圧電のしくみ:完全な究極のガイド
最新のデバイスのほとんどは、プリント回路基板 (PCB) のコンポーネントとして圧電性を使用しています。たとえば、クォーツ時計は時間を調整するために圧電性を必要とします。さらに、マイクや最愛の Siri も音声認識に必要です。しかし、圧電はどのように機能するのでしょうか?すべての圧電材料には独自の特性があります。そして、これらの特性により、最新のテクノロジーとシームレスに統合して完璧なブレンドを提供できます。この記事では、圧電性が日常的にどのように機能するかについての完全なガイドを提供します.
圧電の仕組み
圧電力学の図。
ソース: https://www.audiowell.com/technology/187.html
圧電は、フランスの 2 人の科学者の兄弟、ジャックとピエール キュリーによって造られた用語です。 2 つのクォーツ (または特定のクリスタル) に圧力をかけると電荷が発生することを発見した後。
ピエゾはギリシャ語の「piece in」に由来します 」は、スクイーズまたはプレスを意味します。したがって、圧電性は「電気を絞る」ことを意味します。つまり、2つの結晶を押して電気エネルギーを作ります。圧電結晶は、機械的 (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するのに役立ちます。
この技術は現在急速に発展しています。そして現在、多くの企業がこの現象をより高度なテクノロジーの基盤として利用しています。たとえば、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、圧電性の発案によるものです。
圧電効果とは?
圧電効果の図。
圧電効果とは、2 つの特定の材料を一緒に押し込んで電流を作る能力です。これらの材料に機械的応力を加えると、材料に負電荷と正電荷が交互に生成され、アクティブな電界が生成されます。
ただし、この圧電性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、および分配を含む多くの分野で役立ちます。また、微量天秤、発火源機構、電子周波数発生、高電圧の生成などが含まれます。
直接圧電効果
圧電と逆圧電のイラスト
ソース: https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/leadfree-piezoceramics-status-and-perspectives/533F8B4F91B57A04C2E70D372D4627E5
前述のように、圧電結晶を絞ると圧電性が生じます。
図では、2 枚の金属板の間に非導電性の圧電材料を配置し、それらを一緒に押しつぶしたり圧縮したりすると、電流が発生します。金属板はこの電流の送信機として機能します。
生成された電流は、圧電効果として知られる電流を生み出します。
逆圧電効果
圧電材料を膨張または収縮させるために直流電圧を印加すると、逆圧電が発生します。したがって、これは逆圧電効果を生み出し、電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。
この方法を利用することで、圧電スピーカーや圧電マイクなどのアコースティック サウンドを生成するデバイスを作成できます。このような圧電デバイスは非常に機能的で、薄くてさまざまな小型家電に適合します。同様に、ソナー トランスデューサや医療用超音波などのデバイスにも同じ原則が適用されます。
https://www.youtube.com/watch?v=P9Kod4q-8XM
圧電材料
天然および人工のさまざまな材料が圧電効果を示します。圧力（機械的応力）を加え、高電圧を加えて変形させると、電気が発生します。
原則として、これらの材料は非導電性です。そして、これが圧電効果が発生する唯一の方法です。
圧電材料は、次の 2 つの主要なカテゴリに分類されます。
- 圧電結晶
- 圧電セラミック
天然圧電材料の例としては、ベルリナイト、石英、ロッシェル塩、トルマリンなどがあります。人工圧電材料の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT)、チタン酸バリウム、サトウキビ、ニオブ酸リチウムなどがあります。
生物学的材料と比較して、人工材料はより効果的であり、材料の使用が優れています。たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛は、同じ圧力をかけるとクォーツよりも高い電圧を生成します。これは、2 つの材料に高電圧電流を印加した場合にも当てはまります。
圧電材料
アプリケーション
ガス調理器バーナーの圧電火花バーナー
今日、圧電トランスデューサーとセンサーのアプリケーションはいたるところにあります。今日市場に出回っているすべてのデバイスには、おそらく何らかの圧電材料が使われています。
たとえば、東京のこの地下鉄を見てみましょう。この原理を代替エネルギー源として使用します。
圧電原理の日常的な応用例をいくつか紹介します。
ピエゾ センサー
圧電センサーは、物理的な寸法を、感覚素子の 2 つの対向する面に作用する力に変換します。簡単に言えば、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。
それらは外部電圧源を必要とせず、加えられた圧力から結果を生成するように機能します。
圧電センサーは影響を受けやすいため、医療用画像や産業機械の監視用の超音波トランスデューサーなどの高周波音響デバイスに最適です。
圧電センサーには、次の主な特徴があります。
- まず、強度が高く、サイズが薄い
- 第二に、高い機械的強度
- そして、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
高電圧および電源
圧電原理を利用したライター
これは、圧電原理の最も一般的な実用的なアプリケーションです。最良の例は、ガスグリルと電気シガレットライターです。さらに、ボタンを押すだけで、バネ仕掛けのハンマーが圧電クリスタルを叩きます。次に、電荷がガスに点火するのに十分な火花を生成します。
モーター
圧電効果の主な利点は、高電圧アプリケーションに対応するわずかな変化です。これにより、位置決めで非常に正確に使用するのに最適です.
そのため、圧電モーターには、従来の電磁エンジンと比較して多くの利点があります。その上、それらは一般的に小さくて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、電磁界は圧電デバイスの性能に影響を与えないため、迅速な始動と停止に適しています。
圧電アクチュエータ
圧電アクチュエータの図。
ソース: https://www.mdpi.com/1996-1073/13/11/2866
アクチュエータは逆圧電効果を利用して、点字や編み機などのデバイスに電力を供給します。アクチュエータ システムの内部では、金属板とアクチュエータ デバイスの間に圧電材料が配置されています。
このシステムに高電圧電流を印加すると、圧電材料が一定間隔で伸縮し、アクチュエータがリズミカルに動きます。
これらのアクチュエータは、衛星のミラーのように正確な位置決めを必要とするデバイスで特に有益です。また、シンプルな設計で可動部分が少ないため、ビデオカメラや携帯電話などの小型機器に最適です。
圧電性の長所と短所
多くの賞賛にもかかわらず、圧電性にもいくつかの制限があります。圧電性の主な長所と短所のいくつかを次に示します。
| 利点 | 短所 |
| あらゆる温度で動作する能力 | 振動に敏感なため、ランダムな振動が発生しやすくなります。 |
| 電磁場の影響なし | 圧電材料の剛性が舗装などの適用材料と一致しない場合があります。 |
| 二酸化炭素排出量が少ないため、化石燃料の最良の代替品となります | |
| 再利用性の高い素材 | |
| 高周波に対する応答が小さいため、最高のエネルギー ハーベスターになります。 |