京都グリーンラボ 近領域研究 成果報告会

スマートギヤの開発
機械⼯学系 射場⼤輔
電気電⼦⼯学系 島崎仁司
⿃取⼤学 本宮潤⼀

2024年3⽉19⽇ 14:00-17:00

研究背景・⽬的
q動⼒伝達機構に⽤いられる⻭⾞
ü 動⼒伝達機構にコスト・信頼性の⾯から⻭⾞が選択されるケースが多いü ⻭⾞の損傷はシステム全体に影響 >> ⼈の⽣活空間を移動するロボットが普及すると，故障が⼤きな事故に発展q樹脂⻭⾞ヘルスモニタリングの必要性
ü ⻭⾞の健全性を評価する⽬的:– 潜在する損傷を未然に防⽌– 安全性を確保し，維持にかかるコストを削減

2

研究背景・⽬的
qスマートギヤシステム
ü ネットワークアナライザに接続された観測⽤オープンスパイラルアンテナü ⻭⾞表⾯に同形状のアンテナとき裂検知センサを印刷（スマートギヤ）．スマートギヤにはバッテリー等電源は無し．
Monitoring antenna

Open spiralantenna

Smart gear

Open spiralantenna

Crack detection sensor
Two components of smart gear system

3スマートギヤシステム
qシステムの配置
ü 観測⽤アンテナは，スマートギヤに隣接して配置．観測⽤アンテナの周波数特性をネットワークアナライザで観測

q動作原理
ü 観測⽤アンテナとスマートギヤ上のアンテナ間で磁界結合
ü スマートギヤ側の回路の影響を⾮接触でモニタリング
Smart gear

Smart gear

Master gear

ktwor
enTo
zerylana

Monitoring antenna

Monitoring antenna

Gear running test with smart gear system

4

設計したスマートギヤシステム
Crack detection sensor

Open spiralantenna

観測⽤アンテナ

スマートギヤ同じ形状のオープンスパイラルアンテナ
5センサ断線の影響について
q観測⽤アンテナの周波数特性にスマートギヤのセンサ回路の断線が与える影響を調査
ü POM板にスマートギヤシステムを印刷
ü スマートギヤは⼆種類⽤意．健全なセンサ，断線したセンサ

Monitoring antenna
Smart gear

スマートギヤシステムを印刷した⾯の反対側を合わせて観測⽤アンテナの特性をネットワークアナライザで計測
6センサ断線の影響について
qリターンロスで評価

Return Loss [dB]

-1-3-5-7-9-11-13

Original monitoring antenna-1500.1

0.2

0.30.4Frequency [GHz]0.50.67

センサ断線の影響について
p 健全なスマートギヤと磁界結合
p 結合により２⾃由度系に変化

Return Loss [dB]

-1-3-5-7

Magnetic coupling withsmart gear with healthysensor-9-11-13

Original monitoring antenna-1500.1

0.2

0.30.4Frequency [GHz]0.50.68センサ断線の影響について
p 断線したセンサ回路を有するスマートギヤとの磁界結合
p リターンロスの形状が変化

Return Loss [dB]

-1-3-5-7-9-11-13

Magnetic coupling withsmart gear with unhealthy
sensorMagnetic coupling withsmart gear with healthy
sensorOriginal monitoring antenna-1500.1

0.20.30.4
Frequency [GHz]0.50.69⻭⾞運転試験
q ⽬的:v 樹脂歯車(スマートギヤ)運転中の観測用アンテナのリターンロス変化を調査

q 実験条件:ü 回転速度: 1000 rpm

Master gear
Smart gear

ü 負荷トルク: 8 Nm
ü き裂が発⽣するまで運転

Monitoring antenna
Gear running test

10

試運転

⻭⾞運転試験の結果
0After 100 minutes
running test

-2

Return Loss [dB]-4-60min-8-10100mins

Initial return loss
-1200.1

0.2

0.30.40.5

0.6

Frequency [GHz]12ここまでのまとめ• 導電性インクを⻭⾞に印刷するための印刷機を開発• スマートギヤシステムを提案• ⻭⾞運転試験にて⻭元き裂検知が可能であることを確認• 課題についてØスマートギヤ特性のばらつき→ 製作⽅法・⼯程の⾒直し13

従来のスマートギヤ製作⽅法
q導電性インクの印刷
q印刷対象⻭⾞
Parameters

ValuesModule (mm)1.0Pres. angle (deg)20

Number of teeth

48

Helix angle (deg)0Prof. shift coef.

0Face width (mm)8.0Material

MC901(PA6)14導電性インクの印刷⼿順①Vacuum plasma treatment: 2min

②Spraying conductive ink③

Spin coating: 875rpm,1min④

Drying on hot plate: 100℃, 6min

⑤Laser sintering• Focal length︓39.00mm• Laser power︓1.6W, 3%• Feeding speed︓240mm/min

To improve hydrophilic property⑥ Removing residual ink

②
①③⑥④⑤

製作⽅法の改善(藤⽥，酒井)
スパッタリングとめっき技術を⽤いたベース導電層の印刷
Ø

スパッタリング法• ⻭⾞側⾯全体に銀をコーティング• 膜厚が薄く(数⼗ nm)回路として不⼗分

Ø

電気メッキ法• 銅めっきにより膜厚を増加(約百数⼗ μm)• 耐薬品性向上

銅めっき層
スパッタリング層⻭⾞提案⼿法
エッチングによる電気回路の印刷
1. レジスト材の塗布

Ø フィルム状のレジスト材を使⽤

2. フォトリソグラフィによりマスクを作製
Ø 露光装置により回路パターンを露光Ø 露光後に現像液にて現像

3. エッチングØ 露光されたエッチング液に浸す

4. レジスト材の除去

Ø 回路上のレジスト材を現像液で除去

⻭⾞運転試験Ø 運転試験環境• 運転試験機に観測⽤アンテナを設置

スマートプラスチックギヤ

モニタリング⽤PC
ネットワークアナライザ

観測⽤アンテナ

試験条件• 運転条件Ø 回転数︓1000 rpm
Ø 負荷トルク︓8 Nm
Ø 潤滑試験

• 計測パラメータ
ü リターンロス

運転中のモニタリング⽤PC

運転試験結果
ü 開始8分で⾕が⼀つにü センサ回路における抵抗値の増加や断線を確認
0Return Loss [dB]-5-10

Monitoring Antenna-15

Before
Test
Start
Test

-20
-25-30
00.1

0.2

0.3
0.4
Frequency [GHz]0.50.6

試験後の⻭⾞(⼀例)• 回路の細線部分に断線あり(右図⿊線部)Ø センサの細線部と太線部の境界に多く発⽣• ⻭⾞き裂なし

回路の形状変更• センサの細線部分をなくしたパターン• センサ細線部の線幅が太線部と同じ線幅まで増加
Ø 回路の応⼒集中をできるだけ抑制

試験後の⻭⾞（3 Nm）• 低トルクでの運転• ⻭⾞き裂なし• 回路の断線なし

リターンロスの変化
0-5
Monitoring Antenna

Return Loss [dB]-10-1510 min-20

20 h-25-30
00.1

0.2

0.3
Frequency [GHz]0.4

0.50.6

T-N線図98New model

Torques [Nm]7

New model 2

6

New model 3

5
Old model
4
Gear crack(approximation)

3
2
1,000

10,000100,000
Cycle [-]

1,000,000

10,000,000

結⾔27/27

結果
ü フォトエッチングを⽤いたスマートプラスチックギヤの作製⼯程を開発
ü 低負荷での運転によりセンサ部損傷は回避
ü リターンロスの⾕の位置が変化

ü 中・⾼負荷での運転において⻭⾞き裂に起因しない回路の断線が発⽣
展望Ø ⻭⾞き裂に起因しない回路の断線が発⽣する詳細な原因の特定して改善Ø 運転中のアンテナ特性変化の原因解明→科研費のテーマ