Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

アクチュエータ / 超音波 / 圧電デバイス / 音響放射圧 / Acoustfluidics / 圧電素子 / 非線形音響 / 音響放射力 / 音響流 / Acoust fluidics / 超音波放射力 / 液中 / 水中ロボット / 液中アクチュエータ / 放射圧 / Acoustofluidics

弾性表面波基板を用いた液中アクチュエータの応用として，駆動IDTに加えて反射器IDTを設置することで，一方向に効率よく伝搬する電極構造とした駆動周波数約10 MHzの素子を用いて，音響流駆動によるアクチュエータを検討した。2枚の弾性表面波素子を対向して設置して，素子の配置と素子間隔を変えて実験したところ，素子を端部に設置し，素子間隔を狭くすることで，より大きな推力の得られることを明らかにした。しかし問題点として，駆動IDTから放射された表面波が，反射器に到達する前に，水中に放射されてしまい，一方向に表面波が効率よく伝搬させることが難しいことがわかった。
この実験結果から，アクチュエータとしての動作は確認されたが，より効率よく動作させるためには，電極構造を再検討する必要があることがわかった。解決策としては，駆動電極内部に反射用浮き電極を設置するなど，駆動電極と反射器が一体構造となった一方向性電極の採用が必要であることがわかった。
円板形状の素子の，厚み振動を利用したバルク波デバイスによるアクチュエタについては，デバイス表面に発生する音響放射圧の利用に加え，新たに音響流を推力に変換する構造の検討を行った。約2 MHzで厚み共振する圧電素子を用いた。
音響流を推進力として利用するため，圧電振動子の前方に流路が形成されるように樹脂による囲いを設置した。囲いには，振動子放射面前方に噴出口を設置し，振動子の脇には吸入口を作製した。噴出口の直径を2 mmから9 mmの間で5種類作製し，それぞれ推力の測定を行った。推力としては，1.1 mNから1.5 mNが得られた。直径3 mm以上ではほぼ同じ推力となり，噴出口の直径が大きい方がやや大きな推力となる傾向となった。囲いの無い音響放射力による場合は2 mNの推力が得られており，音響流による推力はやや小さな値であるが，推力を得ることができ。

超音波 / 超音波モータ / 摩擦駆動 / 潤滑 / 潤滑油 / 効率 / トルク / 圧電素子 / 圧電振動子

超音波振動でロータを摩擦駆動する超音波モータは、大きなトルク-重量比が得られるため、ロボット用途などに期待される。しかし、振動による摩擦制御の動作が不十分なため、効率は50％以下、寿命は高々数千時間であった。
本研究では、超音波モータの摩擦駆動部に潤滑油を導入し、振動による潤滑特性の動的変化を積極的に活用することで、複合振動子型超音波モータの効率を70％程度まで引き上げた。これは、駆動力に寄与しない振動の負の半周期に残留する摩擦力を流体潤滑により低減し、正の半周期では境界潤滑により必要な駆動力を発生できるためと考えられる。潤滑油の性質やロータ接触面の材質・形状などの影響も実験的に検討した。

超音波 / 超音波モータ / 超音波アクチュエータ / 圧電アクチュエータ / 多自由度 / 圧電素子 / マイクロアクチュエータ / アレイ

基板上に微小な多自由度超音波モータを多数製作するための技術の構築とそのアレイ化された多自由度超音波モータの駆動方法・制御方法の開発を行い、その応用を開拓することを本研究の目的としている。このことが実現できると、薄型2次元ステージや、物体の2次元搬送装置への応用が期待される。また、面発光素子アレイ、マイクロレンズアレイなどの面に分布した光学マイクロデバイスと本アクチュエータアレイを積層することで、高機能なマイクロ光デバイスへの発展が望まれる。
本研究では、以下の成果を得た。
1.基板上へ多自由度モータを構成する方法として片端固定の円柱に2方向のたわみ振動と縦振動を励振する構造を考案し、従来より簡易な構成で多自由動作を実現した。また、この円柱の共振周波数設計を行い単素子モータの動作検証を行った。
2.2×2の4素子アレイの試作を行なって、各素子の動作を確認した。
3.4素子アレイの上に平板を置くことで、2次元3自由度ステージへの応用できることを示し、その動作特性を評価した。
4.各素子を独立に動作させようとする場合、素子間の振動結合が問題になることを見出し、その低減手法を検討した。振動子間に溝を設ける方法などについて有限要素法により効果を検証した。
5.大規模アレイを実現する方法を考案した。基板作成方法、給電のための配線パターン設計を行った。

【研究協力者】
Wei Qiu	Technical University of Denmark	Post-doctoral fellow

【研究分担者】
上羽貞行	東京工業大学	精密工学研究所	教授	(Kakenデータベース)