圧電材料は、エンジニアのツールキットの中で最も古い材料ベースのコンポーネントの1つです。圧電効果は、1880年にフランスの物理学者ピエール キュリーとその兄弟ジャックによって発見されました。彼らは、結晶やセラミック材料、さらには骨に応力 (圧力) が加えられると、その材料がその応力に比例して明確で反復可能な電圧を生成することを発見しました。その後すぐに、彼らは逆の効果を実証しました。結晶に電圧をかけると、結晶のサイズや歪みがわずかに変化したり変形したりします。
これら2つの原理は多くの用途に応用されていますが、最もよく知られているのは、発振回路の共振要素として水晶を使用することです。圧電材料は、高性能の科学機器から一般消費者向けカメラのオートフォーカスまで、さまざまな用途のマイクロモーターなど、ナノメートルサイズの正確なステップで移動するように指示できるアクチュエータとしても使用されます。
図1: 圧電効果には2つの性質があります。a) 結晶に応力を加えると電圧が生成されます。一方、b) 結晶に電圧を加えると変形します。この2つの関係は予測可能かつ再現可能です。（出典：セイコーエプソン株式会社）
ガスグリルにも圧電素子が組み込まれており、ユーザーがノブを回して結晶を圧迫すると、数百ボルトの火花が発生する内蔵結晶を使用しています。この火花によりガスが点火され、炎が発生します (ただし、電流レベルは非常に低いため、感電の危険はありません)。
多くの圧電材料は結晶構造を持っているため非常に硬く、基本的な特性が変化したり故障したりすることなく、大きなストレスに耐えることができます。このため、圧力自体だけでなく、それに関連する現象（加速度、衝撃、高度（気圧）、振動）も含めた圧力関連の物理パラメータを検知するためのトランスデューサーとしてよく使用されます。材質に応じて、これらのセンサーは数千gの加速度に耐えて動作することができます。
圧電デバイスをひずみセンサーとして使用する
基本的なトランスデューサーとして、圧電ベースのユニットは非常にシンプルで頑丈ですが、独特の電気的側面を持っています。本質的に高い電気インピーダンスのため、インターフェース信号調整回路のインピーダンスも非常に高い場合にのみ、電子回路に十分に強い信号を送信できます。このインピーダンス整合は電力伝送法則の結果であり、最大の電力伝送を達成するには、ソースとその負荷のインピーダンスが複素共役でなければなりません。[この同じ考慮事項は、アンテナを駆動するRFパワー アンプや、低ノイズ アンプ (LNA) に接続されたアンテナがワイヤレス システムであるなど、他の状況でも発生することに注意してください。]
これらのインターフェース要件を満たす1つの方法は、 圧電センサー 接合型電界効果トランジスタ（JFET）に。このディスクリート デバイスは、通常、高周波振動測定に必要な高kHz以上の帯域幅とともに、少なくとも1 GΩ (109 Ω) の入力インピーダンスを備えています。JFETの使用は実行可能なソリューションですが、全体的なインターフェース回路の要件に対する部分的な答えにすぎません。JFETは適切にバイアスされる必要があり、周囲の環境が制御されていないか安定していない場合は、精度と安定性を確保するために温度補償を追加する必要があることがよくあります。
このため、多くの設計者は、代わりにTLV2771シリーズなどの高インピーダンスオペアンプを使用することを好みます。 テキサス・インスツルメンツ （図2）。このCMOS入力オペアンプは、360 mVの入力オフセット電圧、17 nV/√Hzの入力ノイズ電圧、および2 pAの入力バイアス電流を特長としており、医療、科学、産業アプリケーションで高精度、高解像度の測定にピエゾ トランスデューサを使用する場合に最適な仕様です。
図2: Texas InstrumentsのTLV2775 CMOS入力オペアンプは、ピエゾ トランスデューサなどの高インピーダンス ソースの信号調整フロントエンド回路に最適です。(出典: テキサス・インスツルメンツ)
このオペアンプを使用する回路では、依然として少数のサポート コンポーネントが必要ですが、全体的な回路設計はより単純になり、JFETのみに基づく回路よりも物理的な配置がはるかに重要ではなくなります。これは、高インピーダンス回路が微妙な設計やレイアウトの問題に非常に敏感になる可能性があるため重要です。
統合をさらに進めるためのもう1つの選択肢は、MEMSテクノロジを採用したデバイスを使用して、圧電センサーと関連回路を1つのパッケージにまとめることです。Freescale MPL3115A2 (図3) は、デジタル出力を備えた低消費電力、高精度の高度計、気圧計、温度計で、すべて3 mm × 5 mm × 1.1 mmのデバイスにパッケージ化されています。完全なデバイスには、圧力検知要素、アナログおよびデジタル信号処理、I2Cインターフェイスが含まれており、20ビットの解像度で50 ～ 110 kPaの範囲で機能できます。
図3: Freescale MPL3115A2ピエゾベースの圧力センサーには、アナログ フロント エンド、A/Dコンバーター、シリアル インターフェイス、温度センサーが含まれています。このセンサーは、従来のマルチ要素ホイートストン ブリッジ構成を使用して、高い感度と精度を実現しています。(出典: フリースケール・セミコンダクタ)
内部A/D機能とI2Cインターフェースにより、関連するマイクロコントローラの変換と計算の負担が最小限に抑えられます 。この特定のユニットは、天候や高度の変化などによる比較的ゆっくりと変化する圧力信号をターゲットにしているため、大きな消散ペナルティを招くような高速変換や更新は必要ありません。MPL3115A2の内部12ビット温度計は、基本的な温度測定はもちろん、必要に応じてセンサー測定の温度補正を行うためにも使用できます。
このコンポーネントは、単一のピエゾ素子のみを組み込むのではなく、複数の素子からなるホイートストン ブリッジ構成を使用します。この従来のセンサー トポロジにより、比較的小さな圧力の変化をより正確に、また再現性と精度をもって感知できるようになります。一体型電子機器を備えたこの高度に統合されたセンサーなどのデバイスは、内部タイヤ空気圧の読み取り（最新の車両安全基準で義務付けられている）など、さまざまな用途にも使用されています。
エネルギーハーベスティングに役立つ圧電センサー
近年、圧電センサーは、テストおよび測定アプリケーションにおける圧力感知という従来の役割とはまったく異なる役割を担うようになりました。代わりに、圧電効果は、独立した電源が利用できない、またはバッテリーの交換が非現実的または望ましくない場所にあるシステムでのエネルギー収集設計に使用されます。
収集されるエネルギー源としての用途は、圧力トランスデューサーとして使用する場合とは異なります。圧力トランスデューサーを使用する場合、微細な電気信号を正確かつ正確に捕捉することが課題となります。代わりに、この課題は、ピエゾデバイスがランダムな周囲の振動から生成する電気エネルギーを捕捉し、保存し、必要に応じて放出することです。これらの振動は、道路、橋、床、モーター、さらには靴など、ほぼすべての設備である程度発生します。精度、精密度、直線性、温度誘起ドリフトなど、従来のデータ取得パフォーマンスの指標はここでは関係ありません。むしろ、効率が重要です。
振動による圧電デバイスの出力エネルギーを捕捉することは、ささやかな課題のように思えるかもしれませんが、そうではありません。ランダムなエネルギーバーストは非常に小さいため、低インピーダンスパスを介した回路の漏れや、キャプチャ/ストレージ電子回路内での消散によって簡単に失われる可能性があります。ピエゾ センサーから捕捉されたエネルギーは、失われないように、慎重かつ即座にバッテリーやコンデンサなどのストレージ要素に送られる必要があります。最後に、蓄積されたエネルギーは、負荷（ハーベスターが電力を供給している実際の回路）に慎重に割り当て、計測する必要がありますが、その際、蓄積要素が消耗しすぎて補充に時間がかかりすぎないようにする必要があります（低エネルギー状態から蓄積要素を補充すると、他の効率と損失に影響します）。
これらの問題にもかかわらず、アナログおよび電源管理ICのベンダーは、圧電ベースのセンサーが低コストで信頼性が高く、長期的な無料エネルギー源として提供できる可能性を認識しています。たとえば、Linear Technology Corp. のLTC3588 (図4) は、圧電デバイスからの低エネルギーのランダムなアウトバーストを収集するように設計されています。低損失の全波ブリッジ整流器と高効率の降圧コンバータを統合し、完全なエネルギー収集ソリューションを形成します。
図4: エネルギー ハーベスティングでピエゾ デバイスを使用する場合は、圧力関連データのソースとして使用する場合とはまったく異なるインターフェイスが必要です。Linear TechnologyのLTC3588は、振動によって誘発されるランダムなエネルギーの急増を捕捉し、それをコンデンサなどの蓄電素子に送り、負荷によって消費される電力を管理します。 (出典: Linear Technology)
LTC3588は、ランダムなソースからエネルギーを収集しようとするときに発生する「鶏が先か、卵が先か」というジレンマに対処します。問題は、関連するIC自体が動作するのに十分な電力を得るまで、回路とストレージ要素は収集したエネルギーを捕捉して保持できないことです。しかし、システムは回路が機能するまでその電力を蓄積できません。さらに、エネルギー貯蔵要素が「充填」しようとしている間に、負荷によって電力が消費される可能性があるため、正味の蓄積は行われません。これは、バケツに穴が開いて、給水ホースで水を補充できない状態に似ています。
LTC3588に組み込まれているこのソリューションは、広いヒステリシス ウィンドウを備えた超低静止電流低電圧ロックアウト (UVLO) モードです。これにより、入力コンデンサに電荷が蓄積されますが、降圧コンバータが蓄積された電荷の一部を効率的に出力に転送できるようになるまで使用されません。負荷レールについては、ユーザーはピン選択により4つの出力電圧 (1.8 V、2.5 V、3.3 V、3.6 V) のいずれかを選択でき、ICはストレージ バッテリー/コンデンサから最大100 mAを供給できるため、多くのIoTデバイスの低デューティ サイクル/中程度の電流要件を満たすのに十分です。LTC3588は、多くのハーベスティング駆動型データ収集およびレポート アプリケーションの非常に小さな物理パッケージに合わせて、小型の10リードMSEおよび3 mm × 3 mm DFNパッケージで提供されます。
圧電ベースのセンサーは、数え切れないほどの確立されたアプリケーションで成熟しているにもかかわらず、依然として新しい用途が見出されています。これらは、タイヤ空気圧監視などの基本的な圧力関連のセンシング状況から、IoTアプリケーションにおけるエネルギー収集などの新しい状況まで多岐にわたります。材料科学の進歩に刺激され、進行中の研究開発作業により、望ましい性能とコスト特性のさまざまな組み合わせを提供し、用途を拡大する新しい圧電結晶材料が提供されています。適切な電子部品や回路と組み合わせると、圧電センサーとトランスデューサーは、出力、感度、直線性、堅牢性、再現性、コストなど、多くのプロジェクト要件を満たす魅力的なオプションを設計者に提供します。