JP5427259B2 - 超音波探触子の位置決め構造 - Google Patents

Description

本発明は、ステンレスボルトなど非磁性のボルトを対象とし、その非磁性のボルトの締結時の軸力を測定する超音波探触子の位置決め構造に関する。

従来から、ボルトの軸力を測定するため、超音波探触子を用いたボルト軸力測定装置が使用されている。ボルト軸力測定装置は、超音波探触子からボルト内へ超音波を送信してボルト内で超音波を伝播させ、反射波を超音波探触子で受信し、超音波がボルト内部を伝播した時間に基づいてボルトの軸力を測定するものである。ボルトは締め付け軸力により伸びて超音波の伝播経路が長くなり、また、ボルトに軸力が加えられて引っ張り応力が発生していると、超音波伝播速度も遅くなる。そこで、締め付けの前後において変化するボルト内を伝播する超音波の伝播時間により軸力が求められる。

こうしたボルト軸力測定では、超音波探触子がボルトヘッドに対して密着し、安定した接触状態を保つことが重要である。そこで、下記特許文献１には超音波探触子の位置決め構造が記載されている。図６は、同文献に開示された超音波探触子の位置決め構造を示した断面図である。ボルトヘッド１００に嵌合させるホルダ本体１０１の中央部にはネジ孔１０２が形成され、振動子１０３を有するセンサ１０４が取り付けられる。また、ホルダ本体１０１には、ネジ孔１０２の周縁に近接してマグネット１０５が埋設されている。ボルトヘッド１００に対してホルダ本体１０１を嵌め合わせた場合、マグネット１０５がボルトヘッド１００に密着し、振動子１０３がボルトヘッド１００の中心部に密着する。

実開平６−４７８３４号公報

超音波探触子によって正確な軸力を測定するには、前述したようにボルトヘッドに対して超音波探触子が密着していることが必要であり、従来の位置決め構造ではマグネット１０５が設けられていた。その他、超音波探触子はそれ自体に磁石が内蔵され、ボルトヘッドに密着して治具を使用せずに測定を行うことも可能である。

しかし、これらはいずれも鉄製のボルトを測定対象にしていたので、磁力によって超音波探触子をボルトヘッドに密着させることが可能であった。そのため、ステンレスボルトなど非磁性のボルトを対象にした場合には、超音波探触子をボルトヘッドに密着させるのが困難であった。特に、非磁性のボルトが横向きに締結されている場合などは、ボルトヘッドへ超音波探触子を密着させることができない。

そこで、本発明は、非磁性のボルトに対する締結時の軸力を測定可能にする超音波探触子の位置決め構造を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波探触子の位置決め構造は、非磁性のボルトに対する締結時の軸力を測定するものであり、前記ボルトのボルトヘッドに嵌合させる位置決め治具を設け、前記位置決め治具に挿入された超音波探触子の測定面を前記ボルトヘッドの頂面に押し付けて密着させるものであり、前記位置決め治具は、前記ボルトヘッドに嵌合する穴形状の嵌合部と、ボルトヘッドに押し付けられる方向に前記超音波探触子の寸法よりも大きい穴形状の挿入部と、超音波探触子に接続されたケーブルを通す貫通孔が形成され、前記超音波探触子が挿入された前記挿入部の底部とその底部に対面する前記超音波探触子の付勢面には、同極を向き合わせた一対の永久磁石が固定されたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る超音波探触子の位置決め構造は、前記位置決め治具に締結工具が嵌合可能な締結用凸部が形成され、前記締結工具からのトルクを前記ボルトに伝達することが可能なものであり、更に前記挿入部の穴形状を一部横方向に広げる係合部が形成され、前記超音波探触子には、前記係合部に入り込むツメ部が形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る超音波探触子の位置決め構造は、前記永久磁石が、薄板のリング形状をしたものであり、前記ツメ部は、前記永久磁石より大径のリング部に径方向外側に張り出した張出部を有する薄板からなるツメ部材の当該張出部であり、前記ツメ部材が前記超音波探触子の付勢面に固定されたものであることが好ましい。

また、本発明に係る超音波探触子の位置決め構造は、前記位置決め治具の嵌合部が、前記ボルトヘッドの多角形状に合わせた直線部と、その直線部を繋ぐ角部に相当する位置に曲面のＲ部とを備える形状で形成されたものであり、そのＲ部に前記係合部が形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る超音波探触子の位置決め構造は、前記永久磁石がネオジム磁石であることが好ましい。

本発明によれば、ボルトヘッドに対して嵌合部を嵌合させた位置決め治具には、その挿入部内に超音波探触子が挿入され、位置決め治具の挿入部の底部と超音波探触子の付勢面とにそれぞれ設けられた永久磁石の反発力によって、超音波探触子に安定した押し付け力が与えられ、その押し付け力により超音波探触子の測定面がボルトヘッドの頂面に密着する。そのため、例えば測定対象である非磁性のボルトが横向きに締結されていたとしても、当該ボルトの軸力を適切に測定することが可能になる。

超音波探触子の位置決め構造の第１実施形態を示した断面図である。 位置決め治具の外観を示した図であり、図（ａ）は平面図、図（ｂ）は側面図、図（ｃ）は底面図である。 超音波探触子の位置決め構造の第２実施形態を示した断面図である。 ツメ部材を示した図である。 位置決め治具の底面を示した図である。 従来の超音波探触子の位置決め構造を示した断面図である。

次に、本発明に係る超音波探触子の位置決め構造について、その実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、第１実施形態の超音波探触子の位置決め構造を示した断面図である。この超音波探触子の位置決め構造は、ステンレス製のボルト３に対する締結時の軸力を測定するものであり、そのボルトヘッド３１に位置決め治具１を嵌合させ、その中に超音波探触子（以下、単に「探触子」とする）２が収められる。ここで、図２は、位置決め治具１の外観を示した図であり、図（ａ）は平面図、図（ｂ）は側面図、図（ｃ）は底面図である。

位置決め治具１は円柱形状の金属ブロックであり、上端にはレンチなどの締結工具を嵌合させトルクを伝達させるため、六角形の締結用凸部１１が突設されている。一方、位置決め治具１の下端側は開口し、ブロック内部には超音波探触子２の挿入可能な挿入部１２と、ボルトヘッド３１に嵌合可能な嵌合部１３が形成されている。すなわち、この位置決め治具１は、締結工具によってボルト３を締め付けている最中の軸力をモニタリングできるようにしたものである。

探触子２は円柱形状をしたものであり、位置決め治具１の挿入部１２は、探触子２の形状に合わせた断面円形の穴形状をしている。ただし、挿入部１２は、挿入された探触子２が壁面に密着せず軸方向（図面上下方向）に自由に移動可能なように穴径の寸法が設定されている。そのため、探触子２と挿入部１２の壁面との間には多少の隙間がある。一方、嵌合部１３は、ボルトヘッド３１の形状に合わせた六角形の穴形状をしている。

位置決め治具１は、図１に示すように探触子２が挿入部１２内に入れられ、嵌合部１３がボルトヘッド３１に嵌め合わされる。その際、位置決め治具１は、嵌合部１３の座面１３１がボルトヘッド３１の頂面３０１に当接し、正しい嵌合状態がとられる。更に、ボルト３の軸力を正確に測定するためには、探触子２の測定面２１がボルトヘッド３１の頂面３０１に対して密着した状態であることが必要である。

測定対象のボルト３が、図示するように鉛直方向に締結されたものであれば、重力によって探触子２の測定面２１がボルトヘッド３１の頂面３０１に押し当てられる。しかし、締結されたボルト３が横向きの姿勢であると、探触子２の測定面２１がボルトヘッド３１の頂面３０１に正しく接触させることが困難になる。従来は、ボルトが鉄製であったため、探触子２が磁石を備え、磁力によって密着させていた。しかし、ステンレス製などの非磁性のボルト３を測定対象とした場合には、適切な測定状態をとることができない。

そこで、本実施形態では、位置決め治具１の内部に付勢手段を設けて探触子２をボルトヘッド３１側へ押し当てる構成がとられている。位置決め治具１と探触子２との両方に永久磁石１５，２５が固定され、その反発力によって探触子２の測定面２１がボルトヘッド３１の頂面３０１に押し当てられるようにしたものである。

付勢手段には、永久磁石１５，２５の他にもバネやゴムなどの弾性部材を使用することも可能である。しかし、バネやゴムなどは繰り返し使用されると劣化によって押し付け力に変化が生じ、微妙な変化が測定結果に影響を及ぼしてしまうと考えられる。その点、永久磁石１５，２５は繰り返し行われる測定状態の再現性を確保することができる。そこで、本実施形態では、永久磁石１５，２５を採用することとし、より具体的には永久磁石の中でも最も強力とされているネオジム磁石を使用することとした。

位置決め治具１には、挿入部１２の底部には永久磁石１５を嵌め込むための装着部１４が形成され、更に締結用凸部１１の中心を貫通する貫通孔１６が形成されている。挿入部１２は、図１に示す測定状態のときに、探触子２の測定面２１とは反対の付勢面２２と、挿入部１２の底面２０２との間に隙間が空くように深さ方向の寸法が設定されている。そして、探触子２の付勢面２２と挿入部１２の底面２０２のそれぞれにはリング形状の永久磁石１５，２５が固定されている。永久磁石１５，２５は同極同士が向き合うように設けられ、互いに反発し合うようになっている。

以上のような超音波探触子の位置決め構造では、次のようにして軸力の測定が行われる。探触子２とケーブル５は着脱可能であるため、貫通孔１６を通したケーブル５に探触子２を連結し、位置決め治具１の挿入部１２内に探触子２が引き込まれる。そして、位置決め治具１の嵌合部１３が、図１に示すようにボルトヘッド３１に嵌め合わせられる。このとき、付勢手段である永久磁石１５，２５の反発力により探触子２の測定面２１がボルトヘッド３１の頂面３０１に押し当てられる。図１ではボルト３が鉛直方向を向いた状態を示しているが、仮に横向きであったとしても永久磁石１５，２５の反発力により、探触子２の測定面２１がボルトヘッド３１の頂面３０１に押し当てられる。

測定位置に位置決めされた探触子２に対しては、不図示の測定装置から所定周波数の超音波パルスが送信され、ボルトヘッド３１の頂面３０１から軸方向に入りボルト３の先端で反射した超音波パルスが受信される。測定装置では、超音波パルスの送受信信号に基づいてボルト３の先端を往復した伝搬時間の算出が行われる。通常、ボルト３の軸方向の超音波の伝搬時間と軸力とは比例するため、その伝搬時間と軸力との関係を示したデータからボルト３の軸力が算出される。

本実施形態では、こうして行われる軸力測定の間、安定した押し付け力によって探触子２の測定面２１がボルトヘッド３１の頂面３０１に密着しているため、適切な軸力測定が可能になる。特に、ボルト３が非磁性のものであり、その締結姿勢が横向きであったとしても、やはり永久磁石１５，２５の反発力により、安定した押し付け力によって探触子２の測定面２１がボルトヘッド３１の頂面３０１に密着するため、適切な軸力測定が可能になる。

更に、本実施形態では、付勢手段としてスプリングなどではなく永久磁石１５，２５を用いたことにより、繰り返し行われる測定状態の再現性を確保することができ、軸力の正確な比較が可能になる。また、永久磁石１５，２５の場合、探触子２の付勢面２２と挿入部１２の底面２０２との狭いスペース（例えば４〜５ｍｍ）に配置させることができる。特に、永久磁石１５，２５を磁力の強いネオジム磁石にすることにより、薄くても十分な押し付け力を発生させ、探触子２の測定面２１をボルトヘッド３１の頂面３０１に密着させることができる。スプリングなど機械的に押し付け力を発生させようとする付勢手段では、その作製に手間を要し、更に均等な押し付け力を得ることも困難である。この点で永久磁石１５，２５は有利である。

（第２実施形態）
ところで位置決め治具１は、締結工具によってボルト３を締め付けている最中の軸力をモニタリングすることができる。その際、図１に示す状態の位置決め治具１には、締結用凸部１１にレンチなどの締結工具が嵌め合わされ、トルクの伝達により位置決め治具１を介してボルト３が締め付けられる。締結工具により回転が与えられると、ボルトヘッド３１に嵌合した位置決め治具１がボルト３とともに回転する。このとき永久磁石１５，２５によりボルトヘッド３１に押し付けられた状態の探触子２は共回りする。

しかし、探触子２にはケーブル５が接続されているため、状況によっては探触子２の回転を妨げ、測定面２１がボルトヘッド３１の頂面３０１を滑ってしまい、微妙な軸力測定に影響を及ぼすことが考えられる。そこで次に、回転を規制した構成を有する超音波探触子の位置決め構造について説明する。前記第１実施形態と同一の構成については同じ符号を付して説明する。図３は、第２実施形態の超音波探触子の位置決め構造を示した断面図である。この場合もステンレス製のボルト３を対象にし、そのボルトヘッド３１に位置決め治具６を嵌合させ、その中に探触子２が収められる。

第２実施形態では、探触子２の付勢面２２に対して永久磁石２５を固定させる他、ツメ部材２６が固定されている。ツメ部材２６は、図４に示すように、永久磁石２５より大径のリング部２６ａに１８０°ずれた位置に一対のツメ部２６ｂが形成されたものである。そして、そのツメ部２６ｂが、図３に示すように探触子２の付勢面２２から横方向に張り出している。

次に、位置決め治具６は、前記第１実施形態の位置決め治具１と同じ外形形状をした金属ブロックであり、上端に六角形の締結用凸部６１が突設され、下端側は開口している。ここで、図５は、その位置決め治具６の底面を示した図である。なお、図３は、この図５に示したＡ−Ａ位置の断面である。位置決め治具６を構成するブロック内部には、探触子２の挿入が可能な穴形状の挿入部６２と、ボルトヘッド３１に嵌合可能な嵌合部６３が形成されている。更に、挿入部６２の底部には永久磁石１５を嵌め込むための装着部６４が形成され、締結用凸部６１の中心を貫通する貫通孔６５が形成されている。

そして、この位置決め治具６には、ツメ部材２６の特にツメ部２６ｂが入り込む係合部６６が形成されている。係合部６６は、嵌合部６３を横方向に広げるように形成され、１８０°ずれた位置に設けられている。ところで、位置決め治具６がボルト３にトルクを伝達するには、ボルトヘッド３１の六つの側面が嵌合部６３の側壁と当たればよいため、六角穴とした場合の角部は不要である。しかも、ボルトヘッド３１の大きさに合わせた六角穴の形成は、角部の加工が困難である。そのため、本実施形態では、図示するように角部を無くして曲面のＲ部６７とし、その中の２箇所を係合部６６とした。Ｒ部６７は、六角形の角部において位置決め治具６の外周方向へ半円形状に形成されたものであり、係合部６６は挿入部６２の底面２０６と同じ深さまで形成されている。

そこで、こうした超音波探触子の位置決め構造では、貫通孔６５を通したケーブル５に探触子２を連結し、位置決め治具６の挿入部６２内に探触子２が引き込まれる。その際、ツメ部材２６のツメ部２６ｂが係合部６６の位置に合わせて挿入される。そして、位置決め治具６の嵌合部６３がボルトヘッド３１に嵌め合わせられる。すると、付勢手段である永久磁石１５，２５の反発力により、探触子２の測定面２１がボルトヘッド３１の頂面３０１に押し当てられる。そして、探触子２には不図示の測定装置から所定周波数の超音波パルスが送信され、前記第１実施形態と同様に軸力が算出される。

本実施形態でも、軸力測定の間、探触子２の測定面２１がボルトヘッド３１の頂面３０１に安定した押し付け力によって密着しているため、適切な軸力測定が可能になる。特に、ボルト３が非磁性のものであり、その締結姿勢が横向きであったとしても、やはり永久磁石１５，２５の反発力により、安定した押し付け力によって探触子２の測定面２１がボルトヘッド３１の頂面３０１に密着するため、適切な軸力測定が可能になる。更に、付勢手段が永久磁石１５，２５であるため、繰り返し行われる測定状態の再現性を確保することができ、軸力の正確な比較が可能になる。また、永久磁石１５，２５は、狭いスペースでの設置ができ、十分な押し付け力によって探触子２の測定面２１をボルトヘッド３１の頂面３０１に密着させることができる。

そして、本実施形態では、探触子２にツメ部材２６を固定し、位置決め治具６には係合部６６を形成する簡単な構成の追加により、探触子２を位置決め治具６及びボルトヘッド３１と一体になって回転させることができる。そのため、探触子２の測定面２１とボルトヘッド３１の頂面３０１との密着状態を一定にすることができ、ボルト３の締め付け時の軸力を正確に測定することができる。

以上、本発明に係る超音波探触子の位置決め構造について実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記第２実施形態では、探触子２を位置決め治具６及びボルトヘッド３１と一体になって回転させるためにツメ部材２６や係合部６６を設けたが、探触子２や位置決め治具内の挿入部の断面形状を多角形にするようにしてもよい。

１ 位置決め治具
２ 超音波探触子
３ ボルト
５ ケーブル
１２ 挿入部
１３ 嵌合部
１４ 装着部
１６ 貫通孔
２１ 測定面
２２ 付勢面
１５，２５ 永久磁石
３１ ボルトヘッド
３０１ 頂面

Claims (4)

1. 非磁性のボルトに対する締結時の軸力を測定するものであり、前記ボルトのボルトヘッドに嵌合させる位置決め治具を設け、前記位置決め治具に挿入された超音波探触子の測定面を前記ボルトヘッドの頂面に押し付けて密着させる超音波探触子の位置決め構造において、
   前記位置決め治具は、前記ボルトヘッドに嵌合する穴形状の嵌合部と、ボルトヘッドに押し付けられる方向に前記超音波探触子の寸法よりも大きい穴形状の挿入部と、超音波探触子に接続されたケーブルを通す貫通孔が形成され、前記超音波探触子が挿入された前記挿入部の底部とその底部に対面する前記超音波探触子の付勢面には、同極を向き合わせた一対の永久磁石が固定されたものであること、
   前記位置決め治具は、締結工具が嵌合可能な締結用凸部が形成され、前記締結工具からのトルクを前記ボルトに伝達することが可能なものであり、更に前記挿入部の穴形状を一部横方向に広げる係合部が形成され、前記超音波探触子には、前記係合部に入り込むツメ部が形成されたものであることを特徴とする超音波探触子の位置決め構造。
2. 請求項１に記載する超音波探触子の位置決め構造において、
   前記永久磁石は、薄板のリング形状をしたものであり、前記ツメ部は、前記永久磁石より大径のリング部に径方向外側に張り出した張出部を有する薄板からなるツメ部材の当該張出部であり、前記ツメ部材が前記超音波探触子の付勢面に固定されたものであることを特徴とする超音波探触子の位置決め構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載する超音波探触子の位置決め構造において、
   前記位置決め治具の嵌合部は、前記ボルトヘッドの多角形状に合わせた直線部と、その直線部を繋ぐ角部に相当する位置に曲面のＲ部とを備える形状で形成されたものであり、そのＲ部に前記係合部が形成されたものであることを特徴とする超音波探触子の位置決め構造。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する超音波探触子の位置決め構造において、
   前記永久磁石は、ネオジム磁石であることを特徴とする超音波探触子の位置決め構造。

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