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4つ目。圧電材料の分類
1. 圧電材料の第一の種類 圧電単結晶。これは、異方性を有する天然または人工の単結晶強誘電体材料です。その圧電効果は結晶構造の組成に基づいており、格子上の正イオンと負イオンの相対位置の変化によって引き起こされます。一般的に使用される圧電単結晶。 石英 (SiO2): これは、均一性が良く、キュリー点が高い、自然に形成された、または人工的に培養された (人造の結晶) 結晶です。高インピーダンスおよび高い機械的 Q (Qm)。高い硬度と優れた耐摩耗性。性能は極めて安定しており、経年変化は極めて遅く、最小限に抑えられ、温度による性能変化が非常に小さく、時間の経過とともに変化しない線形の周波数温度係数が得られます。損失が小さいため、非常に高い周波数にも使用できます。絶縁性能が優れており、電圧下での使用が可能であり、高温および極低温環境でも使用できます。多くの優れた特性により、水晶は現在でも、特に標準的なトランスデューサやコンピュータ機器の時間発振器として広く使用されています。欠点は、電気機械変換効率が低いため、システムループのゲインが低くなることです。
ニオブ酸リチウム (LiNbO3): これは、直径 120 mm までの人工成長された強誘電性単結晶です。ニオブ酸リチウムは、高い電気機械結合係数と優れた圧電性能を備えた超音波横波を直接励起するために使用できます。 Qm値が大きくキュリー点も高い。高温でも使用でき、安定した分極と超音波伝播が可能です。損失が小さく、潮解性がなく、周波数定数が非常に大きい。超高周波トランスデューサの作製に使用できるため、弾性表面波トランスデューサの一般的な基礎材料として使用されています。体積波トランスデューサとして使用すると、一般的な圧電セラミックトランスデューサよりも優れた感度が得られます。超音波厚さ測定、狭さ測定、パルストランスデューサにも使用されます。これも人工単結晶です。良好な機械的特性を持ち、加工が容易で、水に溶解できますが潮解しにくく、比較的安定した物理的および化学的特性を持ち、優れた圧電特性を持っています。 PZT 材料の圧電ストリップ
。電気機械結合係数と誘電率が低く、Qm 値も非常に低いため、超音波厚さ測定や狭パルストランスデューサなど、高感度、高分解能の広帯域トランスデューサや遅延線の製造に適しています。さらに、受信性能に優れた硫酸リチウム（Li2SO4）もあります。
3. 2 番目の圧電材料である圧電セラミックス。粉末焼結法による手動焼成によって作られる多結晶強誘電体材料です。圧電効果は電歪効果に基づいており、焼結により圧電特性が変化します。職人技や配合成分の違いにより、種類も多く、性能も異なります。たとえば、材料を 400 メッシュに粉砕し、結合剤を加え、プレスし、高温で焼成し、次に鋸引き、研削、研磨を行って完成した圧電セラミック ウェハーを形成します。圧電セラミックスは、さまざまな形状に加工しやすく、さまざまな振動モードで振動させることができるため、さまざまな用途に適応できます。高い電気機械結合係数、高いループゲイン、感度を備えており、これが重要な利点です。一般的に使用される圧電セラミックは次のとおりです。 チタン酸バリウム (BaTiO3): これは、高温で焼結された二酸化チタン (TiO2) と炭酸バリウム (BaCO3) の混合物です。これは初期の圧電セラミックスであり、キュリー温度が低く、温度依存性が大きく、経時安定性および熱安定性が劣ります。現在でもソナーラジエーターや超音波トランスデューサーに使用されています。チタン酸ジルコン酸鉛、コード PZT にはさまざまな配合と特性があり、現在最も一般的に使用されている圧電セラミックです。
PZTシリーズの主な特長 PZT-4は透過型で電気 機械結合係数が高く、高励振特性が良い（Qm値が高く、内部損失が小さいなど）ため、ソナー放射器や超音波振動子に適しています。 、高電圧発生器と高出力トランスデューサー。 PZT-5は受信機タイプです。誘電率が高く、経年変化が少なく、Qm 値が低いのが特徴です。水中聴音器、超音波トランスデューサー、レコードプレーヤー、マイク、スピーカーコンポーネントに適しています。広帯域のパルス種検出などにも適しています。その他、PZT-2、PZT-5A、PZT-5H、PZT-6A、PZT-7A、PZT-8...など。
亜鉛酸ニオブ鉛は、ラジアル振動の電気機械結合係数が高く、Qm 値が低く (MnO2 または NiO2 を添加すると Qm を 200 まで高めることができます)、より高い温度安定性があり、フィルター材料に適しています。コバルト酸ニオブ鉛シリーズ: ラジアル振動の電気機械結合係数 Kp と Qm が比較的高く、超音波振動子やトランス、フィルター、ピックアップなどとして使用できます。 マンガン酸ニオブ鉛: Qm 値が高く、時間安定性が良く、誘電率が低く、ラジアル振動の電気機械結合係数 Kp が中程度で、フィルターや遅延線発振器に適しています。アンチモン酸ニオブ鉛: Kp 値が高く、安定性が良く、Qm 値が大きく、周波数温度係数が小さい。鉛アンチモンマンガン系：Kpは調整範囲が広く、Qm値が高く、誘電損失が小さく、安定性が良好です。鉛タングステンマンガン: 非常に高い絶縁破壊電圧、大きな Qm 値、大きな Kp 値、および共振周波数での良好な温度安定性。
ニオブ酸鉛系：比誘電率が大きく、Kpが中程度で、音の周波数特性が良好です。鉛タングステンカドミウム系は周波数の温度と時間の安定性に優れています。テルル酸鉛マグネシウム。繰り返しの圧力に耐えることができ、電気的および機械的特性の劣化が少ないです。また、安定性が良くQm値が低いアンチモン酸リチウム鉛やタンタル酸リチウム鉛などもあり、水中音響トランスデューサに適しています。三元圧電セラミックスに加えて、ニオブニッケル-ニオブ亜鉛-チタン-ジルコン酸鉛の四元圧電セラミックスが開発されている。
3 番目のタイプの圧電材料 - 極性ポリマー圧電材料。これは、極性ポリマーと呼ばれる、圧電効果を有する新しい人工合成半結晶性ポリマーであり、その圧電効果は極性ポリマーに基づいています。分子回転は現時点ではポリフッ化ビニリデン (PVDF) で最も優れています。 PVDF (-CH2-CF2-) は、最も極性の高いポリマーの 1 つです。 PVDF フィルムは 100 °C 以下の温度で元の長さの数倍に延伸され、β 型 (PVDF の結晶形) フィルムが得られます。これに電極 (通常はアルミニウム) が適用され、高 DC 電場 (温度は 80 ～ 150 ℃) で分極され、圧電性能が得られます。音響受信機として効果的に使用でき、良好な熱安定性を備えています。さらに、材料は曲げることができ、音響インピーダンスも低くなります。小型で水との相性が良く、特に医療用超音波診断音場検査用のハイドロフォンやトランスデューサに適しています。圧電フィルム材料の欠点は、信号対雑音比が理想的ではないこと、電気機械結合係数が十分に大きくないこと、機械損失と誘電損失が比較的大きいことです。また、品質係数(Qm、Qe)が小さいため、80℃以上の温度で長時間使用すると圧電効果が低下するため、鋭い共振が必要な場所や大入力や連続作業には適しません。また、極性高分子圧電材料としては、ポリフルオロエチレン（ＰＶＦ２）等が挙げられる。
4 番目のタイプの圧電材料 - 複合圧電材料と酸化亜鉛圧電膜。複合圧電材料 エネルギーハーベスティングプレート は、ポリマー材料に分散および混合された強誘電性セラミック粒子で構成されています。電気材料と同様に、その圧電特性はセラミック粒子だけでなく、マトリックスとして使用されるポリマー材料の種類、特に PVDF やフッ化ビニリデンなどの高誘電率ポリマーを含む複合システムにも依存します。 、強力な圧電材料として使用できます。この圧電材料は他の高分子圧電体のように引き伸ばす必要がなく、内部が等方性です。マトリックスポリマーの種類を変更することで、広範囲の弾性率を得ることができます。特に、ホットプレスすることができ、実用的である。とても便利です。例えば、PVDF系やPZT系の複合材料は非常に安定した圧電特性や誘電特性を持っています。これらの材料は実用化段階に達しており、圧電高分子材料と同様の応用が可能です。
超高周波の超音波発生・受信トランスデューサーには酸化亜鉛（ZnO）圧電膜（真空溶射法で作製）が使用されています。 30〜3000MHzの周波数帯域で使用でき、優れた効果があります。周波数帯域幅が広く、電気音響変換効率が良く、励磁回路とのマッチングが容易なため、材料物性の研究、超音波遅延線、音響光学素子、通信・情報処理、超音波顕微鏡などに使用できます。さらに、硫化カドミウム (CdS)、窒化アルミニウム (AlN) なども優れた圧電薄膜材料です。
