JPH02183134A - ねじ結合緊締手段における軸力検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ねじ結合緊締手段の軸力検出器゛に関し、よ
り詳細には、一方に軸状部を有するねじ結合緊締手段が
被緊締部材を締付ける際に該軸状部に発生する軸力を検
出するねじ結合緊締手段の軸力検出器に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

構造物や機構を構成する２以上の部材や機素等を結合す
るために、ボルト、ナツト等のねじ結合緊締手段が広く
用いられている。そしてボルトは。

締付を行うと締付力に対応して弾性限界内において変形
するために、このボルトにひずみゲージを接着しておく
ことによってボルトの締付力（軸力）の検出が可能とな
る。

従来のボルトの軸力検出器の１つに、例えば特開昭６２
−１９４４３０号公報記載の技術がある。

つまり、ボルト中心部に、頭部からポルートの軸部内に
向って所定の深さに達する円形穴を形成し。

この円形穴の内周面にひずみゲージを接着して軸力を検
出するものがある。

また前述した特開昭６２−１９４４３０号公報記載の技
術とは別なものの１つに、ワッシャー状の座金の外周面
ｌこびずみゲージを接着したワッシャー型荷重変換器を
ボルトの頭部（頭部を持たないボルトにあってはナツト
）と被緊締部材（例えばフランジ）との間に介挿し、ボ
ルトの締付時におけるボルトの頭部と上記フランジとの
間に印加される圧縮力で、上記ワッシャー型荷重変換器
を変形せしめ、この変形を上記ひずみゲージで検出する
ことによって、軸力を求めるようにしたものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の前者の従来例においては、上記円形穴の径が小さ
いことからひずみゲージの接着・固定が極めて困難で、
特に円形穴の深さ方向の取付位置が一定しないという問
題があった。従って、高い測定精度が望めないという問
題があり、さらに、一般にひずみゲージを１枚しか接着
することができないので出力が小さく、しかもひずみゲ
ージでブリッジが構成できないので、偏荷重や横荷重の
干渉を補償する回路構成が採れないという問題や他の特
性補償を行うための回路が組み込めないという問題など
があった。

また、後者の従来例にあっては、上記圧縮力がボルトの
引張力に対応しているので、ワッシャー型荷重変換器（
以下「ロードセンサ」という）に発生するひずみを検出
することで、ボルトの軸力を容易に知り得るという利点
はあるものの、ボルトに対しロードセンサが傾斜してい
るような場合。

ロードセンサのフランジに当接する当り面の荷重分布が
不均等になる、いわゆる片当りが発生して誤差になると
いう問題があった。

また、上記ロードセンサは１通常のワッシャの代りに用
いるが、通常のワッシャよりも必然的に厚みが増大する
ため、ボルトの長さに対する配慮が必要で、ボルトの長
さが足りないと予想される場合は事前に長さの足りるボ
ルトを用意しておかなければならない等、作業性が悪い
という問題があり、トルクレンチ等を用いて締付作業を
行うとき、センサのリード線を切断したり破壊したりす
る危険があった。

これらのことより、大型タンクの組立等において、多数
のボルトで全体を締付ける場合、これらのボルトの軸力
が不均一になり、つまり、軸力を所定値に揃えることが
できないために、フランジ部から内部充填流体が漏洩し
たり、逆に締付は過ぎによりボルトが折損したりする等
の事故が生じることがあった。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、その目的
とするところは、ひずみゲージが所定位置に正確、確実
且つ容易に添着でき、検出感度および検出精度が高く、
また、緊締作業時におけるリード線の断線やこのリード
線に接続されたひずみゲージの剥離等の起りにくいねじ
結合緊締手段の軸力検出器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上述の目的を達成させるために、−方に軸状
部を有するねじ結合緊締手段が被緊締部材を締付ける際
に該軸状部に発生する軸力を検出するねじ結合緊締手段
におけ・る軸力検出器において、剛性の大きい中心部に
上記軸状部が一体に連設されまたは一体的に連結されて
上記軸力を受ける軸力導入部と、この軸力導入部から上
記軸状部に略直角な放射方向に連設される肉薄の起歪部
と、この起歪部の外周を囲むように連設され上記被緊締
部材に当接支持される剛性の大きい外形が正六角形の支
持部と、上記起歪部の少なくとも１つの面に添着された
ひずみゲージとを具備し、上記ねじ結合手段の締付けに
よって上記軸状部に負荷される軸力を上記ひずみゲージ
によって検出するように構成したことを特徴としたもの
である。

〔作　用〕 本発明は、上述のように構成したから、その作用として
、軸状部を有するねじ結合手段で被緊締部材を締付ける
とき、該軸状部に負荷される軸力は、軸状部から軸力導
入部に伝達され、この軸力導入部と上記支持部との間を
連接する起歪部を撓ませる。この撓みによって該起歪部
の少なくとも１つの面内において圧縮と伸長が発生する
ので、これらの圧縮および伸長が発生する部位にひずみ
ゲージを添着することで、上記軸力に対応した電気信号
を検出することができる０本発明に係る起歪部は、支持
部と軸力導入部間において直角な放射状を呈し、ひずみ
ゲージを正確な位置に容易且つ確実に添着することがで
き、また剪断歪を検出するためにも、ひずみゲージを添
着することができる構造となっているので検出精度の向
上が計れる。

【実施例〕

以下、本発明の実施・例を添付図面に基づいて具体的に
説明する。

第１図は、本発明に係るねじ結合緊締手段の軸力検出器
の全体構成を示す一部破断の正面図である。

第１図において、１は軸状部としてのボルト軸（以下「
軸部」という）、２は上記軸部１の基端部に連設された
剛性大なる軸力導入部、３は軸部１の先端から所定の長
さにわたり外周に螺設された雄ねじ部、４はこの雄ねじ
部３に螺合するナツト、５および６は所定の位置に軸部
１が貫通する取付孔５ａ　、６ａを有する被緊締部材と
してのフランジ部、７は上面７ａおよび下面７ｂを有し
、軸部１に略直角の放射方向に上記軸力導入部２から連
設（または延設）された肉薄の起歪部、８はこの起歪部
７の外周を囲むように連設され、上記フランジ部６と当
接する当り面８ａを有する厚肉の剛性大なる外形が正六
角形の支持部である。この外形が正六角形の支持部８、
上記起歪部７および上記軸力導入部２をもって頭部９を
構成し、さらにこの頭部９および軸部１をもってボルト
を構成し、このボルトとナツト４をもってねじを利用し
た１組のねじ結合緊締手段を構成している。

１０〜１７は上記起歪部７の上下両面７ａ　。

７ｂに添着されたひずみゲージで、このうち、１０〜１
３は上面７ａに、１４〜１７は下面７ｂに添着され、し
かもひずみゲージ１０，１４゜１３．１７は外形が正六
角形の支持部８に極めて近い位置に、ひずみゲージ１１
，１２，１５，１６は軸力導入部２に極めて近い位置に
それぞれ添着されている。

尚、以下の図面には、第１図と同一部位には同一符号を
付しである。

第２図〜第５図は、いずれも第１図に示した軸力検出器
における頭部の形状のみがそれぞれ異なる変形例の構成
を示す平面図で、このうち、第２図は、第１実施例の頭
部を、第３図は第２の変形例の頭部を、第４図は第３の
変形例の頭部を、第５図は第４の変形例の頭部をそれぞ
れ示している。

第２図において、１８および１９は外形が正六角形の支
持部８をそれぞれ構成する部分である。

起歪部７は、上記部分１８．１９に対し軸方向の厚みを
充分に薄く形成されている。２０は起歪部７を形成する
ために部分１８．１９との間に形成される略半円形の貫
通孔である。頭部９の全体の平面形状は軸力導入部２を
中心として左右対称の六角形状に形成され、起歪部７は
、いわゆる−文字状ビーム２１を形成している。

第３図において、２２〜２５は軸力導入部２を中心に左
右上下略対称な位置に穿設された貫通孔、２６および２
７はこれらの貫通孔２２〜２５のうち、互いに隣接する
貫通孔の間に残されて形成される縦ビームおよび横ビー
ムで、それぞれに起歪部７を有するいわゆる十文字状ビ
ームを形成している。頭部９全体の平面形状は、正六角
形をなしている。

また、縦ビーム２６にはひずみゲージ２８゜２９が、横
ビーム２７にはひずみゲージ３０゜３１がそれぞれ曲げ
応力が最大になる位置に添着されている。

第４図において、３２は軸力導入部２を中心に所定の半
径の位置に等角度間隔で穿設された貫通孔、３３は起歪
部７がこれら貫通孔３２の間に放射状に形成されたスポ
ーク状ビームで、頭部９の全体の平面形状は正六角形を
なしている。また。

３４は上記スポーク状ビーム３３の曲げ応力が最大にな
る位置に添着されたひずみゲージである。

第５図は、第３の変形例の平面図、第６図は。

その全体構成を示す正面中央縦断面図である。

第５図および第６図において、３５は軸力導入部、３６
はボルトの軸部、３７は起歪部、３８は平滑に形成され
た当り面３８ａを有する外形が正六角形の支持部である
。３９は被緊締部材としての、例えばフランジ部、４０
〜４３および４４〜４７はそれぞれ第１ｒｉＡのひずみ
ゲージ１０〜１７に対応する起歪部３７の上面および下
面に添着されたひずみゲージである。尚、４８および５
４は、起歪部３７を構成する縦ビームおよび横ビームで
あり、５０，５１，５２．５３は、縦ビーム４８に添着
されたひずみゲージである。

また剪断歪を検出するためには、ひずみゲージ５８ａ　
、５８ｂを第７図に示すように、起歪部５７の側面の所
定の位置に添着する。尚、第７図において、５５は軸力
導入部、５６はボルトの軸部である。

第８図は、動作を説明するために第１図の一部を省略し
且つ誇張して示す説明図である。

第８図において、５９は軸力の方向を示す矢印である。

第９図は、第１図および第８図に示したひずみゲージ１
０〜１７でブリッジを構成した例を示す回路図である。

第９図において、６０および６１はブリッジ電ＷＡ（Ｉ
ｉ＠示せず）の入力端、６２および６３は出力端で、６
４は、ひずみゲージ１１．１２より成る直列枝路の両端
がそれぞれ入力端６０および出力端６２に接続された第
１辺と、ひずみゲージ１０゜１３の直列枝路の両端がそ
れぞれ出力端６２および入力端６１に接続された第２辺
と、ひずみゲージ１４．１７の直列枝路の両端がそれぞ
れ入力端６１および出力端６３に接続された第３辺と、
ひずみゲージ１５．１６の直列枝路の両端がそれぞれ出
力端６３および入力端６０に接続された第４辺とより成
るホイートストンブリッジ（以下、単にｒブリッジ」と
いう）である。

第１０図は、軸力が垂直方向に作用しない場合の動作を
説明するために第１図の一部を省略した説明図である。

第１０図において、６５は軸部１の中心の予定位置で、
同図は、何らかの力によって軸部１の中心が予定位置６
５から所定角度傾斜した状態を示しているが、説明とし
ては、逆に。

軸１が垂直で頭部９が傾斜している場合にも適用できる
。

次に、このように構成された本実施例の動作を、第１実
施例（第１図および第２図）を代表として説明する。

第１図のナツト４を回してフランジ部５，６を締付ける
と、雄ねじ部３には、すなわち軸部１には、第８図の矢
印５９に示す方向に引張力が作用し、軸力導入部２は矢
印５９の方向の軸力を受ける。一方、支持部８は、フラ
ンジ部６に支持されているので軸力導入部２のみが下方
に変位し、その結果起歪部７が図示のように変形する。

すなわち、上面７ａ側のひずみゲージ１０，１３および
下面７ｂ側のひずみゲージ１５．１６がそれぞれ小さい
矢印で示す方向に伸長し、一方、逆に上面７ａ側のひず
みゲージ１１．・１２および下面７ｂ側のひずみゲージ
１４．１７がそれぞれ小さい矢印で示す方向に圧縮さ九
るように変形する。

さて、ひずみゲージ１０〜１７において、その圧縮は抵
抗値の減小を意味し、伸長は抵抗値増大を意味するから
、第９図のブリッジ６４の各辺における抵抗値の変化は
、第１辺のひずみゲージ１１．１２が共に抵抗値減小、
第２辺のひずみゲージ１０．１３は共に増大、第３辺の
ひずみゲージ１４．１７は共に減小、第４辺のひずみゲ
ージ１５．１６は共に増大となる。つまり、起歪部７の
変形量によって軸力を検出することができるのである。

欣に、第１０図によって１例えば、偏荷重あるいは横荷
重を受けて軸部１が傾斜したときの誤差の除去作用につ
いて説明する。

第１０図に示すように、軸部１が何らかの横荷重によっ
て、予定位置６５に対して所定角度だけ傾斜したとする
。この場合、起歪部７の変形は、次のようになる。つま
り、上面７ａ側のひずみゲージ１１，１３および下面７
ｂ側のひずみゲージ１４．１６がそれぞれ伸長し、逆に
上面７ｂ側のひずみゲージ１０．１２および下面７ｂ側
のひずみゲージ１５．１７がそれぞれ圧縮する方向に変
形する。従って、第９図示のブリッジ６４においては、
第１辺〜第４辺まですべての辺内の、直列に組合わされ
たひずみゲージ（例えば１１と１２の抵抗値が互いに増
大と減少となって、それぞれの辺内で上記傾斜による出
力分を打消すように作用するから、結果的に電圧ｖＯは
変化しない。

従って、第１０図に示すように軸部１が傾いた状態で第
８図に示す矢印５９の方向に軸力が働いた場合でも、傾
斜の影響を受けることなく、正しい軸力が検出できるの
である。尚、第１０図は、軸部１が傾斜した場合につい
て図示しであるが１頭部９が傾斜した場合でも、同様で
ある。

また、説明しなかった第３図、第４図および第５図に示
す頭部９においても、起歪部７の形状が異なるのみで、
はぼ同様の考え方ができるから説明は省略する。

このように、本実施例によれば、実施例の頭部９は、そ
れぞれフランジ部５，６から取外した状態（結合前の状
態）では、それぞれ図中上方・下方の両端が開口され、
起歪部７および３７の上面および下面は視認しやすい平
坦面に形成されているから、ひずみゲージ（例えば１０
〜１７）の添着作業が容易であり、従って正確な位置に
添着でき、その結果検出精度が従来のものに比べ飛躍的
に向上するという利点がある。

また、上述のように９頭部９における軸力導入部２およ
び３５の図中上端面が開口しているので、ここにリード
線のコネクタ等の接続手段を配設することにより、締付
作業時には、外部機器との接続線をはずしておくことが
可能となり、接続線（リード線）の切断、ひずみゲージ
の剥離、損傷等の発生を防止することができると共に作
業性が向上するという利点がある。

また、頭部９は、少なくともボルトの軸部に比べて大き
く形成できるので、その分、添着可能な面積が広くなり
、上述のように正確な位置にひずみゲージが添着できる
ことに加え、多数のひずみゲージ（例えば１０〜１７）
が添着できるので。

検出感度が高くなり、さらにひずみゲージでブリッジ６
４が構成できるため、例えば軸部１または頭部９の傾斜
の影響を除去する等の様々な電気的処理が可能になり、
総じて検出精度が向上するという利点がある。

また、従来例（特にワッシャー型）に比べて、ワッシャ
ー型の外周に対応する外形が正六角形の支持部８．３８
の剛性を充分に大きくできるから頭部９それ自体が変形
することはなく、少なくともこの変形による片当りが発
生しないという利点がある。また、ワッシャー型のセン
サは、軸方向の高さが低い場合は、センサ出力のバラツ
キが大きいという難点があるが、本実施例のものは、薄
型でも出力が安定しており、検出精度も高いという利点
がある。

また、上述のように、頭部９の形状を大きくすることが
可能であり、当り面８ａ　、３８ａの機械加工が容易に
できるので、高い平坦度が得られるという利点がある。

また、第１図には示さなかったが、ナツト４とフランジ
部５との間にスプリングワッシャおよび平座金等を種々
組合せて介挿することか勿論可能であり、上記組合せに
よる条件の変化に左右されることなく、略同−の軸力で
締付けることができるという利点がある。

また、実施例の頭部９および軸部１からなるボルトは、
それぞれ通常のボルトとしても用いることが可能であり
、さらに従来例（特にワッシャ型）のようにボルトの長
さに特別な配慮を要したり。

予め適当な長さのボルトを準備したりする手間が省け１
作業性が向上するという利点がある。

尚、本発明は、上述し且つ図示の実施例にのみに限定さ
れるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々
の変形実施ができるものである。

例えば、第１実施例の頭部９は、第１．第２、第３、第
４の変形例として示したように貫通孔２０．２２〜２５
．３２を有するに限らず、起歪部７．３７が軸力導入部
２，３５と外形が正六角形の支持部８，３８との間で連
続している。いわゆるダイヤプラム状を成すものであっ
てもよい。

また、ブリッジ６４の各辺の構成は、第９図示の例に限
ることなく、ひずみゲージの数量および添着位置等によ
って、適宜、その構成を変えてもよい。

また、前記の実施例においてひずみゲージを上面７ａ、
３７ａと下面７ｂ、３７ｂとの両面に添着する例を示し
たが、勿論いずれか一方の面のみの添着でもよい。

（発明の効果〕 以上、詳述したように、本発明によれば、ねじ結合緊締
手段をもって被緊締部材を締付けたときに発生する軸力
を、剛性大なる軸力導入部と剛性大なる支持部との間を
連接する肉薄の起歪部の変形量に変換し、この変形量を
ひずみゲージで検出することによって上記軸力を検出す
るように構成したから、ひずみゲージが所定位置に正確
、確実且つ容易に添着でき、検出精度および検出感度を
著しく向上させることができ、その上緊締作業時におけ
るリード線の切断や、このリード線に接続されたひずみ
ゲージの剥離等の発生のおそれがなく、従って、・極め
て作業性の良いねじ結合緊締手段の軸力検出器を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るねじ結合緊締手段の軸力検出器
の第１実施例の全体構成をほぼ破断して示す正面図、第
２図〜第５図は、いずれも第１図に示した第１実施例の
軸力検出器における頭部の各種変形例を示す図で、この
うち、第２図は、起歪部が一文字状ビームより成る第１
の頭部、第３図は、起歪部が略十文字状ビームより成る
第２の頭部、第４図は、起歪部がスポーク状ビームより
成る第３の頭部、第５図は、起歪部が十文字状ビームよ
り成る第４の頭部、の各変形例をそれぞれ示す平面図、
第６図は、起歪部が十文字状ビームより成る第４頭部の
変形例の全体構成を一部省略して示す正面中央縦断面図
、第７図は、起歪部の剪断ひずみを検出する形式の第５
の変形例の構成を示す正面部分断面図、第８図は、本発
明の詳細な説明するために第１図の一部を省略し且つ誇
張して示す説明図、第９図は、第１図および第８図に示
したひずみゲージでブリッジを構成した例を示す回路図
、第１０図は、軸力が垂直に作用しない場合の本発明の
詳細な説明するための図である６１．３６，５６・・・
・・・ボルトの軸部、２．３５．５５・・・・・・軸力
導入部、１３・・・・・・雄ねじ部、　　　　　　　４
・・・・・・ナツト、５．６，３９・・・・・・フラン
ジ部、７．３７，５７・・・・・・起歪部。 ８．３８・・・・・・外形が正六角形の支持部、８ａ　
、３８ａ・・・・・・当り面、 ９・・・・・・ボルトの頭部。 ｌＯ〜１７．２８〜３１，３４．４０〜４７５０〜５３
，５８ａ　、５８ｂ・・・・・・ひずみゲージ。 ２０．２２〜２５，３２・・・・・・貫通孔、３３・・
・・・・スポーク状ビーム、 ６０．６１・・・・・・入力端。 ６２．６３・・・・・・出力端、 ６”４・・・・・・ホイートストンブリッジ、６５・・
・・・・中心の予定位置。 第 図 Ｊ２ 図 特許出願人　株式会社　共和電果、。 第 図 　　７ａ 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 ６ノ 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方に軸状部を有するねじ結合緊締手段が被緊締
   部材を締付ける際に該軸状部に発生する軸力を検出する
   ねじ結合緊締手段における軸力検出器において、剛性の
   大きい中心部に上記軸状部が一体に連設されまたは一体
   的に連結されて上記軸力を受ける軸力導入部と、この軸
   力導入部から上記軸状部に略直角な放射方向に連設され
   る肉薄の起歪部と、この起歪部の外周を囲むように連設
   され上記被緊締部材に当接支持される剛性の大きい外形
   が正六角形の支持部と、上記起歪部の少なくとも１つの
   面に添着されたひずみゲージとを具備し、上記ねじ結合
   手段の締付けによって上記軸状部に負荷される軸力を上
   記ひずみゲージによって検出するように構成したことを
   特徴とするねじ結合緊締手段における軸力検出器。