圧電回路：包括的ガイドと用途

毎日、未知の物理量を測定する必要があるさまざまな状況に遭遇します。例えば、温度レベルや圧力レベル。これらの未知の量を測定するには、そのような機能を持つデバイスが必要です。幸い、答えがあります。必要なのは圧電回路です。圧電ブザーや圧電センサーなど、様々な用途向けに異なるタイプの圧電回路があります。しかし、この記事の焦点は圧電トランスデューサです。この記事では、圧電回路とさまざまなタイプの圧電回路について知っておくべきすべてを紹介します。また、変換プロジェクトのために圧電トランスデューサについてもっと学びたい場合、この記事もあなたのためのものです。

準備はいいですか？始めましょう！

圧電回路とは

まず、圧電効果が何を意味するかを見てみましょう。簡単に言えば、圧電効果は機械的圧力から生成される電気であり、これが圧電効果として知られています。

圧電回路は、この圧電効果を使用して、力、加速度、温度、圧力、歪みの変化によって生成されるエネルギーを電気的電荷に変換します。

トランスデューサという用語は、ある形のエネルギーを別の形に変換できるすべてのものを包括します。したがって、圧電トランスデューサはトランスデューサのタイプの一つです。

しかし、それだけではありません。

圧電トランスデューサの感度は高いため、優れた応答周波数のおかげでセンサーとして、また加速度計として機能できます。

圧電トランスデューサの仕組み

前述のように、圧電トランスデューサは圧電原理で動作します。また、この場合の圧電材料である水晶は、導電性材料（銀）の薄い層で体が覆われています。

さらに、水晶は整然とした結晶系に配置されたシリコンと酸素の組み合わせです（SiO2）。

特筆すべきは、圧電結晶は電気的に中立で不偏（不均一で非対称）であることです。

これらの結晶に存在する原子は整然としていませんが、適度な電気的負荷を持っています。つまり、正の電荷が負の電荷を相殺しています。

さらに、水晶には独自の機能があります。表面に圧力や機械的力を加えると、電気的極性を生成します。

圧電回路の仕組みについてもっと知りたい場合は、こちらの記事をご覧ください。

圧電トランスデューサの種類

圧電トランスデューサには様々なタイプがあります。また、これらの圧電トランスデューサのタイプを圧電結晶材料に基づいて分類できます。

セラミック圧電トランスデューサ

セラミック圧電トランスデューサは様々な形状とサイズで作成できます。このため、あなたやお客様の特定の要件を常に満たせます。セラミック圧電トランスデューサの主要コンポーネントは、チタン酸ジルコン酸鉛の組成で主に作られています。

ロッシェル塩圧電トランスデューサ

ロッシェル塩も圧電トランジスタで動作する材料です。すべての異なる圧電材料の中で、ロッシェル塩が最も高い出力を持つ材料です。

欠点としては、湿度の高い環境ではこの材料を使用できません。また、特定の温度（240度）以上でも使用できません。

しかし、合成結晶は天然結晶よりも電圧ピーク出力用途、特に感度においてより効果的です。

動作に基づく圧電トランスデューサ

動作周波数に応じて、圧電トランスデューサをメガソニック、ソニック、超音波トランスデューサに分類できます。これらの分類それぞれは異なる設計と機能を持っています。まず、ソニックトランスデューサは可聴周波数レベル、すなわち2 kHz未満で使用できます。

ソニックトランスデューサの良い例はブザートランスデューサです。第二に、超音波トランスデューサの通常の動作周波数は20〜200 kHzの間です。最後に、メガソニックトランスデューサはMHz周波数レベルで動作します。

圧電回路の例

ここでは他の圧電回路のいくつかの例とその仕組みを紹介します：

3V駆動大音量ビーパー

3V DC電源で圧電タイプのビーパーから大きな音圧を得るのは困難です。

しかし、この回路はそのような制限を回避し、効率的に大きな音を生成します。電圧ブーストセクションと共振フィードバックネットワークを組み合わせることで実現しています。

したがって、圧電ウェーハが受け取る電圧は約40ボルトのピークツーピークです。最終結果は、多くの電流を消費せずに大きな音を生成する回路です。

圧電デバイスを使用した動作アラーム

ここでは安価で簡単に構築できるもう一つの圧電回路を紹介します。この回路の結果は、あらゆる動作アラームの動作検知デバイスとして使用できる圧電デバイスです。

クリック音発生圧電回路

クリック音発生回路は、コンピュータシステムでボタンを押すたびに聴覚的な「クリック」やフィードバックを生成します。上記の両回路は、ロジック入力がローからハイに切り替わるたびに、これらのクリック音を毎秒生成する能力を持っています。

圧電タイプの音発生器は消費電力が低く、センサーレベルの表示を提供します。また、1秒あたりのクリック数を制御できます。

圧電タップスイッチ

ここでは圧電ウェーハを利用したもう一つの圧電回路を紹介します。また、このウェーハをプラスチックボックス内に固定して指タップセンサーとして機能させることができます。したがって、ウェーハを含むボックスをタップすると、外部デバイスの電源（ACまたはDC）をオン/オフします。

また、9V電池でこの回路を駆動し、単一の10アンペア接点定格シングルコイルリレー（5V）を駆動します。このリレーでACまたはDC電源を切り替えます。また、回路をスタンバイモードにすると、最小1µAの電流しか消費しません。

圧電トランスデューサ：動作モードの種類

圧電トランスデューサには、圧電材料の切り方によって3つの主要な動作モードがあります。これらは横効モード、縦効モード、せん断モードです。

横効モードの場合、メイン軸「Y」に圧力を加えて負荷を生成できます。次に、圧力線から90度の角度で「X」方向に移動します。この時点で、電荷は圧電材料の形状に依存します。

縦効モードの場合、生成される負荷は加える力に依存します。横効効果とは対照的に、縦効モードの負荷は圧電材料の形状やサイズに依存しません。

最後に、せん断モードは縦効効果と似ています。加える力に基づいて負荷を生成し、圧電コンポーネントの幾何学にも依存しません。

圧電トランスデューサの用途

圧電トランスデューサの用途は以下の通りです：

• 自動車、近接、レベルセンサー

• 動作検知器や物体検知器などの住宅用製品
• おもちゃ、リモコン、ゲームなどの一般的な電子機器

• 自動車用途での爆発計算
• 空港やレストランの自動ドア

圧電トランスデューサの利点と限界

圧電トランスデューサの利点と限界は以下の通りです：

利点

• 自己発電型トランスデューサである
• 幅広い用途に最適
• 回路で簡単に使用・取り扱い可能

限界

• 温度などの環境条件の影響を受けやすい
• 静的用途を測定できない
• 圧電材料の希望する形状と強度を容易に得られない
• 一部の用途では出力電圧が時折低い

まとめ

圧電回路は様々な用途で動作するユニークな回路です。圧電トランスデューサは、他のセンサーデバイスでは見つけにくいユニークな機能を提供するこれらの回路の一つです。

圧電トランスデューサにはいくつかの利点と欠点がありますが、これはあなたの用途によります。最後に、圧電トランスデューサの性能を選択や購入前に注意深く評価してください。

この記事の終わりに来ました。しかし、さらなる質問があれば、お気軽にお問い合わせください。お話を伺えることを楽しみにしています。