| Project/Area Number |
20K04341
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
Adachi Kazunari 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (00212514)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
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| Keywords | 圧電セラミック / 「跳躍・降下現象」 / 不安定現象 / 機械共振周波数 / 電気機械振動変換器 / 非線形振動 / 跳躍・降下現象 / 電界集中起因説 / 分極反転 / 圧電セラミック振動子 / 電界集中 / 圧電素子 |
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| Outline of Research at the Start |
「跳躍・降下現象」の発見以来、その発生の機構の問題は未解決のまま放置されてきたといってよい。本研究は、「跳躍・降下現象」の物理的原因が、圧電振動子の機械共振時に特異的に起きる圧電素子内部の電界の乱れに伴う局所的な電界集中によって起きる分極反転にあることを、世界で初めて実験的かつ理論的に明らかにしようとするものであり、同現象に伴う技術的問題の解決策をも見出そうとするものである。それは同時に、圧電振動子の電気的等価回路の抜本的な見直しを示唆するものでもあり、広く圧電振動子の設計全般に関わる問題を提起するものであることから、この技術分野における大きな変革の端緒となり得るものである。
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| Outline of Final Research Achievements |
The peculiar events called the “jumping and dropping” phenomena of piezoelectric ceramic vibrators in high amplitude operation have widely been known. The phenomena, which occur solely in the vicinity of the mechanical resonance frequencies of the vibrators, are the emergence of hysteresis in frequency domain with abrupt increase and decrease of the vibratory amplitude. It has long been believed that the third-order elastic nonlinearity of the piezoelectric materials is the dominant cause of the unstable vibratory behaviors. Nevertheless, in this research, it has been found that they can be attributed to the local piezoelectric polarization reversals due to the electric field concentration caused by its conspicuous distortion inside the vibrators in mechanical resonance. The validity of this hypothesis has been verified by numerical and experimental investigations for hard-type piezoelectric ceramics, but regrettably it has not for soft-type piezoelectric ceramics yet.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
多くに強力超音波の工業的応用においては、大振幅の超音波振動を高効率に発生させるため、圧電セラミック振動子を共振状態で駆動しなければならないが。最も効率が良いはずのその機械共振周波数で駆動しようとすると、「跳躍・降下現象」と呼ばれる不安定現象が起き、動作が安定しなくなる。そのため多くの実用強力超音波応用機器では、出力インピーダンスが非常に高い定電流源とみなせる駆動回路を使って、効率と安全性を犠牲にして、高電圧での駆動をせざるを得ない。本研究の成果は、そうした問題を解決する知見を与えることで、強力超音波応用技術の適用範囲を医学的治療の領域などでより拡大させることに寄与することが期待される。
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