特許 7244179 軸力部材の緩み検知システム及び軸力部材の緩み検知方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-13

(45)【発行日】2023-03-22

(54)【発明の名称】軸力部材の緩み検知システム及び軸力部材の緩み検知方法

(51)【国際特許分類】

   G01M 13/00 20190101AFI20230314BHJP

   G01H 9/00 20060101ALI20230314BHJP

   G01H 17/00 20060101ALI20230314BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20230314BHJP

【ＦＩ】

G01M13/00

G01H9/00 C

G01H17/00 Z

G01L5/00 103C

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019044199

(22)【出願日】2019-03-11

(65)【公開番号】P2020148504

(43)【公開日】2020-09-17

【審査請求日】2022-03-02

(73)【特許権者】

【識別番号】519086405

【氏名又は名称】小西 拓洋

(73)【特許権者】

【識別番号】303056368

【氏名又は名称】東急建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】240000327

【弁護士】

【氏名又は名称】弁護士法人クレオ国際法律特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小西 拓洋

(72)【発明者】

【氏名】島田 裕貴

(72)【発明者】

【氏名】西村 伸

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 誠

(72)【発明者】

【氏名】前田 欣昌

(72)【発明者】

【氏名】白仁田 和久

【審査官】奥野 尭也

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－３４０７１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００４／０１１８９３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－２２６７１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１５９５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１９７２７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２６９２６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国登録特許第１０－３４５１６５６（ＫＲ，Ｂ１）

【文献】特開平１１－１４８８７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００２／０９５３４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特公昭４９－０３９０３５（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開昭６２－０７０７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１３１１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０６９３１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｍ １３／００－１３／０４５

Ｇ０１Ｈ １／００－１７／００

Ｇ０１Ｎ ２９／００－２９／５２

Ｇ０１Ｌ ５／００－ ５／２８

Ｆ１６Ｂ ３１／００－３１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外力が加えられた軸力部材から発生する振動によって軸力を判定する軸力部材の緩み検知システムであって、
軸力が既知の軸力部材から発生する振動によって得られた複数の固有振動数に基づいて軸力推定式を作成する推定式作成部と、
検査対象軸力部材に外力を加えるための加振装置と、
前記加振装置によって加えられた外力によって発生した前記検査対象軸力部材の軸力部材振動を測定する振動検知装置と、
前記振動検知装置によって検知された前記軸力部材振動を周波数分析することで取得されたピーク振動数及び振幅の中から、複数の値を前記軸力推定式に入力することで前記検査対象軸力部材の軸力を推定する軸力推定部と、
前記軸力推定部の推定結果に基づいて前記検査対象軸力部材の緩みを判定する緩み判定部とを備えたことを特徴とする軸力部材の緩み検知システム。

【請求項2】

前記軸力部材は、ボルトであることを特徴とする請求項１に記載の軸力部材の緩み検知システム。

【請求項3】

前記軸力推定式の作成には、５００Ｈｚから６ｋＨｚの範囲に発生する２個から４個のピーク振動数が固有振動数として使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の軸力部材の緩み検知システム。

【請求項4】

前記加振装置は、前記検査対象軸力部材の頭部を打撃する打鍵装置、又はＹＡＧレーザを照射する加振用レーザ装置であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の軸力部材の緩み検知システム。

【請求項5】

前記振動検知装置は、外力が加えられたことにより前記検査対象軸力部材から発生する音を測定する集音装置、又は振動を測定するレーザ振動計であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の軸力部材の緩み検知システム。

【請求項6】

外力が加えられた軸力部材から発生する振動によって軸力を判定する軸力部材の緩み検知方法であって、
軸力が既知の軸力部材を使用して、発生する振動から取得された複数の固有振動数に基づいて軸力推定式を作成するステップと、
検査対象軸力部材に対して外力を与えるステップと、
前記外力によって発生した前記検査対象軸力部材の軸力部材振動を測定するステップと、
測定された前記軸力部材振動を周波数分析することで取得されたピーク振動数及び振幅の中から、複数の値を前記軸力推定式に入力することで前記検査対象軸力部材の軸力を推定するステップと、
前記軸力の推定結果に基づいて前記検査対象軸力部材の緩みを判定するステップとを備えたことを特徴とする軸力部材の緩み検知方法。

【請求項7】

前記軸力部材は、ボルトであることを特徴とする請求項６に記載の軸力部材の緩み検知方法。

【請求項8】

前記軸力推定式の作成には、５００Ｈｚから６ｋＨｚの範囲に発生する２個から４個のピーク振動数及び振幅を使用することを特徴とする請求項６又は７に記載の軸力部材の緩み検知方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、外力が加えられた軸力部材から発生する振動によって軸力を判定する軸力部材の緩み検知システム、及び軸力部材の緩み検知方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に開示されているように、ボルトをハンマで打撃した際に発生する打音からボルトの緩みを判定する装置が知られている。この特許文献１のボルトの緩み判定装置では、マイクロホンで打音を検出し、アナログ帯域フィルタにより各周波数帯の時系列信号に分離し、その時系列信号を整流してピークホールドすることによって、各周波数帯における瞬間的な最大値を抽出する。

【0003】

一方、ハンマで打撃した際の加振力は、加振力センサで検出して、比率演算器により外力基準値との比率を求める。そして、打音から抽出された最大値を比率演算器にて算出した比率を基に補正し、比較器において予め設定された振動基準値と比較して、所定の関係から外れたときの比較結果信号を出力する。

【0004】

さらに警報器によって、比較結果信号の数が例えば３個以上の場合に、異常としての警報を行う。要するにこの装置では、入力信号の大きさと、各周波数帯の最大値とを比較することで緩みを検知して、緩みが検知された場合に警報を行う。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０００－１３１１９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記した特許文献１のボルトの緩み判定装置は、ボルトが緩んだことを警報器によって報知させる装置であるため、初期や中期の緩みは検出されず、警報しなければならない状態まで緩みが進行しないと、検査員は気付くことができない。

【0007】

また、検査員がハンマで打撃を行い、緩みを判断する方法では、検査対象が、検査員の接近できるボルトに限られる。さらに、打撃時の加振力や打音などを複数のセンサでそれぞれ検知させて、それらの入力信号を用いて判定を行う場合には、計測機器が増え、信号処理が複雑となる。

【0008】

そこで、本発明は、振動検知装置の測定結果に基づいて軸力部材の緩みを段階的に判定することが可能な軸力部材の緩み検知システム及び軸力部材の緩み検知方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記目的を達成するために、本発明の軸力部材の緩み検知システムは、外力が加えられた軸力部材から発生する振動によって軸力を判定する軸力部材の緩み検知システムであって、軸力が既知の軸力部材から発生する振動によって得られた複数の固有振動数に基づいて軸力推定式を作成する推定式作成部と、検査対象軸力部材に外力を加えるための加振装置と、前記加振装置によって加えられた外力によって発生した前記検査対象軸力部材の軸力部材振動を測定する振動検知装置と、前記振動検知装置によって検知された前記軸力部材振動を周波数分析することで取得されたピーク振動数及び振幅の中から、複数の値を前記軸力推定式に入力することで前記検査対象軸力部材の軸力を推定する軸力推定部と、前記軸力推定部の推定結果に基づいて前記検査対象軸力部材の緩みを判定する緩み判定部とを備えたことを特徴とする。

【0010】

ここで、前記軸力部材としては、ボルトが適用できる。また、前記軸力推定式の作成には、５００Ｈｚから６ｋＨｚの範囲に発生する２個から４個のピーク振動数が固有振動数として使用されることが好ましい。また、前記加振装置は、前記検査対象軸力部材の頭部を打撃する打鍵装置、又はＹＡＧレーザを照射する加振用レーザ装置である構成とすることができる。

【0011】

さらに、前記振動検知装置は、外力が加えられたことにより前記検査対象軸力部材から発生する音を測定する集音装置、又は振動を測定するレーザ振動計である構成とすることができる。

【0012】

また、軸力部材の緩み検知方法の発明は、外力が加えられた軸力部材から発生する振動によって軸力を判定する軸力部材の緩み検知方法であって、軸力が既知の軸力部材を使用して、発生する振動から取得された複数の固有振動数に基づいて軸力推定式を作成するステップと、検査対象軸力部材に対して外力を与えるステップと、前記外力によって発生した前記検査対象軸力部材の軸力部材振動を測定するステップと、測定された前記軸力部材振動を周波数分析することで取得されたピーク振動数及び振幅の中から、複数の値を前記軸力推定式に入力することで前記検査対象軸力部材の軸力を推定するステップと、前記軸力の推定結果に基づいて前記検査対象軸力部材の緩みを判定するステップとを備えたことを特徴とする。ここで、前記軸力部材としては、ボルトが適用できる。また、前記軸力推定式の作成には、５００Ｈｚから６ｋＨｚの範囲に発生する２個から４個のピーク振動数及び振幅を使用することが好ましい。

【発明の効果】

【0013】

このように構成された本発明の軸力部材の緩み検知システムは、軸力が既知の軸力部材から発生する振動によって得られた複数の固有振動数に基づいて軸力推定式を作成する推定式作成部を備えている。

【0014】

そして、加振装置によって検査対象軸力部材に外力を加えたことで発生した軸力部材振動を振動検知装置で測定し、その軸力部材振動を周波数分析することで取得されたピーク振動数及び振幅の中から複数の値を軸力推定式に入力することで、軸力推定部によって検査対象軸力部材の軸力を推定するとともに、検査対象軸力部材の緩みを緩み判定部で判定する。

【0015】

このように複数の固有振動数に基づいて作成された軸力推定式を使用することで、軸力部材の緩みを段階的に判定することができるようになる。また、検査対象軸力部材の検査時に検知させる入力データは、振動検知装置の測定結果だけでよいので、比較的簡単な構成にすることができる。

【0016】

また、軸力部材の緩み検知方法の発明では、軸力が既知の軸力部材から発生する振動によって得られた複数の固有振動数に基づいて軸力推定式を作成してから、検査対象軸力部材から発生した軸力部材振動を周波数分析し、前記軸力推定式によって検査対象軸力部材の軸力を推定する。そして、その軸力の推定結果から検査対象軸力部材の緩みを判定する。

【0017】

このように複数の固有振動数に基づいて作成された軸力推定式を使用して、上記したステップで検査対象軸力部材の緩みを判定することで、軸力部材の緩みを段階的に把握することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施の形態のボルトの緩み検知システムの構成を説明するブロック図である。

【図2】本発明の実施の形態のボルトの緩み検知方法の処理の流れを示した説明図である。

【図3】ボルト振動の周波数分析結果を示した図で、（ａ）は軸力が無い場合の周波数スペクトル図、（ｂ）は軸力が２０％の場合の周波数スペクトル図である。

【図4】打鍵音収録装置の構成を模式的に示した説明図である。

【図5】打鍵音収録装置を使用した検査状況を説明する斜視図である。

【図6】加振用レーザ装置とレーザ振動計とによる構成の概要を示した説明図である。

【図7】加振用レーザ装置及びレーザ振動計を使用した検査状況を説明する斜視図である。

【図8】２つの判別手法による緩み判定結果を比較する表であって、（ａ）は集音装置による測定データを使用した場合の結果を示した図、（ｂ）はレーザ振動計による測定データを使用した場合の結果を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の軸力部材の緩み検知システムであるボルトの緩み検知システムの構成を説明するブロック図、図２は本実施の形態の軸力部材の緩み検知方法であるボルトの緩み検知方法の処理の流れを説明する図である。

【0020】

本実施の形態のボルトの緩み検知システムは、外力が加えられた軸力部材であるボルトから発生する振動によって軸力（ボルトの締結力）を判定するためのシステムである。このボルトの緩み検知システムは、図１に示すように、検査対象軸力部材である検査対象ボルトに外力を加えるための加振装置２と、加振装置２によって加えられた外力によって発生した検査対象ボルトの軸力部材振動であるボルト振動（応答振動）を測定する振動検知装置３と、処理演算部４と、入力部１１及び出力部１２とによって主に構成される。

【0021】

入力部１１は、軸力推定式の作成やボルト緩みを判定する際に必要となる各種設定や、後述する入力データ以外のデータなどの入力を行うための手段である。入力部１１には、キーボード、マウス、入力データが記録された記憶媒体などが該当する。

【0022】

一方、出力部１２は、作成された軸力推定式や軸力の推定値や緩みの判定結果などを出力する手段である。ディスプレイ、プリンタ、出力データを記録する記憶媒体などが該当する。入力部１１及び出力部１２の記憶媒体には、ＳＤメモリーカードやＵＳＢメモリなどのフラッシュメモリ、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクなどが使用できる。

【0023】

加振装置２は、ボルトに外力を加えることができる装置であれば、いずれの形態であってもよい。例えば、ハンマや錘などの鍵２０で直接、ボルトを打撃する打鍵装置２Ａ（図４参照）を加振装置２として使用することができる。この打鍵装置２Ａは、モータとカムとバネなどを組み合わせることで、鍵２０を一定時間間隔で動かすことができる装置である。

【0024】

また、可視光のＹＡＧレーザを照射する加振用レーザ装置２Ｂ（図６参照）を加振装置２として使用することもできる。ＹＡＧレーザ（Yttrium Aluminum Garnetを用いた固体レーザ）をボルト面に当てると、表面材料のアブレーション（イオン化）により衝撃が発生するので、これによってボルトに振動を生じさせることができる。

【0025】

一方、振動検知装置３は、打鍵装置２Ａや加振用レーザ装置２Ｂによってボルトに与えられた打撃によって発生した振動（ボルト振動）を測定できる装置であれば、いずれの形態であってもよい。

【0026】

例えば、ボルトを打撃した際に発生する打音を検知する集音装置３Ａ（図４参照）を振動検知装置３として使用することができる。集音装置３Ａは、打音を電気信号に変換するマイクロホンと、変換された電気信号を増幅する増幅器とを備えている。

【0027】

また、振動を遠方から検知することが可能なドップラーレーザを利用したレーザ振動計３Ｂ（図６参照）を振動検知装置３として使用することもできる。レーザ振動計３Ｂは、レーザ光を照射するセンサヘッドと、反射されたレーザ光を受光する受光素子とを備えている。例えば、ボルト面が打撃によって振動していれば、振動するボルト面から反射されたレーザ光はドップラーシフトしたレーザ光となっており、周波数（速度）の変化が電圧に変換されて振動現象として検出することができる。

【0028】

処理演算部４は、ノートパソコンなどのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）やタブレット端末などによって構成される。処理演算部４には、各種制御を行う制御部４０と、周波数分析などを行う波形分析部４１と、軸力推定式を作成する推定式作成部４２と、ボルトの軸力を推定する軸力推定部４３と、ボルトの緩みを判定する緩み判定部４４とを備えている。

【0029】

制御部４０は、入力部１１から入力された信号を各演算部に送ったり、加振装置２に打撃動作の指示信号を送ったり、振動検知装置３の検知データ（測定データ）を各演算部に送ったりするなどの制御を行う。

【0030】

また、波形分析部４１は、後述するように、振動検知装置３で測定された信号波形の分割処理をしたり、周波数分析をしたりする演算部である。波形分析部４１による分析結果は、推定式作成部４２と軸力推定部４３との両方で利用される。

【0031】

続いて、図２を参照しながら推定式作成部４２の処理について説明する。推定式作成部４２では、検査対象とする継手のボルトＢと同様の形態のボルトＢを使用して、軸力推定式を作成する。ここで、ボルトＢは、取付部材Ｍの穴に通されて、ナットＢ２を使って締結される。そして、ボルトＢの頭部Ｂ１を打撃することで、ボルトＢの締結力、すなわち軸力（トルク）を推定する。

【0032】

軸力推定式の作成にあたっては、ボルトＢの軸力を変化させながら、加振時のボルト軸ひずみ及び軸方向振動加速度を測定する。要するに、このボルトＢは、軸ひずみが測定できるようになっているため、軸力が既知のボルトと言える。軸ひずみは、ボルトＢの軸部にひずみゲージを貼り付けることで測定できる。なお、ボルトＢが細径の場合は、トルクレンチによる締め付けトルクを測定することで、軸力を既知にすることもできる。

【0033】

軸力推定式の作成の際には、例えば、軸力を４パターン程度で変化させ、各パターンで５回程度の加振をし、軸力及び振動の測定を繰り返すキャリブレーション実験を行う。そして、得られた計測波形に対して、以下の処理を行う。

【0034】

まず、振動検知装置３によって検知されて入力された信号波形（測定データ）から、複数回ある打音による振動を、1回（１打撃）分毎に切り出す。続いて、切り出された各振動波形に対して、フィルタリングと高域補正（強調）処理とを行う。

【0035】

さらに、ＡＲ法（ユールウォーカー法）により、ピーク振動数の抽出を行う。例えば、特定周波数範囲（５００Ｈｚ－６ｋＨｚ）に発生したピーク振動数を例えば６個抽出し、それらの周波数をそれぞれｆ１－ｆ６とし、それらの周波数に対応するピークスペクトル（ピーク振幅）を、最大ピークを１として正規化した値であるｐ１－ｐ６とする。

【0036】

そして、各周波数の分布等を見て、軸力推定用の振動数を３つから４つ（ここでは４つ）選定する。以上で説明した周波数範囲や抽出する周波数の数は、検査対象となるボルトＢの形態により変わる。このようにして選定した８個のパラメータ（ｆ１－ｆ４，ｐ１－ｐ４）のうちのいくつかは、ボルトＢの軸力との間に相関関係が現れることが分かっており、キャリブレーション実験の結果から、それぞれの相関関係を見い出す。

【0037】

図３に、ボルト振動を周波数分析した結果を例示した。図３（ａ）は軸力が無い場合（既定値の０％）の周波数スペクトル図、図３（ｂ）は軸力が既定値の２０％の場合の周波数スペクトル図を示している。この図に示すように、軸力が０％の場合と２０％の場合とでは、異なるピーク振動数と異なるピーク振幅を示すことがわかる。すなわち、ピーク振動数とピーク振幅とを、軸力を推定する際の特徴量にすることができる。

【0038】

そこで、周波数と振幅をパラメータｆ_ｉ,ｐ_ｉに用いて、以下の式で軸力推定式を作成する。ここでは、軸ひずみの分かっている計測データを用いるため、軸ひずみ推定式とも言える。なお、以下の式では、説明を簡略にするために、推定に用いるピーク振動数の数（ｉ）を２つとし、軸ひずみ推定式を１次式とした場合を示す。
ε_Ｎ＝Σ（ｖ_ｉ（ａ_ｉｆ_ｉ＋ｂ_ｉ）＋ｗ_ｉ（ｃ_ｉｐ_ｉ＋ｄ_ｉ）） ；ｉ＝１，２
ここで、ε_Ｎは軸方向ひずみ、ｆ_ｉはｉ番目のピーク振動数、ａ_ｉｆ_ｉ＋ｂ_ｉとｃ_ｉｐ_ｉ＋ｄ_ｉはｉ次振動パラメータによる軸ひずみ推定式、ｖ_ｉ，ｗ_ｉは重みを示す。

【0039】

なお、実際に軸力推定式を作成する際のピーク振動数の数（ｉ）は、２つから４つとし、各パラメータに対する軸ひずみ推定式は２次式とする。軸ひずみ推定式（軸力推定式）の決定には、上記式のε_Ｎの誤差を最小とする重み（ｖ_ｉ，ｗ_ｉ）を決定することが必要となるが、パラメータ数が増えると計算が煩雑となるため、機械学習により重みを決定することとする。

【0040】

そして、推定精度の高い軸力推定式を作成する（図２のステップＳ１１）には、予めボルトＢに対する打撃実験を行う必要がある（ステップＳ１２）。例えば、ボルトＢの軸力を、既定値の０％，２０％，５０％，８０％としたボルトＢに対して、打撃を与えて発生する振動の測定を行う実験を複数回実施する。

【0041】

打撃実験の流れと検査対象ボルトに対する検査とは、同様の処理となるため、図２を参照しながら引き続き説明する。ボルトＢの頭部Ｂ１を加振装置２で打撃することで発生した打音を、振動検知装置３で収録して増幅器３１で増幅させて記録する。

【0042】

この記録（測定）された信号波形は、1回分毎の打音による振動に波形分割される（ステップＳ１）。分割された振動波形は、周波数分析（ステップＳ２）され、周波数と振幅を示す８つの変量（ｆ１－ｆ４、ｐ１－ｐ４）が取り出される（ステップＳ３１－Ｓ３４）。

【0043】

そして、一旦決定された軸力推定式（ステップＳ１３）を組み込んだ判定プログラムに、その８つの変量を与えて、軸力を推定させる（ステップＳ４）。この推定作業を、軸力が既知（ひずみゲージで同時測定も含む）のボルトＢにおいて、何度か繰り返して実施する。

【0044】

判定プログラム内では、機械学習により、軸力判定が不正解だった場合には、正解を導きだせるように軸力推定式の係数（重み（ｖ_ｉ，ｗ_ｉ））の修正を行う。これを繰り返すことで、判定プログラムの軸力判定精度を向上させることができる。診断に用いる変量を適切に選択すれば、後述するようにほぼ１００％の正解率が得られるようになる。

【0045】

この判定プログラムでは、推定された軸力の値に基づいて、最終的に緩み判定（ステップＳ５）の結果を出力する。緩み判定は、例えば検査対象ボルトの降伏ひずみに対する軸方向ひずみ量の割合（Ｒ）で示すことができる。

【0046】

要するに、検査対象ボルトの導入軸力の降伏ひずみをr_N0とし、検査時の軸方向ひずみ量をr_Nとすると、緩み判定結果となる割合（Ｒ）は、Ｒ＝r_N／r_N0として算出することができる。

【0047】

次に、本実施の形態のボルトの緩み検知システム１の具体的な構成について、図面を参照しながら説明する。まず、図４，５を参照しながら、打鍵音収録装置５を使用する場合について説明する。

【0048】

打鍵音収録装置５は、図４に模式的に示すように、加振装置である打鍵装置２Ａと、振動検知装置である集音装置３Ａとが、一体になっている。この打鍵音収録装置５は、２ｍ程度の近距離にある検査対象ボルト（ボルトＢ）に対して使用される。

【0049】

この打鍵音収録装置５は、延長ポール５１の先端に取り付けられ、磁石などで取付部材Ｍに固定される。打鍵装置２Ａには、モータとカムとバネが組み込まれており、ボルトＢの頭部Ｂ１の周面を、一定時間間隔で動く鍵２０で打撃することができる。

【0050】

打鍵装置２Ａの打撃によって発生した音は、近接して設けられた集音装置３Ａのマイクロホンによって収録される。このような構成であれば、図５に示すように、例えばトンネルＴの天井から吊り下げられた道路標識Ｍ１の取付部材Ｍを固定するボルトＢを、検査員Ｎが手に持った延長ポール５１の先端の打鍵音収録装置５によって、検査することができる。

【0051】

続いて、図６，７を参照しながら、加振用レーザ装置２Ｂとレーザ振動計３Ｂとを組み合わせた構成について説明する。図６に模式的に示した構成は、加振装置である加振用レーザ装置２Ｂと、振動検知装置であるレーザ振動計３Ｂとを使用する場合を示している。

【0052】

この構成は、検査員Ｎが接近することが難しい３ｍ－２０ｍ程度の遠方にあるボルトＢに対して適用する。加振を行うための加振用レーザ装置２Ｂは、可視光のＹＡＧレーザ２１を照射する。例えば、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザ２１を、２２０ｍＪの出力で５ｎｓｅｃの照射時間で照射する。

【0053】

ＹＡＧレーザ２１の緑色の輝点をボルトＢの頭部Ｂ１の表面に当てると、表面材料のアブレーション（イオン化）により衝撃が発生する。これにより、ボルトＢに振動を生じさせることができるので、その振動をドップラーレーザー振動計であるレーザ振動計３Ｂで遠隔から測定する。

【0054】

このような構成であれば、図７に示すように、移動式の台車Ｎ１に加振用レーザ装置２Ｂとレーザ振動計３Ｂとを搭載して、トンネルＴ内を移動しながら検査を行うことができる。すなわち、台車Ｎ１を道路標識Ｍ１の取付部材Ｍを固定するボルトＢが照準できる位置に移動させ、逐次、検査をしていくことができる。このため、足場を設置したり、長時間の交通規制をしたりしなくても、高所にあるボルトＢの検査（緩み判定）を迅速に行うことができる。

【0055】

次に、本実施の形態のボルトの緩み検知システム及びボルトの緩み検知方法の効果を確認するために行った、精度確認実験について説明する。従来の手法では、ボルトに緩みがあるか否かの判定しか行えなかったが、本実施の形態のボルトの緩み検知システム及びボルトの緩み検知方法であれば、例えば軸力が既定値の５０％程度に低下しているというような検知ができるようになることを説明する。

【0056】

実験には、重ね継ぎ手をボルトＢで締め付けた試験体を用い、トルクレンチによる締め付けトルク（ボルトＢの軸力）を、既定値の０％，２０％，５０％，８０％の４種類に変えて行った。ボルトＢの打撃は、金属製のテストハンマーで頭部Ｂ１を軽くたたくことで行い、その振動を３ｍの距離から集音装置３Ａのマイクロホンで収録した場合と、２０ｍの距離からレーザ振動計３Ｂで測定した場合との２パターンの実験を行った。

【0057】

集音装置３Ａ及びレーザ振動計３Ｂで測定した振動データは、判定プログラムが実行されている処理演算部４の波形分析部４１に入力される。波形分析部４１では、入力された信号波形を波形分割し、分割された振動波形の特徴量（ピーク振動数，ピーク振幅）を決定して、判定プログラムの訓練（機械学習）を行った。

【0058】

そして、訓練済みの推定式作成部４２によって作成された軸力推定式を用いて、振動データから緩み判定を行う実験をし、判定結果の正解率を計算した。図８（ａ）は集音装置３Ａによる測定データを使用した場合の判定結果を示しており、図８（ｂ）はレーザ振動計３Ｂによる測定データを使用した場合の判定結果を示している。

【0059】

そして、判別手法としては、２次判別法とｋ最近傍法（ｋＮＮ）との２つの手法を適用して、精度の比較を行った。ここで、２次判別法及びｋ最近傍法（ｋＮＮ）は、データを複数のクラス（グループ）に分類する手法の一つで、２次判別法は楕円などのの２次関数による判別を行う手法で、ｋ最近傍法（ｋＮＮ）は非線形の判別を行う手法で、いずれもパターン認識でよく用いられる。

【0060】

図８（ａ）の集音装置３Ａによる測定データを用いた診断結果では、特徴量として抽出した４つのピーク振動数（ｆ１－ｆ４）及び４つのピーク振幅（ｐ１－ｐ４）の中から、２つから５つを選定して正解率を比較した。

【0061】

その結果、全データ（軸力０％，２０％，５０％，８０％）の正解率は、最大で８９％（２次判別法）となり、軸力２０％以下の場合でも、最大で８６％（ｋＮＮ）の正解率が得られた。

【0062】

一方、図８（ｂ）のレーザ振動計３Ｂによる測定データを用いた診断結果では、全データ（軸力０％，２０％，５０％，８０％）の正解率は、２次判別法で１００％となり、軸力２０％以下の場合では、２次判別法とｋＮＮの両方の判別手法で１００％の正解率が得られた。

【0063】

このように、振動検知装置３の構成が集音装置３Ａであるかレーザ振動計３Ｂであるかに関わらず、４段階の軸力（既定値の０％，２０％，５０％，８０％）を正解率８０％以上で判別できることが確認できた。要するに、本実施の形態のボルトの緩み検知システム及びボルトの緩み検知方法を適用することで、ボルト緩みが８０％なのか５０％なのかといった違いが判別できることが確認された。

【0064】

次に、本実施の形態のボルトの緩み検知システム及びボルトの緩み検知方法の作用について説明する。
このように構成された本実施の形態のボルトの緩み検知システムは、軸力が既知のボルトＢから発生する振動によって得られた複数の固有振動数（ピーク振動数、ピーク振幅）に基づいて軸力推定式を作成する推定式作成部４２を備えている。

【0065】

そして、加振装置２によって検査対象ボルト（Ｂ）に外力を加えたことで発生したボルト振動を振動検知装置３で測定し、そのボルト振動を波形分析部４１で周波数分析することで取得されたピーク振動数及びピーク振幅の中から、複数の値を軸力推定式に入力することで、軸力推定部４３によって検査対象ボルト（Ｂ）の軸力を推定するととともに、検査対象ボルトの緩みを緩み判定部４４で判定する。

【0066】

このように複数の固有振動数に基づいて作成された軸力推定式を使用することで、ボルトＢの緩みを、緩みの有無だけでなく、段階的に判定することができるようになる。また、検査対象ボルトの検査時に検知させる入力データは、振動検知装置３の測定結果だけでよいので、比較的簡単な構成にすることができる。

【0067】

ボルトＢの緩み判定が段階的に把握できるようになれば、脱落の危険性が高いものだけでなく、数か月後から数年後にはボルトＢの締め直しや交換が必要になるなどの現状を高精度で把握できるようになるため、検査の頻度を減らすことができるようになる。また、修繕の時期や規模などの計画の立案もしやすくなる。

【0068】

また、ボルトの緩み検知方法の発明では、軸力が既知のボルトＢから発生する振動によって得られた複数の固有振動数（ピーク振動数、ピーク振幅）に基づいて軸力推定式を作成（図２のステップＳ１１）してから、検査対象ボルト（Ｂ）から発生したボルト振動を周波数分析し（ステップＳ２）、作成された軸力推定式によって検査対象ボルト（Ｂ）の軸力を推定する（ステップＳ４）。そして、その軸力の推定結果から検査対象ボルト（Ｂ）の緩みを判定する（ステップＳ５）。

【0069】

このように複数の固有振動数に基づいて作成された軸力推定式（ステップＳ１３）を使用して、上記したステップで検査対象ボルト（Ｂ）の緩みを判定することで、ボルトＢの緩みを段階的に把握することができるようになる。

【0070】

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。
例えば、前記実施の形態では、軸力部材として道路標識Ｍ１などを取り付けるボルトＢを例に説明したが、これに限定されるものではなく、高力ボルト、普通ボルト、アンカーボルト、吊りボルト、ＰＣ鋼線等の軸力部材に対して本発明を適用することができる。

【0071】

また、前記実施の形態では、打鍵装置２Ａ又は加振用レーザ装置２ＢによってボルトＢの頭部Ｂ１を打撃する構成について説明したが、これに限定されるものではなく、振動波形から特徴量が抽出できるような振動をボルトＢから発生させることができるような加振装置であればよい。

【0072】

さらに、振動検知装置３についても、集音装置３Ａ又はレーザ振動計３Ｂに限定されるものではなく、ボルトＢから発生した振動を測定できるものであればよい。このため、加振装置２と振動検知装置３との組み合わせも、前記実施の形態で説明した組み合わせに限定されるものではなく、打鍵装置２Ａとレーザ振動計３Ｂ、加振用レーザ装置２Ｂと集音装置３Ａという組み合わせであってもよい。

【符号の説明】

【0073】

１ ：ボルトの緩み検知システム（軸力部材の緩み検知システム）
２ ：加振装置
２Ａ ：打鍵装置（加振装置）
２Ｂ ：加振用レーザ装置（加振装置）
３ ：振動検知装置
３Ａ ：集音装置（振動検知装置）
３Ｂ ：レーザ振動計（振動検知装置）
４１ ：波形分析部
４２ ：推定式作成部
４３ ：軸力推定部
４４ ：緩み判定部
Ｂ ：ボルト（軸力部材）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】