ひずみゲージ付きピエゾアクチュエータ

特長

• エポキシ樹脂のコーティングにより粗雑な取扱いや、機械的・化学的な汚染から保護
• 閉ループ動作用に設計
• 最大変位量:9.0 µm～100.0 µm
• 最大駆動電圧:75 V、100 V、150 V
• ピエゾコントローラ＆ひずみゲージリーダKPC101に対応するプリアンプ回路

ピエゾアクチュエータは、それぞれ4つの抵抗歪ゲージで構成されたホイートストーンブリッジ回路がピエゾアクチュエータに直接接着されています。 これらのアクチュエータは閉ループシステム用に設計されており、モニタされた歪ゲージの信号はピエゾを制御する駆動電圧を決定するのに用いられます。開ループ動作と異なり、閉ループ動作ではその変位量は制御され、動作中の変位情報も取得できます。閉ループ動作は、ヒステリシスの補償にも使用されます。

4つの箔歪ゲージは、アクチュエータを密封する耐久性のあるエポキシ樹脂コーティングに取り付けられ、リード線は歪ゲージ回路の端子にはんだ付けされています。2つのゲージは隣り合わせでアクチュエータの1面に、ほかの2つのゲージはその反対側の面に接着されています。ゲージの各ペアでは、1つがアクティブ、1つがパッシブです。アクティブゲージは、アクチュエータの長さの変化に対する応答が最大となる方向に取付けられます。パッシブゲージはアクチュエータの長さの変化に対する応答が最小となる方向に取り付けられます。これは主に温度の変化に応答し、歪測定における温度の影響を低減します。

どちらもアクチュエータのプラスとマイナスの電極にリード線がはんだ付けされています。共焼成積層型ピエゾアクチュエータは、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の層と電極を交互に配置したあと、1つのモノリシック構造に焼結して作られます。多段チップ型ピエゾアクチュエータは、個々に焼結された複数のチップ型ピエゾアクチュエータをエポキシ樹脂とガラス製ビーズで接着して組み立てます。また2つのアクチュエータは導電体と絶縁方法が異なります。詳細については「取扱い」タブをご覧ください。

当社ではピエゾアクチュエータを独自のAIアルゴリズムを用いて個別に検査し、ピエゾチップ、アクチュエータ、およびトランスデューサの優れた品質を保証しております。

当社ではこちらのピエゾアクチュエータにはピエゾコントローラ＆ひずみゲージリーダ KPC101とプリアンプ回路AMP002(下記参照)のご使用をお勧めしております。

使用方法

アクチュエータPZS001に負荷を取り付ける場合は、室温硬化のエポキシ樹脂接着剤の使用をお勧めいたします。その他のピエゾアクチュエータに負荷を取り付ける場合は、接着剤EPO-TEK 353NDやLoctite^® Hysol^® 9340など、80 °C以下の温度で硬化するエポキシ樹脂接着剤のご使用をお勧めします。ピエゾアクチュエータに機械的な負荷を取り付ける場合、トルクを発生させないために、負荷がアクチュエータの端面の中央にかかるようにすることが重要です。アクチュエータを組み込む際にプリロードを負荷するように設計されている場合は、その大きさはブロッキングフォース(Blocking Force)の仕様値の50%を超えないように設定することをお勧めします。詳細は「取扱い」タブをご覧ください。

こちらの多段チップ型ピエゾアクチュエータと共焼成積層型アクチュエータPZS001については、赤のリード線をアクチュエータ駆動用電源の高電圧側に接続しなければなりません。以下に示すその他の共焼成積層型アクチュエータの場合は、緑のリード線を電源の高電圧側に接続してください。ピエゾアクチュエータを逆バイアス電圧では駆動しないでください。デバイスが破損する可能性があります。ピエゾアクチュエータは、液体の中、あるいは可燃性のガスまたは液体があるところでは使用しないでください。また、有機溶剤での洗浄はしないでください。

多段チップ型アクチュエータ、歪ゲージ付き

Item #	PK2FMC2a	PK3HUC2a	PK4FYC2a	PK4GA7C2a
Performance
Maximum Drive Voltage	75 V	100 V	150 V	150 V
Displacement at Maximum Drive Voltage	11.2 µm ± 15%b	32.0 µm ± 15%b	38.5 µm ± 15%b	100.0 µm ± 15%b
Recommended Drive Voltage Limit for Continuous Operation	75 V	100 V	150 V	150 V
Displacement During Continuous Operationc	11.2 µm ± 15%	32.0 µm ± 15%	38.5 µm ± 15%	100.0 µm ± 15%
Hysteresis	< 15%	< 15%	< 15%	< 15%
Load for Maximum Displacementd	400 N (90 lbs)	1600 N (360 lbs)	400 N (90 lbs)	785 N (176 lbs)
Blocking Force at Maximum Drive Voltage	1000 N (225 lbs)	4000 N (899 lbs)	1000 N (225 lbs)	1960 N (441 lbs)
Resonant Frequency (No Mechanical Load)e	115 kHz ± 15%	41 kHz ± 15%	34 kHz ± 15%	14 kHz ± 15%
Impedance at Resonant Frequency	50 mΩ	60 mΩ	150 mΩ	95 mΩ
Capacitance @ 1 kHz, 1 VRMS	4.2 µF ± 15%	21.0 µF ± 15%	3.5 µF ± 15%	16.0 µF ± 15%
Dissipation Factor	< 2.0%f	< 2.0%f	< 2.0%	< 2.0%f
Performance Graphs (Click Icon to View Graphs)
Anti-Resonant Frequencyg	150 kHz ± 15% (No Load)	54 kHz ± 15% (No Load)	42 kHz ± 15% (No Load)	17 kHz ± 15% (No Load)
Recommended Preload	< 400 N (90 lbs)	< 1600 N (360 lbs)	< 400 N (90 lbs)	< 785 N (176 lbs)
Lifetime	> 1x109 Cyclesh	> 1x109 Cyclesi	> 1x109 Cyclesj	> 1x109 Cyclesk
Strain Gauge Circuit
Bridge Arm Resistance	350 Ω ± 0.3%	350 Ω ± 0.3%	350 Ω ± 0.3%	350 Ω ± 0.3%
Gauge Factor	2
Excitation Voltage (Recommended Max)	4.5 Vrms
Physical
Actuator End Face Area	5.0 mm x 5.0 mm (0.20" x 0.20")	10.0 mm x 10.0 mm (0.39" x 0.39")	5.0 mm x 5.0 mm (0.20" x 0.20")	7.0 mm x 7.0 mm (0.28" x 0.28")
Length Along Actuating Axis	10.5 mm (0.41")	30.0 mm (1.18")	36.0 mm (1.42")	90.0 mm (3.54")
Length Tolerance	±5 µm	±5 µm	± 100 µm	±5 µm
Maximum Dimensions	7.5 mm x 6.5 mm x 10.5 mm (0.30" x 0.26" x 0.41")	12.5 mm x 11.5 mm x 30.0 mm (0.49" x 0.45" x 1.18")	7.3 mm x 7.3 mm x 36.0 mm (0.30" x 0.26" x 1.42")	9.5 mm x 8.5 mm x 90.0 mm (0.37" x 0.33" x 3.54")
Operating Temperature	-25 to 65 °C
Curie Temperature	230 °C

• 特記のない限り、上記はすべて25 °Cでの値
• フリーストローク変位量は無負荷時の変位量です。
• 推奨する駆動電圧内での連続動作時
• 変位量は負荷により変化します。記載された負荷を使用した場合、これらのチップではフリーストローク変位量よりも大きな最大変位量が得られます。
• 最大周波数は共振周波数に近い値になりますが、この周波数はピエゾアクチュエータに機械的負荷がかかると変化します。負荷に応じた共振周波数を推定する方法については「取扱い」タブをご覧ください。ピエゾアクチュエータを高い周波数で動作させる場合、オーバーヒートを防ぐために十分に冷却する必要があります。
• 1 kHz、1 V_RMSでの値
• 反共振周波数はピエゾの変位量が最小になる周波数です。
• ピエゾアクチュエータは次の条件での動作を仮定しています:駆動信号75 Vp-pの正弦波、周波数≤500 Hz、室温(約25 °C)、相対湿度< 40%
• ピエゾアクチュエータは次の条件での動作を仮定しています:駆動信号は100 Vp-pの正弦波、周波数≤100 Hz、室温(約25 °C)、相対湿度< 40%
• ピエゾアクチュエータは次の条件での動作を仮定しています:駆動信号は150 Vp-pの正弦波、周波数≤500 Hz、室温(約25 °C)、相対湿度< 40%
• ピエゾアクチュエータは次の条件での動作を仮定しています:駆動信号は150 Vp-pの正弦波、周波数≤100 Hz、室温(約25 °C)、相対湿度< 40%

共焼成積層型アクチュエータ、歪ゲージ付き

Item #	PC4QMC2a	PC4WMC2a	PZS001	PC4QQC2a	PC4GQC2a	PC4GRC2a
Performance
Maximum Drive Voltage	150 V	150 V	150 Vb	150 V	150 V	150 V
Displacement at Maximum Drive Voltage	9.0 µm ± 15%c	10.0 µm ± 15%c	17.4 ± 2.0 μm (±11%)	19.0 µm ± 11%c	19.0 µm ± 11%c	21.0 µm ± 11%c
Recommended Drive Voltage Limit for Continuous Operation	150 V	150 V	100 V	150 V	150 V	150 V
Displacement During Continuous Operationd	9.0 µm ± 15%	10.0 µm ± 15%	11.6 ± 2.0 µm (±17%)	19.0 µm ± 11%	19.0 µm ± 11%	21.0 µm ± 11%
Hysteresis	≤15%	≤15%	Not Specified	≤15%	≤15%	≤15%
Load for Maximum Displacemente	400 N (90 lbs)	100 N (22.5 lbs)	Not Specified	400 N (90 lbs)	800 N (180 lbs)	800 N (180 lbs)
Blocking Force	1000 N (225 lbs) at 150 V	250 N (55 lbs) at 150 V	850 N (191 lbs)	1000 N (225 lbs) at 150 V	2000 N (450 lbs) at 150 V	2000 N (450 lbs) at 150 V
Resonant Frequency (No Mechanical Load)f	115 kHz ± 10%	115 kHz ± 10%	69 kHz	65 kHz ± 10%	64 kHz ± 10%	59 kHz ± 10%
Impedance at Resonant Frequency	300 mΩ	700 mΩ	Not Specified	200 mΩ	200 mΩ	200 mΩ
Capacitance @ 1 kHz, 1 VRMS	650 nF ± 15%	180 nF ± 15%	1.40 µF ± 20%	1.35 µF ± 15%	2.5 µF ± 15%	2.8 µF ± 15%
Dissipation Factor	< 2.0%g	< 2.0%g	Not Specified	< 2.0%g	< 2.0%g	< 2.0%g
Performance Graphs (Click Icon to View Graphs)			N/A
Anti-Resonant Frequencyh	170 kHz ± 10% (No Load)	165 kHz ± 10% (No Load)	Not Specified	95 kHz ± 10% (No Load)	95 kHz ± 10% (No Load)	85 kHz ± 10% (No Load)
Preload	< 400 N (90 lbs) Recommended	< 100 N (22.5 lbs) Recommended	425 N (95.5 lbs) Maximum	< 400 N (90 lbs) Recommended	< 800 N (180 lbs) Recommended	< 800 N (180 lbs) Recommended
Lifetime	1x109 Cyclesi	1x109 Cyclesi	1x109 Cyclesi	1x109 Cyclesi	1x109 Cyclesi	1x109 Cyclesi
Strain Gauge Circuit
Bridge Arm Resistance	350 Ω ± 0.3%	350 Ω ± 0.3%	350 Ω	350 Ω ± 0.3%	350 Ω ± 0.3%	350 Ω ± 0.3%
Gauge Factor	2
Excitation Voltage (Recommended Max)	4.5 Vrms
Physical
Actuator End Face Area	5.0 mm x 5.0 mm (0.20" x 0.20")	3.0 mm x 2.0 mm (0.12" x 0.08")	5.0 mm x 5.0 mm (0.20" x 0.20")	5.0 mm x 5.0 mm (0.20" x 0.20")	7.0 mm x 7.0 mm (0.28" x 0.28")	7.0 mm x 7.0 mm (0.28" x 0.28")
Length Along Actuating Axis	10.0 mm (0.39")	10.0 mm (0.39")	20.0 mm (0.79")	18.0 mm (0.71")	18.0 mm (0.71")	20.0 mm (0.78")
Length Tolerance	±5 µm	±5 µm	±100 µm	±5 µm	±5 µm	±5 µm
Maximum Dimensions	7.2 mm x 6.5 mm x 10.0 mm (0.29" x 0.26" x 0.39")	4.5 mm x 5.0 mm x 10.0 mm (0.18" x 0.20" x 0.39")	7.0 mm x 6.0 mm x 20.0 mm (0.28" x 0.24" x 0.79")	6.5 mm x 6.5 mm x 18.0 mm (0.26" x 0.26" x 0.71")	9.5 mm x 8.5 mm x 18.0 mm (0.37" x 0.33" x 0.71")	9.5 mm x 8.5 mm x 20.0 mm (0.37" x 0.33" x 0.78")
Operating Temperature	-25 to 65 °C	-25 to 65 °C	-25 to 85 °C	-25 to 65 °C	-25 to 65 °C	-25 to 65 °C
Curie Temperature	230 °C	230 °C	N/A	230 °C	230 °C	230 °C

• 特記のない限り、上記はすべて25 °Cでの値
• 連続動作は推奨しません。
• フリーストローク変位量は無負荷時の変位量です。
• 推奨する駆動電圧内での連続動作時
• 変位量は負荷により変化します。記載された負荷を使用した場合、これらのチップではフリーストローク変位量よりも大きな最大変位量が得られます。
• 最大周波数は共振周波数に近い値になりますが、この周波数はピエゾアクチュエータに機械的負荷がかかると変化します。負荷に応じた共振周波数を推定する方法については「取扱い」タブをご覧ください。ピエゾアクチュエータを高い周波数で動作させる場合、オーバーヒートを防ぐために十分に冷却する必要があります。
• 1 kHz、1 V_RMSでの値
• 反共振周波数はピエゾの変位量が最小になる周波数です。
• ピエゾアクチュエータは次の条件での動作を仮定しています:駆動信号は150 Vp-pの正弦波、周波数≤500 Hz、室温(約25 °C)、相対湿度< 40%

使用上の注意点

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Figure 4.1   ピエゾアクチュエータの絶縁方法:
(a)標準的なチップ型および多段チップ型ではインチップ(In-Chip)絶縁方式、(b)共焼成積層型アクチュエータではオンスタック(On-Stack)絶縁方式を採用

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Figure 4.2   静止時のロッドの長さはLで、歪による伸びはΔLです。

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Figure 4.3   金属箔歪ゲージの導電体は、電極パッド間をグリッド状のルートを経由して接続しています。図内に示す軸に沿った力に対して、応答は最大になります。

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Figure 4.4   4つの歪ゲージはホイートストンブリッジを構成し、2つがアクティブ抵抗、2つがパッシブ抵抗のアームになります。パッシブアームは歪測定時における温度変化の影響を最小化するのに寄与します。図内に記載されているワイヤの色は、PK4FYC2、PC4QMC2、PC4QQC2、PC4GQC2およびPC4GRC2のワイヤの色に一致しています(PZS001の-V_exワイヤは白色です)。

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Figure 4.5   各歪ゲージのペアにおいて、1つはアクティブ、1つはパッシブです。アクティブゲージは図内に示す軸に沿った力に対して最大の応答をするように配置されています。パッシブゲージはそれに対して直交する方向に配置されています。

共焼成チップ型、共焼成積層型、多段チップ型ピエゾアクチュエータ
当社の共焼成チップ型と共焼成積層型 のアクチュエータ は、一般的には類似した構造をしています。どちらも電極層と焼結前のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のピエゾ層を交互に積み上げています。(高温でもお使いいただけるBiScO₃-PbTiO₃ (BSPT)製ピエゾ層を用いた共焼成チップ型ピエゾアクチュエータもご用意しています。) 積み上げられた構造はその後1つのモノリシックユニットに焼結されます。極性の異なる電源電極は互いに反対側に取り付けられています。各層ごとの内部電極は、隣り合う内部電極が同極性とならないように、電源電極のどちらか一方と接続されます。共焼成チップ型と共焼成積層型のピエゾアクチュエータの最も大きな違いは、内部電極を逆極性の電源電極から絶縁する方法です。これらの絶縁方法はアクチュエータの機械的特性に影響します。2つの異なる方法で作られたアクチュエータをFigure 4.1に示します。

共焼成チップ型ではインチップ絶縁(In-Chip Insulation)方式が採用されており、極性の異なる内部電極が交互に積み重ねられています。特徴としては、内部電極層がピエゾ層の全幅より短くなっています。同極性の電極はチップの一方の端に揃えられており、それに対する逆極性の電極はチップの反対側の端に揃えられています。電極が反対側の末端まで達していないため、その電極の先端部分はPZTまたはBSPTで囲まれた状態になります。電極の先端を囲むPZTまたはBSPTは絶縁体であり、それにより逆極性の電源電極から絶縁されます。この電極の絶縁方法では、電極の先端部に応力の発生する領域が生じます。応力は電極両端での厚さの急激な変化と、電極間のPZTまたはBSPTが駆動電圧信号に応答したときに、電極の先にある絶縁体のPZTまたはBSPTが応答しないことで生じる引張応力によって発生します。この応力により、この方法を用いて作られるチップの最大高さが制限されます。チップの高さは、発生する内部応力が十分小さく、チップの寿命や性能に影響を及ぼさない範囲に制限されます。チップは、エポキシ樹脂コーティングよりも優れた耐湿性と耐熱性のあるセラミック層で封じられています。

チップの高さ、すなわちピエゾアクチュエータの最大ストロークを大きくする方法として、それらのチップを重ねて多段チップ型のピエゾアクチュエータを構成する方法があります。この方法では複数のチップをガラスビーズとエポキシを使用して直列に接着します。多段チップ型は共焼成チップ型や共焼成積層型に比べて長いアクチュエータを作ることができ、サブミリ秒の応答時間と低電圧駆動という特性を保持したまま、大きな変位量を得ることができます。構成要素のチップがすべてセラミックバリア層内に密閉されるため、多段チップ型の方がエポキシ樹脂コーティングで密閉された共焼成積層型よりも湿度と熱への耐性に優れています。

共焼成積層型ではオンスタック絶縁(On-Stack Insulation)方式が採用されており、この場合は電極がPZT層の全幅を覆います。電極の末端は、逆極性の電源電極の側面も含めて、アクチュエータの4つの全側面まで広がっています。内部電極の末端はアクチュエータ側面のガラスフィラメント層によって電源電極から絶縁されます。精密に局所化されたガラスフィラメントにより内部電極は逆極性の電源電極から絶縁され、そのフィラメントで覆われる表面も最小限に抑えられています。そのため、これらのフィラメントは電源電極から接続すべき内部電極への導通性能を低下させることなく、またアクチュエータの動作にも影響を与えません。電極が断面全体をカバーするこの絶縁方法を使用したピエゾアクチュエータでは、発生する内部応力が均一であるという特徴があります。従って、共焼成積層型アクチュエータでは、インチップ絶縁方式で作成されたチップ型よりも高く積層したアクチュエータを作ることができます。共焼成積層型は、動作に寄与しないガラスビーズエポキシの接着層がある多段チップ型よりも、動作に寄与するPZT層の割合が高くなります。これらはエポキシ樹脂でコーティングされています。

取り付けられた歪センサで歪みを測定する方法
歪εは加わった力に対する物体の変形量を表し、長さLの変化率で定義されます。Figure 4.2を参照してください。

金属箔歪ゲージは、微小歪と言われる小さな歪の測定によく用いられます。箔ゲージは試験対象の物体に取り付けて使用されます。物体の歪は直接歪ゲージに伝達され、ゲージは物体とともに伸縮します。箔歪ゲージの電気抵抗は、導電素子の長さに対して線形的に変化するため、歪ゲージの抵抗をモニタすることにより歪が測定できます。導電体のグリッドパターンをFigure 4.3に示しますが、記載された軸に沿って張力または圧力が負荷された時に導電体の変形は最大になります。それに直交する方向に力が負荷されたときには、導電体の寸法や電気抵抗にはわずかな影響しか現れません。

Figure 4.4のホイートストーンブリッジ回路に用いられた4つの箔ゲージは、一般に抵抗の微小な変化の測定に使用されます。この分圧回路の4つのゲージは、ホイートストーンブリッジのそれぞれ独立した抵抗アームとして機能します。回路には励起電圧V_exをかけ、出力電圧V_oを測定します。出力電圧は、歪によって変動する4つのアームの抵抗とともに変化します。

当社のピエゾアクチュエータの場合、4つのゲージのうちの2つがアクチュエータの1面に隣接して接着されています。ほかの2つのゲージはアクチュエータの反対側に同様に接着されています。各ペアの1つのゲージは、アクティブゲージとしてアクチュエータの伸縮方向に沿って配置され、もう1つのゲージはそれに直交して配置されます(Figure 4.5)。アクティブゲージは、アクチュエータの長さの変化に対して最大の応答をする方向に配置されています。もう一方のパッシブゲージは、アクチュエータの長さの変化にはわずかにしか応答せず、その抵抗値の変化は主に温度変化に対する応答です。金属箔ゲージの抵抗は温度にも歪にも影響されるので、回路にパッシブゲージを組み込むのは、歪測定で温度変化による影響を最小に抑えたい場合の1つの方法です。

歪ゲージの感度は、電気抵抗Rの変化率と長さの変化率の比で定義され、ゲージ率と呼ばれています。

当社のすべてのピエゾアクチュエータのゲージ率は2です。

歪はゲージ率、励起電圧、そして出力電圧の測定値を用いて計算します。

当社のピエゾアクチュエータでは、利便性のために製造時に歪ゲージのはんだタブにワイヤを取り付けています。ワイヤのゲージは0.5 mmで、機能が特定できるように色分けされています。赤ワイヤは+V_ex、黒ワイヤは-V_ex(PZS001の-V_exには白ワイヤ)、青ワイヤは+V_o、黄ワイヤは-V_oに接続されています。

当社では、ピエゾアクチュエータからの歪センサ信号は、プリアンプ回路AMP002で増幅してから KPC101などの歪ゲージリーダに接続することをお勧めしています。歪の小さな変化を測定するために金属箔ゲージを使用する場合は、測定する前にセンサの信号を増幅するのが一般的です。

金属箔歪ゲージを使用してピエゾアクチュエータの歪を測定する方法については、歪ゲージのチュートリアルをご覧ください。

電源接続
このデバイスには、電極に接続されたワイヤを使用して正バイアスを印加する必要があります。正の極性のワイヤに正のバイアスを印加し、もう一方のワイヤは接地してください。デバイスに負のバイアスを印加すると機械的故障につながる可能性があります。正のバイアスを印加するワイヤは赤色または緑色、接地用のワイヤは黒色または白色になっています。

ピエゾアクチュエータへの負荷の取付け
ピエゾセラミックは脆弱で、許容張力も高くはありません。アクチュエータに対して横方向の力や曲げの力がかからないようにしてください。圧縮方向の外部負荷でも、それに曲げモーメントが伴う場合、ピエゾデバイス内部に高い引っ張り応力が発生することがあります。そのように負荷のかけ方が正しくない場合には、ピエゾアクチュエータには破損の原因となるような内部応力が容易に発生します。破損を防ぐには、アクチュエータにかかる荷重がアクチュエータの軸に沿って伝達されるように外部負荷を取り付けることが必要です。負荷はできる限りアクチュエータの取付け面の中心部にかかるようにし、また取付け面に対してできるだけ均一にかかるようにしてください。平坦な取付け面の付いたアクチュエータに平坦な面を有する負荷を取り付ける場合は、2つの面が十分に平坦で滑らかであること、また取付けの平行性も十分であることを確認してください。外部負荷の方向とアクチュエータの軸に角度がある場合は、半球状のエンドプレートまたはフレクシャージョイントを装着したアクチュエータを使用して、アクチュエータに対して安全に荷重がかかるようにしてください。

当社のAEシリーズピエゾアクチュエータに負荷を取り付ける際には、室温硬化のエポキシ樹脂接着剤の使用をお勧めいたします。ピエゾアクチュエータPC4FLに負荷を取り付ける場合は、EPO-TEK 353NDやLoctite^® Hysol^® 9340など、80 °C以下の温度で硬化するエポキシ樹脂をご使用ください。負荷は必ずピエゾアクチュエータの変位する面に取り付けてください。この面にはコーティングがありません。当社の共焼成積層型ピエゾアクチュエータのコーティングされた面は変位せず、この面に負荷を取り付けるとアクチュエータの機械的故障につながる恐れがあります。ピエゾアクチュエータPC4FLには、内部応力を最小に抑えるためのアクセサリであるØ5 mm半球状エンドプレートPKFESP(25個入りパック)や円錐形エンドカップ PKFCUP(10個入りパック)の取付けが可能です。以下では、エンドプレートを装着したピエゾアクチュエータに負荷を取り付ける際の正しい方法と誤った方法について説明しています。

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Figure 4.6   平面プレート(A、誤)と半球状のプレート(B、正)をそれぞれ装着したピエゾアクチュエータを使用してレバーアームを動かしている様子)

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Figure 4.7   負荷をPZTアクチュエータに取り付ける正しい方法と誤った方法

Figure 4.6では、レバーアームを動かす際の誤った方法(A)と正しい方法(B)を示しています。正しい方法では半球状のエンドプレートが使用され、レバーアームの角度にかかわらず荷重は分散されてアクチュエータ全体に伝達されます。(A)はピエゾアクチュエータとレバーアームの誤った取付け方法で、全ての荷重がピエゾアクチュエータの一端にかかっています。このような不均一な負荷は、曲げモーメントのようなアクチュエータにとって危険な応力を発生する可能性があります。

Figure 4.7では、ピエゾアクチュエータに平坦な底面を有する軸外負荷を取り付ける際の誤った方法(A)と3つの正しい方法を示しています。AならびにBは、Figure 4.7で示されている、誤った方法と正しい方法に似ています。正しい方法であるCでは、取付け面としてPKFCUPのような円錐形のエンドカップを使用しています。負荷とは平面で接し、凹面がエンドプレートの半球状のドームに接しています。正しい方法のDでは、フレクシャーマウントで軸外負荷とアクチュエータのそれぞれのフラットな取付け面を接続しています。フレクシャーマウントにより、負荷がアクチュエータのプレート表面に均一に分散され、荷重はアクチュエータ全体にかかっています。

高い周波数で動作させる場合
高い周波数で動作させるには、外部に温度制御システムを取り付けてデバイスを冷やす必要がある場合があります。高い周波数でピエゾ素子を動作させると、デバイスの内部温度が上昇します。デバイス温度の駆動周波数に対する依存性については、下記の赤いアイコン()をクリックしたのち、Spec Sheetでご覧いただけます。デバイスの温度は、仕様の最大動作温度を超えてはいけません。

負荷荷重と共振周波数の関係
多くの用途において、ピエゾアクチュエータの長さがどの程度の速度で変化するかということは重要なパラメータです。長さが変化する速度は、ピエゾアクチュエータの帯域幅(共振周波数)、ドライバの最大帯域幅(スルーレート)、ピエゾアクチュエータの静電容量、駆動信号の振幅など、様々な要因に依存します。電圧によって伸びる長さ(伸長値)は、アクチュエータ駆動電圧とピエゾアクチュエータの長さの関数になります。静電容量が大きくなるほど、アクチュエータの長さの変化は遅くなります。

印加電圧が急激に変化すると、ピエゾアクチュエータの長さも急速に変化します。印加電圧の大きさによりピエゾアクチュエータの伸長値が決定されます。駆動電圧信号がステップ関数の場合、アクチュエータの長さ変化の開始から終了までの最小時間T_minは、共振周波数の周期のおよそ1/3となります。ピエゾに負荷がかかっていない場合、共振周波数をƒ_oとすると、最小応答時間は以下の式で表わすことができます。

公称伸長値に達すると、この長さの近傍でアクチュエータが減衰振動します。振動を軽減するためのコントローラを組み込むこともできますが、それによりアクチュエータの応答性は低下します。

アクチュエータに負荷を加えると、ピエゾアクチュエータの共振周波数は低下します。負荷無しのアクチュエータの共振周波数が与えられている場合には、ピエゾアクチュエータの質量m、負荷の質量Mを用いて、負荷のある場合の共振周波数(ƒ_o')を以下の式で求めることができます。

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Figure 6.2  このAMP002のPCBを俯瞰した写真では、お客様側で調整可能な回路素子の位置を見ることができます。隣にそれぞれ「GAIN」と「OFFSET」と書かれた青い大きなポテンショメータ(可変抵抗器)VR1とVR2は、マイナスドライバでネジの頭を回して調整できます。右側のポストTP5とTP6の間にあるR6と書かれた枠線は、ID抵抗器を取り付ける場所を示しています。

こちらでご紹介しているピエゾアクチュエータは、取り付けられたひずみゲージの読み取り値を変位信号としてフィードバックします。ひずみゲージから使用可能なフィードバック信号を生成するには、ブリッジに励起用電圧を供給し、信号を読み出して増幅し、さらに出力電圧を調整するための電子回路を追加する必要があります。 ひずみゲージ用プリアンプ回路AMP002は、全ての電子回路を1枚のPCBに統合した便利なパッケージです。

これらの電子回路を適切に校正して追加すると、KPC101のようなピエゾコントローラ＆ひずみゲージリーダ、またはBPC301やBPC303のような閉ループコントローラを用いて、アクチュエータの絶対変位量を読み取ることができます。

AMP002は当社のすべてのひずみゲージリーダと閉ループピエゾコントローラ、およびひずみゲージ付きピエゾアクチュエータに対応できるように、汎用的に設計されています。そのため、絶対位置の読み取りを行うには、それぞれのリーダとアクチュエータの組み合せごとに改めて校正と設定を行う必要があります。

カバーを取り外すと、お客様側で調整できる回路素子のすべてに簡単にアクセスできます。カバーは、ベースの4本のポストとカバーのゴム付き穴との摩擦で固定されています。AMP002を平らな場所に置き、ベースの両側を押しながらカバーの中央を持ち上げると、簡単にカバーを取り外すことができます。校正を行うには、マイナスドライバと適切な抵抗器(Table 6.1参照)が必要です。また、レーザ干渉計など、アクチュエータの絶対変位量を独立して測定できるセットアップも必要です。

位置読み出しモードの場合、当社のピエゾコントローラ＆ひずみゲージリーダKPC101、および閉ループピエゾコントローラのBPC301とBPC303は、読み取る最大変位量を設定するID抵抗器の接続を必要とします。Table 6.1は、最大変位量とそれに対応する抵抗値を記載しています。使用するID抵抗器に対応する最大変位量が、アクチュエータが動作中に実際に到達すると考えられる最大変位量以上になるように、ID抵抗器を選択する必要があります。過度に大きな最大変位量のID抵抗器を選択すると、読み取りの分解能が低下します。標準的な±1%、0.25 Wの抵抗器を、PCB上のTP5とTP6のポストの間に接続して使用します。ポストの位置はFigure 6.2をご覧ください。

最大変位量を設定したら、表示される変位量が実際の変位量に一致するように、直接測定した位置を参照してAMP002を校正します。高精度で正確な校正を行うために、この参照値を得るためのセットアップとして、干渉系をご使用いただくことをお勧めします。

Figure 6.2でVR1と表示されているポテンショメータ(可変抵抗器)では、AMP002の電圧利得を調整します。2番目のポテンショメータ(VR2)では信号のオフセット量を調整し、個々のアクチュエータに固有のオフセット量を補正します。マイナスドライバを使ってVR1とVR2を調整することで、ひずみゲージリーダで表示される変位量を実際の変位量と一致させることができます。

アクチュエータ、リーダまたはID抵抗器を変更した場合は、この校正手順を繰り返してください。極端な利得を必要とするアプリケーションの場合は、求められる利得を得るために、AMP002をさらに改造しなければならない場合があります。利得の公式と推奨される改造についてはAMP002のマニュアルをご覧ください。