COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのどのアドオンモジュールを使用して圧電デバイスをモデル化する必要があるのか疑問に思われるかもしれません. これは, システムに含まれる材料のタイプと, 解析で使用する特定の機能によって異なります. これらのさまざまな製品を詳しく見て, それらが何を提供するかを見てみましょう.
圧電インターフェース
圧電インターフェースは, 弾性波および静電インターフェースを, 圧電現象のモデル化に必要な構成関係と組み合わせます. 直接圧電効果と逆圧電効果の両方をモデル化できます. 圧電結合はひずみ-電荷または応力-電荷のいずれかの形式を使用して定式化できます.
圧電性をシミュレートするためのこの機能を提供する構造力学&音響モジュールブランチには3つのモジュールがあります:
- 音響モジュール
- MEMS モジュール
- 構造力学モジュール
次の図は, これらのモジュールが提供する圧電モデリングに関連して最も一般的に使用される機能を示しています.
圧電性をモデル化するためのモジュールの概要
音響モジュール
音響モジュール には, 波の生成と伝播をモデル化するための専用ツールが含まれています.:
- 液体
- 線形弾性材料
- 多孔質媒体
- 圧電材料
流体や多孔質体の波動挙動を捉えるための機能を内蔵しているのは, この製品だけです. 音響モジュールでは, 圧力音響, 固体力学, 静電気力学の各インターフェースを組み合わせた事前定義済みマルチフィジックスカップリングにより, 音響, 圧電相互作用問題のモデル化が可能です.
一般的なアプリケーションは通常, 次の2つのカテゴリに分類されます:
- 圧電トランスデューサーを送信機として使用して周囲の流体に音を放射
- 周囲の流体から来る音を検出するための受信機としてそれらを使用
これらのチュートリアルモデルで示されているように, 圧電デバイスを送信機と受信機の両方として同時にモデル化できます:
圧電トランスデューサーは, 音の送受信に使用されます.
流体の解が重要でないシナリオでは, MEMS 構造の減衰振動を解析するために, 熱粘性損失を考慮してモデルに流体を含める必要がある場合があります. この例は, 次のチュートリアルモデルで確認できます:
構造効果の追加
モデルに線形弾性材料以外の固体が含まれている場合は, 構造力学モジュールまたは MEMS モジュールが必要です. それぞれがそれ自体で, 一般化された Maxwell, 標準線形固体 (SLS), および Kelvin-Voigt を含む線形粘弾性材料モデルをサポートします. 粘弾性材料は, 複合圧電トランスデューサーの裏打ち層として, または構造の任意の部分で振動を減衰させるために使用できます. これは, 粘弾性構造ダンパーおよび拘束層付き減衰パッドのチュートリアルモデルに示されています.
粘弾性構造ダンパー (左) と圧電バルブモデル (右) のメッシュと変位の結果.
材料に, 考慮する必要のある非線形の応力-ひずみ関係がある場合は, 非線形構造材料モジュールも必要になります. これは, 構造力学および MEMS モジュールのアドオンであり, 超弾性, クリープ, 塑性, 粘塑性などの非線形材料のモデリングをサポートするように拡張されています. これは, 圧電バルブのチュートリアルモデルで例示されています.
MEMS モジュール
MEMS モジュールには, 圧電デバイスを電気回路に接続できる端子機能が搭載されています. 電気回路は, 圧電素子を加振するだけでなく, 検出された信号を受信するために使用できます. 端子機能により, アドミッタンスや散乱パラメーター ( S パラメーター) などの圧電デバイスの集中定数の計算も可能になります. 手動端子スイープをアクティブにすることにより, 端子上でパラメトリックスイープを実行し, 散乱パラメーター行列を取得できます.
複合ラミネートトランスデューサーのサセプタンスレベル (左) とセラミック材料で作られたアクチュエーターのさまざまな値の分極ヒステリシスループ (右).
また, MEMS モジュールには, 相互に移動する2つの構造間の流体の薄層での減衰をモデル化するために使用できる薄膜減衰機能も用意されています. これは通常, 構造の動きがフィルム面に垂直であるか平行であるかに応じて, スクイーズフィルムダンピングまたはスライドフィルムダンピングと呼ばれます. この機能は, 固体力学インターフェースで使用される薄膜減衰境界条件として, または, 過渡弾性流体力学スクイーズフィルム相互作用のベンチマークモデルで示されているように, 固体力学フィジックスインターフェースに結合できるスタンドアロンの薄膜流れインターフェースのいずれかとして利用可能です.
MEMS モジュールに含まれるもう1つの関連機能は, 強誘電性弾性インターフェースです. 材料が自発分極を示す場合, 強誘電相の圧電材料をモデル化できます. 強誘電体は, 大きな印加電界でヒステリシスや飽和などの非線形分極挙動を示します. 例として, 圧電セラミックのヒステリシスチュートリアルモデルがあります.
構造力学モジュール
構造力学モジュールには, たとえばシェルまたはメンブレンインターフェースを使用して, 薄い構造を効率的に解析するための機能が含まれています. 圧電性の積層シェル機能を使用する場合は, 複合材料モジュールとともに構造力学モジュールが必要になります. この機能は, 積層シェルインターフェースと積層シェルインターフェースの電流を組み合わせて, 積層シェルチュートリアルモデルの圧電性に示されているように, 非常に経済的な方法で薄い層状構造の圧電効果をモデル化することを可能にします.
中央に圧電層が埋め込まれた層状シェル. 軸方向の圧縮と面外変位は, 圧電層 (カラーワイヤーフレームプロット) と金属層 (カラープロット) に示されています.
結論
要約すると, 圧電デバイスのみをモデル化し, デバイスに圧電材料と線形弾性材料のみが含まれている場合は, 音響モジュール, MEMS モジュール, または構造力学モジュールのいずれかを使用できます.
振動や波の問題については, 流体や多孔質媒体が系の一部である場合, またはMEMSデバイスの振動を正確にモデル化するために熱粘性減衰を捉える必要がある場合は常に音響モジュールが必要です. 線形粘弾性材料が含まれている場合は, MEMS モジュールまたは構造力学モジュールのいずれかが必要です. 非線形構造材料で構成されるデバイスの場合, MEMSモジュールまたは構造力学モジュールのいずれかに追加できる非線形構造材料モジュールが必要です.
MEMS モジュールを使用すると, 端子機能にアクセスでき, 圧電トランスデューサーを外部電気回路に接続できます. 薄膜減衰機能を使用して, 微細構造を移動するための流体の薄層の減衰を捉えることができます. また, 圧電材料の強誘電効果をシミュレートすることもできます.
構造力学モジュールは, シェルおよびメンブレインインターフェースなどの効率的なモデリング機能を提供します. また, 複合材料モジュールが追加されると, 圧電性の積層シェル機能も提供されます.
圧電機能を提供する音響モジュールまたは構造力学モジュールのいずれかを既にお持ちの場合は, AC/DC モジュールを使用して, 端子, 電気回路, および強誘電機能にもアクセスできます.
もちろん, ここで取り上げた内容は, 圧電材料を使用できる可能性のあるすべてのシナリオを網羅しているわけではありません. たとえば, ピエゾアクチュエーターを使用して調整可能なエバネッセントモードキャビティフィルターをモデル化するには, RF モジュールが必要です.
次のステップ
お客様のアプリケーションに関するご相談や, これらのモジュールについてより深く知りたい方は, こちらをご覧ください. 以下のボタンからお問い合わせください:
コメント (0)