計測自動制御学会東北支部大会第264回研究集会（2011．3．11）
資料番号264−10

非線形超音波によるボルト締結状態評価への一検討
AStudyofBoltConclusionEvaluationUsingNonlinearUltrasonicWaves○福田誠，今野和彦
OMakoto FUKUDAand KazuhikoIMANO
秋田大学 大学院工学資源学研究科

GraduatedSchoolofEngineerlngandResourceScience，
AkitaUlliverslty
キーワード：非線形超音波（nonlinearultrasonicwaves），二層型圧電振動子（double−1ayeredpiezoelectrictransducer），

ボルト（bolts），ナット（nuts），軸力（axialforce）

連絡先：〒010−8502秋田県秋田市手形学園町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：018−889−2494，Fax：018−837−0406，E−mail：mfukuda＠gipc．akita−u．aC．jp

1．はじめに機械構造物の組み立てにボルト締結が多用されている．過剰の締め付けや緩みは，ボルトの破損や脱落などの事故につながる恐れがなく，さらに全てのボルトを簡易に検査できる，新しいボルトナットの締結状態の検査法が要求される．

そこで，超音波を用いた非破壊検査の分野あり，ボルトの保守点検が必要となる．ボルで最近注目されている非線形超音波を用いる

ト軸力の測定法としては，トルク管理法，超手法に着目する．金属などの固体の接触面や音波法，ひずみゲージ法，ロードセル法など不完全接合面では，有限振幅の大きな音圧のが知られている（l）．トルクレンチを用いてトル超音波が入射されたときに，接触面の繰り返ク管理する方法が一般的に行われているが，し打撃，あるいは摩擦すべりにより，連続体同種のボルトでもトルクと軸力がばらつくこに比べて2次高調波あるいは分調波などの非とが指摘されている・また、声音波によりボ線形成分が著しく発生することが見出され，ルト中の超音波伝搬時間や音速を測定する方

接触型音響非線形性（CAN：Contact Acoustic

法では温度による影響を受けるため補正が必Non−1inearity）という名前で知られるようにな要となる．また，ひずみゲージ法やロードセった（2）．また，塑性変形した部分には転位や閉ル法は，特殊なボルトやワッシヤを用いる上，じた亀裂が多数存在し，それらに有限振幅超全てのボルトを検査するにはコストがかかり音波が入射された場合にも2次高調波などのすぎるため，現実にはサンプル検査となる問

非線形超音波が発生することが明らかとなっ題がある．このような理由から，補正が必要ている（3，4）．この研究分野の開拓により，工業

Transducer

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Bolt
（a）

（b）

図2二層型圧電振動子（a）並列接続，（b）直列接続︻s一〇︺弓⁝≡つくⅠ三J」：re小川￠y【Ⅷ耳

図3周波数・アドミタンス特性

図1ボルトからの2次高調波発生源（a）並列接続，（b）直列接続

材料の非破壊検査に非線形超音波の利用が進の条件を一定とし，④のみを可変として検討められてきた（3■7）．これまでの有限振幅超音波する．次に，③および④を可変として検討すを用いた非破壊検査の研究対象は亀裂などのる．①は，同一ボルトを使用することで一定欠陥検出や溶接部などの接合面の状態計測なとできる．②はサリチル酸フェニルを用いてどが主である．著者らはこの原理をボルトづ一トランスデューサとボルトを接着することでット締結状態の検査に利用できると考えた（8）．
本研究では，著者らが以前提案した二層型圧電振動子を用いた2次高調波検出システム

一定とできる．③は実験時にナットを取り外すことで，③による発生をゼロとすることができる．

により，締結状態のボルトから2次高調波を検出し，ボルト締結状態評価の可能性について検討する．

3．二層型圧電振動子実験に用いるトランスデューサとして二層型圧電振動子を用いる（10）．二層型圧電振動子

2．ボルトからの2次高調波発生源締結されたボルトから発生する2次高調波の発生源としては，図1に示す①〜④が考えられる，すなわち，超音波伝搬過程に累積的に非線形ひずみが積み重なって生じる成分（第1図の①），超音波トランスデューサとボルト間の接触状態によるCAN（第l図の②），ボルトナットのネジ山間の接触状態によるCAN（第1図の③），および，ボルトを締結することで生じた塑性変形（第1図の④）である．よって，これら全てを同時に可変として検討す
ると，2次高調波が締結前後で変化したとしても，変化の原因がどこにあるのか検討しにくくなる．本研究では，はじめに，①，②，③は，同一特性の圧電振動子を2枚，互いに逆分極となるように貼り合わせる．導電性接着剤を用いて貼り合わせることにより，図2に示されるように電気的に並列もしくは直列に接続が可能である．貼り合わせる前の圧電振動子単体での共振周波数を′とすると，逆分極に貼り合わせた二層型圧電振動子の共振周波数は並列接続とすることで半分の′／2となり，直列接続では′のまま変わらないという特徴がある（り）．貼り合わせる前の単体での共振周波数が2MHzの圧電振動子を2枚用いて二層型圧電振動子を構成した場合，それぞれの接続での周波数−アドミタンス特性は図3のように

7≒0．5】¶S

図4スイッチを用いた開始位相Odeg

二層型圧電振動子の電気的接続の切り換え

開始位相180deg

図5PulselnversionAveragingのための駆動信号なる．二層型圧電振動子の共振周波数は並列接続では1MHz，直列接続では2MHzとなる

こで，本システムにはアベレージング機能をことが確認できる．このような二層型圧電振用いて，2次高調波のみを観測できるようにパ動子の特徴に注目して超音波の送受波を考えルスインバージョン法を適用する．パルスイると，高調波の発生に十分な音庄の基本波（こンバージョン法は互いこではIMHz）を並列接続で送渡し，音響媒質パルスを交互に送渡し，それらの受波波形をを伝搬中に発生した2次高調波（2MHz）に対し足し合わせることで基本波を打ち消す方法でては，直列接続で感度良く受波できることがある．パルスインバージョン法は二層型圧電期待できる．

振動子を正位相と逆位相のそれぞれの信号で送波時および受渡時に二層型圧電振動子のに逆位相となる基本波駆動し，それぞれの受渡波形を加算すること電気的接続を並列または直列接続となるようで容易に行なえる．しかし，正位相の受波波に，スイッチ（SW）を用いて図4のように結線形と逆位相の受渡波形をそれぞれ検出し，後する方法が考えられる（10）．もし，SWを用いずに加算処理を行なった場合では，膨大な時間に並列接続と直列接続を同時に行なった場合，を費やすことになってしまう．そこで，リア直列接続側の受信ポートが常にアースとなりルタイムでパルスインバージョン法を行える

受渡信号を取り出すことができないという問

PulseInversion Averagingという方法を新たに題が生じる．この問題を解決する方法として，提案した（10）．
PulseInversionAveragingを行なうには，図5

図4のように並列接続側にスイッチ（SW）を設けている・SWをONとした場合，並列接続（】に示すように正位相と逆位相の信号が交互にMHzの送波）となる．一方，SWをOFFとしたなるような駆動信号が必要となる．このよう場合，直列接続（2MHzの受波）となる．このよな信号で圧電振動子を駆動し超音波を送渡す

うに，基本波を送渡するときらごはSWをONると，反射されて圧電振動子に戻ってくる反とし、2次高調波受波するときにはSWをOFF射波も互いに逆位相となる．そこで，正位相となるように制御することで，− それぞれの周の信号が発振されてから逆位相の信号が発振波数に対して感度の良い接続方法で超音波のされるまでの時間rでアベレージングするこ送受波が可能となる．とによって，リアルタイムで基本波が打ち消され2次高調波抽出が可能になると考えられ
4．PuIse［nvers70nAveragingる．

スイッチ制御された二層型圧東振動子で観測される受波波形は，2次高調波に対する感度5．2次高調波検出実験が高いものの，基本波が支配的であるため基

5．1．2次高調波検出システム

本波をさらに低減できることが望ましい．そ

2次高調波超音波を用いたボルト締結評価

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図6実験システム
図7実験結果システムを図6に示す．任意波形発振器を用いて図5に示される1MHzバースト正弦波20（a）締結前ボルトでの受渡波形と，（b）スペクトル・（C）40Nlmで締め付けたボルトでの受波波形と，（d）スペクトル波の信号を正位相および逆位相を交互に発振▲−′︳

InversionAveragingを行うことで基本波成分を打ち消し，リアルタイムの2次高調波検出が、−ローTl11rd臥、】l1020Axialfbrce［kN］

層型圧電振動子の電気的接続はスイッチによシロスコープで観測される．また，Pulse、、−1L−Sec上川d B〔11l型圧電振動子を直列接続として受渡する．二列接続時にはSW−OFFとする．受波波形はオ

ルー●、ー●−一F】門tt∋0】tれていると考えられる．反射波は同一の二層り自動制御され，並列接続時にはSW−ON，直＋20dB／ぺノ廿Jn塑性変形部において生じた2次高調波が含ま4反射されて戻ってくる超音波には，ボルトの・▲▲▲・′・こ●′

超音波はボルトに送渡される．ボルト端面で﹇00PT葛コ三d∈く

二層型圧電振動子を並列接続として駆動し，2っJし，高周波増幅器により100Vに増幅する．

30

図8軸力と2次高調波振幅との関係

7（a）、（b）に，40Nmで締結後の受渡波形とスペクトルを図7（C），（d）にそれぞれ示す．締め付け前と比べて締め付け後では，2次高調波が約10dB程度増加した．これが塑性変形により発生した2次高調波であると考えられる．

行う．

なお，使用するボルトは鉄製六角ボルトであり，ネジ径：12m111，長さ：100mm，締め付けトルク：40N−m（強度区分4．8の一般的なトルク）とした．トルクはデジタルトルクレン

チを用いて制御する．なお，図6中のナットおよびロードワッシヤは取り外して実験する．
5．2．ボルトの塑性変形により生じる2次高調波の検出はじめに，計測時にナットを外してボルトのみの状態とし，ボルト締結による塑性変形のみに起因する2次高調波成分を検出する．
ボルト締結前の受渡波形とスペクトルを図5．3．ナット伴った状態におけるボルト締結体からの2次高調波の検出

実用的には，ナットを取り外して計測することは困難であるため，ナットを伴った状態で評価する必要がある．実験システムは前述の図6と同様である．本実験では，ロードワッシヤを用いて軸力を測定する．

図8に軸力と2次高調波の関係について示す．軸力がおよそ20kNにおいて，2次高調波が20dB程度だけ急激に増加していることが確認できる．このボルトでは20kN付近の軸力のときに，塑性変形やねじ山間のCANとい3035︻∞P︼Op眉︻d 2 く ぎ 焉 − 0 出

Befbreboltfhstened

A代erboltfhstened（OkN）（約20kN）

図10ナット側面から送受渡した場合の2次高調波

図9ナット側面にトランスデューサを取り付けたシステム‑25

検出結果とボルト頭部から送受波した場合との比較った2次高調波が増加する現象が生じているものと考えられる．2次高調波をボルト締結状態評価の一手法として用いることの可能性を示すことができた．

を伴った状態では約20dB程度増加した．
また，ナット側面から超音波を送受波する方法でもボルト頭部からの結果と同様に2次高調波の増加が確認できた，以上のように，25．4．ナット側面からの送受波実験
ここまでの実験ではボルト頭部にトランス次高調波を用いることで，ボルト締結状態評価が行える可能性が確認できた．
今後は，従来の簡便なトルク管理法に，2デューサを配置し，超音波を送受波した．しかし，実用では，ボルト頭部からは送受波で次高調波を計測を加えた，より精度を高めらきない状況もある．このような場合でも評価れる新しいシステムの構築が必要と考えられできるようにする必要がある．そこで，図9る．に示されるような，ナットの側面から送受波する方法について検討した．

ナット側面から送受波して2次高調波検出実験を行った結果を図10に示す．締結前後で約10dB程度2次高調波が増加する結果が得

参考文献（1）酒井智次： 増補ねじ締結概論 ，養賢堂，
pp．108−113，（2003）．

（2）Ⅰ．YSolodov，N．Krohn，G．Busse：utraSOnics，
Vol．40，pp．62ト625，（2002）．

（3）川嶋紘一郎：非破壊検査，Vol．56，No．6，られた．また，ボルト頭部から送受渡する方

Pp．274−279，（2007）．

法でも同時に計測したところ，ナット側面の（4）M．Fukuda，M．NishihiraandK．Imano：々n．J
Appl．P砂s．，Ⅵ）l．46，No．7B，PP．4529−4531，（2007），（5）小原良和，山中一司：電子情報通信学会論文誌A，Vol．J91一九No．12，PP．1116−1124，（2008）．
（6）T．Ohtani，K．Kawashima，M．Drew and P．
Guagliard：bn．J4FPl．P砂s．，Vol．46，No．7B，場合と同様の結果が得られた．よって，ボルト締結状態によって検査法を選択できる可能性が示せた．

pp．4577−4582，（2007）．

6．おわりに非線形超音波を用いた新しいボルト締結状態評価法を提案した．二層型圧電振動子を用いた2次高調波検出システムにより，ボルトを締結したことにより発生する2次高調波の（7）今野，武藤：素材物性学雑誌1わ1．20，No．1，
pp．12−18，（2007）．

（8）M．FukudaandK．Imano：1EMEletrExp．，
Vol．6，No．20，PP．1438−1443，（2009）．
（9）山田博幸，尾上守夫：非破壊検査」Ⅵ）l．20，
No．11，pP．605−609，（1971）．
（10）M・Fukuda，M・NishihiraandK．lmano：々n．

検出を行った．その結果，締結前後で，塑性

J如l．PjりLg．，Ⅵ）1．45，No．5B，PP．4556−4559，

変形では2次高調波が約10dB程度，ナット（2006）．