(57)【要約】本発明は、環状磁石（１０６）と励振コイル（１０７）とを同軸上に配置し、その電磁力によってボルトに縦振動を発生させる振動生成体（１０１）と、ボルト頭部（６）に当接する振動伝達棒（１０４）を介して縦振動を検出する振動検出体（１０２）とからなり、上記励振コイルに段階的に周波数の変動するパルス電流を供給したときの、上記振動検出体からの出力信号に基づき共振周波数を算出するボルト締付力検査装置において、その測定精度及び操作性を向上させたものである。
2002095346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボルト頭部を電磁力により縦振動させる振動生成体及びこの縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体を有するプローブと、制御装置とを備え、前記振動生成体は、軸心に振動伝達棒が挿通し得る貫通孔を有し、この貫通孔の半径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有するように着磁した環状磁石を単又は複数軸方向に配置し、環状磁石の外周側又は内周側に励振コイルを同軸状に配置したものであり、前記振動検出体は、円筒状のスリーブ内に振動検出器を軸方向へスライド可能に配し且つ先端方向へ弾性付勢するとともに、該振動検出器に前記振動伝達棒が振動を伝達できるように連結されたものであり、前記プローブは、円筒状のケーシング内に少なくとも前記スリーブの両端部を振動を吸収する防振材を介して密着保持するとともに、先端に前記振動検出体を取付けてその貫通孔から前記振動伝達棒の先端を露出させたものであり、前記制御装置には、前記励振コイルに段階的に周波数の変動するパルス電流を供給する励振回路と、前記振動検出器において前記振動伝達棒の縦振動を検出して出力される発振信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器と、該Ａ−Ｄ変換器の出力信号に基づき共振周波数を算出する演算部とを有することを特徴とするボルト締付力検査装置。
【請求項２】
前記スリーブの上端と下端には該スリーブの外径よりも直径が大きなリング状のフランジが固定され、上部のフランジと振動検出器との間にはコイルばねを介装して前記振動伝達棒を突出する方向に弾性付勢するとともに、下部のフランジの孔に前記振動伝達棒を貫通させ、下部のフランジに前記振動検出器の下端又は振動伝達棒の基部の連結部を当止させてなる請求の範囲第１項記載のボルト締付力検査装置。
【請求項３】
前記スリーブの上下端部の外周に円筒状防振材を装着した状態でケーシング内に内挿し、上下から環状防振材を前記上下部のフランジにそれぞれ接触させて内挿し、ケーシングの上端部内に押え部材を内挿した状態でケーブル装着部材を取付けて該押え部材を介して環状防振材を上部のフランジに圧接する一方、ケーシングの下端部には、中心部に前記振動伝達棒が貫通する貫通孔が設けられ連結部材の上部を内挿するとともに、連結部材の外周に形成した環状の突縁をケーシングの下端縁に当接した状態で固着し、前記環状防振材を下部のフランジに圧接してなる請求の範囲第２項記載のボルト締付力検査装置。
【請求項４】
前記制御装置の演算部が、前記励振回路の出力するパルス電流の周波数と、この周波数に対応するボルトの振動のピーク値とを集積して記憶する記憶テーブルと、該記憶テーブルを参照して最大のピーク値から共振周波数を算出する共振周波数算出手段と、前記共振周波数に基づいて当該ボルトの締付力を評価するボルト締付力評価手段と、を備えてなる請求の範囲第１〜３項の何れか１項に記載のボルト締付力検査装置。
【請求項５】
前記制御装置には、インターフェース回路を備え、該インターフェース回路を介してコンピュータ又は携帯型情報機器に接続可能となし、前記プローブで測定した検査結果のデータをインターネットを介してセンターのメインコンピュータに送り、このメインコンピュータで検査結果の詳しい解析や履歴の保存を行うようにし、その解析結果をインターネットを介して制御装置に送り返し、制御装置に備えた表示手段に表示させる請求の範囲第１〜４項の何れか１項に記載のボルト締付力検査装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、締付状態にあるボルトを電磁力で振動させ、その共振周波数を測定することにより当該ボルトの締付力やクラックの有無を検査するためのボルト締付力検査装置に関する。
背景技術
従来から、ボルトとナットとによって複数の部材を締付け固定した後、その締付力を測定する方法には種々のものがある。この締付力を判断する一番簡単な方法は、ボルトの頭部または他端部をハンマーなどで打撃し、その打撃力により生ずる振動・音を作業員の耳または手の触覚で感知して締付けの緩みを診断し、または目視により折損を見つけるというものである。しかし、この方法は、作業員の熟練を要し、しかも個人差が生じ易いという問題を有する。また、より進んだ方法として、トルク計により前記締付力を測定する方法も広く用いられている。しかし、トルク計を用いた測定は、一般に歪みゲージを用いて行われるため、ボルトの締付け状態と緩めた状態との両状態を測定しないとその測定値が得られない。さらに、トルク計による測定値は、ナットやボルトと座金との間の摩擦力により変化するため、ナットなどの表面の錆具合によってばらつくものでもある。その上、この方法ではボルトの折損は発見できるが、ボルトのクラックを発見するのが難しい。
また、従来から、ボルト頭部に一定方向の外部磁界を作用させると同時に交流励振用コイルにより渦電流を発生させると、外部磁界と渦電流との相互作用によりボルト内部に交流励振用コイルの周波数に応じた振動が発生し、ボルトの締付力に応じて振動数が変化することが知られている。そこで、交流励振用コイルの周波数を変化させ、ボルトに発生した振動数を測定し、その共振周波数を測定することで、ボルトの締付力を非破壊的に検査するボルト締付力検査装置が開発されてきた。例えば特開平１１−１４８８７６号公報に開示された検査装置がある。この公報記載のボルト締付力検査装置のプローブ３００は、第１３図に示すように、振動生成体３１０と、検出体３２０と、図示しない制御装置からなっている。振動生成体３１０は、ボルト頭部や他端部を納める空間部３１１を備え、この空間部３１１の半径方向外周に励振コイル３１２を配設するとともに、前記励振コイル３１２の外周に、複数の永久磁石を環状配列した環状永久磁石３１３を配設して構成されている。検出体３２０は、この振動生成体３１０に振動緩和材３２１を介して連結し且つ前記空間部３１１に突出する振動伝達棒３２２と接続した振動検出器３２３を中心軸に配設して構成されている。尚、振動伝達棒３２２と振動検出器３２３はコイルばね３２４で突出方向に弾性付勢されている。また、このようなボルト締付力検査装置の制御装置は、前記励振コイル３１２に周波数が連続的に繰り返し変わるサイン波形状の励振電流を供給する励振回路と、前記振動伝達棒３２２からの縦振動を検出する振動検出回路と、この振動検出回路の出力信号に基づきボルトの固有振動数すなわち共振周波数を検出する共振検出回路とを備えたものである。
このようなボルト締付力検査装置により、以下のようにボルトの締付力が測定される。先ず、検査対象となるボルト３３０は、板材３３１，３３２，３３３の各取付孔３３４を貫通し、反対面側でナット３３５で締付けられている。ボルト３３０の頭部３３６に振動伝達棒３２２の先端が当接するようにして、ボルト頭部３３６を空間部３１１に挿入し、環状永久磁石３１３がつくる磁力により振動生成体３１０の端部３１４が板材３３１の表面に当接した状態で吸引保持されると、環状永久磁石３１３による磁界がボルト頭部３３６の内部に浸透する。そして、励振コイル３１２に所定の周波数を有する励振電流を供給すると、ボルト頭部３３６に電磁誘導起電力による渦電流が流れる。この渦電流とボルト頭部３３６に形成された外部磁界との相互作用により、ボルトが励振電流の周波数に対応して縦振動する。この縦振動の周波数が、ボルトの軸部３３７の張力に対応した固有振動数と一致するときボルトは固有振動数で大きく振動し、その共振周波数が制御装置において検出され、検出された共振周波数に相当するボルト締付力（ボルト軸力）が算出される。
しかしながら、上記公報記載のボルト締付力検査装置では、以下に示す種々の問題があった。先ず、検査、装置の検出感度を高めるためには、上記励振コイル３１２に供給する励振電流量を大きくする必要があり、このため装置使用者が携帯するバッテリーは非常に重く且つバッテリーの寿命も短く、現場での使用効率が悪いという問題があった。また、上記環状永久磁石３１３は、半径方向に磁化した複数の永久磁石を環状配列して磁石保持部材３１５で保持する構成を有するため、製作費が嵩むことから非常に高価であり、検査装置の高価格化を招くという問題があった。
また、励振コイル３１２に周波数が連続的に変化する励振電流を流すため、振動検出回路がボルトの共振を測定した瞬間には、励振電流の周波数は共振周波数からずれており、共振検出回路はそのずれた周波数を共振周波数として測定するという問題があった。よって、正確な共振周波数を測定できず、正確なボルト軸力を得ることができない。
また、実際の使用時においてボルト頭部３３６を空間部３１１の内部に配置する必要があり、必然的に環状磁石３１３の位置が板材３３１の近傍に配置されるため、ボルト頭部３３６のみならず板材３３１にも磁力線が浸透し、励振コイル３１２に励振電流を流すと、板材３３１が振動しその振動がノイズの一因となるという問題もあった。
更に、検査対象であるボルトのサイズが大きいと、上記空間部３１１に当該ボルトの頭部を納めることが難しく、かかる場合は当該ボルトの締付力を測定することが不可能であるという欠点があった。
発明の開示
以上の事情に鑑み、本発明が解決しようとするところは、励振コイルに供給する電流量を抑制しても十分な誘導起電力を生起することができ、ボルトのサイズ変更に柔軟に対応でき、正確な共振周波数を測定してボルト軸力の測定精度を高めることができ、更に安価に作製可能でコンパクトなボルト締付力検査装置を提供する点にある。
前記課題を解決すべくなされた本発明に係るボルト締付力検査装置は、ボルト頭部を電磁力により縦振動させる振動生成体及びこの縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体を有するプローブと、制御装置とを備え、前記振動生成体は、軸心に振動伝達棒が挿通し得る貫通孔を有し、この貫通孔の半径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有するように着磁した環状磁石を単又は複数軸方向に配置し、環状磁石の外周側又は内周側に励振コイルを同軸状に配置したものであり、前記振動検出体は、円筒状のスリーブ内に振動検出器を軸方向へスライド可能に配し且つ先端方向へ弾性付勢するとともに、該振動検出器に前記振動伝達棒が振動を伝達できるように連結されたものであり、前記プローブは、円筒状のケーシング内に少なくとも前記スリーブの両端部を振動を吸収する防振材を介して密着保持するとともに、先端に前記振動検出体を取付けてその貫通孔から前記振動伝達棒の先端を露出させたものであり、前記制御装置には、前記励振コイルに段階的に周波数の変動するパルス電流を供給する励振回路と、前記振動検出器において前記振動伝達棒の縦振動を検出して出力される発振信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器と、該Ａ−Ｄ変換器の出力信号に基づき共振周波数を算出する演算部とを有することを特徴とするものである。
すなわち、軸方向に互いに相反する磁極を有する環状磁石と、励振コイルとを同軸状に配設するので、環状磁石の下面間で磁力線が形成されることで、その磁界を振動生成体の下面に当接したボルト頭部へ効率良く浸透させることができる。また、このような励振コイルへ前記励振回路から立上がり若しくは立下がりの鋭いパルス電流を供給するので、ボルト頭部において大きな誘導起電力を生起させることができる。よって、前記誘導起電力によって生ずる渦電流と外部磁界との相互作用によりボルトの共振レベルを高めることが可能となる。また、従来装置のように、周波数を連続変化させた励振用電流を用いずに、周波数を段階的に変化させたパルス電流を用いるので、その周波数が変化する間の一定周波数の継続時間を制御することにより、当該継続時間内でボルトの振動が安定し、次々に変化する励振周波数毎のボルトの振動を検出し、その振幅が最も大きな振動に対応する周波数を共振周波数として正確に検出することが可能となる。更に、パルス電流を採用することで消費電力が大幅に抑制される。
また、前記スリーブの上端と下端には該スリーブの外径よりも直径が大きなリング状のフランジが固定され、上部のフランジと振動検出器との間にはコイルばねを介装して前記振動伝達棒を突出する方向に弾性付勢するとともに、下部のフランジの孔に前記振動伝達棒を貫通させ、下部のフランジに前記振動検出器の下端又は振動伝達棒の基部の連結部を当止させてなることが好ましい。
更に、前記スリーブの上下端部の外周に円筒状防振材を装着した状態でケーシング内に内挿し、上下から環状防振材を前記上下部のフランジにそれぞれ接触させて内挿し、ケーシングの上端部内に押え部材を内挿した状態でケーブル装着部材を取付けて該押え部材を介して環状防振材を上部のフランジに圧接する一方、ケーシングの下端部には、中心部に前記振動伝達棒が貫通する貫通孔が設けられ連結部材の上部を内挿するとともに、連結部材の外周に形成した環状の突縁をケーシングの下端縁に当接した状態で固着し、前記環状防振材を下部のフランジに圧接してなることが好ましい。
そして、上記制御装置の演算部は、具体的には、前記励振回路の出力するパルス電流の周波数と、この周波数に対応するボルトの振動のピーク値とを集積して記憶する記憶テーブルと、該記憶テーブルを参照して最大のピーク値から共振周波数を算出する共振周波数算出手段と、前記共振周波数に基づいて当該ボルトの締付力を評価するボルト締付力評価手段とを備えることが望ましい。
前記制御装置には、インターフェース回路を備え、該インターフェース回路を介してコンピュータ又は携帯型情報機器に接続可能となし、前記プローブで測定した検査結果のデータをインターネットを介してセンターのメインコンピュータに送り、このメインコンピュータで検査結果の詳しい解析や履歴の保存を行うようにし、その解析結果をインターネットを介して制御装置に送り返し、制御装置に備えた表示手段に表示させると、制御装置の機能を大幅に簡略化してコンパクトにすることができるばかりでなく、メインコンピュータで検査結果を詳しく解析したり、検査履歴を保存しておくことによって、メンテナンス作業が効率良く行えるのである。また、複数箇所で測定した検査結果を総合的に評価することも可能となる。
発明を実施するための最良の形態
以下に、本発明に係るボルト締付力検査装置の実施形態を図面を参照しながら説明する。
第１図〜第４図は、本発明に係るボルト締付力検査装置の第１実施形態を示す概略断面図である。本発明のボルト締付力検査装置が検査対象とするボルトの配置は第１図に示されており、即ちボルト１は、二枚の板材２，３の各取付孔４を貫通し、反対面側でナット５で締付けられ、ボルト頭部６とナット５とで軸部７には常時張力が作用している。尚、エンジンブロックにクランクシャフトの軸受部材やシリンダヘッドカバーをボルト１で取付ける場合には、前述のナット５の変わりにエンジンブロック自体に螺孔が形成されているが、本発明はそのようなボルト１の締付力も検査できる。
本発明のボルト締付力検査装置のプローブ１００は、第１図に示すように、ボルト１の頭部６に当接されて使用される。このようなプローブ１００は、第１図及び第２図に示すように、ボルト頭部６を電磁力により縦振動させる振動生成体１０１と、この縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体１０２と、制御装置１０３とを備えて構成される。
更に詳しくは、前記振動生成体１０１は、軸心に振動伝達棒１０４が挿通し得る貫通孔１０５を有し、この貫通孔１０５の径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有するように着磁した環状磁石１０６を単又は複数軸方向に配置するとともに、環状磁石１０６の外周に励振コイル１０７を同軸状に配置して構成されている。図示した例では、環状磁石１０６を下面にＳ極、上面にＮ極を着磁し、この二つの環状磁石１０６，１０６を軸方向に接触させて配置したが、磁力が不足する場合には更に多数の環状磁石１０６を軸方向に配置する。尚、環状磁石１０６の磁極は、Ｓ極とＮ極を逆にしても良いが、全ての環状磁石１０６の磁極の磁化方向は同じ向きに設定する必要がある。前述の環状磁石１０６と励振コイル１０７は、キャップ状のカバー１０８に固定材１０９によって封入されており、カバー１０８の下面には前記振動伝達棒１０４が突出する孔１１０が形成されている。
また、前記振動検出体１０２は、円筒状のスリーブ１１１内にアコースティック・エミッションセンサ（ＡＥセンサ）などの振動検出器１１２を抵抗無く軸方向へスライド可能に配するとともに、該振動検出器１１２に前記振動伝達棒１０４が振動を伝達できるように連結され、該スリーブ１１１の上端と下端には該スリーブ１１１の外径よりも直径が大きなリング状のフランジ１１３，１１４が固定され、上部のフランジ１１３と振動検出器１１２との間には、コイルばね１１５を介装して前記振動伝達棒１０４が突出する方向に弾性付勢したものである。ここで、下部のフランジ１１４の孔１１６には、前記振動伝達棒１０４が貫通し、第２図に示した不使用状態では、フランジ１１４に前記振動検出器１１２の下端又は振動伝達棒１０４の基部の連結部が当止するようになっている。また、上部のフランジ１１３の孔１１７からは前記振動検出器１１２の図示しないリード線が引き出される。
ここで、前記振動伝達棒１０４としては、内部に渦電流が発生し外部磁界と作用して振動しないように、非磁性且つ電気絶縁性の無機質固体が好ましく、無機質固体の中でも電磁場に対する絶縁性と硬質性の両方を兼ね備える点からは、非磁性且つ電気絶縁性のセラミックスが好ましく、特に高純度のアルミナを用いたファインセラミックスがより好ましい。セラミックスに代表される無機質固体を用いると、振動伝達棒の弾性率がボルト１の弾性率より大きく且つその共振点が測定域より遥かに高くなるため、たとえ振動伝達棒が共振したとしてもこの共振振動がノイズとして測定結果に影響を与えないという利点がある。また、振動伝達棒２０３の横振動からくるノイズの発生を防ぐため、振動伝達棒２０３の直径は約３ｍｍ以上に設定されるのが好ましく、振動伝達棒２０３の先端部を丸く形成するのが好ましい。
そして、前記振動検出体１０２は、プローブ１００の外形を構成する円筒状のケーシング１１８内に振動を吸収する防振材を介して保持されている。つまり、前記スリーブ１１１の上下端部の外周に円筒状防振材１１９，１２０を装着した状態でケーシング１１８内に内挿し、上下から環状防振材１２１，１２２を前記フランジ１１３，１１４に接触させて内挿している。更に、ケーシング１１８の上端部内に押え部材１２３を内挿した状態でケーブル装着部材１２４をネジ止めし、押え部材１２３を介して環状防振材１２１をフランジ１１３に圧接している。一方、ケーシング１１８の下端部には、連結部材１２５の上部を内挿するとともに、連結部材１２５の外周に形成した環状の突縁１２６をケーシング１１８の下端縁に当接した状態で固着し、前記環状防振材１２２をフランジ１１４に圧接している。また、前記連結部材１２５の中心部には、前記振動伝達棒１０４が貫通する貫通孔１２７が設けられている。
ここで、前記円筒状防振材１１９，１２０及び環状防振材１２１，１２２の材料には、防振ゲルや防振ゴムなどが好ましく使用されるが、特に本実施形態では防振ゲルを用いて良好な防振効果が得られている。この防振ゲルは、商品名「ゲルナック」（株式会社日本オートメーション提供製品）を採用した。このように振動伝達棒１０４以外の部材から伝わる振動は前記円筒状防振材１１９，１２０及び環状防振材１２１，１２２に吸収され、振動検出器１１２に伝達することが防止される。よって、ボルト１の縦振動を示す検出信号中にノイズが混入し難くなり、非常に感度の良い検出信号を得ることが可能となる。
そして、前記連結部材１２５の下部に、前記振動生成体１０１を構成するカバー１０８の上端開口部を外嵌させた状態でネジ止めされ、同一外径に設定した前記ケーシング１１８とカバー１０８とは外形において連続する。ここで、プローブ１００の外形は、直径２ｃｍ、長さ約１２ｃｍである。尚、前記励振コイル１０７に接続する図示しないリード線は、前記スリーブ１１１とケーシング１１８の間を通してケーブル装着部材１２４まで引き出される。また、前述のプローブ１００を使用しないときには、第２図に示すように、プローブ１００の先端にゴム製の保護キャップ１２８を嵌着して前記振動伝達棒１０４の先端を保護している。
本発明において、前記環状磁石１０６と励振コイル１０７の配置は任意である。本実施形態の場合には、環状磁石１０６を半径方向内側に配置し、励振コイル１０７を半径方向外側に配置したが、このような配置はボルト１の頭部６の外形が励振コイル１０７の外形に略等しいかそれよりも大きい場合に汎用的に適用される。特に、第４図（ａ）に示すように、ボルト頭部６の中央部に回転工具を嵌合する凹部８を有する場合、頭部６の外周部分９に励振コイル１０７を接近させることができるので、ボルト１を効率良く振動させるのに適している。また、第４図（ｂ）に示すように、ボルト頭部６の外形がプローブ１００の外形よりもかなり小さい場合で頭部６の上面が平面１０である場合には、励振コイル１０７を半径方向内側に配置し、環状磁石１０６を半径方向外側に配置して、励振コイル１０７を頭部６の上面内に収まるようにすることが望ましい。
次に、第５図を参照しつつ、励振コイル１０７にパルス電流を供給するとともに、ボルトが固有振動数で振動したときの共振周波数を算出する制御装置１０３について詳説する。第５図は、制御装置１０３の概略構成を示すブロック図である。第５図において、符号１１２は振動検出器、１０４は振動伝達棒、１０６は環状磁石、１０７は励振コイルを示している。
制御装置１０３は、励振コイル１０７へパルス電流を供給する励振回路１３０、振動検出器１１２の出力信号を増幅する増幅回路１３１、振動検出器１１２の出力信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器１３２、これらを制御するＣＰＵ１３３、ＲＡＭ１３４、所定の手順に従い各種処理を実行するプログラムが格納されたＲＯＭ１３５、ボルトや板材の物理特性、検量線などのデータが格納された書き換え可能なＥＥＰＲＯＭ１３６、検出結果などを表示する表示手段１３７、条件設定などを入力する入力手段１３８、コンピュータ１３９や携帯型情報機器（ＰＤＡ）１４０などの外部機器との接続を介するインターフェース回路１４１、を有する。
前記励振回路１３０においては、ＣＰＵ１３３の制御に従って第６図に示すような立上がり若しくは立下がりの鋭いパルス電圧を励振コイル１０７に印加しパルス電流が供給される。本実施例ではパルス電圧として矩形波が好適であるが、本発明ではこれに限らず他のパルス波でも構わない。このようなパルス電流の励振周波数は、ＣＰＵ１３３の制御に従って、１Ｈｚ〜２０Ｈｚの範囲内の単位で段階的に変化させることができる。例えば、周波数を最大値５０ｋＨｚから始めた場合、１０Ｈｚ単位で段階的に所望の最小値まで減少させるのである。このように励振周波数を最大値から最小値まで段階的に変化させる１サイクルの時間を１周期と呼ぶ。このようなパルス電流を励振コイル１０７に供給すると、振動検出器１１２はボルト１の縦振動を検出して、第７図に示すような波形を有する発振信号を出力する。
また、第８図のタイムチャートで例示すると、ｎ回目またはｎ＋１回目の測定周期において、ＣＰＵ１３３は、励振回路１３０から出力される励振信号のタイミングを第８図（ａ）の波形に従って信号出力時間τで制御し、また、振動検出器１１２の出力信号を取り込む信号入力タイミングを第８図（ｂ）の波形に従って、信号出力時間τの中の終端時間ｔ１で制御している。つまり、時間τの間、一定の周波数のパルス電流でボルトが励振されるが、そのボルトの振動が安定するのを待って終端時間ｔ１の間だけ振動検出器１１２の出力信号を取り込むのである。
各回の測定周期において、前記第８図（ａ）の波形に従って信号出力時間τの間に、第６図に示したような一定周波数のパルス信号を励振コイル１０７に供給し、次の時間τの間、前回の周波数よりも１０Ｈｚ減じた一定周波数のパルス信号を励振コイル１０７に供給し・・・ということを繰り返し実行し、段階的に励振周波数を下げていく。このように励振周波数は、第８図（ｄ）に示すように、最大値から最小値へ階段状に減少させられる。振動検出器１１２は各々の励振周波数に応じてボルト１の振動を検出して発振信号を出力し、この発振信号は、第８図（ｂ）に示す終端時間ｔ１の間にＡ−Ｄ変換器によってデジタル信号に変換された後にＣＰＵに取り込まれる。このような発振信号は、第９図（ａ）に示すような波形を示し、励振周波数が共振周波数に一致する時点でピークを形成する。このように、信号出力時間τを設定して段階的に変化する励振周波数でパルス電流を励振コイル１０７に供給するから、当該信号出力時間τの間に、当該励振周波数に対応する発振信号を極めて正確に検出し識別することが可能である。
また、各回の測定周期の終わりには、ＣＰＵ１３３は、第８図（ｃ）の制御信号に従って信号処理時間ｔ２の間、デジタル変換した発振信号（デジタル入力信号）を処理して共振周波数を算出する。具体的には、デジタル入力信号の値は、ＣＰＵ１３３で処理されて、対応する励振周波数や周期とともに一時的に記憶テーブルに記憶される。次いで、ＲＯＭ１３５に格納されたプログラムの中から共振周波数算出手段を呼び出し、前記記憶テーブルを参照し、第９図（ｂ）に示すように同図（ａ）の波形の包絡線波形１４３に示される波形データを得て、そのピーク値を見出しこのピーク値に対応する発振周波数を共振周波数とするのである。このような処理は、測定周期毎になされる。尚、測定周期の回数は１回でもよいし、複数回でもよい。複数回の測定周期から、共振周波数の平均値を算出しても構わない。
次いで、ＲＯＭ１３５に格納されたプログラムの中からボルト締付力評価手段を呼び出し、この手段を用いてＥＥＰＲＯＭ１３６に格納された検量線テーブルを参照し、共振周波数に相当するボルト軸力（ボルト締付力）を算出するのである。ボルト軸力が算出された後は、表示手段１３７にボルト軸力の値を表示させてもよいし、ボルト軸力の大きさに応じて表示ランプ（図示せず）に表示させたり、スピーカー（図示せず）からボルト軸力の大きさに応じたトーンの音を出力してもよい。
また、振動検出器１１２は、必ずしも第９図（ａ）に示すように明瞭なピークをもつ波形を出力するとは限らず、第９図（ｃ）に示すように複数のピークを有する波形を出力し、共振周波数に対応するピーク値を識別するのが困難な場合がある。かかる場合は、ピークをもつピーク波形の群（波形群）を選別し、第９図（ｄ）に示すように各波形群において波形合成処理を実行して合成波形１４４ａ，１４４ｂを生成し、合成波形１４４ａ，１４４ｂのピーク値の中から最大値を見出しこれに対応する発振周波数を共振周波数とするのが好ましい。尚、第９図（ｄ）の合成波形は、第９図（ｃ）の波形と比べて若干縮小表示されている。
また、前記検量線テーブルとしては、「ボルトの種類」や「ボルトのサイズ」、締結した「板材の厚み」、「最大軸力」、「オフセット値」などを予め入力しテーブル化したものを使用しても良いし、多項式の係数を最小自乗法で算出し補間式を求めて利用しても良い。このような最小自乗法などを実行するには上記コンピュータ１３９を用いた方が簡便な場合がある。かかる場合は、多項式の係数などをコンピュータ１３９で算出した後に、そのデータを第５図に示したインターフェース回路１４１を介してＣＰＵ１３３に転送し、ＥＥＰＲＯＭ１３６などに記憶させるのが好ましい。
また、ボルトの締付状態を点検するだけならば、現場などで、ボルトの締付力の基準値（基準締付力）苦しくはこの基準締付力に対応する共振周波数（基準共振周波数）を登録し、この基準締付力若しくは基準共振周波数を中心とした上限値と下限値を設定しておき、測定した締付力若しくは共振周波数が上限値と下限値間にある場合は合格圏内にあるとし、外れた場合は不合格とすることもできる。
また、電力消費量を抑制したい場合は、測定時にのみ装置電源が投入されるようにすることが好ましい。そこで、ボルト頭部に装置を当接したときの励振コイルなどのリアクタンス変化を検出して、自動的に電源を投入したり切断したりすると効率的である。
または、超音波や光を利用した近接スイッチや磁気近接スイッチを用いて、被検査物たるボルトに接近すると自動的に装置電源が投入されるものでもよいし、振動伝達棒をリミットスイッチと連動させて、振動伝達棒がボルト頭部に当接して後退すると、自動的に装置電源が投入されるものでもよい。
また、前記インターフェース回路１４１に携帯型情報機器１４０を接続し、制御装置１０３で得られた検査結果のデータをインターネット１４２を介して図示しないセンターのメインコンピュータに送り、このメインコンピュータで検査結果の詳しい解析や履歴の保存等を行うようにし、解析結果等をインターネット１４２を介して制御装置１０３に送り返し、表示手段１３７に表示させることも可能である。この場合には、制御装置１０３で処理する情報量は格段に少なくなるので、ＣＰＵ１３３の性能や各種メモリーの記憶容量を小さくでき、制御装置１０３をコンパクトなものにすることが可能である。また、制御装置１０３自体に通信機能を設けることも勿論可能である。更には、励振コイル１０７に電力を供給するためのバッテリーを除き、プローブ１００と制御装置１０３とを無線で接続することも可能になる。あるいは、作業現場近くにコンピュータ１３９を設置しておき、制御装置１０３とを無線ＬＡＮやブルーツース技術で接続することも可能であり、この場合コンピュータ１３９はインターネット１４２に接続しておけば、センターのメインコンピュータでデータ処理することができる。
本発明に係るボルト締付力検査装置は、個々のボルト１の締付力を正味の絶対値として測定することができるが、それには締付力が既知のボルトで絶対校正することが必要である。しかし、複数のボルトの締付力のバラツキを測定したり、正常に締付けられているボルトと他のボルトの締付力とを比較する場合には、絶対校正は不要である。例えば、正常に締付けられているボルトを測定した際に、得られた固有振動数の値を「１００％」として換算するように設定すれば、他のボルトを測定した際にその固有振動数の値を「１１０％」や「９０％」と表示させるような使用方法も可能である。
第１０図〜第１２図は、本発明の第２実施形態を示している。本実施形態のボルト締付力検査装置のプローブ２００もボルト頭部６を電磁力により縦振動させる振動生成体２０１と、この縦振動を検出して信号に変換し出力する振動検出体２０２と、前述の第１実施形態と同様な制御装置１０３とを備えて構成される。このような振動生成体２０１と振動検出体２０２とは、第１１図に示すように分離可能であり、第１０図では振動生成体２０１は振動検出体２０２に着脱自在に取付けられている。第１２図（ａ）は、振動検出体２０２を下方から見た図であり、第１２図（ｂ）は、振動生成体２０１を上方から見た図である。
以下、各部の構成について詳細に説明する。
前記振動生成体２０１は、軸心に振動伝達棒２０３が挿通し得る貫通孔２０４を有し、この貫通孔２０４の径方向外周において、軸方向に互いに相反する磁極を有するように着磁した第１環状磁石２０５と第２環状磁石２０６とを同軸状に配置すると同時にこれら環状磁石２０５，２０６の間に励振コイル２０７を同軸状に配置して構成されている。図示した例では、第１環状磁石２０５の下面にＳ極、上面にＮ極を着磁し、第２環状磁石２０６の下面にＮ極、上面にＳ極を着磁したが、本発明ではこれに限らず、各々の磁極を逆極性に変えても構わない。
また、第１２図（ａ）に示す振動検出体２０２の下面には周方向に等間隔で嵌合突起部２０８，２０８，２０８が形成されている。振動検出体２０２に振動生成体２０１を取付けるには、第１２図（ｂ）に示す振動生成体２０１の上面に形成された溝部２０９，２０９，２０９に前記嵌合突起部２０８，２０８，２０８を係合させ、その後振動生成体２０１に対して振動検出体２０２を相対回転させることで、嵌合突起部２０８，２０８，２０８をそれぞれ溝部２０９，２０９，２０９に嵌合させればよい。このように嵌合突起部が溝部に嵌合すると、振動生成体２０１の上面に設けた溝部２０９，２０９，２０９の底面には接点金具２１０が配設されているから、第１０図を参照するとその接点金具２１０と励振コイル２０７とがリード線２１１を通して電気的に接続され、接点部材２１２から接点金具２１０を通して励振コイル２０７に励振電流を供給することが可能となる。
また、前記振動検出体２０２は、その軸心にアコースティック・エミッションセンサ（ＡＥセンサ）などの振動検出器２１３と、この振動検出器２１３に接続された振動伝達棒２０３とを備えている。
また、前記振動検出器２０２は、保護容器２１４に内装されバネ２１５を用いて下方へ弾性付勢されている。この保護容器２１４の下部外周面には環状フランジ２１６が形成されている。環状フランジ２１６の上下両面は防振ゲルや防振ゴムなどの環状防振材２１７，２１８によって挟持された状態で円板状のベース部材２１９に固定されているため、振動伝達棒２０３以外の部材から伝わる振動は防振材２１７，２１８に吸収され、振動検出器２１３に伝達することが防止される。よって、ボルトの縦振動を示す検出信号中にノイズが混入し難くなり、非常に感度の良い検出信号を得ることが可能となる。更に、前記ベース部材２１９の外周縁部にカップ状のカバー部材２２０の内周縁部を固着することにより、保護容器２１４全体はカバー部材２２０で保護されている。
また、前記保護容器２１４のフランジ２１６および防振材２１７，２１８は、棒状の接点部材２１２、ナット２２１および押えリング２２２を用いてベース部材２１９に固定されている。すなわち、接点部材２１２をフランジ２１６および防振材２１７，２１８に貫通させ、この接点部材２１２の外周に形成された環状突起部２２３をベース部材２１９に嵌合させ、接点部材２１２の端部外周面に形成したねじ溝にナット２２１を螺合することにより、フランジ２１６および防振材２１７，２１８はベース部材２１９に締結固定されている。更に前記接点部材２１２の端部に第２のナット２２４を螺合して、ナット２２１，２２４の間に励振電流供給用ケーブル２２５が挟持される。このようにベース部材２１９に対する保護容器２１４の固定個所は、１個所ではなく、第１２図（ａ）に示すように、周方向に１２０°間隔で形成された接点部材２１２，２１２，２１２を用いた３個所である。
この第２実施形態のプローブ２００は、橋梁やその他の鉄骨構造物に使用されている大型のボルト１の締付力を検査するのに適している。
産業上の利用可能性
以上の如く、本発明のボルト締付力検査装置によれば、軸方向に互いに相反する磁極を有する環状磁石と励振コイルとを半径方向内外に同軸状に配設して構成される振動生成体を備えることにより、外部磁界をボルト頭部に効率良く浸透させることができ、また前記励振コイルに立上がり若しくは立下がりの鋭いパルス電流を供給して、ボルト頭部において大きな誘導起電力を生起させることができるから、ボルトの共振レベルが向上し感度の高い共振周波数を得ることができ、よって正確なボルト軸力を算出することが可能となる。また、周波数を段階的に変化させたパルス電流を用いることにより、その周波数が変化する間の一定周波数の継続時間を制御して当該継続時間内にボルトの共振を検出すると共に正確な共振周波数を得ることができるから、正確なボルト軸力を算出してその測定精度を向上させることが可能となる。
更に、パルス電流を採用することで、消費電力が低減するため、移動式駆動電源を用いてもボルト締付力の検査作業を長時間行うことが可能となると共に、軽量の駆動電源を用いれば足りるため作業性が向上する。
また、本発明のボルト締付力検査装置は、前記振動検出体をケーシングに対して防振材を介して保持しているので、振動伝達棒以外の部材から伝達する振動は防振材に吸収されるため振動検出器の出力信号にノイズが混入することが防止され、検出精度が向上する。
また、本発明は、ボルトの締付力を検査することに止まらず、張力を常に維持しておくべき部材の軸力を検査するために広く適用できるのであり、その応用範囲は広く、産業上極めて有用である。
特に、原子力発電所等のプラントにおいて、ボルトの締付状態を確認する作業は、非常に大切な要素であり、現在は定期的に種々の方法で確認しているが、高温場所や放射能被爆環境等の危険な場所であるため検査時間が限られ、バルブ及びブランジの締付け確認に要する労力と時間は大きな問題であった。そこで、本発明のボルト締付力検査装置を無人の検査ロボットのセンサーとして組み込み、その検査データを無線で送信し、安全な操作室など場所に控えた作業者がそれを確認することができるので、従来の問題は一挙に解決する。
また、従来からボルト締付けに利用している電動式トルク計は、ボルトと被締付部材との間の摩擦力によってその値は大きく異なり、真の意味でボルトの軸力を反映した正確な測定は不可能であるが、本発明のボルト締付力検査装置と組合わせれば、ボルトの締付けと同時にその軸力を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に係るボルト締付力検査装置の第１実施形態を示すプローブの概略断面図である。
第２図は、同じくプローブの先端に保護キャップを装着した状態の断面図である。
第３図は、同じくプローブの側面図である。
第４図は、ボルト頭部の形状とプローブの先端構造との関係を示し、（ａ）はボルト頭部の中央部に凹部を有する場合のプローブの先端構造を示す省略斜視図、（ｂ）はボルト頭部が平面である場合のプローブの先端構造を示す省略斜視図である。
第５図は、本発明に係る制御装置の一実施例を示す概略ブロック図である。
第６図は、励振回路が出力するパルス電圧の一例を示す図である。
第７図は、振動検出器が出力したボルトの振動波形を示す図である。
第８図は、各種信号を示すタイムチャートである。
第９図は、発振信号とその処理信号を示す概略図である。
第１０図は、本発明に係るボルト締付力検査装置の第２実施形態を示すプローブの概略断面図である。
第１１図は、振動検出体と振動生成体とが分離状態にある概略断面図である。
第１２図（ａ）は、図２に示した振動検出体を下方から見た図であり、（ｂ）は、第１１図に示した振動生成体を上方から見た図である。
第１３図は、従来のボルト締付力検査装置を示すプローブの概略断面図である。
【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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【国際調査報告】
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