圧電効果とその産業センシングへの応用

1.基本原理

圧電効果は、機械的圧力が電荷を発生させるある種の材料で起こる。1880年にキュリー兄弟によって発見されたこの名前は、押すという意味のギリシャ語「piezein」に由来する。

2つのモードが存在する：

• 直接効果：機械的ストレスが材料を変形させ、内部の電荷を移動させ、材料の表面に電圧を発生させる。これにより物理的な力が電気信号に変わる。
• 逆効果：電界を印加すると、材料の形状がわずかに変化する。これにより、電気的入力が正確な機械的運動に変わる。

2.材料の種類

スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ(SAM)は、すべてのカテゴリーで製品を提供しています。

圧電結晶

規則的な原子構造を持つ単結晶。石英が最も一般的で、温度変化に対して安定した性能を発揮し、信号のドリフトを最小限に抑えます。ニオブ酸リチウムや タンタル酸リチウムは高周波用途に適しています。水晶は一般にセラミックより感度が低いが、長期安定性は優れている。

圧電セラミック

主にチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の多結晶材料は、工業用途で主流となっています。石英よりもはるかに高い感度を提供します。メーカーはPZTの組成を調整することで、感度や温度耐性といった特定の特性を強調することができます。環境に配慮した用途には、ニオブ酸カリウムナトリウム（KNN）のような鉛フリーの選択肢もあります。

圧電ポリマー

PVDFのような材料は柔軟性と強靭性を提供します。セラミックよりも感度は低いものの、音響特性は水や組織に匹敵します。そのため、医療用イメージングや水中音響システムに有用である。

3.主な用途

圧力センサー

エンジン、油圧システム、工業プロセスにおける急激な圧力変化を測定します。水晶は、何年にもわたって安定した校正を必要とする高温環境で最も効果的です。PZTは、制御された条件下で小さな力を検出するために最高の感度を提供します。

超音波デバイス

超音波トランスデューサは、音波の送信と受信の両方を行います。医療用イメージャ、工業用探傷器、流量計、ソナーシステムはすべて超音波トランスデューサに依存しています。材料の選択は、動作周波数と電力要件に依存します。

振動センサー

加速度計は、地震質量にかかる力を測定することにより、運動と振動を検出します。橋梁の健全性を監視します。機械の故障予測

自動車のエアバッグの作動航空宇宙部品の試験加速度ピックアップは、ゼロに近い周波数から数千ヘルツの周波数で動作します。

精密ポジショナー

その逆の効果は、ナノメートル精度の位置決めを可能にする。原子間力顕微鏡、チップ製造ツール、燃料噴射装置、プリンターヘッドなどは、スピードと精度のために圧電アクチュエーターを使用しています。

エネルギーハーベスタ

機械、乗り物、人の動きによる振動は、少量の電気を発生させます。バッテリー交換が現実的でないワイヤレスセンサーに電力を供給します。

4.材料選択ガイド

スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ(SAM)は、数十年にわたる供給経験に基づく技術サポートを提供しています。ご連絡の上、プロジェクトについてお聞かせください。

5.スタンフォード先端材料（SAM）製品ライン

SAMは、厳しい仕様に適合した圧電材料を世界中の研究所や産業界に供給しています。

水晶振動子

SAMはAT、BT、SC、カスタムカットの水晶を提供しています。各カットは異なる温度挙動を示します。用途としては、力検知、加速度測定、周波数制御など、安定性が最も重要な用途に適しています。[水晶製品を見る］

ニオブ酸リチウム

SAMのニオブ酸リチウムは、整合グレードと化学量論グレードがあります。128°Y-X、Y-36°、Xカット、Zカットなどのカットがあります。高いキュリー温度（1100℃以上）は、表面弾性波フィルターやオプトエレクトロニクス用途に適しています。

タンタル酸リチウム

ニオブ酸塩よりも優れた温度安定性により、SAMのタンタル酸塩は電気通信フィルターや赤外線検出器に選ばれています。42°Yカット、Xカット、および最大直径4インチの他の方向で入手可能です。[タンタル酸リチウム製品を見る］

PMN-PT単結晶

このリラクサー結晶は、1500pC/Nを超えるd₃₃値と0.90を超える結合係数を達成します。医療用超音波トランスデューサは帯域幅と感度が向上します。

アクチュエータはより大きな変位を実現します。エネルギーハーベスタは、より多くの電力を取り込みます。

PZTセラミック

SAMは、ハードPZTとソフトPZTの両方を提供しています。硬質PZTは、超音波洗浄機や溶接の高出力に対応します。

軟質PZTは、センサーに最高の感度を提供します。ディスク、プレート、チューブ、カスタム形状があります。

カスタムサービス

SAMは、お客様の仕様に合わせて結晶を成長させます。特定の方向が必要ですか？ドーピングレベル？寸法？電極パターン？技術チームが対応いたします。[カスタムサービスを見る］

参考文献

1. キュリー、J.およびキュリー、P. (1880)."Développement par l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées.".Bulletin de la Société Minéralogique de France, 3(4), pp.90-93.

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