固体の圧電性
圧電現象
伸び
ひずみ
(応力)
電圧
縮み
電圧が発生
ひずみ
圧電効果
圧電逆効果
圧電現象の考え方(1)
教科書のように、陽イオンと陰イオンがずれている場合を考
える。
表し方
+
-
---------
---------
---------
+++++++++
+++++++++
+++++++++
両側に電極をつける
縦方向に
急激に縮ませる
電荷に偏りがある
誘電体内の正電荷は下に、負電荷は上に移動する
圧電現象の考え方(2)
正電荷は下に、負電荷は上に移動する
自発分極が小さくなる
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
誘電体中の分極が小さく
なるので、電極中の電化
は変わる(電荷が余る)
赤で示した+と-は
逃げて行こうとする
僅かな間隙で、
スパークする
強誘電体
誘電体は圧電体→焦電体→強誘電体に細分される
製造フロー
原料
混合
仮焼
粉砕
成形
焼成
分極処理
エージング
数kV/mm
温度:130℃
シリコンオイル中
印加しながら
温度を下げて
定温保持
温度:80℃
圧電現象
ひずみ
(応力)
電圧
電圧が発生
ひずみ
圧電効果
逆圧電効果
圧電現象の考え方
圧電材料は、陽イオンと陰イオンがずれ、分極している
表し方
+
-
---------
---------
---------
+++++++++
+++++++++
+++++++++
内部の電荷が
偏っているため、
外部の電解も
に偏りが生じる
両側に電極をつけて
縦方向に急激
に縮ませると
誘電体内の正電荷は下に、負電荷は上に移動する
圧電現象の考え方(続き)
正電荷は下に、負電荷は上に移動する
自発分極が弱くなる(極端な場合にはなくなる!)
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-
-
-
-
-
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+
+
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
誘電体中の分極が弱く
なるので、外部の電荷
は動かざるを得ない
赤で示した+と-は
逃げて行こうとする
僅かな間隙で、
スパークする
圧電振動子
~
電極
(裏面も同様)
電極
~
振動板(ステンレスや黄銅)
(裏面全体が電極)
電気→ひずみ
→電気
圧電体セラミックス
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応用製品は数知れず!
•
圧電現象とは?
• 電気エネルギーと機械エネルギーの変換現象
•
圧電効果と逆圧電効果
• 圧電効果:ひずみを加えると電圧が発生する
• 逆圧電効果:電圧を加えるとひずみが発生する
•
圧電性が発現する物質は、対称中心がない結晶
圧電性には分極が必須
(BaTiO3を例として考える)
• キュリー点以下で正方晶、以上で立方晶
頁を参照)
• 室温では正方晶
• 正方晶には方向性がある(c軸)
• 結晶子(結晶粒)の分極方向はバラバラ
• 全体としては分極していない!
(次
分極方向を揃える
分極処理(処理方法:加温して電圧印加)
“一方向に分極したセラミックス”の完成
チタン酸ジルコニウム酸鉛(PZT)
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PbZr1-XTiXO3系
BaTiO3系よりも優れた特性
Zr/Ti=53/47(最も一般的な組成)
相境界の組成付近
第3成分として複合ペロブスカイト化合物が加えられる
例えば、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)
PZT系材料の問題点はPbOを使用していること
無鉛の圧電材料が模索されている
(Bi1/2Na1/2)TiO3、(K1/2Na1/2)NbO3など
複合ペロブスカイト酸化物
• 組成式:(A1, A2・・・)(B1, B2・・・)O3
• nA=ΣxAinAi、nB=ΣxBinBi
例えば、イオンAiの原子価:nAi、モル分率:xAiとすると
• rA=ΣrAixAi、 rB=ΣrBixBi
• nA + nB = 6
• 許容因子:t =
さらに、イオンAiのイオン半径:rAiとすると
rA + rO
√2 (rB + rO)
(0.9≺t≺1.1)
複合ペロブスカイト酸化物用第3成分
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A1+ :Li, Na, K, Ag
A3+ :Bi, La, Ce, Nd
B1+ :Li, Cu
B2+ :Mg, Ni, Zn, Mn, Co, Sn, Fe, Cd, Cu
B3+ :Mn, Sb, Al, Yb, In, Fe, Co, Sc, Y, Sn
B5+ :Nb, Sb, Ta, Bi
B6+ :Te, W, Re
圧電材料に関する問題
問題1 立方晶チタン酸バリウムにおいて、3種類のイオン半径の間に
成り立つ関係を求めなさい。
問題2 PbZr0.53Ti0.47O3の物質の分子量を求めなさい。ただし、質量数
はPb:207, Ti:48, Zr:92, O:16とする。
問題3 ペロブスカイト構造の酸化物におけるBサイトの元素がZnとNb
である場合の組成式を示しなさい。ただし、AサイトはPbである。
問題4 PbMg1/3Nb2/3O3におけるBイオンの理論的半径を求めなさい。
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