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機械的品質係数 Qm 値は、共振中の内部摩擦を克服するために圧電体が消費するエネルギーを特徴付けます。 Qm = 2π として定義されます。共振中に振動子に蓄えられる機械的エネルギーは、1 週間あたりの振動子の機械的損失のエネルギーと共鳴します。係数 Qm 値は、圧電材料の機械的損失を反映します。機械損失が小さいほどQm値は大きくなります。材料の Qm 値を計算する場合、圧電振動子の等価回路図は次の近似式を使用します。
Qm = 1/ 4π( C0 + C1) R1Δf 、
ここで、C0 は静電容量です。 圧電セラミック結晶石英ロッド、R1 は振動子の共振の等価抵抗、C1 は振動子の動的静電容量、Δf は振動子の共振周波数 fr と反共振周波数 fa の差です。一般的には伝送線路方式が用いられます。 Δf、R1などを求め、Qmを計算します。熱力学的自由エネルギー関数から、Qm 値の物理的ソースが議論され、式が導出されます。また、Q-1m 値が誘電損失に比例することが実験的に検証されています。また、これに基づく実験では、Qm 値を空間電荷量と体積抵抗率の関数として定量的に表し、Qm = (800 lgρ - 7 500) { ( Ps - Pi) / Ps - 0.2} + 250 という実験式が得られます。 ここで、ρ は材料のバルク抵抗率、Ps は飽和分極値、Pi は分極率交流電界印加直後のヒステリシスループ上で求められる値であり、(Ps-Pi)/Psは空間電荷量に相当します。 ( Ps - Pi) / Ps ≧ 0 の場合。 ２、ρ≧１０９Ω・ｃｍであり、実験結果と良く一致している。理論的にも実験的にも、Qm の本質と特徴付けが行われています。徹底的なディスカッション。これは、Qm のサイズとその温度安定性をさらに研究するのに役立ちます。
Qm値と温度安定性を向上させる測定
ドーピングの変更
二元系、三元系、および四元系の比率を変更することに加えて、 PZT 材料のピエゾ セラミック ディスクは ある程度改善することができ、材料の主成分にドーピングすることで、Qm 値の大きさや温度安定性などの材料特性をさらに改善できます。マンガンドーピングによる硬質PZT材料の圧電特性の研究では、MnがMnの価数変化によりQm値を調整できることが判明した。さらに、四元系 Pb (Mg1/3Nb2/3) (Mn1/3Nb2/3) TiZrO3 圧電材料には一定量の CeO2 がドープされており、Qm の最大相対偏差は -20 ～ 55 °C の範囲で得られます (25 °C での Qm 値に対して)。 δ(Qm)m | 42 % から 33 % に減少します。特定の配合物の最大相対オフセットは、Sr がドープされてもほとんど変化しません。 Pb (Mn1/ 3Sb2/ 3) O3 材料 Sn へのドーピングにより、Qm の低温安定性が向上します。 Qm の温度安定性を説明するドーピングには 2 つの議論があります。圧電材料の電気的特性の劣化は、材料内部の微小な亀裂が原因であることが多いと言われています。成長によるもの。ドーピングにより結晶格子内に侵入すると、内部圧縮応力が発生し、マイクロクラックの成長がある程度抑制されます。材料の共振抵抗の増加を回避し、Qm の温度安定性を確保するため。別の言い方をすると、ドーピング変化材料の構造には粒径、粒界状態、格子定数、密度などが含まれ、その結果、巨視的な物理的特性が得られます。これにより、Qm値の温度変動が改善されます。通常、Qm 値を高めるために、Eu、Yb、Al2O3、MgO などの硬質添加剤を追加します。 Nb2O5、La2O3、Ta2O5 などのソフト添加剤を添加すると、Qm 値が低下します。また、Qm 値の温度安定性はハードドーピングよりも優れています。
プロセスの最適化
圧電セラミック材料の準備プロセス、特に粉末の準備、焼成、焼結、人工分極は、サンプルの密度、粒径、圧電特性に直接影響します。現在、Qm の温度安定性は製造プロセスから改善されています。多少の難しさはありますが、Qmのサイズは準備段階から調整されます。多くの研究者が参加しています。たとえば、Cr3 + イオンドープ Pb (Mn1/3Nb2/3) TiZrO3 セラミックは焼結温度に非常に敏感で、焼結温度が上昇すると圧電特性が硬くなります。したがって、焼結温度を変えることにより、Ｑｍ値を柔軟に制御することができる。カワサキは、このドーピングを、熱注入ドーピングによる従来の粉末調製と比較した。 Fe3 + などの一部の不純物イオンは熱注入法により Qm 値を増加させるが、Cr3 + などの一部のイオンは Qm 値を低下させることが議論されています。優れた性能のセラミックス材料を調製するためにプロセスを最適化することで、Qm値を調整します。
理論的には、材料比率とドーピングの変更が研究されます。実際には、プロセスの改善は、圧電セラミック材料の Qm 値を調整し、温度安定性を改善することにより、圧電セラミック材料をより広く入手できるようにすることです。効果的な適用方法。
