Measuring principle 超音波ボルト軸力計の測定原理・特徴

ねじ・ボルトは、部材を固定するために使用されています。諸説ありますが古代ギリシアで発明され、産業革命を経て大量に生産されるようになりました。日本には、1543年に種子島に伝来した火縄銃の銃身を塞ぐ部品にねじが使用されており、火縄銃とともに伝わったとされています。

部材の固定には、ねじ・ボルト以外にも、溶接により部材を接合する方法があります。溶接は半永久的な部材の固定を目的に行われますが、ねじ・ボルトによる固定は、必要な時にボルトを緩めることで固定した部材を分解できる点に違いがあります。ボルトによる固定はいつでも取り外しができる反面、適切な力で固定しないとボルトが緩んでしまう恐れがあります。ここでは、ボルト・ねじが部材を固定する力である『軸力』について説明します。

この様に、ボルトの伸びと軸力は、弾性域において正比例の関係にあります。超音波ボルト軸力計は、この関係を利用して、伸びから軸力を算出します。

＜フックの法則について＞

イギリスの科学者であるロバート・フック（Robert Hooke、1635-1703）は、弾性体において伸びと応力は正比例の関係にあるという法則を1660年に発見しました。この法則は、発見者にちなみフックの法則と呼ばれています。ボルトの伸びと軸力には、フックの法則が成り立ちます。

F＝kx　F：荷重、k：ばね乗数、x：伸び

ボルトの端面に刻印等の凹凸がある場合、トランスデューサー（プローブ・探触子）が端面に密着しないため、測定することができません。もし測定できたとしても、端面が平坦でないため、ボルトの正確な長さを測ることができず、再現性の高い計測ができません。
高い精度で測定を行うためには、ボルトの両端面を平滑に機械加工する必要があります。

ボルトは、部材を固定するために使用されます。ボルトが部材を固定する力が軸力で、ボルト締める目的は、適切な軸力で部材を固定することです。
ただし、ボルトの軸力を直接測定するためには、超音波ボルト軸力計のような装置が必要です。このため、作業性がよく手軽に導入することができる締め付けトルクによる締結管理が、広く普及しています。ここでは、締め付けトルクと軸力の関係について説明します。

締め付けトルクとは、ボルトを回転方向にまわす力のことです。締め付けトルクによるボルトの締結管理は、作業性が良く手軽に導入できるため、広く普及しています。

大きな締め付けトルクでボルトを締めると、ボルトの軸力も強くなり、より強固に部材を固定することができます。
一方で締め付けトルクが大きすぎると軸力が強すぎ、部材に損傷を与えたり、ねじが破損する危険性があります。逆に、締め付けトルクが小さ過ぎるとボルトが緩む危険性があります。
このように締め付けトルクと軸力には相関関係があり、適正な軸力で部材を固定するために、妥当な締め付けトルクでボルトを締める必要があります。

トルクと軸力には相関関係があります。しかし、締め付けトルクの精度をどれだけ高めても、軸力のばらつきはなくなりません。その理由は、摩擦係数です。
締め付けトルクのうち、9割程度は摩擦により吸収され、実際の軸力となるのは、残りの1割程度です。しかも、この摩擦係数は一定ではありません。ボルトおよび非締結部材の固体差（座面・ねじ部の表面粗さ）や締め付け速度により摩擦係数は変化します。

締め付けトルクの誤差を小さくすることは比較的簡単です。ただし、トルクの誤差をどれだけ小さくしても、得られる軸力は摩擦係数次第で、軸力のばらつきを無くすことはできません。締め付けトルクの誤差が±1%の高精度のトルクレンチでボルトを締めると、軸力のばらつきも同様に±1%になる訳ではなく、摩擦係数の変動により、軸力には大きなばらつきが発生してしまいます。
トルクでの締め付けは、摩擦係数の変動により、一般的に2～3割程度の軸力のばらつきが発生すると言われています。

超音波を利用してボルトの伸びから軸力を求める軸力測定方法が、最も精度が高く、信頼性が高い方法です。

締め付け管理方法には、トルク法や、角度法、トルク勾配法など、様々な種類がありますが、目的はすべて適切な軸力で部材を固定するという一点にあります。超音波ボルト軸力計は、軸力を非常に高い精度で直接測定することができる装置です。 超音波ボルト軸力計を使用することにより、例えば、降伏点の90～95％という弾性域内限界で締め付けも可能になります。

六角ボルトは「JIS B 1180：六角ボルト」から、六角穴付きボルトは「JIS B 1176：六角穴付きボルト」から抜粋したボルトの寸法です。
トランスデューサー（プローブ・探触子）選定の際にご利用ください。