ZJ-3型(xing)壓(ya)電(dian)測(ce)試(shi)儀(yi)如何采(cai)用(yong)壓電(dian)單晶(jing)基(ji)板(ban)的低(di)溫超聲(sheng)波(bo)馬(ma)達(da)

采(cai)用(yong)壓電(dian)單晶(jing)基(ji)板(ban)的低(di)溫超聲(sheng)波(bo)馬(ma)達(da)

ZJ-3型壓(ya)電測試(shi)儀(yi)如何采(cai)用(yong)壓電(dian)單晶(jing)基(ji)板(ban)的低(di)溫超聲(sheng)波(bo)馬(ma)達(da)

采用(yong)中科院(yuan)聲(sheng)學(xue)所精密ZJ-3型(xing)靜(jing)壓電(dian)測試(shi)儀(yi)和PZT-JH10/4型(xing)壓電(dian)極(ji)化裝置

1、      引言(yan)

  低溫環境(jing)作為制造、檢(jian)查(zha)、保(bao)管(guan)的過(guo)程(cheng)，並且采用(yong)分析(xi)儀器的測(ce)定環境(jing)被廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)。尤(you)其(qi)是(shi)低於77K的廣(guang)義極(ji)低溫環境(jing)是氮的沸(fei)點(dian)，被認為(wei)是(shi)測(ce)量(liang)物(wu)理(li)性(xing)質(zhi)的重(zhong)要環境(jing)。另外，液氫沸(fei)點(dian)的20K附近的環境(jing)，隨(sui)著(zhe)近(jin)年來氫能(neng)源相(xiang)關(guan)技(ji)術(shu)的研(yan)究開發的進展，工業利(li)用(yong)的觀(guan)點(dian)也受(shou)到關(guan)註。筆(bi)者(zhe)們(men)的研(yan)究小組(zu)著(zhe)眼(yan)於從(cong)4.3K附近到77K附近的液體(ti)氦的沸(fei)點(dian)環境(jing)，以實現(xian)在(zai)該環境(jing)中可利(li)用(yong)的壓(ya)電促動(dong)器為(wei)目(mu)標進行(xing)研究(jiu)^{（1）~（3）}。

  壹般(ban)來說，壓電(dian)促(cu)動器從(cong)細(xi)微動(dong)作到高(gao)速(su)旋(xuan)轉(zhuan)，可(ke)以以相(xiang)對(dui)簡單的構造來實現(xian)，小(xiao)型(xing)化也很容易。從(cong)這(zhe)些特征來看，即使(shi)在(zai)低溫區域對(dui)壓(ya)電促動器的需求(qiu)也(ye)很大，到現(xian)在(zai)為(wei)止(zhi)也以各(ge)種(zhong)各(ge)樣(yang)的形式進行(xing)著(zhe)研(yan)究(jiu)開發^{（4）~（6）}。但(dan)是，由於低(di)溫區域作為壓電體(ti)的特性(xing)等，在(zai)室溫下(xia)使(shi)用(yong)的促(cu)動器很難利(li)用(yong)。

  根據(ju)本文(wen)的報(bao)道壹樣(yang)，筆者(zhe)們(men)的研(yan)究小組(zu)著(zhe)眼(yan)於作為壓電促(cu)動(dong)器的旋(xuan)轉(zhuan)型(xing)超聲(sheng)波(bo)馬(ma)達(da)，在(zai)對(dui)於極(ji)低溫的環境(jing)下實現(xian)促(cu)動(dong)器的課(ke)題(ti)，特別是(shi)關(guan)於討論超聲(sheng)波(bo)振(zhen)動(dong)子、實(shi)現(xian)在(zai)氦保(bao)管(guan)容器內的旋(xuan)轉(zhuan)驅(qu)動(dong)^（7）。在本文(wen)中，作為之(zhi)後的展開，著(zhe)眼(yan)於壓(ya)電單(dan)晶(jing)材料，介(jie)紹(shao)關(guan)於構成馬(ma)達(da)材料的研(yan)究內容。

2、      極(ji)低溫環境(jing)用(yong)的超聲(sheng)波(bo)馬(ma)達(da)

  圖1表示(shi)的是(shi)試(shi)制(zhi)的馬(ma)達(da)。

以直(zhi)徑(jing)6mm、長(chang)度16mm的小(xiao)型螺栓郎之(zhi)萬(wan)型(xing)振(zhen)動子為(wei)驅(qu)動(dong)源。馬(ma)達(da)的構成為圖2所示(shi)。

 使用(yong)所謂(wei)的模式旋(xuan)轉(zhuan)型(xing)原理的壹(yi)般結構，通過(guo)合成兩個方(fang)向的彎(wan)曲(qu)振動(dong)，在振動子的前(qian)端生成行(xing)波(bo)，使(shi)與(yu)前(qian)端(duan)接觸(chu)的金屬(shu)制(zhi)的轉(zhuan)子旋(xuan)轉(zhuan)。在(zai)液體(ti)氮的容器內設置(zhi)這個(ge)馬(ma)達(da)，測(ce)量(liang)旋(xuan)轉(zhuan)狀態來進行(xing)評(ping)價(jia)。旋(xuan)轉(zhuan)數(shu)是采(cai)用(yong)通過(guo)光纖維(wei)和縫(feng)隙圓盤構成的編(bian)碼器來測量的。

  正如(ru)之(zhi)前報(bao)道的那(na)樣(yang)，壓電(dian)常(chang)數(shu)隨(sui)著(zhe)溫度降(jiang)低(di)而(er)減(jian)小^（7）。而且(qie)，這(zhe)樣(yang)的特性(xing)根據(ju)材料的不(bu)同很容易地被預(yu)想(xiang)到。筆(bi)者(zhe)們(men)到現(xian)在(zai)為(wei)止(zhi)，研究了壹般(ban)使用(yong)的以(yi)太酸(suan)鋯(gao)酸鉛(qian)（以(yi)下(xia)簡稱PZT）為首的幾(ji)種(zhong)壓電(dian)材料，並(bing)對(dui)從(cong)常(chang)溫到低(di)溫的環境(jing)中作為壓電材料的特性(xing)以及構成螺栓郎之(zhi)萬(wan)型(xing)振(zhen)動子時(shi)的性(xing)能(neng)進行(xing)了評(ping)價(jia)。在這(zhe)裏，我(wo)們(men)得到了(le)相(xiang)對(dui)良(liang)好的結果，我(wo)們(men)將介(jie)紹(shao)使(shi)用(yong)作為放松器系(xi)列(lie)的介(jie)電材料而(er)的鎂(mei)·鈮(ni)酸(suan)鉛(qian)、鈦(tai)酸(suan)鉛(qian)的重(zhong)合體（以(yi)下(xia)簡稱PMN-PT）單晶(jing)材料例子。

  圖3是采(cai)用(yong)PZT壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)和PMN-PT單晶(jing)作為驅(qu)動(dong)源的同(tong)壹形狀和尺(chi)寸的螺(luo)栓郎之(zhi)萬(wan)型(xing)振(zhen)動子時(shi)，顯示的馬(ma)達(da)驅(qu)動(dong)結果。振(zhen)動(dong)子主要是以不銹鋼(gang)（SUS304）構成的。如(ru)圖所示(shi)，驅(qu)動(dong)特性(xing)相(xiang)對(dui)於溫度變化，可以(yi)看出(chu)，在使(shi)用(yong)PZT的情(qing)況(kuang)下和(he)使(shi)用(yong)PMN-PT的情(qing)況(kuang)下，驅(qu)動(dong)特性(xing)也大不相(xiang)同(tong)。

壹般(ban)組(zu)裝的時(shi)候，因(yin)為(wei)有(you)驅(qu)動(dong)的時(shi)候容易裂(lie)開的現(xian)象(xiang)，但(dan)是螺栓采用(yong)單晶(jing)材料之(zhi)後這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)大大減(jian)少，本來低溫環境(jing)中振幅(fu)和振動(dong)速(su)度就會變(bian)小，但(dan)是使用(yong)PZT壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)之(zhi)後相(xiang)對(dui)來說使用(yong)結果很不錯。

3、      壓電(dian)材料特性(xing)的溫度依存性(xing)

  壓電(dian)材料在(zai)低溫環境(jing)下特性(xing)的評(ping)價(jia)，探索(suo)適(shi)合促動(dong)器驅(qu)動(dong)的材料是(shi)本研究(jiu)中重(zhong)要的事項(xiang)之(zhi)壹。在(zai)這裏(li)介(jie)紹(shao)其(qi)中的壹(yi)例。

  作為在低溫環境(jing)中使用(yong)壓電(dian)促動(dong)器是(shi)的問(wen)題(ti)，顯示壓(ya)電(dian)體(ti)特性(xing)的壓(ya)電常(chang)數(shu)具有(you)溫度依賴(lai)性(xing)，並且(qie)促動(dong)器的輸(shu)出(chu)隨(sui)著(zhe)溫度降(jiang)低(di)而(er)降(jiang)低(di)。這(zhe)在(zai)極(ji)低溫度下尤(you)其(qi)顯著。在(zai)作為壓電體(ti)的特性(xing)上(shang)，這(zhe)樣(yang)的特性(xing)不止(zhi)在機械(xie)性(xing)的輸(shu)出(chu)上(shang)顯示，這(zhe)是(shi)作為所謂(wei)的機電耦(ou)合現(xian)象(xiang)而(er)產(chan)生的。

  為了比(bi)較(jiao)壓(ya)電(dian)材料並(bing)進行(xing)振動(dong)子的設計(ji)，以計(ji)算與電、機械(xie)特性(xing)相(xiang)關(guan)的各(ge)參(can)數(shu)為目(mu)的，進行(xing)利(li)用(yong)諧振(zhen)、反諧(xie)振法(fa)的測(ce)量。圖4 是作為測量對(dui)象(xiang)評(ping)價(jia)用(yong)的壓(ya)電振動(dong)子。厚(hou)度為0.2mm的PZT壓電(dian)陶(tao)瓷(ci)、PMN-PT單晶(jing)通(tong)過(guo)激光切割成長(chang)度12mm、寬度3mm，雙面電(dian)極(ji)。在中心支(zhi)撐狀態下(xia)測量(liang)長(chang)邊(bian)線(xian)性(xing)的縱向振(zhen)動(dong)。

 圖5以及圖(tu)6是關(guan)於PZT、PMN-PT的各(ge)種(zhong)導納圓的測(ce)量結果。297K為常(chang)溫，通(tong)過(guo)調(tiao)節來自氦罐(guan)內液體(ti)氦的液面高(gao)度和加(jia)熱器的加(jia)熱狀態來設定(ding)溫度。兩者壹(yi)對(dui)比(bi)，能(neng)看(kan)到在(zai)溫度下降(jiang)的時(shi)候PZT的導(dao)納圓比(bi)PMN-PT的導(dao)納圓明顯縮小(xiao)。

  圖3的結果與(yu)導(dao)納圓的測(ce)量結果雖(sui)然(ran)不(bu)能(neng)單(dan)純的拿(na)來對(dui)比(bi)，但(dan)至(zhi)今(jin)得(de)到的馬(ma)達(da)驅(qu)動(dong)實(shi)驗(yan)的結論是(shi)使(shi)用(yong)PZT的馬(ma)達(da)比(bi)PMN-PT的在(zai)低溫下(xia)使(shi)用(yong)時(shi)明顯效率(lv)低(di)下。

4、      構成振動子金屬(shu)材料的研(yan)究

  在極(ji)低溫區域，由(you)於有(you)機材料的使(shi)用(yong)有(you)很多限(xian)制(zhi)，因(yin)此(ci)為了避免(mian)使(shi)用(yong)粘合劑的結構，采用(yong)了由(you)壓電(dian)元(yuan)件、電極(ji)板(ban)和金屬(shu)螺(luo)栓連接的螺(luo)栓緊固型(xing)朗之(zhi)萬(wan)型(xing)振(zhen)動子。圖(tu)7是本研究(jiu)使(shi)用(yong)的振(zhen)動子之(zhi)壹。

螺栓緊固型(xing)朗之(zhi)萬(wan)型(xing)振(zhen)動子是(shi)通(tong)過(guo)根(gen)據(ju)組裝時(shi)的緊(jin)固扭(niu)矩(ju)調(tiao)整預(yu)壓(ya)值(zhi)，可以利(li)用(yong)比(bi)拉(la)伸(shen)更(geng)能(neng)壓(ya)縮的壓(ya)電元(yuan)件的特性(xing)。最佳(jia)預(yu)壓(ya)的值(zhi)取(qu)決於構成振動子的材料的特性(xing)，但(dan)是在極(ji)低溫環境(jing)中使用(yong)該振動(dong)子時(shi)存在的問(wen)題(ti)是產(chan)生溫度變化引起(qi)的熱膨(peng)脹(zhang)（收(shou)縮），並(bing)根據(ju)熱應(ying)力影(ying)響(xiang)最佳(jia)預(yu)壓(ya)的值(zhi)。此外，彈(dan)性(xing)常(chang)數(shu)和熱膨(peng)脹(zhang)系數(shu)具有(you)溫度依賴(lai)性(xing)。另外，由於金屬(shu)材料和(he)陶瓷壓電材料具(ju)有(you)不同(tong)的溫度特性(xing)，因(yin)此(ci)為了在低(di)溫區域提高(gao)振(zhen)動子的性(xing)能(neng)，有(you)必要(yao)考(kao)慮這(zhe)些組(zu)合。

  圖8表示(shi)的是(shi)各(ge)種(zhong)材料的熱膨(peng)脹(zhang)系數(shu)的溫度依賴(lai)性(xing)。作為用(yong)於郎之(zhi)萬(wan)型(xing)振(zhen)動子的各(ge)個區塊，螺(luo)栓的材料，表(biao)示出(chu)了關(guan)於不(bu)銹鋼(gang)（SUS304）、純鈦(tai)、還(hai)有(you)熱膨(peng)脹(zhang)系數(shu)小而(er)的因(yin)瓦合金（鐵(tie)，鎳(nie)等成分的合成金）。這些值，在(zai)過(guo)去(qu)發表(biao)的論(lun)文(wen)、數(shu)據(ju)庫等(deng)被公(gong)開使用(yong)^{（8）~（13）}。另外，沒(mei)有(you)得到關(guan)於PMN-PT在極(ji)低溫領(ling)域(yu)下(xia)的值(zhi)。

從圖(tu)表(biao)中可以(yi)看出(chu)，不銹(xiu)鋼(gang)和(he)鈦(tai)、因(yin)瓦合金的熱膨(peng)脹(zhang)系數(shu)的值(zhi)有(you)很大的不(bu)同。壹般(ban)，PZT和PMN-PT熱膨(peng)脹(zhang)系數(shu)的相(xiang)比(bi)較(jiao)，鈦(tai)和(he)PZT比(bi)較(jiao)相(xiang)近(jin)，在(zai)繪圖的範(fan)圍內因(yin)瓦合金和PMN-PT也比(bi)較(jiao)相(xiang)近(jin)。如(ru)上(shang)所述，由於材料常(chang)數(shu)具有(you)溫度依賴(lai)性(xing)，因(yin)此(ci)為了在低(di)溫環境(jing)中獲得最佳(jia)預(yu)壓(ya)狀態，需要根據(ju)振動子的使(shi)用(yong)環境(jing)溫度來設定(ding)振動(dong)子組(zu)裝時(shi)的緊(jin)固扭(niu)矩(ju).

圖9是構成振動子的區塊，螺(luo)栓是采用(yong)的各(ge)種(zhong)金屬(shu)材料時(shi)，求(qiu)出(chu)與壓(ya)電(dian)材料接(jie)觸(chu)面產(chan)生的熱應(ying)力的值(zhi)的結果。除(chu)了圖(tu)8所示(shi)的熱膨(peng)脹(zhang)系數(shu)之(zhi)外，還考(kao)慮到彈(dan)性(xing)模量的溫度依賴(lai)性(xing)分別(bie)非線(xian)性(xing)地變(bian)化，這是(shi)通過(guo)有(you)限(xian)元(yuan)法(fa)計(ji)算(suan)的結果。振(zhen)動(dong)子的形狀和尺(chi)寸與(yu)圖7所示(shi)相(xiang)同(tong)，並(bing)且(qie)使用(yong)PMN-PT用(yong)作壓電材料。圖(tu)表中，拉伸(shen)方(fang)向表(biao)示為正，壓縮方(fang)向表(biao)示為負。

  從圖(tu)表(biao)所示(shi)的結果來看，鈦(tai)和(he)PMN-PT組合產生的熱應(ying)力的溫度依賴(lai)性(xing)基本看不(bu)見(jian)，不(bu)銹鋼(gang)以(yi)及因(yin)瓦合金作為金屬(shu)材料使(shi)用(yong)的時(shi)候，相(xiang)對(dui)來說可以(yi)看(kan)出(chu)變化比(bi)較(jiao)大。振動子組(zu)裝時(shi)，雖然(ran)是以(yi)這個值為(wei)基(ji)礎設定(ding)螺栓緊固扭(niu)矩(ju)，但(dan)預計熱應(ying)力的溫度依賴(lai)性(xing)越小振動(dong)子的振(zhen)動特性(xing)以及馬(ma)達(da)的輸(shu)出(chu)端口的溫度的影(ying)響也越小。

綜(zong)上(shang)所述，可以(yi)推測(ce)由鈦(tai)塊(kuai)和(he)PMN-PT的構成，可以實(shi)現(xian)溫度依賴(lai)性(xing)小的振(zhen)動子。實(shi)際(ji)上(shang)，用(yong)這個(ge)組合試(shi)作振動子和(he)馬(ma)達(da)比(bi)用(yong)不銹(xiu)鋼(gang)和(he)PZT組合試(shi)作的結果要(yao)好(hao)^（3）。當然(ran)，振(zhen)動(dong)特性(xing)不僅(jin)僅只是依(yi)賴(lai)熱應(ying)力的溫度依賴(lai)性(xing)，也要(yao)考(kao)慮到鈦(tai)影(ying)響(xiang)諧(xie)振Q值也(ye)很高(gao)，所以(yi)得(de)到這(zhe)樣(yang)的結果。

5、      結束語(yu)

  在本稿(gao)中，我們(men)研究(jiu)了(le)作為以極(ji)低溫環境(jing)下為使用(yong)目(mu)的的壓(ya)電促動(dong)器，采(cai)用(yong)超聲(sheng)波(bo)馬(ma)達(da)，選擇構成用(yong)於驅(qu)動(dong)的超聲(sheng)波(bo)振(zhen)動(dong)子的材料。還(hai)介紹(shao)了(le)有(you)關用(yong)PMN-PT單晶(jing)作為壓電材料的例子，以(yi)及研(yan)究(jiu)構成振動子的金屬(shu)材料的內容。

  關於材料的組(zu)合雖然(ran)只是單(dan)純(chun)的表(biao)示比(bi)較(jiao)，但(dan)是現(xian)在(zai)已(yi)經(jing)進行(xing)使用(yong)復合金屬(shu)材料試(shi)作振動子了(le)。並(bing)且(qie)作為驅(qu)動(dong)源進行(xing)各(ge)種(zhong)壓電(dian)，電致(zhi)伸縮(suo)的研(yan)究比(bi)較(jiao)。關(guan)於這(zhe)些成果預計(ji)今(jin)後(hou)也將依(yi)次(ci)公布，但(dan)我們(men)也將(jiang)按(an)照(zhao)當(dang)初(chu)的目(mu)的，在(zai)使用(yong)極(ji)低溫環境(jing)的測(ce)量儀器等(deng)領(ling)域(yu)進行(xing)應(ying)用(yong)。

  謝(xie)辭(ci)

  本次研(yan)究(jiu)，在評(ping)價(jia)壓電(dian)振動(dong)子以(yi)及超聲(sheng)波(bo)馬(ma)達(da)的試(shi)作評(ping)價(jia)方(fang)面，由(you)岡山大學的鈴(ling)森(sen)康(kang)壹(yi)教(jiao)授、同大學院(yuan)在(zai)校(xiao)的自(zi)然科學(xue)院(yuan)以(yi)及同(tong)工學部(bu)、或(huo)者過(guo)去(qu)在校(xiao)的黑(hei)田雅貴、武田大、野口祐也(ye)、中薗(薗)正浩(hao)的各(ge)位協(xie)力進行(xing)的。

  並且(qie)，本研究(jiu)的壹(yi)部分是(shi)平成25年由(you)文(wen)學部(bu)科學省(sheng)科學(xue)研究(jiu)補助金和基礎研(yan)究(jiu)（C）（No.25420091）（極(ji)低溫環境(jing)用(yong)的微電(dian)致(zhi)伸縮(suo)和(he)壓(ya)電促動器的試(shi)作研究）的贊(zan)助進行(xing)的。

  以上(shang)，表(biao)示(shi)真(zhen)摯的謝(xie)意(yi)。

筆者(zhe)介(jie)紹(shao)

神田 嶽文(wen)

  岡山大學 大學院(yuan) 自然(ran)科(ke)學(xue)研究(jiu)科

山口 大介

  岡山大學 大學院(yuan)

   自然(ran)科(ke)學(xue)研究(jiu)科 系統構成學研究(jiu)室(shi)

   博士(shi)課(ke)程(cheng)3年