Piezomechanik
「動的操作」という表現は、ほぼ静的な駆動状況と比較して、アクチュエータとピエゾ機械システム全体が追加の反応に直面している操作モードに使用されます。 ほとんどの標準的なアクチュエータは、主にコンポーネントを A から B にゆっくりと移動させる位置決め用に設計されています。 動的操作は、より高い加速率や静的な力のバランスに重なる力などの効果を追加します。 消費電力の増加により、アクチュエータ スタックの自己発熱が発生します。 高ダイナミック アクチュエータ励起のアプリケーション例は次のとおりです。 モーションコントロール、振動発生、パルス動作、燃料噴射、ショックジェネレーター、シェーカー。 ピエゾ アクチュエータはほとんどが非共振で動作するため、DC から 10 kHz までの広い周波数範囲をカバーできます。 これは、超音波発生器のような共振システムとは対照的です。 これらは、20 kHz を超える単一の高周波数で連続的に動作しており、振幅が大きくなっています。 (=>5.5.レゾナンス) 5.1 定義 Definitions 動的操作には 2 つの側面があります ● 短期的な影響は、1回の加振でも発生します。 ピエゾ アクティベーションの短期的な時間バランスは、主に加速効果と関連する力を扱います。 達成可能な動作プロファイルは、電源のピーク電力能力によっても決まります。 ● 永続的なダイナミック サイクリングに関連する長期的な影響。 ピエゾアクチュエータの長期的な動的動作によって、システムの平均消費電力が決まります。 この電力は電子電源から供給されます。 考慮すべき点は、圧電セラミックの自己発熱と、機械的セットアップの潜在的な高サイクル疲労の問題です。 ■例： 1. ピエゾ スタックのパルス動作 (方形波励起) は、スイッチングの立ち上がりと立ち下がり中に巨大な短期間の電力レベルを示します (>> kW 範囲までの電力レベル)。 一方、繰り返し率が非常に低い場合 (例: 1/秒)、平均電力はかなり小さくなります。 2. 周期的な励起プロファイル (高調波など) の場合、動的動作のピーク電力と平均電力は一定の比率を示します。 5.2 短期的な動的効果 Short-term dynamic effects ピエゾ アクチュエータの動的応答は、アクチュエータの静電容量 C が充電される速さに依存します。 アクチュエータ速度 v ~ I = C dU/dt 充電中のピエゾ電圧の変動 アクチュエータ加速度 dv/dt ~ dI/dt = İ dt : 静電容量 C の充電時間 (ピエゾスタックの副共振励起に有効) ■例： 静電容量 C = 10 μファラッドのピエゾ アクチュエータは、100 μm の変位を生成します。 0V/+200V 励起による。 異なる充電時間が考慮されます。 Charge time Δt: 100 msec 1 msec 100 μsec Charge current I ΔQ/t: 20 mA 2 Amperes 20 Amperes Electric power (1/2 CU2)/Δt: 2 Watt 200 Watt 2 KiloWatt 加速 (一定): 0.02 m/sec2 200 m/sec2 20.000 m/sec2 ピエゾによる最大変位速度は数m/秒以上 (最高の加速レベルが必要) 機械的要件: 動的運動を効率的に伝達するための圧電機構セットアップの設計規則 ● 付属の機構のコンプライアンスが低い 経験則: ● 機械の固有振動数は、目的の動作振動数の 2 倍より大きくなければなりません ● 高圧レベル (加速力) に対する機械的結合要素の十分な耐久性 高動的励起を伴うすべての場合に、プリロードされたアクチュエータが必要になります。 極端な加速励起 (アクティベーション時間 << 1 ミリ秒) の場合、標準的な技術を超えて特別に適合したアクチュエータ設計が必要です。 標準のアクチュエーターは故障します。 電気要件: アクチュエータの最大速度は、電源のピーク電流によって定義されます。 アクチュエータの加速度応答は、電源のスルー レート (帯域幅) に依存します。 高いピーク電力要件を伴う非常に高い動的励起が予想される場合は、スイッチング アンプまたは高電流 2 レベル スイッチが使用されます (リニア アンプではありません)。 PIEZOMECHANIK スイッチング アンプ RCV、高電圧スイッチ: HVP) を参照してください。 5.3 長時間のダイナミック動作 Long-term dynamic operation アクチュエータの長期的な動的動作を分析する前に、個々のサイクル内の短期的なダイナミクスについて検討する必要があります (第 5.2 章を参照) メカニクス： 高頻度の機械的サイクルは急速に高いサイクル数をもたらし、ピエゾ機械システム全体の構造的耐久性に関する問題を引き起こします (例: 材料疲労など)。 このような構造の信頼性を高めるには、ピエゾ固有の設計規則に完全に一致する設計でなければなりません。 このような設計ルールに違反する「妥協」は、長期運用中に失敗するだけです。 電気： ピエゾ アクチュエータの平均消費電力 Pav は、充電/放電率 (周波数) f と、作動サイクルごとに適用されるピエゾ アクチュエータのエネルギー量から簡単に導き出すことができます。 Pm = 1⁄2 CU2 f U チャージされたアクチュエータの電圧レベル C アクチュエータの静電容量 同様の方法で、平均 (平均) 充電電流 i を求めることができます。 Ī = Q f = CU f Q パワーレッドスタックに含まれる電荷量 注意: アクチュエータのストロークは比例 Q 連続波高調波サイン発振は、一定の比率 Ipeak : Iav = : 1 を示します。 熱的側面 ピエゾ セラミックのサイクル中、移動するピエゾ セラミック構造の「内部摩擦」により、電気エネルギーが熱に放散されます。 約。 電気エネルギー入力の 5 ～ 20% が熱に変換されます。 (図 5.1) 損失のメカニズムはかなり複雑で、ピエゾ セラミックスの標準的な材料データ シートでは現実的な方法で表されていません。 発熱は、環境への機械的結合条件にある程度依存します ブロックされたアクチュエータは、かなり低い損失を示します。 セラミックスの「内部構造」は動くことができないため、「摩擦」は存在しません。 さらに、ピエゾ セラミックスが極低温条件下で動作する場合、損失はほぼ完全になくなります。 圧電セラミックスの強誘電性は「凍結」されており、その結果、静電容量、歪み、および損失が大幅に減少します。 エネルギー散逸と自己発熱は問題ではありません。 ピエゾ スタックの温度は、加熱電力 (エネルギー散逸) と適用される冷却電力 (熱管理) の間の平衡によって定義されます。 位置決め用の標準設計のアクチュエータには、明確な熱管理対策が含まれていません。 したがって、電源の再投入は、スタックが明確な限界まで加熱されるまで、短期間しか適用できません。 高温は、アクチュエータの性能と信頼性を低下させます。 PIEZOMECHANIK は、ケース入りのアクチュエーターに対して、長期の電源操作のための熱管理「熱安定性」オプションを提供しています (=> 6.1.) 温度の側面は、より広い動作温度範囲を持つ適切な PZT セラミックを使用することでさらに処理できます。 図 5.1: 動的にサイクルする高電圧アクチュエータの熱画像。端面が固定されています。 環境: 周囲空気の対流。 クランプ機構による端面での冷却効果に注意してください。 5.4 代表的な動作周波数 Typical Operation frequencies 標準的な (不完全な) 質問は次のとおりです。 (非共振) 圧電作用によって達成できる周波数は? 必要な反論は次のとおりです。どの振幅に対してですか? その他の動作条件は？ データシートのパラメータのもう 1 つの典型的な誤解は、「共振周波数」に関するものです。 回数制限ではありません。 アクチュエータは限界まで最大負荷で操作できます。 対照的に、ほとんどの場合、技術的な理由から、動作周波数は共振よりも十分に低く保たれなければなりません。 動作周波数の主な制限は、消費電力 (周波数と振幅!) とアクチュエータ スタックの自己発熱によって定義されます。 以下に示すように、アクチュエータの形状と体積/表面比によって熱伝達率が決まります。 ■例： 自己発熱とアクチュエータの寸法 同じ PZT 材料と層構造で作られたさまざまな種類の低電圧バルクおよびリング スタック (H)PSt 150 が、一方の側が基板に取り付けられ、もう一方の側が自由に動いています (図 5.2.) アクチュエータの温度 上が監視されます。 特別な冷却手段は適用されません (自由空気対流)。 エレメントは 0V/+150V で循環します。 図 5.2: さまざまな種類の低電圧ピエゾ スタックおよびリングの自己発熱の概略テスト配置 5.4 代表的な動作周波数 Typical Operation frequencies 自己発熱現象は、リングタイプのアクチュエーターや小さなスタックではそれほど重要ではないことが容易にわかります。 スタックが分厚いほど、熱伝達が低下します。 注意： 分厚いスタックは、セラミックの表面よりもコアの温度が著しく高くなることがあります。 適切な熱管理技術により、周波数範囲を増やすことができます (=> 6.1.!) 達成可能な最大振幅発振周波数の限界は、小型および中型の素子の場合、数キロヘルツの範囲です。 歪みを抑えた振動 消費電力と自己発熱は、周波数だけでなく、アクチュエータにかかるひずみにも依存します。 最大電圧スイングを使用せず、ピエゾ スタックを低い電圧レベルで動作させると、はるかに高い周波数で動作できます。 多くのアプリケーションでは、高電圧アクチュエータを低電圧/高電流電源と組み合わせることが魅力的です。 ■例： リング アクチュエータ HPSt 1000/15-8/20 VS22 サーモスタブルは、広い帯域幅のアンプ LE150/100 EBW と組み合わされています。+/-2 μm の発振は、約 10 kHz まで生成できます。 5.5 共振 Resonances ピエゾ スタックの軸の固有振動数が高いほど、スタックは短くなります。 長さが数ミリメートルのピエゾチップの場合、>> 100 kHz です。 長いストロークの非常に長いスタックは、キロヘルツ範囲でより低い値を示すことがあります。 固有振動数と共振は、本質的に振動するシステムを表します。 したがって、共振ピエゾの等価回路図は、純粋なコンデンサではなく、発振回路 (コンデンサ + インダクタンス) になります。 アクチュエータ ベースの圧電機械システムは、1 つの固有振動数だけを示すのではなく、軸方向の変位 (クロストーク) に潜在的な影響を与えるさまざまな固有振動数を示します。 多くのアプリケーションでは、ピエゾアクチュエータのシフトが入力信号に厳密に従うことが重要です。 共振の場合、励起信号間に位相シフトがあり、機械的反作用が残ります。 ● 長さ/直径のアスペクト比が高いピエゾ スタックは、軸方向モードよりも固有振動数が低い曲げモードを示します。 ● ピエゾ素子は、スタックの直径の固有振動数も示します。 直径がスタックの長さよりも著しく大きい場合、直径の共振は軸モードよりも低くなります。 ● 非共振動作用の一般的なピエゾアクチュエータは、歪み効率の高い、いわゆるソフトピエゾセラミックで作られています。 このタイプのセラミックは、かなり高い機械的減衰を示します。 したがって、ピエゾ スタックはかなり「悪い」発振器であり、かなり低い品質係数で表されます。 共振の場合、共振振幅の増強は通常 < 10 です (図 5.3 を参照)。 広帯域ピエゾアクチュエータとは対照的に、超音波デバイスは単一周波数共振システムであり、機械的ダンピングが非常に低い（品質係数> 1.000）「硬い」ピエゾセラミックを使用しています。 ● 取り付けられたメカニクスは、元のアクチュエータの動きと重なる固有振動数を示します。 ピエゾ アクチュエータを使用することで、これらの機械的共振を励起または減衰できます (モーション コントロール)。 共振励起により、電力消費が減少し、大きな振幅が得られます。 小型機構（MEMS、ピエゾモーター）で共振動作を使用 図 5.3: 固有振動数が同じで減衰が異なる振動子の共振挙動の概略図。 (1) 低減衰、高品質係数: 超音波デバイス (2) 高ダンピング、低品質係数: ソフト PZT アクチュエータ クローズド ループ フィードバック制御を備えた精密位置決めセットアップは、通常、ピエゾ機械システムの固有周波数よりも十分に低い周波数で動作し、電気機械位相シフトによるフィードバックの問題を回避します。 データシートでは、共振周波数は通常、一方の側がベースに固定され、もう一方の端が自由に動くアクチュエータに対して定義されています。 (両側が自由で自由に吊り下げられたアクチュエータは、二重共振周波数を示します)。 電気励起は、通常、低電界変動に基づいています。 外部質量がピエゾアクチュエータに追加されると、その共振周波数が低下します。 このようなアクチュエータと質量のシステムの共振周波数 fA-M は、次のように推定できます。 ●付加質量 Mext がアクチュエータ自身の質量 MA に比べて小さい fA-M = fres Meff/(Mex+Meff) Meff : アクチュエータの有効質量 ~ 1/3 MA ● 追加された質量 Mext がアクチュエータの質量よりもかなり大きい => 単純なばね/質量の式が有効 fA-M = 1/2 π(S/Mex)1/2 SA アクチュエータ剛性 （ばね定数＝逆コンプライアンス） 拡大メカニズム: モーション拡大アクチュエータ ハイブリッド システム (係数 n) は、アクチュエータの元の値と比較して 1/n2 の剛性の低下を示します。 したがって、共振周波数が大幅に低下します。 カタログデータ スタックの共振応答は、取り付け条件 (機械的なプレストレスなど) によって異なります。 製造プロセスによる PZT 材料特性の変動は、セラミックの電気機械的挙動に影響を与えます。 したがって、データシートの値と計算は、顕著な公差を示しています。
さまざまなアプリケーションでのピエゾ アクチュエータの性能は、使用するピエゾ セラミックスだけで決まるわけではありません。 スタック構造の仕上げやその他の追加機能など、他の機能に大きく依存します。 最も頻繁にリクエストされるアクチュエーターのアップグレードに関するもの: ● 熱管理の改善 ● 位置検出 6.1 熱管理「サーモスタブル」 Heat management „Thermostable“ ピエゾアクチュエータの動的充電電力は、一部が熱に放散されます。 アクチュエータの温度は、電力消費による加熱と環境への熱伝達による冷却との間の平衡を反映します。 高温は、アクチュエータの性能と信頼性を妨げます。 ピエゾアクチュエータの標準バージョンは、主に低動的位置決めタスク向けに設計されており、追加の熱管理機能は提供されていません。 PIEZOMECHANIK は、動的操作による発熱を処理する「サーモスタブル」オプションを提供しています。 熱はセラミックスタックから効果的に除去され、ケーシングに向かって伝達されます。 「サーモスタブル」ケーシングは、熱伝導率の高い金属 (銅、真鍮、アルミニウムなど) でできており、環境への効果的なヒートシンク接触を提供します。 「サーモスタブル」アクチュエータを操作機構に簡単に取り付けるだけで、驚くべき冷却効果が得られます。 熱負荷が非常に高い場合は、強制空冷 (エアフィンの追加を含む) や液体冷却 (図 6.1) など、冷却を強化する一般的な方法をすべてアクチュエーターケーシングに適用できます。 お知らせ： 熱安定オプションは、アクチュエータの寸法を変更しません! 既存の標準ベースの圧電機械システムを「熱安定性」の変更された要素でアップグレードすることは、簡単な方法で行うことができます。 LE や RCV マシンなどのパワーアンプを使用するすべてのアプリケーションには、熱管理が推奨されます。 ■例 高電圧アクチュエータ PSt 1000/16/150 VS 25 と熱安定オプション + エアフィン + 強制空冷を約 800 Hz で最大ストローク (150 μm) で動的にサイクルさせました。 ケーシング温度は約 80 °C に保たれました。 アクチュエータのセラミック コアの温度は約 20 度高かった (電気容量で測定)。 熱管理のない同じタイプの標準的なアクチュエータは、約 150 Hz で温度限界に達します。 図 6.1: 熱安定熱管理を備えたさまざまなタイプのアクチュエータ エアフィンコーパスを追加可能 6.2 温度測定 Temperature measurements 個別のアプリケーションでは、セラミック スタックの温度を明示的にチェックすると便利です。 温度測定用に、PIEZOMECHANIK は、セラミック スタックの表面に取り付けられた熱電対や Pt 100/Pt 1000 熱抵抗器などのオプションを提供します。 お知らせ： アクチュエータの体積温度に関する情報は、電気容量分析から導き出すことができます (=> 7 章、取扱説明書、 =>章。 8、材料特性)。 6.3 低温（極低温）操作 Low temperature (cryogenic) operation ピエゾ セラミック スタックは、絶対零度に近い最低温度まで動作させることができます。 標準アクチュエータは - 40 °C まで作動します。 さらに低い温度で操作する場合は、変更が必要になる場合があり、リクエストに応じて提供されます。 例えば、ピエゾ スタックは、ポリイミドでコーティングされたマンガニン リードで配線できます。 マンガニンの熱伝導率が低いため、クライオステーションの熱負荷は低く保たれます。 6.4 位置検出 Position sensing 閉ループフィードバック制御による超精密位置決めの前提条件は、作動システムと位置センサーオプションの組み合わせです。 位置検出用に、PIEZOMECHANIK は、ピエゾ スタックの表面に直接適用される高品質のひずみゲージを提供します。 通常、温度補償と高感度を確保するために、完全な 4 アクティブ グリッド ブリッジが使用されます (図 6.2 ～ 6.4)。 閉ループ フィードバック制御の位置決めにより、ピエゾ スタックの非線形性、ヒステリシス、および熱ドリフトが排除されます。 機械的に誘発されたスタックの歪み変動 (外部負荷の変化などによる) も検出され、相殺されます。 位置分解能: ひずみゲージは、10-6 未満のひずみ変動も検出できます。 約 0.1% のアクチュエータのひずみ範囲を考慮に入れると、この動きは約 0.1% に再び分解できます。 10-3. 短いスタックの場合、1nm の大きさの位置変動を検出できます。 位置検出と制御のために、PIEZOMECHANIK はひずみゲージ アンプ DMS 01/03 と完全なフィードバック制御システム PosiCon を提供しています。 図 6.2: 4 つのアクティブ グリッドを使用したホイートストン構成 SG: 1、3 への供給電圧、2、4 でのセンサー信号出力 図 6.3: ピエゾ スタック上の 4 要素ひずみゲージ ブリッジ構成 典型的なゲージ抵抗: 1.2 キロオーム 図 6.4: 基本的な位置制御装置。 ひずみゲージ位置センサー付きピエゾ アクチュエーター。 DMS 01 ユニットで読み取った位置。 ピエゾアクチュエータサプライエレクトロニクス SVR 150 (左) 6.5 補足 Supplement 機械的プリロードの増加 個々のアプリケーションによっては、アクチュエータの機械的なプリロードを、標準で提供されているものよりも高くする必要がある場合があります (最大負荷容量の約 10 ～ 20%)。 対称プッシュプル構成または非常に高い動的動作の場合、最大 50% のプリロード レベルが必要になります。 PIEZOMECHANIK は、標準を超えるプリロード メカニズムの変更を提供します。 真空対応 PIEZOMECHANIK の標準アクチュエータは、通常、10-6 mbar 以上の標準的な実験室の高真空レベルに適合する真空です。 ガス放出による性能への影響も、真空汚染もありません。 真空中での動的操作の場合、周囲大気によるアクチュエータの冷却が不足していることに注意してください。 超高真空 (UHV、最大 10 ～ 10 mbar の範囲) アプリケーションの場合、アクチュエータの変更が必要です。 汚染の痕跡を避けるための特別なコーティング。 焼き出し手順はある程度適用できます。 このような場合は、PIEZOMECHANIK に連絡して、適切なシステム結果を確認することをお勧めします。 回転システム ピエゾ アクチュエータは、回転機構で使用されることがあります。 スタックの軸が半径方向の向きを示している限り、遠心力はスタックの軸方向の負荷変動のみを引き起こし、それ以上の問題はありません (十分な高予圧が必要です)。 回転軸とスタックの軸が平行で、スタックの長さ/直径の縦横比が大きい場合、問題が発生します。遠心力により、スタックが曲がったり座屈したりする可能性があります。 この状況を処理するには、特別な機械的要件が必要です。 PIEZOMECHANIK はこの分野での経験があります: 提案を求めてください。 非磁性アクチュエータ ピエゾ アクチュエーションの特別な機能は、モーション生成中に磁場が完全に存在しないことです。 したがって、ピエゾアクチュエータは、磁場とのあらゆる種類の相互作用が問題を引き起こすアプリケーションにとって理想的なソリューションです。 ピエゾ アクチュエータは、ケーシング、プリロード メカニズム、および配線を含む完全な非磁性材料から構築できます。 ご要望に応じて、PIEZOMECHANIK は完全に非磁性のアクチュエータを提供します。 特殊素材 ピエゾアクチュエータは、エキゾチックな運転条件に最適です。 PZT セラミック自体だけでなく、アクチュエータの他のすべての構造部品にも注意を払う必要があります。 PIEZOMECHANK は、チタン、特殊合金、INVAR、機械加工可能なセラミック、ガラスまたは炭素繊維ベースの複合材など、幅広い特殊材料の使用経験があります。
7.1 アクチュエータの信頼性に関する基礎 Basics on actuator reliability ほとんどのアプリケーションでは、ピエゾ アクチュエータは通常、コスト上の理由から、可能な限り小さく保たれ、性能限界近くまで動作します。 その結果、ほとんどの機械設計において、ピエゾアクチュエータは機械的観点から「最も弱いリンク」になります。 さらに、セラミックは、金属部品よりも複雑で、不適切な取り扱いによる問題に敏感な材料です。 圧電セラミックがプリロードされたケーシングに配置されて「耐久性」が向上した場合でも、適切な設計と操作を通じて高い信頼性を確保するには、ピエゾ デバイスの技術的背景を深く理解することが不可欠です。 ピエゾ セラミック コンポーネントの取り扱い、取り付け、および操作のすべての段階で、単一の過負荷状態を厳密に回避する必要があります。 不適切な機械設計、不規則な機械的および不正確な電気駆動条件は、信頼できる解決策に到達するために、現実的なテストと評価手順によって特定する必要があります。 ピエゾ アクチュエータの「誤った取り扱い」は、必ずしもすぐに故障につながるわけではありませんが、目的のデューティ サイクルの途中で故障が発生し、長期的な信頼性が低下します。 短期間で動作するピエゾ アクチュエータは、モードの最大値またはその近くで動作する可能性がありますが、長期間の動作と大きなサイクル数での長期的な信頼性と寿命が「必須」である場合、これは推奨されません。 逆に、新しいセットアップの短期的な「成功」テストは、長期的な信頼できるソリューションの兆候ではありません。 ピエゾアクチュエータの信頼性は、次のようなさまざまな影響を受けます。 ●付属のメカニック ● ドライビングエレクトロニクス ● 大気または他の媒体による環境 ピエゾ作動構成の信頼性が証明されている場合でも、駆動条件の「わずかな変更」に見えるだけで、システムの再評価が必要になる場合があります。 文献では、通常、ピエゾ アクチュエータの信頼性を評価するために 2 つの極端なケースが議論されています。 ● 高いサイクル数の信頼性: この基準は主に、短時間の励起による機械的ストレス レベルが高い動的操作に使用されます。 ■ 例: パルス幅変調プロセスでの 2 レベル スイッチャー操作、サイクル数が最大 1010 のピエゾ燃料インジェクター。このような高いサイクル数は、セットアップ全体の機械設計の品質に大きく依存します。 ● 長期静的操作: 潜在的な劣化は主に、ピエゾ機械駆動パラメータや温度と重なり合った過度の湿度などの環境の影響から生じます。 信頼性に関する仕様を比較する場合は、ひずみレベルなどの適用される駆動条件に注意してください。 ■ 例: 熱帯大気における湿度の問題は、スタックを気密カプセル化することによって最もよく克服できます。 実際には、両方の種類の動作プロファイルの重ね合わせが発生します。 上記の一般的な「経験」から信頼性を簡単に推測するだけでは、うまくいくとは限りません。 圧電機械システムの高い信頼性を確保するには、現実的な負荷デューティ サイクルでの個別のテストが必要です。 7.2 最初の機能テスト First function tests すべての種類のピエゾ スタックは、適切な適切な状態にある場合、次の基本的な特性を示します。 ● ピエゾ セラミック スタックは電気的に絶縁された端面を示し、フローティング ポテンシャル動作を可能にします。 スタックの電気的極性は、ドットまたはリードの色をマークすることによって示されます。 通常、正極が示されます (例: 赤いワイヤー)。 正しい極性の電圧が増加すると、ピエゾ スタックが膨張します。 未知のアクチュエータの極性は、わずかな電圧変化を加えて、結果として生じるシフトの符号を確認することで識別できます。 あるいは、スタックをオシロスコープに接続することもできます。 短いスクイーズを適用すると、小さな電圧パルスが生成されます。 その極性は、ワイヤの極性を示します (グランドに対して)。 ● ピエゾ アクチュエータは電気コンデンサのように動作します。 RCLメーターによって、ナノまたはマイクロファラッドの範囲の静電容量値を明確に示さなければなりません。 ● スタックに DC 電圧を印加し、充電電流を測定します。 しばらくすると、この充電電流はマイクロアンペア未満の無視できる値まで減少します。 これは、スタックの非常に高い内部抵抗を反映しています >> メガオーム。 Note： この内部 DC 抵抗は、スタックの消費電力や自己発熱効果とは何の関係もありません。 より低い抵抗を特定するときは、スタックだけでなく、関連するすべての電気部品、配線、コネクタ、およびプラグに障害がないかどうかを確認してください。 内部短絡のある故障したスタックは、キロオーム以下の非常に低い抵抗を示します。 ● 電気回路全体のテストは、ピエゾアクチュエータに数ボルトの高調波信号を適用することにより、音響的に行うことができます。 関数発生器によって。 (注意: ピエゾスタックを信号源に接続する前に放電してください)。 ● 圧電アクチュエータは、通常の圧電効果 (発電機またはセンサー効果) を示します。 アクチュエータをオシロスコープに接続し、圧電機構に小さなノックを加えます。 圧電機構の機械的リンギングに応じた電圧応答信号が検出され、配置の自然周波数に関する情報が含まれます。 トラブルシューティング： スタックの故障は、アクチュエータが「奇妙な音」を出す場合によく想定されます。 間違った電気信号がこの動作の原因である可能性があり、スタックが良好な状態である可能性があることに注意してください。 Rule： アクチュエーターが「奇妙なノイズ」を発生するすべてのケースで、常に電子セットアップと関連システムをチェックしてください! 7.3 経験則 Rules of thumb ● セラミックの機械的結合と取り付けは、スタックの端面を介してのみ許可されます。 側面への機械的接触を避けてください。 アクチュエータの側面と周辺機構の間に空隙が必要です。 そうしないと、時間の経過とともにアクチュエータ表面の電気絶縁破壊が発生する可能性があります。 ピエゾ スタックは、端面で DC 絶縁を示します。 端面が分極圧電セラミックでできている場合、ダイナミック サイクリング中に非常に弱い電気的 AC カップリングが発生する可能性があります。 すべての金属機構を電気的に接地してください。 ● 純粋な圧縮軸力のみを加えます。曲げ、ねじり、または引張力が存在してはなりません。 これらの点でより多くの「妥協」を許容すればするほど、アクチュエータの信頼性は低下します。 取り付け不良: むき出しのセラミック スタックを横向きに押し込んで、許容範囲の狭い隙間に入れないでください。 取り付けを加速するため、または機械的抵抗を克服するためにノックを加えないでください。そうしないと、ピエゾアクチュエータに最終的に永久的な損傷を与えることになります。 ● ピエゾ アクチュエータの起動デューティ サイクルをできる限り低く保ちます。 圧電作用の長期的な基本状態として高電圧レベルを使用することにより、逆動作はありません。 スタンバイ動作なし: アクチュエータを使用しないときは電源を切るか、ピエゾ信号を 0 V に設定してください! ● 長期的な平均電圧レベルを低く保つには、より長いスタックを使用し、負担を軽減して操作します。 可能であれば、セミバイポーラ動作モードを使用してください。 ● 電圧、電流、および電力範囲に関して、供給電子機器のサイズを大きくしすぎないでください。 時間の経過とともに偶発的な過負荷状態が発生し、アクチュエータが損傷することは、経験上事実です。 ● ピエゾ スタックが化学薬品で汚染されないように注意してください。 微量の水、湿気、電解質 (素手で触れないでください)、接着剤、および硬化中に腐食剤を生成する鋳造材料を避けてください。 クリーニングは 100% イソプロピル アルコール (プロパノール) を使用して行うことができます。アセトンは避けてください。 7.4 取り扱いと操作 Handling and operation 達成可能な性能とアクチュエータの信頼性は、操作される機械システムの駆動特性との相互作用と関連している必要があります。 アクチュエータへの剛性の低いカップリング、摩擦、不適切なプリロード、不適切なフォース カップリング、アクチュエータからメカニクスへのカップリング面のミスアライメントなど、設計が不十分な機構は、使用可能なストローク、精度、力の生成を大幅に低下させ、ピエゾ アクチュエータの使用を多かれ少なかれ無意味なものにします。 . 不適切な設計は、さらに gctuator の長期的な信頼性に影響を与えます。 図 7.1 は、不均一な高荷重負荷の結果を示しています。不適切なフォース カップリンによるセラミック スタックの過剰なエッジ圧迫/圧力を伴うスタック。 アクティブなセラミック セクション内にクラックが発生し、電気的ブレークダウンとアーク放電が発生します。 図 7.1: アクチュエータ スタックの故障。作動機構への不適切な結合が原因です。 局所的なエッジ圧力がセラミックの安定性を上回り、約 30 秒後に電気的破壊が発生しました。 800時間。 アクチュエータと機構の結合 最適な作動性能は、いくつかの簡単な手順に従うことで達成されます ● 機構の結合面は、アクチュエータの端面を完全に覆い、最大の力伝達を達成する必要があります (図 7.2)。 接触力は、接触面全体に均一に分布しなければならない ● 高い負荷圧力がかかる場合、セラミック前面の局部的な過負荷を避けるために、アクチュ エータとメカニクス面の結合面は完全に平らにする必要があります (例えば、研磨によって)。 ● 結果の負荷力ベクトルは、アクチュエータの軸と一致する必要があります。 の仮想円柱内 過剰な曲げやせん断応力を避けるため、アクチュエータの断面 (図 7.2) の +/- 10%。 アクチュエータの長さ/直径の比が大きくなると、力のミスアライメント許容値 a がより重要になります。 高動的操作の場合、アクチュエータの軸は、動的トルクを回避するために、取り付けられた機構の重心にさらに当たる必要があります。 図 7.2: 機構の浮動軸方向によるピエゾスタックと取り付けられた機構の Peffect プレーン-プレーン結合。 許容公差：上記参照。 ● アクチュエータの平面に合わせてフリーサスペンション（フローティング軸）でメカパフナーが自力で読める場合は問題ありません。 ● ピエゾ アクチュエータをガイド付き機構に結合する (軸方向が浮動していない) 最も一般的な設計ミスの 1 つは、プレーン フェイス アクチュエータをプレーン フェイス付きガイド付き機構に直接結合することです (図 7.3)。 両方の平野は、非常に高い局部圧力ですぐにエッジの圧迫を引き起こし、その後のセラミックの損傷 (図 7.1) は、特に大きな力がかかる条件下で発生します。 同様に、軸方向に作用するスタックと回転レバー配置のプレーン プレーン カップリングは、いずれの場合でも基本的なエッジの圧迫状況につながります (図 7.4)。 これを試さないでください 上記の場合、球面/プレーン カップリングまたはフレックス ヒンジまたはその他の手段を使用して、軸方向を分離する必要があります。 ● 上記の要件は、セットアップおよび操作中のシステムのいつでも、どのような状態でも有効です。 図 7.3: 線形誘導機構の正しい/正しい結合 図 7.4: 回転機構の誤った/正しい結合 電気的側面 電気コントローラの性能は、ピエゾ作動システムのダイナミクスとモーション特性を決定します。 電圧範囲、極性 ピエゾデバイスのプラス/プラス極は、通常、点または赤い線で示されます。 通常、同軸ケーブル シールドは、ピエゾ アクチュエータのケーシングを同軸ケーブルで電気的に接地します。 この構成は、一般的な電圧アンプと一緒に優先的に使用されます。 ご要望に応じて、ケース入りバージョンをフローティング電位セットアップで構築することができます。スタック アクチュエータは、電気接地をケーシングから分離することにより、金属ケーシングから絶縁されます。 フローティング電位配線は、ほとんどの場合、電流制御電子機器と一緒に使用されます。 詳しくはPIEZOMECHANIKまでお問い合わせください。 指定された最大電圧を印加するときは、正しい極性を使用するようにしてください。そうしないと、セラミックの減極または分極反転が発生します。 これにより、アクチュエータの無駄な不規則な応答が発生します。 より低いレベルの逆電圧もある程度使用できますが、個々の駆動条件 (スタックの温度など) に注意を払う必要があります。 ユニポーラ活性化 指定されたアクチュエーター極性の電圧信号は、指定された最大電圧定格まで、アクチュエーターの温度とは無関係にピエゾ アクチュエーターに適用できます。 PIEZOMECHANIK の標準パワーアンプ LE と RCV は、ユニポーラ出力 0 V/+Umax を提供します。 セミバイポーラ活性化 室温では、ピエゾ スタック アクチュエータは最大 20% の逆電圧 (-) 0.2Umax まである程度動作できます。 より広い電圧範囲を使用すると、ピエゾアクチュエータのストロークと力の生成範囲が、ユニポーラ作動と比較して少なくとも 20% 向上します。 PIEZOMECHANIK は、セミバイポーラ出力の低電力アンプ SVR を提供しています。 より高い温度では、セミバイポーラ動作は高キュリー温度の PZT セラミックにのみ適用されます。 詳しくはPIEZOMECHANIKまでお問い合わせください。 バイポーラ活性化: 成功したカウンター - ピエゾ スタックの電圧動作は、スタックの温度の影響を受けます (=> チャプター 9.1). 望ましくないデポーリング効果に対する PZT セラミックの安定性は、低温で劇的に向上します。 非常に低い (極低温) 温度の場合、ピエゾ スタックは +/- Umax 内でバイポーラ方式で動作できます。 ユニポーラ モードと比較して電圧範囲を 2 倍にすることにより、圧電機械効率 (μm/Volt) の温度による低下を部分的に補償することができます。 PIEZOMECHANIK は、バイポーラ高電圧出力を備えた SVRbip アンプを提供しています。 例: ピエゾスタック PSt 150 は、77°K (LN2 温度) で +/-150 V で動作できます。 ひずみ効率 μm/V は 20% まで低下します。 バイポーラ活性化を使用すると、室温で元のユニポーラ ストロークの約 40% が得られます。 アクチュエータが動的に循環するとき。 自己発熱による温度上昇により、スタックの表面への水分子の拡散が妨げられます。 図7.5 金属箔でカプセル化されたスタック 熱的側面 ●熱管理 圧電セラミック材料の特性は温度に依存します。 静電容量や損失係数などの電気パラメータは、温度とともに増加します。 高温は性能と寿命を低下させます。 したがって、ピエゾアクチュエータの長期的な電力動作には、最適な電力効率と寿命のための熱管理ソリューションが必要です。 ( => 6.1. オプションのサーモスタブル) ● リングアクチュエータは、バルクスタックよりも優れた熱管理バランスを示します (=> 5.4 章)。 ● ピエゾ スタックは、熱伝達のために不活性流体に浸すことができます (=> 7.5 章)。 ● 圧電セラミックスの分極安定性は温度に依存します。 逆電圧を印加するときは、安全領域の電圧範囲内に十分にとどめてください (=> チャプター 9.1)。 ● かさばるスタックは、コア温度が高くなる可能性があります。 アクチュエータのボリュームの温度状態は、静電容量測定によって判断できます。 ● PIEZOMECHANIK は、ケーシング付きの標準ピエゾ アクチュエータの内部熱管理に非常に効果的なオプションを提供します。 外形寸法は変わりません！ 最高温度限界 キュリー温度 Tc は通常、アクチュエータの動作および保管条件に関する制限要因ではありません。 ほとんどの場合、アクチュエータの温度制限は通常、次の影響により Tc よりも大幅に低くなります。 ● アクチュエータの性能や稼働データが著しく悪化している。 ● 電気損失/熱放散は温度とともに増加します ● 圧電セラミックが導電性になり始めます (PZT セラミックの種類によって異なります)。 ● 使用される絶縁材、接触材、およびコーティング材の温度制限 実際には、典型的な動作温度限界は、セラミックの Tc の約 2/3 です。 高温に適応したピエゾ アクチュエータは、最大 150 °C の長期 (短期では 200 °C) まで動作可能です。 ■例： HS/HT PZT 材料ベースのコンポーネント (=> 8 章)。 特殊なケースとして、低 Tc セラミック ベースのスタックがあります。これらは高温でも保存できます。 潜在的な減極は、通常の温度レベルでの最初のフル電圧スイング動作によって補償されます。 セラミックは再分極=再活性化されます。 (アウトベーク @ UHV に便利) 低温条件 PIEZOMECHANIK 標準スタックは、-40 °C の低温まで保管および操作できます。 アクチュエータのパラメータは、温度の低下に対して次の傾向を示しています。 ●ひずみ/ボルトの低減 ●ヒステリシスと非線形性の低減 ●電気容量の低減 ●損失係数の低減 ● デポーリングに対する電気的安定性の向上 (バイポーラ動作が可能) 冷却中の熱誘起応力による機械的過負荷を避けるために、大きな温度変化を適用する場合は、機械的フレームワークの全体的な熱膨張挙動に注意してください。 低温（極低温）操作 ピエゾ セラミック スタックは、適切に調整されていれば、絶対零度に近い LN2 または LHe 条件下で保管および操作できます。 冷却中の熱誘起応力を処理するために、適切な内部アクチュエータ構造を設定するには注意が必要です。 注意点は、使用されているさまざまな材料 (PZT セラミック、金属電極、コーティング) の熱伝導率、熱容量、およびさまざまな熱膨張係数です。 クライオ対応アクチュエータの詳細については、PIEZOMECHANIK にお問い合わせください。 低温動作の場合、スタックに予荷重を適用する必要があります。 機械的結合は、引張り応力を避けるために、圧縮手段のみで行うのが最適です (=> 4.9 章)。 極低温では、PZT セラミックは非常に高い保磁力を示します。 バイポーラ電圧動作が適用できます。 注意： 低温のピエゾアクチュエータのウォームアップはゆっくりと行う必要があります。 リスクは、アクチュエータのそれぞれに水が結露することです。 ケーシング内の湿気の吸引。 標準アクチュエータのケーブルポート経由。 セラミック コアは、周囲温度よりもわずかに高い温度を示します (単純なヒーターを使用します)。 電気容量を介してスタックのボリューム温度を確認してください。 7.5 接着剤 – 電気接点 – 化学 Adhesives – Electrical Contacts – Chemistry ピエゾ アクチュエータには、セラミック スタックの表面付近に電極と高電界があります。 この表面構造に機械的または化学的影響が及ぶと、故障のリスクが高くなることは容易に理解できます。 ● 未知の種によるアクチュエータ表面の汚染に注意してください。 腐食剤の痕跡でさえ、時間の経過とともにアクチュエータの故障につながります。 素手でセラミック要素に触れないでください。 液体または電解質を含む水とセラミックが接触しないようにしてください。 ● 接着剤、シーリング、カプセル化材料を使用する場合は注意してください。硬化プロセスによって腐食性の反応生成物が生成されないようにしてください。 標準的な 1 成分シリコーン化合物は使用しないでください。空気の湿気と反応すると、微量の酸が生成されます。 これらの薬剤はアクチュエータの表面に浸透し、電食を開始します。 腐食しない材料のみを使用してください。 ● 通常、エポキシ、ポリウレタン、またはシアノアクリレートなどの接着剤がうまく使用されます。 最高のグルー ライン品質は、室温または穏やかな加熱で 30 分を超える長い硬化時間で達成されます。 急速な硬化は、機械的ストレスを引き起こし、接着剤ラインの品質を低下させます。 ● 接着剤ラインの品質: 一見すると、非常に細くて硬い接着剤ラインが、関係するコンポーネントの強固な結合という点で最高の結合品質を提供します。 カップリングの断面積が大きい場合、固くて柔軟性のない接着剤ラインによって問題が発生する可能性があります。ピエゾ コンポーネントの横方向の d31 運動が抑制され、その結果、軸方向の応答も抑制されます。 圧電活性化中、この複合構造内で高い機械的応力が生成されます (=> 図 7.6/7.7)。 大面積の接着を行う場合は、最適な接着剤の配合と接着剤の線の厚さを見つけるために予備試験を行う必要があります。 図 7.6: 剛性基板上にピエゾ チップを大面積で強固に接着することによる横方向 (面内) クランプ効果。 PZT 層の厚さの膨張も妨げられ、セラミックに歪みが発生します (傾き、ストロークの減少)。 オプティカルフラットとミラー 図 7.7: 薄い基板/ピエゾ層複合材の硬い接着結合による曲げ構造。オプティカル フラットの変形が発生する可能性があります。 有用な材料 ●仮止め ウェーハ研削に使用されるボンディング ワックス、融点 70 °C、ロジクール ポリッシング & ラッピング、グラスゴー ●永久接着 -50 °C ～ +120 °C の温度範囲用 高品質エポキシ: EpoTec、Araldite、 室温またはわずかに高い温度で 30 分以上硬化します。 ● 低アウトガスで低温対応のグルーライン Stycast 2850 FT トールシール ●仮接着 シアノ - アクリレート: 厚くて柔軟な接着剤ラインを与えますが、長期間の使用にはお勧めできません ●鋳造、シーリング 例えば 2 液性シリコーンゴム RTV2 非腐食性 1 液性 RTV シリコーンまたはアクリレートベースのゴム ● 洗浄および冷却用の液体 一般的な要件: 微量でも水分を一切含まない 電解質なし、非イオン液体のみ ポリマーコーティングとの適合性をテストしてください！ パラフィン オイル、シリコン オイル、炭化水素 (燃料)、変圧器油、アルコールが正常に使用されています。 クリーニングには 100% イソプロピル アルコール (イソプロパノール、IPA) を使用します。アセトンやその他のケトンは避けてください。 ●電気接触 Piezoelemente können durch Verwendung von Leitklebern und -lacken, Lötungen und Klemmkontakten elektrisch kontaktiert werden. Für Leitkleber und -lacke gelten ähnliche Überlegungen wie für die allgemeinen Kleber-vorschriften. PZT メタライゼーションのはんだ付け 注意: 不適切なはんだ付けを行うと、はんだスズの薄いメタライゼーションが溶解し、電気的接触が不可能になります。 ● 実験室用の標準はんだスズを使用 ● はんだドットの設定には小さなはんだチップを使用してください できるだけ小さいもの。 ●セットはんだこて先 300°～350°C ● メタライズド セラミックのはんだ溶融時間は短くしてください (最大数秒で十分です)。 ● 非腐食性のはんだフラックスを使用し、残留物を取り除きます
一般的なピエゾ アクチュエータは、「石英」や「単結晶」を使用せず、PZT (Pb 鉛、Zr ジルコニウム、Ti チタン) から作られた単純な酸化物セラミックを使用します。 この化合物クラスは、水晶よりもはるかに優れた圧電および圧電機械効率を示します。 PZT 配合は、化学量論とドーパントに関して変化させることができ、さまざまな用途プロファイルに最適化された幅広い材料特性をもたらします。 すべての望ましい特性を個別の化合物に入れることができるわけではありません。 圧電力学は、特定の用途に適した材料を選択する際に、ある程度「最善の妥協の技術」です。 新しい圧電材料の開発は、セラミック業界で着実に進行中のプロセスです。 PZT の開発と使用は約 50 年前に始まりました。 PZT は、ソリッドステート アクチュエーションに最も広く使用されているスマート材料です。 ひずみ能力が強化された代替材料が研究されていますが、これらすべての「革新的な」材料には、実際の一般的な運転条件に関して深刻な欠点があります。 お知らせ： PIEZOMECHANIK は、圧電的に「ソフト」および「セミハード」な PZT 配合を使用しています。 効率的な非共振電気機械変換のために、高いひずみ速度と高いエネルギー量が達成されます。 PZT セラミックスの材料データは、非線形性が支配的でない低電界励起で定義されています。 実際には、高電界が PZT アクチュエータに適用され、非線形の強化された応答 (「フェロ効果」) と変更されたパラメータが生じます。 それにもかかわらず、異なるサプライヤーからの材料との比較の理由から、アクチュエータ セラミックスを説明するために古典的な特性が使用され、表に示されています。 表に示されているデータは、室温での動作に対して有効です。 8 PZT セラミックスの材料特性 Material properties of PZT-ceramics ピエゾメカニカルデータ スタック用ピエゾセラミック PSt 150 PSt 150 スタックは一種の「汎用」アクチュエータです。 低および中程度のダイナミックポジショニングタスク向け。 図 8.1: PSt 150 スタック アクチュエータの高電界励起の概略ストローク/電圧図 圧電セラミックス HS/HT 低電圧アクチュエータ用 PSt-HD200、ピエゾチップ (H)PSt 150、 標準高電圧アクチュエータ (H) PSt 500 および 1000 HS/HT ピエゾ セラミックスは、高電圧アクチュエータの標準材料として使用されます。 150℃までの広い温度範囲を持つ硬い高ひずみ材料です。 アクチュエータのデータは、温度によって大きく変化しません。 このタイプの材料は、ピエゾ燃料インジェクターに使用されます。 図 8.2: HS/HT 圧電セラミックの高電界励起の概略ストローク/電圧図 ピエゾセラミックスHP 高電圧アクチュエータ (H)PSt 500 および 1000 向けの最高の機械的出力密度 標準的な PZT 材料 HS/HT と比較して、より高いひずみ速度とブロッキング力が実現されます。 個々のアプリケーション条件に応じて、使用可能な機械エネルギー出力密度は 2 倍になります。 このタイプの材料は、運動制御、能動構造、および高圧油圧ポンプに適しています。 キュリー温度は、HS/HT 組成よりも低くなります。 エネルギー変換率を高くするには、効率的な熱管理ソリューションが必要です。 Fig. 8.3: 図 8.3: HP 圧電セラミックの高電界励起の概略ストローク/電圧図 非線形性: PZT セラミックスの強誘電性により、上記のパラメータは動作電界強度によって大きく変化する可能性があります。 実際には、PZT セラミックは、作動のために大きなフィールド励起レベルで動作します。 (静電容量、ひずみ、弾性は電界強度によって大きく変化します) 次のかなり安定した PZT セラミックス HS/HT の例は、この傾向を示しています。 アクチュエータと超音波 PZT セラミックスの比較 超音波技術は一種の共振作動であり、デバイスは大きな振幅の単一 (共振) 周波数で永久 (cw 連続波) 高調波振動で動作するように設計されています。 達成された大きな振幅は、多数のサイクルにわたる共鳴増幅の結果です。 機械的振動エネルギーの蓄積効率は、「品質係数 Q」で表されます。 高い Q は、機械的減衰が低いことを示します。 大きな振動振幅は、多数のサイクルにわたってエネルギーを合計した結果です。 通常、「通常の」ピエゾ アクチュエータは、DC からかなり高い周波数までの「非共振」広帯域で動作します。 大きな振幅は、1 サイクル内で生成されます。 このような動作プロファイルは、「ソフト」またはセミハード PZT 材料のクラスでのみ使用できます。 これらの材料は、より大きな圧電係数 d33 と高い誘電率を示す必要があります。 アクチュエータ セラミックスは低い品質係数 Q を示します。 一般的な広帯域ピエゾ アクチュエータは、むしろ「質の悪い」発振器です (=> 5.5. 共振)。 単一周波数超音波共振器システムは、広帯域アクチュエータと比較して、（振幅に関連して）損失と熱放散が大幅に減少しています。 電歪器 Electrostrictors 電歪セラミックスは、大まかに言えば、相転移圧電 - 常誘電体に近いキュリー温度で動作する一種の圧電セラミックスとして説明できます。 特殊なクラスは、室温付近のキュリー温度に設定できる PMN-PT 固溶体セラミック (チタン酸鉛中のニオブ酸鉛マグネシウム) です。 この電歪材料から構築されたスタックは、次のパフォーマンスを示します。 ● 軸ひずみ : 0.1‰まで ●ヒステリシス 1～2% ● 電圧ステップの適用後の長期ドリフトなし したがって、電歪アクチュエータは、PZT アクチュエータと比較して、開ループ位置決めにおいていくつかの利点があります。 それにもかかわらず、非常に高い精度が要求される場合、または外部の影響を補償する必要がある場合、電歪器には閉ループのフィードバック制御が必要です。 さらに、上記の性能データは、最適点付近の約 +/-5 °C というかなり狭い温度範囲でのみ有効です。 したがって、動的動作は、自己発熱の問題のために除外されます。 これらの副次的な条件をまとめると、電歪セラミックスは一般的に使用されていません。
