はり振動を利用した圧電薄膜の圧電率同定精度について

摘要

圧電素子はセンサあるいはアクチュエータ用途としてこれまでも利用されてきたが，機器の小型化，軽量化，薄肉化などにともなって，近年ますますその用途が拡大されてきているように見受けられる．特に圧電材料の非常に薄い薄膜状への成形方法の開発·研究や，その結果開発できた圧電性薄膜による新たな工学的応用の創出などが注目されている．高分子圧電フィルム，特にPVDF フィルムはこれまで柔軟構造物の振動検出／制御法についても研究されてきたが，多くの場合，圧電特性評価の拠りどころとなる圧電率（圧電定数）については，メーカによる公称値を用いて理論解析や実験結果の数値的検証·評価が行われてきている．しかし，この圧電率について，圧電素子の実際の拘束状態において見かけ上どのような特性値となっているかは，特に議論されていないケースも多いと考えられる．本研究では，薄膜圧電素子の圧電率が未知である場合も想定して，PVDFフィルムを例にとり，圧電素子が振動する片持はりの表面に貼付されている場合について，はりの振動変位応答と圧電素子の出力電圧応答から，圧電率を同定する場合の精度および問題点について検討することを目的とした．著者はこれまでに，アルミニウム製片持ぼりの1次振動モードの減衰自由振動応答を用いたPVDFフィルムの圧電d_(31)定数の同定方法および結果について，同定した圧電率はわかっている公称値よりも小さくなる傾向があること，また，はりと圧電フィルムの厚さ比や圧電フィルムの貼付範囲などを変更しても同定結果に大きな影響はないこと等を示し，次いで，固有振動数以外の周波数領域への拡張を考え，はりの強制振動応答を利用した圧電薄膜の圧電率の同定法について報告した．しかし，同定結果の精度を定量的に検証する必要があること，および同定法を周波数領域への拡張に際しては振動モードごとにパラメータを求める必要があったためこの制約をクリアすることが課題であった．本論文では，これらの課題を解決するため，本同定法の任意周波数への拡張を行うとともに，本手法の同定精度ならびに圧電定数の周波数依存性について検討した．