(57)【要約】【課題】ファスナの製造工程時に容易に導入でき、ファスナシステムへの僅かな改造で済む簡単な装置および方法を用いてファスナの伸びを測定する。【解決手段】１つ以上のリアクタンスキャパシタ（１５、１６）のようなポータブル検出装置（１３）またはカメラ（３４）またはレーザのようなイメージ処理装置を使用するファスナシステム（１）。このファスナシステム（１）は、ファスナに隣接して着脱可能に取り付けられ、ファスナが歪みを受けたときに、かなりの相対移動を受ける検出部分と接触することなく、ファスナシステム（１）の部分の相対移動により引き起こされるボルトヘッドまたは関連ワッシャ（２６、２７）のギャップまたは特別な形状の変化を測定する。【選択図】図１
2008058321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファスナの端部と加工品との間に配置された撓み可能なワッシャと、
前記ワッシャに隣接して配置された第１のキャパシタ板と、
前記ワッシャに支持された第２のキャパシタ板と、
前記第１のキャパシタ板と前記第２のキャパシタ板との間のギャップと、を含み、
前記第１のキャパシタは、前記第２のキャパシタに容量的に結合されて、前記ファスナに加えられる荷重に応じて発生することができる前記ギャップの変化を検出することができる回路で使用されるキャパシタを形成することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受ける荷重を表示できる荷重表示ファスナシステムに関し、より詳しくは、ファスナ（緊締具）システムが歪んだときに形成されるエアギャップまたは形状の変化を測定するリアクタンスキャパシタのような非接触電子装置に関し、更に詳しくは、ファスナシステムが歪まされるときに形状されるエアギャップまたは形状の変化を測定する非接触イメージ処理装置またはレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボルト継手の構造的一体性を確保するには、適用されるファスナシステムも設計荷重レベルまで正確に緊締することが望ましい。歪みを表示することが、ファスナシステムに誘起される荷重の真の表示を与えることは良く知られている。一般に、ファスナを緊締するのにトルクレンチが使用されるが、トルクレンチは予測できない摩擦を受けるため、発生する歪みは甚だ不正確であるといえる。換言すれば、トルクを制御してもファスナシステムの正確な荷重は得られない。
【０００３】
ａ．従来技術による接触形ファスナ伸び測定装置
例えばリニアトランスデューサのような幾つかの測定装置は、物理的接触を行う必要がある。これらの接触法は現場での使用が本来的に困難である。歪みの測定量は極めて小さいため、あらゆる表面汚染（腐食、汚れ、天然研削剤、作業時の傷等）が大きな誤差をもたらす。従って、本発明の目的は、非接触装置および方法を使用して歪みを測定することにある。
【０００４】
ｂ．従来技術による非接触形ファスナ伸び測定装置および方法
歪みを受けたファスナの伸びを測定する従来の非接触形装置および方法は、個々のファスナ、一般にはボルトまたはスタッド内に設けられた電気部品を使用している。これらの早期の方法は、これらに付随する多くの重要な問題を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の非接触測定装置の１つの問題は、個々のファスナに電気部品を設けることはとてつもなく高価になってしまうことである。また、一体形機器は、ファスナの一体性を損ないかつ多くの用途での厳しい環境には適していない。従って、本発明の目的は、ファスナ自体はいかなる電気部品も備えていないコスト有効性に優れた荷重表示ファスナを提供することにある。
【０００６】
従来の非接触測定装置に付随する他の問題は、ファスナの複雑な改造を必要とし、従って製造工程を困難にすることである。従って、本発明の目的は、ファスナの製造工程時に容易に導入でき、ファスナシステムへの僅かな改造で済む簡単な装置および方法を用いてファスナの伸びを測定することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記および他の目的を達成しかつ本願で具現化しかつ広く述べる本発明の構造、機能および結果に従って上記および下記の利益および長所を与える本発明の簡単な要約を以下に述べる。本発明は、その目的および利益を達成する装置および方法の両方を独立的に提供する。本件出願人は、明瞭性および簡潔性の観点から方法および装置のいずれかを用いて本発明の種々の態様および特徴を時宜に応じて説明するが、意図するところは、方法および装置の両方を特許請求することである。
【０００８】
本発明によれば、ファスナが使用されるときに歪みが加えられる本体と、歪みが加えられたときの本体または関連ワッシャの長さまたは形状の変化に応答して相対移動するように構成された部品を備えた荷重検出手段と、リアクタンスキャパシタを含む電子装置、イメージ処理装置または、レーザ装置のような別体の非接触ギャップ測定装置（以下、これを、集合的におよび／または別々に「非接触ギャップ測定装置」と呼ぶ）とを有し、該測定装置が、ファスナに隣接して固定されたときに非接触方法で移動部品の前記相対移動を測定する構成の荷重表示ファスナシステムが提供される。
【０００９】
ファスナシステムはボルトまたはスタッド、ナットまたはワッシャまたは他の形態に構成できる。ボルトの形態の場合には、ファスナの本体は、実質的に標準形態のヘッドおよびシャンクを有する。同様に、スタッドの形態の場合には、本体は、実質的に標準形態のシャンクを有する。いずれの形態の場合にも、ワッシャには、上記形式の別体の非接触ギャップ測定装置により検出される移動部分を表示する手段を設けることができる。ボルトまたはスタッドの場合には、荷重検出要素は、歪みが加えられたシャンクの長さの変化に一致する。ワッシャの場合には、荷重検出要素は歪みが加えられたワッシャの形状変化を検出する。ギャップ測定装置は、ファスナシステムが使用されるときに容易に固定できるボルトヘッド、ねじ端部、スタッド端部またはワッシャに取り付けるのが便利である。
【００１０】
荷重検出要素は、ファスナシステムが固定されるときに、ファスナの本体の長さ変化、ワッシャの形状変化、またはボルトヘッドの形状変化を表示する。かくして、ファスナシステムが固定されると、ファスナシステムが所要の作動荷重に到達したことを表示する非接触ギャップ測定装置により、加えられた荷重が測定される。非接触ギャップ測定装置は、ファスナシステムに取り付けられて、コンピュータモニタ２４または他のディスプレイユニットに表示される測定が行われ。この測定は緊締時に使用できる。また、この測定は最初の緊締後に使用して、初期歪み状態のあらゆる変化を検査することができる。
【００１１】
実際のファスナシステムの荷重はモニタリング２４上に表示され、電気的出力は動力緊締工具（図示せず）の制御に使用され、またはファスナシステムの所望荷重が達成されたことの警報を表示することができる。
【００１２】
荷重検出手段は、加えられる荷重をファスナシステム材料の保証荷重（保証荷重とは、材料の元の寸法からの永久変化が生じる前に耐え得る最大荷重をいう）まで検出できるように構成される。
【００１３】
歪み変化により変化するギャップの創出は種々の方法で達成される。好ましい実施形態では、このギャップ変化を生じさせる手段は、ファスナシステムが使用されるときに歪みが本体に加えられる方向に配置される荷重検出要素と、係止部品とを有する。係止部品は、ファスナが使用されるときに移動が生じる本体の部分で該本体に固定される。非接触ギャップ測定装置と荷重検出要素との間のエアギャップは、ファスナが固定されるか、歪みを弛緩させるかに基づいて、拡大または縮小される。非接触ギャップ測定装置は、エアギャップを測定することにより反応しかつ加えられた荷重をモニタ２４上に表示する。好ましくは、荷重検出要素は、本体の材料と同じ材料で作られるか、少なくとも同じ熱膨張率を有する。これにより、ファスナシステムが使用される温度の変化が、荷重検出要素の機能に悪影響を及ぼすことがなくなる。
【００１４】
好ましい実施形態では、荷重検出要素は中実バーであり、該バーの一端は係止部を形成しかつ他方の自由端はファスナに対して移動できる。荷重検出要素の少なくとも一部は本体のブラインド・ボアすなわち通路内に配置できる。荷重検出手段が上記のような要素である場合には、荷重検出手段は、ボアすなわち通路のブラインド・ボア内に挿入しかつ嵌合できる。係止は、ボアすなわち通路の基部に行うことができる。ボアすなわち通路には、係止部を固定する小さい基部を設けることができる。非接触ギャップ測定装置は、このようなボアすなわち通路の自由端またはこの近くに配置される。荷重検出要素は、例えば溶接、螺着または接着により本体に直接係止させることができ、或いは、本体に適当に固定された基部に係止させることもできる。ボアすなわち通路の基部は締り嵌めボアの形態に構成し、該ボア内に要素を圧入固定することもできる。
【００１５】
荷重検出要素は、歪みが加えられたときに、本体の所与の長さ変化範囲に亘って作動するように構成できる。この長さ変化範囲は、通常、非負荷状態から材料の保証荷重までの本体の伸びである。荷重が加えられて本体が歪まされると、荷重検出要素はゼロデータ位置（データとは、ファスナヘッドの移動しない上面の固定部を意味する）から離れる方向に本体を移動させる。非接触ギャップ測定装置は、本体に取り付けられて、本体上のデータ点（基準点または基準形状）と、荷重検出要素との間の差異を測定する。また、非接触ギャップ測定装置は、荷重を表示すべく較正される。
【００１６】
保証荷重を受けるときの所与の伸びについて、必要な元の長さは、次式から計算される。
2008058321.tif 000003
ここで、Ｅは、本体の材料のヤング係数
Ａは、本体の断面積
異なる断面積および／または保証荷重については、必要な元の長さも変化する。一定範囲のファスナサイズについては、必要に応じて、異なる長さの保証荷重検出要素を設けることができる。しかしながら、一般に、本発明によるファスナの荷重検出要素としては標準長さの荷重検出要素を設けて、非接触ギャップ測定装置により差異を補償することが一層容易かつ経済的である。
【００１７】
本発明によれば、荷重が加えられたファスナシステムの高精度表示を行うことができる。荷重が加えられた非接触ギャップ測定装置からの表示は、ファスナシステムにどれほどの荷重が加えられているかを容易に人に知らせることができる。これは、手で持つことができかつ導管コネクタを介して非接触ギャップ測定ユニットに接続できる電池作動形ポータブルモニタ／ディスプレイで行うことができる。
【００１８】
ファスナシステムは、慣用的なファスナまたは同様形式のものよりそれほど高価にならずに製造できる。例えば、ボアは、最初の製造工程で形成することができる。また、慣用的なファスナは、本発明による荷重検出手段が取り付けられるように容易に適合させることができる。
【００１９】
他の形態では、荷重検出要素は、荷重表示ワッシャを用いて、材料の保証荷重まで、加えられた荷重を測定できるように構成できる。ワッシャは、ファスナシステムの歪みを受けて撓むように設計され、非接触ギャップ測定装置は、ワッシャ／ボルトの静止部分に対する撓みを測定する。非接触ギャップ測定装置は、上記のようにファスナシステムの荷重を表示すべく較正される。
【００２０】
他の形態では、荷重検出装置は、ボルトが歪みを受けたときに、特別設計されたボルトヘッドの撓みを測定することにより、材料の保証荷重まで加えられる荷重を測定し、測定値はボルトが歪みを受けたときに互いに移動する２つの部分から得るように構成できる。非接触ギャップ測定装置は、ファスナシステムの荷重を上記のように表示するように較正される。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態に使用される方法は、次のようなリアクタンスによる測定である。
2008058321.tif 000004
変位＝ギャップ変化
ここで、Ｆ＝周波数（ヘルツ）
Ｃ＝キャパシタンス（ファラッド）
Ａ＝面積（平方インチ）
Ｇ＝ギャップ（インチ）
本発明の幾つかの長所を以下に述べる。
【００２２】
１．必要な全ての電子部品からなる非接触ギャップ測定装置は、測定すべき移動部分と物理的に接触することなく、ファスナシステムが歪まされるときに形成されるエアギャップまたは形状の変化を測定する。
２．非接触による測定は、汚染または環境から生じる誤差を最小にする。
３．測定される距離は、測定される全表面の平均値から決定され、これは接触方法の場合とは異なる。
４．方法および装置ともコスト有効性に優れている。本発明の実施のためにファスナに加える必要のある改造は極く僅かであるため、ファスナのコストは全く変わらない訳ではないにせよ、大きくは変わらないからである。
５．ファスナは、いかなる電気部品も備えていない。
６．ファスナへの設計改造は、ファスナの製造工程時に行われる。
７．本発明のファスナシステムは、最も厳しい用途にも適している。
８．変位はリアクタンスに正比例し、リニアなグラフで表される。
９．ファスナシステムの荷重表示は高度に正確でありかつ反復可能である。
１０.本発明のファスナシステムはポータブルで、現場で使用でき、加えられた荷重の容易なチェックおよび読取りが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
ここで図面を詳細に参照すると、図１および図２には、ボルト継手２５の荷重表示ファスナの一実施形態が示されており、この実施形態では、リアクタンスキャパシタ１５、１６の面とシャンク４との間のギャップ変化を測定するため、ボルトファスナシステム１が提供される。ボルトファスナシステム１は、例えば鋼で作られかつ六角ヘッド３および該ヘッド３から平円筒状部分６だけ間隔を隔てて形成された雄ねじ部分５を備えたシャンク４を有する金属本体２と、ワッシャ２６、２７と、ナット２８と、リアクタンスキャパシタ１５Ａとを有し、該リアクタンスキャパシタ１５Ａは、図１の実施形態では、ギャップ変化を測定するための円筒状リアクタンスキャパシタ１５およびリング状リアクタンスキャパシタ１６とを有している。
【００２４】
本体２内には、その回転軸線と同心状にブラインド・ボア７がドリル穿孔されており、該ボア７は、ヘッド３の頂部から該ヘッド３を通って、平円筒状部分６の長さの約１／４の深さまでシャンク４内に延びている。ボア７の閉鎖内端部には、測定要素８のアンカーとして機能する厳格な公差の小さいカウンタボア９が設けられている。ボア７には、本体２と同じ材料で作られた測定要素８からなる荷重検出手段が支持される。測定要素８は、カウンタボア９で、ボア７内に係止される。この係止は、例えば、ボア９内に圧入するか、任意の種々の固定方法で行うことができる。
【００２５】
ヘッド３の上面は、位置決めスピゴット（差し口）１０、上方データ面１１および下方面１２を形成すべく機械加工されている。要素８の自由端８Ａは、上方データ面１１と同一面となるように研摩される。要素８は、ファスナが使用されるときにナット２８によりシャンク４に加えられる荷重に応答する。この応答は、加えられた荷重によるシャンク４の伸びに関係する。要素８は、本体２の材料の保証荷重まで、加えられた荷重を検出しかつこの加えられた荷重を表示することが適切である。従って、要素８は、保証荷重により引き起こされる伸びまで、シャンク４の伸びに応答するように構成されている。これを達成するため、要素８は、カウンタボア９内の係止が、荷重シャンク４に誘起される荷重に基づいて、要素８を本体２内に（または本体２から）移動させるように本体のボア７内に設置さる。従って、要素８の自由端８Ａは、シャンク４が負荷または除荷されるかに基づいて、ヘッド３の上方データ面１１に対して移動する。シャンク４に荷重が作用していない場合には、要素８とヘッドの上方データ面１１とは同一面内にあり、これはシャンク４が負荷されていないことを示す。シャンク４の材料はフックの法則に従うので、要素８の自由端８Ａとヘッド３の上方データ面との間に創出されるギャップは、シャンク４の材料の保証荷重まで、ポータブルヘッド測定装置１３により荷重を測定すべく較正される。保証荷重を超えなければ、荷重表示はいつでも反復できる。
【００２６】
ポータブルヘッド測定装置１３はリアクタンスキャパシタ１５，１６を支持しておりかつヘッド３の位置決めスピゴット１０上に正確に配置されるように構成されている。ポータブルヘッド測定装置１３は、該装置１３の底部に取り付けられた磁石１４によりまたは他の既知の手段によりヘッド３に固定される。リング状リアクタンスキャパシタ１６は、キャパシタ１６の面１１Ｂとヘッド３の上方データ面１１との間のギャップを測定する。円筒状リアクタンスキャパシタ１５は、キャパシタ１５の表面１１Ａと要素８の自由端８Ａとの間のギャップを測定する。前記面と２つのキャパシタ１５、１６との間の前記ギャップは、非接触ギャップ測定装置、およびリアクタンスキャパシタ１５，１６、キャパシタンス増幅器２２、信号調整器２３およびディスプレイ２４（これらは、使用中にシャンク４が受ける荷重を表面するように較正される）を含む関連電子機器により比較される。
【００２７】
図１のリング状リアクタンスキャパシタ１６は、図３では中実金属ディスク１７に置換されている。このディスク１７は、ポータブルヘッド測定装置１７Ａ内に取り付けられており、ヘッド３の上方データ面１１に当接する。リアクタンスキャパシタ１５は、図１に関連して説明したものと同じ態様で作動する。他の全ての細部は図１で説明した通りである。リアクタンスキャパシタ１５は、データ面１１と、システムの使用時に要素８に生じる移動との間の差異を比較する。
【００２８】
図４に示すファスナシステム１は、使用時にワッシャ１８を撓ませる。リアクタンスキャパシタ３１が、キャパシタ３１の面３２と、ワッシャ１８の表面２０との間のギャップを測定する。このシステムも、図１に関連したものと同様に作動する。
【００２９】
図５には、ボルトのヘッド３を撓ませる特別に設計されたワッシャ２１が示されており、ポータブルヘッド測定装置３３Ａ内に取り付けられかつ位置決めペグ３３によりボルトヘッド３の頂上に配置されたリング状リアクタンスキャパシタ１６Ａ、１６Ｂは、ヘッド３の２つの部分を互いに比較して、荷重を表示する。このシステムのその他の点は、図１について説明したものと同じである。
【００３０】
図６には、カメラまたはレーザ３４を支持するポータブルヘッド測定装置３４Ａが示されており、カメラまたはレーザ３４は、読取り装置３６に接続されたイメージ処理装置３５に接続されている。ポータブルヘッド測定装置３４Ａは、該装置３４Ａの底部に取り付けられた磁石１４により、または他の既知の手段によりヘッド３に取り付けることができる。カメラまたはレーザシステム３４、３５は、要素８の自由端面８Ａと、ヘッド３の上方データ面１１との間のギャップを測定する。データ面１１と要素８の自由端８Ａとの間のギャップは、カメラまたはレーザシステム３４、３５により比較されかつシャンク４の使用時に該シャンク４が受ける荷重を表示すべく較正する。カメラ３４は、レーザ３４に置換し、かつイメージ処理装置３５、読取り装置３６またはコンピュータ（図示せず）に接続することができる。
【００３１】
図７は、システムが負荷されているときのファスナヘッド４０の撓みを測定するための別の実施形態を示すものである。特別に設計されたヘッド４０は、環状溝４１と、床４４をもつ凹部４３を包囲する環状外面４２および円筒状壁４５を備えたスピゴット１０とを有する形状をなしている。カメラまたはレーザ３４を備えたポータブルモニタ３４Ａが、負荷時のヘッドの形状変化を検出する。これらの電子機器は、ファスナ材料のゼロから保証荷重までの荷重スケールを認識して、ファスナに誘起される荷重を表示する。
【００３２】
図８は図７で説明したものと同じであるが、特殊ワッシャ２１が、床４４、壁４５および凹状外面４７をもつ凹部４３を備えた特別設計のヘッド４６を撓ませる点で異なっている。
【００３３】
図９は図８で説明したものと同じであるが、ファスナ材料の保証荷重まで負荷するファスナシステムによる特殊ワッシャ２２の形状変化が、図示のようなカメラまたはレーザ３４により検出される点で異なっている。
【００３４】
好ましい実施形態についての上記説明および本願の出願時点で本件出願人が理解している本発明の最良の形態は、例示および説明の目的のためのものである。本発明は、本願で説明された正確な形態に限定されるものではなく、上記教示から多くの変更をなし得ることは明白である。本発明の原理およびその実際の適用を最も良く説明すべく選択されかつ説明された本発明の実施形態は、当業者が本発明を種々の実施形態で使用することを可能にし、また特定用途に適した種々の変更態様を考えることもできる。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の部分側断面図であり、ギャップを測定すべく具現化されたファスナおよび測定要素の一実施形態を示すものである。また、リング状リアクタンスキャパシタおよび円筒状リアクタンスキャパシタを備えたポータブルリアクタンスキャパシタも示されている。リング状リアクタンスキャパシタは、該リアクタンスキャパシタの面と、ファスナの固定部分との間のギャップを測定する。円筒状リアクタンスキャパシタは、該リアクタンスキャパシタの面と、測定要素の自由端との間のギャップを測定する。非接触ギャップ測定装置は、測定要素の自由端と、データ面（基準面）との間の差異を計算する。非接触ギャップ測定装置は、２つの測定値間の差異を計算し、この結果は、ファスナの使用時にファスナにより発生されるクランプ荷重を表示すべく正確に較正される。
【図２】ポータブルヘッド測定装置を取り外した状態の図１のファスナを示す図１と同様な側断面図である。
【図３】円筒状リアクタンスキャパシタのみを用いてギャップを測定する別の実施形態を示す図１と同様な側断面図である。ポータブルヘッド測定装置は、ファスナのデータ面の固定部分に取り付けられる。円筒状リアクタンスキャパシタは、円筒状リアクタンスと測定要素の表面の上方自由端との間のギャップを測定する。非接触ギャップ測定装置は、ギャップの異なる測定値を計算しかつファスナの使用時にファスナにより誘起されるクランプ荷重を表示すべく較正される。
【図４】ファスナシステムに歪みを受けるときに撓むように特別設計されたワッシャおよびギャップを測定する非接触ギャップ測定装置を示す図１と同様な側断面図である。非接触形リアクタンスキャパシタギャップ測定装置は、ボルト継手に固定されると、リアクタンスキャパシタの面と、ワッシャの被測定部分との間のギャップとの間のギャップを測定する。
【図５】ファスナが歪みを受けるときに非接触リアクタンスキャパシタギャップ測定装置によりヘッドの２つの異なる部分を相対的に測定できるように、ファスナのヘッドを変形させることができる特別設計されたワッシャを示す図１と同様な側断面図である。
【図６】イメージ処理装置またはレーザ形ギャップ測定装置が使用できるように取り付けられた本発明の他の変更形態を示す図１と同様な側断面図である。
【図７】ファスナが引張り力を受けたときの荷重により撓むように修正されたファスナヘッドを示す図１と同様な側断面図である。
【図８】ファスナが引張り力を受けたときの荷重により撓みかつファスナヘッドを撓ませるように特別設計されたワッシャを有する本発明の他の変更形態を示す図１と同様な側断面図である。
【図９】ファスナが引張り力を受けたときの荷重により撓む特別設計されたワッシャを有する本発明の他の変更形態を示す図１と同様な側断面図であり、ギャップはシステムの側方から測定される。
【図１】
2008058321.tif 000005
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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