2016 Fiscal Year Annual Research Report
Surface acoustic wave motor with sapphire wave guide
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15H03943
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
黒澤 実 東京工業大学, 工学院, 准教授 (70170090)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | アクチュエータ / 超音波モータ / 摩擦駆動 / 圧電アクチュエータ / 圧電デバイス / 弾性表面波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
サファイアガラスを弾性表面波（レイリー波）が伝搬する導波路として用いる弾性表面波モータを実現するため，波動の駆動にはニオブ酸リチウムトランスデューサを用い，導波路と励振器および受波器に別々の材料を用いたハイブリッド構造に依る方式を検討している。本年度は，モータ動作も可能な実験装置の作製を行い，弾性表面波の進行波励振に向けた実験的検討を行った。
作製した実験装置は，導波路となるサファイア基板の両端に，励振器および受波器となるニオブ酸リチウムトランスデューサを加圧・固定できる構造とした。加圧固定部は，ニオブ酸リチウム素子の振動面がサファイア基板に均一な加圧力で押しつけられるよう機械構造設計を行った。また，モータとしての動作検証も行えるように，これまでの試作モータで用いたスライダおよびスライダ加圧部をそのまま設置できる構造とした。
試作した実験装置に送波・受波のニオブ酸リチウムトランスデューサを設置した状態で，弾性表面波の励振状況について計測を行った。アドミタンス特性に関しては，ニオブ酸リチウムのみの特性とほぼ同様の特性となり，電気的な特性からは，波動励振が設計周波数である9.61MHzで行えることを確認した。また，この励振周波数において，波動の励振振幅の測定を，レーザドップラ振動計を用いて行った。
まず，アドミタンス測定の値54mSから，受波側のトランスデューサに設置すべき整合抵抗は20Ωと算出された。この抵抗を整合負荷抵抗して，送波器に電力を印加して電力の伝達効率と振動振幅計測を行った。送波側への供給電力5.4Wの状態で，11%の電力が受波側抵抗器に供給されていることがわかった。また，振動振幅については， 4.5nmとなっていたことから，より大きな入力電力によりモータ動作に必要な波動励振が行える可能性を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
レイリー波の進行波実験が行えるよう試作装置が出来上がったことから，波動励振状況の実験データの取得が進行している。アドミタンス測定の値54mSから，受波側のトランスデューサに設置すべき整合抵抗は20Ωと算出されている。この結果からは，十分な電気機械結合係数が得られていると考えられ，モータ駆動に必要な振動振幅での波動励振を行える可能性が示唆されている。
この抵抗を整合負荷抵抗として，送波器に電力を印加して電力の伝達効率を測定した結果からは，送波側への供給電力5.4Wの状態で，11%の電力が受波側抵抗器に供給されており，送受波を実現していることが示された。これまでの送受波の最高効率78%よりは低い値であるが，最初のデータであることから，今後の検討により向上が見込まれる。
振動振幅計測の結果からは，駆動電力5.4Wに対して振動振幅が4.5nmとなったことから，駆動電力を高くすることで，モータ動作に必要な振動振幅を得られるのではないか考えられる。例えば，駆動電力を25Wにすれば，計算上は振動振幅が10nmとなり，これまでに行ってきた駆動実験のデータから考えると，モータとしての駆動可能性が十分にあると考えられる。しかし，モータとしての移動速度1m/sを実現しようとすると，20nm程度の振動速度が必要となり，駆動電力としては100Wとなってしまうため，改善の必要がある。また，実際に電力を投入した場合に問題が起きないかどうか，装置を破損する可能性が有るため，慎重に検討を進める必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
レイリー波の波動に関する実験データから，アドミタンス測定値が54mSとなっているが，この値は，ニオブ酸リチウムのみの場合より高い値となっている。普通に考えると，サファイア基板を付加したことで機械インピーダンスが高くなり，アドミタンス値は低下すると考えられたが，何らかの共振構造が構成されたために値の上昇が起きたと考えられる。トランスデューサ内部での波動励振状況に関しては十分に解析が行えていないことから，さらに検討を加える必要がある。これらの検討により，波動励振メカニズムの理解と設計指針を明らかにし，効率の改善にも寄与すると考える。
受波のトランスデューサに整合負荷抵抗を接続して電力測定した結果は，供給電力5.4Wの場合で，11%の電力しか受波側抵抗器に供給されていない。これまでの送受波の最高効率78%よりはかなり低い値であるので，波動励振と伝搬においてどのような損失が，どのような割合で発生しているのか，詳細にデータを取得して，ニオブ酸リチウムだけで行った実験で蓄積したこれまでの実験データとの対比により，効率向上の方策を検討する。
振動振幅計測の結果からは，駆動電力5.4Wに対して振動振幅が4.5nmとなったが，振動分布については詳しく測定できておらず，進行波となっていることを確認する必要がある。これまでの波動整合負荷に関する研究結果からは，整合抵抗値の負荷でいいはずだが，やや複雑な振動系となっているため，詳細を測定する必要がある。また，上述した検討により，全体の効率と振動振幅値の向上も期待できるので，その結果，より小さい電力で大きな振動振幅が得られることを期待している。振動系の解析と改良を行った上で，大電力の投入により，振動振幅として10nm程度励振を行えるようにし，モータとしての駆動実験を実現する。
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Research Products
(2 results)
