圧電粘滑駆動原理及び圧電モータープラットフォームへの応用

スティックスリップ駆動は摩擦理論に基づく典型的な駆動方法である。摩擦は基本的な散逸力であり、相対的にスライドするすべての機械や構造に存在する。従来、スティックスリップ機構の研究は、精密サーボシステムにおける摩擦による不安定性と損失を回避する方法にのみ集中していた。圧電材料の外観と良好な応答特性のため、粘滑原理は駆動動作に応用される。スティックスリップ駆動機構の本質は、最大静摩擦とスライド摩擦との差を利用して被駆動物体を制御し、変位を発生することである。

圧電セラミックスに基づく粘滑駆動方法はPZT圧電セラミックスの急速変形による加速度、すなわち慣性衝撃を利用して、動的摩擦力が運動物体の加速度を提供できないようにして、それによって元の位置を維持して、それからPZT圧電セラミックスを小さい値に制御する。速度回復は静摩擦を実現し、物体を移動させ、微変位を実現するため、慣性粘滑駆動とも呼ばれる。

スティックスリップ駆動原理

図1に示すように、この原理の動作過程は3つの段階に分けることができる：初期段階、駆動電圧信号がない場合、圧電セラミックスと従動スライダは静止したままである、第2段階は、緩やかに上昇する電気信号の到来に伴い、圧電セラミックスとスライダが一緒に移動する、すなわち粘性段階である。このとき、静摩擦力は駆動力として使用され、2つの「接着」が一緒に移動し、第3段階では、電圧信号は急速に低下した。圧電セラミックスの良好な応答特性により、直ちに急速な収縮が発生した。慣性力の存在により、摩擦力は大きな加速力を提供することができず、スライダは圧電セラミックスに従って適時に移動することがなく、スライダと圧電セラミックスは相対的に互いにスライドし、元の位置を維持する。これがスライド段階です。このサイクルを繰り返すと、スライダが連続して前方に移動します。逆方向移動には、逆駆動電圧モードを使用します。

スティックスリップドライバは、本質的には摩擦を駆動源として使用し、被駆動対象の微小な運動を実現する。スティックスリップ効果を用いた圧電精密運動機構は、鋸歯状電圧励起下での圧電セラミックスの運動による動摩擦と静摩擦の違いによって駆動される。それはステッピング運動と静的走査の2つのモードで動作することができ、急速運動モードでは圧電セラミックスの非線形効果は無視することができる。粘滑駆動原理は実現しやすく、制御が簡単で、運動範囲が広く、解像度が高く、構造が簡単で、小型化と正確な位置決めが容易であるなどの利点がある。圧電セラミックスの特殊な特性を組み合わせて、この原理に基づく多くのドライバを応用してきた。その中で最も一般的なのは線形運動と回転運動の応用である。

リニア圧電モーターへの応用

粘滑リニア圧電モータは、通常、軸受レール、移動面（すなわち移動部材）、摩擦接点、および一端に固定された圧電セラミックアクチュエータから構成される。圧電セラミックスは駆動電圧の増加に伴って伸長する。移動面と接触点との間の摩擦により、移動面は圧電セラミックスとともに移動する。圧電セラミックスが最大変形量に達すると、急速に低下した電圧を印加すると、圧電セラミックスは初期状態に急速に収縮する。慣性のため、移動表面は静止したままで、圧電セラミックスは初期状態に戻り、従って往復圧電モーターは連続的な線形運動を実現することができる。

リニア圧電モーターの原理

CoreMorowのリニア圧電モーターは圧電粘滑原理を採用している。以下はいくつかの製品の簡単なパラメータです。

N56シリーズリニア圧電モーター

パラメータ

直線ストローク：10、20または30 mm

移動速度：5 mm/s

積載量：0.5 kg

保持力：4.5 N

N31シリーズリニア圧電モーター

パラメータ

直線ストローク：25、50または100 mm

移動速度：10 mm/s

積載量：5 kg

保持力：40 N

解像度：<0.1 nm

オプションのラスタセンサ閉ループ

圧電スクリューに適用（回転）

圧電粘滑駆動モータは、非常に細いピッチスクリューを駆動することで回転運動を直接発生させることはできません。この設計では、圧電セラミックアクチュエータの両端のジョーがねじに接触し、ねじが両側に挟まれ、180°の距離で互いに接合されている。圧電セラミックアクチュエータが急速に膨張し収縮すると、クランプはねじを回転させて回転運動を実現する。