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JP2005261080A - Actuator - Google Patents

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JP2005261080A
JP2005261080A JP2004069184A JP2004069184A JP2005261080A JP 2005261080 A JP2005261080 A JP 2005261080A JP 2004069184 A JP2004069184 A JP 2004069184A JP 2004069184 A JP2004069184 A JP 2004069184A JP 2005261080 A JP2005261080 A JP 2005261080A
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JP
Japan
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protrusion
actuator
piezoelectric element
resonance frequency
actuator according
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004069184A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Friend James
フレンド ジェームズ
Kentaro Nakamura
中村  健太郎
Sadayuki Ueha
貞行 上羽
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.)
Rikogaku Shinkokai
Original Assignee
Rikogaku Shinkokai
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 Rikogaku Shinkokai filed Critical Rikogaku Shinkokai
Priority to JP2004069184A priority Critical patent/JP2005261080A/en
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To switch the direction of movement by a frequency change by single-phase excitation related to an actuator that oscillates an oscillating body by the oscillation of a piezoelectric element and drives a driven member. <P>SOLUTION: This actuator, which oscillates the oscillating body by the oscillation of the piezoelectric element and drives the driven member by the oscillation of the oscillating body, is characterized in that first and second protrusions that contact with the driven member and are different in resonance frequencies are formed at the driven member side of the oscillating body at an interval so as to be inclined while reversely opposing each other, and the resonance frequency of the piezoelectric element is an intermediate value of the resonance frequencies of the first and the second protrusions. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、圧電素子の振動により振動体を振動させ被駆動部材を駆動するアクチュエータに関する。   The present invention relates to an actuator that drives a driven member by vibrating a vibrating body by vibration of a piezoelectric element.

従来、圧電素子の振動により振動体を振動させ被駆動部材を駆動する超音波リニアモータとして、例えば、特開2003−180091号公報に開示されるものが知られている。
この超音波リニアモータでは、弾性体に3個の振動素子が取り付けられ、3個の振動素子に周波数が同じで位相の異なる高周波電圧を印加することにより、被駆動体の駆動が行われる。
特開2003−180091号公報
2. Description of the Related Art Conventionally, as an ultrasonic linear motor that drives a driven member by vibrating a vibrating body by vibration of a piezoelectric element, for example, one disclosed in JP-A-2003-180091 is known.
In this ultrasonic linear motor, three vibration elements are attached to an elastic body, and the driven body is driven by applying high frequency voltages having the same frequency and different phases to the three vibration elements.
JP 2003-180091 A

しかしながら、上述した超音波リニアモータでは、弾性体に3個の振動素子を取り付け、3個の振動素子に周波数が同じで位相の異なる高周波電圧を印加して進行方向を切り換えているため、駆動回路が複雑になり、また、超音波リニアモータが大型化するという問題があった。
本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたもので、単相励振による周波数変化で進行方向を切り換えることができるアクチュエータを提供することを目的とする。
However, in the above-described ultrasonic linear motor, three vibration elements are attached to the elastic body, and the traveling direction is switched by applying high-frequency voltages having the same frequency and different phases to the three vibration elements. However, there is a problem that the size of the ultrasonic linear motor is increased.
The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to provide an actuator capable of switching the traveling direction by a frequency change caused by single-phase excitation.

請求項1のアクチュエータは、圧電素子の振動により振動体を振動させ、前記振動体の振動により被駆動部材を駆動するアクチュエータにおいて、前記振動体の前記被駆動部材側に、前記被駆動部材に接触し共振周波数の異なる第1の突起部および第2の突起部を、間隔を置いて逆向きに傾斜して形成するとともに、前記圧電素子の共振周波数を前記第1の突起部の共振周波数と前記第2の突起部の共振周波数との間の値にしてなることを特徴とする。   The actuator according to claim 1 is an actuator that vibrates a vibrating body by vibration of a piezoelectric element and drives a driven member by vibration of the vibrating body, and contacts the driven member on the driven member side of the vibrating body. The first protrusion and the second protrusion having different resonance frequencies are formed to be inclined in opposite directions at an interval, and the resonance frequency of the piezoelectric element is set to be equal to the resonance frequency of the first protrusion. It is a value between the resonance frequency of the second protrusions.

請求項2のアクチュエータは、請求項1記載のアクチュエータにおいて、前記第1の突起部の共振周波数と前記第2の突起部の共振周波数を、前記第1の突起部と第2の突起部の大きさを異ならせることにより異ならせてなることを特徴とする。
請求項3のアクチュエータは、請求項1または請求項2記載のアクチュエータにおいて、前記第1の突起部と第2の突起部とを、外側に向けて傾斜して形成してなることを特徴とする。
An actuator according to a second aspect is the actuator according to the first aspect, wherein the resonance frequency of the first protrusion and the resonance frequency of the second protrusion are determined by the magnitude of the first protrusion and the second protrusion. It is characterized by being made different by making it different.
The actuator according to claim 3 is the actuator according to claim 1 or 2, wherein the first protrusion and the second protrusion are formed to be inclined outward. .

請求項4のアクチュエータは、請求項1ないし請求項3のいずれか1項記載のアクチュエータにおいて、前記第1の突起部と第2の突起部の先端を、円弧状に形成してなることを特徴とする。
請求項5のアクチュエータは、請求項1ないし請求項4のいずれか1項記載のアクチュエータにおいて、前記振動体は、前記第1の突起部と第2の突起部が形成される本体部の両側に固定部を有し、前記本体部と前記固定部との間に括れ部が形成されていることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the actuator according to any one of the first to third aspects, the tips of the first protrusion and the second protrusion are formed in an arc shape. And
The actuator according to a fifth aspect is the actuator according to any one of the first to fourth aspects, wherein the vibrating body is provided on both sides of the main body portion on which the first protrusion and the second protrusion are formed. It has a fixing part, and a constriction part is formed between the main part and the fixing part.

請求項6のアクチュエータは、請求項1ないし請求項5のいずれか1項記載のアクチュエータにおいて、前記振動体は、導電性の金属からなり、前記第1の突起部と第2の突起部が形成される本体部の両側に固定部を有し、前記固定部が導電性の支持部材に固定されていることを特徴とする。
請求項7のアクチュエータは、請求項1ないし請求項6のいずれか1項記載のアクチュエータにおいて、前記圧電素子は、バルク圧電素子からなることを特徴とする。
The actuator according to claim 6 is the actuator according to any one of claims 1 to 5, wherein the vibrating body is made of a conductive metal, and the first protrusion and the second protrusion are formed. There are fixing portions on both sides of the main body portion, and the fixing portions are fixed to a conductive support member.
The actuator according to a seventh aspect is the actuator according to any one of the first to sixth aspects, wherein the piezoelectric element is a bulk piezoelectric element.

請求項8のアクチュエータは、請求項7記載のアクチュエータにおいて、前記圧電素子は、前記振動体側の断面積が小さい段差形状をしていることを特徴とする。
請求項9のアクチュエータは、請求項1ないし請求項8のいずれか1項記載のアクチュエータにおいて、前記アクチュエータは、マイクロ超音波リニアモータであり、前記被駆動部材が直線駆動されるスライダであることを特徴とする。
An actuator according to an eighth aspect is the actuator according to the seventh aspect, wherein the piezoelectric element has a stepped shape having a small cross-sectional area on the vibrating body side.
The actuator according to claim 9 is the actuator according to any one of claims 1 to 8, wherein the actuator is a micro ultrasonic linear motor, and the driven member is a slider driven linearly. Features.

(作用)
請求項1のアクチュエータでは、例えば、第1の突起部の共振周波数が、第2の突起部の共振周波数より小さく設定される。そして、圧電素子を第1の突起部の共振周波数と圧電素子の共振周波数との間の駆動周波数で縦振動させると、第1の突起部にたわみ振動が生じ被駆動部材が第1の突起部側に向けて移動される。
(Function)
In the actuator according to the first aspect, for example, the resonance frequency of the first protrusion is set smaller than the resonance frequency of the second protrusion. When the piezoelectric element is longitudinally vibrated at a driving frequency between the resonance frequency of the first protrusion and the resonance frequency of the piezoelectric element, flexural vibration is generated in the first protrusion, and the driven member becomes the first protrusion. Moved to the side.

一方、圧電素子を第2の突起部の共振周波数と圧電素子の共振周波数との間の駆動周波数で縦振動させると、第2の突起部にたわみ振動が生じ被駆動部材が第2の突起部側に向けて移動される。
請求項2のアクチュエータでは、第1の突起部と第2の突起部の大きさを異ならせることにより、第1の突起部の共振周波数と第2の突起部の共振周波数とが異なるものにされる。
On the other hand, when the piezoelectric element is longitudinally vibrated at a driving frequency between the resonance frequency of the second protrusion and the resonance frequency of the piezoelectric element, flexural vibration is generated in the second protrusion and the driven member becomes the second protrusion. Moved to the side.
In the actuator according to the second aspect, the resonance frequency of the first protrusion and the resonance frequency of the second protrusion are made different from each other by changing the sizes of the first protrusion and the second protrusion. The

請求項3のアクチュエータでは、外側に向けて傾斜される第1の突起部と第2の突起部に、被駆動部材が接触される。
請求項4のアクチュエータでは、円弧状に形成される第1の突起部と第2の突起部の先端に、被駆動部材が接触される。
請求項5のアクチュエータでは、第1の突起部と第2の突起部が形成される本体部の両側に、括れ部を介して、固定部が形成される。
In the actuator according to the third aspect, the driven member is brought into contact with the first protrusion and the second protrusion that are inclined outward.
In the actuator according to the fourth aspect, the driven member is brought into contact with the tips of the first protrusion and the second protrusion formed in an arc shape.
In the actuator according to the fifth aspect, the fixing portions are formed on both sides of the main body portion where the first protruding portion and the second protruding portion are formed via the constricted portion.

請求項6のアクチュエータでは、振動体および支持部材が導電性を有しており、圧電素子と支持部材との間に電圧が印加される。
請求項7のアクチュエータでは、圧電素子に、圧電薄膜より大きな電圧を印加可能なバルク圧電素子が使用される。
請求項8のアクチュエータでは、圧電素子が、振動体側の断面積が小さい段差形状とされている。
In the actuator according to the sixth aspect, the vibrating body and the support member have conductivity, and a voltage is applied between the piezoelectric element and the support member.
In the actuator according to the seventh aspect, a bulk piezoelectric element capable of applying a voltage larger than that of the piezoelectric thin film is used as the piezoelectric element.
In the actuator according to the eighth aspect, the piezoelectric element has a step shape having a small cross-sectional area on the vibrating body side.

請求項9のアクチュエータでは、マイクロ超音波リニアモータによりスライダが駆動される。   In the actuator according to the ninth aspect, the slider is driven by the micro ultrasonic linear motor.

請求項1のアクチュエータでは、振動体の被駆動部材側に、被駆動部材に接触し共振周波数の異なる第1の突起部および第2の突起部を間隔を置いて逆向きに傾斜して形成し、圧電素子の共振周波数を第1の突起部の共振周波数と第2の突起部の共振周波数との間の値にしたので、単相励振による周波数変化で進行方向を切り換えることができる。
請求項2のアクチュエータでは、第1の突起部と第2の突起部の大きさを異ならせて、第1の突起部の共振周波数と第2の突起部の共振周波数とを異ならせたので、共振周波数を容易,確実に異なるものにすることができる。
In the actuator according to the first aspect, the first protrusion and the second protrusion, which are in contact with the driven member and have different resonance frequencies, are formed on the driven member side of the vibrating body with an interval and a reverse inclination. Since the resonance frequency of the piezoelectric element is set to a value between the resonance frequency of the first protrusion and the resonance frequency of the second protrusion, the traveling direction can be switched by a frequency change due to single-phase excitation.
In the actuator of claim 2, since the first protrusion and the second protrusion are made different in size, the resonance frequency of the first protrusion and the resonance frequency of the second protrusion are made different. The resonance frequency can be easily and reliably made different.

請求項3のアクチュエータでは、第1の突起部と第2の突起部とを、外側に向けて傾斜して形成したので、被駆動部材への接触状態を安定したものにすることができる。
請求項4のアクチュエータでは、第1の突起部と第2の突起部の先端を円弧状に形成したので、第1の突起部と第2の突起部が変形した場合にも、被駆動部材への接触状態を一定に保つことができる。
In the actuator according to the third aspect, since the first protrusion and the second protrusion are inclined toward the outside, the contact state with the driven member can be stabilized.
In the actuator according to the fourth aspect, since the tip ends of the first protrusion and the second protrusion are formed in an arc shape, even when the first protrusion and the second protrusion are deformed, the driven member is moved to the driven member. The contact state can be kept constant.

請求項5のアクチュエータでは、振動体の本体部と固定部との間に括れ部を形成したので、固定部を固定することにより生じる本体部の振動への影響を低減することができる。
請求項6のアクチュエータでは、振動体および支持部材を導電性の部材により形成したので、圧電素子と支持部材との間に電圧を印加することにより、アクチュエータを作動することができる。
In the actuator according to the fifth aspect, since the constricted portion is formed between the main body portion and the fixing portion of the vibrating body, the influence on the vibration of the main body portion caused by fixing the fixing portion can be reduced.
In the actuator according to the sixth aspect, since the vibrating body and the support member are formed of conductive members, the actuator can be operated by applying a voltage between the piezoelectric element and the support member.

請求項7のアクチュエータでは、圧電素子に圧電薄膜を使用することなくバルク圧電素子を使用したので、印加電圧を大きくすることが可能になり、これによりアクチュエータの出力を増大することができる。
請求項8のアクチュエータでは、圧電素子を振動体側の断面積が小さい段差形状にしたので、一次縦振動共振周波数を低く設定することができ、また、同じ印加電圧でより大きな振動速度を得ることができる。
In the actuator according to the seventh aspect, since the bulk piezoelectric element is used without using the piezoelectric thin film as the piezoelectric element, it is possible to increase the applied voltage, thereby increasing the output of the actuator.
In the actuator according to the eighth aspect, since the piezoelectric element has a step shape with a small cross-sectional area on the vibrating body side, the primary longitudinal vibration resonance frequency can be set low, and a larger vibration speed can be obtained with the same applied voltage. it can.

請求項9のアクチュエータでは、微細なマイクロ超音波リニアモータにより、微細なスライダを駆動することができる。   In the actuator according to the ninth aspect, a fine slider can be driven by a fine micro ultrasonic linear motor.

以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
図1および図2は、本発明のアクチュエータの一実施形態を示している。
この実施形態のアクチュエータは、マイクロ超音波リニアモータであり、被駆動部材が直線駆動されるスライダとされている。
このアクチュエータは、圧電素子11と振動体13とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1 and 2 show an embodiment of the actuator of the present invention.
The actuator of this embodiment is a micro ultrasonic linear motor, and is a slider in which a driven member is linearly driven.
This actuator includes a piezoelectric element 11 and a vibrating body 13.

振動体13は、弾性を有する導電性の金属からなり、本体部13aの両側に固定部13bを有している。
振動体13の本体部13aには、被駆動部材であるスライダ15側に、第1の突起部13cおよび第2の突起部13dが間隔を置いて一体形成されている。第1の突起部13cおよび第2の突起部13dの先端は、スライダ15に接触されている。第1の突起部13cと第2の突起部13dの先端は、半径の異なる円弧状に形成されている。この実施形態では、第1の突起部13cの半径が第2の突起部13dの半径より大径とされ、第1の突起部13cの共振周波数fLが第2の突起部13dの共振周波数fRより低くされている。第1の突起部13cと第2の突起部13dは、対向して形成されており、外側に向けて傾斜して形成されている。
The vibrating body 13 is made of a conductive metal having elasticity, and has fixed portions 13b on both sides of the main body portion 13a.
A first protrusion 13c and a second protrusion 13d are integrally formed on the main body 13a of the vibrator 13 on the side of the slider 15 that is a driven member with a gap therebetween. The tips of the first protrusion 13c and the second protrusion 13d are in contact with the slider 15. The tips of the first protrusion 13c and the second protrusion 13d are formed in arc shapes having different radii. In this embodiment, the radius of the first protrusion 13c is larger than the radius of the second protrusion 13d, and the resonance frequency fL of the first protrusion 13c is greater than the resonance frequency fR of the second protrusion 13d. Has been lowered. The first protrusion 13c and the second protrusion 13d are formed to face each other and are inclined toward the outside.

振動体13の本体部13aと固定部13bとの間には、括れ部13eが形成されており、この括れ部13eにより本体部13aの振動への影響が低減されている。固定部13bの側面には、凹部13fが形成されている。この凹部13fには、例えば、厚さ1mmの隣青銅板からなる導電性の支持部材17の突出部17aが嵌合され、固定部13bが支持部材17に固定されている。   A constricted portion 13e is formed between the main body portion 13a and the fixed portion 13b of the vibrating body 13, and the constricted portion 13e reduces the influence on the vibration of the main body portion 13a. A recess 13f is formed on the side surface of the fixed portion 13b. For example, a protrusion 17 a of a conductive support member 17 made of an adjacent bronze plate having a thickness of 1 mm is fitted into the recess 13 f, and the fixing portion 13 b is fixed to the support member 17.

圧電素子11は、バルク圧電素子11からなる。圧電素子11は、直方体状をしており、段差部11aにより小径部11bと大径部11cが形成されている。小径部11bの先端は、振動体13の本体部13aの第1の突起部13cと第2の突起部13dの反対側に形成される凹部13hに嵌挿され、例えば、エポキシ樹脂により接着されている。圧電素子11の共振周波数fPZTは、第1の突起部13cの共振周波数fLと第2の突起部13dの共振周波数fRとの間の値にされている。圧電素子11の大径部11cの底面には、電極19が形成されている。そして、電圧が、この電極19と支持部材17の突出部17aとの間に印加される。   The piezoelectric element 11 includes a bulk piezoelectric element 11. The piezoelectric element 11 has a rectangular parallelepiped shape, and a small diameter portion 11b and a large diameter portion 11c are formed by a step portion 11a. The tip of the small-diameter portion 11b is inserted into a recess 13h formed on the opposite side of the first protrusion 13c and the second protrusion 13d of the main body 13a of the vibrator 13, and is bonded by, for example, an epoxy resin. Yes. The resonance frequency fPZT of the piezoelectric element 11 is set to a value between the resonance frequency fL of the first protrusion 13c and the resonance frequency fR of the second protrusion 13d. An electrode 19 is formed on the bottom surface of the large diameter portion 11 c of the piezoelectric element 11. A voltage is applied between the electrode 19 and the protrusion 17 a of the support member 17.

なお、この実施形態では、スライダ15は、図示しない固定部材に固定されるボールを用いたリニアガイドにより案内されている。
上述したアクチュエータでは、図3に示すように、圧電素子11は一次縦振動モードで振動するが、その縦振動は振動体13の第1の突起部13cと第2の突起部13dの一次たわみ振動に変換される。そして、圧電素子11に段差部11aを設けたので、圧電素子11の一次縦振動共振周波数を低く設定し、同じ印加電圧でより大きい振動速度を得ることが可能である。圧電素子11の一次縦振動共振周波数は、圧電素子11の共振周波数fPZTにほぼ等しいが、第1の突起部13cの共振周波数fL<圧電素子11の共振周波数fPZT<第2の突起部13dの共振周波数fRとなっている。これにより周波数制御でのスライダ15の移動方向の切り替えを可能にしている。
In this embodiment, the slider 15 is guided by a linear guide using a ball fixed to a fixing member (not shown).
In the actuator described above, as shown in FIG. 3, the piezoelectric element 11 vibrates in the primary longitudinal vibration mode, and the longitudinal vibration is caused by the primary deflection vibration of the first protrusion 13c and the second protrusion 13d of the vibrating body 13. Is converted to And since the step part 11a was provided in the piezoelectric element 11, it is possible to set the primary longitudinal vibration resonance frequency of the piezoelectric element 11 low, and to obtain a larger vibration speed with the same applied voltage. The primary longitudinal vibration resonance frequency of the piezoelectric element 11 is substantially equal to the resonance frequency fPZT of the piezoelectric element 11, but the resonance frequency fL of the first protrusion 13c <resonance frequency fPZT of the piezoelectric element 11 <resonance of the second protrusion 13d. The frequency is fR. Thereby, the moving direction of the slider 15 can be switched by frequency control.

図4は、上述したアクチュエータの動作原理を示している。
第1の突起部13cの共振周波数fLと第2の突起部13dの共振周波数fRのずれにより、第1の突起部13cと第2の突起部13dでの縦振動およびたわみ振動の間には(a)に示すような位相差が存在する。そして、(a)に示すように、fL<f1<fPZTである駆動周波数f1では、第1の突起部13cの2つの直交する振動の位相差が90°となり、(c)に示すように、第1の突起部13cの先端に楕円軌跡が生じる。
FIG. 4 shows the operating principle of the actuator described above.
Due to the difference between the resonance frequency fL of the first protrusion 13c and the resonance frequency fR of the second protrusion 13d, the longitudinal vibration and the flexural vibration between the first protrusion 13c and the second protrusion 13d are ( There is a phase difference as shown in a). As shown in (a), at the driving frequency f1 where fL <f1 <fPZT, the phase difference between the two orthogonal vibrations of the first protrusion 13c is 90 °, and as shown in (c), An elliptical locus is generated at the tip of the first protrusion 13c.

一方、第2の突起部13dでは、2つの振動の位相差が90°より小さいこと、縦振動速度に対してたわみの振動速度が小さくなることより、ほぼ縦振動のみの直線軌跡となる。その結果、スライダ15には摩擦力によって、(c)に示すように、図の左方向の駆動力が生じる。
そして、fPZT<f2<fRである駆動周波数f2では、第2の突起部13dの2つの直交する振動の位相差が−90°となり、(d)に示すように、駆動周波数f1の時とは反対方向の楕円軌跡を描く。一方、第1の突起部13cでは、駆動周波数f1の時の第2の突起部13dと同様にほぼ縦振動のみとなる。よって駆動周波数f2ではスライダ15に、(d)に示すように、図の右方向の駆動力が生じる。
On the other hand, since the phase difference between the two vibrations is smaller than 90 ° and the bending vibration speed is small with respect to the longitudinal vibration speed, the second projecting portion 13d has a substantially linear trajectory with only longitudinal vibration. As a result, a driving force in the left direction of the figure is generated in the slider 15 by the frictional force as shown in FIG.
At the driving frequency f2 where fPZT <f2 <fR, the phase difference between the two orthogonal vibrations of the second protrusion 13d is −90 °, and as shown in FIG. Draw an elliptical trajectory in the opposite direction. On the other hand, in the first protrusion 13c, only the longitudinal vibration is almost the same as the second protrusion 13d at the drive frequency f1. Therefore, at the driving frequency f2, a driving force in the right direction in the figure is generated in the slider 15 as shown in FIG.

図5は、上述した振動体13および圧電素子11の詳細形状を示している。
この詳細形状は、有限要素解析を使用して、第1の突起部13cの共振周波数fL<圧電素子11の共振周波数fPZT<第2の突起部13dの共振周波数fRの条件を満たすような寸法に決定されている。ここで、圧電素子11の一次振動共振周波数の計算値は532kHzである。また、第1の突起部13cの共振周波数fLを507kHz、第2の突起部13dの共振周波数fRを542kHzとした。そして、振動体13の固定部13bについても本体部13aへの影響が少なくなるように寸法を決定した。図5に示す、hf,s,tf,θ,Δrのパラメータについて寸法を変えて解析を行い、図中に示されるように各パラメータの値を決定した。なお、各寸法の単位は、μmである。
FIG. 5 shows the detailed shapes of the vibrating body 13 and the piezoelectric element 11 described above.
This detailed shape is sized by using finite element analysis so as to satisfy the condition of the resonance frequency fL of the first protrusion 13c <the resonance frequency fPZT of the piezoelectric element 11 <the resonance frequency fR of the second protrusion 13d. It has been decided. Here, the calculated value of the primary vibration resonance frequency of the piezoelectric element 11 is 532 kHz. The resonance frequency fL of the first protrusion 13c is 507 kHz, and the resonance frequency fR of the second protrusion 13d is 542 kHz. The dimensions of the fixed portion 13b of the vibrating body 13 were determined so that the influence on the main body portion 13a was reduced. The parameters hf, s, tf, θ, and Δr shown in FIG. 5 were analyzed with different dimensions, and the values of the parameters were determined as shown in the figure. The unit of each dimension is μm.

図5に示した寸法でアクチュエータを試作し、圧電素子11の電気端子のアドミタンスの周波数測定を行ったところ、560kHzに共振があつた。これが圧電素子11の一次共振であると思われる。また、770kHz付近に二次モードと思われる共振があった。
図6は、試作されたアクチュエータの第1の突起部13cと第2の突起部13dの振動速度の測定結果を示している。この測定は、レーザドップラ面内速度振動計を用いて行われた。圧電素子11への印加電圧は、100Vp−pであった。図6に示すように、550kHz,630kHz,780kHz付近で大きく振動しているのがわかる。なお、550kHz付近が目的とした振動と思われる。
When an actuator was prototyped with the dimensions shown in FIG. 5 and the frequency of the admittance of the electrical terminal of the piezoelectric element 11 was measured, resonance occurred at 560 kHz. This is considered to be the primary resonance of the piezoelectric element 11. In addition, there was resonance that seems to be a secondary mode in the vicinity of 770 kHz.
FIG. 6 shows the measurement results of the vibration speed of the first protrusion 13c and the second protrusion 13d of the prototype actuator. This measurement was performed using a laser Doppler in-plane velocity vibrometer. The voltage applied to the piezoelectric element 11 was 100 Vp-p. As shown in FIG. 6, it can be seen that it vibrates greatly in the vicinity of 550 kHz, 630 kHz, and 780 kHz. In addition, it seems that the target vibration is around 550 kHz.

図5に示した寸法で試作されたアクチュエータの第1の突起部13cおよび第2の突起部13dを、図1に示したように、スライダ15に接触させて測定を行った。最大速度を得られた駆動周波数は、右方向が522kHz、左方向が508kHzであった。しかしながら、振動子単体で大きい振動速度が得られた560kHz,630kHzおよび780kHz付近ではスライダ15は動かなかった。スライダ15の加圧により共振周波数がずれたためと思われる。   As shown in FIG. 1, the measurement was performed by bringing the first protrusion 13c and the second protrusion 13d of the actuator prototyped with the dimensions shown in FIG. 5 into contact with the slider 15, as shown in FIG. The driving frequency at which the maximum speed was obtained was 522 kHz in the right direction and 508 kHz in the left direction. However, the slider 15 did not move in the vicinity of 560 kHz, 630 kHz, and 780 kHz where a large vibration speed was obtained with the vibrator alone. This is probably because the resonance frequency has shifted due to the pressurization of the slider 15.

図7および図8は、試作されたアクチュエータの右方向移動の推力および効率を示している。
スライダ15の移動速度測定には、フォトセンサを使用し、過渡応答測定結果を用いて推力、効率を計算した。右方向への移動で最大速度22.5cm/s、最大推力168mNを、左方向への移動で最大速度50cm/s、最大推力9.2mNを得ることができた。なお、図7および図8において、矢符は、スライダ15による加圧力を示している。
FIGS. 7 and 8 show the thrust and efficiency of rightward movement of the prototyped actuator.
For measuring the moving speed of the slider 15, a photosensor was used, and the thrust and efficiency were calculated using the transient response measurement result. It was possible to obtain a maximum speed of 22.5 cm / s and a maximum thrust of 168 mN by moving in the right direction, and a maximum speed of 50 cm / s and a maximum thrust of 9.2 mN by moving in the left direction. 7 and 8, the arrows indicate the pressure applied by the slider 15.

上述したアクチュエータでは、振動体13のスライダ15側に、スライダ15に接触し共振周波数の異なる第1の突起部13cおよび第2の突起部13dを間隔を置いて逆向きに傾斜して形成し、圧電素子11の共振周波数fPZTを第1の突起部13cの共振周波数fLと第2の突起部13dの共振周波数fRとの間の値にしたので、単相励振による周波数変化で進行方向を切り換えることができる。   In the actuator described above, the first protrusion 13c and the second protrusion 13d that are in contact with the slider 15 and have different resonance frequencies are formed on the slider 15 side of the vibrating body 13 by inclining in the opposite direction with an interval between them. Since the resonance frequency fPZT of the piezoelectric element 11 is set to a value between the resonance frequency fL of the first protrusion 13c and the resonance frequency fR of the second protrusion 13d, the traveling direction is switched by a frequency change due to single-phase excitation. Can do.

また、第1の突起部13cと第2の突起部13dの大きさを異ならせて、第1の突起部13cの共振周波数fLと第2の突起部13dの共振周波数fRとを異ならせたので、共振周波数を容易,確実に異なるものにすることができる。
そして、第1の突起部13cと第2の突起部13dとを、外側に向けて傾斜して形成したので、スライダ15への接触状態を安定したものにすることができる。
In addition, since the sizes of the first protrusion 13c and the second protrusion 13d are made different, the resonance frequency fL of the first protrusion 13c and the resonance frequency fR of the second protrusion 13d are made different. The resonance frequency can be easily and reliably made different.
And since the 1st projection part 13c and the 2nd projection part 13d were formed inclining toward the outer side, the contact state to the slider 15 can be made stable.

また、上述したアクチュエータでは、第1の突起部13cと第2の突起部13dの先端を円弧状に形成したので、第1の突起部13cと第2の突起部13dが変形した場合にも、スライダ15への接触状態を一定に保つことができる。
そして、上述したアクチュエータでは、振動体13の本体部13aと固定部13bとの間に括れ部13eを形成したので、固定部13bを固定することにより生じる本体部13aの振動への影響を低減することができる。
Further, in the above-described actuator, since the tips of the first protrusion 13c and the second protrusion 13d are formed in an arc shape, even when the first protrusion 13c and the second protrusion 13d are deformed, The contact state with the slider 15 can be kept constant.
And in the actuator mentioned above, since the narrow part 13e was formed between the main-body part 13a of the vibrating body 13, and the fixing | fixed part 13b, the influence on the vibration of the main-body part 13a produced by fixing the fixing | fixed part 13b is reduced. be able to.

また、振動体13および支持部材17を導電性の部材により形成したので、圧電素子11と支持部材17との間に電圧を印加することにより、アクチュエータを作動することができる。
そして、圧電素子11に圧電薄膜を使用することなくバルク圧電素子11を使用したので、印加電圧を大きくすることが可能になり、これによりアクチュエータの出力を増大することができる。
Further, since the vibrating body 13 and the support member 17 are formed of conductive members, the actuator can be operated by applying a voltage between the piezoelectric element 11 and the support member 17.
Since the bulk piezoelectric element 11 is used without using a piezoelectric thin film for the piezoelectric element 11, the applied voltage can be increased, thereby increasing the output of the actuator.

さらに、上述したアクチュエータでは、圧電素子11を振動体13側の断面積が小さい段差形状にしたので、一次縦振動共振周波数を低く設定することができ、また、同じ印加電圧でより大きな振動速度を得ることができる。
なお、上述した実施形態では、第1の突起部13cの共振周波数fLと第2の突起部13dの共振周波数fRを、第1の突起部13cと第2の突起部13dの大きさを異ならせることにより異ならせた例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、例えば、第1の突起部と第2の突起部との材質等を異ならすことにより共振周波数を異ならせるようにしても良い。
Furthermore, in the actuator described above, since the piezoelectric element 11 has a stepped shape with a small cross-sectional area on the vibrating body 13 side, the primary longitudinal vibration resonance frequency can be set low, and a larger vibration speed can be obtained with the same applied voltage. Can be obtained.
In the above-described embodiment, the resonance frequency fL of the first protrusion 13c and the resonance frequency fR of the second protrusion 13d are different from each other in the size of the first protrusion 13c and the second protrusion 13d. However, the present invention is not limited to such an embodiment. For example, the resonance frequency can be set by changing the materials of the first protrusion and the second protrusion. You may make it differ.

また、上述した実施形態では、第1の突起部13cと第2の突起部13dとを、外側に向けて傾斜して形成した例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、第1の突起部と第2の突起部とを、内側に向けて傾斜して形成しても良い。
さらに、上述した実施形態では、圧電素子11にバルク圧電素子11を使用した例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、例えば、圧電薄膜を使用しても良い。
In the above-described embodiment, the example in which the first protrusion 13c and the second protrusion 13d are formed to be inclined toward the outside has been described. However, the present invention is limited to such an embodiment. Instead, the first protrusion and the second protrusion may be formed to be inclined inward.
Further, in the above-described embodiment, the example in which the bulk piezoelectric element 11 is used as the piezoelectric element 11 has been described. However, the present invention is not limited to such an embodiment, and for example, a piezoelectric thin film may be used.

また、上述した実施形態では、圧電素子11の小径部11bを大径部11cに対して直角状に接続した例について説明したが、例えば、図9に示すように、圧電素子11の小径部11bを大径部11cに対して円弧rで接続することにより、応力集中を防止し圧電素子11の寿命を高めることができる。
そして、上述した実施形態では、本発明をマイクロ超音波リニアモータに適用した例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、圧電素子を使用したアクチュエータに広く適用することができる。
In the above-described embodiment, the example in which the small diameter portion 11b of the piezoelectric element 11 is connected at right angles to the large diameter portion 11c has been described. For example, as illustrated in FIG. Is connected to the large diameter portion 11c by an arc r, stress concentration can be prevented and the life of the piezoelectric element 11 can be increased.
In the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to a micro ultrasonic linear motor has been described. However, the present invention is not limited to such an embodiment, and can be widely applied to actuators using piezoelectric elements. Can do.

図10は、本発明を回転型モータに適用した例を示しており、円板,円柱,ボール等の回転体21に、第1の突起部13cおよび第2の突起部13dを押し当てることにより、回転体21を右回転および左回転することができる。   FIG. 10 shows an example in which the present invention is applied to a rotary motor, and the first protrusion 13c and the second protrusion 13d are pressed against a rotating body 21 such as a disc, a cylinder, or a ball. The rotating body 21 can be rotated clockwise and counterclockwise.

本発明のアクチュエータの一実施形態を示す正面図である。It is a front view which shows one Embodiment of the actuator of this invention. 図1の側面図である。It is a side view of FIG. 図1のアクチュエータの一次縦振動モードおよびたわみ振動を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the primary longitudinal vibration mode and bending vibration of the actuator of FIG. 図1のアクチュエータの動作原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation principle of the actuator of FIG. 図1のアクチュエータの詳細寸法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the detailed dimension of the actuator of FIG. 図5のアクチュエータの第1の突起部と第2の突起部の振動速度を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the vibration speed of the 1st protrusion part of the actuator of FIG. 5, and a 2nd protrusion part. 図5のアクチュエータの推力を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the thrust of the actuator of FIG. 図5のアクチュエータの効率を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the efficiency of the actuator of FIG. 圧電素子の他の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other example of a piezoelectric element. 本発明を回転型モータに適用した例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example which applied this invention to the rotary motor.

符号の説明Explanation of symbols

11 圧電素子
11a 段差部
11b 小径部
11c 大径部
13 振動体
13a 本体部
13b 固定部
13c 第1の突起部
13d 第2の突起部
13e 括れ部
15 スライダ
17 支持部材
19 電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Piezoelectric element 11a Step part 11b Small diameter part 11c Large diameter part 13 Vibration body 13a Main body part 13b Fixing part 13c 1st projection part 13d 2nd projection part 13e Constriction part 15 Slider 17 Support member 19 Electrode

Claims (9)

圧電素子の振動により振動体を振動させ、前記振動体の振動により被駆動部材を駆動するアクチュエータにおいて、
前記振動体の前記被駆動部材側に、前記被駆動部材に接触し共振周波数の異なる第1の突起部および第2の突起部を、間隔を置いて逆向きに傾斜して形成するとともに、前記圧電素子の共振周波数を前記第1の突起部の共振周波数と前記第2の突起部の共振周波数との間の値にしてなることを特徴とするアクチュエータ。
In the actuator that vibrates the vibrating body by the vibration of the piezoelectric element and drives the driven member by the vibration of the vibrating body,
On the driven member side of the vibrating body, a first protrusion and a second protrusion that are in contact with the driven member and have different resonance frequencies are formed to be inclined in opposite directions with an interval therebetween, and An actuator characterized in that the resonance frequency of the piezoelectric element is set to a value between the resonance frequency of the first protrusion and the resonance frequency of the second protrusion.
請求項1記載のアクチュエータにおいて、
前記第1の突起部の共振周波数と前記第2の突起部の共振周波数を、前記第1の突起部と第2の突起部の大きさを異ならせることにより異ならせてなることを特徴とするアクチュエータ。
The actuator according to claim 1, wherein
The resonance frequency of the first protrusion and the resonance frequency of the second protrusion are made different by making the sizes of the first protrusion and the second protrusion different. Actuator.
請求項1または請求項2記載のアクチュエータにおいて、
前記第1の突起部と第2の突起部とを、外側に向けて傾斜して形成してなることを特徴とするアクチュエータ。
The actuator according to claim 1 or 2,
An actuator, wherein the first protrusion and the second protrusion are formed to be inclined outward.
請求項1ないし請求項3のいずれか1項記載のアクチュエータにおいて、
前記第1の突起部と第2の突起部の先端を、円弧状に形成してなることを特徴とするアクチュエータ。
The actuator according to any one of claims 1 to 3,
The actuator is characterized in that tips of the first protrusion and the second protrusion are formed in an arc shape.
請求項1ないし請求項4のいずれか1項記載のアクチュエータにおいて、
前記振動体は、前記第1の突起部と第2の突起部が形成される本体部の両側に固定部を有し、前記本体部と前記固定部との間に括れ部が形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
The actuator according to any one of claims 1 to 4,
The vibrator has fixing portions on both sides of a main body portion on which the first protrusion portion and the second protrusion portion are formed, and a constriction portion is formed between the main body portion and the fixing portion. An actuator characterized by that.
請求項1ないし請求項5のいずれか1項記載のアクチュエータにおいて、
前記振動体は、導電性の金属からなり、前記第1の突起部と第2の突起部が形成される本体部の両側に固定部を有し、前記固定部が導電性の支持部材に固定されていることを特徴とするアクチュエータ。
The actuator according to any one of claims 1 to 5,
The vibrating body is made of a conductive metal and has fixing portions on both sides of the main body portion where the first and second protrusions are formed, and the fixing portions are fixed to a conductive support member. An actuator characterized by being made.
請求項1ないし請求項6のいずれか1項記載のアクチュエータにおいて、
前記圧電素子は、バルク圧電素子からなることを特徴とするアクチュエータ。
The actuator according to any one of claims 1 to 6,
The actuator, wherein the piezoelectric element is a bulk piezoelectric element.
請求項7記載のアクチュエータにおいて、
前記圧電素子は、前記振動体側の断面積が小さい段差形状をしていることを特徴とするアクチュエータ。
The actuator according to claim 7, wherein
The actuator, wherein the piezoelectric element has a step shape with a small cross-sectional area on the vibrating body side.
請求項1ないし請求項8のいずれか1項記載のアクチュエータにおいて、
前記アクチュエータは、マイクロ超音波リニアモータであり、前記被駆動部材が直線駆動されるスライダであることを特徴とするアクチュエータ。
The actuator according to any one of claims 1 to 8,
The actuator is a micro ultrasonic linear motor, and the driven member is a slider that is linearly driven.
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