JP2020032956A - 液中推進装置 - Google Patents

Abstract

【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

Description

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。

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。

特開２００７−０２８８２８号公報

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。

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。

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。

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。 高周波振動アクチュエータの略示平面図である。 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３の液中推進装置の平面図である。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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θ_Rとすると、
で示される。

ここで、ｖ_lは液中における縦波の速度であり、ｖ_R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、ｖ_l＝１４９２ｍ／ｓ、ｖ_R＝３９８０ｍ／ｓであり、θ_R＝２２°となる。従って、
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (6)

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。
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。
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。
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。
   ここで、θ_R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。
   ここで、ｖ_lは液中における縦波の速度であり、ｖ_Rは圧電基板中を伝播するレイリー波の速度である。
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。
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。