圧電素子のインピーダンス

質問

圧電素子を駆動させて超音波を発振しようとしています。40V程度の電圧を素子に印加しているのですが、同じ特性の別の素子で発振された音波を受波すると出力される電圧はせいぜい10mV程度です。インピーダンスのマッチングを行っていないために高い電圧を印加しても実際に素子のドライブに使われている電力が小さいのではないかと考え、素子の駆動周波数においての電圧波形と電流波形の位相のずれを調べてみたのですが、駆動周波数では位相が一致していました。この場合この周波数における等価回路を書くとしたら単純に抵抗だけと考えて差し支えないのでしょうか。また位相が一致しているということは素子に印加した分の電力はすべて素子のドライブに使われていると考えてよいでしょうか。

ご存知の方がおられましたらご回答お願い致します。

回答No.1

foobar · ベストアンサー

駆動電圧と電流の位相が一致していると言うことですので、素子は単純な抵抗と扱って良いと思います。

問題は、素子の機械的な振動から音波への変換の部分かと思います。
ここでの変換効率が低いと、素子に入った電力は大半が素子の機械的損失として消費されて熱になってしまうかと。
(同様に、受信側でも、照射された音圧の割に、励起される機械振動が小さくなって出力電圧が低くなってしまうかと思います。)

お礼

ご回答ありがとうございます。
自分の考えの方向性はあっているようで安心しました。

確かに素子の変換効率が悪いのかもしれません。素子はメーカーに共振周波数が200kHzになるように頼んで作ってもらったもので、素子自体が直径50mm、厚さ10mmと大型なこと、音波を受信するためのセンサとしては最適化されていないことなども影響しているのかもしれません。またfoobarさんがおっしゃるように素子を連続波で駆動させると5分も立たないうちに触れないほど熱くなります。

とりあえず、変換効率についてもう少し調べてみたいと思います。ありがとうございました。

回答No.3

tetsumyi

超音波の発生装置では発振部は機械的に発振したい振動数と同じ
固有振動数を持った物を設計してその部分を超音波駆動します。
きちんと設計されていないと充分な出力を得ることはできません。

例えば超音波溶接機では発振周波数を変える場合
振動部を発振周波数に合った物と取り替えて使います。

お礼

ご回答ありがとうございます。

ご指摘いただいた点ですが、使用している圧電素子はメーカーに特注して作ってもらったもので素子は201kHzで共振することは調べてあります。駆動させる際も共振周波数にて駆動させていますので、問題はないかと思います。

回答No.2

imoriimori

あんまり自信は無いコメントになりますが。。。

「位相が一致しているということは素子に印加した分の電力はすべて素子のドライブに使われていると考えてよいでしょうか」
は、駆動回路の出力インピーダンスと素子の電気インピーダンスのマッチングのことですよね？ここは共役整合（Conjugate Matching）がとれていないといけないと私は思うわけです。位相一致はたぶんインピーダンスの虚数部がマッチングとれていることを示しているけれども、実数部についてはマッチングがとれている保証がなくて、電力はしっかり反射しちゃっているのではないかなあ、と思う次第。

あと一つ、＃１様ご指摘のことと通じますけど、マッチングといえば前記の電気的駆動のマッチングもあるけれどももう一つ音響インピーダンスのマッチングが大きな問題ではないかと。圧電素子と超音波媒体との音響インピーダンスがマッチングしてなくて超音波は界面で反射してしまっているのでは？

お礼

ご回答くださりましてありがとうございます。

共役整合についてもう少し詳しく教えていただけますでしょうか。確かに質問で書いたのは回路の出力インピーダンスと圧電素子のインピーダンスのマッチングのことです。

音響インピーダンスのマッチングに関しては確かに整合層等つけていませんので振動面と気体との間で反射が十分考えられますが、とりあえず今知りたいのは回路から素子への入力と素子の振動への変換までの部分での減衰に関してです。