2019 Fiscal Year Research-status Report
圧電性結晶膜を用いた集束型高周波高出力超音波トランスデューサの開発と評価
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17K01427
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| Research Institution | Toin University of Yokohama |
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Principal Investigator |
石河 睦生 桐蔭横浜大学, 医用工学部, 講師 (90451864)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田原 麻梨江 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (60721884)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | KNbO3 / エピタキシャル成長 / 集束 / 超音波 / 高周波 / 高出力 / 非線形音響 / 圧電縦効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水熱合成法を用いて、凹面加工した単結晶基板上にエピタキシャル成長させたKNbO3を製膜し、実効的な絶縁破壊電界強度を有し且つ優れた圧電特性を示す凹面形状のKNbO3圧電結晶膜を得た。圧電縦効果による厚み振動の共振周波数をHF帯に設定するためにエピタキシャルKNbO3圧電結晶膜を目的の厚みまで結晶成長させ、厚膜化後は単結晶基板上から剥離させることで自立膜を得ている。KNbO3圧電結晶膜の両面に金を真空蒸着法により形成し、上部電極と下部電極として信号線に接続させた。水中での音響放射面に振動板や音響マッチング層は設けず、対して反対側となる背面は空気構造となるようニードル型凹面超音波トランスデューサとして試作した。
厚みが3種類異なるKNbO3圧電結晶膜を用いて試作したニードル型凹面超音波トランスデューサを水中に固定し、超音波送受信実験により共振周波数の測定を行った結果、6MHz, 12MHz, 19MHzであることが分かった。次に駆動周波数を共振周波数に固定しバースト波の電圧を試作超音波トランスデューサに印加し、音響放射面の振動速度をレーザードップラー振動計により測定した結果、いずれも4m/sを超える大振幅動作が確認された。同条件において水中で超音波送信時の音圧をハイドロフォンを用いて測定した結果、遠距離音場においての送波音圧は3MPa以上であることが分かった。また、高出力動作時に発生した音響流の観察から、強力超音波が集束していることが確認された。
音響流発生の他にも、非線形現象として観察されたマイクロ～ナノバブルの発生と圧壊、衝撃波の発生、液面から液滴吐出についての評価に入ることが可能な実験結果を得たため、実験計画を再構築し予備実験を進めている段階である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
高周波強力超音波に関する実験では予定よりも大きな成果を得ることが出来た。国内・国際会議にて発表を行い、今後は論文投稿を予定しているが、成果を示すための追従実験までは終えていない。シミュレーションとの比較を行う必要がり、理論モデルの構築と追加実験を現在行ているため、当初予定していた論文執筆の時期に比べて遅れているという判断である。
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| Strategy for Future Research Activity |
製膜した圧電体の高振動速度動作は既存の圧電体に比べて数倍である。これが可能な理由を材料定数と結晶性の観点から比較を行い理論的に説明したいと考えている。そのためにMasonの等価回路を用いて伝達関数モデルを構築し、シミュレーションとの比較を行う。材料定数は密度、音速、弾性率、電気機械結合係数、比誘電率、圧電定数を求める予定である。本圧電結晶膜を用いた駆動では圧電縦効果を用いているため密度以外の材料定数についてはその異方性も明らかにしたい。また、音響的な非線形現象として観察されたマイクロ～ナノバブルの発生と圧壊、衝撃波の発生、液面から液滴吐出について、高振動動作の際のシミュレーションモデルを構築し、実験結果と比較し水熱合成圧電結晶膜を用いたトランスデューサの設計指針を示す予定である。マイクロ～ナノバブルについては駆動する周波数と出力によりバブル発生とバブル圧壊の条件をそれぞれシミュレーションにより示し、実験結果と比較する。サブマイクロ以下のバブルは直接的な観察が難しいと考えられることから、音響化学反応やソノルミネッセンスによる発光現象を観察することで理論と実験結果の比較を行う。また、衝撃波の発生の有無については本手法を基に作製した超広帯域ハイドロフォンを用いて高調波の確認により衝撃波発生の有無について検討する。また液滴吐出現象に関しては、本手法によるトランスデューサを用いて界面に向けて音響放射を行い、液滴吐出現象を観察し、駆動周波数と液滴のサイズを比較する予定である。また用いる液体の表面張力や粘性を変えることで理論値との比較を行う。
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| Causes of Carryover |
保有する装置不具合のため、予備実験により得られた成果を基にした論文投稿への実験に進むことが出来なかった。試作した超音波トランスデューサの性能評価を行うため、ハイドロフォンを新たに購入し、修理した装置と合わせて実験を実施する。
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Research Products
(4 results)
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[Journal Article] Growth of epitaxial (K, Na)NbO3 films with various orientations by hydrothermalmethod and their properties2019
Author(s)
Yoshiharu Ito, Akinori Tateyama, Yoshiko Nakamura, Takao Shimizu, Minoru Kurosawa, Hiroshi Uchida, Takahisa Shiraishi, Takanori Kiguchi, Toyohiko J. Konno, Mutsuo Ishikawa, Hiroshi Funakubo.
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Journal Title
Jpn. J. Appl. Puys.
Volume: 58
Pages: SLLB14-1
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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