圧電セラミックに関して

質問

圧電素子の研究を行っていて、圧電素子の特性を評価すべく下記に書かれた方法で定電圧回路を作成し、共振周波数を測定しようとしているのですが、測定結果はサイン波が増幅し、一定を保った後、減衰するといった結果しか得られませんでした。出力は信号発振器により。5Vを周波数10000～100000まで変化させ、測定を行いました。
どなたかなぜ共振が起こらないか教えていただけないでしょうか。
ちなみに、圧電素子のカタログ値より算出した共振周波数は47000Hzでした。

http://www.fujicera.co.jp/product/j/01/06.html

回答No.8

tadys

No.3です。
「定電圧回路」というのは添付資料のリンク先に書いてあるんですね。
ちゃんと書いていてほしかったです。
でも、図5.3.1を定電圧回路というのはちょっと無理が有りますね。
おそらく、その会社のローカルルールです。

データロガーで電圧を測定しているとのことですが、データロガーで100kHzの波形を取り込むには最低でもサンプリング周波数を200kHzにする必要が有ります。
現実的には1MHz以上のサンプリング周波数が必要です。
そのうえで、取得した波形のピーク値を読み取る必要が有ります。

データロガーで正しく測定できているかは、ファンクションジェネレータの出力を直接データロガーに入れて100kHzまでフラットになっているかを確認すればいいでしょう。

他の方が言っているようにデータロガーよりはオシロスコープ又は100kHzまで測定できるマルチメータで読み取る方が良いでしょう。

図5.3.1の回路では出力電圧が小さいので測定が大変かもしれません。
私が紹介した「Qメーター」は図5.3.1のR3をバリコンに変更したもので、バリコンに現れる電圧は圧電素子のQ倍に増幅されるので共振点を見つけるのが楽になります。
共振点をシャープにする為にはR2は小さいほうが良いですが、あまり小さいと出力電圧も小さくなるので適当なところが必要です。
数Ω程度が良いでしょう。

回答No.7

xpopo

回答者番号NO4です。

１）
>NO4さんへ
>各種パラメータは
>
>Zosc=50Ω
>R1=10Ω
>R2=40Ω
>R3=10Ω
>Rr=5.5MΩ

　R2=40ΩでR3=10ΩでR2≒R3になってませんね。
R1を40Ωにして、R2を10Ωにしたほうが良いと思います。

２）
>あと、データロガーというもので回路の電圧を測り、
>それを縦軸として時系列データをとりました。

　データロガーは一般に高周波の測定には向かない測定器ですが、
ご使用になったデータロガーは100kHzまで測定可能なのか疑問
ですので確認ください。できたらオシロスコープでの測定を
お勧めします。

３）出力は電流で測らなければならないか？

　定電圧回路で出力を電圧で測定してますが、抵抗R3の電圧降下を測定
してますので測定結果の電圧をR3（10Ω）で割れば電流になりますので
電圧測定でも大丈夫です。

４）　定電流回路のついて

　図5.3.2の回路で抵抗R4を100kΩ程度以上にすれば電源としての発振器
は電流出力タイプでなくても電圧出力タイプで概略定電流駆動が可能に
なりますので大丈夫です。

お礼

回答ありがとうございます。

資料の定電流回路を作成し、R4=1MΩ、Ra=230kΩとして、データロガーのサンプリング間隔を10μSにし、サンプル点数を20000点にし、周波数10000～80000HZまで測定したのですが、やはりでませんでした。定電流回路が間違っているのでしょうか？

回答No.6

acha51

No.2補足です

P22no図から
定電圧回路の場合は測定項目は電流です！
　ｖの位置では電圧となり測定できません

定電流回路の場合は電圧です！
こちらで測定します
データロガーは普通電圧測定なので定電流回路で測定します
この時入力インピーダンスが低いときれいなピークが測定できません
100ｋΩより十分高い測定器を用意してください

お礼

貴重なお答えありがとうございます。
定電流回路を用いて、共振周波数をもとめてみようと思います。

ちなみに、私はファンクションジェネレータしか持っておらず、定電圧をかけて周波数を変えていくことは可能なのですが、定電流をかけて周波数を変える装置を持ち合わせていません。

ファンクションジェネレータにより、定電流をかけることはできるのでしょうか？
ファンクションジェネレータは、wave factory WF1945というものを用いています。

回答No.5

xpopo

回答者番号NO4です。

　すみません、以下の確認項目が抜けてました。

発振器の信号源インピーダンス　Zosc　の値はいくらですか？
また、抵抗R1は　R1　=　Zosc　－　R2　のあたいにされてますか？

お礼

丁寧にお答え頂きありがとうございます。

NO4さんへ
各種パラメータは

Zosc=50Ω
R1=10Ω
R2=40Ω
R3=10Ω
Rr=5.5MΩ

あと、データロガーというもので回路の電圧を測り、それを縦軸として時系列データをとりました。

回答No.4

xpopo

今日は、回答された皆さん勘違いされてるようですね。

kenji_kawaguchiさんの言われている「定電圧回路」はリンク先の
ページの最後に載っているpdfファイルのリンクを開きそのpdfファイル
の22ページの図5.3.1の測定回路の事ですね。

　図5.3.1を下に添付しますが、図の上に示されたアドミッタンスの
周波数特性が黒い線で表されたようにならないで赤い点線で示した
ようになってしまい、共振点のｆｍやｆｎが現れなかったということ
ですね？

　確認ですが、圧電セラミックの共振抵抗Rrはいくらでしょうか？
また、R2,R3はほぼ等しい値で、　R2≒R3<<Rr　の関係の値になってます
か？また、R2,R3の値の範囲は１～10Ω程度の値になってますか？

　もしこれらの条件を満たしてもｆｍやｆｎが見えてこないならば、
図5.3.2に示されている定電流回路の方法で測定されてみてはどうで
しょうか？

回答No.3

tadys

＞下記に書かれた方法で定電圧回路を作成し
どこに「定電圧回路」て書いてあるんですか？

圧電素子の共振周波数を測定するにはインピーダンスを測定します。
インピーダンスなので電圧と電流の比を計算する必要が有ります。
電圧と電流は位相も含めた形（複素数）で計算します。
周波数だけ分かれば良いのであれば位相を無視しても良いですけど。
特に定電圧源でドライブしたら電圧が変化しないのだから電圧見ていても分かるわけがない。
電流も同時に見なければ分かりません。

普通は、広帯域のLCRメータを使って測定しますよ。
こんなやつ
http://www.instek.co.jp/product/lcr/1mhz/
http://www.home.agilent.com/agilent/product.jspx?nid=-34124.0.00&cc=JP&lc=jpn&pageMode=SC

4263B LCRメータ, 100Hz -100kHz なんかはお薦めですね。価格は30万円とお安いです。
購入が無理であればレンタルも有ります。
http://www.orixrentec.jp/cgi/tm/detail.cgi?id=150234&route=
ひと月65,800円です。

昔は「Qメーター」なんて言うものを使っていたけど、これなら自作も可能です。
http://www.k5.dion.ne.jp/~radio77/report/k300.htm
AKI-038の代わりに発振器をつなげば良いです。
Qメーターは位相を無視しています。

回答No.2

acha51

定電圧駆動では観測できません
信号発振器の出力と試験物の間に100kΩ程度の抵抗を入れて
観測も高入力インピーダンスのオシロなどで行ってください

回答No.1

fjnobu

部面からの判断だと、圧電素子の共振を利用した自励式の発振回路ですか？
共振周波数を測定するなら、標準周波数発振器を使い外部から励振して出力の大きさを読み取ることが必要です。
自励式の発振回路では、外部条件で周波数は移動したり、回路の不安定要因で発信は止まって当然です。