低電圧チップ型ピエゾアクチュエーター、最大移動量0.7 µm～6.1 µm

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Figure 1.1  櫛型電極付きの多層ピエゾ素子(型番TA0505D024)の立体断面図。内部が見えるよう点線部分を切り取って表示しています。

アイコン等について
	下記の表内にあるこのアイコンをクリックしていただくと、各製品固有の仕様や図面を記載したウィンドウが開きます。

特長

• サブマイクロメートルレベルの分解能
• 取付け面のサイズは0.9 mm x 0.9 mm～10.0 mm x 10.0 mをご用意
• カスタム仕様のサイズについても対応可能です。詳細は当社までお問い合わせください。
• 駆動電圧範囲: 0～45 V、0～75 V、0～100 V、0～150 V
• 推奨負荷13 N ～1600 N
• チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)製チップの最高動作温度:130 °C
  • BiScO₃-PbTiO₃ (BSPT)製チップの最高動作温度：250 °C
• 開ループシステムでの実験に適した製品
• ほとんどのチップはワイヤ付きでご提供可能
• 真空用ならびにOEM用に適した製品
• 半球状およびフラットエンドプレートもご用意

当社のピエゾアクチュエータは、Figure 1.1、および「当社におけるピエゾアクチュエータの製造について」で示すように、層状の圧電セラミックシートから形成されます。各シートは内部電極を印刷した後、積み重ねられ、精密ラッピング加工が施されます。これにより各チップの高さの公差は±5 µm以下となります。コンパクトな多層構造により、高い共振周波数(160 kHz～1350 kHz)とサブミリ秒の応答時間を実現しています。PZTおよびBSPT製のピエゾセラミックチップをご用意しており、それぞれの最高動作温度はPZTチップで130 °C、BSPTで250 °Cです。

チップは精密な動作が特長で、フリーストローク量(無負荷時)は0.7 µm～6.1 µmとなっています。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用負荷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」タブをご覧ください。

また各層ごとに電極を組み込むことで、駆動に必要な電圧を低減しています。 チップ型ピエゾアクチュエータの駆動電圧範囲としては、0～45 V、0～75 V、0～100 V、0～150 Vの4種類からお選びいただけます。電圧に非常に敏感な用途の場合には、最大駆動電圧が45 Vまたは75 Vのチップをお選びください。電圧の影響をさほど受けない用途の場合には、より製品寿命が長い100 Vまたは150 Vのチップをご使用いただけます。詳しい仕様については下の表をご覧ください。

このチップの4面はセラミック層でコーティングされており、アクチュエータを湿度から保護しています。このセラミック層は、エポキシ樹脂のコーティングよりも湿度に対して優れた保護性能を有しています。残りの2面はスクリーン印刷による銀電極で、これに駆動電圧を印加します。正の電極側には銀のプラス記号または黒点が付いています。利便性を考慮して、当社の製品の多くはこの2面に75 mmワイヤをはんだ付けしております。

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。

負荷を様々な条件で取り付けられるよう、セラミック製のフラットエンドプレートまたは半球状エンドプレートをアクセサリとしてご用意しております。また、直径1.5～7.0 mmの球とのボール接触が可能な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、特別な動作に関する考察、動作条件からアクチュエータの寿命を予測する方法などを掲載しています。

チップ型ピエゾアクチュエータの寸法、電圧範囲、コーティングについては、カスタム仕様によるご注文も承ります。また、大量注文にも対応可能です。詳細については当社までお問い合わせください。

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PZTブロックを個々の素子に切断する様子

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バインダのバーンアウトおよび焼結後のPZT素子

当社におけるピエゾアクチュエータの製造について

チップ型ピエゾの製造やその多段化の作業は当社の施設内で行い、各製造工程を当社で管理しております。これにより、特注や組み込み用途(OEM用途)のデバイスなどを高品質かつ安価でご提供することが可能になります。当社におけるチップ型ピエゾの製造工程の概要は以下の通りです。詳細については、ピエゾ素子の製造能力のページをご参照ください。

• チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)またはBiScO₃-PbTiO₃ (BSPT)の粉末で形成されたフレキシブルシートからブロックを作成
  
  • 各シート上に内部電極をスクリーン印刷
  • 印刷したシートを積み重ねて層を形成  
  • 層状のシートを等方プレス

• ブロックを個々の素子にダイシング(切断)

• 素子に熱処理を施して溶媒やバインダ材の残留物を除去

• 素子を焼結して圧電性の圧粉を融着させ、PZTまたはBSPT結晶を生成

• 厳しい寸法公差(±5 µm)を得るために、素子をラップ研磨

• 素子に外部電極をスクリーン印刷

• 素子を分極処理して、PZTまたはBSPT結晶の軸を揃える

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Figure 2.1  チップ型ピエゾアクチュエータTA0505D024Wの概略図

使用上の注意点

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。正の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。正極性ワイヤは2通りの方法で識別できます。まず、製品写真からわかるように赤色です。そして、ピエゾアクチュエータのプラス記号が並んでいる方の側面(Figure 2.1参照)から電極に接続されています (プラス記号ではなく黒点が付いているデバイスもあります)。接地するワイヤは黒色で、正の電極が接続されている面の反対側に接続されています。

注:駆動後のピエゾアクチュエータには電荷が蓄積しています。正と負の電極を直接接続すると放電し、火花の発生や、さらには故障する危険性もあります。 この電荷を解放するために、当社では電極の間に抵抗(>1 kΩ)を挿入することをお勧めしています。

プリロード(予備負荷)　
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用負荷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。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素子内の強誘電体粒子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、揃っていない粒子の多くはより理想に近い方向に揃ってきます。ピエゾ素子に駆動電圧をかけると強誘電体粒子の向きが回転し、印加した電界の方向に揃います。その結果、ピエゾ素子の寸法に変化が生じます。初期段階でより多くの強誘電体粒子が同じ方向に揃っていると、駆動電圧に対するピエゾ素子の寸法の変化もより大きくなります。最適な最大変位用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、駆動電圧に応じて粒子が向きを変えるの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、できるだけ熱が広がらないようにしてください。

ピエゾアクチュエータへの負荷
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。

様々な負荷条件に対応できるように、こちらのアクチュエータのアクセサリとして、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、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。PZTピエゾチップに負荷を取り付ける場合は、接着剤として、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のご使用をお勧めします。BSPTピエゾチップの場合は、硬化温度120 °C以下、融点250 °C以上の無機接着剤の使用を推奨します。EPO-TEK 353NDは安全にご使用いただけますが、250 °Cで強度が低下するため、機械的構造を保つためにプリロードをかける必要があります。負荷はピエゾアクチュエータの変位する面にのみ取り付けてください。負荷を変位しない面に取付けると、アクチュエータの故障につながる場合があります。 次に、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ます。

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Figure 2.2  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 2.3  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

Figure 2.2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。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(A)は、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 2.3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 2.2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ときは、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、PZTデバイスの許容動作温度は130 °C以下です。さらに高い温度で使用する場合のために、最高動作温度が250 °CのBSPTピエゾデバイスをご用意しております。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、仕様の最高動作温度を超えないようにしなければなりません。

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、アクチュエータの共振周波数、ドライバの最大帯域幅、ピエゾアクチュエータの最大電流、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(ƒ_o')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。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。

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Figure 2.4  f_T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。

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Figure 2.6  こちらのf_H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。

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Figure 2.5  f_VとV/V_max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 = f_V(V) * f_T(T) * f_H(H)
• 電圧のべき乗に比例: f_V(V) = A₁V^b1
• 相対湿度に対しては、指数関数で変化:  f_H(T) = A₂e^cH
• 温度に対しては、アレニウスの式: f_T(H) = A₃e^b2/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Figure 2.4、2.5、2.6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。

真空対応製品のクリーニングについて
当社のピエゾアクチュエータで真空に対応している製品については、青いinfoアイコン()クリックしてご覧いただける仕様表に、対応する真空レベルが記載されています。この真空レベルに到達するのに特別なクリーニングは必要ありませんが、実際のご使用時には、これらの製品をイソプロピルアルコール(IPA)で超音波洗浄を行い、さらに60 °Cで2時間ベーキングすることをお勧めします。デバイスをそのほかの有機溶剤には浸漬しないでください。