2020 Fiscal Year Research-status Report

圧電MEMSエネルギ変換デバイス高性能化のための強誘電体不揮発応力メカニズム制御

Research Project

Project/Area Number	18K04283
Research Institution	Kyoto Institute of Technology
Principal Investigator	山下馨京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (40263230)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	野田実京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (20294168)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2022-03-31
Keywords	圧電体 / 共振 / 応力 / 周波数制御
Outline of Annual Research Achievements	圧電振動型MEMSデバイスにおいて，動的に共振周波数可変な機構を導入し飛躍的な高性能化を図る。今年度は，電圧印加による共振挙動の変化が構造起因の領域と応力起因の領域に分かれるという知見を元に，両領域の挙動が顕著に現れる静的撓み量を見出し，逆圧電応力印加時の共振挙動を実測面で詳細に追究した。またエネルギー法による理論計算により，共振挙動の実測値をうまく説明できることを見出した。実測面では，電圧印加により撓み量と面内応力を同時に変化させつつ，パルス超音波受信時の全ての測定点での振動を取り上げ，ダイアフラム全体としてのすべての振動モードを評価した。1次モードにおいては，逆圧電応力が小さく撓み量が大きい領域で撓み量の増大に対して固有振動数が上昇する一方，逆圧電応力が大きく撓み量が小さい領域で撓み量の増大に対して固有振動数が下降した。同じサンプルにおいて3次モードを評価すると，逆圧電応力の増大とともに単調に固有振動数が上昇した。これらの挙動が平坦・座屈両ダイアフラムでのバタフライカーブの状況を再現していると考えられる。理論解析面では，まず残留応力から座屈撓み量を算出する静的解析を進めた。これは，残留応力，曲げ変形，座屈による軸方向伸長の3種の歪みに基づく全歪みエネルギーを撓み量の関数として定式化し，歪みエネルギーを最小化する撓み量を算出する方法である。圧電体の残量応力を変化させて作製したダイアフラムの実測値とこの解析結果を比較したところ，座屈挙動をよく表しており，本方法が静解析に有用であることが確かめられた。次に振動による運動エネルギーを含めて解析を行い，固有振動数を撓み量の関数として定式化した。この解析結果を円形ダイアフラム実測値と比較したところ，各振動モードの固有振動数の変化や共振挙動がよく一致しており，本方法が動的解析にも有用であることが確かめられた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason サンプル作製を十分に行うことができない環境の中，既存のデバイスの評価と，特に既存の測定結果を理論的に説明する解析方法を進展させた。当初の応用デバイスの作製評価の観点からはやや遅れている
Strategy for Future Research Activity	共振挙動をより包括的に表現できる解析技術の確立により，共振制御メカニズムをより普遍的に理解できるツールを得たので，今後はこのツールによる設計を元にした応用デバイスの作製評価も進めていきたい。
Causes of Carryover	サンプル作製を十分に行うことができない環境の中，既存のデバイスの評価と，特に既存の測定結果を理論的に説明する解析方法を進展させた。このためデバイス作製に要する消耗品費用の使用が少なく次年度使用額が生じた。次年度は解析結果による設計を元にした応用デバイスの作製評価を進めるため，これに要する費用として使用する。