JP2007306800A - Ultrasonic actuator - Google Patents

Ultrasonic actuator Download PDF

Info

Publication number
JP2007306800A
JP2007306800A JP2007221233A JP2007221233A JP2007306800A JP 2007306800 A JP2007306800 A JP 2007306800A JP 2007221233 A JP2007221233 A JP 2007221233A JP 2007221233 A JP2007221233 A JP 2007221233A JP 2007306800 A JP2007306800 A JP 2007306800A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
vibration
piezoelectric element
ultrasonic actuator
resonance frequency
actuator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007221233A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yusuke Adachi
祐介 足立
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2007221233A priority Critical patent/JP2007306800A/en
Publication of JP2007306800A publication Critical patent/JP2007306800A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized ultrasonic actuator hard to be broken even when high power is applied thereon. <P>SOLUTION: The ultrasonic actuator includes: a piezoelectric element 10 for performing an expansion/contraction vibration and a bending vibration; drive elements 2, 2 arranged on the piezoelectric element 10 for operating according to vibration of the piezoelectric element 10 so as to output a drive force; a case 12 supporting the piezoelectric element 10; and wall surface support bodies 6A, 6B, upper surface support bodies 7A, 7B, and a bottom surface support body 8 arranged between the case 12 and the piezoelectric element 10 for applying to the piezoelectric element 10 in advance, for a non-node portion of vibration of the piezoelectric element 10, a compression force in the vibration direction of the vibration. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、各種電子機器に用いられる振動アクチュエータに関するものであり、さらに詳しくは電気機械変換素子を用いた超音波アクチュエータに関するものである。   The present invention relates to a vibration actuator used in various electronic devices, and more particularly to an ultrasonic actuator using an electromechanical transducer.

従来の超音波アクチュエータの分解斜視図を図12に示す。図11はこのような超音波アクチュエータに実装される圧電素子の斜視図である。   An exploded perspective view of a conventional ultrasonic actuator is shown in FIG. FIG. 11 is a perspective view of a piezoelectric element mounted on such an ultrasonic actuator.

圧電素子10は底面支持体8にてケース12に支持されており、この圧電素子10には、図11に示すように4分割電極9a、9b、9c、9dが形成され、反対側の圧電素子全面には全面電極(図示せず)が形成されている。   The piezoelectric element 10 is supported on the case 12 by a bottom support 8, and the piezoelectric element 10 is formed with four divided electrodes 9a, 9b, 9c, 9d as shown in FIG. A full-surface electrode (not shown) is formed on the entire surface.

ワイヤー4aは、はんだ5aにより電極9aと、はんだ5dにより電極9dと接続されている。また、ワイヤー4bは、はんだ5bにより電極9bと、はんだ5cにより電極9cと接続されている。さらに、ワイヤー4gは、前記全面電極に接続されている。これらのワイヤー4a、4b、4gを通じて圧電素子10に電圧が加えられる。   The wire 4a is connected to the electrode 9a by the solder 5a and to the electrode 9d by the solder 5d. The wire 4b is connected to the electrode 9b by the solder 5b and to the electrode 9c by the solder 5c. Further, the wire 4g is connected to the entire surface electrode. A voltage is applied to the piezoelectric element 10 through these wires 4a, 4b, 4g.

図12において、圧電素子10の上面には駆動子2が設けられ、その先端部は可動体3に接触している。この駆動子2の先端部は、前記底面支持体8により可動体3に押圧しており、これにより駆動子2の先端部と可動体3との摩擦力を高めて圧電素子10の振動を駆動子2を介してより確実に可動体3に伝搬させている。   In FIG. 12, the driver element 2 is provided on the upper surface of the piezoelectric element 10, and the tip part thereof is in contact with the movable body 3. The tip of the driver 2 is pressed against the movable body 3 by the bottom surface support 8, thereby increasing the frictional force between the tip of the driver 2 and the movable body 3 to drive the vibration of the piezoelectric element 10. It is propagated to the movable body 3 more reliably via the child 2.

次に、この超音波アクチュエータの駆動方法について簡単に説明する。   Next, a method for driving the ultrasonic actuator will be briefly described.

図3は圧電素子10の伸縮振動(所謂、縦振動。以下、縦振動ともいう。)の1次モードの変位図、図4は同屈曲振動の2次モードの変位図、図5(a)〜(d)は、それぞれ圧電素子10の振動形態を説明するための概念図である。   FIG. 3 is a displacement diagram of the primary mode of the stretching vibration (so-called longitudinal vibration, hereinafter also referred to as longitudinal vibration) of the piezoelectric element 10, FIG. 4 is a displacement diagram of the secondary mode of the bending vibration, and FIG. (D) is a conceptual diagram for explaining the vibration mode of the piezoelectric element 10.

前記ワイヤー4gをグランドに接続し、前記ワイヤー4aには特定周波数の正弦波の基準電圧を、前記ワイヤー4bには基準電圧と位相が90°、または−90°ずれた電圧を加える。すると、圧電素子10に図3に示す伸縮振動の1次モードおよび図4に示す屈曲振動の2次モードが誘起される。   The wire 4g is connected to the ground, a sine wave reference voltage having a specific frequency is applied to the wire 4a, and a voltage whose phase is shifted from the reference voltage by 90 ° or −90 ° is applied to the wire 4b. Then, a primary mode of stretching vibration shown in FIG. 3 and a secondary mode of bending vibration shown in FIG. 4 are induced in the piezoelectric element 10.

屈曲振動の共振周波数、および、伸縮振動の共振周波数はそれぞれ圧電素子10の材料、形状等により決定されるが、この二つの共振周波数を略一致させ、その近傍の周波数の電圧を加えることにより、圧電素子10には、屈曲振動2次モードと伸縮振動1次モードが調和的に誘起され、図5(a)、(b)、(c)、(d)に示す形状の変化を順番に起こす。   The resonance frequency of the bending vibration and the resonance frequency of the stretching vibration are determined by the material, shape, etc. of the piezoelectric element 10, respectively. By substantially matching these two resonance frequencies and applying a voltage at a frequency in the vicinity thereof, In the piezoelectric element 10, a bending vibration secondary mode and a stretching vibration primary mode are induced harmonically, and the shape changes shown in FIGS. 5A, 5 </ b> B, 5 </ b> C, and 5 </ b> D are caused in order. .

その結果、圧電素子10に設けられた駆動子2が紙面方向から見て略楕円運動を起こす。つまり、圧電素子10の屈曲振動と伸縮振動の合成により駆動子2が楕円運動を起こす。この楕円運動により駆動子2に支持された可動体3が図12の矢印Aまたは矢印Bの方向に可動し、超音波アクチュエータとしての役割をなしている。   As a result, the driver element 2 provided in the piezoelectric element 10 causes a substantially elliptical motion when viewed from the paper surface direction. That is, the drive element 2 causes an elliptical motion by combining the bending vibration and the stretching vibration of the piezoelectric element 10. Due to this elliptical motion, the movable body 3 supported by the driver 2 moves in the direction of arrow A or arrow B in FIG. 12, and serves as an ultrasonic actuator.

なお、本出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
特開2005−94956号公報
For example, Patent Document 1 is known as prior art document information relating to the invention of the present application.
JP 2005-94956 A

前記特許文献1に記載された超音波アクチュエータは、駆動子を圧電素子と一体焼成することで、小型化およびコストダウンが可能なものであるが、超音波アクチュエータの形状を例えば10mm以下のように小型化し、また、加えられるパワーが10mWと10Wとハイパワー化したときに、超音波アクチュエータに加えられるひずみが弾性限界を超えてしまい、破損する虞があるという課題がある。   The ultrasonic actuator described in Patent Document 1 can be reduced in size and cost by firing the driver integrally with the piezoelectric element. The shape of the ultrasonic actuator is, for example, 10 mm or less. There is a problem that when the power is applied to a small size and the applied power is increased to 10 mW and 10 W, the strain applied to the ultrasonic actuator exceeds the elastic limit and may be damaged.

そこで本発明は、小型で、かつハイパワーがかかった時においても破損しにくい超音波アクチュエータを提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultrasonic actuator that is small in size and is not easily damaged even when high power is applied.

この目的を達成するために、本発明の超音波アクチュエータは、圧電素子で構成され、又は圧電素子を含んで構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を行うアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体に設けられ、該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで駆動力を出力する駆動子と、前記アクチュエータ本体を支持する基礎部と、前記基礎部と前記アクチュエータ本体との間に設けられ、該アクチュエータ本体の振動の非ノード部に対して該アクチュエータ本体に該振動の振動方向に圧縮力を予め付与する予圧手段とを備えることを特徴とするものである。   In order to achieve this object, an ultrasonic actuator according to the present invention is provided with an actuator body that includes a piezoelectric element or includes a piezoelectric element and that performs a plurality of vibrations having different vibration directions, and the actuator body. A drive element that outputs a driving force by operating according to the vibration of the actuator body, a foundation part that supports the actuator body, and a vibration part of the actuator body that is provided between the foundation part and the actuator body. And a preloading means for preliminarily applying a compressive force in the vibration direction of the vibration to the actuator body.

本発明の超音波アクチュエータは、予め圧電素子の非ノード部に圧縮力が加えられているので、超音波アクチュエータの作動時に圧電素子に生じる引張応力を小さくすることができ、小型の超音波アクチュエータであってもハイパワーがかかった時において圧電素子が破損しにくいという優れた作用効果を有する。さらに、予圧手段による圧縮力を調整することにより、複数の振動の共振周波数を調整することが可能となるため、ばらつきの少ない超音波アクチュエータを提供することができるという効果も有する。   In the ultrasonic actuator of the present invention, since a compressive force is applied to the non-node portion of the piezoelectric element in advance, the tensile stress generated in the piezoelectric element during the operation of the ultrasonic actuator can be reduced. Even if it exists, it has the outstanding effect that a piezoelectric element is hard to be damaged when high power is applied. Furthermore, since the resonance frequency of a plurality of vibrations can be adjusted by adjusting the compressive force by the preloading means, it is possible to provide an ultrasonic actuator with little variation.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本実施形態における超音波アクチュエータの分解斜視図、図2は、同断面図である。この超音波アクチュエータは、その長さ、幅が10mm以下の小型のものである。   FIG. 1 is an exploded perspective view of an ultrasonic actuator according to this embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view thereof. This ultrasonic actuator is a small one whose length and width are 10 mm or less.

図1において、圧電素子10は略直方体で、一対の主面(前面及び後面)と、これに直交する長さ方向の両端面と、主面と端面に直交する上面および下面とを有している。圧電素子10は、ケース12の内部に収容されており、圧電素子10の長さ方向の両端面と対向するケース12の内壁面には壁面支持体6A、6Bが設けられている。   In FIG. 1, a piezoelectric element 10 is a substantially rectangular parallelepiped, and has a pair of main surfaces (a front surface and a rear surface), both end surfaces in the length direction orthogonal to the main surfaces, and an upper surface and a lower surface orthogonal to the main surface and the end surface. Yes. The piezoelectric element 10 is housed inside the case 12, and wall surface supports 6 </ b> A and 6 </ b> B are provided on the inner wall surface of the case 12 that faces both end faces in the length direction of the piezoelectric element 10.

このケース12の内底面における、圧電素子10の下面の長さ方向の中央部と対向する位置には底面支持体8が設けられて圧電素子10を支持している。また、ケース12の上部には、開口部11が設けられており、この開口部11に張り出した張出部1がケース12に設けられている。そして張出部1と圧電素子10の上面との間にも上面支持体7A,7Bが設けられている。この圧電素子10がアクチュエータ本体を構成すると共に、ケース12が基礎部を構成する。   A bottom surface support 8 is provided on the inner bottom surface of the case 12 so as to face the central portion in the length direction of the lower surface of the piezoelectric element 10 to support the piezoelectric element 10. In addition, an opening 11 is provided in the upper part of the case 12, and an overhanging portion 1 that protrudes from the opening 11 is provided in the case 12. Upper surface supports 7A and 7B are also provided between the overhang portion 1 and the upper surface of the piezoelectric element 10. The piezoelectric element 10 constitutes an actuator body, and the case 12 constitutes a basic part.

前記圧電素子10の前面には、給電電極9が設けられており、この給電電極9にはんだ5を介してワイヤー4が接続されている。ワイヤー4は、ケース12に設けられた貫通孔(図示せず)から外部へ導出されている。このワイヤー4を通じて圧電素子10の給電電極9に電圧を加えることにより圧電素子10が印加電圧の周波数に応じて振動する。   A feeding electrode 9 is provided on the front surface of the piezoelectric element 10, and a wire 4 is connected to the feeding electrode 9 via a solder 5. The wire 4 is led out from a through hole (not shown) provided in the case 12. By applying a voltage to the feeding electrode 9 of the piezoelectric element 10 through the wire 4, the piezoelectric element 10 vibrates according to the frequency of the applied voltage.

前記はんだ5が設けられている圧電素子10の部位は、後述する伸縮振動および屈曲振動のノード(節)部周辺であり、ワイヤー4を接続する部位としてこのノード部を使用することにより圧電素子10の振動におよぼす悪影響、すなわち、はんだ5形成による圧電素子10への不要な負荷をできるだけ抑制することができる。   The portion of the piezoelectric element 10 where the solder 5 is provided is around a node (node) portion of stretching vibration and bending vibration described later. By using this node portion as a portion to which the wire 4 is connected, the piezoelectric element 10 is provided. It is possible to suppress as much as possible the adverse effect on the vibration, that is, the unnecessary load on the piezoelectric element 10 due to the formation of the solder 5.

前記圧電素子10の上面には、2つの駆動子2,2が設けられている。各駆動子2は、圧電素子10の振動に従って動作することで駆動力を出力する。これら駆動子2,2は、ケース12の上部に設けられた開口部11から突出している。各駆動子2は、圧電素子10に接着され、容易に分離できなくなっている。   Two driver elements 2 are provided on the upper surface of the piezoelectric element 10. Each driver 2 outputs a driving force by operating according to the vibration of the piezoelectric element 10. These driver elements 2 and 2 protrude from an opening 11 provided in the upper part of the case 12. Each driver 2 is bonded to the piezoelectric element 10 and cannot be easily separated.

このように構成された超音波アクチュエータは、図2に示すように、駆動子2,2が可動体3と当接するように配設される。このとき、超音波アクチュエータは、駆動子2,2が可動体3に押圧されるように、その底面から所定の押圧力(例えば、1N)を加えられた状態で配設されている。   As shown in FIG. 2, the ultrasonic actuator configured as described above is disposed so that the driver elements 2 and 2 are in contact with the movable body 3. At this time, the ultrasonic actuator is disposed in a state where a predetermined pressing force (for example, 1N) is applied from the bottom surface thereof so that the driver elements 2 and 2 are pressed against the movable body 3.

次に、前記構成の超音波アクチュエータの動作について説明する。図5は本発明の超音波アクチュエータの圧電素子10の動作を示す概念図、図3は伸縮振動の1次モードの変位図、図4は屈曲振動の2次モードの変位図である。   Next, the operation of the ultrasonic actuator having the above configuration will be described. FIG. 5 is a conceptual diagram showing the operation of the piezoelectric element 10 of the ultrasonic actuator of the present invention, FIG. 3 is a displacement diagram of the primary mode of stretching vibration, and FIG. 4 is a displacement diagram of the secondary mode of bending vibration.

図1に示した超音波アクチュエータの底面から所定の押圧力(例えば、1N)を加えて駆動子2を可動体3に押し付けた状態で、前記ワイヤー4を介して圧電素子10の特定の給電電極に特定の周波数の交流電圧を加えることによって、圧電素子10には、図3に示す伸縮振動の1次モード、および図4に示す屈曲振動の2次モードが誘起される。屈曲振動の共振周波数および伸縮振動の共振周波数はそれぞれ圧電素子10の材料、形状等により決定されるが、この2つの共振周波数を略一致させ、その近傍の周波数の電圧を、4つの給電電極9のうち、圧電素子10の対角線上に位置する給電電極にそれぞれ位相が90°又は−90°ずらして加えることにより、圧電素子10は、屈曲振動2次モードと伸縮振動1次モードとが調和的に誘起される。ここで、伸縮振動1次モードの振動方向は、可動体3の可動方向(即ち、超音波アクチュエータが出力する駆動力の駆動方向)であり、屈曲振動2次モードの振動方向は、可動体3の可動方向とは垂直方向で且つ圧電素子10と可動体3を結ぶ方向(駆動子2が可動体3を支持する方向)である。   In a state where a predetermined pressing force (for example, 1 N) is applied from the bottom surface of the ultrasonic actuator shown in FIG. 1 and the driver 2 is pressed against the movable body 3, a specific power supply electrode of the piezoelectric element 10 through the wire 4 By applying an alternating voltage of a specific frequency to the piezoelectric element 10, a primary mode of stretching vibration shown in FIG. 3 and a secondary mode of bending vibration shown in FIG. The resonance frequency of the bending vibration and the resonance frequency of the stretching vibration are determined by the material, shape, and the like of the piezoelectric element 10, respectively. Among them, the piezoelectric element 10 is harmonized in the bending vibration secondary mode and the stretching vibration primary mode by applying a phase shift of 90 ° or −90 ° to the feeding electrodes positioned on the diagonal line of the piezoelectric element 10. Induced by Here, the vibration direction of the stretching vibration primary mode is the moving direction of the movable body 3 (that is, the driving direction of the driving force output from the ultrasonic actuator), and the vibration direction of the bending vibration secondary mode is the movable body 3. The movable direction is a direction perpendicular to the piezoelectric element 10 and the movable body 3 (the direction in which the driver 2 supports the movable body 3).

そして、圧電素子10は、図5(a)、(b)、(c)、(d)に示す形状の変化を順番に起こし、その結果、圧電素子10に設けられた各駆動子2が紙面方向から見て略楕円運動を起こす。すなわち、圧電素子10の屈曲振動と伸縮振動との合成により各駆動子2が楕円運動を起こす。駆動子2,2に支持された(即ち、駆動子2,2が当接した)可動体3が、この楕円運動によって図2矢印Aまたは矢印Bの方向に駆動される。こうして、本実施形態に係る超音波アクチュエータは、アクチュエータとしての役割をなしている。   Then, the piezoelectric element 10 causes the shape changes shown in FIGS. 5A, 5B, 5C, and 5D in order, and as a result, each driver 2 provided in the piezoelectric element 10 is moved to the paper surface. Causes an elliptical motion when viewed from the direction. That is, each driver element 2 causes an elliptical motion by combining the bending vibration and the stretching vibration of the piezoelectric element 10. The movable body 3 supported by the drive elements 2 and 2 (that is, the contact of the drive elements 2 and 2) is driven in the direction of arrow A or arrow B in FIG. Thus, the ultrasonic actuator according to this embodiment serves as an actuator.

このような構成の超音波アクチュエータに係る圧電素子10は、複数の振動の腹を有する。ここで、振動の腹とは振動の変位が極大となる箇所であり、本実施形態においては振動の腹の部分は圧電素子10の長さ方向の両端面に位置する計2箇所の伸縮振動の腹と、圧電素子10の上面および下面の両端部の4箇所、さらに上面および下面における両端部から圧電素子10の長さ方向の30〜40%内側の部分の4箇所の計8箇所の屈曲振動の腹とがある。すなわち、この超音波アクチュエータは、伸縮振動の腹と屈曲振動の腹とを合わせて10箇所の振動の腹がある。   The piezoelectric element 10 according to the ultrasonic actuator having such a configuration has a plurality of vibration antinodes. Here, the vibration antinode is a place where the displacement of the vibration becomes maximum, and in this embodiment, the antinode of the vibration is a total of two expansion and contraction vibrations located on both end faces in the length direction of the piezoelectric element 10. Bending vibrations at a total of 8 locations, including an antinode and 4 locations on both ends of the upper surface and the lower surface of the piezoelectric element 10 and 4 locations on the inner side of the piezoelectric element 10 in the length direction of the piezoelectric element 10 from both ends on the upper surface and the lower surface. There is a belly. In other words, this ultrasonic actuator has 10 vibration antinodes including the antivibration vibration and flexural vibration antinodes.

そして、前記駆動子2,2は、図1,2に示すように、10箇所の振動の腹のうち、圧電素子10の上面における両端部から長さ方向の30〜40%の部分に設けられている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the driver elements 2, 2 are provided in 30 to 40% of the longitudinal direction from both ends of the upper surface of the piezoelectric element 10, among 10 vibration antinodes. ing.

また、前記壁面支持体6A,6Bは、10箇所の振動の腹のうち、圧電素子10の長さ方向両端面にそれぞれ設けられている。前記上面支持体7A,7Bは、10箇所の振動の腹のうち、圧電素子10の上面における両端部にそれぞれ設けられている。   Further, the wall surface supports 6A and 6B are respectively provided on both end surfaces in the length direction of the piezoelectric element 10 among 10 vibration antinodes. The upper surface supports 7A and 7B are provided at both ends of the upper surface of the piezoelectric element 10 among 10 vibration antinodes.

尚、前記底面支持体8は、圧電素子10の下面における長手方向中央部に設けられている。   The bottom support 8 is provided at the longitudinal center of the lower surface of the piezoelectric element 10.

これら前記壁面支持体6A,6Bと上面支持体7A,7Bと底面支持体8によって圧電素子10の非ノード部、さらに詳しくは振動の腹に予め応力、即ち、圧縮力を加えている。つまり、これら壁面支持体6A,6Bと上面支持体7A,7Bと底面支持体8とが予圧手段を構成する。ここで、「非ノード部」とは、振動の節(ノード)以外の部分を意味する。   The wall surface supports 6A and 6B, the upper surface supports 7A and 7B, and the bottom surface support 8 apply stress, that is, compressive force, in advance to the non-node portion of the piezoelectric element 10, more specifically to the antinode of vibration. That is, the wall surface supports 6A and 6B, the upper surface supports 7A and 7B, and the bottom surface support 8 constitute preload means. Here, the “non-node portion” means a portion other than a vibration node (node).

即ち、圧電素子10の長さ方向両端面に設けられた一対の壁面支持体6A、6Bにより圧電素子10を挟むように伸縮振動の腹の部分を圧電素子10の伸縮振動の振動方向と平行に応力がかかった状態、即ち、圧縮力が作用した状態で支持すると共に、張出部1に設けた上面支持体7A、7Bと底面支持体8とにより圧電素子10の屈曲振動の腹の部分を、屈曲振動の振動方向と平行に応力がかかった状態、即ち、圧縮力が作用した状態で支持している。   That is, the antinode portion of the expansion / contraction vibration is parallel to the vibration direction of the expansion / contraction vibration of the piezoelectric element 10 so that the piezoelectric element 10 is sandwiched between the pair of wall surface supports 6A and 6B provided on both end faces in the length direction of the piezoelectric element 10. While supporting in a state where stress is applied, that is, in a state where a compressive force is applied, the upper surface supports 7A and 7B and the bottom surface support 8 provided on the overhanging portion 1 are used to support the belly portion of the bending vibration of the piezoelectric element 10. It is supported in a state where stress is applied in parallel with the vibration direction of the bending vibration, that is, in a state where a compressive force is applied.

このとき、底面支持体8は圧電素子10の長手方向中央部に位置する一方、上面支持体7A、7Bは圧電素子10の長手方向中央部からそれぞれ両端部に向かって同じ距離だけ離れた部分に位置する。こうすることで、圧電素子10に対して屈曲振動の振動方向に作用する圧縮力は、圧電素子10の長手方向においてその中央部を中心に線対称に作用している。   At this time, the bottom support 8 is located at the longitudinal center of the piezoelectric element 10, while the top supports 7A and 7B are located at the same distance from the longitudinal center of the piezoelectric element 10 toward the both ends. To position. By doing so, the compressive force acting on the piezoelectric element 10 in the vibration direction of the bending vibration acts in line symmetry about the central portion in the longitudinal direction of the piezoelectric element 10.

このように構成された超音波アクチュエータは、換言すれば、可動体3の駆動方向に対して垂直方向に振動する第1の振動モードと、前記可動体3の駆動方向に対して平行方向に振動する第2の振動モードを利用して、前記可動体3との間で相対運動を生じさせるものであって、少なくとも圧電素子10と、前記圧電素子10へ給電する圧電素子10上の電極9と、前記圧電素子10上に形成され、前記圧電素子10に第1および第2の振動モードを調和的に発生させることにより楕円運動することで前記可動体3を摩擦駆動する駆動子2,2を備え、前記圧電素子10上の前記第1の振動モードおよび第2の振動モードの腹を含む位置の少なくとも1箇所に、その振動方向と平行に応力を加えている。   In other words, the ultrasonic actuator configured in this way vibrates in a first vibration mode that vibrates in a direction perpendicular to the driving direction of the movable body 3 and in a direction parallel to the driving direction of the movable body 3. The second vibration mode is used to generate a relative motion with the movable body 3, and includes at least the piezoelectric element 10 and the electrode 9 on the piezoelectric element 10 that supplies power to the piezoelectric element 10. The driving elements 2 and 2 are formed on the piezoelectric element 10 and frictionally drive the movable body 3 by causing the piezoelectric element 10 to elliptically move by generating first and second vibration modes in a harmonic manner. A stress is applied to at least one position on the piezoelectric element 10 including the antinodes of the first vibration mode and the second vibration mode in parallel with the vibration direction.

前記壁面支持体6A、6Bと上面支持体7A、7Bと底面支持体8とは、いずれも弾性体よりなる。   The wall surface supports 6A and 6B, the upper surface supports 7A and 7B, and the bottom surface support 8 are all made of an elastic body.

この弾性体は、圧電素子10及びケース12より弾性の低いものが用いられる。具体的には、エラストラマー、シリコンゴム、板バネなどが挙げられる。圧電素子10と比較して1/100以下の弾性率を有する弾性体を用いることにより、圧電素子10の振動を妨げず、効率のよい超音波アクチュエータを提供することができる。また、特にシリコンゴムは、周囲の温度が変わっても、その弾性係数は比較的変化しにくいので、超音波アクチュエータの信頼性が向上する。   As this elastic body, one having elasticity lower than that of the piezoelectric element 10 and the case 12 is used. Specific examples include elastomers, silicon rubber, and leaf springs. By using an elastic body having an elastic modulus of 1/100 or less as compared with the piezoelectric element 10, an efficient ultrasonic actuator can be provided without impeding the vibration of the piezoelectric element 10. In particular, since the elastic modulus of silicon rubber is relatively difficult to change even when the ambient temperature changes, the reliability of the ultrasonic actuator is improved.

さて、圧電素子10はセラミックや水晶などの脆性材料で構成されるが、この脆性材料の特徴として圧電素子10の圧縮強さは、引張強さと比較して数倍ある。超音波アクチュエータを駆動する場合、圧電素子10を共振により振動させることで、圧電素子10の内部には、圧縮応力と引張応力とが同じ値だけ発生する。超音波アクチュエータへの印加電圧を上げるなどして10mW〜10W程度のハイパワーを入力すると、超音波アクチュエータの変位が大きくなって過度の応力が生じる。そうすると、引張応力により圧電素子10に加えられるひずみが弾性限界を超えてしまい、圧電素子10が破損に至る場合がある。   The piezoelectric element 10 is made of a brittle material such as ceramic or quartz. As a characteristic of this brittle material, the compressive strength of the piezoelectric element 10 is several times that of the tensile strength. When driving the ultrasonic actuator, the piezoelectric element 10 is vibrated by resonance, so that the same value of compressive stress and tensile stress is generated inside the piezoelectric element 10. When a high power of about 10 mW to 10 W is input by increasing the voltage applied to the ultrasonic actuator, the ultrasonic actuator is increased in displacement and excessive stress is generated. Then, the strain applied to the piezoelectric element 10 due to the tensile stress exceeds the elastic limit, and the piezoelectric element 10 may be damaged.

しかし、本実施形態では、圧電素子10の振動の腹に予め圧縮力が加えられているので、圧電素子10に発生する圧縮応力と比較して引張応力が小さくなり、超音波アクチュエータの変位が大きくなっても、引張応力によるひずみが圧電素子10の弾性限界を超えにくくなり、信頼性が向上する。   However, in this embodiment, since a compressive force is applied in advance to the antinode of vibration of the piezoelectric element 10, the tensile stress is smaller than the compressive stress generated in the piezoelectric element 10, and the displacement of the ultrasonic actuator is large. Even if it becomes, the distortion by a tensile stress becomes difficult to exceed the elastic limit of the piezoelectric element 10, and reliability improves.

加える圧縮力は、大きいほど信頼性の向上には効果を発揮するが、あまり大きすぎると、屈曲振動を妨げてしまうので、超音波アクチュエータの押圧力の1倍〜10倍程度を加えることが望ましい。押圧力は長さ数mm程度の超音波アクチュエータの場合、通常0.1N〜10N程度であるので、加える圧縮力による圧電素子全体にかかる力は、0.1N〜100N程度になる。押圧力は、通常超音波アクチュエータの体積が増えれば、その体積に応じて増加させる。   The greater the applied compression force, the more effective the reliability is. However, if the compression force is too large, the bending vibration is hindered. Therefore, it is desirable to apply about 1 to 10 times the pressing force of the ultrasonic actuator. . In the case of an ultrasonic actuator having a length of about several millimeters, the pressing force is usually about 0.1N to 10N, so that the force applied to the entire piezoelectric element by the applied compressive force is about 0.1N to 100N. The pressing force is usually increased according to the volume of the ultrasonic actuator if the volume is increased.

また、圧電素子10に加える圧縮力は、圧電素子10を挟んで対称となる位置に加えることが好ましい。そのことにより、屈曲振動および伸縮振動の対称性が維持されるので、駆動子2の楕円運動が安定し、安定した超音波アクチュエータ特性が得られる。具体的には、長さ方向への伸縮振動の振動方向に対して平行に圧縮力を加える場合は、圧電素子10の幅方向及び厚み方向において対称となるように加えるのが好ましい。また、幅方向への屈曲振動の振動方向に対して平行に圧縮力を加える場合は、圧電素子10の長さ方向及び厚み方向において対称となるように圧縮力を加えるのが好ましい。   Moreover, it is preferable to apply the compressive force applied to the piezoelectric element 10 to a symmetrical position with the piezoelectric element 10 in between. As a result, the symmetry of the bending vibration and the stretching vibration is maintained, so that the elliptical motion of the driver 2 is stabilized, and stable ultrasonic actuator characteristics can be obtained. Specifically, when a compressive force is applied parallel to the vibration direction of the stretching vibration in the length direction, it is preferable to apply the compressive force so as to be symmetric in the width direction and the thickness direction of the piezoelectric element 10. In addition, when a compressive force is applied parallel to the vibration direction of the bending vibration in the width direction, it is preferable to apply the compressive force so as to be symmetric in the length direction and the thickness direction of the piezoelectric element 10.

なお、底面支持体8は、圧電素子10の長さ方向中央部の底面に配置したが、上面支持体6と同じく、圧電素子10の長さ方向の底面角部の屈曲振動の腹の位置に配置しても良い。   The bottom surface support 8 is disposed on the bottom surface of the central portion in the length direction of the piezoelectric element 10. However, as with the top surface support 6, the bottom surface support 8 is located at the antinode of the bending vibration at the bottom corner in the length direction of the piezoelectric element 10. It may be arranged.

なお、圧縮力を加える部分は、振動の腹の部分のみで説明したが、一部の弾性体は腹の部分を含む広い範囲を支持し、圧縮力を加えてもよい。   In addition, although the part which applies a compressive force was demonstrated only in the antinode part of vibration, a part of elastic body may support the wide range containing an antinode part, and may apply a compressive force.

また、本発明における別の効果として、超音波アクチュエータの動作特性を安定化させることができるという効果を有する。   Another effect of the present invention is that the operating characteristics of the ultrasonic actuator can be stabilized.

詳しく説明すると、超音波アクチュエータは、圧電素子10に屈曲振動と伸縮振動とを調和的に誘起させることで駆動子2,2に楕円運動を発生させるが、超音波アクチュエータの特性は、屈曲振動の共振周波数と伸縮振動の共振周波数との相対関係により大きく異なり、屈曲振動の共振周波数と伸縮振動の共振周波数との相対関係が設計値からずれると特性が大きく変わってしまう。   More specifically, the ultrasonic actuator generates elliptical motions in the driver elements 2 and 2 by inducing the bending vibration and the stretching vibration in the piezoelectric element 10 in a harmonic manner. The characteristics vary greatly depending on the relative relationship between the resonance frequency and the resonance frequency of the stretching vibration, and the relative relationship between the resonance frequency of the bending vibration and the resonance frequency of the stretching vibration deviates from the design value.

本実施形態のように超音波アクチュエータを可動体3に押圧する構成においては、特に屈曲振動は、その振動方向が超音波アクチュエータを可動体3に押圧する方向と同一になるので、超音波アクチュエータにかかる実際の押圧力の反力が駆動子2,2を介して圧電素子10に作用して共振周波数が変化しやすい。外部から加える超音波アクチュエータへの押圧力を一定にした場合においても、超音波アクチュエータによって可動体3を駆動する際に、可動体3の位置が変化したり、各駆動子2と可動体3との接触状態が変化したりするため、超音波アクチュエータに実質的にかかる押圧力が変化し、即ち、圧電素子10に作用する反力が変化し、屈曲振動の共振周波数が変化する。その結果、伸縮振動と屈曲振動との共振周波数の相対関係が変化し、超音波アクチュエータの特性が不安定になる課題が従来あった。   In the configuration in which the ultrasonic actuator is pressed against the movable body 3 as in the present embodiment, especially the bending vibration has the same vibration direction as the direction in which the ultrasonic actuator is pressed against the movable body 3. Such a reaction force of the actual pressing force acts on the piezoelectric element 10 via the driver elements 2 and 2 and the resonance frequency is likely to change. Even when the pressing force applied to the ultrasonic actuator applied from the outside is constant, when the movable body 3 is driven by the ultrasonic actuator, the position of the movable body 3 changes, or each of the driver 2 and the movable body 3 Since the contact state changes, the pressing force substantially applied to the ultrasonic actuator changes, that is, the reaction force acting on the piezoelectric element 10 changes, and the resonance frequency of the bending vibration changes. As a result, there has been a problem that the relative relationship between the resonance frequency of the stretching vibration and the bending vibration is changed, and the characteristics of the ultrasonic actuator become unstable.

そこで、本発明の超音波アクチュエータでは、特に屈曲振動の腹の部分にあらかじめ圧縮力を付与している。このように、圧電素子10に予め圧縮力を作用させておくことによって、予め圧縮力を作用させていない構成と比較して、可動体3からの反力の変化が圧電素子10の屈曲振動の共振周波数に与える影響が小さくなり、安定した超音波アクチュエータの特性が得られる。従って、予め加えられる圧縮力による圧電素子10全体にかかる力は、超音波アクチュエータの押圧力より大きいことが望ましい。こうすることによって、圧電素子10に作用する反力による該圧電素子10の共振周波数への影響を相対的に小さくすることができる。   Therefore, in the ultrasonic actuator of the present invention, a compressive force is applied in advance to the antinode portion of bending vibration. In this way, by applying a compressive force to the piezoelectric element 10 in advance, a change in the reaction force from the movable body 3 is caused by bending vibration of the piezoelectric element 10 as compared with a configuration in which the compressive force is not applied in advance. The influence on the resonance frequency is reduced, and stable ultrasonic actuator characteristics can be obtained. Therefore, it is desirable that the force applied to the entire piezoelectric element 10 by the compression force applied in advance is larger than the pressing force of the ultrasonic actuator. By doing so, the influence of the reaction force acting on the piezoelectric element 10 on the resonance frequency of the piezoelectric element 10 can be relatively reduced.

本発明のさらに別の効果として、圧電素子10に予め付与する圧縮力の大きさを調整する(具体的には、圧縮力を加える弾性体を調整する)ことにより、伸縮振動と屈曲振動との共振周波数の差(即ち、相対関係)を調整できるという優れた機能がある。即ち、圧電体10の伸縮振動1次モードの共振周波数[Hz]と屈曲振動2次モードの共振周波数[Hz]は、おおよそ以下の式(1)および式(2)で表される。   As another effect of the present invention, by adjusting the magnitude of the compressive force applied in advance to the piezoelectric element 10 (specifically, by adjusting an elastic body to which the compressive force is applied), the expansion vibration and the flexural vibration can be reduced. There is an excellent function that the difference (that is, the relative relationship) of the resonance frequencies can be adjusted. That is, the resonance frequency [Hz] of the stretching vibration primary mode of the piezoelectric body 10 and the resonance frequency [Hz] of the bending vibration secondary mode are approximately expressed by the following equations (1) and (2).

Figure 2007306800
Figure 2007306800

Figure 2007306800
Figure 2007306800

式(1)、(2)で、Lは圧電素子10の伸縮振動の振動方向の長さ[m]、Wは圧電素子10の屈曲振動の振動方向の長さ[m]、Eは圧電素子10のヤング率[Pa]、ρは圧電素子10の密度[kg/m]である。しかしながら、実際の共振周波数は、製造工程上に起因するばらつきや、圧電素子10上に接着される駆動子の大きさ、接着される位置のばらつき等によって変動してしまう。 In equations (1) and (2), L is the length [m] of the vibration direction of the stretching vibration of the piezoelectric element 10, W is the length [m] of the bending direction of the bending vibration of the piezoelectric element 10, and E is the piezoelectric element. The Young's modulus [Pa] of 10 and ρ are the density [kg / m 3 ] of the piezoelectric element 10. However, the actual resonance frequency varies due to variations caused by the manufacturing process, the size of the driver element bonded to the piezoelectric element 10, the variation of the bonding position, and the like.

そこで、圧電素子10上に圧縮力を加えることで、共振周波数、特に屈曲振動2次モードの共振周波数を変更させ、所望の共振周波数に近づける。   Therefore, by applying a compressive force on the piezoelectric element 10, the resonance frequency, in particular, the resonance frequency of the bending vibration secondary mode is changed to approach the desired resonance frequency.

以下、具体的に周波数調整方法を示す。予め圧電素子10上に駆動子2を形成した状態で、圧電素子の伸縮振動の振動方向の両側の端面から素子の中央部に向かって対向する方向に予め決められた標準的な所定の圧縮力を加えて、屈曲振動2次モードの共振周波数fB2と伸縮振動一次モードの共振周波数fL1とを測定する。このとき、設計上は一致している屈曲振動と伸縮振動の共振周波数であるが、物づくり(製造時及び組立時)のばらつきにより、若干差異が生じている場合がある。 The frequency adjustment method will be specifically described below. In a state where the driver element 2 is formed on the piezoelectric element 10 in advance, a standard predetermined compressive force determined in advance in a direction facing the central portion of the element from both end faces in the vibration direction of the expansion and contraction vibration of the piezoelectric element. Then, the resonance frequency f B2 of the bending vibration secondary mode and the resonance frequency f L1 of the stretching vibration primary mode are measured. At this time, the resonance frequencies of the flexural vibration and the stretching vibration coincide with each other in design, but there may be some differences due to variations in manufacturing (manufacturing and assembly).

圧電素子10は、シリコンゴムなどで形成された壁面支持体6A、6Bにより伸縮振動の振動方向と同一方向より圧電素子10の両端面から中心部に向かって対向する方向に圧縮力を加えた状態で実装されるが、このとき壁面支持体6A、6Bの圧縮される方向と垂直方向(即ち、圧電素子10の短手方向、又は図2の上下方向)の寸法が異なる数種類の壁面支持体6A、6Bを用意しておく。そして圧電素子10をケースに実装するときの壁面支持体6A、6Bの寸法を変えることで、圧電素子10に加わる圧縮力を変えることにより、屈曲振動2次モードの共振周波数を変えることができる。   The piezoelectric element 10 is a state in which a compressive force is applied in a direction facing the central portion from both end faces of the piezoelectric element 10 in the same direction as the vibration direction of the stretching vibration by the wall surface supports 6A and 6B formed of silicon rubber or the like. In this case, several types of wall surface supports 6A having different dimensions in the direction perpendicular to the direction in which the wall surface supports 6A and 6B are compressed (that is, the short direction of the piezoelectric element 10 or the vertical direction in FIG. 2). , 6B is prepared. By changing the dimensions of the wall surface supports 6A and 6B when the piezoelectric element 10 is mounted on the case, the resonance frequency of the bending vibration secondary mode can be changed by changing the compressive force applied to the piezoelectric element 10.

図6〜図8は、周波数調整後の超音波アクチュエータの断面図である。圧電素子10は、壁面支持体6A、6Bによって支持されている。   6 to 8 are cross-sectional views of the ultrasonic actuator after frequency adjustment. The piezoelectric element 10 is supported by wall surface supports 6A and 6B.

屈曲振動の共振周波数fB2と伸縮振動の共振周波数fL1との差が僅差(fB2≒fL1)であるときには、図6に示すように、そのまま所定の標準的寸法の壁面支持体6A、6Bにより圧電素子10をケース12に組み込む。屈曲振動の共振周波数fB2が伸縮振動の共振周波数fL1よりも小さい(fB2<fL1)ときには、図7に示すように、前記標準的寸法よりも大きい寸法の壁面支持体6A、6Bにより圧電素子10をケース12に組み込み、圧電素子10に標準状態より大きな圧縮力を加える。屈曲振動の共振周波数fB2が伸縮振動の共振周波数fL1よりも大きい(fB2>fL1)ときには、図8に示すように、前記標準的寸法よりも小さい寸法の壁面支持体6A、6Bにより圧電素子10をケース12に組み込み、標準状態より小さい圧縮力を加える。こうすることにより、物づくり上のばらつきがあっても、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを略一致させることができる。 When the difference between the resonance frequency f B2 of the bending vibration and the resonance frequency f L1 of the stretching vibration is a slight difference (f B2 ≈f L1 ), as shown in FIG. The piezoelectric element 10 is incorporated into the case 12 by 6B. When the resonance frequency f B2 of the bending vibration is smaller than the resonance frequency f L1 of the stretching vibration (f B2 <f L1 ), as shown in FIG. 7, the wall surface supports 6A and 6B having dimensions larger than the standard dimensions are used. The piezoelectric element 10 is incorporated in the case 12 and a compressive force larger than that in the standard state is applied to the piezoelectric element 10. When the resonance frequency f B2 of the bending vibration is higher than the resonance frequency f L1 of the stretching vibration (f B2 > f L1 ), as shown in FIG. 8, the wall surface supports 6A and 6B having dimensions smaller than the standard dimensions are used. The piezoelectric element 10 is incorporated in the case 12 and a compressive force smaller than the standard state is applied. By doing so, the resonance frequency of the stretching vibration and the resonance frequency of the bending vibration can be substantially matched even if there are variations in manufacturing.

なお、前記方法では、伸縮振動の振動方向からのみ圧縮力を加えた状態で予め共振周波数を測定したが、超音波アクチュエータを可動体3に対して押圧して配置し、駆動子2,2を可動体3に摩擦接触させた状態で、共振周波数を測定した方がより精度が高くなる。   In the above method, the resonance frequency is measured in advance in a state where the compression force is applied only from the vibration direction of the stretching vibration. However, the ultrasonic actuator is pressed against the movable body 3 and the driver elements 2 and 2 are disposed. The accuracy is higher when the resonance frequency is measured in a state of frictional contact with the movable body 3.

また、壁面支持体6A、6Bの大きさにより、圧電素子10に加える圧縮力を調整したが、壁面支持体6A、6Bの材質を変更することで圧電素子10にかかる圧縮力を調整したり、ケース12の寸法を変更することで圧電素子10にかかる圧縮力を調整してもよい。   Further, the compression force applied to the piezoelectric element 10 is adjusted depending on the size of the wall surface supports 6A and 6B, but the compression force applied to the piezoelectric element 10 can be adjusted by changing the material of the wall surface supports 6A and 6B. The compressive force applied to the piezoelectric element 10 may be adjusted by changing the dimensions of the case 12.

また、伸縮振動の振動方向より圧縮力を加えて周波数の調整を行ったが、屈曲振動の振動方向より圧縮力を加えて、共振周波数の調整を行ってもよい。すなわち、上面支持体7A,7B及び/又は底面支持体8の寸法、材質等を変えることによって共振周波数の調整を行ってもよい。   Further, although the frequency is adjusted by applying a compressive force from the vibration direction of the stretching vibration, the resonance frequency may be adjusted by applying a compressive force from the vibration direction of the bending vibration. That is, the resonance frequency may be adjusted by changing the dimensions, materials, and the like of the upper surface supports 7A and 7B and / or the bottom surface support 8.

前記方法では、周波数を調整することで、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを略一致させたが、屈曲振動の共振周波数を伸縮振動の共振周波数よりあえて低く調整してもよい。このような超音波アクチュエータにおいては、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを厳密に一致させることが難しい。そこで、かかる超音波アクチュエータは、通常、伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数の何れよりも高い駆動周波数で駆動される(即ち、圧電素子10の各給電電極9には伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数よりも高い周波数の交流電圧が印加される)。そのような場合において、伸縮振動の共振周波数を屈曲振動の共振周波数よりも高く調整すると、伸縮振動の共振周波数の方が屈曲振動の共振周波数よりも駆動周波数に近いため、圧電素子10には伸縮振動の方がより支配的に発生する。この伸縮振動の振動方向は可動体3の可動方向と一致しているため、伸縮振動は超音波アクチュエータの最高速度に大きな影響を与える。つまり、伸縮振動の共振周波数を屈曲振動の共振周波数よりも高く設定することによって、雰囲気温度等の変化により圧電素子10の伸縮振動及び屈曲振動の共振周波数が変化したときでも、圧電素子10には伸縮振動が支配的に発生するため、駆動周波数を変更して駆動したときの超音波アクチュエータの最高速度が変化しにくいという利点がある。   In the above method, the resonance frequency of the stretching vibration and the resonance frequency of the bending vibration are substantially matched by adjusting the frequency. However, the resonance frequency of the bending vibration may be adjusted to be lower than the resonance frequency of the stretching vibration. In such an ultrasonic actuator, it is difficult to precisely match the resonance frequency of the stretching vibration and the resonance frequency of the bending vibration. Therefore, such an ultrasonic actuator is normally driven at a driving frequency higher than both the resonance frequency of the stretching vibration and the resonance frequency of the bending vibration (that is, the power supply electrode 9 of the piezoelectric element 10 has a resonance frequency of the stretching vibration. And an AC voltage having a frequency higher than the resonance frequency of the bending vibration is applied). In such a case, if the resonance frequency of the stretching vibration is adjusted to be higher than the resonance frequency of the bending vibration, the resonance frequency of the stretching vibration is closer to the driving frequency than the resonance frequency of the bending vibration. Vibration occurs more dominantly. Since the vibration direction of the stretching vibration coincides with the movable direction of the movable body 3, the stretching vibration greatly affects the maximum speed of the ultrasonic actuator. That is, by setting the resonance frequency of the stretching vibration higher than the resonance frequency of the bending vibration, even when the resonance frequency of the stretching vibration and the bending vibration of the piezoelectric element 10 changes due to a change in the ambient temperature or the like, the piezoelectric element 10 includes Since stretching vibration is dominantly generated, there is an advantage that the maximum speed of the ultrasonic actuator is difficult to change when driven by changing the drive frequency.

また、周波数を調整するときに、屈曲振動の共振周波数を伸縮振動の共振周波数よりあえて高く調整してもよい。前述の如く、振動方向が異なる2つの振動(伸縮振動と屈曲振動)を発生させる超音波アクチュエータは、通常、伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数の何れよりも高い駆動周波数で駆動される。一般に、屈曲振動の帯域幅は狭い。そのため、屈曲振動の共振周波数を伸縮振動の共振周波数よりも高く調整することによって、屈曲振動の共振周波数が伸縮振動の共振周波数よりも低い場合と比較して、屈曲振動の共振周波数が駆動周波数に近づくため、圧電素子10に屈曲振動を十分に発生させることができる。一方、伸縮振動の帯域幅は屈曲振動の帯域幅よりも広いため、伸縮振動の共振周波数が駆動周波数から離れていても、圧電素子10に伸縮振動を発生させることができる。また、駆動周波数が伸縮振動の共振周波数から離れることになると、駆動周波数を変更して超音波アクチュエータを駆動したときの最高速度の変化は、共振周波数の近傍で駆動周波数を変化させる場合と比較して、緩やかになる。そのため、超音波アクチュエータを低速域まで安定して動作させることができるという利点がある。   Further, when adjusting the frequency, the resonance frequency of the bending vibration may be adjusted to be higher than the resonance frequency of the stretching vibration. As described above, an ultrasonic actuator that generates two vibrations (stretching vibration and bending vibration) having different vibration directions is usually driven at a driving frequency higher than both the resonance frequency of the stretching vibration and the resonance frequency of the bending vibration. . In general, the bandwidth of bending vibration is narrow. Therefore, by adjusting the resonance frequency of the bending vibration higher than the resonance frequency of the stretching vibration, the resonance frequency of the bending vibration becomes the driving frequency compared to the case where the resonance frequency of the bending vibration is lower than the resonance frequency of the stretching vibration. Since it approaches, the bending vibration can be sufficiently generated in the piezoelectric element 10. On the other hand, since the bandwidth of the stretching vibration is wider than the bandwidth of the bending vibration, the piezoelectric element 10 can generate the stretching vibration even if the resonance frequency of the stretching vibration is away from the driving frequency. In addition, when the drive frequency is away from the resonance frequency of the stretching vibration, the change in the maximum speed when the drive frequency is changed and the ultrasonic actuator is driven is compared with the case where the drive frequency is changed near the resonance frequency. It becomes gentle. Therefore, there is an advantage that the ultrasonic actuator can be stably operated up to a low speed region.

また、周波数を調整するときに壁面支持体6A、6Bの両方の大きさを変えたが、片方のみの大きさを変えて、圧電素子10にかかる圧縮力を調整してもよい。   Further, although the size of both the wall surface supports 6A and 6B is changed when adjusting the frequency, the compressive force applied to the piezoelectric element 10 may be adjusted by changing the size of only one side.

《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
<< Other Embodiments >>
The present invention may be configured as follows with respect to the embodiment.

すなわち、前記実施形態では、超音波アクチュエータの駆動力が付与されて駆動される可動体3は平板状であるが、これに限られるものではなく、可動体の構成としては任意の構成を採用することができる。例えば、図9に示すように、可動体は所定の軸X回りに回動可能な円板体31であり、超音波アクチュエータの駆動子2,2が該円板体31の側周面31aに当接するように構成されていてもよい。かかる構成の場合、超音波アクチュエータを駆動すると、駆動子2,2の概略楕円運動によって、該円板体31が所定の軸X回りに回動させられる。また、図10に示すように、可動体は所定の軸X回りに回動可能な円板体32であり、超音波アクチュエータの駆動子2,2が該円板体32の平面部32aに当接するように構成されていてもよい。かかる構成の場合、超音波アクチュエータを駆動すると、駆動子2,2の概略楕円運動によって、該円板体32が駆動子2,2と当接部における接線方向に駆動され、結果として該円板体32が所定の軸X回りに回動させられる。   That is, in the above-described embodiment, the movable body 3 driven by the driving force of the ultrasonic actuator is a flat plate shape. However, the present invention is not limited to this, and an arbitrary configuration is adopted as the configuration of the movable body. be able to. For example, as shown in FIG. 9, the movable body is a disc body 31 that can rotate around a predetermined axis X, and the driver elements 2, 2 of the ultrasonic actuator are placed on the side peripheral surface 31 a of the disc body 31. You may be comprised so that it may contact | abut. In the case of such a configuration, when the ultrasonic actuator is driven, the disk body 31 is rotated about a predetermined axis X by the substantially elliptical motion of the driver elements 2 and 2. As shown in FIG. 10, the movable body is a disc body 32 that is rotatable about a predetermined axis X, and the driver elements 2 and 2 of the ultrasonic actuator are brought into contact with the flat portion 32 a of the disc body 32. You may be comprised so that it may touch. In such a configuration, when the ultrasonic actuator is driven, the disk body 32 is driven in the tangential direction at the contact portion with the driver elements 2, 2 by the substantially elliptical motion of the driver elements 2, 2. The body 32 is rotated around a predetermined axis X.

また、前記実施形態では、圧電セラミック板の表裏にのみ電極を形成する単板構成で説明したが、圧電セラミック板と内部電極を交互に積層する積層構造でも同様の効果が得られる。   Further, in the above-described embodiment, the single plate configuration in which the electrodes are formed only on the front and back surfaces of the piezoelectric ceramic plate has been described.

また、今回は圧電素子10自体が伸縮振動と屈曲振動とを調和的に発生させていたが、金属などの基板に圧電素子10を貼り付けた構成や、金属などで共振器を形成し、圧電素子10を挟み込んだ構成の場合でも同様の効果が得られる。この場合、圧電素子を含んで構成された共振器がアクチュエータ本体を構成し、該共振器をケース内において予め圧縮力を付与した状態に配置する。   In addition, this time, the piezoelectric element 10 itself generated the stretching vibration and the bending vibration in a harmonic manner. However, the piezoelectric element 10 is bonded to a substrate such as a metal, or a resonator is formed by using a metal or the like. The same effect can be obtained even when the element 10 is sandwiched. In this case, the resonator including the piezoelectric element constitutes the actuator body, and the resonator is disposed in a state in which a compressive force is applied in advance in the case.

また、前記実施形態では、圧電素子10の伸縮振動と屈曲振動との両方の腹の部分に圧縮力を加えているが、圧電素子10の材質及び超音波アクチュエータ駆動時の圧電素子10の変形量等を考慮して、破損する可能性が比較的高い方の振動方向の腹の部分にだけ圧縮力を加えるように構成してもよい。   In the above-described embodiment, compressive force is applied to the antinodes of both the stretching vibration and bending vibration of the piezoelectric element 10, but the material of the piezoelectric element 10 and the deformation amount of the piezoelectric element 10 when the ultrasonic actuator is driven. For example, the compression force may be applied only to the antinode portion in the vibration direction that has a relatively high possibility of breakage.

尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。   In addition, the above embodiment is an essentially preferable illustration, Comprising: It does not intend restrict | limiting the range of this invention, its application thing, or its use.

《その他》
本明細書中に記載の超音波アクチュエータは、以下のようにも表現できる。
<Others>
The ultrasonic actuator described in this specification can also be expressed as follows.

(1)圧電素子で構成され、又は圧電素子を含んで構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を行うアクチュエータ本体と、
前記アクチュエータ本体に設けられ、該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで駆動力を出力する駆動子と、
前記アクチュエータ本体を支持する基礎部と、
前記基礎部と前記アクチュエータ本体との間に設けられ、該アクチュエータ本体の振動の非ノード部に対して該アクチュエータ本体に該振動の振動方向に圧縮力を予め付与する予圧手段とを備える超音波アクチュエータ。
(1) An actuator main body configured by a piezoelectric element or including a piezoelectric element and performing a plurality of vibrations having different vibration directions;
A driver that is provided in the actuator body and outputs a driving force by operating in accordance with vibrations of the actuator body;
A base for supporting the actuator body;
An ultrasonic actuator provided between the base portion and the actuator body, and comprising preload means for preliminarily applying a compressive force to the actuator body in the vibration direction of the actuator body with respect to a vibration non-node portion of the actuator body .

(2)前記予圧手段は、前記アクチュエータ本体における前記駆動子が設けられた位置とは異なる位置に設けられている(1)記載の超音波アクチュエータ。   (2) The ultrasonic actuator according to (1), wherein the preload means is provided at a position different from a position where the driver element is provided in the actuator body.

(3)前記予圧手段は、前記アクチュエータ本体における前記振動の腹の位置に設けられている(1)記載の超音波アクチュエータ。   (3) The ultrasonic actuator according to (1), wherein the preload means is provided at a position of the antinode of the vibration in the actuator body.

(4)前記予圧手段は、前記アクチュエータ本体の中心を挟んで両側から該アクチュエータ本体に圧縮力を付与する(1)記載の超音波アクチュエータ。   (4) The ultrasonic actuator according to (1), wherein the preload means applies a compressive force to the actuator body from both sides across the center of the actuator body.

(5)前記予圧手段は、弾性体を有し、該弾性体の弾性力によって圧縮力を付与する(1)記載の超音波アクチュエータ。   (5) The ultrasonic actuator according to (1), wherein the preload means includes an elastic body and applies a compressive force by the elastic force of the elastic body.

(6)前記弾性体は、その弾性率が前記圧電素子の弾性率の1/100以下である(5)記載の超音波アクチュエータ。   (6) The ultrasonic actuator according to (5), wherein the elastic body has an elastic modulus of 1/100 or less of an elastic modulus of the piezoelectric element.

(7)前記弾性体は、シリコーンゴムである(5)記載の超音波アクチュエータ。   (7) The ultrasonic actuator according to (5), wherein the elastic body is silicone rubber.

(8)駆動力を付与する対象となる可動体に対して前記駆動子が押圧された状態で配設され、
前記予圧手段により付与される圧縮力は、前記駆動子を前記可動体に対して押圧する押圧力よりも大きい(1)記載の超音波アクチュエータ。
(8) The driving element is disposed in a state where the driving element is pressed against a movable body to which a driving force is applied,
The ultrasonic actuator according to (1), wherein the compressive force applied by the preload means is greater than a pressing force that presses the driver against the movable body.

(9)前記アクチュエータ本体は、2次の屈曲振動と1次の縦振動とを行う(1)記載の超音波アクチュエータ。   (9) The ultrasonic actuator according to (1), wherein the actuator body performs secondary bending vibration and primary longitudinal vibration.

(10)前記アクチュエータ本体は、振動方向が互いに異なる第1の振動と第2の振動とを行うと共に、前記予圧手段の圧縮力によって該第1の振動の共振周波数と該第2の振動の共振周波数とが一致するように構成されている(1)記載の超音波アクチュエータ。   (10) The actuator body performs a first vibration and a second vibration whose vibration directions are different from each other, and a resonance frequency of the first vibration and a resonance of the second vibration by a compressive force of the preload means. The ultrasonic actuator according to (1), wherein the ultrasonic actuator is configured to match the frequency.

(11)前記アクチュエータ本体は、振動方向が互いに異なる第1の振動と第2の振動とを行うと共に、前記予圧手段の圧縮力によって該第2の振動の共振周波数が該第1の振動の共振周波数よりも高くなるように構成されている(1)記載の超音波アクチュエータ。   (11) The actuator body performs a first vibration and a second vibration whose vibration directions are different from each other, and a resonance frequency of the second vibration is a resonance of the first vibration by a compressive force of the preload means. The ultrasonic actuator according to (1), which is configured to be higher than a frequency.

(12)前記第1の振動は、前記駆動力の方向と平行な縦振動であり、
前記第2の振動は、屈曲振動である(11)記載の超音波アクチュエータ。
(12) The first vibration is a longitudinal vibration parallel to the direction of the driving force,
The ultrasonic actuator according to (11), wherein the second vibration is bending vibration.

(13)前記第2の振動は、前記駆動力の方向と平行な縦振動であり、
前記第1の振動は、屈曲振動である(11)記載の超音波アクチュエータ。
(13) The second vibration is a longitudinal vibration parallel to the direction of the driving force,
The ultrasonic actuator according to (11), wherein the first vibration is a bending vibration.

本発明の超音波アクチュエータは、予め圧電素子の振動の腹に圧縮力が加えられているので、超音波アクチュエータの作動時に圧電素子に生じる引張応力を小さくすることができ、長さと幅が10mm以下のように小型の超音波アクチュエータであっても、10mW〜10W程度のハイパワーがかかった時において圧電素子が破損しにくいという優れた作用効果を有する。さらに、圧縮力を加える弾性体を調整することにより、各振動の共振周波数を調整することが可能となるため、ばらつきの少ない超音波アクチュエータを提供することができるという効果も有し、特に、小型化が要求される電子機器等に有用である。   In the ultrasonic actuator according to the present invention, since a compressive force is applied to the antinode of the vibration of the piezoelectric element in advance, the tensile stress generated in the piezoelectric element during the operation of the ultrasonic actuator can be reduced, and the length and width are 10 mm or less. Even if it is a small ultrasonic actuator like this, it has the outstanding effect that a piezoelectric element is hard to be damaged when high power of about 10 mW to 10 W is applied. Furthermore, since the resonance frequency of each vibration can be adjusted by adjusting the elastic body to which the compressive force is applied, there is an effect that it is possible to provide an ultrasonic actuator with little variation. This is useful for electronic devices that are required to be integrated.

図1は、本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの分解斜視図である。FIG. 1 is an exploded perspective view of an ultrasonic actuator according to an embodiment of the present invention. 図2は、超音波アクチュエータの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the ultrasonic actuator. 図3は、伸縮振動の1次モードの変位図である。FIG. 3 is a displacement diagram of the primary mode of stretching vibration. 図4は、屈曲振動の2次モードの変位図である。FIG. 4 is a displacement diagram of a secondary mode of bending vibration. 図5の(a)〜(d)は、それぞれ圧電素子の動作を説明する概念図である。5A to 5D are conceptual diagrams for explaining the operation of the piezoelectric element. 図6は、標準的寸法の支持部により圧縮力を付与した状態で支持された超音波アクチュエータの断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of an ultrasonic actuator that is supported in a state in which a compressive force is applied by a support portion having a standard size. 図7は、標準的寸法よりも大きな寸法の支持部により周波数を調整した超音波アクチュエータの断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of an ultrasonic actuator having a frequency adjusted by a support portion having a size larger than a standard size. 図8は、標準的寸法よりも小さな寸法の支持部により周波数を調整した超音波アクチュエータの断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of an ultrasonic actuator having a frequency adjusted by a support portion having a size smaller than a standard size. 図9は、その他の実施形態に係る超音波アクチュエータの斜視図である。FIG. 9 is a perspective view of an ultrasonic actuator according to another embodiment. 図10は、別のその他の実施形態に係る超音波アクチュエータの斜視図である。FIG. 10 is a perspective view of an ultrasonic actuator according to another embodiment. 図11は、従来の超音波アクチュエータの圧電素子の斜視図である。FIG. 11 is a perspective view of a piezoelectric element of a conventional ultrasonic actuator. 図12は、従来の超音波アクチュエータの分解斜視図である。FIG. 12 is an exploded perspective view of a conventional ultrasonic actuator.

符号の説明Explanation of symbols

1 張出部
2 駆動子
3 可動体
4、4a、4b、4g ワイヤー
5、5a、5b、5c、5d はんだ
6A、6B 壁面支持体
7A、7B 上面支持体
8 底面支持体
9a、9b、9c、9d 給電電極
10 圧電素子
11 開口部
12 ケース
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Overhang | projection part 2 Driver 3 Movable body 4, 4a, 4b, 4g Wire 5, 5a, 5b, 5c, 5d Solder 6A, 6B Wall surface support body 7A, 7B Upper surface support body 8 Bottom surface support body 9a, 9b, 9c, 9d Feed electrode 10 Piezoelectric element 11 Opening 12 Case

Claims (1)

圧電素子で構成され、又は圧電素子を含んで構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を行うアクチュエータ本体と、
前記アクチュエータ本体に設けられ、該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで駆動力を出力する駆動子と、
前記アクチュエータ本体を支持する基礎部と、
前記基礎部と前記アクチュエータ本体との間に設けられ、該アクチュエータ本体に該振動の振動方向へ圧縮力を予め付与する予圧手段とを備える超音波アクチュエータ。
An actuator body that is composed of or includes a piezoelectric element and that performs a plurality of vibrations with different vibration directions;
A driver that is provided in the actuator body and outputs a driving force by operating in accordance with vibrations of the actuator body;
A base for supporting the actuator body;
An ultrasonic actuator provided with a preload means provided between the base portion and the actuator body and preliminarily applying a compressive force to the actuator body in the vibration direction of the vibration.
JP2007221233A 2006-01-12 2007-08-28 Ultrasonic actuator Pending JP2007306800A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007221233A JP2007306800A (en) 2006-01-12 2007-08-28 Ultrasonic actuator

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006004518 2006-01-12
JP2007221233A JP2007306800A (en) 2006-01-12 2007-08-28 Ultrasonic actuator

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007525105A Division JP4035158B2 (en) 2006-01-12 2007-01-09 Ultrasonic actuator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2007306800A true JP2007306800A (en) 2007-11-22

Family

ID=38840247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007221233A Pending JP2007306800A (en) 2006-01-12 2007-08-28 Ultrasonic actuator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2007306800A (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009072301A1 (en) * 2007-12-07 2009-06-11 Panasonic Corporation Driving apparatus
WO2009072302A1 (en) * 2007-12-06 2009-06-11 Panasonic Corporation Ultrasonic actuator
US7642696B2 (en) 2007-07-11 2010-01-05 Panasonic Corporation Vibration actuator and drive unit including the same
KR101140421B1 (en) 2010-07-02 2012-05-03 한국기계연구원 Anisotropic vibration actuator
JP2013121198A (en) * 2011-12-06 2013-06-17 Seiko Epson Corp Piezoelectric motor, driving device, electronic component inspecting device, electronic component transferring device, printing device, robot hand and robot
JP2013121197A (en) * 2011-12-06 2013-06-17 Seiko Epson Corp Piezoelectric motor, driving device, electronic component inspection device, electronic component conveying device, printing device, robot hand, and robot
JP2017112650A (en) * 2015-12-14 2017-06-22 セイコーエプソン株式会社 Vibrating body, laminated vibrating body, piezoelectric actuator, piezoelectric motor, robot, hand, and liquid feed pump
JP2019198946A (en) * 2018-05-18 2019-11-21 セイコーエプソン株式会社 Gripping device and robot

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7642696B2 (en) 2007-07-11 2010-01-05 Panasonic Corporation Vibration actuator and drive unit including the same
US8159113B2 (en) 2007-12-06 2012-04-17 Panasonic Corporation Ultrasonic actuator with power supply electrode arrangement
WO2009072302A1 (en) * 2007-12-06 2009-06-11 Panasonic Corporation Ultrasonic actuator
US8004150B2 (en) 2007-12-06 2011-08-23 Panasonic Corporation Ultrasonic actuator with flexible cable connection member
US8076823B2 (en) 2007-12-06 2011-12-13 Panasonic Corporation Ultrasonic actuator
US8008840B2 (en) 2007-12-07 2011-08-30 Panasonic Corporation Drive unit
WO2009072301A1 (en) * 2007-12-07 2009-06-11 Panasonic Corporation Driving apparatus
KR101140421B1 (en) 2010-07-02 2012-05-03 한국기계연구원 Anisotropic vibration actuator
JP2013121198A (en) * 2011-12-06 2013-06-17 Seiko Epson Corp Piezoelectric motor, driving device, electronic component inspecting device, electronic component transferring device, printing device, robot hand and robot
JP2013121197A (en) * 2011-12-06 2013-06-17 Seiko Epson Corp Piezoelectric motor, driving device, electronic component inspection device, electronic component conveying device, printing device, robot hand, and robot
JP2017112650A (en) * 2015-12-14 2017-06-22 セイコーエプソン株式会社 Vibrating body, laminated vibrating body, piezoelectric actuator, piezoelectric motor, robot, hand, and liquid feed pump
JP2019198946A (en) * 2018-05-18 2019-11-21 セイコーエプソン株式会社 Gripping device and robot
JP7151166B2 (en) 2018-05-18 2022-10-12 セイコーエプソン株式会社 Grasping device and robot

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4035158B2 (en) Ultrasonic actuator
JP2007306800A (en) Ultrasonic actuator
US7911112B2 (en) Ultrasonic actuator
US8531091B2 (en) Apparatus for holding piezoelectric vibrator
JP4954814B2 (en) Vibrating actuator and drive device including the same
JP4209465B2 (en) Drive device
JP4977202B2 (en) Vibrating actuator and drive device including the same
JP2011091719A (en) Flexural oscillating actuator
JP5184811B2 (en) Vibration type actuator
JPWO2007066633A1 (en) Ultrasonic actuator
JPWO2008044470A1 (en) Optical scanning device
JP5556967B2 (en) Piezoelectric actuator
JPWO2012073656A1 (en) Piezoelectric generator and manufacturing method thereof
JP2007236138A (en) Drive device and vibrator
JP2011129971A (en) Flexible vibration actuator
JP5202538B2 (en) Vibration type actuator
JP2000324859A (en) Piezoelectric actuator
JP4814948B2 (en) Control device for vibration actuator
JP2007318997A (en) Ultrasonic actuator
JP2007306799A (en) Ultrasonic actuator
JP2008236820A (en) Driving device
JP2002058260A (en) Piezoelectric actuator
JP2646668B2 (en) Driving method of ultrasonic motor and vibrator for ultrasonic motor
JP2008172885A (en) Ultrasonic actuator
JP2006229648A (en) Piezoelectric bimorph element for generating sound vibration