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采用(yòng)壓電單晶基闆的(de)低溫超聲波馬達
采用(yòng)中科院聲學所精密ZJ-3型靜壓電測試儀和(hé)PZT-JH10/4型壓電極化(huà)裝置
1、 引言
低溫環境作爲制造、檢查、保管的(de)過程，并且采用(yòng)分(fēn)析儀器的(de)測定環境被廣泛應用(yòng)。尤其是低于77K的(de)廣義極低溫環境是氮的(de)沸點，被認爲是測量物(wù)理(lǐ)性質的(de)重要環境。另外，液氫沸點的(de)20K附近的(de)環境，随著(zhe)近年來(lái)氫能源相關技術的(de)研究開發的(de)進展，工業利用(yòng)的(de)觀點也(yě)受到關注。筆者們的(de)研究小組著(zhe)眼于從4.3K附近到77K附近的(de)液體氦的(de)沸點環境，以實現在該環境中可(kě)利用(yòng)的(de)壓電促動器爲目标進行研究（1）~（3）。
一般來(lái)說，壓電促動器從細微動作到高(gāo)速旋轉，可(kě)以以相對(duì)簡單的(de)構造來(lái)實現，小型化(huà)也(yě)很容易。從這(zhè)些特征來(lái)看，即使在低溫區(qū)域對(duì)壓電促動器的(de)需求也(yě)很大(dà)，到現在爲止也(yě)以各種各樣的(de)形式進行著(zhe)研究開發（4）~（6）。但是，由于低溫區(qū)域作爲壓電體的(de)特性等，在室溫下(xià)使用(yòng)的(de)促動器很難利用(yòng)。
根據本文的(de)報道一樣，筆者們的(de)研究小組著(zhe)眼于作爲壓電促動器的(de)旋轉型超聲波馬達，在對(duì)于極低溫的(de)環境下(xià)實現促動器的(de)課題，特别是關于討(tǎo)論超聲波振動子、實現在氦保管容器内的(de)旋轉驅動（7）。在本文中，作爲之後的(de)展開，著(zhe)眼于壓電單晶材料，介紹關于構成馬達材料的(de)研究内容。
2、 極低溫環境用(yòng)的(de)超聲波馬達
圖1表示的(de)是試制的(de)馬達。
以直徑6mm、長(cháng)度16mm的(de)小型螺栓郎之萬型振動子爲驅動源。馬達的(de)構成爲圖2所示。
使用(yòng)所謂的(de)模式旋轉型原理(lǐ)的(de)一般結構，通(tōng)過合成兩個(gè)方向的(de)彎曲振動，在振動子的(de)前端生成行波，使與前端接觸的(de)金屬制的(de)轉子旋轉。在液體氮的(de)容器内設置這(zhè)個(gè)馬達，測量旋轉狀态來(lái)進行評價。旋轉數是采用(yòng)通(tōng)過光(guāng)纖維和(hé)縫隙圓盤構成的(de)編碼器來(lái)測量的(de)。
正如之前報道的(de)那樣，壓電常數随著(zhe)溫度降低而減小（7）。而且，這(zhè)樣的(de)特性根據材料的(de)不同很容易地被預想到。筆者們到現在爲止，研究了(le)一般使用(yòng)的(de)以太酸锆酸鉛（以下(xià)簡稱PZT）爲首的(de)幾種壓電材料，并對(duì)從常溫到低溫的(de)環境中作爲壓電材料的(de)特性以及構成螺栓郎之萬型振動子時(shí)的(de)性能進行了(le)評價。在這(zhè)裏，我們得(de)到了(le)相對(duì)良好的(de)結果，我們将介紹使用(yòng)作爲放松器系列的(de)介電材料而的(de)鎂·铌酸鉛、钛酸鉛的(de)重合體（以下(xià)簡稱PMN-PT）單晶材料例子。
圖3是采用(yòng)PZT壓電陶瓷和(hé)PMN-PT單晶作爲驅動源的(de)同一形狀和(hé)尺寸的(de)螺栓郎之萬型振動子時(shí)，顯示的(de)馬達驅動結果。振動子主要是以不鏽鋼（SUS304）構成的(de)。如圖所示，驅動特性相對(duì)于溫度變化(huà)，可(kě)以看出，在使用(yòng)PZT的(de)情況下(xià)和(hé)使用(yòng)PMN-PT的(de)情況下(xià)，驅動特性也(yě)大(dà)不相同。
一般組裝的(de)時(shí)候，因爲有驅動的(de)時(shí)候容易裂開的(de)現象，但是螺栓采用(yòng)單晶材料之後這(zhè)種情況大(dà)大(dà)減少，本來(lái)低溫環境中振幅和(hé)振動速度就會變小，但是使用(yòng)PZT壓電陶瓷之後相對(duì)來(lái)說使用(yòng)結果很不錯。
3、 壓電材料特性的(de)溫度依存性
壓電材料在低溫環境下(xià)特性的(de)評價，探索适合促動器驅動的(de)材料是本研究中重要的(de)事項之一。在這(zhè)裏介紹其中的(de)一例。
作爲在低溫環境中使用(yòng)壓電促動器是的(de)問題，顯示壓電體特性的(de)壓電常數具有溫度依賴性，并且促動器的(de)輸出随著(zhe)溫度降低而降低。這(zhè)在極低溫度下(xià)尤其顯著。在作爲壓電體的(de)特性上，這(zhè)樣的(de)特性不止在機械性的(de)輸出上顯示，這(zhè)是作爲所謂的(de)機電耦合現象而産生的(de)。
爲了(le)比較壓電材料并進行振動子的(de)設計，以計算(suàn)與電、機械特性相關的(de)各參數爲目的(de)，進行利用(yòng)諧振、反諧振法的(de)測量。圖4 是作爲測量對(duì)象評價用(yòng)的(de)壓電振動子。厚度爲0.2mm的(de)PZT壓電陶瓷、PMN-PT單晶通(tōng)過激光(guāng)切割成長(cháng)度12mm、寬度3mm，雙面電極。在中心支撐狀态下(xià)測量長(cháng)邊線性的(de)縱向振動。
圖5以及圖6是關于PZT、PMN-PT的(de)各種導納圓的(de)測量結果。297K爲常溫，通(tōng)過調節來(lái)自氦罐内液體氦的(de)液面高(gāo)度和(hé)加熱(rè)器的(de)加熱(rè)狀态來(lái)設定溫度。兩者一對(duì)比，能看到在溫度下(xià)降的(de)時(shí)候PZT的(de)導納圓比PMN-PT的(de)導納圓明(míng)顯縮小。
圖3的(de)結果與導納圓的(de)測量結果雖然不能單純的(de)拿來(lái)對(duì)比，但至今得(de)到的(de)馬達驅動實驗的(de)結論是使用(yòng)PZT的(de)馬達比PMN-PT的(de)在低溫下(xià)使用(yòng)時(shí)明(míng)顯效率低下(xià)。
4、 構成振動子金屬材料的(de)研究
在極低溫區(qū)域，由于有機材料的(de)使用(yòng)有很多(duō)限制，因此爲了(le)避免使用(yòng)粘合劑的(de)結構，采用(yòng)了(le)由壓電元件、電極闆和(hé)金屬螺栓連接的(de)螺栓緊固型朗之萬型振動子。圖7是本研究使用(yòng)的(de)振動子之一。
螺栓緊固型朗之萬型振動子是通(tōng)過根據組裝時(shí)的(de)緊固扭矩調整預壓值，可(kě)以利用(yòng)比拉伸更能壓縮的(de)壓電元件的(de)特性。最佳預壓的(de)值取決于構成振動子的(de)材料的(de)特性，但是在極低溫環境中使用(yòng)該振動子時(shí)存在的(de)問題是産生溫度變化(huà)引起的(de)熱(rè)膨脹（收縮），并根據熱(rè)應力影(yǐng)響最佳預壓的(de)值。此外，彈性常數和(hé)熱(rè)膨脹系數具有溫度依賴性。另外，由于金屬材料和(hé)陶瓷壓電材料具有不同的(de)溫度特性，因此爲了(le)在低溫區(qū)域提高(gāo)振動子的(de)性能，有必要考慮這(zhè)些組合。
圖8表示的(de)是各種材料的(de)熱(rè)膨脹系數的(de)溫度依賴性。作爲用(yòng)于郎之萬型振動子的(de)各個(gè)區(qū)塊，螺栓的(de)材料，表示出了(le)關于不鏽鋼（SUS304）、純钛、還(hái)有熱(rè)膨脹系數小而的(de)因瓦合金（鐵，鎳等成分(fēn)的(de)合成金）。這(zhè)些值，在過去發表的(de)論文、數據庫等被公開使用(yòng)（8）~（13）。另外，沒有得(de)到關于PMN-PT在極低溫領域下(xià)的(de)值。
從圖表中可(kě)以看出，不鏽鋼和(hé)钛、因瓦合金的(de)熱(rè)膨脹系數的(de)值有很大(dà)的(de)不同。一般，PZT和(hé)PMN-PT熱(rè)膨脹系數的(de)相比較，钛和(hé)PZT比較相近，在繪圖的(de)範圍内因瓦合金和(hé)PMN-PT也(yě)比較相近。如上所述，由于材料常數具有溫度依賴性，因此爲了(le)在低溫環境中獲得(de)最佳預壓狀态，需要根據振動子的(de)使用(yòng)環境溫度來(lái)設定振動子組裝時(shí)的(de)緊固扭矩.
圖9是構成振動子的(de)區(qū)塊，螺栓是采用(yòng)的(de)各種金屬材料時(shí)，求出與壓電材料接觸面産生的(de)熱(rè)應力的(de)值的(de)結果。除了(le)圖8所示的(de)熱(rè)膨脹系數之外，還(hái)考慮到彈性模量的(de)溫度依賴性分(fēn)别非線性地變化(huà)，這(zhè)是通(tōng)過有限元法計算(suàn)的(de)結果。振動子的(de)形狀和(hé)尺寸與圖7所示相同，并且使用(yòng)PMN-PT用(yòng)作壓電材料。圖表中，拉伸方向表示爲正，壓縮方向表示爲負。
從圖表所示的(de)結果來(lái)看，钛和(hé)PMN-PT組合産生的(de)熱(rè)應力的(de)溫度依賴性基本看不見，不鏽鋼以及因瓦合金作爲金屬材料使用(yòng)的(de)時(shí)候，相對(duì)來(lái)說可(kě)以看出變化(huà)比較大(dà)。振動子組裝時(shí)，雖然是以這(zhè)個(gè)值爲基礎設定螺栓緊固扭矩，但預計熱(rè)應力的(de)溫度依賴性越小振動子的(de)振動特性以及馬達的(de)輸出端口的(de)溫度的(de)影(yǐng)響也(yě)越小。
綜上所述，可(kě)以推測由钛塊和(hé)PMN-PT的(de)構成，可(kě)以實現溫度依賴性小的(de)振動子。實際上，用(yòng)這(zhè)個(gè)組合試作振動子和(hé)馬達比用(yòng)不鏽鋼和(hé)PZT組合試作的(de)結果要好（3）。當然，振動特性不僅僅隻是依賴熱(rè)應力的(de)溫度依賴性，也(yě)要考慮到钛影(yǐng)響諧振Q值也(yě)很高(gāo)，所以得(de)到這(zhè)樣的(de)結果。
5、 結束語
在本稿中，我們研究了(le)作爲以極低溫環境下(xià)爲使用(yòng)目的(de)的(de)壓電促動器，采用(yòng)超聲波馬達，選擇構成用(yòng)于驅動的(de)超聲波振動子的(de)材料。還(hái)介紹了(le)有關用(yòng)PMN-PT單晶作爲壓電材料的(de)例子，以及研究構成振動子的(de)金屬材料的(de)内容。
關于材料的(de)組合雖然隻是單純的(de)表示比較，但是現在已經進行使用(yòng)複合金屬材料試作振動子了(le)。并且作爲驅動源進行各種壓電，電緻伸縮的(de)研究比較。關于這(zhè)些成果預計今後也(yě)将依次公布，但我們也(yě)将按照(zhào)當初的(de)目的(de)，在使用(yòng)極低溫環境的(de)測量儀器等領域進行應用(yòng)。
謝辭
本次研究，在評價壓電振動子以及超聲波馬達的(de)試作評價方面，由岡山大(dà)學的(de)鈴森康一教授、同大(dà)學院在校的(de)自然科學院以及同工學部、或者過去在校的(de)黑(hēi)田雅貴、武田大(dà)、野口祐也(yě)、中薗正浩的(de)各位協力進行的(de)。
并且，本研究的(de)一部分(fēn)是平成25年由文學部科學省科學研究補助金和(hé)基礎研究（C）（No.25420091）（極低溫環境用(yòng)的(de)微電緻伸縮和(hé)壓電促動器的(de)試作研究）的(de)贊助進行的(de)。
以上，表示真摯的(de)謝意。
筆者介紹
神田 嶽文
岡山大(dà)學 大(dà)學院 自然科學研究科
山口 大(dà)介
岡山大(dà)學 大(dà)學院
自然科學研究科 系統構成學研究室
博士課程3年
當前位置：