JP6678708B2

JP6678708B2 - ボルト軸力測定方法及びこの方法に使用するボルト

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Publication number: JP6678708B2
Application number: JP2018146819A
Authority: JP
Inventors: 一浩津▲崎▼; 利次榊原
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Current assignee: Honda Motor Co Ltd
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Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2020-04-08
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Description

本発明は、ボルト軸力測定方法及びこの方法に使用するボルトに関する。

従来、ボルトの頭部からボルトの軸部の底面に向けて発振した超音波のＢエコー（底面エコー）を利用してボルトの伸びを測定することでボルトの軸力を測定するボルト軸力測定方法が知られている。このようなボルト軸力測定方法では、超音波を発振する超音波センサとボルトの頭部との間に超音波の伝搬媒体が満たされる。しかしながら、超音波センサとボルトの頭部との間に介在する伝搬媒体の厚さが変動すると、ボルトの伸びを精度よく測定することができない。

そこで、超音波センサ側からボルトの頭部側に向けて突出する突起によって超音波センサとボルトの頭部との距離を一定に維持するボルト軸力測定方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
このようなボルト軸力測定方法によれば、超音波センサとボルトの頭部との距離が一定に維持されることによってボルトの伸びを精度よく測定することができる。

実開昭６１−３４４４４号公報

ところが、従来のボルト軸力測定方法（例えば、特許文献１参照）では、超音波センサをボルトの頭部に向けて付勢可能にするためにセンサホルダとケーシングとの間にクリアランスが設けられている。そのため超音波センサがボルト側に付勢された際に、センサホルダがケーシング内で傾くことがある。これにより従来のボルト軸力測定方法では、ボルトの軸部の底面に向けての超音波の発振、及びＢエコーの受振が正確に行われずに、ボルトの軸力を精度よく測定できない恐れがある。

そこで、本発明の課題は、従来と比べてより確実に精度よくボルトの軸力を測定することができるボルト軸力測定方法及びこの方法に使用するボルトを提供することにある。

前記課題を解決する本発明は、ボルトの頭部に形成された段付き凹部に対応するように段付き凸部を有するプローブの前記段付き凸部を前記頭部の前記段付き凹部に対して挿入するプローブ挿入工程と、前記段付き凹部と前記段付き凸部との段部同士を当接させることで、前記段付き凹部の底面で規定される前記ボルトの表面と、前記段付き凸部の頂面で規定される前記プローブの表面との間に、ギャップを形成するギャップ形成工程と、前記プローブから前記ボルトの軸部の底面に向けて発振した超音波パルスの底面エコーに基づいて、締結時の前記ボルトの伸びを演算する伸び演算工程と、前記ボルトの伸びに基づいて前記ボルトの軸力を演算する軸力演算工程と、を有し、前記ギャップには伝搬物質が介在しているボルト軸力測定方法である。
また、前記課題を解決する本発明は、前記ボルト軸力測定方法に使用するボルトであって、前記段付き凸部に当接する前記段付き凹部を有することで、前記段付き凹部の底面で規定される前記ボルトの表面と、前記段付き凸部の頂面で規定される前記プローブの表面との間にギャップを形成する頭部を備えている。

本発明によれば、従来と比べてより確実に精度よくボルトの軸力を測定することができるボルト軸力測定方法及びこの方法に使用するボルトを提供することができる。

本発明の実施形態に係る締付装置を有するボルト軸力測定装置のブロック図である。図１のボルト軸力測定装置を構成する締付装置の部分拡大断面図である。本発明の実施形態に係るボルト軸力測定方法で行われるボルトセット工程の説明図である。本発明の実施形態に係るボルト軸力測定方法で行われるボルト軸力測定工程のフロー図である。本発明の実施形態に係るボルト軸力測定方法で行われるボルト軸力測定工程のフロー図である。本発明の実施形態に係るボルト軸力測定方法における頭部エコー及び底面エコーを示す波形模式図である。本発明の実施形態に係るボルト軸力測定方法で行われる頭部エコーのゲートオートトラッキングの説明図である。演算された軸力を時系列にプロットした例を示すグラフである。頭部エコー及び底面エコーの振幅の補正係数（増幅度）の説明図である。（ａ）及び（ｂ）は、ボルト軸力測定装置を構成するボルトの締付装置の動作説明図である。

本発明を実施する形態（本実施形態）について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、本実施形態の締付装置を有するボルト軸力測定装置（及びボルト軸力測定プログラム）と、ボルト軸力測定方法と、ボルトとについて詳細に説明する。

≪ボルト軸力測定装置≫
本実施形態でのボルト軸力測定装置は、ボルトを締め付けながらボルトの軸力を測定するように構成されている。また、ボルト軸力測定装置は、ボルトの軸力が所定値になったときに締付動作を停止する。

図１は、本実施形態に係るボルト軸力測定装置１０のブロック図である。
図１に示すように、本実施形態に係るボルト軸力測定装置１０は、ボルトの締付装置２０と、制御部３０と、入力部３３と、表示部３４と、を主に備えて構成されている。

＜締付装置＞
まず、締付装置２０について説明する。
図２は、締付装置２０の構成説明図である。図２中、この締付装置２０によって締め付けられるボルト１は、仮想線（二点鎖線）で示している。
図２に示すように、締付装置２０は、ナットランナ２１と、プローブユニット２３と、付勢手段としての弾発コイルばね２８と、ソケット２２と、を備えている。また、締付装置２０は、ナットランナ制御部２１ｂ（図１参照）を備えている。

ナットランナ２１は、後記するナットランナ制御部２１ｂ（図１参照）によって、所定のトルク、回転速度（回転角速度）にて回転する回転シャフト２１ａを備えている。この回転シャフト２１ａは、管状に形成されている。
また、ナットランナ２１は、ナットランナ制御部２１ｂ（図１参照）が出力する指令によって、回転シャフト２１ａが回転駆動する。また、ナットランナ２１は、後記するナットランナ停止指令部３１ａ（図１参照）が出力する指令によって停止するように構成されている。

プローブユニット２３は、プローブ２４（超音波センサ）と、プローブ支持部材２５と、回転シャフト２１ａに対する取付部材２７と、抜止部材２６と、を備えている。
プローブ２４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など（図示省略）を備えている。プローブ２４の受振したエコーの電気信号は、後記する制御部３０（図１参照）に出力される。

プローブ２４は、略円柱形状に形成されている。そして、プローブ２４の下端面中央には、下方に突出する略円柱形状の突出部２４ａが形成されている。これによりプローブ２４の下端部は、段部２４ｂを有する段付き凸部２９を形成している。
このようなプローブ２４は、後記するように、ボルト１の頭部３に形成された凹部５に対して印籠嵌合する。

プローブ支持部材２５は、ベース部２５ａと、このベース部２５ａの上面中央部から上方に延びる軸部２５ｂとを有している。
ベース部２５ａの下部には、係止部２５ａ１が形成されている。この係止部２５ａ１には、プローブ２４の上部が着脱自在に取り付けられる。
軸部２５ｂは、回転シャフト２１ａの中空部に対して進退可能になっている。

取付部材２７としては、略円筒状のものを想定している。
そして、取付部材２７は、回転シャフト２１ａの下部外周に取り付けられている。回転シャフト２１ａに対する取付部材２７の取付方法としては、嵌合などの公知の方法が挙げられるが、特に制限はない。取付部材２７と回転シャフト２１ａとは一体に形成されていてもよい。
取付部材２７の下端には、半径方向内側に延出するフランジ２７ａを有している。このフランジ２７ａの上面には、軸部２５ｂの先端部に嵌められたワッシャで構成される抜止部材２６が当接する。

弾発コイルばね２８は、プローブ支持部材２５の周囲を巻回するように配置されている。そして、弾発コイルばね２８の上端は、取付部材２７の下面に着座し、弾発コイルばね２８の下端は、ベース部２５ａの外周段部に着座している。
このようなプローブ支持部材２５においては、ベース部２５ａが弾発コイルばね２８の付勢力に抗して上方に変位した際に、軸部２５ｂが回転シャフト２１ａの中空部で揺動可能になっている。
また、抜止部材２６は、フランジ２７ａの上面に当接することで、軸部２５ｂが回転シャフト２１ａの中空部から脱離するのを防止している。

ソケット２２は、略円筒形状を呈している。ソケット２２の上部内周側には、回転シャフト２１ａの下部が着脱自在に嵌め込まれている。これによりソケット２２は、回転シャフト２１ａに対する周方向への変位が規制されている。ちなみに、本実施形態では、回転シャフト２１ａとソケット２２とがスプライン嵌合しているものを想定しているが、回転シャフト２１ａとソケット２２との接合は、これに限定されるものではない。

以上のような締付装置２０は、ソケット２２にボルト１の頭部３を噛み合わせると、ボルト１の凹部５に印籠嵌合したプローブ２４には、頭部３側に向かう付勢力が弾発コイルばね２８によって付与される。
また、このような締付装置２０においては、回転シャフト２１ａに対してソケット２２とプローブユニット２３とが互いに別個独立に接合されている。
また、プローブ２４は、回転シャフト２１ａとの間に弾発コイルばね２８が介在することで、回転シャフト２１ａに対してセミフローティング支持されている。

次に、制御部３０について説明する。
図１に示すように、制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサからなる演算処理部３１と、プログラムが書き込まれたＲＯＭ（Read Only Memory）、データの一時記憶のためのＲＡＭ（Random Access Memory）などで構成される記憶部３２と、を主に備えている。

本実施形態での演算処理部３１は、ナットランナ停止指令部３１ａと、軸力演算部３１ｂと、伸び演算部３１ｃと、エコー検出部３１ｄと、ボルト情報処理部３１ｅと、超音波送受信制御部３１ｆと、を備えている。
ナットランナ停止指令部３１ａは、後記するように、ボルト１の軸力（Ｆ）が目標軸力値に達した場合にナットランナ２１に対して軸力印加停止の指令を出力する。
軸力演算部３１ｂは、後記する式１に基づいて軸力を演算する。伸び演算部３１ｃは、ボルト１（図２参照）の締付けによるボルト１の伸びを演算する。エコー検出部３１ｄは、超音波エコーのゼロクロス点などを演算する。ボルト情報処理部３１ｅは、測定対象となるボルト１の情報を記憶部３２に出力する。超音波送受信制御部３１ｆは、プローブ２４に超音波パルスを発振させ、受振した超音波エコーの増幅を行う。
これらの演算処理部３１の構成要素については、後記するボルト軸力測定方法の説明と併せてさらに詳細に説明する。

入力部３３としては、ボルト情報処理部３１ｅに対してボルト情報を入力するキーボードなどを想定しているが、表示部３４とを兼ねるタッチパネルであっても構わない。また、入力部３３には、演算処理部３１に対する要求タスクを入力することもできる。
本実施形態での表示部３４は、演算処理部３１から出力される情報を視覚的、音声的に表示するモニタ、スピーカなどを想定している。

≪ボルト軸力測定方法≫
次に、本実施形態のボルト軸力測定方法について説明する。
このボルト軸力測定方法は、ボルト軸力測定装置１０に対するボルト情報の入力工程（ボルト情報入力工程）と、ボルト軸力測定装置１０に対するボルト１（図２参照）のセット工程（ボルトセット工程）と、ボルト軸力測定工程と、を有している。

＜ボルト情報入力工程＞
このボルト情報入力工程では、入力部３３を介して測定対象となるボルト１（図２参照）の情報が制御部３０（図１参照）に入力される。
本実施形態でのボルト情報は、軸力Ｆを演算する下記式１におけるボルト１のヤング率（Ｅ）、有効径（Ａ）、被締結長さ（Ｌ）である。
Ｆ＝（ＥＡ／Ｌ）δ・・・・・式１
なお、式１中、ボルト１の伸び（δ）については、伸び演算部３１ｃが後記のように演算する。
これらのボルト情報は、制御部３０のボルト情報処理部３１ｅを介して記憶部３２に格納される。

＜ボルトセット工程＞
次に、ボルトセット工程について説明する。
図３は、ボルト軸力測定方法のボルトセット工程の説明図である。
図３に示すように、このボルトセット工程においては、ボルト１の凹部５にプローブ２４を嵌合させるプローブ嵌合工程と、ボルト１とプローブ２４との間にギャップ４１を形成するギャップ形成工程とが並列に実行される。

プローブ嵌合工程では、ボルト１の凹部５（段付き凹部）に対してプローブ２４が印籠嵌合する。
具体的には、プローブ嵌合工程では、プローブ２４の先端胴部２４ｃの外周面が、凹部５の大径部１４ａの内周面に当接する。
そして、プローブ２４の突出部２４ａが、凹部５の小径部１４ｂに収まる。

ギャップ形成工程では、凹部５の底面６で規定されるボルト１の表面と、突出部２４ａの頂面２４ｄで規定されるプローブ２４の表面との間に、ギャップ４１が形成される。
具体的には、ボルト１側の段部１４ｃと、プローブ２４側の段部２４ｂとが互いに当接し合うことで、ギャップ４１が形成される。このギャップ４１は、凹部５の底面６と突出部２４ａの頂面２４ｄとが平行に向き合うことで形成される。

このようなギャップ４１には、伝搬物質４２が満たされる。
この伝搬物質４２としては、特に制限はなく、例えば、機械油、水、含水ポリマー、流動パラフィン、ひまし油、ゲル状物質、エラストマなどの公知のものが挙げられるが、中でもゲル状物質、エラストマが望ましい。
なお、図３中、符号２２は、ボルト１の頭部３に嵌合するソケットである。

＜ボルト軸力測定工程＞
次に、ボルト軸力測定工程について説明する。
図４及び図５は、ボルト軸力測定工程のフロー図である。

このボルト軸力測定工程においては、プローブ２４（図３参照）がボルト１（図３参照）に対して超音波パルスを発振した際の頭部エコーのゲート（Ｓエコーゲート）と、底面エコーのゲート（Ｂエコーゲート）とが設定される。

これらの設定は、エコー検出部３１ｄ（図１参照）が記憶部３２を参照して取得したギャップ４１（図３参照）と、ボルト１の長さに基づいて予め設定される。これらの頭部エコーのゲート（Ｓエコーゲート）と底面エコーのゲート（Ｂエコーゲート）とを特定する伝搬時間範囲は、エコー検出部３１ｄによって記憶部３２に格納される。
ちなみに、このＳエコーゲート及びＢエコーゲートは、後記するオートトラッキングを行うＳエコーゲート及びＢエコーゲートよりは広い伝搬時間範囲に設定されている。ここでのＳエコーゲート及びＢエコーゲートとは、超音波パルスの２周期幅程度に設定することができるがこれに限定されるものではない。

次に、このボルト軸力測定工程では、プローブ２４（図３参照）がボルト１（図３参照）に対して超音波パルスを発振する。この超音波パルスの発振は、制御部３０（図１参照）の超音波送受信制御部３１ｆ（図１参照）の指令により行われる。この超音波パルスの発振時間は、超音波送受信制御部３１ｆによって記憶部３２（図１参照）に格納される。ちなみに、本実施形態での超音波パルスの発振（詳細には、軸力印加中の発振）は、送信繰り返し周波数ごとに発振されるものを想定しているがこれに限定されるものではない。

超音波パルスは、凹部５（図３参照）の底面６（図３参照）で規定されるボルト１（図３参照）の表面で反射するとともに、軸部２の先端面で反射する。
プローブ２４は、ボルト１（図３参照）の表面で反射した第０回目頭部エコー（Ｓ０エコー）を受振するとともに、ボルト１の底面で反射した第０回目底面エコー（Ｂ０エコー）を受振する。ここで、第０回目とは、軸力印加前における測定であることを示す。
そして、超音波送受信制御部３１ｆ（図１参照）は、プローブ２４が受振したＳ０エコー及びＢ０エコーを、例えばそれぞれ別個独立に増幅する。

また、エコー検出部３１ｄは、増幅されたＳ０エコー及びＢ０エコーを超音波送受信制御部３１ｆから取得するとともに、記憶部３２を参照してＳエコーゲートとＢエコーゲートのそれぞれの伝搬時間範囲を取得する。

続いて、エコー検出部３１ｄは、Ｓ０エコー及びＢ０エコーに基づいて、ＳエコーゲートＧＳ０及びＢエコーゲートＢＳ０を設定する（ステップＳ１０１参照）
詳細には、エコー検出部３１ｄは、前記した伝搬時間範囲内のＳ０エコーに基づいて、当該Ｓ０エコーの振幅が予め正又は負に設定されたレベルＬ_Sを超えた１波目のピーク位置Ｐ_Sの超音波パルス１／２波長手前の位置に、ＳエコーゲートＧ_S0の起点Ｇ_S0Sを設定する（図６参照）。また、エコー検出部３１ｄは、起点Ｇ_S0Sから超音波パルス１波長後ろの位置に、ＳエコーゲートＧ_S0の終点Ｇ_S0Eを設定する（図６参照）。

本実施形態において、レベルＬ_Sは正に設定されており、振幅がレベルＬ_Sを超えるとは、伝搬時間を横軸としたグラフ上において、振幅がレベルＬ_Sよりも小さい値（絶対値としても小さい値）からレベルＬ_Sよりも大きい値（絶対値として大きい値）に変化することをいう。この場合のピーク位置Ｐ_Sは、正のピークである。なお、レベルＬ_Sが負に設定されている場合には、振幅がレベルＬ_Sを超えるとは、伝搬時間を横軸としたグラフ上において、振幅がレベルＬ_Sよりも大きい値（絶対値としては小さい値）からレベルＬ_Sよりも小さい値（絶対値としては大きい値）に変化することをいう。この場合のピーク位置Ｐ_Sは、負のピークである。

同様に、エコー検出部３１ｄは、前記した伝搬時間範囲内のＢ０エコーに基づいて、当該Ｂ０エコーの振幅が予め正又は負に設定されたレベルＬ_Bを超えた１波長目のピーク位置Ｐ_Bの１／２波長手前の位置に、ＢエコーゲートＧ_B0の起点Ｇ_B0Sを設定する（図６参照）。また、エコー検出部３１ｄは、起点Ｇ_B0Sから超音波パルスの１波長後ろの位置に、ＢエコーゲートＧ_B0の終点Ｇ_B0Eを設定する（図６参照）。

本実施形態において、レベルＬ_Bは正に設定されており、振幅がレベルＬ_Bを超えるとは、伝搬時間を横軸としたグラフ上において、振幅がレベルＬ_Bよりも小さい値からレベルＬ_Bよりも大きい値に変化することをいう。この場合のピーク位置Ｐ_Bは、正のピークである。なお、レベルＬ_Bが負に設定されている場合には、振幅がレベルＬ_Bを超えるとは、伝搬時間を横軸としたグラフ上において、振幅がレベルＬ_Bよりも大きい値（絶対値としては小さい値）からレベルＬ_Bよりも小さい値（絶対値としては大きい値）に変化することをいう。この場合のピーク位置Ｐ_Bは、負のピークである。

続いて、エコー検出部３１ｄは、ＳエコーゲートＧ_S0内におけるＳ０エコーの伝搬時間、及び、ＢエコーゲートＧ_B0内におけるＢ０エコーの伝搬時間を取得する（ステップＳ１０２参照）。
詳細には、エコー検出部３１ｄは、ＳエコーゲートＧ_S0内における正又は負のピーク直前のゼロクロス点を検知し、当該ゼロクロス点の伝搬時間ｔ_S0をＳ０エコーの伝搬時間として取得する（図６参照）。本実施形態において、ゼロクロス点は、超音波パルスのエコーの振幅がゼロとなる点である。

同様に、エコー検出部３１ｄは、ＢエコーゲートＧＳ０内における正又は負のピーク直前のゼロクロス点を検知し、当該ゼロクロス点の伝搬時間ｔ_B0をＢ０エコーの伝搬時間として取得する（図６参照）。

エコー検出部３１ｄは、Ｓ０エコーの伝搬時間及びＢ０エコーの伝搬時間を取得し終えるまで、ステップＳ１０２を繰り返す（ステップＳ１０３でＮｏ）。

続いて、Ｓ０エコーの伝搬時間及びＢ０エコーの伝搬時間を取得し終えると（ステップＳ１０３でＹｅｓ）、エコー検出部３１ｄは、ＳエコーゲートＧ_S0のトラッキング基準位置として、起点Ｇ_S0Sを取得して保持する（ステップＳ１０４参照）（図６参照）。
同様に、エコー検出部３１ｄは、ＢエコーゲートＢ_S0のトラッキング基準位置として、起点Ｇ_B0Sを取得して保持する（ステップＳ１０４参照）（図６参照）。

次に、このボルト軸力測定工程では、ナットランナ制御部３１ａ（図１参照）がナットランナ２１（図１参照）に対して駆動指令を出力する。
つまり、ボルト１の締付装置２０（図１参照）によってボルト１（図４参照）に軸力が印加される（ステップＳ１０７参照）。

次（ｎ回目；ｎは自然数）の送信ＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency）における超音波パルスのエコーが受振されると（ステップＳ１０８でＹｅｓ）、エコー検出部３１ｄは、ＳエコーゲートＧ_Snー1内におけるＳｎエコーの伝搬時間、及び、ＢエコーゲートＧ_Bn-1内におけるＢｎエコーの伝搬時間を取得する（ステップＳ１０９参照）。
詳細には、エコー検出部３１ｄは、ＳエコーゲートＧ_Sn-1内における正又は負のピーク直前のゼロクロス点を検知し、当該ゼロクロス点の伝搬時間ｔ_SnをＳｎエコーの伝搬時間として取得する（図７参照）。
図示は省略するが、同様に、エコー検出部３１ｄは、ＢエコーゲートＧ_Bn-1内における正又は負のピーク直前のゼロクロス点を検知し、当該ゼロクロス点の伝搬時間ｔ_BnをＢｎエコーの伝搬時間として取得する。

エコー検出部３１ｄは、Ｓｎエコーの伝搬時間及びＢｎエコーの伝搬時間を取得し終えるまで、ステップＳ１０９を繰り返す（ステップＳ１１０でＮｏ）。

続いて、Ｓｎエコーの伝搬時間及びＢｎエコーの伝搬時間を取得し終えると（ステップＳ１１０でＹｅｓ）、軸力演算部３１ｂは、伝搬時間ｔ_Sn,ｔ_Bn及び初期伝搬時間Ｔに基づいて、ボルト１の軸力Ｆを演算する（ステップＳ１１１参照）。
なお、ＳｎエコーとＢｎエコーとは、セミフローティング支持されるプローブ２４（図２参照）によって波形の乱れが抑制される。
ちなみに、ボルト１の長さは、Ｓｎエコーのゼロクロス点の伝搬時間と、Ｂｎエコーのゼロクロス点の伝搬時間の差（ｔ_Bn−ｔ_Sn）に基づいて得ることができる。

このボルト１の伸び（δ）は、エコー検出部３１ｄ（図１参照）が演算した伝搬時間の差に基づいて、伸び演算部３１ｃ（図１参照）が演算する。
また、軸力演算部３１ｂ（図１参照）は、伸び演算部３１ｃ（図１参照）が演算したボルト１の伸び変化量（δ）を取得するとともに、記憶部３２（図１参照）を参照して前記式１のパラメータを取得する。そして、軸力演算部３１ｂ（図１参照）は、式１によりボルト１の軸力を演算するとともに、表示部３４（図１参照）に出力する（ステップＳ１０８参照）。

続いて、エコー検出部３１ｄは、ＳエコーゲートＧ_Sn及びＢエコーゲートＧ_Snのそれぞれに関して、トラッキング処理を実行する（ステップＳ１１２参照）。
詳細には、エコー検出部３１ｄは、前回（ｎ−１回目）のＳエコーゲートＧ_Sn-1の起点Ｇ_Sn-1Sを時間（ｔ_Sn−ｔ_Sn-1）だけ移動させることによって、今回（ｎ回目）のＳエコーゲートＳｎの起点Ｓ_nSを設定する（図７参照）。
また、エコー検出部３１ｄは、起点Ｓ_nSから超音波パルス１波長後ろにＳエコーゲートＳｎの終点Ｓ_nEを設定する（図７参照）。
軸力印加中において、ボルト１の頭部３は、印加された軸力によって歪みを生じることがある。このＳエコーゲートＧ_Snのトラッキング処理は、頭部３の歪みに対応してＳｎエコーを好適に検出するための処理である。

図示は省略するが、同様に、エコー検出部３１ｄは、前回（ｎ−１回目）のＢエコーゲートＧ_Bn-1の起点Ｇ_Bn-1Sを時間（ｔ_Bn−ｔ_Bn-1）だけ移動させることによって、今回（ｎ回目）のＢエコーゲートＢｎの起点Ｂ_nSを設定する。
また、エコー検出部３１ｄは、起点Ｂ_nSから超音波パルス１波長後ろにＢエコーゲートＢｎの終点Ｂ_nEを設定する。
軸力印加中において、ボルト１の軸部２は、印加された軸力によって伸びを生じる。このＢエコーゲートＧ_Bnは、軸部２の伸びに対応してＢｎエコーを好適に検出するための処理である。

続いて、軸力演算部３１ｂは、演算された軸力（Ｆ）に基づいて、軸力正常範囲を設定する（ステップＳ１１３参照）。
図８に示すように、詳細には、軸力演算部３１ｂは、演算された軸力（Ｆ）を時系列にプロットしたものに基づいて、軸力（Ｆ）の経時変化を近似的に表す直線Ｌを求める。
また、軸力演算部３１ｂは、直線Ｌに対して、予め設定された値（例えば、上下１０％）を用いることによって、軸力正常範囲Ｒｎを設定する。

続いて、軸力（Ｆ）が軸力正常範囲Ｒｎ外に予め設定された伸び変化量（δ）以上連続した場合（ステップＳ１１４でＹｅｓ）には、軸力演算部３１ｂは、測定に異常が発生していると判定する。
この場合には、ナットランナ停止指令部３１ａ（図１参照）は、ナットランナ２１（図１参照）に対して軸力印加の停止の指令を出力する。つまり、ボルト１に対する軸力の印加が停止する。また、図示しないが、ナットランナ２１が停止し、オートトラッキングも停止することで、この一連のボルト軸力測定工程が終了する（異常終了）。

一方、軸力（Ｆ）が軸力正常範囲Ｒｎ内で連続するのが予め設定された伸び変化量（δ）内に収まる場合（ステップＳ１１４でＮｏ）には、軸力演算部３１ｂは、測定が正常に行われていると判定する。
また、ナットランナ停止指令部３１ａ（図１参照）は、軸力演算部３１ｂ（図１参照）が演算したボルト１の軸力（Ｆ）を取得する。そして、ナットランナ停止指令部３１ａは、ボルト１の軸力（Ｆ）が目標軸力値に達したか否かを判定する（ステップＳ１１５参照）。
また、ナットランナ停止指令部３１ａ（図１参照）は、軸力（Ｆ）が目標軸力値に達していない場合には（ステップＳ１１５でＮｏ）、ナットランナ２１（図１参照）に対して軸力印加の続行の指令を出力する。つまり、ステップＳ１０８に戻ってボルト１に対する軸力の印加が続行される。

また、軸力（Ｆ）が目標軸力値に達した場合には（ステップＳ１１５でＹｅｓ）、ナットランナ停止指令部３１ａ（図１参照）は、ナットランナ２１（図１参照）に対して軸力印加の停止の指令を出力する。つまり、ボルト１に対する軸力の印加が停止する。また、図示しないが、ナットランナ２１が停止し、オートトラッキングも停止することで、この一連のボルト軸力測定工程が終了する（正常終了）。

なお、本フローは、軸力（Ｆ）に代えて、ボルト１の伸び変化量（δ）及びその正常範囲に基づいて異常判定を行う構成であってもよく、ボルト１の伸び変化量（δ）が目標値に達した場合にボルト軸力測定工程を終了する構成であってもよい。

＜エコーの増幅手法＞
本実施形態において、超音波送受信制御部３１ｆは、第一の振幅補正部３１ｆ１と、第二の振幅補正部３１ｆ２と、第三の振幅補正部３１ｆ３と、を備える。

第一の振幅補正部３１ｆ１は、振幅の増幅度が時間軸全体に対して設定されており、増幅度に基づいて頭部エコーゲート及び底面エコーゲートの両方の振幅を同一量補正する。
本実施形態において、振幅の増幅度である補正係数Ｃ１（図９参照）は、事前実験などによって予め設定されている。

第二の振幅補正部３１ｆ２は、頭部エコーゲート及び底面エコーゲートの一方を基準とし、頭部エコーゲート及び底面エコーゲートの他方の振幅を頭部エコーゲート及び底面エコーゲートの一方の振幅に近づけるように補正する。
本実施形態において、振幅の増幅度である補正係数Ｃ２（図９参照）は、Ｂｎエコーの振幅をＳｎエコーの振幅に近づけるように補正するものであり、事前実験などによって予め設定されている。第二の振幅補正部３１ｆ２は、Ｂｎエコーに対して、当該エコーが検出されるエコーゲートの伝搬時間における補正係数Ｃ２を乗算する。これにより、第二の振幅補正部３１ｆ２は、Ｓｎエコー及びＢｎエコーの各エコーゲートにおける振幅を略同一にして表示部３４に表示させることができる。

第三の振幅補正部３１ｆ３は、頭部エコーゲート及び底面エコーゲートのいずれか一方の振幅を補正する。本実施形態において、振幅の増幅度である補正係数Ｃ３は（図９参照９は、Ｂｎエコーの振幅をＳｎエコーの振幅に近づけるように補正するためのものであり、事前実験などによって予め設定されている。これにより、第三の振幅補正部３１ｆ３は、Ｓｎエコー及びＢｎエコーの各エコーゲートにおける振幅を略同一にして表示部３４に表示させることができる。

なお、ボルト軸力測定装置１０は、第一の振幅補正部３１ｆ１、第二の振幅補正部３１ｆ２及び第三の振幅補正部３１ｆ３のいずれか単独にて振幅を補正してもよく、第二の振幅補正部３１ｆ２及び第三の振幅補正部３１ｆ３の両方を用いて各エコーゲートにおける振幅を略同一補正してもよい。
第二の振幅補正部３１ｆ２及び第三の振幅補正部３１ｆ３の両方を用いる場合には、先に第二の振幅補正部３１ｆ２がＳｎエコー及びＢｎエコーの両方の振幅を補正し、続いて、第三の振幅補正部３１ｆ３がＢｎエコーの振幅を補正する構成であってもよい。かかる補正手法によると、Ｓｎエコー及びＢｎエコーの各エコーゲートにおける振幅をより正確に近づけることができる。

≪ボルト≫
以上のようなボルト軸力測定方法に使用するボルト１（図３参照）は、前記のように、軸部２（図３参照）と、頭部３（図３参照）とを有している。そして軸部２の先端部には、前記の底面２ｃ（図３参照）が規定されている。
頭部３の外周部には、このボルト１の締付具（例えば、トルクレンチなど）が噛み合う噛合部（図示省略）が形成されている。

また、頭部３には、図３に示すように、凹部５が形成されている。この凹部５は、底面６と、この底面６の周囲に形成される周壁１１とを有している。底面６は、ボルト軸線を法線とする平面を含んで形成されている。
このような凹部５は、凹部５の開口側に形成される大径部１４ａと、この大径部１４ａの内径よりも小さい内径で周壁１１を形成する小径部１４ｂと、で構成されている。そして、小径部１４ｂは、内径差を吸収する段部１４ｃを介して大径部１４ａと連結されている。

これらの大径部１４ａと、段部１４ｃと、小径部１４ｂとは、ボルト１の頭部３で、ボルト軸線と同軸の段付きの凹部５（段付き凹部）を形成している。
そして、この段付きの凹部５は、前記のように、プローブ２４の段部２４ｂを有する段付き凸部２９と印籠嵌合するようになっている。
なお、このような小径部１４ｂを構成する周壁１１は、図３に示すボルト１の側面視で、底面６側から凹部５の開口側に向けて直線状に延びている。しかしながら、この周壁１１は、プローブ２４との印籠嵌合が可能であれば直線状に延びるものに限定されずに、頭部３の半径方向外側に向けて部分的に膨出するように形成することもできる。

≪作用効果≫
次に、本実施形態の奏する作用効果について説明する。
＜締付装置の奏する作用効果＞
従来の締付装置では、ソケットと超音波センサとが一体となっていたために、ボルト締付時のソケットの倒れやがたつき、振動がプローブに伝達する問題があった。これにより従来の締付装置では、ボルトを締め付けながら測定したボルト軸力の精度が不十分となる問題があった。

これに対して本実施形態の締付装置２０は、ソケット２２とプローブ２４とが別個独立に設けられている。
図１０（ａ）及び（ｂ）は、ボルト軸力測定装置１０を構成するボルト１の締付装置２０の動作図である。
図１０（ａ）に示すように、本実施形態の締付装置２０は、ソケット２２とプローブ２４とが別個独立に配置されている。
このような締付装置２０で、ボルト１を締め付ける場合には、前記のように、プローブ２４がボルト１の凹部５に印籠嵌合し、ソケット２２がボルト１に嵌合する。そして、ソケット２２が回転することでボルト１が締め付けられ、プローブ２４でボルト１の伸びが検出される。

そして、締付装置２０は、図１０（ｂ）に示すように、ボルト１の締結時にソケット２２ががたついた場合であっても、プローブ２４がソケット２２と独立に配置されているので、プローブ２４のボルト１に対する押圧角度は、変わることがない。これにより締付装置２０は、ソケット２２のがたつきに影響されることなく、ボルト１の伸びの測定を精度よく行うことができる。

また、プローブ２４は、前記のように、弾発コイルばね２８によって回転シャフト２１ａ（図２参照）の下端にセミフローティング支持されている。
これにより、図１０（ｂ）に示すように、例えソケット２２がボルト１の軸線に対して傾いたとしても、プローブ２４がボルト１の軸線に対して傾くことはない。
したがって、この締付装置２０は、精度よく軸力を測定することができる。

本実施形態での締付装置２０は、凹部５に対して、前記のようにプローブ２４が印籠嵌合している。これにより締付装置２０では、プローブ２４が凹部５に対してしっかりと固定される。したがって、この締付装置２０は、精度よく軸力を測定することができる。

本実施形態での締付装置２０は、凹部５の底面６で規定されるボルト１の表面と、突出部２４ａの頂面２４ｄで規定されるプローブ２４の表面との間に、ギャップ４１が形成されている。そして、このギャップ４１は、超音波の伝搬物質４２で満たされている。
このような締付装置２０によれば、ギャップ４１での波形の変化などによる測定エラーを防止することができる。したがって、この締付装置２０は、精度よく軸力を測定することができる。

＜ボルト軸力測定方法の奏する作用効果＞
一般に、頭部に形成された凹部にプローブを配置する超音波測定用のボルトでは、ボルトの表面を規定する凹部の底面の平坦度などにバラツキを有している。そのため凹部の底面にプローブを密着させる構成では、超音波測定値の精度が不十分となる。
これに対して本実施形態のボルト軸力測定方法及びこれに使用するボルト１は、凹部５に段部１４ｃを有している。
このようなボルト軸力測定方法及びこれに使用するボルト１によれば、段部１４ｃにプローブ２４を支持させることによって、プローブ２４と凹部５の底面６との間にギャップ４１を形成することができる。したがって、このボルト軸力測定方法によれば、超音波測定値の精度を飛躍的に向上させることができる。

また、本実施形態のボルト軸力測定方法によれば、ギャップ４１に超音波の伝搬物質４２が介在している。
このようなボルト軸力測定方法によれば、ギャップ４１での超音波の減衰が抑制される。これにより本実施形態のボルト軸力測定方法によれば、より精度の高い軸力の測定が可能となる。

一般に、ボルト１の表面に（凹部５の底面６）に、プローブ２４を接触させてＢエコーを測定しようとすると、超音波を発振する際のプローブ２４の自己振動によって超音波の発振原点（０位置）を測定することができない。そのため従来のボルト軸力測定方法では、Ｂ１エコー（第１回目底面エコー）を軸力測定に使用することができずに、プローブ２４の自己振動が収まったＢ２エコー以後（第２回目底面エコー以後）のＢエコーに基づいて軸力を測定していた。しかし、Ｂ２エコー以後のＢエコーは、Ｂ１エコーよりも減衰しており、また、ノイズの影響が著しい課題があった。

これに対して、本実施形態のボルト軸力測定方法は、ギャップ４１を設けることによって、ボルト１の表面のＳ１エコーと、Ｂ１エコーとの差分に基づいてボルト軸力を測定している。これにより本実施形態のボルト軸力測定方法では、Ｂ２エコーと比べて減衰量が小さく、ノイズが小さいＢ１エコーを使用することで、ボルト軸力測定の精度が一段と向上する。

＜ボルト軸力測定装置の奏する作用効果＞
また、本実施形態のボルト軸力測定装置１０は、ボルト１の頭部側からボルト１の軸部の底面に向けて発振した超音波パルスの頭部エコー（Ｓｎエコー）及び底面エコー（Ｂｎエコー）を検出するエコー検出部３１ｄと、エコー検出部３１ｄにおいて検出された頭部エコー及び底面エコーのそれぞれの所定位置の時間差に基づいて、ボルト１の軸力を演算する軸力演算部３１ｂと、を備える。
また、エコー検出部３１ｄは、頭部エコーに対して頭部エコーゲートＧ_Snを設定するとともに底面エコーに対して底面エコーゲートＧ_Bnを設定し、ボルト１の締結中に複数回発振される超音波パルスに対して、頭部エコーゲートＧ_Sn及び底面エコーゲートＢ_Snが所定位置を当該頭部エコーゲートＧ_Sn及び底面エコーゲートＢ_Sn内の同一位置に含むように、それぞれ独立して移動させるトラッキング処理を実行する。
これにより本実施形態のボルト軸力測定装置１０では、基準ゲートを設けることなく頭部エコー及び底面エコーをそれぞれ独立してトラッキングすることによって、より確実に精度よくボルト１の軸力（Ｆ）を測定することができる。

また、本実施形態のボルト軸力測定装置１０は、頭部エコーゲートＧ_Sn内の頭部エコー（Ｓｎエコー）の振幅と、底面エコーゲートＧ_Bn内の底面エコー（Ｂｎエコー）の振幅と、を近づけるように補正する振幅補正部（超音波送受信制御部３１ｆ）を備える。
これにより本実施形態のボルト軸力測定装置１０では、底面エコー（Ｂｎエコー）の減衰に関わらず、頭部エコー（Ｓｎエコー）及び底面エコー（Ｂｎエコー）を略同一の振幅高さで表示させることができる。

また、本実施形態のボルト軸力測定装置１０は、振幅補正部が、振幅の増幅度が時間軸全体に対して設定されており、増幅度に基づいて頭部エコーゲートＧ_Sn及び底面エコーゲートＧ_Bnの両方の振幅を補正する第一の振幅補正部３１ｆ１と、頭部エコーゲートＧ_Sn及び底面エコーゲートＧ_Bnの一方を基準とし、頭部エコーゲートＧ_Sn及び底面エコーゲートＧ_Bnの他方の振幅を頭部エコーゲートＧ_Sn及び底面エコーゲートＧ_Bnの一方の振幅に近づけるように補正する第二の振幅補正部３１ｆ２と、の少なくとも一方を備えることを特徴とする。
これにより本実施形態のボルト軸力測定装置１０では、頭部エコー（Ｓｎエコー）及び底面エコー（Ｂｎエコー）を略同一の振幅高さで表示させることができる。

また、本実施形態のボルト軸力測定装置１０は、エコー検出部３１ｄが、頭部エコーの振幅が第一の所定値Ｌ_Sを超えた直後の正又は負のピークを中心とした超音波パルスの１波長分を頭部エコーゲートとして設定するとともに、底面エコーの振幅が第二の所定値Ｌ_Bを超えた直後の正又は負のピークを中心とした超音波パルスの１波長分を底面エコーゲートとして設定する。
また、エコー検出部３１ｄは、頭部エコーゲート及び底面エコーゲートのそれぞれに関して、正又は負のピークの直前において振幅がゼロとなる点を所定位置に設定する。
これにより本実施形態のボルト軸力測定装置１０では、各エコーゲートの範囲を狭く、かつ、所定位置よりも後方に長く設定することによって、伸び等による各エコーの移動を好適にトラッキングすることができる。

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、種々の形態で実施することができる。
前記実施形態では、ソケット２２でボルト１の頭部３を締め付ける締付装置２０を例にとって説明したが、本発明の締付装置２０は、ボルト１に噛み合うナット（図示省略）を締め付けるものであっても構わない。また、本発明は、コンピュータをボルト軸力測定装置１０として機能させるボルト軸力測定プログラムとしても具現化可能である。

１ボルト
２軸部
２ｃボルトの底面
３頭部
１０ボルト軸力測定装置
２０締付装置
３１ａナットランナ停止指令部
３１ｂ軸力演算部
３１ｃ伸び演算部
３１ｄエコー検出部
３１ｅボルト情報処理部
３１ｆ超音波送受信制御部（振幅補正部）
３１ｆ１第一の振幅補正部
３１ｆ２第二の振幅補正部
３４表示部

Claims

ボルトの頭部に形成された段付き凹部に対応するように段付き凸部を有するプローブの前記段付き凸部を前記頭部の前記段付き凹部に対して挿入するプローブ挿入工程と、
前記段付き凹部と前記段付き凸部との段部同士を当接させることで、前記段付き凹部の底面で規定される前記ボルトの表面と、前記段付き凸部の頂面で規定される前記プローブの表面との間に、ギャップを形成するギャップ形成工程と、
前記プローブから前記ボルトの軸部の底面に向けて発振した超音波パルスの底面エコーに基づいて、締結時の前記ボルトの伸びを演算する伸び演算工程と、
前記ボルトの伸びに基づいて前記ボルトの軸力を演算する軸力演算工程と、
を有し、前記ギャップには伝搬物質が介在しているボルト軸力測定方法。
前記伸び演算工程は、前記プローブから前記ボルトの軸部の底面に向けて超音波パルスを発振した際の、前記ボルトの表面で反射した第１回目表面エコーと、前記ボルトの軸部の底面で反射した第１回目底面エコーと、に基づいて締結時の前記ボルトの伸びを演算する請求項１に記載のボルト軸力測定方法。
請求項１又は請求項２に記載のボルト軸力測定方法に使用するボルトであって、
前記段付き凸部に当接する前記段付き凹部を有することで、前記段付き凹部の底面で規定される前記ボルトの表面と、前記段付き凸部の頂面で規定される前記プローブの表面との間にギャップを形成する頭部を備えるボルト。