JP2649837B2 - ファスナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 この発明は荷重表示ファスナに関する。

多くの作業において、部材が縦方向に応力を受けた場
合に生ずる縦方向荷重の量を測定することが望ましい。
かかる荷重量を知ることは、縦方向応力の大きさに従っ
て適切な接合が得られるかどうかが決まるので、前記部
材がファスナである場合に特に有用である。

従来、荷重表示特性を有するファスナに生ずる縦方向
応力の大きさを表示するために多くの技術が開発されて
いる。これは、通常ピンのような長細部材の一端を、設
置前のファスナの一部分に接続することによって行なわ
れる。

この形式の荷重表示部材の一例を第１図に示す。長細
部材10は、ファスナ12と平行に延び、縦方向応力による
ファスナの可塑変形によって影響されることがない。従
って、長細部材10の自由端14は縦方向応力によるファス
ナ12の伸びを表示する指標として作用する。典型的に
は、長細部材10はファスナ12の縦方向の長細孔16体内に
受承されたピンであり、ファスナ12のヘッド18から該フ
ァスナの軸部20の一部分内に延在する。ピン10の一端22
は、孔16の底部において例えば、接着剤、ねじ、または
締り嵌めによってファスナ12の軸部20に接続される。従
来、この形式の種々の荷重表示部材および荷重表示ファ
スナは、構造および方法並びに装置において、非常に異
なっており、荷重表示部材またはファスナの伸びを表示
するのに使用された。この種のファスナの諸例が米国特
許第3,812,758号（1974年５月28日公告）、第3,823,639
号（1974年７月16日公告）、第2,503,141号（1950年４
月４日公告）、第3,943,819号（1976年３月16日公
告）、第2,600,029号（1952年６月10日公告）、第3,90
8,508号（1975年９月30日公告）、第3,987,668号（1976
年10月26日公告）、および第4,144,428号（1978年９月1
9日公告）、並びに1984年11月13日に出願された米国特
許出願第670,260号にして近く公告される筈の米国特許
第4,676,109号に開示されている。

前述した種々のピン形式の荷重表示部材および荷重測
定装置は、精度、製造容易さ、または読取り易さの点
で、それぞれの利点を有するけれども、多くの修正およ
び荷重表示部材の中央部にピン部材を付加することが必
要となるために製造費が高価となる。その結果、前述し
た荷重表示部材は、特別な即時診断が必要な場合とか重
大性を認識された安全性の危険がある場合に選択的にの
み使用される。これらを監視することによってまたは利
益が得られるような通常の組立て作業に前述した部材や
装置を使用するには余りにも高価につく。

部材すなわちファスナの伸びを測定する別の方式は超
音波測定装置を使用することである。代表的なものとし
て、かかる測定方式は、米国特許第3,759,090号の第１
図および第３図に対応する本明細書に添付の第２図に示
すように、超音波変換器58を被測定部材の一端、代表的
にはファスナ98のヘッド106に着脱可能に接続すること
によって実行される。信頼できる表示を得るためには、
ボルトのヘッドを極度に平坦に研磨する必要があり、信
頼できる超音波送信媒体をボルトのヘッドに取付ける必
要がある。変換器をボルト上に正しく配置しかつ測定の
間固定する必要がある。この方法を使用する技術および
装置の諸例が、米国特許第3,306,100号（1967年２月28
日公告）、第3,307,393号（1967年３月７日公告）、第
3,308,476号（1967年３月７日公告）、第3,759,090号
（1973年９月18日公告）、第3,812,709号（1974年５月2
8日公告）、第3,822,587号（1974年７月９日公告）、第
4,014,208号（1977年３月29日公告）、第4,062,227号
（1977年12月13日公告）、第4,117,731号（1978年10月
３日公告）、第4,363,242号（1982年12月14日公告）、
第4,402,222号（1983年９月６日公告）、第4,413,518号
（1983年11月８日公告）、および第4,471,657号（1984
年９月18日公告）に開示されている。

前述した米国特許は、測定装置と締付け工具とを組合
せ、ボルトの伸びを測定することから得られる情報を使
用し、もって前記締付け工具を停止させる時間を測定す
ること、あるいは、締付け工程を監視して適正な接合が
得られたかどうかを測定することを教示する。かかる締
付け工具の諸例が米国特許第3,969,960号（1976年７月2
0日公告）および第3,969,810号（1976年７月20日公告）
に開示されている。

前掲の米国特許の方法および装置はファスナおよび接
合について信頼できる情報を提供するけれども、使用面
が非常に限定される。その主たる理由は、ボルトを注意
して製造しなければならず、また、構成部材を容易に操
作できなければならないからである。そこで、超音波張
力測定は、較正適用試験および全くの臨界締付け接合の
ための高精度実験室締付け方法として理解される。この
方法は数回の較正および臨界性質制御使用により歪ゲー
ジボルトを取り換えることである。しかしながら、前述
した超音波張力測定するに際しての実際的困難さがその
応用を一般的組立締付け方策として妨げている。

前述したピン形式の荷重表示部材の利点と、前記した
超音波伸長測定装置とを、圧電その他の超音波センサを
前記部材自体に取付けることによって組合せる若干の試
みがなされた。かかる部材が例えば、米国特許第4,127,
788号（1978年11月28日公告）および第4,294,122号（19
81年10月13日公告）に開示されている。これらの特許は
応力表示特性を有するように修正された荷重担持ファス
ナを教示している。しかしながら、前述したピン形式の
ファスナのように、これらの装備されたファスナは複雑
で大きな超音波検出装置を取付けるために大きく修正さ
れる。従って広範な使用法のためにはかかるファスナが
法外に高価となる。

超音波圧電方法または別の方法を教示しまたは権利を
請求する従来の他の米国特許は次の通りである。

以上の研究開発から実現の成果は極く少数でしかなか
ったし、その使用は、締付け中に信頼できる結合を維持
することの困難さと、所望装備が高価かつ複雑なこと
と、ファスナの材質および性質に対してきびしい制御が
要求されることとのために大体において実験室研究並び
に高価にして厳密な設備に制約された。

従って、必要なことは、低廉な超音波変換器をファス
ナに安価な方法で恒久的に取付けて精確な締付け情報を
大量生産形式で供することである。かかる超音波荷重表
示部材は測定装置または組立工具類と容易に接続でき、
また従来の超音波測定装置が信頼できる音響結合を作成
しようとする際に生ずる問題点を解決できよう。

〔発明の要約〕

本発明は荷重表示ファスナを提供するもので、従来は
種々の荷重表示部材またはファスナを個別的に、すなわ
ち単独の部材またはファスナを利用したに過ぎないのに
反して、本発明は多くの利点を組合せたものである。

さらに、本発明は、荷重表示部材、すなわち、荷重表
示ファスナにして従来利用しなかった付加的特性および
利点を提供する。

本発明の荷重表示部材は、縦方向応力を受けた時に塑
性変形する軸部と、該軸部の縦方向両端部にそれぞれ近
接したほぼ平坦な第１面および第２面とを含有し、該第
１面および第２面は、前記軸部が応力を受けていない時
に、互いに平行してほぼ予定の距離だけ離隔している。
第１電極および第２電極と恒久的、機械的、および電気
的に接続された圧電フィルムが前記軸部の前記第１面上
に配設される。第１電極は前記第１面と恒久的、機械
的、電気的および音響的に接続される。この第１電極
は、例えば、接着剤または金属フィルムから成り、また
はそれ自体電極部材から成るものでもよい。

好ましい実施例においては、前記圧電フィルムは薄い
可撓性の圧電フィルムディスクにして、前記第１電極お
よび第２電極は前記ディスクの両面にある金属層であ
る。また、この好ましい実施例において、荷重表示部材
は拡大ヘッドを有する荷重表示ファスナであり、平坦な
第１面は該ファスナの該ヘッド上に形成される。

本発明によるファスナは、その縦方向の一端に平坦面
を有し、可撓性圧電フィルムの両面に第１電極および第
２電極が配置される。前記第１電極は前記ファスナの平
坦面と、第２電極が該平坦面から絶縁するように、恒久
的、機械的、電気的、および音響的に配置される。

本発明による荷重測定装置は、前記第１電極と電気的
に係合する第１接触子と、前記第２電極と係合する第２
接触子と、該第１電極と第２電極との間にあって縦方向
に応力を受けた時の前記荷重表示部材、すなわちファス
ナの引張荷重を測定できるような電子微分信号に反応す
る電子測定装置とを備える。

好ましい実施例においては、圧電フィルムが、電子微
分信号を発生させるような超音波信号を発生させる励振
装置を備える。さらに、好ましい実施例において、前記
荷重表示部材は導電性にして、前記第１接触子は、該第
１接触子が該荷重表示部材と間接的に係合することによ
って前記第１電極と電気係合する。

本発明に用いられる締付け工具は、第１電極および第
２電極とそれぞれ電気係合できる第１接触子および第２
接触子と、前記荷重担持部材内に引張荷重を付与する荷
重誘発装置と、前記荷重担持部材内に引張荷重を付与す
る荷重装置と、前記引張荷重を精確に測定できるような
電気微分信号に反応する荷重測定装置とを含む。

本発明に用いられる締付け工具の好ましい例は、荷重
表示ファスナと係合できる導電性ファスナ係合装置と、
該荷重表示ファスナの第２電極と係合できる接触部材
と、該荷重表示ファスナを回転駆動するように前記ファ
スナ係合装置にトルクを付与する駆動装置と、前記ソケ
ットおよび接触部材から受取って締付け作業の結果とし
て縦方向に応力を受けた時の前記ファスナの軸部の引張
荷重を精確に測定できるような電気微分信号に反応する
荷重測定装置とを含む。

前記荷重測定装置の出力は、前記ファスナの瞬間的引
張荷重を連続的に読取るのに使用することができ、ある
いは締付け作業の終了時点を測定したり、あらかじめ締
付けられたファスナ中の荷重を表示するのに使用するこ
とができる。荷重表示部材がファスナである時は、荷重
測定装置がファスナ締付け工具と同時に使用することが
でき、あるいはファスナ締付け工具に直接に取付けるこ
とができる。荷重測定装置を含むファスナ締付け工具が
自動締付け型のものである時は、該荷重測定装置中の引
張荷表示は他のパラメータと組合わせて、角度およびト
ルクなどを該ファスナ締付け工具によって監視しても締
付け終了時点を測定しかつ接合部の異常を検出すること
ができる。

本発明のファスナの荷重を測定するに際しては、荷重
測定装置をファスナと接続し、ファスナの軸部の引張荷
重を超音波測定値から計算する。

本発明の荷重表示ファスナを締付けるに際しては荷重
測定装置を本発明の荷重表示ファスナのヘッドに接続
し、前記荷重表示ファスナを締付けるとともに前記荷重
測定装置を連続的に監視しても前もって選定された荷重
の到達時点を測定し、前記荷重測定装置によって表示さ
れるように、前記到達時点に前記荷重表示ファスナの締
付けを停止させる。

本発明の主目的は、在来型の工具で容易に設備できる
安価な荷重表示ファスナを提供することである。

さらに、本発明の別の目的は、従来の締付け工具によ
って締付けることのできる荷重表示ファスナを提供する
こと、特に、締付け操作の間に荷重測定装置によって監
視できる荷重表示ファスナを提供することである。

すなわち本発明によれば、それ自体の縦方向ひずみを
測定するようになっているファスナにして、縦方向軸線
および予定の縦方向長さを有するとともに前記縦方向軸
線に沿って縦方向ひずみを受けるようになっている軸部
と、 該軸部の１端に形成されるとともに前記縦方向軸線に
垂直なほぼ平坦な面を有するヘッドと、 該ヘッドと恒久的、機械的、電気的および音響的に相
互接続された第１電極と、 該第１電極と恒久的、機械的、および電気的に相互接
続された圧電フィルム部材と、 該圧電フィルム部材と恒久的、機械的、および電気的
に相互接続されかつ前記ヘッドおよび前記第１電極から
電気絶縁されもって該第１電極および前記圧電フィルム
部材と協働して超音波変換器を形成する第２電極と を含有するファスナが与えられる。

更に本発明によれば、それ自体の縦方向ひずみを測定
するようになっているファスナにして、縦方向軸線およ
び予定の縦方向長さを有するとともに前記縦方向軸線に
沿って縦方向ひずみを受けるようになっている軸部と、 該軸部の１端に形成されるとともに前記縦方向軸線に
垂直なほぼ平坦な面を有するヘッドと、 接着剤によって前記ヘッドと恒久的、機械的、電気
的、および音響的に接続された第１電極と、 前記第１電極と恒久的、機械的、および電気的に接続
された薄い圧電フィルムディスクと、 該圧電フィルムディスクと恒久的、機械的および電気
的に接続されかつ前記ヘッドおよび前記第１電極から電
気絶縁されもって該第１電極および前記圧電フィルムデ
ィスクと協働して超音波変換器を形成する第２電極とを
含有し、 該第１及び第２電極が該圧電フィルムディスクの両面
上に金属フィルムを備えたファスナが与えられる。

本発明の前述した目的、特性、および利点その他の目
的、特性、および利点は、図面に関する以下の詳細な説
明から当業者に明瞭となろう。

〔実施例〕

図面、特に第３図および第４図において、荷重表示
部、特に、荷重表示ファスナ110が図示される。この荷
重表示ファスナ110は従来のボルトを締付け作業の間お
よび接合寿命中の種々の時点におけるボルトの引張荷
重、応力、伸び、その他の特性を表示するように修正し
たボルトから形成される。このボルトは一端にねじ山11
4を有し、他端にヘッド116を有する軸部112を有する。
該ヘッド116と該軸部112との間に肩部118が形成され
る。ヘッド116は軸部112の縦軸部122に垂直なほぼ平坦
な上面120を有する。下面124が軸部112の他端に該軸部
の縦軸線122に垂直に形成される。また、前記ヘッドは
その周縁に例えば六角形のレンチのような工具の係合面
126を備える。

別の実施例においては、第4b図に示すように、ヘッド
116aの凹部121内に平坦面120aを形成してもよい。前記
凹部121は工具係合用ソケットや捨て孔でもよく、また
は圧電フィルムセンサ128を環境危険から保護するため
に形成した浅溝でもよい。

圧電フィルムセンサ128はヘッド116の上面120又は120
aに恒久的又は半恒久的に装架される。図示するよう
に、圧電フィルムセンサ128は圧電フィルム材料のディ
スク130と、該ディスクの両側の平坦面に取付けられた
第１電極132と、第２電極134とから成ることが好まし
い。

前記圧電フィルムセンサは高分子材料のような可撓性
にして安価な圧電フィルム材料の薄層から形成され、ほ
ぼ５乃至110ミクロンの厚さを有する。好ましい実施例
においては、ポリ弗化ビニリデンおよびその誘導体が強
い耐蝕性物質の故に選定される。しかしながら、他の材
料すなわち共重合体が存在して満足すべき性質を持たせ
てもよく、別に、積層のバイモル形式およびマルチモル
形式も考えられる。前記電極は圧電ディスク、導電性イ
ンキやペイント、または接着剤上に真空処理した金属層
から形成することができる。あるいは、一方又は両方の
電極が前記ディスクに恒久的に接着された導電箔であっ
てもよい。第１電極はヘッド116に電気的および音響的
に結合されるが、圧電ディスク130および第２電極134は
ヘッド116と電気絶縁される。いくつかの実施例におい
ては、ヘッド116は第１電極132の機能を果す。

いくつかの実施例においては、第１電極132は導電性
または不導性の接着剤から成り、この接着剤は不導体に
して、圧電フィルムセンサ128とヘッド116との間の電気
通信に対する容量結合に依存することが好ましい。

実験作業において、部材と接着結合した薄いフィルム
の高分子圧電変換器のエコー信号レベルを、部材と着脱
可能に機械的に結合した従来の厚いセラミック変換器と
比較した。前記フィルム変換器について、信号レベルが
非常に高いだけでなく信号対雑音比（SN比）も非常に高
く、エコー検知が非常に容易てあり信頼性を有すること
が証明された。

セラミック変換器の高いノイズレベルは、変換器およ
びそのハウジング内の内部反射した超音波からのエコー
に原因がある。フィルム変換器内の反射音波は、ポリ弗
化ビニリデンおよびその誘導体のような高分子圧電フィ
ルムの低い音響インピーダンスによってエネルギが空気
または導電性ゴム接触子へ効果的に移動するので、迅速
に減衰しよう。

従って、ここで用いられる圧電フィルム変換器は従来
技術に対して変換器性能が著しく向上することに注意す
べきである。

第５図において、前述した荷重表示ファスナ110の１
例が示され、該ファスナにファスナ締付け工具140が係
合している。該工具140は通常の動力工具142を含むが、
該動力工具はその回転駆動部分だけが図示される。この
通常の動力工具142はソケット部材146と係合する回転出
力駆動器144を有するファスナ締付け工具140および回転
出力駆動器144は共に回転する。ソケット部材146はファ
スナ110のヘッド116と電気的かつ機械的に係合する。

接触ピン148はファスナ締付け工具140に往復運動可能
に装架され、ソケット部材146に関して往復運動して圧
電フィルムセンサ128の第２電極134およびファスナ110
のヘッド116と係合する。接触ピン148は導電性のゴム先
端部148aを備えて、低い音響インピーダンス面を供する
とともに変換器を損傷しないようにすることが好まし
い。

第５図に略示した電子制御装置150は、周知のよう
に、スリップリングワイパ156,158の形式でそれぞれ電
線152,154によってそれぞれ接触ピン148およびソケット
部材146に電気接続される。あるいは、容量結合その他
の周知の技術のような非接触手段によって信号を伝達す
ることもできる。電子制御装置150は圧電フィルムセン
サ128の第１電極と132と第２電極134との間に電子微分
信号を供給しかつ測定してファスナ110の軸部112の引張
荷重、応力、または伸びを超音波測定する。

ファスナ締付け工具140が表示装置（図示せず）を備
えて、ファスナ操作中に得られた引張荷重、応力、また
は伸びの超音波測定を表示できることが当業者に理解で
きよう。あるいは、ファスナ締付け工具140が、電子制
御装置150によって連続的に供給される情報を使用し
て、予定量の引張荷重または伸びが生じた時、従って締
付け作業を停止させる時を測定するようにすることがで
きる。

また、選定された動力工具が、形成された接合部の特
性、例えば荷重表示ファスナのトルクおよび瞬間角度
を、周知のようにして、モニタできることが当業者に理
解できよう。かかる動力工具の例が1982年８月17日公告
の米国特許第4,344,216号に開示される。動力工具から
得られるかかる情報は電子制御装置150から供給される
引張荷重、応力、または伸びの情報と組合わされ、もっ
て種々の測定されたパラメータを使用して締付けの連続
作業を制御しかつその結果をモニタするような正確に制
御された締付け操作を行なうことができる。例えば、ソ
ケット部材146を「ナット締付け法」として従来知られ
た方法を使用して動力工具と共に使用することができ、
締付け操作によって形成された接合部が一定の使用書を
満足するかどうかを決定するのに伸び情報が使用され
る。

操作を説明するに、本発明の荷重表示ファスナ110を
パネル136,138中の適当な孔に漸次貫通させ、該パネル
の背後をナット139で締付けることによって該パネルを
固定する。ファスナ締付け工具140、必要に応じて、標
準規格の締付け工具を荷重表示ファスナ110の工具係合
面126に係合させかつ回転させて接合部を締付ける。パ
ネル136,138がそれぞれ肩部118およびナット139に係合
すると、荷重表示ファスナ110の軸部112は縦方向の応力
を受けて縦方向の弾性変形する。軸部112の引張荷重、
応力、または伸びの量はファスナ締付け工具140によっ
て測定される。

第５図は従来の動力工具142および電子制御装置150を
含むファスナ締付け工具140を示すけれども、前記動力
工具142を除くファスナ締付け工具140のすべての構成要
素を含むファスナ測定工具を形成できることは当業者で
理解できよう。かかる装置は前記締付け工具とは関係な
しにボルトの伸びを測定するのに使用できる。

また、前述した荷重表示ファスナ110の形状が現存す
るボルトの迅速な変更を可能にさせることに注意すべき
である。ほぼ平坦な上面120のほかは特別な表面処理を
全く必要としない。実際に、従来の方法においては、63
5マイクロセンチメートル（250マイクロインチ）の表面
仕上げが音響結合の目的に対して許容されうるものと定
められているが、318マイクロセンチメートル（125マイ
クロインチ）程度の表面仕上げを有することが望ましい
ものと知られた。しかしながら、本発明においては、接
着剤結合を使用するので41乃至510マイクロセンチメー
トル（16乃至200マイクロインチ）の表面仕上げが好ま
しいものと知られた。圧電フィルムセンサ128は、金属
材料フィルムを圧電ディスク130の両面の各々に取付け
ることによってボルトとは無関係に形成され得る。圧電
フィルムセンサ128をヘッド116の上面120に音響的かつ
機械的に結合させる適当な接着剤が、前記圧電フィルム
センサをファスナ110に取付ける時迄、該センサを貯蔵
するために、図示されていないが周知のように、不活性
材料の剥離シートと共に予め前記センサに取付けられ
る。

荷重測定装置によるとボルトの軸線方向長さに沿う超
音波の走行時間を直接に測定することができる。この走
行時間はボルトの長さおよびボルトに作用する応力に従
って変化する。

前記走行時間の測定については、非破壊試験の分野に
おける超音波の進歩の結果として多くの種々の電子技術
が従来から知られている。大多数の電子技術が要求され
る解決および精度を供することができるけれども、若干
数のものが精確な測定のためのパルス数、回路の複雑
性、および動力消費の点で利点を示す。

顕著な要因は超音波の横波の速度に対する軸線方向応
力の影響が縦波の速度に対するものよりも非常に少ない
ことである。従って、両方の波の走行時間の測定はボル
トの長さを無視して軸線方向応力を測定するのに使用で
きる。従って、あらかじめ取付けたファスナ中の軸線方
向荷重を測定することができる。横波および縦波を使用
することによって得られる情報の簡単な比較を以下に示
す。

現在利用しうるすべての超音波装置が、ボルトの一端
（通常はヘッド）に装架された圧電変換器で発生した超
音波の縦波の走行時間の測定に使用される。超音波は反
射端に向って走り、該端で反射しかつ同じ変換器によっ
て検出される。この走行の時間を測定する数多くの試行
を以下に簡単に述べるけれども、すべてが零張力状態か
ら時間についての変化を測定し、その測定によって張力
を計算する。

ファスナの両端を平行にかつ635マイクロセンチメー
トル（250マイクロインチ）よりも良好な表面仕上げに
研磨することが通常行なわれる。良好な表面仕上げはボ
ルトに対する適切な音響結合に要求される。

この走行時間測定に使用される超音波は縦波である。
縦波における粒子運動は圧縮および引張りの運動領域を
形成する伝搬方向にある。縦波の走行時間はボルトの長
さと超音波の速度とに依存する。ボルトの長さ変化は、
熱膨張と、締付けに基づく軸線方向荷重による伸びと、
締付けによって生ずる可塑変形とに起因する。超音波の
速度は材料の性質、すなわち組成、熱処理、および温度
並びに締付けによって生じたファスナ中の軸線方向応力
に依存する。材料の性質および温度による性質変化に関
するパラメータが実験的に定められ、通常、周囲温度測
定値と一緒に超音波張力測定装置に入れられる。

ファスナが締付けられると、ボルトは軸線方向荷重に
よって伸び、超音波の伝搬速度は軸線方向応力によって
減少する。これは測定された走行時間の増加の約2/3に
相当する。

この技術で張力を測定する時は、掴み長さ、すなわち
あらかじめ選定された適切な補正応力因子をパラメータ
として加える必要がある。その理由は、掴み長さが荷重
によるボルトの伸びのみならず、平均応力、従ってボル
トの長さ全体を伝搬する平均速度にも影響するからであ
る。

従って、ファスナの全長に亘る縦波の走行時間を使用
する若干の制限特性がある。この測定は制御パラメータ
として加える必要のある掴み長さに依存する。付加的
に、ナットの領域における局部的応力分布の変動が精度
に影響する。すべてのボルトを、典型的には、±2.54×
10 センチメートル（±１×10 インチ）の精確な長さ
に研磨するか、この精確な長さを測定してパラメータと
して測定系に入れるかせずに、ファスナの取付け後に該
ファスナ中の張力を測定するのは実際的ではない。通
常、張力測定は、締付け開始前になされた零荷重測定に
関する走行時間の増加に基づく。

縦波は、音響エネルギ源の振動を空気から耳へ伝達す
るのに使用される波である点で周知の音波である。これ
とは異なって、横波の粒子は伝搬方向に振動せずに該方
向と直角に振動する。この横波は、隣接粒子が剪断力を
受けるのでしばしば剪断波と呼ばれる。気体および液体
は一般的に横波を伝達できないので、特に高い粘性の流
体は、周知の装置によって、ボルトに一時的に取付けら
れた変換器の音響的に連結する必要がある。

縦波は鋼中を横波のほぼ２倍の速さで走り、走行時間
は軸線方向の応力によって種々の程度に影響される。応
力による縦波の速度変化は横波の速度変化よりも約1.5
倍大きい。

前記米国特許第4,602,511号に記載されるように、縦
方向成分と横方向成分とを持つ波を発生する圧電性結晶
によって前記ファスナの一端に縦波および横波を印加す
る。縦波および横成の各々の走行時間を測定する。これ
ら二つの測定値から引張力を、ボルトの精確な長さを事
前に知らずに、測定することができる。

縦波および横波の両方を使用することにより、理論的
に、縦波だけを使用するよりも二つの著顕な利点が得ら
れる。第１に、最初に零荷重測定することなく引張力を
測定でき、すなわち、既に取付けられたファスナにおい
て荷重を測定できる。第２に、材料の性質や熱処理など
によって及ぼされる種々のボルトへの影響が、縦波およ
び横波の両方にこれらが影響するので、減少する。

荷重測定装置は、発明の意図に従って、縦波および横
波の一方または両方と共に使用することができる。

以下に簡単に説明するように、荷重測定装置は直接計
時、間接計時、クロック内挿、二重パルス発信、共振周
波数検波、音響インピーダンス検出、調和周波数検波、
位相検出を含む種々のタイミング方式の何れかについて
使用することができる。

直接計時方式は、第６図に示すように、駆動パルスの
送信からエコー信号の受信までの時間間隔ゲート制御さ
れた発振器および計数器で測定するものである。例え
ば、レイモンド・エンジニアリング社から販売される装
置の一つは所要の分析を達成するのに100メガヘルツク
ロックおよび平均160個の測定値を使用する。ヒ化ガリ
ウムを使用する時は２ギガヘルツもの高いクロックレイ
トが考えられよう。

間接計時方式は、第７図に示すように、第１エコーか
ら第２エコーまでの時間間隔に関係する。第１エコーと
第２エコーとの時間間隔を測定することによって種々の
エコー波形および回路並びに配線の伝送遅延によるトリ
ガ時点の変動に基づく誤差を消去する。ボルトの端部仕
上げは、第２エコーがこれら３個の影響を各々により減
衰するので、重要である。

クロック内挿方式においては、クロック計数のほかに
クロックサイクルの一部分を測定するのにアナログ法を
使用することによって分析を改良する。第８図に示す一
つの方法は、ゲート間隔の終端において同一の短時間に
亘って各々積分された位相クロックの中から同期した２
個のクロックを使用する。

二重パルス発信方式においては、第９図に示すよう
に、２個のパルスＡ、Ｂが送信される。パルスＡは第１
エコーA1および第２エコーA2を発生し、パルスＢは第１
エコーB1および第２のエコーB2を発生する。パルスＡ、
Ｂ間の時間間隔は、パルスＡからの第２エコーA2がパル
スＢからの第１エコーB1と一致するように調節される。
この結果を修正して積分してパルスタイミングを調節す
る電圧制御発振器のための周波数制御電圧を発生させ
る。この電圧制御発振器の周波数が張力を計算するのに
使用される。

基本周波数検出方式においては、ボルトはその基本周
波数において縦波が共鳴するように維持され、締付けの
前後における相違が張力測定に使用される。

音響インピーダンス検出方式においては、ボルトが基
本周波数近くで駆動され、機械的または音響インピーダ
ンスの変化が張力測定に使用される。

調和共振周波数検出方式は共振方法の変形であって、
縦波の調和共振が、例えば、５乃至10メガヘルツの範囲
における調和周波数に維持される。ボルトの張力は締付
け中の周波数偏移から計算される。

位相検出方式はパルスフェイズロックループ（PLL）
方法を使用する。電圧制御発振器の無線周波数出力が変
換器の対して周期的にゲート制御される。反射波によっ
て生じた受信信号は、第10図に示すように、電圧制御発
振器の出力と混合される。もし発信機信号と受信信号と
が同一位相にあるならば、合計信号は最大となり、もし
位相が180゜ずれていると、この二つの信号は相殺して
合計信号は最小となる。従って、この合計信号は位相差
を示し、電圧制御発振器の周波数を、位相が一定値を維
持し、すなわち合計信号が最小または最大となるよう
に、制御するのに使用される。このように、発振器の周
波数は、走行時間を正確なサイクル数に維持するように
調節される。走行時間は周波数と、送信開始から受信開
始までに計算されたサイクル数とによって決定される。

前述した諸方式ならびに２形式の波が種々の組合せで
使用されて１個又は複数個のパラメータを所望の精度に
測定できることが理解できよう。

本発明の荷重表示ファスナ110においては従来の締付
け工具または前記締付け工具140のような構成の締付け
工具との迅速な接続が容易であることが当業者に理解で
きよう。

ファスナ110およびファスナ締付け工具140においては
反復可能にして予測可能な特質を有する信頼性のある接
合部を迅速に形成することができる。また、現実の取付
け工程中の接合部の欠陥を検出することができ、従って
破局的な接合部故障のおそれが減少する。さらに、後
日、接合部の特質をモニタすることができる。

本発明のファスナが荷重表示部材の状態をモニタして
検査できることに注目すべきである。もし部材のおよそ
の長さが判るならば、超音波パルスのおよその走行時間
も判る。もし測定結果が不適合であり、または信号が予
期した信号以外のものであるならば、部材中な割れ目の
ような欠陥が存在しよう。センサ128をボルト端または
ねじ付き棒上に使用でき、また工具を別のヘッド係合装
置すなわちナット係合装置と係合させて使用できること
にも注目すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術の荷重表示部材（ファスナ）の部分切
断側面図、第２図は従来技術の超音波荷重測定装置の部
分切断側面図、第３図は本発明のファスナの１例の斜視
図、第４図は第３図のファスナの部分断面拡大図、第4a
図、第4b図、第4c図は本発明のファスナの別の実施例
の、第４図と同様な部分断面図、第５図は本発明の荷重
表示ファスナおよび該ファスナと係合した荷重測定装置
を含むファスナ締付け工具の部分切断概略側面図、第６
図乃至第10図は種々の実施例における本発明の音響動作
のグラフを示す。

Claims (30)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】それ自体の縦方向ひずみを測定するように
   なっているファスナにして、縦方向軸線および予定の縦
   方向長さを有するとともに前記縦方向軸線に沿って縦方
   向ひずみを受けるようになっている軸部と、 該軸部の１端に形成されるとともに前記縦方向軸線に垂
   直なほぼ平坦な面を有するヘッドと、 該ヘッドと恒久的、機械的、電気的および音響的に相互
   接続された第１電極と、 該第１電極と恒久的、機械的、および電気的に相互接続
   された圧電フィルム部材と、 該圧電フィルム部材と恒久的、機械的、および電気的に
   相互接続されかつ前記ヘッドおよび前記第１電極から電
   気絶縁されもって該第１電極および前記圧電フィルム部
   材と協働して超音波変換器を形成する第２電極と を含有するファスナ。
2. 【請求項２】前記圧電フィルム部材が薄層の圧電フィル
   ム材料を含む請求項１に記載のファスナ。
3. 【請求項３】前記圧電フィルム材料がポリ弗化ビニリデ
   ンおよびその誘導体である請求項２に記載のファスナ。
4. 【請求項４】前記圧電フィルム材料が約５乃至110ミク
   ロンの厚さを有する請求項２に記載のファスナ。
5. 【請求項５】前記第１及び第２の電極が30ミクロン以下
   の厚さを有する請求項３に記載のファスナ。
6. 【請求項６】前記圧電フィルム部材が円板状にして前記
   軸部と軸線方向の整合位置にある請求項３に記載のファ
   スナ。
7. 【請求項７】前記円板状圧電フィルム部材がおよそ前記
   軸部の直径と該軸部の直径の半分との間の直径を有する
   請求項６に記載のファスナ。
8. 【請求項８】前記第１及び第２の電極の少なくとも一方
   が円板状にして前記圧電フィルム部材とほぼ同じ寸法の
   直径を有する請求項６に記載のファスナ。
9. 【請求項９】前記第１及び第２の電極の少なくとも一方
   が前記圧電フィルム部材の面上にある金属の薄層を含む
   請求項１に記載のファスナ。
10. 【請求項１０】前記第１及び第２の電極の少なくとも一
    方が蒸着によって形成される請求項９に記載のファス
    ナ。
11. 【請求項１１】前記圧電フィルム部材がポリ弗化ビリニ
    デンおよびその誘導体を含む請求項１に記載のファス
    ナ。
12. 【請求項１２】前記第１電極が、機械的及び音響的接続
    させる接着剤によって前記ヘッドの前記面と接続される
    請求項１に記載のファスナ。
13. 【請求項１３】前記ヘッドから離隔して前記軸部上にあ
    るねじ山を有するボルトを含む請求項１に記載のファス
    ナ。
14. 【請求項１４】前記ヘッドが導電材料から成り、前記第
    １電極が前記ヘッドと電気接続又は容量接続される請求
    項１に記載のファスナ。
15. 【請求項１５】前記第１及び第２の電極の少なくとも一
    つが前記圧電フィルム部材の面上に薄層金属を蒸着、電
    着又は塗装することによって形成される請求項１に記載
    のファスナ。
16. 【請求項１６】前記圧電フィルム部材が高分子材料であ
    る請求項１に記載のファスナ。
17. 【請求項１７】前記圧電フィルム部材が高分子フィルム
    材料の薄層を含む請求項１に記載のファスナ。
18. 【請求項１８】前記第１電極が、前記圧電フィルム部材
    を前記軸部と容量結合させる非電導性接着剤を含む請求
    項１に記載のファスナ。
19. 【請求項１９】前記圧電フィルム材料が20乃至60ミクロ
    ンの厚さを有する請求項２に記載のファスナ。
20. 【請求項２０】ほぼ平坦な前記第１面が約41乃至510マ
    イクロセンチメートル（16乃至200マイクロインチ）の
    仕上げ面を有する請求項１に記載のファスナ。
21. 【請求項２１】それ自体の縦方向ひずみを測定するよう
    になっているファスナにして、縦方向軸線および予定の
    縦方向長さを有するとともに前記縦方向軸線に沿って縦
    方向ひずみを受けるようになっている軸部と、 該軸部の１端に形成されるとともに前記縦方向軸線に垂
    直なほぼ平坦な面を有するヘッドと、 接着剤によって前記ヘッドと恒久的、機械的、電気的、
    および音響的に接続された第１電極と、 前記第１電極と恒久的、機械的、および電気的に接続さ
    れた薄い圧電フィルムディスクと、 該圧電フィルムディスクと恒久的、機械的および電気的
    に接続されかつ前記ヘッドおよび前記第１電極から電気
    絶縁されもって該第１電極および前記圧電フィルムディ
    スクと協働して超音波変換器を形成する第２電極とを含
    有し、 該第１及び第２電極が該圧電フィルムディスクの両面上
    に金属フィルムを備えたファスナ。
22. 【請求項２２】前記圧電フィルムディスクがポリ弗化ビ
    ニリデンである請求項21に記載のファスナ。
23. 【請求項２３】前記圧電フィルムディスクがほぼ20乃至
    60ミクロンの厚さを有する請求項21に記載のファスナ。
24. 【請求項２４】前記圧電フィルムディスクがほぼ前記軸
    部の直径と該軸部の直径の半分との間の直径を有する請
    求項21に記載のファスナ。
25. 【請求項２５】前記第１及び第２の電極の少なくとも一
    方が蒸着、電着、又は金属塗装によって形成される請求
    項21に記載のフィルム。
26. 【請求項２６】前記第１電極が接着剤を含む請求項21に
    記載のフィルム。
27. 【請求項２７】前記圧電フィルムディスクが円板状にし
    て前記軸部と軸線方向に整合する請求項21に記載のファ
    スナ。
28. 【請求項２８】前記圧電フィルムディスクが高分子材料
    である請求項21に記載のファスナ。
29. 【請求項２９】前記圧電フィルムディスクが５乃至110
    ミクロンの厚さを有する請求項21に記載のファスナ。
30. 【請求項３０】ほぼ平坦な前記第１面が約41乃至510マ
    イクロセンチメートル（16乃至200マイクロインチ）の
    仕上げ面を有する請求項21に記載のファスナ。