変位挙動

ピエゾアクチュエータの電圧依存変位曲線は、外的な分域の影響により、ヒステリシスの影響を受けやすい非線形性の強い経路をたどります。このため、特定の駆動電圧を用いて、微小変位から中間位置まで線形的に補間することはできません。こうした性質は、ピエゾセラミックの電気力学曲線および誘電大信号曲線に表れています(図1)。各グラフの原点は、熱的な非分極状態によりそれぞれ定義されています。

バイポーラの大信号曲線の形状はともに、電界の強度が抗電界EC となる強誘電体の極性反転プロセスにより決まります。誘電大信号曲線から、これらの反転点で非常に大きな分極の変化が起きることがわかります。同時に、極性の反転後は分極と電界強度の向きが再び同一となるため、セラミックは収縮から再度伸長に転じます。この性質から、電気力学曲線は特徴的な蝶形となります。電界が存在しない場合、残留分極P_rem /-Prem_{および残留ひずみS}rem が残ります。

通常、ピエゾアクチュエータはユニポーラで駆動します。セミバイポーラ動作の場合、ひずみ振幅は大きくなりますが、変位信号の外的な分域部分が増加することにより非線形性とヒステリシスも増大します。

データシートには、公称電圧でのアクチュエータの自由変位が記載されています。

オープンループ電圧制御動作では、ピエゾアクチュエータの変位曲線は強いヒステリシスを示し(図5)、このヒステリシスは通常、電圧または電界強度の増加とともに増大します。剪断アクチュエータやバイポーラ制御の場合、値は特に大きくなります。これは、信号全体において外的な極性反転プロセスの関与が高まるためです。