両サイドに対称的に側波帯（サイドバンド）が形成され、上部側波帯の周波数は（ｆt＋ｆs)，下部側波帯の周波数は（ｆt−ｆs)となる。
【００７２】
歪信号受信回路１０２では、この２つの側波帯の中、一方から歪データ（デジタル信号）をとりだす。図４に示す例では、歪信号受信回路１０２では、受信した電磁波から、バンドパスフィルタ１０２ａで稼働搬送波成分などを除去して上部側波帯だけを取り出し、最終的に復調器１０２ｂで歪データ（デジタル信号）に復調する。
５．軸力監視システムの利用形態
以上説明した軸力監視システムを用いて、以下のようにして、軸力測定用のボルト１０を車両などに取り付けておけば、受信ユニット１００をボルト１０から近い位置において、非接触でボルト１０の軸力を測定し、表示部１０５に表示することができる。
【００７３】
工場で車両を組立てる時に、車両の部分を締結するのに同種のボルトを多数使用する場合、そのすべてに対して軸力測定用のボルト１０を用いてもよいが、一部だけに軸力測定用のボルト１０を用いてサンプル的に軸力測定するようにしてもよい。
軸力測定用のボルト１０を締結する現場には、受信ユニット１００を設置しておく。そして、車の組立時に、適正に締め付けられたボルト１０の締付け軸力データを測定する。この軸力データは軸力換算回路１０３で算出されるが、受信ユニット１００の軸力換算回路１０３からＩＣタグリーダ／ライタ１１０を経由してＩＣタグ５０に送られ、メモリ回路５３に記録される。
【００７４】
ＩＣタグリーダ／ライタ１１０からＩＣタグ５０には、この軸力データ以外に、ボルト１０の個体識別コードや使用部位、組立てした日時などの管理データも、ＩＣタグリーダ／ライタ１１０から送られてメモリ回路５３に記録される。
工場から車両が出荷された後には、使用者に渡った車両が一時的に駐停車することがわかっている場所、例えば給油所などに、受信ユニット１００を設置しておく。
【００７５】
そうすれば、車両が一時的に駐停車する際に、受信ユニット１００を用いて、ボルト１０に非接触で、その時点のボルト１０の軸力を確認することができる。
チェックした結果、ボルト１０が弛んでいると判断された場合には、そこでボルト１０の増し締め、並びにボルト１０と同種のボルトがあればその増し締めを行なう。そして、増し締めたボルト１０の軸力値と増し締め日時などをＩＣタグ５０に書き込んで記録内容を更新する。
【００７６】
ボルト１０が外れて紛失していたり折損したりしている場合には、新品のボルト１０に交換して、そのＩＣタグ５０に新たな軸力などのデータを記録する。
７．  本実施形態の軸力監視システムによる効果
日常の運行に供されているボルトの軸力をハンマリングのように手作業でチェックすることはそれほど容易ではないため、従来は、よほどの異常現象が発生していない限りボルトの軸力をチェックすることもなく、日常の運行での軸力低下が十分に監視されなかったが、本実施形態にかかる軸力監視システムを用いれば、日常の運行に供されているボルトの軸力を容易にチェックできるので、軸力低下を十分に監視することができる。
【００７７】
また、本実施形態の軸力監視システムを用いれば、ハンマリングのように経験や勘に頼ることがないので、信頼性も格段に向上する。
また、測定した結果を締結体に付けたＩＣタグなどに記録しておくこともできる。
さらに、その時点の軸力を測定するだけではなく、ＩＣタグに記録されているボルトの位置やボルトサイズ、適正に締め付けた年月日、その時の適正な軸力(締付け力)などの固体認識情報も同時にＩＣタグから読み取んで比較することによって、新たな情報を得ることができる。たとえば、ボルトの位置と軸力低下の度合いとの関係を調べて、締結される場所によって軸力低下の傾向があるかどうかなどを把握することもできる。
【００７８】
このようにきめ細かい軸力管理ができることによって、ボルトの弛みに起因する事故を未然に防止できる。
本実施形態の軸力監視システムにおいて、受信ユニット１００を軽量でポータブルに作製すれば、列車や航空機に受信ユニット１００を搭載するのも容易である。従って、列車や航空機にボルト１０を装着しておいて、その駐停車の際や点検整備の際に、搭載している受信ユニット１００でボルト１０のチェックをし、各部位のボルトの弛みを検査することができる。
【００７９】
本実施形態の締結体ユニット１においては、ロードセル２０をボルト１０の挿入孔１４に埋め込んでいるので、歪ゲージをボルト１０の挿入孔に直接埋め込むのと比べて、埋め込み作業が容易である。
また、同じ種類のロードセル２０を、さまざまな種類、サイズのボルト１０に埋め込んで締結体ユニット１を校正することもできる。そうすることで、校正作業に要する手間を簡略化でき、校正に要するコストも軽減できる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、ボルトやリベットなど、被締結体を締結した状態で保持する締結体の軸力を監視するのに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】実施の形態にかかる締結体ユニットの構成を示す分解図である。
【図２】実施の形態にかかる締結体ユニットの構成を示す図である。
【図３】実施の形態にかかる軸力監視システムの構成を示すブロック図である。
【図４】実施の形態にかかる軸力監視システムにおいて、ブリッジ回路の端子に一定電圧を供給するしくみ、歪データを送信するしくみを説明する図である。
【図５】４アクチブゲージ法で歪みを測定する方法を説明する図である。
【図６】アンテナコイルの結合係数Ｋとブリッジ回路に入力される電圧との関係を示す図である。
【図７】歪データΔｅと軸力値Ｐとの対応関係の一例を示す図表である。
【符号の説明】
【００８２】
１    締結体ユニット
１０    軸力検出用ボルト
１１    軸部
１２    頭部
１４    挿入孔
１５    凹部
２０    ピン型ロードセル
２１    起歪体
２２    歪ゲージ
２４    抵抗体
３０    送信器基板
３１    受信回路
３２    定電圧回路
３３    Ａ／Ｄ変換器
３４    送信回路
３５    アンテナコイル
３６    ブリッジ回路
５０    ＩＣタグ
５１    電源回路
５２    アンテナコイル
５３    メモリ回路
１００    受信ユニット
１０１    電源発信回路
１０２    歪信号受信回路
１０６    アンテナコイル
１１０    ＩＣタグリーダ／ライタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010216804.tif 000008
【図７】
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