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過去20年間、圧電結晶のコストは 国内外で急速に発展しています。製造が簡単、低コスト、安定性が良いという利点から、エレクトロニクス、光、熱、音響の分野で広く使用されており、その用途は多岐にわたります。超音波トランスデューサは、指向性の良い超音波を発生できる圧電セラミックスで作られています。速度や距離などのパラメータの測定に最適で、過酷な環境条件下でも安定して確実に動作します。
超音波測距装置について超音波とは、機械波である20kHzより高い周波数の音波を指します。方向性が良く、耐環境性に優れているため、トルク測定技術に使用されています。超音波測距装置は非接触測距技術です。方式としては主にパルス方式、位相方式、周波数変換方式などがあります。超音波測距装置は主にパルス方式を採用しています。パルス方式では、キャリアパルス信号が測定距離を往復する時間を測定することで距離値を直接求めます。の式 ピエゾ プレートのエネルギー生成は D=Vt2D/2 です。ここで、D は測定される距離です。 V は空気中のキャリアの伝播速度です。 t2D はキャリアの往復時間です。パルス方式の精度は時間測定の精度に影響され、時間測定の精度は発振周波数に影響されます。超音波が搬送波として使用され、距離測定精度が D≤1cm である場合、時間試験精度は t≤5.9×10-5s である必要があります。つまり、発振周波数が 1.7×104 Hz に達する限り、これは非常に簡単に実装できます。
圧電超音波トランスデューサは、圧電材料の圧電効果を利用して作られています。分極された圧電材料は、印加された電場の作用下で機械的変形を受けます。これを逆圧電効果と呼びます。逆に、圧電材料の機械的変形によっても電圧が生成され、これを正の圧電効果と呼びます。逆圧電効果を利用することで、高周波電圧を高周波の機械振動に変換して超音波を発生させることができます。正の圧電効果を利用して、受信した超音波振動を電気信号に変換することもできます。これが超音波トランスデューサーの仕組みです。圧電超音波トランスデューサは、電気端と機械端を備えた 4 端子ネットワークとみなすことができます。
圧電材料の選択 圧電板 とは、超音波振動子を作製するための圧電材料として、圧電単結晶、多結晶圧電セラミックス、圧電高分子、圧電複合材料などがあることを指します。その中でも、チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスは、高い機械的強度、耐温湿度性、低コスト、良好な電気機械結合効果などの利点を有しており、超音波トランスデューサに広く使用されている。超音波距離計の超音波振動子は、振動子の材料としてチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックスを使用しています。
2本が伸びたら 圧電円板圧電結晶を貼り合わせ、励磁電界を印加すると一方が伸び、もう一方が短縮して屈曲振動を発生させることができます。 同じ厚さで分極した接着された 2 枚の圧電セラミック シートは逆方向に分極され、電源に直列に接続されます。同じ分極方向を有する2枚の圧電セラミックシートの並列接続モードが示されています。 2 枚の圧電セラミック接着シートでは、電界によりそのうちの 1 枚のみが励起され、曲げ振動が発生します。同様に、2 枚の圧電セラミック シートを薄い金属シートに接着したり、セラミック シートを薄い金属シートに接着したりすることでも、曲げ振動の厚みを生み出すことができます。曲げ振動モードの共振周波数 fr とシートの長さ。総厚 t と粘着シートの関係は、fr = Nlttl2 です。Nlt は周波数定数です。厚み曲げ振動モードは、500 Hz ～ 100 kHz の周波数範囲に適用されます。このような振動子のサイズは、一般的にセラミックシートの幅、l = (6 ~ 10) ww ≥ 3.5t です。厚み滑り振動モードは、電極面が分極方向と平行であり、交流電界の作用により圧電セラミックシートが厚み方向に滑り振動することを特徴とする。詳細な説明は省略するが、厚み滑りモードは比較的励起されやすく、主に１０〜６０ｋＨｚの高周波領域で用いられる。超音波距離計では、圧電振動子から超音波が発振され、振動子の振動振幅が大きいため、屈曲振動モードが好ましい。同時に、空気の音響インピーダンスは非常に低いため、一般的な圧電材料ではインピーダンス整合を実現することが不可能であり、遷移層によって実現する必要がある。圧電セラミックス片は金属薄片に接着されていることが分かり、 圧電トランスデューサ超音波を 励振源として使用し、振幅が大きく音響インピーダンスが小さい曲げ振動モードを生成し、空気との音響インピーダンス整合を実現します。 。この製品は、圧電セラミックシートと薄い金属シートの接合構造の形態をしています。
薄い金属シートは、圧電セラミックスと電極を摩耗や損傷から保護する保護膜としても機能します。材質は安定性の高いニッケルクロムチタン合金から選択可能です。金属は薄いほど音圧が往復透過率が高くなるため、金属片は一般に0.1mm程度と薄く設計されています。超音波距離計の振動子の形状と大きさは、波源として長方形の振動子を使用することを考慮して、送信される超音波場が扇形である必要があります。ピストンの振動には長さL、幅Wの矩形波源を用いており、ディスク源と同様にガス媒質中に縦波音場を放射します。放射線のメインビームが四角錐であり、方形波源の指向性メインローブの斜視図である。超音波距離計は、単一周波数測距用に 36 kHz の超音波を放射します。つまり、圧電セラミック発振器の共振周波数は 36 kHz です。この周波数は、検出範囲、精度、感度に関するシステムの要件を満たすだけでなく、送信された超音波の空気伝播効率も高くなります。式の計算と実験的な補正により、圧電セラミック角形振動子のサイズはL=26.5mm、W=11.2mmと決定され、圧電トランスデューサは基本周波数共振に近い構造として設計され、シェルはエンジニアリングプラスチックで作られています。金属やセラミックスの粘着シートを固定・保護できます。 ２つの電極ピンはそれぞれリード線を介して金属およびセラミック片の電極に接続されており、接続方法ははんだまたは低温導電性接着剤によってはんだ付けすることができる。
