JP6324405B2 - ボルト、ナット、および歪測定システム - Google Patents

Description

本発明は、締結状態を検知可能なボルトおよびナットに関する。

従来より、締結状態を検知可能なボルトが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されたボルトでは、シャンクの中心に長穴を開け、歪ゲージを挿入・固定し、歪ゲージによりシャンクの歪を検出することにより、シャンクの軸力を検知している。

特開平１１−１１８６３７号公報

しかし、特許文献１のボルトでは、ボルトに長穴を開けた後、洗浄が必要であり、更に長穴に歪ゲージを挿入する必要がある。このため、ボルトを製造するのに、複雑な作業および多くの作業時間を必要とし、コストの増大を招いていた。

本発明の目的は、シャンクの軸力を精度よく検知することができ、複雑な作業および作業時間の増加を必要としないボルトおよびナットを提供することにある。

本発明の一態様によるボルトは、シャンクと、前記シャンクの一端に設けられたヘッドであって、前記ヘッドの他の部分よりも、前記シャンクの軸方向における厚みが小さい若しくはヤング率が小さい部分であって、前記シャンクの軸力によって前記他の部分よりも大きく歪む歪部を有する前記ヘッドと、前記シャンクの軸力に応じた前記歪部の歪を検出する検出部とを備える。

前記歪部は、前記シャンクの軸方向における前記ヘッドの最大厚みより薄い厚みを有する薄肉部を備えても良い。

前記ヘッドは、前記薄肉部である底板を有する凹状部を備え、前記検出部は、前記底板の歪を検出しても良い。

前記ヘッドは、前記肉薄部であり前記シャンクの径方向に延びるフランジを有し、前記検出部は、前記フランジの歪を検出しても良い。

前記ヘッドは、凹状部を備え、前記歪部は、前記ヤング率の小さい部分である板バネであり、前記凹状部の歪に応じて歪むように前記凹状部に設けられ、前記検出部は、前記板バネの歪を検出しても良い。

前記検出部は、測定器から与えられる磁束に応じて電力を発生させる受電部と、前記歪に応じて電気的特性を変化させる歪検出素子と、前記受電部から供給される電力により動作し、前記電気的特性に応じた信号を生成し、前記信号を前記測定部へ無線送信する送信部と、を備えても良い。

前記歪検出素子は、抵抗歪ゲージであり、前記信号は、前記抵抗歪ゲージの抵抗に応じた周波数を有しても良い。

前記検出部は、温度を測定する温度測定部を更に備え、前記送信部は、前記抵抗歪ゲージと前記温度測定部とを切り替えることにより、前記抵抗歪ゲージの抵抗と前記温度とを示す前記信号を生成しても良い。

前記検出部は、前記ボルトの識別情報を記憶する識別情報記憶部を更に備え、前記送信部は、前記抵抗歪ゲージと前記温度測定部と前記識別情報記憶部とを切り替えることにより、前記抵抗歪ゲージの抵抗と前記温度と前記識別情報とを示す前記信号を生成しても良い。

本発明の一態様によるナットは、シャンクを有するボルトに締結されるナット本体であって、前記ナット本体の他の部分よりも、前記ナット本体の軸方向における厚みが小さい若しくはヤング率が小さい部分であって、前記シャンクの軸力によって前記他の部分よりも大きく歪む歪部を有する前記ナット本体と、前記シャンクの軸力に応じた前記歪部の歪を検出する検出部とを備える。

本発明の一態様による歪測定システムは、ボルトと、前記磁束を発生させると共に無線信号を受信する測定器と、を備える。前記ボルトは、シャンクと、前記シャンクの一端に設けられたヘッドであって、前記ヘッドの他の部分よりも、前記シャンクの軸方向における厚みが小さい若しくはヤング率が小さい部分であって、前記シャンクの軸力によって前記他の部分よりも大きく歪む歪部を有する前記ヘッドと、前記シャンクの軸力に応じた前記歪部の歪を検出する検出部と、を備える。前記検出部は、前記磁束に応じて電力を発生させる受電部と、前記歪に応じて電気的特性を変化させる歪検出素子と、前記電力により動作し、前記電気的特性に応じた信号を生成し、前記信号を前記測定器へ無線送信する送信部と、を備える。前記測定器は、前記磁束を変動させることにより前記受電部へ送電する送電部と、前記送信部から前記信号を無線受信する受信部と、を備える。

本発明によれば、シャンクの軸力を精度よく検知することができ、複雑な作業および作業時間の増加を必要としないボルトおよびナットを提供することができる。

（ａ）は、本発明の第１の形態に係るボルトの上面図であり、（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るボルトの正面図である。 第１の実施の形態に係るボルトのヘッド近傍の断面図である。 第１の形態のボルトにより、被締結対象物を締結した状態を示す。 第２の実施の形態に係るボルトのヘッド近傍の断面図である。 （ａ）は、第３の形態に係るボルトの上面図であり、（ｂ）は、第３の実施の形態に係るボルトのヘッド近傍の断面図である。 第４の実施の形態に係るボルトのヘッド近傍の断面図である。 （ａ）は、第５の実施の形態のナットおよびボルトにより、被締結対象物を締結した状態を示し、（ｂ）は、第５の形態に係るナットの上面図である。 本実施の形態に係るボルトの変形例を示す図である。 本実施の形態に係るボルトの他の変形例を示す図である。 本実施の形態に係るボルトの他の変形例を示す図である。 本実施の形態に係るボルトの他の変形例を示す図である。 本実施の形態に係るナットの変形例を示す図である。 （ａ）は、本実施の形態に係るボルトの他の変形例におけるボルトの上面図であり、（ｂ）は、他の変形例におけるボルトのヘッド近傍の断面図である。 歪検出部の構成を示すブロック図である。 受電回路の構成を示す回路図である。 信号処理回路の構成を示す回路図である。 データスイッチング回路の構成を示す回路図である。 測定器の構成を示すブロック図である。 信号処理回路の変形例の構成を示す回路図である。

本発明の実施の形態に係るボルトについて図面を参照しながら説明する。図１（ａ）は、第１の形態におけるボルト１の上面図であり、図１（ｂ）は、第１の実施の形態に係るボルト１の正面図である。なお、図１（ａ）では、歪検出部７の図示を省略している。図２は、第１の実施の形態に係るボルトのヘッド近傍の断面図を示している。

図１に示すように、ボルト１は、鋼材からなり、円柱状のシャンク２と、シャンク２の一端に設けられたヘッド３と、歪検出部７とを備える。シャンク２の他端側には、雄ねじ部４が形成されている。ヘッド３は、外周が６角柱状である凹状部５と、フランジ６とを備える。図２に示すように、ヘッド３は、被締結対象物に当接する当接面３Ａを有する。凹状部５には凹部５ａが形成され、凹状部５は凹部５ａの底面５Ｂを構成する底板５Ｃを有する。なお、底板５Ｃは、薄肉部および歪部に相当する。なお、凹状部５の形状は、６角に限らず、１２角であっても良いし、ヘクサローブであっても良い。

フランジ６は、凹状部５の外周に設けられ、凹状部５の外周からシャンク２の径方向に放射状に延びている。フランジ６は、シャンク２の軸方向において当接面３Ａの反対側に位置する反対面６Ａを有する。また、底板５Ｃの厚さＴ１およびフランジ６の最大厚さＴ２は、ヘッド３の最大厚さＴ３より小さく構成されている。なお、フランジ６は、薄肉部および歪部に相当する。

また、凹部５ａ内には、歪検出部７が配置されている。歪検出部７は、抵抗歪ゲージ７Ａと、出力回路７Ｂと、信号線７Ｃとを有する。抵抗歪ゲージ７Ａは、ベース材上に接着された金属箔により構成される箔ゲージであり、底面５Ｂに接着剤により貼りつけられ、底板５Ｃの歪を検出する。また、抵抗歪ゲージ７Ａ、出力回路７Ｂ、および信号線７Ｃは、樹脂７Ｄにより一体的に構成されて、凹部５ａに接着剤により固定されている。

出力回路７Ｂは、受電コイル７Ｂ１と、送信回路７Ｂ２と、送信アンテナ７Ｂ３と、磁気遮蔽板７Ｂ４とを備える。環状の受電コイル７Ｂ１は、外部からの磁気を受けて電流を発生する。送信回路７Ｂ２は、受電コイル７Ｂ１からの電流を受けて、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値を検出し、抵抗値を示す信号に変換する。送信アンテナ７Ｂ３は、変換された信号を外部に送信する。磁気遮蔽板７Ｂ４は、外部からの磁気を遮断する。

図３は、本実施の形態のボルト１により、被締結対象物を締結した状態を示している。第１被締結対象物１０には、第１挿通孔１０ａが形成されている。第２被締結対象物１１には、第２挿通孔１１ａが形成されている。第２被締結対象物１１の一端側であって、第２挿通孔１１ａを規定する内周面には雌ねじ部１１Ｂが形成されている。

そして、ボルト１のシャンク２を第１、第２挿通孔１０ａ、１１ａに挿通させ、ボルト１の雄ねじ部４と第２被締結対象物１１の雌ねじ部１１Ｂとを螺合させることにより、第１、第２被締結対象物１０、１１がボルト１により締結される。なお、ボルト１の締結時には、凹状部５の外周形状に対応する内周形状を有する締結工具が、凹状部５を覆った状態で、締結工具によりボルト１が回転されることにより、ボルト１の雄ねじ部４と第２被締結対象物１１の雌ねじ部１１Ｂとを螺合させる。

ボルト１が第１、第２被締結対象物１０、１１を締結した状態において、ヘッド３の当接面３Ａは、第１被締結対象物１０を押圧する。この押圧により、ヘッド３は、第１被締結対象物１０から反力を受けるので、シャンク２に軸力が生じる。この軸力により、ヘッド３が第１被締結対象物１０側に引っ張られる。その結果、ヘッド３の最大厚さＴ３より薄い厚さを有する底板５Ｃおよびフランジ６に応力が集中し、これらの箇所が、ヘッド３の他の部分よりも大きく歪む。すなわち、薄肉部にシャンク２の軸力に基づく応力が集中し、薄肉部が、歪部として機能し、ヘッド３の他の部分よりも大きく歪む。

そして、底板５Ｃ（底面５Ｂ）に生じた歪に応じて、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値が変化する。抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値に応じた信号を出力回路７Ｂにより出力することにより、締結初期の抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値を検出する。具体的には、図示せぬ測定器から磁界を受電コイル７Ｂ１に向けて発生して、受電コイル７Ｂ１に電流を発生させ、送信回路７Ｂ２に電流を供給する。電流が供給された送信回路７Ｂ２は、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値を検出し、抵抗値を示す信号に変換する。送信アンテナ７Ｂ３は、変換された信号を外部に送信し、図示せぬ測定器は送信された信号を受信する。このように、歪検出部７は、底板５Ｃ（底面５Ｂ）に生じた歪を抵抗値として検出・出力する。

第１、第２被締結対象物１０、１１をボルト１により締結してから所定期間経過後、ボルト１がきちんと締まっているか否かを検知するために、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値を検出する。

ボルト１が緩んでいれば、シャンク２の軸力が減少するので、底板５Ｃの歪量も変化する。その結果、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値が変化する。一方、ボルト１がきちんと締まっていれば、シャンク２の軸力に変化はほとんどなく、底板５Ｃの歪量もあまり変化しない。よって、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値にほとんど変化はない。

よって、締結初期の抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値と、所定期間経過後に検出した抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値とを比較することにより、ボルト１の締結状態を検知することができる。すなわち、締結初期の抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値と比較して、検出した抵抗値が大きく変化していれば、ボルト１が緩んでいることを検知することができる。一方、締結初期の抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値と比較して、検出した抵抗値が大きく変化していなければ、ボルト１がきちんと締まっていることを検知することができる。

以上のように、本実施の形態に係るボルト１によれば、ヘッド３は、他の部分よりもシャンク２の軸方向における厚みが小さく、シャンク２の軸力によって他の部分よりも大きく歪む底板５Ｃ（歪部）を有し、歪検出部７は、シャンク２の軸力に応じた底板５Ｃの歪を検出する。また、底板５Ｃは、シャンク２の軸方向におけるヘッド３の最大厚さより薄い厚さを有する。すなわち、ヘッド３に対し、シャンク２の軸力の変化に対して感度が高い部分を形成し、当該部分の歪を検知している。よって、歪検出部７は、シャンク２の軸力の変化を精度よく容易に検知することができ、ボルト１の締結状態を的確に把握することができる。

また、ヘッド３は、薄肉部である底板５Ｃを有する凹状部５を備え、歪検出部７は、底板５Ｃの歪を検出する。凹状部５は、ヘッド３に対し容易に形成することができるので、複雑な作業、作業時間の増加、およびコストの増加を抑制しつつ、締結状態を的確に把握可能なボルト１を提供することができる。

次に歪検出部７の詳細について説明する。

図１４は、歪検出部７の構成を示すブロック図である。前述したように、歪検出部７の出力回路７Ｂは、受電コイル７Ｂ１と、送信回路７Ｂ２と、送信アンテナ７Ｂ３とを含む。送信回路７Ｂ２は、受電回路１１０と、信号処理回路１２０とを含む。受電コイル７Ｂ１は、測定器２００からの磁束の変動に応じて交流電力を発生させる。受電回路１１０は、受電コイル７Ｂ１に接続され、受電コイル７Ｂ１から供給される交流電力を直流電力に変換する。信号処理回路１２０は、受電回路１１０と抵抗歪ゲージ７Ａと送信アンテナ７Ｂ３とに接続され、受電回路１１０からの電力により動作し、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗に応じた信号を生成し、生成された信号を、送信アンテナ７Ｂ３を介して測定器２００へ無線送信する。なお、受電部は、受電回路１１０などに相当する。送信部は、送信回路７Ｂ２などに相当する。歪検出素子は、抵抗歪ゲージ７Ａなどに相当する。この場合の電気的特性は、抵抗に相当する。歪検出素子は、圧電素子など、歪に応じて他の電気的特性を変化させる素子であっても良い。

図１５は、受電回路１１０の構成を示す回路図である。受電回路１１０は、ワイヤレス受電回路１１１と、整流平滑回路１１２と、電圧安定化回路１１３とを含む。ワイヤレス受電回路１１１は、受電コイル７Ｂ１に接続された共振コンデンサを含むことにより共振回路を形成し、交流電力を発生させる。整流平滑回路１１２は、例えばダイオード全波整流回路を含み、ワイヤレス受電回路１１１からの交流電力を整流し平滑化することにより、直流電力に変換する。電圧安定化回路１１３は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータを含み、整流平滑回路１１２からの直流電力を所定の電圧に変換する。

図１６は、信号処理回路１２０の構成を示す回路図である。信号処理回路１２０は、データスイッチング回路１２１と、周波数変換回路１２２と、電圧整合回路１２３と、ＦＭ変調回路１２４とを含む。データスイッチング回路１２１は、抵抗歪ゲージ７Ａに接続されると共に、幾つかの抵抗を含み、抵抗歪ゲージ７Ａを含む幾つかの抵抗を切り替える。周波数変換回路１２２は、データスイッチング回路１２１の抵抗に直列に接続されているコンデンサと、タイマＩＣ（例えばＮＥ５５５）とを有し、ＣＲ発振器を形成することにより、データスイッチング回路１２１の抵抗に応じた周波数を有する交流信号を生成する。これにより、抵抗歪ゲージ７Ａなどの抵抗が高くなるほど、周波数変換回路１２２の出力の周波数が高くなる。電圧整合回路１２３は、周波数変換回路１２２から出力される交流信号の電圧を変換する。ＦＭ変調回路１２４は、所定の周波数の搬送波を、電圧整合回路１２３から出力される交流信号で周波数変調することにより測定信号を生成し、送信アンテナ７Ｂ３を介して測定器２００へ送信する。送信アンテナ７Ｂ３は例えば、ＦＭ変調回路１２４内のコイルである。送信回路７Ｂ２の外部に送信アンテナ７Ｂ３が接続されても良い。

図１７は、データスイッチング回路１２１の構成を示す回路図である。データスイッチング回路１２１は、ゲートスイッチングコントロール回路１３１と、スタートビット発生回路１３２と、抵抗歪ゲージ接続端子１３３と、サーミスタ１３４と、ボルトＩＤ発生回路１３５と、ストップビット発生回路１３６と出力端子１３７と複数のゲート１３８とを含む。なお、温度測定部は、サーミスタ１３４などに相当する。また、識別情報記憶部は、ボルトＩＤ発生回路１３５などに相当する。

複数のゲート１３８の一方の端子はそれぞれ、スタートビット発生回路１３２と、抵抗歪ゲージ接続端子１３３と、サーミスタ１３４と、ボルトＩＤ発生回路１３５と、ストップビット発生回路１３６に接続されている。更に複数のゲート１３８の他方の端子のそれぞれは、出力端子１３７に接続されている。出力端子１３７は、周波数変換回路１２２の入力に接続されている。ゲートスイッチングコントロール回路１３１は、所定の周期で複数のゲート１３８の一つを順次選択し、選択されたゲート１３８をＯＮにする。

スタートビット発生回路１３２は、送信情報の開始を示す所定の抵抗を有する。抵抗歪ゲージ接続端子１３３は、抵抗歪ゲージ７Ａに接続される。サーミスタ１３４は、抵抗歪ゲージ７Ａ近傍の温度に応じた抵抗を有する。ボルトＩＤ発生回路１３５は、ボルト１毎に予め定められたボルトＩＤ（識別情報）に対応する抵抗を有する。ボルトＩＤ発生回路１３５は、ボルトＩＤのビット数の抵抗を有していても良い。ボルトＩＤ発生回路１３５は、ディップスイッチなどを有することにより抵抗を変更することができても良い。ストップビット発生回路１３６は、送信情報の終了を示す所定の抵抗を有する。

ゲートスイッチングコントロール回路１３１および複数のゲート１３８の動作により、データスイッチング回路１２１の出力端子１３７の間には、スタートビットを示す抵抗、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗、温度に応じた抵抗、ボルトＩＤを示す抵抗、ストップビットを示す抵抗が順次切り替えられて接続される。これにより、歪検出部７は、データスイッチング回路１２１で切り替えられた複数の抵抗値のそれぞれに応じた周波数を有する信号を測定情報として、定期的に送信する。

次に測定器２００について説明する。この測定器２００は、歪検出部７へワイヤレス給電すると共に歪検出部７から送信された信号に基づいて歪を測定する。

図１８は、測定器２００の構成を示すブロック図である。測定器２００は、電池２１１と、電源制御回路２１２と、インバータ回路２１３と、ワイヤレス給電共振回路２１４と、送電コイル２１５と、受信アンテナ２２０と、ＦＭ復調回路２２１と、波形整形回路２２２と、データ処理回路２２３と、表示回路２２４と、記録回路２２５とを含む。なお、送電部は、電池２１１と電源制御回路２１２とインバータ回路２１３とワイヤレス給電共振回路２１４と送電コイル２１５などに相当する。また、受信部は、ＦＭ復調回路２２１と波形整形回路２２２とデータ処理回路２２３などに相当する。

電池２１１は、電力を供給する。電池２１１の代わりに外部の電源が用いられても良い。電源制御回路２１２は、電池２１１から供給される電力を変換し、測定器２００の各部へ供給する。インバータ回路２１３は、電源制御回路２１２から供給される直流電力を、所定の周波数を有する交流電力に変換する。ワイヤレス給電共振回路２１４は、インバータ回路２１３から供給される交流電力に応じて、送電コイル２１５内に磁束を発生させて変動させる。

受信アンテナ２２０は、歪検出部７から送信された測定信号を受信する。ＦＭ復調回路２２１は、受信された測定信号を復調し、抵抗値を示す信号を生成する。波形整形回路２２２は、ＦＭ復調回路２２１により復調された信号の波形を整形する。データ処理回路２２３は、整形された信号をＡ／Ｄ変換し、変換された信号からデータスイッチング回路１２１で切り替えられた複数の抵抗値を取得する。更にデータ処理回路２２３は、取得したスタートビットにより測定情報の開始を認識し、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値と、サーミスタ１３４の抵抗値と、ボルトＩＤとを認識し、取得したストップビットにより測定情報の終了を認識する。更にデータ処理回路２２３は、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値と、サーミスタ１３４の抵抗値との関係を記憶し、その関係とサーミスタ１３４の抵抗値とに基づいて、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値を補正することにより、歪を算出する。これにより、抵抗歪ゲージ７Ａによる測定結果の温度特性を補正し、歪の測定の精度を向上させることができる。

表示回路２２４は、データ処理回路２２３の出力に基づいて、ボルトＩＤと歪量などを表示する。記録回路２２５は、データ処理回路２２３の出力に基づいて、ボルトＩＤと歪量などを記録する。記録回路２２５は、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリなどである。

ボルト１の締結後、測定者が測定器２００をボルト１に近接させることにより、測定器２００からボルト１の歪検出部７へ電力が供給され、歪検出部７から測定器２００へ測定情報が送信される。測定器２００は、測定情報から得られた歪を記録する。その後、所定時間が経過した後、測定者が測定器２００をボルト１に近接させ、締結時と同様にして、測定された歪を記録する。締結時の歪と所定時間の経過後の歪とを比較することにより歪の変化量を算出し、変化量が所定の閾値を超えた場合、ボルト１が緩んでいると判定することができる。なお、測定器２００は、特定のボルトＩＤについて前回の測定で得られた歪を記録し、前回の測定で得られた歪と今回の測定で得られた歪との差を算出し、差が所定の閾値を超えたか否かを判定しても良い。

このような構成によれば、歪検出部７が抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値とサーミスタ１３４の抵抗値とを示す情報を送信し、測定器２００が、歪を温度により補正することにより、歪検出部７に歪の温度補償の機能を設ける必要がないため、低コストで底板５Ｃの歪を測定することができる。

測定器２００は、測定情報に基づいて軸力を算出し、記録しても良い。この場合、測定器２００は、ボルト１を締め付けた時の軸力である初期締め付け時軸力Ｆｏを測定して記録し、それから所定のメンテナンス時間が経過した後の軸力Ｆｉを測定し、軸力差Ｆｏ−Ｆｉを算出する。測定器２００は、軸力差が所定の正の軸力差閾値を上回った場合、ボルト１が緩んでいると判定する。

また、第１被締結対象物１０および第２被締結対象物１１がボルト１を含む複数のボルトにより締結されている場合、測定器２００は更に、軸力差が所定の負の軸力差閾値を下回ったか否かを判定しても良い。軸力差が負の軸力差閾値を下回った場合、複数のボルトの中のボルト１以外のボルトが緩んで、ボルト１がその負荷を受け持っていると言うことを示している可能性がある。すなわち、ボルト１を用いて周辺の他のボルトが緩んだことを検出することができる。軸力差が負の軸力差閾値を下回った場合、測定者は、ボルト１以外の全てのボルトを再点検する。これによって、複数のボルトの全てに歪検出部７を付ける必要がないため、コストダウンを図ることができる。

次に信号処理回路１２０の変形例について説明する。

図１９は、信号処理回路１２０の変形例の構成を示す回路図である。前述の信号処理回路１２０と同一の部分については同一の番号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。この信号処理回路１２０は、ブリッジ回路１４１と、インスツルメンテーション（計装）アンプ回路１４２と、Ｖ−Ｆコンバータ回路１４３と、ＦＭ変調回路１２４とを含む。

ブリッジ回路１４１は、抵抗歪ゲージ７Ａを含む四つの抵抗を有し、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗の変化に応じた電圧を出力する。ブリッジ回路１４１は、一つの抵抗歪ゲージ７Ａを含んでいても良いし、二つの抵抗歪ゲージ７Ａを含んでいても良いし、四つの抵抗歪ゲージ７Ａを含んでいても良い。インスツルメンテーションアンプ回路１４２は、三つのオペアンプ（演算増幅器）を含み、ブリッジ回路１４１の出力を増幅する。Ｖ−Ｆコンバータ回路１４３は、インスツルメンテーションアンプ回路１４２から出力される電圧を積分し、比較し、スイッチングすることにより、電圧に応じた周波数を有する方形波信号を生成する。これにより、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗が高くなるほど、Ｖ−Ｆコンバータ回路１４３の出力の周波数が高くなる。Ｖ−Ｆコンバータ回路１４３の出力は、ＦＭ変調回路１２４により変調され、送信アンテナ７Ｂ３を介して送信される。

この歪検出部７によれば、ブリッジ回路１４１を用いることにより、微小な歪を測定することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係るボルト２１について説明する。なお、第１の実施の形態と同一の部材については同一の番号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図４は、第２の実施の形態に係るボルトのヘッド近傍の断面図を示している。

図４に示すように、本実施の形態ではフランジ６の反対面６Ａの一部にくぼみ部６ｂが形成されている。抵抗歪ゲージ７Ａは、くぼみ部６ｂに接着剤により貼りつけられている。抵抗歪ゲージ７Ａをくぼみ部６ｂに収めることにより、ボルト１の締結時の障害にならないようにしている。出力回路７Ｂは、底板５Ｃ上に配置されている。

また、凹状部５には、凹部５ａとくぼみ部６ｂとを繋ぐ連結溝５ｄが形成されている。抵抗歪ゲージ７Ａと出力回路７Ｂとは、連結溝５ｄに沿って配設された信号線７Ｃを介して接続されている。なお、第１の実施の形態において説明したように、フランジ６の最大厚さＴ３（図２）は、ヘッド３の最大厚さＴ２（図２）より小さく構成されている。

第１の実施の形態のボルト１と同様に、ボルト２１が第１、第２被締結対象物１０、１１（図３）を締結した状態では、シャンク２に生じる軸力により、ヘッド３の最大厚さＴ３より薄い厚さを有するフランジ６に応力が集中し、フランジ６がヘッド３の他の部分よりも大きく歪む。換言すれば、ヘッド３の最大厚さＴ３より薄い厚さを有するフランジ６と凹状部５の境界付近に応力が集中し、フランジ６と凹状部５の境界付近が他の部分よりも大きく歪む。

そして、フランジ６に生じた歪に応じて、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値が変化する。抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値に応じた電気信号を出力回路７Ｂにより出力することにより、締結初期の抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値を検出する。このようにして、フランジ６に生じた歪は、歪検出部７により抵抗値として検出される。

第１の実施の形態のボルト１と同様に、本実施の形態のボルト２１においても、歪検出部７は、シャンク２の軸力の変化を精度よく容易に検知することができ、ボルト２１の締結状態を的確に把握することができる。フランジ６は、ヘッド３に対し容易に形成することができるので、複雑な作業、作業時間の増加、およびコストの増加を抑制しつつ、締結状態を的確に把握可能なボルト２１を提供することができる。

次に、本発明の第３の実施の形態に係るボルト３１について説明する。なお、第１の実施の形態と同一の部材については同一の番号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図５（ａ）は、第３の形態に係るボルト３１の上面図であり、図５（ｂ）は、第３の実施の形態に係るボルト３１のヘッド３３近傍の断面図を示している。

ヘッド３３は、６角柱状のヘッド本体３５と、フランジ６とを備える。ヘッド本体３５には、６角柱の一側面と、当該一側面の反対側に位置する他側面とを貫くように溝３５ａが形成されている。よって、ヘッド本体３５は、シャンク２の径方向において互いに対向する２つの突起部３５Ｂ、３５Ｃを有する。また、突起部３５Ｂには、溝３５ａと後述の環状溝６ｃとを繋ぐ連結溝３５ｄが形成されている。そして、溝３５ａには、鋼材からなるヘッド本体３５よりもヤング率の小さい樹脂８が埋め込まれている。抵抗歪ゲージ７Ａは、樹脂８の表面に接着剤により貼りつけられている。なお、樹脂８は歪部に相当する。

フランジ６には、その全周にわたって環状溝６ｃが形成されている。そして、環状溝６ｃには、出力回路７Ｂが接着剤により固定されている。出力回路７Ｂは、環状の受電コイル７Ｂ１、送信回路７Ｂ２、環状の送信アンテナ７Ｂ３、および環状の磁気遮蔽板７Ｂ４からなり樹脂７Ｄにより一体的に構成されている。抵抗歪ゲージ７Ａと送信回路７Ｂ２とは、連結溝３５ｄに沿って配設された信号線７Ｃを介して接続されている。

本実施の形態においても、上述の実施の形態のボルト１と同様に、ボルト３１が被締結対象物を締結した状態では、シャンク２の軸力により、ヘッド３３が被締結対象物側に引っ張られる。その結果、溝３５ａの底部およびフランジ６が大きく歪み、突起部３５Ｂ、３５Ｃの自由端が、互いに近づくように変位する。すなわち、突起部３５Ｂ、３５Ｃは、それらの自由端が互いに近づくように傾く。突起部３５Ｂ、３５Ｃの自由端は、溝３５ａの底部およびフランジ６から離れた位置にあるので、溝３５ａの底部およびフランジ６の歪（変位）と比較して大きく変位する。

そして、突起部３５Ｂ、３５Ｃの変位により、溝３５ａに埋め込まれた樹脂８が盛り上がるように変形する。樹脂８は、鋼材からなるヘッド本体３５よりも、ヤング率が小さく両側から押されているので、突起部３５Ｂ、３５Ｃの変位と比較して大きく歪む。すなわち、樹脂８は歪部として機能し、ナット４０の他の部分よりも大きく歪む。抵抗歪ゲージ７Ａは、樹脂８の歪を抵抗値として検出する。第１の実施の形態と同様に、図示せぬ測定器からフランジ６に配置された出力回路７Ｂに向けて磁界を発生させることにより、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値に応じた信号を出力回路７Ｂから出力させて、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値を検出する。

第１の実施の形態のボルト１と同様に、本実施の形態のボルト３１においても、歪検出部７は、シャンク２の軸力の変化を精度よく容易に検知することができ、ボルト３１の締結状態を的確に把握することができる。また、フランジ６および底板５Ｃの歪量と比較して、樹脂８の歪量を大きくすることができるので、上記の実施の形態と比較して、シャンク２の軸力の変化をより精度よく検知することができる。

次に、本発明の第４の実施の形態に係るボルト４１について説明する。なお、第１の実施の形態と同一の部材については同一の番号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図６は、第４の実施の形態に係るボルト４１のヘッド３近傍の断面図を示している。

ヘッド３は、凹状部５よりもヤング率が小さい板バネ４２を備えている。板バネ４２の両端部は、それぞれ凹状部５の自由端に配置されている。また、抵抗歪ゲージ７Ａは、板バネ４２の中央部に接着剤により張り付けられている。板バネ４２は歪部に相当する。そして、板バネ４２および歪検出７は、樹脂７Ｄにより一体に構成されて、凹部５ａに接着剤により固定されている。

本実施の形態においても、上述の実施の形態のボルト１と同様に、ボルト４１が被締結対象物を締結した状態では、シャンク２の軸力により、ヘッド３が被締結対象物側に引っ張られる。その結果、底板５Ｃおよびフランジ６が大きく歪み、凹状部５の自由端が、シャンク２の中心軸に向かって変位する（歪む）。この凹状部５の自由端の変位（歪み）により、板バネ４２の両端が互いに近づくように押されて、板バネ４２は歪む。すなわち、板バネ４２は、鋼材からなるヘッド３よりもヤング率が小さく、板バネ４２の両端が互いに近づくように変形するので、凹状部５の歪みと比較して大きく歪む。このように、板バネ４２は、凹状部５の歪に応じて歪むように、凹状部５に設けられている。

そして、板バネ４２の中心部の歪が抵抗歪ゲージ７Ａにより検出される。第１の実施の形態と同様に、図示せぬ測定器からフランジ６に配置された出力回路７Ｂに向けて磁界を発生させることにより、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値に応じた信号を出力回路７Ｂから出力させて、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値を検出する。

第１の実施の形態のボルト１と同様に、本実施の形態のボルト４１においても、歪検出部７は、シャンク２の軸力の変化を精度よく容易に検知することができ、ボルト４１の締結状態を的確に把握することができる。

次に、本発明の第５の実施の形態に係るナット５０について説明する。なお、第１の実施の形態と同一の部材については同一の番号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図７（ａ）は、第５の実施の形態のナット５０およびボルト６１により、被締結対象物を締結した状態を示し、図７（ｂ）は、第５の形態におけるナット５０の上面図である。

ナット５０は、鋼材からなり、ナット本体５１と、歪検出部７とを備える。ナット本体５１は、６角状の円筒部５２と、フランジ５３とを備える。また、ナット本体５１は、被締結対象物に当接する当接面５１Ａを有する。円筒部５２には、第３挿通孔４２ａが形成されている。第３挿通孔５２ａを規定する円筒部５２の内周面には、雌ねじ部５２Ｂが形成されている。

フランジ５３は、円筒部５２の外周に設けられ、円筒部５２の外周から径方向に放射状に延びている。フランジ５３には、その全周にわたって環状溝５３ａが形成されている。また、フランジ５３の抵抗歪ゲージ７Ａが貼りつけられた部分の厚さＴ４は、ナット本体５１の最大厚さＴ５より小さく構成されている。なお、フランジ５３は歪部に相当する。

歪検出部７は、環状溝５３ａ内に配置されている。抵抗歪ゲージ７Ａは、環状溝５３ａの底面に接着剤により貼りつけられ、フランジ５３の歪を検出する。また、抵抗歪ゲージ７Ａ、出力回路７Ｂ、および信号線７Ｃは、樹脂７Ｄにより一体的に構成されて、環状溝５３ａに接着剤により固定されている。なお、受電コイル７Ｂ１、送信アンテナ７Ｂ３、および磁気遮蔽板７Ｂ４は、環状をなして環状溝５３ａ内に配置されている。また、抵抗歪ゲージ７Ａと送信回路７Ｂ２とは、信号線７Ｃにより接続されている。

また、本実施の形態に係るボルト６１は、歪検出部を有しない点を除いて、第１の実施の形態に係るボルト１と同様の構成である。

そして、本実施の形態では、ボルト６１のシャンク２を第１、第２挿通孔１０ａ、１１ａに挿通させ、ボルト６１の雄ねじ部４とナット５０の雌ねじ部５２Ｂとを螺合させることにより、第１、第２被締結対象物１０、１１がボルト６１およびナット５０により締結される。

ボルト６１およびナット５０が、第１、第２被締結対象物１０、１１を締結した状態において、ヘッド３の当接面３Ａは、第１被締結対象物１０を押圧し、ナット本体５１の当接面５１Ａは第２被締結対象物１１を押圧する。これらの押圧により、ヘッド３は第１被締結対象物１０から反力を受け、ナット本体５１は、第２被締結対象物１１から反力を受けるので、シャンク２に軸力が生じる。この軸力により、ナット本体５１が第２被締結対象物１１側に引っ張られる。その結果、ナット本体５１の最大厚さＴ５より薄い厚さを有するフランジ５３に応力が集中し、フランジ５３が、ナット本体５１の他の部分よりも大きく歪む。すなわち、歪部であるフランジ５３にシャンク２の軸力に基づく応力が集中し、ナット本体５１の他の部分よりも大きく歪む。

そして、フランジ５３に生じた歪に応じて、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値が変化する。抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値に応じた電気信号を出力回路７Ｂにより出力することにより、締結初期の抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値を検出する。このように、フランジ５３に生じた歪は、歪検出部７により抵抗値として検出される。

また、本実施の形態においても、第１、第２被締結対象物１０、１１をボルト６１およびナット５０により締結してから所定期間経過後に、抵抗歪ゲージ７Ａの抵抗値を検出することにより、ボルト６１およびナット５０がきちんと締まっているか否かを検知することができる。そして、本実施の形態のナット４０においても、歪検出部７は、シャンク２の軸力の変化を精度よく検知することができ、ボルト６１およびナット５０の締結状態を的確に把握することができる。また、フランジ５３は、ナット本体５１に対し容易に形成することができるので、複雑な作業、作業時間の増加、およびコストの増加を抑制しつつ、締結状態を的確に把握可能なナット５０を提供することができる。

また、上述した本発明の各実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。

例えば、図８に示すボルト７１のように、フランジ６に環状溝６ｃを形成し、環状溝６ｃ内に、抵抗歪ゲージ７Ａ、出力回路７Ｂ、および図示せぬ信号線からなる歪検出部７を配置してもよい。この場合、抵抗歪ゲージ７Ａ、出力回路７Ｂ、および信号線は、樹脂７Ｄにより一体的に構成されて、環状溝６ｃに接着剤により固定されている。また、フランジ６に環状溝６ｃを形成せずに、フランジ６に抵抗歪ゲージ７Ａを貼りつけ、その上に樹脂によりユニット化された環状の出力回路７Ｂを配置して、歪検出部７を構成するようにしても良い。

また、第２の実施の形態では、信号線７Ｃは、凹状部５の連結溝５ｄに沿って配設されていたが、図９に示すように、凹状部５に貫通孔５ｅを形成し、貫通孔５ｅに信号線７Ｃを配設しても良い。また、図１０に示すボルト８１のように、フランジ６の外縁の一部に延長部６Ｄを設け、延長部６Ｄに出力回路７Ｂを配置しても良い。また、図１１に示すように、第４の実施の形態のボルト４１において、６角柱状の凹状部５の一の側壁と、当該一の側壁の反対側に位置する他の側壁とにそれぞれスリット５ｆを形成しても良い。かかる構成により、凹状部５の自由端の変位をより大きくすることができ、板バネ４２の歪みをより大きくすることができる。その結果、抵抗歪ゲージ７Ａの軸力の変化に対する感度を、より大きくすることができ、ボルト１の締結状態をより的確に把握することができる。なお、図１１においては、板バネ４２のみを示し、歪検出部７の図示を省略している。

また、図１２に示すように、ナット５０の円筒部５２に、６角柱の一側面と、当該一側面の反対側に位置する他側面とを貫くようにスリット５２ｃを形成し、スリット５２ｃに、鋼材からなる円筒部５２よりもヤング率の小さい樹脂９が埋め込んでも良い。そして、樹脂９に抵抗歪ゲージ７Ａを貼りつけて、第３の実施の形態のボルト３１と同様に、樹脂９の歪を検出し、シャンク２の軸力を検知しても良い。また、第１の実施の形態において、ボルト１の雄ねじ部４と第２被締結対象物１１の雌ねじ部１１Ｂとを螺合させることにより、第１、第２被締結対象物１０、１１をボルト１により締結した。しかし、第２被締結対象物１１に雌ねじ部１１Ｂを設けずに、第２被締結対象物１１の第１被締結対象物１０に接する側の反対側にナットを設けて、ナットとボルト１を螺合させることにより、第１、第２被締結対象物１０、１１をボルト１およびナットにより締結しても良い。

また、第１の実施の形態では、凹状部５の外周部の形状が６角形状であったが、図１３（ａ）に示すように、ボルト９１のヘッド９３の凹状部９５の外周を円形状にし、凹状部９５の内周（凹部９５ａ）の形状を６角状にしても良い。この場合、図１３（ｂ）に示すように、フランジ６上に歪検出部７を配置する。例えば、フランジ６の反対面６Ａに抵抗歪ゲージ７Ａを接着剤により貼りつけ、フランジ６の歪を検出する。この時、抵抗歪ゲージ７Ａは、凹状部９５とフランジ９６との境界付近に貼りつけることが好ましく、凹状部９５とフランジ６とに跨って貼りつけられても良い。また、抵抗歪ゲージ７Ａ、出力回路７Ｂ、および図示せぬ信号線は、樹脂７Ｄにより一体的に構成されて、フランジ６の反対面６Ａに接着剤により固定されている。そして、凹状部９５の凹部９５ａの内周形状に対応する外周形状を有する締結工具を、凹部９５ａ内に挿入した状態で、締結工具によりボルト９１を回転することにより、被締結対象物がボルト９１により締結される。なお、凹部９１ａの内周形状は、６角に限らず、１２角であっても良いし、ヘクサローブであっても良い。

また、フランジ６を、凹状部５とは別体とし、凹状部５よりもヤング率が小さい材料により構成しても良い。また、歪検出部７は、箔ゲージであったが、半導体ゲージであっても良いし、印刷により抵抗歪ゲージを底板５Ｃ、フランジ６に形成しても良い。

また、上記の実施の形態では、歪検出部７は、歪を抵抗歪ゲージ７Ａにより検出していた。しかし、これに限らず、応力解析塗料を底板５Ｃ、フランジ６、５３に塗布して、表面に生じる亀裂により歪を検出し、シャンク２の軸力を検知しても良い。また、光弾性体からなるフィルムを、底板５Ｃ、フランジ６、５３に貼りつけて、直線偏光をあてて縞模様を観察することにより歪を検出し、シャンク２の軸力を検知しても良い。また、光弾性体を、印刷により、底板５Ｃ、フランジ６、５３に形成しても良い。さらに、磁気歪応力測定法により、シャンク２の軸力を検知しても良い。すなわち、底板５Ｃ、フランジ６、５３の透磁率と、ヘッド３において歪を生じにくい部分の透磁率とを比較することにより、シャンク２の軸力を検知しても良い。また、出力回路７Ｂは、受電コイル７Ｂ１を介して電流を供給し、送信アンテナ７Ｂ３により歪を出力するように構成していたが、これに限らず、歪を出力可能であれば、他の構成であっても良い。

１、２１、３１、４１、７１、８１ ボルト
２ シャンク
３、３３ ヘッド
５Ｃ 底板
５ 凹状部
６、５３ フランジ
７ 歪検出部
８、９ 樹脂
４２ 板バネ
５０ ナット
５１ ナット本体
２００ 測定器

Claims (6)

1. シャンクと、
   前記シャンクの一端に設けられたヘッドであって、前記ヘッドの他の部分よりも、前記シャンクの軸方向における厚みが小さい若しくはヤング率が小さい部分であって、前記シャンクの軸力によって前記他の部分よりも大きく歪む歪部を有する前記ヘッドと、
   前記シャンクの軸力に応じた前記歪部の歪を検出する検出部と、を備え、
   前記歪部は、前記シャンクの軸方向における前記ヘッドの最大厚みより薄い厚みを有する薄肉部を備え、
   前記ヘッドは、前記薄肉部である底板を有する凹状部を備え、前記底板は、前記シャンクの軸上に位置し、
   前記凹状部には、底面を有する凹部が形成され、前記凹部は、前記底面側から開口側に向かって径が拡大するように構成され、
   前記検出部は、前記シャンクの軸上に位置し、一方の面の全面が前記底板に貼り付けられ、前記底板の歪を検出するボルト。
2. 前記検出部は、
   測定器から与えられる磁束に応じて電力を発生させる受電部と、
   前記歪に応じて電気的特性を変化させる歪検出素子と、
   前記受電部から供給される電力により動作し、前記電気的特性に応じた信号を生成し、前記信号を前記測定器へ無線送信する送信部と、を備える請求項１に記載のボルト。
3. 前記歪検出素子は、抵抗歪ゲージであり、
   前記信号は、前記抵抗歪ゲージの抵抗に応じた周波数を有する請求項２に記載のボルト。
4. 前記検出部は、温度を測定する温度測定部を更に備え、
   前記送信部は、前記抵抗歪ゲージと前記温度測定部とを切り替えることにより、前記抵抗歪ゲージの抵抗と前記温度とを示す前記信号を生成する請求項３に記載のボルト。
5. 前記検出部は、前記ボルトの識別情報を記憶する識別情報記憶部を更に備え、
   前記送信部は、前記抵抗歪ゲージと前記温度測定部と前記識別情報記憶部とを切り替えることにより、前記抵抗歪ゲージの抵抗と前記温度と前記識別情報とを示す前記信号を生成する請求項４に記載のボルト。
6. 請求項１に記載のボルトと、
   磁束を発生させると共に無線信号を受信する測定器と、を備え、
   前記検出部は、
   前記磁束に応じて電力を発生させる受電部と、
   前記歪に応じて電気的特性を変化させる歪検出素子と、
   前記電力により動作し、前記電気的特性に応じた信号を生成し、前記信号を前記測定器へ無線送信する送信部と、を備え、
   前記測定器は、
   前記磁束を変動させることにより前記受電部へ送電する送電部と、
   前記送信部から前記信号を無線受信する受信部と、を備える歪測定システム。
   

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