小型化デバイスへの圧電音響トランスデューサの組み込み方法

学習内容:

• 圧電技術の幅広い応用。
• 精密さを維持しながらデバイスを小型化する傾向が、設計エンジニアにとってなぜ課題となるのか。
• マルチフィジックスソフトウェアツールが、圧電音響トランスデューサの設計における固有のマルチフィジックスの課題にどのように対応できるか。

消費者向けメディアデバイスから医療診断ツール、防衛関連のソナーアプリケーションまで、電子製品の小型化と洗練化が進むにつれて、消費者にとっては利便性と使いやすさが向上する一方で、設計エンジニアにとっては継続的な課題となっています。これらの一見異なる製品（オーディオ/モバイルデバイススピーカー、特定の非侵襲的医療機器、ソナーアレイ）は、音響信号の生成と受信の両方に圧電トランスデューサに依存しているという共通点があります。

圧電材料は、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換し、その逆も可能であることから、20世紀前半から高く評価されてきました。しかし、21世紀の技術は、これらの同じ材料が、より小さく、より小さなパッケージ内で、より多くの音またはより正確な周波数を生成し、同時にできるだけ少ないエネルギーを使用することを要求しています。

圧電体を含むデバイスの設計という課題は、電気、振動、音響の合流により、本質的にマルチフィジックス的です。したがって、設計者は、製品内の複数の物理現象を計算できるツールを持つ必要があります。

圧電材料の概要

圧電材料は、圧縮などの機械的応力によって電気を生成できる材料です。これらの材料は、電圧（電気）が印加されると変形することもできます。非導電性セラミックまたは結晶のいずれであっても、典型的な圧電セラミック材料は、2つの金属板の間に配置されます。

圧電性を生成するには、材料を圧縮または圧迫する必要があります。圧電セラミック材料に機械的応力を加えると、電気が生成されます。圧電効果は逆転させることができ、これは逆圧電効果と呼ばれます。これは、圧電結晶を収縮または膨張させるために電圧を印加することによって生成されます。逆圧電効果は、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換します。

圧電材料は、驚くほど多くの日常製品に見られます。「カチッ」と押すと火がつくライターのボタンを押すと、圧電材料の圧縮によって火花が発生します。

次に、小型デバイス内での出力増加の必要性から、設計エンジニアにとってより大きな課題となる他の製品を見てみましょう。

マイクとスピーカー

圧電材料は音響分野で広く使用されています。マイクには、入力された音波を信号に変換し、それを処理して出力された増幅された音を生成する圧電結晶が含まれています。携帯電話やその他のモバイルデバイス内の小型スピーカーも、圧電結晶によって駆動されます。デバイスのバッテリーは、音を生成する周波数で結晶を振動させます。

ここでの課題は、小型パッケージ内で非常に高品質な音を生成し、デバイスのバッテリーをあまり消耗させない圧電トランスデューサを設計することです。

医療機器

補聴器などの非侵襲的医療機器も、その動作の一部に圧電体を使用しています。超音波技術も同様であり、圧電材料の主要な用途です。

超音波検査では、圧電材料が電化され、高周波音波（1.5〜8 MHz）が生成され、体組織に浸透することができます。波が跳ね返ると、圧電結晶が受信した機械的エネルギーを電気エネルギーに変換し、超音波装置に送り返して画像に変換します。

ハーモニックメスなどの他の医療機器は、手術中に組織を切断および焼灼するために圧電材料の振動特性を利用しています。デバイス内の圧電結晶は、切断と焼灼を同時に行うために必要な運動エネルギーと熱エネルギーの両方を生成します。

超音波設計の課題は、超音波で使用される非常に正確な周波数を作成するために、圧電コンポーネントの正しい形状と材料組成を決定する必要性に焦点を当てています。また、ハーモニックメスの例では、設計はデバイスの振動応答に対する加熱の影響を考慮する必要があります。

ソナー

圧電技術の最も広範で長年の使用は、ソナーアプリケーションに見られます。第一次世界大戦中、ソナーは圧電性の最初の商業的応用であり、その使用は二つの世界大戦の間に急増しました。

今日、軍、漁師、その他の多くの海洋用途で使用されているものを含むすべてのソナーベースのシステムは、音波の生成と受信の両方に圧電体を含むトランスデューサを使用しています。

これは単純に見えますが、空気ではなく水中で音を伝播するためのトランスデューサを設計することは、独自の複雑なエンジニアリング上の課題を提示する可能性があります。これらのアプリケーションでは、圧電デバイスが、検出可能なレベルを下回ることなく長距離を伝播するために、高出力信号を生成することが必要になることがよくあります。

新しい用途

圧電材料の新たな用途は、エネルギーハーベスティング技術です。圧電材料の独自の特性により、振動を必要とする、または生成するあらゆるアプリケーションで正常に使用できます。

エネルギーハーベスティングでは、外因性の振動が圧電材料に機械的歪みを生成し、それが電気エネルギーに変換されます。その圧電生成されたエネルギーは、デバイスまたはシステムの他のコンポーネントに電力を供給するために使用できます。

バッテリー不要のタイヤ空気圧監視システム（TPMS）はそのような例の1つです。車両のタイヤが回転すると、機械的エネルギーが生成されます。圧電体を含むセンサーがそのエネルギーを収集し、それを蓄積し、ドライバーの表示パネルに信号を送信します。TPMSは歴史的にバッテリー駆動でしたが、環境に優しいバッテリーの代替品への関心の高まりにより、圧電材料のエネルギーハーベスティングの可能性に新たな焦点が当てられています。

古い発見、現代の課題

圧電材料は1世紀以上にわたって利用されてきましたが、小型でより複雑な製品でのその応用の現在の必要性は、設計エンジニアにとって課題を提示しています。適切な材料を選択し、適切な結晶形状を設計することは、プロトタイプの機能にとって非常に重要です。

圧電体は非常に複雑で相互に関連する材料特性を持ち、材料組成が重要です。同様に、圧電結晶の形状が正しい共振周波数を生成しない場合、デバイスは動作しません。そして、「オブザーバー効果」と見事に連動して、圧電結晶の電化自体がその形状を変形させ、より多くの電気を生成します。

これは、長時間のビルドテストプロトタイププロセスにおける推測を排除する設計ソリューションを求めている、信じられないほど複雑なフィードバックループです。

シミュレーションが重要な理由

非線形性を扱う場合、シミュレーションは常に役立ちます。設計者が、あまりにも多くの未知数の中で構築とテストを行うという、報われない（そして多くの場合、予算的に実現不可能な）タスクから解放されます。電気音響トランスデューサを検討する場合、電気エネルギー、機械的エネルギー、音響の独自の組み合わせは明らかに非線形で、本質的にマルチフィジックス的です。

マルチフィジックスシミュレーションは、設計エンジニアが動作条件下でデバイス設計をシミュレートできるようにすることで、製品をより効果的に開発するためのツールを提供できます。さらに、これらのシミュレーションには、制御回路から圧電トランスデューサ、周囲の音響環境までのエコシステム全体が含まれる場合があります。マルチフィジックスシミュレーションでは、次のような要素が考慮されます:

• 機械的および電気的応答の構成方程式
• 圧電材料特性の分極方向
• 境界条件
• 構造力学/振動加熱

圧電依存デバイスが、洗練された消費者（個人または業界）の要求に応えるために、より小型で複雑になるにつれて、設計エンジニアは、製品内の複数の物理現象を計算するツールを持つ必要があります。マルチフィジックスシミュレーションツールは、複雑な設計課題に明確さと方向性を提供できます。

圧電技術の詳細については、シミュレーションによる圧電音響トランスデューサの設計 ウェビナーをご覧ください。