振動モードの選択的励振に基づく多自由度超音波モータの研究

基于振动模式选择性激励的多自由度超声电机研究

基本信息

批准号：
15760093
负责人：
竹村研治郎
金额：
$ 2.3万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

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.

常规的多度超声电动机是一种使用传感器的电动机，在该电动机中，将多个振动模式退化以在传感器表面的任意轴周围产生椭圆运动。相比之下，在这项研究中，我们开发了由球形转子和传感器组成的多度超声电动机，该电动机通过结合每个传感器的振动模式，实现了转子围绕每个传感器的三个正交轴的运动。首先，我们使用离散的接触点和线性弹簧在传感器上对投影的接触部分进行了建模，该传感器在单个振动模式下对互惠移动，并考虑了传感器和转子之间的摩擦力。使用此模型，我们使用振动方向和换能器上的投影的振幅计算了转子的驾驶特性，并揭示了转子可以通过单个振动模式驱动，并且投影处的振动方向对驱动特征具有重大影响。此外，基于上述数值分析的结果，设计了多个自由度超声电动机，以通过选择性激发传感器的三个振动模式来实现球形转子的多度旋转运动。该电动机由四个平板形换能器组成，该平板形换能器排列在基质中，并放在其上的球形转子。基于上述数值分析，我们确定了为每个传感器激发振动模式的组合，并确认有可能实现转子的多度自由运动并控制旋转轴。驾驶实验表明，最大扭矩为15MNM。开发了一个超声电机，该电动机允许为每个传感器激发多个振动模式并选择性地组合它们。换句话说，建立了一种数值分析方法来通过单个传感器估算转子的驱动状态，从结果来看，产生了多度超声电动机的原型。