超音波トランスデューサーとは、入力された電気エネルギーを機械エネルギー（つまり超音波）に変換して伝達する装置であり、自体ではごくわずかな電力を消費します。
超音波ジェネレータ（超音波電源とも呼ばれる）は、220Vの交流電流を高周波電流に変換し、それを圧電セラミックに伝達します。圧電セラミックは超音波周波数で共鳴し、圧電効果を利用して電気信号を直線的な機械的振動に変換します。これらの振動は、次に超音波ホーンによって振幅が増幅（または減衰）され、その後、ツールヘッドに伝達されて作業を行います。超音波トランスデューサーには一般的に、磁歪型と圧電セラミック型の2種類があります。当社では圧電セラミック型トランスデューサーのみを使用しています。
磁歪: 磁場の影響で材料が変形する、または変形時に磁場を発生させる効果。これらの材料は通常ニッケルを含んでおり、これは強い磁歪性を示す。磁歪センサーは磁歪性材料（通常は積層されたもの）を利用している。渦電流による損失があるため、磁歪型変換器は圧電型変換器と比較して一般的に損失が大きく、より厳しい冷却条件が必要になる。
超音波変換素子の構成
高出力超音波用途に使用されるほぼすべての圧電変換器はランジュバン型であり、フロントドライバとリアドライバの間に1つあるいは複数の圧電セラミックが機械的に圧縮（予圧）されて構成されている。
超音波トランスデューサは、主に中央の圧電セラミック素子、前面および背面の金属カバー、プレストレスボルト、電極板、絶縁管から構成されており、以下の図に詳細を示します。高出力超音波で使用されるほぼすべての圧電トランスデューサはランジュバン型であり、フロントドライバとリアドライバの間に配置された一つ以上の圧電セラミック素子に機械的な圧縮（プレストレス）を加えた構造となっています。
リアドライバ： 圧電トランスデューサの後方に位置する円筒状の要素です。リアドライバは最後の圧電セラミック片に隣接しており、一般的には積み重ねられたボルトを通じてプリロード圧力を加えます。
電極板： トランスデューサ内で隣り合う圧電セラミックの間に置かれた薄い導電性のディスクです。トランスデューサの駆動電圧はこれらの電極間に印加されます。
フロントドライバ： トランスデューサの超音波エネルギーをホーンまたはツールヘッドに伝達し、フロントドライバには通常、ハウジングへの接続用フランジが含まれています。
プレストレスボルト： シングルスタックボルトがセラミックの中央穴を貫通します。このボルトを締め付けることにより、セラミックはリアドライバとフロントドライバの間で圧縮され、セラミックに必要なプレストレスが付加されます。
圧電セラミック： 圧電セラミックはトランスデューサーの中心部品であり、超音波発生装置からの電気信号を直線的な機械振動に変換します。
圧電セラミックディスク
トランスデューサー核心部品
圧電セラミックは一般に『ソフト』または『ハード』に分類されます。ハード圧電セラミックは電力用途に使用されます。ハード圧電セラミックには2つの基本的な種類があり、一般的にPZT-4およびPZT-8（PZTとはペロブスカイト構造の鉛ジルコネートチタン酸塩を指し、圧電セラミックの組成物を表します）と呼ばれています。弊社のトランスデューサーはすべてPZT-8圧電セラミックを使用しています。PZT-8圧電セラミックは、より高い品質係数Qm、より高い安全作動温度（キュリー温度）、および低い誘電損失（tanδ）を持っています。
低電場条件下での圧電セラミックスの性能
トランスデューサ製造コア
圧電セラミックスは引張強度が弱いため、トランスデューサーが超音波振動を行う際に圧電セラミックスに引張応力がかからないように、静的な圧縮プレロードをかける必要があります。さらに、プレロードにより圧電セラミックス界面の良好な接触を維持し、音波が最小限の損失で伝送できるようにします。プレロードは、圧電セラミックスが超音波による引張応力を受けることや、圧電セラミックスの横滑りを防ぐために十分なものでなければなりません。超音波トランスデューサの製造時にかけるプレロードの大きさは、品質に決定的な影響を及ぼします。
プレストレスボルトを締め付けた後、圧電セラミック材料にプレストレスをかけることができる。一般的には、トルクレンチを使用して、プレストレスボルトを締める前に特定のトルク値に設定するが、このパラメータは多くの要因に影響され、ずれが生じやすい。同じトルクを使用した場合でも、ボルトの潤滑状態や前後のドライバによって、セラミックプレートに加わるプレストレスの大きさに影響が出る。
プレストレス状態はボルトの潤滑性に影響される。
変換器におけるプレストレスの影響
プレロードが増加するにつれて、圧電セラミックのインピーダンスと周波数は安定化する。より高いプレロードにより、変換器のインピーダンスを低減することができる。圧電セラミックが十分にクランプされていない場合、変換器のインピーダンスが増加する。
変換器のプレストレスはできるだけ高い方がよいというのは本当ですか？
過剰なプレストレスは変換器の性能を低下させることがある。これは主に以下の点に現れる：
1. 圧電セラミックの性能は、圧縮バイアス下で変化します。具体的には、材料の最高安全使用温度が大幅に低下する可能性があり、高い圧縮応力によりキュリー温度が下がることもあります。
2. 過剰なプレロードは著しい減極を引き起こす可能性があり、インピーダンスの不安定や老化も引き起こすことがあります。
3. 過剰なプリストレスはトランスデューサの寿命を短くすることがあり、深刻な場合にはトランスデューサ内のセラミック板にひび割れを生じさせることがあります。
4. 初期段階においてトランスデューサ内の過剰なプリストレスは低いインピーダンスをもたらす可能性がありますが、時間が経つにつれてトランスデューサの性能が劣化し、それに伴い高インピーダンスを示す製品が現れます。
HCSONIC トランスデューサ製造
トランスデューサーをワークベンチに固定した後、電極プレートの正極および負極を専用装置に接続しました。対応するパラメーターを入力した後、特定のレンチを使用してプレストレスボルトを締め付けます。プレストレスが所定の値に達すると、装置は作業停止の通知を出し、これによりさまざまな作業環境に適応できる高品質な超音波トランスデューサーを製造します。超音波トランスデューサーは、超音波装置製造における主要なコアコンポーネントです。
お客様のニーズに基づき、15kHzから120kHzまでの周波数範囲で様々な周波数のトランスデューサーをカスタマイズできます。超音波溶接、超音波切断、超音波ミストスプレーや超音波ソノケミカル液体処理など、さまざまな用途に使用可能です。HCSONICの超音波トランスデューサーは1年間の保証サービスを提供しています。
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