(57)【要約】  本発明によれば、弾性材料の接触層（２１８）を用いて測定すべき物体（１０１；２１７；５０１）に超音波トランスデューサ（１０２；２３０；５０２）が音響的に連結される超音波測定方法が提供される。トランスデューサ（１０２；２３０；５０２）は、測定される上記物体（１０１；２１７；５０１）に多数の連続した超音波送信信号を送信し、多数の送信信号のそれぞれの送信周波数（ｆ）は前記多数の送信信号のうちの他の送信信号の周波数と区別される。送信信号の信号エコーは受信され、そして受信された信号エコーに基いて、前記物体（１０１；２１７；５０１）の超音波測定用に使用すべき少なくとも１つの送信周波数（ｆ）が選択される。本発明はまた超音波測定装置に関する。【選択図】  図７
2012522213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性材料の接触層（２１８）を用いて測定すべき物体（１０１；２１７；５０１）と超音波トランスデューサ（１０２；２３０；５０２）を音響的に連結するステップを備える超音波測定方法において、
ａ）トランスデューサ（１０２；２３０；５０２）を用いて、測定される上記物体（１０１；２１７；５０１）に多数の連続した超音波送信信号を送信して、トランスデューサ（１０２；２３０；５０２）からの送信信号が物体（１０１；２１７；５０１）の端部に移動し、そこで送信信号が反射され且つ多数の送信信号のそれぞれの送信周波数（ｆ）が前記多数の送信信号のうちの他の送信信号の周波数と区別されるステップと、
ｂ）受信された信号エコーに基いて、前記物体（１０１；２１７；５０１）の超音波測定用に使用すべき少なくとも１つの送信周波数（ｆ）を選択するステップと、
ｃ）測定中、選択された送信周波数（ｆ）を使用して前記物体（１０１；２１７；５０１）に信号を送信し、前記送信信号の信号エコーを受信し、選択された送信信号に対する信号エコー位相を決定できるように前記信号エコーが２つの直交するチャネルにおける復調によって検出されるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
ステップａ）において、
ａ１）第一の送信周波数（ｆ）を選択し、
ａ２）前記トランスデューサ（１０２；２３０；５０２）を使用して前記第一の送信周波数（ｆ）を有する第一の超音波送信信号を送信し、
ａ３）第二の送信周波数（ｆ＝ｆ＋Δｆ）を有する第二の超音波送信信号を送信し、
ステップｂ）において、
ｂ１）受信された前記第一の送信信号の信号エコーの信号電力及び／又は振幅を決定し、
ｂ２）受信された前記第二の送信信号の信号エコーの信号電力及び／又は振幅を決定し、
ｂ３）前記受信された信号エコーの決定された信号電力及び／又は振幅を比較し、
ｂ４）最も高い信号電力及び／又は振幅をもたらす送信周波数（ｆ）を選択する、
ステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第一の閾値を超える信号電力及び／又は振幅を有する送信周波数（ｆ）が検出されるまで前記ステップが繰り返され、前記第一の閾値を超える送信周波数（ｆ）を測定用に選択することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
ピーク信号電力及び／又は振幅を有する送信周波数（ｆ）が検出されるまで前記ステップが繰り返され、前記ピーク信号電力及び／又は振幅を実質的にもたらす送信周波数（ｆ）を測定用に選択することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記送信信号のそれぞれが区別可能な固定の周波数を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ステップの実行が、締め具緊締工具（２００）のマイクロプロセッサー（５１６）で制御されていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
さらに、
−  締め具（２１７；５０１）の緊締に先だって前記送信周波数を決定するステップと、
−  前記締め具緊締工具（２００）を使用して前記締め具（２１７；５０１）の緊締中にリアルタイムで超音波測定を実行するステップと、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記接触層（２１８）厚さが０．１〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
送信周波数が少なくとも２〜５０メガヘルツの小範囲にあることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
【請求項１０】
−  測定すべき物体（１０１；２１７；５０１）に連結しまた前記物体（１０１；２１７；５０１）を通って超音波送信信号を送信するための超音波トランスデューサ（１０２；２３０；５０２）と、
−  前記超音波トランスデューサ（１０２；２３０；５０２）によって送信された超音波送信信号から発生する超音波信号エコーを受信するための受信手段と、
−  測定すべき物体（１０１；２１７；５０１）に前記トランスデューサ（１０２；２３０；５０２）及び受信器を音響的に連結するための弾性材料の接触層（２１８）とを備える超音波測定装置において、
−  トランスデューサ（１０２；２３０；５０２）を用いて、測定される上記物体（１０１；２１７；５０１）に多数の連続した超音波送信信号を送信して、トランスデューサ（１０２；２３０；５０２）からの送信信号が物体（１０１；２１７；５０１）の端部に移動し、そこで送信信号が反射され且つ多数の送信信号のそれぞれの送信周波数（ｆ）が前記多数の送信信号のうちの他の送信信号の周波数と区別され、
−  受信された信号エコーに基いて、前記物体（１０１；２１７；５０１）の超音波測定用に使用すべき少なくとも１つの送信周波数（ｆ）を選択し、さらに、
−  測定中、選択された送信周波数（ｆ）を使用して前記物体（１０１；２１７；５０１）に信号を送信し、前記送信信号の信号エコーを受信し、そこで選択された送信信号に対する信号エコー位相の決定を可能にするよう前記信号エコーが２つの直交するチャネルにおける復調によって検出されるように構成されている
こと特徴とする装置。
【請求項１１】
前記受信手段が前記トランスデューサ（１０２；２３０；５０２）であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
装置が締め具緊締工具（２００）であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記緊締装置（２００）で緊締される締め具（２１７；５０１）の伸びを測定するよう構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば所望の緊締力まで締め具を緊締するための装置における超音波測定に関するものである。本発明は特に、請求項１の前文による超音波測定方法に関するものであり、また請求項１０の前文による超音波測定装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
製造プラントなどの組立てプラントでは品質管理及び効率への要求が高まり、洗練された組立て工具の開発が始まっている。例えば継手の緊締に関わるナット、ネジまたはボルトなどネジ山を切られた締め具は多くの場合最終的に所望の緊締力に到達するまで多くの巻回数回転させる必要がある。
【０００３】
そのような継手の強度は、締め具が２つ（或いはそれ以上）の継手部品を一つに保持する力に関わっている。従ってそのような継手を所要の緊締力レベルに到達するのを保証できるような程度まで緊締することが主に重要である。しかし、今日使用されている洗練された工具では、例えば工具に加えられるトルク及び角度回転に関わるトルクの持続時間を測定することによって、緊締過程中に、実際に、継手の所望の最低緊締力に到達するのを保証する様々な方法を提供しているが、例えば締め具と連結される１つ以上の構成要素との間の摩擦が実質的に継手によって変化し得るために、達成した実際の緊締力に関わる不確定要素が依然として存在する。
【０００４】
このような問題点は、様々な洗練された解決策によって多少なりとも取り組まれてきた。例えば、実際に使用される締め具の寸法は、締め具寸法の理論的な要求に関して大きくすることができ、それによって、大きな寸法の締め具が最大緊締力まで緊締されない場でも、少なくとも特定の構成によって要求される程度まで締め具を緊締することが保証できる。
【０００５】
別の解決策によれば、締め具の緊締には、締め具が緊締過程で受ける伸びを測定することが伴う。かかる測定は、多くの場合超音波技術を利用した装置によって実行され、緊締力は緊締過程で生じする締め具の伸びから計算することができる。超音波技術のこのような使用は、伸びを決定するために、最初は事前にすなわち締め具に応力がかかっていない状況にある時、次いで緊締過程が終了した後、に締め具（の長さ）を測定することを必要としている。
【０００６】
しかし、そのような超音波測定には、締め具に超音波を加えるために使用されるトランスデューサとの音響接触を所要し、このことは、実際の緊締過程中における測定を困難にさせることになる。従って、測定は一般的には緊締が完了した後で実施され、そのため超音波測定を本質的に実施するのに費やす時間が結果的に実際の緊締に費やす時間を超過してしまうので、緊締過程で高速緊締工具を使用する利点が大きく減少してしまう。
【０００７】
従って、超音波測定の使用は、迅速な組立てを所望する及び／又は必要とする状況ではあまり使用されず、それに代わって緊締の行なわれる速度で、緊締力がより重要な状況で使用される。
【０００８】
その結果、実質的に組立て時間に影響を与えず、緊締過程中超音波測定を可能にする方法の必要性がある。
【０００９】
さらに、超音波測定は緊締過程だけでなく他の様々な状況、例えば材料／物体の不均一性の決定においても有効であるが、測定装置と材料／物体との間の音響接触を有利な仕方で得てしかも同時に受信信号に対して満足のいく信号対雑音比を保証する改良された方法の必要性が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上述の問題点を少なくとも緩和する超音波測定方法及び超音波測定装置を提供することにある。かかる目的は、請求項１の特徴付けている部分による方法、及び請求項１１の特徴付けている部分による装置によって、それぞれ達成される。
【００１１】
本発明によれば、超音波トランスデューサが、弾性材料の接触層によって計測されるべき物体に音響的に接続される超音波測定方法が提供される。トランスデューサは、 計測される前記物体に複数の連続超音波送信信号を送信する。前記複数の送信される信号のそれぞれの送信周波数ｆは、前記複数の送信される信号のうちその他の送信信号の送信周波数ｆと区別することができる。前記送信信号の信号エコーを受信し、前記受信された信号エコーに基いて前記物体の超音波測定に使用されるべき少なくとも１つの送信周波数ｆが選択される。
【発明の効果】
【００１２】
このように、トランスデューサに大きな程度に反映されるは元々の送信電力の部分が、送信される信号の実際の周波数に依存することが実現されるので、計測されるべき材料／物体とは実質的に異なる超音波信号伝播速度を有する材料の接触層を活用するシステムにおいて反射信号レベルを増大させることができる方法を提供することは有意である。
【００１３】
さらに、本発明の特徴及び利点は、以下好ましい実施形態及び添付図面の詳細な説明から明らかになる。好ましい実施形態及び添付図面は例証であって如何なる場合においても本発明を制限するものとして解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】超音波測定の原理を示す概略図。
【図２Ａ】本発明の実施形態による締め具緊締工具を示す図。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による締め具緊締工具を示す図。
【図３Ａ】トランスデューサ周波数の関数として受信エコー信号の振幅変動の例証を示す図。
【図３Ｂ】トランスデューサ周波数の関数として受信エコー信号の振幅変動の例証を示す図。
【図３Ｃ】トランスデューサ周波数の関数として受信エコー信号の振幅変動の例証を示す図。
【図４】典型的な超音波測定信号を示す図。
【図５】本発明による典型的な信号検知装置を示すブロック図。
【図６Ａ】図５の検知装置で発生する信号の例証を示す図。
【図６Ｂ】図５の検知装置で発生する信号の例証を示す図。
【図６Ｃ】図５の検知装置で発生する信号の例証を示す図。
【図６Ｄ】図５の検知装置で発生する信号の例証を示す図。
【図６Ｅ】図５の検知装置で発生する信号の例証を示す図。
【図７】本発明による典型的な方法を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上述の通り、組立てまたは製造過程で構成要素を連結する共通の方法は、最適なクランプ力を得るために山を切られた締め具を使用することである。また既に述べたように、そのような継手の緊締（クランピング）力の正確さは、締め具が緊締過程中に受ける伸びを例えば超音波技術によって測定することで変えることができる。伸びの測定は、例えば組立て工具で適用されるトルク及び回転角度を計測する際と比較して、相当に正確な緊締力の測定を得るために使用することができる。
【００１６】
超音波測定は、様々な異なる技術分野で使用されてきた。典型的には、音波が発生され、音波が測定されようとする物体を通り、その後送信された音波の反射部分が計測される。その後その反射は興味深い特別な特徴の測定を得るために使用される。超音波測定は、締め具の緊締とは別に、例えば外部からは見えない亀裂など物体内部の欠陥を見つける際にも使用される。図１に超音波測定の基本原理が記載されている。図１では材料１０１がトランスデューサ１０２によって測定されている。
【００１７】
このような測定過程に関わって、物体例えば材料１０１はトランスデューサ１０２によって送信パルスまたは短い送信バーストに晒される。トランスデューサ１０２は位置Ａで締め具に接続されている。送信パルス／バースト或いはその一部は、材料のもう一方の端部位置Ａ’で反射してトランスデューサに戻る（トランスデューサは超音波信号の送受信の両方に使用されるか、或いは代わりに反射信号を受信するのに切り離された受信器を使用することができる種類のものである）。そして反射信号を検知することで長さが測定され且つ２つ以上の送信された信号の反射（エコー）を比較することによって比較できる。材料１０１が均質でなくて例えば亀裂１０３を含む場合、位置Ｂでの測定で送信された信号は亀裂位置Ｂ’で反射する、よって位置Ａでの送信信号と比べてより短い時間周期で戻ってくる。信号送信とエコー信号受信との間の時間が測定される場合、材料にできた亀裂までの距離が計算できる。
【００１８】
締め具緊締過程中締め具の伸びに関わって、緊締過程終了後に受信されたエコーを緊締過程開始に先だって受信されたエコーと比較し、よって比較から伸びを算出することができる。
【００１９】
しかしながら、そのような測定方法が使用されようとする場合、信号送信の観点から測定されようとする物体とトランスデューサとの間で優れた音響接触が得られなくてもよい場合に所望され、その結果、送信された電力の充分に高い部分は、測定されようとする物体に適切に送信されるだけでなくトランスデューサにも適切に返信される。
【００２０】
トランスデューサが締め具と直接接触状態にない例えばトランスデューサと締め具との間に空隙がある場合、トランスデューサから送信された電力の大部分は空気物体境界で既に反射してしまう、その結果、まったく無いか或いは送信されたエネルギーの僅かな部分だけが実際に測定されようとする物体に到達する。しかも、実際に物体に到着して物体の反対側の端部で反射するほんの僅かなエネルギーの大部分は、トランスデューサに直面している端部で反射する、その結果、適切に反射してトランスデューサに返信されるのは、送信された力の極僅かな部分か或いはまったく無いかである。
【００２１】
従って、品質測定を保証するためにはトランスデューサと測定されようとする物体との間の満足な音響接触を得ることができることは主に重要である。これは例えば物体上にグリセリンを適用し締め具に対してトランスデューサを押すことによって達成でき、グリセリンがトランスデューサと物体との連結に空隙が存在しないことを保証する。
【００２２】
非タイムクリティカルアプリケーションで超音波測定が使用される解決策においては適切であるが、多くの場合がそうであるように、例えば製品組立てラインの締め具を緊締する過程でタイムクリティカルアプリケーションの使用或いは接触媒体としてグリセリンまたは他の適当な液体の使用が、トランスデューサ内蔵の締め具緊締工具の要求と結び付くことは困難であるか不可能である。
【００２３】
従って、緊締過程中トランスデューサと締め具との間の満足な音響連結を達成する問題点の解決策は、単純に締め具にトランスデューサを統合することすなわちそれぞれの締め具がトランスデューサを具備することである。しかし、この解決策は本質的に望まないコストを生じさせる。
【００２４】
本発明によれば、内蔵トランスデューサを有する測定装置を備えているにも関わらず、内蔵トランスデューサはトランスデューサと締め具との間の満足な音響連結を依然として保証することができる。これは、トランスデューサを測定されようとする物体に音響的に連結するための連結層によって達成される。かかる連結層は、装置内に一体化され弾力のある素材からできている。
【００２５】
これは、測定装置が測定されようとする物体に隣接するよう配置されるので、弾力のある連結層がトランスデューサと締め具との間の満足な音響連結が得られることを保証し、よって緊締過程中例えば締め具緊締に関わって都合の良い仕方で超音波測定を可能にするという利点を有する。
【００２６】
本発明は、測定装置が締め具緊締工具である典型的な使用方法に関連してさらに詳細に例証される。
【００２７】
図２Ａ−Ｂには、本発明の典型的な実施形態による電気組立て工具の形態で装置２００が概略的に示されている。装置２００はハウジング２１０で構成され、ハウジング２１０の一部は使用中装置の作業者によって握られる後方ハンドル２１１を構成している。ハウジング２１０の内部には、ケーブル２２１を介して外部電源によって動力を供給する電気モーターを備えている（代替の実施形態では、電気モーターに代わりハウジング２１０内部に配置された１つ以上の電池で動力供給される）。
【００２８】
装置２００は、さらにモーター出力軸２２３を備えている。モーター出力軸２２３は、モーター２１５の回転速度とは異なる回転速度で、装置２００によって締め具を駆動させるのを可能にするよう歯車装置２１６に接続されている。さらに、歯車装置出力軸２２４は、出力軸２１２を有する角度歯車装置２２５内に歯車装置２１６から伸長している。出力軸２１２は、緊締されようとする締め具２１７との解放可能な接続用ソケット２１４を担持するよう固定に或いは取り外し可能に配置されている。ソケット２１４は、例えば四角形或いは多角形の回転固定用に使用できるあらゆる公知の型であることができる。ソケットは、好ましくは種々の寸法をもつ締め具を固定することができるよう交換可能である。
【００２９】
破線で指示された部分は、図２Ｂでさらに詳しく示されている。締結されようとする締め具から離間して向き合うソケット２１４の端部は、弾力のある接触層２１８が孔を介して締め具と接触することができるよう中央孔を備えている。接触層２１８は、接触層とトランスデューサとの間に正確な音響接触を保証するために、例えばそこに永久固定されたトランスデューサ２３０と接続状態である。図から見ることができるように、角度駆動２２５から伸長しソケット２１４を回転させる軸２１２は、緊締過程中トランスデューサ２３０及び接触層２１８を静止させることができるよう弾力のある接触層２１８及びトランスデューサ２３０を包囲する中空軸２１２である。
【００３０】
このような典型的な実施形態では、トランスデューサ２３０は超音波信号を発生するためまたは検知器として信号エコーを測定するための両方で使用される。接触層２１８と締め具２１７との間の接触に関わって、このような接触は一旦現行の締め具が緊締され、次の締め具への迅速な切替えができるよう当然解放可能である。そのために、接触層２１８は、締結過程中ソケット２１４の中央孔を通って伸長し、締め具２１７に隣接するソケット２１４の表面２４０を過ぎて僅かに伸長できるよう配置されている。これによって、締結過程中弾力のある接触層の僅かな圧縮を引き起こす。よって締め具２１７の表面に作用するバネ力を負わせて、接触層と締め具との間の適切な接触を保証することができる。接触層がソケットの孔を通って伸長する大きさは、例えば０．１から１ｍｍの範囲で小さく保持されるべきである。とは言え、その他の範囲も可能であり、例えば接触層が製造される特殊な材料に依存している。接触層は、例えば範囲０．１から５ｍｍの厚みを有することができる。
【００３１】
接触層がソケット２１４内に深く伸長し過ぎた場合、優れた接触を保証する高いバネ力を負わせるにも関わらず、接触層の圧縮は接触層の特性が変化するかもしれない程度の大きさまで接触層を圧縮するであろう、よってトランスデューサ測定に不確実性を課してしまう。一般には、接触層は好ましくは公知の適切な透過率を有する例えばシリコンから製造されるべきである。
【００３２】
上述の「乾いた連結」解決策は、トランスデューサから締め具に信頼できる音響接触を保証する方法を提供するにも関わらず、依然として幾つかの欠点が存在する。例えば弾力のある材料による超音波信号伝播速度は空気中よりも相当早い、例えば１０００ｍ／ｓであり、金属を通る音速、例えば５−６０００ｍ／ｓと比較しても依然として低い。これは、伝播速度の違いに起因して、信号エネルギーの大部分は例えばトランスデューサから送られた総エネルギー量の１０分の９のオーダーで、接触層締め具境界において既に反射してしまうことを意味する。しかも、残留信号すなわち送られたエネルギーの１０分の１が、締め具のもう一方の端部で反射される場合、別の好ましくない反射が存在して、信号が締め具から接触層に入り込む際、例えば残留信号の１０分の１まで再度電力信号を減少させてしまう。結果として、一旦トランスデューサに到達するエコー信号の信号エネルギーは、元々トランスデューサによって送られた信号の１％の低さであり得る。それが問題を大きくし、例えば低い信号対雑音比に起因して受信信号を正確に解読しようと試みている。
【００３３】
しかしながら本発明によれば、上述の種類のシステムで反射された信号レベルを増大することができる方法を提供する。トランスデューサの送信周波数を決定することによって達成され、これは反射の観点から有意である。大きな範囲でトランスデューサに跳ね返る元々の送信電力は、送られる実際の周波数に依存することは事実である。
【００３４】
これは図３Ａ−Ｃに例証されている。そこではトランスデューサ周波数の関数として受信エコー信号の振幅変動の例が示されている。図３Ａは、厚さ０．２ｍｍの接触層が使われているシステムのグラフを示している。Ｙ軸はトランスデューサで受信されるエコー信号の振幅を表し、Ｘ軸はトランスデューサ送信周波数をメガヘルツで表している。図から見ることができるように、おおよそ２．５、５、７．５、１０メガヘルツの４つのピークが存在する。それらは受信エコー信号振幅が高い。さらに図から見ることができるように、スペクトルのほとんどの部分で反射振幅は０．１か或いは最大振幅より小さい。本発明によれば、高い受信信号電力で生じる周波数が選択されるのを保証することによって、高い反射振幅をトランスデューサで受信することを保証する。これは、例えば様々なすなわち明確な固定周波数で測定を実行して且つ結果と比較することによって達成できる。よって、高いエコー信号振幅で生じる周波数を選択できる。測定周波数は例えば２−５０メガヘルツの範囲で或いは部分的範囲であることができる。
【００３５】
結果的に、本発明は、広範囲に測定されようとする物体及びトランスデューサとの間に弾力のある素材でできた接触層を使用する欠点を解消する。トランスデューサは一般には毎秒例えば数千回以上の数多くの測定を実行することができ、しかもこのように多数の周波数を初期に比較的短期間でテストすることができるので、適切な送信周波数が実際の測定で選択できる。
【００３６】
一般には、図３Ａのピークの位置はテストされる特殊な接触層及び測定される特殊な物体に依存して変化するであろう。さらに、本発明によれば肉眼では同じに見える２つの物体の測定は異なる送信周波数に帰着するであろう。従って、本発明を例えば締め具緊締工具で使用する際、周波数測定は好ましくは締結されようとする締め具のそれぞれに実行される。この方法で、優れた信号品質を有するエコー信号を提供する送信周波数を用いて実際の測定が実行されることを常に保証できる。しかし、類似の物体例えば同一寸法の締め具の測定は互いに比較的接近している最善の周波数に帰着するであろう。そのため、例えば締め具緊締工具が（実質的に）同様で大量の締め具を緊締するために使用される場合、装置はトランスデューサ周波数を比較的狭い範囲でテストするよう設定でき、それによって工具をさらに迅速に緊締するための準備状態にする。
【００３７】
上述の通り、最適送信周波数は接触層及び測定されようとする物体の特性に依存している。接触層の厚みの周波数依存性は、図３Ｂに例証されている。代わりに図３Ｂには厚さ０．４ｍｍの接触層を有するという違いがあるが、図３Ａの１つに類似したグラフが示されている。見て分かるように多くのピークがあるが小幅である。図３Ｃには、厚さ０．８ｍｍの接触層の類似の例証が示され、見て分かるようにピーク数はさらに増加し一方で同時にさらに小幅になっている。
【００３８】
素材の厚みは別として、周波数のピークは例えば素材の透過率及び素材を通る音速に依存するであろう。
【００３９】
本発明は、結果的にグリセロールや接着剤を使用する或いは測定されようとする物体にトランスデューサを固定する必要がなく、多くの物体に品質の高い測定を実行することを可能にする。従って、本発明は、例えば締め具緊締工具に超音波測定装置を内蔵でき且つ現在進行中の締結作業で測定できるという利点を有する。さらに本発明は、非常に高速の工具を使用する締結過程の際も実際の緊締力を非常に正確に測定できるという利点を有する。実際の緊締力が正確に測定できれば、相当量の素材の節約が成され、目標緊締力が実際に達成されることを保証できるならば、多くの場合二段階小さい寸法の締め具を使用できる。
【００４０】
使用されている信号処理に関わって、一旦送信された超音波エコー信号がトランスデューサに到達すると、この信号処理はあらゆる適切な仕方で達成できる。この信号処理を達成する１つの比較的単純な方法は図４に示されている。そこでは、送信されたトランスデューサ信号と反射エコーについての時系列図が概略的に示されている。この特別な方法は従前公知であり時間ｔ１で短いパルス或いはバーストを送信することで構成され、この場合、４つの周期４０１から構成されている。時間ｔ２で送信された信号のエコー４０２はトランスデューサによって受信されている。送信された信号及びそれによるエコー信号の形状は、トランスデューサの動力学的特性の結果であり、さらにこの効果は、例えば最大振幅（図中４０３で示されている）を有する負ピークでの測定を実行できる。送信された信号４０１の最大負ピークと対応する受信ピークとの間の時間周期Δｔは、例えばテストされる素材の厚みを決定するために使用できる。締め具が測定されるならば、時間周期Δｔは締め具長に依存し、締め具が緊締され伸ばされるのでこの時間周期Δｔは変化し、それによって締結過程中の実際の伸びはΔｔの差から算出することが可能である。このような方法は例えば締め具の伸びを測定する単純な方法を提供しそれによって緊締力の正確な決定を可能にするにも関わらず、測定結果に依然として曖昧さを残すかもしれない。例えば、締め具が締結工具に正しく並んでいなかった場合、信号の形状は歪み、反射信号の最高ピークはもはや送信された信号の最高ピークとは一致せず、それによって１つ以上の信号周期で測定エラーを引き起こす。
【００４１】
本発明によれば、さらにそのような欠点を克服する測定方法が提供される。
【００４２】
本発明による測定方法の典型的な実施形態は、図５に示されている。測定方法は締め具５０１の典型的な測定を参照して説明されている。以下に説明される測定方法は、上述の周波数選択方法と一体での使用に好適であるが、従来の超音波測定と接続して使用することもできる。示された実施形態では、信号トランスデューサ５０２は測定信号の送信及び測定信号の受信の両方で使用される。送信／受信スイッチ５０３は送信モード及び受信モードの間でシステムを切り替えるために使用される。
【００４３】
送信モードで、送信バースト開閉装置５０５は、例えば特別な波長と周波数の信号を発生することによって好適で固定周波数の好適な送信バーストを発生する。送信バースト開閉装置は、好適な周波数発生装置が要求された周波数を発生させるのを助けることができ、発生された信号は、正弦波あるいは方形波またはその他のすべての型の信号であることができる。送信信号は、以下に説明される参考周波数を使用して発生することもできる。発生された信号は、送信増幅装置５０４で増幅されて送信／受信スイッチ５０３で送信モードに設定される。
【００４４】
発生された送信バースト信号は、好ましくは比較的長く、原理上唯一の制限は信号がトランスデューサから離れ直面する締め具の端部に到達してトランスデューサへ跳ね戻るのに費やす時間よりも長くならず、おそらくより短い好適なガード時間である。その結果、シムテムはエコー信号の到着に先だって測定モードに設定でき、それによってエコー信号が計測できる。結果的に、送信信号が送信されると送信／受信スイッチ５０３が受信モードに設定され、トランスデューサ５０２で受信されるエコー信号は振幅装置５０７、５０８によって増幅され、送信バーストは図４に関連して説明された検知方法と比較すると相当に大きな周期で構成され得る。受信されたエコーバーストの例は図６Ａに示されている。
【００４５】
受信されたエコーバーストは、上記振幅の後、位相直交復調装置に入力される。位相直交復調装置で、受信された信号は位相チャネル及び直交チャネルそれぞれに分割され、その２つのチャネルを参照周波数で乗じて、参照周波数相が乗算装置５０９、５１０によってそれぞれ９０°にシフトされるすなわち２つのチャネルは相互に直角である。
【００４６】
位相チャネル参照信号の例が図６Ｂに示されている。参照信号は、送信バースト開閉装置５０５で発生された送信信号にロックされた同じ周波数及び位相を有する信号であり、直交チャネル参照信号は、結果的には９０°シフトされた位相チャネル参照信号位相である。
【００４７】
位相チャネル復調装置出力信号の例、乗算装置／混合装置５０９から発生する信号は図６Ｃに示されている。乗算器／混合器５０９、５１０からの出力信号は、低域通過フィルター処理された位相出力及び直交出力を発生されるよう低域通過フィルター５１２、５１３によってそれぞれフィルター処理された低域である。低域通過フィルター処理された位相出力の例は図６Ｄに示され、低域通過フィルター処理された直交出力の例は図６Ｅに示されている。低域通過フィルター処理された復調装置出力信号は、アナログデジタルコンバータ５１４、５１５によってそれぞれデジタル処理される。デジタル処理された信号は、実際の演算を実行するマイクロプロセッサーに入力される。マイクロプロセッサー５１６は、参照信号と受信された信号と参照周波数との間の位相差を計算できる。
【００４８】
実際に開始された締結過程に先だって締め具が伸びに晒されない限り、この位相差は所定の値で一定のままである。
【００４９】
しかしながら、締結過程が開始され、締め具の伸びと同様にこの位相差は、締め具の伸びがより長い信号移動時間に帰着するという事実に起因して変わるであろう。上述されたことに従って一定して測定が実行されることによって、受信信号が送信信号に対して受ける位相差をマイクロプロセッサー５１６で決定でき（総位相差が全周期を超える場合、マイクロプロセッサーはエコー信号が締結過程中に受ける全周期数を数えることができる）、この位相差が求められる締め具の伸びに一致する値に到達し次いで求められる緊締力に一致する際、マイクロプロセッサー５１６は図２Ａの電気モーター２１５および緊締過程など、電気モーターで緊締を停止させるよう指示する信号を発生することができる。
【００５０】
エコー信号位相の測定は、締結中つまり明白にエコー信号位相差を連続測定間で決定できる締結中、当然そのような高い繰り返し周波数例えば１キロヘルツ以上で繰り返されなければならない。
【００５１】
本発明による測定方法によれば、送信信号の的確な形状の知識を持つ必要性がないという有意性を有する。本発明はまた、比較的長いバーストを送信信号として使用でき、よって測定精度を改善する有意性を有する。同じトランスデューサがエコー信号送受信の両方で使用される場合、当然最大長は例えば信号が締め具の反対側の端部へ移動して戻るのに要する時間を超えるべきではない。１つの実施形態では、送信信号はトランスデューサからテストされようとする物体の反対側の端部まで信号が移動するすなわち送信信号が反射されるのに要する時間を超える長さを有する。
【００５２】
さらに図５は、本発明による信号検知装置の最適な特徴を示している。位相チャネル及び直交チャネルは別として、位相直交復調装置はまたエンベロープ検出装置５２０を備えることができる。エコー信号エンベロープは、粗い反射遅延を得るために使用できる。またエンベロープは、測定された位相及び直交チャネル情報によってデジタル演算処理することができる。
【００５３】
示されたシステムが上述の周波数選択を使用する場合、図５のシステムは図７の方法７００を採用できる。
【００５４】
ステップ７０１では、締め具が締結されようとする場合、測定が開始されるよう決定される。測定が開始される場合、例えばマイクロプロセッサー５１６によって最初の信号周波数ｆが選択される。次いで、ステップ２で信号はこの周波数を使って送信されるが、信号位相が決定される代わりに受信信号電力或いは振幅が決定される。方法はステップ７０４に続き、信号電力（振幅）ピーク周波数が検知されたか否かを決定して、否の場合、周波数ｆはΔｆ値で変更され、処理は次の測定のためにステップ７０２に戻る。これはピーク周波数が決定されるまで或いは周波数が目標閾値を超える受信（エコー）信号電力を有するまで続けられる。１つの実施形態では、ピーク応答に帰着する的確な周波数を使用する代わりに、この周波数が充分に高振幅のエコー信号をもたらす間はこの周波数に実質的に対応する周波数を選択できる。これは閾値解決策に適用され、その場合多くの周波数が満足のいく振幅／信号電力のエコー信号電力に帰着してもよい。またこれらの周波数中の特別の選択はその他の要因に同様に基いてもよい。例えば、広い周波数範囲がテストされる場合、１つ以上のピーク周波数（図３Ａ−Ｃ参照）であってもよい。その場合には他の要因が周波数の特別な選択に影響してもよい。
【００５５】
好適な送信周波数がステップ７０５で決定されると、上述の通り伸びを測定できる。
【００５６】
上述に示された検知方法が締め具緊締工具との関連で説明されているが、当然のことながら示された検知方法を超音波測定が使用されることになっているあらゆる状況で使用することができ、図５に示された検知方法は、材料中の異物を発見するための測定など他の種類の超音波測定にも、またトランスデューサが測定されようとする物体に接続されよって周波数検知を必要としない超音波測定装置の用途にも同等に適している。
【００５７】
さらに、本発明は電気緊締工具との関連で説明されているが、空気圧式或いは液圧式或いは手動式緊締工具またはパルス工具を使用して緊締を達成する電気式、空気圧式或いは液圧式の工具に同等に優れていることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００５８】
１０１  材料
１０２  トランスデューサ
１０３  亀裂
２００  装置
２１０  ハウジング
２１１  ハンドル
２１２  出力軸
２１４  ソケット
２１５  モーター
２１６  歯車装置
２１７  締め具
２１８  接触層
２２１  ケーブル
２２３  モーター出力軸
２２５  角度歯車装置
２３０  トランスデューサ
２４０  表面
４０１  周期
４０２  エコー
５０１  締め具
５０２  トランスデューサ
５０３  スイッチ
５０４  増幅装置
５０７  増幅装置
５０８  増幅装置
５０５  ゲート開閉装置
５０９  乗算装置
５１０  乗算装置
５１２  フィルター
５１３  フィルター
５１４  アナログデジタルコンバータ
５１５  アナログデジタルコンバータ
５１６  マイクロプロセッサー
５２０  検知装置
７００  方法
７０１  ステップ
７０２  ステップ
７０３  ステップ
７０４  ステップ
７０５  ステップ
Ａ      位置
Ａ′    位置
Ｂ      位置
Ｂ′    位置
ｔ      時間
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ−６Ｅ】
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【図７】
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【国際調査報告】
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