JP4005267B2

JP4005267B2 - Piezoelectric actuator and driving method of piezoelectric actuator

Info

Publication number: JP4005267B2
Application number: JP13566699A
Authority: JP
Inventors: 聖士渡辺; 和夫谷; 樹佐藤; 陽子鈴木
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2019-05-17
Also published as: JP2000324863A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、時計、カメラ、プリンタ、情報記憶装置などに用いる圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの駆動方法に係り、特に圧電アクチュエータの安定、高出力、高効率化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在OA機器、情報処理機器の小型化が進み、これに伴って、駆動・搬送に用いる動力源として圧電アクチュエータが注目されている。従来の圧電アクチュエータの例として、振動片型圧電アクチュエータを図２に示す。
振動片型アクチュエータは、伸縮振動をする圧電体２と、屈曲振動をする振動片１と、圧電体２の伸縮振動を振動片１に伝達するホーン６と、振動片１と接触し、且つ振動片１と相対的に微小な傾きをもつ、移動体８からなる。
【０００３】
圧電体２に伸縮振動を生じさせる周波数で、正弦波等の駆動信号を入力すると、その振動エネルギは、ホーン６を介して、振動片１に伝播する。そして、同周波数により屈曲振動を発生するよう設計された振動片１との、屈曲振動と圧電体２との伸縮振動との合成により、振動片１の先端に、楕円運動を発生させる。それにより、振動片１と移動体８間に摩擦力が働き、移動体８は、駆動力を得て移動する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の振動片型圧電アクチュエータは、圧電体２の伸縮振動と振動片１の屈曲振動の相関が不十分であり、振動片１先端に生じる楕円運動の方向は、一意に制御することができず、所望の運動方向とは、逆の方向に運動してしまう可能性があった。それにより、移動体は、所望の移動方向とは、逆の方向に運動してしまうおそれがあった。
【０００５】
また、振動片１と移動体８とは、振動片１が移動体８を突く構造であるため、適当な傾きが必要であった。それは、製造及び構成を困難とさせていた。また、振動片１の先端部は、衝突の繰り返しであるため、摩耗が生じ、駆動特性が低下するおそれがあった。
よって、本発明は、所望の駆動方向が得られ、且つ移動体の移動方向と鉛直をなす方向の振動成分のみならず、移動体の移動方向と平行をなす方向の振動成分を増大させることにより、移動体に対し、大きな駆動力を発生させることのできる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかわる圧電アクチュエータは、移動体と、振動体からなる圧電アクチュエータにおいて、前記振動体は、少なくとも一つの第一の圧電体を備え、且つ前記移動体の移動方向と平行をなす方向に、大きな振動成分を持つ少なくとも一つの第一の振動部と、少なくとも一つの第二の圧電体を備え、且つ前記移動体の移動方向と鉛直をなす方向に、大きな振動成分を持つ少なくとも一つの第二の振動部から構成され、且つ前記振動体は、少なくとも一つの固定端及び少なくとも一つの自由端を有することを特徴としている。
【０００７】
これによれば、移動体の移動方向と平行をなす方向に大きな振動成分を持つ、第一の振動部と、移動体の移動方向と鉛直をなす方向に、大きな振動成分を持つ、第二の振動部により、振動体を構成することにより、移動体の移動方向と鉛直をなす方向のみならず、移動体の移動方向と同一の方向に対しても、大きな出力を発生させることが可能となる。
【０００８】
また、少なくとも一つの第一の圧電体と、少なくとも一つの第二の圧電体を用いることにより、第一の振動部と第二の振動部の振動方向の制御が可能となる。また、第一の振動部、及び第二の振動部形状を変えることにより、速度、駆動力に柔軟に対応したアクチュエータを作製することが可能である。
また、本発明にかかわる圧電アクチュエータは、移動体と、振動体からなる圧電アクチュエータにおいて、前記振動体は、少なくとも一つの第一の圧電体を備え、且つ前記移動体の移動方向と鉛直をなす方向に、大きな振動成分を持つ少なくとも一つの第一の振動部と、少なくとも一つの第二の圧電体を備え、且つ前記移動体の移動方向と平行をなす方向に、大きな振動成分を持つ少なくとも一つの第二の振動部から構成され、且つ前記振動体は、少なくとも一つの固定端及び少なくとも一つの自由端を有することを特徴としている。
【０００９】
これによれば、上記の圧電アクチュエータと同様な効果が得られる。
また、本発明にかかわる圧電アクチュエータは、上記２つの圧電アクチュエータにおいて、前記振動体の有する前記第一の振動部は、両端支持弾性体からなり、
前記第二の振動部は、前記第一の振動部に支持部を設けた一端支持他端自由弾性体からなる振動体であることを特徴としている。
【００１０】
これによれば、上記２つの圧電アクチュエータと同様の効果に加え、両端支持した第一の振動部と、一端支持他端自由の第二の振動部により、振動体を構成することにより、振動体を単純化し、小型化が可能となるため、圧電アクチュエータを小型化することが可能となる。
また、本発明にかかわる圧電アクチュエータは、上記３つの圧電アクチュエータにおいて、前記第一の振動部の固有振動数と、前記第二の振動部の固有振動数が等しいことを特徴としている。
【００１１】
これによれば、上記３つの圧電アクチュエータにおいて、第一の振動部の固有振動数と、第二の振動部の固有振動数を合わせることにより、振動体全体の振動を一定にし、駆動安定化することが可能となる。また、固有振動数を用いることにより、振動体は共振し、高出力、高効率化が可能となる。
また、本発明にかかわる圧電アクチュエータの駆動方法は、上記の圧電アクチュエータにおいて、前記第一及び第二の圧電体に前記第一及び第二の振動部が固有振動数で振動するような周波数の駆動信号を入力し、前記第一の振動部の、前記移動体の移動方向と平行の方向をなす振動成分と、前記第二の振動部の、前記移動体の移動方向と鉛直の方向をなす振動成分とを合成し、前記振動体に楕円運動を生じ、前記移動体を移動させることを特徴としている。
【００１２】
これによれば、上記の圧電アクチュエータにおいて、振動体を構成する第一の振動体と第二の振動体の振動成分を合成し、振動体に楕円運動を生じさせ、移動体に対し、駆動力を与えることが可能となることを示している。
また、本発明にかかわる圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの駆動方法は、上記５つの圧電アクチュエータにおいて、前記移動体と前記振動体に対し、加圧力を供与する加圧材を備えたことを特徴としている。
【００１３】
これによれば、加圧材を設けることにより、振動体と移動体との間に、適切な摩擦力が生じさせることが可能となるため、移動体の重力に加え、加圧材から、垂直力を得ることが可能となり、移動体の駆動の高出力、安定化が可能となる。
また、本発明にかかわる圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの駆動方法は、上記６つの圧電アクチュエータにおいて、前記振動体を複数用いたことを特徴としている。
【００１４】
それにより、上記初めの２つの圧電アクチュエータの効果に加えて、例えば、複数振動体を同一方向に配置することにより、移動体の駆動力を増加させることが可能であり、また、複数振動体方向をマトリックス状に配置することにより、リニア型や２次元駆動アクチュエータを構成することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
《実施の形態１》
以下、図１を参照して本発明を適用した実施の形態１を詳細に説明する。
図１は、実施の形態１に係る圧電アクチュエータを示す図である。
この圧電アクチュエータは、第一の振動部１４と、第二の振動部１５、第一の圧電体１６、第二の圧電体１７、固定端１８からなる振動体４と、振動体４と接触することにより駆動する移動体８からなる。
【００１６】
第一の圧電体１６に駆動信号を入力することにより、第一の圧電体１６に歪みが生じ、第一の振動部１４には、移動体８の移動方向と平行をなす方向に振動を生じる。また、第二の圧電体１７に駆動信号を入力することにより、第二の振動部１５には、移動体８の移動方向と鉛直をなす方向に振動を生じる。それにより、移動体８と接触する振動体４の先端部は、楕円運動をし、移動体８に対して、摩擦力を与え、移動体８を移動させる。
【００１７】
第一の圧電体１６及び第二の圧電体１７としては、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等を用いる。
また、第一の圧電体１６及び第二の圧電体１７は、第一の振動部１４及び第二の振動部１５に対して、接着剤を用いて取り付けられるか、もしくは、蒸着等により直接、圧電体２を第一の振動部１４及び第二の振動部１５に対して形成する。
《実施の形態２》
以下、圧電アクチュエータと圧電アクチュエータの駆動方法について、実施の形態２において、詳細に説明する。
【００１８】
図３は、実施の形態２に係る圧電アクチュエータを示す図である。
圧電アクチュエータは、振動体４と回転移動体５と加圧材３からなる。
振動体４は、固定端１８において、両端支持された第一の振動部１４と第一の振動部１４の中央付近に支持部を有す、一端支持他端自由の第二の振動部１５、及び第一の振動部１４に取り付けられた第一の圧電体１６と第二の振動部１５に取り付けられ、第一の圧電体１６と同極性に分極された第二の圧電体１７からなる。
【００１９】
ここで、第一の圧電体１６の分極方向は、第一の振動部１４に対し、第一の圧電体１６が貼り付けられている逆面から正電圧を加えた場合、伸び歪みを生じる向きで、その方向を＋とする。同様に、第二の圧電体１７の分極方向は、第二の振動部１５に対し、第二の圧電体１７が貼り付けられている逆面から正電圧を加えた場合、伸び歪みを生じる向きで、その方向を＋とする。
【００２０】
また、第一の圧電体１６は、第一の入力電圧１２により、駆動信号を入力され、第二の圧電体１７は、第二の入力電圧１３により、駆動信号を入力される。
また、第一の振動部１４と第二の振動部１５の屈曲１次固有振動数が等しくなるよう設計されている。
第一の振動部１４と第二の振動部１５は、支持部９によって、つながっている。
【００２１】
回転移動体５は、振動体４からの駆動力を得て移動する。
加圧材３は、振動体４と回転移動体５に対し、適切な圧力を与えることにより、振動体４と回転移動体５とに生ずる摩擦力を調節する。加圧材３としては、錘の他に、ばね等の弾性体等を用いても良い。
図４は、実施の形態２に係る圧電アクチュエータの駆動方法を示す図である。そのうち、圧電アクチュエータの振動体４の運動を、屈曲１次固有振動と合わせた駆動信号を一周期加えた過程について、詳細に述べる。振動体４は、図３に示す圧電アクチュエータに示す振動体４と同じ構成である。
【００２２】
第一の入力電圧１２と第二の入力電圧１３の位相は、π/2radずらす。
また、図８に示すように電源を単一にして、第一の圧電体１６と第二の圧電体１７に対し、異なる位相を入力しても同等の効果が得られることは言うまでもない。
また、回転移動体５の代わりとして、スライダ等を用いてリニア型圧電アクチュエータとして用いることも可能である。
【００２３】
まず、図４Ａは、駆動信号が０radの場合を示す。
第一の入力電圧１２は、正方向に最大となり、第一の圧電体１６は、伸び歪みが最大となり、第一の振動部１４は、移動体の移動方向と平行をなす方向に大きく屈曲する。
第二の入力電圧１３は、０となるので、第二の振動部１５は、第一の振動部１６とともに、移動体の移動方向と平行をなす方向に移動する。
【００２４】
そして、図４Ｂは、駆動信号がπ/2radの場合を示す。
第二の入力電圧１３は、負方向に最大となり、第二の圧電体１７は、縮み歪みが最大となり、第二の振動部１５は、移動体の移動方向と鉛直をなす方向に大きく屈曲する。
第一の入力電圧１２は、０となり、第一の振動部１４は、初期状態に戻る。
【００２５】
そして、図４Ｃは、駆動信号がπradの場合を示す。
第一の入力電圧１２は、負方向に最大となり、第一の圧電体１６は、縮み歪みが最大となり、第一の振動部１４は、移動体の移動方向と平行をなす方向に大きく屈曲する。
第二の入力電圧１３は、０となり、第二の振動部１５は、初期状態に戻る。
【００２６】
そして、図４Ｄは、駆動信号が3π/2radの場合を示す。
第二の入力電圧１３は、正方向に最大となり、第二の圧電体１７は、伸び歪みが最大となり、第二の振動部１５は、移動体の移動方向と鉛直をなす方向に大きく屈曲する。
第一の入力電圧１２は、０となり、第一の振動部１４は、初期状態に戻る。
【００２７】
以上により、屈曲１次固有振動数と合致した周波数の駆動信号を第一の圧電体１６と第二の圧電体１７に対して入力し、位相をずらすことにより、移動体（図示略す）の移動方向と平行をなす方向と移動体（図示略す）の移動方向と鉛直をなす方向の振動成分を合成し、楕円運動を描かせ、振動体４と移動体（図示略す）との摩擦により、移動体（図示略す）を一方向に移動させることが可能である。
【００２８】
また、第一の圧電体１６の分極方向を変えたり、第一の圧電体１６への駆動信号の位相を変えること等により、移動体（図示略す）の移動方向を変えることが可能である。
また、第一の振動部１４の屈曲１次固有振動数と第二の振動部１５の屈曲２次固有振動数になるよう設計し、同一周波数を入力する等をして、移動体を駆動させることも可能である。
【００２９】
図５は、実施の形態２に係る圧電アクチュエータを示す図である。
圧電アクチュエータは、振動体４と移動体８とローラー７からなる。
振動体４は、固定端１８において、両端支持された第一の振動部１４の央付近に支持部を有す、一端支持他端自由の第二の振動部１５に取り付けられた第二の圧電体１７と第一の振動部１４に取り付けられた第一の圧電体１６からなる。
【００３０】
第二の圧電体１７は、複数用い、第二の振動部１５をバイモルフ形状とすることで、駆動力を増大させることが可能である。第一の振動部１４と第二の振動部１５は、支持部９によって、つながっている。
ここで、第一の圧電体１６の分極方向は、第一の振動部１４に対し、第一の圧電体１６が貼り付けられている逆面から正電圧を加えた場合、縮み歪みを生じる向きで、その方向を−とする。同様に、第二の圧電体１７のうち、一つは、分極方向として、第二の振動部１５に対し、第二の圧電体１７が貼り付けられている逆面から正電圧を加えた場合、伸び歪みを生じる向きで、その方向を＋とする。
【００３１】
また、もう一つの第二の圧電体１７は、分極方向として、第二の振動部１５に対し、第二の圧電体１７が貼り付けられている逆面から正電圧を加えた場合、縮み歪みを生じる向きで、その方向を−とする。
また、第一の圧電体１６は、第一の入力電圧１２により、駆動信号を入力され、第二の圧電体１７は、第二の入力電圧１３により、駆動信号を入力される。
【００３２】
また、第一の振動部１４と第二の振動部１５の屈曲１次固有振動数が等しくなるよう設計されている。第一の入力電圧１２と第二の入力電圧１３の位相はπ/2radずらす。
移動体８は、振動体４からの駆動力を得て、リニアに移動する。
ローラー７は、移動体４が円滑に移動させるためのものである。
【００３３】
また、図８に示すように電源を単一にして、第一の圧電体１６と第二の圧電体１７に対し、異なる位相を入力しても同等の効果が得られることは言うまでもない。
また、移動体８の代わりに回転移動体等を用いて回転型アクチュエータとして用いることも可能である。
【００３４】
図６は、実施の形態２に係る圧電アクチュエータの駆動方法を示す図である。そのうち、圧電アクチュエータの振動体４の運動を、屈曲１次固有振動と合わせた駆動信号を一周期加えた過程について、詳細に述べる。振動体４は、図５に示す圧電アクチュエータに示す振動体４と同じ構成である。
まず、図６Ａは、駆動信号が０radの場合を示す。
【００３５】
第一の入力電圧１２は、負方向に最大となり、第一の圧電体１６は、伸び歪みが最大となり、第一の振動部１４は、移動体の移動方向と鉛直をなす方向に大きく屈曲する。
第二の入力電圧１３は、０となるので、第二の振動部１５は、第一の振動部１４とともに、移動体の移動方向と鉛直をなす方向に移動する。
【００３６】
そして、図６Ｂは、駆動信号がπ/2radの場合を示す。
第二の入力電圧１３は、負方向に最大となり、第二の圧電体１７のうち、＋方向に分極された方は、縮み歪みを生じ、且つ第二の圧電体１７のうち−方向に分極された方は、伸び歪みを生じるため、第二の振動部１５は、移動体の移動方向と平行をなす方向に大きく屈曲する。
【００３７】
第一の入力電圧１２は、０となるので、第一の振動部１４は、初期状態に戻る。
そして、図６Ｃは、駆動信号がπradの場合を示す。
第一の入力電圧１２は、正方向に最大となり、第一の圧電体１６は、縮み歪みが最大となり、第一の振動部１４は、移動体の移動方向と鉛直をなす方向に大きく屈曲する。
【００３８】
第二の入力電圧１３は、０となるので、第二の振動部１５は、初期状態に戻る。
そして、図６Ｄは、駆動信号が3π/2radの場合を示す。
第二の入力電圧１３は、正方向に最大となり、第二の圧電体１７のうち、＋方向に分極された方は、伸び歪みを生じ、且つ第二の圧電体１７のうち−方向に分極された方は、縮み歪みを生じるため、第二の振動部１５は、移動体の移動方向と平行をなす方向に大きく屈曲する。
【００３９】
第一の入力電圧１２は、０となるので、第一の振動部１４は、初期状態に戻る。
以上により、屈曲１次固有振動数と合致した周波数の駆動信号を第一の圧電体１６と第二の圧電体１７に対して入力することにより、移動体の移動方向と平行をなす方向と移動体の移動方向と鉛直をなす方向の振動成分を合成し、楕円運動を描かせ、振動体４と移動体８との摩擦により、移動体８を一方向に移動させることが可能である。
【００４０】
また、第一の圧電体１６の分極方向を変えたり、第一の圧電体１６への駆動信号の位相を変えること等により、移動体８の移動方向を変えることが可能である。
また、第一の振動部１４の屈曲１次固有振動数と第二の振動部１５の屈曲２次固有振動数になるよう設計し、同一周波数を入力する等をして、移動体を駆動させることも可能である。
《実施の形態３》
図７は、実施の形態３に係る圧電アクチュエータを示す図である。
【００４１】
圧電アクチュエータは、固定端１８に両端支持された第一の振動部１４と第二の振動部１５、及び第一の振動部１４に取り付けられた第一の圧電体１６と第二の振動部１５に取り付けられた第二の圧電体１７からなる振動体４と、振動体４に接触し、駆動する回転移動体５と、振動体４と回転移動体５に対し、適当な圧力を供与する加圧材３からなる。振動体４は、複数いずれも、時計回りに円周同一方向に合わせ、同一平面上に配置する。
【００４２】
それにより、回転移動体５を一方向に回転させ、その上、振動体４を複数用いているため、単数に比べて、回転移動体５への駆動力を増大させることが可能となる。
また、一つの振動体４の第一の圧電体１６の分極方向を変えたり、入力位相を変える等により、回転移動体５の正逆転が可能である。
【００４３】
同様に、振動体４の配置を、時計回りと反時計回りの組み合わせ、つまり、円周正逆方向になるよう、同一平面上に配置することにより、回転移動体５を正逆転することが可能である。
同様に、振動体４をマトリックス状に配置することにより、リニア型アクチュエータや、二次元駆動アクチュエータを構成することが可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上により、本発明の圧電アクチュエータは、移動体の移動方向と平行の方向に大きな振動成分を持つ第一の振動部と、移動体の移動方向と鉛直をなす方向に、大きな振動成分を持つ第二の振動部により、振動体を構成することにより、移動体の移動方向と鉛直をなす方向のみならず、移動体の移動方向と同一の方向に対しても、安定した大きな出力を発生させることが可能となる。
【００４５】
また、第一の振動部、及び第二の振動部形状を変えることにより、速度、駆動力に柔軟に対応したアクチュエータを作製することが可能である。
また、本発明の圧電アクチュエータは、移動体の移動方向との鉛直方向に大きな振動成分を持つ第一の振動部と、移動体の移動方向と平行をなす方向に、大きな振動成分を持つ第二の振動部により、振動体を構成することにより、上記の圧電アクチュエータと同様に、移動体の移動方向と鉛直をなす方向のみならず、移動体の移動方向と同一の方向に対しても、安定した大きな出力を発生させることが可能となる。
【００４６】
また、第一の振動部、及び第二の振動部形状を変えることにより、速度、駆動力に柔軟に対応したアクチュエータを作製することが可能である。
本発明の圧電アクチュエータは、上記２つの圧電アクチュエ−タと同様の効果に加え、両端支持した第一の振動部と、一端支持他端自由の第二の振動部により、振動体を構成することにより、振動体を単純化し、小型化が可能となるため、圧電アクチュエータを小型化することが可能となる。また、設計も簡素化できる。
【００４７】
また、本発明の圧電アクチュエータは、上記３つの圧電アクチュエータにおいて、第一の振動部の固有振動数と、第二の振動部の固有振動数を合わせることにより、振動体全体の振動を一定にし、駆動安定化することが可能となる。また、固有振動を利用することにより、入力に対する出力を増大させることが可能となり、高効率化が可能となる。
【００４８】
また、本発明の圧電アクチュエータの駆動方法は、上記の圧電アクチュエータにおいて、振動体を構成する第一の振動部と第二の振動部の振動成分を合成し、振動体に楕円運動を生じさせ、移動体に対し、駆動力を与え、移動体を移動させることが可能となることを示している。その場合、圧電体への駆動信号は、第一の振動部と第二の振動部で相関がとれているため、所望の楕円運動方向を得ることが可能となる。
【００４９】
また、本発明の圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの駆動方法は、加圧材を設け、移動体が最大、または、所望の駆動力を得られるために必要な摩擦力を振動体と移動体に生じさせることが可能となる。
本発明の圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの駆動方法は、上記に記載する５つの圧電アクチュエータの効果に加えて、複数振動体を用いることを特徴としている。それにより、移動体の駆動力を増加させることが可能であり、また、マトリックス状に配置し、リニア型圧電アクチュエータや２次元駆動圧電アクチュエータの実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係る圧電アクチュエータを示す図である。
【図２】振動片型圧電アクチュエータを示す概略図である。
【図３】実施の形態２に係る圧電アクチュエータを示す図である。
【図４】実施の形態２に係る圧電アクチュエータの駆動方法を示す図である。
【図５】実施の形態２に係る圧電アクチュエータを示す図である。
【図６】実施の形態２に係る圧電アクチュエータの駆動方法を示す図である。
【図７】実施の形態３に係る圧電アクチュエータを示す図である。
【図８】本発明に係る圧電アクチュエータの駆動方法を示すブロック図である。
【符号の説明】
１振動片
２圧電体
３加圧材
４振動体
５回転移動体
６ホーン
７ローラー
８移動体
９支持部
１２第一の入力電圧
１３第二の入力電圧
１４第一の振動部
１５第二の振動部
１６第一の圧電体
１７第二の圧電体
１８固定端[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric actuator used in a timepiece, a camera, a printer, an information storage device, and the like, and a driving method of the piezoelectric actuator, and more particularly to stabilization, high output, and high efficiency of the piezoelectric actuator.
[0002]
[Prior art]
Currently, OA equipment and information processing equipment are becoming more compact, and accordingly, piezoelectric actuators are attracting attention as a power source used for driving and transport. As an example of a conventional piezoelectric actuator, a vibrating piece type piezoelectric actuator is shown in FIG.
The vibrating piece type actuator is in contact with and vibrating the piezoelectric body 2 that performs stretching vibration, the vibrating piece 1 that performs bending vibration, the horn 6 that transmits the stretching vibration of the piezoelectric body 2 to the vibrating piece 1, and the vibration piece 1. It consists of a moving body 8 having a slight inclination relative to the piece 1.
[0003]
When a drive signal such as a sine wave is input at a frequency that causes the piezoelectric body 2 to generate stretching vibration, the vibration energy propagates to the resonator element 1 via the horn 6. Then, an elliptical motion is generated at the tip of the vibrating piece 1 by combining the bending piece and the expansion and contraction vibration of the piezoelectric body 2 with the vibrating piece 1 designed to generate bending vibration at the same frequency. As a result, a frictional force acts between the resonator element 1 and the moving body 8, and the moving body 8 moves by obtaining a driving force.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional vibrating piece type piezoelectric actuator has an insufficient correlation between the stretching vibration of the piezoelectric body 2 and the bending vibration of the vibrating piece 1, and the direction of the elliptical motion generated at the tip of the vibrating piece 1 can be uniquely controlled. It was not possible, and there was a possibility of moving in the direction opposite to the desired movement direction. As a result, the moving body may move in a direction opposite to the desired moving direction.
[0005]
Further, since the vibrating piece 1 and the moving body 8 have a structure in which the vibrating piece 1 protrudes from the moving body 8, an appropriate inclination is required. That made manufacturing and configuration difficult. Further, since the tip portion of the resonator element 1 is repeatedly hit, there is a possibility that the wear may occur and drive characteristics may be deteriorated.
Therefore, the present invention provides a desired drive direction and increases not only the vibration component in the direction perpendicular to the moving direction of the moving body but also the vibration component in the direction parallel to the moving direction of the moving body. An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator capable of generating a large driving force for a moving body.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The piezoelectric actuator according to the present invention is a piezoelectric actuator comprising a moving body and a vibrating body, wherein the vibrating body includes at least one first piezoelectric body and is parallel to the moving direction of the moving body, At least one second vibrator having at least one first vibration part having a large vibration component and at least one second piezoelectric body and having a large vibration component in a direction perpendicular to the moving direction of the moving body. The vibrating body has at least one fixed end and at least one free end.
[0007]
According to this, the first vibration unit having a large vibration component in a direction parallel to the moving direction of the moving body, and the second vibration component having a large vibration component in a direction perpendicular to the moving direction of the moving body. By configuring the vibrating body with the vibrating section, it is possible to generate a large output not only in the direction perpendicular to the moving direction of the moving body but also in the same direction as the moving direction of the moving body. .
[0008]
Further, by using at least one first piezoelectric body and at least one second piezoelectric body, it is possible to control the vibration directions of the first vibrating section and the second vibrating section. Further, by changing the shapes of the first vibration part and the second vibration part, it is possible to produce an actuator that flexibly corresponds to speed and driving force.
The piezoelectric actuator according to the present invention is a piezoelectric actuator comprising a moving body and a vibrating body, wherein the vibrating body includes at least one first piezoelectric body and is perpendicular to the moving direction of the moving body. In addition, at least one first vibration section having a large vibration component and at least one second piezoelectric body, and at least one having a large vibration component in a direction parallel to the moving direction of the moving body. It is comprised from the 2nd vibration part, and the said vibrating body has at least 1 fixed end and at least 1 free end, It is characterized by the above-mentioned.
[0009]
According to this, the same effect as the above piezoelectric actuator can be obtained.
Further, in the piezoelectric actuator according to the present invention, in the two piezoelectric actuators, the first vibrating portion of the vibrating body includes a both-end supporting elastic body,
The second vibrating section is a vibrating body made of a free elastic body with one end supported and a support section provided on the first vibrating section.
[0010]
According to this, in addition to the same effect as the two piezoelectric actuators described above, the vibrating body is constituted by the first vibrating portion supported at both ends and the second vibrating portion at one end supported and the other end freely, thereby forming the vibrating body. Thus, the piezoelectric actuator can be miniaturized and the piezoelectric actuator can be miniaturized.
The piezoelectric actuator according to the present invention is characterized in that, in the above three piezoelectric actuators, the natural frequency of the first vibration part and the natural frequency of the second vibration part are equal.
[0011]
According to this, in the three piezoelectric actuators described above, by combining the natural frequency of the first vibration part and the natural frequency of the second vibration part, the vibration of the entire vibration body is made constant and the drive is stabilized. It becomes possible. Further, by using the natural frequency, the vibrating body resonates, and high output and high efficiency can be achieved.
According to the piezoelectric actuator driving method of the present invention, in the piezoelectric actuator described above, the first and second piezoelectric bodies are driven at a frequency such that the first and second vibrating parts vibrate at a natural frequency. When a signal is input, a vibration component of the first vibration unit that is parallel to the moving direction of the moving body, and a vibration of the second vibrating unit that is perpendicular to the moving direction of the moving body. It is characterized by combining the components, causing an elliptical motion in the vibrating body, and moving the moving body.
[0012]
According to this, in the above-described piezoelectric actuator, the vibration components of the first vibrating body and the second vibrating body constituting the vibrating body are synthesized, and an elliptical motion is generated in the vibrating body. It is possible to give.
Further, the piezoelectric actuator and the driving method of the piezoelectric actuator according to the present invention are characterized in that, in each of the five piezoelectric actuators, a pressurizing material is provided that applies pressure to the moving body and the vibrating body.
[0013]
According to this, since it is possible to generate an appropriate frictional force between the vibrating body and the moving body by providing the pressing material, in addition to the gravity of the moving body, It becomes possible to obtain a force, and it becomes possible to achieve high output and stabilization of driving of the moving body.
In addition, the piezoelectric actuator and the driving method of the piezoelectric actuator according to the present invention are characterized in that a plurality of the vibrators are used in the six piezoelectric actuators.
[0014]
Thereby, in addition to the effects of the first two piezoelectric actuators described above, it is possible to increase the driving force of the moving body by arranging a plurality of vibrating bodies in the same direction. By arranging these in a matrix, a linear type or a two-dimensional drive actuator can be configured.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1
Hereinafter, the first embodiment to which the present invention is applied will be described in detail with reference to FIG.
FIG. 1 is a diagram illustrating a piezoelectric actuator according to the first embodiment.
The piezoelectric actuator is in contact with the vibrating body 4 and the vibrating body 4 including the first vibrating section 14, the second vibrating section 15, the first piezoelectric body 16, the second piezoelectric body 17, and the fixed end 18. It consists of the moving body 8 driven by this.
[0016]
By inputting a drive signal to the first piezoelectric body 16, the first piezoelectric body 16 is distorted, and the first vibrating section 14 is vibrated in a direction parallel to the moving direction of the moving body 8. . Further, when a drive signal is input to the second piezoelectric body 17, the second vibrating portion 15 vibrates in a direction perpendicular to the moving direction of the moving body 8. As a result, the tip of the vibrating body 4 in contact with the moving body 8 performs an elliptical motion, gives a frictional force to the moving body 8, and moves the moving body 8.
[0017]
As the first piezoelectric body 16 and the second piezoelectric body 17, for example, barium titanate, lead zirconate titanate, lithium niobate, lithium tantalate, or the like is used.
Further, the first piezoelectric body 16 and the second piezoelectric body 17 are attached to the first vibrating portion 14 and the second vibrating portion 15 using an adhesive, or directly by vapor deposition or the like. The piezoelectric body 2 is formed with respect to the first vibrating portion 14 and the second vibrating portion 15.
<< Embodiment 2 >>
Hereinafter, the piezoelectric actuator and the driving method of the piezoelectric actuator will be described in detail in the second embodiment.
[0018]
FIG. 3 is a diagram illustrating the piezoelectric actuator according to the second embodiment.
The piezoelectric actuator includes a vibrating body 4, a rotary moving body 5, and a pressurizing material 3.
The vibrating body 4 includes a first vibrating portion 14 supported at both ends at a fixed end 18 and a second vibrating portion 15 having a supporting portion near the center of the first vibrating portion 14 and having one end supported and the other end free. And a first piezoelectric member 16 attached to the first vibrating portion 14 and a second piezoelectric member 17 attached to the second vibrating portion 15 and polarized to the same polarity as the first piezoelectric member 16.
[0019]
Here, the direction of polarization of the first piezoelectric body 16 is such that when a positive voltage is applied to the first vibrating portion 14 from the opposite surface to which the first piezoelectric body 16 is attached, an elongation strain is generated. The direction is +. Similarly, the direction of polarization of the second piezoelectric body 17 is such that when a positive voltage is applied to the second vibrating portion 15 from the opposite surface to which the second piezoelectric body 17 is attached, an elongation strain is generated. The direction is +.
[0020]
The first piezoelectric body 16 receives a drive signal from the first input voltage 12, and the second piezoelectric body 17 receives a drive signal from the second input voltage 13.
In addition, the first vibration part 14 and the second vibration part 15 are designed to have the same bending primary natural frequency.
The first vibrating portion 14 and the second vibrating portion 15 are connected by the support portion 9.
[0021]
The rotary moving body 5 moves by obtaining a driving force from the vibrating body 4.
The pressure member 3 adjusts the frictional force generated between the vibrating body 4 and the rotary moving body 5 by applying an appropriate pressure to the vibrating body 4 and the rotary moving body 5. As the pressure member 3, an elastic body such as a spring may be used in addition to the weight.
FIG. 4 is a diagram illustrating a driving method of the piezoelectric actuator according to the second embodiment. Among these, the process in which the movement of the vibrating body 4 of the piezoelectric actuator and the drive signal combined with the primary bending natural vibration are added for one period will be described in detail. The vibrating body 4 has the same configuration as the vibrating body 4 shown in the piezoelectric actuator shown in FIG.
[0022]
The phases of the first input voltage 12 and the second input voltage 13 are shifted by π / 2 rad.
Further, it goes without saying that the same effect can be obtained even if different phases are input to the first piezoelectric body 16 and the second piezoelectric body 17 with a single power source as shown in FIG.
Moreover, it is also possible to use it as a linear piezoelectric actuator using a slider or the like instead of the rotary moving body 5.
[0023]
First, FIG. 4A shows a case where the drive signal is 0 rad.
The first input voltage 12 is maximum in the positive direction, the first piezoelectric body 16 has the maximum elongation strain, and the first vibrating portion 14 is greatly bent in a direction parallel to the moving direction of the moving body. .
Since the second input voltage 13 is 0, the second vibration unit 15 moves together with the first vibration unit 16 in a direction parallel to the moving direction of the moving body.
[0024]
FIG. 4B shows a case where the drive signal is π / 2 rad.
The second input voltage 13 is maximized in the negative direction, the second piezoelectric body 17 is maximally contracted, and the second vibrating portion 15 is largely bent in a direction perpendicular to the moving direction of the moving body. .
The first input voltage 12 becomes 0, and the first vibration unit 14 returns to the initial state.
[0025]
FIG. 4C shows a case where the drive signal is πrad.
The first input voltage 12 is maximum in the negative direction, the first piezoelectric body 16 has the maximum shrinkage distortion, and the first vibration unit 14 is bent greatly in a direction parallel to the moving direction of the moving body. .
The second input voltage 13 becomes 0, and the second vibration unit 15 returns to the initial state.
[0026]
FIG. 4D shows the case where the drive signal is 3π / 2 rad.
The second input voltage 13 is maximum in the positive direction, the second piezoelectric body 17 has the maximum elongation strain, and the second vibration unit 15 is bent largely in a direction perpendicular to the moving direction of the moving body. .
The first input voltage 12 becomes 0, and the first vibration unit 14 returns to the initial state.
[0027]
As described above, a driving signal having a frequency that matches the bending primary natural frequency is input to the first piezoelectric body 16 and the second piezoelectric body 17, and the phase of the movable body (not shown) is moved. The vibration component of the direction that is parallel to the direction and the moving direction of the moving body (not shown) and the direction that is perpendicular to the direction is synthesized to draw an elliptical motion, and it moves by friction between the vibrating body 4 and the moving body (not shown) It is possible to move the body (not shown) in one direction.
[0028]
Further, the moving direction of the moving body (not shown) can be changed by changing the polarization direction of the first piezoelectric body 16 or changing the phase of the drive signal to the first piezoelectric body 16.
Further, the first vibration unit 14 is designed to have the bending primary natural frequency and the second vibration unit 15 to have the bending secondary natural frequency, and the same frequency is input to drive the moving body. It is also possible.
[0029]
FIG. 5 is a diagram illustrating the piezoelectric actuator according to the second embodiment.
The piezoelectric actuator includes a vibrating body 4, a moving body 8, and a roller 7.
The vibrating body 4 has a second piezoelectric portion attached to a second vibrating portion 15 having a supporting portion in the vicinity of the center of the first vibrating portion 14 supported at both ends at the fixed end 18 and having one end supported and the other end free. It comprises a body 17 and a first piezoelectric body 16 attached to the first vibration part 14.
[0030]
A plurality of the second piezoelectric bodies 17 are used, and the driving force can be increased by making the second vibrating portion 15 into a bimorph shape. The first vibrating portion 14 and the second vibrating portion 15 are connected by the support portion 9.
Here, the polarization direction of the first piezoelectric body 16 is such that when a positive voltage is applied to the first vibrating portion 14 from the opposite surface to which the first piezoelectric body 16 is attached, a contraction distortion occurs. The direction is-. Similarly, one of the second piezoelectric bodies 17 has a polarization direction in which a positive voltage is applied to the second vibrating portion 15 from the opposite surface to which the second piezoelectric body 17 is attached. In the direction in which elongation strain is generated, the direction is defined as +.
[0031]
In addition, when the second piezoelectric body 17 is applied with a positive voltage from the opposite surface to which the second piezoelectric body 17 is attached to the second vibrating portion 15 as the polarization direction, the shrinkage distortion occurs. The direction in which the direction is generated is defined as −.
The first piezoelectric body 16 receives a drive signal from the first input voltage 12, and the second piezoelectric body 17 receives a drive signal from the second input voltage 13.
[0032]
In addition, the first vibration part 14 and the second vibration part 15 are designed to have the same bending primary natural frequency. The phases of the first input voltage 12 and the second input voltage 13 are shifted by π / 2 rad.
The moving body 8 obtains a driving force from the vibrating body 4 and moves linearly.
The roller 7 is for the moving body 4 to move smoothly.
[0033]
Further, it goes without saying that the same effect can be obtained even if different phases are input to the first piezoelectric body 16 and the second piezoelectric body 17 with a single power source as shown in FIG.
Further, instead of the moving body 8, a rotary moving body or the like can be used as a rotary actuator.
[0034]
FIG. 6 is a diagram illustrating a driving method of the piezoelectric actuator according to the second embodiment. Among these, the process in which the movement of the vibrating body 4 of the piezoelectric actuator and the drive signal combined with the primary bending natural vibration are added for one period will be described in detail. The vibrating body 4 has the same configuration as the vibrating body 4 shown in the piezoelectric actuator shown in FIG.
First, FIG. 6A shows a case where the drive signal is 0 rad.
[0035]
The first input voltage 12 is maximum in the negative direction, the first piezoelectric body 16 has the maximum elongation strain, and the first vibrating portion 14 is greatly bent in a direction perpendicular to the moving direction of the moving body. .
Since the second input voltage 13 is 0, the second vibrating unit 15 moves in a direction perpendicular to the moving direction of the moving body together with the first vibrating unit 14.
[0036]
FIG. 6B shows a case where the drive signal is π / 2 rad.
The second input voltage 13 is maximum in the negative direction, and the second piezoelectric body 17 that is polarized in the + direction generates contraction distortion and the second piezoelectric body 17 is polarized in the-direction. Since the direction that has been generated causes elongation strain, the second vibrating section 15 is greatly bent in a direction parallel to the moving direction of the moving body.
[0037]
Since the first input voltage 12 is 0, the first vibration unit 14 returns to the initial state.
FIG. 6C shows a case where the drive signal is πrad.
The first input voltage 12 becomes maximum in the positive direction, the first piezoelectric body 16 has the maximum shrinkage distortion, and the first vibrating portion 14 is greatly bent in a direction perpendicular to the moving direction of the moving body. .
[0038]
Since the second input voltage 13 is 0, the second vibration unit 15 returns to the initial state.
FIG. 6D shows a case where the drive signal is 3π / 2 rad.
The second input voltage 13 is maximum in the positive direction, and the second piezoelectric body 17 that is polarized in the + direction generates elongation strain and the second piezoelectric body 17 is polarized in the-direction. Since the contracted distortion is generated, the second vibrating portion 15 is greatly bent in a direction parallel to the moving direction of the moving body.
[0039]
Since the first input voltage 12 is 0, the first vibration unit 14 returns to the initial state.
As described above, when a drive signal having a frequency matching the bending primary natural frequency is input to the first piezoelectric body 16 and the second piezoelectric body 17, the movement and the direction parallel to the moving direction of the moving body are performed. It is possible to synthesize a vibration component in a direction perpendicular to the moving direction of the body, draw an elliptical motion, and move the moving body 8 in one direction by friction between the vibrating body 4 and the moving body 8.
[0040]
Further, the moving direction of the moving body 8 can be changed by changing the polarization direction of the first piezoelectric body 16 or changing the phase of the drive signal to the first piezoelectric body 16.
Further, the first vibration unit 14 is designed to have the bending primary natural frequency and the second vibration unit 15 to have the bending secondary natural frequency, and the same frequency is input to drive the moving body. It is also possible.
<< Embodiment 3 >>
FIG. 7 is a diagram illustrating a piezoelectric actuator according to the third embodiment.
[0041]
The piezoelectric actuator includes a first vibrating portion 14 and a second vibrating portion 15 supported at both ends by a fixed end 18, and a first piezoelectric body 16 and a second vibrating portion 15 attached to the first vibrating portion 14. The vibrating body 4 comprising the second piezoelectric body 17 attached to the rotating body 4, the rotating moving body 5 that contacts and drives the vibrating body 4, and an application for applying an appropriate pressure to the vibrating body 4 and the rotating moving body 5. It consists of a pressure member 3. A plurality of the vibrating bodies 4 are arranged on the same plane in the clockwise direction in the same direction of the circumference.
[0042]
Thereby, since the rotationally movable body 5 is rotated in one direction and the plurality of vibrating bodies 4 are used, it is possible to increase the driving force to the rotationally movable body 5 compared to the single.
Further, the rotating movable body 5 can be rotated in the forward and reverse directions by changing the polarization direction of the first piezoelectric body 16 of one vibrating body 4 or changing the input phase.
[0043]
Similarly, by arranging the vibrating body 4 on the same plane so that the arrangement of the vibrating body 4 is a clockwise and counterclockwise combination, that is, in the forward / reverse direction of the circumference, the rotary moving body 5 can be rotated forward and backward. is there.
Similarly, by arranging the vibrating bodies 4 in a matrix, it is possible to configure a linear actuator or a two-dimensional drive actuator.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, the piezoelectric actuator of the present invention has the first vibration part having a large vibration component in a direction parallel to the moving direction of the moving body and the first vibration portion having a large vibration component in a direction perpendicular to the moving direction of the moving body. By constructing a vibrating body with the two vibrating parts, a stable and large output can be generated not only in the direction perpendicular to the moving direction of the moving body but also in the same direction as the moving direction of the moving body. Is possible.
[0045]
Further, by changing the shapes of the first vibration part and the second vibration part, it is possible to produce an actuator that flexibly corresponds to speed and driving force.
The piezoelectric actuator of the present invention includes a first vibration part having a large vibration component in a direction perpendicular to the moving direction of the moving body, and a second vibration component having a large vibration component in a direction parallel to the moving direction of the moving body. By constructing a vibrating body with the vibrating part, it is stable not only in the direction perpendicular to the moving direction of the moving body but also in the same direction as the moving direction of the moving body, as in the piezoelectric actuator described above. Large output can be generated.
[0046]
Further, by changing the shapes of the first vibration part and the second vibration part, it is possible to produce an actuator that flexibly corresponds to speed and driving force.
In addition to the same effects as the two piezoelectric actuators described above, the piezoelectric actuator of the present invention comprises a vibrating body with a first vibrating portion supported at both ends and a second vibrating portion that is free at one end and supported at the other end. As a result, the vibrating body can be simplified and downsized, so that the piezoelectric actuator can be downsized. In addition, the design can be simplified.
[0047]
In the piezoelectric actuator of the present invention, in the above three piezoelectric actuators, by combining the natural frequency of the first vibration part and the natural frequency of the second vibration part, the vibration of the entire vibration body is made constant, The drive can be stabilized. In addition, by using the natural vibration, it is possible to increase the output with respect to the input, and it is possible to increase the efficiency.
[0048]
Further, in the piezoelectric actuator driving method of the present invention, in the above-described piezoelectric actuator, the vibration components of the first vibrating portion and the second vibrating portion constituting the vibrating body are synthesized, and an elliptical motion is generated in the vibrating body. It shows that it is possible to apply a driving force to the moving body to move the moving body. In this case, since the drive signal to the piezoelectric body is correlated between the first vibrating portion and the second vibrating portion, a desired elliptical motion direction can be obtained.
[0049]
In addition, the piezoelectric actuator and the piezoelectric actuator driving method of the present invention are provided with a pressurizing material, and the moving body generates a frictional force necessary for obtaining the maximum or desired driving force on the vibrating body and the moving body. It becomes possible.
In addition to the effects of the five piezoelectric actuators described above, the piezoelectric actuator and the piezoelectric actuator driving method of the present invention are characterized by using a plurality of vibrators. Thereby, it is possible to increase the driving force of the moving body, and it is possible to realize a linear piezoelectric actuator or a two-dimensional driving piezoelectric actuator by arranging in a matrix.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a piezoelectric actuator according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic view showing a vibrating piece type piezoelectric actuator.
FIG. 3 is a diagram illustrating a piezoelectric actuator according to a second embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a method for driving a piezoelectric actuator according to a second embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a piezoelectric actuator according to a second embodiment.
6 is a diagram illustrating a driving method of a piezoelectric actuator according to a second embodiment. FIG.
7 is a diagram showing a piezoelectric actuator according to a third embodiment. FIG.
FIG. 8 is a block diagram showing a method for driving a piezoelectric actuator according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vibrating piece 2 Piezoelectric body 3 Pressurizing material 4 Vibrating body 5 Rotating moving body 6 Horn 7 Roller 8 Moving body 9 Support part 12 First input voltage 13 Second input voltage 14 First vibrating part 15 Second vibration Part 16 First piezoelectric member 17 Second piezoelectric member 18 Fixed end

Claims

In a piezoelectric actuator consisting of a moving body and a vibrating body,
The vibrator is composed of a first vibrating part having at least one end supported, and a second vibrating part having one end supported by the first vibrating part and the other end being a free end,
The first vibration unit includes a first piezoelectric body on a side surface perpendicular to the moving direction of the moving body, and has a vibration component in a direction parallel to the moving direction of the moving body,
The second vibration unit includes a second piezoelectric body on a side surface parallel to the moving direction of the moving body, and has a vibration component in a direction perpendicular to the moving direction of the moving body,
A piezoelectric actuator, wherein the second vibrating section is arranged so that a longitudinal direction thereof is in the same direction as a moving direction of the moving body and is in contact with the moving body .

The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein
The piezoelectric actuator, wherein the first piezoelectric body and the second piezoelectric body are each formed by vapor deposition and polarized in one direction .

The piezoelectric actuator according to claim 1 or 2,
A piezoelectric actuator characterized in that the natural frequency of the first vibration part is equal to the natural frequency of the second vibration part .

The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 3,
A piezoelectric actuator comprising a pressurizing material that applies pressure to the moving body and the vibrating body .

The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4,
A piezoelectric actuator using a plurality of the vibrators .

A method for driving a piezoelectric actuator according to claim 3, comprising:
  A drive signal having a frequency such that the first and second vibrating parts vibrate at a natural frequency are input to the first and second piezoelectric bodies,
  The vibration component of the first vibration unit that is parallel to the moving direction of the moving body and the vibration component of the second vibration unit that is perpendicular to the moving direction of the moving body are combined. ,
  A method of driving a piezoelectric actuator, wherein an elliptical motion is generated in the vibrating body to move the moving body.

The method for driving a piezoelectric actuator according to claim 6, wherein a pressure is applied to the moving body and the vibrating body.

The method for driving a piezoelectric actuator according to claim 6, wherein a plurality of the vibrators are used .