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超音波モータ
東京工業大学 黒澤 実
1.はじめに 高周波電力を超音波振動へ変換し,さらに,摩擦力を介して超
音波振動を直流的駆動力へと変換して,回転もしくは直動として
の機械出力を得るのが超音波モータである 1)。高周波電力を機械
振動に変換するために,主に圧電材料を用いた電気音響変換器が
利用される。変換器は共振周波数で動作することにより,効率よ
く大電力を超音波振動へと変換している。駆動周波数としては,
数 10kHz 〜数 100kHz 程度が用いられる。また,弾性表面波を
用いる場合は,10 〜 100MHz が用いられている。
固体振動と摩擦駆動を用いることで,剛性が高く応答性の優れ
たモータが得られる。圧電素子の発生力が大きいという特長を生
かすことで,推力もしくはトルクが高く,比較的低速(速度もし
くは周速度が 0.1 m/s 〜 1m/s 程度)のモータが実現されている。
また停止時には最大トルク(もしくは推力)以上で静止状態とな
る。重量あたりの推力と機械出力が大きい。
超音波振動から直流的な駆動力へ変換する方法については大き
く分けて2つの方法がとられている。一つは,振動体を伝搬する
進行波を用いる方法で,進行波伝搬により振動体表面粒子が楕円
軌跡を描いて振動し,波動の山と谷において駆動面が被駆動面と
接触/離脱の分布を形成することで,一方向の駆動力を伝達する。
もう一つの方法は,振動体内の定在波振動を用い,振動子が周期
的に被駆動体と接触/離隔を繰り返して一方向の駆動力を伝達す
る。
これまでに実用化された超音波モータや研究されている超音波
モータを例に挙げ,分類を示したのが図1である。上下に進行波
型と定在波型,左右に回転モータとリニアモータに分けてある。
進行波型の回転モータが最も早く実用化が進み,よく知られてい
る。研究としては進行波型のリニアモータも早くから取り組まれ
ていたが,未だ実用化された例はない。一方,定在波型モータに
ついては,回転モータ,リニアモータともに実用化が進んでいる。
リニアモータでは,機械出力 20W 程度の,比較的大出力なモー
タも実用化されている。
2.進行波型回転モータ 円形振動体の周縁部を伝搬するたわみ波を利用したモータの例
を図2に示す。ステータには円環状の薄い圧電素子が接着されて
いて,この図の例では,円周部に9波長分の9次のたわみ波が励
振される。圧電素子は厚み方向に分極されているが,分極方向は
半波長毎に交互に入れ替わっていて,べた電極で所望のモードが
励振されるようになっている。右側の電極と左側の電極は,四分
の一波長と四分の三波長の隙間を持って配置されていて,互いに
90度時間位相差をもつ電源により共振周波数で駆動される。2
つの定在波の重ね合わせにより,円周に沿った進行波が励振され
る。
進行波の励振により図3のような波動が励振されるので,波頭
付近でのみロータとステータは接触することとなり,波頭付近の
粒子が持つ振動速度成分の方向にロータが駆動される。この図で
は左向きに波動が伝搬すると,ステータ突起表面粒子は時計回り
に振動するのでロータは右向きに駆動される。予圧の大きさをば
ねで調整でき,ロータとステータの接触範囲をある程度大きくす
ることで,速度は低下するがトルクを高くすることが可能である。
+
-
++
+
+ +
+
+
-
-
--
-
-
-Eo sinωtEo cosωt
図2 進行波型回転モータの構造
図3 進行波型モータの駆動原理図1 超音波モータの分類:原理から分けると定在波型と進行波型が
あり,機能から分けると回転とリニアがある
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3.定在波型リニアモータ 2つのボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波モータ用
トランスデューサの例を図4に示す。振動子を互いに直交配置して
先端部で結合することにより,2方向の振動成分を励振できるよう
にしている。トランスデューサ先端に接着した摩擦駆動面となるセ
ラミクスの部分は,2組の圧電素子を同相で駆動すると駆動面に垂
直な方向に振動し,逆相で駆動すると駆動面に水平方向に振動する。
2組の圧電素子を90度位相差で駆動すれば,セラミクス駆動面は
楕円軌跡を描いて振動することとなる。駆動面をスライダへ押し当
てることで,スライダと間欠的な接触/離隔を行い,一方向への駆
動力へと変換される。モータとしたときの駆動特性例を図5に示す。
この特性例では,無負荷速度 0.4 m/s,推力 60 N を超える値が得
られている。また,推力 50 N の当たりでは速度 0.3 m/s 程度が得
られていて,機械出力 15 W 以上,振動子を駆動する電力に対する
モータとしての機械出力への変換効率として50%を超える値が得
られている。また別の動作条件では,最大速度は 3 m/s を記録して
いて,現在,超音波モータの最高速度を記録している。
こ の モ ー タ は VSM(V-shape two bolt-clamped Langevine-type
2) 若井宗弥,黒澤実,樋口俊郎 , “ 超音波リニアモータ用振動子とその大口径モータへの応用 ,” 信学技報,US2000-7, pp. 43-49 (2000.7).
3) K. Asumi, R. Fukunaga, T. Fujimura, and M. K. Kurosawa, “High speed, high resolution ultrasonic linear motor using V-shape two bolt-clamped Langevin-type transducers,” Acoust. Sci. & Tech., vol. 30, no. 3, pp. 180-186, May, 2009.
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5) M. Kurosawa, M. Takahashi, and T. Higuchi, “Ultrasonic linear motor using surface acoustic wave,” IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 43(5), pp.901-906, (1996).
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11) 浅井勝彦,黒澤実,樋口俊郎,” エネルギー環流弾性表面波モータ ”,電子情報通信学会論文誌A,86-A(4), pp. 345-353, (2003).
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13) 黒澤実,鈴木貴也,浅井勝彦,” 不感帯を考慮した環流型弾性表面波モータの速度制御 ”,日本 AEM 学会誌,15(2), pp. 125-131, (2007).
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15) T. Shigematsu, T. Iseki, M. Okumura, T. Sugawara, and M. K. Kurosawa, “Optical Beam Steering using 2-D Surface Acoustic Wave Actuator,” Proc. of Transducers, Soul, pp. 1255-1258, (2005).
16) M. Okano and M. K. Kurosawa, “Study on modeling of surface acoustic wave motor,” Proc. of IEEE Int. Symp. on Industrial Electronics, pp. 1508-1513 (2007) .
17) T. Shigematsu and M. K. Kurosawa, “Friction drive modeling of SAW motor using classical theory of contact mechanics,” Proc. of Actuator, 444-448 (2006).
18) T. Shigematsu and M. K. Kurosawa, “Friction Drive of an SAW motor Part I-II,” IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 57, no. 9, pp. 2005-2024, Sept. 2008.
19) T. Shigematsu and M. K. Kurosawa, “Friction Drive of an SAW motor Part III-V,” IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, , vol. 57, no. 10, pp. 2266-2297, Sept. 2008.
20) M. K. Kurosawa and T. Shigematsu, “Friction drive simulation of a surface acoustic wave motor characteristics based on contact mechanics,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 47, no. 5, pp. 4287-4291, 2008..