さまざまな超音波トランスデューサの比較：技術、性能、および用途
超音波トランスデューサは、電気エネルギーを高周波の機械的振動に、またはその逆に変換する役割を担う、超音波システムの心臓部です。適切なタイプの超音波トランスデューサを選択することは、産業用非破壊検査、医療用画像処理、距離測定、または洗浄システムのいずれであっても、アプリケーションで最適なパフォーマンスを達成するために重要です。
この記事では、4つの主要なタイプの超音波トランスデューサを比較します：圧電型、磁歪型、空気結合型、および浸漬型。それぞれの動作原理、性能特性、利点、制限、および理想的な用途を探ります。これにより、どの技術がニーズに最も適しているかを知ることができます。
1. 圧電型超音波トランスデューサ
技術
圧電型超音波トランスデューサは、圧電効果に依存しています。これは、特定のセラミックまたは結晶材料（PZT - チタン酸ジルコン酸鉛など）が電場を受けると変形し、超音波周波数で機械的振動を発生させる現象です。
性能特性
- 周波数範囲： 20 kHz から数 MHz
- 感度： 高い
- 解像度： 優秀
- 出力： 中程度から高い（設計による）
- 耐久性： 中程度。高温や機械的衝撃に敏感
利点
- 電気エネルギーから機械エネルギーへの変換効率が高い
- さまざまなアプリケーションに対応する幅広い周波数オプション
- コンパクトなサイズとデバイスへの統合の容易さ
制限
- 高温では性能が低下する
- 最適な効率のためにインピーダンス整合が必要な場合がある
用途
2. 磁歪型超音波トランスデューサ
技術
磁歪型トランスデューサは、磁場にさらされると形状が変化するTerfenol-Dなどの材料を使用します。発生した機械的振動は、作業媒体（固体、液体、または気体）に伝達されます。
性能特性
- 周波数範囲： 通常 20–40 kHz
- 出力： 高い
- 耐久性： 優秀で、過酷な条件下でも堅牢
- 効率： 高周波では圧電型よりもわずかに低い
利点
- 高い電力処理能力
- 極端な環境でも長い動作寿命
- 大規模な産業用途に最適
制限
- 高周波動作が制限される
- 圧電設計と比較してサイズが大きい
用途
- 高負荷超音波洗浄
- 金属溶接 - 高出力アプリケーションには、当社のHJ-6015をご検討ください
- 高出力音響化学
- 海洋ソナーシステム
3. 空気結合型超音波トランスデューサ
技術
空気結合型トランスデューサは、結合媒体なしで空気を通して超音波を送受信するように設計されています。低密度媒体で音を効率的に伝達できる特殊な圧電材料または複合膜を使用することがよくあります。
性能特性
- 周波数範囲： 40 kHz から数百 kHz
- 感度： 液体結合システムよりも低い
- 耐久性： 非接触アプリケーションに適している
利点
- 非接触動作（水、ジェル、または直接接触が不要）
- 繊細なターゲットや移動するターゲットに最適
- 生産を停止せずにインライン検査に使用可能
制限
- 液体や固体と比較して、空気中での伝送効率が低い
- 環境条件（温度、湿度）に敏感
用途
- 材料の厚さ測定
- 包装検査
- 食品産業の品質管理
- 非接触距離測定
4. 浸漬型超音波トランスデューサ
技術
浸漬型トランスデューサは、水槽やその他の液体媒体で動作し、超音波を試験対象に伝達するための結合媒体として水を使用します。これにより、直接接触の必要がなくなります。
性能特性
- 周波数範囲： 1 MHz から 10 MHz 以上
- 解像度： 非常に高い
- 信号品質： 水中での信号損失が少ないため優秀
利点
- 均一な結合と信号伝送
- 複雑な形状や自動スキャンに最適
- 欠陥検出のための優れた画像解像度
制限
- 水槽または浸漬セットアップが必要
- 携帯型の現場使用には適さない
用途
- 高度な非破壊検査
- 製造における自動スキャン
- 高解像度欠陥検出
比較表
| 機能 | 圧電型 | 磁歪型 | 空気結合型 | 浸漬型 |
|---|---|---|---|---|
| 周波数範囲 | 20 kHz - MHz | 20 - 40 kHz | 40 kHz - 500 kHz | 1 - 10+ MHz |
| 出力 | 中〜高 | 高 | 低〜中 | 中 |
| 耐久性 | 中程度 | 優秀 | 良好 | 高い |
| 結合媒体 | 固体/液体 | 固体/液体 | 空気 | 液体 |
| 理想的な用途 | 医療、NDT、洗浄 | 溶接、高負荷 | 包装、非接触 | 高解像度NDT |
適切な超音波トランスデューサの選び方
超音波トランスデューサを選択する際は、以下の要素を考慮してください：
- 媒体 – 音は空気、液体、または固体のどれを伝わりますか？
- 周波数 – 周波数が高いほど解像度は良くなりますが、浸透力は低くなります。
- 電力要件 – 産業洗浄や溶接には、より高い電力が必要です。
- 環境条件 – 過酷な条件では、磁歪技術が有利な場合があります。
- アプリケーションの目標 – 精密画像処理か、それとも高出力の電力伝達か。
最終的な考え
各超音波トランスデューサ技術には、長所とトレードオフがあります。圧電トランスデューサは精度と汎用性で優位に立ち、磁歪タイプは高負荷産業用途で優れており、空気結合トランスデューサは非接触検査に最適で、浸漬トランスデューサは制御された環境で比類のない解像度を提供します。
選択肢を運用上のニーズに合わせることで、性能、効率、および長期的な信頼性を最大化できます。特殊な用途については、HJ-3825のような精密洗浄トランスデューサや、HJ-5020Bのような高出力溶接ソリューションをご覧ください。