| 研究課題/領域番号 |
19K04422
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| 研究機関 | 山形大学 |
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研究代表者 |
高橋 貞幸 山形大学, 地域教育文化学部, 技術専門職員 (10396559)
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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 | 圧電高分子 / P(VDF/TrFE) / 超音波トランスデューサ / 高周波数 / 音響整合層 / 音響インピーダンス値 |
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| 研究実績の概要 |
本年度は、圧電高分子材料であるP(VDF/TrFE)(75/25mol%)を用いて、高周波(2MHz)で、且つ、高感度で動作する空中超音波用トランスデューサを開発することに重点を置いた。
この研究を実現するために、次項二つを中心に研究遂行を行った。①圧電膜と基板間に接着剤を用いない(溶液の直接展開法)圧電膜製作技術を用いて、約3MHzで動作するP(VDF/TrFE)圧電振動子(直径23mm)を開発した(動作中心周波数3MHzは、事項②との関連のためである)。このP(VDF/TrFE)圧電膜の電気機械結合係数(kt値)は、従来より大きくkt=0.22であった。引き続き、②動作中心周波数(2MHz)を制御することと同時に、このP(VDF/TrFE)圧電振動子板上に、トランスデューサの効率を上昇させる目的として、P(VDF/TrFE)の音響インピーダンス値(密度×音速)よりも小さい音響インピーダンス値をもつ、ポリマー系の音響整合層を複数枚積層し、圧電体と空気境界で起こる、超音波エネルギの減衰値を小さくした。
上述の二つの技術により、ポリマー系音響整合層をもつ平面型の2MHz用P(VDF/TrFE)トランスデューサを試作し、その性能測定(実測値)を行い、理論値との評価を行った。
この結果、従来の平面型-2MHz用P(VDF/TrFE)トランスデューサの動作性能と比較すると、およそ10dB効率が上昇することが、判明した。また、計算値(理論値)から、低密度シリコーンラバーシート(単層)を、音響整合層として用いた場合、数十dB上昇することが判明している。現在、ポリマー系積層と同時に音響整合層付加の研究遂行中である。現時点で、音響整合層とP(VDF/TrFE)圧電体との接着工程に問題があり、次年度に、対策と解決の予定である。
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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
本年度は、P(VDF/TrFE)溶液の直接展開法を用いて、約3MHzに動作中心周波数をもつ、圧電振動子板を製作した。従来は2MHz用のP(VDF/TrFE)圧電振動子板を製作していたが、この場合、P(VDF/TrFE)の厚みが300ミクロンと厚く分極工程にかなりの高電圧を必要とした。本年度の研究では、目的とする超音波トランスデューサの周波数が同じ2MHzであるため、音響整合層を付加することで、P(VDF/TrFE)の厚みを200ミクロンに設定することが可能となった(総合厚みでは300ミクロンである)。このため、従来の分極技術を本工程に、適宜転用することで、電気機械結合係数値を上昇することができた。
上述のP(VDF/TrFE)圧電振動子上(3MHz)に、P(VDF/TrFE)の音響インピーダンス値よりも小さいポリマー(ポリエステル・ポリウレタン・ポリプロピレン）を積層し、音響整合層を付加したP(VDF/TrFE)超音波トランスデューサを試作した。この結果、従来の2MHz用P(VDF/TrFE)トランスデューサと比較して、約10dBの効率上昇ができた。計算値(比重1.2・音速950m/s)からシリコーンラバーシート1枚を音響整合層とした場合、効率の高いP(VDF/TrFE)トランスデューサを開発できることが分かっている。そこで、前述同様にP(VDF/TrFE)圧電振動子上に、付加した。この結果、一部の試作したP(VDF/TrFE)トランスデューサの効率上昇は確認できたが、まだ、目的とする高効率P(VDF/TrFE)トランスデューサは完成していない。この理由は、接着時に起こる空気混入があることと、接着剤の種類によっては剥離することが原因である。
現時点では、所期の目的はほぼ達成している。
これらの結果から、本年度の研究課題の進捗状況を、おおむね順調に進展している、と判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後(次年度)の本研究の推進方策として
①これまで、厚み100ミクロン以上のP(VDF/TrFE)の性能は、最終的に行うネットワークアナライザで評価を行っていた。この場合、高電圧を用いる分極工程での分極状況を電流/電圧のみで行っていた。このため、定量的な分極率の判断ができなかった。最近の研究過程で、100ミクロン以上の高電圧ポーリング装置の試作が完了した。そこで、次年度は、本装置を完成させ、より高い電気機械結合係数値をもつP(VDF/TrFE)圧電振動子を開発する。
②P(VDF/TrFE)圧電振動子と音響整合層(ポリマー系)間で起こる空気の混入をできるだけ回避するため、様々な接着剤による接合をおこなう。
③音響整合層を付加した平面型P(VDF/TrFE)トランスデューサから、凹面型P(VDF/TrFE)トランスデューサを試作し、性能を評価する。本工程と同時に、P(VDF/TrFE)トランスデューサを超音波透過装置に設置し、空気中での観測対象物の透過画像形成を試みる。
④上述③に併せ、画像装置の改良および位相差画像形成を行う。
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