12/21/2025で公開されています 4,573

圧電振動子：動作原理、構造、種類、特徴、用途

圧電トランスデューサを使用すると、機械的な力を電気信号に変換したり、電気エネルギーを機械的な動きに変換したりできます。この記事では、圧電トランスデューサーとは何か、その構造と仕組みについて学びます。また、その一般的なタイプ、主な特性、および用途についても説明します。

カタログ

図1. 圧電トランスデューサ（圧電円板素子）

圧電トランスデューサーとは何ですか?

圧電トランスデューサは、機械的な力を電気エネルギーに、または電気エネルギーを機械的な動きに変換するデバイスです。特殊な素材を使用しており、押したり、曲げたり、振動させたりすると微小な電圧が発生します。この特性により、圧力、振動、音、動きの検出によく使用されます。実際のセットアップで一般的に見られる、接続されたリード線を備えたシンプルなディスク型構造により、機械的な動作を測定または制御アプリケーション用の電気信号に簡単に変換できます。

圧電トランスデューサーの構築

図 2. 圧電トランスデューサの構造

•ハウジング（スチール）

機械的強度を提供し、トランスデューサーを外部損傷から保護します。

•マッチング層（エポキシ）

機械エネルギーを効率的に圧電素子に伝達し、信号性能を向上させます。

•圧電セラミックス

圧力や振動が加わると電圧を発生するアクティブセンシング素子。

•バッキング層（エポキシ）

不要な振動を吸収し、トランスデューサーの応答を制御します。

•封止材（ゴム）

構造を密閉し、湿気、ほこり、環境の影響から保護します。

圧電トランスデューサーの動作原理

圧電トランスデューサの動作原理は、特定の材料が機械的応力や電気エネルギーに応答する能力に基づいています。物質の内部では、力や電圧が加わると電荷が移動します。この動作は、直接圧電効果と逆圧電効果として知られる 2 つの関連する形式で現れます。それぞれの効果は、エネルギーがある形態から別の形態にどのように変換されるかを説明します。

直接的な圧電効果

図 3. 直接圧電効果

直接圧電効果では、機械的応力または歪みが圧電材料に加えられます。図に示すように、材料を押したり荷重を加えたりすると、内部の電荷が通常の位置から移動します。この電荷分離により、材料の反対側に正の表面と負の表面が作成されます。その結果、電極間に小さな電圧が発生します。加えられる力や振動が強くなると出力電圧が増加し、トランスデューサーが圧力、力、動きを正確に感知できるようになります。

逆圧電効果

図 4. 逆圧電効果

逆圧電効果では、エネルギー変換が逆方向に起こります。外部電圧が圧電材料に印加されます。図に示すように、印加された電場により内部電荷が再配列されます。この再調整により、素材は伸縮することで形状がわずかに変化します。物理的変形により機械的な動きや振動が生じ、圧電トランスデューサーが動き、音、または超音波を生成できるようになります。

圧電トランスデューサーの電気的特性

パラメータ	仕様
出力信号の種類	機械から発生する交流電圧 ストレス
電気出力モード	充電モードまたは電圧モード動作
出力電圧範囲	力に応じて 10 mV ～ 100 V ピーク そしてサイズ
充電感度	N あたり 1 pC ～ N あたり 1000 pC
電圧感度	1 mV/N ～ 50 mV/N
ソース容量	100pF～50nF
ソースインピーダンス	非常に高く、通常は 1 メガオーム以上
内部抵抗	10ギガオームを超える
周波数応答範囲	設計に応じて 1 Hz ～ 10 MHz
共振周波数	1 kHz ～ 5 MHz (代表値)
反共振周波数	レゾナントよりわずかに高い 周波数
共振時の出力インピーダンス	共振点での低インピーダンス
反共振時の出力インピーダンス	反共振時の非常に高いインピーダンス ポイント
静的測定機能	真の DC 測定には適していません
放電時定数	負荷に応じてミリ秒から秒まで 抵抗
信号極性	応力の方向によって異なります。 素材の方向性
誘電率	材質に応じて100～5000
アクチュエータとしての動作電圧	ACまたはDC10V～1000V
消費電力	センサーモードでは非常に低い
騒音レベル	非常に低い固有電気ノイズ
ケーブル感度	高、ケーブル静電容量の影響を受ける
必要な信号調整	チャージアンプまたは高インピーダンス電圧 アンプ
温度安定性	中程度、圧電材料によって異なります
電気損失係数	動作周波数が低い
絶縁抵抗	通常は 10 ギガオームを超えます
出力直線性	定格機械的限界内で高い

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さまざまなタイプがあり、それぞれ特定の測定および制御アプリケーション向けに、動き、圧力、音、または振動を感知または生成するように設計されています。

圧電加速度計トランスデューサ

圧電加速度計トランスデューサは、加速度と振動の測定に使用されます。センサーが動くと、機械的な動きを電気信号に変換することで機能します。圧力や力のトランスデューサーと比較して、急速な変化や高周波振動に対してより敏感です。そのため、機械の監視や振動解析に適しています。これは産業および構造の健康システムで一般的に使用されます。

圧電圧力トランスデューサ

圧電圧力トランスデューサーは動的な圧力変化を測定し、それを電気出力に変換します。静圧センサーとは異なり、急速な圧力変化に迅速に応答します。力トランスデューサと比較して、流体およびガスの圧力測定用に特別に設計されています。内燃機関や油圧システムでよく使用されます。高周波応答がその主な利点です。

圧電力変換器

圧電力トランスデューサは、電荷の生成を通じて加えられた力または荷重を測定します。力が加えられると、圧電素子は負荷に比例した電気信号を生成します。加速度計と比較すると、動きではなく直接的な力に焦点を当てています。動的力の測定に優れた性能を発揮します。このタイプは試験や衝撃測定に広く使用されています。

圧電超音波トランスデューサ

圧電超音波トランスデューサは、超音波を生成および検出します。電気エネルギーを高周波音波に変換し、反射信号を受信します。マイクと比較して、人間の可聴域を超えるはるかに高い周波数で動作します。これにより、正確なセンシング、イメージング、距離測定が可能になります。医療用超音波検査や工業用検査でよく使用されます。

圧電アクチュエータ トランスデューサ

圧電アクチュエータ トランスデューサは、電気エネルギーを正確な機械的動きに変換します。電圧を加えると伸縮して動きを生み出します。センサータイプのトランスデューサーとは異なり、主に測定ではなく作動に使用されます。非常に小さいながらも正確な変位を提供します。このため、高精度位置決めシステムに最適です。

圧電マイクトランスデューサー

圧電マイクトランスデューサーは音の振動を電気信号に変換します。音波により圧電材料が振動し、電圧が発生します。超音波トランスデューサと比較して、可聴周波数範囲内で動作します。シンプルな設計で、センシングに外部電源を必要としません。このタイプは、基本的なオーディオおよび音響検出システムで一般的に使用されます。

圧電点火トランスデューサ

圧電点火トランスデューサは、機械的な力が加わると高電圧を生成します。エレメントを押すか叩くと、外部電力なしで火花が発生します。他の圧電トランスデューサーと比較して、感知ではなく電圧生成に重点を置いています。これにより、点火の目的で信頼性が高くなります。ガスライターや点火システムに広く使用されています。

圧電振動子の応用例

圧電トランスデューサは、機械エネルギーを電気信号に正確に変換して、多くの業界でセンシング、測定、制御を行うことができるため、現代の技術で広く使用されています。

医療用超音波システム

圧電トランスデューサーは超音波装置で広く使用されています。高周波音波を生成し、反射信号を受信して​​画像を形成します。これにより、医師は体内の構造を安全に観察することができます。彼らは信頼でき、非常に迅速に対応します。

振動と状態の監視

これらのトランスデューサは、機械や構造物の振動を検出するために使用されます。機械振動を電気信号に変換して解析します。これは、モーター、ポンプ、エンジンの故障を早期に特定するのに役立ちます。安全性が向上し、メンテナンスコストが削減されます。

圧力測定システム

圧電トランスデューサは、気体や液体内の急速に変化する圧力を測定します。高速で圧力変化が起こる場所で威力を発揮します。そのため、エンジンや油圧システムに適しています。定常圧や静圧には使用されません。

力と衝撃の測定

力、荷重、衝撃の測定に使用されます。力が加えられると、電荷が生成されます。これにより、動的力の正確な測定が可能になります。これらは試験や材料分析で一般的です。

音響および音響機器

圧電トランスデューサーは、マイク、ブザー、サウンドピックアップに使用されます。音の振動により、材料は電気信号を生成します。シンプルなデザインで、非常に耐久性があります。これらのデバイスは家庭用電化製品では一般的です。

点火と火花の発生

点火システムでは、圧電トランスデューサーが押されると高電圧を生成します。この電圧により、外部電源を必要とせずにスパークが発生します。ガスライターやストーブでよく使用されます。シンプルなデザインで信頼性も高いです。

圧電トランスデューサーの利点と限界

圧電トランスデューサーの利点

• 力や振動の小さな変化に非常に敏感です。

• 動的な信号に素早く反応します。

• 広い周波数範囲で動作します。

・サイズが小さく、軽量です。

• センシングモードでは外部電源は必要ありません。

• 耐久性があり、過酷な条件下でも信頼性があります。

圧電トランスデューサーの限界

• 静的な力や定常的な力は測定できません。

• 特別な信号調整回路が必要です。

• 出力は温度変化の影響を受けます。

• 出力信号は通常非常に小さいです。

• 材料によっては、高い応力がかかると亀裂が生じる可能性があります。

圧電トランスデューサと他のトランスデューサ

仕様	圧電トランスデューサ	ひずみゲージ変換器	静電容量型トランスデューサ	誘導トランスデューサ	光トランスデューサ
測定数量	力、圧力、振動	緊張と力	変位、圧力	位置、変位	光、位置、速度
動作原理	圧電効果	抵抗変化	静電容量の変化	電磁誘導	光の変調
出力信号の種類	電圧または電荷	抵抗変化	静電容量の変化	電圧	電圧または電流
静的測定機能	不適切	適切な	適切な	適切な	適切な
動的測定機能	素晴らしい	良い	中等度	良い	素晴らしい
一般的な感度	高	中	非常に高い	中	非常に高い
周波数範囲	1Hz～1MHz以上	10kHzまで	最大100kHz	最大50kHz	1MHz以上
応答時間	1 マイクロ秒未満で非常に高速	ゆっくりから中程度	速い	中等度	非常に速い
出力インピーダンス	1MΩを超える非常に高い	120～350オーム程度の低さ	高	低い	低い
温度感度	中	高	中	低い	低い
信号調整が必要	必須	必須	必須	必須	最小限
電力要件	センシング用の外部電源は不要	励起電圧が必要です	励起電圧が必要です	励起電圧が必要です	電源が必要です
サイズと重量	非常に小さくて軽い	小	小	中	小
環境への堅牢性	高	中等度	中等度	高	中等度
アプリケーション	振動モニタリング、超音波	ロードセル、計量システム	位置およびレベル検出	近接および位置センシング	エンコーダ、ファイバーセンサー

結論

圧電トランスデューサは、直接および逆圧電効果を通じて動作し、動きや電気信号を感知または生成します。振動、圧力、力、音響などの動的測定に高感度、高速応答、広周波数動作を提供します。多くの業界で、センシング、作動、点火の目的でさまざまなタイプが使用されています。ただし、静的測定には適しておらず、適切な信号調整が必要です。