JP3188661U - 軸力測定センサ及びこのセンサを用いた軸力測定センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】雌ねじ部材に対して雄ねじ部材を締め付けた際の雄ねじ部材の軸力を直接測定できる軸力測定センサ及びこのセンサを用いた軸力測定センサ装置を提供する。【解決手段】雄ねじ部材１２の軸部が挿通される円筒部材２と、前記円筒部材に対して外方に突出すると共に、上下に所定の間隙をあけて設けられた、上側のフランジ３及び下側のフランジ４と、前記上側のフランジと下側のフランジとの間に配置され、荷重の変化を抵抗値の変化として検出する少なくとも１つの荷重センサ６と、前記上側のフランジの下面から下方に突出して、あるいは下側のフランジの上面から上方に突出して設けられた、前記荷重センサを押圧する押圧子５と、を備え、前記雄ねじ部材１２が締め付け方向に回され、該雄ねじ部材の頭部が前記円筒部材２を圧縮し、上側のフランジ３が下方向に移動し、前記押圧子５が前記荷重センサ６を押圧する。【選択図】図２

Description

本考案は、軸力測定センサ及びこのセンサを用いた軸力測定センサ装置に関し、ボルト等の雄ねじ部材を雌ねじ部材に締め付けた際の雄ねじ部材の軸力を測定するために用いられる軸力測定センサ及び軸力測定センサ装置に関する。

ボルト等の雄ねじ部材を雌ねじ部材に締め付けた際、雄ねじ部材の軸力が弱いと振動等により緩みが発生し、一方、軸力が強すぎると雌ねじ部材（被締結部材）の破損、あるいは雄ねじ部材に塑性変形が生じ、緩みの原因になる。
そのため、一般的には、締め付けトルクによって雄ねじ部材の軸力を管理している。

例えば、特許文献１に示されるねじ締め装置にあっては、締め付けの強さをトルクセンサからのトルク信号を用いて検出することが行われている。
図１６を用いて説明すると、ねじ締め装置５０は、モータ５２と減速機５３からなる駆動ユニット５１を備えている。
前記駆動ユニット５１において、モータ５２と減速機５３とは同軸上に連結され、モータ５２は減速機５３とその先端から突出した低速出力軸５４とを介して先端の六角レンチ部５５を駆動する。また、前記低速出力軸５４の捩れによる歪みを検出するトルクセンサ５６が設けられている。また、このねじ締め装置５０はロボットアーム６０に保持されている。

このように構成されたねじ締め装置５０に用いられるトルクセンサ５６は、ボルトの締め付けの際、低速出力軸５４の捩れによる歪み量を検出し、電気信号（トルク信号）として出力する。そして、出力されたトルク信号は、締め付けトルクの制御に用いられる。

特開平５−３３７７５３号公報

ところで、前記トルクセンサは、低速出力軸の捩れによる歪み量を検出するものであり、雄ねじ部材の軸力を直接測定するものではない。
即ち、従来のトルクセンサによる測定は締め付けトルクを測定するものであって、雄ねじ部材の首下（座面）の表面状態、雌ねじ部材（被締結部材）の表面状態によって、大きく影響を受け、高精度に雄ねじ部材の軸力を求めることができないとい技術的課題があった。

また、前記トルクセンサで高精度の測定を行うには、低速出力軸の径を小さくしなければならず、一方、前記低速出力軸の径を小さくすると、軸強度が低下し、大きな締め付けトルク（軸力）を測定できないという技術的課題があった。
更に、従来のトルクセンサは大きく、より小型化を望む社会的要求を満足させるものでなかった。

本考案者らは、上記技術的課題を解決するために、前記したようなトルクセンサを用いて、締付けトルクから雄ねじ部材の軸力を推定するのではなく、雄ねじ部材の軸力を直接測定するセンサについて鋭意研究し、本考案を完成するに至った。

本考案は、前記した点に着目してなされたものであり、雌ねじ部材に対して雄ねじ部材を締め付けた際の雄ねじ部材の軸力を直接測定できる軸力測定センサ及びこのセンサを用いた軸力測定センサ装置を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本考案に係る軸力測定センサは、雄ねじ部材の頭部と雌ねじ部材との間に配置され、前記雄ねじ部材が前記雌ねじ部材に螺入される際の前記雄ねじ部材の軸力を測定する軸力測定センサであって、前記雄ねじ部材の軸部が挿通される円筒部材と、前記円筒部材に対して外方に突出すると共に、上下に所定の間隙をあけて設けられた、上側のフランジ及び下側のフランジと、前記上側のフランジと下側のフランジとの間に配置され、荷重の変化を抵抗値の変化として検出する少なくとも１つの荷重センサと、前記上側のフランジの下面から下方に突出して、あるいは下側のフランジの上面から上方に突出して設けられた、前記荷重センサを押圧する押圧子と、を備え、前記雄ねじ部材が締め付け方向に回されることにより、該雄ねじ部材の頭部によって前記円筒部材が圧縮され、前記押圧子が前記荷重センサを押圧し、前記荷重センサに作用する前記押圧子からの荷重を測定することにより、前記雄ねじ部材の軸力を測定することに特徴を有する。

本考案に係る軸力測定センサは、雄ねじ部材が締め付け方向に回されると、前記円筒部材に雄ねじ部材の頭部からの圧縮荷重が作用し、上側のフランジと下側フランジの間が狭まり（上側のフランジが下方向に移動し）、押圧子が荷重センサを押圧する。前記荷重センサに作用する前記押圧子からの荷重を測定することにより、前記雄ねじ部材の軸力を測定する。
このように、雄ねじ部材の軸力を直接測定するものであるため、例えば、雄ねじ部材の首下（座面）の表面状態、雌ねじ部材（被締結部材）の表面状態による影響を受けることなく、また高精度に雄ねじ部材の軸力を求めることができる。
更に、この軸力測定センサは、円筒部材と、前記円筒部材に対して外方に突出すると共に、上下に所定の間隙をあけて設けられた、上側のフランジ及び下側のフランジと、荷重センサで構成されるため、センサ自体を小型化することができ、社会的要求を満足させるものである。

尚、前記押圧子は、前記上側のフランジの下面から下方に突出して、あるいは下側のフランジの上面から上方に突出して設けられるが、特に、前記押圧子が前記上側のフランジの下面から下方に突出して設けられている場合には、下側のフランジの上面に荷重センサを安定して載置できるため、より好ましい。

ここで、前記円筒部材の上端が前記上側の前記フランジの上面より上方に突出し、前記円筒部材の上端が、雄ねじ部材の頭部と当接することが望ましい。
このように前記円筒部材の上端が、上側の前記フランジから上方に突出しているため、雌ねじ部材に対して雄ねじ部材が螺入される際、前記円筒部材の上端に雄ねじ部材の頭部下面が当接し、円筒部材に圧縮荷重が作用させることができる。
しかも、上側のフランジの上面に雄ねじ部材の頭部下面（座面）全面が当接しないため、雄ねじ部材の首下（座面）の表面状態による摩擦力の影響を極力抑制することができ、前記雄ねじ部材が締め付け方向に、より小さな力で回すことができる。

また、前記円筒部材の下端が前記下側の前記フランジの下面より下方に突出し、前記円筒部材の下端が、雌ねじ部材と当接することが望ましい。
このように構成されることにより、雌ねじ部材（被締結部材）の表面状態による摩擦力の影響を極力抑制することができ、前記雄ねじ部材が締め付け方向に、より小さな力で回すことができる。

また、前記円筒部材と、上側のフランジと、下側のフランジが夫々別部材として形成され、前記円筒部材と、上側のフランジと、下側のフランジを結合部材で連結することにより、一体に形成され、更に前記上側のフランジの上面に、リング状の上側当接部材が載置されることが望ましい。
尚、リング状の上側当接部材は、上側の前記フランジの上面より上方に突出した円筒部材の上端に相当するものであり、前記雄ねじ部材の頭部下面が当接し、圧縮荷重を受けるものである。
このように、円筒部材、上側のフランジ、下側のフランジを別部材として形成し、結合部材で一体化する場合の方が、円筒部材、上側のフランジ、下側のフランジを一つの部材として形成する場合に比べて、製作が容易であり、より小型化の軸力測定センサを得ることができる。

また、前記下側のフランジの下面に、リング状の下側当接部材が配置されることが望ましい。このように、下側のフランジの下面に、リング状の下側当接部材が配置されるため、雌ねじ部材（被締結部材）の表面状態による摩擦力の影響を極力抑制することができ、前記雄ねじ部材が締め付け方向に、より小さな力で回すことができる。

また、前記荷重センサは、金属製のケーシングに収容されていることが好ましい。
前記荷重センサは、前記押圧子から荷重を受けるため、例えば、合成樹脂のような材質で形成されている場合には、破損する虞がある。
この荷重センサを、金属製のケーシングに収容することにより、前記荷重センサは金属製のケーシングを介して、押圧子から荷重を受けるため、荷重センサの破損を抑制することができる。

また、前記ケーシングは、その上面に設けられた貫通孔と、前記貫通孔の内部に設けられた被押圧部と、前記貫通孔の内部であって、前記被押圧部の外側に前記被押圧部を囲って設けられたリング状部と、前記被押圧部とリング状部を連結する第１の連結部と、前記リング状部とケーシングの上面を連結する第２の連結部とを備えていることが望ましい。
このように、前記ケーシングが構成されているため、ケーシングが押圧子から受けた荷重を荷重センサに伝達することができ、高精度に雄ねじ部材の軸力を測定できる。

また、前記荷重センサは、第１の基板の表面に電極層が形成され、前記第１の基板とスペーサを介して配置された第２の基板に、前記電極層に対向して抵抗体層が形成され、前記第１の基板、第２の基板の少なくとも一方に加わる荷重の変化によって、電極層に対する抵抗体層の接触面積が変化し、前記接触面積変化に応じた抵抗値の変化を検出することによって、前記基板に加えられた荷重を感知することが望ましい。
このような構成の荷重センサを用いることによって、大きな荷重を高精度に測定することができる。

本考案によれば、雌ねじ部材に対して雄ねじ部材を締め付けた際の雄ねじ部材の軸力を直接測定できる軸力測定センサ及びこのセンサを用いた軸力測定センサ装置を得ることができる。

図１は、本考案の第１の実施形態にかかる軸力測定センサが取り付けられた状態を示す斜視図である。 図２は、図１の断面図である。 図３は、本考案の第１の実施形態にかかる軸力測定センサの斜視図である。 図４は、図３の軸力測定センサのＡ−Ａ矢視断面図である。 図５は、軸力測定センサが備える荷重センサの断面図である。 図６は、荷重センサの要部を拡大した断面図である。 図７は、荷重が作用した場合の荷重センサの動作を示す要部拡大断面図である。 図８は、図７の状態に続いて、荷重が作用した場合の荷重センサの動作を示す要部拡大断面図である。 図９は、荷重センサにおいて検出された抵抗値と荷重との相関を示すグラフである。 図１０は、本考案の第２の実施形態にかかる軸力測定センサの分解斜視図である。 図１１は、本考案の第２の実施形態にかかる軸力測定センサの平面図である。 図１２は、図１１のＢ−Ｂ断面図である。 図１３は、図１２の要部拡大断面図である。 図１４は、第２の実施形態にかかる荷重センサの平面図である。 図１５は、図１４のＣ−Ｃ断面図である。 図１６は、従来のトルクセンサを組み込んだねじ締め装置の構成を示す概略構成図である。

本考案にかかる軸力測定センサの第１の実施形態について、図１乃至図９に基づいて説明する。
本考案にかかる軸力測定センサ１は、図１乃至図３に示すように、前記雄ねじ部材１２の軸部１２ａが軸方向に移動自在に挿通される円筒部材２と、この円筒部材２の外周面から外方に向かって円環状に突出し、軸方向に沿って上下に配置された一対のフランジ３、４と、上側の前記フランジ３、下側の前記フランジ４との間に配置される荷重センサ６とを有する。

このフランジ３、４は、円筒部材２の軸方向に対して直交方向にフランジ面が形成され、所定の間隙を空けて互いに平行に配置されている。また、前記円筒部材２の上端には、上側のフランジ３から上方に所定の長さ突出した突出部２ａが形成されている。
尚、前記円筒部材２と前記フランジ３、４とは金属（例えばステンレス鋼）により一体に形成されている。

また、図２に示すように、上側のフランジ３の下面には、所定位置から下方に所定の長さ寸法突出する複数（本実施形態においては３箇所）の押圧子５が設けられている。
また、図４に示すように、前記一対のフランジ３，４の間の間隙には、周方向に等間隔に配置された複数（本実施形態では３つ）の平板状の前記荷重センサ６が設けられ、各荷重センサ６の略中央の上方に押圧子５が配置されている。

また、図４に示すように、各荷重センサ６の左右両側部には凹部６ａ、６ａが設けられており、例えば下側フランジ４上において各荷重センサ６の左右両側にそれぞれ突起４ａが設けられている。この突起４ａを前記凹部６ａ、６ａに係合させることにより、前記荷重センサ６はフランジ３，４間の間隙に位置決め、固定される。
また、各荷重センサ６からはセンサ外部の例えば制御部（図示せず）に電気信号を出力するためのリード線７がそれぞれ引き出されている。

ここで、前記雌ねじ部材１１は、図２に示すように，中央に雌ねじ孔１１ａが形成されている。一方、雄ねじ部材１２は、前記雌ねじ部材１１の雌ねじ孔１１ａに対し螺入可能な軸部１２ａと、軸部１２ａより大径の頭部１２ｂとを有している。
尚、図１、図２においては説明のために、雌ねじ部材１１を雄ねじ部材１２の頭部１２ｂと略同径の小さい円板状の部材としたが、雌ねじ孔１１ａが形成されていればよく、雌ねじ部材１１は、例えば、六角ナットや、より大面積の板部材等とすることもできる。

また、図２に示すように、前記円筒部材２に前記軸部１２ａが挿通された状態において、円筒部材２の内周面と軸部１２ａとは互いに係合することなく、前記円筒部材２及びフランジ３，４は、前記軸部１２ａに対して、前記軸部１２ａの軸方向に移動可能となされている。

この構成において、図２に示すように雌ねじ部材１１に対して雄ねじ部材１２が螺入されると、円筒部材２の上端（突出部２ａ）に雄ねじ部材１２の頭部１２ｂ下面が当接し、円筒部材２の上端（突出部２ａ）に雄ねじ部材１２の頭部１２ｂから荷重が作用する。
即ち、前記円筒部材２に圧縮荷重が作用すると共に、雄ねじ部材１２の軸部には引張荷重が作用する。このとき、上側のフランジの上面に雄ねじ部材の頭部下面（座面）が当接しないため、雄ねじ部材の首下（座面）の表面状態による摩擦力の影響を極力抑制することができ、前記雄ねじ部材が締め付け方向に、より小さな力で回すことができる。

また、前記円筒部材２の下端に形成された、前記下側のフランジ４の下面は、雌ねじ部材１１の上面に載置されているため、前記円筒部材２は前記圧縮荷重により変形（縮み変形）する。その結果、下側のフランジ４と上側のフランジ３の間の距離が狭まり（下側のフランジ４に対して上側のフランジ３が下方に移動し）、押圧子５によって、前記荷重センサ６が押圧され、荷重が前記荷重センサ６に作用する。
尚、前記円筒部材２の下端が前記下側の前記フランジ４の下面より下方に突出し、前記円筒部材２の下端が、雌ねじ部材１１と当接することが望ましい。このように構成されることにより、雌ねじ部材１１の表面状態による摩擦力の影響を極力抑制することができ、前記雄ねじ部材が締め付け方向に、より小さな力で回すことができる。

次に、図５乃至図８を用い、荷重センサ６の構成について説明をする。尚、本実施形態において、荷重センサ６は、電極層と抵抗体層との接触面積が変化することによる抵抗値の変化に基づいて荷重の大きさを検出するセンサを用いる。
図５に示すように、荷重センサ６は、第１の基板１３と、第２の基板１４と、第１の基板１３及び第２の基板１４が所定の間隔を隔てて対向するように両基板の周縁部に接合されたスペーサ１５とを有している。

第１の基板１３上には、所定の間隔を空けて対向する一対の電極層１６Ａ，１６Ｂ（櫛形電極）が形成されている。
第１の基板１３は、一対の電極層１６Ａ，１６Ｂ（櫛形電極）が形成できる絶縁材料であれば材質は問わないが、例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂，ポリエチレンナフタレート樹脂，ポリイミド樹脂、ガラスエポキシ樹脂等の絶縁性を有する合成樹脂のシートを用いることができる。また第１の基板１３の厚さは特に限定されないが、第１の基板１３が荷重により変形させる場合には、第１の基板１３の厚さｔ１は、２５μｍ〜２５０μｍ程度であることが望ましい。
また、前記一対の電極層１６Ａ，１６Ｂは、銀あるいは銅により構成され、膜厚ｔ５は、特に限定されないが、５μｍ〜４０μｍに形成されている。

また、第２の基板１４は、ポリエチレンテレフタレート樹脂，ポリエチレンナフタレート樹脂，ポリイミド樹脂等の絶縁性を有する合成樹脂のシートによって形成される。この第２の基板１４は荷重により変形可能とするため、その厚さｔ２が２５μｍ〜２５０μｍの合成樹脂シートが用いられる。厚さが２５μｍ未満の場合には、小さな荷重によって容易に変形してしまい、好ましくない。また、厚さｔ２が２５０μｍを超えると、変形し難く、好ましくない。

一方、図６に示すように、第２の基板１４の表面には、絶縁性を有する樹脂に非導電性粒子１７ａを含有した凹凸層１７が形成される。
ここでは、非導電性粒子１７ａとして二酸化ケイ素粒子を例にとって説明する。尚、非導電性粒子としては、前記二酸化ケイ素粒子に限定されるものではなく、アルミナ粒子等のセラミックス粒子、またウレタンビーズ等の合成樹脂粒子を好適に用いることができる。

前記凹凸層１７は、ポリエステル系樹脂、ポリウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂等の絶縁性を有する樹脂に、二酸化ケイ素の粒子１７ａを、１重量％〜２０重量％含有されている。
そして、二酸化ケイ素の粒子１７ａ間における凹凸層１７の厚さは二酸化ケイ素の粒径よりも小さく形成され、この二酸化ケイ素粒子１７ａよって凹凸層１７（凹凸層１７の凸部）が形成される。
尚、非導電性粒子を含有した凹凸層１７を形成する際、前記非導電性粒子上に前記絶縁性を有する樹脂膜が形成されなくても良いが、好ましくは樹脂膜が形成されているのがよい。

前記非導電性粒子の外形に突起等が存在する場合がある。そのため、前記非導電性粒子上に樹脂膜が形成されていない場合には、前記突起によって、樹脂膜（凹凸層１７）の上面に形成される、後述する抵抗体層１８に破損が生じ、非導電性粒子が露出する虞があるためである。即ち、前記非導電性粒子上に、抵抗体層を形成することができない虞が生じるためである。

そして更に、この凹凸層１７の表面に抵抗体層１８が形成されている。この抵抗体層１８は、シリコン樹脂１重量％〜５重量％と、カーボン粉末が１重量％〜１０重量％とを、少なくとも含有したフェノール樹脂から形成されると共に、前記抵抗体層の膜厚ｔ４が５μｍ〜２０μｍに形成されている。
前記シリコン樹脂が１重量％未満の場合柔軟性がなく変形し難く好ましくない。また５重量％を超える場合には極めて容易に変形してしまい、広範な荷重検出範囲を得ることができないため、好ましくない。

前記抵抗体層１８にシリコン樹脂が１重量％〜５重量％含有されているため、荷重が加えられた際、二酸化ケイ素粒子間の抵抗体層が容易に変形し、第２の基板１４の変形に対する追従性が良く、電極層１６Ａ，１６Ｂと徐々に接触させることができる。
また、カーボン粉末が１重量％未満の場合には抵抗値が大きくなり過ぎ、１０重量％を超える場合には、抵抗値が小さくなり過ぎ好ましくない。

また、前記二酸化ケイ素粒子１７ａ間における凹凸層１７及び抵抗体層１８の厚さの総和が、凹凸層１７に含有される二酸化ケイ素の粒径よりも小さく設定されている。
そのため、図６に示す初期状態から、図７に示すように荷重Ｐが作用すると、まず最初に、二酸化ケイ素粒子１７ａ部分の抵抗体層１８が電極層１６Ａ，１６Ｂに接触する。尚、図６、７においてＸは接触領域、Ｓは空間部（非接触領域）である。

このとき、加わる荷重Ｐの増加に比例して、二酸化ケイ素粒子１７ａ部分（凸部）の抵抗体層１８が電極層１６Ａ，１６Ｂに接触することによって、一対の電極層１６Ａ，１６Ｂ（櫛形電極）と抵抗体層１８との接触面積が増加する。
即ち、加わる荷重Ｐの増加に比例して、一対の電極層１６Ａ，１６Ｂ（櫛形電極）と抵抗体層１８との間の抵抗値が変化する。しかも、加わる荷重Ｐの増加に対して、電極層１６Ａ，１６Ｂ（櫛形電極）と抵抗体層１８との接触面積が増加する割合が大きいため、小さな荷重変化であっても抵抗値は大きく変化する。

そして更に、所定の大きさ以上の荷重Ｐが加えられると、図８に示すように二酸化ケイ素粒子１７ａ間の抵抗体層１８が電極層１６と徐々に接触し、接触領域Ｘが更に拡大する。
このとき、二酸化ケイ素粒子１７ａ部分の抵抗体層１８が既に一対の電極層１６Ａ，１６Ｂと接触しているため、荷重変化に対する抵抗値の変化は小さいが、二酸化ケイ素粒子１７ａ間の抵抗体層１８を電極層１６に徐々に接触させることにより、荷重変化率に対する抵抗値の変化率（ΔＲ／ΔＰ）をより大きくすることができ、大きな荷重まで検出でき、広範な荷重検出範囲を得ることができる。

また、リード線７を介して検出される抵抗値は、荷重センサ６によって検出された抵抗値を荷重に変換する抵抗値・荷重変換部（図示せず）において、例えば、図９に示すような抵抗値と荷重（荷重）との相関関係を用いて荷重（例えば、トン）に変換される。

この抵抗値と荷重（荷重）との相関関係については、例えば、前記軸力測定センサ１に対して油圧プレス機等により荷重を加え、荷重の変化に対してリード線７から出力される抵抗値を測定する実験を予め行うことで求めることができる。
即ち、雄ねじ部材１２の軸力の測定は、予め、抵抗値と荷重（荷重）との相関関係を求め、これをコンピュータの記憶手段等に記憶し、荷重センサ６によって検出された抵抗値をコンピュータの抵抗値・荷重変換部（演算処理装置）を介して荷重に変換することによってなされる。

このように構成された軸力測定センサ１を取り付け、雄ねじ部材１２の頭部１２ｂを、スパナ（図示せず）等を用いて締め付け方向に回すと、図２に示すように前記頭部１２ｂの下面に軸力測定センサ１の円筒部材２上端の突出部２ａが当接する。
更に、雄ねじ部材１２の頭部を締め付け方向に回すと、前記円筒部材２は圧縮されると共に、前記圧縮に伴い上側のフランジ３が下方向に移動する。この上側のフランジ３の移動により、前記フランジ３の下面に設けられた押圧子の先端が、荷重センサ６を下方に押圧して変位を与える。

前記荷重センサ６の上面に荷重が与えられると、図７、図８に示したように二酸化ケイ素粒子１７ａ間の抵抗体層１８が電極層１６と徐々に接触し、接触領域が増大して、変化した抵抗値がリード線７を介して抵抗値・荷重変換部で検出される。
一方、前記抵抗値・荷重変換部においては、予め求めた図９に示すような抵抗値と荷重との相関関係が記憶された記憶部から当該抵抗値に対応する荷重値を呼び出し、前記検出した抵抗値を荷重値に変換し、例えばコンピュータの表示画面等に表示する。
この荷重は、前記円筒部材２に作用する圧縮荷重であるが、この圧縮荷重の反力として、雄ねじ部材１２の軸部には前記圧縮荷重と同じ大きさの引張荷重（軸力）が作用しているため、前記荷重値が雄ねじ部材１２に作用している軸力とすることができる。

以上のように、前記雄ねじ部材１２を、雌ねじ部材１１に対して締め付け方向に所定回数、回転させ、そのときの荷重センサ６の抵抗値出力から雄ねじ部材１２の軸力を直接求めることができる。
即ち、従来のトルクセンサによる測定のように締め付けトルクを測定するものでないため、雄ねじ部材の首下（座面）の表面状態、雌ねじ部材（被締結部材）の表面状態の影響は少なく、雄ねじ部材の軸力を高精度に求めることができる。
また、上記したように、軸力測定センサ１は、前記雄ねじ部材１２の頭部１２ｂと略同一径に形成することができ、軸力測定センサ１の小型化を図ることができる。

尚、上記第１の実施形態にあっては、加わる荷重Ｐの増加に比例して、電極と抵抗体層１８との接触面積が増加すれば良く、必ずしも、一対の電極層１６Ａ，１６Ｂ（櫛形電極）とする必要はない。
例えば、上記第１の実施形態にあっては、一対の電極層１６Ａ，１６Ｂからリード線７を引き出し、電極層１６Ａ，１６Ｂの抵抗値変化を測定したが、前記一対の電極層１６Ａ，１６Ｂを一つの電極層とし、前記一つの電極層と抵抗体層からリード線７を引き出し、一つの電極層と抵抗体層の間の抵抗値変化を測定しても良い。

また、上記第１の実施形態にあっては、円筒部材の上端が前記上側の前記フランジの上面より上方に突出した場合について説明したが、前記円筒部材の下端も前記下側の前記フランジの下面より下方に突出し、前記円筒部材の下端が、雌ねじ部材と当接するように構成するのが好ましい。
このように構成されることにより、雌ねじ部材（被締結部材）の表面状態による摩擦力の影響を抑制でき、前記雄ねじ部材が締め付け方向に、より小さな力で回すことができる。

次に、本考案にかかる軸力測定センサの第２の実施形態について、図１０乃至図１５に基づいて説明する。
この第２の実施形態にあっては、円筒部材２、前記円筒部材２の上端の突出部２ａ、前記フランジ３、４が別々の部材として形成されている点が第１の実施形態と異なる。
また、荷重センサ６がケーシング内に収容され（以下、ケーシングを有する荷重センサに符号３０を付する）、このケーシングの上面に変位可能な被押圧部が形成されている点が第１の実施形態と異なる。
尚、第１の実施形態と同一あるいは相当する部材は、同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

この第２の実施形態にかかる軸力測定センサ２０は、図１０乃至図１３に示すように、前記雄ねじ部材１２の軸部１２ａが軸方向に移動自在に挿通される円筒部材２１と、この円筒部材２１の上下面に配置され、円筒部材２１の外周面より外方に円環状に突出する上下一対のフランジ２２、２３と、上側のフランジ２２の上面に配置される上側当接部材２４と、下側のフランジ２３の下面に配置される下側当接部材２５と、上側のフランジ２２と下側のフランジ２３との間に形成される隙間に配置される荷重センサ６（３０）とを有する。
前記円筒部材２１、前記上側、下側のフランジ２２、２３、前記上側当接部材２４、前記下側当接部材２５は、それぞれ金属（例えばステンレス鋼）により、別々の部材として形成される。

前記円筒部材２１の中心部には、前記雄ねじ部材１２の軸部１２ａが挿通する貫通孔２１Ａが形成されている。また前記円筒部材２１には、等間隔で４つの貫通孔２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが形成されている。
また、上側フランジ２２には、前記雄ねじ部材１２の軸部１２ａが挿通する貫通孔２２Ａが形成されている。また上側フランジ２２の内周側には、等間隔で４つの貫通孔２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが形成されている。
また、下側フランジ２３には、前記雄ねじ部材１２の軸部１２ａが挿通する貫通孔２３Ａが形成されている。また下側フランジ２３の内周側には、等間隔で４つの貫通孔２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが形成されている。

そして、前記上側フランジ２２、円筒部材２１、下側フランジ２３を重ね合わせ、前記貫通孔２１ａ〜２１ｄ、貫通孔２２ａ〜２２ｄ、貫通孔２３ａ〜２３ｄに、結合ピン２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄを圧入することにより、前記上側フランジ２２、円筒部材２１、下側フランジ２３を一体化させる。

また上側フランジ２２の外周側には、２つの貫通孔が１組として、等間隔に３組の貫通孔が形成されている。即ち、上側フランジ２２の外周側には、貫通孔２２ｅ，２２ｇと、貫通孔２２ｈ，２２ｊと、貫通孔２２ｋ，２２ｍが形成されている。
また、前記貫通孔２２ｅ，２２ｇの間、貫通孔２２ｈ，２２ｊの間、貫通孔２２ｋ，２２ｍの間には、ネジ穴２２ｆ、２２ｉ，２２ｌが形成されている。

また、下側フランジ２３の外周側には、２つの貫通孔が１組として、等間隔に３組の貫通孔が形成されている。即ち、下側フランジ２３の外周側には、貫通孔２３ｅ，２３ｆと、貫通孔２３ｇ，２３ｈと、貫通孔２３ｉ，２３ｊが形成されている。
そして、前記貫通孔２２ｅ、２２ｇ、貫通孔２２ｈ、２２ｊ、貫通孔２２ｋ、２２ｍ、貫通孔２３ｅ，２３ｆ，貫通孔２３ｇ，２３ｈ，貫通孔２３ｉ，２３ｊに位置決めピン２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ、２７ｅ，２７ｆが圧入、植設されることにより、荷重センサ３０が位置決め、固定される。
具体的には、前記荷重センサ３０の凹部３１ｅ、３１ｅが、この位置決めピン２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ、２７ｅ，２７ｆに係合することにより、前記荷重センサ３０は位置決め、固定される（図１４参照）。

また、前記ネジ穴２２ｆ、２２ｉ，２２ｌには、上側フランジ２２の上面側から押圧子２８ａ，２８ｂ，２８ｃが螺合し、前記押圧子２８ａ，２８ｂ，２８ｃの先端が上側フランジ２２の下面側から突出し、前記荷重センサ３０に当接するように形成されている。
尚、結合ピン２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ、位置決めピン２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２７ｅ，２７ｆは、上側フランジ２２の上面、下側フランジ２３の下面から突出しないように設けられている。同様に、押圧子２８ａ，２８ｂ，２８ｃが上側フランジ２２の上面から突出しないように設けられる。

また、上側当接部材２４はリング状に形成され、その中心部には、前記雄ねじ部材１２の軸部１２ａが挿通する貫通孔２４Ａが形成されている。そして、上側当接部材２４は上側のフランジ２２の上面に配置される。そのため、上側当接部材２４の上面２４ａは、雄ねじ部材１２の頭部１２ｂの下面と当接し、雄ねじ部材１２からの荷重を受ける。

また、下側当接部材２５はリング状に形成され、その中心部には、前記雄ねじ部材１２の軸部１２ａが挿通する貫通孔２５Ａが形成されている。そして、下側当接部材２５は下側のフランジ２２の下面に配置される。また、この下側当接部材２５は、雌ねじ部材（被締結部材）上に載置される。

尚、上側当接部材２４及び下側当接部材２５は、雄ねじ部材１２の頭部１２ｂの下面、雌ねじ部材（被締結部材）上面と当接するため、雄ねじ部材１２の頭部１２ｂの下面の表面状態による摩擦力、雌ねじ部材１１の表面状態による摩擦力の影響を極力抑制するため、その幅は小さい方が好ましい。
一方、上側当接部材２４及び下側当接部材２５の外径が、円筒部材２１の外径よりも小さい場合には、円筒部材の上面に均一に荷重が作用しないため、好ましくない。したがって、上側当接部材２４及び下側当接部材２５は、円筒部材の外径、内径と同一の径を有するリング状の部材に形成するのが好ましい。

また、前記したように、上側のフランジ２２と下側のフランジ２３との間に形成される隙間に配置される荷重センサ３０は、第１の実施形態に示された荷重センサ６が金属製のケーシング３１に収容されている点において、第１の実施形態と異なる。
この第１の実施形態の荷重センサ６における第１の基板１３と第２の基板１４を合成樹脂基板で形成した場合には、繰り返し押圧子が作用することにより破損する虞がある。この第２の実施形態では、荷重センサ６を金属製のケーシング３１に収容することによって、荷重センサの破損を防止するものである。

図１４に示すように、前記金属製のケーシング３１の上面３１Ａには、円形の貫通孔３１Ａ１が形成され、その貫通孔３１Ａ１の内部に円形状の被押圧部３１ａが設けられている。また、前記貫通孔３１Ａ１の内部であって前記円形状の被押圧部３１ａの外側に、前記被押圧部３１ａを囲ってリング状部３１ｂが設けられ、被押圧部３１ａとリング状部３１ｂは第１の連結部３１ｃ、３１ｃによって、連結されている。
また、前記リング状部３１ｂは、金属製のケーシング３１の上面３１Ａは、第２の連結部３１ｄ、３１ｄによって、連結されている。

また、前記金属製のケーシング３１の側部には凹部３１ｅ、３１ｅが設けられており、この凹部３１ｅ、３１ｅ内に荷重センサ６の左右両側部に設けられた凹部６ａ、６ａが収容される。前記凹部６ａ、６ａが凹部３１ｅ、３１ｅ内に収容されることにより、荷重センサ６は、金属製のケーシング３１に位置決め、固定される。

このように、円形状の被押圧部３１ａは、第１の連結部３１ｃ、３１ｃ、第２の連結部３１ｄ、３１ｄによって、金属製のケーシング３１の上面部３１ｅと連結されているため、金属製のケーシング３１の上面３１Ａに対して、可動し、変位する。
即ち、押圧子２８ａ，２８ｂ，２８ｃによって前記被押圧部３１ａが押圧されると、被押圧部３１ａが変位し、第２の基板１４を押圧する。その結果、電極層１６と抵抗体層１８との接触面積が変化し、抵抗値の変化を検出し、第１の実施形態と同様にして、荷重の大きさを測定することができる。
また、この荷重は、前記円筒部材２に作用する圧縮荷重であるが、この圧縮荷重の反力として、雄ねじ部材１２の軸部には前記圧縮荷重と同じ大きさの引張荷重（軸力）が作用している。したがって、前記検出した抵抗値から求められた荷重を、雄ねじ部材１２の軸力とすることができる。

尚、前記第１，２実施形態においては、荷重センサ６は、一対の電極層１６Ａ、１６Ｂと抵抗体層１８との接触面積が変化することによる抵抗値の変化に基づいて荷重の大きさを検出する構成としたが、本考案に係る軸力測定センサにあっては、その構成に限定されるものではなく、上方からの荷重の大きさを検出できる構成であれば、その他構成の荷重センサを適用することができる。

また、前記１，２実施の形態にあっては、一対のフランジ３，４間に３つの荷重センサ６（３０）を配置するものとしたが、本考案に係る軸力測定センサにあっては、その構成に限定されるものではなく、少なくとも１つの荷重センサを備えるものであればよい。
尚、複数の荷重センサ６（３０）を有することによって、荷重センサ６（３０）の出力にばらつきがある場合でも、複数の荷重センサ６（３０）からの出力の平均値を用いることで、ばらつきを小さくすることができる。また、複数の荷重センサ６（３０）のうち、例えば１つが破損により、その出力値が他のセンサの出力値と大きく異なる場合には、差分値の閾値を設けておくことで、破損したセンサの出力のみを除外するように制御することも可能である。

また、前記１，２実施の形態にあっては、押圧子を上側のフランジの下面に突出するように設けたが、これに限らず、押圧子を下側のフランジの上面に突出するように設けても良い。

１ 軸力測定センサ
２ 円筒部材
２ａ 突出部
３ （上側の）フランジ
４ （下側の）フランジ
５ 押圧子
６ 荷重センサ
７ リード線
１１ 雌ねじ部材
１１ａ 雌ねじ孔
１２ 雄ねじ部材
１２ａ 軸部
１２ｂ 頭部
１３ 第１の基板
１４ 第２の基板
１５ スペーサ
１６Ａ 電極
１６Ｂ 電極
１７ 凹凸層
１７ａ 二酸化ケイ素粒子
１８ 抵抗体層
２０ 軸力測定センサ
２１ 円筒部材
２２ （上側の）フランジ
２３ （下側の）フランジ
２４ 上側当接部材
２５ 下側の当接部材
２６ａ〜２６ｄ 結合ピン
２８ａ〜２８ｃ 押圧子
３０ 金属ケーシング内に収容された荷重センサ
３１ 金属ケーシング
３１ａ 被押圧部

Claims (9)

1. 雄ねじ部材の頭部と雌ねじ部材との間に配置され、前記雄ねじ部材が前記雌ねじ部材に螺入される際の前記雄ねじ部材の軸力を測定する軸力測定センサであって、
   前記雄ねじ部材の軸部が挿通される円筒部材と、
   前記円筒部材に対して外方に突出すると共に、上下に所定の間隙をあけて設けられた、上側のフランジ及び下側のフランジと、
   前記上側のフランジと下側のフランジとの間に配置され、荷重の変化を抵抗値の変化として検出する少なくとも１つの荷重センサと、
   前記上側のフランジの下面から下方に突出して、あるいは下側のフランジの上面から上方に突出して設けられた、前記荷重センサを押圧する押圧子と、
   を備え、
   前記雄ねじ部材が締め付け方向に回されることにより、該雄ねじ部材の頭部によって前記円筒部材が圧縮され、前記押圧子が前記荷重センサを押圧し、前記荷重センサに作用する前記押圧子からの荷重を測定することにより、前記雄ねじ部材の軸力を測定することを特徴とする軸力測定センサ。
2. 前記円筒部材の上端が前記上側の前記フランジの上面より上方に突出し、前記円筒部材の上端が、雄ねじ部材の頭部と当接することを特徴とする請求項１に記載された軸力測定センサ。
3. 前記円筒部材の下端が前記下側の前記フランジの下面より下方に突出し、前記円筒部材の下端が、雌ねじ部材と当接することを特徴とする請求項１または請求項２に記載された軸力測定センサ。
4. 前記円筒部材と、上側のフランジと、下側のフランジが夫々別部材として形成され、前記円筒部材と、上側のフランジと、下側のフランジを結合部材で連結することにより、一体に形成され、
   前記上側のフランジの上面に、リング状の上側当接部材が載置されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された軸力測定センサ。
5. 前記下側のフランジの下面に、リング状の下側当接部材が配置されることを特徴とする請求項４に記載された軸力測定センサ。
6. 前記荷重センサは、金属製のケーシングに収容されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載された軸力測定センサ。
7. 前記ケーシングは、その上面に設けられた貫通孔と、前記貫通孔の内部に設けられた被押圧部と、前記貫通孔の内部であって、前記被押圧部の外側に前記被押圧部を囲って設けられたリング状部と、前記被押圧部とリング状部を連結する第１の連結部と、前記リング状部とケーシングの上面を連結する第２の連結部とを備えていることを特徴とする請求項６に記載された軸力測定センサ。
8. 前記荷重センサは、
   第１の基板の表面に電極層が形成され、前記第１の基板とスペーサを介して配置された第２の基板に、前記電極層に対向して抵抗体層が形成され、前記第１の基板、第２の基板の少なくとも一方に加わる荷重の変化によって、電極層に対する抵抗体層の接触面積が変化し、前記接触面積変化に応じた抵抗値変化を検出することによって、前記基板に加えられた荷重を感知することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載された軸力測定センサ。
9. 前記請求項１乃至請求項８のいずれかに記載された軸力測定センサを備え、
   更に、前記荷重センサによって検出された抵抗値を荷重に変換する抵抗値・荷重変換部を備えたことを特徴とする軸力測定センサ装置。

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