特許 7542503 検査システム及び検査方法

(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】2024-08-22

(45)【発行日】2024-08-30

(54)【発明の名称】検査システム及び検査方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/07 20060101AFI20240823BHJP

   G01N 29/14 20060101ALI20240823BHJP

【ＦＩ】

G01N29/07

G01N29/14

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021151060

(22)【出願日】2021-09-16

(65)【公開番号】P2023043422

(43)【公開日】2023-03-29

【審査請求日】2023-03-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】碓井 隆

【審査官】横尾 雅一

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１２４２３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１９４５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５４－１４５５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４４８７０６８（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開昭５４－１４７８８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－００２５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１３１０９４５０（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００ － Ｇ０１Ｎ ２９／５２

Ｇ０１Ｈ １／００ － Ｇ０１Ｈ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸状の検査対象物を伝搬する第１弾性波に起因して、前記検査対象物から外部に放出される第２弾性波を検出する１以上のセンサを備え、
前記１以上のセンサは、前記検査対象物から離れた位置に固定して配置され、指向性の方向が前記検査対象物の軸線に対して所定の角度で傾斜しており、
前記検査対象物は、中空の回転ローラーであるガイドローラーにより移動を補助される、１つ又は複数の被ガイド部材であり、
前記１以上のセンサは、前記被ガイド部材の損傷により発生し、ガイドローラーに伝わる弾性波を第１弾性波とし、ガイドローラーから外部に放出される弾性波を前記第２弾性波として検出する、検査システム。

【請求項2】

前記センサは、前記指向性の方向が前記検査対象物の長手方向における中央部に向かって所定の角度傾斜している、
請求項１に記載の検査システム。

【請求項3】

前記所定の角度は、前記第２弾性波の速度をＶとし、前記第１弾性波の速度をＶ_ａｅとすると、以下の式（１）で表される、
請求項１又は２に記載の検査システム。

【数1】

なお、上式（１）におけるｖは空気中の音速Ｖ _ａｉｒ 又は水中の音速Ｖ _ｕｗ である。

【請求項4】

前記所定の角度は、前記１以上のセンサの共振周波数及び電気回路の統合特性で決まる中心周波数と、前記検査対象物の軸径と、に基づいて得られる、
請求項１又は２に記載の検査システム。

【請求項5】

前記検査対象物は、前記第１弾性波の波長よりも小さい径を有する中実構造、もしくは前記第１弾性波の波長よりも小さい板厚を有する中空構造の少なくともいずれか一方である、
請求項１から４のいずれか一項に記載の検査システム。

【請求項6】

前記検査対象物は、軸を中心に回転する中実の回転軸、又は、中空の回転ローラーである、
請求項１から５のいずれか一項に記載の検査システム。

【請求項7】

前記検査対象物は、軸に沿って直動する対象物である、
請求項１から５のいずれか一項に記載の検査システム。

【請求項8】

前記１以上のセンサは、複数のセンサであり、
前記複数のセンサそれぞれで検出された前記第２弾性波に基づいて、前記検査対象物、又は、前記検査対象物に接する物体上で発生した弾性波の発生源の位置を標定する位置標定部をさらに備える、
請求項１から７のいずれか一項に記載の検査システム。

【請求項9】

前記位置標定部により標定された前記弾性波の発生源の位置に基づいて、前記検査対象物、又は、前記検査対象物に接する物体の劣化状態を評価する評価部をさらに備える、
請求項８に記載の検査システム。

【請求項10】

軸状の検査対象物を伝搬する第１弾性波に起因して、前記検査対象物から外部に放出される第２弾性波を検出する複数のセンサであって、前記検査対象物から離れた位置に固定して配置され、指向性の方向が前記検査対象物の軸線に対して所定の角度で傾斜している前記複数のセンサそれぞれで検出された前記第２弾性波に基づいて、前記検査対象物、又は、前記検査対象物に接する物体上で発生した弾性波の発生源の位置を標定し、
前記検査対象物は、中空の回転ローラーであるガイドローラーにより移動を補助される、１つ又は複数の被ガイド部材であり、
前記複数のセンサは、前記被ガイド部材の損傷により発生し、ガイドローラーに伝わる弾性波を第１弾性波とし、ガイドローラーから外部に放出される弾性波を前記第２弾性波として検出する、検査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、検査システム及び検査方法に関する。

【背景技術】

【0002】

検査の対象となる構造物（被検査物）を破壊することなく、機械装置や構造物の損傷を検知する、いわゆる非破壊検査技術が知られている。近年の情報技術の発展に伴い、特に機械装置本来の機能を作動させながら損傷を検知する、いわゆるモニタリング技術の需要が高まっている。その１つとして、亀裂の発生、進展、こすれ等に伴い発生する弾性波を、高感度センサにより検出するアコースティック・エミッション（ＡＥ：Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）方式により、機械装置の損傷を早期に検出する技術が知られている。

【0003】

しかしながら、従来の技術では、検査対象物にセンサを接触して配置する必要があり、機械装置の機能を維持したまま損傷を検知できない場合があった。例えば、従来の技術は、回転軸やローラーなどの軸状の検査対象物には適用できない場合があった。このような問題は、軸状の検査対象物で発生した弾性波を検出する場合に限らず、軸状の検査対象物を介して伝搬する弾性波を検出する場合全てに共通する課題である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平９－２１０８６０号公報

【文献】特開２００４－９３１８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、軸状の検査対象物を介して伝搬する弾性波を精度よく検出することができる検査システム及び検査方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態の検査システムは、１以上のセンサを持つ。１以上のセンサは、軸状の検査対象物を伝搬する第１弾性波に起因して、前記検査対象物から外部に放出される第２弾性波を検出する。前記１以上のセンサは、前記検査対象物から離れた位置に固定して配置され、指向性の方向が前記検査対象物の軸線に対して所定の角度で傾斜している。前記検査対象物は、中空の回転ローラーであるガイドローラーにより移動を補助される、１つ又は複数の被ガイド部材である。前記１以上のセンサは、前記被ガイド部材の損傷により発生し、ガイドローラーに伝わる弾性波を第１弾性波とし、ガイドローラーから外部に放出される弾性波を前記第２弾性波として検出する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】棒状部材を伝わる弾性波の概念図。

【図2】空気中に放出される波動の波面をシミュレーションした結果を示す図。

【図3】実施形態におけるセンサの配置を説明するための図。

【図4】各軸径におけるＬモードとＦモードの周波数と速度との関係を示す図。

【図5】従来のセンサ配置の問題点を示す図。

【図6】ローラーで発生する弾性波をより精度よく検出するためのセンサ配置の一例を示す図。

【図7】実施形態における検査システム１００の構成を表す図。

【図8】実施形態における信号処理部３０の機能を表す概略ブロック図。

【図9】実施形態における検査システム１００の処理の流れを示すシーケンス図。

【図10】実施形態における検査対象物の別例を示す図。

【図11】実施形態における検査対象物の別例を示す図。

【図12】実施形態における検査対象物の別例を示す図。

【図13】図１２に示す例のセンサ配置のバリエーションを示す図。

【図14】実施形態における検査対象物の別例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、実施形態の検査システム及び検査方法を、図面を参照して説明する。
（概要）
実施形態における検査システムは、軸状の検査対象物を介して伝搬する弾性波を精度よく検出するシステムである。このような効果を得るために、実施形態における検査システムでは、軸状の検査対象物を伝搬する弾性波（第１弾性波）に起因して、軸状の検査対象物の外部（例えば、空気中又は海中）に放出される弾性波（第２弾性波）を、軸状の検査対象物から離れた位置に固定して配置され、センサの指向性の方向が軸状の検査対象物の軸線に対して所定の角度で傾斜している１以上のセンサで検出する。ここで、軸状の検査対象物は、少なくとも軸状の検査対象物を伝搬する弾性波の波長よりも小さい径を有する中実構造、又は、軸状の検査対象物を伝搬する弾性波の波長よりも小さい板厚を有する中空構造の少なくともいずれか一方を有する部材であって、以下の１）～３）のいずれかである。
１）軸を中心に回転する中実の回転軸、又は、中空の回転ローラー
２）１つ又は複数の被ガイド部材の移動を補助するために設けられたガイドローラー
３）軸に沿って直動する部材（例えば、鋼製ワイヤロープ）

【0009】

次に、軸状の検査対象物における弾性波の伝搬について説明する。軸上で、き裂等により発生した弾性波は、軸内を材料固有の速度で伝搬する。例えば丸棒内を伝搬する弾性波は、後述する理論で示す通り、材料固有の値（例えば、材料固有の材料内部を伝搬する速度）と、形状（例えば、軸径）のパラメータとによって、所定の速度ｖ_ａｅで伝搬する。材料表面のある点に着目すると、弾性波の伝搬に伴い、変位する。これが点音源となり、ホイヘンス＝フレネルの原理により、空気中に波動を放出する。この時に空気中に伝わる波の速度は、空気中の音速（ｖ_ａｉｒ＝３４０．２９［ｍ／ｓ］）となる。

【0010】

図１は、棒状部材１を伝わる弾性波の概念図である。図１（Ａ）には棒状部材１を伝わる弾性波ＡＥの例を示し、図１（Ｂ）には空気中に放出される弾性波の角度を示している。弾性波ＡＥの伝搬に伴い、点音源が移動することを考えると、空気中に放出される波動の波面は、鉛直方向を基準とすると、下記式（１）で表される角度θだけ、傾斜することになる。

【0011】

【数1】

【0012】

式（１）におけるｖ_ａｅは、上述したように材料の経と、材料内部を伝播する波の速度に基づいて算出される。従って、軸状の検査対象物内を伝搬する弾性波の速度が既知であれば、上記式（１）に基づいて、空気中に放出される波面の角度を推定することができる。空気中に放出される波動の波面をシミュレーションした結果を図２に示す。図２におけるＡｉｒで示される領域は音圧の値を表し、図２における符号１は棒状部材を表す。棒状部材１内部においては速度の値が示されている。図２の左図に示す状態において、ＳＲで示す位置で微小振動を与えた場合、図２の右図に示すように弾性波が伝搬している様子が見て取れる。さらに、図２の右図において、空気中に漏洩する音波面が示されている。

【0013】

空気中に漏洩する音波は、指向性の高いセンサ１０を用いて検出することができる。図３では、空気中に漏洩する音波をセンサ１０で検出する例として、検査対象物の一例である棒状部材１を用いている。図３に示す棒状部材１は、軸を中心に回転する中実の回転軸である。図３に示すように、式（１）に基づいて得られる波面の角度と、センサ１０の指向性方向を一致させることによって、感度よく、空中に放出される音波（第２弾性波）を検出することが可能になる。そこで、本実施形態における検査システムでは、１以上のセンサ１０を検査対象物から離れた位置に固定して配置し、１以上のセンサ１０の指向性の方向を検査対象物の軸線に対して式（１）に基づいて得られる角度で傾斜させることで、波面の角度と、センサ１０の指向性方向を一致させる。例えば、１以上のセンサ１０は、指向性の方向が検査対象物の長手方向における中央部に向かって所定の角度傾斜している。なお、センサ１０の角度を固定する方法は、アクチュエータを用いてもよいし、その他の手段で角度を固定してもよい。本実施形態における検査システムでは、式（１）に基づいて得られる角度で、手動又は自動で傾斜させればよい。

【0014】

上述した方法は、検査対象物内部を伝搬する弾性波の速度が既知である場合に可能となる。一方で、全ての検査対象物において検査対象物内部を伝搬する弾性波の速度が既知であるとは限らない。そこで、検査対象物内部を伝搬する弾性波の速度が不明の場合には、最大の検出感度となる角度を求めることによって、上記式（１）より、材料中で発生した弾性波の速度ベクトルを検出することができる。

【0015】

検査対象物を構成する軸が回転していることを考慮すると、弾性波のモードによって取り扱いが異なる。軸に対して対称に弾性波が伝搬する軸対称モード（Ｌモード）の場合、回転軸に対して放射状に漏洩弾性波が放出される。そのため、軸の回転が、検出する信号に影響しないことは明らかである。

【0016】

一方、非対称モード（Ｆモード）の場合、回転軸に対して非対称な伝搬となる。そのため、回転周波数ｆ_ａｘｌｅが、弾性波の周波数ｆ_ａｅに対して、十分遅いとみなせる場合には、軸の回転の影響を無視することができる。例えば、以下の式（２）に示す関係にあるときに、軸の回転の影響がなく弾性波を検出することができる。ここでいう軸の回転の影響がないとは、弾性波の周波数が軸の回転の周波数よりも非常に大きいために、軸の回転の影響が小さすぎるために無視できることを意味する。

【0017】

【数2】

【0018】

（軸中の弾性波の伝搬速度に関する理論的背景）
弾性波動論における支配方程式は、物質固有の値であるＬａｍｅ定数をλ、μ、変位ｕ、時刻ｔとして以下の式（３）で表される。

【0019】

【数3】

【0020】

さらにヘルムホルツの定理を用いて、以下の式（４）で示される縦波、横波の２つの波動方程式が導き出せる。

【0021】

【数4】

【0022】

それぞれの速度は、Ｌａｍｅ定数により以下の式（５）となる。

【0023】

【数5】

【0024】

さらに、材料が波長よりも小さい径を有する軸の場合、縦波と横波とが境界で相互に変換され、所定の位相条件を満たした合成波がある波数の進行波として観測され、ガイド波と呼ばれるモードが生じる。形状が丸棒であるとき、丸棒内を伝搬する弾性波は以下の式（６）に示す厳密解が導出できることが知られている。

【0025】

【数6】

【0026】

ガイド波の位相速度ｖ_{ｐｈａｓｅ}と群速度ｖ_{ｇｒｏｕｐ}はそれぞれ、以下の式（７）に示す関係になる。

【0027】

【数7】

【0028】

以上の結果として、周波数ｆと速度ｖ_{ｐｈａｓｅ}，ｖ_{ｇｒｏｕｐ}の関係を求めることができる。すなわち材料固有の値と、形状（この場合は軸径）のパラメータ及び周波数によって、速度を求めることができる。速度分散の計算例を図４に示す。図４では、各軸径（φ２０、φ３３．６）におけるＬモードとＦモードの周波数と速度との関係を示している。Ｌモードは軸対称モードを表し、Ｆモードはたわみモード（非対称モード）を表している。図４における符号１５は、軸径φ２０のＦモードの周波数と速度との関係を示し、図４における符号１６は、軸径φ３３．６のＦモードの周波数と速度との関係を示す。図４における符号１７は、軸径φ２０のＬモードの周波数と速度との関係を示し、図４における符号１８は、軸径φ３３．６のＬモードの周波数と速度との関係を示す。

【0029】

図４によれば、周波数（センサ共振周波数）と軸径とを事前情報として用いることで弾性波の速度が特定できることを示している。その結果、検査対象物内部を伝搬する弾性波の速度が既知でない場合であっても、上述した式（１）に基づいて最適なセンサ設置角度を求めることができる。弾性波の速度が既知でない場合における所定の角度は、１以上のセンサ１０の共振周波数及び電気回路の統合特性で決まる中心周波数と、検査対象物の軸径とに基づいて得られる。ここで、電気回路は、センサ１０から出力される電気信号を処理する電子回路であり、例えば信号処理部である。信号処理部には、測定帯域外のノイズを除去するバンドパスフィルタが備えられる。バンドパスフィルタは、目的の周波数を通過させ、それ以外の周波数を除去する周波数特性を有している。センサ１０は、一般的に、周波数によって感度が変わる特性を持っている。特に、実施形態における振動を検出するセンサ１０は、機械的な共振周波数において、感度が最大になる周波数特性を有している。センサ１０の周波数特性Ａと、バンドパスフィルタの周波数特性Ｂの統合特性として、中心周波数を選択することができる。すなわち、センサ１０とバンドパスフィルタを選択することで、観測する周波数を選択することができる。

【0030】

次に、検査対象物の他の具体例を挙げて、センサによる弾性波の具体的な検出方法について説明する。
（第１例：検査対象物が、中空の回転ローラーである場合）
図５では、ローラーＲと、軸受と、固定軸２とで構成される部材３を例に説明する。ローラーＲは、中空の回転ローラーである。ローラーＲは通常、軸受を介して、固定軸２と接触している。一般的に、接触式のセンサ１１を用いて損傷を検知する場合には、図５（Ａ）に示すように固定軸２上にセンサ１１を設置することになる。図５（Ａ）のＳＲ（ａ）で示すように発信源が固定軸２上にある場合、弾性波は固定軸２上を伝搬し、少ない減衰でセンサ１１に到達する。

【0031】

一方で、図５（Ａ）のＳＲ（ｂ）で示すようにローラーＲ上で発生した弾性波は、軸受を介して固定軸２からセンサ１１へ到達することになる。軸受はボールや円筒などの球体、もしくは曲面で接触しており、接触面積を小さくするような構造がとられている。そのため、軸受を通過することで弾性波のエネルギー伝搬阻害され、減衰が非常に大きくなってしまう。

【0032】

図５（Ｂ）には、各ＳＲ（ａ）及びＳＲ（ｂ）を弾性波源として発生した弾性波をセンサ１１で検出した際の信号を示している。図５（Ｂ）の上図（例えば、（ａ））は、図５（Ａ）のＳＲ（ａ）で示す位置が弾性波源であった場合にセンサ１１で検出した弾性波を表す。図５（Ｂ）の下図（例えば、（ｂ））は、図５（Ａ）のＳＲ（ｂ）で示す位置が弾性波源であった場合にセンサ１１で検出した弾性波を表す。図５（Ｂ）から明らかなように、ローラーＲ上で発生した弾性波は、減衰が非常に大きくなってしまいほとんど検出されていないことがわかる。

【0033】

そこで、ローラーＲで発生する弾性波をより精度よく検出するためのセンサ配置を図６に示す。図６（Ａ）には、従来手法と提案手法とのセンサ配置を示す。従来手法では、図５（Ａ）で示したように固定軸２上にセンサ１１を配置している。一方、提案手法では、図３で説明したように波面の角度と、センサ１０の指向性方向を一致させるように、センサ１０を固定して配置している。

【0034】

図６（Ｂ）は、提案手法で配置したセンサ１０で検出した信号を表し、図６（Ｃ）は、従来手法で配置したセンサ１１で検出した信号を表す。提案手法では、従来手法に比べ、発生した弾性波を高い信号対雑音比（ＳＮ比）で検出できていることが分かる。このように、提案手法のセンサ配置では、中空の回転ローラーにおいても弾性波を精度よく検出することができる。

【0035】

提案手法におけるセンサ配置を利用して、２つのセンサ１０－１～１０－２を軸両端部に向けて配置し、センサ１０－１～１０－２それぞれへの弾性波の到達時間差を求めることで、弾性波の発生源（以下「弾性波源」という。）の位置を標定することもできる。以下、詳細に説明する。

【0036】

（第１例における具体的な処理の説明）
図７は、実施形態における検査システム１００の構成を表す図である。検査システム１００は、複数のセンサ１０－１～１０－ｎ（ｎは２以上の整数）、増幅器２０、信号処理部３０及び検査装置４０を備える。センサ１０－１～１０－ｎと増幅器２０とは、有線により接続される。増幅器２０と信号処理部３０とは、有線により接続される。図７では、センサ１０が２つの場合を例に説明する。以下の説明では、センサ１０－１～１０－ｎについて特に区別しない場合には、単にセンサ１０と記載する。

【0037】

センサ１０－１及び１０－２は、部材３の両端部付近において部材３から離れた位置に固定して配置され、指向性の方向が検査対象物の軸線に対して所定の角度で傾斜して配置される。例えば、センサ１０－１及び１０－２は、指向性の方向がローラーＲの長手方向における中央部に向かって式（１）に基づいて得られる角度で傾斜させて配置される。センサ１０－１及び１０－２は、部材３を伝搬する弾性波ＡＥに起因して、部材３から外部（例えば、空気中）に放出される弾性波（図７で示す漏洩弾性波）を検出する。ここで、図７では、ローラーＲ上のＳＲで示す位置が弾性波源であるとする。弾性波源ＳＲで発生した弾性波ＡＥは、ローラーＲ中を伝搬して外部に放出される。センサ１０－１及び１０－２は、検出した弾性波を電気信号に変換する。なお、部材３におけるＢは、ベアリングを表す。

【0038】

センサ１０には、例えば１０ｋＨｚ～１ＭＨｚの範囲に感度を有する圧電素子が用いられる。センサ１０としてより好適なものは、１００ｋＨｚ～２００ｋＨｚに感度を有する圧電素子である。センサ１０は、周波数範囲内に共振ピークをもつ共振型、共振を抑えた広帯域型等の種類があるが、センサ１０の種類はいずれでもよい。センサ１０が弾性波を検出する方法は、電圧出力型、抵抗変化型及び静電容量型等があるが、いずれの検出方法でもよい。センサ１０は、増幅器を内蔵していてもよい。

【0039】

センサ１０に代えて加速度センサが用いられてもよい。この場合、加速度センサは、棒状部材１を伝搬する弾性波ＡＥに起因して、棒状部材１から外部に放出される弾性波を検出する。加速度センサは、センサ１０と同様の処理を行うことによって、検出した弾性波を電気信号に変換する。

【0040】

増幅器２０は、各センサ１０によって検出された電気信号を増幅する。増幅器２０は、増幅後の電気信号を信号処理部３０に出力する。

【0041】

信号処理部３０は、増幅器２０から出力された電気信号を入力とする。信号処理部３０は、入力した電気信号に対して信号処理を行う。信号処理部３０が行う信号処理は、例えば、ノイズ除去、到達時刻の決定、パラメータ抽出等である。信号処理部３０は、信号処理により得られた弾性波の特徴量のデータを送信データとして検査装置４０に出力する。

【0042】

信号処理部３０は、アナログ回路又はデジタル回路を用いて構成される。デジタル回路は、例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やマイクロコンピュータにより実現される。不揮発型のＦＰＧＡを用いることで、待機時の消費電力を抑えることができる。デジタル回路は、専用のＬＳＩ（Large-Scale Integration）により実現されてもいい。信号処理部３０は、フラッシュメモリ等の不揮発メモリや、取り外し可能なメモリを搭載してもよい。

【0043】

検査装置４０は、信号処理部３０から送信された所定期間分の送信データを用いて、棒状部材１の検査を行う。

【0044】

図８は、実施形態における信号処理部３０の機能を表す概略ブロック図である。信号処理部３０は、フィルタ３１、Ａ／Ｄ変換器３２、波形整形フィルタ３３、ゲート生成回路３４、到達時刻決定部３５、特徴量抽出部３６、送信データ生成部３７、メモリ３８及び出力部３９を備える。

【0045】

フィルタ３１では、増幅器２０から出力された電気信号において信号帯域以外のノイズ成分が除去される。フィルタ３１は、例えばバンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Band pass filter）である。フィルタ３１では、上述した周波数特性Ｂを有するバンドパスフィルタに相当する。

【0046】

Ａ／Ｄ変換器３２は、ノイズ成分が除去された電気信号を量子化してデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器３２は、デジタル信号を波形整形フィルタ３３に出力する。

【0047】

波形整形フィルタ３３は、入力された時系列データのデジタル信号から所定の信号帯域外のノイズ成分を除去する。波形整形フィルタ３３は、例えばバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。波形整形フィルタ３３は、例えばフィルタ３１と同じ周波数帯域を通過させるように設定されているものとする。波形整形フィルタ３３は、ノイズ成分除去後の信号（以下「ノイズ除去信号」という。）をゲート生成回路３４及び特徴量抽出部３６に出力する。

【0048】

ゲート生成回路３４は、波形整形フィルタ３３から出力されたノイズ除去信号を入力とする。ゲート生成回路３４は、入力したノイズ除去信号に基づいてゲート信号を生成する。ゲート信号は、ノイズ除去信号の波形が持続しているか否かを示す信号である。

【0049】

ゲート生成回路３４は、例えばエンベロープ検出器及びコンパレータにより実現される。エンベロープ検出器は、ノイズ除去信号のエンベロープを検出する。エンベロープは、例えばノイズ除去信号を二乗し、二乗した出力値に対して所定の処理（例えばローパスフィルタを用いた処理やヒルベルト変換）を行うことで抽出される。コンパレータは、ノイズ除去信号のエンベロープが所定の閾値以上であるか否かを判定する。

【0050】

ゲート生成回路３４は、ノイズ除去信号のエンベロープが所定の閾値以上となった場合、ノイズ除去信号の波形が持続していることを示す第１のゲート信号を到達時刻決定部３５及び特徴量抽出部３６に出力する。一方、ゲート生成回路３４は、ノイズ除去信号のエンベロープが所定の閾値未満になった場合、ノイズ除去信号の波形が持続していないことを示す第２のゲート信号を到達時刻決定部３５及び特徴量抽出部３６に出力する。

【0051】

到達時刻決定部３５は、不図示の水晶発振器などのクロック源から出力されるクロックと、ゲート生成回路３４から出力されたゲート信号とを入力とする。到達時刻決定部３５は、第１のゲート信号が入力されている間に入力されたクロックを用いて、弾性波到達時刻を決定する。到達時刻決定部３５は、決定した弾性波到達時刻を時刻情報として送信データ生成部３７に出力する。到達時刻決定部３５は、第２のゲート信号が入力されている間に処理を行わない。到達時刻決定部３５は、クロック源からの信号をもとに、電源投入時からの累積の時刻情報を生成する。具体的には、到達時刻決定部３５は、クロックのエッジをカウントするカウンタとし、カウンタのレジスタの値を時刻情報とすればよい。カウンタのレジスタは所定のビット長を有するように決定される。

【0052】

特徴量抽出部３６は、波形整形フィルタ３３から出力されたノイズ除去信号と、ゲート生成回路３４から出力されたゲート信号とを入力とする。特徴量抽出部３６は、第１のゲート信号が入力されている間に入力されたノイズ除去信号を用いて、ノイズ除去信号の特徴量を抽出する。特徴量抽出部３６は、第２のゲート信号が入力されている間に処理を行わない。特徴量は、ノイズ除去信号の特徴を示す情報である。

【0053】

特徴量は、例えば波形の振幅［ｍＶ］、波形の立ち上がり時間［ｕｓｅｃ］、ゲート信号の持続時間［ｕｓｅｃ］、ゼロクロスカウント数［ｔｉｍｅｓ］、波形のエネルギー［ａｒｂ．］、周波数［Ｈｚ］及びＲＭＳ（Root Mean Square：二乗平均平方根）値等である。特徴量抽出部３６は、抽出した特徴量に関するパラメータを送信データ生成部３７に出力する。特徴量抽出部３６は、特徴量に関するパラメータを出力する際に、特徴量に関するパラメータにセンサＩＤを対応付ける。センサＩＤは、検査対象物から離れた位置に設置されているセンサ１０を識別するための識別情報を表す。これにより、特徴量に関するパラメータが、どのセンサ１０により検出された弾性波の特徴量であるのかを特定することができる。

【0054】

波形の振幅は、例えばノイズ除去信号の中で最大振幅の値である。波形の立ち上がり時間は、例えばゲート信号の立ち上がり開始からノイズ除去信号が最大値に達するまでの時間Ｔ１である。ゲート信号の持続時間は、例えばゲート信号の立ち上がり開始から振幅が予め設定される値よりも小さくなるまでの時間である。ゼロクロスカウント数は、例えばゼロ値を通る基準線をノイズ除去信号が横切る回数である。

【0055】

波形のエネルギーは、例えば各時点においてノイズ除去信号の振幅を二乗したものを時間積分した値である。なお、エネルギーの定義は、上記例に限定されず、例えば波形の包絡線を用いて近似されたものでもよい。周波数は、ノイズ除去信号の周波数である。ＲＭＳ値は、例えば各時点においてノイズ除去信号の振幅を二乗して平方根により求めた値である。

【0056】

送信データ生成部３７は、センサＩＤと、時刻情報と、特徴量に関するパラメータとを入力とする。送信データ生成部３７は、入力したセンサＩＤと、時刻情報と、特徴量に関するパラメータとを含む送信データを生成する。送信データ生成部３７は、生成した送信データをメモリ３８に記録してもよいし、メモリ３８に記録せずに出力部３９に出力してもよい。

【0057】

メモリ３８は、送信データを記憶する。メモリ３８は、例えばデュアルポートＲＡＭ（Random Access Memory）である。

【0058】

出力部３９は、メモリ３８に記憶されている送信データ、又は、送信データ生成部３７から出力された送信データを検査装置４０に逐次出力する。

【0059】

図７に戻って説明を続ける。
検査装置４０は、通信部４１、制御部４２、記憶部４３及び表示部４４を備える。

【0060】

通信部４１は、信号処理部３０から送信された送信データを受信する。通信部４１は、受信した送信データを制御部４２に出力する。

【0061】

制御部４２は、検査装置４０全体を制御する。制御部４２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサやメモリを用いて構成される。制御部４２は、プログラムを実行することによって、取得部４２１、イベント抽出部４２２、位置標定部４２３及び評価部４２４として機能する。

【0062】

取得部４２１、イベント抽出部４２２、位置標定部４２３及び評価部４２４の機能部のうち一部または全部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）、ＦＰＧＡなどのハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置などの非一時的な記憶媒体である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

【0063】

取得部４２１、イベント抽出部４２２、位置標定部４２３及び評価部４２４の機能の一部は、予め検査装置４０に搭載されている必要はなく、追加のアプリケーションプログラムが検査装置４０にインストールされることで実現されてもよい。

【0064】

取得部４２１は、各種情報を取得する。例えば、取得部４２１は、通信部４１によって受信された送信データを取得する。取得部４２１は、取得した送信データを記憶部４３に保存する。

【0065】

イベント抽出部４２２は、記憶部４３に記憶されている送信データの中から１イベントにおける送信データを抽出する。イベントとは、棒状部材１で起こった弾性波発生事象を表す。本実施形態における弾性波発生事象は、棒状部材１における損傷である。１回のイベントが発生した場合、複数のセンサ１０で略同時刻に弾性波が検出されることになる。すなわち、記憶部４３には、略同時刻に検出された弾性波に関する送信データが記憶されていることになる。そこで、イベント抽出部４２２は、所定の時間窓を設け、到達時刻が時間窓の範囲内に存在する全ての送信データを１イベントにおける送信データとして抽出する。イベント抽出部４２２は、抽出した１イベントにおける送信データを位置標定部４２３に出力する。

【0066】

時間窓の範囲Ｔｗは、対象とする台車１における弾性波伝搬速度ｖと、最大のセンサ間隔ｄｍａｘを用いて、Ｔｗ≧ｄｍａｘ／ｖの範囲になるように決定してもよい。誤検出を避けるためには、Ｔｗをできるだけ小さい値に設定することが望ましいため、実質的にはＴｗ＝ｄｍａｘ／ｖとすることができる。弾性波伝搬速度ｖは、予め求められていてもよい。

【0067】

なお、イベント抽出部４２２は、送信データに含まれるパラメータ間の類似度を計算することで、１イベントにおける送信データを抽出してもよい。具体的には、イベント抽出部４２２は、類似度が所定の閾値以上となる送信データを同一の発生源から発生した弾性波から得られたデータとする。類似度の算出には、例えば標準ユークリッド距離、ミンコフスキー距離、マハラノビス距離が用いられてもよい。

【0068】

位置標定部４２３は、イベント抽出部４２２によって抽出された１イベントにおける複数の送信データそれぞれに含まれるセンサＩＤと、時刻情報と、センサ位置情報に基づいて弾性波源の位置を標定する。センサ位置情報には、センサＩＤに対応付けてセンサ１０の設置位置に関する情報が含まれる。

【0069】

評価部４２４は、位置標定部４２３における標定結果に基づいて、検査対象物、又は、検査対象物に接する物体の劣化状態を評価する。評価部４２４は、標定結果に基づいて、弾性波源の空間密度が所定の閾値以上となった領域に損傷があると評価する。

【0070】

記憶部４３は、取得部４２１によって取得された送信データ及びセンサ位置情報を記憶する。記憶部４３は、磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成される。

【0071】

表示部４４は、制御部４２の制御に従って情報を表示する。例えば、表示部４４は、位置標定部４２３による特定結果を表示する。表示部４４は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等の画像表示装置である。表示部４４は、画像表示装置を検査装置４０に接続するためのインタフェースであってもよい。この場合、表示部４４は、特定結果を表示するための映像信号を生成し、自身に接続されている画像表示装置に映像信号を出力する。

【0072】

図９は、実施形態における検査システム１００の処理の流れを示すシーケンス図である。
各センサ１０－１～１０－２は、棒状部材１に生じた損傷から発生した弾性波に起因して、棒状部材１の外部に放出された弾性波を検出する。各センサ１０－１～１０－２は、検出した弾性波を電気信号に変換して増幅器２０に出力する。信号処理部３０は、増幅器２０により増幅された弾性波の電気信号を取得する（ステップＳ１０１）。信号処理部３０は、取得した各電気信号に対して信号処理を行う（ステップＳ１０２）。具体的には、信号処理部３０は、各電気信号に対してノイズ除去、到達時刻の決定、パラメータ抽出等の信号処理を行う。信号処理部３０は、上記の信号処理をセンサ１０から電気信号が得られる度に実行する。

【0073】

信号処理部３０は、信号処理後のデータを用いてセンサ１０毎の送信データを生成する（ステップＳ１０３）。信号処理部３０は、生成したセンサ１０毎の送信データを検査装置４０に送信する（ステップＳ１０４）。ここで、信号処理部３０は、送信データを生成する度に検査装置４０に送信してもよいし、ある期間分の送信データを生成したタイミングでまとめて検査装置４０に送信してもよい。

【0074】

検査装置４０の通信部４１は、信号処理部３０から送信された送信データを受信する。取得部４２１は、通信部４１によって受信された送信データを取得する。取得部４２１は、取得した送信データを記憶部４３に記録する（ステップＳ１０５）。イベント抽出部４２２は、記憶部４３に記憶されている１イベントにおける複数の送信データを抽出する（ステップＳ１０６）。イベント抽出部４２２は、抽出した１イベントにおける送信データを位置標定部４２３に出力する。

【0075】

位置標定部４２３は、イベント抽出部４２２によって抽出された１イベントにおける複数の送信データそれぞれに含まれるセンサＩＤと、時刻情報と、センサ位置情報とに基づいて、弾性波源の位置を標定する（ステップＳ１０７）。位置標定部４２３は、弾性波源の標定結果を評価部４２４に出力する。評価部４２４は、評価に必要となる標定結果を得るための所定期間分処理が実施されたか否かを判定する（ステップＳ１０８）。所定期間分処理が実施されていない場合（ステップＳ１０８－ＮＯ）、イベント抽出部４２２及び位置標定部４２３は、ステップＳ１０６及びステップＳ１０７の処理を繰り返し実行する。

【0076】

一方、所定期間分処理が実施された場合（ステップＳ１０８－ＹＥＳ）、評価部４２４は所定期間分の標定結果を用いて棒状部材１の劣化状態を評価する（ステップＳ１０９）。具体的には、評価部４２４は、弾性波源の空間密度が所定の閾値以上となった領域に損傷があると評価する。評価部４２４は、評価結果を表示部４４に表示させる（ステップＳ１１０）。

【0077】

（第２例：検査対象物が、ローラーＲにより移動を補助される１つの被ガイド部材（１つの被搬送物）である場合）
第１例では、ローラーＲ上に弾性波源がある場合の例を示した。第２例では、弾性波源が、ローラーＲそのものではなく、図１０に示すようにローラーＲにより搬送される被搬送物Ｐ（被ガイド部材）である場合について説明する。第２例におけるローラーＲは、軸を中心に回転する中実の回転軸、又は、中空の回転ローラーであり、被搬送物Ｐの移動を補助するためのガイドローラーに相当する。ローラーＲにより搬送される被搬送物Ｐは、例えば画像形成装置において搬送されるシートである。シートは、搬送時に破れてしまったり、歪んだりする場合がある。この搬送時に破れる又は歪む現象がシートの損傷となり、シートにおいて弾性波が生じる。被搬送物Ｐにおいて生じた弾性波（例えば、図１０における弾性波源ＳＲの位置で生じた弾性波）は、被搬送物ＰからローラーＲに伝搬し、第１例と同様にローラーＲを介して外部に放出される。１以上のセンサ１０は、被搬送物Ｐの損傷により発生し、ローラーＲに伝わる弾性波を第１弾性波とし、ローラーＲから外部に放出される弾性波を第２弾性波として検出する。センサ１０により検出された弾性波に基づく処理については、第１例で示した処理と同様であるため処理の具体的な説明については省略する。センサ１０により検出された弾性波に基づく処理とは、増幅器２０、信号処理部３０及び検査装置４０が行う処理である。この場合、検査装置４０は、被搬送物Ｐの劣化状態を評価する。このように、実施形態における提案手法のセンサ配置は、ローラーＲにより搬送される被搬送物において生じた弾性波を検出する場合にも適用可能である。

【0078】

（第３例：検査対象物が、ローラーＲにより移動を補助される複数の被ガイド部材（例えば、複数の被搬送物）である場合）
第３例では、弾性波源が、ローラーＲそのものではなく、図１１に示すようにローラーＲにより搬送される複数の被搬送物４－１～４－５（被ガイド部材）である場合について説明する。第３例におけるローラーＲは、軸を中心に回転する中実の回転軸、又は、中空の回転ローラーであり、複数の被搬送物４－１～４－５の移動を補助するためのガイドローラーに相当する。ローラーＲにより搬送される複数の被搬送物４－１～４－５は、例えばエレベーターのロープである。エレベーターのロープは、破断により弾性波が生じる。被搬送物４－１～４－５のうちいずれかの被搬送物において生じた弾性波（例えば、図１１における弾性波源ＳＲの位置で生じた弾性波）は、被搬送物４－１～４－５（例えば、被搬送物４－２）からローラーＲに伝搬し、第１例と同様にローラーＲを介して外部に放出される。１以上のセンサ１０は、被搬送物４－１～４－５のうちいずれかの被搬送物の損傷により発生し、ローラーＲに伝わる弾性波を第１弾性波とし、ローラーＲから外部に放出される弾性波を第２弾性波として検出する。センサ１０により検出された弾性波に基づく処理については、第１例で示した処理と同様であるため処理の具体的な説明については省略する。この場合、検査装置４０は、被搬送物４－１～４－５の劣化状態を評価する。なお、第３例の場合には、２つのセンサ１０－１及び１０－２それぞれへ弾性波の到達時刻差を用いて弾性波源の位置標定を行うことで、複数の被搬送物４－１～４－５のうち、いずれの被搬送物において弾性波が生じたのかを判定することもできる。すなわち、第３例の場合には、２つのセンサ１０－１及び１０－２それぞれへ弾性波の到達時刻差を用いることで、複数の被搬送物４－１～４－５のいずれかに位置する弾性波源を標定することもできる。

【0079】

（第４例：検査対象物が、１つ又は複数の被ガイド部材の移動を補助するために設けられたガイドローラーである場合）
第４例では、検査対象物が１つ又は複数の被ガイド部材の移動を補助するために設けられたガイドローラーである場合について説明する。第４例における被ガイド部材の移動を補助するために設けられたガイドローラーとは、例えば図１２に示すような２つの車輪Ｗを保持する車軸５である。すなわち、第４例では、車軸５が検査対象物となる。そこで、図１２に示すように、車軸５で発生した弾性波を検出するために、センサ１０－１及び１０－２をそれぞれ上記式（１）に基づく角度となるように設置する。車軸５で発生した弾性波は、車軸５内部を伝搬して外部に放出される。センサ１０により検出された弾性波に基づく処理については、第１例で示した処理と同様であるため処理の具体的な説明については省略する。この場合、検査装置４０は、車軸５の劣化状態を評価する。なお、図１２では、車軸５が、２つの車輪Ｗを保持する構成を示した。しかし、第４例に示す処理は、車軸５が１つの車輪を保持（例えば、一輪車）する構成、車軸５が３つ以上の車輪を保持する構成にも適用可能である。

【0080】

なお、車軸５で発生した弾性波を検出するためのセンサ配置は、図１２に示す配置に限定される必要はなく、図１３に示すように配置されてもよい。図１３は、図１２に示す例のセンサ配置のバリエーションを示す図である。図１２に示す例では、各センサ１０－１及び１０－２がそれぞれ、各車輪Ｗの外側に配置されていたが、図１３に示す例では各センサ１０－１及び１０－２がそれぞれ、２つの車輪Ｗの間に配置されている。さらに、図１３（Ａ）では、各センサ１０－１及び１０－２の指向性の方向が車軸５の長手方向における中央部に向かって式（１）に基づく角度で傾斜して配置される。一方、図１３（Ｂ）では、各センサ１０－１及び１０－２の指向性の方向が各車輪Ｗに向かって式（１）に基づく角度で傾斜して配置される。

【0081】

（第５例：検査対象物が、軸に沿って直動する部材である場合）
第５例では、検査対象物が軸に沿って直動する部材である場合について説明する。ここで、検査対象物が軸に沿って直動する部材とは、例えばセンサ１０に対して直動する鋼製ワイヤロープＷＲである。このように、実施形態における検査システムでは、回転以外でも、直動する軸状部材の損傷で発生する弾性波を検出するように構成することもできる。鋼製ワイヤロープＷＲは、滑車５－１と滑車５－２の周囲に設けられる。図１４のように、例えば、４つのセンサ１０－１～１０－４を用いることで弾性波源を精度よく標定することができる。センサ１０により検出された弾性波に基づく処理については、第５例で示した処理と同様であるため処理の具体的な説明については省略する。この場合、検査装置４０は、鋼製ワイヤロープＷＲの劣化状態を評価する。

【0082】

以上のように構成された検査システムによれば、軸状の検査対象物を伝搬する弾性波（第１弾性波）に起因して、軸状の検査対象物の外部（例えば、空気中又は海中）に放出される弾性波（第２弾性波）を、軸状の検査対象物から離れた位置に固定して配置され、センサの指向性の方向が軸状の検査対象物の軸線に対して所定の角度で傾斜している１以上のセンサで検出する。これにより、軸状の検査対象物を介して伝搬する弾性波であっても精度よく検出することが可能になる。その結果、検出した弾性波に基づく弾性波源の位置標定や、劣化の評価を行うことも可能になる。

【0083】

以下、変形例について説明する。
上述した実施形態では、軸状の検査対象物を伝搬する弾性波に起因して、放出される軸状の検査対象物の外部が空気である場合を例に説明したが、検査対象物を取りまく媒質は空気に限られない。例えば、軸状の検査対象物を伝搬する弾性波に起因して、放出される軸状の検査対象物の外部は、水中であってもよい。このように構成される場合、式（１）におけるｖ_ａｉｒはｖ_ｕｗに置き換えればよい。ｖ_ｕｗは、例えば、１５００［ｍ／ｓ］である。

【0084】

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、軸状の検査対象物を伝搬する第１弾性波に起因して、検査対象物から外部に放出される第２弾性波を検出する１以上のセンサを備え、１以上のセンサが、検査対象物から離れた位置に固定して配置され、指向性の方向が検査対象物の軸線に対して所定の角度で傾斜している構成を持つことにより、軸状の検査対象物を介して伝搬する弾性波を精度よく検出することができる。

【0085】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0086】

１０、１０－１～１０－２…センサ，２０…増幅器，３０…信号処理部，３１…フィルタ，３２…Ａ／Ｄ変換器，３３…波形整形フィルタ，３４…ゲート生成回路，３５…到達時刻決定部，３６…特徴量抽出部，３７…送信データ生成部，３８…メモリ，３９…出力部，４０…検査装置，４１…通信部，４２…制御部，４３…記憶部，４４…表示部，４２１…取得部，４２２…イベント抽出部，４２３…位置標定部，４２４…評価部

【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】

【図14】