WO2020090446A1 - 緩み検出構造及びその構造を用いた緩み検出方法 - Google Patents

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WO2020090446A1
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conductive film
frequency
looseness
bolt
component
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PCT/JP2019/040506
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恵里 松永
美濃谷　直志
昌人 中村
昌幸 津田
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日本電信電話株式会社
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B31/00—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts
    • F16B31/02—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H13/00—Measuring resonant frequency
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B31/00—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts
    • F16B31/02—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load
    • F16B31/028—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load with a load-indicating washer or washer assembly
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H17/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves, not provided for in the preceding groups

Definitions

  • the present invention relates to a looseness detection structure for detecting looseness of a bolt and a nut for fixing two parts, and a looseness detection method using the structure.
  • Bolts tighten and fix parts to each other, and are used for various purposes from large facilities such as infrastructure structures and plant equipment to familiar products such as vehicles, playground equipment, and furniture. At the joints of bolts, loosening or falling may occur due to compositional deformation due to vibration or excessive force, or deterioration such as fatigue.
  • Non-Patent Document 1 Non-Patent Document 1
  • the method of monitoring the misalignment of the matching marks and the tapping sound inspection are not suitable for the inspection of a portion that is difficult to be visually inspected because the inspection target is in a difficult place to see or is far away. Further, there is a problem that skill is required and inspection by an unskilled person is difficult.
  • the present invention has been made in view of this problem, and an object thereof is to provide a slack detection structure suitable for inspecting the slack of a tightening portion of two parts by a bolt and a slack detection method using the structure.
  • the looseness detection structure is a looseness detection structure that detects looseness of a bolt and a nut that fix two components, and a surface including a hole into which the bolt of one of the components is inserted,
  • the component has a dimension related to the wavelength of the high-frequency signal propagating inside the component and has a conductive film attached so as not to be in direct conduction with the one component.
  • the gist is to provide a second conductive film that
  • the looseness detection method is a looseness detection method executed by a looseness detection device that detects looseness of a bolt and a nut, and a surface including a hole into which a bolt of one component is inserted, A high-frequency signal having a frequency within a predetermined range is swept on a conductive film that has a dimension related to the wavelength of a high-frequency signal propagating inside the component and is attached so as not to be in direct conduction with the one of the components.
  • a value recording step a comparing step of comparing the peak value with the past peak value to obtain a change amount, and determining that there is no looseness when the change amount is less than a threshold value, If serial change amount is equal to or greater than the threshold value and gist to carry out a determining step that there is the loose.
  • a slack detection structure suitable for inspecting the slack of a tightened portion of two parts by a bolt and a slack detection method using the structure.
  • FIG. 2 is a structural cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure of the looseness detection device shown in FIG. 3.
  • FIG. 3 It is a figure which shows an example of the looseness detection structure shown in FIG. 1, (a) is a top view, (b) is a figure which shows a resonance frequency spectrum. It is a figure which shows another example of the looseness detection structure shown in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a looseness detecting structure according to an embodiment of the present invention.
  • the looseness detection structure 100 shown in FIG. 1 is used to detect looseness of a bolt 4 and a nut 5 that fix two parts 1 and 2.
  • parts 1 and 2 are examples of steel materials.
  • the structure for fixing the two parts 1 and 2 is not limited to this example.
  • the two steel materials may be fixed by interposing a splice plate (splice plate, not shown).
  • the washer 5 may be omitted.
  • the description of the washer 5 will be omitted.
  • FIG. 2 is a structural cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG.
  • the cross section shown in FIG. 2 includes a conductive film 7, a non-conductive film 8, a component (steel material) 1, a component (steel material) 2 and a nut 6 from the top.
  • a bolt 4 is inserted into a hole H formed in both parts, and a nut 6 is fitted and fixed to a threaded portion 4c of the bolt 4 protruding to the opposite side.
  • the conductive film 7 may be formed by applying a conductive paint.
  • a conductive paint for example, silver paste or the like can be used.
  • the non-conductive film 8 may also be formed by applying a paint.
  • a modified epoxy resin paint or the like can be used.
  • the conductive film 7 may be formed by sticking a conductive sheet.
  • a film containing a conductive filler such as metal particles or carbon can be used.
  • the neck portion 4a of the bolt 4 does not directly contact the component 1. Moreover, since the diameter of the bolt 4 is smaller than the diameter of the hole H, normally, the bolt 4 and the components 1 and 2 are not electrically connected. If the bolt 4 is inserted eccentrically with respect to the hole H, the bolt 4 may come into contact with the hole H. If such a situation is expected, the neck portion 4b of the bolt 4 may be coated.
  • the bolt 4 and the parts 1 and 2 should not be in direct conduction.
  • the bolt 4 and the components 1 and 2 are electrically connected via the nut 6.
  • the surfaces of the components 1 and 2 are conductors, they are conducted through the paths of the conductive film 7, the bolt 4, the nut 6, the component 2 and the component 1.
  • the non-conductive film 8 is unnecessary. Instead, a conductive film (second conductive film) 9 is also provided on the nut 6 side (not shown).
  • the plane shape and thickness of the second conductive film 9 are the same as those of the conductive film 7, for example.
  • the looseness detection structure 100 is a structure in which a high frequency signal is propagated to the two components 1 and 2 via the conductive film 7.
  • the high-frequency signal is propagated to the two components 1 and 2 sandwiched between the conductive film 7 and the second conductive film 7.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the looseness detection structure 100 and the looseness detection device 200 according to the present embodiment.
  • the looseness detection device 200 inputs a high frequency signal to the conductive film 7 and detects the natural frequencies of the components 1 and 2.
  • the planar shape of the conductive film 7 is, for example, a quadrangle.
  • the length of one side of the quadrangle is W (hereinafter, one side W), and the length of the diagonal line is L (hereinafter, diagonal line L).
  • the components 1 and 2 vibrate by associating the diagonal line L and the side W of the conductive film 7 with the wavelength ⁇ of the high-frequency signal input from the looseness detection device 200.
  • the wavelength ⁇ is the wavelength in the medium of the components 1 and 2.
  • n is an integer of 1 or more.
  • the example shown in FIG. 3 is when the parts 1 and 2 are steel materials. Therefore, the conductive film 7 to which the high frequency signal is input is insulated by the non-conductive film 8. Then, the high frequency signal propagates to the member 2 and the member 1 via the bolt 4 and the nut 6.
  • the range in which the high-frequency signal mainly propagates is within the range of the components 1 and 2 to which the conductive film 7 is attached.
  • the looseness detection structure 100 it is possible to inspect the looseness of the tightened portion of the two components by the bolt.
  • the looseness detection structure 100 is a looseness detection structure that detects looseness of the bolt 4 and the nut 6 that fix the two components 1 and 2, and the bolt 4 of one component 1 is Conductivity that is attached to the surface including the hole H to be inserted so as to partially have a dimension related to the wavelength ⁇ of the high-frequency signal propagating inside the components 1 and 2 so as not to be directly connected to the one component 1 It comprises a membrane 7.
  • the non-conductive film 8 is provided between the surface of the one component 1 and the conductive film 7.
  • the second conductive film 9 that faces the conductive film 7 is provided on the surface of the other component 2.
  • the insulator also includes a case where the insulator has low conductivity.
  • the conductive film 7 has a quadrangular planar shape, and the diagonal L of the quadrilateral has a dimension that is an integral multiple (n) of a half wavelength ⁇ / 2 of the high-frequency signal, or one side W of the quadrangle. Is the integral multiple (n) of the half-wavelength ⁇ / 2 of the high frequency signal.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a functional configuration example of the looseness detecting device 200 according to the embodiment of the present invention. A flow chart showing the processing procedure is shown in FIG.
  • the looseness detection device 200 includes a frequency sweep unit 20, a high frequency application unit 21, a vibration mode detection unit 22, a vibration mode recording unit 23, a determination unit 24, and a control unit 25.
  • the control unit 25 is a functional configuration unit that controls the operation of each functional configuration unit, and can be configured by, for example, a computer including a ROM, a RAM, a CPU, and the like.
  • a part of the vibration mode detection unit 22, the vibration mode recording unit 23, and the determination unit 24 can also be configured by the computer.
  • the looseness detection device 200 inputs a high frequency signal to the conductive film 7 of the looseness detection structure 100.
  • the frequency sweep unit 20 sweeps frequencies within a predetermined range.
  • the high frequency applying unit 21 generates a high frequency signal having a frequency swept by the frequency sweeping unit 20 and applies the high frequency signal to the conductive film 7 of the looseness detecting structure 100 (step S1).
  • the vibration mode detection unit 22 detects the vibration mode of the components 1 and 2 to which the conductive film 7 is attached (step S2).
  • the vibration mode can be obtained, for example, by performing a fast Fourier (FFT) transformation on the characteristics of the current input to the conductive film 7.
  • FFT fast Fourier
  • the vibration mode may be detected by performing a fast Fourier transform on the reflected wave reflected from the conductive film 7.
  • the vibration mode detection unit 22 is connected in series between the conductive film 7 and the vibration mode recording unit 23 (not shown). A specific example of the vibration mode will be described later.
  • the vibration mode recording unit 23 records the peak value of vibration detected by the vibration mode detecting unit 22 (step S3).
  • the peak value of vibration can be obtained, for example, by the maximum value of the current input from the conductive film 7.
  • the peak value can be represented by, for example, a current value and a frequency at which the current flows.
  • the determination unit 24 first compares the obtained peak value with the peak values obtained in the past to obtain the amount of change (step S4).
  • the amount of change may be, for example, the current value and the frequency, or may be only the frequency.
  • the determination unit 24 determines that there is no slack when the change amount is less than the threshold value (step S6), and determines that there is slackness when the change amount is greater than or equal to the threshold value (step S7).
  • step S6 determines that there is no slack when the change amount is less than the threshold value
  • step S7 determines that there is slackness when the change amount is greater than or equal to the threshold value.
  • the looseness detection method executed by the looseness detection device 200 is performed by the high frequency signal propagating inside the components 1 and 2 on the surface including the hole H through which the bolt of the one component 1 is inserted. Is applied to the conductive film 7 which has a dimension related to the wavelength ⁇ of a part of it and which is attached so as not to be in direct conduction with the one component 1 by sweeping and applying a high frequency signal of a frequency within a predetermined range.
  • Step S1 a vibration mode detection step S2 that detects the vibration mode of the component 1 to which the conductive film 7 is attached, a peak value recording step S3 that records the peak value of the vibration detected in the vibration mode detection step, A comparison step S4 of comparing the peak value with the past peak value to obtain a variation amount, and determining that there is no slackness when the variation amount is less than a threshold value, and slackness when the variation amount is equal to or greater than the threshold value. Performing a determination step S5.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the looseness detection structure 100.
  • (A) is the top view,
  • (b) shows the power spectrum of a resonance frequency.
  • the horizontal axis of (b) is frequency (GHz), and the vertical axis is intensity (arbitrary unit).
  • the conductive film 7 is a square with a side W of 10 cm. Therefore, the diagonal line L is about 14.1 cm.
  • the diameter of the bolt 4 is less than 1/50 (28.2 mm) of the diagonal line L ⁇ 14.1 cm.
  • High frequency signal was swept from 0 GHz to 2.5 GHz.
  • the high frequency signal may be swept up to the frequency of the vibration mode where the position of the bolt 4 is outside the vibration node. That is, the vibration of the knot has a small amplitude in the first place. Therefore, it is advisable to sweep the position of the bolt 4 to a frequency at which the bolt 4 vibrates at the antinode of the vibration having a large amplitude.
  • Fig. 6 (b) multiple peaks are observed when a high frequency signal is swept in the range of 0 GHz to 2.5 GHz. For example, pay attention to the peak values of three vibrations counting from the low frequency.
  • the solid line shows the vibration characteristic in the initial state where the bolt 4 is tightened.
  • the lowest first harmonic ⁇ is the frequency (0.8 GHz) at which the diagonal line L resonates at a half wavelength ⁇ / 2.
  • the intermediate second harmonic ⁇ is a frequency (1.14 GHz) at which one side W resonates at a half wavelength ⁇ / 2.
  • the highest third harmonic ⁇ is the frequency (1.77 GHz) at which the diagonal line L resonates at the wavelength ⁇ .
  • the third harmonic is 2.21 times the first harmonic ⁇ . This is almost equal to twice 0.8GHz. The reason why the harmonics do not have an accurate dimensional ratio is considered to be due to the influence of leakage of high frequency signals.
  • the characteristic indicated by the broken line in FIG. 6B indicates the peak value of vibration when the bolt 4 is loose. Only the third harmonic ⁇ changes to 1.53 GHz. It is considered that the reason for this is that the amplitude of the third harmonic ⁇ corresponding to the antinode of vibration is increased due to the loosened bolt 4, and the frequency is decreased.
  • the frequency to be swept in the high frequency sweep applying step S1 may be any frequency range including the first harmonic ⁇ to the third harmonic ⁇ .
  • the high frequency sweep applying step S1 sweeps the frequency range including the frequency of the high frequency signal whose dimension of the quadrangle diagonal L corresponds to a half wavelength ⁇ / 2 and the frequency twice the frequency. According to this, the frequency sweep range can be minimized, and the inspection efficiency can be improved.
  • FIG. 7 is a diagram showing another example of the looseness detection structure 100.
  • (A) is the top view
  • (b) shows the power spectrum of a resonance frequency.
  • the relationship between the horizontal axis and the vertical axis in (b) is the same as in FIG. 6 (b).
  • FIG. 7 differs from the example shown in FIG. 6 in that the diameter of the bolt 4 is increased.
  • the diameter of the bolt 4 is 1/50 (28.2 mm) or more of the diagonal line L ⁇ 14.1 cm.
  • Example 2 since the diameter of the bolt 4 is larger than that in Example 1, vibration of the abdomen where the amplitude of vibration is large is suppressed. Therefore, in the tightened state of the bolt 4 (solid line in FIG. 7 (b)), the third harmonic ⁇ (the frequency at which the diagonal line L resonates at the wavelength ⁇ of 1.77 GHz) that was observed when the diameter of the bolt 4 was small. ) Disappears.
  • the first harmonic ⁇ is likely to vibrate when the bolt 4 is loosened.
  • the power spectrum of the first harmonic ⁇ becomes slightly large and the frequency is slightly lowered.
  • the looseness of the bolt 4 may be determined based on the decrease in the frequency of the first harmonic ⁇ .
  • the threshold value of 5% is a guideline, and may be set to a size corresponding to the measurement accuracy of the resonance frequency.
  • the amount of change in the peak value includes the occurrence of a new peak value, and the determination step S5 determines that there is slack when there is a new peak value.
  • FIG. 8 is a diagram showing another example of the looseness detection structure 100.
  • (A) is the top view,
  • (b) shows the power spectrum of a resonance frequency.
  • the relationship between the horizontal axis and the vertical axis in (b) is the same as in FIG. 7 (b).
  • FIG. 8 differs from the above specific example in that the number of bolts 4 is four and the four corners of the conductive film 7 are narrowed.
  • the minimum frequency for obtaining the power spectrum of the resonance frequency is set so as to include the frequency at which the diagonal line L resonates at the half wavelength ⁇ / 2 in a state where all the bolts 4a, 4b, 4c, 4d are loose.
  • the feeding point for feeding the high-frequency signal is, for example, a corner of the conductive film 7 on the bolt 4b side.
  • the maximum frequency for obtaining the power spectrum of the resonance frequency is preferably set to a frequency three times or more the minimum frequency.
  • the bolts 4a and 4c hit the node of vibration, if the diameter of the bolt 4 is less than 1/50 of the diagonal line L, the peak of the minimum frequency is hard to change even if the bolts 4a and 4c are loosened. Therefore, the looseness of the bolt is detected by the second and subsequent harmonics.
  • the position of all the bolts 4a-4d hits the antinode of the vibration, so if any of the bolts 4a-4d loosens, the frequency of the second harmonic changes.
  • Figure 8 (b) shows the situation.
  • a change in frequency of the second harmonic ⁇ when one bolt 4a is loosened is shown by a thick broken line.
  • a change in the frequency of the second harmonic ⁇ when the two bolts 4a and 4d are loosened is shown by a thin broken line.
  • the portions are fixed based on the change in the natural frequency of the detection target surfaces of the two components. Detect looseness of bolt 4. Therefore, it is also suitable for the inspection of a place where the inspection target is difficult to see, or a portion where it is difficult to perform visual inspection at a distance.
  • the looseness detection structure 100 and the looseness detection device 200 are arranged apart from each other, the looseness of the bolt can be remotely detected.
  • the looseness detection structure 100 and the looseness detection device 200 may be connected by a high frequency signal line such as a micro split line. Alternatively, the connection may be made by a waveguide or the like.
  • the looseness detecting device 200 may be arranged in the vicinity of the bolt 4 which is an essential part of the structure, and the detection result may be transmitted wirelessly. By doing so, the risks associated with the inspection can be eliminated. It is also possible to reduce the inspection cost.
  • the looseness detection structure 100 of the present invention is not limited to the above specific examples 1 to 3. It can be widely applied to a structure in which the two parts 1 and 2 are fixed at the port 4. Further, the planar shape of the conductive film 7 is described as an example of a quadrangle, but is not limited to this example. As shown in FIG. 9, the planar shape of the conductive film 7 may be circular (a) or triangular (b).
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified within the scope of the gist thereof.

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Abstract

ボルトによる二つの部品の締め付け部分の緩みを検査するのに好適な緩み検出構造を提供する。二つの部品１，２を固定するボルト４とナット６の緩みを検出する緩み検出構造であって、一方の部品１のボルト４が挿通される孔Ｈを含む表面に、部品１，２の内部を伝搬する高周波信号の半波長と関係する寸法を一部に持ち該一方の部品１と直接導通しないようにして貼り付けられる導電性膜７を備え、部品１，２の表面が導電性を持つ場合は、一方の部品１の表面と導電性膜７との間に非導電性膜８を備え、部品１，２の表面が絶縁体である場合は、他方の部品２の表面に、導電性膜７と対向する第２導電性膜９を備える。

Description

緩み検出構造及びその構造を用いた緩み検出方法
　本発明は、二つの部品を固定するボルトとナットの緩みを検出する緩み検出構造及びその構造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）等の検査方法が存在する。
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、高所等の作業性の悪い場所に計測器を運んで検査するのでコストが高くなる。また、危険であるという課題がある。このように、ボルトによる二つの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、ボルトによる二つの部品の締め付け部分の緩みを検査するのに好適な緩み検出構造及びその構造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構造は、二つの部品を固定するボルトとナットの緩みを検出する緩み検出構造であって、一方の前記部品の前記ボルトが挿通される孔を含む表面に、前記部品の内部を伝搬する高周波信号の波長と関係する寸法を一部に持ち該一方の前記部品と直接導通しないようにして貼り付けられる導電性膜を備え、前記部品の表面が導電体の場合は、前記一方の前記部品の表面と前記導電性膜との間に非導電性膜を備え、前記部品の表面が絶縁体の場合は、他方の前記部品の表面に、前記導電性膜と対向する第２導電性膜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、ボルトとナッ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、一方の部品のボルトが挿通される孔を含む表面に、前記部品の内部を伝搬する高周波信号の波長と関係する寸法を一部に持ち該一方の前記部品と直接導通しないようにして貼り付けられる導電性膜に、所定の範囲の周波数の高周波信号を掃引して印加する高周波掃引印加ステップと、前記導電性膜が貼り付けられた前記部品の振動モードを検出する振動モード検出ステップと、前記振動モード検出ステップで検出された振動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、ボルトによる二つの部品の締め付け部分の緩みを検査するのに好適な緩み検出構造及びその構造を用いた緩み検出方法を提供することができる。
本発明の実施形態に係る緩み検出構造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。 本発明の実施形態に係る緩み検出構造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。 図３に示す緩み検出装置の処理手順を示すフローチャートである。 図１に示す緩み検出構造の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は共振周波数スペクトルを示す図である。 図１に示す緩み検出構造の他の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は共振周波数スペクトルを示す図である。 図１に示す緩み検出構造の他の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は共振周波数スペクトルを示す図である。 導電性膜の他の平面形状の例を示す図である。
　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。
　（緩み検出構造）
　図１は、本発明の実施形態に係る緩み検出構造の一例を示す斜視図である。図１に示す緩み検出構造１００は、二つの部品１，２を固定するボルト４とナット５の緩みを検出するのに用いられる。
　図１に示す例は、部品１，２を鋼材の例で示す。二つの部品１，２を固定する構造は、この例に限定されない。ボルト４は複数で有っても良い。また、2つの鋼材は、添え板（スプライスプレート、図示せず）を介在させて固定するようにしても良い。また、座金５は無くても構わない。以降、座金５の説明は省略する。
　図２は、図１に示すＡ－Ａ線に沿う構造断面図である。図２に示す断面は、上から、導電性膜７、非導電性膜８、部品（鋼材）１、部品（鋼材）２及びナット６を備える。部品１，２は、両者に空けられた孔Ｈにボルト４が挿入され、反対側に突出したボルト４のねじが切られた部分４ｃにナット６が嵌められて固定される。
　導電性膜７は、導電性塗料を塗布して形成しても良い。導電性塗料は、例えば銀ペースト等を用いることができる。非導電性膜８も塗料を塗布して形成しても良い。例えば変性エポキシ樹脂塗料等を用いることができる。また、導電性膜７は、導電性シートを貼って形成しても良い。導電性シートは、例えば金属粒子、カーボン等の導電性フィラーを含んだフィルム等を用いることができる。
　図２に示すように、ボルト４の首部４ａは、直接、部品１に接触しない。また、ボルト４の径は、孔Ｈの径よりもが小さいので、通常、ボルト４と部品１，２は電気的に導通しない。なお、ボルト４が孔Ｈに対して偏心して挿入されると、ボルト４が孔Ｈと接触してしまう場合がある。そのような事が想定される場合は、ボルト４の首下部分４ｂを被覆加工しても良い。
　つまり、ボルト４と部品１，２は直接導通しないようにする。その結果、ボルト４と部品１，２は、ナット６を介して電気的に導通することになる。部品１，２の表面が導電体の場合は、導電性膜７、ボルト４、ナット６、部品２、部品１の経路で導通する。
　また、部品１，２の表面が絶縁体の場合、若しくは導電性が低い場合は、非導電性膜８は不要である。その代わりに、ナット６側にも導電性膜（第２導電性膜）９を設ける（図示せず）。第２導電性膜９の平面形状及び厚さは、例えば導電性膜７と同じにする。
　このように本実施形態に係る緩み検出構造１００は、二つの部品１，２に、導電性膜７を介して高周波信号を伝搬させる構造である。又は、導電性膜７と第２導電性膜７に挟まれた二つの部品１，２に高周波信号を伝搬する構造である。
　図３は、本実施形態に係る緩み検出構造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、導電性膜７に高周波信号を入力し、部品１，２の固有振動数を検出する。
　図３に示すように導電性膜７の平面形状は、例えば四角形である。その四角形の一辺の長さをＷ（以降、一辺Ｗ）、対角線の長さをＬ（以降、対角線Ｌ）とする。
　導電性膜７の対角線Ｌ及び一辺Ｗと、緩み検出装置２００から入力される高周波信号の波長λを関係付けることで、部品１，２は振動する。波長λは、部品１，２の媒質中の波長である。
　高周波信号の波長λを、式（１）に示すように設定する。一辺Ｗも同じ式、Ｗ＝λ/2×ｎで表せる。ｎは整数である。対角線Ｌと一辺Ｗの具体例については後述する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　ここで、ｎは1以上の整数である。
　図３に示す例は、部品１，２が鋼材の場合である。したがって、高周波信号が入力される導電性膜７は、非導電性膜８によって絶縁される。そして、高周波信号は、ボルト４、ナット６を介して部材２と部材１に伝搬する。高周波信号が主に伝搬する範囲は、導電性膜７が貼られた部品１，２の範囲内である。
　その伝搬特性は、ボルト４の緩み具合で変化する。したがって、本実施形態に係る緩み検出構造１００によれば、ボルトによる二つの部品の締め付け部分の緩みを検査することができる。
　以上説明したように本実施形態に係る緩み検出構造１００は、二つの部品１，２を固定するボルト４とナット６の緩みを検出する緩み検出構造であって、一方の部品１のボルト４が挿通される孔Ｈを含む表面に、部品１，２の内部を伝搬する高周波信号の波長λと関係する寸法を一部に持ち該一方の部品１と直接導通しないようにして貼り付けられる導電性膜７を備える。
　また、部品１，２の表面が導電体の場合は、一方の部品１の表面と導電性膜７との間に非導電性膜８を備える。また、部品１，２の表面が絶縁体の場合は、他方の部品２の表面に、導電性膜７と対向する第２導電性膜９を備える。ここで絶縁体は、導電性が低い場合も含む。
　また、導電性膜７は、平面形状が四角形であり、該四角形の対角線Ｌの寸法が高周波信号の半波長λ/2の整数倍（ｎ）の大きさである、又は、該四角形の一辺Ｗの寸法が高周波信号の半波長λ/2の整数倍（ｎ）の大きさである。
　これにより、ボルト４による二つの部品１，２の締め付け部分の緩みを検出することができる。
　（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。その処理手順を示すフローチャートを図５に示す。
　緩み検出装置２００は、周波数掃引部２０、高周波印加部２１、振動モード検出部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、各機能構成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、振動モード検出部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。
　緩み検出装置２００は、緩み検出構造１００の導電性膜７に高周波信号を入力する。周波数掃引部２０は、所定の範囲の周波数を掃引する。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、緩み検出構造１００の導電性膜７に印加する（ステップＳ１）。
　振動モード検出部２２は、導電性膜７が貼り付けられた部品１，２の振動モードを検出する（ステップＳ２）。振動モードは、例えば、導電性膜７に入力される電流の特性を高速フーリエ（ＦＦＴ）変換することで求めることができる。
　又は、導電性膜７から反射される反射波を高速フーリエ変換して振動モードを検出するようにしても良い。反射波から検出する場合は、振動モード検出部２２は、導電性膜７と振動モード記録部２３との間に直列に接続される（図示せず）。振動モードの具体例は後述する。
　振動モード記録部２３は、振動モード検出部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、例えば導電性膜７から入力される電流の最大値で求めることができる。ピーク値は、例えば電流値と、その電流が流れる周波数とで表せる。
　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）。変化量は、例えば電流値と、周波数でも良いし、周波数だけでも良い。
　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）。緩みの判定の具体例は後述する。
　以上説明したように本実施形態に係る緩み検出装置２００が実行する緩み検出方法は、一方の部品１のボルトが挿通される孔Ｈを含む表面に、部品１，２の内部を伝搬する高周波信号の波長λと関係する寸法を一部に持ち該一方の部品１と直接導通しないようにして貼り付けられる導電性膜７に、所定の範囲の周波数の高周波信号を掃引して印加する高周波掃引印加ステップＳ１と、導電性膜７が貼り付けられた部品１の振動モードを検出する振動モード検出ステップＳ２と、振動モード検出ステップで検出された振動のピーク値を記録するピーク値記録ステップＳ３と、ピーク値と過去の前記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し、変化量が閾値以上の場合は緩みがあると判定する判定ステップＳ５とを行う。
　これにより、ボルト４による二つの部品１，２の締め付け部分の緩みを検出することができる。
　（具体例１）
　図６は、緩み検出構造１００の一例を示す図である。（ａ）はその平面図、（ｂ）は共振周波数のパワースペクトルを示す。（ｂ）の横軸は周波数（GHz）、縦軸は強度（任意単位）である。
　導電性膜７は、一辺Ｗが10cmの正方形とした。よって、対角線Ｌは約14.1cmである。
　そして、ボルト４の直径は、対角線Ｌ≒14.1cmの1/50（28.2mm）未満とした。
　高周波数信号は0GHz～2.5GHzまで掃引した。
　ボルト４が締まっている初期状態では、ボルト４の周辺の部品１，２は短絡しているので、その付近の電界は0である。この場合は、ボルト４の位置が振動の節以外になる振動モードの周波数まで高周波信号を掃引すると良い。つまり、節部の振動は、そもそも振幅が小さい。したがって、ボルト４の位置が、振幅の大きな振動の腹で振動する周波数まで掃引すると良い。
　図６（ｂ）に示すように、高周波信号を0GHz～2.5GHzの範囲で掃引すると複数のピークが観察される。例えば、低い周波数から数えて3つの振動のピーク値に着目する。実線は、ボルト４が締まっている初期状態の振動特性を示す。
　最も低い第１高調波αは、対角線Ｌが半波長λ/2で共振する周波数（0.8GHz）である。中間の第２高調波βは、一辺Ｗが半波長λ/2で共振する周波数（1.14GHz）である。最も高い第３高調波γは、対角線Ｌが波長λで共振する周波数（1.77GHz）である。
　第２高調波は、第１高調波αの1.43倍である。これは対角線Ｌ÷一辺Ｗ=1.41倍にほぼ等しい。また、第３高調波は、第１高調波αの2.21倍である。これは0.8GHzの2倍にほぼ等しい。それぞれの高調波が、正確な寸法比にならない理由は、高周波信号の漏れ等の影響のためだと考えられる。
　図６（ｂ）に破線で示す特性は、ボルト４が緩んだ状態の振動のピーク値を示す。第３高調波γのみが1.53GHzに変化している。この理由は、振動の腹に相当する第３高調波γによる振幅が、ボルト４が緩んだことで大きくなり、周波数が低下したものと考えられる。
　このように振動モードのピーク値の変化で、ボルト４の緩みを検出することが可能である。振動モードのピーク値の変化でボルト４の緩みを検出するので、上記の高周波掃引印加ステップＳ１において掃引する周波数は、第１高調波α～第３高調波γを含む周波数範囲であれば良い。
　つまり、高周波掃引印加ステップＳ１は、四角形の対角線Ｌの寸法が半波長λ/2に相当する高周波信号の周波数と、該周波数の2倍の周波数を含む周波数範囲を掃引する。これによれば、周波数の掃引範囲を必要最低限にすることができ、検査効率を向上させることができる。
　（具体例２）
　図７は、緩み検出構造１００の他の一例を示す図である。（ａ）はその平面図、（ｂ）は共振周波数のパワースペクトルを示す。（ｂ）の横軸と縦軸の関係は、図６（ｂ）と同じである。
　図７は、図６に示した例に対してボルト４の径を大きくした点で異なる。ボルト４の直径は、対角線Ｌ≒14.1cmの1/50（28.2mm）以上とした。
　具体例２では、具体例１よりもボルト４の径が大きくなるので、振動の振幅の大きな腹部の振動も抑制する。よって、ボルト４が締まった状態（図７（ｂ）の実線）では、ボルト４の径が小さい場合に観測することが出来た第３高調波γ（対角線Ｌが波長λで共振する周波数1.77GHz）が見られなくなる。
　ボルト４が緩むと、抑制されていた第３高調波γは、新たに表れる（図７（ｂ）の破線）。このように、新たなピーク値の発生が有った場合に、ボルト４の緩みがあると判定しても良い。
　一方、第１高調波αは、ボルト４が緩むことで、振動し易くなる。その結果、第１高調波αのパワースペクトルはやや大きくなり、周波数は少し低下する。この第１高調波αの周波数の低下に基づいて、ボルト４の緩みを判定するようにしても良い。
　その場合は、例えば、0.84GHzの第１高調波が低周波数側に5%以上シフトしたらボルト４が緩んだと判定しても良い。なお、5%の閾値は、目安であり、共振周波数の測定精度に対応させた大きさにすると良い。
　このように、ピーク値の変化量は、新たなピーク値の発生も含み、上記の判定ステップＳ５は、新たなピーク値の発生が有った場合に、緩みがあると判定する。これにより、ボルト４の径が比較的に大きな場合で有っても、ボルト４の緩みを正しく検出できる。
　（具体例３）
　図８は、緩み検出構造１００の他の一例を示す図である。（ａ）はその平面図、（ｂ）は共振周波数のパワースペクトルを示す。（ｂ）の横軸と縦軸の関係は、図７（ｂ）と同じである。
　図８は、ボルト４を4本とし、導電性膜７の四隅を絞める点で、上記の具体例と異なる。この場合、共振周波数のパワースペクトルを取得する最小周波数を、全てのボルト４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが緩んだ状態で、対角線Ｌが半波長λ/2で共振する周波数を含むように設定する。なお、高周波信号を給電する給電点は、例えば導電性膜７のボルト４ｂ側の角部とする。また、最小周波数の半波長λ/2が対角線Ｌの長さになる導電性膜７の大きさにすると良い。また、共振周波数のパワースペクトルを取得する最大周波数は、最小周波数の3倍以上の周波数にすると良い。
　この例の場合、ボルト４ａと４ｃは振動の節に当たるため、例えば、ボルト４の直径が対角線Ｌの1/50未満とすると、ボルト４ａ，４ｃが緩んでも最小周波数のピークは変化し難い。そこで、2次以降の高調波でボルトの緩みを検出する。
　2次以降の高調波は、全てのボルト４ａ～４ｄの位置が振動の腹に当たるため、ボルト４ａ～４ｄの何れかが緩むと第２高調波の周波数が変化する。
　図８（ｂ）にその様子を示す。1個のボルト４ａが緩んだ場合の第２高調波βの周波数の変化を太い破線で示す。2個のボルト４ａ，４ｄが緩んだ場合の第２高調波βの周波数の変化を細い破線で示す。
　図８（ｂ）に示すように、1個のボルト４ａが緩んだ場合は、第２高調波βの周波数が1.77GHzから1.53GHzに変化する。また、2個のボルト４ａ，４ｄが緩んだ場合は、第２高調波βの周波数が1.77GHzから1.46GHzに変化する。
　このように複数のボルト４の緩みを検出することも可能である。なお、ボルト４の直径が対角線Ｌの1/50以上の場合は、振動の節の位置であってもボルトの直径が大きいためその緩みの影響が最小周波数に出る場合がある。よって、ボルト４の直径が対角線Ｌの1/50以上の場合は、最小周波数を含む周波数から掃引すると良い。
　以上述べたように、本実施形態に係る緩み検出構造１００及びその構造を用いた緩み検出方法によれば、2つの部品の検出対象面の固有振動数の変化に基づいて、当該部分を固定するボルト４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、緩み検出構造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。緩み検出構造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４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、本発明の緩み検出構造１００は、上記の具体例１～３に限定されない。2つの部品１，２をポルト４で固定する構造に広く適用することが可能である。また、導電性膜７の平面形状は四角形の例で説明を行ったが、この例に限定されない。図９に示すように、導電性膜７の平面形状は、円形（ａ）、又は三角形（ｂ）であっても良い。
　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
４：ボルト
５：座金
６：ナット
７：導電性膜
８：非導電性膜
９：第２導電性膜
１００：緩み検出構造
２０：周波数掃引部
２１：高周波印加部
２２：振動モード検出部
２３：振動モード記録部
２４：判定部
２５：制御部

Claims (5)

  1. 　二つの部品を固定するボルトとナットの緩みを検出する緩み検出構造であって、
    　一方の前記部品の前記ボルトが挿通される孔を含む表面に、前記部品の内部を伝搬する高周波信号の波長と関係する寸法を一部に持ち該一方の前記部品と直接導通しないようにして貼り付けられる導電性膜を
    　備え、
    　前記部品の表面が導電体の場合は、前記一方の前記部品の表面と前記導電性膜との間に非導電性膜を備え、
    　前記部品の表面が絶縁体の場合は、他方の前記部品の表面に、前記導電性膜と対向する第２導電性膜を備える
    　ことを特徴とする緩み検出構造。
  2. 　前記導電性膜及び前記第２導電性膜は、
    　平面形状が四角形であり、該四角形の対角線の寸法が前記高周波信号の半波長の整数倍の大きさである、又は、該四角形の一辺の寸法が前記高周波信号の半波長の整数倍の大きさである
    　ことを特徴とする請求項１に記載の緩み検出構造。
  3. 　ボルトとナッ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、
    　一方の部品のボルトが挿通される孔を含む表面に、前記部品の内部を伝搬する高周波信号の波長と関係する寸法を一部に持ち該一方の前記部品と直接導通しないようにして貼り付けられる導電性膜に、所定の範囲の周波数の高周波信号を掃引して印加する高周波掃引印加ステップと、
    　前記導電性膜が貼り付けられた前記部品の振動モードを検出する振動モード検出ステップと、
    　前記振動モード検出ステップで検出された振動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
    　を行うことを特徴とする緩み検出方法。
  4. 　前記導電性膜は、
    　平面形状が四角形であり、該四角形の対角線の寸法が前記高周波信号の半波長の整数倍の大きさであり、又は、該四角形の一辺の寸法が前記高周波信号の半波長の整数倍の大きさであり、
    　前記高周波掃引印加ステップは、
    　前記四角形の対角線の寸法が半波長に相当する前記高周波信号の周波数と、該周波数の3倍の周波数を含む周波数範囲を掃引する
    　ことを特徴とする請求項３に記載の緩み検出方法。
  5. 　前記変化量は、新たな前記ピーク値の発生も含み、
    　前記判定ステップは、
    　新たな前記ピーク値の発生が有った場合に、前記緩みがあると判定する
    　ことを特徴とする請求項３又は４に記載の緩み検出方法。
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