Research Projects -
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極低温環境対応マイクロアクチュエータ駆動用圧電振動子の試作研究
Grant number：24K00791 2024.04 - 2028.03
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
神田 岳文
Authorship：Principal investigator
Grant amount：\18460000 （ Direct expense: \14200000 、 Indirect expense：\4260000 ）
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圧電振動子とロータ押し付け構造に着目した極低温環境用超音波モータの試作研究
2024.01 - 2024.12
公益財団法人津川モーター研究財団 研究助成金 研究助成金
神田岳文
Authorship：Principal investigator
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極低温環境用超音波モータの出力向上を目的とした低温環境下での圧電特性評価
2023.01 - 2023.12
公益財団法人津川モーター研究財団 研究助成金
神田岳文
Authorship：Principal investigator
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Micro cryogenic piezoelectric transducers for non contact drive actuator
Grant number：19H02054 2019.04 - 2022.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B) Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Kanda Takefumi
Authorship：Principal investigator
Grant amount：\17940000 （ Direct expense: \13800000 、 Indirect expense：\4140000 ）
In this research, a micro piezoelectric transducer using a novel preload mechanism which can be used under ultra-low temperature condition, a levitation mechanism using an acoustic radiation pressure in helium under cryogenic condition, and a small non-contact driving mechanism using acoustic viscous force in the condition have been studied. Based on analyses for a principle verification and design, fabricated piezoelectric transducers and mechanisms have been evaluated in an experimental setup using a cryostat with optical and mechanical measuring system. Those analytical and experimental results show the effectiveness of the proposed structure of piezoelectric transducer and small driving systems using piezoelectric actuators although the use of piezoelectric material in the cryogenic condition has difficulty in general.
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マイクロ流路を用いた超音波マイクロデバイスによるナノエマルション生成・回収システム補助事業
2019.04 - 2020.03
公益財団法人ＪＫＡ 2019年度機械振興補助事業 研究補助
神田岳文
Authorship：Principal investigator
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Study on a micro electrostrictive or piezoelectric actuator for cryogenic environment
Grant number：25420091 2013.04 - 2016.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C) Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Kanda Takefumi, YAMAGUCHI Daisuke, KURODA Masataka, TAKEDA Dai, NOGUCHI Yuya, NAKAZONO Masahiro, YAMADA Taiki
Authorship：Principal investigator
Grant amount：\5070000 （ Direct expense: \3900000 、 Indirect expense：\1170000 ）
The purpose of this research is to realize a micro actuator which can be driven under a cryogenic and high intensity magnetic field. In this study, the target is the material, structure and modeling for the actuator. For the realization of the actuator which has not a temperature dependency for the driving, a bolt-clamped Lngevin type transducer has been designed and evaluated. Using a finite element method, the temperature dependency has been evaluated about the transducer. Non-linear parameters about material properties were used for the simulation. As a result, the transducer which has not a temperature dependency for pre-load setting has been obtained by the simulation. The fabricated transducer under the design has been evaluated and used for the driving of the actuator. The transducer has successfully driven the actuator without the temperature dependency for the setting.
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Grant number：21760114 2009 - 2011
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (B) Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
KANDA Takefumi, YAMAGUCHI Daisuke
Authorship：Principal investigator
Grant amount：\4550000 （ Direct expense: \3500000 、 Indirect expense：\1050000 ）
The aim of this research is to realize the micro piezoelectric actuator for a high intense magnetic field and a cryogenic environment. There is a demand for high speed rotary type actuator for analysis equipments. By using bolt clamped Langevin type transducer and a simulation about the pre-load, we have realized the drive of rotor by the piezoelectric vibrator under the cryogenic condition. We have also succeeded in driving the rotary micro piezoelectric actuator under the condition of 10K and 7T.
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Establishment of Base Technology on Flexible Micro Mechanisms and their Applications
Grant number：19206027 2007 - 2009
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A) Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
SUZUMORI Koichi, KANDA Takefumi, WAKIMOTO Shuichi
Authorship：Coinvestigator(s)
Grant amount：\37700000 （ Direct expense: \29000000 、 Indirect expense：\8700000 ）
Conventional mechanisms are configured with rigid materials, metals, hard plastics and so on. This study has been done to realize novel mechanisms consisting of only soft materials. To achieve this purpose, the study have two aspects, namely, establishments of basic technology and realizations on actual soft mechanisms. As the basic technology, molding and bonding methods of rubber materials with high accuracy have been established, and as several new soft mechanisms of frictional rubber sheets, assisting actuators for colonoscopy, and micro check valves have been developed.
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Next-Generation Actuators Leading Breakthroughs
Grant number：16078101 2004 - 2009
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
HIGUCHI Toshiro, SUZUMORI Kouichi, KUROSAWA Minoru, HATTORI Tadashi, NORITSUGU Toshiro, YOKOTA Shinichi, YOSHIDA Kazuhiro, YAMAMOTO Akio, KANDA Takefumi
Authorship：Collaborating Investigator(s) (not designated on Grant-in-Aid)
Grant amount：\39500000 （ Direct expense: \39500000 ）
本研究課題は,特定領域「ブレイクスルーを生み出す次世代アクチュエータ研究」の総括班としての活動に関するものである.この特定領域は,新しい高性能アクチュエータの実現が,社会の様々な局面において今後ますます重要となることを鑑みて活動を開始したものであり,これまで異なる分野で個別に研究されてきたアクチュエータ研究者に共通の活動の場を与えることなどをめざし,平成16年度より平成20年度まで5年間にわたり研究活動を実施してきた.特定領域しての主な研究活動は平成20年度をもって終了しているが,本年度は,これまでの5年間にわたる研究成果をとりまとめ広く公表することを目的として総括班活動を実施した.
本年度の中心となった活動は,一連の成果を英文の書籍として出版することであった,特定領域で活動した研究者らにより執筆された原稿をとりまとめ,世界的に著名な出版社であるSpringer社より,Next-generation actuators leading breakthroughsと題する総ページ数438ページに及ぶ英文書籍として2010年1月に出版した.
また,2010年1月には,この英文書籍の一般への配布をかねて,この特定領域最後のシンポジウムとなる,3rd International Symposium on Next Generation Actuators Leadin Breakthroughsを東京工業大学大岡山キャンパスにて開催した.シンポジウムでは,出版した書籍の内容に即して,各研究者が研究成果の発表を行った. -
Micro Actuator System for Narrow Space under Specific Environment
Grant number：16078211 2004 - 2008
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
KANDA Takefumi
Authorship：Principal investigator
Grant amount：\36900000 （ Direct expense: \36900000 ）
主として圧電体を用いた固体アクチュエータ・センサを利用して、狭隘特殊環境で用いることのできるアクチュエータシステムを実現することを目標とする、マイクロ構造体システムの設計・製作技術に関する研究を行った。期間内に、各種マイクロ超音波モータをはじめとするマイクロアクチュエータや、これらの駆動に必要なマイクロセンサの試作・評価を行った。さらに、狭隘特殊環境への適用例として、強磁場環境下での評価実験を行い、有効な結果を得た。
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走査機構一体型圧電薄膜振動子プローブを利用したプローブセンサシステム
Grant number：15710106 2003 - 2005
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(B) 若手研究(B)
神田 岳文
Authorship：Principal investigator
Grant amount：\3800000 （ Direct expense: \3800000 ）
昨年度までの研究に引き続き、走査機構およびエッジモードプローブセンサの試作・評価を進めた。
走査機構については、昨年度の2自由度機構の試作・評価結果をもとに、機構設計と作成プロセスの見直しを行い、数μm以上の走査範囲をもつ、3自由度機構の設計を行った。35×35×0.5mmの大きさで、弾性ヒンジを用いることによりz軸方向(板状の構造の面外方向)に±2μmの変位可能で、他の2軸も干渉が小さい一体となった構造を実現した。z軸の機構について電圧印加時の変位測定評価を行ったところ、±15V印加時に変位は±40nmとなった。機構的には有効性が認められたが、変位の大きさが十分ではない。今回、十分な改良を行わなかった、圧電材料(薄膜)特性の改良について特に検討が必要である。
エッジモードプローブセンサについては、昨年度に引き続き、共振周波数500kHzの振動子の試作・評価を行った。昨年度はバルク圧電体の貼り付けによる振動子であったが、今年度は、成膜した圧電薄膜によるエッジモード励振、振動検出を行うことが可能となった。この振動子において、励振用電極に5V印加した際に数nmの振幅が得られた。
走査機構との一体するためには、エッジモードプローブセンサの高周波化が必要である。しかし、本年度あらたに設計した共振周波数900kHzの振動子では、振動振幅が小さく、現状の材料特性では十分な出力信号が得られなかった。試料が大きい場合の圧電薄膜性膜条件について、条件を検討するものがあると考えられる。 -
Smart Flexible Microactuators utilizing Piezoelectric Film
Grant number：15360137 2003 - 2005
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B) Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
SUZUMORI Koichi, KANDA Takefumi
Authorship：Coinvestigator(s)
Grant amount：\15200000 （ Direct expense: \15200000 ）
Soft actuators have been receiving increasing attention in research area of robotics and mechtoronics. This research aims at a realization of intelligent actuator system which has such a flexible structure. The Frexible Microactuator (FMA) used for this research as the soft actuator and functional paste material was used for a sensing of displacement. The paste type functional materials can be deposited on the surface of curved rubber material by using a paste injection system which is controlled by three degrees of freedom scanning system. Two types of sensor have been fabricated and evaluated.
The first type flexible displacement sensor was a displacement sensor which fabricated by depositing conductive paste onto rubber. The paste injection system was used for the deposition of conductive paste precisely for curved surface. The sensor showed enough capability, and servo control for soft actuator was realized. Although the sensor has high compliance and is expected to be used for soft actuator, the linearity was diminished under the high strain applied condition.
We have also realized a wave patterning of conductive paste which can improve linearity. There must be optimal pitch of wave pattern which realizes high linearity and S/N ratio. To estimate the effect of this optimization, the sensor which had optimized pattern was fabricated and evaluated. The sample showed high linearity and S/N ratio
The second type flexible displacement sensor was realized by using the piezoelectric polymer as a paste type functional material. Piezoelectric polymer : poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) copolymer[P(VDF/TrFE)] was deposited on FMA to detect the displacement and tension. In addition, conductive ink was used for electrodes. These sensors were fabricated on the surface of rubber with the paste injection system.
Touch sensor on the curved surface on the tip of FMA was also realized by depositing PZT film. A hydrothermal method was used for the deposition process. -
マイクロ機能要素集積デバイスによるフィジカルマンマシンインタラクション
Grant number：15017267 2003
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特定領域研究 特定領域研究
鈴森 康一, 神田 岳文
Authorship：Coinvestigator(s)
Grant amount：\5600000 （ Direct expense: \5600000 ）
MEMS/マイクロ機能要素を集積化することにより,人間と機械間の力学的インタラクションを実現し,高度なマンマシンインタフェイスを提供することを目的とし,アクティブ多面体の試作と適用実験を中心に研究を進めた.アクティブ4面体では,6本のマイクロシリンダ,マイクロエンコーダ,マイクロジョイント,圧力センサを集積した.さらに,マイクロエンコーダを内蔵したマイクロシリンダと,マイクロ15自由度ジョイントを新たに開発することにより,高集積化が可能となり,アクティブ20面体を試作することに成功した.
次にこれら多面体によるフィジカルマンマシンインタラクションの効果を調べるために,例として商用の機構解析ソフトウェア(Visual NASTRAN 4D)に組み込んで,制御系の構築と操作実験を行った.PC内部にの実際のアクティブ多面体と同じ構成の仮想物体を構築し,実際のアクティブ多面体の動きおよび力を検出してこれを基にリアルタイムで機構および運動解析を行い,その結果をPC内部の仮想モデルと実際のアクティブ多面体の両方に反映させる方法をとった.
操作実験の結果,(1)人間→PC内部の仮想モデルの形状入力,(2)PC→人間への形状提示,(3)フィジカルインタラクションによるPC内部モデルの力学特性(剛性)の提示が良好に実現できた.
さらに,20面体に加速度ジャイロスコープを組み込むことにより,仮想物体の接触点を切り替える方式を考案し,5000面からなるPC内の仮想物体をアクティブ20面体で取り扱うことに成功し,これをバーチャルクレイと名づけた.
従来のインタフェイスでは困難であった,3次元連続体の持つ分散的な物理情報を取り扱うマンマシンインタラクションが実現できた.今後は,CAD/CAEのインタフェイスへの応用展開を進めたい. -
マイクロ機能要素集積デバイスによるフィジカルマンマシンインタラクション
Grant number：14019068 2002
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特定領域研究 特定領域研究
鈴森 康一, 神田 岳文
Authorship：Coinvestigator(s)
Grant amount：\5600000 （ Direct expense: \5600000 ）
近年のマイクロマシン,MEMS研究の進展により,マイクロアクチュエータ,マイクロセンサ,マイクロコネクタ,マイクロ機構部品等々,各種のマイクロ機能要素が活用できる状況になってきた.本研究では,これらマイクロ機能要素を集積化することにより,人間と機械間の力学的インタラクションを実現し,高度なマンマシンインタフェイスを提供することを目的としている.
平成14年度は,アクティブマウスとアクティブ多面体2種のデバイスを試作し,それぞれアプリケーションソフトウェアに組込んで適用試験を実施した.
アクティブマウスに関しては,前年度試作したアクティブマウスを改良し,操作性および感度を大幅に向上させた.静電容量型の力センサ,振動型加速度センサ,マイクロギアドモータ,マイクロオムにホイールの搭載により,PC内の仮想物体の運動および力を直接感じることができた.アプリケーションとしては,バネーマスからなる力学シミュレータ,および,迷路通過問題に適用し,その有用性を確かめた.成果は,全国マルチメディア祭にも出展し,来場者の操作感想,応用アイディアをまとめた.
アクティブ多面体に関しては,マイクロシリンダ,マイクロエンコーダ,マイクロボールジョイントを用いて4面体リンク機構を設計試作した.汎用機構解析ソフトウェアである,MSC Visual Nastran 4Dとのインタフェイスドライバも開発し,Visual Nastran 4D内に構築した4面体リンクと同じ力学的,運動学的特性を実現することに成功した.すなわち,PC内の仮想物体の形を変えたり,仮想物体の剛性や形を呈示することができた. -
水熱合成法によるPZT薄膜を用いた振動形センサとそのシステム化
Grant number：99J09939 1999 - 2001
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費 特別研究員奨励費
神田 岳文