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圧電効果の秘密を探る: 圧電材料は産業用途にどのように革命を起こすことができるでしょうか?
今日のテクノロジーの世界では、圧電センサーが徐々に出現しており、多くの産業用途で重要な要素となっています。このデバイスは、圧電効果を利用して圧力、加速度、温度、ひずみ、力の変化を測定し、それらを電荷に変換します。圧電効果を表す「ピエゾ」という言葉は、「押す」または「絞る」を意味するギリシャ語に由来しています。ただし、この技術の広範な応用は強力な科学的根拠に基づいています。
圧電センサーは多用途性を備えているため、さまざまな業界における品質保証、プロセス管理、研究開発にとって重要なツールとなっています。
圧電効果は 1780 年にジャック キュリーとピエール キュリーによって初めて発見されましたが、この効果が産業用センサーに広く使用され始めたのは 1950 年代になってからでした。時間が経つにつれて、この測定原理は成熟し、非常に信頼性が高いことが示されました。現在、このタイプのセンサーは、医療、航空宇宙、原子力計器、さらには家庭用電化製品の傾斜センサーや携帯電話のタッチ パネルの圧力センサーでも使用され、成功しています。
自動車産業では、内燃エンジンの燃焼プロセスを監視するために圧電コンポーネントが使用されており、これらのセンサーはシリンダー ヘッドの追加の穴に直接取り付けることも、点火装置に小型のピエゾセンサーを埋め込むこともできます。この技術の発展は主に、その固有の一連の利点に基づいています。まず、多くのピエゾ材料の高い弾性率は、106 N/m2 にも達します。
圧電センサーは圧縮に応答するメカトロニクス システムですが、その検出素子には実質的にたわみがなく、堅牢性と非常に高い固有振動数を備え、広い振幅範囲にわたって優れた性能を発揮します。
さらに、圧電技術は電磁場や放射線の影響を受けにくいため、過酷な環境でも測定を実行できます。これらの材料の一部、特にリン酸ガリウムやトルマリンは高温でも非常に安定しており、最大 1000°C の温度で動作します。同時に、トルマリンには圧電効果に加えて熱電効果もあります。これは、結晶の温度が変化すると電気信号を生成する可能性があることを意味します。
圧電センサーは産業界で使用されることが増えていますが、その大きな欠点の 1 つは、真の静的測定を実現できないことです。静力が圧電材料に加えられると、固定電荷が蓄積されますが、材料内の絶縁が不完全で内部抵抗が低下するため、信号はすぐに弱まります。ただし、これは、圧電センサーが非常に高速なプロセスでしか使用できないことや、環境条件下で動作することを意味するものではありません。
多くの圧電アプリケーションは準静的測定を生成でき、500°C を超える温度でも動作するものもあります。
さらに、圧電センサーは共振と静電容量を同時に測定して、空気中の匂いを識別することもできます。コンピュータ制御の電子機器の発展に伴い、圧電センサーの応用範囲は拡大し続けています。さらに興味深いのは、圧電技術の原理が自然界にも反映されていることです。たとえば、コラーゲン自体が圧電特性を持ち、生物学的力のセンサーであると考えられています。
圧電材料の主な動作原理
圧電材料の切断方法によって、横方向、縦方向、せん断という 3 つの主な動作モードが決まります。横方向の効果は、力が中立軸に沿って加えられると、電荷が力の方向に対して垂直に移動することです。一方、縦方向の効果は、加えられた電荷が加えられた力に比例し、その結果、負荷に関係なく一貫した電荷が得られることです。素材のサイズ。最後に、せん断効果により、やはりコンポーネントのサイズや形状とは無関係に、力に対して垂直な電荷が生成されます。
センサーの設計と素材
圧電技術は、物理量、特に圧力と加速度の測定によく使用されます。圧力センサーの設計には通常、特定の方向に圧力を加える膜と重い基盤が含まれていますが、加速度計は結晶要素に取り付けられた質量を使用して、ニュートンの運動法則によって及ぼされる力に対して要素をテストします。さらに、センサーは複数の物理量に敏感であることが多く、設計時に詳細な考慮が必要です。
現在、圧電センサー材料は主に、圧電セラミックス、単結晶材料、薄膜圧電材料の 3 つのカテゴリに分類されています。それぞれの材料は異なる特性を持ち、さまざまな用途シナリオに適しています。
PZT セラミックなどの圧電セラミックは、天然単結晶材料よりも 2 桁感度が高く、低コストの焼結プロセスで製造できます。ただし、このような材料の感度は時間の経過とともに、特に高温環境では低下します。リン酸ガリウムやトルマリンなどの天然単結晶材料は、適切な加工条件下で事実上無制限の長期安定性を示します。さらに、薄膜圧電材料は主にスパッタリングや化学気相成長などのさまざまな最新のプロセスを通じて製造されており、その利点は高周波と小型サイズが必要な用途に利用されています。
今日、技術が進歩し続けるにつれて、圧電効果をより効果的に利用して将来の産業応用を促進する方法は、熟考する価値のある問題となるでしょう。
