JPH0552682A - ボルト軸力検出プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】非磁性材のボルトにも適用でき、ボルト頭部へ
の取付け、取外しが容易に行え、且つ一定の押付力によ
り超音波センサーが保持され、ボルト軸力検出に必要な
超音波伝搬時間の計測が安定して行えるようにすること
を目的とする。 【構成】複数の開口部１が形成されたアウタスリーブ２
と、係止爪４を持つ腕片をなすＵ字形スリット３が形成
されたインナスリーブ６とを、係止爪４が開口部１に挿
入されることで結合し、更に、下端に超音波センサー８
が固着されたセンサホルダー１０をインナスリーブ６と
同軸的にねじ結合することで、プローブ２１を構成す
る。プローブ２１の下部をボルト頭部に設けた凹部に挿
入すると、係止爪４が凹部に係合して固定され、同時
に、センサホルダー１０内にあってフランジ９により係
止されるコイルバネ１１により超音波センサー８をボル
ト頭部に一定の力で圧着し、安定した超音波伝搬時間測
定を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種機器、構造物の部
材間を締結するボルトの軸力測定に好適なボルト軸力検
出プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】建築、橋梁、発電プラント、石油化学プ
ラント、自動車、舶用機関などの各種機器、構造物の重
要部材間の接合方法として、ボルトによる締結が多用さ
れている。これらのボルト締結部の信頼性を確保するた
めには、ボルトの締付力を管理することが重要である。
ボルトの締付力の管理方法として、トルク管理法、伸び
管理法及び回転角管理法があるが、本考案は超音波を利
用した軸力管理法に係わるものである。

【０００３】図５は軸力管理法による測定概要を示す。
図５において、２４は長さＬのボルトである。このボル
ト２４の軸力は、超音波センサー８より発生する超音波
をボルト２４の一端面に入射させて、もう一方の端面の
反射波をとらえ、ボルト２４材中における超音波伝搬時
間を信号線２０を介して軸力測定器１９にて測定する操
作を、ボルト２４の締付前後について行うことにより、
求められるものである。この原理について以下に述べ
る。

【０００４】まず、長さＬのボルト２４の一端面に超音
波を入射させて、もう一方の端面の反射波をとらえた場
合、Ｃをボルト２４中の音速とすると、ボルト２４材中
における超音波伝搬時間ｔは、 ｔ＝２・Ｌ／Ｃ の関係がある。

【０００５】そこで、締付を行ってボルト２４に軸応力
が生じると、ボルト２４に伸びΔＬが生じ、軸応力が弾
性限界内であれば、その伸びがボルト軸力Ｆに比例して
変化すると同時に、超音波の音速Ｃも軸力Ｆに比例して
変化するので、ボルト軸力Ｆと超音波伝搬時間ｔは、 Ｆ＝（１／Ｋ）・｛（ｔ_w −ｔ₀ ）／ｔ₀ ｝

【０００６】の関係になる。但し、１／Ｋは比例定数，
ｔ₀ はボルト締付前の（ボルト２４の軸力が零の場合
の）超音波伝搬時間，ｔ_w はボルト２４に軸力が負荷さ
れた場合の超音波伝搬時間である。したがって、軸力Ｆ
はボルト２４の締付前後の超音波伝搬時間ｔ（ｔ₀ ，ｔ
_w ）を計測することによって求められる。

【０００７】従来、上記した軸力測定は、図６に示すよ
うにボルト２４頭部に超音波センサー８を手で押さえ付
ける方法、あるいはマグネットでボルト２４頭部に固定
する方法などを用い、ボルト締付前後の超音波伝搬時間
の変化を計測することで行われていた。この場合、ボル
ト２４頭部への超音波センサー８の固定状態により、測
定精度が大きく左右される。

【０００８】超音波センサー８より発せられる超音波を
測定対象物であるボルト２４へ伝達するためには、超音
波センサー８とボルト２４の端面間に、水、油、グリセ
リン等の接触媒質を介する必要がある。したがって、計
測される超音波伝搬時間は、ボルト２４の長さ（正確に
は、超音波の入射面から反射面までの距離）に、接触媒
質の膜厚を加えたものとなる。

【０００９】一方、計測すべき超音波伝搬時間ｔの変化
量は、対象ボルト２４の長さ及び目標軸力により異なる
が、０．０１μｓ〜０．１μｓのオーダである。したが
って、このような微小な伝搬時間の変化量を計測するた
めには、ボルト締付前後の接触媒質膜厚を極力一定に保
持して、計測誤差を除外することが重要である。特に、
水、油などの液体中の音速は、ボルト材中の音速の１／
４程度であるので、超音波伝搬時間の測定誤差に及ぼす
接触媒質膜厚の変動の影響は大きい。このため、図６の
ようにボルト２４頭部に超音波センサー８を手で押さえ
付けるのではなく、ボルト２４の端面に超音波センサー
８を固定した状態（膜厚が一定）で締付中に計測する方
法が最もよい。

【００１０】ところが、前記のマグネット式の固定方法
では、超音波センサー８の押付力が一定で締付中に連続
して計測することが可能であるものの、磁性材のボルト
にしか使用できない。重要な構造物には、オーステナイ
ト系ステンレス鋼やニッケル基合金のボルトも使用され
ているが、この種ボルトには適用できない。

【００１１】一方、図６のように、超音波センサー８を
手で押さえ付ける方法では、押付力が一定せず、接触媒
質の膜厚が変動する他、締付中に連続して計測すること
が不可能であり、測定精度が十分確保できない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、計測
対象ボルトの端面に超音波センサーを手で押さえ付けて
ボルト軸力検出（のための超音波伝搬時間計測）を行う
従来方式では、ボルトの材質に無関係に適用できるもの
の、押付力が一定せず、接触媒質の膜厚が変動する他、
締付中に連続して計測することが不可能であり、測定精
度が十分確保できないという問題があった。一方、マグ
ネットで固定する方式では、押付力が一定で締付中に連
続して計測することが可能であるものの、磁性材のボル
トにしか使用できないという問題があった。

【００１３】本発明は上記問題を解決するためになされ
たもので、その目的は、ボルト軸力の測定に必要な超音
波伝搬時間の計測が非磁性材のボルトにも適用でき、且
つボルト頭部への取付け、ボルト頭部からの取外しが容
易に行え、しかも一定の押付力により超音波センサーが
保持されて安定した超音波伝搬時間の計測が行えるボル
ト軸力検出プローブを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明のボルト軸力検出
プローブは、例えば図１に示すように、下部側壁に複数
の開口部１が形成され、被検出用ボルト１４頭部に設け
られた凹部１３（図２参照）に挿入可能な直径を有する
ほぼ円筒状のアウタスリーブ２と、下部側壁の円周上に
は軸線に沿う複数のほぼＵ字形のスリット３が形成さ
れ、同スリット３によって形成された弾性を有する腕片
の下端にアウタスリーブ２の開口部１に挿入可能な係止
爪４が突設され、中央内面の円周上にはストッパ５が形
成され、且つ上部内側面に雌ねじが螺刻され、上記係止
爪４がアウタスリーブ２の開口部１に挿入されること
で、このアウタスリーブ２に結合するインナスリーブ６
と、超音波センサー８を下端に固着し、中央にストッパ
５によって係止されるフランジ９が設けられ、上部にイ
ンナスリーブ６の雌ねじと螺合する雄ねじが螺刻され、
アウタスリーブ２と同軸的に結合されるセンサホルダー
１０と、このセンサホルダー１０のフランジ９によって
係止され、同ホルダー１０を下方に付勢するためのコイ
ルバネ１１と、このコイルバネ１１の付勢力を調整する
ための調整ねじ１２とを備えたことを特徴とする。

【００１５】

【作用】上記の構成の検出プローブによれば、ボルト１
４頭部に手で超音波センサー８を押付けたり、マグネッ
トで固定する代わりに、検出プローブの下部を計測対象
ボルト１４の頭部に設けた凹部１３に挿入する。する
と、係止爪４が凹部１３に係合して簡単に固定され、同
時にコイルバネ１１の下方への付勢力により、センサホ
ルダー１０の下端に固着された超音波センサー８がボル
ト１４の凹部１３の底面に一定の力で圧着する。

【００１６】一方、検出プローブを取り外すには、検出
プローブのアウタスリーブ２を持って引上げればよい。
こうすると、アウタスリーブ２がインナスリーブ６を摺
動して上方に移動し、アウタスリーブ２の開口部１の下
方の角部が係止爪４を押すため、ボルト１４の凹部１３
との係合状態が解除され、検出プローブを簡単に引抜く
ことができる。

【００１７】このように、上記の構成の検出プローブに
よれば、アウタスリーブの押付け、引抜きにより、ボル
ト頭部への着脱がワンタッチで行えるので、操作性に優
れ、作業能率を向上することができ、しかもボルトの材
質に無関係に適用できる。また、コイルバネにより一定
の押付力で超音波センサーをボルト頭部に押付けるの
で、超音波センサーとボルト頭部（に設けられた凹部の
底面）との間の接触媒質膜厚の一定化が計れ、ボルト軸
力を適確に検出することが可能となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明のボルト軸力検出プローブをボ
ルト軸力測定に適用した実施例について、図面を参照し
て説明する。

【００１９】図１はボルト軸力検出プローブの構造を示
すもので、同図（ａ）はその部分断面図、同図（ｂ）は
その底面図、同図（ｃ）はその部分側面図である。図１
において、２１はボルト軸力検出プローブ（以下、単に
プローブと称する）であり、主として、内部に超音波セ
ンサー８を保持したほぼ円筒状のセンサホルダー１０
と、このセンサホルダー１０と同軸的に結合する同ホル
ダ１０より径大のほぼ円筒状のインナスリーブ６と、こ
のインナスリーブ６と摺動可能に結合する同スリーブ６
より径大のほぼ円筒状のアウタスリーブ２とを有する。

【００２０】アウタスリーブ２の下部側壁の円周上に
は、インナスリーブ６に形成された後述する係止爪４が
挿入可能な四角形の開口部１が例えば３個等間隔に穿設
されている。アウタスリーブ２の下部は、後述する被検
出用ボルト１４の頭部に形成された円形の凹部１３（図
２参照）に挿入可能なように、径小に削成されている。

【００２１】インナスリーブ６の下部側壁の円周上に
は、軸線に沿いほぼＵ字形のスリット３が等間隔に３個
形成されている。このスリット３によって形成された弾
性を有する腕片の下端には、アウタスリーブ２の開口部
１に挿入可能な係止爪４が突設されている。インナスリ
ーブ６は、この係止爪４がアウタスリーブ２の開口部１
に挿入されることで、アウタスリーブ２と結合される。
またインナスリーブ６の中央の内径側の円周上には、セ
ンサホルダー１０の後述するフランジ９を係止するスト
ッパ５が突設され、更にインナスリーブ６の上部内径側
には、雌ねじが螺刻されている。

【００２２】センサホルダー１０の下端には、超音波セ
ンサー８が固着され、同センサーには上部に導出されて
いるリード線７が接続されている。またセンサホルダー
１０の中央の内径側には、付勢用のコイルバネ１１がセ
ンサホルダー１０と同軸的に設けられ、その下端にはコ
イルバネ１１を係止するフランジ９が設けられている。
更にセンサホルダー１０の上部外径側には、インナスリ
ーブ６の上部内径側に形成された雌ねじと螺合する雄ね
じが螺刻され、コイルバネ１１を付勢するための調整ね
じ１２が設けられている。

【００２３】次に、図１に示す構造のプローブ２１を用
いたボルト軸力測定（のための超音波伝搬時間の計測）
について、図２乃至図４を参照して説明する。なお、図
２はボルトへのプローブ装着時の作動状態の説明図、図
３はボルト締付、計測時のプローブ装着状態の説明図、
図４はボルトからのプローブ取外し時の作動状態の説明
図である。

【００２４】プローブ２１を用いてボルト１４の軸力を
測定するには、まずプローブ２１の下部を被測定用ボル
ト１４にあらかじめ削成された凹部１３に挿入する。こ
の挿入に際しては、プローブ２１のアウタスリーブ２を
持って図２において符号ａで示す方向に下降させ、その
下部をボルト１４の凹部１３に押込む。すると、（イン
ナスリーブ６に形成され、アウタスリーブ２の開口部１
に挿入されて外側に突出している）係止爪４の背部が、
図２に示すようにボルト１４頭部の角部１７に当接す
る。この結果、弾力性のある係止爪４は、凹部１３への
プローブ２１の挿入に応じて符号ｂで示すように内側に
湾曲する。

【００２５】この状態でプローブ２１をボルト１４の凹
部１３に更に押込むと、係止爪４は、図３に示すように
凹部１３の上部の内側壁に設けられた被係止溝１５に係
止されると共に固定される。同時に、コイルバネ１１の
付勢力により、センサホルダー１０の下端に固着された
超音波センサー８が、ボルト１４の頭部に設けられた凹
部１３の底面に圧着する。したがって、ボルト１４を締
付中においても、プローブ２１の超音波センサー８とボ
ルト１４の凹部１３の底面との間の接触媒質の膜厚が変
動することなく、安定した圧着状態が得られることにな
る。この結果、超音波伝搬時間の計測誤差がなくなり、
本実施例のプローブ２１を、リード線７と接続される信
号線２０を介して図５に示したような軸力測定器（１
９）に接続することにより、この軸力測定器（１９）を
用いてボルト１４の軸力を精度よく測定することができ
る。

【００２６】測定後は、プローブ２１のアウタスリーブ
２を持って図４（ａ）において符号ｃで示す方向に引上
げると、アウタスリーブ２がインナスリーブ６に沿って
摺動して上方に幾分移動し、図４（ａ）の符号Ａで示さ
れる部分を拡大した図４（ｂ）に示すように、アウタス
リーブ２の開口部１下方の角部１８が係止爪４の背部を
押す。これにより係止爪４は、図４（ｂ）において符号
ｂで示すように内側に湾曲して、ボルト１４頭部の凹部
１３に形成された被係止溝１５からはずれ、プローブ２
１を引抜くことができる。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明のボルト軸力
検出プローブによれば、次に列挙する効果があり、精度
の高いボルト軸力の測定が可能になる。

【００２８】（１）アウタスリーブの押付け、引抜きに
伴う、ボルト頭部に設けられた係止溝に対する係止爪の
作用により、ボルト頭部へのプローブの着脱がワンタッ
チでできる。

【００２９】（２）係止爪で反力を持たせて、コイルバ
ネにより一定の押付で超音波センサーをボルト頭部に押
付けるので、接触媒質の膜厚を一定にすることができ、
したがって再現性のある超音波伝搬時間の計測が行え
る。 （３）ボルトが磁性材、非磁性材に限らずにプローブを
ボルトに固定できるので、連続的に軸力を計測しながら
ボルトを締付けることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るボルト軸力検出プロー
ブの構造を示す図であり、同図（ａ）はその部分断面
図、同図（ｂ）はその底面図、同図（ｃ）はその部分側
面図。

【図２】ボルトへのプローブ装着時の作動状態説明図。

【図３】ボルト締付、計測時のプローブ装着状態説明
図。

【図４】ボルトからのプローブ取外し時の作動状態説明
図。

【図５】軸力管理法による測定概要を説明するための
図。

【図６】従来のプローブ使用形態を示す斜視図。

【符号の説明】

１…開口部、２…アウタスリーブ、３…スリット、４…
係止爪、５…ストッパ、６…インナスリーブ、７…リー
ド線、８…超音波センサー、９…フランジ、１０…セン
サホルダー、１１…コイルバネ、１２…調整ねじ、１３
…凹部、１４，２４…ボルト、１５…被係止溝、１９…
軸力測定器、２０…信号線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波を利用して締付ボルトの締付力で
   あるボルト軸力を測定するためのボルト軸力検出プロー
   ブであって、 下部側壁に複数の開口部が形成され、被検出用ボルト頭
   部に設けられた凹部に挿入可能な直径を有するほぼ円筒
   状のアウタスリーブと、 下部側壁の円周上には軸線に沿う複数のほぼＵ字形のス
   リットが形成され、同スリットによって形成された弾性
   を有する腕片の下端に前記アウタスリーブの開口部に挿
   入可能な係止爪が突設され、中央内面の円周上にはスト
   ッパが形成され、且つ上部内側面に雌ねじが螺刻され、
   前記係止爪が前記アウタスリーブの開口部に挿入される
   ことで、このアウタスリーブに結合するインナスリーブ
   と、 超音波センサーを下端に固着し、中央に前記ストッパに
   よって係止されるフランジが設けられ、上部に前記イン
   ナスリーブの雌ねじと螺合する雄ねじが螺刻され、前記
   アウタスリーブと同軸的に結合されるセンサホルダー
   と、 このセンサホルダーの前記フランジによって係止され、
   同ホルダーを下方に付勢するためのコイルバネと、 このコイルバネの付勢力を調整するための調整ねじとを
   具備することを特徴とするボルト軸力検出プローブ。