JP2010008151A - Inspection device of clamped state and inspection method - Google Patents

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Kunio Hashiba
邦夫 橋場
Masabumi Kanetomo
正文 金友
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive inspection device of a clamped state for accurately inspecting clamping even with respect to a relatively small-sized screw and simple to adapt, and an inspection method of the clamped state. <P>SOLUTION: The inspection device of the clamped state is used for measuring a change in the impedance of an ultrasonic wave and a change in resonance frequency to inspect the clamping force of the seat surface of a screw head and the contact surface of a part to be clamped. A reference signal is detected as a change in the impedance of the ultrasonic wave or change in resonance frequency during clamping to enable the total inspection of the screw enhanced in detection probability. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数部材を含む被検体の締結(接触)状態を検査するための検査方法及び検査装置に関し、例えば、ねじやリベットの締結状態を検査する方法及び装置に関する。   The present invention relates to an inspection method and an inspection apparatus for inspecting a fastening (contact) state of a subject including a plurality of members, for example, a method and an apparatus for inspecting a fastening state of a screw or a rivet.

発電機、モータなどの産業機器、自動車、航空機などの輸送機、テレビ、洗濯機、冷蔵庫などの家電品は複数個の部品を組み合わせて性能を発揮する。この組み合わせを実現する締結の際に用いられる技術はねじ締結、リベット締結、溶接締結、かしめ締結などが一般的であるが、締結後の分解が容易なねじ締結が広く用いられている。このねじ締結は、産業革命以来使用されており、簡便に締結が可能であるが、締結時の締め忘れ、締結後の緩みが発生する欠点を有している。この締め忘れ、緩みは構造物に致命的なトラブルを発生させ、輸送機などではその事例が社会問題となることが多い。各メーカーはそれらの機器を製造する際、検査を頻繁に実施し、締結不備対策に時間と労力を費やしている。   Industrial equipment such as generators and motors, transport equipment such as automobiles and airplanes, home appliances such as televisions, washing machines, and refrigerators exhibit performance by combining multiple parts. The techniques used for fastening to realize this combination are generally screw fastening, rivet fastening, welding fastening, caulking fastening, and the like, but screw fastening that is easily disassembled after fastening is widely used. This screw fastening has been used since the Industrial Revolution and can be fastened easily, but has the disadvantage that forgetting to tighten at the time of fastening and loosening after fastening occurs. This forgotten tightening and loosening can cause fatal troubles in the structure, and cases of transportation aircraft often become social problems. Each manufacturer frequently conducts inspections when manufacturing such devices, and spends time and effort on countermeasures against incomplete fastening.

ねじ締結の検査は締結後直ちに行い、その検査に不合格となったねじは再締結などの操作により締結状態を修正する。ねじ締結はねじの倍力機能で数十Kgから数千Kgの力で締結が可能で、この要求される締結力によってねじサイズを変更する。サイズは直径が1mm以下の小型サイズから100mm以上の大型ねじまで種類は豊富である。ねじにより所定の締め付け力を得るには締め付けトルクを管理しなければならない。この締め付けトルクは、ねじの締め付け力とねじと被締結部品の摩擦によって決まり、この摩擦がねじの形状誤差、潤滑不足などで大きくなった場合、所定の締結力が得られない問題がある。このねじ締結後の検査方法としては視認による隙間の確認、ひずみゲージによる被締結部品およびねじの変形計測による締結力測定などが一般的である。   The screw fastening inspection is performed immediately after the fastening, and the screw which has failed the inspection is corrected by a re-fastening operation. Screw fastening can be done with a force of several tens to thousands of kilograms with a screw boosting function, and the screw size is changed by the required fastening force. There are a wide variety of sizes, from small sizes with a diameter of 1 mm or less to large screws with a diameter of 100 mm or more. In order to obtain a predetermined tightening force with a screw, the tightening torque must be managed. This tightening torque is determined by the tightening force of the screw and the friction between the screw and the part to be fastened. When this friction becomes large due to a screw shape error, insufficient lubrication, etc., there is a problem that a predetermined fastening force cannot be obtained. As inspection methods after screw fastening, confirmation of a gap by visual recognition, fastening force measurement by measuring deformation of a part to be fastened by a strain gauge and a screw, and the like are common.

その他、ねじ締結検査の従来技術として、特許文献1に記載されている技術がある。これは、超音波振動子をボルトの頭部に配置し、締結時のボルトの伸びを超音波により測定し、この伸び量からボルトの軸力を算出するものである。ボルトの伸びは、ボルトの軸方向を超音波が伝播する時間を計測することで得ている。具体的には、締結前後のボルトの長さの変化、すなわち伸び量と、別途ボルトのかかる引張り荷重を計測するために取り付けられた歪みゲージの締結前後における出力変化との相関関係から、ボルトの軸力を算出している。   In addition, there is a technique described in Patent Document 1 as a conventional technique for screw fastening inspection. In this method, an ultrasonic vibrator is placed on the head of a bolt, the elongation of the bolt at the time of fastening is measured by ultrasonic waves, and the axial force of the bolt is calculated from the amount of elongation. The elongation of the bolt is obtained by measuring the time during which the ultrasonic wave propagates in the axial direction of the bolt. Specifically, from the correlation between the change in bolt length before and after fastening, that is, the amount of elongation and the output change before and after fastening of a strain gauge attached to measure the tensile load applied to the bolt separately, Axial force is calculated.

また、別のねじ締結検査の従来技術として、特許文献2に記載されている技術がある。特許文献2の技術は、ボルトに螺合したナットの側面に超音波送信器と超音波受信機とをナットを介して正対するように配置し、前記超音波送信器から発生した超音波を前記超音波受信器で受信して得られる受信エコーの強度に基づいて、ボルトの軸力を算出するものである。   Moreover, there exists the technique described in patent document 2 as another prior art of another screw fastening test | inspection. In the technique of Patent Document 2, an ultrasonic transmitter and an ultrasonic receiver are arranged to face each other through a nut on a side surface of a nut screwed to a bolt, and the ultrasonic wave generated from the ultrasonic transmitter is The axial force of the bolt is calculated based on the intensity of the reception echo obtained by receiving with the ultrasonic receiver.

さらに、別のねじ締結検査の従来技術として、特許文献3や特許文献4に記載されている技術がある。特許文献3の技術は、ねじと被締結物との境界における超音波の反射率を計測して、ねじの着座の確認を行うものである。また、特許文献4の技術は、締結状態にあるボルトの減衰量を超音波のパルスカウントによって計測し、この減衰量とボルトの軸力との相関関係を用いて軸力を算出し、ボルトの締結状態を確認するものである。   Furthermore, there are techniques described in Patent Document 3 and Patent Document 4 as conventional techniques for another screw fastening inspection. The technique of Patent Document 3 is to confirm the seating of the screw by measuring the reflectance of the ultrasonic wave at the boundary between the screw and the object to be fastened. Moreover, the technique of patent document 4 measures the attenuation amount of the bolt in the fastening state by ultrasonic pulse count, calculates the axial force using the correlation between the attenuation amount and the axial force of the bolt, This is to confirm the fastening state.

特開平7−253368号公報JP 7-253368 A 特開平8−170933号公報JP-A-8-170933 特開平1−142426号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1-142426 特開平2−88127号公報JP-A-2-88127

しかしながら、上述の特許文献1乃至3に示されている検査においては、ねじが小型になればなるほど、発生させる超音波に高い分解能が求められる。そのため超音波周波数を高くし、且つ広帯域な超音波振動子が必要となり、やはりねじ直径が6mm以下のねじに対して、適用することが難しい。   However, in the inspections described in Patent Documents 1 to 3, the smaller the screw, the higher the resolution required for the generated ultrasonic wave. Therefore, an ultrasonic transducer having a high ultrasonic frequency and a wide band is required, and it is difficult to apply to a screw having a screw diameter of 6 mm or less.

例えば、特許文献2では、ナットやボルトの頭の側面に超音波送信器や超音波受信器を取り付ける必要があり、小型のねじや、皿ねじのように側面の面積が取れないようなねじへの適用はできない。また、特許文献4の技術は、超音波パルスが長くなるため、分解能が悪く、やはり小型のねじへの適用が難しいという問題がある。   For example, in Patent Document 2, it is necessary to attach an ultrasonic transmitter or an ultrasonic receiver to the side of the head of a nut or bolt, and to a screw that does not have a side area such as a small screw or a countersunk screw. Is not applicable. Further, the technique of Patent Document 4 has a problem that since the ultrasonic pulse becomes long, the resolution is poor and it is difficult to apply to a small screw.

ねじ締結検査は、全数検査、及びin situ検査(その場での検査)が必要であること、ねじに検査用の構造が不必要であることなど、簡単な構造を採用して安価な検査装置としなければ大量生産向けの高信頼検査装置とはなりえない。   The screw fastening inspection requires a total inspection and in situ inspection (in-situ inspection), and does not require a structure for inspection on the screw. Otherwise, it cannot be a highly reliable inspection device for mass production.

特に、例えば、特許文献1に示されている、超音波によりねじ軸の伸びを計測する手法は、ねじ直径が6mm以下のねじに関しては、超音波に高い分解能が求められると共に、ねじ山からの散乱信号が計測の外乱となって適用が難しい。また、超音波が反射する端面の加工を高精度とする必要があり、全数検査には不向きであり、検査に掛かるコストも高い。したがって、ねじ締めトルクとその軸力の条件出しに使用し、生産ラインとは別のオフラインで所定の軸力を発生する締め付けトルクをこの計測器を用いて決め、生産ラインではこの決定した締め付けトルクで締め付け作業を行っている。この場合、ねじ固有の原因である摩擦の変化などで所定の締め付け力が得られないといった問題も発生する。   In particular, for example, in the method of measuring the extension of the screw shaft by ultrasonic waves shown in Patent Document 1, for a screw having a screw diameter of 6 mm or less, high resolution is required for ultrasonic waves, and from the screw thread. Difficult to apply due to scattered measurement signal. In addition, it is necessary to process the end face where the ultrasonic waves are reflected with high accuracy, which is not suitable for 100% inspection, and the cost for the inspection is high. Therefore, the tightening torque that is used to determine the conditions of the screw tightening torque and its axial force and that generates a predetermined axial force off-line from the production line is determined using this measuring instrument, and this determined tightening torque is determined on the production line. The tightening work is being done with. In this case, there also arises a problem that a predetermined tightening force cannot be obtained due to a change in friction that is a cause inherent to the screw.

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、比較的小型なねじ(締結手段)でも正確に締結検査が可能で、かつ、適用が簡単で、安価な、締結状態の検査装置及び方法を提供するものである。   The present invention has been made in view of such a situation, and can be accurately inspected with a relatively small screw (fastening means), and can be applied easily and inexpensively. A method is provided.

上述の課題を解決するために、本発明の接触状態の検査方法及び検査装置は、複数部材(締結手段と被締結部材)を含む被検体において、複数部材の締結(接触)状態を評価するための情報として、機械インピーダンスの変化と接触状態との相関関係を利用する。例えば、被検体にねじと被締結物が含まれており、ねじの締結状態を検出したい場合、ねじ頭と被締結物との着座による接触状態を、ねじ頭から見た機械インピーダンスとの相関関係から求める。   In order to solve the above-described problems, a contact state inspection method and an inspection apparatus according to the present invention evaluate a fastening (contact) state of a plurality of members in a subject including a plurality of members (fastening means and a member to be fastened). As the information, the correlation between the change in mechanical impedance and the contact state is used. For example, if the object contains a screw and a fastened object and you want to detect the tightened state of the screw, the correlation between the contact state of the screw head and the fastened object seated with the mechanical impedance viewed from the screw head Ask from.

機械インピーダンスを求めるために、本発明の接触状態の検査方法及び検査装置は、例えば、複数部材を含む被検体を打撃する打撃部と、打撃部の打撃力と速度を検出する検出部と、検出部の検出結果に基づいて、複数部材の接触状態の情報を演算する処理部とを有する。あるいは、複数部材を含む被検体を一周波数あるいは複数周波数で加振する加振部と、加振部の加振力と速度を検出する検出部と、検出部の検出結果に基づいて、複数部材の接触状態の情報を演算する処理部とを有する。複数部材の接触状態の情報に機械インピーダンスを利用し、機械インピーダンスは検出された打撃力あるいは加振力と、速度との比から求められる。   In order to obtain the mechanical impedance, the contact state inspection method and inspection apparatus of the present invention include, for example, a hitting unit that hits a subject including a plurality of members, a detection unit that detects the hitting force and speed of the hitting unit, and a detection And a processing unit that calculates information on the contact state of the plurality of members based on the detection results of the units. Alternatively, based on the detection result of the detection unit, the detection unit that detects the excitation force and speed of the excitation unit, the excitation unit that vibrates the subject including the plurality of members at one frequency or a plurality of frequencies. And a processing unit that calculates information on the contact state. Mechanical impedance is used for information on the contact state of a plurality of members, and the mechanical impedance is obtained from the ratio of the detected striking force or excitation force and speed.

また、本発明の接触状態の検査方法及び検査装置は、複数部材を含む被検体を一周波数あるいは複数周波数で超音波加振する電歪型、磁歪型、静電型のいずれかの超音波加振部と、超音波加振部の電気端における電圧と電流を検出する検出部と、検出部の検出結果に基づいて、複数部材の接触状態の情報を演算する処理部とを有する。この場合の複数部材の接触状態の情報としては、前記超音波発生部の電気端における電気インピーダンス、あるいは電気アドミッタンスの周波数特性と共振周波数の少なくとも一方を用いる。なお、超音波加振部にはボルト締めランジュバン型振動子を含むことが望ましい。   In addition, the contact state inspection method and inspection apparatus of the present invention includes an electrostrictive type, a magnetostrictive type, and an electrostatic type ultrasonic application that ultrasonically vibrate a subject including a plurality of members at one frequency or a plurality of frequencies. A vibration unit; a detection unit that detects a voltage and a current at an electrical end of the ultrasonic vibration unit; and a processing unit that calculates contact state information of the plurality of members based on a detection result of the detection unit. In this case, as the information on the contact state of the plurality of members, at least one of the electrical impedance at the electrical end of the ultrasonic wave generator or the frequency characteristics of the electrical admittance and the resonance frequency is used. In addition, it is desirable that the ultrasonic vibration unit includes a bolted Langevin type vibrator.

超音波の周波数は200kHz以下の共振周波数を有しており、被検体と超音波加振部との間に、例えばゴム材からなるクッション材を備える。クッション材の厚さは、超音波の周波数におけるクッション材の波長に対して1/10以下の厚さとなるように構成される。さらに、超音波発生部を被検体側に静的な押付け力で押付ける加圧部を備えている。押付け力は、超音波加振部のほぼ振動の節にあたる位置に設けられたフランジを介して超音波加振部に与えられ、超音波発生部と被検体との間の接触圧力が0.1MPa以上となるように加圧される。   The frequency of the ultrasonic wave has a resonance frequency of 200 kHz or less, and a cushion material made of, for example, a rubber material is provided between the subject and the ultrasonic vibration unit. The thickness of the cushion material is configured to be 1/10 or less of the wavelength of the cushion material at the ultrasonic frequency. Furthermore, a pressurizing unit that presses the ultrasonic wave generation unit against the subject side with a static pressing force is provided. The pressing force is applied to the ultrasonic vibration unit via a flange provided at a position substantially corresponding to a vibration node of the ultrasonic vibration unit, and the contact pressure between the ultrasonic wave generation unit and the subject is 0.1 MPa. Pressurization is performed to achieve the above.

また、本発明の接触状態の検査方法及び検査装置は、超音波加振部と、電気インピーダンスあるいは電気アドミッタンスを計測し、ねじ締結状態を判定するねじ締結判定器とを備えたねじ検査装置と、ねじ締め装置とを個別に配置し、その協調動作によってねじ締結検査を行うよう構成される。   Further, the contact state inspection method and inspection apparatus of the present invention includes a screw inspection device including an ultrasonic vibration unit, and a screw fastening determination device that measures an electrical impedance or an electrical admittance and determines a screw fastening state, The screw fastening device is individually arranged, and the screw fastening inspection is performed by the cooperative operation.

さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。   Further features of the present invention will become apparent from the best mode for carrying out the present invention and the accompanying drawings.

本発明の締結状態の検査装置及び方法によれば、比較的小型なねじでも正確に締結検査が可能であり、しかも、簡単な構成で検査することができるため、安価な締結状態の検査を実現することができる。   According to the fastening state inspection apparatus and method of the present invention, it is possible to accurately perform a fastening inspection even with a relatively small screw, and further, it is possible to inspect with a simple configuration, thereby realizing an inexpensive fastening state inspection. can do.

本発明は複数部材を含む被検体における、前記複数部材の接触状態を調べるための検査方法及び検査装置に関するものである。   The present invention relates to an inspection method and an inspection apparatus for examining a contact state of a plurality of members in a subject including a plurality of members.

以下では、締結部材(手段)としてねじを用い、ねじと被締結物との締結状態を検査することを例に挙げ、本発明の原理及び本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。なお、締結手段にはねじだけでなく、上述のリベット、溶接、かしめ等も含まれ、本発明はこれらの締結状態の検査にも当然適用可能である。   In the following, a screw is used as a fastening member (means), and the fastening state between the screw and the object to be fastened is taken as an example, and the drawings of the principle of the present invention and the best mode for carrying out the present invention are shown. It explains using. The fastening means includes not only screws but also the rivets, welding, caulking, etc. described above, and the present invention is naturally applicable to inspection of these fastening states.

<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態による締結状態検査装置の概略構成を示す図である。図1における被検査対象は、ねじ100の座面に直接接触する被締結物(表面部)120と、めねじ122が設けられている被締結物(内部)121とが、ねじ100によって締結されているものである。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fastening state inspection device according to a first embodiment of the present invention. The object to be inspected in FIG. 1 is an object to be fastened (surface portion) 120 that directly contacts the seating surface of the screw 100 and an object to be fastened (inside) 121 in which a female screw 122 is provided. It is what.

ねじ100のねじ頭110には、打撃力(物理的作用)Fsをねじ頭110に与える打撃手段130と、打撃手段130によってねじ頭110が打撃されたときに生じるねじ頭の振動速度vを測定して出力するための計測手段131とが設けられている。   The screw head 110 of the screw 100 has a striking means 130 for applying a striking force (physical action) Fs to the screw head 110 and a vibration speed v of the screw head generated when the screw head 110 is hit by the striking means 130. Measuring means 131 for outputting the data.

測定された振動速度vは信号処理部132に送られる。信号処理部132では、ねじ頭110から見た機械インピーダンス(Fs/v)が計算される。ここで打撃力Fsは、既知の質量を有する重りなどを既知の高さからねじ頭110に落下させるなどして、定量的に求められており、信号処理部132に予め設定されている。また、信号処理部132では、接触状態の良否を判断するための機械インピーダンスの閾値も予め設定してあり、この閾値と、計測された機械インピーダンス(Fs/v)とを比較することによって、ねじ100と被締結物120及び121との締結状態が判定される。   The measured vibration velocity v is sent to the signal processing unit 132. In the signal processing unit 132, the mechanical impedance (Fs / v) viewed from the screw head 110 is calculated. Here, the striking force Fs is quantitatively obtained by, for example, dropping a weight having a known mass onto the screw head 110 from a known height, and is set in the signal processing unit 132 in advance. In the signal processing unit 132, a mechanical impedance threshold value for determining whether or not the contact state is good is also set in advance. By comparing this threshold value with the measured mechanical impedance (Fs / v), the screw The fastening state between 100 and the objects to be fastened 120 and 121 is determined.

次に、ねじ100の締結状態と機械インピーダンスとの関係について図2を用いて説明する。図2は、ねじ100のねじ頭110を打撃手段130によって打撃した際に生じる被検体の振動の状態を示した振動モード図である。図2(a)はねじ100が被締結物から浮いている状態で打撃されたときに生じる振動モードを示し、図2(b)は完全に締結された状態で打撃されたときに生じる振動モードを示す概略図である。   Next, the relationship between the fastening state of the screw 100 and the mechanical impedance will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a vibration mode diagram showing a state of vibration of the subject that occurs when the screw head 110 of the screw 100 is hit by the hitting means 130. 2A shows a vibration mode that occurs when the screw 100 is struck in a state of floating from the object to be fastened, and FIG. 2B shows a vibration mode that occurs when the screw 100 is struck in a completely fastened state. FIG.

図2(a)に示されるように、ねじ浮きの状態においては、ねじ頭110は打撃によって振動モード111のような姿態となり、振動速度や振動周波数は主としてねじ頭110が拘束を受けない状態のときに近くなる。   As shown in FIG. 2 (a), in the screw floating state, the screw head 110 is in the form of the vibration mode 111 by striking, and the vibration speed and vibration frequency are mainly in a state where the screw head 110 is not restrained. Sometimes close.

一方、図2(b)に示されるように、完全に締結状態にあるときは、ねじ100と被締結物120及び121が一体の構造とみなされ、例えば、ねじ頭110及び被締結物120に振動モード112のような姿態となる。図2(b)の場合、ねじ頭110に絞って考えるとねじ頭110の座面が拘束された状態となっており、これに伴って振動周波数や振動速度は図2(a)の状態とは異なったものになる。すなわち、同じ打撃条件でねじ頭110を打撃したとしても、ねじ頭110の座面の接触状態(拘束状態)によって振動周波数や振動速度が異なり、一般には締結状態が良いほど、振動速度は小さくなるといえる。したがって、打撃力Fsと振動速度vとの比で計算される機械インピーダンス(Fs/v)の周波数特性の変化をみれば、ねじ100の締結状態を検査することが可能となる。   On the other hand, as shown in FIG. 2B, when the screw 100 is completely fastened, the screw 100 and the fastened objects 120 and 121 are regarded as an integral structure. The appearance is like the vibration mode 112. In the case of FIG. 2B, when the screw head 110 is constrained, the seat surface of the screw head 110 is constrained, and accordingly the vibration frequency and vibration speed are the same as the state of FIG. Will be different. That is, even if the screw head 110 is struck under the same striking conditions, the vibration frequency and vibration speed differ depending on the contact state (restraint state) of the seat surface of the screw head 110. In general, the better the fastening state, the lower the vibration speed. I can say that. Therefore, it is possible to inspect the fastening state of the screw 100 by looking at the change in the frequency characteristic of the mechanical impedance (Fs / v) calculated by the ratio of the striking force Fs and the vibration speed v.

振動速度vの計測には、渦電流式あるいは光量式の非接触式変位計や、レーザードップラ振動計を用いればよく、打撃手段130の代替手段として、機械的にねじ頭110を加振して物理的な力を被検査物に与える加振手段を用いても良い。なお、加振手段を用いる場合は、ねじ頭110に生じる加振力を計測する必要があるが、歪ゲージなどを被検体に取り付けるか、あるいは加振力をモータのトルクなどから算出するなどし、それらの出力から信号処理部130で機械インピーダンスを算出するようにしても良い。   For measurement of the vibration velocity v, an eddy current type or light quantity type non-contact displacement meter or a laser Doppler vibrometer may be used. As an alternative to the striking means 130, the screw head 110 is mechanically vibrated. Excitation means for applying a physical force to the object to be inspected may be used. When using the vibration means, it is necessary to measure the vibration force generated in the screw head 110. However, a strain gauge or the like is attached to the subject, or the vibration force is calculated from the torque of the motor. The mechanical impedance may be calculated by the signal processing unit 130 from these outputs.

<第2の実施形態>
次に、機械インピーダンスの代わりに、超音波振動(物理的作用を与える)系を用いて、超音波振動系の電気インピーダンスから接触状態を検査する方法及び装置(第2の実施形態)について、図面を用いて説明する。
<Second Embodiment>
Next, a method and apparatus (second embodiment) for inspecting a contact state from an electrical impedance of an ultrasonic vibration system using an ultrasonic vibration (giving a physical action) system instead of mechanical impedance will be described. Will be described.

図3は、本発明の第2の実施形態による締結状態検査装置の概略構成を示す図である。この装置は、超音波プローブ200と、ハウジング220と、インピーダンス判定部135とを備える。超音波プローブ200とインピーダンス判定部135は、信号線133及び134によって電気的に連結されている。超音波プローブ200は圧電素子などの電気音響変換素子202を含み、電気音響変換素子202を金属製の前面ブロック203と金属製の裏打ちブロック201とで挟み込んだ、いわゆるランジュバン型振動子となっている。そして、前面ブロック203の機械出力端には、ねじ頭110との間に挟まれる形で、ゴム材料などからなるクッション材230が設けられている。   FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a fastening state inspection apparatus according to the second embodiment of the present invention. This apparatus includes an ultrasonic probe 200, a housing 220, and an impedance determination unit 135. The ultrasonic probe 200 and the impedance determination unit 135 are electrically connected by signal lines 133 and 134. The ultrasonic probe 200 includes an electroacoustic transducer 202 such as a piezoelectric element, and is a so-called Langevin type vibrator in which the electroacoustic transducer 202 is sandwiched between a metal front block 203 and a metal backing block 201. . A cushion material 230 made of a rubber material or the like is provided at the machine output end of the front block 203 so as to be sandwiched between the screw head 110.

また、前面ブロック203には、ハウジング220との連結部となるフランジ204が設けられている。超音波プローブ200は、図4で示すような軸方向の振動振幅分布205を持った半波長共振の固有振動モードを有している。フランジ204は、超音波プローブ200の振動モードに影響を与えないように、その振動モードの節に当たる位置に設けられている。   Further, the front block 203 is provided with a flange 204 serving as a connecting portion with the housing 220. The ultrasonic probe 200 has a natural vibration mode of half-wave resonance having a vibration amplitude distribution 205 in the axial direction as shown in FIG. The flange 204 is provided at a position corresponding to a node of the vibration mode so as not to affect the vibration mode of the ultrasonic probe 200.

クッション材230は、超音波プローブ200とねじ頭110との間の接触に関し、これらの間に空隙ができて超音波が反射してしまうのを防ぐために設けられる。ハウジング220の上面から押付け力300が加えられ、超音波プローブの振動モードに影響を与えないフランジ204を介して、超音波プローブ200の出力端がねじ頭110に押し付けられる。クッション材230は、ねじ頭110の表面粗さや平面度を押付け力300によるクッション材230の変形で吸収し、超音波プローブ200からねじ100を含む被検体へ効率よく超音波が伝搬するようにする。   The cushion material 230 is provided for preventing contact between the ultrasonic probe 200 and the screw head 110 so that a gap is formed between them and the ultrasonic waves are reflected. A pressing force 300 is applied from the upper surface of the housing 220, and the output end of the ultrasonic probe 200 is pressed against the screw head 110 via the flange 204 that does not affect the vibration mode of the ultrasonic probe. The cushion material 230 absorbs the surface roughness and flatness of the screw head 110 by the deformation of the cushion material 230 by the pressing force 300, and allows the ultrasonic wave to efficiently propagate from the ultrasonic probe 200 to the subject including the screw 100. .

一方、クッション材230の厚さが、超音波プローブ200の上記半波長の共振周波数におけるクッション材230の波長と同等になってくると、クッション材230における超音波の減衰などの影響で感度が低下する。このため、クッション材230の厚さは、超音波プローブ200の上記半波長の共振周波数におけるクッション材230の波長の1/10以下の厚さとし、音響的には透明に見えるような厚さが望ましい。   On the other hand, when the thickness of the cushion material 230 becomes equal to the wavelength of the cushion material 230 at the resonance frequency of the half wavelength of the ultrasonic probe 200, the sensitivity decreases due to the attenuation of the ultrasonic waves in the cushion material 230 and the like. To do. For this reason, the thickness of the cushioning material 230 is set to be 1/10 or less of the wavelength of the cushioning material 230 at the resonance frequency of the half wavelength of the ultrasonic probe 200, and the thickness is desirably acoustically transparent. .

このことから、超音波プローブ200の半波長共振周波数が高くなると、これに伴いクッション材230の厚さも薄くする必要があり、加工が困難になる。また、周波数が高いとねじ頭110自体の高次の振動モードなどが励起され、複雑な振動となって接触状態の評価が難しくなる。超音波プローブ200は圧電素子や金属によって構成され、縦波音速は約5000m/sである。クッション材230の厚さとの関係や、ねじ頭110の高次の振動モードの抑制を考慮すると、超音波プローブ200は、少なくとも200kHz以下の共振周波数を有することが望ましい。   For this reason, when the half-wave resonance frequency of the ultrasonic probe 200 is increased, it is necessary to reduce the thickness of the cushion material 230 accordingly, which makes processing difficult. In addition, when the frequency is high, a high-order vibration mode of the screw head 110 itself is excited, resulting in complicated vibration, which makes it difficult to evaluate the contact state. The ultrasonic probe 200 is composed of a piezoelectric element or metal, and the longitudinal wave velocity is about 5000 m / s. Considering the relationship with the thickness of the cushion material 230 and the suppression of higher-order vibration modes of the screw head 110, the ultrasonic probe 200 desirably has a resonance frequency of at least 200 kHz or less.

また、クッション材230が十分に変形し、ねじ頭110の表面粗さや平面度を吸収して、超音波が効率よく伝搬するようために十分な押付け力300が必要である。クッション材230のヤング率及び厚さをそれぞれE及びtとし、必要な変形量をΔtとすれば、クッション材230に必要となる応力σは、σ=E×(Δt/t)となり、ねじ頭110の面積をSとして、(σ×S)の押付け力300を要する。一般にゴム材は弾性率Eが3〜8MPa程度であり、ゴム材の厚さtを0.5mmとすれば、5μm程度の変形を必要とすると、ゴム材に対して30〜80kPa程度の応力が要求される。したがって、少なくとも、クッション材230とねじ頭110との接触応力が0.1MPa以上となるように押し付けることが望ましい。   In addition, a sufficient pressing force 300 is necessary for the cushion material 230 to be sufficiently deformed to absorb the surface roughness and flatness of the screw head 110 and to propagate the ultrasonic waves efficiently. If the Young's modulus and thickness of the cushion material 230 are E and t, respectively, and the required deformation amount is Δt, the stress σ required for the cushion material 230 is σ = E × (Δt / t), and the screw head If the area of 110 is S, a pressing force 300 of (σ × S) is required. In general, a rubber material has an elastic modulus E of about 3 to 8 MPa, and if the thickness t of the rubber material is 0.5 mm, a stress of about 30 to 80 kPa is applied to the rubber material if a deformation of about 5 μm is required. Required. Therefore, it is desirable to press at least the contact stress between the cushion material 230 and the screw head 110 to be 0.1 MPa or more.

次に、超音波振動系を用いたねじ締結状態の検査原理について説明する。図5は、超音波プローブ200をねじ頭110に取り付けた状態の電気的等価回路を示す図である。超音波プローブ200は図5の破線で囲まれた等価回路400で示されており、機械端AA’と電気端BB’とを有し、コンデンサ401と超音波プローブ200自体の機械インピーダンス等価回路402とからなる。   Next, the inspection principle of the screw fastening state using the ultrasonic vibration system will be described. FIG. 5 is a diagram showing an electrical equivalent circuit in a state where the ultrasonic probe 200 is attached to the screw head 110. The ultrasonic probe 200 is shown by an equivalent circuit 400 surrounded by a broken line in FIG. 5, and has a mechanical end AA ′ and an electric end BB ′, and a mechanical impedance equivalent circuit 402 of the capacitor 401 and the ultrasonic probe 200 itself. It consists of.

ねじ頭110から見た被検体の機械インピーダンス等価回路410は機械端AA’に連結され、ねじ100の締結状態によって、上記被検体の機械インピーダンス410は変化する。したがって、電気端BB’からみた電気インピーダンスZを計測することにより、ねじ100の締結状態を知ることができる。例えば、締結状態が良くなると被検体での超音波減衰も大きくなるから、機械インピーダンス401に含まれる純抵抗が大きくなり、電気インピーダンスZは大きくなる。また、締結状態が良くなると、ねじ100だけでなく被締結物120及び121にも超音波が伝搬し、被締結物境界で反射したり、散乱したりする要素が増すため、超音波プローブ200と被検体とからなる振動系の共振周波数が変化する。よって、予めねじ100の締結状態と電気インピーダンスや共振周波数との相関関係を調べておけば、それと比較して、ねじ締結状態の検査が可能になる。なお、電気インピーダンスの逆数で表される電気アドミッタンスを用いて評価しても良いし、反響振周波数の情報や、これらインピーダンスやアドミッタンスの周波数特性の形を判定のための情報としても良い。   The mechanical impedance equivalent circuit 410 of the subject viewed from the screw head 110 is connected to the machine end AA ′, and the mechanical impedance 410 of the subject changes depending on the fastening state of the screw 100. Therefore, the fastening state of the screw 100 can be known by measuring the electrical impedance Z as viewed from the electrical end BB '. For example, if the fastening state is improved, the ultrasonic attenuation at the subject is also increased, so that the pure resistance included in the mechanical impedance 401 is increased and the electrical impedance Z is increased. In addition, when the fastening state is improved, the ultrasonic wave propagates not only to the screw 100 but also to the fastened objects 120 and 121, and the number of elements that are reflected or scattered at the fastened object boundary increases. The resonance frequency of the vibration system composed of the subject changes. Therefore, if the correlation between the fastening state of the screw 100 and the electrical impedance or the resonance frequency is examined in advance, the screw fastening state can be inspected as compared with it. It should be noted that the evaluation may be performed using the electrical admittance expressed by the reciprocal of the electrical impedance, or the information on the reverberation frequency and the form of the frequency characteristics of the impedance and the admittance may be used as information for the determination.

電気インピーダンスZの計測は、インピーダンス判定部で行われる。電気インピーダンスを計測する手段としては、図6(a)及び(b)に示したようなブリッジ法やI−V法がある。図6(a)のブリッジ法は、インピーダンスZ、Z、Zと求めたい電気インピーダンスZとでブリッジ回路を組み、検流計420に電流が流れないようにインピーダンスZ、Z、Zを調整すると、Z=Z/Zを計算することによって、電気インピーダンスZが求められる。発振器450で周波数を掃引するなどして、超音波プローブ200の共振周波数周辺のインピーダンス周波数特性を計測する。 The measurement of the electrical impedance Z is performed by the impedance determination unit. As means for measuring the electrical impedance, there are a bridge method and an IV method as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). In the bridge method of FIG. 6A, the impedance Z 1 , Z 2 , Z 3 and the electrical impedance Z to be obtained are combined with a bridge circuit, and the impedance Z 1 , Z 2 , When Z 3 is adjusted, the electrical impedance Z is determined by calculating Z = Z 1 Z 3 / Z 2 . The impedance frequency characteristic around the resonance frequency of the ultrasonic probe 200 is measured by sweeping the frequency with the oscillator 450.

また、図6(b)のI−V法は、図5に示した電気的等価回路に流れる電圧Vと電流Iとを検出して、電気インピーダンスZを求める方法である。電圧は電圧計430で計測し、電流Iは低抵抗Rを用いて電圧計440で計測する。電圧計430で得られる電圧Vと、電圧計440で得られる電圧V及び低抵抗Rから、電気インピーダンスZはZ=V/I=RV/Vとして求めることができる。電気インピーダンスを求める方法としては、他に自動平衡ブリッジ法や共振法などがあるが、いずれを用いても良い。 Furthermore, I-V method of FIG. 6 (b), by detecting the electrical equivalent circuit flows voltage V 1 and current I shown in FIG. 5, a method for determining the electrical impedance Z. The voltage is measured with a voltmeter 430, and the current I is measured with a voltmeter 440 using a low resistance R. From the voltage V 1 obtained by the voltmeter 430, the voltage V 2 obtained by the voltmeter 440 and the low resistance R, the electrical impedance Z can be obtained as Z = V 1 / I = RV 1 / V 2 . There are other methods for obtaining the electrical impedance, such as an automatic balanced bridge method and a resonance method, any of which may be used.

なお、従来の超音波を利用したボルトの軸力計では、主として締結時のボルトの伸び量を、ボルトを伝播する超音波パルスの往復伝搬時間から算出している。しかし、小型のボルトなどに対しては、ボルトのねじ山などが超音波パルスを散乱させたり、非常に高分解能な超音波パルス制御が必要となるなど、実用的ではないという問題があった。これに対して本発明の接触状態の検査方法及び検査装置では、ねじの着座に着目し、ねじ頭の座面と被締結物との接触状態をインピーダンス変化として計測するため、小型のねじにも適用が可能であり、装置も安価に構成することができる。   Note that in a conventional bolt axial force meter using ultrasonic waves, the amount of bolt elongation at the time of fastening is mainly calculated from the reciprocating propagation time of ultrasonic pulses propagating through the bolt. However, for a small bolt or the like, there has been a problem that the screw thread of the bolt or the like scatters an ultrasonic pulse or requires an ultrasonic pulse control with a very high resolution, which is not practical. On the other hand, in the contact state inspection method and inspection device of the present invention, focusing on the screw seating, the contact state between the screw head seating surface and the object to be fastened is measured as an impedance change. Application is possible, and the apparatus can also be configured at low cost.

<第3の実施形態>
続いて、本発明の第3の実施形態による、超音波振動(物理的作用を与える)系を用いた接触状態の検査装置について、以下図面を用いて説明する。図7は、第3の実施形態による締結状態の検査装置の概略構成を示す図である。
<Third Embodiment>
Next, a contact state inspection apparatus using an ultrasonic vibration (giving a physical action) system according to a third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 7 is a diagram illustrating a schematic configuration of an inspection apparatus in a fastening state according to the third embodiment.

図7では、超音波振動系が、裏打ちブロック211、電気音響変換素子212及び前面ブロック213からなる超音波プローブ210と、金属製の固体伝送棒214とを含んで構成されている。また、固体伝送棒214にフランジ215が設けられて、ハウジング221と連結されている。固体伝送棒214の出力端にはクッション材230が設けられている。他の構成は図3で示した第2の実施形態と同様である。   In FIG. 7, the ultrasonic vibration system includes an ultrasonic probe 210 including a backing block 211, an electroacoustic transducer 212 and a front block 213, and a metal solid transmission rod 214. Further, the solid transmission rod 214 is provided with a flange 215 and connected to the housing 221. A cushion material 230 is provided at the output end of the solid transmission rod 214. Other configurations are the same as those of the second embodiment shown in FIG.

固体伝送棒214は、フランジ215を境に、クッション材230側の太さの方が超音波プローブ210側の太さよりも細く絞るような構成となっている。このような構成は、図7に示すように被締結物123に座ぐり124があり、ねじ頭110の寸法が小さい場合などに、超音波プローブの設計を新たに変更する必要がないなどの効果もあるが、別の効果として機械インピーダンスの変換を行える点がある。   The solid transmission rod 214 is configured such that the thickness on the cushion material 230 side is narrower than the thickness on the ultrasonic probe 210 side with the flange 215 as a boundary. Such a configuration has an effect that, as shown in FIG. 7, there is a spot facing 124 on the fastened object 123 and there is no need to newly change the design of the ultrasonic probe when the screw head 110 has a small size. However, another effect is that the mechanical impedance can be converted.

図8は、この超音波振動系の振動モードを示しており、超音波プローブ210と固体伝送棒214及びクッション材230で一波長の共振となるような振動振幅分布216を有している。固体伝送棒214の出力端側の太さを細くすると、振動振幅が拡大し、固体伝送棒214の出力端における伝送力は、固体伝送棒214の超音波プローブ210側の入力端より減少する。損失がなければ伝送力と振動速度の積で表されるパワーは両端で変わらないが、伝送力と振動速度の比で表される機械インピーダンスはクッション材230側の出力端の方が、超音波プローブ210側の入力端よりも小さくなる。このような機械インピーダンスの変化によって、超音波プローブ210での計測感度が最適になるように、機械インピーダンスの変換を行うことができる。   FIG. 8 shows a vibration mode of this ultrasonic vibration system, which has a vibration amplitude distribution 216 that causes resonance of one wavelength by the ultrasonic probe 210, the solid transmission rod 214, and the cushion material 230. When the thickness of the output end side of the solid transmission rod 214 is reduced, the vibration amplitude is increased, and the transmission force at the output end of the solid transmission rod 214 is reduced from the input end of the solid transmission rod 214 on the ultrasonic probe 210 side. If there is no loss, the power represented by the product of the transmission force and the vibration speed does not change at both ends, but the mechanical impedance represented by the ratio of the transmission force and the vibration speed is more ultrasonic at the output end on the cushion material 230 side. It becomes smaller than the input end on the probe 210 side. By such a change in mechanical impedance, the mechanical impedance can be converted so that the measurement sensitivity of the ultrasonic probe 210 is optimized.

超音波プローブ200及び210、あるいは超音波プローブ210と固体伝送棒214からなる超音波振動系は、少なくとも複数の部材で構成されているため、例えば、電気音響変換素子202と、裏打ちブロック201及び前面ブロック203との接着状態や、超音波プローブ210と固体伝送棒214との接着状態は、検査の精度や性能に大きく影響する。即ち、上述の接着状態が導電性の接着剤によりなされているような場合には、接着面にボイドが存在していたりするだけで性能劣化の原因となる。このような性能の劣化を改善し、高い性能を維持するためには、本実施形態における超音波振動系は、ねじ締結されていることが望ましい。   Since the ultrasonic vibration system including the ultrasonic probes 200 and 210 or the ultrasonic probe 210 and the solid transmission rod 214 includes at least a plurality of members, for example, the electroacoustic transducer 202, the backing block 201, and the front surface The adhesion state with the block 203 and the adhesion state between the ultrasonic probe 210 and the solid transmission rod 214 greatly affect the accuracy and performance of the inspection. That is, in the case where the above-mentioned adhesion state is made with a conductive adhesive, only the presence of voids on the adhesion surface causes deterioration in performance. In order to improve such performance deterioration and maintain high performance, it is desirable that the ultrasonic vibration system in the present embodiment is screwed.

図9は、図7に示した超音波振動系を構成する複数の部材の各接続部を、ねじ締結した超音波振動系を示す図である。超音波プローブ500はボルト締めランジュバン型振動子となっている。そして、交互に重ねられた2枚の電極521及び522と2層の圧電素子511及び512とを、裏打ちブロック501と前面ブロック502とで挟み込み、締結ボルト531で締結している。また、超音波プローブ500と固体伝送棒217も連結ボルト532で締結されている。このように超音波振動系の構成部においてはできるだけボルトによる締結を行うことで、計測対象以外の接触状態を安定に保つことができ、検査性能の維持が可能となる。   FIG. 9 is a diagram showing an ultrasonic vibration system in which each connection portion of a plurality of members constituting the ultrasonic vibration system shown in FIG. 7 is screw-fastened. The ultrasonic probe 500 is a bolted Langevin type vibrator. The two electrodes 521 and 522 and the two layers of piezoelectric elements 511 and 512 that are alternately stacked are sandwiched between the backing block 501 and the front block 502 and fastened by a fastening bolt 531. Further, the ultrasonic probe 500 and the solid transmission rod 217 are also fastened by a connecting bolt 532. In this way, the components of the ultrasonic vibration system are fastened with bolts as much as possible, so that the contact state other than the measurement target can be kept stable, and the inspection performance can be maintained.

<検査実験>
以下、上述した本発明の超音波振動系を用いたねじ締結状態の検査に関する実験結果について説明する。用いた超音波振動系は図9に示した超音波振動系とほぼ同一で、固体伝送棒の太さは均一とした。即ち、固体伝送棒での機械インピーダンスの変化はない。超音波プローブには約60kHzの半波長共振を持ったボルト締めランジュバン型振動子を用い、その出力端にアルミニウム合金製の固体伝送棒を連絡ボルトを用いて締結した。クッション材にはバイトンゴムを用い、厚さを0.3mmとした。上記固体伝送棒の長手方向中央にフランジを設け、ハウジングを介して4kgの荷重をかけた。検査対象としたねじはM2.5のねじを用い、トルクドライバーによるトルクの値と電気インピーダンス計測結果との比較を行った。
<Inspection experiment>
Hereinafter, the experimental result regarding the test | inspection of the screw fastening state using the ultrasonic vibration system of this invention mentioned above is demonstrated. The ultrasonic vibration system used was almost the same as the ultrasonic vibration system shown in FIG. 9, and the thickness of the solid transmission rod was uniform. That is, there is no change in mechanical impedance at the solid transmission rod. A bolt-clamped Langevin type vibrator having a half-wave resonance of about 60 kHz was used for the ultrasonic probe, and a solid transmission rod made of aluminum alloy was fastened to the output end of the ultrasonic probe using a connecting bolt. Viton rubber was used for the cushioning material, and the thickness was 0.3 mm. A flange was provided at the longitudinal center of the solid transmission rod, and a load of 4 kg was applied through the housing. The M2.5 screw was used as the inspection target, and the torque value measured by the torque driver was compared with the electrical impedance measurement result.

図10乃至図12は、実験結果を示している。図10は電気インピーダンスの周波数特性図である。トルクをパラメータとして、図10(a)はインピーダンスの絶対値の周波数特性を示し、図10(b)は位相の周波数特性を示している。インピーダンスの絶対値の周波数特性(図10(a))を見ると、インピーダンスが最小値をとる周波数が、電気的な共振周波数であり、トルクの増加に伴って、インピーダンスの値が増加し、共振周波数も上昇していくことがわかる。   10 to 12 show the experimental results. FIG. 10 is a frequency characteristic diagram of electrical impedance. Using torque as a parameter, FIG. 10A shows the frequency characteristic of the absolute value of the impedance, and FIG. 10B shows the frequency characteristic of the phase. Looking at the frequency characteristics of the absolute value of the impedance (FIG. 10A), the frequency at which the impedance takes the minimum value is the electrical resonance frequency, and the impedance value increases as the torque increases. It can be seen that the frequency also increases.

図11は共振周波数におけるインピーダンスの値と、共振周波数とをそれぞれトルクに対してプロットした図である。トルクを対数に取ると、インピーダンスも共振周波数のどちらも直線的に増加する。図10及び図11には、ねじ頭が着座していないねじ浮きの場合の実験結果も示してあり、インピーダンスの絶対値だけでは着座の有無を評価できないが、共振周波数の変化やトルクそのものとの併用によって、確実に判断することができる。   FIG. 11 is a diagram in which the impedance value at the resonance frequency and the resonance frequency are plotted against the torque. When the torque is taken logarithmically, both the impedance and the resonance frequency increase linearly. FIG. 10 and FIG. 11 also show experimental results in the case of screw floating where the screw head is not seated, and the presence or absence of seating cannot be evaluated only by the absolute value of the impedance. By using the combination, it can be determined reliably.

図12は、電気アドミッタンスによる評価結果を示し、特に、図12(a)は電気アドミッタンス円を、図12(b)はトルクに対するコンダクタンス最大値、すなわちアドミッタンス円の直径の大きさを示したものである、トルクの増加に伴い、アドミッタンス円は小さくなっており、ねじ頭から見た機械的な負荷インピーダンスが大きくなっていることがわかる。また、図12(b)から、トルクの上昇に伴って、徐々に一定値に漸近していくことがわかる。インピーダンスと同様に、コンダクタンス値だけでのねじ浮きの評価は難しいが、共振周波数の変化やトルクの値を併用することで、確実に着座の有無を評価できる(ねじ浮きの有無を適切に評価できる)。   FIG. 12 shows the evaluation result by electric admittance, and in particular, FIG. 12 (a) shows the electric admittance circle, and FIG. 12 (b) shows the maximum conductance value with respect to the torque, that is, the size of the diameter of the admittance circle. As the torque increases, the admittance circle decreases, and it can be seen that the mechanical load impedance as viewed from the screw head increases. Also, from FIG. 12B, it can be seen that as the torque increases, it gradually approaches a constant value. As with impedance, it is difficult to evaluate screw lift using only the conductance value, but by using the change in resonance frequency and torque value together, the presence or absence of seating can be reliably evaluated (the presence or absence of screw lift can be evaluated appropriately). ).

以上の電気インピーダンスあるいは電気アドミッタンスの変化、あるいは共振周波数の変化は、本実験条件下において見られた傾向であり、被締結物の形状や材質によっては、例えば共振周波数が減少していくなど異なる結果が出ることも考えられる。したがって、リファレンスとして正しく締結されている状態のデータを予め計測しておき、そのデータとの比較を行うことで評価することが望ましい。   The above changes in the electrical impedance or electrical admittance or the change in the resonance frequency tend to be observed under the experimental conditions. Depending on the shape and material of the object to be fastened, for example, the resonance frequency decreases, resulting in different results. Can be considered. Therefore, it is desirable to measure the data in a correctly fastened state as a reference in advance and evaluate it by comparing with the data.

<適用例>
以下、ねじ締結検査装置としての適用例について述べる。本発明ではねじ締め装置の近傍に本発明によるねじ締結検査装置を配置し、ねじ締結作業終了後直ちにねじ締結検査が実施可能とした。
<Application example>
Hereinafter, an application example as a screw fastening inspection device will be described. In the present invention, the screw fastening inspection device according to the present invention is disposed in the vicinity of the screw fastening device, and the screw fastening inspection can be performed immediately after the screw fastening operation is completed.

ねじ締め装置にこのねじ締結検査装置を組み込み、ねじ締結中の締結力を常時モニタすることでねじ締結検査が実施可能な構造とした。   The screw fastening inspection device is incorporated in the screw fastening device, and the fastening force during the screw fastening is constantly monitored so that the screw fastening inspection can be performed.

図13は本発明によるねじ締結検査装置の構成を示している。超音波を生成し受信する超音波プローブ10によりねじ11の締結を計測する。超音波プローブ10は圧電素子12をその内部に固定した軸の先端からねじ頭13に向かって超音波を発信する。超音波プローブ10は圧電素子12をその間に挟みこんだ軸構造で圧電素子12とねじ頭13の間に前軸14、反対側に後軸15が配置されている。ねじ頭13と前軸14の間にはその接触を高めるための軟質材16を配置している。前軸14の外周から取り付けフランジ17が加工されておりここで固定軸18と結合されている。固定軸18はエアシリンダ19の可動軸20に取り付いている。エアシリンダ19の可動軸20は圧縮空気によって上下に動くことが可能な構造となっている。超音波プローブ10にはその圧電素子12を駆動するための駆動ドライバ64とねじ頭13の座面21と被締結部品22の接触部の反射波から得られた信号からねじ締結の判断を行うねじ締結判定器23が配置されている。超音波プローブ10はねじ頭13との接触部24で超音波の伝達を容易とするために加圧機構を具備している。この加圧機構はエアシリンダ19の空圧による加圧で、合わせてこの上下移動で検査装置の退避ができる構造となっている。ねじ11は被締結部品22を締結部品25に取り付ける構造で被締結部品22には通し穴、締結部品25にはタップ穴が加工されている。ねじ11の回転で被締結部品22と締結部品25を締結する構造となっている。   FIG. 13 shows the configuration of a screw fastening inspection device according to the present invention. The fastening of the screw 11 is measured by the ultrasonic probe 10 that generates and receives the ultrasonic wave. The ultrasonic probe 10 transmits ultrasonic waves from the tip of a shaft with the piezoelectric element 12 fixed therein toward the screw head 13. The ultrasonic probe 10 has a shaft structure in which a piezoelectric element 12 is sandwiched therebetween, and a front shaft 14 is disposed between the piezoelectric element 12 and the screw head 13, and a rear shaft 15 is disposed on the opposite side. A soft material 16 is arranged between the screw head 13 and the front shaft 14 to enhance the contact. A mounting flange 17 is machined from the outer periphery of the front shaft 14 and is connected to the fixed shaft 18 here. The fixed shaft 18 is attached to the movable shaft 20 of the air cylinder 19. The movable shaft 20 of the air cylinder 19 has a structure capable of moving up and down by compressed air. The ultrasonic probe 10 includes a driving driver 64 for driving the piezoelectric element 12, a screw for determining screw fastening from a signal obtained from a reflected wave from a contact portion of the seating surface 21 of the screw head 13 and the part to be fastened 22. A fastening determination device 23 is arranged. The ultrasonic probe 10 includes a pressurizing mechanism for facilitating transmission of ultrasonic waves at the contact portion 24 with the screw head 13. This pressurizing mechanism has a structure in which the inspection apparatus can be retracted by this vertical movement by pressurization by air pressure of the air cylinder 19. The screw 11 has a structure in which the part to be fastened 22 is attached to the fastening part 25, and a through hole is formed in the part to be fastened 22 and a tapped hole is processed in the fastening part 25. The fastening part 22 and the fastening part 25 are fastened by the rotation of the screw 11.

図14は、ねじ締結によるインピーダンス線26の変化を示す図である。縦軸がインピーダンスで、横軸に周波数を示す。このインピーダンス線26は超音波プローブ10からねじ頭13の座面21と被締結部品の接触部に向けて超音波を入射し、このインピーダンスを計測したものである。この時周波数を変化させてインピーダンスの変化を締結前後で比較し、締結を確認する。締結前のインピーダンスで計測された共振周波数W1がねじの締結において破線65で示す共振周波数W2に変化している様子がわかる。この共振周波数の変化でねじ締結を確認することができる。   FIG. 14 is a diagram illustrating changes in the impedance line 26 due to screw fastening. The vertical axis represents impedance, and the horizontal axis represents frequency. The impedance line 26 is obtained by measuring the impedance of an ultrasonic wave incident from the ultrasonic probe 10 toward the contact surface 21 of the screw head 13 and the part to be fastened. At this time, the frequency is changed and the change in impedance is compared before and after the fastening to confirm the fastening. It can be seen that the resonance frequency W1 measured by the impedance before fastening is changed to the resonance frequency W2 indicated by the broken line 65 in fastening the screw. The screw fastening can be confirmed by the change in the resonance frequency.

<まとめ>
以上、本発明の接触状態の検査方法及び検査装置によれば、複数部材からなる被検体における、複数部材の接触状態を機械インピーダンスの情報をもとに算出するので、例えば、被検体内にねじと被締結物を含み、ねじの締結状態を検査する場合に、小型のねじへの適用も可能になる。
<Summary>
As described above, according to the contact state inspection method and inspection apparatus of the present invention, the contact state of a plurality of members in a subject composed of a plurality of members is calculated based on the information on mechanical impedance. When a fastening state of a screw is inspected, it can be applied to a small screw.

また、超音波振動子を含んだ超音波発生部を被検体に押し付け、機械インピーダンスを力と速度の比から直接求める代わりに、超音波振動子の電気端における電気インピーダンスあるいは電気アドミッタンスを計測することにより、装置の低コスト化、小型化が実現できる。ここで使用する超音波発生部は、共振周波数が比較的低いため、例えば、被検体内にねじと被締結物を含み、ねじの締結状態を検査する場合に、小型のねじへの適用も可能である。   In addition, instead of pressing the ultrasonic generator containing the ultrasonic transducer against the subject and directly obtaining the mechanical impedance from the force-velocity ratio, the electrical impedance or electrical admittance at the electrical end of the ultrasonic transducer is measured. As a result, the cost and size of the apparatus can be reduced. Since the ultrasonic generator used here has a relatively low resonance frequency, for example, a screw and an object to be fastened are included in the subject. It is.

また、本発明によれば、ねじ締結前後のねじと被締結物との接触による電気インピーダンスあるいは電気アドミッタンスの変化をその締結情報として処理し、締結力を検査するので、ねじに計測のための特別な構造の付加をせず、ねじ締結作業後に検査工程を入れることも可能になる。このため、生産ラインのin situ(その場)で短時間に締結検査が可能となり、全数検査にも対応できる。   In addition, according to the present invention, the change in electrical impedance or electrical admittance due to contact between the screw before and after screw fastening and the object to be fastened is processed as the fastening information, and the fastening force is inspected. It is also possible to perform an inspection process after the screw fastening operation without adding a new structure. For this reason, it is possible to perform a fastening inspection in a short time in situ on the production line, and it is possible to cope with a total inspection.

本発明の第1の実施形態による締結状態検査装置(機械インピーダンス計測による)の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the fastening state test | inspection apparatus (by mechanical impedance measurement) by the 1st Embodiment of this invention. ねじ頭の振動モードを示す図である。It is a figure which shows the vibration mode of a screw head. 本発明の第2の実施形態による締結状態検査装置(超音波振動系を用いたもの)の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the fastening state inspection apparatus (thing using an ultrasonic vibration system) by the 2nd Embodiment of this invention. 超音波プローブの振動モードを示す図である。It is a figure which shows the vibration mode of an ultrasonic probe. 第2の実施形態による検査装置の電気的等価回路図である。It is an electrical equivalent circuit diagram of the test | inspection apparatus by 2nd Embodiment. 電気インピーダンス計測のための回路図である。It is a circuit diagram for electrical impedance measurement. 本発明の第3の実施形態による締結状態検査装置(超音波振動系を用いたもの)の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the fastening state inspection apparatus (thing using an ultrasonic vibration system) by the 3rd Embodiment of this invention. 超音波振動系の振動モードを示す図である。It is a figure which shows the vibration mode of an ultrasonic vibration system. 第3の実施形態による超音波振動系の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ultrasonic vibration system by 3rd Embodiment. 実験により得られた電気インピーダンスの周波数特性図である。It is a frequency characteristic figure of the electrical impedance obtained by experiment. 実験により得られたトルクと電気インピーダンス及び共振周波数の関係の特性図である。It is a characteristic view of the relationship between the torque obtained by experiment, electrical impedance, and resonance frequency. 実験により得られたトルクと電気アドミッタンスの関係の特性図である。It is a characteristic view of the relationship between the torque and electric admittance obtained by experiment. 本発明の適用例であるねじ検査装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the screw inspection apparatus which is an example of application of this invention. 本発明の適用例であるねじ検査装置から得られる信号例を示す図である。It is a figure which shows the example of a signal obtained from the screw inspection apparatus which is an example of application of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10、200、210 超音波プローブ
11、100 ねじ
12、202、212、511、512 圧電素子
13、110 ねじ頭
14 前軸
15 後軸
16 軟質材
17 取り付けフランジ
18 固定軸
19 エアシリンダ
20 可動軸
21 座面
22 被締結部品
23 ねじ締結判定器
24 接触部
25 締結部品
26 インピーダンス線
64 駆動ドライバ
65 破線
111、112 振動モード
120、121、123 被締結物
122 めねじ
124 座ぐり
130 打撃手段
131 計測手段
132 信号処理部
133、134 信号線
135 インピーダンス判定部
201、211、501 裏打ちブロック
203、213、502 前面ブロック
204、215 フランジ
205、216 振動振幅分布
214、217 固体伝送棒
230 クッション材
400 等価回路
401 コンデンサ
402、410 機械インピーダンス等価回路
420 検流計
430、440 電圧計
450 発振器
521、522 電極
531 締結ボルト
532 連結ボルト
10, 200, 210 Ultrasonic probe 11, 100 Screw 12, 202, 212, 511, 512 Piezoelectric element 13, 110 Screw head 14 Front shaft 15 Rear shaft 16 Soft material 17 Mounting flange 18 Fixed shaft 19 Air cylinder 20 Movable shaft 21 Seat surface 22 Fastened part 23 Screw fastening determination device 24 Contact part 25 Fastening part 26 Impedance line 64 Drive driver 65 Broken line 111, 112 Vibration mode 120, 121, 123 Fastened object 122 Female thread 124 Counterbore 130 Impacting means 131 Measuring means 132 Signal processor 133, 134 Signal line 135 Impedance determination unit 201, 211, 501 Backing block 203, 213, 502 Front block 204, 215 Flange 205, 216 Vibration amplitude distribution 214, 217 Solid transmission rod 230 Cushion material 400 Equivalent circuit 01 capacitors 402, 410 mechanical impedance equivalent circuit 420 galvanometer 430, 440 voltmeter 450 oscillator 521 electrode 531 fastening bolt 532 connecting bolt

Claims (19)

締結手段と被締結部材を含む被検体の締結状態を検査する検査装置であって、
前記被検体に対して物理的作用を加える物理的作用付加部と、
前記物理的作用が加えられたことによって生じる前記被検体の物理的変化を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて、前記締結手段と前記被締結部材の締結状態を評価するための情報を演算する処理部と、
を備えることを特徴とする検査装置。
An inspection apparatus for inspecting a fastening state of a subject including a fastening means and a member to be fastened,
A physical action adding unit for applying a physical action to the subject;
A detection unit for detecting a physical change of the subject caused by the physical action being applied;
Based on the detection result of the detection unit, a processing unit that calculates information for evaluating the fastening state of the fastening means and the fastened member;
An inspection apparatus comprising:
前記物理的作用付加部は、前記被検体を打撃することによって前記物理的作用を前記被検体に加える打撃部で構成され、
前記検出部は、前記打撃部による打撃力と、前記打撃によって生じる前記締結手段の振動の速度を検出することを特徴とする請求項1に記載の検査装置。
The physical action adding unit is configured by a hitting unit that applies the physical action to the subject by hitting the subject.
The inspection device according to claim 1, wherein the detection unit detects a striking force by the striking unit and a vibration speed of the fastening means generated by the striking.
前記物理的作用付加部は、前記を含む被検体を一周波数あるいは複数周波数で加振する加振部で構成され、
前記検出部は、前記加振部の加振力と、前記加振力によって生じる前記被検体の振動の速度を検出することを特徴とする請求項1に記載の検査装置。
The physical action adding unit is configured by a vibrating unit that vibrates a subject including the above at one frequency or a plurality of frequencies,
The inspection apparatus according to claim 1, wherein the detection unit detects an excitation force of the excitation unit and a vibration speed of the subject generated by the excitation force.
前記締結状態を評価するための情報は、機械インピーダンスであることを特徴とする請求項1に記載の検査装置。   The inspection apparatus according to claim 1, wherein the information for evaluating the fastening state is mechanical impedance. 前記物理的作用付加部は、前記を含む被検体を一周波数あるいは複数周波数で超音波加振する超音波加振部で構成され、
前記検出部は、前記超音波加振部の電気端における電圧と電流を検出することを特徴とする請求項1に記載の検査装置。
The physical action adding unit is composed of an ultrasonic vibration unit that ultrasonically vibrates the subject including the above at one frequency or a plurality of frequencies,
The inspection apparatus according to claim 1, wherein the detection unit detects a voltage and a current at an electrical end of the ultrasonic vibration unit.
前記超音波加振部は、電歪型、磁歪型、及び静電型のいずれかの超音波発生部を有することを特徴とする請求項5に記載の検査装置。   The inspection apparatus according to claim 5, wherein the ultrasonic vibration unit includes an ultrasonic generation unit of any one of an electrostrictive type, a magnetostrictive type, and an electrostatic type. 前記超音波加振部は、200kHz以下の共振周波数を有していることを特徴とする請求項5に記載の検査装置。   The inspection apparatus according to claim 5, wherein the ultrasonic vibration unit has a resonance frequency of 200 kHz or less. 前記締結状態を評価するための情報は、前記超音波加振部の電気端における電気インピーダンス、或いは電気アドミッタンスの周波数特性及び共振周波数の少なくとも一方であることを特徴とする請求項5に記載の検査装置。   6. The inspection according to claim 5, wherein the information for evaluating the fastening state is at least one of an electrical impedance at an electrical end of the ultrasonic excitation unit, a frequency characteristic of electrical admittance, and a resonance frequency. apparatus. 前記被検体と前記超音波加振部との間に、クッション材を備えるか、液体あるいはゲル状物質が充填されることを特徴とする請求項5に記載の検査装置。   The inspection apparatus according to claim 5, wherein a cushioning material is provided between the subject and the ultrasonic vibration unit, or a liquid or a gel substance is filled. 前記クッション材はゴム材であることを特徴とする請求項9に記載の検査装置。   The inspection apparatus according to claim 9, wherein the cushion material is a rubber material. 前記クッション材の厚さは、前記超音波加振部から発生する超音波振動の周波数における前記クッション材の波長に対して1/10以下の厚さであることを特徴とする請求項9に記載の検査装置。   The thickness of the cushion material is 1/10 or less with respect to the wavelength of the cushion material at the frequency of ultrasonic vibration generated from the ultrasonic vibration unit. Inspection equipment. 前記超音波加振部は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子を含むことを特徴とする請求項5に記載の検査装置。   The inspection apparatus according to claim 5, wherein the ultrasonic vibration unit includes a bolted Langevin type ultrasonic transducer. さらに、前記超音波加振部を前記被検体側に静的な押付け力で押付ける加圧部を備えることを特徴とする請求項5に記載の検査装置。   The inspection apparatus according to claim 5, further comprising a pressurizing unit that presses the ultrasonic vibration unit toward the subject with a static pressing force. 前記超音波加振部は、振動の節の周辺部にフランジを備え、
前記加圧部による押付け力は、前記フランジを介して前記超音波加振部に与えられ、
前記押付け力によって与えられる前記超音波加振部と前記被検体との間の接触圧力が0.1MPa以上であることを特徴とする請求項13に記載の検査装置。
The ultrasonic vibration unit includes a flange around a vibration node,
The pressing force by the pressure unit is given to the ultrasonic vibration unit through the flange,
The inspection apparatus according to claim 13, wherein a contact pressure between the ultrasonic vibration unit and the subject given by the pressing force is 0.1 MPa or more.
前記被検体はねじを含み、
前記ねじと被締結部材との締結状態を調べることを特徴とする請求項1に記載の検査装置。
The subject includes a screw;
The inspection apparatus according to claim 1, wherein a fastening state between the screw and the member to be fastened is checked.
締結手段と被締結部材を含む被検体の締結状態を検査する検査方法であって、
物理的作用付加部が、前記被検体に対して物理的作用を加え、
検出部が、前記物理的作用が加えられたことにより生じる前記被検体の物理的変化を検出し、
処理部が、前記検出部の検出結果に基づいて、前記締結手段と前記被締結部材の締結状態を評価するための情報を演算することを特徴とする検査装置。
An inspection method for inspecting a fastening state of a subject including a fastening means and a fastening member,
A physical action adding unit applies a physical action to the subject;
The detection unit detects a physical change of the subject caused by the physical action being applied,
A processing unit calculates information for evaluating a fastening state of the fastening means and the fastened member based on a detection result of the detection unit.
前記物理的作用付加部は、前記被検体を打撃することによって前記物理的作用を前記被検体に加える打撃部で構成され、
前記検出部は、前記打撃部による打撃力と、前記打撃によって生じる前記締結手段の振動の速度を検出することを特徴とする請求項16に記載の検査方法。
The physical action adding unit is configured by a hitting unit that applies the physical action to the subject by hitting the subject.
The inspection method according to claim 16, wherein the detection unit detects a striking force by the striking unit and a vibration speed of the fastening means generated by the striking.
前記物理的作用付加部は、前記を含む被検体を一周波数あるいは複数周波数で加振する加振部で構成され、
前記検出部は、前記加振部の加振力と、前記加振によって生じる前記被検体の振動の速度を検出することを特徴とする請求項16に記載の検査方法。
The physical action adding unit is configured by a vibrating unit that vibrates a subject including the above at one frequency or a plurality of frequencies,
The inspection method according to claim 16, wherein the detection unit detects an excitation force of the excitation unit and a vibration speed of the subject generated by the excitation.
前記物理的作用付加部は、前記を含む被検体を一周波数あるいは複数周波数で超音波加振する超音波加振部で構成され、
前記検出部は、前記超音波加振部の電気端における電圧と電流を検出することを特徴とする請求項16に記載の検査方法。
The physical action adding unit is composed of an ultrasonic vibration unit that ultrasonically vibrates the subject including the above at one frequency or a plurality of frequencies,
The inspection method according to claim 16, wherein the detection unit detects a voltage and a current at an electrical end of the ultrasonic vibration unit.
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