JP2019128193A - 締結状態の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体の締結状態を信頼性高く全数診断することができる締結検査方法を提供する。【解決手段】被締結部材（３７）と締結部材（３９）を締結する締結手段（３１）に、圧電素子（１１）を備えた超音波プローブ（１）を押圧する第１ステップと、駆動ドライバー（３）が複数の周波数で圧電素子を駆動し、超音波プローブが締結手段を含む被検体に超音波を入射する第２ステップと、超音波プローブが被検体から出射した超音波を受信し、計測器（５）が該受信信号から複数の周波数に対するインピーダンスを計測する第３ステップと、判定器（９）が、締結手段が所定の軸力で締結したときに計測された複数の周波数に対するインピーダンスのパターンと被検体のインピーダンスのパターンから締結状態を判定する第４ステップとを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の部材を含む被検体の締結状態を検査する方法に関し、例えば、ネジやリベットの締結状態を検査する方法に関する。

発電機、モータなどの産業機器、自動車、電車、航空機などの輸送機、テレビ、洗濯機、冷蔵庫、エアコンなどの家電品は複数個の部品を組み合わせて性能を発揮する。この組み合わせを行う締結には、ネジ、リベット、溶接などが採用される。例えば、ネジ締結は、ネジの回転により簡便に締結できるが、締め忘れなどによる緩みが発生するおそれがある。この緩みは重大な事故を発生させることがあるので、メーカは締結不備対策に時間と労力を費やしている。

例えば、ネジ締結はネジが本来備えた倍力機能によって数十Ｋｇから数千Ｋｇの締結力が発生するので、要求される締結力によってネジの大きさを決定する。ネジにより所定の締結力を得るためには締結トルクの管理が必要である。この締結トルクは、締結力とネジと被締結部材の摩擦によって決まり、摩擦がネジの形状誤差、潤滑不足などで大きくなると、所定の締結力が得られない。締結状態を検査する方法として、視認、打音、ひずみゲージによる変形計測などが一般的である。

別の方法として、超音波のインピーダンス変化及び共振周波数変化を計測して締結力を検査する技術がある。この技術は、ネジの着座に着目し、ネジ頭の座面と被締結物との接触状態をインピーダンス変化として計測するため、小型のネジにも適用が可能であり、装置も安価に構成することができる。また、ネジに計測のための特別な構造の付加をせず、ネジ締結作業後に検査工程を入れることも可能になるため、生産ラインのin situ（その場）で短時間に締結検査が可能となり、全数検査にも対応できると開示されている（特許文献１段落［００１３］，［００３９］，［００５７］参照）。

特開２０１３−５４０３９号公報

しかしながら、特許文献１には、選択するデータの選定方法、比較する場合のデータの判定法など締結ネジのインピーダンス変化と締結力の関係についての比較方法の記載がないため、正常な軸力と軸力の不足を判定することが困難であった。また、ネジ締結作業後の全数検査にも対応できると記載されているが、生産ラインに適応した場合のその姿が描かれておらず、実用化に対して、その有り様が示されていない。

上記従来技術の課題に鑑み、本発明の目的は、被検体の締結状態を信頼性高く全数診断することが可能な締結状態の検査方法を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明は、被締結部材（３７）と締結部材（３９）を締結する締結手段（３１）に、圧電素子（１１）を備えた超音波プローブ（１）を押圧する第１ステップと、駆動ドライバー（３）が複数の周波数で前記圧電素子を駆動し、前記超音波プローブが前記締結手段を含む被検体に超音波を入射する第２ステップと、前記超音波プローブが前記被検体から出射した超音波を受信し、計測器（５）が該受信信号から周波数に対するインピーダンス又はアドミッタンス（以下、単に「インピーダンス」という。）を計測する第３ステップと、判定器（９）が、前記周波数に対するインピーダンスのパターンと、前記締結手段が前記被締結部材と前記締結部材を所定の軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターンを比較して締結状態を判定する第４ステップを含む締結状態の検査方法を提供する。

上記第１の観点による締結状態の検査方法では、超音波プローブが被検体に超音波を入射し、被検体から出射した超音波に対応するインピーダンスのパターンと締結手段が所定の軸力で被検体を締結したときのインピーダンスのパターンが比較されて締結状態が判定される。これにより、被検体の締結状態を短時間に高い精度で検査することが可能となるので、in situ検査を全数行うことができる。

第２の観点では、本発明は、被締結部材（３７）と締結部材（３９）を締結する締結手段（３１）に、圧電素子（１１）を備えた超音波プローブ（１）を押圧する第１ステップと、駆動ドライバー（３）が複数の周波数で前記圧電素子を駆動し、超音波プローブが締結手段を含む被検体に超音波を入射する第２ステップと、超音波プローブが被検体から出射した超音波を受信し、計測器（５）が該受信信号から周波数に対する被検体のインピーダンスを計測する第３ステップと、判定器（２４７）が、締結手段が被締結部材と締結部材を所定の軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスの相関行列を作成し、該相関行列から逆行列を計算し、該逆行列と周波数に対する被検体のインピーダンスからマハラビス距離を計算し、該マハラビス距離から締結状態を判定する第４ステップとを含む締結状態の検査方法を提供する。

上記第２の観点による締結状態の検査方法では、超音波プローブが被検体に超音波を入射し、被検体から出射した超音波がインピーダンスとして計測され、該インピーダンスと締結手段が所定の軸力で締結したときに計測されたインピーダンスから計算された逆行列からマハラビス距離が計算され、締結状態が判定される。これにより、被検体の締結状態を短時間に高い精度で検査することが可能となるので、in situ検査を全数行うことができる。

第３の観点では、本発明は、前記第２の観点による締結状態の検査方法おいて、第４ステップは、判定器（２５７）が、締結手段が被締結部材と締結部材を所定の軸力とは異なる軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスの相関行列を作成し、該相関行列から逆行列を計算し、該逆行列と前記周波数に対する被検体のインピーダンスからマハラビス距離を計算するステップを含むことを特徴とする。
上記第３の観点によるによる締結状態の検査方法では、所定の軸力とは異なる軸力で締結されたときのインピーダンスから計算された逆行列からもマハラビス距離が計算されるので、より高い精度で締結状態が判定できる。

第４の観点では、本発明は、前記第２の観点による締結状態の検査方法おいて、前記第４ステップの逆行列が、前記第４ステップによって判定された合格品の軸力について計測された周波数に対するインピーダンスの相関行列から計算された逆行列を含むことを特徴とする。
第５の観点では、本発明は、前記第３の観点による締結状態の検査方法おいて、前記第４ステップの逆行列が、前記第４ステップによって判定された不合格品の軸力について計測された周波数に対するインピーダンスの相関行列から計算された逆行列を含むことを特徴とする。
上記第４及び第５の観点による締結状態の検査方法では、それぞれ合格品及び不合格品のインピーダンスデータを入力に戻すので、フィードバック制御することができる。

第６の観点では、本発明は、前記第１又は第２の観点による締結状態の検査方法おいて、締結手段が被締結部材と締結部材を所定の軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターンと、締結手段が被締結部材と締結部材を所定の軸力とは異なる軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターンを比較して、両パターンに差異が認められた近傍の周波数であることを特徴とする。

上記第６の観点による締結状態の検査方法では、所定の軸力（例えば、正常な軸力）とそれは異なる軸力（例えば、軸力が不足した異常な軸力）で締結されたときのインピーダンスのパターンが比較されるので、検査する周波数の範囲を効率的に定めることができる。このことにより、判定の精度が向上する。

第７の観点では、本発明は、前記第１又は第６の観点による締結状態の検査方法おいて、インピーダンスのパターンを比較するとき、該パターンのピークの出現又は消滅に着目して行うことを特徴とする。
第８の観点では、本発明は、前記第１又は第６の観点による締結状態の検査方法おいて、インピーダンスのパターンを比較するとき、該パターンのピークの低い周波数又は高い周波数に着目して行うことを特徴とする。
インピーダンスのパターンのピークの出現又は消滅、ピークの低い周波数又は高い周波数に着目することによって、パターンの差異を効率的に見出すことができる。

第９の観点では、本発明は、締結手段が被検体を所定の軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターンと締結手段が被検体を所定の軸力とは異なる軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターンを比較して、差異が現れた周波数にて、当該超音波プローブの先端に圧電素子によって駆動する振動の最大振幅が生ずるように決められたプローブ構造を有する超音波プローブを提供する。
上記第８の観点による超音波プローブでは、所定の軸力とそれは異なる軸力で締結されたときのインピーダンスのパターンに差異が現れた周波数にて、超音波プローブの先端に最大振幅が生ずるので、精度が向上する。

第１０の観点では、本発明は、前記第９の観点による超音波プローブおいて、プローブ構造は、当該超音波プローブを軸方向に分割した構造であり、該分割部にスペーサブロックを取り付けて所定の周波数に当該超音波プローブの長さが合致することを特徴とする。
計測する圧電素子からネジ頭に接触するプローブ長さの作用が圧電素子の特定振動数にてその振幅値が大きくなるので、振幅値を大きくして、インピーダンス信号の変化を明確にする効果をすことができる。

第１１の観点では、本発明は、締結手段が被検体を所定の軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターンと、締結手段が被検体を所定の軸力とは異なる軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターンを所定の周波数範囲で認識して、所定の軸力で締結したときのインピーダンスのパターンの特徴を規定するパターン認識部（２５３）と、被検体について得られたインピーダンスのパターンとパターン認識部によって規定されたインピーダンスのパターンの特徴をパターンマッチングによって比較する比較部（２５５）と、該比較に基づき締結状態の合否を判定する判定部（２６１）とを有する判定器（２３７）を提供する。

上記第１１の観点による判定器では、所定の軸力（例えば、正常な軸力）とそれは異なる軸力（例えば、軸力が不足した異常な軸力）で締結されたときのインピーダンスがパターン認識部で認識されて所定の軸力で締結されたときのインピーダンスのパターンの特徴が規定され、被検体のインピーダンスのパターンとパターンマッチングによって比較されるので、判定の精度が向上する。

第１２の観点では、本発明は、締結手段が被検体を所定の軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスデータ、及び／又は締結手段が被検体を所定の軸力とは異なる軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスデータを加工して、相関行列を作成するデータ加工部（２６３）と、該相関行列から逆行列を計算する逆行列計算部（２６５）と、被検体から計測されたインピーダンスデータと逆行列からマハラノビス距離を計算するマハラノビス距離計算部（２６７）と、該マハラノビス距離が基準値を満足しているか否かを判断して被検体の締結状態の合否を判定する判定部（２６１）とを有する判定器（２４７，２５７）を提供する。

上記第１２の観点による判定器では、所定の軸力（例えば、正常な軸力）及び／又はそれは異なる軸力（例えば、軸力が不足した異常な軸力）で締結されたときのインピーダンスデータから相関行列及びその逆行列が作成され、該逆行列と被検体から計測されたインピーダンスデータからマハラノビス距離が計算され、該マハラノビス距離が基準値を満足しているか否かで被検体の締結状態の合否が判定される。これにより、被検体の締結状態を短時間に高い精度で検査することが可能となるので、in situ検査を全数行うことができる。

本発明の締結状態の検査方法によれば、超音波プローブが締結手段を含む被検体に超音波を入射し、被検体から出射した超音波がインピーダンスとして計測され、（ｉ）該インピーダンスのパターンと該締結手段が所定の軸力で締結したときのインピーダンスのパターンが比較され、又は（ｉｉ）該インピーダンスと締結手段が所定の軸力で締結したときに計測されたインピーダンスから計算された逆行列からマハラビス距離が計算され、締結状態が判定される。このことから、被検体の締結状態を短時間に高い精度で検査することが可能となるので、in situ検査を全数行うことができる。

実施例１に係る締結検査装置を示す構成説明図である。 実施例１に係るインピーダンスの周波数特性図である。 実施例１に係る締結状態の検査方法を示すフロー図である。 実施例１に係るネジの機械的インピーダンスを示す図である。 実施例１に係る締結検査装置の第１使用例を示す説明図である。 第１使用例のネジ締結前と後の良品のインピーダンス信号を示す図である。 実施例１に係る締結検査装置の第２使用例を示す説明図である。 実施例１に係る締結検査装置の第３使用例を示す説明図である。 実施例１に係る締結検査装置の第４使用例を示す説明図である。 実施例１に係る締結検査装置の第５使用例を示す説明図である。 実施例１に係るネジ締結・検査ステーションを示す説明図である。 実施例１に係る他のネジ締結・検査ステーションを示す説明図である。 実施例１に係る正常品と異常品のインピーダンスの周波数特性図である。 正常品と異常品のインピーダンスの周波数特性を示す部分拡大図である。 正常品と異常品のインピーダンスの周波数特性を示す他の部分拡大図である。 超音波プローブの構造を示す説明図である。 実施例２に係る締結検査装置の判定器の構成説明図である。 実施例２に係る判定手順を示すフロー図である。 実施例３に係る締結検査装置の判定器を示す構成説明図である。 実施例３に係る締結検査装置における他の判定器の信号処理の説明図である。 実施例３に係る判定手順を示すフロー図である。 実施例４に係る締結検査装置の判定器を示す構成説明図である。 実施例４に係る判定手順を示すフロー図である。 実施例４に係るネジの締結状態を示す構成説明図である。 実施例４に係るネジの他の締結状態を示す構成説明図である。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。以下では、締結手段としてネジを用い、ネジによる被締結物と締結物の締結状態を検査することを例に挙げているが、締結手段にはネジだけでなく、リベット、溶接、かしめ等も含まれ、本発明はこれらの締結状態の検査にも当然適用可能である。なお、実施の形態を説明するに当たって、同一機能を奏するものは同じ符号を付して説明する。

−実施例１−
図１は、実施例１に係る締結検査装置１００を示す構成説明図である。
締結検査装置１００は、超音波を生成し受信する超音波プローブ１と、超音波プローブ１に押圧力を付加するエアシリンダ２３と、超音波プローブ１内の圧電素子１１を駆動する駆動ドライバー３と、インピーダンスを計測する計測器５と、計測されたインピーダンス等のデータを収集するデータ収集器７と、締結状態の判定を行う判定器９とを具備している。

超音波プローブ１は、圧電素子１１をその間に挟みこんだ軸構造からなり、圧電素子１１とネジ頭３３の間に前軸１３、反対側に後軸１５が配置され、先端部にはクション材１７が取り付けられている。前軸１３の外周には 取り付けフランジ１９が加工されており、ここで固定軸２１と結合されている。固定軸２１はエアシリンダ２３の可動軸２５に取り付けられ、可動軸２５は圧縮空気によって上下に動かすことができる。クション材１７は、ゴム材料などの軟質材からなり、ネジ頭３３と超音波プローブ１の接触を高める。

圧電素子１１と駆動ドライバー３と計測器５とデータ収集器７と判定器９とは、信号線２７によって互いに電気的に接続されている。
計測器５は、ネジ３１の座面３５と被締結部材３７の接触部の反射波から得られた電気信号から電気インピーダンスを計測する。データ収集器７は、計測器５で計測されたインピーダンスデータ信号を収集する。判定器９は、得られたインピーダンス信号と正常軸力で締結されたときに計測された複数個のインピーダンス信号から抽出した正常データを比較することによって、ネジ３１による被締結部材３７と締結部材３９の締結状態の判定を行う。
なお、本実施例では計測器５でインピーダンスを計測したが、その逆数であるアドミッタンスを計測しても本実施例と同様に締結状態の判定を行うことができる。

エアシリンダ２３は、可動軸２５，固定軸２１、 取り付けフランジ１９を介して超音波プローブ２１の先端部に上方からネジ頭３３を押圧する力を与える。この力によって、超音波プローブ２１の超音波の出力端がネジ頭３３に押し付けられるので、クション材１７は、十分に変形し、ネジ頭３３の表面の粗さや平面度を吸収する。このことによって、超音波が超音波プローブ２１からネジ３１を含む被検体へ効率よく伝搬することができる。
ネジ３１は被締結部材３７を締結部材３９に取り付ける締結手段であり、被締結部材３７には通し穴、締結部材３９にはタップ穴が加工されている。ネジ３１の回転により被締結部材３７が締結部材３９に締結される。
ここで、被検体とは連結状態を測定する対照物であり、被締結部材３７と締結部材３９と、両部材を連結するネジ３１を含む。
超音波プローブ１は圧電素子１１を含む軸の先端からネジ頭３３に向かって超音波を入射する。

図２は、実施例１に係るインピーダンスの周波数特性図であり、（ａ）は軸力が正常なときの基準データ、（ｂ）は軸力が不足したときの検査データを示す。
（ａ）及び（ｂ）は、超音波プローブ１からネジ３１の座面３５と被締結部材３７の接触部に向けて超音波を出射し、該接触部から入射された電気信号から計測器５で計測された電気インピーダンスを示す。
ネジを含めた被検体には、共振周波数と呼ばれる固有の振動数が存在する。この振動数又は振動振幅は軸力が正常なときの基準データと軸力が不足した検査データで変化するので、この変化部を比較することで締結の判定を行う。ここで、軸力とは、締め付けにより引っ張られたネジ３１が反発し被締結部材３７を押さえつける力のことをいう。ネジ３１を締めると、ネジによる締め付け部は軸方向に引っ張られる。これを元に戻そうとする反発力が軸力であり、この軸力により、被締結部材３７が締結部材３９に固定される。

図３は、実施例１に係る締結状態の検査方法を示す。
ステップＳ１０１で、内部に圧電素子１１を備えた超音波プローブ１を被締結部材３７と締結部材３９を締結するネジ３１のネジ頭３３にエアシリンダ２３の空気圧で押圧する。
ステップＳ１０２で、一定範囲の複数の周波数で所定電圧を発生する駆動ドライバー３によって圧電素子１１が駆動され、発生した超音波が超音波プローブの先端部から被検体に超音波を出射する。ここで、周波数は１ｋＨｚから１００ＫＨｚの範囲であることが好ましい。
ステップＳ１０３で、被検体から入射された超音波を超音波プローブ１が受信し、計測器５が該受信信号からインピーダンスを計測する。
ステップＳ１０４で、判定器９が周波数に対するインピーダンスのパターンから被検体の締結状態を判定する

図４は、実施例１に係るネジの機械的インピーダンスを示す図であり、（ａ）はネジ３１の側面図、（ｂ）はその平面図である。
図４に示すように、ネジ３１には頭部外周部５６が矢印５７方向の上下に振動する固有モード、頭部円周部５８が上下方向に波打って振動するモードなどがある。（ｂ）の対称線５９でネジ頭３３の矢印６１で示す円周方向で高い位置を示しており合計６個の高い部分が存在するモードで振動している。このようにネジ３１を含む被検体には多くの振動モードとその固有振動数が存在する。該振動モードを圧電素子により所定の周波数でネジ３１を加振することでネジ３１の締結によって創生される固有振動数を励起し、ネジ３１の締結軸力によって変化する振動モードをインピーダンスとして、加振周波数と共に取り出すことができる。

図５は、実施例１に係る締結検査装置の第１使用例を示す。
図５（ａ）（ｂ）を参照して、ネジ締め装置７１と締結検査装置７２を用いた一連の動作を説明する。（ａ）では、ネジ締めビット７３と締結検査装置７２が直進移動台７４に固定されており、該直進移動台７４がエアシリンダ７５で駆動される構造となっている。
ネジ締めビット７３には回転機構７６と上下移動機構７７が取り付けられている。ネジ締め作業は、直進移動台７４で締結ネジ７８の上部にネジ締めビット７３を移動させ、上下移動機構７７の下方向の移動で、ネジ７８とネジ締めビット７３が接触し、回転機構７６を用いてネジ締め作業を行う。所定のトルクでネジを締結した後、上下移動装置７７でネジ締めビット７３が上方向に移動し、ネジ７８と分離する。

（ｂ）では、続いて締結検査装置７２がネジ７８の上部に直進移動台７４により移動し、上下移動機構７９により超音波プローブ８０がネジ頭８１に接触し、ネジ締結を検査する。該超音波プローブ８０とネジ頭８１間の押し付け力は上下移動機構７９の駆動装置であるエアシリンダ７５の圧縮空気の圧力により行う。この一連のネジ締め動作と検査動作を繰り返すことで締結作業を実施する。
この締結検査で、ネジ締めが不備と判定された場合は、外部に信号を出すか、更に強いトルクで再度ネジ締めビット７３により締め付け作業を続行するか、選択できる構造となっている。

図６は、第１使用例のネジ締結前後の正常品のインピーダンス信号を示す。
図６から分かるように、ネジ締結前後の締結軸力が十分な正常品のデータ６５とネジ締結前の軸力が不足した場合のデータ６４では、特定の周波数６７におけるインピーダンスピークが大きく異なる。この部分に着目すれば、ネジの締結による軸力の差異を締結材料の振動モードから判定することが可能である。
なお、このインピーダンスの計測を行う際には、周波数ピッチは１Ｈｚから１００Ｈｚの範囲で可変可能なインピーダンスメータを用い、特定の周波数ピッチで固定して、データを取得した。

図７は、実施例１に係る締結検査装置の第２使用例を示す。
図７（ａ）（ｂ）を参照して、ネジ締め装置８５と締結検査装置８６を用いた一連の動作を説明する。（ａ）では、ネジ締めビット８７は上下移動機構８８の先端に取り付けられている。締結動作終了に伴い、上方向に移動する。締結検査装置８６の超音波プローブ８９はネジ締めビット８７の側面に回転移動機構９０と上下移動機構９１を内部に配置した移動台の先端に取り付けられている。ネジ締結作業時には（ａ）に示す位置で待機している。

（ｂ）は、ネジ９２を所定のトルクで締結した後の、ネジ締結検査の工程を示す。ネジ締めビット８７はその上下移動機構８８で上方向に移動し、この空間にネジ締結検査用の超音波プローブ８９が移動する。超音波プローブ８９は回転移動機構９０でネジ９２上部に移動し、続いて上下移動機構９１による下方向移動でネジ頭３３と超音波プローブ８９が接触する。この接触による超音波の伝達でネジ９２の座面９４と被締結部材９５の接触部のインピーダンスを計測し、その締結力を検査する。ネジ検査で合格すればネジ検査装置は上下移動機構９１、回転移動機構９０で（ａ）に示す待機位置に移動し、次の締結ネジに移動する。
この測定によるネジ締結前後のインピーダンスの変化は図６と同様である。ネジ締結前はインピーダンス線６４、ネジ締結後の正常品のインピーダンス線６５で示される。

図８は、実施例１に係る締結検査装置の第３使用例を示す。
図８に示すように、ネジ締め装置１０３はネジ１０５の上部に配置し、締結検査装置１０４はネジ１０５の斜め上方向に配置した構造となっている。ネジ締め装置１０３と締結検査装置１０４には上下移動機構１０６、１０７が取り付けられている。

これらの動作について説明する。ネジ締めビット１０１がネジ１０５の上部に位置し、エアシリンダでネジ１０５の上部のリセス部にネジ締めビット１０１が接触し、その回転動作によってネジ締結を行う。ネジ１０５を所定のトルクで締め付けた後、その側面に配置した締結検査装置１０３が上下移動機構１０７で移動し、超音波プローブ１０２先端をネジ頭１０８に接触させる。この接触によって超音波がネジ頭１０８に入射し、ネジ頭１０８の座面と被締結部材１０９の接触状態を検知できる構造となっている。この場合、ネジ１０５の締結を行うネジ締めビット１０１はネジ締結検査作業時はネジ頭１０８と接触した状態を保つ構造となっている。
この測定によるネジ締結前後のインピーダンスの変化は図６と同様である。ネジ締結前はインピーダンス線６４、ネジ締結後の正常品のインピーダンス線６５で示される。

図９は、実施例１に係る締結検査装置の第４使用例を示す。
図９に示すように、締結検査装置にはネジ締めビット１１１と超音波プローブ１１２が同軸に組み込まれた構成である。ネジ１１３上部に締結用のネジ締めビット１１１が配置されており、ネジ締めビット１１１と一体化した構造で超音波プローブ１１２が取り付けられている。超音波プローブ１１２の前軸１１４の先端にネジ締めビット１１１が配置されている。ネジ締めビット１１１の先端にはネジ頭１１５との接触を確保するための軟質材からなるクッション材１１６が取り付けられている。前軸１１４の側面から取り付け座１１７が配置され、モータ１１８と連結している。モータ１１８の回転力でネジ締結のためのトルクが発生する。超音波プローブ１１２内の圧電素子１１９への給電線と信号線は圧電素子１１９の上部に軸１２０を介して取り出され、上部のロータリコネクタ１２１を介してから給電や信号の送受信がされる。この使用例では、締結動作と締結検査を同時に行なうことができるので、検査データを締結動作と並行して得ることができる。

図１０は、実施例１に係る締結検査装置の第５使用例を示す。
図１０に示すように、ネジ締めビット２４０と超音波プローブ２４２がロボットアーム２４２の先端に取り付けられている。ネジ２４３により固定した被締結部材２４４と締結部材２４５の締結と締結力の検査を行う。まず、ネジ締めビット２４０でネジ２４３を締めることによって締結部材２４５に被締結部材２４４が締結される。次に、ロボットアーム２４２が移動し、ネジ２４３の上部に超音波プローブ２４２を所定の圧力で押し当てて、インピーダンスを得ることによって締結の検査を行うことができる。

図１１は、実施例１に係るネジ締結・検査ステーションを示す。
図１１を用いて、締結検査装置１３２を組み立てラインに組み込んだ場合について説明する。締結部材１２６に被締結部材１２５をネジ１２７を用いて固定する組み立てラインであって、下部には部品を運搬するレール１２８を配置しており、その上部には搬送機１２９が載っている。搬送機１２９は紙面に向かって左方向から移動してきて、ネジ締め装置１３０の下で停止しネジ１２７がネジ締めビット１３１の回転で固定される。
本作業が終了するとネジ締結器１３０は上方に移動し，再び搬送機１２９が移動し、締結検査装置１３２の下方で停止する。停止と同時に締結検査装置１３２の超音波プローブ１が移動しネジ頭１３４に接触し、締結部材１２６とネジ１２７と被締結部材１２５を含む被検体の締結状態を検査し、締結の良・不良を判定する。

図１２は、実施例１に係る他のネジ締結・検査ステーションを示す。
図１２は図１１で説明した組み立てラインにネジ締結器１３０と締結検査装置１３２を組み込んだ例であるが、締結不良の検査結果が出た場合、再度ネジの締結を行うことができるように締結検査装置１３２の下流にネジ締結器１３０を組み込む装置として示している。締結状態の不良は、潤滑剤を使用しないクリーン関係で使用するネジの締結不良として見られる現象であり、ネジの摩擦力が潤滑不良で大きくなるために発生すると考えられている。図１２では、締結検査装置１３２の下流にネジ締結器１３０を配置したが、再度上流のネジ締結器１３０に戻して再締結を行うか、ネジ締結不良品としてラインから取り出し、後に、再締結してもよい。

図１３は、実施例１に係る正常品と異常品のインピーダンスの周波数特性図である。
図１３から図１５では、被検体（ネジ３１と被締結部材３７と締結部材３９を含む。符号は図１参照。）の締結状態が良好な場合（本明細書において「ネジの締結軸力が正常な場合」といい、そのときの被検体を「正常品」又は「良品」ということがある。）と不良な場合（本明細書において「ネジの締結軸力が異常な場合」といい、そのときの被検体を「異常品」又は「不良品」ということがある。）について、図１に示した締結検査装置１００を使用して計測した周波数に対するインピーダンスを示す。

図１３から分かるように、周波数４３〜４４ＫＨｚの周波数領域Ａで正常品と異常品の間にインピーダンスのピークを示す周波数に変化が生じている。また、５１．３ＫＨｚ近傍のの周波数領域Ｂでは、インピーダンス値は明らかに正常品の方が異常品より大きい。このように正常品と異常品でインピーダンスが異なる部分を見い出し、該当する周波数領域における検査データを比較データとして取り込み、これを用いて正常・異常の軸力を判定することができる。
複数個の正常品のデータによってデータの再現性を確認し、判定の比較データ（正常データ）とすることが望ましい。

図１４は、インピーダンスの周波数特性を示す部分拡大図である。
図１４は、締結軸力が正常値の場合と異常値の場合の両インピーダンスデータを示している。正常値ではそのピーク１６１が４１．５ｋＨｚに現れているが、異常値ではこの部分にピークはなく逆に正常値でピークの現れていない４２ｋＨｚ近傍にピーク１６２が表れている。このように特定の周波数におけるインピーダンスのピークの有無によっても、その締結の軸力の良否を判定することができる。

図１５は、インピーダンスの周波数特性を示す他の部分拡大図である。
図１５は、締結力が正常データを破線１６５で示し、異常データを実線１６６で示している。正常データと異常データではインピーダンスのピークの周波数がずれており、正常値でのピーク１６７は４４．５４ｋＨｚ、異常値でのピーク１６８は４４．４８ｋＨｚであり、わずかではあるが距離Ｌだけずれている。これらの異常軸力と正常軸力によるインピーダンス変化を生ずる周波数に着目して、その周波数におけるインピーダンスを判定データとして取得し、このデータによっても締結の良否を判定することができる。

図１６は、超音波プローブの構造を示し、（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２に係る超音波プローブの構造を示す。
図１６（ａ）から分かるように、超音波プローブ１にはその内部に圧電素子１１が組み込まれ、圧電素子１１の上下に金属ブロック１７、１５が取り付けられている。下方の金属ブロック１３の先端のクッション材１７がネジ３１と接触する。クッション材１７とネジ３１の接触状態を良好とするためにクッション材１７は弾性材料からなる。クッション材１７がネジ３１と接触すると、金属ブロック１３内部を超音波が伝わりプローブ１の振動振幅でネジ３１を加振するが、超音波プローブ１がネジ３１と接する位置、つまりクッション材１７の部位で最大振幅となるように圧電素子１１の端部１７９からクッション材１７の先端の長さＬを選ぶことによって超音波プローブ１の構造が決められる。

図１６（ａ）の右部に横軸にプローブ振動振幅、縦軸に金属ブロックのプローブ位置を示して、各場所での振幅を示してた。圧電素子１１は最大電圧が加わったときにその伸び量が最大となる。駆動周波数とは、最大振幅が生じるときの周波数である。
最大振幅は圧電素子１１の端部１７９で発生し、これがサイン波１８０で金属ブロック１３を伝わりプローブ先端（クッション材）１７が振動する。プローブ先端（クッション材）先端１７の振幅値を最大とする金属ブロック１３の長さは、周波数と超音波が金属ブロック１３内を進む速度で決まる。金属ブロック１３としてアルミ材を用いた場合、超音波が金属ブロック１３内を進む速度は５０００ｍ／ｓであるので、４５ＫＨｚの周波数においてプローブ先端１７で最大の振幅を得るには、金属ブロック１３の長さを１１０ｍｍ程度にすればよい。１８０°逆の位相を使用すれば半分の５５．５ｍｍとすることができる。
インピーダンス計測による軸力の検査は使用する周波数が、ネジ３１の大きさによって異なるので、プローブ先端でその最大振幅が得られるようにプローブ長Ｌを変えることによりネジ締結検査におけるプローブ形状の最適化が可能となる。

−実施例２−
図１６（ｂ）は、金属ブロック１７３の長さを自由に変えることが可能な超音波プローブ１８７の構造を示す。目的とする駆動周波数に対してその先端１８９の振幅値が最大となるように金属ブロックの長さＬを調整することができるように、金属ブロック１７３が３体１９１、１９２、１９３の分割構造になっている。中央部のブロック１９２は超音波プローブ１８７を支持する部分となるので、この部分では振幅値がゼロとなるように金属ブロックの長さＬを決めることができる構造となっている。この３個の金属ブロック１９１、１９２、１９３の合計の長さＬを中央部の金属ブロック１９２の位置でその振幅がゼロとなり、かつ測定周波数で決められる長さとすることによって最適な形状の超音波プローブ１８７の構造を得ることができる。

図１７は、実施例２に係る締結検査装置の判定器の構成を示す。
判定器２３７は、良品や不良品などのデータを受領するデータ受領部２５１と、検査する周波数を決める検査周波数決定部２５３と、インピーダンスデータのパターン認識を行うパターン認識部２５５と、パターンマッチングによりインピーダンスデータの比較を行う比較部２５７と、締結状態について良否の判断を行う判定部２６１を有する。
データ受信部２５１は、正常な軸力及び軸力の不足した異常な軸力のとき得られた複数のインピーダンスデータ（それぞれ「良品データ」及び「不良品データ」ということがある。）及び検査品のインピーダンスデータ（「検査品データ」ということがある。）を受領する。

検査周波数決定部２５３は、複数の良品データと複数の不良品データに差異がある部分から検査する周波数の範囲（「検査周波数」ということがある。)を決定する。なお、検査周波数が予め定められている場合には、この構成部は不要であり、該検査周波数が直接パターン認識部２５５に入力される。
パターン認識部２５５は、ニューラルネットによるマッチング法やＡＩによるマッチング法により、複数の良品データと複数の不良品データの検査周波数部分を比較して良品データのパターンの特徴を定める。
比較部２５７は、被検体について実施された締結検査の計測データがパターン認識部２５５から送信された正常データのパターンの特徴とパターンマッチングによって比較する。
判定部２６１は、比較部２５７でのパターンマッチング結果に基づいて被検体が合格品に該当するか否かであるかを判定する。

図１８は、実施例２に係る判定手順を示す。
超音波プローブ１８７を備えた締結検査装置を使用して複数の良品データを得る(Ｓ２０１)。また、複数の不良品データを得る(Ｓ２０２)。
検査周波数決定部２５３が、複数の良品データと不良品データを比較し、その差異を見い出し(Ｓ２０３)、差異があるインピーダンス部分から検査周波数を決定する(Ｓ２０４)。
次に、パターン認識部２５５が周波数に対する良品データと不良品データのパターンを検査周波数についてニューラルネットワーク法を用いて学習し、良品データの特徴を定義する(Ｓ２０５)。
被検体の締結検査によって得られた検査データをパターンマッチングによって良品データの特徴と比較し(Ｓ２０６)、被検体の締結状態の良否を判定する(Ｓ２０７)。
図１８では、パターン認識手法としてニューラルネットワーク法を用いて説明したが、ＡＩ法など他の方法によるパターン認識についても使用できる。

−実施例３−
図１９は、実施例３に係る締結検査装置の判定器を示す構成説明図である。
図１９に示すように判定器２４７は、データを受領するデータ受領部２５１と、該判定器２４７によって被検体の締結状態の合否を判定するために使用する周波数の範囲を決定する検査周波数決定部２５３と、インピーダンスデータを加工するデータ加工部２６３と、逆行列を計算する逆行列計算部２６５と、マハラノビス距離を計算するマハラノビス距離計算部２６７と、被検体の締結状態の合否を判定する判定部２６１を備える。

データ加工部２６３は、複数のインピーダンスデータを加工し、相関行列を作成する。
逆行列計算部２６５は、相関行列から逆行列を計算する。
マハラノビス距離計算部２６７は、被検査品のインピーダンスデータと逆行列計算部２６５で作成された逆行列からマハラノビス距離を計算する。
判定部２６１は、該特定のインピーダンスデータから得られたマハラノビス距離が基準値を満足しているか否かを判断して被検体の締結状態の合否を判定する。

図２０は、実施例２に係る締結検査装置における他の判定器の信号処理の説明図である。
図２０(a)は、正常軸力の周波数とインピーダンスの締結デー夕を複数個取り込みを示す。データは、所定の周波数に対して、計測したインピーダンス結果として示す。この正常軸力のデータはそのデー夕量が多いと、良品と不良品で特徴の存在が有効なデータとなりうる。(b)は、得られた合格品のデータを統計解析の手法により作成された相関行列を示す。相関行列は、ある周波数における複数個のインピーダンスの平均値、標準偏差を算出することにより求める。(c)は、良品の相関行列から判定に使用する逆行列の計算について示す。
(d)は、マハラノビス距離の計算を示す。この逆行列を用いて、被検体から得られた検査デー夕と上記逆行列を用いてマハラノビス距離を算出する。この距離の大きさで合否の判定を行う。

図２１は、実施例３に係る判定手順を示す。
超音波プローブ１８７を備えた締結検査装置を使用して良品データと不良品データを得る(Ｓ２２１，Ｓ２２２)。
検査周波数決定部２５３が、不良品データと不良品データを比較し、その差異を見い出し(Ｓ２２３)、差異があるインピーダンス部分から検査周波数を決定する(Ｓ２２４)。
次に、データ加工部２６３が複数の良品データの相関行列をステップＳ２２４で決定された検査周波数について作成する(Ｓ２２５)。
ステップＳ２２６で、逆行列計算部２６５がステップ２２５で作成された相関行列から逆行列を作成する。
ステップＳ２２７で、検査品のインピーダンスデータとステップＳ２２６で作成された逆行列からマハラノビス距離を計算する。
ステップ２２８で、判定部２６１がマハラノビス距離の数値の大きさが所定の基準値を満たすかどうかを判定し、被検体の合否を決定する。

−実施例４−
図２２は、実施例４に係る締結検査装置の判定器を示す構成説明図である。
図２２に示すように判定器２５７は、データを受領するデータ受領部２５１と、該判定器２５７によって被検体の締結状態の合否を判定するために使用する周波数の範囲を決定する検査周波数決定部２５３と、インピーダンスデータデータを加工するデータ加工部Ａ及びＢ２６３と、逆行列を計算する逆行列計算部Ａ及びＢ２６５と、マハラノビス距離を計算するマハラノビス距離計算部Ａ及びＢ２６７と、被検体の締結状態の合否を判定する判定部２６１を備える。

図２３は、実施例４に係る判定手順を示す。
超音波プローブ１８７を備えた締結検査装置を使用して良品データと不良品データを得る(Ｓ２３１，Ｓ２３２)。
検査周波数決定部２５３が、良品データと不良品データを比較し、その差異を見い出し(Ｓ２３３)、差異があるインピーダンス部分から検査周波数を決定する(Ｓ２３４)。
次に、ステップＳ２３５で、データ加工部Ａ２６３が複数の良品データの相関行列を、データ加工部Ｂ２６３が複数の不良品データの相関行列を、それぞれステップＳ２３４で決定された検査周波数について作成する。
ステップＳ２３６で、２つの逆行列計算部Ａ及びＢ２６５がステップ２３５で作成された相関行列からそれぞれ逆行列を作成する。
ステップＳ２３７で、検査品のインピーダンスデータとステップＳ２３６で作成された逆行列からマハラノビス距離を計算する。
ステップ２３８で、判定部２６１が良品及び不良品からのマハラノビス距離の数値の大きさが所定の基準値を満たすかどうかを判定し、検査品の合否を決定する。

図２３で示した判定手順における合格品及び不合格品のインピーダンスデータを図２２のデータ受領部２５１に戻して、合格品のデータを良品データとしてデータ加工部Ａ２６３へ送り、不合格品のデータを不良品データとしてデータ加工部２６３へ送ることによって、良品及び／又は不良品の逆行列を作ることも可能である。
このようなフィードバックによって逆行列計算部Ａ，Ｂ２６５で作成される逆行列を修正し、判定ミス少ない信頼性の高い判定器２５７とすることができる。
このフィードバックは合格品の良品データだけでも良いが、不合格品の不良品データについても使用とさらに精度が向上するので好ましい。
この逆行列の修正は、そのデータが多く、計算量が多い場合、in situ検査では行わず、バッチ処理で、検査の合間に対応するシステムとすれば効率の高い判定器とすることができる。

図２４は、実施例４に係るネジの締結状態を示す。
（ａ）に示すように、ネジ２８０で被締結部材２８１と締結部材２８２を締結する際に、ネジ頭２８３の座面２８４と被締結部材２８１が所定の軸力による面圧で接触している場合は、図２２に示す合格品の計測結果が得られる。（ｂ）に示すようにネジ頭２８５の座面２８６と被締結部材２８７が、締結部材２８８とネジ２８９のネジ山が締結部材２８８のネジ山と固着するかじり２９０により、ネジ頭２８５の座面２８６と被締結部材２８７の間に隙間がある場合、そのインピーダンス計測結果は図２２に示す不合格品の計測結果が得られ、このデータによってマハラノビス距離を計算した場合、閾値を超えた不良品の判定となる。

図２５は、実施例４に係るネジの他の締結状態を示す。
（ａ）に示すように、ネジ２９５で被締結部材２９６と締結部材２９７を締結するが、ネジ頭２９８の座面２９９と被締結部材２９６が所定の軸力による面圧で接触している場合は、図２２に示す合格品の計測結果が得られる。（ｂ）に示すように、ネジ頭３００の座面３０１と被締結部材３０２が、仕様値以下の締結力が不足した場合、そのインピーダンス計測結果は図２２に示す不合格品の計測結果が得られ、このデータによってマハラノビス距離を計算した場合、閾値を超えた不良品の判定となる。

発明の詳細な説明の項においてなされた実施形態及び実施例は、本発明の技術内容を明らかにするものであって、上述の実施形態及び実施例に限定して解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。

本発明は、ネジで複数の部材を連結した工業生産品の締結状態を生産ラインで全数検査するのに有用能である。

１，８０，８９，１０２，１１２，１８７，２４２ 超音波プローブ
３ 駆動ドライバー
５ 計測器
７ データ収集器
９，２３７，２４７，２５７ 判定器
１１，１１９ 圧電素子
１３，１１４ 前軸，金属ブロック
１５ 後軸，金属ブロック
１７，１１６，１８９ クション材
１９，１１７ 取り付けフランジ，取り付け座
２１ 固定軸
２３，７５ エアシリンダ
２５ 可動軸
２７ 信号線
３１，７８，９２，１０５，１１３，１２７，２４３，２８０，２８９，２９５ ネジ
３３，８１，９３，１０８，１１５，１１５，１３４，２８５，２９８，３００ネジ頭
３５，９４，２８４，２８６，２９９，３０１ 座面
３７，９５，１２５，２４４，２８１，２８７，２９６，３０２ 被締結部材
３９，１２６，２４５，２８２，２８８，２９７，３０３ 締結部材
７１，８５，１０３，１３０ ネジ締め装置
７３，８７，１０１，１１１，２４０ ネジ締めビット
７４，８０ 直進移動台
７６，９０ 回転機構
７７，７９，８８，９１，１０６，１０７ 上下移動機構
７２，８６，１００，１０４，１１４，１３０，１３２，３００ 締結検査装置
１１８ モータ
１２１ ロータリコネクタ
２４２ ロボットアーム
２５１ データ受領部
２５３ 検査周波数決定部
２５５ パターン認識部
２５９ 比較部
２６１ 判定部
２６３ データ加工部
２６５ 逆行列計算部
２６７ マハラビス距離計算部

Claims (12)

1. 被締結部材と締結部材を締結する締結手段に、圧電素子を備えた超音波プローブを押圧する第１ステップと、
   駆動ドライバーが複数の周波数で前記圧電素子を駆動し、前記超音波プローブが前記締結手段を含む被検体に超音波を入射する第２ステップと、
   前記超音波プローブが前記被検体から出射した超音波を受信し、計測器が該受信信号から周波数に対するインピーダンス又はアドミッタンス（以下、単に「インピーダンス」という。）を計測する第３ステップと、
   判定器が、
   前記周波数に対するインピーダンスのパターンと、
   前記締結手段が前記被締結部材と前記締結部材を所定の軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターン
   を比較して締結状態を判定する第４ステップと
   を含む締結状態の検査方法。
2. 被締結部材と締結部材を締結する締結手段に、圧電素子を備えた超音波プローブを押圧する第１ステップと、
   駆動ドライバーが複数の周波数で前記圧電素子を駆動し、前記超音波プローブが前記締結手段を含む被検体に超音波を入射する第２ステップと、
   前記超音波プローブが前記被検体から出射した超音波を受信し、計測器が該受信信号から周波数に対する被検体のインピーダンスを計測する第３ステップと、
   判定器が、
   前記締結手段が前記被締結部材と前記締結部材を所定の軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスの相関行列を作成し、
   該相関行列から逆行列を計算し、
   該逆行列と前記周波数に対する被検体のインピーダンスからマハラビス距離を計算し、
   該マハラビス距離から締結状態を判定する第４ステップと
   を含む締結状態の検査方法。
3. 前記第４ステップは、
   判定器が、
   前記締結手段が前記被締結部材と前記締結部材を前記所定の軸力とは異なる軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスの相関行列を作成し、
   該相関行列から逆行列を計算し、
   該逆行列と前記周波数に対する被検体のインピーダンスからマハラビス距離を計算するステップ
   を含む請求項２記載の締結状態の検査方法。
4. 前記第４ステップの逆行列が、前記第４ステップによって判定された合格品の軸力について計測された周波数に対するインピーダンスの相関行列から計算された逆行列を含む
   請求項２記載の締結状態の検査方法。
5. 前記第４ステップの逆行列が、前記第４ステップによって判定された不合格品の軸力について計測された周波数に対するインピーダンスの相関行列から計算された逆行列を含む
   請求項３記載の締結状態の検査方法。
6. 前記第４ステップにおいて、周波数が、
   前記締結手段が前記被締結部材と前記締結部材を所定の軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターンと、
   前記締結手段が前記被締結部材と前記締結部材を前記所定の軸力とは異なる軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターン
   を比較して、両パターンに差異が認められた近傍の周波数である
   請求項１又は請求項２記載の締結状態の検査方法。
7. インピーダンスのパターンを比較するとき、該パターンのピークの出現又は消滅に着目して行う請求項１又は請求項６記載の締結状態の検査方法。
8. インピーダンスのパターンを比較するとき、該パターンのピークの低い周波数又は高い周波数に着目して行う請求項１又は請求項６記載の締結状態の検査方法。
9. 締結手段を含む被検体に超音波を入射し、該被検体から出射した超音波を受信して締結状態を検査する方法に使用する超音波プローブであって、
   前記締結手段が前記被検体を所定の軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターンと
   前記締結手段が前記被検体を前記所定の軸力とは異なる軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターン
   を比較して、差異が現れた周波数にて、当該超音波プローブの先端に圧電素子によって駆動する振動の最大振幅が生ずるように決められたプローブ構造を有する
   超音波プローブ。
10. 前記プローブ構造は、当該超音波プローブを軸方向に分割した構造であり、該分割部にスペーサブロックを取り付けて所定の周波数に当該超音波プローブの長さが合致することを特徴とする請求項９記載の超音波プローブ。
11. 締結手段を含む被検体の締結状態を検査する方法に使用する超音波プローブが被検体に超音波を入射し、被検体から出射した超音波を受信し、該受信信号から計測されたインピーダンスデータから被検体の締結状態を判定する判定器であって、
    前記締結手段が被検体を所定の軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターンと、前記締結手段が被検体を前記所定の軸力とは異なる軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスのパターンを所定の周波数範囲で認識して、前記所定の軸力で締結したときのインピーダンスのパターンの特徴を規定するパターン認識部と、
    被検体について得られたインピーダンスのパターンと前記パターン認識部によって規定されたインピーダンスのパターンの特徴をパターンマッチングによって比較する比較部と
    前記比較に基づき締結状態の合否を判定する判定部と
    を有する判定器。
12. 締結手段を含む被検体の締結状態を検査する方法に使用する超音波プローブが前記被検体に超音波を入射し、被検体から出射した超音波を受信し、該受信信号から計測されたインピーダンスデータから被検体の締結状態を判定する判定器であって、
    前記締結手段が被検体を所定の軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスデータ、及び／又は前記締結手段が被検体を前記所定の軸力とは異なる軸力で締結したときに計測された周波数に対するインピーダンスデータを加工して、相関行列を作成するデータ加工部と、
    前記相関行列から逆行列を計算する逆行列計算部と、
    被検体から計測されたインピーダンスデータと前記逆行列からマハラノビス距離を計算するマハラノビス距離計算部と、
    前記マハラノビス距離が基準値を満足しているか否かを判断して被検体の締結状態の合否を判定する判定部と
    を有する判定器。