ピエゾアクチュエータの変位モード

縦方向ピエゾアクチュエータでは、セラミック層に分極方向と平行に電界を印加します。これによりひずみ、すなわち分極方向に沿った変位が生じます。各層が起こす変位は比較的少量です。実用的な変位量を得るには、多数の層を機械的には直列接続、電気的には並列接続した積層アクチュエータを構成します(図1)。

縦方向積層アクチュエータは、電気エネルギーから力学的エネルギーへの変換効率に優れています。公称変位量はアクチュエータ長の0.1～0.15 %程度です。

公称発生力はアクチュエータの断面積に比例し、30 N/mm²のオーダーになります。このため、アクチュエータ内では最大で数万ニュートンの発生力が得られます。

縦方向積層アクチュエータは共振周波数が大きいため、非常に動的な動作に特に適しています。アクチュエータへ機械的にプリロードを加えることで、壊れやすいセラミック素材に動的に生じる引張力を抑え、マイクロ秒台の応答時間と高い力学的性能を実現できます。

縦方向変位の推定量は以下のとおりです。

圧電剪断アクチュエータでは、セラミック層に分極方向とは垂直に電界を印加し、分極方向の変位を活用します。この積層アクチュエータでも、各層の変位が累積されます(図2)。

剪断変形係数d₁₅は、通常は最大の圧電係数となります。公称電圧で制御する場合、ピエゾセラミックのd_15(GS)は最大で2000 pm/Vになります。垂直方向の分極の反転を防ぐため、制御限界の許容強度は制限されています。

このアクチュエータに横方向の力が加わった場合、屈曲により剪断モーションがさらに上乗せされます。共振周波数付近の動的動作でも同様の効果が生じます。

さらに、剪断応力は力学的プリロードで補償できません。これらから、実現可能な剪断スタックの積上高さは制限されます。剪断アクチュエータを縦方向アクチュエータと組み合わせることで、非常に小型でありながら共振周波数の大きいXYZスタックを実現できます。

剪断アクチュエータの代表的な用途としては、スティックスリップモーターの駆動素子が挙げられます。

剪断アクチュエータの推定変位は以下のとおりです。