JP2004222453A

JP2004222453A - Actuator

Info

Publication number: JP2004222453A
Application number: JP2003008610A
Authority: JP
Inventors: Takashi Matsuo; 隆松尾
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2003-01-16
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2004-08-05

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an actuator wherein driving force frictionally transmitted to a driven member can be enhanced. <P>SOLUTION: The actuator 10 comprises: a drive unit 1 having a plurality of piezoelectric elements 2 and 3 which produce predetermined displacement, a chip member 5 which is coupled with the piezoelectric elements 2 and 3 and combines displacement in the piezoelectric element 2 and that in the piezoelectric element 3, and a base member 4 which supports the basal ends of the piezoelectric elements 2 and 3; a rotor 7 which is driven by the chip member 5 being abutted against it; a pressurizing unit 6 which brings the drive unit 1 and the rotor 7 into contact with each other under pressure; and a drive signal output unit which outputs drive signals to the piezoelectric elements 2 and 3. The base member 4 is formed of a material which is greater in weight ratio to the chip member 5. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位素子を用いて駆動部を駆動させ、被駆動部に駆動力を摩擦伝達するアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、２つの圧電素子などの電気機械変換素子（変位素子）をトラス型に構成し、互いに直交する変位素子の交点に設けられた変位合成部を所定の軌跡を描くように駆動することにより、ロータなどの被駆動部材を所定の方向に駆動するトラス型アクチュエータが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
従来のトラス型アクチュエータは、２つの電気機械変換素子（積層型の第１圧電素子及び第２圧電素子）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圧電素子の他端部をベース部材に接着剤により接合している。また、第１及び第２圧電素子、チップ部材及びベース部材などで構成された駆動部は、チップ部材がロータに接触するように、加圧部により付勢されている。
【０００４】
従来のトラス型アクチュエータでは、第１及び第２圧電素子にそれぞれ所定の位相差を有する駆動信号を印加することにより、各圧電素子は異なった位相で駆動され、第１及び第２圧電素子の交点に設けられたチップ部材が所定の楕円軌道を描くように駆動される。チップ部材が楕円軌道を描くように駆動されている間、一定の区間でチップ部材がロータに接触し、チップ部材とロータとの間に作用する摩擦力により、ロータが所定の方向に回転駆動される。そして、ロータの回転軸を直接出力軸とすることにより、またはロータの回転軸に垂直な端面にピンを設け、このピンによりリンクレバーなどを係合させることにより、他の装置に駆動力を供給することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−５４２９１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のトラス型アクチュエータでは、第１及び第２圧電素子の変位とともにベース部材も振動する。チップ部材の変位（楕円運動）が大きいほど出力は上がるが、トラス型アクチュエータの大きさや構成によってはチップ部材に対してベース部材が比較的大きく振動してしまう場合がある。特に、トラス型アクチュエータの小型化に伴うベース部材の小型化により、チップ部材に対するベース部材の重量比が小さくなり、チップ部材に対してベース部材が比較的大きく振動してしまう傾向にある。そのため、チップ部材の変位が小さくなり、出力が上がりにくくなるという問題が生じる場合がある。
【０００７】
また、チップ部材は、被駆動部材に駆動力を摩擦伝達するため、その材料には耐磨耗性の高い超硬合金などが用いられるが、超硬合金は密度が大きいため、重量が大きくなり、ベース部材に対する重量比が大きくなり、上記と同様の問題が生じる場合がある。
【０００８】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができるアクチュエータを提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアクチュエータは、所定の変位を発生させる複数の変位素子と、前記変位素子に結合され、前記変位素子の変位を合成する変位合成部材と、前記変位素子の基端を支持するベース部材とを有する駆動部と、前記変位合成部材が当接することにより駆動される被駆動部と、前記駆動部と前記被駆動部とを加圧接触させる加圧部と、前記変位素子に駆動信号を出力する駆動信号出力部とを備え、前記ベース部材は、前記変位合成部材との重量比が大きくなる材料で形成される。
【００１０】
この構成によれば、ベース部材が、変位合成部材に対する重量比が大きくなる材料で形成されるため、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００１１】
また、上記のアクチュエータにおいて、前記ベース部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成されることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、ベース部材が、密度の高い材料である、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成されるため、変位合成部材に対するベース部材の重量比が大きくなり、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００１３】
また、上記のアクチュエータにおいて、前記変位合成部材は、前記被駆動部材と当接する先端部材と、前記変位素子に結合される結合部材とで構成され、前記先端部材は、前記結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、変位合成部材は、被駆動部材と当接する先端部材と、変位素子に結合される結合部材とで構成され、先端部材は、結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されるため、変位合成部材を先端部材の材料のみで形成するよりも軽量化することができる。また、先端部材は、結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されるため、変位合成部材の重心位置が先端部材側に移動し、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００１５】
また、上記のアクチュエータにおいて、前記先端部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成されることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、先端部材が、密度の高い材料である、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成されるため、変位合成部材の重心位置が先端部材側に移動し、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００１７】
また、上記のアクチュエータにおいて、前記変位合成部材は、前記変位素子に結合される結合部分から前記被駆動部材と当接する先端部分にかけて密度が大きくなる傾斜機能材料で形成されることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、変位合成部材は、変位素子に結合される結合部分から被駆動部材と当接する先端部分にかけて密度が大きくなる傾斜機能材料で形成されるため、変位合成部材を先端部分の材料のみで形成するよりも軽量化することができる。また、変位合成部材の先端部分は、結合部分の密度よりも大きい密度で形成されるため、変位合成部材の重心位置が先端部分側に移動し、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
本発明の一実施形態であるアクチュエータについて説明する。図１は、本実施形態におけるアクチュエータの構成を概略的に示す図である。
【００２１】
このアクチュエータ１０は、被駆動部材７を駆動する駆動部１と、その駆動部１をロータ７に加圧接触させる加圧部６とからなる。上記駆動部１は、例えば９０度の挟み角度で交差された２本の変位素子２、３と、その交点に接着されたチップ部材５と、変位素子２、３の基端に接着されたベース部材４とから構成されている。
【００２２】
変位素子２、３（以下、第１圧電素子２、第２圧電素子３とする。）には、圧電効果により電気信号を変位に変換する積層型の圧電素子が用いられている。チップ部材５には、安定して高い摩擦係数が得られ、摩耗しにくい金属材料が用いられる。ベース部材４には、製造し易く強度が得られる金属材料が用いられ、チップ部材５との重量比が大きくなる金属材料で形成される。なお、ベース部材４及びチップ部材５に用いられる金属材料については後述する。また、ベース部材４と圧電素子２，３との接着及びチップ部材４と圧電素子２，３との接着には、ベース部材４の材料及びチップ部材５の材料に応じて適宜選択される接着剤が用いられ、特に、接着力や強度に優れたエポキシ系樹脂の接着剤が用いられる。加圧部６は、コイルばねなどで構成され、ベース部材４を被駆動部材である円板状のロータ７の中心方向（矢印Ａ方向）に加圧する。ロータ７は、アルミニウムなどの金属で作製され、チップ部材５との接触による摩耗を防ぐため、チップ部材５との接触部位にはアルマイトなどの表面処理が施されている。また、被駆動部材であるロータ７をスライダなどに変更すれば、リニア駆動が可能となる。
【００２３】
ここで、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について説明する。圧電素子は、ＰＺＴ等の圧電特性を示す複数のセラミック薄板と電極を交互に積層したものであり、各セラミック薄板と電極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は、それぞれ信号線を介して駆動電源に接続されている。信号線に所定の電圧を印加すると、２つの電極に挟まれた各セラミック薄板には、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の分極方向は逆となる）ように積層されている。なお、圧電素子の両端部には、保護層が設けられている。
【００２４】
駆動電源により直流の駆動電圧を各電極の間に印加すると、全てのセラミック薄板が同方向に伸び又は縮み、圧電素子全体として伸縮する。駆動電源により交流の駆動電圧（交流信号）を各電極の間に印加すると、その電界に応じて各セラミック薄板は同方向に伸縮を繰り返し、圧電素子全体として伸縮を繰り返す。圧電素子には、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、圧電素子の変位が増大する。圧電素子は、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。
【００２５】
次に、アクチュエータ１０におけるロータ７の回転原理について説明する。第１圧電素子２及び第２圧電素子３にそれぞれ所定の位相差を有する駆動信号を印加することにより、各圧電素子２，３は異なった位相で駆動され、各圧電素子２，３の交点に設けられたチップ部材５が所定の楕円軌道（円軌道を含む）を描くように駆動される。チップ部材５が所定の楕円軌道を描くように駆動されている間、一定の区間でチップ部材５がロータ７の外周面に接触し、チップ部材５とロータ７の外周面との間に作用する摩擦力により、ロータ７が所定方向に回転される。また、駆動信号の位相のずれ方向を逆にすることによりチップ部材５の軌道の方向が逆転し、ロータ７の回転を逆転させることができる。上記アクチュエータ１０において、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。
【００２６】
図２は、２つの圧電素子２、３を各々駆動する２つの駆動信号の位相を変化させたときに得られるチップ部材５の軌跡形状を示す図であり、図２（ａ）は両駆動信号の位相差が６０゜の場合、図２（ｂ）は両駆動信号の位相差が９０゜の場合、図２（ｃ）は両駆動信号の位相差が１２０゜の場合である。
【００２７】
この図２から理解されるように、このアクチュエータ１０は両駆動信号の位相差を９０°にするとチップ部材５の軌跡が円となり、位相差を９０°より小さくするとチップ部材５の軌跡が被駆動部材の法線方向Ａに長径方向が揃った楕円軌跡となり、位相差を９０°より大きくするとチップ部材５の軌跡が被駆動部（ロータ７）の接線方向Ｂに長径方向が揃った楕円軌跡になる。
【００２８】
ロータ７の速度は、楕円運動の接線方向Ｂの速度によって決まるため、楕円軌跡の接線方向Ｂの径が大きいほど速度が大きくなる。一方、ロータ７の駆動力は加圧部６による加圧力と楕円軌跡のロータ７に対する法線方向Ａの径によって決まるため、楕円軌跡の法線方向Ａの径が大きいほど駆動力が大きくなる。
【００２９】
本実施形態におけるアクチュエータ１０の２つの圧電素子２，３が伸び方向に共振する固有モードとしては、両者が互いに同位相で振動する（振動の位相が一致する）同位相モードと、両者が互いに逆位相で振動する（振動の位相がπずれている）逆位相モードとが存在する。同位相モードと逆位相モードという２つの固有モードを利用することによって共振駆動が可能となる。このような共振を利用することによって変位が１０から数１０倍に拡大するので、低電圧化及び高効率化を図ることができる。２つの圧電素子２，３がそれぞれ同位相モード及び逆位相モードで振動する場合における、圧電素子の変形状態を図３に示す。図３において、（ａ）は同位相モードでの伸び振動状態、（ｂ）は逆位相モードでの伸び振動状態を示す。同位相モードでの振動の場合、例えば第１圧電素子２の振動が位相差０°で第２圧電素子３に伝達されている。また、逆位相モードでの振動の場合、例えば第１圧電素子２の振動が位相差１８０°で第２圧電素子３に伝達されている。
【００３０】
また、上述した２つの固有モードの共振周波数を一致させることで、楕円振動の式に基づいた駆動信号による楕円軌跡の制御が共振でも可能となる（位相差駆動）。さらに、２つの固有モードの共振周波数差を所定値にすることによって、単相の駆動信号を一方の圧電素子に印加するだけで楕円振動を生成して駆動することが可能となる（単相駆動）。同位相モード及び逆位相モードの２つの固有モードの共振周波数はチップ部材５の重量により変化させることができ、両駆動方法とも、チップ部材５の重量を所定値に設定する必要がある。位相差駆動は、２つの圧電素子を駆動するので、出力を大きくすることができ、単相駆動は、１つの圧電素子を駆動するだけでよいので、駆動回路を簡略化することができるという特徴をそれぞれ有しているので、必要に応じて使い分けることが好ましい。
【００３１】
固有モードは、ばね、ダッシュポット及び重りを備えた直交する２つの粘性減衰振動系の振動モデルで表すことができる。第１圧電素子２を駆動する場合の振動モードを図４に示す。なお、図４ではダッシュポットを省略し、ベース部材４を固定している。図４において、同位相モードを第１振動系と呼び、逆位相モードを第２振動系と呼ぶ。本アクチュエータ１０において、第１圧電素子２により発生された力は第１振動系と第２振動系に分解されると考えられる。図４に示すように、１つの圧電素子を駆動すると、両モードの対象軸方向に励振力が加えられる。
【００３２】
次に、位相差駆動について説明する。同位相モードにおける共振周波数が逆位相モードにおける共振周波数に近似する場合における各モードそれぞれの変位と励振力に対する位相遅れの共振周波数付近の周波数特性を図５及び図６に示す。
【００３３】
図５において、特性曲線Ａは、同位相モードにおける第１振動系の振幅と駆動信号の周波数の関係を示す。また、特性曲線Ｂは、逆位相モードにおける第２振動系の振幅と駆動信号の周波数の関係を示す。図５に示すように、特性曲線Ａは、周波数が９５ｋＨｚ近傍で振幅（拡大率）がピークとなる曲線であり、特性曲線Ｂは、周波数が１００ｋＨｚ近傍で振幅がピークとなる曲線であり、特性曲線Ａと特性曲線Ｂとは近似している。
【００３４】
図６において、特性曲線Ｃは、同位相モードにおける第１振動系の位相遅れと駆動信号の周波数の関係を示す。特性曲線Ｄは、逆位相モードにおける第２振動系の位相遅れと駆動信号の周波数の関係を示す。特性曲線Ｅは、第１振動系の振動と第２振動系の振動の位相差を示す。図６に示すように、特性曲線Ｃは、周波数が９５ｋＨｚ近傍で位相遅れが変化する曲線であり、特性曲線Ｄは、周波数が１００ｋＨｚ近傍で位相遅れが変化する曲線であり、特性曲線Ｃと特性曲線Ｄとは近似している。また、特性曲線Ｅは、周波数が９５ｋＨｚと１００ｋＨｚとの間で位相差がピークとなる曲線である。
【００３５】
このような振動系に対して、１つの圧電素子を駆動すると、図５に示す特性に従って各モードの方向に変位が拡大されるとともに、両モード間の位相差により楕円軌跡が形成される。この場合、両モード間の位相差がほとんどない（図６の特性曲線Ｅ参照）ので全ての周波数において素子駆動方向にのみ変位が拡大される（共振周波数で最大となる）。したがって、２つの圧電素子を独立で駆動することが可能であり、駆動信号の振幅、位相差によって楕円軌跡を制御することができる。
【００３６】
図７（ａ）から（ｃ）は、それぞれ駆動信号の周波数が５０、１００及び１５０ｋＨｚにおけるチップ部材５の軌跡を示す。同位相モードにおける第１振動系の共振周波数が逆位相モードにおける第２振動系の共振周波数に近似する場合、両共振周波数の中間の周波数を有する駆動信号による振動の振幅は大きくなり、位相差は０度に近づくことがわかる。そのため、チップ部材５の軌跡は、駆動方向に並行な方向を長軸とする楕円になることがわかる。
【００３７】
図８は、位相差駆動に用いられる駆動信号出力回路の構成を示すブロック図である。駆動信号出力回路（駆動信号出力部）２０は、発振器２１、位相制御部２２、遅延回路２３、振幅制御部２４、第１増幅器２５及び第２増幅器２６を備える。発振器２１は、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２２は、ロータ７の回転速度、駆動トルク、回転方向等に応じて遅延回路２３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２４は、第１増幅器２５及び第２増幅器２６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２５及び第２増幅器２６により増幅された正弦波信号は、それぞれ第１及び第２圧電素子２，３に印加される。このような駆動信号出力回路２０を用いることによって、駆動信号の振幅や位相差を制御することにより、チップ部材５の軌跡形状や方向を変化させ、出力を制御する。
【００３８】
続いて、単相駆動について説明する。同位相モードにおける共振周波数と逆位相モードにおける共振周波数とが所定値だけ離れた場合における各モードそれぞれの変位と励振力に対する位相遅れの共振周波数付近の周波数特性を図９及び図１０に示す。
【００３９】
図９において、特性曲線Ｆは、同位相モードにおける第１振動系の振幅と駆動信号の周波数の関係を示す。また、特性曲線Ｇは、逆位相モードにおける第２振動系の振幅と駆動信号の周波数の関係を示す。特性曲線Ｆは、周波数がｆ_１ｋＨｚの場合に振幅（拡大率）がピークとなる曲線であり、特性曲線Ｇは、周波数がｆ_２ｋＨｚの場合に振幅がピークとなる曲線である。
【００４０】
図１０において、特性曲線Ｈは、同位相モードにおける第１振動系の位相遅れと駆動信号の周波数の関係を示す。特性曲線Ｉは、逆位相モードにおける第２振動系の位相遅れと駆動信号の周波数の関係を示す。特性曲線Ｊは、第１振動系の振動と第２振動系の振動の位相差を示す。特性曲線Ｈは、周波数がｆ_１ｋＨｚで位相遅れが９０度となる曲線であり、特性曲線Ｉは、周波数がｆ_２ｋＨｚで位相遅れが９０度となる曲線であり、特性曲線Ｊは、周波数がｆ_３ｋＨｚで位相差がピークとなる曲線である。
【００４１】
同位相モードにおける第１振動系は、その共振周波数ｆ_１よりも大きな周波数ｆ_３の駆動信号で駆動されているので、その振幅はピークをすぎており、その最大値よりも小さく、またその位相遅れは９０度よりも大きい。一方、逆位相モードにおける第２振動系は、その共振周波数ｆ_２よりも小さな周波数ｆ_３の駆動信号で駆動されているので、その振幅はピークに達しておらず、その最大値よりも小さく、またその位相遅れは９０度よりも小さい。同位相モードにおける位相遅れが逆位相モードにおける位相遅れよりも大きいため、チップ部材５は反時計方向に回転する。
【００４２】
図１１（ａ）から（ｃ）は、それぞれ駆動信号の周波数が５０、１００（ｆ_３）及び１５０ｋＨｚにおけるチップ部材５の軌跡を示す。駆動信号の周波数が各モードにおける共振周波数の中間の周波数ｆ_３からずれると、チップ部材５の軌跡は細長い楕円になることがわかる。
【００４３】
図１２は、単相駆動に用いられる駆動信号出力回路の構成を示すブロック図である。駆動信号出力回路（駆動信号出力部）３０は、発振器３１、増幅器３２及びスイッチング部３３を備える。発振器３１は、同位相モードと逆位相モードにおいて共振周波数付近の所定の周波数で正弦波信号を発生（発振）する。増幅器３２は、発振器３１から出力される正弦波信号の振幅を増幅する。スイッチング部３３は、増幅器３２により増幅された正弦波信号の出力先を第１又は第２圧電素子２，３に切り換える。スイッチング部３３により駆動する圧電素子を切り換えることで駆動方向を反転させることができる。
【００４４】
次に、ベース部材４に使用される材料について説明する。図３に示すモードシェイプからベース部材４も振動に寄与していることがわかる。そこで、ベース部材４を形成する材料の密度を変化させたときの位相差駆動によるチップ部材５の先端の楕円軌跡を有限要素法により解析した結果を図１３に示す。図１３に示す楕円軌跡Ｋはベース部材４を形成する材料の密度が１４×１０^３ｋｇ／ｍ^３の場合におけるチップ部材５の軌跡を表し、楕円軌跡Ｌはベース部材４を形成する材料の密度が１１×１０^３ｋｇ／ｍ^３の場合におけるチップ部材５の軌跡を表し、楕円軌跡Ｍはベース部材４を形成する材料の密度が８×１０^３ｋｇ／ｍ^３の場合におけるチップ部材５の軌跡を表す。なお、楕円軌跡Ｋにおける黒丸点、楕円軌跡Ｌにおける黒四角点、楕円軌跡Ｍにおける黒三角点は、それぞれ測定点を表す。
【００４５】
図１３に示すように、ベース部材４を形成する材料の密度が大きくなるほど楕円軌跡は大きくなる。これは、ベース部材４は、弾性体であると同時に重りの役割を果たしており、素子変位が変わらなければチップ部材５の重量とベース部材４の重量との比によってチップ部材５側の変位量が変化するためであり、チップ部材５とベース部材４との重量比が小さいほど（ベース部材４の重量が大きいほど）、チップ部材５側の変位量が増え、楕円軌跡が大きくなるためである。
【００４６】
このような密度の大きな材料としては、超硬合金（密度：１５×１０^３ｋｇ／ｍ^３）、タングステン（１９．２×１０^３ｋｇ／ｍ^３）、タングステン合金（１８×１０^３ｋｇ／ｍ^３）、白金（２１．６×１０^３ｋｇ／ｍ^３）、金（１９．３×１０^３ｋｇ／ｍ^３）及び鉛（１１．３×１０^３ｋｇ／ｍ^３）等が用いられるが、コスト的及び環境的な面、また量産時の生産性を考慮すると、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成することが好ましい。なお、タングステン合金の合金成分としては、鉄、ニッケル及び銅等が用いられる。
【００４７】
ベース部材４をステンレス及び超硬合金により試作し、単相駆動を行った際のチップ部材５による楕円軌跡の測定結果を図１４に示す。図１４（ａ）は、ベース部材４を超硬合金で形成した場合におけるチップ部材５の楕円軌跡の測定結果を示す図であり、図１４（ｂ）は、ベース部材４をステンレスで形成した場合におけるチップ部材５の楕円軌跡の測定結果を示す図である。なお、図１４（ａ）、（ｂ）における縦軸は接線方向（駆動方向）を表し、横軸は法線方向を表す。図１４（ａ）に示すベース部材４を超硬合金で形成した場合の楕円軌跡と、図１４（ｂ）に示すベース部材４を超硬合金よりも密度の低いステンレス（密度：８×１０^３ｋｇ／ｍ^３）で形成した場合の楕円軌跡とを比較すると、超硬合金で形成されたベース部材４を用いたほうがステンレスで形成されたベース部材４を用いるよりも楕円軌跡を大きくすることができ、出力を向上させることができる。
【００４８】
また、ベース部材４をステンレス及び超硬合金により試作し、単相駆動を行った際のチップ部材５による駆動特性の測定結果を図１５に示す。なお、図１５における縦軸は速度及び駆動効率を表し、横軸は推力（駆動力）を表す。図１５において、特性曲線Ｎはベース部材４を超硬合金で形成した場合における速度と駆動力との関係を表し、特性曲線Ｏはベース部材４をステンレスで形成した場合における速度と駆動力との関係を表し、特性曲線Ｐはベース部材４を超硬合金で形成した場合における駆動効率と駆動力との関係を表し、特性曲線Ｑはベース部材４をステンレスで形成した場合における駆動効率と駆動力との関係を表す。特性曲線Ｎ及び特性曲線Ｏは、左肩上がりの曲線であり、特性曲線Ｐ及び特性曲線Ｑは、右肩上がりの曲線である。なお、特性曲線Ｎにおける黒丸点、特性曲線Ｏにおける黒三角点、特性曲線Ｐにおける黒四角点、特性曲線Ｑにおける×点は、それぞれ測定点を表す。
【００４９】
図１５に示すように、ベース部材４を超硬合金で形成した場合の速度及び駆動効率と、ベース部材４を超硬合金よりも密度の低いステンレスで形成した場合の速度及び駆動効率とを比較すると、速度及び駆動効率ともに超硬合金で形成されたベース部材４を用いたほうがステンレスで形成されたベース部材４を用いるよりも上回っていることがわかる。
【００５０】
このように、ベース部材４が、チップ部材５に対する重量比が大きくなる材料で形成されるため、チップ部材５の変位が大きくなり、ロータ７に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。特に、アクチュエータ１０の小型化にともなって、ベース部材４及びチップ部材５を小型化した場合、ベース部材４が、チップ部材５に対する重量比が大きくなる材料で形成されるため、チップ部材５の変位が大きくなり、ロータ７に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００５１】
また、ベース部材４が、密度の高い材料である、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成されるため、チップ部材５に対するベース部材４の重量比が大きくなり、チップ部材５の変位が大きくなり、ロータ７に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００５２】
次に、チップ部材５について説明する。チップ部材５を形成する材料には耐磨耗性を考慮して超硬合金が用いられる。上述したように、超硬合金は密度が大きいため、超硬合金で形成されたチップ部材５は重量が大きくなり、ベース部材４との重量比が小さくなり、駆動力が低くなる。そこで、本実施形態では、チップ部材５をロータ７に当接する先端部材と圧電素子２，３に結合される結合部材との２つの部材で形成する。
【００５３】
図１６は、２つの部材で形成されるチップ部材５について説明するための図であり、図１６（ａ）は２つの部材で形成されるチップ部材５を示す斜視図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）に示す矢印の方向からチップ部材５を見た図である。図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、チップ部材５は、圧電素子２，３に結合される結合部材５２と、結合部材５２に結合し、ロータ７に当接する側の面全てが同一の材料で形成された先端部材５１とで構成される。先端部材５１は、密度が高く、耐磨耗性に優れた材料が用いられ、本実施形態では超硬合金が用いられる。また、結合部材５２は、先端部材５１よりも密度の低い材料が用いられ、本実施形態ではステンレスが用いられる。結合部材５２は、断面が扇形形状であり、先端部材５１は、断面が扇形形状の結合部材５２の円弧状面に接着される。先端部材５１と結合部材５２との接着には接着力や強度に優れたエポキシ系樹脂の接着剤が用いられる。
【００５４】
図１７は、チップ部材５を密度の異なる２つの部材で形成した場合のチップ部材５の先端の楕円軌跡と、チップ部材５を１つの部材で形成した場合のチップ部材５の先端の楕円軌跡とを有限要素法により解析した結果を示す図である。
【００５５】
図１７に示す楕円軌跡Ｒは、先端部材５１が超硬合金で形成され、結合部材５２がステンレスで形成されたチップ部材５を用いてアクチュエータ１０を駆動させた場合におけるチップ部材５の先端の軌跡を表し、楕円軌跡Ｓは、超硬合金のみで形成されたチップ部材５を用いてアクチュエータ１０を駆動させた場合におけるチップ部材５の先端の軌跡を表す。なお、楕円軌跡Ｒにおける黒四角点、楕円軌跡Ｓにおける黒丸点は、それぞれ測定点を表す。
【００５６】
図１７に示すように、チップ部材５を超硬合金で形成された先端部材５１とステンレスで形成された結合部材５２との二体構成としたほうが、チップ部材５を超硬合金のみで形成された一体構成とするよりも楕円軌跡は大きくなる。これは、先端部材５１を超硬合金で形成し、結合部材５２をステンレスで形成することによって、結合部材５２の密度が先端部材５１の密度よりも小さくなり、チップ部材５の重心位置が先端側（ロータ７に当接する側）に移動するためであり、重心位置が先端側に移動することによって、２つの固有モードにおける共振周波数が所定の関係となるチップ部材５の重量が小さくなる。これにより、ベース部材４との重量比が小さくなるとともに、チップ部材５の自転運動が大きくなり、楕円軌跡が拡大する。
【００５７】
なお、本実施形態では、ロータ７と当接する側の面全てが同一の材料で形成された先端部材５１と、圧電素子２，３と結合する結合部材５２とでチップ部材５を構成したが、本発明は特にこれに限定されず、ロータ７と当接する側の面のうちのロータ７と当接する部分のみが同一の材料で形成された先端部材と、先端部材５１以外の圧電素子２，３と結合する結合部材とでチップ部材５を構成してもよい。
【００５８】
図１８は、２つの部材で形成されるチップ部材５の他の例について説明するための図であり、図１８（ａ）は２つの部材で形成されるチップ部材５の他の例を示す斜視図であり、図１８（ｂ）は図１８（ａ）に示す矢印の方向からチップ部材５を見た図である。図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、チップ部材５は、ロータ７に当接する側の面のうちのロータ７と当接する部分のみが同一の材料で形成された先端部材５１’と、圧電素子２，３に結合される結合部材５２’とで構成される。先端部材５１’は、密度が高く、耐磨耗性に優れた材料が用いられ、本実施形態では超硬合金が用いられる。また、結合部材５２’は、先端部材５１’よりも密度の低い材料が用いられ、本実施形態ではステンレスが用いられる。結合部材５２’は、断面がＶ字形状であり、先端部材５１’は、断面が扇形形状であり、先端部材５１’は結合部材５２’の内側に接着される。先端部材５１’と結合部材５２’との接着には接着力や強度に優れたエポキシ系樹脂の接着剤が用いられる。
【００５９】
通常、チップ部材５は、ロータ７と当接する側の面全てがロータ７と当接するのではなく、チップ部材５の先端部分のみがロータ７と当接する。したがって、先端部材５１のロータ７と当接する側の面全てを同一の材料で形成する必要はなく、先端部材５１のロータ７と当接する側の面のうちのロータ７と当接する部分の面のみを同一の材料で形成しても上記のチップ部材５と同じ効果を得ることができる。
【００６０】
なお、本実施形態では、先端部材５１，５１’を形成する材料として超硬合金を用い、結合部材５２，５２’を形成する材料としてステンレスを用いたが、本発明は特にこれに限定されず、先端部材５１，５１’を形成する材料としてはタングステンやタングステン合金等の密度の高い他の材料を用いてもよく、また、結合部材５２，５２’を形成する材料としては先端部材５１，５１’を形成する材料よりも密度の低いステンレス以外の他の材料を用いてもよい。
【００６１】
このように、チップ部材５は、ロータ７と当接する先端部材５１と、圧電素子２，３に結合される結合部材５２とで構成され、先端部材５１は、結合部材５２の密度よりも大きい密度の材料で形成されるため、チップ部材５を先端部材５１の材料のみで形成するよりも軽量化することができる。また、先端部材５１は、結合部材５２の密度よりも大きい密度の材料で形成されるため、チップ部材５の重心位置が先端部材５１側に移動し、チップ部材５の変位が大きくなり、ロータ７に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００６２】
また、先端部材５１が、密度の高い材料である、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成されるため、チップ部材５の重心位置が先端部材５１側に移動し、チップ部材５の変位が大きくなり、ロータ７に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００６３】
また、チップ部材５が同一の材料で形成される一体構成であっても、形状次第で上記と同様の効果が得られる。図１９は、１つの部材で形成されるチップ部材５について説明するための図であり、図１９（ａ）は１つの部材で形成されるチップ部材５を示す斜視図であり、図１９（ｂ）は図１９（ａ）に示す矢印の方向からチップ部材５を見た図であり、図１９（ｃ）は図１９（ｂ）に示すチップ部材５のＡ−Ａ線断面図である。
【００６４】
図１９（ａ）〜（ｃ）に示すチップ部材５は、密度が高く、耐磨耗性に優れた材料が用いられ、本実施形態では超硬合金が用いられる。図１９（ａ）〜（ｃ）に示すように、チップ部材５の扇形円弧の中心（図１９における下側）よりの両側面に扇形形状の孔５３を形成することによって、チップ部材５の重心位置を先端側（ロータ側）に移動できるので、１つの部材で形成されるチップ部材５であっても、チップ部材５の重量を軽くすることができ、チップ部材５の楕円軌跡を拡大することができる。
【００６５】
なお、チップ部材５の両側面に形成される孔５３の形状は、上記の扇形形状に限らず、他の形状でもよい。また、本実施形態では、チップ部材５を形成する材料として超硬合金を用いたが、本発明は特にこれに限定されず、チップ部材５を形成する材料としてはタングステンやタングステン合金等の密度の高い材料を用いてもよい。
【００６６】
さらに、チップ部材５の材料として、傾斜機能材料を用いてもよい。図２０は、傾斜機能材料を用いて形成されたチップ部材５を示す図である。図２０に示すチップ部材５は、断面が扇形形状であり、圧電素子２，３との結合部分ａからロータ７と当接する先端部分ｂにかけて密度が高くなるような傾斜機能材料で形成される。傾斜機能材料としては、密度の高い超硬合金と密度の低いセラミックスとを粒子配列法、粒子噴射法及び薄膜積層法等を用いて物性が傾斜された材料が用いられる。
【００６７】
このように、チップ部材５は、圧電素子２，３に結合される結合部分ａからロータ７と当接する先端部分ｂにかけて密度が大きくなる傾斜機能材料で形成されるため、チップ部材５を先端部分ｂの材料のみで形成するよりも軽量化することができ、ベース部材４との重量比が小さくなり、駆動力を向上させることができる。また、チップ部材５の先端部分ｂは、結合部分ａの密度よりも大きい密度で形成されるため、チップ部材５の重心位置が先端部分ｂ側に移動し、チップ部材５の変位が大きくなり、ロータ７に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００６８】
なお、本実施の形態では、駆動部１をロータ７の外周面側に設けたが、本発明は特にこれに限定されず、駆動部１をロータ７の内周面側に設けてもよい。
【００６９】
また、本実施の形態では、変位素子として積層型の圧電素子を用いたが、本発明は特にこれに限定されず、単層の圧電素子と金属製の弾性体とを直列接続したものを用いてもよい。この場合、圧電素子を駆動源として弾性体を共振させることにより大きな変位を得ることができる。
【００７０】
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
（１）所定の変位を発生させる複数の変位素子と、前記変位素子に結合され、前記変位素子の変位を合成する変位合成部材と、前記変位素子の基端を支持するベース部材とを有する駆動部と、前記変位合成部材が当接することにより駆動される被駆動部と、前記駆動部と前記被駆動部とを加圧接触させる加圧部と、前記変位素子に駆動信号を出力する駆動信号出力部とを備え、前記ベース部材は、前記変位合成部材との重量比が大きくなる材料で形成されることを特徴とするアクチュエータ。
（２）前記ベース部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成されることを特徴とする上記（１）記載のアクチュエータ。
（３）前記変位合成部材は、前記被駆動部材と当接する先端部材と、前記変位素子に結合される結合部材とで構成され、前記先端部材は、前記結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されることを特徴とする上記（１）又は（２）記載のアクチュエータ。
（４）前記先端部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成されることを特徴とする上記（３）記載のアクチュエータ。
（５）前記先端部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成され、前記結合部材は、ステンレスで形成されることを特徴とする上記（３）記載のアクチュエータ。
（６）前記変位合成部材は、前記ベース部材との重量比が小さくなる形状で形成されることを特徴とする上記（１）又は（２）記載のアクチュエータ。
（７）前記変位合成部材は、前記変位素子に結合される結合部分から前記被駆動部材と当接する先端部分にかけて密度が大きくなる傾斜機能材料で形成されることを特徴とする上記（１）又は（２）記載のアクチュエータ。
（８）前記変位部材は、当該変位部材の形状によって特定される重心位置よりも被駆動部材に当接する側に重心位置が設けられていることを特徴とする上記（１）又は（２）記載のアクチュエータ。
【００７１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、ベース部材が、変位合成部材に対する重量比が大きくなる材料で形成されるため、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００７２】
請求項２に記載の発明によれば、ベース部材が、密度の高い材料である、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成されるため、変位合成部材に対するベース部材の重量比が大きくなり、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００７３】
請求項３に記載の発明によれば、変位合成部材は、被駆動部材と当接する先端部材と、変位素子に結合される結合部材とで構成され、先端部材は、結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されるため、変位合成部材を先端部材の材料のみで形成するよりも軽量化することができる。また、先端部材は、結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されるため、変位合成部材の重心位置が先端部材側に移動し、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００７４】
請求項４に記載の発明によれば、先端部材が、密度の高い材料である、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成されるため、変位合成部材の重心位置が先端部材側に移動し、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００７５】
請求項５に記載の発明によれば、変位合成部材は、変位素子に結合される結合部分から被駆動部材と当接する先端部分にかけて密度が大きくなる傾斜機能材料で形成されるため、変位合成部材を先端部分の材料のみで形成するよりも軽量化することができる。また、変位合成部材の先端部分は、結合部分の密度よりも大きい密度で形成されるため、変位合成部材の重心位置が先端部分側に移動し、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態におけるアクチュエータの構成を概略的に示す図である。
【図２】２つの圧電素子を各々駆動する２つの駆動信号の位相を変化させたときに得られるチップ部材の軌跡形状を示す図である。
【図３】２つの圧電素子がそれぞれ同位相モード及び逆位相モードで振動する場合における、圧電素子の変形状態を示す図である。
【図４】第１圧電素子を駆動する場合の振動モードを示す図である。
【図５】同位相モード及び逆位相モードにおける圧電素子の振幅と駆動信号の周波数の関係を示す図である。
【図６】同位相モード及び逆位相モードにおける振動の位相遅れと駆動信号の周波数の関係を示す図である。
【図７】駆動信号の周波数を５０、１００及び１５０ｋＨｚとしたときのチップ部材の軌跡を示す図である。
【図８】位相差駆動に用いられる駆動信号出力回路の構成を示すブロック図である。
【図９】同位相モード及び逆位相モードにおける圧電素子の振幅と駆動信号の周波数の関係を示す図である。
【図１０】同位相モード及び逆位相モードにおける振動の位相遅れと駆動信号の周波数の関係を示す図である。
【図１１】駆動信号の周波数を５０、１００及び１５０ｋＨｚとしたときのチップ部材の軌跡を示す図である。
【図１２】単相駆動に用いられる駆動信号出力回路の構成を示すブロック図である。
【図１３】ベース部材を形成する材料の密度を変化させたときの位相差駆動によるチップ部材の先端の楕円軌跡を有限要素法により解析した結果を示す図である。
【図１４】ベース部材をステンレス及び超硬合金により試作し、単相駆動を行った際のチップ部材による楕円軌跡の測定結果を示す図である。
【図１５】ベース部材をステンレス及び超硬合金により試作し、単相駆動を行った際のチップ部材による駆動特性の測定結果を示す図である。
【図１６】２つの部材で形成されるチップ部材について説明するための図である。
【図１７】チップ部材を密度の異なる２つの部材で形成した場合のチップ部材の先端の楕円軌跡と、チップ部材を１つの部材で形成した場合のチップ部材の先端の楕円軌跡とを有限要素法により解析した結果を示す図である。
【図１８】２つの部材で形成されるチップ部材の他の例について説明するための図である。
【図１９】１つの部材で形成されるチップ部材について説明するための図である。
【図２０】傾斜機能材料を用いて形成されたチップ部材を示す図である。
【符号の説明】
１駆動部
２第１圧電素子（変位素子）
３第２圧電素子（変位素子）
４ベース部材
５チップ部材（変位合成部材）
６加圧部
７ロータ（被駆動部）
１０アクチュエータ
５１先端部材
５２結合部材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an actuator that drives a driving unit using a displacement element and frictionally transmits a driving force to a driven unit.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an electromechanical transducer (displacement element) such as two piezoelectric elements is formed in a truss shape, and a displacement synthesis unit provided at an intersection of mutually orthogonal displacement elements is driven so as to draw a predetermined trajectory. A truss-type actuator for driving a driven member such as a rotor in a predetermined direction has been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0003]
In a conventional truss-type actuator, two electromechanical transducers (a first piezoelectric element and a second piezoelectric element of a stacked type) are arranged so as to intersect at a substantially right angle, and a chip member is attached to an end of the intersection by an adhesive. Are joined. On the other hand, the other ends of the first and second piezoelectric elements are joined to the base member with an adhesive. In addition, the driving unit including the first and second piezoelectric elements, the chip member, the base member, and the like is urged by the pressing unit so that the chip member contacts the rotor.
[0004]
In a conventional truss-type actuator, by applying a drive signal having a predetermined phase difference to each of the first and second piezoelectric elements, each of the piezoelectric elements is driven at a different phase, and an intersection of the first and second piezoelectric elements is formed. Are driven so as to draw a predetermined elliptical orbit. While the tip member is driven to draw an elliptical orbit, the tip member contacts the rotor in a certain section, and the frictional force acting between the tip member and the rotor drives the rotor to rotate in a predetermined direction. You. The driving force is supplied to another device by directly using the rotation shaft of the rotor as an output shaft or by providing a pin on an end surface perpendicular to the rotation shaft of the rotor and engaging a link lever or the like with the pin. can do.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-54291 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the above truss-type actuator, the base member also vibrates with the displacement of the first and second piezoelectric elements. The output increases as the displacement (elliptical motion) of the tip member increases, but the base member may vibrate relatively largely with respect to the tip member depending on the size and configuration of the truss-type actuator. In particular, due to the miniaturization of the base member accompanying the miniaturization of the truss-type actuator, the weight ratio of the base member to the chip member decreases, and the base member tends to vibrate relatively largely with respect to the chip member. For this reason, there is a case where the displacement of the tip member becomes small and the output becomes difficult to increase.
[0007]
In addition, since the tip member transmits the driving force to the driven member by friction, a material such as a cemented carbide having high wear resistance is used as the material, but the cemented carbide has a large density, so the weight increases. However, the weight ratio to the base member increases, and the same problem as described above may occur.
[0008]
The present invention has been made to solve the above problem, and has as its object to provide an actuator capable of improving a driving force transmitted to a driven member by friction.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
An actuator according to the present invention includes: a plurality of displacement elements for generating a predetermined displacement; a displacement combining member coupled to the displacement element to combine displacements of the displacement element; and a base member for supporting a base end of the displacement element. And a driven unit driven by the displacement synthesis member being in contact with the driving unit, a pressing unit that presses the driving unit and the driven unit into pressure contact, and a driving signal to the displacement element. A drive signal output unit for outputting, and the base member is formed of a material whose weight ratio with respect to the displacement combining member is increased.
[0010]
According to this configuration, since the base member is formed of a material having a large weight ratio to the displacement combining member, the displacement of the displacement combining member increases, and the driving force transmitted to the driven member by friction can be improved. it can.
[0011]
Further, in the above actuator, it is preferable that the base member is formed of any of a cemented carbide, tungsten, and a tungsten alloy.
[0012]
According to this configuration, since the base member is formed of one of a high-density material, a cemented carbide, tungsten, and a tungsten alloy, the weight ratio of the base member to the displacement composite member increases, and the displacement composite member Is increased, and the driving force transmitted to the driven member by friction can be improved.
[0013]
Further, in the actuator described above, the displacement combining member includes a tip member that contacts the driven member, and a coupling member that is coupled to the displacement element, and the distal member has a density higher than a density of the coupling member. Preferably, it is formed of a material having a high density.
[0014]
According to this configuration, the displacement synthesizing member includes the tip member that contacts the driven member and the coupling member that is coupled to the displacement element, and the distal member is formed of a material having a density higher than the density of the coupling member. Therefore, the weight can be reduced as compared with the case where the displacement combining member is formed only of the material of the tip member. In addition, since the tip member is formed of a material having a density higher than the density of the coupling member, the position of the center of gravity of the displacement combining member moves toward the tip member, the displacement of the displacement combining member increases, and the driven member has friction. The transmitted driving force can be improved.
[0015]
Further, in the above-mentioned actuator, it is preferable that the tip member is formed of any of a cemented carbide, tungsten, and a tungsten alloy.
[0016]
According to this configuration, since the tip member is formed of one of a high-density material, a cemented carbide, tungsten, and a tungsten alloy, the position of the center of gravity of the displacement combining member moves toward the tip member, and the displacement combining member moves. The displacement of the member increases, and the driving force transmitted to the driven member by friction can be improved.
[0017]
In the above actuator, it is preferable that the displacement synthesizing member is formed of a functionally graded material whose density increases from a coupling portion coupled to the displacement element to a tip portion in contact with the driven member.
[0018]
According to this configuration, the displacement combining member is formed of the functionally graded material whose density increases from the coupling portion coupled to the displacement element to the distal end portion in contact with the driven member. The weight can be reduced as compared with the case of only forming. Further, since the distal end portion of the displacement combining member is formed with a density higher than the density of the coupling portion, the position of the center of gravity of the displacement combining member moves toward the leading end portion, the displacement of the displacement combining member increases, and the driven member The driving force transmitted to the motor can be improved.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0020]
An actuator according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of an actuator according to the present embodiment.
[0021]
The actuator 10 includes a driving unit 1 for driving a driven member 7 and a pressing unit 6 for bringing the driving unit 1 into pressure contact with the rotor 7. The drive unit 1 includes, for example, two displacement elements 2 and 3 intersecting at a 90 ° sandwiching angle, a chip member 5 adhered to the intersection thereof, and a base adhered to the base ends of the displacement elements 2 and 3 And a member 4.
[0022]
As the displacement elements 2 and 3 (hereinafter, referred to as a first piezoelectric element 2 and a second piezoelectric element 3), a laminated piezoelectric element that converts an electric signal into a displacement by a piezoelectric effect is used. The tip member 5 is made of a metal material that is stably provided with a high coefficient of friction and is not easily worn. The base member 4 is made of a metal material which is easy to manufacture and has high strength, and is formed of a metal material having a large weight ratio with respect to the chip member 5. The metal materials used for the base member 4 and the chip member 5 will be described later. The bonding between the base member 4 and the piezoelectric elements 2 and 3 and the bonding between the chip member 4 and the piezoelectric elements 2 and 3 are performed using an adhesive that is appropriately selected according to the material of the base member 4 and the material of the chip member 5. In particular, an epoxy resin adhesive excellent in adhesive strength and strength is used. The pressing unit 6 is configured by a coil spring or the like, and presses the base member 4 in the center direction (the direction of the arrow A) of the disk-shaped rotor 7 as a driven member. The rotor 7 is made of a metal such as aluminum, and has a surface treatment such as alumite at a contact portion with the tip member 5 in order to prevent abrasion due to contact with the tip member 5. Further, if the driven member, ie, the rotor 7 is changed to a slider or the like, linear driving becomes possible.
[0023]
Here, a laminated piezoelectric element used as a displacement element in the present embodiment will be described. The piezoelectric element is formed by alternately laminating a plurality of ceramic thin plates having piezoelectric characteristics such as PZT and electrodes, and the ceramic thin plates and the electrodes are fixed by an adhesive or the like. Every other electrode group is connected to a driving power supply via a signal line. When a predetermined voltage is applied to the signal line, an electric field is generated in the laminating direction on each of the ceramic thin plates sandwiched between the two electrodes, and the electric field is in the same direction every other one. Accordingly, the ceramic thin plates are stacked so that the polarization direction is the same for every other ceramic thin plate (the polarization direction of two adjacent ceramic thin plates is opposite). Note that protective layers are provided on both ends of the piezoelectric element.
[0024]
When a DC driving voltage is applied between the electrodes by a driving power source, all the ceramic thin plates expand or contract in the same direction, and expand and contract as a whole piezoelectric element. When an AC driving voltage (AC signal) is applied between the electrodes by the driving power supply, each ceramic thin plate repeatedly expands and contracts in the same direction in accordance with the electric field, and the entire piezoelectric element expands and contracts repeatedly. A piezoelectric element 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, the impedance decreases and the displacement of the piezoelectric element increases. Since the piezoelectric element has a small displacement with respect to its external dimensions, it is desirable to utilize this resonance phenomenon in order to drive the piezoelectric element at a low voltage.
[0025]
Next, the principle of rotation of the rotor 7 in the actuator 10 will be described. By applying a drive signal having a predetermined phase difference to each of the first piezoelectric element 2 and the second piezoelectric element 3, each of the piezoelectric elements 2 and 3 is driven at a different phase. The provided tip member 5 is driven so as to draw a predetermined elliptical orbit (including a circular orbit). While the tip member 5 is driven so as to draw a predetermined elliptical trajectory, the tip member 5 contacts the outer peripheral surface of the rotor 7 in a certain section, and acts between the tip member 5 and the outer peripheral surface of the rotor 7. The rotor 7 is rotated in a predetermined direction by the frictional force. Further, by reversing the direction of the phase shift of the drive signal, the direction of the trajectory of the chip member 5 is reversed, and the rotation of the rotor 7 can be reversed. In the actuator 10, when two independent motions that are orthogonal to each other are combined, the intersection thereof draws a trajectory according to an elliptical vibration equation (Lissajous equation).
[0026]
FIG. 2 is a diagram showing a trajectory shape of the chip member 5 obtained when the phases of two drive signals for driving the two piezoelectric elements 2 and 3 are changed, and FIG. 2B shows the case where the phase difference between both drive signals is 90 °, and FIG. 2C shows the case where the phase difference between both drive signals is 120 °.
[0027]
As can be understood from FIG. 2, when the phase difference between the two drive signals is 90 °, the trajectory of the chip member 5 becomes circular, and when the phase difference is smaller than 90 °, the trajectory of the chip member 5 is driven. When the phase difference is greater than 90 °, the trajectory of the tip member 5 becomes an elliptical trajectory whose major axis direction is aligned with the tangential direction B of the driven part (rotor 7). Become.
[0028]
Since the speed of the rotor 7 is determined by the speed of the elliptical motion in the tangential direction B, the speed increases as the diameter of the elliptical locus in the tangential direction B increases. On the other hand, since the driving force of the rotor 7 is determined by the pressing force of the pressing unit 6 and the diameter of the elliptical trajectory in the normal direction A to the rotor 7, the driving force increases as the diameter of the elliptical trajectory in the normal direction A increases.
[0029]
As the eigenmodes in which the two piezoelectric elements 2 and 3 of the actuator 10 in the present embodiment resonate in the elongation direction, the two modes vibrate in the same phase (the phases of the vibrations coincide), and the two modes are opposite to each other There is an anti-phase mode that vibrates in phase (the phase of vibration is shifted by π). By using two eigenmodes, an in-phase mode and an anti-phase mode, resonance driving becomes possible. By utilizing such resonance, the displacement is increased from ten to several tens of times, so that a lower voltage and higher efficiency can be achieved. FIG. 3 shows a deformed state of the piezoelectric elements when the two piezoelectric elements 2 and 3 vibrate in the in-phase mode and the anti-phase mode, respectively. 3A shows an elongational vibration state in the in-phase mode, and FIG. 3B shows an elongational vibration state in the opposite phase mode. In the case of vibration in the in-phase mode, for example, vibration of the first piezoelectric element 2 is transmitted to the second piezoelectric element 3 with a phase difference of 0 °. In the case of vibration in the opposite phase mode, for example, the vibration of the first piezoelectric element 2 is transmitted to the second piezoelectric element 3 with a phase difference of 180 °.
[0030]
In addition, by matching the resonance frequencies of the two eigenmodes described above, the control of the elliptical trajectory by the drive signal based on the equation of the elliptical vibration can be performed even at resonance (phase difference driving). Furthermore, by setting the resonance frequency difference between the two eigenmodes to a predetermined value, it becomes possible to generate and drive an elliptical vibration only by applying a single-phase driving signal to one piezoelectric element (single-phase driving). ). The resonance frequencies of the two eigenmodes, the in-phase mode and the anti-phase mode, can be changed by the weight of the chip member 5, and both driving methods require that the weight of the chip member 5 be set to a predetermined value. The phase difference drive drives two piezoelectric elements, so that the output can be increased. The single-phase drive only needs to drive one piezoelectric element, so that the drive circuit can be simplified. , Respectively, so that it is preferable to use them as needed.
[0031]
The eigenmode can be represented by a vibration model of two orthogonal viscous damping vibration systems with a spring, a dashpot, and a weight. FIG. 4 shows a vibration mode when the first piezoelectric element 2 is driven. In FIG. 4, the dash pot is omitted, and the base member 4 is fixed. In FIG. 4, the in-phase mode is called a first vibration system, and the anti-phase mode is called a second vibration system. In the present actuator 10, it is considered that the force generated by the first piezoelectric element 2 is decomposed into a first vibration system and a second vibration system. As shown in FIG. 4, when one piezoelectric element is driven, an excitation force is applied in the target axis direction in both modes.
[0032]
Next, the phase difference driving will be described. FIG. 5 and FIG. 6 show frequency characteristics near the resonance frequency of the phase lag with respect to the displacement and the excitation force of each mode when the resonance frequency in the in-phase mode is close to the resonance frequency in the anti-phase mode.
[0033]
In FIG. 5, a characteristic curve A shows the relationship between the amplitude of the first vibration system and the frequency of the drive signal in the in-phase mode. The characteristic curve B shows the relationship between the amplitude of the second vibration system and the frequency of the drive signal in the opposite phase mode. As shown in FIG. 5, the characteristic curve A is a curve whose amplitude (magnification ratio) peaks at a frequency near 95 kHz, and the characteristic curve B is a curve whose amplitude peaks at a frequency near 100 kHz. The curve A and the characteristic curve B are similar.
[0034]
In FIG. 6, a characteristic curve C indicates a relationship between the phase delay of the first vibration system and the frequency of the drive signal in the same phase mode. A characteristic curve D indicates a relationship between the phase delay of the second vibration system and the frequency of the drive signal in the opposite phase mode. A characteristic curve E indicates a phase difference between the vibration of the first vibration system and the vibration of the second vibration system. As shown in FIG. 6, the characteristic curve C is a curve in which the phase delay changes near a frequency of about 95 kHz, the characteristic curve D is a curve in which the phase delay changes near a frequency of about 100 kHz. The curve D is approximated. Further, the characteristic curve E is a curve in which the phase difference peaks between the frequencies of 95 kHz and 100 kHz.
[0035]
When one piezoelectric element is driven in such a vibration system, the displacement is enlarged in the direction of each mode according to the characteristics shown in FIG. 5, and an elliptical locus is formed by the phase difference between the two modes. In this case, since there is almost no phase difference between the two modes (see the characteristic curve E in FIG. 6), the displacement is enlarged only in the element driving direction at all frequencies (it becomes maximum at the resonance frequency). Therefore, the two piezoelectric elements can be driven independently, and the elliptical locus can be controlled by the amplitude and phase difference of the drive signal.
[0036]
FIGS. 7A to 7C show the trajectories of the chip member 5 when the frequency of the drive signal is 50, 100, and 150 kHz, respectively. When the resonance frequency of the first vibration system in the in-phase mode is close to the resonance frequency of the second vibration system in the anti-phase mode, the amplitude of the vibration by the drive signal having an intermediate frequency between the two resonance frequencies increases, and the phase difference becomes It turns out that it approaches 0 degree. Therefore, it can be seen that the trajectory of the tip member 5 is an ellipse whose major axis is in a direction parallel to the driving direction.
[0037]
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a drive signal output circuit used for phase difference driving. The drive signal output circuit (drive signal output unit) 20 includes an oscillator 21, a phase control unit 22, a delay circuit 23, an amplitude control unit 24, a first amplifier 25, and a second amplifier 26. The oscillator 21 generates (oscillates) a sine wave signal at a resonance frequency that matches in the in-phase mode and the anti-phase mode. The phase control unit 22 controls the delay circuit 23 according to the rotation speed, drive torque, rotation direction, and the like of the rotor 7, and generates a sine wave signal having a phase shift. The amplitude controller 24 controls the first amplifier 25 and the second amplifier 26 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 25 and the second amplifier 26 are applied to the first and second piezoelectric elements 2 and 3, respectively. By using such a drive signal output circuit 20, by controlling the amplitude and phase difference of the drive signal, the trajectory shape and direction of the chip member 5 are changed, and the output is controlled.
[0038]
Next, the single-phase driving will be described. FIG. 9 and FIG. 10 show frequency characteristics in the vicinity of the resonance frequency of the phase delay with respect to the displacement and the excitation force in each mode when the resonance frequency in the in-phase mode and the resonance frequency in the anti-phase mode are separated by a predetermined value.
[0039]
In FIG. 9, a characteristic curve F indicates a relationship between the amplitude of the first vibration system and the frequency of the drive signal in the in-phase mode. Further, the characteristic curve G shows the relationship between the amplitude of the second vibration system and the frequency of the drive signal in the opposite phase mode. The characteristic curve F has a frequency f ₁ In the case of kHz, the amplitude (magnification ratio) is a curve in which the frequency is f. ₂ This is a curve where the amplitude peaks at kHz.
[0040]
In FIG. 10, a characteristic curve H indicates a relationship between the phase delay of the first vibration system and the frequency of the drive signal in the in-phase mode. The characteristic curve I shows the relationship between the phase delay of the second vibration system and the frequency of the drive signal in the opposite phase mode. A characteristic curve J indicates a phase difference between the vibration of the first vibration system and the vibration of the second vibration system. The characteristic curve H has a frequency f ₁ The characteristic curve I is a curve in which the phase delay is 90 degrees at kHz and the frequency is f ₂ The characteristic curve J is a curve in which the phase delay is 90 degrees at kHz and the frequency is f ₃ This is a curve where the phase difference peaks at kHz.
[0041]
The first vibration system in the in-phase mode has a resonance frequency f ₁ Greater frequency f ₃ , The amplitude has passed its peak, is smaller than its maximum value, and its phase lag is larger than 90 degrees. On the other hand, the second vibration system in the antiphase mode has its resonance frequency f ₂ Smaller frequency f ₃ , Its amplitude does not reach its peak, is smaller than its maximum value, and its phase delay is smaller than 90 degrees. Since the phase delay in the in-phase mode is larger than the phase delay in the anti-phase mode, the tip member 5 rotates counterclockwise.
[0042]
FIGS. 11A to 11C show that the frequency of the drive signal is 50 and 100 (f, respectively). ₃ ) And the locus of the chip member 5 at 150 kHz. The frequency of the drive signal is a frequency f which is intermediate between the resonance frequencies in each mode. ₃ If it deviates, the trajectory of the tip member 5 becomes an elongated ellipse.
[0043]
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of a drive signal output circuit used for single-phase drive. The drive signal output circuit (drive signal output unit) 30 includes an oscillator 31, an amplifier 32, and a switching unit 33. The oscillator 31 generates (oscillates) a sine wave signal at a predetermined frequency near the resonance frequency in the in-phase mode and the anti-phase mode. The amplifier 32 amplifies the amplitude of the sine wave signal output from the oscillator 31. The switching unit 33 switches the output destination of the sine wave signal amplified by the amplifier 32 to the first or second piezoelectric element 2 or 3. The driving direction can be reversed by switching the piezoelectric element to be driven by the switching unit 33.
[0044]
Next, the material used for the base member 4 will be described. It can be seen from the mode shape shown in FIG. 3 that the base member 4 also contributes to the vibration. FIG. 13 shows the result of analyzing the elliptical trajectory of the tip of the tip member 5 by the phase difference driving when the density of the material forming the base member 4 is changed by the finite element method. The elliptical locus K shown in FIG. 13 indicates that the density of the material forming the base member 4 is 14 × 10 ³ kg / m ³ Represents the trajectory of the tip member 5 in the case of (1), and the elliptical trajectory L indicates that the density of the material forming the base member 4 is 11 × 10 ³ kg / m ³ Represents the locus of the chip member 5 in the case of (1), and the elliptical locus M indicates that the density of the material forming the base member 4 is 8 × 10 ³ kg / m ³ Represents the trajectory of the tip member 5 in the case of. Note that a black circle point on the elliptical locus K, a black square point on the elliptical locus L, and a black triangular point on the elliptical locus M represent measurement points.
[0045]
As shown in FIG. 13, the elliptical locus increases as the density of the material forming the base member 4 increases. This means that the base member 4 is an elastic body and also serves as a weight. If the element displacement does not change, the displacement amount on the chip member 5 side is determined by the ratio of the weight of the chip member 5 to the weight of the base member 4. This is because the smaller the weight ratio between the tip member 5 and the base member 4 (the larger the weight of the base member 4), the greater the amount of displacement on the tip member 5 side and the larger the elliptical locus.
[0046]
As such a material having a large density, a cemented carbide (density: 15 × 10 ³ kg / m ³ ), Tungsten (19.2 × 10 ³ kg / m ³ ), Tungsten alloy (18 × 10 ³ kg / m ³ ), Platinum (21.6 × 10 ³ kg / m ³ ), Gold (19.3 × 10 ³ kg / m ³ ) And lead (11.3 × 10 ³ kg / m ³ However, in view of cost and environmental aspects and productivity during mass production, it is preferable to use a cemented carbide, tungsten, or a tungsten alloy. Note that iron, nickel, copper, or the like is used as an alloy component of the tungsten alloy.
[0047]
FIG. 14 shows the measurement results of the elliptical trajectory of the tip member 5 when the base member 4 was prototyped from stainless steel and a cemented carbide and subjected to single-phase driving. FIG. 14A is a diagram showing a measurement result of an elliptical locus of the tip member 5 when the base member 4 is formed of a cemented carbide, and FIG. 14B is a diagram illustrating a case where the base member 4 is formed of stainless steel. FIG. 9 is a diagram showing a measurement result of an elliptical locus of the tip member 5 in FIG. 14A and 14B, the vertical axis represents the tangential direction (drive direction), and the horizontal axis represents the normal direction. An elliptical locus when the base member 4 shown in FIG. 14A is formed of a cemented carbide, and a stainless steel having a lower density than the cemented carbide (density: 8 × 10 ³ kg / m ³ ), The elliptical locus can be made larger by using the base member 4 made of cemented carbide than by using the base member 4 made of stainless steel. Can be improved.
[0048]
FIG. 15 shows the measurement results of the driving characteristics of the chip member 5 when the base member 4 was manufactured as a trial using stainless steel and cemented carbide and subjected to single-phase driving. The vertical axis in FIG. 15 represents speed and driving efficiency, and the horizontal axis represents thrust (driving force). In FIG. 15, a characteristic curve N represents a relationship between the speed and the driving force when the base member 4 is formed of a cemented carbide, and a characteristic curve O represents the relationship between the speed and the driving force when the base member 4 is formed of stainless steel. The characteristic curve P represents the relationship between the driving efficiency and the driving force when the base member 4 is formed of a cemented carbide, and the characteristic curve Q represents the driving efficiency and the driving force when the base member 4 is formed of stainless steel. Represents the relationship with The characteristic curve N and the characteristic curve O are curves rising to the left, and the characteristic curve P and the characteristic curve Q are curves rising to the right. Note that a black dot on the characteristic curve N, a black triangular point on the characteristic curve O, a black square point on the characteristic curve P, and a x point on the characteristic curve Q each represent a measurement point.
[0049]
As shown in FIG. 15, the speed and the driving efficiency when the base member 4 is formed of a cemented carbide are compared with the speed and the driving efficiency when the base member 4 is formed of stainless steel having a lower density than the cemented carbide. Then, it can be seen that the use of the base member 4 made of a cemented carbide is higher than the use of the base member 4 made of stainless steel in both the speed and the drive efficiency.
[0050]
As described above, since the base member 4 is formed of a material having a large weight ratio with respect to the tip member 5, the displacement of the tip member 5 increases, and the driving force transmitted to the rotor 7 by friction can be improved. In particular, when the base member 4 and the chip member 5 are miniaturized with the miniaturization of the actuator 10, the base member 4 is formed of a material having a large weight ratio to the chip member 5. And the driving force transmitted to the rotor 7 by friction can be improved.
[0051]
In addition, since the base member 4 is formed of one of a high-density material such as a cemented carbide, tungsten, and a tungsten alloy, the weight ratio of the base member 4 to the chip member 5 increases, and the displacement of the chip member 5 increases. And the driving force transmitted to the rotor 7 by friction can be improved.
[0052]
Next, the tip member 5 will be described. As a material for forming the tip member 5, a cemented carbide is used in consideration of wear resistance. As described above, since the cemented carbide has a high density, the chip member 5 formed of the cemented carbide increases in weight, the weight ratio to the base member 4 decreases, and the driving force decreases. Therefore, in the present embodiment, the tip member 5 is formed of two members, a tip member that contacts the rotor 7 and a coupling member that is coupled to the piezoelectric elements 2 and 3.
[0053]
FIG. 16 is a diagram for explaining the chip member 5 formed of two members, and FIG. 16A is a perspective view showing the chip member 5 formed of two members, and FIG. 17) is a view of the tip member 5 viewed from the direction of the arrow shown in FIG. As shown in FIGS. 16A and 16B, the chip member 5 has a coupling member 52 coupled to the piezoelectric elements 2 and 3, and all surfaces on the side contacting the rotor 7 coupled to the coupling member 52. And a tip member 51 formed of the same material. The tip member 51 is made of a material having a high density and excellent wear resistance. In the present embodiment, a cemented carbide is used. The coupling member 52 is made of a material having a lower density than the tip member 51, and in this embodiment, stainless steel is used. The connecting member 52 has a fan-shaped cross section, and the distal end member 51 is bonded to an arc-shaped surface of the connecting member 52 having a fan-shaped cross section. For bonding the tip member 51 and the connecting member 52, an epoxy resin adhesive having excellent adhesive strength and strength is used.
[0054]
FIG. 17 shows an elliptical locus of the tip of the tip member 5 when the tip member 5 is formed of two members having different densities, and an elliptical locus of the tip of the tip member 5 when the tip member 5 is formed of one member. FIG. 6 is a diagram showing a result of analyzing by using the finite element method.
[0055]
The elliptical locus R shown in FIG. 17 is a locus of the tip of the tip member 5 when the actuator 10 is driven using the tip member 5 in which the tip member 51 is formed of a cemented carbide and the coupling member 52 is formed of stainless steel. And the elliptical trajectory S represents the trajectory of the tip of the tip member 5 when the actuator 10 is driven using the tip member 5 formed only of the cemented carbide. A black square point on the elliptical locus R and a black circle point on the elliptical locus S represent measurement points.
[0056]
As shown in FIG. 17, when the tip member 5 has a two-piece configuration of the tip member 51 formed of a cemented carbide and the coupling member 52 formed of stainless steel, the tip member 5 is formed only of the cemented carbide. The elliptical trajectory is larger than the integrated configuration. This is because the tip member 51 is formed of a cemented carbide and the joining member 52 is formed of stainless steel, so that the density of the joining member 52 becomes smaller than the density of the tip member 51, and the center of gravity of the tip member 5 is shifted to the tip side. This is because the tip member 5 moves toward the (contacting side with the rotor 7), and the weight of the tip member 5 in which the resonance frequencies in the two eigenmodes have a predetermined relationship decreases as the position of the center of gravity moves toward the tip end. Thereby, while the weight ratio with respect to the base member 4 becomes small, the rotation of the tip member 5 becomes large, and the elliptical locus is enlarged.
[0057]
In the present embodiment, the tip member 51 is configured by the tip member 51 whose entire surface on the side in contact with the rotor 7 is formed of the same material and the coupling member 52 that is coupled to the piezoelectric elements 2 and 3. The present invention is not particularly limited to this, and a tip member in which only a portion of the surface in contact with the rotor 7 that contacts the rotor 7 is formed of the same material, and the piezoelectric elements 2 and 3 other than the tip member 51. The tip member 5 may be configured by the coupling member that couples with the tip member.
[0058]
FIG. 18 is a diagram for explaining another example of the chip member 5 formed of two members. FIG. 18A is a perspective view illustrating another example of the chip member 5 formed of two members. FIG. 18B is a diagram of the chip member 5 viewed from the direction of the arrow shown in FIG. As shown in FIGS. 18A and 18B, the tip member 5 includes a tip member 51 ′ in which only the portion of the surface that contacts the rotor 7 that contacts the rotor 7 is formed of the same material. , And a coupling member 52 ′ coupled to the piezoelectric elements 2 and 3. The tip member 51 'is made of a material having a high density and excellent wear resistance. In the present embodiment, a cemented carbide is used. Further, a material having a lower density than the tip member 51 'is used for the coupling member 52', and stainless steel is used in this embodiment. The connecting member 52 'has a V-shaped cross section, and the tip member 51' has a fan-shaped cross section. The tip member 51 'is adhered to the inside of the connecting member 52'. For bonding the tip member 51 'and the coupling member 52', an epoxy resin adhesive excellent in adhesive strength and strength is used.
[0059]
Normally, not all the surfaces of the chip member 5 that are in contact with the rotor 7 are in contact with the rotor 7, but only the tip end of the chip member 5 is in contact with the rotor 7. Therefore, it is not necessary to form the entire surface of the distal end member 51 on the side in contact with the rotor 7 with the same material, and only the surface of the portion of the distal end member 51 on the side in contact with the rotor 7 that is in contact with the rotor 7 Are formed of the same material, the same effect as that of the above-described chip member 5 can be obtained.
[0060]
In the present embodiment, a cemented carbide is used as a material forming the tip members 51 and 51 ′, and stainless steel is used as a material forming the coupling members 52 and 52 ′. However, the present invention is not particularly limited to this. As a material for forming the tip members 51 and 51 ', another material having a high density such as tungsten or a tungsten alloy may be used. As a material for forming the coupling members 52 and 52', the tip members 51 and 51 'may be used. A material other than stainless steel having a lower density than the material forming the 'may be used.
[0061]
As described above, the tip member 5 includes the tip member 51 that contacts the rotor 7 and the coupling member 52 that is coupled to the piezoelectric elements 2 and 3. The tip member 51 has a density higher than the density of the coupling member 52. Therefore, the weight of the tip member 5 can be reduced as compared with the case where the tip member 5 is formed only of the material of the tip member 51. Further, since the tip member 51 is formed of a material having a density higher than the density of the coupling member 52, the position of the center of gravity of the tip member 5 moves toward the tip member 51, the displacement of the tip member 5 increases, and the rotor 7 The driving force transmitted to the motor can be improved.
[0062]
Further, since the tip member 51 is formed of one of a high-density material, such as a cemented carbide, tungsten, and a tungsten alloy, the center of gravity of the tip member 5 moves to the tip member 51 side, and the tip member 5 The displacement increases, and the driving force transmitted to the rotor 7 by friction can be improved.
[0063]
Further, even if the tip members 5 are formed integrally with the same material, the same effects as described above can be obtained depending on the shape. FIG. 19 is a diagram for explaining the chip member 5 formed of one member. FIG. 19A is a perspective view illustrating the chip member 5 formed of one member, and FIG. 19) is a view of the chip member 5 viewed from the direction of the arrow shown in FIG. 19A, and FIG. 19C is a cross-sectional view of the chip member 5 shown in FIG.
[0064]
The tip member 5 shown in FIGS. 19A to 19C is made of a material having high density and excellent wear resistance. In the present embodiment, a cemented carbide is used. As shown in FIGS. 19A to 19C, the center of gravity of the chip member 5 is formed by forming the fan-shaped holes 53 on both side surfaces from the center (the lower side in FIG. 19) of the fan-shaped arc of the chip member 5. Since the position can be moved to the tip side (rotor side), even if the tip member 5 is formed of one member, the weight of the tip member 5 can be reduced, and the elliptical locus of the tip member 5 can be enlarged. Can be.
[0065]
The shape of the holes 53 formed on both side surfaces of the chip member 5 is not limited to the above-mentioned sector shape, and may be other shapes. Further, in the present embodiment, a cemented carbide is used as a material for forming the tip member 5, but the present invention is not particularly limited to this, and the material for forming the tip member 5 may have a density of tungsten or a tungsten alloy. Higher materials may be used.
[0066]
Further, a functionally graded material may be used as the material of the tip member 5. FIG. 20 is a diagram showing a chip member 5 formed using a functionally graded material. The tip member 5 shown in FIG. 20 has a fan-shaped cross section, and is formed of a functionally graded material such that the density increases from a portion a connected to the piezoelectric elements 2 and 3 to a tip b contacting the rotor 7. As the functionally graded material, a material whose physical properties are graded by using a high-density cemented carbide and a low-density ceramic by a particle arrangement method, a particle injection method, a thin film lamination method, or the like is used.
[0067]
As described above, since the tip member 5 is formed of the functionally graded material whose density increases from the coupling portion a that is coupled to the piezoelectric elements 2 and 3 to the tip portion b that is in contact with the rotor 7, the tip member 5 is The weight can be reduced as compared with the case of using only the material b, the weight ratio to the base member 4 is reduced, and the driving force can be improved. Further, since the tip portion b of the tip member 5 is formed with a density higher than the density of the coupling portion a, the center of gravity of the tip member 5 moves toward the tip portion b, and the displacement of the tip member 5 increases, Driving force transmitted to the rotor 7 by friction can be improved.
[0068]
In the present embodiment, the driving unit 1 is provided on the outer peripheral surface side of the rotor 7, but the present invention is not particularly limited to this, and the driving unit 1 may be provided on the inner peripheral surface side of the rotor 7.
[0069]
Further, in the present embodiment, a laminated piezoelectric element is used as the displacement element, but the present invention is not particularly limited to this, and a single-layer piezoelectric element and a metal elastic body connected in series are used. You may. In this case, a large displacement can be obtained by resonating the elastic body using the piezoelectric element as a drive source.
[0070]
The specific embodiments described above mainly include inventions having the following configurations.
(1) A drive having a plurality of displacement elements for generating a predetermined displacement, a displacement combining member coupled to the displacement element and combining displacements of the displacement element, and a base member supporting a base end of the displacement element. Part, a driven part driven by the displacement synthesis member abutting, a pressing part for pressing the driving part and the driven part in pressure contact, and a driving signal for outputting a driving signal to the displacement element An actuator, comprising: an output unit, wherein the base member is formed of a material whose weight ratio with respect to the displacement combining member is increased.
(2) The actuator according to the above (1), wherein the base member is formed of any of a cemented carbide, tungsten, and a tungsten alloy.
(3) The displacement synthesizing member includes a tip member abutting on the driven member and a coupling member coupled to the displacement element, and the tip member is made of a material having a density higher than the density of the coupling member. The actuator according to the above (1) or (2), which is formed by:
(4) The actuator according to the above (3), wherein the tip member is formed of any of a cemented carbide, tungsten, and a tungsten alloy.
(5) The actuator according to (3), wherein the tip member is formed of any of a cemented carbide, tungsten, and a tungsten alloy, and the coupling member is formed of stainless steel.
(6) The actuator according to the above (1) or (2), wherein the displacement synthesis member is formed in a shape having a smaller weight ratio with the base member.
(7) The above-mentioned (1) or the above-mentioned (1), wherein the displacement synthesizing member is formed of a functionally graded material whose density increases from a coupling portion coupled to the displacement element to a tip portion in contact with the driven member. The actuator according to (2).
(8) The above-mentioned (1) or (2), wherein the displacement member is provided with a position of the center of gravity on the side in contact with the driven member with respect to the position of the center of gravity specified by the shape of the displacement member. Actuator.
[0071]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, since the base member is formed of a material having a large weight ratio to the displacement combining member, the displacement of the displacement combining member increases, and the driving force transmitted to the driven member by friction. Can be improved.
[0072]
According to the second aspect of the present invention, since the base member is formed of one of a high-density material, a cemented carbide, tungsten, and a tungsten alloy, the weight ratio of the base member to the displacement composite member is large. As a result, the displacement of the displacement combining member increases, and the driving force transmitted to the driven member by friction can be improved.
[0073]
According to the third aspect of the present invention, the displacement combining member includes the tip member that contacts the driven member and the coupling member that is coupled to the displacement element, and the distal member is larger than the density of the coupling member. Since it is formed of a material having a high density, the weight can be reduced as compared with the case where the displacement combining member is formed only of the material of the tip member. In addition, since the tip member is formed of a material having a density higher than the density of the coupling member, the position of the center of gravity of the displacement combining member moves toward the tip member, the displacement of the displacement combining member increases, and the driven member has friction. The transmitted driving force can be improved.
[0074]
According to the invention as set forth in claim 4, since the tip member is formed of one of a high-density material, a cemented carbide, tungsten, and a tungsten alloy, the position of the center of gravity of the displacement synthesis member is on the tip member side. As a result, the displacement of the displacement synthesizing member increases, and the driving force transmitted to the driven member by friction can be improved.
[0075]
According to the fifth aspect of the present invention, the displacement combining member is formed of the functionally graded material whose density increases from the coupling portion coupled to the displacement element to the distal end portion in contact with the driven member. Can be made lighter than when only the material of the tip portion is formed. Further, since the distal end portion of the displacement combining member is formed with a density higher than the density of the coupling portion, the position of the center of gravity of the displacement combining member moves toward the leading end portion, the displacement of the displacement combining member increases, and the driven member The driving force transmitted to the motor can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view schematically showing a configuration of an actuator according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a trajectory shape of a chip member obtained when the phases of two drive signals for driving two piezoelectric elements are changed.
FIG. 3 is a diagram illustrating a deformed state of a piezoelectric element when two piezoelectric elements vibrate in an in-phase mode and an anti-phase mode, respectively.
FIG. 4 is a diagram showing a vibration mode when a first piezoelectric element is driven.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the amplitude of a piezoelectric element and the frequency of a drive signal in the same phase mode and the opposite phase mode.
FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a phase delay of vibration and a frequency of a drive signal in the same phase mode and the opposite phase mode.
FIG. 7 is a diagram showing the trajectory of the chip member when the frequency of the drive signal is set to 50, 100, and 150 kHz.
FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration of a drive signal output circuit used for phase difference driving.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the amplitude of a piezoelectric element and the frequency of a drive signal in the same phase mode and the opposite phase mode.
FIG. 10 is a diagram showing a relationship between a phase delay of vibration and a frequency of a drive signal in the same phase mode and the opposite phase mode.
FIG. 11 is a diagram showing the trajectory of the chip member when the frequency of the drive signal is 50, 100, and 150 kHz.
FIG. 12 is a block diagram illustrating a configuration of a driving signal output circuit used for single-phase driving.
FIG. 13 is a view showing a result of analyzing an elliptical trajectory of a tip end of a chip member by a phase difference driving when a density of a material forming a base member is changed by a finite element method.
FIG. 14 is a diagram showing a measurement result of an elliptical trajectory by a tip member when a base member is prototyped from stainless steel and a cemented carbide, and single-phase driving is performed.
FIG. 15 is a diagram showing measurement results of drive characteristics of a tip member when a base member is prototyped from stainless steel and cemented carbide, and single-phase driving is performed.
FIG. 16 is a diagram for explaining a chip member formed of two members.
FIG. 17 shows an elliptical locus of the tip of a tip member when the tip member is formed of two members having different densities and an elliptical locus of the tip of the tip member when the tip member is formed of one member. FIG. 9 is a diagram showing a result of analysis by the following.
FIG. 18 is a diagram for describing another example of a chip member formed by two members.
FIG. 19 is a view for explaining a chip member formed of one member.
FIG. 20 is a diagram showing a chip member formed using a functionally graded material.
[Explanation of symbols]
1 Drive unit
2 First piezoelectric element (displacement element)
3 Second piezoelectric element (displacement element)
4 Base member
5 Tip member (displacement synthesis member)
6 Pressure section
7 Rotor (driven part)
10 Actuator
51 Tip member
52 Connecting member

Claims

所定の変位を発生させる複数の変位素子と、前記変位素子に結合され、前記変位素子の変位を合成する変位合成部材と、前記変位素子の基端を支持するベース部材とを有する駆動部と、
前記変位合成部材が当接することにより駆動される被駆動部と、
前記駆動部と前記被駆動部とを加圧接触させる加圧部と、
前記変位素子に駆動信号を出力する駆動信号出力部とを備え、
前記ベース部材は、前記変位合成部材との重量比が大きくなる材料で形成されることを特徴とするアクチュエータ。A plurality of displacement elements that generate a predetermined displacement, a displacement combining member coupled to the displacement element, and combining the displacement of the displacement element, and a drive unit having a base member that supports a base end of the displacement element,
A driven portion driven by the displacement synthesis member abutting,
A pressurizing unit that presses the drive unit and the driven unit under pressure,
A drive signal output unit that outputs a drive signal to the displacement element,
The actuator, wherein the base member is formed of a material whose weight ratio with respect to the displacement combining member is increased.

前記ベース部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成されることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。The actuator according to claim 1, wherein the base member is formed of one of a cemented carbide, tungsten, and a tungsten alloy.

前記変位合成部材は、前記被駆動部材と当接する先端部材と、前記変位素子に結合される結合部材とで構成され、
前記先端部材は、前記結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。The displacement synthesizing member includes a tip member that contacts the driven member, and a coupling member coupled to the displacement element.
3. The actuator according to claim 1, wherein the tip member is formed of a material having a density higher than a density of the coupling member.

前記先端部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成されることを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。The actuator according to claim 3, wherein the tip member is formed of one of a cemented carbide, tungsten, and a tungsten alloy.

前記変位合成部材は、前記変位素子に結合される結合部分から前記被駆動部材と当接する先端部分にかけて密度が大きくなる傾斜機能材料で形成されることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。3. The actuator according to claim 1, wherein the displacement combining member is formed of a functionally graded material whose density increases from a coupling portion coupled to the displacement element to a distal end portion in contact with the driven member. 4. .