機械システムにおける圧電セラミックスの応用

ビュー: 6 著者: サイト編集者公開時間: 2018-11-30 起源: サイト

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1880 年にキュリー兄弟がトルマリンの圧電効果を発見して以来、圧電科学は正式に人類の科学技術文明の段階に入りました。初期の理論研究は主に後にキュリー兄弟によって行われました。 1881 年にキュリー兄弟は、α 水晶結晶の逆圧電効果を実験によって検証しました。つまり、水晶結晶に電場を与え、わずかな歪みと応力のフィードバックを得ました。そして、正と負の圧電係数は、圧電トランスデューサの超音波は実験を通じて計算されました。 13 年後、Voigt は、媒質には非対称中心があり、32 点群すべてのうち 20 点だけがこの特性を持つという圧電性の前提があると提案しました。その代表格が水晶です。この理論が提唱されてから何年も経ちますが、水晶は依然として実験段階にあります。さらなる応用と製造は遅れています。第一次世界大戦までは戦争が科学技術発展の最大の原動力であったが、キュリーの後継者ランジュバンは潜水艦探知という軍事目的で水晶を使って水中超音波探知機を作り、圧電素子の実用化を推し進めた。第二次世界大戦中、米国のロバーツはBaTiO3セラミックスに高電圧を印加して分極処理を行い、圧電セラミックスの圧電性を獲得しました。圧電セラミックスは、アメリカ、日本、ソ連などが研究を開始してすぐに成果を上げ、その後1950年代半ばまでBaTiO3圧電セラミックスを材料とした高周波トランスデューサー、超音波トランスデューサー、圧力センサー、フィルター、共振子などの様々な圧電デバイスが誕生し、圧電セラミックスの応用が進んでいます。 1955 年、長期にわたる研究と実験の後、B. Jaffe らは、 PZT圧電セラミックスが優れていることがついに判明圧電結晶のコストは BaTiO3に相当します。その優れた性能により、圧電セラミックスのより多くの電子機器への応用が可能となります。 SAW デバイスは表面弾性波 (SAW) フィルター、遅延線を使用しており、その後の研究でも発振器が使用されています。それ以来、圧電セラミックスは改革と革新を経て、新しい品種が登場しました。

圧電学は部分的な実験とその開発の分野です。硬質材料の圧電セラミック部品は、圧電セラミックの組成と構造に密接に関係しています。構成と構造がコンポーネントの性能を決定します。近年、科学界における研究は、非常に小規模か非常に大規模かの 2 つの極端な方向に移行しています。つまり、ミクロなスケールでトピックを研究したり、宇宙内の問題について議論したりすることです。このような状況の中で、精密機器の開発と使用が盛んに行われています。圧電セラミックスの圧電効果は繊細であるため、精密機器への応用の可能性は非常に広いです。精密検査装置や精密パワー機器などの事例が多数ございます。この記事は、読者にアプリケーションのパフォーマンスについて予備的な理解を提供することを目的としています。 Pzt4 圧電セラミックスの既存の用途を列挙し、精密機器用途における圧電セラミックスの利点と欠点を分析し、圧電セラミックスのいくつかの用途を提案することを試みます。

特定の誘電体に機械的な力を加えると、その内部の正および負の電荷中心が引き起こされます。 Pzt セラミックディスクが相対的に変位して分極が発生し、誘電体の端に反対方向に束縛された電荷が現れます。特定の応力範囲では、機械力は電荷に応じて線形に可逆的です。この現象は圧電効果または正の圧電効果と呼ばれます。一方、圧電効果を有する媒体を外部電界中に置くと、電界の作用により媒体内部の正負の電荷の中心がずれ、そのずれによって媒体が変形します。電界強度の特定の範囲では、電界強度は変形と線形可逆関係を持ちます。この効果は逆圧電効果と呼ばれます。

圧電材料は、原料を混合し、高温で焼結し、粒子間の固相反応を経て固体粒子が不規則に集合してなる圧電セラミックスです。分極した圧電セラミックスの自発分極はランダムな方向を向いているため、圧電性はありません。高電圧直流電界中に存在する自発分極ドメインは、外部電界の優先方向に従って再配置されます。外部電場が除去された後も、セラミック本体は依然として一定の全残留分極を保持しているため、圧電セラミックシリンダーチューブは圧電性を持っています。キュリー温度強誘電性（または反強誘電性）セラミックスは、特定の温度範囲でのみ強誘電性（反強誘電性）特性を持ち、臨界温度 Tc を持ちます。温度がTcより高くなると、強誘電体（または反強誘電体）相が常誘電体相に変化し、自発分極が消失します。この臨界温度 TC は、強誘電体 (または反強誘電体) セラミックのキュリー温度と呼ばれます。