JP2023034536A - 超音波伝搬部材 - Google Patents

Abstract

【課題】測定性を確保しつつ耐久性を向上することが可能な超音波伝搬部材を提供する。【解決手段】超音波伝搬部材６Ａは、測定対象物の一例であるボルト２Ａと接触する第一の接触面１１ａと、第一の接触面１１ａの反対側に設けられており、超音波探触子５の先端面５ｂと接触する第二の接触面１１ｂと、を有する超音波伝搬部１０Ａと、超音波伝搬部１０Ａを保持し、第一の接触面１１ａよりも径方向外側でボルト２Ａと接触する第三の接触面２３ａを有する保持部２０Ａと、を備え、超音波伝搬部１０Ａは、保持部２０Ａよりも柔らかい。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波探触子が発生した超音波を測定対象物へ伝搬させるための部材に関する。

ボルトを締め付ける際のボルト（締付）軸力を測定する際に、超音波探触子とボルト頭部との間のギャップを埋めるようにエラストマー製の部材を設置することが行われている（特許文献１参照）。

特開２０２０－２０７４９号公報

かかるエラストマー製の部材は、超音波探触子及び測定対象物（ボルト）の間で荷重を受けて圧縮変形した状態で用いられるため、測定性と耐久性の両立が困難であった。

本発明は、前記した事項に鑑みて創案されたものであり、測定性を確保しつつ耐久性を向上することが可能な超音波伝搬部材を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明の超音波伝搬部材は、測定対象物と接触する第一の接触面と、前記第一の接触面の反対側に設けられており、超音波探触子の先端面と接触する第二の接触面と、を有する超音波伝搬部と、前記超音波伝搬部を保持し、前記第一の接触面よりも径方向外側で前記測定対象物と接触する第三の接触面を有する保持部と、を備え、前記超音波伝搬部は、前記保持部よりも柔らかいことを特徴とする。

本発明によれば、超音波伝搬部材の測定性を確保しつつ耐久性を向上することができる。

本発明の第一の実施形態に係る締付装置を模式的に示す図である。 （ａ）（ｂ）は、超音波伝搬部材を模式的に示す斜視図である。 締付装置をボルトに装着した状態を模式的に示す図である。 本発明の第二の実施形態に係る締付装置を模式的に示す図である。 締付装置をボルトに装着した状態を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について、測定対象物としてボルトを採用して超音波探触子を用いてボルト軸力を測定する場合を例にとり、適宜図面を参照しながら説明する。同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、本発明の測定対象物はボルトに限定されず、本発明の超音波伝搬部材は、測定対象物の寸法、軸力等を超音波探触子を用いて測定する装置と組み合わせて使用可能である。

＜第一の実施形態＞
図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る締付装置（ナットランナ）１Ａは、ボルト２Ａを締め付ける際に発生するボルト（締付）軸力を測定するボルト軸力測定装置でもある。ボルト軸力測定装置は、図示しない制御部が図示しない駆動部（モータ等）を駆動させることによって、ボルト２Ａに装着された締付装置１Ａを回転させて、ボルト２Ａを締め付ける。ボルト軸力測定装置の制御部は、ボルト締付時の超音波パルスのエコーに基づいて、ボルト軸力を算出する。締付装置１は、回転シャフト３と、ソケット４と、超音波探触子５と、超音波伝搬部材６Ａと、を備える。

＜回転シャフト＞
回転シャフト３は、図示しない制御部の制御によって、所定のトルク及び回転速度（回転角速度）で回転する筒状部材である。

＜ソケット＞
ソケット４は、回転シャフト３及びボルト２Ａに外嵌される筒状部材である。ソケット４の基端部（上端部）は、回転シャフト３の先端部（下端部）に着脱可能に外嵌されて固定されている。ソケット４の先端部（下端部）は、ボルト２Ａの頭部２ａに外嵌可能である。

＜超音波探触子＞
超音波探触子５は、ソケット４内において、回転シャフト３の先端部（下端部）に取り付けられている略円柱形状の部材である。超音波探触子５は、超音波パルスを発振し、発振した超音波パルスのエコーを受振する圧電素子等を備える。超音波探触子５は、図示しない支持部材、弾発コイルバネ等を介して回転シャフト３の先端部に取付けられていてもよい。超音波探触子５の外周面には、雄ネジ部５ａが形成されている。超音波探触子５の先端面（下端面）５ｂは、後記する超音波伝搬部１０Ａの本体部の基端面（上面）と接触可能である。また、超音波探触子５の外周面において、雄ネジ部５ａよりも先端部側（下側）は、雄ネジ部５ａが形成されておらず雄ネジ部５ａよりも小径の小径部５ｃとなっている。超音波探触子５の外周面において、雄ネジ部５ａよりも基端部側（上側）は、雄ネジ部５ａが形成されておらず雄ネジ部５ａよりも大径の大径部５ｄとなっている。大径部５ｄの径は、雌ネジ部２１ａの径よりも大きく、かつ、孔部２１ｂの径方向内端部の径よりも小さく設定されている。

＜超音波伝搬部材＞
超音波伝搬部材６Ａは、ソケット４内において、超音波探触子５の先端部（下端部）に取り付けられている略有底円筒形状の樹脂製部材である。超音波伝搬部材６は、超音波探触子５とボルト２Ａの頭部２ａとの間のギャップを埋め、超音波探触子５から発振された超音波パルスをボルト２Ａへ伝搬したり、ボルト２Ａからの超音波パルスのエコーを超音波探触子５へ伝搬したりする。図１及び図２（ａ）（ｂ）に示すように、本発明の第一の実施形態に係る超音波伝搬部材６Ａは、超音波伝搬部１０Ａと、保持部２０Ａと、を備える。

＜超音波伝搬部＞
超音波伝搬部１０Ａは、超音波探触子５及びボルト２Ａ間で超音波パルスを伝搬させる部材である。超音波伝搬部１０Ａは、保持部２０Ａよりも柔らかい材料、詳細には、ボルト２Ａに装着された状態で、弾性変形域内で軸方向（上下方向）圧縮変形可能な柔らかい材料、本実施形態では、エラストマーによって形成されている。超音波伝搬部１０Ａは、本体部１１と、第一の延設部１２と、第二の延設部１３と、突起部１４と、を一体に備える。

本体部１１は、超音波パルスを伝搬する、円板形状を呈する部位である。本体部１１の先端面（下面）は、ボルト２Ａの頭部２ａに形成された平面視円形の凹部２ｂの底面２ｂ１と接触する第一の接触面１１ａを構成する。第一の接触面１１ａの反対側となる本体部１１の基端面（上面）は、超音波探触子５の先端面（下端面）５ｂと接触する第二の接触面１１ｂを構成する。

第一の延設部１２は、本体部１１の径方向外端部から径方向外側に延設される部位である。第一の延設部１２は、径方向外側にいくにつれて上側に向かうように延設されている。

第二の延設部１３は、第一の延設部１２の径方向外端部から径方向外側に延設される部位である。第二の延設部１３は、回転シャフト３、ソケット４及び超音波探触子５の軸方向と直交する方向に延設されている。

突起部１４は、第二の延設部１３の径方向外端部から上方に延設される部位である。突起部１４は、平面視で円弧形状を呈する。本実施形態では、４つの突起部１４が、周方向に等間隔に形成されている。

＜保持部＞
保持部２０Ａは、超音波探触子５に対して超音波伝搬部１０Ａを保持する部材である。保持部２０Ａは、超音波伝搬部１０Ａよりも硬い材料、詳細には、ボルト２Ａに装着された状態で、ボルト２Ａに対する位置決めを実行可能な硬い材料、本実施形態では、ポリプロピレンによって形成されている。保持部２０Ａは、本体部２１と、第一の延設部２２と、第二の延設部２３と、を一体に備える。なお、保持部２０Ａの材料は、ポリプロピレンに限定されず、超音波伝搬部１０Ａよりも硬く（大きい硬度を有し）、超音波伝搬部１０Ａを保持したり、超音波探触子５に対して固定されたり、ボルト２Ａの凹部２ｂに対して位置決めされたり、等といった機能を実現可能なものであればよい。

本体部２１は、円筒形状を呈する部位である。本体部２１の内周面には、雌ネジ部２１ａが形成されている。雌ネジ部２１ａは、超音波探触子５の外周面に固定される固定部の一例である。本体部２１には、上下方向に貫通する円弧形状の孔部２１ｂが形成されている。本実施形態において、４つの突起部１４に対応する４つの孔部２１ｂが、周方向に等間隔に形成されている。

第一の延設部２２は、本体部２１の径方向内端部から下方に延設されている環状の部位である。第一の延設部２２は、下方にいくにつれて径方向内側に向かうように延設されている。第一の延設部２２は、かかる形状によって超音波探触子５の先端部の位置決め機能を有する。第一の延設部２２の下面は、超音波伝搬部１０Ａの本体部１１の上面と接触し、当該本体部１１の圧縮変形の安定化を実現する。

第二の延設部２３は、本体部２１の径方向外端部から下方に延設されている環状の部位である。第二の延設部２３は、第一の延設部２２よりも下方まで延設されている。第二の延設部２３の先端面（下面）は、ボルト２Ａの凹部２ｂの底面２ｂ１と接触する第三の接触面２３ａを構成する。かかる第三の接触面２３ａは、超音波伝搬部１０Ａの第一の接触面１１ａ及び第二の接触面１１ｂよりも径方向外側に位置する。第二の延設部２３の外周面は、ボルト２Ａの凹部２ｂの内周面２ｂ２と接触する第四の接触面２３ｂを構成する。

＜超音波伝搬部及び保持部の組付手法＞
超音波伝搬部１０Ａは、突起部１４が保持部２０の孔部２１ｂに下方から挿入（圧入）される、又は、かかる状態で同時成型（一体成型）されることによって、保持部２０Ａに固定される。組付状態において、本体部１１の上面、第一の延設部１２の内周面、及び、第二の延設部１３の上面は、それぞれ、第一の延設部２２の下面、第一の延設部２２の外周面、及び、本体部２１の下面と接触する。第二の延設部２３の下面である第三の接触面２３ａは、超音波探触子５の軸線方向において、本体部１１の下面である第一の接触面１１ａと本体部１１の上面である第二の接触面１１ｂとの間に位置する。すなわち、ボルト２Ａに装着される前は、第三の接触面２３ａは、第一の接触面１１ａよりも上、かつ、第二の接触面１１ｂよりも下に位置する。

＜超音波伝搬部材及び超音波探触子の組付手法＞
超音波伝搬部材６Ａは、本体部２１の内周面に形成された雌ネジ部２１ａが超音波探触子５の外周面に形成された雄ネジ部５ａに螺合されることによって、超音波探触子５に固定される。組付状態において、超音波探触子５の先端面（下面）５ｂは、本体部１１の上面である第二の接触面１１ｂと接触する。また、超音波探触子５の小径部５ｃは、第一の延設部２２の内周面の下端部（雌ネジ部２１ａが形成されていない部分）と接触する。また、超音波探触子５の雄ネジ部５ａと大径部５ｄとの境界部分の面（下向きの面）は、本体部２１の基端面（上面）と接触する。これらの接触によって、超音波探触子５及び超音波伝搬部材６Ａが互いに位置決めされる。

＜ボルトへの装着手法＞
ソケット４が、ボルト２Ａの頭部２ａに外嵌される。ここで、超音波伝搬部材６Ａは、ボルト２Ａの頭部２ａに形成された凹部２ｂに挿入されることによって、ボルト２Ａに装着される。第二の延設部２３の外周面である第四の接触面２３ｂは、凹部２ｂの内周面２ｂ２と接触する。これにより、超音波伝搬部材６Ａ及び超音波探触子５の軸に直交する方向の位置決めが好適に行われる。また、本体部１１の下面である第一の接触面１１ａ、及び、第二の延設部２３の下面である第三の接触面２３ａは、凹部２ｂの底面２ｂ１と接触する。ここで、本体部１１及び第一の延設部１２は、下面である第一の接触面１１ａが第三の接触面２３ａと同じ高さとなるまで圧縮変形する。

第一の延設部１２の外周面は、下にいくほど先細となるテーパ形状を呈しており、本体部１１及び第一の延設部１２が上下方向に圧縮変形しやすいようになっている。第一の延設部１２の外周面と第二の延設部２３の内周面との間には、本体部１１及び第一の延設部１２の圧縮変形時の逃げしろが確保されている。

かかる状態において、図示しない制御部は、図示しない駆動部（モータ等）を駆動させることによって回転シャフト３及びソケット４を回転させる。これにより、ボルト２Ａが図示しない孔部に螺合されて締め付けられる。ここで、図示しない制御部は、超音波探触子５を駆動させることによって、超音波パルスを発振させる。超音波パルスは、超音波伝搬部１０Ａの本体部１１を介してボルト２Ａへ伝搬される。超音波探触子５は、ボルト２の頭部２ａ（凹部２ｂの底面２ｂ１）からのエコーと、ボルト２Ａの軸部の先端面（下面）からのエコーと、を受振し、受振結果を図示しない制御部へ出力する。
図示しない制御部は、かかる受振結果に基づいて、ボルト軸力を算出する。

本発明の第一の実施形態に係る超音波伝搬部材６Ａは、測定対象物（ボルト２Ａ）と接触する第一の接触面１１ａと、前記第一の接触面１１ａの反対側に設けられており、超音波探触子５の先端面５ｂと接触する第二の接触面１１ｂと、を有する超音波伝搬部１０Ａと、前記超音波伝搬部１０Ａを保持し、前記第一の接触面１１ａよりも径方向外側で前記測定対象物と接触する第三の接触面２３ａを有する保持部２０Ａと、を備え、前記超音波伝搬部１０Ａは、前記保持部２０Ａよりも柔らかい。
したがって、超音波伝搬部材６Ａは、超音波伝搬部１０Ａが保持部２０Ｂよりも柔らかいので、保持部２０Ｂの第三の接触面２３ａによって超音波伝搬部１０Ａの本体部１１及び第一の延設部１２の圧縮変形量を好適に設定することができ、測定性を確保しつつ超音波伝搬部１０Ａの耐久性を向上することができる。

超音波伝搬部材６Ａにおいて、前記測定対象物に装着される前の状態で、前記第一の接触面１１ａは、前記第三の接触面２３ａよりも前記測定対象物側に位置する。
したがって、超音波伝搬部材６Ａは、第三の接触面２３ａに対する第一の接触面１１ａの突出量によって、超音波伝搬部１０Ａの本体部１１及び第一の延設部１２の圧縮変形量を好適に設定することができ、測定性を確保しつつ超音波伝搬部１０Ａの耐久性を向上することができる。

超音波伝搬部材６Ａにおいて、前記保持部２０Ａは、前記超音波探触子５の外周面に固定される固定部を備える。
したがって、超音波伝搬部材６Ａは、超音波伝搬部１０Ａよりも硬い保持部２０Ａにおいて超音波探触子５に固定されるので、超音波探触子５に対する固定性を向上し、正確な測定を支援することができる。

超音波伝搬部材６Ａにおいて、前記固定部は、前記超音波探触子５の外周面に形成された雄ネジ部５ａに螺合する雌ネジ部２１ａである。
したがって、超音波伝搬部材６Ａは、保持部２０Ａがネジ螺合によって超音波探触子５に固定されるので、超音波探触子５に対する固定性をさらに向上し、より正確な測定を支援することができる。

超音波伝搬部材６Ａにおいて、前記第一の接触面１１ａ及び前記第三の接触面２３ａは、前記測定対象物（ボルト２Ａの頭部２ａ）に形成された凹部２ｂの底面２ｂ１に接触し、前記保持部２０Ａは、前記凹部２ｂの内周面２ｂ２と接触する第四の接触面２３ｂを有する。
したがって、超音波伝搬部材６Ａは、測定対象物に対する位置決め性及び固定性を向上し、正確な測定を支援することができる。

超音波伝搬部材６Ａにおいて、前記超音波伝搬部１０Ａは、エラストマーによって形成されている。
したがって、超音波伝搬部材６Ａは、測定対象物及び超音波探触子５への密着性を向上し、正確な測定を支援することができる。

超音波伝搬部材６Ａにおいて、前記保持部２０Ａは、ポリプロピレンによって形成されている。
したがって、超音波伝搬部材６Ａは、保持部２０Ａが超音波伝搬部１０Ａよりも硬いポリプロピレン製であるので、超音波伝搬部１０Ａに圧縮しすぎを抑制し、荷重を好適な範囲に設定することができる。

＜第二の実施形態＞
続いて、本発明の第二の実施形態に係る締付装置について、第一の実施形態との相違点を中心に説明する。図４に示すように、ボルト２Ｂの凹部２ｃは、径方向中央側の底面２ｃ１が、径方向外側の底面２ｃ２よりも深く形成されている。本発明の第二の実施形態に係る締付装置１Ｂは、超音波伝搬部材６Ａに代えて、超音波伝搬部１０Ｂ及び保持部２０Ｂを有する超音波伝搬部材６Ｂを備える。

超音波伝搬部１０Ｂにおいて、第一の延設部１２の外周面及び第二の延設部１３の下面の境界部分（隅部）は、Ｒ形状を呈するＲ部１０ａとなっている。これにより、本体部１１及び第一の延設部１２の圧縮変形による亀裂の発生が防止される。

超音波伝搬部１０Ｂにおいて、突起部１４は、先端（上）にいくにつれて径方向に先細となる形状を呈する。また、保持部２０Ｂにおいて、本体部２１に形成される孔部２１ｂは、突起部１４に対応する形状を呈する。

超音波伝搬部１０Ｂにおいて、第三の接触面２３ａ及び第四の接触面２３ｂの境界部分は、面取部２３ｃとなっている。これにより、面取部２３ｃがガイドとなり、超音波伝搬部材６Ｂがボルト２Ｂの凹部２ｃに対して装着しやすくなっている。

＜ボルトへの装着手法＞
ソケット４が、ボルト２Ｂの頭部２ａに外嵌される。ここで、超音波伝搬部材６Ｂは、ボルト２Ｂの頭部２ａに形成された凹部２ｃに挿入されることによって、ボルト２Ｂに装着される。第二の延設部２３の外周面である第四の接触面２３ｂは、凹部２ｃの内周面２ｃ３と接触する。これにより、超音波伝搬部材６Ｂ及び超音波探触子５の軸に直交する方向の位置決めが好適に行われる。また、本体部１１の下面である第一の接触面１１ａは、凹部２ｃの底面２ｃ１と接触し、及び、第二の延設部２３の下面である第三の接触面２３ａは、凹部２ｃの底面２ｃ２と接触する。ここで、本体部１１は、底面２ｃ１，２ｃ２の高さの差に対応する分だけ圧縮変形する。第一の延設部１２の外周面と凹部２ｃの底面２ｃ１，２ｃ２の境界に形成される内周面との間には、本体部１１及び第一の延設部１２の圧縮変形時の逃げしろが確保されている。また、第二の延設部１３の底面は、第三の接触面２３ａよりも高く（ボルト２Ｂから離間した位置に）設定されており、ソケット４及び超音波伝搬部材６Ｂがボルト２Ｂに装着された状態で、第二の延設部１３の底面及び凹部２ｃの底面２ｃ２の間には、隙間が確保されている。これにより、第三の接触面２３ａによる位置決めが好適に行われる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変形可能である。

１Ａ，１Ｂ 締付装置（ボルト軸力測定装置）
２Ａ，２Ｂ ボルト（測定対象物）
２ａ 頭部
２ｂ 凹部
２ｂ１ 底面
２ｂ２ 内周面
２ｃ 凹部
２ｃ１，２ｃ２ 底面
２ｃ３ 内周面
４ ソケット
５ 超音波探触子
５ａ 雄ネジ部（固定部）
５ｂ 先端面（下面）
６Ａ，６Ｂ 超音波伝搬部材
１０Ａ，１０Ｂ 超音波伝搬部
１０ａ Ｒ部
１１ 本体部
１１ａ 第一の接触面（下面）
１１ｂ 第二の接触面（上面）
１２ 第一の延設部
１３ 第二の延設部
１４ 突起部
２０Ａ，２０Ｂ 保持部
２１ 本体部
２２ 第一の延設部
２３ 第二の延設部
２３ａ 第三の接触面（下面）
２３ｂ 第四の接触面（外周面）
２３ｃ 面取部

Claims (7)

1. 測定対象物と接触する第一の接触面と、前記第一の接触面の反対側に設けられており、超音波探触子の先端面と接触する第二の接触面と、を有する超音波伝搬部と、
   前記超音波伝搬部を保持し、前記第一の接触面よりも径方向外側で前記測定対象物と接触する第三の接触面を有する保持部と、
   を備え、
   前記超音波伝搬部は、前記保持部よりも柔らかい
   ことを特徴とする超音波伝搬部材。
2. 前記測定対象物に装着される前の状態で、前記第一の接触面は、前記第三の接触面よりも前記測定対象物側に位置する
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波伝搬部材。
3. 前記保持部は、前記超音波探触子の外周面に固定される固定部を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波伝搬部材。
4. 前記固定部は、前記超音波探触子の外周面に形成された雄ネジ部に螺合する雌ネジ部である
   ことを特徴とする請求項３に記載の超音波伝搬部材。
5. 前記第一の接触面及び前記第三の接触面は、前記測定対象物に形成された凹部の底面に接触し、
   前記保持部は、前記凹部の内周面と接触する第四の接触面を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波伝搬部材。
6. 前記超音波伝搬部は、エラストマーによって形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波伝搬部材。
7. 前記保持部は、ポリプロピレンによって形成されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の超音波伝搬部材。
   

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