【センサのお話】ピエゾ抵抗効果とピエゾ素子

ピエゾ素子とセンサ

世の中にピエゾ抵抗効果を使ったセンサがあり、「ピエゾ素子」と呼ばれているものを使ったセンサやアクチュエータがありますが、ピエゾ抵抗効果とピエゾ素子には直接の関係はありません。

ピエゾ抵抗効果

ピエゾ抵抗効果（piezoresistance effect）は、圧力センサで利用されています。
ピエゾ抵抗効果とは、ピエゾ抵抗が応力を受けて変形するとき、電気抵抗が変化する現象です。

圧力センサでは、圧力を受けて変形するダイアフラム（弾性薄膜）上にピエゾ抵抗を用いてホイートストンブリッジを構成し、電圧を印加することにより圧力変化に比例した電位差出力が得られます。
ダイアフラムには、SUS材などの弾性金属を用いる場合もありますが、半導体圧力センサでは、ガラス基板上の小さな空洞をもつ単結晶シリコン層が弾性を持つ薄膜として機能します。

ピエゾ素子

一方、ピエゾ素子と呼ばれるのは圧電素子のことで、英語表記”piezoelectric element”よりピエゾ素子と呼ばれています。（piezoは圧力を表すギリシャ語）
ピエゾ素子は圧力を受けて電圧を発生します。逆に印加電圧を除荷することにより伸張力を発生します。
電圧発生の特性がセンサに、伸張力発生の特性がアクチェータに利用されます。
ピエゾ素子の材料として、チタン酸ジルコン酸鉛PZTなどのセラミックは圧力に対する変位が大きく、より大きな電圧を生じます。

ピエゾセンサ

例えば、バルブの押さえバネ（リターンスプリング）の下にピエゾ素子をワッシャ形状にして設置すると、バルブ開弁時にスプリングを収縮するときの力を受けてピエゾ素子が電圧を発生するため、バルブのリフト始めやリフトストロークを検出できます。ピエゾ素子を用いたバルブリフトセンサの原理です。

ピエゾアクチュエータ

ピエゾ素子のアクチェータとしての使い方としては、伸張ストローク自体は小さいので、何十枚も積層して作動ストロークを増やすことで超高応答アクチュエータとして利用できます。
ガソリンエンジン用インジェクタやディーゼルエンジン用コモンレールインジェクタにおいて、噴射弁、あるいは噴射弁を制御する背圧室制御弁として利用されています。
ピエゾ素子をアクチュエータとして使用する場合は、電圧を変位に変換するため、電歪素子と呼ぶこともあります。