【センサのお話】ピエゾ抵抗効果とピエゾ素子

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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。

 

磁歪素子と熱電素子

ピエゾ素子(圧電素子や電歪素子)では、圧力と電圧の相方向変換が可能ですが、同様に相方向変換ができる素子として「磁歪素子」や「熱電素子」があります。

磁歪素子では、磁力を受けて変位をします。
これを磁歪効果と呼びますが、磁性体内の磁化方向が印加磁界の方向に回転し、磁性体が弾性変形することにより全体の変位が発生します。
磁歪素子では、鉄と希土類金属との合金を材料とし、電歪素子に比べて変位量を大きくすることが可能です。

熱電素子では、熱と電圧の変換が可能です。
接合異種金属に温度差があるときに電圧が発生する現象はゼーベック効果と呼ばれ、逆に接合異種金属に電流を流すと熱が発生する現象はペルティエ効果と呼ばれます。
このためそれぞれをゼーベック素子、ペルティエ素子と呼ぶこともあります。

磁歪素子、熱電素子でもピエゾ素子と同様に、センサとアクチュエータ、両方への適用が可能です。
 
(日本アイアール株式会社 特許調査部 H・N)
 
 


※併せて読みたいコラム:【センサのお話】圧力センサの検出方法と圧力検出レベルはこちら。


※各種センサ技術に関する特許調査・技術情報調査は日本アイアールまでお気軽にお問い合わせください。


 

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