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(cè)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(guò)程，并且采用分析儀器的測(cè)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(cè)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(lái)氫能源相關(guān)技術(shù)的研究開(kāi)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(dòng)器為目標(biāo)進(jìn)行研究（1）~（3）。
一般來(lái)說(shuō)，壓電促動(dòng)器從細(xì)微動(dòng)作到高速旋轉(zhuǎn)，可以以相對(duì)簡(jiǎn)單的構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)，小型化也很容易。從這些特征來(lái)看，即使在低溫區(qū)域?qū)弘姶賱?dòng)器的需求也很大，到現(xiàn)在為止也以各種各樣的形式進(jìn)行著研究開(kāi)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(dòng)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(dòng)器的旋轉(zhuǎn)型超聲波馬達(dá)，在對(duì)于極低溫的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)促動(dòng)器的課題，特別是關(guān)于討論超聲波振動(dòng)子、實(shí)現(xiàn)在氦保管容器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)（7）。在本文中，作為之后的展開(kāi)，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?jī)?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(zhǎng)度16mm的小型螺栓郎之萬(wàn)型振動(dòng)子為驅(qū)動(dòng)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(guò)合成兩個(gè)方向的彎曲振動(dòng)，在振動(dòng)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(gè)馬達(dá)，測(cè)量旋轉(zhuǎn)狀態(tài)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。旋轉(zhuǎn)數(shù)是采用通過(guò)光纖維和縫隙圓盤構(gòu)成的編碼器來(lái)測(cè)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(jiǎn)稱PZT）為首的幾種壓電材料，并對(duì)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(wàn)型振動(dòng)子時(shí)的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在這里，我們得到了相對(duì)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(jiǎn)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(dòng)源的同一形狀和尺寸的螺栓郎之萬(wàn)型振動(dòng)子時(shí)，顯示的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)結(jié)果。振動(dòng)子主要是以不銹鋼（SUS304）構(gòu)成的。如圖所示，驅(qū)動(dòng)特性相對(duì)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(dòng)特性也大不相同。
一般組裝的時(shí)候，因?yàn)橛序?qū)動(dòng)的時(shí)候容易裂開(kāi)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(lái)低溫環(huán)境中振幅和振動(dòng)速度就會(huì)變小，但是使用PZT壓電陶瓷之后相對(duì)來(lái)說(shuō)使用結(jié)果很不錯(cuò)。
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(píng)價(jià)，探索適合促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)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(dòng)器是的問(wèn)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(dòng)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(dòng)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(cè)量。圖4 是作為測(cè)量對(duì)象評(píng)價(jià)用的壓電振動(dòng)子。厚度為0.2mm的PZT壓電陶瓷、PMN-PT單晶通過(guò)激光切割成長(zhǎng)度12mm、寬度3mm，雙面電極。在中心支撐狀態(tài)下測(cè)量長(zhǎng)邊線性的縱向振動(dòng)。
圖5以及圖6是關(guān)于PZT、PMN-PT的各種導(dǎo)納圓的測(cè)量結(jié)果。297K為常溫，通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)自氦罐內(nèi)液體氦的液面高度和加熱器的加熱狀態(tài)來(lái)設(shè)定溫度。兩者一對(duì)比，能看到在溫度下降的時(shí)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(cè)量結(jié)果雖然不能單純的拿來(lái)對(duì)比，但至今得到的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(shí)明顯效率低下。
4、 構(gòu)成振動(dòng)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(wàn)型振動(dòng)子。圖7是本研究使用的振動(dòng)子之一。
螺栓緊固型朗之萬(wàn)型振動(dòng)子是通過(guò)根據(jù)組裝時(shí)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(dòng)子的材料的特性，但是在極低溫環(huán)境中使用該振動(dòng)子時(shí)存在的問(wèn)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(dòng)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(wàn)型振動(dòng)子的各個(gè)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(guò)去發(fā)表的論文、數(shù)據(jù)庫(kù)等被公開(kāi)使用（8）~（13）。另外，沒(méi)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(dòng)子的使用環(huán)境溫度來(lái)設(shè)定振動(dòng)子組裝時(shí)的緊固扭矩.
圖9是構(gòu)成振動(dòng)子的區(qū)塊，螺栓是采用的各種金屬材料時(shí)，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(guò)有限元法計(jì)算的結(jié)果。振動(dòng)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(lái)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(jiàn)，不銹鋼以及因瓦合金作為金屬材料使用的時(shí)候，相對(duì)來(lái)說(shuō)可以看出變化比較大。振動(dòng)子組裝時(shí)，雖然是以這個(gè)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(dòng)子的振動(dòng)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(cè)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(dòng)子。實(shí)際上，用這個(gè)組合試作振動(dòng)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(dòng)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(yǔ)
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(dòng)器，采用超聲波馬達(dá)，選擇構(gòu)成用于驅(qū)動(dòng)的超聲波振動(dòng)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(dòng)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(dòng)子了。并且作為驅(qū)動(dòng)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(cè)量?jī)x器等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。
謝辭
本次研究，在評(píng)價(jià)壓電振動(dòng)子以及超聲波馬達(dá)的試作評(píng)價(jià)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(guò)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(dòng)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
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