JP7303455B2

JP7303455B2 - 緩み検出構造及びその構造を用いた緩み検出方法

Info

Publication number: JP7303455B2
Application number: JP2021521680A
Authority: JP
Inventors: 恵里松永; 直志美濃谷; 昌人中村; 昌幸津田; 孝澤田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-05-30
Filing date: 2019-05-30
Publication date: 2023-07-05
Anticipated expiration: 2039-05-30
Also published as: US20220228996A1; JPWO2020240765A1; WO2020240765A1

Description

本発明は、ケーブルを固定するネジの緩み・脱落などが生じたことを検出する技術に関する。

ネジやボルトは部品を締め付けるために用いられるらせん状の溝を有するものであり、インフラ構造物やプラント設備等の大型設備から、乗物、遊具、家具など身近な製品まで様々な用途で使用される。ボルト接合部では、振動や過大な力による塑性変形、疲労等の劣化が原因で、緩みや脱落などが生じることがある。これらが原因で、例えば落橋や崩落事故、接合部からのガス・液体の漏洩、ジェットコースターの車軸の切断、高所からのボルト自体の落下による人身事故などが発生する。上記課題を解決するため、ボルトにマーキングをして、合いマークとのずれを目視やカメラで点検する方法や、打音検査がある。

Xiangxiong Kong and Jian Li, "Image Registration-Based Bolt Loosening Detection of Steel Joints", Sensors 2018, 18, 1000; doi:10.3390/s18041000

しかしながら、ボルトにマーキングをして、合いマークとのずれを目視やカメラで点検する方法や、打音検査は、死角、暗所や遠方で目視点検が困難な場所には適さない。例えば、通信設備には、橋梁添架設備や鉄塔などの死角が多い設備や、マンホール、ハンドホール、クロージャー等の隠蔽部をもつ設備がある。また、これらの設備は通常目視点検が中心であり、未熟練者には点検が難しく、点検結果に個人差が大きい手法となる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ケーブルを固定するネジの緩み・脱落などが生じたことを遠隔において簡便かつ正確に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を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る緩み検出構造は、
ケーブルの表面に形成される構造体と、前記構造体に接する状態で前記ケーブルを締め付けて固定するネジと、前記構造体に送信信号を送信し、前記構造体を伝搬して帰還した受信信号を受信し、前記受信信号の変化に基づいて前記ネジの緩みを検出する検出部とを備え、前記構造体は、前記ケーブルの表面に第１の導電性シート、絶縁性シート、第２の導電性シートをこの順に重ね合わせた三層構造であり、前記検出部は、前記第１の導電性シートおよび前記第２の導電性シートに電磁波を到達させ、電磁波の共振周波数の変化に基づいて前記ネジの緩みを検出する。

また、本発明に係る緩み検出方法は、ケーブルの表面に構造体を形成するステップと、前記構造体に接する状態で前記ケーブルをネジで締め付けて固定するステップと、検出部が、前記構造体に送信信号を送信するステップと、前記検出部が、前記構造体を伝搬して帰還した受信信号を受信するステップと、前記検出部が、前記受信信号の変化に基づいて前記ネジの緩みを検出するステップとを備え、前記構造体は、前記ケーブルの表面に第１の導電性シート、絶縁性シート、第２の導電性シートをこの順に重ね合わせた三層構造であり、前記検出部は、前記第１の導電性シートおよび前記第２の導電性シートに電磁波を到達させ、電磁波の共振周波数の変化に基づいて前記ネジの緩みを検出する。

本発明によれば、ケーブルを固定するネジの緩み・脱落などが生じたことを遠隔において簡便かつ正確に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を提供できる。

本発明の実施形態に係る緩み検出構造の機能ブロック図である。本発明の実施形態に係る緩み検出動作を示すフローチャートである。実施形態１に係るケーブルの固定方法を表した図である。図３に示すネジの拡大図である。実施形態１に係る緩み検出構造の外観図である。実施形態１に係る緩み検出構造の断面図である。実施形態１に係る緩み検出構造の断面図である。実施形態１に係る緩み検出構造の断面図である。図６に示す緩み検出構造の模式図である。実施形態１に係る緩み検出構造の断面図である。図１０に示す緩み検出構造の模式図である。実施形態２に係る緩み検出構造の断面図である。実施形態２に係る緩み検出構造の断面図である。実施形態３に係る緩み検出構造の断面図である。実施形態３に係る緩み検出構造の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、複数の図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［概要］
本発明の実施形態に係る緩み検出構造及びその構造を用いた緩み検出方法は、ケーブルを固定するネジの緩み・脱落など（以下、単に「緩み」という場合がある。）が生じたことを遠隔において簡便かつ正確に検出するものである。例えば、検出したい場所にケーブルにシートを貼り付けまたは塗料を塗布してトランスデユーサーを作成し、シートまたは塗膜に電気信号を流し、電気的変化量を取得する。これにより、ネジの緩み・脱落などによる電気特性の変化を遠隔において簡便かつ正確に検出することが可能となる。

［基本構成］
図１は、本発明の実施形態に係る緩み検出構造の機能ブロック図である。この緩み検出構造は、ケーブルを固定するネジの緩み・脱落などが生じたことを検出する緩み検出構造であって、構造体Ｔと、ネジ（図示せず）と、端末１０とを備える。構造体Ｔは、ケーブルの表面に形成されるトランスデューサであり、信号を伝搬可能な構造である。構造体Ｔは、後述する方法によりネジでケーブルに固定される。端末１０は、構造体Ｔに送信信号（電磁波）を送信し、構造体Ｔを伝搬して帰還した受信信号（反射波、透過波など）を受信し、受信信号の変化に基づいてネジの緩みを検出する検出部である。構造体Ｔと端末１０との間の信号の送受信は、有線であっても無線であってもよい。端末１０を設置する場所は、構造体Ｔと有線または無線で信号を送受信できる場所であればどこでもよい。

端末１０は、例えば、信号送受信部１１と、学習部１２と、判定部１３と、通報部１４とを備える。信号送受信部１１は、構造体Ｔに送信信号を送信し、構造体Ｔから帰還した受信信号を受信する。学習部１２は、ネジの緩みがない時に受信した受信信号のデータを格納しておく。判定部１３は、学習部１２に格納されているデータに基づいてネジの緩みを検出（判定）する。通報部１４は、ネジの緩みが検出されたときに異常情報を出力する。これらの各構成要素は、電子回路などのハードウェアで構成されてもよいし、ソフトウェアプログラムで構成されてもよい。また、このようなプログラムは、コンピュータが読み取り可能な記録媒体に予め記録されていてもよいし、インターネット等のネットワークを介して供給されてもよい。

［基本動作］
図２は、本発明の実施形態に係る緩み検出動作を示すフローチャートである。図２に示すように、まず、ケーブルの表面に構造体Ｔを形成する（ステップＳ１）。続いて、構造体Ｔに接する状態でケーブルをネジで締め付けて固定する（ステップＳ２）。これにより、端末１０は、構造体Ｔに送信信号を送信し、構造体Ｔを伝搬して帰還した受信信号を受信し、受信信号の変化に基づいてネジの緩みを検出する（ステップＳ３～Ｓ６）。ネジの緩みを検出したときは通報することも可能である。

［実施形態１］
以下、実施形態１について説明する。実施形態１では、上下２本のネジを同時にモニタリングする例（反射測定）について説明する。

図３は、実施形態１に係るケーブル１の固定方法を表した図である。通常の光ファイバーケーブルなどのケーブル１は、図３に示すように、上下をネジ２で締め付けることによって固定されているものがある。

図４は、図３に示すネジ２の拡大図である。ネジ２は、ケーブル１を締め付けるために、図４に示すような突起物が施工されている場合が多い。以下、ネジ２は、金属ネジである場合を想定するが、導電性材料でコーティングされた樹脂ネジであってもよい。

図５は、実施形態１に係る緩み検出構造の外観図である。この緩み検出構造は、以下のように、ケーブル１にシートまたは塗膜（トランスデューサ）を施工したものである。

まず、通常の光ファイバーケーブルなどのケーブル１は絶縁性のため、ケーブル外皮に導電性シート３、その上に絶縁性シート４の順で施工する。導電性シート３と絶縁性シート４は両者がセットとなったものでもよいし、それぞれ重ねて貼り付けてもよい。また、シートではなくケーブル１に所定の長さおよび膜厚の導電性塗料および絶縁性塗料を塗装してもよい。図では、わかりやすく説明するために、導電性シート３および絶縁性シート４を段違いで表記しているが、実際には段違いに施工する必要はなく、導電性シート３および絶縁性シート４は同じサイズのものを用いてもよい。導電性シート３および絶縁性シート４は、ネジ２が緩んでもケーブル１との密着がなくならないよう、シールタイプが好ましい。

続いて、絶縁性シート４の上に導電性シート５を施工する。この導電性シート５は、導電性シート３に比べて固い材料が好ましい。ネジ２が緩むと導電性シート５が絶縁性シート４から離れる現象を利用して検出するため、導電性シート５は、絶縁性シート４との間に接着材などがシート全面に塗布されていないことが好ましい。導電性シート５が絶縁性シート４とズレないように、導電性シート５に部分的に接着剤を使用するのはかまわない。導電性シート５の横幅Ｌは、検出したいネジ２の頭部より大きいことが好ましいが、大きくし過ぎると後述する共振の仕方が変わってくるため、適当な大きさに調整しておく。

図６～図８は、実施形態１に係る緩み検出構造の断面図である。ただし、図面は模式的なものであり、細部（例えば、導電性シート３、絶縁性シート４、導電性シート５の端部など）は現実のものとは異なることに留意すべきである。

図６～図８は、いずれの図も、上下２本のネジ２がケーブル１に固定されている状態を示している。導電性シート３はグランド線１１Ｇに接続され、導電性シート５は信号線１１Ｓに接続され、グランド線１１Ｇと信号線１１Ｓは信号送受信部１１に接続されている。これらの図では、端末１０のうち信号送受信部１１だけを描いているが、その他の構成要素を備えていることはもちろんである。導電性シート３、絶縁性シート４、および導電性シート５は、図６に示すようにケーブル１の半周を覆ってもよいし、図７に示すようにケーブル１の周囲を覆ってもよい。ただし、検出したいネジ２が導電性シート５に接するように施工する必要がある。ネジ２が緩むと導電性シート５が絶縁性シート４から離れる現象を利用して検出するため、導電性シート５の形状は、ケーブル１の円周を全て覆う形状でなく、アルファベットのＣのように一部繋がっていない形状であることが好ましい。例えば、図８に示すように、ケーブル１の円周を全て導電性シート３および絶縁性シート４で覆い、導電性シート５だけをアルファベットのＣ型の形状にしてもよい。

図９は、図６に示す緩み検出構造の模式図である。すなわち、ネジ２がケーブル１に固定されている状態において、端末１０が導電性シート３および導電性シート５に交流電圧を印加すると、図９に示すように、導電性シート５のＡ～Ｂの両端の長さＬ１を共振長とする共振特性が観測される。最も低い第１高調波αは、Ｌ１が半波長λ／２で共振する周波数である。λは媒質中の波長である。第２高調波βは、Ｌ１がλ／２の２倍であるλで共振する周波数である。このようにＬ１をλ／２の整数倍とする共振周波数で共振が起きる。

図１０は、実施形態１に係る緩み検出構造の断面図であり、図１１はその模式図である。ここでは、図１０に示すように、上下に固定されていたネジ２が緩んだ状態を示している。ネジ２が緩むと導電性シート５による絶縁性シート４内に流れる電磁波の閉じ込めの効果が減少するため、Ａ地点およびＢ地点における絶縁性シート４の電界強度が下がる。これにより、図１１に示すように、絶縁性シート４と導電性シート５が接していない長さ分（Ｌ３およびＬ４）だけＬ１から短くなったＬ２の長さを共振長とする共振特性が観測される。固定してある場合と同様に、緩んだ場合もＬ２をλ／２の整数倍とする共振周波数で共振が起きる。そのため、端末１０が共振周波数の変化をモニタリングすることで、ネジ２の緩みを検出することができる。

以上のように、実施形態１では、絶縁性被覆で覆われたケーブル１を導電性のネジ２で挟み込んで固定する場合を想定している。このような場合において、ケーブル被覆の表面に導電性シート３、絶縁性シート４、導電性シート５の重ね合わせ構造を形成する。ネジ２を導電性シート５に導通させ、導電性シート３をグランド線１１Ｇに接続し、導電性シート５を信号線１１Ｓに接続し、グランド線１１Ｇと信号線１１Ｓを信号送受信部１１に接続する。

動作時においては、信号送受信部１１が電磁波を発生させ、信号線１１Ｓとグランド線１１Ｇを経由して検知対象物に電磁波が到達する。このとき、ネジ２が締まっている場合と緩んでいる場合とで電磁波の共振周波数がシフトするため、それによりネジ２の緩みを検知することができる。この技術により、目視不可の場所や遠隔にあるケーブル１を挟み込んだネジ２の緩み・脱落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可能となる。

［実施形態２］
以下、実施形態２について、実施形態１と異なる点を中心に説明する。実施形態２では、１本のネジ２をモニタリングする例（反射測定）について説明する。

図１２は、実施形態２に係る緩み検出構造の断面図である。ここでは、上下２本のネジ２がケーブル１に固定されている状態を示している。図１２に示すように、上のネジ２の緩みをモニタリングする場合は、その１本のネジ２だけが導電性シート５に接するように施工してもよい。ネジ２が緩んでもネジ２と導電性シート５とが離れないように両者を貼り付けておくのが好ましい。このようにネジ２が固定されている状態では、導電性シート５のＡＢを両端とする共振特性が観測される。

図１３は、実施形態２に係る緩み検出構造の断面図である。ここでは、上に固定されていたネジ２が緩んだ状態を示している。図１３に示すように、ネジ２が緩むと導電性シート５と絶縁性シート４との間に空間が生じるため、電磁波が閉じ込められなくなり、絶縁性シート４の電界強度が下がる。これにより、共振周波数が観測できなくなる、もしくは観測されていた共振周波数のＱ値が低下し、高周波側にシフトする。そのため、端末１０が共振周波数の変化をモニタリングすることで、ネジ２の緩みを検出することができる。

以上のように、実施形態２では、実施形態１と同様の手法により、１本のネジ２をモニタリングすることができる。ここでは、上のネジ２をモニタリングする場合について説明したが、下のネジ２をモニタリングしてもよいのはもちろんである。

［実施形態３］
以下、実施形態３について、実施形態１または２と異なる点を中心に説明する。ここでは、透過測定によりネジ２の緩みをモニタリングする例について説明する。

図１４、図１５は、実施形態３に係る緩み検出構造の断面図である。図１４に示すように、ケーブル外皮に、図６と同様の三層構造を形成する。本実施形態３は、実施形態１または２と異なり、全て接着性材料を用いるため、導電性シート５は物理的に可動しないことが特徴である。図中の電源１１Ｐは、信号送受信部１１の送信機能の役割を果たす。電源１１Ｐは、２本のネジ２と導電性シート５との接点ａｂ間に交流信号を流し、接点ａｂ間のインピーダンスを監視する。ネジ２が導電性シート５に接している状態からネジ２が導電性シート５から離れた状態になると、インピーダンスが増加するため、ネジ２の緩みを検出することができる。この手法単独で用いる場合は、必ずしも三層構造にする必要はなく、図１５に示すように、導電性シート５のみをケーブル１に施工するようにしてもよい。

以上のように、実施形態３では、透過測定によりネジ２の緩みをモニタリングすることができる。実施形態３によれば、実施形態１や２に比べ、簡易な構成でネジ２の緩みを検出することができるメリットがある。

［特徴的な構成とその効果］
以上説明したように、本発明の実施形態に係る緩み検出構造は、ケーブル１の表面に形成される構造体（トランスデューサ）Ｔと、構造体Ｔに接する状態でケーブル１を締め付けて固定するネジ２と、構造体Ｔに送信信号を送信し、構造体Ｔを伝搬して帰還した受信信号を受信し、受信信号の変化に基づいてネジ２の緩みを検出する端末（検出部）１０とを備える。これにより、ケーブル１の脱落の要因となるネジ２の緩み・脱落を検査するのに好適な緩み検出構造を提供することができる。

具体的には、構造体Ｔは、ケーブル１の表面に導電性シート（第１の導電性シート）３、絶縁性シート４、導電性シート（第２の導電性シート）５をこの順に重ね合わせた三層構造であり、端末１０は、導電性シート３および導電性シート５に電磁波を到達させ、電磁波の共振周波数の変化に基づいてネジ２の緩みを検出してもよい。これにより、精度よくネジ２の緩み・脱落を検査することができる。

また、導電性シート５の形状は、ケーブル１の円周を全て覆う形状でなく、一部繋がっていないＣ型形状であってもよい。これにより、ネジ２が緩むと導電性シート５が絶縁性シート４から離れる現象を利用して検出することができる。

また、ケーブル１を２本の前記ネジ２で締め付けて固定する場合において、その２本のうちの少なくとも１本のネジ２が前記導電性シート５に接してもよい。これにより、２本のネジ２のうち特定のネジ２について緩みを検出することができる。

また、端末１０は、２本のネジ２を通じて構造体Ｔに交流信号を流し、２本のネジ２と構造体Ｔとの接点ａｂ間のインピーダンスの変化に基づいてネジ２の緩みを検出してもよい。これにより、簡易な構成でネジ２の緩みを検出することができる。

また、本発明の実施形態に係る緩み検出方法は、ケーブル１の表面に構造体Ｔを形成するステップと、構造体Ｔに接する状態でケーブル１をネジ２で締め付けて固定するステップと、端末１０が、構造体Ｔに送信信号を送信するステップと、端末１０が、構造体Ｔを伝搬して帰還した受信信号を受信するステップと、端末１０が、受信信号の変化に基づいてネジ２の緩みを検出するステップとを備える。これにより、ケーブル１の脱落の要因となるネジ２の緩み・脱落を検査するのに好適な緩み検出方法を提供することができる。

［その他の実施形態］
上記のように、いくつかの実施形態について記載したが、開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。本発明の実施形態は、ここでは記載していない様々な実施形態などを含む。

１ケーブル
２ネジ
３導電性シート（第１の導電性シート）
４絶縁性シート
５導電性シート（第２の導電性シート）
１０端末（検出部）
１１信号送受信部
１１Ｓ信号線
１１Ｇグランド線
１１Ｐ電源
１２学習部
１３判定部
１４通報部
Ｔ構造体

Claims

ケーブルの表面に形成される構造体と、
前記構造体に接する状態で前記ケーブルを締め付けて固定するネジと、
前記構造体に送信信号を送信し、前記構造体を伝搬して帰還した受信信号を受信し、前記受信信号の変化に基づいて前記ネジの緩みを検出する検出部を備え、
前記構造体は、前記ケーブルの表面に第１の導電性シート、絶縁性シート、第２の導電性シートをこの順に重ね合わせた三層構造であり、
前記検出部は、前記第１の導電性シートおよび前記第２の導電性シートに電磁波を到達させ、電磁波の共振周波数の変化に基づいて前記ネジの緩みを検出する
ことを特徴とする緩み検出構造。
前記第２の導電性シートの形状は、前記ケーブルの円周を全て覆う形状でなく、一部繋がっていないＣ型形状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。
前記ケーブルを２本の前記ネジで締め付けて固定する場合において、その２本のうちの少なくとも１本の前記ネジが前記第２の導電性シートに接することを特徴とする請求項１または２に記載の緩み検出構造。
前記検出部は、２本の前記ネジを通じて前記構造体に交流信号を流し、２本の前記ネジと前記構造体との接点間のインピーダンスの変化に基づいて前記ネジの緩みを検出することを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の緩み検出構造。
ケーブルの表面に構造体を形成するステップと、
前記構造体に接する状態で前記ケーブルをネジで締め付けて固定するステップと、
検出部が、前記構造体に送信信号を送信するステップと、
前記検出部が、前記構造体を伝搬して帰還した受信信号を受信するステップと、
前記検出部が、前記受信信号の変化に基づいて前記ネジの緩みを検出するステップを備え、
前記構造体は、前記ケーブルの表面に第１の導電性シート、絶縁性シート、第２の導電性シートをこの順に重ね合わせた三層構造であり、
前記検出部は、前記第１の導電性シートおよび前記第２の導電性シートに電磁波を到達させ、電磁波の共振周波数の変化に基づいて前記ネジの緩みを検出する
ことを特徴とする緩み検出方法。