1. スタックピエゾ素子の弱点である、引張応力の補償による破壊の防止。
2. 剛性（Stiffness）の改善。
3. 曲げ衝撃、軸方向以外力の衝撃に対するアクチュエーターの耐久性能の向上。

　単に機械的な予備負荷（予備負荷）を与える事で、容易にピエゾアクチュエータは高いダイナミックな動作(高周波振動、パルス動作)で使用出来るようになります。

　エゾメカニック社の予備負荷付き標準アクチュエーター PSt...VS は最大定格荷重のおよそ 10-20% の予備負荷をかけています。したがって、アクチュエーターはこのレベルまでの張力を扱うことが出来ます。ピエゾアクチュエータのフロントプレートは、ピエゾスタックからの張力は伝わらない構造になっているため、静的オーバーストレスはに対しては、セラミックスタックに何らのダメッジも及ぼしません。

概算の計算式は：
FR = m �冤 / �冲2		m 負荷
		�冤 ストローク
		�冲 最小リセット時間

　さらに大きな予備負荷カかを必とするアプリケーションもあります。例えば重たい負荷をアクチェーターの先端に固定し、ダイナミックな制御をする時です。ここで予備負荷は、アクシュエーターが縮むサイクル(リセット時間)以内に重い負荷を十分迅速に加速し、元の位置まで戻すに必要なレベルでなくてはなりません。

　基本的に予備負荷は、カタログに記載された最大負荷まで加えることが出来ます。1つの簡単な基準は、アクチュエーターから対称的な力（押す力/引く力）を得るために 50% の予備負荷を使用するこです。さらにその上、予備負荷は外部より加える事が出来ます。多くの場合、全体のメカニズムがアクーチュエータに対する予備負荷として役に立ちまた、振動力による機械的なバックラッシュは排除されます。

　ピエゾアクチュエーターはセラミックで出来ていて、その素材は非常に大きな力 10⁶N/m² 程度の力に耐ることが出来ます。しかしながらこの力の 20% 〜 30% の力を超えるとセラミックは消極しピエゾアクチュエーターとしての機能は失われてしましますので注意が必要です。

　さらにゆがみに対しては、ピエゾの横方向の力が加わることになります。長さ/直径の比が高いスタックを使用することで安定した力配分が期待できます。

　最大負荷は主に、ピエゾアクチュエーターのアクティブな断面に依存します。特にケーシングしていないピエゾセラミックを大き負荷で使う場合、負荷の偏りがなく、ピエゾ断面に均等に負荷がかかるように設計して下さい。

次に基本的な 3 つのケースについて、発生力 - ストロークとダイヤグラムの使用法を示します。

1. 例: S(E)=0　アクチュエータの硬度に比較し、負荷の硬度が無視できる場合。
これは、前ページで述べたケースの、フォース変動がゼロの場合に当てはまります。そして、アクチュエータは最大のストロークを示します。適切に設計されたアクチュエーターの予備圧力システムは、この状況でも動作します。このケースに関する別の例は、マスピースによる荷重です。

2. 例: S(E)=∞ 限りなく硬い負荷でクランピングされたアクチュエータの場合
    ブロッキング状態にある場合で、アクチェータはストロークを発生出来ず、押荷重のみ発生することが出来ます。

　実際にはブロッキングは、材料の限られた硬度による受動的クランピンングのため起きません。

したがってここで述べられる最大の力は、実際のシステムで発生することはありません。データシートに記載されたブロッキング力から、発生力 - ストローク ダイヤグラム(図8)を作成することが出来ます。

3. 例: S(E)=S(A)
    これは、アクチュエータから負荷である装置に、物理的な最大限の仕事が伝達出来る、非常にマッチしたアクチュエータシステムのケースです。得られるストロークは最大のストロークl_max の半分であり、発生力はブロッキングフォースFB の半分です。
データシートで与えられているブロッキングフォースF_B は、2つのポイントA、アクチュエーターの評価のためのテストリグでの 2の異なったスティフネスS(E)における最大電圧、から推定されます。(図8参照) 静的な予備圧力は、最大定格荷重のおよそ25%です。 公差は +/-20%。

　実際には、無負荷でのアクチュエーターの共振周波数は重要ではありません。ピエゾアクチュエータをシステムに組み込んだ場合、どんな付属物でもピエゾアクチュエータにとって負荷となり共振周波数を下げることになります。ステージ・ミラーマウント等、及びこれら機械光学部品に組み込まれたリセットスプリングは、100Hz オーダーでの共振周波数を示します。

　さらにより大きい直径のスタック・リングに関しては、径方向（軸方向に直角に方向）の共振モードにも注意を払わなければなりません。スタックの軸方向の寸法に比べ直径が著しく大きい場合、径方向の共振周波数は軸方向よりも低い場合があります。径方向共振はアクチュエーターの圧電効果により、入力信号に匹敵する大きさの起電力を発生し、オリジナルの入力信号に重ね合わさります。そして径方向共振は軸の動きに影響を及ぼします。実装されたアクチュエーターの基本的な軸方向の共振周波数は次式で予測することが出来ます。

	Fres	共振周波数
	m	負荷重量
	S	アクチュエーター硬度

1. システム上のピエゾアクチュエーターにファンクションジェネレーターからの出力、数 V の振幅信号をかける。この入力信号は常にオシロスコープでモニターして下さい。ファンクションジェネレーターからの出力がシステムの共振周波数に一致するとオシロスコープでモニターしている供給信号が歪ます。
2. ピエゾアクチュエーターは可逆動作をするためセンサーとしても働き、接続されたオシロスコープ上にその起電力が観測されます。システムのメカニズムにわずかな振動を与えると、システムのリンギング現象をモニターすることができます。

　アクチュエーターの静電容量の公称値は、アクチュエーターに小信号励振電流（周波数 kHz・ 振幅 〜1.2V）を印加し流れる電流を観測することで測定することが出来ます。通常実験では室温無負荷の条件で行われます。データシート上での公差は +/-20% です。しかしながらこの静電容量は一定ではなく、使用条件によるピエゾセラミックの誘電率の変動により変動します。一般的に静電容量は次の理由で増加します。

• 駆動電圧信号振幅の増加 (大信号応答)
• 温度の上昇
• 圧縮負荷力の増加

　これらの効果は個々のセラミックによります。またその傾向は、PZT セラミックのキュリー温度が低ほどより敏感になります。ピエゾメカニック社の製品で比較的安定した材料は HS シルーズです。

　通常アクチュエーターの静電容量の値は、前述の通りダイナミック動作時の駆動電流から算出します。しかしこの場合、電流と消費電力は、振幅と周波数に比例して増えます。基本的な関係は：

　アクチュエーターが繰り返し周波数 f で駆動されているとき、入力電力は Wf になります。この電力の一部 およそ 5%〜10% がピエゾアクチュエータ内部で熱に変わります。高速なダイナミック運転による過熱の回避スタックの放熱によってのみ解決できます。

　一旦アクチュエーターに蓄えられた電力はアクチュエーターの収縮周期、つまり放電周期では電源に戻ることになり、電源回路がこの戻ってきた電力を吸収する必要があります。これがピエゾアクチュエータの特性で、ダイナミック運転の場合アクチュエータの自己発熱・駆動電源の電力吸収について考慮が必要です。

　あいにく、ダイナミックなアプリケーションで使われるアクチェーターの選択は、カタログに記載されている静電容量値のみで判断せざるをえず、これはあまりにも単純化しすぎた方法です。前述されたように、パワーバランスは駆動条件・アクチュエーターの構造・ピエゾ材質に著しくよることがあります。単なる静電容量の値のみに捕われると、この複雑な考慮の欠落は不幸にもアクチュエーターと電源のミスマッチな選択に通じ、故障にもつながります。

　ピエゾアクチュエーターのアプリケーションとモデルの選択等に関しては、経験豊富な我々の技術者に連絡下さい。適切なアドバイスが出来るかと思います。

　パラメーターで Open loop Sensitivity (開ループ感度) は、ナノメートル、サブナノメートルといった非常に精密な位置決めをする場合に重要です。

　前述のようにピエゾを使ったシステムの位置決め精度は、セラミックスタックによる制限では無く、むしろ電源や付属するメカニズムに依存するものです。

　開ループ感度は、駆動電源の出力信号に乗ってくる、ノイズレベルに起因するアクチュエーターの位置決め精度における理論上の限界と定義されています。 ピエゾメカニック社で用意されたデータは、高精度アンプ SVR に基づいて測った値です。開ループ感度は、他の電源/アンプと共に使うと変わります。

　ピエゾシステムにおいて位置決め精度論議する場合、多くの場合アクチュエーター精度以外のその他の影響、温度変化による付属メカニズムのドリフト、押荷重の変化、振動、ベアリングの摩擦など、が精度を決定する要因となります。

　ケーシングがあるアクチュエーターでは、金属製のエンドピースがアクチュエーターそのものよりも熱膨張に影響します。インバー合金等の熱膨張係数の小さな材料を使用することで、この効果を最小にすることができます。

　結果的にオーバーヒートを防止すのため、ピエゾアクチュエーターの運転には厳しい頻度制限が付きます。標準の低電圧アクチュエーターで、中間径のアクチュエーターを200Hz /フルストロークで運転するとオーバーヒートを起こす傾向があります。

　ピエゾアクチュエーターを、高い周波数 / 大きな振幅でダイナミックな、しかも長時間運転する場合は、連続したピエゾスタックからの放熱管理が必要です。この解決には、ピエゾメカニック社が提供するユニークな "ThermoStable" (オプション)が有効です。

• 静電容量の大幅な減少
• 損失の改善、ヒステリシスの減少
• ピエゾ効果 d33 の減少
• 保磁力の増強

　以下に標準の PZT PSt150 アクチュエータを、室温・極低温下で使った場合の主な特性の比較を表します。