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

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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．