㈱メステック

文書番号：T-4333-04

ピエゾドライバ
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文書番号：T-4333-04

目次
１．弊社ピエゾドライバについて ...................................................... 3
１．１

特徴 .................................................................... 3

２．オフセット調整機能 .............................................................. 3
３．入力と出力について .............................................................. 4４．出力電流の定義について .......................................................... 6
４．１ 最大電流 .................................................................. 6４．２ ピーク電流 ................................................................ 6４．３ 実効値電流 ................................................................ 6４．４ 平均電流 .................................................................. 6５．ピエゾ駆動時の電流について ...................................................... 6５．１ 静的駆動の場合 ............................................................ 6５．２ 正弦波駆動の場合 .......................................................... 6５．３ ステップ駆動の場合（応答速度重視） ........................................ 7６．保護回路について ................................................................ 7７．放電抵抗 ........................................................................ 8８．周波数特性 ...................................................................... 8９．出力電圧モニター機能 ............................................................ 8１０．出力抵抗について .............................................................. 9１０．１ 電圧降下について ........................................................ 9１０．２ 出力抵抗によるフィルター構成 ............................................ 9１０．３ 出力抵抗による矩形波（パルス）駆動時の立ち上がり時間 .................... 9１１．グランド（GND）レベルについて ................................................. 9１２．外部出力抵抗の挿入 ............................................................ 92/10

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文書番号：T-4333-04

１．弊社ピエゾドライバについて
この度は、弊社のピエゾドライバをご購入頂きましてしてありがとうございました。
本資料には、弊社のピエゾドライバの技術的な内容を記述しています。
ご使用時、技術的な内容を確認したい場合は、本資料をご参照ください。
【※注】但し、機種により本資料の記述内容と合わない製品がございます。
まず取説をお読み頂き、仕様、機能の有無等をご確認の上、本資料をご参照ください。
１．１ 特徴弊社のピエゾドライバは、ピエゾ製品の駆動を目的としており、以下の特徴があります。
（１）電圧増幅
入力電圧をゲイン倍して出力します。
ゲインは、機種により異なりますが、×１５、×３０、可変 があります。
（２） 定電圧出力

出力は、定電圧出力となっています。ドライバ内部では、フィードバックにより出力電圧の安定化を図っています。
（３） ユニポーラ、バイポーラ
機種によって、出力が単一極性の「ユニポーラ製品」と両極性の「バイポーラ製品」があります。但し、「ユニポーラ製品」でも、－１０Ⅴ～－２０Ⅴ程度、マイナス電圧を出力する事が可能です。
（４） ４象限動作
負荷に対して、連続的に電流をソース（供給）、シンク（吸収）する事が可能です。

２．オフセット調整機能
弊社のピエゾドライバには、出力電圧のオフセットを調整（加算）する機能があります。
オフセット調整機能は、以下の何れかの方式で実現しています。
区分実現方式

A

ダイヤル式 10 回転ポテンシ ダイヤル式 10 回転ポテンショメー M-2629 シリーズ

BCD動作

主な機種

ョメーター

ターの位置により、出力電圧に加算（手動で回転させる）するオフセット電圧を設定します。

半固定ボリューム

半固定ボリュームの（ドライバを使用し位置により、出力電圧に加算する回転させる）オフセット電圧を設定します。

M-2501 シリーズ

ディジタル式ロータリーエン エンコーダー回転時のパルス数に M-26109 シリーズ
コーダーて、出力電圧に加算するオフセット（手動で回転させる）電圧を設定します。

オフセット調整機能なし

――

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文書番号：T-4333-04【①Ａ入力のみの出力例】
Ａ入力：0V⇒1V⇒0V の矩形波
オフセット電圧：0ゲイン：30 倍３．入力と出力について
ピエゾドライバの入力と出力の関係は「入力電圧、オフセット電圧、ゲイン」により決まります。

ゲイン

Vout ＝ Vin × G ＋ Off

A 入力

30 倍

Vout：出力電圧
Vin：入力電圧
Off ：オフセット電圧
G ：ゲイン

出力電圧：0V⇒30V※1⇒0V の矩形波
入力電圧の入力は、弊社製ピエゾドライバでは以下の２種が存在します。
１．１ch あたりの入力が１つ（Ａ入力のみ）
２．１ch あたりの入力が２つ（Ａ入力／Ｂ入力）
出力※機種により１．または２．が決まっています。機種
例を以下に示します。
１．入力が１つの機種
M-26109 ｼﾘｰｽﾞ／
M-26107 ／ M-2695 ／M-26110 ／ M-26116 ／M-2620A ／ M-2648 ／M-2679etc

２．入力が２つの機種※位相は変わらない

M-2629 ｼﾘｰｽﾞ／
M-2654 ／ M-2131 ／M-2682／M-2687
etc【②Ｂ入力のみの出力例】
Ｂ入力：0V-1V-0V の矩形波オフセット電圧：0
ゲイン：30 倍

Ａ入力：「非反転入力」（出力は入力と同位相）
Ｂ入力：「反転入力」 (出力は入力と逆位相)となっております。入力が２つ(Ａ入力／Ｂ入力)存在する場合、入力値は内部で加算されますので、入力電圧 Vin は以下の通りとなります。

ゲイン

B 入力

30 倍

Vin ＝ VinA – VinB
出力信号：0V⇒マイナス 30V※1⇒0V の矩形波

VinA：Ａ入力からの入力電圧
VinB：Ｂ入力からの入力電圧

従って、出力電圧 Vout は以下の通り決定されます。
出力

Vout ＝ (VinA – VinB) × G ＋ Off
Vout：出力電圧
VinA：Ａ入力からの入力電圧
VinB：Ｂ入力からの入力電圧
Off ：オフセット電圧
G ：ゲイン※位相が反転する※1 出力はピエゾドライバの持つ出力電圧性能までしか出力されません。(②の B

様々な入力値での出力例を以降に挙げます。

入力の例の場合「入力 1V/ゲイン 30 倍」ですので、計算上－30V 出力となりますが、実際に-30V 出力できるのは、出力電圧が-30V 以上の性能を持っているピエゾドライバです。出力電圧性能が-10V～150V のピエゾドライバの場合、マイナス側は-10V 程度までの出力となります。)

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文書番号：T-4333-04【③Ａ、Ｂ入力 両方ありの出力例】【⑤オフセットの有効な利用例】

Ａ入力：0V⇒1V⇒0V の矩形波
Ｂ入力：0V⇒0.5V⇒1V⇒0V の波形
オフセット電圧：0ゲイン：30 倍

入力電圧(A)：-2.5 ～ 2.5V のサイン波
使用ピエゾドライバ：M-2629(-10～150V 出力)
オフセット電圧：0ゲイン：30 倍の条件の出力は以下の通りになります。
32ゲイン
30 倍

A 入力

ゲイン

130 倍

0A 入力
0200400

600

800

1000

1200-1-2-3

出力：-10～75V のサイン波形
80出力60B 入力

40200020040060080010001200-20※ 本来、-2.5～2.5V 入力でゲイン 30 倍の場合は、±75V 出力となるはずです。しかし使用しているピエゾドライバの出力電圧範囲までしか出力できませんので、M-2629 の場合は-10V～75V が出力されます。
従って、入力波形とは異なる波形となってしまいます。

出力：0V⇒15V⇒0V の波形

出力

ここで、オフセット電圧を利用してみます。
オフセット電圧：75V
160140120100806040200※Ａ－Ｂの波形が出力される【④ ③と同じでオフセットありの出力例】
オフセット電圧：15V
出力：15V⇒30V⇒15V の波形

出力020040060080010001200※0～150V のきれいなサイン波形が出力されます。
出力【例】M-2629 で出力を０～１５０Ｖに設定する場合

5/10信号発生器の出力

入力

ｹﾞｲﾝｵﾌｾｯﾄ０～５Ｖ出力０～－５Ｖ出力

Ａ入力
Ｂ入力

30 倍
30 倍

０Ｖ０Ｖ

±２．５Ｖ出力０～１０Ｖ出力

Ａ入力
Ａ入力

30 倍
15 倍

75Ｖ０Ｖ

０～―１０Ｖ出力

Ｂ入力

15 倍０Ｖ㈱メステック

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４．出力電流の定義について
４．１ 最大電流
ピエゾドライバが抵抗負荷に於いてＤＣで連続して流せる最大電流。
表記例 ： ± １．３Ａ
４．２ ピーク電流
一定期間に一定の繰り返し時間で流せる電流。
表記例 ： ± ２Ａｐｋ（１ｍｓｅｃ）
４．３ 実効値電流
ピエゾドライバが容量負荷に於いてＡＣ（波形が正弦波の条件）で連続して流せる実効値電流。
実効値電流 ＝ πｆｃｖ （Ａｒｍｓ）
ｆ＝正弦波の周波数（Ｈｚ）
ｃ＝負荷の容量（Ｆ）
ｖ＝正弦波電圧の実効値（Ｖｒｍｓ）
表記例 ： １．６７Ａｒｍｓ
４．４ 平均電流
ピエゾドライバが容量負荷に於いてＡＣ（正弦波）で連続して流せる平均電流。
平均電流 ＝ 実効値電流÷１．１１ （Ａａｖｇ）
表記例 ： １．５Ａａｖｇ

５．ピエゾ駆動時の電流について
５．１ 静的駆動の場合
数 Hz 以下のゆっくりとした動作においては、電流が極めて小さくなるので、ピエゾドライバの電流容量が問題になる事はほとんどありません。
５．２ 正弦波駆動の場合
下記の計算式で電流実効値を求める事ができます。
Irms＝ π･ｆ･C･Vp－p・1/√2

Vp－p ：peak－peak 駆動電圧（V）
C ：静電容量値（F）
Irms ：実効値電流（A）
ｆ ：駆動周波数(Hz)6/10

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５．３ ステップ駆動の場合（応答速度重視）
下記の計算式で応答速度を満たすための電流最大値を求める事が出来ます。ある電圧変化を希望時間で印加するには、ピエゾアクチュエーターに相応の電流をながす必要があります。その為には最低限必要な電流容量をもったピエゾドライバの選定が必要です。

ΔＶ

上記の波形のように、応答時間ｔで変位させたい場合には、以下の計算式で必要な電流値を求めます。

（C  V）
I ｔ
ΔＶＩＣｔ

＝＝＝＝

電圧変化（Ｖ）
電流（Ａ）
静電容量（Ｆ）
応答時間（SEC）

６．保護回路について
弊社のピエゾドライバには、保護回路があります。
保護回路は、電流制限、温度監視があり、以下の何れかの方式で実現しています。
区
分
A

実現方式

動作動作

電流制限１

B

電流制限２

C

温度監視

電源部分で電流の出力制限をかける。 Overload
LED 点灯増幅段で電流の出力制限をかける。
Overload
LED 点灯
サーマルガードにより、装置内部のOverload
放熱器の温度を監視する。
LED 点灯D

保護回路なし

―

―

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対処
駆動条件や負荷の接続状態を確認する。
駆動条件や負荷の接続状態を確認する。
駆動条件や負荷の接続状態を確認する。
装置の電源再投入が必要。
―

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７．放電抵抗ピエゾを０V 以外の電圧で駆動中、OUTPUT（出力）スイッチにて出力を OFF すると、圧電素子内部に電荷が蓄えられたままの状態になってしまいます。
弊社のピエゾドライバは、この電荷を放電する為に放電抵抗が入っています。

８．周波数特性
１Hz 時の最大振幅を 0dB とし、-3dB の周波数を周波数特性の値としています。

M-26109 周波数特性
ゲイン（ｄＢ）
3.00.0-3.0-6.0-9.0

GAIN ×15、150V出力、無負荷
GAIN ×15、150V出力、０．１μ F負荷
GAIN ×15、150V出力、１μ F負荷-12.0

GAIN ×15、150V出力、１0μ F負荷-15.01101001000

10000

100000周波数（Ｈｚ）

９．出力電圧モニター機能
弊社のピエゾドライバには、出力電圧モニター機能があります。
直接見る事のできない出力電圧を分圧して、専用の出力端子（BNC 等）に出力します。
分圧比は、１／１５ 又は １／１００ があります。
出力電圧モニターは、以下の何れかの方式で実現しています。
区
分A実現方式

動作

注意事項

モニター１バッファー出力なし。

B

モニター２バッファー出力あり。

接続する計測器の入力インピーダンスにより、モニター信号のレベルが下がる可能性があります。
－8/101000000

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１０．出力抵抗について
弊社ピエゾドライバには、出力回路に出力抵抗が付いています。
容量性の負荷を駆動する場合は、以下の点にご注意ください。
１０．１ 電圧降下について
出力回路部には、出力抵抗 Ｒ[Ω] が挿入されています。
そのため負荷電流 Ｉ[Ａ] により（Ｉ×Ｒ） [Ｖ]だけ出力電圧が低下します。

１０．２ 出力抵抗によるフィルター構成
出力抵抗Ｒ[Ω]とピエゾ素子の容量値Ｃ[F]により出力回路は、ローパスフィルター（１次）構成になります。カットオフ周波数ｆｃ[Hz]は次式で求められ、出力電圧は無負荷時に比べ約７０％（-3dB）に減衰します。
ｆｃ ＝ １／（２・π・Ｒ・Ｃ） [Hz]１０．３ 出力抵抗による矩形波（パルス）駆動時の立ち上がり時間積分回路になるため立ち上がり時間は次式で求められます。
立ち上がり時間ｔ[S]は負荷容量Ｃ[F]と出力抵抗Ｒ[Ω]で決定されます。
ｔ ＝ －Ｃ・Ｒ・ｌｎ（１－ｋ）[S]ｋ： 無負荷時出力電圧と容量負荷時出力電圧との比 {０＜ｋ＞１}
例えば９０％までの立ち上がり時間のときは K＝０．９とする
ｌｎ： 自然対数(関数)１１．グランド（GND）レベルについてピエゾドライバの入出力の GND（SG）及びケース（FG）は同電位（内部でショート）です。
入出力回路をケースに対しフローティングで使用することはできません。

１２．外部出力抵抗の挿入
矩形波やパルス波形出力時は、ドライバの特性やピエゾ素子の共振特性（機械的負荷も含め）の影響で、出力波形にピークやリンキングが発生する場合は、出力回路に抵抗を直列に挿入し、周波数特性を下げることで対策できる場合があります。

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文書番号：T-4333-04ピエゾドライバ技術説明書
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Ｔ-4333
Ｔ-4333-02
Ｔ-4333-03
Ｔ-4333-04

2012 年 09 月 27 日
2016 年 06 月 29 日
2016 年 07 月 22 日
2018 年 01 月 15 日

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