Improvement in efficiency and life of ultrasonic motor by introducing lubrication mechanism

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K13896
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 中村 健太郎 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (20242315)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 超音波モータ / 摩擦駆動 / 潤滑 / 潤滑油 / 効率 / トルク / 圧電振動子

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、従来は乾燥摩擦で動作する超音波モータの振動子・ロータ界面に潤滑剤を導入することで動作効率や寿命を改善することをめざした。最終年度では、1，2年目の実験条件を見直してデータを取得し、これまでの結果も含めた考察を行い、より総合的に潤滑時の動作を明らかにした。
様々に条件を変更して実験を行うために、摩擦制御の振動と駆動力となる振動を独立に変化できる複合振動子型超音波モータを対象に検討を行った。直径25 mmの回転型について、摩擦面をセラミックス材料とし、現実的なロータ加圧力で有意な実験結果が得られるように接触面積を考慮した摩擦部形状とした。
導入する潤滑剤として、自動車変速機用トラクションオイルを主に用い、粘性や添加物が異なる試験用オイルを多種類準備した。モータ特性の評価は、実負荷下において動作させ、回転数や入力電力の測定から、最大トルクや効率を調べることで行った。試験により明らかになった最大効率駆動条件付近においてより詳しい検討を行った。従来の乾燥状態で印加されているロータ予圧では、潤滑状態の特性は高くはないが、ロータ予圧を増大させることで、潤滑状態において優れたモータ特性を発揮することが確かめられた。駆動電圧などの条件にも依存するが、乾燥時の3～4倍の予圧により、乾燥時に20～30%であった駆動効率が40～70%に向上した。最大トルクは約2倍、無負荷回転数は約20%向上した。
また、ロータとステータの接触部材質について、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム（ジルコニア）、炭化ケイ素、窒化ケイ素を試し、特性の比較を行った。電子顕微鏡による観察を行い、損傷の状態や程度を調べた結果、酸化ジルコニウムを用いたときが最も摩擦面の損傷を抑制することができていた。使用した材料の仕上がり等の影響を十分排除することは現時点では難しく、その損傷メカニズムの解明には至らなかった。