Non-sinusoidal strong ultrasonic waves in MHz band by DPLUS
| Project/Area Number |
21KK0065
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| Research Category |
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 20:Mechanical dynamics, robotics, and related fields
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
森田 剛 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (60344735)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三宅 奏 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (40910956)
畑中 信一 宇都宮大学, 大学教育推進機構, 特任准教授 (40334578)
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| Project Period (FY) |
2021-10-07 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥19,110,000 (Direct Cost: ¥14,700,000、Indirect Cost: ¥4,410,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
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| Keywords | 強力超音波 / DPLUS / 非正弦波形 / 非正弦波超音波 / キャビテーション |
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| Outline of Research at the Start |
強力超音波は、キャビテーションによる化学反応促進や、半導体洗浄、ワイヤボンディングなど様々な用途に用いられる。このような場合、金属ブロックで圧電リングを締め付けたランジュバン振動子が一般的に用いられてきた。しかし、この振動子で得られる周波数は数10kHzの単一周波数であり非常に限られた効果しか得られなかったと言える。そこで、本研究では我々が独自に開発したDPLUSを利用して、数10kHzからMHz帯までの広い周波数帯域において、複数の振動モードを重ね合わせることによって非正弦波の強力超音波を創成し、主にキャビテーション生成に関連した新しい効果を探索することを目的とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
基本モードと高次モードの共振周波数比を1:2に制御する手法について研究を実施している。本年度は、動的共振周波数制御法が可能なランジュバン振動により、共振型スムーズインパクト駆動機構(RSIDM)アクチュエータに応用した。この結果、基本モード共振周波数は 25.715 kHzから 24.76 kHz まで連続的に調整でき、このとき共振周波数比は1.953 から 2.028 に制御可能であった。提案手法を導入することで、この二つの共振モードは両者ともに400 秒間共振を維持し、R-SIDMの安定駆動が実現された。
さらに、二重放物面反射機構による強力超音波出力デバイスDPLUSにおいて、二つの厚み共振周波数に対応した超音波発生用のマルチモーダルDPLUSを設計した。2つのハードタイプの圧電リングを超音波出力限として採用し、周波数の異なる明瞭な超音波を発生させることとした。圧電リングは外側と内側に分割し、それぞれ 1.1 mm と 2.05 mm の厚さとすることで、独立した厚みモードで駆動することができる。それぞれの出力超音波は、DPLUSの駆動原理に基づき、二重放物面反射を経て導波管内に集束される。出力パワーを高めるには、超音波周波数を導波路の共振周波数に一致させる必要がある。導波管のサイズは、長さ 7 mm、直径 3 mm の FEM シミュレーションによって決定し、それぞれの共振周波数は、それぞれ 1.07 および 2.09 MHz となった。この二つの振動モードについて、外部インダクタを1つの 圧電リングに接続することで共振周波数を微調整することを試みた。予備実験結果では、16 μH のインダクタを直列接続して、低周波モードの周波数が 1.07 MHz から 1.00 MHz に低下することを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ランジュバン振動子における共振周波数制御を安定駆動することに成功し、共振駆動型SIDMアクチュエータの駆動に応用することができた。また、DPLUSにおける共振周波数比を1:2とする設計手法を提案し、インダクタによる微調整が可能であることを実証した。以上のように、当該研究における目的を達成する研究が推進できている。
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| Strategy for Future Research Activity |
DPLUSによる非正弦波形強力超音波を出力する準備が整ったので、導波路先端から水中に向けて様々な波形の強力超音波を出力する。この結果生じるキャビテーション生成についての波形依存性を調べることにより、その発生過程における非線形現象の解明を試みる。
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Report
(2 results)
Research Products
(13 results)
