(57)【要約】この発明は、特にネジ結合である非押し込み式結合のための制御デバイス（１）に関する。デバイスは、２つの力印可要素（２ａ、２ｂ）とそれらの間に配置された測定要素（３）とからなる。測定要素は、力検出作用を有する層（４）が少なくとも部分的に設けられている。この層の表面は、力印可要素により印可された力を受けるための隆起（５ａ、５ｂ）が設けられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にネジ結合である非押し込み式結合のための制御デバイス（１）であって、
前記デバイスは、力印可要素（２ａ、２ｂ）と少なくともひとつの測定要素（３）を有し、前記測定要素には、少なくとも一部の領域に、力検出作用を発揮する層（４）が設けられており、
前記層の表面が、支持断面として、前記力印可要素により印可された力を記録するように構成された平坦な突起（５ａ、５ｂ）を有することを特徴とする制御デバイス。
【請求項２】
前記力検出作用は、印可された力が変化するときの、前記層の電気抵抗の変化からなることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記力検出層が、アモルファスおよび／またはナノ結晶構造を有しているダイアモンドライクのカーボンベースの層からなることを特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記力印可要素（２ａ、２ｂ）が、止めネジ（６）の頭（２ａ）および前記止めネジを補完するナット（２ｂ）であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記測定要素（３）は互いに反対に位置する上面（７）および下面（８）を有しており、前記上面および／または下面に、力検出作用を発揮する層が少なくとも部分的に設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項６】
力検出層によって覆われていない領域において、前記測定要素に電気絶縁層（９）が設けられているか、または残りの領域がコーティングされていないことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項７】
前記測定要素（３）が中央の穴を持つディスクの形状を有していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項８】
前記突起が、前記測定要素の表面上に環状に配置されている（図２ｂから３ｆを参照）ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項９】
複数の環状突起（５ａ、５ｂ）が互いに同軸に配置されるように設けられることを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記環状突起の円周方向に対して直角に、前記突起が長方形、三角形または円形の形状を有することを特徴とする請求項８または９に記載のデバイス。
【請求項１１】
複数の突起領域（５ａ’−５ｅ’）が設けられ、これらが異なる突起のタイプおよび／または数を有することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１２】
前記突起領域が互いに電気的に分離されていることを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記力印可要素（２ａ、２ｂ）が相互に移動するとき、前記測定要素の位置の変化を防止するスリーブ（１０）内に前記測定要素が収容されていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１４】
前記測定要素が、前記力検出（４）コーティングが施されているコア（３’）を有することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１５】
前記コア（３’）が、焼き入れ鋼または非焼き入れ鋼、合金鋼、ステンレス鋼、セラミック材料またはグラスファイバー強化プラスチックなどから構成されることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１６】
前記力検出層がアモルファスカーボンから構成されることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１７】
信号を取得し送信し評価するための電気接点と電気回路を含むことを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１８】
信号送信の後に遠隔測定が行われることを特徴とする請求項１７に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非押し込み式結合（kraftschlussiger Verbindungen）、有利にはネジ結合の制御デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ネジ結合は、ネジ山を介したトルクの軸力への変換に基づいている。この力は、ネジ軸の可逆性の伸びとなり、複数の要素を互いに非押し込み態様で押しつけて結合する。ネジ結合は、建築産業において、その最大の危険が発見されている着脱可能な結合のひとつとして数えられている。これらの結合は、振動や設置の過程などのために、その機能を失い得る。
【０００３】
独立した外れを防止するために、種々の方法が採用されている。ネジを横切るように割りピンを取り付けて、ネジが脱落するのを防止することができる。しかし、そのときには既に、現実上は結合が緩くなってしまっている。振動による緩みを防止することを目的として、種々のタイプの接着剤が使用されている。さらに、ある程度の引張りを維持する弾性ネジを使用して、振動による緩みを防止することができる。
【０００４】
しかしながら、これらの方法は全て、ネジ結合の状態について何の情報も与えず、既に始まっている現状を維持するように意図されている。ネジ結合の品質は、要求している構造において、ある特定の範囲内になければならない軸方向の予備引張りによって決定される。したがって、恒常的に監視するためには、軸力を継続的に測定しなければならない。
【０００５】
ネジ結合の軸力を測定するために、締め付けトルクを軸力に変換する方法が知られている。これらの方法は、信頼できない結果を産むだけである。例えば、ネジ頭とその下にある材料の間の摩擦係数に大きく依存しており、この摩擦係数は、動作時間とともに著しく変化する。
【０００６】
軸力を測定するために、ネジ頭にピエゾ電子層システムを付けることが知られている。この方法では、ネジ結合の軸荷重が、超音波読み取り装置を介して非常に正確に測定される。しかしながら、この手順は、いくつかの欠点と関連している。あらゆるネジ頭形状に適しているわけではない一方で、あらゆるタイプのネジについて新たな特性曲線を記録しなければならない。さらに、超音波読み取り装置のコストが高いために、多数のネジ結合を継続的に監視することは、経済上ほとんど実現不可能である。
【０００７】
いくつかの既知の解決策が、ＤＥ  １９８  ３１  ３７２およびＤＥ  １９９  ５４  １６４に記述されている。しかしながら、これらの解決策は、比較的大きな変形およびそれ故の測定距離が使用されなければならないという欠点を有しており、これは、ＤＥ  １９８  ３１  ３７２の図１ｂまたは図１ｃに見ることができる。既知の解決策の大きな欠点には、軸力測定の最適化された調整をすることができないということも含まれる。ＤＥ  １９９  ５４  １６４に示されるように、Ｕディスク上のピエゾ抵抗測定層が使用されると、力の関数としての抵抗の変化は指数関数的関係を呈する。結果として、カーブの勾配が顕著に平らになるので、高荷重のとき測定感度が低下する。それにもかかわらず、ネジ軸に伝達される軸力について正確な結果を得るべく、あらゆることにかかわらず、十分に正確で情報を与えてくれる測定を実行できるように、感度の高い電子計測システムが必要となるか、または、特にコストの高い境界条件を作製しなければならない。これは、依然として不正確でありうる測定に対して、高いコストの元となる。
【発明の開示】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、非押し込み結合を検査するデバイスを提供することであり、このデバイスにより、非押し込み結合、特にネジ結合に発生する軸力の低コストかつ正確な決定が可能になる。
【０００９】
この課題は、請求項１によるデバイスによって解決される。
【００１０】
力検出作用を有する層が設けられた力印可要素の作用を受ける測定要素と、力印可要素により印可された力を吸収すべく平坦な突起という形で前記層内にバンプを有する力検出層の表面のおかげで、特定の支持断面を提供することによって曲線（すなわち、印可された力に対する抵抗の変化）の形状を設定することが可能である。したがって、曲線の最適な領域において測定が常になされうるように、特定のバンプ断面、例えば、表面領域または形状を変化させることが可能となる。ここで、曲線の好ましい傾きを、コストのかかる評価法を必要とすることなく、評価のために使用することができる。したがって、この方法において、測定要素のコアおよび／または中間層および／または力検出層が、支持断面として構築される平坦なバンプを持つことができる。この方法によって、印可された力について望ましい吸収表面領域を指定することによって選択的に適用される。本発明の観点から、「力印可要素」とは、本発明による測定要素に力を印可することのできる全ての要素（形状および数量とは無関係）を意味する。
【００１１】
本発明によるこの教示は、力検出作用を発揮する全ての層について、原則として実現可能である。この出願において、「力検出作用」とは、機械的荷重の影響の下でその電気抵抗が変化する任意の材料を意味すると捉えることができる。このタイプの既知のサブグループとして、例示的にピエゾ抵抗材料がある。
【００１２】
本発明の有利な改良態様は、従属項において規定される。
【００１３】
非常に有利な改良態様は、力印可要素がネジ結合の一部であることである。そうすると、第１の力印可要素は止めネジの頭部であり、補完的な第２の力印可要素は止めネジのナットである。代替的に、ネジボルトも可能であり、この場合、力印可要素は、（結合される構造要素とともに）測定要素を封入する２つのナットの形態をとる。しかしながら、本発明は、原則としてすべての非押し込み式結合、例えば任意の支え、取り付け金具およびマウントについて使用可能である。原則として、結合は、リベット結合などの強度制御についても使用可能である。
【００１４】
別の改良態様は、測定要素が互いに反対側に位置する上面および下面を有しており、この上面および／または下面に力検出作用を発揮する層が設けられることである。これは、好ましくは平坦な断面（例えば、円形または四角形の形状を持つか、追加のねじれ安全装置を持つ）を持つ測定要素において、あたかも「力センサ」に相当する突起を、測定要素の上面または下面に選択的に配置することができる、ということを意味する。当然、突起を測定要素の両側に設けることも可能であり、このとき信号処理は、上面および下面について共通のまたは別々の回路において評価される。
【００１５】
力検出層が付されている測定要素のコアの材料に応じて（すなわち、主にこのコアが導電体か否かに応じて）、測定要素は、電気絶縁層（例えば、１０１５ｏｈｍ・ｃｍ以上）を持つ力検出層により覆われていない領域で与えることもできるし、あるいは、電気絶縁体の場合には、残りの領域が覆われていなくてもよい。
【００１６】
測定要素の形状は様々なデザインが可能であるが、中空の円筒形状が特に有利である。この場合、測定要素は、ボルトまたはネジの通過を可能とする中央の穴を有するディスク形状となる。
【００１７】
特にこれに関連して、改良態様では、測定要素の上面または下面に、バンプがリング形状で配置される。すなわち、例えば、ネジが通過するための穴と同軸にバンプが配置される。これに関して、複数の環状の突起を互いに同軸に配置することも可能である。
【００１８】
所望の接触面積または力−歪み関係に依存して、これら環状の突起は、円周方向に対して直角に長方形、三角形、または円形の断面形状を有することができる。
【００１９】
これとは独立して、完全に異なった幾何形状を有する複数の隆起領域を提供することもできる。したがって、例えば、独立の領域は、測定要素、長方形要素などの表面に、互いに隣接して配置された円筒要素の集合であってもよい。原則として、これら突起の支持断面は、そのタイプおよび／または数を任意に変更可能である。テクスチャリング技術において既知の方法の助けにより、任意の形状を製造することができる。既知の方法には、例えば、エンボス、フォーミング、プレス方法、グラインド技術およびマシニング技術の方法、エッチング方法、レーザテクスチャリングおよびスパークエロージョンが含まれる。測定要素の共通の面にそれらが収容されているか否かにかかわらず、異なる隆起領域は、必要であれば、互いに独立して電気的にアドレス指定可能である。
【００２０】
これは、温度補償にとって、または平均値（例えば、結合されるネジまたは構造部分における幾何公差の補償）を取得するために有用であり得る。原則として、上面および下面に位置する領域は、それぞれ別個に電気的にアドレス指定可能であり、信号の観点からは、並列回路で共同で処理することができる。そうすると、抵抗を選択的に制御するために、上面または下面の層の厚さをそれぞれ別々に増やすことができる。
【００２１】
特に有利な改良態様は、測定要素が例えばワッシャ形状をして鳩目内に収容されており、力印可要素が相対運動したときに、測定要素の位置の変化を防止することである。この方法により、例えばネジ頭が回転したときに、ワッシャ形態の測定要素がそれとともに自動的に回転することが防止される。このような並行回転は、力検出層が耐摩擦性の高い材料で構成されているとき、特に有害となりうる。同時に、層内で破壊が発生し、測定値を不正確にし、ネジ結合またはその隣接部材に機械的ダメージを与え得る。
【００２２】
共通の実施形態では、測定要素は、力検出コーティングが付されているコアを有している。コアは、好ましくは、焼き入れ鋼または非焼き入れ鋼、合金鋼、ステンレス鋼、セラミック材料、グラスファイバ強化プラスチックなどで形成されることが好ましい。しかしながら、コーティング内の脆性破壊を防止するために、力検出層内にダイアモンドライクのカーボンコンパウンドを使って、容易に変形するようなコア材料、例えば鉛を提供しないようにすることが有用である。原則として、力に敏感なダイアモンドライクのカーボン層を使用した場合、層に冷却法（好ましくは、摂氏１５０度より下）を適用することができるので、低い融点を有する材料からコアを製造することもできる。
【００２３】
力検出層は、種々の材料から形成することができる。可能性があるものとして、例えば、機械的剛性のある半導体材料または既知のピエゾ抵抗材料がある。力検出層は、既知のＣＶＤ法およびＰＶＤ法により製造することができ、また、ダイアモンドライクのピエゾ抵抗層の場合には、例えばプラズマＣＶＤ技術を持って製造される。金属がドープされたダイアモンドライクな力検出層は、例えば、ＡＲＣ、スパッタおよびガスフロー法により製造することができる。潜在的な層材料に関して、我々は、ＤＥ  １９９  ５４  １６４  Ａ１を参照するが、これには豊富な材料が規定されている。繰り返しを避けるために、参照はこの公開された出願に対してのみ行い、材料に関する全体の記述を本出願に援用する。アモルファスカーボンの力検出層を構築することが特に有利であることを強調する必要がある。例えば、ｓｐ２ハイブリッド化を有するグラファイト構造は、ｓｐ３ハイブリッド化を有するダイアモンドライクな構造とともに提供することができる。
【００２４】
本発明によるデバイスは、付加的に、信号を取得し送信し評価するための電気接点と電気回路とを含むことができる。液体の侵入または独立要素の回転能力による問題を防止するために、信号値の送信後に遠隔測定をすることができる。
【００２５】
本発明の他の有利な改良態様は、従属項に規定されている。
【００２６】
以下、本発明を複数の図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、非押し込み式結合を検査するためのデバイス１を示す。ねじ結合が示される。ネジ軸６は、軸の上端に堅く結合されるネジ頭２ａと、軸の下端にネジ山によってネジ留めされるナット２ｂとを有する。ネジ頭２ａとナット２ｂは、本発明により定義される２つの力印可要素である。
【００２８】
これら力印可要素の間に、ネジ軸６が通過する対応する開口部を有する２つの構造要素１２ａおよび１２ｂが取り付けられ、非押し込み式態様で接合される。上面の構造要素１２ａには、本発明による測定要素３がスリーブ１０の内部に備えられている。測定要素３は、実質的に全表面にわたって、層４で覆われている。測定要素３の上面および下面には、同軸の環状突起５ａ（外側）と５ｂ（内側）が収められる。突起５ａ、５ｂは、ネジ軸が通過するための中央穴と同軸に配置される。測定要素３の上面および下面から突き出た突起は、スリーブ１０の内面に接続されている。すなわち、突起のみがスリーブの上面または下面の内壁に接続しており、したがって、２つの力印可要素の間の距離が短くされたときに、これらの突起のみが圧縮力にさらされる。
【００２９】
測定要素３における圧縮力のレベルを検出するために、上述の定義で述べたように、層４は、力検出作用を発揮する。この場合、層４は、例えばＤＥ  １９９  ５４  １６４  Ａ１に見ることができるように、アモルファスカーボンから形成される。しかしながら、原則として、機械的荷重を受けて電気抵抗が変化する全ての材料が、この出願にとって考えられる。
【００３０】
本発明の本質的な特徴は、測定要素３、すなわち力を吸収する隆起（例えば、５ａと５ｂ）上の支持断面の構造のために、力印可要素の圧縮力が分散される領域が、実際上任意の範囲内で変化することができる点である。既に述べたように、これは、印可された力と電気抵抗の変化との間の関係を評価するための好ましい範囲を求めるために、有効である。
【００３１】
好ましい変形例では、電気的な接触は測定要素３のコアを介して発生し、第２の接触はデバイスのアースを介して起こる。しかしながら、他の測定ベースの評価も可能である。
【００３２】
測定ベースの評価は、電気接点１１ａ、１１ｂを通して行われる。この場合、電気接点１１ａ、１１ｂは、最初は互いに絶縁されている。電気接点１１ａ、１１ｂは、互いに電気的に絶縁された力検出層の上面および下面にそれぞれ接続されている。原則として、上面および下面の層は、測定要素３の相互に独立した測定センサを形成している。これら測定センサは、図示しない別の極（つまり、アース極。この目的のために、隣接要素として、従来の導電材料が選択されなければならない）にそれぞれ接続されている。信号品質を改善するために、上面または下面の力検出層からの信号は、共通の並列回路に記録され後で評価することが可能である。
【００３３】
以下に示す実施形態に関して、測定要素３は、その上面のみまたは下面のみに力検出層を有することができることは言うまでもない。
【００３４】
図１に示す実施形態は、測定要素３が、ねじりに対して自身を固定するようにスリーブ１０内に収容されているので、特に有利である。スリーブ１０は、ネジ軸６および力印可要素２ａ、２ｂと同様に、導電材料で構成することができる。スリーブ１０を挟むことによって、ネジ頭２ａと、コーティングされた隆起５ｂおよび５ａとの間の相対運動が防止され、ねじりに対する安全装置が得られる。この目的のために、対応するフォームフィッティング留め具によって、追加のねじり安全装置を提供することができる。
【００３５】
しかしながら、スリーブ１０は本発明全体の本質的な特徴ではない。すなわち、本明細書に示す実施形態の全ては、スリーブ１０がなくても好適であり、要素１２ａまたはネジ頭２ａと直接接触してもよい、ということが明示的に強調される。
【００３６】
測定要素３の構造に関して、突起５ａおよび５ｂの性質から離れて、測定要素３のコア３’の材料に対する異なる構造と、力検出層またはその上に付加される電気絶縁層もまた可能である。この場合、コアは単なる焼き入れしていない鋼鉄から構成されるが、用途に応じて、任意の焼き入れされたステンレス鋼または合金鋼も可能であり、さらに、セラミック材料またはグラスファイバ強化プラスチックも可能である（上記説明に対する序文を参照のこと）。
【００３７】
図２ａおよび図２ｂは、本発明による測定要素の別の実施形態を示す。この測定要素は、平坦な下面８に電気絶縁層９を有する。この場合、電気絶縁体は、１０１５ｏｈｍ・ｃｍ以上の特定の抵抗値を有する任意の物質として考慮されなければならない。考慮に入れられる絶縁体の例は、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、または、ＳＩＣＯＮ（商標）の商品名で販売されている、高いオームを有し、ダイアモンドライクのカーボンからなる材料がある。測定要素３は、平坦で中空の円筒断面形状を有し、中央の開口部の周りに同軸に配置されたただ１つの隆起を上面に有している。この場合、上面は、力検出層４でコーティングされている。圧縮力対電気抵抗変化の所望の曲線の形状に依存して、また、力検出層４の堅さ／もろさに依存して、これら円形の突起５ａの円周方向に直角な断面は、様々な形状を取りうる。広い領域にわたって圧力を与えることが好ましければ、図２ｂに示すような長方形の断面形状が可能である。しかし、圧力をより顕著に増加させるために、三角形形状または円形形状を選択することもできる。
【００３８】
図３ａから図３ｆは、本発明による測定要素３の別の実施形態を示す。これら全ての共通の特徴は、測定要素３の隆起の領域において、少なくともいくつかの領域に電気接点に接続された力検出層を有していることである。力検出層は、１０８から１０−２ｏｈｍ・ｃｍより小さい特定の電気抵抗を有していることが有利である。
【００３９】
図３ａは、長方形の断面を有する３つの同軸の環状突起５ａ、５ｂ、５ｃを持つ、測定要素３の中空円筒バージョンを再び示す。測定要素３の下面は、絶縁体９で覆われている。図３ｂは、２つの同軸の隆起を上面に持つ別の実施形態を示すが、円形のディスクは、その全表面領域にわたって、連続的な力検出層４によって覆われている。
【００４０】
図３ｃは、測定要素３の上面にただ１つの円形の隆起５ａを有し、下面はコーティングされていない（力検出層も絶縁層も有していない）別の実施形態を示す。
【００４１】
図３ｄは、上面と下面にそれぞれ同一の形状の環状突起が同軸に設けられている別の実施形態を示す。
【００４２】
図３ｅおよび図３ｆは、下面が絶縁体または力検出層のいずれかからなり、上面の複数の隆起が、環状隆起の円周方向に直角の断面形状として三角形または円形の形状を有している、他の実施形態を示す。
【００４３】
最後に、図４は、本発明による測定要素３の別の実施形態を平面図で示す。これは、ネジ軸を通過させるための中央軸に対して、回転対称なデザインを有していない。代わりに、隆起５ａ’から５ｅ’を持つ複数の領域が示されている。これらは、それぞれ隆起のタイプおよび／または数が異なる支持断面を有するフィールドから構成されている。考慮する形状は、平面図で見たとき任意のノブ状の要素または帯状の要素であり、例えば、円形、長方形、円弧状の平面形状を有する。サポート要素は、異なる断面形状を有していてもよい。したがって、円形の断面形状と同様に、垂直の端および傾斜のある端を有する断面もまた実現可能である。
【００４４】
異なる隆起領域を、測定要素３の上面および／または下面に備えられているか否かにかかわらず、互いに電気的に絶縁することも可能である。そうすると、異なる隆起領域が、同一または異なる支持断面を有することができる。この出願は、例えば、温度変動に起因する測定の不正確さを補償することを含む。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】設置状態における非押し込み式結合を検査するための本発明によるデバイスを示す図である。
【図２ａ】本発明による測定要素の第１の実施形態の平面図である。
【図２ｂ】本発明による測定要素の第１の実施形態の断面図である。
【図３ａ】本発明のよる測定要素の別の実施形態を示す図である。
【図３ｂ】本発明のよる測定要素の別の実施形態を示す図である。
【図３ｃ】本発明のよる測定要素の別の実施形態を示す図である。
【図３ｄ】本発明のよる測定要素の別の実施形態を示す図である。
【図３ｅ】本発明のよる測定要素の別の実施形態を示す図である。
【図３ｆ】本発明のよる測定要素の別の実施形態を示す図である。
【図４】本発明による測定要素の別の実施形態の平面図における様々な突起領域を示す図である。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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【図３ｆ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2005522688.tif 000014
2005522688.tif 000015
2005522688.tif 000016
2005522688.tif 000017
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