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圧電効果について(事(辞)典等での解説)

Index

圧電効果(「物性科学事典」)

圧電効果

物質の特定の方向に力を加えるとき、応力に比例した電気分極が発生する現象 (正圧電効果)。および、物質に電場を印加するとき、電場に比例したひずみを 生じる現象。(逆圧電効果)

圧電性を示す材料には数多くの結晶があり、また、圧電性高分子が重要である。 後者では電気双極子をもつ分子が物質の全体または一部を構成し、それら電気双極子 が一軸性配向をしている場合、あるいは十分に強い外部電場で向きをそろえた(ポーリング) 場合に見られる。いずれも電気エネルギー⇔機械的エネルギーの変換、フィルター、周波数標準 などに広く応用されている(→圧電素子)。

すべての結晶はその点群対象性で32の晶群に分類できるが、これらのうちで対象中心点 (反転対称点)をもつ11晶群は圧電効果をもたない。残り21のうちで極性をもつ10晶群は すべて圧電性を示し、また、極性をもたない11の晶群では立方点群-432を除いて圧電性を 示す。

なお、上記の極性をもつ結晶はすべて焦電性も示す。焦電性とは、結晶の温度を変化させたときに 電気分極が現れる性質である。

系の熱力学状態を記述するのに、応力σ、ひずみγ、電場Eおよび分極Pの4変数の うち2つを独立変数として選ぶ。圧電効果は前記のように一次効果であるから、分極の3成分 (P1、P2、P3)、ひずみテンソルの6成分 (γ1、γ2、γ3は圧縮ひずみ、γ4、γ5、γ6 はせん断ひずみ)は、応力テンソルの6成分 (σ1、σ2、σ3は圧縮応力、γ4、γ5、γ6 はせん断応力)、電場の3成分(E1、E2、E3)および18の 圧電定数dij(i=1,2,3, j=1,2,・・・,6)で
と記述できる。また、圧電定数の逆行列eijを用いて
と記述できる。dijとeijとは電場一定での弾性テンソルcij Eを用いて
と記述できる。なお、これら18の係数は結晶の対象性が高くなるにつれて、値が0になる成分が増す。 例えば立方晶系ではd14、d25 、d36のみが必要でほかは0になる。

典型的な圧電単結晶の水晶ではd11=2.31pm/V、d14=0.727pm/V、 またLiNbO3ではd33=6pm/Vである。セラミックスの形で用いる ジルコン酸チタン酸鉛(PZT-4)ではd=289pm/Vと大きい。高分子材料では、ポリフッ化ビニリデン (PVDF)がdijの平均値d=18pm/Vである。また、特に100MHz帯以上の高周波領域で 多用されている薄膜トランデューサーZnOではd=10.6pm/Vである。

前述の極性をもつ結晶では、キュリー温度Tc以下で自発分極が存在する。このような物質を 強誘電体という。ただし、表面に現れる電荷によるエネルギー増加を減らすためにドメインができて、 試料全体としては分極ができないことが多い。これは強磁性体で磁区が出来る事情と全く類似している。

強誘電性をミクロな立場から説明する一例として、BaTiO3を考える。この物質の キュリー温度は380Kで、これより低温側では図に示すように結晶構造が1つの[100]方向に伸び、 特にTiイオンが立方体の中心からずれた位置にある。このTiイオンの変位が結晶全体の 分極となって現れるのである。これはTiイオンのポテンシャルが2つの極小を持つと理解してもよい。

図 BaTiO3結晶の単位胞を上から見た図
Baイオンは図の上方へ6pm、Tiイオンは同じく上方へ12pm、Oイオンは下方へ3pmずれていることを示す。

キュリー温度以上では強誘電性は消失して常誘電相となる。常誘電相での誘電率εはキュリー則
ε=A/(T-Tc
に従うことが多い。ここでAは定数、Tは物質の温度(絶対温度目盛)である。(生嶋明)


[参考文献]
「物性科学事典」(東京大学物性研究所) P.17〜P.18(東京書籍株式会社 1996年2月29日第一刷発行)

圧電効果(「岩波化学 理化学辞典 第5版」)

圧電効果

ピエゾ効果ともいう。イオン結晶が外力による応力に対応して誘電分極を生ずる現象(1次圧電効果)。 キュリー,J.およびキュリー,Pが1880年電気石で発見し、後に逆圧電効果(2次圧電効果)も実証した。 後者は、結晶体に電場(ベクトル)をかけるとひずみ(2階のテンソル)を生ずる電気ひずみのことで、 リップマンが熱力学からその存在を予測していたものである。圧電気は結晶のひずみによってイオンの 相対的位置が変化するために起こると考えられ、32の結晶群のうち20種がこの現象を示す。誘電分極と 応力との関係は圧電率であらわされる。電気振動と力学振動の相互変換に利用される。


[参考文献]
「岩波化学 理化学辞典 第5版」(長倉三郎 井口洋夫 江沢洋 岩村秀 佐藤文隆 久保亮五) P.21(株式会社岩波書店 1998年2月20日第5版第1刷発行)

圧電気(「物理学辞典」)

圧電気

ある種の結晶に、特定の方向に力を加えると応力に比例した電気分極が 発生し、一対の結晶表面に正負の電荷が生じる。この現象を圧電気、圧電効果 または正圧電効果という。このような結晶に電場をかけると電場に比例した ひずみが生じる。これを逆圧電効果とよぶ。歴史的には圧電効果は電気石について、 J. Curie、P. Curie兄弟により1880年に発見された。結晶が圧電効果を示すか否かは 結晶の点群対象性によって決り、32の晶族のうち圧電効果を示すものは20晶族である。 それらは、(1)焦電性(→焦電気)を示す10の晶族、すなわち、三斜晶系:C1、 単斜晶系:Cs、C2、斜方晶系:C2v、正方晶系:C4、 C4v、三方晶系:C3、C3v、六方晶系:C6、C6v と、(2)そのほか10の晶族、すなわち、斜方晶系:D2、正方晶系:D4、D2d、S4、 三方晶系:D3、六方晶系:D6、C3h、C3h、 立方晶系:T、Tdである。分極(または電場)と応力(またはひずみ)の間の比例関係を 表す係数を圧電率という。分極ベクトルの成分をPi(i=1,2,3)、応力テンソルの成分を σi(i=1,・・・,6)とするとき、Pi=Σdijσjとなり、 dijが圧電率である。圧電率テンソルは3階のテンソルであり18個の成分をもつが、 結晶の対称性が高くなるに従い0でない成分の数は減少する。たとえば立方晶系のT、Td では、dijのうち、d14=d25=d36のみが有限で、 他はすべて0である。圧電性の物質としては、ロッシェル塩(KNaC4H4O6・4H2O、 室温でd14≒7X10-10C・N-1)、KDP(KH2PO4、室温でd36≒2X10-11C・N-1)、 チタン酸バリウム(BaTiO3、セラミックスの場合に室温で、d15≒4X10-10C・N-1)、などがある。 圧電効果、逆圧電効果は機械的変位と電気信号との相互変換に利用され、トランスデューサー、 マイクロホン、ピックアップなどに用いられる。圧電率の測定方法としては、結晶に静的な応力を 加えたとき発生する電荷を電位計で測定するような、いわゆる静的な方法も用いられるが、現在最も 精度が高いとされているのは共振法(→圧電気振動)である。

閃亜鉛鉱型構造のZnSやウルツ鉱型構造のCdSなどの半導体では、圧電効果はその半導性に大きな影響を 与える。たとえば、弾性的ひずみが電気分極を伴うため、半導体中の電子は音響型格子振動とも 長距離型の電気的相互作用をする。これは通常の半導体における短距離型の変形ポテンシャルによる 相互作用と比べると、高温になるほどその効果が相対的に大きくなってくる。(圧電型相互作用による 電子の移動度は絶対温度Tの−1/2乗に比例、変形ポテンシャルによる電子の移動度はTの-3/2乗に比例)。

圧電効果は限られた晶族に属する結晶において認められる現象であるが、微結晶と非晶域が混在するよう な高分子固体においてもその存在が確認された。高分子固体における圧電効果には 次の二種類がある。(1)力を加えたときの電気分極の変位と巨視的な力学変位とに差があることに 由来するもの(結晶構造に由来する本来の圧電性)。(2)高分子固体中(結晶域あるいは非晶域) に不均一な電荷分布(自発分極あるいは真電荷)が存在することによるもの。(1)の例としては セルロースやその誘導体の配向結晶、合成ポリペプチドの配向結晶、コラーゲンなどのタンパク質 などが知られており、生体組織の電気現象との関連で詳しく研究されている。(2)の例では ポリフッ化ビニリデンのβ型配向結晶を含むフィルムを高電場でポーリングし自発分極を形成させた エレクトレットがよく知られている。これは大きな圧電率をもつ大面積の薄膜という特性を 利用して、マイクロホンや超音波センサーなどへ応用されている。高分子固体は粘弾性体であるので 圧電率は一般に複素量となって振動応力の周波数に対する依存性を持ち、圧電緩和現象を示す。 圧電効果を示す高分子固体の多くは焦電効果をも示し、温度変化によって大きな電気分極の 変化が誘起されることが多い。


[参考文献]
「物理学辞典」(物理学辞典編集委員会) P.17〜18(株式会社培風館 1992年5月20日改訂版発行)

圧電効果(「ロングマン物理学辞典」)

圧電効果

圧電結晶に圧力がかけられたとき、その表面が互いに反対の電荷を帯びる効果。電荷の符号は 、結晶の伸縮に従って変わる。逆の効果、つまり電場がかけられたとき、結晶が1つの 軸方向に伸び、他の軸方向には縮む効果もある。圧電効果の大きさは、圧縮の、結晶軸に対する 方向に依存する。最も大きな効果が得られるのは、電圧と力学的応力が、それぞれ、X軸(電気軸)、 Y軸(機械軸)に沿って与えられたときである。圧電結晶の3つめの主軸は、Z軸(光学軸)である。 →圧電振動子


[参考文献]
「ロングマン物理学辞典」(清水忠雄 清水文子 監訳) P.6(株式会社朝倉書店 1998年2月10日初版第1刷発行)

圧電気(「第2版 MARUZEN 物理学大辞典」)

圧電気

誘電体の結晶に応力を加えることによって生じる電気、あるいは電気分極。 ある種の誘電性結晶に応力をかけると、それに比例する大きさの分極 (1m3中の電気双極子)が生じる。 結晶の両端が電気的に開放されていると、その間に電圧が生じ、短絡されていると 応力をかけている間に電荷の流れが起こる。逆に、その結晶のある一対の面の間に 電圧をかけると、結晶にひずみが起こる。互いに逆ならこれらの二つの効果を圧電効果 という。応力によって電圧の生じる現象を正圧電効果、電圧によってひずみの起こる 現象を逆圧電効果と区別していうこともある。

圧電材料はマイクロホン、レコード用のピックアップ、振動センサーなど機械的なひずみを 電気信号に変換するトランスデューサーとして広く用いられる。電気信号入力によって 機械的出力が得られる逆効果の方も音波、あるいは超音波トランスデューサーとして 広く用いられる。電気信号入力によって機械的出力が得られる逆効果の方も音波、あるいは 超音波トランスデューサー、ヘッドホン、スピーカー、レコード盤を刻むヘッドなどに広く 応用されている。また、正効果も逆効果も、結晶の機械的共振と組み合わせて、発振回路の 周波数制御素子や電気フィルターなどに応用される。

〜以下略〜



[参考文献]
「第2版 MARUZEN 物理学大辞典」(物理学大辞典編集委員会/編集委員長 牧二郎) P.3(丸善株式会社 平成11年3月31日第2版発行)

圧電気(「静電気の事典」)

圧電気

誘電体の結晶に応力を加えることによって生じる電気、あるいは電気分極。 ある種の誘電性結晶に応力をかけると、それに比例する大きさの分極 (1m3中の電気双極子)が生じる。 結晶の両端が電気的に開放されていると、その間に電圧が生じ、短絡されていると 応力をかけている間に電荷の流れが起こる。逆に、その結晶のある一対の面の間に 電圧をかけると、結晶にひずみが起こる。互いに逆ならこれらの二つの効果を圧電効果 という。応力によって電圧の生じる現象を正圧電効果、電圧によってひずみの起こる 現象を逆圧電効果と区別していうこともある。

圧電材料はマイクロホン、レコード用のピックアップ、振動センサーなど機械的なひずみを 電気信号に変換するトランスデューサーとして広く用いられる。電気信号入力によって 機械的出力が得られる逆効果の方も音波、あるいは超音波トランスデューサーとして 広く用いられる。電気信号入力によって機械的出力が得られる逆効果の方も音波、あるいは 超音波トランスデューサー、ヘッドホン、スピーカー、レコード盤を刻むヘッドなどに広く 応用されている。また、正効果も逆効果も、結晶の機械的共振と組み合わせて、発振回路の 周波数制御素子や電気フィルターなどに応用される。

〜以下略〜



[参考文献]
「静電気の事典」(上田實) P.1〜2(株式会社朝倉書店 1988年4月20日初版第1刷発行)

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)
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