(57)【要約】【課題】ボルトの締付状態に拘わらず、超音波発振・受信子とボルト頭部端面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超音波ボルト軸力計を提供する。【解決手段】ボルト頭部３端面１６に超音波発振・受信子１を接触させて、上記ボルト２内に超音波ｐ１を発振すると共に上記ボルト底部で反射した超音波ｐ２を受信してその超音波ｐ１，ｐ２の伝達時間を検出してボルト２の軸力を算出する超音波ボルト軸力計において、上記超音波発振・受信子１の上記ボルト頭部３端面１６に対向する対向面１７に、上記ボルト２側に突出して上記ボルト頭部３端面１６に接触するための突出部１８を設け、その先端面１５を凸面状に形成した。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボルト頭部端面に超音波発振・受信子を接触させて、上記ボルト内に超音波を発振すると共に上記ボルトの底部で反射した超音波を受信してその超音波の伝達時間を検出してボルトの軸力を算出する超音波ボルト軸力計において、上記超音波発振・受信子の上記ボルト頭部端面に対向する対向面に、上記ボルト側に突出して上記ボルト頭部端面に接触するための突出部を設け、その先端面を凸面状に形成したことを特徴とする超音波ボルト軸力計。
【請求項２】
上記突出部を上記ボルト頭部端面に密着させるための付勢手段であって、上記ボルト頭部端面に着脱自在に係止可能な支持部材と、その支持部材に一端が支持されると共に他端が超音波発振・受信子に係合してその超音波発振・受信子をボルト頭部端面側に付勢する弾性部材とからなる付勢手段をさらに備えた請求項１記載の超音波ボルト軸力計。
【請求項３】
上記支持部材が、筒状に形成され上記超音波発振・受信子の外周に嵌合されると共に、上記超音波発振・受信子を上記ボルトの軸方向に案内し、且つ上記ボルト頭部端面に磁着可能なガイド部材にて構成される請求項２記載の超音波ボルト軸力計。
【請求項４】
上記弾性部材が、上記支持部材の反ボルト側内面に形成された段部と、上記超音波発振・受信子のボルト側外面に形成された段部との間に圧縮状態で挿入されたゴム或いはバネからなる請求項２または３いずれかに記載の超音波ボルト軸力計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波の伝達時間を検出することによりボルトの軸力を算出・測定する超音波ボルト軸力計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）の増加に伴って締付力が生じるが、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付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５に示すように、超音波発振・受信子５１をボルト５２の頭部５３の端面に密着させて、ボルト頭部５３から超音波ｐ１を発振（入射）すると共にボルト軸部５４の先端部５５で反射された超音波（エコー）ｐ２を検出し、その検出結果に基づいてボルト５２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５２が締め付けられて軸力が発生するとボルト５２の軸部５４が伸びるため超音波ｐ１，ｐ２の伝達時間が長くなり、反射波ｐ２が検出されるまでの時間が長くなる。この長くなった伝達時間（延長時間という）はボルト５２に発生した軸力に比例するため、反射波検出の延長時間からボルト軸力を求めることができる。
【０００６】
すなわち、ボルト５２の締付前と締付後の超音波ｐ１，ｐ２の伝達時間を検出し、各伝達時間の時間差（これが延長時間である）を基に、ボルト軸部５４の伸び長さが検出され、これによって、ボルト軸力が算出される。
【０００７】
上述のような超音波ボルト軸力計としては、ボルトの締付を行うソケット内に超音波発振・受信子が内蔵されたタイプのものがあった（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−７４７６４号公報　（第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の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ｐ１，ｐ２の発振（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、上記特許文献１に示されたものも含む超音波発振・受信子５１及び、ボルト頭部５３の端面とボルト軸部５４の先端部５５とを平滑に加工している。
【００１０】
また、超音波発振・受信子５１とボルト頭部５３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。これは空気層では超音波はほぼ完全に遮断されてしまうためである。
【００１１】
しかしながら、ボルト５２を締め付けて軸力が発生すると、図６に示すように、ボルト軸部５４が伸びるだけでなくボルト頭部５３の端面が陥没変形するため、超音波発振・受信子５１とボルト頭部５３の端面との間に隙間５６が生じてしまい、超音波ｐ１，ｐ２の伝達レベルが大きく低下し伝達が不安定となり、正確な軸力測定が困難になってしまうという問題があった。
【００１２】
即ち、ボルト５２を締め付けていくと、ボルト頭部５３の略中央部が軸方向内側に窪み、ほぼパラボラ形状（放物面状）に変形する。このため、超音波発振・受信子５１の中央部とボルト頭部５３の中央部との間に隙間（例えば１０μｍ）５６が生じてしまい、超音波ｐ１，ｐ２の伝達不良が発生するのである。特に、超音波ｐ１，ｐ２は超音波発振・受信子５１のほぼ中央部にて発振及び受信されるため、中央部の隙間５６が大きくなることは好ましくない。
【００１３】
そこで、本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、その目的は、ボルトの締付状態に拘わらず、超音波発振・受信子とボルト頭部端面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超音波ボルト軸力計を提供することにある。
【００１４】
【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、ボルト頭部端面に超音波発振・受信子を接触させて、上記ボルト内に超音波を発振すると共に上記ボルトの底部で反射した超音波を受信してその超音波の伝達時間を検出してボルトの軸力を算出する超音波ボルト軸力計において、上記超音波発振・受信子の上記ボルト頭部端面に対向する対向面に、上記ボルト側に突出して上記ボルト頭部端面に接触するための突出部を設け、その先端面を凸面状に形成したものである。
【００１５】
上記構成によれば、超音波発振・受信子のボルト頭部端面に対向する対向面に先端面が凸面状の突出部が形成されているので、ボルトの締付によって、ボルト頭部の端面が陥没変形しても、超音波発振・受信子の突出部とボルト頭部端面の中央部とが隙間なく良好に接触できる。よって、超音波の伝達レベルが低下することなく、正確な軸力測定が可能になる。
【００１６】
そして、上記突出部を上記ボルト頭部端面に密着させるための付勢手段であって、上記ボルト頭部端面に着脱自在に係止可能な支持部材と、その支持部材に一端が支持されると共に他端が超音波発振・受信子に係合してその超音波発振・受信子をボルト頭部端面側に付勢する弾性部材とからなる付勢手段をさらに備えたものが好ましい。超音波発振・受信子をボルト頭部端面に確実に密着することができ、より高い精度の軸力測定が可能となる。
【００１７】
また、上記支持部材が、筒状に形成され上記超音波発振・受信子の外周に嵌合されると共に、上記超音波発振・受信子を上記ボルトの軸方向に案内し、且つ上記ボルト頭部端面に磁着可能なガイド部材にて構成されるものが好ましい。
【００１８】
さらに、上記弾性部材が、上記支持部材の反ボルト側内面に形成された段部と、上記超音波発振・受信子のボルト側外面に形成された段部との間に圧縮状態で挿入されたゴム或いはバネからなるものが好ましい。
【００１９】
【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。
【００２０】
図１は本発明に係る超音波ボルト軸力計の超音波発振・受信子の好適な実施の形態を示した一部断面側面図、図２は本発明に係る超音波ボルト軸力計の超音波発振・受信子の締付前のボルト頭部への接触状態を示した一部断面側面図、図３は本発明に係る超音波ボルト軸力計の超音波発振・受信子のボルト頭部への非接触状態を示した一部断面側面図である。
【００２１】
本発明に係る超音波ボルト軸力計は、超音波発振・受信子以外の部分は、従来と同様の構成であるので、その説明を省略する。
【００２２】
図示するように、上述の超音波発振・受信子１は、略円柱状に形成され、その先端面１５がボルト２の頭部３の端面１６に接触して、その略中央部でボルト２の軸部４内に超音波ｐ１を発振すると共に、ボルト底部（図示せず）で反射した超音波ｐ２を受信するためのものである。なお、図中、１０は図示しない超音波送信用ケーブルを接続するための接続部を示す。
【００２３】
本発明に係る超音波ボルト軸力計の超音波発振・受信子１は、ボルト頭部３の端面１６に対向する対向面１７に、上記ボルト２側に突出してボルト頭部３端面１６に接触するための突出部１８を設け、その先端面１５が凸面状になるように形成したことを特徴とする。
【００２４】
具体的には、突出部１８は、平面状の対向面１７に全体に渡って形成されており、その先端面１５に形成された凸面５は、球面状或いは放物面状に形成されている。これら超音波発振・受信子１の球面或いは放物面の曲率半径は、測定されるボルト１の締付後のボルト頭部３の陥没して形成される放物面の曲率半径よりも小さくなるように設定されている。
【００２５】
これによって、超音波発振・受信子１の先端面１５の凸面５の中央部は、締付後のボルト頭部３の端面１６に発生する凹面６の中央部に確実に且つ出来るだけ広い面積で接触することができる。
【００２６】
なお、超音波発振・受信子１の先端面１５の凸面５の曲率半径は、測定されるボルト１毎に、そのボルト頭部３の凹面６の曲率半径と略同等（これより若干小さい程度）になるように設定してもよい。
【００２７】
これによれば、超音波発振・受信子１の先端面１５の凸面５は、ボルト頭部３の端面１６の凹面６に対して、中央部ばかりでなく、外周部に渡っても良好に接触することができ、凸面５と凹面６とのより高い接触性を得ることができる。
【００２８】
超音波発振・受信子１の外周には、突出部１８をボルト頭部３の端面１６に密着させるための付勢手段１９が設けられている。この付勢手段１９は、ボルト頭部３端面１６に着脱自在に係止可能な支持部材２１と、その支持部材２１に一端が支持されると共に他端が超音波発振・受信子１に係合してその超音波発振・受信子１をボルト頭部３端面１６側に付勢する弾性部材１２から構成されている。
【００２９】
支持部材２１は、筒状に形成され、超音波発振・受信子１の外周に嵌合されていると共に、超音波発振・受信子１をその軸方向に案内し、且つボルト頭部３端面１６に磁着可能なガイド部材７にて構成されている。
【００３０】
ガイド部材７は、磁性材料からなる永久磁石にて構成されている。ガイド部材７内には、超音波発振・受信子１が軸方向に移動可能に挿通・嵌合されている。なお、ガイド部材７は電磁石によって構成してあってもよい。
【００３１】
超音波発振・受信子１のボルト側外面には、外側に延出した鍔状の段部８が形成され、ガイド部材７の反ボルト側内面には、内側に延出した段部９が形成されており、ガイド部材７の内部に筒状の隙間１１が形成されている。
【００３２】
この隙間１１には、弾性部材１２が圧縮状態で設けられている。弾性部材１２には、ゴムやバネ等（本実施の形態ではゴム）が採用されている。この弾性部材１２の弾性推力は、ガイド部材７のボルト頭部３への磁着力よりも十分に小さくなるように設定されている。
【００３３】
超音波発振・受信子１の外周部には、スナップリング１４が設けられており、超音波発振・受信子１のボルト頭部３への非接触時に、ガイド部材７の基端部が、スナップリング１４に当接することによって（図３参照）、ガイド部材７の離脱を防止している。
【００３４】
次に、上記構成の超音波ボルト軸力計の作用を説明する。
【００３５】
まず、締付前のボルト２は、図２に示すように、そのボルト頭部３端面１６が平面状である。このボルト頭部３に超音波発振・受信子１を接触させる場合は、図３の非接触の状態で、超音波発振・受信子１をボルト２に接近させる。すると、超音波発振・受信子１の凸面状の先端面１５が、ボルト頭部３端面１６に接触する。
【００３６】
このとき、ガイド部材７の磁着力は、弾性部材１２の弾性推力よりも大きいので、凸面５の接触と略同時に或いは遅れて、ガイド部材７は、自動的に超音波発振・受信子１の軸方向に沿って相対移動し、ボルト頭部３に磁着して、超音波発振・受信子１を固定する。ガイド部材７の移動は、ガイド部材７をボルト頭部３側に押してアシストするようにしてもよい。
【００３７】
このとき、ボルト頭部３端面１６は平面状であり、超音波発振・受信子１の先端面凸面５はその中央部が突出しているので、超音波発振・受信子１の先端面凸面５はボルト頭部３端面１６の中央部に確実に接触している。外周部においては若干接触していない部分があるが、本実施の形態の凸面５の突出高さは、例えば１０μｍであり、超音波発振・受信子の対向面１７全体の面積に対するボルト頭部３端面１６との非接触面積率は３０％程度に抑えられている。また、超音波ｐ１，ｐ２は超音波発振・受信子１の略中央部で発振・受信される。従って、超音波ｐ１，ｐ２を良好に伝達することができる。また、弾性部材１２の弾性推力によって、超音波発振・受信子１がボルト頭部３端面１６側に付勢されているので、ボルト頭部３端面１６への密着性が高くなる。さらに、ガイド部材７によって、超音波発振・受信子１の軸方向とボルト２の軸方向とが互いに同一方向に合わされている。
【００３８】
これによって、超音波ｐ１，ｐ２の伝達不良が発生せず、超音波ｐ１，ｐ２の伝達時間を正確に測定できる。
【００３９】
伝達時間の測定が終了すると、一旦、超音波発振・受信子１をボルト頭部３端面１６から離反させて、ボルト２の締付を行った後に、ボルト２の伝達時間の測定を再度行う。
【００４０】
ここで、締付後のボルト２の測定状態について説明する。締付後のボルト２は、図１に示すように、そのボルト頭部３端面１６が凹面６となっている。このボルト頭部３に超音波発振・受信子１を接触させる場合は、上記と同様に図３の非接触の状態で、超音波発振・受信子１をボルト２に接近させる。すると、超音波発振・受信子１の先端面１５の凸面５が、ボルト頭部３端面１６に接触する。ここで超音波発振・受信子１及び付勢手段１９の作動は上記と同様となる。
【００４１】
このとき、ボルト頭部３の端面１６は、その中央部が陥没した凹面６となっているが、超音波発振・受信子１の先端面１５の凸面５の曲率半径が、凹面６の曲率半径よりも小さく形成されているので、その凸面５の中央部が、ボルト頭部３端面１６の凹面６の中央部に確実に接触する。
【００４２】
また、弾性部材１２の弾性推力によって、超音波発振・受信子１が、ボルト頭部３端面１６側に付勢されているので、ボルト頭部３端面１６への密着性が高くなる。さらに、ガイド部材７によって、超音波発振・受信子１の軸方向とボルト２の軸方向とが互いに同一方向に合わされている。
【００４３】
要するに、ボルト頭部３端面１６が陥没した場合でも、超音波発振・受信子１の対向面１７に凸面状の突出部１８を形成したことによって、ボルト頭部３端面１６が平面の時と同様に、超音波発振・受信子１の先端面１５の中央部が、ボルト頭部３端面１６に確実に密着できる。また、超音波ｐ１，ｐ２は超音波発振・受信子１の略中央部で発振・受信される。従って、超音波ｐ１，ｐ２の伝達不良が発生せず、正確な伝達時間の測定が行え、信号レベルの低下による測定誤差やミスの発生を防止できる。
【００４４】
そして、締付前の伝達時間と締付後の伝達時間との時間差を基に、ボルト軸部４の伸び長さを検出し、これから、ボルト軸力を正確に算出することができる。
【００４５】
このように、上記超音波発振・受信子１を備えた超音波ボルト軸力計によれば、ボルト２の締付状態に拘わらず（ボルト頭部３端面１６が平面であっても、中央部が陥没してあっても）、超音波発振・受信子１とボルト頭部３端面１６とが常に適切に接触でき、超音波ｐ１，ｐ２の正確な伝達時間を計測できるので、ボルト軸部４の正確な伸び長さが検出でき、精度の高い軸力測定を行うことができる。
【００４６】
さらに、ボルト２が鍛造材のような比較的面性状が良くない材質で形成された場合であっても、ボルト頭部３端面１６の中央部に、超音波発振・受信子１の先端面を確実に接触させることができ、超音波ボルト軸力計の適用範囲を広げることが可能となる。
【００４７】
なお、本実施の形態では、超音波発振・受信子１の対向面１７の全体に渡って突出部１８が形成されているがこれに限られるものではない。例えば、図４に示すように、対向面１７の中心部のみに先端面１５が凸面状の突出部２２を形成してもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、ボルトの締付状態に拘わらず、超音波発振・受信子とボルト頭部端面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といった優れた効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波ボルト軸力計の超音波発振・受信子の好適な実施の形態を示した一部断面側面図である。
【図２】本発明に係る超音波ボルト軸力計の超音波発振・受信子の締付前のボルト頭部への接触状態を示した一部断面側面図である。
【図３】本発明に係る超音波ボルト軸力計の超音波発振・受信子のボルト頭部への非接触状態を示した一部断面側面図である。
【図４】本発明に係る超音波ボルト軸力計の超音波発振・受信子の好適な他の実施の形態を示した一部断面側面図である。
【図５】従来の超音波ボルト軸力計での締付前のボルトの測定状態を示した概略図である。
【図６】従来の超音波ボルト軸力計での締付後のボルトの測定状態を示した概略図である。
【符号の説明】
１　超音波発振・受信子
２　ボルト
３　ボルト頭部
７　ガイド部材
１２　弾性部材
１５　先端面
１６　（ボルト頭部）端面
１７　対向面
１８　突出部
１９　付勢手段
２１　支持部材
ｐ１　超音波
ｐ２　超音波
【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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