Development of Smart Gears Printed In-Situ Sensors on the Surface

• Project/Area Number: 19H00742
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 18:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, and related fields
• Research Institution: Kyoto Institute of Technology
• Principal Investigator: MORIWAKI Ichiro 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (20157936)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 射場 大輔 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (10402984) ; 増田 新 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (90252543) ; 飯塚 高志 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (60335312) ; 三浦 奈々子 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 助教 (80735340) ; 曽根 彰 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (20197015)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥45,370,000 (Direct Cost: ¥34,900,000、Indirect Cost: ¥10,470,000); Fiscal Year 2021: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000); Fiscal Year 2020: ¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000); Fiscal Year 2019: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000)
• Keywords: 損傷検知 / スマートギヤ / 導電性インク / 印刷センサ / 樹脂歯車 / 歯車 / ヘルスモニタリング / アンテナ / き裂検知センサ

Outline of Research at the Start

本研究では，歯車の稼働状態をin-situ（本来の場所）で測定できる機能を持たせた「スマートギア」を開発する．「スマートギヤ」とは，歯車表面に構成したセンサからひずみや振動などの情報を取得し，アンテナを介して，高速運転中に外部の受信システムによって非接触で，取得した情報をモニタリングできるものである．機械装置が，自らの「インテグリティ（完全性）」を高精度に「自覚」し，自身を構成する要素の損傷や劣化を「予見」する生物的な能力を持つことができれば，機械装置の可用性を高度に保ちつつ，保全を効率的に行うことが可能となる．この具現化を目指す研究である．

Outline of Final Research Achievements

he purpose of this research is to develop a smart gear system that can observe the state of gears during operation. Smart gears are gears with sensor and antenna circuits printed with conductive ink on their surfaces. By transmitting information obtained from the sensors to the outside through the antenna, the state of the gears can be monitored without contact during high-speed operation. An observation target side system combining a crack detection sensor and an antenna has been designed and printed on plastic gears so far. By magnetically coupling the system with an observation transmitter/receiver system consisting of an observation antenna and a network analyzer, the system is capable of monitoring the condition of the crack sensor.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

機械装置が，自らの完全性自覚し，自身を構成する要素の損傷や劣化を予見する能力を持つことができれば，機械装置の可用性を高度に保ちつつ，保全を効率的に行うことが可能となる．本研究で提案するように，センサを印刷する歯車側に電池等の電源を用意することなく，無線での監視が可能となれば，歯車のみならず高速で運動する機械要素全般がモニタリング対象とすることができ，これまでにない高付加価値を機械要素に持たせることが可能となる．これにより，本研究から派生する応用研究が拡がっていくものと期待できる．

Research Products

• [Journal Article] Effect of Phase Fluctuation on the Proper Operation of Smart Gear Health Monitoring System (2022)
  • Author(s): Mac T-T, Iba D, Matsushita Y, Mukai S, Miura N, Masuda A, Moriwaki I
  • Journal Title: Sensors Volume: 22(9):3231 Issue: 9 Pages: 1-24
  • DOI: 10.3390/s22093231
  • Open Access
• [Journal Article] Application of genetic algorithms for parameters identification in a developing smart gear system (2022)
  • Author(s): T. T. Mac, D. Iba, Y. Matsushita, S. Mukai, T. Inoue, A. Fukushima, N. Miura, T. Iizuka, A. Masuda, I. Moriwaki
  • Journal Title: Forschung im Ingenieurwesen Volume: Online Issue: 3 Pages: 1-18
  • DOI: 10.1007/s10010-021-00574-8
  • Open Access
• [Presentation] Effect of temperature on the magnetically coupled return loss of smart gear system (2022)
  • Author(s): T. Inoue, D. Iba, T. T. Mac, S. Mukai, N. Fujita, R. Takahashi, N. Miura, T. Iizuka, A. Masuda, A. Sone, and I. Moriwaki
  • Organizer: SPIE
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フォトエッチングによるセンサ・アンテナ回路の樹脂歯車表面上への印刷 (2022)
  • Author(s): 藤田 直也，Mac Tung Thanh，射場 大輔，井上 武琉，髙橋 嶺太，大久保 光，三浦 奈々子，飯塚 高志，増田 新，森脇 一郎
  • Organizer: 関西学生会2021年度学生員卒業研究発表講演会
• [Presentation] スマートギヤの温度変化が観測用アンテナの周波数特性に与える影響 (2021)
  • Author(s): Mac Thanh-Tung，向 誠也，大久保 光，三浦 奈々子， 飯塚 高志，増田 新，森脇 一郎
  • Organizer: 日本機械学会 2021年度年次大会
• [Presentation] Effect of phase fluctuation at high speed of smart gear on return loss of receiver antenna (2021)
  • Author(s): T. T. Mac, D. Iba, Y. Matsushita, S. Mukai, T. Inoue, A. Fukushima, N. Miura, T. Iizuka, A. Masuda, and I. Moriwaki
  • Organizer: Proc. SPIE 11591, Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of variable resistance and capacitance on return loss of monitoring side antenna (2020)
  • Author(s): Yusuke MATSUSHITA, Tung Thanh MAC, Daisuke IBA, Seiya MUKAI, Nanako MIURA, Masashi YAMAKAWA, Takashi IIZUKA, Arata MASUDA, Akira SONE, Ichiro MORIWAKI
  • Organizer: The 15th International Conference on Motion and Vibration Control (MoViC2020), Paper ID: 10108, pp.1-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of phase fluctuation and distance of smart gear on return loss of receiver antenna (2020)
  • Author(s): Tung Thanh MAC, Daisuke IBA, Yusuke MATSUSHITA, Seiya MUKAI, Nanako MIURA, Takashi IIZUKA, Arata MASUDA, Akira SONE, Ichiro MORIWAKI
  • Organizer: The 15th International Conference on Motion and Vibration Control (MoViC2020), Paper ID:10020, pp.1-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 金属材料へ印刷したスマートギヤ用アンテナの性能評価 (2020)
  • Author(s): 向 誠也，Mac Tung，松下 悠介，射場 大輔，三浦 奈々子，飯塚 高志，増田 新，曽根 彰，森脇 一郎
  • Organizer: 日本機械学会 2020 年度年次大会，S11521, pp 1-5
• [Presentation] 受信アンテナのリターンロス解析によるスマートギヤのQ 値の同定 (2020)
  • Author(s): Tung Thanh Mac, 射場 大輔, 松下 悠介, 三浦 奈々子, 飯塚 高志, 増田 新, 曽根 彰, 森脇 一郎
  • Organizer: Dynamics and Design Conference 2020 講演論文集, 436, pp 1-10
• [Presentation] 印刷されたき裂検知センサシステムの開発(アンテナ対の 磁気結合を利用した無線観測に関する基礎的検討) (2019)
  • Author(s): 射場大輔，二川真太郎，松下悠介，三浦奈々子，飯塚高志，増田新，曽根彰，森脇一郎
  • Organizer: 日本機械学会2019年度年次大会
• [Presentation] Evaluation of Printed Crack Detection Sensors by Static Load and Endurance Test of Gears (2019)
  • Author(s): Yusuke Matsushita, Daisuke Iba, Shintaro Fuatagawa, Nanako Miura, Takashi Izuka, Arata Masuda, Akira Sone, Ichiro Moriwaki
  • Organizer: 8th International Conference on Manufacturing, Machine Design and Tribology
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 京都工芸繊維大学 精密加工研究室
  • URL: http://www.pml.mech.kit.ac.jp
• [Remarks] 京都工芸繊維大学 精密加工研究室ホームページ
  • URL: http://www.pml.mech.kit.ac.jp