圧電変換器：応用と動作原理

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フィールド: 基本電気

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圧電トランスデューサーとは

圧電トランスデューサー（または圧電センサーとも呼ばれます）は、圧電効果を利用して加速度、圧力、ひずみ、温度、または力の変化を測定し、このエネルギーを電気信号に変換する装置です。

トランスデューサーは、ある種のエネルギーを別の種類のエネルギーに変換するものです。圧電材料はトランスデューサーの一種です。この圧電材料に力を加えると、トランスデューサーはそのエネルギーを電圧に変換します。この電圧は、それに加えられた力または圧力の関数です。

圧電トランスデューサーによって生成された電圧は、電圧計測器で簡単に測定できます。この電圧は、それに加えられた力または圧力の関数であるため、電圧値から力または圧力を推測することができます。このようにして、機械的なストレスや力などの物理量を直接圧電トランスデューサーを使用して測定することができます。

圧電アクチュエータ

圧電アクチュエータは、圧電センサーとは逆の動作をします。これは、電気効果が材料の変形（伸縮または曲がり）を引き起こすものであります。

つまり、圧電センサーでは、力を加えて伸縮または曲げるとき、電位差が生成されますが、圧電アクチュエータでは、電位差を適用すると、それが伸縮または曲がります。

圧電トランスデューサーは、シリコンと酸素が結晶構造（SiO2）を形成する水晶から作られています。一般的に、すべての結晶の単位セル（基本的な反復単位）は対称的ですが、圧電水晶の場合にはそうではありません。圧電結晶は電気的に中性です。

それらの中の原子は対称的に配置されていませんが、電荷はバランスしており、正の電荷が負の電荷を相殺します。水晶には、特定の面に沿って機械的なストレスが加わったときに電気極性を生成するという特徴があります。基本的に、ストレスには2つの種類があります。一つは圧縮ストレス、もう一つは引張りストレスです。

ストレスがない水晶には電荷が誘導されません。圧縮ストレスの場合、一方の側に正の電荷が、反対側に負の電荷が誘導されます。圧縮ストレスにより、水晶のサイズは薄く長くなります。引張りストレスの場合、圧縮ストレスと逆に電荷が誘導され、水晶は短く太くなります。

圧電トランスデューサーは、圧電効果の原理に基づいています。「piezoelectric」（圧電）という言葉は、ギリシャ語の「piezen」（押し込むまたは押す）に由来しています。圧電効果とは、水晶に機械的なストレスまたは力を加えると、水晶表面に電荷が生成される現象です。圧電効果はピエールとジャック・キュリーによって発見されました。生成される電荷の量は、加えられる機械的なストレスの変化率に比例します。ストレスが高いほど、電圧も高くなります。

圧電効果の特徴の一つは、可逆性があることです。つまり、電圧をかけると、それらは特定の面に沿って寸法が変化します。水晶構造に電場をかけると、電場の強度に比例して水晶が変形します。同じ構造に電場の方向を逆にした場合、変形は反対になります。

水晶は、電場をかけることにより長くなります。

水晶は、電場を逆方向にかけることにより短くなります。
これは自己発電型のトランスデューサーです。動作には外部の電源が必要ありません。圧電トランスデューサーによって生成された電圧は、応力または力に線形に変化します。

圧電トランスデューサーは高感度であり、そのためセンサーとして使用され、その優れた周波数特性により加速度計にも使用されます。圧電効果は、音の生成と検出、電子周波数生成など多くのアプリケーションで使用されています。たばこライターの点火源やソナー、マイク、力、圧力、および変位の測定にも使用されます。

圧電材料の応用

圧電材料を使用することで、圧電トランスデューサーは以下のような様々なアプリケーションで使用できます：

マイクでは、音圧が電気信号に変換され、この信号は最終的に増幅されて大きな音を生成します。
自動車のシートベルトは、急速な減速に対して圧電材料を使用してロックされます。
医療診断にも使用されます。
キッチンで使用される電気ライターでも使用されます。圧電センサーへの圧力が電気信号を生成し、これが最終的にフラッシュを点火させます。
高速衝撃波や爆風の研究にも使用されます。
不妊治療にも使用されます。
インクジェットプリンターにも使用されます。
レストランや空港で、人がドアに近づくとドアが自動的に開きます。この概念は、人がドアに近づくと重さがセンサーに圧力を与え、これにより電気効果が生じ、ドアが自動的に開くというものです。