| 研究課題/領域番号 |
17K06228
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| 研究機関 | 京都工芸繊維大学 |
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研究代表者 |
増田 新 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (90252543)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 診断 / 状態監視 / 振動発電 / センサ / 超音波 / 圧電素子 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は，機械構造物に埋め込み可能な自己給電型アクティブセンシング技術の開発と，それを基盤とした自己状態監視ネットワークへの展開を示すことである．具体的には，構造中に埋め込んだ圧電体によって機械の稼働時振動から取り出した電力を，発振回路を介して圧電体に戻すことによって周囲の構造中に超音波波動場を励起する技術，および励起された波動応答を受信処理して構造健全性を評価する技術の確立を目指す．さらに複数個のセンサを弾性波動場を介して協調動作させる技術を開発することにより，孤立配置されたセンサノードからなる完全自立型の超音波アクティブセンサシステムによる構造の知能化を目指す．
初年度である平成29年度は，要素技術の開発研究を行い以下の成果を得た．
単一の圧電素子，蓄電回路，発振回路からなる自己給電超音波発振回路を開発した．アルミ薄板で製作した構造試験体に圧電素子を貼付し，これを低次の共振モードで正弦波加振した際に圧電素子に発生する電荷をコンデンサに蓄電し，このコンデンサを電源としてデルタダイオードを用いたアナログ発振回路により試験体の高次の固有振動数付近での超音波加振が可能であることを示した．
発振された超音波を用いた損傷検出技術として，二つの周波数からなる超音波波動の損傷部分での接触音響非線形性に基づく周波数混合効果を用いた手法を開発した．開発した手法は両周波数の差成分を検出するものであり，低サンプリング速度の処理系を用いた実装が可能である利点を有する．
本研究で開発する自己給電アクティブセンサの利用形態の一つとして，歯車状態監視への適用可能性を検討した．歯車に貼付した圧電素子によって励起された歯車の円板(n,0)モードに対応する２つのモード付近の電気機械結合アドミタンスが歯車の歯面接触応力に依存して変動することを示し，かみ合い状態の変化検出への応用可能性を示唆した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
交付申請書において示した三つの達成目標のうち，まず，「単一の圧電素子による自己給電超音波発振技術の確立」については概ね予定通りの進捗である．当初計画のうち，圧電素子，蓄電回路，発振回路からなる自己給電超音波センサ回路の開発と，試験体に取り付けての蓄電および発振機能の確認については計画通り達成したが，発振開始のタイミングを制御するコントローラの実装には至らなかった．これは圧電素子を貼付した構造物の発振モードの特定に時間を要したためであるが，一方で発振回路を当初予定より大幅に簡略化できたため，現在ではコントローラレスの実装も可能であると考えており，計画全体に与える影響は軽微である．
次に，「圧電素子から放射される超音波を用いた損傷検出技術の確立」については予定通りの進捗である．圧電素子から放射された弾性波の損傷部における非線形効果のうち周波数混合効果に着目した損傷評価手法を開発し，理論的・実験的検討により現象のモデル化を行った．圧電素子の駆動には外部電源装置を用いたが，平成30年度以降は自己給電発振回路による実現を目指す．
最後に，「圧電素子による機械要素の状態監視技術の検討」については予定通りの進捗である．対象を平歯車として表面に貼付した圧電素子により電気機械結合アドミタンスを計測し，静止した歯車対において，静的負荷による歯面の接触応力により特定モードにおいてアドミタンスが変動することを示した．当初計画に加えて平成30年度には回転歯車における検討を継続して行い，周波数混合効果を用いた手法との組み合わせも検討する．
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| 今後の研究の推進方策 |
初年度の研究において開発した自己給電超音波発振技術は，構造物からエネルギーを得て自律動作するアクティブセンサノードを実現するための基盤技術である．今後はこれを構造物中に生体における受容体の如く多数埋め込むことにより構造物の知能化を実現する方向で研究を進めていきたいと考えている．そのためにはノード内での情報処理は単純かつ簡便であることが望ましく，同時に，単純な機能の多数のノードを如何に連携して構造物健全性に関する情報を抽出するかが課題となる．初年度に開発した自己給電超音波発振技術において発振周波数は構造物の動特性の影響を強く受け，また，同じく初年度に開発した周波数混合による損傷検出手法は信号検出部分の実装を簡便化できるため，研究の方向性に合致する．そこで今後は研究目標を以下の三つに再編して研究を行う．
【周波数混合を用いた損傷検知システムの開発】初年度に開発した周波数混合に基づく損傷検知手法を，自己給電超音波発振技術と統合する手段を開発する．発振周波数は発振回路の素子定数に依存して変化するため，これによって発振周波数を変調し複数周波数成分を同時励起することを検討する．
【圧電素子による機械要素の状態監視技術の検討】自己給電アクティブセンサの利用形態の一つとして，歯車などの機械要素への組み込みは実現可能性が高く意義も大きい．そこで，平成30年度以降もこれを継続する．
【複数の自己給電アクティブセンサ間の協調のための基礎技術の開発】複数センサを協調動作させるためにセンサが発する超音波弾性波動を用いたネットワーク化の基礎技術を開発する．センサノードの動作を単純化したモデルを波動場に複数個配置した系のシミュレーションにより各々のノードにおける情報処理とネットワーク全体としての情報処理機能の間の関係を様々なケースで検討し，実装によって検証を行う．
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