JP7360322B2 - 異常検知センサの形成方法及び異常検知センサ - Google Patents

Description

本発明は、構造物の異常を検知する異常検知センサの形成方法及び異常検知センサに関する。

特許文献１では、被締結部品に締結したボルトが脱落するのを未然に防ぐためにボルトの緩みを検知する構成が提案されている。この構成では、緩み検知タグの接着面がボルトと被締結部材とに跨って貼り付けられる。そして、被締結部品に対してボルトが緩むと、緩み検知タグのベースシートが破断して導体が断線し、ボルトの緩みを検知できる。

特許文献２では、構造物の破損の発生を検出する構成が提案されている。この構成では、異常検知センサの接着面が構造物の破損可能性のある領域に貼り付けられる。構造物に破損が発生すると、異常検知センサのベースシートが破断して検知回路が断線し、破損の発生を検知できる。

特開２０１９－７８６１１号公報 特開２０１９－１４８５２７号公報

特許文献１の緩み検知タグや特許文献２の異常検知センサのような異常検知センサが貼り付けられる面（構造物の表面）に凹凸がある場合には、異常検知センサのベースシートを構造物の表面に貼り付ける際に、当該凹凸にベースシートが正確に追従しないことが発生し得る。他方、当該凹凸にベースシートが追従し易いようにベースシートの柔軟性を上げると、構造物に貼り付けられるベースシートに皺が発生し易くなる。そのように構造物への異常検知センサの貼り付けが正確でない場合には、異常検知の精度が低下することになる。

そこで本発明は、構造物の表面に凹凸がある場合でも、異常検知の精度低下を防止することを目的とする。

本発明の一態様に係る異常検知センサの形成方法は、構造物の異常を検知する異常検知センサの形成方法であって、一対の端子を含むＲＦＩＤユニットを前記構造物に固定する第１工程と、前記一対の端子が露出するように前記構造物の表面に絶縁塗料を塗布してベースコートを形成する第２工程と、前記ベースコートの表面に前記ＲＦＩＤユニット及び前記構造物の両方にわたって導電液を所定形状に塗布し、前記ベースコートの前記表面上に前記一対の端子と接続された電気回路を形成する第３工程と、を備える。

本発明の一態様に係る異常検知センサは、構造物の異常を検知する異常検知センサであって、前記構造物に固定され、一対の端子を含むＲＦＩＤユニットと、前記一対の端子が露出するように前記構造物の表面に絶縁塗料を塗布して形成されたベースコートと、前記ベースコートの表面上において前記ＲＦＩＤユニット及び前記構造物の両方にわたって形成され、前記一対の端子に接続される電気回路と、を備える。

前記方法及び前記構成によれば、構造物の表面に絶縁塗料を塗布することでベースコートを形成するので、ベースコートが構造物の表面の凹凸に正確に追従する。そのため、構造物に異常（例えば、破損、ボルト緩み等）が発生した場合に、当該異常がベースコートを介して電気回路に設計通りに伝達される。

本発明によれば、構造物の表面に凹凸がある場合でも、異常検知の精度低下を防止できる。

図１は、第１実施形態に係る異常検知システムの模式図である。 図２は、図１に示す異常検知センサの使用状態を示す断面図である。 図３は、図２に示す異常検知センサの形成手順を説明する斜視図である。 図４は、図２に示す異常検知センサの形成手順を説明する斜視図である。 図５は、図２に示す異常検知センサの形成手順を説明する斜視図である。 図６は、図２に示す異常検知センサの形成手順を説明する斜視図である。 図７は、図２に示す異常検知センサの形成手順を説明する斜視図である。 図８は、第２実施形態の異常検知センサの使用状態を示す断面図である。 図９は、図８に示す異常検知センサの形成手順を説明する斜視図である。 図１０は、図８に示す異常検知センサの形成手順を説明する斜視図である。 図１１は、図８に示す異常検知センサの形成手順を説明する斜視図である。 図１２は、図８に示す異常検知センサの形成手順を説明する斜視図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る構造物１０の異常検知システム１の模式図である。図１に示すように、異常検知システム１は、構造物１０に振動等が作用することで発生する構造物１０の異常をＲＦＩＤ（Radio frequency identifier）を利用して自動で検知し、構造物１０の保守負担を軽減するためのものである。構造物１０に発生する異常は、例えば、構造物１０における被締結部品を締結する締結部材の緩み、構造物１０の破損（疲労亀裂、ボルト破断、部品外れ、重要機器の蓋外れ等）等である。構造物１０は、鉄道車両、航空機、船舶等の輸送機器、橋梁等の定置構造物等を含む。異常検知システム１は、複数の異常検知センサ１１、ＲＦＩＤリーダ２、データ処理装置３、サーバ４、及び、データベース５を備える。複数の異常検知センサ１１は、構造物１０の応力集中し易い箇所に形成される。

ＲＦＩＤリーダ２は、異常検知センサ１１の後述するＲＦＩＤチップ３２のＩＤ情報及び検知情報を含む信号を非接触で読み取る。ＲＦＩＤリーダ２は、構造物１０の近傍に設置されたものでもよいし、作業者が所持するポータブル式のものでもよい。データ処理装置３は、ＲＦＩＤリーダ２が読み取った信号を処理し、ネットワークＮ（例えば、インターネット）を介してサーバ４に送信する。

なお、ネットワークはインターネットに限定されるものでなく、ＬＡＮやＷＡＮ、衛星通信回線、携帯電話網など、その他各種通信ネットワークでもよい。データベース５には、後述するＲＦＩＤチップ３２のＩＤ情報とＲＦＩＤチップ３２が設置された構造物１０上の位置を示す位置情報との間の対応関係が予め保存されている。サーバ４は、データベース５を参照しながらデータ処理装置３から受信した信号を演算処理し、その演算結果を管理センターに送信する。サーバ４の処理データは、データベース５に蓄積保存される。

図２は、図１に示す異常検知センサ１１の使用状態を示す断面図である。図２に示すように、第１実施形態の構造物１０は、被締結部品Ｆと、被締結部品Ｆに締結されたボルトＢ（締結部材）とを備える。被締結部品Ｆ及びボルトＢは、金属からなる。被締結部品Ｆの座面Ｆａ（外表面）は、例えば凹凸を有する粗面である。ボルトＢは、頭部Ｂａ及び軸部Ｂｂを有する。頭部Ｂａは、軸部Ｂｂの一端に設けられ、軸部Ｂｂよりも大径の六角柱形状を有する。軸部Ｂｂは、その外周面に雄ネジが形成されている。なお、締結部材は、ボルト以外にナット等でもよい。

異常検知センサ１１は、ＲＦＩＤユニット２１と、ベースコート２２と、検知回路２３（電気回路）と、トップコート２４とを備える。ＲＦＩＤユニット２１は、絶縁スペーサ３１と、ＲＦＩＤチップ３２と、アンテナ回路３３とを有する。

絶縁スペーサ３１は、非導電性の樹脂からなる。絶縁スペーサ３１は、ボルトＢに対して実質的に相対回転不能にボルトＢの頭部Ｂａに固定（例えば、接着）される。具体的には、絶縁スペーサ３１は、ボルトＢの頭部Ｂａの表面に固定される平板である。絶縁スペーサ３１の固定は接着剤によるものに限らず、ボルトＢの頭部Ｂａと実質的に相対回転不能に固定されていればよく、例えば圧着や嵌合されていてもよい。

ＲＦＩＤチップ３２は、絶縁スペーサ３１の上面に搭載される。ＲＦＩＤチップ３２は、自己のＩＤ情報と、一対の端子３２ａ同士が導通しているか否かを示す検知情報とを記憶している。ＲＦＩＤチップ３２の一対の端子３２ａも絶縁スペーサ３１の上面に設けられる。アンテナ回路３３は、ＲＦＩＤチップ３２に電気的に接続された状態で絶縁スペーサ３１の上面に設けられる。絶縁スペーサ３１の厚みＴ１は、ＲＦＩＤチップ３２の厚みＴ２よりも大きい。

ベースコート２２は、非導電性を有する。ベースコート２２は、ＲＦＩＤチップ３２の一対の端子３２ａが露出するように、ＲＦＩＤユニット２１の表面及び被締結部品Ｆの座面Ｆａに絶縁塗料を塗布することで形成されている。ベースコート２２の外表面は、被締結部品Ｆの座面Ｆａよりも平滑である。

検知回路２３（タンパー検知回路）は、ベースコート２２から露出した一対の端子３２ａ同士を電気的に接続する。検知回路２３の両端は、一対の端子３２ａにそれぞれ接続され、一対の端子３２ａと共に閉回路を構成する。検知回路２３は、絶縁スペーサ３１と被締結部品Ｆとの両方にわたってベースコート２２の表面上に形成されている。図２の例では、検知回路２３は、ベースコート２２において、絶縁スペーサ３１に対応する位置からボルトＢの頭部Ｂａの側面に対応する部分を通って座面Ｆａに対応する位置に到達する。

ＲＦＩＤチップ３２は、検知回路２３が断線すると自己の検知情報が書き換えられるように構成されている。即ち、ＲＦＩＤチップ３２は、自己のＩＤ情報と、自己に接続された検知回路２３が断線されているか否かを示す検知情報とを記憶している。例えば、ＲＦＩＤチップ３２は、検知回路２２が断線している状態では検知情報として「０」を記憶し、検知回路２３が断線していない状態では検知情報として「１」を記憶する。アンテナ回路３３は、ＲＦＩＤチップ３２に電気的に接続されている。ＲＦＩＤチップ３２は、アンテナ回路３３を介して受信した信号に基づいて起電し、アンテナ回路３３を介してＩＤ情報及び検知情報を外部に無線で送信する。

トップコート２４は、非導電性を有する。トップコート２４は、少なくとも検知回路２３及び一対の端子３２ａを覆っている。例えば、トップコート２４は、ＲＦＩＤユニット２１、ベースコート２２及び検知回路２３の全体を覆う。その場合、トップコート２４の端縁が被締結部品Ｆの座面Ｆａに到達するようにしてもよい。トップコート２４の材料は、ベースコート２２の材料とは異なっている。異常検知センサ１１の使用環境に応じてトップコート２４の材料を選択することで、異常検知センサ１１の耐久性を高めることが可能になる。

例えば、機械的負荷に対する異常検知センサ１１の耐久性を高めることを望む場合には、トップコート２４の硬度がベースコート２２の硬度よりも高くなるようにトップコート２４の材料を選択することができる。また、異常検知センサ１１の耐食性及び耐熱性を高めることが望まれる場合には、トップコート２４がフッ素樹脂を含むようにトップコート２４の材料を選択できる。

以下、前述した異常検知センサ１１の形成手順について説明する。図３乃至７は、図２に示す異常検知センサ１１の形成手順を説明する斜視図である。先ず、図３に示すように、被締結部品Ｆに締結されたボルトＢの頭部Ｂａに接着させて被締結部品Ｆの座面Ｆａに固定（例えば、接着）させるＲＦＩＤユニット２１を準備する。ＲＦＩＤユニット２１は、絶縁スペーサ３１と、絶縁スペーサ３１の上面に搭載されたＲＦＩＤチップ３２及びアンテナ回路３３とを有する。本実施形態の絶縁スペーサ３１はボルトＢの頭部Ｂａと同一又は相似な形状（例えば、六角形）だが、他の形状（例えば、円形、楕円、角形等）でもよい。

次いで、図４に示すように、ＲＦＩＤユニット２１の絶縁スペーサ３１をボルトＢの頭部Ｂａに被せ、絶縁スペーサ３１の下面を頭部Ｂａの上面に接着させる。なお、ＲＦＩＤユニット２１はボルトＢの頭部Ｂａの上面に取り付けられるが、ボルトＢの頭部Ｂａの側面に設けられていてもよい。次いで、図５に示すように、一対の端子３２ａが露出するように、被締結部品Ｆの座面Ｆａ及びＲＦＩＤユニット２１の表面に絶縁塗料をインクジェット法により塗布してベースコート２２を形成する。インクジェット法を用いることで、ＲＦＩＤチップ３２の一対の端子３２ａを露出させる形状にベースコート２２を容易かつ正確に印刷することができる。なお、一対の端子３２ａをマスクした状態で絶縁塗料をスプレーにより噴き付けることでベースコート２２を形成してもよい。

次いで、図６に示すように、ベースコート２２の表面においてＲＦＩＤユニット２１及び被締結部品Ｆの両方にわたって導電液をインクジェット法により所定形状に塗布し、ベースコート２２の表面上に一対の端子３２ａと接続された検知回路２３を形成する。インクジェット法を用いることで、所定形状の検知回路２３をベースコート２２上に容易かつ正確に印刷できる。検知回路２３は、絶縁スペーサ３１（及びボルトＢの頭部Ｂａ）と座面Ｆａとにわたって配置される。即ち、検知回路２３の一部は、ボルトＢと一体化され、検知回路２３の他部は、座面Ｆａと一体化される。

最後に、図７に示すように、絶縁スペーサ３１、ＲＦＩＤチップ３２及び検知回路２３を覆うようにベースコート２２及びＲＦＩＤユニット２１にインクジェット法により絶縁塗料を塗布してトップコート２４を形成する。これにより、トップコート２４の形状追従性及び密着性が高くなり、検知回路２３等の機械的安定性が向上する。なお、絶縁塗料をスプレーにより噴き付けることでトップコート２４を形成してもよい。

以上に説明した形態によれば、被締結部品Ｆの座面Ｆａに絶縁塗料を塗布することでベースコート２２を形成するので、ベースコート２２が座面Ｆａの凹凸に正確に追従する。そのため、ボルトＢに緩みが発生した場合に、頭部Ｂａと一体に回転する絶縁スペーサ３１が座面Ｆａに対して相対回転することで、その相対回転による捩れ力がベースコート２２を介して検知回路２３に設計通りに伝達され、検知回路２３が断線する。よって、被締結部品Ｆの座面Ｆａに凹凸がある場合でも、ボルトＢの緩み検知の精度低下を防止できる。

また、被締結部品Ｆが導電性材料（例えば、金属）により形成されている場合あっても、１０のボルトＢとＲＦＩＤチップ３２との間に絶縁スペーサ３１が介在し、かつ、ボルトＢの頭部ＢａからＲＦＩＤチップ３２までの距離が離れるため、ＲＦＩＤチップ３２の電気的性能を良好に保つことができる。そして、絶縁スペーサ３１の厚みＴ１がＲＦＩＤチップ３２の厚みＴ２よりも大きく、絶縁スペーサ３１の高さがＲＦＩＤチップ３２の高さよりも大きいので、ＲＦＩＤチップ３２をボルトＢから十分に離すことができ、ＲＦＩＤチップ３２の電気的性能の安定性を高めることができる。

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態の異常検知センサ１１１の使用状態を示す断面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図８に示すように、第２実施形態の構造物１１０は、金属製の第１部品Ｆ１及び第２部品Ｆ２が溶接部Ｗにより互いに接合されてなる。溶接部Ｗの表面は、第１部品Ｆ１及び第２部品Ｆ２の各表面よりも凹凸が大きい粗面である。なお、第１部品Ｆ１及び第２部品Ｆ２は、互いに面一でなくてもよく、角度をなして接続されていてもよい。

異常検知センサ１１１は、ＲＦＩＤユニット１２１と、ベースコート２２と、検知回路２３（電気回路）と、トップコート２４とを備える。ＲＦＩＤユニット１２１は、絶縁スペーサ１３１と、ＲＦＩＤチップ３２と、アンテナ回路３３とを有する。絶縁スペーサ１３１は、非導電性の樹脂からなる。絶縁スペーサ１３１は、第１部品Ｆ１の表面に固定（例えば、接着）される平板である。ＲＦＩＤチップ３２及びアンテナ回路３３は、絶縁スペーサ１３１の上面に設けられる。絶縁スペーサ１３１の厚みＴ１は、ＲＦＩＤチップ３２の厚みＴ２よりも大きい。

ベースコート２２は、ＲＦＩＤチップ３２の一対の端子３２ａが露出するように構造物１１０の表面及びＲＦＩＤユニット１２１の表面に絶縁塗料を塗布することで形成されている。検知回路２３は、ベースコート２２から露出した一対の端子３２ａ同士を電気的に接続する。検知回路２３は、絶縁スペーサ１３１と構造物１１０との両方にわたってベースコート２２の表面上に形成され、溶接部Ｗを被覆している。即ち、検知回路２３は、溶接部Ｗを跨ぐように配置されている。トップコート２４は、例えば、ＲＦＩＤユニット１２１、ベースコート２２及び検知回路２３の全体を覆う。

以下、前述した異常検知センサ１１１の形成手順について説明する。図９乃至１２は、図８に示す異常検知センサ１１１の形成手順を説明する斜視図である。先ず、図９に示すように、ＲＦＩＤユニット１２１を準備し、ＲＦＩＤユニット１２１の絶縁スペーサ１３１を第１部品Ｆ１の表面に固定する。次いで、図１０に示すように、一対の端子３２ａが露出するように、溶接部Ｗを含む構造物１１０の表面及びＲＦＩＤユニット１２１の表面に絶縁塗料をインクジェット法により塗布してベースコート２２を形成する。

次いで、図１１に示すように、ベースコート２２の表面においてＲＦＩＤユニット１２１及び構造物１１０の両方にわたって導電液をインクジェット法により所定形状に塗布し、ベースコート２２の表面上に一対の端子３２ａと接続された検知回路２３を形成する。検知回路２３は、溶接部Ｗに交差して溶接部Ｗ上を通過するように第１部品Ｆ１及び第２部品Ｆ２に形成されている。即ち、検知回路２３の一部は、第１部品Ｆ１と一体化され、検知回路２３の他部は、第２部品Ｆ２と一体化される。最後に、図１２に示すように、絶縁スペーサ１３１、ＲＦＩＤチップ３２及び検知回路２３を覆うようにベースコート２２及びＲＦＩＤユニット１２１にインクジェット法により絶縁塗料を塗布してトップコート２４を形成する。

以上に説明した形態によれば、構造物１１０の表面に絶縁塗料を塗布することでベースコート２２を形成するので、ベースコート２２が溶接部Ｗの凹凸に正確に追従する。そのため、溶接部Ｗに亀裂が発生した場合に、第１部品Ｆ１と第２部品Ｆ２とが互いに相対変位することで、その相対変位による応力がベースコート２２を介して検知回路２３に設計通りに伝達され、検知回路２３が断線する。よって、構造物１１０の溶接部Ｗがある場合に、溶接部Ｗの亀裂検知の精度低下を防止できる。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。例えば、構造物の表面は、金属ではなく絶縁樹脂であってもよく、その場合には絶縁スペーサを省略してもよい。また、異常時（ボルト緩み時または溶接部の亀裂時）に断線する電気回路は、検知回路の代わりにアンテナ回路としてもよい。即ち、異常時にアンテナ回路が断線することで、ＲＦＩＤリーダがＲＦＩＤチップと通信できる状態のときに構造物が正常であると判断できる構成としてもよい。

１ 異常検知システム
１０，１１０ 構造物
１１，１１１ 異常検知センサ
２１，１２１ ＲＦＩＤユニット
２２ ベースコート
２３ 検知回路
２４ トップコート
３１，１３１ 絶縁スペーサ
３２ ＲＦＩＤチップ
３２ａ 端子
３２ ＲＦＩＤチップ
３３ アンテナ回路
Ｂ ボルト（締結部材）
Ｆ 被締結部品

Claims (10)

1. 構造物の異常を検知する異常検知センサの形成方法であって、
   一対の端子を含むＲＦＩＤチップを有するＲＦＩＤユニットを前記構造物に固定する第１工程と、
   前記一対の端子が露出するように前記構造物の表面に絶縁塗料を塗布してベースコートを形成する第２工程と、
   前記ベースコートの表面に前記ＲＦＩＤユニット及び前記構造物の両方にわたって導電液を所定形状に塗布し、前記ベースコートの前記表面上に前記一対の端子と接続された電気回路を形成する第３工程と、を備える、異常検知センサの形成方法。
2. 前記ＲＦＩＤユニットは、絶縁スペーサと、前記絶縁スペーサの表面上に搭載された前記一対の端子を含む前記ＲＦＩＤチップと、を有し、
   前記第１工程では、前記ＲＦＩＤユニットの前記絶縁スペーサを前記構造物に固定する、請求項１に記載の異常検知センサの形成方法。
3. 前記ＲＦＩＤユニットは、前記絶縁スペーサの高さが前記ＲＦＩＤチップの高さよりも大きく構成されている、請求項２に記載の異常検知センサの形成方法。
4. 前記第３工程では、インクジェット法により前記ベースコートの表面に前記導電液を塗布する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異常検知センサの形成方法。
5. 前記第２工程では、インクジェット法により前記構造物の前記表面に前記絶縁塗料を塗布する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の異常検知センサの形成方法。
6. 少なくとも前記電気回路及び前記一対の端子を覆うようにトップコートを形成する第４工程を更に備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の異常検知センサの形成方法。
7. 前記第４工程では、インクジェット法により前記ベースコート及び前記ＲＦＩＤユニットに絶縁塗料を塗布する、請求項６に記載の異常検知センサの形成方法。
8. 前記第４工程では、前記トップコートの硬度が前記ベースコートの硬度よりも高くなるように前記トップコートの前記材料を選択する、請求項６又は７に記載の異常検知センサの形成方法。
9. 前記第４工程では、前記トップコートがフッ素樹脂を含むように前記トップコートの前記材料を選択する、請求項６又は７に記載の異常検知センサの形成方法。
10. 構造物の異常を検知する異常検知センサであって、
    前記構造物に固定され、一対の端子を含むＲＦＩＤユニットと、
    前記一対の端子が露出するように前記構造物の表面に絶縁塗料を塗布して形成されたベースコートと、
    前記ベースコートの表面上において前記ＲＦＩＤユニット及び前記構造物の両方にわたって形成され、前記一対の端子に接続される電気回路と、を備える、異常検知センサ。

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