JP6505089B2 - 動力工具で実行したファスナーの伸びを超音波で測定する方法及び動力工具 - Google Patents

Description

本発明は、ファスナーと音響的に接触して動力工具で実行したファスナーの伸びを超音波で測定する方法に関するものである。さらに、本発明は、ファスナーと係合する工具ヘッドと、超音波信号をファスナーに送信しそしてファスナーから反射した超音波信号を受信する超音波変換器ユニットとを有する動力工具に関する。

動力工具は、ジョイントなどの締付け作業を含む種々の組立工程で用いられ得る。ジョイントを締付ける際には、必要な締付け力レベルに到達するようにかかるジョイントのファスナーを締付けることが重要である。

ジョイントの締付け力を調節するために、ファスナーの伸びは締付け中にモニタされ得る。特許文献１ ＳＥ５３３３８５には、ファスナーの伸びを超音波を用いて測定する方法及び工具が記載されている。ファスナーの伸びを測定することによって、ファスナーの締付け力は決定され得る。

しかし、超音波を用いてファスナーを測定するかかる方法は、伸びの測定値の信頼性及び強健性並びにそれにより締付け力の測定値の信頼性及び強健性を改善できるように改善する必要がある。

特許文献２ ＵＳ５９７０７９８Ａには、超音波ボルトゲージが記載されており、ファスナーに加えられた張力を決めるのに相互相関アルゴリズムを用いている。測定の信頼性を高めるために単一データ取得から多数の張力データ出力を得ることができる。

しかし、信頼性に係る課題は、媒体の状態が変動し得、異なる時間に異なる信号が比較的有効である点にある。これは、先行技術において満足に解決されていない問題である。

本発明の目的は、動力工具を用いて超音波でファスナーの伸びを測定する上での改良を提供することにある。特に、本発明の目的は伸びの測定値の信頼性及び強健性を改善することにある。

従って、本発明は、ファスナーと音響的に接触して動力工具で実行したファスナーの伸びを超音波で測定する方法に関し、本方法は、
・種々の基本周波数をもつ一組の主最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号をファスナーへ送信すること、
・ファスナーから対応する組の反射した主超音波信号を受信すること、
・各反射した主超音波信号を対応する送信した主超音波信号と相互相関して一組の主相互相関信号を得ること、
・該一組の主相互相関信号から各送信した主信号の品質属性を決めること、
・該一組の送信した主信号の品質属性に基いてファスナーの測定を行うために超音波測定信号の少なくとも一つのパラメータを決めること、
・超音波測定信号をファスナーに送信すること、
・ファスナーから反射した超音波測定信号を受信すること、及び
・反射した超音波測定信号に基いてファスナーの伸びを測定すること
を含む。

最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号をファスナーへ送信しそして反射した及び送信した超音波信号を相互相関することによって、他の形式の信号例えば従来の正弦バーストに比較して非常に良好な相互相関が達成され得る。反射した及び送信した超音波信号間の相互相関は、伸び例えばねじ込み式ファスナーの締付け中に超音波信号の位相変化をトレースするのに用いられ得る。相互相関を改善することによって、位相変化の測定及び従って伸びは一層信頼でき強健となり得る。従って、最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号の使用により、ファスナーの伸びをより信頼できかつ強健に測定できることになる。従って、動力工具によるファスナーの伸びの測定は改善され得る。

ＭＰＳコード化超音波信号を得るために、ＭＰＳコードで変調されることになる超音波信号の選択した期間は、ＭＰＳコードに従って移相される。

ＭＰＳコードは、４８まで（Ｍ．Ｎ．Ｃｏｈｅｎ，Ｍ．Ｒ．Ｆｏｘ，Ｊ．Ｍ．Ｂａｄｅｎ． Ｍｉｎｉｍｕｍ ｐｅａｋ ｓｉｄｅｌｏｂｅｓ ｐｕｌｓｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｃｏｄｅｓ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒａｄａｒ Ｃｏｎｆｅｒｒｅｎｃｅ Ａｒｌｉｎｇｔｏｎ，ＶＡ，Ｍａｙ１９９０，ｐｐ．６３３−６３８）及びさらに最近では６８まで（Ｂｉｎａｒｙ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｗｉｔｈ ｍｉｎｉｍｕｍ ｐｅａｋ ｓｉｄｅｌｏｂｅ ｌｅｖｅｌ ｕｐ ｔｏ ６８，Ａ．Ｎ．Ｌｅｕｋｈｉｎ，Ｍ．Ｎ．Ｐｏｔｅｈｉｎ，ｈｔｔｐ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ｆｔｐ／ａｒｘｉｖ／ｐａｐｅｒｓ／１２１２／１２１２．４９３０．ｐｄｆ）のシーケンス長さ（変調した波形の期間）で確認した低い自動相互相関サイドローブレベルの二進シーケンスである。

種々の基本周波数をもつ一組の主最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号をファスナーへ送信し、各反射した主超音波信号を相応する送信した主超音波信号と相互相関し、そして相互相関信号を用いてかかる組の送信した主信号の各信号の品質属性を決めることによって、実際の測定がより信頼できかつ強健性にされ得るように超音波測定信号の少なくとも一つのパラメータが選択され得る。該少なくとも一つのパラメータは超音波測定信号の形式又は超音波測定信号の任意の他のパラメータから成り得る。

ＭＰＳコード化超音波信号は、ＭＰＳコード化超音波正弦信号であり得る。従ってコードによって変調した超音波信号は正弦波信号又は正弦バーストであり得る。こうしてコード化信号における位相情報は維持され得る。

該組の送信した主信号の各信号の品質属性は、下記の属性或いはそれらの組合せから成るグループから選択した属性に基き得る。
・相互相関信号の振幅。これは信号の全振幅に関係する。従って、信号の全振幅は、信号対雑音比を高めるのに品質属性として用いられ得る。
・相互相関ピーク高さ。これは相互相関信号における最も顕著なピークすなわち主ピークのピーク高さに関係する。従って、最も顕著な相関ピークの絶対ピーク高さは、信号対雑音比を高めるのに品質属性として用いられ得る。
・相互相関ピークの独自性。ファスナーにおける種々の信号ルートは信号の異なる飛行時間及び従って幾つかの相関ピークをもたらし得る。相互相関ピークの独自性は、主ピークのピーク高さと二次ピークすなわち相互相関信号における第二の最も顕著なピークのピーク高さとの比に関係し得る。従って、他の相関ピークに対して最も顕著なピークの独自性は品質属性として用いられ得る。
・相互相関ピークの対称性。これは相互相関信号の主ピークの対称性、例えば左側縁部と右側縁部との対称性の測定に関係し得る。ファスナーにおける種々の信号ルートに対応する重なり相関ピークは結果として非対称性相関ピークとなり得る。相互相関ピークの対称性を考慮することによって、重なり相関ピークなどを確認する危険性は低減され得る。
・Ｉ／Ｑ信号分散。方法には、受信した信号からの位相抽出の品質の総合評価が含まれ得る。所与間隔におけるＩ／Ｑ信号の変動（分散）が低い場合には、この間隔において抽出した位相の品質は高く、受信した信号の品質はこの間隔において高いことを示している。
・反射した信号位相と相関ピークの位置との差。相関ピークの位置は、信号の基本周波数の多数の期間における信号の飛行時間を表わすことがわかり得る。完全な数の期間からの逸脱すなわち期間の複数の部分における逸脱は信号の移相を表し得る。この移相は反射した信号位相と比較されて信号の品質を確認する。

品質属性は、相互相関信号の振幅、相互相関ピーク高さ、相互相関ピークの独自性、相互相関ピークの対称性、Ｉ／Ｑ信号の変動、反射した信号位相と相関ピークの位置との差から成るグループから選択した送信主信号のセットの複数の属性の重みの付いた和に基き得る。

従って、複数の属性の組み合わせた評価が、超音波測定信号の少なくとも一つのパラメータを選択するための基本として用いられ得る。

超音波測定信号は、相互相関信号のセットの少なくとも一つの信号の品質属性が予定の値以上である場合には最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号に設定され得る。

従って、超音波測定信号は、この形式の信号が伸びの信頼できかつ確固たる測定となるように期待される時に最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号に設定され得る。

少なくとも一つのパラメータは、超音波測定信号の測定基本周波数を含み得る。超音波測定信号の測定基本周波数は、送信した主信号のセットの最高品質属性をもつ送信した主超音波信号の基本周波数に設定され得る。

従って、測定信号の基本周波数は、主最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号の基本周波数に対して或いは主最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号の基本周波数に相応して設定され得、その結果高品質属性となる。

本方法はさらに、
・異なった信号パルス幅をもつ第二の最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号のセットをファスナーへ送信すること、
・ファスナーから反射した第二の超音波信号の相応したセットを受信すること、
・各反射した第二の超音波信号を相応する送信した第二の超音波信号と相互相関して第二の相互相関信号のセットを得ること、
・送信した第二の信号のセットの各信号の品質属性を決めること、及び
・送信した第二の信号のセットの品質属性に基いて超音波測定信号のパルス幅を決めること
を含む。

ある特定の基本周波数に対して、信号のパルス幅は、基本周波数の多数の周期として決められ得る。従って侵号をコード化するためのＭＰＳコードのシーケンス長さは、基本周波数の周期の数に相応するように選択され得る。

前に説明したように、ＭＰＳコードは、一般に、６８までシーケンス長さ（変調した波形の周期）において利用できる。バーカー（Ｂａｒｋｅｒ）コード（ＭＰＳコードの一種）は１３のシーケンス長さまで知られている。従って侵号の最適パルス幅及び相応したＭＰＳコードは測定を行うために特定され得る。

送信した第二の信号のセットの各信号の品質属性は、送信した第二の信号の相互相関ピークの独自性（Ｃ）及び／又は相互相関ピークの対称性（Ｄ）に基き得る。ファスナーにおける種々の信号ルートは結果として信号の異なる飛行時間及び従って幾つかの相関ピークとなり得る。重なり合う相関ピークは結果として非対称相関ピークとなり得る。相互相関ピークの対称性を考察することによって、重なり合う相関ピークなどを特定する危険は低減され得る。

超音波測定信号は、送信した主信号のセットの各信号の品質属性が予定の値以下である場合にチャープ信号に設定され得る。

従って、送信した主信号のセットの品質属性の評価に基いて、ＭＰＳ信号が信頼できかつ確固たる測定を生じると期待できない場合には、超音波測定信号はチャープ信号に設定され得る。チャープ信号はまた低自動相関信号である。

チャープ信号の周波数範囲は、
・異なる基本周波数をもつ主超音波チャープ信号のセットをファスナーへ送信すること、
・ファスナーから反射した超音波チャープ信号の相応したセットを受信すること、及び
・反射した超音波信号の最大振幅をもつ主チャープ信号の基本周波数を構成するように測定チャープ信号の周波数範囲を決めること
によって決められ得る。

チャープ信号の周波数範囲は、さらに、反射した超音波信号の最大振幅をもつ主チャープ信号の基本周波数を含む低い周波数限界及び高い周波数限界で範囲を定義することにより決められ得、低い周波数限界及び高い周波数限界は、反射した超音波信号が予定の閾値以上例えば反射した超音波信号の最大振幅の少なくとも１０％の振幅をもつ周波数に設定される。

従って、測定チャープ信号は、最も信頼できかつ堅固な測定を達成し得る周波数の範囲を包囲するように選択され得る。

チャープ信号は、送信信号の周波数の関数として反射した超音波信号の振幅として定義される、主超音波チャープ信号のセットの周波数応答曲線を反射する変化率をもつ時間依存周波数曲線をもち得る。変化率は好ましくは、主超音波チャープ信号のセットの周波数応答曲線に逆比例し得る。

こうしてチャープ測定信号に用いたエネルギーは、反射した超音波信号の振幅の関数としてチャープ信号における個々の周波数成分の振幅を調整することによって最適化され得る。

前に説明したように、最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号をファスナーに送信しそして反射した超音波信号と送信した超音波信号とを相互相関することによって、他の種の信号例えば従来のサインバーストと比較して非常に良好な相関が達成される。反射した超音波信号と送信した超音波信号との相関は、ネジ付ファスナーの伸び例えば締付け中の超音波信号の位相変化を追跡するのに用いられ得る。相関を改善することによって、位相変化の測定は一層信頼できかつ強固になされ得る。従って、最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号の使用によって、ファスナーの伸びの一層信頼できかつ強固な測定が容易となり、そして動力工具によるファスナーの伸びの測定が改善され得る。

本方法は、さらに、
・反射した超音波測定信号を送信した超音波測定信号と相互相関して相互相関測定信号を得ること、
・反射した測定信号から位相情報を取り出すこと、及び
・取り出した位相情報に基いてファスナーの伸びを測定すること
ことを含む。

反射した測定信号から位相情報を取り出すステップは、相互相関測定信号を用いて同相である反射した信号の期間を特定すること、及び同相である反射した信号の期間から位相情報を取り出すことを含み得る。

同相である反射した信号の期間は、送信した測定信号の最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）シーケンスで信号をマスキングすることによって特定され得る。

反射した測定信号から位相情報を取り出すステップは、反射した信号をＩ／Ｑ変調すること及び位相情報を取り出すことを含み得る。

最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号は、バーカーコード化又は準バーカーコード化超音波信号であり得る。

バーカーコード化信号は、バーカーシーケンスに従ってコード化した信号である。バーカーコードは最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コードの特殊な場合である。バーカーコードは、１３期間までのシーケンスについて公知であり、予定の閾値より低いサイドローブをもつ最大自動相関シーケンスを有する。

バーカーコードの正及び負の振幅（＋１及び−１）は二相変調を含み、すなわちバーカーコードを形成する搬送波における位相の変化は１８０°である。

代わりに、搬送波における位相の変化は１８０°以下であり、例えば９０°であり得、準バーカーを定義する。

変調した波形は、正弦波形例えばサインバーストであり得、コード化信号において位相情報を維持する。従ってＭＰＳ又はバーカーコード化信号は方形包囲を備えたサインバーストであり得、サインバーストの選択した期間はＭＰＳ又はバーカーコード化搬送波に従って移相される。

本方法は、動力緊締工具によって実施され得、ファスナーは動力緊締工具によって緊締されるファスナーである。

それにより、ファスナーの伸びの信頼できかつ強固な測定を行う方法は、ファスナーを締め付けながら用いられ得る。従って本方法は、例えばねじ付きファスナーを締め付けながら締付け度合における繰り返し可能性を改善するのに用いられ得る。

本発明は、さらに、ファスナーと係合する工具ヘッドと、超音波信号をファスナーへ送信しそしてファスナーから反射した超音波信号を受信する超音波変換器ユニットと、超音波変換器ユニットに接続した処理ユニットとを有する動力工具に関し、動力工具は、
・種々の基本周波数をもつ主最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号のセットをファスナーへ送信し、
・ファスナーから反射した主超音波信号の相応したセットを受信し、
・各反射した主超音波信号を相応する送信した主超音波信号と相互相関して主相互相関信号のセットを得るようにし、
・送信した主信号のセットの各信号の品質属性を決め、
・送信した主信号のセットの品質属性に基いて、ファスナーの測定を行うために超音波測定信号の少なくとも一つのパラメータを決め、
・超音波測定信号をファスナーへ送信し、
・ファスナーから反射した超音波測定信号を受信し、そして
・反射した測定信号に基いてファスナーの伸びを測定する
ように構成される。

従って、記載した本方法の利点は、動力工具によって達成され得、最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号を用いて送信した信号と受信した信号との良好な相関が得られ、工具ヘッドと係合したファスナーの伸びの比較的信頼できかつ強固な測定が容易となる。

さらに動力工具は、記載した利点を達成するために本方法を実施するように構成され得る。

動力工具はさらに、
・反射した超音波測定信号を送信した超音波測定信号と相互相関して相互相関測定信号を得、
・反射した測定信号及び／又は相互相関測定信号から位相情報を取り出し、そして
・取り出した位相情報に基いてファスナーの伸びを測定する
ように構成され得る。

動力工具は動力緊締工具であり得、またファスナーは動力緊締工具によって緊締されるファスナーであり得る。

本発明のその他の特徴及び利点は、図面及び図示実施形態から明らかである。

以下の詳細な説明においては、添付図面が参照される。

本発明の一実施形態による、超音波でファスナーの伸びを測定する方法を示すブロック線図。 本発明の別の実施形態による、超音波でファスナーの伸びを測定する方法の一部を示すブロック線図。 本発明のさらに別の実施形態による、超音波でファスナーの伸びを測定する方法を示すブロック線図。 本発明のさらに別の実施形態による、超音波でファスナーの伸びを測定する方法の一部を示すブロック線図。 本発明の別の実施形態による、超音波でファスナーの伸びを測定する方法の一部を示すブロック線図。 本発明のさらに別の実施形態による、超音波でファスナーの伸びを測定する方法を示すブロック線図。 本発明のなお別の実施形態による、超音波でファスナーの伸びを測定する方法を示すブロック線図。 本発明の実施形態による動力工具を示す図。

図１には、超音波でファスナーの伸びを測定する方法１００のブロック線図が示されている。本方法は、ファスナーと音響接触する超音波変換器を有する動力工具によって実施される。超音波変換器は、超音波信号がファスナーに送信され、そして反射した超音波信号が変換器によって受信され得るように構成される。超音波信号は、一つの同じ超音波変換器要素によって、或いは二つ以上の別個の超音波変換器要素によって送受信され得る。種々の基本周波数をもつ主最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号のセットはファスナーに送信される、１０１。ＭＰＳは、低自動相関サイドローブレベルをもつ二進シーケンスである。一つの場合として、ＭＰＳコードはバーカーコードとして選択される。バーカーコードは、他のＭＰＳコードより低いサイドローブをもつ特殊な場合のＭＰＳコードである。

ＭＰＳ（又はバーカー）コード化超音波信号を得るために、ＭＰＳ（又はバーカー）コードで変調されることになる超音波信号の選択した期間は、コードに従って移相される。変調されることになる超音波信号は、コード化の後超音波信号に位相情報を維持するためにサインバーストであり得る。

一例として、長さ１１のバーカーコードに相応したバーカーコード化超音波信号を得るために、１１サイン期間の長さをもつサインバーストは、バーカー（長さ１１）方式（＋１ ＋１ ＋１ −１ −１ −１ ＋１ −１ −１ ＋１ −１）に従って位相変調され、ここで＋１は正の位相（すなわち位相変調なし）を表し、また−１は１８０°の移相を表している。従ってサインバーストの四番目、五番目、六番目、八番目、九番目及び十一番目の期間は１８０°移相される。

ファスナーに送信された主最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号のセットは種々の基本周波数すなわちコードで変調した正弦波の種々の期間を有している。主最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号のセットの基本周波数は２〜１８ＭＨｚの範囲内であるように選択され得る。

送信した信号はファスナーにおいて反射され、その後ファスナーから反射した主超音波信号の相応するセットが動力工具の超音波変換器によって受信される、１０２。超音波信号の飛行時間はファスナーの長さを表している。典型的には、反射した主超音波信号は、次の主超音波信号がファスナーへ送信される前に動力工具によって受信される。

動力工具によって受信した各反射した主超音波信号は、相応する送信した主超音波信号と相互相関される、１０３。従って、主相互相関信号のセットが得られる。各相互相関信号は受信した反射信号と相応した送信信号との同様性に関する。

主相互相関信号のセットから、各送信した主信号について品質属性が決められる、１０４。図２を参照すると、送信した主信号のセットの各信号の品質属性は以下のグループにおけるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ及びＦから選択した属性の重み付けした和に基づかれ得る。
・相互相関信号の振幅Ａ。これは信号の総振幅に係る。従って、信号の総振幅は信号−雑音比を強調するため品質属性として用いられ得る。
・相互相関ピーク高さＢ。これは相互相関信号における最も顕著なピークすなわち主ピークのピーク高さに係る。従って、最も顕著な相関ピークの絶対ピーク高さは信号−雑音比を強調するため品質属性として用いられ得る。
・相互相関ピーク独自性Ｃ。ファスナーにおける種々の信号ルートにより、信号の飛行時間は異なることになり、従って幾つかの相関ピークが生じ得る。相互相関ピーク独自性は、相互相関信号における主ピークのピーク高さと二次的ピーク例えば二次的に最も顕著なピークのピーク高さとの比に関係し得る。従って、最も顕著なピークのその他の相関ピークに対する独自性は品質属性として用いられ得る。
・相互相関ピーク対称性Ｄ。これは、相互相関信号の主ピークの対称性例えば左方縁部と右方縁部との対称性に係る。種々の信号ルートに相応する重なり相関ピークは結果として相関ピークの非対称となり得る。相互相関ピーク対称性を考察することによって、重なる相関ピークなどを特定する危険は低減され得る。
・Ｉ／Ｑ信号の変動Ｅ。従って本方法は、受信した信号からの位相取り出しの品質の評価を含み得る。所与期間におけるＩ／Ｑ信号の変化（変動）が低い場合には、この期間における取出した位相の品質は高く、受信した信号の品質がかかる期間においては高いことを表している。
・反射した信号位相と相関ピーク位置との差Ｆ。相関の位置は、信号の基本周波数の多数の期間における信号の飛行時間を表すものと見られ得る。完全な数の期間からの全ての変動すなわち一期間の一部における変動は、信号の移相を表し得る。この移相は反射した信号位相と比較されて信号の品質を評価し得る。

送信した主信号のセットの品質属性に基き、ファスナーの測定を行うため、超音波測定信号の基本周波数が決められ得る、１０５。従って送信した主信号のセットの最高品質属性をもつＭＰＳ信号は、ファスナーにおいて測定を行うために選択され得る。

代わりに、送信した主信号のセットの各信号の品質属性が予定の値以下である場合には、超音波測定信号はチャープ信号に設定され得る。

その後、超音波測定信号はファスナーへ送信され、１０６、そしてファスナーから反射した超音波測定信号が受信される、１０７。送信し受信した測定信号に基いて、図７を参照してさらに説明するように、ファスナーの伸びが測定され得る、１０８。伸びは、ファスナーのすなわち締付け工程中のファスナーの相対長さ変化である。

上記に記載したものの他に、図３には、ファスナーを測定するためのＭＰＳコード化信号のパルス幅を決める方法３００が示されている。異なる信号パルス幅をもつ第二の最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号のセットはファスナーへ送信される、３０１。パルス幅は、本方法において用いられることになるＭＰＳコードの期間の数に相応している。コードがバーカーコードに制限される場合には、利用できるシーケンス長さは変調信号の２、３、４、５、６、１１及び１３期間である。ある特定の基本周波数の場合、信号のパルス幅は基本周波数の複数の期間として決められ得る。信号をコード化するためのＭＰＳコードのシーケンス長さは、基本周波数の期間の数に相応するように選択され得る。例えば、１１ＭＨｚの基本周波数の場合、バーカー１１コードは変調信号の１１期間を含んでおり、従って結果として１μｓのパルス幅となる。

反射した第二の超音波の相応するセットはファスナーから受信される、３０２。各反射した第二の超音波信号は、相応する送信した第二の超音波信号と相互相関され、３０３、それにより第二の相互相関信号のセットが得られる。送信した第二の信号のセットの各信号の品質属性が決められ、３０４、そして送信した第二の信号のセットの品質属性に基いて超音波測定信号のパルス幅が決められる。図４に示すように、送信した第二の信号のセットの各信号の品質属性は、送信した第二の信号の相互相関ピーク独自性Ｃ及び／又は相互相関ピーク対称性Ｄに基づかれ得る。

測定信号が図１に示すステップ１０５において超音波チャープ信号に選択される場合には、チャープ信号の周波数範囲は図５に示す方法５００によって決められ得る。種々の基本周波数をもつ主超音波チャープ信号のセットは、動力工具の超音波変換器によってファスナーへ送信される、５０１。反射した超音波チャープ信号の相応するセットはファスナーから受信され、５０２、そして測定チャープ信号の周波数範囲は、反射した超音波信号の最大振幅をもつ主チャープ信号の基本周波数を含む周波数範囲として決められる、５０５。周波数範囲の低い周波数限界及び高い周波数限界は、反射した超音波信号が予定の閾値以上の振幅、例えば反射した超音波信号の最大振幅の少なくとも１０％をもつ周波数に設定される。チャープ信号は、主超音波チャープ信号のセットの周波数応答曲線を反映する周波数の変化率をもつ時間に依存する周波数曲線をもつようにされ得、好ましくは変化率が主超音波チャープ信号のセットの周波数応答曲線に反比例するようにされ得る。

図６には、ファスナーと音響接触して動力工具により行われる超音波によるファスナーの伸びを測定する方法６００が示されている。最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波測定信号は、動力工具の超音波変換器によってファスナーへ送信される、６０６。測定信号はファスナーにおいて反射され、そして反射した超音波測定信号は動力工具によってファスナーから受信される、６０７。反射した超音波測定信号に基いて、ファスナーの伸びはその後測定される、６０８。本方法は、ファスナーの伸びにおける変化をモニタするように繰り返され得る、６０９。

ファスナーの伸びの変化は、上記のように測定を連続して又は周期的に行うこと及び反射した超音波測定信号を送信した超音波測定信号と相互相関すること７１０によって測定され得る、７００。その後、位相情報は反射した測定信号から取り出され得、そしてファスナーの伸びは取り出した位相情報に基いて決められ得る、７１２。

ＭＰＳ信号の反射した測定信号から位相情報を取り出すために、本方法は、相互相関測定信号を用いて変調した正弦波信号と同相である反射した信号の期間を特定し、そして同相である反射した信号の期間から位相情報を取り出すことを含み得る。同相である反射した信号の期間は、送信した測定信号の最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）シーケンスで信号をマスキングすることによって特定され得る。

位相情報は、四分振幅変調としても知られた、Ｉ／Ｑ変調（Ｉ＝同相、Ｑ＝四分）によって受信信号から取り出され得る。

その後、信号はＩチャネルとＱチャネルとに分割され、各チャネルは基準信号で増倍される。Ｉチャネルの基準信号は、送信信号と同じ周波数をもちかつ送信信号に位相ロックされる信号である。Ｑチャネルの基準信号は、Ｉチャネルの基準信号に相応しているが、９０°移相されている。ＩチャネルとＱチャネルとは互いに直交する。

Ｉチャネル及びＱチャネルは、その後低域ろ波されて低域ろ波Ｉ出力及びＱ出力を発生する。これらの出力から、受信信号の位相はＩ出力及びＱ出力信号のアークタンジェントを計算することによって取り出され得る。

上述の方法によって、動力工具で引かれたファスナーの伸びはモニタされ得る。ファスナーが例えば締付け工程の実際に開始される前に、いかなる伸びも受けない限りにおいては、送信信号と反射信号とのこの位相差は同じ値で一定のままである。

締付け工程が始まると、この位相差は、ファスナーの伸びが結果としてファスナーにおける超音波信号の飛行時間を長くさせることになるため、増大する。ファスナーにおける増大する張力は結果として音の速度が低下することになり、従って飛行時間をさらに増大させる。上記の測定を連続して行うことによって、送信信号と反射信号との位相差は動力工具によって決められ得る。総位相差が全期間を越える場合には、締付け中にエコー信号の受ける期間の総数が計数され得る。位相差が所望のファスナーの伸びに相応し、そして所望の締付け力に相応する値に達すると、締付け工程は中断され得る。

測定は好ましくは、締付け中に、反射信号の位相差が連続した測定間に明白に決められ得るような高い繰り返し周波数（例えば１ｋＨｚ又はそれ以上）で繰り返されるべきである。

図８には、組立工具の形態の動力工具８００が示されている。工具は、作業者によって保持される工具本体８０１と、工具ヘッド８０２とを有し、工具ヘッド８０２は、ファスナー８０４（例えばねじやナット）と係合する工具バイト８０３を備えている。締付け工程中、工具ヘッド及び工具バイトは、ファスナーを回転するように回転駆動される。工具ヘッドはさらに超音波変換器ユニット８０５を支持し、ファスナーと音響接触するようにされる。かかる超音波変換器ユニット装置の構造の一例は、特許文献１ ＳＥ５３３３８５に記載されている。超音波変換器ユニットは、超音波信号をファスナーへ送信し、そしてファスナーから反射した超音波信号を受信するために構成される。工具はさらに処理ユニット８０６を有し、処理ユニット８０６は、電気的接続手段８０７によって超音波変換器ユニットに接続される。

工具及び処理ユニットは、種々の基本周波数をもつ主最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号のセットをファスナーへ送信し、反射した主超音波信号の相応するセットをファスナーから受信し、各反射した主超音波信号を相応する送信した主超音波信号と相互相関して相互相関信号のセットを得るようにし、相互相関信号のセットの各信号の品質属性を決め、相互相関信号のセットの品質属性に基いて、ファスナーの測定を行うために超音波測定信号の少なくとも一つのパラメータを決め、超音波測定信号をファスナーへ送信し、そしてファスナーから反射した超音波測定信号を受信することによって上述のように方法を実施するように構成される。

処理ユニットは、処理ユニットによって実行される時に方法のステップを実施するコンピュータプログラムによって方法を実施するように構成され得る。

一実施形態によれば、動力工具８００及び処理ユニット８０６は、最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波測定信号をファスナーへ送信し、反射した超音波測定信号をファスナーから受信し、そして反射した超音波測定信号に基いて、ファスナーの伸びを測定するように構成される。

動力工具は、ここで記載した方法のステップの全てを実行するようにされ得る。上記の方法の種々のステップは任意の適当な順序で実行されたり組み合わせたりされ得る。

本方法は、処理ユニットにおいて作動して処理ユニットに方法のステップを実行させるコード手段を備えたコンピュータプログラムによって実行され得る。コンピュータプログラムは、コンピュータプログラム製品のコンピュータ読取り可能な媒体に備え得る。コンピュータ読取り可能な媒体は、本質的に、ＲＯＭ（読取り専用メモリー）、ＰＲＯＭ（プログラム可能な読取り専用メモリー）、ＥＰＲＯＭ（消去可能なＰＲＯＭ）、フラッシュメモリー、ＥＥＰＲＯＭ（電気的に消去可能なＰＲＯＭ）、或いはハードディスクドライブのような任意のメモリーから成り得る。

本明細書に記載した動力工具及び方法は上述の実施形態に比較して当業者によって変更され得る。

当業者には明らかなように、上記の実施形態に対して多くの他の実施、変更、変形及び／又は追加がなされ得る。本発明は本発明の範囲内にあるかかる全ての他の実施、変更、変形及び／又は追加を包含することが理解されるべきである。

１００ ファスナーの伸びを超音波で測定する方法
１０１ 主最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号をファスナーへ送信するステップ
１０２ 反射した主超音波信号を受信するステップ
１０３ 主超音波信号を対応する送信した主超音波信号と相互相関するステップ
１０４ 主相互相関信号から各送信した主信号の品質属性を決めるステップ
１０５ 超音波測定信号の少なくとも一つのパラメータを決めるステップ
１０６ 超音波測定信号をファスナーに送信するステップ
１０７ ファスナーから反射した超音波測定信号を受信するステップ
１０８ ファスナーの伸びを測定するステップ
８００ 動力工具
８０１ 工具本体
８０２ 工具ヘッド
８０３ 工具バイト
８０４ ファスナー
８０５ 超音波変換器ユニット
８０６ 処理ユニット
８０７ 電気的接続手段

Claims (17)

1. ファスナーと音響的に接触して動力工具で実行したファスナーの伸びを超音波で測定する方法（１００）であって、
   ・種々の基本周波数をもつ主最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号のセットをファスナーへ送信する（１０１）こと、
   ・ファスナーから反射した主超音波信号の対応するセットを受信する（１０２）こと、
   ・各反射した主超音波信号を対応する送信した主超音波信号と相互相関（１０３）して主相互相関信号のセットを得ること、
   ・主相互相関信号のセットから各送信した主信号の品質属性を決め（１０４）ること、
   ・送信した主信号のセットの品質属性に基いてファスナーの測定を行うために超音波測定信号の少なくとも一つのパラメータを決める（１０５）こと、
   ・超音波測定信号をファスナーに送信する（１０６）こと
   ・ファスナーから反射した超音波測定信号を受信する（１０７）こと、及び
   ・反射した超音波測定信号に基いてファスナーの伸びを測定する（１０８）こと
   を含み、
   送信した主信号のセットの各信号の品質属性（１０４、２０４）が、相互相関信号の振幅（Ａ）、相互相関ピーク高さ（Ｂ）、相互相関ピークの独自性（Ｃ）、相互相関ピークの対称性（Ｄ）、Ｉ／Ｑ信号分散（Ｅ）及び反射した信号位相と相関ピークの位置との差（Ｆ）から成るグループから選択した属性に基くこと
   を特徴とする方法。
2. 品質属性（１０４、２０４）が、は、相互相関信号の振幅（Ａ）、相互相関ピーク高さ（Ｂ）、相互相関ピークの独自性（Ｃ）、相互相関ピークの対称性（Ｄ）、Ｉ／Ｑ信号分散（Ｅ）及び反射した信号位相と相関ピークの位置との差（Ｆ）から成るグループ又はそれらの組合せから選択した送信主信号のセットの複数の属性の重み付けした和に基くこと
   を特徴とする請求項１記載の方法。
3. 送信した主信号のセットの少なくとも一つの信号の品質属性が予定の値以上である場合には、超音波測定信号が最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号に設定されること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記超音波測定信号の少なくとも一つのパラメータが超音波測定信号の測定基本周波数を含むこと
   を特徴とする請求項３記載の方法。
5. 超音波測定信号の測定基本周波数が、送信した主信号のセットの最高品質属性をもつ主超音波信号の基本周波数に設定されること
   を特徴とする請求項４記載の方法。
6. さらに、
   ・異なった信号パルス幅をもつ第二の最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号のセットをファスナーへ送信する（３０１）こと、
   ・ファスナーから反射した第二の超音波信号の相応したセットを受信する（３０２）こと、
   ・各反射した第二の超音波信号を相応する送信した第二の超音波信号と相互相関して第二の相互相関信号のセットを得る（３０３）こと、
   ・送信した第二の信号のセットの各信号の品質属性を決める（３０４）こと、及び
   ・送信した第二の信号のセットの品質属性に基いて超音波測定信号のパルス幅を決める（３０５）こと
   を特徴とする請求項３〜５のいずれか一項記載の方法（１００，３００）。
7. 送信した第二の信号のセットの各信号の品質属性（３０４、４０４）が、第二の相互相関信号の相互相関ピークの独自性（Ｃ）及び／又は相互相関ピークの対称性（Ｄ）に基くこと
   を特徴とする請求項６記載の方法。
8. 送信した主信号のセットの各信号の品質属性が予定の値以下である場合に、超音波測定信号がチャープ信号に設定されること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の方法（１００）。
9. チャープ信号の周波数範囲は、
   ・異なる基本周波数をもつ主超音波チャープ信号のセットをファスナーへ送信する（５０１）こと、
   ・ファスナーから反射した超音波チャープ信号の相応したセットを受信する（５０２）こと、及び
   ・反射した超音波信号の最大振幅をもつ主チャープ信号の基本周波数を構成するように測定チャープ信号の周波数範囲を決める（５０５）こと
   によって決められること
   を特徴とする請求項８記載の方法（１００、５００）。
10. チャープ信号が、主超音波チャープ信号のセットの周波数応答曲線を反射する変化率をもつ時間依存周波数曲線をもち、好ましくは変化率が主超音波チャープ信号のセットの周波数応答曲線に逆比例すること
    を特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
11. さらに、
    ・反射した超音波測定信号を送信した超音波測定信号と相互相関して相互相関測定信号を得る（７１０）こと、
    ・反射した測定信号及び／又は相互相関測定信号から位相情報を取り出す（７１１）こと、及び
    ・取り出した位相情報に基いてファスナーの伸びを測定する（７１２）こと
    ことを含むこと
    を特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載の方法。
12. 反射した測定信号から位相情報を取り出すステップ（７１１）が、相互相関測定信号を用いて同相である反射した信号の期間を特定すること、及び同相である反射した信号の期間から位相情報を取り出すことを含むこと
    を特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 反射した測定信号から位相情報を取り出すステップ（７１１）が、反射した信号をＩ／Ｑ変調すること及び位相情報を取り出すことを含むこと
    を特徴とする請求項１１又は１２に一項記載の方法。
14. 最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号が、（ａ）バーカーコード化又は準バーカーコード化超音波信号であること
    を特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項記載の方法。
15. 動力緊締工具によって実施され、ファスナーが動力緊締工具によって緊締されるファスナーであること
    を特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項記載の方法。
16. ファスナーと係合する工具ヘッド（８０２）と、超音波信号をファスナーへ送信しそしてファスナーから反射した超音波信号を受信する超音波変換器ユニット（８０５）と、超音波変換器ユニットに接続した処理ユニット（８０６）とを有する動力工具（８００）であって、動力工具は、
    ・種々の基本周波数をもつ主最小ピークサイドローブ（ＭＰＳ）コード化超音波信号のセットをファスナーへ送信し、
    ・ファスナーから反射した主超音波信号の相応したセットを受信し、
    ・各反射した主超音波信号を相応する送信した主超音波信号と相互相関して主相互相関信号のセットを得るようにし、
    ・送信した主信号のセットの各信号の品質属性を決め、ここで、送信した主信号のセットの各信号の品質属性（１０４、２０４）が、相互相関信号の振幅（Ａ）、相互相関ピーク高さ（Ｂ）、相互相関ピークの独自性（Ｃ）、相互相関ピークの対称性（Ｄ）、Ｉ／Ｑ信号分散（Ｅ）及び反射した信号位相と相関ピークの位置との差（Ｆ）から成るグループから選択した属性であり、
    ・送信した主信号のセットの品質属性に基いて、ファスナーの測定を行うために超音波測定信号の少なくとも一つのパラメータを決め、
    ・超音波測定信号をファスナーへ送信し、
    ・ファスナーから反射した超音波測定信号を受信し、そして
    ・反射した超音波測定信号に基いてファスナーの伸びを測定する
    ように構成されること
    を特徴とする動力工具（８００）。
17. さらに、
    ・反射した超音波測定信号を送信した超音波測定信号と相互相関して相互相関測定信号を得、
    ・反射した測定信号及び／又は相互相関測定信号から位相情報を取り出し、そして
    ・取り出した位相情報に基いてファスナーの伸びを測定する
    ように構成されること
    を特徴とする請求項１６記載の動力工具。

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