JP2002236064A

JP2002236064A - 歪みセンサ付きボルト及び歪みセンサ

Info

Publication number: JP2002236064A
Application number: JP2001030474A
Authority: JP
Inventors: Takuya Endo; 拓也遠藤; Masatomo Mori; 雅友森
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2002-08-23

Abstract

(57)【要約】【課題】応力集中点からの距離を短くして応力変化を
感度良くとらえることができ、また、ボルト切削加工次
第で任意の深さに歪みゲージを埋め込むことができ、そ
して、歪みゲージ封止材料を任意に選択でき、更に、フ
ォトファブリケーションにより製造が容易で、低コス
ト、高精度とすることが可能な歪みセンサ付きボルト及
び歪みセンサを提供する。【解決手段】歪みセンサ２を装着してボルト締付け緩
みを検出することができるボルト１であって、ボルト頭
部１２に形成した凹部１３にボルト軸方向の応力を受け
て延び又は縮むゲージ抵抗部２１を有する歪みゲージ２
を設ける。歪みゲージ２は、凹部１３に形成した空隙１
４の上に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、歪みセンサ付きボ
ルト及び歪みセンサであり、特にボルトの締付け緩みを
検出することができる歪みセンサを装着したボルトに関
する。

【０００２】

【従来の技術】高層ビル、列車等の構造物は、大型ボル
トを使用しており、締付けたボルトが緩むと悪影響が発
生する。また、原子力部品、宇宙部品等の高精度部品に
おいては、受ける応力の検知が要求されている。このた
め、従来、被測定物の表面に歪みゲージを装着していた
が、応力集中点からの距離が長くなり、応力変化を感度
良くとらえることが難しかった。また、歪みゲージ装着
の際に接着剤を使用すると、高温や低温時での耐久性に
問題が有った。更に、埋め込み型歪みゲージでは、表面
処理等にコストや工数がかかっていた。

【０００３】歪みゲージをボルトの頭側面に貼着した
り、頭部に穿設した孔に嵌入することが提案されている
（特開平９−２６９２６８号公報、特開平１１−１１８
６３７号公報）が、検出対象はボルト頭部側面の変形や
締付け軸力による変形による歪みであって、応力集中点
からの距離が長くなり、また、軸方向の応力による歪み
ではないため、ネジの締付け緩みを正確には検知するこ
とができなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
問題を解決するものであり、応力集中点からの距離を短
くして応力変化を感度良くとらえることができ、また、
ボルト切削加工次第で任意の深さに歪みゲージを埋め込
むことができ、そして、歪みゲージ封止材料を任意に選
択でき、更に、フォトファブリケーションにより製造が
容易で、低コスト、高精度とすることが可能な歪みセン
サ付きボルト及び歪みセンサを提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、歪みセンサを
装着してボルト締付け緩みを検出することができるボル
トであって、ボルト頭部に形成した凹部にボルト軸方向
の応力を受けて延び又は縮むゲージ抵抗部を有する歪み
ゲージを設ける歪みセンサ付きボルトである。

【０００６】また、本発明は、上記歪みゲージは、凹部
に形成した空隙の上に設ける歪みセンサ付きボルトであ
る。

【０００７】そして、本発明は、上記凹部は、封止材料
によって封止されている歪みセンサ付きボルトである。

【０００８】更に、本発明は、ボルトに装着してボルト
締付け緩みを検出する歪みセンサであって、ボルト軸方
向の応力を受けて延び又は縮むゲージ抵抗部を有し、か
つ、ボルト頭部に形成した凹部に取付ける歪みゲージを
備える歪みセンサである。

【０００９】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を説明する。本
発明の歪みセンサ付きボルト及び歪みセンサの発明の概
要、応力検出原理及び実施例について、図１〜図７を用
いて説明する。図１は、本発明の歪みセンサ付きボルト
（適正締付け状態）の概要説明図であり、（ｂ）は、ゲ
ージ抵抗部拡大図である。図２は、本発明の歪みセンサ
付きボルト（締付けの緩んだ状態）の概要説明図であ
り、（ｂ）は、ゲージ抵抗部拡大図である。図３は、本
発明の歪みセンサ付きボルトにおける応力検出原理の説
明図である。図４は、本発明の歪みセンサ付きボルトの
応力検出に使用するブリッジ回路の説明図である。図５
は、実施例の歪みセンサ付きボルトの説明図である。図
６は、実施例の歪みセンサ付きボルトの構造の説明図で
ある。図７は、実施例の歪みセンサ付きボルトの歪みゲ
ージの製造工程の説明図である。

【００１０】まず、発明の概要を説明する。本発明の歪
みセンサ付きボルト１は、図１（ａ）に示すように、ボ
ルト本体部１１とボルト頭部１２とから構成されてい
て、ボルト本体部１１は、側面周囲にネジが切られてお
り、一方、ボルト頭部１２は、凹部１３を有しており、
そして、凹部１３に形成した空隙１４の上に歪みセンサ
２が装着されている。そして、ボルト１が取付部材４に
締付けて固定されている状態であるときは、図１（ｂ）
に示すように、軸方向上側からの応力Ｐ１が大きくな
り、歪みゲージの変形量が大となってゲージ抵抗部２１
が縮むこととなる。一方、ボルト１の締付けが緩んだ状
態のときは、図２（ａ）（ｂ）に示すように、固定され
た状態に比べ、軸方向上側からの応力Ｐ２が小さくな
り、歪みゲージの変形量が少なくなって、ゲージ抵抗部
２１が延びることとなる。そして、ゲージ抵抗部２１の
抵抗値は延び縮み量に応じて変わるため、ゲージ抵抗部
２１に入力電圧を印加すると、出力電圧が変化する。し
たがって、オフセット状態（ボルト固定時）における出
力電圧と比較することにより、軸方向の応力Ｐが変化し
たことが分かり、ボルト１の締付け緩みを検出すること
が可能となる。

【００１１】本発明の歪みゲージ付きボルトにおける応
力検出原理を説明する。一般に、被測定物に引っ張り力
（又は圧縮力）Ｐが加わると、図３に示すように、応力
が材料内部に発生する。この応力に比例した引っ張り歪
み（又は圧縮歪み）が生じ、被測定物の長さＬは、Ｌ＋
ΔＬ（又はＬ−ΔＬ）に変形する。歪みは、ＬとΔＬの
割合であるので、歪みεは、 ε＝ΔＬ／Ｌただし、Ｌ：被抵抗物イニシャル長、ΔＬ：外力Ｐによ
る変化分、で表される。そして、被測定物である歪みゲ
ージに歪みが発生すると、ゲージ抵抗部に歪みが生じ
る。生じた歪みに対応した抵抗変化と歪みεの関係は、 ε＝ΔＬ／Ｌ＝（ΔＲ／Ｒ）／Ｋただし、Ｒ：ゲージ抵抗値、ΔＲ：歪みを受けたときの
抵抗値変化量、Ｋ：ゲージ率（係数）、で表される。

【００１２】本発明の歪みセンサ付きボルトにおける歪
みゲージの抵抗変化は微少な値なので、図４に示すよう
に、ブリッジ回路を用いて電圧に変換することができ
る。そして、ブリッジ回路の出力電圧ｅは、ｅ＝｛（Ｒ_１Ｒ_３−Ｒ_２Ｒ_４）／（Ｒ_１＋Ｒ_２）（Ｒ_３
＋Ｒ_４）｝Ｅただし、Ｅ：入力電圧、Ｒ_１：歪みゲージのゲージ抵抗
値、Ｒ_２〜Ｒ_４：固定抵抗値、で表されるので、出力電
圧ｅは、歪みゲージのゲージ抵抗値Ｒ_１が変化すると、
変動することとなる。したがって、歪みセンサ付きボル
トについて、適正ボルト締付け時における出力電圧ｅ_０
を事前に測定しておくと、判断対象のボルトにおける出
力電圧ｅを測定し、得られた出力電圧ｅについて、適正
ボルト締付け時における出力電圧ｅ_０との差が所定の割
合（又は量）以上であるときに、ボルト締付けが緩んで
いると判断することができる。また、ボルト締付けが緩
んでいる時の出力電圧ｅ_１を事前に測定し、そして、ボ
ルト締付けが緩んでいる時の出力電圧ｅ_１との差が所定
の割合（又は量）以下であるときに、ボルト締付けが緩
んでいると判断することも可能である。更に、適正ボル
ト締付け時及びボルト締付けが緩んでいる時におけるそ
れぞれの出力電圧ｅ_０、ｅ_１を事前に測定しておくと、
判断対象のボルトを測定して得られた出力電圧ｅについ
て、出力電圧ｅ_０及びｅ_１と比較することにより、ボル
ト締付けの緩み具合を算出することも可能である。

【００１３】実施例を説明する。本実施例のボルト１
は、図５に示すように、ボルト本体部１１と、ボルト頭
部１２とからなり、ボルト本体部１１は、周囲にネジが
切られており、ボルト頭部１２は、中心部を削って凹部
１３を形成し、凹部１３底面に歪みゲージ２を接着す
る。歪みゲージ２の下部は空洞１４となっている。歪み
ゲージ２から配線２５が出されており、そして、凹部１
３は樹脂又はパテ等の封止材料３で封止されている。歪
みゲージ２は、図６に示すように、Ｓｉウエハ２２と、
Ｓｉウエハ２２に形成されたゲージ抵抗部２１と、酸化
膜２３と、アルミパッド２４と、配線２５と、からな
る。歪みゲージ２は、ボルト頭部１２に形成した凹部１
３に装着しているため、軸方向の応力集中点からの距離
を短くすることができ、感度良くとらえることが可能で
あり、また、ボルト切削加工次第で任意の深さに埋め込
むことができ、また、歪みゲージ２は、空洞１４の上に
形成されているため、軸方向応力を受けると感度良く変
形することができる。

【００１４】実施例の歪みセンサ付きボルトにおけるボ
ルト締付けの緩みの掲出について、説明する。配線２５
間に所定の入力電圧を印加して出力電圧ｅを測定する。
適正ボルト締付け時における出力電圧ｅ_０を事前に測定
しているため、判断対象のボルトにおける出力電圧ｅを
測定して得られて出力電圧ｅについて、出力電圧ｅ_０と
の差が所定の割合（又は量）以上であるときに、ボルト
締付けが緩んでいると判断することができる。

【００１５】本実施例における歪みゲージの製造プロセ
スについて、図７を用いて説明する。まず、Ｓｉウエハ
２２を用意する（図７ａ）。そして、半導体技術によ
り、Ｓｉウエハ２２に酸化膜２３を積層する（図７
ｂ）。次に、フォトリソグラフィ技術により、不要な部
分の酸化膜を除去する（図７ｃ）。そして、不純物（ゲ
ージ抵抗）２１をドープする（図７ｄ）。再び酸化膜２
３を積層し、フォトリソグラフィをする（図７ｅ）。ア
ルミパッド２４をスパッタリングして配線２５を取り付
ける（図７ｆ）。このように、フォトファブリケーショ
ンにより製造が容易で、低コスト、高精度とすることが
可能な歪みゲージ２を製造することができる。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、応力集中点からの距離
を短くして応力変化を感度良くとらえることができ、ま
た、ボルト切削加工次第で任意の深さに歪みゲージを埋
め込むことができ、そして、歪みゲージ封止材料を任意
に選択でき、更に、フォトファブリケーションにより製
造が容易で、低コスト、高精度とすることが可能な歪み
センサ付きボルト及び歪みセンサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の歪みセンサ付きボルト（適正締付け状
態）の概要説明図。

【図２】本発明の歪みセンサ付きボルト（締付けの緩ん
だ状態）の概要説明図。

【図３】本発明の歪みセンサ付きボルトにおける応力検
出原理の説明図。

【図４】本発明の歪みセンサ付きボルトの応力検出に使
用するブリッジ回路の説明図。

【図５】実施例の歪みセンサ付きボルトの説明図。

【図６】実施例の歪みセンサ付きボルトの構造の説明
図。

【図７】実施例の歪みセンサ付きボルトの歪みゲージの
製造工程の説明図。

【符号の説明】

１ボルト１１ボルト本体部１２ボルト頭部１３凹部１４空隙２歪みセンサ２１ゲージ抵抗２２Ｓｉウエハ２３酸化膜２４アルミパッド２５配線３樹脂４取付部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】歪みセンサを装着してボルト締付け緩み
を検出することができるボルトであって、ボルト頭部に形成した凹部にボルト軸方向の応力を受け
て延び又は縮むゲージ抵抗部を有する歪みゲージを設け
ることを特徴とする歪みセンサ付きボルト。
【請求項２】請求項１記載の歪みセンサ付きボルトに
おいて、上記歪みゲージは、凹部に形成した空隙の上に設けるこ
とを特徴とする歪みセンサ付きボルト。
【請求項３】請求項１又は２に記載の歪みセンサ付き
ボルトにおいて、上記凹部は、封止材料によって封止されていることを特
徴とする歪みセンサ付きボルト。
【請求項４】ボルトに装着してボルト締付け緩みを検
出する歪みセンサであって、ボルト軸方向の応力を受けて延び又は縮むゲージ抵抗部
を有し、かつ、ボルト頭部に形成した凹部に取付ける歪
みゲージを備えることを特徴とする歪みセンサ。