| 研究課題/領域番号 |
22H01446
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 岡山大学 |
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研究代表者 |
真下 智昭 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (20600654)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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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 |
これまでに射出成型でマイクロギアを開発した実績があるが，この方法は，設計変更に時間とコストがかかりすぎるのが問題であった．そこで，光造形3Dプリンタを用いてギアを試作する方法の研究を行った．光学解像度0.01mmの3Dプリンタを用いて試作できるか調査を行ったところ，直径0.65mmのギアなどを研究可能なクオリティで試作することができるようになった．ギアードモータの運動性能を評価するため，ハイスピードカメラによる非接触のモータ評価装置を開発した．
本研究の目的である気管支や消化管の内腔などウェットな環境でモータを使用するには，モータが防水されていることが不可欠であり，マイクロ超音波モータ防水化の研究を行った．水と同等の粘性を有するシリコンオイルを用いて，モータの性能を評価したところ，モータの圧電素子が液体に触れるとモータのQ値が著しく低下することがわかった．シールなどで対策を施したものの，回転を得るには至らなかった．
マイクロ超音波モータ（1.6mm×1.6mm×1mm）では，圧電素子に電線をはんだ付けしていたが，はんだの量などでモータの品質がばらつくのが問題であった．そこで上述の3Dプリンタを用いた電極付きケースの開発を行った．ステータをケースに差し込むだけで，誰でも安定的に電極が取り付けられるようになった．
マイクロ超音波モータに，磁場の回転を検出できるセンサを取り付けて，フィードバック制御をできるようにし，簡単なリンク機構の制御を実現した．操作量としては，交流印可電圧の周波数と，オンとオフを繰り返すバースト波を用いた．
その他に，10mmサイズの車輪型ロボットの開発を行った．これは，医療用のほかにも，細径配管内ロボットなどにも応用できる技術である．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
マイクロ超音波モータ（3.2mm×3.2mm×2mm）とそれに取り付けられるようなマイクロ遊星減速機の開発を行った．光造形3Dプリンタの高解像度の機種を導入できたことにより，研究するのに十分な量のギアを直径1mm以下で試作できるようになった．ギアに限らず，3Dプリンタによるマイクロ部品を試作できるようになり，樹脂部品の開発においては計画以上に進めることができた．
ギアを造形できるようになったことで，遊星減速機としての駆動に成功した．試作した減速機から得られた出力トルクは，約0.1mNmであり，目標の値には至らなかったが，極小のギア開発の難易度が高いことは想定の範囲内であり，改善のための研究を継続する．
マイクロ超音波モータ（1.6mm×1.6mm×1mm）は，圧電素子に電線をはんだ付けしていたが，上述の3Dプリンタを用いた電極付きケースの開発を行った．ステータをケースに差し込むだけで，誰でも安定的に電極が取り付けられるようになった．気管支や消化管の内腔でマイクロ超音波モータを駆動することを想定して，防水型モータの開発を行ったが，モータの圧電素子が液体に触れることで，モータが駆動できないほどにQ値が低下した．防水化について計画を見直し，新しい手法を含めて再検討することとした．
マイクロ超音波モータに，磁場の回転を検出できるセンサを取り付けて，フィードバック制御ができるようになった．操作量として交流印可電圧の周波数と，オンとオフを繰り返すバースト波を用いて，角速度を制御できるようにした．モータとセンサを組み合わせたものとして，世界最小級のシステムである．これらはおおむね計画通りに進めることができた．その他には，10mmサイズの車輪型ロボットの開発を行い，駆動実験にも成功した．細径配管内ロボットなどに応用できる可能性を示した．
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| 今後の研究の推進方策 |
提案する鉗子ロボットが実用的な力を発揮するには，減速機が不可欠である．フォーカスした硬化用紫外線をマイクロミラーデバイスで高速制御する原理の光造形3Dプリンタで小型ギアを試作できるようになったが，強度やトルク伝達効率などさらに詳しい調査を行う必要がある．3Dプリンタで母型（モールド型）をつくり，電鋳加工で金属製マイクロギアを製作する方法も調査する．
近年では，約1～2mmの画像センサを購入可能であり，これを用いたビジュアルFB制御システムの開発を行う．安全性の観点からモータの角度センサは不可欠であり，モータよりも小さいサイズのセンシング方法の設計と開発を行う．約0.5mmのホールセンサと磁石を用いて，磁力の変化に対応してモータの角度やロボットの姿勢を検出できるようにし，機械学習を用いて高精度化する．さらに駆動するモータの加速度から外乱オブザーバを用いて，ロボット先端にかかる力の大きさを推定できるようにする．
マイクロ超音波モータの性能をさらに上げることを目的として，圧電解析を用いてステータの最適設計を行う．ステータとロータの接触面でのロスを改善するために，メッキやコーティングなどを用いて最適な接触状態（摩擦）の調査を継続する．
モータ，センサ，コントローラから構成されるフィードバック制御システムの研究開発を行う．印可電圧の振幅，周波数，位相を変えられるようにし，それらを操作した場合のモータ性能の変化を調べ制御方法を明らかにする．さらに，印可電圧のオンとオフを繰り返すバースト波も使えるようにする．3個以上のモータを同期的に制御できるシステムの開発を行う．
ロボット先端にかかる微小な力を検出し，操作者に力のフィードバックするシステムの開発も行う．振動子の共振周波数の変化からかかる力の大きさを推定する小型力覚センサの開発を行う．その目標サイズは1mmとする．
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