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圧電効果(「科学・技術大百科事典<上>」)

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圧電効果(「科学・技術大百科事典<上>」)

圧電効果

媒質中での力学的・電気的な応力−ひずみ変数間の相互作用効果。水晶やロッシェル塩の 結晶を圧縮すると静電電圧が生じ、逆に、電場を印加すると結晶がある特定な方向に伸びたり、 縮んだりする。圧電気は対称心をもたない結晶族でのみ出現する。この効果は電場の強さに 関して線形であるという点で電気ひずみとは異なる。

引っぱりまたは圧縮によってひずみと平行しに生じる分極が示す方向は結晶の圧電軸と呼ばれる。 六方晶形をもつ水晶結晶の軸のうち、図1の矢印で示されたものは"X軸"として知られている。 また、この方向と垂直な面をもつようなカットは"Xカット"であり、結晶の側面と平行な面をもつ カットは"Yカット"である。

圧電分極の強さはひずみおよびそれに対応した応力と比例しており、その方向はひずみが圧縮が 圧縮から引っぱりへと変化した場合には逆になる。結晶の主圧電定数は圧電軸方向の単位ひずみ 当りの分極である。この定数はロッシェル塩の方が水晶よりもずっと大きいが、水晶の方が機械的 強度がずっと大きいので種々目的に使用されている。また、100℃以上の温度でも安定である。

水晶の平板を周波数の高い交流電場中に置くと、逆圧電効果のために交互に膨張・圧縮を繰り返す。 弾性体としては、その平板は電場方向にある特定の固有周波数で膨張・圧縮を繰り返し、電場が それと同一の周波数で変動する場合には、厳密な共振を起こす。このように圧電性によって 電気振動が増大する。この目的のために設計された回路は圧電発信器または水晶発信器として 知られている。図2にその回路図が示してあり、Pは水晶の結晶で圧電共振器の役割をしている。
Tは発振変換器、Cは可変コンデンサーである。この回路は無線送信機の周波数制御用に広く 使用されている。XカットおよびYカットの水晶平板はともに温度変化によって弾性率が 変化し、そのため周波数が変動する。しかし水晶には、XおよびYとは異なり、温度変化の ほとんどない面が存在するのが知られている。

天然水晶、ロッシェル塩、電気石のほかに、酒石酸エチレンジアミン(EDT)、酒石酸ジカリウム(DKT)、 リン酸二水素アンモニウム(ADP)などの人工結晶も、圧電素子として用いることができる。 ロッシェル塩は種々の結晶の中で一番大きな圧電効果をもつが、水晶よりも温度変化に敏感である という欠点をもつ。EDTは共振周波数と反共振周波数間のギャップが大きいので、周波数変調発振器 に使用する場合には水晶よりもすぐれている。


[参考文献]
「科学・技術大百科事典<上>」(大田次郎 通訳者代表) P.33(株式会社朝倉書店 1999年10月20日初版第1刷発行)
 
文・イオントレーディング店長 根本政春
(1996年 有限会社ユニバーサル企画入社)
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