圧電効果は、19 世紀末にフランスのキュリー兄弟によって発見されました。当時、発見された現象の実用化について話すのは時期尚早でしたが、今日、圧電素子は工学と日常生活の両方で広く使用されています。
ピエゾ効果の本質
有名な物理学者は、特定の結晶 (ロック クリスタル、トルマリンなど) がファセットで変形すると、電荷が発生することを発見しました。電位差はわずかでしたが、当時の既存のデバイスで修正され、導体の助けを借りて反対の電荷を持つ部品を接続することで、 電流。.この現象は、圧縮または伸張の瞬間のダイナミクスでのみ記録されました。静的変形はピエゾ効果を引き起こしませんでした。
すぐに反対の効果が理論的に実証され、実際に発見されました。電圧が印加されると、結晶が変形します。 2 つの現象は相互に関連していることが判明しました。物質が直接的なピエゾ効果を示す場合、逆の効果も示します。
この現象は、十分な非対称性を持つ異方性結晶格子 (方向によって異なる物理的特性を持つ) を持つ物質や、いくつかの多結晶構造で観察されます。
どのような固体でも、加えられた外力は変形と機械的応力を引き起こし、ピエゾ効果を持つ物質では電荷の分極も発生し、分極は加えられた力の方向に依存します。影響の方向が変化すると、分極の方向と電荷の極性の両方が変化します。機械電圧に対する分極の依存性は線形であり、式 P=dt で表されます。ここで、t は機械電圧、d は圧電係数 (ピエゾモジュラス) と呼ばれる係数です。
逆ピエゾ効果でも同様の現象が起こります。印加電界の方向が変わると、変形の方向が変わります。ここでも依存関係は直線的です: r=dE、ここで E は電界強度、r は歪みです。係数 d は、すべての物質の直接ピエゾ効果と逆ピエゾ効果で同じです。
実際、これらの式は推定値にすぎません。実際の依存関係はさらに複雑で、結晶軸に対する力の方向によっても決定されます。
ピエゾ効果を持つ物質
ピエゾ効果は、ロック クリスタル (水晶) の結晶で最初に発見されました。今日まで、この材料は圧電素子の製造において非常に一般的ですが、製造に使用されるのは天然材料だけではありません。
多くの圧電素子は、式 ABO の材料に基づいています。3BaTiO などの式3、PbTiO3.これらの材料は多結晶（多くの結晶からなる）構造を持っており、ピエゾ効果を発揮する能力を与えるには、外部電場による分極を受ける必要があります。
フィルム状の圧電体（ポリフッ化ビニリデンなど）を得られる技術があります。それらに必要な特性を与えるために、それらは電場で長時間分極されなければなりません。このような材料の利点は、非常に薄いことです。
ピエゾ効果を持つ物質の物性と特徴
分極は弾性変形中にのみ発生するため、圧電材料の重要な特性は、外力の作用で形状を変化させる能力です。この能力の値は、弾性コンプライアンス (または弾性剛性) によって決まります。
ピエゾ効果を持つクリスタルは高い弾力性を持っています - 力 (または外部応力) が取り除かれると、元の形状に戻ります。
圧電結晶には、固有の機械的共振周波数もあります。水晶をこの周波数で強制的に発振させると、振幅が特に大きくなります。
水晶全体がピエゾ効果を示すだけでなく、特定の条件下でカットされたプレートもピエゾ効果を示すため、幾何学的寸法とカットの方向に応じて、異なる周波数で共振する圧電材料の断片を得ることができます。
機械的品質係数は、圧電材料の振動特性も特徴付けます。これは、同じ力が加えられた場合に、共振周波数で振動振幅が何倍増加するかを示します。
圧電特性には温度に対する明確な依存性があり、結晶を使用する場合はこれを考慮する必要があります。この依存関係は次の係数によって特徴付けられます。
- 共振周波数の温度係数は、結晶が加熱/冷却されたときに共振がどれだけなくなるかを示します。
- 温度膨張係数は、ピエゾウエハーの直線寸法が温度によってどの程度変化するかを決定します。
ある温度で、圧電結晶はその特性を失います。この限界はキュリー温度と呼ばれます。この制限は、素材ごとに異なります。たとえば、クォーツの場合は +573 °C です。
ピエゾ効果の実用化
ピエゾセルの最もよく知られている用途は、点火要素としてです。ピエゾ効果は、ポケット ライターやキッチンのガスストーブの点火器に使用されています。水晶が押されると、電位差が生じ、空隙に火花が現れます。
圧電素子の応用分野はこれで終わりではありません。同様の効果を持つ結晶をひずみセンサーとして使用することもできますが、この応用分野は、ピエゾ効果の特性によってダイナミクスにのみ現れるように制限されます。変化が停止すると、信号の生成が停止します。
圧電結晶はマイクロフォンとして使用できます。音響波にさらされると、電気信号が生成されます。逆ピエゾ効果により、（時には同時に）そのような要素をサウンドエミッターとして使用することもできます。水晶に電気信号が印加されると、ピエゾ素子が音波を生成し始めます。
このようなエミッターは、特に医療技術において、超音波を生成するために広く使用されています。で で プレートの共振特性も使用できます。自身の周波数のみを放射する音響フィルターとして使用できます。もう 1 つのオプションは、サウンド ジェネレーター (サイレン、検出器など) でピエゾ素子を周波数トランスデューサーおよびサウンド エミッターとして同時に使用することです。この場合、サウンドは常に共振周波数で生成され、エネルギー消費を最小限に抑えて最大音量を得ることができます。
共振特性は、無線周波数範囲で動作する発振器の周波数を安定させるために使用されます。水晶板は、周波数保持回路において非常に安定した高品質の発振回路として機能します。
これまでのところ、弾性変形のエネルギーを産業規模で電気エネルギーに変換する素晴らしいプロジェクトがあります。たとえば、歩行者や車の重力による舗装の変形を使用して、高速道路のセクションを照らすことができます。航空機の翼の変形エネルギーを機内動力として利用することが可能です。このような使用は、圧電セルの不十分な効率によって制限されますが、パイロット設備がすでに作成されており、さらなる改善の見込みが示されています。
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