JP4649684B2

JP4649684B2 - 留め具およびその利用

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Publication number: JP4649684B2
Application number: JP2010001585A
Authority: JP
Inventors: 超男徐
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2010-01-06
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: JP2010072006A

Description

本発明は、対象物を固定するための留め具に関するものであり、さらに、該留め具により対象物が固定される力を測定する固定力測定装置および固定力測定方法、留め具を締め付けるための留め具締結装置、留め具を用いた固定方法に関する。

ネジ部品は、あらゆる形式の機械、車両、動力機関、および建造物などに適用できる万能性を有しているので、ほぼ全ての機械製品、木工製品に使われているといっても過言ではない。

また、ネジ部品には、様々な材質や形状のものが含まれるが、一般的に、ネジ部品は、たとえばナット、ワッシャ、ボルトのように、対象物を締め付けるための留め具として用いられる。

そして、留め具として用いられるネジ部品に欠陥があると、対象物を締め付ける力が所定値に到達できず、重大な事故につながる場合がある。実際、航空機事故、プラント爆発、ガスや油洩れ事故、車両事故などの災害は、たった１本のネジに起因して発生することが決して少なくない。したがって、こうした事故を未然に防ぐために、ネジの適正な締め付け力を管理する必要がある。

このような問題を解決するために各種の試みがなされてきた。たとえば、ネジ部品の締め付けトルクを検知することにより、所定トルクまでネジ部品を締め付ける方法がある。締め付けトルクを検知可能な締め付け器具としては、たとえばトルクドライバ、トルクレンチ、トルクスパナなどが利用される。

しかし、締め付けトルクが所定値になっても、ボルトやネジの固定力が所定になるということにならない。

すなわち、締め付けトルクは、ネジ部品の摩擦係数と軸力の両方に依存する。したがって、ネジ部品に何らかの欠陥があったり、表面にごみや汚れが付着していたりすると、摩擦力が異常に大きくなると、軸力が小さくても締め付けトルクが所定値になってしまうことがある。

そして、軸力は、ネジ部品による締め付けにおいて、上記公式における軸力は、対象物を固定する力（固定力）を評価するために最も重要な値である。この固定力が足りないと、留め具としての役割をネジ部品が果たせないことになり、大事故を招きかねない。現状では、ネジ部品による固定力を評価するために、たとえば超音波を用いた軸力計、軸力管理システムが開発されている（特許文献１〜７参照）。

また、その他に、励磁コイルにより振動を発生させて該振動をボルトに伝達させるように構成するとともに、励磁コイルの周波数を変化させてボルトの共振周波数を求め、この共振周波数からボルト軸力を測定する装置が提案されている（特許文献８、９参照）。

特開２０００−１４１２４１（２０００年５月２３日公開）特開２００４−１０８９１０（２００４年４月８日公開）特開平０６−０８８７５８（１９９４年３月２９日公開）特開２００４−１５６９９２（２００４年６月３日公開）特開２００４−０９３３６２（２００４年３月２５日公開）特開２００３−２２７７６８（２００３年８月１５日公開）特開２００４−１１４１８２（２００４年４月１５日公開）特開２００４−２７９２０７（２００４年１０月７日公開）特開２００４−２２６４１３（２００４年８月１２日公開）特開２０００−１１９６４７（２０００年４月２５日公開）特開２０００−３１３８７８（２０００年１１月１４日公開）特開２００１−０４９２５１（２００１年２月２０日公開）特開２００２−１９４３４９（２００２年７月１０日公開）特開２００３−２９２９４９（２００３年１０月１５日公開）特開２００４−０４３６５６（２００４年２月１２日公開）特開２００３−２５３２６１（２００３年９月１０日公開）特開２００４−０７１５１１（２００４年３月４日公開）特開２００４−１４９７３８（２００４年５月２７日公開）

しかしながら、超音波を用いてネジ部品の固定力を評価する場合、締付前後の超音波の伝播時間差をボルトの伸び値に演算処理することによって、軸力が管理される。さらに、限定された材料（鉄鋼等）やサイズ（径10mm以上）のネジ部品にしか用いることができないだけでなく、多数のネジ部品の固定力をリアルタイムに管理することが困難である。また、使用中の振動などによる不良発生の検知もできない。なお、共振周波数を用いて軸力を管理する場合にも、リアルタイムに軸力を管理することが困難である。さらに、弾性域から塑性域までネジ部品を締め付けた場合においても、ネジの固定力を適正に管理することが従来から必要とされている。

なお、ネジ部品には様々な素材が使われている。たとえば、金属、プラスチックが主に使われている。金属としては、鉄、ステンレス、黄銅（真鍮）、銅、アルミニウム合金、チタン合金等が用いられ、また、プラスチックとしては、アクリル、テフロン（登録商標）、FRP、ベークライト、ポリカーボネート、レニー等が用いられる。さらに、特殊な用途のネジ部品には、セラミックなどの素材が用いられる。また、めっきされているネジ部品も多い。

さらに、ネジの形状も種々存在する。たとえば、ネジの頭部の形状として、さら頭、丸さら頭、なべ頭、丸頭、バインド頭、トラス頭、プレジャ頭、チーズ頭、平頭、丸平頭、六角頭、四角頭などがある。また、ネジの頭部には、ネジを締め付ける際に工具を差し込んだり引っ掛けるために、特殊な形状が加工されている場合がある。そのような形状としては、十字穴、すりわり、六角穴など多数存在する。また、ネジのサイズやピッチも非常に多種多様である。

このように、ネジ部品は、ほとんどあらゆる機器、機械、構造物などに多数利用され、しかも様々な種類が存在するため、安価で簡便な方法で固定力を検知できる部品と方法が必要である。また、ネジ部品に限らず、たとえばリベットやピンのように、軸力を発生させることで対象物を固定する留め具についても、安価で簡便な方法で固定力を検知できる部品と方法が必要である。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、リアルタイムで様々な形状の留め具の固定力を、弾性域から塑性域まで測定し得る留め具、固定力測定装置、留め具締結装置、固定方法、固定力測定方法を提供することを目的とする。

本発明の留め具は、上記従来の課題を解決するために、与えられる機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示す応力発光体を備えているボルトとしての留め具であって、上記応力発光体が、軸部分の軸方向に延びる細い線状に塗布されており、かつ、締付時にボルトに引張力が加わる部分に塗布されていることを特徴としている。また、本発明の留め具は、上記従来の課題を解決するために、与えられる機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示す応力発光体を備えているボルトとしての留め具であって、上記応力発光体が、軸部分の径方向に延びる細い線状に塗布されており、かつ、締付時にボルトに引張力が加わる部分に塗布されていることを特徴としている。

上記構成によれば、留め具が応力発光体を備えており、さらにその応力発光体が与えられる機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示すので、応力発光体からの発光強度を測定することにより、留め具に発生している力の大きさを測定することができる。

ここで、留め具は、その内部に引張り力、摩擦力等の力を発生させることで、対象物を固定するために用いられるものである。つまり、留め具の内部に発生している力の大きさは、対象物を固定するための固定力を評価するための値として、もっとも的確なものといえる。よって、応力発光体からの発光強度を測定することで、留め具が対象物を固定している力を正確に測定することができる。

しかも、応力発光体は、留め具がどのような形状を有していても、塗布や留め具材料との混合等により留め具に設けることができるので、種々の留め具による対象物を固定する力を、簡易に測定することができる。また、応力発光体は外力が付与されると瞬時に発光するので、留め具による固定力をリアルタイムで測定することができる。

そのうえ、本発明の留め具に与えられる歪みの大きさは、その歪みを与える物質が弾性域であろうが塑性域であろうが、その物質に発生している応力の大きさに応じて変化する。そして、本発明の留め具に備えられている応力発光体は、与えられる機械的な歪みの大きさに応じて発光する。

つまり、本発明の留め具は、留め具に歪みを与える物質に発生している応力の大きさに応じた発光強度を示しているといえる。よって、本発明の留め具によれば、弾性域から塑性域までの固定力を管理することができる。

また、本発明の固定力測定装置は、上記に記載のボルトとしての留め具により対象物が固定される力を測定するものであって、上記留め具が、与えられる機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示す応力発光体を備えているものであり、上記応力発光体が発する光の強度を測定する光強度測定手段を備えているものである。

上記構成の固定力測定装置によれば、留め具がどのような形状を有しているかを問題とすることなく、留め具が対象物を固定する力を、正確かつリアルタイムに、弾性域から塑性域まで測定することができる。

また、上記構成の固定力測定装置と締付手段とを備えた留め具締結装置によれば、留め具による固定力を正確かつリアルタイムで管理しながら留め具を締め付けることができるので、対象物を確実かつ安全に固定することができる。

また、本発明の固定方法は、与えられる機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示す応力発光体を備えている、上記に記載のボルトとしての留め具を用いて対象物を固定するものである。

上記固定方法によれば、本発明に係る留め具を用いているので、留め具が対象物を固定している力を正確に測定することができるとともに、留め具による固定力をリアルタイムで、弾性域から塑性域まで測定することができる。

また、本発明の固定力測定方法は、上記に記載のボルトとしての留め具により対象物が固定される力を測定するための固定力測定方法であって、上記留め具が、与えられる機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示す応力発光体を備えているものであり、上記応力発光体が発光する光の強度を測定するものである。

上記構成によれば、留め具がどのような形状を有しているかを問題とすることなく、留め具が対象物を固定する力を正確かつリアルタイムで、弾性域から塑性域まで測定することができる。

本発明の留め具によれば、応力発光体からの発光強度を測定することで、留め具が対象物を固定している力を正確に測定することができる。しかも、応力発光体は、留め具がどのような形状を有していても、塗布により留め具に設けることができるので、種々の留め具による対象物を固定する力を、簡易に測定することができる。また、応力発光体は外力が付与されると瞬時に発光するので、留め具による固定力をリアルタイムで測定することができる。

図１（ａ）〜図１（ｄ）は、本発明の留め具の参考形態に係るワッシャの構成を示す図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、本発明の留め具の参考形態に係るナットの構成を示す図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本発明の留め具の一実施形態に係るボルトの構成を示す図である。本発明の固定力測定装置の一実施形態に係る構成を示す図である。本発明の参考形態に係るワッシャの発光強度を固定力との関係を示す図である。本発明の参考形態に係るワッシャの発光強度を固定力との関係を示す図である。

〔１．留め具の構成〕
本発明の留め具の実施形態について、以下に説明する。なお、以下に説明する留め具の実施形態について共通するのは、機械的な外力が加わることで発光する応力発光体が留め具の表面に塗布等されており、その応力発光体の発光強度に基づき固定力を評価するという点である。

（１−１．ワッシャ）
先ず、本発明に係る留め具の参考形態としてのワッシャについて説明する。本参考形態のワッシャ１は、図１（ａ）に示すように、表面全体に応力発光体２が１０ミクロン程度の厚さでコーティングされている。また、図１（ｂ）に示すように、ワッシャ１の側面に１ｍｍ程度の深さの溝を形成するとともに、その溝を埋めるように応力発光体２を形成してもよい。これにより、応力発光体２は、ワッシャ１の側面をワッシャ１の軸方向に延びるように形成されるとともに、ワッシャ１の端面１ａと端面１ｂとを繋ぐように形成されている。

また、図１（ｂ）に示すワッシャ１に形成された溝は、ワッシャ１を軸方向に貫通するように形成されているが、必ずしもその必要はない。つまり、図１（ｃ）に示すように、ワッシャ１の軸方向に関する端面位置から中間位置まで形成された溝を埋めるよう、応力発光体２を形成してもよい。さらに、図１（ｄ）に示すように、ワッシャ１の軸方向に関する中間付近にだけ、応力発光体２を埋め込むようにしてもよい。要は、応力発光体２から発光される光がワッシャ１の内部で遮られないように、応力発光体２がワッシャ１の表面から露出する部分を存在させればよい。

このようにしてワッシャ１と応力発光体２とを一体形成することにより、ワッシャ１に発生する軸力に応じて、応力発光体２が発光することになる。そして、応力発光体２は機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示すので、応力発光体２から発せられる光の強度を測定することにより、ワッシャ１に発生する軸力を測定することが可能となる。

そして、このワッシャ１に発生する軸力は、ワッシャ１を留め具として用いた場合の固定力としても評価できることはいうまでもない。よって、本参考形態のワッシャ１を用いて対象物の固定を行う際、ワッシャ１からの発光強度を測定することにより、ワッシャ１による固定力を測定することができる。

なお、図１（ｃ）および図１（ｄ）に示す構成においては、ワッシャ１が固定対象物を接触する面１ａ・１ｂの大部分が、ワッシャ１の材料にて形成されている。したがって、ワッシャ１を用いて対象物を固定した場合、ワッシャ１とボルト・ナット等の他の留め具との間の摩擦力、またはワッシャ１と固定対象物との間における摩擦力を変化させることがない。よって、安定した固定力を得るという観点からすれば、図１（ｃ）および図１（ｄ）に示す構成のワッシャが好適であるといえる。

また、本参考形態においてはワッシャ１が平ワッシャである場合について説明したが、本参考形態を適用可能なワッシャは平ワッシャに限定されるものではない。たとえば、角ワッシャ、スプリングワッシャについても本発明の参考形態としてのワッシャは適用可能である。

（１−２．ナット）
次に、本発明に係る留め具の他の参考形態としてのナットについて説明する。本参考形態の六角ナット３は、図２（ａ）に示すように、六角ナット３が有する６つの側面のそれぞれに形成された溝に、応力発光体２が埋め込まれるように形成されている。なお、溝の深さや大きさは任意に設定可能である。

また、図２（ｂ）に示すように、六角ナット３における側面の軸方向に関する中央位置付近に、環状の溝を形成し、その溝に応力発光体２が埋め込まれるように形成してもよい。さらに、図２（ｃ）に示すように、六角ナット３の表面全体に応力発光体２を形成してもよい。要は、応力発光体２から発光される光が六角ナット３の内部で遮られないように、応力発光体２が六角ナット３の表面から露出する部分を存在させればよい。

このように六角ナット３と応力発光体２とを一体形成することにより、六角ナット３を用いて対象物を固定した場合、その固定力により応力発光体２が発光する。したがって、ワッシャ１と応力発光体２とを一体形成した場合と同様に、固定力を測定できることはいうまでもない。

なお、本参考形態においては、ナットが六角ナットである場合について説明したが、本発明の参考形態としてのナットを適用可能なナットは六角ナットに限定されるものではない。たとえば、袋ナット、蝶ナット等、種々のナットに本発明の参考形態としてのナットは適用可能である。

（１−３．ボルト）
次に、本発明に係る一実施形態としてのボルトについて説明する。図３（ａ）に示すように、本実施形態のボルト４は、応力発光体２が、軸部分の周方向に伸びるよう、帯状に塗布されている。また、図３（ｂ）に示すように、ボルト４の軸部分において、応力発光体２をボルト４の軸方向に延びるよう、帯状に塗布してもよい。

このようにボルト４と応力発光体２とを一体形成することにより、ボルト４を用いて対象物を固定すると、その締付け軸力（固定力）により応力発光体２が発光する。よって、応力発光体２の発光強度を測定することで、ボルト４による固定力を測定できる。

特に、応力発光体２を塗布するボルトの部位は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、締付時にボルトに引張力が加わる部分であることが好ましい。なぜなら、ボルトとワッシャとの間における摩擦力や、ボルトと固定対象物との間における摩擦力を変化させることなく、ボルトの締め付けを行うことができるからである。

なお、図３（ａ）および図３（ｂ）においては、ボルト４の頭部が六角である場合を図示したが、本発明を適用可能なボルトは、四角状の頭部を有するボルトにも適用可能であるし、植え込みボルトのように頭部のないボルトにも適用可能である。

また、本実施形態のボルト４に用いるワッシャとしては、図３（ｃ）に示すように、切り欠き５が形成されたものがよい。なぜなら、応力発光体２から発せられる光が、この切り欠き５を通過して外部まで達するようにできるからである。この外部まで達する光の強度を測定することで、ボルト４による固定力を測定できる。

（１−４．適用可能な応力発光体）
さらに、本実施の形態の応力発光体２として用いることが可能な物質の具体例について、以下に説明する。なお、応力発光体は、機械的な作用によって発光する物質であり、摩擦によって発光するものや、破壊によって発光するもの、塑性変形によって発光するもの、弾性変形によって発光するものが開発されている。特に、近年、本発明の発明者らによって開発されている無機系応力発光体粒子は、応力発光体２として用いるのに好適である。

たとえば、以下の（１）〜（８）の物質を応力発光体２として用いることができる。

（１）スピネル構造、コランダム構造やβアルミナ構造の応力発光材料（特許文献１０参照）
（２）ケイ酸塩の応力発光材料（特許文献１１参照）
（３）欠陥制御型アルミン酸塩の高輝度応力発光体（特許文献１２参照）
（４）多色型応力発光材料（特許文献１３参照）
（５）エポキシ樹脂との複合材料（特許文献１４参照）
（６）ウルツ鉱型構造とせん亜鉛鉱型構造が共存する構造をもつ、酸化物、硫化物、セレン化物、テルル化物を主成分として構成される応力発光材料（特許文献１５参照）
（７）応力発光性を示すユーロピウム添加アルミン酸ストロンチウムを、ポリメタクリレート、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリアセタール、ウレタン樹脂、ポリエステル、エポキシ樹脂、シリコーンゴム、シロキサン結合を有するシリコーン化合物および有機圧電材料と複合化させた材料（特許文献１６，１７参照）
（８）透明な応力発光材料（特許文献１８参照）。

なお、応力発光体は、発光原理に応じて留め具に塗布することが重要である。特に、摩擦によって発光しやすい応力発光体を留め具に塗布することが好適である。そして、ボルト、ワッシャ、ナットなどに応力発光体を塗布する場合、固定対象物に圧着する面や、固定対象物と摩擦しあう面に応力発光体を塗布することが好適である。

摩擦によって発光しやすい応力発光体としては、たとえば金属錯体やセラミックス系の応力発光体を挙げることができる。特に、ウルツ構造またはスピネル構造を有している硫化物、窒化物、セレン化物、酸化物、テルル化物を含む応力発光体が好適である。なかでも、母体材料としてＺｎＳやＺｎＡｌ_２Ｏ_４を含む応力発光体がより好適である。

なお、留め具と固定対象物との接触面に応力発光体を塗布すると、留め具の摩擦係数が変わるので、固定力の測定に注意が必要となる。つまり、応力発光体が塗布された状態の留め具の摩擦係数を測定しておき、その摩擦係数に基づき固定力を測定する必要がある。

また、上述した本発明に係る一実施形態であるボルトのように、引張力により変形する箇所に応力発光体を塗布する場合、応力発光体としては、トルクや引張りに対して敏感に発光するものを用いることが好ましい。そのような応力発光体としては、たとえば、変形発光ケイ酸塩や酸化物、特に、アルミン酸ストロンチウム系応力発光体が有効である。

〔２．留め具の製造方法〕
次に、留め具を製造する方法について説明する。留め具を製造するためには、応力発光体の原料となる応力発光体粒子を、留め具の原料に混合して製造してもよいし、留め具の表面に応力発光体を塗布（コーティング）してもよい。

たとえば、前者の方法を用いれば、応力発光粒子と、樹脂やゴムとを混合して押し出し成型することにより、本発明の参考形態としての弾性ワッシャやナットを作成することができる。

また、コーティング法は金属などのさまざまな素材に対して適用できる利点がある。コーティング法を用いる場合、応力発光体を均一に分散し、コーティングの基材として接着力の強いものを用いる必要である。特に、ウレタン系の基材を用いてコーティングが好適である。

〔３．固定力測定装置の構成〕
本発明の固定力測定装置の一実施形態について、以下に説明する。本実施形態の固定力測定装置１０は、図４に示すように、光ファイバ１１と、光センサ（光強度測定手段）１２とを備えている。また、図４に示された固定冶具１３は、留め具の固定力を測定する際に測定対象物を保持しておくためのものであり、固定力測定装置１０に必ず必要な部材ではない。さらに、図４に示されたワッシャ型ロードセル１４も、本実施形態の固定力測定装置１０の測定精度を検証する為に設けられているものであり、固定力測定装置１０に必須の部材ではない。

光ファイバ１１は、本発明に係る留め具の実施形態としてのボルト４、参考形態としてのワッシャ１、または参考形態としてのナット３に塗布された応力発光体２から発せられる光を、光センサ１２まで導くものである。

光センサ１２は、光ファイバ１１により導かれる光の強度を測定するものであり、フォトダイオードや光電子倍増管を用いることができる。なお、光強度の測定精度を上げるために、熱フィルタやバンドパスフィルターを光センサに組合わせてもよい。

本発明者らは、上記構成の固定力測定装置１０を用いて固定力の測定実験を行ったのでその結果について以下に説明する。なお、固定力の測定実験は、図４に示すように、ボルト４を固定冶具１３に固定するとともに、ワッシャ１６、ワッシャ１、ワッシャ型ロードセル１４、ステンレス板１５、ワッシャ１、およびナット３を、この順番で、ボルト４とナット１７との間に固定して行った。さらに、ワッシャ型ロードセル１４により測定される固定力と、光センサ１２により測定されるワッシャ１からの発光強度とを、メモリ付き記録計１８により比較した。

なお、ワッシャ１としては、図１（ａ）ないし図１（ｄ）に示す構成のものを適宜交換して実験をおこなった。同様に、ナット３としては、図２（ａ）ないし図２（ｃ）に示す構成のものを適宜交換し、ボルト４としては、図３（ａ）または図３（ｂ）に示す構成のものを適宜交換した。

また、ボルト４としては、直径１０ｍｍのステンレス製ボルトに、１０ミクロン程度の厚さで応力発光体２が塗布されたものを用いた。また、ボルト４に塗布された応力発光体２からの発光を検知するため、ワッシャ１６は、切り欠き５が形成されたものを用いた。また、光ファイバ１１は、３ｍｍ直径のものを用いた。

さらに、応力発光体２は、高輝度ストロンチウム系の応力発光体粉末から形成されたものを用いた。つまり、高純度試薬ＳｒＣＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３を混合して、Ｓｒ_０．９７Ｅｕ_０．０１Ａｌ_２Ｏ_４を形成した。そして、空気中で８００℃の温度で仮焼きをしてから、１０００〜１７００℃の温度範囲で、Ａｒ＋５％Ｈ_２の雰囲気中で焼成を行い、流星型ボルミルでＳｒ_０．９７Ｅｕ_０．０１Ａｌ_２Ｏ_４を粉砕した。さらに、応力発光体粉末をふるいで５ミクロン以下に製粒した。最後に、製粒された応力発光体微粒子粉末を、ウレタン系接着剤と重量比１対１で混合して、応力発光体２を塗料として形成した。なお、ワッシャ１やナット３に対しても、同様の手順にて応力発光体２を塗布した。

このようにして、固定力測定装置１０およびその周辺部材を配置して、ナット３を徐々にトルクレンチで締め付けることで固定力を変化させながら、ワッシャ１、ナット３、およびボルト４のそれぞれにおける応力発光体２から発せられる光の強度と、締付トルクとの関係を調べた。なお、ワッシャ型ロードセル１４による固定力の測定も同時に行った。そして、同じトルクでナット１７を締め付けた場合、図１（ｂ）に示す構成のワッシャが最も高い応力発光強度を示した。

図５および図６に、光センサ１２として光電子倍増管により測定された発光強度と、ワッシャ型ロードセル１４により測定された固定力との関係を示す。なお、図５は、図１（ｂ）に示す構成のワッシャに塗布された応力発光体から計測された光の強度を示している。また、図６は、図１（ａ）に示すようにワッシャ全体に塗布された応力発光体から計測された光の強度を示している。

図５および図６によれば、応力発光体の発光強度が固定力に比例していることがわかる。なお、全面に応力発光体が塗布されたワッシャよりも、図１（ｄ）に示す構成のワッシャの方が高い発光強度を示した。また、図６に示すように、全面に応力発光体が塗布されたワッシャ（図１（ａ）参照）は、固定力がしきい値以上になると発光強度が増すことがわかった。このしきい値は、応力発光体の種類および接着剤・塗料バインダー種類に依存することも検討した。

また、図３（ｂ）に示すようにボルトに応力発光体を塗布した場合も、ワッシャ型ロードセルにより測定される固定力が増大すると、応力発光体の発光強度が増大した。さらに、図３（ａ）に示すように応力発光体をボルトに塗布した場合、ワッシャ型ロードセルにより測定される固定力がしきい値以上になると、応力発光体の発光強度が増大した。

さらに、本実施形態の固定力測定装置を、ナットランナーやインパクトレンチ等の締付手段と一体的に構成することにより、固定力を簡易かつリアルタイムに測定可能な留め具締結装置を提供することが可能である。

〔４．まとめ〕
このように、本実施形態の留め具（ボルト４）及び本参考形態の留め具（ワッシャ１、ナット３）は、応力発光体２を備えており、さらにその応力発光体２が与えられる機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示すので、応力発光体２からの発光強度を測定することにより、留め具に発生している力の大きさを測定することができる。

ここで、留め具は、その内部に引張り力、摩擦力等の力を発生させることで、対象物を固定するために用いられるものである。つまり、留め具の内部に発生している力の大きさは、対象物を固定するための固定力を評価するための値として、もっとも的確なものといえる。よって、応力発光体２からの発光強度を測定することで、留め具が対象物を固定している力を正確に測定することができる。

しかも、応力発光体２は、留め具がどのような形状を有していても、塗布により留め具に設けることができるので、種々の留め具による対象物を固定する力を、簡易に測定することができる。また、応力発光体２は外力が付与されると瞬時に発光するので、留め具による固定力をリアルタイムで測定することができる。

また、本実施形態の固定力測定装置１０は、留め具により対象物が固定される力を測定するものであって、上記留め具が、与えられる機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示す応力発光体２を備えているものであり、応力発光体２が発する光の強度を測定する光センサ１２を備えているものである。

上記構成の固定力測定装置１０によれば、留め具がどのような形状を有しているかを問題とすることなく、留め具が対象物を固定する力を正確かつリアルタイムで測定することができる。

また、上記構成の固定力測定装置１０と締付手段とを備えた留め具締結装置によれば、留め具による固定力を正確かつリアルタイムで管理しながら留め具を締め付けることができるので、対象物を確実かつ安全に固定することができる。

〔５．補足〕
さらに、本発明の参考形態としての留め具は、ワッシャであることが好ましい。なぜなら、留め具としてのワッシャは、ネジを用いて対象物を固定する際、ほとんど全ての場合に用いられている。よって、本発明の参考形態としての留め具をワッシャとして実現することにより、ほぼ全ての締結構造における固定力を正確に測定することができる。また、既存のボルトやナットを用いて対象物を固定する場合においても、本発明の参考形態としてのワッシャを用いることで、ボルトやナットによる固定力を評価することができる。

さらに、上記応力発光体は、ワッシャの表面全体に塗布されていることが好ましい。本発明者らは、応力発光体をワッシャ全体に塗布した場合、該応力発光体の発光強度は、固定力がしきい値以上になると増すことを実験により確認した。よって、上記構成の留め具によれば、所定値以上の固定力にて対象物が固定されているかを、的確に評価することができる。また、この所定値はコーティングの種類を選ぶことによって調整が可能である。

また、上記応力発光体は、ワッシャの側面を該ワッシャの軸方向に延びるように形成され、該ワッシャの両端面を繋いでいることが好ましい。本発明者らは、このように応力発光体をワッシャに塗布した場合、応力発光体が最も高い強度にて発光することを確認した。このように応力発光体が強い強度で発光すれば、その光を光センサ等で検知しやすくなる。よって、上記構成の留め具によれば、留め具により対象物が固定されている力を、的確に評価することができる。

また、応力発光体に含まれる硫化物、窒化物、酸化物、セレン化物、またはテルル化物が、ウルツ構造やスピネル構造を有している場合においても、応力発光体は摩擦に対して敏感に反応して発光することが知られている。よって、このような応力発光体をワッシャ等の留め具に設けることにより、的確に留め具による固定力を評価することができる。

さらに、上記応力発光体は、ＺｎＳまたはＺｎＡｌ _２Ｏ _４を含むことが好ましい。なぜなら、ＺｎＳやＺｎＡｌ _２Ｏ _４を含む応力発光体は、摩擦に対して敏感に反応して発光することが知られている。よって、ＺｎＳやＺｎＡｌ _２Ｏ _４を含む応力発光体を、摩擦力により対象物を固定する留め具（ワッシャ等）に設けることで、的確に留め具による固定力を評価することができる。

また、本発明の留め具はボルトであり、本発明の参考形態としての留め具はナットであってもよい。なぜなら、留め具としてのボルトやナットも、ネジを用いて対象物を固定する際、ほとんど全ての場合に用いられている。よって、本発明の留め具をボルトとして実現することにより、ほぼ全ての締結構造における固定力を正確に測定することができる。

さらに、留め具は、たとえばボルトのように、内部に引張り力を発生させることで対象物を固定するものが多い。そして、引張り力に対して敏感に反応して発光する応力発光体として、アルミン酸ストロンチウム系応力発光体が知られている。

よって、応力発光体としてアルミン酸ストロンチウム系応力発光体を用いることで、内部に発生する引張り力を用いて対象物を固定する留め具の固定力を、的確に評価することができる。

また、ボルトの締付軸力を計測するために、応力発光体を、軸方向に延びる細い線状に塗布することが有効である。このように応力発光体を塗布すると、ボルトが径方向に歪みにくくなるので、ボルトの軸方向の歪みを、応力発光体の発光強度から正確に捉えることができる。

一方、ボルトの締付軸力を計測するために、応力発光体を、径方向に延びる細い線状に塗布することが有効である。このように応力発光体を塗布すると、ボルトが軸方向に歪みにくくなるので、ボルトの径方向の歪みを、応力発光体の発光強度から正確に捉えることができる。

また、本発明の参考形態としての留め具製造方法は、与えられる機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示す応力発光体を留め具の表面に塗布することが好ましい。さらに、本発明の参考形態としての留め具製造方法は、与えられる機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示す応力発光体の原料と、留め具の原料とを混合することが好ましい。

上記構成の留め具製造方法によれば、与えられる機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示す応力発光体が設けられた留め具を製造することができる。よって、正確かつリアルタイムで、弾性域から塑性域まで固定力を評価することができる留め具を提供することができる。

本発明は、航空宇宙、輸送機械、電気・電子機器、工作・産業・一般・精密機械、土木建築、造船等の産業のほか、家庭用など、極めて広範囲に利用できる。また、本発明は、留め具の固定力をリアルタイムで管理できるので、締結用部品が組み込まれている設備・装置・機器類の品質保全、安全性向上に大きく貢献するものである。

１ワッシャ
２応力発光体
３ナット
４ボルト
１０固定力測定装置
１２光センサ（光強度測定手段）

Claims

与えられる機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示す応力発光体を備えているボルトとしての留め具であって、
上記応力発光体が、軸部分の軸方向に延びる細い線状に塗布されており、かつ、締付時にボルトに引張力が加わる部分に塗布されていることを特徴とする留め具。
与えられる機械的な歪みの大きさに応じた発光強度を示す応力発光体を備えているボルトとしての留め具であって、
上記応力発光体が、軸部分の径方向に延びる細い線状に塗布されており、かつ、締付時にボルトに引張力が加わる部分に塗布されていることを特徴とする留め具。
請求項１または２に記載の留め具により対象物が固定される力を測定する固定力測定装置であって、
上記応力発光体が発する光の強度を測定する光強度測定手段を備えていることを特徴とする固定力測定装置。
請求項３に記載の固定力測定装置と、
上記留め具を締め付ける締付手段とを備えていることを特徴とする留め具締結装置。
請求項１または２に記載の留め具を用いて対象物を固定することを特徴とする固定方法。
請求項１または２に記載の留め具により対象物が固定される力を測定するための固定力測定方法であって、
上記応力発光体が発光する光の強度を測定することを特徴とする固定力測定方法。