| 研究課題/領域番号 |
19H02110
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| 研究機関 | 豊橋技術科学大学 |
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研究代表者 |
真下 智昭 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20600654)
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| 研究分担者 |
岡田 浩 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30324495)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | マイクロモータ / 超音波モータ / 圧電アクチュエータ / マイクロロボット |
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| 研究実績の概要 |
マイクロ超音波モータの効率のパラメータであるQ値を，FEM圧電解析と実験で明らかにした．圧電材料のQ値は，小さくなるにつれておおむね線型的に低下する現象が観察されたため，ステータ設計の見直しを行った．圧電材料として，単結晶圧電材料PMN-PTを用いて，試作を行ったところ，効率が向上し，高いQ値が得られ，従来より3倍低い印可電圧でも駆動することができるようになった．温度上昇が小さいことも確認できた．さらに，圧電材料の振動モードを見直しを行ったところ，せん断変形の振動を用いることで効率向上できることが圧電解析で明らかになり，試作を行い実験で評価し，効率の向上が確認できた．
金属と圧電素子の間の損失の原因を根本的になくすため，接着レスで単一の圧電セラミックのみで構成するバルクステータの開発を行った．約4mmのサイズで試作し，実験を行った．接着レスによる効果は観察されたものの，ロータとの摩耗紛が発生するなどの問題も生じる結果となった．
マイクロ超音波モータに，射出成型を用いて製作したマイクロギアを取り付けたマイクロギヤードモータの開発を行った．モータの出力トルクに対して，ギアの静トルクが大きいという問題があり，駆動が不安定であったが，モータのサイズを2mmまで大きくすることで，安定して駆動できるようになった．モータトルクは40μNm，ギア比約50，ギア効率約50％で，約1mNmのトルクを安定的に得ることができるようになった．
マイクロギアードモータで駆動するマイクロハンドの設計開発を行った．構成部品は微小であるため，切削，レーザ，ワイヤ放電などのマイクロ加工から，バリ取りやメッキなどの仕上げまで，部品の加工と設計法を調査し，ロボットの基本構造である平行4節リンクを約10mmのサイズで組み立てた．発生力や伝達効率を，機構学的な解析と実験によって調査した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
マイクロ超音波モータの効率向上を目的として，FEM圧電解析と実験を行った．極小の圧電材料や金属を扱うための治具の開発が計画よりもよく進み，小さくても十分に特性を調査することができた．マクロレンズ型サーモグラフィで発熱の影響を調査する方法も確立した．
単結晶圧電材料PMN-PTを用いて試作を行いモータの効率が向上しており，振動モードを見直すことによっても効率を向上できる知見が得られている．モータの効率を向上することは難易度が高いことであるにも関わらず，当初の計画通りに進めることができ，優れた成果が得られている．まだ限られた実験ではあるものの，目標であった最大効率10%も達成しており，当初の計画以上に進んでいる．
第二のモータステータとして，金属と圧電素子の間の損失の原因を根本的になくす接着レスの単一の圧電セラミックのみで構成するバルクステータの開発を行った．計画通りに解析や実験は進んだものの，期待以上の性能は得られていない．
マイクロ超音波モータに，射出成型を用いて製作したマイクロギアを取り付けたマイクロギヤードモータの開発を行った．当初，モータの出力トルクに対してギアの静トルクが大きい問題があり，駆動が不安定であったが，モータのサイズを2mmまで大きくすることで，安定して駆動できるようになった．こちらの計画も概ね予定通りに進んでいる．
マイクロハンドの構成部品は微小であるため，切削，レーザ，ワイヤ放電など部品の加工と設計法を調査し，ロボットの基本構造である平行4節リンクを約10mmのサイズで組み立てたてることができた．発生力や伝達効率を，機構学的な解析と実験によって明らかにするなど，進捗はおおむね予定通りである．
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| 今後の研究の推進方策 |
マイクロ超音波モータ効率向上の研究は，単結晶圧電材料PMN-PTを用いることや，振動モードを見直すことで効率を向上できる知見が得られているが，まだ検証実験が十分でなく，今後，さらに実験を行い詳しい性能を明らかにする．さらに単結晶圧電材料や，また振動モードのアイデアを今後を組み合わせることでさらに性能向上を狙い，試作と実験を行う．
目標効率10%も達成を安定的に達成できることと，最大効率をさらに上げてモータトルク最高50μNmを目指す．そのために，ステータとロータの接触を調べた上で，ステータとロータの設計を最適化して，さらに安定性の向上を狙う．電圧ベースおよび入力ベースで，従来型との比較を行い，性能を明らかにする．単結晶圧電素子は，比較的キュリー温度が低く発熱に弱いため，モータの低電圧駆動化を調査する．低電圧駆動でも，従来と同等以上のトルク10μNmを目標とする．また温度が上昇した場合のモータの応答の変化に対して，温度補償のための制御方法の研究も行う．
マイクロギアードモータは安定した性能が得られるようになっているが，今後，ギアードモータの性能を詳しく評価し，マイクロハンドならびに伝達機構の設計開発を行う．機構学的な解析を行い，モデルと実験結果を比較し，モデルの精度を明らかにする．静力学的，動力学的な解析と実験を行う．前年度から継続して，構成部品のマイクロ加工から，バリ取りやメッキなどの仕上げまで，部品の加工と最適な設計手法を調査する．
半導体集積化技術を用いて，モータを駆動するために必要な高周波発振器や昇圧回路を含むモータドライバを小型集積化する．窒化ガリウムを用いたトランジスタを用いた回路には，ノイズが残るため，今後ノイズを低減し，モータの駆動実験と評価を行う．
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