JPH102884A - 部品にかかる荷重を測定しその部品の完全性をモニターするための装置及び方法 - Google Patents
部品にかかる荷重を測定しその部品の完全性をモニターするための装置及び方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＥＭＡＴを用いて部品の傷を検出することに
よってボルトにかかる荷重を測定するとともに、ボルト
の完全性をモニターするための方法及び装置を提供する
こと。 【解決手段】 ボルトに係合するための内部空間を有す
るソケットを設ける。ソケットはボルトに係合してボル
トに荷重を伝達するようになされている。ソケットの内
部空間にはボルトに近接したところで磁石とコイルから
成る電磁音響トランスジューサを配置する。コイルは渦
電流を誘導し、磁石は磁界を創生して、コイルと磁石と
が協同してボルト内に直接超音波信号を創生する。ボル
トにかかる荷重を測定しボルトの傷を検出するためにボ
ルト内を走行する超音波信号の変化を検出し測定するた
めに検出装置を用いる。
よってボルトにかかる荷重を測定するとともに、ボルト
の完全性をモニターするための方法及び装置を提供する
こと。 【解決手段】 ボルトに係合するための内部空間を有す
るソケットを設ける。ソケットはボルトに係合してボル
トに荷重を伝達するようになされている。ソケットの内
部空間にはボルトに近接したところで磁石とコイルから
成る電磁音響トランスジューサを配置する。コイルは渦
電流を誘導し、磁石は磁界を創生して、コイルと磁石と
が協同してボルト内に直接超音波信号を創生する。ボル
トにかかる荷重を測定しボルトの傷を検出するためにボ
ルト内を走行する超音波信号の変化を検出し測定するた
めに検出装置を用いる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、超音波ト
ランスジューサに関し、特に、ファスナー（例えば、ボ
ルト）等の部品に対する荷重負荷（部品に荷重をかけ
る）操作の開始前及び、又は操作中、電磁音響トランス
ジューサ（ＥＭＡＴ）を用いて、ファスナー等の部品の
亀裂や傷を検出することによって部品にかかる荷重を測
定するとともに、その部品の完全性をモニターするため
の方法及び装置に関する。「電磁音響トランスジュー
サ」は、単に「電磁トランスジューサ」とも称し、「Ｅ
ＭＡＴ」と略称される。
ランスジューサに関し、特に、ファスナー（例えば、ボ
ルト）等の部品に対する荷重負荷（部品に荷重をかけ
る）操作の開始前及び、又は操作中、電磁音響トランス
ジューサ（ＥＭＡＴ）を用いて、ファスナー等の部品の
亀裂や傷を検出することによって部品にかかる荷重を測
定するとともに、その部品の完全性をモニターするため
の方法及び装置に関する。「電磁音響トランスジュー
サ」は、単に「電磁トランスジューサ」とも称し、「Ｅ
ＭＡＴ」と略称される。
【０００２】
【従来の技術】ボルトにかかる目標予備荷重は、通常、
構造体の組立て中ボルトに規定のトルクを適用する（か
ける）ことによって得られる。組立て中ボルトに適用さ
れるトルクの９０％が摩擦力を克服するために用いられ
ることが立証されている。適用されるトルクを一定とし
た場合、摩擦力に小さな変動があっても、その結果ボル
トに実際にかけられる予備荷重（以下、単に「荷重」と
も称する）に大きな変動を及ぼす。スペースシャトルの
オービター（本体）の建造に用いられるボルトに関して
行われたボルト予備荷重対適用荷重（ボルトに実際にか
けられた予備荷重対ボルトに予備荷重を与えるために用
いられた荷重）の研究において、適用されるトルクを一
定とした場合、ボルトに与えられる予備荷重に２倍以上
の変動（ばらつき）があることが報じられている。ボル
トに与えられた予備荷重が不適正であると、いろいろな
用例において重要な部品に破滅的な破損を生じるおそれ
がある。
構造体の組立て中ボルトに規定のトルクを適用する（か
ける）ことによって得られる。組立て中ボルトに適用さ
れるトルクの９０％が摩擦力を克服するために用いられ
ることが立証されている。適用されるトルクを一定とし
た場合、摩擦力に小さな変動があっても、その結果ボル
トに実際にかけられる予備荷重（以下、単に「荷重」と
も称する）に大きな変動を及ぼす。スペースシャトルの
オービター（本体）の建造に用いられるボルトに関して
行われたボルト予備荷重対適用荷重（ボルトに実際にか
けられた予備荷重対ボルトに予備荷重を与えるために用
いられた荷重）の研究において、適用されるトルクを一
定とした場合、ボルトに与えられる予備荷重に２倍以上
の変動（ばらつき）があることが報じられている。ボル
トに与えられた予備荷重が不適正であると、いろいろな
用例において重要な部品に破滅的な破損を生じるおそれ
がある。
【０００３】従って、ボルトの荷重測定を改良するため
にトランスジューサを用いたいろいろな超音波法が開発
されている。例えば、原子力発電プラントの反応容器の
内部構造に用いられているボルトが予備荷重が不適正で
あるために破損しそうになっている場合に、慣用の超音
波トランスジューサを用いて予備荷重を設定するための
超音波法が開発されている。この方法は、後に、原子力
発電設備の重要なボルトの交換にも用いられるようにな
った。
にトランスジューサを用いたいろいろな超音波法が開発
されている。例えば、原子力発電プラントの反応容器の
内部構造に用いられているボルトが予備荷重が不適正で
あるために破損しそうになっている場合に、慣用の超音
波トランスジューサを用いて予備荷重を設定するための
超音波法が開発されている。この方法は、後に、原子力
発電設備の重要なボルトの交換にも用いられるようにな
った。
【０００４】この超音波法によれば、ボルトの予備荷重
は、ボルトの締め付け前と後にボルトの全長を通しての
超音波の伝送時間を正確に測定することによって設定さ
れる。この方法は、トルク測定法に比べてはるかに優れ
たボルト予備荷重測定法を提供するが、トランスジュー
サをボルトの頭から外し、再装着すると、相当大きな測
定誤差が生じる。
は、ボルトの締め付け前と後にボルトの全長を通しての
超音波の伝送時間を正確に測定することによって設定さ
れる。この方法は、トルク測定法に比べてはるかに優れ
たボルト予備荷重測定法を提供するが、トランスジュー
サをボルトの頭から外し、再装着すると、相当大きな測
定誤差が生じる。
【０００５】慣用の超音波トランスジューサを用いた場
合、超音波（以下、単に「音波」とも称する）は、カプ
リング流体（カプリング材）を介してボルトに伝達され
ボルトから受信される（受け取られる）。カプリング材
中の音速は、ボルトの素材のスチール内を通る音速より
何倍も遅いので、カプリング材の経路長に僅かな変動が
あっても超音波信号の伝送時間に大きな変動が生じる。
このカプリング材の経路長によってもたらされる不確定
要素のために、大抵の慣用の超音波式ボルト荷重測定法
は、順次に続く各エコー（反射）のいずれもそのカプリ
ング材経路を通る伝送時間が同一であるという想定で各
エコーの到達時間を測定することに限定されている。超
音波式ボルト予備荷重の測定のために最初のエコーだけ
を用いることには幾つかの利点がある。第１に、最初の
エコーは、通常、最も大きく、以後のエコーに比べてボ
ルトの平行度及び平坦度の欠落によって影響される度合
いが小さい。例えば、ボルト表面の先端（頭のある方と
は反対側の端部）がボルト表面の頭に対して僅かな角度
θをなしているとすると、最初のエコーは、ボルトの頭
に２θの角度をなして到達するのに対して、２番目のエ
コーは、ボルトの頭に６θの角度をなして到達する。し
かしながら、この方法の主要な欠点は、カプリング材ア
ドトランスジューサをボルトの頭に適用するので、超音
波式ボルト予備荷重の測定の自動化を困難にすることで
ある。
合、超音波（以下、単に「音波」とも称する）は、カプ
リング流体（カプリング材）を介してボルトに伝達され
ボルトから受信される（受け取られる）。カプリング材
中の音速は、ボルトの素材のスチール内を通る音速より
何倍も遅いので、カプリング材の経路長に僅かな変動が
あっても超音波信号の伝送時間に大きな変動が生じる。
このカプリング材の経路長によってもたらされる不確定
要素のために、大抵の慣用の超音波式ボルト荷重測定法
は、順次に続く各エコー（反射）のいずれもそのカプリ
ング材経路を通る伝送時間が同一であるという想定で各
エコーの到達時間を測定することに限定されている。超
音波式ボルト予備荷重の測定のために最初のエコーだけ
を用いることには幾つかの利点がある。第１に、最初の
エコーは、通常、最も大きく、以後のエコーに比べてボ
ルトの平行度及び平坦度の欠落によって影響される度合
いが小さい。例えば、ボルト表面の先端（頭のある方と
は反対側の端部）がボルト表面の頭に対して僅かな角度
θをなしているとすると、最初のエコーは、ボルトの頭
に２θの角度をなして到達するのに対して、２番目のエ
コーは、ボルトの頭に６θの角度をなして到達する。し
かしながら、この方法の主要な欠点は、カプリング材ア
ドトランスジューサをボルトの頭に適用するので、超音
波式ボルト予備荷重の測定の自動化を困難にすることで
ある。
【０００６】傷検出及び素材特性特徴付けのための技術
として慣用の超音波法が有用であることは、定説となっ
ている。例えば、原子力発電プラントの反応容器の内部
部品及びその支持構造に用いられているボルトの亀裂を
検出するために圧電超音波法が用いられている。超音波
の発生は、主として、電気機械変換、通常、圧電方式に
よって得られる。しかしながら、この超音波発生方法
は、音波を被検部品の内外へ機械的に伝送するために流
体カプリング材を必要とするという点で欠点がある。即
ち、被検物体をカプリング流体の薄い層で覆うか、カプ
リング流体内に浸漬させなければならず、それが検査を
複雑にし、往々にして検査速度を遅くし、測定値に誤差
をもたらすことすらある。又、この要件（被検物体をカ
プリング流体で覆うか、流体内に浸漬させなければなら
いこと）のために、検査ができない場合もある。ある種
の用例においては、カプリング材の清掃が重大な問題と
なり、部品の検査後の腐蝕が、製造された製品の不合格
の原因となることがある。従って、カプリング材に依存
しない超音波法には多くの利点がある。
として慣用の超音波法が有用であることは、定説となっ
ている。例えば、原子力発電プラントの反応容器の内部
部品及びその支持構造に用いられているボルトの亀裂を
検出するために圧電超音波法が用いられている。超音波
の発生は、主として、電気機械変換、通常、圧電方式に
よって得られる。しかしながら、この超音波発生方法
は、音波を被検部品の内外へ機械的に伝送するために流
体カプリング材を必要とするという点で欠点がある。即
ち、被検物体をカプリング流体の薄い層で覆うか、カプ
リング流体内に浸漬させなければならず、それが検査を
複雑にし、往々にして検査速度を遅くし、測定値に誤差
をもたらすことすらある。又、この要件（被検物体をカ
プリング流体で覆うか、流体内に浸漬させなければなら
いこと）のために、検査ができない場合もある。ある種
の用例においては、カプリング材の清掃が重大な問題と
なり、部品の検査後の腐蝕が、製造された製品の不合格
の原因となることがある。従って、カプリング材に依存
しない超音波法には多くの利点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、カプ
リング材に依存しない電磁音響トランスジューサを用い
て部品にかかる荷重を測定しその部品の完全性をモニタ
ーするための装置及び方法を提供することである。
リング材に依存しない電磁音響トランスジューサを用い
て部品にかかる荷重を測定しその部品の完全性をモニタ
ーするための装置及び方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、ボルトのような部品にかかる荷重を測定
するとともに、そのボルトの完全性をモニターするため
の装置を提供する。この装置は、ボルトに係合するため
の内部空間を画定する側壁を有するソケットを備えてお
り、ソケットはボルトに係合してボルトに荷重を伝達す
るようになされている。ソケットの内部空間にはボルト
に近接したところで磁石とコイルから成る電磁音響トラ
ンスジューサが配置されている。コイルは渦電流を誘導
し、磁石は磁界を創生して、コイルと磁石とが協同して
ボルト内に直接超音波信号を創生する。ボルト内を走行
する超音波信号の伝送時間の変化を検出し測定するため
に検出装置を用いる。
決するために、ボルトのような部品にかかる荷重を測定
するとともに、そのボルトの完全性をモニターするため
の装置を提供する。この装置は、ボルトに係合するため
の内部空間を画定する側壁を有するソケットを備えてお
り、ソケットはボルトに係合してボルトに荷重を伝達す
るようになされている。ソケットの内部空間にはボルト
に近接したところで磁石とコイルから成る電磁音響トラ
ンスジューサが配置されている。コイルは渦電流を誘導
し、磁石は磁界を創生して、コイルと磁石とが協同して
ボルト内に直接超音波信号を創生する。ボルト内を走行
する超音波信号の伝送時間の変化を検出し測定するため
に検出装置を用いる。
【０００９】本発明は、又、ボルトのような部品にかか
る荷重を測定しそのボルトの完全性をモニターするため
の方法を提供する。本発明の方法は、ボルトに係合する
ための内部空間を画定する側壁を有するソケットを準備
し、ソケットの内部空間をソケットとボルトの間に位置
させるような態様にソケットをボルトに係合させ、ソケ
ットの内部空間内に磁界を発生させ、ソケットの内部空
間内に電流を供給して該電流と磁界とによりボルト内に
超音波信号を創生し、ボルト内の超音波信号をモニター
し、検出装置によって該超音波信号の変化を検出する。
かくして本発明の方法は、ボルトに対する荷重負荷操作
（トルクを付与する操作又は締め付け操作）中、ボルト
にかかる荷重を連続的測定して制御し、荷重負荷操作の
開始前及び、又は操作中ボルトの亀裂又は傷を検出する
ことによってボルトの完全性を連続的にモニターする。
る荷重を測定しそのボルトの完全性をモニターするため
の方法を提供する。本発明の方法は、ボルトに係合する
ための内部空間を画定する側壁を有するソケットを準備
し、ソケットの内部空間をソケットとボルトの間に位置
させるような態様にソケットをボルトに係合させ、ソケ
ットの内部空間内に磁界を発生させ、ソケットの内部空
間内に電流を供給して該電流と磁界とによりボルト内に
超音波信号を創生し、ボルト内の超音波信号をモニター
し、検出装置によって該超音波信号の変化を検出する。
かくして本発明の方法は、ボルトに対する荷重負荷操作
（トルクを付与する操作又は締め付け操作）中、ボルト
にかかる荷重を連続的測定して制御し、荷重負荷操作の
開始前及び、又は操作中ボルトの亀裂又は傷を検出する
ことによってボルトの完全性を連続的にモニターする。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明は、電磁音響トランスジュ
ーサ（ＥＭＡＴ）を用いてファスナー（ボルト等）のよ
うな部品の緊張度及び荷重を測定するための装置及び方
法を提供する。本発明は、ファスナーの緊張度及び荷重
を測定することと連携して、荷重負荷操作の開始前及び
操作中ファスナーの亀裂又は傷を検出することによって
ファスナーの完全性を連続的にモニターする。更に、本
発明は、特定の用例において、正しい合金を含め、ファ
スナーの素材が適正であるかどうか、又、その素材の熱
処理が適正であったかどうかを検証するのに用いること
もできる。
ーサ（ＥＭＡＴ）を用いてファスナー（ボルト等）のよ
うな部品の緊張度及び荷重を測定するための装置及び方
法を提供する。本発明は、ファスナーの緊張度及び荷重
を測定することと連携して、荷重負荷操作の開始前及び
操作中ファスナーの亀裂又は傷を検出することによって
ファスナーの完全性を連続的にモニターする。更に、本
発明は、特定の用例において、正しい合金を含め、ファ
スナーの素材が適正であるかどうか、又、その素材の熱
処理が適正であったかどうかを検証するのに用いること
もできる。
【００１１】本発明は、超音波を通すボルト等のファス
ナーのような部品に接触する必要なしに超音波を発生し
受信する電磁音響トランスジューサ（ＥＭＡＴ）を用い
る。図１に示される本発明の装置は、図１では被検部品
である金属製ボルト２に関して用いられる場合が示され
ており、内部空間１７を有するソケット１５の形とした
部品係合手段を備えている。ソケット１５は、ボルト２
に係合し、ボルトを緊張させてそれに予備荷重を与え
る。ソケット１５の内部空間１７は、ボルト２とソケッ
ト１５の間に位置している。ソケット１５を駆動するた
めにソケット駆動組立体１０のような駆動手段が用いら
れる。ソケット駆動組立体１０は、いろいろな異なるサ
イズのボルト２に適合する異なるサイズのソケットに交
換することができるようにソケット１５に対して着脱自
在とされている。
ナーのような部品に接触する必要なしに超音波を発生し
受信する電磁音響トランスジューサ（ＥＭＡＴ）を用い
る。図１に示される本発明の装置は、図１では被検部品
である金属製ボルト２に関して用いられる場合が示され
ており、内部空間１７を有するソケット１５の形とした
部品係合手段を備えている。ソケット１５は、ボルト２
に係合し、ボルトを緊張させてそれに予備荷重を与え
る。ソケット１５の内部空間１７は、ボルト２とソケッ
ト１５の間に位置している。ソケット１５を駆動するた
めにソケット駆動組立体１０のような駆動手段が用いら
れる。ソケット駆動組立体１０は、いろいろな異なるサ
イズのボルト２に適合する異なるサイズのソケットに交
換することができるようにソケット１５に対して着脱自
在とされている。
【００１２】ソケット１５の内部空間１７内のボルト２
側に電磁トランスジューサ組立体２０が配置されてい
る。ＥＭＡＴ組立体（ＥＭＡＴセンサー）２０は、ハウ
ジング２２と、ボルト２に接触する摩耗プレート２４
と、ハウジング２２及び摩耗プレート２４の内側に配置
された磁界創生のための永久磁石２８及び電流創生のた
めのＥＭＡＴコイル（以下、単に「コイル」とも称す
る）２６とから成る。ＥＭＡＴ組立体（以下、単に「Ｅ
ＭＡＴ」とも称する）２０は、取付けボルト２１及びば
ね２３のような連結手段によってソケット駆動組立体１
０に連結されている。コイル２６に電流を供給するため
の電流供給手段としてコイル２６にケーブル２７が接続
されている。ケーブル２７は、ソケット駆動組立体１０
に形成されたケーブルと押穴１２を通してコイル２６に
導かれる。ケーブル２７は、ソケット駆動組立体１０の
外周に嵌挿されたスリップリング組立体３０によってソ
ケット駆動組立体１０に接続される。スリップリング組
立体３０は、スリップリングブラシ（以下、単に「スリ
ップリング」とも称する）３２から成っている。
側に電磁トランスジューサ組立体２０が配置されてい
る。ＥＭＡＴ組立体（ＥＭＡＴセンサー）２０は、ハウ
ジング２２と、ボルト２に接触する摩耗プレート２４
と、ハウジング２２及び摩耗プレート２４の内側に配置
された磁界創生のための永久磁石２８及び電流創生のた
めのＥＭＡＴコイル（以下、単に「コイル」とも称す
る）２６とから成る。ＥＭＡＴ組立体（以下、単に「Ｅ
ＭＡＴ」とも称する）２０は、取付けボルト２１及びば
ね２３のような連結手段によってソケット駆動組立体１
０に連結されている。コイル２６に電流を供給するため
の電流供給手段としてコイル２６にケーブル２７が接続
されている。ケーブル２７は、ソケット駆動組立体１０
に形成されたケーブルと押穴１２を通してコイル２６に
導かれる。ケーブル２７は、ソケット駆動組立体１０の
外周に嵌挿されたスリップリング組立体３０によってソ
ケット駆動組立体１０に接続される。スリップリング組
立体３０は、スリップリングブラシ（以下、単に「スリ
ップリング」とも称する）３２から成っている。
【００１３】電磁トランスジューサ組立体２０は、超音
波が金属製ボルト２の表面の近傍に供給されるようにコ
イル２６を永久磁石２８又は電磁石によって創生される
均一な磁界内に配置することによって超音波の発生器と
して用いられる。トランスフォーマ作用によって表面電
流が金属製ボルト２の内部に導入される。磁界の存在下
でこの表面電流は、振動表面応力を発生するローレンツ
力を受ける。金属製ボルト２の表面は、ローレンツ力を
受けると、磁界内で振動し、コイル２６内に電圧を誘起
する。電磁表皮深さ内においてエネルギー変換過程が起
る。電磁表皮深さは、スチールやアルミニウムのような
素材の場合、ｍＨｚ単位の周波数において１ミルの分数
である。
波が金属製ボルト２の表面の近傍に供給されるようにコ
イル２６を永久磁石２８又は電磁石によって創生される
均一な磁界内に配置することによって超音波の発生器と
して用いられる。トランスフォーマ作用によって表面電
流が金属製ボルト２の内部に導入される。磁界の存在下
でこの表面電流は、振動表面応力を発生するローレンツ
力を受ける。金属製ボルト２の表面は、ローレンツ力を
受けると、磁界内で振動し、コイル２６内に電圧を誘起
する。電磁表皮深さ内においてエネルギー変換過程が起
る。電磁表皮深さは、スチールやアルミニウムのような
素材の場合、ｍＨｚ単位の周波数において１ミルの分数
である。
【００１４】超音波を発生し、受信するためにＥＭＡＴ
とともに一般的に用いられる代替機構は、磁気歪み機構
である。磁気歪み機構は、強磁性材内に磁気相互作用に
よって超音波を発生し、受信する機構である。強磁性材
に磁界が印加されると、その強磁性材は、内部応力を受
ける。この現象が磁気歪みと称される。発生する応力の
大きさは、磁界の強度と素材（強磁性材）の特性に依存
する。強磁性材に静電又は準静電磁界が印加されて強磁
性材を磁界の僅かな変化が応力の大きな変化を惹起する
ような領域へバイアスさせるようにする場合は、強磁性
材に対してＥＭＡＴが用いられる。その場合、強磁性材
の表面内にＲＦ（無線周波数）磁界を設定するためにＲ
ＦコイルをＲＦチャンネルバーストで駆動させる。ＲＦ
磁界は、素材（強磁性材）内に応力を惹起し、それによ
って素材内に超音波を導入する。超音波は、可逆過程に
よって検出される。上記いずれの機構においても、受信
された信号の強度は、ＥＭＡＴコイルと金属表面との間
のギャップが増大するとともに指数関数的に低下する。
とともに一般的に用いられる代替機構は、磁気歪み機構
である。磁気歪み機構は、強磁性材内に磁気相互作用に
よって超音波を発生し、受信する機構である。強磁性材
に磁界が印加されると、その強磁性材は、内部応力を受
ける。この現象が磁気歪みと称される。発生する応力の
大きさは、磁界の強度と素材（強磁性材）の特性に依存
する。強磁性材に静電又は準静電磁界が印加されて強磁
性材を磁界の僅かな変化が応力の大きな変化を惹起する
ような領域へバイアスさせるようにする場合は、強磁性
材に対してＥＭＡＴが用いられる。その場合、強磁性材
の表面内にＲＦ（無線周波数）磁界を設定するためにＲ
ＦコイルをＲＦチャンネルバーストで駆動させる。ＲＦ
磁界は、素材（強磁性材）内に応力を惹起し、それによ
って素材内に超音波を導入する。超音波は、可逆過程に
よって検出される。上記いずれの機構においても、受信
された信号の強度は、ＥＭＡＴコイルと金属表面との間
のギャップが増大するとともに指数関数的に低下する。
【００１５】本発明は、超音波を発生し、検出するため
の再現（反復）精度の非常に高い非接触型方式を提供す
る。ＥＭＡＴコイル２６の電流がボルト２の表面に直接
超音波を発生させるので、電流パルスから最初の反射ま
での時間を測定することによって超音波の正確な伝送時
間を測定することができ、それによって、従来周知の超
音波式測定装置に随伴する上記諸問題の多くを解決す
る。
の再現（反復）精度の非常に高い非接触型方式を提供す
る。ＥＭＡＴコイル２６の電流がボルト２の表面に直接
超音波を発生させるので、電流パルスから最初の反射ま
での時間を測定することによって超音波の正確な伝送時
間を測定することができ、それによって、従来周知の超
音波式測定装置に随伴する上記諸問題の多くを解決す
る。
【００１６】本発明の開発によって、超音波によりボル
ト荷重を測定する従来の方法に随伴する諸問題の幾つか
が、軽減又は解消された。本発明のＥＭＡＴは、超音波
を伝送させる素材に接触する必要なしに超音波を発生
し、受信する。この構成により、トランスジューサと被
検素材との間に、有意の測定誤差の原因となり、かつ、
測定操作を自動化することの支障となる液体カップリン
グ材を介設する必要性が排除される。
ト荷重を測定する従来の方法に随伴する諸問題の幾つか
が、軽減又は解消された。本発明のＥＭＡＴは、超音波
を伝送させる素材に接触する必要なしに超音波を発生
し、受信する。この構成により、トランスジューサと被
検素材との間に、有意の測定誤差の原因となり、かつ、
測定操作を自動化することの支障となる液体カップリン
グ材を介設する必要性が排除される。
【００１７】作動において、ＥＭＡＴ組立体２０は、ソ
ケット１５及び被検ボルト２と一緒に回転する。ボルト
２の検査中超音波信号は、スリップリング３２を介して
伝送され、受信される。別法として、ボルトの締め付け
中トランスジューサのケーブル２７がねじれるようにし
てもよい。
ケット１５及び被検ボルト２と一緒に回転する。ボルト
２の検査中超音波信号は、スリップリング３２を介して
伝送され、受信される。別法として、ボルトの締め付け
中トランスジューサのケーブル２７がねじれるようにし
てもよい。
【００１８】図２は、ＣＲＴディスプレー６０のような
ディスプレー手段を含むＥＭＡＴ装置及びコンピュータ
（以下、単に「ＥＭＡＴ装置」又は「コンピュータ」又
は「検出手段」とも称する）２５と、ＥＭＡＴコイル２
６及びケーブル２７をＥＭＡＴ装置２５に電気的に整合
させる遠隔プレアンプ及び整合ネットワーク２９を示
す。検出装置２５は、ベースラインを設定するために無
負荷状態のボルト２の測定値を取り、次いで、ボルト２
を締め付けながらボルト荷重（ボルトにかかる荷重）を
測定し、グラフとして記録するコンピュータである。
ディスプレー手段を含むＥＭＡＴ装置及びコンピュータ
（以下、単に「ＥＭＡＴ装置」又は「コンピュータ」又
は「検出手段」とも称する）２５と、ＥＭＡＴコイル２
６及びケーブル２７をＥＭＡＴ装置２５に電気的に整合
させる遠隔プレアンプ及び整合ネットワーク２９を示
す。検出装置２５は、ベースラインを設定するために無
負荷状態のボルト２の測定値を取り、次いで、ボルト２
を締め付けながらボルト荷重（ボルトにかかる荷重）を
測定し、グラフとして記録するコンピュータである。
【００１９】図１に示されるように、ＥＭＡＴセンサー
２０は、そのソケット１５をボルト２の頭に被せれば、
センサー自体が自動的にボルトの頭に座着されるよう
に、ばね２３によってばね付勢されている。又、先に述
べたように、ＥＭＡＴセンサー２０は、ソケット１５を
交換することによって数種類の異なるサイズの被検ボル
トに適合させることができるような態様でソケット駆動
組立体１０に取り付けられる。
２０は、そのソケット１５をボルト２の頭に被せれば、
センサー自体が自動的にボルトの頭に座着されるよう
に、ばね２３によってばね付勢されている。又、先に述
べたように、ＥＭＡＴセンサー２０は、ソケット１５を
交換することによって数種類の異なるサイズの被検ボル
トに適合させることができるような態様でソケット駆動
組立体１０に取り付けられる。
【００２０】ＥＭＡＴによる荷重測定は、まず、ボルト
に荷重を適用する前、即ち無負荷状態のボルトに対して
行われ、次いで、ボルトに荷重を適用する間連続して行
われ、最後にボルトに荷重を適用し終えた後に行われ
る。目標荷重に到達した後も、ＥＭＡＴセンサー２０を
外す必要はない。従って、従来周知の超音波トランスジ
ューサにおいては、２つの検査、即ち、荷重負荷前の検
査と荷重負荷後の検査のたびに超音波トランスジューサ
を取り付け、取り外さなければならないので、それに随
伴する測定誤差が惹起されるが、本発明によれば、その
ような誤差が排除される。本発明による方法は、生産ラ
インやいろいろなロボット式生産用例に使用するための
自動ボルト締め付けに特に適している。
に荷重を適用する前、即ち無負荷状態のボルトに対して
行われ、次いで、ボルトに荷重を適用する間連続して行
われ、最後にボルトに荷重を適用し終えた後に行われ
る。目標荷重に到達した後も、ＥＭＡＴセンサー２０を
外す必要はない。従って、従来周知の超音波トランスジ
ューサにおいては、２つの検査、即ち、荷重負荷前の検
査と荷重負荷後の検査のたびに超音波トランスジューサ
を取り付け、取り外さなければならないので、それに随
伴する測定誤差が惹起されるが、本発明によれば、その
ような誤差が排除される。本発明による方法は、生産ラ
インやいろいろなロボット式生産用例に使用するための
自動ボルト締め付けに特に適している。
【００２１】市販の超音波式ボルト荷重測定装置は、主
としてカップリング材の特性にばらつきがあるために測
定結果に大きな誤差が生じることは、周知である。これ
に対して、時間間隔を置いて実施される測定における本
発明のＥＭＡＴ法の反復精度は、慣用の超音波法のそれ
よりはるかに優れている。ボルトが検査規定の範囲内に
あることを確認するためにボルトの荷重を定期的に測定
することが望ましい場合がある。本発明のＥＭＡＴセン
サー２０はカップリング材なしで作動するので、定期測
定のためにセンサー２０をボルトに反復的に装着し直し
ても、荷重が変化していなければ、正確な検査結果が得
られる。
としてカップリング材の特性にばらつきがあるために測
定結果に大きな誤差が生じることは、周知である。これ
に対して、時間間隔を置いて実施される測定における本
発明のＥＭＡＴ法の反復精度は、慣用の超音波法のそれ
よりはるかに優れている。ボルトが検査規定の範囲内に
あることを確認するためにボルトの荷重を定期的に測定
することが望ましい場合がある。本発明のＥＭＡＴセン
サー２０はカップリング材なしで作動するので、定期測
定のためにセンサー２０をボルトに反復的に装着し直し
ても、荷重が変化していなければ、正確な検査結果が得
られる。
【００２２】ボルト荷重を測定するためにＥＭＡＴを用
いる本発明の新規な技術思想の予備的研究は、まず最初
に実験室条件下で実施した。図３は、この予備的研究に
おいて用いられた実験セットアップ（実験用に構成され
た装置）を示す。この実験では、ボルト荷重負荷用治具
（ボルトに荷重をかけるための治具）４，６と、荷重負
荷器具（ボルト締め付け器具）４５から成る５０，００
０ポンド荷重負荷フレームと連携して緊張度検査用セッ
トアップ４０を用いた。この緊張度検査用セットアップ
４０によって被検ボルト２に５，０００ポンド刻みで順
次に荷重をかけ、その到達時間（各荷重値に到達した時
間）、ロードセル４７からのロードセル出力、及びボル
トの温度の束敵地を記録した。図４には、順次に続いて
実施された２つの荷重サイクルに関して、送信機から電
流パルスが送信されてから最初のエコーを受信するまで
の測定時間の結果が示されている。
いる本発明の新規な技術思想の予備的研究は、まず最初
に実験室条件下で実施した。図３は、この予備的研究に
おいて用いられた実験セットアップ（実験用に構成され
た装置）を示す。この実験では、ボルト荷重負荷用治具
（ボルトに荷重をかけるための治具）４，６と、荷重負
荷器具（ボルト締め付け器具）４５から成る５０，００
０ポンド荷重負荷フレームと連携して緊張度検査用セッ
トアップ４０を用いた。この緊張度検査用セットアップ
４０によって被検ボルト２に５，０００ポンド刻みで順
次に荷重をかけ、その到達時間（各荷重値に到達した時
間）、ロードセル４７からのロードセル出力、及びボル
トの温度の束敵地を記録した。図４には、順次に続いて
実施された２つの荷重サイクルに関して、送信機から電
流パルスが送信されてから最初のエコーを受信するまで
の測定時間の結果が示されている。
【００２３】ＥＭＡＴトランスジューサを取り外し、再
装着することによって測定値の精度に及ぼされる影響を
試験するために、無負荷状態のボルトの頭にＥＭＡＴト
ランスジューサを６回取り外し、再装着した。超音波の
伝送時間の最大限の差異は、４ナノ秒（ｎｓ）、即ち、
推奨荷重値の約１．５％に相当する誤差率であった。平
均差異は、僅か１．５ナノ秒、即ち、適用された荷重値
の約１．５％に相当する誤差率であった。この実験用Ｅ
ＭＡＴトランスジューサはそれほど頑丈なものではなか
ったから、このような試験結果は、予想外であり、ボル
トの予備荷重測定値に有意の誤差を生じることなくトラ
ンスジューサを容易に取り外して交換することができる
ことを実証した。このように有意の誤差を生じることな
くトランスジューサを容易に取り外して交換することが
できることにより、予備荷重が変化してしまうような組
立体内のボルトに荷重をかけ直すことを可能にする。
装着することによって測定値の精度に及ぼされる影響を
試験するために、無負荷状態のボルトの頭にＥＭＡＴト
ランスジューサを６回取り外し、再装着した。超音波の
伝送時間の最大限の差異は、４ナノ秒（ｎｓ）、即ち、
推奨荷重値の約１．５％に相当する誤差率であった。平
均差異は、僅か１．５ナノ秒、即ち、適用された荷重値
の約１．５％に相当する誤差率であった。この実験用Ｅ
ＭＡＴトランスジューサはそれほど頑丈なものではなか
ったから、このような試験結果は、予想外であり、ボル
トの予備荷重測定値に有意の誤差を生じることなくトラ
ンスジューサを容易に取り外して交換することができる
ことを実証した。このように有意の誤差を生じることな
くトランスジューサを容易に取り外して交換することが
できることにより、予備荷重が変化してしまうような組
立体内のボルトに荷重をかけ直すことを可能にする。
【００２４】図５〜８は、ファスナー（ボルト）に対す
る荷重負荷操作の開始前及び操作中、ファスナーの亀裂
や傷を検出することによってファスナーの完全性を連続
的にモニターするためにソケット（図示せず）内にのＥ
ＭＡＴ組立体２０を使用する方法を示す。更に、このＥ
ＭＡＴ組立体２０は、特定の用例に対して適正なファス
ナー素材、合金及び熱処理条件が用いられているかどう
かを検証するのにも使用することができる。ファスナー
２の素材は、荷重のモニターを行う前にファスナー２に
ＥＭＡＴ組立体２０を位置づけすれば、直ちに検証する
ことができる。ここでいう「ファスナー」とは、ボル
ト、ねじ、リベット又はその他の任意のファスナー（締
着具）を意味する。
る荷重負荷操作の開始前及び操作中、ファスナーの亀裂
や傷を検出することによってファスナーの完全性を連続
的にモニターするためにソケット（図示せず）内にのＥ
ＭＡＴ組立体２０を使用する方法を示す。更に、このＥ
ＭＡＴ組立体２０は、特定の用例に対して適正なファス
ナー素材、合金及び熱処理条件が用いられているかどう
かを検証するのにも使用することができる。ファスナー
２の素材は、荷重のモニターを行う前にファスナー２に
ＥＭＡＴ組立体２０を位置づけすれば、直ちに検証する
ことができる。ここでいう「ファスナー」とは、ボル
ト、ねじ、リベット又はその他の任意のファスナー（締
着具）を意味する。
【００２５】図５〜８には、ＥＭＡＴ２０によって創生
された超音波と、超音波が無瑕疵のファスナーを通って
伝播する態様（図５）及び超音波が瑕疵のあるファスナ
ーを通って伝播する態様（図７）が示されている。ＥＭ
ＡＴによる超音波の発生は、素材（電気抵抗、透磁性、
密度等）に依存するので、ファスナーの表面にＥＭＡＴ
を載せれば、直ちにそのファスナーがその素材、合金及
び熱処理に関して適正なものであるかどうかが検証され
る。ＥＭＡＴをファスナーに装着されその素材が検証さ
れた後、超音波がファスナーの傷や亀裂又は異質（不均
等）部分のような反射体（超音波を反射させるもの）に
衝突すると、エネルギー（超音波）の一部（その量は傷
等の反射体の大きさ及び向きによって異なる）がＥＭＡ
Ｔ２０の受信部へ反射され、残りのエネルギーはファス
ナー２内へ更に進行し、最終的にファスナーの後壁即ち
先端から反射される。図７は、この態様を亀裂３に関連
して示す。ＥＭＡＴ２０の受信部からの信号は、図６及
び８に示されるように、ＣＲＴディスプレーのベースラ
イン上にピークとして表示される。図６は、ファスナー
に瑕疵がない場合を示し、図８は、ファスナーに瑕疵が
ある場合を示す。ＣＲＴディスプレー画面の水平方向の
進みは、時間に比例しているので、超音波が傷即ち反射
体に衝突して帰ってくるまでの伝送時間、及び、超音波
がファスナーの後壁に衝突して帰ってくるまでの伝送時
間は、それぞれ、ディスプレーの画面上では初期ピーク
（パルス）からエコーピーク（反射体）までの距離、及
び、初期ピークから後壁（ファスナーの先端）までの距
離に相当する。
された超音波と、超音波が無瑕疵のファスナーを通って
伝播する態様（図５）及び超音波が瑕疵のあるファスナ
ーを通って伝播する態様（図７）が示されている。ＥＭ
ＡＴによる超音波の発生は、素材（電気抵抗、透磁性、
密度等）に依存するので、ファスナーの表面にＥＭＡＴ
を載せれば、直ちにそのファスナーがその素材、合金及
び熱処理に関して適正なものであるかどうかが検証され
る。ＥＭＡＴをファスナーに装着されその素材が検証さ
れた後、超音波がファスナーの傷や亀裂又は異質（不均
等）部分のような反射体（超音波を反射させるもの）に
衝突すると、エネルギー（超音波）の一部（その量は傷
等の反射体の大きさ及び向きによって異なる）がＥＭＡ
Ｔ２０の受信部へ反射され、残りのエネルギーはファス
ナー２内へ更に進行し、最終的にファスナーの後壁即ち
先端から反射される。図７は、この態様を亀裂３に関連
して示す。ＥＭＡＴ２０の受信部からの信号は、図６及
び８に示されるように、ＣＲＴディスプレーのベースラ
イン上にピークとして表示される。図６は、ファスナー
に瑕疵がない場合を示し、図８は、ファスナーに瑕疵が
ある場合を示す。ＣＲＴディスプレー画面の水平方向の
進みは、時間に比例しているので、超音波が傷即ち反射
体に衝突して帰ってくるまでの伝送時間、及び、超音波
がファスナーの後壁に衝突して帰ってくるまでの伝送時
間は、それぞれ、ディスプレーの画面上では初期ピーク
（パルス）からエコーピーク（反射体）までの距離、及
び、初期ピークから後壁（ファスナーの先端）までの距
離に相当する。
【００２６】ディスプレー装置の時間ベースを単位長当
りの時間で校正することによって後壁（先端）までの超
音波の伝送時間を明確に表示することができ、亀裂やそ
の他の傷があれば、それは反射体として作用し、ディス
プレー画面に初期ピーク（パルス）とファスナーの後壁
（先端）との間にエコーを表示する。
りの時間で校正することによって後壁（先端）までの超
音波の伝送時間を明確に表示することができ、亀裂やそ
の他の傷があれば、それは反射体として作用し、ディス
プレー画面に初期ピーク（パルス）とファスナーの後壁
（先端）との間にエコーを表示する。
【００２７】
【発明の効果】本発明の利点は、ＥＭＡＴ組立体を用い
ることにより、締め付け器具をファスナーの上に載せる
だけでファスナーの素材、合金及び熱処理条件を検証す
ることができることに加えて、構造体の製造において欠
陥ファスナーの使用を回避するためにファスナーの傷を
検出することによってファスナーへの荷重負荷又は締め
付け操作を測定及び、又は制御し、ファスナーの完全性
を確認しモニターすることができることである。
ることにより、締め付け器具をファスナーの上に載せる
だけでファスナーの素材、合金及び熱処理条件を検証す
ることができることに加えて、構造体の製造において欠
陥ファスナーの使用を回避するためにファスナーの傷を
検出することによってファスナーへの荷重負荷又は締め
付け操作を測定及び、又は制御し、ファスナーの完全性
を確認しモニターすることができることである。
【００２８】以上、本発明を実施形態に関連して説明し
たが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形
状に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲か
ら逸脱することなく、いろいろな実施形態が可能であ
り、いろいろな変更及び改変を加えることができること
を理解されたい。
たが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形
状に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲か
ら逸脱することなく、いろいろな実施形態が可能であ
り、いろいろな変更及び改変を加えることができること
を理解されたい。
【図１】図１は、本発明の装置の概略図である。
【図２】図２は、検出装置及びモニターと連携して用い
られた本発明の装置の概略図である。
られた本発明の装置の概略図である。
【図３】図３は、本発明によるボルト緊張度検査用セッ
トアップの概略図である。
トアップの概略図である。
【図４】図４は、超音波の伝送時間の変化に対してボル
トの荷重をプロットしたグラフである。
トの荷重をプロットしたグラフである。
【図５】図５は、ＥＭＡＴと瑕疵のないファスナーの断
面図であり、超音波の経路を示す。
面図であり、超音波の経路を示す。
【図６】図６は、瑕疵のないファスナーを表示するＥＭ
ＡＴディスプレー画面の概略図である。
ＡＴディスプレー画面の概略図である。
【図７】図７は、ＥＭＡＴと瑕疵のあるファスナーの断
面図であり、超音波の経路を示す。
面図であり、超音波の経路を示す。
【図８】図８は、瑕疵のあるファスナーを表示するＥＭ
ＡＴディスプレー画面の概略図である。
ＡＴディスプレー画面の概略図である。
１０：駆動手段（ソケット駆動組立体） １２：ケーブル通し穴 １５：部品係合手段（ソケット） ２１：取付けボルト ２２：ハウジング ２３：ばね ２４：摩耗プレート ２５：検出手段（ＥＭＡＴ装置又はコンピュータ） ２６：コイル ２７：電流供給手段（ケーブル） ２８：永久磁石 ３０：スリップリング組立体 ６０：ディスプレー手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブン・ピー・クラーク アメリカ合衆国バージニア州フォレスト、 ワインウッド・ロード200
Claims (14)
- 【請求項１】 部品にかかる荷重を測定しその部品の完
全性をモニターするための装置であって、 前記部品に係合するための内部空間を有する部品係合手
段と、 前記部品に前記部品係合手段を介して荷重を伝達するた
めの、該部品係合手段に着脱自在に取り付けることがで
きる駆動手段と、 前記部品内に渦電流を導入するために該部品に近接した
ところで前記部品係合手段の前記内部空間内に配置され
たコイルと、 前記コイルに電流を供給するための電流供給手段と、 磁界を創生するために前記内部空間内で前記コイルに係
合し前記駆動手段に取り付けられており、該コイルと協
同して前記部品内に非接触超音波信号を創生する磁石
と、 前記部品に供給された超音波信号の変化を検出するため
の検出手段と、 傷の存在を示す超音波信号の変化を表示するためのディ
スプレー手段と、から成る装置。 - 【請求項２】 前記部品係合手段は、ソケットから成る
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。 - 【請求項３】 前記ディスプレー手段は、前記部品の素
材、合金及び熱処理合金を検証するために前記超音波信
号を校正された信号と比較するようになされていること
を特徴とする請求項１に記載の装置。 - 【請求項４】 前記内部空間内に前記コイル及び磁石を
取り付けるためのハウジングと、前記部品に接触するた
めの摩耗プレートと、該ハウジングを前記駆動手段に連
結するための連結手段が配置されていることを特徴とす
る請求項２に記載の装置。 - 【請求項５】 前記連結手段は、前記ハウジングと前記
駆動手段に連結された取付けボルトから成ることを特徴
とする請求項４に記載の装置。 - 【請求項６】 前記連結手段は、前記ハウジングと前記
駆動手段の間に介設されたばねを含むことを特徴とする
請求項５に記載の装置。 - 【請求項７】 前記コイル及び検出手段にケーブルが接
続されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。 - 【請求項８】 前記駆動手段は、前記ケーブルを前記コ
イルにまで通すための穴を有していることを特徴とする
請求項７に記載の装置。 - 【請求項９】 前記ケーブルを前記コイルに電気的に接
続するための保持手段を含むことを特徴とする請求項８
に記載の装置。 - 【請求項１０】 前記保持手段は前記駆動手段に係合さ
せたスリップリング組立体から成ることを特徴とする請
求項９に記載の装置。 - 【請求項１１】 部品にかかる荷重を測定しその部品の
完全性をモニターするための方法であって、 前記部品に係合するための内部空間を画定する側壁を有
する部品係合手段を準備し、 前記内部空間を前記部品係合手段と前記部品の間に位置
させるような態様に該部品係合手段を該部品に係合さ
せ、 前記部品係合手段に着脱自在に取り付けることができる
駆動手段によって前記部品に該部品係合手段を介して荷
重を伝達し、 コイルを有する磁石を、該磁石及びコイルを前記部品係
合手段の前記内部空間内に位置させるように前記駆動手
段に取り付け、 前記部品係合手段の前記内部空間内に磁界を発生させ、 前記内部空間内に電流を供給して該電流と磁界とにより
前記部品内に非接触超音波信号を創生し、 該部品内の超音波信号をモニターし、 該超音波信号の変化を検出し、 傷の存在を示す超音波信号の変化を表示させること、か
ら成る方法。 - 【請求項１２】 前記部品係合手段としてソケットを用
いることを特徴とする請求項１１に記載の方法。 - 【請求項１３】 前記部品の素材、合金及び熱処理合金
を検証するために前記超音波信号を校正された信号と比
較する操作を含むことを特徴とする請求項１１に記載の
方法。 - 【請求項１４】 前記ソケットと前記部品を回転させる
操作を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 19990601 |