近畿大学次世代基盤技術研究所

平成27年度採択課題の紹介１

パワー密度が世界最高性能の小型アクチュエータの開発
近畿大学 次世代基盤技術研究所
特任教授

矢野智昭

先進製造プロセス研究部門
マイクロ加工システム研究グループ
近畿大学次世代基盤技術研究所

目次• アクチュエータ研究の現状• アクチュエータへの期待• アクチュエータで採択された課題• パワー密度が世界最高性能のアクチュエータの開発• まとめ

第2回宇宙探査イノベーションフォーラム 2016.3.29

先進製造プロセス研究部門
マイクロ加工システム研究グループ
近畿大学次世代基盤技術研究所

目次• アクチュエータ研究の現状• アクチュエータへの期待• アクチュエータで採択された課題• パワー密度が世界最高性能のアクチュエータの開発• まとめ

第2回宇宙探査イノベーションフォーラム 2016.3.29

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電磁アクチュエータの応用範囲
輸送

土木

工作機械

民生

オフィス

医療福祉

鉄道、
自動車、
船舶、
飛行機

建機、
免震装置

多軸マシン、
ステージ
搬送
屋内クレーン

エアコン
冷蔵庫
洗濯機
ドライヤー
歯ブラシ
健康機器
携帯電話

エアコン
プリンタ
冷却ファン

手術ロボット体内カプセル
能動鉗子
能動カテーテル
人工心臓
MRI駆動
VR

農業
野菜工場、耕耘機空調
リニア新幹線
３５MW/1編成（原子力発電所の発電機 １０００ＭＶＡ)

発電機

望遠鏡
アンテナ
レーザ走査
スキャナ
カメラ駆動
顕微鏡ピントマイクロステージ

宇宙ローバー
アンテナ
居住区建設
探査装置
噴射装置

Intuitive Surgical
Da Vinci Si

ドローン
原子力、水力、風力、
火力
自家発電
タービン

センサ

ParrotRoling Spider

ロボット

産総研HRP-4c

マイクロ・ナノモータ

カーボンナノコイル
Φ1μm以下,長さ10-30μm電動機（電力消費の60%以上）
電磁気学（マクスウェルの電磁方程式）
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動力計

センサ

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電磁アクチュエータのサイズ
巨大化：発電機として大型のものが作成されている（原子力発電所の発電機 １０００ＭＶＡ)
電動機も、用途があれば可能

リニアモータ３５MW/1編成
小型化:軸受とコイル作成方法が課題
マイクロコイルが作成されている

1mm×Φ0.5mm、ピッチ幅10μmの立体マ
イクロコイルと金型マスタPMMA構造体

カーボンナノコイル
Φ1μm以下,長さ10-30μm

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アクチュエータの駆動原理の変遷
1831ファラデー電磁モータ
特徴：
制御性の良さクリーン

高速の一定回転時に効率最大低速駆動には減速機を用いるロボットの関節駆動などの用途には最適なアクチュエータとは言い難い
空気圧
進行波超音波

油圧モータ

多自由度化
高分子ゲル

磁性ゲル
液晶

水素吸蔵合金蒸気機関 1720ニューコメン

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キーワード
・ロボット用アクチュエータ
・人工筋肉
・パワーアクチュエータ
・人間親和型アクチュエータ
・ソフトアクチュエータ
・アクチュエータと機構
・エネルギー効率

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アクチュエータの駆動原理
物理現象

駆動方式

駆動方向

電磁力

誘導モータ,同期モータ,ステッピングモータ,リラクタンス
モータ,ローレンツ力

回転,リニア,平面,球面,非接触,ワブル

静電力誘導モータ,ステッピングモータ,同期モータ,静電気力,積層回転,リニア,平面,円筒,ばね,ワブル

電歪

電歪素子

バイモルフ

磁歪

超磁歪素子（GMM）、衝撃駆動

直進,球面,バイモルフ

圧電効果積層,バイモルフ,フィルム,衝撃駆動

回転,リニア,球面,球面,バイモルフ

圧電超音波・弾性表面波

共振進行波

回転,リニア,平面,球面

形状記憶合金Ti-Ni, Cu-AL-Ni, Fe-Mn-Si

リニア,スプリング

水素吸蔵合金

水素吸蔵合金

伸縮、バイモルフ

空気圧

フレキシブルマイクロアクチュエータ(FMA),ゴム人工筋,風船型,アコーディオン型,拘束によるアメーバ型

回転,リニア,ワブル,任意形状変形,多自由度

流体圧力

油圧,水圧回転,リニア

機能性流体

電場抵抗流体ERF, 磁場抵抗流体MRF, 電界共役流体ECF

回転,リニア光

光圧電,光圧,光ピンセット,エバネッセント場,光熱変形,光造形

回転,リニア,ホールド

高分子重合体

イオン導電性高分子ICPF,電子導電性高分子,電歪ポリマー,高分子ゲル,磁性ゲル,高分子イオンゲル,高分子電解質膜

リニア,任意形状変形

液晶

液晶

変形

化学エネルギー

心筋細胞,有機エンジン

拍動

熱エネルギー

バイメタル,衝撃駆動

揺動,リニア

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アクチュエータの研究領域と組織
静電エネルギー
静電
熱電
蛍光
蛋白質
有機・
バイオ
高分子
重合体

化学エネルギー

光電効果
機能性流体 磁気エネルギー
光音響効果
電磁
形状記憶合金
圧電・電歪
表面弾性波
電解伸縮
超磁歪
光応答性
高分子

水素吸蔵合金
熱収縮
高分子

電気エネルギー

熱膨張
光熱効果

熱エネルギー

光放射圧

ワイヤ牽引

光エネルギー

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空気圧・油圧先進製造プロセス研究部門
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アクチュエータの研究領域と組織
電気学会センサ･マイクロマシン部門
静電エネルギー
静電
熱電 日本機械学会機素潤滑設計部門
光電効果
機能性流体 磁気エネルギー
アクチュエータシステム技術企画委員会
光音響効果
電気学会MDD委員会
電磁蛍光
化学エネルギー 形状記憶合金
圧電・電歪蛋白質
異分野融合型次世代デバイ
表面弾性波
電解伸縮
科研費特定領域研究
超磁歪ス製造技術開発プロジェク「ブレイクスルーを生み出す次世代アクチュエータ」
有機・トBEANS研究所
光応答性
バイオ
水素吸蔵合金 高分子
電気エネルギー
空気圧・油圧高分子科研費特定領域研究
精密工学会超精密位置
熱収縮
重合体「マルチスケール操作によるシステム細胞工学」
決め専門委員会
高分子
熱膨張
ワイヤ牽引
光放射圧
計測自動制御学会システムインテグレーション部門
光熱
ソフトマテリアル応用部会 効果

熱エネルギー

光エネルギー

アクチュエータの研究が多様な組織に分散されている

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ブレイクスルーを生み出す次世代アクチュエータ• 科研費特定領域438「ブレイクスルーを生み出す次世代アクチュエータ研究」（2004-2009年度）• http://yokota-www.pi.titech.ac.jp/Acto%20Files/Actuatorindex.html
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目次• アクチュエータ研究の現状• アクチュエータへの期待• アクチュエータで採択された課題• パワー密度が世界最高性能のアクチュエー
タの開発
• まとめ

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先進製造プロセス研究部門
マイクロ加工システム研究グループ
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シナリオ別温室効果ガス排出量（左図）と地上気温上昇（右図）
SRES ：Special Report on Emission Scenarios ：排出シナリオに関する特別報告

A1FI
A2

4.0℃

A2
A1B
A1B

B1

B2
B1

1.8℃

A1T

＜AR4 SYR SPM 図SPM3＞
A1:高成長型社会＞A1FI→化石エネルギー源重視、A1B→各エネルギー源のバランスを重視、A1T→非化石エネ
ルギー源重視(2100年GDP550兆US$年率2.9%成長、人口71億人（2050年ピーク87億人））
A2：多元化社会 ＞世界経済・政治がブロック化、貿易・人・技術の移動制限、低経済成長、環境への関心が相対的に低い(2100年GDP250兆US$、人口150億人（増加が継続）
B1：持続的発展型社会＞環境保全と経済発展を地球規模で両立、地域格差縮小、2100年のGDP350兆US$、人口71億人（2050年ピーク87億人）
B2:地域共存型社会＞地域的な問題解決、公平性重視、経済成長はやや低い、2100年GDP250兆US$、人口104億人
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地球温暖化問題


京都議定書(1997.12採択．2005.2.16発効)
 温室効果ガス(CO2,CH4・・・)を2008-2012年までに1990年の6%削減



G8サミット（ハイリゲンダム）(2007.6.6-8)
 温室効果ガス(CO2,CH4・・・)を2050年までに（1990年の）50%以上削減


→洞爺湖サミット(2008.7.7-7.9) 上記を確認

IPCC（気候変動に関する政府間パネル）総会 (2014.10.27-31)


統合報告書を承認(デンマーク コペンハーゲン)
 CO2濃度の増加が、地球温暖化の原因



米国と中国、合同記者会見で削減目標を宣言 (2014.11.12)
米国：2025年までに2005年比26～28％減
 中国：2030年を排出量のピークとし、化石燃料以外を20％以上にする


COP21 （パリ）（2015.11.30-12.11） ポスト京都議定書

 2020年以降世界の気候変動・温暖化対策の合意

第2回宇宙探査イノベーションフォーラム 2016.3.29

先進製造プロセス研究部門
マイクロ加工システム研究グループ
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地球温暖化問題
削減目標

基準年

日本
26%（2030年）
 京都議定書(1997.12採択．2005.2.16発効)

2013年

欧州連合（EU)
40%（2030年）20%（2020年）
1990年
 温室効果ガス(CO2,CH4・・・)を2008-2012年までに1990年の6%削減
G8サミット（ハイリゲンダム）(2007.6.6-8)
ドイツ
80～95%（2050年）40％（2020年）

1990年
 温室効果ガス(CO2,CH4・・・)を2050年までに（1990年の）50%以上削
中国
60%～65%（2030年）GDP比
2005年
減
インド
33%～35％（2030年）GDP比2005年
 →洞爺湖サミット(2008.7.7-7.9)
上記を確認

イギリス



34%以上
1990年
IPCC（気候変動に関する政府間パネル）総会(2014.10.27-31)

30%
スウェーデン
 統合報告書を承認(デンマークコペンハーゲン)

1990年

20%
フランス  CO2濃度の増加が、地球温暖化の原因

1990年

40%
ノルウェー
1990年

米国と中国、合同記者会見で削減目標を宣言(2014.11.12)
 米国：2025年までに2005年比26～28％減
ロシア
25%～30%(2030年)

1990年

米国 中国：2030年を排出量のピークとし、化石燃料以外を20％以上にする
26%～28%(2025年）
2005年
 COP21 （パリ）（2015.11.30-12.11） ポスト京都議定書
20%
カナダ
2006年
 2020年以降世界の気候変動・温暖化対策の合意
オーストラリア
5%～25%
2000年韓国

30%

対策なしと比較して

ブラジル

36.1%～38.9%
第2回宇宙探査イノベーションフォーラム 2016.3.29 対策なしと比較して

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マイクロ加工システム研究グループ
近畿大学次世代基盤技術研究所

国連気候変動枠組み条約事務局（10月30日）
・10月1日現在：147ヶ国(全世界の86％にあたる)が削減目標を提出した・目標を達成すれば、2030年に世界の排出量は40億トン/年減少する
・しかし、気温上昇を2度以内に抑える削減量と比較すると35%多い
・目標を達成しない場合は、今世紀末に最大4.8度上昇
する
・目標を達成しても、気温上昇は3度前後になる
・産業革命後の気温上昇を2度以内に抑えないと、世界は壊滅的な打撃を受ける
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モータの消費電力比率

新機能素子研究開発協会の資料を基に日経エレクトロニクス2011年5月2日号作成
第2回宇宙探査イノベーションフォーラム 2016.3.29

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近畿大学次世代基盤技術研究所モータに省エネルギー規制


経済産業省 第１６回省エネルギー部会でモータの省エネルギー規制を検討することに決定① モータは国内で毎年１千万台弱出荷されており、１億台超もの台数が国内にて普及している。これらモータの多くは、各種産業用機械において使用されている。
② モータによる電力消費量は、我が国における産業用電力消費量（約４９百億kWh）の約７５％と推計されている。また、電力消費量全体（約１兆kWh）の５０％超を占めており、我が国のエネルギー消費の相当量を消費している。
③ 欧米では高効率化が進んでいるのに対し、我が国は、効率規制が取られておらず、高効率化が進んでいない。
【省エネ効果】
すべてのモータが高効率モータに転換した場合、年間約１５５億kWh、約５００万ｔ-CO2 が削減される。（我が国電力消費量全体の約１．５%、温室効果ガス排出量（１２億８２百万t）の約０．４%に相当）
以上から、新たにトップランナー基準の対象機器へ追加することとし、基準策定のための小委員会を設置する。
２０１１年１月２４日
日本経済新聞
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目次• アクチュエータ研究の現状• アクチュエータへの期待• アクチュエータで採択された課題• パワー密度が世界最高性能のアクチュエー
タの開発
• まとめ

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採択課題
研究名:次世代アクチュエータの研究開発(5件)
パワー密度が世界最高の小型アクチュエータの開発 近畿大学

矢野 智昭

次世代アクチュエータ用超小型高精度絶対角度セン
エクストコム株式会社
サ変調波レゾルバの開発

千野 忠男

医療福祉機器向け
小型高トルクアクチュエータの開発

株式会社安川電機

横山 和彦

超高出力密度を実現する流体系スマートアクチュ
エータシステムの開発と実用化検討

株式会社明治ゴム化成 寺嶋 隆史
学校法人中央大学
中村 太郎

ダブルステータ型耐環境高効率電磁モータの研究

並木精密宝石株式会社 楢崎 雄一

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目次• アクチュエータ研究の現状• アクチュエータへの期待• アクチュエータで採択された課題• パワー密度が世界最高性能のアクチュエー
タの開発
• まとめ

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電磁アクチュエータの発生力/質量比
1.E+03回転アクチュエータの発生力 [Nm]1.E+02
1.E+01
1.E+00
1.E-01
宮入庄太,エネルギー変換工学入門(上),丸善株式会社,pp.28-31,1963

1.E-02
1.E-03
1.E-04
1.E-05
1.E-06
1.E-07

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

回転アクチュエータの質量 [kg]
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1.E+01

1.E+02

1.E+03

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マイクロ加工システム研究グループ
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永久磁石の発展

http://home.jeita.or.jp/ecb/material/no001.html（NEOMAX-HP)
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パワー密度が世界最高の小型アクチュエータの開発• 目標– 質量25gで出力50wの電磁モータを開発する• 新明和工業株式会社• 国立大学法人大分大学• 学校法人文理学園日本文理大学• 国立大学法人茨城大学• 国立大学法人静岡大学
第2回宇宙探査イノベーションフォーラム 2016.3.29

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まとめ• 電磁アクチュエータは多様であり、さまざまな分野で使用されている• さまざまな駆動原理のアクチュエータ研究が進んでいる• 地球環境保全のキーテクノロジーである• 採択課題は電磁アクチュエータと新駆動原理アクチュエータから構成されている• 従来技術の延長線ではなく、飛躍的に性能を向上させる目標設定をしている
第2回宇宙探査イノベーションフォーラム 2016.3.29