JP2005304147A - Piezoelectric actuator and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電アクチュエータおよび装置に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric actuator and an apparatus.
圧電素子に繰り返し電圧を印加（制御）することによって圧電素子を振動させ、この振動によって移動体を移動させる、いわゆる圧電アクチュエータが開発されている。このような圧電アクチュエータとしては、圧電素子の端面に突起が設けられているものがある（例えば、特許文献１参照）。この圧電アクチュエータでは、板状の圧電素子の端面に突起が接着されており、この突起を移動体に接触させて、移動体と突起の摩擦力によって移動体を移動させる。このような構成によれば、移動体に対しては突起が接触するため、圧電素子の摩耗が防止され、長期間の使用によっても圧電素子の形状変化を防止でき、安定した振動を得ることができる。 A so-called piezoelectric actuator has been developed in which a piezoelectric element is vibrated by repeatedly applying (controlling) a voltage to the piezoelectric element, and a moving body is moved by the vibration. As such a piezoelectric actuator, there is one in which a protrusion is provided on an end face of a piezoelectric element (see, for example, Patent Document 1). In this piezoelectric actuator, a protrusion is bonded to the end face of the plate-like piezoelectric element, and the protrusion is brought into contact with the moving body, and the moving body is moved by the frictional force between the moving body and the protrusion. According to such a configuration, since the protrusion comes into contact with the moving body, the wear of the piezoelectric element can be prevented, and the shape change of the piezoelectric element can be prevented even after long-term use, and stable vibration can be obtained. it can.
しかしながら、その一方で、圧電素子はセラミックスなどの脆性材料で構成されているため、耐衝撃性に劣るという欠点があり、また、高価である。そこで、圧電素子の脆性を補強するために、圧電素子に振動板を固定したものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この圧電アクチュエータでは、板状の圧電素子にリン青銅などで構成された振動板が固定されている。振動板には、突起が一体的に形成されており、この突起を移動体に当接することで、移動体と突起との摩擦力によって移動体を移動させる。このような構成によれば、振動板が圧電素子の脆性を補強しながら圧電素子の振動を突起に伝達するので、突起が良好に振動して移動体を移動させることができる。
しかしながら、この圧電アクチュエータでは、圧電素子の振動を阻害せず、突起に良好に振動を伝達させるために、振動板がリン青銅などの比較的柔らかい材料で構成されている。このため、振動板に一体的に形成された突起が移動体との摩擦によって摩耗してしまい、圧電アクチュエータの耐久性を向上させることができない。
However, on the other hand, since the piezoelectric element is made of a brittle material such as ceramics, it has a drawback of being inferior in impact resistance and is expensive. Therefore, in order to reinforce the brittleness of the piezoelectric element, a structure in which a diaphragm is fixed to the piezoelectric element has been proposed (for example, see Patent Document 2). In this piezoelectric actuator, a diaphragm made of phosphor bronze or the like is fixed to a plate-like piezoelectric element. A protrusion is integrally formed on the diaphragm, and the moving body is moved by a frictional force between the moving body and the protrusion by contacting the protrusion with the moving body. According to such a configuration, the vibration plate transmits vibrations of the piezoelectric element to the protrusion while reinforcing the brittleness of the piezoelectric element, so that the protrusion can vibrate well and the moving body can be moved.
However, in this piezoelectric actuator, the diaphragm is made of a relatively soft material such as phosphor bronze in order to transmit the vibration to the protrusions without hindering the vibration of the piezoelectric element. For this reason, the protrusion integrally formed on the diaphragm is worn by friction with the moving body, and the durability of the piezoelectric actuator cannot be improved.
本発明の目的は、耐久性の高い圧電アクチュエータおよび装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a highly durable piezoelectric actuator and apparatus.
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の圧電アクチュエータは、振動部本体と、該振動部本体に設けられ、移動体に当接する接触部とを備えた振動部材と、
前記振動部材に固定された圧電素子とを有する振動体を備え、
前記圧電素子の振動により、前記接触部を介して前記移動体に動力を伝達し、該移動体を移動させる圧電アクチュエータであって、
前記接触部は、繊維状炭素系物質を含有する材料で構成されていることを特徴とする。
Such an object is achieved by the present invention described below.
The piezoelectric actuator of the present invention includes a vibration member including a vibration part main body, and a contact part that is provided in the vibration part main body and comes into contact with the moving body,
A vibrating body having a piezoelectric element fixed to the vibrating member;
A piezoelectric actuator that transmits power to the moving body through the contact portion by vibration of the piezoelectric element and moves the moving body,
The contact portion is made of a material containing a fibrous carbonaceous material.
この発明によれば、振動部材が設けられているので、圧電素子の脆性が補強され、耐衝撃性を向上させることができる。
そして、接触部が繊維状炭素系物質を含有する材料で構成されているので、接触部の強度および耐摩耗性が高い。これにより、耐久性の高い圧電アクチュエータを実現することができる。
According to this invention, since the vibration member is provided, the brittleness of the piezoelectric element is reinforced and the impact resistance can be improved.
And since the contact part is comprised with the material containing a fibrous carbonaceous substance, the intensity | strength and abrasion resistance of a contact part are high. Thereby, a highly durable piezoelectric actuator can be realized.
本発明の圧電アクチュエータでは、前記接触部は、前記振動部本体の一部分から所定方向に突出しているのが好ましい。
これにより、圧電素子が振動する際、振動体の接触部以外の部分が移動体に当接してしまうのを防止することができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記繊維状炭素系物質の軸方向と、前記圧電素子の振動により前記振動体が伸縮する方向とが、略一致しているのが好ましい。
これにより、接触部の耐衝撃性が向上する。
In the piezoelectric actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the contact portion protrudes from a part of the vibration portion main body in a predetermined direction.
Thereby, when a piezoelectric element vibrates, it can prevent that parts other than the contact part of a vibrating body contact | abut to a moving body.
In the piezoelectric actuator of the present invention, it is preferable that the axial direction of the fibrous carbon-based material and the direction in which the vibrating body expands and contracts due to the vibration of the piezoelectric element substantially coincide.
Thereby, the impact resistance of a contact part improves.
本発明の圧電アクチュエータでは、前記接触部は、前記繊維状炭素系物質と炭素系化合物との混合物を含有する材料で構成されているのが好ましい。
これにより、接触部の強度および耐摩耗性が向上する。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記接触部を構成する材料の炭素系化合物は、第１の樹脂を焼成してなるものであるのが好ましい。
これにより、接触部の強度および耐摩耗性が向上する。
In the piezoelectric actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the contact portion is made of a material containing a mixture of the fibrous carbon-based substance and the carbon-based compound.
Thereby, the strength and wear resistance of the contact portion are improved.
In the piezoelectric actuator of the present invention, it is preferable that the carbon-based compound of the material constituting the contact portion is obtained by firing the first resin.
Thereby, the strength and wear resistance of the contact portion are improved.
本発明の圧電アクチュエータでは、前記第１の樹脂の焼成温度は、９００℃以上であるのが好ましい。
これにより、第１の樹脂の炭素系化合物への変換を効率良くかつ確実に行なうことができ、炭素系化合物により繊維状炭素系物質同士が緻密かつ強固に結合される。これによって、接触部の強度および耐摩耗性が向上する。
In the piezoelectric actuator of the present invention, the firing temperature of the first resin is preferably 900 ° C. or higher.
Thereby, the conversion of the first resin into the carbon-based compound can be performed efficiently and reliably, and the fibrous carbon-based materials are densely and firmly bonded to each other by the carbon-based compound. This improves the strength and wear resistance of the contact portion.
本発明の圧電アクチュエータでは、前記第１の樹脂は、熱硬化性樹脂であるのが好ましい。
これにより、接触部が移動体に衝突することによってその温度が上昇しても、接触部の変形や強度の劣化は、ほとんど生じない（または少ない）。また、熱硬化性樹脂は、繊維状炭素系物質との親和性が高いので、好適である。
In the piezoelectric actuator of the present invention, it is preferable that the first resin is a thermosetting resin.
Thereby, even if the temperature rises when the contact portion collides with the moving body, the contact portion hardly deforms or deteriorates in strength (or little). Moreover, a thermosetting resin is suitable because it has a high affinity with the fibrous carbonaceous material.
本発明の圧電アクチュエータでは、前記第１の樹脂は、エポキシ系樹脂および／またはフェノール系樹脂であるのが好ましい。
これにより、接触部が移動体に衝突することによってその温度が上昇しても、接触部の変形や強度の劣化は、ほとんど生じない（または少ない）。また、エポキシ系樹脂やフェノール系樹脂は、繊維状炭素系物質との親和性が高く、かつ強度も高いので、さらに好適である。
In the piezoelectric actuator of the present invention, it is preferable that the first resin is an epoxy resin and / or a phenol resin.
Thereby, even if the temperature rises when the contact portion collides with the moving body, the contact portion hardly deforms or deteriorates in strength (or little). Epoxy resins and phenol resins are more suitable because they have high affinity with fibrous carbon materials and high strength.
本発明の圧電アクチュエータでは、前記接触部を構成する材料の繊維状炭素系物質は、ＰＡＮ系炭素繊維および／またはピッチ系炭素繊維であるのが好ましい。
これにより、接触部の強度および耐摩耗性をより高くすることができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記接触部を構成する材料に、前記繊維状炭素系物質として、さらに気相成長炭素繊維が含まれているのが好ましい。
気相成長炭素繊維は、炭素繊維のうちでも比較的細長い炭素繊維であり、特に、それをランダムに加えることにより、接触部の靭性が向上し、接触部が破壊（破損）され難くなる。これにより耐久性がさらに向上する。
In the piezoelectric actuator of the present invention, it is preferable that the fibrous carbon-based material of the material constituting the contact portion is a PAN-based carbon fiber and / or a pitch-based carbon fiber.
Thereby, the intensity | strength and abrasion resistance of a contact part can be made higher.
In the piezoelectric actuator of the present invention, it is preferable that the material constituting the contact portion further includes vapor grown carbon fiber as the fibrous carbon-based substance.
Vapor-grown carbon fiber is a relatively long carbon fiber among carbon fibers, and in particular, by randomly adding it, the toughness of the contact portion is improved and the contact portion is not easily broken (damaged). Thereby, durability is further improved.
本発明の圧電アクチュエータでは、前記接触部を構成する材料中における前記気相成長炭素繊維の含有量は、４〜４９ｗｔ％であるのが好ましい。
これにより、前述した気相成長炭素繊維による効果を向上させることができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記接触部を構成する材料中における前記繊維状炭素系物質の含有量は、５〜５０ｗｔ％であるのが好ましい。
これにより、前述した繊維状炭素系物質による効果を向上させることができる。
In the piezoelectric actuator of the present invention, it is preferable that the content of the vapor grown carbon fiber in the material constituting the contact portion is 4 to 49 wt%.
Thereby, the effect by the vapor growth carbon fiber mentioned above can be improved.
In the piezoelectric actuator of the present invention, the content of the fibrous carbonaceous material in the material constituting the contact portion is preferably 5 to 50 wt%.
Thereby, the effect by the fibrous carbonaceous material mentioned above can be improved.
本発明の圧電アクチュエータでは、前記振動部本体は、前記接触部を固定し、繊維状炭素系物質と炭素系化合物との混合物を含有する材料で構成されているのが好ましい。
これにより、振動部本体の強度が高く、かつ、振動部本体が振動し易く、良好に振動することができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記振動部本体を構成する材料の炭素系化合物は、第２の樹脂を焼成してなるものであるのが好ましい。
これにより、振動部本体の強度が高く、かつ、振動部本体が振動し易く、良好に振動することができる。
In the piezoelectric actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the vibration portion main body is made of a material that fixes the contact portion and contains a mixture of a fibrous carbon-based material and a carbon-based compound.
Thereby, the strength of the vibration part body is high and the vibration part body easily vibrates and can vibrate well.
In the piezoelectric actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the carbon-based compound as a material constituting the vibration unit main body is obtained by baking a second resin.
Thereby, the strength of the vibration part body is high and the vibration part body easily vibrates and can vibrate well.
本発明の圧電アクチュエータでは、前記第２の樹脂の焼成温度は、９００℃以上であるのが好ましい。
これにより、第２の樹脂の炭素系化合物への変換を効率良くかつ確実に行なうことができ、炭素系化合物により繊維状炭素系物質同士が緻密かつ強固に結合される。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記第２の樹脂は、熱硬化性樹脂であるのが好ましい。
すなわち、熱硬化性樹脂は、繊維状炭素系物質との親和性が高いので、好適である。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記第２の樹脂は、エポキシ系樹脂および／またはフェノール系樹脂であるのが好ましい。
すなわち、エポキシ系樹脂やフェノール系樹脂は、繊維状炭素系物質との親和性が高く、かつ強度も高いので、さらに好適である。
In the piezoelectric actuator of the present invention, it is preferable that the firing temperature of the second resin is 900 ° C. or higher.
Thereby, the conversion of the second resin into the carbon-based compound can be performed efficiently and reliably, and the fibrous carbon-based materials are densely and firmly bonded to each other by the carbon-based compound.
In the piezoelectric actuator of the present invention, it is preferable that the second resin is a thermosetting resin.
That is, the thermosetting resin is suitable because it has a high affinity with the fibrous carbonaceous material.
In the piezoelectric actuator of the present invention, it is preferable that the second resin is an epoxy resin and / or a phenol resin.
That is, an epoxy resin or a phenol resin is more suitable because it has high affinity with the fibrous carbon material and high strength.
本発明の圧電アクチュエータでは、前記振動部本体を構成する材料の繊維状炭素系物質は、気相成長炭素繊維であるのが好ましい。
これにより、振動部本体をより振動し易くすることができるとともに、振動部本体の靭性が向上する。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記振動部本体を構成する材料中における前記繊維状炭素系物質の含有量は、５〜５０ｗｔ％であるのが好ましい。
これにより、前述した繊維状炭素系物質による効果を向上させることができる。
In the piezoelectric actuator of the present invention, it is preferable that the fibrous carbon-based material of the material constituting the vibration part main body is vapor grown carbon fiber.
Thereby, while being able to make a vibration part main body easier to vibrate, the toughness of a vibration part main body improves.
In the piezoelectric actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the content of the fibrous carbon-based substance in the material constituting the vibration unit main body is 5 to 50 wt%.
Thereby, the effect by the fibrous carbonaceous material mentioned above can be improved.
本発明の圧電アクチュエータでは、前記振動部本体は、前記接触部よりも高い弾性を有するのが好ましい。
これにより、振動部本体は、振動し易く、良好に振動することができ、また、接触部が移動体に衝突したときの衝撃が振動部本体で吸収（緩和）される。
本発明の装置は、本発明の圧電アクチュエータを有することを特徴とする。
これにより、耐久性の高い装置を実現することができる。
In the piezoelectric actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the vibration portion main body has higher elasticity than the contact portion.
Thereby, the vibration part main body is easy to vibrate and can vibrate well, and an impact when the contact part collides with the moving body is absorbed (relaxed) by the vibration part main body.
The apparatus of the present invention includes the piezoelectric actuator of the present invention.
Thereby, a highly durable device can be realized.
以下、本発明の圧電アクチュエータおよび装置を添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の装置を駆動装置に適用した場合の実施形態を示す平面図、図２は、図１に示す駆動装置を示す側面図、図３は、図１に示す圧電アクチュエータを示す斜視図、図４は、図１に示す圧電アクチュエータを示す側断面図である。図５は、図１に示す圧電アクチュエータの振動板（振動部材）を示す図であって、図５（ａ）は、振動板の平面図、図５（ｂ）は、振動板の接触部の近傍を示す平面図、図５（ｃ）は、図５（ｂ）中のＡ−Ａ線での断面図である。なお、図５（ｂ）および図５（ｃ）において、繊維状炭素系物質は、それぞれ、模式的に示されている。
Hereinafter, a piezoelectric actuator and an apparatus of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment when the device of the present invention is applied to a drive device, FIG. 2 is a side view showing the drive device shown in FIG. 1, and FIG. 3 shows the piezoelectric actuator shown in FIG. FIG. 4 is a side sectional view showing the piezoelectric actuator shown in FIG. FIGS. 5A and 5B are diagrams showing a diaphragm (vibrating member) of the piezoelectric actuator shown in FIG. 1. FIG. 5A is a plan view of the diaphragm, and FIG. 5B is a diagram of a contact portion of the diaphragm. FIG. 5C is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 5B. In addition, in FIG.5 (b) and FIG.5 (c), the fibrous carbonaceous material is each typically shown.
図１および図２に示すように、駆動装置（装置）１は、圧電素子５２を有する振動体５０を備えた圧電アクチュエータ５と、回転可能に設けられ、圧電アクチュエータ５の振動体５０の振動で回転する回転体（移動体）１００とを備えている。圧電アクチュエータ５は、図示しないベース（固定体）に設置されており、回転体１００は、ベースに対して回転可能に設置されている。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the driving device (device) 1 includes a
圧電アクチュエータ５は、圧電素子５２の振動により、接触部５１５を介して回転体（移動体）１００に動力を伝達し、回転体１００を回転（移動）させるものである。図３および図４に示すように、圧電アクチュエータ５は、略矩形平板状に形成された補強板（振動部材）５１およびこの補強板５１の表裏両面に設けられた平板状の圧電素子５２を有する振動体５０と、この振動体５０の圧電素子５２に所定周波数の電圧を印加する図示しない印加装置とを備えている。
The
図５に示すように、補強板５１は、平面視で略長方形状をなす補強板本体（振動部本体）５１４と、補強板本体５１４（圧電素子５２）の一方の短辺の中央部（一部分）から補強板本体５１４の長手方向に突出し、回転体１００に当接（接触）する接触部（接触部材）５１５と、他方の短辺の中央部から補強板本体５１４の長手方向に突出す接触部（接触部材）５１５とを有している。なお、前記他方の接触部５１５が回転体１００に当接するように構成することもできる。
ここで、本実施形態では、補強板本体５１４と、各接触部５１５とが、別部材で構成されており、補強板本体５１４に各接触部５１５が接合（固定）されている。これにより、補強板本体５１４および各接触部５１５を、それぞれに適するように（最適になるように）、互いに独立させて構成することができる。
As shown in FIG. 5, the reinforcing
Here, in the present embodiment, the reinforcing plate
各接触部５１５は、それぞれ、略板状をなし、平面視で略四角形をなしている。また、各接触部５１５は、それぞれ、補強板本体５１４と略同じ厚みを有している。なお、本実施形態では、両接触部５１５は、互いに同一（例えば、形状、寸法、構成材料等が同一）のものであるが、一方の接触部５１５と他方の接触部５１５とが互いに異なっていてもよい。
Each
一方、補強板本体５１４の両短辺の中央部には、それぞれ、前記接触部５１５に対応する形状（平面視で略四角形）および寸法を有する凹部５１２が形成されている。各接触部５１５の固定部５１６は、それぞれ、補強板本体５１４の凹部５１２に挿入され、固定されている。
また、補強板本体５１４の長手方向略中央（長辺の中央部）の幅方向両側には、１対の腕部５１Ａ、５１Ａが、互いに略対称に、補強板本体５１４と一体的に形成されている。各腕部５１Ａは、それぞれ補強板本体５１４からその長手方向に対して略垂直に突出しており、各腕部５１Ａの端部には、それぞれ孔５１３が穿設されている。
On the other hand, a
In addition, a pair of
本発明では、前記振動体５０の補強板５１の接触部５１５が、繊維状炭素系物質を含有する材料で構成されていることに特徴を有する。この場合、繊維状炭素系物質と炭素系化合物との混合物を含有する材料で構成されているのが好ましい。これにより、接触部５１５の熱伝導性が優れたものになるとともに（熱伝導率が向上し）、機械的強度（強度）および耐摩耗性を高くすることができる。
The present invention is characterized in that the
補強板本体５１４は、接触部５１５よりも高い弾性（粘弾性）を有している。この補強板本体５１４は、接触部５１５を固定し、繊維状炭素系物質を含有する材料で構成されているのが好ましい。この場合、繊維状炭素系物質と炭素系化合物との混合物を含有する材料で構成されているのがより好ましい。また、この補強板本体５１４を構成する材料の繊維状炭素系物質として、接触部５１５を構成する材料の繊維状炭素系物質と異なる繊維状炭素系物質を用いるか、または、強板本体５１４を構成する材料の繊維状炭素系物質に、接触部５１５を構成する材料の繊維状炭素系物質と異なる繊維状炭素系物質が含まれるのが好ましい。これにより、補強板本体５１４の熱伝導性が優れたものになるとともに（熱伝導率が向上し）、補強板本体５１４を、機械的強度（強度）が高く、かつ、振動し易く、圧電素子５２の振動を阻害しにくくなる（阻害しない）ように構成することができる。
The reinforcing
前記接触部５１５を構成する材料の繊維状炭素系物質および補強板本体５１４を構成する材料の繊維状炭素系物質としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ等のカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、ＣＮナノチューブ、ＣＮナノファイバー、ＢＣＮナノチューブ、ＢＣＮナノファイバーや、ＰＡＮ（ＰｏｌｉＡｃｒｙｌｏＮｉｔｒｉｌｅ：ポリアクリロニトリル）系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維等の炭素繊維等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。また、前記繊維状炭素系物質は、１本鎖構造（分岐鎖を有さない直鎖状構造）を有するものであってもよいし、分岐鎖構造を有するものであってもよい。
但し、前述した繊維状炭素系物質のうち、接触部５１５を構成する材料の繊維状炭素系物質としては、ＰＡＮ系炭素繊維およびピッチ系炭素繊維のいずれか一方、または両方を用いるのが好ましい。これにより、接触部５１５の強度および耐摩耗性をより高くすることができる。
The fibrous carbonaceous material of the material constituting the
However, among the fibrous carbon-based substances described above, it is preferable to use one or both of the PAN-based carbon fiber and the pitch-based carbon fiber as the fibrous carbon-based substance of the material constituting the
この場合、前記接触部５１５を構成する材料に、繊維状炭素系物質として、ＰＡＮ系炭素繊維やピッチ系炭素繊維の他に、さらに気相成長炭素繊維が含まれているのが好ましい。気相成長炭素繊維は、炭素繊維のうちでも比較的細長い炭素繊維であり、特に、それをランダムに加えることにより、接触部５１５の靭性が向上し、接触部５１５が破壊（破損）され難くなる。これにより耐久性がさらに向上する。
また、補強板本体５１４を構成する材料の繊維状炭素系物質としては、気相成長炭素繊維を用いるのが好ましい。これにより、補強板本体５１４をより振動し易くすることができるとともに、補強板本体５１４の靭性が向上する。
In this case, it is preferable that the material constituting the
Further, it is preferable to use vapor grown carbon fiber as the fibrous carbon-based material of the material constituting the reinforcing
ここで、前記接触部５１５を構成する材料の炭素系化合物は、所定の第１の樹脂を焼成してなるものである。
この第１の樹脂としては、熱硬化性樹脂が好ましく、エポキシ系樹脂およびフェノール系樹脂のいずれか一方、または両方を用いるのがより好ましい。熱硬化性樹脂、特に、エポキシ系樹脂やフェノール系樹脂を用いることにより、接触部５１５が回転体１００に衝突することによってその温度が上昇しても、接触部５１５の変形や強度の劣化は、ほとんど生じない（または少ない）。また、熱硬化性樹脂は、繊維状炭素系物質との親和性が高いので、好適であり、また、エポキシ系樹脂やフェノール系樹脂は、繊維状炭素系物質との親和性が高く、かつ強度も高いので、さらに好適である。
Here, the carbon-based compound of the material constituting the
The first resin is preferably a thermosetting resin, and more preferably one or both of an epoxy resin and a phenol resin. By using a thermosetting resin, in particular, an epoxy resin or a phenol resin, even if the temperature of the
前記第１の樹脂の焼成温度は、９００℃以上であるのが好ましい。
これにより、第１の樹脂の炭素系化合物への変換を効率良くかつ確実に行なうことができ、炭素系化合物により繊維状炭素系物質同士が緻密かつ強固に結合される。これによって、接触部５１５の強度および耐摩耗性が向上する。
また、前記接触部５１５を構成する材料中における繊維状炭素系物質の含有量は、５〜５０ｗｔ％程度であるのが好ましい。
これにより、前述した繊維状炭素系物質による効果を向上させることができる。
また、前記接触部５１５を構成する材料に、ＰＡＮ系炭素繊維やピッチ系炭素繊維の他に、さらに気相成長炭素繊維が含まれる場合、接触部５１５を構成する材料中における気相成長炭素繊維の含有量は、４〜４９ｗｔ％であるのが好ましい。
これにより、前述した気相成長炭素繊維による効果を向上させることができる。
The firing temperature of the first resin is preferably 900 ° C. or higher.
Thereby, the conversion of the first resin into the carbon-based compound can be performed efficiently and reliably, and the fibrous carbon-based materials are densely and firmly bonded to each other by the carbon-based compound. As a result, the strength and wear resistance of the
Moreover, it is preferable that content of the fibrous carbonaceous material in the material which comprises the said
Thereby, the effect by the fibrous carbonaceous material mentioned above can be improved.
Further, in the case where the material constituting the
Thereby, the effect by the vapor growth carbon fiber mentioned above can be improved.
図５（ｂ）および図５（ｃ）に示すように、この接触部５１５の繊維状炭素系物質８１の軸方向（繊維状炭素系物質８１）は、圧電素子５２の振動により振動体５０が伸縮する方向（図中上下方向）と、略一致している。すなわち、複数の繊維状炭素系物質８１は、振動体５０が伸縮する方向に対して略平行に整列している。このため、接触部５１５は、回転体１００への衝突による衝撃に対して強く、これにより耐久性が向上する。
また、前記補強板本体５１４を構成する材料の炭素系化合物は、所定の第２の樹脂を焼成してなるものである。
As shown in FIGS. 5B and 5C, the axial direction (fibrous carbon-based material 81) of the fibrous carbon-based
In addition, the carbon-based compound of the material constituting the reinforcing
この第２の樹脂としては、熱硬化性樹脂が好ましく、エポキシ系樹脂およびフェノール系樹脂のいずれか一方、または両方を用いるのがより好ましい。すなわち、熱硬化性樹脂は、繊維状炭素系物質との親和性が高いので、好適であり、また、エポキシ系樹脂やフェノール系樹脂は、繊維状炭素系物質との親和性が高く、かつ強度も高いので、さらに好適である。 The second resin is preferably a thermosetting resin, and more preferably one or both of an epoxy resin and a phenol resin. That is, thermosetting resins are suitable because they have a high affinity with fibrous carbonaceous materials, and epoxy resins and phenolic resins have a high affinity with fibrous carbonaceous materials and are strong. Is also preferable.
前記第２の樹脂の焼成温度は、９００℃以上であるのが好ましい。
これにより、第２の樹脂の炭素系化合物への変換を効率良くかつ確実に行なうことができ、炭素系化合物により繊維状炭素系物質同士が緻密かつ強固に結合される。
また、前記補強板本体５１４を構成する材料中における繊維状炭素系物質の含有量は、５〜５０ｗｔ％程度であるのが好ましい。
これにより、前述した繊維状炭素系物質による効果を向上させることができる。
The firing temperature of the second resin is preferably 900 ° C. or higher.
Thereby, the conversion of the second resin into the carbon-based compound can be performed efficiently and reliably, and the fibrous carbon-based materials are densely and firmly bonded to each other by the carbon-based compound.
Moreover, it is preferable that content of the fibrous carbonaceous material in the material which comprises the said reinforcement board
Thereby, the effect by the fibrous carbonaceous material mentioned above can be improved.
図３および図４に示すように、圧電素子５２は、補強板５１の補強板本体５１４（略長方形の部分）の両面に設けられている（固定されている）。圧電素子５２の構成材料としては、特に限定されず、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものを用いることができる。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
また、圧電素子５２の両面には、電極が形成されている。これらの電極は、例えば、ニッケルおよび金などを、例えば、湿式メッキ法や、スパッタリング、蒸着等の乾式メッキ法等の方法によって形成し、得ることができる。
これら両面の電極のうち、補強板５１に対向する面側の電極は、圧電素子５２の全面に渡って形成されている。補強板５１を挟んで設けられた表裏両方の圧電素子５２の前記補強板５１に対向する面側の電極は、所定の方法で互いに導通されている。
Electrodes are formed on both surfaces of the
Of these two electrodes, the electrode on the surface facing the reinforcing
一方、圧電素子５２の表面側（補強板５１と反対側の面側）の電極は、溝によって互いに電気的に絶縁されて、長手方向に沿った中心線を軸として線対称に複数形成されている。すなわち、圧電素子５２を幅方向に略３等分するように２本の溝５５Ａが形成され、これらの溝５５Ａで分割された３つの電極のうち、両側の電極ではさらに長手方向に略２等分するように溝５５Ｂが形成されている。これらの溝５５Ａ、５５Ｂにより、圧電素子５２の表面には、中央に電極５２Ａが形成され、また、この電極５２Ａの両側には、対角線上両端をそれぞれ対とする電極５２Ｂ、５２Ｃが形成される。
On the other hand, the electrodes on the surface side of the piezoelectric element 52 (the surface side opposite to the reinforcing plate 51) are electrically insulated from each other by a groove, and a plurality of electrodes are formed symmetrically about the center line along the longitudinal direction. Yes. That is, two
これらの電極５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃおよび補強板５１に対向する面側の電極は、それぞれ、例えばリード線（図示せず）などにより、前記印加装置に接続されている。
なお、これらの電極５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃは、それぞれ、補強板５１を挟んで設けられた表裏両方の圧電素子５２に同様に設けられている。例えば、電極５２Ａの裏面側には電極５２Ａが、電極５２Ｂの裏面側には電極５２Ｂが、電極５２Ｃの裏面側には電極５２Ｃが、それぞれ形成されている。
The electrodes on the surfaces facing the
These
ここで、圧電素子５２の寸法（例えば、長さ、幅、厚さ等）や、電極の分割形態などの諸条件は、圧電素子５２に繰り返し電圧が印加されたときに、圧電素子５２が長手方向に伸縮する、いわゆる縦振動と、圧電素子５２の平面中心に対して点対称に、面内で縦振動に直交する方向に屈曲する、いわゆる屈曲振動とが同時に現れるように適宜設定される。この場合、縦振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数とは互いに近接（接近）するように設定されていることが好ましく、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比は、１．００より大きく、１．０３以下であることが好ましい。また、圧電素子５２の長辺と短辺との長さ比は、長辺を１とすると、短辺が０．２７４以上であることが好ましい。
Here, the dimensions (for example, length, width, thickness, etc.) of the
なお、前記圧電素子５２の長辺を１としたときの短辺が０．２７４よりも小さい場合には、縦振動の共振周波数が屈曲振動の共振周波数よりも大きくなり、良好な楕円軌道を描くことができない場合がある。このとき、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比は１．００以下である。また、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比が１．０３より大きい場合には、縦振動の共振点と屈曲振動の共振点が離れてしまい、両振動の振幅を同時に良好にすることができない場合がある。
In addition, when the short side when the long side of the
圧電素子５２に印加される電圧の周波数としては、好ましくは縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数との間、より好ましくは***振周波数と屈曲振動の共振周波数との間で両方の振動が良好に現れる周波数を適宜選択する。なお、圧電アクチュエータ５の圧電素子５２に印加される電圧の波形は特に限定されず、例えばサイン波、矩形波、台形波などを採用できる。
The frequency of the voltage applied to the
図１および図２に示すように、回転体１００は、円盤状をなしている。前記振動体５０は、接触部５１５の当接面（接触面）５１７が回転体１００の外周面１１０に当接し、振動体５０と回転体１００とが略平行となり、かつ、振動体５０の長手方向が回転体１００の外周の接線方向に対して略垂直になるように（の径方向に沿うように）、配置されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図３に示すように、駆動装置１は、振動体５０を支持する支持部材５６を備えている。
支持部材５６は、振動体５０が固定される１対の固定部５６１と、これらの固定部５６１の間に一体的に形成され、ベースにスライド可能に支持されるスライド部５６２とを備えている。固定部５６１には、腕部５１Ａの孔５１３に対応する位置にねじ部５６３が形成されている。このねじ部５６３に孔５１３を貫通してねじ５６４が螺合されることにより振動体５０が固定部５６１に固定されている。また、スライド部５６２の２箇所には、長孔５６５が形成されている。
As illustrated in FIG. 3, the driving device 1 includes a
The
支持部材５６は、前記スライド部５６により、回転体１００に対して近接離間方向にスライド可能となっており、振動体５０は、この支持部材５６とともに、回転体１００に対して近接離間方向に所定範囲内で移動することができる。
また、支持部材５６は、図示しないばね（付勢手段）により、回転体１００に対して近接する方向に付勢されている。これにより、振動体５０の接触部５１５は、所定の大きさの力（適当な当接力）で回転体１００に押し付けられている。このばねの付勢力は、調整し得るようになっている。
The
Further, the
次に、圧電アクチュエータ５の振動体５０の補強板５１の製造方法の一例について説明する。
まず、複数の繊維状炭素系物質を束ね、それと、未硬化の熱硬化性樹脂（第１の樹脂）とを接触部５１５用の型に供給し、前述した温度で焼成する。これにより、第１の樹脂が硬化し、かつ、第１の樹脂の少なくとも一部が炭化し、繊維状炭素系物質と炭素系化合物との混合物で構成された接触部５１５用の部材が形成される。この接触部５１５用の部材を２つ用意する。
Next, an example of a method for manufacturing the reinforcing
First, a plurality of fibrous carbon-based materials are bundled, and an uncured thermosetting resin (first resin) is supplied to the mold for the
次いで、得られた各接触部５１５用の部材と、複数の繊維状炭素系物質と、未硬化の熱硬化性樹脂（第２の樹脂）とを、補強板本体５１４用の部分を含む補強板５１用の型に供給し、前述した温度で焼成する。これにより、第２の樹脂が硬化し、かつ、第２の樹脂の少なくとも一部が炭化し、繊維状炭素系物質と炭素系化合物との混合物で構成された補強板本体５１４が形成される。また、この際、第２の樹脂が接着剤として機能し、この第２の樹脂によって、補強板本体５１４の各凹部５１２に各接触部５１５の固定部５１６が固定され、補強板５１が得られる（製造される）。
Subsequently, the obtained member for each
ここで、接触部５１５と補強板本体５１４とが、別部材で構成されており、接触部５１５には第１の樹脂を用い、補強板本体５１４には第２の樹脂を用いるので、複数の繊維状炭素系物質を束ねた状態に固定する第１の樹脂には、繊維状炭素系物質との親和性の高い樹脂を使用することができる。また、第２樹脂には、第１の樹脂との親和性の高い樹脂を使用することができる。
Here, the
次に、駆動装置１（圧電アクチュエータ５）の作用（動作）について説明する。
圧電アクチュエータ５の振動体５０の圧電素子５２に印加装置により所定の周波数の交流電圧を印加して振動体５０を振動させる。このとき、電極５２Ａおよび電極５２Ｃのみに選択的に電圧を印加（通電）することにより、圧電素子５２は、縦振動と屈曲振動とを励振する。すなわち、圧電素子５２（振動体５０）は、縦振動および屈曲振動の複合振動を行なう。これらの縦振動および屈曲振動によって、振動体５０の接触部５１５は、略楕円軌道を描いて所定方向に周回する。
接触部５１５は、この楕円軌道における所定の箇所（一部）で回転体１００の外周面１１０に押し付けられて、回転体１００との摩擦力によって回転体１００を円周方向に間欠回転させる。これを所定の周波数で繰り返し行うことにより、回転体１００は所定の方向（一方向）に所定の回転速度（回転数）で回転する。
Next, the operation (operation) of the driving device 1 (piezoelectric actuator 5) will be described.
The
The
回転体１００の回転速度を変更する場合には、支持部材５６を付勢しているばねの付勢力を調整する。すなわち、例えば回転体１００の回転速度を遅くする場合は、ばねの付勢力を小さくし、振動体５０の接触部５１５における回転体１００への当接力を弱くする。これにより、接触部５１５が楕円軌道上で回転体１００と接触して摩擦力で回転体１００を駆動できる範囲が狭くなり、伝達される回転トルクが弱くなるので、その結果回転体１００の回転速度が遅くなる。
反対に、回転体１００の回転速度を速くする場合には、ばねの付勢力を大きくする。これにより、接触部５１５の回転体１００に対する当接力が強くなり、伝達される回転トルクが強くなるので、回転体１００の回転速度が速くなる。
When changing the rotational speed of the
On the other hand, when the rotational speed of the
また、回転体１００を前記と反対方向に回転させる場合には、圧電素子５２に印加する電圧の電極を長手方向に沿った中心線を軸として線対称に切り替える。すなわち、圧電素子５２の電極５２Ａおよび電極５２Ｂに所定の周波数の交流電圧を印加する。これにより、振動体５０の接触部５１５は、略楕円軌道を描いて前記と反対方向に周回する。これによって、回転体１００は前記と反対方向に所定の回転速度で回転する。
When the
以上説明したように、この圧電アクチュエータ５によれば、補強板５１が設けられているので、圧電素子５２の脆性が補強され、耐衝撃性を向上させることができる。
そして、補強板５１の接触部５１５は、繊維状炭素系物質を含有する材料、特に、繊維状炭素系物質と炭素系化合物との混合物を含有する材料で構成されているので、熱伝導性に優れるとともに、強度および耐摩耗性が高い。
As described above, according to this
And since the
一方、補強板５１の補強板本体５１４は、接触部５１５よりも高い弾性を有しており、繊維状炭素系物質を含有する材料、特に、繊維状炭素系物質と炭素系化合物との混合物を含有する材料で構成されているので、熱伝導性に優れるとともに、強度が高く、かつ、振動し易く、良好に振動することができる。
これにより、駆動力の伝達効率が高く、かつ耐久性の高い圧電アクチュエータ５を実現することができる。
On the other hand, the reinforcing
As a result, the
また、補強板本体５１４が比較的高い弾性を有しているので、接触部５１５が回転体１００に衝突したときの衝撃が補強板本体５１４で吸収（緩和）され、これにより耐久性がさらに向上する。
また、補強板５１の補強板本体５１４および接触部５１５には、繊維状炭素系物質が含まれているので、靭性が高くなり、破壊され難い。これにより耐久性がさらに向上する。
Further, since the reinforcing
Further, since the reinforcing plate
また、補強板５１の補強板本体５１４および接触部５１５には、繊維状炭素系物質が含まれているので、高温にも耐えることができる。また、熱伝導性に優れるので、熱を逃すことができ、これにより特性を一定に保つことができる。
なお、本発明では、例えば、補強板５１（接触部５１５）は、前記の構成のものに限定されない。他の構成例としては、例えば、図６および図７に示すものが挙げられる。以下、これらをそれぞれ説明するが、前述した図１〜図５に示す補強板５１のとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
Further, since the reinforcing plate
In the present invention, for example, the reinforcing plate 51 (contact portion 515) is not limited to the above-described configuration. Other configuration examples include those shown in FIGS. 6 and 7, for example. Each of these will be described below, but the description will focus on the differences from the reinforcing
図６は、本発明の圧電アクチュエータの他の構成例の接触部の近傍を示す図であって、図６（ａ）は、圧電アクチュエータの接触部の近傍を示す平面図、図６（ｂ）は、圧電アクチュエータの接触部の近傍を示す側断面図である。
図６に示す圧電アクチュエータ５では、振動体５０の補強板５１の接触部（接触部材）５１５は、平面視で略円形をなしている。また、接触部５１５の補強板本体５１４の短辺から突出した部分および固定部５１６の形状は、それぞれ、略半円形をなしている。
FIG. 6 is a view showing the vicinity of the contact portion of another configuration example of the piezoelectric actuator of the present invention. FIG. 6 (a) is a plan view showing the vicinity of the contact portion of the piezoelectric actuator, and FIG. 6 (b). These are sectional side views which show the vicinity of the contact part of a piezoelectric actuator.
In the
図７は、本発明の圧電アクチュエータの他の構成例の接触部の近傍を示す図であって、図７（ａ）は、圧電アクチュエータの接触部の近傍を示す平面図、図７（ｂ）は、圧電アクチュエータの接触部の近傍を示す側断面図である。
図７に示す圧電アクチュエータ５では、振動体５０の補強板５１の接触部（接触部材）５１５は、平面視で略円形をなしている。また、接触部５１５の補強板本体５１４の短辺から突出した部分および固定部５１６の形状は、それぞれ、略半円形をなしている。
また、接触部５１５の補強板本体５１４の短辺から突出した部分の厚み（図７（ｂ）中左右方向の長さ）は、固定部５１６（補強板本体５１４）の厚みよりも厚く設定されている。
FIG. 7 is a view showing the vicinity of the contact portion of another configuration example of the piezoelectric actuator of the present invention. FIG. 7A is a plan view showing the vicinity of the contact portion of the piezoelectric actuator, and FIG. These are sectional side views which show the vicinity of the contact part of a piezoelectric actuator.
In the
Further, the thickness of the portion protruding from the short side of the reinforcing
以上、本発明の圧電アクチュエータおよび装置を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
すなわち、本発明の圧電アクチュエータは、接触部が繊維状炭素系物質を含有する材料で構成されていればよく、この他の構成（例えば、各部の形状、各部の大きさや寸法、各部の配置、各部の数、各部の物性、各部の構成材料、振動モード、駆動条件、駆動制御方法等）は、前記実施形態には限定されない。
The piezoelectric actuator and device of the present invention have been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is an arbitrary configuration having the same function. Can be replaced. In addition, any other component may be added to the present invention.
That is, in the piezoelectric actuator of the present invention, it is sufficient that the contact portion is made of a material containing a fibrous carbon-based substance. Other configurations (for example, the shape of each part, the size and size of each part, the arrangement of each part, The number of each part, the physical properties of each part, the constituent material of each part, the vibration mode, the drive condition, the drive control method, etc.) are not limited to the above embodiment.
例えば、本発明では、振動部材の一方の面側のみに圧電素子が固定されていてもよい。
また、本発明では、振動部材本体の構成材料としては、前述したものには限定されず、その他、例えば、ステンレス鋼、アルミニウムまたはアルミニウム系合金、チタンまたはチタン系合金、銅または銅系合金等の各種金属材料や、各種樹脂材料等を用いることができ、特に、低ヤング率で振動し易く、圧電素子の振動を阻害しにくくなる（阻害しない）ように、選択するのが好ましい。
For example, in the present invention, the piezoelectric element may be fixed only to one surface side of the vibration member.
Further, in the present invention, the constituent material of the vibration member main body is not limited to those described above, and for example, stainless steel, aluminum or aluminum alloy, titanium or titanium alloy, copper or copper alloy, etc. Various metal materials, various resin materials, and the like can be used. In particular, it is preferable that the material is selected so as to easily vibrate with a low Young's modulus and hardly (do not inhibit) the vibration of the piezoelectric element.
また、本発明では、接触部が１つ設けられていてもよく、また、３つ以上設けられていてもよい。
また、本発明では、振動部材本体と接触部とが、一体的に（一部材で）形成されていてもよい。
また、本発明では、移動体は、前記回転体に限らず、この他、例えば、直線や曲線等の所定の経路に沿って移動するもの、揺動するもの等であってもよい。
また、本発明の装置は、本発明の圧電アクチュエータを備えていればよく、前記駆動装置には限定されない。
In the present invention, one contact portion may be provided, or three or more contact portions may be provided.
In the present invention, the vibration member main body and the contact portion may be integrally formed (one member).
Further, in the present invention, the moving body is not limited to the rotating body, but may be, for example, one that moves along a predetermined path such as a straight line or a curve, or one that swings.
Moreover, the apparatus of this invention should just be equipped with the piezoelectric actuator of this invention, and is not limited to the said drive device.
１…駆動装置 ５…圧電アクチュエータ ５０…振動体 ５１…補強板 ５１４…補強板本体 ５１２…凹部 ５１３…孔 ５１５…接触部 ５１６…固定部 ５１７…当接面 ５１Ａ…腕部 ５２…圧電素子 ５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ…電極 ５５Ａ、５５Ｂ…溝 ５６…支持部材 ５６１…固定部 ５６２…スライド部 ５６３…ねじ部 ５６４…ねじ ５６５…長孔 ８１…繊維状炭素系物質 １００…回転体 １１０…外周面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (21)
前記振動部材に固定された圧電素子とを有する振動体を備え、
前記圧電素子の振動により、前記接触部を介して前記移動体に動力を伝達し、該移動体を移動させる圧電アクチュエータであって、
前記接触部は、繊維状炭素系物質を含有する材料で構成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 A vibration member provided with a vibration part main body and a contact part that is provided on the vibration part main body and contacts the moving body;
A vibrating body having a piezoelectric element fixed to the vibrating member;
A piezoelectric actuator that transmits power to the moving body through the contact portion by vibration of the piezoelectric element and moves the moving body,
The contact portion is made of a material containing a fibrous carbonaceous material.
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