Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

超音波 / 超音波モータ / 摩擦駆動 / 潤滑 / 潤滑油 / 効率 / トルク / 圧電素子 / 圧電振動子

超音波振動でロータを摩擦駆動する超音波モータは、大きなトルク-重量比が得られるため、ロボット用途などに期待される。しかし、振動による摩擦制御の動作が不十分なため、効率は50％以下、寿命は高々数千時間であった。
本研究では、超音波モータの摩擦駆動部に潤滑油を導入し、振動による潤滑特性の動的変化を積極的に活用することで、複合振動子型超音波モータの効率を70％程度まで引き上げた。これは、駆動力に寄与しない振動の負の半周期に残留する摩擦力を流体潤滑により低減し、正の半周期では境界潤滑により必要な駆動力を発生できるためと考えられる。潤滑油の性質やロータ接触面の材質・形状などの影響も実験的に検討した。

超音波 / 超音波モータ / 超音波アクチュエータ / 圧電アクチュエータ / 多自由度 / 圧電素子 / マイクロアクチュエータ / アレイ

基板上に微小な多自由度超音波モータを多数製作するための技術の構築とそのアレイ化された多自由度超音波モータの駆動方法・制御方法の開発を行い、その応用を開拓することを本研究の目的としている。このことが実現できると、薄型2次元ステージや、物体の2次元搬送装置への応用が期待される。また、面発光素子アレイ、マイクロレンズアレイなどの面に分布した光学マイクロデバイスと本アクチュエータアレイを積層することで、高機能なマイクロ光デバイスへの発展が望まれる。
本研究では、以下の成果を得た。
1.基板上へ多自由度モータを構成する方法として片端固定の円柱に2方向のたわみ振動と縦振動を励振する構造を考案し、従来より簡易な構成で多自由動作を実現した。また、この円柱の共振周波数設計を行い単素子モータの動作検証を行った。
2.2×2の4素子アレイの試作を行なって、各素子の動作を確認した。
3.4素子アレイの上に平板を置くことで、2次元3自由度ステージへの応用できることを示し、その動作特性を評価した。
4.各素子を独立に動作させようとする場合、素子間の振動結合が問題になることを見出し、その低減手法を検討した。振動子間に溝を設ける方法などについて有限要素法により効果を検証した。
5.大規模アレイを実現する方法を考案した。基板作成方法、給電のための配線パターン設計を行った。

超音波モータ / 複合振動子型 / 精密位置決め / 高速位置決め / 圧電素子 / 等価回路モデル / 弾性潤滑状態 / 負荷特性

本研究は、研究代表者らが提案した複合振動子型超音波モータの精密制御への本格的な応用をめざして、高効率化など(1)本モータのさらなる性能改善と、(2)制御方法の開発を行ったものである。得られた成果は以下のようになる。
1.モータの試作これまでに直径5mm〜80mm、駆動周波数20kHz〜30kHzの複合振動子型超音波モータを試作し、動作特性を明らかにした。直径5mmのモータで最大トルク50gf・cm、無負荷回転数800rpm、効率20%、直径80mmのモータでは最大トルク160kgf・cm、無負荷回転数3rpm、効率2%を得ている。
2.効率改善駆動正弦波波形の奇数倍の高調波を用いることで効率を改善できる可能性があることを理論的に示した。そこで、これを実現するために、振動子形状を工夫することで、3次共振周波数を1次共振周波数の整数倍に一致させる手法を考案した。これにより、十分な強度の高調波振動成分が効率よく励振可能となり、モータ効率が20%程度改善された。
3.摩擦特性・摩擦材料の検討本モータの性能を決定するステ-タ・ロータ間の摩擦特性の理論的・実験的検討に引き続き、最適な摩擦材料を効率よく選定する評価方法を提案した。これにより、従来の摩擦試験方法で超音波モータの寿命の予測が可能となった。
4.制御系の開発 1)位置決め制御本モータのステ-タ振動子のねじり圧電素子に直流電圧を印加すると精密な角度変位が得られることに着目し、これと本来のモータとしての動作を組み合わせることで、新しい精密角度位置決め系を開発した。高分解能ロータリーエンコーダを用いることで、その分解能に等しい1秒の位置決め精度を実現した。2)回転速度制御本モータは、従来の電磁型モータとは対照的に、駆動電流と回転速度が比例関係にあることを指摘し、この性質を利用した回転速度の制御方法を提案した。また、複数のモータの同期運転法についても理論的・実験的に検討を行い、回転数同期のためには直列接続が適していることを示した。

【研究協力者】
Wei Qiu	Technical University of Denmark	Post-doctoral fellow

【研究分担者】
上羽貞行	東京工業大学	精密工学研究所	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
黒澤実	東京大学	工学部	助教授	(Kakenデータベース)
深尾正	東京工業大学	工学部	教授	(Kakenデータベース)