弾性接触モデルによる弾性表面波モータの摩擦駆動解析 黒澤実 † ・重松隆史 ‡ †‡ 東京工業大学総合理工学研究科 〒 226-8502 横浜市緑区長津田町 4259 E-mail: †[email protected], ‡[email protected]あらまし ステータを伝搬するレイリー波とスライダ突起の弾性摩擦接触をモデル化することにより,弾性表面波モー タの動作シミュレーションを行い実験結果と比較検討した。シミュレーションの結果は,スライダ突起の個数や突起直径の変 化によりモータ特性が変化した実験結果を良く再現しており,モデルの有効性が示された。さらに,突起配列の影響を考慮す るために,各突起列毎での波動パワーの減衰を繰り入れた近似的な計算手法を開発した。突起配列による効果を取り込むことで, 実験より得られた推力特性変化の様子をより正確に表すことを試みた。 キーワード アクチュエータ,リニアモータ,摩擦駆動,圧電アクチュエータ,超音波モータ Friction Drive Simulation of Surface Acoustic Wave Motor Minoru Kuribayashi Kurosawa † and Takashi Shigematsu ‡ †‡Tokyo Institute of Technology, 4259 Nagatsuta, Midori, Yokohama 226-8502, Japan E-mail: †[email protected], ‡[email protected]Abstract Friction drive mechanism has been successfully simulated using elastic fiction contact modeling of projection fabricated slider and traveling wave stator. Motor characteristics such as speed and thrust varied by changing the slider projection amount and the diameter by the simulation similar to experimental results. In addition, calculation algorithm to take into account the matrix arrangement of slider projections has been developed for the precise simulation modeling. Keyword Actuator, Linear motor, Friction drive, Piezo actuator, Ultrasonic motor 1.はじめに 電子機器の小型化や装置・機器の軽量化,製造装置の高度 化・高速化などに伴って,高性能なマイクロリニアモータが 必要とされるようになってきた。我々は先進的なリニアモー タとして,高速・高分解能・高速応答を実現する弾性表面波 モータの研究を進めている。 初期の弾性表面波モータ研究 [1],[2] は動作を実証する目 的であったが,MEMS(Micro Electro Mecanical Systems) プロセスを用いてスライダが作成され [3],[4],著しく特性 が向上した [5],[6]。従来の超音波モータと比較すると,格 段に生産性・再現性に優れた高度なデバイスとなることが 期待される。また,超音波モータの分類上,「進行波型」の 「リニアモータ」だけが実用化されていないが,効率的な駆 動方法も提案され [7],制御方法に関する検討も進んでいる [8],[9]。また,デザイン自由度が高いモータ [10] である。 これまで,ナノメータの弾性変形を伴って行われている摩 擦力の伝達に関するモデル化を検討 [11],[12] してきた。摩 擦駆動について検討した結果[13]-[17]をもとに,シミュレー ションを行った結果についても報告を行っている [18]。こ こでは,さらに精密なモデル化の試みを含めて報告する。 2.原理と実例 弾性表面波モータは,レイリー波の進行波を用いた超音波 リニアモータである。短冊状の圧電基板両端部に IDT を配 置することで,もっとも簡単な構成のリニアモータを作るこ とができる。図1に示すように,伝搬波路上にスライダを置 くと,波動伝搬方向と逆向きにスライダが移動する。スライ ダの移動方向と速度は,波頭での圧電基板表面粒子の運動方 向と速度により決まるので,波動の伝搬方向と波の振幅によ り動きを制御することができる。図1の構成では,駆動する IDT を切り替えることでスライダ移動方向が決まり,駆動電 圧の大小により速度が増減する。 例えば,ステータ材料として 128 度 Y 板ニオブ酸リチウ ムを用いて,レイリー波の駆動周波数を約 10MHz とする 図1 弾性表面波モータの構成例 preload SAW device (Stator transducer) Electrode (IDT) Slider Rayleigh wave RF power ‡ 現在 理化学研究所 ‡ currently RIKEN 47
6
Embed
Friction Drive Simulation of Surface Acoustic Wave …...fabricated slider and traveling wave stator. Motor characteristics such as speed and thrust varied by changing the slider projection
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Abstract Frictiondrivemechanismhasbeensuccessfullysimulatedusingelasticfictioncontactmodelingofprojectionfabricated slider and traveling wave stator. Motor characteristics such as speed and thrust varied by changing the slider projection amount and the diameter by the simulation similar to experimental results. In addition, calculation algorithm to take into account the matrix arrangement of slider projections has been developed for the precise simulation modeling.Keyword Actuator, Linear motor, Friction drive, Piezo actuator, Ultrasonic motor
1.はじめに
電子機器の小型化や装置・機器の軽量化,製造装置の高度
化・高速化などに伴って,高性能なマイクロリニアモータが
必要とされるようになってきた。我々は先進的なリニアモー
タとして,高速・高分解能・高速応答を実現する弾性表面波
モータの研究を進めている。
初期の弾性表面波モータ研究 [1],[2] は動作を実証する目
的であったが,MEMS(Micro Electro Mecanical Systems)
プロセスを用いてスライダが作成され [3],[4],著しく特性
が向上した [5],[6]。従来の超音波モータと比較すると,格
段に生産性・再現性に優れた高度なデバイスとなることが
期待される。また,超音波モータの分類上,「進行波型」の
「リニアモータ」だけが実用化されていないが,効率的な駆
動方法も提案され [7],制御方法に関する検討も進んでいる
[8],[9]。また,デザイン自由度が高いモータ [10] である。
これまで,ナノメータの弾性変形を伴って行われている摩
擦力の伝達に関するモデル化を検討 [11],[12] してきた。摩
擦駆動について検討した結果[13]-[17]をもとに,シミュレー
ションを行った結果についても報告を行っている [18]。こ
こでは,さらに精密なモデル化の試みを含めて報告する。
2.原理と実例
弾性表面波モータは,レイリー波の進行波を用いた超音波
リニアモータである。短冊状の圧電基板両端部に IDT を配
置することで,もっとも簡単な構成のリニアモータを作るこ
とができる。図1に示すように,伝搬波路上にスライダを置
くと,波動伝搬方向と逆向きにスライダが移動する。スライ
ダの移動方向と速度は,波頭での圧電基板表面粒子の運動方
向と速度により決まるので,波動の伝搬方向と波の振幅によ
り動きを制御することができる。図1の構成では,駆動する
IDT を切り替えることでスライダ移動方向が決まり,駆動電
圧の大小により速度が増減する。
例えば,ステータ材料として 128 度 Y 板ニオブ酸リチウ
ムを用いて,レイリー波の駆動周波数を約 10MHz とする
図1 弾性表面波モータの構成例
preload
SAW device(Stator transducer)
Electrode(IDT)
Slider
Rayleigh wave
RF power
‡現在 理化学研究所‡currently RIKEN
47
teruko
タイプライターテキスト
teruko
タイプライターテキスト
社団法人 電子情報通信学会 THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS
[1] M. Kurosawa, M. Takahashi, and T. Higuchi, "Ultrasonic linear motor using surface acoustic wave," IEEE Trans. on UFFC, vol. 43(5), pp. 901-906, 1996.
[2] M. K. Kurosawa, M. Takahashi and T. Higuchi, "Elastic Contact Conditions to Optimize Friction Drive of Surface Acoustic Wave Motor," IEEE Trans. on UFFC, vol. 45, no. 5, pp. 1229-1237, 1998.
[3] K. Asai, M. K. Kurosawa and T. Higuchi, "Evaluation of the driving performance of a surface acoustic wave linear motor," Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symp., pp. 675-679, 2000.
[4] M. K. Kurosawa, H. Itoh, K. Asai, M. Takasaki, and T. Higuchi, "Optimization of slider contact face geometry for surface acoustic wave motor," Proc. of IEEE MEMS Conference, pp. 252-255, 2001.
[5] T. Shigematsu, M. K. Kurosawa and K. Asai, "Nanometer stepping drive of surface acoustic wave motor," IEEE Trans. on UFFC, vol. 50, no. 4, pp. 376-385, 2003.
[6] Y. Nakamura, M. K. Kurosawa, T. Shigematsu and K. Asai, "Effects of ceramic thinfilmcoatingon friction surfaces forsurface acoustic wave linear motor," Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 1766-1769, 2003.
[7] K. Asai and M. K. Kurosawa, "Surface acoustic wave motor using an energy circulation driving method," Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 525-529, 2001.
[8] T. Suzuki, M. K. Kurosawa and K. Asai, "Control of a surface acoustic wave motor using PID controller," Proceedings of LDIA 2005, pp. 326-329.
[9] M. Okano, and M. K. Kurosawa, "Study on modeling of surface acoustic wave motor," Proceedins of the IEEE Int. Symp. on Industrial Electronics 2007, pp. 1508-1513.
[10] T. Iseki, T. Shigematsu, M. Okumura, T. Sugawara and M. K. Kurosawa,"Two-dimensionallyself-holdingdeflectionmirrorusing surface acoustic wave motor," Optical Review, vol. 13, no. 4, pp. 195-200, 2006.
[11] 浅井勝彦,黒澤実,”摩擦駆動モデルを用いた弾性表面波モータの駆動性能評価,” 電子情報通信学会誌 A, vol. J86-A, no. 12, pp.1442-1452, 2003.
[12] T. Shigematsu and M. K. Kurosawa, "Friction drive modeling of SAW otor using classical theori of contact mechanics," Proceedings of Actuator 2006, pp. 444-448.
[13] T. Shigematsu and M. K. Kurosawa, “Friction Drive of an SAW motor Part I: Measurements,” IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 57, no. 9, pp. 2005-2015, Sept. 2008.
[14] T. Shigematsu and M. K. Kurosawa, “Friction Drive of an SAW motor Part II: Analyses,” IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 57, no. 9, pp. 2016-2024, Sept. 2008.
[15] T. Shigematsu and M. K. Kurosawa, “Friction Drive of an SAW motor Part III: Modeling,” IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, , vol. 57, no. 10, Sept. 2008 (in printing).
[16] T. Shigematsu and M. K. Kurosawa, “Friction Drive of an SAW motor Part IV: Physics of Contact,” IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 57, no. 10, Sept. 2008 (in printing).
[17] T. Shigematsu and M. K. Kurosawa, “Friction Drive of an SAW motor Part V: Design Criteria,” IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 57, no. 10, Sept. 2008 (in printing).
[18] M. K. Kurosawa and T. Shigematsu, “Friction Drive Simulation of Surface Acoustic Wave Motor Characteristics Based on Contact Mechanics,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 47, no. 5, pp. 4287-4291, 2008.