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( A017 )

圧電材料の高性能化と先端応用技術

圧電材料の高性能化と先端応用技術

【監修】
東北大学名誉教授 中村僖良

発刊日
2007年11月29日
体裁
B5判上製本 508頁
ISBN
978-4-903413-31-0
Cコード
3058
価格(税込)
59,400
( STbook会員価格(税込)STbook会員価格
56,365 円)


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著者リスト

中村 僖良 東北大学
山下 洋八 東芝リサーチ・コンサルティング(株)
細野 靖晴 (株)東芝
逸見 和弘 (株)東芝
竹中 正 東京理科大学
福田 承生 東北大学
和田 智志 山梨大学
古川 猛夫 東京理科大学
児玉 秀和 (財)小林理学研究所
飯島 高志 産業技術総合研究所
眞岩 宏司 湘南工科大学
和田 隆博 龍谷大学
舟窪 浩 東京工業大学
安井 伸太郎 東京工業大学
宇野 武彦 神奈川工科大学
安田 喜昭 スタンレー電気(株)
明渡 純 産業技術総合研究所
黒澤 実 東京工業大学
鶴見 敬章 東京工業大学
二口 友昭 富山県工業技術センター
林 卓 湘南工科大学
高橋 弘文 (株)富士セラミックス
山本 孝 防衛大学校
井上 二郎 (株)村田製作所
小山 光明 日本電波工業(株)
東條 裕志 TDK(株)
永田 邦裕 ピエゾセラム テクノロジー
菅原 澄夫 石巻専修大学
栗原 哲郎 (株)村田製作所
上羽 貞行 東京工業大学
四方 浩之 東芝メディカルシステムズ(株)
村山 理一 福岡工業大学
松尾 泰秀 (株)タムラ製作所
佐藤 良夫 (株)富士通研究所
川久 保隆 東芝リサーチ・コンサルティング(株)
速水 浩平 (株)音力発電
宝川 幸司 神奈川工科大学
黄 啓新 神奈川工科大学

趣旨

圧電の基礎について書かれた本はこれまでにもあるが、最新の材料開発ならびに最先端の圧電応用技術についてまとめられた本は少ない。本書は、圧電材料およびその応用に関連する研究・開発ならびに製品開発に携わっている技術者、設計者、学生の方々が手元に置いて参考にするのに適した専門書の発刊をめざして企画されたもので、入門者にも理解しやすいように基礎的な事項の説明にも配慮しつつ、最先端の研究・開発についてまとめられている。1章では、本書を読むために必要な基礎的な事項について記述しており、入門者の方には一読をお勧めする。2章では非鉛圧電材料も含め、各種の圧電結晶、セラミックス、薄膜、厚膜などの最新の製造技術ならびに材料特性について述べられている。3章ではさまざまな圧電応用技術について最近の動向も含め詳しく解説されている。各節の執筆は、実際に研究開発の先頭で活躍しておられる38名にも及ぶ各専門分野の著名な研究者・技術者の方々にお願いした。お陰で立派な本が出来上がったものと確信している。本書をひもとくことが、新しい発見や将来の新しい展開のヒント、アイデアにつながれば、望外の喜びである。(はじめに/中村僖良 より抜粋)

目次

第1章 圧電材料の基礎
 1. 圧電と電歪
 2. 強誘電性と分域(ドメイン)
 3. 圧電現象の基本式
 4. 圧電結晶の諸定数マトリクス
 5. 圧電セラミックスの基本式
 6. 電気機械結合係数
 7. 圧電材料
 8. 圧電振動子の等価回路
 8.1 圧電横効果長さ伸び振動子
 8.2 圧電縦効果厚み縦振動子
 8.3 集中定数等価回路

第2章 圧電材料の構造制御と非鉛系の開発
 1節 鉛系圧電セラミックス材料
  1. ジルコンチタン酸鉛(PZT)
  2. リラクサ材料
  3. リラクサ系圧電材料
  3.1 圧電材料の歴史とリラクサ系圧電材料
  3.2 リラクサ系高誘電率圧電材料の設計と特性
  4. 新しい圧電材料 鉛系圧電単結晶

 2節 非鉛系圧電セラミックス
  1. 代表的な非鉛系圧電材料
  2. ペロブスカイト型強誘電体セラミックス
  2.1 BaTiO3系
  2.2 KNbO3- NaNbO3- LiNbO3系
  2.3 (Bi1/2Na1/2)TiO3系非鉛圧電セラミックス
  3. ビスマス層状構造強誘電体(BLSF)系と粒子配向型圧電セラミックス
  3.1 ビスマス層状構造強誘電体(BLSF)
  3.2 粒子配向型ビスマス層状構造強誘電体セラミックス
  3.3 Bi4Ti3O12 (BIT)系
  3.4 Bi3TiTaO9系
  3.5 Sr2Bi4Ti5O18-Ca2Bi4Ti5O18系
  3.6 (Bi4-y,Ndy)1-x/12(Ti3-x,Vx)O12 [BNTV-(x,y)]系

 3節 圧電単結晶の結晶成長と性能向上
  1. ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウム
  2. ランガサイト系単結晶
  3. 四ほう酸リチウム
  4. ニオブ酸カリウム

 4節 圧電単結晶のドメイン構造制御
  1. ドメインエンジニアリング
  2. エンジニアード・ドメイン構造誘起巨大圧電特性
  3. ドメイン壁領域からの巨大圧電特性の発現
  4. ドメイン壁エンジニアリングによる到達点

 5節 圧電高分子
  1. 圧電高分子の分類
  1.1 分極化極性高分子
  1.2 一軸延伸キラル高分子
  2. 各種圧電高分子
  2.1 ポリフッ化ビニリデン
  2.2 フッ化ビニリデン共重合体
  2.3 ポリアミド(奇数ナイロン)
  2.4 シアン化ビニリデン系共重合体
  2.5 蒸着重合ポリ尿素膜圧電材料
  2.6 ポリ-L-乳酸
  2.7 セルラーポリプロピレンエレクトレット
  3. 圧電高分子の応用
  3.1 音響分野
  3.2 超音波分野
  3.3 医療・産業分野

 6節 圧電薄膜
 1. 化学溶液法(ゾル・ゲル法)
  1. 化学溶液法とは
  1.1 ゾル・ゲル法を用いた薄膜作製プロセスの概要
  2. 化学溶液法を用いたジルコン酸チタン酸鉛(PZT)薄膜の作製
  2.1 PZT膜の作製
  2.2 PZT膜の結晶配向性制御
  2.3 PZT膜の組成制御
  2.4 PZT厚膜の作製とその圧電特性評価

 2. スパッタリング法による圧電体薄膜作製技術
  1. MEMS用圧電体薄膜への要求
  1.1 MEMS用圧電体薄膜に要求される特性
  1.2 MEMS用薄膜材料
  2. PZT薄膜作製方法と課題
  2.1 スパッタPZT薄膜の作製方法
  2.2 PZT薄膜作製のプロセスの問題
  2.3 スパッタPZT薄膜の構造
  2.4 スパッタPZT薄膜の特性
  3. スパッタPZT薄膜の量産化への対応
  3.1 スパッタリングターゲット
  3.2 スパッタ装置の量産化への対応
  4. アクチュエーター用非鉛圧電薄膜材料
  5. スパッタリング薄膜のMEMS応用例

 3. PLD法による(K,Na)NbO3系非鉛圧電薄膜の形成
  1. PLD法による(K,Na)NbO3薄膜の形成
  1.1 実験方法
  1.2 結果と考察
  2. 高品質NN薄膜の形成と電気物性の評価
  2.1 実験方法
  2.2 結果と考察

 4. MOCVD法
  1. MOCVD法の出発原料
  2. MOCVDの装置
  2.1 原料供給部分
  2.2 反応室
  2.3 排気系
  3. MOCVDの製膜プロセス 
  3.1 プロセスウインドウ
  3.2 パルスMOCVD法
  4. MOCVD膜の特徴
  4.1 PZT vs PMN-PT
  4.2 PZN

 5. コンタクトエピタキシー法
  1. コンタクトエピタクシー法の処理手順
  2. YIG系の単結晶薄膜
  3. LiNbO3薄膜

 7節 圧電厚膜
 1. 反応性アーク放電イオンプレーティング(ADRIP)法によるPZT厚膜の作製
  1. 反応性アーク放電イオンプレーティング法(ADRIP)の特徴
  1.1 反応性アーク放電イオンプレーティング法(ADRIP)の背景
  1.2 ADRIPの基本原理と装置構成
  2. ADRIP法で成膜したPZT厚膜の特性評価結果
  2.1 結晶性および膜構造
  2.2 誘電および強誘電特性
  2.3 圧電特性
  3. MEMS光スキャナ素子への応用
  3.1 2次元マイクロ光スキャナ(共振×共振)の試作
  3.2 試作したマイクロ光スキャナの動作特性
  3.3 レーザ光走査
  3.4 非共振駆動圧電アクチュエータ

 2. エアロゾルデポジション法
  1. エアロゾルデポジション法による常温衝撃固化現象
  2. 圧電膜の電気特性と熱処理による特性回復
  3. 圧電駆動デバイス応用におけるSi/金属部材との集積化

 3. 水熱合成法
  1. 四塩化チタン溶液を用いたPZT成膜
  1.1 成膜プロセス
  1.2 PZT膜および振動特性
  1.3 デバイスへの応用例
  2. 酸化チタン粉末を用いたPZT成膜
  2.1 合成装置
  2.2 成膜プロセスとPZT膜の特性例
  2.3 厚み振動への応用デバイス
  3. 単結晶基板を用いたエピタキシャル膜

 4. 界面重合法
  1. PZT厚膜の作製と評価
  2. PZT-PNN厚膜の作製と評価
  3. 厚膜の圧電特性
  3.1 ダブルビームレーザ干渉計
  3.2 ダブルビームレーザドップラー振動計

 5. スクリーン印刷法
  1. スクリーン印刷法による厚膜作製プロセスの特徴
  2. 鉛系圧電厚膜の作製と応用
  2.1 ZrO2基板上へのPZT系圧電厚膜の作製と応用
  2.2 Si基板上へのPZT系圧電厚膜の作製
  2.3 Si基板上へのPZT系圧電厚膜マイクロアクチュエータの作製
  3. 非鉛系圧電厚膜の作製と応用
  3.1 ZrO2基板上へのBa(Zr,Ti)O3系圧電厚膜の作製
  3.2 Si基板上へのBa(Zr,Ti)O3系圧電厚膜の作製
  3.3 Si基板上へのBa(Zr,Ti)O3系圧電厚膜マイクロアクチュエータの作製
  3.4 Bi4Ti3O12系圧電厚膜の作製

 6. インクジェット法
  1. インクジェット技術の特徴
  2. 圧電厚膜のインクジェットヘッドへの応用
  2.1 ZrO2基板上の圧電厚膜アクチュエータを用いたインクジェットヘッド
  2.2 Si基板上の圧電厚膜アクチュエータを用いたインクジェットヘッドの試作
  3. インクジェット法による強誘電体厚膜の作製
  3.1 溶剤系インクを用いた(Ba,Sr)TiO3系厚膜の作製
  3.2 水系インクを用いたBaTiO3系厚膜の作製

 8節 低温焼結技術
  1. 圧電セラミックスの低温焼結化の意義
  2. 低温焼結技術
  2.1 原料の微粒子化
  2.2 液相プロセスによる原料合成
  2.3 低温焼結材料の組成設計
  2.4 新しい焼成技術
  2.5 低融点物質の添加(焼結助剤)
  3. 焼結助剤探索の指針
  4. PMNZTセラミックスの低温焼結化技術(Bi系焼結助剤)
  5. 低温焼結セラミックスの圧電特性改善-助剤添加方法と微細構造制御-
  5.1 表面修飾法による助剤被着複合粒子の合成
  5.2 助剤添加量の微細構造に及ぼす影響
  5.3 助剤添加量の誘電性及び圧電性に及ぼす影響
  5.4 焼結時間の誘電性及び圧電性に及ぼす影響
  6. 焼結挙動とポストアニーリング効果
  6.1 液相焼結挙動
  6.2 粒界析出相
  6.3 ポストアニーリング処理による粒界相の排出
  6.4 ポリトアニーリング処理の微構造および電気的特性に及ぼす効果
  7. Ag内部電極積層圧電セラミックスの試作

 9節 マイクロ波焼結 −マイクロ波焼結による圧電セラミックスの高性能化−
  1. マイクロ波焼結の機構
  2. 圧電特性の高性能化の動向
  3. マイクロ波焼結を利用した圧電特性の高性能化
  3.1 PNN-PZT系材料のハイブリット焼結
  3.2 セラミックスコンポジットの作製
  3.3 非鉛系材料の高性能化

第3章 圧電材料、薄膜、厚膜の圧電特性評価技術
 1. 圧電諸定数
 2. 電気的等価回路
 3. 圧電固体の測定・評価法
 4. 圧電薄膜・厚膜の圧電定数(d33)測定法

第4章 圧電デバイスへの応用・設計技術
 1節 セラミック共振子
  1. セラミック共振子の振動モード
  2. 広帯域フィルタ
  3. スプリアスレス発振子
  4. 高精度発振子

 2節 水晶振動子
  1. ATカット水晶振動子の概要
  1.1 小型化
  1.2 周波数安定度と最近の課題
  2. センサ用水晶振動子
  2.1 圧力センサ
  2.2 QCM
  2.3 温度センサ
  2.4 ジャイロ
  2.5 魚群探知器用センサ

 3節 積層型圧電アクチュエータ
  1. 概要
  1.1 構造
  1.2 製造方法
  1.3 材質
  2. 積層型圧電アクチュエータの種類
  2.1 変位モードによる分類
  2.2 d33型
  2.3 d31型
  2.4 バイモルフ型
  2.5 d15型
  2.6 アクチュエータ集合体
  3. 使用上の注意
  3.1 ヒステリシス
  3.2 ハイパワーでの挙動
  3.3 応答速度
  3.4 変位拡大機構

 4節 ニュー圧電セラミックアクチュエータ
  1. ニューアクチュエータの種類
  2. 圧電アクチコエー夕の原理と種類
  2.1 圧電アクチコエー夕の原理
  2.2 圧電アクチュエータの利用変位による分類
  3. 圧電セラミックアクチユエータの種類と応用
  3.1 単体アクチュエータ
  3.2 ランジュバン型アクチュエータ
  3.3 屈曲変位式アクチュエータ
  3.4 積畳式圧電アクチュエータ
  3.5 アクチュエータの応用
  4. 圧電セラミックアクチュエータの新技術
  4.1 金属キャップ式アクチュエータ
  4.2 螺旋型バイモルフアクチュエータ(ヘリモルフ)
  4.3 ハイパワー用金属キャップ型アクチュエータ(APA)
  5. マイクロ・アクチュエータ
  5.1 マイクロ・アクチュエータの作製新技術
  5.2 マイクロアクチュエータの応用

 5節 ハイパワー駆動における圧電デバイスの破壊と寿命予測
  1. 圧電セラミックアクチュエータの破壊要因
  1.1 使用条件と破壊要因
  1.2 寿命に及ぼす破壊の種類
  2. 加速劣化試験法とデータ処理
  2.1 温度による加速劣化
  2.2 電界や周波数による加速劣化
  2.3 データの処理法
  3. 圧電アクチュエータ特有の劣化と破壊の要因
  3.1 空間電荷効果による劣化
  3.2 圧電アクチュエータの内部応力による破壊
  3.3 圧電素子の非線形圧電現象による破壊
  4. 圧電アクチュエータの寿命評価と予測
  4.1 積層型アクチュエータの寿命時間評価法
  4.2 平均寿命時間の算出法
  4.3 積層アクチュエータの寿命評価の実例
  4.4 単体アクチュエータの寿命評価法

 6節 圧電型角速度センサ
  1.センサの動作原理と等価回路
  1.1 動作原理
  1.2 基本等価回路
  1.3 漏れ出力を考慮した等価回路
  2. センサの基本的な信号検出法
  2.1 同期検波出力
  2.2 最大出力を得るための条件
  2.3 漏れ出力の低減化
  3. センサの感度
  4. センサの周波数応答特性
  5. センサの応用分野
  5.1 車両のナビゲーション及び姿勢制御
  5.2 カメラの画振れ防止
  6. センサの具体的構造と電気的特性
  6.1 水晶振動子型センサ
  6.2 圧電型MEMSセンサ
  6.3 圧電セラミック音片型センサ
  6.4 圧電単結晶音さ型センサ
  6.5 その他のセンサ

 7節 表面実装型加速度センサ素子
  1. 表面実装型加速度センサ素子の構造と特徴
  2. 表面実装型加速度センサ素子の加速度検出原理
  3. 表面実装型加速度センサ素子の等価回路
  4. 表面実装型加速度センサ素子のセンシング回路例
  4.1 チャージアンプによる電荷−電圧変換(インピーダンス変換)、ハイパスフィルタ(HPF)設定
  4.2 信号増幅
  4.3 信号増幅、バンドパスフィルタ(BPF)設定
  4.4 LPF(ローパスフィルタ)の設定

 8節 超音波モータ
  1. 動作原理
  1.1 固体間摩擦力利用方式
  1.2 粘性摩擦力利用方式
  2. 超音波モータの具体例
  2.1 回転モータ
  2.2 リニアモータ
  2.3 特殊モータ
  3. 超音波モータの特徴と応用

 9節 医用超音波トランスデューサ
  1. 超音波診断法
  2. 超音波の生体内特性と超音波プローブ
  3. 超音波診断装置
  4. 超音波プローブの基本構成
  5. 各種プローブと用途
  6. 3次元表示用プローブ
  7. 超音波を用いた新映像法

10節 超音波センサの非破壊検査・評価への応用
  1. 超音波の定義と特性
  2. 超音波の送受信の仕方
  3. 超音波センサ用圧電材料
  4. 超音波センサの基本構成
  5. 非破壊検査・評価への応用
  5.1 超音波厚さ計
  5.2 非破壊検査・評価
  5.3 応力測定
  5.4 材質評価

11節 圧電トランス
  1. 原理と構成
  1.1 原理と構造
  1.2 等価回路
  1.3 振動モード
  1.4 製品の構成
  2. 特徴と諸特性
  2.1 発熱・破壊など
  2.2 周波数依存性と負荷依存性
  2.3 形状依存性
  2.4 測定方法など
  3. 材料と製造方法
  4. 圧電トランス駆動制御方法
  5. 応用
  5.1 冷陰極管点灯用インバータ用電源
  5.2 空気清浄機・イオン発生機・除電機
  5.3 電子写真用
  5.4 小電流高電圧電源用途以外

12節 SAWデバイス
  1. SAWデバイスとは
  2. 圧電単結晶の技術
  3. プロセス技術
  4. 電極パターン設計技術
  5. 高耐電力化とアンテナデュプレクサ
  6. パッケージの小型化

13節 RF MEMS
  1. RF MEMSの種類と特徴
  2. PZTを使用したRF MEMS
  3. ZnOおよびAlNを使用したRF MEMS
  4. 携帯無線機器用高周波回路への応用

14節 発電素子−振力電池−
  1. 圧電素子
  2. 音力発電と振動力発電
  3. 振力電池
  4. 振力電池の応用1 ~『発電歩数計』~
  5. 振力電池の応用2 ~『発電床』~
  6. 振力電池の応用3 ~新防犯センサシステムへの応用~
  7. 将来展望
 
15節 フィルム接合技術及び半導体・弾性表面波素子への応用
  1. 直接接合法
  1.1 化合物半導体素子のフィルムボンディング技術
  1.2 シリコンフィルムボンディング技術
  1.3 直接接合技術におけるキー技術
  2. 水ガラスによる間接接合法
  3. 応用分野と実験例
  3.1 実験例