采用壓電單晶基板的低溫超聲波馬達(dá)

ZJ-3型壓電測試儀如何采用壓電單晶基板的低溫超聲波馬達(dá)

采用中科院聲學(xué)所精密ZJ-3型靜壓電測試儀和PZT-JH10/4型壓電極化裝置

1、      引言

  低溫環(huán)境作為制造、檢查、保管的過程，并且采用分析儀器的測定環(huán)境被廣泛應(yīng)用。尤其是低于77K的廣義極低溫環(huán)境是氮的沸點(diǎn)，被認(rèn)為是測量物理性質(zhì)的重要環(huán)境。另外，液氫沸點(diǎn)的20K附近的環(huán)境，隨著近年來氫能源相關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)的進(jìn)展，工業(yè)利用的觀點(diǎn)也受到關(guān)注。筆者們的研究小組著眼于從4.3K附近到77K附近的液體氦的沸點(diǎn)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)在該環(huán)境中可利用的壓電促動器為目標(biāo)進(jìn)行研究^{（1）~（3）}。

  一般來說，壓電促動器從細(xì)微動作到高速旋轉(zhuǎn)，可以以相對簡單的構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)，小型化也很容易。從這些特征來看，即使在低溫區(qū)域?qū)弘姶賱悠鞯男枨笠埠艽?，到現(xiàn)在為止也以各種各樣的形式進(jìn)行著研究開發(fā)^{（4）~（6）}。但是，由于低溫區(qū)域作為壓電體的特性等，在室溫下使用的促動器很難利用。

  根據(jù)本文的報(bào)道一樣，筆者們的研究小組著眼于作為壓電促動器的旋轉(zhuǎn)型超聲波馬達(dá)，在對于極低溫的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)促動器的課題，特別是關(guān)于討論超聲波振動子、實(shí)現(xiàn)在氦保管容器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動^（7）。在本文中，作為之后的展開，著眼于壓電單晶材料，介紹關(guān)于構(gòu)成馬達(dá)材料的研究內(nèi)容。

2、      極低溫環(huán)境用的超聲波馬達(dá)

  圖1表示的是試制的馬達(dá)。

以直徑6mm、長度16mm的小型螺栓郎之萬型振動子為驅(qū)動源。馬達(dá)的構(gòu)成為圖2所示。

 使用所謂的模式旋轉(zhuǎn)型原理的一般結(jié)構(gòu)，通過合成兩個方向的彎曲振動，在振動子的前端生成行波，使與前端接觸的金屬制的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在液體氮的容器內(nèi)設(shè)置這個馬達(dá)，測量旋轉(zhuǎn)狀態(tài)來進(jìn)行評價。旋轉(zhuǎn)數(shù)是采用通過光纖維和縫隙圓盤構(gòu)成的編碼器來測量的。

  正如之前報(bào)道的那樣，壓電常數(shù)隨著溫度降低而減小^（7）。而且，這樣的特性根據(jù)材料的不同很容易地被預(yù)想到。筆者們到現(xiàn)在為止，研究了一般使用的以太酸鋯酸鉛（以下簡稱PZT）為首的幾種壓電材料，并對從常溫到低溫的環(huán)境中作為壓電材料的特性以及構(gòu)成螺栓郎之萬型振動子時的性能進(jìn)行了評價。在這里，我們得到了相對良好的結(jié)果，我們將介紹使用作為放松器系列的介電材料而的鎂·鈮酸鉛、鈦酸鉛的重合體（以下簡稱PMN-PT）單晶材料例子。

  圖3是采用PZT壓電陶瓷和PMN-PT單晶作為驅(qū)動源的同一形狀和尺寸的螺栓郎之萬型振動子時，顯示的馬達(dá)驅(qū)動結(jié)果。振動子主要是以不銹鋼（SUS304）構(gòu)成的。如圖所示，驅(qū)動特性相對于溫度變化，可以看出，在使用PZT的情況下和使用PMN-PT的情況下，驅(qū)動特性也大不相同。

一般組裝的時候，因?yàn)橛序?qū)動的時候容易裂開的現(xiàn)象，但是螺栓采用單晶材料之后這種情況大大減少，本來低溫環(huán)境中振幅和振動速度就會變小，但是使用PZT壓電陶瓷之后相對來說使用結(jié)果很不錯。

3、      壓電材料特性的溫度依存性

  壓電材料在低溫環(huán)境下特性的評價，探索適合促動器驅(qū)動的材料是本研究中重要的事項(xiàng)之一。在這里介紹其中的一例。

  作為在低溫環(huán)境中使用壓電促動器是的問題，顯示壓電體特性的壓電常數(shù)具有溫度依賴性，并且促動器的輸出隨著溫度降低而降低。這在極低溫度下尤其顯著。在作為壓電體的特性上，這樣的特性不止在機(jī)械性的輸出上顯示，這是作為所謂的機(jī)電耦合現(xiàn)象而產(chǎn)生的。

  為了比較壓電材料并進(jìn)行振動子的設(shè)計(jì)，以計(jì)算與電、機(jī)械特性相關(guān)的各參數(shù)為目的，進(jìn)行利用諧振、反諧振法的測量。圖4 是作為測量對象評價用的壓電振動子。厚度為0.2mm的PZT壓電陶瓷、PMN-PT單晶通過激光切割成長度12mm、寬度3mm，雙面電極。在中心支撐狀態(tài)下測量長邊線性的縱向振動。

 圖5以及圖6是關(guān)于PZT、PMN-PT的各種導(dǎo)納圓的測量結(jié)果。297K為常溫，通過調(diào)節(jié)來自氦罐內(nèi)液體氦的液面高度和加熱器的加熱狀態(tài)來設(shè)定溫度。兩者一對比，能看到在溫度下降的時候PZT的導(dǎo)納圓比PMN-PT的導(dǎo)納圓明顯縮小。

  圖3的結(jié)果與導(dǎo)納圓的測量結(jié)果雖然不能單純的拿來對比，但至今得到的馬達(dá)驅(qū)動實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是使用PZT的馬達(dá)比PMN-PT的在低溫下使用時明顯效率低下。

4、      構(gòu)成振動子金屬材料的研究

  在極低溫區(qū)域，由于有機(jī)材料的使用有很多限制，因此為了避免使用粘合劑的結(jié)構(gòu)，采用了由壓電元件、電極板和金屬螺栓連接的螺栓緊固型朗之萬型振動子。圖7是本研究使用的振動子之一。

螺栓緊固型朗之萬型振動子是通過根據(jù)組裝時的緊固扭矩調(diào)整預(yù)壓值，可以利用比拉伸更能壓縮的壓電元件的特性。最佳預(yù)壓的值取決于構(gòu)成振動子的材料的特性，但是在極低溫環(huán)境中使用該振動子時存在的問題是產(chǎn)生溫度變化引起的熱膨脹（收縮），并根據(jù)熱應(yīng)力影響最佳預(yù)壓的值。此外，彈性常數(shù)和熱膨脹系數(shù)具有溫度依賴性。另外，由于金屬材料和陶瓷壓電材料具有不同的溫度特性，因此為了在低溫區(qū)域提高振動子的性能，有必要考慮這些組合。

  圖8表示的是各種材料的熱膨脹系數(shù)的溫度依賴性。作為用于郎之萬型振動子的各個區(qū)塊，螺栓的材料，表示出了關(guān)于不銹鋼（SUS304）、純鈦、還有熱膨脹系數(shù)小而的因瓦合金（鐵，鎳等成分的合成金）。這些值，在過去發(fā)表的論文、數(shù)據(jù)庫等被公開使用^{（8）~（13）}。另外，沒有得到關(guān)于PMN-PT在極低溫領(lǐng)域下的值。

從圖表中可以看出，不銹鋼和鈦、因瓦合金的熱膨脹系數(shù)的值有很大的不同。一般，PZT和PMN-PT熱膨脹系數(shù)的相比較，鈦和PZT比較相近，在繪圖的范圍內(nèi)因瓦合金和PMN-PT也比較相近。如上所述，由于材料常數(shù)具有溫度依賴性，因此為了在低溫環(huán)境中獲得最佳預(yù)壓狀態(tài)，需要根據(jù)振動子的使用環(huán)境溫度來設(shè)定振動子組裝時的緊固扭矩.

圖9是構(gòu)成振動子的區(qū)塊，螺栓是采用的各種金屬材料時，求出與壓電材料接觸面產(chǎn)生的熱應(yīng)力的值的結(jié)果。除了圖8所示的熱膨脹系數(shù)之外，還考慮到彈性模量的溫度依賴性分別非線性地變化，這是通過有限元法計(jì)算的結(jié)果。振動子的形狀和尺寸與圖7所示相同，并且使用PMN-PT用作壓電材料。圖表中，拉伸方向表示為正，壓縮方向表示為負(fù)。

  從圖表所示的結(jié)果來看，鈦和PMN-PT組合產(chǎn)生的熱應(yīng)力的溫度依賴性基本看不見，不銹鋼以及因瓦合金作為金屬材料使用的時候，相對來說可以看出變化比較大。振動子組裝時，雖然是以這個值為基礎(chǔ)設(shè)定螺栓緊固扭矩，但預(yù)計(jì)熱應(yīng)力的溫度依賴性越小振動子的振動特性以及馬達(dá)的輸出端口的溫度的影響也越小。

綜上所述，可以推測由鈦塊和PMN-PT的構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)溫度依賴性小的振動子。實(shí)際上，用這個組合試作振動子和馬達(dá)比用不銹鋼和PZT組合試作的結(jié)果要好^（3）。當(dāng)然，振動特性不僅僅只是依賴熱應(yīng)力的溫度依賴性，也要考慮到鈦影響諧振Q值也很高，所以得到這樣的結(jié)果。

5、      結(jié)束語

  在本稿中，我們研究了作為以極低溫環(huán)境下為使用目的的壓電促動器，采用超聲波馬達(dá)，選擇構(gòu)成用于驅(qū)動的超聲波振動子的材料。還介紹了有關(guān)用PMN-PT單晶作為壓電材料的例子，以及研究構(gòu)成振動子的金屬材料的內(nèi)容。

  關(guān)于材料的組合雖然只是單純的表示比較，但是現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)行使用復(fù)合金屬材料試作振動子了。并且作為驅(qū)動源進(jìn)行各種壓電，電致伸縮的研究比較。關(guān)于這些成果預(yù)計(jì)今后也將依次公布，但我們也將按照當(dāng)初的目的，在使用極低溫環(huán)境的測量儀器等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

  謝辭

  本次研究，在評價壓電振動子以及超聲波馬達(dá)的試作評價方面，由岡山大學(xué)的鈴森康一教授、同大學(xué)院在校的自然科學(xué)院以及同工學(xué)部、或者過去在校的黑田雅貴、武田大、野口祐也、中薗正浩的各位協(xié)力進(jìn)行的。

  并且，本研究的一部分是平成25年由文學(xué)部科學(xué)省科學(xué)研究補(bǔ)助金和基礎(chǔ)研究（C）（No.25420091）（極低溫環(huán)境用的微電致伸縮和壓電促動器的試作研究）的贊助進(jìn)行的。

  以上，表示真摯的謝意。

筆者介紹

神田 岳文

  岡山大學(xué) 大學(xué)院 自然科學(xué)研究科

山口 大介

  岡山大學(xué) 大學(xué)院

   自然科學(xué)研究科 系統(tǒng)構(gòu)成學(xué)研究室

   博士課程3年