圧電効果の科学：仕組みと重要性

ほとんどの現代デバイスは、プリント基板（PCB）のコンポーネントとして圧電効果を使用しています。例えば、クォーツ時計は時間を制御するために圧電効果を必要とします。また、マイクロフォンやお気に入りのSiriも音声認識のためにこれを必要とします。しかし、圧電効果はどのように働くのでしょうか？すべての圧電材料には独自の特性があります。これらの特性により、ほとんどの現代技術とシームレスに統合し、完璧な融合を提供できます。本記事では、日常使用における圧電効果の仕組みについて完全ガイドを提供します。

圧電効果の仕組み

圧電効果メカニズムのイラスト。

出典：https://www.audiowell.com/technology/187.html

圧電効果は、2人のフランス人科学者兄弟、ジャックとピエール・キュリーによって名付けられた用語です。2つのクォーツ（または特定の結晶）に圧力を加えると電荷が生成されることを発見した後です。

ピエゾはギリシャ語の「piezein（ピエゼイン）」に由来し、「押す」「絞る」を意味します。したがって、圧電効果は「絞って電気を生む」を意味します。すなわち、2つの結晶を押して電気エネルギーを作り出します。圧電結晶は、機械的エネルギー（音響エネルギー）を電気デバイスが解釈できる電気信号に変換します。

この技術は現在急速に発展しています。多くの企業がこの現象をより高度な技術の基盤として使用しています。例えば、新しいセラミックオーディオトーントランスデューサーは圧電効果の賜物です。

圧電効果とは？

圧電効果のイラスト。

圧電効果とは、2つの特定材料を押し合わせて電流を生成する能力です。これらの材料に機械的応力を加えると、材料上に交互に負と正の電荷が生成され、能動的な電場が作られます。

しかし、圧電効果のこの独特な特性は可逆的でもあります。直接圧電効果を示す材料は、逆圧電効果も示すことができます。

逆圧電効果は、音の生成、検出、分配に関わる多くの分野で有用です。また、マイクロバランス、着火源メカニズム、電子周波数生成、高電圧生成なども含まれます。

直接圧電効果

圧電効果と逆圧電効果のイラスト。

出典：https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/leadfree-piezoceramics-status-and-perspectives/533F8B4F91B57A04C2E70D372D4627E5

前述の通り、圧電結晶を圧縮すると圧電効果が生じます。

イラストでは、非導電性圧電材料を2枚の金属プレートの間に置き、それらを圧縮または圧搾すると、電流が生成されます。金属プレートはこの電流の伝送役として機能します。

生成された電流が電流を作ります。これが圧電効果として知られています。

逆圧電効果

圧電材料に直接電気電圧を印加して膨張または収縮させると、逆圧電効果が生成されます。これにより、電気エネルギーが機械的エネルギーに変換されます。

この方法を利用すると、音響を生成するデバイスの製造に役立ちます。例：圧電スピーカーと圧電マイクロフォン。このような圧電デバイスは非常に機能的で、薄く様々な小型家電に適合します。同様に、ソナートランスデューサーや医療用超音波などのデバイスにも同じ原理が適用されます。

https://www.youtube.com/watch?v=P9Kod4q-8XM

圧電材料

天然と人工の両方で、様々な材料が圧電効果を示します。機械的応力（圧力）を加え変形させ、高電圧を印加すると電気を生成します。

原則として、これらの材料は非導電性です。これが圧電効果が発生する唯一の方法です。

圧電材料は2つの主要カテゴリーに分類されます：

• 圧電結晶
• 圧電セラミックス

天然の圧電材料の例：ベルリナイト、クォーツ、ロッシェル塩、トルマリンなど。人工圧電材料の例：チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）、チタン酸バリウム、サトウキビ糖、ニオブ酸リチウムなど。

生物学的材料と比較すると、人工材料の方がより効果的で材料利用が優れています。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛は同じ圧力を加えてもクォーツより高い電圧を生成し、高電圧電流を2つの材料に適用した場合も同様です。

圧電材料

応用

ガスコンロバーナーの圧電スパークジェネレーターバーナー

今日、圧電トランスデューサーとセンサー応用はあらゆるところにあります。おそらく、今日市場にあるすべてのデバイスに何らかの圧電材料が含まれています。

東京の地下鉄を例に取ると、この原理を代替エネルギー源として利用しています。

圧電原理の典型的な日常応用をいくつか紹介します。

圧電センサー

圧電センサーは、物理的次元を感覚素子の2つの対向面に作用する力に変換します。簡単に言うと、センサーは音によってもたらされる圧力変動を検出します。

外部電圧源を必要とせず、印加された圧力から結果を生成します。

圧電センサーは感度が高く、医療用超音波トランスデューサーや産業機械監視などの高周波音響デバイスに最適です。

圧電センサーの主な特性は以下の通り：

• 第一に、高強度で薄型
• 第二に、高い機械的強度
• 第三に、高い安定性と弾性コンプライアンス
• さらに、広い周波数範囲
• また、耐衝撃性
• 最後に、高電圧出力

高電圧と電源

圧電原理を使用したシガレットライター

これは圧電原理の最も人気のある実用的応用です。最高の例はガスグリルと電気シガレットライターです。ボタンを押すだけで、ばね付きハンマーが圧電結晶を打ちます。これにより、ガスを着火させるのに十分な火花と電荷が生成されます。

モーター

圧電効果の主な利点は、高電圧応用に対する微小な変化です。これは極めて高精度な位置決めでの使用に最適です。

これが圧電モーターが従来の電磁エンジンと比較して多くの利点を持つ理由です。また、一般的により小型コンパクトであるにもかかわらず、より大きな力とトルクを提供します。

さらに、電磁場が圧電デバイスの性能に影響しないため、迅速な開始と停止に優れています。

圧電アクチュエーター

圧電アクチュエーターのイラスト。

出典：https://www.mdpi.com/1996-1073/13/11/2866

アクチュエーターは逆圧電効果を利用して、点字ディスプレイや編み機などのデバイスを駆動します。アクチュエーターシステム内部では、圧電材料が金属プレートとアクチュエーターデバイスの間に配置されます。

このシステムに高電圧電流を印加すると、圧電材料が間隔を置いて膨張・収縮し、アクチュエーターをリズミカルに動かします。

これらのアクチュエーターは、衛星のミラーのような精密位置決めを必要とするデバイスで特に有益です。また、シンプルな設計と最小限の可動部品により、ビデオカメラや携帯電話のような小型化デバイスに最適です。

圧電効果の長所と短所

すべての賞賛にもかかわらず、圧電効果にも限界があります。圧電効果の主な長所と短所をいくつか紹介します。

利点	欠点
あらゆる温度で動作可能	振動感度が高く、ランダムな振動の影響を受けやすい
電磁場の影響を受けない	圧電材料の剛性が応用材料（例：舗装）と合わないことがある
低炭素フットプリントで化石燃料の最良の代替
高再利用性材料
高周波への微小応答で最良のエナジーハーベスター

圧電発電機

圧電発電機（PEGとも呼ばれる）は、圧電センサーを利用して、従来の発電機で典型的に見られる物理的回転なしで機械的エネルギーを電気エネルギーに変換します。そのため、圧電発電機は小型、コンパクト、非常に管理しやすいサイズです。

この世代では、圧電発電機は電力生成における歓迎すべきブレイクスルーです。まだ実現されていませんが、自己給電ワイヤレス電子デバイスの夢を現実にする力を持っています。

この夢を実現するにはまだ長い道のりかもしれませんが、圧電発電機は信頼性が高く、安定し、高耐久の電源であることが証明されています。専門家は、圧電発電機が我々の電力需要の大きな部分を置き換えるまでそう長くはかからないと信じています。

圧電発電機─メリットと限界

メリット

• 第一に、サイズが汎用的。独自の特性により、圧電素子は高度に柔軟なサイズと設計で提供されます。必要に応じて平らにでき、あらゆる微小デバイスに適合します。

第二に、圧電素子は otherwise 無駄になるエネルギーを収穫します。例えば、歩道橋に取り付けられた圧電モーターが歩行の振動を集め、電気エネルギーに変換します。これは代替エネルギー源として、環境からの騒音低減の手段として機能します。

限界

• 出力電力が限定的。圧電発電機は定常電力を生成するために恒常的な振動を必要とします。したがって、生成電力は印加応力に直接比例します。複数の圧電素子をスタックすることで出力を増やせます。しかし、一定点を過ぎると、システムを動かすにより多くの圧力が必要になるため収穫逓減が生じます。

結論

では、圧電効果はどのように働くのでしょうか？要約すると、圧電材料は機械的エネルギーを電気エネルギーに便利に変換できます。これらの材料の独自の特性により、多くの技術分野で高い有用性を持ちます。特に精密位置決めを必要とする分野で。

圧電技術の応用は無限大であり、探求すべき多くの可能性があります。WellPCBのようなテクノロジーメーカーが、この技術を日常使用に統合する最前線にいます。