" 研究内容の紹介 -信州大学 水野・卜研究室-

アクチュエータ(LOA)グループ

↓リニア直流モータ試作機 ↓FPEGシステムの概略図
↑リニア直流モータ実験風景 ↑マルチ可動子を有する 振動アクチュエータ


  • アクチュエータグループの紹介

     電気エネルギーを機械エネルギーに変換するアクチュエータと,機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機の研究を行っている。アクチュエータの高速応答化,小形化および発電機の高効率化,小形化を目標としている。

  • アクチュエータグループ 研究内容

    (1) 高速応答を目標としたリニア直流モータの検討

       リニア直流モータ(以下,LDM)は,電気エネルギーを機械エネルギーに変換することで負荷に対して直線的な運動を与える装置です。現在,リニアモータは産業分野において広く浸透し,様々な応用がなされています。特にリニア直流モータ(LDM)は100 mm以下の単ストローク・高速応答を要求される駆動分野に適応されることが多いです。
       この研究では,レーザマーカにおけるレーザ焦点の調整にLDMを用いることで,レーザマーカの文字の印字を正確化,高速化することを目的としています。LDMをサーボ制御する際に,重要となる項目はLDMの応答性です。応答性の改善には,電気的特性や可動子の剛性などの改善が重要となっています。
       上記の課題を解決するために,3DCADと電磁界解析ソフトを用いてLDMの構造の提案および設計を行い,実際に試作をして特性の評価を行います。また,設計値と実測値の比較をすることで設計手法の確立を目指しています。
      図1 リニア直流モータの試作機
      投稿論文:

      [1] 河合 亮典,三浦 大知,卜 穎剛,水野 勉,丸山 利喜,寺島 智樹:機構学的観点に着目したリニア直流モータの応答性に関する研究,マグネティックス/モータドライブ/リニアドライブ合同研究会資料,MAG-16-173,MD-16-113,LD-16-127,pp. 69-74,2016.

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    (2) マルチ可動子を有する光スキャナ用共振形高速振動アクチュエータの研究

       光スキャナとはレーザ光を走査させるデバイスで,図1に示したバーコードリーダなどのスキャナ分野に広く利用されています。従来,光スキャナにはポリゴンミラー形やMEMSミラー形が用いられています。これらには小型化が困難であるという課題があります。
       そこで,図2に示したマルチ可動子を有する共振形高速振動アクチュエータの提案を行っています。本構造は平面構造に設計されており,デバイスの薄型化ができます。アクチュエータの可動部は可動子1,2,3の三つ可動部を有するので,マルチ可動子と呼んでいます。可動子3は反射ミラーとなり,光走査の役割があります。可動子1は駆動部となり,永久磁石を左右対称に配置して,永久磁石の対向にある固定部にコイルとヨークが設けられています。中央にあるミラー可動部はねじりばねを介して固定部と連結しています。
       周波数を切り替えて,アクチュエータの駆動できるようなめ構造の提案および設計を行っています。
      図1 バーコードリーダの基本構造
      図2 マルチ可動子を有する共振形高速振動アクチュエータ

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    (3) フリーピストンエンジンリニア発電(FPEG)システムの高効率化を
    目標とした研究

       私達が研究しているテーマはフリーピストンエンジンリニア発電(以下,FPEG)システムと呼ばれる次世代ハイブリッド自動車のシステムです。システムの構成としては,フリーピストンとリニア発電機にて構成されており,フリーピストンエンジンはクランク機構が無い往復運動式の内燃機関です。燃焼力を利用して,永久磁石を取り付けたピストンを往復運動させてリニア発電機で電力を取り出しています。
       このシステムは,レンジエクステンダー自動車として期待されており,安定して出力を取り出すことが出来れば,ガソリン車や電気自動車のシステム効率を大幅に上回るシステムと期待できます。現在行っている研究として,ハイブリッド自動車や電気自動車のシステム効率を上回ることを目標に,シミュレーションソフト(MATLAB simulink)を用いてFPEGシステムの動作の模擬とシステム効率の計算,電磁界解析ソフト(JMAG)を用いてフリーピストンエンジンの設計,電磁界解析を行っています。
      図1 FPEGシステムの概略図
      図2 FPEGシステムのエネルギーフロー
      投稿論文:
      [1]佐藤 光秀、河合 亮典、卜 穎剛、水野 勉:「フリーピストンエンジンリニア発電システムの出力計算」,電気学会研究会資料,LD, リニアドライブ研究会,LD-16-036, pp.89-93(2016)
      [2]佐藤 光秀、山中 雄一朗、村田 紘庸、河合 亮典、卜 穎剛、水野 勉:「フリーピストンエンジンリニア発電システムの効率シミュレーション」電気学会研究会資料,LD, リニアドライブ研究会,LD-16-123, pp.63-68(2016)
      [3]山中 雄一朗、佐藤 光秀、村田 紘庸、河合 亮典、卜 穎剛、水野 勉:「フリーピストンエンジンリニア発電システムの動作周波数と電気的時定数」電気学会研究会資料,LD, リニアドライブ研究会,LD-16-125, pp.69-74(2016)

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