(57)【要約】【課題】  ボルトを正確に塑性域まで締め付けるボルト締結器及びボルト締結方法を提供する。【解決手段】  ボルト２を締め付ける締結手段１と、締結手段１がボルト２の締め付ける時に、ボルト２が放出する弾性波（アコースティック・エミッション）を検出するセンサと、センサが検出した検出信号を解析してボルト２が塑性域まで締め付けられたか否かを判定する解析部と、ボルト２が塑性域まで締め付けられたことを解析部が判定した旨をユーザへ通知する通知手段とを備え、ユーザは、通知手段がボルト２が塑性域まで締め付けられたことを判定した旨を通知されると、ボルト２の締め付けを終えることを特徴とする。【選択図】  図１
2006055989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボルトの締め付けを行うボルト締結器において、
上記ボルトを締め付ける締結手段と、
上記締結手段で上記ボルトを締め付ける時に、上記ボルトが放出する弾性波（アコースティック・エミッション）を検出するセンサと、
上記センサが検出した検出信号を解析して上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定する解析部と、
上記ボルトが塑性域まで締め付けられたことを上記解析部が判定した旨を通知する通知手段とを備えること
を特徴とするボルト締結器。
【請求項２】
上記解析部は、上記ボルトが放出する上記弾性波の累積数に基づいて、上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定する請求項１記載のボルト締結器。
【請求項３】
ボルトの締め付けを行うボルト締結器において、
上記ボルトを締め付ける締結手段と、
上記締結手段を駆動する駆動手段と、
上記締結手段で上記ボルトを締め付ける時に、上記ボルトが放出する弾性波（アコースティック・エミッション）を検出するセンサと、
上記センサが検出した検出信号を解析して上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定する解析部と、
上記駆動手段と上記解析部とを制御する制御部とを備え、
上記制御部は、上記解析部からの判定結果に応じて、上記駆動手段を制御すること
を特徴とするボルト締結器。
【請求項４】
上記解析部は、上記ボルトが放出する上記弾性波の累積数に基づいて、上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定する請求項３記載のボルト締結器。
【請求項５】
ボルトの締結方法において、
上記ボルトが締め付けられる時に放出する弾性波（アコースティック・エミッション）を検出し、
検出された上記弾性波を解析して上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定すること
を特徴とするボルト締結方法。
【請求項６】
上記ボルトが締め付けられる時に放出する上記弾性波の累積数に基づいて、上記ボルトが塑性域まで締め付けられたことを判定する請求項５記載のボルト締結方法。
【請求項７】
ボルトの締め付けを行うボルト締め付け方法において、
上記ボルトを所定の駆動手段を用いて締め付け、
上記ボルトが締め付けられる時に放出する弾性波（アコースティック・エミッション）を検出し、
検出された上記弾性波を解析して上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定し、上記判定された結果に応じて上記駆動手段を制御すること
を特徴とするボルト締結方法。
【請求項８】
上記ボルトが締め付けられる時に放出する上記弾性波の累積数に基づいて、上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定する請求項７記載のボルト締結方法。
【請求項９】
ボルトが塑性域締めされたか否かを判定するボルト塑性域締め判定装置において、
上記ボルトが締め付けられる時に放出する弾性波（アコースティック・エミッション）を検出するセンサと、
上記センサが検出した検出信号を解析して上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定する解析部と、
上記ボルトが塑性域まで締め付けられたことを上記解析部が判定した旨を通知する通知手段とを備えること
を特徴とするボルト塑性域締め判定装置。
【請求項１０】
ボルトが塑性域締めされたか否かを判定するボルト塑性域締め判定方法において、
上記ボルトが締め付けられる時に放出する弾性波（アコースティック・エミッション）を検出し、
上記弾性波を検出した検出信号を解析して上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定し、
上記ボルトが塑性域まで締め付けられたことを判定した旨を通知すること
を特徴とするボルト塑性域締め判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボルトの塑性域締めを行うボルト締結器及びボルト締結方法、並びに、ボルト塑性域締め判定装置、及びボルト塑性域締め判定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
振動が問題となる自動車業界などでは、ボルトの緩みやボルトの疲労破壊の発生を低減することを目的として、ボルトの塑性域締めが行われている。塑性域締めとは、ボルトが弾性域を超えて塑性変形するまで締め付け力を高めて締結する方法である。一方、最も使用されているボルト締結力の管理法として、トルクレンチを用いてトルク管理をしながら締め付けるトルク管理法がある。この方法はトルクとボルトの軸力が線形関係であることを利用して締め付け力を制御する方法である。また、安定した塑性域締めを実施するには、トルクレンチと比較して大掛かりな装置や煩雑な手順を要する回転角法やトルク勾配法、若しくは超音波ボルト軸力計を使用する方法などを用いる必要がある。
【０００３】
しかしながら、トルク管理法は、ボルトとトルクレンチとが嵌合される面に生じる摩擦係数によってトルクと軸力との関係が大きく変化するため、軸力を精度良く制御することが要求される塑性域締めに適していない。
【０００４】
また、上述した回転角法やトルク勾配法は、安定した塑性域締めを行うことが可能であるが、大掛かりな装置や煩雑な手順を要することから、実際にボルトの締め付けを行う現場で使用することは困難である。
【０００５】
【特許文献１】特開平０５―２０３５１３号公報
【特許文献２】特開平０６―０７９５５２号公報
【特許文献３】特開平０７―０４０２６２号公報
【特許文献４】特開２０００−０９４３５５号公報
【特許文献５】特開２０００−１１４１８２号公報
【特許文献６】特開２００４−１１４１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、正確且つ容易にボルトの塑性域締めを行うことができるボルト締結器及びボルト締結方法、並びにボルト塑性域締め判定装置及びボルト塑性域締め判定方法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】
【０００７】
上述した目的を達成するために、本発明に係るボルト締結器は、上記ボルトを締め付ける締結手段と、上記締結手段で上記ボルトを締め付ける時に、上記ボルトが放出する弾性波（アコースティック・エミッション）を検出するセンサと、上記センサが検出した検出信号を解析して上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定する解析部と、上記ボルトが塑性域まで締め付けられたことを上記解析部が判定した旨を通知する通知手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るボルト締結器は、上記ボルトを締め付ける締結手段と、上記締結手段を駆動する駆動手段と、上記締結手段で上記ボルトを締め付ける時に、上記ボルトが放出する弾性波（アコースティック・エミッション）を検出するセンサと、上記センサが検出した検出信号を解析して上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定する解析部と上記駆動手段と上記解析部とを制御する制御部とを備え、上記制御部は、上記解析部からの判定結果に応じて、上記駆動手段を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るボルト締結方法は、上記ボルトが締め付けられる時に放出する弾性波（アコースティック・エミッション）を検出し、検出された上記弾性波を解析して上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るボルト締結方法は、上記ボルトを所定の駆動手段を用いて締め付け、上記ボルトが締め付けられる時に放出する弾性波（アコースティック・エミッション）を検出し、検出された上記弾性波を解析して上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定し、上記判定された結果に応じて、上記駆動手段を制御することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るボルト塑性域締め判定装置は、上記ボルトが締め付けられる時に放出する弾性波（アコースティック・エミッション）を検出するセンサと、上記センサが検出した検出信号を解析して上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定する解析部と、上記ボルトが塑性域まで締め付けられたことを上記解析部が判定した旨を通知する通知手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るボルト塑性域締め判定方法は、上記ボルトが締め付けられる時に放出する弾性波（アコースティック・エミッション）を検出し、上記弾性波を検出した検出信号を解析して上記ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定し、上記ボルトが塑性域まで締め付けられたことを判定した旨を通知することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、ボルトが締め付けられるときにボルトから放出される弾性波（アコースティック・エミッション）を検出し、その検出された弾性波を解析することにより、ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定することができる。
【００１４】
このことにより、本発明は、レンチに加わるトルクを計測してその計測結果に基づいて、ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定することと比較して、より正確にボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定することができる。
【００１５】
また、本発明は、従来法と比べて、装置が大きくならず、簡単な手順で正確にボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明が適用されたボルト締結器について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１は、レンチ１を用いて、ボルト２の塑性域締めを行う作業を示した斜視図である。
【００１８】
レンチ１は、本発明に係るボルト締結器であり、図１に示すように、２つの被締結材４を接合させる際に用いられるものであり、ボルト２とナット３とを締め付けるものである。また、レンチ１は雌ねじが切られた穴を有する構造物にボルトを締結させるようにしてもよい。レンチ１は、頭部１ａと、柄部１ｂとソケット部１ｄとから構成されてなる。また、レンチ１は、ボルト２が塑性域まで締め付けられたか否かを判定して、その判定結果をユーザへ通知する塑性域締め判定通知部１０を備えている。なお、本発明は上述のようにレンチ１に限らず、ボルト２の締め付けを行うことができるスパナなどのあらゆるボルト締結器に適用することができる。
【００１９】
ボルト２は、六角柱形状を有する頭部と、外周面に雄ねじが形成され頭部を結合された棒状体からなる軸部とから構成される。塑性域締めを行うために、水素脆化割れを起こす可能性があるボルトは除く。また、塑性変形時に弾性波を放出しないボルトも除く。なお、ボルト２は、上述した条件を満たせば、いかなる形状や材質からなるボルトであってもよい。
【００２０】
ナット３は、図１に示すように、ナット３の孔部の内周面に雌ねじが形成され、ナット３の雌ねじとボルト２の雄ねじとが、螺合される。
【００２１】
また、被締結材４は、図１に示すように、例えば鋼板などであり、ボルト２とナット３との間に締結される部材である。
【００２２】
レンチ１の頭部１ａは、図１に示すように、円柱体の形状からなり、一方の端面にソケット部１ｄが着脱自在に連結されている。ソケット部１ｄは、円柱体の形状からなり、一方の端面が頭部１ａと連結されており、ボルト２と相対向する他端面にボルト２の頭部が嵌合される凹部１ｃが設けられている。なお、ソケット部１ｄは、ボルト２の頭部に応じてそれぞれの大きさからなる凹部１ｃが設けられている。
【００２３】
レンチ１の柄部１ｂは、図１に示すように、直方体の形状からなり、長手方向の一端が頭部１ａの側面と結合されている。また、柄部１ｂは、凹部１ｃにボルト２の頭部とが嵌合された状態において、ボルト２の軸部を軸として回転することにより、ボルトを締め付けることができる。なお、柄部１ａは、直方体の形状に限らず、ボルト２を締め付けることができるものであれば、いかなるものであってもよく、例えば円柱体の形状からなるようにしてもよい。
【００２４】
また、頭部１ａと柄部１ｂとは、互いに初めから結合されているものに限らず、所定の連結材を介して連結するようにしてもよい。
【００２５】
図２は、塑性域締め判定通知部１０の構成を模式的に示した図である。
【００２６】
塑性域締め判定通知部１０は、図２に示すように、ボルト２から放出される弾性波（アコースティック・エミッション）を検出するセンサ１１と、センサ１１が検出した検出信号を増幅する増幅器１２と、増幅器１２で増幅された検出信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１３と、Ａ／Ｄ変換器１３によってディジタル化された検出信号が供給され、この信号を解析してボルト２が塑性域まで締め付けられたか否かを判定する解析部１４と、ボルト２が塑性域まで締め付けられたことを解析部１４が判定した旨を音で通知するブザー１５とを備えている。
【００２７】
センサ１１は、レンチ１の凹部１ｃがボルト２の頭部に嵌合された際に、ボルト２の頭部に接触するように凹部１ｃに取り付けられており、ボルト２が放出する弾性波を電気信号として検出するものである。具体的には、弾性波を検出できるアコースティックエミッションセンサ又は加速度センサといったセンサを用いる。なお、センサ１１は、凹部１ｃに取り付けられる場合に限らず、ナット３又は被締結材４などに取り付ける。つまり、ボルト２に接し、ボルト２が放出する弾性波を検出できる位置に設置するようにしてもよい。しかし、センサ１１をナット３又は被締結材４などに取り付ける場合は、凹部１ｃとボルト２とを嵌合する作業以外に、センサ１１を取り付ける作業が必要である。これに対して、センサ１１を凹部１ｃに取り付けることによって、凹部１ｃとボルト２の頭部とが嵌合されるとともに、ボルト２が放出する弾性波を検出できる位置に設置される。従って、センサ１２が凹部１ｃに取り付けられることは、その他の位置にセンサを取り付ける場合に対して、締め付けを行うまでの準備作業が容易になるといった利点がある。
【００２８】
解析部１４は、増幅器１２によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器１３によりディジタル信号に変換された検出信号を解析して、ボルト２が塑性域まで締め付けられたことを判定する。
【００２９】
ブザー１５は、解析部１４によりボルト２が塑性域まで締め付けられたと判定されると、解析部１４の命令によって音を出力し、ユーザへボルト２が塑性域まで締め付けられた旨を通知する。なお、ブザー１５を用いてユーザへボルト２が塑性域まで締め付けられた旨を通知する場合に限らず、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）の点滅表示などを用いるようにしてもよい。
【００３０】
次に、ボルト２を塑性域まで締め付ける動作について説明する。
【００３１】
まず、ユーザは、被締結材４に設けられている孔部に、ボルト２の軸部を挿通させナット３をその軸部に締結させる。ユーザは、レンチ１の凹部１ｃとボルト２の頭部とを嵌合させ、柄部１ｂをボルト２の軸部を軸として回転してボルト２を締め付ける。ボルト２は、図３に示すように、締め付けられるとともに弾性波を放出し、ボルト２が塑性域まで締め付けられると、弾性波の放出回数が急激に増加する。センサ１１は、ボルト２が締め付けられる時に放出する弾性波を検出する。センサ１１によって検出された検出信号は、増幅処理とディジタル変換とが施される。解析部１４は、ディジタル変換された検出信号が供給され、この検出信号を解析して、ボルト２が塑性変形するまで締め付けられたか否かを判定する。ボルト２が塑性域まで締め付けられたと判定すると、ブザー１５は、解析部１４の命令によって音を発生させ、ユーザにボルト２が塑性域まで締め付けられたと判定した旨を通知する。ユーザは、ブザー１５が発生した音を聴き取り、ボルト２の締め付けを完了する。このようにして、ボルト２は塑性域まで締め付けられる。
【００３２】
なお、ユーザが、手動でレンチ１の柄部１ｂを操作してブザー１５による通知がなされるまで、ボルトの締め付けを行う場合に限らず、レンチ１は、モータなどの駆動手段とその駆動手段を制御する制御手段をさらに備えて、駆動手段によりボルトが塑性域まで締め付けられると、制御手段が検出信号に基づく判定結果に応じて締め付けを完了するようにしてもよい。
【００３３】
このように、レンチ１は、ボルト２に加わる軸力又は伸長を計測しなくても、ボルト２を締め付ける時に放出する弾性波の検出結果を解析して、ボルト２が塑性域まで締め付けられたかを正確に判定することができるので、その他の手法を用いる場合に対して、容易に判定することができる。
【００３４】
次に、ボルト２が放出した弾性波の検出信号に基づいて、解析部１４が行うボルト２が塑性域まで締め付けられたことを判定する具体的な基準について説明する。
【００３５】
具体例として用いるボルトは、強度区分１０．９，Ｍ１０のクロムモリブラン鋼製のボルトである。なお、この種類のボルトに限らず、塑性域締めが行われるその他の種類のボルトを用いるようにしてもよい。
【００３６】
上述したように、ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを判定するには、ボルトの軸力とその伸長との関係である荷重−伸び線図から判定することができる。
【００３７】
ここで、ボルト２を締め付けるとともに、ボルトの軸力とその伸長とを測定し、ボルト２の塑性変形開始点を判定することが望ましいが、ボルト２の締め付け時にこれらの値を正確に測定することは困難である。そこでボルトの引張試験を行い、ボルトの軸力と、ボルトの軸力に応じたボルトの伸長を測定して正確な塑性変形開始点を求めるとともに、センサ１１で引張試験中にボルト２から放出される弾性波を計測し、塑性変形開始点との関係を明らかにした。
【００３８】
ここで、引張試験に用いられる引張試験機は、その引張力と部材の伸長とを計測することができる。
【００３９】
この実施例では、ボルトを締め付ける代わりに、引張試験機を用いてボルト２を伸長させ、ボルト２の軸力とその伸長を計測して、ボルト２の降伏点を算出し、この降伏点を塑性域まで締め付けられたか否かの判定指標とする。また、ボルトが引張試験機によって伸長される時に、レンチ１のセンサ１１を用いて、ボルト２が放出する弾性波を検出する。検出された弾性波は図４のようになる。本例では、検出信号から解析部１４で弾性波が放出した累積数を算出し、この累積回数を判定指標とする。
【００４０】
図５において、ボルト２を引張試験機で伸長する時に、ボルト２に加わる軸力を横軸に示し、ボルト２の伸長を右軸に示す。ボルト２に加わる軸力とその伸長との関係は、図５に示すように、５４ｋＮ以下ではボルトの軸力に対するボルトの伸長が比例関係であるが、５４ｋＮ以上に締め付けられると、この比例関係から外れボルトの軸力に対するボルトの伸長が大きくなる。つまり、ボルトの軸力が５４ｋＮになる時をこのボルト部材の降伏点として、ボルトが塑性域まで締め付けられたと判定することができる。
【００４１】
なお、この具体例では、降伏荷重が５４ｋＮのボルト２の例を示したが、その他の種類の塑性域締めを行うボルトの降伏荷重も、引張試験機を用いて、ボルトの軸力とその伸長との関係から容易に求めることができる。また、ＪＩＳ規格やメーカーのカタログ等に記載されているボルトの降伏応力と有効断面積から降伏荷重を算出することも可能である。
【００４２】
また、図５において、ボルト２を引張試験機で伸長する時にボルト２が放出する弾性波の放出累積数を左軸に示す。
【００４３】
ボルト２が放出する弾性波の放出累積数と引張試験器によって計測されたボルト２の軸力との関係は、図５に示すように、ボルト２の軸力が５４ｋＮになる時を境界として、弾性波の放出累積数が急激に増加する。ここで、ボルト２の軸力とボルト２の伸長との関係から、ボルト２は、ボルト２の軸力が５４ｋＮになるのを境界としてボルトは塑性域まで締め付けられるので、弾性波の放出累積数が急激に増加する時のボルトの軸力とほぼ同じである。よって、ボルト２が塑性域まで締め付けられたことを判定することは、弾性波の放出累積数が急激に増加する累積数に基づいて判定を行うことができる。
【００４４】
このようなボルトの降伏点と、弾性波の放出累積数との関係は、試行を多数回に亘って繰り返しても同様の結果を得られる。
【００４５】
よって、ボルトから放出される弾性波の放出累積数は、ボルトが塑性域まで締め付けられたか否かを正確に判定できる有効な判定指標である。したがって、塑性域判定通知部１０を備えるレンチ１は、ボルトの塑性域締めを正確且つ容易に行うことができる。
【００４６】
なお、ボルト２が塑性域まで締め付けられたことを判定することは、ボルト２が放出する弾性波の放出累積回数に限らず、弾性波の放出割合又は、弾性波の累積振幅分布などを判定指標として用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】レンチを用いてボルトの締め付けを行う時の構成を模式的に示した図である。
【図２】塑性域締め解析部の構成を模式的に示した図である。
【図３】ボルトが放出する弾性波を模式的に示した図である。
【図４】ボルトが放出する弾性波の検出信号を示した図である。
【図５】ボルトの引張試験中に測定されるボルトの軸力とボルトの伸長、及び、ボルトが放出する弾性波の累積数を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  レンチ、２  ボルト、３  ナット、４  被締結材、１０  塑性域締め判定通知部、１１  センサ、１２  増幅器、１３  Ａ／Ｄ変換器、１４  解析部、１５  ブザー
【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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