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Specification :(In Japanese)液中推進装置

Country (In Japanese)日本国特許庁(JP)
Gazette (In Japanese)公開特許公報(A)
Publication number P2020-032956A
Date of publication of application Mar 5, 2020
Title of the invention, or title of the device (In Japanese)液中推進装置
IPC (International Patent Classification) B63H   1/32        (2006.01)
B06B   1/06        (2006.01)
H01L  41/09        (2006.01)
H01L  41/187       (2006.01)
B63C  11/00        (2006.01)
FI (File Index) B63H 1/32
B06B 1/06 Z
H01L 41/09
H01L 41/187
B63C 11/00 Z
Number of claims or invention 6
Filing form OL
Total pages 10
Application Number P2018-163232
Date of filing Aug 31, 2018
Inventor, or creator of device (In Japanese)【氏名】黒澤 実
【氏名】孔 ▲徳▼卿
【氏名】石河 睦生
【氏名】舟窪 浩
【氏名】伊東 良晴
【氏名】舘山 明紀
Applicant (In Japanese)【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
Representative (In Japanese)【識別番号】100099759、【弁理士】、【氏名又は名称】青木 篤
【識別番号】100123582、【弁理士】、【氏名又は名称】三橋 真二
【識別番号】100147555、【弁理士】、【氏名又は名称】伊藤 公一
【識別番号】100160705、【弁理士】、【氏名又は名称】伊藤 健太郎
Request for examination (In Japanese)未請求
Theme code 5D107
F-term 5D107AA20
5D107BB20
5D107CC02
5D107CD01
5D107CD03
5D107DD11
5D107DE03
5D107EE01
5D107EE04
Abstract (In Japanese)【課題】基板表面付近を伝搬する弾性波動を推進力発生源とする、全く新しい液中自走型の液中推進装置を提供する。
【解決手段】液中推進装置は、本体と、本体12を液体表面Sまたは液体中に配置したときに、該液体に少なくとも部分的に接するように、本体に取り付けられた高周波振動アクチュエータ14とを具備し、高周波振動アクチュエータにより液体中に超音波を生成し、その際、高周波振動アクチュエータの表面と液体との間の界面に生じる音響放射圧によって推進力を得るようにした。
【選択図】図1
Scope of claims (In Japanese)【請求項1】
本体と、
前記本体を液体表面または液体中に配置したときに、該液体に少なくとも部分的に接するように、前記本体に取り付けられた高周波振動アクチュエータとを具備し、
前記高周波振動アクチュエータにより前記液体中に超音波を生成し、その際、高周波振動アクチュエータの表面と前記液体との間の界面に生じる音響放射圧によって推進力を得るようにした液中推進装置。
【請求項2】
前記高周波振動アクチュエータは、平板状の圧電基板と、該圧電基板において前記推進力によって前記本体が移動する方向に対して後方に面した側面に設けられた弾性表面波素子とを具備し、圧電基板表面に表面波を生成し、該表面波によって前記液体中に縦波を伝播するようにした請求項1に記載の液中推進装置。
【請求項3】
前記高周波振動アクチュエータは、前記本体に対して斜め後方に傾斜させて延設されている請求項2に記載の液中推進装置。
【請求項4】
前記高周波振動アクチュエータは、本体に対して以下の式で示される角度θを形成するように前記本体に対して斜め後方に傾斜させて延設されている請求項3に記載の液中推進装置。
【数1】
JP2020032956A_000005t.gif
ここで、θRは、縦波の進行方向が圧電基板表面に垂直な方向に対して形成する角度であり、以下の式にて求めることができる。
【数2】
JP2020032956A_000006t.gif
ここで、vlは液中における縦波の速度であり、vRは圧電基板中を伝播するレイリー波の速度である。
【請求項5】
前記液中推進装置は一対の前記高周波振動アクチュエータを具備し、
該一対の高周波振動アクチュエータは互いに平行に延設されるように、前記本体に取り付けられており、
前記高周波振動アクチュエータの各々は、平板状の圧電基板と、該圧電基板において前記推進力によって前記本体が移動する方向に対して後方に面した側面に設けられた弾性表面波素子とを具備し、
圧電基板表面に表面波を生成し、該表面波によって前記液体中に縦波を伝播して音響放射圧によって推進力を発生すると共に、液体中に縦波が伝搬する際に、前記一対の高周波振動アクチュエータの間に直進流を生じさせて、該直進流によって推進力を発生させるようにした請求項1に記載の液中推進装置。
【請求項6】
前記本体は有底状の中空部材より成り、
前記高周波振動アクチュエータは、前記本体の開口部を閉鎖するように配設されており、
圧電振動子から後方へ本体の側壁を更に延長して形成したスカート部が設けられ、
スカート部において、圧電振動子に隣接させて複数の液体ポートが形成されている請求項1に記載の液中推進装置。
Detailed description of the invention (In Japanese)【技術分野】
【0001】
本発明は、高周波振動アクチュエータを用いて液中または水中で推進力を得るようにした液中推進装置に関する。
【背景技術】
【0002】
弾性表面波アクチュエータは小型で高速、高推力な駆動並びに精密な位置決めが可能であり、本願の発明者等による出願である特許文献1には、弾性表面波アクチュエータを用いた小型リニアアクチュエータが記載されている。
【先行技術文献】
【0003】

【特許文献1】特開2007-028828号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
発明者等は、弾性表面波アクチュエータを用いた小型リニアアクチュエータの開発から得た知見に基づいて、基板表面付近を伝搬する弾性波動を推進力発生源とする、全く新しい液中自走型の液中推進装置を発明した。
【課題を解決するための手段】
【0005】
請求項1に記載の本発明は、本体と、前記本体を液体表面または液体中に配置したときに、該液体に少なくとも部分的に接するように、前記本体に取り付けられた高周波振動アクチュエータとを具備し、
前記高周波振動アクチュエータにより前記液体中に超音波を生成し、その際、高周波振動アクチュエータの表面と前記液体との間の界面に生じる音響放射圧によって推進力を得るようにした液中推進装置を要旨とする。
【発明の効果】
【0006】
本発明では、高周波振動アクチュエータによる推進力発生の原理は、波動伝搬の非線形現象による直流的な力であり、推進力を生ずる源は、高周波振動アクチュエータ中を伝搬する20nm以下の微小振幅の高周波振動であるので、液中推進装置は、ヒレやスクリューといった可動部を持たない全く新しい液中推進装置である。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本発明の第1の実施形態による液中推進装置の略示側面図である。
【図2】高周波振動アクチュエータの略示平面図である。
【図3】本発明の第2の実施形態による液中推進装置の略示側面図である。
【図4】図3の液中推進装置の平面図である。
【図5】図3の液中推進装置の作用を説明するための略示拡大側面図である。
【図6】半無限媒体の固体中を伝搬してきた超音波が液中に伝搬するとき、固体と液体との境界面で発生する音響放射圧を説明するための略図である。
【図7】図6の原理に基づき、円板状圧電素子の厚み振動を用いた本発明の第2の実施形態による高周波振動アクチュエータの例を示す略示断面図である。
【図8】本発明の第3の実施形態による液中推進装置の略示断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図1に示す、本願発明の第1の実施形態による液中推進装置10は、本体を形成する浮体12と、高周波振動アクチュエータ14とを具備している。浮体12は、液体、例えば水に浮くことのできる材料、例えば発泡スチロールや木製の部材とすることができる。液中推進装置10は、使用中、図1に示すように、浮体12が液面または水面Sに配置され、高周波振動アクチュエータ14が液中に配置され、矢印Aで示す方向に推進される。

【0009】
図2を参照すると、高周波振動アクチュエータ14は、矩形板状の圧電基板18と、該圧電基板18の一側面に貼付された弾性表面波素子20、30を具備している。高周波振動アクチュエータ14は、圧電基板18が、浮体12に対して角度θを以て浮体12の下面から斜め後方かつ下方へ延びるように、浮体12の前端部、特に浮体12の下面の前端近傍に取り付けられている。或いは、高周波振動アクチュエータ14は、図1に示すように、液中推進装置10を液体に浮かべたときに、圧電基板18が、液面または水平面Sに対して角度θを以て斜め後方かつ下方へ延在するようにしてもよい。より一般的には、高周波振動アクチュエータ14は、圧電基板18が、液中推進装置10の進行方向Aに対して角度θを以て斜め後方に延在するようにできる。

【0010】
圧電基板18は、例えば128度回転Y板X伝搬のニオブ酸リチウム(LiNbO3)によって形成することができる。弾性表面波素子20、30の一方、本実施形態では、弾性表面波素子20は高周波電源16に接続されており、駆動側弾性表面波素子を形成しており、他方の弾性表面波素子30は反射側弾性表面波素子を形成する。

【0011】
駆動側の弾性表面波素子20は、平行に延設されたバス22、26と、該バス22、26の各々から対向するバス26、22へ向けて伸びる指状電極24、28を有しており、交差指状電極を形成している。反射側の弾性表面波素子30も同様に、平行に延設されたバス32、36と、該バス32、36の各々から対向するバス36、32へ向けて伸びる指状電極34、38を有しており、交差指状電極を形成している。こうして、高周波振動アクチュエータ14は弾性表面波アクチュエータを形成している。

【0012】
高周波電源16による高周波振動アクチュエータ14の駆動周波数は、弾性表面波素子20、30の指状電極24、28、34、38の幅と、ピッチとによって決定される共振周波数となる。一例として、指状電極24、28、34、38の幅と隙間を100μm、ピッチを400μmとすると、上述のニオブ酸リチウムの圧電基板18の場合、共振周波数は約9.6MHzとなる。

【0013】
以下、本実施形態の作用を説明する。
高周波電源16から駆動側弾性表面波素子20に所定の電圧を印加すると、駆動側弾性表面波素子20から、反射側弾性表面波素子30へ向けて一方向に伝播する弾性表面波であるレイリー波が生成される。このレイリー波は、進行方向変位成分と、深さ方向変位成分を持った進行波であり、2つの変位成分の位相差は90度となっている。従って、進行波によって高周波振動アクチュエータ14の表面粒子が楕円軌道を描く。

【0014】
液中推進装置10を図1のように液体表面Sに配置し、高周波振動アクチュエータ14が液中に浸漬された状態で高周波電源16から駆動側弾性表面波素子20に所定の電圧を印加すると、上述の進行波による高周波振動アクチュエータ14の表面粒子が楕円軌道を描くように変位するので、液中に漏洩表面波として粗密波または縦波が生成、放射される。この縦波の進行方向が、圧電基板18表面に垂直な方向に対して形成する角度をθRとすると、
【数1】
JP2020032956A_000003t.gif
で示される。

【0015】
ここで、vlは液中における縦波の速度であり、vRは圧電基板18中を伝播するレイリー波の速度である。一例として、上述の128度回転Y板X伝搬のニオブ酸リチウム場合、vl=1492m/s、vR=3980m/sであり、θR=22°となる。従って、
【数2】
JP2020032956A_000004t.gif
となるように、浮体12に対する圧電基板18の角度θを決定することによって、縦波は矢印A′で示すように、浮体12に対して平行な方向に伝播することとなる。或いは、式(2)に基づいて、進装置10の望ましい進行方向Aに対する圧電基板18の角度θを決定することによって、進行方向Aに対して正反対の方向A′に漏洩表面波として縦波を生成、放射可能となる。

【0016】
こうして、液中推進装置10は、高周波振動アクチュエータ14から縦波が放射される際、高周波振動アクチュエータ14の表面と液体との間の界面に発生する音響放射圧によって、液面または水面Sに沿って矢印Aで示す方向に移動する。発明者らは、長さ27mm、幅16mm、厚さ1mmの高周波振動アクチュエータ14を作成し、弾性表面波素子20に周波数9.61MHz、電圧約80Vの駆動電力を印加することによって、約0.25Nの推進力が得られることを実験により確認している。

【0017】
本実施形態では、このように、推進力発生の原理は波動伝搬の非線形現象による直流的な力であり、推進力を生ずる源は、固体中を伝搬する20nm以下の微小振幅の高周波振動であるので、高周波振動アクチュエータ14は、ヒレやスクリューといった可動部を持たない、全く新しい液中アクチュエータである。上述のように、本実施形態では、他の推進方式より優れた0.25Nとい大きな推進力を実現している。また、表面波の駆動周波数を高周波化することで、出力密度を低下させることなくマイクロ化が可能である。例えば、駆動周波数を現在の9.6MHzから1GHzとすれば、寸法を1/100にすることができ、サブミリメートルの素子とすることや、マイクロ波によるワイヤレス駆動も考えられ、液中を自由に動き回ることのできる液中推進装置またはアクチュエータへの応用、特に、先進的な医療技術やバイオテクノロジーへの応用が期待できる。

【0018】
既述の実施形態では、高周波振動アクチュエータ14から縦波が放射される際に、高周波振動アクチュエータ14の表面と液体との間の界面に発生する音響放射圧を推進力源として利用している。然しながら、水中に音波が伝搬する際に、直進流を生ずることが知られている。この直進流もアクチュエータの推進力として利用することが考えられる。

【0019】
図3~図5に示す第2の実施形態による液中推進装置40は、高周波振動アクチュエータから液中に音波が伝播する際に生じる直進流を推進力として利用するようになっている。本実施形態では、表面波素子の表面で発生する音響放射圧に基づく推進力とともに、直進流を推進力に利用することで、推進力、速度ともに増大することが可能となる。

【0020】
図3~図5において、液中推進装置40は、本体を形成する浮体46と、該浮体46に取り付けられた高周波振動アクチュエータ42、44を具備している。高周波振動アクチュエータ42、44は、図2に示した高周波振動アクチュエータ14と同様に駆動側弾性表面波素子20と、反射側弾性表面波素子30とを有しており、駆動側弾性表面波素子20が高周波電源(図示せず)に接続されている。高周波振動アクチュエータ42、44は、浮体46から後方に互いに平行に延びるように、浮体46の上面および下面に取り付けられている。

【0021】
高周波電源から駆動側弾性表面波素子20に高周波電圧を印加すると、高周波振動アクチュエータ42、44の間で縦波が生成される。この縦波は、図5において矢印D、D′で示すように、他方の高周波振動アクチュエータ44、42へ向けて斜め後方に生成、放射される。それにより、上述したように、高周波振動アクチュエータ42、22の表面と液体との間の界面に音響放射圧が発生する。音響放射圧の高周波振動アクチュエータ42、22の表面に垂直な成分は互いに打ち消し合うので、音響放射圧の液中推進装置40の後方へ向かう成分によって、液中推進装置40を前方(図3~図6で左方)へ移動させる推進力が生成される。

【0022】
更に、本実施形態では、高周波振動アクチュエータ42、44から液中に縦波(音波)が伝播する際に生じる直進流によって矢印Bで示すような液体の流れ(ジェット)が生成され、これにより、推進力が得られるようになっている。矢印Bで示すように、水流が生じることから、図4において矢印Cで示すように、高周波振動アクチュエータ42、44の間に周囲から液体が流入する。直進流を利用することで、推進力および速力を増大することが可能となる。

【0023】
既述したように、液体中に超音波を放射する際、固体である超音波振動子と流体または水との界面には、放射圧と称される直流的な力が生じる。直流的な力である放射圧を推進力として用いるためには、振動モードは既述したような弾性表面波に限定されない。例えば、円板状圧電素子の厚み共振振動モードを用いても、同様の原理により振動子表面の放射圧が推進力として作用する。

【0024】
円板状圧電素子の厚み振動モード用いた高周波振動アクチュエータとしては、MHz帯の圧電厚み振動子モードの利用が可能である。放射圧の理論からは、図6に示すように、半無限媒体の固体中を伝搬してきた超音波が液中に伝搬するとき、固体と液体との境界面で放射圧が発生する。

【0025】
図7に、この原理に基づき円板状圧電素子の厚み振動を用いた高周波振動アクチュエータの例を示す。図7において、高周波振動アクチュエータ50は、有底状の円筒中空本体52、本体52の開口部を閉鎖するように配設された圧電振動子56、本体52と圧電振動子56との間に配設されたシール部材であるOリング54を備えている。本体52の中空部52aには空気が充満されている。圧電振動子56の外側の側面は液体に接している。高周波振動アクチュエータ50によれば、液体と圧電振動子56の境界面に作用する放射圧を推進力として取り出すことが可能となる。圧電振動子56は、例えば直径20mm、厚さ3mm、2mm、1mm、0.5mm、0.3mmのPZTバルク素子を用いることができる。厚さの違いで共振周波数(=駆動周波数)が異なり、それぞれ、700kHz、1MHz、2MHz、4MHz、7MHzとなる。

【0026】
圧電素子56として、圧電膜による素子を用いることでマイクロ化を図ることが可能となる。例えば、水熱合成法により成膜したKNbO3膜であればPZTバルク材料より10倍程度大きな振動速度が得られ、素子の厚さを数μm~100μmとすることで、駆動周波数を20MHz~数100MHzとすることが可能となる。高周波化により小型化され、直径1mm程度のアクチュエータを実現できる。また、高い周波数を用いることで、水中におけるキャビテーションの発生を抑制でき、キャビテーション発生による推進力の低下が抑えられるので、効率よく推進力を得ることが可能となる。

【0027】
既述したように、液中を伝搬する超音波によって直進流が生成される。円板状圧電素子の厚み振動を用いた高周波振動アクチュエータでも、前述した弾性表面波による場合と同様に直進流の利用が可能である。この直進流を発生させる音響放射圧は、水面から噴水のように噴射するほど強力な力であることが分かっている。

【0028】
図8に、この原理に基づき、円板状圧電素子の厚み振動を用いた液中推進装置の例を示す。図8において、液中推進装置60は、有底状の中空本体62、中空本体62の開口部を閉鎖するように配設された圧電振動子66、本体62と圧電振動子66との間に配設されたシール部材としてのOリング68、圧電振動子66から後方へ本体62の側壁を更に延長して形成したスカート部64と、スカート部64において、圧電振動子66に隣接させて形成された複数の液体ポート64aを有している。液中推進装置60によれば、圧電振動子66の駆動面(液中または水に接する表面)に生ずる音響放射圧(矢印G)とともに、矢印Fで示す直進流による液体の流れ(ジェット)も推進力として利用可能となる。矢印Fで示すように、液体の流れを生じることから、矢印Eで示すように、液体ポート64aからスカート部64内に周囲から液体が流入する。音響放射圧に加えて直進流を利用することで、推進力および速力を増大することが可能となる。
【符号の説明】
【0029】
10 液中推進装置
12 本体
14 高周波振動アクチュエータ
16 高周波電源
18 圧電基板
20 弾性表面波素子
22 バス
24 指状電極
26 バス
28 指状電極
30 反射側弾性表面波素子
32 バス
34 指状電極
36 バス
38 指状電極
40 液中推進装置
42 高周波振動アクチュエータ
44 高周波振動アクチュエータ
46 浮体
50 高周波振動アクチュエータ
52 本体
52a 中空部
54 リング
56 圧電振動子
60 液中推進装置
62 本体
64 スカート部
64a 液体ポート
66 圧電振動子
68 リング
Drawing
(In Japanese)【図1】
0
(In Japanese)【図2】
1
(In Japanese)【図3】
2
(In Japanese)【図4】
3
(In Japanese)【図5】
4
(In Japanese)【図6】
5
(In Japanese)【図7】
6
(In Japanese)【図8】
7