DuraActパッチトランスデューサーのテクノロジー

DuraActパッチトランスデューサーの活性層は圧電プレートで構成されています。これらのプレートは特許取得済みプロセスにより繊維強化プラスチック(GRP)に埋め込まれ、接着され合成物を形成しています。この積層プロセスは、注入法を用いて真空環境にてオートクレーブ内で行います。これにより、最高の品質を持ち気泡のまったくない積層板が得られます。 オートクレーブの硬化温度は、各使用材料の熱膨張係数からピエゾセラミックプレート内部に規定のプリロードが生じるように選択します。また、GRPのポリマーコーティングは、絶縁体および力学的プリロードの役割も果たします。この特許技術により、大量製造可能で頑丈であり、折り曲げられるトランスデューサー素子を実現しています。

デザイン&プロダクション

DuraActパッチトランスデューサーの動作層は、電気接触のために表面を金属化した1枚以上のピエゾセラミックプレートで構成されています。これらのプレートの厚さは、通常200~500µmです。これらは特許取得済みプロセスにより、繊維強化プラスチック(GRP)に埋め込まれ、接着され複合物を形成します。ボンディングプロセスは、真空オートクレーブ内の射出プロセスで実行され、最高品質で完全に気泡のないラミネートを製造します。

オートクレーブの硬化温度は、各使用材料の熱膨張係数からピエゾセラミックプレート内部に規定の機械的プリロードが生じるよう選択されます。GRPのポリマーコーティングは、絶縁体としても機能します。この特許技術により、大量製造可能で頑丈であり、折り曲げられるトランスデューサー素子を実現しています。

DuraActパッチトランスデューサーは、可動部品のない固体アクチュエータです。これは、摩耗や故障の傾向を最小限にすることになります。電気接続は、アプリケーションによって、ワイヤーをはんだ付け、接着、あるいはクランプできる2つの接触点を介して行われます。

DuraAct パッチ トランスデューサはどのように機能するのですか?

オールセラミック製のDuraActパッチトランスデューサに使用されているピエゾセラミックプレートは、構造的にはコンデンサに似ている。電極となるセラミックの金属面の間に、セラミックが誘電体として機能している。電圧をかけると、プレートに垂直にセラミックを貫くラインで電界が形成される。これにより、電気力線に対して90°方向にセラミックがねじれて収縮し、アクチュエータが平面に沿って均等に収縮します。この挙動を横方向の圧電効果(d31)と呼ぶ。

DuraAct Powerパッチトランスデューサでは、多層ピエゾ素子が縦方向の効果(d33効果)を引き出します。この変位は、ピエゾアクチュエータの電界Eと分極方向Pに平行に発生します。縦方向の変位に対する圧電電荷係数d 33は、横方向の変位に対するものよりもかなり高く、つまり、可能な変位はオールセラミック製のトランスデューサよりも大きい。

音響表面波の発生は、DuraAct Shearパッチトランスデューサを使って変換することができます。パッチ振動子の剪断運動は,偏光方向Pに電界Eを直交させて印加することで生じる。剪断変形係数d15は,一般に圧電係数の中で最も大きい。公称電圧で制御した場合、ピエゾセラミックスは最大2000pm/Vのd15(GS)値を達成しています。垂直方向の偏光が反転しないように、許容される制御電界強度が制限されています。

DuraActパッチトランスデューサの電界強度がセラミックの変位を決定するため、モジュールを簡単に制御することができます。この変形は、単純な結合を介して構造要素に効果的に伝達されます。従来のアクチュエータのように離散的な点ではなく、推力によってアクチュエータの表面全体に力が伝達されます。このため、大量の力伝達点は不要です。逆の言い方をすると、構造の変形がトランスデューサーにより電荷に変換されるため、素子をセンサーや発電機として利用可能です。センサーとアクチュエーターの機能を分割して、いくつかの層のアイソレーションコンタクトで実現しています。

電界の変化または変形に対する反応は非常に高速です。これにより、キロヘルツ領域の振動を発生させたり、測定したりすることができます。使用されているアクティブピエゾ素子とその寸法によって、アクチュエータの制御電圧と収縮量は異なる値になります。変形と制御電圧との関係は非線形的です。

DuraActパッチトランスデューサのパフォーマンスグラフ

ピエゾセラミックトランスデューサーののアクチュエーター特性は、主に2つのパラメータになります:ブロッキングフォース FB と自由変位 S0。妨げられていない(自由な)アクチュエータが、電圧で制御される場合 U、最大変位 S0に到達します。最大変位したアクチュエータを元の長さに戻すために必要な力をブロッキングフォース FBIと呼びます。

両方のパラメータがグラフでプロットされ、線でつながれる結果がアクチュエーターのパフォーマンスグラフです。その接続線を荷重線と呼びます。このグラフから、外力と変位の比を読み取ることができます。ほとんどの用途では、アクチュエータは、ばねを変形させたり、板を曲げたりするような弾性構造物に対して働きます。例えば、バネを変形させる場合、バネの特性曲線は、剛性cFで性能グラフに描かれます。荷重線と特性曲線の交点が動作点となる。 操作点が荷重線の中央にあるとき、アクチュエータは最も効果的に働きます。

ベンディングアクチュエータのパラメーター

DuraActアクチュエータは一般に基板に接着されており、収縮を数箇所の取付点だけでなく、面全体に伝達します。こうした構成では、DuraActと基板の組み合わせはベンディングアクチュエータとして動作します。ベンディングアクチュエータは再現性をもって迅速、高精度に変位を起こすことができ、プリンター、バルブ、繊維業界など幅広い用途に使用されています。 DuraActパッチトランスデューサーは横方向ピエゾ効果に基づいているため、電界を印加すると収縮します。このベンディングアクチュエータは図に示すように屈曲し、垂直抗力を発揮します。 自由で制止されていない曲がり素子の自由変位はW0で表します。変位を0に抑えるのに必要な力は、曲がり素子の発生力FBWと呼ばれます。この力は、アクチュエータの発生力より非常に小さくなります。これらの2点を通る曲線から、基板の厚さと弾性に対する曲がり素子の特性曲線が得られます。 図に、さまざまな素材の50 mm厚の基板サンプルとP-876 A15 DuraActパッチトランスデューサーを使用して測定した実際の変位と力を示します。 曲がり素子の特性曲線は、DuraAct単体の特性曲線と組み合わせることで、効率良く特定の用途におけるアクチュエータの性能を推定できる基準となります。このため、弊社では、すべてのデータシートにこれらの曲線を記載しています。

DuraAct パッチトランスデューサのパワー容量

アクチュエータの動作に必要な電気的要件を見積もるには、トランスデューサの静電容量が重要な役割を果たします。DuraActパッチトランスデューサの静電容量値は、一般的にナノファラッドの範囲であり、それぞれのケースでデータシートに記載されています。

ここで、静電容量Cは、使用する圧電セラミックスの種類、厚さ、面積に依存します。平均電気出力 Pmを推定するためには、制御周波数のほか、振動子の静電容量と電圧振幅が必要です。
 

Pm = C · f · Uh2

f: frequency, Uh: voltage swing
 

最大出力Pmax は、平均電気出力値xπで算出できます:
 

Pmax = Pm π

ダウンロード

パンフレット

DuraAct Piezoelectric Patch Transducer

Flexible, Efficient, Durable
日付 / バージョン
BRO07E R2 2021-03
日付 / バージョン
BRO07D R2 2021-03
ドキュメントの言語