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2007年1月30日 (火)

積層形圧電素子

電圧で微小変位を制御できるアクチュエータのひとつが圧電アクチュエータである。

許容できる変位は1000-2000μεをふつう超えない。20μmの変位を得ようとすると、ピエゾ素子全長はcmオーダーになる。高い電界を掛けるので積層形圧電素子が使いやすい。

この素子は、それでも電子回路としては高圧に相当する100V以上の駆動電圧を必要とする。積層構造なので、電圧が低くなった分、容量もμF前後と大きい。

CV=Itの式より、この圧電素子を1msでフルスイングさせるためには、数100mAの電流駆動能力が回路的に必要になる。必要なのは電圧駆動力だけではない。

圧電セラミックは、ふつう引っ張り応力に対して十分な強度を有しないので、圧縮応力が働く方向か、与圧を掛けて使用する。しかも、フルスイングさせると10%程度のヒステリシスが残る。

他の構造材と線膨張係数がかなり異なるので、環境温度にも注意を払う必要がある。

それでも、積層圧電セラミックの変位アクチュエータは、電子回路で実現しやすい微小変位を制御できる数少ないアクチュエータである。例えばAFMのような超精密位置決めシステムの要に使用されている。

この素子、ヒステリシスはあるが、バックラッシュがほとんど無いので意外に制御性は良い。しかも、機械的変位縮小機構無しにサブミクロンを下回る変位制御が可能である。

このような、アクチュエータ・センサとともに個別アナログ回路は歩む。

アナログエンジニアはいまや孤独ではないのだ。いつか、いつの日か、様々なアクチュエータの開発者と分野を超えて歓談・共同作業をしたいと願う。

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