圧電トランスデューサと超音波トランスデューサ：違いは何ですか？

電気機械エネルギー変換の世界を探求するとき、一般的に遭遇する2つの用語は、圧電トランスデューサと超音波トランスデューサです。これらは競合する技術ではなく、階層的な関係にあります。超音波トランスデューサは、圧電トランスデューサの特殊なサブセットです。

この区別を理解することは、センシング、作動、または高周波信号伝送など、アプリケーションに適したコンポーネントを選択することを目指すエンジニア、設計者、および製品開発者にとって不可欠です。この記事は、これら2つのカテゴリの定義、メカニズム、ユースケース、および重要な違いを明確にし、コンポーネント選択の実用的なガイドを提供することを目的としています。

圧電トランスデューサとは？

圧電トランスデューサは、圧電効果を使用して機械的エネルギーを電気エネルギーに、またはその逆に変換するデバイスです。この効果は、特定の材料、最も一般的にはPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電セラミックスで観察され、機械的ストレス下で電荷を生成し、電界にさらされると変形します。この二重機能により、圧電トランスデューサはセンサーとアクチュエータの両方として機能します。

主な特徴：

材料：PZTセラミックス、水晶、PVDFポリマー
周波数範囲：静的信号から数MHzまでの広範囲
用途：圧力センサー、加速度計、アクチュエータ、エネルギーハーベスター、振動センサー、ソナーシステム
フォームファクタ：ディスク、リング、多層スタック、チューブ、カンチレバー

圧電トランスデューサは、過酷な条件下での高精度、高速応答、および信頼性を必要とするアプリケーションで広く使用されています。コンパクトなパッシブデバイスで正確な測定と迅速な作動を提供する能力により、航空宇宙から家電製品まで、さまざまな業界に適しています。

さらに、高い耐久性と可動部品がないため、摩耗やメンテナンスが軽減され、長期的なアプリケーションにとって費用対効果の高いソリューションになります。一部の高度なシステムでは、ナノテクノロジーや光学におけるマイクロポジショニングタスクにピエゾトランスデューサを使用しています。

超音波トランスデューサとは？

超音波トランスデューサは、通常20 kHzを超える超音波周波数範囲で動作するように設計された特定のタイプの圧電トランスデューサです。これらのデバイスは、高周波振動を使用して、空気、液体、または固体媒体を伝わる超音波を放出または検出し、非接触センシングとイメージングを可能にします。

主な特徴：

機能：超音波の放出および/または受信
周波数範囲：通常20 kHzから数MHz
用途：
- 医療用画像処理（超音波）
- 非破壊検査（NDT）
- 超音波洗浄
- レベルセンシングおよび流量測定
- ロボット工学と障害物検知
- 生体認証センサーと指紋スキャナー
フォームファクタ：プローブ、センサーアレイ、液浸トランスデューサ、空中結合設計、集束素子

これらのトランスデューサは、音響整合層、減衰用のバッキング層、音の伝播に最適化されたハウジング材料などの追加の設計機能を備えて設計されており、放出または受信される超音波信号の効率と指向性を最大化します。一部のシステムでは、ビームステアリングと解像度の向上のためにフェーズドアレイも使用しています。

両者の関係

すべての超音波トランスデューサは圧電式ですか？

ほとんどがそうです。圧電材料は、高いエネルギー効率、コンパクトなサイズ、周波数制御性、および実証済みの信頼性により、超音波を生成するための業界標準です。
ただし、一部の超音波トランスデューサは、次のような代替技術に基づいています。
- CMUT（容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ）
- 磁歪トランスデューサ
- 光学およびMEMSベースのシステム

すべての圧電トランスデューサは超音波式ですか？

間違いなくそうではありません。多くの圧電トランスデューサは、低周波または非超音波周波数で動作し、力、加速度、変位などの物理的変化を感知したり、精密なマイクロ作動タスクに使用されたりします。

したがって、正しい関係は次のとおりです。

超音波トランスデューサ ⊆ 圧電トランスデューサ（サブセット）

この関係は、すべての電気自動車が自動車であるが、すべての自動車が電気自動車ではないのと似ています。超音波トランスデューサは、特定の機能と周波数範囲に最適化された圧電デバイスです。

比較表

機能	圧電トランスデューサ	超音波トランスデューサ
範囲	汎用電気機械変換器	超音波の生成と検出に特化
周波数範囲	DCからMHz	>20 kHz（超音波）
一般的な用途	センシング、作動、エネルギーハーベスティング	イメージング、検出、測定
設計の複雑さ	多くの場合、より単純で一般的な設計	整合層、集束ビームを備えた音響固有の設計
アプリケーション例	圧力センサー、エネルギーハーベスター、ピエゾブザー	超音波プローブ、超音波溶接機、レベルメーター
指向性	広い; 常に指向性があるわけではない	多くの場合、指向性が高く、ビームが集束される
信号処理	チャージアンプが必要な場合がある	通常、エコー処理およびフィルタリングシステムと統合されている

どちらを選ぶべきか

重要なのは「どちらか一方」を選ぶことではなく、最初にアプリケーションのニーズを定義し、次に最も適切なトランスデューサを選択することです。より詳細なガイドは次のとおりです。

次の場合に圧電トランスデューサを選択してください：

力、圧力、または振動を検出する必要がある
低周波アクチュエータまたはセンサーを構築している
設計に耐久性、コンパクトなサイズ、および低消費電力が必要である
特定の音響要件なしで一般的な電気機械変換が必要である

当社のリングシリーズおよびディスクシリーズは、これらのアプリケーションに優れたソリューションを提供します。

次の場合に超音波トランスデューサを選択してください：

アプリケーションに、空気、液体、または固体を介した波の伝播、イメージング、または検出が含まれる
液面、距離センシング、または医療用画像処理などの精密な非接触測定が必要である
システムが超音波周波数範囲で動作し、ビーム指向性またはエコー分析が必要である
音響性能が重要なクリーンルーム、水中、または生物医学環境向けに設計している

以下も考慮してください：

環境条件（温度、湿度、圧力）
機械的統合と取り付けオプション
必要な感度、解像度、および周波数応答

当社のポートフォリオからの製品例

Yujie Technologyでは、さまざまなアプリケーション向けに圧電トランスデューサと超音波トランスデューサの両方を提供しています。