JP5144149B2 - Mobile device - Google Patents
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Description
本発明は、移動装置に関し、特に被駆動体を一次元の任意の方向に移動させる移動装置に関する。 The present invention relates to a moving device, and more particularly to a moving device that moves a driven body in an arbitrary one-dimensional direction.
圧電体振動子を使って、被駆動体を一次元の任意の方向に移動させる移動装置が提案されている。特許文献1は、2つの突起部(接触点)で被駆動体に接触し、周波数変化によって1次元の移動方向を切り替える移動装置を開示する。
しかし、特許文献1の装置は、2つの突起部のうち、いずれか一方は駆動に寄与せず、摩擦が駆動の妨げになっていた。
However, in the device of
したがって本発明の目的は、被駆動体と接触する部分が駆動力を低下させることなく、駆動可能な圧電体振動子を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrator that can be driven without reducing a driving force at a portion in contact with a driven body.
本発明に係る圧電体振動子は、圧電素子と、外壁部と、外壁部に垂直で圧電素子が取り付けられる上面部とを有し、金属弾性板で構成されたシムとを備えた圧電体振動子であって、圧電体振動子の、被駆動体を移動させる第1方向との間を成す角が第1角度を有する第1剛性方向の縦弾性係数が、第1剛性方向と異なる方向と異なる値を有し、被駆動体は、第1方向に垂直な第2方向で、外壁部を付勢し、圧電体振動子を、上面部の中心から外壁部への放射方向に伸縮する伸縮モード振動を励起しない状態で、第1方向に屈曲振動する屈曲モード振動を励起するように、圧電素子に駆動周波数を変えながら電圧印加した場合であって、被駆動体が外壁部を付勢する点における第1方向の振幅が極大となる第1ピークを示す時の第1駆動周波数と第1駆動周波数よりも高い周波数であって振幅が極大となる第2ピークを示す時の第2駆動周波数との中間値近傍に、圧電体振動子の伸縮モード振動の共振周波数が設定され、被駆動体を第1方向の一方に移動させる時は、圧電素子に、第1駆動周波数近傍の値を駆動周波数とする交流電圧印加が行われ、外壁部を付勢する点において、屈曲モード振動と、伸縮モード振動が励起され、被駆動体を第1方向の他方に移動させる時は、圧電素子に、第2駆動周波数近傍の値を駆動周波数とする交流電圧印加が行われ、外壁部を付勢する点において、屈曲モード振動と、伸縮モード振動が励起され、第1角度は、0度より大きく、90度より小さい値である。 A piezoelectric vibrator according to the present invention includes a piezoelectric element, an outer wall portion, and a shim formed of a metal elastic plate having a top surface portion that is perpendicular to the outer wall portion and to which the piezoelectric element is attached. The longitudinal elastic modulus of the first stiffness direction, which is a child and the angle between the piezoelectric vibrator and the first direction in which the driven body is moved has the first angle, is different from the first stiffness direction. The driven body has different values, and the driven body urges the outer wall portion in the second direction perpendicular to the first direction, and expands and contracts the piezoelectric vibrator in the radial direction from the center of the upper surface portion to the outer wall portion. When the voltage is applied to the piezoelectric element while changing the driving frequency so as to excite the bending mode vibration that bends in the first direction without exciting the mode vibration, the driven body urges the outer wall portion. The first drive frequency when the first peak at which the amplitude in the first direction is maximum is shown The resonance frequency of the expansion / contraction mode vibration of the piezoelectric vibrator is set in the vicinity of the intermediate value of the second drive frequency at a frequency higher than the first drive frequency and exhibiting a second peak with a maximum amplitude. When the driving body is moved in one direction in the first direction, the piezoelectric element is applied with an AC voltage having a driving frequency near the first driving frequency, and is biased in the bending mode vibration in that the outer wall is biased. When the expansion / contraction mode vibration is excited and the driven body is moved in the other direction in the first direction, an AC voltage is applied to the piezoelectric element with a value near the second driving frequency as the driving frequency, and the outer wall portion is attached. At the biased point, the bending mode vibration and the expansion / contraction mode vibration are excited, and the first angle is a value larger than 0 degree and smaller than 90 degrees.
好ましくは、第1駆動周波数は、圧電体振動子の屈曲モード振動の共振周波数である。 Preferably, the first driving frequency is a resonance frequency of the bending mode vibration of the piezoelectric vibrator.
また、好ましくは、第1角度は、45度である。 Preferably, the first angle is 45 degrees.
また、好ましくは、シムは、ステンレス鋼で構成される。 Also preferably, the shim is made of stainless steel.
また、好ましくは、圧電素子には、第1方向に並べて配置された第1〜第3電極が取り付けられ、第1、第3電極の少なくとも一方は、屈曲モード振動を励起するための交流電圧印加に使用され、第1方向の両端部を含む外周部に配置され、第2電極は、伸縮モード振動を励起するための交流電圧印加に使用され、中央部に配置される。 Preferably, the piezoelectric element is attached with first to third electrodes arranged side by side in the first direction, and at least one of the first and third electrodes applies an AC voltage for exciting bending mode vibration. The second electrode is used for applying an alternating voltage to excite the stretching mode vibration, and is arranged at the central portion.
また、好ましくは、圧電素子には、第1方向に並べて配置された第1〜第3電極が取り付けられ、第1、第3電極の少なくとも一方は、屈曲モード振動を励起するための交流電圧印加に使用され、中央部に配置され、第2電極は、伸縮モード振動を励起するための交流電圧印加に使用され、第1方向の両端部を含む外周部に配置される。 Preferably, the piezoelectric element is attached with first to third electrodes arranged side by side in the first direction, and at least one of the first and third electrodes applies an AC voltage for exciting bending mode vibration. The second electrode is used for applying an alternating voltage to excite the stretching mode vibration, and is disposed on the outer peripheral portion including both end portions in the first direction.
また、好ましくは、圧電素子には、第1方向に並べて配置された第1、第2電極が取り付けられ、第1、第2電極の少なくとも一方は、屈曲モード振動、及び伸縮モード振動を励起するための交流電圧印加に使用される。 Preferably, the piezoelectric element is provided with first and second electrodes arranged side by side in the first direction, and at least one of the first and second electrodes excites bending mode vibration and expansion mode vibration. Used for AC voltage application.
また、好ましくは、シムは、第1剛性方向または第1剛性方向に垂直な第2剛性方向に延びるスリットを有する。 Preferably, the shim has a slit extending in the first rigid direction or the second rigid direction perpendicular to the first rigid direction.
また、好ましくは、シムの中心穴は、長軸と短軸の一方が第1剛性方向に平行で、長軸と短軸の他方が第1剛性方向に垂直な第2剛性方向に平行な楕円形状を有する。 Preferably, the center hole of the shim is an ellipse in which one of the long axis and the short axis is parallel to the first rigidity direction and the other of the long axis and the short axis is parallel to the second rigidity direction perpendicular to the first rigidity direction. Has a shape.
また、好ましくは、圧電素子に取り付けられる電極群が、長軸と短軸の一方が第1剛性方向に平行で、長軸と短軸の他方が第1剛性方向に垂直な第2剛性方向に平行な楕円の環状体形状で構成される。 Preferably, the electrode group attached to the piezoelectric element has a major axis and a minor axis parallel to the first stiffness direction, and the other of the major axis and minor axis is in the second stiffness direction perpendicular to the first stiffness direction. It is composed of a parallel elliptical annular shape.
以上のように本発明によれば、被駆動体と接触する部分が駆動力を低下させることなく、駆動可能な圧電体振動子を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric vibrator that can be driven without reducing the driving force of the portion in contact with the driven body.
以下、本発明の実施形態について、図を用いて説明する。まず、第1実施形態について説明する。移動装置は、水平方向移動部10を有する可動部と、圧電体振動子30、固定台50、及び回路部70とを有する固定部とを備える(図1〜3参照)。なお、方向を説明するために、移動装置において水平方向移動部10の移動方向を第1方向x、第1方向xと直交する圧電体振動子30の付勢方向を第2方向y、第1方向x、第2方向yと直交する方向を第3方向zとして説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the first embodiment will be described. The moving device includes a movable unit having the horizontal moving
水平方向移動部(被駆動体)10は、第1、第2摩擦部材11、12、及び水平方向移動枠19を有する。水平方向移動部10は、第1方向xに移動可能である。従って、水平方向移動部10に、移動させたい部材を固定することにより、その部材を第1方向xに移動させることができる。
The horizontal movement unit (driven body) 10 includes first and
第1、第2摩擦部材11、12は、直方体形状で、第2方向yに垂直な平面の一方は、圧電体振動子30と接触し、圧電体振動子30の振動により水平方向移動枠19と共に第1方向xに移動可能であり、他方は水平方向移動枠19の内側に取り付けられる。
The first and
水平方向移動枠19は、内側に第3方向zに垂直な矩形の孔を有する平板状の枠であり、かかる内側の矩形孔に第1、第2摩擦部材11、12が取り付けられ、圧電体振動子30が配置される。
The
圧電体振動子30は、中空円柱形状の第1、第2圧電素子(圧電セラミックリング)31、32と、薄い金属の弾性板で構成されるシム34から構成され、シム34の両面(円柱形状の外壁部及び第3方向zと垂直な上面、下面)には第1、第2圧電素子31、32が固着される(図2参照)。
The
第1、第2圧電素子31、32の第3方向zから見た表面には電極が設けられる。電極は第3方向zからみて3つに分割され、第1圧電素子31の第1、第2、第3電極31a、31b、31c、第2圧電素子32の第4、第5、第6電極32a、32b、32cが取り付けられる。なお、電極、及び圧電素子は、シム34の上面、下面のいずれか一方にだけ取り付けられた形態であってもよいが、第1実施形態のように両面に取り付けられた形態の方が、より強い駆動力を得ることが出来る。
Electrodes are provided on the surfaces of the first and second
第1〜第3電極31a〜31cは第1方向xに並べて配置される。屈曲モード振動を励起するための交流電圧印加に使用される第1、第3電極31a、31cは、シム本体部34a(第1圧電素子31)上の第1方向xの端部を含む外周部に配置され、伸縮モード振動を励起するための交流電圧印加に使用される第2電極31bは、シム本体部34a(第1圧電素子31)上の中央部に配置される。第1、第3電極31a、31cは、圧電体振動子30のxy平面上の中心にxy平面上で対向する位置関係に配置される。
The first to
第1電極31aと第4電極32aとは、第3方向zで対向するように配置され、同じ波形の第1交流電圧VE1が回路部70から印加される。第2電極31bと第5電極32bとは、第3方向zで対向するように配置され、同じ波形の第2交流電圧VE2が回路部70から印加される。第3電極31cと第6電極32cとは、第3方向zで対向するように配置され、同じ波形の第2交流電圧VE2が回路部70から印加される。
The
第1〜第3電極31a〜31cが並べられて、第1圧電素子31には、真円の環状体形状(ドーナツ形状)の電極群が構成される。第4〜第6電極32a〜32cが並べられて、第2圧電素子32には、真円の環状体形状(ドーナツ形状)の電極群が構成される。
The first to
第1交流電圧VE1と第2交流電圧VE2は、逆位相の関係にある。第1、第3、第4、第6電極31a、31c、32a、32cへの第1、第2交流電圧VE1、VE2の印加により、圧電体振動子30は第1方向xに屈曲振動する屈曲モード振動が励起される。第2、第5電極31b、32bへの第2交流電圧VE2の印加により、圧電体振動子30は半径方向(シム本体部34aの上面及び下面の中心から外壁部への放射方向)に伸縮する伸縮モード振動が励起される。第1、第2交流電圧VE1、VE2の駆動周波数は同じ第1駆動周波数f1または第2駆動周波数f2に設定される。
First AC voltage VE 1 and the second AC voltage VE 2 are in a relationship of opposite phases. By applying the first and second AC voltages VE 1 and VE 2 to the first, third, fourth, and
水平方向移動部10の第1方向xの移動量は、第1増幅器73aなどにおける増幅率、及び各電圧へ印加時間を変化させることによって調整される。
The amount of movement of the
シム34は、第1、第2圧電素子31、32を両面に固着した中空円柱形状のシム本体部34a、固定台50に支持される第1、第2、第3、第4支持部35a、35b、35c、35dを有する(図2、3参照)。シム本体部34aは、円柱形状の外壁部で、第1摩擦部材11の付勢力と、第1摩擦部材11の付勢力に対する第2摩擦部材12の反力によって第2方向yに付勢される。
The
第1、第2、第3、第4支持部35a、35b、35c、35dは、シム本体部34aから被駆動体を移動させる第1方向xとの間を成す角が45度(または135度)を有する方向に突出した部分で、それぞれが有する孔に固定部材53が挿入されることによって固定台50に取り付けられる。これにより、シム34を含む圧電体振動子30は固定台50に固定されて移動しない。一方、圧電体振動子30の振動により水平方向移動部10は第1方向xに移動可能である。
The first, second, third, and
シム34は、ステンレス鋼(18%のCrと8%のNiを含むステンレス鋼:SUS304)で構成される。
The
圧電体振動子30の、シム本体部34aから被駆動体を移動させる第1方向xとの間を成す角が第1角度θ1を有する第1剛性方向ζの縦弾性係数が、第1剛性方向ζと異なる方向と異なる値を有する。第1実施形態では、圧電体振動子30の第1剛性方向ζの縦弾性係数を他の方向と異ならしめる(小さくする)ために、シム34に第1剛性方向ζに第1、第2スリットS1、S2を設ける(図2、図4参照)。但し、図1は移動装置の概略を示すため、圧電体振動子30における第1、第2スリットS1、S2や電極などについては省略している。
The longitudinal elastic modulus of the first stiffness direction ζ in which the angle between the
第1スリットS1は、第1支持部35aからシム本体部34aにかけて第1剛性方向ζに延びる長穴であり、第2スリットS2は、第3支持部35cからシム本体部34aにかけて第1剛性方向ζに延びる長穴である。第1、第2スリットS1、S2の存在により、シム34(圧電体振動子30)の、第1剛性方向ζの縦弾性係数は、他の方向に比べて小さくなる(剛性が弱くなる、曲がりやすくなる)。
The first slit S1 is a long hole extending in the first stiffness direction ζ from the
第1角度θ1が、45度であるのが望ましいが、0度、及び90度でない他の角度であってもよい。但し、45度から離れるに従って、後述する第2ピークの振幅が小さくなり、第2駆動周波数f2における駆動力が弱くなり、第1駆動周波数f1における駆動力との差異も大きくなる。 The first angle θ1 is desirably 45 degrees, but may be other angles other than 0 degrees and 90 degrees. However, as the distance from 45 degrees increases, the amplitude of the second peak described later decreases, the driving force at the second driving frequency f2 decreases, and the difference from the driving force at the first driving frequency f1 also increases.
それぞれの電極に電圧が印加されない状態においては、第1、第2圧電素子31、32は変形を起こさず静止している。第1、第4電極31a、32aに第1交流電圧VE1が印加され、第3、第6電極31c、32cに第2交流電圧VE2が印加されると、圧電体振動子30は、第1方向xに屈曲振動する屈曲モード振動(シム34の中心穴34hが第1方向xに往復運動するような駆動方向の横振動)が励起される。第2、第5電極31b、32bに第2交流電圧VE2が印加されると、圧電体振動子30は、半径方向(シム本体部34aの上面及び下面の中心から外壁部への放射方向)に伸縮する伸縮モード振動(シム34の中心穴34hが膨張収縮を繰り返すような縦振動)が励起される。屈曲モード振動、及び伸縮モード振動により、シム本体部34aの外壁部で、第1、第2摩擦部材11、12と接触する部分(第1、第2摩擦部材11、12のシム本体部34aの外壁部を第2方向yに付勢する部分)は、楕円運動を行う。
In a state where no voltage is applied to each electrode, the first and second
この楕円運動により、シム本体部34aの外壁部分を第2方向yに付勢した状態で接触する第1、第2摩擦部材11、12は、固定台50及び圧電体振動子30に対して第1方向xに移動せしめられ、これに伴って水平方向移動部10が第1方向xに移動せしめられる。
Due to this elliptical motion, the first and
圧電体振動子30の内径(シム34の中心穴34hの径)と外径の寸法比率を調整することにより、半径方向の振動(縦振動)の共振周波数fR、及び駆動方向の振動(横振動)共振周波数fXが決定される。第1実施形態では、半径方向の振動の共振周波数fRが、第1、第2駆動周波数f1、f2の中間値になるように寸法比率が設定される。
By adjusting the dimensional ratio between the inner diameter of the piezoelectric vibrator 30 (the diameter of the
駆動周波数を変えながら第1、第3、第4、第6電極31a、31c、32a、32cへの第1、第2交流電圧VE1、VE2の電圧印加だけを行い、第2、第5電極31b、32bへの第2交流電圧VE2の電圧印加を行わない状態(第1方向の屈曲モード振動を励起し、半径方向の伸縮モード振動を励起しない状態)で、シム本体部34aの外壁部で第1、第2摩擦部材11、12と接触する部分の第1方向xの振幅が2つのピーク(極大点)を示す時の、第1、第2交流電圧VE1、VE2を駆動する周波数が、第1、第2駆動周波数f1、f2に設定される。図5は、シム本体部34aの外壁部で第1摩擦部材11と接触する部分の振幅と、駆動周波数の関係を示す。第1実施形態では、高い方のピーク(第1ピーク)の振幅を示す時の周波数を第1周波数f1(=横振動の共振周波数fX)、低い方のピーク(第2ピーク)の振幅を示す時の周波数を第2周波数f2(>第1周波数f1)と設定する。
While changing the driving frequency, only the first and second AC voltages VE 1 and VE 2 are applied to the first, third, fourth, and
第1実施形態では、スリット(第1、第2スリットS1、S2)を設けて、第1剛性方向ζの縦弾性係数を小さくしているため、第1周波数f1が、屈曲モード振動において、第1剛性方向ζに垂直な第2剛性方向ηに共振する周波数となり、第2周波数f2が、屈曲モード振動において第1剛性方向ζに共振する周波数となる。 In the first embodiment, since the slits (first and second slits S1, S2) are provided to reduce the longitudinal elastic modulus in the first stiffness direction ζ, the first frequency f1 is The frequency resonates in the second stiffness direction η perpendicular to the first stiffness direction ζ, and the second frequency f2 becomes the frequency that resonates in the first stiffness direction ζ in the bending mode vibration.
第1実施形態とは逆に、第1剛性方向ζの縦弾性係数を大きくした場合には、第1周波数f1が、屈曲モード振動において、第1剛性方向ζに共振する周波数となり、第2周波数f2が、屈曲モード振動において第2剛性方向ηに共振する周波数となる。 Contrary to the first embodiment, when the longitudinal elastic modulus in the first stiffness direction ζ is increased, the first frequency f1 becomes a frequency that resonates in the first stiffness direction ζ in the bending mode vibration, and the second frequency. f2 is a frequency that resonates in the second stiffness direction η in the bending mode vibration.
第1駆動周波数f1で、第1、第2交流電圧VE1、VE2の電圧印加を行った場合、伸縮モード振動の位相が、屈曲モード振動の位相に比べて約90度進んでおり、第2駆動周波数f2で、第1、第2交流電圧VE1、VE2の電圧印加を行った場合は、屈曲モード振動の位相が、伸縮モード振動の位相に比べて約90度進む。このため、シム本体部34aの外壁部であって、第1、第2摩擦部材11、12と接触する点の楕円軌道は、第1駆動周波数f1で、第1、第2交流電圧VE1、VE2の電圧印加を行った場合と、第2駆動周波数f2で、第1、第2交流電圧VE1、VE2の電圧印加を行った場合とで、逆方向の回転になる。
When the first and second AC voltages VE 1 and VE 2 are applied at the first drive frequency f1, the phase of the expansion / contraction mode vibration is about 90 degrees ahead of the phase of the bending mode vibration, When voltage application of the first and second AC voltages VE 1 and VE 2 is performed at the two drive frequencies f2, the phase of the bending mode vibration advances about 90 degrees compared to the phase of the expansion / contraction mode vibration. For this reason, the elliptical orbit at the point of contact with the first and
そのため、第1、第2交流電圧VE1、VE2の駆動周波数を、第1駆動周波数f1と第2駆動周波数f2とで切り替えることにより、水平方向移動部10を、第1方向xで且つ互いに逆方向に移動させることが可能になる。これにより、駆動方向を逆転させるために、駆動電極または位相を切り替える必要性がなくなるため、回路構成を簡素化することが可能になる。
Therefore, by switching the driving frequency of the first and second AC voltages VE 1 and VE 2 between the first driving frequency f1 and the second driving frequency f2, the horizontal
移動制御の際、伸縮モード振動と屈曲モード振動の位相差は90度に近いことが望ましいが、第1剛性方向ζと他の方向との縦弾性係数の差異によって位相差が90度にならない場合が考えられる。この場合は、スリットを削るなどして第1、第2スリットS1、S2の形状(第1剛性方向ζの長さ)を変えることにより、第1、第2周波数f1、f2の値を調整し、第1、第2周波数f1、f2を駆動周波数とした場合に、位相差が90度に近くなるようにする。 During movement control, the phase difference between the expansion mode vibration and the bending mode vibration is preferably close to 90 degrees, but the phase difference does not become 90 degrees due to the difference in the longitudinal elastic modulus between the first stiffness direction ζ and the other direction. Can be considered. In this case, the values of the first and second frequencies f1 and f2 are adjusted by changing the shapes of the first and second slits S1 and S2 (the length in the first stiffness direction ζ) by cutting the slits or the like. When the first and second frequencies f1 and f2 are drive frequencies, the phase difference is set to be close to 90 degrees.
第1実施形態では、第1、第2摩擦部材11、12のシム本体部34aの外壁部と接触(付勢)する点は、いずれも、屈曲振動と伸縮振動が励起されて楕円運動を行って駆動に寄与する。そのため、駆動に際して、接触する部分が駆動力を妨げることはなく、効率よく移動制御を行うことが可能になる。
In the first embodiment, the point of contact (biasing) with the outer wall portion of the shim
固定台50は、固定台本体部50a、水平方向移動部10を第1方向xに摺動自在に支持する係合部材(不図示)、及び圧電体振動子30を固定する固定部材53を有する。
The fixed
回路部70は、駆動信号発生部71、位相反転器72、及び第1、第2増幅器73a、73bを有する(図6参照)。
The
駆動信号発生部71は、第1駆動周波数f1又は第2駆動周波数f2の正弦波を、出力時間(交流電圧の印加時間)を調整した状態で、出力する。駆動信号発生部71で出力する正弦波の駆動周波数は、水平方向移動部10を移動させる方向(第1方向xのいずれかの方向)に応じて、第1駆動周波数f1または第2駆動周波数f2に切り替えられる。駆動信号発生部71は、第2増幅器73b、位相反転器72と接続される。位相反転器72は、駆動信号発生部71から出力された駆動信号の位相を反転させる。位相反転器72は、第1増幅器73aに接続される。
The
第1増幅器73aは、屈曲モード振動を励起するための第1、第4電極31a、32aと接続され、第1交流電圧VE1として印加する交流電圧の振幅を調整する。第2増幅器73bは、伸縮モード振動を励起するための第2、第5電極31b、32bと接続され、第2交流電圧VE2として印加する交流電圧の振幅を調整する。また、第2増幅器73bは、屈曲モード振動を励起するための第3、第6電極31c、32cと接続され、第2交流電圧VE2として印加する交流電圧の振幅を調整する。
The
但し、位相反転器72、及び第1増幅器73aを設けず、第1、第4電極31a、32aに交流電圧を印加しない形態であってもよい(図9参照)。
However, the
第1実施形態では、圧電体振動子30の第1剛性方向ζの縦弾性係数を他の方向と異ならしめる(下げる)ために、シム34に第1剛性方向ζに第1、第2スリットS1、S2を設ける(図2、図4参照)形態を説明するが、縦弾性係数の調整は、他の形態であってもよい。
In the first embodiment, in order to make the longitudinal elastic coefficient in the first stiffness direction ζ of the
例えば、シム34の中心穴34hが真円でなく、長軸が第1剛性方向ζに平行で、短軸が第1剛性方向ζに垂直な第2剛性方向ηに平行な楕円形状を有する形態であってもよい(図11参照)。この場合、圧電体振動子30の第1剛性方向ζの縦弾性係数が、他の方向に比べて小さくなり、また、第2剛性方向ηの縦弾性係数が他の方向に比べて大きくなるため、第1周波数f1と第2周波数f2の差が大きくなる。そのため、一箇所の形状(中心穴34hの形状)を変更するだけで、第1、第2周波数f1、f2を駆動周波数とした場合の伸縮モード振動と屈曲モード振動の位相差を90度に近づけるための調整が可能になる。
For example, the
また、他の例として、第1〜第3電極31a〜31c、や第4〜第6電極32a〜32cによって構成される電極群が、長軸が第1剛性方向ζに平行で、短軸が第2剛性方向ηに平行な楕円の環状体形状(ドーナツ形状)で構成される形態であってもよい(図12参照)。この場合、圧電体振動子30の第1剛性方向ζの縦弾性係数が、他の方向に比べて大きくなり、また、第2剛性方向ηの縦弾性係数が他の方向に比べて小さくなるため、第1周波数f1と第2周波数f2の差が大きくなる。
As another example, the electrode group constituted by the first to
次に、第2実施形態について説明する(図7参照)。第2実施形態は、第1〜第3電極31a〜31c、及び第4〜第6電極32a〜32cの配置が第1実施形態と異なる。
Next, a second embodiment will be described (see FIG. 7). The second embodiment is different from the first embodiment in the arrangement of the first to
屈曲モード振動を励起するための第1、第3電極31a、31cが第1方向xに並べて配置され、その第1、第3電極31a、31cの外周に伸縮モード振動を励起するための第2電極31bが配置される。第2電極31bは、シム本体部34a(第1圧電素子31)上の第1方向xの端部を含む外周部に配置され、第1、第3電極31a、31cは、シム本体部34a(第1圧電素子31)上の中央部に配置される。第1、第3電極31a、31cは、圧電体振動子30のxy平面上の中心にxy平面上で対向する位置関係に配置される。
First and
第1〜第3電極31a〜31cと、第4〜第6電極32a〜32cとの位置関係など、他の形態は第1実施形態と同様であり、位相反転器72、及び第1増幅器73aを設けず、第1、第4電極31a、32aに交流電圧を印加しない形態であってもよい(図10参照)。
Other forms such as the positional relationship between the first to
次に、第3実施形態について説明する(図8参照)。第3実施形態は、電極配置、及び回路部70の構成が第1実施形態と異なる。
Next, a third embodiment will be described (see FIG. 8). The third embodiment is different from the first embodiment in the electrode arrangement and the configuration of the
第1、第2圧電素子31、32の第3方向zから見た表面には電極が設けられる。電極は第3方向zからみて2つに分割され、第1圧電素子31の第1、第2電極310a、310b、第2圧電素子32の第3、第4電極320a、320bが取り付けられる。
Electrodes are provided on the surfaces of the first and second
第1、第2電極310a、310bは第1方向xに並べて配置される。第1、第2電極310a、310cは、シム本体部34a(第1圧電素子31)上の第1方向xの端部を含む外周部から中心部にかけて配置される。第1、第2電極310a、310bは、圧電体振動子30のxy平面上の中心にxy平面上で対向する位置関係に配置される。
The first and
第1電極310aと第3電極320aとは、第3方向zで対向するように配置され、交流電圧の印加が行われない。第2電極310bと第4電極320bとは、第3方向zで対向するように配置され、屈曲モード振動及び伸縮モード振動を励起するために同じ波形の交流電圧VEが回路部70から印加される。
The
回路部70は、駆動信号発生部71、及び増幅器73を有する。
The
駆動信号発生部71は、第1駆動周波数f1又は第2駆動周波数f2の正弦波を、出力時間(交流電圧の印加時間)を調整した状態で、出力する。駆動信号発生部71で出力する正弦波の駆動周波数は、水平方向移動部10を移動させる方向(第1方向xのいずれかの方向)に応じて、第1駆動周波数f1または第2駆動周波数f2に切り替えられる。駆動信号発生部71は、増幅器73と接続される。
The
増幅器73は、交流電圧VEの振幅を調整する。増幅器73から出力された交流電圧VEは、第2、第4電極310b、320bに印加される。
The
その他の構成は、第1実施形態と同様である。 Other configurations are the same as those of the first embodiment.
なお、第1〜第3実施形態においては、装置の小型化、圧電体振動子の駆動効率の向上を優先的に考慮して、第1、第2圧電素子31、32、及びシム本体部34aの形状を中空円柱形状であるとしたが、mを4の倍数として正m角形や円柱形状など他の形状であっても一次元に移動させることは可能である。また、駆動信号を2系統(入力信号の数が2、図6、図7参照)設ける形態であっても、コストダウンなどの必要に応じて、1系統(入力信号の数が1、図8〜10参照)だけ設ける形態であってもよい。
In the first to third embodiments, the first and second
また、駆動信号発生部71からの正弦波の周波数(交流電圧の駆動周波数)を第1、第2駆動周波数f1、f2のいずれかに設定するとして説明したが、移動量の調整のために、第1、第2駆動周波数f1、f2と異なる値(第1、第2駆動周波数f1、f2近傍であって、励起される伸縮モード振動と屈曲モード振動との位相差が0にならない値)の周波数を用いても良い。この場合、第1、第2駆動周波数f1、f2に周波数を近づけるほど駆動力が大きくなり、多くの移動量が得られ、遠ざけるほど駆動力が小さくなり、少ない移動量になる。 In addition, the frequency of the sine wave from the drive signal generator 71 (AC voltage drive frequency) has been described as being set to one of the first and second drive frequencies f1 and f2, but in order to adjust the movement amount, A value different from the first and second drive frequencies f1 and f2 (a value in the vicinity of the first and second drive frequencies f1 and f2 and a phase difference between the excited expansion mode vibration and the bending mode vibration does not become zero). A frequency may be used. In this case, the closer the frequency is to the first and second drive frequencies f1 and f2, the greater the driving force is obtained, and a larger amount of movement is obtained, and the farther away the frequency is, the smaller the driving force is and the smaller the amount of movement.
10 水平方向移動部
11、12 第1、第2摩擦部材
19 水平方向移動枠
30 圧電体振動子
31、32 第1、第2圧電素子
31a、31b、31c 第1、第2、第3電極(第1、第2実施形態)
32a、32b、32c 第4、第5、第6電極(第1、第2実施形態)
310a、310b 第1、第2電極(第3実施形態)
320a、320b 第3、第4電極(第3実施形態)
34 シム
34a シム本体部
35a、35b、35c、35d 第1、第2、第3、第4支持部
50 固定台
50a 固定台本体部
53 固定部材
70 回路部
71 駆動信号発生部
72 位相反転器
73 増幅器
73a、73b 第1、第2増幅器
S1、S2 第1、第2スリット
VE1、VE2 第1、第2交流電圧
θ1 第1角度
DESCRIPTION OF
32a, 32b, 32c Fourth, fifth and sixth electrodes (first and second embodiments)
310a, 310b First and second electrodes (third embodiment)
320a, 320b Third and fourth electrodes (third embodiment)
34
Claims (9)
前記シムは、前記圧電素子が取り付けられる上面部および/または下面部と前記上面部
に垂直な外壁部とを有し、前記上面部の平面内の1つの方向を第1方向とし前記第1方向
に直交する方向を第2方向とすると、前記上面部の第1剛性方向は、前記第1方向の一方または他方との間を成す角が0度より大きく90度より小さい第1角度であり、
前記シムは、前記第1剛性方向または前記第1剛性方向に垂直な第2剛性方向に延びるスリットを有し、前記第1剛性方向の剛性が、前記第1剛性方向と異なる方向の剛性と異なり、
前記圧電素子は、前記上面部側および/または下面部側と反対側の面に電極を有し、
前記外壁部は前記第2方向に沿って被駆動体により付勢され、
前記圧電体振動子を、前記上面部の中心から前記外壁部への放射方向に伸縮する伸縮モード振動を励起しない状態で、前記第1方向に屈曲振動する屈曲モード振動を励起するように、前記圧電素子に駆動周波数を変えながら前記電極に電圧印加した場合であって、前記被駆動体が前記外壁部を付勢する点における前記第1方向の振幅が極大となる第1ピークを示す時の第1駆動周波数と前記第1駆動周波数よりも高い周波数であって前記振幅が極大となる第2ピークを示す時の第2駆動周波数との中間値近傍に、前記圧電体振動子の前記伸縮モード振動の共振周波数が設定され、
前記被駆動体を前記第1方向の一方に移動させる時は、前記圧電素子に、前記第1駆動周波数近傍の値を駆動周波数とする交流電圧を前記電極に印加し、前記外壁部を付勢する点において、前記屈曲モード振動と、前記伸縮モード振動が励起され、
前記被駆動体を前記第1方向の他方に移動させる時は、前記圧電素子に、前記第2駆動周波数近傍の値を駆動周波数とする交流電圧を前記電極に印加し、前記外壁部を付勢する点において、前記屈曲モード振動と、前記伸縮モード振動が励起されることにより、前記被駆動体が前記第1方向へ移動されることを特徴とする圧電体振動子。 A shim and a piezoelectric element, which are circular or polygonal metal elastic plates formed by rolling ,
The shim includes an upper surface portion and / or a lower surface portion to which the piezoelectric element is attached and the upper surface portion.
A and a vertical outer wall, the one direction in the plane of the top surface portion to the first direction to the first direction
When the direction perpendicular to the second direction is the second direction, the first rigid direction of the upper surface portion is a first angle that is larger than 0 degree and smaller than 90 degrees with one or the other of the first direction,
The shim has a slit extending in a second rigid direction perpendicular to the first rigid direction or the first rigid direction, the rigidity of the first rigid direction, different from the first stiffness direction different from the direction of the rigid The
The piezoelectric element has an electrode on a surface opposite to the upper surface portion side and / or the lower surface portion side,
The outer wall portion is urged by the driven body along the second direction,
The piezoelectric vibrator is excited so as to excite bending mode vibration that bends and vibrates in the first direction without exciting expansion and contraction mode vibration that expands and contracts in the radial direction from the center of the upper surface portion to the outer wall portion. When a voltage is applied to the electrode while changing the driving frequency to the piezoelectric element, and when the driven body shows a first peak at which the amplitude in the first direction becomes maximum at the point where the driven body urges the outer wall portion The expansion / contraction mode of the piezoelectric vibrator is in the vicinity of an intermediate value between a first drive frequency and a second drive frequency that is higher than the first drive frequency and has a second peak at which the amplitude is maximized. The resonance frequency of the vibration is set,
When the driven body is moved in one of the first directions, an AC voltage having a driving frequency in the vicinity of the first driving frequency is applied to the piezoelectric element, and the outer wall portion is biased. The bending mode vibration and the expansion / contraction mode vibration are excited at the point of
When the driven body is moved in the other direction in the first direction, an AC voltage having a driving frequency in the vicinity of the second driving frequency is applied to the piezoelectric element, and the outer wall portion is biased. in terms of the a bending mode vibration, the Rukoto the stretching mode vibration is excited, the piezoelectric vibrator, wherein the driven body is characterized Rukoto is moved to the first direction.
前記第1、第3電極の少なくとも一方は、前記屈曲モード振動を励起するための交流電圧印加に使用され、前記第1方向の両端部を含む外周部に配置され、
第2電極は、前記伸縮モード振動を励起するための交流電圧印加に使用され、中央部に配置されることを特徴とする請求項1に記載の圧電体振動子。 The piezoelectric element is attached with first to third electrodes arranged side by side in the first direction,
At least one of the first and third electrodes is used for applying an alternating voltage to excite the bending mode vibration, and is disposed on an outer peripheral portion including both end portions in the first direction,
2. The piezoelectric vibrator according to claim 1, wherein the second electrode is used for applying an alternating voltage to excite the expansion / contraction mode vibration, and is disposed in a central portion.
前記第1、第3電極の少なくとも一方は、前記屈曲モード振動を励起するための交流電圧印加に使用され、中央部に配置され、
第2電極は、前記伸縮モード振動を励起するための交流電圧印加に使用され、前記第1方向の両端部を含む外周部に配置されることを特徴とする請求項1に記載の圧電体振動子。 The piezoelectric element is attached with first to third electrodes arranged side by side in the first direction,
At least one of the first and third electrodes is used for applying an alternating voltage to excite the bending mode vibration, and is disposed in a central portion.
2. The piezoelectric vibration according to claim 1, wherein the second electrode is used for applying an alternating voltage to excite the stretching mode vibration, and is disposed on an outer peripheral portion including both end portions in the first direction. Child.
前記第1、第2電極の少なくとも一方は、前記屈曲モード振動、及び前記伸縮モード振動を励起するための交流電圧印加に使用されることを特徴とする請求項1に記載の圧電体振動子。 First and second electrodes arranged side by side in the first direction are attached to the piezoelectric element,
2. The piezoelectric vibrator according to claim 1, wherein at least one of the first and second electrodes is used for applying an alternating voltage for exciting the bending mode vibration and the expansion / contraction mode vibration.
前記シムは、前記圧電素子が取り付けられる上面部および/または下面部と前記上面部
に垂直な外壁部とを有し、前記上面部の平面内の1つの方向を第1方向とし前記第1方向
に直交する方向を第2方向とすると、前記上面部の第1剛性方向と前記第1方向の一方または他方との間を成す角が0度より大きく90度より小さい第1角度であり、
前記シムの中心穴は、長軸と短軸の一方が前記第1剛性方向に平行で、前記長軸と短軸の他方が前記第1剛性方向に垂直な第2剛性方向に平行な楕円形状を有し、前記第1剛性方向の剛性が、前記第1剛性方向と異なる方向の剛性と異なり、
前記圧電素子は、前記上面部側および/または下面部側と反対側の面に電極を有し、
前記外壁部は前記第2方向に沿って被駆動体により付勢され、
前記圧電体振動子を、前記上面部の中心から前記外壁部への放射方向に伸縮する伸縮モード振動を励起しない状態で、前記第1方向に屈曲振動する屈曲モード振動を励起するように、前記圧電素子に駆動周波数を変えながら前記電極に電圧印加した場合であって、前記被駆動体が前記外壁部を付勢する点における前記第1方向の振幅が極大となる第1ピークを示す時の第1駆動周波数と前記第1駆動周波数よりも高い周波数であって前記振幅が極大となる第2ピークを示す時の第2駆動周波数との中間値近傍に、前記圧電体振動子の前記伸縮モード振動の共振周波数が設定され、
前記被駆動体を前記第1方向の一方に移動させる時は、前記圧電素子に、前記第1駆動周波数近傍の値を駆動周波数とする交流電圧を前記電極に印加し、前記外壁部を付勢する点において、前記屈曲モード振動と、前記伸縮モード振動が励起され、
前記被駆動体を前記第1方向の他方に移動させる時は、前記圧電素子に、前記第2駆動周波数近傍の値を駆動周波数とする交流電圧を前記電極に印加し、前記外壁部を付勢する点において、前記屈曲モード振動と、前記伸縮モード振動が励起されることにより、前記被駆動体が前記第1方向へ移動されることを特徴とする圧電体振動子。
A shim and a piezoelectric element, which are circular or polygonal metal elastic plates formed by rolling ,
The shim includes an upper surface portion and / or a lower surface portion to which the piezoelectric element is attached and the upper surface portion.
A and a vertical outer wall, the one direction in the plane of the upper surface portion and the first direction to the first direction
When the direction orthogonal to the second direction is a second direction, the angle between the first rigid direction of the upper surface portion and one or the other of the first direction is a first angle that is greater than 0 degree and less than 90 degrees,
The center hole of the shim has an elliptical shape in which one of the long axis and the short axis is parallel to the first rigidity direction, and the other of the long axis and the short axis is parallel to the second rigidity direction perpendicular to the first rigidity direction. the a, rigidity of the first rigid direction, unlike the first rigid direction different from the direction of the rigid,
The piezoelectric element has an electrode on a surface opposite to the upper surface portion side and / or the lower surface portion side,
The outer wall portion is urged by the driven body along the second direction,
The piezoelectric vibrator is excited so as to excite bending mode vibration that bends and vibrates in the first direction without exciting expansion and contraction mode vibration that expands and contracts in the radial direction from the center of the upper surface portion to the outer wall portion. When a voltage is applied to the electrode while changing the driving frequency to the piezoelectric element, and when the driven body shows a first peak at which the amplitude in the first direction becomes maximum at the point where the driven body urges the outer wall portion The expansion / contraction mode of the piezoelectric vibrator is in the vicinity of an intermediate value between a first drive frequency and a second drive frequency that is higher than the first drive frequency and has a second peak at which the amplitude is maximized. The resonance frequency of the vibration is set,
When the driven body is moved in one of the first directions, an AC voltage having a driving frequency in the vicinity of the first driving frequency is applied to the piezoelectric element, and the outer wall portion is biased. The bending mode vibration and the expansion / contraction mode vibration are excited at the point of
When the driven body is moved in the other direction in the first direction, an AC voltage having a driving frequency in the vicinity of the second driving frequency is applied to the piezoelectric element, and the outer wall portion is biased. in terms of the a bending mode vibration, the Rukoto the stretching mode vibration is excited, the piezoelectric vibrator, wherein the driven body is characterized Rukoto is moved to the first direction.
前記シムは、前記圧電素子が取り付けられる上面部および/または下面部と前記上面部
に垂直な外壁部とを有し、前記上面部の平面内の1つの方向を第1方向とし前記第1方向
に直交する方向を第2方向とすると、前記上面部の第1剛性方向と前記第1方向の一方または他方との間を成す角が0度より大きく90度より小さい第1角度であり、
前記圧電素子に取り付けられる電極群が、長軸と短軸の一方が第1剛性方向に平行で、前記長軸と短軸の他方が前記第1剛性方向に垂直な第2剛性方向に平行な楕円の環状体形状で構成され、前記第1剛性方向の剛性が、前記第1剛性方向と異なる方向の剛性と異なり、
前記圧電素子は、前記上面部側および/または下面部側と反対側の面に電極を有し、
前記外壁部は前記第2方向に沿って被駆動体により付勢され、
前記圧電体振動子を、前記上面部の中心から前記外壁部への放射方向に伸縮する伸縮モード振動を励起しない状態で、前記第1方向に屈曲振動する屈曲モード振動を励起するように、前記圧電素子に駆動周波数を変えながら前記電極に電圧印加した場合であって、前記被駆動体が前記外壁部を付勢する点における前記第1方向の振幅が極大となる第1ピークを示す時の第1駆動周波数と前記第1駆動周波数よりも高い周波数であって前記振幅が極大となる第2ピークを示す時の第2駆動周波数との中間値近傍に、前記圧電体振動子の前記伸縮モード振動の共振周波数が設定され、
前記被駆動体を前記第1方向の一方に移動させる時は、前記圧電素子に、前記第1駆動周波数近傍の値を駆動周波数とする交流電圧を前記電極に印加し、前記外壁部を付勢する点において、前記屈曲モード振動と、前記伸縮モード振動が励起され、
前記被駆動体を前記第1方向の他方に移動させる時は、前記圧電素子に、前記第2駆動周波数近傍の値を駆動周波数とする交流電圧を前記電極に印加し、前記外壁部を付勢する点において、前記屈曲モード振動と、前記伸縮モード振動が励起されることにより、前記被駆動体が前記第1方向へ移動されることを特徴とする圧電体振動子。 A shim and a piezoelectric element, which are circular or polygonal metal elastic plates formed by rolling ,
The shim includes an upper surface portion and / or a lower surface portion to which the piezoelectric element is attached and the upper surface portion.
A and a vertical outer wall, the one direction in the plane of the upper surface portion and the first direction to the first direction
When the direction orthogonal to the second direction is a second direction, the angle between the first rigid direction of the upper surface portion and one or the other of the first direction is a first angle that is greater than 0 degree and less than 90 degrees,
In the electrode group attached to the piezoelectric element, one of the long axis and the short axis is parallel to the first rigidity direction, and the other of the long axis and the short axis is parallel to the second rigidity direction perpendicular to the first rigidity direction. consists of elliptical toroid shape, rigidity of the first rigid direction, unlike the first rigid direction different from the direction of the rigid,
The piezoelectric element has an electrode on a surface opposite to the upper surface portion side and / or the lower surface portion side,
The outer wall portion is urged by the driven body along the second direction,
The piezoelectric vibrator is excited so as to excite bending mode vibration that bends and vibrates in the first direction without exciting expansion and contraction mode vibration that expands and contracts in the radial direction from the center of the upper surface portion to the outer wall portion. When a voltage is applied to the electrode while changing the driving frequency to the piezoelectric element, and when the driven body shows a first peak at which the amplitude in the first direction becomes maximum at the point where the driven body urges the outer wall portion The expansion / contraction mode of the piezoelectric vibrator is in the vicinity of an intermediate value between a first drive frequency and a second drive frequency that is higher than the first drive frequency and has a second peak at which the amplitude is maximized. The resonance frequency of the vibration is set,
When the driven body is moved in one of the first directions, an AC voltage having a driving frequency in the vicinity of the first driving frequency is applied to the piezoelectric element, and the outer wall portion is biased. The bending mode vibration and the expansion / contraction mode vibration are excited at the point of
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