特開 2024-63445 軸力測定システム、軸力測定方法、及び測定治具

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024063445

(43)【公開日】2024-05-13

(54)【発明の名称】軸力測定システム、軸力測定方法、及び測定治具

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/00 20060101AFI20240502BHJP

【ＦＩ】

G01L5/00 103C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022171402

(22)【出願日】2022-10-26

(71)【出願人】

【識別番号】394026714

【氏名又は名称】株式会社ジャスト

(71)【出願人】

【識別番号】592254526

【氏名又は名称】学校法人五島育英会

(74)【代理人】

【識別番号】100096091

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 誠一

(72)【発明者】

【氏名】夛田 健次

(72)【発明者】

【氏名】川越 洋樹

(72)【発明者】

【氏名】大村 哲矢

【テーマコード（参考）】

2F051

【Ｆターム（参考）】

2F051AA06

2F051AB04

(57)【要約】

【課題】既設ボルトの軸力を簡易かつ高精度に測定可能な軸力測定システム等を提供する。
【解決手段】軸力測定システム１は、ボルト頭部５１の側面に配置され、超音波として、ボルトの軸方向に振動する第１の横波、ボルトの径方向に振動する第２の横波、及び縦波を発信する発信部７と、ボルト頭部５１の上記側面と反対側の側面に配置され、第１の横波、第２の横波、及び縦波を受信する受信部９と、受信した第１の横波、前記第２の横波、及び前記縦波の音速に基づいて、ボルト５の軸力を算出する軸力算出部３２と、を備える。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ボルトの軸力を測定する軸力測定システムであって、
ボルト頭部の側面に配置され、超音波として、ボルトの軸方向に振動する第１の横波、ボルトの径方向に振動する第２の横波、及び縦波を発信する発信部と、
前記ボルト頭部の前記側面の反対側の側面に配置され、前記第１の横波、前記第２の横波、及び前記縦波を受信する受信部と、
受信した前記第１の横波、前記第２の横波、及び前記縦波の音速に基づいて、ボルトの軸力を算出する算出部と、
を備えることを特徴とする軸力測定システム。

【請求項2】

予め、ボルトの種類毎に、第１の横波、第２の横波、及び縦波の音速からボルトの軸力を算出するための固有パラメータを求めておき、
前記算出部は、前記受信部により受信した前記第１の横波、前記第２の横波、及び前記縦波の音速と、前記固有パラメータに基づいて、ボルトの軸力を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の軸力測定システム。

【請求項3】

前記発信部は、
ボルトの軸方向に振動する第１の横波を発信する第１の発信センサと、
ボルトの径方向に振動する第２の横波を発信する第２の発信センサと、
縦波を発信する第３の発信センサと、から構成され、
前記受信部は、
前記第１の横波を受信する第１の受信センサと、
前記第２の横波を受信する第２の受信センサと、
前記縦波を受信する第３の受信センサと、から構成される
ことを特徴とする請求項１に記載の軸力測定システム。

【請求項4】

前記ボルトは六角ボルトであり、
前記第１の発信センサと前記第１の受信センサは、互いに、前記ボルト頭部の第１の対辺に位置し、
前記第２の発信センサと前記第２の受信センサは、互いに、前記ボルト頭部の第２の対辺に位置し、
前記第３の発信センサと前記第３の受信センサは、互いに、前記ボルト頭部の第３の対辺に位置する
ことを特徴とする請求項３に記載の軸力測定システム。

【請求項5】

ボルトの軸力を測定する軸力測定方法であって、
ボルト頭部の側面において、超音波として、ボルトの軸方向に振動する第１の横波、ボルトの径方向に振動する第２の横波、及び縦波を発信するステップと、
前記ボルト頭部の前記側面の反対側の側面において、前記第１の横波、前記第２の横波、及び前記縦波を受信するステップと、
受信した前記第１の横波、前記第２の横波、及び前記縦波の音速に基づいて、ボルトの軸力を算出するステップと、
を含むことを特徴とする軸力測定方法。

【請求項6】

測定対象の対象ボルトを測定するための測定治具であって、
底部と側部を有し、
前記底部には、
前記底部の中央に前記対象ボルトの頭部を通すための開口部と、
前記開口部の周囲に、超音波を発信する発信センサを設置するための第１の溝部と、
前記開口部の周囲に、超音波を受信する受信センサを設置するための第２の溝部と、が形成され、
前記側部には、
前記第１の溝部の方向に第１のボルトをねじ込むための第１のボルト孔と、
前記第２の溝部の方向に第２のボルトをねじ込むための第２のボルト孔と、が形成され、
前記第１のボルトを前記第１のボルト孔にねじ込むことで、前記第１の溝部に設置される前記発信センサが前記第１のボルトの先端部によって押圧され、前記対象ボルトの頭部側面に前記発信センサを固定させることが可能であり、
前記第２のボルトを前記第２のボルト孔にねじ込むことで、前記第２の溝部に設置される前記受信センサが前記第２のボルトの先端部によって押圧され、前記対象ボルトの頭部側面に前記受信センサを固定させることが可能である
ことを特徴とする測定治具。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ボルトの軸力を測定する軸力測定システム、軸力測定方法、及び測定治具に関する。

【背景技術】

【0002】

鋼構造物には高力ボルトによる締結工法がある。ボルトの締結は構造物の安全上、重要の役割であり、適正な軸力（締付け力）がないとボルトの破断や緩みが生じ大きな事故につながることとなる。高力ボルトの締付け軸力を適正に管理することは安全性を確保するためにも重要である。

【0003】

ボルトの軸力を測定する方法としては、テストハンマ、トルクレンチ、ひずみゲージを用いた方法などが知られている（非特許文献１参照）。テストハンマを用いた方法（打音点検）は、簡便であるため多くの本数を点検できるが、点検者による個人差が大きく記録性もないため、定量的な評価が難しい。

【0004】

トルクレンチを用いた方法（例えば戻しトルク法）は、現場ではトルクレンチの用意で済むため簡便であるが、トルク係数のばらつきにより、検査の信頼性が低い。また、ひずみゲージを用いた方法は、測定精度が高く信頼性はあるが、既設ではボルトの取替えが前提となるため、既設ボルトへの適用が困難である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】西村昭、加藤修吾、神田正孝、山崎信之、米谷真二：既設高力ボルトの各種非破壊検査の特質、橋梁と基礎Vol.17、No.11、pp.26-33、1983.11

【非特許文献2】ダコタ・ジャパン：ボルトの伸びと軸力の関係、［online］、［令和4年10月19日検索］<URL:https://www.dakotajapan.com/maxseries/point/point2.html>

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

一方、超音波を利用した方法も知られている。例えば、弾性域内において、軸力とボルトの伸び量が正比例の関係になることから、超音波パルスエコーによりボルト軸部の伸び量を測定することで、ボルトの軸力を測定する方法が知られている（非特許文献１、２参照）。しかしながら、ボルト軸部の伸び量を高精度に測定するためには、ボルト両端部の精密な処理や、ボルトの原寸法が必要となるため、既設ボルトへの適用には課題があった。

【0007】

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、超音波を利用して既設ボルトの軸力を簡易かつ高精度に測定可能な軸力測定システム等を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前述した目的を達成するための第１の発明は、ボルトの軸力を測定する軸力測定システムであって、ボルト頭部の側面に配置され、超音波として、ボルトの軸方向に振動する第１の横波、ボルトの径方向に振動する第２の横波、及び縦波を発信する発信部と、前記ボルト頭部の前記側面の反対側の側面に配置され、前記第１の横波、前記第２の横波、及び前記縦波を受信する受信部と、受信した前記第１の横波、前記第２の横波、及び前記縦波の音速に基づいて、ボルトの軸力を算出する算出部と、を備えることを特徴とする軸力測定システムである。

【0009】

第１の発明によれば、ボルト頭部の側面間で、ボルトの軸方向に振動する第１の横波、ボルトの径方向に振動する第２の横波、及び縦波の超音波を測定し、測定した第１の横波、第２の横波、及び縦波に基づいてボルトの軸力を算出する。これにより、超音波を利用して既設ボルトの軸力を簡易かつ高精度に測定することができる。

【0010】

また第１の発明において、予め、ボルトの種類毎に、第１の横波、第２の横波、及び縦波の音速からボルトの軸力を算出するための固有パラメータを求めておき、前記算出部は、前記受信部により受信した前記第１の横波、前記第２の横波、及び前記縦波の音速と、前記固有パラメータに基づいて、ボルトの軸力を算出するようにしてもよい。

【0011】

また第１の発明において、前記発信部は、ボルトの軸方向に振動する第１の横波を発信する第１の発信センサと、ボルトの径方向に振動する第２の横波を発信する第２の発信センサと、縦波を発信する第３の発信センサと、から構成され、前記受信部は、前記第１の横波を受信する第１の受信センサと、前記第２の横波を受信する第２の受信センサと、前記縦波を受信する第３の受信センサと、から構成されるようにしてもよい。

【0012】

さらに、前記ボルトは六角ボルトであり、前記第１の発信センサと前記第１の受信センサは、互いに、前記ボルト頭部の第１の対辺に位置し、前記第２の発信センサと前記第２の受信センサは、互いに、前記ボルト頭部の第２の対辺に位置し、前記第３の発信センサと前記第３の受信センサは、互いに、前記ボルト頭部の第３の対辺に位置するようにしてもよい。

【0013】

第２の発明は、ボルトの軸力を測定する軸力測定方法であって、ボルト頭部の側面において、超音波として、ボルトの軸方向に振動する第１の横波、ボルトの径方向に振動する第２の横波、及び縦波を発信するステップと、前記ボルト頭部の前記側面の反対側の側面において、前記第１の横波、前記第２の横波、及び前記縦波を受信するステップと、受信した前記第１の横波、前記第２の横波、及び前記縦波の音速に基づいて、ボルトの軸力を算出するステップと、を含むことを特徴とする軸力測定方法である。

【0014】

第３の発明は、測定対象の対象ボルトを測定するための測定治具であって、底部と側部を有し、前記底部には、前記底部の中央に前記対象ボルトの頭部を通すための開口部と、前記開口部の周囲に、超音波を発信する発信センサを設置するための第１の溝部と、前記開口部の周囲に、超音波を受信する受信センサを設置するための第２の溝部と、が形成され、前記側部には、前記第１の溝部の方向に第１のボルトをねじ込むための第１のボルト孔と、前記第２の溝部の方向に第２のボルトをねじ込むための第２のボルト孔と、が形成され、前記第１のボルトを前記第１のボルト孔にねじ込むことで、前記第１の溝部に設置される前記発信センサが前記第１のボルトの先端部によって押圧され、前記対象ボルトの頭部側面に前記発信センサを固定させることが可能であり、前記第２のボルトを前記第２のボルト孔にねじ込むことで、前記第２の溝部に設置される前記受信センサが前記第２のボルトの先端部によって押圧され、前記対象ボルトの頭部側面に前記受信センサを固定させることが可能であることを特徴とする測定治具である。

【発明の効果】

【0015】

本発明により、超音波を利用して既設ボルトの軸力を簡易かつ高精度に測定可能な軸力測定システム等が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】ボルト５の軸方向の応力分布を示す図

【図2】ボルト頭部５１における応力と超音波の関係を示す図

【図3】軸力測定システム１の概要を示す図

【図4】測定状態を示す図

【図5】測定治具１０の外観構成の例を示す図

【図6】発信センサ及び受信センサをボルト頭部５１の側面に固定する様子を示す図

【図7】固定蓋１９を取り付けた測定治具１０の例を示す図

【図8】軸力測定システム１の機能構成の例を示す図

【図9】パラメータテーブル４０のデータ構成の例を示す図

【図10】測定端末３のハードウェア構成の例を示す図

【図11】ボルト５の軸力測定処理の流れを示すフローチャート

【図12】軸力測定の別例を示す図

【図13】測定治具１０ａの外観構成の例を示す図

【図14】軸力測定システム１ａの機能構成の例を示す図

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態（「本実施形態」と表記する。）について詳細に説明する。

【0018】

まず、ボルトの軸力を測定する方法の概要を説明する。本実施形態では、音弾性法に基づいてボルトの軸力を測定する。音弾性法とは、超音波の音速が応力に応じて変化する現象（音弾性効果）を利用し、超音波の伝播時間を測定し応力を求める方法である。

【0019】

図１は、ボルト５を所定の軸力で締め付けた際における、ボルトの軸方向の応力分布を示す図である。図１に示すように、ボルト５のボルト軸部５３において応力（引張応力）が発生する。また、ボルト軸部５３だけでなく、ボルト頭部５１においても応力が発生していることが分かる。すなわち、ボルト頭部５１を対象として音弾性法に基づく応力測定が可能と考えられる。

【0020】

本実施形態では、ボルト軸部５３ではなく、ボルト頭部５１において超音波を測定することで、ボルト５の軸力を求める方法を提案する。測定対象のボルトは、典型的には鋼構造物に使用される高力ボルトを想定するが、これに限定されない。

【0021】

図２は、ボルト頭部５１における超音波と応力の関係を表す概念図である。図２に記載の各パラメータは以下のとおりである。

【0022】

第１主応力σ_１は、ボルト頭部５１の軸方向（上下方向）の応力であり、σ_１或いはα・σ_１が測定（算出）したいボルト５の軸力に相当する。αは、ボルト５の形状に応じて定まる定数である。ここでは簡単のため、σ_１を測定（算出）したいボルト５の軸力として説明する。なお、ボルト５の形状や応力はボルト軸に対して軸対象となるため、第２主応力σ_２は軸方向と直交する平面（径平面）上で常に一定となる。

【0023】

また図２では、ボルト頭部５１のある１つの側面から、第１の横波、第２の横波、及び縦波の各超音波を発信する例を示しているが、各超音波の音速はどの側面から発信しても同じである。したがって、第１の横波、第２の横波、及び縦波の各超音波を、それぞれ、ボルト頭部５１の異なる側面から発信してもよい（図４参照）。

【0024】

音弾性理論によれば、第１主応力σ_１と第２主応力σ_２の差（主応力差）と横波の音速の間に以下の式（１）の関係が成り立つ（Ｂ：音響複屈折）。

【0025】

【数1】

【0026】

また、第１主応力σ_１と第２主応力σ_２の和（主応力和）と縦波の音速と横波の平均音速の比（音速比Ｒ）との間に以下の式（２）が成り立つ。

【0027】

【数2】

【0028】

上記の式（１）（２）により第１主応力σ_１と第２主応力σ_２を求めることができる。すなわち、ボルト５の軸力（σ_１）を得ることができる。具体的には、ボルト５の軸力σ_１は以下の式（３）のように計算される。

【0029】

【数3】

【0030】

式（３）の固有パラメータａ、ｂ、ｃは、ボルト種類（材料）に依存するパラメータ（定数）である。固有パラメータａ、ｂ、ｃは、ボルト５の締付け軸力を変えながら、ボルト５の軸力σ_１と、音速比η_Ｈ及び音速比η_Ｌの関係を複数回テストすることで、あらかじめ求めておく。式（３）は、未知数（固有パラメータａ、ｂ、ｃ）が３つの方程式となるので、少なくとも３回テストを行えば固有パラメータａ、ｂ、ｃが決定される。

【0031】

固有パラメータａ、ｂ、ｃが定まれば、測定現場において、測定対象のボルト５について第１の横波の音速Ｖ_Ｓ１、第２の横波の音速Ｖ_Ｓ２、及び縦波の音速Ｖ_Ｌを測定し、測定した各音速から音速比η_Ｈ及び音速比η_Ｌを求めて式（３）に代入することで、ボルト５の軸力σ_１を算出できる。
以上、本実施形態のボルト軸力測定の概要を説明した。

【0032】

次に、本実施形態の軸力測定システム１について説明する。
図３は、軸力測定システム１の概要を示す図である。軸力測定システム１は、ボルト５（六角ボルト）の軸力を測定するシステムである。図３に示すように、ボルト頭部５１の側面に超音波の発信部７と受信部９を設置することで、ボルト頭部５１内を伝搬する超音波の音速を測定する。測定端末３は、発信部７及び受信部９を制御したり、測定した超音波の音速に基づいてボルト５の軸力を算出する端末である。

【0033】

図４は、ボルト頭部５１の測定状態の様子を拡大した図である。図４（ａ）はボルト頭部５１の真上からみた上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ-Ａ′断面図を示す。

【0034】

図４（ａ）に示すように、発信部７は、第１の発信センサ７１、第２の発信センサ７２、第３の発信センサ７３から構成される。

【0035】

第１の発信センサ７１は、ボルト５の軸方向（上下方向）に振動する横波の超音波（第１の横波）を発信する探触子であり、ボルト頭部５１の１つの側面に配置される。

【0036】

第２の発信センサ７２は、ボルト５の径方向（軸方向と直交する方向）に振動する横波の超音波（第２の横波）を発信する探触子であり、第１の発信センサ７１が配置されたボルト頭部５１の側面とは異なる側面に配置される。

【0037】

第３の発信センサ７３は、縦波の超音波を発信する探触子であり、第１の発信センサ７１及び第２の発信センサ７２が配置されたボルト頭部５１の側面とは異なる側面に配置される。

【0038】

また受信部９は、第１の受信センサ９１、第２の受信センサ９２、第３の受信センサ９３から構成される。

【0039】

第１の受信センサ９１は、第１の発信センサ７１により発信した第１の横波を受信する探触子であり、第１の発信センサ７１が配置されたボルト頭部５１の側面と反対側の側面に配置される。すなわち、第１の発信センサ７１と第１の受信センサ９１は、互いに、ボルト頭部５１の対辺（第１の対辺）に位置するように配置される。

【0040】

第２の受信センサ９２は、第２の発信センサ７２により発信した第２の横波を受信する探触子であり、第２の発信センサ７２が配置されたボルト頭部５１の側面と反対側の側面に配置される。すなわち、第２の発信センサ７２と第２の受信センサ９２は、互いに、第１の対辺とは異なる対辺（第２の対辺）に位置するように配置される。

【0041】

第３の受信センサ９３は、第３の発信センサ７３により発信した縦波の超音波を受信する探触子であり、第３の発信センサ７３が配置されたボルト頭部５１の側面と反対側の側面に配置される。すなわち、第３の発信センサ７３と第３の受信センサ９３は、互いに、第１及び第２の対辺とは異なる対辺（第３の対辺）に位置するように配置される。

【0042】

図４（ｂ）（図４（ａ）のＡ-Ａ′断面図）に示すように、本実施形態では、ボルト５が既設された状態で軸力測定が行われる。図４（ｂ）は、ボルト５とナット６により被締結部材８１と被締結部材８２を締結した状態で測定を行う例を示している。なお、ボルト５による締結方法は図４（ｂ）の例に限定されるものではない。例えば、図示は省略するが、ボルト５が高力ボルトの場合、一般的に、ボルト頭部５１と被締結部材８１との間やナット６と被締結部材８２の間に座金が設けられる。

【0043】

図５は、ボルト頭部５１に各発信センサ７１～７３及び各受信センサ９１～９３を固定する測定治具１０の外観構成の例を示す図である。図５（ａ）は測定治具１０の上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ-Ａ′断面図を表す。

【0044】

図５（ａ）（ｂ）に示すように、測定治具１０は、主に、円盤状の底部１１と、底部１１の周囲に立設した円筒状の側部１６から構成される。底部１１の中央には、ボルト頭部５１を通すための円形の開口部１３が形成される。また開口部１３の周囲には、各発信センサ７１～７３及び各受信センサ９１～９３を配置するための略矩形状の溝部１５が、それぞれ、開口部１３の周方向に等間隔に設けられる。

【0045】

側部１６には、各溝部１５の方向にボルト孔１７が形成される。各ボルト孔１７は、側部１６の周方向に等間隔に設けられる。開口部１３の周囲に設けられる各溝部１５の周方向の角度と、側部１６の周囲に設けられる各ボルト孔１７の周方向の角度は略一致する。

【0046】

図６は、各発信センサ７１～７３及び各受信センサ９１～９３をボルト頭部５１の側面に固定する様子を示す。図６（上図）に示すように、まず、開口部１３にボルト頭部５１を通し、各発信センサ７１～７３及び各受信センサ９１～９３を各溝部１５に配置する。

【0047】

そして、センサ固定用ボルト１８を各ボルト孔１７に挿入してねじ込むことで、センサ固定用ボルト１８の先端部が、各発信センサ７１～７３及び各受信センサ９１～９３の後部を押圧する。センサ固定用ボルト１８の押圧力及び溝部１５によって、各発信センサ７１～７３及び各受信センサ９１～９３がボルト頭部５１の各側面に固定される（図６（下図））。

【0048】

また、図７に示すように、測定治具１０に固定蓋１９を取り付けてもよい。図７（ａ）は固定蓋１９を取り付けた測定治具１０の上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ-Ａ′断面図を示す。固定蓋１９は、円筒状の側部１６の内側に嵌る円状の平板部材であり、各発信センサ７１～７３及び各受信センサ９１～９３を上部から固定する。

【0049】

各発信センサ７１～７３及び各受信センサ９１～９３を上部から固定するためには、固定蓋１９の下面が、各発信センサ７１～７３及び各受信センサ９１～９３の上面の少なくとも一部と接触すればよい。また図７（ａ）に示すように、固定蓋１９には、各発信センサ７１～７３及び各受信センサ９１～９３のケーブル等を通すための孔２１や切り込み２３を設けてもよい。

【0050】

測定治具１０を構成する各部材（底部１１、側部１６、センサ固定用ボルト１８、固定蓋１９等）の材質は特に限定されないが、例えばアクリル製の部材からなる。

【0051】

図８は、軸力測定システム１の機能構成の例を示す図である。
測定端末３のセンサ制御部３１は、発信部７及び受信部９を制御する機能部である。センサ制御部３１は、発信部７（第１の発信センサ７１、第２の発信センサ７２、第３の発信センサ７３）に超音波の発信命令を送信する。

【0052】

発信部７（第１の発信センサ７１、第２の発信センサ７２、第３の発信センサ７３）は、測定端末３から発信命令を受信すると、超音波を発信する。具体的には、第１の発信センサ７１は、ボルト５の軸方向に振動する横波の超音波（第１の横波）を発信し、第２の発信センサ７２は、ボルト５の径方向に振動する横波の超音波（第２の横波）を発信し、第３の発信センサ７３は、縦波の超音波を発信する。

【0053】

受信部９（第１の受信センサ９１、第２の受信センサ９２、第３の受信センサ９３）は、発信部７によって発信した超音波を受信する。具体的には、第１の受信センサ９１は、第１の発信センサ７１により発信した第１の横波を受信し、第２の受信センサ９２は、第２の発信センサ７２により発信した第２の横波を受信し、第３の受信センサ９３は、第３の発信センサ７３により発信した縦波の超音波を受信する。

【0054】

測定端末３の軸力算出部３２は、受信部９（第１の受信センサ９１、第２の受信センサ９２、第３の受信センサ９３）により受信した第１の横波、第２の横波、及び縦波の超音波の音速と、パラメータテーブル４０（図９参照）に基づいて、ボルト５の軸力を算出する機能部である。ボルト５の軸力算出処理については後述する（図１１）。

【0055】

図１０は、測定端末３（コンピュータ）のハードウェア構成の例を示す図である。図１０に示すように、測定端末３は、制御部３０１、記憶部３０２、通信部３０３、入力部３０４、表示部３０５、周辺機器Ｉ／Ｆ部３０６等がバス３０９を介して接続されて構成される。但し、これに限ることなく、適宜様々な構成をとることができる。

【0056】

制御部３０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等により構成される。制御部３０１は、記憶部３０２、ＲＯＭ、記録媒体（メディア）等に格納されるプログラムをＲＡＭ上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、バス３０９を介して接続された各部を駆動制御する。

【0057】

ＲＯＭは、測定端末３のブートプログラムやＢＩＯＳ等のプログラム、データ等を恒久的に保持する。ＲＡＭは、ロードしたプログラムやデータを一時的に保持するとともに、制御部３０１が後述する各種処理を行うために使用するワークエリアを備える。

【0058】

また、制御部３０１は、記憶部３０２に記憶されている処理プログラムに従って、図１１に示す測定処理等を実行する。各処理を実行するプログラムは、予め測定端末３の記憶部３０２やＲＯＭ等に記憶されていてもよいし、ネットワーク等を介してダウンロードされ、記憶部３０２等に記憶されたものでもよい。

【0059】

記憶部３０２は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）等であり、制御部３０１が実行するプログラムや、プログラム実行に必要なデータ、ＯＳ（オペレーティング・システム）等が格納されている。これらのプログラムコードは、制御部３０１により必要に応じて読み出されてＲＡＭに移され、ＣＰＵに読み出されて実行される。本実施形態では、記憶部３０２には、式（３）の固有パラメータ４２を保持するパラメータテーブル４０（図９参照）が格納されている。

【0060】

通信部３０３は、通信制御装置、通信ポート等を有し、ネットワークを介して通信接続された外部装置との通信を媒介するインタフェースであり、通信制御を行う。

【0061】

入力部３０４は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、タブレット等のポインティング・デバイス、テンキー等の入力装置であり、入力されたデータを制御部３０１へ出力する。

【0062】

表示部３０５は、例えば液晶パネル、ＣＲＴモニタ等のディスプレイ装置と、ディスプレイ装置と連携して表示処理を実行するための論理回路（ビデオアダプタ等）で構成され、制御部３０１の制御により入力された表示情報をディスプレイ装置上に表示させる。なお、入力部３０４と表示部３０５とが一体的に構成されたタッチパネル式の入出力部としてもよい。

【0063】

周辺機器Ｉ／Ｆ部３０６は、測定端末３に周辺機器を接続させるためのポートであり、測定端末３は周辺機器Ｉ／Ｆ部３７を介して発信部７及び受信部９を含む周辺機器とのデータの送受信を行う。周辺機器Ｉ／Ｆ部３０６は、ＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４等で構成されている。周辺機器との接続形態は有線、無線を問わない。バス３０９は、各装置間の制御信号、データ信号等の授受を媒介する経路である。

【0064】

図１１のフローチャートを参照して、ボルト５の軸力測定処理の流れを説明する。測定現場において、軸力測定システム１が設置され、測定準備が整っているものとする。

【0065】

まず、測定端末３の制御部３０１（センサ制御部３１）は、周辺機器Ｉ／Ｆ部３０６を介して、発信部７（第１の発信センサ７１、第２の発信センサ７２、第３の発信センサ７３）に超音波の発信命令を送り、第１の横波、第２の横波、及び縦波を発信する（ステップＳ１）。なお、制御部３０１（センサ制御部３１）が各発信センサ７１～７３に対して超音波の発信命令を送信する順序やタイミングは任意である。

【0066】

そして、第１の受信センサ９１が、第１の発信センサ７１により発信した第１の横波を受信し、第２の受信センサ９２が、第２の発信センサ７２により発信した第１の横波を受信し、第３の受信センサ９３が、第３の発信センサ７３により発信した縦波を受信する（ステップＳ２）。受信した第１の横波、第２の横波、及び縦波のデータは測定端末３に伝送され、周辺機器Ｉ／Ｆ部３０６を介して測定端末３の記憶部３０２に記憶される。

【0067】

そして、測定端末３の制御部３０１（軸力算出部３２）は、ステップＳ２において受信した第１の横波、第２の横波、及び縦波の音速に基づいて、ボルト５の軸力を算出する（ステップＳ３）。

【0068】

具体的には、測定端末３の制御部３０１（軸力算出部３２）は、第１の受信センサ９１により受信した第１の横波の音速Ｖ_ｓ１と、第２の受信センサ９２により受信した第２の横波の音速Ｖ_ｓ２に基づいて、式（３）の音速比η_Ｈを算出する。

【0069】

また、測定端末３の制御部３０１（軸力算出部３２）は、第３の受信センサ９３により受信した縦波の音速Ｖ_Ｌと、第２の受信センサ９２により受信した第２の横波の音速Ｖ_ｓ２に基づいて、式（３）の音速比η_Ｌを算出する。

【0070】

また、測定端末３の制御部３０１（軸力算出部３２）は、パラメータテーブル４０（図９参照）から式（３）の固有パラメータ４２（ａ、ｂ、ｃ）を取得する。

【0071】

図９は、固有パラメータ４２を保持するパラメータテーブル４０のデータ例を示す図である。図９に示すように、パラメータテーブル４０には、ボルトの種類４１毎に、固有パラメータ４２（ａ、ｂ、ｃ）が格納されている。前述したように、固有パラメータ４２（ａ、ｂ、ｃ）は、ボルト５の締付け軸力を変えながら、ボルト５の軸力σ_１と、音速比η_Ｈ及び音速比η_Ｌの関係を複数回テストすることで、あらかじめ求めておく。

【0072】

測定端末３の制御部３０１（軸力算出部３２）は、算出した音速比η_Ｈ及び音速比η_Ｌと、パラメータテーブル４０から取得したボルト５のボルト種類４１に応じた固有パラメータ４２（ａ、ｂ、ｃ）を式（３）に代入することで、ボルト５の軸力σ_１を算出する。算出した結果（測定結果）は、測定端末３の表示部３０５に表示される。

【0073】

以上、本実施形態の軸力測定システム１について説明した。本実施形態によれば、ボルト頭部５１の側面間において、ボルトの軸方向に振動する第１の横波、ボルトの径方向に振動する第２の横波、及び縦波の超音波を測定し、測定した第１の横波、第２の横波、及び縦波に基づいてボルト５の軸力を算出する。本実施形態の軸力測定法では、ボルト両端部（ボルト頭部上面とボルト先端部）の精密な処理や、ボルトの原寸法を必要としないため、既設ボルトの軸力を簡易かつ高精度に測定することができる。また、第１の横波、第２の横波、及び縦波の３種の超音波を軸力測定に利用することで、ボルト軸力をより高精度に測定することが可能となる。

【0074】

図１２は、本実施形態の軸力測定の別例を示す図である。図１２の例では、発信部７ａが、１つの発信センサ７１ａから構成される。発信センサ７１ａは、例えば、第１の横波、第２の横波、及び縦波の超音波を１つのセンサで発信可能な３軸の超音波発信プローブである。

【0075】

また、受信部９ａも、１つの受信センサ９１ａから構成される。受信センサ９１ａは、発信センサ７１ａにより発信した第１の横波、第２の横波、及び縦波の超音波を１つのセンサで受信可能な３軸の超音波受信プローブである。発信センサ７１ａ及び受信センサ９１ａは、互いに、ボルト頭部５１の対辺に位置するように配置される。

【0076】

図１３は、ボルト頭部５１に発信センサ７１ａと受信センサ９１ａを固定する測定治具１０ａの外観構成の例を示す図である。図１３（ａ）は測定治具１０ａの上面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ-Ａ′断面図を表す。

【0077】

図１３（ａ）（ｂ）に示すように、測定治具１０ａは、測定治具１０（図５）と同様に、円盤状の底部１１と、底部１１の周囲に立設した円筒状の側部１６から構成される。底部１１の中央には、ボルト頭部５１を通すための円形の開口部１３が形成される。開口部１３の周囲には、発信センサ７１ａ及び受信センサ９１ａを配置するための略矩形状の溝部１５が、それぞれ、開口部１３の周方向に等間隔に２つ設けられる。また側部１６には、溝部１５と同方向にボルト孔１７が２つ形成される。

【0078】

測定治具１０の場合（図６）と同様に、センサ固定用ボルト１８を測定治具１０ａの各ボルト孔１７に挿入してねじ込むことで、センサ固定用ボルト１８の先端部が、発信センサ７１ａ及び受信センサ９１ａの後部を押圧する。これにより、図１２のように、発信センサ７１ａ及び受信センサ９１ａがボルト頭部５１の２側面に固定される。

【0079】

また、図示は省略するが、測定治具１０の場合（図７）と同様に、固定蓋を取り付けてもよい。固定蓋は、固定蓋の下面が、発信センサ７１ａ及び受信センサ９１ａの上面の少なくとも一部と接触すればよく、また、発信センサ７１ａ及び受信センサ９１ａのケーブル等を通すための孔や切り込みが設けられてもよい。

【0080】

図１４は、軸力測定システム１ａの機能構成の例を示す図である。
測定端末３ａのセンサ制御部３１ａは、発信部７ａ及び受信部９ａを制御する機能部である。センサ制御部３１は、発信部７ａ（第１の発信センサ７１ａ）に第１の横波、第２の横波、及び縦波の超音波の発信命令を送信する。第１の横波、第２の横波、及び縦波の各超音波の発信命令を送信するタイミングや順序は任意である。

【0081】

発信部７ａ（第１の発信センサ７１ａ）は、測定端末３から発信命令を受信すると、第１の横波、第２の横波、及び縦波の超音波を発信する。
受信部９ａ（第１の受信センサ９１ａ）は、発信部７（第１の発信センサ７１ａ）により発信した第１の横波、第２の横波、及び縦波の超音波を受信する。

【0082】

測定端末３ａの軸力算出部３２ａは、受信部９ａ（受信センサ９１ａ）により受信した第１の横波、第２の横波、及び縦波の超音波の音速と、パラメータテーブル４０（図９参照）に基づいて、ボルト５の軸力を算出する。ボルト５の軸力を算出する処理は、図１１と略同様である。

【0083】

以上のように、第１の横波、第２の横波、及び縦波の超音波を発信することが可能な１つの発信センサ７１ａ、及びそれら超音波を受信する１つの受信センサ９１ａによって軸力測定システムを構築することも可能である。

【0084】

以上、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0085】

１、１ａ………軸力測定システム
３、３ａ………測定端末
５………………ボルト
５１……………ボルト頭部
５３……………ボルト軸部
６………………ナット
７、７ａ………発信部
７１……………第１の発信センサ
７２……………第２の発信センサ
７３……………第３の発信センサ
７１ａ…………発信センサ
８１……………被締結部材
８２……………被締結部材
９、９ａ………受信部
９１……………第１の受信センサ
９２……………第２の受信センサ
９３……………第３の受信センサ
９１ａ…………受信センサ
１０、１０ａ…測定治具
１１……………底部
１３……………開口部
１５……………溝部
１６……………側部
１７……………ボルト孔
１８……………センサ固定用ボルト
１９……………固定蓋
２１……………孔
２３……………切り欠き
４０……………パラメータテーブル
４２……………固有パラメータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】