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Quantitative modelling of piezoelectric high-power characteristics

Research Project

Project/Area Number 18J22170
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Dynamics/Control
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

三宅 奏  東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2018-04-25 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
Fiscal Year 2020: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2019: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords圧電材料 / 強力超音波 / 非線形振動 / 超音波デバイス / 高次弾性 / 非鉛圧電材料 / 温度依存性
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、医療用超音波デバイスや超音波探傷用探触子のような強力超音波デバイスにおいて、大振幅励振においても高性能な入出力特性を維持可能な圧電デバイスの開発と、強力超音波応用分野における環境に配慮した非鉛系圧電材料の実用化を目指し、圧電材料のハイパワー特性の定量的評価方法の考案とその応用を目的としている。
本年度は、これまで圧電非線形振動のモデル化で考慮してきた3次弾性振動に加えて、より大振幅の圧電振動の際に問題となる5次非線形振動を取り入れたモデル化を行うと共に、ハイパワー特性に優れる非鉛圧電材料を用いて作製した超音波モータの高トルク化のために、設計改良に取り組んだ。昨年度までに、独自考案した圧電ハイパワー特性の定量的評価方法を用いて、3次弾性定数絶対値が小さくハイパワー特性に優れた非鉛圧電材料である、チタン酸ビスマスナトリウム―チタン酸バリウム(Bi,Na)TiO3-BaTiO3 [BNBT]の積層振動子を用いて、小型超音波モータを製作し、実デバイスでの特性評価を行ってきた。しかし、非対称形状でありノード点を支持できていない点、積層振動子に予圧をかけられない構造になっている点、摩擦力によって直動変位を回転力に変換する弾性フィンのアラインメントが接着によりばらつきスムーズな回転が得られない点が問題であった。そこで本年度は、積層振動子を金属部材で挟み込みボルト締結によって予圧をかけ、弾性フィンをロータ側に配置してアラインメントを改善し、対称形状としてノード点を支持できる構造とした。この結果、予圧0.5 N,印加電圧90 Vppで418 rpmの高速な回転が得られた。これにより、ハイパワー特性に優れる非鉛圧電材料を選択することで、強力超音波デバイスの実現が可能になることが示された。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2020 2019 2018

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] High-power Characteristics of (Bi,Na)TiO3-BaTiO3 Ceramics and Application in Miniature Ultrasonic Motor2020

    • Author(s)
      Miyake Susumu、Harada Tomohiro、Shimizu Hiroyuki、Kishimoto Sumiaki、Morita Takeshi
    • Journal Title

      Sensors and Materials

      Volume: 32 Issue: 7 Pages: 2443

    • DOI

      10.18494/SAM.2020.2831

    • ISSN
      0914-4935, 2435-0869
    • Year and Date
      2020-07-31
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] High-power piezoelectric vibration model considering the interaction between nonlinear vibration and temperature increase2019

    • Author(s)
      Miyake Susumu、Ozaki Ryohei、Hosaka Hiroshi、Morita Takeshi
    • Journal Title

      Ultrasonics

      Volume: 93 Pages: 93-101

    • DOI

      10.1016/j.ultras.2018.10.014

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quantitative evaluation method for nonlinear characteristics of piezoelectric transducers under high stress with complex nonlinear elastic constant2018

    • Author(s)
      Miyake Susumu、Kasashima Takashi、Yamazaki Masato、Okimura Yasuyuki、Nagata Hajime、Hosaka Hiroshi、Morita Takeshi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 57 Issue: 7S1 Pages: 07LB14-07LB14

    • DOI

      10.7567/jjap.57.07lb14

    • NAID

      210000149281

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 強力超音波デバイス応用に向けた圧電材料のハイパワー特性評価2020

    • Author(s)
      三宅奏, 森田剛
    • Organizer
      第40回電子材料研究討論会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 圧電横効果および縦効果における5次非線形振動のモデル化2020

    • Author(s)
      三宅奏, 森田剛
    • Organizer
      第32回電磁力関連のダイナミクスシンポジウム(SEAD 32)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] (Bi,Na)TiO3-BaTiO3積層圧電素子を用いた弾性フィン型超音波モータ2019

    • Author(s)
      三宅奏, 原田智宏, 清水寛之, 岸本純明, 森田剛
    • Organizer
      2019年度精密工学会秋季大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] (Bi,Na)TiO3-BaTiO3の 33 効果のハイパワー特性評価と弾性フィン型超音波モータへの応用2019

    • Author(s)
      三宅奏, 原田智宏, 清水寛之, 岸本純明, 森田 剛
    • Organizer
      第40回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム(USE2019)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Elastic fin type ultrasonic motor using (Bi,Na)TiO3-BaTiO3 multilayer piezoelectric transducer2019

    • Author(s)
      Susumu Miyake, Tomohiro Harada, Hiroyuki Shimizu, Sumiaki Kishimoto and Takeshi Morita
    • Organizer
      International Workshop on Piezoelectric Materials on Applications (IWPMA 2019)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 非線形伝達マトリックスを用いた圧電縦効果振動子のハイパワー特性のモデル化2019

    • Author(s)
      三宅奏, 岩間成裕, 森田剛
    • Organizer
      2019年精密工学会春季大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Nonlinear elastic constants measurements for various piezoelectric materials2018

    • Author(s)
      Susumu Miyake, Takashi Kasashima, Masato Yamazaki, Yasuyuki Okimura, Hajime Nagata and Takeshi Morita
    • Organizer
      International Workshop on Piezoelectric Materials on Applications (IWPMA 2018)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 非線形伝達マトリックスを用いた圧電縦効果振動子の高次弾性定数の算出2018

    • Author(s)
      三宅奏, 笠島崇,山崎正人,沖村康之,森田剛
    • Organizer
      2018年度精密工学会秋季大会学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 伝達マトリックスを用いた 33 効果振動子の非線形振動のモデル化2018

    • Author(s)
      三宅 奏, 森田 剛
    • Organizer
      超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム(USE2018)
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-05-01   Modified: 2024-03-26  

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