JP2019180174A - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の圧電素子を積層した圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator in which a plurality of piezoelectric elements are stacked.
圧電アクチュエータは、振動体に1つの固有の超音波振動又は異なる2つの固有の超音波振動を所定の周波数及びタイミングで発生させることにより、振動体の振動出力部において、楕円等の回転運動や往復運動を発生させ、この運動を振動出力部に接触させたロータ等の被駆動体に伝達して、当該被駆動体を駆動するものである。この圧電アクチュエータは、低速高トルクを実現可能であり、静粛性に優れ、小型軽量化に適しているといった特徴がある。このため、カメラのオートフォーカス機能や、走査型電子顕微鏡を始めとし、精密な位置決めが要求される様々な可動機構の駆動源として広く用いられている。
ところで、このような圧電アクチュエータでは、振動体として主に積層圧電素子が用いられている。この積層圧電素子によれば、例えば同じ厚さの単一の板状の圧電体と比較した場合、低い印加電圧で、より大きな変形歪や発生力を得ることができることが知られている。
The piezoelectric actuator generates one specific ultrasonic vibration or two different specific ultrasonic vibrations at a predetermined frequency and timing in the vibration body, so that the vibration output unit of the vibration body can rotate or reciprocate such as an ellipse. A motion is generated, and this motion is transmitted to a driven body such as a rotor brought into contact with the vibration output unit to drive the driven body. This piezoelectric actuator can realize low speed and high torque, is excellent in quietness, and is suitable for reduction in size and weight. For this reason, it is widely used as a drive source for various movable mechanisms that require precise positioning, such as a camera autofocus function and a scanning electron microscope.
By the way, in such a piezoelectric actuator, a laminated piezoelectric element is mainly used as a vibrating body. According to this laminated piezoelectric element, it is known that, for example, when compared with a single plate-like piezoelectric body having the same thickness, a larger deformation strain and generating force can be obtained with a low applied voltage.
たとえば、特許文献1には、圧電素子の節の発生箇所付近を板バネで直接支持固定することによって、振動子の滑りやガタを無くし、振動エネルギーの損失および振動特性を変化させることなく、高効率で安定的な出力が得られることが開示されている。 For example, in Patent Document 1, the vicinity of a node where a piezoelectric element is generated is directly supported and fixed by a leaf spring to eliminate slipping or backlash of the vibrator, and without changing vibration energy loss and vibration characteristics. It is disclosed that an efficient and stable output can be obtained.
特許文献2には、圧電素子の節の発生箇所付近をケースと一体化された支持部材で支持することにより、振動子を加圧方向と垂直な方向に移動させず、加圧方向にのみ案内しているため、振動子に生ずる屈曲振動および伸縮振動が安定することで、大きくかつ安定した駆動力発生を実現できることが開示されている。 In Patent Document 2, a vibrator is guided only in the pressurizing direction without moving the vibrator in a direction perpendicular to the pressurizing direction by supporting the vicinity of the node of the piezoelectric element with a support member integrated with the case. Therefore, it is disclosed that a large and stable driving force generation can be realized by stabilizing the bending vibration and expansion vibration generated in the vibrator.
特許文献3には、振動子を収納する保持部材の収納部の一方の内壁面の凹部に円錐バネ材などの弾性部材を配し、他方の内壁面に転動体を配することで、収納部全体を円錐バネと転動体で保持して、振動体の振動が保持部材を介して周囲の部材に伝搬することを抑制することが開示されている。 In Patent Document 3, an elastic member such as a conical spring material is disposed in a concave portion on one inner wall surface of a storage portion of a holding member that stores a vibrator, and a rolling element is disposed on the other inner wall surface, whereby a storage portion It is disclosed that the whole is held by a conical spring and a rolling element to suppress the vibration of the vibrating body from propagating to surrounding members via the holding member.
特許文献4には、圧電振動子の中央をネジ止め固定することによって、位置ずれのない支持固定を実現できると同時に、駆動力に影響する振動を良好に伝達できることが開示されている。 Patent Document 4 discloses that by fixing the center of a piezoelectric vibrator with a screw, it is possible to realize support and fixing without displacement, and at the same time, it is possible to satisfactorily transmit vibration that affects driving force.
ところで、圧電アクチュエータにおいては、振動子からの駆動力を低下させることなく、しかも、駆動力に影響を及ぼさない振動子からの余分な振動を周囲の部材に伝播させないことが必要である。 By the way, in the piezoelectric actuator, it is necessary not to reduce the driving force from the vibrator and to prevent the extra vibration from the vibrator that does not affect the driving force from propagating to surrounding members.
しかしながら、特許文献1では、圧電素子の節の発生箇所付近を板バネで直接支持固定しているため、振動子が斜めに組みつけられた場合には、接触子の姿勢が悪化して、正確に摺動部材に当たらなくなるためアクチュエータの効率的な駆動が得られないという欠点を有する。さらに、振動子からの駆動力に無関係な振動が周囲の部材に伝搬してしまい、異音の発生を抑制できない欠点を有する。 However, in Patent Document 1, since the vicinity of the node where the piezoelectric element is generated is directly supported and fixed by a leaf spring, when the vibrator is assembled obliquely, the posture of the contact deteriorates and is accurate. In this case, the actuator cannot be driven efficiently because it does not hit the sliding member. Furthermore, the vibration unrelated to the driving force from the vibrator propagates to the surrounding members, and there is a drawback that the generation of abnormal noise cannot be suppressed.
また、特許文献2では、圧電素子をプラスチックやゴム等からなるケースと一体化された4箇所の支持部で支持しているため、圧電素子自体の姿勢を加圧方向と同一となるように組み立てることが難しく、また、ゴム等からなる支持部が圧縮されて振動子側部を固定していないため、振動を安定的に伝達することが難しい、しかも、4箇所でのみ支持しているため、駆動力に影響を与えない余分な振動の他の部材への伝搬を抑制することが難しく、十分に異音を防止できない欠点を有する。 In Patent Document 2, since the piezoelectric element is supported by four support portions integrated with a case made of plastic, rubber, or the like, the piezoelectric element itself is assembled so that its posture is the same as the pressing direction. It is difficult, and since the support part made of rubber or the like is compressed and the vibrator side part is not fixed, it is difficult to transmit vibration stably, and because it supports only at four places, It is difficult to suppress propagation of extra vibrations that do not affect the driving force to other members, and there is a drawback that it is not possible to sufficiently prevent abnormal noise.
さらに、特許文献3では、振動子をバネ材と転動球体という金属材料からなる部材を用いて、点接触で挟み込む構造であることから、周囲の部材への振動伝搬を抑えることが難しく、異音の発生を抑制することができない欠点を有する。 Further, in Patent Document 3, it is difficult to suppress vibration propagation to surrounding members because the vibrator is structured to be sandwiched by point contact using a member made of a metal material such as a spring material and a rolling sphere. It has a drawback that the generation of sound cannot be suppressed.
加えて、特許文献4では、圧電振動子の中央部一点のみをネジ止めしているため、振動子と摺動部材間で発生する摩擦力により、振動子の姿勢が不安定になり、安定して高出力が得られない。さらに、ネジのような金属材料で圧電振動子を固定しているため、駆動力に影響しない余分な振動を吸収することができず異音が発生してしまう欠点を有する。 In addition, in Patent Document 4, since only one central portion of the piezoelectric vibrator is screwed, the posture of the vibrator becomes unstable and stable due to the frictional force generated between the vibrator and the sliding member. High output cannot be obtained. Furthermore, since the piezoelectric vibrator is fixed with a metal material such as a screw, there is a drawback that extra vibration that does not affect the driving force cannot be absorbed and abnormal noise is generated.
本発明によれば、振動子が不安定な姿勢となることを防止することで、安定した駆動力の実現と、駆動力に直接影響を与えない余分な振動を他の部材に伝搬させず異音発生抑制の2つを両立して解決できる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。 According to the present invention, by preventing the vibrator from being in an unstable posture, it is possible to realize a stable driving force and to transmit an extra vibration that does not directly affect the driving force without propagating to other members. An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that can solve both of the suppression of sound generation.
本発明は、以下を包含する。
[1]伸縮振動および屈曲振動との合成振動を発生する積層構造の圧電素子からなる振動子を摺動部材に圧接させて当該摺動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、前記振動子の一端部を前記摺動部材に当接させて加圧する加圧部材と、前記振動子の少なくとも2箇所の節部を囲むように配置される弾性体と、前記弾性体を保持するとともに前記振動子の姿勢を保持する保持部材と、を有する圧電アクチュエータ。
[2]前記振動子の節部は、屈曲振動の節部である[1]記載の圧電アクチュエータ。
[3]前記弾性体の耐熱温度が150℃以上、かつJIS K6394準拠の
損失係数(tanδ)が0.15以下である[1]記載の圧電アクチュエータ。
[4]前記弾性体は、前記振動子の屈曲振動の少なくとも節部の領域を囲む大きさを有し、前記保持部材には当該弾性体の相対位置を移動不能に支持する凹部を有する[1]乃至[3]いずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
[5]前記弾性体は、前記振動子および前記保持部材の一方または双方との接触支持する凸部を有し、該凸部のみが当該振動子の前記節部を囲む[1]乃至[4]いずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
[6]前記振動子の長さをL、幅をWとしたとき、下記(1)式を満足する
0.21<W/L<0.26・・・・・・・(1)
[1]乃至[5]いずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
[7]前記積層構造を有する圧電素子は、複数の矩形状の圧電素子表面に設けられた内部電極を有し、前記内部電極は、屈曲振動用電極、伸縮用電極および接地電極が各々の前記圧電素子表面に形成され、当該屈曲振動用電極と当該伸縮用電極とは、それぞれ接地電極と一対で積層されており、前記積層された圧電素子の側面には電圧供給用電極が設けられている[1]乃至[6]いずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
[8]前記摺動部材が、長尺に形成され、長手方向に移動自在に支持されることにより当該長手方向に往復直線運動するようにリニア型アクチュエータとして構成されている[1]乃至[7]いずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
The present invention includes the following.
[1] In a piezoelectric actuator that moves a sliding member by pressing a vibrator composed of a piezoelectric element having a laminated structure that generates combined vibration of stretching vibration and bending vibration to the sliding member, one end of the vibrator is A pressure member that presses against the sliding member, an elastic body disposed so as to surround at least two node portions of the vibrator, and holds the elastic body and has an attitude of the vibrator. And a holding member for holding the piezoelectric actuator.
[2] The piezoelectric actuator according to [1], wherein the node of the vibrator is a node of bending vibration.
[3] The piezoelectric actuator according to [1], wherein the elastic body has a heat resistant temperature of 150 ° C. or higher and a loss coefficient (tan δ) according to JIS K6394 of 0.15 or lower.
[4] The elastic body has a size that surrounds at least a node region of the bending vibration of the vibrator, and the holding member has a concave portion that supports the relative position of the elastic body in an immovable manner. ] To [3] The piezoelectric actuator according to any one of the above.
[5] The elastic body has a convex portion that contacts and supports one or both of the vibrator and the holding member, and only the convex portion surrounds the node portion of the vibrator [1] to [4]. ] The piezoelectric actuator as described in any one of the above.
[6] When the length of the vibrator is L and the width is W, the following expression (1) is satisfied 0.21 <W / L <0.26 (1)
The piezoelectric actuator according to any one of [1] to [5].
[7] The piezoelectric element having the laminated structure includes an internal electrode provided on a plurality of rectangular piezoelectric element surfaces, and the internal electrode includes a flexural vibration electrode, an expansion / contraction electrode, and a ground electrode. Formed on the surface of the piezoelectric element, the bending vibration electrode and the expansion / contraction electrode are respectively laminated in a pair with a ground electrode, and a voltage supply electrode is provided on a side surface of the laminated piezoelectric element. The piezoelectric actuator according to any one of [1] to [6].
[8] The sliding member is configured as a linear actuator so as to reciprocate linearly in the longitudinal direction by being formed to be long and supported so as to be movable in the longitudinal direction. ] The piezoelectric actuator as described in any one of the above.
本発明によれば、振動子の屈曲振動節部付近の外周を囲む弾性体と、この弾性体の姿勢を保持するような保持部材を有することで、振動子の不安定な姿勢を防止し、かつ駆動力に直接影響を与えない余分な振動を他の部材に伝搬させず異音の発生を抑制した圧電アクチュエータを提供することができる。 According to the present invention, by having an elastic body that surrounds the outer periphery of the vicinity of the bending vibration node of the vibrator and a holding member that holds the posture of the elastic body, an unstable posture of the vibrator is prevented, In addition, it is possible to provide a piezoelectric actuator that suppresses the generation of abnormal noise without propagating excessive vibration that does not directly affect the driving force to other members.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図1〜図7は本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を示す図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1-7 is a figure which shows an example of the piezoelectric actuator based on one Embodiment of this invention.
図1において、圧電アクチュエータ10は、振動子11と、移動ユニット21と、を備えており、振動子11の振動によって移動ユニット21を往復直線運動させる。
In FIG. 1, the
図2および図3に示すように、振動子ASSY31は、振動子11と、振動子11を保持する保持部材32と、保持部材32と嵌合し振動子11を覆うケース33、加圧部材13および引張バネ14により構成される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the vibrator ASSY 31 includes the
さらに、振動子ASSY31は、ハウジング15内で上下方向に移動自在に支持されている。なお、加圧部材13は、棒状に形成されて両端部13a、13bに引張バネ14を装着し、この引張バネ14により、振動子11に押圧力を与える。
Further, the vibrator ASSY 31 is supported in the
保持部材32の両側面部32sのそれぞれには、一対の突起32pを備えており、この突起32pをハウジング15に形成されたスライド溝15dに挿入することで、振動子ASSY31を上下方向に移動可能としている。また、ハウジング15は、加圧部材13を収納する天井面部および溝15eを備えている。このハウジング15は、基底部15bを備えており、その基底部15bが後述のベース24にネジ等を用いて固定される。
Each of the
また、加圧部材13は、振動子11の上側端面11u(図2参照)に対面する部位に球形突起(図示せず)が形成されている。
この球状突起により、振動子11は、少々倒れた姿勢でも、その上側端面11u(図2参照)に加圧部材13の球形突起を確実に点接触させることで、引張バネ14による押圧力を適切に接触子19に伝え、駆動効率の良い圧電アクチュエータを実現できる。なお、接触子19は振動子11と一体となっている。
Further, the
With this spherical protrusion, the
ここで、移動ユニット21は、摺動部材22およびスライダ23から構成され、転動部材25を介して、往復直線運動をするようになっている。
Here, the moving
また、図2に示すように、ベース24には、保持溝24dが3箇所、およびスライダ23背面にも保持溝が3箇所設けられ(図示せず)、2つの保持溝で形成される案内部(図示せず)に転動部材25を収容することで、摺動部材22と一体化されたスライダ23を有する移動ユニット21が、往復直線運動可能となっている。
Further, as shown in FIG. 2, the
ところで、振動子11は、図3に示すように、矩形状の圧電素子12を角柱形状に重ねた積層構造に形成され、保持部材32内に収容保持される。この振動子11は、矩形の枠形状に形成されている弾性部材(弾性体)35が、図6に示すような振動子11の節部11e周りに位置するように、弾性部材35の一部を圧縮変形させて嵌め込まれており、さらに、保持部材32の保持リブ32r間(凹部)にも圧縮変形させて嵌め込むことで、弾性部材35を保持している。
Meanwhile, as shown in FIG. 3, the
なお、積層した振動子11は、50μm〜200μmの厚みのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT、ビッカース硬度350〜380)である圧電材料を複数枚積層して形成される。また、圧電材料としては、機械的品質係数が1000以上のチタン酸ジルコン酸鉛が好ましい。
ここで、機械的品質係数とは、振動による損失係数を表す数値であり、正確には弾性損失係数の逆数である。したがって、機械的品質係数が大きな材料は、弾性損失係数が小さいということになり、材料自体の内部損失が少ないために良好な振動を発生することができる。
The
Here, the mechanical quality factor is a numerical value that represents a loss factor due to vibration, and is precisely the reciprocal of the elastic loss factor. Therefore, a material having a large mechanical quality factor has a small elastic loss factor, and the material itself has a small internal loss, so that a good vibration can be generated.
また、弾性部材35は、シリコーンゴムやエチレン・プロピレンゴム(EPT、EPDM)等のゴム材料により作製されている。特に、ここで使用するゴム材料は、駆動力に直接寄与する振動子11の振動以外の余計な振動を保持部材32やケース33に伝達させないことが、異音発生抑制には有効である。このためには、ゴム材料として、損失係数(tanδ)が、一定値以下が必要であることが実験により判明した。
具体的には<表1>に記載するシリコーンゴムあるいはエチレン・プロピレンゴムが優れていた。さらに、駆動力を得るためには、振動子11に外部印加電圧を連続的に加えて微小振動させるため、振動子11自体の温度が上昇してしまうことは避けられない。したがって、ゴム材料には一定以上の耐熱性も必要であることがわかった。この結果を
<表1>に示す。この表からわかるように、耐熱性の観点からは、エチレンプロピレンゴムの耐熱温度以上が必要であった。
The
Specifically, the silicone rubber or ethylene / propylene rubber described in Table 1 was excellent. Furthermore, in order to obtain a driving force, an externally applied voltage is continuously applied to the
<表1>
なお、損失係数の測定は、基本的には、JIS K6394準拠しておこなった。具体的測定方法を以下に記載する。
<損失係数(tanδ)測定方法>
・測定器:上島製作所製 粘弾性アナライザYR−7130
・測定温度:室温
・変形方法:引張
・周波数:100Hz
・振幅:±1%
・プレロード:480mN
・試験片形状:20mm(つかみ間隔)×4mm(幅)×2mm(厚さ))の短冊形状片
また、<表1>における総合評価とは損失係数、耐熱温度、耐オゾン性、電気絶縁性をすべて満足するものを「○(丸)」、一つでも満足しない項目がある場合には「×(バツ)」とした。以上の結果から、弾性部材35として使用可能なゴム(熱硬化性エラストマ)は、損失係数(tanδ)が0.15以上で、かつ耐熱温度が150℃以上の物性値を有することが必要であることが判明した。
<Table 1>
The loss factor was basically measured in accordance with JIS K6394. A specific measurement method is described below.
<Method of measuring loss factor (tan δ)>
-Measuring instrument: Viscoelastic analyzer YR-7130 manufactured by Ueshima Seisakusho
・ Measurement temperature: Room temperature ・ Deformation method: Tensile ・ Frequency: 100 Hz
・ Amplitude: ± 1%
・ Preload: 480mN
-Test piece shape: strip shape piece of 20 mm (grip interval) x 4 mm (width) x 2 mm (thickness)) Also, the comprehensive evaluation in <Table 1> is loss coefficient, heat resistance temperature, ozone resistance, electrical insulation “○ (circle)” indicates that all of the items are satisfied, and “× (x)” indicates that there is an item that does not satisfy even one item. From the above results, the rubber (thermosetting elastomer) that can be used as the
以下、弾性部材35を振動子11の節部を含み振動子11の外周を覆うような形に配置する理由を詳細に説明する。後述する他の実施形態における弾性部材55においても同様である。
まず、振動子11は、屈曲振動および伸縮運動する際に、変位の小さい節部が形成される(図6の11e、11m)。そして、節部を除く領域では、屈曲振動および伸縮運動で振動子11が大きく変位する腹部が形成される。
Hereinafter, the reason why the
First, when the
このため、振動子11は、振動子11の変位が小さい箇所を押さえることを目的に、振動子11の屈曲振動節部(11e)の外周に弾性部材35が取り付けられ、保持部材32の保持リブ32r間(凹部)に圧縮支持されている。すなわち、この弾性部材35は、振動子11の屈曲振動の節部(11e)を中心として、振動子11の長さ(L)方向に均等な幅(厚み)を有する。この弾性部材35の振動子11の長さ方向の長さ(=厚み)は0.5mmより大きく、1.5mm未満である。この理由は、弾性部材35の厚みが、0.5mm以下では、振動子11の姿勢を良好に保つことができず、1.5mm以上では、振動子11の屈曲振動を過剰に抑えてしまい、十分な駆動力が得られないためである。さらに、このような厚みを有する弾性部材35は、振動子11外周よりも小さめの内周面を有することで、振動子11を圧縮保持し、かつ、保持部材32の内周面よりも大きな外径を有することで、保持部材32に圧縮嵌合している 。また、保持部材32の保持リブ32r間(凹部)は、弾性部材35を圧縮嵌合できるように、弾性部材35の厚みよりも小さく形成されている。なお、後述する他の実施形態の弾性部材55については、図8に図示する。
For this reason, the
このように、振動子11は、弾性部材35が寸法や組み付けの誤差を吸収しつつ、振動子11の屈強振動の節部11e(図6参照。)を圧縮保持することができ、かつ、保持部材32内32r間(凹部)に圧縮嵌合されているため、振動子11の余分な振動を吸収できる。また、振動子11が多少傾いた状態で組みつけられても、接触子19の姿勢が悪化せず、安定して摺動部材22に当接させることができる。このためアクチュエータの効率的な駆動が得られる。
In this way, the
以上記載したように、振動子11は、屈曲振動の節部11eを弾性部材35により圧縮保持しているため、振動子11が多少傾いた状態で組みつけられても、接触子の姿勢が悪化せず、安定して接触させることができる。このためアクチュエータの効率的かつ安定的な駆動が得られる。同時に、駆動力に直接影響を与えない余分な振動を他の部材に伝搬させず異音の発生を抑える事も実現できる圧電アクチュエータを提供することができる。
As described above, the
ところで、振動子11は、複数の矩形状の圧電素子を複数積層させ、圧電素子表面に内部電極を有し、この内部電極は、屈曲振動用電極と伸縮用電極および接地電極として圧電素子表面に形成される。この屈曲振動用電極と伸縮用電極とは、それぞれ接地電極と一対で積層され、積層された圧電素子の側面には電圧供給用電極が設けられている。そして、これらの電極間に適宜駆動電圧が印加されることで、所望の駆動動作をするようになっている。
By the way, the
この振動子を構成する積層構造の各圧電素子に形成された電極パターンについて図4を用いて説明する。図4に示す電極符号(+、−)は、圧電素子内部の分極状態を示す。図4(a)は、圧電素子の表面に形成され、電源側に接続されて、駆動信号の入力パターンとして機能する。図4(b)は、後述の伸縮動作用の駆動電極として機能する。図4(c)は、後述の屈曲動作用の駆動信号の入力パターンとして機能する。図4(d)は、アース接続される接地(G)パターンとして機能する。図4(e)及び図4(f)は、図4(a)〜図4(d)の信号あるいは接地パターンを接続するための外部取出しパターンとして機能する。 The electrode pattern formed on each piezoelectric element having a laminated structure constituting this vibrator will be described with reference to FIG. The electrode symbols (+, −) shown in FIG. 4 indicate the polarization state inside the piezoelectric element. FIG. 4A is formed on the surface of the piezoelectric element and is connected to the power supply side to function as an input pattern of a drive signal. FIG. 4B functions as a drive electrode for a telescopic operation described later. FIG. 4C functions as an input pattern of a driving signal for bending operation described later. FIG. 4D functions as a ground (G) pattern connected to the ground. 4 (e) and 4 (f) function as external extraction patterns for connecting the signals or ground patterns of FIGS. 4 (a) to 4 (d).
上述した積層振動子11に外部から信号を入力することで、振動子11が伸縮、屈曲振動する様子を図5(a)〜(c)及び図6(a)〜(c)を用いて説明する。振動子11に伸縮動作用の駆動信号が入力されると、図5(b)(c)に示すように、振動子11の長手方向に伸縮振動が行なわれる。さらに、振動子11に屈曲動作用の駆動信号が入力されると、図6(b)(c)に示すように、振動子11の屈曲振動が行なわれる。
The manner in which the
このように、圧電アクチュエータ10は、振動子11に伸縮振動させる駆動電力信号周波数と屈曲振動させる駆動電力信号周波数の位相を略90°ずらすことで、楕円運動を生じさせ、摺動部材22を動かす。なお、摺動部材22の移動方向を反転させるには、入力信号の位相を反転させることで行われる。
As described above, the
さらに、振動子11は、図3に示すように、長さLと幅Wの比(W/L)が0.21<W/L<0.26であることが、摺動部材22の移動速度と消費電力の観点から好ましく、さらに、0.22≦W/L≦0.25とすることが、より好ましい。
Further, as shown in FIG. 3, the
以下、<表2>を用いてその理由を説明する。<表2>は圧電素子12の長さ(L)と幅(W)の比(W/L)を変更して、摺動部材22の移動速度(mm/s)とその時の消費電力(W)を測定した。ここで、摺動部材22の移動速度は、圧電アクチュエータの駆動効率を表し、さらに、消費電力は、その値が小さいほど効率的に駆動力が得られることを意味する。
Hereinafter, the reason will be described with reference to Table 2. <Table 2> changes the ratio (W / L) of the length (L) to the width (W) of the
<表2>
<測定条件>
・負荷:50g
・駆動電圧:3.5〜4.5Vrms
・駆動周波数 :150〜170KHz
<Table 2>
<Measurement conditions>
・ Load: 50g
・ Drive voltage: 3.5-4.5Vrms
・ Drive frequency: 150-170KHz
なお、表中の評価結果に記載された「◎(二重丸)」、「○(丸)」、「△(三角)」、「×(バツ)」の意味を以下に記載する。
(移動体速度)
◎:75mm/s以上、
○:50mm/s/以上75mm/s以下
△:30mm/s以上50mm/s未満
×:30mm/s未満
(消費電力)
◎:1W未満
○:1W以上1.5W未満
△:1.5W以上2W未満
×:2W以上
<表2>の評価結果から、移動体速度(mm/s)と消費電力(W)の両方を満足するためには、振動子11の幅(W)と長さ(L)の比(W/L)は、0.21より大きく、0.26より小さいことが必要であることがわかる。さらに、より好ましくは、0.22以上、かつ0.25以下であることもわかる。このように、振動子11の形状を最適化することで、高効率な駆動力を得ることができる圧電アクチュエータが実現できる。
The meanings of “◎ (double circle)”, “◯ (circle)”, “Δ (triangle)”, and “× (X)” described in the evaluation results in the table are described below.
(Moving body speed)
A: 75 mm / s or more,
○: 50 mm / s / more and 75 mm / s or less Δ: 30 mm / s or more and less than 50 mm / s ×: less than 30 mm / s (power consumption)
◎: Less than 1W
○: 1W or more and less than 1.5W
Δ: 1.5 W or more and less than 2 W
×: 2W or more
From the evaluation results of <Table 2>, in order to satisfy both the moving body speed (mm / s) and the power consumption (W), the ratio of the width (W) to the length (L) of the vibrator 11 (W It can be seen that / L) needs to be larger than 0.21 and smaller than 0.26. Further, it can be seen that the ratio is more preferably 0.22 or more and 0.25 or less. Thus, by optimizing the shape of the
以下、本実施形態の他の態様を、図8を用いて説明する。図8に示すように、振動子11を圧縮保持する弾性部材55が、弾性部材55の内周面全体を振動子11に接触させず、一定空間が形成されるように、弾性部材55の4つの支持凸部55pを有している。この4つの支持凸部55pは、既に図7を用いて説明したように、振動子11の屈曲振動の節部11eを囲み、圧縮保持するように形成されている。
Hereinafter, another aspect of the present embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 8, the
これにより、振動子11は、図7に示す実施形態の弾性部材35よりも小さな面積で、振動子11の節部11e外周を圧縮保持することができ、摺動部材22の駆動力に直接影響を与える屈曲振動を妨げることなく、効率の良い駆動力を摺動部材22に与えることができる。さらに、振動子11は、弾性部材55の支持凸部55pのみで振動子11を圧縮保持するため、支持凸部55pの両側に形成された4つの空間55sを利用して、振動子11の駆動時に発生する熱を効果的に放熱することができる。
Accordingly, the
本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。たとえば、回転運動するアクチュエータに適用しても同様な効果を奏することができることは勿論である。 The scope of the present invention is not limited to the illustrated and described exemplary embodiments, but includes all embodiments that provide the same effects as those intended by the present invention. For example, it is a matter of course that the same effect can be obtained even when applied to an actuator that rotates.
10……圧電アクチュエータ
11……振動子
11e……屈曲振動の節部
11m……伸縮振動の節部
12……圧電素子
13……加圧部材
14……引張バネ
15……ハウジング
19……接触子
21……移動ユニット
22……摺動部材
23……スライダ
24……ベース
24d……保持溝
25……転動部材
31……振動子ASSY
32……保持部材
32r……保持リブ(凹部)
33……ケース
35、55……弾性部材
55p……支持凸部
55s……空間
DESCRIPTION OF
32: Holding
33 ……
Claims (8)
前記振動子の一端部を前記摺動部材に当接させて加圧する加圧部材と、
前記振動子の少なくとも2箇所の節部を囲むように配置される弾性体と、
前記弾性体を保持するとともに前記振動子の姿勢を保持する保持部材と、
を有する圧電アクチュエータ。 In a piezoelectric actuator that moves a sliding member by pressing a vibrator made of a piezoelectric element having a laminated structure that generates a combined vibration of stretching vibration and bending vibration to the sliding member,
A pressurizing member for pressurizing one end portion of the vibrator in contact with the sliding member;
An elastic body arranged so as to surround at least two nodes of the vibrator;
A holding member for holding the elastic body and holding the posture of the vibrator;
A piezoelectric actuator.
請求項1に記載の圧電アクチュエータ。 The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the node of the vibrator is a node of bending vibration.
損失係数(tanδ)が0.15以下
である請求項1に記載の圧電アクチュエータ。 2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the elastic body has a heat resistant temperature of 150 ° C. or more and a loss coefficient (tan δ) in accordance with JIS K6394 of 0.15 or less.
下記(1)式を満足する
0.21<W/L<0.26・・・・・・・(1)
請求項1乃至請求項5いずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。 When the length of the vibrator is L and the width is W, the following expression (1) is satisfied. 0.21 <W / L <0.26 (1)
The piezoelectric actuator as described in any one of Claims 1 thru | or 5.
前記内部電極は、屈曲振動用電極、伸縮用電極および接地電極が各々の前記圧電素子表面に形成され、当該屈曲振動用電極と当該伸縮用電極とは、それぞれ接地電極と一対で積層されており、
前記積層された圧電素子の側面には電圧供給用電極が設けられている
請求項1乃至請求項6いずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。 The piezoelectric element having the laminated structure has internal electrodes provided on a plurality of rectangular piezoelectric element surfaces,
The internal electrode includes a flexural vibration electrode, an expansion / contraction electrode, and a ground electrode formed on the surface of each piezoelectric element, and the flexural vibration electrode and the expansion / contraction electrode are laminated in pairs with the ground electrode. ,
The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a voltage supply electrode is provided on a side surface of the stacked piezoelectric elements.
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JP7447677B2 (en) | 2020-05-27 | 2024-03-12 | セイコーエプソン株式会社 | Piezo drives, piezo motors and robots |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0739177A (en) * | 1993-07-20 | 1995-02-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Ultrasonic actuator and pyroelectric infrared sensor |
JP2013121193A (en) * | 2011-12-06 | 2013-06-17 | Seiko Epson Corp | Piezoelectric motor, driving device, electronic component transferring device, electronic component inspecting device, printing device, robot hand and robot |
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0739177A (en) * | 1993-07-20 | 1995-02-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Ultrasonic actuator and pyroelectric infrared sensor |
JP2013121193A (en) * | 2011-12-06 | 2013-06-17 | Seiko Epson Corp | Piezoelectric motor, driving device, electronic component transferring device, electronic component inspecting device, printing device, robot hand and robot |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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