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采用压电单晶基板的低温超声波马达
采用中科院声学所精密ZJ-3型静压电测试仪和PZT-JH10/4型压电极化装置
1、 引言
低温环境作为制造、检查、保管的过程，并且采用分析仪器的测定环境被广泛应用。尤其是低于77K的广义极低温环境是氮的沸点，被认为是测量物理性质的重要环境。另外，液氢沸点的20K附近的环境，随着近年来氢能源相关技术的研究开发的进展，工业利用的观点也受到关注。笔者们的研究小组着眼于从4.3K附近到77K附近的液体氦的沸点环境，以实现在该环境中可利用的压电促动器为目标进行研究（1）~（3）。
一般来说，压电促动器从细微动作到高速旋转，可以以相对简单的构造来实现，小型化也很容易。从这些特征来看，即使在低温区域对压电促动器的需求也很大，到现在为止也以各种各样的形式进行着研究开发（4）~（6）。但是，由于低温区域作为压电体的特性等，在室温下使用的促动器很难利用。
根据本文的报道一样，笔者们的研究小组着眼于作为压电促动器的旋转型超声波马达，在对于极低温的环境下实现促动器的课题，特别是关于讨论超声波振动子、实现在氦保管容器内的旋转驱动（7）。在本文中，作为之后的展开，着眼于压电单晶材料，介绍关于构成马达材料的研究内容。
2、 极低温环境用的超声波马达
图1表示的是试制的马达。
以直径6mm、长度16mm的小型螺栓郎之万型振动子为驱动源。马达的构成为图2所示。
使用所谓的模式旋转型原理的一般结构，通过合成两个方向的弯曲振动，在振动子的前端生成行波，使与前端接触的金属制的转子旋转。在液体氮的容器内设置这个马达，测量旋转状态来进行评价。旋转数是采用通过光纤维和缝隙圆盘构成的编码器来测量的。
正如之前报道的那样，压电常数随着温度降低而减小（7）。而且，这样的特性根据材料的不同很容易地被预想到。笔者们到现在为止，研究了一般使用的以太酸锆酸铅（以下简称PZT）为首的几种压电材料，并对从常温到低温的环境中作为压电材料的特性以及构成螺栓郎之万型振动子时的性能进行了评价。在这里，我们得到了相对良好的结果，我们将介绍使用作为放松器系列的介电材料而的镁·铌酸铅、钛酸铅的重合体（以下简称PMN-PT）单晶材料例子。
图3是采用PZT压电陶瓷和PMN-PT单晶作为驱动源的同一形状和尺寸的螺栓郎之万型振动子时，显示的马达驱动结果。振动子主要是以不锈钢（SUS304）构成的。如图所示，驱动特性相对于温度变化，可以看出，在使用PZT的情况下和使用PMN-PT的情况下，驱动特性也大不相同。
一般组装的时候，因为有驱动的时候容易裂开的现象，但是螺栓采用单晶材料之后这种情况大大减少，本来低温环境中振幅和振动速度就会变小，但是使用PZT压电陶瓷之后相对来说使用结果很不错。
3、 压电材料特性的温度依存性
压电材料在低温环境下特性的评价，探索适合促动器驱动的材料是本研究中重要的事项之一。在这里介绍其中的一例。
作为在低温环境中使用压电促动器是的问题，显示压电体特性的压电常数具有温度依赖性，并且促动器的输出随着温度降低而降低。这在极低温度下尤其显著。在作为压电体的特性上，这样的特性不止在机械性的输出上显示，这是作为所谓的机电耦合现象而产生的。
为了比较压电材料并进行振动子的设计，以计算与电、机械特性相关的各参数为目的，进行利用谐振、反谐振法的测量。图4 是作为测量对象评价用的压电振动子。厚度为0.2mm的PZT压电陶瓷、PMN-PT单晶通过激光切割成长度12mm、宽度3mm，双面电极。在中心支撑状态下测量长边线性的纵向振动。
图5以及图6是关于PZT、PMN-PT的各种导纳圆的测量结果。297K为常温，通过调节来自氦罐内液体氦的液面高度和加热器的加热状态来设定温度。两者一对比，能看到在温度下降的时候PZT的导纳圆比PMN-PT的导纳圆明显缩小。
图3的结果与导纳圆的测量结果虽然不能单纯的拿来对比，但至今得到的马达驱动实验的结论是使用PZT的马达比PMN-PT的在低温下使用时明显效率低下。
4、 构成振动子金属材料的研究
在极低温区域，由于有机材料的使用有很多限制，因此为了避免使用粘合剂的结构，采用了由压电元件、电极板和金属螺栓连接的螺栓紧固型朗之万型振动子。图7是本研究使用的振动子之一。
螺栓紧固型朗之万型振动子是通过根据组装时的紧固扭矩调整预压值，可以利用比拉伸更能压缩的压电元件的特性。最佳预压的值取决于构成振动子的材料的特性，但是在极低温环境中使用该振动子时存在的问题是产生温度变化引起的热膨胀（收缩），并根据热应力影响最佳预压的值。此外，弹性常数和热膨胀系数具有温度依赖性。另外，由于金属材料和陶瓷压电材料具有不同的温度特性，因此为了在低温区域提高振动子的性能，有必要考虑这些组合。
图8表示的是各种材料的热膨胀系数的温度依赖性。作为用于郎之万型振动子的各个区块，螺栓的材料，表示出了关于不锈钢（SUS304）、纯钛、还有热膨胀系数小而的因瓦合金（铁，镍等成分的合成金）。这些值，在过去发表的论文、数据库等被公开使用（8）~（13）。另外，没有得到关于PMN-PT在极低温领域下的值。
从图表中可以看出，不锈钢和钛、因瓦合金的热膨胀系数的值有很大的不同。一般，PZT和PMN-PT热膨胀系数的相比较，钛和PZT比较相近，在绘图的范围内因瓦合金和PMN-PT也比较相近。如上所述，由于材料常数具有温度依赖性，因此为了在低温环境中获得最佳预压状态，需要根据振动子的使用环境温度来设定振动子组装时的紧固扭矩.
图9是构成振动子的区块，螺栓是采用的各种金属材料时，求出与压电材料接触面产生的热应力的值的结果。除了图8所示的热膨胀系数之外，还考虑到弹性模量的温度依赖性分别非线性地变化，这是通过有限元法计算的结果。振动子的形状和尺寸与图7所示相同，并且使用PMN-PT用作压电材料。图表中，拉伸方向表示为正，压缩方向表示为负。
从图表所示的结果来看，钛和PMN-PT组合产生的热应力的温度依赖性基本看不见，不锈钢以及因瓦合金作为金属材料使用的时候，相对来说可以看出变化比较大。振动子组装时，虽然是以这个值为基础设定螺栓紧固扭矩，但预计热应力的温度依赖性越小振动子的振动特性以及马达的输出端口的温度的影响也越小。
综上所述，可以推测由钛块和PMN-PT的构成，可以实现温度依赖性小的振动子。实际上，用这个组合试作振动子和马达比用不锈钢和PZT组合试作的结果要好（3）。当然，振动特性不仅仅只是依赖热应力的温度依赖性，也要考虑到钛影响谐振Q值也很高，所以得到这样的结果。
5、 结束语
在本稿中，我们研究了作为以极低温环境下为使用目的的压电促动器，采用超声波马达，选择构成用于驱动的超声波振动子的材料。还介绍了有关用PMN-PT单晶作为压电材料的例子，以及研究构成振动子的金属材料的内容。
关于材料的组合虽然只是单纯的表示比较，但是现在已经进行使用复合金属材料试作振动子了。并且作为驱动源进行各种压电，电致伸缩的研究比较。关于这些成果预计今后也将依次公布，但我们也将按照当初的目的，在使用极低温环境的测量仪器等领域进行应用。
谢辞
本次研究，在评价压电振动子以及超声波马达的试作评价方面，由冈山大学的铃森康一教授、同大学院在校的自然科学院以及同工学部、或者过去在校的黑田雅贵、武田大、野口祐也、中薗正浩的各位协力进行的。
并且，本研究的一部分是平成25年由文学部科学省科学研究补助金和基础研究（C）（No.25420091）（极低温环境用的微电致伸缩和压电促动器的试作研究）的赞助进行的。
以上，表示真挚的谢意。
笔者介绍
神田 岳文
冈山大学 大学院 自然科学研究科
山口 大介
冈山大学 大学院
自然科学研究科 系统构成学研究室
博士课程3年
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