JP7372624B2 - Looseness detection system - Google Patents
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Description
本発明は、ゆるみ検出システム及びセンサ基材に関し、特に、部材を締結するナットのゆるみを検出するためのゆるみ検出システム等に関する。 The present invention relates to a loosening detection system and a sensor base material, and particularly to a loosening detection system and the like for detecting loosening of nuts that fasten members.
特許文献1には、ワッシャ基材に圧電素子を貼付して、圧電素子が検出したワッシャ基材の振動状況により固有振動数を求めて、ボルト締結体のゆるみを検出することが記載されている。
しかしながら、特許文献1では固有振動数を求めるため、ワッシャ基材を振動させる必要があった。
However, in
よって、本願発明は、固有振動数を利用せずに、ナットのゆるみを検出することが可能なゆるみ検出システム等を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a loosening detection system and the like that can detect the loosening of a nut without using the natural frequency.
本願発明の第1の側面は、部材を締結するナットのゆるみを検出するためのゆるみ検出システムであって、前記ナットによって前記部材とともに締結されるセンサ基材を備え、前記センサ基材に発信された超音波が前記ナットの端面において反射した反射波を受信するセンサ装置を備える。 A first aspect of the present invention is a loosening detection system for detecting loosening of a nut that fastens a member, the system comprising a sensor base material fastened together with the member by the nut, and a sensor base material that is fastened together with the member by the nut. The sensor device includes a sensor device that receives a reflected wave of the ultrasonic wave reflected at the end face of the nut.
本願発明の第2の側面は、第1の側面のゆるみ検出システムであって、前記センサ装置は、圧電膜部を備え、前記センサ基材は、少なくとも一つの面が前記ナットに接し、前記センサ装置は、前記センサ基材において、前記ナットに向けて超音波を発信して、前記ナットの端面で反射した反射波を受信する。 A second aspect of the present invention is the loosening detection system of the first aspect, wherein the sensor device includes a piezoelectric film part, the sensor base material has at least one surface in contact with the nut, and the sensor The device transmits ultrasonic waves toward the nut in the sensor base material, and receives reflected waves reflected from the end face of the nut.
本願発明の第3の側面は、第2の側面のゆるみ検出システムであって、前記圧電膜部は、前記センサ基材において、前記ナットに接する面とは異なる面に存在し、前記圧電膜部は、前記センサ基材において、前記ナットに接する面に向けて超音波を発信して、前記ナットの端面で反射した反射波を受信する。 A third aspect of the present invention is the loosening detection system according to the second aspect, wherein the piezoelectric film portion is present on a surface of the sensor base material that is different from a surface in contact with the nut, and the piezoelectric film portion In the sensor base material, an ultrasonic wave is emitted toward a surface in contact with the nut, and a reflected wave reflected from an end surface of the nut is received.
本願発明の第4の側面は、第1から第3のいずれかの側面のゆるみ検出システムであって、前記ナットが第1状態及び第2状態にある場合に受信された前記反射波の大きさを評価するための評価値をそれぞれ第1評価値及び第2評価値として、第1評価値が第2評価値よりも前記反射波が大きいことを示す場合に、前記第1状態における前記ナットは、前記第2状態における前記ナットよりも締結トルクが大きいと評価する処理装置を備える超音波処理装置を備える。 A fourth aspect of the present invention is a loosening detection system according to any one of the first to third aspects, wherein the magnitude of the reflected wave received when the nut is in the first state and the second state. When the first evaluation value indicates that the reflected wave is larger than the second evaluation value, the nut in the first state is set as a first evaluation value and a second evaluation value, respectively. , an ultrasonic processing device including a processing device that evaluates that the fastening torque is greater than that of the nut in the second state.
本願発明の第5の側面は、ナットにより部材とともに締結されるセンサ基材であって、当該センサ基材に発信された超音波が前記ナットの端面において反射した反射波を受信するセンサ装置を備える。 A fifth aspect of the present invention is a sensor base material fastened together with a member by a nut, and includes a sensor device that receives a reflected wave in which an ultrasonic wave transmitted to the sensor base material is reflected at an end surface of the nut. .
本願発明の第6の側面は、第5の側面のセンサ基材であって、前記センサ装置は、圧電膜部を備え、当該センサ基材は、少なくとも一つの面が前記ナットに接し、前記圧電膜部は、当該センサ基材において、前記ナットに接する面とは異なる面に存在し、前記圧電膜部は、前記センサ基材において、前記ナットに接する面に向けて超音波を発信して、前記ナットの端面で反射した反射波を受信する。 A sixth aspect of the present invention is the sensor base material according to the fifth aspect, wherein the sensor device includes a piezoelectric film part, and at least one surface of the sensor base material is in contact with the nut, and the sensor base material has a piezoelectric film part. The membrane portion is present in the sensor base material on a surface different from the surface in contact with the nut, and the piezoelectric film portion transmits ultrasonic waves toward the surface in contact with the nut in the sensor base material, A reflected wave reflected from the end face of the nut is received.
本願発明の各側面によれば、ナットの端面における超音波の反射波を利用することにより、振動を利用せずにナットのゆるみを検出することができる。 According to each aspect of the present invention, loosening of the nut can be detected without using vibration by using reflected waves of ultrasonic waves on the end face of the nut.
以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the embodiments of the present invention are not limited to the following examples.
図1は、本願発明の実施の形態に係るゆるみ検出システムの(a)構成の一例を示す図と、(b)及び(c)反射波の一例を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing (a) an example of the configuration of a looseness detection system according to an embodiment of the present invention, and (b) and (c) diagrams showing examples of reflected waves.
図1(a)を参照して、ゆるみ検出システム1は、ナット3と、センサ基材5(本願請求項の「センサ基材」の一例)と、圧電膜部7と、電極部9と(圧電膜部7と電極部9を併せたものが本願請求項の「センサ装置」の一例)、センサ保護材11と、超音波処理装置13を備える。
Referring to FIG. 1(a), a
ナット3は、この例では六角ナットである。ナット3は、機械などの組み立てに使用される締結部品の一つである。筒状の中央に雌ネジと呼ばれる開口部が切ってあり、図示を省略するボルトなどの雄ネジと組み合わせて、図示を省略する部材を締結して固定するために使用する。端面4は、ナット3において、センサ基材5に接する面に対向する終端面である。端面4は、ナット3において、センサ基材5に接する面とは反対側の面である。
センサ基材5は、ナット3によって前記部材とともに締結される。この例では、ナット3とセンサ基材5の間には他の部材などは存在せず、両者は接する。以下では、センサ基材5において、ナット3に接する面を境界面という。
The
センサ基材5には、境界面に対向する面(境界面とは反対側の面)に圧電膜部7が形成されている。圧電膜部7には、電極部9が形成されている。圧電膜部7は、電極部9に交流電圧をかけると周波数に合わせて振動して超音波などを発信することができる。また、振動が加わると電圧が発生して、電極部9において検出することができる。このように、圧電膜部7及び電極部9は、反射型のセンサとして機能する。
A
センサ保護材11は、圧電膜部7及び電極部9を保護するための保護材である。
The
超音波処理装置13は、電極部9と配線で接続する。超音波処理装置13が備える発信装置は、電極部9に対して電気信号を与えて、センサ基材5において圧電膜部7によりナット3に向けて超音波を発信する。ナット3とセンサ基材5の境界で反射する超音波は、圧電膜部7によるセンサの不感帯に埋もれて観察することができない。超音波処理装置13が備える受信装置は、電極部9から、少なくともセンサ基材5の境界面を通過してナット3の端面4で生じた反射波を受信する。圧電膜部7によるセンサは、センサ基材5の境界面を通過してナット3の端面4で生じた反射波を検出することができる。
The
図1(b)及び(c)を参照して、発信された超音波において、ナット3側に透過するものと、センサ基材5とナット3の境界で反射するものについて説明する。
With reference to FIGS. 1(b) and 1(c), the transmitted ultrasonic waves that are transmitted to the
図1(b)は、ナット締付け工具を使用しない場合である。この場合、締結トルクは小さく、センサ基材5からナット3側に透過する波は小さい。そのため、ナット3の端面4において反射した反射波は小さくなる。圧電膜部7は、小さな反射波を検出する。
FIG. 1(b) shows the case where no nut tightening tool is used. In this case, the fastening torque is small and the waves transmitted from the
図1(c)は、ナット締付け工具を使用した場合である。この場合、締結トルクは大きく、センサ基材5からナット3側に透過する波が大きい。そのため、ナット3の端面4において反射した反射波は大きくなる。圧電膜部7は、大きな反射波を検出する。
FIG. 1(c) shows the case where a nut tightening tool is used. In this case, the fastening torque is large, and the waves transmitted from the
そのため、超音波処理装置13が備える処理装置(本願請求項の「処理装置」の一例。例えばプログラムの制御の下で動作するプロセッサなど。ソフトウエアとハードウエア資源が協働した手段として「処理部」と捉えてもよい。)は、センサ基材5とナット3の境界を通過してナット3の端面4で反射する反射波を受信して、反射波の大きさを評価する評価値によってナット3のゆるみを評価することができる。評価値は、例えば反射波の振幅などである。
Therefore, a processing device included in the ultrasonic processing device 13 (an example of a "processing device" in the claims of the present application, such as a processor that operates under the control of a program) is a "processing unit" as a means in which software and hardware resources cooperate. ) receives the reflected wave that passes through the boundary between the
図2は、図1のゆるみ検出システム1の動作の一例を示すフロー図である。図2を参照して、ゆるみ検出システム1の動作の一例を説明する。例えば、第1時刻での締め付ける状態が第1状態にあるナット3での反射波の評価値が第1評価値であり、後の第2時刻での締め付ける状態が第2状態にあるナット3での反射波の評価値が第2評価値であったとする。
FIG. 2 is a flow diagram showing an example of the operation of the
第1時刻において、超音波処理装置13が備える発信装置は、電極部9に対して電気信号を与えて、センサ基材5において圧電膜部7によりナット3に向けて超音波を発信する。超音波処理装置13が備える受信装置は、電極部9から、少なくともセンサ基材5の境界面を通過してナット3の端面4で生じた反射波を受信する。超音波処理装置13が備える処理装置は、受信した反射波の大きさの評価値である第1評価値を取得する(ステップSTA1)。
At the first time, the transmitting device included in the
第2時刻において、超音波処理装置13が備える発信装置は、電極部9に対して電気信号を与えて、センサ基材5において圧電膜部7によりナット3に向けて超音波を発信する。超音波処理装置13が備える受信装置は、電極部9から、少なくともセンサ基材5の境界面を通過してナット3の端面4で生じた反射波を受信する。超音波処理装置13が備える処理装置は、受信した反射波の大きさの評価値である第2評価値を取得する(ステップSTA2)。
At the second time, the transmitting device included in the
超音波処理装置13が備える処理装置は、第1評価値と第2評価値を比較して、いずれが大きい反射波を示すかを判断する(ステップSTA3)。
The processing device included in the
第2評価値が第1評価値と比較して小さな反射波であることを示すならば、超音波はナット3側に透過するものが小さくなったと評価でき、第2時刻におけるナット3の締結トルクが小さくなったと評価することができる(ステップSTA4)。
If the second evaluation value indicates that the reflected wave is smaller than the first evaluation value, it can be evaluated that the amount of ultrasonic waves transmitted to the
第2評価値が第1評価値と同じ反射波であることを示すならば、第2状態と第1状態で締結トルクは同じであると評価することができる(ステップSTA5)。 If the second evaluation value indicates that the reflected wave is the same as the first evaluation value, it can be evaluated that the fastening torque is the same in the second state and the first state (step STA5).
第2評価値が第1評価値と比較して大きな反射波であることを示すならば、第2状態では第1状態よりも超音波はナット3側に透過するものが大きくなったと評価でき、例えば途中で締め直したなどによって、第2時刻におけるナット3の締結トルクが大きくなったと評価することができる(ステップSTA6)。
If the second evaluation value indicates that the reflected wave is larger than the first evaluation value, it can be evaluated that the amount of ultrasonic waves transmitted to the
このように、本願発明は、単にゆるんでいるか否かというON-OFF検出だけでなく、締結トルクを数値的な連続性のある状態で検出することもできる。 In this way, the present invention can not only simply detect ON-OFF whether or not the bolt is loose, but also detect the fastening torque in a numerically continuous state.
図3~図13を参照して、締結トルクと反射波の相関を確認するために行った実験について説明する。この実験では、締結トルクを変えてナット3を締める。各トルクで締め付けた後、センサ基材5にパルスを入力し、ナット3の端面4からの反射波形の変化を観察する。
Experiments conducted to confirm the correlation between fastening torque and reflected waves will be described with reference to FIGS. 3 to 13. In this experiment, the
図3は、この実験において使用したセンサ基材を示す。 Figure 3 shows the sensor substrate used in this experiment.
図4は、図3のセンサ基材(図1のセンサ基材5の一例)に圧電膜(図1の圧電膜部7の一例)と電極(図1の電極部9の一例)を形成して、配線を行ったものを示す。
FIG. 4 shows a structure in which a piezoelectric film (an example of the
図5は、(a)超音波を発生して受信するための装置と、(b)図4のセンサ基材において確認された反射波を示す。 FIG. 5 shows (a) an apparatus for generating and receiving ultrasonic waves, and (b) reflected waves observed in the sensor substrate of FIG. 4.
図6は、組み立てて、センサ保護材としてロックタイトを塗布した状態を示す。 FIG. 6 shows the assembled state and Loctite applied as a sensor protection material.
図7は、実験を行った状況を説明するための図である。実験では、圧造機の金型21のナット23に図6のセンサ25を取り付ける。センサ25には、パルスを発信して、受信した反射波の波形を測定するためのパルサー27を接続する。 FIG. 7 is a diagram for explaining the situation in which the experiment was conducted. In the experiment, the sensor 25 shown in FIG. 6 was attached to the nut 23 of the mold 21 of the heading machine. A pulser 27 is connected to the sensor 25 for emitting pulses and measuring the waveform of the received reflected wave.
実験では、ナットの締結トルクを変えて取り付けて、波形の変化を確認する。測定した締付条件は、ナット無し(Without-Nut、ナットを取り付けないときの波形)、手締め(Without-Tools、工具を使わないときの波形)、100N・m(100N・mのトルクで締め付けた場合の波形)、200N・m(200N・mのトルクで締め付けた場合の波形)、300N・m(300N・mのトルクで締め付けた場合の波形)、限界(Full-Power、人力でめいっぱい締めた場合の波形)である。 In the experiment, the nuts were installed with different tightening torques and changes in the waveform were observed. The measured tightening conditions were: without a nut (waveform when no nut is attached), hand tightening (without tools, waveform when using no tools), and 100N・m (tightening with a torque of 100N・m). 200N・m (waveform when tightened with a torque of 200N・m), 300N・m (waveform when tightened with a torque of 300N・m), limit (Full-Power, fully manually tightened) waveform when tightened).
パルサー27は、送信設定として、使用チャネル数は1、周波数は5MHz、ゲインは40.5dB、パワーは高く、送信波を抑制する。 The pulser 27 has transmission settings such that the number of channels used is 1, the frequency is 5 MHz, the gain is 40.5 dB, and the power is high, and transmit waves are suppressed.
図8は、使用したナットを示す。片面取りの六角ナットである。 Figure 8 shows the nuts used. It is a hexagonal nut with one side chamfer.
図9(a)及び(b)は、それぞれ、ナット無し及び手締めの場合の反射波の波形である。図10(a)及び(b)は、それぞれ、100N・m及び200N・mの場合の反射波の波形である。図11(a)及び(b)は、それぞれ、300N・m及び限界の場合の反射波の波形である。横軸はデータを受信した時間(μsec)であり、縦軸は振幅(V)である。トルクが大きくなるにつれて、多くの反射波を受信している。 FIGS. 9(a) and 9(b) show the waveforms of the reflected waves when there is no nut and when the nut is manually tightened, respectively. FIGS. 10A and 10B show the waveforms of reflected waves in the case of 100 N·m and 200 N·m, respectively. FIGS. 11(a) and 11(b) show the waveforms of reflected waves in the case of 300 N·m and the limit, respectively. The horizontal axis is the time (μsec) when data was received, and the vertical axis is the amplitude (V). As the torque increases, more reflected waves are received.
図12は、図9~図11の各グラフにおいて(a)波形を比較したものと、(b)第二反射波10~15μsecを切り出して比較したものである。横軸はシフト時間(μsec)であり、縦軸は振幅(V)である。 FIG. 12 shows (a) a comparison of the waveforms in each graph of FIGS. 9 to 11, and (b) a comparison of the second reflected wave cut out for 10 to 15 μsec. The horizontal axis is the shift time (μsec), and the vertical axis is the amplitude (V).
図13は、第二反射波のピーク値を比較したものである。横軸はデータ番号を示し、縦軸は振幅(V)のピーク値を示す。データ番号は、1から順に、ナット無し、手締め、100N・m、200N・m、300N・m及び限界である。トルクが大きくなるにつれて、ピーク値が大きくなっている。このように、締結トルクと反射波のピーク値に相関が認められる。そのため、ゆるみの有無というON-OFF信号を出力する単純なセンサを実現することに加えて、締結トルク値を数値(例えばアナログ値)で出力するセンサなども実現することができる。そのため、単にゆるみの有無にとどまらず、既定のトルク(例えば559N・mなど)で固定できているかなども判定することができる。 FIG. 13 shows a comparison of the peak values of the second reflected waves. The horizontal axis shows the data number, and the vertical axis shows the peak value of amplitude (V). The data numbers are, in order from 1, no nut, manual tightening, 100 N·m, 200 N·m, 300 N·m, and limit. As the torque increases, the peak value increases. In this way, a correlation is recognized between the fastening torque and the peak value of the reflected wave. Therefore, in addition to realizing a simple sensor that outputs an ON-OFF signal indicating the presence or absence of looseness, it is also possible to realize a sensor that outputs a fastening torque value as a numerical value (for example, an analog value). Therefore, it is possible to determine not only the presence or absence of looseness, but also whether the fixation can be performed with a predetermined torque (for example, 559 N·m).
なお、この実験では、第一反射波が大きくなってしまったために、第二反射波を使用している。第一反射波などの他の反射波でもよい。 Note that in this experiment, the second reflected wave was used because the first reflected wave became large. Other reflected waves such as the first reflected wave may also be used.
図14は、締結トルクと打音との相関について確認するために行った実験を説明するための図である。センサをナットで固定した後に衝撃を与える。そのときの打音をセンサで取得する。ナットの締結トルクを変えて実験し、締結トルクと打音波形に相関があるかを確認する。 FIG. 14 is a diagram for explaining an experiment conducted to confirm the correlation between fastening torque and tapping sound. Apply a shock after securing the sensor with a nut. The sensor captures the tapping sound at that time. Experiment by changing the tightening torque of the nut to see if there is a correlation between the tightening torque and the hammering sound shape.
測定した締付条件は、30N・m、50N・m、70N・m、90N・m、130N・m、150N・m、170N・mの各トルクで締め付けた場合である。各トルクで5回測定した。 The measured tightening conditions were 30 N·m, 50 N·m, 70 N·m, 90 N·m, 130 N·m, 150 N·m, and 170 N·m. Five measurements were taken at each torque.
図15は、各締結トルクの代表データ1点を比較したものである。この実験では、締結トルクと打音との相関は見出すことは難しかった。ただし、センサで音を取得することができ、実際に取り付けた構造物(設備など)をあわせた振動系の振動モニタリングは可能であると予想される。 FIG. 15 shows a comparison of one representative data point for each fastening torque. In this experiment, it was difficult to find a correlation between fastening torque and hammering sound. However, it is possible to acquire sound with sensors, and it is expected that it will be possible to monitor vibrations of vibration systems that include actually installed structures (equipment, etc.).
1 ゆるみ検出システム
3 ナット
5 センサ基材
7 圧電膜部
9 電極部
11 センサ保護材
13 超音波処理装置
21 金型
23 ナット
25 センサ
27 パルサー
1
Claims (4)
前記締結部品によって前記部材とともに締結されるセンサ基材を備え、
前記センサ基材は、少なくとも一つの面が前記締結部品に接し、
前記締結部品に向けて前記センサ基材に発信されて前記センサ基材から前記締結部品に通過した超音波が前記締結部品の端面において反射した反射波を受信するセンサ装置を備える、ゆるみ検出システム。 A loosening detection system for detecting loosening of fastening parts that fasten members,
comprising a sensor base material fastened together with the member by the fastening component,
The sensor base material has at least one surface in contact with the fastening component,
A loosening detection system comprising a sensor device that receives a reflected wave in which an ultrasonic wave that is transmitted to the sensor base material toward the fastening component and passed from the sensor base material to the fastening component is reflected at an end surface of the fastening component.
前記センサ装置は、前記センサ基材において、前記締結部品に向けて超音波を発信して、前記締結部品の端面で反射した反射波を受信する、請求項1記載のゆるみ検出システム。 The sensor device includes a piezoelectric film part ,
The loosening detection system according to claim 1, wherein the sensor device transmits an ultrasonic wave toward the fastening component in the sensor base material and receives a reflected wave reflected from an end surface of the fastening component.
前記圧電膜部は、前記センサ基材において、前記締結部品に接する面に向けて超音波を発信して、前記締結部品の端面で反射した反射波を受信する、請求項2記載のゆるみ検出システム。 The piezoelectric film portion is present on a surface of the sensor base material that is different from a surface that is in contact with the fastening component,
3. The loosening detection system according to claim 2, wherein the piezoelectric film section transmits an ultrasonic wave toward a surface of the sensor base material that is in contact with the fastening component, and receives a reflected wave reflected from an end surface of the fastening component. .
前記締結部品によって前記部材とともに締結されるセンサ基材と、
前記センサ基材に発信されて前記センサ基材から前記締結部品に通過した超音波が前記締結部品の端面において反射した反射波を受信するセンサ装置を備え、
前記締結部品が第1状態及び第2状態にある場合に受信された前記反射波の大きさを評価するための評価値をそれぞれ第1評価値及び第2評価値として、第1評価値が第2評価値よりも前記反射波が大きいことを示す場合に、前記第1状態における前記締結部品は、前記第2状態における前記締結部品よりも締結トルクが大きいと評価する処理装置を備える超音波処理装置を備えるゆるみ検出システム。 A loosening detection system for detecting loosening of fastening parts that fasten members,
a sensor base material fastened together with the member by the fastening component;
comprising a sensor device that receives a reflected wave in which an ultrasonic wave transmitted to the sensor base material and passed from the sensor base material to the fastening component is reflected at an end surface of the fastening component;
The evaluation values for evaluating the magnitude of the reflected wave received when the fastening component is in the first state and the second state are respectively defined as a first evaluation value and a second evaluation value, and the first evaluation value is the first evaluation value. Ultrasonic treatment comprising a processing device that evaluates that the fastening torque of the fastening component in the first state is greater than that of the fastening component in the second state when the reflected wave is larger than a second evaluation value. Looseness detection system with device.
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