JP7404380B2 - 製造プロセス中の歪みの無線および受動的監視のためのシステム - Google Patents

Description

本開示は、製造プロセス中の歪みの無線および受動的監視のための感知システムに関し、より詳細には、エネルギーを製造プロセスに適用する力に依存する、製造プロセス中の、切削工具、加工片、または工作物保持デバイスなどの被試験物体に生じる歪みを測定する問題に関する。

力を使用する製造プロセスの１つは、特定の幾何形状／サイズ／形状および／または特定の表面仕上げを備えた構成要素を実現するために、加工片から材料を切断／除去する機械加工プロセスである、機械加工として知られるものである。機械加工は、最も基本的な製造方法のうちの１つである。自動車、医療デバイス、および航空宇宙製造などの高価値の製造業では、機械加工がすべての製造プロセスの中核である。切削工具は、加工片と直接係合されて加工片材料を切断するか、または、加工片と係合して加工片材料を切断する「切削工具インサート」を保持する、機械加工に関連する重要な構成要素の１つである。様々な設計の切削工具が、単純なものから複雑なものまで、種々の形状およびサイズの部品を製造することができる。切削工具はコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械上で使用され、高レベルの精度でシーケンスを繰り返し、様々なサイズおよび形状の複雑なピースを生成することができる。ＤＩＮ ８５８０において定義されているように、部品を成形するプロセス中に材料を除去するために、様々な製造技術を使用することができる。

工作物保持デバイスは、例えば機械加工などの製造プロセス中に加工片を堅固に保持するために使用される任意のデバイスの総称である。密接に関連する用語は、「治具」、「固定具」、「クランプ」である。固定具は、製造プロセス中に加工片を保持する。治具は加工片を保持し、（手動の機械加工設定中に）カッタのガイドもする。「固定具」は、特定の部品または状況に合わせてカスタムメイドされた工作物保持ソリューションの口語表現である。「クランプ」は、工具または部品の固定／工作物保持に使用される機械的機構である。

旋削などの一般的なタイプの機械加工プロセスでは、単一の刃先を有する工具が材料の除去に使用される。機械加工作業中、切削工具は、チップの形で切削されるまで加工片材料を変形させる。トライボロジーとは、互いに接触している表面を調べて、特定の温度および圧力において互いに幾何学的にどのように変化するかを判定することである。変形プロセスには相当のエネルギーが必要であり、切削工具は様々な機械的、熱的、化学的、およびトライボロジー的な負荷／力に耐える。これらの負荷の組み合わせにより、最終的に切削工具が劣化し、摩耗または故障する。したがって、良好な機械加工作業を行うための目標は、材料を除去するために必要なエネルギーと、切削工具にかかる負荷に確実に耐える切削工具の能力とのバランスを取ることである。切削抵抗の形態にある機械的負荷は、切削工具を通過して工具ホルダに至り、機械構造に入る。したがって、力経路内のすべての要素は、力経路内の要素の曲げ歪み若しくは引張歪み、またはそれらの組み合わせをもたらす可能性がある、様々なレベルの力を経験する。所与の切削工具（チップ）の幾何形状および材料について、生産的で費用効果の高い機械加工プロセスを実現するには、正しい機械加工パラメータを使用する必要がある。工具摩耗が緩やかである、挙動の良好な機械加工プロセスでは、工具寿命を決定することができ、したがって、最大側面摩耗などの何らかの工具摩耗基準を使用して工具交換間隔を最適化することができる。より複雑な材料および要求の厳しい機械加工プロセスでは、工具摩耗が過度になり、工具の欠けおよび破損などの突然の事象が発生する可能性が最も高くなる。このような状況では、予期しない摩耗事象が比較的短い時間間隔で発生する可能性があるため、工具寿命の予測がはるかに困難になる。機械加工プロセスの挙動は、加工片材料、切削工具材料および幾何形状、実際の機械加工プロセスパラメータ、ならびに機械加工システム全体の状態にも依存する。加工片材料自体の製造にまでさかのぼる可能性がある加工片材料の硬度変動は、機械加工プロセスの予測不可能性を高め、工具寿命の大幅な短縮、工具の欠け、および工具の破損をもたらす可能性がある別の要因である。

切削ゾーンは、環境的に非常に過酷な場所である。移動ツール、チップ、冷却材、および熱により、センサの設置が困難になる。したがって、切削ゾーンで切削工具（チップ）が経験する状態の測定は実用的ではない。しかし、切削工具に対して発生する現象の測定に基づいて、切削条件および切削プロセスを間接的に評価するための、様々な方法が存在する。これは、工具状態監視（ＴＣＭ）と呼ばれる。ＴＣＭシステムの主なタスクは、機械加工プロセスから関連データを収集し、次いで、データを処理および分析してトラブルの症状を検出するだけでなく、機械加工プロセスパラメータを、より安定した機械加工領域に調整するように、制御機能に通知することである。安定領域内では、材料除去率の最大化、製造コストの最小化など、いくつかの基準を満たすように最適化を実行することができる。プロセスの不安定性は、加工片および切削工具に害を及ぼす可能性がある、工具の故障などの予期しない事象を引き起こす可能性がある振動振幅の増加として認識されることが多い。ＣＮＣ旋盤の工具状態監視（ＴＣＭ）において使用される現行技術水準の手法は、主に以下の測定に基づく。
・マルチチャネルテーブル動力計または回転動力計を使用した切削抵抗成分の測定
・マルチチャネル加速度計を使用した振動振幅の測定
・機械加工プロセスからの可聴音の測定
・音響放出（ＡＥ）の測定
・スピンドルモータ出力または軸モータ出力の測定

切削抵抗は切削プロセス自体と直接的な関係があるため、機械加工中の切削工具の切削抵抗の測定は、最も広く使用され、推奨されるＴＣＭ手法である。切削抵抗の静的および動的成分は、チップ形成の状態および切削工具に関する情報を含む。切削抵抗は機械加工プロセスの変数であり、機械切削パラメータを介して制御および最適化することができる。切削抵抗の測定は、材料の被削性、摩耗機構、表面品質、形状偏差、振動／不安定な係合条件、残留応力、および機械加工プロセス中の熱エネルギーに関する情報を提供することができる。したがって、切削工具チップの寿命を予測および延長し、スクラップを軽減し、機械加工生産性を向上させるために、機械加工プロセスにおける切削抵抗の監視が望ましい。

従来、切削抵抗を測定するために使用される典型的なセンサソリューションは力動力計である。旋削のための切削抵抗動力計は、典型的には、機械ツールポスト／ツールブロックに装着するように設計されている。場合によっては、動力計を機械タレットに装着するために「カスタムアダプタ」の作製が必要になる場合がある。切削工具／ホルダが、従来のツールポスト／ツールブロックの代わりに動力計内に装着される。

機械加工のためのこれらの監視ソリューションは、高価で、機械加工プロセスに対して非常に侵襲的であり、多くの場合、例えば電力および増幅回路などの複雑な測定チェーンを必要とする。従来の測定ソリューションを機械加工プロセスに組み込むために必要な変更およびその努力の犠牲により、この技術を生産システムに広く統合することは非現実的になっている。その結果、詳細なプロセス分析機能を実現するための力動力計を含む監視ソリューションの使用は、専用のＲ＆Ｄ機械加工センターにおける適用または限られた短期間の機械加工試験シナリオに限定される。

したがって、上記の技術を考慮すると、少なくとも上記で概説した問題に対処する方法およびシステムが必要である。

これらおよび他の問題は、請求項１に記載のシステムを提供することによって対処される。有利な機能は従属請求項において提供される。

本開示は、少なくとも１つの表面弾性波（ＳＡＷ）センサを使用した、被試験物体の歪みの無線および受動的監視のための構成を提供し、これは、質問アンテナと少なくとも１つのＳＡＷ／送受信アンテナ構成との間の経路および／または距離が、時間とともに変化する可能性があり、質問アンテナと少なくとも１つのＳＡＷ／送受信アンテナ構成との間の電磁信号と干渉する可能性のある流体、蒸気、金属粒子、金属物体または金属表面などの材料を含み得る製造構成において有用である。

ＤＩＮ８５８０において定義された製造プロセスのうち、本開示は、主に力の使用に依存する製造プロセスに関するものであり、したがって、本開示のシステムの適用は、例として、機械加工、研削およびブローチ加工などの材料除去プロセス、バニシ仕上げ、ローレット加工および衝撃ピーニングなどの表面変形プロセス、スピニング加工およびロール成形などの成形プロセス、インクリメンタル形成などの形成プロセス、摩擦攪拌プロセスおよび摩擦溶接などの接合プロセス、ならびに、前述の製造プロセスの振動および超音波支援を含む、製造方法に関する。

これらおよび他の特徴は、例としてのみ、本教示の理解を助けるために提供される添付の図面を参照することにより、よりよく理解されるであろう。

歪み測定のための単一ポート表面弾性波（ＳＡＷ）共振器を示す図である。 無線ＲＦトランシーバとして動作するＳＡＷ質問器を示す図である。 ＰＩＦＡアンテナの設計を示す図である。 ＰＣＢに装着されたＰＩＦＡアンテナの有効接地面の拡張を示す図である。 アンテナの直線偏波および円偏波を示す図である。 本開示の一実施形態による、ＳＡＷ計装切削工具の分解図である。 本開示の別の実施形態による、ＳＡＷ計装切削工具の分解図である。 本開示の別の実施形態による、カンチレバー構成のＳＡＷ計装切削工具の分解図である。 本開示の実施形態による、ＳＡＷ計装切削工具上のアンテナ装着構成を示す図である。 本開示の一実施形態による、異なる幾何形状の切削工具の代替の筐体を示す図である。 本開示の一実施形態による、加工片またはクランプまたは工具ホルダ構成上のＳＡＷセンサを示す図である。 旋盤環境、特に切削工具によって加工片に対して実施される旋削動作中に含まれる力の力経路を示す図である。 力経路を介して切削抵抗を加える結果として、切削工具／切削工具ホルダが曲がることを示す図である。 フライス盤環境、特に切削工具によって加工片に対して実施されるフライス加工動作中に含まれる力の力経路を示す図である。 本開示の実施形態によるシステムの様々な構成を示す図である。 本開示の一実施形態による、ＳＡＷセンサとその送受信アンテナとの間の電気回路を遮断または完成させるためのスイッチを示す図である。 本開示の実施形態によるプロセスを実行するように機能する様々なハードウェアおよびソフトウェア構成要素を含むコンピューティングデバイスの構成を示すブロック図である。

ここで、本開示の実施形態を、本明細書に記載のいくつかの例示的な方法およびシステムを参照して説明する。説明されている実施形態は、本開示の理解を支援するために提供されており、いかなる様式における限定としても解釈されるべきではないことが理解されよう。さらに、いずれか１つの図を参照して説明されるモジュールまたは要素は、本開示の精神から逸脱することなく、他の図または他の同等の要素のものと交換することができる。

本開示は、少なくとも１つの表面弾性波（ＳＡＷ）センサを使用した、被試験物体の歪み（環境パラメータ）の受動的監視のための構成を提供し、これは、質問アンテナと少なくとも１つのＳＡＷ／送受信アンテナ構成との間の経路および／または距離が、時間とともに変化する可能性があり、質問アンテナと少なくとも１つのＳＡＷ／送受信アンテナ構成との間の電磁信号と干渉する可能性のある流体、蒸気、金属粒子、金属物体または金属表面などの材料を含み得る環境において有用である。

したがって、本開示は、エネルギーを製造プロセスに適用する力に依存する製造プロセス中の歪みの無線および受動的監視のための感知システムを提供し、感知システムが、歪みを検出するための少なくとも１つの表面弾性波（ＳＡＷ）センサであって、少なくとも１つのＳＡＷセンサが、１つ以上の被試験物体の構造上または１つ以上の被試験物体の構造内に位置する力経路内に位置付けられている、少なくとも１つの表面弾性波（ＳＡＷ）センサと、少なくとも１つのＳＡＷセンサに接続可能である、少なくとも１つの送受信アンテナ構成と、を備え、少なくとも１つのＳＡＷセンサおよび少なくとも１つの送受信アンテナ構成が、質問信号からエネルギーを受信するように、かつ質問信号に応答して、少なくとも１つのＳＡＷセンサによって検出される歪み応答信号を出力するように構成されている。

１つ以上の被試験物体が、切削工具、加工片、および工作物保持デバイスのうちの少なくとも１つを含むことができる。切削工具は、せん断変形によって加工片から材料を除去するために使用される任意の工具である。加工片は、工具または機械によって加工されている物体として理解される。本開示の文脈において、切削工具は、機械加工動作に使用される任意の工具を含み、その例は、フライス盤、旋削、ボーリング、およびリーミングである。切削工具はまた、工具インサート、工具ホルダ、および／または切削工具シャンクを備えることもできる。

工作物保持デバイスは、機械加工されている間に加工片を堅固に保持するために使用される任意のデバイスの総称である。工作物保持デバイスの例は、クランプ、治具および固定具である。すなわち、クランプ、治具および固定具は、機械加工中に加工片を保持するために使用される。

１つ以上の被試験物体にかかる歪みは、製造プロセス中に加えられる力に応答して発生し、歪みの大きさは、１つ以上の被試験物体にかかる力、切削チップの摩耗状態、切削プロセスにおける振動もしくはびびりの存在、または製造プロセスに関連するエネルギーを推測または導出するために測定される。

感知システムは、機械加工、研削、ブローチ加工などの材料除去プロセス、バニシ仕上げ、ローレット加工および衝撃ピーニングなどの表面変形プロセス、スピニング加工およびロール成形などの成形プロセス、インクリメンタル形成などの形成プロセス、摩擦攪拌プロセス、摩擦溶接などの接合プロセス、ならびに、前述の製造プロセスの振動および超音波支援を含む製造プロセスに、エネルギーを適用するために力に依存する製造プロセス中の、歪みの無線および受動的監視のために構成されている。

本教示は、表面弾性波（ＳＡＷ）、具体的にはレイリー波に基づく歪み感知技術を利用して、無線切削抵抗測定ソリューションを実施する。ＳＡＷデバイスおよびセンサは、圧電材料を使用して音響波を生成する。圧電性とは、機械的応力を加えることによる電荷の生成を指す。石英およびニオブ酸リチウムなどの特定の圧電材料は、電場が印加されると、その表面に機械的応力／変位（表面弾性波）を発生させる。この現象は相互的である。振動電場がＳＡＷセンサに印加されると、機械的（音響）波が生成され、この波は圧電基板を通じて伝播し、次いで、測定のために電場に変換し戻される。音響波が材料の表面上を伝播するとき、伝播経路の特性に対する任意の変化が、波の速度および／または振幅に影響を与える。ＳＡＷセンサは、この関係を利用して、温度、圧力、力、歪みを含む物理量を測定する。音響伝播速度は表面状態の変化に非常に感受性であり、そのため、この動作原理を利用した、非常に感度の高いＳＡＷ歪みセンサを作製することができる。

このようなセンサは、フォトリソグラフィプロセスを使用して、研磨された圧電セラミック基板の表面にインターデジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）として知られる精密な金属電極構成を堆積することによって作製される。ＳＡＷ共振器（ＳＡＷＲ）は、本質的に、第１のトランスデューサ電極が電気信号、通常は無線周波数（ＲＦ）振動信号を力学的な横波に変換する共振空洞である。結果として得られるＳＡＷは、第２の電極に到達するまで圧電基板上を伝播し、第２の電極において電気領域に変換し戻される。第２の電極に到達すると、典型的には、１つ以上の反射電極によって支援されて、音響波は第１の電極の方向に跳ね返り、電気機械的変換が無限に繰り返される。したがって、音響波は、共振器電極によって形成された空洞に閉じ込められる。ＳＡＷ共振器は、１ポート構成または２ポート構成のいずれかにおいて作製され得る。図１（ａ）は、単一ポートＳＡＷＲ歪みセンサ１００のＩＤＴ電極セットアップを示している。図１ａを参照すると、単一ポートＳＡＷ共振器は、ＳＡＷを生成および受信する単一のＩＤＴ１５０と、ＳＡＷを反射し、２つの反射器１６０の間に定在波を生成する２つの格子反射器１６０とを有する。ＩＤＴは、２つの反射格子ストリップに含まれる波を電気的に励起する。ＩＤＴ １５０は、伝播するＳＡＷ波を生成し、検出し、これに影響を与えることができる。図１ｂは、研磨された圧電セラミック基板１７０の表面上のＩＤＴ１５０を示している。

ＳＡＷ共振器の重要な特性は、エネルギーを蓄積する能力である。したがって、ＳＡＷＲベースのセンサは、一切の能動的な部分なしに、すなわち、電源または発振器なしに、分離して「受動的」に動作するように実装することができる。受動的ＳＡＷ歪みセンサの共振応答は、歪みを監視するために、ＲＦ質問器を使用して無線で監視することができる。図２に示すように、質問器はトランシーバとして作用し、特徴的なＲＦパルスをＳＡＷＲセンサに送信し、次いで、ＳＡＷＲセンサによって生成されるＲＦ応答信号を後処理して、測定量に関する情報を抽出する。ＳＡＷＲセンサ１００は、無線ＲＦトランシーバとして動作するＳＡＷ質問器２００とともに図２に示されている。ＳＡＷＲ歪みセンサの共振周波数は、圧縮歪みまたは引張歪みであり得る、センサによって検出される歪みの大きさに対応して、かつ、それに比例して上下にシフトする。

ロバストで信頼性の高い測定性能は、任意の無線監視システムにとって重要な基準である。「受動」無線センサ測定システムでは、ＲＦ測定チェーンは伝播環境の課題に対応するように設計する必要がある。ＣＮＣ機械加工センターの設計は、意図される用途および製造元に応じて大きく異なり得るが、基本的な機能はほとんどのタイプに共通である。たとえば、旋盤の主要構成要素は、主軸台、ベッド、キャリッジ、および心押し台を含む。タレットを備えた機械では、タレットは工具ホルダを保持し、必要に応じてそれらの割り出しを行い、スピンドルおよびチャックアセンブリは加工片を保持し、タレットが複数の軸において同時に移動することを可能にするモータ駆動スライドがある。機械ベッド、支持構造、および駆動機構ハウジングに使用される一般的な材料は鋳鉄である。より小さいサブアセンブリは、様々なグレードの鋼から製造される。作業領域内のすべての駆動構成要素、ロータリージョイント、およびリニアスライドは、切削プロセス中に存在する高温のチップ、切削液、および他の汚染物質の蓄積による損傷を防ぐために、金属ガードで覆われている。実用上および安全上の理由から、ＣＮＣ機械の作業領域は、典型的にはアクセスのためのインターロックドアシステムを組み込んだ金属筐体に封止されている。

本教示に特に関連するのは、ＣＮＣ機械の封止された作業領域、機械加工環境内での無線波の伝播である。無線周波数（ＲＦ）波は、無線通信およびレーダーに使用される周波数を含む、約３ｋＨｚ～３００ＧＨｚに及ぶ範囲内にある電磁波周波数で振動する電気信号である。ＣＮＣ機械の封止された作業領域内にＲＦリンクを実装するとき、金属筐体およびその中の部品は、送信されたＲＦ信号の複数の不要な反射を引き起こし、金属筐体のサイズおよび形状、ならびに、同じく機械筐体の内部に配置される可能性のある障害物と見なされる部品に依存するＲＦエネルギーの空間分布を生成する。このとき、ＲＦエネルギーの空間分布は、電力値の最小値および最大値を示し得る。ＲＦリンクを構成するアンテナのうちの１つ以上が最小値の近くに位置付けられる場合、この結果として、通信リンクが不十分になる可能性がある、すなわち、チャネルは非常に高い経路損失を呈することになる。

さらに、金属部品や導電性液体などの導電性材料がアンテナに近接していると、アンテナが離調する可能性がある。導電性材料がアンテナの反応性近接場に配置されると、この結果として、エネルギーがアンテナから当該導電性材料に結合される。このエネルギー結合により、アンテナの電気インピーダンスが大幅に変化し、アンテナの周波数応答が所望の動作周波数帯域から離調／シフトされる可能性がある。ＲＦ通信リンク上の金属と液体によるこのアンテナ離調の症状は、通信距離の短縮、通信データレートの低下、および、場合によっては通信リンクの確立の失敗である。

削りくずとしても、または、他のプロセス固有の名前（旋盤削りくず、やすりくず、切削くずなど）によって知られるチップは、材料除去製造プロセスから生じる破片または廃棄物である金属片、木片、またはプラスチック片である。チップの幾何形状は、粒子のような小さい塵芥から、硬い金属の旋削に由来する弾力性のあるチップなどの長くて糸状の巻きひげまで様々であり得る。金属を旋削するとき、最適な切削効率はしばしば長いばねのようなチップを生成する。機械加工中の金属チップの生成は、形成される金属チップがＥＭ波を妨害／反射し、克服しなければならないＲＦ伝送チャネル内の障害物として作用する可能性があるため、効果的なＲＦ通信に追加の課題を提示する。

機械加工環境におけるＲＦの伝播に関してまたさらに考慮すべき点は、切削液の使用である。切削液は、工具寿命の改善、加工片熱変形の低減、表面仕上げの改善、および切削ゾーンからのチップの洗い流しなど、様々な理由で金属機械加工に使用される。現在使用されている実質的にすべての切削液は、ストレートオイル、合成液、可溶性オイル液、および半合成液の４つのカテゴリのいずれかに分類される。ストレートオイルは乳化不可能であり、希釈されていない形態で機械加工動作に使用される。それらはベースミネラルまたは石油から構成されており、多くの場合、脂肪、植物油およびエステルなどの極性潤滑剤、ならびに、塩素、硫黄およびリンなどの極圧添加剤を含む。他の一般的に使用される切削液は、水と混合された希釈形態（３～１０％）で使用される。切削液の主な塗布方法は、大量の切削液が加工片に塗布されるフラッド塗布、切削液のジェットが切削ゾーンに向けられた加工片に塗布されるジェット塗布、切削液が空気の噴流によって霧化され、そのミストが切削ゾーンに向けられるミスト塗布を含む。ＲＦ信号の伝播に関しては、一般に、より高いＲＦ周波数（１ＧＨｚを超える）は、水、水ミスト、および流体によって強く減衰される。

本開示は、記載された困難な環境におけるＲＦ送信に関連する無数の問題に対処する。これは、適切なＲＦアンテナ、トランシーバアンテナ構成、信号送信パラメータを選択し、最適化されたＲＦ測定チェーン設計を使用することを通じて実現される。

少なくとも１つの送受信アンテナ構成の説明は、以下に提供される。種々のＲＦ伝播要件および環境条件に合わせて最適化された特性を備える、種々のタイプのアンテナが存在する。一般に、アンテナの幾何形状は、ＲＦ波長、必要な周波数帯域幅、およびアンテナビームの指向性に応じて変化する。ＳＡＷセンサ用途で頻繁に使用される無認可の周波数帯域は、４３４ＭＨｚ ＩＳＭ帯域である。このスペクトルで動作することの欠点は、効率的に動作するために必要なアンテナサイズが大きいことであり、λ／４モノポールの寸法は１７ｃｍである。多くの場合、切削工具上にアンテナを収容するために利用可能な幾何形状も制限されている。たとえば、２５ｍｍ厚の正方形のシャンク工具ホルダでは、アンテナの装着に利用可能な張り出しの長さは３０ｍｍ程度になる可能性がある。所与のシャンク工具ホルダの例のように、制限された幾何形状内に４３４ ＭＨｚ ＩＳＭ大域アンテナおよび関連する接地面を収容することは重要な課題である。小型化されたアンテナおよび接地面の構成が重要な要件である。アンテナのフォームファクタに関連する別の実際的な要件は、アンテナおよび接地面のアセンブリが機械加工中に引っ掛かりのリスクをもたらさないことである。送受信アンテナアセンブリには、機械加工領域内に突出し、または、工具ホルダにチップおよび／もしくは削りくずを蓄積させるような障害物を含めることはできない。別の重要な送受信アンテナ要件は、金属の存在下での信頼性の高い動作である。金属環境は一般にアンテナの性能を低下させ、アンテナの周波数応答を所望の動作周波数帯域から離調させる。しかしながら、送受信アンテナは、金属製の工具ホルダ上にまたはその近くに装着する必要がある場合がある。工具ホルダの材料は、典型的には、高炭素鋼または炭化タングステンドから製造される。送受信アンテナ構成は、いくつかの金属部品の近くにある金属ＣＮＣ機械加工筐体内でも動作する必要があり、金属部品の一部は機械加工プロセス中に動いている。適切な帯域幅が別の要件であり、送受信アンテナは、例えば４３２～４３５ＭＨｚなど、選択した周波数帯域内の複数の隣接するＳＡＷＲセンサ周波数で使用することができるように、十分な電力半値帯域幅を備えている必要がある。ＳＡＷＲセンサは受動デバイスであり、アンテナとの間の信号を増幅するための電源が利用できないため、送受信アンテナは、その所与のフォームファクタにおいて最良の放射効率を備えている必要がある。もう１つの送受信アンテナ要件は、アンテナの送信／受信ビームの指向性に関連している。送受信アンテナは、直接直交しておらず、斜めの角度にある可能性のあるＲＦソースから発信される無線波を受信することができるように、広い指向性（ビーム開口）を備えている必要がある。これは、切削工具の用途では、切削工具およびそのアンテナが、典型的には直線平面内で、ＣＮＣ作業領域の範囲内で移動するためである。

したがって、上記に照らして、少なくとも１つの送受信アンテナ構成が、放射要素と、放射要素のための接地面として機能するプリント回路基板（ＰＣＢ）上の導電層と、を備えることができる。導電層が、接地面の総有効サイズを拡張するための併置された追加の金属構造に電気的に接続することができ、併置された追加の金属構造が、１つ以上の被試験物体を備える。放射要素が、平面設計を有することができ、アンテナ放射が接地面から離れて方向付けられるように、接地面から一定の距離だけ上方に装着することができる。少なくとも１つの送受信アンテナ構成が、ＵＨＦ帯域におけるＲＦ信号の送信および受信のために構成された薄型アンテナを備えることができる。ＵＨＦ帯域が、４３４ＭＨｚ ＩＳＭ帯域を含む。少なくとも１つの送受信アンテナ構成の感度／範囲は、被試験物体の一部として満たされ、少なくとも１つの送受信アンテナ構成は、接地面として作用する導電層を介して被試験物体または保護筐体上またはその中に装着されるように構成することができる。したがって、接地面は、例えば、被試験物体の構造、被試験物体の筐体、および、したがってひいては機械工具構造などの、接地面の総有効サイズを拡張するための併置された追加の金属構造に電気的に接続可能である。

少なくとも１つの送受信アンテナ構成が、板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）を備えることができる。移動体通信デバイスにおいて一般的に使用されるパッチアンテナの変形が、板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）である。板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）は、単線モノポールアンテナ設計の特徴と平面パッチアンテナ設計の特徴とを組み合わせたアンテナの一種である。これは、本質的に接地面に平行なモノポールアンテナであり、短絡アームが実装されている逆Ｆアンテナに由来する。短絡アームは、アンテナのインピーダンス整合として作用する。モノポールアンテナは必然的に容量性であるため、アンテナはインダクタンスを追加して望ましいインピーダンス（通常は５０Ω）に整合することができ、短絡はこのインダクタンスを提供する。これは、インピーダンス整合に必要な受動構成要素が少なく、そのような要素の寄生損失が少ないため、放射効率が高くなることを意味する。ＰＩＦＡアンテナ設計では、単線モノポールはパッチアンテナと同様のトッププレートに置き換えられる。図３は、平面要素３１０、コンデンサ３２０、給電点３３０、短絡プレート３４０、および接地面３５０を含むＰＩＦＡアンテナ３００の設計を示している。ＰＩＦＡアンテナは、ほぼ無指向性の放射パターンおよび混合放射偏波を有する。

ＰＩＦＡアンテナは、周波数応答の点で本質的に狭帯域である。ただし、例えば、放射プレートにスロットを組み込むこと、および、寄生接地面要素を追加することなどの、種々の設計手法を使用して、アンテナ帯域幅を広げることができる。また、これらの方法を使用してトッププレートのサイズを最適化することができ、したがって、より小さいアンテナを作成することができる。ＰＩＦＡのサイズは、重要性がないわけではないが、いわゆるトップロードを使用することによって縮小することもできる。アンテナの一端に小さい静電容量を追加することにより、より低い周波数に達することができる。これを行うことは、アンテナの放射能力を低下させるが、アンテナサイズと特定の用途に関する性能との間の妥協点を実現するために使用することができる。商用ＰＩＦＡアンテナ設計には、これらの技法の一部またはすべてが組み込まれている。

ＰＩＦＡアンテナの最大の利点の１つは、サイズが小さいことである。さらに、プリント回路基板（ＰＣＢ）がアンテナ接地面として機能するように、プリント回路基板（ＰＣＢ）の上部に直接装着することができる、このアンテナの変形形態が市販されており、これは「地上アンテナ」と呼ばれることもある。説明されている工具適用形態の場合、このタイプのアンテナおよび接地面構成は特に魅力的である。アンテナはＰＣＢの上方に平行に位置付けられているため、必要なスペースはアンテナの装着ピンが位置付けられている場所のみである。地面または他の金属に向かって隙間を空ける必要はない。すなわち、ＰＣＢの両側のアンテナの下に構成要素を装着することができる。

ＰＩＦＡアンテナの場合、接地面のサイズおよび形状がアンテナの放射効率に影響する。接地面の有効サイズが小さくなると、アンテナの放射効率が低下する。ＰＩＦＡ接地面ＰＣＢを収容するために利用できる領域が制限されている工具適用形態では、アンテナＰＣＢ接地面を、支持金属構造および／または不変の金属である工具ホルダ本体自体に電気的にリンクすることによって、接地面の有効面積を拡張することが可能である。いくつかの例を図４ａ～図４ｃに示す。図４ａは、小さいフォームファクタのＰＣＢに装着されたＰＩＦＡアンテナ４３０を示しており、ＰＣＢの接地面４４０のサイズが小さい結果として、アンテナの放射効率が不十分になる。ＰＩＦＡアンテナ４３０および接地面４４０は、非金属構造４２０上に配置されている。参照符号４１０は、金属工具ホルダシャンクを示している。図４ｂおよび図４ｃは、電気接合層４２５を使用して、小さいＰＣＢの銅接地面を支持金属アセンブリ４５０の金属および金属工具ホルダシャンク４１０に電気的および物理的に接続することによって、アンテナ接地面の有効サイズがどのように増加するかを示す。地上場所４４０の有効長が、図４ａ～図４ｃに太線で示されている。

少なくとも１つのＳＡＷセンサは、２つ以上のＳＡＷセンサを含むことができる。システムは、２つ以上のＳＡＷセンサのうちの少なくとも１つ以上の選択されたＳＡＷセンサのみが質問されるように構成することができる。後で説明するように、環境的に作動するＲＦスイッチを使用して、質問される少なくとも１つ以上のＳＡＷセンサを選択することができる。２つ以上のＳＡＷセンサを、差分歪み測定値を感知するために使用することができ、第１のＳＡＷセンサが、１つ以上の被試験物体の第１の表面上に装着されるように構成されており、第２のＳＡＷセンサが、１つ以上の被試験物体の第２の表面上に装着されるように構成されている。第１のＳＡＷセンサおよび第２のＳＡＷセンサは、曲げ歪みの方向に装着されるように構成することができる。

１つ以上の被試験物体の各々は、固有のアイデンティティを有するように構成することができ、各被試験物体のＳＡＷセンサおよび送受信アンテナを結合した組み合わせが、固有のアイデンティティの基礎を形成する固有のデジタル署名をともに生成する。一意のデジタル署名を生成するために、ＲＦインピーダンス整合回路を使用することもできる。ＳＡＷセンサは、１つ以上の被試験物体の各々の上でマルチバンドアンテナを共有して、ＲＦＩＤタグと併置することができる。少なくとも１つのＳＡＷセンサは、一意のデジタル署名を生成する被試験物体の構造上または構造内に装着された後、再構成可能であり得る。再構成は、ＳＡＷ構造のプリロード、またはＳＡＷインターデジタルフィンガもしくはリフレクタバンクの特性の操作によって可能になり得る。

本開示のシステムはまた、質問信号を送信し、かつ、少なくとも１つのＳＡＷセンサに接続可能な少なくとも１つの送受信アンテナ構成から応答信号を受信するための少なくとも１つの質問アンテナを備えることもできる。少なくとも１つの送受信アンテナ構成は、少なくとも１つの質問アンテナとの無線通信のために構成されている。少なくとも１つの質問アンテナおよび少なくとも１つの送受信アンテナ構成は、少なくとも１つの質問アンテナおよび少なくとも１つの受信アンテナの電磁ＲＦ放射パターンが交差するように配向されるように構成される。１つ以上のＳＡＷセンサに電力を供給するために使用されるすべてのエネルギーは、少なくとも１つの質問アンテナによって少なくとも１つの送受信アンテナ構成に送信されるＲＦ信号に由来する。さらに、上記のように、少なくとも１つの送受信アンテナ構成は、ＲＦ送信／受信性能を損なうことになる小型ＰＩＦＡ設計のものであり得る。国際的な規制要件への準拠により、所与の周波数帯域で動作する質問器ハードウェアが出力することができる最大ＲＦ電力が制限される。したがって、ＳＡＷセンサシステムの実用的なＲＦ送信／受信範囲を最大化し、適切な信号対雑音比および堅牢な無線測定チェーンを確保するには、効率的な質問アンテナの設計が不可欠である。少なくとも１つの送受信アンテナ構成に到達するＲＦ信号強度を最大化する実際的な手段は、特定の方向により大きい電力を放射または受信する効率的な質問アンテナ設計を利用して、性能の向上および不要なソースからの干渉の低減を可能にすることである。このようなアンテナ設計は、指向性アンテナと呼ばれる。高利得アンテナ（ＨＧＡ）は、集束された狭い無線波ビーム幅の指向性アンテナである。この狭いビーム幅により、無線信号を所与のベクトル内により精密に標的化することができる。送信するとき、高利得アンテナは、送信電力のより多くが受信機の方向に送信されることを可能にし、受信信号強度が向上する。受信するとき、高利得アンテナは、より多くの信号をキャプチャし、ここでも信号強度が向上する。相互関係に起因して、これら２つの効果は等しい。それらの指向性の結果として、指向性アンテナはまた、メインビーム以外の方向から送信する信号がより少なくなる（また、受信する信号がより少なくなる）。この特性は、干渉を減らすために使用することができる。

帯域内の隣接しているが異なる中心周波数で動作する複数のＳＡＷに質問する必要があるため、少なくとも１つの質問アンテナの別の重要な要件は、その帯域幅である。アンテナの部分帯域幅は、アンテナの帯域幅の尺度である。アンテナが低周波数ｆ１と高周波数ｆ２との間の中心周波数ｆｃで動作する場合（ｆｃ＝（ｆ１＋ｆ２）／２）、部分帯域幅ＦＢＷは（ｆ２－ｆ１）／ｆｃによって与えられる。部分帯域幅は、アンテナのスパンおよび中心周波数の関数である。部分帯域幅は０～２の間で変化し、多くの場合、パーセンテージ（０％～２００％）として引用される。４３３ＭＨｚ ＩＳＭ帯域を使用するＳＡＷセンサ適用形態の場合、１．６％以上の部分帯域幅が必要である。

指向性ＨＧＡの一般的な設計は、八木アンテナ、対数周期アンテナ、コーナリフレクタアンテナである。ただし、これらのＨＧＡ設計は通常、大きくてかさばる。パッチアンテナ（長方形マイクロストリップアンテナとしても知られる）は、指向性無線アンテナの一種である。マイクロストリップパッチアンテナの固有の特性は、平面への装着に適した薄型軽量アンテナの製造を可能にするその二次元構造である。ＣＮＣ機械筐体内で利用可能な面積は限られており、質問器が引っ掛かりの危険がない非閉塞性の設計であることが望ましいため、パッチアンテナは魅力的なソリューションを提供する。パッチアンテナ設計によって、図５ａ～図５ｄに示すように、無線波の偏波または配向を、直線偏波または円偏波のいずれかで放射するように設計することができる。図５ａは水平直線偏波、図５ｂは左旋円偏波、図５ｃは垂直直線偏波、図５ｄは右旋円偏波を示している。直線偏波（ＬＰ）パッチアンテナは、全体的に、伝播方向を含む１つの平面内で放射する。円偏波パッチアンテナでは、偏波面がらせんパターンで回転し、各波長中に完全に一回転する。円偏波は、水平面と垂直面の両方、およびその間のすべての面においてＲＦエネルギーを放射および受信する。

円偏波（ＣＰ）パッチアンテナの信号伝播特性は、ＣＮＣ機械の作業エンベロープ内に存在する困難なＲＦ伝播環境におけるＲＦ信号の送信／受信に関して、直線偏波変形形態にまさる性能上の利点を提供する。さらに、無線周波数（ＲＦ）質問器を備えたＣＰパッチアンテナを使用すると、直線偏波ＰＩＦＡアンテナを備えたＳＡＷベースのセンサとの接続性が向上する。円偏波は、２つの直交モードが、それらの間の９０°の時相差によって励起されるような、パッチ送信アンテナの物理的寸法および幾何形状によって得ることができる。代替的に、正方形パッチアンテナ設計では、２つの隣接する縁部において要素に給電することによって、円偏波が励起される。直交位相差は、９０°の電力分割器によって要素に給電することによって得られる。

ＣＰパッチアンテナは、デバイスの移動性、不利な伝播経路条件、および見通し線外のシナリオに関連する課題に対処するために使用することができる。モバイル適用形態、たとえば、ＣＮＣ機械内の可動部分に統合された受動的感知デバイスにおいて、線形偏波センサトランシーバアンテナの配向が質問アンテナと正しく位置合わせされていない可能性がある。これにより、位相がずれたＲＦ送信の問題が発生する可能性がある。ＲＦ質問器側でＣＰパッチアンテナを使用すると、ＲＦエネルギーがすべての平面内で送信されるため、この問題を軽減することができ、これにより、相対的なアンテナの配向に関係なく、ＬＰトランシーバアンテナとのＲＦリンクの信頼性が高まる。円偏波ＲＦ信号の伝播特性により、障害物、すなわち、切削プロセス中の金属片／削りくずの飛散に起因する信号劣化に対する耐性が高まる。これは、ＣＰ信号がすべての平面内で送信されることに起因し、信号が、障害物および他の環境条件によって悪影響を受けない可能性が増大する。ＣＰアンテナは、ＬＰアンテナよりもマルチパス効果の影響を受けにくくなっている。マルチパスとは、一次信号と反射信号とがほぼ同時に受信機に到達する場合である。ＣＰアンテナはすべての平面内で送信するため、信号が相殺される可能性は低くなる。

したがって、少なくとも１つの質問アンテナは、線形または円偏波パッチアンテナなどの指向性パッチアンテナを備えることができる。少なくとも１つの質問アンテナは、３ｄＢの放射ビーム幅を有するように構成することができる。少なくとも１つの質問アンテナは、方位角および仰角が約７０°～約９０°の放射ビームを有するように構成することができる。

少なくとも１つの質問アンテナは、単一の質問アンテナを含んでもよい。別の実施形態では、少なくとも１つの質問アンテナは、少なくとも２つの質問アンテナを備えるマルチアンテナアレイを含んでもよい。マルチアンテナアレイは、半波長未満のアンテナ間隔を有することができ、アンテナ要素は、一次元または二次元アンテナアレイを形成するように構成されている。マルチアンテナアレイは、所与の方向における増加された指向性およびアンテナ利得を有する放射パターンを作成するように構成することができる。マルチアンテナアレイは、同じ構造の複数の相互に離間したアンテナを備えることができ、アンテナの各々が、少なくとも１つの送受信アンテナの別個の物理チャネルに接続されており、それによって、一度に１つのみの送受信アンテナ・質問アンテナ対が、通信のために使用される。システムは、最も強いＳＡＷセンサ戻り信号を送達する送受信アンテナ・質問アンテナ対を選択するように構成することができる。上記のように、少なくとも１つの質問アンテナは、円形偏波パッチアンテナを含んでもよい。少なくとも１つの質問アンテナは、適用環境に適合された再構成可能な指向性ＲＦビームを有することができる。適用環境は、典型的には、断続的な金属可動部品を含む金属包囲物であり、流体流、流体ジェット、ミスト、有毒ガス、金属またはポリマー粒子、ならびに金属およびポリマーチップからの追加の断続的な環境影響を有する可能性がある。少なくとも１つの質問アンテナと被試験物体上の送受信アンテナとの間の相対距離および空間配向は、変動し得る。これに関して、少なくとも１つの質問アンテナは、少なくとも１つの質問アンテナを適用環境に合わせて調整するための最適化アルゴリズムを備えることができる。最適化アルゴリズムは、少なくとも１つの質問アンテナの共振周波数および／またはＲＦ送信電力レベルを調整するように構成することができる。

図６は、本開示の一実施形態による、ＳＡＷ計装切削工具５００の分解図である。図５を参照すると、切削工具５００は、工具シャンク５１０、切削インサート５１５、およびＳＡＷセンサ５３０を封入する保護筐体５２０、ならびにＰＣＢ５４５上に配置されたＰＩＦＡアンテナ５４０を備える。

図７は、本開示の別の実施形態による、ＳＡＷ計装切削工具６００の分解図である。図７を参照すると、ＰＣＢ６４５が切削工具６００に固定されている。

図８は、本開示の別の実施形態による、カンチレバー構成のＳＡＷ計装切削工具７００の分解図である。図８を参照すると、保護筐体７２０は、切削工具７００の表面を筐体の表面として使用して、試験中の計装切削工具７００を完全にまたは部分的に取り囲むＳＡＷ計装表面に取り付けられ、ＳＡＷおよびそのワイヤボンディングなどのデリケートな構成要素だけでなく、ＳＡＷアンテナ、関連するそのＰＣＢおよび配線、ならびにＳＡＷ歪みセンサモジュールも含み、保護する。保護筐体７２０はまた、被試験物体の割り出し手段として機能するために使用することができる。保護筐体７２０は、クランプ構成において、被試験物体の再現可能な装着を容易にするように位置付けすることができる。例えば、保護筐体７２０を使用して、同じ「張り出し」またはカンチレバー長さによる使用または較正のために、被試験物体がクランプ７３０を使用してクランプされることを確実にすることができる。

図９は、本開示の一実施形態による、ＳＡＷ計装切削工具９０００のアンテナ装着構成を示している。図９を参照すると、ＳＡＷセンサ９０５０は、歪み倍増器９０６０に接合されている。切削工具９０００はまた、工具シャンク９０１０、およびＰＣＢ９０４５上に配置されたＰＩＦＡアンテナ９０４０を備える。

図１０は、本開示の一実施形態による、異なる幾何形状の切削工具の代替の筐体１０００を示している。図１０を参照すると、筐体１０００は、シャフトと一致する非平面ＰＩＦＡ１０１０、またはさらには平面ＰＩＦＡを備えた円筒シャフトの周りの円筒筐体１０００である。

図１１は、本開示の一実施形態による、加工片１１１０上のＳＡＷセンサ１１００、クランプ１１２０、および／または切削工具１１４０を示している。図１１を参照すると、本実施形態は、切削工具１１４０を備えたフライス盤１１３０を含む。図１２ａは、旋盤環境、特に切削工具１２２０によって加工片１２１０に対して実施される旋削動作中に含まれる力の力経路を示す。力経路は、製造プロセス中に力または負荷が通過するルートである。工具が加工片と係合すると、切削工具、工具ホルダ、加工片、加工片ホルダ、機械構造、および機械駆動構成要素を含む機械工具の構成要素の多くが力、したがって、測定することができる歪み（曲げおよび引張）を受ける。力経路は通常、高品質の製造プロセスを保証するための高い剛性および良好な減衰特性を有するために、機械工具の設計者、切削工具の設計者、工作物保持／クランプシステムの設計者によって高度に設計されている。最終的に、力は機械工具構造を通り、機械が安定した構成にあることを保証する基礎に渡される。図１２ｂは、力経路を介して切削抵抗を加える結果として、切削工具／切削工具ホルダが曲がることを示す。図１３は、フライス盤環境、特に切削工具１３２０によって加工片１３１０に対して実施されるフライス加工動作中に含まれる力の力経路を示す。図１３は、工作物保持構成も力経路の一部であることを示している。図１３は、他の製造プロセスにも類似している。

本開示は、ＳＡＷトランスデューサを使用した歪みの受動的監視のための構成を提供する。これは、少なくとも１つの質問アンテナと少なくとも１つの受信アンテナとの間の経路および／または距離が、時間とともに変化する可能性があり、少なくとも１つの質問アンテナと少なくとも１つの受信アンテナとの間の電磁信号と干渉する可能性のある流体、蒸気、金属粒子、金属物体または金属表面などの材料を含み得る環境において有用である。

一実施形態では、単一のＰＩＦＡアンテナが、１つ以上のＳＡＷセンサ上に設けられてもよい。複数のＳＡＷセンサの場合、アンテナは基板上の別個の位置に取り付けることができる。切削工具本体、アンテナ装着アセンブリ／筐体は、アンテナの共振周波数に影響を与える。少なくとも１つの受信アンテナの実際の実装がその共振周波数に及ぼす影響は、アンテナ調整回路によって調節される。プリント回路基板（ＰＣＢ）上の大きい導電層は、少なくとも１つの受信アンテナの接地面として使用することができ、接地面は、切削工具本体および／またはアンテナ装着アセンブリを含み得る追加の金属構造に電気的に接続される。追加の金属構造が利用されて、アンテナ接地面の総有効サイズが拡張され、それによって少なくとも１つの受信アンテナの放射効率が増大する。アンテナ調整およびインピーダンス整合回路は、アンテナＰＣＢ上に実装および統合することができる。インピーダンス整合回路は、１つ以上のＳＡＷセンサのそれぞれに対応することができる。ＰＣＢは、任意選択的に、プリンテッドエレクトロニクス技術を使用して切削工具シャンクに直接印刷される。ＰＣＢおよびアンテナに使用される装着方法は、被試験物体、ＰＣＢ、およびアンテナの間の特定の空間的関係を維持する場合がある。

ＰＩＦＡアンテナ面はＰＣＢ面と平行にすることができる。ＰＣＢは、必要な空間的関係を維持するために、被試験物体の表面、保護筐体、または歪み倍増器構成に固定（または直接印刷）することができる。

少なくとも１つの質問アンテナは、円形偏波パッチアンテナを含んでもよい。

少なくとも１つの質問アンテナは、以下の特徴、すなわち、円偏波を有する単一要素マイクロストリップパッチ設計、高いアンテナ利得（典型的には４～９ｄＢｉ）、広い指向性ビーム放射パターン、および／または１．６％を超える部分周波数帯域幅のうちの少なくとも１つを有することができる。

少なくとも１つの質問アンテナは、アンテナ放射ビームパターンが被試験物体の方向および見通し線に配向されるように装着され得る。少なくとも１つの質問アンテナは、ブラケットまたは関節式装着機構を使用して、機械工具筐体内の固定位置に装着することができる。少なくとも１つの質問アンテナは、少なくとも１つの質問アンテナの放射ビームパターンが、機械加工中に少なくとも１つの質問アンテナに対して切削工具が行う全範囲の運動について、少なくとも１つの送受信アンテナ構成の放射ビームパターンと重なるように構成することができる。

少なくとも１つの質問アンテナアセンブリは、機械加工環境に存在する水および油のミストならびに他の汚染物質の存在下での使用に適した耐水性防食設計のものであり得る。少なくとも１つの質問アンテナと少なくとも１つの送受信アンテナ構成との間の伝播距離は、約０．１～約１．５メートルであるように構成することができる。

本開示のシステムは、送受信アンテナとの結合が、少なくとも１つの質問アンテナの近接場の０．３メートル未満の近くで、または、その中で発生するように、質問アンテナが被試験物体とともに移動する感知構成のための縮小されたサイズ、縮小された検出範囲を質問アンテナに提供する。

少なくとも１つの質問アンテナは、選択された切削工具を使用する機械加工動作中に、それ自体と少なくとも１つの送受信アンテナ構成との間の相対距離を維持する工具タレットまたは他の機械的アセンブリに装着され得る。

少なくとも１つの質問アンテナは、具体的に指定されたゾーン内でのみ信号を送信／受信するように位置付けおよび設計することができる。そのような具体的に指定されたゾーンは、製造ゾーンを含むことができ、使用されていないツールを含む任意のゾーンを具体的に除外することができる。

工具タレット内などに、被試験物体が複数存在する場合は、選択した被試験物体の一度に１つの送受信アンテナのみが質問アンテナのＲＦ範囲内にあることが望ましい。これは、タレットの幾何形状および被試験物体のアンテナ放射ビーム特性の知識を利用することによって達成することができ、または、送受信アンテナが切削ゾーンへと配向されるときにのみ「起動」されるように、送受信アンテナ上にアンテナ「スイッチング機構」を導入することによって達成することができる。

図１４ａ～図１４ｃは、本開示の実施形態によるシステムの様々な構成を示している。図１４ａを参照すると、システムは、単一の質問アンテナ１４１０および単一の送受信アンテナ１４４０を備える。送受信アンテナ１４４０は、タレット１４５０上の切削工具上に配置されている。加工片１４３０を保持するチャック１４２０が示されている。図１４ｂを参照すると、システムは、複数の質問アンテナ１４１０および単一の送受信アンテナ１４４０を備え、図１４ｃは、単一の質問アンテナ１４１０および複数の送受信アンテナ１４４０を備えたシテムを示している。

したがって、本開示のシステムは、環境要因に応答してスイッチを作動させることによって、ＳＡＷセンサのうちの１つとその送受信アンテナとの間の電気回路を遮断または完成させる手段を提供することができる。すなわち、システムは、１つ以上のＳＡＷセンサ送受信アンテナ回路を備えることができる。本開示の実施形態による、環境パラメータに基づいてアンテナを起動および停止するためのアンテナ「スイッチ」の概念が図１５に示されている。図１５を参照すると、ＰＣＢ１５４０上の送受信アンテナ１５１０、およびアンテナ調整マッチング回路１５２０を含む、ＳＡＷセンサ送受信アンテナ回路が示されている。システムは、１つ以上のＳＡＷセンサ送受信アンテナ回路のうちの１つを停止するためのスイッチング機構を備えることができる。これにより、選択したＳＡＷのみに質問することができる。図１５を参照すると、スイッチ１５３０が、ＳＡＷセンサ送受信アンテナ回路に続くケーブル１５５０とともに示されている。スイッチ１５３０は、スイッチに力または圧力を加えること、スイッチの配向、スイッチに対する温度、スイッチへの光の曝露、磁場の曝露、すなわちリードスイッチ機構、または、スイッチに対するシールドの位置によって起動することができ、スイッチ（閉じている）は、無線周波数信号の低い挿入損失および戻り損失を有する。スイッチは、静電、電熱、または圧電の原理によって作動するＲＦスイッチなどの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術に基づいてもよい。スイッチは、作動手段にとって好都合であるように、被試験物体の保護筐体の外部部分上に、保護筐体の一体部分として、または被試験物体に装着された別個のアセンブリとして、位置付けることができる。

本開示のシステムは、１つ以上の被試験物体から、少なくとも１つのＳＡＷセンサが装着されている表面に歪みの一部またはすべてを伝達するための歪み倍増器構成をさらに備えることができる。このような歪み倍増器構成の例は、上記のように図９に与えられている。歪み倍増器構成は、測定されるべき歪みの軸に沿ったいずれかの端部において１つ以上の被試験物体に固定することができる。歪み倍増器構成は、張力または圧縮力を受けたときに容易に変形する固定点間の長さの一部分を含む感知領域を含む。高変形領域は、領域の幾何学的形状（例えば、より薄く、より狭い）によって達成することができる。高変形領域は、その領域の材料特性（より低い弾性率）によって達成することができる。固定点間の残りの領域は、圧縮力または張力の下では容易に変形しない。歪み倍増は、感知領域を構成する固定点間の長さの割合を調整することによって調整することができる。歪み倍増は、感知領域内の力に対する材料応答と、固定点間の残りの領域の応答との間の差を調整することによって調整することができる。歪み倍増率は、１より大きくてもよく、１より小さくてもよく、または１以下であってもよい。歪み倍増は、例えば、溶接用のラグ、試験対象のくぼみに適合するスタッドを追加すること、またはシャフトへのボルト締めにより、接着、ろう付け、はんだ付け、焼結、または溶接以外の、被試験物体への代替の取り付け手段を作成するように設計することができる。歪み倍増器構成は、ＰＣＢの装着面として作用することにより、ＰＣＢ／アンテナ構成と被試験物体との間の選択された空間的関係を維持する手段として作用し得る。ＰＣＢは、任意選択的に、プリンテッドエレクトロニクス技術を使用して歪み倍増器表面に直接印刷されてもよい。歪み倍増器構成は、アダプタとして作用するように設計されてもよく、ＳＡＷセンサを装着するための適切な平坦面を有しない被試験物体、または、被試験物体上の位置から歪みの一部またはすべてを伝達する。歪み倍増器構成は、歪みの選択された成分のみを平坦なセンサ領域に伝達するように幾何学的に設計することができる。歪み倍増器構成は、非平面シャフト（被試験物体）に装着して、ＳＡＷ歪みセンサを装着してトルク感知構成を提供することができる平坦な表面を提供することができる。別の実施形態では、被試験物体は、より強いもしくはより弱い歪み値、線形もしくは非線形かつ予測可能な歪み値、一軸歪み値、多軸歪み値、温度感受性もしくは温度中性歪み値、または動的帯域幅がより高いもしくはより低い歪み値を生成する、より適切な力経路におけるＳＡＷセンサの位置付けを可能にするために、構造内の材料を除去することによって適合させることができる。

本開示のシステムはまた、ＰＣＢ、アンテナ、１つ以上のＳＡＷ、ならびに、被試験物体へと直接的にまたは歪み倍増器構成を介して装着されているボンドパッドおよび／またはＰＣＢ／アンテナにそれらを接続する配線のうちの１つまたは組み合わせの周りの保護筐体を備えることもできる。被試験物体の表面は、筐体内に含まれる空洞の１つ（以上）の表面を形成する。筐体は、被試験物体を完全にまたは部分的に取り囲み／封入し、堅固に固定された液密筐体を形成することができる。工具上に（例えば、ＳＡＷの上およびＰＣＢ／アンテナの上）複数のカプセル化筐体が存在してもよい。筐体は、アンテナの調整およびインピーダンス整合のためのＰＣＢを含んでもよい。筐体は、その内容物のための耐流体性の保護構成を提供することができる。保護筐体は、３Ｄプリントによって構築することができる。ＰＣＢを支持することができる、アンテナＰＣＢの下の保護筐体の一部は、冷却剤、液体ミストまたは蒸気形態の切削液、および高温チップに耐性のある材料から構築することができる。保護筐体のそのような部分は、導電性である金属などの材料から構築することができる。アンテナを囲む保護筐体の部分は、アンテナによって送信または受信される電磁信号への減衰を最小限にし、冷却剤、液体ミストまたは蒸気形態の切削液、および高温チップに耐性のある材料から構築することができる。保護筐体は、クランプ構成において、被試験物体の再現可能な装着を容易にするように位置付けすることができる。較正は、切削抵抗の方向において工具チップに既知の力を加え、結果として生じるＳＡＷ歪みセンサの出力応答を測定することにより、クランプされた工具に対して実行することができる。力は、フォースゲージ、トルクレンチ、または負荷試験機械を使用して加えることができる。

保護筐体は、ＳＡＷセンサと、加えられる負荷およびセンサ対象の被試験物体との相対距離が既知であり、絶対測定が可能であることを保証するための基礎を形成するように設計することができる。保護筐体は、積層造形プロセスを使用して形成することができ、積層造形プロセスによるアンテナ、すなわち、統合された３Ｄプリントアンテナおよび筐体を含むことができる。

保護筐体は、１つ以上の部品で製造することができ、被試験物体と接触する場所、および２つの筐体部品が任意の適切な手段を使用して接触する場所でシールすることができ、堅固で耐流体性のシールを形成することができる。

保護筐体は、カンチレバーの有効長が同じ長さを維持するように、ホルダ内のカンチレバー構成において被試験物体の再現性のあるクランプを支援する手段として使用することができる。これにより、機械外の力の較正が可能になる。

歪み測定による力の測定は、カンチレバー構成における被試験物体の特定の事例である。本開示のシステムは、機械加工（材料除去、材料形成／変形）動作の監視、最適化、および制御に使用することができる。

本開示は、上記の本発明の特徴に記載された要素を使用して、ＳＡＷ歪みセンサ計装被試験物体を製造するためのＳＡＷ歪みセンサモジュールを提供する。

ＳＡＷセンサは、被試験物体に直接または間接的に（たとえば歪み倍増器を介して）装着することができる。ＰＩＦＡアンテナはＰＣＢに装着することができ、ＰＣＢは、被試験物体に取り付けられると、アンテナ、ＰＣＢ、および被試験物体の間の空間構成を、その装着構成を介して固定する。ＳＡＷ歪みセンサモジュール全体を、被試験物体に直接装着することができる。代替的に、ＳＡＷ歪みセンサモジュール全体が、保護筐体または歪み倍増器を介して、被試験物体に間接的に装着されてもよい。間接的に装着する場合、ＳＡＷ歪みセンサモジュール全体が工具／物体から外して製造されてもよい。

保護筐体は、選択された被試験物体を部分的または完全に封入し、歪み倍増器構成、ＳＡＷセンサ、ＰＣＢおよびアンテナ、ならびに関連する配線のうちの１つまたは任意の組み合わせを封入するように設計された単一または複数部品の保護筐体を含んでもよい。被試験物体の表面は、筐体内に含まれる空洞の１つ（以上）の表面を形成することができる。

保護筐体は、筐体部品と被試験物体との間に接合されると、シールされ、その内容物の周りに、堅固に固定された液密の筐体を形成する。保護筐体は、被試験物体に取り付けられると、較正と使用のためにクランプ構成において被試験物体の割り出しを行う手段を作成し、一定の「張り出し」またはカンチレバーの長さを維持する。

保護筐体を一意に識別する識別子を提供することができる。識別子は、ＳＡＷ、ＲＦＩＤ、バーコード、または通し番号であってもよい。識別子は、保護筐体に刻印、取り付け、または封入することができる。識別子は、少なくとも１つの質問アンテナ、ＲＦＩＤリーダ、またはバーコードリーダによってリモートで読み取ることができる。

本開示はまた、以下を含む試験中のＳＡＷ計装被試験物体を製造および使用する方法を提供することができ、方法は、
トランスデューサモジュールを被試験物体に適切な位置（すなわち、歪み、温度、およびクランプ位置の割り出しに最適化されている（後者は保護筐体を取り付けるための位置を設定する）において組み付けることと、
ＳＡＷセンサをアンテナにインピーダンス整合させるため、および、アンテナの共振周波数に対する被試験物体の影響を補償するためのアンテナ調整のための適切なパラメータを決定することと、
これらのパラメータを使用してＰＣＢ上の適切な回路を調整することと、
同じ設計の被試験物体のために製造された同一のモジュールに対してこれらのパラメータを使用することと、
被試験物体の周囲に保護筐体を取り付けてシールすることと、
クランプ位置、割り出されたクランプ位置とカンチレバーの長さを含む切削工具チップとの間の距離を割り出すために、保護筐体を使用してツールを較正することと、
保護筐体を使用して、（例えば機械工具内で）使用するためにクランプされるときにクランプ位置を同様に割り出し、したがって、使用中のカンチレバーの長さが較正に使用される長さと同じになることを保証することとを含む。

本開示によって提供されるＳＡＷセンサベースのソリューションは、これまで実用的ではないと考えられていた、広範囲の機械加工プロセスにおける柔軟な「インプロセス」測定を可能にするような方法で、標準的な切削工具ホルダおよび工具の費用効果の高い計装を可能にする。計装工具／工具ホルダは、リモートの質問システムと無線で通信し、電池または有線の電源を必要としない。単一の質問器測定システムを、複数の計装工具ホルダ／工具によって使用することができる。したがって、プロセスで使用される様々なツールを、測定設定を大幅に変更することなく監視することができる。

特に安全性にとって重要な構造要素に関する機械加工プロセスを制御可能にすることが、本開示のシステムによって対処される別の問題である。航空宇宙産業の例は、製造プロセスにおける制御および理解の欠如が致命的な結果をもたらす可能性があることを示している。特に航空宇宙産業では、たとえば、チタン、ニッケル合金－インコネル、高純度アルミニウム、超伝導、超高純度の銅、コバール、インバール、および複数グレードのステンレス鋼など、機械加工が難しい材料がますます利用されている。このような材料は、効率的で再現性のある製造プロセスを提供するために、専門知識および詳細なプロセス分析を必要とする。本開示のシステムは、材料の被削性の決定、工具の幾何形状およびコーティングの改善、ならびにプロセス戦略の認定に使用することができる。さらに、この技術を使用して、チップの形成および工具の摩耗を調査するための改善された情報を提供することができる。この技術は、プロセスシミュレーションおよびモデルのより正確な検証のために、機械加工における継続的な監視の利点を提供する。本開示のシステムは、部品製造元だけでなく、冷却剤、潤滑剤、工具、およびクランプデバイスなどの補助装置供給元にとっても、個々のプロセスパラメータの影響についての洞察を得るために使用することができる。

航空宇宙産業では、精度が最も重要である。単一の欠点または欠陥のある構成要素が、数千ユーロの損害を引き起こす可能性がある。航空宇宙産業における小さい歪みのある部品の再加工またはスクラップ化のコストの見積もりは、年間数億ユーロである。航空機部品を最初に正確に製造しないことによる高いコストは、新製品の開発および品質の確保にかかる高いコストが分散する生産量の少なさによって説明することができる。安全性および信頼性が重要であるため、品質のコストは高くなる。重量を最小限に抑え、性能を最適化する傾向が材料およびその知識の限界を押し上げるため、新しい部品の開発コストも高くなる。航空宇宙産業では、薄肉アルミニウム部品の製造に特定の事例が存在する。薄肉部品の機械加工動作では、加工片の動的伸展性およびプロセスによる励起に起因して、振動が発生する。薄肉加工片の変形は、重力およびクランプ力、プロセス荷重、および機械加工プロセスに起因して発生する残留応力に起因する。わずかな歪みのある部品は、適切にフィットしない場合、または必要な荷重に耐えられない可能性がある場合、拒否または再加工することができる。歪みは、航空機の構造フレームに使用されているもののような、薄肉部品において特に頻繁に発生する可能性がある。これは、機械加工によって表面近くに応力が発生するためである。０．４ミリメートル程度の薄さの壁の場合、壁の大部分は表面近くにあるため、歪みが頻繁に生じる。歪みを防ぐための１つの解決策は、部品の壁を厚くすることである。ただし、重量が増えると、航空機の燃料効率および性能が低下する。第２の解決策は、機械加工のコストを押し上げる骨の折れる複数ステップの機械加工プロセスを含む。上記の本開示のシステムは、製造中の材料除去プロセスへの改善された洞察を提供することによって、部品の歪みを低減するという課題に対するより良好な解決策を提供する、すなわち、プロセス中に発生する工具摩耗および異常な切削抵抗を診断することによって、部品への損傷を回避することができる。

本開示のシステムは、材料除去プロセスのために、機械工具内で使用される切削工具の切削抵抗を監視するためのモジュール式受動的無線歪み測定システムの設計に固有の問題に対処する。問題は、必要な歪みセンサ、アンテナ、プリント回路基板、調整およびインピーダンス整合回路、ならびに相互接続構成要素をパッケージ内に統合すること、切削工具へのセンサ統合に利用可能な空間が制約されていること、切削液、ならびに、切削プロセス、可動部品によって生成されるチップの存在下で機械工具の筐体内で動作する必要性によって提示される困難な伝播環境で、かつ、切削工具および歪みトランスデューサアセンブリがＲＦ質問器／トランシーバに対して移動する間に、センサシステムと質問器システムとの間の良好なＲＦ通信を達成および維持すること、機械的損傷および環境汚染物質からトランスデューサ構成要素を保護すること、ＳＡＷセンサを使用して、適切な信号対雑音比、感度、および温度補償を達成すること、選択されたＳＡＷトランスデューサ／歪み計装切削工具に選択的に質問すること、工具／物体外のセットアップ（アンテナ）および歪み／力較正のための手段を提供することを含む。

本開示のシステムは、工具摩耗または他のプロセス条件に関連する切削抵抗を監視するための「スマート」な切削工具技術を提供する。そのため、本技術は、これらのプロセスに関連する機械加工の結果および製造コストに直接影響を及ぼす。本開示のシステムの商業的用途は、特にインダストリー４．０の文脈において、高価値の次世代精密機械加工用途における監視ソリューションとしてのものである。現代の高度な製造の傾向は、寸法／形状の正確度がますます向上し、表面の粗さがより細かくなり、表面の機能要件さえも満たす部品の機械加工に向かっている。スマート切削工具技術は、機械加工の動態、プロセス変動、および複雑さに対処するために、機械加工プロセスを理解および最適化するための成功要因である。たとえば、ナノメートルスケールの表面粗さおよびマイクロメートルレベルの特徴／パターンを備えた超精密マイクロマシニングは、特にエネルギー、航空宇宙、自動車、および建築産業において必要とされる高精度構成要素に対する需要が高まっている。

一部の高価値構成要素は、汚染のない環境での機械加工が必要である。すなわち、機械加工プロセス中に冷却剤を施与することはできない。ただし、乾式切削条件は工具摩耗および高い切削温度をもたらすため、表面品質が低下し、工具寿命が短くなる。アルミニウムおよびマグネシウム合金などの一部の材料は、切削工具が過度の構成刃先（ＢＵＥ）に悩まされる傾向があるため、直接乾式切削の適用には推奨されない。そのため、高精度マイクロマシニングの場合、冷却剤のない機械加工適用形態における切削機構および機械加工プロセスをさらに活用して理解するために使用することができる、スマート切削工具技術の隙間市場が存在する。

本開示のシステムはまた、検出された歪み応答信号を処理するためのコンピューティングデバイスを備えることができ、処理ユニットが、少なくとも１つの質問アンテナに接続されており、コンピューティングデバイスが、質問信号および送信エネルギーを、少なくとも１つの質問アンテナを介して少なくとも１つの送受信アンテナおよび少なくとも１つのＳＡＷセンサに送信するように構成されている。コンピューティングデバイスは、少なくとも１つの質問アンテナを介して、検出された歪み応答信号を受信するように構成されている。コンピューティングデバイスはまた、被試験物体の一意のデジタル署名を検出するように構成することもできる。コンピューティングデバイスは、センサ付き被試験物体のＲＦチャネル管理を目的として機械工具制御に統合された監視処理ユニットによって管理することができる。

コンピューティングデバイスは、検出された歪み応答信号を定量化可能なメトリックとして使用することができ、定量化可能なメトリックは、製造プロセスの力経路内で経験された歪みを表し、製造プロセス中のプロセス力を計算するためのデジタルツインへの入力として使用することができる。デジタルツインは、センサ情報から導出される物理デバイスまたはプロセスのリアルタイムデジタルレプリカである。デジタルツインは、物理的な世界とデジタルの世界との間に架け橋を作る。デジタルツインからの出力は、被試験物体の制約、摩耗および破損の検出、ならびに寿命の予測を考慮したプロセス安全性限界設定、プロセス力のインプロセス最適化を可能にする。無線で受動的に検出された歪み応答信号は、定量化可能なメトリックのデジタル化として使用することができ、これは、製造プロセスの力経路内で経験された歪みを表す。システム構成およびプロセスパラメータに関連するメタデータを含むデジタルツインを有するデジタル化信号により、プロセス力、力の方向、力のクロストークの絶対的な定量化が可能になり、温度の定量化が可能になる。

図１６は、本開示による上述したプロセスを実行するように機能する様々なハードウェアおよびソフトウェア構成要素を含むコンピューティングデバイス９００の構成を示すブロック図である。コンピューティングデバイス９００は、多数の汎用または特殊目的のコンピューティングシステム環境または構成のうちの１つとして具体化され得る。本開示による使用に適することができる既知のコンピューティングシステム、環境、および／または構成の例は、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、クラウドコンピューティング、ハンドヘルドまたはラップトップデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラまたはマイクロコンピュータベースのシステム、セットトップボックス、プログラム可能家電製品、ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡコア、ＤＳＰコア、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、上記のシステムまたはデバイスのいずれかを含む分散コンピューティング環境などを含むが、これらには限定されない。図１６を参照すると、コンピューティングデバイス９００は、ユーザインターフェース９１０、メモリ９５０と通信するプロセッサ９２０、および通信インターフェース９３０を備える。プロセッサ９２０は、メモリ９５０にロードおよび記憶することができるソフトウェア命令を実行するように機能する。プロセッサ９２０は、特定の実施態様に応じて、いくつかのプロセッサ、マルチプロセッサコア、または何らかの他のタイプのプロセッサを含んでもよい。メモリ９５０は、プロセッサ９２０によってアクセス可能であり得、それにより、プロセッサ９２０は、メモリ９５０に記憶された命令を受信および実行することができる。メモリ９５０は、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または任意の他の適切な揮発性もしくは不揮発性コンピュータ可読記憶媒体であってもよい。さらに、メモリ９５０は、固定または取り外し可能であってもよく、ハードドライブ、フラッシュメモリ、書き換え可能光ディスク、書き換え可能磁気テープ、または上記の何らかの組み合わせなどの１つ以上の構成要素またはデバイスを含んでもよい。

１つ以上のソフトウェアモジュール９６０は、メモリ９５０に符号化され得る。ソフトウェアモジュール９６０は、プロセッサ９２０によって実行されるように構成されたコンピュータプログラムコードまたは命令セットを有する１つ以上のソフトウェアプログラムまたはアプリケーションを備えることができる。本明細書に開示されるシステムおよび方法の態様の動作を実行するためのそのようなコンピュータプログラムコードまたは命令は、１つ以上のプログラミング言語の任意の組み合わせで書くことができる。

ソフトウェアモジュール９６０は、プロセッサ９２０によって実行されるように構成された少なくとも第１のアプリケーション９６１および第２のアプリケーション９６２を含むことができる。ソフトウェアモジュール９６０の実行中、プロセッサ９２０は、上記のように、本開示の実施形態に関連する様々な動作を実行するようにコンピューティングデバイス９００を構成する。

データベース９７０などの本システムおよび方法の動作に関連する他の情報および／またはデータもまた、メモリ９５０に記憶することができる。データベース９７０は、上記のシステムの様々な動作全体を通して利用される様々なデータ項目および要素を含み、および／または維持することができる。データベース９７０は、コンピューティングデバイス９００に対してローカルに構成されているように示されているが、特定の実施態様では、データベース９７０および／またはそこに記憶されている他の様々なデータ要素がリモートに配置されてもよいことに留意されたい。そのような要素は、図示されていないリモートデバイスまたはサーバ上に配置されてもよく、プロセッサにロードされて実行されるために、当業者に知られている方法でネットワークを介してコンピューティングデバイス９００に接続されてもよい。

さらに、ソフトウェアモジュール９６０のプログラムコードおよび１つ以上のコンピュータ可読記憶デバイス（メモリ９５０など）は、当業者に知られているように、本開示に従って製造および／または配布され得るコンピュータプログラム製品を形成する。

通信インターフェース９４０がまた、プロセッサ９２０に動作可能に接続され、コンピューティングデバイス９００と他のデバイス、機械、および／または要素との間の通信を可能にする任意のインターフェースであり得る。通信インターフェース９４０は、データを送信および／または受信するように構成される。例えば、通信インターフェース９４０は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、またはセルラトランシーバ、衛星通信送信機／受信機、光ポート、および／または、コンピューティングデバイス９００を他のデバイスに無線で接続するための任意の他のそのようなインターフェースを含んでもよいが、これらに限定されない。

ユーザインターフェース９１０がまた、プロセッサ９２０に動作可能に接続されている。ユーザインターフェースは、スイッチ、ボタン、キー、およびタッチスクリーンなどの１つ以上の入力デバイスを備えることができる。

ユーザインターフェース９１０は、オンオフコマンドまたは上記のシステムの動作に関連する設定などのユーザからのコマンドの捕捉を容易にするように機能する。ユーザインターフェース９１０は、非ローカル画像キャプチャ機構を介して受信された画像に関するリモート瞬時命令を発行するように機能することができる。

ディスプレイ９１２がまた、プロセッサ９２０に動作可能に接続され得る。ディスプレイ９１２は、ユーザが様々なオプション、パラメータ、および結果を表示することを可能にする画面または任意の他のそのような提示デバイスを含んでもよい。ディスプレイ９１２は、ＬＥＤディスプレイなどのデジタルディスプレイであってもよい。ユーザインターフェース９１０およびディスプレイ９１２は、タッチスクリーンディスプレイに統合されてもよい。

コンピューティングデバイス９００は、リモートのクラウドベースのコンピュータ上に常駐することができる。したがって、本開示のシステムおよび方法を実装するように適合されたソフトウェアもまた、クラウドに常駐することができる。クラウドコンピューティングは、サービスを提供するシステムの物理的位置および構成に関してエンドユーザが知っていることを必要としない、計算、ソフトウェア、データアクセス、およびストレージサービスを提供する。クラウドコンピューティングは、任意のサブスクリプションベースまたは従量制のサービスを包含し、典型的には、動的にスケーラブルで、多くの場合仮想化されたリソースのプロビジョニングを伴う。クラウドコンピューティングプロバイダは、インターネット経由でアプリケーションを配信する。インターネットはウェブブラウザからアクセスすることができ、一方、ビジネスソフトウェアおよびデータはリモート位置にあるサーバに記憶される。コンピューティングデバイス９００のクラウド実施形態では、ソフトウェアモジュール９６０およびプロセッサ９２０は、クラウドベースのコンピュータ上にリモートに配置され得る。

コンピューティングデバイス９００ならびに上記の様々な要素および構成要素の動作は、本開示による方法およびシステムを参照して当業者によって理解されるであろう。

本開示は、本明細書に記載の実施形態に限定されるものではなく、本開示の範囲から逸脱することなく補正または修正することができる。さらに、本開示の実施形態において、上記のステップのいくつかは、省略および／または記載されたもの以外の順序で実行され得ることが理解されるであろう。

同様に、単語「備える」（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）／「備えている」（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）は、本明細書において使用されている場合、記載されている特徴、整数、ステップまたは構成要素が存在することを指定するが、１つ以上の追加の特徴、整数、ステップ、構成要素またはそのグループが存在することまたは追加されることを除外するものではない。

Claims (35)

1. エネルギーを製造プロセスに適用する力に依存する前記製造プロセス中の歪みの無線および受動的監視のための感知システムであって、
   歪みを検出するための少なくとも１つの表面弾性波（ＳＡＷ）センサ（５３０，９０５０）であって、前記少なくとも１つのＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）が、１つ以上の被試験物体の構造上または前記１つ以上の被試験物体の構造内に位置する力経路内に位置付けられている、少なくとも１つの表面弾性波（ＳＡＷ）センサと、
   前記少なくとも１つのＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）に接続可能である、少なくとも１つの送受信アンテナ構成（５４０，９０４０）と、を備え、
   質問信号を提供するための、かつ、前記少なくとも１つの送受信アンテナ構成（５４０，９０４０）から応答信号を受信するための少なくとも１つの質問アンテナを備え、前記少なくとも１つの送受信アンテナ構成（５４０，９０４０）が前記少なくとも１つの質問アンテナとの無線通信のために構成されており、
   かつ、前記質問アンテナが前記少なくとも一つの被試験物体とともに移動し、
   前記少なくとも１つのＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）および前記少なくとも１つの送受信アンテナ構成が、前記質問信号からエネルギーを受信するように、かつ前記質問信号に応答して、前記少なくとも１つのＳＡＷセンサ（５３０）によって検出される歪み応答信号を出力するように構成されており、
   前記少なくとも１つの送受信アンテナ構成（５４０，９０４０）が、放射要素と、前記放射要素のための接地面として機能するプリント回路基板（ＰＣＢ）（５４５，６４５）上の導電層と、を備え、かつ、
   前記少なくとも１つの表面弾性波（ＳＡＷ）センサ（５３０，９０５０）と、前記少なくとも１つの表面弾性波（ＳＡＷ）センサ（５３０，９０５０）と接続可能である、前記少なくとも１つの送受信アンテナ構成（５４０，９０４０）とは、保護筐体（５２０，７２０）内に含まれる、
   感知システム。
2. 前記導電層が、前記接地面の総有効サイズを拡張するための併置された追加の金属構造に電気的に接続され、前記併置された追加の金属構造が、前記１つ以上の被試験物体を備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記放射要素が、平面設計を有し、アンテナ放射が前記接地面から離れて方向付けられるように、前記接地面から一定の距離だけ上方に装着されている、請求項２に記載のシステム。
4. 前記少なくとも１つの送受信アンテナ構成（５４０，９０４０）が、ＵＨＦ帯域におけるＲＦ信号の送信および受信のために構成された薄型アンテナを備える、請求項１～３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記ＵＨＦ帯域が、４３４ＭＨｚ ＩＳＭ帯域を含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つの送受信アンテナ構成（５４０，９０４０）が、板状逆Ｆアンテナ（ＰＩＦＡ）を備える、請求項１～５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記少なくとも１つの送受信アンテナ構成が、それぞれ少なくとも１つの送受信アンテナ及びアンテナ調整マッチング回路を備える１つ以上のＳＡＷセンサ送受信アンテナ回路を備え、前記１つ以上のＳＡＷセンサ送受信アンテナ回路のうちの１つ以上を起動または停止させるためのスイッチ機構をさらに備える、請求項１～６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記スイッチ機構が、スイッチへの機械的力もしくは圧力の印加、前記スイッチの配向、前記スイッチへの光、温度、もしくは磁場の曝露、または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術の使用を含む、請求項７に記載のシステム。
9. 前記少なくとも１つの質問アンテナが、製造プロセスゾーンを含み、使用されていない工具を含むいかなる他のゾーンも具体的に除外する、具体的に指定されたゾーン内でのみ信号を送信／受信するように位置付けられている、請求項１に記載のシステム。
10. 前記少なくとも１つの質問アンテナが、単一の質問アンテナを備える、請求項１または８に記載のシステム。
11. 前記少なくとも１つの質問アンテナが、少なくとも２つの質問アンテナを備える、マルチアンテナアレイを備える、請求項１、９または１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記マルチアンテナアレイが、半波長未満のアンテナ間隔を有し、アンテナ要素が、一次元または二次元アンテナアレイを形成するように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記マルチアンテナアレイが、所与の方向における増加された指向性およびアンテナ利得を有する放射パターンを作成するように構成されている、請求項１１または１２に記載のシステム。
14. 前記マルチアンテナアレイが、同じ構造の複数の相互に離間したアンテナを備え、前記アンテナの各々が、前記少なくとも１つの送受信アンテナ（５４０，９４０）の別個の物理チャネルに接続されており、それによって、一度に１つのみの送受信アンテナ・質問アンテナ対が、通信のために使用される、請求項１１～１３のいずれか一項に記載のシステム。
15. 最も強いＳＡＷセンサ戻り信号を送達する前記送受信アンテナ・質問アンテナ対を選択するように構成されている、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記少なくとも１つの質問アンテナが、円偏波パッチアンテナを備える、請求項１、９～１５のいずれか一項に記載のシステム。
17. 前記少なくとも１つの質問アンテナが、前記少なくとも１つの質問アンテナの共振周波数および／またはＲＦ送信電力レベルを調整できるように適用環境に適合された再構成可能な指向性ＲＦビームを有する、請求項１、９～１６のいずれか一項に記載のシステム。
18. 前記少なくとも１つの質問アンテナが、前記少なくとも１つの質問アンテナを適用環境に合わせて調整するための最適化アルゴリズムを備える、請求項１、９～１７のいずれか一項に記載のシステム。
19. 前記最適化アルゴリズムが、前記少なくとも１つの質問アンテナの共振周波数および／またはＲＦ送信電力レベルを調整するように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記１つ以上の被試験物体上に装着されるように構成された歪み倍増器構成（９０６０）をさらに備え、前記歪み倍増器が、前記１つ以上の被試験物体から、前記少なくとも１つのＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）が装着されている表面へと歪みを伝達するように構成されている、請求項１～１９のいずれか一項に記載のシステム。
21. 前記歪み倍増器構成（９０６０）が、測定されるべき前記歪みの軸に沿った、前記歪み倍増器構成のいずれかの端部の固定点において前記１つ以上の被試験物体に固定されている、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記歪み倍増器構成（９０６０）が、張力または圧縮力を受けたときに容易に変形する固定点間の長さの一部分を含む感知領域を含む、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記少なくとも１つのＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）が、前記１つ以上の被試験物体上に配置されている、請求項１～２２のいずれか一項に記載のシステム。
24. 前記少なくとも１つのＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）が、２つ以上のＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）を含む、請求項２３に記載のシステム。
25. 前記２つ以上のＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）が、差分歪み測定値を感知するように構成されており、第１のＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）が、前記１つ以上の被試験物体の第１の表面上に装着されるように構成されており、第２のＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）が、前記１つ以上の被試験物体の第２の表面上に装着されるように構成されている、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記第１のＳＡＷセンサおよび前記第２のＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）が、曲げ歪みの方向に装着されるように構成されている、請求項２５に記載のシステム。
27. 前記１つ以上の被試験物体の各々が固有のアイデンティティを有し、各被試験物体の前記ＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）および送受信アンテナを結合した組み合わせが、前記固有のアイデンティティの基礎を形成する固有のデジタル署名をともに生成する、請求項１～２６のいずれか一項に記載のシステム。
28. 前記ＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）が、前記１つ以上の被試験物体の各々の上でマルチバンドアンテナを共有して、ＲＦＩＤタグと併置されている、請求項２７に記載のシステム。
29. 前記１つ以上の被試験物体のうちの選択された被試験物体を部分的または完全に封入するように構成されたモジュール式の再構成可能な保護筐体を備える、請求項１～２８のいずれか一項に記載のシステム。
30. 前記保護筐体が、クランプ構成において、被試験物体の再現可能な装着を容易にするように、前記被試験物体をクランプするためのクランプ機構に対して位置付け可能である、請求項２９に記載のシステム。
31. 前記検出された歪み応答信号を処理するためのコンピューティングデバイスを備え、前記コンピューティングデバイスが、前記少なくとも１つの質問アンテナに接続されており、前記コンピューティングデバイスが、前記質問信号および送信エネルギーを、前記少なくとも１つの質問アンテナを介して前記少なくとも１つの送受信アンテナ（５４０，９０４０）および前記少なくとも１つのＳＡＷセンサ（５３０，９０５０）に送信するように構成されており、
    前記コンピューティングデバイスが、前記少なくとも１つの質問アンテナを介して、前記検出された歪み応答信号を受信するように構成されている、請求項１、９～３０のいずれか一項に記載のシステム。
32. 前記コンピューティングデバイスが、前記検出された歪み応答信号を定量化可能なメトリックとして使用し、前記定量化可能なメトリックが、前記製造プロセスの前記力経路内で経験された前記歪みを表し、前記製造プロセス中のプロセス力を計算するためのデジタルツインへの入力として使用することができ、前記デジタルツインは、前記物理的な製造プロセスのリアルタイムデジタルレプリカである、請求項３１に記載のシステム。
33. 前記デジタルツインからの出力が、被試験物体の制約、摩耗および破損の検出、ならびに寿命の予測を考慮したプロセス安全性限界設定、プロセス力のインプロセス最適化を可能にする、請求項３２に記載のシステム。
34. 前記１つ以上の被試験物体が、切削工具、加工片、および工作物保持デバイスのうちの少なくとも１つを含む、請求項１～３３のいずれか一項に記載のシステム。
35. 前記製造プロセスが、加工片の機械加工、研削、ブローチ加工を含む材料除去プロセス、バニシ仕上げ、ローレット加工および衝撃ピーニングを含む表面変形プロセス、スピニング加工およびロール成形を含む成形プロセス、インクリメンタル形成を含む形成プロセス、および、摩擦攪拌プロセス、摩擦溶接を含む接合プロセス、ならびに、前述の前記製造プロセスの振動および超音波支援を含む、請求項１～３４のいずれか一項に記載のシステム。

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