超音波アクチュエータの基礎と応用Basics and applications of ultrasonic actuators

中村健太郎平成31年度第1回電気系科学技術懇話会

2019年4月24日17:30－18:30

J233 講義室（すずかけ台） 副会場：S223 講義室（大岡山）

東京工業大学

科学技術創成研究院

未来産業技術研究所

本日の予定

超音波モータとは？

なぜ超音波モータか？

超音波モータの構成・原理

超音波モータの性能検討

摩擦駆動特性を根本的に良くする取り組み

超音波モータに似たおもちゃの実演

振動でものを動かす

超音波モータとは

圧電素子で発生した超音波振動により、摩擦力を介してロータ（スライダ）を駆動するモータ

特徴

軽量で発生力が大きい。応答性がよい。静粛（ギヤダウン不要）。非磁性（巻き線がない）。電源OFFでブレーキ力発生。電磁型では難しい形状が可能（中空、リニア等）。

電源がやや複雑。摩耗（現在では1万時間くらいは・・・）

超音波モータの研究原理に関する古い報告が海外にあるが、実用的構造の提案、応用研究は1980代～1990年代に日本で活発に行われた。

旧ソ連（ソ連崩壊で研究者各地に移動）IBM技報（振動で動かすというアイディアのみ？）

1982 応用物理に指田の論文1985 進行波型（指田）

キヤノン、松下電器、セイコーはじめいくつかの企業で実用化研究

大学での研究 振動モードの研究制御の研究摩擦材料の研究

上羽・富川らによる本(1993)

現在

日本、ドイツ、中国、イスラエル・・・・・

南京大学・超音波モータ研究センターイスラエル・ナノモーション

日本で最初の報告 応用物理1982年

現在の超音波モータと比べても、そこそこ良い特性

超音波モータの研究状況

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1980 1990 2000 2010 2020

発行年

論文数

Google Scholarによる年毎の論文数（特許は除外）題目または本文に‘ultrasonic motor’が含まれるもの

なぜ超音波モータなのか？

再び、指田(応用物理，1982)より

超音波振動子は高エネルギー密度だから、それを生かせないか・・・というモーティベーション。

圧電振動子の最大振動速度圧電セラミックス（チタン酸ジルコン酸鉛，PZT）

最大出力限界を決めるもの 振動応力（疲労限界）40～70 MPa

温度上昇（キュリー温度）300℃（実用100℃以下）

v

例：横効果縦振動子

振動応力

長さ 2l

振動速度 v x Vx

l( ) sin

2

振動応力 T x Eu EV

j l

x

l( ) sin

x 2 2

E

TT

E

lV

maxmaxmax

2 ≒2 m/s

振動応力でちぎれる振動子

レーザドップラ振動計で観測しながら振動速度を上げてゆくと、2 m/sくらいで破断。

圧電振動子のエネルギー密度圧電セラミックス（チタン酸ジルコン酸鉛，PZT）

v

例：横効果縦振動子

最大運動エネルギ U mvV T

E

T

EVK max max

max max 1

2 4 4

22 2

最大パワー密度 Pf U

V

f T

E

K

maxmax max

2

8

2

10 [W / cc]-6

＝60 W/cc @20 kHz

7500 W/kg ＝ 7.5 W/g

応力だけで考えたので、実際には温度上昇のためもっと小さい値に制限される。 でも、数gで1 W?

m

BLTの性能（重量と最大電気入力）

0

500

1000

1500

2000

2500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Weight (g)

Max. E

lectr

ical In

put (W

)

Conventional modelNew design

本多電子製BLTカタログデータから抽出

500 W/kg – 1 kW/kg という高い重量パワー比

＊BLT＝ハイパワー用の圧電超音波振動子

圧電振動子の効率

v cm rmim

lm

V

A

i

Cd

Rd

F V

Rd

imi

Rm

2

2

A

rR

A

rR

mm

mm

rL

RL負荷

共振時を考える

100100

dmLmL

Ld

in

L

RRRRR

RR

P

P効率

負荷で消費されるパワー

入力電力

圧電振動子の等価回路

圧電振動子の効率

V

Rd

imi

Rm

2

2

A

rR

A

rR

mm

mm

RL

最大効率を与える負荷

)(0 dmmL RRRR )( 2

20 dmmL

L RArrA

rr

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Load (Rm/Rd)

Eff

icie

ncy

(%) Rm増大

100

00

0max

dmLmL

Ld

RRRRR

RR

負荷がマッチングすれば高効率実用振動子で90%以上

本日の予定

超音波モータとは？

なぜ超音波モータか？

超音波モータの構成・原理

超音波モータの性能検討

摩擦駆動特性を根本的に良くする取り組み

超音波モータに似たおもちゃの実演

超音波モータの原理

超音波振動（往復運動）を一方向運動に変換するしくみが必要。

２つの方式に分けられる

１．定在波型（複合振動子型）時間的に半周期分だけ取り出す

２．進行波型場所により一方向成分だけ取り出す

弾性進行波 表面粒子のだ円振動軌跡

移動子

摩擦駆動予圧

静的予圧（ばね）

駆動力となる振動

摩擦を制御する振動

位相差90度

で楕円軌跡

複合振動子型（時間選択型） 回転型

ねじり振動（駆動力）＋縦振動（クラッチ）

ロータ

縦振動

ねじり振動

ス テ ー タヘッド

縦振動用圧電素子

ボ ト ム ブロック

ねじり振動用圧電素子

ベアリングコイルばね

Coil spring

Ball bearing

Rotor

Stator head

Longitudinal

PZT

Torsional

PZT

Stator bottomLo

ng

itu

din

al vib

.

To

rsio

na

lvib

.

Polarization

Polarization

Longitudinal PZT

Torsional PZT

Strain

Strain

複合振動子型（時間選択型） 回転型構造 動作

RotorRotor speed

Angular

displacement

Angular

speed

複合振動型の直径とトルク

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1 10 100 1000

Diameter (mm)

Ma

x. T

orq

ue

(N

m)

(★)

直径120 mm

直径5 mm

トルクは直径の３乗に比例複合振動型は高トルク

進行波型（場所型） 回転型

Rotor

Vibrator ring

PZT element

Preloading構造

進行波の励振法（モード回転）

円環のたわみ振動を利用

櫛歯が横方向変位を拡大・機械インピーダンス整合

空間的に90度(/4)ずれた２つの定在波（縮退モード）を時間位相差90度で重ねあわせる。

)2cos(sin2sincos2cos tkAtkAtkA 定在波１ 定在波２ 進行波

tV sin

tV cos

tV cos

tV sin

tV sin

tV cos

tV sin

tV cos

tA cos2cos

tA sin2sin

進行波型

リニア

回転

定在波型

リニア

回転

スライダたわみ振動棒

振動子１（励振）

振動子２（吸収）

電気的終端

ロータ

ステータ振動子

圧電素子

予圧

ロータ

縦振動

ねじり振動

ステータ

縦振動圧電素子

ねじり振動圧電素子

１次縦振動

２次たわみ振動

弾性表面波型（研究中）

実用化例無し

円板型、リング型

カメラ、コピー機、測定機

棒型 カメラ

小型（圧電セラミック板）

カメラ、カードリーダー、光学機器

大型（ランジュバン振動子）

特殊製造装置、移動テーブル

ロールカーテン、自動車内装品

- cost

+sint

- sint

+cost

- cost

+cost

+sint

- sint

定在波１

定在波２

超音波モータの分類

本日の予定

超音波モータとは？

なぜ超音波モータか？

超音波モータの構成・原理

超音波モータの性能検討

摩擦駆動特性を根本的に良くする取り組み

超音波モータに似たおもちゃの実演

超音波モータの特性（重量と出力パワー）

1

10

100

1000

0.01 0.1 1 10

Weight (kg)

Ra

tin

g O

utp

ut (W

)

USM

DC Servo Motor

100W/100g

10W/100g

進行波型市販品

振動子の1kW/kgの1/10以下。まだまだ力を出し切っていない。

小型化で急速に特性悪化する電磁モータよりはよい。

外形断面 最大速度 最大推力 入力電力 効率(mm) (mm/s) (N) (W) (%)φ25 450 10 4 84φ20 340 5 4 38φ16 300 2.5 4 19

定格推力

*IAI製マイクロシリンダカタログより抜粋

電磁リニアモータの例

1kW/kg

超音波モータの特性（重量とトルク）

0.01

0.1

1

10

100

0.01 0.1 1 10

Weight (kg)

Ma

x. T

orq

ue

(N

m)

USMDC Servo Motor

進行波型市販品

USMは単位重量当たりのトルクは大きい。

力はまずまず出ているが、パワーではまだ物足りない。効率が不十分。市販USMの効率は最大40%程度。振動子の最大効率90%以上が生かされていない。

振動回転 変換メカニズムの解析

RotorRotor speed

Angular

displacement

Angular

speed

ねじり振動子とロータ駆動の電気等価回路

ねじり振動子

ロータマスが大きいので回転数一定定電流源で表現（本来は大インダクタンス）

摩擦特性

一定のトルク以上は伝えない（摩擦係数×動的予圧）

縦振動強

縦振動弱

各部の瞬時波形

RotorRotor speed

Angular

displacement

Angular

speed

fC

FC

0

0

0

t

t

t

C

動的予圧縦振動

静的予圧ばね

ロータ速度

ねじり振動速度

瞬時トルク

出力トルク

接触角

接触角と変換効率

電気入力

誘電体損 振動損

摩擦損

機械出力損失の原因

接触角が小さければ高効率

エネルギーの行き先

接触角

縦振動強

縦振動弱

「振動回転」の変換効率のまとめ

接触角が90度くらいなら高効率 （80%）。接触角が大きくなると摩擦損が大きくなる。

Rotor

Vibrator ring

PZT element

Preloading

進行波型でも事情は同じ接触時間接触領域

指田さんの応用物理の論文接触時間が短い・・電気抵抗で測定

予圧が小さければ接触角小さいが、トルクが出ない。大きな予圧が必要。予圧に打ち勝つ縦振動が必要。

本日の予定

超音波モータとは？

なぜ超音波モータか？

超音波モータの構成・原理

超音波モータの性能検討

摩擦駆動特性を根本的に良くする取り組み

超音波モータに似たおもちゃの実演

摩擦損失を減らすアプローチfC

FC

0

0

0

t

t

t

C

動的予圧縦振動

静的予圧ばね

ロータ速度

ねじり振動速度

瞬時トルク

出力トルク

接触角滑り

滑り

滑り

負の駆動力負の駆動力

ねじり振動波形を方形波にすればよい。負の駆動力（摩擦力）を減じればよい。

滑りの少ない振動波形の合成

3次高調波の利用方形波に近い波形

3次モードの共振周波数を基本モードのピッタリ3倍に調整。フランジを設けて基本モードの周波数のみ変化。

駆動電流

振動速度

変換効率

変換効率がちょっと改善 34%42%

摩擦材の寿命も改善

潤滑剤を用いた摩擦制御による効率改善接触角が大きいときでも効率を上げるために

負の駆動力（摩擦力）を減じたい

予圧が大きい瞬間大きな摩擦係数予圧が小さい瞬間小さな摩擦係数

潤滑剤の特性を利用Stribeck curve

予圧大境界潤滑またはEHL

予圧小流体潤滑

潤滑剤を用いた摩擦制御による効率改善

シミュレーションによる効率予測

潤滑剤を用いた摩擦制御による効率改善実測結果 効率

回転数

潤滑時には、大きな予圧で動作大きなトルク、高い効率

動作安定性、寿命が大幅に改善。

超音波モータの応用状況

カメラ・・・自動フォーカス、手ぶれ防止カードリーダロールカーテン光学測定器特殊製造装置

高速応答非磁性静粛性位置保持機能

伸縮振動（ひずみ分布） 屈曲振動（ひずみ分布）

光学ステージ・ミラーホルダ

シグマ光機

縦1次・曲げ2次（L1B2）モード利用のリニアモータ

長さ10 mm，30 mm

EB露光装置真空装置用

推力 100 N

速度 0.5 m/s

今後の方向性

MEMS

従来のモータUSM

0.1 mm3～10 mm3

のものが無い！

１ランク上の特性を実現する（軽量・大トルク）

ロボット用など

大きさ1 mm3 ～1 ccの領域 リニア型有用

1

10

100

1000

0.01 0.1 1 10

Weight (kg)

Ra

tin

g O

utp

ut (W

)

USM

DC Servo Motor

100W/100g

10W/100g

本日の予定

超音波モータとは？

なぜ超音波モータか？

超音波モータの構成・原理

超音波モータの性能検討

摩擦駆動特性を根本的に良くする取り組み

超音波モータに似たおもちゃの実演

ギリギリガリガリって何？

角棒

クギぐらぐら

丸棒 プロペラ

作り方⓪ ②①

③

完成！

材料

ギザギザをつける。1～1.5 cm間隔7～8個

プロペラの穴は中央に大き目。釘は打ち込み過ぎない。プロペラは「ぐらぐら」に。

10 mm角の角棒（長さ約300 mm）

プロペラ板（厚さ3 mm）

釘（長さ20～25 mm）

ワッシャ（無くても可）

直径10 mm程度の丸棒（木製）

回し方

丸棒

角棒

プロペラ

親指

この側面に押し付ける

手

丸棒

角棒

プロペラ

親指

この側面に押し付ける

手

右回し 左回し

角棒の１つの側面を強く抑えることが重要。

回る！

円軌跡釘

直線軌跡

これでは回りません

釘

ミソは釘の振動軌跡の形

直線

ずれ 円

回転するしくみ

ただ、ギリギリガリガリしても直線的に振動するだけ。 回りません。

２つの振動方向でタイミングがずれると、クギの先が回転運動します 回ります。

指で角棒の一面を押えることで、この「タイミングのずれ」が発生するのです。

回転するしくみ（つづき）

指で角棒の一面を押えていると、ギザギザと丸棒の衝突のしかたが変わります。 振動のタイミングがずれます。

おさえない場合

衝突 持ち上がる

おさえる場合

衝突

持ち上がらない

ギリギリガリガリの場合は

× 角棒の振動モード

〇 剛体の振動（角棒の回転＋手のバネ）

角棒の長さ方向の振動分布ほぼ直線

ギリギリガリガリのモデル化

km

k

f 駆動力のモデル

安定に自動駆動する装置を製作

２方向の振動をレーザ光で測定

振動の観測

衝突

振動軌跡の観測

回るとき

回らないとき

上野科学博物館での企画内容（昨年まで10年間実施）

1回30分で5～6人午前に4回、午後に6回行2日間で100名作ったギリギリガリガリは持ち帰ってもらう夏休みの宿題の題材として参加する子供も多い小学校低学年から中学年が中心

参加者と教育課題

小学校低学年・・・・・完全に保護者同伴

小学校中学年・・・・・保護者半同伴 とりあえず、作って遊ぶ

小学校高学年・・・・・一人で作る 原理をなんとなく理解

中学生・・・・・原理をある程度理解

高校生・・・・・楕円軌跡の数学的理解

科学館デモで気をつけてきたこと

材料を選ばせる。

なるべく手伝わない。

種明かしは最後の最後。

詳しい動作原理とその学術的追及は次の文献をご参照ください。

J. Satonobu, S. Ueha and K. Nakamura, Jpn. J. Appl. Phys., 34-1, 5B,

pp.2745-2751, 1995.

まとめ