JP2002500752A - 荷重支持部材における超音波測定への曲げの影響を最少化する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 応力を加えられるときに変形するようにされた荷重支持部材（１０）を備える荷重表示装置が提供される。超音波が荷重支持部材の一方の端部の方向へ向けられ、超音波反射波が超音波送信及び受信装置によって同じ端部で受信される。１つの実施形態においては、超音波が荷重支持部材の頭部（１２）又は反対側の端部（１４）のいずれかに配置された超音波トランスデューサ（１８）を使用して送信及び受信される。頭部、端部、シャンク（１３）又はその組み合わせが超音波測定における荷重支持部材の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少させるように輪郭形成されている。モデルを含む方法がさらに提供され、このモデルによって、荷重支持部材の輪郭形成される表面の好適な幾何形状が設計され得る。さらに、超音波測定において荷重支持部材の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少させるように荷重支持部材の少なくとも一方の端部（１２、１４）又はシャンク（１３）を輪郭形成することを含む荷重支持部材を作成する方法、及び、正確で信頼性のある超音波荷重測定を提供する荷重支持部材の輪郭形状を同定する方法が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】 荷重支持部材における超音波測定への曲げの影響を最少化する方法 技術分野 本発明は組み立て及び検査時の締結具における荷重測定及び制御に関し、詳細 には、非対称な（引張又は「曲げ」）応力の超音波引張荷重測定の信頼性及び精 度への影響を減少させる締結具設計と、その締結具設計を最適化する方法とに関 する。 背景技術 （締結具のような）荷重支持部材で引張荷重を測定するために超音波を使用す る方法及び装置が多数存在する。詳細には、超音波技術が、設置時に又は検査の 目的で、（ボルトのような）締結具における引張荷重の正確な測定を提供するた めに使用されることができる。これらの技術が従来技術において文書で示されて いる。さらに、欠陥を検出するため、及び、締結具及び他の荷重支持部材におけ る他の非破壊評価を目的として、超音波を使用する技術が文書で示されてきた。 これらの技術全ての成功は評価中の部品内からの反射波信号を確実に検出するこ とに依存している。 幾つかの特許は荷重支持部材における応力を測定するためのパルス反射技術の 使用を記載している。（カウチマン（Ｃｏｕｃｈｍａｎ）に発行された）米国特 許第４２９４１２２号は、音響トランスデューサが頭部又は螺刻された端部に設 けられている締結具を開示している。音響トランスデューサが予圧測定を達成す るため及び締結具の改善された品質管理検査を提供するために使用される。トラ ンスデューサへのばね負荷された電気接続を備える動力駆動レンチ がパルス反射測定システムに電気的に接続されている。米国特許第４２９４１２ ２号はさらに予圧応力を測定するためのパルス反射技術を開示している。この方 法は、２組の反射波が締結具の長さを進行する時間を測定することを含み、一方 の組の反射波は予圧前に測定され、他方の組の反射波はトルクが締結具に加えら れているときに測定される。次に、材料定数Ｍと、グリップ長さδと、直径Ｄと 、締結具における応力分布に関する補正をする経験的なパラメータαと、反射波 の進行時間における時間差ΔＴとを知ることによって、締結具予圧の正確な測定 を達成するために、以下の公式を使用することによって応力Ｓが測定されること ができる。 Ｓ＝（Ｍ／（δ＋αＤ））×ΔＴ パルス反射時間測定技術を開示している他の特許が（ボリス（Ｖｏｒｉｓ）ら に発行された）米国特許第４４７１６５７号である。米国特許第４４７１６５７ 号は引張荷重部材の長さ及びこの部材における応力を測定する装置及び方法を開 示している。この方法は、同じ振動数を有するが所定の位相差を有する２つの信 号が荷重支持部材の長さを進行するのにかかる時間を測定することと、進行時間 が長くなったことを検出することと、位相差に関する補償を行うことと、時間間 隔データを受け取り、締結具長さにおける変化又は荷重支持部材へ加えられた応 力への正確な換算をするようにそのデータを処理するために知的処理制御手段を 使用することとを含んでいる。装置は、荷重支持部材と永久的又は一時的に接触 している超音波トランスデューサを備える。 （ホルト（Ｈｏｌｔ）に発行された）米国特許第４６０２５１１号は、荷重支 持部材における応力を決定するために長手方向波及び横断方向波の両方の飛行時 間を使用する方法を教示している。米国特許第４６０２５１１号は、荷重支持部 材が零応力作用下のときに は超音波測定をすることを必要としない。逆に、ホルトは、締結具の長さと無関 係である、したがって、既に引張力作用下である締結具において引張応力を測定 するために使用されることが可能である、応力計算用の公式を提供している。好 適な実施態様は飛行時間測定のために位相検出を使用している。５〜１０ＭＨｚ で約２０〜１００周期が送信されて、送信されて反射された信号が合計され、振 動数が１８０°位相外れの弱め合う干渉又は零になるように調節される。ホルト はさらに代替実施態様として既に開示された飛行時間測定技術を記述している。 （マキノらに発行された）米国特許第３９１８２９４号は、ボルトにおける軸 線方向応力を測定する方法を記載している。強制振動を生じさせるために、超音 波がボルトに加えられて、２つの異なる固有振動数がボルトにおいて測定され、 その内の１つの振動数はボルトが軸力をほとんど受けていない又は全く受けてい ないときに測定され、第二の振動数はボルトが軸線方向応力を加えられていると きに測定される。第一及び第二の振動数の間の変化の比又はその差が得られ、軸 方向応力と変化の比又は差とに関する較正データと比較される。 超音波荷重測定はボルト止めされたジョイントにおける荷重を決定するための 正確な測定技術である。取り外し可能な超音波トランスデューサに関するパルス 反射技術が研究室において３０年以上の間品質管理のために使用されてきた。し かしながら、歴史的に、信頼性のある音響結合器を達成すること及びツールドラ イブ（工具駆動装置）にトランスデューサを組み込むことにおける実際の難しさ はこの技術が一般的な組み立て締め付け策となることを妨げている。（キブルホ ワイト（Ｋｉｂｂｌｅｗｈｉｔｅ）に発行された）米国特許第４８４６００１号 は薄いピエゾ電気ポリマフィルムの使用 を教示しており、このフィルムが永久的、機械的且つ音響的に部材の上部表面に 結合されており、超音波技術によって部材の長さ、引張荷重、応力、又は他の引 張荷重に係わる特性を決定するために使用される。この発明は、性能、製造の容 易性、製造費用の点で従来の技術の状態を上回る顕著な進歩を果たさせたけれど も、この構成のトランスデューサに関しては不利点がある。これらの不利点は環 境的な性能、詳細には、その利用を限定するポリマ材料の最大温度限界と、接着 剤で締結具に固定されているトランスデューサが動くようになって重要な組立体 に障害を引き起こす又は損傷を与える可能性とに関する。 これらの不利点が、ウルトラファスト社（Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｉｎｃ．）で 開発され且つ詳細にはキブルホワイト（Ｋｉｂｂｌｅｗｈｉｔｅ）に発行されて ウルトラファスト社に譲渡された米国特許第５１３１２７６号に開示されている 永久トランスデューサ技術によって克服された。米国特許第５１３１２７６号は 、超音波トランスデューサを有する荷重表示部材を教示しており、この荷重表示 部材は締結具表面に直接成長させられた音響電気フィルムを備える。締結具に直 接音響電気フィルムを成長させることによって、フィルムが機械的、電気的、及 び音響的に締結具表面と相互接続される。この進歩は正確なパルス反射荷重測定 技術が製品組み立てにおいて使用されることを可能とさせるだけでなく、取り外 し可能なトランスデューサのボルトに対する軸線方向及び半径方向の運動及び結 合器手段における変動の結果から生じる誤差を除去することによって精度を大き く改善する。 これらの除去される誤差に関して、超音波荷重測定における不正確さの最大の 源は曲げである。ボルトにおける曲げ応力が、（１）成形又は熱処理製造工程の 結果としての僅かな曲がりを有するボル トの締め付け時の「矯正」と、（２）ジョイント座面が平行でないジョイントへ のボルトの締め付けの一方又は両方によって引き起こされ得る。超音波又はビー ムが伝達の軸線に関して非対称である応力が存在する締結具又は他の荷重支持部 材を伝達するとき、幾何的収差及び材料応力の音速への影響の両方によって、ビ ームが方向を変えられる。この状況においては、受信される超音波反射波の振幅 、位相、及び飛行時間は変化し、これらに基づく測定が逆に影響を受けるかもし れない。したがって、従来技術の方法及び装置は締め付け及び普通の操作時に締 結具において誘発される曲げ応力に対する信頼性及び精度の点で影響を受けやす い。 （キブルホワイトに発行された）米国特許第５０２９４８０号は、少なくとも １つの外側溝を有するシャンクと備える荷重表示部材（例えば、締結具）を開示 している。超音波トランスデューサ（好適にはピエゾ電気フィルムトランスデュ ーサ）が、超音波が溝に向かわせられるように、荷重表示部材に結合される。し たがって、溝はトランスデューサによって発生される超音波を反射してトランス デューサへ戻すための面を提供することによって人工的な反射体として働く。ボ ルトの頭部表面が音波信号を人工的な反射体に向かわせるように形成されてもよ い。 従来技術は音響ビームを（人工的な反射体の場合におけるように）特定の反射 表面へ向かわせるように丸みを付けた又は焦点を定めた表面の使用を記述してい るが、締結具曲げの受信される反射波への影響を補正する幾何形状端部又は頭部 成形の使用は考慮されていない。（ハレウックス（Ｈａｌｌｅｕｘ）に発行され た）米国特許第４５６９２２９号は荷重支持部材において応力を測定する方法を 教示しており、この方法はグリップ長さに関して較正する必要性を除去する。こ の方法は反射波が荷重支持部材の上部から人工反射体 へ進行して戻るのにかかる時間を測定する。人工的な反射体は、荷重支持部材に 軸線方向、半径方向、又は軸線方向及び半径方向両方のボア穴又は孔を構成する 。ボルトでの移動時間はボルトにおける応力に依存している。 従来の締結具設計の（特に曲げに関する）欠点を克服するために、新規の締結 具設計が提供される。さらに、その設計を決定する方法が提供される。本発明の 主要な目的は、荷重支持部材における幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少 させることによって荷重支持部材におけるより正確で信頼性のある超音波測定を 行う方法を提供することである。関連する目的は、本発明の方法を使用すること によって、曲げ応力が存在する場合に、大幅に優れたロバスト性を有する超音波 反射を提供する締結具を提供することである。 発明の開示 これら及び他の目的を達成するため、この目的を考慮して、本発明は、応力が 加えられると、変形するようにされた荷重支持部材を備える荷重表示装置を提供 する。超音波が荷重支持部材の一方の端部へ向けられ、超音波反射が超音波送信 及び受信装置によって同じ端部で受信される。１つの実施形態においては、超音 波が荷重支持部材の頭部又は反対側の端部のどちらかに配置されたトランスデュ ーサを備える荷重支持部材を通るように方向を向けられる。頭部、端部、シャン ク、又はその組み合わせの一部分が荷重支持部材における幾何的変動及び非対称 な応力の超音波測定への影響を減少させるような形状又は輪郭に形成されている 。１つの実施形態においては、荷重支持部材の一方又は両方の端部が概略球面に 輪郭形成されている。他の実施形態においては、締結具のシャンクが、１つ又は それ以上の環状リングが超音波反射波を締結具の頭部の円錐状溝へ 反射するための反射体を形成するように輪郭形成されている。 さらに、モデルを含む方法が提供され、このモデルによって荷重支持部材の輪 郭形成される表面の好適な幾何形状が同定されることができる。さらに、荷重支 持部材における幾何的変動及び非対称な応力の超音波測定への影響を減少させる ために荷重支持部材の少なくとも一方の端部を輪郭形成することを含む荷重支持 部材を作成する方法が提供される。 前出の概要説明及び以下の詳細な説明は両方とも本発明の例示的なものであり 、限定するものではないことが理解されるべきである。 図面の簡単な説明 添付の図面と共に読まれたとき以下の詳細な説明により本発明が理解される。 図１は、ほぼ平坦な頭部端部表面（ヘッド）と平坦な螺刻された端部表面（端 部）とを有する代表的なねじ付き締結具である。 図２は、締結具が曲げを受けていないときの図１に示される締結具における超 音波の経路を示す。 図３は、締結具が曲げを受けているときの図１に示される締結具における超音 波の経路を示す。 図４は、非平行結合表面から曲げを受けているボルトを示す。 図５は、単純引張を加えられたボルトにおける引張応力及び圧縮応力の線（及 びジョイントにおける主圧縮応力の線）を示す。 図６は、ボルトにおける引張強さの大きさを示し、ボルト計算でよく採られる 簡単化された図を採用している。 図７はボルトの軸線に平行な４つの線に沿った引張応力の図である。 図８は、締結具の各主要部分を表すために円柱要素を使用している締結具のモ デルを示している。 図９は、締結具のシャンクをモデル化するために使用されるような円柱要素へ の曲げの影響を示す。 図９Ａは、鋼における音波の飛行時間（Δｔ／ｔ）の変化率対ひずみ率Ｅ（Δ ｌ／ｌ）のグラフであり、音速（Δｖ／ｖ）及びひずみ（Δｌ／ｌ）の変化の寄 与を示す。 図１０は、反射半径Ｒ_REFと飛行時間半径Ｒ_ZDTのゼロ変化（ゼロΔＴ）によっ て定められる締結具の端部表面輪郭形状を示す。 図１１は、曲げ作用下での直線たわみ及び角度たわみを検証するために使用さ れた修正されたボルトである。 図１２Ａは、ボルトの端部に適用された球面輪郭形状の半径（ｍｍ）の関数と しての超音波で決定された荷重の誤差（％）のグラフであり、頭部に半径７６ｍ ｍである球面輪郭形状を有するウルトラファストボルト（商標）部品番号第６１ ０８８９１３００（Ｍ１０×１．５×７０）で行われた曲げ精度試験の結果から 得られたデータを示している。 図１２Ｂは、ボルトの端部に適用された球面輪郭形状の半径（ｍｍ）の関数と しての第一長手方向反射波Ｌ１及び第二長手方向反射波Ｌ２の振幅減少（％）の グラフであり、頭部に半径７６ｍｍである球面輪郭形状を有するウルトラファス トボルト（商標）部品番号第６１０８８９１３００（Ｍ１０×１．５×７０）で 行われた曲げ精度試験の結果から得られたデータを示している。 図１２Ｃは、ボルトの端部に適用された球面輪郭形状の半径（ｍｍ）の関数と しての第一横断方向反射波Ｔ１及び第二横断方向反射波Ｔ２の振幅減少（％）の グラフであり、頭部に半径７６ｍｍである球面輪郭形状を有するウルトラファス トボルト（商標）部品番号 第６１０８８９１３００（Ｍ１０×１．５×７０）で行われた曲げ精度試験の結 果から得られたデータを示している。 図１２Ｄは、ボルトの端部に適用された球面輪郭形状の半径（ｍｍ）の関数と しての反射波振幅比Ｌ２／Ｌ１及びＴ２／Ｔ１のグラフであり、頭部に半径７６ ｍｍである球面輪郭形状を有するウルトラファストボルト（商標）部品番号第６ １０８８９１３００（Ｍ１０×１．５×７０）で行われた曲げ精度試験の結果か ら得られたデータを示している。 図１２Ｅは、ボルトの端部に加えられた曲げモーメント（Ｎｍ）の関数として のＬ１反射波振幅減少（％）のグラフであり、頭部に半径７６ｍｍである球面輪 郭形状を有するウルトラファストボルト（商標）部品番号第６１０８８９１３０ ０（Ｍ１０×１．５×７０）で行われた曲げ精度試験の結果から得られたデータ を示している。図１２Ｆは、ボルトの端部に加えられた曲げモーメント（Ｎｍ） の関数としてのＴ１反射波振幅減少（％）のグラフであり、頭部に半径７６ｍｍ である球面輪郭形状を有するウルトラファストボルト（商標）部品番号第６１０ ８８９１３００（Ｍ１０×１．５×７０）で行われた曲げ精度試験の結果から得 られたデータを示している。図１３Ａ及び１３Ｂは本発明による締結具設計の好 適な実施態様を示しており、この実施態様においては、締結具の球面頭部半径（ Ｒ_H）と球面端部半径（Ｒ_E）の和は、トランスデューサを有さない締結具の長さ （図１３Ａ）と、トランスデューサが締結具の頭部に永久的に取り付けられてい る締結具の長さ（図１３Ｂ）とに等しい。 図１３Ｃは、球面頭部半径（Ｒ_H）と球面端部半径（Ｒ_E）を有すると共に内部 駆動頭部を有する、本発明による締結具設計の他の実施態様を示す。 図１３Ｄは、締結具の面取りされた端部又は尖った端部の一部分で球面端部半 径（Ｒ_E）を有すると共に、取り外し可能又は永久的に取り付けられたトランス デューサを有する平坦な頭部を有する、本発明による締結具設計の実施態様を示 す。 図１４は、曲げを受けていない締結具に関して、本発明による締結具設計の代 替実施態様を示しており、この実施態様においては、締結具端部は９０度円錐点 を有する。 図１５は、曲げを受けているときの図１４に示される締結具を示す。 図１６は、本発明による締結具の別の代替実施態様を示しており、この実施態 様においては、締結具は頭部及び端部に２つの可能な表面輪郭形状を有する。 図１７は、複数の人工超音波反射体と音をこれらの反射体に向かわせることを 目的とした頭部表面とを備える従来（従来技術）の締結具である。 図１８は、本発明による締結具設計の別の代替実施態様を示しており、この実 施態様においては、締結具は締結具のシャンクに沿って人工超音波反射体を形成 すると共に、締結具の頭部に円錐状溝を形成している。 発明の詳細な説明 ウルトラファスト社で開発され、詳細に上述された米国特許第５１３１２７６ 号において開示されている、永久トランスデューサ技術の導入の前には、締結具 （例えば、ボルト）は単に締め付け機能のために設計されていた。しかしながら 、締結具上に直接成長させられる音響電気フィルムを備える荷重表示部材は、同 荷重表示部材が締め付け具及び荷重センサの両方として働くことを可能とさせた 。締結具の締め付け機能にも締結具の製造費用コストにも影響を与えない軽微な 設計変更を組み入れることによって、荷重測定精度における大きな改善が、特に 過酷な締結具曲げ応力を生じさせる悪適用条件の下において、可能となる。 超音波荷重測定での曲げ応力の影響の分析が以下で示される。その後で、発明 の主体、すなわち、締結具端部表面の幾何形状を最適化するために開発されたモ デルが説明される。本発明のモデルで決定された締結具設計が曲げの作用下での 荷重測定性能を改善して、ジョイントにおける２°の曲げの結果生じる誤差が２ ％全荷重以下となったことが、曲げ試験によって確認されている。 ボルト曲げ 通常、ボルト製造仕様書は、ボルトの頭部の下とシャンクの間の垂直度におい ては１°までの誤差を許容するが、実際には、長いボルトを除いては、０．２° から０．５°までが普通である。最も過酷なボルト曲げ状況は通常は機械加工さ れていない鋳造ジョイント座面で起こる。従来技術は、信頼性及び精度の点で、 締め付け及び普通の操作時に締結具で誘発される曲げ応力の影響を受けやすい。 従来技術は、非対称（曲げ）応力が存在するときに、締結具内から受信される超 音波反射波の振幅及び位相の一貫性を保つための方法をなんら開示していない。 平坦な頭部１２と、平坦な端部１４と、中間シャンク１３とを有する代表的な 締結具１０が図１に示される。シャンク１３は長さの全体又は一部に沿ってねじ 山１５を有してもよい。例えば、締結具１０は、ボルトやスタッドやリベットの ような荷重支持部材であってもよい。超音波荷重測定技術と共に使用するのに適 した従来の締結具設計の場合、図２に示されるように、超音波トランスデューサ １８によって発生させられた超音波１６が単一の反射表面（例えば、端部１４） から反射して直接超音波トランスデューサ１８へ戻る。以下でより十分に述べる ように、当業者は、超音波が締結具を通して伝達されてもよいこと及び超音波反 射波がピエゾ電気トランスデューサ及び電磁トランスデューサやレーザを含む任 意の従来手段によって受信されてもよいことが分かるであろう。トランスデュー サ１８の一方の側から発生させられた波面の部分は、平坦な平行反射表面がある とすれば、同じ経路に沿って戻る。図２においては、超音波１６が締結具１０の 中心長手方向軸線ａに平行に示されている。 図３は矢印２０の方向に曲げ力を受けている締結具１０を示している。曲げ力 は締結具１０の左側に（マイナス記号によって示される）引張応力を減少させら れる領域を生じさせ、締結具１０の右側に（プラス記号によって示される）引張 応力を増加させられる領域を生じさせる。締結具１０が曲げ応力を加えられると 、非対称な半径方向の応力勾配によって、異なる部分の超音波波面１６が異なる 速度で伝達させられる。詳細には、超音波１６は引張張力が減少させられた領域 においてはより速く進み、引張張力が増加させられた領域においてはより遅く進 む。このことは、（長手方向軸線ａに対して）伝達方向に偏向（屈折）を引き起 こさせると共に、超音波１６が超音波トランスデューサ１８によって受信される ときに位相のずれを引き起こさせる。したがって、超音波トランスデューサ１８ による締結具１０における荷重の測定が不正確となるおそれがある。本発明の目 的は、偏向及び位相差の影響を最少に抑えるように超音波１６の方向を向けさせ 、それによって曲げの影響を最少に抑えることである。 ジョイントに挿入されたボルトにおける曲げ応力の主たる原因は 、ねじ立てした穴の軸線に対して平行でない又は垂直でないジョイント座面であ る（ジョイント曲げ角γを示す図４を参照）。実験的な目的のために、装着され たジョイントに角度を付けられた座金を挿入することによって、この状況が研究 室において再現されることができる。ボルトが角度を付けられた座金２２の最大 の影響を受けさせられるためには、ジョイント座面は埋まり込みを最少に抑える ように硬くなくてはならず、ロードセルを含むジョイントは剛性がなくてはなら ない。（規定の高曲げ剛性を有するロードセルを備えるウルトラファスト（Ｕｌ ｔｒａｆａｓｔ）（商標）認定試験ジョイントが試験を行うために使用された。 ） 一般的には、座面が平行でないジョイントにボルトが締め付けられるとき、ボ ルト頭部１２（又はナット２４、これらはどちらも締め付けられる）は大きな制 限力がなければ半径方向に自由に動く。ジョイント逃げ穴は、普通、このような 変動をジョイント公差で合わせるように規定されている。さらに、頭部１２又は ナット２４の回転は結果として座面の半径方向制限摩擦力に垂直な運動を引き起 し、この運動は本質的にこれらの摩擦力を零に減少させる。（この現象は締結具 の振動緩みにおいて起こることとほとんど同じであり、１９６９年１０月８日の ロンドンのオリンピアのアンブラコ・シンポジウムで発表されたＧ．ジャンカー （Ｊｕｎｋｅｒ）の論文「振動作用下での締結具の自己弛緩のための新基準（Ｎ ｅｗｃｒｉｔｅｒｉａ ｆｏｒ ｓｅｌｆ−ｌｏｏｓｉｎｇｏｆ ｆａｓｔｅｎ ｅｒｓ ｕｎｄｅｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）」の２３ページに詳細に記載されて いる）。したがって、分析目的としては、図４に示されるように、角度付き座金 ２２で模擬される非平行なジョイント座面の影響が２つのジョイント座面での単 純曲げモーメントＭ_Bによって近似されることができ、一定の曲げモーメントを 受けているこ れら２つの表面の間にはボルトシャンクの部分がある。 ボルトモデル 超音波１６のトランスデューサ１８によって受信される部分は、主として締結 具１０の中心領域を下に進んでいくので、頭部１２の下の表面の近く又はねじ山 １５における局所的な応力集中は受信される音波への影響がほとんどない。代表 的なボルト応力分布が図５、図６及び図７に示されているが、これらの図はそれ ぞれＪ．ビックフォード（Ｂｉｃｋｆｏｒｄ）の「ボルト締めされたジョイント の設計及び挙動への序論（Ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅ ｄｅｓ ｉｇｎ ａｎｄ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｂｏｌｔｅｄ ｊｏｉｎｔｓ）」（ マーセル・デッカー社（ＭａｒｃｅｌＤｅｋｋｅｒ Ｉｎｃ．）、ニューヨーク 、１９９０年）の１５、１６及び１７ページから複写したものである。 曲げの作用下で締結具１０の挙動（すなわち、応力及びたわみ）に影響を与え る重要なパラメータはボルトシャンクの様々部分の直径（ｄ）と長さ（ｌ）であ る。したがって、分解応力分析及び有限要素応力分析の両方の助けとなる複数の 円柱要素（図８参照）からなる締結具１０の簡単モデルが、分析目的で使用され た。このモデルの主たる制限は、ナット及び頭部部分によるシャンク１３におけ る応力の減少を取り扱うことができないことである。この影響を補正するために 、応力作用下でのボルトの有効長さが増加させられ、ジョイント長さにボルト直 径の幾らか分ｐ（典型的には０．３から０．６まで）を足したものとされた。こ の方法は超音波ボルト伸び計でボルト有効応力長さを見積もるときによく使用さ れる。 超音波測定への影響 曲げは超音波パルス反射波の飛行時間測定に次の５通りの影響を与える。 （ｉ）物理的経路長さがボルトの変形により変化する。 （ｉｉ）音波がボルトの端部における反射表面の角度たわみにより方向を変え られる。 （ｉｉｉ）音波が応力勾配により屈折させられる。 （ｉｖ）音波が曲げにより付加応力を有する領域を進むと、音速が変化する。 （ｖ）トランスデューサによって受信される波面の斜めの入射から位相効果が 生じる。 ボルト変形 締結具１０が曲げモーメントＭ_Bを受けると、一方の側の圧縮応力から反対側 の引張応力へ直線的に変化するシャンク１３の軸線方向応力が締め付けの結果生 じる引張応力へ加わる（図９参照）。締結具１０の各円柱部分は半径Ｒ_Bの弧に 曲がる。ここで、 Ｒ_B＝ＥＩ／Ｍ_B ここで、Ｅは弾性係数であり、Ｉは慣性モーメントであり、円柱の場合には、 Ｉ＝πＤ⁴／６４ ここで、Ｄは円柱部分の直径である。 曲げによる最大付加繊維応力σ_Bは、 σ_B＝ＭＤ／（２１）＝ＥＤ／（２Ｒ_B） である。ボルトを横断する方向の応力変化Δσは２σ_Bであるので、 Δσ＝ＥＤ／Ｒ_B 又は Ｒ_B＝ＥＤ／Δσ である。この円柱要素の端部表面は次式で表される線たわみｙ_Bを有する。 ｙ_B＝Ｍ_B ｌ²／（２ＥＩ） ここで、ｌは円柱要素の長さである。 音波伝達に応力の影響を考慮しなければ、これは次式で表される物理的経路長の 増加Δｘとなる。 Δｘ＝ｙ_B ｔａｎθ_B ここで、θ_Bは円柱部分の端部における角度たわみである。 音波方向変化 円柱部分の端部における角度たわみθ_Bが次式によって与えられる。 θ_B＝Ｍ_B ｌ／（ＥＩ） この角度たわみは締結具１０の端部１４における反射表面の全たわみ角度に寄与 し、この全たわみ角度は平坦な端部表面の場合には、超音波１６の向きをトラン スデューサ１８から離れる方向へ変える傾向がある。 音波の屈折 固体における音波の伝達への応力勾配の影響の従前の分析は確認されなかった 。しかしながら、気圧勾配及び水圧勾配における音波の伝達への影響は、射線音 響学（ｒａｙ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ）を利用して、すでに分析されている。例え ば、Ａ．ピアース（Ｐｉｅｒｃｅ）の「音響学、物理法則及び物理的利用への導 入（Ａｃｏｕｓｔｉｃ，ａｎｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｉｔｓ ｐｈｙ ｓｉｃａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏ ｎｓ）」の３７１〜８８ページ（マグロウヒル社、ウッドバリー、ニューヨーク 、１９８９年出版）を参照して欲しい。締結具材料における音速は応力で線形的 に変化するので、これら両方の状況は曲げを受けさせられているボルトにおける 直線的な応力勾配と類似である。 超音波が応力勾配を含む領域に入射すると、超音波は、次式によって与えられ る曲率Ｒ_R（図９）の音波射線経路半径で、低音速側（高引張応力側）に向かっ て屈折させられる。 Ｒ_R＝ｖ／｜▽_⊥ｖ｜ここで、ｖは音速である、 又は、 ここで、Δｖはボルト直径Ｄを横断する方向の音速変化である。 比は、 である。応力＝Ｅ×ひずみなので、ボルト直径を横断する方向の応力変化はボル ト直径を横断する方向のひずみの変化のＥ倍である、すなわち、 であり、よって、 である。 ここで、ｔは飛行時間であり、Δｔは（図９Ａに示されるような）音波の飛 行時間の変化である であるので、比Ｒ_B／Ｒ_Rは、音速の変化による音波の飛行時間の変化率を伸長又 はひずみによる飛行時間の変化率によって割ったものに等しい。長手方向超音波 に関する比Ｒ_B／Ｒ_Rはスチールボルト、等級８．８、Ｍ１６×１５０の場合には 約２．２である。 要するに、ボルトが曲げモーメントを受けると、音波がボルトの曲げ方向と反 対の方向に屈折させられる。音波射線経路の曲げは係数約２．２の分だけボルト の曲げよりも強い。角度及びたわみは小さいので、音波射線経路の角度及びたわ みはボルトの曲げから生じる角度及びたわみの約−２．２倍である（すなわち、 反対方向に２．２倍である）。 音速の変化 ボルトの中立軸線においては、曲げモーメントによるボルトへの付加的な応力 はない。図９に示されるように、中立軸線から離れるほど、曲げから生じる正又 は負の応力は大きくなる。曲げの作用下では、中心音波射線経路は中立軸線から 高応力の領域、したがって低音速の領域に向かって離れていく。したがって、曲 げは平均音速を減少させることによって、飛行時間を増加させる効果を有する。 位相効果 曲げ作用下での音波の屈折及び方向変化はトランスデューサ１８ｂによって受 信される波面の入射角を９０°ではなく斜角とさせる。この結果は、関連する反 射波振幅の減少と共にトランスデューサ１８の横断方向の位相差となり、この位 相差が信頼性のある飛行時間測定を妨げることがある。さらに、より極端な場合 には、振幅は 存在しなくなることがあり、このことによりパルス反射波計測が「周期飛ばし」 をさせられる（すなわち、異なる周期の受信反射波波形に対する測定を開始させ られる）ことがある。「存在しなくなること」は、超音波の振幅が音波波形位相 相殺効果によって零に減少することを意味する。 モデル及び予測 理想的には、モデルは、締結具が曲げを受けたときに、（１）位相誤差又は反 射波振幅の減少を伴わずに音波をトランスデューサへ反射し、（２）パルス反射 波の飛行時間測定から計算される荷重に誤差を含ませない、締結具の端部の表面 輪郭形状を同定するべきである。残念ながら、曲げ作用下で音波をトランスデュ ーサへ最もよく向かわせる輪郭形状が曲げ作用下で飛行時間における変化を生じ させない輪郭形状と同一ではないので、この理想は不可能である。しかしながら 、輪郭形状は類似であり、モデルの目的は両方の輪郭形状を予測すること及び最 適な妥協的解決策に到達することである。 両方の輪郭形状が球状表面として近似されることができる。本来持つ線形性（ 応力／ひずみ、曲げモーメント／たわみ、応力／音速）のため、これらの表面は 本質的には曲げの量とは無関係である。したがって、特定のボルト及びジョイン トに関しては、モデルは２つの球状端部表面輪郭形状の半径を同一とみなす。こ れら２つの球状端部表面輪郭形状の半径とは、（１）Ｒ_REF、すなわち、音波を 同じ経路に沿ってトランスデューサに直接向かわせる表面輪郭形状の半径と、（ ２）Ｒ_ZDT、すなわち、飛行時間における変化が零、したがって、超音波荷重測 定における誤差が生じなくなる表面輪郭形状の半径である（図１０）。 本発明による１つの実施態様においては、荷重支持部材の表面輪郭形状を同定 する方法は、前記荷重支持部材が非対称な応力を加えられているときの荷重支持 部材の第二端部の前記第一端部に対するたわみを先ず計算し、次に、荷重支持部 材が非対称な応力を加えられているときの第一端部から第二端部へ伝達する音波 の入射線経路を決定し、次に、荷重支持部材が非対称な応力を加えられていると きに音波を反射して超音波反射波受信手段へ戻す表面として、表面輪郭形状を画 定することを含む。 本発明による別の実施態様においては、荷重支持部材の表面輪郭形状を同定す る方法は、前記荷重支持部材が非対称な応力を加えられているときの荷重支持部 材の第二端部の前記第一端部に対するたわみを先ず計算し、次に、荷重支持部材 が非対称な応力を加えられているときの第一端部から第二端部へ伝達する音波の 入射線経路を決定し、次に、偏向された音波の飛行時間の変化が計算され、最後 に、表面輪郭形状が音波の飛行時間の変化を最少に抑えるように表面輪郭形状が 画定される。荷重支持部材が非対称な応力を加えられているときに上述のステッ プが発生する。 この輪郭形状が球面形状に近くなるであろう一方で、この輪郭形状が他の形態 をとってもよいことが理解される。例えば、この輪郭形状は放物線、長円、又は 超音波反射波をトランスデューサへ反射して超音波測定における誤差が最少又は なくなるようにする任意の他の輪郭形状を近似してもよい。 本発明によるモデルは、曲げの音波の中心射線経路への影響を考慮するだけで ある。もちろん、中立軸線からの距離の影響によって波面を横切る方向の変化か らいくつかの誤差も生じる。これらの飛行時間への影響はある程度まで相殺され ることが期待され、これらの変化によって生じるモデルと実物との間の主たる不 一致は位相効 果の結果から生じる振幅減少の度合いである。さらに、中心射線経路のみが分析 に使用されるので、このモデルにおいては、ボルトの頭部の表面輪郭形状につい ての仮定がなされない。本発明のモデルが基づく射線経路分析は音波の回折を考 慮していない。 モデル化がコンピュータスプレッドシートを使用して最初に行われた。以下が 計算の概要である。 各連続する円柱要素（ｎ）に関して、 １．断面積（Ａ_n）と、 ２．慣性モーメント（Ｉ_n）と、 ３．曲げモーメントＭから生じる部分ｎの角度たわみ寄与（θ_Bn）と、 ４．曲げモーメントＭから生じる部分ｎの線たわみ寄与（ｙ_Bn）と、 ５．前出の部分からのたわみを考慮する部分ｎにおける中立軸線の平均たわみ （平均ｙ_B）と、 ６．曲げモーメントＭから生じる部分ｎにおける最大応力（σ_Bn）と、 ７．応力勾配と、零応力音速と、応力が加えられているときの音速の変化とか ら計算される部分ｎにおける屈折音波中心射線経路に沿った平均音速と、 締結具全体に関して、 １．曲げモーメントＭから生じる端部反射表面の全角度たわみ（θ_B）（Ｍは 全角度たわみ１．０°を与えるように調整されている）と、 ２．全線たわみ（ｙ_B）と、 ３．端部表面の曲率半径とたわみを考慮した音波中心射線経路（Ｐ）と、 ４．音波中心射線経路の長さにわたる平均音速（平均ｖ）と、 ５．平坦な端部表面で生じる飛行時間における誤差（ΔＴＯＦ）と、 ６．飛行時間の誤差を零に減らすために必要とされる幾何的経路長の減少量（ Δｘ）と、 ７．中立軸線に対する音波の線たわみ及び角度たわみによって画定され且つｙ_B ／ｔａｎ（θ_B）にほぼ等しい、入射音波射線経路に垂直な表面輪郭形状の半径 である反射半径（Ｒ_REF）と、ここで、ｙ_B及びθ_Bは上で定義されたものである 、 ８．飛行時間の変化が零、したがって、曲げを受けているときの超音波荷重測 定の誤差が生じなくなるべきものであり、飛行時間の変化及び中立軸線からの音 波の線たわみが零となる場合の締結具長さによって定められ、（（Ｒ_B／Ｒ_R＋１ ）²Ｙ_B ²−ΔＸ²）／２ΔＸにほぼ等しい、表面輪郭形状の半径である飛行時間に おける変化が零となる半径（Ｒ_ZDT）と、ここでＲ_B、Ｒ_R、及びΔＸは上で定義 されたものである、が計算される。 次に、Ｒ_REF及びＲ_ZDTが計算された後で、締結具の一つ又は両方の端部の少な くとも一部分が輪郭形成される。この輪郭形状はボルト及び超音波信号の特定の 属性に依存するＲ_REF又はＲ_ZDTに等しい曲率半径を有する。Ｒ_REFに等しい曲率 半径を有する輪郭形状は飛行時間測定においてある種の誤差を示すかもしれない 。しかしながら、このような輪郭形状は全体的には超音波振幅を減少させず、信 号を直接トランスデューサへ反射する。対照的に、Ｒ_ZDTに等しい曲率半径を有 する輪郭形状は全体的に飛行時間測定における誤差はないが、超音波信号振幅を 減少させるかもしれない。 したがって、超音波が信号振幅においてはほとんど減少せずに進行することが 期待される又は飛行時間測定の誤差がないことが求め られる締結具に関しては、典型的には、Ｒ_ZDTに等しい曲率半径を有する輪郭形 状が締結具の一方又は両方の端部に適用される。このようにすれば、誤差がない 飛行時間測定が達成されるであろう。しかしながら、超音波が信号振幅の大きな 減少を伴って進行することが予想される締結具に関しては、典型的には、Ｒ_REF に等しい曲率半径を有する輪郭形状が締結具の一方又は両方の端部に適用される 。このようにすれば、超音波荷重測定において、ある種の誤差はあるかもしれな いが、超音波信号がトランスデューサへ反射されることが保証される。 いずれにしても、Ｒ_ZDT又はＲ_REFに等しい曲率半径を有する輪郭形状を締結具 の少なくとも一方の端部の少なくとも一部分に適用することは、正確で信頼性の ある超音波荷重測定を容易にすることの手助けとなる。 ある例においては、妥協的な解決策として、Ｒ_REFとＲ_ZDTの間のどこかの値に ほぼ等しい曲率半径を適用することが有利となるかもしれない。この範囲にある 半径が見かけ上平坦な場合と比較されたときに振幅及びＴＯＦ測定精度の両方に おいて同時に改善されたロバスト性を提供するために使用される。表１は試験さ れた締結具に関して、ミリメートル単位でと全長の百分率としてとの両方で、Ｒ_REF とＲ_ZDTを一覧表示している。典型的には、Ｒ_REFは締結具の長さの５０％± １０％であり、Ｒ_ZDTは締結具の長さの４０％±１０％である。締結具の全長は 締結具シャンク長さに締結具頭部長さを足したものに等しい。表１では、例えば 、部品番号１０２６番（Ｍ８×１．２５×５０ Ｇｄ １０．９）はシャンク直 径８ｍｍ、ねじ山ピッチ１．２５ｍｍ、シャンク長さ５０ｍｍ、鋼品質等級１０ ．９を有するメートルボルト（Ｍ）である。その特定のボルトは頭部長さ５ｍｍ 、全長５５ｍｍ（５０ｍｍ＋５ｍｍ）を有する。 反射半径のパーセント（％）と飛行時間変化零半径のパーセント（％）とがボル トの全長、すなわち頭部長さにシャンク長さを足したもののパーセント（％）と して計算される。モデル予測の実験的検証 非平行ジョイント座面と共にジョイントに締め付けられるときに、実際に締結 具が予測された通りの挙動をすることを検証するために、多数のボルト（ウルト ラファスト（商標）ボルト部品番号６１０８８９１３００ Ｍ１０×７０×１． ５）が測定基準表面（図１１における表面「Ａ」「Ｂ」「Ｃ」）を組み入れて修 正され、１°及び２°の角度をつけられた座金と共にジョイントに締め付けられ た。線たわみ及び角度たわみがボルトの端部において測定された。測定結果の分 析から以下のことが推断された。 １．測定されたたわみは予測されたものとほとんど同一であった。たわみ測定 から計算された曲げ半径は３８ｍｍと４５ｍｍの間で変化した。モデルはこのボ ルト及びジョイントに関して４０ｍｍを予測した。このことはボルトが非平行ジ ョイント座面との締め付け時に半径方向に自由に動くという仮定を確かにし、モ デルの精度の指標を与えた。 ２．従来のナット及び硬質ジョイントの場合、ボルトは典型的にはねじ山のク リアランス及び変形のためジョイントへ付けられた角度の約５０％しか効果を受 けない。 ３．収量でトルクのおよそ３０％がボルトに曲げ約１％を生じさせるために必 要とされる。これはさらにボルトに関するモデル予測と相関を持つ。 ウルトラファスト（商標）ボルト部品番号６１０８８９１３００（Ｍ１０×１ ．５×７０）によって識別される締結具がＲ_REF４０ｍｍとＲ_ZDT３２ｍｍを有す るモデルによって予測された。頭部半径７６ｍｍ（ボルト長さの１００％）を有 するボルトが端部半径３０ｍｍ、３４ｍｍ、３８ｍｍ、４２ｍｍ、及び４６ｍｍ へ機械加工され、曲げ精度試験が１°及び２°の角度を持つ座金で実施された 。これらの試験からのデータの分析が図１２Ａ〜図１２Ｆのグラフに要約されて いる。図１２Ａ〜図１２Ｆに示される全試験はウルトラファスト（商標）ボルト 部品番号６１０８９９１３００（Ｍ１０×１．５×７０）で実施された。 図１２Ａは、ボルトの球面に輪郭形成された端部の半径（ｍｍ）の関数として 超音波で決定された荷重におけるパーセント誤差（％）を示すグラフである。示 されるように、３０ｍｍ及び３４ｍｍの端部半径では、１°及び２°の曲げを受 けるボルトの場合には荷重測定における誤差は２％より小さかった。したがって 、精度はモデルによって予測されたように３０ｍｍ及び３４ｍｍの端部半径で最 も高かった（誤差２％より小さかった）。このボルトがこれらの設計のいずれに 関しても１°及び２°の曲げでは適格とされる。およそ＋５％の誤差は、予測さ れたＲ_REFが３８ｍｍ端部半径であるボルトに関して、２°の曲げにおいて発生 した。しかしながら、この半径では波形のゆがみが少なくなると思われ、このこ とは幾つかのボルトで信頼性のあるパルス反射波測定をすることを容易にさせる と思われる。 図１２Ｂは、球面に輪郭形成されたボルト端部の半径（ｍｍ）の関数としての 、１回締結具を上下に進行する長手方向反射波Ｌ１と２回締結具を上下に進行す る長手方向反射波Ｌ２の振幅における減少率のグラフである。１°の曲げにおい ては、（Ｌ１の場合には曲げのないときの１００％から８５〜６５％まで、Ｌ２ の場合には曲げのないときの１００％から７５〜５５％までの）Ｌ１及びＬ２の 振幅における緩やかなパーセント（％）減少が球面に輪郭形成されている端部の 半径として３０ｍｍ、３４ｍｍ、３８ｍｍ、４２ｍｍ、及び４６ｍｍを有するボ ルトに関して発生した。２°の曲げにおいては、（Ｌ１の場合には曲げのないと きの１００％から４５〜３ ５％まで、Ｌ２の場合には曲げのないときの１００％から６０〜４５％までの） Ｌ１及びＬ２の振幅における僅かに大きいパーセント（％）減少がこれらのボル トに関して発生した。Ｌ２の場合の振幅のパーセント（％）減少は２°の曲げに おけるＬ１の場合のパーセント（％）減少よりも小さかったことに注意してほし い。さらに、各場合において、最も小さいパーセント（％）減少は球面に輪郭形 成されている端部の半径として３４ｍｍを有するボルトで起こっている。いずれ にしても、これらのボルトは零に近い振幅を有する反射波を受信することはなか ったので、信頼性があって正確な荷重測定が１°及び２°の曲げにおいてなされ 得る。 図１２Ｃは、ボルトの球面に輪郭形成されている端部の半径（ｍｍ）の関数と しての、１回締結具を上下に進行する横断方向反射波Ｔ１と２回締結具を上下に 進行する横断方向反射波Ｔ２の振幅における減少率のグラフである。１°の曲げ においては、Ｔ１及びＴ２は、球面に輪郭形成されている端部の半径として３０ ｍｍ、３４ｍｍ、３８ｍｍ、４２ｍｍ、及び４６ｍｍを有するボルトに関して、 振幅において（Ｔ１の場合には曲げのないときの１００％から約９９％まで、Ｔ ２の場合には曲げのないときの１００％から８５％までの）小さなパーセント（ ％）減少を示した。１°の曲げにおいては、Ｔ１の場合の振幅のパーセント（％ ）減少は球面に輪郭形成されている端部の半径として３４ｍｍ、３８ｍｍ、及び ４２ｍｍを有するボルトに関しては起こらなかったことに注意して欲しい。同様 に、１°の曲げにおいては、端部半径として４２ｍｍを有するボルトに関しては Ｔ２の場合には振幅のパーセント（％）減少はなかった。２°の曲げにおいては 、（Ｔ１の場合には曲げのないときの１００％から９５〜６０％まで、Ｔ２の場 合には曲げのないときの１００％から８５〜３０％までの）Ｔ１及びＴ２の振幅 における緩や かなパーセント（％）減少がこれらのボルトに関して起こった。２°の曲げにお いては、振幅のパーセント（％）減少は、概略、ボルト端部の曲率半径の増加と 共に減少する。いずれにしても、これらのボルトは零に近い値まで減少した振幅 を有する反射波を示すことはなかったので、信頼性があって正確な荷重測定が１ °及び２°の曲げにおいてなされ得る。さらに、Ｔ１及びＴ２におけるパーセン ト（％）減少は（図１２Ｂに示される）Ｌ１及びＬ２のパーセント（％）減少よ りもずっと小さく、このことは横断方向波が長手方向波より曲げによる影響が少 ないことを示している。 図１２Ｄは、ボルトの球面に輪郭形成されている端部の半径（ｍｍ）の関数と しての、反射波振幅パーセント（％）比Ｌ２／Ｌ１及びＴ２／Ｔ１のグラフであ る。１．０に近いＬ２／Ｌ１及びＴ２／Ｔ１は、Ｌ１及びＴ１反射波の振幅と比 較したときにＬ２又はＴ２の振幅において僅かしか減少しないこと又は全く減少 しないことを示し、一方では０．０のＬ２／Ｌ１及びＴ２／Ｔ１は、Ｌ２又はＴ ２が零まで減少したことを示す。図１２Ｄに示されるように、比Ｌ２／Ｌ１及び Ｔ２／Ｔ１は、それぞれ、端部半径として３０ｍｍ、３４ｍｍ、３８ｍｍ、４２ ｍｍ、及び４６ｍｍを有するボルトに関して、６２〜７０％及び３５〜５２％の 範囲をとった。このことはＬ２及びＴ２が零までは減少しなかったことを示す。 図１２Ｅは、ボルトに加えられた曲げモーメント（Ｎｍ）の関数としてのＬ１ 反射波振幅パーセント（％）減少のグラフであり、曲げ精度試験の結果から得た データを示している。図１２Ｅにおいて示されるように、球面に輪郭形成されて いる端部半径として３０ｍｍ、３４ｍｍ、３８ｍｍ、４２ｍｍ、及び４６ｍｍを 有するボルトに関して、Ｌ１反射波振幅が曲げモーメントが零のときの１００％ から曲げモーメント４０Ｎｍのときの約３０〜６０％まで減少させ られた。このデータは、Ｌ１が零までは減少させられなかったこと、したがって 、曲げ作用下で、締結具において正確で信頼性のある荷重測定がなされ得ること を示す。 図１２Ｆは、ボルトに加えられた曲げモーメント（Ｎｍ）の関数としてのＴ１ 反射波振幅減少（％）のグラフであり、曲げ精度試験の結果から得たデータを示 す。図１２Ｆにおいて示されるように、球面に輪郭形成されている端部半径とし て３０ｍｍ、３４ｍｍ、３８ｍｍ、４２ｍｍ、及び４６ｍｍを有するボルトに関 して、Ｔ１反射波振幅が曲げモーメントが零のときの１００％から曲げモーメン ト４０Ｎｍのときの約８３〜９９％まで減少させられた。同じく、このデータは 、観察された振幅が零まで減少させられなかったので、締結具における正確で信 頼性のある荷重測定が曲げ作用下になされ得ることを示す。さらに、上で示され たように、横断方向信号は曲げ作用下での振幅を長手方向信号よりも維持するよ うに思われる。 これらの試験結果は本発明のモデルが高精度で最適な締結具端部表面幾何形状 を予測するために使用されることができることを示している。このモデルは音波 中心射線経路のみを考慮しており、したがって、その予測は頭部（又はトランス デューサ）端部表面幾何形状を考慮していないし、その予測が頭部（又はトラン スデューサ）端部表面幾何形状によって影響を受けることもない。このモデルに おいて予測される端部半径を使用する全ての試験はボルトの長さの１００％の頭 部半径を使用した。回折の効果を無視すれば、この半径は音波を端部表面に集中 させる。 端部表面幾何形状 上述されたように、締結具が曲げられると共に受信された反射波 は振幅を減少させ、受信された音波がある曲げ角度で零点に到達する。正確で信 頼性のある超音波測定をなすためには、零に近い領域で作動しないようにするこ とが重要である。本発明のモデルは曲げがあるときに受信された反射波の一貫性 を保つ締結具設計を可能にする。モデルは締結具１０の頭部１２及び螺刻された 端部１４の少なくとも一方の表面の半径又は他の輪郭形状を計算する。これらの 表面に半径又は他の輪郭形状を当てはめることによって、受信された反射波が零 に到達する曲げ角度を増加させることができ、曲げ応力に対する反射波の感度を 減少させることができる。 モデルは、制限するものではないが、締結具１０の長さに等しい曲率半径を有 する球面輪郭形状が締結具１０の端部１４、頭部１２、又は頭部１２と端部１４ の両方に当てはめられている設計を含んでいる。上述されたように、モデルは、 球面端部１４と球面頭部１２を有する締結具１０において試験された。多数の他 の構成が適するものとなり得る。 本発明による締結具設計の好適な実施態様において、締結具１０は締結具１０ の長さから端部１４の半径（Ｒ_E）を引いたものに等しい半径（Ｒ_H）の球面２６ を頭部１２に有する。すなわち、球面２６の曲率半径と端部半径１４の曲率半径 の和は締結具１０の長さに等しくなる。このような構成が図１３Ａ及び図１３Ｂ に示されている。一定の幾何的経路長、したがって、超音波信号の多数の反射波 に関して最少の反射波振幅減少となるので、これは最適な構成となり得る。 本発明は締結具１０を通して超音波信号を発振及び受信する任意の装置と共に 使用されることができることが理解される。例えば、超音波信号は締結具１０に 隣接する電磁トランスデューサ又はピエゾ電気トランスデューサ１８（図１３Ｄ 参照）で送信及び受信され てもよい。超音波トランスデューサ１８が（図１３Ｂに示されるように）締結具 １０に永久的に取り付けられる。超音波信号が締結具１０に隣接するレーザ１９ （図１３Ａ参照）で送信及び受信されてもよいことが理解される。さらに、この 設計での曲げ性能は超音波送信器及び受信器が締結具１０の頭部１２にあるか螺 刻された端部１４にあるかによっては影響を受けない。残りの非限定的な実施態 様は締結具１０に取り外し可能又は永久的に取り付けられているピエゾ電気トラ ンスデューサ１８と共に使用される本発明を記載しているが、とはいえ、超音波 信号が電磁トランスデューサ又はレーザのような超音波信号送信及び受信の他の 手段を使用して送信及び受信されてもよいことが理解される。 締結具１０の輪郭形成される表面１２及び１４は２つの利点を提供する。すな わち、これらの表面１２及び１４は超音波１６を一点に集中させ、輪郭形状が適 切に選択されていれば、端部表面は図１３Ｂに示されるように超音波トランスデ ューサ１８に戻る信号の量を最大にさせる。さもなくば、対称的な曲げ応力はあ らゆる信号が信号超音波トランスデューサ１８に到達することを妨げるかもしれ ず、信号が得られたとしても、曲げはその信号を歪めてしまうであろう。超音波 トランスデューサ１８がある反射信号を受信することを保証する曲率半径Ｒ_REF と、信号が最少の誤差を有することを保証する曲率半径Ｒ_ZDTの決定の間には同 時に満たしえない条件が存在する。適用例によっては、ある反射された信号が最 も正確ではないとしても、その設計は超音波トランスデューサ１８がその反射さ れた信号を受信することを保証するためにＲ_REFを最適化してもよい。上で概要 を述べられた試験結果の場合には、Ｒ_REFは典型的には締結具の長さの約５０％ であり、Ｒ_ZDTは締結具の長さの約４０％である。これらのパーセンテージは、 もちろん、特定の締結具に よって変化する。多数の異なる締結具に関するＲ_REF及びＲ_ZDTの適切な範囲は締 結具の長さの約２５〜７０％であり、好適には締結具の長さの約３０〜６０％で ある。 他の実施態様においては、締結具１０は内側ドライブ頭部又は軽目穴窪み１７ と球面に輪郭形成されている端部表面１４を有し、窪み１７は窪み１７の内側表 面の一部分を覆う球面輪郭形状２６を有する。図１３Ｃを参照のこと。内側窪み が締結具１０の重量を低減させる働きしかしない場合には、窪み１７は軽目穴と して働く。 締結具１０は輪郭形成されている端部１４と平坦な頭部１２を有してもよい。 平坦な頭部は内側ドライブねじの製造における形成を容易にするので、幾つかの 利用例において所望されるであろう。 例えば、図１３Ｄは本発明による締結具１０の他の実施態様を示す。この実施 態様においては、締結具１０は締結具１０の端部の一部分を覆う球面端部半径（ Ｒ_E）と、取り外し可能又は永久的に取り付けられたトランスデューサ１８を有 する平坦な頭部とを有する。トランスデューサ１８が取り外し可能に取り付けら れると、トランスデューサの平坦な表面を係合するためには平坦な頭部を使用す るのが望ましい。あるいはまた、締結具１０の（図１３Ａに示されるような）頭 部又は（図１３Ｄに示されるような）端部の一部分のみが、自動送給装置に使用 されるような（図１３Ｄにおけるような）面取りされた又は尖った締結具１０と 共に使用されるように、輪郭形成されてもよい。 二重反射によって、超音波反転は曲げ応力の結果から生じる超音波測定誤差に 関する固有の補正を行わせる。図１４は端部１４に９０度の円錐状先端２８を有 する締結具１０を示しており、この端部１４は、トランスデューサ１８から締結 具１０のシャンク１３を通って下方に伝達する超音波１６の波面の部分が線対称 の平行な経路 でトランスデューサ１８へ戻るように、二重反射及び反転をする。例えば、円錐 状先端２８は図１４に示されるように先端を丸くする又は平坦にすることによっ て先端を切られてもよく、図１６に示され以下で述べられるように三角形の形状 にされてもよい。９０度潜水表面２８は波面全体を横切る等しい経路長を提供す ることに注意して欲しい。図１４に示されるように、締結具１０は曲げを受けて いない。 図１４に示される設計の締結具１０が図１５に示されるような矢印２０の方向 に曲げ力を受けるとき、曲げ力は締結具１０の左側に（マイナス記号によって示 される）引張応力が減少させられた領域を生成させ、締結具１０の右側に（プラ ス記号によって示される）引張応力が増加させられた領域を生成させる。超音波 １６が反転させられ、波面が（単一の平坦な反射表面での発散経路の代わりに） 平行な経路で反射させられる。さらに、波面の各部分は線対称な反転によって正 負両方の曲げ応力の領域を通過して進行するので、位相誤差が最少に抑えられる 。 図１６においては、締結具１０が端部に適用される２つの可能な輪郭形状で示 されている。詳細には、締結具１０の頭部１２は球面輪郭形状を有し、締結具１ ０の端部１４は円錐状先端２８を有し、これらの輪郭形状はある場合には最適条 件となることもあり又ある特定の球面輪郭形状に近くなって製造上の利点を提供 することもある。これらの表面輪郭形状は非対称な応力が存在するときには超音 波反射波の一貫性を保つ。 以下に示される棒グラフは本発明のモデルと関連する利点を検証するために行 われた試験の結果を表している。試験は従来技術で記載されたタイプの直径５ｍ ｍの薄いフィルムトランスデューサを使用して２０ＭＨｚで行われた。この試験 で使用された全てのボルト は基本的には同じ寸法（Ｍ１０×７５ｍｍ）であるが、締結具は頭部表面輪郭形 状及び端部表面輪郭形状の５つの異なる組み合わせを有していた。各ボルトの形 に関して反射波がなくなるのに必要とされる曲げの平均量がグラフに示されてい る。ボルトの形がｙ軸に一覧表示されている。「平坦−Ｒ８０」は平坦な頭部と 球面曲率８０ｍｍ（曲率半径又は「ＲＯＣ」８０ｍｍ）である端部とを有するボ ルトに相当し、「平坦−平坦」は頭部及び端部の両方が平坦（普通は未修正状態 ）であるボルトに相当し、「Ｒ８０−Ｒ８０」は頭部及び端部の両方に８０ｍｍ 球面形状を有するボルトに相当する。異なる頭部及び端部形状の組み合わせを有するボルトサンプルに関する平均零位 置 グラフの考察により、輪郭形状が締結具の頭部と特に締結具の端部とに適用さ れているときの曲げ感度の顕著な減少が明らかとなる。各場合で、普通の「平坦 −平坦」構成を上回る零位置の明らかな増加（曲げ応力に対する感度の減少）が 示されている。 輪郭形状が、軽目穴又は内側ドライブ穴のような既存の幾何的特徴と共に締結 具に適用されてもよい。図１７は人工超音波反射体３０を備える従来の締結具１ ０を示している。締結具１０が超音波荷重測定に使用される。超音波が反射体３ ０から反射されて同じ経路に沿って直接トランスデューサ１８へ戻るように、反 射体３０が角度を付けられている。締結具が曲げられると、超音波がトランスデ ューサ１８から離れる角度に反射されるかもしれない。この締結具はさらに曲げ から生じる非対称な応力勾配の望ましくない影響を示す。 図１８の設計は本発明の上記の概念を取り込んだ改善である。この実施態様に おいては、締結具１０のシャンク１３が１つ又はそれ以上の環状リング２１及び 反射体３０を形成するように従来の金属転動手段によって転動されて又は適切な 工程で他の形状に形成されて、超音波１６が半径方向に締結具１０を横断して１ つの反射体３。を介して第二反射体３０へ反射され、曲げから生じる非対称な応 力勾配の望ましくない影響を除去する線対称な経路を介して戻っていくようにさ れる。２つの反射体３０が超音波１６が半径方向に反射されて締結具１０を横断 する。反射体３０から反射された超音波反射波を受信及び送信するために円錐状 表面を備える頭部１２が示されているが、頭部１２は平坦であってもよく、超音 波反射波を反射体３０へ及びそこから受信及び送信する任意の他の輪郭形状であ ってもよい。 本願ではある特定の実施態様に関して示されて説明されているが、本発明が示 される詳細に限定されることを意図するものではない。むしろ、請求の範囲と等 価な範囲内で本発明の精神から逸脱することなく、様々な変更が詳細部において なされることができる。例えば、トランスデューサ１８が締結具１０の頭部１２ に設けられる ものとして示されているが、トランスデューサ１８が締結具１０の端部１４に設 けられることもできる。さらに、トランスデューサではなく、レーザが超音波を 送信し、超音波反射波を受信するために使用されてもよい。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年７月１０日（１９９８．７．１０） 【補正内容】 請求の範囲 １．応力を加えられると自身のある部分が別な部分に対して動くように変形さ せられ、第一端部（１２）と第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支持 部材（１０）を提供するステップと、 前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２）及び前記第二端部（１４） の少なくとも一方の少なくとも一部分（１４、２６）を、超音波測定において前 記荷重支持部材（１０）の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少させるよう に輪郭形成するステップと、 前記荷重支持部材（１０）を通して超音波を送信すると共に前記輪郭形状（１ ４）から反射される超音波反射波を受信するための手段（１８）を提供するステ ップとを含み、 前記超音波送信及び受信手段（１８）が前記荷重支持部材（１０）の端部（１ ２）に配置され、 前記輪郭形状（１４、２６）はほぼ球面且つ凸状であり、 前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さのおよそ２５ ％から７０％の曲率半径を有する、荷重表示部材（１０）を作成する方法。 ２．前記超音波送信及び受信手段（１８）は、ピエゾ電気トランスデューサ及 び電磁トランスデューサから構成されるグループから選択されるトランスデュー サである、請求項１に記載の荷重表示部材を作成する方法。 ３．前記超音波送信及び受信手段（１８）はレーザである、請求項１に記載の 荷重表示部材を作成する方法。 ４．応力を加えられたときに変形するようにされていると共に第一端部（１２ ）と第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支 持部材（１０）を備え、前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２）と前 記第二端部（１４）の少なくとも一方の少なくとも一部分（１４、２６）が超音 波測定において前記荷重支持部材（１０）の幾何的変化及び非対称な応力の影響 を減少させるように輪郭形成され、 前記荷重支持部材（１０）を通して超音波を送信すると共に前記輪郭形状（１ ４）から反射される超音波反射波を受信するための手段（１８）をさらに備え、 前記超音波送信及び受信手段が前記荷重支持部材（１０）の前記輪郭形成される 端部（１４）と反対側の端部に配置され、 前記輪郭形状（１４、２６）はほぼ球面且つ凸状であり、 前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さのおよそ２５ ％から７０％の曲率半径を有する、荷重表示装置。 ５．前記超音波送信及び受信手段（１８）は、ピエゾ電気トランスデューサ及 び電磁トランスデューサから構成されるグループから選択されるトランスデュー サである、請求項４に記載の荷重表示装置。 ６．前記トランスデューサ（１８）が前記荷重支持部材（１０）の前記第一端 部（１２）及び前記第二端部（１４）の一方に永久的に取り付けられる、請求項 ５に記載の荷重表示装置。 ７．前記トランスデューサ（１８）が前記荷重支持部材（１０）の前記第一端 部（１２）及び前記第二端部（１４）の一方に取り外し可能に取り付けられる、 請求項５に記載の荷重表示装置。 ８．前記超音波送信及び受信手段（１８）はレーザである、請求項４に記載の 荷重表示装置。 ９．前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２）及び第二端部（１４） の両方が輪郭形成される、請求項４に記載の荷重表示 装置。 １０．前記第一端部輪郭形状（２６）は第一曲率半径を有し、前記第二端部輪 郭形状（１４）は第二曲率半径を有し、 前記第一曲率半径と前記第二曲率半径の和が前記荷重支持部材（１０）の長さ にほぼ等しい、請求項９に記載の荷重表示装置。 １１．前記第一端部輪郭形状は前記荷重支持部材（１０）の長さのおよそ２５ ％から７０％までの曲率半径を有し、前記第二端部輪郭形状（１４）は前記荷重 支持部材（１０）の長さのおよそ２５％から７０％までの曲率半径を有する、請 求項９に記載の荷重表示装置。 １２．前記第一端部輪郭形状は前記荷重支持部材（１０）の長さのおよそ１０ ０％の曲率半径を有し、前記第二端部輪郭形状は前記荷重支持部材（１０）の長 さのおよそ２５％から７０％までの曲率半径を有する、請求項９に記載の荷重表 示装置。 １３．前記第一端部（１２）及び前記第二端部（１４）の一方の少なくとも一 部分が輪郭形成され、前記他方の端部は平坦であり、前記超音波送信及び受信手 段（１０）は前記平坦な端部に隣接している、請求項４に記載の荷重表示装置。 １４．前記荷重支持部材（１０）が、締結具、ボルト、スタッド、及びリベッ トからなるグループから選択される、請求項４に記載の荷重表示装置。 １５．前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２）は内側表面を有する 窪みを有し、前記内側表面がその一部分（２６）を輪郭形成されている、請求項 ４に記載の荷重表示装置。 １６．応力を加えられたときに変形するようにされていると共に、第一端部（ １２）と第二端部（１４）と所定の長さと前記第一端部（１２）から前記第二端 部（１４）まで延びるシャンク（１３） とを有する荷重支持部材（１０）を備え、前記シャンク（１３）が超音波測定に おける前記荷重支持部材（１０）の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少さ せるために、第一部分及び第二部分を有する少なくとも１つの反射体（３０）を 有し、 前記荷重支持部材（１０）を通して超音波を送信すると共に前記反射体（３０ ）からの超音波反射波を受信するための手段（１８）をさらに備え、前記超音波 送信及び受信手段（１８）が前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２） に配置され、 前記反射体（３０）の前記第一部分は前記送信及び受信手段（１８）からの前 記超音波を受信して、前記超音波反射波を前記反射体（３０）の前記第二部分へ 反射し、前記第二部分は前記超音波反射波を前記送信及び受信手段（１８）へ反 射する、荷重表示装置。 １７．前記超音波送信及び受信手段（１８）は、ピエゾ電気トランスデューサ 及び電磁トランスデューサから構成されるグループから選択されるトランスデュ ーサである、請求項１６に記載の荷重表示装置。 １８．前記超音波送信及び受信手段（１８）はレーザである、請求項１６に記 載の荷重表示装置。 １９．応力を加えられると変形するようにされていると共に第一端部（１２） と螺刻された第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支持部材（１０）を 備え、前記螺刻された第二端部（１４）の少なくとも一部分が超音波測定におい て前記荷重支持部材（１０）の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少させる ように輪郭形成されており、 前記輪郭形状はほぼ球面であり、前記荷重支持部材（１０）の長さのおよそ３ ０％から６０％までの曲率半径を有し、 前記荷重支持部材（１０）を通して超音波を送信すると共に前記 輪郭形状から反射される超音波反射波を受信するための手段（１８）をさらに備 え、前記超音波送信及び受信手段（１８）が前記荷重支持部材（１０）の前記第 一端部（１２）に配置される、荷重表示装置。 ２０．前記超音波送信及び受信手段（１８）は、ピエゾ電気トランスデューサ 及び電磁トランスデューサから構成されるグループから選択されるトランスデュ ーサである、請求項１９に記載の荷重表示装置。 ２１．第一端部（１２）と第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支持 部材（１０）の少なくとも一方の端部の少なくとも一部分の表面輪郭形状（１４ 、２６）を同定する方法であって、前記第二端部（１４）は表面輪郭を有し、こ の表面輪郭は、前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているとき に、音波が前記第一端部（１２）に隣接する超音波送信手段（１８）から伝達さ れて前記表面輪郭形状から前記第一端部（１２）に隣接する超音波反射波受信手 段（１８）へ反射されるようにすることが可能であり、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているときの前記荷重支 持部材（１０）の前記第二端部（１４）の前記第一端部（１２）に対するたわみ を計算するステップと、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているときの前記第一端 部（１２）から前記第二端部（１４）へ伝達する前記音波の入射線経路を決定す るステップと、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているときに前記音波を 反射して前記超音波受信手段（１８）へ戻す表面として、前記表面輪郭形状を画 定するステップとを含む、表面輪郭形状を同定する方法。 ２２．前記輪郭形状を画定する前記ステップは、 Ｙ_B／ｔａｎ（θ_B）に等しい前記輪郭形状の曲率半径を計算することを含み、 ここで、Ｙ_Bは前記第二端部（１４）の前記第一端部（１２）に対する線たわ みであり、θ_Bは前記第二端部（１４）の前記第一端部（１２）に対する角度た わみである、請求項２１に記載の表面輪郭形状を同定する方法。 ２３．前記超音波送信手段（１８）及び前記超音波反射波受信手段（１８）は 、ピエゾ電気トランスデューサ及び電磁トランスデューサから構成されるグルー プから選択されるトランスデューサ（１８）である、請求項２１に記載の表面輪 郭形状を同定する方法。 ２４．前記超音波送信手段（１８）及び前記超音波反射波受信手段（１８）は レーザである、請求項２１に記載の表面輪郭形状を同定する方法。 ２５．第一端部（１２）と第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支持 部材（１０）の少なくとも一方の端部の少なくとも一部分の表面輪郭形状（１４ 、２６）を同定する方法であって、前記第二端部（１４）は表面輪郭を有し、こ の表面輪郭は、前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているとき に、前記第一端部（１２）に隣接する超音波送信手段（１８）から伝達されて、 前記表面輪郭形状から前記第一端部（１２）に隣接する超音波反射波受信手段（ １８）へ反射される音波の飛行時間の変化を最少に抑え、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているときの前記荷重支 持部材（１０）の前記第二端部（１４）の前記第一端部（１２）に対するたわみ を計算するステップと、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているとき の前記第一端部（１２）から前記第二端部（１４）へ伝達する前記音波の入射線 経路を決定するステップと、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているときの前記偏向さ れた音波の飛行時間の変化を計算するステップと、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているときの飛行時間の 変化を最少に抑える表面として、前記表面輪郭形状を画定するステップとを含む 、表面輪郭形状を同定する方法。 ２６．前記輪郭形状を画定する前記ステップは、 （（Ｒ_B／Ｒ_R＋１）²Ｙ_B ²−ΔＸ²）／２ΔＸ に等しい前記輪郭形状の曲率半径を計算することを含み、ここで、Ｒ_Bは曲げ曲 率半径であり、Ｒ_Rは音波射線経路曲率半径であり、Ｙ_Bは全線たわみであり、Δ Ｘは飛行時間を零に減少させるのに必要とされる幾何的経路長の減少分である、 請求項２５に記載の表面輪郭形状を同定する方法。 ２７．前記超音波送信手段（１８）及び前記超音波反射波受信手段（１８）は 、ピエゾ電気トランスデューサ及び電磁トランスデューサから構成されるグルー プから選択されるトランスデューサである、請求項２５に記載の表面輪郭形状を 同定する方法。 ２８．前記超音波送信手段（１８）及び前記超音波反射波受信手段（１８）は レーザである、請求項２５に記載の表面輪郭形状を同定する方法。 ２９．応力を加えられると１つの部分が別な部分に対して動くように変形させ られ且つ第一端部（１２）と第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支持 部材（１０）を提供するステップと、 前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２）及び前記第二端部（１４） の少なくとも一方の少なくとも一部分（１４、２６）を、超音波測定において前 記荷重支持部材（１０）の幾何的変化及 び非対称な応力の影響を減少させるように輪郭形成するステップと、 前記荷重支持部材（１０）を通して超音波を送信すると共に前記輪郭形状から 反射される超音波反射波を受信するための手段（１８）を提供するステップとを 含み、 前記超音波送信及び受信手段（１８）が前記荷重支持部材（１０）の前記輪郭 形成される端部と反対側の端部（１２）に配置され、 前記輪郭形状（１４、２６）はほぼ球面且つ凸状であり、 前記輪郭形状（１４、２６）は前記超音波送信及び受信手段（１８）から直接 前記超音波を受信し、前記超音波を反射して直接前記超音波送信及び受信手段（ １８）戻すようにさせる、荷重表示部材（１０）を作成する方法。 ３０．前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さの少な くとも２５％の曲率半径を有する、請求項２９に記載の荷重表示部材を作成する 方法。 ３１．前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さの少な くとも７０％の曲率半径を有する、請求項２９に記載の荷重表示部材を作成する 方法。 ３２．応力を加えられたときに変形するようにされていると共に第一端部（１ ２）と第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支持部材（１０）を備え、 前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２）と前記第二端部（１４）の少 なくとも一方の少なくとも一部分（１４、２６）が超音波測定において前記荷重 支持部材（１０）の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少させるように輪郭 形成され、 前記荷重支持部材（１０）を通して超音波を送信すると共に前記輪郭形状（１ ４、２６）から反射される超音波反射波を受信するた めの手段（１８）をさらに備え、前記超音波送信及び受信手段が前記荷重支持部 材（１０）の前記輪郭形成される端部（１４）と反対側の端部に配置され、 前記輪郭形状（１４、２６）はほぼ球面且つ凸状であり、 前記輪郭形状（１４、２６）は前記超音波送信及び受信手段（１８）から直接 前記超音波を受信し、前記超音波を反射して直接前記超音波送信及び受信手段（ １８）戻す、荷重表示装置。 ３３．前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さの少な くとも２５％の曲率半径を有する、請求項３２に記載の荷重表示装置。 ３４．前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さの７０ ％以下の曲率半径を有する、請求項３２に記載の荷重表示装置。 ３５．前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さのおよ そ１００％に等しい曲率半径を有する、請求項３２に記載の荷重表示装置。 【手続補正書】 【提出日】平成１２年６月８日（２０００．６．８） 【補正内容】 （1）請求の範囲を別紙の通り補正する。 （2）明細書の第27頁３行目の「ボルト部品番号6108991300」を『ボルト部品 番号6108891300』と補正致します。 請求の範囲 １．応力を加えられると自身のある部分が別な部分に対して動くように変形さ せられ、第一端部（１２）と第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支持 部材（１０）を提供するステップと、 前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２）及び前記第二端部（１４） の少なくとも一方の少なくとも一部分（１４、２６）を、超音波測定において前 記荷重支持部材（１０）の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少させるよう に輪郭形成するステップと、 前記荷重支持部材（１０）を通して超音波を送信すると共に前記輪郭形状（１ ４）から反射される超音波反射波を受信するための手段（１８）を提供するステ ップとを含み、 前記超音波送信及び受信手段（１８）が前記荷重支持部材（１０）の端部（１ ２）に配置され、 前記輪郭形状（１４、２６）はほぼ球面且つ凸状であり、 前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さのおよそ２５ ％から７０％の曲率半径を有する、荷重表示部材（１０）を作成する方法。 ２．前記超音波送信及び受信手段（１８）は、ピエゾ電気トランスデューサ及 び電磁トランスデューサから構成されるグループから選択されるトランスデュー サである、請求項１に記載の荷重表示部材を作成する方法。 ３．前記超音波送信及び受信手段（１８）はレーザである、請求項１に記載の 荷重表示部材を作成する方法。 ４．応力を加えられたときに変形するようにされていると共に第一端部（１２ ）と第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支持部材（１０）を備え、前 記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２）と前記第二端部（１４）の少な くとも一方の少なくとも一部分（１４、２６）が超音波測定において前記荷重支 持部材（１０）の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少させるように輪郭形 成され、 前記荷重支持部材（１０）を通して超音波を送信すると共に前記輪郭形状（１ ４）から反射される超音波反射波を受信するための手段（１８）をさらに備え、 前記超音波送信及び受信手段が前記荷重支持部材（１０）の前記輪郭形成される 端部（１４）と反対側の端部に配置され、 前記輪郭形状（１４、２６）はほぼ球面且つ凸状であり、 前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さのおよそ２５ ％から７０％の曲率半径を有する、荷重表示装置。 ５．前記超音波送信及び受信手段（１８）は、ピエゾ電気トランスデューサ及 び電磁トランスデューサから構成されるグループから選択されるトランスデュー サである、請求項４に記載の荷重表示装置。 ６．前記トランスデューサ（１８）が前記荷重支持部材（１０）の前記第一端 部（１２）及び前記第二端部（１４）の一方に永久的に取り付けられる、請求項 ５に記載の荷重表示装置。 ７．前記トランスデューサ（１８）が前記荷重支持部材（１０）の前記第一端 部（１２）及び前記第二端部（１４）の一方に取り外し可能に取り付けられる、 請求項５に記載の荷重表示装置。 ８．前記超音波送信及び受信手段（１８）はレーザである、請求項４に記載の 荷重表示装置。 ９．前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２）及び第二端部（１４） の両方が輪郭形成される、請求項４に記載の荷重表示装置。 １０．前記第一端部輪郭形状（２６）は第一曲率半径を有し、前記第二端部輪 郭形状（１４）は第二曲率半径を有し、 前記第一曲率半径と前記第二曲率半径の和が前記荷重支持部材（１０）の長さ にほぼ等しい、請求項９に記載の荷重表示装置。 １１．前記第一端部輪郭形状は前記荷重支持部材（１０）の長さのおよそ２５ ％から７０％までの曲率半径を有し、前記第二端部輪郭形状（１４）は前記荷重 支持部材（１０）の長さのおよそ２５％から７０％までの曲率半径を有する、請 求項９に記載の荷重表示装置。 １２．前記第一端部輪郭形状は前記荷重支持部材（１０）の長さのおよそ１０ ０％の曲率半径を有し、前記第二端部輪郭形状は前記荷重支持部材（１０）の長 さのおよそ２５％から７０％までの曲率半径を有する、請求項９に記載の荷重表 示装置。 １３．前記第一端部（１２）及び前記第二端部（１４）の一方の少なくとも一 部分が輪郭形成され、前記他方の端部は平坦であり、前記超音波送信及び受信手 段（１８）は前記平坦な端部に隣接している、請求項４に記載の荷重表示装置。 １４．前記荷重支持部材（１０）が、締結具、ボルト、スタッド、及びリベッ トからなるグループから選択される、請求項４に記載の荷重表示装置。 １５．前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２）は内側表面を有する 窪みを有し、前記内側表面がその一部分（２６）を輪郭形成されている、請求項 ４に記載の荷重表示装置。 １６．応力を加えられたときに変形するようにされていると共に、第一端部（ １２）と第二端部（１４）と所定の長さと前記第一端部（１２）から前記第二端 部（１４）まで延びるシャンク（１３）とを有する荷重支持部材（１０）を備え 、前記シャンク（１３）が超音波測定における前記荷重支持部材（１０）の幾何 的変化及び非対称な応力の影響を減少させるために、第一部分及び第二部分を有 する少なくとも１つの反射体（３０）を有し、 前記荷重支持部材（１０）を通して超音波を送信すると共に前記反射体（３０ ）からの超音波反射波を受信するための手段（１８）をさらに備え、前記超音波 送信及び受信手段（１８）が前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２） に配置され、 前記反射体（３０）の前記第一部分は前記送信及び受信手段（１８）からの前 記超音波を受信して、前記超音波反射波を前記反射体（３０）の前記第二部分へ 反射し、前記第二部分は前記超音波反射波を前記送信及び受信手段（１８）へ反 射する、荷重表示装置。 １７．前記超音波送信及び受信手段（１８）は、ピエゾ電気トランスデューサ 及び電磁トランスデューサから構成されるグループから選択されるトランスデュ ーサである、請求項１６に記載の荷重表示装置。 １８．前記超音波送信及び受信手段（１８）はレーザである、請求項１６に記 載の荷重表示装置。 １９．応力を加えられると変形するようにされていると共に第一端部（１２） と螺刻された第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支持部材（１０）を 備え、前記螺刻された第二端部（１４）の少なくとも一部分が超音波測定におい て前記荷重支持部材（１０）の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少させる ように輪郭形成されており、 前記輪郭形状はほぼ球面であり、前記荷重支持部材（１０）の長さのおよそ３ ０％から６０％までの曲率半径を有し、 前記荷重支持部材（１０）を通して超音波を送信すると共に前記輪郭形状から 反射される超音波反射波を受信するための手段（１８）をさらに備え、前記超音 波送信及び受信手段（１８）が前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２ ）に配置される、荷重表示装置。 ２０．前記超音波送信及び受信手段（１８）は、ピエゾ電気トランスデューサ 及び電磁トランスデューサから構成されるグループから選択されるトランスデュ ーサである、請求項１９に記載の荷重表示装置。 ２１．第一端部（１２）と第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支持 部材（１０）の少なくとも一方の端部の少なくとも一部分の表面輪郭形状（１４ 、２６）を同定する方法であって、前記第二端部（１４）は表面輪郭を有し、こ の表面輪郭は、前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているとき に、音波が前記第一端部（１２）に隣接する超音波送信手段（１８）から伝達さ れて前記表面輪郭形状から前記第一端部（１２）に隣接する超音波反射波受信手 段（１８）へ反射されるようにすることが可能であり、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているときの前記荷重支 持部材（１０）の前記第二端部（１４）の前記第一端部（１２）に対するたわみ を計算するステップと、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているときの前記第一端 部（１２）から前記第二端部（１４）へ伝達する前記音波の入射線経路を決定す るステップと、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているときに前記音波を 反射して前記超音波受信手段（１８）へ戻す表面として、前記表面輪郭形状を画 定するステップとを含む、表面輪郭形状を同定する方法。 ２２．前記輪郭形状を画定する前記ステップは、 Ｙ_B／ｔａｎ（θ_B）に等しい前記輪郭形状の曲率半径を計算することを含み、 ここで、Ｙ_Bは前記第二端部（１４）の前記第一端部（１２）に対する線たわ みであり、θ_Bは前記第二端部（１４）の前記第一端部（１２）に対する角度た わみである、請求項２１に記載の表面輪郭形状を同定する方法。 ２３．前記超音波送信手段（１８）及び前記超音波反射波受信手段（１８）は 、ピエゾ電気トランスデューサ及び電磁トランスデューサから構成されるグルー プから選択されるトランスデューサ（１８）である、請求項２１に記載の表面輪 郭形状を同定する方法。 ２４．前記超音波送信手段（１８）及び前記超音波反射波受信手段（１８）は レーザである、請求項２１に記載の表面輪郭形状を同定する方法。 ２５．第一端部（１２）と第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支持 部材（１０）の少なくとも一方の端部の少なくとも一部分の表面輪郭形状（１４ 、２６）を同定する方法であって、前記第二端部（１４）は表面輪郭を有し、こ の表面輪郭は、前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているとき に、前記第一端部（１２）に隣接する超音波送信手段（１８）から伝達されて、 前記表面輪郭形状から前記第一端部（１２）に隣接する超音波反射波受信手段（ １８）へ反射される音波の飛行時間の変化を最少に抑え、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているときの前記荷重支 持部材（１０）の前記第二端部（１４）の前記第一端部（１２）に対するたわみ を計算するステップと、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているときの前記第一端 部（１２）から前記第二端部（１４）へ伝達する前記音波の入射線経路を決定す るステップと、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているときの前記偏向さ れた音波の飛行時間の変化を計算するステップと、 前記荷重支持部材（１０）が非対称な応力を加えられているときの飛行時間の 変化を最少に抑える表面として、前記表面輪郭形状を画定するステップとを含む 、表面輪郭形状を同定する方法。 ２６．前記輪郭形状を画定する前記ステップは、 （（Ｒ_B／Ｒ_R＋１）²Ｙ_B ²−ΔＸ²）／２ΔＸ に等しい前記輪郭形状の曲率半径を計算することを含み、ここで、Ｒ_Bは曲げ曲 率半径であり、Ｒ_Rは音波射線経路曲率半径であり、Ｙ_Bは全線たわみであり、Δ Ｘは飛行時間を零に減少させるのに必要とされる幾何的経路長の減少分である、 請求項２５に記載の表面輪郭形状を同定する方法。 ２７．前記超音波送信手段（１８）及び前記超音波反射波受信手段（１８）は 、ピエゾ電気トランスデューサ及び電磁トランスデューサから構成されるグルー プから選択されるトランスデューサである、請求項２５に記載の表面輪郭形状を 同定する方法。 ２８．前記超音波送信手段（１８）及び前記超音波反射波受信手段（１８）は レーザである、請求項２５に記載の表面輪郭形状を同定する方法。 ２９．応力を加えられると１つの部分が別な部分に対して動くように変形させ られ且つ第一端部（１２）と第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支持 部材（１０）を提供するステップと、 前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２）及び前記第二端部（１４） の少なくとも一方の少なくとも一部分（１４、２６）を、超音波測定において前 記荷重支持部材（１０）の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少させるよう に輪郭形成するステップと、 前記荷重支持部材（１０）を通して超音波を送信すると共に前記輪郭形状から 反射される超音波反射波を受信するための手段（１８）を提供するステップとを 含み、 前記超音波送信及び受信手段（１８）が前記荷重支持部材（１０）の前記輪郭 形成される端部と反対側の端部（１２）に配置され、 前記輪郭形状（１４、２６）はほぼ球面且つ凸状であり、 前記輪郭形状（１４、２６）は、前記荷重支持部材（１０）の長さのおよそ２ ５％から７０％の曲率半径を有し、 前記超音波送信及び受信手段（１８）から直 接前記超音波を受信し、前記超音波を反射して直接前記超音波送信及び受信手段 （１８）戻すようにさせる、荷重表示部材（１０）を作成する方法。 ３０．前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さの少な くとも２５％の曲率半径を有する、請求項２９に記載の荷重表示部材を作成する 方法。 ３１．前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さの少な くとも７０％の曲率半径を有する、請求項２９に記載の荷重表示部材を作成する 方法。 ３２．応力を加えられたときに変形するようにされていると共に第一端部（１ ２）と第二端部（１４）と所定の長さとを有する荷重支持部材（１０）を備え、 前記荷重支持部材（１０）の前記第一端部（１２）と前記第二端部（１４）の少 なくとも一方の少なくとも一部分（１４、２６）が超音波測定において前記荷重 支持部材（１０）の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少させるように輪郭 形成され、 前記荷重支持部材（１０）を通して超音波を送信すると共に前記輪郭形状（１ ４、２６）から反射される超音波反射波を受信するための手段（１８）をさらに 備え、前記超音波送信及び受信手段が前記荷重支持部材（１０）の前記輪郭形成 される端部（１４）と反対側の端部に配置され、 前記輪郭形状（１４、２６）はほぼ球面且つ凸状であり、 前記輪郭形状（１４、２６）は、前記荷重支持部材（１０）のおよそ２５％か ら７０％の曲率半径を有し、 前記超音波送信及び受信手段（１８）から直接前記 超音波を受信し、前記超音波を反射して直接前記超音波送信及び受信手段（１８ ）戻す、荷重表示装置。 ３３．前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さの少な くとも２５％の曲率半径を有する、請求項３２に記載の荷重表示装置。 ３４．前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さの７０ ％以下の曲率半径を有する、請求項３２に記載の荷重表示装置。 ３５．前記輪郭形状（１４、２６）は前記荷重支持部材（１０）の長さのおよ そ１００％に等しい曲率半径を有する、請求項３２に記載の荷重表示装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ 【要約の続き】 される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．応力を加えられると自身のある部分が別な部分に対して動くように変形さ れ、第一端部と第二端部と所定の長さとを有する荷重支持部材を提供するステッ プと、 前記荷重支持部材の前記第一端部及び前記第二端部のうちの少なくとも一方の 少なくとも一部分を、超音波測定において前記荷重支持部材の幾何的変化及び非 対称な応力の影響を減少させるように輪郭形成するステップと、 前記荷重支持部材を通して超音波を送信すると共に前記輪郭形状から反射され る超音波反射波を受信するための手段を提供するステップとを含み、前記超音波 送信及び受信手段が前記荷重支持部材の少なくとも一方の端部に配置される、荷 重表示部材を作成する方法。 ２．前記輪郭形状はほぼ球面である、請求項１に記載の荷重表示部材を作成す る方法。 ３．前記輪郭形状はほぼ円錐状である、請求項１に記載の荷重表示部材を作成 する方法。 ４．前記輪郭形状は前記荷重支持部材の長さの少なくとも２５％の曲率半径を 有する、請求項２に記載の荷重表示部材を作成する方法。 ５．前記輪郭形状は前記荷重支持部材の長さの７０％以下の曲率半径を有する 、請求項２に記載の荷重表示部材を作成する方法。 ６．前記超音波送信及び受信手段は、ピエゾ電気トランスデューサ及び電磁ト ランスデューサから構成されるグループから選択されるトランスデューサである 、請求項１に記載の荷重表示部材を作成する方法。 ７．前記超音波送信及び受信手段はレーザである、請求項１に記載の荷重表示 部材を作成する方法。 ８．応力を加えられたときに変形するようにされていると共に第一端部と第二 端部と所定の長さとを有する荷重支持部材を備え、前記荷重支持部材の前記第一 端部と前記第二端部の少なくとも一方の少なくとも一部分が超音波測定において 前記荷重支持部材の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少させるように輪郭 形成され、 前記荷重支持部材を通して超音波を送信すると共に前記輪郭形状から反射され る超音波反射波を受信するための手段をさらに備え、前記超音波送信及び受信手 段が前記荷重支持部材の一方の端部に配置される、荷重表示装置。 ９．前記輪郭形状はほぼ球面である、請求項８に記載の荷重表示装置。 １０．前記輪郭形状はほぼ円錐状である、請求項８に記載の荷重表示装置。 １１．前記輪郭形状は前記荷重支持部材の長さの少なくとも２５％の曲率半径 を有する、請求項９に記載の荷重表示装置。 １２．前記輪郭形状は前記荷重支持部材の長さの７０％以下の曲率半径を有す る、請求項９に記載の荷重表示装置。 １３．前記輪郭形状は前記荷重支持部材の長さの１００％にほぼ等しい曲率半 径を有する、請求項９に記載の荷重表示装置。 １４．前記超音波送信及び受信手段は、ピエゾ電気トランスデューサ及び電磁 トランスデューサから構成されるグループから選択されるトランスデューサであ る、請求項８に記載の荷重表示装置。 １５．前記トランスデューサが前記荷重支持部材の前記第一端部及び前記第二 端部の一方に永久的に取り付けられる、請求項１４に記載の荷重表示装置。 １６．前記トランスデューサが前記荷重支持部材の前記第一端部及び前記第二 端部の一方に取り外し可能に取り付けられる、請求項１４に記載の荷重表示装置 。 １７．前記超音波送信及び受信手段はレーザである、請求項８に記載の荷重表 示装置。 １８．前記荷重支持部材の前記第一端部及び第二端部の両方が輪郭形成される 、請求項８に記載の荷重表示装置。 １９．前記輪郭形状がほぼ球面であり、前記第一端部輪郭形状は第一曲率半径 を有し、前記第二端部輪郭形状は第二曲率半径を有し、 前記第一曲率半径と前記第二曲率半径の和が前記荷重支持部材の長さにほぼ等 しい、請求項１８に記載の荷重表示装置。 ２０．前記第一端部輪郭形状はほぼ球面であり、前記荷重支持部材の長さのお よそ３０％から７０％までの曲率半径を有し、第二端部輪郭形状はほぼ球面であ り、前記荷重支持部材の長さのおよそ３０％から７０％までの曲率半径を有する 、請求項１８に記載の荷重表示装置。 ２１．前記第一端部輪郭形状はほぼ球面であり、前記荷重支持部材の長さのお よそ１００％の曲率半径を有し、前記第二端部輪郭形状はほぼ球面であり、前記 荷重支持部材の長さのおよそ３０％から７０％までの曲率半径を有する、請求項 １８に記載の荷重表示装置。 ２２．前記第一端部及び前記第二端部の一方の少なくとも一部分が輪郭形成さ れ、前記他方の端部は平坦であり、前記超音波送信及び受信手段は前記平坦な端 部に隣接している、請求項８に記載の荷重表示装置。 ２３．前記輪郭形状は前記荷重支持部材の長さのおよそ３０％か ら７０％までの曲率半径を有する、請求項２２に記載の荷重表示装置。 ２４．前記輪郭形状は前記荷重支持部材の長さのおよそ１００％の曲率半径を 有する、請求項２２に記載の荷重表示装置。 ２５．前記荷重支持部材が、締結具、ボルト、スタッド、及びリベットからな るグループから選択される、請求項８に記載の荷重表示装置。 ２６．前記荷重支持部材の前記第一端部は内側表面を有する窪みを有し、前記 内側表面がその一部分を輪郭形成されている、請求項８に記載の荷重表示装置。 ２７．応力を加えられたときに変形するようにされていると共に第一端部と第 二端部と所定の長さと前記第一端部から前記第二端部まで延びるシャンクとを有 する荷重支持部材を備え、前記シャンクが超音波測定における前記荷重支持部材 の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少させるための少なくとも１つの反射 体を有し、 前記荷重支持部材を通して超音波を送信すると共に前記反射体からの超音波反 射波を受信するための手段をさらに備え、前記超音波送信及び受信手段が前記荷 重支持部材の前記第一端部及び前記第二端部の一方の端部に配置される、荷重表 示装置。 ２８．前記超音波送信及び受信手段は、ピエゾ電気トランスデューサ及び電磁 トランスデューサから構成されるグループから選択されるトランスデューサであ る、請求項２７に記載の荷重表示装置。 ２９．前記超音波送信及び受信手段はレーザである、請求項２７に記載の荷重 表示装置。 ３０．応力を加えられたときに変形するようにされていると共に第一端部と螺 刻された第二端部と所定の長さとを有する荷重支持部材を備え、前記螺刻された 第二端部の少なくとも一部分が超音波測 定において前記荷重支持部材の幾何的変化及び非対称な応力の影響を減少させる ように輪郭形成されており、 前記輪郭形状はほぼ球面であり、前記荷重支持部材の長さのおよそ３０％から ６０％までの曲率半径を有し、 前記荷重支持部材を通して超音波を送信すると共に前記輪郭形状から反射され る超音波反射波を受信するための手段をさらに備え、前記超音波送信及び受信手 段が前記荷重支持部材の前記第一端部に配置される、荷重表示装置。 ３１．前記超音波送信及び受信手段は、ピエゾ電気トランスデューサ及び電磁 トランスデューサから構成されるグループから選択されるトランスデューサであ る、請求項３０に記載の荷重表示装置。 ３２．第一端部と第二端部と所定の長さとを有する荷重支持部材の少なくとも 一方の端部の少なくとも一部分の表面輪郭形状を同定する方法であって、前記第 二端部は表面輪郭を有し、この表面輪郭は、前記荷重支持部材が非対称な応力を 加えられているときに、音波が前記第一端部に隣接する超音波送信手段から伝達 されて前記表面輪郭形状から前記第一端部に隣接する超音波反射波受信手段へ反 射されるようにすることが可能であり、 前記荷重支持部材が対称な応力を加えられているときの前記荷重支持部材の前 記第二端部の前記第一端部に対するたわみを計算するステップと、 前記荷重支持部材が非対称な応力を加えられているときの前記第一端部から前 記第二端部へ伝達する前記音波の入射線経路を決定するステップと、 前記荷重支持部材が非対称な応力を加えられているときに前記音波を反射して 前記超音波受信手段へ戻す表面として、前記表面輪郭形状を画定するステップと を含む、表面輪郭形状を同定する方法。 ３３．前記輪郭形状を画定する前記ステップは、 Ｙ_B／ｔａｎ（θ_B）に等しい前記輪郭形状の曲率半径を計算することを含み、 ここで、Ｙ_Bは前記第二端部の前記第一端部に対する線たわみであり、θ_Bは前 記第二端部の前記第一端部に対する角度たわみである、請求項３２に記載の表面 輪郭形状を同定する方法。 ３４．前記超音波送信手段及び前記超音波反射波受信手段は、ピエゾ電気トラ ンスデューサ及び電磁トランスデューサから構成されるグループから選択される トランスデューサである、請求項３２に記載の表面輪郭形状を同定する方法。 ３５．前記超音波送信手段及び前記超音波反射波受信手段はレーザである、請 求項３２に記載の表面輪郭形状を同定する方法。 ３６．第一端部と第二端部と所定の長さとを有する荷重支持部材の少なくとも 一方の端部の少なくとも一部分の表面輪郭形状を同定する方法であって、前記第 二端部は表面輪郭を有し、この表面輪郭は、前記荷重支持部材が非対称な応力を 加えられているときに、前記第一端部に隣接する超音波送信手段から伝達され且 つ前記表面輪郭形状から前記第一端部に隣接する超音波反射波受信手段へ反射さ れる音波の飛行時間の変化を最少に抑え、 前記荷重支持部材が非対称な応力を加えられているときの前記荷重支持部材の 前記第二端部の前記第一端部に対するたわみを計算するステップと、 前記荷重支持部材が非対称な応力を加えられているときの前記第一端部から前 記第二端部へ伝達する前記音波の入射線経路を決定するステップと、 前記荷重支持部材が非対称な応力を加えられているときの前記偏向された音波 の飛行時間の変化を計算するステップと、 前記荷重支持部材が非対称な応力を加えられているときの飛行時間の変化を最 少に抑える表面として、前記表面輪郭形状を画定するステップとを含む、表面輪 郭形状を同定する方法。 ３７．前記輪郭形状を画定する前記ステップは、 （（Ｒ_B／Ｒ_R＋１）²Ｙ_B ²−ΔＸ²）／２ΔＸ に等しい前記輪郭形状の曲率半径を計算することを含み、ここで、Ｒ_Bは曲げ曲 率半径であり、Ｒ_Rは音波射線経路曲率半径であり、Ｙ_Bは全線たわみであり、Δ Ｘは飛行時間を零に減少させるのに必要とされる幾何的経路長の減少分である、 請求項３６に記載の表面輪郭形状を同定する方法。 ３８．前記超音波送信手段及び前記超音波反射波受信手段は、ピエゾ電気トラ ンスデューサ及び電磁トランスデューサから構成されるグループから選択される トランスデューサである、請求項３６に記載の表面輪郭形状を同定する方法。 ３９．前記超音波送信手段及び前記超音波反射波受信手段はレーザである、請 求項３６に記載の表面輪郭形状を同定する方法。