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ピエゾアクチュエータについての概要、用途、原理などをご説明します。また、ピエゾアクチュエータのメーカー14社一覧や企業ランキングも掲載しております。ピエゾアクチュエータ関連企業の2025年3月注目ランキングは1位:株式会社村田製作所、2位:有限会社メカノトランスフォーマ、3位:TDK株式会社となっています。
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ピエゾアクチュエータとは、圧電 (ピエゾ) 効果と呼ばれる現象を応用したアクチュエータのことです。
圧電(ピエゾ)効果とは、水晶やセラミックスなどの圧電材料固体に、機械的なエネルギーを加えると電気的なエネルギーを発生させる物理現象を指します。この現象は可逆現象なので、反対に電気信号を入力すると圧電材料に直線的な変位が得られ、ピエゾアクチュエータではこの逆圧電効果が利用されているケースが多いです。
ピエゾアクチュエータの特徴として、低消費電力、小型、高速、磁界が発生しないことが挙げられます。
ピエゾアクチュエータは、HDDドライブや半導体露光装置などの内部の位置決めの機構やインクジェットプリンターのインクポンプ、スマートフォン用のスイッチ、エナジーハーベスト (環境発電) などに使われています。特に近年では、スマートフォン用のスイッチや車載用カーナビゲーションのスイッチとして、ピエゾアクチュエータならではの触覚フィードバック技術が使われるケースも多いです。
ピエゾアクチュエータを活用すると、シームレスなデザインにできることがメリットとして挙げられます。また、エナジーハーベスト (環境発電) 向けに、ピエゾアクチュエータで、は環境から得られる振動などの機械的なエネルギーを使って発電をする時にも使われ始めました。なお、エナジーハーベストとは、環境から得られるエネルギーを電力に変換するこです。
ピエゾアクチュエータの動作原理は、セラミックスなどの圧電素子に電界を印加した際に圧電素子の結晶固体に機械的な微小変形 (振動) が生じる物理的な現象を活用し、この現象をアクチュエータの機構に用いたものです。
この物理現象は圧電 (ピエゾ) 効果の反対であり、電気的なエネルギーを機械的なエネルギーに変換することから逆圧電効果と呼ばれています。ピエゾアクチュエータの構造は、最もシンプルな場合には圧電材料を電極で挟み配線を引き出した構造であり、シンプル故に耐久力に優れ高い信頼性を有しています。
現在、圧電材料で多く使用されているのは、チタン酸バリウムのような強誘電性セラミックス結晶が多いです。
ピエゾアクチュエータの代表的な種類として、積層型、バイモルフ型、チューブ型が挙げられます。
ピエゾセンサーと電極を交互に積層したアクチュエータで、精密な微小変位と容易に得ることが可能です。また、発生応力が高く、応答性も良いことから精密な位置決めに使われています。
長さ方向に伸縮するピエゾ素子を2枚を接合して、一方が伸びると、他方が縮みます。たわみ力を加えると電気的なエネルギーを発生します。そのため、音響センサーや屈曲センサーとしての使用事例が多いです。
内側の電極と外側の電極に電圧を加えると半径方向と軸方向に伸縮するアクチュエータです。
構造が単純で、高い信頼性と微小な小型高速動作に優れるピエゾアクチュエータですが、最大の欠点はヒステリシス誤差を有する点です。印加電圧とアクチュエータとしてのストロークが完全に比例関係にあるのが理想ですが、実際には電圧が増加する場合と減少する場合でストローク値に最大15％程度のヒステリシスばらつきがあります。これを補正するために、位置検出機構やASICによるフィードバック補正機能を有する製品も用いられています。
強誘電体セラミックスの場合、想定されている動作方向への荷重には非常に耐性に優れていますが、せん断応力や偏った荷重、回転モーメントなどの予期せぬ荷重にはセラミックス結晶故に、積層結晶が破断する場合があります。メーカーの使用注意事項によく留意し、誤った使い方をしないよう配慮することが大切です。
参考文献
https://jpn.nec.com/techrep/journal/g06/n05/pdf/t060519.pdf
https://www.yuden.co.jp/jp/solutions/piezoelectric_actuator/
https://japan.cypress.com/products/energy-harvesting-pmics
https://www.jstage.jst.go.jp/article/ieejpes/137/3/137_NL3_10/_pdf/-char/ja
https://www.jstage.jst.go.jp/article/transjsme/80/820/80_2014trans0349/_pdf/-char/ja
*一部商社などの取扱い企業なども含みます。
| 順位 | 会社名 | クリックシェア |
|---|---|---|
| 1 | 株式会社村田製作所 |
21.7%
|
| 2 | 有限会社メカノトランスフォーマ |
17.4%
|
| 3 | TDK株式会社 |
13.0%
|
| 4 | 日本ガイシ株式会社 |
8.7%
|
| 5 | 翔栄システム株式会社 |
8.7%
|
| 6 | 株式会社キーストンインターナショナル |
8.7%
|
| 7 | THKプレシジョン株式会社 |
4.3%
|
| 8 | 株式会社メステック |
4.3%
|
| 9 | 株式会社オプトサイエンス |
4.3%
|
| 10 | オーテックス株式会社 |
4.3%
|
項目別
移動範囲 µm
0 - 10 10 - 100 100 - 200剛性 N/µm
0 - 1 1 - 100 100 - 200 200 - 300 300 - 400 400 - 500 500 - 1,000電気容量 nF
0 - 100 100 - 200 200 - 500 500 - 1,000 1,000 - 2,000 2,000 - 3,000ブロッキング力 N
0 - 1,000 1,000 - 2,000 2,000 - 4,000 4,000 - 6,000 6,000 - 10,000共振周波数 kHz
0 - 10 10 - 50 50 - 100 100 - 200 200 - 500 500 - 1,000
有限会社メカノトランスフォーマ
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高負荷および高荷重用のコンパクトなアクチュエータ、位置センサ付き ■特徴 ・PICMA®ピエゾアクチュエータによる優れた寿命 ・90 μmまでの移動範囲 ・コンパ...
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高力、高変位、柔軟な生産 ■特徴 ・移動範囲300μm まで ・高負荷容量 ・最大80 kNの力発生 ・極めて高い信頼性:>10⁹サイクル 概要 ■スタック型ピエゾリニア...
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高変位のオールセラミック曲げアクチュエータ ■特徴 ・2mmまでの変位 ・ms範囲での高速応答 ・ナノメートル分解能 ・低動作電圧 ・150℃までの動作温度 ・UHV...
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高ダイナミクスアプリケーション向け ■特徴 ・150℃までの動作温度 ・高い動作周波数 ・高負荷容量 ・最大70 kNの力発生 ■概要 動作電圧0〜1,000 V. ディレ...
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プリロードピエゾアクチュエータ (HVPZT) 、センサオプション付き ■特徴 ・最大移動範囲 180 μm ・4,500 Nまでのプッシュ力容量 ・プル力容量を500Nまで ・...
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低負荷での高ダイナミクス動作 ■特徴 ・半径方向および軸方向の変位 ・サブナノメートルの分解能 ・OEMアプリケーションに最適 ・デザインの幅広い選択肢 ・...
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非常に高い荷重と力用 ■特徴 ・PICMA®ピエゾアクチュエータによる優れた寿命 ・90 μmまでの移動範囲 ・最大押付力3,000N ・最大引張力700N ・μs応答時間 ・...
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■特許取得済みのPICMAスタック多層ピエゾアクチュエータ、高信頼性® ・動作電圧-20〜120V。 ・セラミック絶縁、ポリマーフリー。耐湿性。優れた温度安定性。U...
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過酷な産業環境向け ■特徴 ・防滴性フルカプセル化 ・優れた寿命 ・高剛性 ・マイクロ秒応答 ・サブナノメートルの分解能 ・UHV対応10-⁹ヘクトパスカル ■不...
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中程度の荷重と力用 ■特徴 ・PICMA®ピエゾアクチュエータによる優れた寿命 ・45 μmまでの移動範囲 ・最大押付力50N ・最大引張力10N ・μs応答時間、サブnm分...
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