圧電素子のノイズ

質問

圧電素子（特にケーシング等はされていない）を2個用いて，1個を送信に，もう1個を受信用として2つの素子を正対させ，送信側の素子にある周波数の正弦電圧信号を入力します．この時2つの素子間の距離が数ミリの場合，受信側素子の出力電圧を測定すると，最大で500mV程度（28.2Vの入力に対して）のノイズが観測されます．この程度のノイズが生じると伝播してきた音波による出力電圧を判別することが出来ないために，このノイズを何とかしたいと考えています．ノイズを低減する方法等ご存知の方がおられましたらぜひアドバイスをお願いします．

個人的には，素子とつながっているリード線をシールド線にする．または圧電素子をケースに入れて使用するのが効果的なのではと考えています．

回答No.1

inara · ベストアンサー

圧電素子は、市販の超音波センサ（距離計）ではなくて、内製のものでしょうか。

市販の超音波センサなら、送信器と受信器の共振周波数が合っていて、共振特性がかなり鋭いので、受信アンプにその周波数だけ通るようなフィルターを入れれば、ランダムノイズは大幅に減ると思いますが、内製なら、まず以下の点を確認してください。

　　送信回路を動作させないで、受信器だけ
　　動作させたときノイズは出ますか？
　　　　Yes　　　　　　No
　　　　　↓　　　　　　↓
　　　　　↓ 　　　　　 └───────┐
　　そのノイズは特定の　　　　　　　　　　↓
　　周波数成分がありますか？　　送信パルスに同期した
　　　Yes　　　　No　　　　　　 　　　 ノイズですか？
　　　 ↓　　　　↓　　　　　　　　　　　　Yes　　　　No
　　　 (1)　　　　(2)　　　　　　　　　　　　↓　　　　 ↓
　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　 　(3)　　　　 (4)

(1)　その周波数成分が電灯線（AC100V）の周波数の倍数なら、その影響を減らすことです。送信側にその信号成分がもともとないなら、受信アンプにそれが乗っていることになるので、シールドをちゃんとしたほうが良いでしょう。受信アンプは同相信号が除去できる差動アンプ（インスツルンメンテーションアンプ）を使ったほうが良いかもしれません。もし、その周波数成分を取ってしまっても動作に影響しないなら、ノッチフィルターでノイズ成分だけカットするという手もあります。

(2)　ランダムなノイズなら、受信器の感度が悪すぎて、受信器のノイズや受信アンプ自身のノイズが見えているだけかもしれません。後者の場合、もしアンプの利得が大きい（1000倍以上）なら、低雑音のOPアンプを使うと良いかもしれません。

(3)　送信回路と受信回路が共通のGNDラインを持っていませんか？受信アンプの利得が大きいと、送信回路で発生したノイズがGNDラインに乗って、それが増幅されて受信信号として出てくることがあります。発振器の正弦波をどうやって作っているのかによりますが、あるクロック信号（矩形波）を基準に作っているのなら、正弦波の周波数の何倍かの周波数成分に同期した（クロック信号の立上りと立下りの部分に出る）ノイズが出ることがあります。電源ラインにそのノイズが乗っている場合も同じように受信側に影響します。

(4)　送信回路にデジタル回路が使われているのなら、デジタル部分の部分のノイズがアナログ回路（正弦波発生回路）に影響していないか見てください。

お礼

ご回答くださりましてありがとうございます．

この分野の知識が乏しいのにもかかわらず，圧電素子を使おうとしているために，回答くださった内容をすべて理解しているわけではないのですが，確認もかねていくつかお尋ねさせてください．

まず，使用している圧電素子は内製ではないですが，市販の超音波センサというわけではなく，企業に依頼して希望する大きさで作っていただいたものです．ただ超音波センサと異なり共振特性はそれほど鋭くありません．

次に測定の仕方ですが，送信側へ入力している信号はパルス信号ではなく，連続信号です．受信側素子の出力電圧は，受信側素子のリード線の端に電圧プローブをつけて測定しています．このため特に受信器と呼ぶようなものは使用していないのですが，送信側へ入力していない状態では質問の内容にあるノイズは発生しません．そのため最初の質問に対してはNoに該当すると思います．次の送信パルスに同期した信号か？とのことですが，連続信号を入力しているため，分かりません．パルス波を入力して確認してみようと思います．ただノイズの周波数は送信側へ入力している信号とまったく同じものです．このため最初，このノイズが送信側から発生し，伝播してきた音波による出力と勘違いしていました．

以上，ほとんど質問に対する答えになっていませんが，以上の内容を踏まえて再度お気づきになった点がありましたらアドバイスお願い致します．

回答No.2

esezou

skyfanさん、今晩は。

丸い金属板の片面に圧電材料を貼り付けた構造の「圧電素子」にオシロスコープ付属の普通のプローブを当てて測定した、と仮定します。

このような「圧電素子」はハイインピーダンスですから、商用電源（１００Ｖ５０Ｈｚ等）を主としたノイズが観測されるのは当然です。

トランジスタやＯＰアンプを用いた増幅器を通し、ローインピーダンスの出力を観測しないと意味ありません。

その上で、必要な帯域通過フィルタを用いたり、シールドしたりするのが通常の設計です。

圧電素子の扱い方を初歩から学んでください。
http://www.fujicera.co.jp/product/j/03/08.html
http://www.fujicera.co.jp/product/j/01/10.pdf

お礼

ご回答くださりましてありがとうございます．

圧電素子に関しても，電子回路に関しても知識不足なために誤ったことを書いているかもしれません．

圧電素子のインピーダンスは測定していませんが，確かに，以前商用電源が発するノイズと思われる50Hzのノイズが測定されました．ただ，今回測定されているノイズは，送信側に入力している信号周波数と等しく（200kHz），このために当初は伝播してきた音波による出力電圧と間違えていました．

上記のような理由から，送信側素子への入力信号を受信側，もしくは電圧プローブが何らかの形で拾っているのではと考えた次第です．