Piezo actuatorとは
ピエゾアクチュエータ

ピエゾアクチュエータ
機械増幅式ピエゾアクチュエータ
機械増幅式ピエゾ
  ピエゾアクチュエータとは、ピエゾ圧電効果を応用した位置決め素子で、ナノメータ程度の極めて微小な範囲から数百ミクロンメータまでの位置決めを正確に行うことが出来ます。

  ピエゾ素子はセラミックで出来ているため非常に硬く、大きな力を生み出すことが出来、またコンパクトで省エネルギー製品の基本的要素として、これまでも、またこれからも多くの製品に採用される可能性を持った素子です。

  また近年、ピエゾアクチュエータの不得意とするより多くの変位量を得るために、機械増幅機構を備えたモデルも市販されています。

  このアクチュエータは梃子の原理を応用し、ピエゾ素子の動きを機械的に増幅し取り出すもので、ピエゾのもつ特徴、精密ポジショニング・早い応答・低消費電力等はそのままで、その短所である変位量の少なさを補う方法で、さらに多くのアプリケーションに採用されることが期待されています。

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ピエゾ圧電効果(piezoelectric effect)とは古くから知られている現象で、ある結晶に機械的圧力を加えた場合、これに比例して電荷を発生する現象で、すでに多くの機器で使われています。発生した電圧は、二つの電極の間に放電が起こるほど大きな電圧を発生することも出来ます。これらの現象は、マイクロホン、圧力センサー、カーナビ等の加速度センサー、電子ガスライター等に使われています。
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この現象は可逆現象で、ピエゾアクチュエータでは逆圧電効果が利用されています。すなわち、分極方向に平行に電場を加えた場合、一直線に並んだ電気双極子に回転力が生じ、これにより単結晶中に長さの変化が生じ、結果として強いトルクを発生します。素材としては、チタン酸・ジルコン酸・鉛(Pb(Zr,Ti)O3)等が用いられ、PZT(ピエゾ)と略されて呼ばれています。
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ピエゾ(逆)圧電効果は、精密な位置決め素子として利用されています。その動きは電気モータの回転運動と異なり直線で、しかも電気エネルギーが直接直線機械運動に変換されるため、高速でしかも効率の良いシステムが実現します。これらの位置決め素子はピエゾアクチュエータと呼ばれています。
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原理
ピエゾの特徴
[ 無限の分解能 ]

ピエゾ素子の長さの変化は、ピエゾ素子に掛ける印加電圧を変えることによりナノメートル領域の極めて微小な伸張の変化として現れます。印加電圧のわずかな変化は滑らかな動きに変換され、この連続的な動きを妨げるような”電圧の閾値”等はありません。従ってアクチュエータの分解能は、印加電圧の分解能、言い換えれば駆動電気回路の精度で決まり素子には起因しません。

[ 高いエネルギー効率 ]

ピエゾ効果は、電気エネルギーを機械運動である直線移動に直接変換します。電気的にはコンデンサーと同等の性質があり、伸張過程において電気エネルギーを吸収(蓄え)します。すなわち、充電電流が流れます。しかし電磁アクチュエーター等と違い、伸張を維持するための電気エネルギーは必要としません。従って発熱も少なく、消費電力の小さなシステムを組むことが出来ます。
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収縮過程では、一旦蓄えた電気エネルギーを外部に放出します。このエネルギーの回収機構を付けた場合、無駄なエネルギーはほとんどなくなります。

[ 大きな耐荷重 ]

ミクロン・サブミクロン精度で位置決めする場合、ピエゾアクチュエータは最適です。5トンの荷重にたえ、数百ミクロンの領域なら超高精度で位置決めが可能です。

[ 速い応答性 ]

多くの場合、位置決め運動の速さは大変重要な意味をもちます。ドライブ電圧の高速な変化はそのままアクチュエータの位置の変化に置き換えられます。この特性は多くのダイナミックな応用、電子顕微鏡のスキャンニング・イメージスタビザイザー・シャッター・バルブ・ショック波の発生・振動キャンセル等に最適です。

[ 磨耗・劣化がない ]

ピエゾアクチュエータには、歯車等機械的運動をする機構がついていません。その伸びは単に固体物性の歪に基づいており、従って基本的に磨耗・劣化はありません。耐久試験の結果、数百万回の伸縮の後でもなんら変化は観測されませんでした。

[ 磁場が無い ]

ピエゾアクチュエータは電界の作用を使っており、電磁アクチュエーター等と違い漏洩磁界の発生は、原理的に磁界を使わないためありません。

ピエゾの短所
[ ピエゾ素子の発熱 ]

ある電圧まで充電されたピエゾ素子の中には 1/2CV2 の電気エネルギィーが蓄えられています。この充電過程において、おおよそ 5〜8% の電気エネルギィーがピエゾ素子の中で熱に変わります。静的位置決めや低周波での使用では、このピエゾの発熱は問題になりません。しかし動作周波数が数100Hzと高く、しかも振り幅が大きなアプリケーションでは、この熱の蓄積は素子をキューリー点まで押し上げ、素子を破壊する恐れがあります。この様な条件での素子の使用は、十分に放熱を考慮する必要があります。

[ 温度特性 ]

ピエゾアクチュエータの位置決め精度を向上させるには、特に温度特性について考慮する必要があります。他のあらゆる固体と同様、ピエゾアクチュエータの長さは温度に依存します。

[ 熱膨張 ]

多くの独立したセラミック素子をスタック(積層)して出来ているピエゾアクチュエータは、セラミックの温度特性の他接合材の温度特性が大きく係わっています。低電圧モデルの熱膨張係数は約 -3ppm/℃ 高電圧モデルの熱膨張係数は約 1ppm/℃程度です。

[ 圧電効果の温度依存性 ]
(低温下での使用)

温度特性については、熱膨張の他にピエゾ効果の温度依存性を説明しなければなりません。ピエゾ効果はピエゾアクチュエータの温度の低下とともに減少し、1Kに付き0.2%ずつ変化し、4Kでは通常の30%程度まで低下します。この温度依存性は常温では無視できますが、液体窒素温度等低温での応用においては注意を要します。

[ 真空中での使用 ]

真空中でピエゾアクチュエータを使う場合は、特に以下に述べる2点に注意して下さい。

1. 電極間の絶縁
一定の距離に隔てられた2つの電極間は非常に狭く作られていて、その絶縁安定性は周囲気体の圧力に大きく関係します。空気は、通常の大気圧下では高い絶縁性を示しますが、10 Torr から 0.01 Torr くらいの範囲ではグロー放電が起きやすく絶縁性が低下します。真空中でピエゾアクチュエータを使う場合、この領域での使用は注意が必要です。
2. アウトガスの放出
アウトガスの放出を極力少なくしたテフロン材料を使った真空対応のアクチュエータがあります。

一般特性
Stroke
(ストローク)
μm
  ピエゾアクチュエータのストローク(伸張)は、Force(発生力)と荷重の大きさとのバランス決まります。(下図参照) 最大ストロークとは無負荷時のストロークで Free stroke, max stroke, Displacement 等の名称としてカタログに記載されています。
Force
(発生力)
N
  ピエゾアクチュエータの発生力は、 Blocking force, max force generation, Blocked force 等と表現され、そのピエゾアクチュエータが発生しうる最大の力で定義されています。アクチュエータに最大駆動電圧を掛け、アクチュエータのストローク(伸張)を完全に押さえ込んだときの外圧に等しい力です。
縦軸にストローク、横軸に発生力をとった場合、実際のアクチュエータが動作する領域は最大ストローク (無負荷時ストローク) と最大発生力 (ストロークを完全に押さえ込んだときの力) を結んだ左図斜め直線上です。

駆動電圧を変化させた場合、この直線はグラフ上で平行移動します。

Stiffness
(剛性)
N/μm
  スティフネスはピエゾアクチュエーターの硬度で、弾性スプリング定数の別の表現です。スティフネス S は、固体の弾性モジュール E の寸法に関係する次の式で表すことが出来ます: S=E*D/L  D:アクチュエータースタックの断面  L:アクチュエーターの長さ
共振周波数
f0 Hz
  デバイスを無負荷単体で駆動したときの共振周波数です。スタックしたデバイスを共振周波数で使用するとスタック面が破壊する恐れがあり、共振周波数での使用は絶対に避けてください。実際に使用できる周波数は 共振周波数の 1/10 程度に設定して下さい。また負荷を接続することで系全体のマスが増えるため、共振周波数は低くなります。
最大駆動電圧
V
  ピエゾアクチュエータを駆動するためにデバイスに印加することの出来る最大電圧です。一般的にはデバイスには極性があり、負極性電圧は正極性と比べ小さな値(-30〜+150V)となります。
Polarization
(分極)
   ピエゾアクチュエータは、分極したセラミックスで出来ています。このセラミックスの分極は、ピエゾアクチュエータを製造する工程で付けられます。分極があることでピエゾアクチュエータは、駆動するための印加電圧が電極に加えられるとその方向に電界が発生し、分極分子の配列が変わりセラミックスの伸びが発生します。
Depolarization and Over Voltage
(消極・過電圧)
   消極(減極)は、この分極特性を消滅することで、絶対に避けなければなりません。通常の使い方では、素子の伸張能力は何年間使用しても変わりません。特殊な用途で、極性と逆の方向に電圧をかけることがありますが、逆方向電圧は定格電圧の20%を超えてはなりません。もし逆過電圧をかけると、不可逆な消極を引き起こし、もはやアクチュエータとしての機能がなくなります。また、過電圧はしばしばセラミック内に絶縁破壊を起こし、素子が使用できなくなります。
Curie Temperature
(キューリ温度)
  永久磁石がキューリ温度を超えると磁化特性を失うのと同様、ピエゾアクチュエータもキューリ温度を超えると分極特性が失われ消極します。
耐荷重 (Compressive Load)   ピエゾ素子の耐荷重はその特別な構造に由来します。つみ重ねられたセラミック素子は、数千ニュートンにまで達する圧力に耐えることが出来ます。もちろんこれはセラミックスの断面積に依存します。
予備荷重 (Prestress)   しかし張力に対しては、何層にも貼り合わされた構造上極端に弱く大きくありません。そのため多くのモデルでは、より大きな張力に耐えられるように予備荷重がかけられています。常にセラミックスに大きな張力がかかるような使用法に対しては、予備荷重の付いた素子を用いることが望ましいことです。
煎断応力 (Shear Force)   煎断応力は、すべてのモデルにおいて避けてください。ピエゾアクチュエータはこの様な荷重に耐えるようには特に設計されていません。また、負荷がピエゾ断面に均一にかかるよう、いわゆる偏荷重は避けて下さい。
応答性能 (Responce)   ピエゾアクチュエータの応答速度は、ドライバー回路がピエゾアクチュエータが必要とする十分な電流を供給出来れば、おおよそ共振周波数の1/3の時間で応答します。Tres= 1/3*f0 (sec) Tres:応答速度 f0:共振周波数

Hysteresis
(ヒステリシス)
ヒステリシス
  ピエゾアクチュエータの最大の欠点は、ヒステリシスがあることです。つまり、ピエゾアクチュエータの伸びは電界の強さに厳密には比例しません。電圧/ストロークの軌跡は、非線形的な曲線”ヒステリシス曲線”として観測されます。ヒステリシス曲線の最大幅は、最大ストロークの15%にまで達します。これを補うためには、外部に高精度の位置検出素子(ストレインゲージ・キャパシタンスメータ等)を設ける必要があります。
Creeping
(クリーピング)

  ピエゾアクチュエータの印加電圧を新たな値に設定すると、一旦ある値に落ち着いた後、緩やかな伸びが観測されます。この余分な伸びはヒステリシスの振舞と密接な関係があり、セラミックスの分極が続いていることにより生じます。この現象をクリーピング現象と呼びます。クリーピング現象はとても小さく、指数関数的に減少します。

動作モード
モード 【 d33モードとd31モード 】

圧電素子の分極方向に平行に電場を加えた場合、一直線に並んだ電気双極子に回転力が生じ、これにより単結晶中に長さの変化が生じます。この変化は結晶体が長くなる方向(電場と同じ方向)と短くなる方向(電場に直行する方向)とがあります。長くなる方向は d33モード、短くなる方向は d31モードと呼ばれていて、一般のピエゾアクチュエータは変化量の大きい d33モードが使われています。

Co-Fire 【 Co-Fire とは 】

積層セラミックを製造する方法には、セラミック一層々々を別々に作り、後で重ね積層する方法があります。この方法は今でも 1000V 程度の電圧をかける高電圧アクチュエータの製造に使われています。しかし低電圧で駆動する低電圧アクチュエータでは、低い電圧で高電圧アクチュエータと同等の電界強度を得るため、セラミック一層々々の厚みを薄く作り必要があり、この手法だと極めて手間のかかることになります。
セラミックを焼結する前の粘度の段階でセラミック素材を薄く延ばし、予めバームクーヘンのように電極材料と交互に重ね積層する方法が考案されました。この方法を Co-Fire と呼んでいます。

駆動電圧の違い
d33モード ピエゾアクチュエータには駆動電圧の違いにより、いくつかの種類に分類することが出来ます。低電圧アクチュエータ・高電圧アクチュエータ・バイポーラアクチュエータ 等です。

ピエゾスタックにはバイポーラアクチュエータを除き一般的に電圧極性があり、アクチュエーターにかける事が出来る最大順方向電圧・最大逆方向電圧が定義されています。最大逆方向電圧は最大順方向電圧の約20%程度です。

  • ユニポーラ/バイポーラによる分類
    ユニポーラ電圧極性があり
    低電圧:(-)30V 〜(+)150V
    高電圧:(-)200V〜(+)1000V
    高電圧:(-)100V〜(+)500V
    バイポーラ電圧極性なし
    低電圧:(±)350V
  • 低電圧/高電圧による分類
    低電圧(-)30V 〜(+)150V
    高電圧(-)200V〜(+)1000V
  • アクチュエータの種類
    スタック 【スタック】
      一般的なピエゾアクチュエーターはスタック (重ね合わせ)構造をしています。これはそれぞれ独立したセラミック層を幾重にも重ねた多層圧電素子セラミックから出来ていて、電極間の層の厚みを薄く作ることで電界強度が大きく出来ます。通常その断面は円形または長方形をしています。決められた極性の電圧が印加されると、スタックは d33効果により軸方向に伸び、この伸びをアクチュエータとして使います。伸長率は全長の 2%にまで達します。
    スタック 【予備荷重構造のケーシングアクチュエーター】
      ピエゾセラミックスタックをケーシングすることは、一般的に機械的衝撃から本体を保護し、周囲環境からの影響を最小限にします。通常ピエゾアクチュエータスタックでは、常にスタックを押す力 (ある種の予圧で予備荷重と呼ばれています) が必要で、この機構をケーシングの中に組み込みます。この事により、本来ピエゾアクチュエーターには備わっていない張力を扱うことを可能になり、ダイナミック動作を可能にしています。またこれにより、スタックピエゾアクチュエータの一番の弱点である引っ張りに強くなり一層使いやすい物となります。
    【リングアクチュエーター(空洞スタック) 】
    スタックアクチュエータと原則として同じ積層構造をして、その中心には大きな穴が空いてます。この穴の目的は、光学的アライメント等機械的設計を容易にするためと、更なる利点は、同じ断面積のスタックアクチュエータに比べ径が大きく取れることです。この事は曲げや剪断応力に対して安定度が増し有利です。特に長いアクチュエータが必要な場合では、静電容量が小さくなり電力消費の低下が期待出来ます。自己発熱が予想されるダイナミックな使い方において、リング構造は冷効率が良くより広い柔軟性を確保出来ます。
    ベンダー 【ベンダー】
    左図は多層ベンダーアクチュエーターです。これらは、重ねられた非常に薄い圧電材料層と、内部電極から構成されていて、単一のセラミックボディー上にd31素子を2枚重ねて結合してあり、バイメタルに似た構造をしています。d31素子の一方が伸び、他方の素子が収縮することで素子は湾曲(ベンディング)を示し、大きなストロークが得られます。
    ベンダー 【リングベンダー】
    左図はノリアック社の CMB-R シリ-ズリングベンダーで、リング状 (ディスク) の形をしたリニアーアクチュエータです。動作はその中心が盛り上がるように動きます。中程度の力で中程度の変位を必要とする用途にご使用いただけます。このシリーズはコファイア技術を使って製造され、1層の厚みが最小20μm程度のセラミック層で構成されています。
    取り扱い上の注意
    1. 圧電セラミック素子の取り扱い
    圧電セラミック素子は硬くもろく、ちょっとした不注意によりこわれやすいため慎重に取り扱って下さい。
    運搬 保管には、複数のコンポーネントがぶつかり合わないよう、コンポーネントを別々の緩衝材で覆い保護してください。  コンポーネントの取り扱いにリード線を持って運ばないでください。  コンポーネントを組み込むさい、作業台の上にゴムマット等緩衝材を敷くことをお奨めします。
    2. はんだ付け作業上の注意
    ピエゾ素子の電極はスクリーン印刷によって作成された銀の電極です。この電極にリード線をはんだ付けし、外部接続する方法は長時間安定した接続が期待できます。しかしながらリード線を半田付けする際、この薄い銀の電極上で半田付けを誤ると問題が発生する恐れがあり、半田付けには若干のスキルを必要とします。
    半田付けのし難さは、銀電極面と大気の中に含まれる硫化分子との間に起こる反応によって生成される 硫化銀 によって引き起こされます。この層の組成と厚さは、時間、ペーハー(pH)、湿度などのいくつかの要素に影響を及ぼされます。

    この問題を解決するには、半田付けをする前に外部接続電極を清掃する必要があります。これにはガラスブラシ・スチールウールブラシが有効です。

    半田付け温度は、250〜325℃に入るようこての温度を設定することをお奨めいたします。電極に使われている銀は半田に含まれているスズに対しで可溶性です。従って半田付けの時間が長過ぎると電極の銀は半田の中に溶け込み、電極そのものが無くなってしまいます。この問題を解決するには 2-4% の銀の含有する半田材を使ってください。また素子の温度の上昇は素子の消極(depolalization)を起こす可能性があり、これを防ぐためには半田時間は 2-3 秒で手早く行なって下さい。

  • 半田材料
    一般的に半田は、高真空アプリケーションで使われている半田と同等の半田を使うことをお奨めします。
    96SC Tin/Silver/Copper with multicore flux (Flux type Crystal 400)

    1. 接続リード線はあらかじめ半田メッキ処理をほどこしておく。
    2. ピエゾの銀電極の表面の酸化膜をガラスブラシ・スチールウールブラシ等で取り除く。
    3. 半田ごての温度をおよそ285℃にセットして下さい。
    4. 以下の様に電極の表面をにあらかじめ半田を盛る。
    5. 半田こてに少量の半田を取る。
    6. 半田こてを約1秒間電極に当て、電極上に小さな丸い半田のやまが出来るまで半田を継ぎ足す。
    7. この半田のやまに接続リード線を素早く押し付け一体化する。
  • 3. 接着による素子の固定

    素子を基板に接着する場合、接着層を出来る限り薄くすることが肝要です。接着剤が乾き安定するまで 2〜5MPa程度の力でしっかりと押さえます。接着剤はエポキシ系接着剤が最適です。また電極への配線は、はんだ付け以外にも導電性接着剤を使うことが出来ます。この場合柔軟性のある接着剤をお使いください。

    4. メカニカルコネクション

    銅製のスプリング等を使って、素子の外部電極に機械的に接続することも可能です。この場合酸化し難い材料、例えば金メッキした材料をご使用下さい。

    5. よくある失敗例
    1. 自己発熱と熱暴走
      圧電性材料にはわずかではありますが誘電損失があるため、駆動周波数が高い場合は自己発熱が無視できなくなります。早い繰り返しのアプリケーションで、しかも高い電界を必要とするアプリケションにおいては、ピエゾ素子の温度をモニターし、温度がそのセラミックグレードの最大使用温度を超えないよう配慮が必要です
    2. スパイク電圧の混入
      駆動電気信号にノイズ等、高速に変化する電気信号が混入した場合、ピエゾ素子はこれに応答し大きな加速力を引き起こします。このときプリロードシステム (予備負荷)がこれを完全に補うことができない場合があります。結果は、セラミックの構造の崩壊とか、層の剥離を引き起こしアクチュエータを破損してしまいます。このような事象を防ぐため、ドライバーエレクトロニクスには適当な保護回路を設けて下さい。
    3. 湿度
      ビエゾ素子の駆動は比較的高電圧を使うため、湿度が高い環境でのご使用では電気絶縁に十分配慮して下さい。
    4. 不十分なプリロード (予備負荷)
      ピエゾアクチュエータは、引張応力に対しては非常に弱い構造をしていて、容易に層の剥離破壊につながります。一般的なアプリケーションでは、最小の 10MPa のプリロードを適用することを勧めます。ダイナミックなアプリケーションでは、アクチュエータがいかなる条件下に置かれた場合でも、常に圧縮力が掛るようプリロード圧を設計して下さい。
    6. 素子の取り付け
    @ スタックアクチュエータは層に直角な力に対しては非常に丈夫に出来ていますが、横方向のモーメントに対してはまったく無力です。横方向のモーメントは絶対にかからないようにして下さい。横方向のモーメントが少しでもかかるとマイクロクラックの発生につながり、信頼性を著しく阻害します。
    A プリロードがないスタックアクチュエータは張力に対してほとんど対抗できず、電極層で剥がれ破損してしまします。ピエゾアクチュエータの性能を発揮するには必ずプリロード機構を設けて下さい。
    B 負荷はアクチュエータの荷重面全体に均一にかかるよう配慮して下さい。アクチュエータに半円形のスフィアトッポを付けると過重の偏りが防げます。
    C セラミック本体に接する材料は、電極間のショートを避けるため非導電物質を使うことをお勧めします。基盤とアクチュエータの間に絶縁幕またはセラミック板を挿入することで絶縁できます。
    D アクチュエータの性能をフルに発揮するため、素子の動きを妨げるような取り付け、例えば素子の側面をクランプしたり あるいは素子を接着固定する場合、接着剤が側面にまで付かないよう注意が必要です。また接着材はエポキシ系接着材を使用して下さい。ゴム系接着剤は弾力があるため接着には適しません。さらに接着材はできる限り薄く塗布して下さい。