梅村 晋一郎

Shin-ichiro UMEMURA

東北大学大学院医工学研究科

Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University

キーワード : piezoelectric transducer, electromechanical coupling coefficient, intuitive modeling, analytic solution, numerical simulation, finite element code

電気機械結合係数が1に近い高結合係数圧電単結晶を用いる圧電トランスデューサを題材に，その挙動を，従来のPZT系セラミックを用いる場合と比較すべく，直観的モデル，1次元モデルを用いた解析解，有限要素法に基づく数値計算シミュレーションの3段階にて分析する．その結果，高い結合係数は，トランスデューサの高感度化は無論のこととして，広帯域化に生かされるべきであることが確かめられる．まず，圧電トランスデューサが電極を短絡すると柔らかく振る舞うことを直観的に説明する．この振る舞いは，トランスデューサの電気的インピーダンスの極小値を与える周波数（狭義の共振周波数）が，極大値を与える周波数（反共振周波数）に比べ，圧電効果により低下することと等価であるが，これが，1に近い高い電気機械結合係数が圧電トランスデューサの広帯域化を導く主因であることを説明する．

The behavior of a piezoelectric transducer with a very high electromechanical coupling coefficient close to 1 was analyzed in three steps: intuitive modeling, analytic solution using a 1D model, and numerical simulation using a finite element code. The results were then compared with those from a conventional transducer using PZT, which confirmed that a high coupling coefficient should be utilized to enlarge the bandwidth of the transducer rather than only to increase the sensitivity. The intuitive modeling showed that a piezoelectric transducer with shunt electrodes behaved in a softer manner than with open electrodes. This is equivalent to the fact that the frequency minimizing the electrical impedance of the transducer (resonant frequency) is reduced from the frequency maximizing the electrical impedance (anti-resonant frequency) by the piezoelectricity, and explains why the very high coupling coefficient close to 1 can lead to the wide bandwidth of the transducer.