2020 Fiscal Year Annual Research Report
Self moving fluidic actuator using acoustic radiation force
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19H02092
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
黒澤 実 東京工業大学, 工学院, 准教授 (70170090)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | アクチュエータ / 超音波 / 圧電デバイス / 音響放射圧 / Acoust fluidics |
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| Outline of Annual Research Achievements |
円板の厚み振動を用いたバルク波デバイスによるアクチュエータでは，振動速度の分布を求めるため振動解析と電気機械等価モデルの導出を行った。厚みモードと径方向モードをそれぞれモデル化し，それぞれの振動モードについて電気機械等価回路を求めた。２つのモードの結合に関してモデル化を行うことで電気入力を超音波振動に変換する定量的なモデル化が実現できるところまですすんだ。液中アクチュエータの発生推力に関する理論解析では，既存の音響放射圧理論から推力を算出したが，差異が大きく，さらに検討を要することを明らかにした。
操舵性に関しては，４つのバルク波デバイスを配置することで，前後左右への移動を実現した。このデザインでは，曲がる動作なく移動方向を変えることができるので，狭い管内などの移動に有利である。圧電素子については，２ MHｚおよび3 MHzを共振周波数とするPZT素子について検討を行い，推進力1.1 mNおよび1.7mNを得た。また，ビスマス系の圧電素子(Bi, Na, Ba)(Ti, Mn)O3の素子でも実験をおこない，4 MHzの駆動周波数で6 cm/sの速度および4 mNの推進力を得た。
弾性表面波デバイスを用いたアクチュエータでは，駆動周波数9.61 MHz，19.22 MHz，29.14 MHz，38.45 MHzおよび96.13 MHzのデバイスを試作し動作特性について検討を行った。推進力を比較したところ，駆動電圧が同一であれば，駆動周波数が異なっていてもほぼ同一の推進力が得られることがわかった。また，高い周波数ではデバイスが小さくなることから，単位面積あたりの推力では大きくなり，高周波化による推力の低下は避けられることがわかった。また，96.13 MHzのデバイスでの動作も確認したが，配線の関係で駆動電圧の低下が大きく，推力が一桁程度低くなったため，さらなる検討を要する。
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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
計画通り，バルク波デバイスによるアクチュエータの，振動速度の分布を求める振動解析と電気機械等価モデルの導出の研究が進んだ。厚みモードと径方向モードをそれぞれモデル化し，それぞれの振動モードについて電気機械等価回路を求められ，あとは２つのモードの結合に関してモデル化を行うことで電気入力を超音波振動に変換する定量的なモデル化を実現するところまですすんだ。液中アクチュエータの発生推力に関する理論解析では，未だ差異が大きく，さらに検討を要する。
操舵性に関しては，４つのバルク波デバイスを配置することで，前後左右への移動を実現した。このデザインでは，曲がる動作なく移動方向を変えることができるので，狭い管内などの移動に有利である。圧電素子については，２ MHｚおよび3 MHzを共振周波数とするPZT素子について検討が進んでいる。また，ビスマス系の圧電素子でも実験をおこない，4 MHzの駆動周波数とすることで小型化がすすんでいる。
弾性表面波デバイスを用いたアクチュエータでは，駆動周波数9.61 MHz，19.22 MHz，29.14 MHz，38.45 MHzおよび96.13 MHzのデバイスを試作し動作特性について検討が進んだ。推進力の比較では，駆動電圧が同一であれば，高周波化し，小型化したデバイスでも同等の推進力が得られることがわかった。また，高い周波数ではデバイスが小さくなることから，単位面積あたりの推力では大きくなり，高周波化による推力の低下は避けられることがわかった。また，96.13 MHzのデバイスでの動作も確認できたが，配線の関係で駆動電圧の低下が大きく，さらなる検討を進める必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
バルク波デバイスを用いたアクチュエータでは，その運動性能を高めるために，操舵について検討を複数素子での研究を進める。それぞれの素子については，振動速度が振動面内で分布することから，振動分布特性を表現できる電気機械等価回路モデルの検討を進め，入出力関係を定量的に求められるようにする。このため，これまでに行った，厚み振動及び周方向振動のモデルに，両者の結合を加味することで振動分布を表現できるモデル化の検討を進める。このモデルにより，電気入力に対する振動の発生，振動の発生から音響放射力による推力の発生を記述する等価モデルを求める。また，バルク波デバイスに関しても，駆動周波数との関係を検討する。厚みの異なる円板状素子を用いて，それぞれの駆動特性からその性能差について検討を行う。また，PZT以外の材料についても駆動特性について実験的な検討を進める。
推進力に関する信頼に足る理論について既存の理論をもとに検討をすすめているが，理論的に推力をもとめる解析解についてはなお検討を進める必要がある。また，推進力の測定に関しても，微少な力であることから信頼性を確保するためは，複数の手法により検討を行っており相互検証を進める必要がある。
弾性表面波デバイスを用いた液中アクチュエータでは，高周波化の利点について検討を行い，マイクロ化の可能性を検討ために，駆動周波数の異なるデバイスを作製し，推力など動作特性に関する実験的な検討を継続して進める。駆動電圧と入力電力に関する条件をそろえるため，共振時のアドミタンス実部の値が同じになるように電極を設計し，作製しており，周波数に対する検討のため，10MHｚ～100MHzの間で，周波数に対する動作特性の影響の検討を進める。
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Research Products
(6 results)
