[実施の形態1]
 図1,図2は、本発明の一実施形態にかかる締� ��体ユニットの構成を示す図である。

 この締結体ユニット1は、軸力検出用ボル ト10に、ピン型ロードセル20,送信器基板30,IC� �グ50が装着されて構成されている。

 図3は、締結体ユニット1を用いた軸力監� �システムの構成を示すブロック図である。

 当該締結体ユニット1とデータを送受信す る受信ユニット100とで、軸力監視システムが 構成されている。すなわち、受信ユニット100 は、軸力検出用ボルト10に対して、ワイヤレ� ��電力供給技術を用いて電力を送り、送信器� ��板30では、受け取った電力を用いて歪信号� �測定し、受信ユニット100に送る。

 ワイヤレス電力供給方式として、以下で� ��、コイルアンテナ間を貫く磁束の変化で電� ��を送る誘導結合方式で行うこととするが、� ��磁後方拡散結合方式、密着型などの方式も� ��用できる。

 1.締結体ユニットの構成
 1-1 軸力検出用ボルト10
 軸力検出用ボルト10は、軸部11と頭部12とか� ��なり、軸部11の外周面にネジ山13が形成され ている。ボルト10の材質としては、ステンレ� ��,鉄などの金属、ポリカーボネイドやフェノ ール樹脂などのプラスチック、合金、セラミ ックが挙げられる。軸部11と頭部12とを同じ� �質で形成してもよいし、別々の材質で形成� �てもよい(例えば、軸部11は鉄、頭部12はプラ スチックで形成)。

 ボルト10はナット2と対で、被締結体3を締 結して保持する。締結した状態で、被締結体 3には圧縮力が加わり、軸部11にはこの圧縮力 に相当する大きさの引っ張り軸力Pが加わる� �

 ボルト10には、中心軸に沿って、頭部12か ら挿入孔14が開設され、この挿入孔14に、ボ� �ト10の軸力を検出するためのピン型ロードセ ル20が埋め込まれている。

 このようにしてロードセル20を埋め込む� �、その方向が軸部11の軸方向と一致するので 、ロードセル20で正確に軸力が検出できる。

 また、ボルト10の挿入孔14中にロードセル 20を埋め込む工程は、ボルト10の孔の中に歪� �ージを直接埋め込む工程と比べると作業が� �易である。従って、この埋め込み工程で不� �品が発生するのも抑えられ、軸力測定の品� �も安定する。

 ピン型ロードセル20には、歪信号を送信� �る送信器基板30が取り付けられている。

 ボルト10の頭部12には、凹部15が形成され� ��送信器基板30はこの凹部15にはまり込んでい る。

 また、凹部15の開口部はキャップ40で蓋わ れ、このキャップ40に、ボルト10の管理情報� �記録するICタグ50が埋め込まれている。

 1-2 ピン型ロードセル20と送信器基板30の設� ��
 ピン型ロードセル20は歪ゲージ式のロード� �ルであって、加えられる荷重の大きさを測� �して電気信号として出力することができる� �

 ロードセル20は、ピン型(柱状又は板状)の 起歪体21に、歪ゲージ22が接着されて構成さ� �ている。起歪体21の両端には挿入孔14の内壁� ��接合される円柱状の接合端部21a,21bが形成さ れ、この接合端部21a,21bは、挿入孔14の内径と ほぼ同等の径を有し、接着材などで挿入孔14� ��内壁に強固に接合されている。

 起歪体21は、アルミ合金や鋼材で作られ� �弾性体であって、歪ゲージ22が貼り付けられ るゲージ貼付部21cと、その両端に形成された 接合端部21a,21bとからなる。接合端部21a,21bと� ��ゲージ形成部分とは、同一材料で一体形成� ��ることが望ましいが、別体で作製して接着� ��などで接合してもよい。

 接合端部21a,21bは、挿入孔14の径とほぼ同� ��の径に設定されて挿入孔の内壁に強固に接� ��されている。

 例えば挿入孔14の径は直径3mmであり、接� �端部21a,21bの直径は2.9mmである。

 組み立て時には、送信器基板30を装着し� �ロードセル20を、挿入孔14に挿入し、接合端� ��21a,21bの外周部を、挿入孔14の内壁に接着剤� ��強固に接合する。そして、凹部15を蓋する� �うに、キャップ40を頭部12に取り付ける。

 ボルト10とナット2で被締結体3を締め付け ると、締め付け軸力Pに応じて軸部11が伸張し 、起歪体21と、歪ゲージ22も変形してその抵� �値が変化する。従って、この歪ゲージ22の抵 抗値変化を電気信号として取り出すことで、 軸力を測定できる。

 抵抗値変化は、ブリッジ回路で電圧信号� ��変換し、A/D変換器でデジタル信号として取� ��出す。

 この内容は、「3.ロードセル20によるボル ト10の軸力検出」のところで詳しく説明する� ��

 なお、ここでは図2に示すように送信器基 板30を頭部12の凹部15に埋め込むこととしたが 、送信器基板30を頭部12の外表面上に貼り付� �てもよい。

 また、頭部12が金属で形成されている場� �は、送信器基板30のアンテナ部分(アンテナ� �イル35)を、頭部12の外側に配置したり、頭部 12を取り巻くように配置することが好ましい� ��

 ボルト10にICタグ50を装着する形態につい� ��も、図2に示す例ではキャップ40内にICタグ50 を埋め込んだが、ボルト近傍の適当な部位に 取り付けたり埋め込んだりしてもよい。例え ば、ボルト10とセットで使う座金に取り付け� ��もよい。

 1-3 送信器基板30
 送信器基板30は、起歪体21の接合端部21aに接 合され、歪ゲージ22と配線でつながっている� ��

 送信器基板30には、受信回路31,定電圧回� �32,A/D変換器33,送信回路34,アンテナコイル35,� �リッジ回路36などが設けられている。

 受信回路31は、交流電磁界中でアンテナ� �イル35が誘導発生する交流電圧を直流に整流 して、定電圧回路32に供給するとともに、A/D� ��換器33,送信回路34に対しても駆動用電圧と� �て電力を供給する。

 定電圧回路32は、ブリッジ回路36の入力端 子A-C間に、一定のブリッジ電圧Eを供給する� �

 歪ゲージ22の抵抗変化をブリッジ回路36か ら電圧として安定に出力する上で、ブリッジ 電圧Eを一定に保つことが重要である。定電� �回路32として、結合係数Kが変化するのに応� �て抵抗値が変化する分路抵抗を備える分路� �整器を用いることが好ましい。

 詳しくは、3-3「ブリッジ回路36への電圧� �給」で説明する。

 A/D変換器33は、ブリッジ回路36の出力端子 (B-D間)の出力電圧を、デジタル信号に変換す� ��。この信号は、ボルトにかかる歪(軸力)と� �応関係があるので「歪データ(歪信号)」とす る。

 送信回路34は、A/D変換器33で生成された歪 データ(デジタル信号)を、受信ユニット100の� ��信号受信回路102に送る。

 このデータ送信については、「4.送信器� �板30と受信ユニット100との間のデータ転送」 のところで詳しく説明する。

 1-4 ICタグ50
 電源回路51は、交流電磁界中でアンテナコ� �ル52が発生する交流電圧を直流に整流してメ モリ回路53に供給するとともに、ICタグリー� �/ライタ110とのデータ送受信を行う。

 電源回路51からICタグリーダ/ライタ110へ� �データ送信は、搬送波を負荷変調する負荷� �調方式を用いて行い、ICタグリーダ/ライタ11 0から電源回路51へのデータ送信も搬送波を変 調する方式で行う。これによって無線で安定 してデータを送ることができる。

 メモリ回路53は、電源回路51から供給され る直流電圧で駆動されて、メモりから管理デ ータ(主としてボルト10に固有のデータであっ て管理に用いる。例えば、ボルト10の個体識� ��コード、使用部位、初期の軸力値や組み立� ��日時、過去に測定したボルト10の軸力)を読� ��出して、ICタグリーダ/ライタ110に送信した� ��、ICタグリーダ/ライタ110から送信される管� ��データを受信してメモリに書き込む。

 2.受信ユニット100の構成
 電源発信回路101は、アンテナコイル106から� ��周波の交流電磁波を発生する。その周波数� ��、例えば13.56MHzである。

 歪信号受信回路102は、この電磁波を搬送� ��として送られてくる歪信号を受信して復調� ��、歪データを生成する。ここで得られる歪� ��ータにばらつきが生じる可能性を考慮して� ��歪信号受信回路102で歪データを繰り返し生� ��して平均化処理をすることが好ましい。

 軸力換算回路103は、歪信号受信回路102で� ��調した歪データを、軸力データに変換する� ��

 この変換は、あらかじめボルト10につい� �、歪データ値と軸力値との対応表を作成し� �憶しておき、当該対応表を参照することに� �って容易に行うことができる。

 比較部104は、軸力換算回路103で算出した� ��力データと、評価用データ(例えば、あらか じめ準備してある軸力の適正範囲を示すデー タ、あるいはICタグリーダ/ライタ110がICタグ5 0から読み取った個体データ)とを比較する。

 表示部105は、軸力換算回路103で算出した� ��力データや、比較部104で評価した評価結果� ��どを画面に表示する。

 ICタグリーダ/ライタ110は、上記電源発信� ��路101と同様に、アンテナコイルから高周波� ��交流電磁波を発生してICタグ50に電力を供給 するとともに、軸力換算回路103で算出した軸 力データを電源回路51に送信したり、必要に� ��じて管理データを電源回路51に送信したり� �電源回路51から送られる軸力データや管理デ ータを受信する。

 3.ロードセル20によるボルト10の軸力検出
 歪ゲージ22は、ベース23上に抵抗体24,保護被 膜25が積層されて構成され、起歪体21のゲー� �貼付部21c周面上又は平面上に接着剤26で接着 されている。抵抗体としては、金属薄膜もし くはシリコンに不純物をドーピングしたシリ コン半導体を用いることが好ましい。

 3-1 抵抗体として金属薄膜を用いる場合
 ボルト10を締め付けると、締め付け軸力Pに� ��じて軸部11が伸張する(L→L+δL)。ロードセル 20の接合端部21a,21bは軸部11に強固に接合され� ��いるので、軸部11が伸張するのに伴って、� �歪体21のゲージ貼付部21cも軸方向に引っ張ら れて伸張する(l→l+δl)。また、起歪体21に貼� �付けられた歪ゲージ22も変形する。

 歪ゲージ22における抵抗体24の抵抗値Rは� �R=ρL/Aであらわされる。また、抵抗体に張力� ��加わってその長さlが伸びる(l→l+δl)と、断� ��積が減少するので、抵抗値Rは増加する(R→R +δR)。

 L:抵抗体の長さ
 A:抵抗体の断面積
 ρ:抵抗体の固有抵抗率
 機械的ひずみと歪ゲージ抵抗体の抵抗変化� ��の比率(ゲージ率G)は、金属薄膜ではG=(δR /R )/(δL/L)である。

 一般の金属はポアソン比σは0.3~0.6程度と� ��さく、ゲージ率Gは1.6~2.2程度である。歪ゲ� �ジに使用されている金属薄膜のゲージ率Gも� ��室温で約2であり、使用温度 によって少し� ��化する。

 歪ゲージの抵抗変化は大変微小であるが� ��以下のように、ホイートストンブリッジ回� ��を用いることによって、当該抵抗変化を電� ��変化に換算(ひずみ-電圧換算)することがで� ��る。

 図3に示すように、ブリッジ回路36は、4個 の抵抗が結線されてなり、4つの結線部分に� �子A,B,C,Dを有しており、相対する2組の端子の 一方(端子A-C)にはブリッジ電圧Eが印加され、 他方(端子B-D)から出力電圧eが検出される。

 A-B間の抵抗値をR1,B-C間の抵抗値をR2,C-D間の� ��抗値をR3,D-A間の抵抗値をR4とすると、端子A- C間に印加されるブリッジ電圧Eと、端子B-C間� ��出力される出力電圧eとの関係は、
 e=E(R1R3-R2R4)/(R1+R2)(R3+R4)で表わされる。

 このようなホイートストンブリッジ回路� ��おいて、4個の抵抗の中、1つ以上にゲージ� �抗体を用いる。

 例えば、1アクチブゲージ法では、図に示 す端子A-B間に、ゲージ抵抗体を挿入する。

 この場合、ブリッジ回路からの出力特性は� ��
 δe=(1/4)GEδε…(式1)
 であらわされ、機械的ひずみ変化δεとブリ ッジ出力電圧変化δeとは比例する。例えば、 ゲージ率G=2.0,ブリッジ電圧E=4Vとするとδe=2δ� �となる。

 4アクチブゲージ法では、図5に示すよう� �、4個の歪ゲージRg1,Rg2,Rg3,Rg4を柱状又は板状� ��起歪体21(ゲージ貼付部21c)に貼り付ける。す なわち、歪ゲージRg1と歪ゲージRg3とは、起歪 体21の中心軸に対して互いに対称な位置に、� ��心軸に沿った方向に貼り付ける。歪ゲージR g2と歪ゲージRg4とは、起歪体21の中心軸に対� �て互いに対称な位置に、中心軸に対して垂� �方向に貼り付ける。

 そして、この4個のRg1,Rg2,Rg3,Rg4を、ブリッ ジ回路36の抵抗R1,R2,R3,R4として組み込むよう� �接続する。

 金属薄膜抵抗を用いる場合、ブリッジ回路3 6からの出力特性は、
 δe=E(1+σ)Gδε/2…(式2)
 (σ:金属薄膜のポアソン比)で表わされ、や� �り、機械的ひずみ変化δεとブリッジ出力電� ��変化δeとは比例する。

 この4アクチブゲージ法によれば、起歪体 21の曲げひずみによる電圧変化分は打ち消さ� ��て、引張り圧縮ひずみによる電圧変化だけ� ��検出することができ、また、温度補償もな� ��れる。

 なお、金属薄膜のゲージ率は小さいので� ��ブリッジ回路からの出力変化δeも小さい。� ��って、出力電圧eを直流増幅器で増幅してか らA/D変換器33でA/D変換することが望ましい。

 なお、歪ゲージ22を起歪体21の表面に貼り付 ける以外に、起歪体21の表面に絶縁薄膜を形� ��し、その上に金属薄膜抵抗体を形成しても� ��い。例えば、絶縁薄膜として、ピンの表面� ��絶縁膜としてSIO ₂ 膜をスパッタリングや蒸着などで形成し、そ の上に、クロム(Cr)、酸素と、アルミニウム(A l)を混合した薄膜を、スパッタリングや蒸着� ��どで形成する。それによって、接着工程が� ��要となり、生産性の向上を図ることが可能� ��なる。

 3-2 抵抗体として半導体を用いる場合
 抵抗体として半導体を用いる場合、基本的� ��は上記金属薄膜と同様であるが、抵抗体の� ��抗変化は、主に半導体の圧抵抗効果による� ��すなわち、半導体の中には、この圧抵抗効� ��によって、金属と比べてひずみによる抵抗� ��化率δρ/ρが極めて大きいものがあり、この 場合のゲージ率Gは、G=(δρ /ρ)/(δL/L)である� �なお、半導体において圧抵抗効果が生じる� �くみとして、マルチバレイ半導体のひずみ� �よる等エネルギー面の変化に基づく説明が� �されている。

 半導体歪ゲージに用いる半導体材料の具� ��例としては、Si,Ge,InSbなどが挙げられる。こ れらの材料は、伝導型(p型,n型)や結晶方向に� ��って特異なゲージ率を示す。

 例えば、Si半導体は、以下のようなゲー� �率を示し、そのゲージ率は大きい絶対値を� �っている(「電気電子材料(共立出版)」を参� �した)。

 p型、結晶方向(100) ゲージ率G=10
 p型、結晶方向(111) ゲージ率G=177
 n型、結晶方向(100) ゲージ率G=-132
 n型、結晶方向(111) ゲージ率G=-13
 ゲージ率の絶対値が大きい半導体を用いれ� ��、金属薄膜抵抗体を用いた歪みゲージと比� ��て50~100倍程度の感度が得られ、歪ゲージの� ��ずみに伴って生じるブリッジ回路の出力電� ��変化δeも数十mV程度となる。

 従って、ブリッジ回路からの出力電圧δe� ��増幅しなくても、A/D変換器33でA/D変換する� �とができる。

 半導体歪ゲージでロードセルを形成する� ��合、起歪体に歪ゲージを貼りつける形態以� ��に、起歪体自体をシリコンウェハで形成し� ��このシリコンウェハに不純物ドーピングに� ��るゲージ部を形成してもよい。

 その製法は、例えば、シリコンウェハ上� ��、マスキング法でパターニングしながら不� ��物をドーピングすることによって半導体抵� ��体層を形成し、更に配線パターンを描くこ� ��によってブリッジ回路を形成することがで� ��、1アクチブゲージ法の場合はゲージを1つ� �4アクチブゲージ法の場合は、ゲージを4つ形 成する。各ゲージの寸法は、例えば縦0.3mm、� ��0.1mmである。

 このシリコンウェハを切り出すことによ� ��て起歪体のゲージ貼付部21cに相当する部分� ��形成することができる。切り出し寸法につ� ��ては、接合端部21a、21bとのバランスや接合� ��度を確保することを考慮しつつ、挿入孔14� �挿入できる範囲で適宜決めればよく、例え� �横2.5mm程度、長さ15mm~30mmである。

 そして接合端部21a,21bに相当する部材を接 合すれば、歪ゲージとブリッジ回路を組み込 んだシリコンウェハからなるロードセルを形 成することができる。

 この製法によって、抵抗値120ω、ゲージ� �100のロードセルを作製することができる。

 ボルト10の強度を維持する上で、挿入孔14 や凹部15の径は、できるだけ小さい方が好ま� ��いが、上記のようにシリコンウェハ上に半� ��体抵抗層を形成し、更に配線パターンを描� ��てブリッジ回路を形成することによって超� ��型の金属シリコン製半導体歪ゲージデバイ� ��を作製して起歪体に接合すれば、挿入孔14� �埋め込むロードセル20の径を小さくでき送信 器基板30を小型化することもできる。従って� ��ボルト10の強度を維持するのに有効である� �

 3-3 ブリッジ回路36の端子A-Cへの電圧供給
 送信器基板30において、ブリッジ回路36の電 源電圧として、小型バッテリを搭載してもよ いが、本実施形態では、受信ユニット100から 無線で供給される電力を送信器基板30が受け� ��ってブリッジ回路36などに供給するパッシ� �型を採用している。

 図4に基づいて、ブリッジ回路36の端子A-C� ��一定電圧を供給するしくみを説明する。な� ��、パッシブ型駆動法については「RFIDハンド ブック(日刊工業新聞)」に詳しく記載されて� ��る。

 電源発信回路101を、送信器基板30に近い� �置において、電源発信回路101のアンテナコ� �ル106と送信器基板30のアンテナコイル35とを� ��導結合させる。

 そして、電源発信回路101において、交流� ��源で高周波電圧(13.56MHz)を発生させると、誘 導結合しているアンテナコイル106及びアンテ ナコイル35を介して、当該高周波電圧が受信� ��路31で受信される。

 受信回路31と、ブリッジ回路36の端子A-Cと の間には、定電圧回路32が介挿されている。

 図4に示している定電圧回路32は、比較的� ��単な構成の分路調整器であって、整流器と� ��ツェナダイオードZDが発生する電圧をエミ� �タ接地されたnpnトランジスタのベースに供� �する回路とが設けられている。

 受信回路31で受信された高周波は、定電� �回路32において整流器で整流されて、ツェナ ダイオードZDとトランジスタによって、端子A -C間に印加される電圧が安定化される。

 図6は、アンテナコイル106とアンテナコイ ル35との結合係数Kとブリッジ回路36の入力端� ��A-C間に入力される電圧との関係を示す図で� ��る。当図に示されるように、アンテナコイ� ��同士が誘導結合されていてその結合係数Kが ある程度以上あれば、一定の電圧Vzが入力端� ��A-C間に印加される。

 なお、この電圧は、A/D変換器33、変調器34 aなどの駆動電源としても用いられる。

 このように送信器基板30では、バッテリ� �搭載しなくても、ブリッジ電圧などが供給� �れるようになっている。

 3-4 軸力換算回路103に記憶させる対応表の� �成(校正)
 図7は、歪データδeと軸力値Pとの対応関係� �一例を示す図表である。

 基本的に上記式1,2に示されるように、歪� ��ータδeとδεとは比例し、また、δεは起歪� �21の伸びδlに相当し、このδlはボルト10の軸� ��Pにほぼ比例するので、歪データ(δe)とボル� ��10の軸力Pとは図7のようにほぼ比例する。

 ところで、実際には、ボルト10の軸力Pと� ��データδeとの関係は、ロードセル20を装着� �たボルト10ごとにばらつきがあるので、ボル ト10ごとに校正を行って、図7に示すような歪 データ値δeと軸力値Pとの対応表を、各ボル� �10ごとに作成しておくことが好ましい。

 このような校正は、ロードセル20及び送� �器基板30を装着した後に、引張試験機にかけ て引張荷重(ボルト10の軸力)をいろいろ変え� �がら、歪データ(δe)を測定することによって 行うことができるが、各ロードセル20をボル� ��10に装着する前に、引張試験による測定を� �って校正を行なうこともできる。

 ロードセル20の断面積は、ボルト10の断面 積と比べて格段に小さいため、ロードセル20� ��校正すれば校正時の引張力は小さくて済む� ��従って校正に用いる引張試験機も小型のも� ��で行なえる。

 なお、各ボルト10ごとに歪み電圧特性に� �らつきが生じる要因は、各ボルト10に装着さ れる前のロードセル20の特性にばらつきがあ� ��と考えられ、例えば、起歪体21に歪ゲージ22 を貼り付けるときに生じるばらつきによって 、ロードセル20の引張力と歪データの変化δe� ��のばらつきが生じやすいが、ロードセル20� �かかる引張力とボルト10の軸力Pとの関係は� �あまりばらつかない。

 従って、ロードセル20にかかる引張力と� �ルト10の軸力Pとの変換倍数は、あらかじめ� �定して求めておき、各ロードセル20について 引張試験機を用いて校正すれば(引張力と歪� �ータの変化δeとの対応表を作成すれば)、各� ��ルト10にロードセル20を装着した後に校正し なくても、個別に作成したロードセル20にか� ��る引張力と歪データの変化δeとの対応表と� ��ロードセル20にかかる引張力とボルト10の軸 力Pとの変換倍率を乗じることによって、各� �ルト10ごとに歪データ値δeと軸力値Pとの対� �表を作成することができる。

 以上のようにして各ボルト10ごとに、歪� �ータ値δeと軸力値Pとの対応表を作成し、各� ��ルト10の個体識別コードを付けて軸力換算� �路103に記憶させておけば、ボルト10の軸力を 測定しようとするときに、軸力換算回路103は 、記憶されている対応表の中から当該ボルト 10の個体識別コードが付いている対応表を参� ��することよって、歪信号受信回路102で復調� ��た歪データから軸力データを算出すること� ��できる。

 4.送信器基板30と受信ユニット100との間のデ ータ転送
 受信ユニット100と送信器基板30との間のデ� �タ送受信、ならびにICタグリーダ/ライタ110� �ICタグ50との間のデータ送信は、RFIDタグで一 般に使われているデジタル変調方式を用いて 行う。

 RFIDタグでは、ASK(Amplitude Shift Keying  振� ��シフトキーイング)あるいはFSK(周波数シフ� �キーイング)、PSK(位相シフトキーイング)と� �った方式が用いられている。この中で、ASK� �式は、デジタル信号にもとづいて正弦波の� �幅を変える方式であって、復調が容易であ� �、RFIDタグなど、近距離の通信に多く用いら� ��ている。本実施形態においてもこのデジタ� ��変調方式を適用する。

 なお、受信ユニット100-送信器基板30間の� ��ータ送受信と、ICタグリーダ/ライタ110-ICタ� ��50間のデータ送受信との間で、衝突を防止� �る(アンチコリジョン)ため、副搬送波の周波 数を別々に割り当てたり、時分割で動作する ことが好ましい。

 データ送受信の例として、図4を参照しな がら、送信回路34から歪信号受信回路102に歪� ��ータを送信するしくみを説明する。

 受信ユニット100の電源発信回路101は、上� ��したように周波数ft(13.56MHz)で交流電磁波を� ��信する。

 送信器基板30の送信回路34は、変調器34aを 備えている。

 この変調器34aは、受信回路31で受信した� �波数ft(13.56MHz)のクロック信号を1/64に分周し� ��、周波数fs(212kHz)の副搬送波を生成する。さ らに、生成した副搬送波を、A/D変換器33で生� ��された歪データ(デジタル信号)に基づいてAS K変調する。

 受信回路31においては、このようにASK変� �された副搬送波にもとづいて、FETをON-OFFす� �。FETをON/OFFするのに伴って、受信回路31に負 荷が組み込まれた状態とそうでない状態とに 切り替わる(受信回路31の負荷が変動する)の� �、もとの周波数ft(13.56MHz)の電磁波が負荷変� �される。

 このように、稼働周波数ftの電磁波を、� �波数fsの副搬送波で負荷変調すると、周波数 ftの波と周波数fsの波とが掛け合わせられる� �で、周波数(ft+fs)の波と周波数(ft-fs)の波が形 成される。すなわち、周波数ftを中心として� ��両サイドに対称的に側波帯(サイドバンド)� �形成され、上部側波帯の周波数は(ft+fs),下部 側波帯の周波数は(ft-fs)となる。

 歪信号受信回路102では、この2つの側波帯 の中、一方から歪データ(デジタル信号)をと� ��だす。図4に示す例では、歪信号受信回路102 では、受信した電磁波から、バンドパスフィ ルタ102aで稼働搬送波成分などを除去して上� �側波帯だけを取り出し、最終的に復調器102b� ��歪データ(デジタル信号)に復調する。

 5.軸力監視システムの利用形態
 以上説明した軸力監視システムを用いて、� ��下のようにして、軸力測定用のボルト10を� �両などに取り付けておけば、受信ユニット10 0をボルト10から近い位置において、非接触で ボルト10の軸力を測定し、表示部105に表示す� ��ことができる。

 工場で車両を組立てる時に、車両の部分� ��締結するのに同種のボルトを多数使用する� ��合、そのすべてに対して軸力測定用のボル� ��10を用いてもよいが、一部だけに軸力測定� �のボルト10を用いてサンプル的に軸力測定す るようにしてもよい。

 軸力測定用のボルト10を締結する現場に� �、受信ユニット100を設置しておく。そして� �車の組立時に、適正に締め付けられたボル� �10の締付け軸力データを測定する。この軸力 データは軸力換算回路103で算出されるが、受 信ユニット100の軸力換算回路103からICタグリ� ��ダ/ライタ110を経由してICタグ50に送られ、� �モリ回路53に記録される。

 ICタグリーダ/ライタ110からICタグ50には、 この軸力データ以外に、ボルト10の個体識別� ��ードや使用部位、組立てした日時などの管� ��データも、ICタグリーダ/ライタ110から送ら� ��てメモリ回路53に記録される。

 工場から車両が出荷された後には、使用� ��に渡った車両が一時的に駐停車することが� ��かっている場所、例えば給油所などに、受� ��ユニット100を設置しておく。

 そうすれば、車両が一時的に駐停車する� ��に、受信ユニット100を用いて、ボルト10に� �接触で、その時点のボルト10の軸力を確認す ることができる。

 チェックした結果、ボルト10が弛んでい� �と判断された場合には、そこでボルト10の増 し締め、並びにボルト10と同種のボルトがあ� ��ばその増し締めを行なう。そして、増し締� ��たボルト10の軸力値と増し締め日時などをIC タグ50に書き込んで記録内容を更新する。

 ボルト10が外れて紛失していたり折損し� �りしている場合には、新品のボルト10に交換 して、そのICタグ50に新たな軸力などのデー� �を記録する。

 7. 本実施形態の軸力監視システムによる効 果
 日常の運行に供されているボルトの軸力を� ��ンマリングのように手作業でチェックする� ��とはそれほど容易ではないため、従来は、� ��ほどの異常現象が発生していない限りボル� ��の軸力をチェックすることもなく、日常の� ��行での軸力低下が十分に監視されなかった� ��、本実施形態にかかる軸力監視システムを� ��いれば、日常の運行に供されているボルト� ��軸力を容易にチェックできるので、軸力低� ��を十分に監視することができる。

 また、本実施形態の軸力監視システムを� ��いれば、ハンマリングのように経験や勘に� ��ることがないので、信頼性も格段に向上す� ��。

 また、測定した結果を締結体に付けたIC� �グなどに記録しておくこともできる。

 さらに、その時点の軸力を測定するだけ� ��はなく、ICタグに記録されているボルトの� �置やボルトサイズ、適正に締め付けた年月� �、その時の適正な軸力(締付け力)などの固体 認識情報も同時にICタグから読み込んで比較� ��ることによって、新たな情報を得ることが� ��きる。たとえば、ボルトの位置と軸力低下� ��度合いとの関係を調べて、締結される場所� ��よって軸力低下の傾向があるかどうかなど� ��把握することもできる。

 このようにきめ細かい軸力管理ができる� ��とによって、ボルトの弛みに起因する事故� ��未然に防止できる。

 本実施形態の軸力監視システムにおいて� ��受信ユニット100を軽量でポータブルに作製� ��れば、列車や航空機に受信ユニット100を搭� ��するのも容易である。従って、列車や航空� ��にボルト10を装着しておいて、その駐停車� �際や点検整備の際に、搭載している受信ユ� �ット100でボルト10のチェックをし、各部位の ボルトの弛みを検査することができる。

 本実施形態の締結体ユニット1においては 、ロードセル20をボルト10の挿入孔14に埋め込 んでいるので、歪ゲージをボルト10の挿入孔� ��直接埋め込むのと比べて、埋め込み作業が� ��易である。

 また、同じ種類のロードセル20を、さま� �まな種類、サイズのボルト10に埋め込んで締 結体ユニット1を校正することもできる。そ� �することで、校正作業に要する手間を簡略� �でき、校正に要するコストも軽減できる。

 [実施の形態2]
 図8は、本実施の形態にかかる締結体ユニッ トの構成ならびにその組立方法を示す図であ る。

 ロードセル20の起歪体21は柱状であって、 接合端部21bは円柱状であり、当該接合端部21b の周面に雄ネジ21dが形成されている。一方、 挿入孔14の内面には、この雄ネジ21dが螺合で� ��るように雌ネジ14aが形成されている。

 また、接合端部21aには、挿入孔14よりも� �の大きい鍔27が固定されている。

 図8(a)に示すように、ロードセル20の上端� ��頭部28を設けておいて、頭部28の形状に合っ た凹部61を有するレンチ60で締め付ける。な� �、頭部28に、十字形状あるいはマイナス形状 の溝を刻んでおいて、ドライバビットで締め 付けてもよいし、鍔部28をチャックで把持し� ��回転させてもよい。

 締め付けるにつれて、接合端部21bが起歪� ��21を引っ張る方向に移動して、鍔27が凹部15� ��底面15aに当接して底面15aから押圧力を受け� ��ので、起歪体21に張力が加わるようになり� �さらに締め付けると、起歪体21にかかる張力 は増加する。

 従って、この締め付け度合を適度に調整� ��ることによって、図8(b)に示すようにロード セル20は、起歪体21に適度な張力が加わった� �態で固定される。

 なお、あらかじめ、雄ネジ21dあるいは雌� ��ジ14aに、廻り止め用の接着剤を塗布してお� ��ば、締め付け後にネジの弛みが発生しにく� ��なる。

 本実施形態によれば、上記のように、ロ� ��ドセル20は張力をかけた状態で挿入孔14内に 固定されるので、ボルト10が無負荷(軸力がゼ ロ)のときにもロードセル20には張力かかって いる。従って、ロードセル20とボルト10との� �に遊びがなく、ボルト10を締付けて軸力が高 くなると同時に歪ゲージ22に伸び歪が加わる� ��すなわち、ボルト10の軸力が確実に歪ゲー� �22に伝達される。

 また、ロードセル20をボルト10の挿入孔14� ��内面に接着剤で固定しただけでは、長期に� ��たって温度変化の影響を受けたり、振動や� ��撃などの外力を受けると、接着剤の界面が� ��離してボルト10の軸力が歪ゲージ22に確実に 伝達されなくなる恐れもあるが、本実施形態 では、ロードセル20がボルト10にねじ締めで� �定されているので、ボルト10の軸力が歪ゲー ジ22に長期にわたって確実に伝達される。

 <変形例>
 ロードセル20を、無負荷時に張力がかかっ� �状態で挿入孔14内に固定する方法として、上 記のようにネジ締めする方法以外に、以下の ような変形例もある。

 図9,図10は、変形例にかかる締結体ユニッ トの組立方法を示す図である。

 図9に示す例では、その(a)に示すように、 ボルト10に形成する挿入孔14を、軸部11の先端 まで貫通させる。一方、ロードセル20の長さ� ��、貫通孔14に挿入したときに、接合端部21b� �先端部が貫通孔14から突出するように長く設 定しておく。

 そして、図9(b)に示すように、挿入孔14を� ��き抜けた接合端部21bの先端部を、チャック7 0で把持して引っ張ることによって、鍔27が凹 部15の底面15aに当接してロードセル20に張力� �付与される。その状態で、図9(c)に示すよう� ��接合端部21bの先端部を軸部11の先端に溶接� �れば、ロードセル20は、張力が付与された状 態でボルト10の挿入孔14内に固定され、ボル� �10の軸力が歪ゲージ22に長期にわたって確実� ��伝達される。

 図10に示す例もほぼ同様であるが、接合� �部21bの先端部を軸部11の先端に固定するのに 、溶接で固定する代わりに、スナップリング 29で固定する点が異なっている。

 そのために、図10(a)に示すように、あら� �じめ、接合端部21bの先端部に、スナップリ� �グ29を填め込むための溝21eを形成しておく。 そして、図10(b),(c)に示すようにロードセル20� ��挿入孔14に挿入し、貫通させた接合端部21b� �チャック70で引っ張り、その状態でスナップ リング29を溝21eに填め込んで接合端部21bに固� ��する。ロードセル20は付与されている張力� �伴って収縮しようとするが、填め込まれた� �ナップリング29は、挿入孔14よりも径が大き� ��ので軸部11の端面に当接し、張力が付与さ� �た状態が維持される。

 この方法によっても、ロードセル20は、� �力が付与された状態でボルト10の挿入孔14内� ��固定され、ボルト10の軸力が歪ゲージ22に長 期にわたって確実に伝達される。

 なお、接合端部21bの先端部に形成した溝2 1eにスナップリング29を填め込む代わりに、� �合端部21bの先端部に雄ネジを形成し、当該� �ネジに挿入孔14よりも大径のナットを填め込 んで締め付けることによっても、同様に、ロ ードセル20を、張力が付与された状態でボル� ��10の挿入孔14内に固定することができる。