2014 Fiscal Year Research-status Report
極低温環境用マイクロ電歪・圧電アクチュエータの試作研究
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25420091
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
神田 岳文 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (30346449)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 機能要素 / 圧電アクチュエータ / 極低温環境 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、複合極限環境、具体的には極低温、強磁場環境下で使用することの出来るマイクロアクチュエータを、圧電・電歪材料を駆動源として実現することを目標としている。このためにアクチュエータ材料、アクチュエータ構造、設計・制御を目的としたモデル化の3点について研究を進めている。本年度は、温度環境の違いによる調整の必要がないアクチュエータを実現することを目的として、振動子構造の検討と試作を行い、アクチュエータの駆動性能評価による検証を行った。
前年度、アクチュエータ構造に関わる振動子構成について、低温環境で熱応力の影響の少ない状態を得るために、主として温度環境による材料特性の小さな材料を使用した振動子の試作を行い、評価実験により予圧調整の必要が少ないことを確認していた。しかしながらこの手法では低温領域では振動特性の低下が大きかった。そこで駆動源である圧電材料と低温環境における材料定数の変化が近い材料に着目し、非線形的な特性を考慮した振動解析により各部品の組み合わせを考慮してアクチュエータ構造を決定した。これにより室温から極低温まで予圧調整の必要がない振動子の性能を向上することに成功した。
さらに、試作した振動子を用いてアクチュエータの駆動実験を行った。回転数とトルクの測定により、ロータの接触駆動による回転状態の評価を行った。従来は室温から極低温領域まで調整なしに連続的に回転駆動を行うことは難しかったが、試作した振動子を使用することによりこれを可能とした。
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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
本研究では、アクチュエータ材料、アクチュエータ構造、設計・制御を目的としたモデル化の3点の項目について研究を進めている。
前年度までに、圧電材料の低温環境での分極処理実験を行い、提案した低温環境での分極処理という手法により、従来使用していなかった材料をアクチュエータの駆動源とすることの可能性を示した。また、振動子を構成する材料と構造について低温環境での材料特性に着目し、室温から低温環境まで安定的に駆動可能なアクチュエータの駆動源となる振動子を得ることに成功していた。一方、温度領域によっては必ずしも良好な振動特性が得られていなかった。
本年度は特にアクチュエータ構造に関する項目について引き続き研究を進めた。圧電材料であるPZTおよびPMN-PTの材料特性に着目し、目標とする室温環境293Kから4.5Kの低温領域まで、熱膨張係数等が比較的近い材料を用いることにより、温度変化の影響が小さくなる構造を採用した。この結果、ランジュバン型ボルト締め振動子として構成した際に、圧電素子表面に生じる応力変化が緩やかとなり、さらに振動特性の変化も比較的抑えることが可能となった。これにより、室温から低温環境まで、組み立て時の予圧調整が必要ないアクチュエータ駆動用振動子を実現した。さらに、この振動子が実際に293Kから4.5Kにまで温度環境を変化させた際、アクチュエータとしてロータを連続的に駆動可能であることを実験的に証明した。以上により、この項目については当初の目標を達成した。
アクチュエータ材料に関する項目については、本年度予定していた材料の入手に時間がかかったことから大きな進展はなく、次年度の課題となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続きアクチュエータ材料委に関する検討を進めるとともに、室温から低温までの環境を前提とした設計を目的としたモデル化とその評価を進める。
初年度、電歪材料に関する低温環境での駆動特性に関する評価を行い、特に低温環境での分極処理について興味深い知見を得ていた。本年度はこの結果については新たな知見を得ることは出来なかった。次年度は低温環境で圧電・電歪材料を用いた評価素子の駆動状態の測定を行い、圧電定数の比較を行う。これにより、低温環境での分極処理に関する条件を明確に得ることを目標とする。
アクチュエータ構造については本年度の実施により、室温から極低温までの温度環境において、予圧調整の必要がない安定的な駆動が可能なアクチュエータを実現することができた。今後はこれまでのアクチュエータ材料・構造に関する検討内容に基づき、極低温環境用アクチュエータの設計手法および制御方法の確立を目的としたモデル化とこの検証を進める。極低温環境用アクチュエータの設計において、有限要素法を用いた熱応力解析、モーダル解析、発生変位・力の周波数応答解析および時刻歴解析は、振動子とこれを駆動源とするアクチュエータ設計のうえで重要な手法である。しかし、アクチュエータの設計時に各種パラメータの最適化を行うためには、振動子だけでなく移動子（回転型においてはロータ）を含めたアクチュエータ全体のモデルを用いる必要がある。このため、等価回路解析の手法を用いて移動子への予圧印加条件を含めたアクチュエータ全体のモデル化を行う。さらに、温度環境の影響を考慮し、極低温環境でのアクチュエータ駆動実験の結果により有効性を検証する。
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| Causes of Carryover |
全体として評価機製作に関わる費用が当初予定よりも安価になった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
圧電素子等の消耗品については予定よりも消耗が激しく、次年度の評価実験でも当初予定より必要数が多くなることが予想される。次年度使用額についてはこれらの消耗品費として使用する計画である。
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