圧あつ電でん効果こうか

圧あつ電でん素子そしが変形へんけいされた場合ばあい、電圧でんあつが発生はっせいする

圧あつ電でん効果こうか（あつでんこうか 英えい: piezoelectric effect）とは、物質ぶっしつ（特とくに水晶すいしょうや特定とくていのセラミックス）に圧力あつりょく（力ちから）を加くわえると、圧力あつりょくに比例ひれいした分極ぶんきょく（表面ひょうめん電荷でんか）が現あらわれる現象げんしょう。また、逆ぎゃくに電界でんかいを印加いんかすると物質ぶっしつが変形へんけいする現象げんしょうは逆ぎゃく圧あつ電でん効果こうかと言いう。なお、これらの現象げんしょうをまとめて圧あつ電でん効果こうかと呼よぶ場合ばあいもある。これらの現象げんしょうを示しめす物質ぶっしつは圧あつ電でん体からだと呼よばれ、ライターやガスコンロの点火てんか、ソナー、スピーカー等とうに圧あつ電でん素子そしとして幅広はばひろく用もちいられている。圧あつ電でん体たいは誘電ゆうでん体たいの一種いっしゅである。

アクチュエータに用もちいた場合ばあい、発生はっせい力りょくは比較的ひかくてき大おおきいが、変位へんいが小ちいさくドリフトが大おおきい。また、駆動くどう電圧でんあつも高たかい。STMやAFMのプローブまたは試料しりょうの制御せいぎょなどナノメートルオーダーの高こう精度せいどな位置決いちぎめに用もちいられることが多おおい。

なお、piezoelectricity は圧あつ電気でんきのほかピエゾ電気でんきとも訳やくされ、「圧搾あっさくする」、または「押おす（press）」を意味いみする古代こだいギリシア語ご: πιέζω(piézō)からハンケルにより名付なづけられた。

歴史れきし

発見はっけんと初期しょきの研究けんきゅう

焦こげ電でん効果こうか (pyroelectric effect)とは、物質ぶっしつが温度おんど変化へんかに応おうじて電気でんき的てきポテンシャルを生しょうずることで、18世紀せいきの中なかごろ、カール・フォン・リンネとフランツ・エピヌスにより研究けんきゅうされた。この知見ちけんから、ルネ＝ジュスト・アユイとアントワーヌ・セザール・ベクレルの2人ふたりは、機械きかい的てき応力おうりょくと電気でんき的てき変化へんかの関係かんけいを仮定かていしたが、それらの実験じっけんからは、満足まんぞくいくものが得えられなかった。

圧あつ電でん効果こうかの最初さいしょの公開こうかい実験じっけんは、1880年ねん、ピエール・キュリーとジャック・キュリー兄弟きょうだいにより行おこなわれた。彼かれらは、結晶けっしょう構造こうぞう体たいでは、焦こげ電でん性せいが上あがるという基礎きそ的てきな理解りかいと焦こげ電でん効果こうかの知見ちけんを結むすびつけ、結晶けっしょう体たいの挙動きょどうを予言よげんし、トルマリン、石英せきえい、トパーズ、蔗糖しょとう、ロッシェル塩しお (KNaC₄H₄O₆·4H₂O)といった結晶けっしょう体たいを用もちいて、応力おうりょくにより電気でんき分極ぶんきょくを生しょうずる圧あつ電でん効果こうかを論証ろんしょうした。石英せきえいとロッシェル塩しおは、最もっとも顕著けんちょにこの効果こうかを示しめした。

しかし、キュリー兄弟きょうだいは、逆ぎゃく圧あつ電でん効果こうかを予言よげんしなかった。1881年ねんガブリエル・リップマンは、この逆ぎゃくの効果こうかを基礎きそ的てきな熱ねつ力学りきがく原理げんりより数学すうがく的てきに導みちびいた。キュリー兄弟きょうだいは、直ただちにこの効果こうかがあるだろうと確信かくしんし、圧あつ電でん性せい結晶けっしょう体たいで電気でんき－弾性だんせい－機械きかい的てき変形へんけいの完全かんぜん可逆かぎゃく性せいの定量ていりょう的てき証拠しょうこを得えようと実験じっけんを続つづけた。

次つぎの10年ねんほどは、圧あつ電でん効果こうかは、実験じっけん室しつ的てきな関心かんしんといったところに留とどまっていた。1910年ねん、圧あつ電でん性せいを持もつ20種類しゅるいの結晶けっしょうの記述きじゅつやテンソル解析かいせきを用もちいた圧あつ電気でんき定数ていすうの厳密げんみつな定義ていぎをしたウォルデマール・ボイツの「結晶けっしょう物理ぶつり学がくのテキスト」をもって、次つぎの展開てんかいを迎むかえた。

第だい一いち次じ世界せかい大戦たいせんとその後ご

最初さいしょの実用じつよう的てきな圧あつ電でん効果こうかの応用おうようはソナーで、第だい一いち次じ世界せかい大戦たいせん中なか初はじめて開発かいはつされた。フランスで1917年ねんにポール・ランジュバンとその同僚どうりょうが超ちょう音波おんぱを用もちいた潜水艦せんすいかん探知たんち機きを開発かいはつした。その探知たんち機きは、2つの鋼鉄こうてつ製せい平板へいばんに注意深ちゅういぶかく接着せっちゃくした薄うすい石英せきえい結晶けっしょうを用もちいた変換へんかん器き（トランスデューサ）と反射はんしゃ波はを探知たんちする水中すいちゅう聴音ちょうおん器き（ハイドロホン）よりなり、変換へんかん器きから高周波こうしゅうはのチーチー音おん（チャープ）を放出ほうしゅつし、対象たいしょう物ぶつからはねだす音波おんぱの反射はんしゃ音おんを検出けんしゅつするまでにかかる時間じかんを測定そくていすることで、その対象たいしょう物ぶつまでの距離きょりを計算けいさんする。

ソナーに圧あつ電でん効果こうかを用もちい、そのプロジェクトが成功せいこうしたことで、圧あつ電でん素子そしの開発かいはつに強つよい関心かんしんを引ひき起おこした。次つぎの十じゅう年ねん以上いじょうにもわたり、新あたらしい圧あつ電でん素子そしとそれらを使つかった新あたらしい応用おうようは、探求たんきゅうされ開発かいはつされた。

圧あつ電でん素子そしは、多おおくの分野ぶんやで組くみ込こまれている。プレイヤーの設計せっけいを容易よういにしたセラミック音響おんきょうカートリッジは、安価あんかで精巧せいこうであり、レコードプレイヤーを安価あんかで維持いじでき、かつ組くみ立たてるのを容易よういにした。超ちょう音波おんぱ変換へんかん器きの開発かいはつは、固体こたい分野ぶんやで粘ねば弾性だんせいの測定そくていを容易よういにし、材料ざいりょう研究けんきゅうに非常ひじょうな進歩しんぽをもたらした。超ちょう音波おんぱ時間じかん領域りょういき反射はんしゃ測定そくてい器き（材料ざいりょうに超ちょう音波おんぱパルスを送おくり、切きれ目めからの反射はんしゃ波はを測定そくていする）は、鋳造ちゅうぞう金属きんぞくや石いしでできた物ものの中なかにある割われを発見はっけんでき、構造こうぞう物ぶつの安全あんぜん性せいを向上こうじょうさせた。

第だい二に次じ世界せかい大戦たいせんとその後ご

第だい二に次じ世界せかい大戦たいせん中なか、アメリカ、ロシア、日本にっぽんの独立どくりつした研究けんきゅうグループは、強つよ誘電ゆうでん体たいと呼よばれる天然てんねん物ぶつの数すう段だん高たかい圧あつ電気でんき定数ていすうを示しめす新あたらしい種類しゅるいの人工じんこう素子そしを発見はっけんした。特定とくていの応用おうようで特異とくい的てきな特性とくせいを持もったチタン酸さんバリウムとその後ご、チタン酸さんジルコン酸さん鉛なまりの研究けんきゅう開発かいはつを熱心ねっしんに行いった。

アメリカにおける圧あつ電でん素子そしの開発かいはつは、ほぼこの分野ぶんやでの戦時せんじの初はじめによるものと特許とっきょ利益りえき獲得かくとくの関心かんしんにより開発かいはつする企業きぎょう内ないで行おこなわれた。新しん素子そしは、石英せきえい結晶けっしょう体たいで、これが最初さいしょに商業しょうぎょう的てきに開発かいはつされた圧あつ電でん素子そしであり、科学かがく者しゃはさらに高性能こうせいのうの素子そしを探さがした。素子そしが進歩しんぽし、生産せいさん工程こうていが成熟せいじゅくしたにもかかわらず、アメリカの市場いちばはすぐには成長せいちょうしなかった。多おおくの新あたらしい応用おうようがなく、アメリカの圧あつ電でん素子そし産業さんぎょうの成長せいちょうは苦くるしんだ。

それとは対照たいしょう的てきに、日本にっぽんの製造せいぞう業者ぎょうしゃらは、情報じょうほうを交換こうかんし、直ただちに技術ぎじゅつ上じょう・製造せいぞう上じょうの挑戦ちょうせんを克服こくふくし、新あたらしい市場いちばを作つくり出だした。日本にっぽんの素子そしを探さがす努力どりょくは、アメリカの素子そしに競合きょうごうする圧あつ電でん素子そしを作つくり出だしたが、高価こうかな特許とっきょ料りょうの制約せいやくがあった。

主おもな日本にっぽんの圧あつ電でん素子そしの開発かいはつは、ラジオ・テレビで使つかわれる圧あつ電でんフィルター、直接ちょくせつ電気でんき回路かいろに組くみ込こむことの出来できる圧あつ電でんブザーとオーディオ変換へんかん器きとセラミック製せい円えん板ばんを押おすことによって小ちいさなエンジン点火てんか系けい（とガスグリル・ライター）に火花ひばなを生うみ出だす圧あつ電でん点火てんか装置そうちの新あたらしい設計せっけいを含ふくんでいる。空気くうき中ちゅうに音波おんぱを送おくる超ちょう音波おんぱ変換へんかん器きは、元々もともとあったが、最初さいしょに商業しょうぎょう的てきに使つかわれたのは、テレビリモコンであった。現在げんざいこれらの変換へんかん器きは、音響おんきょう反射はんしゃ装置そうちとしていくつかの車くるまに搭載とうさいされ、運転うんてん手しゅが車くるま後部こうぶとその後うしろにある対象たいしょう物ぶつとの距離きょりを測定そくていする手助てだすけとなっている。

動作どうさ原理げんり

圧あつ電でん効果こうかは、ある物質ぶっしつ（特とくに水晶すいしょうや特定とくていのセラミックス）が機械きかい的てき応力おうりょくの応答おうとうとして生しょうずる電気でんき的てきポテンシャルである。ピエゾ電気でんきは、結晶けっしょう格子こうしを通とおる電気でんき的てき変化へんかの分離ぶんりとして生しょうずると考かんがえられている。物質ぶっしつが（電気でんき的てきに）ショートしていないならば、かかる変化へんかは、物質ぶっしつを通とおる電圧でんあつを誘導ゆうどうする。

圧あつ電でん性せいの結晶けっしょう内ないでは正せいと負まけの電荷でんかが分離ぶんりしている。しかし、対称たいしょう性せいが広範囲こうはんいに及およんでいるため、結晶けっしょう全体ぜんたいでは電気でんき的てきに中性ちゅうせいである。これら各々おのおののサイトは、電気でんき的てきに双極そうきょくを形成けいせいし、近ちかくの双極そうきょくは、ワイス・ドメインという領域りょういきでお互たがいに一直線いっちょくせんに並ならぶ傾向けいこうがある。ドメインは通常つうじょう不規則ふきそくに方向ほうこうを定さだめているが、強つよい電場でんじょうを材料ざいりょうを横切よこぎって、通常つうじょう温度おんど上昇じょうしょうを伴ともない、かけるという工程こうてい、すなわちポーリング（磁気じきポーリングとは別べつ）の間あいだは一直線いっちょくせんに並ならびうる。

機械きかい的てき応力おうりょくをかけると、この対称たいしょう性せいは広範囲こうはんいに及および、電荷でんかの非対称ひたいしょう性せいが材料ざいりょうを横切よこぎる電圧でんあつを生うむ。例たとえば、1cm片へんの石英せきえい立方体りっぽうたいに正確せいかくに２kN（500lbf）の荷重かじゅうをかけると12,500Vの電圧でんあつが生しょうずる。

ピエゾ電気でんき物質ぶっしつはまた、電場でんじょうをかけると結晶けっしょうに機械きかい的てき変形へんけいを引ひき起おこす、逆ぎゃくのピエゾ電気でんき効果こうかと呼よばれる正せい反対はんたいの効果こうかを示しめす。

圧あつ電でん基本きほん式しき

圧あつ電でん効果こうかは圧あつ電でん基本きほん式しきと呼よばれる二元にげん連立れんりつ方程式ほうていしきで記述きじゅつされる。独立どくりつ変数へんすうにどの物理ぶつり量りょうを取とるかによって四よん種類しゅるいの形式けいしきをとる。ひずみを$\mathbf {S}$（単位たんいなし）、電でん束たば密度みつどを$\mathbf {D}$（C/m²）とすると、圧あつ電でん基本きほん式しきは応力おうりょく$T$（N/m²）および電場でんじょう$E$（V/m）を独立どくりつ変数へんすうとして次つぎのように示しめされる（d形式けいしきという）。

• $\mathbf {S} =s^{E}T+d^{t}E$
• $\mathbf {D} =dT+\varepsilon ^{T}E$

ここで、$s^{E}$: 弾性だんせいコンプライアンス定数ていすう（m²/N）、$\varepsilon ^{T}$: 誘電ゆうでん率りつ（F/m）であり、右肩みぎかたの記号きごうはその物理ぶつり量りょうが一定いっていの条件下じょうけんかの値ねであることを示しめす。また、$d^{t}$および$d$は圧あつ電でん定数ていすうと呼よばれ、機械きかい的てき効果こうかと電気でんき的てき効果こうかを結むすびつける係数けいすうである。$d^{t}$の単位たんいはm/Vであり、$d$の単位たんいはC/Nである。圧あつ電でん定数ていすう$d^{t}$および$d$が0であるならば、

• $\mathbf {S} =s^{E}T$　（フックの法則ほうそく）
• $\mathbf {D} =\varepsilon ^{T}E$

となり機械きかい的てきおよび電気でんき的てき現象げんしょうそれぞれのみの場合ばあいの記述きじゅつとなる。電気でんき系けいの物理ぶつり量りょうがベクトル（1階かいのテンソル）、機械きかい系けいの物理ぶつり量りょうが2階かいのテンソルで記述きじゅつされるので、これらを結むすぶ圧あつ電でん定数ていすうは3階かいのテンソルで表あらわされる。すなわち27個この独立どくりつした成分せいぶんを持もつことになるが、せん断だん応力おうりょく（およびせん断だんひずみ）の独立どくりつ成分せいぶんは3個こであり（応力おうりょくの項こうを参照さんしょう）、また結晶けっしょうには対称たいしょう性せいが存在そんざいするので、実際じっさいには圧あつ電でん定数ていすうの独立どくりつ成分せいぶんはずっと少すくなくなる。

結晶けっしょうの種類しゅるい

空間くうかん的てきに分離ぶんりされた電荷でんかは電界でんかいと電位でんいを発生はっせいする。ここではコンデンサーの一般いっぱん的てきな誘電ゆうでん体たいを示しめしている。圧あつ電でん素子そしに対たいして、外部がいぶから電圧でんあつを印加いんかする代かわりに機械きかい的てきな圧力あつりょくを加くわえると、圧あつ電でん体内たいないの個々ここの原子げんしで電荷でんかの分離ぶんりが発生はっせいする。

32個この結晶けっしょう点てん群ぐんのうち、21個いっこは非ひ中心ちゅうしん対称たいしょう（対称たいしょうの中心ちゅうしんを持もたない）であり、そのうち20個こは、直じきの圧あつ電でん効果こうかを示しめす（21番目ばんめは立方りっぽう晶あきら種しゅ432である）。このうちの10個こは単位たんいセルに両極りょうきょくを持もち、極性きょくせいがあり（例たとえば、自発じはつ的てきに分極ぶんきょくする）、圧あつ電でん効果こうかを示しめす。もしこの双極そうきょく子こに逆ぎゃくに電場でんじょうをかけたならば、この物質ぶっしつは強つよ誘電ゆうでん体たいと呼よばれる。

• 圧あつ電でん結晶けっしょう体たいの種類しゅるい：1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m
• 焦こげ電でん体たい：1, 2, m, mm2, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm

主おもな圧あつ電でん体からだ材料ざいりょう

天然てんねん・人工じんこうともに多おおくの材料ざいりょうは、圧あつ電でん効果こうかを示しめす。以下いかに主おもなものを列挙れっきょする。

天然てんねん結晶けっしょう

• ベルリナイト（燐酸りんさんアルミニウム：AlPO₄） … 希少きしょうなリン酸さん塩しお鉱物こうぶつで、構造こうぞう的てきには石英せきえいに等ひとしい。
• 蔗糖しょとう
• 石英せきえい（水晶すいしょう）（SiO₂）
• ロッシェル塩しお（酒石酸しゅせきさんカリウム-ナトリウム）（KNaC₄H₄O₆）
• トパーズ（黄玉おうぎょく、ケイ酸けいさん塩しお）（Al₂SiO₄(F,OH)₂）
• 電気でんき石せき（トルマリン）グループ鉱物こうぶつ

その他たの天然てんねん物ぶつ

• 骨ほね … 乾燥かんそうした骨ほねは、いくらかのピエゾ電気でんき特性とくせいを示しめす。深田ふかた栄一えいいちによる研究けんきゅうは、アパタイト結晶けっしょう（中心ちゅうしん対称たいしょうであり、非ひ圧あつ電でん性せいとなる）が要因よういんではなく、コラーゲンにより圧あつ電でん特性とくせいがあることを示しめした。

圧あつ電でん効果こうかは、生物せいぶつ学がく上じょうの力ちからセンサーの役割やくわりをしていると考かんがえられている。

• 腱けん
• 絹きぬ
• 木材もくざい
• エナメル
• 象牙ぞうげ質しつ
• DNA

人工じんこう結晶けっしょう

• オルト（正ただし）燐酸りんさんガリウム（GaPO₄） … 石英せきえい類似るいじ結晶けっしょう
• ランガサイト（La₃Ga₅SiO₁₄） … 石英せきえい類似るいじ結晶けっしょう

人工じんこうセラミックス

ペロフスカイト（ペロブスカイトとも呼よばれている。perovskite チタン酸さんカルシウム：CaTiO₃）やタングステン-青銅せいどう構造こうぞうを持もつセラミックスの一群いちぐんは、圧あつ電でん効果こうかを示しめす。

• チタン酸さんバリウム（BaTiO₃） … チタン酸さんバリウムは、最初さいしょに発見はっけんされた圧あつ電でんセラミックスである。
• チタン酸さん鉛なまり（PbTiO₃）
• チタン酸さんジルコン酸さん鉛なまり（ジルコニウム酸さん-チタン酸さん鉛なまり）（Pb[ZrxTi1-x]O₃ 0<x<1　混こん晶あきら） … 一般いっぱん的てきには、PZTとして知しられている。PZTは今日きょう使つかわれている最もっとも一般いっぱん的てきな圧あつ電でんセラミックスである。
• ニオブ酸さんカリウム（KNbO₃）
• ニオブ酸さんリチウム（LiNbO₃）
• タンタル酸さんリチウム（LiTaO₃）
• タングステン酸さんナトリウム（Na_XWO₃）
• 酸化さんか亜鉛あえん（ZnO、Zn₂O₃）
• Ba₂NaNb₅O₅
• Pb₂KNb₅O₁₅
• リチウムテトラボレート（Li₂B₄O₇）

鉛なまりフリー圧あつ電でんセラミックス

近年きんねん、RoHS指令しれいによって鉛なまりを含ふくんでいる物質ぶっしつの毒性どくせいに関かんして関心かんしんが高たかまっている。この問題もんだいに取とり組くむため、無鉛むえんの圧あつ電材でんざい料りょうが再さい開発かいはつされた。

• ニオブ酸さんナトリウムカリウム（(K,Na)NbO₃） … 2004年ねんに、齋藤さいとう康善やすよしが率ひきいる豊田とよだ中央ちゅうおう研究所けんきゅうじょの研究けんきゅうグループによって、高たかい$T_{C}$を有ゆうするPZTに近ちかい特性とくせいを備そなえたニオブ酸さんナトリウムカリウムが発見はっけんされた。
• ビスマスフェライト（BiFeO₃）は鉛なまりフリーセラミックスの置おき換かえの有望ゆうぼうな候補こうほである。
• ニオブ酸さんナトリウム（NaNbO₃）
• チタン酸さんビスマス（Bi₄Ti₃O₁₂）
• チタン酸さんビスマスナトリウム（Na_0.5Bi_0.5TiO₃）

現在げんざいのところ、これらの物質ぶっしつの環境かんきょうに対たいする影響えいきょうや安定あんてい供給きょうきゅうも確認かくにんされていない。

ポリマー

• ポリフッ化かビニリデン（1,1-2フッ化かエタン重合じゅうごう体たい、PVDF） … PVDFは、石英せきえいより数すう段だん高たかい圧あつ電でん性せいを示しめす。材料ざいりょうの結晶けっしょう構造こうぞうが圧あつ電でん効果こうかを生うみ出だすセラミックスとは違ちがい、ポリマー内ないでは、電界でんかいがあると相互そうごに曲まがりくねった長ちょう鎖くさり分子ぶんしがくっ付ついたり、引ひき離はなれたりする。

その他たの人工じんこう物ぶつ

• 窒化アルミニウム（AlN）
• リン酸さんガリウム（GaPO₄）
• ガリウム砒素ひそ（GaAs）

応用おうよう分野ぶんや

この圧あつ電でん効果こうかは、正せい圧あつ電でん効果こうかの有ある物質ぶっしつ（応力おうりょくを加くわえた時とき、電気でんきを生しょうずる）はまた、逆ぎゃく圧あつ電でん効果こうか（電場でんじょうが有あれば、縮ちぢんだり、伸のびたりする。この場合ばあい電場でんじょうのかけ方かたにより、一方向いちほうこうのみ、または双方向そうほうこうの場合ばあいがある）が有あるであろうと可逆かぎゃく的てきに考かんがえられている。例たとえば、鉛なまり・ジルコニア・チタン水晶すいしょうでは、元もとの長ながさの最大さいだい0.1%形状けいじょうが変かわるであろう。この効果こうかは、音おと、高こう電圧でんあつの発生はっせい、電気でんき周波数しゅうはすうの発生はっせい、マイクロバランスや光学こうがく機器ききの超ちょう微ほろ調整ちょうせい焦点しょうてん合あわせなど、検出けんしゅつや製造せいぞうに応用おうようされている。また、原子げんし解かい像ぞうや顕微けんび探査たんさスキャニング（STM, AFM, MTA, SNOMなど）といった多おおくの科学かがく計測けいそく技術ぎじゅつの拠よりどころともなっている。

その他たにも圧あつ電でん効果こうかによる摩擦まさつ軽減けいげん特性とくせいも報告ほうこくされている。これは結晶けっしょう配向はいこうを正確せいかくに制御せいぎょした酸化さんか亜鉛あえんをコーティングしたもので大気たいき・真空しんくう・油あぶら中ちゅうで摩擦まさつを軽減けいげんする。特とくに極性きょくせい分子ぶんしが介在かいざいしない油あぶら中ちゅうにおいては圧あつ電でん効果こうかによる反発はんぱつ力りょくで荷重かじゅうが増加ぞうかするにつれ摩擦まさつ抵抗ていこうが低下ていかするという実験じっけん結果けっかが出でており、今後こんごは油あぶら・真空しんくう環境かんきょう下かでの応用おうようが期待きたいされる。

関連かんれん項目こうもく

• 誘電ゆうでん体たい
• 圧あつ電でん素子そし
• 受動じゅどう素子そし
• 圧あつ抵抗ていこう効果こうか
• 水晶すいしょう振動しんどう子こ

外部がいぶリンク

• 圧あつ電でん・誘電ゆうでんセラミックス用語ようご解説かいせつ