JP7405788B2 - ボルト軸力検査方法及びボルト軸力検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の被締結体を締結したボルトの締め付け軸力（以下、ボルトの軸力）を測定し、検査するボルト軸力検査方法及びボルト軸力検査装置に関する。

複数の被締結体を締結した機構部品として、ボルト締結要素がある。ボルト締結要素は、主に、被締結体、ボルト、座金、ナットなどを組み合わせることによって構成される。そして、ボルトが、複数の被締結体を締結するために使用されると、ボルトの軸力によって、複数の被締結体が締め付けられ、固定される。このように、ボルト締結要素は、機械構造物や建築構造物の組み立てなどにおいて重要な要素又は部品である。

また、ボルトの軸力を把握し、管理することは、被締結体の締結部の強度の設計やその管理において重要である。ボルトの軸力が低いと振動による緩みの原因になる。一方、ボルトの軸力が高いと被締結体の破壊を起こす原因になるほか、被締結体の座面（締結部）の陥没による緩みの原因やボルトが塑性伸びを起こすことによる緩みの原因となる。

ボルトの軸力を測定する装置として、ひずみゲージ計、超音波軸力計、ロードセル式軸力計、油圧式軸力計などがある。ひずみゲージ計は、例えば、ボルトが偏心するなどの初期不整の影響を受けるため、ボルトの頂部に貼り付けたひずみゲージは、ボルトの軸部に貼り付けたひずみゲージに比較して、ボルトの軸力の測定精度が低いことが知られている。また、超音波軸力計は、塑性域締め付けに不向きであり、更に、ボルトの頭頂面とボルトの先端面とを平行にする追加の加工が必要となる場合がある。また、ロードセル式軸力計と油圧式軸力計とは、主に、校正用であり、実製品への適用には不向きである。

一方、ボルトの軸力を測定する代わりに、ボルトへの締め付けトルクを測定することによって、間接的にボルトの軸力を測定する方法も知られている。しかし、例えば、インパクトレンチのボルトへの締め付けトルクの測定精度は、±２０％～±４０％程度であり、これに摩擦係数のばらつきの影響が重畳されるため、この方法によるボルトの軸力の測定精度は低い。

更に、油圧式テンショナや機械式テンショナは、機械的張力を測定することによって、上記する方法よりも高い測定精度でボルトの軸力を測定することができるが、この方法では、大型の締め付け工具が必要となる。

そこで、ボルトの軸力を精度よく測定するため、例えば、特開２０１９－１４１９７３号公報（以下、特許文献１）がある。特許文献１には、被締結体に締結されたボルト軸力測定方法であって、予め設定され、ボルトの頂部に凹みが生じる仮締めトルクで、ボルトを被締結体に仮締めする工程と、仮締めしたボルトの第１の軸力を測定する工程と、予め設定され、仮締めトルクより大きい本締めトルクで、ボルトを被締結体に本締めする工程と、本締めしたボルトの第２の軸力を測定する工程と、ボルトを仮締めした際のトルクと、ボルトを本締めした際のトルクと、第１の軸力と第２の軸力との差分と、を使用し、本締めしたボルトの推定軸力を測定する工程と、を有するボルト軸力測定方法が記載されている（特許文献１の要約参照）。

特開２０１９－１４１９７３号公報

特許文献１に記載されるボルト軸力測定方法は、締め付けによって生じたボルトの頂部の凹み量を、凹み量が測定可能な仮締め時と本締め時とで測定し、これらの差分を、予め設定された凹み量とボルトの軸力との関係に基づいて、ボルトの推定軸力を測定する。このため、稼働中の機械構造物（製品）に既設されたボルトの軸力を測定するためには、一旦ボルトを仮締めし、再度ボルトを本締めする必要がある。

また、特許文献１に記載されるボルト軸力測定方法は、ボルトの頂部の凹み量を測定するため、ボルトを締結している最中の偏心をリアルタイムに測定することが容易でなく、この偏心がボルトの軸力に及ぼす影響を検知することが困難である。

そこで、本発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、稼働中の機械構造物に既設されたボルトの軸力を測定するため、ボルトを大幅に緩める又は増し締めすることなく、ボルトの軸力の絶対値を測定し、更に、ボルトを締結している最中の偏心などによるボルトの締め付け不具合（異常）を検知することによって、ボルトの締結状態を検査するボルト軸力検査方法及びボルト軸力検査装置を提供する。

上記した課題を解決するため、本発明のボルト軸力検査方法は、複数の被締結体を締結するボルトの軸力を検査するボルト軸力検査方法である。

そして、ボルト又は／及び被締結体に、ボルト又は／及び被締結体の変位情報に基づき、ひずみ分布を視覚的に顕在化させる特徴パターンを形成する工程と、特徴パターンの１枚目の画像を撮影する工程と、ボルトに既知の外力を付与する工程と、特徴パターンの２枚目の画像を撮影する工程と、撮影された２枚の前記特徴パターンの画像からひずみ分布を解析し、それぞれひずみ値を算出し、これらひずみ値の差分を算出する工程と、ボルトに付与される外力から算出されるボルトの軸力の差分と、算出されたひずみ値の差分とを、ボルトの軸力とボルトのひずみ値又は／及び被締結体のひずみ値との関係を示す校正曲線に入力し、ボルトの軸力を算出する工程と、算出された前記ボルトの軸力と、目標値であるボルトの軸力とを比較し、再検査の必要性の有無を判定する工程と、を有することを特徴とする。

また、上記した課題を解決するため、本発明のボルト軸力検査装置は、複数の被締結体を締結するボルトの軸力を検査するボルト軸力検査装置である。

そして、複数の被締結体を締結するボルト又は／及び被締結体に形成され、ボルト又は／及び被締結体の変位情報に基づき、ひずみ分布を視覚的に顕在化させる特徴パターンを撮影する画像撮影装置と、ボルトに外力が付与される前に撮影された特徴パターンとボルトに外力が付与された後に撮影された特徴パターンとから、それぞれひずみ値を算出し、これらひずみ値の差分を算出する画像処理部と、ボルトに付与される外力から既知であるボルトの軸力の差分と、算出されたボルト又は／及び被締結体のひずみ値の差分とを、事前に解析的に構築したボルトの軸力とボルトのひずみ値又は／及び被締結体のひずみ値との関係を示す校正曲線に入力し、ボルトの軸力を算出し、算出された前記ボルトの軸力と、目標値であるボルトの軸力とを比較し、再検査の必要性の有無を判定する軸力演算部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、上記した課題を解決することができ、稼働中の機械構造物に既設されたボルトの軸力を測定するため、ボルトを大幅に緩める又は増し締めすることなく、ボルトの軸力の絶対値を測定し、更に、ボルトを締結している最中の偏心などによるボルトの締め付け不具合（異常）を検知することによって、ボルトの締結状態を検査するボルト軸力検査方法及びボルト軸力検査装置を提供することができる。

なお、上記した以外の課題、構成及び効果については、下記する実施例の説明によって、明らかにされる。

実施例１に記載するボルト軸力検査装置の構成を説明する機能図である。 実施例１に記載するボルト締結要素の断面図であり、ボルトを締め付けた際の自由物体図である。 実施例１に記載するボルトの頭頂面におけるひずみ分布図であり、（上図）はひずみ発生後を示し、（下図）はひずみ発生前を示す。 実施例１に記載する既設されたボルトの軸力を測定（検査）するための工程を説明するフローチャートである。 実施例１に記載するボルトの軸力とボルトの頭頂面のひずみ分布との関係を示す校正曲線図である。 実施例２に記載するボルト締結要素の断面図であり、ボルトを緩めた際の自由物体図である。 実施例２に記載するボルトの軸力とボルトの頭頂面のひずみ分布との関係を示す校正曲線図である。 実施例３に記載する新設されるボルトの軸力を測定（検査）するための工程を説明するフローチャートである。 実施例３に記載するボルトの軸力とボルトの頭頂面のひずみ分布との関係を示す校正曲線図である。 ボルトを締結している最中の偏心などによるボルトの締め付け異常を説明する説明図であり、（ａ）はボルト締結要素の断面図であり、（ｂ）はボルトの頭頂面におけるひずみ分布図である。 実施例４に記載するボルト軸力検査装置の構成を説明する機能図である。 実施例４に記載する（左図）ボルトの頭頂面のひずみ分布と時刻との関係を示す説明図であり、（右図）ボルトの軸力とボルトの頭頂面のひずみ分布との関係を示す校正曲線図である。 実施例５に記載するボルト軸力検査装置の構成を説明する機能図である。 特徴パターンの設置位置を例示する六角ボルトの斜視図である。 特徴パターンの設置位置を例示する六角穴付きボルトの斜視図であり、（ａ）は特徴パターンをボルトの頂部に設置した例であり、（ｂ）は特徴パターンをボルトの先端面に設置した例である。

以下、本発明の実施例を、図面を使用し、説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合には、その説明を省略する場合がある。また、下記する実施例は、あくまでも例示に過ぎず、発明を限定するものではない。

先ず、実施例１に記載するボルト軸力検査装置の構成を説明する。

図１は、実施例１に記載するボルト軸力検査装置の構成を説明する機能図である。

図１において機能ブロック図で示される、ボルト軸力検査装置は、例えば、デジタルカメラなどの画像撮影装置６と、ボルトの軸力を計算する軸力計算装置３０と、例えば、モニタなどの、計算されたボルトの軸力を表示する結果表示装置１１と、を有する。

図１において斜視図で示される、ボルト締結要素１は、複数（実施例１では２つ）の被締結体４を締め付け、固定したものであって、ボルト（実施例１では六角ボルトを使用するが、六角ボルトに限定されるものではない）２、座金３、ナット、被締結体４を組み合わせたものであり、複数の被締結体４は、ボルト２、座金３、ナットによって、締結される。

そして、ボルト２の頭頂面には、ひずみ分布を観測するための人工的な画像である特徴パターン（特徴的なパターン）５が形成（付与）される。特徴パターン５は、ボルト２の頭頂面の変位情報に基づくひずみ分布を視覚的に顕在化させ、ひずみ分布を観測し易くする画像であればよい。

特徴パターン５は、特徴パターン５の変位測定に適した画像であればよく、例えば、不規則的な模様のほか、規則的な格子模様、縞模様、又は、１次元情報や２次元情報の所定のコードであってもよい。また、特徴パターン５は、例えば、塗装、塗布、印字、転写、又は、シール接着などによって形成される。

なお、特徴パターン５は、必ずしも、ボルト２の頭頂面に形成する必要はなく、ボルト締結要素１の所定の部位であればよい。

また、特徴パターン５は、初めに形成された状態を保持する必要はなく、検査毎（検査前）に新たに形成し、検査において、ボルト２の軸力の変化に対応するひずみ値の差分を取得すればよく、検査後は特徴パターン５を除去してもよい。

画像撮影装置６（画像撮影手段、画像撮影モジュール、画像撮影回路、又は、画像撮影ユニットと言い換えてもよい。）は、ボルト２の頭頂面に形成された特徴パターン５の画像を撮影（撮像）する。なお、画像撮影装置６は、図１に示すように単眼撮影装置でもよく、また、複眼撮影装置でもよい。

つまり、画像撮影装置６は、複数の被締結体４を締結するボルト２の頭頂面に形成された特徴パターン５を撮影する。

軸力計算装置３０は、計算機７であり、計算機７は、画像撮影装置６が撮影した画像（特徴パターン５の変位）を記録・記憶する画像記録・記憶部１３、特徴パターン５の変位に基づいてひずみ分布を算出する画像処理部８、軸力同定データベース１０に事前に解析的に構築され、保存される校正曲線を参照し、ひずみ分布に基づいてボルト２の軸力を演算する軸力演算部９、を有する。

つまり、計算機７は、画像撮影装置６が撮影した画像を画像記録・記憶部１３に記録・記憶し、特徴パターン５の変位に基づいてひずみ分布を画像処理部８で算出し、軸力同定データベース１０に保存される校正曲線を参照し、ひずみ分布に基づいてボルト２の軸力を軸力演算部９で演算する。

そして、このように、計算機７は、パソコン（画像処理部８、軸力演算部９）とストレージ（画像記録・記憶部１３、軸力同定データベース１０）とを有する。なお、計算機７における、画像記録・記憶部１３、画像処理部８、軸力演算部９（軸力同定データベース１０）は、ソフトウェア、及び／又は、ハードウェアによって実現される。

ここで、画像処理部８は、特徴パターン５の変位（画像の位置の変化）をデジタル画像相関法によって分析する。なお、デジタル画像相関法に限定されるものではなく、モアレ干渉法なども使用することができる。また、軸力同定データベース１０は、有限要素法（Finite element method：ＦＥＭ）解析によって生成される解析データであり、軸力演算部９に設置される。

そして、画像処理部８は、後述するように、ボルト２に外力１６が付与される前に撮影された特徴パターン５とボルト２に外力１６が付与された後に撮影された特徴パターン５とから、それぞれひずみ分布を算出し、これらひずみ分布の差分を算出する。

そして、軸力演算部９は、後述するように、ボルト２に付与される既知の外力１６から既知であるボルト２の軸力の差分と、算出されたボルト２の頭頂面のひずみ分布の差分とを、事前に解析的に構築したボルト２の軸力とボルト２の頭頂面のひずみ分布との関係（又は、ボルト２の軸力と被締結体４の表面のひずみ分布との関係）を示す校正曲線に代入（入力）し、ボルト２の軸力を算出し、算出されたボルト２の軸力と、目標値（事前に設定され、ボルト２が適正に締結されるために必要な軸力）であるボルト２の軸力とを比較し、再検査の必要性の有無を判定する。

そして、結果表示装置１１は、軸力演算部９で演算（評価）された演算結果（評価結果）と保守の要否とを表示する。

次に、実施例１に記載するボルト締結要素を説明する。

図２は、実施例１に記載するボルト締結要素の断面図であり、ボルトを締め付けた際の自由物体図である。

ボルト締結要素１は、共通する貫通孔が形成され、重ねられた複数の被締結体４と、特徴パターン５が形成された断面がＴ字形状のボルト２（Ｔ字の横辺部分を頂部（頭部）と、Ｔ字の縦辺部分を軸部と、頂部の上面を頭頂面と、軸部の下面を底面（先端面）と、頂部の下面を首下と、呼称する場合がある。）と、複数の被締結体４を挟むように複数の被締結体４に接して設置され、中央に孔が形成されるドーナツ状の２枚の座金３と、複数の被締結体４を介して、ボルト２の頂部と対向し、ボルト２の軸部に設置されるナット１４と、を有する。

なお、座金３は、ボルト２の頂部と一方の被締結体４との間に、及び、ナット１４と他方の被締結体４との間に、設置される。

つまり、ボルト締結要素１は、ボルト２の首下に座金３を嵌め、複数の被締結体４に形成される貫通孔にボルト２の軸部を貫通させ、複数の被締結体４を貫通したボルト２の軸部に、座金３を嵌め、ナット１４を螺着し、図示しない締め付け工具が使用され、ねじ締めされる（締め付けられ、固定される）。また、ナット１４に相当する雌螺子が、ボルト２の頂部と対向する側の被締結体４に形成される貫通孔に螺設されてもよい。

そして、ねじ締めされることによって、ボルト２には、外向きに（図２中、上下方向に）軸力１５が生じる。また、ボルト２の軸方向に（図２中、上下方向に）荷重が付与される場合や、ボルト２を増し締めすることによって、外向きに外力１６が付与される。

次に、実施例１に記載するボルトの頭頂面におけるひずみ分布図を説明する。

図３は、実施例１に記載するボルトの頭頂面におけるひずみ分布図であり、（上図）はひずみ発生後を示し、（下図）はひずみ発生前を示す。

図３に示すひずみ分布は、画像撮影装置６によって撮影され、測定対象であるボルト２の頭頂面に形成された特徴パターン５の画像を、デジタル画像相関法によって分析したものであり、外力１６が付与される前（下図）と後（上図）との画像である。

デジタル画像相関法では、測定対象であるボルト２の頭頂面に形成された特徴パターン５の画像をサンプルとし、このサンプルに外力１６を付与する前（下図）と後（上図）とのデジタル画像を取り込み、特徴パターン５の変位を追跡し、特徴パターン５の変位に基づいて、サンプルのひずみ分布を算出する。

図３に示すように、例えば、ボルト２の頭頂面の中央部である代表的なひずみ測定点１９において、外力１６が付与される前（下図）と後（上図）とでは、ひずみ分布が変化（変色）していることがわかる。なお、外力１６が付与される前（下図）のひずみ分布は、軸力Ｆ_ｂ０時のひずみ分布１７であり、外力１６が付与された後（上図）のひずみ分布は、軸力Ｆ_ｂ１時のひずみ分布１８である。

なお、図３の右側に示す色彩分布図は、代表的なひずみ測定点１９のひずみ値（数値化された値）を算出する指標である。そして、後述するひずみ分布εは、このひずみ値（ひずみ）を意味する。

次に、実施例１に記載する既設されたボルトの軸力を測定（検査）するための工程を説明する。

図４は、実施例１に記載する既設されたボルトの軸力を測定（検査）するための工程を説明するフローチャートである。そして、図４は、実施例１に記載する既設されたボルト軸力検査方法のフローチャート１２を示す。

複数の被締結体４を締結するボルト２の軸力１５を検査するボルト軸力検査方法を説明する。

（１）先ず、工程１１９において、保守作業員が、複数の被締結体４を締結するボルト２の頭頂面に特徴パターン５を形成する。

（２）工程１２０において、画像撮影装置６で、ボルト２の頭頂面の１枚目の画像（特徴パターン５）を撮影する。つまり、ボルト２の頭頂面のひずみ分布（ボルト２の頭頂面に形成された特徴パターン５のひずみ分布）を算出する基準となる画像を撮影する。そして、撮影された画像を画像記録・記憶部１３に保存する。

（３）工程１２１において、保守作業員が、ボルト２を増し締めし、又は、ボルト２の軸方向に荷重が付与されることによって、ボルト２に既知の外力１６を付与し、ボルト２の軸力１５を増加させる。このとき、ボルト２の軸力１５の増加分は、付与される既知の外力１６に基づいて、トルク法計算や材料力学的計算によって計算され、既知である。これにより、外力１６を付与する前のボルト２の軸力Ｆ_ｂ０と外力１６を付与した後のボルト２の軸力Ｆ_ｂ１との差分の絶対値ΔＦ_ｂ＝｜Ｆ_ｂ１－Ｆ_ｂ０｜は、既知である。

（４）工程１２２において、画像撮影装置６で、ボルト２の頭頂面の２枚目の画像（特徴パターン５）を撮影する。そして、撮影された画像を画像記録・記憶部１３に保存する。

（５）工程１２３において、画像処理部８で、これら撮影された２枚の画像を使用し、特徴パターン５の変位前及び変位後の画像（画像の変位情報、変位前及び変位後の特徴パターン５の位置情報）を、デジタル画像相関法によって、分析（解析）する。つまり、撮影された２枚の画像を処理し、特徴パターン５の変位情報を分析する。

（６）工程１２４において、軸力演算部９で、ボルト２の頭頂面を撮影した１枚目の画像（特徴パターン５の位置情報）に基づいて、ひずみ分布ε_ｂ０を算出（解析）し、出力する。つまり、撮影された１枚目の特徴パターン５からひずみ分布を算出する。

（７）工程１２５において、軸力演算部９で、ボルト２の頭頂面を撮影した２枚目の画像特徴パターン５の位置情報）に基づいて、ひずみ分布ε_ｂ１を算出（解析）し、出力する。つまり、撮影された２枚目の特徴パターン５からひずみ分布を算出する。

（８）工程１２６において、軸力演算部９で、これらのひずみ分布の差分の絶対値Δε_ｂ＝｜ε_ｂ１－ε_ｂ０｜を算出する。

（９）工程１２７において、軸力演算部９で、軸力同定データベース１０に保存され、別途、事前に解析的に構築したボルト２の軸力１５とボルト２の頭頂面のひずみ分布との関係を示す校正曲線２０（ΔＦ_ｂ－Δε_ｂ）（Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}－ε_{ｂ、ｃａｌ}）に、既知のボルト２の軸力１５の差分（ボルト２に付与される既知の外力１６から既知であるボルト２の軸力１５の差分）の絶対値ΔＦ_ｂと、算出されたひずみ分布の差分の絶対値Δε_ｂとを、入力し、ボルト２の軸力Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}（校正曲線２０上の点（Ｆ_ｂ１、ε_ｂ１））を算出する。つまり、既知のボルト２の軸力１５の変化量とボルト２の頭頂面のひずみ分布の変化量とを、校正曲線２０に入力し、ボルト２の軸力１５（ボルト２の軸力Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}）を同定する。なお、外力１６を付与する前のボルト２の軸力Ｆ_ｂ０と外力１６を付与した後のボルト２の軸力Ｆ_ｂ１との差分の絶対値ΔＦ_ｂは｜Ｆ_ｂ１－Ｆ_ｂ０｜である。

（１０）工程１２８において、軸力演算部９で、算出されたボルト２の軸力Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}を、評価値Ｆ_{ｂ、ｅｓｔ}として、評価値Ｆ_{ｂ、ｅｓｔ}とボルト２の軸力１５の目標値Ｆとの関係（評価値Ｆ_{ｂ、ｅｓｔ}≧目標値Ｆ）を評価（保守の要否（再検査の必要性の有無）を判定（ボルト２の締結状態を検査）：評価値Ｆ_{ｂ、ｅｓｔ}であるボルト２の軸力１５と目標値Ｆであるボルト２の軸力１５とを比較）する。そして、結果表示装置１１で、軸力演算部９で評価された評価結果と判定された保守の要否とを表示する。

（１１）この関係を満足しない場合（ＮＯ：Ｆ_{ｂ、ｅｓｔ}がＦを下回る場合）は、工程１２９において、保守作業員が、ボルト２を増し締めし、工程１２２に戻り、再検査する。

（１２）この関係を満足する場合（ＹＥＳ：Ｆ_{ｂ、ｅｓｔ}がＦを上回る場合）は、工程１３０において、検査を終了する。

次に、実施例１に記載するボルトの頭頂面のひずみ分布とボルトの軸力との関係を説明する。

図５は、実施例１に記載するボルトの軸力とボルトの頭頂面のひずみ分布との関係を示す校正曲線図である。そして、図５は、解析的に構築したボルト２の軸力１５とボルト２の頭頂面のひずみ分布との関係を示す校正曲線２０を示し、横軸がボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂに対応するボルト２の軸力Ｆ_ｂを示し、縦軸がボルト２の軸力Ｆ_ｂに対応するボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂを示す。

また、図５の横軸において、左から右に向う場合には、ボルト２への外力１６に対応して、ボルト２の軸力Ｆ_ｂが増加することを示し、図５の縦軸において、下から上に向う場合には、ボルト２への外力１６に対応して、ボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂが増加することを示す。なお、特に、縦軸は、図３における代表的なひずみ測定点１９のひずみ値を示し、このひずみ値は、一般的な画像処理よって算出される数値化された値である。

ここで、ボルト２の軸力Ｆ_ｂ（ボルト２の軸力Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}）を同定（算出）する手順について説明する。

先ず、図５中の点線（校正曲線２０）は、軸力同定データベース１０に保存され、ＦＥＭ解析によって生成される解析データであり、ボルト２の軸力Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}とボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_{ｂ、ｃａｌ}との関係（以下、Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}－ε_{ｂ、ｃａｌ}）を示す。

また、図４における工程１２０において、撮影されたボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂ０に対応するボルト２の軸力がＦ_ｂ０であり、図４における工程１２２において、撮影されたボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂ１に対応するボルト２の軸力がＦ_ｂ１である。

また、図４における工程１２４と工程１２５とにおいて、算出されたボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂ０（外力１６を付与する前）とボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂ１（外力１６を付与した後）との差分の絶対値｜ε_ｂ１－ε_ｂ０｜をΔε_ｂ（増加分）とし、外力１６を付与する前のボルト２の軸力Ｆ_ｂ０と外力１６を付与した後のボルト２の軸力Ｆ_ｂ１との差分の絶対値｜Ｆ_ｂ１－Ｆ_ｂ０｜をΔＦ_ｂ（増加分）とする。

そして、図５において、ΔＦ_ｂとΔε_ｂとを校正曲線２０に入力し、ΔＦ_ｂとΔε_ｂとに合致する校正曲線２０上のＦ_{ｂ、ｃａｌ}（評価値）を探索する。なお、校正曲線２０上の点（Ｆ_ｂ０、ε_ｂ０）を基準値となる。

つまり、ボルト２の軸力１５の増加分（ΔＦ_ｂ）が既知であることから、ΔＦ_ｂに合致するＦ_{ｂ、ｃａｌ}を探索することができ、このように、ボルト２に外力１６を付与することによって、増加したボルト２の軸力１５の絶対値を同定することができる。

そして、ボルト２の軸力１５の増加分ΔＦ_ｂとボルト２の頭頂面のひずみの増加分Δε_ｂとを校正曲線２０に入力し、ΔＦ_ｂとΔε_ｂとに合致するΔＦ_{ｂ、ｃａｌ}を探索し、ボルト２の軸力１５の絶対値を同定する。

なお、ボルト２の頭頂面の凹み量とボルト２の軸力１５との関係には線形性（直線性）が現れる。一方、ボルト２の頭頂面のひずみ分布とボルト２の軸力１５との関係には、非線形性（曲線性）が現れることを、解析及び実験によって、確認している。

このため、ボルト２の増し締めによる、つまり、ボルト２への外力１６の付与による、ボルト２の軸力１５の増加分（ΔＦ_ｂ）とボルト２の頭頂面のひずみ分布の増加分（Δε_ｂ）との関係に合致する校正曲線２０の範囲を探索することによって、ボルト２の軸力Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}を同定することができる。

つまり、実施例１に記載する複数の被締結体４を締結するボルト２の軸力１５を検査するボルト軸力検査方法は、
・複数の被締結体４を締結するボルト２の頭頂面に、ボルト２の頭頂面の変位情報に基づき、ひずみ分布を視覚的に顕在化させる特徴パターン５を形成する工程と、
・ボルト２の頭頂面に形成された特徴パターン５の１枚目の画像を撮影する工程と、
・ボルト２に既知の外力１６を付与する工程と、
・ボルト２の頭頂面に形成された特徴パターン５の２枚目の画像を撮影する工程と、
・撮影された２枚の特徴パターン５の画像から、それぞれひずみ分布を解析し、それぞれひずみ分布（ひずみ値）を算出し、これらひずみ分布（ひずみ値）の差分を算出する工程と、
・ボルト２に付与される外力１６から算出される、既知であるボルト２の軸力１５の差分と、算出されたひずみ分布（ひずみ値）の差分とを、事前に解析的に構築したボルト２の軸力１５とボルト２の頭頂面のひずみ分布（ひずみ値）との関係を示す校正曲線２０に入力し、ボルト２の軸力１５を算出する工程と、
・算出されたボルト２の軸力１５と、目標値であるボルト２の軸力１５とを比較し、再検査の必要性の有無を判定する工程と、
を有する。

そして、実施例１に記載する複数の被締結体４を締結するボルト２の軸力１５を検査するボルト軸力検査装置は、
・複数の被締結体４を締結するボルト２の頭頂面に形成され、ボルト２の頭頂面の変位情報に基づき、ひずみ分布を視覚的に顕在化させる特徴パターン５を撮影する画像撮影装置６と、
・ボルト２に外力１６が付与される前に撮影された特徴パターン５とボルト２に外力１６が付与された後に撮影された特徴パターン５とから、それぞれひずみ分布（ひずみ値）を算出し、これらひずみ分布（ひずみ値）の差分を算出する画像処理部８と、
・ボルト２に付与される外力１６から既知であるボルト２の軸力１５の差分と、算出されたボルト２の頭頂面のひずみ分布（ひずみ値）の差分とを、事前に解析的に構築したボルト２の軸力１５とボルト２の頭頂面のひずみ分布（ひずみ値）との関係を示す校正曲線２０に入力し、ボルト２の軸力１５を算出し、算出されたボルト２の軸力１５と、目標値であるボルト２の軸力１５とを比較し、再検査の必要性の有無を判定する軸力演算部９と、
を有する。

このように、実施例１によれば、検査（点検）のために、稼働中の機械構造物を長期間停止することなく、ボルト２の軸力１５の絶対値を同定することができる。そして、稼働中の機械構造物に既設されたボルト２の軸力１５を測定するため、ボルト２を大幅に増し締めることなく、ボルト２の軸力１５の絶対値を測定し、ボルト２の締結状態を検査することができる。

また、機械構造物の組み立て時においても、ボルト２の締め付け時から連続してボルト２の軸力１５を測定し続ける必要がなく、適宜、機械構造物に設置されるボルト２の軸力１５を測定することができる。

また、ボルト２の軸力１５の検査を、非接触で、簡便で、かつ、高い精度で、繰返し、測定することができ、ボルト２の軸力１５の検査において、機械構造物に既設されたボルト２にも使用することができ、ボルト２を緩める必要がない。

次に、実施例２に記載するボルト締結要素を説明する。

図６は、実施例２に記載するボルト締結要素の断面図であり、ボルトを締め付けた際の自由物体図である。

実施例１では、ボルト２を増し締めすることによって、ボルト２の軸力１５を増加させたボルト２の軸力１５を同定する場合を説明したが、実施例２では、ボルト２を緩め、ボルト２の軸力１５が減少する方向に外力１６を付与することによって、ボルト２の軸力１５を同定する場合を説明する。

実施例２に記載するボルト締結要素１は、実施例１に記載するボルト締結要素１と同様に、特徴パターン５を形成したボルト２と、座金３と、複数の被締結体４と、ナット１４とを有し、そして、ねじ締めされることによって、ボルト２には、外向きに軸力１５が生じる。

このとき、ボルト２の軸方向に圧縮荷重が付与される場合や、ボルト２を緩めることによって、内向きに外力１６ｂが付与され、ボルト２の軸力が減少する。

次に、実施例２に記載するボルトの頭頂面のひずみ分布とボルトの軸力との関係を説明する。

図７は、実施例２に記載するボルトの軸力とボルトの頭頂面のひずみ分布との関係を示す校正曲線図である。そして、図７は、図５と同様に、校正曲線２０を示し、横軸がボルト２の軸力Ｆ_ｂを示し、縦軸がボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂを示す。

また、図７の横軸において、右から左に向う場合には、ボルト２への外力１６に対応して、ボルト２の軸力Ｆ_ｂが減少することを示し、図７の縦軸において、上から下に向う場合には、ボルト２への外力１６に対応して、ボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂが減少することを示す。

実施例２に記載するボルト２の軸力１５を測定するボルト軸力検査方法は、実施例１に記載するボルト２の軸力１５を測定するボルト軸力検査方法と、基本的に同様である。以下、相違する部分について、説明する。

図４における工程１２１において、保守作業員が、ボルト２を緩め、又は、ボルト２の軸方向に圧縮荷重を付与することによって、ボルト２に既知の外力１６を付与し、ボルト２の軸力１５を減少させる。

図４における工程１２６において、軸力演算部９で、これらのひずみ分布の差分の絶対値Δε_ｂ＝｜ε_ｂ０－ε_ｂ１｜（減少分）を算出する。なお、外力１６を付与する前のボルト２の軸力Ｆ_ｂ０と外力１６を付与した後のボルト２の軸力Ｆ_ｂ１との差分の絶対値ΔＦ_ｂは｜Ｆ_ｂ０－Ｆ_ｂ１｜（減少分）である。

図４における工程１２７において、軸力演算部９で、軸力同定データベース１０に保存され、別途、事前に解析的に構築したボルト２の軸力１５とボルト２の頭頂面のひずみ分布との関係を示す校正曲線２０（Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}－ε_{ｂ、ｃａｌ}）に、既知のボルト２の軸力１５の差分の絶対値ΔＦ_ｂと、算出されたひずみ分布の差分の絶対値Δε_ｂとを、入力し、ボルト２の軸力Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}（校正曲線２０上の点）を算出する。つまり、既知のボルト２の軸力１５の変化量とボルト２の頭頂面のひずみ分布の変化量とを、校正曲線２０に入力し、ボルト２の軸力１５（ボルト２の軸力Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}）を同定する。

つまり、ボルト２の軸力１５の減少分（ΔＦ_ｂ）が既知であることから、ΔＦ_ｂに合致するＦ_{ｂ、ｃａｌ}を探索することができ、このように、ボルト２に外力１６を付与することによって、減少したボルト２の軸力１５の絶対値を同定することができる。

そして、ボルト２の軸力１５の減少分ΔＦ_ｂとボルト２の頭頂面のひずみの減少分Δε_ｂとを校正曲線２０に入力し、ΔＦ_ｂとΔε_ｂとに合致するΔＦ_{ｂ、ｃａｌ}を探索し、ボルト２の軸力１５を同定する。

このように、実施例２によれば、稼働中の機械構造物を長期間停止することなく、ボルト２の軸力１５を同定することができる。そして、稼働中の機械構造物に既設されたボルト２の軸力１５を測定するため、ボルト２を大幅に緩めることなく、ボルト２の軸力１５の絶対値を測定し、ボルト２の締結状態を検査することができる。

なお、実施例１と実施例２とを組み合わせることによって、更に、精密にボルト２の軸力１５を同定することができる。

また、ボルト２の軸力１５の検査において、機械構造物に既設されたボルト２にも使用することができ、ボルト２を仮締めまでボルト２を緩める必要がない。

次に、実施例３に記載する新設されるボルトの軸力を測定（検査）するための工程を説明する。

図８は、実施例３に記載する新設されるボルトの軸力を測定（検査）するための工程を説明するフローチャートである。そして、図８は、実施例３に記載する新設されるボルト軸力検査方法のフローチャート２１を示す。

実施例１では、稼働中の機械構造物に既設されたボルト２の軸力１５を測定する場合を説明したが、実施例３では、新たに機械構造物を組み立てる際に新設されるボルト２の軸力１５を測定する場合を説明する。

実施例３に記載するボルト２の軸力１５を測定するボルト軸力検査方法は、実施例１に記載するボルト２の軸力１５を測定するボルト軸力検査方法と、基本的に同様である。以下、相違する部分について、説明する。

実施例３に記載するボルト軸力検査方法を説明する。

（１）先ず、工程１１９において、保守作業員が、複数の被締結体４を締結するボルト２の頭頂面に特徴パターン５を形成する。

（２）工程２１０において、画像撮影装置６で、ボルト２の頭頂面のｉ枚目（ｉ＝０、１、２、・・・、ｎ）の画像（特徴パターン５）を撮影する。つまり、ボルト２の頭頂面のひずみ分布を算出する基準となる画像を撮影する。そして、撮影された画像を画像記録・記憶部１３に保存する。

（３）工程２１１において、保守作業員が、ボルト２を締め付けすることによって、ボルト２に、既知の外力１６を付与し、ボルト２の軸力１５を付与する。このとき、ボルト２の軸力１５の増加分は、付与される既知の外力１６に基づいて、既知である。

（４）工程２１２において、画像撮影装置６で、ボルト２の頭頂面のｉ＋１枚目（ｉ＝０、１、２、・・・、ｎ）の画像（特徴パターン５）を、逐次、撮影する。そして、撮影された画像を画像記録・記憶部１３に保存する。

（５）工程２１３において、画像処理部８で、これら撮影された２枚の画像を使用し、特徴パターン５の変位前（ｉ枚目）及び変位後（ｉ＋１枚目）の画像（変位前及び変位後の特徴パターン５の位置情報）を、デジタル画像相関法によって、分析する。

（６）工程２１４において、軸力演算部９で、ボルト２の頭頂面を撮影したｉ枚目の画像に基づいて、ひずみ分布ε_ｂ、ｉを算出し、出力する。つまり、撮影されたｉ枚目の特徴パターン５からひずみ分布を算出する。

（７）工程２１５において、軸力演算部９で、ボルト２の頭頂面を撮影したｉ＋１枚目の画像に基づいて、ひずみ分布ε_{ｂ、ｉ＋１}を算出し、出力する。つまり、撮影されたｉ＋１枚目の特徴パターン５からひずみ分布を算出する。

（８）工程２１６において、ｉ枚目の画像に基づいて算出されたひずみ分布ε_ｂ、ｉと、ｉ＋１枚目の画像に基づいて算出されたひずみ分布ε_{ｂ、ｉ＋１}と、順に出力し、ボルト２の締め付け異常（不具合）の有無を判定する。

なお、締め付け異常がある場合（ＮＯ）は、工程２１９において、保守作業員が、ボルト２の異常を修復（例えば、締め付け異常が無くなるように、ボルト２を緩め、ボルト締結要素１を点検）し、工程２１０に戻る。また、締め付け異常がない場合（ＹＥＳ）は、工程２１７に進む。

（９）工程２１７において、軸力演算部９で、これらのひずみ分布の差分の絶対値Δε_ｂ＝｜ε_{ｂ、ｉ＋１}－ε_ｂ、ｉ｜を算出する。

（１０）工程２１７において、軸力演算部９で、軸力同定データベース１０に保存され、別途、事前に解析的に構築されたボルト２の軸力１５とボルト２の頭頂面のひずみ分布との関係を示す校正曲線２０（Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}－ε_{ｂ、ｃａｌ}）に、既知のボルト２の軸力１５の差分の絶対値ΔＦ_ｂ（ΔＦ_ｂ＝｜Ｆ_{ｂ、ｉ＋１}－Ｆ_ｂ、ｉ｜）と、算出されたひずみ分布の差分の絶対値Δε_ｂ（Δε_ｂ＝｜ε_{ｂ、ｉ＋１}－ε_ｂ、ｉ｜）とを、入力し、ボルト２の軸力Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}を算出する。

（１１）工程２１８において、軸力演算部９で、算出されたボルト２の軸力Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}を、評価値Ｆ_{ｂ、ｅｓｔ}として、評価値Ｆ_{ｂ、ｅｓｔ}とボルト２の軸力１５の目標値Ｆ_ｂ、ｎとの関係（評価値Ｆ_{ｂ、ｅｓｔ}≧目標値Ｆ_ｂ、ｎ）を判定する。そして、結果表示装置１１で、軸力演算部９で評価された評価結果と判定された保守の要否とを表示する。

（１２）この関係を満足しない場合（ＮＯ：Ｆ_{ｂ、ｅｓｔ}がＦ_ｂ、ｎを下回る場合）は、工程２１１に戻り、保守作業員が、ボルト２を増し締めする。

（１３）この関係を満足する場合（ＹＥＳ：Ｆ_{ｂ、ｅｓｔ}がＦ_ｂ、ｎを上回る場合）は、工程１３０において、検査を終了する。

このように、実施例３では、ボルト２の締め付け異常の有無を、ボルト２の頭頂面のひずみ分布によって、判定することができる。

ここで、締め付け異常とは、ボルト２の偏心締結を意味する。ボルト２の偏心締結によって、複数の被締結体４に形成される貫通孔の穴縁とボルト２の軸部とが接触すると、ボルト締結要素１では、この接触面でフレッティング（fretting）疲労損傷が生じるため、このボルト２の偏心締結を検出することは重要である。ボルト２の偏心締結は、おおよそ４種類に分類される。

１つ目は、ボルト２の軸心の中心と複数の被締結体４に形成される貫通孔の中心とがずれることによる。この偏心締結は、ボルト２や複数の被締結体４の品質が低い場合に限ったことではなく、複数の被締結体に形成される貫通孔が長い場合にも、生じる場合がある。

２つ目は、複数の被締結体４の縁の近傍に貫通孔が形成され、ボルト締結要素１の機械的コンプライアンス（mechanical compliance）が、複数の被締結体４に形成される貫通孔の中心に対して、周方向に不均一なことによる。

３つ目は、偏心クランプボルトのように、ボルト２の頂部の中心が、ボルト２の軸部の中心とずれていることによる。製造公差によってボルト２の頂部の中心とボルト２の軸部の中心とにずれがある場合も同様である。

４つ目は、ボルト締結要素１によって受け止められる外力に起因して、負荷中心が偏心すること（ボルト２を締結している最中の偏心）による。この偏心締結は、初期の締め付けに起因する。

次に、実施例３に記載するボルトの頭頂面のひずみ分布とボルトの軸力との関係を説明する。

図９は、実施例３に記載するボルトの軸力とボルトの頭頂面のひずみ分布との関係を示す校正曲線図である。なお、図９は、図５と基本的に同様である。

ここで、ボルト２の軸力Ｆ_ｂを同定する手順について説明する。

先ず、図９中の点線（校正曲線２０）は、図５と同様に、ボルト２の軸力Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}とボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_{ｂ、ｃａｌ}との関係（以下、Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}－ε_{ｂ、ｃａｌ}）を示す。

また、撮影されたボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂ、ｉ（初期値）に対応するボルト２の軸力がＦ_ｂ、ｉであり、撮影されたボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_{ｂ、ｉ＋１}に対応するボルト２の軸力がＦ_{ｂ、ｉ＋１}であり、ボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂ、ｎに対応するボルト２の軸力がＦ_ｂ、ｎ（目標値）である。

また、算出されたボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂ、ｉ（外力１６を付与する前）とボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_{ｂ、ｉ＋１}（外力１６を付与した後）との差分の絶対値｜ε_{ｂ、ｉ＋１}－ε_ｂ、ｉ｜をΔε_ｂ（増加分）とし、外力１６を付与する前のボルト２の軸力Ｆ_ｂ、ｉと外力１６を付与した後のボルト２の軸力Ｆ_{ｂ、ｉ＋１}との差分の絶対値｜Ｆ_{ｂ、ｉ＋１}－Ｆ_ｂ、ｉ｜をΔＦ_ｂ（増加分）とする。

そして、図９において、ΔＦ_ｂとΔε_ｂとを校正曲線２０に入力し、ΔＦ_ｂとΔε_ｂとに合致する校正曲線２０上のＦ_{ｂ、ｃａｌ}（評価値）を探索する。なお、校正曲線２０上の点（Ｆ_ｂ、ｉ、ε_ｂ、ｉ）を基準値となる。

そして、ボルト２の軸力１５の増加分ΔＦ_ｂとボルト２の頭頂面のひずみの増加分Δε_ｂとを校正曲線２０に入力し、ΔＦ_ｂとΔε_ｂとに合致するΔＦ_{ｂ、ｃａｌ}を探索し、ボルト２の軸力１５の絶対値を同定する。

このように、実施例３によれば、新たに機械構造物を組み立てる際に新設されるボルト２の軸力１５を測定することができる。

また、実施例３によれば、ボルト２の締め付け異常の有無を、ボルト２の頭頂面のひずみ分布によって、判定することができ、ボルト２の締め付け異常を検知することによって、ボルト２の締結状態を検査することができる。

次に、ボルトを締結している最中の偏心などによるボルトの締め付け異常を説明する。

図１０は、ボルトを締結している最中の偏心などによるボルトの締め付け異常を説明する説明図であり、（ａ）はボルト締結要素の断面図であり、（ｂ）はボルトの頭頂面におけるひずみ分布図である。なお、図１０は、ボルト２の偏心締結（ａ）によって生じる、ボルト２の頭頂面におけるひずみ分布の偏り（ｂ）を示す。

例えば、図１０（ａ）に示すように、ボルト２の軸心の中心と複数の被締結体４に形成される貫通孔の中心とが半径方向にずれることによって、ボルト２の軸部が面外変形し、ボルト２にはせん断変形や曲げ変形が生じ、ボルト２の偏心締結が生じる。

このように、ボルト２の偏心締結が生じている場合には、偏心締結しているボルト２の頭頂面のひずみ分布を観察することによって、ボルト２の締め付け異常の有無を判定することができる。

つまり、図１０（ａ）に示すように、ボルト２の偏心締結が生じている場合には、ボルト２の頭頂面のひずみ分布を観察することによって、図１０（ｂ）に示すように、ボルト２の頭頂面のひずみ分布に、偏心２２が観察される。この偏心２２を検出することによって、ボルト２の偏心締結を検出することができる。

そして、このように、この偏心２２の状態を可視化することによって、ボルト２の締結状態を検査することができる。また、ボルト２の頭頂面のひずみ分布に基づいて、偏心２２の状態を可視化することができるため、ボルト２の締め付け直しの要不要を判定することができる。

次に、実施例４に記載するボルト軸力検査装置の構成を説明する。

図１１は、実施例１に記載するボルト軸力検査装置の構成を説明する機能図である。

実施例１では、ボルト２の頭頂面に特徴パターン５を形成し、特徴パターン５を画像撮影装置６によって撮影し、ボルト２の軸力１５を同定する場合を説明したが、実施例４では、ボルト２の頭頂面に特徴パターン５を、及び、ボルト２（ボルト２の頂部）の近傍の被締結体４の表面に特徴パターン５１を形成し、これら特徴パターン５及び特徴パターン５１を画像撮影装置６によって撮影し、ボルト２の軸力１５を同定する場合を説明する。

なお、ボルト２及び被締結体４に特徴パターン５が形成される場合には、形成される特徴パターンは、ボルト２及び被締結体４の同一方向に形成されることが好ましい。つまり、特徴パターン５が、ボルト２の頭頂面に形成される場合には、被締結体４に形成される特徴パターン５は、ボルト２の頂部の近傍の被締結体４の表面に形成され、特徴パターン５が、ボルト２の先端面に形成される場合には、被締結体４に形成される特徴パターン５は、ナット１４の近傍の被締結体４の表面に形成されることが好ましい。

なお、特徴パターン５及び特徴パターン５１を撮影する際には、１台の画像撮影装置６によって、特徴パターン５及び特徴パターン５１を撮影することが好ましい。また、２台の画像撮影装置６によって、特徴パターン５と特徴パターン５１とをそれぞれ撮影してもよい。但し、この際は、２台の画像撮影装置６を同期される必要がある。

実施例４に記載するボルト２の軸力１５を測定するボルト軸力検査方法は、実施例１に記載するボルト２の軸力１５を測定するボルト軸力検査方法と、基本的に同様である。以下、相違する部分について、説明する。

次に、実施例４に記載するボルトの頭頂面のひずみ分布とボルトの軸力との関係を説明する。

図１２は、実施例４に記載する（左図）ボルトの頭頂面のひずみ分布と時刻との関係を示す説明図であり、（右図）ボルトの軸力とボルトの頭頂面のひずみ分布との関係を示す校正曲線図である。

ここで、ボルト２の軸力Ｆ_ｂを同定する手順について説明する。

図１２（左図）は、ひずみ時刻歴曲線２３を示し、横軸が、時刻ｔを、縦軸が、ボルト２の頭頂面のひずみ分布（ボルト２の頭頂面に形成された特徴パターン５のひずみ分布）ε_ｂと被締結体４の表面のひずみ分布（被締結体４の表面に形成された特徴パターン５１のひずみ分布）ε_ｓとを示す。

ボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂ０に対応する時刻がｔ_０、ボルト２の頭頂面のひずみ分布ε_ｂ１に対応する時刻がｔ_１である。また、被締結体４の表面のひずみ分布ε_Ｓ０に対応する時刻がｔ_０、被締結体４の表面のひずみ分布ε_Ｓ１に対応する時刻がｔ_１である。

ここで、ボルト２の頭頂面のひずみ分布と被締結体４の表面のひずみ分布との差分をΔεとして、時刻ごとに算出する。つまり、時刻ｔ_０のときのこれら差分Δε_{ｂ－ｓ、０}＝｜ε_ｂ０－ε_ｓ０｜と、時刻ｔ_１のときのこれら差分Δε_{ｂ－ｓ、１}＝｜ε_ｂ１－ε_ｓ１｜と、を算出する。

図１２（右図）は、横軸がボルト２の軸力Ｆ_ｂを示し、縦軸がボルト２の頭頂面のひずみ分布と被締結体４の表面のひずみ分布との差分Δε_ｂ－ｓを示す。

そして、図１２（右図）には、ＦＥＭ解析によって解析的に構築された、ボルト２の軸力Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}と対応するボルト２の頭頂面のひずみ分布と被締結体４の表面のひずみ分布との差分Δε_{ｂ、ｃａｌ}との関係を示す校正曲線２４（Ｆ_{ｂ、ｃａｌ}－Δε_{ｂ、ｃａｌ}）が示される。

ここで、Δε_{ｂ－ｓ、０}に対応するボルト２の軸力がＦ_ｂ０であり、Δε_{ｂ－ｓ、１}に対応するボルト２の軸力がＦ_ｂ１である。そして、ボルト２に外力１６を付与することよる、ボルト２の軸力１５の差分の絶対値｜Ｆ_ｂ１－Ｆ_ｂ０｜をΔＦ_ｂとする。ΔＦ_ｂは既知であることから、Δε_１－Δε_０を校正曲線２４に入力し、ΔＦ_ｂに合致するΔＦ_{ｂ、ｃａｌ}を探索することよって、ボルト２の軸力１５の絶対値を同定することができる。

このように、実施例４によれば、稼働中の機械構造物を長期間停止することなく、ボルト２の軸力１５を同定することができる。そして、ボルト２の軸力１５の絶対値を測定し、ボルト２の締結状態を検査することができる。

なお、実施例１と実施例４とを組み合わせることによって、更に、精密にボルト２の軸力１５を同定することができる。

次に、実施例５に記載するボルト軸力検査装置の構成を説明する。

図１３は、実施例５に記載するボルト軸力検査装置の構成を説明する機能図である。

実施例１では、ボルト２の頭頂面に特徴パターン５を形成し、特徴パターン５を画像撮影装置６によって撮影し、ボルト２の軸力１５を同定する場合を説明したが、実施例５では、ボルト２（ボルト２の頂部）の近傍の被締結体４の表面に特徴パターン５１を形成し、特徴パターン５１を画像撮影装置６によって撮影し、ボルト２の軸力１５を同定する場合を説明する。

実施例５に記載するボルト２の軸力１５を測定するボルト軸力検査方法は、実施例１に記載するボルト２の軸力１５を測定するボルト軸力検査方法と、基本的に同様であり、特徴パターン５を特徴パターン５１に置き換えることによって、ボルト２の軸力１５の絶対値を同定することができる。

このように、実施例５によれば、稼働中の機械構造物を長期間停止することなく、ボルト２の軸力１５を同定することができる。そして、ボルト２の軸力１５の絶対値を測定し、ボルト２の締結状態を検査することができる。

なお、被締結体４の表面のひずみ分布は、ボルト２の頭頂面のひずみ分布に比較して、非線形性が強く現れることから、更に、精密にボルト２の軸力１５を同定することができる。

次に、特徴パターンの設置位置を例示する六角ボルトを説明する。

図１４は、特徴パターンの設置位置を例示する六角ボルトの斜視図である。

実施例１では、ボルト２の頭頂面に特徴パターン５を形成し、特徴パターン５を画像撮影装置６によって撮影し、ボルト２の軸力１５を同定する場合を説明したが、実施例６では、ボルト２の先端面２５に特徴パターン５を形成し、特徴パターン５を画像撮影装置６によって撮影し、ボルト２の軸力１５を同定する場合を説明する。

実施例６に記載するボルト２の軸力１５を測定するボルト軸力検査方法は、実施例１に記載するボルト２の軸力１５を測定するボルト軸力検査方法と、基本的に同様であり、ボルト２の頭頂面に形成される特徴パターン５をボルト２の先端面２５に形成される特徴パターン５に置き換えることによって、ボルト２の軸力１５の絶対値を同定することができる。

このように、実施例６によれば、稼働中の機械構造物を長期間停止することなく、ボルト２の軸力１５を同定することができる。そして、ボルト２の軸力１５の絶対値を測定し、ボルト２の締結状態を検査することができる。

次に、特徴パターンの設置位置を例示する六角穴付きボルトを説明する。

図１５は、特徴パターンの設置位置を例示する六角穴付きボルトの斜視図であり、（ａ）は特徴パターンをボルトの頂部に設置した例であり、（ｂ）は特徴パターンをボルトの先端面に設置した例である。

実施例１ではボルト２の頭頂面に、実施例６ではボルト２の先端面に、特徴パターン５を形成し、これら特徴パターン５を画像撮影装置６によって撮影し、ボルト２の軸力１５を同定する場合を説明したが、実施例７では、六角穴付きボルト２６の頂部の穴２７（ａ）又は六角穴付きボルト２６の先端面２８（ｂ）に、特徴パターン５を形成し、特徴パターン５を画像撮影装置６によって撮影し、ボルト２の軸力１５を同定する場合を説明する。

実施例７に記載するボルト２の軸力１５を測定するボルト軸力検査方法は、実施例１に記載するボルト２の軸力１５を測定するボルト軸力検査方法と、基本的に同様であり、ボルト２の頭頂面に形成される特徴パターン５を、六角穴付きボルト２６の頂部の穴２７（ａ）又は六角穴付きボルト２６の先端面２８（ｂ）に形成される特徴パターン５に置き換えることによって、六角穴付きボルト２６の軸力１５の絶対値を同定することができる。

このように、実施例７によれば、稼働中の機械構造物を長期間停止することなく、六角穴付きボルト２６の軸力１５を同定することができる。そして、六角穴付きボルト２６の軸力１５の絶対値を測定し、六角穴付きボルト２６の締結状態を検査することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために、具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を有するものに限定されるものではない。

また、ある実施例の構成の一部を、他の実施例の構成の一部に置換することもできる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を追加することもできる。また、各実施例の構成の一部について、それを削除し、他の構成の一部を追加し、他の構成の一部と置換することもできる。

１…ボルト締結要素、２…ボルト、３…座金、４…被締結体、５、５１…特徴パターン、６…画像撮影装置、７…計算機、８…画像処理部、９…軸力演算部、１０…軸力同定データベース、１１…結果表示装置、１２、２１…フローチャート、１３…画像記録・記憶部、１４…ナット、１５…軸力、１６、１６ｂ…外力、１７…軸力Ｆ_ｂ０時のひずみ分布、１８…軸力Ｆ_ｂ１時のひずみ分布、１９…代表的なひずみ測定点、２０、２４…校正曲線、２２…偏心、２３…ひずみ時刻歴曲線、２５…ボルト２の先端面、２６…六角穴付きボルト、２７…六角穴付きボルトの頂部の穴、２８…六角穴付きボルトの先端面、３０…軸力計算装置。

Claims (10)

1. 複数の被締結体を締結するボルトの軸力を検査するボルト軸力検査方法であって、
   前記ボルト又は／及び前記被締結体に、前記ボルト又は／及び前記被締結体の変位情報に基づき、ひずみ分布を視覚的に顕在化させる特徴パターンを形成する工程と、
   前記特徴パターンの１枚目の画像を撮影する工程と、
   前記ボルトに既知の外力を付与する工程と、
   前記特徴パターンの２枚目の画像を撮影する工程と、
   撮影された２枚の前記特徴パターンの画像からひずみ分布を解析し、それぞれひずみ値を算出し、これらひずみ値の差分を算出する工程と、
   前記ボルトに付与される外力から算出される前記ボルトの軸力の差分と、算出された前記ひずみ値の差分とを、ボルトの軸力とボルトのひずみ値又は／及び被締結体のひずみ値との関係を示す校正曲線に入力し、前記ボルトの軸力を算出する工程と、
   算出された前記ボルトの軸力と、目標値である前記ボルトの軸力とを比較し、再検査の必要性の有無を判定する工程と、
   を有することを特徴とするボルト軸力検査方法。
2. 請求項１に記載するボルト軸力検査方法であって、
   前記ボルトに形成される前記特徴パターンは、前記ボルトの頭頂面、又は／及び、前記ボルトの先端面に形成され、前記被締結体に形成される前記特徴パターンは、ボルトの頂部の近傍の被締結体の表面、又は／及び、ナットの近傍の被締結体の表面に形成されることを特徴とするボルト軸力検査方法。
3. 請求項１に記載するボルト軸力検査方法であって、
   前記特徴パターンは、不規則的な模様、規則的な格子模様、縞模様、又は、１次元情報や２次元情報の所定のコードであることを特徴とするボルト軸力検査方法。
4. 請求項１に記載するボルト軸力検査方法であって、
   前記特徴パターンは、塗装、塗布、印字、転写、又は、シール接着によって形成されることを特徴とするボルト軸力検査方法。
5. 請求項１に記載するボルト軸力検査方法であって、
   前記特徴パターンは、検査前に形成され、検査後に除去することを特徴とするボルト軸力検査方法。
6. 請求項１に記載するボルト軸力検査方法であって、
   前記特徴パターンの画像からひずみ分布を解析する場合には、デジタル画像相関法又はモアレ干渉法も使用することを特徴とするボルト軸力検査方法。
7. 複数の被締結体を締結するボルトの軸力を検査するボルト軸力検査装置であって、
   複数の被締結体を締結する前記ボルト又は／及び前記被締結体に形成され、前記ボルト又は／及び前記被締結体の変位情報に基づき、ひずみ分布を視覚的に顕在化させる特徴パターンを撮影する画像撮影装置と、
   前記ボルトに外力が付与される前に撮影された特徴パターンと前記ボルトに外力が付与された後に撮影された特徴パターンとから、それぞれひずみ値を算出し、これらひずみ値の差分を算出する画像処理部と、
   前記ボルトに付与される外力から既知である前記ボルトの軸力の差分と、算出された前記ボルト又は／及び前記被締結体のひずみ値の差分とを、事前に解析的に構築したボルトの軸力とボルトのひずみ値又は／及び被締結体のひずみ値との関係を示す校正曲線に入力し、前記ボルトの軸力を算出し、算出された前記ボルトの軸力と、目標値であるボルトの軸力とを比較し、再検査の必要性の有無を判定する軸力演算部と、
   を有することを特徴とするボルト軸力検査装置。
8. 請求項７に記載するボルト軸力検査装置であって、
   前記画像撮影装置は、単眼撮影装置又は複眼撮影装置であることを特徴とするボルト軸力検査装置。
9. 請求項７に記載するボルト軸力検査装置であって、
   前記軸力演算部は、事前に解析的に構築したボルトの軸力とボルトのひずみ値又は／及び被締結体のひずみ値との関係を示す校正曲線を保存する軸力同定データベースを有することを特徴とするボルト軸力検査装置。
10. 請求項７に記載するボルト軸力検査装置であって、
    更に、前記画像撮影装置が撮影した画像を記録・記憶する画像記録・記憶部を有することを特徴とするボルト軸力検査装置。

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