(57)【要約】【課題】容易に軸力をモニターできるボルト及びその軸力情報システムを提供することを目的とする。【解決手段】ひずみゲージをボルト軸部に内蔵し、ひずみ検出回路を搭載したＲＦＩＤタグ及びアンテナをボルトと一体化し、ひずみゲージで検知した軸力の情報をボルト外部のリーダーライターへ転送するＲＦＩＤ技術を使用することを特徴とするボルト、を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ひずみゲージをボルト軸部に内蔵し、ひずみ検出回路を搭載したＲＦＩＤタグをボルトと一体化し、ひずみゲージで検知した軸力の情報をボルト外部のリーダーライターへ転送するＲＦＩＤ技術を使用することを特徴とするボルト。
【請求項２】
ＲＦＩＤタグは、リーダーライターからの電波をＲＦＩＤタグ中のアンテナで受けて駆動するパッシブ型であり、ひずみ検出回路に可変抵抗を含み、
ひずみゲージをボルト内に装着し、樹脂封入した後、装着、封入で変化したひずみゲージの抵抗を、可変抵抗によりキャンセルし、
その後、ひずみ検出回路を搭載したＲＦＩＤタグの全部又は一部をボルト頭部内に樹脂封入することを特徴とする請求項１記載のボルト。
【請求項３】
ボルトは、ＲＦＩＤタグを設置するために頭部をざぐりし、ざぐりしたボルトの内壁面に凹凸を設けて、ざぐり部の封入樹脂とボルト頭部との付着力を大きくしたことを特徴とする請求項１又は２記載のボルト。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかのボルトからの軸力情報をボルト外部のリーダーライターで読み取り、記録、演算処理することを特徴とするボルト軸力情報処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルトに関し、特に軸力管理を要するボルトとボルト軸力情報処理システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ボルトは鋼材の接合に用いられ、各種プラント、構造物の構築には欠かせない材料である。ボルトが緩む、あるいはボルトに過大な荷重が加わり破断が生じると、災害発生の危険があり、適切なボルトの締め付け力の管理が求められる。ボルトの締め付け力の管理方法として、締め付け時のトルク管理がある。また、超音波伝播速度を測定し、ボルト長の変化で加わる軸力を推定する非破壊検査がある。前者は簡易であるが誤差要因が多く実際にボルトにかかる軸力の推定には大きな幅を持たせる必要があり、後者はボルトの形状や端面の仕上げに依存するため精緻な推定は困難であり検査にも時間を要する。一方、有線タイプのひずみゲージをボルトに埋設して軸力を測定する手法がある。この手法では、精緻な軸力の推定が可能であるが、ボルトからワイヤが出ているためにボルトの締め付けの際に不具合が生じ、またワイヤの断線や劣化によって信号が読み取れなくなるなどの問題があった。
【０００３】
特許文献１には、地山の状態に応じた信号を生成するセンサーを軸部に取付けた棒状体を地山に打設し、前記地山の表面側に送信された前記信号データに基づき前記地山の状態を観測する地山観測装置が記載されているが、装置が大きくなる問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−０２７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
容易に軸力をモニターできるボルト及びその軸力情報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】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ひずみゲージをボルト軸部に内蔵し、ひずみ検出回路を搭載したＲＦＩＤタグをボルトと一体化し、ひずみゲージで検知した軸力の情報をボルト外部のリーダーライターへ転送するＲＦＩＤ技術を使用することを特徴とするボルト、を提供する。
【０００７】
〔２〕ＲＦＩＤタグは、リーダーライターからの電波をＲＦＩＤタグ中のアンテナで受けて駆動するパッシブ型であり、ひずみ検出回路に可変抵抗を含み、
ひずみゲージをボルト内に装着し、樹脂封入した後、装着、封入で変化したひずみゲージの抵抗を、可変抵抗によりキャンセルし、
その後、ひずみ検出回路を搭載したＲＦＩＤタグの全部又は一部をボルト頭部内に樹脂封入することを特徴とする請求項１記載のボルト、を提供する。
【０００８】
〔３〕ボルトは、ＲＦＩＤタグを設置するために頭部をざぐりし、ざぐりしたボルトの内壁面に凹凸を設けて、ざぐり部の封入樹脂とボルト頭部との付着力を大きくしたことを特徴とする〔１〕、〔２〕のボルト、を提供する。
【０００９】
〔４〕〔１〕、〔２〕又は〔３〕のいずれかのボルトからの軸力情報をボルト外部のリーダーライターで読み取り、記録、演算処理することを特徴とするボルト軸力情報処理システム、を提供する。
【００１０】
ひずみゲージは薄い樹脂の上に抵抗を持つ金属箔をエッチング等で格子状に形成したもので、変形によって抵抗値が変化することでひずみを計測する。ひずみゲージは、ボルト内に開けた円筒状の空洞部に挿入し、耐水性の良い合成樹脂で接着、封止することができる。これはひずみゲージとボルトとの接着と、ひずみゲージの劣化防止のためである。円筒状の空洞部は多段として深部の円筒の直径を小さくすることで、ひずみゲージを挿入しやすく、また、封止が容易となり、外部からひずみゲージの測定に影響を与える水分の浸入を極力排除することが可能となる。
【００１１】
ひずみゲージは、単独で用いるとひずみによる抵抗変化が、ひずみゲージそのものの抵抗に対して極めて小さい。そのため、ひずみゲージそのものの抵抗値とほぼ同じ抵抗を用いてホイートストンブリッジを形成し、この検出回路によってひずみに比例した出力電圧を得ることが可能となる。また、ひずみに比例した微小な電圧の変化は、増幅回路を用いて拡大して出力する。
【００１２】
ＲＦＩＤタグは、物理的な保護や耐久性の確保のため、ボルト内部に設置する。ボルトは、ＲＦＩＤタグを設置するために頭部をざぐりし、ざぐりしたボルトの内壁面に凹凸を設ける構造とすることが好ましい。凹凸断面形状は、波状、角型、不定形のいずれでもよい。また、これを、螺旋状、輪状等の形状に設けることができる。これにより、ざぐり部の封入に使用する樹脂とボルト頭部との付着力および付着面積を大きくすることで、ボルト頭部からの樹脂の抜け落ちを防止するとともに、樹脂とボルト頭部との接着面から水などの浸入を抑制してＲＦＩＤタグの耐久性を高める効果が得られる。
【００１３】
ひずみ検出回路は、ひずみゲージからの出力が小さいためにこれを電圧出力して増幅し、ＩＣチップに受け渡す。ひずみ検出回路は、可変抵抗を含む検出回路及び増幅回路を含んで構成した。
【００１４】
通常の商用電源によるひずみゲージを用いた軸力の測定では、検出回路を構成する抵抗は固定抵抗を用い、ひずみゲージの挿入および樹脂封入時に多少の伸びちじみが生じた、すなわち、抵抗が変化した状態で封入されても、その後の増幅回路およびＡ／Ｄ変換の範囲を広く設定できるために問題は生じない。
【００１５】
これに対して、本発明では、ＲＦＩＤタグによってひずみ測定データを転送するため、極めて省電力で駆動する必要があり、封入時に生じるひずみゲージ自体の抵抗変化を、回路に搭載される可変抵抗でキャンセルする。
【００１６】
このように、検出回路に可変抵抗を使用し、まず、ひずみゲージをボルト軸部に封入し、続いて、ひずみゲージそのものの抵抗に取り付け時に生じる抵抗変化を、可変抵抗を調整してキャンセルすることで、省電力で駆動し、かつ、分解能の高いひずみ測定装置とすることができる。
【００１７】
また、ひずみ検出回路にマイコンを搭載して、Ａ／Ｄ変換とともに温度などの補正計算や、連続的にデータ収集、あるいはメモリ内に測定データの格納を行うことも可能である。この場合においても可変抵抗による調整方法が有効である。
【００１８】
本発明のＲＦＩＤタグとしては、センサー信号の入力が可能な電池を搭載しないパッシブタイプのＲＦＩＤタグを用いる。外部から供給される電波によるエネルギーを用いて駆動するパッシブタイプのＲＦＩＤタグは、無線通信回路、制御回路、インターフェース回路、メモリ部を含んで構成する。
【００１９】
これら無線通信装置は極めて省電力で駆動することから、一般的にはその駆動電圧は、例えば３．３Ｖ以下と非常に低く設定する。
【００２０】
ボルト軸力情報処理システムは、上記の情報を、機能性ボルトに内包された通信用アンテナから、読取り用アンテナ、外部読取装置で、ひずみゲージの抵抗値をデジタル信号として受信する。デジタル信号は、外部読取装置からパソコンへと送信され、専用のソフトウェアを用いて、ボルトのひずみ値として変換され、ボルトの軸力を算出することができる。得られた軸力は、ボルトの締め付け力の直接的な管理指標であり、この軸力に異常がないか、あるいは適正な範囲内となっているかを瞬時に判別することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ボルトの軸力の測定について、無線でひずみ計測を行なうことによって、効率的、かつ直接的にボルトの締め付け力を管理することが可能となる。
【００２２】
また、無線でひずみ計測を行なうことで、回転体であるボルトの機械締め付け作業に不具合を生じさせることなく、作業を実施することが可能となる。
【００２３】
さらに、無線でひずみ計測を行なうことで、ひずみゲージからのリード線を伝達して劣化因子がひずみゲージ部に侵入する危険を排除し、またリード線自体が劣化する可能性を防ぎ、さらに、無線装置自体をもボルト中に埋設することで、水分などの劣化因子による劣化を防ぐ効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に用いる可変抵抗でゼロ点調節をするブリッジ回路を示す図である。
【図２】本発明の実施例のボルトを模式的に示す図である。
【図３】本発明の検知部および無線モジュールに関する模式的な構成図である。
【図４】本発明の実施例のボルト軸力情報処理システムを模式的に示す図である。
【図５】本発明のボルト軸力情報システムのひずみ値の取得データを示す図である。
【図６】本発明のボルトにおけるひずみゲージの設置位置例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に更に詳細に本発明の実施の形態を記載するが、これは、本発明を特に限定するものではない。ひずみゲージは薄い樹脂の上に抵抗を持つ金属箔をエッチング等で格子状に形成したもので、変形によって抵抗値が変化することでひずみを計測した。ひずみゲージは、ボルト内に開けた空洞部に挿入し、エポキシ樹脂で封入した。空洞部は、円筒状として、底面の直径は、１．５ｍｍとし、円筒部は２段で深部の円筒の底面直径を小さくした。
【００２６】
ひずみゲージは、ホイートストンブリッジ回路によってひずみに比例した出力電圧を得た。
【００２７】
ＲＦＩＤタグは、ボルト内部に設置した。ボルトは、ＲＦＩＤタグを設置するために頭部をざぐりし、ざぐりしたボルト頭部の内壁面に凹凸を設ける構造とした。
【００２８】
ひずみ検出回路は、ひずみゲージからの出力を電圧出力して増幅し、ＩＣチップに受け渡した。ひずみ検出回路は可変抵抗を含む検出回路及び増幅回路を含んで構成した。
【００２９】
ＲＦＩＤタグによってひずみ測定データを転送するため、内部駆動電圧は３．３Ｖ以下で駆動させることとした。
【００３０】
図１に本発明のひずみ検出回路における検出回路例を示す。この回路を用いることでひずみゲージの抵抗変化を電圧出力した。また、予め、ボルト軸部にひずみゲージを封入し、封入時に生じるひずみゲージ自体の抵抗変化を、回路に搭載される可変抵抗Ｒ４でキャンセルし、省電力を図ることができた。ゲージへの印加電圧をＥ、出力電圧をｅで示す。ひずみゲージ封入時は、ｅ＝０ｖ  とするように可変抵抗Ｒ４の抵抗値を調整した。
【００３１】
この可変抵抗の搭載によって、例えば３．０Ｖの電源電圧で、１２ｂｉｔのＡ／Ｄ変換を搭載すれば、３／４０９６で約０．７３ｍＶの分解能が得られた。これは、１２Ｖで１４ｂｉｔのＡ／Ｄ変換と同等である。可変抵抗を用いない場合は、例えば３．０Ｖの電源電圧で、樹脂封入時に出力電圧の変動が４０％となるゲージの抵抗変化が生じた場合、変動領域をキャンセルできないため、可変抵抗を用いた１２ｂｉｔのＡ／Ｄ変換と同等の分解能を付与するためには１６ｂｉｔのＡ／Ｄ変換を搭載して対応する必要がある。この際、１ｂｉｔの分解能あたり０．０４６ｍＶしかなく、ノイズの影響を極めて受けやすくなる。
【００３２】
このように、検出回路に可変抵抗を使用し、まず、ひずみゲージをボルト軸部に封入し、続いて、ひずみゲージそのものの抵抗に取り付け時に生じる抵抗変化を、可変抵抗を調整してキャンセルして、省電力で駆動し、かつ、分解能の高いひずみ測定装置とすることができた。
【００３３】
ＲＦＩＤタグとしてセンサー信号の入力が可能な電池を搭載しないパッシブタイプのＲＦＩＤタグを用いた。ＲＦＩＤタグは、送受信用アンテナ、無線通信回路、制御回路、インターフェース回路、メモリ部、ひずみ検出回路を含んで構成した。
【００３４】
図２に本発明品のボルトを例示する。まず、ボルト頭部１０２内部をけずり、空洞部１０３を形成した。ＲＦＩＤタグを構成するひずみ検出回路２０、ＩＣチップ３０および送受信用アンテナ４０が挿入できるスペースを確保した。この際、空洞部１０３の内壁面には断面角型の輪形状とした。
【００３５】
また、ボルト軸部１０１にひずみゲージ１０を挿入できる円筒状空洞部１０４を開けた。
【００３６】
箔ひずみゲージを、円筒状空洞部１０４に内接する大きさの円筒形状に加工した。この際、ひずみゲージの検知方向は、軸方向と同軸方向であり、円筒形状に丸める方向は軸方向に垂直とした。
【００３７】
空洞部１０４にひずみゲージ１０を挿入し、ひずみゲージリード線１１をひずみ検出回路２０に接続し、空洞部１０４をエポキシ樹脂で封入した。ひずみ検出回路２０は、可変抵抗を含む検出回路および増幅回路が含まれている。
【００３８】
図６に、本発明のボルト１００におけるひずみゲージの設置位置の例を示す。ボルト１００は、２枚の鋼板２００をナット３００の締め付けによる軸力で接合している。ひずみゲージは、ボルトの首下からネジ先までの区間で、締め付けた際にボルト１００の座面１０５とナット３００の座面１０６の間１０４に設置されるように封入した。ボルト１００とナット３００の座面間では、締め付け力が直接的な引張り力として作用するので、この区間に設置したひずみゲージによって検出されたひずみから、直接的に軸力を算出することができる。
【００３９】
空洞部１０４に封入した樹脂が硬化したのち、可変抵抗でゼロ点を調整した後、これにひずみ検出回路２０、ＩＣチップ３０を接続した。更にアンテナ４０を接続し、ひずみ検出回路２０、ＩＣチップ３０およびアンテナ４０をボルト頭部に樹脂封入して本ボルトを完成させた。ひずみ検出回路２０、ＩＣチップ３０、アンテナ４０を包含したものがＲＦＩＤタグとなる。ひずみ検出回路２０及びＩＣチップ３０は、同一基板上にマウントした。
【００４０】
アンテナ４０の設置は、基板の直上に設置することとし、外部のリーダーライター５０との通信距離の確保の観点から、ボルト頭部１０２の中段あるいは表面近傍に樹脂封入した。通信距離が確保できるＲＦＩＤタグについては、ボルト頭部１０２の下段に設置しても良く、この場合はより長期的な耐久性が確保される。
【００４１】
通信距離を長くとる必要がある場合には、アンテナ４０をボルト頭部１０２の上に出して設置することもできる。アンテナ４０を樹脂あるいはゴムによって薄膜状に被覆することも好ましい。この場合、長期的な耐久性は若干低下するものの、アンテナ４０を単独で交換し、部品交換による長期使用を確保することもできる。
【００４２】
図３に本装置の模式的な構成図を示す。ひずみ検出回路は、検出回路およびアンプ回路からなり、ひずみゲージ１０と、ＲＦＩＤタグとを接続する回路である。ひずみゲージの電気的特性を、電圧値などを出力値としてＩＣチップに受け渡すものである。本実施形態では、一定の電圧を印加してひずみゲージ１０の電気的特性である抵抗値を取得して抵抗値に応じた値を電圧値として出力することで、ひずみを検知することを可能とした。ＲＦＩＤタグは、特定小型小電力無線、無線ＬＡＮなど、無線による送受信で外部に検知情報を伝達するもののひとつであり、インターフェース回路、制御回路、および無線通信回路を有している。インターフェース回路は、ひずみ検出回路からの信号を読取るもので、アナログ／デジタル変換回路などが相当する。本実施形態では、ひずみゲージの抵抗を検出することとする。無線通信回路は、インターフェース回路の検出結果を、アンテナを介して、外部の読取装置に対して無線送信する。ＲＦＩＤタグ全体は制御回路で制御され、メモリでデータ蓄積される。
【００４３】
また、図３において、ＲＦＩＤタグの無線通信回路は、変調回路、充電／電源部を含む。この電源部では、バッテリを搭載するタイプのものであっても良いし、いわゆるバッテリーレス、すなわち、蓄電機能を有し、外部から供給される電磁波による誘導電圧を一時的に蓄えるものであっても良い。メモリ部は、全体の制御を行なうオペレーティングシステム、構造物の状態を検知するプログラム、検知した情報の記録などに用いるＲＯＭやＲＡＭなどで構成される。メモリにはセンサーのＩＤ番号を搭載してもよく、また、読取装置から構造物の埋め込み位置に関する情報をＲＡＭに書き込み、これら情報をセンサーで検知した情報と共に、読み取り装置で読み取ってもよい。
【００４４】
図４に本発明の実施例を示すボルト軸力情報処理システムを模式的に示す。図４に示すリーダーライター５０は、その読取り用アンテナで、機能性ボルト１００のボルト頭部の通信用アンテナ４０からのひずみゲージ抵抗値を、デジタル信号として受信する。デジタル信号は、読取装置からパソコン６０へと送信し、専用のソフトウェアを用いてボルトのひずみ値として変換する。取得したひずみ値と、ボルトに使用した金属の弾性係数およびボルトの有効断面積から、ボルトの軸力を得ることができる。
【００４５】
図５に、図４に示したボルト軸力情報システムのひずみ値の取得データを示した。鋼材を連結中の前記ボルトを自動載荷機に掛けて、ボルトに２００Ｎ／ｍｍ２までの軸応力を発生させた結果である。図５中の測定点は、測定中に、パソコン画面上に所定の時間間隔で表示されるようにプログラムした。ひずみとボルトの弾性係数を乗じて求めた応力に、ボルトの有効断面積を乗じて軸力を表示している。得られた軸力は、ボルトの締め付け力の直接的な管理指標であり、この軸力に異常がないか、あるいは適正な範囲内となっているかを瞬時に判別できた。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
鋼材の接合に用いられ、各種プラント、構造物の構築には欠かせないボルトの軸力（締め付け力）の管理が簡便に行える。
【符号の説明】
【００４７】
１０：ひずみゲージ
１１：ひずみゲージリード線
２０：ひずみ検出回路
３０：ＩＣチップ
４０：アンテナ
５０：リーダーライター
６０：パソコン
１００：ボルト
１０１：ボルト軸部
１０２：ボルト頭部
１０３：空洞部
１０４：締め付け時のボルト座面とナット座面の区間
１０５：ボルトの座面
１０６：ナットの座面
２００：鋼板
３００：ナット
【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】
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