7372624 ゆるみ検出システム

(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】2023-10-24

(45)【発行日】2023-11-01

(54)【発明の名称】ゆるみ検出システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/04 20060101AFI20231025BHJP

   G01N 29/48 20060101ALI20231025BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20231025BHJP

   G01L 5/24 20060101ALI20231025BHJP

【ＦＩ】

G01N29/04

G01N29/48

G01L5/00 103C

G01L5/24

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023004626

(22)【出願日】2023-01-16

(65)【公開番号】P2023104912

(43)【公開日】2023-07-28

【審査請求日】2023-02-21

(31)【優先権主張番号】P 2022005054

(32)【優先日】2022-01-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】520479629

【氏名又は名称】株式会社ＣＡＳＴ

(73)【特許権者】

【識別番号】000117009

【氏名又は名称】旭サナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100136180

【弁理士】

【氏名又は名称】羽立 章二

(72)【発明者】

【氏名】中妻 啓

(72)【発明者】

【氏名】田中 雄也

(72)【発明者】

【氏名】臼井 亮介

(72)【発明者】

【氏名】小林 義典

【審査官】村田 顕一郎

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００７／００５６３７５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－００５０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１０８７６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０６９３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５３２４５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１３１５５４３０（ＣＮ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１１－０１３６１１０（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００－２９／５２

Ｇ０１Ｌ ５／００－５／２８

Ｆ１６Ｂ ３１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

部材を締結する締結部品のゆるみを検出するためのゆるみ検出システムであって、
前記締結部品によって前記部材とともに締結されるセンサ基材を備え、
前記センサ基材は、少なくとも一つの面が前記締結部品に接し、
前記締結部品に向けて前記センサ基材に発信されて前記センサ基材から前記締結部品に通過した超音波が前記締結部品の端面において反射した反射波を受信するセンサ装置を備える、ゆるみ検出システム。

【請求項2】

前記センサ装置は、圧電膜部を備え、
前記センサ装置は、前記センサ基材において、前記締結部品に向けて超音波を発信して、前記締結部品の端面で反射した反射波を受信する、請求項１記載のゆるみ検出システム。

【請求項3】

前記圧電膜部は、前記センサ基材において、前記締結部品に接する面とは異なる面に存在し、
前記圧電膜部は、前記センサ基材において、前記締結部品に接する面に向けて超音波を発信して、前記締結部品の端面で反射した反射波を受信する、請求項２記載のゆるみ検出システム。

【請求項4】

部材を締結する締結部品のゆるみを検出するためのゆるみ検出システムであって、
前記締結部品によって前記部材とともに締結されるセンサ基材と、
前記センサ基材に発信されて前記センサ基材から前記締結部品に通過した超音波が前記締結部品の端面において反射した反射波を受信するセンサ装置を備え、
前記締結部品が第１状態及び第２状態にある場合に受信された前記反射波の大きさを評価するための評価値をそれぞれ第１評価値及び第２評価値として、第１評価値が第２評価値よりも前記反射波が大きいことを示す場合に、前記第１状態における前記締結部品は、前記第２状態における前記締結部品よりも締結トルクが大きいと評価する処理装置を備える超音波処理装置を備えるゆるみ検出システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ゆるみ検出システム及びセンサ基材に関し、特に、部材を締結するナットのゆるみを検出するためのゆるみ検出システム等に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、ワッシャ基材に圧電素子を貼付して、圧電素子が検出したワッシャ基材の振動状況により固有振動数を求めて、ボルト締結体のゆるみを検出することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００５－０６９３１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１では固有振動数を求めるため、ワッシャ基材を振動させる必要があった。

【0005】

よって、本願発明は、固有振動数を利用せずに、ナットのゆるみを検出することが可能なゆるみ検出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】

【0006】

本願発明の第１の側面は、部材を締結するナットのゆるみを検出するためのゆるみ検出システムであって、前記ナットによって前記部材とともに締結されるセンサ基材を備え、前記センサ基材に発信された超音波が前記ナットの端面において反射した反射波を受信するセンサ装置を備える。

【0007】

本願発明の第２の側面は、第１の側面のゆるみ検出システムであって、前記センサ装置は、圧電膜部を備え、前記センサ基材は、少なくとも一つの面が前記ナットに接し、前記センサ装置は、前記センサ基材において、前記ナットに向けて超音波を発信して、前記ナットの端面で反射した反射波を受信する。

【0008】

本願発明の第３の側面は、第２の側面のゆるみ検出システムであって、前記圧電膜部は、前記センサ基材において、前記ナットに接する面とは異なる面に存在し、前記圧電膜部は、前記センサ基材において、前記ナットに接する面に向けて超音波を発信して、前記ナットの端面で反射した反射波を受信する。

【0009】

本願発明の第４の側面は、第１から第３のいずれかの側面のゆるみ検出システムであって、前記ナットが第１状態及び第２状態にある場合に受信された前記反射波の大きさを評価するための評価値をそれぞれ第１評価値及び第２評価値として、第１評価値が第２評価値よりも前記反射波が大きいことを示す場合に、前記第１状態における前記ナットは、前記第２状態における前記ナットよりも締結トルクが大きいと評価する処理装置を備える超音波処理装置を備える。

【0010】

本願発明の第５の側面は、ナットにより部材とともに締結されるセンサ基材であって、当該センサ基材に発信された超音波が前記ナットの端面において反射した反射波を受信するセンサ装置を備える。

【0011】

本願発明の第６の側面は、第５の側面のセンサ基材であって、前記センサ装置は、圧電膜部を備え、当該センサ基材は、少なくとも一つの面が前記ナットに接し、前記圧電膜部は、当該センサ基材において、前記ナットに接する面とは異なる面に存在し、前記圧電膜部は、前記センサ基材において、前記ナットに接する面に向けて超音波を発信して、前記ナットの端面で反射した反射波を受信する。

【発明の効果】

【0012】

本願発明の各側面によれば、ナットの端面における超音波の反射波を利用することにより、振動を利用せずにナットのゆるみを検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本願発明の実施の形態に係るゆるみ検出システムの（ａ）構成の一例を示す図と、（ｂ）及び（ｃ）反射波の一例を示す図である。

【図2】図１のゆるみ検出システム１の動作の一例を示すフロー図である。

【図3】発明者らが締結トルクと反射波の相関を確認するために行った実験において使用したセンサ基材を示す。

【図4】図３のセンサ基材に圧電膜と電極を形成して、配線を行ったものを示す。

【図5】（ａ）超音波を発生して受信するための装置と、（ｂ）図４のセンサ基材において確認された反射波を示す。

【図6】組み立てて、センサ保護材としてロックタイトを塗布した状態を示す。

【図7】実験を行った状況を説明するための図である。

【図8】実験に使用したナットを示す。

【図9】（ａ）及び（ｂ）それぞれナット無し及び手締めの場合の反射波の波形である。

【図10】（ａ）及び（ｂ）それぞれ１００Ｎ・ｍ及び２００Ｎ・ｍの場合の反射波の波形である。

【図11】（ａ）及び（ｂ）それぞれ３００Ｎ・ｍ及び限界の場合の反射波の波形である。

【図12】図９～図１１の各グラフにおいて（ａ）波形を比較したものと、（ｂ）第二反射波１０～１５μｓｅｃを切り出して比較したものである。

【図13】第二反射波のピーク値を比較したものである。

【図14】発明者らが締結トルクと打音の相関を確認するために行った実験を説明するための図である。

【図15】測定した締結トルクの各締結トルクの代表データ１点を比較したものである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

【実施例1】

【0015】

図１は、本願発明の実施の形態に係るゆるみ検出システムの（ａ）構成の一例を示す図と、（ｂ）及び（ｃ）反射波の一例を示す図である。

【0016】

図１（ａ）を参照して、ゆるみ検出システム１は、ナット３と、センサ基材５（本願請求項の「センサ基材」の一例）と、圧電膜部７と、電極部９と（圧電膜部７と電極部９を併せたものが本願請求項の「センサ装置」の一例）、センサ保護材１１と、超音波処理装置１３を備える。

【0017】

ナット３は、この例では六角ナットである。ナット３は、機械などの組み立てに使用される締結部品の一つである。筒状の中央に雌ネジと呼ばれる開口部が切ってあり、図示を省略するボルトなどの雄ネジと組み合わせて、図示を省略する部材を締結して固定するために使用する。端面４は、ナット３において、センサ基材５に接する面に対向する終端面である。端面４は、ナット３において、センサ基材５に接する面とは反対側の面である。

【0018】

センサ基材５は、ナット３によって前記部材とともに締結される。この例では、ナット３とセンサ基材５の間には他の部材などは存在せず、両者は接する。以下では、センサ基材５において、ナット３に接する面を境界面という。

【0019】

センサ基材５には、境界面に対向する面（境界面とは反対側の面）に圧電膜部７が形成されている。圧電膜部７には、電極部９が形成されている。圧電膜部７は、電極部９に交流電圧をかけると周波数に合わせて振動して超音波などを発信することができる。また、振動が加わると電圧が発生して、電極部９において検出することができる。このように、圧電膜部７及び電極部９は、反射型のセンサとして機能する。

【0020】

センサ保護材１１は、圧電膜部７及び電極部９を保護するための保護材である。

【0021】

超音波処理装置１３は、電極部９と配線で接続する。超音波処理装置１３が備える発信装置は、電極部９に対して電気信号を与えて、センサ基材５において圧電膜部７によりナット３に向けて超音波を発信する。ナット３とセンサ基材５の境界で反射する超音波は、圧電膜部７によるセンサの不感帯に埋もれて観察することができない。超音波処理装置１３が備える受信装置は、電極部９から、少なくともセンサ基材５の境界面を通過してナット３の端面４で生じた反射波を受信する。圧電膜部７によるセンサは、センサ基材５の境界面を通過してナット３の端面４で生じた反射波を検出することができる。

【0022】

図１（ｂ）及び（ｃ）を参照して、発信された超音波において、ナット３側に透過するものと、センサ基材５とナット３の境界で反射するものについて説明する。

【0023】

図１（ｂ）は、ナット締付け工具を使用しない場合である。この場合、締結トルクは小さく、センサ基材５からナット３側に透過する波は小さい。そのため、ナット３の端面４において反射した反射波は小さくなる。圧電膜部７は、小さな反射波を検出する。

【0024】

図１（ｃ）は、ナット締付け工具を使用した場合である。この場合、締結トルクは大きく、センサ基材５からナット３側に透過する波が大きい。そのため、ナット３の端面４において反射した反射波は大きくなる。圧電膜部７は、大きな反射波を検出する。

【0025】

そのため、超音波処理装置１３が備える処理装置（本願請求項の「処理装置」の一例。例えばプログラムの制御の下で動作するプロセッサなど。ソフトウエアとハードウエア資源が協働した手段として「処理部」と捉えてもよい。）は、センサ基材５とナット３の境界を通過してナット３の端面４で反射する反射波を受信して、反射波の大きさを評価する評価値によってナット３のゆるみを評価することができる。評価値は、例えば反射波の振幅などである。

【0026】

図２は、図１のゆるみ検出システム１の動作の一例を示すフロー図である。図２を参照して、ゆるみ検出システム１の動作の一例を説明する。例えば、第１時刻での締め付ける状態が第１状態にあるナット３での反射波の評価値が第１評価値であり、後の第２時刻での締め付ける状態が第２状態にあるナット３での反射波の評価値が第２評価値であったとする。

【0027】

第１時刻において、超音波処理装置１３が備える発信装置は、電極部９に対して電気信号を与えて、センサ基材５において圧電膜部７によりナット３に向けて超音波を発信する。超音波処理装置１３が備える受信装置は、電極部９から、少なくともセンサ基材５の境界面を通過してナット３の端面４で生じた反射波を受信する。超音波処理装置１３が備える処理装置は、受信した反射波の大きさの評価値である第１評価値を取得する（ステップＳＴＡ１）。

【0028】

第２時刻において、超音波処理装置１３が備える発信装置は、電極部９に対して電気信号を与えて、センサ基材５において圧電膜部７によりナット３に向けて超音波を発信する。超音波処理装置１３が備える受信装置は、電極部９から、少なくともセンサ基材５の境界面を通過してナット３の端面４で生じた反射波を受信する。超音波処理装置１３が備える処理装置は、受信した反射波の大きさの評価値である第２評価値を取得する（ステップＳＴＡ２）。

【0029】

超音波処理装置１３が備える処理装置は、第１評価値と第２評価値を比較して、いずれが大きい反射波を示すかを判断する（ステップＳＴＡ３）。

【0030】

第２評価値が第１評価値と比較して小さな反射波であることを示すならば、超音波はナット３側に透過するものが小さくなったと評価でき、第２時刻におけるナット３の締結トルクが小さくなったと評価することができる（ステップＳＴＡ４）。

【0031】

第２評価値が第１評価値と同じ反射波であることを示すならば、第２状態と第１状態で締結トルクは同じであると評価することができる（ステップＳＴＡ５）。

【0032】

第２評価値が第１評価値と比較して大きな反射波であることを示すならば、第２状態では第１状態よりも超音波はナット３側に透過するものが大きくなったと評価でき、例えば途中で締め直したなどによって、第２時刻におけるナット３の締結トルクが大きくなったと評価することができる（ステップＳＴＡ６）。

【0033】

このように、本願発明は、単にゆるんでいるか否かというＯＮ－ＯＦＦ検出だけでなく、締結トルクを数値的な連続性のある状態で検出することもできる。

【0034】

図３～図１３を参照して、締結トルクと反射波の相関を確認するために行った実験について説明する。この実験では、締結トルクを変えてナット３を締める。各トルクで締め付けた後、センサ基材５にパルスを入力し、ナット３の端面４からの反射波形の変化を観察する。

【0035】

図３は、この実験において使用したセンサ基材を示す。

【0036】

図４は、図３のセンサ基材（図１のセンサ基材５の一例）に圧電膜（図１の圧電膜部７の一例）と電極（図１の電極部９の一例）を形成して、配線を行ったものを示す。

【0037】

図５は、（ａ）超音波を発生して受信するための装置と、（ｂ）図４のセンサ基材において確認された反射波を示す。

【0038】

図６は、組み立てて、センサ保護材としてロックタイトを塗布した状態を示す。

【0039】

図７は、実験を行った状況を説明するための図である。実験では、圧造機の金型２１のナット２３に図６のセンサ２５を取り付ける。センサ２５には、パルスを発信して、受信した反射波の波形を測定するためのパルサー２７を接続する。

【0040】

実験では、ナットの締結トルクを変えて取り付けて、波形の変化を確認する。測定した締付条件は、ナット無し（Without-Nut、ナットを取り付けないときの波形）、手締め（Without-Tools、工具を使わないときの波形）、１００Ｎ・ｍ（１００Ｎ・ｍのトルクで締め付けた場合の波形）、２００Ｎ・ｍ（２００Ｎ・ｍのトルクで締め付けた場合の波形）、３００Ｎ・ｍ（３００Ｎ・ｍのトルクで締め付けた場合の波形）、限界（Full-Power、人力でめいっぱい締めた場合の波形）である。

【0041】

パルサー２７は、送信設定として、使用チャネル数は１、周波数は５ＭＨｚ、ゲインは４０．５ｄＢ、パワーは高く、送信波を抑制する。

【0042】

図８は、使用したナットを示す。片面取りの六角ナットである。

【0043】

図９（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、ナット無し及び手締めの場合の反射波の波形である。図１０（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、１００Ｎ・ｍ及び２００Ｎ・ｍの場合の反射波の波形である。図１１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、３００Ｎ・ｍ及び限界の場合の反射波の波形である。横軸はデータを受信した時間（μｓｅｃ）であり、縦軸は振幅（Ｖ）である。トルクが大きくなるにつれて、多くの反射波を受信している。

【0044】

図１２は、図９～図１１の各グラフにおいて（ａ）波形を比較したものと、（ｂ）第二反射波１０～１５μｓｅｃを切り出して比較したものである。横軸はシフト時間（μｓｅｃ）であり、縦軸は振幅（Ｖ）である。

【0045】

図１３は、第二反射波のピーク値を比較したものである。横軸はデータ番号を示し、縦軸は振幅（Ｖ）のピーク値を示す。データ番号は、１から順に、ナット無し、手締め、１００Ｎ・ｍ、２００Ｎ・ｍ、３００Ｎ・ｍ及び限界である。トルクが大きくなるにつれて、ピーク値が大きくなっている。このように、締結トルクと反射波のピーク値に相関が認められる。そのため、ゆるみの有無というＯＮ－ＯＦＦ信号を出力する単純なセンサを実現することに加えて、締結トルク値を数値（例えばアナログ値）で出力するセンサなども実現することができる。そのため、単にゆるみの有無にとどまらず、既定のトルク（例えば５５９Ｎ・ｍなど）で固定できているかなども判定することができる。

【0046】

なお、この実験では、第一反射波が大きくなってしまったために、第二反射波を使用している。第一反射波などの他の反射波でもよい。

【0047】

図１４は、締結トルクと打音との相関について確認するために行った実験を説明するための図である。センサをナットで固定した後に衝撃を与える。そのときの打音をセンサで取得する。ナットの締結トルクを変えて実験し、締結トルクと打音波形に相関があるかを確認する。

【0048】

測定した締付条件は、３０Ｎ・ｍ、５０Ｎ・ｍ、７０Ｎ・ｍ、９０Ｎ・ｍ、１３０Ｎ・ｍ、１５０Ｎ・ｍ、１７０Ｎ・ｍの各トルクで締め付けた場合である。各トルクで５回測定した。

【0049】

図１５は、各締結トルクの代表データ１点を比較したものである。この実験では、締結トルクと打音との相関は見出すことは難しかった。ただし、センサで音を取得することができ、実際に取り付けた構造物（設備など）をあわせた振動系の振動モニタリングは可能であると予想される。

【符号の説明】

【0050】

１ ゆるみ検出システム
３ ナット
５ センサ基材
７ 圧電膜部
９ 電極部
１１ センサ保護材
１３ 超音波処理装置
２１ 金型
２３ ナット
２５ センサ
２７ パルサー

【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】

【図15】