特許ウォッチ

公開番号2024097730
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-19
出願番号2023009050
出願日2023-01-06
発明の名称多元作用力検出機能性締結金具
出願人個人
代理人
主分類G01L 5/00 20060101AFI20240711BHJP(測定;試験)
要約【課題】多様な機械構造の各部位に作用する力や負荷を検出することを可能とする作用力検出機能性締結金具とその使用方法を提供する。
【解決手段】多元作用力検出機能性締結金具の場合、機能性締結金具の頭部下面が機能性締結金具軸部に連接する部位に、機能性締結金具軸部の外周に沿って所要の幅と深さを有する環状の溝19が削り込まれており、該機能性締結金具軸部2のねじ込みに伴って被締結材外面から該機能性締結金具頭部1へ作用する反力が、該機能性締結金具頭部下面7の外周部位に優先的に作用する。機能性締結金具頭部の上表面に設けられた該歪検出面が、ねじ込み使用時に、被締結材から受ける反力により、反り返る方向に変形し、変形の検出および解析に必要十分な量の表面歪が発生する。かかる造形が、検出機能を高め、有効な使用を可能にする。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
複数体の部材又は部品を相互に締結するための締結金具であって、該締結金具は、締結時に、所要の工具を用いて該締結金具を把持してねじ込みトルクを加えるために使用される該締結金具頭部と、被締結体の所要の位置に作り込まれたネジ孔に差し込み、ねじ込んで締結力を発生させるためのネジ山造形を一部部位に施した該締結金具軸部、とから構成されており、該締結金具頭部と該締結金具軸部は所要の形状と寸法を有しており、且つ、該締結金具軸部の中心軸が該締結金具頭部下面に対し垂直又は所要の角度を維持するように該締結金具軸部が該締結金具頭部下面に結合し一体化しており、加えて、該締結金具頭部の上面又は側面の所要の部位の表面に、所要の形状および寸法および平滑度を有する歪検出用平面部位又は歪検出用曲面部位が作り込まれてあり、該歪検出用平面部位又は該歪検出用曲面部位の表面に、所要の数の電気抵抗変化型歪検出素子、すなわち、所定の金属合金線の配線構造を内蔵し、その電気抵抗が、該歪検出素子に加わる変形又は歪と共に変化する機能を有する該電気抵抗変化型歪検出素子を、該締結金具の中心軸に対して所要の位置及び方向および姿勢を維持すべく所要の接着剤を用いて貼り付けてあり、該締結金具軸部を一方の当該被締結部材又は部品に設けた貫通孔に差し込んで該ネジ山造形部位を貫通させ、更に、該締結金具軸部の該ネジ山造形部位を他方の当該被締結部材又は部品に設けた所要のネジ孔に差し込み、該締結金具頭部に回転トルクを加えてねじ込みつつ該被締結部材又は部品を締め付けて相互に締結せしめる機能を有しており、かかる締結使用状態において、該歪検出素子が内蔵する該合金線配線構造を所要の外部電気回路に結線して電流を流し、該内蔵合金線配線構造に流れる電流を計測し、検出した該電流の電流値およびその変化量より、該歪検出素子の内蔵合金線配線構造部位に発生している歪の値とその変化量を検出し、該歪の発生挙動と変化挙動から、該歪検出素子を添付した該締結金具頭部の上面及び側面に設けた該歪検出用平面又曲面に発生している歪とその変化挙動を知り、更に、該歪検出用平面又は曲面より検出した歪の値及びその変化より、該締結金具に対して各方向から作用する該締結力およびその変化を知ることが可能であること、を特徴とする多元作用力検出機能性締結金具。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
請求項１に述べた該多元作用力検出機能性締結金具において、該機能性締結金具頭部の上表面部位および側表面部位に設けられた該歪検出面に貼付する該電気抵抗変化型歪検出素子に代えて、所要の特性を具備する磁性体又はアモルファス材の薄膜、又は、粉末溶解噴射吹付け法により所要の磁性体又はアモルファス材粉末を溶解して該締結金具頭部歪検出面上に吹付け積層凝固させて形成した薄膜を配設し、配設した該薄膜に対し、外部から所要の磁場を印加し、該締結金具頭部歪検出面の変形に伴って発生する該アモルファス薄膜又は該磁性体薄膜の変形によって誘起される該印加磁場の歪みを検出し、該磁場の歪みの計測値より、該締結金具頭部歪検出面の変形又は歪を知ることを可能としたことを特徴とする該多元作用力検出機能性締結金具。
【請求項３】
請求項１に述べた該多元作用力検出機能性締結金具において、組付け前の該機能性締結金具頭部上表面部位および側面部位に設けられた該歪検出面に、所要の寸法と精度を有する基準格子を焼き付け印画法又は直接描画法により描いておき、該機能性締結金具取付け後の締結力作用状態下で発生する該基準格子の歪みを測定し、該歪みの状態から該機能性締結金具頭部歪検出面の歪を知ることを可能としたことを特徴とする該多元作用力検出機能性締結金具。
【請求項４】
請求項１，２，３，に述べた該多元作用力検出機能性締結金具において、該機能性締結金具軸部に作用する該締結力およびその変化が、該機能性締結金具頭部表面部位に設けられた該歪検出面の変形あるいは歪となって表出し易くするため、該機能性締結金具頭部下面と該機能性締結金具軸部表面が連接接続する部位の該機能性締結金具軸部表面の外周に沿って、該機能性締結金具頭部下面を所要の幅と深さを以て削り込み、該機能性締結金具頭部下面に、該機能性締結金具軸部を取り巻く所要の形状と幅および深さを有する環状の溝を作り込み、該機能性締結金具軸部に作用する締結力の大小および変化が、該機能性締結金具頭部表面の歪検出面および該機能性締結金具頭部表層部・内層部の変形又は歪として表出し易くしたことを特徴とする該多元作用力検出機能性締結金具。
【請求項５】
請求項１，２，３，４に述べた該多元作用力検出機能性締結金具において、配設されてある該歪検出素子が検出した歪に関わるデータや情報が、該機能性締結金具に取り付けられた無線受発信電子回路素子を通して、外部の無線受発信電子回路機器に送信されることを特徴とする該多元作用力検出機能性締結金具。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械構造物や建築構造物を構築する際に、複数体の部材又は部品の締結に用いられる機能性の高い締結金具に関するものである。すなわち、本発明は、締結金具に対し、単に被締結体に締結力を加える機能を付与するばかりでなく、当該被締結体に作用する締結力の大きさやその経時変化を、当該締結金具の微細変形挙動を通して検出できる機能を付与し、かかる機能性締結金具の導入により、機械構造物や建築構造物など、多様な締結構造体の安全の確保、運用・維持の確実性の向上と管理の合理化を実現することを目指している。以下、本発明が考案した“多元作用力検出機能性締結金具”を説明する。
本発明が考案した該多元作用力検出機能性締結金具は、力学的使用条件や周囲の環境の変化あるいは時間経過に伴って起こり得る当該締結構造や当該締結体の変化又は劣化、すなわち、締結力の低下や変動等を、該機能性締結金具自体が、自らの変形や歪とその経時的変化として検出し、それら検出結果の解析を通して、当該締結構造を常態的に監視し把握することを可能とする。
続きを表示（約 2,400 文字）【０００２】
本発明に依る該多元作用力検出機能性締結金具の形態は簡素である。すなわち、該機能性締結金具は、締結作業に際して、作業用工具により把持してねじ込むために利用する該機能性締結金具頭部と、被締結部材又は部品に設けられた所要のネジ孔へねじ込んで締結力を発生させるために用いるネジ山造形加工部位を有する該機能性締結金具軸部から成る（図１参照）。
複数体の物体又は部品の締結に際しては、一方の被締結体に設けられた所要の貫通孔を通して該機能性締結金具軸部を貫通し、他方の被締結体に設けられた所要のネジ孔に該機能性締結金具軸部ネジ山造形部位を差し込み、該機能性締結金具頭部に回転トルクを加えることにより、該機能性締結金具軸部ネジ山部位を該被締結体ネジ孔にねじ込み、締め込み力を発生させ締結する。
【０００３】
該多元作用力検出機能性締結金具の該軸部ネジ山造形部位の該被締結体へのねじ込みは、工具を用いて該機能性締結金具頭部に回転トルクを加えることによって行われるが、該工具から該機能性締結金具頭部への回転トルクの伝達を効率的に行うために、該機能性締結金具頭部の軸心に垂直な横断面は、六角形、矩形、又は必要に応じて多角形、楕円形などに作られる。
【０００４】
一般に、構造体の締結作業に際しては、使用される締結金具により締め込み力が加えられることにより、被締結体には、圧縮の内部応力が発生し残留するが、対応して、使用された締結金具には引張りの内部応力が発生し、いわゆる締結残留応力として残存する。被締結体が静止状態にある場合には、締結金具の内部に発生している残留応力が大きい程、締結力が大であるが、その大きさは時間経過とともに変化する可能性があり、しかも、その変化は締結力が弱まる方向へ起こるのが普通であり、監視が必須である。他方、被締結体に変動する外力が作用する場合には、当然、使用締結金具内に発生し残存する張力も変動する。かかる場合には、発生する内部応力の最大値と変動作用回数を監視し管理する必要がある。本発明に依る該多元作用力検出機能性締結金具はそれらの要求に応え得る機能を有している。
【０００５】
多くの場合、締結金具と被締結体に発生する内部残留応力とその常態的大きさ、および、それらの経時的変化を監視することは、該締結部を包含する当該機械構造や当該機械システムを運用し管理する上で極めて重要である。仮に、該被締結体や該締結金具に内在又は残留する応力あるいは負荷の挙動の常時的監視や管理が可能になれば、そのような監視システムや管理技術は、多様な分野・局面で、機構・構造・システムの安全且つ効率的な運用の確保に大きな役割を果たすこととなり、その結果もたらされる社会的・産業的・工業的効果は甚大である。
【０００６】
本発明は、あらゆる社会・産業・工業を支える技術基盤中の根本技術である部材・部品の締結技術に関わるものであり、その高度化の中核的役割を果たし得る該多元作用力検出機能性締結金具を考案したものである。該機能性締結金具の開発導入により、多種多様な締結構造の安全性の確保や、安定的運用・運転のための常態的監視・管理が可能となり、それら締結体や締結構造が支える広範な社会システムや産業構造の安定性・安全性に大きく寄与することができる。
【背景技術】
【０００７】
複雑な社会機構や産業システムを構築し機能させていく上で、広範な科学的・技術的成果の実機化・実システム化・実装化が不可欠であるが、それに伴って、多種多様な部材・部品の締結技術が不可避的に必要となる。すなわち、多様な形態と機能を持つ部材・部品の組合せと締結、および、それらの強度・耐久性の確保、更には、構築した締結構造の安定的な維持・管理が必須の課題となる。
【０００８】
機械構造や機械設備あるいは各種構築物の強度・安定性を高める上で、その内部各所・各部位に作用する力あるいは加わる負荷に関する情報やデータを得ることは、死活的に重要である。多くの場合、様々な力や負荷が多様な形態や挙動を以て機械構造物や各種構築物の各所・各部位に作用し、それら構造物・構築物の機能や特性に影響を与え、作動の安定性を支配し、さらには、耐久性や寿命をも大きく左右する。
【０００９】
しかしながら、通常みられる機械構造や機械設備の内部各所・各部位に作用している力や負荷、および、それらが誘起する変位・変形・歪あるいは振動・破損などの実態を把握することは容易ではない。多くの場合、従来技術の下では、各所・各部位に作用する力や変位・歪を検出する端子や触子あるいはプローブを設置することが非常に困難である。例えば、機械構造物の中で高速で運動を繰り返す部位、プレス加工を行う際に金型の中で被加工材各部位に作用する力や発生する歪等を知ることは、当該機械構造や加工機械の望ましい機能設計や構造構築を行う上で、あるいは、効率的な製造や加工のための適切な運用・操業条件を実現する上で、極めて重要な意味を持つが、現実に必要な情報やデータを検出することは容易ではない。
【００１０】
多くの機械構造や機械設備の設計・製作・運用の場において、かかる課題と状況に直面するが、そのような問題・課題を打開する方法として、大きな可能性を有する考え方が、ハイブリッド計測法の開発と導入である。これは、目的とする部位に作用する力や負荷、あるいは、変位や歪を直接的に計測することが困難である場合に、唯単にそれらの直接計測を目指すのではなく、当該部位の作動挙動や変形挙動に連動する周辺部位であって、且つ、計測可能な部位を探索し、又は、作り出し、その計測可能部位に発生する力や変形・歪の測定結果から、目的部位に作用する力や変形を理論的に推定しようとする手法である。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許