非対称振動を用いたアクチュエータとその IoT 化
森永研究室
1.

序論
近年、ナノテクノロジーの発展にB4 廣瀬和眞

重りである。次に、電圧を印加した際の動きを図 2,3 に示す。

伴い、携帯電話などの機器の小型化、高精度化が望まれ着実に進歩を遂げてきた。従来の代表的なアクチュエータである電磁モータでは、小型化に対応していくことが難しいと考えBられてきた。そこで、圧電素子の急速変形と慣性と摩擦を利用するA

stick-slip アクチュエータが提案さ
図 2 緩やかな電圧上昇時れてきた。
本研究の目的は、今回考案した新
しい stick-slip アクチュエータについて、非対称波形であるノコギリ波を圧電素子に印加したときのアクチュエータの動きを解析することである。
2.

原理

B

考案した stick-slip アクチュエー
タは圧電素子に電圧を印加した時のA長さ変化によって移動をする。このアクチュエータの模式図を図 1 に示す。

図 3 急峻な電圧下降時
まず、図 2 図 3 共に右側に進む方向を正の向きとする。図 2 の方では圧電素子に印加する電圧が緩やかに上昇することで、圧電素子がゆっくりと伸びる。このとき、A 点の接地し

図 1 アクチュエータの模式図ているところは動かずに B 点の方がここで、斜線で囲まれているところ右側に動く。A 点が動かずに B 点がが圧電素子で、ドット状のところが動くのは、A と B では、A の方が重く作られており、摩擦の影響を大きリガ回路の振る舞いを行う。

く受けるためである。次に、図 3 の積分回路の出力電圧は、方では圧電素子に印加する電圧が急V! = −峻に低下することで、圧電素子が急

3.

1
CR

𝑉!" 𝑑𝑡速に縮み元の大きさに戻るときに、入力電圧の時間積分に比例する。

A 点が滑ることになる。

一方、シュミットトリガ回路の出力

ここで、B 点が滑らずに A 点が滑る

電圧は、入力電圧によってヒステリのは、圧電素子の右側と左側を比較シスをもつ波形を出力する。それぞすると、左側は A 点のみだが、右側れの出力を他方の入力に繋いでいるは B 点と重りがあり右側の方が重くので、このままだと三角波が出力さなっていて、慣性力が A 点の摩擦のれるだけでノコギリ波が出力するこ力よりも慣性の力が大きくなるためとがない。

である。このように、一回のノコギ

そこで、積分回路の入力側に接続しリ波形で A 点と B 点は同じ向きに動てある抵抗と並列にダイオードを接き、一方向に動くことがわかる。

続する。

実験結果

図 4 では、左側のダイオードと接続

まず、圧電素子に印加させるノコしている。この時、シュミットトリギリ波形の電圧を実現させるために、ガ回路の出力が正だと電流が抵抗を

図 4 の回路を作成した。

通らずにダイオードを通って積分回路まで流れることにより、急速にコンデンサに充電が行われる。逆に出力が負の場合ダイオードに電流が流れずに抵抗に流れてから積分回路まで流れることにより、徐々に充電が行われる。このようにすることで、電圧が上昇する時間と下降する時間に違いが生じ、ノコギリ波を発生す

図4

ノコギリ波発生回路

ることができる。今回の場合は徐々

この回路は、オペアンプを 2 つ使いに電圧が上昇していき、急峻に電圧それぞれの出力を他方の入力と接続が下降するよう波形になる。また、させる。上のオペアンプは積分回路逆向きのダイオードに接続することの振る舞いを行い、下のオペアンプで、電圧が急峻に上昇していき、徐々はヒステリシスを持つシュミットトに電圧が下降していくような逆のノコギリ波が発生する。

青プロットは正の向きに進み、オレ次に、このノコギリ波を圧電素子

ンジプロットは負の向きに進む速度に印加したときのアクチュエータのである。

動きを観測する。図 5 のような実験

ここでは、どちらも速度が周波数に系を作成し、観測を行った。

比例していることがわかる。比例関係になる理由としては、このアクチ
ュエータは一つのノコギリ波で動く距離が決まっているので、周波数が上がることで 1 秒間あたりに発生するノコギリ波の数が多くなると進む速度が速くなると考えられる。

図5

実験系

次に、100Hz 以降の周波数で測定アクチュエータに印加した電圧の波を行った結果を図 7 に示す。

形をオシロスコープで確認しながら、1.4周波数を変化させて実験を行った。

1.2

ここで、カメラは 2 秒間シャッターることで、画像には 2 つの影が残ることになり、その間の距離を測ることで速度を求めた。

1速度 (mm/s)

を開け LED の点滅を 1 秒間隔です

0.8
正負0.60.4

まず、100Hz 以下の低い周波数で測定を行った結果を図 6 に示す。

0.200.700.6500

1000 1500
周波数 (Hz)2000

図 6 のような速度と周波数の比例は0.5見られなかった。200~400Hz 程度の速度 (mm/s)

0.4

周波数で速度が最高となっていた。

0.3

比例関係が見られなかった理由とし0.2ては、周波数が高くなると圧電素子0.1の伝達関数の影響や、作成した構造

0020406080
周波数 (Hz)

図 6 低周波数での速度100との共鳴が起こり、振動がうまく伝わらなかったからだと考えられる。

4.

まとめ
今回の研究では、非対称の振動を作成しそれを圧電素子に印加させることで、アクチュエータの動きの解参考文献析をすることができた。低い周波数

1. 吉田龍一、岡本素弘、岡田浩幸 :では、周波数に速度が比例していた。

スムーズインパクト駆動機構のしかし、周波数を高くしていっても開発 (第 2 報) 精密工学会誌

思うような比例関係を得ることがで(2002) p536-541

きなかった。さらに、アクチュエー

5.

6.

2. 岡本素弘、吉田龍一 :圧電リニア

タの動きは摩擦に大きく影響される。

アクチュエータの開発 電気通信

今回の実験では、アルミニウム板の大学論文誌上で動きの観測を行ったが素材を変

3. K.Nakano : Two dimensionless

えることによっての変化等も観測しparameters controlling theていきたい。電圧の上昇と下降の時

occurrence of stick-slip motion間の比率によって速度に違いが生じ

un a 1-DOF system with

ることがわかった。

Coulomb friction Tribology

展望

Letters,Vol.24,No2,November

今回の実験では、圧電素子を一つ使

2006 DOI:10.1007 P91-98

用したアクチュエータの動きを観測

4. 袴田

恵世 : stick-slip アクチ

したが、圧電素子を 3 つ使用するアュエータに関する文献調査 5.

クチュエータを作成することで 2 次

Massimo Banzi : Arduino を始元の動きを実現する。圧電素子 1 つめよう第 2 版 オーム社 2012のときには動きは 1 次元の動きしか実現することができないが、3 つ使うことで動きを 2 次元方向の並進運動＋回転に動きを拡張することができると考えられる。さらに、これをesp8266 という wifi モジュールをすることで、このアクチュエータの動きを制御したりすることや、センサーをつけて、速度を観測させたりすることで IoT を実現させていきたい。