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圧電セラミックスの重要な用途
圧電セラミックスは、その圧電性と、圧電性によって引き起こさ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。圧電磁器デバイスは多種多様であり、その応用範囲も広いため、単純な方法で厳密に分類することは困難です。一般的なアプリケーションは、圧電振動子と圧電トランスデューサーの 2 つのカテゴリに大別できます。
1. トランスデューサー
圧電効果の応用はさまざまですが、最も重要なものの 1 つは、圧電効果のトランスデューサー特性を利用することs です 。そのをエネルギー変換特性は、 であり、逆電圧効果を通じて 圧電セラミックに電気が印加される効果 電気エネルギー機械エネルギーに変換できます。電気的効果は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。圧電セラミックスのこの物理的特性を利用して、さまざまな種類の圧電デバイスが製造され、水中通信、超音波、高電圧点火などの分野で広く使用されています。
1、圧電セラミック点火器
これは、機械的な力を電気火花に変換して可燃物に点火する装置です。電気機械変換器です。 1958 年に、彼はチタン酸バリウム (BaTiO3) セラミックの圧電効果を点火に利用する先駆者となりました。これの着火率は ピエゾ素子のピエゾロッドが 高くなく、ノイズが大きい。 1962 年、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) 圧電セラミックスが点火器の製造に使用されました。この種の点火装置は、日常生活、工業生産、軍事分野で広く使用されており、ガス、さまざまな爆発物、ロケットの点火および爆発に使用されます。
(1) 基本原理：点火装置の動作プロセスは、高電圧の発生、放電点火、可燃性ガスの点火の 3 段階に分かれます。高電圧の発生 - 円筒形の圧電セラミック素子を例にとると、円筒に機械的な力 F が作用すると結晶が歪み、結晶内の正負の電荷の中心が移動し、円筒の上下面に大量の自由電荷が発生し蓄積し、 。 高電圧を出力します出力電圧は次のとおりです。 V=ga3Fh/A、ここで A—シリンダーの断面積。 h——シリンダーの高さ。 ga3 — 圧電電圧定数。放電点火 - 圧電セラミック素子を閉回路に置き、適切なギャップを残します。電圧がギャップの放電電圧まで上昇すると、ギャップ内に放電火花が発生します。可燃性ガスの着火 - 一般の燃料ガスは燃えにくいため、ガス化しやすいエタンが主に使用されます。放電時間を長くし、火花の消えすぎを防ぎ、着火率を高めます。適切な抵抗を放電端に直列に接続できます。
(2) 点火器の構造と動作原理ここでは点火器にはさまざまな種類がありますが、家庭用の圧電点火器を例にその構造と動作原理を説明します。家庭用調理器に固定してガスに点火し、カムスイッチを回すとカムの突起部分で インパクトブロックを押し、インパクトブロックの後ろにあるスプリングを圧縮します。カムの突起部がインパクトブロックから離れると、スプリングの弾性力によりインパクトブロックが ピエゾセラミック .圧電素子に衝撃力を与え、圧電素子の両端に高電圧が発生し、中間電極から高電圧が出力されて電気火花が発生し、ガスに点火します。
2. 水中音響トランスデューサ
水中音響トランスデューサは、水中での通信と検出に使用されるトランスデューサ デバイスです。人々は、航空通信と探知が主に電磁波に依存していることを知っています。無線通信やレーダー機器などはすべて、空中で情報を送信するために電磁波に依存しています。水中での通信や探知に電磁波を使用することはできません。電磁波は水中での伝播損失が大きく、遠くまで行かないと吸収されてしまうからです。しかし、水中での音波の伝播損失は非常に小さいため、水中での通信や探知は主に利用されています。 情報を伝達するために音波が使用され、音波を発生および検出する機器はソナーシステムと呼ばれます。ソナー システムは、水中航行、通信、潜水艦や魚群の探知、海洋調査に不可欠なツールです。人々は水中のソナーを空中のレーダーと比較しますが、ソナーシステムの目と耳は水中の音響トランスデューサーです。水中音響トランスデューサの研究は、第一次世界大戦で始まりました。フランスのランジュバンは、圧電効果に基づいて水中音響トランスデューサを製造するために初めて水晶を使用しました。朗志湾が開発した水中音響変換器は、当時の技術的条件により限界があり、実際に深海潜水艦には使用されませんでしたが、将来の水中音響科学の発展に大きく貢献しました。ランジュバン振動子は水晶の逆電圧効果を利用して水中に音波を放射します。 ピエゾセラミックスチューブは 、正の電圧効果を通じて水から戻ってくる音波を受信し、パルス音波の往復時間に従っていくつかの水中測定を実行します。
人々は、以下について徹底的かつ体系的な研究を行ってきました。 圧電水中音響トランスデューサー を実用化します。しかし、当時使用されていた主な圧電材料は、水溶性の圧電結晶、つまりロッシュ塩とジオキシリン酸カリウムでした。 1950 年代後半に圧電セラミックスが登場しました。圧電セラミックを使用して水中音響トランスデューサを製造することは、ほぼ人々に選ばれる主要な圧電材料となっています。従来の圧電結晶にはなかった多くの特性を備えているため、水中音響トランスデューサの作製に最も理想的な圧電材料となっており、これに匹敵する材料は他にありません。圧電セラミック水中音響トランスデューサの主な利点は次のとおりです。
(1) DC バイアス電圧やコイルが不要で、振動系がシンプルです。
（２）圧電セラミックス振動子は小型で優れた特性を有する。
(3) 圧電セラミック振動子はご要望に応じて任意の形状に加工可能です。
圧電トランスデューサは、水中音響技術の分野で最も広く使用されているタイプのトランスデューサです。水中音響トランスデューサの性能指標として必要なのは、動作周波数、電気機械結合係数、電気機械変換係数、品質係数、周波数特性、インピーダンス特性、指向特性、振幅特性、送信感度、受信感度、送信電力、温度と時間の安定性、機械的強度、重量などだけです。しかし、実用的なトランスデューサの場合、場面に関係なくそれほど多くの指標要件を提示する必要はなく、その用途と適用場面に応じて異なる代表的な指標要件を提示する必要があります。
2つ目は圧電振動子です。
の登場後、 PZT圧電セラミックス、セラミックフィルターの作製が可能です。圧電振動子の異なる振動モードを利用することで、異なる周波数のセラミックフィルターを作製できます。最も初期に適用された振動モードは放射状振動または輪郭振動であり、455kHz フィルターが作成されます。その後、セラミックフィルターの周波数は両端に発展し、高域は10MHz、低域は1kHz以下に達しました。エネルギートラップモードの適用により、セラミックフィルタの周波数は100MHz、すだれ状電極で励振した弾性表面波フィルタは1GHz以上、圧電セラミックスを基板に用いた弾性表面波フィルタの最高周波数は630MHzに達しています。
圧電トランスは応用的には振動子でもあり、基本的な構造は圧電セラミックス本体に2組の電極を設けて4つの端子を形成したものです。一次側に電気信号を加えると共振し、二次側に出力が得られます。このように、共振時にはトランスとして機能します。圧電トランスの研究は早くから始まりました。積層セラミックスで作られた圧電トランスは、高出力化、高駆動電圧化が容易ではありません。積層圧電トランスは、積層コンデンサ製造技術と同じ積層複合技術により製造されており、出力と駆動電圧が大幅に向上し、圧電トランスの応用範囲がさらに広がります。
1. 圧電トランス
圧電トランスは 1950 年代から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。昇圧比が低い（50～60倍しかない）。出力電圧は約3000V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、徐々に普及し、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使用されています。
(1) 基本原則。圧電セラミックス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。この２つのエネルギー変換の間に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）が実現され、セラミックシートの共振周波数で高い圧電出力が得られます。ここで、変圧器の原理を説明するために、伸縮振動を伴う水平変圧器と垂直変圧器を例に挙げます。
セラミックチップ全体は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焼成銀電極があり、右側が出力端（発電部とも呼ばれます）、右側が出力端（発電部とも呼ばれます）です。表面に銀電極の焼けがございます。長さに沿って分極化されています。入力端に交流電圧が印加されると、逆電圧効果によりセラミック片が長さ方向に沿って伸縮振動を生成し、入力された電気エネルギーが機械エネルギーに変換されます。一方、発電部分は、正の電圧効果を通じて機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、出力端から出力電圧を伝達します。無負荷時の開路昇圧比、Qm は材料の機械的品質係数です。 K31、K33 は、材料の縦方向および横方向の電気機械結合係数です。 Lは発電部の長さです。 t はトランスの厚さです。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、漏れ磁場がない、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ために、水平-垂直変圧器の出力電圧は長さに比例するため、発電部の端に近づくほど電圧が高くなり、発電部の異なる位置に電極を軸頭として作成して、異なる電圧出力を得ることができます。
(2) 積層（積層）圧電セラミックトランスの基本動作原理と特性。圧電セラミックスは脆い材料です。圧電トランスは機械的強度を確保するためにある程度の厚みが必要であり、上記トランスの駆動電圧にはかなりの制限がある。このため、モノリシック（多層）圧電セラミックトランスのプロジェクトが誕生しました。モノリシック（多層）構造の採用により、各単層の厚みや層数を調整することができ、駆動電圧の制限がなくなるため、どのような駆動電圧でも変圧器を最適な状態で動作させることができます。
このプロジェクトのコア技術はサブミクロン低温焼結です 圧電セラミックス材料、内部電極同時焼成技術、分極処理技術、構造設計。モノリシック (積層) 圧電セラミックトランス (MPT) は、以下の特徴を備えた第 3 世代の電子トランスです。
① 超薄型: 厚さは通常 4mm を超えません。
②高い変換効率：全負荷時（抵抗負荷）で97％以上。
③ 負荷短絡を自動遮断する自己保護機能を備えています。
④共振トランス：ゼロ電圧、ゼロ電流変換を実現します。
⑤ 低インピーダンス負荷に対する準定電流出力特性を持っています。
⑥ 逆ピーク電圧がなく、パワーアンプ回路を確実に保護します。
⑦ 電磁波障害がないこと。
⑧コイルの故障、カビの発生がありません。
⑨耐塩水噴霧性、耐候性に優れ、特に海洋性気候での使用に適しています。
2. 圧電セラミックピックアップとスピーカー
圧電セラミックトランスデューサは 、圧電セラミックピックアップやスピーカーなどの電気音響機器に広く使用されています。
(1) ダブルダイヤフラム振動子 (図 6-16)。電気音響機器では、音源や振動源に合わせて低い機械インピーダンスが要求されますが、ダブルダイヤフラム型圧電振動子はこれらの要求に応えることができます。長さ伸縮可能な2枚の圧電セラミックシートで構成されています。片方が伸びるともう片方が縮んで全体が曲がります。
ダブルダイヤフラムバイブレーターの動作原理を説明します。一定の厚さの圧電セラミックスに力を加えて曲げると、その厚さの片側が伸び、反対側が圧縮されます。このときセラミックス内部に電荷が発生します。となりますが、ダイヤフラム全体の分極方向は同じなので、上側が伸び、下側が縮むことにより電気双極子モーメントが逆になり、図6-16(a)に示すように上下で電荷符号が同じになるため電位差が生じません。これを2枚重ねたダブルダイヤフラム構造にすると、力を加えて曲げると電圧出力が得られます。図 6-16(b) では、直列に接続された反対の分極方向を持つ 2 つのダイヤフラムを使用しています。力を加えると上側が伸び、下側が縮みます。分極方向が逆であるため、ダブルダイヤフラムの上下で逆符号に帯電し、電圧出力が得られます。図6-16(c)は同じ分極方向のダイヤフラムを2枚並列接続したもので、出力電圧も得られます。
（2）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、高感度、磁界の波及なし、銅線や磁石不要、低コスト、低消費電力、修理の容易さ、大量生産の容易さなどを備えたシンプルで軽量な電気音響デバイスです。
その駆動システムは圧電セラミックのダブルダイヤフラムであり、振動システムはペーパーコーンであり、結合要素は駆動システムのエネルギーを振動システムに効果的に伝達します。動作時、圧電セラミックの二重振動板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、カップリング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比較的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であり、Kは比例係数です。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、振動速度をv=F/Zとすると、高振動板の中心rにおける音圧Pが求められます。 |P|=10fρS/r |v|ここで、 f - 周波数。 ρ - 中密度。 S - 椎体の有効面積。さらに、圧電セラミックスの圧電効果に従って、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成することもできます。
