WO2021214909A1 - 緩み検出センサ及びそれを用いた緩み検出方法 - Google Patents

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looseness
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恵里 松永
昌幸 津田
美濃谷　直志
正成 庄司
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more

Definitions

  • the present invention relates to a looseness detection sensor that detects looseness of bolts or nuts that fix parts, and a looseness detection method using the same.
  • Bolts are used to tighten and fix parts to parts, and are used for various purposes from large equipment such as infrastructure structures and plant equipment to familiar products such as vehicles, playsets, and furniture.
  • Bolt joints may loosen or fall off due to deterioration such as composition deformation and fatigue due to vibration or excessive force.
  • Non-Patent Document 1 proposes a method of marking a bolt and monitoring the deviation of the matching mark. Further, Non-Patent Documents 2 and 3 disclose a method of detecting an abnormality by a waveguide type sensor.
  • the method of monitoring the deviation of the matching mark is not suitable for inspection of parts where it is difficult to visually inspect, such as when the inspection target is in a place where it is difficult to see.
  • the method of detecting anomalies with a waveguide type sensor requires painting the sensor on the structure, so if paint is applied on the bolt, it must be repainted after loosening is detected. There is a problem.
  • the present invention has been made in view of this problem, and an object of the present invention is to provide a looseness detection sensor which has few construction problems and is easy to install in already constructed equipment, and a looseness detection method using the same. do.
  • the looseness detection sensor is a looseness detection sensor that detects looseness of a bolt or nut that fixes a component
  • the looseness detection sensor is a first type that sandwiches an insulating layer and the insulating layer from above and below.
  • the gist is that the conductive layer and the second conductive layer are provided, and the shape is a washer that is sandwiched between the component and the bolt or the component and the nut without directly contacting the shaft of the bolt.
  • the looseness detection method is a looseness detection method executed by the looseness detection device, in which an insulating layer and a first conductive layer and a second conductive layer sandwiching the insulating layer from above and below are formed.
  • a high-frequency signal having a frequency in a predetermined range is swept and applied to a loosening detection sensor having a washer shape sandwiched between the component and the bolt or the component and the nut without directly contacting the shaft of the bolt.
  • a reflected wave receiving step for receiving the reflected wave of the high frequency signal, a peak value recording step for recording the peak value of the reflected wave, and a comparison step for comparing the peak value with the past peak value to obtain the amount of change.
  • the amount of change is less than the threshold value, it is determined that there is no slack, and when the amount of change is greater than or equal to the threshold value, it is determined that there is slack.
  • FIG. 1 It is a perspective view which shows an example of the fixing part of a bolt using the looseness detection sensor which concerns on embodiment of this invention. It is a structural cross-sectional view along the line AA shown in FIG. It is a schematic diagram which shows the looseness detection sensor and looseness detection apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. It is a figure which shows an example of the planar shape of the looseness detection sensor shown in FIG. It is a figure which shows the resonance frequency spectrum measured by using the looseness detection sensor and the looseness detection device shown in FIG. It is a block diagram which shows the functional structure example of the looseness detection apparatus shown in FIG. It is a flowchart which shows the processing procedure of the looseness detection apparatus shown in FIG.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the looseness detection sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention. It is a figure which shows the resonance frequency spectrum measured by using the looseness detection sensor and looseness detection apparatus shown in FIG. It is a schematic diagram which shows the looseness detection sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention. It is a figure which shows the resonance frequency spectrum measured by using the looseness detection sensor and looseness detection apparatus shown in FIG. It is a schematic diagram which shows the modification of the looseness detection sensor shown in FIG. It is a figure which shows the resonance frequency spectrum measured by using the looseness detection sensor and looseness detection apparatus shown in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a looseness detection sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • the looseness detection sensor 5 shown in FIG. 1 is used to detect looseness of the bolt 4 and the nut that fix the two parts 1 and 2.
  • parts 1 and 2 are shown as an example of a steel material.
  • the structure for fixing the two parts 1 and 2 is not limited to this example.
  • the looseness detection sensor 5 has a washer shape and is arranged between the component 1 and the bolt 4 or between the component 2 and the nut.
  • FIG. 2 is a structural cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. In FIG. 2, the bolt 4, the nut 6, and the general washer 9 show their respective appearances.
  • the looseness detection sensor 5 is arranged, for example, on the neck portion 4a side of the bolt 4. Alternatively, it may be arranged on the nut 6 side. Further, it may be arranged on both the neck portion 4a side and the nut 6 side.
  • the looseness detection sensor 5 has a three-layer structure in which the insulating layer 5b is sandwiched between the first conductive layer 5a and the second conductive layer 5c. Further, the looseness detection sensor 5 has a washer shape that is sandwiched between the component 1 and the bolt 4 or the component 2 and the nut 6 without directly contacting the shaft 4b of the bolt 4.
  • the size of the hole in the center of the washer shape is larger than the diameter of the shaft 4b of the bolt 4 for which looseness is to be detected, and the neck portion 4a and the first conductive layer 5a of the bolt 4 and the second conductive layer 5c and the component 1 Are electrically connected to each other.
  • the shape is such that the shaft 4b of the bolt 4 and the screw portion 4c do not come into direct contact with each other.
  • the first and second conductive layers 5a and 5c are made of the same material as a general washer.
  • stainless steel materials such as SUS304,310,316 and vapor depositions of those metals are used.
  • an elastic resin such as PTFE or PTE is used.
  • a material other than resin such as oxide or glass may be used.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the looseness detection sensor 5 looseness detection device 200 according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the planar shape of the looseness detection sensor 5.
  • the looseness detection device 200 sweeps and applies a high frequency signal having a frequency in a predetermined range to the first conductive layer 5a, and detects the resonance frequency (natural frequency) of the looseness detection sensor 5.
  • the resonance wavelength ⁇ 1 of the looseness detection sensor 5 can be expressed by the following equation.
  • the resonance wavelength ⁇ 1 is the wavelength of the first-order natural frequency.
  • the resonance wavelength ⁇ 1 is a wavelength of a high frequency signal confined in the insulating layer 5b of the looseness detection sensor 5. Therefore, the resonance wavelength ⁇ 1 differs depending on the material of the insulation increase 5b.
  • L is the length of a half circumference of a circle passing through the center of the ring width W of the washer shape.
  • n is an integer greater than or equal to 1.
  • the resonance frequency f changes depending on how the bolt 4 is tightened.
  • the resonance frequency of the looseness detection sensor 5 alone (Equation (1)).
  • the inner peripheral portion of the looseness detection sensor 5 is short-circuited by the head of the bolt 4, so that the electric field strength of the inner peripheral portion is lowered. Therefore, the propagation mode of the high-frequency signal changes, and the resonance wavelength ⁇ 1 represented by the equation (1) becomes shorter. In this way, the looseness of the bolt 4 can be detected based on the change in the resonance frequency. It is also possible to detect looseness of the bolt 4 depending on the presence or absence of the resonance frequency.
  • FIG. 5 shows an example of a change in the resonance frequency detected by using the looseness detection sensor 5 manufactured for the bolt 4 of the M30.
  • the horizontal axis of FIG. 3 is the frequency (GHz), and the vertical axis is the arbitrary unit (dB).
  • the solid line shows the resonance frequency when the bolt 4 is tightened
  • the broken line shows the resonance frequency when the bolt 4 is loosened.
  • the resonance frequency of about 2.1 GHz changes to about 1.4 GHz when the bolt 4 is loosened.
  • the resonance frequency of about 2.9GHZ changes to about 2.5GHZ when the bolt 4 is loosened.
  • the looseness detection sensor 5 is excellent in workability because it has a washer shape sandwiched between bolts 4 or nuts 6. In addition, since the shape is annular, the risk of injuring the operator is low and the safety is high.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a functional configuration example of the looseness detection device 200 according to the embodiment of the present invention. A flowchart 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 function configuration unit that controls the operation of each function 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 first conductive layer 5a of the looseness detection sensor 5.
  • the frequency sweeping unit 20 sweeps frequencies in a predetermined range.
  • the high frequency application unit 21 generates a high frequency signal having a frequency swept by the frequency sweep unit 20 and applies it to the first conductive layer 5a of the looseness detection sensor 5 (step S1).
  • the vibration mode detection unit 22 detects the vibration mode of the looseness detection sensor 5 (step S2).
  • the vibration mode can be obtained, for example, by performing a fast Fourier (FFT) transform on the characteristics of the current input to the first conductive layer 5a.
  • FFT fast Fourier
  • the reflected wave reflected from the first conductive layer 5a may be fast Fourier transformed to detect the vibration mode.
  • the vibration mode detection unit 22 is connected in series between the conductive film 7 and the vibration mode recording unit 23 (not shown). Specific examples of the vibration mode will be described later.
  • the vibration mode recording unit 23 records the peak value of the vibration detected by the vibration mode detection unit 22 (step S3).
  • the peak value of vibration can be obtained, for example, by the maximum value of the current input from the first conductive layer 5a.
  • the peak value can be expressed by, for example, a current value and a frequency through which the current flows.
  • the determination unit 24 compares the obtained peak value with the peak value obtained in the past and obtains the amount of change (step S4).
  • the amount of change may be, for example, a current value and a frequency, or may be only a frequency.
  • the determination unit 24 determines that there is no slack when the amount of change is less than the threshold value (step S6), and determines that there is slack when the amount of change is greater than or equal to the threshold value (step S7).
  • step S6 determines that there is no slack when the amount of change is less than the threshold value
  • step S7 determines that there is slack when the amount of change is greater than or equal to the threshold value
  • the looseness detection method executed by the looseness detection device 200 is the looseness detection method executed by the looseness detection device 200, and the insulating layer 5b and the insulating layer 5b are mounted from above and below.
  • a looseness detection sensor 5 having a first conductive layer 5a and a second conductive layer 5c to be sandwiched, and having a washer shape sandwiched between the component 1 and the bolt 4 or the component 2 and the nut 6 without directly contacting the shaft 4b of the bolt 4.
  • step S2 in which a high frequency signal having a frequency in a predetermined range is swept and applied (step S1) and the reflected wave of the high frequency signal is received.
  • looseness may be detected based on the mode in which the peak value occurs.
  • the aspect means that the frequency interval indicating the peak value changes from, for example, a non-uniform state to a uniform state.
  • FIG. 8 is a diagram showing a looseness detection sensor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A is a plan view, and FIG. 8A schematically shows a cross section thereof.
  • the first conductive layer 52a, the insulating layer 52b, and the second conductive layer 52c are annular, and have a feeding point for feeding a high frequency signal to the first conductive layer 52a or the second conductive layer 52c.
  • One point of the first conductive layer 52a and the second conductive layer 52c on the opposite side of the feeding point is short-circuited by the conductive member 7.
  • m is an odd number.
  • the resonance wavelength ⁇ resonates on the short wavelength side according to the following equation, unlike the case of the first embodiment. Can be done.
  • n 2n + 1.
  • n is an integer of 1 or more
  • m is an odd number of 3 or more. Therefore, the relationship between the resonance wavelength ⁇ 2 and the resonance circumferential wavelength ⁇ 1 can be expressed by the following equation.
  • this embodiment can improve the degree of freedom in design.
  • FIG. 9 shows an example of a change in the resonance frequency detected by using the looseness detection sensor 52 manufactured for the bolt 4 of the M30.
  • the horizontal axis of FIG. 9 is the frequency (GHz), and the vertical axis is the arbitrary unit (dB).
  • the ring-shaped sensor resonates at the length of half the circumference of the ring, but when short-circuited at a position opposite to the feeding point with respect to the center of the sensor, the bolt 4 is loosened and shown in equation (2). There is a resonant wavelength. Further, since the end portion having a half circumference of the ring is forcibly short-circuited, the wavelength of each resonance shifts to the short wavelength side according to the equation (4).
  • the resonance frequency shown in the equation (2) is used for loosening detection, the resonance frequency can be lowered. Further, by utilizing the feature represented by the equation (3), it is possible to detect on the higher frequency side than the looseness detection sensor 5.
  • the position where the first conductive layer 52a and the second conductive layer 52c are short-circuited in the conductive member 7 may be any position in the annular shape. That is, one point of the first conductive layer 52a and the second conductive layer 52c at a position different from the feeding point for feeding the high frequency signal to the first conductive layer 52a or the second conductive layer 52c may be short-circuited by the conductive member 7. .. As a result, the degree of freedom in designing the looseness detection sensor can be increased.
  • FIG. 10 is a diagram showing a looseness detection sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • the looseness detection sensor 53 shown in FIG. 10 has an insulating layer 53b (not shown) and a first conductive layer 53a and a second conductive layer 53c (not shown), similarly to the looseness detection sensors 5 and 52 described above. It has a three-layer structure that sandwiches it.
  • the resonance wavelength ⁇ appears according to the following equation.
  • n is an integer.
  • the looseness of the bolt 4 can be detected based on the wavelength of the resonance frequency. It is also possible to detect looseness of the bolt 4 depending on the presence or absence of the resonance frequency.
  • FIG. 11 is a diagram showing a change in the resonance frequency when the looseness detection sensor 53 detects the looseness of the bolt 4.
  • the horizontal axis of FIG. 11 is the frequency (GHz), and the vertical axis is the arbitrary unit (dB).
  • the resonance wavelength ⁇ of the sensor appears according to the equation (5) depending on the length L.
  • the sensor is closed, a resonance mode in which the electric field strength on the inner circumference of the sensor is reduced is formed, and the resonance frequency shifts to the high frequency side.
  • the looseness detection sensor 53 of the third embodiment is not limited to the planar shape shown in FIG. For example, it may be semi-circular as shown in FIG.
  • FIG. 13 is a diagram showing a change in the resonance frequency when the looseness detection sensor 53 detects the looseness of the bolt 4.
  • the relationship between the horizontal axis and the vertical axis is the same as in FIG. 11 and the like.
  • the looseness detection sensor 53 may have a flat shape that can be inserted under the bolt 4 or the nut 6.
  • each of the insulating layer 53b, the first conductive layer 53a, and the second conductive layer 53c has a planar shape that can be inserted under the bolt 4 or the nut 6 from a direction orthogonal to the axis 4b of the bolt 4.
  • the looseness detection sensor 53 can be arranged without removing the installed bolt 4.
  • the two parts are sandwiched between the fixed portions.
  • Looseness detection Based on the change in the natural frequency of the sensors 5, 52, 53, the looseness of the bolt 4 or nut 6 that fixes the portion is detected. Therefore, it is also suitable for inspection of a place where the inspection target is difficult to see or a part where visual inspection is difficult at a distance.
  • the looseness detection sensor 5 and the looseness detection device 200 may be connected by a high frequency signal line such as a micro split line. Further, it may be connected by a waveguide or the like.
  • a loosening detection device 200 may be arranged in the vicinity of the bolt 4 at a key part of the structure so that the detection result can be transmitted wirelessly. By doing so, the risk associated with the inspection can be eliminated. It is also possible to reduce the inspection cost.
  • the looseness detection sensors 5, 52, 53 of the present invention are not limited to the above-described first to third embodiments. It can be widely applied to a structure in which two parts 1 and 2 are fixed by bolts 4. Further, when the surface of the component 1 has conductivity, the second conductive layer 5c may be omitted.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified within the scope of the gist thereof.

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Abstract

部品１，２を固定するボルト４又はナット６の緩みを検出する緩み検出センサ５であって、緩み検出センサ５は、絶縁層５ｂと、当該絶縁層５ｂを上下から挟む第１導電層５ａと第２導電層５ｂとを備え、ボルト４の軸４ｂとは直接接触せずに部品１とボルト４又は部品２とナット６で挟まれる座金形状である。

Description

緩み検出センサ及びそれを用いた緩み検出方法
　本発明は、部品を固定するボルト又はナットの緩みを検出する緩み検出センサ及びそれ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、例えば非特許文献１に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が提案されている。また、非特許文献２と３に導波路型センサによって異常を検出する方法が開示されている。
構造物のゆるみ対策、〔令和2年4月13日検索〕、インターネット（https://www.euroke.co.jp/linecap1/） E. Matsunaga ; M. Nakamura ; T. Minotani ; M. Tsuda, "Paintable Wireless Passive Sensor based on Electromagnetic Waveguide to Detect Loose Bolts for Remote Infrastructure Inspection." Proc. IEEE SENSORS 2019, Montreal, QC, Canada, Canada,2019. E. Matsunaga, T. Minotani, S. Oka, and M. Tsuda, "Fundamental study of coating-type sensor for detection of infrastructure　deterioration. "Proceedings of the 65th Japan Conference on Materials and Environments, Japan, pp. 178-181, 2019 (in Japanese).
　しかしながら、合いマークのズレを監視する方法等は、検査対象が見難い場所にある場合、又は遠方などの目視点検が困難な部分の検査には適さない。また、導波路型センサによる異常を検出する方法は、構造物にセンサを塗装する必要があるため、ボルトの上に塗料を塗装した場合は、緩み検知後に再塗装しなくてはならないといった施工上の課題がある。また、施工済みの既存の設備へのセンサの設置が難しいと言った課題がある。
　本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、施工上の課題が少なく、施工済みの設備への設置が容易な緩み検出センサ及びそれ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センサは、部品を固定するボルト又はナットの緩みを検出する緩み検出センサであって、前記緩み検出センサは、絶縁層と、該絶縁層を上下から挟む第１導電層と第２導電層とを備え、前記ボルトの軸とは直接接触せずに前記部品とボルト又は前記部品とナットで挟まれる座金形状であ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、上記緩み検出装置が実行する緩み検出方法であって、絶縁層と、該絶縁層を上下から挟む第１導電層と第２導電層とを備え、前記ボルトの軸とは直接接触せずに前記部品と前記ボルト又は前記部品と前記ナットで挟まれる座金形状である緩み検出センサに、所定の範囲の周波数の高周波信号を掃引して印加し、該高周波信号の反射波を受信する反射波受信ステップと、前記反射波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、施工上の課題が少なく、施工済みの設備への設置が容易な緩み検出センサ及びそれ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センサを用いたボルトの固定部分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。 本発明の第１実施形態に係る緩み検出センサと緩み検出装置を示す模式図である。 図１に示す緩み検出センサの平面形状の一例を示す図である。 図３に示す緩み検出センサと緩み検出装置を用いて測定した共振周波数スペクトルを示す図である。 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。 本発明の第２実施形態に係る緩み検出センサを示す模式図である。 図８に示す緩み検出センサと緩み検出装置を用いて測定した共振周波数スペクトルを示す図である。 本発明の第２実施形態に係る緩み検出センサを示す模式図である。 図１０に示す緩み検出センサと緩み検出装置を用いて測定した共振周波数スペクトルを示す図である。 図１０に示す緩み検出センサの変形例を示す模式図である。 図１２に示す緩み検出センサと緩み検出装置を用いて測定した共振周波数スペクトルを示す図である。
　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。
　〔第１実施形態〕
　図１は、本発明の第１実施形態に係る緩み検出センサの一例を示す斜視図である。図１に示す緩み検出センサ５は、二つの部品１，２を固定するボルト４とナット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。緩み検出センサ５は座金形状であり、部品１とボルト４、又は、部品２とナットの間に配置される。
　図２は、図１に示すＡ－Ａ線に沿う構造断面図である。図２において、ボルト４、ナット６、及び一般的なワッシャー９はそれぞれの外観を示す。
　図２に示すように、緩み検出センサ５は、例えばボルト４の首部４a側に配置される。又は、ナット６側に配置してもよい。また、首部４a側とナット６側の両方に配置しても構わない。
　緩み検出センサ５は、絶縁層５ｂを、第１導電層５ａと第２導電層５ｃとで挟む三層構造である。また、緩み検出センサ５は、ボルト４の軸４ｂとは直接接触せずに部品１とボルト４又は部品２とナット６で挟まれる座金形状である。
　座金形状の中央の穴の大きさは、緩みを検出したいボルト４の軸４ｂの直径以上の大きさであり、ボルト４の首部４ａと第１導電層５ａ、及び第２導電層５ｃと部品１は、それぞれ電気的に接続する。一方、ボルト４の軸４ｂとネジ部４ｃには直接接触しない形状である。
　第１・第２導電層５ａ，５ｃは、一般的な座金（ワッシャー）と同じ材料で構成される。例えば、SUS304,310,316等のステンレス材料及びそれらの金属の蒸着物を用いる。
　絶縁層５ｂは、例えば、PTFE,PTE等の弾力性のある樹脂を用いる。又は、酸化物やガラス等の樹脂以外の材料を用いてもよい。
　図３は、本実施形態に係る緩み検出センサ５緩み検出装置２００を示す模式図である。図４は、緩み検出センサ５の平面形状の一例を示す図である。
　緩み検出装置２００は、第１導電層５ａに、所定の範囲の周波数の高周波信号を掃引して印加し、緩み検出センサ５の共振周波数（固有振動数）を検出する。緩み検出センサ５の共振波長λ１は次式で表せる。共振波長λ１は、1次の固有振動数の波長である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　共振波長λ１は、緩み検出センサ５の絶縁層５ｂに閉じ込められる高周波信号の波長である。よって、共振波長λ１は絶縁増５ｂの材料によって異なる。ここでＬは、座金形状のリング幅Ｗの中央を通る円の半周の長さである。ｎは1以上の整数である。
　共振周波数ｆは、ボルト４の締め付け具合で変化する。ボルト４が緩んでいる状態では緩み検出センサ５単体の共振周波数と同じである（式（１））。一方、ボルト４が締め付けられた状態では、緩み検出センサ５の内周部分がボルト４の頭部によってショートするので内周部分の電界強度が下がる。そのため、高周波信号の伝搬モードが変化し、式（１）で表される共振波長λ１が短くなる。このように、共振周波数の変化に基づいてボルト４の緩みを検出することができる。また、共振周波数の有無でボルト４の緩みを検出することもできる。
　図５は、M30のボルト４用に作製した緩み検出センサ５を使用して検出した共振周波数の変化例を示す。図３の横軸は周波数（GHz）、縦軸は任意単位（dB）である。
　図５において、実線はボルト４が締まった状態、破線はボルト４が緩んだ状態の共振周波数を示す。約2.1GHzの共振周波数は、ボルト４が緩むことで約1.4GHZに変化する。また、約2.9GHZの共振周波数は、ボルト４が緩むことで約2.5GHZに変化する。
　このように、共振周波数の変化でボルト４の緩みを検出することができる。本実施形態に係る緩み検出センサ５は、ボルト４又はナット６で挟まれる座金形状であるため施工性に優れる。また、形状が円環状であるため作業者を傷つけるリスクが低く安全性が高い。
　次に、本発明の実施形態に係る緩み検出装置について説明する。
　（緩み検出装置）
　図６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７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、緩み検出センサ５の第１導電層５ａ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、緩み検出センサ５の第１導電層５ａに印加する（ステップＳ１）。
　振動モード検出部２２は、緩み検出センサ５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、第１導電層５ａ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、第１導電層５ａ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、例えば第１導電層５ａ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、上記の緩み検出装置２００が実行する緩み検出方法であって、絶縁層５ｂと、当該絶縁層５ｂを上下から挟む第１導電層５ａと第２導電層５ｃとを備え、ボルト４の軸４ｂとは直接接触せずに部品１とボルト４又は部品２とナット６で挟まれる座金形状である緩み検出センサ５に、所定の範囲の周波数の高周波信号を掃引して印加（ステップＳ１）し、該高周波信号の反射波を受信する反射波受信ステップ（ステップＳ２）と、
　前記反射波のピーク値を記録するピーク値記録ステップ（ステップＳ３）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（ステップＳ４）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（ステップＳ６）し、前記変化量が閾値以上の場合は前記緩みがある（ステップＳ７）と判定する判定ステップ（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。
　なお、緩みの検出は、ピーク値が生じる態様に基づいて検出するようにしてもよい。態様とは、ピーク値を示す周波数の間隔が、例えば不均一な状態から均一な状態に変化する等のことである。
　〔第２実施形態〕
　図８は、本発明の第２実施形態に係る緩み検出センサを示す図である。図８（ａ）は平面図、図８（ａ）はその断面を模式的に示す。
　図８に示すように、第１導電層５２ａ、絶縁層５２ｂ、及び第２導電層５２ｃは円環状であり、第１導電層５２ａ又は第２導電層５２ｃに高周波信号を給電する給電点と、該給電点と反対側の第１導電層５２ａと第２導電層５２ｃの一点が導電性部材７で短絡されている。
　本実施形態に係る緩み検出センサ５２の共振波長λ２と座金形状のリング幅Ｗの中央を通る円の半周の長さＬとの関係は次式で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、mは奇数である。ボルト４が締まった状態における最も低い共振条件はm=1の場合である。また、円環の半周の長さで第１導電層５２ａと第２導電層５２ｃが短絡されているため、共振波長λは第１実施形態の場合と異なり次式に従って短波長側で共振することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここでｍ=2n+1である。ｎは１以上の整数、mは3以上の奇数である。ゆえに共振波長λ２と共振周波長λ１の関係は次式で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（４）に示すように、第１実施形態に対して短波長側で共振することができる。したがって、本実施形態は設計の自由度を向上させることができる。
　図９は、M30のボルト４用に作製した緩み検出センサ５２を使用して検出した共振周波数の変化例を示す。図９の横軸は周波数（GHz）、縦軸は任意単位（dB）である。
　リング状のセンサはリングの半周の長さで共振しているが、センサ中央に対して給電点と反対側の位置においてショートさせた場合、ボルト４が緩んだ状態において、式（２）に示す共振波長が存在する。また、リングの半周の長さの端部が強制的に短絡されているため、各共振の波長は式（４）に従って短波長側にシフトする。
　式（２）に示す共振周波数を緩み検出に利用すれば、共振周波数を低周波数化することができる。また、式（３）に示す特徴を利用すれば、緩み検出センサ５よりも高周波側での検出が可能となる。
　なお、導電性部材７で第１導電層５２ａと第２導電層５２ｃを短絡させる位置は、円環状のどの位置であっても構わない。つまり、第１導電層５２ａ又は第２導電層５２ｃに高周波信号を給電する給電点と異なる位置の第１導電層５２ａと第２導電層５２ｃの一点が導電性部材７で短絡されていればよい。これにより、緩み検出センサの設計の自由度を高めることができる。
　{第３実施形態}
　図１０は、本発明の第３実施形態に係る緩み検出センサを示す図である。図１０に示す緩み検出センサ５３は、上記の緩み検出センサ５，５２と同様に、絶縁層５３ｂ（図示せず）を、第１導電層５３ａと第２導電層５３ｃ（図示）せず）を挟み込む三層構造である。
　本実施形態に係る緩み検出センサ５３は、ボルト４が緩んでいる場合、共振波長λは次式に従って現れる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ここでｎは整数である。
　一方、ボルト４が締まっている場合、緩み検出センサ５の内周部分の電界強度が下がるため高周波信号の伝搬モードが変化し、式（５）で表される共振波長λが短くなる。このように、共振周波数の波長に基づいてボルト４の緩みを検出することができる。また、共振周波数の有無でボルト４の緩みを検出することもできる。
　図１１は、緩み検出センサ５３でボルト４の緩みを検出した共振周波数の変化を示す図である。図１１の横軸は周波数（GHz）、縦軸は任意単位（dB）である。
　ボルト４が緩んでいる場合は、センサの共振波長λは、長さＬに依存して式（５）に従って現れる。一方、センサが締まっている場合は、センサの内周の電界強度が低下した共振モードが形成されて共振周波数が高周波側にシフトする。
　なお、第３実施形態の緩み検出センサ５３は、図１０に示す平面形状に限られない。例えば、図１２に示すように半円形であっても構わない。
　図１３は、緩み検出センサ５３でボルト４の緩みを検出した共振周波数の変化を示す図である。横軸と縦軸の関係は図１１等と同じである。
　図１３に示すように、ボルト４が緩む（破線）と、共振周波数は凡そ等間隔（式（５））に変化する。
　本実施形態に係る緩み検出センサ５３は、ボルト４又はナット６の下に挿入な能な平面形状であればよい。要するに、絶縁層５３ｂ、第１導電層５３ａ、及び第２導電層５３ｃのそれぞれは、ボルト４の軸４ｂと直交する方向からボルト４又はナット６の下に挿入可能な平面形状である。これにより、施工済みのボルト４を取り外すことなく緩み検出センサ５３を配置することができる。
　以上述べたように、本実施形態に係る緩み検出センサ５，５２，５３、及び緩み検出センサ５と緩み検出装置２００を用いた緩み検出方法によれば、2つの部品の固定部分に挟まれた緩み検出センサ５，５２，５３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又はナット６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、緩み検出センサ５，５２，５３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。緩み検出センサ５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、本発明の緩み検出センサ５，５２，５３は、上記の実施形態１～３に限定されない。2つの部品１，２をボルト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、部品１の表面が導電性を持つ場合は、第２導電層５ｃは無くても構わない。
　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
４ａ：首部
４ｂ：軸
４ｃ：ネジ部
５：緩み検出センサ
５ａ：第１導電層
５ｂ：絶縁層
５ｃ：第２導電層
６：ナット
７：導電性部材
９：ワッシャー
２００：緩み検出装置
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 (4)

  1. 　部品を固定するボルト又はナットの緩みを検出する緩み検出センサであって、
    　前記緩み検出センサは、
    　絶縁層と、当該絶縁層を上下から挟む第１導電層と第２導電層とを備え、前記ボルトの軸とは直接接触せずに前記部品と前記ボルト又は前記部品と前記ナットで挟まれる座金形状である緩み検出センサ。
  2. 　前記第１導電層、前記絶縁層、及び前記第２導電層は、
    　円環形状であり、前記第１導電層又は前記第２導電層に高周波信号を給電する給電点と異なる位置の当該第１導電層と当該第２導電層の一点が導電性部材で短絡されている請求項１に記載の緩み検出センサ。
  3. 　前記絶縁層、前記第１導電層、及び前記第２導電層のそれぞれは、前記軸と直交する方向から前記部品と前記ボルトの間、又は前記部品と前記ナットの間に挿入可能な平面形状である請求項１に記載の緩み検出センサ。
  4. 　部品を固定するボルト又は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、
    　絶縁層と、当該絶縁層を上下から挟む第１導電層と第２導電層とを備え、前記ボルトの軸とは直接接触せずに前記部品と前記ボルト又は前記部品と前記ナットで挟まれる座金形状である緩み検出センサに、所定の範囲の周波数の高周波信号を掃引して印加し、該高周波信号の反射波を受信する反射波受信ステップと、
    　前記反射波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。
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