計測自動制御学会東北支部 第 285 回研究集会(2013.12.07)
資料番号 285-9

超音波を用いたボルト-ナットの締結状態の評価に関する一方法A Method for Evaluation of Fastened Condition of Bolt - NutUsing Ultrasonic Waves○高橋 一歴*，福田 誠*，今野 和彦*○Motoyuki Takahashi*，Makoto Fukuda*，Kazuhiko Imano**

秋田大学 大学院工学資源学研究科*

Graduate School of Engineering and Resource Science，Akita University

キーワード：2 次高調波超音波(Second Harmonic Ultrasonic Pulse)，ボルト締結体(Fastened Bolts)
接触型音響非線形性(Contact Acoustic Nonlinearity)，近距離音場限界距離(Near Field Length)
連絡先：〒010-8502 秋田市手形学園町 1-1 秋田大学 大学院工学資源学研究科 電気電子工学専攻
福田誠，Tel：018-889-2484，Fax：018-837-0406，E-mail：mfukuda@gipc.akita-u.ac.jp

1. はじめに

よって検査結果が異なることもあるため定量的ボルトは構造物や機械などの締結に幅広く使な検査ができないという問題がある．4 つ目にボ用されており，このボルトに緩みや疲労による欠ルトに超音波を伝搬させて，音速の変化からボル陥が生じた場合，構造物の倒壊や機械の故障などトの緩みを検出する方法がある．しかし，音速はの重大な事故につながる危険性がある．このよう微小な変化であり，温度による変化もあるため補な事故を防ぐため，ボルトの締結状態に関する評正が必要である 3)．

価法について多くの研究や実用例が存在していそこで，複数のボルトに対して外部から定量的る．一つ目の評価法として，トルクレンチを用いに検査可能な方法が必要とされる．過去の研究にて適正トルクまで締め付けるトルク管理法があおいて，ボルト-ナット間にナット側面から超音波

1)

る ．簡易にボルトの締結状態の評価が可能であを伝搬させた場合において，トルクの増加に対しるが軸力にばらつきが生じてしまうため定量的て 2 次高調波超音波が増加したと報告がある 4)．

な評価が行えないといわれている．2 つ目にひず

トルクの増加に対してボルト-ナット間の接触面みゲージを用いて，軸力の変化からボルトの緩み積が増加することで発生する 2 次高調波超音波も2)を検出するひずみゲージ検査がある ．この方法増加していると考えられている．一方，超音波のはボルトにひずみゲージを埋め込まなければな

音場，特に近距離音場限界距離を考慮した測定がらないため，全てのボルトへの適用は難しいとい行われていない．

う問題がある．3 つ目に打音検査がある．打音検

本研究では，近距離音場限界距離が影響するの査は簡易に検査を行うことができるが，熟練度にか検討を行うため，1 ~ 4 MHz の周波数を用いて，
1

Incident Wave
固体接触面(2次高調波発生)Transducer

Incident Wave

NutBolt

TransmittedWave

Fig.2 ボルトで発生する 2 次高調波

Fig. 1 固体接触面で発生する 2 次高調波

ると次式で表すことができる．

近距離音場限界距離を変化させ，ボルト-ナット間で発生する 2 次高調波超音波への影響について検N

討を行う．

a2



(1)

式より，振動子の半径を一定とすると周波数に比例して近距離音場限界距離が長くなる．

2. 2 次高調波超音波の発生原理

過去の研究において，使用されたボルトは M12

2.1 固体接触面で発生する 2 次高調波
Fig.1 に示すような固体の接触面に大振幅の有鋼鉄製六角ボルト，振動子の直径は 10 mm，測定

限振幅超音波を伝搬させると，接触面が繰り返しは周波数 500 kHz で行われている．この場合，ボて衝突することで透過波や反射波がひずみ，2 次ルト中を伝搬する超音波の音速は鉄と同様と考高調波が発生する．この現象は接触型音響非線形え 5950 m/s6)とし式(1)より近距離音場限界距離は性(CAN: Contact Acoustic Nonlinearity)と呼ばれて約 2 mm となる．ナット側面からボルトまでの厚5)いる ．

さは 4.3 mm 程度であるため，近距離音場限界距

2.2 ボルト-ナット間で発生する 2 次高調波

離の約 2 倍の長さとなる．

ボルト-ナットの締結体から発生する 2 次高調

そこで，本研究では振動子の直径を 10 mm，周波は，Fig.2 に示すようにボルト-ナット間の接触波数を 1 ~ 4 MHz とし，近距離音場限界距離 N を部分で発生していると考えられる．トルクを加え4.2 ~ 17 mm と変化させた場合の測定を行い，ボルることでボルト-ナット間の接触面積が増加しト-ナット間で発生する 2 次高調波について検討

CAN による 2 次高調波の発生量が増加すると考を行う．

えられている．過去の研究ではトルクの増加に対して 2 次高調波が増加すると報告されている 4)．

3. 2 次高調波検出実験

しかし，近距離音場限界距離を考慮した測定が行

3. 1 測定システム
ボルト-ナット間で発生する 2 次高調波の測定われていない．

システムを Fig.3 に示す．発振器から周波数 1 ~ 4

2.3 近距離音場限界距離
近距離音場は，音波のビーム幅が変化せずに伝MHz，バースト正弦波 10 波を発振し，バイポー搬するが，遠距離音場になるとビーム幅が拡がり

ラ増幅器により 100 Vp-p に増幅して圧電振動子へ伝搬する．近距離音場と遠距離音場の境界は近距印加する．ボルト-ナット間を伝搬した超音波を 2離音場限界距離 N で表すことできる．近距離音場~ 8 MHz に共振周波数を持つ圧電振動子で受波す

限界距離 N は，振動子の半径を a，波長をとする．受波した波形は，ベクトルシグナルアナライ
2Vector Signal Analyzer

0.3

Normalized Amplitude [dB]Trigger

Amplitude[V]0.2

Function Generator

0.1
0-0.1
-0.2
-0.3
01020
Propagaition time[s]Bipolar Amplifier(a)受波波形(0 N・m)
Normalized Amplitude [dB]

Amplitude[V]

0.1
0-0.1
-0.2

Receiver(2 ~ 8MHz)

-0.3
0Bolt

1020
Propagaition time[s]

0-1
01020
Propagaition time[s](a)受波波形(0 N・m)

-1
0

1020
Propagaition time[s]30(c)受波波形(50 N・m)

2nd1

23
Frequency [MHz]45(b)周波数スペクトル(0 N・m)
Normalized Amplitude [dB]

Amplitude[V]0-40-80030

10-20-600-20-40-800

1567Frequency [MHz]890-20

2nd-40-60-80
34567Frequency [MHz]89(d)周波数スペクトル(50 N・m)

-20-40-60

23Frequency [MHz]:1 MHz:2 MHz:3 MHz:4 MHz0

2nd-604Fig. 5 測定結果(4 MHz)2nd harmonic amplitude[dB]

Normalized Amplitude [dB]

Amplitude[V]130(c)受波波形(50 N・m)Fig. 3 測定システム-60(b)周波数スペクトル(0 N・m)

0.2Transmitter(1 ~ 4 MHz)

2nd-40-803300.3

Nut0-204102030
Torque[N・m]40505(d)周波数スペクトル(50 N・m)Fig. 6 2 次高調波-トルクの関係

Fig. 4 測定結果(1 MHz)
ザで受波波形を観測して，観測した波形の周波数

8Ratio of amplitude

スペクトルを観測する．
トルクレンチを用いて 0 ~50 N・m までを 10 N・m ずつ加える．
3.2 測定結果と考察
測定結果の一例を Fig.4，5 に示す．同図より，2次高調波振幅値を読み取り，横軸をトルク，縦軸を 2 次高調波振幅値とした 2 次高調波-トルクの関6420係を Fig.6 に示す．図より，トルクの増加に対して2 次高調波の変化は少ないことが読み取れる．また，0102030Torque[N・m]4050Fig.4，5 より，受波波形の振幅値を読み取り，そFig. 7 振幅比-トルクの関係

れぞれ 0 N・m における振幅値を基準として，横軸MHz の場合，近距離音場限界距離は 17 mm となる．

をトルク，縦軸を振幅比(振幅値/ 0 N・m の振幅値)

これはナットの厚さに対して約 4 倍となり，トルとした振幅比-トルクの関係を Fig.7 に示す．図よクを加え接触面積が増加したことで，1MHz の場り，1 MHz では振幅比が減少し，4 MHz では増加合よりも効率よく伝搬し，ボルト内部への超音波していることが読み取れる．これは，周波数が 4の透過量が増加したことが考えられる．また，13

Phase Lock

Function Generator1Trigger

Function Generator2Vector Signal Analyzer

Bipolar Amplifier

NutTransmitter(1 ~ 4 MHz)

Receiver(2 ~ 8MHz)
Bolt

Fig. 8 PIA 法による測定システム

00-0.01
01020Propagaition time[s](a)受波波形(0 N・m)

2nd-60123Frequency [MHz]45(b)周波数スペクトル(0 N・m)
0Relative Amplitude [dB]

Amplitude[V]-40-80030

0.01

0-0.010-20

2nd harmonic amplitude[dB]

Relative Amplitude [dB]

Amplitude[V]

0.01

1020
Propagaition time[s]30(c)受波波形(50 N・m)

-20-40-60

2nd-800123Frequency [MHz]4-20-40-60:1 MHz:2 MHz:3 MHz:4 MHz05102030Torque[N・m]4050(d)周波数スペクトル(50 N・m)Fig. 9 測定結果(1 MHz PIA)

Fig. 10 2 次高調波-トルクの関係

MHz において振幅値が減少した原因として，近距Averaging(PIA)法を用いて測定を行う 7)．PIA 法に離音場限界距離がナットの厚さとほぼ等しく，トよる測定システムを Fig.8 に示す．駆動条件は前ルクを加えたことでボルト内部へ伝搬する音波と述と同様に行う．

ナットを回りこみ伝搬する音波と別れてしまい，4.2 測定結果と考察伝搬効率が下がったことが考えられる．

測定結果の一例として，周波数 1 MHz の場合をFig.9(a)に受波波形，(b)に周波数スペクトルを示す．

4. Pulse Inversion Averaging(PIA)法によるボルト-周波数スペクトルから 2 次高調波振幅値を読み取ナット間における 2 次高調波の測定

り，横軸をトルク，縦軸を 2 次高調波振幅とした

4.1 測定システム

2 次高調波-トルクの関係を Fig.10 に示す．図より，前述で測定したボルト-ナット間で 2 次高調波2 次高調波が発生していないことが読み取れる．

が発生しているか検討を行う．一般的に高調波成

PIA 法を用いて 2 次高調波成分を強調したが，2分の周波数スペクトルは基本波成分の周波数ス次高調波のトルクに対する変化が確認できなかペクトルよりも小さくなる．そこで，2 次高調波った．これより，ボルト-ナット間における 2 次高成分を効率よく測定を行うため，アベレージング調波の発生量は少ないことが考えられる．よって，機能により，リアルタイムで基本波成分を低減さ

2 次高調波を用いたボルト-ナットの評価は困難

せ 2 次 高 調 波成 分 を 強調 す る Pulse Inversionであると考えられる．
4

5. おわりに≪参考文献≫

本報告では，周波数を変え近距離音場限界距離

1)酒 井 智 次 ：“増 補 ねじ締 結 概 論 ”， 養 賢 堂，の 2 次高調波への影響を検討した．その結果，ボpp.22-27(2003)

ルト-ナット間では 2 次高調波の発生量が少なく，

2)黒崎 茂，佐々木祐樹，和泉 亨：“ピエゾケー

近距離音場限界距離と 2 次高調波の関係についてブルを用いたボルト軸力検出の試み”，非破壊検検討を行えなかった．しかし，締付トルクの増加

査，第 56 巻，3 号，pp.149-154(2007)

に対して受波波形が変化することを確認した．こ3)牧野孝之，酒井智次，鳥山晴彦：“超音波を利用のことから，ボルト内部への音の透過率などからしたボルト軸力測定装置の開発と実用化”，精密締結評価が可能である可能性を示せた．

機械，第 43 巻，2 号，pp.89-98(1977)

今後の課題は，トルクを加えることでボルト内

4)福田誠，米内巨樹，今野和彦：“軸力に対する 2部における超音波の透過率や反射率が変化する

次高調波超音波の増加分を用いたボルト締結評か検討を行い，透過率や反射率がボルト-ナットの価に関する一検討”，電子情報通信学会論文誌，締結評価に用いることができるか検討を行ってVol.J96-A，No.8，pp.590-592(2013)

いく．

5)I.Y. Solodov，“Nonliner NDE using contact acousticnonlinearity(CAN) ”， Proc.1994 IEEE Ultrasonic

謝辞

symposium，pp.1278-1283(1994)

本研究の一部は，平成 25 年度科研費若手研究6)国立天文台：“理科年表”，丸善出版，pp.434(2011)(B)(25820170)の助成を受けたものであり，ここに

7) M.Fukuda，M.Nishihira and K.Imano：“Real Time

謝意を表する．

Extraction

SystemPiezoelectricTransducer

Using

Double-Layeredfor

Second–Hramonic

Ultarasonic Pulse Waves”，Jpn.J.Appl.Phys，Vol.45，
No.5B，pp.4556-4559(2006)5