2019 Fiscal Year Annual Research Report
歯車表面へのin-situセンサシステムの印刷によるスマートギヤの実現
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19H00742
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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) |
射場 大輔 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 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)
三浦 奈々子 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 助教 (80735340)
増田 新 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (90252543)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，機械装置に組み込まれる代表的な機械要素である歯車を取り上げ，その稼働状態を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」の開発を目的とする．「スマートギヤ」とは導電性インクで印刷されたセンサ回路とアンテナ機能が歯車表面に実装され，センサから得られたひずみや振動などの情報を高速運転中に外部の受信システムによって非接触で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．
令和元年度は，モジュール1.0mm，歯数48の歯車に対してき裂検知センサとオープンスパイラルアンテナ（センサ側）を組み合わせた観測対象側システムの設計・開発を行い，オープンスパイラルアンテナ（観測側）とネットワークアナライザによって構成された観測用送受信システムと磁気結合させることによって，ワイヤレスでセンサの状態がモニタリング可能なシステムを提案し，ポリアセタール板上に印刷したシステムの特性について調べた．センサ用・観測用アンテナが同じ共振周波数を有し，磁気結合していれば，センサの断線（き裂を想定）によって観測用アンテナのリターンロスに大きな変化が生じることを実験的に明らかにした．そしてこのシステムの等価回路を導出し，観測対象側システムの抵抗とコンデンサの状態量変化が観測用アンテナのリターンロスに与える影響を解析的に明らかにした．また，観測用アンテナのリターンロスからセンサ側のパラメータを同定する手法を開発した．さらに，提案するスマートギヤシステムをナイロン製の歯車側面に印刷するための条件を明らかにし，運転試験で有効性を実証するための準備を終えた．
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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
初の計画では令和元年度には１．歯車形状に適したアンテナの設計とその特性評価，２．歯車に印刷したアンテナへの無線電力伝送の基礎検討，を挙げていた．この研究計画を進めていくため，研究代表者の研究室が所有する歯車運転試験機において試験可能なサイズの歯車，すなわち，モジュール1.0mm，歯数48の歯車に印刷可能で，0.3GHz 近傍で共振点を有するオープンスパイラルアンテナを設計した．また，このアンテナと以前に開発していたき裂検知用のセンサを組み合わせた観測対象側のシステムを設計し，ポリアセタール板と，ナイロン製歯車の表面に印刷した．特に実際の樹脂歯車表面は加工時の表面性状が悪いため，研磨による仕上げ加工を行なった後に，導電性インクの塗布及びスピンコートによる一様なインク厚を形成した後，レーザー焼結によるパターン印刷を行う製作プロセスを開発した．また，２枚のポリアセタール板に設計した同形状のオープンスパイラルアンテナA及びBを印刷し，片方のアンテナAにネットワークアナライザを接続し，もう片方のアンテナBに接近させて磁気結合を生じさせてアンテナBに電力伝送を行なった．これによって，非接触でアンテナBの特性がアンテナAのリターンロスを通して監視できるシステムを開発した．さらにこのシステムにおいて，歯車側となるアンテナBの回転位相がリターンロスに与える影響を調べた．また，このアンテナ対の等価モデルからアンテナAのリターンロスを導出し，アンテナBのパラメータを同定するアルゴリズムを開発し，回転中の歯車上に印刷したスマートギヤシステムを非接触でモニタリングする方法を提案した．等価モデルのリターンロス導出と，パラメータ同定のアルゴリズムは令和２年度に実施する計画の一部であったことから，おおむね順調に計画が進行していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
申請者らはこれまで4軸数値制御工作機械をレーザー印刷機に改造し，複雑な形状を有する歯車表面へ導電性インクを焼結する方法を開発した．そして，樹脂歯車を対象として導電性インクを印刷するための適切な条件を明らかにし，その条件を用いて設計したき裂検知センサとオープンスパイラルアンテナの印刷を実際に行った．また，ポリアセタール板に “スマートギヤシステム”と観測用オープンスパイラルを印刷し，非接触でスマートギヤシステムの状態が観測できることを確認してきた．
今後は，まず，スマートギヤ化した樹脂歯車の運転試験を行い，回転中の歯車からワイヤレスでセンサ情報の取得を試みる．特に実際の歯車運転試験機においてシステムの実装を行うことで，周辺環境が観測システムのリターンロスに与える影響を明らかにし，必要があれば磁性シート等によるシステムの保護方策を検討する．また，トルクを付加して運転した状況でシステムの試験を行うことで，き裂検知センサが荷重に対してどのような感度を有しているか評価する．また，これまで提案してきたき裂検知センサに加え，より負荷に対する感度が高いセンサ，例えば，蜘蛛の巣形状を歯車表面に印刷したようなWeb型センサ，抵抗型ではなく，コンデンサ型の形状をしたセンサの開発を進めていく．特に，樹脂歯車の歯元き裂以外の損傷，例えば歯の倒れを対象に，歯車測定機で形状の測定を行い，それとセンサ出力を比較することで，適切な感度を有するセンサを開発する．さらに，観測対象を樹脂歯車のみならず，鋼歯車にも拡張することを試みる．特に，絶縁した鋼歯車上に印刷したアンテナが磁気結合できる条件を明らかにし，絶縁層の適切な厚みについて検討を行う．
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Research Products
(3 results)
