システム技術開発調査研究 18-Ｒ-8
航空機等輸送系機械システム用 革新的アクチュエータシステムに関する
調査研究報告書
― 要 旨 ―
平成１９年３月
財 団 法 人 機 械 シ ス テ ム 振 興 協 会 委託先 財団法人 次世代金属･複合材料研究開発協会
この事業は、競輪の補助金を受けて実施したものです。
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目 次
序
はじめに
１．調査研究の目的 ···1
２．調査研究の実施体制 ···2
３．調査研究成果の要約 ···5
３-１．アクチュエータ材料の調査···5
３．１．１ 圧電セラミックス ···8
３．１．２ 形状記憶合金 ···8
３．１．３ 磁歪材料···8
３．１．４ 高分子系・静電型アクチュエータ···8
３-２．アクチュエーション機構／可変構造の調査···9
３-３．技術課題···20
３-４．提言 ···22
４．調査研究の今後の課題及び展開···23
４-１．はじめに ···23
４-２．航空機用革新的アクチュエータシステムの研究課題···23
４．２．１ モーフィング···23
４．２．２ 振動・騒音制御···23
４．２．３ 操縦系統・代替油圧システム···24
４．２．４ 損傷制御···24
４-３．今後の展開···24
序
わが国経済の安定成長への推進にあたり、機械情報産業をめぐる経済的、社会 的諸条件は急 速な変化を見せており、社会生活における環境、防災、都市、住宅、福祉、教育等、直面する問題 の解決を図るためには、技術開発力の強化に加えて、ますます多様化、高度化する社会的ニーズ に適応する機械情報システムの研究開発が必要であります。
このような社会情勢に対応し、各方面の要請に応 えるため、財団法人 機械システム振興協会で は、日本自転車振興会から機械工業振興資金の交付を受けて、機械システムの調査研究等に関 する補助事業、新機械システム普及促進補助事業を実施しております。
特に、システム開発に関する事業を効果的に推進するためには、国内外における先端技術、ある いはシステム統合化技術に関する調査研究を先行して実施する必要がありますので、当協会に総 合システム調査開発委員会（委員長 政策研究院 リサーチフェロー 藤正 巖氏）を設置し、同委 員会のご指導のもとにシステム技術開発に関する調査研究事業を実施しております。
この「航空機等輸送系機械システム用革新的アクチュエータシステムに関する調査研究報告書」
は、上記事業の一環として、当協会が財団法人次世代金属・複合材料研究開発協会に委託して 実施した調査研究の成果であります。
今後、機械情報産業に関する諸施策が展開されていくうえで、本調査研究の成果が一つの礎石 として役立てば幸いであります。
平成１９年３月
財団法人機械システム振興協会
はじめに
地球にやさしく、資源やエネルギーは浪費しないという命題は工業製品の製造並びに使用にも 課せられており、技術革新が必要となります。当協会は、優れた性質を有する革新的な金属・複 合材料の研究開発及びその成果の普及を通じて産業の振興、発展に寄与することを目指してい ます。
近年、環境保護や省エネルギーに対する関心の高まり、エアラインの価格競争の激化、原油 価格の高騰等の理由により、航空機に対する軽量化、低抵抗化等による燃費低減への要求はま すます厳しくなっており、小型軽量化アクチュエータやモーフィングを可能とする革新的アクチュ エータ材料ならびにシステム技術が将来の航空機への適用が期待されております。このことから 当協会は、「航空機等輸送系システム用アクチュエータシステムに関する調査研究」を財団法人 機械システム振興協会より受託し、東北大学教授福永久雄氏を委員長とし、当該分野の有識者 で構成する調査委員会及び作業部会を設置し、シーズ技術、技術課題及び用途等に関し調査 研究を実施する運びとなりました。
本報告書は、上述の調査研究体制の下に調査、検討した結果及び次期調査研究への提言を とりまとめたものであります。本報告書が関係分野の技術開発に役立つことを願うものであります。
最後に、調査、検討に際しご指導いただきました経済産業省航空機武器宇宙産業課、（財）機 械システム振興協会及び委員会の関係各位に深甚の謝意を表します。
平成１９年３月
財団法人 次世代金属・複合材料研究開発協会
１．調査研究の目的
近年、環境保護や省エネルギーに対する関心の高まり、エアラインの価格競争の激化、原油 価格の高騰等の理由により、航空機に対する軽量化、低抵抗化等による燃費低減への要求は ますます厳しくなっている。本調査研究が対象としている、小型軽量化アクチュエータやモーフィ ングを可能とする革新的アクチュエータ材料ならびにシステム技術は、これらの要求を実現する 上で、革新的な技術であり、将来の航空機への適用が期待される。従って、我が国がこの分野 において諸外国に先行し、国際競争力の源泉としていくことが必要である。
航空機制御系の軽量化は近年フライバイワイヤ化、サーボアクチュエータ化することで長大な 油圧配管をなくす方向で進歩してきたが、更に小型軽量化したアクチュエータや機体外形形状 のモーフィング（機体形状の自在変形、可変構造）の実現が望まれている。これを実現するため の基礎的技術として、材料への電位差負荷や磁歪などにより材料そのものが形状変化する性質 を持つ革新的アクチュエータ材料ならびに可動システムが注目されている。
本調査研究では、国内外におけるこれらの現状と動向を調査・分析するとともに、調査結果に 基づき、航空機をはじめとする輸送系機械システムの軽量化等、運航効率向上を実現するため の「革新的アクチュエータシステム」の技術課題を抽出･整理して､わが国における今後の研究開 発の進め方を取りまとめ提案することを目的とする。
２．調査研究の実施体制
２．１ 実施体制
国内外の研究動向調査・情報収集などの調査研究を実施するにあたり、（財）機械システム振 興協会内に総合システム調査開発委員会を、（財）次世代金属･複合材料研究開発協会内に大 学及び関連企業における学識経験者による調査委員会を組織し、調査の効率化と充実化を図る とともに、研究開発方向の指針、提言の作成、ならびに調査報告書の取りまとめを行った。
委員会の下部組織となるワーキンググループ（部会）として、アクチュエータ材料部会及びアク チュエータシステム部会を設置し、それぞれの分野においての詳細調査を実施するとともに研究 課題を抽出した。
２．２ 実施体制図
委託
アクチュエータ材料部会 (財) 次世代金属・複合材料研究開発協会
調査委員会
アクチュエータシステム部会
財団法人 機械システム振興協会 総合システム調査開発委員会
総 合 シ ス テ ム 調 査 開 発 委 員 会 委 員 名 簿
（ 順 不 同 ・ 敬 称 略 ）
委 員 長 政 策 研 究 院 藤 正 巖 リ サ ー チ フ ェ ロ ー
委 員 埼 玉 大 学 太 田 公 廣 地 域 共 同 研 究 セ ン タ ー
教 授
委 員 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 金 丸 正 剛 エ レ ク ト ロ ニ ク ス 研 究 部 門
副 研 究 部 門 長
委 員 独 立 行 政 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 志 村 洋 文 産 学 官 連 携 部 門
コ ー デ ィ ネ ー タ
委 員 東 北 大 学 中 島 一 郎 未来科学技術共同研究センター
センター長
委 員 東 京 工 業 大 学 大 学 院 廣 田 薫 総 合 理 工 学 研 究 科
教 授
委 員 東 京 大 学 大 学 院 藤 岡 健 彦 工 学 系 研 究 科
助 教 授
委 員 東 京 大 学 大 学 院 大 和 裕 幸 新 領 域 創 成 科 学 研 究 科
教 授
革新アクチュエータ調査委員会委員名簿
(順不同・敬称略）
委員長 福永 久雄 東北大学大学院 工学系研究科 航空宇宙工学専攻 教授
委員 古屋 泰文 弘前大学理工学部 知能機械システム工学科 教授
委員 樋口 俊郎 東京大学大学院 工学系研究科 精密機械工学専攻 教授
委員 浅沼 博 千葉大学工学部 電子機械工学科 助教授
委員 和田 大志 横浜国立大学大学院 工学系研究院 システムの創生部門 助教授
委員 高橋 弘文 株式会社富士セラミックス 開発部 課長
委員 今泉 伸夫 並木精密宝石株式会社 取締役兼ＮＪＣ技術研究所 所長
委員 佐藤 宏司 （独）産業技術総合研究所 評価部 レビューマネージャー 先進製造プロセス研究部門 部門付 （兼任）
委員 池田 忠繁 名古屋大学 大学院工学系研究科 航空宇宙工学専攻 助教授
委員 青木 隆平 東京大学 大学院 工学系研究科 航空宇宙工学専攻 教授
委員 岡部 洋二 東京大学 大学院 工学系研究科 航空宇宙工学専攻 助教授
委員 槙原 幹十朗 (独)宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部 宇宙航空プロジェクト研究員
委員 長畑 正史 三菱重工業株式会社 名古屋航空宇宙システム製作所 研究部 主席研究員
委員 廣瀬 康夫 川崎重工業株式会社 航空宇宙カンパニー 技術本部 民間航空機設計部 上級専門職
委員 磯 英雄 富士重工業株式会社 航空宇宙カンパニー 研究部 空力制御設計課 担当
委員 町田 茂 (独)宇宙航空研究開発機構 航空プログラムグループ 運航・安全技術チーム 構造評価技術セクション リーダー 事務局 越岡 康弘 (財)次世代金属・複合材料研究開発協会
複合材料技術部 主幹研究員
事務局 田島 直之 (財)次世代金属・複合材料研究開発協会 複合材料技術部 主幹研究員
事務局 櫻井 建夫 (財)次世代金属・複合材料研究開発協会 複合材料技術部 主幹研究員
３．調査研究成果の要約
航空機等輸送系機械システム用革新的アクチュエータシステムを対象として、NEDO プロジェク ト「知的材料・構造システムの研究開発」以降のこの数年の革新アクチュエータ材料の進歩、およ び、国内外での革新アクチュエータシステムの開発状況について、最新の動向を調査した。
３．１ アクチュエータ材料の調査
文献・資料情報等を調査するほか、国内外の学会への出席や研究機関訪問による情報収集 により技術開発動向を調査した。
高分子ﾎﾟﾘﾏｰ系材料、圧電素子（PZT）、形状記憶合金（Shape Memory Alloy : SMA）、磁歪合 金、静電アクチュエータ材料に関し、アクチュエータ材料の変形速度、変位歪量、変形応力、応 答速度等のアクチュエータ特性について整理し、その特性からアクチュエータシステムとして航空 機分野の適用候補を抽出すると共に、機構、検討課題についてまとめた（表 3.1-1）。
その結果、形状記憶合金（SMA）、静電アクチュエータ材料、圧電素子（PZT）が航空機の空力 特性の改善に利用可能であり、特にわが国の形状記憶合金（SMA）、圧電素子（PZT）が能力的 に高いレベルにあること、静電アクチュエータはわが国独自のアクチュエータ材料であることが分 かった。
従来のアクチュエーション機構は、電磁モータや油圧システムのように、大出力、集中型が主で ある。一方、革新的アククエータシステムでは、材料自体の変形応答機能を活かした小出力、分 散型のアクチュエーション機構であり、従来にはない機能、性能を実現することを目指している。こ のような革新アクチュエータ材料として、形状記憶合金、圧電素子、磁歪材料、高分子アクチュエ ータ材料などがある。これらアクチュエータ材料は、その材料毎に特徴のある機能、性能（変位量、
パワー、応答速度）を有し、大幅に小型化・軽量化されたアクチュエータシステムが期待できる。
表 3.1-１ 航空機分野への適用候補アクチュエータ材料の特性とシステム化のための検討課題
アクチュエータ材料 歪量 応力(MPa) 応答速度 適用候補（最適な適用の組み合わせ）１） 機構の検討課題
高分子アクチュエー
タ材料 ～200％ 数 MPa 数 100Hz 境界層制御
○ｱﾀﾞﾌﾟﾃｨﾌﾟｳｨﾝｸﾞ（テンセグリッド）
駆動力の拡大
（バンドル化）
圧電素子（PZT） ～数％ 100MPa 数 10KHz
◎境界層制御
○騒音・振動低減
ヘリブレード制御（ＩＢＣ）
○燃料噴射バルブ
変位量の拡大機構
形状記憶合金
（ＳＭＡ） 数％以上 200MPa ～数Ｈｚ ◎境界層制御
ｱﾀﾞﾌﾟﾃｨﾌﾞｳｨﾝｸﾞ（テンセグリッド）
駆動速度の改善 変位量の任意制御
磁歪 ～１％ ～100MPa 数 10KHz ○境界層制御 変位量の拡大
ｴﾈﾙｷﾞｰ効率改善
静電ｱｸﾁｭｴｰﾀ 無制限 数 MPa
（積層数任意） 数１０Hz ◎航空機操縦舵面
○ｱﾀﾞﾌﾟﾃｨﾌﾞｳｨﾝｸﾞ
多層化による駆動力増大 高電圧制御装置開発
凡例 １）：◎・・最適， ○・・有望， 無印・・適用可能
図 3.1-1 に、代表的革新アクチュエータ材料の特性をまとめて示す。各アクチュエータ 材料は、変位量、パワー、応答速度等の機能・性能が非常に異なるため、適材適所の選択 が重要である。さらに、各アクチュエータを航空機に適用する場合、単一では小型で小出 力のアクチュエータ素子を分散配置させて、それらを連携制御させて全体として効果を出 すことが必要となる。
軽量化可能 駆動力小 応答速度 中
変位量小
変位拡大機構必須 精密制御可能 駆動力非常に大きい
応答速度遅い 精密制御困難
変位量 大
変位量 小
応答速度 高 応答速度
低
静電アクチュエータ 高分子アクチュエータ
圧電セラミクス 磁歪材料
形状記憶合金 (SMA)
軽量化可能 駆動力小 応答速度 中
変位量小
変位拡大機構必須 精密制御可能 駆動力非常に大きい
応答速度遅い 精密制御困難
変位量 大
変位量 小
応答速度 高 応答速度
低
静電アクチュエータ 高分子アクチュエータ
圧電セラミクス 磁歪材料
形状記憶合金 (SMA)
図 3.1-1 革新アクチュエータ材料の特性
革新アクチュエータ材料は、一般に従来型にはない小型・軽量で応答速度の良い利点を 有するが、反面、その変形量は小さく、出力も小さい。個々の革新アクチュエータ材料の 特色と航空機への適用可能箇所を以下に示す。
3.1.1 圧電セラミックス
PZT 等の圧電素子は、その安定した高い機能性（ひずみ、精度、高周波数帯域〉とその小型で 扱いやすさから広く工業製品として実用化されており、航空機用としてのアクチュエータ材料とし て有望である。さらに、PZT を表面に形成させた金属電極埋め込みのファイバ（１００μｍΦ～２０ ０）がわが国で開発されており、まだ、試作品の段階で価格や量産できない状態ではあるが、安定 に入手でき、実機で性能が実証できれ応用分野は広い。圧電素子は、良好な広帯域応答性を活 かして、振動騒音制御、境界層制御、小型フラップ駆動、燃料噴射バルブ等に適用可能である。
価格は量産化、多種類化などで低下してきており、わが国のメーカからのスペック込み入手も容 易である。
3.1.2 形状記憶合金
形状記憶合金（SMA）は、圧電、磁歪等の他のアクチュエータ材料に較べて、非常に大きなパ ワーウェイト比（１００倍以上）と大変形（数％）が取り出せる魅力があるが、応答速度は数 Hz 以下と 小さい。機械的強度は高いため構造要素として荷重もある程度分担できる利点がある。航空機適 用分野としては、準静的なアクチュエーション機構であるモーフィング（テンセグリッド構造、可変 形状シェブロン、Mini-TEDs、フレキシブルウイング、スマートボルテックスジェネレータ）や、損傷 制御等が有望視される。
3.1.3 磁歪材料
磁歪合金は、最近、安価で高い機械的強度と加工性を有する Galfenol が開発されている。磁 歪合金の特長は、PZT に較べて機械的強度が高く、立ち上がり歪エネルギ密度が高い（瞬間的 大パワー出力）ことが挙げられる。一方、電磁コイルを用いるのでアクチュエータ全体での重量増 加、電磁ノイズ漏れ対策、発熱等の問題点がある。一方、近年、早い駆動と力を備えた磁気駆動 型可能な強磁性形状記憶合金が注目されている。磁歪アクチュエータの航空機適用分野として は、境界層制御、油圧用噴射バルブ等が考えられる。
3.1.4 高分子系・静電型アクチュエータ
電気応答高分子アクチュエータ材料は、大変形（～２００％ひずみ）と中程度周波数〈～数百 Hz〉が可能であるが、発生応力（～数 MPa）は小さい。また、使用中の機能劣化も実用上の課題 である。なお、機能性ポリマとしての電気化学反応を利用したスマート遮光板が米国ワシントン大 で開発されて実機装着段階にある。一方、静電容量型アクチュエータは、極板間での相互作用 力は数 MPa であるが、積層数を増やせば長手方向には変位（歪）量は無制限にとれ、発生力も増 大できる。ポリマベースでは剛性は高くはないが、柔軟性と軽量化、薄膜化が可能である。航空機
への適用分野としては、騒音制御、スマート遮光窓、モーフィング等が挙げられる。
従来のアクチュエーション機構は、電磁モータや油圧システムのように、大出力、集中型が主で ある。一方、革新的アククエータシステムでは、材料自体の変形応答機能を活かした小出力、分 散型のアクチュエーション機構であり、従来にはない機能、性能を実現することを目指している。こ のような革新アクチュエータ材料として、形状記憶合金、圧電素子、磁歪材料、高分子アクチュエ ータ材料などがあり、これらアクチュエータ材料は、その材料毎に特徴のある機能、性能（図 3.1- １）を有し、大幅に小型化・軽量化されたアクチュエータシステムが期待できる。各アクチュエータ 材料は、変位量、パワー、応答速度等の機能・性能が非常に異なるため、適材適所の選択が重 要である。さらに、各アクチュエータを航空機に適用する場合、単一では小型で小出力のアクチュ エータ素子を分散配置させて、それらを連携制御させて全体として効果を出すことが必要となる。
３．２ アクチュエーション機構／可変構造の調査
革新的アクチュエータシステムの航空機への適用可能性を検討するために、モーフィング、振 動・騒音制御、操縦・脚・油圧系統、損傷制御の４テーマに焦点を絞り、最新の研究動向調査お よび需要調査を行った。図 3.2-1 に示す①はわが国で開発された圧電セラミックスによるエネルギ 回生準能動制御、②はヒンジ型のフラップキャンバを、テンセグリッドを用いて変化させるモーフィ ング機構、③は形状記憶合金（SMA）によるスマートボルテックスジェネレータ（わが国で開発）、④ は軽量で信頼の高い圧電材料を用いた油圧バルブのフラッパ、⑤は衝撃緩和および形状回復 可能な SMA ハニカム構造（わが国で開発）である。
代表的なシステムの効果、仕様を表 3.2-1 にまとめた。この表中のアクチュエータ仕様は、実際 の試験で用いたアクチュエータの仕様または表に示した効果を得るために要求されるアクチュエ ータの仕様を示した。
SMA や圧電セラミックス等の機能性材料を利用することにより、従来技術からの飛躍的な重量 軽減・性能向上や機構の簡略化が期待され、主に小型無人機を念頭においた研究開発が欧米 で盛んに行われている。わが国でも、翼周りの剥離流に関するスマート制御や、飛行状態に応じ て翼のキャンバを変えることのできる複合材翼について、風洞試験が行われている。現状では輸 送機等の民間航空機の主翼や高揚力装置等の大きな構造に対して本技術を適用できる水準に は至っていないが、小型フラップ（Mini-TEDs：図 3.2-2）や MEMS ジェット・アクチュエータ
（図 3.2-3）、スマートボルテックスジェネレータ（図 3.2-4）のような局所的な空気力制御によって航 空機の性能改善が期待できる。
近年、アクチュエータ素子の性能、エレクトロニクス技術、デジタル信号処理技術の向上などに より、能動・準能動制御の実機への適用が現実のものとなりつつある。たとえば、わが国では NEDO プロジェクト「知的材料・構造システムの研究開発」において、形状記憶合金（SMA）による 振動減衰性能の向上技術や、PZT を用いた機内騒音低減技術の開発が行われた。また、最近、
わが国で開発されたエネルギ回生型準能動手法（図 3.2-5）は、準能動的手法の安定性や外部 エネルギが不要という長所は保持しつつ、その制御効果を高めた手法であり有望な手法として注 目されている。航空機を対象に、Boeing を中心として QTD（Quiet Technology Demonstrator）プロ グラムが進んでおり、2005 年に実施された QTD2 実証試験では、７７７型機を使用して図 3.2-6 に
示すシェブロンノズルとともに、エンジン・インレットおよび降着装置に関する騒音軽減技術の実証 を行っている。また、航空機のうちでも特に回転翼航空機では、振動・騒音が大きな問題となって おり、フラップを用いたローターの振動制御（図 3.2-7）が行われている。
サーボバルブはアンティスキッドコントロールに使用されているが、ほとんどの制御は、ソレノイド バルブで制御する方向制御弁で行われている。この電磁石の部分を圧電素子等の新素材に変 更すれば、電磁石の重量が軽量化され、速い応答にも適用できる。 また、革新油圧ポンプでは、
ピストン運動に圧電素子や磁歪素子が用いられている。
近年、CFRP 複合材料の損傷検知を目的としたヘルスモニタリング技術に関する研究が急速に 進められている。一方、損傷を検知するだけではなく、アクチュエータを組み込んでおくことで積 極的に損傷を制御する技術が有効となる。たとえば、SMA ワイヤを樹脂に埋め込んだ補修パッチ に関する研究が海外で行われている。また、わが国でも、サンドイッチパネルコア用に SMA ハニカ ム（図 3.2-8）が開発され、低速衝撃による複合材料中の層間剥離の発生の抑制と形状回復効果 が示されている。
図 3.2-1 革新アクチュエータシステムの航空機への適用例
表 3.2-1 革新アクチュエータシステムの効果と用いるアクチュエータの仕様 (1) モーフィング
システム名 効果 アクチュエータ仕様
(a) テンセグリッド構造 翼のキャンバの変化 ワイヤ 20%程度伸縮
(b) Mini-TEDs：
Mini-Trailing Edge Devices
（A340 試験機）
L/D の 5-10%増加
進入角度 2°増加（騒音レベル 40%低減）
など
トルク 100-150 Nm 周波数 200 Hz
(c) ジェット・アクチュエータ
（実大要素模型）
CLmax 0.2-0.4 増加など ジェット径 200-300 m 速度 300 m/s
周波数 1-2 kHz (d) フレキシブルウイング
（ 翼 模 型 ： コ ー ド 長 0.2m 、 ス パ ン 0.55m）
翼のキャンバの変化 駆動角度 0-30 o 角速度 0.98, 3.93 o/s 駆動トルク 0.36 Nm (e) スマートボルテックス
ジェネレータ
（実機を想定）
スラット、フラップによる揚力増加補助など SMA 2 方向性 5%歪程度以上 変態温度 40℃程度
温度ヒステリシス 5℃程度以下
(2) 振動・騒音・空力弾性制御
システム名 効果 アクチュエータ仕様
(a) エネルギ回生準能動制御デモンストレー タ
（一端固定他端自由トラス構造 0.38m×
0.38m×3.8m 8.33kg）
制御なしと比較し減衰係数 33 倍
散 逸 型 順 応 道 制 御 と比 較 し減 衰 係 数 6 倍
NEC/TOKIN ASP171C801NP0 型 PZT アクチュエ ータ 0.22m 93 g 固定端付近に 1 個設置
(b) 騒音振 動低 減デモンストレータ（φ1.5m
×3m CFRP 外板）
騒音 4.0dB、振動 3.9dB 低減 PZT アクチュエータ 384 枚 寸法 40mm×30mm×0.5mm d31 375pm/V
Y11E 64 GPa (c) 騒音制御用スピーカ
（A400M）
110dB(A)→86dB(A) SPL 101dB at BPF(100Hz), 90dB at 2BPF, 95dB at 3BPF
(d) ヘリコプタブレード アクティブタブ
（ブレード翼弦 400mm、12%翼厚 、重 量 5kgf を想定）
ブレード／渦干渉騒音の低減 最大厚 30mm 駆動トルク 20 Nm ストローク 0.03 m 周波数 30 Hz (e) 二次元模型の
舵面によるフラッタ制御
（フラッタ風洞用翼模型）
遷音速ディップの回避 ストローク 700 m 力 8 kN
周波数 60 Hz
(3) 操縦系統、代替油圧システム
システム名 効果 アクチュエータ仕様
(a) 操縦システム用 油圧アクチュエータ
（100 席クラス以上の民間機）
主要３舵面制御 出力 60-300 kN
ストローク 100-200 mm 最大速度 100-150 mm/s 周波数応答特性 3 Hz at 45°
(b) サーボバルブのフラッパ
（実サイズ）
油圧制御 ストローク 100 m
周波数 10～1000 Hz 力 数十 N
(4) 損傷制御
システム名 効果 アクチュエータ仕様
(a) SMA ハニカムサンドイッチ
（試験片）
衝撃損傷制御 比剛性大の SMA
cf. アルミ合金の比剛性 26×106 m2/s2
C
図 3.2-2 小型フラップ（Mini-TEDs）付き多機能制御舵面システム（MCS）
(http://www.aviator.net & T. Lorkowski et al., 2004 より引用)
Mini-TED 用アクチュエータ
MCS システム舵面構成
Mini-TEDs （A340 型機）
図 3.2-3 MEMS 技術による境界層制御システム
（http://www.dglr.de/veranstaltungen/extern/aerodays2006/sessions/ A_Sessions/A5/A52.pdf）
図 3.2-4 スマートボルテックスジェネレータの変形状態の模式図
図3.2-5 振動・騒音の準能動制御におけるエネルギ・ハーベスティング回路
図 3.2-6 QTD２実証機のシェブロンノズル
(http://www.techtransfer.berkeley.edu/aviation06downloads/herkes.pdf)
図 3.2-7 BK117 型ヘリコプタを用いたフラップを用いた振動制御の飛行試験 ( D. Roth et al., 32nd European Rotorcraft Forum, 2006)
(a) 衝撃負荷前
(b) 衝撃負荷後
(c) 形状回復後
図 3.2-8 SMA ハニカムコアと CFRP 表皮で構成されるサンドイッチパネル
３．４ 技術課題
革新的アクチュエータシステムを航空機に適用する場合、従来のアクチュエータより効果的であ ると考えられる適用箇所として、モーフィング、振動・騒音制御、操縦系統・代替油圧システム、損 傷制御の４テーマを取りあげた。この４テーマを航空機に適用する際の課題を以下に示す。
まず、革新的アクチュエータシステム全般について以下の課題がある。
(1) 特に優れた性能改善が期待できるニーズ技術（革新舵面、騒音低減、境界層制御等）をさら に検討し、それを実現する最適なアクチュエーション機構とアクチュエータ材料の選定を行う（図 3.3-1）。さらに、性能、特性の改善効果を算定して、より具体的なアクチュエータシステムを構築 する。
(2) 個々のアクチュエータ材料の性能改善の方法とそれを活用するための機構を案出し、その開 発目標および開発計画を立案する。
また、個別のテーマに関する課題を以下に示す。
(1) モーフィング
・強度、剛性、空力弾性要求を満足するモーフィング構造様式、アクチュエーション機構、アクチュ エータ材料を選定する。特に、翼のキャンバの変形量の付与機構と駆動機構を開発する。
・小型フラップ（Mini-TEDs）のアクチュエーション機構の開発とフィードバック制御による空力性能 の向上を図る。
・小型一体化した MEMS ジェット・アクチュエータを開発し、システムインテグレーションを行う。
・形状記憶合金を用いたスマートボルテックスジェネレータの改良を行い、性能を地上試験で検 証する。
(2) 振動・騒音制御
・圧電ファイバ等の圧電セラミックスを用いた振動・騒音・空力弾性制御について、アクチュエーシ ョン機構の設計、アクチュエータと構造との構造・制御系の最適設計を行い、振動・騒音制御効 果を検証する。特に、板・殻形状の構造要素で制御効果を確認した後で、ヘリコプタブレード等 の実機での制御効果を見積もる。
・エネルギ回生準能動制御をヘリコプタブレード等の実機に適用したときの制御効果をシミュレー ション（一部地上試験）で検証する。
・騒音制御用スピーカの分散配置制御設計法を開発する。また、形状記憶合金を用いた可変形 状シェブロンのアクチュエーション機構を開発し、その性能の特性評価を行う。
(3) 操縦系統・代替油圧システム
・圧電セラミックスを用いたサーボバルブのフラッパについて、その性能特性評価を行う。
・操縦系統・脚・代替油圧システムについてさらに調査を行い、革新アクチュエータシステムの適 用箇所を検討する。
(4) 損傷制御
・形状記憶合金の形状記憶効果および超弾性効果を利用したサンドイッチ構造や複合材構造に ついて、アクチュエータ機能の改良、より効果的な構造様式、損傷検知技術との融合について、
さらに検討を進める。
図 3.3-1 アクチュエータ材料（シーズ技術）と航空機システムの性能改善
（ニーズ技術）の結びつけ
アクチュエータ材料
（シーズ要素技術）
アクチュエータ 素子（加工）
アクチュエータ機構
（システム制御技術）
航空機性能改善
（ニーズ応用技術）
アクチュエータ材料
（シーズ要素技術）
アクチュエータ 素子（加工）
アクチュエータ機構
（システム制御技術）
航空機性能改善
（ニーズ応用技術）
アクチュエータ材料
（シーズ要素技術）
アクチュエータ 素子（加工）
アクチュエータ機構
（システム制御技術）
航空機性能改善
（ニーズ応用技術）
３．４ 提言
(1) モーフィング、振動・騒音制御、操縦系統・代替油圧システム、損傷制御の４テーマの、重量 軽減効果、性能改善効果、アクチュエータシステムの実現性について、定量的評価による候 補システムの絞込みおよび実現のための技術課題の抽出を行い、開発研究に向けて実施 内容の具体化を行うことが重要である。
(2) そのために、絞り込んだ候補システムについて、アクチュエータ、センサー、デバイス、制御則 を統合化した革新的アクチュエータシステムを構築し、数値シミュレーション（一部地上試験）
を用いてその有効性を検証することが必要である。
(3) 本調査研究をナショナルプロジェクトに発展させるために、産官学の連携・協力に加え、航空 機用革新的アクチュエータシステムの統合化を強力に推進できる研究開発機関の主導が重 要である。
４ 調査研究の今後の課題及び展開
４．１ はじめに
前章で述べたように、圧電セラミックス、形状記憶合金等を用いた、機構、制御を含めた航空機 用革新的アクチュエータシステムに関する開発技術は、一部わが国独自の技術も開発されている が、欧米の開発状況に比べかなり遅れている。本章では、わが国の航空機用革新的アクチュエ ータシステムを発展させるための今後の課題及び展開を述べる。
４．２ 航空機用革新的アクチュエータシステムの研究課題
革新的アクチュエータシステムを航空機に適用する場合、従来のアクチュエータより効果的であ ると有望視されている適用箇所として、モーフィング、振動・騒音制御、操縦系統・代替油圧シス テム、損傷制御の４テーマを取りあげた。この４テーマを航空機に適用する際の効果、課題を 表 4. 2-1 にまとめて示す。
今後の課題として、革新的アクチュエータシステム全般として以下の課題がある。
(1) 特に優れた性能改善が期待できるニーズ技術（革新舵面、騒音低減、境界層制御等）をさら に検討し、それを実現する最適なアクチュエーション機構とアクチュエータ材料の選定を行う。さら に、性能、特性の改善効果を算定して、より具体的なアクチュエータシステムを構築する。
(2) 個々のアクチュエータ材料の性能改善の方法とそれを活用するための機構を案出し、その開 発目標および開発計画を立案する。
個別のテーマに関する課題を以下に示す。
4.2.1 モーフィング
・強度、剛性、空力弾性要求を満足するモーフィング構造様式、アクチュエーション機構、アクチ ュエータ材料を選定する。特に、翼のキャンバの変形量の付与機構と駆動機構を開発する。
・小型フラップ（Mini-TEDs）のアクチュエーション機構の開発とフィードバック制御による空力性能 の向上を図る。
・小型一体化した MEMS ジェット・アクチュエータを開発し、システムインテグレーションを行う。
・形状記憶合金を用いたスマートボルテックスジェネレータの改良を行い、性能を地上試験で検 証する。
4.2.2 振動・騒音制御
・圧電ファイバ等の圧電セラミックスを用いた振動・騒音・空力弾性制御について、アクチュエーシ ョン機構の設計、アクチュエータと構造との構造・制御系の最適設計を行い、振動・騒音制御効 果を検証する。特に、板・殻形状の構造要素で制御効果を確認した後で、ヘリコプターブレー ド等の実機での制御効果を見積もる。
・エネルギ回生準能動制御をヘリコプターブレード等の実機に適用したときの制御効果をシミュレ ーション（一部地上試験）で検証する。
・騒音制御用スピーカの分散配置制御設計法を開発する。また、形状記憶合金を用いた可変形 状シェブロンのアクチュエーション機構を開発し、その性能の特性評価を行う。
4.2.3 操縦系統・代替油圧システム
・圧電セラミックスを用いたサーボバルブのフラッパについて、その性能特性評価を行う。
・操縦系統・脚・代替油圧システムについてさらに調査を行い、革新アクチュエータシステムの適 用箇所を検討する。
4.2.4 損傷制御
・形状記憶合金の形状記憶効果および超弾性効果を利用したサンドイッチ構造や複合材構造に ついて、アクチュエータ機能の改良、より効果的な構造様式、損傷検知技術との融合について、
さらに検討を進める。
４．３ 今後の展開
前節において、航空機用革新的アクチュエータシステムの有望な適用箇所と研究課題が見え てきたので、今後の革新的アクチュエータシステムの技術開発に向けて以下の提言を行う。
(1) 上記４テーマの、重量軽減効果、性能改善効果、アクチュエータシステムの実現性について、
定量的評価による候補システムの絞込みおよび実現のための技術課題の抽出を行い、開発研究 に向けて実施内容の具体化を行うことが重要である。
(2) そのために、絞り込んだ候補システムについて、革新的アクチュエータシステム（センサー、ア クチュエータ、デバイス、制御則）を統合化し、数値シミュレーション（一部地上試験）を用いてそ の有効性を検証する。
最後に、本調査研究をナショナルプロジェクトに発展させるためには、産官学の連携・協力に加 え、システム統合化を強力に推進し自ら開発を推進できる研究開発機関の主導を切望する。
表 4. 2-1 革新的アクチュエータシステムの適用箇所と研究課題
(1) モーフィング
システム名と要求レベル 候補アクチュエータ材料 技術課題等
◎：十分に達成可能
○：達成可能〈シス テム改良必要）
(a) テンセグリッド構造（翼のキャンバ の変化、低速応答、大変形）
フレキシブルウイング
（翼のキャンバの変化、駆動角度 0-30 o）
形 状記憶合 金・形 状記 憶ポリマー
静電アクチュエータ
形状記憶合金＋ペルチ ェ素子
静電アクチュエータ
○駆動力の増大、変位拡 大機構
○駆動力の増大 高電圧制御装置
○SMA+ペルチェ素子一体化 デバイス
○駆動力の増大 高電圧制御装置
(b) Mini-TEDs （L/D の 5-10%増加、
進 入 角 度 2 ° 増 加 、 ト ル ク 100-150Nm、周波数～200Hz、狭 い空間に設置）
圧電セラミックス
静電アクチュエータ
形状記憶合金
○変位の拡大機構必要
（～200Hz）
○中周波数（～30Hz）に適用
○ 低 周 波 数 （ ～ 数 Hz ） に 適 用、達成可能
(c) ジ ェ ッ ト ア ク チ ュ エ ー タ （ CLmax 0.2-0.4 増加，ジェット
径 200-300 m、速度 300 m/s、
周波数 1-2 kHz）
圧電セラミックス＋MEMS
強磁性形状記憶合金
◎小型一体化によるシステム 統合化、MEMS 技術、達成 可能
○小型一体化
(d) スマートボルテックスジェネレータ
（揚力増加補助、変態温度 40℃
程度）（名古屋大学保有技術）
形状記憶合金 ◎達成可能
(2) 振動・騒音制御
システム名と要求レベル 候補アクチュエータ材料 技術課題等
◎：十分に達成可能
○：達成可能〈シス テム改良必要）
(a) ヘリコプタブレードアクティブタ ブ（ブレード／渦干渉騒音の 低減、最大厚 30mm、駆動ト ルク 20 Nm、ストローク 0.03 m、周波数 30 Hz）
圧電ファイバ、圧電セラミック ス
◎達成可能、複合材との一 体化
(b) エネルギ回生準能動制 御（JAXA 保有技術）
圧電セラミックス、圧電ファイ バ
◎達成可能、積層圧電セラミ ックス、圧電ファイバの高 出力化
(c) 振動・騒音能動制御
（旧 NEDO プロジェクトで騒音 4.0dB、振動 3.9dB 低減）
圧電セラミックス、圧電ファイ バ
PZT＋磁歪コンポジット
◎達成可能、積層圧電セラミ ックス、圧電ファイバの高 出力化
○デバイス開発
(d) 騒音制御用スピーカ 圧電セラミックス、圧電ファイ バ
ポリマー系アクチュエータ
○積層、分散配置 制御設計技術
○高出力化
(e) 可変形状シェブロン (騒音低減)
形状記憶合金
アクティブコンポジット
◎達成可能
強度、繰返耐久性
○変形能、出力の向上
(f) 舵面によるフラッタ制御 圧電セラミックス、圧電ファイ バ
○高出力化
(3) 操縦系統、代替油圧システム
システム名と要求レベル 候補アクチュエータ材料 技術課題等
◎：十分に達成可能
○：達成可能〈シス テム改良必要）
(a) サーボバルブのフラッパ（ストロ ーク 100μm、
周波数 10~1000Hz）
圧電セラミックス
磁歪材料
◎達成可能
○達成可能、改良必要
(4) 損傷制御
システム名と要求レベル 候補アクチュエータ材料 技術課題等
◎：十分に達成可能
○：達成可能〈シス テム改良必要）
(a) SMA ハニカムサンドイッチ（東 京大学保有技術）
形状記憶合金（フィルム、円 筒薄板）
磁性形状記憶合金
◎比剛性の向上
○達成可能、改良必要
－禁無断転載－
システム技術開発調査研究 １８－Ｒ－８
航空機等輸送系機械システム用
革新的アクチュエータシステムに関する調査研究
（要旨）
平成１９年３月
作 成 財団法人機械システム振興協会 東京都港区三田一丁目４番２８号 TEL 03-3454-1311
委託先名 財団法人次世代金属・複合材料研究開発協会 東京都港区虎ノ門三丁目２５番２号
TEL 03-3459-6900
