2019 Fiscal Year Annual Research Report
Quantitative modelling of piezoelectric high-power characteristics
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18J22170
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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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)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 圧電材料 / 強力超音波 / 非線形振動 / 温度依存性 / 高次弾性 / 非鉛圧電材料 |
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| 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を目的としている。
本年度はハイパワー特性に優れる非鉛圧電材料を用いて、小型超音波モータの試作・評価を行った。超音波モータは圧電振動による摩擦力でロータやスライダを駆動する原理のため、その発生力や駆動速度は圧電材料の特性に直接的に左右される。非鉛圧電材料は圧電特性の低さから、超音波モータへの実用化は少ない。しかし、独自の圧電ハイパワー特性評価方法によって、高次弾性定数の小さな非鉛圧電材料としてチタン酸バリウムナトリウム―チタン酸バリウム(BNBT)を発見した。そこで、BNBTをステータに用いた超音波モータを試作し、実デバイスでの性能を評価した。BNBTは圧電定数が小さいため、積層型圧電素子化して変位を拡大し、弾性フィンによって積層振動子の直動変位をロータの回転モーメントへと変換し、ロータを回転させた。
試作した超音波モータには駆動電圧に依存した共振周波数変化は見られず、これはハイパワー特性に優れた圧電材料を用いた効果である。最大回転速度は予圧2 Nで898 rpm、予圧3 Nで922 rpmとなり、高速な回転速度が得られ、ハイパワー分野での非鉛圧電材料の実用化の可能性を確かめることができた。
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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
独自の圧電ハイパワー特性評価方法を用いてハイパワー特性に優れる非鉛圧電材料を選定し、小型超音波モータの試作・評価が完了しているため。
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| Strategy for Future Research Activity |
ハイパワー特性に優れた非鉛圧電材料を用いた小型超音波モータと同じ設計にて、鉛系圧電材料を用いた小型超音波モータを試作し、両者の特性を比較する。これにより、圧電材料としてのハイパワー特性の違いが最終的なデバイス性能に与える影響を評価する。
また、材料特性評価方法としてはこれまで圧電横効果、圧電縦効果の評価法を考案してきたが、円板形状、リング形状についても評価法を考案する。
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