JP2001141706A - ボルト軸力測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一本の校正用ボルトで長さ及び断面積が異な
っても同じ材質の全てのボルトの軸力測定を可能にする
ボルト軸力測定装置を提供する。 【解決手段】 ボルト１の軸方向に沿って超音波を伝搬
させるための超音波発信源２と、上記ボルトの軸方向に
沿って復路伝搬してきた超音波を受信するための超音波
センサ２と、被測定ボルトと同一材質でなる校正用ボル
トと、校正用ボルトの軸方向に沿って超音波発信源から
の超音波を往復伝搬させて上記超音波センサにより受信
することで被測定ボルトの材料定数に関する校正処理を
行い、その結果得られる校正データをもとに被測定ボル
トの軸方向に沿って上記超音波発信源からの超音波を往
復伝搬させて上記超音波センサにより受信することで被
測定ボルトの軸力を測定する測定処理を行う測定装置５
とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波を用いて
ボルトの軸力を測定するボルト軸力測定装置に関するも
ので、特に、ボルトに軸力を負荷しない状態で超音波を
ボルト軸に沿って往復伝搬させたときの往復伝播時間
と、ボルトに軸力を負荷した状態で超音波をボルト軸に
沿って往復伝搬させたときの往復伝播時間との差からボ
ルトの軸力を測定する方式を採用したボルト軸力測定装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種のボルト軸力測定方法とし
ては、文献［１］（滝下他著，”超音波によるボルト軸
力管理”，配管技術，Vol.31，Ｎo.8，p.91〜95，198
9）に示されたように、ボルトに軸力を負荷しない状態
で超音波をボルト軸に沿って往復伝搬させたときの往復
伝播時間と、ボルトに軸力を負荷した状態で超音波をボ
ルト軸に沿って往復伝搬させたときの往復伝播時間との
差からボルトの軸力を測定する方式を採用したボルト軸
力測定方法が知られている。

【０００３】図６は上述したボルト軸力測定方法を説明
する図である。図６において、１は被測定対象のボル
ト、２は超音波発信源、３は超音波センサであり、図６
において、超音波発信源２と超音波センサ３は同一のも
のである。

【０００４】上記構成において、超音波発信源３から送
信された超音波は、ボルト１の軸方向に沿ってボルト１
の内部を伝搬し、ボルト１の超音波発信源２を装着して
いる側の反対側の終端面において反射され、さらにボル
ト１の軸方向に沿って伝播した後、超音波センサ３によ
り受信される。このときの超音波が往復するのに要する
伝播時間を、ボルト１に軸力を負荷した場合（ボルト締
結時）と負荷しない場合においてそれぞれ測定し、測定
データに対してボルト温度に関する補正をかけた後、軸
力が求められる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のような軸力測定
方法では、ボルト１の材質や長さ及び断面積によって軸
力が変わるため、その校正が必要であり、被測定対象の
ボルト１と材質のみならず長さや断面積も同じである校
正用ボルトを逐次試作し、ボルトが大型な場合には被測
定対象のボルト１と同じ材質で小型の校正用ボルトを試
作している。このような方法を用いると、測定対象であ
るボルト１と同じ数だけの校正用ボルトが必要であり、
測定に要する費用と時間が膨大になるという問題があっ
た。

【０００６】一本の校正用ボルトで同じ材質の全てのボ
ルトの軸力測定を可能にする軸力測定方法、及びそのよ
うな軸力測定装置が存在すれば、測定に要する費用と時
間を大幅に削減することが可能になるが、そのような方
法及び装置は過去に存在しなかった。

【０００７】この発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、一本の校正用ボルトで長さ及び断面積が異なっても
同じ材質の全てのボルトの軸力測定を可能にするボルト
軸力測定装置を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係るボルト軸
力測定装置は、ボルトの軸方向に沿って超音波を伝搬さ
せるための超音波発信源と、上記ボルトの軸方向に沿っ
て復路伝搬してきた超音波を受信するための超音波セン
サと、被測定ボルトと同一材質でなる校正用ボルトと、
上記校正用ボルトの軸方向に沿って上記超音波発信源か
らの超音波を往復伝搬させて上記超音波センサにより受
信することで被測定ボルトの材料定数に関する校正処理
を行い、その結果得られる校正データをもとに被測定ボ
ルトの軸方向に沿って上記超音波発信源からの超音波を
往復伝搬させて上記超音波センサにより受信することで
被測定ボルトの軸力を測定する測定処理を行う測定手段
とを備えたことを特徴とするものである。

【０００９】また、上記測定手段は、被測定ボルトの温
度と長さ及び断面積に関し校正処理を行うことを特徴と
するものである。

【００１０】また、上記測定手段は、校正処理時に、上
記校正用ボルトに軸力を負荷しない状態で超音波をボル
ト軸に沿って往復伝搬させたときの無負荷伝播時間の温
度特性を測定し、音速の温度係数を変化させながら上記
校正用ボルトの無負荷伝播時間の温度特性を計算し、当
該校正用ボルトの無負荷伝播時間の温度特性の測定値と
計算値との差が最も小さくなる時の音速の温度係数を求
めると共に、上記校正用ボルトの温度を所定の温度に設
定し、上記校正用ボルトの無負荷伝播時間を測定し、上
記校正用ボルトの締付時の伝播時間と軸力の関係を測定
し、上記校正用ボルトの無負荷伝播時間を規準温度に換
算した値、及び校正用ボルトの締付時の伝播時間を規準
温度に換算した値を求め、校正用ボルトの無負荷伝播時
間を規準温度に換算した値と、校正用ボルトの締付時の
伝播時間を規準温度に換算した値との差を求め、校正用
ボルトの無負荷伝播時間を規準温度に換算した値と校正
用ボルトの締付時の伝播時間を規準温度に換算した値と
の差と、校正用ボルトに与えた軸力Ｆ及び断面積の関係
から軸応力係数を求めることを特徴とするものである。

【００１１】また、上記測定手段は、校正処理時に、温
度を変化させながら上記校正用ボルトの無負荷グリップ
長と音速を測定し、測定された温度における校正用ボル
トの無負荷グリップ長と規定温度における無負荷グリッ
プ長とに基づいて上記校正用ボルトの熱膨張係数を求
め、測定された温度における校正用ボルトにおける音速
と規定温度での校正用ボルトにおける音速とに基づいて
上記校正用ボルトにおける音速の温度係数を求め、求め
られた校正用ボルトの熱膨張係数と音速の温度係数及び
規定温度における校正用ボルトの無負荷伝搬時間に基づ
いて校正用ボルトの無負荷伝搬時間の温度特性の計算値
を得ることを特徴とするものである。

【００１２】さらに、上記測定手段は、測定処理時に、
被測定ボルトに軸力を負荷しない状態で超音波をボルト
軸に沿って往復伝搬させたときの無負荷伝播時間を求
め、上記被測定ボルトに軸力を負荷した状態での締付時
の伝播時間を求め、上記被測定ボルトの無負荷伝播時間
を規準温度に換算した値を求め、上記被測定ボルトの締
付時の伝播時間を規準温度に換算した値を求め、上記被
測定ボルトの無負荷伝播時間を規準温度に換算した値
と、被測定ボルトの締付時の伝播時間を規準温度に換算
した値との差を求め、上記被測定ボルトの無負荷伝播時
間を規準温度に換算した値と被測定ボルトの締付時の伝
播時間を規準温度に換算した値との差と、上記校正処理
時に求められた軸応力係数とに基づいて被測定ボルトの
軸力を求めることを特徴とするものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】実施の形態１．この発明の実施の
形態１に係るボルト軸力測定装置について図１から図３
を参照しながら説明する。図１はこの発明の実施の形態
１に係るボルト軸力測定装置の構成を示すブロック図で
ある。図１において、１は被測定対象となるボルト、２
は超音波発信源、３は超音波センサであり、図１におい
て、超音波発信源２と超音波センサ３は同一のものであ
る。４は被測定対象のボルト１を締付るためのナットで
あり、ボルト軸力測定装置は、超音波発信源２、超音波
センサ３、及び測定装置５を備えている。

【００１４】ここで、２つのナット４によって締め付け
られたボルト１の２つのナット４の間の距離をグリップ
長と呼ぶ。また、軸力が負荷されていない状態（無締結
時）でのグリップ長を無負荷グリップ長、軸力が負荷さ
れた状態（締結時）でのグリップ長を締付時のグリップ
長と呼ぶ。２つのナット４を用いて、図示はしない被締
付物であるボルト１を締付ると、グリップ長間には軸力
が負荷される。

【００１５】また、上記超音波発信源２と上記超音波セ
ンサ３は同一のものであり、被測定対象のボルト１の表
面上に当てて置かれている。図１では、超音波発信源２
がボルト１に直接接触している場合を図示しているが、
ボルト１の軸方向に超音波を伝播させられるものであれ
ば良く、この目的が達成できるならば、超音波発信源２
がボルト１に直接接触していなくても構わない。

【００１６】また、図１では、超音波センサ３がボルト
１に直接接触している場合を図示しているが、ボルト１
の軸に沿って伝搬してきた超音波を受信できるものであ
れば良く、この目的が達成できるならば、超音波センサ
３がボルト１に直接接触していなくても構わない。ま
た、超音波発信源２及び超音波センサ３により送受され
る超音波は、縦波超音波でも横波超音波でもよい。

【００１７】また、この発明において用いる超音波はパ
ルスであり、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、ある一
定の繰り返し周期で繰り返して発生される。このパルス
としては、図２（ａ）に示すように、ある一定のキャリ
ア周波数を有するパルスでも良いし、また、図２（ｂ）
に示すように、継続時間が有限な振動波形でも良いし、
さらに、図２（ｃ）に示すように、複数個のＤＣサブパ
ルス波形からなるパルスでも良い。

【００１８】通常、超音波は、人間の耳に聞こえない程
度に高い周波数の音波や弾性波を指す言葉として使われ
るが、この発明では、周波数は特に規定しないものとす
る。すなわち、この発明における「超音波」という文言
には、人間の耳で聞こえる周波数の上限の限界よりも高
い周波数の音波や弾性波に限らず、この上限よりも低い
周波数の音波や弾性波も含めた波という意味を含んでお
り、無論、人間の耳で聞こえる周波数の下限の限界より
も低い周波数の音波や弾性波という意味も含む。

【００１９】また、図１において、測定装置５は、送信
部５１と、受信部５２と、信号処理部５３と、報知手段
としての表示部５４と制御部５５とを含み、制御部５５
は、送信部５１、受信部５２、信号処理部５３、表示部
５４に接続されていて、これらの動作を制御するための
制御信号を逐次送受してこれらの動作を司る。また、超
音波発信源２及び超音波センサ３は、送信部５１及び受
信部５２に接続されている。受信部５２は信号処理部５
３に接続されている。信号処理部５３は表示部５４に接
続されている。

【００２０】なお、この発明のボルト軸力測定装置を用
いて、被測定対象のボルト１の軸力の測定を行うには、
被測定対象のボルト１と同一材質でなる図示しない校正
用ボルトを用いて被測定対象のボルト１の無負荷グリッ
プ長、断面積等に関する校正を行う必要がある。以下、
被測定ボルトを１ａとし、校正用ボルトを１ｂとして表
記する。そして、測定装置５の制御部５５は、上述の校
正を行うチャネルと、被測定ボルト１ａの軸力の測定を
行うチャネルの２つのチャネルを有し、校正処理と測定
処理を行う。

【００２１】また、校正用ボルト１ｂは、被測定ボルト
１ａと材質が同じものであればよく、長さ、断面積は異
なるものであっても構わない。また、校正時における温
度と被計測ボルトの軸力を測定する際の温度は異なって
いても構わない。

【００２２】制御部５５には、上述の校正を行うチャネ
ルと、被測定ボルト１ａの軸力の測定を行うチャネルと
を切り替えるスイッチが含まれる。また、被測定ボルト
１ａの無負荷グリップ長、被測定ボルト１ａの断面積、
被測定ボルト１ａの温度、校正用ボルト１ｂの無負荷グ
リップ長、校正用ボルト１ｂの断面積、校正用ボルト１
ｂの温度、校正用ボルト１ｂの熱膨張係数が入力され
る。

【００２３】ここで、以下において用いる、伝播時間、
無負荷伝播時間、及び締付時の伝播時間を、図３を用い
て説明する。図３（ａ）は、上述した伝播時間という文
言を説明するための図である。図３（ａ）において、６
は超音波の伝播経路である。以下における伝播時間と
は、超音波が、超音波発信源２から被測定ボルト１ａも
しくは校正用ボルト１ｂ内に入射し、被測定ボルト１ａ
もしくは校正用ボルト１ｂの軸方向に沿って伝搬し、被
測定ボルト１ａもしくは校正用ボルト１ｂの超音波発信
源２を配置した側の反対側の終端面で反射され、再び被
測定ボルト１ａもしくは校正用ボルト１ｂの軸方向に沿
って伝搬し、超音波センサ３によって受信されて受信信
号を受信するまでの時間、つまり、超音波が図３（ａ）
における伝播経路６を伝搬するのに要する時間である。

【００２４】また、以下において、軸力を負荷しない状
態において、被測定ボルト１ａ及び校正用ボルト１ｂの
軸に沿って超音波を伝播させたときの伝播時間を、無負
荷伝播時間と呼ぶ。また、軸力を負荷した状態におい
て、被測定ボルト１ａ及び校正用ボルト１ｂの軸に沿っ
て超音波を伝播させたときの伝播時間を、締付時の伝播
時間と呼ぶ。図３（ｂ）は、無負荷伝播時間、及び締付
時の伝播時間を表したものであり、図３（ｂ）に示すよ
うに、締付時の伝播時間は、無負荷伝播時間と比較して
長くなる。

【００２５】次に、図１に示したボルト軸力測定装置に
係る動作について説明する。まず、上述した、被測定ボ
ルト１ａの無負荷グリップ長、温度、断面積等に関する
校正を行う。この校正処理について、図４に示す制御部
５５の制御フローチャートを用いて説明する。校正処理
においては、まず、温度ｋを変化させながら、温度ｋに
おける校正用ボルト１ｂの無負荷グリップ長Ｌ_kを測定
し、規準温度をｎとし、規準温度ｎにおける校正用ボル
ト１ｂの無負荷グリップ長をＬ_nとし、次式（１）によ
り熱膨張係数βを求める（ステップＳ１０１）。

【００２６】

【数１】

【００２７】次に、校正を行うチャネルにするという情
報と、熱膨張係数βと、校正用ボルト１ｂの無負荷グリ
ップ長とを制御部５５に入力する（ステップＳ１０
２）。

【００２８】そして、温度ｋを変化させながら、各温度
ｋにおいて、送信部５１から電気信号である送信信号を
超音波発信源２に送り、超音波発信源２から超音波を送
信する。超音波は、校正用ボルト１ｂの軸方向に沿って
伝搬し、校正用ボルト１ｂの超音波発信源２を配置した
側の反対側の面で反射され、さらに、校正用ボルト１ｂ
の軸方向に沿って伝搬し、超音波センサ３により受信さ
れる。受信された超音波は、超音波センサ３により電気
信号である受信信号に変換され、受信部５２に送られた
後、信号処理部５３に送られる。

【００２９】このようにして、信号処理部５３におい
て、校正用ボルト１ｂの無負荷伝播時間Ｔ_kの温度特性
が測定される（ステップＳ１０３）。各温度ｋにおける
校正用ボルト１ｂの無負荷伝播時間は、図示はしない
が、信号処理部５３に含まれるメモリに格納される。な
お、以下においても、被測定ボルト１ａ及び校正用ボル
ト１ｂの伝播時間の測定は、上述したものと同様の動作
により行われる。

【００３０】一方、校正用ボルト１ｂの無負荷伝播時間
Ｔ_kの温度特性の計算式は、規準温度ｎにおける校正用
ボルト１ｂの無負荷伝播時間をＴ_nとし、音速の温度係
数をγとして、次式（２）で与えられる。なお、規準温
度ｎは、任意に決めてよく、校正用ボルト１ｂの無負荷
伝播時間Ｔ_kを測定する際の、ある測定温度ｋを規準温
度に決めればよい。

【００３１】

【数２】

【００３２】ここで、温度係数γは、規準温度での校正
用ボルト１ｂにおける音速をＶ_nとし、温度ｋでの校正
用ボルトにおける音速をＶ_kとして、熱膨張係数βの測
定と同様にして次式（３）で与えられる値である。

【００３３】

【数３】

【００３４】そして、信号処理部５３において、熱膨張
係数βを式（２）に代入し、音速の温度係数γを変化さ
せながら、式（２）で与えられた校正用ボルト１ｂの無
負荷伝播時間の温度特性を計算し（ステップＳ１０
４）、メモリに格納した校正用ボルト１ｂの無負荷伝播
時間の温度特性の測定値にフィッティングをかけ、校正
用ボルト１ｂの無負荷伝播時間の温度特性の計算値と測
定値との差が最も小さくなる時の音速の温度係数γを求
めることから、音速の温度係数γを得る（ステップＳ１
０５）。

【００３５】次に、校正用ボルト１ｂの温度ｋ'をある
温度に設定し、この温度ｋ'と校正用ボルト１ｂの断面
積Ｓを制御部５５に入力する（ステップＳ１０６）。

【００３６】そして、温度ｋ'における校正用ボルト１
ｂの無負荷グリップ長Ｌ_k'を測定する。これにより、被
測定ボルト１ａの軸力を測定するための長さに関する校
正が完了した。

【００３７】次に、上述したステップＳ１０３と同様に
して、校正用ボルト１ｂの無負荷伝播時間Ｔ_k'を測定す
る（ステップＳ１０７）。そして、校正用ボルト１ｂの
温度を一定値ｋ'に保った状態で、校正用ボルト１ｂに
軸力Ｆを与え、この値を変化させながら、締付時の伝播
時間Ｔ’_k'と軸力Ｆの関係を測定する（ステップＳ１０
８）。

【００３８】そして、信号処理部５３において、校正用
ボルト１ｂの無負荷伝播時間Ｔ_k'を規準温度ｎに換算し
た値Ｔ_n、及び校正用ボルト１ｂの締付時の伝播時間
Ｔ’_k'を規準温度ｎに換算した値Ｔ_n’を求める（ステ
ップＳ１０９）。校正用ボルト１ｂの締付時の伝播時間
Ｔ’_k'を規準温度ｎに換算した値Ｔ_n’は、次式（４）
で与えられる。

【００３９】

【数４】

【００４０】また、校正用ボルト１ｂの無負荷伝播時間
Ｔ_k'を規準温度ｎに換算した値Ｔ_nは、次式（５）で与
えられる。

【００４１】

【数５】

【００４２】そして、信号処理部５３において、校正用
ボルト１ｂの締付時の伝播時間Ｔ’ _k'を規準温度ｎに換
算した値Ｔ_n’と、校正用ボルト１ｂの無負荷伝播時間
Ｔ_k'を規準温度ｎに換算した値Ｔ_nの差、Ｔ_n’−Ｔ_nを
計算する（ステップＳ１１１）。以上により、被測定ボ
ルト１ａの軸力を測定するための温度に関する校正が完
了した。

【００４３】次に、信号処理部５３において、軸応力係
数Ａを以下の手順で求める。校正用ボルト１ｂの軸力Ｆ
の計算式は、軸応力係数をＡとし、校正用ボルト１ｂの
断面積をＳとし、Ｔ_n’−Ｔ_nとを用いて、次式（６）で
与えられる。

【００４４】

【数６】

【００４５】したがって、Ｔ_n’−Ｔ_nと校正用ボルト１
ｂに与えた軸力Ｆの関係から、次式（７）により軸応力
係数Ａを求める（ステップＳ１１２）。

【００４６】

【数７】

【００４７】以上により、被測定ボルト１ａの軸力を測
定するための面積に関する校正が完了した。なお、式
（７）の軸応力係数Ａは、断面積と温度の両方の校正に
係る値である。

【００４８】次に、校正において求められた、熱膨張係
数β、音速の温度係数γ、及び軸応力係数Ａの各値のデ
ータは、校正用ボルト１ｂの無負荷グリップ長Ｌ_k'、校
正用ボルト１ｂの断面積Ｓ、及び軸応力係数Ａを求めた
際の校正用ボルト１ｂの温度ｋ’のデータとともに、信
号処理部５３に含まれているメモリに格納される（ステ
ップＳ１１２）。以上により、被測定ボルト１ａの軸力
を測定するのに必要な校正が完了した。

【００４９】次に、被測定ボルト１ａの軸力の測定を行
う。この測定処理について、図５に示す制御部５５の制
御フローチャートを用いて説明する。まず、始めに、制
御部５５に、被測定ボルト１ａの軸力の測定を行うチャ
ネルに切り替えるという情報と、被測定ボルト１ａの無
負荷グリップ長と、被測定ボルト１ａの断面積と、被測
定ボルト１ａの温度ｋ”とが入力される（ステップＳ２
０１）。

【００５０】そして、被測定ボルト１ａに軸力を負荷し
ていない状態で、送信部５１から電気信号である送信信
号を超音波発信源２に送り、超音波発信源２から超音波
パルスを送信する。超音波パルスは、被測定ボルト１ａ
の軸方向に沿って伝搬し、被測定ボルト１ａの超音波発
信源２を配置した側の反対側の面で反射され、さらに被
測定ボルト１ａの軸方向に沿って伝搬し、超音波センサ
３により受信される。受信された超音波パルスは、超音
波センサにより電気信号である受信信号に変換され、受
信部５２に送られた後、信号処理部５３に送られる。こ
のようにして、信号処理部５３において、被測定ボルト
１ａの無負荷伝播時間Ｔ_mk"が測定される（ステップＳ
２０２）。

【００５１】次に、被測定ボルト１ａに軸力を負荷した
状態で、送信部５１から電気信号である送信信号を超音
波発信源２に送り、超音波発信源２から超音波パルスを
送信する。超音波パルスは、被測定ボルト１ａの軸方向
に沿って伝搬し、被測定ボルト１ａの超音波発信源２を
配置した側の反対側の面で反射され、さらに被測定ボル
ト１ａの軸方向に沿って伝搬し、超音波センサ３により
受信される。受信された超音波パルスは、超音波センサ
により電気信号である受信信号に変換され、受信部５２
に送られた後、信号処理部５３に送られる。このように
して、信号処理部５３において、被測定ボルト１ａの締
付時の伝播時間Ｔ’_mk"が測定される（ステップＳ２０
３）。

【００５２】そして、信号処理部５３において、被測定
ボルト１ａの無負荷伝播時間Ｔ_mk"を規準温度ｎに換算
した値Ｔ_mnを、次式（８）により求める（ステップＳ２
０４）。

【００５３】

【数８】

【００５４】次に、信号処理部５３において、被測定ボ
ルト１ａの締付時の伝播時間Ｔ’_{mk "}を規準温度ｎに換
算した値Ｔ’_mnを、次式（９）により求める（ステップ
Ｓ２０５）。

【００５５】

【数９】

【００５６】その後、信号処理部５３において、被測定
ボルト１ａの軸力Ｆ_mが、被測定ボルトの無負荷グリッ
プ長をＬ_mk"、被測定ボルト１ａの断面積をＳ_mとして、
次式（１０）で与えられる（ステップＳ２０６）。

【００５７】

【数１０】

【００５８】以上により、温度と長さに関して校正され
た被測定ボルト１ａの軸力Ｆ_mが求められた。測定結果
は、信号処理部５３から表示部５４に送られ、表示部５
４により表示される。

【００５９】この発明の実施の形態１においては、従来
とは異なり、被測定ボルト１ａの軸力の測定において、
温度だけでなく、長さ（グリップ長）と断面積とに対す
る校正をも行っているので、校正に用いる校正用ボルト
１ｂを１本用意すれば、校正用ボルト１ｂと同じ材質の
全ての被測定ボルト１ａの軸力の測定に関する校正を行
うことができ、ボルト軸力の測定の現場に必要な校正に
必要な校正用ボルト１ｂの数を減らすことができる。こ
れにより、校正用ボルト１ｂの作成に要する費用を削減
できるばかりでなく、校正を容易にし、校正に要する時
間を少なくできるという効果をも有する。

【００６０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、ボル
トの軸方向に沿って超音波を伝搬させるための超音波発
信源と、上記ボルトの軸方向に沿って復路伝搬してきた
超音波を受信するための超音波センサと、被測定ボルト
と同一材質でなる校正用ボルトと、上記校正用ボルトの
軸方向に沿って上記超音波発信源からの超音波を往復伝
搬させて上記超音波センサにより受信することで被測定
ボルトの材料定数に関する校正処理を行い、その結果得
られる校正データをもとに被測定ボルトの軸方向に沿っ
て上記超音波発信源からの超音波を往復伝搬させて上記
超音波センサにより受信することで被測定ボルトの軸力
を測定する測定処理を行う測定手段とを備えたので、一
本の校正用ボルトで長さ及び断面積が異なっても同じ材
質の全てのボルトの軸力測定を可能にすることができ、
校正用ボルトの作成に要する費用を削減できるばかりで
なく、校正を容易にし、校正に要する時間を少なくでき
るという効果をも有する。

【００６１】また、上記測定手段は、被測定ボルトの温
度と長さ及び断面積に関し校正処理を行うようにしたの
で、温度と長さ及び断面積に関し的確な校正処理を行う
ことができる。

【００６２】また、上記測定手段は、校正処理時に、上
記校正用ボルトに軸力を負荷しない状態で超音波をボル
ト軸に沿って往復伝搬させたときの無負荷伝播時間の温
度特性を測定し、音速の温度係数を変化させながら上記
校正用ボルトの無負荷伝播時間の温度特性を計算し、当
該校正用ボルトの無負荷伝播時間の温度特性の測定値と
計算値との差が最も小さくなる時の音速の温度係数を求
めると共に、上記校正用ボルトの温度を所定の温度に設
定し、上記校正用ボルトの無負荷伝播時間を測定し、上
記校正用ボルトの締付時の伝播時間と軸力の関係を測定
し、上記校正用ボルトの無負荷伝播時間を規準温度に換
算した値、及び校正用ボルトの締付時の伝播時間を規準
温度に換算した値を求め、校正用ボルトの無負荷伝播時
間を規準温度に換算した値と、校正用ボルトの締付時の
伝播時間を規準温度に換算した値との差を求め、校正用
ボルトの無負荷伝播時間を規準温度に換算した値と校正
用ボルトの締付時の伝播時間を規準温度に換算した値と
の差と、校正用ボルトに与えた軸力Ｆ及び断面積の関係
から軸応力係数を求めるようにしたので、的確な校正処
理により軸応力係数を求めることができる。

【００６３】また、上記測定手段は、校正処理時に、温
度を変化させながら上記校正用ボルトの無負荷グリップ
長と音速を測定し、測定された温度における校正用ボル
トの無負荷グリップ長と規定温度における無負荷グリッ
プ長とに基づいて上記校正用ボルトの熱膨張係数を求
め、測定された温度における校正用ボルトにおける音速
と規定温度での校正用ボルトにおける音速とに基づいて
上記校正用ボルトにおける音速の温度係数を求め、求め
られた校正用ボルトの熱膨張係数と音速の温度係数及び
規定温度における校正用ボルトの無負荷伝搬時間に基づ
いて校正用ボルトの無負荷伝搬時間の温度特性の計算値
を得るようにしたので、校正処理時における校正用ボル
トの無負荷伝搬時間の温度特性の計算値を容易に得るこ
とができる。

【００６４】さらに、上記測定手段は、測定処理時に、
被測定ボルトに軸力を負荷しない状態で超音波をボルト
軸に沿って往復伝搬させたときの無負荷伝播時間を求
め、上記被測定ボルトに軸力を負荷した状態での締付時
の伝播時間を求め、上記被測定ボルトの無負荷伝播時間
を規準温度に換算した値を求め、上記被測定ボルトの締
付時の伝播時間を規準温度に換算した値を求め、上記被
測定ボルトの無負荷伝播時間を規準温度に換算した値
と、被測定ボルトの締付時の伝播時間を規準温度に換算
した値との差を求め、上記被測定ボルトの無負荷伝播時
間を規準温度に換算した値と被測定ボルトの締付時の伝
播時間を規準温度に換算した値との差と、上記校正処理
時に求められた軸応力係数とに基づいて被測定ボルトの
軸力を求めるようにしたので、校正処理時に求められた
軸応力係数を用いて被測定ボルトの軸力を容易に求める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１によるボルト軸力測
定装置の構成を示す模式図である。

【図２】 この発明の実施の形態１によるボルト軸力測
定装置の動作を説明するための波形図である。

【図３】 この発明の実施の形態１によるボルト軸力測
定装置の動作を説明するための説明図である。

【図４】 この発明の実施の形態１によるボルト軸力測
定装置の制御部５５の校正処理動作を説明するためのフ
ローチャートである。

【図５】 この発明の実施の形態１によるボルト軸力測
定装置の制御部５５の測定処理動作を説明するためのフ
ローチャートである。

【図６】 従来例に係るボルト軸力測定方法を説明する
ための構成図である。

【符号の説明】

１ａ 被測定ボルト、１ｂ 校正用ボルト、２ 超音波
発信源、３ 超音波センサ、４ ナット、５ 送受信装
置、５１ 送信部、５２ 受信部、５３ 信号処理部、
５４ 表示部、５５ 制御部、６ 伝播経路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和高 修三 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 小池 光裕 神奈川県鎌倉市上町屋214番地 湘菱電子 株式会社内 (72)発明者 田中 良秀 神奈川県鎌倉市上町屋214番地 湘菱電子 株式会社内 Ｆターム(参考） 2G047 AC07 BC00 BC02 GF06 GG30 GG36 GG43 GJ22 2G061 BA20 CA01 CB13 EA10 EB03 EB08 EC09

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボルトの軸方向に沿って超音波を伝搬さ
   せるための超音波発信源と、 上記ボルトの軸方向に沿って復路伝搬してきた超音波を
   受信するための超音波センサと、 被測定ボルトと同一材質でなる校正用ボルトと、 上記校正用ボルトの軸方向に沿って上記超音波発信源か
   らの超音波を往復伝搬させて上記超音波センサにより受
   信することで被測定ボルトの材料定数に関する校正処理
   を行い、その結果得られる校正データをもとに被測定ボ
   ルトの軸方向に沿って上記超音波発信源からの超音波を
   往復伝搬させて上記超音波センサにより受信することで
   被測定ボルトの軸力を測定する測定処理を行う測定手段
   とを備えたことを特徴とするボルト軸力測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のボルト軸力測定装置に
   おいて、上記測定手段は、被測定ボルトの温度と長さ及
   び断面積に関し校正処理を行うことを特徴とするボルト
   軸力測定装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載のボルト軸力測定装置に
   おいて、 上記測定手段は、校正処理時に、 上記校正用ボルトに軸力を負荷しない状態で超音波をボ
   ルト軸に沿って往復伝搬させたときの無負荷伝播時間の
   温度特性を測定し、 音速の温度係数を変化させながら上記校正用ボルトの無
   負荷伝播時間の温度特性を計算し、 当該校正用ボルトの無負荷伝播時間の温度特性の測定値
   と計算値との差が最も小さくなる時の音速の温度係数を
   求めると共に、 上記校正用ボルトの温度を所定の温度に設定し、 上記校正用ボルトの無負荷伝播時間を測定し、 上記校正用ボルトの締付時の伝播時間と軸力の関係を測
   定し、 上記校正用ボルトの無負荷伝播時間を規準温度に換算し
   た値、及び校正用ボルトの締付時の伝播時間を規準温度
   に換算した値を求め、 校正用ボルトの無負荷伝播時間を規準温度に換算した値
   と、校正用ボルトの締付時の伝播時間を規準温度に換算
   した値との差を求め、 校正用ボルトの無負荷伝播時間を規準温度に換算した値
   と校正用ボルトの締付時の伝播時間を規準温度に換算し
   た値との差と、校正用ボルトに与えた軸力Ｆ及び断面積
   の関係から軸応力係数を求めることを特徴とするボルト
   軸力測定装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載のボルト軸力測定装置に
   おいて、 上記測定手段は、校正処理時に、 温度を変化させながら上記校正用ボルトの無負荷グリッ
   プ長と音速を測定し、 測定された温度における校正用ボルトの無負荷グリップ
   長と規定温度における無負荷グリップ長とに基づいて上
   記校正用ボルトの熱膨張係数を求め、 測定された温度における校正用ボルトにおける音速と規
   定温度での校正用ボルトにおける音速とに基づいて上記
   校正用ボルトにおける音速の温度係数を求め、 求められた校正用ボルトの熱膨張係数と音速の温度係数
   及び規定温度における校正用ボルトの無負荷伝搬時間に
   基づいて校正用ボルトの無負荷伝搬時間の温度特性の計
   算値を得ることを特徴とするボルト軸力測定装置。
5. 【請求項５】 請求項３または４に記載のボルト軸力測
   定装置において、 上記測定手段は、測定処理時に、 被測定ボルトに軸力を負荷しない状態で超音波をボルト
   軸に沿って往復伝搬させたときの無負荷伝播時間を求
   め、 上記被測定ボルトに軸力を負荷した状態での締付時の伝
   播時間を求め、 上記被測定ボルトの無負荷伝播時間を規準温度に換算し
   た値を求め、 上記被測定ボルトの締付時の伝播時間を規準温度に換算
   した値を求め、 上記被測定ボルトの無負荷伝播時間を規準温度に換算し
   た値と、被測定ボルトの締付時の伝播時間を規準温度に
   換算した値との差を求め、 上記被測定ボルトの無負荷伝播時間を規準温度に換算し
   た値と被測定ボルトの締付時の伝播時間を規準温度に換
   算した値との差と、上記校正処理時に求められた軸応力
   係数とに基づいて被測定ボルトの軸力を求めることを特
   徴とするボルト軸力測定装置。