歴史
第一次世界大戦と戦間期 圧電素子の最初の実用的な応用例は、第一次世界大戦 中に開発されたソナー でした。超音波周波数で動作する圧電素子の優れた性能は、それ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、フランスで ポール・ランジュバン とその同僚は超音波 潜水艦 探知機を開発しました。[ 18 ] トランスデューサーと、反射した エコー を検出するハイドロホン 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信し、物体から反射した音波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。
圧電素子は多くの分野で活用されるようになった。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、安価で高精度なため、レコードプレーヤーのメンテナンス費用を削減し、製造を容易にした。超音波トランスデューサー の開発により、流体や固体の粘度や弾性を容易に測定できるようになり、材料研究に大きな進歩をもたらした。超音波時間領域反射計 （材料に超音波パルスを送り込み、不連続部からの反射を測定する装置）は、鋳造金属や石材内部の欠陥を検出し、構造物の安全性を向上させた。
第二次世界大戦と戦後 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は、天然材料よりもはるかに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た。これにより、特定の用途に適した特性を持つチタン酸バリウム、そして後にチタン酸ジルコン酸鉛材料の開発に向けた集中的な研究が行われた。
圧電結晶の利用における重要な例の一つは、ベル電話研究所 によって開発された。第一次世界大戦後、同研究所の技術部門で無線電話の研究に従事していたフレデリック・R・ラックは、幅広い温度範囲で動作する「ATカット」結晶を開発した。ラックの結晶は、従来の結晶が使用していたような重い付属品を必要としなかったため、航空機への搭載が容易になった。この開発により、連合軍の航空部隊は航空無線を用いて、連携した大規模攻撃を行うことが可能になった。
米国における圧電素子および材料の開発は、主に戦時中に始まったという事情と、収益性の高い特許を確保するという目的から、開発を行う企業内部で進められた。最初に開発されたのは新素材であり、水晶振動子が 商業的に利用された最初の圧電材料であったが、科学者たちはより高性能な材料を模索し続けた。材料の進歩と製造プロセスの成熟にもかかわらず、米国市場は日本ほど急速には成長しなかった。新たな用途が少なかったため、米国の圧電産業の成長は停滞した。
対照的に、日本のメーカーは情報を共有し、技術的および製造上の課題を迅速に克服し、新しい市場を創造しました。日本では、アイザック・コガ によって温度安定性のある結晶カットが開発されました。日本の材料研究の努力により、高価な特許制限のない、米国製の材料に匹敵する圧電セラミック材料が開発されました。日本の主要な圧電開発には、ラジオ やテレビ 用の新しい圧電セラミックフィルターの設計、電子回路に直接接続できる圧電ブザーや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や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ります。空気を通して音波を伝達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ましたが、最初に商業的に広く使用されたのは初期のテレビのリモコンでした。これらのトランスデューサーは現在、エコー ロケーション装置としていくつかの 自動車 モデルに搭載されており、ドライバーが車から進路上の物体までの距離を判断するのに役立ちます。
機構 音声信号を 音波に変換するために使用される圧電板圧電効果の性質は、固体中の電気双極子モーメント の発生と密接に関係しています。これらは、非対称な電荷環境を持つ結晶格子 サイトのイオン に誘起される場合（BaTiO 3 PZTなど）と、分子グループによって直接運ばれる場合（ サトウキビ糖 など）があります。双極子密度または分極 （次元 [C·m/m 3 ]）は、結晶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、 結晶 について容易に計算できます。[ 19 ] P はベクトル場 です。互いに近い双極子は、ワイスドメイン と呼ばれる領域で整列する傾向があります。ドメインは通常ランダムな方向に配向していますが、分極処理（ 磁気分極 とは異なります）を使用して整列させることができます。分極処理では、通常高温で材料全体に強い電場を印加します。すべての圧電材料が分極できるわけではありません。[ 20 ]
圧電効果にとって重要なのは、機械的応力 を加えたときの分極P P の向き、2.結晶の対称性、3. 加えられた機械的応力 。P 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場 の変化として現れます。たとえば、 2 kN (500 lbf) の適切な力が加えられた 1 cm 3 立方体の石英は、 12500 V の電圧を発生させることができます。[ 21 ]
圧電材料は、逆圧電効果 と呼ばれる逆の効果も示し、電場を印加すると結晶に機械的な変形が生じる。
数学的記述 線形圧電効果は、
D = ε E ⟹ {\displaystyle \mathbf {D} ={\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} \quad \implies } D 私 = ∑ j ε 私 j E j {\displaystyle \quad D_{i}=\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j}\;} ここで、D は電束密度[ 22 ] [ 23 ] 電束密度 ）、ε は誘電率 （自由体誘電率）、E は電界強度 であり、∇ ⋅ D = 0 {\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {D} =0} ∇ × E = 0 {\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {0} } S = s T ⟹ S 私 j = ∑ k 、 ℓ s 私 j k ℓ T k ℓ {\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 は応力で あり、 ∇ ⋅ T = 0 、 S = ∇ u + u ∇ 2 、 {\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 である。 これらは、いわゆる連立方程式 にまとめることができ、その歪み電荷形式 は次のようになります。[ 24 ]
S = s T + d t E ⟹ S 私 j = ∑ k 、 ℓ s 私 j k ℓ T k ℓ + ∑ k d 私 j k t E k 、 D = d T + ε E ⟹ D 私 = ∑ j 、 k d 私 j k T j k + ∑ j ε 私 j E j 、 {\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}}} どこd {\displaystyle {\mathfrak {d}}} d {\displaystyle {\mathfrak {d}}} d 私 j k t = d k j 私 = d k 私 j {\displaystyle d_{ijk}^{t}=d_{kji}=d_{kij}}
行列形式では、
{ S } = [ s E ] { T } + [ d t ] { E } 、 { D } = [ d ] { T } + [ ε T ] { E } 、 {\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 E はゼロまたは一定の電場を示し、上付き文字Tはゼロまたは一定の応力場を示し、上付き文字 t は 行列 の転置 を表します。
3階テンソルに注目してくださいd {\displaystyle {\mathfrak {d}}}
4mm (C 4v )結晶クラス の材料(例えば、正方晶 PZT や BaTiO 3 などの分極圧電セラミック) および6mm 結晶クラスの材料の歪み電荷は、次のように表すこともできます (ANSI IEEE 176):
[ S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 ] = [ 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 （ s 11 E − s 12 E ） ] [ T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 ] + [ 0 0 d 31 0 0 d 32 0 0 d 33 0 d 24 0 d 15 0 0 0 0 0 ] [ E 1 E 2 E 3 ] [ D 1 D 2 D 3 ] = [ 0 0 0 0 d 15 0 0 0 0 d 24 0 0 d 31 d 32 d 33 0 0 0 ] [ T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 ] + [ ε 11 0 0 0 ε 22 0 0 0 ε 33 ] [ E 1 E 2 E 3 ] {\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{bm atrix}}+{\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、後者は直接圧電効果の関係を表す。[ 25 ]
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注意が必要です。一般に、D とE はベクトル 、つまり階数1のデカルトテンソルであり、誘電率 ε は階数2のデカルトテンソルです。ひずみと応力も原理的には階数2のテンソル です。しかし慣例として、ひずみと応力はすべて対称テンソルであるため、ひずみと応力の添え字は次のように書き換えることができます。11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6。（文献によっては、著者によって異なる慣例が用いられる場合があります。例えば、12 → 4; 23 → 5; 31 → 6 を使用する著者 もいます。）そのため、S とTは 6つの成分を持つ「ベクトル形式」のように見えます。その結果、s は ランク 3 のテンソルではなく、6 × 6 の行列のように見えます。このようなラベルを付け直した表記は、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 がテンソル成分か工学的ひずみかは別の問題です。上記の式では、コンプライアンス行列の 6,6 係数が図のように、つまり 2( s E 11 − s E 12 S 6 = 2 S 12などとなります。これはまた、 s 66 = 1 / G 12 G 12は せん断弾性率 です。
圧電係数は合計でd ij 、e ij 、g ij 、h ij の 4 つあり、以下のように定義されます。
d 私 j = + （ ∂ D 私 ∂ T j ） E = + （ ∂ S j ∂ E 私 ） T e 私 j = + （ ∂ D 私 ∂ S j ） E = − （ ∂ T j ∂ E 私 ） S g 私 j = − （ ∂ E 私 ∂ T j ） D = + （ ∂ S j ∂ D 私 ） T h 私 j = − （ ∂ E 私 ∂ S j ） D = − （ ∂ T j ∂ D 私 ） S {\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等式は、熱力学のMaxwell 関係 から生じます。[ 26 ] Madelung 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。[ 19 ]
クリスタルクラス 空間的に分離された電荷は必ず電場 を生じ、したがって電位 も生じます。ここに示されているのは、コンデンサ 内の標準的な誘電体です。圧電素子では、外部から印加される電圧ではなく、機械的な応力によって材料の個々の原子における電荷分離が引き起こされます。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、これらのうち 20 は直接圧電性を示します[ 27 ] [ 28 ] 焦電性 を示します。双極子モーメントが外部電場を印加することによって反転できる場合、その材料は強誘電体 であると言われます。
10 種類の極性 (焦電性) 結晶クラス: 1、2、m、mm2、4、4mm 、 3、3m、6、6mm 。 その他の10種類の圧電結晶クラス： 222、4、422、4 2m 、 32、6、622、6 2m 、 23、4 3m 。 極性結晶の場合、機械的負荷をかけなくてもP ≠ 0が成り立つため、圧電効果はP の大きさや方向、あるいはその両方を変化させることによって現れる。
一方、非極性だが圧電性のある結晶の場合、ゼロ以外の分極P P = 0）から極性結晶クラス（ P [ 19 ] 。
材料 多くの材料が圧電性を示します。例としては、以下のようなものがあります。
セラミックス チタン酸鉛の正方晶単位格子 ランダムに配向した結晶粒を持つセラミックスは、圧電性を示すために強誘電体でなければならない。[ 32 ] 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、避けるべきである。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結晶粒のマトリックス中に、異常に大きく細長い結晶粒が少数存在する傾向があるためである。巨視的な圧電性は、AlNやZnOなどの配向した多結晶非強誘電性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のファミリーは圧電性を示す。
チタン酸ジルコン酸鉛 （Pb [ Zr x Ti 1− x ] O 3、0 x ≤ 1）は、一般的にPZTとして知られており、今日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 ）[ 33 ] タングステン 酸ナトリウム（Na₂WO₃ ） Ba 2 NaNb 5 O 5 Pb 2 KNb 5 O 15 酸化亜鉛 （ZnO） –ウルツ鉱構造 。ZnOの単結晶は圧電性および焦電性を示すが、ランダムに配向した結晶粒を持つ多結晶（セラミック）ZnOは圧電効果も焦電効果も示さない。強誘電体ではないため、多結晶ZnOは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のセラミックや多結晶薄膜は、結晶粒が特定の方向に 配向している（テクスチャ構造）場合にのみ、巨視的な圧電性および焦電性を示す可能性がある。これは、個々の結晶粒の圧電応答と焦電応答が相殺されないためである。これは多結晶薄膜では容易に実現できる。[ 25 ]
鉛フリー圧電セラミックス ナトリウムカリウムニオブ酸塩 （(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、齋藤康義氏率いる日本の研究者グループは、高いT C を含むPZTに近い特性を持つナトリウムカリウムニオブ酸塩組成物を発見しました。[ 34 ] Q m ≈ 900）を維持することが示されていますが、硬質PZTの機械的品質係数はこのような条件下で劣化します。この事実により、NKNは圧電トランスなどの高出力共振用途の有望な代替品となります。[ 35 ] ビスマスフェライト （BiFeO₃ ） は 、鉛系セラミックスの代替材料として有望な候補である。ニオブ酸ナトリウム (NaNbO 3 ) チタン酸バリウム （BaTiO₃ ） – チタン酸バリウムは、最初に発見された圧電セラミックスです。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、環境面と鉛ベースの同等品の特性を再現する能力の両面から、複数の課題を抱えています。圧電セラミックスから鉛成分を除去することで、人体への毒性のリスクは低下しますが、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。[ 36 ] 、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対策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補充などによって土地を元の状態にできるだけ近づけることは、あらゆる採掘作業において有効な手段であることが知られています。大気汚染の影響を最小限に抑えるためには、どのような緩和策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が依然として必要です。鉛フリー圧電セラミック部品の採掘は現時点では大規模には拡大していませんが、初期分析の結果、専門家は環境への影響に関して慎重な対応を促しています。
鉛フリー圧電セラミックスの製造では、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に直面しています。一般的に、主な製造上の課題は、材料の温度安定性を低下させる「多形相境界 (PPB)」を導入することなく、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。[ 37 ] 相転移 温度が室温で収束するように添加剤濃度を変化させることで、新しい相境界が作成されます。MPBの導入は圧電特性を向上させますが、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、化学修飾によっ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。
ポリマー ポリマー の圧電応答はセラミックスの応答ほど高くはありませんが、ポリマーはセラミックスにはない特性を持っています。過去数十年にわたり、無毒性の圧電性ポリマーは、その柔軟性と小さな音響インピーダンス のために研究され、応用されてきました。[ 39 ] 適合 性、生分解性 、低コスト、低消費電力などがあります。[ 40 ]
圧電性ポリマーは、バルクポリマー、空隙帯電ポリマー（「圧電エレクトレット」）、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起因します。バルクポリマーには、非晶質 と半結晶質 の2種類があります。半結晶質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 、パリレンCなどがあります。 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、非晶質バルクポリマーに分類されます。空隙帯電ポリマーは、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。電場下では、空隙の表面に電荷が形成され、双極子が形成されます。これらの空隙の変形によって電気応答が生じ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によって、ポリマー複合材料でも観察できます。ポリマー複合材料の有効な材料となるために、ポリマーが圧電活性である必要はありません。[ 40 ]
PVDFは石英よりも数倍大きな圧電性を示します。PVDFから観測される圧電応答は約20～30 pC/Nです。これは、圧電セラミックであるチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）のそれよりも5～50倍小さい値です。[ 39 ] [ 40 ] 。PVDFの用途には、圧力センサー、ハイドロホン、衝撃波センサーなどがあります。[ 39 ]
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、 60%の多孔度でPDMS/PZTナノ複合材料から約17 pC/Nの圧電応答が得られることを報告した。[ 41 ] が PDMSに組み込まれて、自己給電式の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が作られた。[ 42 ] pC/Nの高い応答が報告された。[ 43 ]
応用
高電圧および電源 石英などの一部の物質は、直接圧電効果によって数千ボルトもの電位差を発生させることができる。
ブタンライターのピエゾ素子 最もよく知られている応用例は電気ライター 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、小さな火花ギャップを流れる十分な高電圧 の電流 が発生し、ガスが加熱されて着火します。ガスコンロの点火に使われる携帯型点火装置も同じ原理で動作し、現在では多くの種類のガス バーナーに圧電素子を用いた点火システムが内蔵されています。 同様のアイデアは、米国DARPAが 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しており、 兵士 のブーツに埋め込まれた圧電発電機で戦場の装備に電力を供給しようと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、必然的に人体に影響を与えます。DARPAは、 歩行中の靴の連続的な衝撃から1～2ワットを回収しようと試みましたが、靴を履いている人が余分なエネルギーを消費することによる非実用性と不快感のために断念しました。その他のエネルギーハーベスティングのアイデアには、クラウドファーム 、駅やその他の公共の場所での人間の動きからエネルギーを回収すること[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] 。 圧電トランス は交流電圧逓倍器の一種です。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 を使用します。入力電圧は、PZT などの圧電セラミック材料の棒の短い長さに印加され、逆圧電効果によって棒に交番応力が発生し、棒全体が振動します。振動周波数はブロックの共振周波数に選択され、通常は100 キロヘルツ から1メガヘルツの範囲です。その後、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生成されます。1,000:1を超える昇圧比が実証されています。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、誘導性 負荷として動作させることができ、制御されたソフトスタートが必要な回路で役立つことです。[ 53 ] 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ます。圧電トランスは、最もコンパクトな高電圧電源の一つである。
センサー ギターのピックアップ として使用される圧電ディスク多くのロケット推進式手榴弾は圧電信管 を使用していた。写真はロシアのRPG-7 [ 54 ] 圧電センサ の動作原理は、物理的な寸法が力に変換され、センシング素子の対向する2つの面に作用するというものです。センサの設計に応じて、圧電素子に負荷をかけるためのさまざまな「モード」が使用できます。例えば、縦方向、横方向、せん断方向などです。
音という形で現れる圧力変化の検出は、最も一般的なセンサー応用例であり、例えば圧電マイクロホン （音波が圧電材料を曲げ、電圧変化を生み出す）やアコースティックギター 用の圧電ピックアップ などが挙げられる。楽器本体に取り付けられた圧電センサーは、コンタクトマイクロホン と呼ばれる。
圧電センサーは特に、医療画像処理用の超音波トランスデューサーにおいて高周波音と組み合わせて使用されるほか、産業分野における非破壊検査 （NDT）にも用いられる。
多くのセンシング技術において、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。このような二重の機能を持つデバイスの場合、トランスデューサー という用語が好まれますが、ほとんどの圧電デバイスは、使用されているかどうかにかかわらず、可逆性という特性を備えています。例えば、超音波トランスデューサーは、超音波を体内に照射し、反射波を受信して電気信号（電圧）に変換することができます。医療用超音波トランスデューサーのほとんどは圧電性です。
上記以外にも、様々なセンサーおよびトランスデューサーの用途には以下のようなものがあります。
アクチュエータ 圧電ディスクが取り付けられた金属ディスク。ブザーに使用される。 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μm よりも高い精度で変更でき、圧電結晶は極めて高い精度で物体を配置するための最も重要なツールとなり、アクチュエータ で使用されます。[ 56 ] 100μm より薄い層を使用した多層セラミックは、 150V より低い電圧で高い電界を実現できます。これらのセラミックは、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一般的に100μm 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。
圧電モーター スティックスリップアクチュエータ 圧電モーターの種類には以下のようなものがあります。
ステッピング・スティックスリップ・モーターを除けば、これらのモーターはすべて同じ原理で動作します。位相 差が90°の2つの直交振動モードによって駆動され、2つの表面間の接触点が楕円 軌道を描いて振動し、表面間に摩擦 力が生じます。通常、片方の表面が固定され、もう片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ことで、はるかに低い電圧で大きな振動振幅を実現できます。
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化できます。カメラセンサーの変位に使用され、手ブレ補正機能を実現しています。
振動と騒音の低減 さまざまな研究チームが、材料に圧電素子を取り付けることで材料の振動を低減する方法を研究してきました。材料が一方向に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げます。シェルやプレートなどの柔軟な構造への応用も、30年近く研究されてきました。[ 61 ]
手術 ピエゾサージェリー [ 62 ] ら [ 63 ] 、60～ 210μmの微小振動を発生させます。神経血管組織やその他の軟組織を切断することなく石灰化組織を切断できるため、出血のない手術領域を維持し、視認性を向上させ、精度を高めることができます[ 64 ] 。
2019年、Pernas-SalomónとShmuelは動的均質化法を開発し、圧電複合材料が線運動量と電場の間に有効な結合を示すことを初めて示しました。彼らはこれを電気運動量結合と名付けました。[ 65 ] マテリアル のクラスに属します。メタマテリアルとは、大きさまたは種類において並外れた有効特性を示すように設計された人工媒体です。[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] [ 70 ]
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さらに読む EN 50324 (2002) セラミック材料および部品の圧電特性（3部構成） ANSI-IEEE 176 (1987) 圧電性に関する規格 IEEE 177 (1976) 圧電振動子の標準定義および測定方法 IEC 444 (1973) π型ネットワークにおけるゼロ位相法による水晶振動子ユニットの共振周波数および等価直列抵抗の測定の基本方法 IEC 302 (1969) 最大30MHzの周波数範囲で動作する圧電振動子の標準定義および測定 方法
外部リンク 誘電体の内部構造 ― ファインマン物理学講義 圧電性多孔質ポリマーフィルム：製造、特性、および応用 神経信号記録用ピエゾモーター式マイクロドライブ 新しい圧電材料の研究 ピエゾ方程式 医療機器設計におけるピエゾ素子 圧電効果のビデオデモンストレーション DoITPoMS 教育学習パッケージ – 圧電材料 PiezoMat.org – 圧電材料、その特性、および用途に関するオンラインデータベース ピエゾモーターの種類 圧電理論と応用
![{\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}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6704b020e31a346b2db7c110f71830692ccf8774)
![{\displaystyle {\begin{aligned}\{S\}&=\left[s^{E}\right]\{T\}+[d^{\mathrm {t} }]\{E\},\\[6pt]\{D\}&=[d]\{T\}+\left[\varepsilon ^{T}\right]\{E\},\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2b7cb5ba4d1d2a459c0419b385f752a627a25687)
![{\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{bm atrix}}+{\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}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/274067106e58b659dd52cbc526e4476eec76f231)
![{\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}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1898273adf66239c0ffea05c8a1752752defc04d)