圧電厚膜振動子によるマイクロマシン用高出力超音波アクチュエータの研究

• Project/Area Number: 13750190
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Dynamics/Control
• Research Institution: Yamagata University
• Principal Investigator: 青柳 学 山形大学, 工学部, 助手 (80231786)
• Project Period (FY): 2001 – 2002
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2002)
• Budget Amount: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2002: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 圧電厚膜 / マイクロマシン / 3自由度アクチュエータ / 超音波アクチュエータ / 振動ポンプ / スクリーンプリント / 圧電デバイス / セラミックス

Research Abstract

スクリーン印刷によって形成された圧電厚膜の圧電特性の向上を試みた。予め分極処理したバルク材を粉砕処理し、粒径3マイクロメートルにした圧電粉体によって圧電厚膜の形成を試みた。その結果、僅かに圧電定数の向上が見られたが、依然としてバルク材の特性に比べてはるかに小さな値であった。厚みを増すことで発生力を増大し、振動基材と形状の工夫によって大きな振動速度を得ることを試みた。スクリーン印刷により、100マイクロメートル程度の圧電厚膜を0.1mm厚の高純度アルミナ基板上に形成した。その結果、十分な振動速度を得るためには高電界を加える必要があり、絶縁破壊や基板と圧電厚膜の剥がれが生じ、焼結方法に更に工夫が必要であると思われる。
アルミナ基板にスリットおよび溝などを加工し、アクチュエータに適した振動モードパターンの形成を行った。有限要素法解析によって振動モードを解析し、圧電厚膜形状や電極パターンの設計を行った。アルミナ基板の屈曲振動の共振周波数で励振を試み、強い励振を確認した。更に、アルミナ基板上で固体を加振させることも可能であった。これより、昨年と同様に正方形アルミナ基板に2つの同形屈曲振動と1つの高次屈曲振動モードを励振させ、それらを組み合わせることにより基板中央部に配置した円筒の先端でボールの3自由度回転を実現した。本研究の目的の一つであるマイクロマシン推進用アクチュエータは出力不足により実現が困難であった。
今後も引き続き圧電厚膜の圧電特性の向上や緻密なパターンを形成できるように印刷方法を改良すると共に、ファインセラミックスの薄膜基板等を用いた振動子を作成し、音響放射圧の効率の良い発生を試みる。これにより、マイクロマシン移動推進用アクチュエータとして、振動ポンプならびに回転型アクチュエータの実現が十分期待できる。