(57)【要約】【課題】締付け力の検出を容易なものとするボルト・ナット締結体の締付け力検出方法を提案する。【解決手段】ボルト・ナット締結体１にあって、締結用ナット５から突出する雄ねじ部３に引張回転軸１２の下端に形成された雌ねじ孔１３を螺合し、引張回転軸１２を回動させることにより、雄ねじ部３を引張し、引張回転軸１２に作用するトルク勾配の変移点を検出し、該変移点での引張力を締付け力Ｆｉとしたものである。かかる構成とすることにより、直接雄ねじ部３に作用する引張力を検出する必要がなくなるため、検出部の汎用性が向上し、検出が容易となる。また、締付け力検出部の構造を簡易なものとすることができる。【選択図】　図３
2004101246.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被締結物の挿通孔に締結用ボルトを挿入し、挿通孔を貫通した締結用ボルトの雄ねじ部に締結用ナットを螺合緊締してなるボルト・ナット締結体の、締結用ナットから突出する締結用ボルトの雄ねじ部に、回動部を回動すると該回動部と連動する接続部が接続対象物を引張する引張手段の、その接続部を接続し、該引張手段の回動部を回動することにより接続部を介して雄ねじ部をボルト・ナット締結体の上面に対して引張し、回動部に作用するトルクＴの変移点を検出し、該変移点での引張力をボルト・ナット締結体の締付け力Ｆｉとすることを特徴とするボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【請求項２】
引張手段の回動部を任意の角度θだけ回転させて、締結用ボルトの雄ねじ部を引張して回動部に作用するトルク勾配ｄＴ／ｄθを検出し、該トルク勾配ｄＴ／ｄθが急激に上昇し、その後急激に減少するときのトルク勾配ｄＴ／ｄθを第一トルク勾配Ｔａとし、急激に減少した後、トルク勾配ｄＴ／ｄθが安定し始めるときのトルク勾配ｄＴ／ｄθを第二トルク勾配Ｔｂとし、さらに（Ｔａ＋Ｔｂ）／２である特定トルク勾配を算出し、特定トルク勾配のときのトルクＴｃを回動部に作用するトルクＴの変移点として、該トルクＴｃから締付け力Ｆｉの検出をすることを特徴とする請求項１記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【請求項３】
ボルト・ナット締結体上面に座定される受圧手段と、
接続部が回動部の下端に形成される雌ねじ孔であると共に、段面が周囲に形成される回動部及び該回動部に作用するトルクＴを検出するトルク検出手段とを具備する引張手段と、
前記受圧手段と引張手段との間に介装され、端部に回動部を支持する支持面が形成される支持手段とを備え、
支持手段の支持面と回動部の段面とが対向接触して支持手段が回動部を支持し、回動部の回動に伴って雌ねじ孔が回転し、該雌ねじ孔と螺合する雄ねじ部を引張する締付け力検出部を用いる締付け力検出方法にあって、
雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数μｓと、支持手段の支持面と回動部の段面とが接触する支持接触面の摩擦係数μｗとが既知である場合に、
【数１】
2004101246.tif 000033
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　μｓ；雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数　μｗ；支持接触面の摩擦係数　ｄ２；雄ねじ部の有効径　α’；雄ねじ部のねじ山直角断面のフランク角　Ｐ；雄ねじ部のねじのピッチ　Ｄｗ；支持接触面のトルクの等価直径）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することを特徴とする請求項２記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【請求項４】
雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数μｓが未知の場合に、回動部の雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部のみが接触する状態で、圧縮力Ｑを回動部の回転軸方向に負荷し、該圧縮力Ｑを負荷しながら回動部を回動させたときに回動部に作用する雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間の摩擦トルクである暫定トルクＴｌを検出すると共に、
【数２】
2004101246.tif 000034
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　Ｑ；圧縮力　Ｐ；雄ねじ部のねじのピッチ）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することを特徴とする請求項３記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【請求項５】
ボルト・ナット締結体上面に座定される受圧手段と、
接続部が回動部の下端に形成される雌ねじ孔であると共に、回動部及び該回動部に作用するトルクＴを検出するトルク検出手段とを具備する引張手段と、
前記受圧手段と引張手段との間に介装され、回動部を支持する支持手段と、
支持手段と引張手段との間に配設され、消費トルクＴＢが既知のスラストベアリングとを備え、
回動部の回動に伴って雌ねじ孔が回転し、該雌ねじ孔と螺合する雄ねじ部を引張する締付け力検出部を用いる締付け力検出方法にあって、
雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数μｓが既知である場合に、
【数３】
2004101246.tif 000035
（ここでＴＢ；スラストベアリングの消費トルク　ｆ；スラストベアリングの回転軸方向に作用する力　β；定数　γ；定数）
と仮定して、
【数４】
2004101246.tif 000036
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　μｓ；雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数　ｄ２；雄ねじ部の有効径　α’；雄ねじ部のねじ山直角断面のフランク角　Ｐ；雄ねじ部のねじのピッチ）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することを特徴とする請求項２記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【請求項６】
雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数μｓが未知の場合に、回動部の雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部のみが接触する状態で、圧縮力Ｑを回動部の回転軸方向に負荷し、該圧縮力Ｑを負荷しながら回動部を回動させたときに回動部に作用する雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間の摩擦トルクである暫定トルクＴｌを検出すると共に、
【数５】
2004101246.tif 000037
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　Ｔｌ；回動部に作用する暫定トルク　　Ｑ；圧縮力　Ｐ；雄ねじ部のねじのピッチ）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することを特徴とする請求項５記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【請求項７】
ボルト・ナット締結体上面に座定される受圧手段と、
支軸ねじ及びスクリューナットとからなるボールねじにより構成され、回動部がスクリューナットで、かつ接続部が支軸ねじの下端に形成される雄ねじ部固定用雌ねじ孔であり、スクリューナットに作用するトルクＴを検出するトルク検出手段を具備する引張手段と、
前記受圧手段と引張手段との間に介装される支持手段とを備え、
支持手段の支持面とスクリューナットの下面とが対向接触して支持手段がスクリューナットを支持し、スクリューナットの回動に伴って、支軸ねじの雄ねじ部固定用雌ねじ孔に螺合する雄ねじ部を引張する締付け力検出部を用いる締付け力検出方法にあって、
支持手段の支持面とスクリューナットの下面とが接触する支持接触面の摩擦係数μｗが既知である場合に、
スクリューナットを回転させるときのトルクＴｋと引張力Ｆとの関係を、
【数６】
2004101246.tif 000038
（ここでＴｋ；スクリューナットを回転させるときのトルク　Ｆ；引張力　ρ；定数　ψ；定数）
と仮定して、
【数７】
2004101246.tif 000039
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　Ｐ；雄ねじ部のねじのピッチ
Ｄｗ；支持接触面のトルクの等価直径）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することを特徴とする請求項２記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【請求項８】
ボルト・ナット締結体上面に座定される受圧手段と、
支軸ねじ及びスクリューナットとからなるボールねじにより構成され、回動部がスクリューナットで、かつ接続部が支軸ねじの下端に形成される雄ねじ部固定用雌ねじ孔であり、スクリューナットに作用するトルクＴを検出するトルク検出手段を具備する引張手段と、
前記受圧手段と引張手段との間に介装される支持手段と、
支持手段と引張手段との間に介装され、消費トルクＴＢが既知のスラストベアリングとを備え、
スクリューナットの回動に伴って、支軸ねじの雄ねじ部固定用雌ねじ孔に螺合する雄ねじ部を引張する締付け力検出部を用いる締付け力検出方法にあって、
スクリューナットを回転させるときのトルクＴｋと引張力Ｆとの関係を、
【数８】
2004101246.tif 000040
（ここでＴｋ；スクリューナットを回転させるときのトルク　Ｆ；引張力　ρ；定数　ψ；定数）
と仮定し、さらに、
【数９】
2004101246.tif 000041
（ここでＴＢ；スラストベアリングの消費トルク　ｆ；スラストベアリングの回転軸方向に作用する力　β；定数　γ；定数）
と仮定し、
【数１０】
2004101246.tif 000042
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　Ｐ；雄ねじ部のねじのピッチ　β；定数　γ；定数　）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することを特徴とする請求項２記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【請求項９】
受圧手段が、ボルト・ナット締結体の上面のうち、締結用ナット上面に座定されることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボルトの破断事故を防止するなどのために行われるボルト・ナット締結体の締付け力検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などの機械や、橋梁などの構造物の組立てには、ボルト・ナットによる締結が欠かせない。ここで、ボルト・ナットの締結体としての強度は、締付け力に大きく依存するのであるが、この締付け力の管理は、締付け時にだけ行われることが一般的であり、締付け後については、現状ではほとんど行われていない。しかし、機械の作動中に予期しない外力の作用によってボルトがゆるみ、締付け力が低下した場合には、疲労破断の危険性が著しく増加する。したがって、ボルトの破断事故を防止し、ボルト・ナット締結体の信頼性を向上するためには、締結後のボルトの締付け力の検出にも注意を払う必要がある。
【０００３】
かかる締付け力検出方法としては、ボルト・ナット締結体のナットから突出したボルトの先端部を引張ることで、締付け力を直接検出する方法（特許文献１参照）が提案されている。この方法は、ボルトに負荷する引張力が締付け力に達したとき、ナット座面と被締結物座面が離間し、ボルトの見かけ上のばね定数が変化することから締付け力を検出するものである。この方法は簡便であり、すでに締結状態にあるボルト・ナットにも適用が可能である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１７０３６２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この特開平１０−１７０３６２に開示される発明は、引張力と、変位とを検出するため、歪みゲージが埋設される荷重測定手段が、引張力を発生させる部分と締結体を保持する部分との間に配設される必要がある。しかしながら、かかる構成であると、汎用性が低いと共に、荷重測定手段が備えられる分だけ検出部が高背化する問題が生じる。
そこで本発明は、汎用性が高く容易に締付け力を測定でき、また検出部を低背化できるボルト・ナット締結体の締付け力検出方法を提案することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、被締結物の挿通孔に締結用ボルトを挿入し、挿通孔を貫通した締結用ボルトの雄ねじ部に締結用ナットを螺合緊締してなるボルト・ナット締結体の、締結用ナットから突出する締結用ボルトの雄ねじ部に、回動部を回動すると該回動部と連動する接続部が接続対象物を引張する引張手段の、その接続部を接続し、該引張手段の回動部を回動することにより接続部を介して雄ねじ部をボルト・ナット締結体の上面に対して引張し、回動部に作用するトルクＴの変移点を検出し、変移したときのトルクＴからそのときの引張力Ｆを求め、該変移点での引張力をボルト・ナット締結体の締付け力Ｆｉとすることを特徴とするボルト・ナット締結体の締付け力検出方法である。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、引張手段の回動部を任意の角度θだけ回転させて、締結用ボルトの雄ねじ部を引張して回動部に作用するトルク勾配ｄＴ／ｄθを検出し、該トルク勾配ｄＴ／ｄθが急激に上昇し、その後急激に減少するときのトルク勾配ｄＴ／ｄθを第一トルク勾配Ｔａとし、急激に減少した後、トルク勾配ｄＴ／ｄθが安定し始めるときのトルク勾配ｄＴ／ｄθを第二トルク勾配Ｔｂとし、さらに（Ｔａ＋Ｔｂ）／２である特定トルク勾配を算出し、特定トルク勾配のときのトルクＴｃを回動部に作用するトルクＴの変移点として、該トルクＴｃから締付け力Ｆｉの検出をすることを特徴とする請求項１記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法である。
【０００８】
請求項３記載の発明は、ボルト・ナット締結体上面に座定される受圧手段と、接続部が回動部の下端に形成される雌ねじ孔であると共に、段面が周囲に形成される回動部及び該回動部に作用するトルクＴを検出するトルク検出手段とを具備する引張手段と、前記受圧手段と引張手段との間に介装され、端部に回動部を支持する支持面が形成される支持手段とを備え、支持手段の支持面と回動部の段面とが対向接触して支持手段が回動部を支持し、回動部の回動に伴って雌ねじ孔が回転し、該雌ねじ孔と螺合する雄ねじ部を引張する締付け力検出部を用いる締付け力検出方法にあって、雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数μｓと、支持手段の支持面と回動部の段面とが接触する支持接触面の摩擦係数μｗとが既知である場合に、
【０００９】
【数１１】
2004101246.tif 000003
【００１０】
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　μｓ；雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数　μｗ；支持接触面の摩擦係数　ｄ２；雄ねじ部の有効径　α’；雄ねじ部のねじ山直角断面のフランク角　Ｐ；雄ねじ部のねじのピッチ
Ｄｗ；支持接触面のトルクの等価直径）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することを特徴とする請求項２記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法である。
【００１１】
請求項４記載の発明は、雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数μｓが未知の場合に、回動部の雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部のみが接触する状態で、圧縮力Ｑを回動部の回転軸方向に負荷し、該圧縮力Ｑを負荷しながら回動部を回動させたときに回動部に作用する雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間の摩擦トルクである暫定トルクＴｌを検出すると共に、
【００１２】
【数１２】
2004101246.tif 000004
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　Ｑ；圧縮力　Ｐ；雄ねじ部のねじのピッチ）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することを特徴とする請求項３記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法である。
【００１３】
請求項５記載の発明は、ボルト・ナット締結体上面に座定される受圧手段と、接続部が回動部の下端に形成される雌ねじ孔であると共に、回動部及び該回動部に作用するトルクＴを検出するトルク検出手段とを具備する引張手段と、前記受圧手段と引張手段との間に介装され、回動部を支持する支持手段と、支持手段と引張手段との間に配設され、消費トルクＴＢが既知のスラストベアリングとを備え、回動部の回動に伴って雌ねじ孔が回転し、該雌ねじ孔と螺合する雄ねじ部を引張する締付け力検出部を用いる締付け力検出方法にあって、雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数μｓが既知である場合に、
【００１４】
【数１３】
2004101246.tif 000005
（ここでＴＢ；スラストベアリングの消費トルク　ｆ；スラストベアリングの回転軸方向に作用する力　β；定数　γ；定数）
と仮定して、
【００１５】
【数１４】
2004101246.tif 000006
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　μｓ；雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数　ｄ２；雄ねじ部の有効径　α’；雄ねじ部のねじ山直角断面のフランク角　Ｐ；雄ねじ部のねじのピッチ）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することを特徴とする請求項２記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法である。
【００１６】
請求項６記載の発明は、雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数μｓが未知の場合に、回動部の雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部のみが接触する状態で、圧縮力Ｑを回動部の回転軸方向に負荷し、該圧縮力Ｑを負荷しながら回動部を回動させたときに回動部に作用する雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間の摩擦トルクである暫定トルクＴｌを検出すると共に、
【００１７】
【数１５】
2004101246.tif 000007
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　Ｔｌ；回動部に作用する暫定トルク　　Ｑ；圧縮力　Ｐ；雄ねじ部のねじのピッチ）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することを特徴とする請求項５記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法である。
【００１８】
請求項７記載の発明は、ボルト・ナット締結体上面に座定される受圧手段と、支軸ねじ及びスクリューナットとからなるボールねじにより構成され、回動部がスクリューナットで、かつ接続部が支軸ねじの下端に形成される雄ねじ部固定用雌ねじ孔であり、スクリューナットに作用するトルクＴを検出するトルク検出手段を具備する引張手段と、前記受圧手段と引張手段との間に介装される支持手段とを備え、支持手段の支持面とスクリューナットの下面とが対向接触して支持手段がスクリューナットを支持し、スクリューナットの回動に伴って、支軸ねじの雄ねじ部固定用雌ねじ孔に螺合する雄ねじ部を引張する締付け力検出部を用いる締付け力検出方法にあって、支持手段の支持面とスクリューナットの下面とが接触する支持接触面の摩擦係数μｗが既知である場合に、スクリューナットを回転させるときのトルクＴｋと引張力Ｆとの関係を、
【００１９】
【数１６】
2004101246.tif 000008
（ここでＴｋ；スクリューナットを回転させるときのトルク　Ｆ；引張力　ρ；定数　ψ；定数）
と仮定して、
【００２０】
【数１７】
2004101246.tif 000009
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　Ｐ；雄ねじ部のねじのピッチ
Ｄｗ；支持接触面のトルクの等価直径）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することを特徴とする請求項２記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法である。
【００２１】
請求項８記載の発明は、ボルト・ナット締結体上面に座定される受圧手段と、支軸ねじ及びスクリューナットとからなるボールねじにより構成され、回動部がスクリューナットで、かつ接続部が支軸ねじの下端に形成される雄ねじ部固定用雌ねじ孔であり、スクリューナットに作用するトルクＴを検出するトルク検出手段を具備する引張手段と、前記受圧手段と引張手段との間に介装される支持手段と、支持手段と引張手段との間に介装され、消費トルクＴＢが既知のスラストベアリングとを備え、スクリューナットの回動に伴って、支軸ねじの雄ねじ部固定用雌ねじ孔に螺合する雄ねじ部を引張する締付け力検出部を用いる締付け力検出方法にあって、スクリューナットを回転させるときのトルクＴｋと引張力Ｆとの関係を、
【００２２】
【数１８】
2004101246.tif 000010
（ここでＴｋ；スクリューナットを回転させるときのトルク　Ｆ；引張力　ρ；定数　ψ；定数）
と仮定し、さらに、
【００２３】
【数１９】
2004101246.tif 000011
（ここでＴＢ；スラストベアリングの消費トルク　ｆ；スラストベアリングの回転軸方向に作用する力　β；定数　γ；定数）
と仮定し、
【００２４】
【数２０】
2004101246.tif 000012
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　Ｐ；雄ねじ部のねじのピッチ　β；定数　γ；定数　）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することを特徴とする請求項２記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法である。
【００２５】
請求項９記載の発明は、受圧手段が、ボルト・ナット締結体の上面のうち、締結用ナット上面に座定されることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のボルト・ナット締結体の締付け力検出方法である。かかる構成は、締結用ボルトと締結用ナットのバックラッシュを利用してねじ面を離間させるものである。かかる構成とすることにより、検出した締付け力の誤差を少なくすることが可能となる。
【００２６】
ここで、一例として、受圧手段が、ボルト・ナット締結体の上面のうち、締結用ナット上面に座定される、請求項９に記載する発明の測定原理を説明する。
【００２７】
＜測定原理＞
図１は、ボルト・ナット締結体１の概要図を示す。ここでボルト・ナット締結体１は、被締結物Ｉ，ＩＩ（図中ｃｌａｍｐｅｄ　ＰａｒｔＩ，ＩＩと表記）の挿通孔ｈに締結用ボルト２を挿入し、挿通孔ｈを貫通した締結用ボルト２の雄ねじ部３に締結用ナット５を螺合緊締することにより、被締結物Ｉ，ＩＩを挟圧してなる。このボルト・ナット締結体１にあって、締結用ボルト２と締結用ナット５により被締結物Ｉ，ＩＩが締付け力Ｆｉで締付けられると、締付け力Ｆｉは締結用ボルト２に引張力として作用し、被締結物Ｉ，ＩＩには圧縮力として作用する。
【００２８】
図２に、締付け力検出方法の概要図を示す。図２におけるボルト・ナット締結体１は、あらかじめ締付け力Ｆｉで締め付けられた状態にある。ここで締付け力Ｆｉは、締結用ボルト２と締結用ナット５が噛み合う締結用ボルト２側の第１ねじ山（点Ａ）を最大として分布する。しかし、ここでは便宜上、締付け力Ｆｉは、点Ａに集中的に作用すると仮定して考える。
【００２９】
また、図２において、締結用ボルト２の首下長さをＬ、締結後の被締結物Ｉ（図２のＣｌａｍｐｅｄ　ｐａｒｔＩ）の上面（点Ａ）から締結用ボルト２の先端までの雄ねじ部３の長さをｌｅ（図中　ｌ　ｅｘｔｒａと表記）とする。締結後のボルト・ナット締結体１のねじ面では、ＰｒｏｃｅｓｓＩ（図２（ａ）参照）のように締結用ボルト２の雄ねじ部３と締結用ナット５の雌ねじの間にバックラッシュが存在する。この状態で締結用ナット５の上面を押さえて、締結用ナット５から突出した締結用ボルト２の雄ねじ部３の先端部分（点Ｏ）を引張力Ｆで引っ張る。ここで、点Ｏを引張力Ｆで引っ張るとき、被締結物Ｉ、ＩＩには引張力Ｆに相当する圧縮力が作用する。しかし、点Ｏの変位に寄与する量としては、被締結物Ｉ、ＩＩの圧縮量に比べて、締結用ボルト２の伸び量が支配的になるので、点Ｏの変位を締結用ボルト２の伸びとして考える。
【００３０】
点Ｏを引張力Ｆで引っ張ると、引張力Ｆが締付け力Ｆｉより小さい間は、主に締結用ボルト２は点Ａを基点として着力点Ｏまでの長さｌｅの部分で伸びる。ここで、締結用ボルト２がｌｅで伸びるときの締結用ボルト２のバネ定数をＣｂＡとすると、引張力Ｆと点Ｏの変位δとの関係は、
Ｆ＝ＣｂＡ・δ　　（Ｆ＜Ｆｉ）
となる。このとき、ナット座面５ａは、図２に示すように、被締結物Ｉの上面と接触した状態である。その後引張力Ｆを増加させて、引張力Ｆが締付け力Ｆｉに達すると、ねじ面間のバックラッシュにより、締結用ボルト２のねじ面と締結用ナット５のねじ面とが離間し、ＰｒｏｃｅｓｓＩＩ（図２（ｂ）参照）の状態となる。このとき、締結用ボルト２は点Ｂを基点とした締結用ボルト２の首下全体の長さＬで伸びることになる。締結用ボルト２がＬで伸びるときの締結用ボルト２のバネ定数をＣｂＢとすると、引張力Ｆと変位δとの関係は、
Ｆ＝ＣｂＢ・δ　　（Ｆ＞Ｆｉ）
となる。ここで、図２（ａ）（ｂ）に示すＰｒｏｃｅｓｓＩからＰｒｏｃｅｓｓＩＩへ移行するとき、締結用ボルト２が伸びる長さは急激に増加する。すなわち、締結用ボルト２のバネ定数ＣｂＡからＣｂＢへ急激に変化する。そして、かかる変移点における引張力Ｆの値を締付け力Ｆｉとする。なお、これまでに述べた一連の検出方法は、本発明者により既に特許出願している（特願２００２−０４３０６２）。
【００３１】
一方、請求項１から請求項８に記載する本発明の構成は、受圧手段がボルト・ナット締結体の上面に座定される構成であって、締結用ナット上面に限定して座定されない点で請求項９記載の構成と異なる。しかしながら、かかる構成にあっても、締結用ナット５から突出した締結用ボルト２の雄ねじ部３の先端部分（点Ｏ）を引張力Ｆで引っ張り、締結用ボルト２の締結用ボルト２のバネ定数がＣｂＡからＣｂＢへ急激に変化する変移点における引張力Ｆの値を締付け力Ｆｉとする点で共通している。
【００３２】
なお、本発明は、雄ねじ部３を引張手段の回動部を回動することにより引張すると共に、この回動部に作用するトルクを管理する点を特徴とする。すなわち、締結用ボルト２のバネ定数がＣｂＡからＣｂＢへ急激に変化するときの変移点を、回動部に作用するトルク勾配の変移点を検出することにより特定し、かかる変移点でのトルクＴの値から引張力Ｆの値を算出して、この引張力Ｆの値を締付け力Ｆｉとするものである。
【００３３】
【発明の実施の形態例】
ボルト・ナット締結体１の締付け力を検出する方法として、いくつかの実施形態例が提案される。
【００３４】
＜第一実施形態例＞
まず、ボルト・ナット締結体１の締付け力Ｆｉの検出方法にかかる検出部について図３に従って説明する。
ここで図３の下側が、被締結物（図中Ｃｌａｍｐｅｄ　ＰａｒｔＩ，ＩＩと表記）の挿通孔ｈに締結用ボルト２を挿入し、挿通孔ｈを貫通した締結用ボルト２の雄ねじ部３に締結用ナット５を螺合緊締してなるボルト・ナット締結体１であり、上側が締付け力検出部１０である。
【００３５】
ボルト・ナット締結体１の締結用ナット５の上面には、締結用ナット５の上面に座定する座定面１８を有する円筒状の受圧支持具１４が備えられる。この受圧支持具１４は、座定する締結用ナット５から突出する締結用ボルト２の雄ねじ部３が挿入される中空部１５を具備している。また、受圧支持具１４の上端部には、後述のスラストベアリング７を支持する支持面１６が周成されている。なお、この受圧支持具１４により、本発明にかかる受圧手段と支持手段とを構成している。
【００３６】
前記受圧支持具１４の支持面１６には、自動調心式のスラストベアリング７が配設される。このスラストベアリング７の消費トルクＴＢは、製品仕様若しくは予備実験により既知であるものが採用される。
【００３７】
さらに、スラストベアリング７の上部には、引張回転軸１２が配設される。この引張回転軸１２は、縦断面がほぼＴ字状であって、下端には締結用ボルト２の雄ねじ部３と螺合する雌ねじ孔１３が形成されている。この雌ねじ孔１３は、受圧支持具１４の中空部１５内に挿入され、この中空部１５に下方から挿入された締結用ボルト２の雄ねじ部３と螺合される。なお、この引張回転軸１２は、本発明にかかる回動部を構成し、引張回転軸１２の下端に形成される雌ねじ孔１３は、本発明かかる接続部を構成する。
【００３８】
さらに、引張回転軸１２には、引張回転軸１２を回動させるためのハンドル９が接続される。ここで、このハンドル９は複数接続されると引張回転軸１２を安定して回動させることができ、検出精度が向上する。さらに、このハンドル９には、引張回転軸１２に作用するトルクＴを検出する歪みゲージ８が備えられている。また、引張回転軸１２の頂部には、引張回転軸１２の回転角を検出するためのロータリーエンコーダ１１が取付けられている。なお、前記歪みゲージ８は、本発明にかかるトルク検出手段を構成する。したがって、引張回転軸１２及び歪みゲージ８とにより本発明にかかる引張手段を構成する。なお、受圧支持具１４、スラストベアリング７、引張回転軸１２、ハンドル９、歪みゲージ８、及びロータリーエンコーダ１１により締付け力検出部１０が構成される。
【００３９】
なお、上述のハンドル９に代えて、モータを用いて引張回転軸１２を回動させる構成としても良い。かかる構成とすることにより締付け力の検出が安定する。ただし、かかる構成とした場合は、モータで引張回転軸１２を回動させるときの回転トルクを測定するためのトルク変換機等の機器を取り付ける必要がある。
【００４０】
かかる構成にあって、ハンドル９を水平面内で回動操作し、これにより引張回転軸１２が回動すると、下端に形成された雌ねじ孔１３が回転し、螺合する雄ねじ部３が上方に引張される。そして、引張回転軸１２に作用するトルクを歪みゲージ８が検出すると共に、ロータリーエンコーダ１１が引張回転軸１２の回転角を検出する。
【００４１】
次に、上述の締付け力検出部１０を用いたボルト・ナット締結体１の締付け力検出方法について説明する。
上述の＜測定原理＞に記載したように、変位δに対する引張力Ｆを監視すると、引張力Ｆが締付け力Ｆｉに達したときに、引張力Ｆの勾配ｄＦ／ｄδは大きく変化する。そして、かかる原理に基づいて、本発明は引張力ＦをトルクＴにより管理し、変位δを回転角θにより管理する構成である（図７参照）。以下に、引張力ＦとトルクＴの関係、及びトルクＴの変移点の検出法について説明する。
【００４２】
上述の検出部１０にあって、トルクＴで引張回転軸１２を回転させると、締結用ボルト２の雄ねじ部３は、引張力Ｆで引っ張られる。そのとき、トルクＴは次式のように表させる。
【００４３】
【数２１】
2004101246.tif 000013
ここで、数式（２１）において、Ｔｓは雌ねじ孔１３と締結用ボルト２の雄ねじ部３間のねじ面間の摩擦トルク、ＴＢはスラストベアリング７の消費トルク、Ｔｆは引張力Ｆを発生させるためのトルクである。
【００４４】
また、ねじ面間の摩擦トルクの係数をξとすると、Ｔｓは次式で表されることとなる。
【００４５】
【数２２】
2004101246.tif 000014
【００４６】
さらに、ねじ面間の摩擦トルクξは次式で表される。
【００４７】
【数２３】
2004101246.tif 000015
ここで、数式（２３）において、μｓはねじ面の摩擦係数、ｄ２は雄ねじ部３の有効径、αは雄ねじ部３のねじ山直角断面のフランク角である。
【００４８】
また、スラストベアリング７の消費トルクＴｓは、スラストベアリング７の回転軸方向に作用する力ｆの関数として、次式で与えられると仮定する。
【００４９】
【数２４】
2004101246.tif 000016
【００５０】
次に、Ｔｆは、引張力Ｆを発生させるためのトルクの係数ζを用いて、次式で表される。
【００５１】
【数２５】
2004101246.tif 000017
【００５２】
さらに、ζは雄ねじ部３のねじのピッチをＰとすると次式で表される。
【００５３】
【数２６】
2004101246.tif 000018
【００５４】
数式（２１）に、数式（２２），（２４），（２５）を代入すると、引張力ＦとトルクＴの関係は、次式となる。
【００５５】
【数２７】
2004101246.tif 000019
ここで、例えばスラストベアリング７の消費トルクＴｓが数式（２８）で表されると仮定する。
【数２８】
2004101246.tif 000020
数式（２８）におけるβ及びγは定数であり、スラストベアリング７の軸力ｆは引張力Ｆとなるので、数式（２７）における引張力Ｆは、次式となる。
【００５６】
【数２９】
2004101246.tif 000021
【００５７】
さらに、回転角θに対するトルクＴの勾配ｄＴ／ｄθが変化するときのトルクＴ（以下、特定トルクＴｃ）の検出法について説明する。
まず、引張回転軸１２をトルクＴで回転させて、締結用ナット５から突出する締結用ボルト２の雄ねじ部３を引張すると、このトルクＴは、図７に示されるように、回転角θが増加するにつれて増加する。ここで、回転角θを増加させていくと、トルクＴの勾配ｄＴ／ｄθの値が変化する変移点が得られる。かかるトルクＴの勾配ｄＴ／ｄθの値は、図４に示されるように、トルクＴの勾配ｄＴ／ｄθが急激に上昇した後安定し、その後減少し始めるときのトルクＴの勾配ｄＴ／ｄθを第一トルク勾配Ｔａとし、トルクＴの勾配ｄＴ／ｄθが急激に減少した後に安定し始めるときのトルクＴの勾配ｄＴ／ｄθを第二トルク勾配Ｔｂとし、さらにこの第一トルク勾配Ｔａと第二トルク勾配Ｔｂとを用いて、（Ｔａ＋Ｔｂ）／２となる特定トルク勾配を算出し、この特定トルク勾配のときのトルクＴを特定トルクＴｃとして求めることができる。なお、引張回転軸１２に作用するトルクＴの勾配ｄＴ／ｄθは、急激に上昇した後安定する場合と、安定しない場合とがある。しかしながら、いずれの場合にあっても、トルクＴの勾配ｄＴ／ｄθが急激に上昇し、その後急激に減少するときのトルクＴの勾配ｄＴ／ｄθを第一トルク勾配Ｔａとするようにしている。
【００５８】
上述の関係、検出法を前提とし、具体的に締付け力Ｆｉを求めるには、雌ねじ孔１３と締結用ボルト２の雄ねじ部３間のねじ面の摩擦係数μｓが既知の場合と、未知の場合とに場合分けする必要がある。
【００５９】
まず、ねじ面の摩擦係数μｓが既知の場合について説明する。
かかる場合には、ねじ面の摩擦係数μｓ、特定トルクＴｃ、及び数式（２３）とを数式（２９）に代入することで、所望の締付け力Ｆｉを求めることができる。（数式（３０）参照）
【００６０】
【数３０】
2004101246.tif 000022
【００６１】
一方、ねじ面の摩擦係数μｓが未知である場合、又はねじ面の摩擦係数μｓが既知である場合であっても、その値がばらつき、検出精度が低下してしまう場合には、検出ごとにねじ面の摩擦係数μｓを測定する必要がある。そこで、かかる場合には、本発明者らが既に提案している（特許番号第２９６４０６８）手法に基づき、圧縮力Ｑを雄ねじ部３に負荷しながら、ねじ面の摩擦係数μｓを測定し、締付け力Ｆｉの検出を行うこととなる。以下詳述する。
【００６２】
まず、雌ねじ孔１３と雄ねじ部３のみを接触させて圧縮力Ｑを負荷し、スラストベアリング７に圧縮力Ｑが作用せず、雌ねじ孔１３と雄ねじ部３のみに圧縮力Ｑが作用する状態とする。かかる状態で雌ねじ孔１３に作用するトルクＴを暫定トルクＴｌとすると、ねじ面間の摩擦トルクＴｓは次式で表される。
【００６３】
【数３１】
2004101246.tif 000023
ここで、Ｔｑ　は圧縮力Ｑを発生させるためのトルクである。
【００６４】
ここで、数式（２２）より、ねじ面の摩擦トルクの係数は、暫定トルクＴｌを用いて次式で表される。
【００６５】
【数３２】
2004101246.tif 000024
【００６６】
その後、さらに雌ねじ孔１３を回動させていくと、引張回転軸１２の周囲に形成された段面１７とスラストベアリング７の上面とが接触する。かかる状態となると、雄ねじ部３には引張力Ｆが作用すると共に、スラストベアリング７には圧縮力Ｑと引張力Ｆとが同時に作用する。したがって、雄ねじ部３に作用するトルクＴと引張力Ｆとの関係は、数式（２７）と数式（３２）より次式で表される。
【００６７】
【数３３】
2004101246.tif 000025
【００６８】
また、スラストベアリング７の消費トルクｇ（ｆ）を数式（２８）と仮定し、Ｔｃを数式（３３）に代入すると、締付け力Ｆｉは次式のようなる。
【００６９】
【数３４】
2004101246.tif 000026
このように、ねじ面の摩擦係数μｓが未知である場合でも、締付け力Ｆｉを検出することができる。
【００７０】
ところで、ねじ面の摩擦係数μｓが未知で、かつ圧縮力Ｑを負荷してμｓを測定する場合に、圧縮力Ｑを負荷して暫定トルクＴｌを測定した後は、圧縮力Ｑを取り除いても良い。その際は、数式（３４）における圧縮力ＱはＱ＝０となる。
【００７１】
＜第二実施形態例＞
また、他の実施形態例として、上述のスラストベアリング７を具備しない締付け力検出部１０を用いた方法が提案される。かかる構成を以下に説明する。なお、これまでに述べた第一実施形態例にかかる検出部１０と共通する部分については説明を省略する。
【００７２】
図５に示されるように、受圧支持具１４の支持面１６と、引張回転軸１２の周囲に形成される段面１７とが対向して接触して、受圧支持具１４上に引張回転軸１２が支持される構成が提案される。かかる構成にあっても、第一実施形態例と同様に、締付け力Ｆｉを検出するためには、雌ねじ孔１３と締結用ボルト２の雄ねじ部３間のねじ面の摩擦係数μｓが既知である場合と、未知である場合とに場合分けする必要がある。
【００７３】
ねじ面の摩擦係数μｓが既知である場合には、
【００７４】
【数３５】
2004101246.tif 000027
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　μｓ；ねじ面の摩擦係数　μｗ；支持接触面の摩擦係数　ｄ２；雄ねじ部の有効径　α’；雄ねじ部のねじ山直角断面のフランク角　Ｐ；雄ねじ部のねじのピッチ　Ｄｗ；支持接触面のトルクの等価直径）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することができる。なお、本実施形態例にあっては、受圧支持具１４が円筒状であるため、受圧支持具１４の支持面１６と引張回転軸１２の段面１７とが接触する支持接触面は、横断面Ｏ状となる。このような支持接触面のトルクの等価直径は、以下のように求められる。
Ｄｗ＝（２／３）・（Ｄｏ３−Ｄｉ３）／（Ｄｏ２−Ｄｉ２）
（ここでＤｏ；支持接触面の外径　Ｄｉ；支持接触面の内径）
【００７５】
一方、ねじ面の摩擦係数μｓが未知の場合、あるいはねじ面の摩擦係数μｓが既知である場合であっても、その値がばらつき、検出精度が低下してしまう場合には、第一実施形態例に示したように、圧縮力Ｑを負荷し、かかる状態で引張回転軸１２に作用する暫定トルクＴｌを用いて締付け力Ｆｉ　を検出する。すなわち、
【００７６】
【数３６】
2004101246.tif 000028
（ここでＦｉ；締付け力　Ｔｃ；特定トルク　Ｑ；圧縮力　Ｐ；ねじのピッチ　Ｄｗ；支持接触面のトルクの等価直径）
に基づき、締付け力Ｆｉを検出することとなる。
【００７７】
＜第三実施形態例＞
さらに、上述のスラストベアリング７を備える構成（第一実施形態例）、及びスラストベアリング７を備えない構成（第二実施形態例）各々について、引張回転軸１２に代えて、支軸ねじ２２とスクリューナット２１とからなるボールねじ２３を用いる構成が提案される。なお、これまでに述べた第一、第二実施形態例と共通する部分については説明を省略する。
【００７８】
まず、スラストベアリング７を備える構成から説明する。図６に示されるように、ハンドル９が配設されるスクリューナット２１の下面には、薄板状の押圧板２４がスクリューナット２１と共に回動するように一体的に成形されている。そしてこの押圧板２４が、リング状のスペーサ２５を介してスラストベアリング７の上面に載置される。
【００７９】
また、鉛直方向に配設されるボールねじ２３の支軸ねじ２２の下端には、雄ねじ部固定用治具２０が螺合されている。すなわち、この雄ねじ部固定用治具２０には、支軸ねじ固定用雌ねじ孔２０ａが形成されている。さらに、雄ねじ部固定用雌ねじ孔２０ｂも形成される。したがって、支軸ねじ２２が上方から螺合されると共に、締結用ボルト２の雄ねじ部３が下方から螺合される。
【００８０】
かかる構成にあって、スクリューナット２１に配設されたハンドル９の回動操作により、スクリューナット２１を支軸ねじ２２に沿って下方へ変移させると、押圧板２４がスペーサ２５を介してスラストベアリング７の上面を押圧する。これに対し、雄ねじ部固定用治具２０により支軸ねじ２２と接続される雄ねじ部３には反力が作用し、雄ねじ部３は上方に引っ張られることとなる。
【００８１】
次に、かかる構成におけるトルクＴと引張力Ｆとの関係を説明する。
ここで、スラストベアリング７の消費トルクＴＢと引張力Ｆとの関係を数式（３７）と仮定する。
【００８２】
【数３７】
2004101246.tif 000029
【００８３】
さらに、スクリューナット２１を回転させるときのトルクＴＫと支軸ねじ２２の引張力Ｆとの関係が数式（３８）のように表されると仮定する。
【００８４】
【数３８】
2004101246.tif 000030
すると、トルクＴと引張力Ｆとの関係は、次式で表される。
【００８５】
【数３９】
2004101246.tif 000031
そして、かかる数式（３９）に基づいて締付け力Ｆｉを検出する。
【００８６】
一方、スラストベアリング７を備えない構成にあっては、トルクＴと引張力Ｆとの関係は、次式で表される。
【００８７】
【数４０】
2004101246.tif 000032
ここで、Ｄｗは支持接触面のトルクの等価直径である。
そして、かかる数式（４０）に基づいて締付け力Ｆｉを検出する。
【００８８】
上述のように、雄ねじ部３を雄ねじ部固定用雌ねじ孔２０ｂと螺合する構成とすることにより、雄ねじ部３のねじ面の摩擦係数の影響を排除することが可能となる。すなわち、トルクＴと引張力Ｆの関係にねじ面の摩擦係数が介在しないため、安定してトルクＴから引張力Ｆを算出することができる。
【００８９】
ところで、上述した本実施形態例にあっては、ボルト・ナット締結体１の上面のうち、締結用ナット５の上面を受圧支持具１４によって押さえる構成である。かかる構成は、被締結物Ｉ，ＩＩの圧縮状態に影響を及ぼさないため、高い検出精度で締付け力を検出することができる。また、たとえボルト・ナット締結体１の締結用ナット５側にバネ座金が介在する場合でも、締付け力を正確に検出することができる。なお、特開平１０−１７０３６２に示されるような被締結物Ｉの上面を押さえる検出方法に本発明を適用した構成としても勿論良い。
【００９０】
また、上述の実施形態例にあっては、回動部の回転角θを用いてトルク勾配ｄＴ／ｄθを検出する構成であるが、他の構成としても良い。例えば、締結用ナット５から突出した締結用ボルト２の雄ねじ部３に噛合わせた雌ねじ孔１３をモータ等により一定速度で回転させて、締結用ボルト２の雄ねじ部３に引張力Ｆを負荷する場合には，回転角θの代わりに時間ｔを用いてトルク勾配ｄＴ／ｄｔを検出する構成が考えられる。
【００９１】
さらに、本発明の主旨を逸脱しない限り実施形態を適宜に変更することが可能である。
【００９２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、回動部に作用するトルクを管理することによりボルト・ナット締結体の締付け力を検出することが可能となる。これにより、直接雄ねじ部に作用する引張力を検出する必要がなくなるため、検出部の汎用性が向上し、検出が容易となる。また、締付け力検出部の構造を簡易なものとすることができる優れた効果がある。
【００９３】
また、請求項２記載の発明によれば、回動部に作用するトルクの変移点を正確に検出することができる効果がある。
【００９４】
請求項３記載の発明によれば、スラストベアリングを具備しない締付け力検出部を用いて、ボルト・ナット締結体の締付け力を検出することが可能となる。したがって、締付け力検出部の構造を簡易なものとすることができる。
【００９５】
請求項４記載の発明によれば、スラストベアリングを具備しない締付け力検出部を用いる場合にあって、雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数が未知の場合でも、ボルト・ナット締結体の締付け力を検出することが可能となる。
【００９６】
請求項５記載の発明によれば、スラストベアリングを具備する締付け力検出部を用いて、ボルト・ナット締結体の締付け力を検出することが可能となる。また、スラストベアリングを備えるため、円滑に回動部を回動させることができる利点もある。
【００９７】
請求項６記載の発明によれば、スラストベアリングを具備する締付け力検出部を用いる場合にあって、雌ねじ孔と締結用ボルトの雄ねじ部間のねじ面の摩擦係数が未知の場合でも、ボルト・ナット締結体の締付け力を好適に検出することが可能となる。
【００９８】
請求項７記載の発明によれば、雄ねじ部のねじ面の摩擦係数の影響を排除することができる。すなわち、トルクと引張力との関係にねじ面の摩擦係数が介在しないこととなるため、トルクから引張力を正確に算出することができる優れた効果が生じる。また、スラストベアリングを用いない構成であるから、締付け力検出部の構造を簡易なものとすることができる。
【００９９】
請求項８記載の発明によれば、雄ねじ部のねじ面の摩擦係数の影響を排除することができるため、トルクから引張力を正確に算出することができる優れた効果があると共に、スラストベアリングを備えるため、円滑にスクリューナットを回動させることができる。
【０１００】
さらに、請求項９記載の発明によれば、ボルト・ナット締結体の締付け力を高精度に検出することが可能となる。また、ボルト・ナット締結体の締結用ナット側にバネ座金が介在する場合でも、締付け力を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボルト・ナット締結体１を示す概要図である。
【図２】本発明の締付け力検出方法を示す概要図である。
【図３】第一実施形態例にかかる締付け力検出部１０の縦断面図である。
【図４】締結用ボルト２の先端の点ＯにトルクＴを作用させたときの回転角θとｄＴ／ｄθの関係を示すグラフである。
【図５】第二実施形態例にかかる締付け力検出部１０の縦断面図である。
【図６】第三実施形態例にかかる締付け力検出部１０の縦断面図である。
【図７】締結用ボルト２の先端の点ＯにトルクＴを作用させたときの回転角θとＴの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１　ボルト・ナット締結体
２　締結用ボルト
３　雄ねじ部
５　締結用ナット
７　スラストベアリング
８　歪みゲージ
１０　締付け力検出部
１２　引張回転軸
１３　雌ねじ孔
１４　受圧支持具
１６　支持面
１７　段面
２０ｂ　雄ねじ部固定用雌ねじ孔
２１　スクリューナット
２２　支軸ねじ
２３　ボールねじ
ｈ　挿通孔
Ｉ，ＩＩ　被締結物
【図１】
2004101246.tif 000043
【図２】
2004101246.tif 000044
【図３】
2004101246.tif 000045
【図４】
2004101246.tif 000046
【図５】
2004101246.tif 000047
【図６】
2004101246.tif 000048
【図７】
2004101246.tif 000049