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圧電材料の高性能化と先端応用技術
[コードNo.07STA017]

■監修/ 中村僖良(東北大学名誉教授)
■体裁/ B5判上製本 508ページ
■発刊/ 2007年 11月 29日 S&T出版(株)
■定価/ 60,500円(税込価格)

バルク、薄膜化、厚膜化、鉛フリー、応用・・・圧電技術に関するすべての情報!

書籍趣旨
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)

<執筆者>
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(独)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(独)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

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
2.1BaTiO3系
2.2KNbO3- 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
3.3Bi4Ti3O12 (BIT)系
3.4Bi3TiTaO9系
3.5Sr2Bi4Ti5O18-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
2.1PZT膜の作製
2.2PZT膜の結晶配向性制御
2.3PZT膜の組成制御
2.4PZT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
1MEMS用圧電体薄膜への要求
1.1MEMS用圧電体薄膜に要求される特性
1.2MEMS用薄膜材料
2PZT薄膜作製方法と課題
2.1スパッタPZT薄膜の作製方法
2.2PZT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
3PLD法による(K,Na)NbO3系非鉛圧電薄膜の形成
1PLD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
4MOCVD法
1MOCVD法の出発原料
2MOCVDの装置
2.1原料供給部分
2.2反応室
2.3排気系
3MOCVD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
4MOCVD膜の特徴
4.1PZT vs PMN-PT
4.2PZN
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
2YIG系の単結晶薄膜
3LiNbO3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
1.2ADRIPの基本原理と装置構成
2ADRIP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
3MEMS光スキャナ素子への応用
3.12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
1.2PZT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
1PZT厚膜の作製と評価
2PZT-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
2.1ZrO2基板上へのPZT系圧電厚膜の作製と応用
2.2Si基板上へのPZT系圧電厚膜の作製
2.3Si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
3.1ZrO2基板上へのBa(Zr,Ti)O3系圧電厚膜の作製
3.2Si基板上へのBa(Zr,Ti)O3系圧電厚膜の作製
3.3Si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
3.4Bi4Ti3O12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
2.1ZrO2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
2.2Si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
4PMNZT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
7Ag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
3.1PNN-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
1AT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
2.2QCM
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
2.2d33型
2.3d31型
2.4バイモルフ型
2.5d15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
4.4LPF(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
63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
1RF MEMSの種類と特徴
2PZTを使用したRF MEMS
3ZnO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

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