(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺部材の一端から超音波を入射すると共に前記長尺部材の他端から反射した反射波を受信する探触子と、前記超音波を発生させる超音波発生器と、受信した反射波の信号を処理し前記長尺部材の軸力を測定する信号処理部とを備える軸力測定装置であって、
前記超音波発生器は、少なくとも第一バースト波とこの第一バースト波とは異なる第二バースト波の２種のバースト波を発生させるものであり、
前記信号処理部は、前記第一バースト波の伝播時間を測定する伝播時間測定部と、
発振周波数毎に前記反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における前記第二バースト波の信号強度を測定する信号強度測定部と、
既知の軸力に対する前記伝播時間を求める第一マスターカーブと、
前記既知の軸力に対する前記信号強度が最大となる極大干渉周波数を求める第二マスターカーブとを備え、
締結された長尺部材に前記第一バースト波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に前記第二バースト波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記発振周波数毎に前記信号強度を測定し、
前記第一マスターカーブから測定した伝播時間における概略軸力を求め、
前記第二マスターカーブから前記概略軸力における干渉周波数範囲を求め、
測定した発振周波数毎の信号強度から前記干渉周波数範囲内で最大の信号強度となる極大干渉周波数を求め、
求めた極大干渉周波数と前記第二マスターカーブにより前記長尺部材の軸力を測定する軸力測定装置。
【請求項２】
長尺部材の一端から超音波を入射すると共に前記長尺部材の他端から反射した反射波を受信する探触子と、前記超音波を発生させる超音波発生器と、受信した反射波の信号を処理し前記長尺部材の軸力を測定する信号処理部とを備える軸力測定装置であって、
前記超音波発生器は、少なくとも第一バースト波とこの第一バースト波とは異なる第二バースト波の２種のバースト波を発生させるものであり、
前記信号処理部は、前記第一バースト波の伝播時間を測定する伝播時間測定部と、
発振周波数毎に前記反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における前記第二バースト波の信号強度を測定する信号強度測定部と、
既知の軸力に対する前記伝播時間を求める第一マスターカーブと、
前記既知の軸力に対する前記信号強度が最大となる極大干渉周波数を求める第二マスターカーブとを備え、
締結された長尺部材に前記第一バースト波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に前記第二バースト波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記発振周波数毎に前記信号強度を測定して前記極大干渉周波数を求め、
前記第二マスターカーブから求めた極大干渉周波数における概略軸力を求め、
前記第一マスターカーブから求めた前記概略軸力における伝播時間範囲を求め、
測定した伝播時間から前記伝播時間範囲内で最大の信号強度となる極大伝播時間を求め、
求めた極大伝播時間と前記第一マスターカーブにより前記長尺部材の軸力を測定する軸力測定装置。
【請求項３】
前記第二バースト波を発生させる時間は、最初の反射波の伝播時間以上で且つ２回目の反射波の伝播時間未満の長さである請求項１又は２記載の軸力測定装置。
【請求項４】
前記測定時間は、２回目の反射波の伝播時間から３回目の反射波の伝播時間までの時間である請求項１〜３のいずれかに記載の軸力測定装置。
【請求項５】
前記第一バースト波は、０．５波以上であり、且つ最初の反射波の伝播時間より短い期間に発生する波数である請求項１〜４のいずれかに記載の軸力測定装置。
【請求項６】
前記長尺部材の長さは、５ｍｍ以上３００ｍｍ以下である請求項１〜５のいずれかに記載の軸力測定装置。
【請求項７】
長尺部材の一端から超音波を入射すると共に前記長尺部材の他端から反射した反射波を受信し、受信した反射波の信号に基づいて前記長尺部材の軸力を測定する軸力測定方法であって、
予め、前記長尺部材の一端から第一バースト波を入射させて反射波の伝播時間を測定すると共にこの第一バースト波とは異なる第二バースト波を発振周波数を変化させながら入射させて前記反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における前記第二バースト波の信号強度を測定して、既知の軸力に対する前記伝播時間を求める第一マスターカーブ及び前記既知の軸力に対する前記信号強度が最大となる極大干渉周波数を求める第二マスターカーブを作成しておき、
締結された長尺部材に前記第一バースト波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に前記第二バースト波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記発振周波数毎に信号強度を測定し、
前記第一マスターカーブから測定した伝播時間における概略軸力を求め、
前記第二マスターカーブから前記概略軸力における干渉周波数範囲を求め、
測定した発振周波数毎の信号強度から前記干渉周波数範囲内で最大の信号強度となる極大干渉周波数を求め、
求めた極大干渉周波数と前記第二マスターカーブにより前記長尺部材の軸力を測定する軸力測定方法。
【請求項８】
長尺部材の一端から超音波を入射すると共に前記長尺部材の他端から反射した反射波を受信し、受信した反射波の信号に基づいて前記長尺部材の軸力を測定する軸力測定方法であって、
予め、前記長尺部材の一端から第一バースト波を入射させて反射波の伝播時間を測定すると共にこの第一バースト波とは異なる第二バースト波を発振周波数を変化させながら入射させて前記反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における前記第二バースト波の信号強度を測定して、既知の軸力に対する前記伝播時間を求める第一マスターカーブ及び前記既知の軸力に対する前記信号強度が最大となる極大干渉周波数を求める第二マスターカーブを作成しておき、
締結された長尺部材に前記第一バースト波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に前記第二バースト波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記発振周波数毎に信号強度を測定して前記極大干渉周波数を求め、
前記第二マスターカーブから求めた極大干渉周波数における概略軸力を求め、
前記第一マスターカーブから求めた概略軸力における伝播時間範囲を求め、
測定した伝播時間から前記伝播時間範囲内で最大の信号強度となる極大伝播時間を求め、
求めた極大伝播時間と前記第一マスターカーブにより前記長尺部材の軸力を測定する軸力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸力測定装置及び軸力測定方法に関する。さらに詳しくは、長尺部材の一端から超音波を入射すると共に前記長尺部材の他端から反射した反射波を受信する探触子と、前記超音波を発生させる超音波発生器と、受信した反射波の信号を処理し前記長尺部材の軸力を測定する信号処理部とを備える軸力測定装置及び軸力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、上述の如き超音波を用いた軸力測定方法として、例えば、特許文献１に示す如き方法が知られている。ボルトに軸力が加わるとボルトは伸び、ボルトの伸長等によって超音波の伝播時間も延びる。そこで、特許文献１の方法では、ボルトの頭部から超音波パルスを入射しボルト端部で反射して戻ってくる超音波の伝播時間を測定し、この伝播時間に基づきボルトの軸力を測定する。しかし、ボルトの長さが短い場合、締め付けによるボルトの伸長も短くなり、精度が低下する場合があった。また、振幅や波形のひずみにより時刻を読み違えるおそれもあった。
【０００３】
また、他の方法として、ボルト頭部から入射する超音波の発振周波数を掃引してボルトの長さに応じた共振周波数を測定する方法（共振法）も知られている。この方法では、軸力によって生じるボルト長さの変化に応じた共振周波数を検知するために、共振状態を持続させるための振動エネルギーを絶えず供給しなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２０３５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、簡素な構成でありながら精度よく軸力を測定可能な軸力測定装置及び軸力測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る軸力測定装置の特徴は、長尺部材の一端から超音波を入射すると共に前記長尺部材の他端から反射した反射波を受信する探触子と、前記超音波を発生させる超音波発生器と、受信した反射波の信号を処理し前記長尺部材の軸力を測定する信号処理部とを備える構成において、前記超音波発生器は、少なくとも第一バースト波とこの第一バースト波とは異なる第二バースト波の２種のバースト波を発生させるものであり、前記信号処理部は、前記第一バースト波の伝播時間を測定する伝播時間測定部と、発振周波数毎に前記反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における前記第二バースト波の信号強度を測定する信号強度測定部と、既知の軸力に対する前記伝播時間を求める第一マスターカーブと、前記既知の軸力に対する前記信号強度が最大となる極大干渉周波数を求める第二マスターカーブとを備え、締結された長尺部材に前記第一バースト波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に前記第二バースト波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記発振周波数毎に前記信号強度を測定し、前記第一マスターカーブから測定した伝播時間における概略軸力を求め、前記第二マスターカーブから前記概略軸力における干渉周波数範囲を求め、測定した発振周波数毎の信号強度から前記干渉周波数範囲内で最大の信号強度となる極大干渉周波数を求め、求めた極大干渉周波数と前記第二マスターカーブにより前記長尺部材の軸力を測定することにある。
【０００７】
上記構成によれば、信号処理部は、第一バースト波の伝播時間を測定する伝播時間測定部と、発振周波数毎に反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における第二バースト波の信号強度を測定する信号強度測定部と、既知の軸力に対する伝播時間を求める第一マスターカーブと、既知の軸力に対する信号強度が最大となる極大干渉周波数を求める第二マスターカーブとを備える。そして、異なる２種の第一、第二バースト波は１つの超音波発生器により発生される。従って、装置構成が簡素となる。そして、例えば図９に示すように、第一マスターカーブＭ１から測定した第一バースト波の伝播時間Ｔにおける概略軸力Ｆ’を求め、第二マスターカーブＭ２から求めた概略軸力Ｆ’における干渉周波数範囲ｆｒを求め、測定した発振周波数毎の信号強度から求めた干渉周波数範囲ｆｒ内で最大の信号強度となる極大干渉周波数Ｑを求める。そして、求めた極大干渉周波数Ｑと第二マスターカーブＭ２により長尺部材の軸力を算出する。このように、第一バースト波の伝播時間から概略軸力を求めてその概略軸力から干渉周波数範囲を求めるので、第二バースト波の極大干渉周波数を予測でき、ピーク値等の読み間違えによる誤測定を防止することができる。よって、簡素な構成ながらも高精度に軸力を測定することが可能となる。
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る軸力測定装置の他の特徴は、長尺部材の一端から超音波を入射すると共に前記長尺部材の他端から反射した反射波を受信する探触子と、前記超音波を発生させる超音波発生器と、受信した反射波の信号を処理し前記長尺部材の軸力を測定する信号処理部とを備える構成において、前記超音波発生器は、少なくとも第一バースト波とこの第一バースト波とは異なる第二バースト波の２種のバースト波を発生させるものであり、前記信号処理部は、前記第一バースト波の伝播時間を測定する伝播時間測定部と、発振周波数毎に前記反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における前記第二バースト波の信号強度を測定する信号強度測定部と、既知の軸力に対する前記伝播時間を求める第一マスターカーブと、前記既知の軸力に対する前記信号強度が最大となる極大干渉周波数を求める第二マスターカーブとを備え、締結された長尺部材に前記第一バースト波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に前記第二バースト波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記発振周波数毎に前記信号強度を測定して前記極大干渉周波数を求め、前記第二マスターカーブから求めた極大干渉周波数における概略軸力を求め、前記第一マスターカーブから求めた前記概略軸力における前記伝播時間範囲を求め、測定した伝播時間から前記伝播時間範囲内で最大の信号強度となる極大伝播時間を求め、求めた極大伝播時間と前記第一マスターカーブにより前記長尺部材の軸力を測定することにある。
【０００９】
上記構成によれば、信号処理部は、第一バースト波の伝播時間を測定する伝播時間測定部と、発振周波数毎に反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における第二バースト波の信号強度を測定する信号強度測定部と、既知の軸力に対する伝播時間を求める第一マスターカーブと、既知の軸力に対する信号強度が最大となる極大干渉周波数を求める第二マスターカーブとを備える。そして、異なる２種の第一、第二バースト波は１つの超音波発生器により発生される。従って、装置構成が簡素となる。そして、例えば図１２に示すように、第二マスターカーブＭ２から求めた第二バースト波の極大干渉周波数Ｑにおける概略軸力Ｆ’を求め、第一マスターカーブＭ１から求めた概略軸力Ｆ’における伝播時間範囲ｔｒを求め、測定した伝播時間から伝播時間範囲ｔｒ内で最大の信号強度となる極大伝播時間Ｔ’を求める。そして、求めた極大伝播時間Ｔ’と第一マスターカーブＭ１により長尺部材の軸力を算出する。このように、第二バースト波の極大干渉周波数から概略軸力を求めてその概略軸力から伝播時間範囲を求めるので、第一バースト波の極大伝播時間を予測でき、ピーク値等の読み間違えによる誤測定を防止することができる。よって、簡素な構成ながらも高精度に軸力を測定することが可能となる。
【００１０】
前記第二バースト波を発生させる時間は、最初の反射波の伝播時間以上で且つ２回目の反射波の伝播時間未満の長さであるとよい。最初の反射波の伝播時間未満であれば、干渉を生じる波が発生せず、２回目の反射波の伝播時間以上となれば、長尺部材を伝播する３以上の波（入射波及び第一、第二反射波）により干渉の観測が困難となり、精度が低下する。
【００１１】
前記測定時間は、２回目の反射波の伝播時間から３回目の反射波の伝播時間までの時間であるとよい。２回目の反射波の伝播時間よりも前になると、送信と第１回目の反射波との干渉となるが、振幅差が大きすぎるため干渉を観測することが困難となる。一方、３回目の反射波の伝播時間よりも後になると、信号が減衰により小さくなってしまい精度よく検出することが困難となる。
【００１２】
前記第一バースト波は、０．５波以上であり、且つ最初の反射波の伝播時間より短い期間に発生する波数であるとよい。０．５波の波数よりも小さい（短い）と、超音波の発生効率が低下し精度が低下する。他方、最初の反射波の伝播時間よりも長い期間に発生する波数になると、伝播する波が複数となり精度よく伝播時間を測定することが困難となる。
【００１３】
前記長尺部材の長さは、５ｍｍ以上３００ｍｍ以下であるとよい。この長さであれば、第一、第二バースト波を併用し求めた値を第一、第二マスターカーブに適用することで、サンプリング周波数の速いオシロスコープやＡ／Ｄ変換器を用いることなく、安価な装置で精度よく軸力を測定することが可能となる。
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明に係る軸力測定方法の特徴は、長尺部材の一端から超音波を入射すると共に前記長尺部材の他端から反射した反射波を受信し、受信した反射波の信号に基づいて前記長尺部材の軸力を測定する方法において、予め、前記長尺部材の一端から第一バースト波を入射させて反射波の伝播時間を測定すると共にこの第一バースト波とは異なる第二バースト波を発振周波数を変化させながら入射させて前記反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における前記第二バースト波の信号強度を測定して、既知の軸力に対する前記伝播時間を求める第一マスターカーブ及び前記既知の軸力に対する前記信号強度が最大となる極大干渉周波数を求める第二マスターカーブを作成しておき、締結された長尺部材に前記第一バースト波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に前記第二バースト波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記発振周波数毎に信号強度を測定し、前記第一マスターカーブから測定した伝播時間における概略軸力を求め、前記第二マスターカーブから前記概略軸力における干渉周波数範囲を求め、測定した発振周波数毎の信号強度から前記干渉周波数範囲内で最大の信号強度となる極大干渉周波数を求め、求めた極大干渉周波数と前記第二マスターカーブにより前記長尺部材の軸力を測定することにある。
【００１５】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る軸力測定方法の他の特徴は、長尺部材の一端から超音波を入射すると共に前記長尺部材の他端から反射した反射波を受信し、受信した反射波の信号に基づいて前記長尺部材の軸力を測定する方法において、予め、前記長尺部材の一端から第一バースト波を入射させて反射波の伝播時間を測定すると共にこの第一バースト波とは異なる第二バースト波を発振周波数を変化させながら入射させて前記反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における前記第二バースト波の信号強度を測定して、既知の軸力に対する前記伝播時間を求める第一マスターカーブ及び前記既知の軸力に対する前記信号強度が最大となる極大干渉周波数を求める第二マスターカーブを作成しておき、締結された長尺部材に前記第一バースト波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に前記第二バースト波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記発振周波数毎に信号強度を測定して前記極大干渉周波数を求め、前記第二マスターカーブから求めた極大干渉周波数における概略軸力を求め、前記第一マスターカーブから求めた概略軸力における伝播時間範囲を求め、測定した伝播時間から前記伝播時間範囲内で最大の信号強度となる極大伝播時間を求め、求めた極大伝播時間と前記第一マスターカーブにより前記長尺部材の軸力を測定することにある。
【発明の効果】
【００１６】
上記本発明に係る軸力測定装置及び軸力測定方法の特徴によれば、簡素な構成でありながら精度よく軸力を測定することが可能となった。
【００１７】
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る軸力測定装置のブロック図である。
【図２】第一バースト波の伝播時間の測定（時間差法）を説明する図である。
【図３】第二バースト波の干渉周波数の測定（干渉法）を説明する図である。
【図４】時間差法での超音波の伝播とボルト長さとの関係を説明する図であり、（ａ）はボルトとその伸びの定義を示す図、（ｂ）は受信波形の概略図、（ｃ）は高速サンプリングの概念図、（ｄ）は低速サンプリングの概念図である。
【図５】干渉法での超音波の伝播とボルト長さとの関係を説明する図であり、（ａ）は半波長がボルト長さとなる例、（ｂ）は１波長がボルト長さとなる例、（ｃ）は１．５波長がボルト長さとなる例、（ｄ）は干渉周波数の差異を模式的に示す図である。
【図６】マスターカーブ作成手順を示すフローチャートである。
【図７】（ａ）は第一マスターカーブ、（ｂ）は第二マスターカーブの一例を示す図である。
【図８】ボルト長さ１６０ｍｍでの時間差法と干渉法における測定波形の一例を示す図である。
【図９】軸力測定手順を示すフローチャートである。
【図１０】軸力測定手順におけるグラフの一例であり、（ａ）は時間波形、（ｂ）は第一マスターカーブ、（ｃ）は第二マスターカーブ、（ｄ）は干渉波形、（ｅ）は第二マスターカーブをそれぞれ示す。
【図１１】ボルト長さ３０ｍｍでの時間差法と干渉法における測定波形の一例を示す図である。
【図１２】他の実施形態に係る軸力測定手順を示すフローチャートである。
【図１３】他の実施形態における軸力測定手順におけるグラフの一例であり、（ａ）は干渉波形、（ｂ）は第二マスターカーブ、（ｃ）は第一マスターカーブ、（ｄ）は時間波形、（ｅ）は第一マスターカーブをそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、図１〜１０を参照しながら、本発明の第一実施形態についてをさらに詳しく説明する。
本発明に係る軸力測定装置１は、図１に示すように、大略、長尺部材としてのボルト１００の頭部１０１から超音波を入射すると共に、ボルト１００の先端部１０２で反射した反射波を受信する探触子２と、超音波を発生させる超音波発生器３０と、受信した反射波の信号を処理しボルトの軸力を測定する信号処理部３を備える。信号処理部３は、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）で構成された表示・入出力部４に接続される。探触子２には、例えば、超音波の送受信を兼務する一振動子型探触子を用いるが、二振動子型探触子を用いても構わない。
【００２０】
図１に示すように、信号処理部３は超音波発生器３０を含み、大略、測定部３６と、マスターカーブ作成部３７と、軸力算出部３８を備える。超音波発生器３０は、後述のバースト波設定部４１の条件設定に従いパワーアンプ３１を介して探触子２で２種類のバースト波１０，２１を発生させる。受信した反射波の信号（受信波形）は、保護回路３２、周波数フィルタ３３、Ａ／Ｄ変換器３４、フィルタ３５を介して測定部３６に送られると共にデータ記憶部３９に記憶される。測定部３６は、第一バースト波１０の伝播時間を測定する伝播時間測定部３６ａと、発振周波数毎に反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における第二バースト波２１の信号強度を測定する信号強度測定部３６ｂとを備える。マスターカーブ作成部３７は、既知の軸力に対する伝播時間を求める第一マスターカーブＭ１を作成する第一マスターカーブ作成部３７ａと、既知の軸力に対する信号強度が最大となる極大干渉周波数を求める第二マスターカーブＭ２を作成する第二マスターカーブ作成部３７ｂを備える。そして、軸力算出部３８は、測定部３６の測定値及び予め作成された第一、第二マスターカーブＭ１、Ｍ２から軸力を求める。
【００２１】
超音波発生器３０は、図２，３に示す如く、第一バースト波１０と第一バースト波１０とは異なる第二バースト波２１の２種のバースト波を発生させる。第一バースト波１０は、ボルト１００を伝播する超音波の伝播時間を測定するために用いられる（時間差法）。第二バースト波２１は、ボルト１００内を伝播する超音波が互いに干渉して生じる合成波の干渉周波数を測定するために用いられる（干渉法）。すなわち、本発明は、１つの超音波発生器３０で２種類のバースト波を発生させることで２種類の手法を使用し、それら手法により求めた値を用いることで精度よく軸力を測定する。
【００２２】
図２（ａ）に示すように、第一バースト波１０は、その波数が０．５波以上最初の反射波（Ｂ１：第一反射エコー）の伝播時間より短い期間に発生する波数であるとよい。波数が０．５波よりも少ない場合、バースト波（超音波）の発生効率が低下する。他方、波数が最初の反射波の伝播時間よりも長くなる波数であれば、第一反射エコーＢ１が第一バースト波１０（入射波）と重なり伝播時間の測定が困難となる。なお、本実施形態では、図２（ａ）に示す第一バースト波１０の送信エコー１０’（Ｓ）と第一反射エコー１１’（Ｂ１）の時間差Ｔを伝播時間Ｔとして求め、図２（ｂ）に示す如き時間波形Ｗ１を生成する。
【００２３】
図３（ａ）に示すように、第二バースト波２１は、ボルト１００内を伝播する入射した超音波及び反射波が干渉して合成波２０Ａ，２０Ｂとなる。また、第二バースト波２１は、所定の範囲内及びピッチで発振周波数を変化させながら入射される。同図に示すように、発振周波数ｆ１の第二バースト波Ｐ２Ａでは、第二反射エコーＢ２直後の合成波２０Ａの信号強度（図中破線で囲む部分）は、最初の反射波２２Ａと２回目の反射波２３Ａとが干渉して弱くなる。一方、発振周波数ｆ２の第二バースト波Ｐ２Ｂでは、第二反射エコーＢ２直後の合成波２０Ｂの信号強度（図中破線で囲む部分）が、最初の反射波２２Ｂと２回目の反射波２３Ｂとが干渉して強くなる。このように、合成波は、ボルト１００の長さと第二バースト波２１の半波長の整数倍の長さとが一致すれば、干渉し合う波が同位相となり信号強度が増す。なお、本実施形態では、所定の範囲内及びピッチでの各周波数毎に信号強度のピークとなる干渉周波数を測定すると共に図３（ｂ）に示す如き干渉波形Ｗ２を生成し、そのピークを極大干渉周波数Ｑとする。
【００２４】
ここで、第二バースト波２１の長さは、最初の反射波（第一反射エコーＢ１）の伝播時間以上で且つ２回目の反射波（第二反射エコーＢ２）の伝播時間未満の長さであるとよい。最初の反射波の伝播時間未満であれば、干渉する波が発生しておらず測定できない。他方、２回目の反射波の伝播時間以上となると、ボルト１００内を伝播する３以上の波（入射波及び第一、第二反射波）で干渉が生じることとなり、干渉による信号強度の判別が困難となる。
【００２５】
さらに、極大干渉周波数を測定する測定時間は、２回目の反射波（第二反射エコーＢ２）の伝播時間から３回目の反射波（第三反射エコーＢ３）の伝播時間までの時間であるとよい。例えば、第二バースト波２１の送信信号が数Ｖ〜数百Ｖであれば、第一反射エコーＢ１は数ｍＶ〜数百Ｖ、第二反射エコーＢ２は第一反射エコーＢ１の半分程度となる。そのため、送信エコーと第一反射エコーＢ１では、振幅差が大きすぎるため、送信エコーが支配的となる。従って、１回目の反射波の伝播時間から２回目の反射波の伝播時間までの時間を測定時間とすると、干渉を観察することが困難となる。他方、超音波は反射を繰り返す度に減衰するため、３回目以降の反射波（第三反射エコーＢ３）の信号強度は次第に弱くなる。従って、３回目以降の反射波の伝播時間からその次の反射波の伝播時間までの時間を測定時間とすると、信号が微弱であるために干渉を観察することが困難となる。このように、第一反射エコーＢ１と第二反射エコーＢ２との干渉領域を利用することで、極大干渉周波数を容易且つ正確に検出することができる。
【００２６】
表示・入出力部４は、図１に示すように、大略、バースト波設定部４１と、条件設定部４２と、表示部４３と、記憶部４４を備える。バースト波設定部４１は、第一、第二バースト波１０，２１の発振周波数、波数（長さ）や発振周波数ピッチ等が入力設定される。条件設定部４２は、ボルト１００の長さや後述する概略軸力等が入力設定される。表示部４３は、例えば軸力測定中において時間波形Ｗ１や干渉波形Ｗ２を常時表示し、測定結果の軸力等も表示する。記憶部４４には、第一、第二マスターカーブＭ１，Ｍ２が記憶され、軸力算出部３８がそれを参照する。
【００２７】
ところで、長尺部材としてのボルト１００の長さ（軸長）は、５ｍｍ以上３００ｍｍ以下であるとよい。例えば、図４（ａ）に示すように、軸力負荷前のボルト１００の長さをＬ、軸力負荷後のボルト１００’の長さをＬ＋ΔＬとすると、伸び（歪みε）はΔＬ／Ｌと定義できる。ここで、一般的な弾性変形範囲として１０００μεを想定すると、伸び（歪みε）＝０．００１となる。ボルト１００の長さが５ｍｍであればボルト１００’の長さは、５．００５ｍｍとなる。
【００２８】
伝播速度が５．９ｍｍ／μｓの超音波がボルト１００を往復する伝播時間ｔは、ｔ＝５ｍｍ×２（往復経路）÷５．９ｍｍ／μｓ＝１．６９４９ｍｓとなる。他方、ボルト１００’での伝播時間ｔ’は、ｔ’＝５．００５ｍｍ×２（往復経路）÷５．９ｍｍ／μｓ＝１．６９６６ｍｓとなる。その差Δｔは、Δｔ＝ｔ’−ｔ＝０．００１７μｓ＝１．７ｎｓとなる（図４（ｂ））。ボルトの長さが短くなる程、この時間差Δｔも短くなる。
【００２９】
このような受信信号（波形）に対しデジタル処理を行う場合、音圧を一定間隔（サンプリング周波数）でデジタルデータに変換される。図４（ｃ）に示すように、高速サンプリングのＡ／Ｄ変換器はサンプリング周期が短く、微細な時間差を識別可能であるが、装置が高価となる。一方、図４（ｄ）に示すように、低速サンプリングのＡ／Ｄ変換器はサンプリング周期が長く、微細な時間差を識別することが困難であるが、装置は安価となる。すなわち、ボルトの長さが短くなる程、時間差Δｔを検出するためにサンプリング周期の短いものが必要となる。他方、ボルトの長さが長くなれば時間差Δｔも大きくなる。
【００３０】
一方、干渉法において、一般的な弾性変形範囲として１０００μεとし、ボルト１００の長さＬを３００ｍｍとすると、Ｌ＋ΔＬは、３００．３ｍｍとなる。ここで、伝播速度が５．９ｍｍ／μｓの超音波において、図５（ａ）に示す如く半波長がボルト長さとなれば、ボルト１００では、干渉波長λ＝３００ｍｍ×２＝６００ｍｍ、干渉周波数ｆ＝５．９ｍｍ／μｓ÷６００ｍｍ＝９．８３３ｋＨｚとなる。他方、ボルト１００’では、干渉波長λ’＝３００．３ｍｍ×２＝６００．６ｍｍ、干渉周波数ｆ’＝５．９ｍｍ／μｓ÷６００．６ｍｍ＝９．８２４ｋＨｚとなる。そして、同図（ｂ）に示すように、ボルト長さが１波長となると、干渉波長は半減し干渉周波数は倍増する。さらに、同図（ｃ）に示すように、ボルト長さが１．５波長となると、干渉波長は半波長時の１／３となり干渉周波数は３倍となる。
【００３１】
従って、図５（ｄ）に示すように、干渉強度のピークは干渉周波数毎に出現する。また、干渉周波数の差は９Ｈｚとなる。よって、干渉次数（半波長の数）が多い程、干渉周波数が大きくなりその差も大きくなる。例えば干渉次数が５１０程度となる超音波をボルトに入射した場合、干渉周波数の差は５．０１ｋＨｚとなり、１ｋＨｚ程度の周波数分解能があれば、干渉周波数の差を検出できる。一方、ボルトの長さが長くなる程（３００ｍｍ超）、干渉波長が長くなり干渉周波数は小さくなるので、周波数分解能を向上させなければならず、装置が高価となる。他方、ボルトの長さが短くなれば干渉周波数の差も大きくなる。
【００３２】
このように、特に、ボルト１００の長さが５ｍｍ以上３００ｍｍ以下の場合、時間差法及び干渉法の双方の手法を併用することで、サンプリング周期の短いオシロスコープやＡ／Ｄ変換器又は周波数分解能の高い装置を用いることなく、安価な装置で高精度に軸力を測定することが可能となる。
【００３３】
次に、図６〜１０を参照しながら軸力測定手順について説明する。
図６に示すように、軸力測定の前に、対象となるボルトと同一構成よりなる試験ボルトを用いて第一、第二マスターカーブＭ１，Ｍ２を作成する。始めに、試験ボルトを引張試験機や油圧ジャッキ等にセットすると共に、試験ボルトを引っ張ることで所定の軸力を発生させる。また、バースト波設定部４１に入射する第一、第二バースト波１０，２１の発振周波数、波数、発振周波数間隔を入力すると共に条件設定部４２に試験ボルトの長さや設定した軸力を入力する（Ｓ１）。次に、超音波発生器３０がバースト波設定部４１に設定された条件に従って探触子２に第一バースト波１０を発生させ、反射信号を受信する（Ｓ２）。そして、伝播時間測定部３６ａにて波形データの作成が完了すれば（Ｓ３）、超音波発生器３０がバースト波設定部４１に設定された条件に従って探触子２に第二バースト波２１を発生させ、反射信号を受信し信号強度測定部３６ｂにて波形データが生成される（Ｓ４）。
【００３４】
全測定が完了していなければ（Ｓ５）、軸力を変更して（Ｓ７）上記工程を繰り返す。各軸力にて測定が完了すれば（Ｓ５）、第一マスターカーブ作成部３７ａは、伝播時間測定部３６ａが測定した第一バースト波１０の伝播時間と設定した軸力から図７（ａ）の如き第一マスターカーブＭ１を作成する（Ｓ６）。また、第二マスターカーブ作成部３７ｂは、信号強度測定部３６ｂが測定した第二バースト波２１の極大干渉周波数と設定した軸力から図７（ｂ）の如き第二マスターカーブＭ２を作成する（Ｓ６）。作成された第一、第二マスターカーブＭ１，Ｍ２は、表示・入出力部４の記憶部４４に記憶される。そして、第一、第二マスターカーブＭ１，Ｍ２の作成後に、軸力測定が行われる。
【００３５】
ここで、例えば図８に示すように、ボルト１００が比較的長い場合、時間波形（第一バースト波）では、ピーク信号から伝播時間を特定しやすい。一方、干渉波形（第二バースト波）ではピーク信号が複数存在するため、極大干渉周波数となる周波数を特定しにくい。
【００３６】
そこで、図９に示すように、まず、上述と同様にバースト波設定部４１に入射する第一、第二バースト波１０，２１の発振周波数、波数、発振周波数間隔を入力すると共に条件設定部４２にボルト１００の長さを入力する（Ｓ１０）。例えば、発振周波数５ＭＨｚ（例えば可変範囲５．０ＭＨｚ〜５．１ＭＨｚ）、第一バースト波の波数１、第二バースト波の波数６００、発振周波数間隔１ｋＨｚ、ボルト１００の長さ１６０ｍｍと入力する。次に、超音波発生器３０が第一バースト波２１を発生させ、反射信号を受信する（Ｓ２）。そして、伝播時間測定部３６ａが時間波形Ｗ１を生成すると共にそのピーク時刻を伝播時間Ｔとして測定する（Ｓ１２、図１０（ａ））。
【００３７】
伝播時間Ｔを測定後、軸力算出部３８は、第一マスターカーブＭ１から測定した伝播時間Ｔにおける概略軸力Ｆ’を求め、条件設定部４２に記憶させる。また、軸力算出部３８は、第二マスターカーブＭ２から先の概略軸力Ｆ’における干渉周波数範囲ｆｒを求める（Ｓ１３、図１０（ｂ）（ｃ））。なお、本実施形態において、干渉周波数範囲ｆｒは１０ｋＨｚ程度に設定しているが、一例に過ぎず、適宜の数値範囲で設定される。
【００３８】
そして、概略軸力Ｆ’及び干渉周波数範囲ｆｒを算出できれば（Ｓ１４）、超音波発生器３０が設定した発振周波数範囲内において設定した周波数間隔で周波数を変化させながら第二バースト波２１を発生させ、反射信号を受信する（Ｓ１５）。そして、信号強度測定部３６ｂは、干渉波形Ｗ２を生成すると共にその干渉波形Ｗ２において先に求めた干渉周波数範囲ｆｒから極大干渉周波数Ｑを求める（Ｓ１６、図１０（ｄ））。そして、軸力算出部３８は、求めた極大干渉周波数Ｑを第二マスターカーブＭ２に代入して軸力Ｆを算出する（Ｓ１７、図１０（ｅ））。このように、先に第一バースト波１０を用いて第二バースト波２１の極大干渉周波数Ｑが出現し得る周波数範囲ｆｒを予測することで、極大干渉周波数Ｑを見誤ることなく正確に算出できるので、上述の如き周波数分解能が高い高価な装置を用いなくとも、安価な装置で高精度に軸力を測定することができる。
【００３９】
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、以下の実施形態において、上記実施形態と同様の部材には同一の符号を附してある。
上記第一実施形態においては、先に第一バースト波１０の伝播時間Ｔから概算軸力Ｆ’を算出し、概算軸力Ｆ’に基づき第二マスターカーブＭ２から干渉周波数範囲ｆｒを求めた。しかし、先に第二バースト波２１を適用し極大干渉周波数Ｑから概算軸力Ｆ’を算出し、概算軸力Ｆ’に基づき第一マスターカーブＭ１から伝播時間範囲ｔｒを求めて、軸力Ｆを求めることも可能である。
【００４０】
例えば、図１１に示すように、ボルト１００が比較的短い場合、干渉波形（第二バースト波）では、ピーク信号から極大干渉周波数を特定しやすい。一方、時間波形（第一バースト波）ではピーク信号が複数存在するため、伝播時間を特定しにくい。
【００４１】
そこで、図１２に示すように、まず、上述と同様にバースト波設定部４１に入射する第一、第二バースト波１０，２１の発振周波数、波数、発振周波数間隔を入力すると共に条件設定部４２にボルト１００の長さを入力する（Ｓ２０）。次に、超音波発生器３０が第二バースト波２１を発生させ、反射信号を受信する（Ｓ２１）。そして、信号強度測定部３６ｂが干渉波形Ｗ２を生成すると共に極大干渉周波数Ｑを求める（Ｓ２２、図１３（ａ））。
【００４２】
極大干渉周波数Ｑを求めた後、軸力算出部３８は、第二マスターカーブＭ２から求めた極大干渉周波数Ｑにおける概略軸力Ｆ’を求め、条件設定部４２に記憶させる。また、軸力算出部３８は、第一マスターカーブＭ１から先の概略軸力Ｆ’における伝播時間範囲ｔｒを求める（Ｓ２３、図１３（ｂ）（ｃ））。
【００４３】
そして、概略軸力Ｆ’及び伝播時間範囲ｔｒを算出できれば（Ｓ２４）、超音波発生器３０が第一バースト波２１を発生させ、反射信号を受信する（Ｓ２５）。そして、伝播時間測定部３６ａは時間波形Ｗ１を生成すると共に時間波形Ｗ１において先に求めた伝播時間範囲ｔｒから極大伝播時間Ｔ’を求める（Ｓ２６、図１３（ｄ））。なお、本実施形態において、伝播時間範囲ｔｒは０．０１μｓ程度に設定しているが、一例に過ぎず、適宜の数値範囲で設定される。
【００４４】
そして、軸力算出部３８は、求めた極大伝播時間Ｔ’を第一マスターカーブＭ１に代入して軸力を算出する（Ｓ２７、図１３（ｅ））。このように、先に第二バースト波を用いて第一バースト波１０の極大伝播時間Ｔ’が出現し得る伝播時間範囲ｔｒを予測することで、極大伝播時間Ｔ’を見誤ることなく正確に算出できるので、上述の如きサンプリング周期の短いＡ／Ｄ変換器等を用いることなく、安価な装置で高精度に軸力を測定することができる。
【００４５】
最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について説明する。
上記各実施形態において、伝播時間Ｔを第一バースト波１０の送信エコー１０’（Ｓ）と第一反射エコー１１’（Ｂ１）の時間差とした。しかし、これに限られず、例えば第一反射エコー１１’（Ｂ１）と第二反射エコー１２’（Ｂ２）との時間差であってもよい。また、図２（ｂ）に示す如く伝播時間Ｔとしてピーク時間を計測した。しかし、伝播時間はピーク時間に限定されるものではなく、例えば、ゼロクロス時刻、閾値クロス時刻、相互相関法等の他の手法により求まる時間を伝播時間とすることも可能である。なお、極大伝播時間Ｔ’においても同様である。
【００４６】
上記各実施形態において、第二バースト波また、図３（ｂ）に示す如く、第二バースト波の合成波（反射信号）の信号強度として振幅値を用いた。しかし、信号強度は振幅値に限定されるものではなく、振幅の積分値（面積）やエネルギーを用いることも可能である。
【００４７】
上記実施形態において、各バースト波の周波数、周波数ピッチや波数等は適宜設定、入力するものであり、上記数値に限られるものではない。また、上記各実施形態では、信号処理部３にマスターカーブ作成部３７を設けた。しかし、必ずしも信号処理部３にマスターカーブ作成部３７を設ける必要はなく、軸力測定時に少なくとも予め作成された第一、第二マスターカーブＭ１，Ｍ２を参照可能に構成すればよい。
【００４８】
上記第一実施形態において、第一バースト波１０により伝播時間Ｔを測定し概略軸力Ｆ’を介して干渉周波数範囲ｆｒを求め、設定した第二バースト波２１の発振周波数範囲内で且つ干渉周波数範囲ｆｒ内で極大干渉周波数Ｑを求めた。しかし、例えば、干渉周波数範囲ｆｒを求めた後、その干渉周波数範囲ｆｒを第二バースト波２１の発振周波数範囲として設定することも可能である。これにより、第二バースト波２１の発振周波数範囲が極大干渉周波数Ｑが出現するであろう範囲に限定できるので、測定時間を短縮でき効率よく軸力を測定できる。
【００４９】
上記各実施形態において、１つの超音波発生器３０から異なる２種のバースト波を発生させることで軸力測定を行った。しかし、第一バースト波をパルス波に替えて、下記に示す構成の如くパルス波とバースト波（第二バースト波に相当）とを用いることも可能である。但し、パルス波とバースト波とを１つの超音波発生器で生成できないため、それぞれに超音波発生器が必要となり装置が複雑且つ高価となる。この点で上記各実施形態が優れている。なお、パルス波としては、例えばスパイクパルスや矩形波（スクエアパルス）等が利用可能であり、伝播時間が測定可能なものであればよい。その他の点は、上記各実施形態と共通する。
【００５０】
軸力測定装置の特徴は、長尺部材の一端から超音波を入射すると共に前記長尺部材の他端から反射した反射波を受信する探触子と、前記超音波を発生させる超音波発生器と、受信した反射波の信号を処理し前記長尺部材の軸力を測定する信号処理部とを備える軸力測定装置であって、前記超音波発生器は、パルス波とバースト波の２種の超音波を発生させるものであり、前記信号処理部は、前記パルス波の伝播時間を測定する伝播時間測定部と、発振周波数毎に前記反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における前記バースト波の信号強度を測定する信号強度測定部と、既知の軸力に対する前記伝播時間を求めた第一マスターカーブと、前記既知の軸力に対する前記信号強度が最大となる極大干渉周波数を求めた第二マスターカーブとを備え、締結された長尺部材に前記パルス波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に前記バースト波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記発振周波数毎に前記信号強度を測定し、前記第一マスターカーブから測定した伝播時間における概略軸力を求め、前記第二マスターカーブから前記概略軸力における干渉周波数範囲を求め、測定した発振周波数毎の信号強度から前記干渉周波数範囲内で最大の信号強度となる極大干渉周波数を求め、求めた極大干渉周波数と前記第二マスターカーブにより前記長尺部材の軸力を測定することにある。
【００５１】
軸力測定装置の他の特徴は、長尺部材の一端から超音波を入射すると共に前記長尺部材の他端から反射した反射波を受信する探触子と、前記超音波を発生させる超音波発生器と、受信した反射波の信号を処理し前記長尺部材の軸力を測定する信号処理部とを備える軸力測定装置であって、前記超音波発生器は、パルス波とバースト波の２種の超音波を発生させるものであり、前記信号処理部は、前記パルス波の伝播時間を測定する伝播時間測定部と、発振周波数毎に前記反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における前記バースト波の信号強度を測定する信号強度測定部と、既知の軸力に対する前記伝播時間を求めた第一マスターカーブと、前記既知の軸力に対する前記信号強度が最大となる極大干渉周波数を求めた第二マスターカーブとを備え、締結された長尺部材に前記パルス波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に前記バースト波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記発振周波数毎に前記信号強度を測定して前記極大干渉周波数を求め、前記第二マスターカーブから求めた極大干渉周波数における概略軸力を求め、前記第一マスターカーブから求めた前記概略軸力における前記伝播時間範囲を求め、測定した伝播時間から前記伝播時間範囲内で最大の信号強度となる極大伝播時間を求め、求めた極大伝播時間と前記第一マスターカーブにより前記長尺部材の軸力を測定することにある。
【００５２】
軸力測定方法の特徴は、長尺部材の一端から超音波を入射すると共に前記長尺部材の他端から反射した反射波を受信し、受信した反射波の信号に基づいて前記長尺部材の軸力を測定する軸力測定方法であって、予め、前記長尺部材の一端からパルス波を入射させて反射波の伝播時間を測定すると共にこのパルス波とは異なるバースト波を発振周波数を変化させながら入射させて前記反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における前記バースト波の信号強度を測定して、既知の軸力に対する前記伝播時間を求めた第一マスターカーブ及び前記既知の軸力に対する前記信号強度が最大となる極大干渉周波数を求めた第二マスターカーブを作成しておき、締結された長尺部材に前記パルス波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に前記バースト波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記発振周波数毎に信号強度を測定し、前記第一マスターカーブから測定した伝播時間における概略軸力を求め、前記第二マスターカーブから前記概略軸力における干渉周波数範囲を求め、測定した発振周波数毎の信号強度から前記干渉周波数範囲内で最大の信号強度となる極大干渉周波数を求め、求めた極大干渉周波数と前記第二マスターカーブにより前記長尺部材の軸力を測定することにある。
【００５３】
軸力測定方法の他の特徴は、長尺部材の一端から超音波を入射すると共に前記長尺部材の他端から反射した反射波を受信し、受信した反射波の信号に基づいて前記長尺部材の軸力を測定する軸力測定方法であって、予め、前記長尺部材の一端からパルス波を入射させて反射波の伝播時間を測定すると共にこのパルス波とは異なるバースト波を発振周波数を変化させながら入射させて前記反射波の伝播時間から次の反射波の伝播時間までの測定時間における前記バースト波の信号強度を測定して、既知の軸力に対する前記伝播時間を求めた第一マスターカーブ及び前記既知の軸力に対する前記信号強度が最大となる極大干渉周波数を求めた第二マスターカーブを作成しておき、締結された長尺部材に前記パルス波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に前記バースト波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記発振周波数毎に前記信号強度を測定して前記極大干渉周波数を求め、前記第二マスターカーブから求めた極大干渉周波数における概略軸力を求め、前記第一マスターカーブから求めた前記概略軸力における前記伝播時間範囲を求め、測定した伝播時間から前記伝播時間範囲内で最大の信号強度となる極大伝播時間を求め、求めた極大伝播時間と前記第一マスターカーブにより前記長尺部材の軸力を測定することにある。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、例えば、自動車部品、機械装置、その他産業用装置、機器、プラント等に用いられる長尺部材としてのボルトやねじ等による締結物における軸力測定装置及び測定方法として利用することができる。また、医療用ボルト等の他の長尺部材の軸力測定装置及び測定方法としても利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１：軸力測定装置、２：探触子、３：信号処理部（装置本体）、４：表示・入出力部（ＰＣ）、１０：第一バースト波、１１，１１’：最初の反射波（Ｂ１）、１２，１２’：２回目の反射波（Ｂ２）、２０Ａ，２０Ｂ：合成波、２１：第二バースト波、２２：最初の反射波（Ｂ１）、２３：２回目の反射波（Ｂ２）、３０：超音波発生器、３１：パワーアンプ、３２：保護回路、３３：周波数フィルタ、３４：Ａ／Ｄ変換器、３５：フィルタ、３６：測定部、３６ａ：伝搬時間測定部、３６ｂ：信号強度測定部、３７：マスターカーブ作成部、３７ａ：第一マスターカーブ作成部、３７ｂ：第二マスターカーブ作成部、３８：軸力算出部、３９：データ記憶部、４１：バースト波設定部、４２：条件設定部、４３：表示部、４４：記憶部、１００：ボルト、１０１：頭部（一端）、１０２：先端部（他端）、Ｆ：軸力、Ｆ’：概略軸力、ｆｒ：干渉周波数範囲、Ｑ：極大干渉周波数、Ｔ：伝播時間、Ｔ’：極大伝播時間、ｔｒ：伝播時間範囲、Ｗ１：時間波形、Ｗ２：干渉波形
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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