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ピエゾドライバとは(基礎知識)

ピエゾドライバについて

ピエゾドライバは、各種ピエゾ素子を目的に応じて変位量・振動量を安定駆動するためのアンプ型電源です。ピエゾ素子は容量性素子という特長があり、最適に駆動させるには通常の直流安定化電源でなく、出力電源の吐き出しと吸いこみができるアンプ型の電源が必要になります。そして、早い応答速度で駆動させる場合には応答性だけでなく、より多くの出力電流も必要となります。ピエゾドライバ選定の第一歩は、使用される素子と使用状況(波形・周波数・負荷)にマッチした電源を選ぶことです。アクチュエータなどでのパルス駆動では、出力波形にリンギングが出やすく、場合によっては異常発振してしまう事があります。ピエゾ素子の劣化・破壊はこうした時に起こります。当社では、この点にも配慮した設計となっております。松定プレシジョンのピエゾドライバは、各種ピエゾ素子に対応できる汎用性(広範囲の容量のピエゾ素子に適合できる)と、動作の安定性を追求した製品です。ピエゾ素子の性能をフルに引出し、最適にドライブする電源としてお試しください。

ピエゾドライバの使用例です。

ピエゾの応用例

X‐Yステージ、レンズ・ミラーに位置決め、光ファイバの融着位置決め、インクジェットプリンタ、バルブ・電子弁制御、パーツフィーダの加振、超音波発生、各種分析器の精密位置決めなど。

顕微鏡のレンズとステージの駆動
X、Y、Z軸の3軸で位置決めを行うピエゾステージの駆動イメージです。

左図は顕微鏡のレンズのフォーカスや走査、及び試料台(ステージ)の位置決めの応用を簡略化し表現したものです。3ch出力タイプでは、1台でX、Y、Z軸の位置決めが可能です。

微細加工の位置決め
ピエゾを用いた微細加工の位置決めイメージです。

左図は金属加工への応用を簡略化し表現したものです。

光学測定装置の微調整
ピエゾを用いた微細加工の位置決めイメージです。

左図は光源レンズや鏡の面の精度を測定するマイケルソン干渉計です。

サンプルが変わる度にμmオーダーでA、B2つの像を合せ直します。
このミラーの微調整にピエゾアクチュエータが応用されます。

応答速度と出力電流の関係

ピエゾドライバの選定には、
・ピエゾ素子の静電容量
・必要な変位量に見合う駆動電圧
・ピエゾ素子を駆動する任意の波形
からドライバの出力電流が決まります。
ピエゾドライバの個別仕様をご覧のうえ、上記の性能を満たすモデルをご選定ください。

出力電流は以下の式により求められます。
【正弦波駆動】 Imean≒2.2fC VP-P

また各ドライバの駆動できる動作周波数を求めるには、上式の変形で f=Imean/2.2C VP-P
【パルス駆動時】 IP=VP-PC/Tr
(ピーク電流IPは増大されているものの、出力可能な時間が10ms以下に限られます。各ドライバの仕様の応答速度をご参照ください)。

ほかにも各ドライバでの立ち上り時間を求めるには、上式の変形で Tr=VP-PC/IP(Tfも同様)
ただし出力抵抗の値により制限されるため上式と3τ=3RC の遅い方を立ち上り時間としてください。

  • Imean:定格出力電流・・・(A) IP:ピーク出力電流・・・(A)
  • VP-P:出力電圧幅P-P値・・・(V) R:出力抵抗・・・(Ω)
  • C:ピエゾ静電容量・・・(F) Tr:立ち上がり時間・・・(S)
  • Tf:立ち下がり時間・・・(S) 3τ:約90%到達時間・・・(S)

ピエゾドライバの立上り・立下り時間です。

ピークパワー増大機能

弊社ピエゾドライバ全機種に採用。出力ピーク電流を定格の約3倍取り出すことができます。くり返し周波数が遅く平均パワーが小さい使い方(位置決め等の用途)で、小型のドライバでありながら高速立ち上げが可能となります。例えばHJPZ-0.1P×3では定格300mAですが、ピーク電流として900mA取り出せます。平均出力電流が300mA以下の使い方であれば±900mAの電源として動作可能です(下図参照)。

この機種では100V出力の場合、1μFのピエゾ素子を0.11mS(ミリセカンド)で立ち上げることができます。パルス駆動時の繰返し周波数は、DC~1.5kHzまで3ch各々にて動作可能となります。

注意:電流のパレス幅は10ミリセカンド以内です。

バイアス機能

バイアス機能は出力電圧に直流を重畳させることができる大変便利な機能です。バイアスの設定は前面パネルのダイヤルにより、定格出力範囲内で出力波形を自由に移動できます(下図(a)、(b)参照)。定格を超える設定については波形がクリップされます(下図(c)参照)。バイアス機能を用いることでコントロール電圧を変えずにピエゾ素子の変位基準位置をダイレクトに変えることができ、位置調整、DC動作に有効です。

また、コントロール信号を0Vにしておいて、バイアス機能だけを使うことにより『直流定電圧電源』として使うことができます。HPZTシリーズHPZT-B(0.3W)シリーズHPZT-Bシリーズには、バイアス機能はついておりませんが、外部コントロール信号の段階でバイアスをかけていただくことでお使いいただけます。

バイアス機能イメージです。

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