| 研究課題/領域番号 |
17K01427
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| 研究機関 | 桐蔭横浜大学 |
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研究代表者 |
石河 睦生 桐蔭横浜大学, 医用工学部, 講師 (90451864)
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| 研究分担者 |
田原 麻梨江 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (60721884)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 超音波 / 強力超音波 / 高周波超音波 / トランスデューサ / 非線形音響 / 圧電膜 / KNbO3 / PbTiO3 |
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| 研究実績の概要 |
高周波で強力超音波放射を行うトランスデューサ材料には水熱合成法により製膜されたKNbO3積層膜およびPbTiO3積層膜、もしくはそれらを組み合わせたKNbO3‐ PbTiO3積層膜を用いた。基板にNbが1.0wt%ドープされたNb-SrTiO3基板を用い、この基板の表面に凹面を形成した。その曲面に沿って圧電性単結晶膜を製膜した。
製膜後、圧電性単結晶膜を基板から剥離させた後、得られた膜の上部と下部に電極を形成し、下部電極と上部電極とした。電極を同軸ケーブルに接続し周囲を耐水性材料で固定した。
試作した高周波強力超音波トランスデューサを水中で高周波にて駆動させ、音響開口面の振動速度の測定、放射される音圧の測定、音響放射圧の測定、マイクロバブル発生の有無に関する観察を行った。３つの厚みが異なる試作超音波トランスデューサの共振周波数は７MHz、10MHz、20MHzであった。また、共振周波数で連続駆動させた時の最大の振動速度は4m/sを超え、同条件にて水中に放射される音圧はハイドロフォンを用いた測定実験結果では4MPa以上の高音圧であることが分かった。
試作超音波トランスデューサによる高周波における高音圧放射時には、非線形現象である音響流やバブルの発生が確認された。音響流の観察から求めた音響放射圧は230kPaであり、また、ヨウ化カリムを用いた反応実験により発生したキャビテーションによる化学反応の促進が観察された。放射された超音波波形の周波数は11次までの偶数奇数倍の高調波が含まれていることも確認された。これは高周波においても強力超音波による衝撃波が形成されていると考えることができる結果である。同条件下にて、液体と空気の表面に向けて音響放射を行ったところ、液体の霧化が可能であることが確認された。
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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
凹面型トランスデューサの試作にはプロセス上の課題が発生し、当初予定していた計画よりも時間を要した。しかし、トランスデューサの試作後、その性能評価では計画段階で行ったシミュレーション結果に合う実験結果が得られた。それにより、応用例を想定した実験を進めることが可能となり、想定した結果が得られているため研究としてまとめる段階に入ることが可能となった。最終年度に向けてはおおむね順調に進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
凹面型圧電膜を用いた超音波トランスデューサの生産体制の見直しを行い、歩留まりと生産数向上に向けて体制を整える。
Masonの等価回路等を用いて行う超音波トランスデューサの設計に合わせた圧電膜の製膜プロセスをまとめる。
試作超音波トランスデューサ性能評価では、超音波の集束点および近傍における音響パワー、音圧分布の測定を行う。
高周波強力超音波の放射により観察される音響非線形現象を映像等でとらえて可視化を行い、理論との比較により応用への展開を検討する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究成果について、当初予定していた超音波トランスデューサの試作が半年程度計画よりも遅れた。しかし、トランスデューサ試作後は理論に合う結果が得られ、新たな応用例も検討されたため、購入を予定していた測定器のスペックを見直した。現在は見積もりを用意して機器の購入調整段階である。
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