JP3361171B2

JP3361171B2 - ボルト軸力の測定装置及び測定方法

Info

Publication number: JP3361171B2
Application number: JP02141294A
Authority: JP
Inventors: 義久水口
Original assignee: 義久水口
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1994-02-18
Publication date: 2003-01-07
Anticipated expiration: 2018-01-07
Also published as: JPH07253368A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボルト軸力を締結状態
のまま測定することができるボルト軸力の測定装置及び
測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】機械や装置は、ボルト結合によって組み
立てられている場合が多い。従って、ボルトがゆるんだ
り破損したりすると、重大な事故を引き起こす恐れがあ
る。ボルト結合部の信頼性を確保するためには、締結状
態下のボルト軸力を正確に把握し、強度的に安全なボル
ト結合体を設計することが重要である。

【０００３】ボルト軸力測定法としては、歪ゲージ法、
トルクレンチ法等が一般に知られている。

【０００４】また、締結されていないボルトに対するボ
ルト軸力とボルト締付け長さ部分の往復伝搬時間変化率
との関係は、例えば、「超音波によるボルト軸力の簡易
測定法」（水口義久ら，日本機械学会第６８期通常総会
講演論文集（Ｖｏｌ．Ａ），Ｎｏ．９１０−１７，（１
９９１），ｐｐ．２２８−２３０．）に記載されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】歪ゲージ法によってボ
ルト軸力を測定するには、ボルトに歪ゲージをはって歪
を計測しなければならず、歪ゲージがなければ軸力を測
定できない。また、トルクレンチ法によってボルト軸力
を測定するには、ボルトまたはナットを回転させた時の
トルクの大きさから求めるため、ボルトまたはナットを
回転させずに締結状態下のボルト軸力を知ることはでき
なかった。

【０００６】また、上記「超音波によるボルト軸力の簡
易測定法」によれば、締結されていないボルトに対する
ボルト軸力とボルト締付け長さ部分の往復伝搬時間変化
率との関係は、ボルトとナットの座面部を利用して引張
り荷重を作用させて知ることができるが、締結状態下の
ボルト軸力はボルトまたはナットを回転させなければ測
定できなかった。

【０００７】そこで、本発明の目的は、締結状態下のボ
ルト軸力を、ボルトまたはナットを回転させることなく
測定することができる測定装置及び測定方法を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のボルト軸力の測定装置は、機械や装置に締
結された状態のボルト軸端のねじ部、またはボルト頭部
とナットの座面段付き部、または横側面段付き部に種々
の大きさの引張り荷重を与える引張り手段と、引張り手
段の引張り荷重を測定する荷重測定手段と、ボルトの一
端から超音波を入射させる超音波入射手段と、ボルトの
他端で反射した超音波を検出する超音波検出手段と、ボ
ルトの音速を設定後、ボルト内を超音波が往復する時間
である往復伝搬時間を測定する往復伝搬時間測定手段
と、引張り荷重がゼロの状態の往復伝搬時間である締結
状態下のボルト内の往復伝搬時間を計測し、種々の大き
さの引張り荷重を加えている状態における往復伝搬時間
の引張り荷重がゼロの状態の締結状態下のボルト内の往
復伝搬時間に対する変化量を算出し、引張り荷重がゼロ
の状態の締結状態下のボルト締付け長さ部分の往復伝搬
時間に対する前記変化量の比を算出し、ボルトの引張り
荷重に対する前記比またはボルト内の往復伝搬時間の変
化量をプロットしたときの傾きを求め、その傾きが変化
するときの引張り荷重からボルト軸部に追加される引張
り内力を減じた荷重を求めて、締結状態におけるボルト
の軸力とするボルト軸力算出手段とを備えている。

【０００９】また、本発明のボルト軸力の測定方法は、
ボルトの音速を設定後、機械や装置に締結された状態の
ボルトの一端から入射されボルトの他端で反射する超音
波が、引張り荷重を受けていない状態のボルト内を往復
する時間である締結状態下のボルト内の往復伝搬時間を
測定するステップと、ボルトに種々の大きさの引張り荷
重を加え、この状態のボルト内を超音波が往復する時間
である往復伝搬時間を測定し、引張り荷重がゼロの状態
の締結状態下の往復伝搬時間からの変化量を算出するス
テップと、引張り荷重がゼロの状態の締結状態下のボル
ト締付け長さ部分の往復伝搬時間に対する前記変化量の
比を算出するステップと、ボルトの引張り荷重に対する
前記比またはボルト内の往復伝搬時間の変化量をプロッ
トしたときの傾きを求め、その傾きが変化するときの引
張り荷重からボルトに追加される引張り内力を減じた荷
重を求めて、締結状態におけるボルトの軸力とするステ
ップとを備えている。

【００１０】

【作用】ボルト軸端のねじ部、またはボルト頭部とナッ
トの座面段付き部、または横側面段付き部を引張り装置
で引張りながら、ボルトの音速に設定後、ボルト内の超
音波の往復伝搬時間の変化量を計数器や時間／電圧変換
器などにより計測する。引張り荷重がボルトやナットの
座面部分と被締結体とに分離を生ずる力（最初に締結し
たボルト軸力＋ボルトに追加される引張り内力）以下の
場合、往復伝搬時間の変化量はボルトのばね定数と被締
結体のばね定数によって決まるボルトに追加される引張
り内力による、ボルト締付け長さ部分で生ずる伸びの変
化率と音速の変化率を加えた値となる。引張り荷重がボ
ルトやナットの座面部分と被締結体とに分離を生ずる力
（最初に締結したボルト軸力＋ボルトに追加される引張
り内力）以上になる場合、往復伝搬時間の変化量はボル
トのばね定数のみによって決まるボルトの引張り荷重に
よる、ボルト長さの部分で発生する伸びの変化率と音速
の変化率を加えた値となる。従って、最初に締結したボ
ルト軸力の大きさは、得られた引張り荷重とボルト締付
け長さ部分の往復伝搬時間変化率またはボルト内の往復
伝搬時間の変化量との測定曲線の傾きが変化する位置の
荷重からボルトに追加される引張り内力を減じた荷重で
与えられる。

【００１１】

【実施例】以下、添付図面に沿って本発明の実施例につ
いて説明する。なお、図面において同一または相当部分
には同一符号を用いる。

【００１２】まず、本発明の基礎となる測定原理につい
て説明する。図１（ａ）に示すような長さＬ_tのボルト
２の軸力Ｗを知るためには、まずボルト２の頭部に取り
付けられた超音波探触子５０から超音波を軸方向に入射
させる。そして、ボルト２の無負荷状態とボルト軸部に
引張り荷重を作用させた状態における超音波の往復伝搬
時間の変化量を測定する必要がある。このような超音波
式の長さ測定装置として超音波探傷器を用いることがで
きる。図１（ｂ）は超音波探傷器のブラウン管上に表示
されるエコー波形であり、入射波１０２と底面エコー１
０４とが示されている。

【００１３】ここで、無負荷時における超音波の往復伝
搬時間をＴ₁、ボルト２内の音速をｃとし、ボルト２の
軸部に引張り荷重を作用させた時の往復伝搬時間を
Ｔ₂、ボルトの長さＬ_t部分の伸び量をΔＬ_t、音速の
変化量をΔｃとする。

【００１４】この場合、ΔＬ_t及びΔｃはそれぞれＬ_t
とｃに対して非常に小さいため、負荷時と無負荷におけ
る往復伝搬時間の変化量ΔＴ（＝Ｔ₂−Ｔ₁）は、ボル
ト締付け長さＬ_f部分の無負荷時における往復伝搬時間
Ｔに対して十分小さい。従って、Ｌ_f部分における往復
伝搬時間の変化率ΔＴ／Ｔは近似的に次式で表される。

【００１５】

【数１】

【００１６】ただし、ΔＴ、ΔＬ_t＞０、Δｃ＜０であ
る。

【００１７】この式において、伸びの変化率ΔＬ_t／Ｌ
_f及び音速の変化率Δｃ／ｃは、ボルト２の弾性限度内
ではボルト２の軸応力σに比例する。従って、ボルト締
付け長さＬ_f部分における往復伝搬時間の変化率ΔＴ／
Ｔは軸応力σに比例し、伸びの変化率ΔＬ_t／Ｌ_fと音
速の変化率−Δｃ／ｃとを加えた値となる。なお、ボル
ト２の伸びΔＬ_tは、長さＬ_tのうち、ボルト頭部やナ
ット結合されているねじ部の一部でわずかに生じている
が、締付け長さＬ_fの部分でほとんど生じているとみな
している。従って、ΔＴ／Ｔとボルト軸応力σの関係は
近似的に次式で表される。

【００１８】

【数２】

【００１９】ここで、ｋは比例定数である。また、軸応
力σはボルト軸力Ｗをボルトの円筒部長さＬ_f1（軸径ｄ
₁）と有効ねじ部長さＬ_f2（谷径ｄ₂）における平均断
面積で除した値で近似的に与えられ次式で表される。

【００２０】

【数３】

【００２１】本発明では、上述の性質を利用し、図３〜
６のようなボルト締結体において、最初に被締結体をＦ
なる引張り力すなわちボルト軸力で締結した後、このボ
ルト締結体に外力として引張り荷重Ｗを作用させた時、
ボルト軸部にＦ_tなる引張り内力が追加され、被締結体
からＦ_cなる圧縮力が失われる。なお、ボルトのバネ定
数をｋ_t、被締結体のばね定数をｋ_cとする。このと
き、Ｆ_tとＦ_cは次式で与えられる。

【００２２】

【数４】

【００２３】ここで、ΦはＦ_tとＷとの比で与えられ、
ボルト内力係数と呼ばれる。

【００２４】図７はボルト締結体に作用する引張り荷重
Ｗと最初のボルト軸力Ｆ、引張り内力Ｆ_tおよび圧縮力
Ｆ_cに関する式( ４) の関係を表したものである。Ｗが
大きくなり、Ｗ_oになると、ボルトと被締結体とが分離
し、ＷがＷ₀の荷重より大きくなると、ボルトのばね定
数ｋ_tのみがボルトの引張り荷重に関係するようにな
る。ボルト軸端のねじ部２ａ、ボルト頭部８ａ、１２ａ
またはナット１０に引張り装置（後述の図８、９を参
照）を取り付けて引張り荷重を加えながら、ボルトの音
速に設定後、ボルト頭部に取り付けた超音波探触子から
超音波を入射させ、ボルトの頭部からボルトの底面まで
超音波が伝搬する往復時間の変化量を計数器または時間
／電圧変換機能などを用いて計測し、引張り荷重とボル
ト締付け長さＬ_f部分における往復伝搬時間変化率また
はボルト内の往復伝搬時間の変化量との測定曲線の傾き
が変化する位置を決め、その時の引張り荷重Ｗ₀の大き
さからボルトに追加される引張り内力Ｆ_toを減じた荷重
の大きさを締結状態下のボルト軸力として求めるもので
ある。

【００２５】ここで、引張り荷重ＷがＷ₀の荷重以下の
場合、往復伝搬時間の変化量はボルトのばね定数ｋ_tと
被締結体のばね定数ｋ_cによって決まるボルトに追加さ
れる引張り内力Ｆ_tによるボルト締付け長さＬ_fの部分
で生ずる伸びの変化率と音速の変化率を加えた値とな
る。引張り荷重ＷがＷ₀の荷重以上になる場合、往復伝
搬時間の変化量はボルトのばね定数ｋ_tのみによって決
まるボルトの引張り荷重によるボルト締付け長さＬ_f部
分で発生する伸びの変化率と音速の変化率を加えた値と
なる。従って、最初に締結したボルト軸力の大きさは、
得られた引張り荷重とボルト締付け長さＬ_f部分におけ
る往復伝搬時間変化率またはボルト内の往復伝搬時間の
変化量との測定曲線の傾きが変化する位置から求められ
る荷重Ｗ_oから、ボルトに追加される引張り内力Ｆ_toを
減じた荷重で与えられる。

【００２６】なお、一般に用いられているボルトやナッ
トには、図４〜６に示したような座面段付き部９、１
１、１３はない。

【００２７】以下に、この実施例の詳細について述べ
る。まず、超音波探傷器の時間／電圧変換器について説
明しておく。図２はボルトの負荷前後において、超音波
探傷器（例えば、（株）トキメック製のＳＭ９０ＤＸ
型）のブラウン管上に現われる像を示したものであり、
ボルト底面から得られるエコーの位置を実線１０６と破
線１０８で示す。この図をもとに、ボルト内の往復伝搬
時間を電圧に変換する時間／電圧変換器について説明す
る。

【００２８】２つのエコーを含む探傷範囲でゲート起点
（Ａ点）とゲートエンド（Ｂ点）を定めた後、エコーに
対してしきい値１１０を適当に決める。これにより、ボ
ルトの負荷前後に発生する底面エコーに対し、ゲートエ
ンドのＢ点からしきい値１１０のＣ点及びＣ′点までの
時間がそれぞれ電圧Ｖ₁及びＶ₂に変換される。これが
時間／電圧変換器である。従って、ボルト内の超音波の
往復伝搬時間の変化量は、電圧差（Ｖ₁−Ｖ₂）を測定
することにより得られる。

【００２９】次に、ボルトに引張り荷重を与える引張り
装置について説明する。

【００３０】図３〜５は、ボルト２、８とナット４、１
０とによって、被締結体６ａ、６ｂを締結している状態
を示すもので、ボルト２、８は通しボルトになってい
る。また、図６は、めねじが形成された被締結体１４ｂ
にボルト１２を直接ねじ込んで被締結体１４ａ、１４ｂ
を締結した状態を示すもので、ボルト１２は植込みボル
トになっている。また、図４、６に示したボルト８、１
２の頭部８ａ、１２ａの座面は段付きになっており、図
５に示したナット１０の座面も段付きになっている。

【００３１】なお、ボルトに引張り荷重を与えるのは、
座面段付き部からではなく、図３中に点線で示したよう
に、ボルトまたはナットの横側面の中間部分に設けられ
たへこみ部である横側面段付き部によってもよい。横側
面段付き部の形状としては、図３に示したような矩形の
他、三角形または円形等、ボルトやナットに引張り荷重
を与えられるへこみでもよい。さらに、ボルトまたはナ
ットの断面六角形の部分を圧着することにより引張り荷
重を与えてもよい。なお、図１４、図１５は、座面段付
き部の代わりに横側面段付き部を形成した図であって、
それぞれ図４、図５に対応する。

【００３２】図８は、図３に示したようなボルト２の軸
端にねじ部２ａが残っている場合に用いられる引張り装
置の断面図である。被締結体６ａ、６ｂはボルト２及び
ナット４により、締付け長さＬ_fで締結されている。被
締結体６ａ上には円筒形外枠２０が置かれている。円筒
形外枠２０の内部は空胴になっており、その空胴部内に
は荷重検出枠２２が配置されている。荷重検出枠２２の
外径は円筒形外枠２０の内径とほぼ一致しており、荷重
検出枠２２は円筒形外枠２０内を滑らかに上下に移動す
るようにされている。円筒形外枠２０に対して荷重検出
枠２２が回転することなく上下にのみ移動するように、
ボルト２４が円筒形外枠２０の長穴２６（図８内の
（ａ）参照）を通って荷重検出枠２２に取り付けられて
おり、ガイドとなっている。

【００３３】荷重検出枠２２の上部には開口部２３が形
成され、この開口部２３にはスラストベアリング２８を
介して、支持用ボルト３０が通されている。支持用ボル
ト３０は支柱ねじ３２に螺合している。支柱ねじ３２の
側面には止めねじ３４が取り付けられ、止めねじ３４の
先端が支持用ボルト３０に押し付けられることにより、
支持用ボルト３０が緩まないようにされている。支柱ね
じ３２の外周面にはおねじが形成され、円筒形外枠２０
の開口部２１に形成されためねじと螺合している。支柱
ねじ３２にはラチェットレンチ３６がナット３８によっ
て固定されている。従って、ラチェットレンチ３６によ
って支柱ねじ３２を回転させると支柱ねじ３２は上下に
移動し、支持用ボルト３０も回転しながら上下に移動す
る。スラストベアリング２８が介在するため、荷重検出
枠２２は回転せずに上下に移動することになる。具体的
には、ラチェットレンチ３６を左に回転させると、支柱
ねじ３２は円筒形外枠２０から抜け出る方向に移動し、
荷重検出枠２２は上に移動する。

【００３４】荷重検出枠２２の下部には、ねじ枠４０が
取り付けられている。ねじ枠４０は、止めねじ４２によ
って荷重検出枠２２の下部に固定する。その後、円筒形
外枠２０を把持してねじ枠４０を回転させることによ
り、ねじ部２ａとねじ枠４０とを結合させる。

【００３５】ねじ部２ａとねじ枠４０とが結合した状態
で、ラチェットレンチ３６を左に回転させると、ねじ部
２ａは上方向に引張られ、荷重検出枠２２に引張り荷重
が作用し、ボルト２の軸部の軸力が変化する。荷重検出
枠２２は、剛性が低くされた検出部２２ａを有してお
り、検出部２２ａには１個または数個、好ましくは４個
の歪ゲージ４４が貼られ、そのリード線４６はコネクタ
４８と結線されている。従って、引張り荷重の大きさは
歪ゲージ４４に生じる歪を測定することによって知るこ
とができる。

【００３６】一方、ボルト２の頭部２ｂには超音波探触
子５０が取り付けられる。超音波探触子５０はカップ状
の位置決め枠５２内に入れられており、位置決め枠５２
は円筒形圧着枠５４の凹部内に入れられている。円筒形
圧着枠５４には深穴５５が形成されており、深穴５５内
には圧着スプリング５６が配置されている。

【００３７】円筒形圧着枠５４は、止めねじ５８の先端
が頭部２ｂの側面に押し付けられることにより、頭部２
ｂを覆うように取り付けられる。頭部２ｂの上面には、
超音波深触子５０からの超音波が効率よくボルト内に伝
達されるように接触媒質（例えば、機械油やグリセリン
など）が塗布されている。圧着スプリング５６が位置決
め枠５２を押し込むため、超音波探触子５０は一定の圧
力でボルト２の頭部２ｂに圧着される。なお、超音波探
触子５０のケーブル６０は、位置決め枠５２及び円筒形
圧着枠５４の側面に設けられたＵ字孔５３を通して外へ
取り出される。

【００３８】次に、図９は、図４、６に示したような、
ボルト８、１２の頭部８ａ、１２ａの座面に、座面段付
き部９、１３が形成されている場合に用いられる引張り
装置の断面図である。

【００３９】被締結体６ａ上には円筒形支持枠７０が置
かれ、その上に鋼球７６を介して円筒形外枠２０が置か
れ、それらの内部は空胴になっている。その空胴部内に
は荷重検出枠２２が配置されている。荷重検出枠２２の
外径は円筒形外枠２０の内径とほぼ一致しており、荷重
検出枠２２は円筒形外枠２０内を滑らかに上下に移動す
るようにされている。円筒形外枠２０に対して荷重検出
枠２２が回転することなく、上下にのみ移動するよう
に、ボルト２４、７８が円筒形外枠２０の長穴２６、２
７（図９内の（ａ）、（ｂ）参照）を通って荷重検出枠
２２に取り付けられており、ガイドとなっている。

【００４０】荷重検出枠２２の上部には開口部２３が形
成され、この開口部２３にはスラストベアリング２８を
介して支持用ボルト３０が通されている。支持用ボルト
３０は支柱ねじ３２に螺合している。支柱ねじ３２の側
面には止めねじ３４が取り付けられ、止めねじ３４の先
端が支持用ボルト３０に押し付けられることにより、支
持用ボルト３０が緩まないようにされている。支柱ねじ
３２の外周面にはおねじが形成され、円筒形外枠２０の
開口部２１に形成されためねじと螺合している。支柱ね
じ３２にはラチェットレンチ３６がナット３８によって
固定されている。図８に示した場合と同様に、ラチェッ
トレンチ３６を左に回転させると荷重検出枠２２は上に
移動する。

【００４１】円筒形外枠２０及び円筒形支持枠７０の空
胴内には、左右対称に分割された引張り爪７２ａ、７２
ｂが配置されている。引張り爪７２ａ、７２ｂはボルト
８の頭部８ａを左右から挟み込んでいる。荷重検出枠２
２の下部側面には前述の止めねじ７８が取り付けられ、
荷重検出枠２２と引張り爪７２ａ、７２ｂとが固定され
る。引張り爪７２ａ、７２ｂの内部は空胴になってお
り、この空胴部内には探触子固定枠７４が配置されてい
る。探触子固定枠７４はカップ状をなしており、その凹
部内には位置決め枠８０が配置されている。探触子固定
枠７４と位置決め枠８０との間には圧着スプリング８２
が配置され、位置決め枠８０と頭部８ａとの間には超音
波探触子５０が配置されている。従って、超音波探触子
５０は頭部８ａに一定圧力で圧着される。超音波探触子
５０は位置決め枠８０に形成された凹部に入り込むた
め、超音波探触子５０は頭部８ａの中心に位置決めされ
る。また、止めねじ８４が探触子固定枠７４に取り付け
られ、その先端が位置決め枠８０に形成された凹部に入
り込んでおり、位置決め枠８０が探触子固定枠７４から
外れず、しかも上下に移動できるようにされている。ま
た、超音波探触子５０と接するボルト８の頭部８ａ上に
は、接触媒質（例えば、機械油やグリセリンなど）が塗
布されている。超音波探触子５０のケーブル６０は、引
張り爪７２ａ、７２ｂ、円筒形支持枠７０及び円筒形外
枠２０に形成されたＵ字孔７１を通して外に取り出され
ている。

【００４２】次に、ボルト８の頭部８ａにこの装置を取
り付ける方法について説明する。まず、左右対称に分割
された引張り爪７２ａ、７２ｂを被締結体６ａ上に置い
て、頭部８ａを左右から挟み込むようにする。このと
き、位置決め枠８０が取り付けられた探触子固定枠７４
および圧着スプリング８２も同時に挟み込んでおく。続
いて、引張り爪７２ａ、７２ｂの外側に円筒形支持枠７
０を置き、図８に示した引張り装置のうち、ねじ枠４０
と止めねじ４２を取りはずした円筒形外枠２０を円筒形
支持枠７０上に、鋼球７６で位置決めしながら設置す
る。そして、荷重検出枠２２の下部の両側より止めねじ
７８をねじ込むことにより、荷重検出枠２２と引張り爪
７２ａ、７２ｂとを連結する。

【００４３】この引張り装置においても、荷重検出枠２
２はラチェットレンチ３６を左回転させると上方向に移
動し、締結ボルト８の頭部８ａが上方向に引張られてボ
ルト８に引張り荷重が付与される。なお、図８の場合と
同様に、引張り荷重の大きさは歪ゲージ４４に生ずる歪
の大きさとの関係から測定できる。

【００４４】次に、図５に示したボルト締結体におい
て、ナット１０の座面段付き部１１を引張る引張り装置
について述べる。この場合、ナット１０の座面段付き部
１１を引張るためには、図９に示した装置のうち、探触
子固定枠７４、位置決め枠８０及び圧着スプリング８２
を取り除いたものをそのまま流用する。なお、締結ボル
ト２の座面は段付きになっていてもかまわない。一方、
超音波探触子５０の取付け法は、図８に示したものと同
じである。

【００４５】次に、ボルトの引張り荷重を検出する回路
について述べる。図１０はボルトの引張り荷重を検出
し、さらに後述するように超音波の往復伝搬時間を電圧
として計測する回路を示すブロック図である。引張り荷
重は図８、９に示した歪ゲージ４４によって検出され、
この歪は歪計１４７でアナログ出力に変換された後、Ａ
Ｄ変換器１４８によってディジタル値に変換される。

【００４６】次に、時間／電圧変換器に関する検出回路
について説明する。超音波の往復伝搬時間の変化量は、
ボルト頭部に取り付けられた超音波探触子５０から超音
波を入射することにより測定される。まず、送信パルサ
１５０によって、超音波探触子５０の振動周波数に相当
する繰り返し周期のパルス信号が発生され、このパルス
信号は増幅されて送波パルス電圧が発生され、この送波
パルス電圧が超音波探触子５０に印加される。超音波探
触子５０は、送波パルス電圧に応答して超音波パルスを
発生し、この超音波パルスがボルト内に入射される。

【００４７】一方、超音波パルスの入射によって発生し
たエコーは、超音波探触子５０によって電気信号である
エコー信号に変換され、このエコー信号は受信増幅器１
５１によって増幅された後、検波ビデオ回路１５２で検
波される。検波されたエコー信号は、波形切換１５３で
波形整形された後、垂直増幅回路１５５と掃引発生水平
増幅器１５７の作用により、エコー波形としてＣＲＴ表
示器１５８に表示される。なお、垂直増幅回路１５５は
ゲート発生回路１５４によって制御され、掃引発生水平
増幅器１５７はパルス位置制御回路１５６によって制御
される。また、掃引発生水平増幅器１５７の出力信号
は、ゲート発生回路１５４及び送信パルサ１５０に印加
される。さらに、ＣＲＴ表示器１５８はＣＲＴコントロ
ーラ１５９によって制御される。

【００４８】一方、検波ビデオ回路１５２を経たエコー
信号は、ゲート内のエコーエンドの点（図２のＢ点）か
らエコーのしきい値１１０（図２参照）の点までの時間
は、時間／電圧変換器１６０によって電圧に変換され
る。時間／電圧変換器１６０によって得られる電圧は直
流増幅器１６１で増幅された後、ＡＤ変換器１６２によ
りディジタル値に変換される。荷重及び時間／電圧変換
器による電圧を示すディジタル値は記憶装置１６３に格
納され、後述の処理が施された後、荷重とボルト締付け
長さＬ_f部分における往復伝搬時間変化率ΔＴ／Ｔまた
はボルト内の往復時間の変化量ΔＴはパソコン１６４に
表示される。さらに、処理データは、外部メモリ１６
５、例えば磁気テープ、ハードディスクあるいは光磁気
ディスク等に記録される。

【００４９】次に、超音波の往復伝搬時間と時間／電圧
変換器の電圧の校正実験について説明する。ボルト内の
超音波往復伝搬時間と時間／電圧変換器を用いて得られ
る電圧との関係を調べるために、長さが異なるｈ₁＝４
０. ０５ｍｍとｈ₂＝４５.０８ｍｍのＳＳ４１材（音
速：５９６０ｍ／ｓ）の校正ブロックを用い、以下の実
験を行なった。

【００５０】まず、長さがｈ₁の校正ブロックの端面上
に接触媒質を介して超音波探触子（周波数：５ＭＨz 、
振動子直径：φ５ｍｍ）を取り付けた後、超音波を入射
させた。この時の底面エコー高さは常に１００％になる
ようにゲイン設定した。そして、時間／電圧変換器を用
い、底面エコーに対してしきい値を３０％に設定した時
に検出されるＢＣ間の電圧Ｖ₁（図２参照）を、直流増
幅器１６１で増幅して測定した。次に、同様にして、長
さがｈ₂の校正ブロックに超音波を入射させ、検出され
るＢＣ′間の電圧Ｖ₂（図２参照）を測定した。また、
長さがｈ₁及びｈ₂の校正ブロック内の超音波の往復伝
搬時間Ｔ_h1及びＴ_h2は、それぞれの校正ブロックの２倍
の長さを音速で除して算出した。

【００５１】その結果、校正ブロックの長さの差がｈ₂
−ｈ₁＝５. ０３ｍｍに対して、往復伝搬時間の変化量
はＴ_h＝Ｔ_h2−Ｔ_h1＝１５. １２８×１０^-6−１３. ４
４０×１０^-6＝１. ６８８×１０^-6（ｓｅｃ）であり、
電圧差はＶ_h＝Ｖ₁−Ｖ₂＝１. １９１（Ｖ）であっ
た。

【００５２】次に、ボルト締付け長さＬ_f部分の往復伝
搬時間変化率を測定することによりボルトの軸力を求め
る実験について説明する。

【００５３】まず、実験材料について説明する。図３〜
５に示したボルト締結体について、ボルトの引張り荷重
とボルト締付け長さＬ_f部分の往復伝搬時間の変化率Δ
Ｔ／Ｔの関係を調べた。図３及び５に示すようなボルト
２は軸径がｄ₁＝１２ｍｍ、軸部長さがＬ＝１１０ｍ
ｍ、ネジ部長さが４５ｍｍ、材質がＳＳ４１材の標準の
ものである。図４に示すようなボルト８は図３及び５の
ボルト２の頭部の座面に直径１７ｍｍ、深さ４ｍｍの段
付き加工を施したものである。図３、４のナット４はＭ
１２の標準のものである。図５のナット１０は図３、４
のナット４の座面に直径１７ｍｍ、深さ４ｍｍの段付き
加工を施したものである。締結体６ａ、６ｂとしては、
厚さがＬ_f＝７８ｍｍのＳ４５Ｃ材の平板を用いた。な
お、ボルト２、８は刻印のある頭部を平面に加工し、超
音波探触子がボルト頭部に密着して取り付けられるよう
にした。また、締結ボルトの軸端部は平面に加工し、底
面エコーが良好に得られるようにした。

【００５４】次に、図３のように、ボルト軸端にねじ部
２ａが残っている場合のボルト軸力測定について述べ
る。厚さがＬ_f＝７８ｍｍの平板をＭ１２のボルトとナ
ットで締結し、ボルト軸力がＦ＝７．１５ｋＮになるよ
うにした。その後、ボルト軸端のねじ部には、図８に示
す引張り装置を取り付け、ラチェットレンチ３６で支柱
ねじ３２を左回転させ、ボルト軸端のねじ部２ａに引張
り荷重Ｗを作用させた。そして、引張り荷重Ｗの大きさ
は、荷重検出枠２２に貼られている歪ゲージ４４による
歪をコネクタ４８を介して歪計１４７（図１０参照）に
結線して計測した。引張り荷重Ｗの大きさは、０．９８
ｋＮずつ増加させ、ボルト軸力の大きさである７．１５
ｋＮを越えて１３．７２ｋＮまで増加させた。一方、音
速はボルトの音速であるｃ＝５９６０ｍ／ｓに設定後、
超音波はボルト２の頭部２ｂに取り付けた超音波探触子
５０より入射させ、この時に得られる底面エコー高さが
常に１００％になるように超音波探傷器のゲインを設定
した。そして、この超音波探傷器の時間／電圧変換器を
用い、底面エコーに対してしきい値を３０％に設定し
て、引張り荷重Ｗがゼロの締結状態下のボルト内の電圧
Ｖ₁（図２参照）は、校正実験の測定条件と同じ設定
で、直流増幅器で増幅した後に測定された。次に、ボル
トに引張り荷重Ｗを作用させて検出される電圧Ｖ₂（図
２参照）を測定した。そして、引張り荷重Ｗ及び電圧Ｖ
₁、Ｖ₂のアナログ出力は、ＡＤ変換した後、パーソナ
ルコンピュータ１６４（図１０参照）にディジタル値と
して格納した。

【００５５】ボルト２の軸部に作用する引張り荷重Ｗと
ボルト締付け長さＬ_f部分の往復伝搬時間の変化率ΔＴ
／Ｔとの関係は、次のようにして求められる。ボルト内
の往復伝搬時間の変化量ΔＴは、ボルト長さＬ_tのう
ち、ボルト頭部やナット結合されているねじ部の一部で
わずかに生じているが、ボルト軸応力が生じているボル
ト締付け長さＬ_f部分でほとんど生じているとみなされ
る。従って、ΔＴは時間／電圧変換器により検出される
締結状態下のボルト内の電圧差Ｖ_b（＝Ｖ₁−Ｖ₂）、
ボルトの音速ｃを用いて近似的に次式で与えられる。

【００５６】

【数５】

【００５７】式（２）と式（５）より、Ｖ_hと（ｈ₂−
ｈ₁）に測定結果を代入すると、ΔＴ／Ｔは近似的に次
式で与えられる。

【００５８】

【数６】

【００５９】図１１に、この場合の測定結果を示す。図
中の横軸はボルト軸端に作用させた引張り荷重Ｗ、縦軸
は式（６）を用いて得られた超音波によるボルト締付け
長さＬ_f部分の往復伝搬時間変化率ΔＴ／Ｔである。最
初に締結したボルト軸力はＦ＝７．１５ｋＮである。図
において○印は実験結果であり、ある点を境にして傾き
が異なる２つの直線からなることがわかる。これら２つ
の直線の交点の引張り荷重の大きさＷ₀＝８．８２ｋＮ
は、最初に締結した時のボルト軸力の大きさＦとＷがＷ
₀になった時の引張り内力Ｆ_t0を加えた値になってい
る。式（４）における内力係数Φは、文献（山本晃，ね
じ締結の理論と計算，ｐ．６８，養賢堂（１９７７））
によれば、直径ｄ₁＝１２ｍｍ、板厚Ｌ_f＝７８ｍｍの
場合、Φ＝０．２である。従って、式（４）よりＦ_t0＝
１．７６ｋＮとなる。従って、傾きが異なる２つの直線
の交点の荷重Ｗ₀＝８．８２ｋＮから式（４）で得られ
る引張り内力Ｆ_t0＝１．７６ｋＮを減じた荷重７．０６
ｋＮが最初に締結した時のボルト軸力の大きさとなる。
この結果はＦ＝７．１５ｋＮの値とほぼ同じであり、こ
のようにすればボルト軸力Ｆを求めることができる。

【００６０】次に、図４〜６に示したようなボルト８、
１２の頭部の座面段付き部９、１３またはナット１０の
座面段付き部１１を引張る場合のボルト軸力測定につい
て述べる。

【００６１】図４，６のようなボルト頭部の座面段付き
部を引張る場合は、厚さがＬ_f＝７８ｍｍの平板をＭ１
２のボルトとナットで締結し、ボルト軸力がＦ＝７．０
６ｋＮになるようにした。その後、ボルトの座面段付き
部９、１３に図９に示す引張り装置を取り付け、引張り
荷重Ｗを作用させた。この場合、引張り荷重Ｗの大きさ
は、０．９８ｋＮごとに増加させ、最初に締結したボル
ト軸力の大きさであるＦ＝７．０６ｋＮを越えて１１．
７６ｋＮまで増加させた。

【００６２】図５のようなナットの座面段付き部を引張
る場合は、厚さがＬ_f＝７８ｍｍの平板をＭ１２のボル
トとナットで締結し、ボルト軸力がＦ＝６．８６ｋＮに
なるようにした。その後、ナットの座面段付き部１１に
図９に示す引張り装置を取り付け、引張り荷重Ｗを作用
させた。この場合、引張り荷重Ｗの大きさは、０．９８
ｋＮごとに増加させ、最初に締結したボルト軸力の大き
さであるＦ＝６．８６ｋＮを越えて１２．７４ｋＮまで
増加させた。

【００６３】図４、６に対応した実験結果を図１２、１
３に示す。横軸と縦軸は図１１と同じである。図から容
易にわかるように、図１２、１３の実験結果は傾きが異
なる２つの直線から構成されている。

【００６４】図１２における直線の交点の引張り荷重の
大きさＷ₀＝７．４５ｋＮは、最初に締結したボルト軸
力Ｆ＝７．０６ｋＮより６％程大きな値であった。この
場合、ボルト頭部が段付きになっているため、ボルトの
ばね定数ｋ_tは被締結体のばね定数ｋ_cに比べて非常に
小さくなり、ボルトに追加される引張り内力Ｆ_t0がＷ₀
の６％に相当している。従って、傾きが異なる２つの直
線の交点から求まる引張り荷重Ｗ₀より約６％小さい荷
重より、最初に締結した時のボルト軸力の大きさＦを求
めることができる。なお、引張り内力Ｆ_t0はいろいろな
ボルト締付体に対して式（４）を用いて求めてやればよ
い。

【００６５】図１３における直線の交点の引張り荷重の
大きさＷ₀＝７．０６ｋＮは、最初に締結したボルト軸
力Ｆ＝６．８６ｋＮより３％程大きな値であった。この
場合、ナット座面部が段付きになっているため、ボルト
・ナットのばね定数ｋ_tは被締結体のばね定数ｋ_cに比
べて非常に小さくなり、ボルトに追加される引張り内力
Ｆ_t0がＷ₀の約３％に相当している。従って、傾きが異
なる２つの直線の交点から求まる引張り荷重Ｗ₀より約
３％小さい荷重より、最初に締結した時のボルト軸力の
大きさＦを求めることができる。なお、引張り内力Ｆ_t0
はいろいろなボルト締付体に対して式（４）を用いて求
めてやればよい。

【００６６】なお、上記実施例においては、ボルト中の
超音波によるボルト内の往復伝搬時間の変化量は超音波
探傷器の時間／電圧変換器によって計測したが、他の方
法、例えば計数器または超音波波形のアナログ／ディジ
タル変換デ−タなどを直接利用してもよい。また、時間
の計測法には、「音弾性の基礎と応用」（福岡秀和他、
オーム社（１９９３）、ｐｐ. ３３〜４３）に記載され
ているように、シングアラウンド法、パルス・エコーオ
ーバーラップ法、位相干渉法等がある。

【００６７】超音波波形のアナログ／ディジタル変換デ
−タを利用する具体的な測定装置としては、下記の測定
器がある。パルサーレシーバー（１０５０ＰＲＪ型、日
本マテック（株））に取り付けられた超音波探触子によ
り受信された超音波波形をＡ／Ｄ変換ボード（ＳＴＲ−
８１００型、日本マテック（株））でディジタル化し、
往復伝搬時間の変化量を直接計測する方法である。

【００６８】また、本発明で使用されるボルトの頭部や
ナットには座面段付き部または横側面段付き部が形成さ
れている。座面段付き部が形成されている場合は、座面
の面積は座面段付き部を有しない通常のボルトやナット
に比べて小さくなっている。従って、前者の場合は後者
の場合に比べて座面の圧力が大きくなり、ボルトの緩み
防止効果を高められ、ボルトやナットとしての機能も保
持している。

【００６９】

【発明の効果】本発明によれば、ボルト軸端のねじ部、
またはボルトとナットの座面段付き部、または横側面段
付き部に引張り荷重を加えて、ボルト頭部より入射させ
た超音波によるボルト締付け長さ部分の往復伝搬時間変
化率または往復伝搬時間の変化量を計測することによ
り、機械や装置がボルトとナットによる通しボルトで締
結されている場合や、構造体のめねじ部にボルトを直接
植込みボルトで締結されている場合などについて、締結
状態下のボルト軸力を、ボルトまたはナットを回転させ
ることなく、簡単に測定することができる。なお、引張
り荷重に対するボルト内の往復伝搬時間の変化量の関係
よりボルト軸力を求める方法を用いれば、被締結体の厚
さを考えなくてもよいので便利である。

【００７０】また、本発明で用いられるボルト軸端のね
じ部、またはボルトとナットの座面段付き部、または横
側面段付き部に引張り荷重を加える装置によれば、引張
り荷重を簡単に付与することができ、また引張り荷重を
容易に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定原理についての説明図である。

【図２】ボルトに負荷をかける前後における、超音波探
傷器のブラウン管上に現われる像を示した図である。

【図３】ボルト締結体を示す断面図である。

【図４】ボルト締結体を示す断面図である。

【図５】ボルト締結体を示す断面図である。

【図６】ボルト締結体を示す断面図である。

【図７】ボルトに引張り荷重を与えた時のボルトの軸力
とボルトの伸び、被締結体の縮みの関係を示す図であ
る。

【図８】ボルトに引張り荷重を与える装置の断面図であ
る。

【図９】ボルトに引張り荷重を与える装置の断面図であ
る。

【図１０】ボルト引張り荷重及び超音波往復伝搬時間を
測定する回路を示す図である。

【図１１】ボルト軸力の測定結果を示すグラフである。

【図１２】ボルト軸力の測定結果を示すグラフである。

【図１３】ボルト軸力の測定結果を示すグラフである。

【図１４】横側面段付き部を形成したボルト締結体を示
す断面図である。

【図１５】横側面段付き部を形成したボルト締結体を示
す断面図である。

【符号の説明】

２、８、１２…ボルト、９、１１、１３…座面段付き
部、１０…ナット、４０…ねじ枠、４４…歪ゲージ、５
０…超音波探触子、７２ａ、７２ｂ…引張り爪。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−203514（ＪＰ，Ａ) 特開平５−203513（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−216235（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−82935（ＪＰ，Ａ) 特開平２−274476（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−133638（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−249057（ＪＰ，Ａ) 特開平５−66162（ＪＰ，Ａ) 水口義久，超音波による締結状態下のボルト軸力測定，日本機械学会全国大会講演論文集，日本機械学会，1994年，Ｖｏｌ．72，Ｎｏ．Ｖｏｌ．１，ｐ．315 −317 水口義久他，超音波によるボルト軸力の簡易測定法，日本機械学会通常総会講演会講演論文集，日本機械学会，1991 年，Ｖｏｌ．68ｔｈ，Ｎｏ．ＰｔＡ, ｐ．228−230 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 5/00 103 F16B 31/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】機械や装置に締結された状態のボルトに
種々の大きさの引張り荷重を与える引張り手段と、前記引張り手段の引張り荷重を測定する荷重測定手段
と、前記ボルトの一端から超音波を入射させる超音波入射手
段と、前記ボルトの他端で反射した超音波を検出する超音波検
出手段と、前記ボルト内を超音波が往復する時間である往復伝搬時
間を測定する往復伝搬時間測定手段と、引張り荷重がゼロの状態の締結状態下のボルト内の往復
伝搬時間を計測し、種々の大きさの引張り荷重を加えて
いる状態における往復伝搬時間の前記引張り荷重がゼロ
の状態の締結状態下のボルト内の往復伝搬時間に対する
変化量を算出し、引張り荷重がゼロの状態の締結状態下
のボルト締付け長さ部分の往復伝搬時間に対する前記変
化量の比を算出し、前記ボルトの引張り荷重に対する前
記比またはボルト内の往復伝搬時間の変化量をプロット
したときの傾きを求め、その傾きが変化するときの引張
り荷重からボルト軸部に追加される引張り内力を減じた
荷重を求めて、締結状態における前記ボルトの軸力とす
るボルト軸力算出手段と、を備えたボルト軸力の測定装
置。
【請求項２】前記往復伝搬時間測定手段は、前記ボル
ト内の超音波の往復伝搬時間を電圧に変換し、この電圧
の変化から前記往復伝搬時間を測定する請求項１のボル
ト軸力の測定装置。
【請求項３】前記往復伝搬時間測定手段が、超音波探
傷器である請求項２のボルト軸力の測定装置。
【請求項４】前記往復伝搬時間測定手段が、計数器で
ある請求項１のボルト軸力の測定装置。
【請求項５】前記往復伝搬時間測定手段が、超音波波
形のアナログ／デイジタル変換データを直接利用するも
のである請求項１のボルト軸力の測定装置。
【請求項６】前記ボルトまたは前記ボルトに螺合する
ナットに座面段付き部が形成され、前記引張り手段が、
前記座面段付き部に噛み合う引張り爪を備えている請求
項１のボルト軸力の測定装置。
【請求項７】前記ボルトまたは前記ボルトに螺合する
ナットの横側面に横側面段付き部が形成され、前記引張
り手段が、前記横側面段付き部に噛み合う引張り爪を備
えている請求項１のボルト軸力の測定装置。
【請求項８】前記引張り手段が、前記ボルトのねじ部
に螺合する螺合手段を備えている請求項１のボルト軸力
の測定装置。
【請求項９】前記ボルトに取り付けられ、凹部を有す
る圧着枠と、前記圧着枠の凹部に入れられ、凹部を有する位置決め枠
と、前記位置決め枠の凹部に入れられ、前記超音波検出手段
の一部を構成する超音波探触子と、前記圧着枠と前記位置決め枠との間に配置され、前記位
置決め枠を押し込むことにより前記超音波探触子を前記
ボルトの頭部に一定の圧力で圧着させる圧着スプリング
と、を備えた請求項１のボルト軸力の測定装置。
【請求項１０】機械や装置に締結された状態のボルト
の一端から入射され前記ボルトの他端で反射する超音波
が、引張り荷重を受けていない状態の前記ボルト内を往
復する時間である締結状態下のボルト内の往復伝搬時間
を測定するステップと、前記ボルトに種々の大きさの引張り荷重を加え、この状
態の前記ボルト内を超音波が往復する時間である往復伝
搬時間を測定し、前記引張り荷重がゼロの状態の締結状
態下のボルト内の往復伝搬時間からの変化量を算出する
ステップと、前記締結状態下のボルト締付け長さ部分の往復伝搬時間
に対する前記変化量の比を算出するステップと、前記ボルトの引張り荷重に対する前記比またはボルト内
の往復伝搬時間の変化量をプロットしたときの傾きを求
め、その傾きが変化するときの引張り荷重からボルト軸
部に追加される引張り内力を減じた荷重を求めて、締結
状態における前記ボルトの軸力とするステップと、を備
えたボルト軸力の測定方法。
【請求項１１】前記ボルト内における超音波の往復伝
搬時間が電圧に変換され、この電圧の変化から前記往復
伝搬時間が測定される請求項１０のボルト軸力の測定方
法。
【請求項１２】前記ボルトまたは前記ボルトに螺合す
るナットに座面段付き部または横側面段付き部が形成さ
れ、前記座面段付き部または前記横側面段付き部に噛み
合う引張り爪が前記ボルトに引張り荷重を与える請求項
１０のボルト軸力の測定方法。
【請求項１３】前記ボルトのねじ部に螺合する螺合手
段が前記ボルトに引張り荷重を与える請求項１０のボル
ト軸力の測定方法。