JP2015135326A - 留具のプリロードの光学的測定 - Google Patents
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Abstract
【課題】留具のプリロードを光学的に測定できる留具の構造、および測定方法を提供する。
【解決手段】留具１１０は、ヘッド部１２０と、軸部１３０とを備える。軸部１３０には外面及び外面において軸方向に延びる溝１４０を備える。溝１４０には光透過性歪み感知材料が充填されており、溝の入力側に光を入射させることによって、軸部の歪みを測定し、留具のプリロードを算出することができる。
【選択図】図１
【解決手段】留具１１０は、ヘッド部１２０と、軸部１３０とを備える。軸部１３０には外面及び外面において軸方向に延びる溝１４０を備える。溝１４０には光透過性歪み感知材料が充填されており、溝の入力側に光を入射させることによって、軸部の歪みを測定し、留具のプリロードを算出することができる。
【選択図】図１
Description
本開示は、留具のプリロードの光学的測定に関する。
民間航空機は、数千個のねじ留具を有し、これらのねじ留具で様々な部品を固定している場合がある。ねじ留具は、所定のトルクで取り付けられる。
しかし、（例えば、留具とナットとの摩擦が原因で、）所定のトルクをかけても所望のプリロードが得られない場合がある。所望のプリロードを実現するため、留具のサイズ及びトルクは、大きめにされている。
留具を大きめにすることは、望ましくない。数千個の留具を有する民間航空機では、大きめの留具を使用することによって航空機の重量が増し、これによって燃料コスト及びその他の作動コストが増す。
本開示の一実施形態によれば、留具は、ヘッド部と、外面及び当該外面において軸方向に延びる溝を有する軸部と、を備える。上記溝には、光透過性歪み感知材料が充填されている。
本開示の別の実施形態による方法は、歪み感知光学材料が充填された溝を有する軸部を含む留具を配置することと、留具のプリロードを測定しつつ留具を締め付けることと、測定されたプリロードが目標値に到達すると留具の締め付けを停止すること、とを含む。プリロードを測定することは、充填溝の入力部に光を入射させることと、当該溝の出力部における光の周波数を測定することと、測定された周波数からプリロードを算出すること、とを含む。
上述した特徴及び機能は、様々な実施形態によって個別に達成してもよいし、他の実施形態と組み合わせてもよい。実施形態のさらなる詳細は、以下の記載及び図面を参照することによって、より明らかになるであろう。
また、本開示は、以下の付記による実施形態も含む。
付記１ ヘッド部と、外面及び前記外面において軸方向に延びる溝を有する軸部と、前記溝に充填された光透過性歪み感知材料と、を備える留具。
付記２ 前記充填溝は、剪断変形を測定するための傾斜部をさらに含む、付記１に記載の留具。
付記３ 前記軸部の前記外面に設けられた少なくとも１つの追加の充填溝をさらに備え、充填溝は互いに離間している、付記１に記載の留具。
付記４ 前記軸部の前記外面に設けられた少なくとも１つの追加の充填溝を備え、充填溝は互いに軸方向長さが異なる、付記１に記載の留具。
付記５ 前記充填溝は、屈折率が変化する光学コアを含み、これによって、光透過性材料がブラッググレーティング（Bragg grating）として機能する、付記１〜４のいずれかに記載の留具。
付記６ 付記１の留具と組み合わされた装置であって、前記充填溝に光学的入力信号を入力するための光源、前記充填溝からの出力信号を受信するための検出器、及び、前記検出器の出力の関数として前記溝のプリロードを算出するためのプロセッサ、を備える装置。
留具は、ヘッド部及び軸部を含む。軸部の外面には、軸方向に延びる溝が設けられている。当該溝には、光透過性歪み感知材料が充填されている。本開示において、「充填溝」とは、光透過性歪み感知材料が充填された溝のことを意味する。充填溝は、導波ガイド又は共振器として機能し得る。充填溝の入力側に光を入射させることによって、軸部の歪みを測定することができる。歪みは、充填溝内の共振の変化、又は、充填溝内の反射の干渉として現れる。歪みは、充填溝の出力側における光の周波数の変化から測定される。この歪みに基づいて、留具のプリロードを算出することができる。
プリロードは、留具を取りつけながら測定してもよい。このように、取り付け中にプリロードを正確に測定することによって、所望のプリロードを実現することができる。その利点として、所望のプリロードを実現するために留具のサイズ及び／又はトルクを大きめにする必要がない。
以下の記載から明らかとなるように、充填溝は、特定の幾何学的形状のものに限定されない。充填溝の幾何学的形状は、単一の直線部を含むものであってもよいし、より複雑な、形の異なる複数の部分を有するものであってもよい。これらの幾何学的形状は、特に、異なるパラメーターを測定するために設計される。
図１を参照して説明する。同図に示す留具１１０は、ヘッド部１２０と、ねじ部１３２及びねじ無し部１３４を有する軸部１３０とを含む。軸部１３０は、ヘッド部１２０から軸方向（矢印Ａで示す）に延びている。
留具１１０は、さらに、ねじ無し部１３４の外面に、充填溝１４０を有する。図１の充填溝１４０は、Ｕ字形である。充填溝１４０の第１部分１４２は、軸部１３０のねじ無し部１３４において、ヘッド部１２０から軸方向先端側に延びている。充填溝１４０の第２部分１４４は、第１部分１４２から周方向に延びている。充填溝１４０の第３部分１４６は、第２部分１４４から軸方向に延び、ヘッド部１２０を終端としている。図１に示した充填溝１４０の幅は、正確な縮尺率では描かれておらず、むしろ見やすいように誇張して描かれている。実際には、充填溝１４０の各部分１４２〜１４６の幅及び深さは、１００ミクロン以下である。これらの部分１４２〜１４６を充填する光透過性材料は、均質であってもよい。
まず、充填溝１４０の第１部分１４２に注目する。第１部分１４２の断面を図２に示す。第１部分１４２には、光透過性材料１５０が充填されている。光透過性材料１５０は、光学コア１５２、及び、軸部１３０と光学コア１５２との間のクラッド１５４、を含む。
光学コア１５２の材料とクラッド１５４の材料とは、励起光の波長における屈折率が異なる。光学コア１５２における屈折率は、クラッド１５４における屈折率より大きい。コア１５２及びクラッド１５４の材料の例としては、限定するものではないが、（１）シリコーンタイプの材料、例えば、Dow Corning（登録商標）のOE-4140を光学コア１５２に、OE-4141をクラッド１５４に用いたり、（２）シロキサンポリマー材料、例えば、Dow Corning（登録商標）のOE-6636をコア１５２に、OE-6370をクラッド１５４に用いたり（３）ＵＶ硬化性ポリマーなどのアクリル／エポキシ樹脂をコア１５２及びクラッド１５４に用いたり（４）透明フルオロポリマー（例えばCYTOP）をクラッド１５４に用いたりすることができる。
光透過性材料１５０は、軸部１３０に接着されている。例えば、光学コア１５２の材料を、溝１４０に「流入」させ、クラッド１５４及び／又は軸部１３０に接着させる。
図３を参照して説明する。留具１１０のヘッド部１２０には、入力ポート３２２及び出力ポート３２４が設けられている。これらのポート３２２及び３２４は、ヘッド部１２０に小さな開口をあけることによって形成してもよい。これらの開口は、溝１４０の一部を形成している必要はなく、溝１４０に繋がっているものであればよい。（他の構成において、入力ポート及び出力ポートは、ねじ付端部に設けられていてもよい。）
次に、図４を参照して説明する。留具１１０に対するプリロードは、次のようにして測定される。ブロック４１０において、留具１１０にプリロードをかける前に、入力光を入力ポート３２２に入射させ、出力ポート３２４で受光する。出力ポート３２４における光の周波数を測定する。この測定値が、基準測定値となる。充填溝１４０が導波ガイドとして機能するので、充填溝１４０内における反射の干渉が測定されることになる。
ブロック４２０において、留具１１０にトルクをかけつつ、留具１１０の取り付けを開始する。例えば、積層した部材に留具１１０を挿入し、ナットで締める。軸部１３０上でナットを回すことによって、軸部１３０にテンションがかかり、軸部１３０は軸方向（Ａ）に歪む。この歪みが、充填溝１４０の小さな機械的変形に変わる。この機械的変形によって、入力ポート３２２から出力ポート３２４への光の周波数が変化する。
トルクをかけた状態で、入力ポート３２２に光を入射させる。そして、出力ポート３２４における光の周波数を測定する。
ブロック４３０において、歪みを導出する。測定された周波数と基準周波数との差を算出する。この周波数の差から、歪みを導出する。そして、軸部１３０における軸方向応力を算出するが、これは、単純な方法では、測定された歪みに軸部の弾性率を乗じることによって行う。（より複雑な算出方法では、ポアソン比などの追加の項を含む場合がある。）そして、留具１１０に対するプリロードを、当該応力と軸部１３０の断面積との積として、算出する。
ブロック４４０において、測定されたプリロードを、目標値と比較する。測定されたプリロードが目標値に到達するまで、ブロック４２０及び４３０における作業を繰り返す。
充填溝１４０は、ワイヤー状の歪みゲージよりも、精度が高く、ノイズの影響を受けにくい。充填溝は、さらに、より正確な曲率半径を有する。充填溝１４０は、留具の中央穴を通って延び当該穴に接着された光学ワイヤーよりも、歪みの伝達性に優れている。
一般に、軸部の表面の充填溝は、留具の中央穴を通って延びる光ファイバーよりも、より多様な幾何学的形状に構成することができる。これらの幾何学的形状の中には、これを用いて留具の剪断（shear）及び／又は屈曲変形を測定できるものもある。
図５を参照して説明する。同図は、溝５４０を有する留具５１０を示しており、当該溝は、軸部５３０のねじ無し部５３４において、軸方向先端側に延びる第１部分５４２と、膨出状の第２部分５４４と、軸方向根元側に戻るように延びる第３部分５４６と、を有する。軸方向に延びる第１部分５４２及び第３部分５４６は、連結部として構成されており、光は透過するが、歪みによって生じる変形に対する感度は比較的低い。
次に、図６を参照して説明する。同図に示す留具６１０は、軸方向の歪みを測定するための第１溝６４０と、剪断変形を測定するための第２溝６４５とを含む。第２溝６４５は、軸方向に延びる第１部分６４６及び第２部分６４７を含み、これらの部分は、連結部として構成されている。これら２つの部分６４６、６４７の間には、軸方向に対して角度（α）で延びる１つ又は複数の「フィンガー（finger）部」６４８が設けられている。剪断応力は、横方向成分と軸方向成分との両方を有する場合がある。個々の成分よりもむしろこれらの成分の合力を測定するため、フィンガー部６４８は角度（α）を成すように配置されている。角度（α）の最適値は、剪断応力の成分の予想される相対的大きさに対応する。例えば、これらの成分の大きさが等しいと予想される場合、角度α=４５度とすることができる。
本開示において、留具は、同じ種類の溝を複数個有していてもよい。軸方向の歪みまたは剪断変形が、軸部の断面にわたって均等に分散されていない場合に、同じ種類の複数の溝を用いることができる。例えば、図５の留具５１０は、複数の溝５４０を有するが、これらは、軸部５３０の断面にわたって均等に分散されていない屈曲を測定するためのものである。
次に、図７を参照して説明する。同図に示す留具７１０は、断面にわたって軸方向の歪みを測定するための複数の第１溝７２０を有する。これら第１溝７２０は、軸方向の長さが互いに異なっており、軸方向に沿う様々な位置における軸方向歪みを測定できるようになっている。
留具７１０は、さらに、断面にわたって剪断変形を測定するための複数の第２溝７３０を有する。第２溝７３０の連結部は、軸方向長さが互いに異なっており、軸方向に沿う様々な位置における剪断変形を測定できるようになっている。
複数の溝を用いることによって、負荷がゼロの状態における溝の基準校正を行うことができる。同じ種類の溝はすべて、測定結果が等しくならなければならない。測定結果に偏差がある場合、留具が不適合品であることを意味する。
図８及び図９に示す留具８１０、９１０は、軸方向の歪みを測定するための多重状の(nested)溝８２０、９２０をそれぞれ有する。図８の溝８２０は、軸部８３０の断面における異なる弦を跨ぐように延びている。これらの弦の長さは、留具のヘッド部８４０から遠い溝ほど長い。図９の溝９２０も、軸部９３０の断面における異なる弦を跨ぐように延びている。これら弦の長さは、留具のヘッド部８４０から遠い溝ほど短い。
次に、図１０を参照して述べる。同図に示す留具１０１０は、単一の直線部を有する溝１０２０を含む。光は、単一のポートから入射され、当該ポートで受光される。溝１０２０内の光学コアの屈折率は変化しており、これによって、光透過性材料がブラッググレーティング（Bragg grating）として機能するようになっている。光学材料に入射し、ブラッググレーティングによって反射される光の波長は、光学材料における屈折率の異なる２つ点の間の距離に、実質的に比例する。歪みに起因してこの距離が変化すると、反射光の波長の測定によって、その変化を検出することができる。
次に図１１を参照して説明すると、同図は、本開示の留具に対するプリロードを測定するための装置１１１０を示している。装置１１１０は、光学的入力信号を充填溝に入力し、充填溝からの出力信号の周波数を測定するように構成することができる。機械１１１０は、さらに、測定された周波数の関数として、留具の軸部におけるプリロードを算出するように構成されている。例えば、装置１１１０は、光源１１２０と、検出器１１３０と、入力光学信号を入力し出力光学信号の周波数を測定するための、関連するドライバ及びインターフェイスエレクトロニクス１１４０と、を含む。これらのコンポーネント１１２０〜１１４０は、小型化によって小型電子モジュールとして構成してもよい。このような電子モジュールは、オンボードプロセッサ(onboard processor)１１５０又は遠隔プロセッサ（例えば、検査モニタリングノード、中央コンピュータ、手持ち型読み出し器）と通信し得る。
いくつかの構成において、装置１１１０は、トルクレンチをさらに含み、当該トルクレンチには電子モジュールが搭載されていてもよい。オンボードプロセッサ１１５０又は遠隔プロセッサによって、トルクレンチによって付与されるプリロードを測定してもよい。
他の構成において、電子モジュールは、入力ポート及び出力ポートを覆うように留具のヘッド部に貼着されたステッカー（sticker）に埋設してもよい。当該ステッカーは、無線で電力の供給を受け、遠隔のコンピューティングデバイスに無線で信号を送信する。
さらに他の構成において、装置１１１０は、留具を取り付けるためのエンドエフェクターを有するロボットを含む。留具は、手動で締めてもよいし、ロボットによって締めてもよい。エンドエフェクターには、電子モジュールが搭載されており、オンボードプロセッサ１１５０又はリモートプロセッサは、留具の締め付け中にプリロードを測定し、プリロードが目標値に到達すると留具の締め付けを停止させる。
ロボットは、留具を航空機に取り付けるように構成されていてもよい。ロボットのいくつかの構成によれば、当該ロボットを用いて、留具の取り付け中にプリロードを測定することができる。また、いくつかの構成によれば、ロボットを用いて、留具の取り付け後にプリロードを測定することもできる。後者の例として、航空機の検査モニタリング中にプリロードを測定してもよい。
図１２を参照して述べると、同図は、航空機に留具を取り付ける方法を示している。ブロック１２１０において、留具を、材料積層体に挿入する。例えば、外板及びその下の強化用下部構造に穴をあけ、当該穴に留具を挿入する。
ブロック１２２０では、留具のプリロードを測定しつつ、留具を締める。例えば、留具のねじ付端部にナットを螺合し、ナットを締めることによって積層体をクランプする。ナットを締めつつ、充填溝の入力ポートに光を入射させ、充填溝の出力ポートで受光された光の周波数を測定する。測定された周波数から、プリロードを算出する。
ブロック１２３０において、プリロードが目標値に到達すると、留具の締め付けを停止する。留具の締め付けの最後にプリロードを測定するため、留具のトルクを確かめるための品質保証を後で行う必要はない。
また、トルクではなくプリロードが測定されるので、より確実な品質保証が可能である。トルクの測定値は、留具とナットとの摩擦などの摩擦力の変動に影響され得るからである。
留具取り付け中にプリロードを正確に測定することによって、取り付け中に所定のプリロードを実現することができる。その利点として、所定のプリロードを実現するために留具のサイズ及び／又はトルクを大きめにする必要がない。従って、留具の重量を減らすことができる。１つの留具の重量を減らすことは、些細なことに思えるかもしれない。しかし、航空機に多数の留具が使われていることを考えると、僅かな重量の減少の累積によって、燃料コスト及び航空機の他の作動コストをかなり節約することができる。
図１３を参照して説明する。同図は、本開示における留具の製造方法を示している。当該方法は、転造ねじ部を有する機械加工ボルト又は鍛造ボルトを用いて開始される（ブロック１３１０）。
ブロック１３２０において、留具の軸部の外面に、少なくとも１つの溝を形成する（ブロック１３２０）。各溝は、例えば、微細機械加工、レーザー切断、または化学エッチングによって形成してもよい。
ブロック１３３０において、溝に光学材料を充填する。クラッド及び光学コアは、エアロゾルジェットデポジション（aerosol jet deposition）などの３Ｄプリンティングによって形成してもよい。
ブロック１３４０において、コアの外面に追加のクラッドを形成してもよい。追加のクラッドによって、機械的損傷から保護することができる。
Claims (15)
- ヘッド部と、
外面及び前記外面において軸方向に延びる溝を有する軸部と、
前記溝に充填された光透過性歪み感知材料と、を備える留具。 - 前記軸部は、ねじ部及びねじ無し部を含み、前記充填溝は、ねじ無し部のみにおいて軸方向に延びる、請求項１に記載の留具。
- 前記充填溝の幅は、１００ミクロン未満である、請求項１又は２に記載の留具。
- 前記光透過性歪み感知材料は、軸部に接着されている、請求項１〜３のいずれかに記載の留具。
- 前記光透過性材料は、光学コア、及び、前記軸部と前記コアとの間のクラッド、を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の留具。
- 前記光透過性材料は、前記コアの外面に設けられたクラッドをさらに含む、請求項５に記載の留具。
- 前記充填溝は導波ガイドを形成している、請求項１〜６のいずれかに記載の留具。
- 前記充填溝は、軸方向の歪みを測定するためにＵ字形とされている、請求項１〜７のいずれかに記載の留具。
- 前記充填溝は、連結部として構成された軸方向に延びる部分と、これら軸方向に延びる部分の間で前記軸部に固着された少なくとも１つの部分と、を含む、請求項１〜８のいずれかに記載の留具。
- 前記充填溝は、軸方向に延びる第１部分と、膨出状の第２部分と、軸方向に延びる第３部分と、を含む、請求項１に記載の留具。
- 前記充填溝の入力ポートに光を入射させつつ留具にトルク負荷することと、
前記充填溝の出力ポートにおける光の周波数を測定することと、
測定された前記周波数の関数として前記留具のプリロードを算出することと、
を含む、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の留具の取り付け方法。 - 前記プリロードが目標値に到達するまで前記留具にトルク負荷することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
- 歪み感知光学材料が充填された溝を有する軸部を含む留具を配置することと、
前記留具のプリロードを測定しつつ留具を締めることと、
測定されたプリロードが目標値に到達すると前記留具の締め付けを停止することと、を含む方法であって、
前記プリロードを測定することは、前記溝の入力部に光を入射させることと、前記充填溝の出力部における光の周波数を測定することと、前記測定された周波数からプリロードを算出すること、とを含む、方法。 - 前記留具のプリロードの測定は、航空機に対する取り付け中に行われる、請求項１３に記載の方法。
- 前記留具のプリロードの測定は、航空機の検査モニタリング中に行われる、請求項１３に記載の方法。
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