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藤井技術士事務所

圧電MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）は、微細な電子機械システムの一種で、圧電効果を利用して機械的な変位を電気信号に変換し、逆に電気信号を機械的な変位に変換する技術です。今回は、圧電MEMSの主な特徴と応用について説明します。

1. MEMS技術の特徴
革新的な小型化: MEMS技術は微細なサイズで製造可能で、これは新規事業において製品やシステムのコンパクト化に大いに役立ちます。小型のデバイスは、携帯性や省スペースの要件を満たし、市場での競争力を高めるのに寄与します。一概には言えませんが、小さくなればなるほど低コスト化するという半導体素子と同じような効果もあります。


低消費電力と長寿命: MEMSデバイスは低消費電力で動作し、長寿命を持つため、新規事業がエネルギー効率を重視する場合や信頼性が不可欠な場合に適しています。これは、バッテリー駆動の製品や無停止動作を要求されるアプリケーションに適しています。

2. MEMS技術の新規事業への応用
センサー技術の革新: 新規事業はMEMSセンサー技術を活用して、市場での競争力を向上させることができます。高感度のMEMSセンサーは、新しい製品やサービスの開発においてデータ収集と解析の品質を向上させ、顧客満足度を高めます。構造設計によっては新たなセンサとして使える可能性があり応用は広いと考えます。
製品のミニチュア化: MEMS技術は、製品やデバイスを小型化するのに役立ちます。これにより、新規事業はコンパクトでポータブルなソリューションを提供します。小型化は低コスト化と高付加価値化を意味し、従来のものと比較して競争力の高いデバイスになる可能性があります。



エネルギーハーベスティング: 新規事業はMEMSデバイスを使用して、外部エネルギーを収集し、エネルギーハーベスティング技術を導入できます。これは、バッテリー寿命の延長や環境に優しいソリューションの提供に役立ちます。実際のところ発電量はまだまだ小さいものの、センサや回路の商品電力が下がってきたため上手く組み合わせることでユニークな商品となる可能性があります。

MEMS技術は新規事業の成功に向けて多くの機会を提供し、競争力を高め、市場での立ち位置を強化する手段として積極的に検討すると良いでしょう。
ご質問等がありましたらお気軽にメールいただければと思います。

近年、再生可能エネルギー分野で注目を集めているのが、圧電材料を用いた振動発電素子です。この技術は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するために圧電効果を利用します。圧電材料は、機械的な圧力が加わると電気を発生する特性を持ち、この特性を活用して振動エネルギーを捕捉し、電力に変換するのです。

前回の日記でご紹介した東北大学の桑野先生の会社「仙台スマートマシーンズ」は、このような振動発電素子を開発しています。

仙台スマートマシーンズ株式会社 http://www.ssmcoltd.co.jp/

私自身、桑野先生とは共同で研究で何年間かは一緒にやっていました。

この技術の最大の特長は、環境からの微小な振動を利用できる点にあります。例えば、交通機関の振動や産業機械の動作による振動など、日常的に発生するエネルギーを捉え、利用することが可能です。
しかし、振動のような微小なエネルギーを利用して発電するため、大規模な電力の生成は期待できません。多くの方から「スマートフォンの充電は可能か？」という質問を受けますが、かなりの振動と時間が必要となるため、現実的ではありません。それでも、近年のセンサ技術の進歩により、低消費電力のセンサが多く開発されており、Bluetoothも低消費電力化が進んでいます。

桑野先生のウェブサイトでは、自動車の振動を利用してセンシングする例などが紹介されていますが、用途は多岐にわたります。現在は大量生産されていないためコストは高いですが、適切な用途が見つかれば、実用化が進むと考えられます。

良い用途が思いついたら、ぜひビジネス展開を検討していただきたいです。何かご相談があれば、お気軽にお問い合わせください。

図は仙台スマートマシーンズHPより

この記事は、本当の日記です！

先月のことですが東北大学を訪問いたしました。

MEMSと言えば、東北大学の江刺先生ですね。デバイスに関する相談事があり、お訪ねしました。西澤記念館におられる江刺先生は、私の相談に対し、膨大な文献と具体的な実例を用いて丁寧に解説してくださいました。昔と変わらずお元気でいらっしゃり、とても安心しました。私の悩みも解決への方向に向かいつつあります。

また、戸津先生にもご挨拶をさせていただきました。現在、戸津先生はマイクロシステム融合研究開発センターの教授（センター長）を務めています。 マイクロシステム融合研究開発センターのウェブサイト MEMSのコインランドリーには多くの装置があり、研究開発を行う人々にとっては非常に有用な場所です。

翌日は、田中先生にデバイス評価について相談しました。 田中先生のウェブサイト 田中先生はビジネス面や業界の情報に精通しており、雑談を交えながら楽しい時間を過ごし、鋭いアドバイスをいただきました。

桑野先生にも表敬訪問をしました。桑野先生は「仙台スマートマシーンズ株式会社」を設立し、社長として活躍されています。ご自身が研究されたデバイスを社会に実装するために、起業家としての道を歩まれています。実用化にはまだ時間がかかりそうですが、振動発電素子は非常に興味深いデバイスです。 仙台スマートマシーンズ株式会社のウェブサイト

圧電MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）は、微細な電子機械システムの一種で、圧電効果を利用して機械的な変位を電気信号に変換し、逆に電気信号を機械的な変位に変換する技術です。以下に、圧電MEMSの主な特徴と応用について説明します。

【MEMS技術の特徴】
革新的な小型化: MEMS技術は微細なサイズで製造可能で、これは新規事業において製品やシステムのコンパクト化に大いに役立ちます。小型のデバイスは、携帯性や省スペースの要件を満たし、市場での競争力を高めるのに寄与します。一概には言えませんが、小さくなればなるほど低コスト化するという半導体素子と同じような効果もあります。

高感度と高精度: MEMSデバイスは高い感度と精度を持っており、センサーとしての利用に最適です。これは、新規事業が環境モニタリング、品質管理、医療機器、自動車技術、および他の多くの分野で高品質なデータ収集と制御を必要とする場合に特に有益です。すでにスマホや自動車には採用され始めています。

低消費電力と長寿命: MEMSデバイスは低消費電力で動作し、長寿命を持つため、新規事業がエネルギー効率を重視する場合や信頼性が不可欠な場合に適しています。これは、バッテリー駆動の製品や無停止動作を要求されるアプリケーションに適しています。

【MEMS技術の新規事業への応用】

センサー技術の革新: 新規事業はMEMSセンサー技術を活用して、市場での競争力を向上させることができます。高感度のMEMSセンサーは、新しい製品やサービスの開発においてデータ収集と解析の品質を向上させ、顧客満足度を高めます。構造設計によっては新たなセンサとして使える可能性があり応用は広いと考えます。

製品のミニチュア化: MEMS技術は、製品やデバイスを小型化するのに役立ちます。これにより、新規事業はコンパクトでポータブルなソリューションを提供します。小型化は低コスト化と高付加価値化を意味し、従来のものと比較して競争力の高いデバイスになる可能性があります。

エネルギーハーベスティング: 新規事業はMEMSデバイスを使用して、外部エネルギーを収集し、エネルギーハーベスティング技術を導入できます。これは、バッテリー寿命の延長や環境に優しいソリューションの提供に役立ちます。実際のところ発電量はまだまだ小さいものの、センサや回路の商品電力が下がってきたため上手く組み合わせることでユニークな商品となる可能性があります。

MEMS技術は新規事業の成功に向けて多くの機会を提供し、競争力を高め、市場での立ち位置を強化する手段として積極的に検討すべきです。
いつでもご相談ください。

圧電材料とは、力（圧力）を加えると電圧を発生する（圧電効果）または電圧を加えると変形する（逆圧電効果）性質を持つ材料のことです。圧電効果は、物質内の正負のイオンが力によってずれることで電気分極が生じる現象です。逆圧電効果は、電気分極によって物質内に応力が発生し、物質が伸縮する現象です。圧電材料には、水晶やPZT（チタン酸ジルコン酸亜鉛）などの単結晶やセラミックス、PZTやAlN（窒化アルミニウム）などの薄膜などがあります。以下の図でイメージを示します。

この特性により、圧電材料は機械エネルギーと電気エネルギーの相互変換が可能となり、さまざまな応用が可能です。例えば、センサとしては、振動や音波、流体の流れや液面、温度や加速度などを検出することができます。アクチュエータとしては、超音波モーターやカッター、インクジェットヘッドやマイクロスピーカーなどに広く使われています。また、発振子やフィルタとしては、クロックや通信機器などに応用されています。

近年、圧電材料は小型のデバイスにさらなる応用が広がっており、特にMEMS（微小機械素子）分野でその重要性が際立っています。例えば、インクジェットヘッドでは圧電材料を用いて電圧を印加すると、液体のインクを精確に吐出することができます。MEMSマイクロフォンでは、音波によって圧電薄膜が振動し、その変位を電気信号に変換する役割を果たします。MEMS加速度センサでは、重力や加速度によって圧電薄膜が変形し、その応力を電気信号に変換します。同様に、MEMSジャイロスコープでは、回転運動によるコリオリ力を圧電薄膜で検出します。そして、MEMSプロジェクタでは、圧電薄膜を用いてミラーを駆動し、光を反射して画像を投影します。

圧電材料とMEMSは、それぞれ独立した技術分野ですが、互いに補完し合う関係にあります。圧電材料はMEMSの重要な機能素子として使用される一方で、MEMSは圧電材料の新たな応用領域として期待されています。今後も両者の技術革新が進み、より高度で多様なデバイスが実現されるでしょう。

当社では圧電材料とMEMS分野に関するアドバイスを提供しております。何かご質問やご相談がございましたら、お気軽にご連絡ください。