圧電アクチュエータとは？

圧電アクチュエータは、マイクロ制御電気機械システムの一種です。 いくつかの結晶の圧電効果に依存しているため、結晶に電界が印加されると、構造格子に機械的応力が発生し、マイクロメートルまたはナノメートルスケールの動きに変換されます。 アクチュエータの種類は、空気圧または油圧の力で駆動する重工業システムから、非常に限られているが正確に制御された可動範囲を持つ小型の圧電アクチュエータにまで及びます。 典型的な圧電アクチュエータは、電気力が約4〜17ミクロン（0.0002〜0.0007インチ）の変位範囲を持つシャフトまたは他の機械的リンクのユニットに加えられると、縦方向の動きを生成します。 このタイプのアクチュエータシステムは、伸び計とも呼ばれるひずみゲージに組み込まれていることが多く、材料と表面の非常に細かい収縮と膨張を測定するために使用されます。

デバイスの機械的な動きを構成する圧電アクチュエータ部品のユニークな範囲を決定する圧電アクチュエータの設計または動きスキームには、3つの一般的なタイプがあります。 これらは円筒形、バイモルフ、ユニモルフ、または多層アクチュエータであり、それぞれに誘発される機械的応力の圧電係数のタイプに依存するモード指定もあります。 多層33モードアクチュエータは、印加電界の経路に沿って動きを生成するように設計されていますが、円筒形の31モードアクチュエータは、電気力に垂直な動きを示します。 15モードアクチュエータは、対角方向の力に結晶のせん断ひずみを利用しますが、せん断ひずみは制御が難しくシステムを製造するのが難しい複雑な結晶反応であるため、他のタイプの圧電アクチュエータほど一般的ではありません。

圧電アクチュエータを使用する目的は通常、数分の1秒の時間枠で電気力に対する機械的応答があり、動作中に大きな電磁干渉を生成しないという事実に基づいています。 これには、波長可変レーザーおよびさまざまな適応光学センサーのコンポーネントの一般的な使用、および燃料噴射システムやアビオニクス制御など、生成される推力の量に対して燃料の流量が重要となるバルブのマイクロレベル制御が含まれます。 圧電アクチュエータは、透析や自動薬剤ディスペンサーまたは液滴ディスペンサーなどの手順用のマイクロポンプに組み込まれている医学の分野でも多くの用途があります。 研究分野は、ナノテクノロジーの分野で原子間力顕微鏡（AFM）の必須コンポーネントである場合など、圧電アクチュエータにも依存しています。

圧電アクチュエータを利用するその他の高度な研究分野には、精密機械加工、望遠鏡の天文学制御、バイオテクノロジー研究、半導体工学および集積回路製造などがあります。 これらのフィールドの一部には、0.001秒未満の時間で2ミクロン（0.0001インチ）のレベルまで移動範囲を制御できる圧電アクチュエータが必要です。 圧電アクチュエータは、非常に低い消費電力、磁場を生成しない、極低温で動作できるなど、いくつかの独自の特性を備えているため、このような用途にも最適なデバイスです。 ただし、おそらくこのデバイスの最大の有用な機能は、ギアやベアリングを必要としないソリッドステートデバイスであるため、パフォーマンスの低下を示すことなく何十億回も繰り返し操作できることです。