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圧電材料のハイパワー特性の定量的モデル化

研究課題

研究課題/領域番号 18J22170
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 機械力学・制御
研究機関東京大学

研究代表者

三宅 奏  東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2018-04-25 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
2020年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2019年度: 700千円 (直接経費: 700千円)
2018年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
キーワード圧電材料 / 強力超音波 / 非線形振動 / 超音波デバイス / 高次弾性 / 非鉛圧電材料 / 温度依存性
研究実績の概要

本研究では、医療用超音波デバイスや超音波探傷用探触子のような強力超音波デバイスにおいて、大振幅励振においても高性能な入出力特性を維持可能な圧電デバイスの開発と、強力超音波応用分野における環境に配慮した非鉛系圧電材料の実用化を目指し、圧電材料のハイパワー特性の定量的評価方法の考案とその応用を目的としている。
本年度は、これまで圧電非線形振動のモデル化で考慮してきた3次弾性振動に加えて、より大振幅の圧電振動の際に問題となる5次非線形振動を取り入れたモデル化を行うと共に、ハイパワー特性に優れる非鉛圧電材料を用いて作製した超音波モータの高トルク化のために、設計改良に取り組んだ。昨年度までに、独自考案した圧電ハイパワー特性の定量的評価方法を用いて、3次弾性定数絶対値が小さくハイパワー特性に優れた非鉛圧電材料である、チタン酸ビスマスナトリウム―チタン酸バリウム(Bi,Na)TiO3-BaTiO3 [BNBT]の積層振動子を用いて、小型超音波モータを製作し、実デバイスでの特性評価を行ってきた。しかし、非対称形状でありノード点を支持できていない点、積層振動子に予圧をかけられない構造になっている点、摩擦力によって直動変位を回転力に変換する弾性フィンのアラインメントが接着によりばらつきスムーズな回転が得られない点が問題であった。そこで本年度は、積層振動子を金属部材で挟み込みボルト締結によって予圧をかけ、弾性フィンをロータ側に配置してアラインメントを改善し、対称形状としてノード点を支持できる構造とした。この結果、予圧0.5 N,印加電圧90 Vppで418 rpmの高速な回転が得られた。これにより、ハイパワー特性に優れる非鉛圧電材料を選択することで、強力超音波デバイスの実現が可能になることが示された。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2020 2019 2018

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] High-power Characteristics of (Bi,Na)TiO3-BaTiO3 Ceramics and Application in Miniature Ultrasonic Motor2020

    • 著者名/発表者名
      Miyake Susumu、Harada Tomohiro、Shimizu Hiroyuki、Kishimoto Sumiaki、Morita Takeshi
    • 雑誌名

      Sensors and Materials

      巻: 32 号: 7 ページ: 2443

    • DOI

      10.18494/SAM.2020.2831

    • ISSN
      0914-4935, 2435-0869
    • 年月日
      2020-07-31
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-power piezoelectric vibration model considering the interaction between nonlinear vibration and temperature increase2019

    • 著者名/発表者名
      Miyake Susumu、Ozaki Ryohei、Hosaka Hiroshi、Morita Takeshi
    • 雑誌名

      Ultrasonics

      巻: 93 ページ: 93-101

    • DOI

      10.1016/j.ultras.2018.10.014

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantitative evaluation method for nonlinear characteristics of piezoelectric transducers under high stress with complex nonlinear elastic constant2018

    • 著者名/発表者名
      Miyake Susumu、Kasashima Takashi、Yamazaki Masato、Okimura Yasuyuki、Nagata Hajime、Hosaka Hiroshi、Morita Takeshi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 57 号: 7S1 ページ: 07LB14-07LB14

    • DOI

      10.7567/jjap.57.07lb14

    • NAID

      210000149281

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 強力超音波デバイス応用に向けた圧電材料のハイパワー特性評価2020

    • 著者名/発表者名
      三宅奏, 森田剛
    • 学会等名
      第40回電子材料研究討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 圧電横効果および縦効果における5次非線形振動のモデル化2020

    • 著者名/発表者名
      三宅奏, 森田剛
    • 学会等名
      第32回電磁力関連のダイナミクスシンポジウム(SEAD 32)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] (Bi,Na)TiO3-BaTiO3積層圧電素子を用いた弾性フィン型超音波モータ2019

    • 著者名/発表者名
      三宅奏, 原田智宏, 清水寛之, 岸本純明, 森田剛
    • 学会等名
      2019年度精密工学会秋季大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] (Bi,Na)TiO3-BaTiO3の 33 効果のハイパワー特性評価と弾性フィン型超音波モータへの応用2019

    • 著者名/発表者名
      三宅奏, 原田智宏, 清水寛之, 岸本純明, 森田 剛
    • 学会等名
      第40回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム(USE2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Elastic fin type ultrasonic motor using (Bi,Na)TiO3-BaTiO3 multilayer piezoelectric transducer2019

    • 著者名/発表者名
      Susumu Miyake, Tomohiro Harada, Hiroyuki Shimizu, Sumiaki Kishimoto and Takeshi Morita
    • 学会等名
      International Workshop on Piezoelectric Materials on Applications (IWPMA 2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 非線形伝達マトリックスを用いた圧電縦効果振動子のハイパワー特性のモデル化2019

    • 著者名/発表者名
      三宅奏, 岩間成裕, 森田剛
    • 学会等名
      2019年精密工学会春季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Nonlinear elastic constants measurements for various piezoelectric materials2018

    • 著者名/発表者名
      Susumu Miyake, Takashi Kasashima, Masato Yamazaki, Yasuyuki Okimura, Hajime Nagata and Takeshi Morita
    • 学会等名
      International Workshop on Piezoelectric Materials on Applications (IWPMA 2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 非線形伝達マトリックスを用いた圧電縦効果振動子の高次弾性定数の算出2018

    • 著者名/発表者名
      三宅奏, 笠島崇,山崎正人,沖村康之,森田剛
    • 学会等名
      2018年度精密工学会秋季大会学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 伝達マトリックスを用いた 33 効果振動子の非線形振動のモデル化2018

    • 著者名/発表者名
      三宅 奏, 森田 剛
    • 学会等名
      超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム(USE2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-05-01   更新日: 2024-03-26  

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