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物体に圧力を加えると電圧が発生する効果(電圧効果)を利用した受動素子をピエゾ素子といいます。ピエゾ素子の特徴と、原子間力顕微鏡(AFM)におけるピエゾ素子の役割についてまとめています。
石英(クオーツ)やトルマリンのような物体は、圧力を加えると電圧が発生し(圧電効果)、電圧を加えると変形(逆電圧効果)します。このように圧電効果を利用した受動素子を圧電素子といい、圧電素子は、ギリシャ語で「圧力を加える」という意味の「piezein」から「ピエゾ素子」と呼ばれています。
電圧効果は、1880年に、ノーベル物理学賞を受賞したピエール・キュリーとジャック・キュリーの兄弟によって発見されました。この電圧効果を用いた例として、ガスコンロやライターなどの点火装置があり、スイッチを押すとスイッチ内部の部品がピエゾ素子をたたき、この圧力で発生した電圧で火花を生じさせて、ガスに引火させています。
ピエゾ素子は物体にかかる力や物体自体の動きによってかかる圧力を検知することができるため、圧力、振動、加速度などのセンサーとして活用されることも。反応速度が速く、測定可能範囲も広域におよび、耐環境性能や耐久性にも有用なため、その用途は多岐にわたります。
このほか、ピエゾ素子を利用したものとして、以下の製品があります。
また、逆電圧効果は、インクジェットプリンタや一眼レフのオートフォーカス、手ぶれ補正などに利用されています。
圧電効果を持つ物質はたくさんありますが、実際に圧電体として使用されているのは、水晶、圧電セラミックス、圧電薄膜の3種類がほとんどです。
水晶は天然結晶の中でも高い圧電効果を持ち、加工性がいいので、古くから圧電体として使用されています。かつては天然のものが利用されていましたが、人工水晶の生成が可能になってからは、人工水晶がメインで使われています。熱や衝撃に強く、安定性が高いというメリットがあります。
圧電セラミックスは、チタン酸バリウムやチタン酸ジルコン酸鉛などの強磁性体を粉状にして焼き固めて生成します。強磁性体は本来、電圧体として働くことはありませんが、セラミックスとして焼成した直後に高い電圧をかけると、内部の分極の無機が揃い、電圧体としての機能を有します。水晶より静電容量が大きいこと、サイズや形状の自由度が高く、製造コストが安価であるというメリットがあります。
圧電薄膜は、ピエゾ素子の小型化が求められる中で開発が進められている材質です。スパッタリングでチタン酸ジルコン酸鉛などを、数μmの厚さになるよう蒸着させ、MEMS技術を使って微細な電子回路を作って薄膜化を行います。現在は、実用化に向けて各企業が開発を進めている段階です。
ピエゾ素子は、電源がなくても電圧を発生させられる装置で、圧力センサーをはじめ、さまざまな用途で利用されています。電圧体を電極で挟み込んだシンプルな構造のため、簡単に製造でき、コストも安価。丈夫で軽量化しやすく、小型化も進んでいるため、設置場所も選ばないというメリットがあります。さらに、縦方向・横方向・せん断方向で結晶構造が異なるという特徴を活かし、圧力がかかる角度も検知できるので、幅広い用途で利用可能です。
ピエゾ素子は、プラスイオンとマイナスイオンの単結晶で成立しています。単結晶は規則正しく原子が成立しているため、全体で見るとプラスイオン・マイナスイオンは相殺されて極性は持ちません。そのため、通常では電流が流れないのですが、圧力を加えると電子の配列が歪み、結晶内のイオンバランスが崩れ、プラスイオンが偏る方向にはプラスの、マイナスイオンが偏る方向にはマイナスの電位を持つようになり、結晶全体が電圧を帯びるようになります。結晶内の分極によって電圧が生まれるため、その力を直接電気に変換できることから重宝されています。
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ピエゾ素子の駆動スピードは、その静電容量、駆動電源の電流容量、ピエゾアクチュエーターによって動かされる負荷の質量、外部プリロードの大きさによって決定されます。他の条件が同じであれば、ピエゾアクチュエーターの静電容量が小さいほど、駆動スピードを速くすることが可能です。
このほか当サイトでは、AFMが活用されている研究分野や、具体的な活用事例を取材して紹介しています。導入を検討される際は、以下のリンクもチェックしてみてください。
ピエゾ素子の寿命はおおよそ1億回といわれています。4、5年使用しても壊れない場合もある一方で、無理な使い方をすれば数週間で壊れることもあります。ピエゾ素子の特性を理解して使いこなすことで、ピエゾ素子の信頼性を上げ、長く使用することができます。
落下など、機械的ショックが印加されると、製品機能が劣化したり、ピエゾ素子の破壊につながる恐れがあります。また、機械的ショックが印加されると、素子電極部分が帯電し、感電やトランジスタ等の周辺回路の電子部品を破壊することがあるので、あらかじめ、ピエゾ素子の電極間をショート・放電させてから使用する必要があります。
ピエゾ素子は緻密なエレメントであるため、取り扱いには注意が必要ですが、ナノレベルの測定を可能にするために欠かせません。取り扱いに注意し、有益に使用しましょう。
国際的に認知され、世界中の研究施設や企業で広く使用されている原子間力顕微鏡(AFM)は、高品質で信頼性が高い証明となります。
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