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単結晶チップ型および多段チップ型ピエゾアクチュエーター


  • Single-Crystal Piezo Chips
  • Stack Constructed from Multiple Single-Crystal Chips
  • Highly Linear Motion with Low Hysteresis

PQ91JKP3

Chip with Copper Top and Bottom Electrodes

PQ91JK

Chip with Bare Top and Bottom Electrodes

PQ9FC1

Stack with Wire Leads

The wire leads on the PQ9FC1 piezo stack are approximately 75 mm long.

Arrows Indicate Direction of Expansion

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アイコン等について
info icon下の表内にあるこのアイコンをクリックすると、各製品の仕様と図面がご覧になれます。
Button to Download Piezo Actuator Brochure
Piezo Tutorial

特長

  • 25 °Cにおける全動作範囲でのヒステリシス< 3%
  • 単結晶チップ型ピエゾアクチュエータ
    • 取付け面寸法:3.0 mm x 3.0 mm
    • 駆動電圧範囲:0~1000 V
    • 推奨負荷:24 N
    • 裸電極または銅ホイルのリード線付き
  • 単結晶多段型ピエゾアクチュエータ
    • 取付け面寸法:5.0 mm x 5.0 mm
    • 駆動電圧範囲:0~500 V
    • 推奨負荷:64 N
    • リード線
  • 開ループシステム用
  • 半球型およびフラット型のエンドプレートは別売りでもご用意

単結晶チップ型および多段型のピエゾアクチュエータは鉛をベースとした結晶から製造されており、低ヒステリシス、低クリープで線形性に優れた変位を実現します。これらのデバイスは開ループシステムや位置制御を行わないシステムに適しています。 結晶の上面と底面には電極が印刷されています。単結晶チップ型ピエゾアクチュエータは裸電極付き、または銅ホイルのリード線付きでご提供しています。単結晶多段型ピエゾアクチュエータは、エポキシで接着された複数の単結晶チップと銅板から構成されており、積み重ねられた電極はリード線で接続されています。チップ型ピエゾアクチュエータPQ91JKP3と多段型ピエゾアクチュエータPQ9FC1には、セラミック製フラットエンドプレートが取り付けられています。

これらのアクチュエータの最大変位量は各製品に規定されている最大変位用負荷(下記参照)をプリロードすることによって得られます。実際の最大変位量は製品によって異なり、実験的に決定する必要があります。しかし最大変位量は必ずフリーストローク変位量よりも大きくなります。詳細については「取扱い」タブをご参照ください。

単結晶チップ型ピエゾアクチュエータの駆動電圧範囲は0~1000 V、単結晶多段型ピエゾアクチュエータの場合は0~500 Vです。各ピエゾアクチュエータの黒点は正の電極を示しています。単結晶多段型ピエゾアクチュエータの正電極には赤のリード線が付いています。

様々な負荷条件に対応できるよう、こちらのアクチュエータの追加用アクセサリとして、フラットまたは半球状のセラミック製エンドプレートをお買い求めいただくことも可能です。また、ボール接触が可能な直径3.0 mmと5.0 mmの円錐状エンドカップもございます。「取扱い」タブでは、ピエゾアクチュエータに負荷を取り付ける際の詳しい説明や、取扱い時の注意事項、動作条件からアクチュエータの寿命を予測するデータなどがご覧いただけます。

単結晶チップ型ピエゾアクチュエータはカスタム仕様の寸法でもご提供可能です。また真空対応のチップ型や多段型のアクチュエータもカスタム品としてご注文いただけます。詳細については当社までお問い合わせください。ピエゾデバイスの標準品のラインナップは右の表からご覧ください。

使用上の注意事項

電源接続
このデバイスには、正バイアスを印加する必要があります。チップに黒点で記されている正電極に正のバイアスを印加し、もう一方の電極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。単結晶チップ型ピエゾアクチュエータはリード線を取り付けた状態で発送いたします。赤いワイヤが接続されている正電極には正のバイアスを印加し、黒いワイヤが接続されている負電極は接地してください。

プリロード
こちらのアクチュエータの最大変位量は各製品に規定されている「最大変位負荷」をプリロードすることにより得られます。実際の最大変位量は製品によって異なり、実験的に決定する必要があります。しかし最大変位量は必ずフリーストローク変位量よりも大きくなります。プリロードによりアクチュエータのストロークは長くなります。これは製造時の分極処理ではピエゾの結晶内の強誘電体ドメインをすべて同じ方向に揃えることができないためです。アクチュエータに対して機械的にプリロードを負荷すると、多くのドメインが揃ってきます。ピエゾ素子に駆動電圧をかけると強誘電体ドメインの向きが回転し、印加電界の方向に配向します。その結果ピエゾ素子の寸法が変化します。初期の段階でより多くの強誘電体ドメインが同じ方向に揃っていると、駆動電圧に応答するピエゾ素子の寸法変化も大きくなります。最大変位負荷以上のプリロードを負荷すると、本来の最大変位量よりも小さな変位量しか得られなくなります。これは負荷が大きすぎると、駆動電圧に応じたドメインの向きの変化を抑制してしまうためです。

リード線の電極へのはんだ付け
リード線を電極に接続もしくは再接続する場合、はんだ付けの温度は370 °C以下、時間は1電極あたり2秒以下で行ってください。リード線は電極の中心にはんだ付けし、加熱範囲はできるだけ小さくしてください。

ピエゾ素子への負荷の取付け
ピエゾセラミックは脆性材料であり、引張強度が小さいという特徴があります。そのため、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。 外部負荷が圧縮力のように見えても、不適切に負荷された場合には曲げモーメントが発生し、ピエゾデバイス内部に大きな引張応力が発生することがあります。ピエゾアクチュエータへの負荷の取り付け方が不適切な場合、アクチュエータを損傷するような内部応力が容易に発生します。 それを防止するには、アクチュエータにかかる負荷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負荷がかかるようにしてください。

負荷を様々な条件で取り付けられるよう、こちらのアクチュエータのアクセサリとして、セラミック製のフラットもしくは半球状エンドプレートをお買い求めいただくことも可能です。また、当社では、半径Ø1.5~Ø7.0 mmの半球状の面または曲面と接続可能な凹面を有する円錐形エンドカップもご用意しております。ピエゾアクチュエータに負荷を取り付ける場合、接着剤として、Loctite® Hysol®9340など、80 °C以下の温度で硬化するエポキシ樹脂のご使用をお勧めします。負荷は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。変位しない面への負荷の取付けはアクチュエータの故障につながりますのでご注意ください。 以下では、2種類のエンドプレート付き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解説しています。

Displacement Plot
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平面プレート(A、誤)と半球状のプレート(B、正)をそれぞれ取り付け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
Temperature Rise Plot
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負荷をピエゾアクチュエータに取り付ける正しい方法と誤った方法


左の図では、レバーアームを動かす際の誤った方法(A、左側の図)と正しい方法(B、右側の図)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。左側の図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。

右図では、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(左側の図、A)と3つの正しい方法を示しています。AおよびBは、左図の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が軸外負荷の平坦な取付け面とアクチュエータの平坦な取付け面のインターフェイスとなっています。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。高い周波数で動作させるとピエゾデバイス内部の温度は上昇しますが、デバイスの許容動作温度は130 °Cまでとなっています。各製品のデバイス温度の駆動電圧周波数に対する依存性は、下のinfoアイコン info iconをクリックしてご覧いただけます。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共振周波数、ドライバの最大帯域幅の絶対定格、ピエゾデバイスが発生可能な最大電流、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Tmin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ƒo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。負荷無しの場合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(ƒo')を以下の式で求めることができます。

DC電圧で駆動したときのデバイスの推定寿命
ピエゾデバイスの寿命は動作温度、印加電圧ならびに相対湿度の関数となります。DC電圧が印加されているときには、寿命はピエゾデバイスの電極で発生する湿度による電解反応によって短くなります。この反応により水素が発生し、陰極から陽極に向けて金属の樹状突起が形成されます。電解反応により遊離した水素は、ピエゾ素子と化学反応を起こして劣化させます。形成された樹状突起は陰極と陽極を電気的に接続することになり、その結果として、漏れ電流のレベルが上昇します。ピエゾデバイスが故障しているかどうかは、以下の試験では漏れ電流レベルが規定の閾値よりも高くなっているかどうかで判断しています。

当社のピエゾデバイスは4面がセラミック製の防湿層で覆われているため、湿度がデバイスの寿命に及ぼす影響を最小限に抑えています。ピエゾデバイスの寿命測定についてのご要望を受けて、当社ではセラミックで絶縁された低電圧駆動のピエゾデバイスに対する環境試験を実施しました。その結果を用いて、平均故障時間(MTTF)を見積るための単純なモデルを作成しました。前提として、湿度、温度、印加電圧が既知である必要があります。推定MTTFは、動作温度、相対湿度、電圧に対応する3つの係数の積となります。部分電圧は、デバイスの印加電圧を仕様の最大駆動電圧で割って算出します。 各パラメータに対応する係数は下記のグラフに示されています。また、このデータをダウンロードし、それを用いて計算したり、必要に応じて内挿したりすることが可能です。

下記の3つのグラフにおける曲線の実線部分は当社が試験を実施した範囲を示しています。これらの測定範囲はよく使用される環境条件を考慮して設定しました。実線から続いている点線部分は外挿値で、デバイスを使用する際に遭遇する可能性のある環境条件の範囲を示しています。

Engraved Back of OAP
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fTと温度の関係を示したデータを含むエクセルファイルは、こちらをクリックしてご覧いただけます。
寿命推定のためのMTTF計算式: MTTF = fV * fT * fH

相対湿度、デバイス温度、DC駆動電圧がわかれば、デバイスの寿命が推定可能です。寿命は、電圧、温度および湿度に係る各係数の積で与えられ、それらは右、下、右下にある3つのグラフから求めることができます。

例えば、PK2FSF1タイプのデバイスを、相対湿度75%の環境下で、電圧60 V、温度30 °Cで駆動する場合:

  • 下のグラフから、電圧係数は427(PK2FSF1の最大定格電圧 Vmaxは75 V、よってV/Vmax = 60 V / 75 V = 0.80)となります。
  • 右のグラフで、温度係数は83です。
  • 右下のグラフで、湿度係数は2.8です。

よって、MTTF = 472 * 83 * 2.8 = 99234.8時間となり、11年以上となります。

注:こちらのページのグラフは、当社のセラミック保護の低電圧チップ型ピエゾアクチュエータにのみ適用できます。

Engraved Back of OAP
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こちらのfHと相対湿度の関係を示したデータを含むエクセルファイルは、こちらをクリックしてご覧いただけます。

Engraved Back of OAP
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fVとV/Vmaxの関係を示したデータを含むエクセルファイルは、こちらをクリックしてご覧いただけます。

これらの温度、電圧および湿度の係数を得るためのデータは、6種類の異なる動作環境下での試験による測定値をもとに分析され、グラフ化されています。異なる10個の専用デバイスのセットを、それぞれ異なる駆動電圧、デバイス温度、相対湿度の組合せによる環境下で試験を行いました。デバイスに閾値100 nAを上回るレベルの漏れ電流が発生した時点で、故障としました。温度、湿度および電圧がそれぞれ寿命に与える影響は以下の関係式を仮定して求めています:

  • MTTF = fV(V) * fT(T) * fH(H)
  • 電圧のべき乗に比例: fV(V) = A1Vb1
  • 相対湿度に対しては、指数関数で変化:  fH(T) = A2ecH
  • 温度に対しては、アレニウスの式: fT(H) = A3eb2/T

ここでA1、A2、A3、b1、b2、cは測定データの分析により決定される定数、VはDC駆動電圧、Tはデバイスの温度、Hは相対湿度です。MTTFと各係数との数学的関係式が異なるので、MTTFの各係数への依存性を決定できます。そのようにして得られたのが上図のプロットデータです。グラフ内の青い網掛け部分の曲線は、実験データです。点線部分は外挿値です。

これらのデバイスの寿命試験は引き続き実施されています。追加データは準備ができ次第掲載いたします。温度制御用の製品としては、当社のTEC素子などのラインナップがございます。また、温度および湿度のモニタには当社のUSB温湿度ロガーをご利用いただけます。


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単結晶チップ型ピエゾアクチュエータ

Item #InfoDisplacement
(Free Stroke)a,b
DimensionsDrive Voltage RangeResonant
Frequencya
Load for Maximum
Displacementc
Blocking
Forceb
External
Electrodes
End
Plates
PQ91JKinfo1.2 µm ± 15%3.0 x 3.0 x 3.0 mm0 - 1000 V215 kHz
± 10%
24 N (5 lbs)60 N
(13 lbs)
Screen-Printed SilverNone
PQ91JKP3info1.2 µm ± 15%3.0d x 3.0 x 4.3 mm0 - 1000 V185 kHz
± 10%
24 N (5 lbs)60 N
(13 lbs)
Copper LeadsPKJEP4 (2)
  • 負荷なし
  • @1000 V
  • 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。
  • 電極を含む最大外形寸法は5.5 mmです。
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
PQ91JK Support Documentation
PQ91JK単結晶チップ型ピエゾアクチュエータ、1000 V、変位量1.2 µm、3.0 x 3.0 x 3.0 mm、裸電極
¥17,247
Volume Pricing
3-5 Days
PQ91JKP3 Support Documentation
PQ91JKP3単結晶チップ型ピエゾアクチュエータ、1000 V、変位量1.2 µm、3.0 x 3.0 x 4.3 mm、セラミック製フラットエンドプレート
¥19,341
Volume Pricing
3-5 Days

単結晶多段型ピエゾアクチュエータ

こちらの単結晶多段型ピエゾアクチュエータは、10個の銅ホイルの電極の間に9個の単結晶ピエゾチップを挿入して構成されています。正の電極には赤色のリード線、負の電極には黒色のリード線がはんだ付けされています。両側には電極を保護するためにアルミナエンドプレートが接着されています。単結晶ピエゾチップが使用されているため、動作の線形性が高く、ヒステリシスが小さい(25 °Cで< 3%)という特性があります。ただし、動作温度が高くなるとヒステリシスと非線形性が増大します。下のInfoアイコン(info icon)をクリックすると、25 °Cと80 °Cで取得されたヒステリシスのグラフをご覧いただけます。

Item #InfoDisplacement
(Free Stroke)a,b
DimensionsDrive Voltage
Range
Resonant
Frequencya
Load for Maximum
Displacementc
Blocking
Forceb
External
Electrodes
End
Plates
PQ9FC1info5.0 µm ± 15%5.0 x 5.0d x 7.5 mm0 - 500 V85 kHz ± 15%64 N (14 lbs)160 N
(36 lbs)
Copper Foils &
Lead Wires
PKFEP4 (2)
  • 負荷なし
  • @500 V
  • 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。
  • 電極とワイヤ接続部分(ワイヤは除く)を含めた最大外形寸法は7.2 mmです。
+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
PQ9FC1 Support Documentation
PQ9FC1単結晶多段型ピエゾアクチュエータ、500 V、変位量5.0 µm、5.0 x 5.0 x 7.5 mm、セラミック製エンドプレート2個
¥43,797
Volume Pricing
3-5 Days

エンドカップ

  • 当社のチップ型および多段型ピエゾアクチュエータ(上記)に対応
  • 下記の半球状エンドプレートと組み合わせて使用
  • ボール接触可能な円錐形エンドカップ
    • Ø1.5 mm~Ø3.0 mm(PKJCUP)
    • Ø2.6 mm~Ø5.0 mm(PKFCUP)
  • 荷重を適切に分散
  • 10個入りパックで販売

SUS416ステンレススチール製円錐形エンドカップのPKJCUPとPKFCUPは、下記の半球状エンドプレートを取り付けたチップ型および多段型ピエゾアクチュエータに使用できるように設計されています。円錐形のエンドカップにより、直径1.5~3.0 mm (PKJCUP)または2.6~5.0 mm (PKFCUP)のボールと組み合わせることができます。ピエゾアクチュエータとボール接触することにより荷重が適切に分散されるため、負荷によって故障する確率を制限できます。ピエゾチップのフラットな面、または動かす対象のメカニクス部品のどちらにも取り付けることができます。チップ型および多段型のアクチュエータにカップを取り付けるには、当社のLoctite® Hysol®など、80 °C以下の温度で硬化するエポキシ樹脂のご使用をお勧めいたします。エンドカップは、フラットエンドプレートにも同様に取り付けることができます。

+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
PKJCUP Support Documentation
PKJCUPPZTアクチュエータ取付け用円錐形エンドカップ、Ø3.0 mm、10個入りパック
¥4,889
Today
PKFCUP Support Documentation
PKFCUPCustomer Inspired! PZTアクチュエータ取付け用円錐形エンドカップ、Ø5.0 mm、10個入りパック
¥3,446
3-5 Days

エンドプレート、半球型およびフラット型

End HemispheresFlat End PlatesCompatible
Components
Item #DiameterItem #Dimensions
PKJESP3.0 mmPKJEP43.0 x 3.0 x 0.4 mmPQ91JK
PQ91JKP3a
PKFESP5.0 mmPKFEP45.0 x 5.0 x 0.4 mmPQ9FC1a
  • これらの製品にはフラットエンドプレートが取り付け済みです。追加のフラットエンドプレートや半球状エンドプレートを接着剤で取り付けることができます。接着後のエンドプレートは取り外さないでください。ピエゾ部品に損傷を与える恐れがあります。
  • 半球型およびフラット型エンドプレート
  • 半球状エンドプレートは、負荷に対して1点のみで接触
  • フラットエンドプレートは、接触点の荷重をピエゾの面全体に分散
  • 25個入りパックで販売

当社の多段チップ型アクチュエータで使用されているアルミナ製の半球型およびフラット型のエンドプレートは、別売りでもご用意しています。半球状エンドプレートはピエゾアクチュエータとレバーアームを1点で接触させることができます。またこの半球状エンドプレートは、上記の円錐型エンドカップの中から対応する製品を選び、組み合わせてご使用いただくこともできます。 エンドプレートは、接触点からの荷重をピエゾデバイスの面全体に分散するのに用いられます。ピエゾアクチュエータの端面に取り付ける半球状エンドプレートまたはフラットエンドプレートを選ぶ際は、荷重がしっかり表面で均等に分散されるように、エンドプレートの底面形状がピエゾアクチュエータの断面形状と整合しているエンドプレートを選ぶことが重要です。半球状エンドプレートの直径の公差は±0.1 mm、フラットエンドプレートの寸法の公差は±0.04 mmです。端面に半球型またはフラット型のエンドプレートを固定するときは、80 °C以下の温度で硬化するエポキシ樹脂を使用するのが安全です。当社のLoctite® Hysol®などがお勧めです。接着後のエンドプレートは取り外さないでください。デバイスに損傷を与える恐れがあります。

+1 数量 資料 型番 - ユニバーサル規格 定価(税抜) 出荷予定日
PKJESP Support Documentation
PKJESPCustomer Inspired! Ø3.0 mm半球状エンドプレート、25個入りパック
¥4,467
Today
PKFESP Support Documentation
PKFESPCustomer Inspired! Ø5.0 mm半球状エンドプレート、25個入りパック
¥4,467
3-5 Days
PKJEP4 Support Documentation
PKJEP4Customer Inspired! 3.0 mm x 3.0 mm x 0.4 mmフラットエンドプレート、25個入りパック
¥1,294
3-5 Days
PKFEP4 Support Documentation
PKFEP4Customer Inspired! 5.0 mm x 5.0 mm x 0.4 mmフラットエンドプレート、25個入りパック
¥1,591
Today
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