| 研究課題/領域番号 |
25709017
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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, エレクトロニクス先端融合研究所, テニュアトラック助教 (20600654)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 圧電アクチュエータ / マイクロモータ / 超音波モータ |
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| 研究実績の概要 |
マイクロ超音波モータの性能は，これまでにトルク約1マイクロNm，回転数1000rpmであったが，これらを向上させるための研究開発に取り組んだ．ステータとロータにおける表面粗さやばりなどの機械加工の影響を考慮し，機械力学をベースとしたマイクロ超音波モータモデルを開発した．モータの駆動実験を行い，モデルと実験結果との比較検証を行った．モデルに基づいて，ステータとロータの間の隙間を調整することで摩擦力を変え，実験的に性能を最適化した．ステータとロータの間の予圧を調整する予圧機構を開発した．これらの研究開発をすすめた結果，マイクロ超音波モータの性能は，トルク10マイクロNm以上，回転数4000rpm以上まで向上した．またマイクロモータ開発のノウハウを活用して，0.5mm角の世界最小超音波モータの開発に取り組んだ．0.5mm角の超音波モータの実験装置を開発し，駆動実験に成功し，トルクや回転数の評価を行った．
モータ駆動システムの小型多自由度化を目指して，回転直動モータのステータを薄くした構造である平板型のステータを用いて球を自由に回転できる球面モータの開発に取り組んだ．縦横3mm，厚さ1mmの扁平形状のステータを開発して，性能評価を行った．磁力を用いた予圧機構を設計し，ステータ2個を予圧機構で保持する球面モータを試作し，駆動実験を行った．
小型圧電ポンプ開発では，ステータから生み出される流れを，CFD解析でシミュレーションし，ポンプの形状を設計した．実験で発生するステータの振動振幅と，実際の流量の関係を調べて，ステータの設計指針を明らかにした．
また，これらのアクチュエータを駆動するためのドライバ回路の開発を行った．ステータのサイズによって駆動周波数が異なるため，トランスなどの最小限の部品交換で周波数を自由に変更できるように設計し，出力することにに成功した．
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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
前年度までに，1ミリ角のステータを用いたマイクロ超音波モータのトルクの大きさは約1マイクロNmであったが，その10倍となる，10マイクロNmのトルクを達成するに至った．申請時の研究計画では，2mm角のステータで，10マイクロNmのトルクを達成する計画であったことから，計画よりも小さい1mm角のステータを用いて目標トルクを達成することができている．このスケールのモータが出せるトルクとしては世界的にもケタ違いに大きい．J.Friend教授(UCSD)らによって開発された約2mmのT字型超音波モータのトルクが47nNmであるから，その200倍以上のトルクが得られていることがわかる．
またマイクロ超音波モータの機械力学モデルを開発し，モータの駆動実験を行ってモデルと実験結果との比較検証を行った結果，非常に良く合うモデルを作ることができた．モデルに基づいて，ステータとロータの間に与える予圧を調整することでトルクの向上を予測し，マイクロコイルを用いて予圧を約10gまで大きくしたときに，10マイクロNm以上のトルクを達成した．
これまでに行ってきたマイクロ超音波モータのノウハウを活用して，さらに小型化した0.5mm角の超音波モータの開発に取り組んだ．ステータの加工時における変形を調べるために，ステータを切削やワイヤ放電などで加工し，マイクロスコープで変形を調査し，ステータの試作方法を明らかにした．約0.5mmのマイクロ部品を扱えるようにしたマイクロマニピュレータを開発し，モータの試作を行った．実験装置を開発し，駆動実験に成功し，トルクや回転数の周波数特性や振幅特性などについて評価した．これは現時点で発表されている超音波モータと比べて世界最小サイズである．このモータのトルクは0.1マイクロNmと小さいが，MEMSなどの技術を用いて開発された同様のサイズの静電モータのトルクと比べる大きい．
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| 今後の研究の推進方策 |
実用的水準である10マイクロNmというトルクを達成しているが，このときの印加電圧は70Vp-pであり，まだ少し電圧が高い．そこで，圧電素子の積層化に取り組むことによって，30Vp-p以下となるように低電圧化の開発を行う．また，現在の効率はというと，良い時で1%程度である．言い換えれば，これは性能の改善の余地があるということでもある．効率の改善を目指し，エネルギー損失の電気的要因や機械的要因をモデル化する．モデルに基づいて，ステータやロータの仕上げやコーティングなど改善し，それぞれの接触状態を最適化することによって効率向上を目指す．
また，カプセル型ロボットへの実装を目指して，予圧機構を含め全体で2mm程度の大きさまで小型化したいと考えている．予備的な実験で，直径約0.2mmのマイクロコイルを用いた予圧機構を開発し，モータに取り付け，さらに大きなトルクを得ることに成功している．これは予圧機構そのものを小型化するために重要な知見である．今後，予圧機構の小型化ならびにモータの高トルク化について研究を継続する．そのうえで，温度や湿度などの耐環境性を調べ，そこで起こり得る問題の解決に取り組む．マイクロ超音波モータを，カプセル型ロボットのカメラ用と鉗子用に複数個用いる場合を想定し，開発したドライバを複数個用いて同期制御手法の開発を進める．
0.5mm角のマイクロ超音波モータの試作および駆動に成功しているものの，1mm以下のサイズでは，サイズが小さくなるに伴って加工性や把持性などが劇的に下がる．加工した部品は変形を生じ，バリは相対的に大きくなる．加工した部品を把持して組立することも難しい．そこで，切削，ワイヤ放電，レーザー加工などを用いたマイクロ部品の加工方法を研究し，化学電界研磨などによって仕上げ精度を調べ，加工とモータの性能の関係を調べ，加工を含めた最適設計手法を明らかにする．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
マイクロモータを観察するためにCマウントカメラとレンズ（合計約15万円）を予定していたが，より小型で十分な仕様のユニットタイプデジタルマイクロスコープ（約5万円）に変更したため．
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| 次年度使用額の使用計画 |
マイクロ超音波モータの研究をさらに進めるため，新しいステータのの試作費に充てる．
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