2016 Fiscal Year Annual Research Report
損傷予兆検知に基づくインテグリティ損失の予見が可能なスマートギアの開発
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16H04258
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
森脇 一郎 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (20157936)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 守正 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (00464230)
射場 大輔 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (10402984)
曽根 彰 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (20197015)
飯塚 高志 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (60335312)
増田 新 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (90252543)
三浦 奈々子 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 助教 (80735340)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 導電性インク / レーザー焼結 / ４軸印刷機 / 印刷センサ / スマートギヤ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
動力伝達機構として使われる歯車や軸などの機械要素の損傷は大きな事故に発展する恐れがあるため，その健全性をモニタリングすることは，非常に重要な課題である．この問題に対して，機械装置が，自らの完全性を高精度に「自覚」し，自身を構成する要素の損傷や劣化を「予見」する能力を持つことになれば，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．そこで本研究では，完全性を自覚できる機械装置の具現化を目指し，機械装置に組み込まれる代表的な機械要素である歯車に，導電性インクを直接印刷することによりセンサ機能を与え，高速回転中に歯車の状態がモニタリングできる「スマートギヤ」を開発することを目的としている． これまでの研究により次の結果を得た．
平成２８年度は先行研究で開発を行っていた導電性インク用３軸のインクジェット型の印刷機を改良し，印刷ヘッド部のインクジェットヘッドをレーザーモジュールに取り替えてレーザー型の印刷機に変更することから始めた．これは，インクジェットヘッドでは歯元近傍にアプローチすることができず，歯元に電気回路を印刷するために不可能であった問題を解決するためである． そこで対象物とヘッド間に十分な距離を設けることが可能となるレーザーモジュールを導入し，導電性インクをレーザー焼結することによって電気回路の印刷が行えるようにした．この時に必要となる電気回路の製作手順を確立し，さらにインクの焼結に適切なレーザーの照射条件を調べた．また本装置を利用してポリイミドテープ上にひずみゲージを印刷して引張試験を行い，印刷した回路のひずみに対する抵抗値の変化を評価した．そして複雑な形状を有する機械要素の表面に導電性インクの印刷が行えるよう，４軸のNC工作機械をベースにレーザーモジュールを組み込んだ４軸レーザー印刷機の開発も行い，円柱上にひずみゲージのテスト印刷を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
既存のインクジェット型をレーザー焼結型の印刷機へ，さらに３軸から４軸のレーザー印刷機へと改良した．当初計画では平成２８年度には導電性インク用の５軸印刷機を開発する予定であったが，予算の都合上，４軸印刷機の開発にとどまったが，平歯車やはすば歯車の歯元に回路やセンサを印刷する能力を有しているため，当面の研究において問題とはならない．この時，予定にはなかったインクジェットからレーザーへの印刷方式の変更があったが，インクジェットではヘッドと印刷対象物間が1mm程度と十分な距離を取ることができないため，今後の研究において大きな問題となることが予想されたため，適切な改良であった．改良したレーザー印刷機は40mm程度の印刷距離が確保できている．この印刷方式の変更に伴って，導電性インクの印刷手順から確立することが必要となり，また，各手順における適切な製作条件を明らかにすることも必要となった．そこで，鉄製の歯車を印刷対象として想定し，そこに回路やセンサを印刷する手順として印刷対象表面に絶縁層となるポリイミド層を形成し，その上に導電性インクを吹き付けてスピンコート技術によってインクを同じ厚みに調整したのちに短時間の乾燥を行う印刷前の処理，そして導電性インクをレーザー焼結するための適切な条件を確立した．特に，鉄板表面にポリイミドテープを貼付した状態に対しての導電性インクの印刷は非常に安定した結果を得られており，今後のセンサやアンテナの開発環境が整えられたと言える．そしてこの環境を利用してポリイミドテープ上にひずみゲージ形状の回路を印刷し，印刷した回路の引張試験を行った．その時の変形に伴う回路の抵抗の変化を計測することで特性評価を行った．また，４軸印刷機の機能を評価するため，円柱にも同様のひずみゲージを印刷し，想定していた性能が発揮できることを確認した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の当初計画では，小型無線通信モジュールを組み込んだ計測システムを歯車に組み込み，歯車運転試験において回転中の歯車から無線でセンサの情報を送信する予定であった．そこで当初の計画通り，始めにマイクロコントローラとA/Dコンバーターが組み込まれた無線通信モジュールを金属板表面に実装する．この時，必要な配線とアンテナは開発した４軸印刷機で行う．電気配線に関してはこれまでに得られた知識で簡単に製作が可能であるが，アンテナの印刷については，解決するべき課題が存在する．まず，今回用いる無線通信モジュールに合わせて2.4GHzのアンテナ形状を選定しなければならず，メアンダラインアンテナ，パッチアンテナ等のアンテナを対象に，設計したアンテナ形状が実際に導電性インクのレーザー焼結によって製作するとどのような周波数のアンテナが形成されるかについて調べ，必要があれば，周波数を補正する方法の検討を行う．また，印刷したアンテナに金属が隣接した状態であることから，アンテナ自体の機能を発揮するためには，磁気シールドを準備するか，適切な距離だけアンテナを金属表面から離す必要がある．そこで，本研究では，ポリイミド層の厚みを調整することでアンテナとして機能を発揮できる距離について検証する．
さらに今年度の研究において，インボリュート曲線を利用して構成される平歯車用のき裂検知センサの設計・開発を行う．そして平歯車側面にき裂検知センサを印刷し，運転試験によりかみ合い回数の増加に伴うセンサの抵抗値の変化を計測し，提案するセンサの特性評価を行う．現在所有している運転試験機は樹脂歯車用に設計されたものであるため，印刷対象をPOM，PA66そしてフェノールといった樹脂材料に変更する必要がある．そこで，このようなプラスチックに対しての導電性インク印刷に必要となる条件についての検討も行う．
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Research Products
(4 results)
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[Presentation] Development of sensing systems printed with conductive ink on gear surfaces: manufacturing of meander line antenna by laser-sintered silver nano-particles2017
Author(s)
D. Iba, S. Futagawa, T. Kamimoto, N. Miura, M. Nakamura, T. Iizuka, A. Masuda, A. Sone, I. Moriwaki
Organizer
Proc. SPIE 10168, Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2017
Place of Presentation
Portland, Oregon, USA
Year and Date
2017-03-25 – 2017-03-29
Int'l Joint Research
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[Presentation] Development of 3-axis laser printing system for manufacturing smart gear sensor systems (printing conditions by laser sintering and prototyping of meander line antenna)2016
Author(s)
D. Iba, R. Rodriguez Lopez, S. Futagawa, T. Kamimoto, M. Nakamura, N. Miura, T. Iizuka, A. Masuda, A. Sone and I. Moriwaki
Organizer
International Conference on Advanced Materials, Mechanics and Manufacturing
Place of Presentation
Hammamet, Tunisia
Year and Date
2016-12-19 – 2016-12-21
Int'l Joint Research
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