JP3125491B2

JP3125491B2 - 超音波軸力計測方法及び装置

Info

Publication number: JP3125491B2
Application number: JP04343445A
Authority: JP
Inventors: 直見沢田
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 1992-11-30
Filing date: 1992-11-30
Publication date: 2001-01-15
Anticipated expiration: 2016-01-15
Also published as: JPH06167404A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波軸力計測方法及
び装置に係り、特にボルト等に作用する軸力を計測する
場合に好適な超音波軸力計測方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波の伝播時間に基づき所望の
計測を行う超音波応用計測装置の一種として、例えば図
５に示す超音波ボルト軸力計が有るが、超音波ボルト軸
力計は、装置本体５０と、該装置本体５０に入出力コネ
クタ５０Ａを介して着脱自在に装備された超音波トラン
スデューサ（以下、トランスデューサと略称）５４とか
ら大略構成されている。

【０００３】前記装置本体５０は、トランスデューサ５
４駆動用の高速・高電圧パルスを出力するパルス発生回
路としてのパルサ回路５３と、トランスデューサ５４の
接続時に当該トランスデューサ５４からの電気信号を受
信し増幅する広帯域増幅回路５５と、該広帯域増幅回路
５５の出力電圧を所定のコンパレート電圧（基準電圧）
と比較する比較器５７と、該比較器５７の出力を受け高
速・高電圧パルスの送信開始からの時間を計測する時間
計測部５２と、該時間計測部５２の出力により測定対象
物としてのボルト５６内の超音波の伝播時間を算出する
と共にこれに基づき所望の計測値，即ちボルト５６に作
用する軸力を得るための演算処理を行なう演算制御部５
１とを備える構成となっている。

【０００４】トランスデューサ５４は、装置本体５０へ
の接続時に、パルサ回路５３からの高速・高電圧パルス
を圧電効果により電気音響変換して超音波を発生しボル
ト５６の軸方向に伝播せしめると共に、該超音波が当該
ボルト５６の先端で反射して再び入射する（図５中矢印
Ｅ参照）と前と逆に電気信号に再変換するもので、ボル
ト軸力の測定用として好適なように製作されている。該
トランスデューサ５４を、装置本体５０に接続する入出
力コネクタ５０Ａは、パルサ回路５３の出力段に配設さ
れている。

【０００５】演算制御部５１には、キーボード５８及び
測定結果等を表示する表示部５９が併設されている。ま
た、演算制御部５１は、Ｄ／Ａコンバータ６０を介して
広帯域増幅回路５５に接続され、広帯域増幅回路５５の
利得（ゲイン）を調整すると共に、Ｄ／Ａコンバータ６
１を介して比較器５７の反転入力端に接続され、比較器
５７のコンパレート電圧をも調整するようになってい
る。時間計測部５２は、前記高速・高電圧パルスの発生
からの時間を計測するためのタイマ（図示略）を含んで
構成されており、演算制御部５１に接続されている。

【０００６】超音波ボルト軸力計のトランスデューサ５
４接続時には、先ず、演算制御部５１では、オペレータ
のキーボード入力に応じて時間計測部５２を構成するタ
イマをリセットする。すると、当該時間計測部５２から
パルサ回路５３にパルス発生の指令信号が出力される。
その時刻をｔ1 とする。次いで、パルサ回路５３では、
該指令を受けてトランスデューサ５４駆動用の高速・高
電圧パルスを発生する。トランスデューサ５４では、該
高速・高電圧パルスを圧電効果により電気音響変換して
超音波を発生する。該超音波がボルト５６内部を当該ボ
ルト５６の軸方向に伝播し、ボルト５６の先端面で反射
して再びトランスデューサ５４に入射する（図５中矢印
Ｅ参照）。そして、この超音波は、トランスデューサ５
４により前と逆に電気信号に変換され、この電気信号が
広帯域増幅回路５５で受信され増幅される。

【０００７】広帯域増幅回路５５の出力電圧が比較器５
７でコンパレート電圧と比較され、広帯域増幅回路５５
の出力電圧がコンパレート電圧より大きい場合に比較器
５７の出力がＨ（ハイ）レベルとなり、電圧パルス（デ
ジタル信号）が時間計測部５２に入力される。この時刻
をｔ2 とする。この入力により、時間計測部５２ではパ
ルス発生からの時間Δｔ＝ｔ2 −ｔ1 を演算制御部５１
に出力する。演算制御部５１では、この時間計測部５２
の出力を受け、Δｔu ＝ｔ2 −ｔ1 −ｔe、なる式によ
り超音波がボルト５６内を伝播する時間Δｔu を演算す
る。この場合、ｔe は電気回路内を電気信号が伝播する
時間で予め計測されており、演算制御部５１のメモリ内
に記憶されている。

【０００８】演算制御部５１では、ボルト５６に軸応力
ｕが作用しない時の超音波のボルト５６内伝播時間Δｔ
ubと、ボルト５６に軸応力ｕが作用した状態での超音波
のボルト５６内伝播時間Δｔuaとの差に基づき、ｕ＝ｋ
（Δｔua−Δｔub）、なる式によりボルトに作用する軸
応力ｕを算出する。この場合、差（Δｔua−Δｔub）
は、軸応力ｕに起因するボルト５６の伸び及び音弾性効
果による超音波伝播速度の変化によるものであり、前記
差と軸応力ｕとは比例することが知られている。また、
前記式におけるｋは、予め実験等によって求められたボ
ルトの長さを考慮した比例係数である。そして、算出し
た軸応力の値を表示部５９に出力する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の超音波ボルト軸力計では、ボルト軸方向の平均軸力
を計測していたが、実際のボルトにおいては、図６に示
す如く、ボルト軸方向中央部分に相当する領域Ｒ１では
応力が安定しているが、ボルト頭部に相当する領域Ｒ２
及びボルトネジ部に相当する領域Ｒ３では応力が安定し
ないという応力分布となっている。しかしながら、ボル
トの軸力計測で実際に必要とする部分は、領域Ｒ１で示
す応力が安定しているボルト軸方向中央部分であり、ボ
ルト頭部やボルトネジ部（特にナットとの締結部分）は
軸力計測時の誤差要因となるため、従来の超音波ボルト
軸力計では、ボルトの正確な軸力計測ができないという
問題があった。又、ボルトの軸力計測の再現性を向上さ
せるには、ボルトの頭部端面Ｍ１とネジ部端面Ｍ２とを
平行な面とするために精密な機械加工を要するため、通
常使用されているボルトには適用できないという問題が
あった。

【００１０】

【発明の目的】本発明は、上記従来例の有する不都合を
改善し、特に計測対象物の結晶粒界からの散乱波を使用
することにより、計測対象物の軸力を正確に計測可能と
すると共に，軸力計測に使用する計測対象物の精密な加
工精度を不要とした超音波軸力計測方法及び装置の提供
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、前記目的を達成するため、パルス発生手段により発
生した超音波センサ駆動用パルスを、超音波センサによ
り超音波に変換すると共に，計測対象物内を伝播し当該
計測対象物の先端面で反射した超音波を電気信号へ変換
して出力し、前記超音波センサからの出力波形に基づき
前記計測対象物へ作用する軸力を計測する超音波軸力計
測方法において、前記計測対象物へ軸力が作用しない時
の当該計測対象物の結晶粒界からの散乱波形と，前記計
測対象物へ軸力が作用した時の当該計測対象物の結晶粒
界からの散乱波形とのずれを算出し，該算出したずれに
基づき前記計測対象物へ作用する軸力を計測するように
して成るものである。請求項２記載の本発明は、前記目
的を達成するため、超音波センサ駆動用パルスを発生す
るパルス発生手段と、該パルス発生手段からのパルスを
超音波に変換すると共に，計測対象物内を伝播し当該計
測対象物の先端面で反射した超音波を電気信号へ変換し
て出力する超音波センサと、該超音波センサからの出力
波形に基づき前記計測対象物へ作用する軸力を計測する
制御手段とを備えた超音波軸力計測装置において、前記
制御手段が、前記計測対象物へ軸力が作用しない時の当
該計測対象物の結晶粒界からの散乱波形と，前記計測対
象物へ軸力が作用した時の当該計測対象物の結晶粒界か
らの散乱波形とのずれを算出し，該算出したずれに基づ
き前記計測対象物へ作用する軸力を計測する機能を備え
る構成として成るものである。

【００１２】

【作用】本発明によれば、計測対象物へ作用する軸力の
計測時に際しては、計測対象物へ装着した超音波センサ
へパルス発生手段から超音波センサ駆動用パルスを供給
すると、超音波センサはパルスを超音波へ変換し、計測
対象物内へ発射する。超音波センサは、計測対象物内を
伝播し当該計測対象物の先端面で反射した超音波を電気
信号へ変換し、制御手段へ出力する。制御手段は、計測
対象物へ軸力が作用しない時の当該計測対象物の結晶粒
界からの散乱波形と，計測対象物へ軸力が作用した時の
当該計測対象物の結晶粒界からの散乱波形とのずれを算
出し，ずれに基づき計測対象物へ作用する軸力を計測す
る。これにより、従来と比較し、計測対象物へ作用する
軸力を正確に計測することが可能となる。また、軸力計
測に際しては、計測対象物の端面の反射波を使用してい
ないため、軸力計測の再現性を向上させるための計測対
象物に対する精密な機械加工が不要となり、個々の計測
対象物の加工精度の影響を受けにくくすることが可能と
なる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の超音波軸力計測方法及び装置
を適用してなる実施例を図面に基づいて説明する。

【００１４】図１は本実施例の超音波軸力計測装置の構
成図であり、超音波センサ１と、計測装置本体部２と、
キーボード３と、表示部４とから大略構成されている。
超音波軸力計測装置の構成を詳述すると、超音波センサ
１は、計測装置本体部２へ入出力コネクタ５を介して着
脱自在に付設されており、該超音波センサ１は、計測対
象ボルト６の頭部６Ａへ装着されるようになっている。
計測装置本体部２は、タイミングコントローラ７と、パ
ルサ回路８と、広帯域増幅器９と、Ａ／Ｄ変換器１０
と、無応力時散乱波形記憶用メモリ１１と、応力時散乱
波形記憶用メモリ１２と、マイクロコンピュータ（演算
制御部）１３とを備える構成となっている。

【００１５】図２は超音波センサ１から計測対象ボルト
６に対する送信波，該ボルト６における金属結晶粒界か
らの散乱波（スペッフル），該ボルト６のネジ部６Ｂ端
面からの反射波の関係を示す概略図であり、本実施例の
超音波軸力計測装置では、ボルト６を構成する結晶粒界
からの散乱波を使用することにより、ボルト頭部６Ａ端
面からの所定長さＬ1に対応した平均応力Ｐ1と，ボルト
頭部６Ａ端面からの別の所定長さＬ2に対応した平均応
力Ｐ2とに基づき、前記Ｌ1，Ｌ2間の平均応力Ｐを算出
することにより、ボルト６の軸力を正確に計測可能とし
た点が特徴となっている。

【００１６】計測装置本体部２のタイミングコントロー
ラ７は、パルサ回路駆動パルス（図３（ａ）参照）をパ
ルサ回路８へ出力し、パルサ回路８は、超音波センサ駆
動パルス（図３（ｂ）参照）を超音波センサ１へ出力す
るようになっている。超音波センサ１は、駆動パルスを
圧電効果により電気音響変換して超音波振動（図３
（ｃ）参照）を発生させ、該超音波振動をボルト６の軸
方向へ伝播させ、ボルト６のネジ部６Ｂ端面で反射し該
超音波センサ１へ入射した超音波振動を再び電気信号へ
変換するようになっている。広帯域増幅器９は、超音波
センサ１から出力される電気信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換
器１０へ出力するようになっている。Ａ／Ｄ変換器１０
は、所定のサンプリング時間Δｔ（図３（ｄ）参照）で
広帯域増幅器９の出力信号（アナログ信号）をデジタル
信号へ変換し、無応力時散乱波形記憶用メモリ１１又は
応力時散乱波形記憶用メモリ１２へ送出するようになっ
ている。

【００１７】この場合、本実施例では、超音波センサ１
から発する超音波の中心周波数におけるエリアジングの
発生を防止すべく、前記サンプリング時間Δｔを、該超
音波センサ１の周波数に対応する周期Ｔｕに対し、最低
レベルではＴｕ＞４・Δｔ、一般的にはＴｕ＞４・Δ
ｔ、なる関係を保つように、充分短い時間に設定するよ
うになっている。

【００１８】無応力時散乱波形記憶用メモリ１１は、計
測対象ボルト６の無応力時の計測結果を記憶するメモリ
であり、Ａ／Ｄ変換器１０の出力に基づき、計測対象ボ
ルト６を締付対象へ締付ける前（無応力時）の散乱波の
波形（図４の細線）を記憶するようになっている。ま
た、応力時散乱波形記憶用メモリ１２は、計測対象ボル
ト６の応力時の計測結果を記憶するメモリであり、Ａ／
Ｄ変換器１０の出力に基づき、計測対象ボルト６を締付
対象へ締付けた後（応力時）の散乱波の波形（図４の太
線）を記憶するようになっている。

【００１９】マイクロコンピュータ１３は、計測対象ボ
ルト６の無応力時と応力時とにおける散乱波の時間シフ
ト量を算出し、該時間シフト量に基づきボルト６におけ
る応力分布を算出するようになっている。また、マイク
ロコンピュータ１３には、ボルト軸力計測に関連した各
種データを入力するためのキーボード３が接続されると
共に、ボルト軸力計測結果等を表示する例えばＣＲＴま
たはＬＣＤ等から構成された表示部４が接続されてい
る。

【００２０】次に、上記の如く構成した本実施例の超音
波軸力計測装置を使用し、ボルトの軸力を計測する場合
の動作を説明する。

【００２１】超音波軸力計測装置によるボルト軸力計測
時には、先ず、計測装置本体部２へ入出力コネクタ５を
介し接続した超音波センサ１を、ボルト６の頭部６Ａ端
面へ装着する。次に、計測装置本体部２のタイミングコ
ントローラ７から、パルサ回路駆動パルスをパルサ回路
８へ供給すると、パルサ回路８は、超音波センサ駆動パ
ルスを超音波センサ１へ供給する。これにより、超音波
センサ１は、駆動パルスを圧電効果により電気音響変換
して超音波振動を発生させ、超音波振動をボルト６の軸
方向へ伝播させ、ボルト６のネジ部６Ｂ端面で反射して
超音波センサ１へ入射した超音波振動を電気信号へ変換
し、広帯域増幅器９へ供給する。広帯域増幅器９は、増
幅した電気信号をＡ／Ｄ変換器１０へ供給すると、Ａ／
Ｄ変換器１０は、サンプリング時間Δｔで増幅信号をＡ
／Ｄ変換し、無応力時散乱波形記憶用メモリ１１又は応
力時散乱波形記憶用メモリ１２へ供給する。

【００２２】マイクロコンピュータ１３は、無応力時散
乱波形記憶用メモリ１１，応力時散乱波形記憶用メモリ
１２への散乱波形の記憶開始時点から所定時点までの時
間ｔ1（図４参照）と，パルサ回路８の駆動開始時点か
らサンプリング開始時点までの時間ｔd（図３参照）の
和ｔs＝ｔd＋ｔ1を算出する。更に、ボルト６内部の超
音波の伝播速度ｖsに基づき、ボルト６の頭部６Ａ端面
からの軸方向長さＬ1＝ｖs・ｔs／２を算出する（この
場合、ｔsはボルト６内部における超音波の往復時間の
ため、Ｌ1はｖs・ｔsの２分の１となる）。前記Ｌ1は、
ボルト６の無応力時の散乱波形に対応するものであり
（図４中符号Ｐで示す位置）、これは、ボルト６へ応力
が作用すると該応力に応答する成分も発生するためであ
る。

【００２３】次に、マイクロコンピュータ１３は、無応
力時散乱波形記憶用メモリ１１，応力時散乱波形記憶用
メモリ１２へ記憶しておいた散乱波形のピーク位置に基
づき、ボルト６の無応力時と応力時とにおける散乱波形
のずれΔｔ1（図４参照）を算出し、ずれΔｔ1と，ｔs
＝ｔd＋ｔ1とに基づき、ｕ1＝Δｔ1／ｔsを算出する。
この場合、音弾性効果により、ボルト６の頭部６Ａ端面
から図４のＰ点までの平均応力Ｐ1がｕ1に比例すること
から、Ｐ1＝ｋ・ｕ1なる式に基づき（ｋ：ボルト６の材
質で決まる比例定数）、ボルト６の頭部６Ａ端面からの
軸方向長さＬ1までの平均応力Ｐ1を算出する。

【００２４】次に、マイクロコンピュータ１３は、上記
と同様に、無応力時散乱波形記憶用メモリ１１，応力時
散乱波形記憶用メモリ１２に対する散乱波形の記憶開始
時点から別の所定時点までの時間ｔ2における、ボルト
６の頭部６Ａ端面からの軸方向長さＬ2＝ｖs・ｔs／２
を算出する。更に、ボルト６の無応力時と応力時とにお
ける散乱波形のずれΔｔ2（図４参照）と，ｔs＝ｔd＋
ｔ2とに基づき、ｕ1＝Δｔ2／ｔsを算出し、Ｐ2＝ｋ・
ｕ2なる式に基づき、ボルト６の頭部６Ａ端面からの軸
方向長さＬ2までの平均応力Ｐ2を算出する。

【００２５】次に、マイクロコンピュータ１３は、ボル
ト６における長さＬ1と，長さＬ2との間の平均応力Ｐ
を、Ｐ＝（Ｐ2・Ｌ2−Ｐ1・Ｌ1）／（Ｌ2−Ｌ1）、なる
式で算出する。従って、前記長さＬ1，Ｌ2を、上記図６
に示した応力が安定しているボルト軸方向中央部分に相
当する領域Ｒ１内に選定すれば、ボルト６の軸力を、誤
差が生ずることなく正確に計測することができる。この
場合、ボルト６の軸力計測に際しては、ボルト６の金属
結晶粒界からの散乱波を使用しており、ボルト端面の反
射波は使用していないため、軸力計測の再現性を向上さ
せるために、ボルト両端面における精密な機械加工が不
要となり、ボルト加工精度の如何による影響を受けにく
いという利点が有る。

【００２６】上述したように、本実施例の超音波軸力計
測装置によれば、ボルト６へ軸力が作用しない時のボル
ト６の結晶粒界からの散乱波形と，ボルト６へ軸力が作
用した時のボルト６の結晶粒界からの散乱波形とのずれ
を算出し，該算出したずれに基づきボルト６へ作用する
軸力を計測する構成であるため、従来と比較し、ボルト
６の軸力を正確に計測することができる。また、本実施
例によれば、ボルト６のネジ部６Ｂ端面の反射波を使用
していないため、ボルト軸力計測の再現性を向上させる
ために、従来のようにボルト両端面が平行となるような
精密な機械加工が要求されることがなくなり、ボルト両
端面の加工精度の影響を受けにくいという利点を上げる
ことができる。

【００２７】尚、本実施例では、無応力時散乱波形記憶
用メモリ１１，応力時散乱波形記憶用メモリ１２へ記憶
しておいた散乱波形のピーク位置に基づき、ボルト６の
無応力時と応力時とにおける散乱波形のずれΔｔ1を算
出したが、これに限定されるものではない。

【００２８】また、本実施例では、超音波軸力計測装置
をボルトの軸力計測に使用した場合の例について説明し
たが、他の機械部品の応力計測にも使用することが可能
であり、また、四輪車，二輪車，工作機械，金属製機械
類等における応力計測にも使用することが可能である。

【００２９】また、本実施例では、無応力時散乱波形記
憶用メモリ１１，応力時散乱波形記憶用メモリ１２を別
個に配設する構成としたが、前記両メモリ１１，１２の
代わりにマイクロコンピュータ１３の内蔵メモリを使用
することも可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
計測対象物へ軸力が作用しない時の当該計測対象物の結
晶粒界からの散乱波形と，前記計測対象物へ軸力が作用
した時の当該計測対象物の結晶粒界からの散乱波形との
ずれを算出し，該算出したずれに基づき前記計測対象物
へ作用する軸力を計測する構成であるため、従来と比較
し、計測対象物へ作用する軸力を正確に計測することが
可能となり、また、軸力計測に際しては、計測対象物の
端面の反射波を使用していないため、軸力計測の再現性
を向上させるための計測対象物に対する精密な機械加工
が不要となり、個々の計測対象物の加工精度の影響を受
けにくくすることが可能となる等、顕著な効果を奏する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した実施例の超音波軸力計測装置
のブロック図である。

【図２】本実施例の送信波・散乱波・反射波の説明図で
ある。

【図３】本実施例の超音波軸力計測装置における各出力
波形を示し、（ａ）はパルサ駆動パルスの波形図、
（ｂ）は超音波センサ駆動パルスの波形図、（ｃ）は超
音波振動の波形図、（ｄ）はサンプリング時間の波形図
である。

【図４】本実施例の無応力時及び応力時の散乱波形の説
明図である。

【図５】従来例の超音波ボルト軸力計のブロック図であ
る。

【図６】ボルトの応力分布及び時間シフト量の説明図で
ある。

【符号の説明】

１超音波センサ２計測装置本体部３キーボード４表示部６ボルト７タイミングコントローラ８パルス発生手段たるパルサ回路９広帯域増幅器１０Ａ／Ｄ変換器１１無応力時散乱波形記憶用メモリ１２応力時散乱波形記憶用メモリ１３制御手段たるマイクロコンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 5/00 G01L 1/00 G01N 29/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】パルス発生手段により発生した超音波セ
ンサ駆動用パルスを、超音波センサにより超音波に変換
すると共に，計測対象物内を伝播し当該計測対象物の先
端面で反射した超音波を電気信号へ変換して出力し、前
記超音波センサからの出力波形に基づき前記計測対象物
へ作用する軸力を計測する超音波軸力計測方法におい
て、前記計測対象物へ軸力が作用しない時の当該計測対象物
の結晶粒界からの散乱波形と，前記計測対象物へ軸力が
作用した時の当該計測対象物の結晶粒界からの散乱波形
とのずれを算出し，該算出したずれに基づき前記計測対
象物へ作用する軸力を計測することを特徴とした超音波
軸力計測方法。
【請求項２】超音波センサ駆動用パルスを発生するパ
ルス発生手段と、該パルス発生手段からのパルスを超音
波に変換すると共に，計測対象物内を伝播し当該計測対
象物の先端面で反射した超音波を電気信号へ変換して出
力する超音波センサと、該超音波センサからの出力波形
に基づき前記計測対象物へ作用する軸力を計測する制御
手段とを備えた超音波軸力計測装置において、前記制御手段が、前記計測対象物へ軸力が作用しない時
の当該計測対象物の結晶粒界からの散乱波形と，前記計
測対象物へ軸力が作用した時の当該計測対象物の結晶粒
界からの散乱波形とのずれを算出し，該算出したずれに
基づき前記計測対象物へ作用する軸力を計測する機能を
備えていることを特徴とした超音波軸力計測装置。