采用壓電單晶基板的低溫超聲波馬達

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

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

1、      引言

  低溫環境作為制造、檢查、保管的過程，并且采用分析儀器的測定環境被廣泛應用。尤其是低于77K的廣義極低溫環境是氮的沸點，被認為是測量物理性質的重要環境。另外，液氫沸點的20K附近的環境，隨著近年來氫能源相關技術的研究開發的進展，工業利用的觀點也受到關注。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環境，以實現在該環境中可利用的壓電促動器為目標進行研究^{（1）~（3）}。

  一般來說，壓電促動器從細微動作到高速旋轉，可以以相對簡單的構造來實現，小型化也很容易。從這些特征來看，即使在低溫區域對壓電促動器的需求也很大，到現在為止也以各種各樣的形式進行著研究開發^{（4）~（6）}。但是，由于低溫區域作為壓電體的特性等，在室溫下使用的促動器很難利用。

  根據本文的報道一樣，筆者們的研究小組著眼于作為壓電促動器的旋轉型超聲波馬達，在對于極低溫的環境下實現促動器的課題，特別是關于討論超聲波振動子、實現在氦保管容器內的旋轉驅動^（7）。在本文中，作為之后的展開，著眼于壓電單晶材料，介紹關于構成馬達材料的研究內容。

2、      極低溫環境用的超聲波馬達

  圖1表示的是試制的馬達。

以直徑6mm、長度16mm的小型螺栓郎之萬型振動子為驅動源。馬達的構成為圖2所示。

 使用所謂的模式旋轉型原理的一般結構，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子旋轉。在液體氮的容器內設置這個馬達，測量旋轉狀態來進行評價。旋轉數是采用通過光纖維和縫隙圓盤構成的編碼器來測量的。

  正如之前報道的那樣，壓電常數隨著溫度降低而減小^（7）。而且，這樣的特性根據材料的不同很容易地被預想到。筆者們到現在為止，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境中作為壓電材料的特性以及構成螺栓郎之萬型振動子時的性能進行了評價。在這里，我們得到了相對良好的結果，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，顯示的馬達驅動結果。振動子主要是以不銹鋼（SUS304）構成的。如圖所示，驅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，驅動特性也大不相同。

一般組裝的時候，因為有驅動的時候容易裂開的現象，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

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

  作為在低溫環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械性的輸出上顯示，這是作為所謂的機電耦合現象而產生的。

  為了比較壓電材料并進行振動子的設計，以計算與電、機械特性相關的各參數為目的，進行利用諧振、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。在中心支撐狀態下測量長邊線性的縱向振動。

 圖5以及圖6是關于PZT、PMN-PT的各種導納圓的測量結果。297K為常溫，通過調節來自氦罐內液體氦的液面高度和加熱器的加熱狀態來設定溫度。兩者一對比，能看到在溫度下降的時候PZT的導納圓比PMN-PT的導納圓明顯縮小。

  圖3的結果與導納圓的測量結果雖然不能單純的拿來對比，但至今得到的馬達驅動實驗的結論是使用PZT的馬達比PMN-PT的在低溫下使用時明顯效率低下。

4、      構成振動子金屬材料的研究

  在極低溫區域，由于有機材料的使用有很多限制，因此為了避免使用粘合劑的結構，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組裝時的緊固扭矩調整預壓值，可以利用比拉伸更能壓縮的壓電元件的特性。最佳預壓的值取決于構成振動子的材料的特性，但是在極低溫環境中使用該振動子時存在的問題是產生溫度變化引起的熱膨脹（收縮），并根據熱應力影響最佳預壓的值。此外，彈性常數和熱膨脹系數具有溫度依賴性。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的溫度依賴性。作為用于郎之萬型振動子的各個區塊，螺栓的材料，表示出了關于不銹鋼（SUS304）、純鈦、還有熱膨脹系數小而的因瓦合金（鐵，鎳等成分的合成金）。這些值，在過去發表的論文、數據庫等被公開使用^{（8）~（13）}。另外，沒有得到關于PMN-PT在極低溫領域下的值。

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

圖9是構成振動子的區塊，螺栓是采用的各種金屬材料時，求出與壓電材料接觸面產生的熱應力的值的結果。除了圖8所示的熱膨脹系數之外，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算的結果。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。

  從圖表所示的結果來看，鈦和PMN-PT組合產生的熱應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設定螺栓緊固扭矩，但預計熱應力的溫度依賴性越小振動子的振動特性以及馬達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的構成，可以實現溫度依賴性小的振動子。實際上，用這個組合試作振動子和馬達比用不銹鋼和PZT組合試作的結果要好^（3）。當然，振動特性不僅僅只是依賴熱應力的溫度依賴性，也要考慮到鈦影響諧振Q值也很高，所以得到這樣的結果。

5、      結束語

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

  關于材料的組合雖然只是單純的表示比較，但是現在已經進行使用復合金屬材料試作振動子了。并且作為驅動源進行各種壓電，電致伸縮的研究比較。關于這些成果預計今后也將依次公布，但我們也將按照當初的目的，在使用極低溫環境的測量儀器等領域進行應用。

  謝辭

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

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

  以上，表示真摯的謝意。

筆者介紹

神田 岳文

  岡山大學 大學院 自然科學研究科

山口 大介

  岡山大學 大學院

   自然科學研究科 系統構成學研究室

   博士課程3年