| 研究課題/領域番号 |
19H02092
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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, 工学院, 准教授 (70170090)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | アクチュエータ / 圧電素子 / 超音波 / 音響放射圧 / 液中アクチュエータ / 水中ロボット |
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| 研究実績の概要 |
音響放射圧を駆動力源とする新たに考案した液中アクチュエータについて推進力測定を行うとともに、推進力を定量的に算出する手法について検討を行った。固体中を伝搬する音響波動が液体中に放射する際，放射面には非線形効果により放射圧として知られる直流的な力が作用することが知られているが，既存の理論では，水中に伝搬する超音波が固体面に反射するときに発生する放射力について検討されており，固体中からの放射についてはこの理論の援用では実測値と一致しないことがわかった。そこで，まずは微少な推進力を測定する必要があるので、正確にアクチュエータの推進力を測定する方法を検討した。
力センサを用いた液中アクチュエータの推力測定に，円板形状で，厚み振動するPZT振動子を推進力源とする液中スイマーを用いた。推進力測定には素子を水中に没し，鉛直方向に推力を発生するような配置とし，力センサをその直上方向に配置することで，安定的に推進力を測定することを実現した。力センサを鉛直に配置し、その下部に液中アクチュエータを配置して，垂直上向きの力を測定することで重力による干渉を廃し，測定精度を向上させることができている。
液中アクチュエータの推進力を測定した結果，駆動電圧の二乗となる推進力特性となっており，音圧の二乗で推力が大きくなることを確認できた。二乗特性となることから，入力電力に比例した推力の発生となっており，音響放射力による推力発生メカニズムであることが推測されており，理論的な考察の見通しがただしことが確認された。また，測定に当たっては，一般に市販されているフォースゲージでは最小分解能が１ｍNであるので、力センシングシステムを自作することで高感度・高分解能な測定を実現している。
マイクロ化に向け，高い周波数でのデバイスで実験を行うため，10MHz～100MHzでのSAWデバイス設計を行った。
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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
計画通り，音響放射圧を駆動力源とする新たに考案した液中アクチュエータについて推進力測定を行うとともに、推進力を定量的に算出する手法について検討を行った。既存の理論では，水中に伝搬する超音波が固体面に反射するときに発生する放射力について検討されており，固体中からの放射についてはこの理論の援用では実測値と一致しないことがわかった。そこで，まずは微少な推進力を測定する必要があるので、正確にアクチュエータの推進力を測定する方法を検討しており，測定に当たっては，一般に市販されているフォースゲージでは最小分解能が１ｍNであるので、力センシングシステムを自作することで高感度・高分解能な測定を実現しすることができた。
力センサを用いた液中アクチュエータの推力測定に，円板形状で，厚み振動するPZT振動子を推進力源とする液中スイマーを用いた。これまで，斜めに配置して測定していたが，力センサを鉛直に配置し、その下部に液中アクチュエータを配置して，垂直上向きの力を測定することで重力による干渉を廃し，測定精度を向上させることができている。
液中アクチュエータの推進力を測定した結果，駆動電圧の二乗となる推進力特性となっており，音圧の二乗で推力が大きくなることを確認できた。二乗特性となることから，入力電力に比例した推力の発生となっており，音響放射力による推力発生メカニズムであることが推測されており，理論的な考察の見通しがただしことが確認された。
マイクロ化に向け，高い周波数でのデバイスで実験を行うため，10MHz～100MHzでのSAWデバイス設計を行っており，次年度の実験に向けた準備も順調に進んでいる。
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| 今後の研究の推進方策 |
推進力に関する信頼に足る理論が無いことから，理論的に推力をもとめる解析解について検討を行う必要がある。また，推進力の測定に関しても，微少な力であることから，複数の手法により，信頼性を確保することを検討する必要があると考えられる。
弾性表面波デバイスを用いた液中アクチュエータでは，高周波化の利点について検討を行い，マイクロ化の可能性を検討する。そのために，条件をある程度揃えた上で，駆動周波数の異なるデバイスを作製し，推力など動作特性に関する実験的な検討を行う。駆動電圧と入力電力に関する条件をそろえるため，共振時のアドミタンス実部の値が同じになるように電極を設計し，作製する。また，周波数に対する検討のため，10MHｚ～100MHzの間で弾性表面波デバイスを作製し，周波数に対する動作特性の影響を検討する。また，弾性表面波デバイスを用いた液中アクチュエータに関しても，運動性能を確保するため，ステアリングを可能とするデバイスに関しても検討を行う。
バルク波デバイスを用いたアクチュエータでは，その運動性能を高めるために，操舵について検討を行う。振動速度が振動面内で分布することから，振動分布特性を表現できる電気機械等価回路モデルを考え，入出力関係を定量的に明らかにしていく必要がある。このため，理論と実験の両面から検討を進める必要がある。まずは，厚み振動に関して，もっとも単純にピストン振動する振動子としての電気機械等価回路をもとめ，電気入力に対する振動の発生，振動の発生から音響放射力による推力の発生を記述する等価モデルを求める。このモデルにより，近似的には推力発生のモデル化が可能となる。しかし，実際の厚み振動素子では，径方向振動が重ね合わされることから，径方向振動を表現する電気機械等価回路をもとめて，厚み振動のモデルと重ね合わせることで，より正確なモデル化を行う必要がある。
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