2018 Fiscal Year Annual Research Report
Evaluation method about nonlinear piezoelectric vibration for miniaturized ultrasonic transducer
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17H03189
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
森田 剛 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (60344735)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 強力超音波振動 / 非線形振動モデル / 圧電材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、強力超音波振動子の限界振動速度を決定する圧電材料の非線形振動を含めたモデル化を行うことで、実デバイスの定量的性能評価を可能にすることと、圧電材料の性能向上に貢献することができるようにすることにある。
本年度は、まず強力超音波振動源として最も一般的に用いられるランジュバン振動子の非線形モデルを作成し、ハイパワー特性の計算モデルを構築した。その計算を実施することで、材料パラメータを変化させてハイパワー特性の定量評価を可能にした。また、実際のランジュバン振動子のハイパワー特性を実測し、この結果を提案モデルで解析することにより、高次弾性係数の応力特性はランジュバン振動子の最適予圧に関与しない可能性が高いことを明らかにした。本研究により、高次弾性係数を用いて圧電デバイスの非線形モデルが作成可能であることを実証することができた。
また、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)に代替可能で、環境負荷の小さい非鉛圧電セラミックスの非線形振動評価を行い、PZTに匹敵する特性を示す材料が存在することを明らかにした。特に、従来の非線形圧電振動において一般的に用いられてきた31圧電効果ではなく、33効果において伝達マトリックス法を応用展開したモデル化を構築したことは大きな進展である。今後は、上記のランジュバン振動子に優れた非鉛圧電材料を利用することで、従来の限界振動特性を凌駕する強力超音波を利用することが可能になるものと期待できる。
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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
実デバイスとして強力超音波振動子として最も利用されているランジュバン振動子をとりあげ、その非線形振動モデル化を行うことができた。その結果、圧電材料の非線形特性の予圧依存性を実測することによって、ランジュバン振動子の最適予圧が非線形特性ではなく、線形特性に大きく依存していることを明らかにすることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
非鉛圧電セラミックの非線形振動評価を引き続き計測すると共に、ランジュバン振動子に組み込んだ場合の強力超音波特性を評価していく。2018年度のPZT系圧電セラミックではランジュバン振動子に組み込んだ場合の限界振動特性は非線形特性の予圧依存性は見られないという結果が得られた。非鉛圧電セラミックの場合について、この傾向が同じであるかどうか、またそれは圧電セラミックの結晶構造やドメイン構造などとどのような関連があるのかを明らかにしていく予定である。
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