(57)【要約】【課題】ボルト軸力測定装置に関し、頭部の頂面に凹部を有するボルトの軸力を容易に測定する。【解決手段】頭部１Ａの頂面１１に凹部１２を有するボルト１の軸力を測定するボルト軸力測定装置２であって、平面状の測定面３１を介して超音波を送受信する超音波センサ３と、超音波センサ３とボルト１とによって挟持され、超音波センサ３から送信された超音波をボルト１に伝える補助部品４とを備える。補助部品４は、超音波センサ３の測定面３１に面接触する平面状の端面４１と、ボルト１の凹部１２の内面全体に面接触する凸面４２とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
頭部の頂面に凹部を有するボルトの軸力を測定するボルト軸力測定装置であって、
平面状の測定面を介して超音波を送受信する超音波センサと、
前記超音波センサと前記ボルトとによって挟持され、前記超音波センサから送信された前記超音波を前記ボルトに伝える補助部品と、を備え、
前記補助部品は、前記測定面に面接触する平面状の端面と前記凹部の内面全体に面接触する凸面とを有する
ことを特徴とする、ボルト軸力測定装置。
【請求項２】
前記補助部品に外嵌する筒状に形成され、前記ボルトの前記凹部の外周部分に当接して前記ボルトに対する前記補助部品の傾きを防止するカラーを備える
ことを特徴とする、請求項１記載のボルト軸力測定装置。
【請求項３】
前記カラーが、前記頭部に外嵌する延出部を有する
ことを特徴とする、請求項２記載のボルト軸力測定装置。
【請求項４】
前記補助部品が、前記ボルトと同様の材質を有する
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のボルト軸力測定装置。
【請求項５】
前記凸面は、前記ボルトが冷間圧造により製造されるときに用いられる型に基づき成形される
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のボルト軸力測定装置。
【請求項６】
前記ボルトが、前記凹部の前記内面に凹状又は凸状に形成された凹凸部を有するものであり、
前記補助部品が、前記凸面に形成されるとともに前記凹凸部に嵌合する嵌合部を有する
ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載のボルト軸力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、頭部の頂面に凹部を有するボルト（いわゆるディープリセスボルト）の軸力を超音波で測定するボルト軸力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ボルトの軸力（締付力）を測定する手法の一つとして、超音波を利用したものが知られる（例えば特許文献１，２）。この手法は、ボルトの軸力とボルトの軸方向の伸び量との比例関係を用いた手法であり、超音波でボルトの軸方向の伸び量を検出し、その検出値に基づいてボルトの軸力を測定するというものである。ボルトの軸方向の伸び量は、締め付け前後におけるボルトの軸方向の長さの差（変化量）として検出される。ボルトの軸方向の長さは、超音波がボルト頭部の頂面に発信されてから、軸部の先端で反射して再び頂面に戻ってくるまでの時間に基づいて測定される。すなわち、上述の手法でボルトの軸力を測定する場合、超音波を送受信する超音波センサは、ボルト頭部の頂面に隙間なく面接触するように設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平2-152734号公報
【特許文献２】特開2006-167815号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、軽量化や省資源のために、頭部の頂面にくぼみ（凹部）が形成されたボルト（いわゆるディープリセスボルト）が存在する。このようなボルトの軸力を上述の手法で測定する場合、超音波センサとボルトの凹部との間に隙間が生じるため、超音波がボルトに伝わりにくくなり、測定誤差が大きくなる、あるいは測定ができなくなる虞がある。
【０００５】
これに対し、従来は超音波センサをボルトの頂面に隙間なく当接させるために、ボルトの凹部を切削して頭部を平面状に加工していた。しかしながら、このような加工は手間も時間も要するとともに、切削加工によってボルト頭部の高さ（軸方向の長さ）が減少するため、締付工具のかかり代が確保されなくなり、締め付け作業が困難になる虞があった。
【０００６】
本件は、上記のような課題に鑑み創案されたものであり、頭部の頂面に凹部を有するボルトの軸力を容易に測定することができるようにした、ボルト軸力測定装置を提供することを目的の一つとする。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）ここで開示するボルト軸力測定装置は、頭部の頂面に凹部を有するボルトの軸力を測定するものであって、平面状の測定面を介して超音波を送受信する超音波センサと、前記超音波センサと前記ボルトとによって挟持され、前記超音波センサから送信された前記超音波を前記ボルトに伝える補助部品と、を備えている。前記補助部品は、前記測定面に面接触する平面状の端面と前記凹部の内面全体に面接触する凸面とを有する。
【０００８】
（２）前記ボルト軸力測定装置が、前記補助部品に外嵌する筒状に形成され、前記ボルトの前記凹部の外周部分に当接して前記ボルトに対する前記補助部品の傾きを防止するカラーを備えることが好ましい。
【０００９】
（３）前記カラーが、前記頭部に外嵌する延出部を有することが好ましい。
（４）前記補助部品が、前記ボルトと同様の材質を有することが好ましい。
（５）前記凸面は、前記ボルトが冷間圧造により製造されるときに用いられる型に基づき成形されることが好ましい。
（６）前記ボルトが、前記凹部の前記内面に凹状又は凸状に形成された凹凸部を有するものであることが好ましい。この場合、前記補助部品が、前記凸面に形成されるとともに前記凹凸部に嵌合する嵌合部を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
開示のボルト軸力測定装置によれば、超音波センサとボルトとによって挟持される補助部品が、超音波センサの測定面に面接触する平面状の端面と、ボルトの凹部の内面全体に面接触する凸面とを有するため、頭部の頂面に凹部を有するボルトであっても、その頭部を切削加工することなく、補助部品を通じて超音波をボルトへと伝えることができる。したがって、頭部の頂面に凹部を有するボルトの軸力を容易に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態に係るボルト軸力測定装置及びボルトの模式的な断面図である。
【図２】図１のボルト軸力測定装置の補助部品及びカラーをボルトから離して示す模式的な斜視図である。
【図３】変形例に係るカラーを備えたボルト軸力測定装置の図１に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面を参照して、実施形態としてのボルト軸力測定装置について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。
【００１３】
［１．構成］
本実施形態に係るボルト軸力測定装置は、図２に示すボルト１が図示しない部材等に締め付けられた状態での軸力（締付力）を測定するものである。本実施形態のボルト１は、頭部１Ａと軸部１Ｂとの間にフランジ部１Ｃを有するフランジ付き六角ボルトである。このボルト１は、頭部１Ａの上面（以下、頂面１１という）がお椀状に窪んで形成された、いわゆるディープリセスボルトである。以下の説明では、ボルト１の軸方向を上下方向とし、頭部１Ａ側を上方，軸部１Ｂ側を下方とする。
【００１４】
ボルト１の頭部１Ａは、頂面１１の中央に凹設された凹部１２と、この凹部１２の周囲に形成された環状の縁部１３とを有する。凹部１２は、ボルト１の軽量化や省資源のために形成された部位である。すなわち、ボルト１は、頭部１Ａに形成された凹部１２の分だけ重量，材料が削減されている。本実施形態の凹部１２は、頂面１１の一部（中央）に設けられ、中心の深さが最も深い球面状に形成される。一方、縁部１３は、頂面１１における凹部１２の外周部分（頂面１１を正面から見たときに凹部１２を囲む部分）であり、ボルト１の軸心に対して垂直な平面状に形成される。本実施形態の縁部１３は、頂面１１における凹部１２以外の部分である。すなわち、凹部１２の球面状の内面と縁部１３とにより、頂面１１が形成される。
【００１５】
ボルト１には、凹部１２の内面に凹状又は凸状に形成されたマーク１４（凹凸部）が設けられる。マーク１４は、ボルト１の強度や材料や製造者等の情報を表示するものである。本実施形態のマーク１４は、凹部１２の内面に突設され、上面視で（頂面１１を正面から見たときに）十字をなすようにボルト１の回転方向に一定の間隔で配置された四つの突条で形成される。
【００１６】
ボルト１は、冷間圧造によって成形，製造される。すなわち、ボルト１を成形するための型（図示略）を予め用意し、その型に材料となる金属を入れて、常温下で連続的に押圧してその材料を塑性変形させることによりボルト１が製造される。ボルト１の材料としては、例えば炭素鋼線材や炭素鋼鋼材などが挙げられる。
【００１７】
本実施形態に係るボルト軸力測定装置は、超音波を用いてボルト１の軸方向の長さ（以下、ボルト長という）を測定し、ボルト１の軸方向の伸び量に基づいて、ボルト１の軸力を測定するものである。図１に示すように、本実施形態に係るボルト軸力測定装置２（以下、測定装置２と略称する）は、超音波センサ３とプローブ４（補助部品）とカラー５とを備える。プローブ４は、ボルト１の頂面１１を切削加工することなくボルト長を測定するためのものである。また、カラー５は、プローブ４をボルト１の頂面１１の凹部１２に対して簡単かつ正確に位置決めしてボルト１の軸力の測定精度を向上させるためのものである。
【００１８】
超音波センサ３は、超音波が測定物を伝播するのにかかる時間（伝播時間）に基づいて、測定物の長さを検出する機器である。超音波センサ３は、超音波の発振，送信，受信を行う図示しない振動子（トランスデューサ）を内蔵し、振動子により取得した情報を配線３３から演算装置や表示装置（何れも図示略）へと伝達する。
【００１９】
本実施形態の超音波センサ３は、ボルト１の頭部１Ａの大きさと同程度の大きさの円柱状に形成される。二つの円形状の底面は何れも平面状に形成される。一方の底面には配線３３が接続され、他方の底面には磁石３２が設けられる。この他方の底面は、測定物に対して当接する測定面３１として機能する。超音波センサ３は、測定面３１を介して振動子で発振した超音波を送受信する。なお、測定面３１と測定物との間に隙間が存在すると超音波が測定面３１から測定物へと伝わりにくくなり、測定精度が低下する可能性がある。これに対し、本実施形態の超音波センサ３は、測定面３１に磁石３２を有するため、金属製の測定物に対する密着力が高められている。
【００２０】
プローブ４は、ボルト１と超音波センサ３とによって挟持される補助部品であり、超音波センサ３から送信された超音波をボルト１に伝えるとともに、軸部１Ｂの先端で反射した超音波を超音波センサ３に伝える。図１及び図２に示すように、本実施形態のプローブ４は円柱状をなし、その軸中心がボルト１の軸中心と一致するようにボルト１の頭部１Ａに装着される。すなわち本実施形態では、ボルト１の軸方向とプローブ４の軸方向とが同一方向となるように、プローブ４がボルト１の頭部１Ａと超音波センサ３の測定面３１との間に挟持される。プローブ４は、その軸方向に直交する二つの円形状の底面のうちの一方（図中上方）が平面状に形成され、他方（図中下方）がボルト１の凹部１２の内面形状に合わせて略半球面状に突出形成されている。
【００２１】
プローブ４の平面状の底面（以下、端面４１という）は、超音波センサ３の測定面３１に対して隙間がないように面接触する面であり、プローブ４の軸方向（すなわち、プローブ４がボルト１に装着された状態でのボルト１の軸方向）と垂直に設けられる。そして、プローブ４の端面４１と反対側に形成された略半球面状の底面（以下、凸面４２という）は、ボルト１の凹部１２の内面全体に対して隙間がないように面接触する面であり、ボルト１の軸中心とプローブ４の軸中心とが一致した状態で凹部１２内に嵌合（密着）する。また、プローブ４の外周面４３は、プローブ４の軸方向に沿って端面４１から凸面４２まで延在する。
【００２２】
プローブ４は、凸面４２に形成された嵌合部４４を有する。嵌合部４４は、ボルト１のマーク１４に嵌合する部位であり、マーク１４と対応する形状に形成される。本実施形態の嵌合部４４は、凸面４２に凹設され、下面視で（プローブ４の凸面４２を正面から見たときに）十字をなすようにプローブ４の軸回りに一定の間隔で配置された四つの溝で形成される。
【００２３】
凸面４２は、ボルト１が冷間圧造により製造されるときに用いられる型に基づいて設計，成形される。例えば、ボルト１の型を用いてボルト１の凹部１２と同じ形状の型を作製し、この型に材料を入れて、連続的に押圧してその材料を塑性変形させることにより凸面４２が成形される。本実施形態のプローブ４は、ボルト１の材料と同一の材料で形成されており、ボルト１と同様の材質を有する。
【００２４】
カラー５は、ボルト１の頭部１Ａに装着されたプローブ４の外周面４３を囲むように外嵌されてボルト１の頂面１１に対するプローブ４の傾きを防止する、すなわちボルト１の軸方向に対してプローブ４の軸方向を同一方向に保持（維持）するための部品である。カラー５は、例えば樹脂によって成形される。カラー５は、プローブ４にスムーズに装着でき、且つ、装着状態ではプローブ４にぴったりと嵌まるような円筒状に形成される。すなわち、カラー５の円筒状の内周面５１は、プローブ４の外周面４３に略隙間なく面接触する。また、カラー５は、プローブ４よりも軸方向長さが短く形成され、二つの底面５２が軸方向に垂直な平面状とされている。カラー５は、プローブ４に外嵌された状態で、二つの底面５２のうちの一方の底面５２がボルト１の凹部１２の外周部分である縁部１３に当接し、反対側の底面５２がプローブ４の端面４１から離隔して設けられる。
【００２５】
プローブ４は、カラー５が外嵌された状態で、その軸方向がボルト１の軸方向と同一方向とされるとともに、凸面４２がボルト１の凹部１２の内面全体に面接触するように位置決めされる。そして、プローブ４の位置決めが完了したら、超音波センサ３がプローブ４に取り付けられる。すなわち、超音波センサ３の測定面３１が磁石３２によりプローブ４の端面４１に密着し、測定面３１と端面４１とが面接触するように設けられる。
【００２６】
測定装置２は、超音波センサ３で送信された超音波が、プローブ４を通じてボルト１へと伝わり、軸部１Ｂの先端で反射した後、再びプローブ４を通じて超音波センサ３で受信されるのにかかる時間（伝播時間）に基づき、プローブ４及びボルト長を測定する。この測定をボルト１の締め付け前後に行うことで、ボルト１の軸方向の伸び量（締め付け前の測定値と締め付け後の測定値との差）が検出される。測定装置２は、このように検出されたボルト１の軸方向の伸び量を演算装置で軸力に変換し、表示装置に表示する。
【００２７】
なお、超音波の伝播時間は、超音波が伝わる速度（音速）に依存するが、音速は伝播媒体の材質や温度によって変化する。そのため、上述のように超音波の伝播時間に基づいてボルト１の伸び量を検出する場合、ボルト１及びプローブ４の材質や温度に応じて、ボルト１の伸び量の検出値を補正するようにしてもよい。
【００２８】
［２．作用，効果］
（１）上述の測定装置２は、超音波センサ３とボルト１とによって挟持されるプローブ４を備える。プローブ４は、超音波センサ３の測定面３１に当接する平面状の端面４１と、ボルト１の凹部１２の内面全体に面接触する凸面４２とを有する。そのため、超音波センサ３から送信される超音波は、プローブ４を通じてボルト１へと伝わり、ボルト１の軸部１Ｂの先端で反射した後、再びプローブ４を通じて超音波センサ３で受信される。このように、頭部１Ａに凹部１２を有するボルト１であっても、ボルト１と超音波センサ３との間にプローブ４を介在させることで、ボルト１の頭部１Ａを切削加工することなく超音波センサ３でボルト１の軸力を測定することができる。したがって、上述の測定装置２によれば、ボルト１の頭部１Ａを切削加工する手間を省くことができることから、ボルト１の軸力を容易に測定することができる。
【００２９】
また、上述の測定装置２によれば、凹部１２の内面形状が互いに等しく形成された複数のボルト１に対しては、一つのプローブ４を共用して軸力を測定することができる。そのため、凹部１２の内面形状が等しい複数のボルト１の軸力を測定する場合に、コストを抑制しながら容易に軸力を測定することができる。
【００３０】
（２）上述の測定装置２は、プローブ４に外嵌するとともにボルト１の縁部１３に当接する筒状のカラー５を備える。すなわちカラー５は、一方の底面５２がボルト１の縁部１３に当接するように装着される。これにより、ボルト１の軸方向とプローブ４の軸方向とを同一方向に維持することができるため、ボルト１に対するプローブ４の傾きを防止することができる。つまり、ボルト１に対してプローブ４の位置がずれることを防止でき、ボルト１に対するプローブ４の位置決め精度を向上させることができる。このため、プローブ４の凸面４２をボルト１の凹部１２の内面全体に対してより適切に面接触させることができる。したがって、プローブ４の凸面４２とボルト１の凹部１２の内面との間に隙間が生じることを防止でき、ボルト１の軸力の測定精度を向上させることができる。
【００３１】
（３）上述のプローブ４はボルト１と同様の材質を有することから、プローブ４を伝わる超音波の速度がボルト１を伝わる超音波の速度と略等しくなる。そのため、ボルト１及びプローブ４における超音波の伝播時間の測定誤差を低減することができる。したがって、ボルト１の軸力の測定精度を向上させることができる。また、ボルト１の伸び量の検出値をボルト１及びプローブ４の材質や温度に応じて補正する場合にも、補正に必要な演算を簡素化することができる。
【００３２】
（４）上述のプローブ４の凸面４２は、ボルト１が冷間圧造により製造されるときに用いられる型に基づいて成形される。そのため、凸面４２をボルト１の凹部１２の内面全体に対してより適切に面接触させることができる。これにより、凸面４２と凹部１２の内面との間に隙間ができることを防止できるため、ボルト１の軸力の測定精度を向上させることができる。
【００３３】
（５）上述のプローブ４は、ボルト１のマーク１４に嵌合する嵌合部４４を有する。そのため、嵌合部４４をマーク１４に嵌合させるようにしてプローブ４をボルト１に装着することによって、プローブ４の位置決め精度を向上させることができる。また、嵌合部４４がマーク１４に嵌合することによって、ボルト１に対するプローブ４の位置ずれを防止することができる。したがって、ボルト１の軸力の測定精度を向上させることができる。
【００３４】
［３．その他］
上述した実施形態に関わらず、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。
【００３５】
上述の実施形態で示したプローブ４の形状は一例であり、上述の形状に限定されない。プローブ４は、少なくとも超音波センサ３の測定面３１に面接触する平面状の端面４１と、ボルト１の凹部１２の内面全体に面接触する凸面４２とを有していればよく、例えば上述の外周面４３が省略された半球状に形成されてもよい。また、プローブ４の凸面４２は、上述のような半球面状のものに限られず、測定対象となるボルトの頭部の頂面に設けられた凹部の内面形状に応じた形状であって、凹部の内面全体と面接触する形状であればよい。さらに、上述の実施形態ではプローブ４の嵌合部４４が溝で形成される場合を例示したが、ボルト１のマーク１４が凹状に形成される場合は、凹状のマークに嵌合するように、プローブ４の嵌合部４４を突条に形成すればよい。なお、マーク１４がないボルト１であれば、嵌合部４４は省略される。
【００３６】
また、上述の実施形態で示したカラー５の形状も一例である。例えばカラー５が、図３に示すように、ボルト１の頭部１Ａに外嵌する延出部５３を有するものであってもよい。延出部５３は、ボルト１の縁部１３に当接する底面５２の外縁部から軸方向に（底面５２の直交方向に）延出（突設）された筒状の部位である。延出部５３は、その内周面５３ａがボルト１の頭部１Ａの外形状に対応した形状（すなわち六角形状）に形成される。
【００３７】
延出部５３の内周面５３ａがボルト１の頭部１Ａの側面に面接触することによって、カラー５がボルト１に対して係止される。これにより、ボルト１の軸中心に対してプローブ４の軸中心を簡単に一致させることができるうえ、ボルト１に対するカラー５の位置が安定することから、ボルト１に対するプローブ４の位置決めを確実かつ容易に行うことができる。例えば、ボルト１が図示しない部材に対して横方向から締結固定されている場合に、カラー５をボルト１に対して係止し、そのカラー５にプローブ４を内嵌すれば、プローブ４を簡単かつ確実に位置決めでき、超音波センサ３によって容易に軸力を測定できる。なお、延出部５３はボルト１の頭部１Ａに外嵌する形状であればよい。つまり、延出部５３の内周面５３ａは、ボルト１の頭部１Ａの側面形状に合わせて形成されるものであって、上述の六角形状のものに限られない。また、カラー５の外周面の形状は特に限定されない。
【００３８】
上述の実施形態ではボルト１がフランジ付き六角ボルトであって、その頂面１１に球面状の凹部１２を有するものを例示したが、ボルト１の形状は上述のものに限定されない。ボルト１は、少なくともその頭部１Ａの頂面１１が窪んだ形状のものであればよく、フランジ部１Ｃを備えないものであってもよいし、頭部１Ａが六角以外の形状のものであってもよい。また、凹部１２が角部を有する窪み形状に形成されていてもよいし、頭部１Ａの中央からずれて設けられていてもよい。また、縁部１３は少なくとも頂面１１における凹部１２の外周部分を含むものであればよい。すなわち、ボルト１の頂面１１は、凹部１２と縁部１３とにより形成されるものに限られず、凹部１２及び縁部１３以外の部分を含むものであってもよい。さらに縁部１３は、上述のような平面状のものに限られず、例えば線状に形成されてもよい。
【００３９】
なお、上述の実施形態で示した超音波センサ３の形状及び構成は一例である。超音波センサ３は、少なくとも平面状の測定面３１を介して超音波を送受信するものであればよく、その外観形状は円柱状に限られない。
【符号の説明】
【００４０】
１  ボルト
１Ａ  頭部
１１  頂面
１２  凹部
１３  縁部（凹部の外周部分）
１４  マーク（凹凸部）
２  測定装置（ボルト軸力測定装置）
３  超音波センサ
３１  測定面
４  プローブ（補助部品）
４１  端面
４２  凸面
４４  嵌合部
５  カラー
５３  延出部
【図１】
2017026510.tif 000003
【図２】
2017026510.tif 000004
【図３】
2017026510.tif 000005