圧電セラミックセラミック材料トランスデューサの説明

圧電セラミックドライバー材料については、圧電セラミックは、高電圧電気ひずみ定数、高いキュリー点、高い電気機械結合係数、高周波数定数など、圧電セラミック材料の特性に関して高い要件を示します。最も広く使用されている圧電セラミックは、PZT (チタン酸ジルコン酸鉛) をベースとしたものです。 Pzt材料の圧電セラミックトランスデューサは 、その顕著な圧電効果により、キュリー温度が高く、耐放射線性に優れ、半導体集積技術との統合が容易です。しかし、人体や環境に有害であるため、性能に優れた鉛フリーの圧電セラミックス材料が求められ始めました。

国内外で最も研究されている無鉛圧電セラミック材料には、主に次のシステムが含まれます。チタン酸バリウムベースの無鉛圧電セラミックス。チタン酸バリウム系鉛フリー圧電セラミックス。タンタル酸系鉛フリー圧電セラミックス、タンタル積層構造鉛フリー圧電セラミックス。

チタン酸バリウム系鉛フリー圧電セラミックス

鉛フリーをベースとしたチタン酸バリウム（BaTiO3）の研究と応用 ピエゾセラミックトランスデューサは かなり成熟しています。しかし、BaTiO3 セラミックスのキュリー温度は低く (Tc=120)、使用温度範囲は狭く、圧電セラミックスの性能は中程度です。ドーピング修飾によって圧電特性を大幅に改善することは難しく、温度付近で相転移が起こります。したがって、圧電セラミックスの用途は限られています。チタン酸バリウムストロンチウム系の鉛フリー圧電セラミックスであるチタン酸バリウム、Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)はチタン酸系の代表格です。 BNTは、比較的大きな残留分極と極めて高い抗電界(7.5kV/mm)を有する緩和強誘電体の特性を持ち、大きな圧電係数(kt、kp約50%)、小さな係数(240~340)、良好な音響性能(周波数定数NP=3200Hz)などの優れた誘電体性能を有します。強誘電体相領域では抗電界が高く、電気伝導度が高いため、分極が困難であり、実用的な圧電磁器の製造が困難となっています。 BNT ピエゾセラミックの分極の欠点と、焼結して緻密なサンプルにすることの難しさを克服するために、さまざまなペロブスカイト構造のドーパントペアを追加します。BNT は修飾されます。 Pb、Ba、Ca、Sr、Mnなどの元素を導入することにより、BNTの抗電界強度が高くなりすぎ、BNT強誘電体相の高い導電率によって引き起こされる分極困難が回避され、BNT材料の分極が首尾よく解決される。

ビスマス系鉛フリー圧電セラミックス：

ビスマス系鉛フリー圧電セラミックスとしては、主にＮａＮｂＯ ３ 、ＫＮｂＯ ３ 、ＬｉＮｂＯ ３ などが挙げられる。の 圧電半球セラミックトランスデューサは、 低密度、高い音速、大きな機械的品質係数 Qm、大きな電気機械結合係数 kp、低い誘電率、高い圧電性能、大きな周波数定数などの利点を備えているため、タンタル酸ベースの圧電セラミックは周波数デバイスであり、好ましい材料です。しかしながら、金属材料の揮発性により、従来のセラミックプロセスでは緻密性の良好な圧電セラミックを得ることが困難であり、セラミック特性が劣化してしまう。緻密なNaNbO3-KNbO3セラミックスは、ホットプレスまたは静水圧プレスプロセスによって得ることができ、材料の温度安定性が大幅に向上し、相対密度は99％に達することができます。

実際のアプリケーションでは、圧電セラミックシリンダーセラミックトランスデューサーのいくつかの固有の特性（ヒステリシス、クリープなど）が高精度の変位制御に大きな影響を与えます。変位出力に対する圧電セラミックスのヒステリシスの影響を軽減するために、海外の学者は多くの補償方法を提案しています。現在、ヒステリシスを除去する方法は、制御プロセスにおける閉ループ制御が一般的です。このモードでは、変位を測定し、それをコントローラーの目標変位と比較して複雑な制御調整メカニズムを形成するために、追加の変位センサーが必要です。 

交流電界の作用下では、超音波分極圧電トランスデューサーは、強誘電体ドメイン壁の活性の低下により、巨視的な強誘電体の劣化を示します。材料疲労や現場での疲労により、微小な亀裂、層間剥離、または破壊が発生することがよくあります。本質的な理由は主に、プロパティとのインターフェイスの違いによるものです。圧電セラミックスと電極との界面での熱膨張係数が異なったり、化学反応が起こったりすると、圧電セラミックスの疲労性能に悪影響を及ぼします。セラミックス材料に電極粉末を混入、あるいはセラミックス粉末と本来の電極を混入することにより、界面結合力が大幅に向上します。電界と温度は疲労性能に影響を与える主な外部要因です。 2 つの要因を検討すると、磁界が抗電界強度より強いか、周波数が高いことが電気疲労を引き起こすことがわかります。さらに、特定の温度範囲では、温度が上昇するにつれて耐疲労性も向上します。温度がある臨界値を超えると、材料は常磁性相に入り、疲労現象は消えます。

圧電セラミックディスプレイは、電磁干渉、デッドスポット、エッチングなどの影響を受けやすい現在の主流のディスプレイの欠点を克服すると期待されており、幅広い市場の見通しを持っています。圧電セラミックディスプレイのアクチュエータアレイは、シリコンモールドプロセスまたは電気泳動堆積プロセスによって製造することができ、鉛ベースの圧電セラミックをタンタル酸ベースおよびタンタル構造構造の無鉛圧電セラミックに置き換えることができる。圧電セラミックディスプレイの開発にはある程度の進歩が見られますが、対処する必要のある重要なプロセス技術の問題がまだ数多くあります。

(1) 一部の鉛フリー圧電セラミックスの性能は優れていますが、PZT ベースの圧電セラミックスと比較するとまだ大きなギャップがあり、改質やプロセスの改善を測定することで圧電特性をさらに向上させる必要があります。

(2) 圧電圧力トランスデューサのヒステリシスとクリープ補償精度を超高精度位置決め制御の要件にさらに適合させるために、科学者は圧電セラミックドライバを削減するための実験を通じて補正補償または効果的な制御をさらに研究する必要があります。位置決め精度に対するクリープの影響。

(3) 現在のところ、界磁疲労研究は電界と温度界に重点が置かれており、多界結合下の電界に関する研究は不足しているが、実際の圧電セラミックスデバイスは多界結合条件下で動作するため、多界結合下の電界疲労機構の研究を強化する必要がある。