| 研究課題/領域番号 |
19H02054
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| 研究機関 | 岡山大学 |
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研究代表者 |
神田 岳文 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (30346449)
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| 研究分担者 |
山口 大介 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (00735657)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 圧電アクチュエータ / 圧電振動子 / 極低温 / マイクロアクチュエータ |
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| 研究実績の概要 |
当該年度は１．極低温環境用アクチュエータの小型化を実現する予圧機構を用いた圧電振動子、および、２．極低温環境下でヘリウム中での音響放射圧を利用した浮上機構の2点について研究を行った。１．の項目では、予圧機構を実現するための設計手法に関する検討と、これに必要な各種材料定数を得るための実験環境の整備を行った。金属材料とセラミックスの圧電材料では膨張係数の差が大きく、圧電材料を金属材料で挟んだ状態の10cm3程度の大きさのアクチュエータにおいて、室温から極低温への300Kの変化により数十MPaの圧力変化が生じることが想定される。振動子設計のためのデータ収集とアクチュエータの評価を目的として、光学的・機械的測定系を構成して低温環境での変位・歪計測を行うために窓付きクライオスタットを導入した。また、有限要素法により温度依存性を考慮して設計を行った小型の予圧機構について導入した装置内での振動特性の評価を行い、予圧印加の効果が得られていることを示した。２．の項目では、極低温環境下のヘリウム中で超音波振動子により発生させた音響放射圧で、振動子先端に対向して配置した物体を浮上させることを目標とした。ヘリウムの密度は小さく、室温でも空気の7分の1程度であり、物体に作用する音響放射圧は、超音波振動子から媒質への音響放射効率は低下することが予想される。ヘリウムを媒質とした際に十分な音響放射圧が得られる振動子構成についてシミュレーションも交えて検討し、浮上が可能であることについてボルト締め型の圧電振動子により原理的な検証実験を行った。導入したクライオスタットを利用した装置内で光学的な測定を行い、低温環境で浮上が実現できていることを示した。
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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
当該年度は１．極低温環境用アクチュエータの小型化を実現する予圧機構を用いた圧電振動子、および２．極低温環境下でヘリウム中での音響放射圧を利用した浮上機構の2点について研究を行った。１．の項目では、予圧機構を実現するための設計手法に関する検討と、これに必要な各種材料定数を得るための実験環境の整備を行う計画であった。材料の特性の温度依存性を利用した小型予圧機構について有限要素法を利用した設計を行い、試作した振動子において予圧印加の効果を得ることに成功した。また、窓付きクライオスタットを導入したことにより、光学的・機械的測定系を構成して低温環境での変位・歪計測を行うことが可能となって、振動子設計・アクチュエータ評価のための測定を行う環境が整った。２．の項目では、浮上が可能であることについてボルト締め型の圧電振動子により原理的な検証実験を行ことを計画していた。導入した窓付きクライオスタット内で実験を行い、原理的な確認を行うことに成功した。以上の通り、当初計画に対して順調に進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
極低温環境に対応した圧電アクチュエータによる小型の非磁性・非接触駆動機構を実現するために、引き続き１．極低温環境用アクチュエータの小型化を実現する予圧機構を用いた圧電振動子に関する改良・評価を行い、さらに２．この振動子を利用した極低温環境下でヘリウム中での音響放射圧を利用した浮上機構を実現する。また、３．極低温環境下でヘリウム中での音響粘性力を利用した小型の回転駆動機構の実現を目指して、低温環境での駆動原理の確認を行う。１．の項目については、材料特性の温度依存性を利用したボルトを用いない予圧機構について、低温環境を想定した有限要素法を利用したシミュレーションの結果と実験的に得られる低温環境での振動子としての性能について比較を行うことによりシミュレーションの妥当性を検証する。初年度に導入した低温環境評価装置（冷凍機により温度制御を行う窓付きクライオスタット）において、振動子を構成する材料の試験片と、試作した予圧機構を用いた圧電振動子について、レーザドップラ振動計とレーザ変位計により測定を行うことにより温度依存性を考慮した予圧機構の設計方法の妥当性を検証する。２．の項目については、１．の項目の結果に基づいて製作した予圧機構を持つ圧電振動子を利用し、低温装置内のヘリウム気体環境下での小型円板の浮上実験を行う。レーザ変位計により光学的に測定される浮上距離から、放射圧が妥当な結果となっているかる検証を行う。３．の項目については、低温装置内のヘリウム気体環境下での音響粘性流生成条件を検討し、実験的に検証する。評価機構を製作して円板の回転による確認実験を行う。
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