当社には圧電アプリケーションに適した特定の材料がありますが、そのプロセスは正確にどのように機能するのでしょうか?圧電効果による。このエフェクトの最もユニークな特徴は、2 つの方法で動作することです。同じ圧電材料に機械エネルギーまたは電気エネルギーを適用すると、逆の結果が得られます。
結晶に機械的エネルギーを与えることは直接圧電効果と呼ばれ、次のように作用します。
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圧電結晶は 2 枚の金属板の間に配置されます。この時点で、材料は完全にバランスが取れており、電流は流れません。
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次に、金属プレートによって機械的圧力が材料に加えられ、結晶内の電荷のバランスが崩れます。過剰なマイナスとプラスの電荷は結晶面の反対側に現れます。
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金属板はこれらの電荷を収集し、電圧を生成し、回路に電流を流すために使用できます。
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それだけです。単純に機械的圧力を加えて結晶を絞るだけで、突然電流が流れます。逆に、逆圧電効果として材料に電気信号を適用することもできます。それはこのように動作します：
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上の例と同じ状況で、2 枚の金属板の間に圧電結晶が配置されています。結晶の構造は完璧なバランスを保っています。
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次に、電気エネルギーが結晶に加えられ、結晶の構造が収縮および膨張します。
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結晶の構造が伸縮すると、受け取った電気エネルギーが変換され、機械エネルギーが音波の形で放出されます。
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逆圧電効果はさまざまな用途に使用されます。スピーカーを例に挙げると、圧電セラミックに電圧が印加され、材料が音波として空気を振動させます。
圧電の発見
圧電は、1880 年にフランスの科学者、ジャック キュリーとピエール キュリーの 2 人の兄弟によって初めて発見されました。彼らはさまざまな結晶を実験していたところ、石英などの特定の結晶に機械的圧力を加えると電荷が放出されることを発見しました。彼らはこれを圧電効果と呼びました。
次の 30 年間、圧電は主に実験室での実験とさらなる改良のために確保されました。圧電がソナーで実用化されたのは第一次世界大戦になってからでした。ソナーは、圧電送信機に電圧を接続することで機能します。これは逆圧電効果が作用しており、電気エネルギーを機械的な音波に変換します。
音波は物体に当たるまで水中を伝わります。その後、送信元受信機に戻ります。この受信機は、直接圧電効果を使用して音波を電圧に変換し、信号処理デバイスで処理できます。信号が発信されてから戻ってくるまでの時間を使用すると、水中での物体の距離を簡単に計算できます。
ソナーの成功により、圧電は軍の熱心な注目を集めました。第二次世界大戦では、米国、ロシア、日本の研究者が強誘電体と呼ばれる新しい人工圧電材料の作製に取り組み、この技術はさらに進歩しました。この研究により、天然水晶と並んで使用される 2 つの人工材料、チタン酸バリウムとチタン酸ジルコン酸鉛が誕生しました。
圧電の今日
今日のエレクトロニクスの世界では、圧電があらゆるところで使用されています。Google に新しいレストランへの道順を尋ねるには、マイクの圧電を使用します。東京には、人間の足音の力を利用して地中の圧電構造に電力を供給する地下鉄もあります。圧電は次の電子アプリケーションで使用されています。
アクチュエーター
アクチュエーターは圧電を使用して、編み物や点字機械、ビデオ カメラ、スマートフォンなどのデバイスに電力を供給します。このシステムでは、金属プレートとアクチュエーター デバイスが圧電材料を挟み込んでいます。次に、圧電材料に電圧が印加され、圧電材料が伸縮します。この動きによりアクチュエータも動きます。
スピーカーとブザー
スピーカーは圧電を使用して、目覚まし時計や高品質のオーディオ機能を必要とするその他の小型機械デバイスなどのデバイスに電力を供給します。これらのシステムは、オーディオ電圧信号を音波としての機械エネルギーに変換することにより、逆圧電効果を利用します。
運転手
ドライバーは、低電圧バッテリーをより高い電圧に変換し、その電圧を使用してピエゾ デバイスを駆動できます。この増幅プロセスは、より小さな正弦波を出力する発振器から始まります。これらの正弦波はピエゾアンプで増幅されます。
センサー
センサーは、マイク、アンプ付きギター、医療用画像機器など、さまざまな用途に使用されています。これらのデバイスでは圧電マイクを使用して音波の圧力変化を検出し、処理のために電気信号に変換できます。
力
圧電の最も単純な用途の 1 つは、電気タバコ ライターです。ライターのボタンを押すと、バネ仕掛けのハンマーが圧電結晶に向かって発射されます。これにより、スパークギャップを横切る電流が発生し、ガスが加熱され、点火されます。これと同じ圧電電源システムが、大型のガスバーナーやオーブンレンジで使用されています。
モーター
圧電結晶は、モーターの動きなど、正確な精度が必要な用途に最適です。これらのデバイスでは、圧電材料が電気信号を受け取り、それが機械エネルギーに変換されてセラミック プレートを強制的に動かします。
圧電と未来
圧電の将来はどうなるでしょうか?可能性はたくさんあります。発明者らが検討している一般的なアイデアの 1 つは、エネルギーハーベスティングに圧電を使用することです。スマートフォンに圧電デバイスが組み込まれており、体の単純な動きによって作動して充電を維持できることを想像してください。
もう少し大きく考えると、高速道路の舗装の下に圧電システムを埋め込み、走行中の車の車輪によって作動させることもできます。このエネルギーは、信号灯やその他の近くの機器の照明に使用できます。これに電気自動車が行き交う道路を組み合わせると、正味でプラスのエネルギー状況に陥るでしょう。
