Piezomechanik Piezoaction in practice PZTアクチュエーターの構造、動作パラメータ、設計の側面、「してはならないこと」、PZTアクチュエーターと付属メカニックの相互作用、およびシステムの最適な性能を引き出すための適切な電子機器の重要性について詳しく説明します。 「ピエゾ アクチュエーション」または「ピエゾ メカニクス」の分野の初心者に、このトピックの概要を簡単に説明することです。 スタックベースのピエゾアクチュエータについて議論する際に、レビューされた多くの側面は、他のピエゾ作動原理やプロジェクトに簡単に適用できます。 より包括的な研究については、利用可能な文献を参照してください。 Contents 項目の後の数字はオリジナル英文カタログのページに対応します。 1. ■ ピエゾ スタック アクチュエータ: 調査 7 1.1 ゲームの基本ルール 7 1.2 ピエゾ スタック アクチュエータの特性評価 9 ストローク (シフト) - 力のバランス - ダイナミクス - 性能限界 1.3 アクチュエータの設計 11 2. ■ 基本スタック設計 12 2.1 ピエゾメカニカル効果 12 2.2 高電圧対低電圧: 比較 12 2.3 スタック構成 14 2.4 リングスタック対ピエゾチューブ: 比較 15 2.5 リングスタック対バルクスタック: 比較 16 2.6 PIEZOMECHANIK のピエゾ スタックの利点 17 3. ■精密位置決め 19 3.1 シフト対電圧特性 19 3.2 ピエゾスタックによる精密位置決め 21 3.3 位置決め精度の限界 22 4. ■ 運動と力 23 4.1 単純なポジショニングを超えて 23 4.2 力/シフト関係の例 24 4.3 アクティブスプリングとしてのピエゾアクチュエータ 25 4.4 ピエゾスタックの選択 25 4.5 力の生成 27 4.6 剛性 29 4.7 力の制限、負荷能力 31 4.8 動的操作 31 4.9 機械的プリロード (プリストレス) 32 5. ■ピエゾスタックの動的動作 35 5.1 定義 35 5.2 短期励起 36 5.3 長期運用 37 5.4 一般的な動作周波数 38 5.5 レゾナンス 40 6. ■拡張機能、オプション 42 6.1 熱管理 - サーモスタブル 42 6.2 温度センシング 43 6.3 低温操作 43 6.4 位置センシング 44 6.5 その他の変更 45 強化された機械的プリロード - 真空操作 - 回転システム - 非磁性構成 - 特殊材料 7. ■操作説明 46 7.1 アクチュエータの信頼性に関する基本的なコメント 46 7.2 ピエゾアクチュエータの最初のチェック 47 7.3 親指のルール 48 7.4 取り扱いと操作 49 機械的側面 - 電気的側面 - 熱的側面 7.5 接着剤 - 電気接点 - 化学 54 7.6 その他の側面 56 環境の影響 - 真空操作 - 希ガス、水素雰囲気 - 放射線 - 衛星搭載アプリケーション - 爆発性環境での使用 8. ■ピエゾセラミックスの特性 57 電圧対シフト図、ヒステリシス - 材料データ - 温度特性 - 特殊セラミックス (超音波セラミックス、電歪) 9. ■ ピエゾアクチュエータの電力供給 62 9.1 電気入力と圧電機械反応 62 ノイズ - ピーク電流 - 平均電流 - エネルギー/電力バランス、エネルギー散逸 - 電歪 - ユニポーラ/セミバイポーラ/バイポーラ動作 9.2 代替手段: 電荷対電圧制御 66 9.3 ピエゾアンプの基本機能 68 10. ■アクチュエータの選定 69 11. ■新しいトレンド 70 11.1 材料試験用のピエゾ アクション 70 単純な位置決めを超える - 信頼性試験用のピエゾ アクチュエータ - ピエゾ メカニカル 衝撃発生 - 加速度計の校正、品質管理 11.2 モーションコントロール 72 11.3 電気エネルギーの生成 73 力変換器 - エネルギー ハーベスティング、スカベンジング - ピエゾ トランス
アクチュエータ: Actuator: 機械式アクチュエータは、モーター、モーション ジェネレーター、限られた範囲の線形変位との関連でよく使用される可動子の同義語です。 モーターという用語は、一方向動作の期間が無制限の回転駆動装置に一般的に使用されます。 スマート素材: mart material: 従来の動作を超えた制御可能な機能と特性を提供する特別な材料 誘導変形を示す固体材料: 形状記憶合金、ピエゾ効果、磁歪 液体: Liquids: 制御可能な粘度を備えた電気および磁気レオロジーシステム ソリッドステート アクチュエータ: Solid-state actuator: 材料の内部構造または質感 (原動機効果) によって制御可能な運動または力の生成を提供するあらゆる種類の固体材料 ピエゾアクチュエータ: Piezo-actuator: 逆圧電効果を利用したソリッドステート アクチュエータ 同義語: ピエゾトランスレータ、ピエゾトランスデューサ ピエゾ スタック アクチュエータ: Piezo stack actuators: ピエゾ スタック アクチュエータは、電気的活性化下でのスタック長の変化を利用します。 これは、せん断要素または曲げ要素 (バイモルフ) の場合である、他の種類の移動プロファイルとは対照的です。 圧電力学: Piezo-mechanics: ピエゾ効果のモーターまたはアクチュエータへの応用を表す「逆ピエゾ電気」より短い表現 (「ピエゾ電気」発電機効果とは対照的)。 スマートストラクチャー： Smart structures: 電気的手段によって配置の機械的特性を制御するためのスマート材料に基づく機械的配置。 アダプトロニクス: Adaptronics: 「メカトロニクス」または「スマート構造」との幅広いクロスオーバー: 一種の「学習プロセス」と最適なシステムの動作を得るための自己適応を得るために、「スマートマテリアル」と洗練された電子機器を組み合わせた主に機械システムの科学。 同義語: アクチュエータの変位 = ストローク = シフト = 伸び = 伸び
1.1 Basic game rules
ピエゾセラミック スタックはコンパクトで、軸方向に作用する全固体ドライバー (「プッシャー」) であり、潜在的に高い圧力と電力レベルでシフト/力の観点からモーション プロファイルを生成します。 ポジショニング、力の生成、およびタイミングにおいて特に最高の精度を備えています。 モーション プロファイル/力の生成は、定常状態から高周波数まで、電気制御信号 (ほとんどが電圧ですが、電荷または電流も含む) に実質的に遅れることなく (μ 秒の範囲で) 追従します。 これにより、ピエゾアクチュエータは高速な技術手順と完全に同期して制御できます。 ピエゾ アクチュエータは、特殊なスマート マテリアルに基づいています。 電気活性ピエゾセラミック Pb (鉛)-Zr (ジルコニウム)-Ti (チタン) 混合酸化物 (PZT) 図 1.1: ピエゾ スタックに基づくピエゾ メカニカル システムの概略図。機械ベースに取り付けられ、電気的に誘発されたスタックのひずみによって取り付けられた機構を動かします。 ピエゾ モーションの主な特徴は、小さなシフトです。 ●高発生力 ● 高い機械的負荷能力 ● 高剛性 (低コンプライアンス) ● 高ダイナミクス 圧電技術を使用するための決定ガイダンス ● ピエゾ アクチュエータが、代替ソリューション (磁気作動など) では得られない方法でアプリケーションに利益をもたらすことを確認します。 ピエゾ アクチュエータは、ほとんどの場合、単純にコスト上の理由から除外されます。 ● 必要なフォース シフト特性についてアプリケーションを正しく分析します。 機械設計の適切な「ピエゾ」マッチに注意してください。 十分に適合したアプリケーション設計によってのみ、高い信頼性、再現性、長寿命などの利点を含むアクチュエータの性能を完全に活用することができます。 従来のドライブを「革新的な」ピエゾ アクチュエータに置き換えるだけで既存の旧式の機械設計を「アップグレード」することは、通常失敗します。 システムは、ピエゾ アクチュエータを念頭に置いて設計する必要があります。 ● あらゆる用途をカバーする 100% 汎用のピエゾアクチュエータは存在しません。 ピエゾ アクチュエータは通常、個別の動作プロファイル用に最適化されています。 この専門化の程度は、データシートで明示的に表現されていない場合があります。 したがって、正常に動作している製品を他のソースからのものに置き換える場合は注意が必要です。 ● 製品データは、個別のテスト条件下で得られたものです。 アクチュエータは、異なる方法で操作すると、異なる動作を示す場合があります。 アクチュエータの性能に関する仕様の定義は、サプライヤごとに異なります。 異なるソースからの要素を比較するときは、パラメーターの定義に注意してください。 ● アクチュエータの寿命と信頼性は、相互作用するさまざまな操作パラメータと個々のアプリケーションの条件に大きく依存します。 したがって、すべての種類の操作に対する信頼性を評価するために、分離された要素に適用される単一のテスト手順を定義することは不可能です。 唯一の戦略は、一連の現実的な運用条件下でのシステム テストです。 動作中のピエゾ機械システムであっても、駆動条件やシステムの設計を少し変更すると、新しい適合性評価が必要になります。 カタログ データを誤解しないでください。 単純な物理的事実により、すべての動作仕様を同時に実現できるわけではないことに注意してください。 例： ●最大変位/シフト/ストロークと 最大発生力/max. ブロッキング力は、どちらか一方のみを同時に発生させることはできません。 ● 圧電機械システムの実際の動作周波数は、通常、データ シートに示されているように、アクチュエータの共振周波数よりもはるかに低く保たれます。 1.2 ピエゾスタックアクチュエータの特性評価 Characterizing piezo stack actuators ストローク - 力 - 剛性 - デザイン Stroke - force - stiffness - design 図 1.2: 個別に接触したピエゾ セラミック ディスクから構築されたピエゾ スタック 動作軸: 長さ L、 アクティブ断面積 A (機械的結合面)。 図1.2。 図は、PZT セラミック層を積み重ねて作られたソリッド ステート アクチュエータを示しています。これらの層は個別に電気的に接続され、多層コンデンサ構造になっています。 スタックに電圧を印加すると、セラミック層内に電場が発生し、スタックに機械的歪みが生じます。 ピエゾ スタックの長さ L の生成された軸方向の膨張は、作動に使用されます。 外部機構への結合は、端面 (断面積 A) を介して行われます。 達成可能な最大ひずみは通常、L の 0.1% から 0.15% の範囲です。長さ L = 50 mm のピエゾ スタックは通常、50 ～ 70 μm の最大ストロークを持ちます。 負荷容量と最大。 圧電アクチュエータの力の生成は、スタックの断面積 A に依存します。負荷と力の制限は、7 ～ 8 kN/cm2 (70 ～ 80 MPc) の範囲です。 したがって、機械的作業能力「ストローク x 力」は、有効なセラミックの体積 L x A に比例します。 ピエゾスタックアクチュエータの特徴 シフト： 無制限の位置決め感度 (実際にはピコメートルの範囲まで証明されています) 力: ●トンまでの高負荷能力 ● 高い力/圧力発生 (キロニュートン) ● 高い静的可搬質量と ダイナミックフォースモジュレーション ● 機械的コンプライアンスが低い (自然性が高い) 周波数）ソリッドステートボディ！ ダイナミクス: (エレクトロニクスにも依存します) ● 機械的反応の遅延なし (マイクロ秒範囲) ● 非常に高い加速率 ● 非常に高い機械的発電量 設計上の利点: ● 適用可能な「特殊な」運転条件 (真空、極低温など) ●コンパクト設計 ● ミニチュアでも高い機械出力密度 構造物（MEMS/NEMS） ●モーション発生時のみの消費電力。 ●スタンバイなし/持続エネルギー消費なし。 アクチュエータ市場の主な重点: シフト： 典型的なスタックの長さは 2 ～ 100 mm => μm から最大約 100 mm まで変化します。 100μm 力: 小から中サイズの断面 (約 10x10mm2) のスタック => 数十から数千ニュートンの範囲の力。 低電圧アクチュエータが望ましい。 ダイナミクス アクチュエータの寸法に大きく依存 最大ひずみでの非共振サイクリング: < 1 kHz ひずみが減少した非共振サイクリング: < 10 kHz パルス動作: 約 100 マイクロ秒の立ち上がり時間。 50μmストローク：フューエルインジェクター パフォーマンスの制限 エキゾチックで高価、ほとんどがプロトタイプまたは単一のアプリケーション シフト： 長さ > 600mm で 1mm シフト (=1.000μm) の電圧スタック アクチュエータ 力: 100kN を超える負荷能力に対応する最大直径 70 mm の大きな断面要素 主に高電圧 (HV) ピエゾ スタック ダイナミクス： ピエゾ ショック ジェネレーター 100μm ストロークで 10μsec 未満の立ち上がり時間 加速度 > 100.000m/sec2
1.3 アクチュエータの設計 Actuator designs
低電圧スタック: 「モノリシック」スタックとも呼ばれる同時焼成多層アクチュエータ (CMA) は、接着を必要とせず、完全なセラミック電極パイルの高温焼結を伴います。 動作電圧は最大 200 ボルトです。 長方形の断面は、製造時の切断プロセスが容易なため、一般的です。 高電圧スタック: 接着剤を使用して結合された、個別に仕上げられたピエゾ セラミック ディスクと金属電極箔のスタックによって作成された複合構造。 500V から 1000V までの範囲の動作電圧が一般的です。 円筒形が最も一般的です。 リングアクチュエータ: ディスクやプレートの代わりにリングで作られたスタック。 このタイプのアクチュエータは、低電圧と高電圧の両方の形式で利用できます。 低電圧アクチュエータと高電圧アクチュエータは、ピエゾ機械効率 (ひずみ、力、ダイナミクス、分解能) に違いはありません。 低電圧アクチュエータは、中小規模の断面積 (1 mm2 から約 14 x 14 mm2 まで) に使用されます。 図 1.3: B. 電圧アクチュエータは、より大きなスタック断面のニーズに対応します (図 1.3: A、C) リング アクチュエータは、ピエゾ機械アセンブリの幅広い設計オプションを提供します。 リング アクチュエータの製造は、バルク スタックよりも精巧で高価です。 図1.3: (A)、(C) 高電圧バルク スタックおよびリング アクチュエータ、大断面 (B)、(D)、(E) 低電圧バルク スタック、リング アクチュエータおよびリング チップ
2.1 基本理念 Basic philosophy ピエゾスタックアクチュエータは、帯電状態が変化すると外形寸法が変化する電気積層コンデンサです。 通常、軸方向の歪みは作動目的で使用されます。 シフトやフォース バランスなどの機械的反応は、適用される内部電界 (最大 2.kV/mm の標準値) に依存します。 許容可能な電圧レベル (100 V から 1000 ボルト) で上記のレベルの電界強度を得るには、それに応じて多層スタックの個々の層の厚さが調整されます (たとえば、1000 V の高電圧アクチュエータの場合は 0.5 mm (図 1.2))。 2.2 高電圧アクチュエータと低電圧アクチュエータ: 比較 High Voltage versus Low Voltage actuators: a comparison 低電圧と高電圧のスタック アクチュエータには、2 つのまったく異なるスタック テクニックが使用されます。 ● 低電圧アクチュエータ (最大 200V の電圧範囲) セラミック要素と内部金属電極層は、最終的な高温焼結の前に積層されますが、セラミックはソフト (グリーン) 状態にあります。 内部電極は非常に薄い金属膜 (厚さ 1 μm) であり、 AgPd 合金 r Cu の。 この種のアクチュエータ技術は、しばしば「モノリシック同時焼成」と呼ばれます。 ● 約 500V から 1000V までの電圧範囲の高電圧アクチュエータは、完全に焼結され、仕上げられた個々の PZT ディスクまたはプレートから作られています。 挿入層電極は、別々の薄い金属箔から作られています。 全体の配置は、特別な高品質の接着剤によって一緒に固定されています。 したがって、HV アクチュエータはセラミックのモノリスではなく、一種の複合材料です。 図 2.1: 高電圧スタック (黒、左) と低電圧スタック (緑、右)、サイズ比較用のマウスと USB スティック。
100 nFarad
2.5 μFarad
2.3 スタックアウトフィットの構成 Stack outfit configuration スタックのすべての構造コンポーネントは、動的サイクル中に大きく変化する機械的および電気的負荷条件にさらされます。 これは、異なるアプリケーションの異なるアクチュエータ コンセプトを検討する場合、非常に異なるレベルの信頼性につながります。 前述のように、さまざまなソースからのピエゾ スタックは、使用されるセラミックだけでなく、さまざまな製造技術も異なります。 これらの違いは、必ずしも短期的なパフォーマンス データに反映されているわけではありません。 アプリケーションが高い信頼性を必要とする場合は、提案されたピエゾ スタックを慎重に評価する必要があります。 PIEZOMECHANIK スタック アクチュエータは、低および中程度の動的用途向けの汎用要素から、非常に高い機械的動的用途向けに特別に設計された要素までさまざまです。 図 2.2: プリロードされたケーシングへのピエゾ スタックの統合の概略図 スタック アクチュエータのさらなるアップグレードは、内部プレストレス メカニズム (図 2.2.) を備えた金属ケーシングの使用と、内部熱管理、位置検出などの他のオプション (=> 第 6 章: オプション) です。 2.4 リングスタックとピエゾチューブ: 比較 Ring stacks versus piezo-tubes: a comparison ピエゾチューブは、内面と外面が金属化されたシンプルなセラミックシリンダーです。 単純な機械的安定性の理由から、このようなチューブの壁厚は約 0.5 mm 以上である必要があります。 最大の変位を得るために、高電圧が適用されます (図 2.3. A.)。 ピエゾチューブは、圧電機械システムの軸へのアクセスが必要な場合に、単純な位置決めメカニズムとして使用されることがあります。 ピエゾリングアクチュエータは、はるかに効率的な代替手段になる可能性があります。 センターボアを適用することで、ピエゾ スタックを中空の円筒形エレメントとして構築できます。 (図 2.3 B) ピエゾメカニクスの設計の可能性を大幅に広げます。 ピエゾリング アクチュエータは、1980 年代に PIEZOMECHANIK によって最初に市場に提供されました。 図 2.3: ピエゾチューブ (A) 対 積層シリンダー (リングアクチュエーター (B)) ピエゾチューブと比較して、リングアクチュエータには次の利点があります ● より高いひずみ速度を達成可能 (ひずみ効率が少なくとも 2 倍向上) ●低圧タイプもご用意 ● 駆動電圧レベルに依存しない肉厚 注意： ピエゾチューブは、収縮する d31 ピエゾ効果を利用します。 ピエゾ リング アクチュエータは、拡大する d33 ピエゾ効果を利用して、d31 操作の 2 倍のひずみ効率を示します。 移動中の標識の変化は、例えば、設置時に留意しなければならない。 フィードバック制御システム。 2.5 2.5 バルク スタックとリング スタック: 比較 Bulk stacks versus ring stacks: a comparison リング アクチュエータは、バルク スタックと比較して、特定の機能と利点を示します。 ●高い曲げ安定性： 同じ体積のアクティブなセラミック材料を比較すると、リング アクチュエータはバルク スタックよりも全体の直径が大きくなります。 したがって、この大きな直径により、曲げや座屈に対する機械的安定性が向上します。 これは、かなり重要なアスペクト比の長さ/直径を示す長いストロークのスタックが設定されている場合に重要です。 これを補うには、より大きな直径が必要です。 バルク設計を使用すると、機械的安定性の理由から電気容量が劇的に増加します。 消費電力は同等に増加しますが、機械出力側では必要ありません。 全体的な電力効率が低下しています (ミスマッチ)。 中空シリンダー リング アクチュエータ設計を使用することにより、電気容量を増加させることなく、機械的安定性が向上します。 ● 効率的な熱管理: ピエゾ アクチュエータは、高い繰り返し率で動的に動作させると熱を発生します。 この熱は、アクチュエータのセラミックから除去する必要があります。 過熱はアクチュエータの性能低下や破損の原因となります。 ピエゾ セラミックは、すべての熱管理手段を支配する低い熱伝導率を特徴としていることは事実です。 熱拡散経路の長さと利用可能なアクチュエータ表面によって、セラミック ボリュームから除去される熱量が決まります。 熱管理効率の点では、これらのパラメータに関してはリング設計がバルク スタックよりも優先されます。 (=> chap.5.3) したがって、リング型アクチュエータは、熱損傷のリスクなしに、バルク スタックよりもはるかに高い非共振周波数を実行できます。 リング アクチュエータは、バルク エレメントよりも精巧で高価です。 図 2.4: リング (スタック) アクチュエータとソリッド スタック 2.6 PIEZOMECHANIK のスタック アクチュエータの利点 Advantages of PIEZOMECHANIK’s stack actuators ピエゾ アクチュエータのすべての構造コンポーネントは、動作中だけでなく、取り扱いや取り付け中にも潜在的に高い負荷の影響を受ける可能性があることに注意してください。 注意: 圧電セラミック部品は機械的に敏感なデバイスです ● 機械的ストレスが集中する局部的スポット トレーションは、ピエゾセラミック内の潜在的な「クラックジェネレーター」であり、セラミックの電気的「安定性」の弱体化につながります。 ● 電源電極の電気的および機械的安定性は、動的に動作するスタック アクチュエータの全体的な信頼性に関係します。 ● 主要な設計トピックは、内層と反対極性の電源電極との間の必要な絶縁ギャップの処理です。 注意すべき点は、このような絶縁領域の近くで電界が局所的に歪む可能性があることです。 ピエゾ機械結合により、これは局所的な機械的応力の集中につながり、その後の亀裂の発生と、電気的短絡によるスタックの潜在的な故障につながります。 図 2.6: スタック断熱 (osi) 設計では、断熱はアクティブスタックの外側で行われます。 PIEZOMECHANIK は、アクチュエータの用途ごとに 2 つの異なる絶縁コンセプトを使用することで、これらのリスクに対処しています。 ● スタックインシュレーション (osi-design) (図 2.6.) PIEZOMECHANIK に使用 高電圧アクチュエータ (H)PSt 500/1000 低電圧スタック (H)PSt150 スタック表面に絶縁ギャップを設けています。 したがって、スタックの圧電セラミック断面は 100% 電極化され、均一に活性化されます。 !局部歪等一切なし! ピエゾ スタックのセラミック ボリュームは 100% 活性化されています。 局所的なストレススポットが誘発されない=>クラックが発生しないなど。 最後になりましたが、osi が設計したスタックは、曲げ力に対して高い耐性を示します。 osi-technique は、低および中キュリー温度 TC の PZT セラミックに適用できます。 2.6 PIEZOMECHANIK のスタック アクチュエータの利点 Advantages of PIEZOMECHANIK’s stack actuators ● スタック断熱材 (isi-design) PIEZOMECHANIK の PSt-HD 200 スタックに使用 ピエゾチップ (H)PSt 150 これは、スタックのボリューム内に断熱ギャップを使用する、広く使用されている「古典的な」技術です。 (=> fig.2.7.) スタックボリュームが完全に活性化されていません。 したがって、小型のスタック断面ではパフォーマンスが低下します。 ここで、応力スポット集中の問題が発生する可能性があります。 壊滅的な亀裂の発生と伝播を避けるために、さまざまな対策が講じられています。 1 つの手法では、スタックの表面に小さなノッチまたは溝を適用して、「柔らかい」表面を得て、機械的応力の集中を軽減します。 Isi スタックは、ノッチ効果による表面の脆弱化により、曲げ力に対して安定性が低くなります (osi スタックと比較して)。 機械的安定性を向上させるために、isi-stack は主にプリロードの高い配置で使用されます。 図 2.7: スタック絶縁 (isi) 設計では、絶縁は PZT スタック内で行われます。 ●高サイクル疲労に強い電極 すべてのピエゾ スタックは、ピエゾ スタックの側面に横方向に取り付けられた電源電極を示しています。 これらの電極は、ダイナミック サイクリング中に顕著な歪みと加速度によって誘発される応力を受けます。 さらに、高電流負荷が発生し、セラミック構造に損失なく高電力を伝達するために特別な接触技術が必要になります。 PIEZOMECHANIK は、この種の非共振アクチュエータ操作のエキスパートです。 適切な絶縁および接触技術により、高出力レベルでのアクチュエータの信頼性の高い動作が可能になります。
ピエゾ スタックは、精密な位置決めタスクに広く使用されています。コンポーネントは、サブミクロンの精度である位置から別の位置に移動します。 この目的のためのほとんどの圧電機械システムは、特別な特徴を示します。 ピエゾ動作中にシステムの内部力のバランスが変化することはほとんどありません。 そうして初めて、ピエゾ スタックの拡張が最大に達します。 ピエゾ スタック アクチュエータは、電圧 Umin から Umax に充電されると膨張します。アクチュエータが放電すると、動作が逆になります。 (妥当な) 最大ひずみ率は、アクチュエータの長さの約 0.1 ～ 0.15% です。 サブレゾナント動作の場合、ピエゾ スタックの動きはほとんど瞬間的ではなく、印加された電圧信号に従います。 ピエゾ アクチュエータの電気的動作は、コンデンサの動作に似ています。 精密な位置決めは、主にピエゾ スタックの電圧制御によって行われます。 圧電機械システムのストロークは、てこ構造によって増加させることができます。この場合、大きな努力をしなくても 10 の増幅係数 n が達成されます。 ただし、次の点に注意してください。 ● 負荷容量が 1/n に減少 ● システム全体のコンプライアンスが向上します。 元のスタック データと比較して n2 ずつ。 3.1 ストローク対電圧特性 The Stroke versus Voltage-characteristic 電圧範囲 Umin-Umax-Umin でのピエゾ スタックの開ループ サイクルの相関関係は、よく知られたヒステリシス ダイアグラム (図 3.1.) につながります。 図 3.1: 電圧範囲 Umin – Umax – Umin 内でスタックを循環させることによるピエゾ スタックのストローク/電圧図の概略図。 注意： 開ループストローク/電圧図を過度に解釈しないでください。これらは練習用の高解像度較正曲線ではありません! ● ヒステリシス サイクルの正確な形状 (図 3.1) は、適用されるサイクル電圧範囲に依存します。 電圧変動が非常に小さい場合、応答はループのようではなく、より直線的に見えます。 (小信号対大信号励起) ● ヒステリシス ダイアグラムの許容可能な再現性は、温度、力、負荷などの他のすべての操作パラメータを非常に一定に保ちながら、システムを何度も循環させることによって達成される平衡限界に達した後にのみ達成されます。 サイクリング条件が変更された場合、十分な数のサイクルを適用した後、システムは新しい平衡に向かって調整されます。 ● ダイアグラム図の正確な形状。 3.1. サイクルタイムにより異なります。 ピエゾセラミック構造の遅い分極効果により、サイクルが遅く適用されるほど、ヒステリシスが広くなります。 これらのポーリング効果は、ピエゾ スタックに電圧ステップを適用したときのクリープの原因にもなります。 ● 電圧入力のオープン ループ ランダム (非周期的) 設定が適用されると、位置のフィールドが生成されます。ここで、循環ヒステリシス (図 3.1.) がこのフィールドのエンベロープです。 言い換えれば、異なる電圧レベルの適用時のスタックの最終的な位置は、スタックの動作の「履歴」に依存します（開ループのメモリ効果） 図 3.2 : 電圧ステップの開ループランダム生成による位置のフィールド。 ランダムな位置設定による位置決めの不確かさは、Umin /Umax で定義される動作範囲の約 10% です。 正確な位置決めのための位置フィードバックの必要性を克服するために多くの試みがなされてきましたが、成功は限られていました A. 電圧設定のピエゾ アクチュエータ コンピュータ制御用のアルゴリズムが開発されており、非線形性、ヒステリシス、メモリ効果などの PZT セラミックの「強磁性効果」を補償します。 B、PZTセラミックスの代わりに電歪セラミックスが使用されています(=>chap. 8.)。 C、電圧制御ではなく、電荷または電流制御が適用されている (=> 9.2 章) すべての方法は、有効性が制限されています。 約1%の非線形性などに影響し、開ループ精密測位にはあまり適していません。 オプション A と B は、一般的には使用されません。 オプション C は、他の理由から動的アクチュエータ操作の興味深い手法ですが、正確な位置決めには適していません。 お知らせ： 開ループの完全なアクチュエータが利用できる場合でも、精密位置決めの問題を部分的にしか解決できません。 ほとんどの場合、ピエゾ スタックは、運動伝達用の結合された機械装置の原動力です。 実際には、これらのメカニズムには固有の欠陥があります。 高精度の位置センシングとアクチュエータへの情報フィードバックがなければ、これらの欠陥は認識されず、開ループ作動によって補償されないことは自明です。 手動で設定された電圧供給の電圧制御ノブを回すという実験室での最も簡単な調整手順でさえ、一種のフィードバック制御です: オペレータは正しい結果をチェックします (例えば、光学系の明確な干渉パターン)。 3.2 ピエゾスタックアクチュエータによる高精度位置決め High Accuracy Positioning with piezo stack actuators ピエゾ アクチュエータのユニークな特徴: 無限に高い相対位置感度 ピエゾ セラミックは、無限に小さい電圧変動を無限に小さな動きに変換します。 これは、ピコメートルの範囲まで明確に証明されています。 章 3.1 で見られるように。 アクチュエータの最大ストローク位置検出とフィードバック制御の 1% を超える精度で非常に高精度の位置決めが必要です。 次に、ピエゾ アクチュエータは、希望するプリセット位置に最も近づくように、最も細かい補正を実行できます。 この場合、ヒステリシス、クリープ、非線形性は自動的に除外されます。 図 3.3: ピエゾシステムの開ループとフィードバック制御閉ループ動作の概略比較 お知らせ： フィードバックの哲学は、アクチュエータと位置センサー間の圧電機構のすべてのミスアライメントのみを処理します。 閉ループ パスの外側の位置ずれは補正されません。 一体型位置センサーを備えたピエゾ アクチュエーターは、すべての内部「欠陥」 (ヒステリシス、ドリフト、非線形性) と、アクチュエーターの歪み (負荷変動など) に作用している限り、すべての影響を処理できます。 3.3 ピエゾポジショニングの精度限界 Accuracy limitations of piezo-positioning ピエゾポジショニングシステムの精度は、通常、ピエゾセラミックまたはピエゾスタックによって制限されることはありません。 これは、ピコメートルの範囲まで明確に証明されています。 それにもかかわらず、複雑なピエゾ機械位置決めシステムでは、アクチュエータの外側に影響があり、精度が制限される可能性があります。 ● 電子機器の品質: ノイズや電気的変動は機械的に等価に変換されます。 ● 位置センサーの精度とピエゾ機械システム内の位置 (制御経路の拡張) ● 取り付けられた機械的伝達機構の品質 ベアリング、ヒンジ、プリロード機構における微視的な摩擦、スティックスリップ効果 ● スタックの端面の傾斜: ピエゾ セラミック スタックは、軸方向の拡張中に、その端面がある程度傾斜します。 基板/ピエゾスタック/ミラーワークの接着サンドイッチによる単純な実験室スタイルの光学配置は、かなり短いシフト (=> 7.6.) でのみチルトフリーです。 (=>chap.4.9.) 最大で数 μrad/μm の傾きシフトが発生します。 ガイド機構を追加することによってのみ、より長いストロークの傾きをキャンセルできます。 ●ピエゾベースの安定化回路 特別な種類の精密制御は、位置に敏感な物理的効果の即時安定化です。 レーザー共振器の光出力パワーは、オプトメカニカル セットアップ全体の調整に依存します。 位置ずれの影響があっても共振器を最大パワーに保つために、光出力パワーが監視されます。 適切なトラッキング アルゴリズムを適用して最大出力を識別することにより、レーザーをその (相対的な) 最大出力に保つことができます。 (参照: ディザリングの原理、光学トラッキング、OptiSeek コントローラ)。 同様のセットアップは、自由な光ファイバー結合にも使用されます。 データをカタログ化するためのヒント ● データ シートの最大アクチュエータ シフト (ストローク) は、一定の負荷条件 (力の発生/変更は含まない) でのみ有効です。 ●データシートには2つの値が記載されています A、ユニポーラ活性化の場合 0 V / + Umax B、セミバイポーラ動作用 -Umin / + Umax セミバイポーラ動作により、スタックの開ループ ストロークが 20 ～ 30% 増加します。 あらゆる種類のスタック アクチュエータが、室温でのセミバイポーラ動作に適しています。 ■例 ピエゾスタックPSt 150/5x5/20 ユニポーラ動作 0V / + 150V : ストローク 20 μm 例：PIEZOMECHANIK LE 150 ユニポーラを使用した場合 パワーアンプ セミバイポーラ動作 -30V/+150V ：ストローク27 μm、PIEZOMECHANIK SVR150アンプを使用。
4.1 単純な位置決めを超えて Beyond simple positioning ピエゾアクチュエータの新しいアプリケーションは、多くの場合、第 3 章で説明したのと同様のシフトを生成し、高い力を生成することを目的としています。 適切なピエゾ アクチュエータを選択するには、次のように、ユーザーが作動機構を注意深く分析する必要があります。 A、メカニックを適切に動かすには、メカニカル シフト lmech が必要です。 B、圧電作用の開始時の機構内の力レベル Fc C、最大電圧でのピエゾ動作終了時の機構内の総力レベル → B、C の差は、ピエゾ アクチュエータによって必要な力生成 Fmech を定義します。 → 比 l/Fmech は、機械システムのコンプライアンス (逆剛性) です。 4.2 典型的な力/ストローク特性 Typical force/stroke characteristics 図 4.1: ピエゾアクチュエータの重力質量負荷 力レベル Fc は、圧電作用の間、完全に一定のままです。 最大ピエゾ シフトΔ lmax が達成されます (データ シートを参照)。 ピエゾ アクチュエータは並進運動エネルギー FcΔ lmax を生成します。 用途: 望遠鏡、精密製造機械などの重い荷物の精密位置決め。 図 4.2: 弱いバネの反力に逆らって膨張するピエゾ アクチュエータ (高コンプライアンス/低剛性の弾性媒体) アクチュエータは、 Fc を強制します。 ピエゾ アクチュエータの膨張は、力のバランスのΔ Fmech をわずかに増加させるだけです。 ピエゾ アクチュエータが (ほぼ) 最大シフトを生成することがわかっています (データ シート)。 機械エネルギー Fc lmax が生成されます。 図 4.3: ピエゾ アクチュエータが強力なバネに抗してシフトを生成 (低コンプライアンス/高剛性の弾性媒体) アクチュエータは、ばねによって Fc の力でプリロードされます。 ピエゾアクチュエータの膨張はΔFmech（=弾性力Fe）の著しい増加につながります 総力バランスの。 ピエゾ シフト lmech は、データ シートの値と比較して減少しています。 総機械的エネルギー生成は (Fc + 1⁄2 ΔFe) lmech であり、1⁄2Δ Fe l は圧電作用によってシステムに投入される弾性エネルギーです。 アプリケーション: モーション コントロール。 図 4.4: バルブ作動: ピエゾ アクチュエータ シフトがバルブを閉じる アクチュエータは再びハード スプリングによってプリロードされ、移動時に基本力 Fc と弾性力 ΔFe が発生します。 電圧スイング Umin - Umax の最終ステップは、シール力 (圧入) を構築するために使用されます。 この最終的な力変動Ｆｂｌｏｃｋは運動を伴わない（いわゆるブロッキング状態）。 達成可能な総ストロークは、データシートで指定された最大シフトよりも小さくなります。 図 4.1 – 4.4: 機械配置のさまざまな種類のストローク力プロファイル 4.3 アクティブ スプリングとしてのピエゾ スタック Piezo-stack as an active spring 物理学の観点から、ピエゾ スタックはアクティブ スプリングです。 ピエゾアクチュエータが弾性力を生成すると、機械的なパートナーを圧縮するだけでなく、力がスタック自体に作用します。 したがって、「自己圧縮」は、ピエゾスタックの利用可能な有効ストロークを同様の量だけ減少させます。 物理学の観点から、ピエゾ スタックはアクティブ スプリングです。 ピエゾアクチュエータが弾性力を生成すると、機械的なパートナーを圧縮するだけでなく、力がスタック自体に作用します。 したがって、「自己圧縮」は、ピエゾスタックの利用可能な有効ストロークを同様の量だけ減少させます。 ピエゾ スタックのブロッキング力は、スタックの断面積 A (図 1.2.) に依存しますが、長さ L には依存しません。 4.4 モーションプロファイルによるピエゾアクチュエータの選択 Selecting piezo actuators according a motion profile 必要なストローク力活性化プロファイル ( ΔFmech 、 Δlmech )、動的な力なし (=> 4.1 章、=> 10 章) に関して、力学とアプリケーションを分析しました。 最初のステップ: アクチュエータの厚さに関連する力のバランスに関して、適切なアクチュエータ グループを選択します。 ● 十分に高いペイロード (Fc) ● データシートの遮断力は、アプリケーションに必要な発生力 ΔFmech の少なくとも 2 倍です。 ■例 メカニズムには、2 kN の予荷重 Fc と 1 kN の力の生成が必要です。 これは、ケーシング付きのピエゾ スタック PSt 150/14x14/xx または PSt 150/14/xx VS20 アクチュエータでカバーされます 2 番目のステップ: 手順 1 に従って選択されたアクチュエータ グループ内で、適切なアクチュエータの長さが数値またはグラフによって選択されます。 A、数値解法 ピエゾ アクチュエータはアクティブ スプリングであることを忘れないでください。 ΔFmech/ ΔFblock が増加します。 機構を作動させるための最小ストロークΔ lmech を取得するには、データシートのストローク Δlmax を備えたアクチュエータが必要です。 Δlmech ≤ Δlmax (1 – (ΔFmech/ΔFBlock)) => Δlmax = Δlmech ΔFBlock/(ΔFBlock-ΔFmech)
Δlmax（最大ストローク）とΔFblock（ブロッキング力）は、アクチュエータのデータシートに記載されています。Δ lmech、ΔFmech 作動データ、付属のメカニクスに必要 4.4 モーションプロファイルによるピエゾアクチュエータの選択 Selecting piezo actuators according a motion profile B、グラフィックソリューション 図 4.5. 潜在的なピエゾ アクチュエータ候補のデータ シート値 Δlmax と ΔFblock によって定義される座標三角形を示します。 アクチュエーション データΔ lmech、ΔFmech は、ポイント A での三角形との交点で原点ベースの剛性ラインを定義します。 アクチュエータの座標 ( Δl, ΔF) が要件 ( Δlmech, ΔFmech) と一致する場合、アクチュエータはメカニックを駆動するのに適しています。 通常、アクチュエータは、点 A が三角形の上半分に収まるように選択されます。 アクチュエータのサイズを大きくすると、電圧を下げることができ、アクチュエータの信頼性が向上します。 図 4.5: 操作された力学によって定義された剛性線と交差するストローク/力の三角形。 注釈: ● 上記の戦略は、ピエゾ スタックのより複雑な強誘電体動作の線形近似です。 妥当な許容範囲を利用し、不合理な「ポイント精度」を目指してはなりません。 ● 重いが一定の負荷がかかっても、アクチュエータの最大ストロークが減らないという事実に驚かされることがあります。 理由はかなり単純です。負荷条件は、スタックを操作する前にピエゾ スタックに適用されます。 システムの取り付け中に、質量負荷または低剛性予圧が適用されます! 圧電作用の前に荷重を加えることによって、アクチュエータ スタックが圧縮されることを思い出してください。 スタックの圧縮は、負荷を支えるために必要な反力を生み出すため、システムは圧電作用を開始する前に力の平衡状態にあります。 ピエゾによる追加の力生成 F は必要ありません => ピエゾ ストローク全体! ● アクチュエータと被駆動機構が同じ剛性を示す場合 Sactuator = Smech 有効なシフトと生成される力は、データ シートの値の 50% です。 この構成により、異なるアクチュエータの最高の弾性エネルギー伝達 E が可能になります。 E= 1/8Δ lmax ΔFmax 動的操作: 動的操作では、関連する質量の加速力を考慮する必要があります。 アクチュエータを選択する良い方法は、システムの共振周波数が目的の最大動作周波数の少なくとも 2 倍になるようにすることです。 4.5 アクチュエータのブロッキング力の測定 Measuring actuator’s blocking force 正式な方法では、ブロック力は、スタックが「ゼロコンプライアンス」でクランプされたときに達成されるスタックの力の生成に対して定義されます。 現実には、すべての材料は弾性係数が限られているため、受動的な方法で無限に高い剛性を実現することはできません。 閉ループ アクティブ配置を使用すると、図のようにブロッキング状況を簡単に確認できます。 下: ピエゾ アクチュエータにひずみゲージ SG を取り付け、通常の機械プレスに取り付けます。 アクチュエータと直列にロードセルが適用されます。 システム全体は、PIEZOMECHANIK のフィードバック制御ポジショニング システム PosiCon 150 で電気的に操作されます。 図 4.6 : PSt150/10x10/40 ピエゾ スタックによるブロッキング力測定の配置 A ピエゾスタック（緑） Piezo stack (green) B スタック上のひずみゲージ strain gage on stack C ロードセル load cell D 圧縮ばね compression springs E ポジション コントロール エレクトロニクス PosiCon150position control electronics PosiCon150 4.5 アクチュエータのブロッキング力の測定 Measuring actuator’s blocking force 実験： ● 開始条件: ピエゾスタック: PSt 150/10x10/40 最大動作電圧 150V a、「オフセット」電圧の設定によって定義されるピエゾスタックのゼロ位置 ケース 1: 0 V ユニポーラ実験 ケース 2: -30 V セミバイポーラ実験 b、PosiCon-electronics の入力への位置設定値「0 V」（クローズド ループ モード） この状態では、制御ループは機械的な影響を無視してスタックのゼロ位置を一定に保とうとします。 テスト手順: スタックの圧力負荷を連続的に増加させ、ロード セルで監視します。 アクチュエータの位置を保持 閉ループ制御による一定 => ピエゾ電圧は、Posi-Con エレクトロニクスによって対応して増加し、スタックの長さの圧縮を補償します。 補償電圧が +150 V に達すると、負荷限界に達します。 この配置は、ブロッキング状態を正確に反映しています。つまり、アクチュエータの動きがないピエゾ機械システム内の力の変化です。 結果： ● ピエゾスタック PSt 150/10x10/40 の最大ブロッキング力は次のとおりです。 ケース 1: ユニポーラ モード (等価 0 V/+150 活性化) : 6500 ニュートン ケース 2: セミバイポーラ モード (等価 -30V/+150V 活性化) : 7800 ニュートン ● PSt150/10x10/40 スタックでは、力の変動と補償電圧の間の線形関係が見つかりました (図 4.7.)。 ●ブロッキング力は最大と同等です。 ピエゾ スタックの負荷変動は、アクチュエータの残りの電圧範囲内でフィードバック閉ループ位置制御によって補償できます。 ■例 ピエゾスタック PSt 150 (最大動作電圧) +150 V) は、90 V のアクティベーションによって特定の位置に設定されます。 この位置は、閉ループ操作によって一定に保たれます。 補償可能な負荷力の最大増加は、スタックの「60 ボルトのブロッキング力」に相当します。 4.7 ピエゾ スタック PSt 150/10x10/40 のブロッキング力と励起電圧 (ユニポーラおよびセミバイポーラ動作範囲) 4.6 ピエゾアクチュエータの剛性・ばね定数 Stiffness/spring constant of a piezo actuator 圧電機械式アクチュエータの非常に重要な特徴は、その剛性 (逆コンプライアンス) が電気的動作条件に依存することです。 テストの手配: ● ピエゾ スタック PSt 150/10x10/20 (歪みゲージ付き) が 2 kN の軸方向負荷力によって圧縮され、結果として生じる圧縮は、図 467 に示すように同様の配置で測定されます。 PosiCon デバイスは、ひずみゲージからの変位信号を検出するためにのみ使用されます (代わりに、DMS 01 ひずみゲージ検出器をこの目的に使用できます)。 ● アクチュエータ スタックに圧縮荷重がかかる (ロード セルで監視) A: リードを短絡した状態 B: リードを開放した状態: 図 4.8. 図 4.8 : ピエゾスタック PSt 150/10x10/20 クローズ (A) リードと オープン (B) リード 結果： 2 つの異なる剛性値 F/l が見つかりました (A) => 約200N/μm (B) => 450N/μm Physical background: さまざまな剛性の理由は、元の圧電効果です。 機械的圧力による電気負荷の生成。 (A) の場合、この電荷は流れてスタックから削除されますが、(B) の場合、電荷はスタック内に残ります。 したがって、リード線の電圧は機械的手段によって生成されます。 これは、圧電セラミック内の電界に相当します。 この電界は、圧電セラミックを圧縮に対して安定させます。 練習の結果: リードが閉じている状態 (A) は、電圧制御によるピエゾ スタックの動作と同等です。 機械的に生成された電荷は、実際の電圧を一定に保つために電源に向かって流れます。 機械的に生成された電気が消費されます! ケース (B) は、充電または電流制御の考え方 (=> 9.2.) と同等です。 機械的に誘導された電荷はアクチュエータに残り、実際のアクチュエータ電圧は負荷の変動に応じて変化します。 電流制御による開ループコンプライアンスの低減の利点は、動的モーション制御アプリケーションで優先的に使用されます。 最高のシステム剛性は、閉ループ位置制御 (事実上無限に高い剛性) によって達成されます。 ただし、フィードバック制御システムの応答時間 (帯域幅) は、開ループ電流制御に比べて遅くなります。 ケーシング付きピエゾアクチュエータ データシートに示されている剛性値は、アクチュエータのエンドピースを介した力の結合に対して定義されています。 ケーシング付きアクチュエータをケーシング チューブを介して (ピエゾ カートリッジ FPSt のクランプ/フロント スレッドによって) 取り付ける場合、力の経路にはスタックとケーシングの両方が関与するため、全体的な剛性の低下を考慮する必要があります。 知らせ： ピエゾ機械システムの全体的な剛性は、関連するすべての機械部品に依存します。「弱い」点は、多くの場合、カップリング ジョイントの設計が不十分です。 レバーのような「モーション拡大鏡」の実装は、基本的な物理的理由から全体的な剛性を低下させます。 モーション倍率 (係数 n) を備えたハイブリッド システムは、 ● ブロッキング力が 1/n に低下。 ● ピエゾ作動システムの総剛性は 1/n2 まで！ （アクチュエーターのオリジナルデータとの比較） データシートに関するコメント 電圧制御ピエゾ スタックは、約を示します。 同じ寸法の鋼棒の剛性の 20%。 分極圧電セラミックの弾性特性は、一般的な材料とは著しく異なります ● 異方性です (力の方向とポーリング軸によって異なります)。 ● 適用分野の変動による (小信号対大信号励起) (⇒8.PZT材料データ) ● 剛性は予荷重条件にある程度依存します 剛性のデータシート値は、小信号変動と電圧制御に対して定義されています。 +/-20% の許容範囲を念頭に置いてください。 カタログ データは、一種のトレンド分析に最適です。 4.7 力のバランス、力の制限 Force balances, force limitations データシートに示されている最大負荷力は、4.2 章による定常負荷 Fc です。 このプリロード範囲内で、アクチュエータの完全なモーションおよび力生成機能を使用できます。 プリロード Fc が高くなると、デポーリング効果の結果として PZT セラミックの性能が低下します (可逆的!)。 機械的損傷は発生しません (損傷閾値はデポーリング限界の 10 倍まで) 長さ/直径 > 15 の非常に大きなアスペクト比の場合にのみ、スタックの曲げと座屈が問題になります。 4.8 動的力 Dynamic forces ピエゾ スタックは、数千 g の加速度レベルの非常に高いダイナミクスで操作できます。 機械的側面 ピエゾ スタックが急速に作動すると、負の加速度によって張力が発生します。 (例えば、パルス励起後またはスタックの収縮によってスタックの速度を遅くする場合)。 無負荷のフリー スタックの場合でも、立ち上がり/立ち下がり時間が 1 ミリ秒未満で切り替わる場合は、事前にストレスをかけることをお勧めします。 必要なプリロード レベルは、個々の構成に応じて、最大ロード レベルの 50% まで高くすることができます。 非常に動的なアプリケーションごとに、それに応じてスタック設計を調整する必要があります。 カタログの標準アクチュエーターは故障します。 電気的側面 電圧および電流レベル (電力) に関して、アプリケーションに適した電源を使用してください。 過大な電子部品の性能は、圧電機械システムの潜在的な機械的または電気的過負荷につながります。 正しい電気設備に注意してください。偶発的な短絡によるパルス式アクチュエータの放電は、スタックを破壊する適切な方法です 4.9 機械的予圧 Mechanical preload PZT セラミックスの機械的特性に関するデータ シートは、圧縮損傷しきい値の数パーセントという小さな引張り負荷能力を示しています。 それでも、体系的にスタックに引張荷重がかかる圧電機械設計を避けることを強くお勧めします。 通常の操作でアクチュエータが「安全な」引張応力領域内に保たれている場合でも、偶発的な機械的または電気的過負荷 (外部衝撃または不規則な信号による) により、セラミック スタックが破壊される可能性があります。 要求の厳しいアプリケーションでは、機械的なプリロード (= プレストレス) を使用して、スタックをあらゆる状況と瞬間に圧縮状態に保ちます。 ピエゾ セラミック スタックは、主にプッシャー要素です。したがって、ほとんどのアプリケーションでは一種の機械的リセット サポートが必要です (拮抗的な動作原理)。 予圧システムは、ほとんどの場合、機械式、油圧式、または空気圧式スプリングなどの受動的に作用するエネルギー貯蔵原理に基づいています。 プリロード メカニズムの設計: ● ピエゾ アクチュエータの最大ストロークは、プリロード機構によって減少してはなりません。 チャプターによると。 4.2. プリロード スプリングのばね定数 (剛性) は非常に低くする必要があります。つまり、ピエゾ アクチュエータの剛性の数パーセントです。 ● プリロード力は、スタックの引張荷重を回避するために、アクチュエータの収縮中に組み込まれたすべての質量を十分に速く加速するのに十分な大きさでなければなりません。 動的力 Fdyn は、よく知られている加速度/力の法則によって推定できます。 Fdyn = mΔl/t2 注意： 予圧メカニズムは、通常の操作中の力のバランスを考慮に入れるだけでなく、潜在的な外部衝撃にも耐えなければなりません。 4.9 機械的予圧 Mechanical preload 図 4.9 内部プリロード: 予圧機構 VS は、アクチュエータのケーシングに組み込まれています。 PIEZOMECHANIK の PSt ... VS 要素のようなケーシングを備えたアクチュエータの典型的な構成。 外部から加えられる張力は、プリロード レベルまで処理できます。 外部メカニックの動的循環は、符号が交互に変わる力荷重につながります。 カップリング ジョイントは、疲労や遊び/バックラッシュなしでこの状況に対処するための注意深い設計が必要です。 図 4.10 外部プリロード: 完全な機構は、スプリング VS によってスタックに向かってプリロードされます。 装置全体は永久的な圧縮荷重下にあり、サイクリング中に力の方向が交互に変化することはありません。 バックラッシュが回避されます。 図 4.11 分割プリロード: 2 つのプリロード メカニズムが実装されています。 - スタックの個々のプリロード (VS 1) - システムのプリロード (VS 2)。 このセットアップには、質量負荷の高い圧電機械システムに利点があります。 アクチュエータと機構の間の機械的結合は、圧縮のみです。 Preload VS 2 は、必要なダイナミクスに従って設計できます。 通常の走行条件では、バックラッシが防止されます。 Preload VS 1 は、ピエゾ スタックを保護し、不規則な張力 (外部から、またはスタックの急速な収縮によって加えられる) を処理します。 この場合、アクチュエータと機械部品は、引張り応力で分離する可能性があります。 図 4.12 アクティブプリロード/リセット: アクチュエータとパッシブ スプリングの組み合わせの代わりに、2 つの相補的に作用するピエゾ アクチュエータが使用されます。 (差動ドライブ)。 システム全体は、高い静的剛性で機械的サポート フレームに取り付けられています。 アクティブにプリロードされたシステムは、定義上、対称的なプッシュ/プル システムです。 動特性が高い場合でも、静的予圧レベルを低く保つことができます。 したがって、より高い外部ペイロードが許容されます。 パッシブリセットと比較した利点は次のとおりです。 ●熱ドリフトの補償 ● より高い帯域幅 2 つのアクチュエータに電力を供給する必要がある場合でも、エネルギー回生機能を備えた電子機器を使用することで、全体の消費電力を低く抑えることができます (従来のリロード システムとほぼ同じ)。 それにもかかわらず、アクティブにプリロードされたシステムの総労力は、単純な従来のドライブよりも高くなります。 プリロード一体型 PIEZOMECHANIK アクチュエータ PIEZOMECHANIK は、すべての種類のピエゾ スタックを、内部プリロード付きのケース バージョンで提供しています。 標準のプリロードは、最大荷重の約 10 ～ 20% の力を示します。 この設計は非常に幅広いアプリケーションをカバーします。 ケーシング付きのプリロードアクチュエータは、むき出しのセラミックスタックよりもはるかに頑丈で、「乱暴な」取り扱いや操作、またはその他の環境の影響に耐える可能性が高くなります。 ご要望に応じて、PIEZOMECHANIK は、力のバランスに関して、対称的に作用するプッシュプル構成まで、プリロード レベルを高めたアクチュエータを提供します。
