(57)【要約】【課題】超音波発振子／受信子とボルト頭部とが常に適切に接触でき、精度の高い軸力測定を行うことができるボルトを提供する。【解決手段】ボルト頭部２とボルト軸部３とを備え、そのボルト頭部２に超音波発振子／受信子３０を密着させて軸力を測定するためのボルト１であって、上記ボルト頭部２を、上記超音波発振子／受信子３０を密着させる部分の軸方向厚さＴが他の部分よりも大きくなるように形成したものである。【選択図】　　　　図１
2004044744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボルト頭部とボルト軸部とを備え、そのボルト頭部に超音波発振子／受信子を密着させて軸力を測定するためのボルトであって、
上記ボルト頭部を、上記超音波発振子／受信子を密着させる部分の軸方向厚さが他の部分よりも大きくなるように形成したことを特徴とするボルト。
【請求項２】
ボルト頭部とボルト軸部とを備え、そのボルト頭部の上端面に超音波発振子／受信子を密着させて軸力を測定するためのボルトであって、
上記ボルト頭部の上端面を、略中央部に向かうにつれて徐々に突出するように凸面状に形成し、かつ、その最大突出量を、ボルトに最大軸力が発生したときのボルト頭部上端面の最大窪み量以上とすることを特徴とするボルト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により軸力を測定するのに適したボルトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボルトを締め付けると、その回転（締め付けトルク）の増加に伴って締結力が生じるが、このときボルトの軸部にはその反力としての軸力（引っ張り力）が発生する。従って、ボルトに発生した軸力を測定・評価することによってボルトの締結力を保証することができる。そこで従来から、ボルトの品質を保証するためにボルト軸力の測定を行っている。
【０００３】
近年では、ボルトの軸力を測定する手段として「超音波ボルト軸力計」を使用することが注目されている。
【０００４】
「超音波ボルト軸力計」とは、図６に示すように、超音波発振子／受信子３０をボルトＶのボルト頭部Ｈの上端面に密着させて、ボルト頭部Ｈから超音波を入射すると共にボルト軸部Ｓの先端部Ｓａで反射された反射波（エコー）を検出し、その検出結果に基づいてボルトＶに発生した軸力を測定するものである。
【０００５】
具体的には、ボルトＶが締め付けられて軸力が発生するとボルトＶの軸部Ｓが伸びるため超音波の伝達時間が長くなり、反射波が検出されるまでの時間が長く（遅く）なる。この遅延時間はボルトＶに発生した軸力に比例するため、反射波検出の遅延時間からボルト軸力を求めることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、「超音波ボルト軸力計」によって正確にボルト軸力を測定するためには、超音波の入射及び反射が正確に行われるようにする必要があるため、ボルト頭部Ｈの上端面とボルト軸部Ｓの先端部Ｓａとを平滑に加工している。
【０００７】
また、超音波発振子／受信子３０とボルト頭部Ｈとの接触面には超音波を伝達しやすい液体（グリセリン、油等）を塗布し、空気層が介在することのないようにしている（空気層では超音波はほぼ完全に遮断されてしまう）。
【０００８】
しかしながら、ボルトＶを締め付けて軸力が発生すると、ボルト軸部Ｓが伸びるだけでなくボルト頭部Ｈが変形するため、超音波発振子／受信子３０とボルト頭部Ｈとの間に間隔が生じてしまい、超音波の伝達が不安定となり正確な軸力測定が困難になるという問題があった。
【０００９】
即ち、図７に示すように、ボルトＶを締め付けていくとボルト頭部Ｈの略中央部が軸方向内側に窪み、ほぼパラボラ形状（放射面状）に変形する。このため、超音波発振子／受信子３０の中央部とボルト頭部Ｈの中央部との間に間隔が生じてしまい、超音波の伝達不良が発生するのである。特に、超音波は超音波発振子／受信子３０のほぼ中央部にて発振及び受信されるため、中央部の間隔が大きくなることは好ましくない。
【００１０】
また、このように超音波発振子／受信子３０の中央部とボルト頭部Ｈの中央部との間隔が大きくなってしまった場合、超音波ゲインを増大したり、超音波発振子／受信子３０の位置をずらす等の調整が必要となるため、軸力測定の完全な自動化の妨げにもなっていた。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、超音波発振子／受信子とボルト頭部とが常に適切に接触でき、精度の高い軸力測定を行うことができるボルトを提供することにある。
【００１２】
【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は、ボルト頭部とボルト軸部とを備え、そのボルト頭部に超音波発振子／受信子を密着させて軸力を測定するためのボルトであって、上記ボルト頭部を、上記超音波発振子／受信子を密着させる部分の軸方向厚さが他の部分よりも大きくなるように形成したものである。
【００１３】
また本発明は、ボルト頭部とボルト軸部とを備え、そのボルト頭部の上端面に超音波発振子／受信子を密着させて軸力を測定するためのボルトであって、上記ボルト頭部の上端面を、略中央部に向かうにつれて徐々に突出するように凸面状に形成し、かつ、その最大突出量を、ボルトに最大軸力が発生したときのボルト頭部上端面の最大窪み量以上としたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１５】
図１（ａ）は本実施形態に係るボルトの上面図であり、図１（ｂ）はその部分正面図である。
【００１６】
図に示すように、ボルト１は、ボルト頭部２と、ねじ溝４が形成されたボルト軸部３とからなる。ボルト頭部２は、その径方向外側部に六角部５を有している。
【００１７】
そして本実施形態のボルト１の特徴は、ボルト頭部２の上面側において、ボルト軸力を測定するための超音波発振子／受信子３０を密着させる部分に、軸方向外側（図１（ｂ）の上側）に突出した突出部６が形成されている点にある。即ち、ボルト頭部２の超音波発振子／受信子３０を密着させる部分の軸方向厚さＴが他の部分（六角部５）の軸方向厚さｔよりも大きく形成されている。このため、当然、突出部６の剛性は六角部５と比べて高い。
【００１８】
また、突出部６の上端面６ａは、超音波発振子／受信子３０の平坦状の下面と密着できるように、平滑に加工されている。
【００１９】
次に、このボルト１の軸力を測定する際の作用を説明する。
【００２０】
まず、ボルト軸力を測定するに当たって、ボルト頭部２の突出部６の上端面６ａに超音波発振子／受信子３０を密着させる。このとき、突出部６の上端面６ａと超音波発振子／受信子３０との間に超音波を伝達しやすい液体（グリセリン、油等）を塗布し、空気層が介在しないようにする。
【００２１】
そして、ボルト１を締め付けて、超音波発振子／受信子３０から超音波を発振し、ボルト軸部３の先端部で反射された反射波（エコー）を検出する。このとき、ボルト１の締め付けに伴って、ボルト軸部３が伸びると共にボルト頭部２に応力が発生し、ボルト頭部２が変形しようとする。
【００２２】
ここで、ボルト頭部２における突出部６が設けられた部分（径方向内側部分）、即ち、超音波発振子／受信子３０が密着されている部分は、他の部分と比べて軸方向の厚さが大きく剛性が高いため、応力は六角部５に集中する。この結果、図２に点線で示すように、ボルト頭部２の六角部５が、突出部６との境界部分７を基点として湾曲・変形する。
【００２３】
この結果、ボルト頭部２に発生した応力は六角部５の変形によって吸収されることになり、突出部６までは伝達されない。また、伝達したとしても僅かである。このため、ボルト１に最大軸力が発生しても、突出部６の上端面６ａはほとんど変形せずに平坦状を維持する。つまり、超音波発振子／受信子３０と突出部６の上端面６ａとの間に間隔が生じることがなく常に密着される。よって、超音波の安定した伝達を確保でき正確な軸力測定を行うことができる。なお、上記最大軸力とは、ボルト１を締め付ける際に、そのボルト１に発生し得る最大の軸力（極限締付け軸力ともいう）のことをいい、通常は塑性域で発生する。
【００２４】
このように、本実施形態のボルト１は、ボルト頭部２の超音波発振子／受信子３０を密着させる部分の軸方向厚さＴが大きいので、ボルト１に軸力が発生しても超音波発振子／受信子３０との接触面６ａは変形しない。また、六角部５の軸方向厚さｔが、突出部６が設けられた部分の軸方向厚さＴよりも小さいので、ボルト頭部２に応力が発生したときに六角部５が変形し、応力が突出部６に伝達されることを防止する。
【００２５】
従って、ボルト１を締め付けて軸力が発生しても超音波発振子／受信子３０とボルト頭部２とが常に適切に密着できる。よって、超音波の伝達が正確にでき、安定した精度の高い軸力測定が可能となる。
【００２６】
また、「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したような、超音波ゲインの増大、超音波発振子／受信子３０の位置調整などの作業が必要なくなるため、完全な自動測定が可能となる。
【００２７】
なお、突出部６の突出量、即ち、突出部６が設けられた部分の軸方向厚さＴについては、ボルト１に最大軸力が発生したときに突出部６の上端面６ａが変形しない厚さであれば制約はない。
【００２８】
また、突出部６は研削加工などにより形成しても良いし、鍛造等の塑性加工を用いても良い。鍛造等を用いれば、研削加工を省略できるため、製造工程の削減及びコスト低減が図れる。
【００２９】
次に図３を用いて、本発明の他の実施形態を説明する。
【００３０】
図３はこの実施形態に係るボルトの部分正面図であり、明瞭化の目的からボルト頭部の上端面を誇張して示している。
【００３１】
この実施形態のボルト１１の特徴はボルト頭部１２の上端面１２ａを、ほぼ中央部に向かうにつれて徐々に軸方向外側（図３の上側）に突出するように凸面状に形成した点にある。
【００３２】
このように、ボルト頭部１２の上端面１２ａを予め上方に突出させて形成しておけば、ボルト１１の締め付けに伴ってボルト頭部１２が変形しても超音波発振子／受信子３０とボルト頭部１２との接触を確保できる。
【００３３】
即ち、ボルト１２を締め付けていくにつれて、ボルト頭部１２の上端面１２ａはその中央部が軸方向内側に窪むように変形していくが、ボルト頭部１２の上端面１２ａの中央部が予め軸方向外側に突出しているため、その突出量が小さくなるように変形していく。そして、図４に示すように、ボルト１１に最大軸力が発生したときに、ボルト頭部１２の上端面１２ａは、その中央部が若干突出しているか、あるいは、ほぼ平坦状となる。
【００３４】
従って、超音波発振子／受信子３０とボルト頭部１２とが常に適切に接触でき、正確な軸力測定を行うことができる。
【００３５】
ここで、ボルト頭部１２の上端面１２ａを凸面状にすることにより、超音波発振子／受信子３０とボルト頭部１２の上端面１２ａとの接触が点接触となるため、超音波の伝達が不安定になることが懸念されるが、本出願人は、ボルト頭部の上端面を平坦状とした場合と同じかそれ以上の良好な超音波伝達特性が得られることを確認した。
【００３６】
その理由については次のことが考えられる。
【００３７】
即ち、ボルト頭部の上端面を平坦に形成した場合であっても、実際にはボルト頭部の上端面及び超音波発振子／受信子３０の下面には僅かな凹凸が存在する。このため、双方の接触は微視的には点接触となる。本実施形態では超音波が発振及び受信されるボルト頭部１２の中央部を積極的に突出させて超音波発振子／受信子３０と接触させているため、その接触点を基点にスムーズな超音波の伝達が可能となるのである。
【００３８】
さて、本出願人は、ボルト頭部１２の上端面１２ａの最適な形状を得るべく、ボルト頭部の上端面が平坦なボルトを用いて、軸力発生に伴うボルト頭部の変形形状の測定を行った。なお、ボルトはねじ部のサイズがＭ１１×Ｐ１．５で、ボルト頭部のサイズがＨＥＸ１７、厚さ８ｍｍであるスチール製のボルトを使用した。
【００３９】
その結果の一つを図５に示す。
【００４０】
図中、線Ａは締付け前のボルト頭部の上端面形状を示しており、線Ｂはボルトに最大軸力（約７０ｋＮ）が発生したとき、具体的には、最大トルク（約１２ｋＮ・ｃｍ）で締め付けたときのボルト頭部の上端面形状を示している。
【００４１】
図５からも分かるように、ボルトに軸力が発生するとボルト頭部の上端面はそのほぼ中心部が軸方向内側に最も窪み、パラボラ類似形状（放物面形状）に変形する。また、図５のボルトではボルト頭部の最大窪み量Ｘは約１０μｍであった。
【００４２】
ここで、図３に示すボルト頭部１２の上端面１２ａにおいて、そのほぼ中央部の最大突出量Ｙを、ボルトに最大軸力が発生したときのボルト頭部上端面の最大窪み量Ｘと同じにしておけば、ボルト１１に最大軸力が発生したときにボルト頭部１２の上端面１２ａがほぼ平坦状に変形することになる。
【００４３】
従って、ボルトに最大軸力が発生したときの最大窪み量Ｘを予め測定しておき、ボルト頭部１２の上端面１２ａを少なくとも最大窪み量Ｘ以上突出した凸面状に形成すれば超音波発振子／受信子３０とボルト頭部１２の上端面１２ａとが常に適切に接触できることになる。言い換えれば、ボルト頭部１２の上端面１２ａを、図５に示す上端面の窪み形状Ｂを反転した形状で突出するようにすれば良い。
【００４４】
しかしながら、ボルト頭部１２の最大突出量Ｙを最大窪み量Ｘと同じに設定した場合、理論上は最大軸力が発生したときにボルト頭部１２の上端面１２ａが平坦状となるが、ボルト頭部１２の上端面１２ａの凹凸や超音波発振子／受信子３０の下面の凹凸など、各種形状のばらつきにより接触状態が悪化する可能性がある。そこで、本出願人は、ボルト頭部１２の最大突出量Ｙを種々変えて実験を行った結果、ボルト頭部１２の最大突出量Ｙを、最大窪み量Ｘの２倍程度に設定しておけば常に良好な接触を確保できることを確認した。
【００４５】
なお、ボルト頭部１２の上端面１２ａの形状はパラボラ類似形状に限定されず、中央部が最も突出した形状であれば、球面形状や円錐形状でも良い。
【００４６】
また、ボルト頭部１２の上端面１２ａは研削加工などにより形成しても良いし、鍛造等の塑性加工を用いても良い。鍛造等を用いれば、研削加工を省略できるため、製造工程の削減及びコスト低減が図れる。
【００４７】
このように、本実施形態でも図１に示したものと同様の効果を得ることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、超音波発振子／受信子とボルト頭部とが常に適切に接触でき、精度の良い軸力測定を行うことができるという優れた効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係るボルトの上面図である。
（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るボルトの部分正面図である。
【図２】図１のボルトに最大軸力が発生したときのボルト頭部の変形状態を示すボルト頭部拡大図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係るボルトの部分正面図である。
【図４】図３のボルトに最大軸力が発生したときのボルト頭部の変形状態を示すボルト頭部拡大図である。
【図５】ボルト頭部の上端面が平坦であるボルトの締付け前と、最大軸力が発生したときの、ボルト頭部上端面の形状を測定した結果である。
【図６】従来のボルトを示す正面図である。
【図７】従来のボルトのボルト頭部の変形状態を示すボルト頭部拡大図である。
【符号の説明】
１，１１　ボルト
２，１２　ボルト頭部
３　ボルト軸部
５　六角部
６　突出部
６ａ　突出部上端面
１２ａ　ボルト頭部上端面
【図１】
2004044744.tif 000003
【図２】
2004044744.tif 000004
【図３】
2004044744.tif 000005
【図４】
2004044744.tif 000006
【図５】
2004044744.tif 000007
【図６】
2004044744.tif 000008
【図７】
2004044744.tif 000009