ブザーの基本 - テクノロジー、トーン、駆動回路

ブザーの基本 - テクノロジー、トーン、駆動回路

Bruce Rose/著

製品とユーザーの間情報の通信には、たくさんの選択肢があります。音声通信の最も一般的な選択肢のひとつに、ブザーがあります。ブザーの技術と構成のいくつかを理解することは、設計の過程で非常に重要となるため、本ブログ記事では典型的な構成について、ブザーのトーンや既存の一般的な駆動回路オプションの例を交えながら説明します。

磁気およびピエゾブザー

ブザー設計で使用される最も一般的な2つの技術は、磁気とピエゾです。多くのアプリケーションが磁気ブザーまたはピエゾブザーを使用しますが、この2つの技術のどちらを使用するかの決断は、様々な制約によります。ピエゾブザーは、しばしば磁気ブザーよりも優れた最大音圧レベル (SPL) 容量を持ちますが、磁気ブザーは、ピエゾブザー (12~220 V、20 mA) と比較して、より低い電圧と高い電流 (1.5~12 V、> 20 mA) で駆動します。しかし、ピエゾブザーのより優れたSPL機能は、より大きなフットプリントを要しますのでご注意ください。

磁気ブザーにおいては、磁場を産生する電流はワイヤーのコイルを通して駆動します。フレキシブルな強磁性ディスクは、電流が存在するときにコイルに引き付けられ、電流がコイルを流れていないときには「静止」位置に戻ります。磁気ブザーからの音は、スピーカのコーンが音を出すのと同様の方法で強磁性ディスクの動きによって生成されます。磁気ブザーは電流駆動型デバイスですが、電源は通常電圧です。コイルを通る電流は、印加電圧とコイルのインピーダンスによって決まります。

典型的な磁気ブザーの内部構造図
典型的な磁気ブザーの構造

ピエゾブザーは磁気ブザーと類似したアプリケーションで使用されます。ピエゾブザーは、圧電材料のディスクの2つの面に電気接点が配置され、次にエンクロージャ内のエッジでディスクをサポートすることによって構成されます。2つの電極間に電圧が印加されると、印加された電圧によってピエゾ電気材が機械的にひずみをおこします。ブザー内のピエゾディスクのこの動きは、上述した磁気ブザーまたはスピーカーコーン内の強磁性ディスクの動きと同様の方法で音を生成します。

典型的なピエゾブザーの内部構造図
典型的なピエゾブザーの構造

ピエゾブザーは、電流ではなく電圧で駆動するという点で、磁気ブザーとは異なります。ピエゾブザーはコンデンサとしてモデル化され、磁気ブザーは抵抗器と直列のコイルとしてモデル化されます。磁気ブザーとピエゾブザーの両方によって生成される音の周波数は、ブザーを駆動する信号の周波数によって、広い範囲にわたって制御することができます。ピエゾブザーは、入力駆動信号強度と出力音声出力との間に比較的リニアな関係を示し、一方、磁気ブザーの音声出力は、減少する入力駆動信号と急速に低下します。

ピエゾブザーと磁気ブザーにおける駆動信号と音声出力の間の関係を示すグラフ
ピエゾブザーと磁気ブザーにおける駆動信号と音声出力の間の関係を示すグラフ

ピエゾブザーのフィードバック

一部のピエゾブザーにはフィードバックラインがあります。フィードバック付きのブザーの駆動回路は、フィードバックなしの回路よりも単純になる傾向があります。フィードバックは、ピエゾ素子を電気的に絶縁された2つの部品に分割することで達成されます。メインのピエゾ素子が作動すると、フィードバック部を圧搾し、フィードバックラインに電圧を発生させます。フィードバックを使用する簡単な方法は、フィードバックラインをトランジスタのベースに接続することです。ピエゾ素子が振動すると、フィードバック信号が振動し、トランジスタが交互に電流を遮断したり流したりします。

トランスデューサおよびインジケータ

磁気ブザーとピエゾブザーには2つの種類あります:インジケータとトランスジューサ。ピエゾと磁気インジケータは、設計に組み込まれた駆動回路により、「プラグアンドプレイ」のソリューションを実現しています。これにより、エンジニアはブザーを駆動するために複雑な回路を構築する必要はありません。しかしこの欠点となるのは、インジケータが固定周波数で動作することです。アプリケーション要件の変化に応じて代替周波数を達成するために提供される柔軟性が低下します。一方、トランスデューサには駆動回路が内蔵されていないため、エンジニアは回路を設計する際に柔軟性を高めることができます。このマイナス面となるのは、事実上、トランスデューサが適切に動作するために外部駆動信号が必要であり、設計サイクルの複雑さと時間が増える可能性があるということです。

一般構造に関しては、圧電変換器は、ケーシング、圧電セラミック素子、端子から成ります。トランスデューサを操作するには、ユーザーはブザーに矩形波信号を送信する必要があります。ピエゾインジケータは、ケーシング、ピエゾセラミック素子、回路基板、端子から構成されています。インジケータを操作するには、ブザーに指定のDC電圧を送信する必要があります。

基本的なピエゾトランスデューサとインジケータの構造
基本的なピエゾトランスデューサとインジケータの構造

磁気ブザーでは、トランジスタが駆動回路として機能します。磁気インジケータにはトランジスタが含まれており、DC電圧が印加されるとトーンが発生します。磁気トランスデューサにはこのトランジスタがなく、適切に動作するには矩形波信号が必要です。

ブザー音

ブザーが生成できる音の例を次に示します。連続トーンや低速/高速パルス音は、インジケータまたはトランスデューサのいずれかによって生成することができます。

高/低トーン、サイレン、チャイム音は、シグナルの複数の周波数により、トランスデューサと関連サポート回路によってのみ生成されます。

主ブザーの仕様

選択のプロセス中に理解すべき重要なブザー仕様を以下に示します。

  • 周波数応答 – ブザーが所定の周波数で音をどの程度効率的に発生するか。
  • 音圧レベル(単位:dB Pa) – 音圧レベルSPLは、デシベルパスカルで表される音波によって生じる大気圧からの偏差です。一般的に入力電圧に比例し、ブザーからの距離を2倍にすると6dBずつ減衰します。
  • 共鳴周波数(単位:F0 Hz) – すべてのものは、振動する傾向がある特定の周波数を持っています。この周波数を共鳴周波数と呼びます。ブザーの場合、共鳴周波数は、最も大きな周波数になります。
  • インピーダンス(単位:オーム) – 電気インピーダンスは印加電圧と電流の比率です。この電気インピーダンスは周波数によって変化します。
  • 取り付けのスタイル – ブザーは、パネルマウント、ねじ端子、スプリング接点、表面取付け、スルーホール、リード線など、用途に応じてさまざまな取付け構成で使用できます。
一般的なブザー取り付け構成
一般的なブザー取り付け構成

磁気またはピエゾインジケータ向けアプリケーション回路

磁気およびピエゾインジケータ向けアプリケーション回路図

インジケータは、動作するためのDC電圧のみを必要とし、電圧が存在するときは常に音が発生します。

磁気トランスデューサ用アプリケーション回路

磁気トランスデューサ用アプリケーション回路図

磁気トランスデューサはブザーを駆動するための励起波形が必要です。任意の波形および広範囲の周波数を励起波形のために使用することができます。この図中のスイッチは、励起波形の増幅をおこなうために使用され、これは通常BJTまたはFETのいずれかです。ダイオードは、スイッチ(トランジスタ)が急速に遮断されたときに生成される、フライバック電圧をクランプするために必要です。

ピエゾトランスデューサ用アプリケーション回路

ピエゾトランスデューサ用アプリケーション回路の描画

ピエゾトランスデューサは、磁気トランスデューサと同様の回路で駆動することができます。ピエゾトランスデューサのインダクタンスは小さいため、ピエゾトランスデューサを横切るダイオードは不要ですが、スイッチが開いているときに電圧をリセットする抵抗器が必要です。この回路は、抵抗が電力を消費するため、ピエゾトランスデューサの駆動には通常は使用されません。トランスデューサに印加されるピークツーピーク電圧を増加させることによって、ピエゾトランスデューサからの音声レベルを増加させるために、他の回路を使用することができます。

ピエゾトランスデューサ用フルブリッジ回路

ピエゾトランスデューサ用フルブリッジ回路図

フルブリッジ回路は、しばしばピエゾトランスデューサの駆動に使用されます。4つのスイッチで構成されるフルブリッジを使用するメリットは、トランスデューサに印加されるピーク間電圧が、利用可能な電源電圧の2倍になることです。フルブリッジドライバーを使用することで、トランスデューサに印加される電圧が2倍になり、結果的に約6dBの音量が増加します。

結論

ブザーは、電子製品とユーザ間の通信を提供する簡単で安価な手段です。ピエゾブザーは、一般的により大きなフットプリントでより高いSPLをユーザに提供します。ピエゾおよび磁気ブザーも類似したアプリケーションで使用されますが、その主な相違点は、磁気ブザーはピエゾブザーよりも低電圧および高電流で動作することです。インジケータとして構成されたブザーは、駆動にDC電圧のみを必要としますが、単一の音声周波数に制限されています。一方、トランスデューサは外部回路を必要としますが、広い周波数範囲を提供します。

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Bruce Rose

Bruce Rose

技術コントリビューター

Bruce Roseは、エレクトロニクス業界で長年にわたり、設計、販売、マーケティングを担当し、アナログ回路と電力供給に重点を置いてきました。国際的なワークショップを開催し議長を務め、40以上の技術会議で論文の出版や発表をするなどの職務経験に加え、7件の特許を取得しています。Bruceは自分の仕事はもちろん、家族でハイキング、サイクリング、カヌーを楽しみ、また本格的な模型飛行機にも情熱を注いでいます。