圧電セラミックス振動子の応用

圧電セラミックは、その圧電性と、その結果として得られる電気機械特性の多様性により、広く使用されています。これらの用途は一般に、圧電振動子として 2 つの大きなカテゴリに分類できます。圧電振動子として使用される圧電セラミックス材料には、周波数温度安定性が良く、機械的品質係数Q（Qは振動変換時の材料の内部エネルギー消費の度合いを示す）が高いことが求められます。トランスデューサとして使用する必要があります。機械結合係数 K (電気エネルギーへの機械変換 / 入力機械エネルギー、電気エネルギーから機械エネルギー / 入力電気エネルギー) が高く、比誘電率が大きいため、圧電セラミックスの用途は次のとおりです。

I. 概要
圧電セラミックスは、圧電効果を有する多結晶膜であり、その製造プロセス（原料の粉砕、成形、高温焼結）に類似した名前が付けられています。一部の異方性結晶は機械的な力を受けて変形し、帯電粒子が相対的に移動し、結晶の表面に正と負の束縛電荷が生じます。この現象を圧電効果といいます。結晶のこの性質は圧電性と呼ばれます。圧電セラミックスは、1880 年に J. キュリー兄弟と P. キュリー兄弟によって発見されました。数か月後、彼らは逆圧電効果、つまり電圧が圧電結晶に印加されると圧電結晶が幾何学的変形を受けることを実験的に検証しました。 1940 年以前には、強誘電体は 2 種類しか知られていませんでした (特定の温度範囲で自発分極するだけでなく、外部電界の強さによって再配向可能な結晶の自発分極も同様)。1 つはリン酸二水素カリウムとその同等物です。前者は常温で圧電性を有し、技術的利用価値があるが、溶解しやすいという欠点がある。後者は低温（-14℃以下）で圧電セラミックスを持ち、工学的利用価値は大きくありません。チタン酸バリウム (BaTiO) は、異常に高い誘電率を持つことが判明しました。これはすぐに圧電性であることが判明し、BaTiO 圧電セラミックスの発見は圧電材料にとって飛躍的な進歩でした。以前は圧電性結晶材料しかありませんでしたが、その後圧電性多結晶材料である圧電セラミックスが登場し広く使われるようになりました。 1947 年、米国は蓄音機のピックアップの製造に BaTiO セラミックを使用しました。日本は2年間使用しました。 BaTiO 材料には、圧電性が静止塩よりも弱く、圧電性が温度とともに水晶より大きくなるという欠点があります。 1954 年に、B. Jaffe らは圧電 PbZrO-PbTiO (PZT) 固溶体系を発見しました。これは、BaTiO でのデバイスの製造を不可能にした画期的な出来事です。それ以来、圧電セラミックスの応用を光学分野に広げるために、PZT 透明圧電セラミックスが開発されました。これまでのところ、圧電セラミックスの応用は、宇宙の発展から家族の生活に至るまで、非常に広範囲にわたっています。中国における圧電セラミックスの研究は、諸外国に比べて約10年遅れて1950年代後半に始まりました。現在、圧電セラミックスの試作、工業生産には非常に強い勢力が存在しています。多くの資料は国際レベルに達しているか、それに近いものになっています。

圧電セラミックスの圧電性の物理的メカニズム
圧電セラミックスは、圧電性を有する多結晶体です。 ピエゾ ディスク センサーは、 ピエゾ結晶の圧電性によって説明できます。機械的な力の作用により、総電気双極子モーメント (分極) が変化し、圧電現象が発生します。圧電は分極や変形などと密接に関係しています。

分極の微視的メカニズム

分極状態は、電界が誘電体の帯電点に相対的な変位力を及ぼし、電荷間の相互引力が一時的に平衡している状態です。主な分極メカニズムは 3 つあります。

(1) 電子変位分極 - 誘電体の原子またはイオンは、電場力の作用下で、正に帯電した原子核および殻電子の負の電荷中心と一致しません。

(2) イオン変位分極 - 誘電体の正イオンと負イオンが電場力の作用下で相対的に変位し、それによって電気双極子モーメントが生成されます。

(3) 配向分極 - 誘電体を構成する極性分子は、特定の固有 (固有) 電気モーメントを持っています。熱運動により配向が乱れ、総電気モーメントはゼロとなります。電場が印加されると、電気双極子モーメントが発生します。電場の方向が揃えられ、巨視的な電気双極子モーメントが現れます。異方性結晶の場合、分極は電場の存在に関係します。

2. 圧電効果

(1) 正の圧電効果
圧電性結晶が外力により変形すると、正と負の電荷中心が相対的に移動し、対応する面の一部に逆電荷が発生し、分極強度が発生します。この電界が無く変形により分極する現象を正の圧電効果と呼びます。

異方性結晶の場合、結晶に応力がかかります。 （対応するひずみ）に応じて、結晶は X、Y、Z の 3 方向に比例した分極を持ちます。これらの分極は、それぞれ圧電応力定数および圧電ひずみ定数と呼ばれます。

(2) 逆圧電効果
結晶に電場を加えると分極だけでなく変形も生じ、この電場により変形する現象を逆圧電効果といいます。これは、結晶に電界がかかると結晶内部に応力（圧電応力）が発生し、その応力により圧電歪みが発生するためである。

3. 圧力効果のメカニズム
圧電効果は、圧電結晶で最初に発見されました。ここで、圧電効果の物理的メカニズムを説明するためのモデルとして圧電結晶を使用します。
圧力が加えられていない場合、結晶の正電荷中心と負電荷中心は分散されます。このとき、正と負の電荷中心は一致し、結晶の全電気モーメントはゼロに等しく、結晶表面は帯電しません（圧電性ではありません）。

圧電セラミックスの応用

圧電セラミック点火器
機械力を電気火花に変換して燃焼を開始する装置であり、電気機械変換器です。 1958 年、チタン酸バリウム (BaTiO) セラミックの圧電効果が点火に使用されました。しかし、PZT 材料は発火速度が遅く、騒音が大きいです。 1962 年に、点火器の製造にチタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) 圧電セラミックが使用される試験が行われました。点火装置は、ガスやさまざまな種類の爆発物、ロケットに点火するために、日常生活、工業生産、軍事用途で広く使用されています。

(1) 基本原則

高電圧の発生——円柱状の圧電セラミック部品を例にとると、円柱に機械的な力 F が作用すると、圧電結晶が歪み、結晶内の正負の電荷の中心が移動し、円柱の上下面に多量の電荷が蓄積され、 

(2)高電圧出力。

(3)点火器の構造と動作原理

2. 圧電トランス
1950年代から圧電トランスが開発されてきました。当時はチタン酸バリウムが主原料として使われていました。ブーストは比較的低いです (わずか 50 ～ 60 倍)。出力電圧は約3000ボルトです。チタン酸ジルコン酸鉛の圧電セラミックス材料の登場により、昇圧比は300～500倍まで向上し、テレビ、静電複写機、マイナスイオン発生器などの高圧電源として順次適用されています。

(1) 基本原理
圧電セラミックスシートに入力された電気振動エネルギーは、逆圧電効果により機械振動エネルギーに変換され、さらに正圧電効果により電気エネルギーに変換されます。これら 2 つのエネルギー変換でインピーダンス変換 (低インピーダンスから高インピーダンスへ) が行われ、ピエゾ セラミック チップの共振周波数で高電圧出力が得られます。伸縮振動の水平垂直変換器を例に変換原理を説明します。

ピエゾセラミック片全体は2つの部分に分かれており、左側が入力端（駆動部とも呼ばれます）、上下に厚み方向に分極された銀電極が浸透しており、右側が出力端（発電部とも呼ばれます）、右端の表面に銀電極が浸透しています。長さに沿って分極化されています。入力端子に交流電圧を印加すると、逆圧電効果により圧電セラミックシートが長さ方向に伸縮振動を発生し、入力された電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。発電部は正の圧電効果により機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。ここで、材料の機械的品質係数。 - 材料の縦方向および横方向の電気機械結合係数。 L - 発電部分の長さ。 T - トランスの厚さ。

(2) 圧電トランスの応用
圧電トランスは主に高電圧、低電力、正弦波変換の場合に使用され、高出力電圧、軽量、小型、漏洩磁界がない、燃焼しないなどの独特の利点を持っています。複数の電圧出力を得るには、水平垂直変圧器の出力電圧が長さに比例し、発電部分の端に近づくほど電圧が高くなるため、発電部分の異なる位置にタップとして電極を作成し、異なる電圧出力を得ることができます。 。

4.圧電セラミックピックアップとスピーカー

(1) ダブルダイヤフラム型振動子

ダブルダイヤフラム型バイブレータの動作原理を示します。一定の厚みを持つ圧電セラミックスに力を加えて曲げると、厚みのある一方の面が伸び、反対側が圧縮され、圧電セラミックスシートの内部に電荷が発生します。しかし、ダイヤフラム全体の分極方向が同じで、上側が伸び、下側が縮むことで電気双極子モーメントが逆になり、上下の電荷記号が同じになるため、強制曲げを加えた際に2枚重ねたダブルダイヤフラム構造に切り替わるなど電位差がなくなり、電圧出力が得られます。分極方向が逆の2枚の振動板が直列に接続されており、力が加わると上部が伸び、下部が圧縮されます。分極方向が逆なので、ダブルダイヤフラムの上下で符号が逆になり、電圧出力が得られます。同じ分極方向を持つ 2 つのダイヤフラムは並列に接続され、出力電圧を形成します。

(2) 圧電セラミックピックアップの構造と動作原理

(3) 圧電セラミックスピーカの構造と動作原理
圧電セラミックスピーカはシンプルで軽量な電気音響装置であり、高感度、磁場散乱なし、銅線や磁石不使用、低コスト、低消費電力、修理が容易、大量生産できるという利点があります。

駆動システムは、 PZT素材の圧電素子を ダブルダイヤフラム、振動系をペーパーコーンとし、カップリング部品により駆動系のエネルギーを効率よく振動系に伝達します。動作中、圧電セラミックのダブルダイヤフラムに加えられた電気エネルギーは機械エネルギーに変換され、結合要素を介してコーン紙に伝達され、振動して音を発します。圧電ダブルダイヤフラムはより高いインピーダンスを持ち、電圧駆動を構成します。力Ｆと電圧Ｖの関係はＦ＝ＫＶ、Ｋは比例係数、放射インピーダンスを含む振動機械インピーダンスをＺ、振動速度
Ｖ＝Ｆ／Ｚより
高振動膜の中心ｒにおける音圧Ｐが求められる。

さらに、圧電セラミックの圧電効果を利用して、送信機、受信機、ブザーなどの他の電気音響エネルギー変換器を作製することもできる。

(4) 圧電セラミックファンとリレー
圧電セラミックは小型の圧電セラミックファンを作ることができ、体積が小さく、発熱がなく、ハムがなく、消費電力が低く、寿命が長いという利点があります。 2枚の圧電セラミックスシートを金属箔で挟んだ構造で、外部電界の作用により圧電セラミックスシートが伸縮運動を発生する圧電セラミックス曲げ変形器です。 2枚の圧電セラミックシートに逆電圧を加えると、もう一方の面が縮んで伸び、金属シートが曲がって変形します。交流電圧が印加されると、金属シートが周期的に振動します。