JP2000358388A - Truss-type actuator - Google Patents
Truss-type actuatorInfo
- Publication number
- JP2000358388A JP2000358388A JP11166920A JP16692099A JP2000358388A JP 2000358388 A JP2000358388 A JP 2000358388A JP 11166920 A JP11166920 A JP 11166920A JP 16692099 A JP16692099 A JP 16692099A JP 2000358388 A JP2000358388 A JP 2000358388A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- displacement
- vibration
- elements
- piezoelectric element
- displacement elements
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子等の変位
素子を用いたアクチュエータ、特に複数の変位素子の変
位を合成して楕円運動を発生させるトラス型アクチュエ
ータにおいて、共振現象を利用して変位を拡大し、駆動
効率を向上させる技術に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an actuator using a displacement element such as a piezoelectric element, and more particularly, to a truss type actuator which generates an elliptical motion by synthesizing the displacements of a plurality of displacement elements by utilizing the resonance phenomenon. To improve driving efficiency.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来から、トラス型アクチュエータの分
野では、３つの積層型圧電素子の交点にチップ部材を設
け、球面を描くようにチップ部材を駆動し、球形の被駆
動部材を任意の方向に旋回させる技術が知られている
（３自由度小型アクチュエータの開発（第１報）：佐々
江ほか、精密工学会誌Ｖｏｌ．６１，Ｎｏ．３１，１９
９５ 参照）。2. Description of the Related Art Conventionally, in the field of a truss type actuator, a chip member is provided at an intersection of three laminated piezoelectric elements, the chip member is driven so as to draw a spherical surface, and a spherical driven member is moved in an arbitrary direction. A technique for turning is known (development of a small actuator having three degrees of freedom (1st report): Sasae et al., Journal of the Japan Society of Precision Engineering, Vol. 61, No. 31, 19)
95).
【０００３】また、特公平６−３６６７３号公報には、
圧電素子と２つの圧電素子の交点に配置するチップ部材
とを、圧電素子の変位方向には剛で、かつ変位方向に直
交する方向には柔な機構で接続し、２つの圧電素子間の
拘束を解除して変位を拡大する技術が示されている。[0003] Also, Japanese Patent Publication No. 6-36673 discloses that
The piezoelectric element and a chip member arranged at the intersection of the two piezoelectric elements are connected by a mechanism that is rigid in the direction of displacement of the piezoelectric element and flexible in the direction orthogonal to the direction of displacement, and restrains the two piezoelectric elements. A technique is disclosed in which the displacement is canceled to increase the displacement.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記各
従来例では、圧電素子を非共振状態で駆動しているため
圧電素子の変位量が小さく、駆動効率が低いという問題
点を有していた。However, in each of the above-mentioned prior arts, the piezoelectric element is driven in a non-resonant state, so that there is a problem that the displacement of the piezoelectric element is small and the driving efficiency is low.
【０００５】本発明は、上記従来例の問題点を解決する
ためになされたものであり、共振現象を利用して変位を
拡大し、駆動効率の高いトラス型アクチュエータを提供
することを目的としている。The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and has as its object to provide a truss-type actuator which increases displacement by utilizing a resonance phenomenon and has high driving efficiency. .
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のトラス型アクチュエータは、所定の変位を
発生させる複数の変位素子と、前記複数の変位素子の先
端部にそれぞれ結合され、前記各変位素子の変位を合成
するための変位合成部と、前記各変位素子の前記変位合
成部が結合されていない側の基端部を支持するための固
定部と、前記変位合成部を被駆動部材に圧接させるため
の加圧部と、前記変位合成部が楕円運動を行うように前
記各変位素子を共振駆動する駆動部とを含み、前記固定
部は、各変位素子間の振動伝達を抑制する制振部を有す
ることを特徴とする。In order to achieve the above object, a truss-type actuator according to the present invention comprises a plurality of displacement elements for generating a predetermined displacement, and a plurality of displacement elements respectively coupled to tips of the plurality of displacement elements. A displacement synthesizing unit for synthesizing the displacement of each displacement element, a fixing unit for supporting a base end of the displacement element on a side to which the displacement synthesizing unit is not coupled, and driving the displacement synthesizing unit A pressurizing unit for pressing against the member; and a driving unit for driving each of the displacement elements resonantly so that the displacement synthesis unit performs an elliptical motion, wherein the fixed unit suppresses transmission of vibration between the displacement elements. It is characterized by having a vibration damping part which performs.
【０００７】上記構成において、前記固定部は、制振材
を介して１つの変位素子の基端部を支持する部分と他の
変位素子の基端部を支持する部分に分割されていること
が好ましい。In the above structure, the fixing portion may be divided into a portion supporting the base end of one displacement element and a portion supporting the base end of another displacement element via a damping material. preferable.
【０００８】または、前記制振部は、いずれかの変位素
子の振動が伝達されて共振する副振動部を設けたことが
好ましい。[0008] Alternatively, it is preferable that the vibration damping section is provided with a sub-vibration section that transmits the vibration of any of the displacement elements and resonates.
【０００９】さらに、前記各変位素子が同じ位相で共振
する固有振動モードにおける固有振動数と、前記各変位
素子が逆位相で共振する固有振動モードにおける固有振
動数とがほぼ一致することが好ましい。Further, it is preferable that a natural frequency in a natural vibration mode in which each of the displacement elements resonates in the same phase substantially coincides with a natural frequency in a natural vibration mode in which each of the displacement elements resonates in an opposite phase.
【００１０】[0010]
【発明の実施の形態】本発明のトラス型アクチュエータ
の一実施形態について説明する。まず、本実施形態にお
いて変位素子として用いる積層型圧電素子の構成を図１
に示す。図１に示すように、積層型圧電素子１０は、Ｐ
ＺＴ等の圧電特性を示す複数のセラミック薄板１１と電
極１２，１３を交互に積層したものであり、各セラミッ
ク薄板１１と電極１２，１３とは接着剤等により固定さ
れている。１つおきに配置された各電極群１２及び１３
は、それぞれ信号線１４，１５を介して駆動電源１６に
接続されている。信号線１４と１５の間に所定の電圧を
印加すると、電極１２と１３に挟まれた各セラミック薄
板１１には、その積層方向に電界が発生し、その電界は
１つおきに同じ方向である。従って、各セラミック薄板
１１は、１つおきに分極の方向が同じになる（隣り合う
２つのセラミック薄板１１の分極方向は逆となる）よう
に積層されている。なお、積層型圧電素子１０の両端部
には、保護層１７が設けられている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the truss-type actuator of the present invention will be described. First, the configuration of a laminated piezoelectric element used as a displacement element in the present embodiment is shown in FIG.
Shown in As shown in FIG. 1, the multilayer piezoelectric element 10
A plurality of ceramic thin plates 11 exhibiting piezoelectric characteristics such as ZT and electrodes 12, 13 are alternately laminated, and each ceramic thin plate 11 and electrodes 12, 13 are fixed by an adhesive or the like. Each other electrode group 12 and 13 arranged every other
Are connected to a drive power supply 16 via signal lines 14 and 15, respectively. When a predetermined voltage is applied between the signal lines 14 and 15, an electric field is generated in the laminating direction on each ceramic thin plate 11 sandwiched between the electrodes 12 and 13, and the electric field is in the same direction every other one. . Therefore, the ceramic thin plates 11 are stacked so that the polarization direction of every other ceramic thin plate 11 is the same (the polarization direction of two adjacent ceramic thin plates 11 is opposite). Note that protective layers 17 are provided at both ends of the multilayer piezoelectric element 10.
【００１１】駆動電源１６により直流の駆動電圧を各電
極１２と１３の間に印加すると、全てのセラミック薄板
１１が同方向に伸び又は縮み、圧電素子１０全体として
伸縮する。電界が小さく、かつ変位の履歴が無視できる
領域では、各電極１２と１３の間に発生する電界と圧電
素子１０の変位は、ほぼ直線的な関係と見なすことがで
きる。この様子を図２に示す。図中、横軸は電界強度
を、縦軸は歪み率を表す。When a DC drive voltage is applied between the electrodes 12 and 13 by the drive power supply 16, all the ceramic thin plates 11 expand or contract in the same direction, and the entire piezoelectric element 10 expands and contracts. In a region where the electric field is small and the displacement history can be neglected, the electric field generated between the electrodes 12 and 13 and the displacement of the piezoelectric element 10 can be regarded as a substantially linear relationship. This is shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the electric field intensity, and the vertical axis represents the distortion rate.
【００１２】次に、駆動電源１６により交流の駆動電圧
（交流信号）を各電極１２と１３の間に印加すると、そ
の電界に応じて各セラミック薄板１１は同方向に伸縮を
繰り返し、圧電素子１０全体として伸縮を繰り返す。圧
電素子１０には、その構造や電気的特性により決定され
る固有の共振周波数が存在する。交流の駆動電圧の周波
数が圧電素子１０の共振周波数と一致すると、インピー
ダンスが低下し、圧電素子１０の変位が増大する。圧電
素子１０は、その外形寸法に対して変位が小さいため、
低い電圧で駆動するためには、この共振現象を利用する
ことが望ましい。Next, when an AC drive voltage (AC signal) is applied between the electrodes 12 and 13 by the drive power supply 16, the ceramic thin plates 11 repeatedly expand and contract in the same direction in accordance with the electric field, and the piezoelectric element 10 Repeated expansion and contraction as a whole. The piezoelectric element 10 has a unique resonance frequency determined by its structure and electrical characteristics. When the frequency of the AC drive voltage matches the resonance frequency of the piezoelectric element 10, the impedance decreases and the displacement of the piezoelectric element 10 increases. Since the displacement of the piezoelectric element 10 is small with respect to its external dimensions,
In order to drive at a low voltage, it is desirable to use this resonance phenomenon.
【００１３】次に、本実施形態のトラス型アクチュエー
タ（以下、単にアクチュエータと称する）の構成を図３
及び図４に示す。各図に示すように、２つの変位素子
（積層型の第１圧電素子及び第２圧電素子）１０，１
０’を略直角に交差させて配置し、それらの交差側端部
にチップ部材（変位合成部）２０を接着剤により接合し
ている。一方、第１及び第２圧電素子１０，１０’の他
端部をベース部材（固定部）３０に接着剤により接合し
ている。図４に示すように、ベース部材３０は２つの部
分３１，３２に分割され、制振材３３を介してボルト等
で結合されている。Next, the structure of a truss-type actuator (hereinafter, simply referred to as an actuator) of the present embodiment is shown in FIG.
And FIG. As shown in each figure, two displacement elements (laminated first piezoelectric element and second piezoelectric element) 10, 1
The chip members (displacement synthesizing parts) 20 are joined to each other at the intersection side ends thereof with an adhesive. On the other hand, the other ends of the first and second piezoelectric elements 10 and 10 ′ are joined to a base member (fixed portion) 30 by an adhesive. As shown in FIG. 4, the base member 30 is divided into two parts 31 and 32, and is connected by a bolt or the like via a damping material 33.
【００１４】ベース部材３０の材料としては、製造が容
易で、かつ強度に優れたステンレス鋼等が好ましい。制
振材３３の材料としては、防振ゴム等を用いる。特に、
圧電素子１０，１０’の駆動周波数近傍の振動を良く吸
収する特性を有するものが好ましい。チップ部材２０の
材料としては、安定して高い摩擦係数が得られ、かつ耐
摩耗性に優れたタングステン等が好ましい。また、接着
剤としては、接着力及び強度に優れたエポキシ系樹脂等
が好ましい。なお、第１圧電素子１０及び第２圧電素子
１０’は図１に示す圧電素子１０と実質的に同一であ
り、第２圧電素子１０’の各構成要素の符号にをそれぞ
れ（’）をつけて区別する。As a material of the base member 30, stainless steel or the like which is easy to manufacture and has excellent strength is preferable. As a material of the vibration damping material 33, a vibration-proof rubber or the like is used. In particular,
It is preferable that the piezoelectric element has a characteristic of well absorbing vibration near the driving frequency of the piezoelectric elements 10 and 10 '. As a material of the tip member 20, tungsten or the like, which can stably obtain a high friction coefficient and has excellent wear resistance, is preferable. Further, as the adhesive, an epoxy resin or the like having excellent adhesive strength and strength is preferable. Note that the first piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 'are substantially the same as the piezoelectric element 10 shown in FIG. 1, and the respective constituent elements of the second piezoelectric element 10' are denoted by (). To distinguish.
【００１５】第１及び第２圧電素子１０，１０’をそれ
ぞれ位相差を有する交流信号で駆動することにより、チ
ップ部材２０を楕円運動させることができる。このチッ
プ部材２０を、例えば所定の軸の周りに回転可能なロー
タ４０の円筒面に押しつけると、チップ部材２０の楕円
運動（円運動を含む）をロータ４０の回転運動に変換す
ることが可能となる。または、チップ部材２０を、例え
ば棒状部材（図示せず）の平面部に押しつけることによ
り、チップ部材２０の楕円運動を棒状部材の直線運動に
変換することが可能となる。ロータ４０の材料として
は、アルミニウム等の軽量金属が好ましく、チップ部材
２０との摩擦による摩耗を防止するため、表面にアルマ
イト等の処理を施すことが好ましい。By driving the first and second piezoelectric elements 10 and 10 ′ with AC signals having a phase difference, the tip member 20 can make an elliptical movement. When the tip member 20 is pressed against, for example, a cylindrical surface of the rotor 40 rotatable around a predetermined axis, the elliptical motion (including the circular motion) of the tip member 20 can be converted into the rotational motion of the rotor 40. Become. Alternatively, it is possible to convert the elliptical motion of the tip member 20 into a linear motion of the bar member by pressing the tip member 20 against, for example, a flat surface of a rod-shaped member (not shown). As a material of the rotor 40, a lightweight metal such as aluminum is preferable. In order to prevent abrasion due to friction with the tip member 20, it is preferable to apply a treatment such as alumite to the surface.
【００１６】次に、本実施形態における駆動回路のブロ
ック構成を図５に示す。発振器５０は、後述するように
同位相モードと逆位相モードにおいて一致した共振周波
数で正弦波信号を発生（発振）する。位相制御部５１
は、被駆動部材であるロータ４０の回転速度、駆動トル
ク、回転方向等に応じて遅延回路５２を制御し、位相の
ずれた正弦波信号を発生する。振幅制御部５３は第１増
幅器５４及び第２増幅器５５を制御して、互いに位相の
ずれた２つの正弦波信号の振幅を増幅する。第１増幅器
５４及び第２増幅器５５により増幅された正弦波信号
は、それぞれ第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’
に印加される。Next, FIG. 5 shows a block configuration of a drive circuit according to the present embodiment. The oscillator 50 generates (oscillates) a sine wave signal at a resonance frequency that matches in the in-phase mode and the anti-phase mode as described later. Phase controller 51
Controls the delay circuit 52 according to the rotation speed, drive torque, rotation direction, and the like of the rotor 40, which is a driven member, and generates a sine wave signal having a phase shift. The amplitude controller 53 controls the first amplifier 54 and the second amplifier 55 to amplify the amplitudes of the two sinusoidal signals that are out of phase with each other. The sine wave signals amplified by the first amplifier 54 and the second amplifier 55 are respectively connected to the first piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 ′.
Is applied to
【００１７】次に、アクチュエータによるロータ４０の
回転原理について説明する。図６は、図３及び図４に示
すアクチュエータをばね（加圧部）４１によりロータ４
０に所定の押し圧力Ｆにより押しつけた状態を示す。図
６中、μは摩擦係数を表す。また、第１圧電素子１０及
び第２圧電素子１０’に印加する電圧又はそれらの変位
を図７に示す。第１圧電素子１０及び第２圧電素子１
０’に対してそれぞれ図７に示すような位相の異なる正
弦波電圧を印加すると、それに応じて第１圧電素子１０
及び第２圧電素子１０’は正弦波的に変位する。その結
果、第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’にそれぞ
れ結合されたチップ部材２０は、楕円運動（円運動を含
む）を行う。Next, the principle of rotation of the rotor 40 by the actuator will be described. FIG. 6 shows that the actuator shown in FIG. 3 and FIG.
0 indicates a state in which the sheet is pressed by a predetermined pressing force F. In FIG. 6, μ represents a friction coefficient. FIG. 7 shows voltages applied to the first piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 ′ or their displacements. First piezoelectric element 10 and second piezoelectric element 1
When a sine wave voltage having a different phase is applied to each of the first piezoelectric elements 10 ′ as shown in FIG.
And the second piezoelectric element 10 'is displaced sinusoidally. As a result, the chip members 20 respectively coupled to the first piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 ′ perform an elliptical motion (including a circular motion).
【００１８】第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’
に印加する正弦波電圧の周波数（圧電素子の駆動周波
数）が小さく、チップ部材２０の回転速度が遅い場合、
ばね４１の付勢力によりアクチュエータ自体がチップ部
材２０の変位に追従してしまい、チップ部材２０はロー
タ４０の表面から離反することはなく、ロータ４０の表
面と接触した状態で往復駆動される。従って、この場合
ロータ４０を回転させることはできない。First piezoelectric element 10 and second piezoelectric element 10 '
When the frequency of the sine wave voltage (the driving frequency of the piezoelectric element) applied to the chip member 20 is small and the rotational speed of the tip member 20 is low,
The actuator itself follows the displacement of the tip member 20 due to the urging force of the spring 41, and the tip member 20 does not separate from the surface of the rotor 40, and is reciprocally driven in contact with the surface of the rotor 40. Therefore, in this case, the rotor 40 cannot be rotated.
【００１９】これに対して、第１圧電素子１０及び第２
圧電素子１０’に印加する正弦波電圧の周波数が大き
く、チップ部材２０の回転速度が速い場合、ばね４１の
付勢力によってはアクチュエータ自体がチップ部材２０
の変位に追従できず、チップ部材２０がロータ４０の表
面から一時的に離反する状態が生まれる。従って、チッ
プ部材２０がロータ４０の表面から離反している間にチ
ップ部材２０を所定方向に移動させ、チップ部材２０が
ロータ４０の表面に接触している間に所定方向と反対の
方向に移動させることにより、ロータ４０を回転させる
ことができる。この状態を図８に示す。On the other hand, the first piezoelectric element 10 and the second
When the frequency of the sine wave voltage applied to the piezoelectric element 10 ′ is large and the rotation speed of the tip member 20 is high, the actuator itself may be driven by the biasing force of the spring 41.
, The tip member 20 is temporarily separated from the surface of the rotor 40. Accordingly, the tip member 20 is moved in a predetermined direction while the tip member 20 is separated from the surface of the rotor 40, and is moved in a direction opposite to the predetermined direction while the tip member 20 is in contact with the surface of the rotor 40. By doing so, the rotor 40 can be rotated. This state is shown in FIG.
【００２０】図８において、（ａ）及び（ｅ）は第１圧
電素子１０及び第２圧電素子１０が共に伸び、チップ部
材２０がロータ４０の表面に接触した状態、（ｂ）は第
１圧電素子１０が縮み第２圧電素子１０’が伸び、チッ
プ部材２０がロータ４０の表面から離反した状態、
（ｃ）は第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０が共に
縮み、チップ部材２０がロータ４０の表面から離反した
状態、（ｄ）は第１圧電素子１０が伸び第２圧電素子１
０’が縮んでいるが、アクチュエータがチップ部材２０
の動きに追いつき、チップ部材２０がロータ４０の表面
に接触した状態を示す。図７からわかるように、チップ
部材２０がロータ４０の表面から離反することにより、
ロータ４０を回転させることができる。なお、チップ部
材２０をロータ４０の表面から離反させるための条件
は、本発明の本質部分とは直接関係がないので、その説
明を省略する。8 (a) and 8 (e) show a state where the first piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 are both extended and the chip member 20 is in contact with the surface of the rotor 40, and FIG. A state in which the element 10 is contracted, the second piezoelectric element 10 ′ is extended, and the tip member 20 is separated from the surface of the rotor 40;
(C) is a state where the first piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 are both contracted and the chip member 20 is separated from the surface of the rotor 40, and (d) is a state where the first piezoelectric element 10 is extended and the second piezoelectric element 1
0 ′ is shrunk, but the actuator is
And the tip member 20 has contacted the surface of the rotor 40. As can be seen from FIG. 7, when the tip member 20 separates from the surface of the rotor 40,
The rotor 40 can be rotated. Note that the conditions for separating the tip member 20 from the surface of the rotor 40 have no direct relation to the essential part of the present invention, and thus the description thereof is omitted.
【００２１】次に、第１圧電素子１０及び第２圧電素子
１０’を駆動するための駆動信号について説明する。互
いに直交する独立した２つの運動を合成すると、その交
点は楕円振動の式（Lissajousの式）に従った軌跡を描
く。本実施形態のアクチュエータにおいても、第１圧電
素子１０及び第２圧電素子１０’を駆動するための駆動
信号の振幅や位相差を変化させることにより、種々の軌
跡を得ることができる。各駆動信号の振幅を等しくした
場合において、各駆動信号間の位相差を０°、４５°、
９０°、１３５°及び１８０°とした場合の軌跡をそれ
ぞれ図９の（ａ）〜（ｅ）に示す。Next, drive signals for driving the first piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 'will be described. When two independent motions that are orthogonal to each other are synthesized, the intersection points draw a trajectory according to the equation of elliptical vibration (Lissajous equation). Also in the actuator of the present embodiment, various trajectories can be obtained by changing the amplitude and phase difference of the drive signal for driving the first piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 '. When the amplitude of each drive signal is equal, the phase difference between each drive signal is 0 °, 45 °,
Locuses at 90 °, 135 ° and 180 ° are shown in FIGS. 9A to 9E, respectively.
【００２２】このように、チップ部材２０の軌跡を制御
することにより、ロータ４０の回転方向、回転速度、回
転力（トルク）等を制御することができる。具体的に
は、ロータ４０に対してその接線方向におけるチップ部
材２０の軌跡の径を大きくすれば回転速度が上昇する。
また、ロータ４０に対してその法線方向におけるチップ
部材２０の軌跡の径を大きくすれば回転力が上昇する。
さらに、位相を反転すれば回転方向を反転させることが
できる。As described above, by controlling the trajectory of the tip member 20, the rotation direction, the rotation speed, the rotation force (torque) and the like of the rotor 40 can be controlled. Specifically, if the diameter of the trajectory of the tip member 20 in the tangential direction with respect to the rotor 40 is increased, the rotation speed increases.
Further, if the diameter of the trajectory of the tip member 20 in the direction normal to the rotor 40 is increased, the rotational force increases.
Further, if the phase is reversed, the rotation direction can be reversed.
【００２３】次に、上記第１圧電素子１０及び第２圧電
素子１０’をそれぞれ位相が９０°ずれた正弦波信号を
用いて共振状態で駆動し、チップ部材２０を円形の軌跡
に制御する場合について検討する。Next, a case where the first piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 'are driven in a resonance state by using sine wave signals whose phases are shifted by 90 ° to control the chip member 20 to have a circular locus. To consider.
【００２４】制振部材３３を用いずにベース部材３０を
一体化したアクチュエータを試作し、第１圧電素子１０
及び第２圧電素子１０’をそれらの共振周波数の近傍の
周波数を有する駆動信号で駆動すると、本来円形になる
べきチップ部材２０の軌跡が中心軸から大きく傾いた楕
円形に変形する現象が発生した。実験の過程で、この現
象は、圧電素子１０，１０’の振動がベース部材３０を
介して相互に影響を及ぼすことにより発生することが明
らかになった。一方の圧電素子の振動が約９０°の位相
遅れで他方の圧電素子に伝達するので、後から変位する
圧電素子の変位が駆動信号と重畳して拡大し、先に変位
する圧電素子の変位が縮小する。その結果、チップ部材
の軌跡が後から変位する圧電素子の変位方向に伸びた楕
円形となる。An actuator in which the base member 30 is integrated without using the vibration damping member 33 is prototyped, and the first piezoelectric element 10
When the second piezoelectric element 10 ′ is driven by a drive signal having a frequency near the resonance frequency, a phenomenon occurs in which the trajectory of the chip member 20, which should be circular, is deformed into an elliptical shape that is greatly inclined from the center axis. . In the course of the experiment, it was found that this phenomenon occurs when the vibrations of the piezoelectric elements 10 and 10 ′ influence each other via the base member 30. Since the vibration of one piezoelectric element is transmitted to the other piezoelectric element with a phase delay of about 90 °, the displacement of the piezoelectric element that is displaced later overlaps with the drive signal and expands, and the displacement of the piezoelectric element that is displaced earlier is increased. to shrink. As a result, the trajectory of the tip member becomes an elliptical shape extending in the displacement direction of the piezoelectric element that is displaced later.
【００２５】この現象を解決するために、本実施形態で
は前述のようにベース部材３０を２つの部分３１，３２
に分割し、制振材３３を介してボルト等で結合している
ので、一方の圧電素子の振動の他方の圧電素子への伝達
をできるだけ押さえることができる。その結果、２つの
圧電素子１０，１０’が独立して変位できる系を実現す
ることができ、共振周波数を含む全ての周波数帯におい
て、チップ部材２０の軌跡を円形にすることができる。
また、必要に応じて駆動信号の振幅や位相差を変化させ
ることにより、チップ部材２０の軌跡の形状を任意に変
化させることができ、被駆動部材であるロータ４０等の
速度制御等を行うことができる。In order to solve this phenomenon, in the present embodiment, the base member 30 is connected to the two portions 31 and 32 as described above.
And is connected by a bolt or the like via the damping material 33, so that transmission of vibration of one piezoelectric element to the other piezoelectric element can be suppressed as much as possible. As a result, a system in which the two piezoelectric elements 10 and 10 'can be displaced independently can be realized, and the trajectory of the chip member 20 can be made circular in all frequency bands including the resonance frequency.
In addition, by changing the amplitude and phase difference of the drive signal as needed, the shape of the trajectory of the chip member 20 can be arbitrarily changed, and the speed of the driven member such as the rotor 40 can be controlled. Can be.
【００２６】次に、各圧電素子１０，１０’をそれぞれ
同位相モード及び逆位相モードで駆動した場合におけ
る、圧電素子の変形状態を図１０に示す。図１０におい
て、（ａ）は同位相モードで伸び振動が生ずる共振モー
ド（例えば５１ｋＨｚ）、（ｂ）は逆位相モードで伸び
振動が生ずる共振モード（例えば５１ｋＨｚ）、（ｃ）
は同位相モードで曲げ振動が生ずる共振モード（例えば
１５７ｋＨｚ）、（ｄ）は逆位相モードで曲げ振動が生
ずる共振モード（例えば７４ｋＨｚ）を示す。なお、各
モードにおける周波数は、アクチュエータの各部の特性
（材料、質量等の種々の条件）によって決まる値であ
る。Next, FIG. 10 shows a deformed state of the piezoelectric elements when the respective piezoelectric elements 10 and 10 'are driven in the in-phase mode and the anti-phase mode, respectively. In FIG. 10, (a) is a resonance mode (e.g., 51 kHz) in which elongation vibration occurs in the same phase mode, (b) is a resonance mode (e.g., 51 kHz) in which elongation vibration occurs in the opposite phase mode, and (c).
Shows a resonance mode (for example, 157 kHz) in which bending vibration occurs in the same phase mode, and (d) shows a resonance mode (for example, 74 kHz) in which bending vibration occurs in the opposite phase mode. The frequency in each mode is a value determined by the characteristics (various conditions such as material and mass) of each part of the actuator.
【００２７】前述のように、本実施形態のアクチュエー
タでは、圧電素子１０，１０’の伸び振動を利用してチ
ップ部材２０を運動させるので、図１０（ａ）及び
（ｂ）に示す状態に着目する。これらの各条件を比較す
ると、伸び振動の同位相モードと逆位相モードの振動数
は一致するように調整すれば、２つの素子を互いに独立
して駆動することができ、チップ部材の軌跡の制御が容
易になる。As described above, in the actuator of the present embodiment, the tip member 20 is moved by using the extension vibration of the piezoelectric elements 10 and 10 ', so that the states shown in FIGS. I do. Comparing these conditions, if the frequencies of the in-phase mode and the anti-phase mode of the extension vibration are adjusted so as to match each other, the two elements can be driven independently of each other, and the trajectory of the tip member can be controlled. Becomes easier.
【００２８】なお、上記実施形態では、ベース部材３０
を２つの部分３１，３２に分割し、制振材３３を介して
ボルト等で結合するように構成したが、これに限定され
るものではない。例えば、振動源と同じ固有振動数を有
する副振動系を設け、エネルギーを副振動系に移動さ
せ、副振動系の振動によりエネルギーを消費する方法も
考えられる。図１１に示す一例では、副振動系として金
属製の棒状の動吸振器３５をベース部材３０のほぼ中央
部（ベース部材３０の振動の腹の部分の近傍）に設けて
いる。なお、動吸振器とは、自ら動くことによって振動
エネルギーを吸収又は消費するという意味である。In the above embodiment, the base member 30
Is divided into two parts 31 and 32 and is connected with a bolt or the like via a vibration damping material 33, but is not limited to this. For example, a method in which a sub-vibration system having the same natural frequency as the vibration source is provided, energy is transferred to the sub-vibration system, and energy is consumed by vibration of the sub-vibration system is also conceivable. In an example shown in FIG. 11, a metal rod-shaped dynamic vibration absorber 35 is provided as a sub-vibration system at substantially the center of the base member 30 (near the antinode of vibration of the base member 30). In addition, the dynamic vibration absorber means absorbing or consuming vibration energy by moving by itself.
【００２９】一端を固定し、他端を自由にした質量のあ
る棒の一次横振動の固有角振動数ωは、弾性率をE、断
面二次モーメントをI、密度をρ、断面積をS、長さをL
として、ω＝3.53×√(EI/ρS)/L2で表される。従っ
て、固有角振動数ωが圧電素子の駆動周波数とほぼ等し
くなるように動吸振器３５の寸法や材質を選択すればよ
い。The natural angular frequency ω of the primary lateral vibration of a rod having a mass fixed at one end and free at the other end is represented by E for elastic modulus, I for second moment of area, ρ for density, and S for cross-sectional area. L, length
Ω = 3.53 × √ (EI / ρS) / L 2 . Therefore, the size and material of the dynamic vibration absorber 35 may be selected so that the natural angular frequency ω becomes substantially equal to the driving frequency of the piezoelectric element.
【００３０】なお、動吸振器３５の位置や形状は図１１
に示したものに限定されず、ベース部材３０に対して図
とは逆の位置に設けても良い。また、動吸振器３５の数
も１つに限定されず、２以上設けても良い。さらに、ベ
ース部材３０に嵌合穴を設け、動吸振器３５の嵌合寸法
を調節可能とし、動吸振器３５の固有角振動数ωを調節
可能なように構成しても良い。The position and shape of the dynamic vibration absorber 35 are shown in FIG.
However, the present invention is not limited to this, and may be provided at a position opposite to the figure with respect to the base member 30. Further, the number of dynamic vibration absorbers 35 is not limited to one, and two or more may be provided. Further, a fitting hole may be provided in the base member 30 so that the fitting dimension of the dynamic vibration absorber 35 can be adjusted, and the natural angular frequency ω of the dynamic vibration absorber 35 can be adjusted.
【００３１】[0031]
【発明の効果】以上説明したように、本発明のトラス型
アクチュエータは、所定の変位を発生させる複数の変位
素子と、前記複数の変位素子の先端部にそれぞれ結合さ
れ、前記各変位素子の変位を合成するための変位合成部
と、前記各変位素子の前記変位合成部が結合されていな
い側の基端部を支持するための固定部と、前記変位合成
部を被駆動部材に圧接させるための加圧部と、前記変位
合成部が楕円運動を行うように前記各変位素子を共振駆
動する駆動部とを含み、前記固定部は、各変位素子間の
振動伝達を抑制する制振部を有することを特徴とするの
で、いずれかの変位素子の振動は制振部により抑制さ
れ、固定部を介して他の変位素子に及ぼす影響が低減若
しくは除去され、複数の変位素子が互いに独立して変位
できる系を実現することができ、共振周波数を含む全て
の周波数帯において、変位合成部の軌跡を任意に制御す
ることができる。As described above, the truss-type actuator according to the present invention has a plurality of displacement elements for generating a predetermined displacement, and each of the displacement elements is coupled to the tip of the plurality of displacement elements. A combining unit for combining the displacement combining unit, a fixing unit for supporting a base end of the displacement element on the side where the displacement combining unit is not coupled, and a unit for pressing the displacement combining unit against a driven member. Pressurizing unit, and a drive unit that drives each of the displacement elements resonantly so that the displacement synthesis unit performs an elliptical motion, and the fixed unit includes a vibration damping unit that suppresses vibration transmission between the displacement elements. Since it is characterized by having, the vibration of any of the displacement elements is suppressed by the vibration damping part, the influence on other displacement elements via the fixed part is reduced or eliminated, and the plurality of displacement elements are independent of each other. Realize a displaceable system Bets can be, at all frequencies including a resonant frequency, the locus of the displacement synthesizing unit can be arbitrarily controlled.
【００３２】また、前記固定部を、制振材を介して１つ
の変位素子の基端部を支持する部分と他の変位素子の基
端部を支持する部分に分割することにより、いずれかの
変位素子の振動は制振材により吸収され、固定部を介し
て他の変位素子に影響を及ぼすことはない。Further, by dividing the fixing portion into a portion for supporting the base end of one displacement element and a portion for supporting the base end of another displacement element via a vibration damping material, Vibration of the displacement element is absorbed by the damping material, and does not affect other displacement elements via the fixed portion.
【００３３】または、前記制振部として、いずれかの変
位素子の振動が伝達されて共振する副振動部を設けるこ
とにより、変位素子の振動が副振動部に伝達され副振動
部を共振させるので、固定部が振動することはない。そ
の結果、いずれかの変位素子の振動が固定部を介して他
の変位素子に影響を及ぼすことはなく、複数の変位素子
が互いに独立して変位できる系を実現することができ、
共振周波数を含む全ての周波数帯において、変位合成部
の軌跡を任意に制御することができる。Alternatively, by providing a sub-vibration section that transmits and resonates vibration of one of the displacement elements as the vibration damping section, the vibration of the displacement element is transmitted to the sub-vibration section and resonates the sub-vibration section. The fixed part does not vibrate. As a result, the vibration of any one of the displacement elements does not affect other displacement elements via the fixed portion, and a system in which a plurality of displacement elements can be displaced independently of each other can be realized.
In all frequency bands including the resonance frequency, the trajectory of the displacement synthesizing unit can be arbitrarily controlled.
【００３４】さらに、前記各変位素子が同じ位相で共振
する固有振動モードにおける固有振動数と、前記各変位
素子が逆位相で共振する固有振動モードにおける固有振
動数とをほぼ一致させることにより、変位素子の共振に
よる変形抵抗が減少し、変位がより拡大されるため、駆
動効率をさらに高くすることができる。Further, the natural frequency in the natural vibration mode in which each of the displacement elements resonates in the same phase and the natural frequency in the natural vibration mode in which each of the displacement elements resonates in the opposite phase are substantially matched, so that the displacement Since the deformation resistance due to the resonance of the element is reduced and the displacement is further enlarged, the driving efficiency can be further increased.
【図１】 本発明のトラス型アクチュエータの一実施形
態において変位素子として用いる積層型圧電素子の構成
を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laminated piezoelectric element used as a displacement element in one embodiment of a truss-type actuator of the present invention.
【図２】 上記積層型圧電素子における各電極の間に発
生する電界と圧電素子の変位の関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a relationship between an electric field generated between electrodes of the multilayer piezoelectric element and displacement of the piezoelectric element.
【図３】 上記実施形態におけるトラス型アクチュエー
タの構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a truss-type actuator in the embodiment.
【図４】 上記実施形態におけるトラス型アクチュエー
タの構成を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing a configuration of a truss-type actuator in the embodiment.
【図５】 上記実施形態における駆動回路のブロック構
成を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a block configuration of a drive circuit in the embodiment.
【図６】 上記実施形態のアクチュエータによるロータ
の回転原理を示す図であり、図３に示すアクチュエータ
をばねによりロータ押しつけた状態を示す。FIG. 6 is a view showing a principle of rotation of the rotor by the actuator of the embodiment, and shows a state in which the actuator shown in FIG. 3 is pressed against the rotor by a spring.
【図７】 上記実施形態における２つの圧電素子に印加
する電圧又はそれらの変位を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating voltages applied to two piezoelectric elements or displacements thereof in the embodiment.
【図８】 上記実施形態におけるアクチュエータにより
ロータを回転させる原理を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a principle of rotating a rotor by an actuator in the embodiment.
【図９】 上記実施形態において、２つの圧電素子に印
加する駆動信号の振幅を等しくし、各駆動信号間の位相
差を変化させた場合の軌跡を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a trajectory in the case where the amplitudes of drive signals applied to two piezoelectric elements are made equal and the phase difference between the drive signals is changed in the embodiment.
【図１０】 上記実施形態において、各圧電素子をそれ
ぞれ同位相モード及び逆位相モードで駆動した場合にお
ける、圧電素子の変形状態を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a deformed state of the piezoelectric element when each piezoelectric element is driven in the in-phase mode and the anti-phase mode in the embodiment.
【図１１】 本発明のトラス型アクチュエータの他の実
施形態の構成を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a configuration of another embodiment of the truss-type actuator of the present invention.
１０ ：第１圧電素子（変位素子） １０’：第２圧電素子（変位素子） １１ ：セラミックス薄板 １６，１６’：駆動電源（駆動部） ２０ ：チップ部材（変位合成部） ３０ ：ベース部材（固定部） ３１，３２：ベース部材の分割された部分 ３３ ：制振材 ３５ ：動吸振器（副振動部） ４０ ：ロータ（被駆動部材） 10: first piezoelectric element (displacement element) 10 ': second piezoelectric element (displacement element) 11: ceramic thin plate 16, 16': drive power supply (drive section) 20: chip member (displacement synthesis section) 30: base member ( Fixed parts) 31, 32: Divided part of base member 33: Damping material 35: Dynamic vibration absorber (sub-vibration part) 40: Rotor (driven member)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H680 AA01 AA06 AA10 BB02 CC02 DD22 DD37 DD57 DD84 DD95 FF04 FF08 FF16 FF33 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5H680 AA01 AA06 AA10 BB02 CC02 DD22 DD37 DD57 DD84 DD95 FF04 FF08 FF16 FF33
Claims (4)
と、前記複数の変位素子の先端部にそれぞれ結合され、
前記各変位素子の変位を合成するための変位合成部と、
前記各変位素子の前記変位合成部が結合されていない側
の基端部を支持するための固定部と、前記変位合成部を
被駆動部材に圧接させるための加圧部と、前記変位合成
部が楕円運動を行うように前記各変位素子を共振駆動す
る駆動部とを含み、前記固定部は、各変位素子間の振動
伝達を抑制する制振部を有することを特徴とするトラス
型アクチュエータ。A plurality of displacement elements for generating a predetermined displacement; and a plurality of displacement elements respectively coupled to tips of the plurality of displacement elements;
A displacement combining unit for combining the displacements of the displacement elements,
A fixing portion for supporting a base end of the displacement element on the side where the displacement combining portion is not coupled; a pressing portion for pressing the displacement combining portion against a driven member; and the displacement combining portion And a driving unit that drives each of the displacement elements in a resonant manner so as to perform an elliptical motion, and wherein the fixed unit has a vibration damping unit that suppresses transmission of vibration between the displacement elements.
位素子の基端部を支持する部分と他の変位素子の基端部
を支持する部分に分割されていることを特徴とする請求
項１記載のトラス型アクチュエータ。2. The method according to claim 1, wherein the fixing portion is divided into a portion supporting a base end of one displacement element and a portion supporting a base end of another displacement element via a damping material. The truss-type actuator according to claim 1, wherein
動が伝達されて共振する副振動部を設けたことを特徴と
する請求項１記載のトラス型アクチュエータ。3. The truss-type actuator according to claim 1, wherein the vibration suppression unit includes a sub-vibration unit that receives a vibration of one of the displacement elements and resonates.
有振動モードにおける固有振動数と、前記各変位素子が
逆位相で共振する固有振動モードにおける固有振動数と
がほぼ一致することを特徴とする請求項１から３のいず
れかに記載のトラス型アクチュエータ。4. A natural frequency in a natural vibration mode in which each of the displacement elements resonates in the same phase and a natural frequency in a natural vibration mode in which each of the displacement elements resonates in an opposite phase. The truss-type actuator according to any one of claims 1 to 3.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11166920A JP2000358388A (en) | 1999-06-14 | 1999-06-14 | Truss-type actuator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11166920A JP2000358388A (en) | 1999-06-14 | 1999-06-14 | Truss-type actuator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000358388A true JP2000358388A (en) | 2000-12-26 |
Family
ID=15840112
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11166920A Withdrawn JP2000358388A (en) | 1999-06-14 | 1999-06-14 | Truss-type actuator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000358388A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112383242A (en) * | 2020-12-09 | 2021-02-19 | 哈尔滨工业大学 | Linear ultrasonic motor stator with empennage and thin plate frame structure and excitation method thereof |
-
1999
- 1999-06-14 JP JP11166920A patent/JP2000358388A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112383242A (en) * | 2020-12-09 | 2021-02-19 | 哈尔滨工业大学 | Linear ultrasonic motor stator with empennage and thin plate frame structure and excitation method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4912351A (en) | Piezoelectric motor | |
| JP2632811B2 (en) | Vibration drive motor | |
| US6747394B2 (en) | Near-resonance electromechanical motor | |
| US7382080B2 (en) | Piezoelectric ultrasonic motor driver | |
| JP4452275B2 (en) | Piezoelectric mechanical drive | |
| JP2000004590A (en) | Ultrasonic motor and electronic device therewith | |
| EP3535842A1 (en) | Ultrasonic actuator | |
| JP2007074829A (en) | Vibration actuator | |
| JPH099651A (en) | Ultrasonic actuator | |
| JP2000358388A (en) | Truss-type actuator | |
| JP4352511B2 (en) | Truss type actuator | |
| JP2001178161A (en) | Actuator | |
| JP2004304963A (en) | Piezoelectric actuator | |
| JP4032161B2 (en) | Actuator | |
| JP2001136761A (en) | Actuator | |
| JP2002101676A (en) | Actuator | |
| JP2004222453A (en) | Actuator | |
| JP2001016879A (en) | Ultrasonic motor and drive method therefor | |
| JPH08242592A (en) | Ultrasonic actuator | |
| JP4208753B2 (en) | Control device for vibration type drive device, control method for vibration type drive device, control program for vibration type drive device | |
| JPH11164574A (en) | Oscillatory actuator driver | |
| JPH08149862A (en) | Ultrasonic oscillator | |
| JPH11164576A (en) | Oscillatory actuator, and oscillatory driver | |
| JP2001157475A (en) | Vibration actuator | |
| JP2000354385A (en) | Truss actuator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20050613 |
|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060905 |