圧電性

圧電性（ぴえぞうせい、 / ˌ p iː z oʊ -, ˌ p iː t s oʊ -, p aɪ ˌ iː z oʊ -/ 、米語：/ p i ˌ eɪ z oʊ -, p i ˌ eɪ t s oʊ -/ ）^[1]は、結晶、特定のセラミックス、骨、DNA、さまざまなタンパク質などの生物学的物質などの特定の固体材料に、加えられた機械的ストレスに反応して蓄積される電荷​​である。^[2]圧電性という言葉は、圧力と潜熱によって生じる電気を意味する。これは、古代ギリシャ語のπιέζω （piézō）  「圧迫する、押す」とἤλεκτρον （ḗlektron）  「琥珀」（古代の静電気の発生源）に由来している。^{[3] [4]} この単語のドイツ語形（Piezoelektricität ）は、1881年にドイツの物理学者ヴィルヘルム・ゴットリープ・ハンケルによって造られ、英語の単語は1883年に造られました。^{[5] [6]}

圧電効果は、反転対称性のない結晶材料の機械的状態と電気的状態の間の線形電気機械的相互作用によって生じます。^[7]圧電効果は可逆的なプロセスです。 圧電効果を示す材料は、印加された電界 に起因する機械的歪みの内部生成である逆圧電効果も示します。たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛結晶は、静的構造が元の寸法の約 0.1% 変形すると、測定可能な圧電性を生成します。逆に、同じ結晶は、外部電界が印加されると、静的寸法の約 0.1% が変化します。逆圧電効果は、超音波の生成に使用されます。^[8]

フランスの物理学者ジャックとピエール・キュリーは1880年に圧電性を発見しました。^[9]圧電効果は、音の生成と検出、圧電インクジェット印刷、高電圧電力の生成、電子機器のクロック発生器、微量天秤、超音波ノズルの駆動、光学アセンブリの超微細焦点合わせなど、多くの有用な用途に利用されてきました。原子スケールで画像を解像する走査型プローブ顕微鏡の基礎となっています。電子増幅ギターのピックアップや、最新の電子ドラムのトリガーとして使用されています。^{[10] [11]圧電効果は、ガス調理器具や暖房器具、トーチ、}ライターを点火するための火花の発生など、日常的な用途にも使用されています。

焦電効果は、物質が温度変化に応じて電位を生成する現象で、 18世紀半ばにカール・リンネとフランツ・エピヌスによって研究されました。この知識を基に、ルネ・ジュスト・アユイとアントワーヌ・セザール・ベクレルは機械的応力と電荷の関係を仮定しましたが、両者の実験では結論が出ませんでした。 ^[12]

直接的な圧電効果の最初の実証は、1880年にピエール・キュリーとジャック・キュリー兄弟によって行われました。^{[13]彼らは}、焦電性の知識と焦電性を生じさせる基礎となる結晶構造の理解を組み合わせて結晶の挙動を予測し、トルマリン、石英、トパーズ、サトウキビ 、ロシェル塩（酒石酸カリウムナトリウム四水和物）の結晶を使用して効果を実証しました。石英とロシェル塩は最も高い圧電性を示しました。

しかし、キュリー夫妻は逆圧電効果を予測していませんでした。逆効果は、1881年にガブリエル・リップマンによって基本的な熱力学原理から数学的に演繹されました。 ^[14]キュリー夫妻はすぐに逆効果の存在を確認し、^[15]圧電結晶の電気弾性機械変形の完全な可逆性の定量的な証明を得ました。

その後数十年間、圧電性は研究室での研究対象に留まりましたが、1898年にピエール・キュリーとマリー・キュリーがポロニウムとラジウムを発見する際には、圧電性が重要なツールとなりました。圧電性を示す結晶構造を研究し定義するための研究がさらに進められ、1910年にヴォルデマール・フォークトの『結晶物理学の教科書』^[16]が出版され、圧電性を持つ20種類の天然結晶について説明し、テンソル解析を用いて圧電定数を厳密に定義しました。

圧電デバイスの最初の実用化はソナーで、第一次世界大戦中に初めて開発されました。超音波周波数で動作する圧電デバイスの優れた性能は、以前のフェッセンデン発振器に取って代わりました。1917年にフランスで、ポール・ランジュバンと彼の同僚は超音波 潜水艦探知機を開発しました。^[17]この探知機は、2枚の鋼板の間に慎重に接着された薄い水晶で作られたトランスデューサーと、返ってきたエコーを検出するハイドロフォンで構成されていました。トランスデューサーから高周波パルスを発し、物体に跳ね返った音波からのエコーが聞こえるまでの時間を測定することで、その物体までの距離を計算できます。

圧電デバイスは多くの分野で利用されています。セラミック製の蓄音機カートリッジはプレーヤーの設計を簡素化し、安価で正確で、レコードプレーヤーのメンテナンス費用を安くし、製造を容易にしました。超音波トランスデューサーの開発により、液体と固体の粘性と弾性を簡単に測定できるようになり、材料研究が大きく進歩しました。超音波時間領域反射計(材料に超音波パルスを送信し、不連続部からの反射を測定する) は、鋳造金属や石材の内部の欠陥を見つけることができ、構造上の安全性が向上しました。

第二次世界大戦中、米国、ソ連、日本の独立した研究グループが、天然材料よりも何倍も高い圧電定数を示す強誘電体と呼ばれる新しい種類の合成材料を発見しました。これをきっかけに、特定の用途向けに特別な特性を持つチタン酸バリウム、さらにはチタン酸ジルコン酸鉛材料を開発するための熱心な研究が行われました。

圧電結晶の使用に関する重要な例の 1 つは、ベル電話研究所によって開発されました。第一次世界大戦後、エンジニアリング部門で無線電話を担当していたフレデリック R. ラックは、広範囲の温度で動作する「AT カット」結晶を開発しました。ラックの結晶は、以前の結晶で使用されていた重い付属品が不要だったため、航空機での使用が容易になりました。この開発により、連合軍の空軍は航空無線を使用して組織的な大量攻撃を行うことができました。

米国における圧電装置および材料の開発は、主に戦時中に始まった分野であり、利益を生む特許を確保するという理由から、開発を行っている企業内で行われていました。最初に開発されたのは新素材でした。水晶は最初に商業的に利用された圧電材料でしたが、科学者はより高性能な材料を求めていました。材料の進歩と製造プロセスの成熟にもかかわらず、米国の市場は日本ほど急速には成長しませんでした。多くの新しい用途がなかったため、米国の圧電産業の成長は鈍化しました。

対照的に、日本のメーカーは情報を共有し、技術上および製造上の課題を迅速に克服し、新しい市場を創出した。日本では、アイザック・コガが温度安定性のある結晶カットを開発した。日本の材料研究の努力により、米国の材料と競合でき、かつ高価な特許制限のない圧電セラミック材料が開発された。日本の主要な圧電開発には、ラジオやテレビ用の新しい設計の圧電セラミックフィルター、電子回路に直接接続できる圧電ブザーとオーディオトランスデューサー、セラミックディスクを圧縮して小型エンジン点火システムとガスグリルライター用の火花を発生させる圧電点火装置などがある。空気中に音波を送信する超音波トランスデューサーはかなり前から存在していたが、最初に大規模な商業的利用が見られたのが初期のテレビのリモコンであった。現在、これらのトランスデューサーはエコーロケーション装置としていくつかの車種に搭載されており、ドライバーが車からその進路にある物体までの距離を判断するのに役立っている。

圧電効果の性質は、固体における電気双極子モーメントの発生と密接に関係している。後者は、非対称電荷環境を持つ結晶格子サイト上のイオンに対して誘発されるか（ BaTiO ₃およびPZTの場合）、または分子グループによって直接運ばれる（サトウキビの場合）可能性がある。結晶の双極子密度または分極（次元数 [C·m/m ^{3 ] ）は、結晶学}単位セルの体積あたりの双極子モーメントを合計することで簡単に計算できる。^[18]すべての双極子はベクトルであるため、双極子密度P はベクトル場である。互いに近接する双極子は、ワイス領域と呼ばれる領域に整列する傾向がある。領域は通常ランダムに配向されているが、ポーリング（磁気ポーリングとは異なる）プロセスを使用して整列させることができる。このプロセスでは、通常は高温で材料全体に強い電界が適用される。すべての圧電材料がポーリングできるわけではない。^[19]

圧電効果にとって決定的に重要なのは、機械的応力を加えたときの分極Pの変化です。これは、双極子を誘発する周囲の再構成によって、または外部応力の影響下での分子双極子モーメントの再配向によって発生する可能性があります。圧電性は、分極の強度、方向、またはその両方の変化として現れますが、詳細は次の要素に依存します。1.結晶内のPの配向、2.結晶の対称性、および 3. 加えられた機械的応力。Pの変化は、結晶面の表面電荷密度の変化、つまり、バルク内の双極子密度の変化によって引き起こされる面間に広がる電界の変化として現れます。たとえば、1 cm ^{3 の立方体の石英に 2 kN (500 lbf) の力を正しく加えると、12500} Vの電圧が発生します。^[20]

圧電材料は逆圧電効果と呼ばれる逆の効果も示し、電界を加えると結晶に機械的な変形が生じます。

線形圧電効果は、

• 材料の線形電気的挙動:

${\displaystyle \mathbf {D} ={\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} \quad \implies }$ ${\displaystyle \quad D_{i}=\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j}\;}$

ここで、Dは電束密度^{[21] [22]}（電気変位）、εは誘電率（自由体誘電率）、Eは電界強度、、である。${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {D} =0}$${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {0} }$

• 線形弾性材料に対するフックの法則:

${\displaystyle {\boldsymbol {S}}={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}\quad \implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }\;}$

ここで、Sは線形化されたひずみ、sは短絡条件下でのコンプライアンス、 Tは応力、

${\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {T}}=\mathbf {0} \,\,,\,{\boldsymbol {S}}={\frac {\nabla \mathbf {u} +\mathbf { u} \nabla }{2}},}$

ここでuは変位ベクトルです。

これらはいわゆる連成方程式にまとめられ、そのひずみ電荷形式は次のようになる。^[23]

${\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {S}}&={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}+{\mathfrak {d}}^{t}\,\mathbf {E} \ &&\implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }+\sum _{k}d_{ijk}^{t}\,E_{k},\\[6pt]\mathbf {D} &={\mathfrak {d}}\,{\boldsymbol {T}}+{\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} &&\implies \quad D_{i}=\sum _{j,k}d_{ijk}\,T_{jk}+\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j},\end{aligned}}}$

ここで は圧電テンソルであり、上付き文字 t はその転置を表します。 の対称性により、となります。 ${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$${\displaystyle d_{ijk}^{t}=d_{kji}=d_{kij}}$

マトリックス形式では、

${\displaystyle {\begin{aligned}\{S\}&=\left[s^{E}\right]\{T\}+[d^{\mathrm {t} }]\{E\},\\[6pt]\{D\}&=[d]\{T\}+\left[\varepsilon ^{T}\right]\{E\},\end{aligned}}}$

ここで、[ d ] は直接圧電効果の行列、[ d ^t ] は逆圧電効果の行列です。上付き文字E はゼロまたは一定の電場を示します。上付き文字T はゼロまたは一定の応力場を示します。上付き文字 t は行列の転置を表します。

3 次テンソルはベクトルを対称行列にマッピングすることに注意してください。この特性を持つ非自明な回転不変テンソルは存在しないため、等方性圧電材料は存在しません。 ${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$

4mm (C _4v )結晶クラス(正方晶 PZT や BaTiO ₃などの分極圧電セラミックなど) および6mm結晶クラスの材料のひずみ電荷は、次のように表記されることもあります (ANSI IEEE 176)。

${\displaystyle {\begin{aligned}&{\begin{bmatrix}S_{1}\\S_{2}\\S_{3}\\S_{4}\\S_{5}\\S_{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}s_{11}^{E}&s_{12}^{E}&s_{13}^{E}&0&0&0\\s_{21}^{E}&s_{22}^{E}&s_{23}^{E}&0&0&0\\s_{31}^{E}&s_{32}^{E}&s_{33}^{E}&0&0&0\\0&0&0&s_{44}^{E}&0&0\\0&0&0&0&s_{55}^{E}&0\\0&0&0&0&0&s_{66}^{E}=2\left(s_{11}^{E}-s_{12}^{E}\right)\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}0&0&d_{31}\\0&0&d_{32}\\0&0&d_{33}\\0&d_{24}&0\\d_{15}&0&0\\0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\\[8pt]&{\begin{bmatrix}D_{1}\\D_{2}\\D_{3}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}0&0&0&0&d_{15}&0\\0&0&0&d_{24}&0&0\\d_{31}&d_{32}&d_{33}&0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}{\varepsilon }_{11}&0&0\\0&{\varepsilon }_{22}&0\\0&0&{\varepsilon }_{33}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\end{aligned}}}$

ここで最初の式は逆圧電効果の関係を表し、最後の式は直接圧電効果の関係を表します。^[24]

上記の式は文献で最もよく使われる形式ですが、表記法についていくつかコメントが必要です。一般に、DとE はベクトル、つまり階数 1 の直交テンソルであり、誘電率εは階数 2 の直交テンソルです。ひずみと応力も、原則として階数 2 のテンソルです。しかし慣例的に、ひずみと応力はすべて対称テンソルなので、ひずみと応力の添え字は次のように再ラベル付けできます: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6。(文献の著者によって異なる規則が使用される場合があります。たとえば、代わりに 12 → 4; 23 → 5; 31 → 6 を使用する人もいます。)これが、SとT が6 つの成分の「ベクトル形式」を持つように見える理由です。その結果、sはランク3のテンソルではなく、6行6列の行列のように見えます。このような再ラベル表記は、しばしばVoigt表記と呼ばれます。せん断ひずみ成分S ₄、S ₅、S ₆がテンソル成分であるか、エンジニアリングひずみであるかは別の問題です。上記の式では、コンプライアンス行列の6,6係数が次のように記述されるためには、それらはエンジニアリングひずみでなければなりません。つまり、2( s^E11
_​ − 秒^E12
₁₂）。工学的せん断ひずみは、対応するテンソルせん断の2倍の値、例えばS ₆  = 2 S ₁₂などです。これは、s ₆₆  =  ⁠も意味します。1/12 _...⁠、ここでG ₁₂はせん断弾性係数です。

合計で 4 つの圧電係数d _ij、e _ij、g _ij、h _ijが次のように定義されます。

${\displaystyle {\begin{aligned}d_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{E}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]e_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{E}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{S}\\[6pt]g_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{D}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]h_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{D}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{S}\end{aligned}}}$

ここで、最初の4つの項は直接圧電効果に対応し、2番目の4つの項は逆圧電効果に対応します。直接圧電テンソルと逆圧電テンソルの転置との間の等式は、熱力学のマクスウェル関係式に由来します。 ^[25]分極が結晶場誘起型である圧電結晶については、静電格子定数または高次のマデルング定数から圧電係数d _ijを計算できる形式が考案されています。^[18]

32 の結晶クラスのうち、21 は非中心対称(対称中心を持たない) であり、このうち 20 は直接圧電性を示す^[26] (21 番目は立方晶クラス 432)。このうち 10 は極性結晶クラス^[27]を表し、単位胞に関連する電気双極子モーメントがゼロにならないため、機械的ストレスなしに自発分極を示し、焦電性を示す。双極子モーメントが外部電場を印加することで反転できる場合、その材料は強誘電体であると言われる。

• 10 種類の極性 (焦電) 結晶クラス: 1、2、m、mm2、4、4mm、3、3m、6、6mm。
• 他の 10個の圧電結晶クラス: 222、4、422、4 2m、32、6、622、6 2m、23、4 3m 。

機械的負荷をかけなくてもP ≠ 0 が成立する極性結晶の場合、圧電効果はP の大きさまたは方向、あるいはその両方を変化させることによって現れます。

一方、非極性だが圧電性の結晶の場合、ゼロとは異なる分極Pは機械的負荷を加えることによってのみ引き起こされます。これらの結晶の場合、応力によって材料が非極性結晶クラス（ P  = 0）から極性結晶クラス（^[18] P  ≠ 0） に変化すると考えられます。

多くの材料は圧電性を示します。

• ランガサイト（La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄） – 石英類似結晶
• リン酸ガリウム（GaPO ₄） – 石英類似結晶
• ニオブ酸リチウム(LiNbO ₃ )
• タンタル酸リチウム(LiTaO ₃ )
• 石英
• ベルリナイト（AlPO ₄） –構造的に石英と同一の希少なリン酸塩 鉱物
• ロシェル塩
• トパーズ – トパーズの圧電性は、格子内の（F,OH）の配列に起因すると考えられます。格子は中心対称性があり、直方体双錐体（mmm）です。トパーズは異常な光学特性を持っていますが、これはこのような配列によるものです。^[28]
• トルマリングループ鉱物
• チタン酸鉛（PbTiO ₃）は、天然には鉱物マセドナイトとして存在しますが、^{[29] [30]}研究や応用のために合成されています。

ランダムに配向した粒子を持つセラミックスは、圧電性を示すためには強誘電性でなければならない。^{[31]焼結多結晶圧電セラミックスにおける}異常粒成長（AGG）の発生は、そのようなシステムの圧電性能に悪影響を及ぼすため回避する必要がある。AGGを示す圧電セラミックスの微細構造は、ランダムに配向したより細かい粒子のマトリックス中に、異常に大きな細長い粒子がいくつか含まれる傾向があるためである。マクロ的な圧電性は、AlNやZnOなどのテクスチャ化された多結晶非強誘電圧電材料で可能である。ペロブスカイト、タングステンブロンズ、および関連構造を持つセラミックスファミリーは圧電性を示す。

• ジルコン酸チタン酸鉛（Pb [ Zr _x Ti _{1− x} ] O _3、0 ≤  x  ≤ 1） – 一般的には PZT として知られ、現在使用されている最も一般的な圧電セラミックです。
• ニオブ酸カリウム（KNbO ₃）^[32]
• タングステン酸ナトリウム(Na ₂ WO ₃ )
• Ba2NaNb5O5_の​_​​_​
• 鉛2KNb5O15_​​​_​
• 酸化亜鉛（ZnO） -ウルツ鉱構造。ZnOの単結晶は圧電性と焦電性を持つが、ランダムに配向した粒子を持つ多結晶（セラミック）ZnOは圧電性も焦電性も示さない。多結晶ZnOは強誘電体ではないため、チタン酸バリウムやPZTのように分極することはできない。ZnOのセラミックおよび多結晶薄膜は、テクスチャ（粒子が優先的に配向）されている場合にのみ、マクロ的な圧電性と焦電性を示すことができ、個々の粒子の圧電性および焦電性応答がすべて打ち消されない。これは多結晶薄膜で容易に達成される。^[24]

• ニオブ酸ナトリウムカリウム（(K,Na)NbO ₃）。この材料はNKNまたはKNNとしても知られています。2004年に、斉藤康義氏率いる日本の研究者グループは、高いT _Cなど、PZTに近い特性を持つニオブ酸ナトリウムカリウム組成物を発見しました。^[33]この材料の特定の組成物は、振動レベルが増加しても高い機械的品質係数（Q _m  ≈ 900）を維持することが示されていますが、ハードPZTの機械的品質係数はそのような条件で低下します。この事実により、NKNは圧電トランスなどの高出力共振アプリケーションの有望な代替品となっています。^[34]
• ビスマスフェライト（BiFeO ₃） – 鉛ベースのセラミックの代替品として有望な候補。
• ニオブ酸ナトリウム (NaNbO ₃ )
• チタン酸バリウム(BaTiO ₃ ) – チタン酸バリウムは最初に発見された圧電セラミックです。
• チタン酸ビスマス（Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂）
• チタン酸ビスマスナトリウム(NaBi(TiO ₃ ) ₂ )

鉛フリー圧電セラミックスの製造は、環境の観点から、また鉛ベースの圧電セラミックスの特性を再現する能力から見て、多くの課題を伴います。圧電セラミックスの鉛成分を除去することで、人体への毒性のリスクは減少しますが、材料の採掘と抽出は環境に有害となる可能性があります。^[35] PZTとニオブ酸ナトリウムカリウム（NKNまたはKNN）の環境プロファイルの分析では、検討した4つの指標（一次エネルギー消費、毒性フットプリント、エコ指標99、および入出力上流の温室効果ガス排出量）全体で、KNNの方が実際には環境に有害であることが示されています。KNN、特にそのNb ₂ O ₅成分に関する懸念のほとんどは、製造業者に届く前のライフサイクルの初期段階にあります。有害な影響はこれらの初期段階に集中しているため、影響を最小限に抑えるための措置を講じることができます。 Nb ₂ O ₅採掘後、ダムの解体や利用可能な土壌の備蓄の交換などにより、土地をできる限り元の状態に戻すことは、あらゆる採掘イベントの補助として知られています。大気質への影響を最小限に抑えるには、どのような緩和方法が必要かを完全に理解するために、モデリングとシミュレーションを行う必要があります。現時点では、鉛フリー圧電セラミック部品の採掘はそれほど大規模ではありませんが、初期の分析から、専門家は環境への影響に関しては注意を促しています。

鉛フリー圧電セラミックスの製造には、鉛ベースの圧電セラミックスと同等の性能と安定性を維持するという課題があります。一般的に、主な製造課題は、材料の温度安定性を低下させる「多形相境界 (PPB)」を導入せずに、材料に安定した圧電特性を与える「モルフォトロピック相境界 (MPB)」を作成することです。^{[36]新しい相境界は、}相転移温度が室温で収束するように添加剤の濃度を変えることによって作成されます。MPB を導入すると圧電特性が向上しますが、PPB が導入されると、材料は温度によって悪影響を受けます。相エンジニアリング、拡散相転移、ドメインエンジニアリング、化学修飾を通じて導入される相境界の種類を制御するための研究が進行中です。

圧電ポテンシャルは、 III – V族 およびII – VI族材料などの非中心対称性を持つバルクまたはナノ構造の半導体結晶に、印加応力およびひずみによるイオンの分極によって生成される可能性があります。この特性は、閃亜鉛鉱型結晶構造とウルツ鉱型結晶構造の両方に共通です。第一に、閃亜鉛鉱型には、ひずみのせん断成分と結合したe _{14と呼ばれる独立した圧電係数が1つだけあります。}ウルツ鉱型には、代わりにe ₃₁、e ₃₃、およびe ₁₅という3つの独立した圧電係数があります。最も強い圧電性が観測される半導体は、ウルツ鉱型構造によく見られるGaN、InN、AlN、およびZnOです(圧電工学を参照)。

2006年以降、極性半導体における強い非線形圧電効果に関する報告も数多くなされている。^[37] このような効果は、一次近似と同じ桁ではないにしても、少なくとも重要であると一般に認識されている。

ポリマーの圧電応答はセラミックほど高くはありませんが、ポリマーはセラミックにはない特性を持っています。過去数十年にわたり、柔軟性と音響インピーダンスの低さから、無毒の圧電ポリマーが研究され、応用されてきました。^[38]これらの材料を重要なものにしている他の特性としては、他の圧電材料（セラミックなど）と比較して、生体適合性、生分解性、低コスト、低消費電力などが挙げられます。^[39]圧電ポリマーと無毒のポリマー複合材料は、その異なる物理的特性を考慮して使用することができます。

圧電ポリマーは、バルクポリマー、空隙を有する荷電ポリマー（「ピエゾエレクトレット」）、およびポリマー複合材料に分類できます。バルクポリマーで観察される圧電応答は、主にその分子構造によるものです。バルクポリマーには、アモルファスと半結晶の 2 種類があります。半結晶ポリマーの例としては、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）とその共重合体、ポリアミド、およびパリレン-Cがあります。ポリイミドやポリ塩化ビニリデン（PVDC）などの非結晶性ポリマーは、アモルファスバルクポリマーに分類されます。空隙を有する荷電ポリマーは、多孔質ポリマーフィルムの分極によって誘起される電荷​​により圧電効果を示します。電界下では、電荷が空隙の表面に形成され、双極子を形成します。これらの空隙が変形すると、電気応答が発生する可能性があります。圧電効果は、圧電セラミック粒子をポリマーフィルムに組み込むことで、ポリマー複合材料でも観察できます。ポリマーは、ポリマー複合材料として有効な材料となるために圧電活性である必要はない。^[39]この場合、材料は不活性マトリックスと別個の圧電活性成分から構成され得る。

PVDFは石英より数倍大きい圧電性を示します。PVDFから観測される圧電応答は約20～30 pC/Nです。これは圧電セラミックのジルコン酸チタン酸鉛（PZT）の5～50倍小さいオーダーです。^{[38] [39]} PVDFファミリーのポリマー（すなわち、フッ化ビニリデンコポリトリフルオロエチレン）の圧電効果の熱安定性は125℃まで上がります。PVDFの用途には、圧力センサー、ハイドロフォン、衝撃波センサーなどがあります。^[38]

圧電複合材料は柔軟性があるため、エネルギーハーベスターやナノジェネレーターとして提案されている。2018年にZhuらは、PDMS/PZTナノ複合材料の多孔度60%で約17 pC/Nの圧電応答が得られると報告した。^[40] 2017年には別のPDMSナノ複合材料が報告され、BaTiO _3をPDMSに統合して、自己発電型生理学的モニタリング用の伸縮性のある透明なナノジェネレーターを作成した。^[41] 2016年には、極性分子がポリウレタンフォームに導入され、最大244 pC/Nの高い応答が報告された。^[42]

ほとんどの材料は少なくとも弱い圧電応答を示します。些細な例としては、スクロース（砂糖）、DNA、バクテリオファージ由来のものを含むウイルスタンパク質などがあります。^{[43] [44]}セルロース繊維と呼ばれる木材繊維をベースにしたアクチュエータが報告されています。^[39]セルラーポリプロピレンのD33応答は約200 pC/Nです。セルラーポリプロピレンの用途としては、音楽キーパッド、マイク、超音波ベースのエコーロケーションシステムなどがあります。^[38]最近、β-グリシンなどの単一のアミノ酸も、他の生物学的材料と比較して高い圧電性（178 pmV ^{−1 ）を示しました。 [45]}

イオン液体は最近、最初の圧電液体として特定されました。^[46]

石英のような一部の物質の直接圧電性は、数千ボルトの 電位差を生み出す可能性があります。

• 最もよく知られている用途は、電気式ライターです。ボタンを押すと、バネ仕掛けのハンマーが圧電結晶を叩き、十分な高電圧の電流が小さな火花ギャップを流れ、ガスを加熱して点火します。ガスストーブの点火に使用されるポータブルスパークプラグも同様に機能し、現在では多くの種類のガスバーナーに圧電ベースの点火システムが組み込まれています。
• 同様のアイデアは、米国のDARPAによってエネルギーハーベスティングと呼ばれるプロジェクトで研究されており、兵士のブーツに埋め込まれた圧電発電機によって戦場の装備に電力を供給する試みも含まれています。しかし、これらのエネルギーハーベスティング源は、関連して身体に影響を与えます。歩行中に靴に継続的に加わる衝撃から1〜2ワットを活用するDARPAの取り組みは、非実用的であることと、靴を履いている人が消費する追加のエネルギーによる不快感のために断念されました。他のエネルギーハーベスティングのアイデアには、駅やその他の公共の場での人間の動きからエネルギーを収穫するクラウドファーム^{[47] [48]}や、ダンスフロアを発電に変換することなどがあります。^[49]産業機械からの振動も圧電材料によって収穫され、バックアップ電源用のバッテリーを充電したり、低電力マイクロプロセッサや無線ラジオに電力を供給したりすることができます。^{[50] [51]}
• 圧電トランスは、交流電圧増幅装置の一種である。入力と出力の間に磁気結合を使用する従来のトランスとは異なり、圧電トランスは音響結合を使用する。入力電圧は、 PZTなどの圧電セラミック材料の短い棒に印加され、逆圧電効果によって棒に交番応力が生じ、棒全体が振動する。振動周波数は、ブロックの 共振周波数になるように選択され、通常は100キロヘルツから1メガヘルツの範囲である。次に、圧電効果によって棒の別のセクションに高い出力電圧が発生する。1,000:1を超える昇圧比が実証されている。^{[要出典]このトランスのもう1つの特徴は、共振周波数を超えて動作させることで、}誘導負荷として動作させることができるため、制御されたソフトスタートを必要とする回路で役立つことである。^{[52]これらのデバイスは、}冷陰極蛍光灯を駆動するためのDC-ACインバータで使用できる。圧電トランスは最もコンパクトな高電圧源の 1 つです。

圧電センサーの動作原理は、力に変換された物理的寸法が、感知要素の 2 つの反対面に作用することです。センサーの設計に応じて、圧電要素に負荷をかけるさまざまな「モード」を使用できます。縦方向、横方向、およびせん断方向です。

音の形での圧力変化の検出は、最も一般的なセンサーの用途です。たとえば、圧電マイク(音波が圧電材料を曲げ、変化する電圧を生成) やアコースティックエレクトリックギターの圧電ピックアップなどです。楽器の本体に取り付けられた圧電センサーは、接触型マイクとして知られています。

圧電センサーは、特に医療用画像処理や工業用非破壊検査(NDT) 用の超音波トランスデューサーの高周波音で使用されます。

多くのセンシング技術では、センサーはセンサーとアクチュエーターの両方の役割を果たすことができます。デバイスがこの二重の機能を果たす場合は、トランスデューサーという用語が好まれることが多いですが、ほとんどの圧電デバイスは、使用されるかどうかに関係なく、この可逆性の特性を備えています。たとえば、超音波トランスデューサーは、超音波を体内に注入し、返された波を受信して​​、それを電気信号 (電圧) に変換できます。ほとんどの医療用超音波トランスデューサーは圧電性です。

上記のほかにも、さまざまなセンサーおよびトランスデューサーのアプリケーションには次のものがあります。

• 圧電素子はソナー波の検出と生成にも使用されます。
• 圧電材料は単軸および二軸傾斜検知に使用されます。^[54]
• 高電力アプリケーション（医療、超音波化学、工業プロセスなど）における電力監視。
• 圧電マイクロバランスは、非常に感度の高い化学センサーや生物センサーとして使用されます。
• ひずみゲージには圧電素子が使用されることもあります。ただし、より一般的には圧電抵抗効果素子が使用されます。
• ホイヘンス探査機の貫入計には圧電トランスデューサーが使用されました。
• 圧電トランスデューサーは、電子ドラムパッドでドラマーのスティックの衝撃を検出したり、医療用加速度筋電図検査で筋肉の動きを検出したりするために使用されます。
• 自動車のエンジン管理システムは、圧電トランスデューサを使用して、特定のヘルツ周波数でデトネーションとも呼ばれるエンジンノック (ノックセンサー、KS) を検出します。圧電トランスデューサは、燃料噴射システムでも使用され、マニホールド絶対圧 (MAP センサー) を測定してエンジン負荷を判定し、最終的には燃料インジェクターのオン時間を数ミリ秒単位で決定します。
• 超音波圧電センサーは、アコースティックエミッション試験におけるアコースティックエミッションの検出に使用されます。
• 圧電トランスデューサーは、通過時間型超音波流量計に使用できます。

非常に高い電界は結晶の幅のわずかな変化に対応するだけなので、この幅は 100 μm未満の精度で変更できるため、圧電結晶は物体を極めて正確に位置決めするための最も重要なツールとなり、アクチュエータに使用されています。^[55] 100 μm 未満の薄い層を使用する多層セラミックスでは、 150 V未満の電圧で高い電界を実現できます。これらのセラミックスは、直接圧電アクチュエータと増幅圧電アクチュエータの 2 種類のアクチュエータで使用されます。直接アクチュエータのストロークは通常100 μm未満ですが、増幅圧電アクチュエータはミリメートル単位のストロークを実現できます。

• スピーカー：電圧は金属振動板の機械的な動きに変換されます。
• 超音波洗浄では通常、圧電素子を使用して液体内に強力な音波を発生させます。
• 圧電モーター: 圧電素子が車軸に方向性のある力を加え、車軸を回転させます。回転距離が非常に短いため、圧電モーターはステッピング モーターの高精度な代替品として考えられています。
• 圧電素子はレーザーミラーの調整に使用できます。この素子は、大きな質量 (ミラーマウント) を微小な距離にわたって移動させる能力があり、これを利用して一部のレーザーミラーを電子的に調整します。ミラー間の距離を正確に制御することで、レーザー電子機器はレーザーキャビティ内の光学条件を正確に維持し、ビーム出力を最適化できます。
• 関連するアプリケーションとして、圧電素子によって生成された結晶内の音波から光を散乱させる装置である音響光学変調器があります。これは、レーザーの周波数を微調整するのに役立ちます。
• 原子間力顕微鏡と走査型トンネル顕微鏡は、逆圧電性を利用して感知針を試料に近づけます。^[56]
• インクジェット プリンター: 多くのインクジェット プリンターでは、圧電結晶を使用してインクジェット プリント ヘッドから紙に向かってインクを噴射します。
• ディーゼルエンジン: 高性能コモンレールディーゼルエンジンは、より一般的なソレノイドバルブ装置の代わりに、Robert Bosch GmbHが最初に開発した圧電燃料インジェクターを使用します。
• 増幅アクチュエータを使用したアクティブ振動制御。
• X線シャッター。
• 赤外線カメラで使用されるマイクロスキャン用の XY ステージ。
• 強力な放射線や磁気により電動モーターが使用できないアクティブCTスキャナーやMRIスキャナー内で患者を正確に移動させる。 ^[57]
• クリスタルイヤピースは、古いラジオや低出力のラジオで使用されることがあります。
• 局所的な加熱や局所的なキャビテーションの生成を目的とした高強度焦点式超音波は、例えば患者の体内や工業化学プロセスで実現できます。
• 更新可能な点字ディスプレイ。電流を流すことで小さな結晶が膨張し、レバーを動かして個々の点字セルを持ち上げます。
• 圧電アクチュエータ。電圧を印加することで単一または複数の結晶を膨張させ、機構やシステムを動かしたり制御したりする。^[55]
• 圧電アクチュエータはハードディスクドライブのサーボの微細位置決めに使用されます。^{[58] [59]}

水晶の圧電特性は周波数の標準として有用である。

• クォーツ時計は、水晶振動子から作られた水晶振動子を採用しています。水晶振動子は、直接圧電性と逆圧電性の両方を組み合わせて、時間を表すために一定間隔で電気パルスを生成します。水晶振動子は（他の弾性材料と同様に）振動する正確な固有周波数（形状とサイズによって決まる）を持ち、この固有周波数を使用して水晶に印加される周期的な電圧の周波数を安定させます。
• 同じ原理は、一部の無線 送信機や受信機、およびクロックパルスを作成するコンピューターでも使用されています。これらは両方とも、通常、ギガヘルツの範囲に到達するために周波数逓倍器を使用します。

圧電モーターの種類は次のとおりです。

• 一眼レフカメラのオートフォーカスに使われる超音波モーター
• 直線運動用インチワームモーター
• 高出力密度 (2.5 W /cm ³ ) と速度範囲 10 nm/s ～ 800 mm/s の長方形 4 象限モーター 。
• スティックスリップ効果を利用したステッピングピエゾモーター。

ステッピング スティックスリップ モーターを除き、これらのモーターはすべて同じ原理で動作します。90 ° の位相差を持つデュアル直交振動モードで駆動され、2 つの表面間の接触点が楕円軌道で振動し、表面間に摩擦力が生じます。通常、片方の表面は固定されており、もう一方の表面が動きます。ほとんどの圧電モーターでは、圧電結晶はモーターの共振周波数の正弦波信号によって励起されます。共振効果を利用すると、はるかに低い電圧で高い振動振幅を生成できます。

スティックスリップ モーターは、質量の慣性とクランプの摩擦を利用して動作します。このようなモーターは非常に小型です。カメラ センサーの変位に使用されるものもあり、これにより手ぶれ防止機能が可能になります。

さまざまな研究チームが、圧電素子を材料に取り付けることで材料の振動を減らす方法を研究してきました。材料が一方向の振動によって曲がると、振動低減システムがその曲がりに反応し、圧電素子に電力を送って反対方向に曲がります。この技術は将来、自動車や住宅の騒音低減に応用されると期待されています。シェルやプレートなどの柔軟な構造物へのさらなる応用も、約 30 年にわたって研究されてきました。

2005 年 11 月にフランクフルトで開催されたマテリアル ビジョン フェアでのデモンストレーションで、ドイツのダルムシュタット工科大学のチームが、ゴム製のハンマーで叩かれた複数のパネルを披露したところ、圧電素子を備えたパネルの振動が即座に停止しました。

圧電セラミックファイバー技術は、一部のHEAD テニスラケットの電子減衰システムとして使用されています。^[60]

すべての圧電トランスデューサーには、基本共振周波数と多くの高調波周波数があります。圧電駆動の Drop-On-Demand 流体システムは、圧電構造の余分な振動に敏感であり、これを軽減または排除する必要があります。インクジェット会社である Howtek, Inc は、ガラス (硬質) インクジェット ノズルを Tefzel (軟質) インクジェット ノズルに置き換えることでこの問題を解決しました。この斬新なアイデアにより、シングル ノズル インクジェットが普及し、現在では 3D インクジェット プリンターで使用されています。内部を清潔に保ち、過熱しない限り (Tefzel は、非常に高温の圧力でクリープします)、何年も動作します。

過去に全受精に失敗した人では、卵母細胞の圧電活性化と卵細胞質内精子注入（ICSI）を組み合わせることで受精の結果が改善されるようです。^[61]

圧電手術^[62]は、隣接する組織にほとんどダメージを与えずに標的組織を切断することを目的とした低侵襲技術です。例えば、Hoigneら^[63]は25～29kHzの周波数を使用し、60～210μmの微小振動を引き起こします。この技術は、神経血管組織やその他の軟部組織を切断することなく石灰化組織を切断できるため、手術部位の出血を防ぎ、視認性を高め、精度を高めることができます。^[64]

2015年、ケンブリッジ大学の研究者は、国立物理学研究所およびケンブリッジに拠点を置く誘電体アンテナ会社Antenova Ltdの研究者と共同で、圧電材料の薄膜を使用して、特定の周波数でこれらの材料が効率的な共振器になるだけでなく、効率的な放射器にもなり、アンテナとして使用できる可能性があることを発見しました。研究者は、圧電薄膜を非対称励起にさらすと、システムの対称性が同様に破れ、その結果、電界の対応する対称性が破れ、電磁放射が発生することを発見しました。^{[65] [66]}

歩行者から運動エネルギーを収集するために、 圧電技術をマクロスケールで応用するいくつかの試みがなされている^{[67] [68] 。}

この場合、交通量の多いエリアを見つけることは、エネルギー収集効率を最適化するために重要であり、タイル舗装の向きは、収集されるエネルギーの総量に大きく影響します。^[69]単位時間あたりの歩行者横断回数に基づいて、検討対象のエリアの圧電電力収集ポテンシャルを定性的に評価するには、密度フロー評価が推奨されます。^[70] X. Li の研究では、オーストラリアのシドニーにあるマッコーリー大学の中央ハブビルにおける市販の圧電エネルギー収集装置の潜在的な用途が検討され、議論されています。歩行者の移動頻度に応じた圧電タイル配置の最適化が提示され、歩行者の移動が最も多い総床面積の 3.1% が圧電タイルで舗装されるモデルが開発されています。モデリングの結果、提案された最適化されたタイル舗装モデルの年間総エネルギー収集ポテンシャルは 1.1 MWh/年と推定され、これは建物の年間エネルギー需要の約 0.5% を満たすのに十分であることを示しています。^[70]イスラエルには、交​​通量の多い高速道路の下に圧電材料を設置した企業があります。生成されるエネルギーは、街灯、看板、標識に電力を供給するのに十分です。^[要出典]

タイヤメーカーのグッドイヤーは、内部に圧電材料を敷き詰めた発電タイヤの開発を計画している。タイヤが動くと変形し、電気が発生する。^[71]

圧電材料を含むハイブリッド光電池の効率は、周囲の騒音や振動源の近くに置くだけで向上します。この効果は、酸化亜鉛ナノチューブを使用した有機電池で実証されました。圧電効果自体によって生成される電気は、全体の出力のごくわずかな割合です。75デシベルという低い音レベルでは、効率が最大50％向上しました。効率は、ナノチューブの共振周波数である10kHzでピークに達しました。振動するナノチューブによって発生する電界は、有機ポリマー層から移動する電子と相互作用します。このプロセスにより、電子がエネルギーを与えられた後、電子を受け入れるZnO層に移動するのではなく、ホールに戻る再結合の可能性が減少します。^{[72] [73]}