動作電圧
動作電圧
PIセラミックでは、層厚の異なるさまざまな種類のピエゾアクチュエータを取り揃えています。このため、公称動作電圧は、PICMAベンディングアクチュエータでは60 V、PICAアクチュエータでは1000 V以上となっています。
電気的挙動
共振周波数よりも十分に低い動作周波数では、ピエゾアクチュエータはコンデンサのように動作します。アクチュエータの変位は、一次推定では保存されている電荷に比例します。アクチュエータの静電容量は、セラミックの面積と厚さ、および材料特性によって決まります。アクチュエータが複数のセラミック層を電気的に並列接続して構成されている場合、静電容量は層の数にも依存します。アクチュエータは内部抵抗が大きいため、リーク電流損失はμA以下となっています。
静電容量値
技術データ表に記載されているアクチュエータの静電容量値は小信号値、すなわち1 V、1000 Hz、20 C、無荷重で測定したものです。ピエゾセラミックの静電容量は電圧強度、温度、および力学的負荷とともに変化し、最大で無荷重、常温時の小信号値の200 %まで増加します。
大信号条件下での計算では、多くの場合、70 %の安全係数を小信号静電容量に加算すれば十分です(図2)。。
ピエゾアクチュエータの電力消費量
動的用途では、アクチュエータの電力消費量は、周波数およびアクチュエータの静電容量とともに線形的に増加します。1000 Hzおよび10 μmストロークでは、負荷容量が100 N程度の小型ピエゾアクチュエータで必要な無効電力は10 W未満ですが、高負荷(荷重>10 kN超)のアクチュエータでは同一条件でも数百Wが必要になります。
信号の形状と帯域幅
ピエゾアンプの電力の推定に加えて、正弦波形から生じるすべての信号形状で小信号帯域幅を評価することも重要です。
伝達される制御信号の高調波が少なくなるほど、主波の形状(すなわち正弦波形)に戻る派生形状の数は増加します。したがって、伝達されない高調波から信号バイアスが生じないようにするため、帯域幅は基礎周波数の10倍以上にする必要があります。
実際には、機械的なピエゾシステムが応答可能な使用できる周波数の限界は、機械的な共振周波数となります。このため、電気制御信号に、この周波数よりはるかに大きい周波数を含める必要はありません。
ピエゾアクチュエータは、最速で共振周波数の周期の1/3の時間で変位することができます。応答時間をマイクロ秒台に、加速度を10,000 g以上にすることは可能ですが、ピエゾアンプのピーク電流をきわめて大きくする必要があります。これにより、噴射バルブ、油圧バルブ、スイッチングリレー、光学的スイッチ、補償光学などのスイッチング用途を実現できます。
一定電流での充電プロセスでは、以下の式からパルスモード動作の最小立ち上がり時間を求めることができます。