(57)【要約】【課題】  剛性の低い円筒状やシート状の歪みゲージを補強して、接着剤を充填した被測定物の測定用穴への挿入を容易にする。また、挿入時の空気の巻き込みを抑制し、接着剤中に気泡が発生しにくい応力・歪み測定用ゲージを提供する。【解決手段】  円筒状で一端にリード線２が接続されている歪みゲージ１と、歪みゲージ１内に充填された充填物３とから構成される。充填物３には、軸方向に貫通する抜き孔３０を軸中心に形成し、リード線２が接続された端部と反対側端部に、円錐形の凹部３１を形成し、該凹部３１は、底部で上記抜き孔３０に連通させる。剛性の低い歪みゲージの剛性が向上し、接着剤を充填した被測定物穴への挿入を容易にする。また、挿入時に空気を巻き込みにくく、空気を巻き込んだ場合においても排出が容易で気泡が生じにくい形状にして、測定精度を向上できる。【選択図】  図１
2005091250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状に形成された歪みゲージの内部に充填物が充填されて、一体化されていることを特徴とする応力・歪み測定用ゲージ。
【請求項２】
前記充填物に、歪みゲージの軸方向に沿って貫通する抜き孔が形成されていることを特徴とする請求項１記載の応力・歪み測定用ゲージ。
【請求項３】
前記充填物は、歪みゲージの軸方向端部に軸方向の凹部が形成されており、該凹部は、底側に向けて凹部横断面積が小さくなるテーパ形状を有し、底側で前記抜き孔に連通していることを特徴とする請求項２記載の応力・歪み測定用ゲージ。
【請求項４】
前記充填物は、歪みゲージの軸方向端部に軸方向の錐形または球面状凸部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の応力・歪み測定用ゲージ。
【請求項５】
シート状の歪みゲージと、該歪みゲージの外面側にある補強部材とが一体的に形成されていることを特徴とする応力・歪み測定用ゲージ。
【請求項６】
前記補強部材は、歪みゲージの軸方向端部に軸方向の錐形または球面状凸部が形成されていることを特徴とする請求項５記載の応力・歪み測定用ゲージ。
【請求項７】
シート状の歪みゲージと、該歪みゲージを外面から覆う２以上の分割補強部材とが接着・結合されて一体化されていることを特徴とする請求項５または６に記載の応力・歪み測定用ゲージ。
【請求項８】
被測定物に設けられた穴内に接着剤を注入し、この接着剤中に請求項１〜７のいずれかに記載の応力・歪み測定用ゲージを挿入して前記接着剤を固化させた後、前記被測定物に発生する応力・歪みを前記歪みゲージで測定することを特徴とする応力・歪み測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歪みゲージを用いた応力・歪み測定に関し、特に、ボルト等の軸力測定に適した応力・歪み測定用ゲージとそれを用いた応力・歪み測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械部品である締結用のボルトの軸力管理は非常に重要なテーマであり、軸力のバラツキは製品の品質を大きく左右する。一般に軸力測定は製品開発段階で評価が行われ、従来、主に２種類の方法が用いられている。１つは、超音波を利用する方法で、予めボルトの両端面を平滑に仕上げたものを用い、締結した該ボルトの頭部に超音波探触子を当て、ボルトの軸方向に超音波を発射し、該超音波の反射時間を測定することによりボルト長さの変化を求め、軸力に換算する方法である。
【０００３】
他の方法は、図９に示すようにリード線２、２を接続した円筒状の歪みゲージ１やシート状の歪みゲージ１０を用意し、図１０に示すように、ボルト２０の頭部２０ａの中心に上記歪みゲージ１、１０が収まる穴２１を軸方向に沿って開け、該穴２１に接着剤２２を充填した後、上記歪みゲージ１または１０を挿入して接着剤２２を固化させるものである。この歪みゲージ内蔵のボルト２０を用い、該ボルト２０の締結による歪みを歪みゲージで読みとり軸力を計算する（例えば特許文献１）。該歪みゲージを用いた方法は、実稼動中においても長時間且つ連続的に測定が可能なため利用価値の高い軸力測定方法である。
また、特許文献２では、挿入用ロッドの表面にシート状の歪みゲージを予め接着してから、該ロッドをボルトに設けた穴内に挿入して、上記と同様にボルトの締結による歪みを測定器で読みとり軸力を計算する方法が提案されている。
【特許文献１】特開平６−３４７３４９号公報
【特許文献２】実開昭６３−１２８４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記した超音波を利用する方法では、ボルト頭部に超音波探触子を設置する必要があり、設置スペースの問題から設置不可能となる場合も多く、また、測定装置が非常に高価であるため複数箇所の同時測定には向いていない。
また、前記円筒状の歪みゲージ１やシート状歪みゲージ１０を用いる方法では、歪みゲージの剛性が低く、穴への挿入作業に困難性を伴う問題がある。また、歪みゲージ１を接着剤中に挿入する際に、空気が巻き込まれ図１０に示すように歪みゲージの内外に気泡６０が発生する現象が生じる。この気泡６０はボルト２０の歪みが歪みゲージ１に円滑に伝達されるのを阻害して測定数値の信頼性を著しく低下させるという問題がある。また高温時の測定においては、該気泡６０の空気が膨張することで接着剤２２がボルト２０もしくは歪みゲージ１から剥離してしまい測定不可能となる場合がある。このような空気の巻き込みを防止するには、歪みゲージ１を揺動させながら上記穴２１内に挿入することが効果的と考えられるが、例えば歪みゲージ１の厚さは数十μｍ程度で円筒径も２〜３ｍｍ程度であり前述したように剛性が低いため揺動時の取り扱いには困難性を伴うという問題がある。
【０００５】
また、挿入用ロッドの表面にシート状の歪みゲージを予め接着してボルトの穴内に挿入する方法ではロッドによる剛性が得られるため、取り扱いは容易になる。しかし、この方法では歪みゲージや歪みゲージに接続されたリード線などによりロッド表面に凹凸が生じ、この凹凸によって穴への挿入時に空気が巻き込まれやすくしたがってロッドの周辺に気泡が生じやすいという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記事情を背景として成されたものであり、剛性の低い円筒状の歪みゲージやシート状の歪みゲージの剛性を向上させ、接着剤を充填した被測定物の穴への挿入を容易にし、さらには、挿入時の空気の巻き込みを抑制し、また空気を巻き込んだ場合においても排出が容易な形状とした応力・歪み測定用ゲージおよび該応力・歪み測定用ゲージを用いた測定方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため本発明の応力・歪み測定用ゲージのうち請求項１記載の発明は、筒状に形成された歪みゲージの内部に充填物が充填されて、一体化されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の応力・歪み測定用ゲージの発明は、請求項１記載の発明において、前記充填物に、歪みゲージの軸方向に沿って貫通する抜き孔が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の応力・歪み測定用ゲージの発明は、請求項２記載の発明において、前記充填物は、歪みゲージの軸方向端部に軸方向の凹部が形成されており、該凹部は、底側に向けて凹部横断面積が小さくなるテーパ形状を有し、底側で前記抜き孔に連通していることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の応力・歪み測定用ゲージの発明は、請求項１記載の発明において、前記充填物は、歪みゲージの軸方向端部に軸方向の錐形または球面状凸部が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の応力・歪み測定用ゲージの発明は、シート状の歪みゲージと、該歪みゲージの外面側にある補強部材とが一体的に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項６記載の応力・歪み測定用ゲージの発明は、請求項５記載の発明において、前記補強部材は、歪みゲージの軸方向端部に軸方向の錐形または球面状凸部が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項７記載の応力・歪み測定用ゲージの発明は、請求項５または６に記載の発明において、シート状の歪みゲージと、該歪みゲージを外面から覆う２以上の分割補強部材とが接着・結合されて一体化されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項８記載の応力・歪み測定方法は、被測定物に設けられた穴内に接着剤を注入し、この接着剤中に請求項１〜７のいずれかに記載の応力・歪み測定用ゲージを挿入して前記接着剤を固化させた後、前記被測定物に発生する応力・歪みを前記歪みゲージで測定することを特徴とする。
【００１５】
すなわち本発明によれば、剛性の低い歪みゲージを充填物や補強部材で補強して剛性の向上を図ることにより取り扱いが容易になり、接着剤を充填した穴への挿入も容易になる。また、凹凸形状をなくすことができるので、穴への挿入時に空気を巻き込みにくく、気泡が付着しにくい形状となる。例えば、前記充填物の軸方向端部や補強部材の軸方向端部（穴への挿入側）に錐形または球面状凸部を形成することにより、応力・歪み測定用ゲージをより円滑に接着剤中に挿入することができ空気の巻き込みが一層少なくなる。また、充填物に軸方向に貫通する抜き孔を形成することによって巻き込まれた空気が排出され、巻き込みによる気泡の生成が抑制される。なお、抜き孔を有する充填物の軸方向端部にテーパ状の凹部を形成することで巻き込まれた空気を凹部から上記抜き孔に誘導して排出を容易にする。
【００１６】
本発明の応力・歪み測定用ゲージには、通常、円筒状の歪みゲージまたはシート状の歪みゲージが用いられる。本発明としては、その形状・寸法を限定するものではなく、被測定物の形状・寸法により歪みゲージ本体の形状・寸法は適宜選択される。また、歪みゲージには２線式、３線式などの種類があるが、本発明においては、これを限定するものではなく用途に応じ選択することができる。また、歪みゲージ本体を複数個設置したものであってもよい。
また、充填物や補強部材に用いられる材質としては、歪みや膨張率の観点からボルト等の被測定物に設けられた穴内に充填する接着剤と同一のものを使用することが望ましい。
また本発明では、軸力などの応力・歪みを測定する種々の被測定物を対象にすることができ、代表的にはボルトが例示される。被測定物に設けられる穴は、上記応力・歪み測定用ゲージが収まるのに必要な大きさを有するものであればよく、適宜の径、深さで設けられるものである。
また、本発明では、応力・歪み測定用ゲージの歪みゲージで得られるデータを用いて、常法により演算して軸力を知ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、剛性の低い歪みゲージ本体を補強して剛性の向上を図り、接着剤を充填した被測定物の穴への挿入を容易にするとともに、挿入時に空気を巻き込みにくくなる。また、空気を巻き込んだ場合においても排出が容易で気泡が付着しにくい形状とすることができ、軸力などの応力・歪み測定測定精度の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を添付図に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す応力・歪み測定用ゲージ５の断面図であり、該応力・歪み測定用ゲージ５は、円筒状で該円筒軸方向の一端にリード線２が接続されている歪みゲージ１と、該歪みゲージ１の円筒内に充填された充填物３とが一体化されて構成されている。該充填物３には、軸中心で貫通する抜き孔３０が形成されているとともに、リード線２が接続された円筒端部とは反対側の端部に軸方向の凹部３１が形成されている。該凹部３１は歪みゲージ１の内周面に沿って開口し、底側に向けて横断面が連続的に小さくなる円錐形のテーパ形状（傾斜角約４５度）を有しており、底部で前記抜き孔３０に連通している。なお、テーパ形状は連続的な他、多段のテーパ形状であっても良い。また、なお、凹部３１のテーパ傾斜角度は約４５度に限定するものではなく、状況に応じ任意の角度が選択される。また、凹部３１の形状も円錐形に限定するものではなく、半球形や、円錐形と半球形との中間形など適宜選択できる。
【００１９】
次に、前記図１に示す本発明の応力・歪み測定用ゲージ５の製作方法を図２に基づいて説明する。製作に用いる型は、台座５０の上面に傾斜角度約４５度の円錐形の突起部５０ａが設けられており、該突起部５０ａの頂点に金属製または樹脂製のピン５１が台座５０の上面に対して直角に挿入設置されている。台座５０の上面と接する位置における前記突起部５０ａの底面直径は、製作に使用する前記円筒状の歪みゲージ１の円筒内径に等しいか、やや小さいものとする。
製作では、まず台座５０の突起部５０ａとその周囲およびピン５１に離型剤を塗布する。その後、前記円筒状歪みゲージ１をリード線２が接続されていない側を下方にしてピン５１が歪みゲージ１の中心に位置するように台座５０上に設置する。この設置によって突起部５０ａは歪みゲージ１の下端部内側に位置する。そして、該円筒内部に接着剤からなる充填物を射出注入する。その際、円筒が動かないように任意の固定治具で保持してもよい。充填物が硬化した後、台座５０を取り去ると歪みゲージ１の一端に円錐形の凹部３１を有し、該円錐形の凹部３１の頂点から前記円筒の他端まで円筒軸方向に貫通する抜き孔３０を有する応力・歪み測定用ゲージ５が得られる。
【００２０】
次に、本発明の応力・歪み測定用ゲージ５を被測定物であるボルト２０に設置する手順について図３に基づいて説明する。
図３は、図１に示す本発明の応力・歪み測定用ゲージ５をボルト２０の頭部２０ａから軸に沿って開けられた穴２１内に挿入設置したボルト断面図を示している。
応力・歪み測定用ゲージ５のボルト２０への取付に際しては、まずボルト２０の頭部２０ａに歪みゲージ１の外径より大きい内径の穴２１を所定の深さまで加工し、その後、該穴２１内の脱脂、洗浄を充分に行う。次に、ボルト２０の穴２１内に接着剤２２を充填するとともに、歪みゲージ１の外周表面にも接着剤２２をなるべく均一な厚さで塗布する。なお、接着剤２２は、上記充填物３と同材質とするのが望ましい。歪みゲージ１への接着剤２２の塗布後、応力・歪み測定用ゲージ５を穴２１内に挿入し穴底近傍まで押し込む。この時、ニードルなどの先端の鋭利な工具を用いて押し込むと応力・歪み測定用ゲージ５を確実に押し込むことができる。押し込みに際しては、歪みゲージ１と充填物３とが一体化されて高い剛性を有するため、挿入作業を容易に行うことができる。また、挿入時に巻き込んだ空気の気泡は、応力・歪み測定用ゲージ５の凹部３１に誘導され抜き孔３０を通して充填物３の端部から排出され、応力・歪み測定用ゲージ５の内外近傍に気泡が付着することを防止する。接着剤２２が硬化した後、該ボルト２０を測定箇所において締結する。この応力・歪み測定用ゲージ５は、空気の巻き込みが殆どなく、気泡による測定精度の低下が防止される。なお、応力・歪み測定用ゲージ５の挿入に際し、穴２１の上方などに抜き孔から排出された空気で気泡６１が発生しても、障害物がないため容易に排除することができる。
【００２１】
図４は、本発明の応力・歪み測定用ゲージ５を用いた軸力測定方法の一例を示したものである。上記方法にて製作した軸力測定用のボルト２０に内蔵した応力・歪み測定用ゲージ５に接続されているリード線２、２を抵抗Ｒで構成されたブリッジ回路部４０に接続し、さらに該ブリッジ回路部４０と歪み測定・演算部４１とをケーブル４４にて接続する。歪み測定・演算部４１には必要に応じて表示部４２と記録部４３が接続される。ボルトの歪みの変化は、応力・歪み測定用ゲージ５の歪みゲージ１の抵抗値変化として現れ、ブリッジ回路の電圧変化として歪み測定・演算部４１に信号が送られ、該演算部４１において歪み、応力、軸力など所望のデータが計算により得られる。該データは表示部４２や記録部４３に伝送され、適宜、各種表示や記録が行われる。
なお、上記実施形態では、本発明の応力・歪み測定用ゲージを用いて軸力を測定する形態について説明したが、本発明としては、軸力の測定に限定されるものではなく、被測定物に発生するその他の応力、歪みを測定する目的で使用することができる。
【００２２】
図５は本発明の応力・歪み測定用ゲージの他の実施形態を示した断面図である。なお、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略または簡略化している。
この実施形態の応力・歪み測定用ゲージ５ａは、リード線２が接続されている円筒状歪みゲージ１と、該歪みゲージ１内に充填された充填物３とにより構成されており、該充填物３には、リード線２が接続された円筒端部と反対側の端部において、円筒外径を底面直径とする傾斜角度約４５度の円錐形凸部３２が設けられている。なお、凸部３２の円錐の傾斜角度は約４５度に限定するものではなく、状況に応じ任意の角度が選択される。また、凸部３２の形状も円錐形に限定するものではなく、他の錐形や半球形や、錐形と半球形との中間形などの適宜の形状を選択できる。要は、接着剤が円滑に流動して空気の巻き込みが防止される形状であればよい。
該応力・歪み測定用ゲージ５ａを凸部３２側から接着剤を充填した穴内に挿入することにより、空気の巻き込みを抑制し、また空気を巻き込んだ場合においても空気を凸部３２の傾斜面に沿って外周側へ移動させることができ、応力・歪み測定用ゲージ５ａの近傍に気泡が形成されるのを防止することができる。
【００２３】
図６は、本発明の応力・歪み測定用ゲージのさらに他の実施形態を示したものである。（ａ）は正面図、（ｂ）はその側面断面図を示している。
この実施形態の応力・歪み測定用ゲージ１５は、矩形のシート状で長手方向の一端にリード線２、２が接続されている歪みゲージ１０と、この歪みゲージ１０を内包するように円柱形状に形成した補強部材１１を有している。補強部材１１は、軸方向一端からリード線２、２が引き出され、他端には、傾斜角度約４５度の円錐形の凸部１２が設けられている。このように、リード線２の一部も含めて補強部材１２に内包することで、補強部材１２の外部に引き出されているリード線２をつまみとして利用することができ、また、補強部材１２内部ではリード線２が保護される。
この実施形態の応力・歪み測定用ゲージ１５では、シート状歪みゲージ１０の剛性が補強部材１１によって大幅に向上し、取り扱いが容易になる。また、補強部材１１が円柱形状を有することから側壁からの空気の巻き込みが少なく、また、凸部１２によって前記凸部３２と同様に先端側の空気が外周側に排除され空気の巻き込みが抑制される。
【００２４】
上記応力・歪み測定用ゲージ１５の製作方法の一例を図７に基づいて説明すると、先端に円錐凸部を有するキリ穴状のキャビティを形成する割型６０ａ、６０ｂを用意し、割型内面に離型剤を塗布した後、前記キャビティ内に矩形のシート状の歪みゲージ１０をキャビティの中心に位置するように配置し、割型６０ａ、６０ｂを型合わせした後、キャビティ内に接着剤からなる充填物を射出注入して補強部材１１をモールド形成する。充填物が硬化した後、前記割型を取り去るとシート状の歪みゲージ１０を内包し、一端に円錐形の凸部１２を有し、他端にリード線２が引き出された円柱形状の応力・歪み測定用ゲージ１５が得られる。
【００２５】
図８は、上記応力・歪み測定用ゲージ１５の他の制作方法を示したものである。
この制作方法では、前記補強部材１１を軸方向に２分割した分割補強部材１１ａ、１１ｂを用意し、その合わせ面にそれぞれ歪みゲージ１０を収納する浅溝１３を形成しておく。なお、分割補強部材１１ａ、１１ｂには、凸部１２を形成するために、半円錐形の分割凸部１２ａ、１２が形成されている。分割補強部材１１ａ、１１ｂの材質としては通常、樹脂系材が用いられ、好適には、ボルトの穴に充填する接着剤と同材質のものを用いる。
応力・歪み測定用ゲージ１５の製作では、上記浅溝１３内に接着剤を均一に塗布して該浅溝１３内に歪みゲージ１０を収納し、さらに分割補強部材１１ａ、１１ｂの接合面に接着剤を塗布し両者を貼り合わせる。接着剤硬化後、はみ出した接着剤を除去し表面を平滑に仕上げることにより所定の応力・歪み測定用ゲージ１５が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の応力・歪み測定用ゲージの一実施形態を示す断面図である。
【図２】同じく一実施形態の応力・歪み測定用ゲージの製作方法の説明図である。
【図３】同じく一実施形態のボルトへの設置状況を示す断面図である。
【図４】本発明の応力・歪み測定用ゲージを用いた応力・歪み測定方法の一実施形態を示す説明図である。
【図５】同じく他の実施形態を示す正面断面図である。
【図６】同じくさらに他の実施形態を示す正面図および側面断面図である。
【図７】同じく一実施形態の応力・歪み測定用ゲージの製作方法の一例の説明図である。
【図８】同じく一実施形態の応力・歪み測定用ゲージの製作方法の他例の説明図である。
【図９】従来の円筒状の歪みゲージ例を示す斜視図である。
【図１０】同じくボルトへの設置状況を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    歪みゲージ
２    リード線
３    充填物
５    応力・歪み測定用ゲージ
５ａ  応力・歪み測定用ゲージ
１０    歪みゲージ
１１    補強部材
１２    凸部
１５    応力・歪み測定用ゲージ
２０    ボルト
２１    穴
２２    接着剤
３０    抜き孔
３１    凹部
３２    凸部
６０    気泡
６１    気泡
【図１】
2005091250.tif 000003
【図２】
2005091250.tif 000004
【図３】
2005091250.tif 000005
【図４】
2005091250.tif 000006
【図５】
2005091250.tif 000007
【図６】
2005091250.tif 000008
【図７】
2005091250.tif 000009
【図８】
2005091250.tif 000010
【図９】
2005091250.tif 000011
【図１０】
2005091250.tif 000012