増幅型圧電アクチュエータ

増幅型圧電アクチュエータは、圧電材料を能動材料として使用する特殊なアクチュエータであり、従来の直接圧電アクチュエータの従来の限界である^{[ 1 ]}ストロークの制限を克服するための特別な設計を備えています。従来の圧電材料のひずみは0.1%であるため、変位増幅なしでは大きなストロークに達することは事実上不可能です（1mmの変位には1メートルの圧電材料が必要です）。中程度のストロークに到達するための解決策は、増幅システムを使用することです

シングルセルアクチュエータ

原理は、楕円形のシェルの変形によってセラミックのひずみを増幅することです。セラミックスタックは楕円形の長軸に沿って配置されています。長軸の小さな変形は、短軸の大きな変位を生み出します。増幅率は通常20倍に達し、このようなアクチュエータは1mmのストロークに達することができます

楕円シェルの目的は、変位を増幅するだけではありません。動的かつ精密な動作を可能にするために、圧電材料に適切な予応力を加えることも必要です。もう一つの利点は、この種のフレックステンションアクチュエータは非常に信頼性が高いことです。

変位増幅は、フレキシブルベアリングで接続された剛性ストラットを使用することでも実現できます。この分離により、反転形状が可能になり、ピエゾ素子の主な動作が伸長動作であっても、出力を収縮または伸長させることができます。^{[ 2 ]}このタイプのアクチュエータは2mmのストロークを持つことができます。

マルチセルアクチュエータ

ダイヤモンド型の増幅器では、1つではなく4つの圧電結晶を使用することで、特に温度変化時における動きの制御性が向上します。可動子の数が多いほど、同じ変位でもより大きな力が得られます。^{[ 3 ]}

レバーアーム増幅

ピエゾストロークを増幅する別の方法は、レバーアームを使用することです。レバーアームは一次増幅機構または二次増幅機構として使用でき、10～40倍の倍率で変位を生成するために使用できます。レバーアーム増幅方式は、1980年代にEM Precicison Technologies Ltd.（後にMechano Transformer Corporationに改名）のT.Yanoらによって、圧電インパクトプリンター素子として増幅型圧電アクチュエータとして使用されました。^{[ 4 ]}その後、同社はレバーアームとスプリングリーフを使用した別の種類の二次増幅機構を導入しました。この組み合わせにより、増幅率は10倍以上を達成できます。^{[ 5 ] [ 6 ] [ 4 ] [ 7 ]}

アプリケーション

圧電アクチュエータ、特に増幅型圧電アクチュエータは、歴史的に航空宇宙用途で研究され、使用されてきました。例えば、NASAは極低温用途向けに独自のアクチュエータを研究・試験しました。 ^{[ 8 ]} ESAやISROなどの他の組織も同様のソリューションを研究しています。宇宙産業が増幅型圧電アクチュエータに注目しているのは、これらのアクチュエータの高い電力密度、高い位置決め精度、高い信頼性、そして準静的動作時の低い電力損失によるものです。

増幅型圧電アクチュエータは、屈曲ヒンジにより摺動部品がないため、潤滑を必要としません。潤滑油不要の性能は、従来の潤滑剤が凍結する可能性がある極低温環境や、潤滑剤がガスを放出したり大気ガスを閉じ込めたりする可能性がある真空用途において重要です。

圧電アクチュエータは非磁性材料で作ることもできるため、MRI 装置で使用することもできます。

アクティブフラップを用いたヘリコプターのローターブレードの制御は、長らく研究されてきましたが、実用化には至りませんでした。最も一般的に使用されている技術は、増幅型圧電アクチュエータです。^{[ 3 ]}

外部リンク

• 増幅型圧電アクチュエータ欧州宇宙機関、1998年3月発行

参考文献

• 圧電アクチュエータ入門内野健二、ペンシルベニア州立大学国際アクチュエータ・トランスデューサセンター
• ピエゾモーターの比較MDTマガジン
• 圧電アクチュエータESA、1998 年 3 月。

1. 崔承博、韓英敏『圧電アクチュエータ：スマート材料の制御アプリケーション』 CRC Press 2010 ISBN 1439818088https://www.taylorfrancis.com/books/9781439818091
2. 「圧電作動機構：屈曲伸張型ピエゾアクチュエータの動作」（PDF） 。 2011年11月12日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2011年4月19日閲覧
3. Mangeot et al. New actuators for aerospace Archived 14 July 2011 at the Wayback Machine Noliac . 2010年9月28日閲覧。
4. 1980年代の圧電インパクトプリンターの開発
5. 高ストローク倍率比を備えた新型機械式変圧器
6. 「アンプ内蔵型圧電アクチュエータ（MechaTrans®）とは？｜メカノトランスフォーマー株式会社」mechano-transformer.com . 2015年8月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。
7. T.YANO, SKCHEE, K.KAZUO, S.HARADA, T.HIGUCHI, 「高ストローク倍率の新型機械式トランスフォーマー」, ACTUATOR 2008, pp. 71–74, 2008
8. NASAの極低温アクチュエータ