| 研究課題/領域番号 |
20K04341
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分20010:機械力学およびメカトロニクス関連
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| 研究機関 | 山形大学 |
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研究代表者 |
足立 和成 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (00212514)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2020年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
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| キーワード | 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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| 研究開始時の研究の概要 |
「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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| 研究成果の概要 |
ハード系圧電セラミック素子の「跳躍・降下現象」の支配的機構が、その機械共振周波数近傍で生じる電界分布の著しい乱れに伴う局所的な電界集中によって、それが抗電界を超えることで生じる結晶ドメイン単位での分極反転であるとの仮説の妥当性を、数値シミュレーション並びに実験結果から間接的に確かめた。またそのことにより、圧電セラミックの三次の弾性的非線形性の効果が同現象の原因であるとの従来の説には全く説得力がないことも明らかになった。ただ、機械損失が大きいソフト系圧電セラミック素子に関しては、同現象の顕著な発現自体が確認できず、圧電セラミック素子全体に適用可能な機構解明の説明には至らなかった。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
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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