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압전소자구동 고전압증폭기 엑츄에이터
도문
2022. 10. 20. 14:26
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고전압 증폭기
로 압전 액추에이터 구동 PART I - 압전 재료, 응용 제품, 정밀도, 속도 및 공진의 감쇠
금농엔지니어링 www.kumnong.co.kr
소개
압전 크리스털 액추에이터(압전 크리스털 액추에이터(piezo's)는 높은 강성, 힘 및 최대 작동 주파수와 매우 높은 포지셔닝 분해능을 결합하기 때문에 많은 응용 분야에서 사용됩니다.
이 애플리케이션 노트에서는 많은 피에조 관련 주제가 소개되고 간략하게 논의됩니다. 우리는 기본적인 압전 효과, 피에조의 히스테리시스 및 다양한 유형의 압전 액추에이터가 어떻게 구성되는지를 다룹니다. 피에조의 적용 가능성은 거의 무한하며, 스캐닝 프로브 현미경 스캐너, 스틱 슬립 모터 및 압전 변압기와 같은 여러 가지 예가 제시됩니다. 피에조는 정밀 포지셔닝 시스템에 자주 사용되기 때문에 다음 섹션에서는 외부 진동의 디커플링 및 감쇠를 다룹니다. 작은 기계적 루프의 중요성이 설명되고 진동 분리 솔루션의 예가 제공됩니다. 피에조 자체에 의해 기계 시스템에 결합 된 진동을 줄이기위한 옵션도 해결됩니다.
그런 다음 고전압 증폭기로 피에조를 구동하는 방법에 중점을 둡니다. 이것은 현장에서 일반적이기 때문에, 우리는이 응용 프로그램에서 '고전압 증폭기'라는 일반적인 용어 대신 '압전 드라이버'를 사용할 것이며, 이들은 기본적으로 동일한 장비를 기술한다는 점에 유의합니다. Falco Systems는 광범위한 고전압 증폭기(고속/저잡음/배터리 구동)를 제공하며, 그 중 다수는 전 세계 피에조 구동기로 광범위하게 사용됩니다. 고품질 드라이버를 사용하면 피에조 포지셔너가 매우 높은 위치 결정 분해능과 반복성을 가질 수 있지만 히스테리시스로 인해 절대 정확도가 떨어집니다. 이 히스테리시스는 위치 센서 신호를 사용하는 부정적인 피드백과 충전 제어에 의해 (그러나 고주파의 경우 완전히 제거되지는 않음) 감소 될 수 있습니다. 피에조의 고속 작동은 큰 압전 정전 용량의 빠른 충전 및 방전이 필요합니다. 압전 구동기의 최대 전류는 슬루율과 달성 가능한 최대 속도를 제한합니다.
이 응용 프로그램의 마지막 섹션에서는 피에조를 드라이버에 연결할 네트워크를 선택하여 대역폭을 최대화하고 피에조 공진의 영향을 최소화하는 권장 사항을 제공합니다. 이 애플리케이션 노트의 파트 II(별도의 문서)에는 이러한 커플링 네트워크와 피에조 응답의 최적화에 대한 심층적인 논의가 포함되어 있습니다.
IMEC, Leiden University, TU Delft 및 다양한 프로젝트 및 사용자위원회에서 저자의 이전 경험을 부분적으로 기반으로하는이 정보를 제시함으로써 많은 독자를 도울 수 있기를 바랍니다. 이 응용 프로그램 노트에서 다루는 주제와 관련된 질문이있는 경우 저자에게 문의하십시오.
압전 재료
압전 결정은 변형 될 때 전기장을 생성 할 물리적 성질 (직접 압전 효과)을 공유하지만 적용된 전기장 (역 전기 효과)에서도 변형됩니다. 이것은 이러한 결정이 변형 하에서 변화하는 내부 전하의 공간적 분포를 갖기 때문에 가능합니다. 압전 재료의 좋은 예는 일반적인 납 지르코네이트 티타네이트 (PZT)입니다. 전자 산업이 거의 완전히 무연 판매로 전환되었지만er 제조, 고품질 무연 PZT 재료 등가물은 광범위한 연구에도 불구하고 아직 제공되지 않습니다.
도 1에서는 PZT 결정의 격자가 도시되어 있으며, 하전된 원자가 표시되어 있다. 큐리 온도 이상에서는 양전하를 띤 Zi 또는 Ti 원자가 결정 단위 셀의 중간에 맞으며 결정에는 쌍극자가 존재하지 않습니다. 큐리 온도 아래에서 격자 모양이 바뀌고 크고 양전하를 띤 원자가 더 이상 단위 셀의 중앙에 맞지 않습니다. 양전하를 띤 원자는 중심에서 벗어난 새로운 평형 위치를 찾고, 쌍극자가 생성되며, 물질의 순 분극이 발생합니다. 큐리 온도 이하의 압전 재료가 변형되면 단위 셀의 쌍극자 길이가 변경되어 압전 효과가 발생합니다.
그림 1. PZT 결정 단위 셀은 재료가 큐리 온도
이하일 때 쌍극자를 가지며 일부 압전 재료에서는 모든 쌍극자가 자연 발생 석영에서와 같이 동일한 방향으로 배향된다. PZT와 같은 더 강하고 합성적인 다결정 압전 재료는 자성 재료의 상황과 비슷한 작은 Weiss 영역에서만 동일한 방향으로 배향 된 쌍극자를 가지고 있습니다. Weiss 도메인의 무작위 방향 때문에이 재료에는 고유 한 순 압전 전기가 없습니다. 결정이 퀴리 온도 이상일 때 높은 외부 전기장을 인가한 다음 큐리 온도 이하로 천천히 냉각시킴으로써, 이들 도메인은 '정렬'될 수 있고, 강한 잔여 분극이 유도된다. 전기장은 일반적으로 압전 결정의 양면에 접착 된 전극에 전압 소스를 연결하여 압전에 적용 할 수 있습니다. 이들 전극들은 후속적으로 감지(직접 압전 효과) 또는 작동(역압전 효과)에 사용될 수 있다(도 2 참조). 많은 피에조는 전기장이 편광 된 필드의 방향과 비교하여 반전 될 때 부분적으로 탈분극됩니다. 이것은 히스테리시스를 증가시키고 영구적으로 이득을 낮추는 결과를 초래합니다. 오른쪽 극성의 전압(또는 역방향의 최대 최대 전압의 약 20%)을 사용하는 단극 작동은 대부분의 피에조를 구동하는 데 권장되며, 그에 따라 작동 리드가 표시됩니다.
그림 2. 압전 결정
으로 감지 및 작동 압전 효과는 모든 방향에서 재료의 기계적 및 전기적 특성의 조합으로, 이방성 벡터 방정식 및 특성 매트릭스를 정의하는 여러 가지 원인이됩니다. 종종 하나의 전기 축과 하나의 기계적 축 만 중요하기 때문에 이러한 벡터 방정식과 속성 행렬을 일차원 근사로 단순화 할 수 있습니다. 직접 및 역방향 압전 효과는 모두 이러한 단일 방정식 집합 [1]
에서 포착 될 수 있으며, 델타는 힘 축을 따라 연신 (변형, 변위)이F_mech, 이는 힘이 가해지는 (직접) 또는 생성 (반대)이며, k_piezo은 압전의 강성 (스프링 상수)이며, V 는 T의 플레이트에서 압전 구동기에 의해 생성(직접) 또는 인가(대화)되는 전압입니다.그는 크리스탈의 반대편에 있습니다. C는 플레이트 사이의 커패시턴스이고, Q는 플레이트 상에 축적되는 전하이다. 피에조의 편광 방향은 결정의 적용에 따라, 예를 들어 선형 모드 또는 전단 피에조에 따라 달라질 수 있다. 압전 계수 d_ij는 압전 효과의 강도('이득')와 분극 방향 i와 변위 방향 j 사이의 크기 d에 관한 것이다. 피에조의 최대 변위는 일반적으로 전체 길이의 약 0.1 %입니다.
피에조는 매우 '강한'액추에이터, 즉 높은 강성을 가지고 있습니다. 피에조가 주변 환경에 가할 수있는 힘은 다음과 같이 계산할 수 있습니다. 피에조가 한쪽 끝에서 제약을 받지 않으면, 이 자유 단부는 피에조가 무한히 뻣뻣한 지지대에 의해 양쪽에 고정되는 것처럼
내부 강성 k_piezo에 의해 연결된 힘 F에 대한 양의 델타를 대체할 것이고, 변위는 제로가 될 것이고, 동일한 힘 F는 지지대에 대항하여 누를 수 있고, 따라서 피에조가 제로 변위에서 발휘 (또는 견딜 수 있음)할 수있는 최대 '차단력'F_max도 k_piezo * 델타와 같습니다. 여기서 F_max은 피에조가 완전히 제한된 경우에 사용 가능한 최대 힘이며, 이는 제한되지 않은 경우 동일한 피에조의 변위 델타와 관련이 있습니다. 여기에 주어진 F_max은 작은 신호 특성입니다 : 큰 변위의 경우 F_max은 일반적으로 재료의 편광 변화로 인해 두 번째 요소까지 작습니다.
위의 방정식은 무한 위치 결정 분해능 (가장 작은 식별 가능한 위치 변화)과 정확도 (위치의 알려진 반복 가능한 '정확성')를 약속합니다. 피에조의 달성 가능한 포지셔닝 해상도는 실제로 매우 좋습니다. 불행히도, 압전 액추에이터와 센서는 상당한 히스테리시스와 크리프로 인해 위치 정확도에 영향을 미칩니다. 크리프는 피에조의 변위가 작동 파형의 양수 및 음수 부분에서 동일하지 않다는 사실로 나타납니다. Weiss 도메인은 서로 다른 작동 전압에서 전기장과 얼마나 잘 정렬되는지에 대한 분포를 가지고 있습니다. 그러나 일단 정렬되면 분자 마찰로 인해 처음부터 정렬을 수행하는 데 필요한 낮은 전압으로 이전 상태로 돌아갑니다. 결과적으로, 피에조는 이전에 일어난 일에 대한 기억을 가지고 있습니다. 증가 및 감소 전압 곡선 사이의 변위의 히스테리시스 (따라서 정확도)는 일반적으로 전체 변위의 몇 퍼센트입니다. 크리프는 압전 구동기의 작동 전압을 일정하게 유지하면서 시간에 따른 변위의 변화입니다. 그것은 또한 히스테리시스를 담당하는 재료의 동일한 변화로 인해 발생합니다. 크리프 속도는 일반적으로 전압이 일정했던 시간의 함수로 대수적으로 감소합니다.
플레이트
의 전하에 대한 방정식을 기억하면 전압이 압전 커패시턴스를 통한 기계적 힘 (따라서 k_piezo을 통한 변위)과 관련이 있음을 알 수 있습니다. 피에조 커패시턴스 C는 여기서 epsilon_0는 자유 공간의 유전체 허용도이고, epsilon_r는 압전 유전체의 상대적 허용도이고, A는 활성화 플레이트의 전체 면적이고, d는
이들 플레이트들 사이의 분리이다. epsilon_r를 통해 압전 분극 변화 (따라서 히스테리시스)가 방정식에 들어갑니다. 피에조가 전압 대신 전하에 의해 구동되는 경우, 이 전하 Q와 F_mech 사이에는 직접적인 관계가 있다. 실제로, 일반적인 전압 압전 구동기 대신에 전하 제어 압전 구동기에 의해 구동된다면, 피에조의 히스테리시스의 대부분은 사라진다[2]. 충전 제어는 이 애플리케이션 노트의 뒷부분에서 자세히 설명합니다. 전압 제어와 충전 제어 간의 히스테리시스 차이는 그림 3에 나와 있습니다.
그림 3. 전압 제어 피에조 드라이버에 의해 구동 될 때 피에조의 전시 히스테리시스가 있지만, 플레이트의 전하가 제어 된 매개 변수 인 경우 [2]
피에조에서 다시 그려진 것은 부서지기 쉬운 세라믹 또는 단결정이므로 상당히 취약합니다. 그들은 높은 압축력을 견딜 수 있지만, 긴장과 굽힘 조건 하에서 취약합니다. 그들의 빠른 속도와 힘 능력 때문에, 압전 (자체 질량 또는 그것이 분해하고있는 것)에 의해 구동되는 빠른 가속 / 감속 질량이 피에조를 손상시키지 않도록주의해야합니다. 가속도 a로 속도를 변화시키는 효과적인 이동 질량 m은 피에조에 관성력 F = ma를 가하며,이 힘이 신장 방향에 있으면 제조업체가 제공 한 최대 인장력보다 작게 유지되어야합니다. 너무 빠른 전기 신호로 피에조를 운전하지 마십시오! 의심스러운 경우 어셈블리의 유효 질량과 최대 가속도를 계산하십시오.
장력 하중을 방지하기 위해, 피에조는 종종 작동 되지 않을 때 압전을 압축력으로 설정하는 굴곡 스프링을 사용하여 이동 단부에서 사전 클램핑됩니다.
압전 액추에이터 및 응용 프로그램
압전 액추에이터를 공급하는 잘 알려진 회사는 예를 들어 Physik Instrumente 및 Noliac이지만 다른 많은 것들이 있습니다. 전극의 크기, 두께, 편광 방향 및 위치에 따라 압전 액추에이터는 선형 모드, 전단 모드, 튜브, 벤딩 모드 및 MEMS(마이크로 전자 기계 시스템)의 다섯 가지 광범위한 범주로 분류될 수 있습니다(그림 4 참조). 물론 압전 액추에이터는 거의 모든 형태로 생산 될 수 있기 때문에 많은 변형이 가능합니다. 선형 모드 피에조 액추에이터는 예를 들어 큐브, 로드, 플레이트, 디스크 또는 링일 수 있고, 튜브 스캐너는 예를 들어 실린더 또는 콘 형상의 액추에이터일 수 있고, 후자는 더 낮은 유효 이동 질량을 가지며, 따라서 원통형 튜브보다 더 높은 공진 및 작동 주파수를 갖는다.
그림 4. 압전 액추에이터
의 일반적인 클래스 피에조 액추에이터는 작동하기 위해 상당히 높은 전기장이 필요합니다. 대응하는 구동 전압을보다 관리하기 쉽도록 만들기 위해, 일반적으로 피에조는 소위 스택 피에조로서 그들 사이에 상호 디지털화 된 전극과 함께 압전 재료의 얇은 조각으로 구축됩니다 (그림 5). 묘사 된 방식으로, 행위uator 슬라이스는 기계적으로 직렬로, 전기적으로 병렬로 배치됩니다. 이것은 예를 들어 1000V에서 100V로 작동 전압을 감소시키지만 압전 커패시턴스를 증가시킵니다. 이것은 하나의 드라이브 문제를 없애지 만, 스택 피에조의 더 큰 커패시턴스를 충분히 빨리 충전하고 방전하기 위해서는 큰 전류가 필요하기 때문에 고속으로 다른 드라이브 문제를 일으킬 수 있습니다.
그림 5. 스택 압전 액츄에이터 (편광 방향이 위에서 아래로 그리고 레이어에서 레이어로 다시 위로 변경)
선형 모드 피에조에서 편광은 변위와 동일한 방향입니다. 제조업체가 제공 한 해당 압전 계수는 d_33입니다. 변위는 인가된 전기장의 방향에서 결정의 단순한 신장이다. 이들은 가장 일반적으로 사용되는 피에조입니다. 스택에 사용되는 플레이트 수(스택이 전혀 사용되는 경우)와 크기에 따라 최대 변위는 100nm 미만에서 1mm 이상까지 다양할 수 있습니다. 선형 모드 피에조는 예를 들어 스캐닝 프로브 현미경(SPM)에서 건물의 진동 감쇠에 이르기까지 고속 정밀 위치 단계에서 응용 분야를 찾습니다.
또 다른 잘 알려진 응용은 예를 들어 활성 진동 격리에서, 외부적으로 결합된 진동은 반대 방향의 하나 이상의 피에조의 움직임에 의해 능동적으로 보상된다. 스캐닝 음향 현미경 (SAM)에서 매우 높은 주파수 (MHz 범위) 음향 신호는 선형 모드 피에조에 의해 전송되어 연구중인 물체의 이미지를 만드는 데 사용됩니다. 광학 현미경과는 달리, 고주파 음파가 물체에 침투하여 서로 다른 재료 밀도 사이의 계면에 반사되기 때문에 SAM에서 물체의 내부 구조를 볼 수 있습니다. 작동 원리는 매우 작은 규모의 소나와 매우 유사합니다. 저자가 개인적으로 좋아하는 제품은 Physik Instrumente PIFOC 제품군으로, 피에조 스택을 사용하여 광학 현미경 [3]의 목적에 초점을 맞추는 데 사용되며 우수한 자동 초점 시스템을 구축하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 어린이 장난감의 평범한 피에조 '라우드 스피커'와 증폭 된 어쿠스틱 기타의 고품질 다리 밑의 '바'픽업 센서 (후자는 저자가 가장 좋아하는 또 다른 것입니다)는 선형 모드 피에조의 가능성도 있습니다 : 선형 모드 피에조의 가능성은 거의 무한합니다.
전단 모드 피에조에서는 편광 방향과 전기장이 직각 아래에 있고, 작동하면 피에조가 옆으로 가위됩니다. 여기서 상응하는 기능적 압전 계수는 일반적으로 d_15니다. 전단 모드 피에조는 소형 스캐너와 스틱 슬립 모터에 사용됩니다. 압전 관성 모터라고도하는 후자에서는 질량 (자체 질량 또는 예 : 포지셔닝 스테이지)을 운반하는 전단 피에조가 안내 레일 또는 평평한 표면에 놓여 있지만 고정되지는 않습니다. 이러한 모터를 설계하는 두 번째 방법은 두 개의 질량이있는 선형 모드 피에조를 사용하는 것입니다. 두 가지 유형 모두 도 6에 나타내었다. 피에조는 작동 전압에 의해 천천히 변형되고, 그것이 운반하는 질량은 그것과 함께 움직입니다. 슬라이더와 슬라이더가 놓여있는 표면 사이의 마찰로 인해 압전과 표면 사이의 접촉이 유지되고 그 결과 질량 중심의 순 변위가 발생합니다. 그런 다음 피에조는 갑자기 '단계'전압 변화에 의해 원래 모양으로 되돌아갑니다. 피에조 드라이버. 질량이 순간적으로 따라갈 수 없기 때문에, 피에조를 포함한 전체 움직이는 조립체는 질량 위치의 중심을 유지할 것이다. 피에조 또는 접촉 질량은 매우 짧은 시간 동안 그것이 놓여있는 표면을 따라 '미끄러지는'것이며, 순 변위가 발생합니다. 톱니형 전압파를 피에조에 인가함으로써, 스틱-슬립 모터는 표면 또는 가이드 레일 위로 '걷기' 위해 만들어질 수 있다.
(a) 원리
(b) 곡선 램프
에 세 개의 전단 압전 스틱 슬립 모터가있는 STM (스캐닝 터널링 현미경) 거친 접근 헤드 디자인
(c) Nanosurf Easyscan STM [4]의 셔틀도 스틱 슬립 모터
로 움직입니다. 그림 6. 피에조 스틱-슬립 모터; [5]
Attocube 회사는 스틱 슬립 모터 원리에 기반한 다양한 스캐너를 보유하고 있으며 Nanosurf는 스틱 슬립 모터를 사용하여 연구 대상 물체와 접촉하는 작은 단계에서 엔트리 레벨 스캔 터널링 현미경 (STM)의 팁을 가져옵니다 ( '거친 접근법'). 다른 압전 기반 포지셔닝 스테이지와 비교할 때, 스틱 슬립 모터는 사실상 무제한의 범위를 가지고 있습니다 : 최소 스텝 크기는 전기 및 기계적 역학에 의해 제어되며, 최대 변위는 피에조가 움직이는 가이딩 레일의 길이에 의해서만 제어됩니다. 스틱 슬립 접점은 모터가 제대로 작동하려면 깨끗하고 먼지가 없는 상태로 유지되어야 합니다.
튜브 스캐너는 전단 모드 압전 튜브 본체에서 서로 90도 각도로 두 개의 X 및 Y 전극 쌍으로 구성되며 종종 Z 방향 전극 쌍도 포함합니다. 상대 전극은 튜브 내부에서 공통적으로 접지 된 금속화입니다. 전극 쌍은 차등적으로 구동되며, 즉, 하나의 전극은 압전 구동기로부터 포지티브 작동 전압을 수신하고, 반대쪽의 다른 전극은 튜브 내부에 공통 접지를 갖는 동일한 크기의 네거티브 작동 전압을 수신한다. 튜브 스캐너는 스트로크가 큰 공간 효율적인 단일 액추에이터에서 양방향 XY 스캐닝 모션을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 사실, 움직임은 큰 반경 구체의 상단을 따르고 있습니다. 필요한 경우 별도의 Z-스캐너를 사용하여 z 방향으로 수정할 수 있습니다. 일반적으로 Z-스캐너는 XY 스캐너와 통합되어 있습니다. 이 경우 튜브 스캐너의 둘레를 완전히 덮는 하나의 외부와 하나의 내부 및 전극이있는 튜브의 연장이 있습니다. 이 두 Z 전극 사이에 전압을 인가하면 튜브가 길어집니다. 대안적으로, X 및 Y 전극은 Z에서 변위를 생성하기 위해 내부 튜브 전극에 대하여 동시에 작동될 수 있지만, 이것은 구동 신호를 복잡하게 만든다(도 7).
굽힘 모드 피에조는 일반적으로 상부 및 하부 전극을 갖는 편평한, 일측 고정 박판 또는 빔이고, 피에조는 서로에 대하여 반대 방향으로 편광된 두 조각의 물질로 구성된다(도 5 참조). 일반적으로 압전 액추에이터의 전극 사이에는 작은 변위 만 가능합니다. 그러나이 경우, 공진에있을 때, 긴 빔에 의한 기계적 증폭으로 인해, 큰 변위 (플레이트의 두께보다 큰)가 얻어질 수 있습니다.맨 끝에 d.
압전 변압기는 이러한 원리에 기초한다(그림 8). 이들은 피에조를 움직이게하기 위해 빔의 고정 된 끝 근처에서 그들 사이에 큰 커패시턴스를 가진 두 개의 큰 전극을 가지고 있습니다. 자유 단부에서 큰 공진 변위 진폭은 자유 단부의 (더 작은) 판에서 높은 전압을 생성합니다. 자기 변압기에서와 마찬가지로, 더 높은 전압 측은 더 작은 전류 구동 기능을 가지고 있습니다 : 순 에너지가 생성되지 않습니다. 에너지는 빔의 한쪽에서 다른쪽으로, 기본적으로 음향적으로 전달됩니다.
그림 7. XYZ 압전 튜브 액추에이터
그림 8. 압전 변압기 작동 원리. 큰 편향으로 인해 오른쪽
에 높은 출력 전압이 생성됩니다 압전 변압기는 공진 주파수에서 구동되는 경우에만 올바르게 작동합니다. 이 공진은 온도, 노화 및 전기 부하 조건에 따라 바뀔 수 있습니다 (이것은 실제로 모든 피에조에 적용됩니다). 따라서 상당히 정교한 구동 및 제어 회로는 입력 구동 신호 전압을 피에조의 순간 조건에 적합하게 유지해야합니다 [6]. 피에조 변압기는 한때 LCD 노트북 컴퓨터 화면에서 백라이트에 대한 고전압을 생성하는 데 인기가 있었지만 이제는 다른 디스플레이 기술로 대체되었습니다. 이에 대한 증언은 한때 저렴한 가격으로 대량으로 제공되었지만 지금은 거의 사용할 수없는 전용 드라이버 칩의 노후화입니다. 그러나 마이크로 가공 된 MEMS 압전 변압기는 잠재적으로 칩에서 고도로 소형화 된 고전압 발생기로 사용될 수 있으며 최근 활발한 연구 분야입니다 [7].
MEMS 기술에서 압전 액추에이터는 독립형 구조물뿐만 아니라 액추에이터로 자주 사용됩니다. 그들은 종종 표면 및 벌크 음향 공진기와 같은 기계적 필터로 음향 신호를 발사하는 데 사용됩니다. 또한 가속도 센서 및 자이로스코프에 대한 변위를 생성(테스트)하는 데도 사용됩니다. 또한, 압전 층은 감지 목적으로 MEMS에서 광범위하게 사용됩니다. MEMSCAP은 압전 층을 포함한 실험적 MEMS 구조를 비교적 저렴한 비용으로 제조 할 수있는 PiezoMUMPS라는 다중 사용자 프로세스를 제공합니다 [8].
외부 및 압전 진동 감쇠
압전 액츄에이터의 고유 한 재료 특성은 압전 액추에이터의 기계적 반응을 크게 결정합니다. 피에조는 댐핑 계수가 낮은 공진 시스템이므로 실제로 이러한 목적으로 최적화되면 높은 Q 압전 공진을 시계 및 시간 유지를위한 주파수 표준에 사용할 수 있습니다.
피에조의 강성은 작동 목적으로 높이 평가되지만 일반적으로 경보 및 특정 유형의 초음파 변환기를 제외하고는 공명이 아닙니다. 피에조가 작동되지 않을 때조차도, 공명은 외부 세계로부터 시스템에 결합 된 진동의 '증폭'에 의해 볼 수 있습니다. 도 9에서는, 포지셔닝 시스템의 간단한 모델이 도시되어 있다. 이 모델은 광학 테이블 측정 설정부터 스캐닝 프로브 현미경(SPM, 예: AFM(원자력 현미경) 또는 STM(스캐닝 터널링 현미경))에 이르기까지 광범위한 사례를 설명합니다. 공통적 인 속성은 모두 보험 계가되어야하는 점을 가지고 있다는 것입니다.일부 객체 참조 위치 ( '객체 위치')를 기준으로 높은 정밀도 ( '액추에이터 위치')로 ted.
그림 9. 기계적 루프를 작고 뻣뻣하게 유지
할수록 전체 기계적 루프가 뻣뻣
할수록 외부 힘을받을 때 루프가 덜 변형되고 물체 위치에 비해 액추에이터 위치의 위치 정확도가 향상됩니다. 작은 루프는 일반적으로 긴 루프보다 더 뻣뻣한데, 왜냐하면 다른 모든 파라미터들이 동일하게 유지되기 때문에, 빔의 두 배 길이의 빔은 여덟 배 더 작은 평면 굽힘 강성을 가질 것이고, 압축 강성은 두 배 더 작을 것이다. 따라서, 정밀 포지셔닝 시스템은 종종 적어도 액추에이터에서 오브젝트까지의 경로를 따라 루프에 대하여 가능한 한 기계적으로 콤팩트하도록 설계된다.
다음 단계는 루프를 외부 진동으로부터 분리하는 것입니다. 그림 10에는 일반적으로 사용되는 솔루션의 세 가지 '고급'버전이 나와 있습니다. 광학에서 이것은 일반적으로 스프링이있는 다리에 공명이없는 무거운 질량 테이블 인 '광학 테이블'로 수행됩니다. 테이블 자체는 종종 돌입니다 (화강암은 멋지게 보이며 매우 평평하게 가공 될 수 있습니다). 많은 장착 구멍이 필요한 경우 (실험적인 '브레드 보드'), 금속 테이블도 사용할 수 있지만 테이블 베드에서 공진을 방지하기 위해 특정 방식으로 구성됩니다. 예를 들어 대형 광학 제조업체 및 유통 업체 인 Newport는 금속 광학 테이블 내부에 전용 '벌집'구조를 가지고 있습니다 [9]. 기계적 루프의 서브 nm 안정성을 필요로하는 AFM 커뮤니티는 비슷한 접근 방식을 취합니다. 더 작은 기계식 루프를 가진 작은 장치인 AFM 자체는 작고 무거운 질량 테이블 위에 놓여지고 AFM에 쉽게 접근할 수 있도록 문이 있는 방음 상자 내부의 번지 코드(축축한 스프링)에 매달려 있습니다. 때때로이 상자는 지상 전도 진동으로부터 더욱 격리되기 위해 광학 테이블에 다시 배치됩니다. STM 실험 (100-pm 이하 해상도)은 일반적으로 UHV (초고 진공)에서 수행되며 대형 진공 챔버가 필요합니다. 이들은 광학 테이블 (및 자동차)과 같은 방식으로 스프링이있는 다리에 매달릴 수 있습니다. 진공 챔버 내부에서, STM을 포함하는 플랫폼은 AFM과 동일한 방식으로 현탁된다. UHV에서 대부분의 재료를 사용하는 것은 가스 배출로 인해 문제가되지 않기 때문에 번지 코드는 금속 스프링으로 대체됩니다. 이 스프링에는 댐핑이 없기 때문에 선박 측에 자석을 장착하고 플랫폼에 구리 플레이트를 장착하거나 다른 방향으로 회전하여 수행됩니다. 자석이 진동 커플링으로 인해 구리 플레이트에 비해 이동하면 진동은 움직이는 자석에 의해 구리에서 유도되는 와전류의 소산에 의해 감쇠됩니다.
이러한 모든 접근법은 동일한 기본 원리로 귀결됩니다 : 저주파 질량 스프링 시스템에 의해 시스템을 주변과 분리하고 진동 격리 시스템 (이상적으로)이 비판적으로 감쇠 된 두 번째 주문 시스템으로 작동 할 때까지 댐핑을 추가하십시오. 그림 11은 관련된 트레이드오프를 보여줍니다. 첫 번째 주문 시스템은 공진이 없지만 '-1'기울기 (주파수 10 년 당 10 배 진폭 감소)를 갖기 때문에 고주파에서는 실제로 잘 분리되지 않습니다. '-2' 기울기(10년 당 100배 더 작은 진폭)를 갖는 공진 2차 시스템은 고주파에서 양호한 댐핑을 갖지만 해상도에서 높은 커플링 진폭을 갖는다.onance 주파수. 과감쇠된 두 번째 주문 시스템은 -3dB 차단 주파수보다 훨씬 높은 주파수에서 두 번째 주문 동작이 인계받을 때까지 첫 번째 주문 시스템과 동일한 -1 기울기를 갖습니다. 따라서 이상적인 것은 가능한 한 낮은 차단 주파수를 가진 임계 감쇠 된 2 차 시스템으로 작동하는 진동 격리 시스템을 만드는 것이며, 주파수 응답이 컷오프 바로 위의 -2 경사로 떨어지기 때문에 임계 댐핑입니다. 일부 광학 테이블은 또한 '튜닝 된 댐핑'을 사용하여 저감쇠 된 두 번째 순서 공명 피크를 낮 춥니 다.
(a) 광학 테이블에는 다리 안팎의 스프링이 있고 다양한 모양으로 나타납니다.이 테이블에는 중간에 큰 구멍이 있고 진공 프로브 스테이션이 장착되어 있습니다 : 분자 터보 펌프는 하단에 있으며 광학 테이블 아래에 매달려 있습니다. 그것은 [10] (b) 방음 상자에 현미경으로 진동 격리 단계에서 사용되며, 댐핑은 예를 들어 [11]
에서 사용되는 서스펜션 번지 코드에 있습니다. 이 개념은 [5]
그림 10 에서 조정된 와전류 댐핑이 있는 AFM
(c) STM에도 자주 사용됩니다. 댐핑
을 이용한 진동 격리 예 능동적으로 감쇠된 진동 격리 시스템에서 이러한 반응은 종종 수동 질량, 스프링 및 댐퍼만을 사용하는 것보다 구하기가 더 쉽습니다. 능동 진동 격리 단계의 단점은 잘못된 질량으로 적재되거나 질량 중심이 제어 전자 장치가 기대하는 '올바른'위치에 있지 않은 경우 큰 오버슛 또는 진동을 더 쉽게 발생시킨다는 것입니다. 능동 진동 격리는 영구적 인 설정에는 권장 될 수 있지만 상황이 항상 바뀌는 실험적인 설정에는 권장되지 않습니다. 그러나 능동 시스템은 '완벽한' 진동 격리를 위한 더 많은 가능성을 가지고 있습니다. 한 가지 예는 예를 들어 '스카이 후크'댐핑으로, 스테이지의 절대 속도는 정지 된 정지 된 '지진'질량에 대해 측정되고 적극적으로 대응됩니다. 그 결과 (이상적으로는) 무대가 '하늘에 푹 빠져있는'것처럼 매우 낮은 주파수까지 진동이 전혀 전달되지 않습니다 [1].
그림 11. 우수한 진동 분리는 낮은 차단 주파수
를 가진 비판적으로 감쇠된 2차 시스템에 의해 얻어지며, 수동 압전 기반 진동 격리 및 보상도 사용된다[12]. 이 경우 피에조는 피에조의 전달 기능과 일치하는 댐핑 네트워크에 전기적으로 연결됩니다. 이것은 인덕터와 저항기로 생성 된 댐핑이있는 하나 이상의 공진 회로를 사용하여 수행되며, 전자 공진 회로의 커패시턴스는 압전 커패시턴스 자체에 의해 형성됩니다. 필요한 인덕턴스가 다소 큰 경우가 많기 때문에 자이레이터 활성 회로를 사용하여 인덕터를 전자 인덕턴스 시뮬레이션 등가물로 교체하는 옵션도 있습니다. 전자 압전 정합 회로는 최적의 압전 액추에이터 커플링 회로의 맥락에서 이 애플리케이션 노트의 파트 II에 대해 광범위하게 논의된다(마지막 섹션 참조).
압전 액추에이터 자체는 날카로운 공진 피크와 함께 매우 높은 품질 계수 Q를 가지고 있습니다. 'ampl 이외에외부 세계로부터의 진동을 일으켜 전기 구동 신호에 공진 주파수의 전력이 포함되어 있으면 큰 진폭을 공명합니다. 재료 특성에 의해 결정되기 때문에 이러한 진동을 기계적으로 필터링하는 것은 간단하지 않지만 기계적 루프에서 돌 / 콘크리트 또는 고무 (또는 피에조가 장착 된 접착제)와 같은 댐핑 재료는 특히 피에조의 양쪽에서 사용되는 경우 유익 할 수 있습니다.
피에조 액츄에이터의 움직임이 기계적 루프에서 공진을 설정하는 것을 방지하기 위해, 상보적인 접근법은 '카운터 피에조'를 추가함으로써 작동의 질량 중심을 정지된 상태로 유지하는 것이다(도 12). 카운터 피에조는 작동 피에조와 같은 유형이지만 반대 방향으로 움직이도록 구동됩니다. 이러한 방식으로, 파괴적인 음향 간섭에 의해 작동 피에조에 의해 기계적 루프로 발사되는 진동을 보상합니다. 낮은 주파수에서, 이것은 상당히 잘 작동합니다 (피에조가 동일한 정밀도까지). 주파수가 거의 정확히 동일하지 않은 피에조의 날카로운 공명으로 인해 작동 주파수가 공명에 가까워짐에 따라 유익한 효과는 종종 감소합니다. 또한, 이러한 방식으로 지지 구조물의 비틀림력을 상쇄하는 것은 어렵다.
그림 12. 질량의 중심은 카운터 피에조를 사용하여 기계적 루프에 대하여 정지된 상태로 유지되며, 예를 들어 압전 구동기로 액추에이터를 스티어링하는 [5]
로부터 적응된다: 해상도, 정확도, 속도 및 전력
피에조의 위치 결정 분해능이 우수할 수 있다. 초저잡음 Falco Systems WMA-200 하이 앰프와 같은 최첨단 피에조 구동기를 사용하는 경우 잡음에 대한 전자적 기여도는 거의 무시할 수 있습니다. WMA-200 모델이 0 â € "175V 출력 전압 범위와 DC - 100kHz의 50uV_rms 잡음을 가진 단극 압전 드라이버로 사용되는 경우 전자 해상도는 50 * 10 ^ -6 / 175 = 풀 스케일 변위의 2.7 * 10 ^ -7 배입니다. 피에조가 예를 들어 10um 범위를 갖는 경우, 이것은 작동 전압과 독립적으로 2.7 pm_rms의 분해능에 해당합니다. 물론, 피에조 드라이버를 조향하는 신호 발생기는 일치하는 저잡음 성능을 가져야 한다. 실제로 해상도는 이보다 클 수 있습니다 (예 : 피에조가 굴곡 경첩에 대한 마찰을 나타내는 경우). 가장 높은 해상도의 응용 프로그램의 경우 피에조는 독립적으로 자유롭게 이동할 수 있어야 합니다.
정전기 작동식 MEMS(마이크로 전자 기계 시스템)는 정밀도와 정확성에서 압전 액추에이터와 경쟁합니다. 이들은 또한 몇 미크론의 순서로 변위 할 수있는 미세한 이동 구조입니다. 적절하게 설계되면 히스테리시스가 훨씬 낮을 수 있지만 일반적으로 1N / m 정도의 피에조에 비해 강성이 매우 낮습니다. MEMS의 공진 주파수는 매우 높을 수 있으며, 일반적인 압전 액추에이터의 공진 주파수보다 훨씬 높을 수 있습니다. 그러나 피에조 드라이버에 의해 야기된 피에조의 결과 위치 잡음은 일반적으로 유사한 MEMS 장치의 위치 잡음보다 낮다는 점에 주목하는 것이 흥미롭다. 첫 번째 순서로, 피에조는 압전 구동기의 작동 전압에 선형으로 반응합니다. 의도된 작동 신호와 잡음 전압은 서로 겹쳐집니다. 낮은 또는 높은 작동 전압에서의 위치 잡음은 동일합니다. 정전기 MEMS 장치는 작동 전압의 제곱에 반응합니다. 그 결과 잡음에 순간 작동 전압을 곱한 잡음 항이 높은 작동 전압에서 위치 잡음을 지배하게 됩니다. 이 용어는 일반적으로 압전 액추에이터의 소음 용어보다 큽니다. 포괄적인 애플리케이션 노트 "고전압 증폭기를 사용한 MEMS의 정전기 작동: 빗 드라이브 부상 및 풀인에서 유전체 충전 및 위치 잡음에 이르기까지"는 여기에서 자세한 내용을 확인할 수 있습니다.
히스테리시스는 큰 신호 조건 하에서 피에조의 정확도를 종종 몇 퍼센트 이상으로 제한하지만, 일정한 진폭을 갖는 주기적 스캐닝 동작은 사용된 위치가 히스테리시스 곡선의 항상 동일한 측면에 있는 한, 매우 높은 반복성을 가질 수 있다(그림 3). 이것이 AFM과 STM이 제어 루프를 사용한 위치 보정에 의존하지 않고도 매우 높은 평면 내 정밀도를 가질 수 있는 이유입니다. 히스테리시스는 피에조 재료 섹션에서 위에서 논의한 바와 같이 전하 제어 방식이 사용되는 경우 상당히 감소될 수 있다. 일반적인 구현은 도 13 [13]에 제시되어 있다. 압전 구동기에서 나오는 출력 전압은 압전 액츄에이터와 고품질 커패시터로 구성된 정전 용량 전압 분배기에 공급됩니다.
그림 13. 전하 제어
가 가능한 압전 액추에이터의 히스테리시스 감소 커패시터와 피에조만 있는 구성은 정전 용량의 임피던스가 무한대로 이동하는 저주파에서는 안정적이지 않습니다. 누설 전류로 인해 증폭기가 드리프트되어 전원 공급 장치 레일에 클립되는 상황을 방지하기 위해 두 개의 저항기로 구성된 DC 경로를 사용하여 매우 낮은 주파수에서 피에조를 가로지르는 전압을 정의합니다. 때때로 저항들이 더 복잡한 전류 소스 체계로 대체되는 경우에
주파수-독립적인 응답이 얻어질 것이다[14]. 충전 드라이브는 작동하지만 상대적으로 거의 사용되지 않습니다. 설정의 복잡성은 더 크고, 시스템에는 잠재적으로 불안정한 제어 루프가 포함되어 있으며, 튜브 스캐너와 같이 단일 카운터 전극과 함께 여러 채널을 사용하는 경우 채널 간의 교차 대화와 관련된 문제는 거의 극복 할 수 없습니다. 또한, DC 경로에 대한 저항기는 반드시 M-Ohms에서 반드시 높은 값 유형입니다. 이러한 저항기는 많은 열 잡음을 가지며, 연산 증폭기 입력 파라미터로 인한 제어 루프의 잡음과 마찬가지로 실제로 위치 결정 분해능을 지배할 수 있다. 그러나 가장 중요한 것은 압전 히스테리시스의 지배적 인 원인이 제거되었지만 일부 히스테리시스는 여전히 남아 있으며 높은 위치 정확도를 얻기 위해 충전 제어에만 의존 할 수 없다는 것이 너무 많습니다.
변위 정확도는 폐쇄 루프 위치 제어 전자 장치로 상당히 향상 될 수 있습니다. 이 경우 변위 센서는 압전 액츄에이터와 통합되며, 압전 구동기에서 나오는 작동 전압은 네거티브 피드백을 사용하여 센서에서 나오는 특정 위치 신호에 대응하도록 조정됩니다. 사실, 스캐닝 프로브 현미경 응용 분야에서도 동일한 요구 사항이 적용됩니다. 이 경우에만 절대 위치가 아니라 샘플에 대한 '위치'(AFM의 힘 또는 STM의 전류)를 유지해야합니다. 상수. 피드백 루프에 대한 고려 사항은 동일합니다.
네거티브 피드백 루프의 가장 간단한 경우는 비례 피드백입니다(그림 14). 피드백 컨트롤러는 피에조 x_out의 위치를 x_in에서 설정된 필수 위치와 동일하게 가져오는 기능을 가지고 있습니다. 제어 루프에는 큰 개방 루프 이득 A_OL과 전달 함수 베타 = 1 인 피드백 네트워크가 있습니다 (베타 < 1 인 경우 이득 x_in 1을 가진 x_out에서 >까지의 증폭기가 있습니다). x_out 실제 압전 위치는 x_in 의도한 값에서 빼고 결과 오차 x_err에 A_OL을 곱합니다. 우리는 A_OL
이 무한하다면 입력과 출력 사이의 관계는 베타에 의해서만 결정됩니다. 실제로 A_OL은 높지만 무한하지는 않으며 주파수가 상승함에 따라 A_OL이 작아집니다. 피에조 히스테리시스 및 기타 오류로 인해 개방 루프 조건에서 원치 않는 추가 변위 델타가 발생합니다. 이러한 오류는 네거
티브 피드백에 의해 감소되며, 이는 오차가 루프 이득에 의해 대략 감소된다는 것을 의미하며, 이는 개방 루프 이득과 폐쇄 루프 이득의 차이이다. 베타 = 1인 경우, 압전 히스테리시스 및 기타 오류를 줄이기 위해 전체 개방 루프 이득 A_OL을 사용할 수 있습니다.
그림 14. 피드백 루프의 '초과 루프 이득'은 히스테리시스를 포함한 전달 함수의 오류를 줄이는 데 사용됩니다. 더 높은 주파수에서, 이 이득은 루프를 안정
하게 유지하기 위해 감소된다 이러한 목적을 위한 공통 센서는 예를 들어 스트레인 게이지, 가변 커패시터 및 LVDT(선형 가변 차동 변압기)이다. STM의 경우, '센서' 신호는 양자 기계적 터널링 전류에서 나오고, AFM의 경우 작은 캔틸레버 빔의 변위로부터 온다. 센서는 매우 높은 정확도를 가져야하며 종종 센서 (또는 센서 프리 앰프) 잡음이 위치 잡음을 지배합니다. 그러나 폐쇄 루프 압전 시스템의 가장 중요한 단점은 속도입니다. 부정적인 피드백에 의존하기 때문에 드라이브 신호, 피에조가 수행하는 작업 및 센서 신호 사이에 큰 위상 차이가 없어야합니다. 더 높은 주파수에서 압전 응답과 센서 신호는 입력 구동 신호를 지연시키고, 이 위상 지연이 너무 커지면 폐쇄 루프 시스템이 진동합니다. 이로 인해 이득 대역폭에 제한이 있으며 동시에 속도가 제한되며 주파수가 점점 더 높아짐에 따라 피드백의 치료 특성도 제한됩니다. 후자는 증폭기를 안정적으로 유지하기 위해 주파수가 상승함에 따라 일반적인 피드백 방정식에서 A_OL 개방 루프 이득이 감소하기 때문입니다. 자세한 내용은 [15]를 참조하십시오. 차수 보상이 높을수록 이러한 단점을 다소 줄일 수 있지만 '이득은 180도 위상 이동에서 하나보다 작아야합니다'기준은 여전히 적용됩니다. 일반적인 고차 제어 체계는 PID (비례, 적분 및 차등)입니다. 컨트롤러는 단계 신호의 장기 오차와 에지 응답이 위의 방정식의 비례 항과 함께 개별적으로 제어됩니다. PID의 차동 항은 더 높은 주파수에서 루프 이득이 감소하는 효과를 감소시키고 그에 상응하여 피에조 히스테리시스의 덜 완벽한 억제의 효과를 다소 감소시킬 수 있지만, 상당한 오차는 높은 주파수에서 남아있을 것이다. 이것이 스캐닝 프로브 현미경 분야에서 일반적으로 높이 이미지와 에러 이미지가 모두 기록되는 이유입니다. 상기 저주파 정보는 높이 이미지에; 고주파 정보는 두 이미지 간에 공유됩니다.
구동되는 압전 액추에이터 시스템에 대한 특정 사전 지식을 사용하는 개방 루프 보정 체계도 시스템 속도를 높이는 데 사용됩니다. 특히, 피에조의 기계적 전달 함수의 역을 모방하도록 전자 전달 함수를 설계 할 수 있습니다. 피에조가 완벽하게 특성화되고 안정적이라면, 이것은 충분히 잘 작동하지만, 실제로는 높은 Q와 천천히 변화하는 피에조 특성은이 접근법의 정확성을 제한합니다. 우리는이 응용 프로그램 노트의 파트 II에서 이에 대해 더 많은 것을 말할 것입니다.
압전 변압기는 압전 제어 루프 사업의 특별한 경우입니다. 도 15에서, 압전 변압기의 전기 전달 함수는 일정하지 않지만, 부하에 따라 크게 변화한다는 것을 알 수 있다. 또한, 공명 피크는 또한 온도 변화 및 노화로 인해 변할 것이다. 동시에 구동 신호 주파수는 공진 피크에 고정되어야하며, 그 진폭은 압전 변압기의 출력 전압이 부하 및 공진 품질 계수 Q와 독립적 인 정도로 제어되어야합니다. 또한 일반적인 압전 수정 발진기에 사용되는 것과 같은 발진기 회로를 만들 가능성을 방지하는 기계적 경로를 따라 시간 지연이 있습니다. 이를 수행하는 방법은 발진기에서 압전 변압기를 사용하려고 시도하지 않고 출력 전압이 별도의 전압 제어 발진기와 공진 구동기 스테이지를 구동하도록하는 것입니다 (그림 16) [6].
그림 15. 전기 부하
의 함수로서 압전 변압기의 전기 전달 함수는 도 16에 도시 되어 있다. 권장 압전 변압기 제어 루프 솔루션. 공진 전력 스테이지(도 18 참조)는 압전 변압기를 구동한다. 출력 고전압은 정류되고(접지에 대하여, 단일 다이오드는 AC 경로로 인해 충분하지 않을 것이다), 기준과 동일한 전압으로 분할되고, 두 개의 에러가 증폭되어 전압 제어 발진기(VCO)로 보내진다. VCO는 전원 스테이지를 구동합니다.
피에조 액추에이터는 증폭기를 압전 구동기라고 부르더라도 고전압 증폭기를 구동하기가 매우 어려운 부하입니다. 첫 번째 요점은 압전 구동기가 실수로 압전 자체에 의해 생성되어 드라이버 출력으로 피드백되는 전압을 견딜 수 있어야한다는 것입니다. 작은 피에조 결정에 대한 충격이 담배 라이터 가스를 점등시키는 스파크를 생성하기에 충분하다면, 피에조의 기계적 여기로부터 피드백되는 전압 및 에너지가 중요 할 수 있음을 이해할 수 있습니다. 피에조 액추에이터를 다루는 동안 항상 부드럽게하는 것이 좋지만 특히 연결된 경우 특히 그렇습니다. 피에조 드라이버에. 설정에 대한 기계적 조정이 이루어지기 전에 피에조를 드라이버에서 분리하는 것이 좋습니다. 공진 조건 하에서 피에조에 의해 생성 된 스퓨리어스 전압은 잘 설계되지 않은 압전 구동기 출력 단계에서 혼란을 야기 할 수 있습니다.
공진 주파수 아래에서, 피에조는 높은 값 커패시터로서 동작하며, 일반적으로 나노패라드에서 마이크로패라드에 동작한다. 그들은 50V와 1kV 사이의 전압에 의해 조종되어야합니다. 최신 증폭기(그리고 피에조 드라이버도 예외는 아님)는 일반적으로 낮은 드리프트, 정밀한 증폭, 저잡음 및 왜곡, 높은 대역폭과 같은 우수한 사양을 얻기 위해 부정적인 피드백을 사용합니다. 이러한 증폭기가 출력에서 용량성으로 로드되는 경우, 피드백 루프는 드라이버의 출력 임피던스와 피에조의 커패시턴스에 의해 형성되는 낮은 pas 필터로 인해 추가 시간 지연을 얻게 되며, 따라서 위상 이동이 발생합니다. 이러한 위상 이동은 압전 구동기의 피드백 위상 마진을 낮출 수 있으며, 이로 인해 구동기는 전압의 갑작스러운(스텝) 변화로 오버슛 및 링을 일으킬 수 있습니다. 일부 상용 증폭기는 특정 정전 용량 부하로 인해 완전히 불안정 해져서 완전히 진동하는 것으로 알려져 있습니다.
압전 구동기의 출력에서 관찰되는 오버슛이 낮은 위상 마진 피드백 루프에 의해 발생하는지 또는 압전 공명 자체에 의해 발생하는지 여부는 종종 쉽게 결정할 수 있습니다. 오버슛의 주파수가 피에조의 공명 주파수에 가까우면 압전 공명입니다. 그렇지 않은 경우 증폭기 피드백 루프입니다. 물론 두 가지 효과가 우연히 동일한 주파수 근처에서 발생하지 않는 한,이 경우 무슨 일이 일어나고 있는지 풀기 위해 특별한주의가 필요합니다.
Falco Systems 압전 구동기 제품군에는 정전 용량 부하 조건에서 오버슛이 발생하지 않도록 하는 기능이 있습니다. WMA-280 모델 만이 이러한 의미에서 '일반'증폭기이며 오버 슛을 표시하지만 WMA-100, WMA-200 및 WMA-300 모델은 그렇지 않습니다. "고전압 증폭기 및 유비쿼터스 50Ohm: 주의 사항 및 이점"이라고 하는 압전 구동기의 정전 용량 부하를 자세히 설명하는 애플리케이션 노트가 여기에서 확인할 수 있습니다.
고속, 고전압 진폭 작동이 필요한 경우 또 다른 요소가 작용합니다. 커패시터 C의 정의 방정식에 의해 큰 전류를 빠르게 고전압으로 충전하기 위해 큰 전류가 걸리고, 전압, t 시간 및 충전 전류 I
에 V가 있으면 필요한 전류가 압전 구동기의 최대 출력 전류 능력보다 크면 전압이 변하는 최대 속도는 최대 전류에 의해 제한될 것이다. 운전자는 지탱할 수 있습니다. 이렇게 하면 압전 구동기의 출력에서 전압이 변할 수 있는 최대 기울기 dV/dt로 정의되는 증폭기의 슬루율이 낮아지며, 일반적으로 V/us로 제공됩니다. 슬루율이 의도한 주파수에서 의도한 출력 전압 진폭에 충분하지 않으면 상승 시간이 길어짐에 따라 신호가 왜곡됩니다. 사인파에서 이러한 유형의 왜곡은 주파수가 증가함에 따라 사인파가 점진적으로 더 '삼각파 같은' 것이 되기 때문에 특히 쉽게 발견할 수 있다(그림 17).
그림 17. 사인파에 필요한 최소 슬루율 충실
하게 재현 최대 피크 투 피크 사인파 출력 전압 V_pp,명시된 고유 슬루율 S를 가진 증폭기가 슬루율 관련 왜곡
을 도입하지 않고 제공 할 수있는 주파수 f에서 최대 피크 - 투 - 피크 사인파 출력 전압 I_L 증폭기의 암페어, 다시 슬루 제한이 발생하지만, 커패시턴스가 사용 가능한 최대 전류보다 더 빨리 충전될 수 없기 때문에 증폭기의 고유 슬루율보다 S_I 낮은 슬루율로 발생합니다.
이렇게 낮아진 슬루율은 출력 전압 Vpp,max를 낮춥니다. 슬루율과 온라인 슬루율 계산기를 포함한 증폭기 속도 제한에 초점을 맞춘 애플리케이션 노트는 "고전압 증폭기 - 실제로 얼마나 빠릅니까?"라는 제목의 응용 프로그램에서 확인할 수 있습니다.
도 6의 스틱 슬립 모터는 높은 슬루율이 요구되는 응용 분야 중 하나입니다. 상승하는 램프 전압은 피에조를 천천히 구부리지만, 갑자기 전압이 제로, 이상적으로는 한 번에 다시 스텝됩니다. 0V까지의 스텝에 필요한 최소 슬루율은 관성 이동 질량과 피에조와 가이드 레일 / 보행 표면 사이의 접촉에 대한 최대 지속 가능한 마찰력에 달려 있습니다. 여기서도 압전 구동기의 최대 출력 전류와 압전 커패시턴스를 평가하는 것이 중요합니다. 이것은 피에조가 압전 드라이버의 고유 슬루율의 속도와 함께 이동할지 또는 더 낮은 전류 제한 슬루율로 이동하는지 여부를 확인하는 것입니다.
일부 압전 구동기 제조업체는 설계에서 압전 구동기가 시간의 작은 부분 동안 슬루율 제한을 방지하기 위해 고전류를 공급하는 데만 필요하다고 가정합니다. 이를 통해 높은 평균 출력 전류를 갖는 증폭기를 구축하는 데 필요한 추가 비용 없이 매우 높은 피크 출력 전류를 갖는 증폭기를 구축할 수 있습니다. 이러한 증폭기는 넓은 범위의 연속적이고 빠른 주기적 동작을 생성하는 데 사용할 수 없습니다. 예를 들어 AFM 또는 STM에서 빠른 z-piezo를 구동하여 표면의 작은 특징을 따르는 것이 유용 할 수 있습니다.이 경우 피에조가 깨지기 쉬운 스캐닝 팁을 신속하게 수축하여 표면에 충돌하는 것을 방지해야하는 표면에서 가끔 '범프'가 발생하지만 그렇지 않으면 많은 전류를 전달할 필요가 없습니다. 또 다른 응용 분야는 압전 커패시턴스가 매우 높은 상황에서 위에서 언급한 스틱 슬립 모터일 수 있다. 이러한 동작 중에 증폭기의 평균 전류 정격이 초과되면 해당 증폭기가 갑자기 과열되거나 최대 출력 전류 용량이 일시적으로 감소합니다. 둘 다 증폭기 출력 신호 특성의 변화를 초래합니다. AFM 또는 STM의 경우, 예를 들어 팁 충돌이 발생하거나 스틱 슬립 모터가 일정 시간 후에 더 이상 작동하지 않을 수 있습니다. 때로는 피크 대 평균 전류 비율이 높은 증폭기에서 성능 이점을 얻을 수 있습니다. 그러나 사용 / 시간에 따라 출력 신호의 특성이 다양하기 때문에 Falco Systems는 평균 전류와 피크 전류가 동일한 증폭기 만 제공합니다. 이러한 증폭기는 모든 조건에서 동일한 동작을 충실하게 표시하며 큰 진폭 사각형을 쉽게 증폭합니다. 가끔씩 큰 여행을하는 작은 불규칙한 신호로 파동.
많은 압전 액추에이터는 주로 첫 번째 공진 주파수 아래에서 사용되지만 초음파 공진 변환기와 같은 다른 것들은 공진에 사용하기위한 것입니다. 이 경우 드라이브 요구 사항이 크게 변경됩니다. 기계적 공진 주파수 자체에서, 피에조는 순수한 저항, 즉 전압과 전류가 위상에 있는 것처럼 전기적으로 작용한다. 이 저항은 종종 낮은 주파수에서 정전 용량의 임피던스에 비해 낮습니다. 즉, 공진시에는 공진 이하보다 낮은 압전 구동기 전압과 더 높은 전류가 필요합니다. 정확한 사양에 따라이 신호는 앞에서 설명한 것과 유사한 압전 드라이버에서 올 수 있습니다. 이러한 상황에서 일반적인 대형 대역폭 피에조 드라이버를 사용하는 것은 저전력 응용 제품 및/또는 실험 설정에서 종종 흥미롭습니다. 그러나 최종 응용 분야에서는 문제의 압전 주파수에 최적화 된 더 낮은 전압, 더 높은 전류 협대역 압전 구동기를 사용하는 것이 더 비용 효율적입니다. 이러한 압전 구동기는 DC를 증폭할 필요가 없고, 증폭기를 피에조 임피던스에 맞추기 위해 승압 변압기를 유리하게 사용할 수 있고(도 18); 작동 및 효율성에서 스위치 모드 전원 공급 장치와 유사합니다.
그림 18. 공진 피에조를 구동하기 위한 비용 효율적이고 에너지 효율적인 압전
구동기 개념 빠른 정밀 포지셔닝을 위한 피에조 구동: 공진 감쇠 빠르고 정밀한 포지셔닝 시스템의 경우, 피에조의 날카로운 공
진이 주요 한계입니다. 피에조를 피에조 드라이버에 연결하고 공진과 압전 드라이버 로딩 측면에서 피에조와 피에조 드라이버의 조합이 가질 수있는 단점을 가지고 사는 것이 일반적입니다. 그러나 이것이 최선의 방법은 아닙니다. 우리가 후해야 할 것은 적절한 커플링 네트워크를 통해 피에조를 연결하고, 압전 공진을 가능한 한 많이 감쇠시키고, 대역폭이 크며, 압전 드라이버에서 필요한 전류가 최소화되도록하는 것입니다. 처음에는 직관에 어긋날 수 있지만, 피에조는 직렬 저항없이 순수 전압 소스로 작동하는 압전 구동기에 의해 구동되는 경우 높은 기계적 공진 피크를 갖습니다. 이것은 전압 소스가 피에조의 플레이트의 전압을 정확하게 제어하고 피에조를 가로 지르는 전압을 보면 공진 피크를 볼 수 없더라도 마찬가지입니다.
피에조와 그 드라이버 간의 전기 기계 결합에 대한 자세한 내용은 이 Falco Systems 애플리케이션 노트의 별도의 Part II에 나와 있습니다. 그것은 이미 이전에 언급되었으며, "피에조의 최적 작동 : 이론과 실천에서 전기 기계적 공명 감쇠"라는 제목으로 언급되었습니다. 이 두 번째 애플리케이션 노트는 곧 여기에서 사용할 수 있습니다. 그것에서, 첫 번째 압전 공명 모드의 수동 댐핑에 대한 포괄적 인 논의가 전기 용어로 제시됩니다. 피에조에 대한이 두 번째 응용 프로그램은 현재 파트 I보다 본질적으로 더 기술적 / 수학적입니다. 여기에서는 주요 결론 만 나열하지만 관심있는 독자를이 두 번째 응용 프로그램 노트로 참조합니다 :
1. 첫 번째 (가장 낮은) 기계적 공명을 가진 피에조는 그림 19에 주어진 전자 회로로 모델링 될 수 있습니다. 기계적 반응은 L_m, C_m 및 R_m에 의해 정의 된 기계적 분기를 통해 시간에 따른 전류. C_o는 피에조의 단자들 사이에서 측정된 전기 커패시턴스이다.
그림 19. 첫 번째 공명을
가진 피에조의 동등한 도식 2. 피에조가 '단단한' 낮은 출력 저항 압전 구동기로 구동될 때, 응답에 큰 기계적 공명('일차 공명')이 존재한다. 이 공명은 C_m과 L_m으로 인한 직렬 공명입니다. 품질 요소는 R_m에 의해 결정됩니다. 피에조를 가로 지르는 전압을 모니터링하여 볼 수는 없지만 압전 구동기에서 가져온 전류는 커집니다.
3. 피에조와 직렬로 큰 값 저항기 R_a를 배치하면 (그림 20), 시스템의 대역폭은이 저항과 압전 커패시턴스 C_o에 의해 형성된 RC 필터에 의해 제한됩니다. 일차 공명 대신에, 일차 공명보다 약간 더 높은 주파수에 있는 또 다른 기계적 공명('반공명')이 있을 것이다. 그것은 C_o를 포함한 평행 공명입니다. 이 공진은 날카로울 수 있지만 (높은 품질 계수를 가짐) 절대 진폭은 기본 공진보다 낮습니다. R_a이 클수록 이 공명은 더욱 날카로워집니다. 진폭은 충분히 큰 경우 항상 동일하며 R_a의 정확한 값과 R_a*R_a 제한 대역폭과 독립적C_o니다.
도 20. 피에조 직렬 저항을 통해 연결된 R_a
4. 공진의 품질 계수가 가장 낮은 '중간 점'시리즈 저항 R_a, 중간이 있습니다. 이 경우 공진 주파수는 일차 공진과 반공진 주파수 사이의 중간에 있습니다. R_a, mid의 값은 5입니다
