圧電セラミックスとは？初心者にもわかる基礎ガイド共起語・同意語・対義語も併せて解説！

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高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

はじめに

「圧電セラミックス」とは何かを知りたい人向けの初心者ガイドです。機械の力を電気に変えることができる材料として、センサーやアクチュエータなど幅広い分野で使われています。読んでいくと、なぜこの材料が私たちの生活に役立つのかが見えてきます。

圧電セラミックスとは何か

圧電セラミックスは特定の結晶構造をもつ材料で、外から力を加えると内部で電荷がずれ、結果として電気を発生します。逆に電気を掛けると機械的な変形が生じる圧電効果と呼ばれる現象が起こります。これにより、センサーとしての機能や小型のアクチュエータとしての機能が実現します。

圧電セラミックスの基本的な性質

・感度が高いほど微小な力を検知できます。・清浄性や安定性が長期間の使用で重要です。・耐熱性や耐久性は用途を決める大事な要素です。

仕組みと原理

圧電セラミックスは主にセラミック材料でできており、PZTと呼ばれる鉛ジルコン酸ジタンタン酸鉛を代表例として挙げます。結晶格子により対称性が崩れ、機械的な力が電気を作り出すのです。

代表的な材料の例

ここでは代表的な圧電セラミックスを簡単に紹介します。PZTは広い用途に使われる一般的な材料です。BTOは高感度の特性を持ち、センサーやアクチュエータに向きます。PMN-PT系は高い変位を得られるためデバイスの性能を高める用途に適します。

表で見る圧電セラミックスの特徴

材料	特徴	用途例
PZT	汎用的で安価	センサー、アクチュエータ、超音波機器
BTO	高感度・高安定性	温度センサ、圧力センサ
PMN-PT	高変位・高出力	微小デバイス、超小型アクチュエータ

用途と応用例

圧電セラミックスは以下のような分野で利用されています。医療機器の超音波探傷、スマートフォンの振動モータ、自動車のセンサー、計測機器の検出部品などです。生活の中で見かける小さな部品にも活躍しています。

メリットとデメリット

圧電セラミックスのメリットには、小型化が容易、消費電力が低い、耐久性が高い、高速応答性などがあります。一方でデメリットとしては、材料コストが比較的高い場合があること、環境規制により素材の選択が制限されること、温度依存性があることなどが挙げられます。

選び方のポイント

用途に合わせて以下の点をチェックしましょう。感度と出力、耐温度特性、信頼性と供給、コストと供給安定性です。デバイスの仕様書にはこれらの情報が記載されています。

よくある質問

Q1 圧電セラミックスは電気を蓄えられますか。A 圧電セラミックス自体は電気を蓄える機能は持ちませんが電気を出したり受け取ったりする役割を果たします。

Q2 圧電セラミックスは安全ですか。A 使用条件を守れば安全です。素材自体は一般的には無害ですが製造工程や廃棄時の規制には注意が必要です。

まとめ

圧電セラミックスは機械と電気を変換する特別な材料です。この性質を活かして私たちの生活にはかならず役立つ部品が多く存在します。正しい選び方と使い方を知ることで、より良いデバイスづくりが可能になります。

圧電セラミックスの同意語

圧電セラミックス: 圧電性を持つセラミック材料のこと。機械的な変形を加えると電気信号を生み出す（そして逆に電気信号を加えると機械的なひずみを生じる）性質を活かした材料群を指します。多くの家電・センサーに用いられます。
圧電材料: 圧電性を示す材料全般の総称。セラミックスに限らず、単結晶やポリマーなども含む場合がありますが、圧電セラミックスが代表的な実装例として語られることが多い用語です。
圧電素子: 圧電性を利用してエネルギーの変換を行う部品・デバイスのこと。材料そのものではなく、組み立てられた実体として使われることが多い語です。
圧電体: 圧電性を示す材料全般を指す語。結晶・結晶系・材料の種類を問わず使われ、セラミックスに限らない広い意味を持ちます。
ピエゾセラミックス: 圧電セラミックスのカタカナ表記。意味はほぼ同じで、技術文献や説明資料で見かける表現です。
ピエゾセラック: 圧電セラミックスの別表記・誤字の可能性がある表現ですが、正式には“ピエゾセラミックス”を使います。意味は同じく圧電性を持つセラミック材料。
圧電性セラミックス: 圧電性を有するセラミック材料のこと。材料の性質を強調した言い方で、学術文献や技術解説で用いられます。

圧電セラミックスの対義語・反対語

非圧電性材料: 圧電効果を示さない材料のこと。圧電セラミックスと異なり、電場をかけても機械的な変位や電気信号の発生がほとんど起こりません。
非圧電性セラミックス: 圧電性を持たないセラミック素材。機械エネルギーと電気エネルギーを結ぶ機能がないタイプのセラミックスです。
受動材料: 外部からエネルギーを積極的に変換・生成しない、いわゆる“受動的”な材料。圧電セラミックスは機能を発揮する場面が多いのに対して対になる概念です。
機械電気変換を行わない材料: 電気と機械エネルギーの相互変換をほとんど行わない材料。圧電セラミックスの対義的な特徴です。
金属材料: 電気を自由に流す導体のこと。圧電セラミックスとは異なる電子伝導・結晶構造のカテゴリです。
有機材料: 炭素を主成分とする有機系材料。無機の圧電セラミックスとは異なる性質・構造を持ちます。
導電性材料: 電気をよく伝える材料。圧電セラミックスは通常絶縁体である点が対照になります。
磁性材料: 磁場に応答する材料。圧電セラミックスは電場に応答して機械変位を生み出す点が異なります。
絶縁体: 電気をほとんど通さない材料。圧電セラミックスは高い誘電性と絶縁性を持つことが多いですが、対概念としては導体が挙げられます。

圧電セラミックスの共起語

圧電効果: 電場を機械的ひずみへ、機械的力を電気信号へ変換する現象。圧電セラミックスの基本的な特性です。
圧電材料: 電気と機械の双方向変換が可能な材料群。代表例は圧電セラミックスです。
PZT: Pb(Zr,Ti)O3 系の鉛系圧電セラミックスの代表材料。高い圧電定数と安定性を持つ。
ピエゾ素子: 圧電セラミックスを用いたセンサやアクチュエータなどの小型デバイスの総称。
薄膜圧電セラミックス: 薄膜状の圧電セラミックス。MEMSや微細デバイスで重要。
誘電率: 電場を蓄える能力を示す指標。高比誘電率は静電容量を大きくします。
比誘電率: ε_r の別名。温度変化で変動することがある指標。
機械電気結合係数: 材料が電気エネルギーと機械エネルギーを互いに変換する効率を表す指標。
d33: 同一方向の機械ひずみと電荷の変化の結びつきを表す圧電定数。単位は pC/N。
d31: 面内方向の機械ひずみと電荷変化の結びつきを表す圧電定数。
d15: 剪断モードでの機械変形と電荷変化の結びつきを表す圧電定数。
機械電気結合係数 (k): k33 や k_p などの略称。電気と機械のエネルギー変換効率の指標。
PZTセラミックス: PZTを含む鉛系圧電セラミックスの総称。
鉛系圧電セラミックス: Pb 系を主成分とする圧電セラミックス。高性能材料として広く使われる。
焼結: 粉末状の材料を高温で結合させる加工プロセス。セラミックの強度を決めます。
粉末冶金法: 原料を粉末化して成形・焼結する製造法。圧電セラミックスの一般的手法。
表面電極: デバイス表面に設置する電極。信号の取り出しに必要。
銀ペースト電極: 低温焼成銀ペーストを用いる電極の例。コストと熱安定性に影響。
超音波センサー: 圧電セラミックスを用いて超音波を発生・受信するセンサー。
超音波トランスデューサ: 送受信を行うデバイス、医療用や非破壊検査で使われる。
アクチュエータ: 圧電材料の機械変位を利用して力や動きを作り出すデバイス。
圧力センサ: 圧力を電気信号へ変換するセンサー。
発振器・発振デバイス: 電気信号を自己発振する回路・素子としての利用。
MEMS: 微小機械系デバイス。薄膜圧電セラミックスを集積することが多い。
鉛フリー圧電セラミックス: 鉛を含まない環境配慮型の圧電セラミックス。 RoHS対応の観点から重要。
温度安定性: 温度変化に対する特性の安定性。実用性の要点。
温度特性: 温度変化が誘電率・圧電定数などに与える影響の概略。
ヒステリシス: 電気・機械特性における戻り遷移の遅れ。非線形特性の一つ。
非線形特性: 応答が線形でない性質。高電場領域で顕著になることがある。
応答速度: 信号に対する反応速度。高周波用途で重要。
損失係数 tanδ: 電気的損失を示す指標。小さいほどエネルギー損失が少ない。
表面処理・電極材: デバイスの長寿命化と信頼性に関与する電極材料・表面処理。
RoHS / 鉛フリー規制: 鉛の使用を制限する環境規制。鉛フリー素材の開発が進む。
分極・ポーライズ: 分極処理をして電気的に整列させる工程。特性を最大化するには重要。
Curie温度: 材料が強い結晶性を失い、分極が安定でなくなる温度。高温用途で設計に重要。
結晶粒径: 粒子の大きさ。微細構造が機械特性・誘電特性に影響。
熱処理条件: 焼成・焼結の温度・時間・雰囲気などの加工条件。
端子・リード線: 回路との接続部。信号の取り出し口として重要。
分極温度域: 分極が安定する温度領域。 Curie温度に近づくと変化。
デバイス設計指針: 用途ごとに求める特性を反映した設計指針。
組成設計: Zr/Ti比、Pb含有量などを最適化する材料設計の過程。
疲労・劣化: 繰り返し応力で性質が低下する現象。長寿命設計の課題。

圧電セラミックスの関連用語

圧電セラミックス: 圧電性を持つセラミックス材料で、機械的変形を電気信号に、また電気信号を機械変形に変換できる。センサーやアクチュエータ、超音波機器などに広く使われる。
圧電効果: 外部の機械的応力やひずみを電荷・電圧へ変換する現象（直接効果）と、電場を加えるとひずみを生じる現象（逆効果）を含む総称。
直接圧電効果: 機械的応力を加えると材料内部に電荷が発生し、電圧が生じる現象。
逆圧電効果: 電場を印加すると材料が機械的に変形する現象。
ペロブスカイト構造: ABO3型の結晶構造で、PZTやBaTiO3など多くの圧電セラミックスの基本骨格。相対的に高い圧電性を示すことが多い。
PZT（Pb(Zr,Ti)O3）: 鉛ジルコチタン酸系の代表的圧電セラミックス。高いd33や広い温度域が特徴で、最も広く使われている材料。
BaTiO3（BaTiO3）: バリウムチタン酸、鉛フリーの圧電セラミックス。室温で強誘電体的性質を示す。
Curie温度: 材料が強誘電体と常誘電体を行き来する相転移温度。温度安定性設計の指標となる。
誘電率（εr）: 電場をかけたとき材料がどれだけ電気を蓄えるかを示す指標。高いほど静電容量が大きい。
圧電定数（d33, d31, d15 など）: 電場1Vあたりの発生ひずみや、ひずみ1に対して出る電荷量を示す指標。d33が最も一般的に用いられる。
機械電気結合係数（k33, kT など）: 機械と電気の変換効率の目安。kが大きいほど効率が良い。
ポーリング（ポーリング）: 外部電場を印加して結晶中のドメインを整列させ、圧電性を現出させる処理。
焼結: 粉末を高温で焼結して密度の高いセラミックスを作る製造工程。密度が性能に直結する。
相転移 / 相境界 / MPB: 結晶相が変化する温度域。モーフォトリック境界（MPB）付近で最適な圧電性が得られる組成が得られやすい。
多結晶 / 単結晶: 複数の結晶粒で構成される材料と、単一の結晶からなる材料。結晶粒構造が機械・電気特性に影響する。
結晶相（四方晶、三方晶、等）: 結晶の対称性の違い。特定の相において圧電性が最大になることがある。
鉛フリー圧電材料: Pbを含まない材料群（例：Na0.5Bi0.5TiO3系NBT、(K,Na)NbO3系KNN など）。環境対応の需要から開発が活発。
薄膜圧電セラミックス: PZT薄膜などを使った薄膜型の圧電材料。MEMS・微小デバイスで重要。
超音波トランスデューサ: 超音波を発生・検出するデバイス。圧電セラミックスが核となる。
圧電センサ: 圧力・振動・加速度などを電気信号へ変換するセンサー。医療・産業・自動車分野で活用。
圧電アクチュエータ: 電気信号を機械的変位・力へ変換する装置。
共振周波数 / 共鳴: 素子が最も効率よく反応する周波数。デザイン上の重要な指標。
温度安定性 / 温度係数: 温度変化による性能変動を表す指標。用途に応じて補償・設計が行われる。
疲労 / aging（経年劣化）: 繰り返しの電場・機械応力で特性が低下する現象。信頼性評価の対象。
インピーダンス分光法: 材料の周波数応答を測定して、固有の共振・弛緩を解析する評価法。
P-Eループ: 電場と偏光の関係を表すループ。極性・ヒステリシスの程度を示す。
接触電極・界面処理: 電極の材質・接触形態・界面設計が出力・耐久性に影響。