圧電効果とは

圧電効果のメカニズム
圧電材料が圧縮や引張を受けることで電圧が発生する様子を示す図

出典：Title『Piezoelectric_effect』-Photo by CLI /CC0 1.0より

押す。
曲げる。
叩く。

こんな風にちょっと力を加えるだけで電気が生まれる現象があると聞いたら、ちょっと不思議に感じませんか。

特別な装置も、難しい操作もいらない。
ただ力を加えただけで、電気が「ポン」と出てくる。
直感的には、なかなか結びつきにくい話ですよね。

でもこれは、マジックでも、偶然でもありません。
物理の世界では、ちゃんと名前のついた、れっきとした現象です。

それが、 圧電効果。

このページでは、「圧電効果とは何か」をテーマに、なぜ電気が生まれるのかという仕組みから、どんな場面で使われているのかまで、できるだけ身近な感覚で整理していきます。

押したり曲げたりすると電気が生まれる

透明度の高い水晶の結晶
自然界で形成された透明な水晶の結晶。圧電効果を持ち、電子機器などに利用される。

出典：Title『Quartz_crystal』-Photo by James Petts / Wikimedia Commons CC BY-SA 2.0より

圧電効果のいちばん基本的なポイントは、じつはとてもシンプルです。

力を加えると、電気が生まれる。
まずは、この一点だけを、しっかり押さえておきましょう。

力を加えると電気が出る

圧電効果とは、物質に圧力や力を加えたときに、電気が発生する現象のことです。

• ギュッと押す。
• グッと曲げる。
• トンと叩く。

ほんの短い一瞬でも、力が加わったそのタイミングで、材料の中では変化が起きています。

内部では、プラスとマイナスの電気がわずかにズレて、 電気の偏りが生まれる。
その結果が、電圧として外に現れるわけです。

力という「物理的な刺激」が、そのまま電気に変わる。
これが、圧電効果の核心部分。
まずはここをイメージできるようになると、話が一気に理解しやすくなります。

形が変わるのが合図になる

ここで大切なのは、ただ触れているだけでは起きない、という点です。

材料の形がわずかに変わること。
これが、電気が生まれるための合図になります。

変形といっても、目で見てわかるほど大きなものではありません。
ほんのわずか。
髪の毛の太さよりも、ずっと小さい変化です。

それでも、内部ではちゃんと反応が起きている。
だからこそ、とても小さな力や振動でも、電気として検出できるんですね。

特別な材料で起こる

この現象は、残念ながら、どんな物質でも起こるわけではありません。

代表的なのは、 水晶や、 圧電セラミックスと呼ばれる材料です。

これらの材料は、内部の原子の並び方が少し特殊。
力を受けると、電気的なバランスが崩れやすい構造をしています。

そのため、押す・曲げるといった刺激が、効率よく電気として表に出てくる。
ここが、圧電材料が選ばれる理由です。

逆に電気を流すと動くこともある

圧電効果の面白さは、「力を加えると電気が生まれる」だけでは終わりません。

実はその逆。 電気を与えると、材料が動く。
こんな現象も、ちゃんと起きるんです。

電気でふるえる

では、圧電材料に電気を流すとどうなるのか。

答えは、とてもシンプル。
材料が、 わずかに動きます。

伸びる。
縮む。
ふるえる。

動きはごく小さいものですが、確実に形が変わっている。
ここが、圧電効果のすごいところです。

音や動きに変わる

この「わずかな動き」を利用すると、電気を音や振動に変えることができます。

例えば

• スピーカー。
• ブザー。
• 超音波装置。

こうした機器の内部では、圧電効果が当たり前のように使われています。
電気信号が入ると、その通りに振動する。
だから、音や超音波として外に現れるわけですね。

細かい動きを作れる

圧電効果の大きな強みは、とても細かい動きを正確に作れることです。

ミクロン単位。
場合によっては、ナノ単位の制御も可能。

モーターでは難しいレベルの微調整を、圧電材料なら実現できます。
そのため、精密機器や研究分野では、欠かせない存在になっています。

圧電効果は、電気と動きを行き来させられる双方向の仕組み。
ここが、ほかの方式にはない、圧電効果ならではの魅力です。

圧電効果は身の回りで使われている

圧電素子を利用したガスライター
圧電効果を利用して火花を発生させる

出典：Photo by Dmitry G / public domainより

ここまで聞くと、「ちょっと専門的そうだな」と感じるかもしれません。

でも実は、圧電効果は研究室の中だけの話ではなく、 すでに私たちの身の回りで当たり前のように使われている現象なんです。

ライターの点火に使われる

いちばん身近な例が、ガスライターです。

カチッと押す。
その一瞬、中の圧電素子が強く叩かれます。

すると、圧電効果によって一気に高い電圧が発生。
その電気が火花となり、ガスに点火します。

押す力だけで高電圧を生み出せるから、ライターは電池なしで火がつく。
何気なく使っていますが、中ではかなりダイナミックな現象が起きているんですね。

時計やセンサーに使われる

クォーツ時計の心臓部にも、圧電効果は欠かせません。

水晶に電気を加えると、一定のリズムで正確に振動する。
その振動を基準にして、 正確な時間を刻んでいます。

また、圧力センサーや加速度センサーなど、「変化を感じ取る装置」でも大活躍。
力や揺れを、電気信号として取り出せる点が強みです。

機械の目や耳として働く

圧電効果は、機械にとっての目や耳の役割も果たします。

• 振動を感じる。
• 音を拾う。
• 衝撃を検知する。

人間の感覚に近い情報を、そのまま電気信号に変換できる。
だからこそ、工業機械から精密機器まで、さまざまな分野で使われ続けているんです。

圧電効果とは、 力と電気をつなぐ現象です。

• 押すと電気が生まれる。
• 電気を流すと動く。

その双方向性が、数えきれないほどの技術を支えています。

普段は意識しなくても、私たちの生活は、こうした小さな物理現象の積み重ねで成り立っています。

圧電効果を知ると、身の回りの道具が、少しだけ違って見えてくるかもしれませんね。