【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】15H03943 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

アクチュエータ / 圧電アクチュエータ / 超音波モータ / リニアモータ / マイクロモータ / 弾性表面波素子 / 摩擦駆動 / MEMS / 圧電デバイス / 弾性表面波 / 進行波 / 超音波 / 圧電材料 / マイクロマシン / トライボロジー / レイリー波

【研究成果の概要】

固体表面付近に振動エネルギーが集中して伝わっていく弾性表面波（レイリー波）を用いた超音波モータの研究を行っている。弾性表面波基板には，ニオブ酸リチウム（128°回転Y板）をステータとして用いている。しかし，摩擦力で駆動をおこなう弾性表面波モータにおいては，ニオブ酸リチウムの耐摩耗性が問題となり，実用化する上での障害となっている。そこで，振動の励振にはニオブ酸リチウム素子をもちい，励振された振動をサファイア基板に接触伝搬させることで，耐摩耗性の高いサファイアを摩擦駆動面として用いる新しい振動子の構成について実験的に研究を行い，サファイア基板面にレイリー波を励振できることを示した。

【研究の社会的意義】

サファイアと同じ組成であるアルミナ・セラミクスを摩擦材として実用化された超音波モータでは，動作距離10,000km（推定10,000時間）の寿命を実現している。アルミナ・セラミクスの単結晶材料であるサファイアを摩擦駆動部に用いることで高い耐久性が期待できる。振動発生部には，単結晶ニオブ酸リチウムを用いることで高いパワー密度を実現し，摩擦駆動部には，耐摩耗性と機械強度に優れた単結晶サファイアを用いることで高い耐久性を目指しているのが，本弾性表面波モータである。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2020-03-31

【配分額】14,170千円 (直接経費: 10,900千円、間接経費: 3,270千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】16310096 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

アクチュエータ / 超音波モータ / 圧電 / 弾性表面波 / MEMS / マイクロアクチュエータ / 超音波 / レイリー波 / 弾性表表面波

【研究成果の概要】

弾性表面波モータの環流型ステータ電極の設計について電極設計と配置に関するシミュレータを構築し検討を進めた。反射器の周波数特性の設計値からのずれが,環流特性に大きな影響を及ぼしうることを見いだし,その精細な設計が必要とされることがわかった。環流する波の位相ずれによる環流電力の低下につても計算を行い,数10°の位相回転により環流電力が極端に低下してしまうことを明らかにした。また,モータの動作特性を考えると,駆動電極配置が非対称に配置されている現状のデザインから,対称な配置への変更が可能であるかどうかの検討を進めた。このために,まずは,駆動用IDTと反射電極の基本的な特性を再検討し,反射電極と駆動用IDTとの共振周波数のずれについて,どの程度の誤差が発生しているかを確かめ,その差を小さくすることにより,設計精度を上げるようにした。これらの検討を通し,これまで2つの駆動電極が片側の環流電極近くにおかれた非対称な構造であることに起因した,駆動方向による特性のばらつきを無くすとともに,環流特性に対しても改善を行うように設計をすることの検討を進め,設計上の問題点を明らかにした。
スライダ直下を伝搬するレイリー波の位相ずれを極力少なくするためには,位相変化が起こる原理と発生過程を詳細に把握するため,有限要素法による時間応答解析を試みた。シミュレーションの結果,スライダ突起による位相散乱が,スライダへの予圧により大きく変化する様子が再現された。さらに,その定量的な関係について検討を進めるとともに,動作解析からの検討も加えて,そのメカニズムについて考察を行った。その結果,波動の散乱に関しては,突起がステータ面と接触/離脱を繰り返すことにより,周期的な力を受けることで加振されていると考えられ,突起があることにより散乱波が放射することは,ほぼ避けられないのではないかとの見解に至った。また,突起があることで,位相の乱れも大きいことが考えられた。一つの解決策としては,突起を無くした平面のスライダにより動作を実現することが妥当ではないかとの考えに至った。その場合にはスクイーズ膜の影響を緩和するためにスリットを付け,突起を無くしたスライダの安定的な動作条件を検討していく必要があることを今後の課題とした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】13,700千円 (直接経費: 13,700千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】14340102 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

超流動ヘリウム3 / 常流動ヘリウム3 / 弾性表面波 / 超音波 / 音響インピーダンス / 粘性率 / 横波 / 粘弾性体 / 超流動3He-B / P-波超流動 / 表面束縛状態 / 表面弾性波 / 横波音響インピーダンス / 対破壊 / オーダーパラメーター集団励起 / フェルミ液体

【研究成果の概要】

超流動3Heはスピン・トリプレットのP波超流動状態に約1〜2mKで相転移する。秩序変数の超流動の波動関数は多くの自由度を有しており、多数の超流動相の実現が原理的に可能と言われている。しかし、不思議なことに現実にはBW-state(B相)とABM-state(A相)の二つ、磁場中でABMの変形であるA1相が実現しているのみである。この中で固体界面という境界条件に敏感なのは、BW-stateである。BW-stateでは、超流動の波動関数の壁に垂直な成分Δ_⊥(k)は、壁近傍で奇関数的に振舞う。すなわちΔ_⊥(-k)=-Δ_⊥(k)という性質をもつ。その結果、Δ_<//>は壁の影響をほとんど受けないが、Δ_⊥は壁からξの数倍にわたってバルクの値から大きく空間変化し、壁の直上でゼロになる。ここでξはコヒーレンス長で数十ナノメータの長さである。このように秩序変数が空間変化することのために、壁近傍ではP波超流動固有の表面状態が存在する。つまりギャップ内に状態密度を持つことになる。界面の条件が準粒子の衝突に対して鏡面的か非鏡面的かによって大きく変わるが、現実の系では非鏡面的であることを考慮すると、ギャップ内の状態がδ関数的ではなく、かなり幅を持って存在するところが特徴的である。これらのことは理論的にこそ予測されていたが、実験では技術上の問題で手付かずの状態になっていた。本研究において、壁の横振動の音響インピーダンスを適当な振動数を選んで精密に測定することにより、この表面状態の存在を明瞭に捕らえることができた。これは、実験前ではまったく予想しなかったことであるが、音響インピーダンスの手法が超流動3Heの表面状態の分光学的研究に有力であることを示しており、今後のこの分野の研究が進展することが期待される

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2002 - 2004

【配分額】14,200千円 (直接経費: 14,200千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】11750070 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非破壊検査 / 超音波 / 表面き裂 / 弾性表面波 / ウェーブレット / ウェーブレット変換

【研究成果の概要】

実用に供されている構造部材の残存強度や予寿命を的確に予測するためには,実在するき裂や欠陥の寸法・形状の非破壊評価技術が必要不可欠であるが,中でも表面き裂の非破壊評価技術の開発は重要である.本研究では超音波表面波による表面き裂の非破壊評価法に着目し,ウェーブレット変換による超音波波形データ解析により表面き裂の寸法・形状を検出するとともに,検出情報に基づいて表面き裂を可視化するシステムを構築することを目的とした.本研究によって得られた成果を要約すれば次のとおりである.
1.任意材料に対して超音波表面波を励起・検出するための新しい探触子(接触型線集束探触子)を試作・改良し,その基本的特性を超音波可視化などにより評価した.
2.接触型線集束探触子を使用して,薄板およびコーティング層の機械的特性の非破壊評価を行い,その有用性を示した.
3.超音波表面波の受信波形データから表面波速度,伝播時間などを正確に検出するために,ウェーブレット変換を利用したデータ解析ソフトウェアを開発し,その有用性を確認した.
4.表面き裂(あるいは,これを模擬したスリット)を導入した試験片に対して接触型線集束探触子を用いた超音波試験を行い,試験片内部の超音波伝播状態を可視化することにより,表面き裂の非破壊評価の高精度化を図るための基礎的な知見と指針を得た.
5.表面き裂を模擬したスリットを導入した試験片に対して接触型線集束探触子を用いた超音波試験を行い,表面き裂の寸法・形状を推定する上で有益な受信波形データが得られることを確認した.

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】08750101 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非破壊評価 / 超音波 / 弾性表面波 / ウェーブレット変換

【研究成果の概要】

材料の表面を高強度化あるいは高機能化するために多様な表面改質技術が利用されており,それに応じて材料表面層の機械的特性の評価法も多く研究されている.その一つに,弾性表面波の分散性を利用して,超音波の伝播速度を計測することにより表面層の機械的特性を評価する方法がある.この方法は,非破壊的な評価が可能である点に最大の長所があるが,従来,超音波の波形データから伝播速度の分散特性を算出する際に繁雑な波形データ処理が必要であるという難点があった。
本研究は,近年著しく発展した波形解析手法であるウェーブレット変換による波形データ処理を適用することにより、弾性表面波の伝播速度の分散特性を正確かつ簡便に計測する手法を開発するとともに,それを応用して超音波による材料表面層の非破壊評価法の信頼性の向上や適用範囲の拡大を図ったものである.本研究によって本年度に得られた成果は以下の通りである.
(1)表面改質財を模擬したモデル試験片を検討・製作した.
(2)超音波探触子を用いて弾性表面波を送受信する装置を製作した.
(3)(1)の試験片を用いて(2)の装置により超音波試験を行い,弾性表面波の測定データを得た.
(4)ウェーブレット変換による超音波波形の解析および弾性特性の算定を行うソフトウェアを製作した.現在は,(3)で得られた測定データを(4)のソフトウェアによって解析し,弾性特性評価を行っている.今後は,評価結果の妥当性を検討し,実験装置およびソフトウェアの改良を図る予定である。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1996

【配分額】1,100千円 (直接経費: 1,100千円)

【研究分野】計測・制御工学

【研究領域課題番号】07555424 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ジャイロセンサ / マイクロセンサ / 弾性表面 / レイリー波 / ニオブ酸リチウム / 圧電センサ / 電気機械変換器 / 圧電トランスデューサ / 弾性表面波 / 圧電トランスジューサ / ニオブ直交リチウム / マイクロマシニング / ジャイロスコープ / 振動ジャイロ / 圧電基板 / IDT / 超音波

【研究成果の概要】

圧電基板としてLiNbO3 128度回転Y板を用い、周波数を15MHz、振動モードをレイリー波として、ジャイロセンサを設計した。圧電基板表面には、定在波励起用の櫛形電極1組と反射器を2組、これに対して、2次波を検出するための電極と反射器が2組ずつ向かい合ったものが、直交して配置してある。それぞれの電極が交差した領域に、摂動電極を配置している。この交差部でのコリオリ力による2次的に発生する表面波を検出するのが、このセンサの原理である。通常ではこれらの波動はお互いに打ち消しあって、外から観測することはできない。しかし、このセンサでは、1波長間隔で分散配置された摂動電極により、特定な位相関係の波動だけを強く励振することで、検出可能な構造としている。等価回路による動作解析の結果、2πrad/sの回転角速度で、1Vの駆動電圧に対して、数十mVの出力が得られることがわかった。電極はアルミ及びクロムを用いてフォトプロセスにより製作され、電極全体の大きさは25x45mm2である。
製作されたジャイロの検出用電極のアドミタンス特性を計測した結果、反共振のQ値が予想より大幅に低く、駆動用電極との共振の一致は見られず、検出出力は数百μV以下になってしまうことが分かった。また、中央の摂動電極による表面波の散乱が観測され、駆動用の信号が検出用電極に回り込んでしまうことが分かった。さらに、摂動電極の振動状態を調べたところ、理想的な振動状態にないものが数多くあり、同時にはっきりとした定在波の励起も見られず、検出出力の低下が予想された。製作したジャイロの出力信号が微弱で、容易に観察する事ができないため、このジャイロをターンテーブルにのせて周方向に振動させ、ジャイロの出力信号と振動をロックさせて検出する手法を用いたが、角速度検出信号を確認する事はできなかった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】4,300千円 (直接経費: 4,300千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】07750093 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

弾性表面波 / ウェーブレット変換 / 表面改質 / 分散性波動 / 超音波

【研究成果の概要】

近年,材料の高機能化に伴って高度な表面改質技術が利用されるようになっており,このような改質技術によって得られた材料表面層の機械的特性を正確に評価することは重要である.そのための評価法の一つに,材料表面に超音波を伝播させて弾性表面波を励起させ,その波形データから伝播速度の分散特性を抽出することにより,表面層の材料定数を同定する方法が知られている.しかし,この方法では,弾性表面波の伝播速度の分散特性を抽出するために繁雑な波形処理が必要であり,また,その抽出精度も十分高くはなかった.本研究では,超音波の波形データ処理に対してウェーブレット変換を適用することにより,弾性表面波の伝播速度の分散特性を正確かつ簡便に抽出する手法を開発し,それによって超音波による材料表面層の非破壊評価法の適用性および信頼性を向上させることを目的としたものである.本研究によって本年度に得られた成果は以下の通りである.
(1)分散性応力波のウェーブレット解析について理論的側面から基礎的な検討を行い,ウェーブレット変換による分散特性の抽出法を明らかにした.
(2)弾性表面波の分散特性について理論的側面から基礎的な調査を行い,(1)の方法の適用性について検討した.
(3)(2)の結果に基づいて,超音波探触子を用いて弾性表面波を発生・検出する装置の製作を検討した.
(4)(1)の結果に基づいて,パーソナルコンピュータで超音波波形データのウェーブレット解析を行うための波形処理システムプログラムを開発した。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1995

【配分額】1,200千円 (直接経費: 1,200千円)