東工大など、チタン酸ジルコン酸鉛のエネルギー変換係数を解明 圧電体の性能向上に期待
2014年7月17日 18:24
東京工業大学の舟窪浩教授らによる研究グループは、圧電物質として最も広く使用されているチタン酸ジルコン酸鉛の、電気的エネルギーと機械的エネルギーの変換係数を直接測定することに成功した。
力をかけると電圧が生まれ、電圧をかけると力が発生する物質を、圧電物質と呼んでおり、ライターの着火剤・インクジェットプリンタ・デジタルカメラの手ぶれ防止機能などに利用されている。約60年前に発見されたチタン酸ジルコン酸鉛が圧電物質として最も広く使用されているものの、そのエネルギー変換係数については明らかになっていなかった。
今回の研究では、蛍石という特殊な結晶の上に合成することで、チタン酸ジルコン酸鉛の膜上の単結晶を製作することに成功した。さらに、大型放射光施設SPring-8でこの結晶を詳しく調べたところ、結晶の伸び量と電気分極量の二乗が比例関係にあり、その変換係数を世界で初めて明らかにした。
今回の研究成果によって、これまでは経験的に得られた値を用いていた圧電体の設計が進み、性能が向上することが期待できる。圧電体の性能向上は、3次元プリンタ技術の飛躍的向上、自動車用エンジン用フュエル・インジェクタ（燃料噴射装置）の高効率化、発電所や自動車のエンジンの高効率運転などにもつながることが期待できる。
また、毒性元素である鉛を多く含むチタン酸ジルコン酸鉛に代わる非鉛圧電体の新材料の開発にも貢献することが期待される。
なお、この内容は科学学術誌「Applied Physics Letters」オンライン版に掲載された。