(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垂直探触子と、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、
前記長尺部材は、長尺部材の方位を指示する長尺部材方位指示部を有し、
前記垂直探触子は、垂直探触子の方位を指示する垂直探触子方位指示部を有し、
前記長尺部材に対する前記垂直探触子の相対位置及び前記垂直探触子の相対姿勢を固定する垂直探触子固定治具を有し、
前記超音波発生器は、バースト波を発生させるものであり、
前記信号処理部は、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を備え、
前記垂直探触子固定治具は、治具の方位を指示する治具方位指示部を有し、前記長尺部材に対する前記垂直探触子の校正データを作成する際の前記バースト波の送受信時又は前記長尺部材の無負荷状態での前記バースト波の送受信時と、前記長尺部材の負荷状態における前記バースト波の送受信時の２回で、前記治具方位指示部、前記長尺部材方位指示部及び前記垂直探触子方位指示部を一致させることで、前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させるものであり、
前記信号処理部は、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信号強度測定部により前記発振周波数毎に前記信号強度を測定し、
測定した発振周波数毎の信号強度から所定の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に基づいて前記長尺部材の軸力を測定する軸力測定装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記長尺部材の軸力の無負荷状態における信号強度が最大となる無負荷極大干渉周波数と既知の軸力の負荷状態における信号強度が最大となる負荷極大干渉周波数との差分と前記既知の軸力との関係を示す軸力算出式をさらに有し、
前記軸力算出式は、前記無負荷状態及び前記負荷状態の全てで前記垂直探触子固定治具により前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させた状態で作成されたものであり、
前記信号強度測定部は、前記垂直探触子が前記垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に前記軸力算出式の作成時における前記相対位置及び前記相対姿勢と一致して取り付けられた状態で、前記発振周波数毎に前記信号強度を測定し、
前記信号処理部は、測定した発振周波数毎の信号強度から所定の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軸力算出式により前記長尺部材の軸力を測定する請求項１記載の軸力測定装置。
【請求項３】
前記超音波発生器は、前記バースト波と前記バースト波とは異なる超音波の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、前記異なる超音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、
前記第二マスターカーブは、前記既知の軸力の負荷状態の全てで前記垂直探触子固定治具により前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させた状態で作成されたものであり、
前記伝播時間測定部は、締結された長尺部材に前記異なる超音波を入射させて前記伝播時間を測定し、
前記信号強度測定部は、前記垂直探触子が前記垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に前記第二マスターカーブの作成時における前記相対位置及び前記相対姿勢と一致して取り付けられた状態で、前記発振周波数毎に前記信号強度を測定し、
前記信号処理部は、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請求項１記載の軸力測定装置。
【請求項４】
前記超音波発生器は、前記バースト波と前記バースト波とは異なる超音波の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、前記異なる超音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、
前記第二マスターカーブは、前記既知の軸力の負荷状態の全てで前記垂直探触子固定治具により前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させて求められたものであり、
前記伝播時間測定部は、締結された長尺部材に前記異なる超音波を入射させて前記伝播時間を測定し、
前記信号強度測定部は、前記垂直探触子が前記垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に前記第二マスターカーブの作成時における前記相対位置及び前記相対姿勢と一致して取り付けられた状態で、前記信号強度を前記発振周波数毎に測定し、
前記信号処理部は、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請求項１記載の軸力測定装置。
【請求項５】
前記長尺部材はボルトであり、前記垂直探触子固定治具は前記ボルト頭部に嵌合する嵌合部と前記垂直探触子を収容する収容部とを有し、前記嵌合部と前記収容部は連通する請求項１〜４のいずれかに記載の軸力測定装置。
【請求項６】
前記垂直探触子方位指示部は、前記垂直探触子から水平方向に突出したケーブル基端部である請求項１〜５のいずれかに記載の軸力測定装置。
【請求項７】
前記長尺部材はボルトであり、前記垂直探触子固定治具は前記ボルト頭部の上面と一致する底面と、前記垂直探触子を収容する収容部とを有し、前記底面には磁石が設けられている請求項１〜４のいずれかに記載の軸力測定装置。
【請求項８】
長尺部材の一端の垂直探触子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、
前記超音波は、バースト波であり、
前記長尺部材は、長尺部材の方位を指示する長尺部材方位指示部を有し、
前記垂直探触子は、垂直探触子の方位を指示する垂直探触子方位指示部を有し、
この垂直探触子は、前記長尺部材に対する前記垂直探触子の相対位置及び前記垂直探触子の相対姿勢を固定する垂直探触子固定治具により前記長尺部材に取り付けられるものであり、
前記垂直探触子固定治具は、治具の方位を指示する治具方位指示部を有し、
前記長尺部材に対する前記垂直探触子の校正データを作成する際の前記バースト波の送受信時又は前記長尺部材の無負荷状態での前記バースト波の送受信時と、前記長尺部材の負荷状態における前記バースト波の送受信時の２回で、前記垂直探触子固定治具により、前記治具方位指示部、前記長尺部材方位指示部と、前記垂直探触子方位指示部を一致させることで前記長尺部材に対する前記垂直探触子の相対位置及び前記垂直探触子の相対姿勢を一致させた状態で、前記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し、
測定した発振周波数毎の信号強度から所定の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。
【請求項９】
予め、前記長尺部材の軸力の無負荷状態における信号強度が最大となる無負荷極大干渉周波数と既知の軸力の負荷状態における信号強度が最大となる負荷極大干渉周波数との差分と前記既知の軸力との関係を示す軸力算出式を作成する際に、前記無負荷状態及び前記負荷状態の全てで前記垂直探触子固定治具により前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させ、
前記垂直探触子を前記垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に前記軸力算出式の作成時における前記相対位置及び前記相対姿勢と一致させて取り付けた状態で前記信号強度を前記発振周波数毎に測定し、
測定した発振周波数毎の信号強度から所定の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軸力算出式により前記長尺部材の軸力を測定する請求項８記載の軸力測定方法。
【請求項１０】
前記超音波は、前記バースト波と前記バースト波とは異なる超音波の２種の超音波であり、
予め、前記長尺部材の一端から前記異なる超音波を入射させて反射波の伝播時間を測定すると共に前記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する際に、前記長尺部材の前記既知の軸力の負荷状態の全てで前記垂直探触子固定治具により前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させ、
締結された長尺部材に前記異なる超音波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に、前記垂直探触子を前記垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に前記第二マスターカーブの作成時における前記相対位置及び前記相対姿勢と一致させて取り付けた状態で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請求項８記載の軸力測定方法。
【請求項１１】
前記超音波は、前記バースト波と前記バースト波とは異なる超音波の２種の超音波であり、
予め、前記長尺部材の一端から前記異なる超音波を入射させて反射波の伝播時間を測定すると共に前記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する際に、前記長尺部材の前記既知の軸力の負荷状態の全てで前記垂直探触子固定治具により前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させ、
締結された長尺部材に前記異なる超音波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に、前記垂直探触子を前記垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に前記第二マスターカーブの作成時における前記相対位置及び前記相対姿勢と一致させて取り付けた状態で前記発振周波数毎に前記信号強度を測定し、
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請求項８記載の軸力測定方法。
【請求項１２】
試験体の一端から超音波を入射すると共に前記試験体の他端から反射した反射波を受信する垂直探触子と、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試験体を検査する信号処理部とを備える超音波検査装置であって、
前記試験体は、試験体の方位を指示する試験体方位指示部を有し、
前記垂直探触子は、垂直探触子の方位を指示する垂直探触子方位指示部を有し、
前記試験体に対する前記垂直探触子の相対位置及び前記垂直探触子の相対姿勢を固定する垂直探触子固定治具を有し、
前記信号処理部は、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超音波の信号強度を測定する信号強度測定部を備え、
前記垂直探触子固定治具は、治具の方位を指示する治具方位指示部を有し、前記試験体に対する前記垂直探触子の校正データを作成する際の前記超音波の送受信時又は前記試験体の無負荷状態での前記超音波の送受信時と、前記試験体の負荷状態における前記超音波の送受信時の２回で、前記治具方位指示部、前記試験体方位指示部及び前記垂直探触子方位指示部を一致させることで、前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させるものであり、
前記信号処理部は、前記超音波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記信号強度測定部により前記発振周波数毎に前記信号強度を測定し、
測定した発振周波数毎の信号強度から所定の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に基づいて前記試験体を検査する超音波検査装置。
【請求項１３】
試験体の一端の垂直探触子から超音波を入射すると共に前記試験体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試験体を検査する超音波検査方法であって、
前記試験体は、試験体の方位を指示する試験体方位指示部を有し、
前記垂直探触子は、垂直探触子の方位を指示する垂直探触子方位指示部を有し、
この垂直探触子は、前記試験体に対する前記垂直探触子の相対位置及び前記垂直探触子の相対姿勢を固定する垂直探触子固定治具により前記試験体に取り付けられるものであり、
前記垂直探触子固定治具は、治具の方位を指示する治具方位指示部を有し、
前記試験体に対する前記垂直探触子の校正データを作成する際の前記超音波の送受信時又は前記試験体の無負荷状態での前記超音波の送受信時と、前記試験体の負荷状態における前記超音波の送受信時の２回で、前記垂直探触子固定治具により、前記治具方位指示部、前記試験体方位指示部及び前記垂直探触子方位指示部を一致させることで前記試験体に対する前記垂直探触子の相対位置及び前記垂直探触子の相対姿勢を一致させた状態で、前記超音波を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超音波の信号強度を測定し、
測定した発振周波数毎の信号強度から所定の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に基づいて前記試験体を検査する超音波検査方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の超音波検査方法に用いられる垂直探触子固定治具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸力測定装置、軸力測定方法、超音波検査装置、超音波検査方法及びこれに用いる垂直探触子固定治具に関する。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、軸力測定方法、超音波検査装置、超音波検査方法及びこれに用いる垂直探触子固定治具に関する。
【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干渉周波数を測定し、軸力等の試験体の状態をより正確に測定可能な軸力測定装置、軸力測定方法、超音波検査装置、超音波検査方法及びこれに用いる垂直探触子固定治具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、前記長尺部材は、長尺部材の方位を指示する長尺部材方位指示部を有し、前記垂直探触子は、垂直探触子の方位を指示する垂直探触子方位指示部を有し、前記長尺部材に対する前記垂直探触子の相対位置及び前記垂直探触子の相対姿勢を固定する垂直探触子固定治具を有し、前記超音波発生器は、バースト波を発生させるものであり、前記信号処理部は、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を備え、前記垂直探触子固定治具は、治具の方位を指示する治具方位指示部を有し、前記長尺部材に対する前記垂直探触子の校正データを作成する際の前記バースト波の送受信時又は前記長尺部材の無負荷状態での前記バースト波の送受信時と、前記長尺部材の負荷状態における前記バースト波の送受信時の２回で、前記治具方位指示部、前記長尺部材方位指示部及び前記垂直探触子方位指示部を一致させることで、前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させるものであり、前記信号処理部は、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信号強度測定部により前記発振周波数毎に前記信号強度を測定し、測定した発振周波数毎の信号強度から所定の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に基づいて前記長尺部材の軸力を測定することにある。
【０００７】
本発明に適用する干渉法は、長尺部材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の変化を検知する。ここで、発明者らの実験によれば、図１６に示すように、干渉周波数の測定において、長尺部材に対する垂直探触子の相対位置及び相対姿勢を一致させた場合、ばらつきを符号ｄ１〜ｄ４で示す程度に抑制できるが、角度（相対姿勢）を一致させない場合、最大で符号Ｄで示すばらつきが想定される。すなわち、長尺部材に対する垂直探触子の相対位置及び相対姿勢を一致させることで、測定値のばらつきを抑制できることが分かった。
上記構成によれば、長尺部材は、長尺部材の方位を指示する長尺部材方位指示部を有し、垂直探触子は、垂直探触子の方位を指示する垂直探触子方位指示部を有し、長尺部材に対する垂直探触子の相対位置及び垂直探触子の相対姿勢を固定する垂直探触子固定治具を有する。そして、垂直探触子固定治具は、治具の方位を指示する治具方位指示部を有し、長尺部材に対する探触子の校正データを作成する際のバースト波の送受信時又は長尺部材の無負荷状態でのバースト波の送受信時と、長尺部材の負荷状態におけるバースト波の送受信時の２回で、治具方位指示部、長尺部材方位指示部及び垂直探触子方位指示部を一致させることで、相対位置及び前記相対姿勢を一致させる。従って、簡素ながら容易に垂直探触子の相対位置及び相対姿勢を一致させる事が可能であるので、相対位置及び相対姿勢の不一致による干渉周波数の測定誤差を抑制することができる。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】
前記信号処理部は、前記長尺部材の軸力の無負荷状態における信号強度が最大となる無負荷極大干渉周波数と既知の軸力の負荷状態における信号強度が最大となる負荷極大干渉周波数との差分と前記既知の軸力との関係を示す軸力算出式をさらに有し、前記軸力算出式は、前記無負荷状態及び前記負荷状態の全てで前記垂直探触子固定治具により前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させた状態で作成されたものであり、前記信号強度測定部は、前記垂直探触子が前記垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に前記軸力算出式の作成時における前記相対位置及び前記相対姿勢と一致して取り付けられた状態で、前記発振周波数毎に前記信号強度を測定し、前記信号処理部は、測定した発振周波数毎の信号強度から所定の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軸力算出式により前記長尺部材の軸力を測定するとよい。
【０００９】
これにより、軸力算出式は、無負荷状態及び負荷状態の全てで垂直探触子固定治具により探触子の相対位置及び相対姿勢を一致させた状態で作成されたものであり、且つ、検査時において垂直探触子が垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に軸力算出式の作成時における相対位置及び相対姿勢と一致して取り付けられた状態で発振周波数毎に信号強度を測定するので、垂直探触子の相対位置及び相対姿勢の不一致による干渉周波数の測定誤差を抑制することができる。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。
【００１２】
また、前記超音波発生器は、前記バースト波と前記バースト波とは異なる超音波の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、前記異なる超音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、前記第二マスターカーブは、前記既知の軸力の負荷状態の全てで前記垂直探触子固定治具により前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させた状態で作成されたものであり、前記伝播時間測定部は、締結された長尺部材に前記異なる超音波を入射させて前記伝播時間を測定し、前記信号強度測定部は、前記垂直探触子が前記垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に前記第二マスターカーブの作成時における前記相対位置及び前記相対姿勢と一致して取り付けられた状態で、前記発振周波数毎に前記信号強度を測定し、前記信号処理部は、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ように構成してもよい。
【００１３】
上記構成によれば、信号処理部は、バースト波とは異なる超音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バースト波とは異なる超音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、例えば図２３に示すように、第一マスターカーブＭ１から測定した第二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、バースト波とは異なる超音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、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。しかも、第二マスターカーブは、既知の軸力の負荷状態の全てで垂直探触子固定治具により相対位置及び相対姿勢を一致させた状態で作成されたものであり、検査時において垂直探触子が垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に第二マスターカーブの作成時における相対位置及び相対姿勢と一致して取り付けられた状態で発振周波数毎に信号強度を測定するので、垂直探触子の相対位置及び相対姿勢の不一致による干渉周波数の測定誤差を抑制することができる。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。
【００１４】
さらに、前記超音波発生器は、前記バースト波と前記バースト波とは異なる超音波の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、前記異なる超音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、前記第二マスターカーブは、前記既知の軸力の負荷状態の全てで前記垂直探触子固定治具により前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させて求められたものであり、前記伝播時間測定部は、締結された長尺部材に前記異なる超音波を入射させて前記伝播時間を測定し、前記信号強度測定部は、前記垂直探触子が前記垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に前記第二マスターカーブの作成時における前記相対位置及び前記相対姿勢と一致して取り付けられた状態で、前記信号強度を前記発振周波数毎に測定し、前記信号処理部は、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ように構成してもよい。
【００１５】
上記構成によれば、信号処理部は、バースト波とは異なる超音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、例えば図２６に示すように、第二マスターカーブＭ２から求めた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、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、バースト波とは異なる超音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。しかも、第二マスターカーブは、既知の軸力の負荷状態の全てで垂直探触子固定治具により相対位置及び相対姿勢を一致させた状態で作成されたものであり、検査時において垂直探触子が垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に第二マスターカーブの作成時における相対位置及び相対姿勢と一致して取り付けられた状態で発振周波数毎に信号強度を測定するので、垂直探触子の相対位置及び相対姿勢の不一致による干渉周波数の測定誤差を抑制することができる。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。
【００１７】
係る場合、前記長尺部材はボルトであり、前記垂直探触子固定治具は前記ボルト頭部に嵌合する嵌合部と前記垂直探触子を収容する収容部とを有し、前記嵌合部と前記収容部は連通するとよい。また、前記探触子方位指示部は、前記垂直探触子から水平方向に突出したケーブル基端部であってもよい。また、前記長尺部材はボルトであり、前記垂直探触子固定治具は前記ボルト頭部の上面と一致する底面と、前記垂直探触子を収容する収容部とを有し、前記底面には磁石が設けられていても構わない。
【００１８】
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特徴は、長尺部材の一端の垂直探触子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、前記超音波は、バースト波であり、前記長尺部材は、長尺部材の方位を指示する長尺部材方位指示部を有し、前記垂直探触子は、垂直探触子の方位を指示する垂直探触子方位指示部を有し、この垂直探触子は、前記長尺部材に対する前記垂直探触子の相対位置及び前記垂直探触子の相対姿勢を固定する垂直探触子固定治具により前記長尺部材に取り付けられるものであり、前記垂直探触子固定治具は、治具の方位を指示する治具方位指示部を有し、前記長尺部材に対する前記垂直探触子の校正データを作成する際の前記バースト波の送受信時又は前記長尺部材の無負荷状態での前記バースト波の送受信時と、前記長尺部材の負荷状態における前記バースト波の送受信時の２回で、前記垂直探触子固定治具により、前記治具方位指示部、前記長尺部材方位指示部と、前記垂直探触子方位指示部を一致させることで前記長尺部材に対する前記垂直探触子の相対位置及び前記垂直探触子の相対姿勢を一致させた状態で、前記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し、測定した発振周波数毎の信号強度から所定の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に基づいて前記長尺部材の軸力を測定することにある。
【００１９】
係る場合、予め、前記長尺部材の軸力の無負荷状態における信号強度が最大となる無負荷極大干渉周波数と既知の軸力の負荷状態における信号強度が最大となる負荷極大干渉周波数との差分と前記既知の軸力との関係を示す軸力算出式を作成する際に、前記無負荷状態及び前記負荷状態の全てで前記垂直探触子固定治具により前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させ、前記垂直探触子を前記垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に前記軸力算出式の作成時における前記相対位置及び前記相対姿勢と一致させて取り付けた状態で前記信号強度を前記発振周波数毎に測定し、測定した発振周波数毎の信号強度から所定の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軸力算出式により前記長尺部材の軸力を測定するとよい。
【００２１】
また、前記超音波は、前記バースト波と前記バースト波とは異なる超音波の２種の超音波であり、予め、前記長尺部材の一端から前記異なる超音波を入射させて反射波の伝播時間を測定すると共に前記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する際に、前記長尺部材の前記既知の軸力の負荷状態の全てで前記垂直探触子固定治具により前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させ、締結された長尺部材に前記異なる超音波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に、前記垂直探触子を前記垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に前記第二マスターカーブの作成時における前記相対位置及び前記相対姿勢と一致させて取り付けた状態で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してもよい。
【００２２】
また、前記超音波は、前記バースト波と前記バースト波とは異なる超音波の２種の超音波であり、予め、前記長尺部材の一端から前記異なる超音波を入射させて反射波の伝播時間を測定すると共に前記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する際に、前記長尺部材の前記既知の軸力の負荷状態の全てで前記垂直探触子固定治具により前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させ、締結された長尺部材に前記異なる超音波を入射させて前記伝播時間を測定すると共に、前記垂直探触子を前記垂直探触子固定治具により締結された長尺部材の一端に前記第二マスターカーブの作成時における前記相対位置及び前記相対姿勢と一致させて取り付けた状態で前記発振周波数毎に信号強度を測定し、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してもよい。
【００２３】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る超音波検査装置の特徴は、試験体の一端から超音波を入射すると共に前記試験体の他端から反射した反射波を受信する垂直探触子と、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試験体を検査する信号処理部とを備える構成において、前記試験体は、試験体の方位を指示する試験体方位指示部を有し、前記垂直探触子は、垂直探触子の方位を指示する垂直探触子方位指示部を有し、前記試験体に対する前記垂直探触子の相対位置及び前記垂直探触子の相対姿勢を固定する垂直探触子固定治具を有し、前記信号処理部は、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超音波の信号強度を測定する信号強度測定部を備え、前記垂直探触子固定治具は、治具の方位を指示する治具方位指示部を有し、前記試験体に対する前記垂直探触子の校正データを作成する際の前記超音波の送受信時又は前記試験体の無負荷状態での前記超音波の送受信時と、前記試験体の負荷状態における前記超音波の送受信時の２回で、前記治具方位指示部、前記試験体方位指示部及び前記垂直探触子方位指示部を一致させることで、前記相対位置及び前記相対姿勢を一致させるものであり、前記信号処理部は、前記超音波を前記発振周波数を変化させながら入射させて前記信号強度測定部により前記発振周波数毎に前記信号強度を測定し、測定した発振周波数毎の信号強度から所定の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に基づいて前記試験体を検査することにある。
【００２４】
さらに、上記目的を達成するため、本発明に係る超音波検査方法の特徴は、試験体の一端の垂直探触子から超音波を入射すると共に前記試験体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試験体を検査する方法において、前記試験体は、試験体の方位を指示する試験体方位指示部を有し、前記垂直探触子は、垂直探触子の方位を指示する垂直探触子方位指示部を有し、この垂直探触子は、前記試験体に対する前記垂直探触子の相対位置及び前記垂直探触子の相対姿勢を固定する垂直探触子固定治具により前記試験体に取り付けられるものであり、前記垂直探触子固定治具は、治具の方位を指示する治具方位指示部を有し、前記試験体に対する前記垂直探触子の校正データを作成する際の前記超音波の送受信時又は前記試験体の無負荷状態での前記超音波の送受信時と、前記試験体の負荷状態における前記超音波の送受信時の２回で、前記垂直探触子固定治具により、前記治具方位指示部、前記試験体方位指示部及び前記垂直探触子方位指示部を一致させることで前記試験体に対する前記垂直探触子の相対位置及び前記垂直探触子の相対姿勢を一致させた状態で、前記超音波を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超音波の信号強度を測定し、測定した発振周波数毎の信号強度から所定の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に基づいて前記試験体を検査することにある。
【発明の効果】
【００２５】
上記本発明に係る軸力測定装置、軸力測定方法、超音波検査装置、超音波検査方法及びこれに用いる垂直探触子固定治具の特徴によれば、簡素な構成でありながら精度よく干渉周波数を測定し、軸力等の試験体の状態をより正確に測定することが可能となった。
【００２６】
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】
【００２７】
【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】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３】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４】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５】超音波の指向性を説明する模式図である。
【図６】時間差法を説明する模式図である。
【図７】干渉法を説明する模式図である。
【図８】干渉法における探触子ビームの傾きと探触子位置の影響を説明する模式図である。
【図９】探触子固定治具を示す図であり、（ａ）はボルト頭部への取付状態の平面図、（ｂ）は（ａ）の正面図、（ｃ）は治具の平面図、（ｄ）は治具の正面図である。
【図１０】軸力算出式の一例を示す図である。
【図１１】無負荷極大干渉周波数と負荷極大干渉周波数との差分を説明する図である。
【図１２】探触子を固定したままの状態での測定データの一例を示す図である。
【図１３】探触子を付け外しした状態での測定データの一例を示す図である。
【図１４】シリコン製印象剤によるボルトに対する探触子固定治具を示す図である。
【図１５】ボルトに対する探触子の回転角度を制御して繰り返し測定した手順を説明する図であり、（ａ）は指示部を一致させた状態（０°）、（ｂ）は（ａ）から探触子を９０°回転した状態、（ｃ）は（ａ）から探触子を１８０°回転した状態、（ｄ）は（ａ）から探触子を２７０°回転した状態である。
【図１６】図１５の測定データの一例を示す図である。
【図１７】図１５の測定データにおける図１３相当図である。
【図１８】本発明の第二実施形態に係る軸力測定装置のブロック図である。
【図１９】第二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２０】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２１】（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２２】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２３】軸力測定手順を示すフローチャートである。
【図２４】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２５】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２６】第三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２７】第三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。
【図２８】探触子固定治具の改変例を示す図である。
【図２９】探触子固定治具の他の改変例を示す図である。
【図３０】探触子固定治具のさらに改変例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
次に、図１〜１７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（試験体）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垂直探触子２（以下、「探触子」と略する。）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１００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。そして、この探触子２は、後述する探触子固定治具１０によりボルト頭部１０１に取り付けられる。
【００２９】
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の設定条件に従いパワーアンプ３１を介して探触子２でバースト波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、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バースト波２１の信号強度を測定する信号強度測定部３６ａとを備える。マスターカーブ作成部３７は、既知の軸力（荷重）に対する信号強度が最大となる極大干渉周波数Ｑの変化量Δｆの関係を示す軸力算出式Ｃを作成する軸力算出式作成部３７ａを備える。そして、軸力算出部３８は、測定部３６の測定値及び軸力算出式Ｃから軸力を求める。
【００３０】
超音波発生器３０は、図２に示す如く、バースト波２１を発生させる。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）。
【００３１】
図２（ａ）に示すように、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、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２（ｂ）に示す如き干渉波形Ｗを生成し、そのピークを極大干渉周波数Ｑとする。
【００３２】
ここで、バースト波２１を発生させる時間は、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。
【００３３】
さらに、極大干渉周波数Ｑを測定する測定時間（ゲート）は、２回目の反射波の伝播時間から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、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Ｑを容易且つ正確に検出することができる。
【００３４】
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、バースト波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干渉波形Ｗ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、軸力算出式Ｃが記憶され、軸力算出部３８がそれを参照する。
【００３５】
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３（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。
【００３６】
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３（ｂ））。ボルトの長さが短くなる程、この時間差Δｔも短くなる。
【００３７】
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３（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、同図（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。
【００３８】
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４（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。
【００３９】
従って、図４（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。
【００４０】
このように、特に、ボルト１００の長さが５ｍｍ以上３００ｍｍ以下の場合、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。
【００４１】
ここで、さらに干渉法について詳述する。
垂直超音波探触子から送信される超音波ビームＢには指向性があり、その超音波ビームＢの中心Ｂａは音圧（信号強度）が最大となる。図５に示すように、理想的な探触子２００は、ビームの中心Ｂａが試験体Ｎに対して垂直となる。しかしながら、現実では、探触子２０１、２０２の如く、超音波ビームＢに傾斜Ｇ（最短経路Ｖ（垂線）に対する中心Ｂａの傾斜）が存在すると思われる。
【００４２】
ここで、所謂、時間差法（パルス反射式）は、試験体Ｎを伝播した超音波信号（底面信号）Ｒの伝播時間Ｔの変化を検知する。図６（ａ）に示す理想的な探触子２００では、ビームの中心Ｂａと最短経路Ｖとが一致する。他方、同図（ｂ）（ｃ）に示す探触子２０１，２０２では、ビームＢの傾斜Ｇにより中心Ｂａと最短経路Ｖとは一致しない。しかし、ビームＢは拡がりをもって伝播するので、中心Ｂａが最短経路Ｖからずれて強度は弱くなるものの、常に最短経路Ｖを伝播した信号Ｒ’は受信される。また、最短経路Ｖ及び音速は変化しないので、伝播時間Ｔも変わらない。すなわち、時間差法において、超音波ビームＢの傾斜や探触子位置の変化が検査精度に与える影響は、極めて小さいと考えられる。
【００４３】
一方、所謂、干渉法は、試験体Ｎ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の変化を検知する。音圧が最大となるビームの中心Ｂａを伝播する超音波が、干渉に最も影響を与える。図７（ａ）に示す理想的な探触子２００では、ビームの中心Ｂａと最短経路Ｖとが一致し、その経路の信号が最大となる。他方、同図（ｂ）に示す探触子２０３では、ビームの中心Ｂａと最短経路Ｖとが一致せず、傾斜Ｇを有する中心Ｂａの経路の信号が最大となる。そのため、干渉波形Ｗ１，Ｗ２は一致しない。
【００４４】
そして、受信される信号（干渉波形）は、各経路の超音波が合わさったものである。図８（ａ）に示す傾斜Ｇのない探触子２００では、経路Ｐ１が最短経路Ｖであり且つ中心Ｂａとなる。よって、干渉波形Ｗ３は、経路Ｐ１の超音波の影響を最も受ける。一方、同図（ｂ）に示す傾斜Ｇを有する探触子２０１では、経路Ｐ２が中心Ｂａとなり、経路Ｐ１は最短経路Ｖとなる。よって、干渉波形Ｗ４は、経路Ｐ２の超音波の影響を最も受ける。さらに、同図（ｃ）に示す試験体Ｎ端部に位置する探触子２０２では、経路Ｐ１、経路Ｐ２は同図（ｂ）と同じであるが、経路Ｐ３の信号は直接端部に到達しない。そのため、干渉波形Ｗ５は、受信される信号が異なるので先の波形Ｗ３，Ｗ４と異なる。すなわち、干渉法においては、ビームの傾斜Ｇや位置が極大干渉周波数Ｑに影響を与えるため、検査精度が低下するおそれがある。言い換えると、ビームの傾斜Ｇや位置によるばらつきを抑制することで、検査精度の向上が図られる。
【００４５】
そこで、本発明では、探触子２を長尺部材としてのボルト１００の頭部１０１に載置する際に、探触子２の校正データを作成する際の超音波の送受信時又は長尺部材１００の無負荷状態での超音波の送受信時と、長尺部材１００の負荷状態における超音波の送受信時の２回で、長尺部材１００に対する探触子２の相対位置及び探触子２の相対姿勢を一致させる。ここで、相対位置とは、長尺部材１００の探触子載置面（例えば頭部１０１）における探触子の位置をいう。また、相対姿勢とは、長尺部材１００の軸方向に対する探触子２の超音波ビームの傾斜と回転角（方位）を含むものである。
【００４６】
本実施形態においては、図９に示す如き、垂直探触子固定治具１０を用いる。この治具１０は、略円柱形の本体部１１に探触子２を収容し保持する貫通孔１２とボルト１０１の六角形状に合致（嵌合）する凹部１３を有し、貫通孔１２と凹部１３は連通する。本体部１１表面の貫通孔１２近傍には、治具１０の方位を示す治具方位指示部Ｍ１が設けられている。治具方位指示部Ｍ１としては、例えばペン等で記載されたマーク又は刻印である。一方、探触子２の上面にも、同様に構成された探触子方位指示部Ｍ２が設けられ、ボルト頭部１０１の上面にも同様に構成された試験体方位指示部Ｍ３が設けられている。これら方位指示部Ｍ１〜Ｍ３を一致させることで、探触子２のボルト１００に対する相対位置及び相対姿勢が保持される。
【００４７】
ここで、本実施形態における干渉法による軸力測定手順について説明する。
まず、検査対象となるボルト頭部１０１表面の試験体方位指示部Ｍ３と治具本体１１表面の治具方位指示部Ｍ１を合わせて、治具１０の凹部１３とボルト頭部１０１を嵌合させて取り付ける。さらに、治具方位指示部Ｍ１と探触子方位指示部Ｍ２を合わせる。治具１０を介して各方位指示部Ｍ１〜３を一致させることで、反射波測定時のボルト１００に対する探触子２の相対位置及び相対姿勢が固定される。なお、探触子２とボルト１００の接触面には、マシンオイル等の接触媒質を塗布する。
【００４８】
次に、無負荷を含む複数の負荷条件（例えば、無負荷、１５ｋＮ負荷、４５ｋＮ負荷及び６０ｋＮ負荷）をボルト１００に与え、その際に校正データの採取を行い、例えば図１０に示す如き軸力算出式Ｃ（検量線）を作成する。データ採取に際し、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に周波数を変化させながらバースト波２１を発生させ、反射信号を受信する。信号強度測定部３６ａが設定したゲート（測定時間）において信号強度を採取すると共に周波数と採取した信号強度の関係を干渉波形Ｗとして生成し、その干渉波形Ｗにおいて信号強度が最大となる極大干渉周波数Ｑを求める。そして、軸力算出式作成部３７ａは、図１１に示すように、既知の負荷状態における極大干渉周波数と無負荷状態における極大干渉周波数との差分（変化量Δｆ）を計算し、図１０に例示する軸力算出式Ｃを求める。同図に示すように、軸力（負荷）と変化量Δｆは、線形に近い関係となる。作成された軸力算出式Ｃは、表示・入出力部４の記憶部４４に記憶される。
【００４９】
上記校正が完了後、検定時のボルトで軸力測定を行う場合、校正に用いたボルト１００を測定箇所にて締結するが、軸力測定前（又は軸力測定後）に無負荷の条件で、上記と同様に試験体方位表記部Ｍ３、治具方位表記部Ｍ１及び探触子方位表記部Ｍ２の方位が一致するように、治具１０によりボルト頭部１０１に探触子２を取り付け、無負荷の軸力データを採取する。
【００５０】
ボルト締結時には、治具１０等が締結の障害となるため、一時的に治具１０等を取り外し、トルクレンチなどの締結具を使用して締結する。軸力を測定すべき所定の締結条件になった際に、締結具を外し、上記と同様に各方位指示部Ｍ１〜３の方位が一致するように、治具１０により再びボルト１００に探触子２を取り付け、軸力データを採取する。これにより、校正データとしての軸力算出式を作成する際の超音波の送受信時と、負荷状態における超音波の送受信時の２回で、ボルト１００に対する探触子２の相対位置及び相対姿勢を一致させることができる。なお、必要に応じて、締結具による締め付けを繰り返して、都度、測定を行ってもよい。そして、測定した極大干渉周波数の変化量Δｆを先に求めた軸力算出式Ｃに導入し、軸力を算出する。
【００５１】
ここで、検定時のボルトと異なるボルトで軸力測定を行う場合でも、測定の方法は上記と同じである。検定時に用いた試験体方位指示部Ｍ３とは、ボルトの個体が異なるため異なるが、当該ボルトで試験体方位指示部Ｍ３を一意に決め、ボルト１００、治具１０、探触子２の相対位置及び回転角度が変わらないようにして上記の測定を行う。これにより、無負荷状態での超音波の送受信時と、負荷状態における超音波の送受信時の２回で、ボルト１００に対する探触子２の相対位置及び相対姿勢を一致させることができる。
【００５２】
ここで、発明者らは、本発明に係る軸力測定方法及び軸力測定装置の有用性を検証するために以下の手順にて実験を行った。
（１）校正データ採取
規定のボルト１００の頭部１０１に探触子２を設置し、底面反射信号強度が最大になる探触子位置を探した。その位置で、探触子２を固定し、無負荷状態及び既定の負荷条件での干渉周波数ピーク（極大干渉周波数）を測定した（無負荷、１５ｋＮ負荷、４５ｋＮ負荷及び６０ｋＮ負荷で測定）。そして、無負荷状態における干渉周波数ピークとの差分周波数（変化量Δｆ）対荷重のグラフを作成し、評価線図とした（軸力算出式Ｃ）。
【００５３】
（２）探触子を固定したままの測定
校正データ採取時の探触子位置及び探触子回転角度で、無負荷→１５ｋＮ負荷→４５ｋＮ負荷→６０ｋＮ負荷とボルト１００に荷重を加え、都度、干渉周波数ピークを取得した（図１２凡例Ａ１）。また、探触子２を固定したまま無負荷状態に戻した後に、探触子２を固定したまま同様に負荷を加えながら、干渉周波数ピークを繰り返し取得した（図１２凡例Ａ２及びＡ３）。
探触子２を固定したままの場合、何度繰り返し測定を行っても、干渉周波数ピークの再現性は著しく高い。これは、未知の荷重を負荷されたボルト１００の干渉周波数ピークを測定することにより、軸力を精度よく測定できることを示す。
【００５４】
（３）探触子を付け外しした場合の測定
ボルト１００が無負荷の状態で、探触子２を一度ボルト１００から付け外しし、底面反射信号強度が最大になる探触子位置を探す。その後、探触子２の位置は固定のままで無負荷→１５ｋＮ負荷→４５ｋＮ負荷→６０ｋＮ負荷とボルト１００に荷重を加え、都度、干渉周波数ピークを取得した（図１３凡例Ａ）。また、無負荷状態に戻した後に都度、探触子２を一度ボルト１００から付け外しし、底面反射信号強度が最大になる探触子位置を探した上で、同様に負荷を加えながら、干渉周波数ピークを繰り返し取得した（図１３凡例Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＥ）。
この結果、探触子２を付け外しすることで、荷重−干渉周波数ピークの直線がシフトすることが認められた。これは、未知の負荷荷重を与えられたボルト１００の軸力を測定する際に、探触子２を付け外しした条件では、軸力測定値がばらつくことを意味する。また、無負荷の状態においても、探触子２を付け外しすることで軸力測定値にばらつきが生じる。
【００５５】
（４）探触子回転角度の無負荷のボルトにおける影響確認
ここで、図１４に示す如きシリコン製印象剤よりなる探触子固定治具１０’を製作し、ボルト１００に対する探触子位置を固定すると共に、探触子２、治具１０’、ボルト１００のそれぞれに方位を明確にするマークＭ１〜３を記載し、ボルト１００、治具１０’及び探触子２の相対位置及び角度を制御できるようにした。この状況下で、図１５に示すように、探触子２を基準方位（センサ回転角０°）から９０°、１８０°及び２７０°回転させ、回転角０°及び各回転角度での干渉周波数ピーク測定を実施した。また、更に探触子２を一度ボルト１００から付け外しし、ボルト１００と治具１０’と探触子２のマークを基に、探触子２を基準方位から９０°、１８０°及び２７０°回転させ、回転角０°及び各回転角度での干渉周波数ピークを測定するルーチンを３回繰り返し実施した。
ここで、図１６に、回転角毎に測定した無負荷状態での干渉周波数ピークｆをプロットしたグラフを示す。本測定は無負荷条件で実施しているので、元来ボルトの長さ変化は起こらず、理想的には干渉周波数ピークの変化は起こらないはずであるが、各角度においてばらつきｄ１〜４が生じている。同一角度内であれば、このばらつきｄ１〜ｄ４は比較的小さく抑えられる。しかし、全ての角度での測定結果で考えると、２７０°での最小値から１８０°での最大値の間でばらつきＤが生じる可能性がある。すなわち、探触子２の回転角度（方位）が変化すること（特定の方位で一致させない）で、無負荷においても軸力の出力にばらつきが生じることを示しており、逆に言うと、探触子位置と角度を固定することで、軸力の出力のばらつきを低減できる。
【００５６】
（５）探触子回転角度の負荷ボルトにおける影響確認
ボルト１００が無負荷の状態で、探触子２を一度ボルト１００から付け外しするが、治具１０’を使用して探触子位置及び回転角度を同一条件に設定した。その後、探触子２は固定したままで無負荷→１５ｋＮ負荷→４５ｋＮ負荷→６０ｋＮ負荷とボルト１００に荷重を加え、都度、干渉周波数ピークを取得した（図１７凡例Ａ）。無負荷状態に戻した後に都度、探触子２を一度ボルト１００から付け外しするが、治具１０’を使用して探触子位置及び回転角度を同一条件に設定した上で、同様に負荷を加えながら、干渉周波数ピークを繰り返し取得した（図１６凡例Ｂ，Ｃ，Ｄ及びＥ）。
この結果、信号強度のみを指針として探触子２をセットした図１３と異なり、著しく干渉周波数ピークのばらつきが減少することが確認できた。このことは、未知の負荷荷重を与えられたボルト１００の軸力を測定する際に、探触子２を付け外ししても、探触子位置及び回転角度を同一に出来るようにしておけば、軸力測定値のばらつきを低減できることを意味し、無負荷状態においても軸力測定値にばらつきが低減できることとなる。このように、校正時又は無負荷状態での測定時と、負荷状態での測定時の２回で、長尺部材に対する探触子の相対位置及び探触子の相対姿勢を一致させることで、測定データのばらつきを抑えることができる。
【００５７】
なお、実験では、シリコン製印象剤により治具１０’を作成したが、上述の治具１０を用いることも可能である。また、上記実験では、底面反射信号強度が最大になる探触子位置を探し出し、その位置を不変とした。しかし、探触子２の相対位置は、上記２回の送受信時において探触子２の位置が一致していればよく、例えばボルト１００の中心を探触子位置として一致させるようにしてもよい。
【００５８】
また、材料内部の傷の検査等の従来の垂直探傷においては、同一の大きさの反射源からのレスポンス（反射信号振幅）を同一になるように、探傷前に装置の調整（キャリブレーション）を行うので、実質的に超音波ビームの傾きが問題になることはない。このため、従来の使用方法においては、「探触子の相対姿勢（ビーム傾斜及び回転角（方位））の変化」が問題とされることは通常なく、この「相対姿勢を固定すること」も行われていない。したがって、「相対姿勢を固定すること」は、従来の垂直探触子の利用方法において想定し得ない事項である。
【００５９】
干渉法では、ボルト長さに応じた超音波の干渉周波数ピークから、ボルト１００の長さ変化を測定することが可能で、軸力に換算することが出来る。この測定は、細長いボルトの場合に測定データのばらつきが小さく、太く短いボルトの場合に測定データがばらつく傾向が認められた。今回の実験で、ボルト１００と探触子２の相対位置及び探触子２の相対角度（回転角度）を固定することで、太く短いボルトにおいても測定データのばらつきを低減できることが分かった。また、探触子固有の超音波ビームの傾きに起因する可能性も少なからずあるので、探触子２の姿勢を一致させることで、さらにデータのばらつきを抑制できる。
【００６０】
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。
第二実施形態では、図１８に示すように、測定部３６は、信号強度測定部３６ａと、先のバースト波２１と異なる第二バースト波６０の伝播時間を測定する伝播時間測定部３６ｂを備える。また、マスターカーブ作成部３７は、既知の軸力（荷重）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３７ｂと、既知の軸力（荷重）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３７ｃ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。
【００６１】
超音波発生器３０は、先のバースト波２１とこのバースト波２１とは異なる超音波としての第二バースト波６０の２種のバースト波を発生させる。第二バースト波６０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）。すなわち、本実施形態では、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。
【００６２】
図１９（ａ）に示すように、第二バースト波６０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）の到達時間より短い波数であるとよい。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到達時間よりも長くなる波数であれば、第一反射エコーＢ１が第二バースト波６０（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１９（ａ）に示す第二バースト波６０の送信エコー６０’（Ｓ）と第一反射エコー６１’（Ｂ１）の時間差Ｔを伝播時間Ｔとして求め、図１９（ｂ）に示す如き時間波形Ｗ’を生成する。
【００６３】
次に、図２０〜２４を参照しながら軸力測定手順について説明する。
図２０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に入射するバースト波２１、第二バースト波６０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に第二バースト波６０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３６ｂ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３６ａにて波形データが生成される（Ｓ４）。このバースト波２１の送受信時において、上述の治具１０により、各方位指示部Ｍ１〜３を一致させることで、測定時のボルト１００に対する探触子２の相対位置及び相対姿勢を固定する。これにより、測定値のばらつきを抑制する。
【００６４】
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３６ｂが測定した第二バースト波６０の伝播時間と設定した軸力から図２１（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３６ａが測定したバースト波２１の極大干渉周波数と設定した軸力から図２１（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。
【００６５】
ここで、例えば図２２に示すように、ボルト１００が比較的長い場合、時間波形（第二バースト波）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（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。
【００６６】
そこで、図２３に示すように、まず、上述と同様にバースト波設定部４１に入射するバースト波２１、第二バースト波６０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）、第二バースト波６０の波数１、バースト波２１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が第二バースト波６０を発生させ、反射信号を受信する（Ｓ１１）。そして、伝播時間測定部３６ｂが時間波形Ｗ’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２４（ａ））。
【００６７】
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２４（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。
【００６８】
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バースト波２１を発生させ、反射信号を受信する（Ｓ１５）。この際、上述の治具１０により探触子２を第二マスターカーブＭ２の作成時における探触子の相対位置及び相対姿勢と一致させて取り付けた状態で反射波を受信する。そして、信号強度測定部３６ａは、干渉波形Ｗを生成すると共にその干渉波形Ｗ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２４（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２４（ｅ））。このように、先に第二バースト波６０を用いてバースト波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。しかも、第二マスターカーブ作成時と検査時（軸力算出時）の探触子の相対位置及び相対姿勢を一致させるので、垂直探触子の相対位置及び相対姿勢の不一致による干渉周波数の測定誤差を抑制することができる。
【００６９】
次に、本発明の第三実施形態について説明する。
上記第二実施形態においては、先に第二バースト波６０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。
【００７０】
例えば、図２５に示すように、ボルト１００が比較的短い場合、干渉波形（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（第二バースト波）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。
【００７１】
そこで、図２６に示すように、まず、上述と同様にバースト波設定部４１に入射するバースト波２１、第二バースト波６０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がバースト波２１を発生させ、反射信号を受信する（Ｓ２１）。この際、上述の治具１０により、各方位指示部Ｍ１〜３を一致させて、第二マスターカーブＭ２の作成時における探触子の相対位置及び相対姿勢と一致して探触子２を取り付けられた状態で受信する。そして、信号強度測定部３６ａが干渉波形Ｗを生成すると共に極大干渉周波数Ｑを求める（Ｓ２２、図２７（ａ））。
【００７２】
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２７（ｂ）（ｃ））。
【００７３】
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が第二バースト波６０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３６ｂは時間波形Ｗ’を生成すると共に時間波形Ｗ’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２７（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。
【００７４】
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２７（ｅ））。このように、先に第二バースト波を用いて第二バースト波６０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。
【００７５】
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。
上記実施形態において、探触子固定治具１０は、略円柱形の本体部１１に探触子２を保持する貫通孔１２とボルト頭部１０１と嵌合する凹部１３を設けた。しかし、治具１０の構造はこれに限られるものではない。例えば、図２８（ａ）に示すように、本体部１１’をボルト頭部１０１と同形状として頭部１０１に載置するようにし、探触子２を押さえるイモネジ等を取り付ける取付孔１４を設けてもよい。また、形状も六角柱に限られず、同図（ｂ）（ｃ）の如き頭部１０１と３辺で一致する三角柱形状でも構わない。
【００７６】
さらに、各方位指示部は、マークや刻印等に限られるものではなく、例えば図２９に示す如く、ケーブル接続部２ａが水平方向に突設された探触子２’を用い、その接続部２ａを探触子方位指示部Ｍ２としてもよい。同様に、試験体方位指示部Ｍ３もボルト等の試験体の特徴形状（例えばメーカーの刻印やねじ溝の開始、終了箇所）を指示部とすることもできる。また、図３０に示すように、例えば探触子２”のハウジング２ｂ自体をボルト頭部１０１と同一形状とし、その底部２ｃにフェライト磁石等を設ける。これにより、位置合わせを六角形の角部で行えばよく、相対位置を容易に一致させることができる。しかも、磁石により位置ずれを防止し且つ相対姿勢も安定する。
【００７７】
なお、これらは一例に過ぎず、探触子の相対位置及び相対姿勢を一致させることが可能な態様であれば、これに限定されない。例えば、ボルト頭部１０１を加工し非対称形状とし、治具１０にそれに嵌合する凹部１３を形成することで、相対位置及び相対姿勢（方位）を容易に一致させることができる。また、治具１０にスリットや孔を設け、他の方位指示部を識別容易としてもよい。さらに、試験体は長尺部材（ボルト）に限られるものではなく、例えば板状体でも適用可能である。
【００７８】
上記第二、第三実施形態において、伝播時間Ｔを第二バースト波６０の送信エコー６０’（Ｓ）と第一反射エコー６１’（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６１’（Ｂ１）と第二反射エコー６２’（Ｂ２）との時間差であってもよい。また、図１９（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。
【００７９】
上記各実施形態において、図３（ｂ）に示す如く、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。これにより、高周波ノイズの影響を低減できる。
【００８０】
上記第二、第三実施形態において、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、上記第二、第三実施形態では、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。
【００８１】
上記各実施形態において、探触子２に超音波の送受信を兼務する一振動子型探触子を用いたが、二振動子型探触子を用いても構わない。但し、二振動子型探触子は、その構造上、超音波ビームＢに傾斜Ｇが生じやすいため、一振動子型探触子の方が干渉への影響を抑制できる。
【００８２】
上記第二実施形態において、第二バースト波６０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、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。
【００８３】
上記第二、第三実施形態において、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、第二バースト波をパルス波に替えて、パルス波とバースト波とを用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
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。
【００８５】
さらに、本発明は、干渉法を用いた超音波検査手法に適用できるものであり、軸力測定に限られるものではない。干渉法は、超音波の伝播時間の微小な変化を干渉周波数の変化として検出するものであるので、伝播時間に関連付けられる材料の状態を測定対象にできる。例えば、試験体のひずみ測定、音速測定、温度測定、材質測定、残留応力測定等が可能である。また、長尺部材（ボルト１００）に限らず、例えば板材の肉厚測定に適用することも可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１：軸力測定装置、２，２’，２”：探触子、２ａ：ケーブル接続部、２ｂ：ハウジング、２ｃ：底面（磁石）、２ｄ：振動子、３：信号処理部（装置本体）、４：表示・入出力部（ＰＣ）、１０，１０’１０Ａ，１０Ｂ：探触子固定治具、１１：本体部、１２：貫通孔、１３：凹部、１４：取付孔、２０Ａ，２０Ｂ：合成波、２１：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：信号強度測定部、３６ｂ：伝播時間測定部、３７：マスターカーブ作成部、３７ａ：軸力算出式作成部、３７ｂ：第一マスターカーブ作成部、３７ｃ：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、６０：第二バースト波（異なる超音波）、６１，６１’：最初の反射波（Ｂ１）、６２，６２’：２回目の反射波（Ｂ２）１００：ボルト（長尺部材）、１０１：頭部（一端）、１０２：先端部（他端）、２００：理想的な垂直探触子、２０１〜２０３：現実の垂直探触子、Ｂ：超音波ビーム、Ｂａ：中心、Ｃ：軸力算出式、Ｆ：軸力、Ｆ’：概略軸力、ｆｒ：干渉周波数範囲、Ｇ：傾斜、Ｍ１：治具方位指示部、Ｍ２：探触子方位指示部、Ｍ３：試験体方位指示部、Ｎ：試験体、Ｐ１〜３：経路、Ｑ：極大干渉周波数、Ｒ，Ｒ’：反射信号、Ｔ：伝播時間、Ｔ’：極大伝播時間、ｔｒ：伝播時間範囲、Ｖ：最短経路（垂線）、Ｗ：干渉波形、Ｗ’：時間波形、
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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