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(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】2023-12-12
(45)【発行日】2023-12-20
(54)【発明の名称】緩み検出センサ及びそれを用いた緩み検出方法
(51)【国際特許分類】
F16B 31/00 20060101AFI20231213BHJP
G01N 22/00 20060101ALI20231213BHJP
【ＦＩ】
F16B31/00 Z
G01N22/00 V
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2022516550
(86)(22)【出願日】2020-04-22
(86)【国際出願番号】 JP2020017318
(87)【国際公開番号】W WO2021214909
(87)【国際公開日】2021-10-28
【審査請求日】2022-09-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100129230
【弁理士】
【氏名又は名称】工藤 理恵
(72)【発明者】
【氏名】松永 恵里
(72)【発明者】
【氏名】津田 昌幸
(72)【発明者】
【氏名】美濃谷 直志
(72)【発明者】
【氏名】庄司 正成
【審査官】田村 佳孝
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１２９１５８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００３－０３４３５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－１５９５７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０１３４３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】松永恵里，インフラ劣化検知を目的とした電磁波伝搬型塗布式センサの基礎検討，材料と環境，日本，公益社団法人 腐食防食学会，2019年07月10日，Vol.68, No.7，p.178-181
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ１６Ｂ ３１／００
Ｇ０１Ｎ ２２／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
部品を固定するボルト又はナットの緩みを検出する緩み検出センサであって、前記緩み検出センサは、
絶縁層と、当該絶縁層を上下から挟む第１導電層と第２導電層とを備え、前記ボルトの軸とは直接接触せずに前記部品と前記ボルト又は前記部品と前記ナットで挟まれる座金形状であり、
前記第１導電層には、所定の範囲の周波数が掃引された高周波信号が印加される
緩み検出センサ。
【請求項2】
部品を固定するボルト又はナットの緩みを検出する緩み検出センサであって、
前記緩み検出センサは、
絶縁層と、当該絶縁層を上下から挟む第１導電層と第２導電層とを備え、前記ボルトの軸とは直接接触せずに前記部品と前記ボルト又は前記部品と前記ナットで挟まれる座金形状であり、
前記第１導電層、前記絶縁層、及び前記第２導電層は、
円環形状であり、前記第１導電層又は前記第２導電層に高周波信号を給電する給電点と異なる位置の当該第１導電層と当該第２導電層の一点が導電性部材で短絡されている
緩み検出センサ。
【請求項3】
前記絶縁層、前記第１導電層、及び前記第２導電層のそれぞれは、前記軸と直交する方向から前記部品と前記ボルトの間、又は前記部品と前記ナットの間に挿入可能な平面形状である請求項１に記載の緩み検出センサ。
【請求項4】
部品を固定するボルト又はナットの緩みを検出する緩み検出装置が実行する緩み検出方法であって、絶縁層と、当該絶縁層を上下から挟む第１導電層と第２導電層とを備え、前記ボルトの軸とは直接接触せずに前記部品と前記ボルト又は前記部品と前記ナットで挟まれる座金形状である緩み検出センサに、所定の範囲の周波数の高周波信号を掃引して印加し、該高周波信号の反射波を受信する反射波受信ステップと、
前記反射波のピーク値を記録するピーク値記録ステップと、
前記ピーク値と過去の前記ピーク値とを比較し変化量を求める比較ステップと、
前記変化量が閾値未満の場合は前記緩みがないと判定し、前記変化量が閾値以上の場合は前記緩みがあると判定する判定ステップと
を行うことを特徴とする緩み検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、部品を固定するボルト又はナットの緩みを検出する緩み検出センサ及びそれを用いた緩み検出方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ボルトは、部品と部品を締め付け、固定するものであり、インフラ構造物、プラント設備等の大型設備から、乗り物、遊具、及び家具等の身近な製品まで様々な用途で使用される。ボルトの接合部では、振動や過大な力による組成変形、疲労等の劣化が原因で、緩みや脱落が生じることがある。
【0003】
これらが原因で、例えば橋梁の崩落事故、接合部分からのガス及び液体の漏洩、遊具の破損、高所からの落下物による人身事故等が発生する。これらの事故を防止するため、例えば非特許文献１にボルトにマーキングをして、合いマークのズレを監視する方法が提案されている。また、非特許文献２と３に導波路型センサによって異常を検出する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【文献】構造物のゆるみ対策、〔令和2年4月13日検索〕、インターネット（https://www.euroke.co.jp/linecap1/）
【文献】E. Matsunaga ; M. Nakamura ; T. Minotani ; M. Tsuda, “Paintable Wireless Passive Sensor based on Electromagnetic Waveguide to Detect Loose Bolts for Remote Infrastructure Inspection.” Proc. IEEE SENSORS 2019, Montreal, QC, Canada, Canada,2019.
【文献】E. Matsunaga, T. Minotani, S. Oka, and M. Tsuda, “Fundamental study of coating-type sensor for detection of infrastructure deterioration. ”Proceedings of the 65th Japan Conference on Materials and Environments, Japan, pp. 178-181, 2019 (in Japanese).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、合いマークのズレを監視する方法等は、検査対象が見難い場所にある場合、又は遠方などの目視点検が困難な部分の検査には適さない。また、導波路型センサによる異常を検出する方法は、構造物にセンサを塗装する必要があるため、ボルトの上に塗料を塗装した場合は、緩み検知後に再塗装しなくてはならないといった施工上の課題がある。また、施工済みの既存の設備へのセンサの設置が難しいと言った課題がある。
【0006】
本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、施工上の課題が少なく、施工済みの設備への設置が容易な緩み検出センサ及びそれを用いた緩み検出方法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】
【0007】
本発明の一態様に係る緩み検出センサは、部品を固定するボルト又はナットの緩みを検出する緩み検出センサであって、前記緩み検出センサは、絶縁層と、該絶縁層を上下から挟む第１導電層と第２導電層とを備え、前記ボルトの軸とは直接接触せずに前記部品とボルト又は前記部品とナットで挟まれる座金形状であることを要旨とする。
【0008】
また、本発明の一態様に係る緩み検出方法は、上記緩み検出装置が実行する緩み検出方法であって、絶縁層と、該絶縁層を上下から挟む第１導電層と第２導電層とを備え、前記ボルトの軸とは直接接触せずに前記部品と前記ボルト又は前記部品と前記ナットで挟まれる座金形状である緩み検出センサに、所定の範囲の周波数の高周波信号を掃引して印加し、該高周波信号の反射波を受信する反射波受信ステップと、前記反射波のピーク値を記録するピーク値記録ステップと、前記ピーク値と過去の前記ピーク値とを比較し変化量を求める比較ステップと、前記変化量が閾値未満の場合は前記緩みがないと判定し、前記変化量が閾値以上の場合は前記緩みがあると判定する判定ステップとを行うことを要旨とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、施工上の課題が少なく、施工済みの設備への設置が容易な緩み検出センサ及びそれを用いた緩み検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の実施形態に係る緩み検出センサを用いたボルトの固定部分の一例を示す斜視図である。
【図3】本発明の第１実施形態に係る緩み検出センサと緩み検出装置を示す模式図である。
【図8】本発明の第２実施形態に係る緩み検出センサを示す模式図である。
【図10】本発明の第２実施形態に係る緩み検出センサを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。
【0012】
【0013】
図１に示す例は、部品１，２を鋼材の例で示す。二つの部品１，２を固定する構造は、この例に限定されない。ボルト４は複数で有っても良い。緩み検出センサ５は座金形状であり、部品１とボルト４、又は、部品２とナットの間に配置される。
【0014】
【0015】
図２に示すように、緩み検出センサ５は、例えばボルト４の首部４a側に配置される。又は、ナット６側に配置してもよい。また、首部４a側とナット６側の両方に配置しても構わない。
【0016】
緩み検出センサ５は、絶縁層５ｂを、第１導電層５ａと第２導電層５ｃとで挟む三層構造である。また、緩み検出センサ５は、ボルト４の軸４ｂとは直接接触せずに部品１とボルト４又は部品２とナット６で挟まれる座金形状である。
【0017】
座金形状の中央の穴の大きさは、緩みを検出したいボルト４の軸４ｂの直径以上の大きさであり、ボルト４の首部４ａと第１導電層５ａ、及び第２導電層５ｃと部品１は、それぞれ電気的に接続する。一方、ボルト４の軸４ｂとネジ部４ｃには直接接触しない形状である。
【0018】
第１・第２導電層５ａ，５ｃは、一般的な座金（ワッシャー）と同じ材料で構成される。例えば、SUS304,310,316等のステンレス材料及びそれらの金属の蒸着物を用いる。
【0019】
絶縁層５ｂは、例えば、PTFE,PTE等の弾力性のある樹脂を用いる。又は、酸化物やガラス等の樹脂以外の材料を用いてもよい。
【0020】
【0021】
緩み検出装置２００は、第１導電層５ａに、所定の範囲の周波数の高周波信号を掃引して印加し、緩み検出センサ５の共振周波数（固有振動数）を検出する。緩み検出センサ５の共振波長λ１は次式で表せる。共振波長λ１は、1次の固有振動数の波長である。
【0022】
【数1】
【0023】
共振波長λ１は、緩み検出センサ５の絶縁層５ｂに閉じ込められる高周波信号の波長である。よって、共振波長λ１は絶縁増５ｂの材料によって異なる。ここでＬは、座金形状のリング幅Ｗの中央を通る円の半周の長さである。ｎは1以上の整数である。
【0024】
共振周波数ｆは、ボルト４の締め付け具合で変化する。ボルト４が緩んでいる状態では緩み検出センサ５単体の共振周波数と同じである（式（１））。一方、ボルト４が締め付けられた状態では、緩み検出センサ５の内周部分がボルト４の頭部によってショートするので内周部分の電界強度が下がる。そのため、高周波信号の伝搬モードが変化し、式（１）で表される共振波長λ１が短くなる。このように、共振周波数の変化に基づいてボルト４の緩みを検出することができる。また、共振周波数の有無でボルト４の緩みを検出することもできる。
【0025】
【0026】
図５において、実線はボルト４が締まった状態、破線はボルト４が緩んだ状態の共振周波数を示す。約2.1GHzの共振周波数は、ボルト４が緩むことで約1.4GHZに変化する。また、約2.9GHZの共振周波数は、ボルト４が緩むことで約2.5GHZに変化する。
【0027】
このように、共振周波数の変化でボルト４の緩みを検出することができる。本実施形態に係る緩み検出センサ５は、ボルト４又はナット６で挟まれる座金形状であるため施工性に優れる。また、形状が円環状であるため作業者を傷つけるリスクが低く安全性が高い。
【0028】
次に、本発明の実施形態に係る緩み検出装置について説明する。
【0029】
【0030】
緩み検出装置２００は、周波数掃引部２０、高周波印加部２１、振動モード検出部２２、振動モード記録部２３、判定部２４，及び制御部２５を備える。制御部２５は、各機能構成部の動作を制御する機能構成部であり、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等からなるコンピュータで構成することができる。制御部２５をコンピュータで実現する場合は、振動モード検出部２２の一部、振動モード記録部２３、及び判定部２４もそのコンピュータで構成することが可能である。
【0031】
緩み検出装置２００は、緩み検出センサ５の第１導電層５ａに高周波信号を入力する。周波数掃引部２０は、所定の範囲の周波数を掃引する。高周波印加部２１は、周波数掃引部２０が掃引する周波数の高周波信号を生成し、緩み検出センサ５の第１導電層５ａに印加する（ステップＳ１）。
【0032】
振動モード検出部２２は、緩み検出センサ５の振動モードを検出する（ステップＳ２）。振動モードは、例えば、第１導電層５ａに入力される電流の特性を高速フーリエ（ＦＦＴ）変換することで求めることができる。
【0033】
又は、第１導電層５ａから反射される反射波を高速フーリエ変換して振動モードを検出するようにしても良い。反射波から検出する場合は、振動モード検出部２２は、導電性膜７と振動モード記録部２３との間に直列に接続される（図示せず）。振動モードの具体例は後述する。
【0034】
振動モード記録部２３は、振動モード検出部２２で検出された振動のピーク値を記録する（ステップＳ３）。振動のピーク値は、例えば第１導電層５ａから入力される電流の最大値で求めることができる。ピーク値は、例えば電流値と、その電流が流れる周波数とで表せる。
【0035】
判定部２４は、まず、得られたピーク値と過去に得られたピーク値とを比較し変化量を求める（ステップＳ４）。変化量は、例えば電流値と、周波数でも良いし、周波数だけでも良い。
【0036】
そして、判定部２４は、変化量が閾値未満の場合は緩みがないと判定し（ステップＳ６）、変化量が閾値以上の場合は緩みがあると判定する（ステップＳ７）。緩みの判定の具体例は後述する。
【0037】
以上説明したように本実施形態に係る緩み検出装置２００が実行する緩み検出方法は、上記の緩み検出装置２００が実行する緩み検出方法であって、絶縁層５ｂと、当該絶縁層５ｂを上下から挟む第１導電層５ａと第２導電層５ｃとを備え、ボルト４の軸４ｂとは直接接触せずに部品１とボルト４又は部品２とナット６で挟まれる座金形状である緩み検出センサ５に、所定の範囲の周波数の高周波信号を掃引して印加（ステップＳ１）し、該高周波信号の反射波を受信する反射波受信ステップ（ステップＳ２）と、
前記反射波のピーク値を記録するピーク値記録ステップ（ステップＳ３）と、
前記ピーク値と過去の前記ピーク値とを比較し変化量を求める比較ステップ（ステップＳ４）と、
前記変化量が閾値未満の場合は前記緩みがないと判定（ステップＳ６）し、前記変化量が閾値以上の場合は前記緩みがある（ステップＳ７）と判定する判定ステップ（ステップＳ５）とを行う。これにより、ボルト４による二つの部品１，２の締め付け部分の緩みを検出することができる。
前記反射波のピーク値を記録するピーク値記録ステップ（ステップＳ３）と、
前記ピーク値と過去の前記ピーク値とを比較し変化量を求める比較ステップ（ステップＳ４）と、
前記変化量が閾値未満の場合は前記緩みがないと判定（ステップＳ６）し、前記変化量が閾値以上の場合は前記緩みがある（ステップＳ７）と判定する判定ステップ（ステップＳ５）とを行う。これにより、ボルト４による二つの部品１，２の締め付け部分の緩みを検出することができる。
【0038】
なお、緩みの検出は、ピーク値が生じる態様に基づいて検出するようにしてもよい。態様とは、ピーク値を示す周波数の間隔が、例えば不均一な状態から均一な状態に変化する等のことである。
【0039】
【0040】
図８に示すように、第１導電層５２ａ、絶縁層５２ｂ、及び第２導電層５２ｃは円環状であり、第１導電層５２ａ又は第２導電層５２ｃに高周波信号を給電する給電点と、該給電点と反対側の第１導電層５２ａと第２導電層５２ｃの一点が導電性部材７で短絡されている。
【0041】
本実施形態に係る緩み検出センサ５２の共振波長λ２と座金形状のリング幅Ｗの中央を通る円の半周の長さＬとの関係は次式で表せる。
【0042】
【数2】
【0043】
ここで、mは奇数である。ボルト４が締まった状態における最も低い共振条件はm=1の場合である。また、円環の半周の長さで第１導電層５２ａと第２導電層５２ｃが短絡されているため、共振波長λは第１実施形態の場合と異なり次式に従って短波長側で共振することができる。
【0044】
【数3】
【0045】
ここでｍ=2n+1である。ｎは１以上の整数、mは3以上の奇数である。ゆえに共振波長λ２と共振周波長λ１の関係は次式で表せる。
【0046】
【数4】
【0047】
式（４）に示すように、第１実施形態に対して短波長側で共振することができる。したがって、本実施形態は設計の自由度を向上させることができる。
【0048】
【0049】
リング状のセンサはリングの半周の長さで共振しているが、センサ中央に対して給電点と反対側の位置においてショートさせた場合、ボルト４が緩んだ状態において、式（２）に示す共振波長が存在する。また、リングの半周の長さの端部が強制的に短絡されているため、各共振の波長は式（４）に従って短波長側にシフトする。
【0050】
式（２）に示す共振周波数を緩み検出に利用すれば、共振周波数を低周波数化することができる。また、式（３）に示す特徴を利用すれば、緩み検出センサ５よりも高周波側での検出が可能となる。
【0051】
なお、導電性部材７で第１導電層５２ａと第２導電層５２ｃを短絡させる位置は、円環状のどの位置であっても構わない。つまり、第１導電層５２ａ又は第２導電層５２ｃに高周波信号を給電する給電点と異なる位置の第１導電層５２ａと第２導電層５２ｃの一点が導電性部材７で短絡されていればよい。これにより、緩み検出センサの設計の自由度を高めることができる。
【0052】
{第３実施形態}
図１０は、本発明の第３実施形態に係る緩み検出センサを示す図である。図１０に示す緩み検出センサ５３は、上記の緩み検出センサ５，５２と同様に、絶縁層５３ｂ（図示せず）を、第１導電層５３ａと第２導電層５３ｃ（図示）せず）を挟み込む三層構造である。
図１０は、本発明の第３実施形態に係る緩み検出センサを示す図である。図１０に示す緩み検出センサ５３は、上記の緩み検出センサ５，５２と同様に、絶縁層５３ｂ（図示せず）を、第１導電層５３ａと第２導電層５３ｃ（図示）せず）を挟み込む三層構造である。
【0053】
本実施形態に係る緩み検出センサ５３は、ボルト４が緩んでいる場合、共振波長λは次式に従って現れる。
【0054】
【数5】
【0055】
ここでｎは整数である。
【0056】
一方、ボルト４が締まっている場合、緩み検出センサ５の内周部分の電界強度が下がるため高周波信号の伝搬モードが変化し、式（５）で表される共振波長λが短くなる。このように、共振周波数の波長に基づいてボルト４の緩みを検出することができる。また、共振周波数の有無でボルト４の緩みを検出することもできる。
【0057】
【0058】
ボルト４が緩んでいる場合は、センサの共振波長λは、長さＬに依存して式（５）に従って現れる。一方、センサが締まっている場合は、センサの内周の電界強度が低下した共振モードが形成されて共振周波数が高周波側にシフトする。
【0059】
【0060】
【0061】
図１３に示すように、ボルト４が緩む（破線）と、共振周波数は凡そ等間隔（式（５））に変化する。
【0062】
本実施形態に係る緩み検出センサ５３は、ボルト４又はナット６の下に挿入な能な平面形状であればよい。要するに、絶縁層５３ｂ、第１導電層５３ａ、及び第２導電層５３ｃのそれぞれは、ボルト４の軸４ｂと直交する方向からボルト４又はナット６の下に挿入可能な平面形状である。これにより、施工済みのボルト４を取り外すことなく緩み検出センサ５３を配置することができる。
【0063】
以上述べたように、本実施形態に係る緩み検出センサ５，５２，５３、及び緩み検出センサ５と緩み検出装置２００を用いた緩み検出方法によれば、2つの部品の固定部分に挟まれた緩み検出センサ５，５２，５３の固有振動数の変化に基づいて、当該部分を固定するボルト４又はナット６の緩みを検出する。よって、検査対象が見難い場所、又は、遠方で目視点検が困難な部分の検査にも好適である。
【0064】
また、緩み検出センサ５，５２，５３と緩み検出装置２００を、離して配置すれば遠隔でボルトの緩みを検出することができる。緩み検出センサ５と緩み検出装置２００の間は、マイクロスプリットライン等の高周波信号線で接続すれば良い。また、導波管等で接続するようにしても良い。
【0065】
また、構造上の要の部分のボルト４の近傍に緩み検出装置２００を配置して、検出結果を無線で送信するようにしても良い。そうすることで、検査に伴う危険性を排除することが出来る。また、検査コストを削減することも可能である。
【0066】
なお、本発明の緩み検出センサ５，５２，５３は、上記の実施形態１～３に限定されない。2つの部品１，２をボルト４で固定する構造に広く適用することが可能である。また、部品１の表面が導電性を持つ場合は、第２導電層５ｃは無くても構わない。
【0067】
このように本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。
【符号の説明】
【0068】
１，２：部品
４：ボルト
４ａ：首部
４ｂ：軸
４ｃ：ネジ部
５：緩み検出センサ
５ａ：第１導電層
５ｂ：絶縁層
５ｃ：第２導電層
６：ナット
７：導電性部材
９：ワッシャー
２００：緩み検出装置
２０：周波数掃引部
２１：高周波印加部
２２：振動モード検出部
２３：振動モード記録部
２４：判定部
２５：制御部
４：ボルト
４ａ：首部
４ｂ：軸
４ｃ：ネジ部
５：緩み検出センサ
５ａ：第１導電層
５ｂ：絶縁層
５ｃ：第２導電層
６：ナット
７：導電性部材
９：ワッシャー
２００：緩み検出装置
２０：周波数掃引部
２１：高周波印加部
２２：振動モード検出部
２３：振動モード記録部
２４：判定部
２５：制御部
【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】