2014 Fiscal Year Research-status Report
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26420212
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| Research Institution | Aichi Institute of Technology |
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Principal Investigator |
鳥井 昭宏 愛知工業大学, 工学部, 教授 (70267889)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
道木 加絵 愛知工業大学, 工学部, 准教授 (00350942)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 多自由度アクチュエータ / 圧電素子 / 精密位置決め |
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| Outline of Annual Research Achievements |
インチワーム型多自由度精密位置決め装置の最適化を目的とする。産業機器への応用を目指し，外乱に強い，位置保持性能の高い，操作性に優れたインチワーム型多自由度精密位置決め装置の構造を明らかにする。その実現のために，移動用圧電素子の制御性能を向上し，位置保持用電磁石の位置保持能力・吸引力を改善し，圧電素子と電磁石を組み合わせた機構の最適化を行った。
位置を保持するための電磁力がインチワームの移動に与える影響を明らかにした。電磁力は動作平面上での位置を保持するために用いられ，平面上における摩擦力によって位置を保持する。これまでの実験では，局地的な摩擦のばらつきによって移動特性に差が生じた。電磁力を大きくするために電磁石と移動面の接触部分を大きくする形状設計を採用していたが，接触状態のばらつきによって電磁石のオン状態とオフ状態の切替時に衝撃力が発生した。そのため，電磁石のオンオフ切替時に衝撃力による変位が発生した。そこで電磁石の移動平面との接触部の形状を球面状に変更した。電磁力が半分に減少したものの電磁石のオンオフ切替時の衝撃力が減少し，位置決めに適した特性が得られた。
移動時の摩擦の影響を除去するために，浮上を用いた移動機構を開発した。鉛直方向の振動を用いて浮上を発生させた。浮上部分を移動させるインチワームの原理を採用したため，摩擦を生じない移動が可能になった。浮上状態を検出するためには変位センサを用いることが必要であるが，センサを用いない検出システムが望ましい場合もある。そこで入力信号の電気的特性と実際の浮上量などの圧電素子の動作を比較し，圧電素子の動作推定の可能性を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
圧電素子と電磁石を組み合わせた等方性に優れたインチワーム型多自由度位置決め装置の構造の設計した。負荷を搭載することによるインチワーム型多自由度位置決め装置の移動特性の変化を明らかにできた。負荷の搭載によって電磁石による位置保持特性が変化した。鉛直抗力が変化するためである。適切な電磁力を用いることによって位置決め性能を改善できることを明らかにした。負荷の状態によって電磁力を変化させる必要があり，負荷推定の必要性を明らかにした。
位置保持性能を高めるための電磁石の形状と電磁石駆動用電源の電気的特性を明らかにした。位置を保持するために電磁石による吸着力を用いる。電磁力の変化によって生じるインチワーム型多自由度位置決め装置の変位特性を明らかにできた。開発する位置決め装置と移動平面の接触点の形状を適切に設定し，電磁石への印加電圧，すなわち電磁力を適切に与えることによって位置決めに適したインチワーム動作が実現できることを明らかにした。平板型コアを用いた電磁石のオンオフの切替時には衝撃力が発生し，位置決めに対する妨げとなったため，球面型コアの使用にによって衝撃力の発生を回避できた。
圧電素子のヒステリシスとクリープを低減するための制御方法を開発した。圧電素子の制御には，定まった２点間を往復する制御を用いた。ヒステリシスの影響を除去するためである。また，位置の保持のために圧電素子を周期的に収縮させてクリープの影響を除去した。開発した位置決め装置は圧電素子を用いたパラレルメカニズムであるため，単体の圧電素子のクリープの影響が小さくなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
圧電素子の状態推定を行う。圧電素子の駆動状況は，駆動周波数や負荷の状態によって変化し，その状態は圧電素子への入力電圧と電流の位相差や両者の振幅といった電気的入力信号を用いて推定することができる。電気的入力信号による状態推定と，実際の状態をセンサを用いて測定した結果を比較することによって，センサレス状態推定を試みる。また，圧電素子は，そのヒステリシス特性から駆動によって発熱を生じる。この発熱には駆動状態に関する情報を含んでいると考えられる。そこで発熱量あるいは温度の計測を基に状態推定を試みる。
圧電素子と電磁石の組合せ形状の変更による変位量変化の計測を行う。インチワームの原理を用いた多自由度位置決め装置は，その構造によって変形量が変化する。圧電素子の組合せ形状を変化させることによって変位量（変位特性）を変化させることができる。変位特性は移動方向ごとに異なるため，方向ごとの変位特性を明らかにする。さらに，鉛直方向の変位を拡大するためにインチワームの原理を採用し，高さ方向の変位の拡大に取り組む。具体的には丸棒の送りを可能にするインチワーム機構の開発に取り組む。
単体の圧電素子の変位量のフィードバックに基づくインチワーム型多自由度位置決め装置の変位の高分解能化と高精度化に取り組む。前段落の圧電素子の組合せ形状を変更することによって，パラレルメカニズムの構造以外のシリアルメカニズムの構造を採用する場合もある。この場合にはパラレルメカニズムの利点である単体の素子の誤差の影響の緩和が生じにくい可能性がある。この場合には，単体の圧電素子の変位特性を改善する必要がある。そのために，単体の圧電素子の分解能と精度をフィードバック制御によって改善する。
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| Causes of Carryover |
開発した位置決め装置の特性計測のために計測装置の購入が必要になった。開発した装置は多自由度動作が可能な位置決め装置であるため，測定装置にも多自由度の計測が求められた。しかし，購入予定の多自由度位置計測装置は高価であり，当年度の予算を超えていたため購入することができなかた。
そこで，現有装置を多自由度位置計測用に改良することにより対応することにした。１自由度の計測装置をステージに搭載し，ステージの移動を用いて多自由度動作を測定した。概ね期待した測定結果を得ることができた。そのため，次年度使用額が発生した。
しかしながら，座標軸間の干渉や計測データの信頼性など改善を図る必要がある点が生じたため，開発した位置決め装置の多自由度動作を検証するための計測システムを構成する必要がある。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
多自由度位置決め装置の位置決め動作に対応する計測装置を構成するための機械部品や微動ステージを購入する。また，高分解能変位計を購入予定である。さらに，得られた信号を処理するための電気回路部品，電子回路部品を中心とした計測制御用の消耗品を購入予定である。また，位置決め装置の構造を変更した位置決め機構を製作し，その性能を評価するための機械部品加工費用（消耗品）としての支出を予定している。
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[Presentation] Positioning of a movable Stewart platform2014
Author(s)
Shingo Ishibashi, YutaMitsuyoshi, Akihiro Torii, Kae Doki, Suguru Mototani
Organizer
Proceedings of the 6th International conference on positioning technology, (ICPT2014) AC3
Place of Presentation
北九州国際会議場（北九州市，福岡県）
Year and Date
2014-11-18 – 2014-11-21
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