Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

超音波モータ / 多自由度 / トライボロジー / 圧電 / 振動モード / アクチュエータ / 数値解析

従来の多自由度超音波モータは,複数の振動モードが縮退する振動子を用いて振動子表面に任意軸回りの楕円運動を生成するモータであった.これに対し,本研究では,球状回転子と振動子からなり,回転子の直交3軸回りの運動を,各振動子1つの振動モードの組み合わせによって実現する多自由度超音波モータを開発した.
はじめに,単一振動モードにより往復運動する振動子上の突起と回転子との接触部を離散的な接触点と線形ばねによってモデル化し,振動子・回転子間の摩擦力を考慮した数値解析モデルを構築した.本モデルを用いて振動子上の突起部における振動方向,振幅などをパラメータとして回転子の駆動特性を計算した結果,単一振動モードによって回転子を駆動できることが明らかになり,突起部での振動方向が駆動特性に大きく影響することがわかった.
つぎに,上記の数値解析の結果をもとに,振動子の3つの振動モードを選択的に励振することにより,球状回転子の多自由度回転運動を実現する多自由度超音波モータを設計した.本モータはマトリクス状に配置された4つの平板状振動子と,その上に置かれた球状回転子から構成されている.上記数値解析をもとに,各振動子に励振すべき振動モードの組み合わせを決定した結果,回転子に多自由度運動を実現し回転軸を制御できることを確認した.駆動実験の結果,最大トルク15mNmであった.
複数の振動子にそれぞれ1つの振動モードを励振し,選択的に組み合わせることにより多自由度運動を実現する超音波モータを開発した.すなわち,単一振動子による回転子の駆動状態を推定する数値解析手法を確立し,その結果から多自由度超音波モータのプロトタイプを試作した.

トライボロジー / 弾性変形 / 接触問題 / 混合潤滑 / 弾性流体潤滑 / 油圧機器 / 表面粗さ / 数値解析 / すべり軸受

本研究は,すべり軸受や油圧機器のピストン・シリンダ間などでみられる,摺動部の片当りによる変形部の接触問題について,実用的な混合潤滑特性の解析手法を確立するために,表面粗さを無視したときの高精度の大変形3次元弾性接触解析,表面粗さを考慮した微視的接触解析,および油膜圧力と弾性変形の相互作用の計算法,更に上記全てを連立させた場合の計算の収束性の改良法を見出すことを目的として行われた.
解析はピストンポンプ・モータを想定したピストン-シリンダ間を対象としておこなった.まず,油膜のない状態での接触点すなわち応力集中域のメッシュを細かくとったFEM解析を,荷重のつりあいに基づいて行い,接触応力,接触領域,弾性変形後の形状を得た.それを元に,接触点の形状が円筒などの従来のEHL膜厚式が使えるものは膜厚式を用い,使えない場合はErtel-Grubinの近似理論を適用し,油膜厚さを計算した.混合潤滑については荷重分担比から油膜厚さを求めなければならないが,近似理論では荷重分担比の影響が計算できないため,近似理論により得られた膜厚さから等価半径を求めて従来のEHL膜厚式を使った.これにより,弾性変形量が油膜厚さの10倍を越える場合においても混合潤滑解析が実用的に行えるようになった.
さらに,解析で用いたモデルにおいて,ピストン-シリンタの変形を静電容量法を用いて測定を行った.また,接触点を特定するために赤外線放射温度計により,非接触で測定するためモデル実験を行ったが,弾性変形の測定と同時に行うまでには至っておらず,今後の課題として残った.

【研究分担者】
田中嘉津彦	福井工業高等専門学校	助教授	(Kakenデータベース)
桃園聡	東京工業大学	工学部	助手	(Kakenデータベース)
京極啓史	東京工業大学	工学部	助教授	(Kakenデータベース)