| 研究課題/領域番号 |
15H03943
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
黒澤 実 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 准教授 (70170090)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | アクチュエータ / 超音波モータ / 摩擦駆動 / 圧電デバイス / 弾性表面波 |
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| 研究実績の概要 |
圧電性のないサファイアガラスに弾性波を励振する方法として，圧電薄膜の採用も考えられるが，駆動する周波数が10MHzと低く，扱う電力が数10Wと大きいため，薄膜では電力容量が不足する。そこで，サファイアガラス表面に圧電基板であるニオブ酸リチウム板を配置した構造のトランスデューサを用いることとした。サファイア導波路表面とニオブ酸リチウムとの境界面に駆動用櫛形電極を配置して境界波（ストンレー波）を励振し，導波路への出口でレイリー波に変換することを意図した。
駆動用のニオブ酸リチウム素子としては，これまで用いていた駆動電極と反射器電極の設計をそのまま用いることとした。この部分の素子は，これまで用いていた露光用電極パターンを用いて素子を製作して，電極部分のみを切り出して駆動用圧電素子として用いた。サファイアガラスについては，４インチのサファイア基板を入手し，短冊状の素子に切り出して導波路とした。
サファイア導波路素子の端部に駆動用ニオブ酸リチウム素子を機械的に押しつけ，サファイア導波路の伝搬部には波動を吸収するよう粘着テープを装着した状態で素子特性を計測した。その結果，アドミタンス測定のデータからは，これまでと同じ9.61MHzで波動が励振され，アドミタンスの虚部が０となったことから，これまでと同様に波動が励振されていると考えられる結果が得られた。アドミタンスの実部の値は，やや小さな値となっていることから，励振振幅が低くなっていることが予想される。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
圧電性のないサファイアガラスに弾性波を励振する方法として，圧電薄膜の採用も考えられるが，駆動する周波数が10MHzと低く，扱う電力が数10Wと大きいため，薄膜では電力容量が不足する。そこで，サファイアガラス表面に圧電基板であるニオブ酸リチウム板を配置した構造のトランスデューサを用いることとした。サファイア導波路表面とニオブ酸リチウムとの境界面に駆動用櫛形電極を配置して境界波（ストンレー波）を励振し，導波路への出口でレイリー波に変換することを意図した。
駆動用のニオブ酸リチウム素子としては，これまで用いていた駆動電極と反射器電極の設計をそのまま用いることとした。この部分の素子は，これまで用いていた露光用電極パターンを用いて素子を製作して，電極部分のみを切り出して駆動用圧電素子として用いた。サファイアガラスについては，４インチのサファイア基板を入手し，短冊状の素子に切り出して導波路とした。
サファイア導波路素子の端部に駆動用ニオブ酸リチウム素子を機械的に押しつけ，サファイア導波路の伝搬部には波動を吸収するよう粘着テープを装着した状態で素子特性を計測した。その結果，アドミタンス測定のデータからは，これまでと同じ9.61MHzで波動が励振され，アドミタンスの虚部が０となったことから，これまでと同様に波動が励振されていると考えられる結果が得られた。アドミタンスの実部の値は，やや小さな値となっていることから，励振振幅が低くなっていることが予想される。
計算機によるシミュレーションがやや遅れているが，実験結果からは波動が一方向に励振されていると考えられるので，概ね順調に進展していると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
サファイア／ＬＮトランスデューサの波動励振特性評価と高効率化と受波特性の評価：サファイア／ニオブ酸リチウムの複合振動子でのレイリー波励振については，電気的特性からは一方向への波動の励振が行われていると推測されるが，実際の波動振幅を測ることで励振具合を確認する。また，不要な波動の励振状態（例えば，ニオブ酸リチウム基板の裏面への波動の回り込みなど）をよく調べて，電極デザインの再検討につなげていく必要がある。また，波動の振幅を測ることで，励振状態に関する詳細に関して検討を進める。その上で，受波側電極の受波特性について実験と理論的考察より，設計手法を確立していく。
電気機械変換のリニアリティー評価：モータとして駆動するには小振幅での動作では機能しないので，振動速度としては2 m/sまでは直線性良く電力がレイリー波に変換される必要がある。デバイスの変換特性から，駆動電流と振動速度が比例関係となるので，電流プローブとレーザドップラ振動計により，トランスデューサのリニアリティー評価を行う。さらに，作製したトランスデューサのパワー特性評価としては，その限界を確認しておく必要があるので，振動振幅限界の評価を行う。これまでに報告されているＬＮの材料限界から，3 m/s程度の振動速度が得られると期待される。
弾性表面波モータの駆動特性評価：作製したサファイアガラスを導波路に持つサファイア／ＬＮ構造による振動系によるリニアモータの特性評価を行う。ＬＮを導波路とするこれまでの振動系と比較して，導波路インピーダンスが３０％程度高くなると考えられるので，予圧を高くして動作させることが期待でき，推力が高くなることが期待される。しかし，その分駆動電力を大きくする必要もある。摩耗に対する耐久性の格段の向上と共に，材料強度が増すことでモータとしての性能向上も期待できる。
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