圧電効果のすべて｜材料、用途、種類

タッチセンサー式スクリーンのシームレスな操作に驚嘆したり、ある種の医療機器の機能の背後にある複雑さに思いを馳せたりしたことはないだろうか。また、あるスピーカーが驚くほど正確に音を出す技術について考えたことがあるだろうか。これらすべての興味深い疑問に対する答えは、圧電効果と呼ばれる現象にある。 

特定の材料に見られるこの顕著な特性により、機械的ストレスに反応して電荷を発生させたり、逆に電荷を発生させたりすることができる。これは、圧電モーターやマイクロフォン、プリンターなどの家電製品のアクチュエーターのスムーズな動作を保証する静かな力である。 

圧電効果について、その原因、種類、用途などを学んでみよう！

圧電効果とは？

圧電効果は圧電性とも呼ばれ、押す、圧力をかけるという意味のギリシャ語「Piezo」に由来します。結晶や圧電材料に機械的な応力を加えると、その側面に沿って電圧が発生する現象です。 

ある物体が圧電性である場合、それはその物体に加えられた機械的応力を電気に変える能力があることを意味する。このユニークな特性により、圧電効果は、パワーハーベスティングや自立型スマート・センシングを通じて、再生可能で持続可能なエネルギーを建物に導入することを可能にする。

圧電効果の歴史

1880年、ピエール・キュリーとジャック・キュリーの兄弟は、共同研究中に驚くべき現象に遭遇した。圧電材料である石英に圧力を加えると電荷が発生することを発見したのだ。この機械エネルギーの電気エネルギーへの変換が、圧電効果または直接圧電効果の基礎となる。 

しかし、発見はそれだけにとどまらなかった！ガブリエル・リップマンは1881年、基本的な熱力学的原理から数学的な演繹を経て、直接的な圧電効果とは正反対の効果を予測した。彼は、物質に電荷を加えると機械的ひずみが生じることを発見したのです。これはキュリー兄弟によってさらに詳しく説明された。 

ガブリエル・リップマンとキュリーによるこれらの発見は、ヨーロッパの科学界の興味をさらにかき立てた。この現象は19世紀の最後の四半世紀に研究分野となり、この効果を最初に応用したのがSONARである。これは第一次世界大戦中にフランスで開発された。

圧電効果の種類

圧電効果には2つのタイプがあり、それぞれがユニークな特性を示している。その詳細を紹介しよう：

直接圧電効果

圧電材料に応力や圧力を加えると、結晶格子内で電荷が移動し、電荷が発生します。その結果、格子上に正負の電荷が分布します。基本的に、直接圧電効果は様々なアプリケーションの基礎を築き、特にセンサーとアクチュエーターの設計と統合を特徴としています。

逆圧電効果

直接圧電効果とは対照的に、逆圧電効果は結晶に電界を印加し、その機械的形状を変化させるものである。この現象は、電界によって結晶内の電荷が移動し、それによって材料の形状が変化することで起こる。 

圧電効果は様々なデバイスの製造に実用化されている。特筆すべきは圧電トランスデューサーで、電気信号を機械的振動や運動に変換します。

圧電材料とは

圧電材料は圧電効果を示し、機械的応力や変形に対して電荷を発生します。さらに、圧電効果材料は可逆的な挙動も示します。電流を流すと、形状がわずかに変化し、通常は最大4%まで変化します。

ヴォルデマール・ヴォイト は、その著書『結晶物理学の教科書』の中で、圧電効果が生じる約20種類の材料について言及している。 

それでは、圧電材料について学びましょう！

圧電効果の応用

圧電効果の一般的な応用例をいくつか紹介しよう：

産業用圧電センサー

以下はその内容である。 圧電スイッチの応用 または様々な業界のセンサー：

圧力センサー

産業環境において、圧力センサーは様々なプロセスの監視と調整に使用されています。圧力センサーは、流体の圧力を測定し、機械の最適な動作を保証し、工業プロセスの全体的な効率に貢献するという重要な役割を果たします。しかし、通常の圧力センサーを使用すると、信頼性の低い結果が得られることがあります。 

そのため、多くの産業が圧電式圧力センサーに頼っています。これらのセンサーは圧電効果を利用して機械的圧力を電気信号に変換し、正確な結果を出します。

エンジンノックセンサー

ピエゾ式センサは、自動車および産業分野でのエンジンノック検出において重要な役割を果たしています。これらのセンサーはエンジンの振動やノックを検出し、不規則な燃焼を示します。 

これらの機械的振動を電気信号に変換することで、圧電式ノックセンサーはエンジン制御システムに貴重なフィードバックを提供します。この情報により、リアルタイムでの調整が可能になり、エンジン性能を最適化し、潜在的な損傷を防ぐことができます。

産業用圧電アクチュエータ

圧電アクチュエータの一般的な産業用途には次のようなものがある：

高速応答ソレノイド

電磁ソレノイドがしばしば速度制限に悩まされるのとは対照的に、圧電アクチュエータはゲームチェンジャーとして登場しました。圧電効果によって駆動するこれらのアクチュエータは、驚くべき速度と精度を誇ります。電気信号を機械的な動きに素早く変換するその能力は、高速バルブや吐出機構などのシステムで活用されています。

光学調整

圧電アクチュエータは光学調整アプリケーションで輝きを放ちます。その微細で制御された動きは、比類のない精度で光学部品を微調整するために非常に貴重です。カメラ、レーザー、そして様々な光学機器は、圧電アクチュエータによって促進されるナノメートルスケールの調整の恩恵を受けています。

圧電効果を示すデバイスの利点

圧電デバイスの多くの利点について説明しよう：

圧電デバイスの欠点 

圧電デバイスの欠点は以下の通りである：

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よくあるご質問

結論

圧電効果は様々な産業で有用であり、大きく分けて直接圧電効果と逆圧電効果の2種類があります。圧電効果の利点を活用するには、高品質の部品に投資することが重要です。Langirはピエゾスイッチの信頼できる選択肢として、お客様のデバイスの効率と信頼性を高める高度な技術を提供しています。今すぐ弊社にご連絡いただき、幅広い用途に対応する高品質のスイッチを手に入れてください！