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固体の圧電性

固体の圧電性. 圧電現象. 電圧. ひずみ. ( 応力 ). 伸び. 縮み. ひずみ. 電圧が発生. 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. ＋. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. －. ＋. ＋. ＋. ＋. ＋. ＋. ＋. ＋. ＋. ＋. ＋. ＋. ＋. ＋.

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固体の圧電性

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Presentation Transcript

  1. 固体の圧電性

  2. 圧電現象 電圧 ひずみ (応力) 伸び 縮み ひずみ 電圧が発生 圧電効果 圧電逆効果

  3. 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 ＋ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 電荷に偏りがある 縦方向に　　　　　　　急激に縮ませる 両側に電極をつける 誘電体内の正電荷は下に、負電荷は上に移動する

  4. 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

  5. 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 数kV/mm 原料 混合 温度：130℃ 仮焼 シリコンオイル中 粉砕 成形 焼成 温度：80℃ 印加しながら温度を下げて定温保持 分極処理 エージング

  6. 圧電現象 電圧 ひずみ (応力) ひずみ 電圧が発生 圧電効果 逆圧電効果

  7. － － － － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 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 縦方向に急激に縮ませると 両側に電極をつけて 誘電体内の正電荷は下に、負電荷は上に移動する

  8. 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！） － － － － － － 僅かな間隙で、スパークする － － 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 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋

  9. 電極 圧電振動子 ～ （裏面全体が電極） 電極　　　　　（裏面も同様） 電気→ひずみ→電気 ～ 振動板（ｽﾃﾝﾚｽや黄銅）

  10. 圧電体セラミックス • 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

  11. 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　　　　　　　　　　　（次頁を参照） • 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！ • 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

  12. チタン酸ジルコニウム酸鉛（PZT） 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

  13. rA + rO (rB + rO) √ 2 複合ペロブスカイト酸化物 • 組成式：（A1, A2･･･)(B1, B2･･･)O3 • nA=ΣxAinAi、nB=ΣxBinBi • rA=ΣrAixAi、 rB=ΣrBixBi • nA + nB = 6 • 許容因子：t = (0.9≺t≺1.1) 例えば、イオンAiの原子価：nAi、モル分率：xAiとすると さらに、イオンAiのイオン半径：rAiとすると

  14. 複合ペロブスカイト酸化物用第３成分 • 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

  15. 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２PbZr0.53Ti0.47O3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４PｂMｇ1/3Nb2/3O3におけるBイオンの理論的半径を求めなさい。

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