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JP2004304963A - Piezoelectric actuator - Google Patents

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JP2004304963A
JP2004304963A JP2003097059A JP2003097059A JP2004304963A JP 2004304963 A JP2004304963 A JP 2004304963A JP 2003097059 A JP2003097059 A JP 2003097059A JP 2003097059 A JP2003097059 A JP 2003097059A JP 2004304963 A JP2004304963 A JP 2004304963A
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JP
Japan
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vibration
piezoelectric actuator
piezoelectric element
piezoelectric
driving
Prior art date
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JP2003097059A
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Japanese (ja)
Inventor
Hidehiro Akaha
秀弘 赤羽
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric actuator which has sufficient durability and allows reduction in size and thickness. <P>SOLUTION: A plurality of drive units 21 are provided in positions corresponding to a plurality of antinodes in bending vibration. Therefore, in one piezoelectric actuator 1, driving force can be applied to a driven body by a plurality of the drive units 21, and the durability can be enhanced as compared with cases where only one drive unit 21 is provided. Unlike conventional cases, where as many piezoelectric actuators 1 as drive units 21 are required, one piezoelectric actuator 1 is provided with a plurality of the drive units 21. Therefore, the number of piezoelectric actuators required can be reduced, and reduction in size and thickness can be facilitated. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電素子の圧電効果を利用した圧電アクチュエータに関する。
【0002】
【背景技術】
圧電素子の圧電効果を利用した圧電アクチュエータは、電気エネルギーから機械エネルギーのエネルギー変換効率および応答性に優れ、低速高トルクの駆動力を容易に得ることができる。それゆえ、減速機構を有するDCモータユニットに代わる動力として圧電アクチュエータは近年大いに注目されている。
【0003】
従来の圧電アクチュエータとしては、円盤状の圧電素子の上面に振動体を固定し、その振動体の振動によってロータを駆動させるものがある(例えば、特許文献1)。また、薄型の圧電素子の表面電極を五分割し、2系統の電圧を印加することでこの圧電素子を振動させて被駆動体に駆動力を与える圧電アクチュエータや(例えば、特許文献2)、複数の圧電素子で同一の被駆動体を駆動させる圧電アクチュエータがある(例えば、特許文献3)。いずれにおいても圧電素子の圧電効果を利用して駆動力を得る圧電アクチュエータである。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−308376号公報
【特許文献2】
特許第2722211号公報
【特許文献3】
特許第2980541号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
圧電アクチュエータがDCモータユニットと大きく違う点は、減速機構を用いずに減速高トルクを実現できることであり、減速機構が不要な分だけ小型化薄型化を図ることが可能である。
しかしながら、特許文献1では、円盤状の圧電アクチュエータを配置するスペースが必要となるため、小型化に十分対応できないという問題がある。また、被駆動体に圧電アクチュエータを付勢するための加圧機構を組み込むと、それだけ厚さが増すことになって薄型化も困難である。
特許文献2では、被駆動体に駆動力を与える駆動部分も圧電素子でできているため、圧電素子が破損する虞があり、耐久性に課題がある。
特許文献3では、1つの圧電アクチュエータにつき突起部は一箇所しか設けられていないため、突起部に負担がかかり破損する虞があって耐久性に問題がある。
【0006】
本発明は十分な耐久性を備え、かつ小型化及び薄型化を実現できる圧電アクチュエータを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電アクチュエータは、長手方向を有する矩形薄板状の圧電素子と、被駆動体に当接される駆動部とを有した振動体を備えているとともに、この振動体が縦振動と屈曲振動との複合振動で、かつ、面内方向に振動する圧電アクチュエータであって、前記駆動部は複数あり、かつ前記屈曲振動の腹に対応した位置に設けられていることを特徴とする。
但し、ここでの縦振動および屈曲振動の各振動モードは任意であり、何次であってもよい。
この発明によると、複数の駆動部が屈曲振動の各腹に対応した位置に設けられているため、1つの圧電アクチュエータにつき複数の駆動部で被駆動体に駆動力が与えられるようになり、駆動部が1つの場合に比べて耐久性が良好である。さらに、駆動部の数だけ圧電アクチュエータが必要となる従来とは違い、1つの圧電アクチュエータで複数の駆動部を有しているので、必要となる圧電アクチュエータの数が低減し、小型化及び薄型化が促進される。
【0008】
本発明では、前記縦振動は1次モードであり、前記屈曲振動は2次モードであることが好ましい。
この発明によれば、縦振動が1次モード、屈曲振動が2次モードであるから、駆動部の振動が最も大きくなり、大きな駆動力が得られるようになる。
【0009】
本発明では、前記振動体には矩形状の対角位置に一対の突起部が設けられていることが好ましい。
この発明によれば、前記振動体の前記圧電アクチュエータの矩形状の対角位置に突起部が設けられているので、前記振動体の圧電素子に電圧を印加した際、前記突起部が存在する部分では突起部の重さ等のために縦振動が抑制され、一方前記突起部が存在しない部分では縦振動が励振され、前記振動体全体では振動がアンバランスになり幅方向に屈曲振動が発生する。従って、前記突起部を前記振動体に設置することで縦振動と屈曲振動とを発生させることができ、前記圧電素子に複雑な電極を設ける必要がない。
【0010】
本発明では、前記圧電素子の表面に印加する電圧の周波数を変化させることによって、前記振動体の振動を調整可能に設けられていることが好ましい。
この発明によれば、前記圧電素子の表面に印加する電圧の周波数を変化するのみで前記振動体の振動方向を変えることができるので、機械的な複雑な可変手段がなくても前記振動体の振動を変化させて被駆動体に与える駆動力の大きさや方向を調整することができ、簡単な構造で被駆動体の回転状態を変化させることが可能である。
【0011】
本発明では、前記圧電素子の表面には、矩形状の略対角方向に沿って駆動用電極が形成されていることが好ましい。
この発明によれば、前記圧電素子の表面に矩形状の略対角線方向に形成された駆動用電極に電圧を印加することで、この矩形状の略対角線方向に形成された電極に対応する前記圧電素子部分のみが振動し、電圧を印加しない圧電素子は振動運動を行わないため、前記振動体は全体として縦振動と屈曲振動との複合振動が発生する。この時、複合振動により前記駆動部は略楕円振動を行い、この略楕円運動の一部において被駆動体に駆動力を与える。
また、この略対角線方向と前記振動体の長手方向との中心線に対して線対称の方向に電圧を印加することで、楕円運動の向きが変化するので、電圧をかける前記駆動用電極を変えることで前記被駆動体に与える駆動方向を変化させることが可能となる。
【0012】
本発明では、前記圧電素子の表面には複数の電極が形成されており、これらの電極のうち一部が駆動用電極であり、残りのうち少なくとも一部の電極が変位検出電極であることが好ましい。
この発明によれば、前記圧電素子の表面の複数の電極のうち一部が変位検出電極となるので、前記振動体の振動の大きさが変位検出電極で検出されるようになり、この検出された振動の大きさを基にフィードバック制御により駆動用電極に印加する電圧を調整可能である。
【0013】
本発明では、前記圧電素子の長辺を1とすると、短辺は0.274以上に形成され、前記圧電素子の短辺には突起部が設けられ、前記圧電素子の長手方向に伸縮する縦振動と、前記圧電素子の平面中心に対して点対称に、前記縦振動に直交する方向に屈曲する屈曲振動との振動比は、前記縦振動の共振周波数に対する前記屈曲振動の共振周波数の比が、1.00より大きく、1.03以下となるように設定されていることが好ましい。
この発明によれば、縦振動および屈曲振動の共振周波数が互いに近接しているので、これらの共振周波数近傍で圧電素子を振動させると、縦振動および屈曲振動が同時に現れ、圧電アクチュエータの突起部及び駆動部は楕円軌道を描いて振動する。この楕円軌道によって駆動部は被駆動体を押圧して駆動することが可能となる。この時、圧電素子は、縦振動および屈曲振動のそれぞれの共振点付近で励振されるので、それぞれの振動振幅が大きくなる。従って、駆動部の楕円軌道の振幅も大きくなり、被駆動体を高効率で駆動可能である。
【0014】
ここで、突起部が設けられた圧電アクチュエータの短辺が0.274よりも小さい場合には、縦振動の共振周波数が屈曲振動の共振周波数よりも大きくなり、良好な楕円軌道を描くことができない。この時、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比は1.00以下である。また、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比が1.03以上の場合には、縦振動の共振点と屈曲振動の共振点が離れてしまい、両振動の振幅を同時に良好にすることができない。
【0015】
【発明の実施の形態】
〔第一実施形態〕
本発明の第一実施形態を図1〜図4に基づいて説明する。図1は第一実施形態における圧電アクチュエータを備えた装置の平面図、図2は圧電アクチュエータの全体斜視図、図3は圧電アクチュエータの平面図である。
図1、図2において、圧電アクチュエータ1は、薄板状の補強板2および補強板2の両面に接合された圧電素子3で構成された振動体10と、振動体10を支持する支持部23とを備えている。
【0016】
振動体10は、長手方向を有する積層体であり、長辺:短辺が7:1.98の縦横比となるように矩形状に形成されている。
振動体10の中央層に設けられる補強板2は、導電性を有し、所定の強度を有する材料、例えばステンレス鋼等から構成されている。補強板2の両短辺端部で互いに対角位置となる位置には、略半円状の一対の突起部22が形成されている。また一長辺側には後述する屈曲2次振動の腹に合わせて略半円状の複数(本実施形態では一対)の駆動部21が設けられ、駆動部21は回転可能に設置されている被駆動体としてのロータ4に対して2箇所で当接している。また、支持部23は、補強板2の駆動部21を有していない長辺の中心部に一体的に設けられている。支持部23には支持孔231が穿設され、この支持孔231に挿通された取付ねじ52で取付部材5に取り付けられている。この取付部材5は押圧ばね51を有し、取付部材5に支持部23を介して取り付けられる圧電アクチュエータ1をロータ4の方向に付勢させている。
圧電素子3の材質は、特に限定されず、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT(登録商標))、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものを用いることができる。
【0017】
圧電素子3の表裏面にはニッケル、金等によるめっき、蒸着、スパッタ等の処理が施されて電極31が形成されている(表面のみ符号を付してある)。圧電素子3の表面の電極31には図示しない駆動用回路から配線が接続され、補強板2は電気的に接地されている。
圧電素子3は接着剤によって補強板2に接合されている。そして接着層では、補強板2と圧電素子3の裏面側の電極との互いの対向面は微視的な凹凸を有し、この凸部がランダムに接触することで、電極と補強板2とが導通している。
【0018】
図3はこの圧電アクチュエータ1の圧電素子3の電極31と補強板2との間に電圧を印加した時の突起部22の動きが示されている。電極31と補強板2との間に電圧を印加すると、圧電素子3は伸縮運動を始めるが、圧電素子3は矩形に形成されているので、長手方向への伸縮運動がより大きくなり、その結果長手方向への縦1次振動を励振する。
この時、矩形の対角位置に一対の突起部22が形成されているため、突起部22を有する角部では伸縮運動が抑制される。これにより、幅方向と平行となる圧電素子3の中心線に対して非対称に通常の伸縮運動をする箇所と伸縮運動が抑制される箇所とが現れ、矩形の中心点を節として面内方向に屈曲2次振動が励振される。図3の破線Aは屈曲2次振動の変位の大きさを表しており、変位が最大となる箇所が腹であり、この腹に対応した位置に突起部22が設けられている。
振動体10全体をみると、これらの縦1次振動と屈曲2次振動とが複合され、駆動部21は破線Bのような楕円運動を行う。この楕円運動の一部において、その向きと力とに応じた駆動力がロータ4に伝達されている。そして、駆動部21が楕円軌道を描くことで、ロータ4を送るときには駆動力が増し、もとの位置に復帰するときには、駆動部21がロータ4から離れるか、復帰する方向の力が減少するから、ロータ4の駆動を効率よく行えるのである。また、屈曲振動の腹に駆動部21を設けることにより、駆動部21の振幅および駆動力が大きくなり、高出力で安定してロータ4を駆動することが可能である。さらに、このような効果は、楕円軌道の正・逆の方向に因らず、いずれの方向でも同様に得られる。
【0019】
また、圧電素子3の寸法や、厚さなどは、圧電素子3に繰り返し電圧が印加された時に、縦振動と屈曲振動とが同時に現れるように適宜設定される。この時、縦振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数とは互いに近接するように設定されていることが望ましく、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比は、1.00より大きく、1.03以下であることが望ましい。また、圧電素子3の長辺と短辺との長さ比は、長辺を1とすると短辺が0.274以上であることが望ましい。
ここで、圧電素子3に印加される電圧の周波数は、縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数との間、より好ましくは反共振周波数と屈曲振動の共振周波数との間で両方の振動が良好に現れる周波数を適宜選択する。なお、圧電アクチュエータ1に印加される電圧の波形は特に限定されず、例えばサイン波、矩形波、台形波などが採用できる。
【0020】
図4は、圧電アクチュエータ1の電極31と補強板2と間に印加する電圧を変化させた時の駆動部21の運動を示した図である。
図4(A)は電極31に印加する電圧を調整して共振周波数を278.75kHzとした時の駆動部21の運動軌跡を示した図、図4(B)は共振周波数を280.75kHzにした時の駆動部21の運動軌跡を示した図、図4(C)は共振周波数を282.00kHzとした時の駆動部21の運動軌跡を示した図である。
図4(A)において、共振周波数を278.75kHzとした時、2つの駆動部21は図4中の左上に押し上げるような楕円運動を行うためロータ4に時計回りの駆動力を与えることができる。
図4(B)において、共振周波数を280.75kHzに変化させると、図4中で略上向きの楕円運動に変化する。また、この時一方の駆動部21は若干左上に押し上げるような形の楕円運動になるので、ロータ4には低速で時計回りの駆動力が突起部22から伝達される。また、共振周波数が278.75kHzの時に比べ、駆動部21ではロータ4側への付勢力が増すため、より大きな駆動力を得ることができる。
図4(C)において、共振周波数を282.00kHzにすると、駆動部21は図4中で右上向きの楕円運動に変化する。従ってロータ4は反時計回りの駆動力を得ることになり、回転方向が逆転する。
以上のように、第一実施形態の圧電アクチュエータでは、印加する電圧を変化させて共振周波数を変えることで、駆動部21の楕円運動の向きと力とを調整できる。
また二つの駆動部21の位相は180度異なるので、一方がロータ4に当接している時は、もう一方はロータ4から離れる状態になっており、交互にロータ4に当接することによって略連続的にロータ4に駆動力を与えている。
【0021】
このような第一実施形態の圧電アクチュエータでは、次のような効果が得られる。
(1)圧電アクチュエータ1においては、2個の駆動部21が屈曲2次振動の2箇所の腹に対応した位置に設けられているため、圧電アクチュエータ1つにつき2個の駆動部21でロータ4に駆動力が与えられ、駆動部21が1つの場合に比べて耐久性を良好にできる。また、駆動部が複数必要な装置においても、1つの圧電アクチュエータで複数の駆動部を有しているので、必要となる圧電アクチュエータの数が低減し、小型化及び薄型化を促進できる。
(2)圧電アクチュエータ1の振動モードは、縦1次振動、屈曲2次振動であるから、駆動部21の振幅を大きくでき、駆動力をより大きくできる。このため、ロータ4を停止させることなく定回転で駆動でき、駆動安定性を格段に向上させることができる。
(3)圧電アクチュエータ1は矩形状の対角位置に突起部22を設けているので、圧電素子3の表面の電極31と補強板2との間に電圧を印加した際、突起部22が存在する部分では突起部22の重さ等のために縦1次振動が抑制され、一方突起部22が存在しない部分では縦1次振動が励振されることになり、圧電アクチュエータ1全体では振動がアンバランスになり、幅方向に屈曲2次振動が発生する。従って、突起部22を圧電アクチュエータ1に設置することで縦1次振動と屈曲2次振動を発生させることができ、圧電素子3に複雑な電極を設ける必要がなく、振動体10を容易に製作できる。
【0022】
(4)電極31と補強板2との間に印加する電圧の周波数を調整することで、駆動部21の楕円運動の向きを変化させることができる。これにより、機械的な複雑な可変手段がなくてもロータ4に与える駆動力の大きさや方向を調整できるなど、簡単な構造でロータ4の回転状態を変化させることができ、逆回転も可能となる。
(5)二つの駆動部21の位相は180度異なり、一方がロータ4に当接している時は、もう一方はロータ4から離れる状態となるので、交互にロータ4に突起部22が当節することで略連続的にロータ4に駆動力を与えることができ、駆動部21が1つの時に比べて大きな駆動力を得ることができる。さらに、駆動部21を2個所に分割して略連続的にロータ4に駆動力を与えるので、ロータ4の回転速度が一定になりやすく、回転速度が一定であればこの回転速度を維持するために必要な駆動力は少なくて済み、駆動部21の磨耗を防ぐことができる。
(6)振動体10の長さ寸法比が長辺:短辺が7:1.98に形成されていることで、縦1次振動および屈曲2次振動の共振周波数が互いに近接し、これらの共振周波数近傍で圧電素子を振動させることで圧電素子は、縦1次振動および屈曲2次振動のそれぞれの共振点付近で励振されるので、それぞれの振動振幅が大きくなる。従って、駆動部の楕円軌道の振幅も大きくなり、被駆動体を高効率で駆動可能である。
【0023】
〔第二実施形態〕
次に本発明の第二実施形態を図5に基づいて説明する。なお、第一実施形態と同一および類似した構成要件については同符号で示し、ここでの説明を省略する。以下後述する第三実施形態についても同様である。
図5は第二実施形態に係る圧電アクチュエータの平面図である。
本実施形態では、圧電素子3の表面の電極31が長手方向に平行に3等分され、さらに分割された電極の両端側が幅方向と平行に2等分されている。これらの分割された電極31A〜31Eは互いに絶縁され、それぞれの電極31A〜31Eに図示しない駆動用回路からの配線が接続されている。
また、第二実施形態では、補強板2の矩形の両短辺に突起部22は形成されていない。
【0024】
これらの電極31A〜31Eは、矩形の対角方向に沿う電極、例えば図5中の電極31A,31C,31Eに電圧を印加することにより、縦振動が励振される箇所と励振されない箇所が長手方向の中心線に対して非対称に現れるため、振動体10全体としては縦1次振動と屈曲2次振動が同時に励振される。これらの縦1次振動と屈曲2次振動が複合されることにより駆動部21は楕円運動を描き、その楕円運動に応じた向きで駆動力をロータ4に伝達できる。
また、もう一方の対角方向の電極、すなわち電極31B,31C,31Dに電圧を印加すると、逆位相の屈曲2次振動が励振され、駆動部21の楕円運動の向きが逆向きとなる。
さらに、駆動用電極として使われない電極は変位検出電極として使用され、振動の大きさに応じて生じる電気信号を図示しない検出回路に送ることにより、圧電アクチュエータ1の振動の大きさが検出される。そして、この検出された振動の大きさに基づいたフィードバック制御により、駆動用電極に印加する電圧が調整されている。
【0025】
第二実施形態によれば、第一実施形態の(1)、(2)、(5)、(6)の効果に加え、次のような効果が得られる。
(7)圧電素子3の表面の電極31が長手方向に平行に3等分され、さらに分割された電極の両端側が幅方向と平行に2等分されているので、5つに分かれた電極31A〜31Eのうち振動体10の一対角線方向に位置する電極に電圧を印加することにより駆動部21を楕円運動させることができ、この楕円運動に応じた駆動力を得ることができる。また、異なる対角線方向の電極に切り替えて電圧を印加することにより、駆動部21の楕円運動を逆向きにでき、ロータ4を逆転させることができる。
(8)電圧を印加しない電極は変位検出電極として用いられているため、振動体10の振動の大きさを検出でき、この検出結果に基づくフィードバック制御により電極に印加する電圧を調整でき、最適な条件で駆動できる。
【0026】
〔第三実施形態〕
次に本発明の第三実施形態について図6を用いて説明する。
第三実施形態は前述した第二実施形態の圧電アクチュエータ1をピンアクチュエータとして用いたものである。図6は本実施形態における圧電アクチュエータの平面図を示している。
図6において、第三実施形態の圧電アクチュエータ1は、回転可能に設けられたローラ41に当接された棒状のピン6に駆動力を与えるように構成されている。
【0027】
ローラ41はピン6を挟んで圧電アクチュエータ1と反対側に1つ設けられ、ピン6を支持している。
ピン6は、圧電アクチュエータ1の駆動部21から駆動力を得ることで軸方向へ往復自在に運動できるように設けられている。また、ピン6は圧電アクチュエータ1に設けられている2箇所の駆動部21と、駆動部21の反対側に設けられるローラ41との3箇所で支持されている。圧電アクチュエータ1の長手方向はピン6の軸方向と同一方向に設けられている。
【0028】
圧電アクチュエータ1の電極に電圧を印加することで圧電アクチュエータ1は楕円運動し、これによりピン6は駆動力を得て楕円運動の向きに応じた方向に移動する。つまり、電極31は5分割されているので、第二実施形態で述べたように駆動部21の楕円運動の回転方向を変化させることで、ピン6が軸方向の両方向に移動する。
【0029】
このような第三実施形態では第一実施形態の(1)、(2)、(5)、(6)の効果に加えて次のような効果が得られる。
(9)駆動部21が圧電アクチュエータ1の長辺側に2つ設けられているので、これらの駆動部21でピン6の2箇所を支持することができ、ローラ41はピン6を挟んで駆動部21の反対側に1つ設けるのみでよく、これによりピンアクチュエータの小型化を促進でき、また部材点数を低減できる。
【0030】
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、第一、第二、第三実施形態において振動体10の振動は縦1次振動と屈曲2次振動との複合振動としたが、各振動の振動モードが何次であるかは任意である。
また、この時の突起部の位置は、屈曲振動の腹にあわせて設けられればよく、2個に限らない。例えば、振動体が屈曲4次振動の複合振動するばあいには、屈曲4次振動の腹の位置にあわせて2つないし4つ設けることができるなど、屈曲振動が何次モードであるかを勘案して、任意に複数個設けられればよい。
【0031】
第二、第三実施形態において、圧電素子3には、長手方向と平行に3等分され、その両端側が短辺方向と平行に2等分された電極31A〜31Eが形成されていたが、これに限らない。例えば図7(A)〜(C)に示すような分割方法がある。図7(A)は、圧電素子3の表面電極を短辺方向と平行に3分割し、その両端側を長手方向と平行に2等分する分割方法を示している。図7(B)は、圧電素子3の表面電極を矩形の短辺の中点と、その短辺に隣り合う長辺の中点とを結び、中央にひし形が描かれるように分割する分割方法を示している。図7(C)は、表面電極を短辺方向と平行に4分割し、内側の2つの電極をさらに長手方向と平行にそれぞれ2等分する分割方法を示している。
これらの例では図7中に示した電極L,Nに電圧を印加することで縦振動と屈曲振動が励振され、これらの振動の複合振動により駆動部21は楕円運動する。また電極M,Nに電圧を印加することで逆回転の楕円運動をし、被駆動体に逆向きの駆動力を与える。すなわち、電極の分割方法は任意であり、電圧を印加することで縦振動を屈曲振動の複合振動が得られればよい。
【0032】
第一、第二、第三実施形態において、駆動部21は補強板2の一長辺で屈曲2次振動の腹の位置に対応して2箇所に設けられ、一つのロータ4を駆動するとしたが、これに限らない。例えば、図8(A)(B)に示すように、支持部23Aが振動体10の略中心に設けられ、駆動部21は一長辺で屈曲振動の腹の位置に1箇所、他方の長辺で屈曲振動の腹の位置に1箇所設けられているものでもよい。具体的に図8(A)は、振動体10の長手方向片側寄りに駆動部21を有する構造であり、図8(B)は、支持部23Aに対して線対称となる位置に一対の駆動部21が設けられる構造となっている。これらの構造では、それぞれの駆動部21に1つのロータを当接させることで、1つの圧電アクチュエータ1につき2つのロータ4を駆動させることができる。
また、図8(C)に示すように、一長辺側に1つの駆動部21を有し、他長辺側に2つの駆動部21を有する構造であってもよい。この場合、2つの駆動部21が設けられた長辺にはこれらの駆動部21によって駆動される1つのロータ4を、1つの駆動部21が設けられた長辺にはこの駆動部21によってのみ駆動されるロータ4を配置することで、2つのロータ4を駆動することが可能である。また、この圧電アクチュエータ1では、各駆動部21にそれぞれ1つのロータ4を当接させ、1つの圧電アクチュエータ1につき合計3つのロータ4を駆動させることも可能である。
さらに、駆動部21は両長辺の屈曲振動の各腹の位置に対応してそれぞれ設けられていてもよい。この場合、図8(D)に示すように、それぞれの駆動部21で1つずつのロータ4を駆動させる構造や、(E)で示すように2つの駆動部21で1つのロータ4を駆動させる構造が可能である。これらの変形例では、場合によってはロータ4を駆動部21側に付勢させることで、複数のロータ4を駆動させる。
以上のように駆動部は、屈曲振動の腹の位置に対応して複数設けられていればよく、こうすることで1つの圧電アクチュエータで複数のロータを駆動させることが可能である。すなわち、本発明は、1つの圧電アクチュエータで複数の被駆動体を駆動することにより、部品点数の減少および装置全体の小型化を促進することを他の目的としている。
【0033】
第一、第二、第三実施形態において、振動体10をロータ4またはピン6に付勢させているが、これに限らない。例えば、第一、第二実施形態では振動体10を固定し、ロータ4を振動体10側に付勢してもよく、第三実施形態では、振動体10を固定し、ピン6を振動体10側に付勢してもよい。
【0034】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【0035】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の駆動部が屈曲振動の複数の腹に対応した位置に取り付けられているため、1つの圧電アクチュエータにつき複数の駆動部で被駆動体に駆動力が与えられるようになり、駆動部が1つの場合に比べて耐久性を良好にできる。さらに、駆動部の数だけ圧電アクチュエータが必要となる従来とは違い、1つの圧電アクチュエータで複数の駆動部を有しているので、必要となる圧電アクチュエータの数を低減でき、小型化及び薄型化を促進できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】第一実施形態における圧電アクチュエータを備えた装置の平面図。
【図2】第一実施形態における圧電アクチュエータの全体斜視図。
【図3】第一実施形態における圧電アクチュエータの平面図。
【図4】(A)は電極に印加する電圧を調整して共振周波数を278.75kHzとした時の駆動部の運動を示した図、(B)は共振周波数を280.75kHzにした時の駆動部の運動を示した図、(C)は共振周波数を282.00kHzとした時の駆動部の運動を示した図。
【図5】第二実施形態における圧電アクチュエータの平面図。
【図6】第三実施形態におけるピンアクチュエータの平面図。
【図7】第二実施形態の圧電アクチュエータの変形例を示した図。
【図8】(A)は、振動体の長手方向片側寄りに駆動部を有する構造の変形例の平面図、(B)は振動体の略中心に対して線対称となる位置に一対の駆動部が設けられる構造の変形例の平面図、(C)は一長辺側に1つの駆動部を有し、他長辺側に2つの駆動部を有する構造の変形例の平面図、(D)は各駆動部が1つずつの被駆動体を駆動させる構造の変形例の平面図、(E)は2つの駆動部で1つの被駆動体を駆動させる構造の変形例の平面図。
【符号の説明】
1…圧電アクチュエータ、10…振動体21…駆動部、22…突起部、3…圧電素子、31,31A,31B,31C,31D,31E…電極
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric actuator using a piezoelectric effect of a piezoelectric element.
[0002]
[Background Art]
A piezoelectric actuator using the piezoelectric effect of a piezoelectric element has excellent energy conversion efficiency and responsiveness from electrical energy to mechanical energy, and can easily obtain a low-speed, high-torque driving force. Therefore, piezoelectric actuators have attracted much attention in recent years as motive power in place of a DC motor unit having a speed reduction mechanism.
[0003]
As a conventional piezoelectric actuator, there is one in which a vibrating body is fixed on the upper surface of a disk-shaped piezoelectric element, and a rotor is driven by the vibration of the vibrating body (for example, Patent Document 1). Also, a piezoelectric actuator that divides the surface electrode of a thin piezoelectric element into five parts and applies a two-system voltage to vibrate the piezoelectric element to apply a driving force to a driven body (for example, Patent Document 2), There is a piezoelectric actuator that drives the same driven body with the piezoelectric element (for example, Patent Document 3). In any case, the piezoelectric actuator obtains a driving force by utilizing the piezoelectric effect of the piezoelectric element.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2000-308376 A
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 2722211
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 2980541
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
A major difference between the piezoelectric actuator and the DC motor unit is that the piezoelectric actuator can achieve a high deceleration high torque without using a speed reduction mechanism, and the size and thickness can be reduced by the amount that the speed reduction mechanism is unnecessary.
However, Patent Literature 1 has a problem in that a space for disposing a disk-shaped piezoelectric actuator is required, and thus it is not possible to sufficiently cope with miniaturization. Further, if a pressure mechanism for biasing the piezoelectric actuator is incorporated in the driven body, the thickness increases accordingly, and it is difficult to reduce the thickness.
In Patent Literature 2, since a driving portion that applies a driving force to a driven body is also made of a piezoelectric element, the piezoelectric element may be damaged, and there is a problem in durability.
In Patent Literature 3, since only one protrusion is provided for one piezoelectric actuator, the protrusion is burdened and may be damaged, resulting in a problem in durability.
[0006]
An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator having sufficient durability and capable of realizing size reduction and thickness reduction.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The piezoelectric actuator of the present invention includes a vibrating body having a rectangular thin plate-shaped piezoelectric element having a longitudinal direction, and a driving unit that is in contact with a driven body, and the vibrating body includes longitudinal vibration and bending vibration. A piezoelectric actuator that vibrates in an in-plane direction with a combined vibration of the piezoelectric actuator and the piezoelectric actuator, wherein a plurality of the driving units are provided and provided at positions corresponding to antinodes of the bending vibration.
However, the respective vibration modes of the longitudinal vibration and the bending vibration here are arbitrary, and may be of any order.
According to the present invention, since the plurality of driving units are provided at positions corresponding to each antinode of the bending vibration, the driving force is applied to the driven body by the plurality of driving units for one piezoelectric actuator. The durability is better than in the case of a single part. Furthermore, unlike the conventional case where the number of piezoelectric actuators is required by the number of driving units, one piezoelectric actuator has a plurality of driving units, so the number of necessary piezoelectric actuators is reduced, and the size and thickness are reduced. Is promoted.
[0008]
In the present invention, it is preferable that the longitudinal vibration is a primary mode, and the bending vibration is a secondary mode.
According to the present invention, since the longitudinal vibration is in the primary mode and the bending vibration is in the secondary mode, the vibration of the driving unit is maximized, and a large driving force can be obtained.
[0009]
In the present invention, it is preferable that the vibrator is provided with a pair of protrusions at diagonal positions in a rectangular shape.
According to the present invention, since the protrusion is provided at a rectangular diagonal position of the piezoelectric actuator of the vibrator, the portion where the protrusion exists when a voltage is applied to the piezoelectric element of the vibrator is provided. In this case, the vertical vibration is suppressed due to the weight of the protrusion, etc., while the vertical vibration is excited in the portion where the protrusion does not exist, and the vibration becomes unbalanced in the entire vibrating body, and the bending vibration occurs in the width direction. . Therefore, longitudinal vibration and bending vibration can be generated by installing the protrusion on the vibrator, and there is no need to provide a complicated electrode on the piezoelectric element.
[0010]
In the present invention, it is preferable that the vibration of the vibrating body is adjustable by changing the frequency of a voltage applied to the surface of the piezoelectric element.
According to the present invention, since the vibration direction of the vibrating body can be changed only by changing the frequency of the voltage applied to the surface of the piezoelectric element, the vibrating body can be changed without any complicated mechanical variable means. The magnitude and direction of the driving force applied to the driven body can be adjusted by changing the vibration, and the rotation state of the driven body can be changed with a simple structure.
[0011]
In the present invention, it is preferable that a driving electrode is formed on a surface of the piezoelectric element along a substantially diagonal direction of a rectangular shape.
According to the present invention, by applying a voltage to the drive electrode formed in the substantially diagonal direction of the rectangular shape on the surface of the piezoelectric element, the piezoelectric element corresponding to the electrode formed in the substantially diagonal direction of the rectangular shape is applied. Since only the element portion vibrates and the piezoelectric element to which no voltage is applied does not perform a vibrating motion, the vibrating body as a whole generates a composite vibration of a longitudinal vibration and a bending vibration. At this time, the driving unit performs substantially elliptical vibration due to the composite vibration, and applies a driving force to the driven body in a part of the substantially elliptical motion.
Further, by applying a voltage in a direction symmetrical with respect to the center line between the substantially diagonal direction and the longitudinal direction of the vibrating body, the direction of the elliptical motion changes, so that the driving electrode to which the voltage is applied is changed. This makes it possible to change the driving direction given to the driven body.
[0012]
In the present invention, a plurality of electrodes are formed on the surface of the piezoelectric element, some of these electrodes are driving electrodes, and at least some of the remaining electrodes are displacement detection electrodes. preferable.
According to the present invention, since a part of the plurality of electrodes on the surface of the piezoelectric element serves as a displacement detection electrode, the magnitude of vibration of the vibrating body is detected by the displacement detection electrode, and this detection is performed. The voltage applied to the driving electrode can be adjusted by feedback control based on the magnitude of the vibration.
[0013]
In the present invention, assuming that the long side of the piezoelectric element is 1, the short side is formed to be 0.274 or more, and a protrusion is provided on the short side of the piezoelectric element, and the vertical side expands and contracts in the longitudinal direction of the piezoelectric element. The vibration ratio between the vibration and the bending vibration that bends in a direction orthogonal to the longitudinal vibration in a point symmetry with respect to the plane center of the piezoelectric element is a ratio of the resonance frequency of the bending vibration to the resonance frequency of the longitudinal vibration. , 1.00 and 1.03 or less.
According to the present invention, since the resonance frequencies of the longitudinal vibration and the bending vibration are close to each other, when the piezoelectric element is vibrated near these resonance frequencies, the longitudinal vibration and the bending vibration simultaneously appear, and the protrusion of the piezoelectric actuator and The drive unit vibrates in an elliptical orbit. With this elliptical trajectory, the driving unit can press and drive the driven body. At this time, since the piezoelectric element is excited near the respective resonance points of the longitudinal vibration and the bending vibration, the respective vibration amplitudes become large. Therefore, the amplitude of the elliptical trajectory of the driving section also increases, and the driven body can be driven with high efficiency.
[0014]
Here, when the short side of the piezoelectric actuator provided with the protrusion is smaller than 0.274, the resonance frequency of the longitudinal vibration becomes higher than the resonance frequency of the bending vibration, and a good elliptical orbit cannot be drawn. . At this time, the ratio of the resonance frequency of the bending vibration to the resonance frequency of the longitudinal vibration is 1.00 or less. When the ratio of the resonance frequency of the bending vibration to the resonance frequency of the longitudinal vibration is 1.03 or more, the resonance point of the longitudinal vibration is separated from the resonance point of the bending vibration, and the amplitudes of both vibrations are simultaneously improved. I can't.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view of an apparatus having a piezoelectric actuator according to the first embodiment, FIG. 2 is an overall perspective view of the piezoelectric actuator, and FIG. 3 is a plan view of the piezoelectric actuator.
1 and 2, a piezoelectric actuator 1 includes a vibrating body 10 including a thin reinforcing plate 2 and a piezoelectric element 3 bonded to both surfaces of the reinforcing plate 2, and a support portion 23 that supports the vibrating body 10. It has.
[0016]
The vibrating body 10 is a laminated body having a longitudinal direction, and is formed in a rectangular shape such that a long side: short side has an aspect ratio of 7: 1.98.
The reinforcing plate 2 provided on the central layer of the vibrating body 10 is made of a material having conductivity and a predetermined strength, for example, stainless steel. A pair of substantially semicircular protrusions 22 are formed at diagonal positions at both short side ends of the reinforcing plate 2. In addition, a plurality of (in this embodiment, a pair) drive units 21 having a substantially semicircular shape are provided on one long side in accordance with antinodes of bending secondary vibration described later, and the drive units 21 are rotatably installed. It is in contact with the rotor 4 as a driven body at two places. Further, the support portion 23 is provided integrally at the center of the long side of the reinforcing plate 2 that does not have the drive portion 21. A support hole 231 is formed in the support part 23, and the support part 23 is attached to the attachment member 5 with an attachment screw 52 inserted through the support hole 231. The attachment member 5 has a pressing spring 51 and urges the piezoelectric actuator 1 attached to the attachment member 5 via the support portion 23 in the direction of the rotor 4.
The material of the piezoelectric element 3 is not particularly limited. Lead zirconate titanate (PZT (registered trademark)), quartz, lithium niobate, barium titanate, lead titanate, lead metaniobate, polyvinylidene fluoride, zinc niobate Various materials such as lead and lead scandium niobate can be used.
[0017]
Electrodes 31 are formed on the front and back surfaces of the piezoelectric element 3 by plating, deposition, sputtering, or the like with nickel, gold, or the like (only the front surface is denoted by a reference numeral). Wiring is connected to an electrode 31 on the surface of the piezoelectric element 3 from a driving circuit (not shown), and the reinforcing plate 2 is electrically grounded.
The piezoelectric element 3 is joined to the reinforcing plate 2 by an adhesive. In the adhesive layer, the opposing surfaces of the reinforcing plate 2 and the electrode on the back side of the piezoelectric element 3 have microscopic irregularities, and the protrusions come into random contact with each other, so that the electrode and the reinforcing plate 2 Is conducting.
[0018]
FIG. 3 shows the movement of the projection 22 when a voltage is applied between the electrode 31 of the piezoelectric element 3 of the piezoelectric actuator 1 and the reinforcing plate 2. When a voltage is applied between the electrode 31 and the reinforcing plate 2, the piezoelectric element 3 starts to expand and contract. However, since the piezoelectric element 3 is formed in a rectangular shape, the expansion and contraction movement in the longitudinal direction becomes larger. The longitudinal primary vibration in the longitudinal direction is excited.
At this time, since the pair of projections 22 are formed at diagonal positions of the rectangle, the expansion and contraction movement is suppressed at the corners having the projections 22. As a result, a portion where the normal expansion and contraction motion is performed asymmetrically with respect to the center line of the piezoelectric element 3 which is parallel to the width direction and a portion where the expansion and contraction motion are suppressed appear. The secondary bending vibration is excited. The broken line A in FIG. 3 represents the magnitude of the displacement of the secondary bending vibration. The location where the displacement is maximum is the antinode, and the projection 22 is provided at a position corresponding to the antinode.
When the entire vibrating body 10 is viewed, these vertical primary vibrations and bending secondary vibrations are combined, and the drive unit 21 performs an elliptical motion as indicated by a broken line B. In a part of the elliptical motion, a driving force corresponding to the direction and the force is transmitted to the rotor 4. When the driving unit 21 draws an elliptical orbit, the driving force increases when the rotor 4 is sent, and when the driving unit 21 returns to the original position, the driving unit 21 moves away from the rotor 4 or the force in the returning direction decreases. Therefore, the rotor 4 can be driven efficiently. In addition, by providing the driving unit 21 at the antinode of the bending vibration, the amplitude and driving force of the driving unit 21 are increased, and the rotor 4 can be driven stably with high output. Further, such an effect can be obtained in any direction regardless of the direction of the elliptical orbit.
[0019]
The dimensions, thickness, and the like of the piezoelectric element 3 are appropriately set so that when a voltage is repeatedly applied to the piezoelectric element 3, longitudinal vibration and bending vibration simultaneously appear. At this time, the resonance frequency of the longitudinal vibration and the resonance frequency of the bending vibration are desirably set to be close to each other, and the ratio of the resonance frequency of the bending vibration to the resonance frequency of the longitudinal vibration is larger than 1.00. , 1.03 or less. The length ratio between the long side and the short side of the piezoelectric element 3 is desirably 0.274 or more, where 1 is the long side.
Here, the frequency of the voltage applied to the piezoelectric element 3 is such that both vibrations are between the resonance frequency of the longitudinal vibration and the resonance frequency of the bending vibration, more preferably between the anti-resonance frequency and the resonance frequency of the bending vibration. A frequency that appears well is appropriately selected. The waveform of the voltage applied to the piezoelectric actuator 1 is not particularly limited, and for example, a sine wave, a rectangular wave, a trapezoidal wave, or the like can be employed.
[0020]
FIG. 4 is a diagram illustrating the movement of the drive unit 21 when the voltage applied between the electrode 31 of the piezoelectric actuator 1 and the reinforcing plate 2 is changed.
FIG. 4 (A) is a diagram showing a locus of movement of the drive unit 21 when the resonance frequency is set to 278.75 kHz by adjusting the voltage applied to the electrode 31, and FIG. 4 (B) is a diagram showing a case where the resonance frequency is set to 280.75 kHz. FIG. 4C is a diagram illustrating a motion locus of the drive unit 21 when the resonance frequency is set to 282.00 kHz.
In FIG. 4A, when the resonance frequency is set to 278.75 kHz, the two driving units 21 can apply a clockwise driving force to the rotor 4 because the two driving units 21 perform an elliptical motion of pushing up to the upper left in FIG. .
In FIG. 4B, when the resonance frequency is changed to 280.75 kHz, the motion changes to an almost upward elliptical motion in FIG. At this time, one of the driving units 21 performs an elliptical motion of slightly pushing up to the upper left, so that the clockwise driving force is transmitted to the rotor 4 from the projection 22 at a low speed. Further, as compared with the case where the resonance frequency is 278.75 kHz, the urging force on the rotor 4 side is increased in the driving unit 21, so that a larger driving force can be obtained.
In FIG. 4C, when the resonance frequency is set to 282.00 kHz, the driving unit 21 changes to an elliptical motion in the upper right direction in FIG. Therefore, the rotor 4 obtains a counterclockwise driving force, and the rotation direction is reversed.
As described above, in the piezoelectric actuator according to the first embodiment, the direction and force of the elliptical motion of the drive unit 21 can be adjusted by changing the applied voltage to change the resonance frequency.
Also, since the phases of the two drive units 21 are different by 180 degrees, when one is in contact with the rotor 4, the other is away from the rotor 4. The driving force is given to the rotor 4.
[0021]
In the piezoelectric actuator according to the first embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the piezoelectric actuator 1, the two driving units 21 are provided at positions corresponding to the two antinodes of the secondary bending vibration. , A driving force is given to the motor, and the durability can be improved as compared with the case where one driving unit 21 is provided. Further, even in a device requiring a plurality of driving units, since one piezoelectric actuator has a plurality of driving units, the number of necessary piezoelectric actuators can be reduced, and miniaturization and thinning can be promoted.
(2) Since the vibration modes of the piezoelectric actuator 1 are primary longitudinal vibration and secondary bending vibration, the amplitude of the driving unit 21 can be increased, and the driving force can be further increased. Therefore, the rotor 4 can be driven at a constant rotation without stopping, and the driving stability can be remarkably improved.
(3) Since the piezoelectric actuator 1 has the protrusions 22 at diagonal positions in a rectangular shape, the protrusions 22 are present when a voltage is applied between the electrode 31 on the surface of the piezoelectric element 3 and the reinforcing plate 2. In the portion where the protrusion 22 is present, the longitudinal primary vibration is suppressed due to the weight of the protrusion 22 and the like, whereas in the portion where the protrusion 22 does not exist, the longitudinal primary vibration is excited. It becomes balanced and secondary bending vibration occurs in the width direction. Accordingly, the primary longitudinal vibration and the secondary bending vibration can be generated by installing the protrusion 22 on the piezoelectric actuator 1, and there is no need to provide a complicated electrode on the piezoelectric element 3, and the vibrating body 10 can be easily manufactured. it can.
[0022]
(4) The direction of the elliptical motion of the driving unit 21 can be changed by adjusting the frequency of the voltage applied between the electrode 31 and the reinforcing plate 2. This makes it possible to change the rotation state of the rotor 4 with a simple structure, such as adjusting the magnitude and direction of the driving force applied to the rotor 4 without a complicated mechanical variable means, and to enable reverse rotation. Become.
(5) The phases of the two drive units 21 are different by 180 degrees, and when one is in contact with the rotor 4, the other is separated from the rotor 4. By doing so, it is possible to substantially continuously apply a driving force to the rotor 4, and it is possible to obtain a larger driving force than in the case where only one driving unit 21 is provided. Further, since the driving unit 21 is divided into two parts to apply the driving force to the rotor 4 almost continuously, the rotation speed of the rotor 4 is likely to be constant, and if the rotation speed is constant, the rotation speed is maintained. The driving force required for the driving is small, and wear of the driving unit 21 can be prevented.
(6) Since the length dimension ratio of the vibrating body 10 is such that the long side: short side is 7: 1.98, the resonance frequencies of the longitudinal primary vibration and the bending secondary vibration are close to each other, and By vibrating the piezoelectric element in the vicinity of the resonance frequency, the piezoelectric element is excited in the vicinity of the respective resonance points of the longitudinal primary vibration and the bending secondary vibration, so that the respective vibration amplitudes are increased. Therefore, the amplitude of the elliptical trajectory of the driving section also increases, and the driven body can be driven with high efficiency.
[0023]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Note that components that are the same as or similar to those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. The same applies to a third embodiment described below.
FIG. 5 is a plan view of the piezoelectric actuator according to the second embodiment.
In the present embodiment, the electrode 31 on the surface of the piezoelectric element 3 is divided into three equal parts parallel to the longitudinal direction, and both ends of the divided electrode are equally divided into two equal parts parallel to the width direction. These divided electrodes 31A to 31E are insulated from each other, and wiring from a driving circuit (not shown) is connected to each of the electrodes 31A to 31E.
Further, in the second embodiment, the protrusions 22 are not formed on both short sides of the rectangular shape of the reinforcing plate 2.
[0024]
These electrodes 31A to 31E are formed by applying a voltage to electrodes along a diagonal direction of a rectangle, for example, electrodes 31A, 31C, and 31E in FIG. Appearing asymmetrically with respect to the centerline of the vibrating body 10, the longitudinal primary vibration and the bending secondary vibration are simultaneously excited as the whole vibrating body 10. The drive unit 21 draws an elliptical motion by combining the longitudinal primary vibration and the bending secondary vibration, and can transmit the driving force to the rotor 4 in a direction corresponding to the elliptical motion.
When a voltage is applied to the other diagonal electrode, that is, the electrodes 31B, 31C, and 31D, the bending secondary vibration of the opposite phase is excited, and the direction of the elliptical motion of the driving unit 21 is reversed.
Further, the electrode not used as the driving electrode is used as a displacement detection electrode, and the magnitude of vibration of the piezoelectric actuator 1 is detected by sending an electric signal generated according to the magnitude of vibration to a detection circuit (not shown). . The voltage applied to the driving electrode is adjusted by feedback control based on the magnitude of the detected vibration.
[0025]
According to the second embodiment, the following effects are obtained in addition to the effects (1), (2), (5), and (6) of the first embodiment.
(7) The electrode 31 on the surface of the piezoelectric element 3 is divided into three equal parts parallel to the longitudinal direction, and both ends of the divided electrode are equally divided into two parts parallel to the width direction. By applying a voltage to the electrodes located in the diagonal direction of the vibrating body 10 among the electrodes 31 to 31E, the driving unit 21 can be made to perform an elliptical motion, and a driving force corresponding to the elliptical motion can be obtained. Further, by switching the electrodes to electrodes in different diagonal directions and applying a voltage, the elliptical motion of the drive unit 21 can be reversed, and the rotor 4 can be reversed.
(8) Since the electrode to which no voltage is applied is used as the displacement detection electrode, the magnitude of the vibration of the vibrating body 10 can be detected, and the voltage applied to the electrode can be adjusted by feedback control based on the detection result. It can be driven under conditions.
[0026]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The third embodiment uses the piezoelectric actuator 1 of the second embodiment described above as a pin actuator. FIG. 6 is a plan view of the piezoelectric actuator according to the present embodiment.
In FIG. 6, the piezoelectric actuator 1 of the third embodiment is configured to apply a driving force to a rod-shaped pin 6 that is in contact with a rotatably provided roller 41.
[0027]
One roller 41 is provided on the opposite side of the piezoelectric actuator 1 with the pin 6 interposed therebetween, and supports the pin 6.
The pin 6 is provided so as to be able to reciprocate in the axial direction by obtaining a driving force from the driving unit 21 of the piezoelectric actuator 1. The pins 6 are supported at three positions: two driving portions 21 provided on the piezoelectric actuator 1 and a roller 41 provided on the opposite side of the driving portion 21. The longitudinal direction of the piezoelectric actuator 1 is provided in the same direction as the axial direction of the pin 6.
[0028]
When a voltage is applied to the electrodes of the piezoelectric actuator 1, the piezoelectric actuator 1 performs an elliptical motion, whereby the pin 6 obtains a driving force and moves in a direction corresponding to the direction of the elliptical motion. That is, since the electrode 31 is divided into five, the pin 6 moves in both axial directions by changing the rotation direction of the elliptical motion of the drive unit 21 as described in the second embodiment.
[0029]
In the third embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects (1), (2), (5), and (6) of the first embodiment.
(9) Since the two drive units 21 are provided on the long side of the piezoelectric actuator 1, the drive unit 21 can support two places of the pin 6, and the roller 41 is driven with the pin 6 therebetween. It is only necessary to provide one on the opposite side of the portion 21. This can promote downsizing of the pin actuator and reduce the number of members.
[0030]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes modifications and improvements as long as the objects of the present invention can be achieved.
For example, in the first, second, and third embodiments, the vibration of the vibrating body 10 is a composite vibration of the longitudinal primary vibration and the bending secondary vibration, but the order of the vibration mode of each vibration is arbitrary. is there.
Further, the position of the projection at this time may be provided in accordance with the antinode of the bending vibration, and is not limited to two. For example, when the vibrating body performs a composite vibration of the fourth-order bending vibration, it is possible to provide two to four in accordance with the position of the antinode of the fourth-order bending vibration. In consideration of the above, it is sufficient that a plurality of them are arbitrarily provided.
[0031]
In the second and third embodiments, the piezoelectric element 3 is formed with the electrodes 31A to 31E that are divided into three equal parts in parallel with the longitudinal direction, and both ends are equally divided into two parts in parallel with the shorter side direction. Not limited to this. For example, there is a division method as shown in FIGS. FIG. 7A shows a dividing method in which the surface electrode of the piezoelectric element 3 is divided into three in parallel with the short side direction, and both ends are divided into two equal parts in parallel with the longitudinal direction. FIG. 7B illustrates a dividing method in which the surface electrode of the piezoelectric element 3 is divided by connecting the midpoint of the short side of the rectangle and the midpoint of the long side adjacent to the short side so that a diamond is drawn at the center. Is shown. FIG. 7C shows a dividing method in which the surface electrode is divided into four parts in parallel with the short side direction, and the two inner electrodes are further divided into two equal parts in parallel with the longitudinal direction.
In these examples, a longitudinal vibration and a bending vibration are excited by applying a voltage to the electrodes L and N shown in FIG. 7, and the driving unit 21 performs an elliptical motion by a combined vibration of these vibrations. Also, by applying a voltage to the electrodes M and N, the elliptical motion of reverse rotation is performed, and a driving force in the opposite direction is given to the driven body. In other words, the method of dividing the electrodes is arbitrary, as long as a composite vibration of longitudinal vibration and bending vibration can be obtained by applying a voltage.
[0032]
In the first, second, and third embodiments, the drive unit 21 is provided at two locations on one long side of the reinforcing plate 2 corresponding to the antinode position of the bending secondary vibration, and drives one rotor 4. However, it is not limited to this. For example, as shown in FIGS. 8A and 8B, the support portion 23A is provided substantially at the center of the vibrating body 10, and the driving portion 21 has one long side at one antinode of bending vibration and the other long side. It may be one provided at the antinode of the bending vibration on the side. Specifically, FIG. 8A illustrates a structure having a driving unit 21 near one side in the longitudinal direction of the vibrating body 10, and FIG. 8B illustrates a pair of driving units at positions that are line-symmetric with respect to the supporting unit 23 </ b> A. It has a structure in which the portion 21 is provided. In these structures, two rotors 4 can be driven for one piezoelectric actuator 1 by bringing one rotor into contact with each drive unit 21.
Further, as shown in FIG. 8C, a structure having one drive unit 21 on one long side and two drive units 21 on the other long side may be employed. In this case, one rotor 4 driven by these drive units 21 is provided on the long side provided with the two drive units 21, and only the drive unit 21 is provided on the long side provided with one drive unit 21. By arranging the driven rotors 4, two rotors 4 can be driven. Further, in the piezoelectric actuator 1, one rotor 4 can be brought into contact with each drive unit 21 to drive a total of three rotors 4 per one piezoelectric actuator 1.
Further, the drive units 21 may be provided corresponding to the positions of the antinodes of the bending vibration on both long sides. In this case, as shown in FIG. 8 (D), a structure in which each drive unit 21 drives one rotor 4 or as shown in FIG. 8 (E), one rotor 4 is driven by two drive units 21 It is possible to have a structure that allows it. In these modified examples, in some cases, the plurality of rotors 4 are driven by urging the rotor 4 toward the drive unit 21 side.
As described above, it is sufficient that a plurality of drive units are provided corresponding to the positions of antinodes of the bending vibration. In this manner, a plurality of rotors can be driven by one piezoelectric actuator. That is, another object of the present invention is to drive a plurality of driven members by one piezoelectric actuator, thereby promoting a reduction in the number of components and a reduction in the size of the entire device.
[0033]
In the first, second, and third embodiments, the vibrating body 10 is urged against the rotor 4 or the pin 6, but is not limited thereto. For example, in the first and second embodiments, the vibrating body 10 may be fixed and the rotor 4 may be urged toward the vibrating body 10, and in the third embodiment, the vibrating body 10 is fixed and the pin 6 is connected to the vibrating body. It may be biased to the 10 side.
[0034]
The best configuration and method for carrying out the present invention have been disclosed in the above description, but the present invention is not limited to this. That is, the present invention has been particularly shown and described with particular reference to particular embodiments, but may be modified in form and form without departing from the spirit and scope of the invention. Those skilled in the art can make various modifications in terms of material, quantity, and other detailed configurations.
Therefore, the description of the shapes, materials, and the like disclosed above is merely an example for facilitating the understanding of the present invention, and does not limit the present invention. The description by the name of the member excluding some or all of the limitations such as is included in the present invention.
[0035]
【The invention's effect】
According to the present invention, since a plurality of driving units are mounted at positions corresponding to a plurality of antinodes of bending vibration, a driving force is applied to a driven body by a plurality of driving units for one piezoelectric actuator. In addition, the durability can be improved as compared with the case where there is one driving unit. Furthermore, unlike the conventional case where the number of piezoelectric actuators is required as many as the number of drive units, one piezoelectric actuator has a plurality of drive units, so the number of required piezoelectric actuators can be reduced, and the size and thickness can be reduced. The effect is that it can be promoted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of an apparatus including a piezoelectric actuator according to a first embodiment.
FIG. 2 is an overall perspective view of a piezoelectric actuator according to the first embodiment.
FIG. 3 is a plan view of the piezoelectric actuator according to the first embodiment.
FIG. 4 (A) is a diagram showing the movement of a driving unit when the resonance frequency is set to 278.75 kHz by adjusting the voltage applied to the electrodes, and FIG. 4 (B) is a diagram showing the case where the resonance frequency is set to 280.75 kHz. The figure which showed the movement of the drive part, (C) The figure which showed the movement of the drive part when the resonance frequency was set to 282.00 kHz.
FIG. 5 is a plan view of a piezoelectric actuator according to a second embodiment.
FIG. 6 is a plan view of a pin actuator according to a third embodiment.
FIG. 7 is a view showing a modified example of the piezoelectric actuator of the second embodiment.
FIG. 8A is a plan view of a modified example of a structure having a driving unit near one side in the longitudinal direction of the vibrating body, and FIG. 8B is a diagram illustrating a pair of driving units at positions that are line-symmetric with respect to substantially the center of the vibrating body. (C) is a plan view of a modified example of a structure in which one part is provided, and (C) is a plan view of a modified example of a structure having one driving part on one long side and two driving parts on the other long side. () Is a plan view of a modification of a structure in which each driving unit drives one driven body, and (E) is a plan view of a modification of a structure in which two driving units drive one driven body.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric actuator, 10 ... Vibrating body 21 ... Drive part, 22 ... Projection part, 3 ... Piezoelectric element, 31, 31A, 31B, 31C, 31D, 31E ... Electrode

Claims (7)

長手方向を有する矩形薄板状の圧電素子と、被駆動体に当接される駆動部とを有した振動体を備えているとともに、この振動体が縦振動と屈曲振動との複合振動で、かつ面内方向に振動する圧電アクチュエータであって、
前記駆動部は複数あり、かつ前記屈曲振動の腹に対応した位置に設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
A rectangular thin plate-shaped piezoelectric element having a longitudinal direction, and a vibrating body having a driving unit that is in contact with the driven body, the vibrating body is a composite vibration of longitudinal vibration and bending vibration, and A piezoelectric actuator that vibrates in an in-plane direction,
A piezoelectric actuator, wherein a plurality of the driving units are provided at positions corresponding to antinodes of the bending vibration.
請求項1に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記縦振動は1次モードであり、前記屈曲振動は2次モードであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
The piezoelectric actuator according to claim 1,
The piezoelectric actuator is characterized in that the longitudinal vibration is in a first mode and the bending vibration is in a second mode.
請求項1または請求項2に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記振動体には矩形状の対角位置に一対の突起部が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
The piezoelectric actuator according to claim 1 or 2,
A piezoelectric actuator, wherein the vibrator is provided with a pair of protrusions at diagonal positions in a rectangular shape.
請求項1から請求項3のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電素子の表面に印加する電圧の周波数を変化させることによって、前記振動体の振動を調整可能に設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 3,
A piezoelectric actuator, wherein the vibration of the vibrating body is adjustable by changing the frequency of a voltage applied to the surface of the piezoelectric element.
請求項1から請求項4のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電素子の表面には、矩形状の略対角方向に沿って駆動用電極が形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4,
A piezoelectric actuator, wherein a driving electrode is formed on a surface of the piezoelectric element along a substantially diagonal direction of a rectangular shape.
請求項1から請求項5のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電素子の表面には複数の電極が形成されており、これらの電極のうち一部が駆動用電極であり、残りのうち少なくとも一部の電極が変位検出電極であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 5,
A plurality of electrodes are formed on the surface of the piezoelectric element, some of these electrodes are driving electrodes, and at least some of the remaining electrodes are displacement detection electrodes. Actuator.
請求項1から請求項6のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電素子の長辺を1とすると、短辺は0.274以上に形成され、前記圧電素子の短辺には突起部が設けられ、前記圧電素子の長手方向に伸縮する縦振動と、前記圧電素子の平面中心に対して点対称に、前記縦振動に直交する方向に屈曲する屈曲振動との振動比は、前記縦振動の共振周波数に対する前記屈曲振動の共振周波数の比が、1.00より大きく、1.03以下となるように設定されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 6,
Assuming that the long side of the piezoelectric element is 1, the short side is formed to be 0.274 or more, a protrusion is provided on the short side of the piezoelectric element, and the longitudinal vibration that expands and contracts in the longitudinal direction of the piezoelectric element; The vibration ratio between the bending vibration and the bending vibration bending in a direction orthogonal to the longitudinal vibration in a point symmetry with respect to the plane center of the piezoelectric element is such that the ratio of the resonance frequency of the bending vibration to the resonance frequency of the longitudinal vibration is 1.00. A piezoelectric actuator characterized by being set to be larger and 1.03 or less.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7683523B2 (en) 2007-03-15 2010-03-23 Panasonic Corporation Ultrasonic actuator
US7701115B2 (en) 2007-05-01 2010-04-20 Panasonic Corporation Drive unit
US7737604B2 (en) 2007-03-16 2010-06-15 Panasonic Corporation Ultrasonic actuator
US7911112B2 (en) 2005-12-15 2011-03-22 Panasonic Corporation Ultrasonic actuator
US8179020B2 (en) 2007-06-14 2012-05-15 Panasonic Corporation Vibratory actuator and drive device using the same
US8237331B2 (en) 2007-06-14 2012-08-07 Panasonic Corporation Vibratory actuator and drive unit including the same
CN110601597A (en) * 2019-09-24 2019-12-20 太原科技大学 Bimodal compound inchworm ultrasonic motor
US11233465B2 (en) 2018-10-30 2022-01-25 Seiko Epson Corporation Piezoelectric drive device, robot, and printer

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7911112B2 (en) 2005-12-15 2011-03-22 Panasonic Corporation Ultrasonic actuator
US7683523B2 (en) 2007-03-15 2010-03-23 Panasonic Corporation Ultrasonic actuator
US7923899B2 (en) 2007-03-15 2011-04-12 Panasonic Corporation Ultrasonic actuator
US7737604B2 (en) 2007-03-16 2010-06-15 Panasonic Corporation Ultrasonic actuator
US7701115B2 (en) 2007-05-01 2010-04-20 Panasonic Corporation Drive unit
US7898146B2 (en) 2007-05-01 2011-03-01 Panasonic Corporation Drive unit
US8179020B2 (en) 2007-06-14 2012-05-15 Panasonic Corporation Vibratory actuator and drive device using the same
US8237331B2 (en) 2007-06-14 2012-08-07 Panasonic Corporation Vibratory actuator and drive unit including the same
US11233465B2 (en) 2018-10-30 2022-01-25 Seiko Epson Corporation Piezoelectric drive device, robot, and printer
CN110601597A (en) * 2019-09-24 2019-12-20 太原科技大学 Bimodal compound inchworm ultrasonic motor
CN110601597B (en) * 2019-09-24 2022-07-15 太原科技大学 Bimodal compound inchworm ultrasonic motor

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