Elusidation of the mechanism of the "jumping and dropping effect near the mechanical resonance of a piezoelectric element and the solutions to its technical problems

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以前の研究において、上下面に電極を設けた直径４０mm、厚さが６mmの富士セラミックス製の圧電セラミックＣ－２１の円板状圧電振動子の径方向一様広がり振動について、その機械共振周波数付近に限り圧電素子内部の電界に著しい乱れが生じ、局所的に電界集中が発生していることが有限要素解析により確認されていることから、跳躍・降下現象は圧電素子の機械共振周波数付近で生じる内部電界の乱れに伴う電界集中によって生じる局所的な分極反転によるものではないのか、との仮説（電界集中起因説）が立てられていた。実際、そうした円板状圧電素子の有限要素解析において、その機械共振周波数付近での分極反転を模擬することで、定性的に跳躍降下現象を再現できており、実験でも跳躍降下現象が確認されている。今年度は、そうした以前の研究で使用したものと同じ材質（Ｃ－２１）、直径だが、厚さを３mmと小さくした円板状圧電振動子について、上記仮説の妥当性の検証を、測定実験や数値解析によって行い、跳躍・降下現象の機構のさらなる解明を試みた。以前の研究と同様な有限要素解析を行った結果、電極間の距離が短いこの振動の場合、同じ印加電圧なら圧電素子内部の電界が平均的に大きくなるため、局所的な電界集中によって抗電界を超えやすくなるため、跳躍・降下現象が起きやすくなる、という予測通りの結果が得られた。そして実験でも、今年度の振動子の方が、同じ印加電圧については同現象がより顕著になる上、振動子内の最大瞬間歪みは線形弾性限界値よりはるかに小さな値に留まっていることが、振動振幅の実測値と有限要素解析による計算値との比較から、確かめられた。すなわち、この圧電セラミック（Ｃ－２１）においては、跳躍・降下現象の機構の説明としては、圧電体の弾性的非線形性に起因するとの従来の説ではなく、電界集中起因説が妥当であることが、完全に支持される結果が得られた。