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(11)機械的品質係数 Qm
とき 共振振動にはPZT材料のピエゾセラミック が使用されており、内部の機械的摩擦損失（内部消費）を克服する必要があり、負荷がある場合には外部負荷損失を克服する必要があります。機械的品質係数 Qmo (無負荷機械的 Q 値) は、これらの機械的損失に関係します。およびQm（負荷時の機械的Q値）。 Qm = 共振時に圧電振動子に蓄えられる機械的エネルギー / 共振期間中に失われる機械的エネルギーとして定義されます。振動時の機械的損失を克服するために圧電体が消費するエネルギー量を反映します。 Qm が大きいほど、機械的エネルギーの損失が少ないことを意味します。 Qm の存在は、いかなる圧電材料も入力された機械的エネルギーをすべて出力に使用することが不可能であることを示しています。共振時: Qm = (π / 2) [ZC / (Zl-Zb)]、ここで ZC は圧電振動子の音響インピーダンスです。 Zl は負荷の音響インピーダンスです。 Zb は、圧電トランスデューサーの音響インピーダンスの減衰ブロックです。圧電トランスデューサの場合、その Qm と Qe は一定ではありません。これらは、圧電トランスデューサーの動作周波数、周波数帯域幅、製造プロセス、構造、放射媒体（負荷）に関係します。超音波検出技術に用いられる圧電振動子は、Qmが高すぎると振動子から発生する振動波形が長くなりやすく（リンギング現象）、波形歪みや分解能の低下を引き起こします。同様に、Qe もますます大きくなるわけではありません。 Qm と Qe の選択と決定は、実際のニーズに応じて決定する必要があります。 Q値が大きいということは、圧電効果時の消費エネルギーが小さいことを意味します。高出力および高周波アプリケーション、または純粋な送信電力アプリケーションの場合に発生する熱の量を削減できるため、利点が得られます。しかし、検出用のトランスデューサでは、Q値が大きいと周波数帯域の広帯域化や波形の改善、分解能の向上に不利となります。また、Q 値は負荷の性質（水浸プローブと接触式プローブが接する負荷媒体が異なるなど）によっても変化するため、トランスデューサの設計時には負荷媒体の影響（放射インピーダンス）も考慮する必要があります。
(12)電気機械結合係数K
圧電材料をエネルギーの観点から考察する上で重要なパラメータです。その定義は、正の圧電効果中、外部電圧 E = 0 であり、以下があります: K2 = 理想的な条件下で圧電体に蓄えられた電気エネルギー、理想的。条件下で圧電体に入力された総機械エネルギー、言い換えると: K2 = 接続された電極間で電荷を移動させる変換された機械エネルギー / 加えられた応力に従う入力機械エネルギー、逆圧電効果中の外部応力 τ = 0、はい: K2 = 理想的な条件下で圧電体に蓄えられる機械的エネルギー / 理想的な条件下で圧電体に入力される総電気エネルギー または: K2 = 機械的ひずみを引き起こす変換された電気エネルギー / 圧力下での入力電気エネルギー トランジスタは弾性、誘電性、圧電性を同時に持ち、それらが連携して働きます。そのため、これらの特性を統一的に見るには、機械エネルギーと電気エネルギーの結合の強さを示す物理量を導入する必要があります。物理的な意味では、これは変換のみを記述しており、同等の効率ではなく、変換されたエネルギーが放射または出力エネルギー (内部消費およびフィードバックなどを含む) に完全に変換されない可能性があります。もちろん、電気機械結合係数Ｋは、ある意味では、圧電体が電気エネルギーを弾性エネルギーに変換する、あるいは弾性エネルギーを電気エネルギーに変換する「効率」を表しているとも言える。それは主に圧電材料の種類によって決まります。圧電体の振動モードにも依存しますが、トランスデューサの共振周波数の値とは関係ありません。また、K値は圧電振動子の構造、使用条件、圧電体の電極サイズや位置にも依存します。圧電材料のエネルギー密度 U (単位体積のエネルギー) は、弾性エネルギー密度、電界エネルギー密度 (誘電エネルギー密度)、圧電交流エネルギー密度 Um の 3 つに分けることができます (熱エネルギーと磁気エネルギーの項目は省略)。
ここでの最初の部分は材料機械弾性エネルギーの機械的な部分であり、2 番目の部分は 圧電セラミック リングの構成要素 は電気部分 - 電界エネルギーであり、3 番目の部分は弾性エネルギーと誘電エネルギーの間の相互作用のエネルギー密度です。総内部エネルギーは次のとおりです: U = Moe + Ud + 2Um。圧電エネルギーが交換可能なエネルギーであることを考えると、2倍になります。したがって、電気機械結合係数は別の方法で定義できます: K = Um / (UeUd) 1/2。または: K = 圧電エネルギー/弾性エネルギーおよび誘電エネルギーの幾何平均値。弾性エネルギーと誘電エネルギーの幾何平均値を選択する理由は、圧電結晶の各微小部分の不均一なエネルギー分布を考慮するためです。このように、圧電材料の単位体積あたりで圧電変換できるエネルギーの割合が電気機械結合係数であると言えます。たとえば、UdとUeは圧電変換できませんが、エネルギー損失ではありません。石英などの特定の材料では、エネルギー損失が小さく変換効率が非常に高いですが、電気機械結合係数が圧電セラミックスよりも低く、圧電セラミックスの変換効率は高くありません。圧電変換できる部分が多く、電気機械結合係数が高い。ここから、電気機械結合係数と効率の違いを認識できます。電気機械結合係数はエネルギーの比であり、無次元であり、その最大値は 1 であり、K = 0 の場合、圧電効果が発生しないことを意味します。一般的な電気機械結合係数は次のとおりです。
(1) ラジアル振動の電気機械結合係数 Kp (平面電気機械結合係数とも呼ばれます): ウェーハ直径がウェーハ厚さ t の 3 倍以上であることを条件として、薄いディスク状の圧電結晶がラジアル伸縮振動を受けたときの電気機械結合効果を反映します。その厚さ方向は分極方向および印加電界の方向です。
（２）横振動（横長振動） 電気機械結合係数Ｋ３１は、厚さ方向を分極方向とする長尺のシート状の圧電性結晶が、シートの長さがｌ≧３倍である場合に、長さ方向に伸縮するときの電気機械結合効果を反映する。フレークの幅と厚さ。
（３）縦振動（縦長振動）の電気機械結合係数Ｋ３３：細長い棒状の圧電性結晶を厚さ方向に分極し、電界方向と分極方向が同じ場合に、長さ方向に沿った伸縮振動の電気機械結合効果を反映する。条件はロッドの幅と厚さまたは直径の長さl≧3倍です。
（４）厚み振動の電気機械結合係数Ｋｔ：厚み方向に分極したシート状の圧電結晶の電気機械結合効果を反映し、電界方向も厚み方向である。条件は、ウェーハの厚さがウェーハの辺の長さまたは直径よりも小さいことです。
(5) 厚み滑り振動の電気機械結合係数 K15: 圧電結晶の厚み滑り振動の電気機械結合効果を反映します。
要約すると、超音波試験の実際の用途において圧電トランスデューサを製造するための圧電材料を選択する際の主な選択原則は次のとおりであると結論付けることができます。 (1) d33--d33 の値が大きいほど、放出性能は優れています。 。送信トランスデューサーを作成する場合、d33 値ができるだけ大きい材料を選択する方が良いのは明らかです。 (2) g33--g33 の値が大きいほど受信性能が良いことを示します。受信トランスデューサーを作成したい場合は、できる限り g33 の値が大きい材料を選択する必要があるのは明らかです。送信と受信の両方を組み合わせたトランスデューサを作成する必要がある場合は、総合的に考慮して、d33 と g33 に近いか、それに近い値を選択する必要があります。 (3) 音響インピーダンス Z (Z = ρc) - 超音波の反射率と透過率は媒質間の音響インピーダンスの違いに関係すると考える。音響インピーダンスの差が小さいほど、超音波透過率は高くなります。圧電トランスデューサからの超音波をできるだけ多くテスト媒体に入射させるには、音響インピーダンスが接触媒体の音響インピーダンスにできるだけ近い圧電材料を選択する必要があります。電場の存在は圧電材料の見かけの音速に影響を与え、動作状態では圧電材料の音響インピーダンスさえも変化することに注意する必要があります。 (4) 厚み振動の電気機械結合係数 Kt ・超音波検出技術において最も重要な用途は厚み振動型圧電チップであるため、Kt の値が大きいほど電気機械変換性能が良く、振動子の感度が高くなります。 （５）ラジアル振動の電気機械結合係数Ｋｐ・・・圧電チップが厚み振動をしている場合、ラジアル振動も同時に発生し、厚み振動と干渉して波形歪みやノイズの増大・増大等を引き起こす。Ｋｐ値はできるだけ小さいことが望ましい。一般に、Kt / Kp 値が大きいほど優れています。
(6) 誘電率 ε—電極がコーティングされた後、圧電ウェハはコンデンサを形成します。その静電容量は C = εA / t、つまり、誘電率 ε、電極の相対面積 A、および電極間隔 (ウェハの厚さ) t に関係します。回路において、静電容量が小さいということは、容量性リアクタンスが大きいことを意味し、高周波圧電素子としての使用に適している。特に、超音波検出トランスデューサは主にメガヘルツの周波数領域で動作するため、圧電材料のεはより小さいことが要求されます。逆に、低周波圧電部品 (オーディオ範囲のスピーカーやマイクなど) の製造に使用する場合は、大容量と低い容量性リアクタンスのマッチング要件を満たすために、大きな ε を持つ材料を選択する必要があります。 ε の値はトランスデューサの機械的自由度にも関係していることに注意してください。つまり、機械的クランプ状態と機械的自由状態の誘電率が異なるため、εe と ετ の間には差があります。さらに、εと周波数の関係もより敏感であるため、ε値は特定の動作周波数の条件で実際に測定する必要があります。これは、同じ厚さの圧電ウェハの共振周波数が高いこと、または同じ共振周波数においてウェハの厚さが厚いことを意味し、高周波部品の加工および製造に都合がよい。したがって、Nt値が大きい材料を選択する必要があります。
（８）強誘電性キュリー点Ｔｃ − 強誘電性結晶は、ある温度範囲内でのみ強誘電性を有する。温度が強誘電性キュリー点に達すると、結晶は強誘電性を失い、誘電性、圧電性、光学的、弾性、および熱的特性がすべて異常になります。ほとんどの強誘電体はキュリー点を 1 つだけ持ちますが、いくつかの強誘電体は上部と下部のキュリー点を持ち、上部と下部のキュリー点の間の温度範囲でのみ強誘電性を示します。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛の上部キュリー点は１１５〜１２０℃であり、下部キュリー点は−５℃である。５％のチタン酸カルシウムをチタン酸バリウムに添加すると、下部キュリー点は−４０℃に達する可能性がある。さらに、一部の特殊なポリマー圧電材料など、一部の強誘電体にはキュリー点がありません (特定の温度に達すると溶けたり、さらには燃焼したりするため)。
実際の温度がキュリー点に達していない場合、多くの圧電トランスデューサ (Kt など) の性能が大幅に低下または劣化していることに注意してください (たとえば、チタン酸バリウムプローブは 60 ～ 70 °C で劣化します)。また、動作可能な最高温度は、熱膨張係数を含む異方性の存在によって引き起こされる急激な温度変化に耐えることができるわけではありません。したがって、実際のトランスデューサの使用時やトランスデューサの製造工程において、電極リードの溶接や吸収ブロックの注入時の加熱など高温になる場合には、圧電材料を選択する際には、トランスデューサの動作条件を特に考慮する必要があります。
(9) 機械的品質係数 Qm と電気的品質係数 Qe - 実際のアプリケーションでは、Qm と Qe の値が大きいと「リンギング」現象が発生し、波形の歪みや分解能の低下が生じ、検出に役立ちません。という状況が生じます。したがって、検出技術のニーズから出発して、エコー信号の特性を正確に反映し、検出分解能が検出要件を確実に満たすようにするために、一般に Qm と Qe があまり大きくならないようにします。材料の選択時に考慮することに加えて、トランスデューサの設計および製造時に、構造上の減衰を増加させ、回路上のインピーダンスを変更することによって、周波数、Qm、および Qe 値を適切に下げる必要があります。もちろん、Qm および Qe 値を下げると、感度が犠牲になります (出力電力が低下します)。したがって、実際のアプリケーションのニーズに応じて、適切な Q 値を選択および調整する必要があります (経験によれば、超音波検出トランスデューサーの実際の Q 値は 10 を超えてはなりません)。
(10) 圧電材料の経時変化性能 圧電セラミックシリンダーチューブ- 分極した圧電材料の圧電特性は、時間の経過とともに不可逆的に変化します。この現象は「エージング」と呼ばれ、誘電率、誘電損失、圧電定数、電気機械結合係数、弾性は通常、時間とともに減少し、周波数定数および機械的 Q 値は時間とともに増加します。これらのパラメータの変化は、基本的に時間の対数値に対して線形です。一般的には10年を単位として考えられており、これを「10年熟成」といいます。明らかに、この指数は圧電材料の時間安定性を反映しています。圧電トランスデューサを作成する場合は、時間安定性がより優れた材料を選択することも考慮する必要があります。特定の超音波トランスデューサでは、この経年変化現象は感度、初期波占有率、および電気ノイズ レベルに特に現れます。したがって、トランスデューサの購入および保管における経年変化の影響にも注意を払う必要があります。
(11) 圧電材料の熱安定性 - これは、特に高温環境において、キュリー点以下の特定の温度範囲で一定期間の連続動作後に一定であるか劣化しない圧電材料の圧電特性を指します。動作するトランスデューサは、良好な熱安定性を備えた材料から選択する必要があります。
上記の 11 項目は、超音波検査用トランスデューサを製造する圧電材料を選択する際の主な考慮事項と選択原則です。具体的な用途やニーズに応じて総合的に検討し、適切に選択する必要があります。
