TW202340753A - 鬆動檢測系統及感測器基材 - Google Patents

鬆動檢測系統及感測器基材 Download PDF

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Abstract

提供一種不利用固有振動數，可檢測螺帽的鬆動之鬆動檢測系統等。鬆動檢測系統1是用以檢測將構件鎖緊的螺帽3的鬆動。感測器基材5藉由螺帽3與構件一起被鎖緊。壓電膜部7及電極部9在感測器基材5中朝螺帽3傳送超音波，接收所傳送的超音波在螺帽3的端面4中反射的反射波。超音波處理裝置13藉由反射波的大小評價螺帽3的鬆動。

Description

鬆動檢測系統及感測器基材
本發明是關於鬆動檢測系統及感測器(sensor)基材，特別是關於用以檢測將構件鎖緊的螺帽(nut)的鬆動之鬆動檢測系統等。
在專利文獻1記載有在墊圈(washer)基材貼附壓電元件(piezoelectric element)，藉由壓電元件所檢測出的墊圈基材的振動狀況求出固有振動數，檢測螺栓緊固件(bolt fastener)的鬆動。
[專利文獻1] 日本國特開2005-069312號公報
但是，在專利文獻1中為了求出固有振動數，需使墊圈基材振動。
因此，本案發明其目的為提供一種不利用固有振動數，可檢測螺帽的鬆動之鬆動檢測系統等。
本案發明的第一側面為一種鬆動檢測系統，用以檢測將構件鎖緊的螺帽的鬆動，具備藉由前述螺帽與前述構件一起被鎖緊之感測器基材，具備接收傳送到前述感測器基材的超音波在前述螺帽的的端面中反射的反射波之感測器裝置。
本案發明的第二側面為第一側面的鬆動檢測系統，前述感測器裝置具備壓電膜(piezoelectric film)部，前述感測器基材至少一個面接觸前述螺帽，前述感測器裝置在前述感測器基材中朝前述螺帽傳送超音波，接收在前述螺帽的端面反射的反射波。
本案發明的第三側面為第二側面的鬆動檢測系統，前述壓電膜部存在於在前述感測器基材中與接觸前述螺帽的面不同的面，前述壓電膜部在前述感測器基材中朝接觸前述螺帽的面傳送超音波，接收在前述螺帽的端面反射的反射波。
本案發明的第四側面為第一側面至第三側面中任一側面的鬆動檢測系統，具備超音波處理裝置，該超音波處理裝置具備如下之處理裝置：分別將評價在前述螺帽處於第一狀態及第二狀態的情形下接收的前述反射波的大小用的評價值當作第一評價值及第二評價值，在顯示前述反射波其第一評價值比第二評價值大的情形下，評價為前述第一狀態下的前述螺帽比前述第二狀態下的前述螺帽其鎖緊扭力(fastening torque)大。
本案發明的第五側面為一種感測器基材，藉由螺帽與構件一起被鎖緊，具備接收傳送到前述感測器基材的超音波在前述螺帽的的端面中反射的反射波之感測器裝置。
本案發明的第六側面為第五側面的感測器基材，前述感測器裝置具備壓電膜部，前述感測器基材至少一個面接觸前述螺帽，前述壓電膜部存在於在前述感測器基材中與接觸前述螺帽的面不同的面，前述壓電膜部在前述感測器基材中朝接觸前述螺帽的面傳送超音波，接收在前述螺帽的端面反射的反射波。
依照本案發明的各側面，藉由利用螺帽的端面中的超音波的反射波，不利用振動可檢測螺帽的鬆動。
以下參照圖式就本案發明的實施例進行敘述。此外，本案發明的實施的形態不是被限定於以下的實施例。
實施例1 圖1是顯示與本案發明的實施的形態有關的鬆動檢測系統的(a)構成的一例之圖，與(b)及(c)反射波的一例之圖。
參照圖1(a)，鬆動檢測系統1具備：螺帽3，與感測器基材5(本案請求項的[感測器基材]的一例)，與壓電膜部7，與電極部9(合併壓電膜部7與電極部9者為本案請求項的[感測器裝置]的一例)，與感測器保護材11，與超音波處理裝置13。
螺帽3在該例子中為六角螺帽(hexagon nut)。螺帽3為在機械等的組裝使用的鎖緊零件之一。使用於用以在筒狀的中央切開稱為內螺紋(female screw)的開口部，與省略圖示的螺栓等的外螺紋(male screw)組合，將省略圖示的構件鎖緊固定。端面4是在螺帽3中對向於接觸感測器基材5的面之終端面。端面4是在螺帽3中與接觸感測器基材5的面相反側的面。
感測器基材5藉由螺帽3與前述構件一起被鎖緊。在該例子中，在螺帽3與感測器基材5之間不存在其他的構件等，兩者接觸。在以下中，將在感測器基材5中接觸螺帽3的面稱為邊界面。
在感測器基材5，於對向於邊界面的面(與邊界面相反側的面)形成有壓電膜部7。在壓電膜部7形成有電極部9。壓電膜部7若交流電壓一施加於電極部9，就配合頻率振動並可傳送超音波等。而且，一施加振動，就產生電壓，並可在電極部9中檢測出。如此，壓電膜部7及電極部9當作反射型的感測器發揮功能。
感測器保護材11為用以保護壓電膜部7及電極部9的保護材。
超音波處理裝置13藉由配線與電極部9連接。超音波處理裝置13所具備的傳送裝置對電極部9給予電信號，在感測器基材5中藉由壓電膜部7朝螺帽3傳送超音波。在螺帽3與感測器基材5的邊界反射的超音波被埋沒在由壓電膜部7構成的感測器的無感帶(dead band)而無法被觀察到。超音波處理裝置13所具備的接收裝置接收從電極部9至少通過感測器基材5的邊界面並在螺帽3的端面4產生的反射波。由壓電膜部7構成的感測器可檢測通過感測器基材5的邊界面並在螺帽3的端面4產生的反射波。
參照圖1(b)及(c)，針對在所傳送的超音波中透過到螺帽3側的超音波，與在感測器基材5與螺帽3的邊界反射的超音波進行說明。
圖1(b)是不使用螺帽鎖緊工具的情形。此情形，鎖緊扭力小，從感測器基材5透過到螺帽3側的波小。因此，在螺帽3的端面4中反射的反射波變小。壓電膜部7檢測小的反射波。
圖1(c)是使用了螺帽鎖緊工具的情形。此情形，鎖緊扭力大，從感測器基材5透過到螺帽3側的波大。因此，在螺帽3的端面4中反射的反射波變大。壓電膜部7檢測大的反射波。
因此，超音波處理裝置13所具備的處理裝置(本案請求項的[處理裝置]的一例。例如在程式的控制之下動作的處理器(processor)等。作為軟體與硬體資源協同動作的手段掌握為[處理部]也可以。)接收通過感測器基材5與螺帽3的邊界並在螺帽3的端面4反射的反射波，可藉由評價反射波的大小的評價值評價螺帽3的鬆動。評價值例如為反射波的振幅等。
圖2是顯示圖1的鬆動檢測系統1的動作的一例之流程圖。參照圖2說明鬆動檢測系統1的動作的一例。例如以在第一時刻下的鎖緊狀態處於第一狀態之在螺帽3的反射波的評價值為第一評價值，以在之後的第二時刻下的鎖緊狀態處於第二狀態之在螺帽3的反射波的評價值為第二評價值。
在第一時刻中，超音波處理裝置13所具備的傳送裝置對電極部9給予電信號，在感測器基材5中藉由壓電膜部7朝螺帽3傳送超音波。超音波處理裝置13所具備的接收裝置接收從電極部9至少通過感測器基材5的邊界面並在螺帽3的端面4產生的反射波。超音波處理裝置13所具備的處理裝置取得接收到的反射波的大小的評價值之第一評價值(步驟STA1)。
在第二時刻中，超音波處理裝置13所具備的傳送裝置對電極部9給予電信號，在感測器基材5中藉由壓電膜部7朝螺帽3傳送超音波。超音波處理裝置13所具備的接收裝置接收從電極部9至少通過感測器基材5的邊界面並在螺帽3的端面4產生的反射波。超音波處理裝置13所具備的處理裝置取得接收到的反射波的大小的評價值之第二評價值(步驟STA2)。
超音波處理裝置13所具備的處理裝置比較第一評價值與第二評價值，判斷哪一個顯示大的反射波(步驟STA3)。
若第二評價值與第一評價值比較顯示小的反射波，則可評價為超音波透過到螺帽3側變小了。可評價為第二時刻下的螺帽3的鎖緊扭力變小了(步驟STA4)。
若顯示第二評價值與第一評價值相同的反射波，則可評價為在第二狀態與第一狀態下鎖緊扭力相同(步驟STA5)。
若第二評價值與第一評價值比較顯示大的反射波，則可評價為在第二狀態下相較於第一狀態超音波透過到螺帽3側變大了，例如藉由在途中重新鎖緊等，可評價為第二時刻下的螺帽3的鎖緊扭力變大了(步驟STA6)。
如此，本案發明不僅是否鬆動之ON-OFF檢測，也能在具有數值的連續性的狀態下檢測鎖緊扭力。
參照圖3~圖13就為了確認鎖緊扭力與反射波的相關而進行的實驗進行說明。在該實驗中，改變鎖緊扭力以鎖緊螺帽3。在以各扭矩(torque)鎖緊後，將脈衝(pulse)輸入到感測器基材5，觀察來自螺帽3的端面4的反射波形的變化。
圖 3 顯示在本實驗中使用的感測器基材。
圖4顯示在圖3的感測器基材(圖1的感測器基材5的一例)形成壓電膜(圖1的壓電膜部7的一例)與電極(圖1的電極部9的一例)，進行配線之圖。
圖5(a)是顯示產生並接收超音波用的裝置，與(b)在圖4的感測器基材中被確認的反射波。
圖6是顯示組裝，塗佈LOCTITE當作感測器保護材的狀態。
圖7是用以說明進行了實驗的狀況之圖。在實驗中，在鍛頭機(heading machine)的模具21的螺帽23安裝圖6的感測器25。在感測器25連接傳送脈衝並測定接收到的反射波的波形用之脈衝產生器(pulser)27。
在實驗中，改變螺帽的鎖緊扭力而進行安裝，確認波形的變化。測定的鎖緊條件為無螺帽(Without-Nut，不安裝螺帽時的波形)、手動鎖緊(Without-Tools，不使用工具時的波形)、100N·m(以100N･m的扭矩鎖緊的情形的波形)、200N·m(以200N･m的扭矩鎖緊的情形的波形)、300N·m(以300N･m的扭矩鎖緊的情形的波形)、界限(Full-Power，以人力竭盡全力鎖緊的情形的波形)。
脈衝產生器27作為傳送設定係使用通道數(number of channel)為1，頻率為5MHz，增益(gain)為40.5dB，功率高，抑制傳送波(transmission wave)。
圖8是顯示使用的螺帽。為單面倒角(one side chamfering)的六角螺帽。
圖9(a)及(b)分別為無螺帽及手動鎖緊的情形的反射波的波形。圖10(a)及(b)分別為100N･m及200N･m的情形的反射波的波形。圖11(a)及(b)分別為300N･m及界限的情形的反射波的波形。橫軸為接收數據的時間(μsec)，縱軸為振幅(V)。隨著扭矩變大，接收許多反射波。
圖12是在圖9~圖11的各圖中(a)比較波形之圖，與(b)將第二反射波10~15μsec切出進行比較之圖。橫軸為移位時間(shifted time)，縱軸為振幅(V)。
圖13是比較第二反射波的峰值之圖。橫軸是顯示數據編號(data number)，縱軸是顯示振幅(V)的峰值。數據編號從1開始依次為無螺帽、手動鎖緊、100N･m、200N･m、300N･m及界限。峰值隨著扭矩變大而變大。如此，在鎖緊扭力與反射波的峰值被認定相關。因此，除了實現輸出鬆動的有無之ON-OFF信號的單純的感測器之外，還可以實現以數值(例如類比值)輸出鎖緊扭力值的感測器等。因此，不僅限於鬆動的有無，也能判定是否能以既定的扭矩(例如559N･m等)固定等。
此外，在該實驗中，因第一反射波變大，故使用第二反射波。第一反射波等的其他反射波也可以。
圖14是用以說明就鎖緊扭力與打音的相關為了確認所進行的實驗之圖。在以螺帽固定感測器後給予衝擊。以感測器取得此時的打音。改變螺帽的鎖緊扭力進行實驗，確認在鎖緊扭力與打音波形是否具有相關。
測定的鎖緊條件是以30N･m、50N･m、70N･m、90N･m、130N･m、150N･m、170N･m的各扭矩鎖緊的情形。以各扭矩測定了5次。
圖15是比較各鎖緊扭力的代表數據1點之圖。在該實驗中，很難找到鎖緊扭力與打音的相關。但是，可預想為可藉由感測器取得聲音，使得包含實際安裝的構造物(設備等)之振動系統的振動監視(vibration monitoring)為可能。
1:鬆動檢測系統 3、23:螺帽 4:端面 5:感測器基材 7:壓電膜部 9:電極部 11:感測器保護材 13:超音波處理裝置 21:模具 25:感測器 27:脈衝產生器
圖1是顯示與本案發明的實施的形態有關的鬆動檢測系統的(a)構成的一例之圖，與(b)及(c)反射波的一例之圖。 圖2是顯示圖1的鬆動檢測系統1的動作的一例之流程圖。 圖3是顯示在發明人們為了確認鎖緊扭力與反射波的相關所進行的實驗中使用的感測器基材。 圖4是顯示在圖3的感測器基材形成壓電膜與電極，進行配線之圖。 圖5(a)是顯示產生並接收超音波用的裝置，與(b)在圖4的感測器基材中被確認的反射波。 圖6是顯示組裝，塗佈LOCTITE當作感測器保護材的狀態。 圖7是用以說明進行了實驗的狀況之圖。 圖8是顯示實驗所使用的螺帽。 圖9(a)及(b)分別為無螺帽及手動鎖緊的情形的反射波的波形。 圖10(a)及(b)分別為100N･m及200N･m的情形的反射波的波形。 圖11(a)及(b)分別為300N･m及界限的情形的反射波的波形。 圖12是在圖9~圖11的各圖中(a)比較波形之圖，與(b)將第二反射波10~15μsec切出進行比較之圖。 圖13是比較第二反射波的峰值之圖。 圖14是用以說明發明人們為了確認鎖緊扭力與打音的相關所進行的實驗之圖。 圖15是比較測定的鎖緊扭力的各鎖緊扭力的代表數據1點之圖。
1:鬆動檢測系統
3:螺帽
4:端面
5:感測器基材
7:壓電膜部
9:電極部
11:感測器保護材
13:超音波處理裝置

Claims (6)

  1. 一種鬆動檢測系統，用以檢測將構件鎖緊的螺帽的鬆動， 具備藉由該螺帽與該構件一起被鎖緊之感測器基材， 具備接收傳送到該感測器基材的超音波在該螺帽的的端面中反射的反射波之感測器裝置。
  2. 如請求項1之鬆動檢測系統，其中該感測器裝置具備壓電膜部， 該感測器基材至少一個面接觸該螺帽， 該感測器裝置在該感測器基材中朝該螺帽傳送超音波，接收在該螺帽的端面反射的反射波。
  3. 如請求項2之鬆動檢測系統，其中該壓電膜部存在於在該感測器基材中與接觸該螺帽的面不同的面， 該壓電膜部在該感測器基材中朝接觸該螺帽的面傳送超音波，接收在該螺帽的端面反射的反射波。
  4. 如請求項1之鬆動檢測系統，其中具備超音波處理裝置，該超音波處理裝置具備如下之處理裝置：分別將評價在該螺帽處於第一狀態及第二狀態的情形下接收的該反射波的大小用的評價值當作第一評價值及第二評價值，在顯示該反射波其第一評價值比第二評價值大的情形下，評價為該第一狀態下的該螺帽比該第二狀態下的該螺帽其鎖緊扭力大。
  5. 一種感測器基材，藉由螺帽與構件一起被鎖緊， 具備接收傳送到該感測器基材的超音波在該螺帽的的端面中反射的反射波之感測器裝置。
  6. 如請求項5之感測器基材，其中該感測器裝置具備壓電膜部， 該感測器基材至少一個面接觸該螺帽， 該壓電膜部存在於在該感測器基材中與接觸該螺帽的面不同的面， 該壓電膜部在該感測器基材中朝接觸該螺帽的面傳送超音波，接收在該螺帽的端面反射的反射波。
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