JP2006050818A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

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泰治 橋本
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Abstract

【課題】配線時や駆動時における、配線のはがれ、接触不良および電極の溶解を防止でき、かつ、安定的に駆動することができる圧電アクチュエータを提供すること。
【解決手段】補強板21および圧電素子22を有し、圧電素子22に交流電圧を印加することにより駆動されて振動する振動体2と、補強板21に設けられ、振動体2の振動により被駆動体Rに接触して被駆動体Rに駆動力を伝達する接触部3と、圧電素子22の表面に設けられ、圧電素子22に交流電圧を印加する駆動電極12、13と、圧電素子22の表面に設けられ、振動体2の振動時にて圧電素子22に誘起される電圧を検出する検出電極11、14とを備えた圧電アクチュエータ1であって、駆動電極12、13および検出電極11、14は、それぞれ、その一部に、残部より厚みの厚い導通部51〜54、61、62を有することを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、圧電アクチュエータに関する。
従来、直線運動や回転運動する移動体(被駆動体)を駆動するために用いられる駆動装置として、駆動源として超音波モータを用いた圧電アクチュエータが知られている。
この圧電アクチュエータは、交流電圧を駆動電極に印加することにより励振する振動体の振動を被駆動体に伝達し、この振動により、被駆動体をガイドに沿って移動させ、振動体の振動時に誘起される電圧を検出電極により検出し、その検出結果に基づいて振動体への印加電圧を調整するよう構成されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、従来の圧電アクチュエータでは、駆動電極と駆動電極に対して交流電圧を印加するための駆動回路とを接続する配線や、検出電極と検出電極にて検出された電圧を印加するための駆動回路とを接続する配線等を、例えば、はんだ付け等で接続するときや駆動時に、これらの電極が、振動体からはがれたり、溶けたり、接触不良を起こしたりするという問題があった。
特開2001−268953号公報
本発明の目的は、配線時や駆動時における、配線のはがれ、接触不良および電極の溶解を防止でき、かつ、安定的に駆動することができる圧電アクチュエータを提供することにある。
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の圧電アクチュエータは、補強板および圧電素子を有し、該圧電素子に交流電圧を印加することにより駆動されて振動する振動体と、
前記補強板に設けられ、前記振動体の振動により被駆動体に接触して該被駆動体に駆動力を伝達する接触部と、
前記圧電素子の表面に設けられ、前記圧電素子に前記交流電圧を印加する駆動電極と、
前記圧電素子の表面に設けられ、前記振動体の振動時にて前記圧電素子に誘起される電圧を検出する検出電極とを備えた圧電アクチュエータであって、
前記駆動電極および前記検出電極は、それぞれ、その一部に、残部より厚みの厚い導通部を有することを特徴とする。
これにより、例えば、導線等の導体を半田等により駆動電極および検出電極に接続する際に、電極が圧電素子から剥離したり、電極が溶けたり、接触不良を起こしたりすることを容易かつ確実に防止することができる。また、電極全体を厚くしたときと比較して、圧電素子の振動損失を小さくすることができ、また、圧電素子全体に占める電極の割合を少なくすることにより振動の共振周波数に対する影響を小さくすることができるため、圧電アクチュエータを安定的に駆動することができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記補強板は、金属で構成されていることが好ましい。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記振動体は、複数の共振モードで同時に駆動されて振動するよう構成されていることが好ましい。
これにより、被駆動体を効率よく駆動することができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記駆動電極および前記検出電極の前記導通部を除く平均厚さが、それぞれ0.3〜5μmであることが好ましい。
これにより、振動時における振動損失を小さくすることができるため、被駆動体を効率よく駆動することができ、検出電極による検出される電圧の精度の低下を防止することができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記導通部の平均厚さが、10μm〜100μmであることが好ましい。
これにより、振動時における振動損失を小さくすることができるため、被駆動体を効率よく駆動することができ、検出電極による検出される電圧の精度の低下を防止することができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記駆動電極および前記検出電極は、それぞれ、平面視における電極全体の面積に対して前記導通部の占める面積の比率が、20〜80%であることが好ましい。
これにより、振動時における振動損失を小さくすることができるため、被駆動体を効率よく駆動することができ、検出電極による検出される電圧の精度の低下を防止することができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記導通部に、外部回路が電気的に接続されており、
前記導通部を介して前記外部回路から前記駆動電極に前記交流電圧が印加されることが好ましい。
これにより、駆動電極と外部回路との高い接合強度が得られる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記導通部に、外部回路が電気的に接続されており、
前記導通部を介して前記検出電極から前記外部回路に前記圧電素子に誘起される電圧が印加されることが好ましい。
これにより、検出電極と外部回路との高い接合強度が得られる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記振動体は、前記圧電素子を積層して成る積層構造を有することが好ましい。
これにより、駆動電極の面積を広く取ることができ、より大きな駆動力を得ることができ、圧電アクチュエータを安定的に駆動することができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、積層された前記圧電素子の側面に、前記圧電素子の表面に設けられた所定の電極を相互に導通させる側面電極を有することが好ましい。
これにより、各電極を容易かつ確実に接続することができるため、圧電アクチュエータを安定的に駆動することができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記側面電極は、前記導通部に接合されることが好ましい。
これにより、側面電極と各電極との高い接合強度が得られる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記導通部は、積層された前記圧電素子の最外層の圧電素子の前記駆動電極および前記検出電極上に設けられることが好ましい。
これにより、圧電アクチュエータを安定的に駆動することができる。
以下、本発明の圧電アクチュエータを添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の圧電アクチュエータの実施形態を示す斜視図、図2は、図1に記載した圧電アクチュエータを示す側面図、図3は、駆動電極および検出電極の配置を示す平面図、図4は、図1に記載した圧電アクチュエータを示す組立斜視図である。
なお以下では、説明の都合上、図3中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」という。
この圧電アクチュエータ1は、振動体2と、接触部3、30と、腕部4と、駆動電極12、13と、検出電極11、14とを有する超音波モータである。この圧電アクチュエータ1では、駆動回路(図示省略)からの印加電圧により振動体2が振動し、接触部3が被駆動体Rを叩くことにより被駆動体Rが回転して駆動される。また、圧電アクチュエータ1は、検出電極11、14にて検出された電圧に基づき、その振動体2の振動を制御する。この圧電アクチュエータ1では、検出電極11、14が振動体2に対して所定の位置に設置されており、これにより、検出電極11、14により検出される電圧がより安定し、安定した駆動が可能となる。なお、この圧電アクチュエータ1では、被駆動体Rがロータその他の回転体であるが、これに限らず、被駆動体Rがスライダその他の並進体であっても良い。また、接触部30は、圧電アクチュエータ1の振動時における圧電アクチュエータ1のバランスをとるためのバランサーとしての機能を有する。
振動体2は、厚みを有する略板状(長方形)形状をなしており、補強板21と、2つの圧電素子ユニット20、20とで構成されている。図2に示すように、この圧電素子ユニット20、20は、補強板21を介して一方が上側に設けられ、他方が下側に設けられている。また、圧電素子ユニット20の分極方向は、補強板21を挟んで対称に、例えば、一方の圧電素子ユニット20の電荷方向が最外層から補強板21の後述する接着層への方向であるとすると、他方の圧電素子ユニット20の電荷方向も最外層から補強板21との接着層への方向に設定されている。
補強板21の構成材料は、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼、ニッケルパーマロイ等の金属や、アルミナ、ジルコニア等の酸化物や、カーボンファイバー等各種のものを用いることができる。なお、本実施形態では、振動体2は略板状であるが、本発明では、これに限定されないのは言うまでもない。
圧電素子ユニット20、20は、それぞれ、複数の圧電素子22a〜22dで構成されている。
圧電素子22a〜22dは、それぞれ、略長方形の板状形状をなし、厚み方向に電圧が印加されると平面方向に変形して伸縮する圧電特性を有する。
また、図4に示すように、圧電素子22a〜22dは、補強板21の表裏(上下)にそれぞれ4層ずつ積層して配置され、例えば、接着剤等により固着される。なお、これらの圧電素子22a〜22dの構成材料としては、特に限定されず、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等各種のものを用いることができる。
また、2つの圧電素子ユニット20、20は、その構成が互いに同様であるので、以下では、代表的に、1つの圧電素子ユニット20について説明する。
図3(a)〜図3(e)および図4に示すように、圧電素子22dの上面(表面)には、電極パターン71が形成されており、圧電素子22cの上面には、電極パターン72が形成されており、圧電素子22bの上面には、電極パターン73が形成されており、圧電素子22aの上面には、電極パターン74が形成されており、圧電素子22aの下面には、パターン75が形成されている。すなわち、電極パターン72は、圧電素子22cと圧電素子22dに挟み込まれ、電極パターン73は、圧電素子22bと圧電素子22cとに挟み込まれ、電極パターン74は、圧電素子22aと圧電素子22bとに挟み込まれ、パターン75は、補強板21と圧電素子22aとに挟み込まれた構成となっている。
これらの電極パターン71、72は、所定間の間隙が設けられることによって複数の互いに絶縁された電極を有している。また、これらの電極パターン71〜74は、例えば、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法等の各種塗布法や、スパッタリング法や、金属膜を形成した後、不要部分をエッチングにより除去する方法などにより形成される。かかる方法によれば、電極を比較的容易に圧電素子22上に形成することができる。
図3(a)に示すように、電極パターン71は、圧電素子22dの長辺を2分する中心軸Cを挟んで左側に設置される検出電極11、14、15と、右側に設置される駆動電極13と、その大部分が右側に設置される駆動電極12とで構成されている。
図3(b)に示すように、電極パターン72は、圧電素子22cの長辺を2分する中心軸Cを挟んで左側に設置される検出電極11と、その大部分が右側に設置される駆動電極12とで構成されている。なお、検出電極15は、本実施形態では使用されない。従って省略されていてもよい。このような構成にすることにより、検出電極11と、駆動電極12とが絶縁され、また、平面視で電極パターン71の検出電極14と、電極パターン72の駆動電極12とが重なることがないため、検出電極11により検出される検出電圧は、駆動電極12に印加される駆動電圧の影響を受けることがなく、精度の高い検出電圧が得られる。
図3(c)に示すように、電極パターン73は、駆動電極13で構成されている。この駆動電極13は接触部3、30に対応した形状となっている。これにより、振動体2の駆動時に、圧電素子22cに対して縦振動と屈曲振動とを同時に励振させることができ、接触部3が略楕円軌道を描く。
図3(d)に示すように、電極パターン74は、圧電素子22aの略全面に設けられた駆動電極12で構成されている。
電極パターン72〜74が、駆動電極12、13のうちの少なくとも一方を有することによって、圧電素子22b〜22dの全てが駆動可能になることにより、高い駆動力を得ることができる。
また、電極パターン71の駆動電極12、13は、導線91、92を介して駆動回路(外部回路)に接続されている。また、検出電極11、14は、導線81、82を介して検出回路(外部回路)に接続されている。
また、圧電アクチュエータ1は、例えば前述した塗布法等により圧電素子22の側面に形成された、側面電極17〜19を有している。
電極パターン71、72の各検出電極11は、この側面電極17を介して相互に導通している。また、電極パターン72、74の各駆動電極12は、この側面電極18を介して相互に導通している。また、電極パターン71、73の各駆動電極13は、この側面電極19を介して相互に導通している。
また、側面電極17、17は、それぞれ導線93、94によって接地されている。これにより、検出電極11が接地される。また、側面電極17、17を互いに接続して接地してもよい。
また、図2に示すように、各圧電素子ユニット20における後述する導通部53、53を互いに接続する導線95を介して圧電素子ユニット20、20における全ての電極12が互いに電気的に接続され、各圧電素子ユニット20における後述する導通部54、54を互いに接続する導線96を介して圧電素子ユニット20、20における全ての電極13が互いに電気的に接続されている。
これにより、圧電素子22a〜22dには、その厚み方向に駆動電圧を印加するための回路が構成される。また、かかる構成は、接続回路を簡易に構成できる点で好ましい。
また、パターン75は、駆動回路に接続されておらず、また、接地もされていない。したがって、この圧電素子22aは、上の三層(圧電素子22b〜22c)を補強板21に対して絶縁する絶縁層として機能する。これにより、上の三層のショートが抑止されて振動体2が好適に駆動されるので、電圧の検出が的確に為される利点がある。また、この圧電素子22aは、上の三層を補強板21に対して接着する接着層として機能する。すなわち、電極パターン(電極パターン71〜74)を介して圧電素子22を補強板21に接着することが困難なので、1枚の圧電素子22aを接着層として挿入するものである。
なお、本実施形態は、4つの圧電素子22a〜22dで圧電素子ユニット20を構成したが、それに限られず、1層〜3層、5層以上の圧電素子22で圧電素子ユニット20を構成してもよい。また、5層以上の圧電素子22を用いた場合は、最外層の圧電素子22の表面に対して電極パターン71が形成され、最外層の圧電素子22と、最外層に対して1つ内層の圧電素子22との間に電極パターン72が形成され、以降内層に向かって圧電素子22と圧電素子22との間に電極パターン73と電極パターン74とが交互に繰り返して形成される。
接触部3、30は、それぞれ補強板21の対角線上の両方の短辺の端部に補強板21に対して一体的に形成され、その先端にて被駆動体Rに対して当接する。したがって、この圧電アクチュエータ1では、接触部3が補強板21と同一材料で構成され、また、接触部3の設置強度が高められている。
腕部4は、補強板21の長辺の中央部から腕状に突出して形成される。補強板21は、この腕部4にて、ベース(図示せず)に対してネジその他の固定手段41により固定設置される。このとき、振動体2は、固定手段41によりベースに対して水平に浮上した状態で支持される。また、被駆動体Rに対する接触部3の付勢力は、この固定手段41の調整(例えば、ネジの締め付け具合の調整)により、任意に調整可能である。
この圧電アクチュエータ1は、圧電素子22による複数の共振モード、本実施形態では圧電素子22の縦振動における共振点での振動および屈曲振動における共振点での振動による2つの共振モードを有している。振動体2は、この2つの共振モードで同時に駆動されて振動するよう構成されている。
圧電アクチュエータ1を駆動する際には、まず、駆動回路が、駆動電極12、13を介して圧電素子22に交流電圧を印加する。具体的には、圧電素子22には、その縦振動にかかる共振周波数と、その屈曲振動にかかる共振周波数との中間の周波数を有する交流電圧が印加される。圧電素子22に交流電圧が印加されると、圧電素子22は、その圧電特性により伸縮運動して、縦振動と屈曲振動との複合振動を行う。すると、接触部3が、圧電素子22の振動により、振動体2の平面視にて略楕円軌道を描くように運動する。これにより、接触部3が被駆動体Rを叩いて、被駆動体Rが所定方向に回転して駆動される。一方、圧電アクチュエータ1の駆動時には、逆圧電効果により振動体2(圧電素子22、22)に誘起される誘起電圧が生じる。駆動回路は、この誘起電圧を検出電極11、14を介して検出すると共に、その検出結果に基づいて振動体2への印加電圧を調整する。これにより、振動体2の振動が、好適に制御される。
図1に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ1は、駆動電極12、13および検出電極11、14のそれぞれ一部に、残部より厚みの厚い導通部51〜54、61、62を有することに特徴を有する。駆動電極12、13の導通部51、52には、それぞれ導線91、92が例えば、半田等により接続されており、駆動回路は、導線91、92および導通部51、52を介して、駆動電極12、13に対して電圧を印加する。
また、検出電極11、14の導通部61、62には、それぞれ導線81、82が例えば、半田等により接続されており、圧電素子22、22に誘起される電圧が、この導通部61、62を介して駆動回路に印加される。
すなわち、導通部51、52、61、62は、バンプや、パッドとしての機能を果たすものである。
このような構成とすることにより、例えば、導線91、92の駆動電極12、13への半田付けや導線81、82の検出電極11、14への半田付けの際に、各電極が圧電素子から剥離したり、溶けたりすることを容易かつ確実に防止することができる。また、各電極の全面(全部)をそれぞれ厚くしたときと比較して、圧電素子の振動損失を小さくすることができ、特に、電極厚さのバラツキに対する共振周波数の変動を小さくすることができる。
また、図4に示すように、導通部62、53、54は、側面電極17〜19にそれぞれ接合されている。本実施形態の圧電アクチュエータ1は、製造過程において、圧電素子を積層した後に側面電極を形成するが、導通部62、53、54を設けることにより、側面電極を形成する際に、各側面電極と各電極とが接触不良を起こすことを好適に防止することができる。また、振動体2の振動中に各側面電極と各電極とが接触不良を起こすことを好適に防止することができる。
この駆動電極12、13および検出電極11、14、15の導通部51〜54、61、62を除く厚さは、それぞれ、0.3〜5μm程度であるのが好ましく、1〜3μm程度であるのがより好ましい。これにより、振動時における振動損失を小さくすることができるため、被駆動体を効率よく駆動することができ、検出電極による検出される電圧の精度の低下を防止することができる。
また、導通部51〜54、61、62の平均厚さは、それぞれ10〜100μm程度が好ましく、20〜50μm程度であるのがより好ましい。これにより、振動時における振動損失を小さくすることができるため、被駆動体を効率よく駆動することができ、検出電極による検出される電圧の精度の低下を防止することができる。
さらに、導通部51〜54、61、62の厚みを例えば、レーザ等でトリミングすることで微調整することによって、縦振動と屈曲振動とによるそれぞれの共振周波数を調整(可変)して、適正な振動が生じるようにすることにより、被駆動体をより効率よく駆動することができる。
なお、縦振動と屈曲振動の周波数を調整する他の方法としては、各圧電素子ユニット20の各稜や辺を、それぞれ面取りする方法等が挙げられる。この方法では、補強板21に対する各圧電素子ユニット20接着前に、予め各圧電素子ユニット20の共振周波数をそれぞれ測定し、それに合わせて面取りの量を決定し、その後、補強板21に対して各圧電素子ユニット20をそれぞれ接着した後に面取りを行うことが好ましい。
また、駆動電極および検出電極は、それぞれ平面視における電極全体の面積に対して導通部の占める面積の比率が20〜80%程度であるのが好ましく、40〜70%程度であるのがより好ましい。これにより、振動時における振動損失を小さくすることができるため、被駆動体を効率よく駆動することができ、検出電極による検出される電圧の精度の低下を防止することができる。
なお、この圧電アクチュエータ1では、前述したように振動体2が圧電素子22a〜22dを積層して構成される。かかる積層型の振動体2では、単層型の振動体と比較して、駆動電極の面積を広く取ることができるため低電圧での駆動が可能であり、また、その駆動効率が高い。したがって、振動体2の駆動特性が安定化するので、検出電極11、14による電圧の検出が好適化される利点がある。しかし、これに限らず、振動体2は、単層型により構成されても良い。
また、この圧電アクチュエータ1では、検出電極14が、振動体2の最上面(最外層に位置する圧電素子22dの表面)にのみ設置され、他の位置、例えば、振動体2の内部などには設置されていない。これにより、振動体2の駆動特性が安定化するので、検出電極11、14により検出される電圧が安定する。
また、これに限らず、例えば、検出電極14は、振動体2内部に設置されても良い。
また、この圧電アクチュエータ1では、検出電極11が接地されているため、駆動電極12、13に印加される電圧が、検出電極に漏れることを好適に防止することができるため、検出電圧に対する駆動電圧の影響を最小にすることができ、検出電極11、14により検出される電圧の精度の低下を防止することができる。
以上、本発明の圧電アクチュエータを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
また、本実施形態の圧電素子の形状は、厚みを有する略板状(長方形)形状をなしているが、本発明ではこれに限られないのは言うまでもない。
この本発明の圧電アクチュエータの実施形態を示す斜視図である。 図1に記載した圧電アクチュエータを示す側面図である。 駆動電極および検出電極の配置を示す平面図である。 図1に記載した圧電アクチュエータを示す組立斜視図である。
符号の説明
1・・・圧電アクチュエータ、2・・・振動体、3、30・・・接触部、4・・・腕部、12、13・・・駆動電極、11、14、15・・・検出電極、17、18、19・・・側面電極、20・・・圧電素子ユニット、21・・・補強板、22、22a〜22d・・・圧電素子、41・・・固定手段、51〜54・・・導通部、61、62・・・導通部、71〜74・・・電極パターン、75・・・パターン、81、82・・・導線、91〜96・・・導線、Q・・・接触点、R・・・被駆動体

Claims (12)

  1. 補強板および圧電素子を有し、該圧電素子に交流電圧を印加することにより駆動されて振動する振動体と、
    前記補強板に設けられ、前記振動体の振動により被駆動体に接触して該被駆動体に駆動力を伝達する接触部と、
    前記圧電素子の表面に設けられ、前記圧電素子に前記交流電圧を印加する駆動電極と、
    前記圧電素子の表面に設けられ、前記振動体の振動時にて前記圧電素子に誘起される電圧を検出する検出電極とを備えた圧電アクチュエータであって、
    前記駆動電極および前記検出電極は、それぞれ、その一部に、残部より厚みの厚い導通部を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 前記補強板は、金属で構成されている請求項1に記載の圧電アクチュエータ。
  3. 前記振動体は、複数の共振モードで同時に駆動されて振動するよう構成されている請求項1または2に記載の圧電アクチュエータ。
  4. 前記駆動電極および前記検出電極の前記導通部を除く平均厚さが、それぞれ0.3〜5μmである請求項1ないし3のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  5. 前記導通部の平均厚さが、10μm〜100μmである請求項1ないし4のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  6. 前記駆動電極および前記検出電極は、それぞれ、平面視における電極全体の面積に対して前記導通部の占める面積の比率が、20〜80%である請求項1ないし5のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  7. 前記導通部に、外部回路が電気的に接続されており、
    前記導通部を介して前記外部回路から前記駆動電極に前記交流電圧が印加される請求項1ないし6のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  8. 前記導通部に、外部回路が電気的に接続されており、
    前記導通部を介して前記検出電極から前記外部回路に前記圧電素子に誘起される電圧が印加される請求項1ないし7のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  9. 前記振動体は、前記圧電素子を積層して成る積層構造を有する請求項1ないし8のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
  10. 積層された前記圧電素子の側面に、前記圧電素子の表面に設けられた所定の電極を相互に導通させる側面電極を有する請求項9に記載の圧電アクチュエータ。
  11. 前記側面電極は、前記導通部に接合される請求項10に記載の圧電アクチュエータ。
  12. 前記導通部は、積層された前記圧電素子の最外層の圧電素子の前記駆動電極および前記検出電極上に設けられる請求項9ないし11のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
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