ピエゾアクチュエータとは
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の使用用途
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原理
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種類
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。
1. 積層型ピエゾアクチュエータ
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。
2. バイモルフ型ピエゾアクチュエータ
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。
3. チューブ型ピエゾアクチュエータ
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。
ピエゾアクチュエータのその他情報
1. ヒステリシスの補正
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。
2. 荷重への配慮
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