野々山勤

平澤秀幸

高沢弘光

柳沢充亨

沼田由一

山田恭央

菊地広一郎

百瀬陽介

2007/12/04

Piezoelectricity（圧電効果）

Piezoelectricity（圧電効果）
圧電素子に圧力を加えれば、電荷は両端に移動された。図①のように天然水晶表面に圧力を与えて、電荷が移動して、Si+とO－は両端に集中してきた。天然水晶は最も感度の高くて安定性のよい素子材料である。

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天然水晶の以外、セラミック素子も使われいる。セラミック素子は出力の高くて、低のノイズの測定に適用する。
表①のように水晶素子とセラミックの特性：.
水晶素子 セラミック素子
天然圧電材料 人工SI材料
電圧感度が高い（直接電荷） 電圧カップリング感度が高い
強度が強い サイズと形状が自由に
安定性（長期間） 高温対応（1000 F (540 C)）
無ビロ電気 ビロ電気有り
温度係数が小さい 温度の指数
Table 1: Comparison of Piezoelectric Materials
さまざまのサイズと形状の素子が利用されている。精密ばねのように幾つのパタンがある。赤いのが水晶、矢印が力の方向である。加速度センサーは通常に重量塊を持っている。図に灰色に示している。加圧型は強度が強い、高頻度の圧／引力の測定に使用する。欠点は温度変化に敏感する。曲折型は小周波範囲、小ショック残留。シェア型はよく加速度センサーに使われって、周波数が広くて、横感度が低くて、ケース静圧力と温度から影響が少ない。

Figure 2: Material Configurations

Structures:（構造）
一般的な圧力型、気圧型、加速度型のセンサーの構造は図3のように。灰色部分はテスト台面、青い部分はセンサー室に綱いている、赤いのは圧電素子である。電極は素子表面に集中している電荷を電流にロックされて、黒い電極から導出する。ロック部分は黄色いで示され、マイクロ回路である。加速度型には緑部分、重量塊を含める。感度によって重量も違う。加速度を測定する時、重量塊Mは素子から力を受けて、Newton第二力論理F=MAで、加速度を簡単計算できる。圧力型と気圧型も素子に与えた力を計算できる。気圧型の場合は振動板を介して、圧力を収集する。

Figure 3: Sensor Construction
加速度、圧力、気圧の力学の相似性を持ってある。混在する時、分離しにくい。不要の成分の感度を落として、必要な成分を取り出す。例えば、精密な圧力センサーはよく補償して、加速感度を減少できる。もう一つ、温度変化をアンプ回路で補償して、温度変化率を減少できる。最後、シェア形状の構造も温度、往復運動とケース圧力などの影響を低減できる。
Signal Conditioning:（信号変換）

期待する信号を出力させるため、変換回路が欠かせない。図4のように、２つの方法で変換を実現できる。1）直接オシロに接続する。２）ICP(IEPE)変換回路に接続して、オシロで観測できる。ICPはセンサーに回路内蔵することでる。無ICPの場合はチャージモードと呼ぶ。

Figure 4: Sensor Systems
この内臓アナログ回路は幾つの機能を持ってある。１）チャージ信号をロー抵抗値の電圧信号に変換する。2）信号のアンプして、減衰を防ぐ。３）フィルタも入れられる。内蔵回路の位置はセンサーの精度を決定的に影響している。
ICP回路と言う概念は１９６７に大きく進展した。IC集積とマイクロ抵抗の製造技術の進歩によって、回路を小さくして、コストも安くなった。従来のICPは簡単化して、使いやすくなった。この２線の信号に、パワーと信号を１本線を共用して、もう1本の線はグランドである。ICP回路は素子材料によって違う。外部から１８～３０ＶＤＣを２ｍＡ低電流で給電する。システムの接続は図５のように：
Figure 5: ICP® Sensor System
このシステムの特徴は、１）内蔵マイクロ回路はロー抵抗値の電圧出力を出力する。２）低電流給電法はコストが低減できる。３）ＩＣＰの伝送電流は長距離で配線できる、ノイズの混入しにくい。４）温度に信号変化が少ない。５）同軸線とツイスト線で信号伝送できる。６）感度と周波特性が給電電圧に影響されていない。
チャージモードセンサーに同様なアンプを使用された。ただ、アンプユニートが外部に設置された。当時、内蔵のアンプはまだ開発されていなかった。初めての圧電素子センサーは１９５０年代に同原理で作れた。このセンサーがうまく行かなかった。外部高精度アンプのコストが高かった。現在、チャージモードセンサーは温度影響強い場合しか使わない。
確かに、チャージモードセンサーは幾つかの利点と欠点を持ってある。１）センサー出力がハイインピーダンスなので、信号をアンプする必要です。２）外部信号調節装置が必要である。３）環境の汚染（ケーブルモーション、電磁気、輻射）に影響されやすい。４）センサーを外部に独立して、高温に使用できる（１０００Ｆ／５４０Ｃ）。５）ローノイズケーブルが使われる。６）感度と周波特性は外部回路に調整される。
まとめ：
圧電センサーは他のセンサーに持たない特徴がある。利点（周波特性、アンプ増幅）と欠点（静態測定できない）は理解して、アプリケーションに正確に選択して使用する。

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