JP7364941B2 - 緩み検出センサ及びそれを用いた緩み検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、部品を固定するボル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。

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。

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、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、打音検査、及び超音波を利用した検査方法（非特許文献１）等が存在する。

酒井智次、他２名、「超音波を利用した軸力の測定」、日本機械学会論文集、Vol.43, No.366(1977).

しかしながら、合いマークのズレを監視する方法、及び打音検査は、検査対象が見難い場所にあったり、遠方であったりで目視点検が困難な部分の検査には適さない。また、熟練が必要であり、未熟練者による検査は難しいという課題がある。

また、超音波を利用した検査方法は、共振周波数からねじの軸力を推定するものであり、超音波探触子、超音波掃引発振器、周波数カウンタ、及びオシロスコープ等を必要とする複雑な構成である。このように従来は、ボルトによる部品の締め付け部分の緩みを検査するのに好適なもの及び方法が存在しないという課題がある。

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、特に、施工済みの構造物等のボルトの緩みを検査するのに好適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。

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の緩みを検出する緩み検出センサであって、前記ボルトの頭部との間に配置され外部から入力される高周波信号を閉じ込める絶縁性材料で構成された共振部と、前記共振部を挟んで前記部品と導通する導電性部材とを備えることを要旨とする。

また、本発明の一態様に係る緩み検出方法は、部品を固定するボル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、前記ボルトの頭部との間に配置され外部から入力される高周波信号を閉じ込める絶縁性材料で構成された共振部と該共振部を挟んで前記部品と導通する導電性部材とを備える緩み検出センサを前記頭部に取付けるセンサ取付けステップと、前記緩み検出センサに、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高周波送受信ステップと、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。

本発明によれば、特に、施工済みの構造物等のボルトの緩みを検査するのに好適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。

本発明の第１実施形態に係る緩み検出センサの一例を示す斜視図である。 図１に示すＡ－Ａ線に沿う構造断面図である。 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３に示す緩み検出装置の機能構成例を示すブロック図である。 共振周波数スペクトルを模式的に示す図である。 図１に示す緩み検出センサの変形例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ-Ｂ線に沿う構造断面図である。 本発明の第２実施形態に係る緩み検出センサを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＣ-Ｃ線に沿う構造断面図である。 図３に示す緩み検出装置を用いて実行する緩み検出方法の処理手順を示すフローチャートである。

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。

（緩み検出センサ）
図１は、本発明の第１実施形態に係る緩み検出センサの一例を示す斜視図である。図１に示す緩み検出センサ１００は、部品を固定するボルトの緩みを検出するものである。

図１は、2つの部品１，２をボルト３で固定する例を示す。部品１，２は例えば鋼材である。なお、緩み検出センサ１００は、ある製品Ａ（例えば階段）に他の製品Ｂ（例えば手すり）を取り付けるような場合に用いることも可能である。

緩み検出センサ１００は、共振部５と導電性部材４を備える。共振部５は、ボルト３の頭部３ａと導電性部材４の間に配置され、外部から入力される高周波信号を閉じ込める絶縁性材料で構成される。絶縁性材料は、例えば耐候性の高いウレタン及びエポキシ樹脂等である。共振部５の厚みは、特に限定されないが例えば数100μm程度である。

導電性部材４は、共振部５を挟んで部品１と導通する。図１に示す導電性部材４は、ボルト３の頭部３ａに共振部５を挟んでかぶせるキャップの例を示す。以降、導電性部材４はキャップ４と称する場合もある。

図２は、図１に示すＡ-Ａ線に沿う構造断面図である。図２に示すボルト３は、ボルト３の頭部３ａと軸３ｂの一部分のみを断面で示す。それ以外の部分は外観を示す。

図２に示すように緩み検出センサ１００は、ボルト３の頭部３ａに嵌められる。なお、ボルト３と部品１、及び部品２とナット６のそれぞれの間に座金（図示せず）を配置しても構わない。

キャップ４は、例えばステンレス材で構成される。キャップ４と部品１は、キャップ４の外周の部品１と対向する端面が部品１の表面と接することで導通する。

キャップ４に外部から高周波信号を所定の周波数範囲で掃引して印加する。印加した高周波信号の一部の周波数（共振周波数）は共振部５に閉じ込められる。共振部５に閉じ込められる共振周波数は、ボルト３の締め付け具合で変化する。よって、共振部５に閉じ込められる共振周波数の変化を測定することでボルト３の緩みを検出することができる。その検出方法については後述する。

図３は、本実施形態に係る緩み検出センサ１００と緩み検出装置２００を示す模式図である。緩み検出装置２００は、キャップ４に高周波信号を掃引して印加し、共振部５に閉じ込められる共振周波数を検出する。

（緩み検出装置）
図４は、本発明の実施形態に係る緩み検出装置２００の機能構成例を示すブロック図である。

緩み検出装置２００は、周波数掃引部２０、高周波印加部２１、反射波受信部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、反射波受信部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。

周波数掃引部２０は、例えば0.5GHz～数GHzの範囲の高周波信号の掃引を繰り返す。高周波印加部２１は、周波数掃引部２０で生成した高周波信号を、検出対象の構造物において測定不能にならないように増幅してキャップ４に印加する。

反射波受信部２２は、共振部５に閉じ込められる共振周波数を受信する。共振周波数以外の高周波信号は、部品１，２の構造物に吸収されるため測定することができない。

一方、キャップ４、共振部５、部品１、部品２、及びボルト３の構造物の共振周波数は、共振部５の内部で反射を繰り返すので、その反射波を受信することで測定することが可能である。その共振周波数は、ボルト３の締め付け具合によって変化する。

例えば、ボルト３が適正に締め付けられている場合は、構造物によって決定される固有の共振周波数（振動モード）を測定することができる。ボルト３が緩んだ場合は、キャップ４と部品１の導通が取れなくなり、共振周波数（振動モード）が変化する。

振動モード記録部２３は、構造物によって決定される固有の共振周波数（振動モード）を記録する。振動モード記録部２３に、予めボルト３が適正に締め付けられている場合の共振周波数を記録しておく。

ボルト３が緩んだ場合、反射波受信部２２は、ボルト３が適正に締め付けられている場合と異なる共振周波数を受信する。図５は、共振周波数スペクトルの変化を模式的に示す図である。図５の横軸は周波数（GHz）、縦軸は共振周波数スペクトルの強度（任意単位）である。

図５は、ボルト３が適正に締め付けられている初期状態（実線）では、αとβの2つのスペクトルが測定され、ボルト３が緩んだ状態（破線）では、αが低周波数側にシフトすると共に新たなスペクトルγが測定される例を示す。

判定部２４は、図５に示す共振周波数の変化量が閾値未満の場合は緩みがないと判定し、変化量が閾値以上の場合は緩みがあると判定する。閾値は、所定の周波数値であっても良いし、新たに測定されたスペクトルの数であっても良い。また、所定の周波数値とスペクトルの数の両方であっても構わない。

以上説明したように、本実施形態に係る緩み検出センサ１００と緩み検出装置２００を用いることで、ボルト３の緩みを検出することができる。

（変形例１）
図６は、緩み検出センサ１００の変形例１を示す図であり、（ａ）はボルト３の頭部３ａ側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ-Ｂ線に沿う構造断面図である。

図６に示す緩み検出センサ１１０のキャップ４は、部品１の表面に接触する突起４ａ_１，４ａ_２を備える点で緩み検出センサ１００（図２）と異なる。

一般的に、ボルト３を締め付けた後は、その表面が錆びるのを防止する目的で塗装する場合が多い。図６（ｂ）に示すように、突起４ａ_１，４ａ_２は、部品１の表面に塗装された塗膜１０を突き破ってキャップ４を部品１に接触する。

突起４ａ_１，４ａ_２の高さは、塗膜１０の厚み以上に設定する。塗膜１０の厚みが例えば1mmの場合は、突起４ａ_１，４ａ_２の高さを1.1mm以上にする。

緩み検出センサ１１０をボルト３の頭にかぶせた後、木槌等でキャップ４を叩くことで突起４ａ_１，４ａ_２の先端は塗膜１０を突き破り、その先端が部品１の表面に接触する。なお、塗膜１０が固い場合は、突起４ａ_１，４ａ_２が当たる部分の塗膜１０に予め穴を開けるようにしても良い。穴は、錐、ドリル、レーザー照射等で容易に開けられる。

塗膜１０に予め穴を開けた場合は、錆が生じない様に樹脂等で穴を埋めるようにしても良い。樹脂は、例えばゴム状の弾力性のあるものが好ましい。弾力性があればボルト３の動きを阻害しないからである。

このようにキャップ４に突起４ａ_１，４ａ_２を設けることで、キャップ４と部品１の導通を確実にとることができる。なお、図６に示すように突起４ａ_１，４ａ_２は、対称の位置に設けると良い。

図６は、Ｂ-Ｂ線上に突起４ａ_１と突起４ａ_２が設けられた例を示す。このようにボルト３の軸３ｂに対して対称の位置に突起を設けることで、緩み検出センサ１１０をボルト３の頭部３ａに水平にかぶせることができる。

緩み検出センサ１１０を水平にかぶせることができれば、緩みによってボルト３の軸が傾いた場合の検出精度の悪化を最小化することができる。そのため、Ｂ-Ｂ線と直交する方向に突起４ａ_３，４ａ_４（図示せず）を設けても良い。このように突起４ａ_１～４ａ_４は、ボルト３の軸に対して四方に設けても良い。また、八方以上の箇所に偶数個を設けるようにしても良い。

以上説明したように本変形例１に係る導電性部材４（キャップ）は、部品１の表面に接触する突起４ａ_１，４ａ_２を備える。これにより、導電性部材４と部品１の導通を確実に取ることができる。また、突起４ａ_１，４ａ_２は、二つ以上の複数個が対称の位置に設けられる。これにより、導電性部材４と部品１の導通を確実にすると共に緩みの検出精度を向上させることができる。

〔第２実施形態〕
図７は、本発明の第２実施形態に係る緩み検出センサの一例を示す図であり、（ａ）はボルト３の頭部３ａ側から見た平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＣ-Ｃ線に沿う構造断面図である。なお、図７は部品１の表面に塗膜１０がある例を示す。

図７に示す緩み検出センサ１２０は、導電性部材４の形態がボルト３の頭部３ａの周囲に、共振部５を挟んで巻かれるバンド７である点で緩み検出センサ１００（図２）と異なる。図７（ａ）に示すように、バンド７の平面は、六角形の一つの頂点部分が分割され、分割された二つの端辺がその頂点方向に所定の長さ延伸された形状である。

その延伸された部分の側面形状は短尺状（図７（ｂ））であり、その対向する部分を螺子７ａとナット７ｂで絞めるように構成されている。バンド７は、例えばステンレス等の弾性を持つ材料で構成する。

図７に示すように、ボルト３の頭部３ａに装着し、螺子７ａを絞めることでバンド７をボルト３の頭部３ａに固定する。なお、バンド７の平面形状は円（リング状：図示せず）でも構わない。このように、導電性部材４は、ボルト３の頭部３ａの周囲に巻かれるバンドであっても良い。

図７（ｂ）に示すようにバンド７を部品１の表面上に置かない場合、特に部品１の表面に塗膜１０があると、バンド７と部品１の導通を取ることができない。この場合は、変形例１で示した突起をバンド７の内側に設ける。

このように本実施形態に係る緩み検出センサ１２０は、緩み検出センサ１００と同様な変形が可能であり、緩み検出センサ１００と同じ作用効果が得られる。つまり、導電性部材（バンド７）は、ボルト３の頭部３ａに接触する突起を設けても良い。これにより、導電性部材（バンド７）と部品１の導通を確実にすると共に緩みの検出精度を向上させることができる。

（緩み検出方法）
図８は、上記の緩み検出装置２００と緩み検出センサ１００を用いて、ボルトの緩みを検出する処理手順を示すフローチャートである。

本発明の実施形態に係る緩み検出方法を実行する場合は、まず始めに対象のボルトに緩み検出センサ１００を取り付ける（ステップ０：図示せず）。

次に、周波数掃引部２０は、所定の範囲の周波数の掃引を開始する。そして、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１００の導電性部材４に印加する（ステップＳ１）。

反射波受信部２２は、導電性部材４から反射される反射波を受信する（ステップＳ２）。反射波受信部２２は、反射波を高速フーリエ変換して振動モードを検出しても良いし、入力電流が最大又は最小になる周波数を求めても良い。

振動モード記録部２３は、反射波受信部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、反射波を高速フーリエ変換して求めた周波数スペクトルである。又は、入力電流が最大になる周波数の値である。

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）。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）。

以上説明したように本実施形態に係る緩み検出方法は、部品１を固定するボルト３の緩みを検出する緩み検出装置２００が実行する緩み検出方法であって、ボルト３の頭部３ａとの間に配置され外部から入力される高周波信号を閉じ込める絶縁性材料で構成された共振部５と該共振部５を挟んで部品１と導通する導電性部材４とを備える緩み検出センサ１００を頭部３ａに取付けるセンサ取付けステップＳ０と、緩み検出センサ１００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Ｓ２と、反射波のピーク値を記録するピーク値記録ステップＳ３と、ピーク値と過去のピーク値とを比較し変化量を求める比較ステップＳ４と、変化量が閾値未満の場合は緩みがないと判定（ステップＳ６）し、変化量が閾値以上の場合は緩みがあると判定（ステップＳ７）する判定ステップＳ５とを行う。これにより、施工済みの構造物等のボルトの緩みを容易に検出することができる。

以上述べたように、本実施形態に係る緩み検出センサ１００及びそれを用いた緩み検出方法によれば、反射波の周波数の変化に基づいて、当該部分を固定するボルト３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。

また、検査結果も定量的に得ることができる。また、緩み検出センサ１００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１００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。

また、構造上の要の部分のボルト３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。

なお、本発明の緩み検出センサ１００は、上記の実施形態に限定されない。部品Ａを部品Ｂに固定する構造に広く適用することが可能である。また、キャップ４及びバンド７の平面形状は六角形の例で説明を行ったが、この例に限定されない。これらの平面形状は、四角形、円形であっても構わない。

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。

１，２：部品
３：ボルト
３ａ：ボルトの頭部
３ｂ：軸
４：導電性部材（キャップ）
４ａ_１～４ａ_４：突起
５：共振部
６：ナット
７：バンド（導電性部材）
７ａ：螺子
７ｂ：ナット
２０：周波数掃引部
２１：高周波印加部
２２：反射波受信部
２３：振動モード記録部
２４：判定部
２５：制御部
１００，１１０，１２０：緩み検出センサ
２００：緩み検出装置

Claims (5)

1. 部品を固定するボルトの緩みを検出する緩み検出センサであって、
   前記ボルトの頭部と導電性部材との間に配置され、外部から入力される高周波信号を閉じ込める絶縁性材料で構成された共振部と、
   前記共振部を挟んで前記部品と導通する前記導電性部材と、を備え、
   前記導電性部材は、前記頭部にかぶせるキャップである
   緩み検出センサ。
2. 部品を固定するボルトの緩みを検出する緩み検出センサであって、
   前記ボルトの頭部と導電性部材との間に配置され、外部から入力される高周波信号を閉じ込める絶縁性材料で構成された共振部と、
   前記共振部を挟んで前記部品と導通する前記導電性部材と、を備え、
   前記導電性部材は、前記頭部の周囲に巻かれるバンドである
   緩み検出センサ。
3. 部品を固定するボルトの緩みを検出する緩み検出センサであって、
   前記ボルトの頭部と導電性部材との間に配置され、外部から入力される高周波信号を閉じ込める絶縁性材料で構成された共振部と、
   前記共振部を挟んで前記部品と導通する前記導電性部材と、を備え、
   前記導電性部材は、前記部品の表面又は前記頭部に接触する突起を備える
   緩み検出センサ。
4. 前記突起は、二つ以上の複数個が対称の位置にそれぞれ設けられる
   請求項３に記載の緩み検出センサ。
5. 部品を固定するボル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、
   前記ボルトの頭部と導電性部材との間に配置され、外部から入力される高周波信号を閉じ込める絶縁性材料で構成された共振部と、前記共振部を挟んで前記部品と導通する前記導電性部材とを備える緩み検出センサを、前記頭部に取付けるセンサ取付けステップと、
   前記緩み検出センサに、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い、
   前記導電性部材は、前記頭部の周囲に巻かれるバンドである
   緩み検出方法。

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