圧電セラミックスの特性解析

 圧電セラミックスの圧電効果と誘電効果

 

圧電効果とは、ある誘電体が外力により一定方向に変形すると、内部で分極が起こり、その対向する両面にプラスとマイナスの逆電荷が現れる現象です。外力を取り除くと非帯電状態に戻ります。この現象は正の圧電効果と呼ばれています。力の方向が変わると、電荷の極性も変わります。逆に、誘電体の分極方向に電界が印加されると、これらの誘電体も変形し、電界が除去されると誘電体の変形は消失します。この現象は、逆圧電効果または電歪と呼ばれます。誘電圧電効果に基づいて開発されたセンサーの 1 つのタイプは、圧電結晶センサーと呼ばれます。

 

 

電場にある媒体はいずれも、誘導分極の影響により媒体の変形を引き起こしますが、この変形は逆圧電効果によって引き起こされる変形とは異なります。誘電体は外力により弾性変形し、圧電セラミックスノックセンサは外部電界の分極により変形することがあります。誘導分極による変形は外部電界の二乗に比例し、電歪効果となります。それによって生じる変形は、外部電場の方向とは無関係です。逆圧電効果による変形は外部電場に比例し、電場が逆転すると変形も変化します（例えば、元の伸びが短くなったり、元の短縮が伸びに変化したりすることがあります）。さらに、電歪効果はすべての誘電体に存在し、非圧電性か圧電性かにかかわらず、異なる構造の誘電体結晶の電歪効果のみを持ちます。逆圧電効果は、圧電セラミック結晶でのみ見られます。

 

圧電効果を生み出すPZT材料の圧電セラミック結晶を圧電結晶と呼びます。圧電結晶の 1 つのタイプは、石英 (SiO2)、酒石酸ナトリウム カリウム (ルーザー塩、NaKC4H4O6.H2O としても知られる)、ルテニウム酸ビスマス (Bi12GeO20) などの単結晶です。別のタイプの圧電結晶は、チタン酸バリウム（BaTiO3）、チタン酸ジルコン酸鉛Pb（ZrxTirx）O3、日本製のPZTに添加されたチタン酸ジルコン酸マグネシウムマグネシウム鉛、中国製のビスマスマンガンなどの圧電セラミックスと呼ばれます。 PIT にチタン酸ジルコン酸鉛 Pb(Mn1/2Sb2/3)O3 を添加しました。

 

誘電体は、電気酸化できる絶縁体です。誘電体の使用は非常に広範囲にわたっています。圧電セラミック素子の誘電率は非常に低く、優れた耐電圧特性と相まって、電気絶縁体の製造に使用できます。さらに、誘電体は高度に電着できるため、優れたコンデンサ材料です。誘電特性の研究には、材料内の電気および磁気エネルギーの貯蔵と散逸が含まれます。この研究は、エレクトロニクス、光学、固体物理学のさまざまな現象を説明する上で非常に重要です。誘電特性とは、電界の作用下での静電エネルギーの蓄積と損失の特性を指し、通常は誘電率と誘電損失で表されます。高周波技術を無垢材複合フローリングなどの材料に適用する場合、高周波ホットプレスを使用する際の誘電特性は非常に重要です。媒体に電場がかかると、電場を弱めるために誘導電荷が発生します。元の印加電場 (真空中) と最終媒体の電場との比が誘電率であり、誘導電流率としても知られています。

 

電磁気学では、圧電ボタン ディスクの電場が誘電体に印加されると、誘電体内の正電荷と負電荷の相対変位により電気双極子が生成されます。この現象を電気分極といいます。印加される電場は、外部電場であってもよいし、誘電体内に埋め込まれた自由電荷によって生成される電場であってもよい。分極によって生じる電気双極子を「誘導電気双極子」といい、その電気双極子モーメントを誘導電気双極子モーメントといいます。ピエゾセラミックは、電場の作用下で電極を形成する能力を持っています。用途と性能に応じて、電気絶縁体、コンデンサ、圧電体、焦電体、強誘電体セラミックスに分類されます。

圧電セラミック誘電体の分極

 

圧電セラミック結晶は誘電体であると同時に異方性誘電体であるため、圧電結晶の誘電特性は等方性誘電体の誘電特性とは異なります。

誘電体は電場の作用により分極し、分極状態とは、電場が誘電体の電荷点に相対変位力を及ぼし、電荷間の相互引力が一時的に平衡している状態である。電場は分極の外部原因です。分極の内部原因は媒体の内部にあります。媒体内部の微細なプロセスにより、3 つの主な分極メカニズムが存在します。

 

(1) 誘電体を構成する原子またはイオン。電場の作用下では、正に帯電した原子核はその殻電子の負の中心と一致しないため、電気双極子モーメントが発生します。この分極は電子変位分極と呼ばれます。

(2) 誘電体を構成する正イオンと負イオンは電場の作用下で相対変位を受け、その結果、イオン変位分極と呼ばれる電気双極子モーメントが生じます。

(3) 誘電体を構成する分子はある固有電気モーメントを持つ極性分子ですが、熱運動により配向が乱れ、誘電体全体の電気モーメントの合計はゼロになります。外部電場が作用すると、これらの電気双極子モーメントは外部電場に沿って整列し、超音波圧電結晶は誘電体内に巨視的な電気双極子モーメントを生成します。これは配向分極と呼ばれます。

 

1. 無限分子の変位分極

 

無電極誘電体が電場力の作用下で外部電場にある場合、分子の正および負の電荷中心は相対変位を生成して電気双極子を形成し、それらの等価電気双極子モーメント P は電場の方向に沿って配向します。誘電体圧電体全体では、誘電体中の各分子は電気双極子を形成するため、誘電体中に配列されます。誘電体内の隣接する電気双極子の正電荷と負電荷は互いに近接しています。誘電体が均一であれば、その全体にわたって電気的に中性を保ちますが、誘電体の表面は外部電界強度 E0 に対して垂直になります。それぞれ正と負の電荷が存在し、誘電体から離れることも、誘電体中を自由に移動することもできません。外部電場の作用下で誘電体内で電荷が分極するこの現象は、誘電体の分極と呼ばれます。外部電場が強いほど、各分子の正電荷中心と負電荷中心の間の相対変位が大きくなり、分子の電気双極子モーメントが大きくなり、誘電体の両面に現れる分極電荷が多くなり、分極が高くなります。共振周波数圧電トランスデューサーの外部電場が除去されると、正電荷と負電荷の中心は再び一致します (P = 0)。したがって、この種の分子は、その弾性力が 2 つの等価な電荷によって接続されている弾性電気双極子とみなすことができます。電気双極子モーメント P の大きさは場の強さに比例します。無限分子の分極は正と負の電荷の中心の相対的な変位にあるため、ビットと呼ばれることがよくあります。

 

極性分子の配向分極

 

極性分子誘電体の場合、分子内の正と負の電荷の中心が電気双極子に相当します。外部電場の作用下では、分子はモーメントを受け、その結果、分子の電気双極子モーメント P が電場の方向に向きを変えます。分子の熱運動の干渉のため、このステアリングは非常に小さく、すべての分子の電気双極子モーメントを電場の方向に沿って揃えることは不可能です。圧電電極圧電セラミックスの外部電場が強いほど、分子の電気双極子モーメントの制御順序は整います。巨視的レベルでは、誘電体および外部電場に対して垂直な両面に現れる分極電荷の数が多くなるほど、分極度が高くなります。外部電場が除去されると、分子の熱運動により分子の電気双極子モーメントの方向は不規則な配置となり、誘電体は中性のままになります。極性分子の分極は等価電気双極子が外部電場に向かう方向にあるため、配向分極と呼ばれます。一般に、分子は同時に分極しますが、変位分極も発生します。 2 種類の誘電体の分極の微視的なプロセス、極性は異なりますが、巨視的な効果は同じです。異なる数の分極した電荷が圧電プレートセンサーの誘電体の対向する 2 つの表面に現れ、外部電場が増加します。より分極した電荷が現れます。したがって、以下に誘電体の分極現象を巨視的に説明する場合、必ずしも２種類の誘電体に分けて議論する必要はない。

3. 圧電セラミック結晶の強誘電性

 

一部の誘電体の分極は非常に特殊です。特定の温度範囲では、誘電率は一定ではなく、電界の強さに応じて変化し、外部電界を除去した後は、これらの誘電体は中性ではなくなります。残留分極があります。強磁性材料が磁化されたままであるという事実に類似するために、圧電セラミックトランスデューサのこの特性は、しばしば強誘電性と呼ばれます。強誘電体を誘電体といいます。中でもチタン酸バリウムセラミックス（BaTiO3）や酒石酸ナトリウムカリウム単結晶（NaKC4H4O6・H2O）などが代表的です。強誘電体は電着工程中にヒステリシスを示します。ヒステリシス ループは、強誘電体と印加電界の間の分極が非線形であり、外部電界が反転すると分極が反転することを示しています。分極反転はドメイン反転の結果であるため、ヒステリシス ループは強誘電体にドメインが存在することを示します。いわゆるドメインとは、強誘電体の自発分極の方向が揃った小さな領域であり、ドメインである。それらの間の境界はドメインウォールと呼ばれます。圧電セラミック製品の強誘電体結晶は通常マルチドメインであり、各ドメインの自発分極は同じ方向を持ち、異なるドメインの自発分極は強いです。

 

多結晶強誘電体の場合、粒子間の結晶軸の向きが完全に任意であるため、多結晶全体の異なるドメインの自発分極の相対的な向きの間に規則性はありません。

強誘電体は一般に自発的にシングルドメインを形成しませんが、マルチドメイン結晶は強い外部電場の下でモノドメイン化する可能性があります。強い外部電界の作用下では、外部電界方向と平行またはそれに近いマルチドメイン結晶内の自発分極のドメイン体積は、新しいドメイン核の形成とドメイン壁の移動により急速に拡大し、他の方向のドメイン体積は急速に減少します。スモールが消滅し、結晶全体が単一ドメインになります。外部電場の作用下で、新しいドメイン核とドメイン壁の運動が起こる動的プロセスはドメイン反転プロセスと呼ばれます。この反転にはヒステリシス特性があるため、強誘電体は前述のヒステリシス ループを示します。

 

単一のピエゾ結晶を考えることは、自発分極の方向には 2 つの可能性しかないと仮定することです。それは、特定の結晶軸に沿って正と負です。外部電場の方向は分極軸と平行です。外部電場がゼロの場合、結晶内の隣接するドメインの分極は逆になり、結晶の総電気モーメントはゼロになります。外部電場を徐々に増加させていくと、電場の方向と逆の自発分極方向のドメイン体積が分極反転により徐々に減少し、それらのドメインは電場と同じ方向を持ち徐々に拡大していき、結晶は外部電場の方向に向きます。強度は電界の増加とともに増加します。圧電ディスク素子の電場が結晶内のすべての逆磁区を外部磁場に逆転させるのに十分なほど増加すると、結晶は単一磁区になり、結晶の分極は飽和に達し、その後電場が増加します。分極は電場に応じて直線的に増加し (一般的な誘電体の分極と同じ)、最大値 Pmax に達します。これは、最も高い分極電場の関数です。直線部分を電場ゼロに外挿したとき、得られる縦軸の切片 Ps は飽和分極と呼ばれ、実際には各ドメインの自発分極です。電場が C から減少し始めると、分極は CB 曲線に沿って徐々に減少します。圧電セラミック部品の電界がゼロになると、分極はある値 Pr まで減少します。これを強誘電体の残留分極と呼びます。電界の方向が変化して負の方向の Ec まで増加すると、分極はゼロに減少し、逆電界は増加し続け、分極が反転します。 Ec は強誘電体の抗電界強度と呼ばれます。逆電界が増加し続けると、分極は負の勾配方向に増加し続け、負の方向の飽和値（-Pr）に達し、超音波圧電トランスデューサは負の分極を有する単磁区結晶になります。電場が負の高い値から正の高い値に連続的に変化すると、正のドメインが形成され、結晶全体が再び順方向分極を有する単一ドメインの結晶になるまで再び成長し始めます。このプロセス中に、偏光は戻り線の FGH 部分に沿って点 C に戻ります。したがって、大きな交流電場の作用下では、電場は 1 週間変化し、上記のプロセスが 1 回繰り返され、ヒステリシス ループが示されます。戻り線で囲まれた面積は、分極を 2 回反転するのに必要なエネルギーです。