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ハイパワー用圧電セラミックスの非線形応答と損失に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 11J09002
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 無機材料・物性
研究機関東京工業大学

研究代表者

萩原 学  東京工業大学, 大学院・理工学研究科(工学系), 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2011 – 2012
研究課題ステータス 採択後辞退 (2012年度)
配分額 *注記
1,300千円 (直接経費: 1,300千円)
2012年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
2011年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
キーワード圧電セラミックス / ハイパワー駆動 / 非線形現象 / 損失 / 過渡応答 / ジャンプ現象 / チタン酸ジルコン酸鉛 / ハイパワー駆
研究概要

圧電セラミックスは近年、大電界・大振幅のいわゆるハイパワー条件下で駆動されるアクチュエータとしての応用が拡大している。このようなハイパワー駆動下での圧電応答を記述するためには、印加電界に対する圧電歪の非線形性とそれに伴う損失を圧電基本式に導入する必要があり、さらに誘電・弾性効果の非線形性と損失も同時に考慮しなければならない。したがって、非線形性を記述するための基本式には通常多くの非線形項と複素定数が必要であり、これらの定数の間の関係について様々な仮定を置かないと基本式を解くことができない。この問題を解決するため我々は、圧電歪は常に分極に比例し両者の間の位相遅れはないという実験事実に着目し、これに基づいて昨年度までに非線形性と損失を含む圧電基本式を導出した。また、圧電セラミックスの過渡応答波形の解析から非線形性を評価する手法を提案した。
本年度はハイパワーで励振下での共振曲線の跳躍現象に着目し、非線形圧電基本式を用いた解析により同現象の発現メカニズムを考察した。その結果、同現象が本質的に弾性効果の非線形性に起因するものであり、非線形弾性効果よって生じたエネルギーの等価な2つの振動状態の間の遷移によって起こることが明らかとなった。また、PZT系圧電セラミックスに関して温度やMn添加量を変化させて測定した実験結果の解析により、微視的には非180。ドメイン壁の不可逆的な動きが同現象の起源であること明らかにした。このように、本研究の成果によって非線形性および損失を考慮した圧電セラミックスの評価とハイパワー駆動化での圧電応答の予測が可能になり、さらに非線形現象の微視的な起源が明らかになった。

報告書

(2件)
  • 2012 実績報告書
  • 2011 実績報告書
  • 研究成果

    (10件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (7件)

  • [雑誌論文] Analysis of vibration waveforms of electromechanical response to determine piezoelectric and electrostrictive coefficients2012

    • 著者名/発表者名
      T. Izumi, M. Hagiwara, T. Hoshina, H. Takeda, T. Tsurumi
    • 雑誌名

      IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control

      巻: 59 号: 8 ページ: 1632-1638

    • DOI

      10.1109/tuffc.2012.2369

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Identicalness between Piezoelectric Loss and Dielectric Loss in Converse Effect of Piezoelectric Ceramic Resonators2012

    • 著者名/発表者名
      M. Hagiwara, T. Hoshina, H. Takeda, T. Tsurumi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 51 号: 9S1 ページ: 09LD10-09LD10

    • DOI

      10.1143/jjap.51.09ld10

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analysis of Nonlinear Transient Responses of Piezoelectric Resonators2011

    • 著者名/発表者名
      Manabu Hagiwara, Seita Takahashi, Takuya Hoshina, Hiroaki Takeda, Takaaki Tsurumi
    • 雑誌名

      IEEE Transaction on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control

      巻: 58 号: 9 ページ: 1721-1729

    • DOI

      10.1109/tuffc.2011.2009

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Analysis of Nonlinear Phenomena in Piezoelectric Ceramic Resonators under High-power Operation2012

    • 著者名/発表者名
      Manabu Hagiwara, Tatsuya Izumi, Takuya Hoshina, Hiroaki Takeda, Takaaki Tsunami
    • 学会等名
      The 8th Asian Meeting on Ferroelectrics (AMF-8)
    • 発表場所
      Pattaya, Thailand,
    • 年月日
      2012-12-09
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 圧電セラミックスにおける非線形現象の解析2012

    • 著者名/発表者名
      萩原学、 和泉達也、 保科拓也、 武田博明、 鶴見敬章
    • 学会等名
      第32回エレクトロセラミックス研究討論会
    • 発表場所
      東京工業大学大岡山キャンパス
    • 年月日
      2012-10-26
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 圧電セラミックスにおける非線形現象の解析と記述2012

    • 著者名/発表者名
      萩原学、 保科拓也、 武田博明、 鶴見敬章
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第25回秋季シンポジウム
    • 発表場所
      名古屋大学 東山キャンパス
    • 年月日
      2012-09-21
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 圧電効果における圧電・誘電・機械損失の関係2012

    • 著者名/発表者名
      萩原学、 保科拓也、 武田博明、 鶴見敬章
    • 学会等名
      第27回強蹶電体応用会議
    • 発表場所
      コープイン京都
    • 年月日
      2012-05-25
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Correlation among Dielectric, Mechanical and Piezoelectric Losses in Piezoelectric Ceramics2012

    • 著者名/発表者名
      Manabu Hagiwara, Takuya Hoshina, Hiroaki Takeda, Takaaki Tsurumi
    • 学会等名
      2012 International Workshop on Acoustic Transduction Materials and Devices
    • 発表場所
      State College, USA
    • 年月日
      2012-05-08
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] Experimental validation of piezoelectric equations describing nonlinear and dissipation effect2011

    • 著者名/発表者名
      Manabu Hagiwara, Takuya Hoshina, Hiroaki Takeda, Takaaki Tsurumi
    • 学会等名
      International Symposium on Piezoresponse Force Microscopy & Nanoscale Phenomena in Polar Materials
    • 発表場所
      Vancouver, Canada
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Construction of Piezoelectric Equations Including Nonlinear and Dissipation Effects2011

    • 著者名/発表者名
      Manabu Hagiwara, Takuya Hoshina, Hiroaki Takeda, Takaaki Tsurumi
    • 学会等名
      15th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
    • 発表場所
      Kagoshima, Japan
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書

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公開日: 2011-12-12   更新日: 2024-03-26  

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