JP2000074764A - Socket, torque wrench and gauge for measuring axial tension of bolt - Google Patents

Socket, torque wrench and gauge for measuring axial tension of bolt

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JP2000074764A
JP2000074764A JP10245726A JP24572698A JP2000074764A JP 2000074764 A JP2000074764 A JP 2000074764A JP 10245726 A JP10245726 A JP 10245726A JP 24572698 A JP24572698 A JP 24572698A JP 2000074764 A JP2000074764 A JP 2000074764A
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JP
Japan
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bolt
axial force
socket
measuring
ultrasonic
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Mikio Fukuhara
幹夫 福原
Asao Sanpei
麻雄 三瓶
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Tungaloy Corp
Original Assignee
Toshiba Tungaloy Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a socket, a torque wrench and a gauge for measuring the axial tension of a tightening bolt accurately and instantaneously. SOLUTION: A receiving hole 7 matching with the head 3a of a tightening bolt 3 is made in the socket body 5 and an ultrasonic sensor 8 being connected with external ultrasonic transmitter/receiver and a measuring system unit is set in the rear of the receiving hole 7. The ultrasonic sensor 8 comprises a piezoelectric element 9 and a damper 10. The piezoelectric element 9 can transmit both longitudinal and transverse ultrasonic waves simultaneously and axial tension of the tightening bolt 3 can be measured precisely by measuring the reciprocal propagation time from the head part 3a to the threaded part 3b of the tightening bolt 3.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ボルト軸力の測定
用ソケット及びトルクレンチ並びにボルト軸力計に関
し、特に、ソケット本体に備えられた受入れ穴には、縦
波及び横波の両超音波を送受信できる測定センサ−が組
込まれるようにしたものであり、また、締結ボルトの頭
部からネジ先端部に至る両超音波の往復伝播時間を測定
解析することにより、締結ボルトの軸応力が精密に計測
できるようにしたものである。ボルト軸力計の用途とし
ては、熱応力や応力変動を受ける部材、例えば自動車、
航空機、船舶等のエンジン及びトランスミッション部、
発電機タ−ビン部、橋梁部、プラント締結部、歯車のネ
ジ締結部などである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a socket for measuring bolt axial force, a torque wrench, and a bolt axial force meter, and more particularly, to a receiving hole provided in a socket body, which receives both longitudinal and transverse ultrasonic waves. A measurement sensor capable of transmitting and receiving is incorporated, and by measuring and analyzing the reciprocating propagation time of both ultrasonic waves from the head of the fastening bolt to the tip of the screw, the axial stress of the fastening bolt can be precisely determined. It is one that can be measured. Applications of the bolt axial force meter include members subjected to thermal stress and stress fluctuation, for example, automobiles,
Engine and transmission parts for aircraft, ships, etc.
Generator turbine section, bridge section, plant fastening section, gear screw fastening section, etc.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種のボルト軸力計としては、
超音波パルスエコ−位置計測法、超音波固有振動計測法
などが知られており、実務面では、簡易的にトルク計が
使用されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a bolt axial force meter of this kind,
Ultrasonic pulse eco-position measurement, ultrasonic natural vibration measurement, and the like are known, and in practice, a torque meter is simply used.

【0003】また、ボルトの軸方向に伝播する縦波と横
波の伝播時間比率に基づく軸力測定法が特開昭62−3
8331号公報で開示されている。
An axial force measuring method based on the propagation time ratio of longitudinal waves and transverse waves propagating in the axial direction of a bolt is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. Sho 62-3 / 1987.
No. 8331 discloses it.

【0004】さらに、本願発明者等は、特開平9−28
8022号公報で開示されているように、横波超音波パ
ルス波形から得られる伝播時間及び減衰率を計測し、負
荷される軸応力を判定する装置を提案している。
[0004] Further, the present inventors have disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-28.
As disclosed in Japanese Patent Publication No. 8022, there is proposed an apparatus that measures a propagation time and an attenuation rate obtained from a shear wave ultrasonic pulse waveform and determines an applied axial stress.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、超音波
パルスエコ−位置計測法では、縦波超音波が使用されて
いることから、締結用ボルトのネジ部からの縦波→横波
→縦波変換により多重エコ−が生じるため、基準ピ−ク
が判読しにくく、誤読が多いという問題点があった。ま
た、締結前のボルト長さを精密計測するか、一定ボルト
長さを有するものを使用しなければならない煩わしさあ
った。
However, in the ultrasonic pulse echo position measurement method, since longitudinal wave ultrasonic waves are used, multiplexing is performed by longitudinal wave → transverse wave → longitudinal wave conversion from the thread portion of the fastening bolt. There is a problem in that the reference peak is difficult to read because of the occurrence of eco-friendly, and there are many misreadings. In addition, it is troublesome to precisely measure the bolt length before fastening or to use a bolt having a fixed bolt length.

【0006】一方、超音波固有振動計測法では、ボルト
締結前後における共振周波数を各々測定しなければなら
ないという不便さがあった。さらに、トルク計による場
合では、締結後のバラツキが50%にも及んで精密計測
に限界があった。また、特開昭62−38331号公報
で開示された軸力測定法では、縦波、横波を送受信する
超音波振動子が上下に接着され、或いは並列に置かれる
ため振動子のみの厚みの伝播時間誤差が生じ、また同一
材料を伝播していないという欠点があった。
On the other hand, the ultrasonic natural vibration measuring method has a disadvantage that the resonance frequencies before and after bolt fastening must be measured. Further, in the case of using a torque meter, the variation after fastening reaches as much as 50%, and there is a limit in precision measurement. In the axial force measurement method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-38331, ultrasonic transducers for transmitting and receiving longitudinal waves and transverse waves are vertically adhered or placed in parallel, so that only the thickness of the transducer is propagated. There are disadvantages that a time error occurs and that the same material is not propagated.

【0007】さらに、特開平9−288022号公報で
開示されている伝播時間及び減衰率計測法では、弾−塑
性境界の判別や縦波→横波→縦波変換に起因する多重エ
コ−防止には効果的であるが、締結前のボルト長さを精
密計測する必要があった。
Further, the method for measuring the propagation time and the attenuation rate disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-288022 discloses a method for discriminating an elastic-plastic boundary and preventing multiple echoes caused by longitudinal wave → transverse wave → longitudinal wave conversion. Although effective, it was necessary to precisely measure the bolt length before fastening.

【0008】このようなことから、本発明では、測定セ
ンサ−については、縦波発生用の圧電ドメイン及び縦波
発生用の圧電ドメインの二種類に分極された圧電素子を
適用し、同時に送信された両超音波の伝播時間を測定解
析して、締結用ボルトに負荷された軸応力値を計測する
ようにしたものである。したがって、ボルト長さを前工
程で計測することなく、容易にしかも適正強度で締結で
きるものである。
In view of the above, according to the present invention, as the measurement sensor, a piezoelectric element polarized in two types, a piezoelectric domain for generating a longitudinal wave and a piezoelectric domain for generating a longitudinal wave, is applied and transmitted simultaneously. The transmission time of the two ultrasonic waves is measured and analyzed to measure the axial stress value applied to the fastening bolt. Therefore, the bolt can be fastened easily and with appropriate strength without measuring the bolt length in the previous process.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は上述の点に鑑み
なされたもので、ソケット本体がトルクレンチ又はスパ
ナによって回動可能で、その外周部位には静止部材が配
置され、その一端には締付けボルトの頭部に適合する受
入れ穴が形成されるとともに、この受入れ穴の奥側に
は、圧電素子を有する超音波センサ−が組込まれるよう
にしたボルト軸力の測定用ソケットが提供されるように
したものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above points, and has a socket body rotatable by a torque wrench or a spanner, a stationary member disposed at an outer peripheral portion thereof, and one end provided at one end thereof. A receiving hole that fits into the head of the tightening bolt is formed, and a socket for measuring the axial force of the bolt, in which an ultrasonic sensor having a piezoelectric element is incorporated, is provided behind the receiving hole. It is like that.

【0010】すなわち、前記超音波センサ−は、センサ
−本体内に設けられた基板状の圧電素子がボルト頭部に
密着するように配置され、しかも縦波及び横波の超音波
を同時送信できるように構成され、また前記静止部材に
備えられた外部接続の同軸ケ−ブルは、スリップリング
を介して圧電素子から延びる同軸ケ−ブルに電気的に接
続されるものである。この場合、圧電素子の同時送信
は、縦波発生用の圧電ドメイン及び横波発生用の圧電ド
メインの二種類に分極されることにより得られるもので
ある。
That is, in the ultrasonic sensor, a substrate-like piezoelectric element provided in the sensor main body is arranged so as to be in close contact with the head of the bolt, and can simultaneously transmit longitudinal and transverse ultrasonic waves. An externally connected coaxial cable provided on the stationary member is electrically connected to a coaxial cable extending from the piezoelectric element via a slip ring. In this case, the simultaneous transmission of the piezoelectric element is obtained by being polarized into two types, a piezoelectric domain for generating a longitudinal wave and a piezoelectric domain for generating a shear wave.

【0011】また、本発明のボルト軸力の測定用ソケッ
トは、スパナ又はトルクレンチを手動式で適用する場合
には、ソケット本体には、スパナ又はトルクレンチの締
付け開口部に適合する係止部を形成すればよい。さら
に、駆動式で適用する場合には、ソケット本体の一端部
には、トルクレンチの回転伝達用のシャフト部に適合す
る係合手段が構成されるようにすればよい。そして、後
者の場合では、ボルト軸力の測定用ソケットを備えたト
ルクレンチが構成される。
When the spanner or the torque wrench is manually applied to the socket for measuring the axial force of the bolt of the present invention, the socket body has a locking portion which fits into the tightening opening of the spanner or the torque wrench. May be formed. Further, in the case of a drive type application, an engagement means adapted to a rotation transmitting shaft of a torque wrench may be provided at one end of the socket body. And in the latter case, a torque wrench provided with a socket for measuring a bolt axial force is configured.

【0012】さらに、本発明のボルト軸力計はボルト軸
力の測定用ソケットの圧電素子に対して、外部に配置さ
れた超音波送受信装置及び測定系ユニットがそれぞれ電
気的に接続されることによって構成され、これに伴なっ
て、前記超音波送受信装置から同時送信された縦波及び
横波超音波が締付けボルトの頭部からネジ部の先端に伝
播し、帰還した受信波を前記測定系ユニットにより解析
して、前記締付けボルトに負荷された軸応力値を計測で
きるようにしたものである。この場合、前記測定系ユニ
ットは、波形解析ユニット、波形メモリ−内蔵の波形モ
ニタ−、ディスプレ−、プリンタ−及びパソコンから構
成されるが、両超音波の伝播時間から軸力関数の音速変
化式を導き、これによって軸応力を演算処理することも
可能である。
Further, in the bolt axial force meter of the present invention, the ultrasonic transmitting / receiving apparatus and the measuring system unit disposed outside are electrically connected to the piezoelectric element of the socket for measuring the bolt axial force. Along with this, longitudinal waves and shear waves transmitted simultaneously from the ultrasonic transmitting and receiving device propagate from the head of the tightening bolt to the tip of the screw portion, and the returned received wave is returned by the measurement system unit. By analyzing, an axial stress value applied to the fastening bolt can be measured. In this case, the measurement system unit includes a waveform analysis unit, a waveform memory, a built-in waveform monitor, a display, a printer, and a personal computer. It is also possible to calculate and thereby calculate the axial stress.

【0013】[0013]

【発明実施の形態】以下、本発明ボルト軸力の測定用ソ
ケット及びトルクレンチ並びにボルト軸力計における一
実施例について、図を参照しながら説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of a bolt axial force measuring socket, a torque wrench and a bolt axial force meter according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0014】図1は、本発明ボルト軸力の測定用ソケッ
トを概念的に示す断面図であって、締結用のブロック1
上に配置された被締結物2は、頭部分3a及びねじ部分
3bを有する締付けボルト3によって固定されている。
そして、この締付けボルト3は、図示しないスパナ及び
測定用ソケット4によって固定されるが、そのねじ部分
3bが被締結物2の取付け穴2aから嵌挿され、ブロッ
ク1のねじ穴1aにねじ込まれる。
FIG. 1 is a sectional view conceptually showing a socket for measuring a bolt axial force according to the present invention.
The workpiece 2 arranged above is fixed by a tightening bolt 3 having a head portion 3a and a screw portion 3b.
The tightening bolt 3 is fixed by a spanner (not shown) and a measuring socket 4. The screw portion 3 b is inserted through the mounting hole 2 a of the workpiece 2 and screwed into the screw hole 1 a of the block 1.

【0015】ところで、前記ボルト軸力の測定用ソケッ
ト4は、図2で示されるように、ソケット本体5の外側
部分には、手動式で利用される係止部6が形成され、図
示しないスパナ又はトルクレンチの締付け開口部に適合
するようになっている。また、ソケット本体5の一端に
は、締付けボルト3の頭部分3aに適合する受入れ穴7
が形成され、この受入れ穴7の奥側には、図3で明示さ
れる超音波センサ−8が配置されている。
As shown in FIG. 2, the socket 4 for measuring the axial force of the bolt has a locking portion 6 which is manually used on the outer portion of the socket body 5, and is provided with a spanner (not shown). Or, it is adapted to fit the tightening opening of the torque wrench. In one end of the socket body 5, a receiving hole 7 that fits the head portion 3a of the tightening bolt 3 is provided.
The ultrasonic sensor 8 shown in FIG. 3 is disposed behind the receiving hole 7.

【0016】前記超音波センサ−8は、その本体内部に
は、基板状の圧電素子9、超音波の減衰を制御し、圧電
素子9を固定する例えばポリマ−質からなるダンパ−1
0などが組込まれている。この圧電素子9は、縦波及び
横波の超音波を同時送信できるように構成され、例えば
ペロブスカイト型結晶構造を有する(Ti,Zr)Pb
3 もしくはTiPb03 などの酸化物やポリ塩化ビニ
リデン(PVDF)などのポリマ−からなる。そして、
同時送信は、例えば、圧電素子9が縦波発生用の圧電ド
メイン及び横波発生用の圧電ドメインの二種類が均一に
分極することにより達成される。ここで、ドメインと
は、粒子の集合をいい、普通10〜100μmの大きさ
をもっているものである。そして、圧電素子9には、リ
−ド線11を経て同軸ケ−ブル12がスリップリング1
3に向って延びている。
The ultrasonic sensor 8 has a substrate-shaped piezoelectric element 9 in its main body and a damper 1 made of, for example, a polymer for controlling the attenuation of the ultrasonic wave and fixing the piezoelectric element 9.
0 etc. are incorporated. The piezoelectric element 9 is configured to simultaneously transmit longitudinal and transverse ultrasonic waves, and has, for example, (Ti, Zr) Pb having a perovskite crystal structure.
0 3 or TiPb0 oxide and polyvinylidene chloride such as 3 (PVDF) polymers such as - consists. And
Simultaneous transmission is achieved, for example, by the piezoelectric element 9 uniformly polarizing two types of piezoelectric domains, one for generating longitudinal waves and the other for generating transverse waves. Here, the domain refers to a set of particles, and usually has a size of 10 to 100 μm. Further, a coaxial cable 12 is connected to the piezoelectric element 9 via a lead wire 11 and a slip ring 1.
3 towards.

【0017】また、前記ソケット本体5の外周部位に
は、静止部材14が配置され、この静止部材14に備え
られた同軸ケ−ブル15の一端が前記スリップリング1
3に接続され、他端が図5で示される外部配置の超音波
送受信装置31及び測定系ユニット32が電気的に接続
される。なお、前記スリップリング13は、通常固定ブ
ラシと組合せて回転導体及び固定導体の間を連続的、電
気的に接続する導電回転リングを意味するが、回転摺動
時のノイズ発生や利得の減少を極力防止するためには水
銀使用のものが好適する。また、前記静止部材14は、
ソケット本体5との間に適宜の軸受16,17を介在さ
せることにより静止状態が保持される。この場合、静止
部材14が軽量である場合、共回りすることがあるの
で、重りを付与するなどの配慮が必要である。
A stationary member 14 is disposed on the outer peripheral portion of the socket body 5. One end of a coaxial cable 15 provided on the stationary member 14 is connected to the slip ring 1.
3 and the other end is electrically connected to the externally arranged ultrasonic transmission / reception device 31 and the measurement system unit 32 shown in FIG. The slip ring 13 generally means a conductive rotating ring that continuously and electrically connects the rotating conductor and the fixed conductor in combination with a fixed brush. In order to prevent as much as possible, it is preferable to use mercury. The stationary member 14 is
The stationary state is maintained by interposing appropriate bearings 16 and 17 between the socket body 5 and the socket body 5. In this case, if the stationary member 14 is lightweight, the stationary member 14 may co-rotate, so that consideration must be given to giving a weight.

【0018】さらに、圧電素子9は、前記締付けボルト
3の頭部分3aに対して、直接的に密着することが好ま
しく、例えば0.01 kg/mm3 以下の一定圧力で負荷され
る。なお、圧電素子9の間接的な密着では、図示しない
接触媒質を介在させる必要があり、接触媒質としては、
グリセリン系の粘性流動体、蜂蜜、さらには無水機械油
等が選択され、例えば噴霧状態で塗布される。
Further, it is preferable that the piezoelectric element 9 is in direct contact with the head portion 3a of the tightening bolt 3, and is applied with a constant pressure of, for example, 0.01 kg / mm 3 or less. Note that indirect adhesion of the piezoelectric element 9 requires the interposition of a couplant (not shown).
A glycerin-based viscous fluid, honey, and anhydrous mechanical oil are selected and applied, for example, in a spray state.

【0019】縦波の超音波及び横波の超音波は、各周波
数が0.5〜30MHzの範囲内、好ましく1〜10M
Hzの範囲内で設定される。周波数が0.5MHz未満
では、波形がブロ−ドになって精密計測を不能にし、3
0MHzをこえると、圧電素子8が薄くなって破損を起
こしたり、縦波と横波の同時伝播ができなくなったりす
るからである。なお、ウェブレット波数は、締付けボル
ト3の弾性変形に伴なう位相変化を防止するため5波以
内が好ましい。
Each of the longitudinal ultrasonic wave and the transverse ultrasonic wave has a frequency within a range of 0.5 to 30 MHz, preferably 1 to 10 MHz.
It is set within the range of Hz. If the frequency is less than 0.5 MHz, the waveform becomes a broadband, making precise measurement impossible.
If the frequency exceeds 0 MHz, the piezoelectric element 8 becomes thin and may be damaged, or the longitudinal wave and the transverse wave cannot be simultaneously propagated. The wavelet wave number is preferably within 5 waves in order to prevent a phase change accompanying the elastic deformation of the tightening bolt 3.

【0020】また、前記超音波センサ−8の本体部分1
8は、例えば、SUS304からなる永久磁石により構
成され、この結果、締付けボルト3を吸着して圧接の均
一性から精密計測を常時確保できる。なお、電磁石を適
用したときは、図示しない鉄心を介してN極及びS極が
同心円状に設けるようにすればよい。
Further, the main body portion 1 of the ultrasonic sensor-8
Numeral 8 is constituted by, for example, a permanent magnet made of SUS304, and as a result, the fastening bolt 3 is attracted to ensure accurate measurement at all times from the uniformity of the pressure contact. When an electromagnet is applied, the N pole and the S pole may be provided concentrically via an iron core (not shown).

【0021】図4は、本発明ボルト軸力の測定用ソケッ
トにおける他の実施例を概念的に示す断面図であり、同
一部分に同一符号を付して説明する。図1との大きな相
違点は、ボルト軸力の測定用ソケット1が図示しない駆
動源及びラチェット機構19を有するトルクレンチ20
に着脱されることにある。そして、ソケット本体5に
は、回転伝達用のシャフト部21に適合する係合手段2
2が構成される。この係合手段22としては、例えば係
合穴22a及びピンb22bが適用される。
FIG. 4 is a sectional view conceptually showing another embodiment of the socket for measuring the axial force of the bolt according to the present invention. The major difference from FIG. 1 is that the socket 1 for measuring the axial force of the bolt is a torque wrench 20 having a drive source (not shown) and a ratchet mechanism 19.
To be attached to and detached from. Then, the socket body 5 has an engaging means 2 which fits the shaft section 21 for rotation transmission.
2 are configured. As the engagement means 22, for example, an engagement hole 22a and a pin b22b are applied.

【0022】なお、このトルクレンチ20は、図示のよ
うな駆動式に限らず、図1で適用可能な手動式でもよい
ことは勿論である。また、トルク表示を備えた場合で
は、ボルト軸力との関係が明瞭になり、適切な締付けを
可能にする。
The torque wrench 20 is not limited to the driving type shown in the figure, but may be a manual type applicable to FIG. In the case where the torque display is provided, the relationship with the bolt axial force becomes clear, and appropriate tightening is enabled.

【0023】駆動式のトルクレンチ20の回転機構とし
ては、例えばサポート軸23に対して、一対のベベルギ
ヤ24,25を取付けた構造のものが示されている。ま
た前記静止部材14は、同軸ケーブル15側には、重り
を配慮しているとともに静止部材14及びソケット本体
5間には、共回りしないように上下に位置する軸受26
及び中間に位置する軸受27がそれぞれ配置されてい
る。したがって、このように構成では、ボルト軸力の測
定用ソケット1を着脱可能に備えたトルクレンチ20が
構成される。
As the rotating mechanism of the drive type torque wrench 20, a structure in which a pair of bevel gears 24 and 25 are attached to a support shaft 23 is shown, for example. In addition, the stationary member 14 has a bearing 26 on the coaxial cable 15 side, in which weight is taken into consideration and a bearing 26 which is positioned vertically between the stationary member 14 and the socket body 5 so as not to rotate together.
And a bearing 27 located in the middle. Therefore, in such a configuration, the torque wrench 20 including the socket 1 for measuring the axial force of the bolt in a detachable manner is configured.

【0024】これに対し、図5は、本発明ボルト軸力計
を概念的に示した説明図であり、ボルト軸力の測定用ソ
ケット1には、超音波送受信装置31及び測定系ユニッ
ト32が電気的に接続されている。この場合、前記測定
系ユニット32は、波形解析ユニット33、波形メモリ
−内蔵の波形モニタ−34、ディスプレ−35、プリン
タ−36及びパソコン37から構成されている。
On the other hand, FIG. 5 is an explanatory view conceptually showing the bolt axial force meter of the present invention. In the socket 1 for measuring the bolt axial force, an ultrasonic transmitting / receiving device 31 and a measuring system unit 32 are provided. It is electrically connected. In this case, the measurement system unit 32 includes a waveform analysis unit 33, a waveform monitor-built-in waveform monitor 34, a display 35, a printer 36, and a personal computer 37.

【0025】しかして、前記締付けボルト3には、例え
ばBNCコネクタ−、RS232C(いずれも図示せ
ず)に接続される前記同軸ケ−ブル12,15を利用し
て、圧電素子9から縦波の超音波及び横波の超音波が同
時発信される。そして、測定系ユニット32の波形モニ
タ−34によって得られた波形からは、締付けボルト3
の頭部3aからネジ部分3bに至るまでの縦波及び横波
の両超音波における往復の伝播時間が精密計測され、こ
れを基にしてパソコン37から締付けボルト3に負荷さ
れた軸応力値が瞬時に演算処理される。この演算処理時
間は、通常0.2秒以下であり、短時間で正確なボルト
軸力が計測できるようになる。したがって、正確なボル
ト軸力の管理により、例えばエンジン部品の締結では、
ボルト穴数を減少させることが可能となり、製品全体の
コスト減になる。また、橋梁部の吊り鋼線やプラント締
結部及び汎用機械構造部品の定期保守、点検にも利用で
きるものである。
The clamping bolt 3 is provided with a longitudinal wave from the piezoelectric element 9 by using the coaxial cables 12 and 15 connected to, for example, a BNC connector and RS232C (both not shown). Ultrasonic waves and transverse ultrasonic waves are transmitted simultaneously. From the waveform obtained by the waveform monitor 34 of the measurement system unit 32, the fastening bolt 3
The reciprocating propagation time of both longitudinal and transverse ultrasonic waves from the head 3a to the screw portion 3b of the head 3a is precisely measured, and based on this, the axial stress value applied to the tightening bolt 3 from the personal computer 37 is instantaneously calculated. Is calculated. This calculation processing time is usually 0.2 seconds or less, and accurate bolt axial force can be measured in a short time. Therefore, by accurate management of the bolt axial force, for example, when fastening engine parts,
The number of bolt holes can be reduced, and the cost of the entire product is reduced. It can also be used for periodic maintenance and inspection of suspended steel wires at bridges, plant fastening parts and general-purpose mechanical structural parts.

【0026】また、図6(a)〜(c)は、図5で適用
した前記超音波センサ−8による超音波パルスのタイム
チャ−トである。ここで、図6(a)では受信信号3
8、図6(b)ではウィンド−ゲ−トの出力信号39、
図6(c)ではゼロクロス検出器の出力信号40がそれ
ぞれ示されている。
FIGS. 6A to 6C are time charts of the ultrasonic pulse by the ultrasonic sensor 8 applied in FIG. Here, in FIG.
8, FIG. 6 (b) shows a window gate output signal 39,
FIG. 6C shows the output signal 40 of the zero-cross detector.

【0027】さらに、図7(a)は、締付けボルト4に
おける引張り軸力負荷前後の伸びの関係を示したもの
で、特に軸力負荷前の初期長さLO が軸力負荷後には△
l伸びて、その結果、負荷後の長さがLになった状態が
示されている。これに対し、図7(b)では締付けボル
ト4に軸力が負荷されていないときの縦波及び横波の伝
播時間tlO,tsoがそれぞれ示され、図7(c)では締
付けボルト4に軸力が負荷されたときの縦波及び横波の
両超音波における伝播時間tl,tsがそれぞれ示されて
いる。
FIG. 7 (a) shows the relationship between the elongation of the tightening bolt 4 before and after the application of the tensile axial force. In particular, the initial length L 0 before the application of the axial force is △ after the application of the axial force.
1 shows a state in which the length after loading has become L as a result. On the other hand, FIG. 7B shows the propagation times t lO and t so of the longitudinal wave and the transverse wave when the axial force is not applied to the tightening bolt 4, and FIG. Propagation times t l and t s of longitudinal and transverse ultrasonic waves when an axial force is applied are shown, respectively.

【0028】一方、個々のボルトの軸力Fに対して、縦
波超音波及び横波超音波の音速変化率から以下の式が与
えられる。ここで、VlO,Vsoは、個々のボルト材料の
無荷重の縦波、横波の初期音速、Vl ,Vsは、軸力負
荷時の縦波超音波、横波超音波の音速、al,asは、
音速変化に関する係数である。 Vl =VlO−al・F (1) Vs=Vso−as・F (2)
On the other hand, for the axial force F of each bolt, the following equation is given from the rate of change of sound velocity of longitudinal ultrasonic waves and transverse ultrasonic waves. Here, V 10 and V so are the initial sound speeds of the unloaded longitudinal and transverse waves of the individual bolt materials, and V l and V s are the sound velocities of the longitudinal and transverse ultrasonic waves when the axial force is applied, al , As
This is a coefficient relating to the change in sound speed. V l = V lO −al · F (1) V s = V so −as · F (2)

【0029】(1)及び(2)式から、軸力F下の長さ
Lとして、 L=(VlO−al・F)tl=(Vso−as・F)・ts (3) が得られ、軸力Fは初期長さLO を用いず、t・とts
の同時計測により、 F=(VlO・tl−Vso・ts)/(as・ts−al・tl) (4) となる。したがって、VlO,Vso,al,asを予め測
定しておけば、tl及びtsの同時計測により、正確な
軸力Fが算出できる。
From the equations (1) and (2), the length L under the axial force F is given by the following equation: L = (V 10 −al · F) t 1 = (V so −as · F) · ts (3) And the axial force F does not use the initial length L 0, and t · and ts
Simultaneous measurement of, F = a (V lO · tl-V so · ts) / (as · ts-al · tl) (4). Therefore, if V lO , V so , al, and as are measured in advance, an accurate axial force F can be calculated by simultaneous measurement of tl and ts.

【0030】具体的には、tlとtsの関数として、軸
力Fをサブル−チン法にて計算するのであるが、二次元
のグラフとして表記する関係上tlとtsとの比ts/
tlを用いてボルトの軸力Fを図8に図示する。
More specifically, the axial force F is calculated by the subroutine method as a function of tl and ts. The ratio ts / ts between tl and ts is represented by a two-dimensional graph.
FIG. 8 shows the axial force F of the bolt using tl.

【0031】この結果、図8では、ボルト軸力の特性図
が二次元のグラフとして、tl及びtsの比ts/tl
の関数が示される。また、この特性図中の直線は、前記
パソコン37中に予めインプットされれば検量線にな
り、所定荷重における真の軸力が検出できる。
As a result, in FIG. 8, the characteristic diagram of the bolt axial force is a two-dimensional graph, and the ratio ts / tl of tl and ts is shown.
Is shown. The straight line in this characteristic diagram becomes a calibration curve if it is input into the personal computer 37 in advance, and a true axial force at a predetermined load can be detected.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、ソケッ
ト本体5に設けられたボルト頭部3aの受入れ穴7の奥
側には、基板状をなす圧電素子9がボルト頭部3aに密
着するように配置され、しかも、この圧電素子9が縦波
及び横波の超音波を同時送信できるように構成している
ものである。したがって、縦波及び横波の両超音波の同
時発信によって、ボルト頭部3aからねじ部4bに至る
往復の伝播時間を測定分析でき、精密なボルトの軸力が
計測できるという利点を有する。また、本発明のボルト
軸力計は、測定系ユニット32のパソコン37によって
締付けボルト3の軸応力値が周期的に、しかも迅速に演
算処理できるという利点を有する。さらに、本発明のボ
ルト軸力計は、縦波超音波及び横波超音波の伝播時間か
ら軸力関数の音速変化式を導けば、より正確な軸力値が
計測できるという利点を有する。
As described above, according to the present invention, the piezoelectric element 9 in the form of a substrate is in close contact with the bolt head 3a behind the receiving hole 7 of the bolt head 3a provided in the socket body 5. And the piezoelectric element 9 is configured to be able to simultaneously transmit longitudinal and transverse ultrasonic waves. Therefore, there is an advantage that the simultaneous transmission of both the longitudinal wave and the transverse wave makes it possible to measure and analyze the reciprocating propagation time from the bolt head 3a to the screw portion 4b, and to accurately measure the axial force of the bolt. Further, the bolt axial dynamometer of the present invention has an advantage that the axial stress value of the tightening bolt 3 can be calculated periodically and quickly by the personal computer 37 of the measuring system unit 32. Further, the bolt axial force meter of the present invention has an advantage that a more accurate axial force value can be measured by deriving a sound speed change formula of an axial force function from propagation times of longitudinal ultrasonic waves and transverse ultrasonic waves.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明ボルト軸力の測定用ソケットにおける
一実施例を示す概念的な断面図。
FIG. 1 is a conceptual sectional view showing one embodiment of a socket for measuring a bolt axial force according to the present invention.

【図2】 図1の一部平面図。FIG. 2 is a partial plan view of FIG. 1;

【図3】 超音波センサ−を示す概念的な断面図。FIG. 3 is a conceptual sectional view showing an ultrasonic sensor.

【図4】 本発明ボルト軸力の測定用ソケットにおける
他の実施例を示す概念的な断面図。
FIG. 4 is a conceptual sectional view showing another embodiment of the bolt axial force measuring socket of the present invention.

【図5】 本発明ボルト軸力計の一実施例を示す概念的
な説明図。
FIG. 5 is a conceptual explanatory view showing an embodiment of the bolt axial force meter of the present invention.

【図6】 図5で適用した超音波センサ−による超音波
パルスのタイムチャ−トであり、(a)は受信信号を示
すタイムチャ−ト、(b)はウィンド−ゲ−トの出力信
号を示すタイムチャ−ト、(c)はゼロクロス検出器の
出力信号を示タイムチャ−ト。
FIG. 6 is a time chart of an ultrasonic pulse by the ultrasonic sensor applied in FIG. 5, (a) is a time chart showing a received signal, and (b) is an output signal of a wind gate. A time chart, (c) is a time chart showing an output signal of the zero cross detector.

【図7】 締付けボルトにおける引張り軸力負荷前後の
伸び及び縦波及び横波超音波の伝播時間の関係を示した
た説明図であって、(a)は初期長さLO が軸力負荷後
に△・伸びて、負荷後の長さがLになった状態の正面
図、(b)は締結ボルトに軸力が負荷されていないとき
の縦波及び横波の伝播時間tlO,tsoをそれぞれ示した
タイムチャ−ト、(c)では締結ボルトに軸力が負荷さ
れたときの縦波及び横波の両超音波における伝播時間t
l,tsをそれぞれ示したチャ−ト。
FIGS. 7A and 7B are explanatory diagrams showing the relationship between the elongation of the tightening bolt before and after the application of the tensile axial force and the propagation time of the longitudinal and transverse ultrasonic waves, wherein FIG. -A front view in a state in which the length after the load has become L after being extended, and (b) shows the propagation times t lO and t so of the longitudinal wave and the transverse wave when no axial force is applied to the fastening bolt, respectively. In the time chart shown in FIG. 3C, the propagation time t in both longitudinal and transverse ultrasonic waves when an axial force is applied to the fastening bolt.
l, tea showed the t s, respectively - door.

【図8】 ボルト軸力の特性図。FIG. 8 is a characteristic diagram of a bolt axial force.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

l ブロック 2 被締結物 3 締付けボルト 4 測定用ソケット 5 ソケット本体 6 係止部 7 受入れ穴 8 超音波センサ− 9 圧電素子 10 ダンパ− 11 リ−ド線 12,15 同軸ケ−ブル 13 スリップリング 14 静止部材 16,17 軸受 18 センサ−本体 19 ラチェット機構 20 トルクレンチ 21 シャフト部 22 係合手段 23 サポ−ト軸 24,25 ベベルギャ 26,27 軸受 31 超音波送受信装置 32 測定系ユニット 33 波形解析ユニット 34 モニタ− 35 ディスプレ− 36 プリンタ− 37 パソコン 38 受信信号 39 ウィンド−ゲ−トの出力信号 40 ゼロクロス検出器の出力信号 1 Block 2 Workpiece 3 Tightening bolt 4 Socket for measurement 5 Socket body 6 Locking portion 7 Receiving hole 8 Ultrasonic sensor 9 Piezoelectric element 10 Damper 11 Lead wire 12, 15 Coaxial cable 13 Slip ring 14 Stationary member 16, 17 Bearing 18 Sensor body 19 Ratchet mechanism 20 Torque wrench 21 Shaft part 22 Engaging means 23 Support shaft 24, 25 Bevel gear 26, 27 Bearing 31 Ultrasonic transceiver 32 Measurement system unit 33 Waveform analysis unit 34 Monitor 35 Display 36 Printer 37 Personal computer 38 Received signal 39 Wind-gate output signal 40 Zero-cross detector output signal

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ソケット本体5は、スパナ又はトルクレ
ンチによって回動可能で、その外周部位には静止部材1
4が配置され、その一端には締付けボルト3の頭部3a
に適合する受入れ穴7が形成されるとともに、この受入
れ穴7の奥側には、超音波センサ−8が組込まれるよう
にしたボルト軸力の測定用ソケットであって、 前記超音波センサ−8は、センサ−本体5内に設けられ
た基板状をなす圧電素子9がボルト頭部3aに密着する
ように配置され、しかも縦波及び横波の超音波を同時送
信できるように構成されており、 前記静止部材14に備えられた外部接続の同軸ケ−ブル
15は、スリップリング13を介して圧電素子9から延
びる同軸ケ−ブル12に電気的に接続されていることを
特徴とするボルト軸力の測定用ソケット。
1. A socket body 5 is rotatable by a spanner or a torque wrench.
4, one end of which is provided with a head 3a of the tightening bolt 3.
A receiving hole 7 conforming to the above is formed, and a socket for measuring a bolt axial force into which an ultrasonic sensor 8 is incorporated is provided at the back side of the receiving hole 7, wherein the ultrasonic sensor 8 Is configured such that a substrate-shaped piezoelectric element 9 provided in the sensor main body 5 is disposed so as to be in close contact with the bolt head 3a, and is capable of transmitting longitudinal and transverse ultrasonic waves simultaneously. An externally connected coaxial cable 15 provided on the stationary member 14 is electrically connected to the coaxial cable 12 extending from the piezoelectric element 9 via a slip ring 13. Measuring socket.
【請求項2】 前記圧電素子9は、縦波発生用の圧電ド
メイン及び横波発生用の圧電ドメインの二種類で構成さ
れていることを特徴とするボルト軸力の測定用ソケッ
ト。
2. A bolt axial force measuring socket, wherein the piezoelectric element 9 is composed of two types of piezoelectric domains for generating longitudinal waves and piezoelectric domains for generating transverse waves.
【請求項3】 前記ソケット本体には、スパナ、トルク
レンチに対する手動用の係止部6又は回転伝達用の係合
手段22が形成されている請求項1又は請求項2記載の
ボルト軸力の測定用ソケット。
3. The bolt axial force according to claim 1, wherein the socket main body is provided with a manual locking portion 6 for a wrench or a torque wrench or an engagement means 22 for transmitting rotation. Measurement socket.
【請求項4】 前記ソケット本体5の一端部には、トル
クレンチの回転伝達用のシャフト部21に適合する係合
手段22を構成することにより、ボルト軸力の測定用ソ
ケットが備えられるようにしたことを特徴とするトルク
レンチ。
4. One end of the socket body 5 is provided with an engagement means 22 which is adapted to a shaft portion 21 for transmitting rotation of a torque wrench so that a socket for measuring a bolt axial force is provided. Torque wrench characterized by doing.
【請求項5】 前記ボルト軸力の測定用ソケット1の圧
電素子9に対して、外部に配置された超音波送受信装置
31及び測定系ユニット32がそれぞれ電気的に接続さ
れることによって構成され、これに伴なって、前記超音
波送受信装置31から同時送信された縦波及び横波超音
波が締付けボルト3の頭部3aからネジ部3bの先端に
伝播し、帰還した受信波を前記測定系ユニット32によ
り解析して、前記締付けボルト3に負荷された軸応力値
を計測できるようにしたことを特徴とするボルト軸力
計。
5. An ultrasonic transmission / reception device 31 and a measurement system unit 32 disposed outside are electrically connected to the piezoelectric element 9 of the socket 1 for measuring the axial force of the bolt, respectively. Along with this, longitudinal waves and transverse waves transmitted simultaneously from the ultrasonic transmission / reception device 31 propagate from the head 3a of the tightening bolt 3 to the tip of the screw portion 3b, and return the received wave to the measurement system unit. 32. A bolt axial force meter characterized by being able to analyze by 32 and measure an axial stress value applied to the tightening bolt 3.
【請求項6】 前記測定系ユニット32は、波形解析ユ
ニット33、波形メモリ−内蔵の波形モニタ−34、デ
ィスプレ−35、プリンタ−36及びパソコン37から
構成されている請求項5記載のボルト軸力計。
6. The bolt axial force according to claim 5, wherein the measurement system unit comprises a waveform analysis unit, a waveform monitor having a built-in waveform memory, a display, a printer, and a personal computer. Total.
【請求項7】 前記測定系ユニット32は、両超音波の
伝播時間から軸力関数の音速変化式を導き、これによっ
て軸応力を演算処理する請求項5又は請求項6記載のボ
ルト軸力計。
7. The bolt axial force meter according to claim 5, wherein the measurement system unit 32 derives a sound velocity change formula of an axial force function from the propagation times of the two ultrasonic waves, and thereby calculates the axial stress. .
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