JP2007306800A - Ultrasonic actuator - Google Patents
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Abstract
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
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
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
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
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
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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/m3]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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
《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
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
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
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.
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
Claims (1)
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.
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