フルセット材料定数のキャラクタリゼーションと共鳴超音波スペクトロスコピーを用いた圧電材料のための彼らの温度依存性

この共振超音波分光法の全体的な目的は、単一の試料のみを用いて、圧電材料の材料定数の完全なセットおよびそれらの温度依存性を測定することです。電気電子学会（IEEE）の圧電標準で定義されているインピーダンス法では、圧電材料の材料定数を完全に測定するために、異なる形状の試料が5〜7個必要となります。共振超音波分光法の主な利点は、1つの試料から完全なテンソル特性を得ることができるため、試料間の個体差による不整合を回避できる点にあります。

この方法で取得したデータにより、有限要素法を用いて電気機械デバイスの性能をシミュレーションし、高温における性能低下を定量化することが可能になります。まず、金属棒とサンプルを約60 °Cまで加熱し、非常に薄いワックス層を用いて、長方形の平行管をPZT-4セラミックスサンプルと共に金属棒の底面に接着します。室温まで冷却した後、シリンダーの底面とサンプルを同時に研磨してサンプル表面の平坦性を確保するため、外径のより大きい金属シリンダーに棒をきつくはめ込みます。プレキシガラスプレートを水道水で濡らし、濡れた表面に6 µmの酸化アルミニウム粉末を散布します。

サンプルを接着したサンプルホルダーをプレキシガラスプレートの上に置き、円を描くように動かしてサンプル表面を平らに研磨します。その後、プレキシガラスプレートとサンプルホルダーを水道水で十分に洗浄します。続いて、濡れたプレキシガラスプレートの上に3 Micronの酸化アルミニウム粉末を散布し、再度研磨を行ってサンプル表面を滑らかにします。

ガラスプレートとサンプルホルダーを水道水できれいに洗浄します。アセンブリを約 60 °C まで加熱してワックスを溶かし、サンプルをホルダーから取り外します。終了後、サンプル表面に残っているワックスをアセトンで除去します。

15 megahertzの縦波トランスデューサとデジタルオシロスコープをパルサレシーバに接続します。次に、カップリンググリースを塗布し、トランスデューサをサンプルの表面のX方向に配置します。デジタルオシロスコープのコントロールパネルにあるカーソルキーを押してください。

次に、サイドメニューボタン（Vバー）を押し、汎用ノブを回して、一方のカーソル線を第1エコー信号の最高ピークに合わせます。この状態でSelectキーを押し、汎用ノブを回して、もう一方のカーソル線を第2エコー信号の対応するピークに合わせます。画面上の上向き三角形で示された箇所の数値を読み取ります。これが、X軸方向に沿った縦波パルスの往復飛行時間となります。

インピーダンスアナライザを制御用コンピュータに接続し、両方の電源を入れます。次に、アナライザに接続されたフィクスチャにサンプルを挿入し、アセンブリ全体を恒温槽に入れます。恒温槽を閉じた後、インピーダンスアナライザのパネルにあるMeasキーを押し、CP-Dを選択します。

次に、制御用コンピュータを使用して、チャンバーを20 °Cに設定します。表計算ソフトを開き、静電容量データを読み取ります。その後、結果をファイルに保存します。

次に、インピーダンスアナライザパネルのアップキーを押して、チャンバー温度を変更します。チャンバー温度が安定した後、温度を上げるごとに前のステップを繰り返します。この時点で、共振超音波分光システムの送信側および受信側トランスデューサの間にサンプルを配置し、サンプルの対角線上の角のみが接触するようにします。

ソフトウェアファイルDRS.exeをダブルクリックして、動的共鳴システムのコントロールインターフェースを起動します。開始周波数、停止周波数、および収集するデータポイントの総数を設定します。室温にて、この周波数範囲でサンプルの共鳴スペクトルを測定し、スペクトルをファイルに保存します。

すでに炉内にある送信および受信トランスデューサの間にサンプルを配置し、サンプルの対角にある角のみが接触するようにします。その後、共鳴超音波分光法システムの測定ソフトウェアを起動し、サンプルの共鳴周波数を測定します。そして、結果をファイルに保存します。

サンプルの温度を5 °C刻みで上昇させます。目的の温度に達するまで、前のステップを繰り返します。PZT-4セラミックス試料では、弾性定数C11E、C33E、およびC44Eが温度とともに増加します。

弾性定数C12EおよびC13Eは、20〜120℃の範囲で温度にほとんど依存しません。一方で、圧電定数E33、E31、およびE15は強い温度依存性を示します。測定された誘電率と、本手法で得られた材料定数の全セットに基づいて算出された予測値は、非常に良好な一致を示しています。

一方の計算式を用いて算出された圧電定数D15およびD33と、もう一方の計算式を用いて算出された値との間にも良好な一致が見られました。これらの結果は、PZT-4セラミックス試料に対して得られた一連の材料定数が、20から120 °Cの温度範囲において非常に高い自己整合性を有していることを裏付けています。このRUS法を用いることで、高温域における完全なテンソル特性を自己整合的に測定することが可能となり、デバイスシミュレーション分野の研究者が、電気機械デバイスの実際の性能、特に動作中の発熱に伴う性能劣化の予測の可能性を探究するための道が開かれました。

このビデオを視聴することで、高温下での共振超音波分光測定の実施方法について十分に理解できるはずです。重要な点は、室温で信頼性の高い定数セットを取得し、その室温データに基づいて高温におけるフルテンソル特性を導出することです。