高速・高精度位置決め用小型・高トルク超音波モータの試作

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 05555023
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 上羽 貞行 東京工業大学, 精密工学研究所, 教授 (90016551)
• 研究分担者: 黒澤 実 東京大学, 工学部, 助教授 (70170090) ; 深尾 正 東京工業大学, 工学部, 教授 (10016545)
• キーワード: 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

研究概要

本研究は、研究代表者から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。今年度は以下のような成果が得られた。
1.効率改善
昨年度までの研究により、駆動正弦波波形の奇数倍の高周波を用いることで効率を改善できる可能性があることが明らかになっていた。そこで、今年度は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、十分な強度の高周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。
2.摩擦特性・摩擦材料の検討
ステ-タの振動系に加えて、ステ-タ・ロータ間の摩擦特性が本モータの性能を決定する。これに関し、前年度の摩擦状態の理論的・実験的検討に引き続き、最適な摩擦材料を効率よく選択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。
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論理的・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。
3)ステップモータの開発 上述のような開ループ動作と比較するために、開きループ動作が可能な超音波ステッピングモータを新たに開発した。直径40mm、厚さ5mmの薄型構造で、1回転60ステップの動作の実現した。

研究成果

• [文献書誌] Kentaro Nakamura: "Characterisics of a Hybrid Transducer Type Ultrasonic Motor" IEEE Transaction Ferroelectric Frequency Control. 38. 188-193 (1991)
• [文献書誌] Minoru Kurosawa: "Hybrid Transducer Type Utrasonic Linear Motor Using Flexural Vibrator" Journal of Japanese Applied Physics. 30. 209-211 (1991)
• [文献書誌] Kentaro Nakamura: "An Estimaion of Load Characterisics of an Ultrasonic Motor by Measuring Transient Response" IEEE Transaction Ferroelectric Frequency Control. 38. 481-485 (1991)
• [文献書誌] 中村 健太郎: "複合振動子型超音波モータによる精密位置決め制御" 電気学会論文誌C. 111. 462-469 (1991)
• [文献書誌] Kentaro Nakamura: "Design of a Hybrid Transducer Type Ultrasonic Motor" IEEE Transaction Ferroelectric Frequency Control. 40. 395-401 (1993)
• [文献書誌] 中村 健太郎: "複合振動子型超音波モータの回転速度制御" 電気学会論文誌D. 114. 871-876 (1994)
• [文献書誌] 上羽 貞夫: "新版 超音波モータ" トリケップス, 230 (1991)
• [文献書誌] Sadayuki Ueha: "Ultrasonic Motor" Oxford University Press, 297 (1993)