強誘電体のＤ－Ｅヒステリシス曲線を用いた振動子の共振周波数の動的制御

利用铁电DE磁滞曲线动态控制谐振器的谐振频率

基本信息

批准号：
16J07294
负责人：
横澤宏紀
金额：
$ 1.22万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

昨年度までの研究で，MOSFETを用いた超音波振動子の共振周波数を制御する手法を確立した．本年度はこれを用いて，実用的なアプリケーションとして水中におけるキャビテーションの効率向上を実証した．キャビテーションは，水中に超音波を照射した際に発生する気泡であり，超音波洗浄や化学反応の促進等，幅広い用途に用いられている．ここで，キャビテーション気泡を効率よく発生させるため，周波数比１：２なる二つの正弦波を重ね合わせる手法が梅村らより提案されている．２波間の位相制御を台形波形圧力が得られるよう行うことにより，キャビテーション気泡発生の効率を改善することができる．また，大きな振動振幅を得るために振動損失の少ない(Q値の大きな)振動子を用いる場合，その共振ピークは鋭敏になる．このため，駆動周波数と共振周波数は可能な限り近づける必要がある．すなわち，台形波形変位を高効率で励振するためには，共振周波数を１：２と制御する必要がある．しかしながら，振動子の設計を緻密に行い共振周波数を１：２としたとしても，駆動中の境界条件の変化や圧電振動の非線形現象によって共振周波数が変化してしまい，振動振幅の減少を招く．この共振周波数の変化を補償するため，前述したMOSFETを用いた共振周波数の制御法を適用し，キャビテーション気泡を観察した．結果として振動の重ね合わせと共振周波数制御により高効率なキャビテーション気泡発生が確認された．この結果はキャビテーション気泡の生成に振動重ね合わせが効果的であるとの先行研究に一致するとともに，共振周波数制御がキャビテーション効率に寄与することを示した．これは前述したような共振周波数の変化を本研究で達成した共振周波数制御法で補償することにより，効率の良い共振振動で台形波形を実現できたためである．

在研究到去年之前，我们建立了一种使用MOSFET控制超声传感器的共振频率的方法。今年，我们用它证明了水的空化效率提高，作为一种实际应用。空化是一种气泡，当超声波被照射到水中时会产生，并用于广泛的目的，例如超声清洁和促进化学反应。为了有效地产生空气泡，Umemura等。提出了一种叠加两个正弦波，频率比为1：2的方法。通过在两个波之间执行相位对照以获得梯形波形压力，可以提高气泡泡产生的效率。此外，当使用具有低振动损耗（大Q值）的振动器获得较大的振动幅度时，共振峰变得锋利。因此，有必要使驾驶频率和共振频率尽可能接近。换句话说，为了以高效率激发梯形波形位移，有必要将谐振频率控制为1：2。但是，即使以精确的方式设计谐振频率，共振频率为1：2，由于驾驶过程中边界条件的变化和压电振动的非线性现象而引起的谐振频率变化，从而导致振动振幅下降。为了补偿这种共振频率的变化，应用了使用MOSFET控制共振频率的上述方法来观察气泡气泡。结果，通过振动的叠加并控制谐振频率，证实了高效的气泡泡产生。该结果与以前的研究一致，即振动叠加可有效产生空气泡，并表明共振频率控制有助于空化效率。这是因为通过使用本研究中获得的谐振频率控制方法补偿上述共振频率的变化，可以通过有效的共振振动实现梯形波形。