JP2007306800A - Ultrasonic actuator - Google Patents

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Yusuke Adachi
祐介 足立
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Matsushita Electric Ind Co Ltd
松下電器産業株式会社
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized ultrasonic actuator hard to be broken even when high power is applied thereon. <P>SOLUTION: The ultrasonic actuator includes: a piezoelectric element 10 for performing an expansion/contraction vibration and a bending vibration; drive elements 2, 2 arranged on the piezoelectric element 10 for operating according to vibration of the piezoelectric element 10 so as to output a drive force; a case 12 supporting the piezoelectric element 10; and wall surface support bodies 6A, 6B, upper surface support bodies 7A, 7B, and a bottom surface support body 8 arranged between the case 12 and the piezoelectric element 10 for applying to the piezoelectric element 10 in advance, for a non-node portion of vibration of the piezoelectric element 10, a compression force in the vibration direction of the vibration. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、各種電子機器に用いられる振動アクチュエータに関するものであり、さらに詳しくは電気機械変換素子を用いた超音波アクチュエータに関するものである。 The present invention relates to a vibration actuator used in various electronic apparatuses, and more particularly relates to an ultrasonic actuator using an electromechanical conversion element.

従来の超音波アクチュエータの分解斜視図を図12に示す。 An exploded perspective view of a conventional ultrasonic actuator shown in FIG. 12. 図11はこのような超音波アクチュエータに実装される圧電素子の斜視図である。 Figure 11 is a perspective view of a piezoelectric element mounted on such an ultrasonic actuator.

圧電素子10は底面支持体8にてケース12に支持されており、この圧電素子10には、図11に示すように4分割電極9a、9b、9c、9dが形成され、反対側の圧電素子全面には全面電極(図示せず)が形成されている。 The piezoelectric element 10 is supported by the case 12 at the bottom side support member 8, the piezoelectric element 10, four divided electrodes 9a as shown in FIG. 11, 9b, 9c, 9d are formed, on the opposite side the piezoelectric element full-surface electrode (not shown) is formed on the entire surface.

ワイヤー4aは、はんだ5aにより電極9aと、はんだ5dにより電極9dと接続されている。 Wire 4a includes an electrode 9a by soldering 5a, are connected by solder 5d and electrode 9d. また、ワイヤー4bは、はんだ5bにより電極9bと、はんだ5cにより電極9cと接続されている。 Further, the wire 4b includes an electrode 9b by soldering 5b, are connected by solder 5c and the electrode 9c. さらに、ワイヤー4gは、前記全面電極に接続されている。 Further, the wire 4g is connected to the entire electrode. これらのワイヤー4a、4b、4gを通じて圧電素子10に電圧が加えられる。 These wires 4a, 4b, a voltage is applied to the piezoelectric element 10 through 4g.

図12において、圧電素子10の上面には駆動子2が設けられ、その先端部は可動体3に接触している。 12, the driver elements 2 are provided on the upper surface of the piezoelectric element 10, the distal end is in contact with the movable body 3. この駆動子2の先端部は、前記底面支持体8により可動体3に押圧しており、これにより駆動子2の先端部と可動体3との摩擦力を高めて圧電素子10の振動を駆動子2を介してより確実に可動体3に伝搬させている。 Tip of the driver elements 2, the are pressed against the movable member 3 by a bottom support 8, driving a vibration of the piezoelectric element 10 thereby to increase the frictional force between the tip and the movable body 3 of the driver elements 2 through the child 2 is more reliably propagate to the movable body 3.

次に、この超音波アクチュエータの駆動方法について簡単に説明する。 Next, briefly described method of driving the ultrasonic actuator.

図3は圧電素子10の伸縮振動(所謂、縦振動。以下、縦振動ともいう。)の1次モードの変位図、図4は同屈曲振動の2次モードの変位図、図5(a)〜(d)は、それぞれ圧電素子10の振動形態を説明するための概念図である。 Figure 3 is stretching vibration of the piezoelectric element 10 (a so-called longitudinal vibration. Hereinafter also referred to as longitudinal vibration.) Displacement diagram of a primary mode, Figure 4 is a displacement diagram of the second-order mode of the bending vibration, FIGS. 5 (a) ~ (d) is a conceptual diagram illustrating a vibration mode of the piezoelectric element 10, respectively.

前記ワイヤー4gをグランドに接続し、前記ワイヤー4aには特定周波数の正弦波の基準電圧を、前記ワイヤー4bには基準電圧と位相が90°、または−90°ずれた電圧を加える。 The connecting wires 4g to ground, said reference voltage of a sine wave of a specific frequency to the wire 4a, said wire 4b apply a reference voltage and phase 90 °, or -90 ° offset voltage. すると、圧電素子10に図3に示す伸縮振動の1次モードおよび図4に示す屈曲振動の2次モードが誘起される。 Then, a second-order mode of bending vibration shown in FIG. 1-order mode and the stretching vibration shown in FIG. 3 4 to the piezoelectric element 10 is induced.

屈曲振動の共振周波数、および、伸縮振動の共振周波数はそれぞれ圧電素子10の材料、形状等により決定されるが、この二つの共振周波数を略一致させ、その近傍の周波数の電圧を加えることにより、圧電素子10には、屈曲振動2次モードと伸縮振動1次モードが調和的に誘起され、図5(a)、(b)、(c)、(d)に示す形状の変化を順番に起こす。 The resonance frequency of the bending vibration, and the material of the respective resonant frequencies of the stretching vibration piezoelectric element 10, is determined by the shape or the like, substantially matched to the two resonance frequencies, by applying a voltage of a frequency in the vicinity thereof, the piezoelectric element 10, bending vibration secondary mode stretching vibration primary mode is harmonically induced, FIG 5 (a), (b), (c), causing in turn a change in the shape shown in (d) of .

その結果、圧電素子10に設けられた駆動子2が紙面方向から見て略楕円運動を起こす。 As a result, the driver elements 2 provided on the piezoelectric element 10 causes a substantially elliptical motion when viewed from the paper surface direction. つまり、圧電素子10の屈曲振動と伸縮振動の合成により駆動子2が楕円運動を起こす。 That is, the driver elements 2 undergo elliptical motion by the synthesis of stretching vibration and bending vibration of the piezoelectric element 10. この楕円運動により駆動子2に支持された可動体3が図12の矢印Aまたは矢印Bの方向に可動し、超音波アクチュエータとしての役割をなしている。 The elliptical motion movable body 3 supported by the driver elements 2 by is movable in the direction of arrow A or arrow B in FIG. 12, and has a role as an ultrasonic actuator.

なお、本出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。 As prior art document information related to the invention of the present application, for example, Patent Document 1 is known.
特開2005−94956号公報 JP 2005-94956 JP

前記特許文献1に記載された超音波アクチュエータは、駆動子を圧電素子と一体焼成することで、小型化およびコストダウンが可能なものであるが、超音波アクチュエータの形状を例えば10mm以下のように小型化し、また、加えられるパワーが10mWと10Wとハイパワー化したときに、超音波アクチュエータに加えられるひずみが弾性限界を超えてしまい、破損する虞があるという課題がある。 The ultrasonic actuator described in Patent Document 1, the driver elements by the piezoelectric element and the co-firing, but those capable of size and cost, the shape of the ultrasonic actuator, for example 10mm or less miniaturized, also when the power applied was 10mW and 10W and high power, the strain applied to the ultrasonic actuator exceeds the elastic limit, there is a problem that a possibility exists that damage.

そこで本発明は、小型で、かつハイパワーがかかった時においても破損しにくい超音波アクチュエータを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention aims at providing a not easily damaged ultrasonic actuator even when the small size and high power is applied.

この目的を達成するために、本発明の超音波アクチュエータは、圧電素子で構成され、又は圧電素子を含んで構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を行うアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体に設けられ、該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで駆動力を出力する駆動子と、前記アクチュエータ本体を支持する基礎部と、前記基礎部と前記アクチュエータ本体との間に設けられ、該アクチュエータ本体の振動の非ノード部に対して該アクチュエータ本体に該振動の振動方向に圧縮力を予め付与する予圧手段とを備えることを特徴とするものである。 To this end, the ultrasonic actuator of the present invention is constituted by a piezoelectric element, or is configured to include a piezoelectric element, and the actuator body to perform a plurality of different vibration vibration directions to each other, provided on the actuator body is a driving element for outputting a driving force by operating according to the vibration of the actuator body, and a base portion for supporting the actuator body, provided between the base portion said actuator body, the vibration of the actuator body it is characterized in further comprising a pre-pressurizing section for pre-applying a compressive force to the vibration direction of this vibration to the actuator body with respect to the non-nodes of the.

本発明の超音波アクチュエータは、予め圧電素子の非ノード部に圧縮力が加えられているので、超音波アクチュエータの作動時に圧電素子に生じる引張応力を小さくすることができ、小型の超音波アクチュエータであってもハイパワーがかかった時において圧電素子が破損しにくいという優れた作用効果を有する。 Ultrasonic actuator of the present invention, previously the compression force is applied to the non-nodes of the piezoelectric element, it is possible to reduce the tensile stress generated in the piezoelectric elements during operation of the ultrasonic actuator, a small ultrasonic actuator the piezoelectric element at the time of high power is applied even has an excellent effect that is not easily damaged. さらに、予圧手段による圧縮力を調整することにより、複数の振動の共振周波数を調整することが可能となるため、ばらつきの少ない超音波アクチュエータを提供することができるという効果も有する。 Further comprises by adjusting the compressive force by the preload means, since it is possible to adjust the resonance frequencies of the vibration, the effect that it is possible to provide a small variation ultrasonic actuator.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 It will be described in detail with reference to embodiments of the present invention with reference to the drawings.

図1は、本実施形態における超音波アクチュエータの分解斜視図、図2は、同断面図である。 1 is an exploded perspective view of the ultrasonic actuator of the present embodiment, FIG. 2 is a similar cross-sectional view. この超音波アクチュエータは、その長さ、幅が10mm以下の小型のものである。 The ultrasonic actuator, its length, but the width is less than the size 10 mm.

図1において、圧電素子10は略直方体で、一対の主面(前面及び後面)と、これに直交する長さ方向の両端面と、主面と端面に直交する上面および下面とを有している。 In Figure 1, the piezoelectric element 10 is substantially rectangular parallelepiped, and a pair of main surfaces (front and rear), and both end faces of a length direction perpendicular thereto, and upper and lower surfaces perpendicular to the main surface and the end face there. 圧電素子10は、ケース12の内部に収容されており、圧電素子10の長さ方向の両端面と対向するケース12の内壁面には壁面支持体6A、6Bが設けられている。 The piezoelectric element 10 is accommodated within the case 12, the inner wall of the end surfaces opposed to the case 12 in the length direction of the piezoelectric element 10 wall support 6A, 6B are provided.

このケース12の内底面における、圧電素子10の下面の長さ方向の中央部と対向する位置には底面支持体8が設けられて圧電素子10を支持している。 The inner bottom surface of the case 12, the bottom side support member 8 supporting the piezoelectric element 10 provided at the central portion and a position opposed to the lower surface of the length direction of the piezoelectric element 10. また、ケース12の上部には、開口部11が設けられており、この開口部11に張り出した張出部1がケース12に設けられている。 Further, the upper portion of the case 12, the opening 11 is provided, projecting portion 1 is provided in the case 12 that protrudes into the opening 11. そして張出部1と圧電素子10の上面との間にも上面支持体7A,7Bが設けられている。 The top support 7A, 7B is also provided between the upper surface of the projecting portion 1 and the piezoelectric element 10. この圧電素子10がアクチュエータ本体を構成すると共に、ケース12が基礎部を構成する。 Together with the piezoelectric element 10 is an actuator body, the case 12 constitutes the basic unit.

前記圧電素子10の前面には、給電電極9が設けられており、この給電電極9にはんだ5を介してワイヤー4が接続されている。 Wherein the front surface of the piezoelectric element 10, the feeding electrode 9 is provided, which is connected to the wire 4 via solder 5 to the feeding electrode 9. ワイヤー4は、ケース12に設けられた貫通孔(図示せず)から外部へ導出されている。 Wires 4 are led through the through hole provided in the case 12 (not shown) to the outside. このワイヤー4を通じて圧電素子10の給電電極9に電圧を加えることにより圧電素子10が印加電圧の周波数に応じて振動する。 Piezoelectric element 10 vibrates in accordance with the frequency of the applied voltage by applying a voltage to the feeding electrode 9 of the piezoelectric element 10 through the wire 4.

前記はんだ5が設けられている圧電素子10の部位は、後述する伸縮振動および屈曲振動のノード(節)部周辺であり、ワイヤー4を接続する部位としてこのノード部を使用することにより圧電素子10の振動におよぼす悪影響、すなわち、はんだ5形成による圧電素子10への不要な負荷をできるだけ抑制することができる。 Site of the piezoelectric element 10 to the solder 5 is provided, a stretching vibration and bending vibration of the nodes (node) section near described later, the piezoelectric element 10 by using the node portion as the site for connecting wires 4 adverse effect on the vibration of, i.e., can be suppressed as much as possible unnecessary load to the piezoelectric element 10 by solder 5 formed.

前記圧電素子10の上面には、2つの駆動子2,2が設けられている。 Wherein the upper surface of the piezoelectric element 10, the two driver elements 2 are provided. 各駆動子2は、圧電素子10の振動に従って動作することで駆動力を出力する。 Each driver elements 2 outputs a driving force by operating according to the vibration of the piezoelectric element 10. これら駆動子2,2は、ケース12の上部に設けられた開口部11から突出している。 These driver elements 2 protrudes from the opening 11 provided in the upper portion of the case 12. 各駆動子2は、圧電素子10に接着され、容易に分離できなくなっている。 Each driver elements 2 is bonded to the piezoelectric element 10, and is not easily separated.

このように構成された超音波アクチュエータは、図2に示すように、駆動子2,2が可動体3と当接するように配設される。 Ultrasonic actuator thus configured, as shown in FIG. 2, driver elements 2 are arranged so as to be in contact with the movable body 3. このとき、超音波アクチュエータは、駆動子2,2が可動体3に押圧されるように、その底面から所定の押圧力(例えば、1N)を加えられた状態で配設されている。 At this time, ultrasonic actuator, as driver elements 2 is pressed against the movable member 3, a predetermined pressing force from the bottom (e.g., 1N) are disposed in a state of being added.

次に、前記構成の超音波アクチュエータの動作について説明する。 Next, the operation of the ultrasonic actuator of the construction. 図5は本発明の超音波アクチュエータの圧電素子10の動作を示す概念図、図3は伸縮振動の1次モードの変位図、図4は屈曲振動の2次モードの変位図である。 Figure 5 is a super conceptual diagram showing the operation of the piezoelectric element 10 of the vibration actuator, the displacement diagram of the first-order mode in Fig. 3 stretching vibration, the displacement diagram of the second mode of FIG. 4 the bending vibration of the present invention.

図1に示した超音波アクチュエータの底面から所定の押圧力(例えば、1N)を加えて駆動子2を可動体3に押し付けた状態で、前記ワイヤー4を介して圧電素子10の特定の給電電極に特定の周波数の交流電圧を加えることによって、圧電素子10には、図3に示す伸縮振動の1次モード、および図4に示す屈曲振動の2次モードが誘起される。 Predetermined pressing force from the bottom of the ultrasonic actuator shown in FIG 1 (e.g., 1N) the driver elements 2 by adding in a state pressed against the movable body 3, a particular power supply electrode of the piezoelectric element 10 through the wire 4 by applying an alternating voltage of a specific frequency to the piezoelectric element 10, first-order mode of stretching vibration shown in FIG. 3, and the second-order mode of bending vibration shown in FIG. 4 is induced. 屈曲振動の共振周波数および伸縮振動の共振周波数はそれぞれ圧電素子10の材料、形状等により決定されるが、この2つの共振周波数を略一致させ、その近傍の周波数の電圧を、4つの給電電極9のうち、圧電素子10の対角線上に位置する給電電極にそれぞれ位相が90°又は−90°ずらして加えることにより、圧電素子10は、屈曲振動2次モードと伸縮振動1次モードとが調和的に誘起される。 Materials of the respective resonant frequencies of the resonant frequency and the stretching vibration of the bending vibration is a piezoelectric element 10, is determined by the shape or the like, substantially aligned with the two resonance frequencies, the voltage of the frequency in the vicinity thereof, four feeding electrode 9 of, by each phase to the power supply electrode located on a diagonal line of the piezoelectric element 10 is added by shifting 90 ° or -90 °, the piezoelectric element 10, consistent with the bending vibration secondary mode and stretching vibration primary mode It is induced to. ここで、伸縮振動1次モードの振動方向は、可動体3の可動方向(即ち、超音波アクチュエータが出力する駆動力の駆動方向)であり、屈曲振動2次モードの振動方向は、可動体3の可動方向とは垂直方向で且つ圧電素子10と可動体3を結ぶ方向(駆動子2が可動体3を支持する方向)である。 Here, the vibration direction of the stretching vibration primary mode is a moving direction of the movable body 3 (i.e., the driving direction of the driving force which the ultrasonic actuator output), the vibration direction of the bending vibration secondary mode, the movable body 3 the movable direction of a direction connecting and piezoelectric element 10 and the movable body 3 in the vertical direction (direction the driver elements 2 for supporting the movable member 3).

そして、圧電素子10は、図5(a)、(b)、(c)、(d)に示す形状の変化を順番に起こし、その結果、圧電素子10に設けられた各駆動子2が紙面方向から見て略楕円運動を起こす。 The piezoelectric element 10, as shown in FIG. 5 (a), (b), (c), caused in turn changes the shape of (d), the result, each of the driver elements 2 provided on the piezoelectric element 10 is paper causing substantially elliptical motion when viewed from a direction. すなわち、圧電素子10の屈曲振動と伸縮振動との合成により各駆動子2が楕円運動を起こす。 That is, each driver element 2 causes an elliptical motion by the synthesis of the stretching vibration and bending vibration of the piezoelectric element 10. 駆動子2,2に支持された(即ち、駆動子2,2が当接した)可動体3が、この楕円運動によって図2矢印Aまたは矢印Bの方向に駆動される。 Supported by the driver elements 2 (ie, driver elements 2 is in contact with) the movable member 3 is driven in the direction of FIG. 2 arrow A or arrow B by this elliptical motion. こうして、本実施形態に係る超音波アクチュエータは、アクチュエータとしての役割をなしている。 Thus, a vibration actuator according to the present embodiment is formed into a role as an actuator.

このような構成の超音波アクチュエータに係る圧電素子10は、複数の振動の腹を有する。 The piezoelectric element 10 according to the ultrasonic actuator of this structure has a belly of a plurality of vibration. ここで、振動の腹とは振動の変位が極大となる箇所であり、本実施形態においては振動の腹の部分は圧電素子10の長さ方向の両端面に位置する計2箇所の伸縮振動の腹と、圧電素子10の上面および下面の両端部の4箇所、さらに上面および下面における両端部から圧電素子10の長さ方向の30〜40%内側の部分の4箇所の計8箇所の屈曲振動の腹とがある。 Here, the antinodes of vibration are locations displacement of the vibration becomes the maximum, the antinodes in this embodiment part of the piezoelectric element 10 lengthwise of the stretching vibration of a total of two locations positioned on both end faces of the and belly, four places of upper and lower surfaces of both end portions of the piezoelectric element 10, further from both ends of the upper and lower surfaces of a total of 8 points at four positions in the longitudinal direction 30-40% inner portion of the piezoelectric element 10 bending vibration there are a belly of. すなわち、この超音波アクチュエータは、伸縮振動の腹と屈曲振動の腹とを合わせて10箇所の振動の腹がある。 That is, the ultrasonic actuator, there are antinodes of vibration of 10 locations together with belly stretching vibration and antinodes of the bending vibration.

そして、前記駆動子2,2は、図1,2に示すように、10箇所の振動の腹のうち、圧電素子10の上面における両端部から長さ方向の30〜40%の部分に設けられている。 Then, the driver elements 2, as shown in FIGS. 1 and 2, of the vibration antinodes of ten, provided 30-40% portion of the length direction from both ends of the upper surface of the piezoelectric element 10 ing.

また、前記壁面支持体6A,6Bは、10箇所の振動の腹のうち、圧電素子10の長さ方向両端面にそれぞれ設けられている。 Moreover, the wall support 6A, 6B, of the vibration antinodes of ten, are provided in the longitudinal direction both end surfaces of the piezoelectric element 10. 前記上面支持体7A,7Bは、10箇所の振動の腹のうち、圧電素子10の上面における両端部にそれぞれ設けられている。 The top support 7A, 7B, among the vibration antinodes of ten, are provided at both ends of the upper surface of the piezoelectric element 10.

尚、前記底面支持体8は、圧電素子10の下面における長手方向中央部に設けられている。 Incidentally, the bottom support member 8 is provided in the longitudinal center of the lower surface of the piezoelectric element 10.

これら前記壁面支持体6A,6Bと上面支持体7A,7Bと底面支持体8によって圧電素子10の非ノード部、さらに詳しくは振動の腹に予め応力、即ち、圧縮力を加えている。 Non node portion of the wall support 6A, 6B and top support 7A, the piezoelectric element 10 by the 7B and the bottom side support member 8, and more particularly are preloaded stress to antinodes, i.e., the compressive force. つまり、これら壁面支持体6A,6Bと上面支持体7A,7Bと底面支持体8とが予圧手段を構成する。 In other words, these walls supports 6A, 6B and top support 7A, and the 7B and the bottom side support member 8 constitute a pre-pressurizing section. ここで、「非ノード部」とは、振動の節(ノード)以外の部分を意味する。 Here, the "non-node portion" refers to the portion other than the node of vibration (node).

即ち、圧電素子10の長さ方向両端面に設けられた一対の壁面支持体6A、6Bにより圧電素子10を挟むように伸縮振動の腹の部分を圧電素子10の伸縮振動の振動方向と平行に応力がかかった状態、即ち、圧縮力が作用した状態で支持すると共に、張出部1に設けた上面支持体7A、7Bと底面支持体8とにより圧電素子10の屈曲振動の腹の部分を、屈曲振動の振動方向と平行に応力がかかった状態、即ち、圧縮力が作用した状態で支持している。 That is, the pair of wall supports 6A provided in the longitudinal direction both end surfaces of the piezoelectric element 10, 6B by a portion of the stretching vibration antinode so as to sandwich the piezoelectric element 10 and parallel to the vibration direction of the stretching vibration of the piezoelectric element 10 state stressed, i.e., while supported in a state of compressive force is applied, the protruding portion 1 is provided with an upper surface support 7A, by the 7B and the bottom surface support 8 belly portion of the bending vibration of the piezoelectric element 10 , vibration direction parallel to the state in which stress is applied in the bending vibration, i.e., compressive force is supported in a state of acting.

このとき、底面支持体8は圧電素子10の長手方向中央部に位置する一方、上面支持体7A、7Bは圧電素子10の長手方向中央部からそれぞれ両端部に向かって同じ距離だけ離れた部分に位置する。 At this time, while the bottom side support member 8 is positioned in the longitudinal center of the piezoelectric element 10, the upper surface support 7A, 7B in the longitudinal from direction central portion by the same distance respectively toward both end portions distant parts of the piezoelectric element 10 To position. こうすることで、圧電素子10に対して屈曲振動の振動方向に作用する圧縮力は、圧電素子10の長手方向においてその中央部を中心に線対称に作用している。 In this way, the compressive force acting on the direction of the bending vibration to the piezoelectric element 10 is acting in line symmetry about its central portion in the longitudinal direction of the piezoelectric element 10.

このように構成された超音波アクチュエータは、換言すれば、可動体3の駆動方向に対して垂直方向に振動する第1の振動モードと、前記可動体3の駆動方向に対して平行方向に振動する第2の振動モードを利用して、前記可動体3との間で相対運動を生じさせるものであって、少なくとも圧電素子10と、前記圧電素子10へ給電する圧電素子10上の電極9と、前記圧電素子10上に形成され、前記圧電素子10に第1および第2の振動モードを調和的に発生させることにより楕円運動することで前記可動体3を摩擦駆動する駆動子2,2を備え、前記圧電素子10上の前記第1の振動モードおよび第2の振動モードの腹を含む位置の少なくとも1箇所に、その振動方向と平行に応力を加えている。 Such ultrasonic actuator constructed as above, in other words, the vibration in the direction parallel to the first oscillation mode oscillating in the direction perpendicular to the driving direction of the movable body 3 with respect to the driving direction of the movable body 3 using the second vibration mode which, be those causing relative movement between said movable member 3, and at least the piezoelectric element 10, an electrode 9 on the piezoelectric element 10 for supplying power to the piezoelectric element 10 the formed on the piezoelectric element 10, the driver elements 2 frictionally driving the movable member 3 by elliptic motion by generating a first and a second vibration mode of the piezoelectric element 10 harmonically wherein the at least one position of positions including belly said first vibration mode and second vibration mode on the piezoelectric element 10, which adds the vibration direction parallel to the stress.

前記壁面支持体6A、6Bと上面支持体7A、7Bと底面支持体8とは、いずれも弾性体よりなる。 The wall support 6A, 6B and top support 7A, and 7B and the bottom side support member 8, both made of an elastic body.

この弾性体は、圧電素子10及びケース12より弾性の低いものが用いられる。 The elastic body having low elasticity than the piezoelectric element 10 and the case 12 is used. 具体的には、エラストラマー、シリコンゴム、板バネなどが挙げられる。 Specifically, elastography Lamar, silicone rubber, and the like leaf springs. 圧電素子10と比較して1/100以下の弾性率を有する弾性体を用いることにより、圧電素子10の振動を妨げず、効率のよい超音波アクチュエータを提供することができる。 By using an elastic body having compared to less than 1/100 of the elastic modulus and the piezoelectric element 10 does not interfere with the vibration of the piezoelectric element 10, it is possible to provide a vibration actuator efficiency. また、特にシリコンゴムは、周囲の温度が変わっても、その弾性係数は比較的変化しにくいので、超音波アクチュエータの信頼性が向上する。 In particular silicone rubber, it changes the ambient temperature, because the elastic coefficient is relatively hardly changes, thereby improving the reliability of the ultrasonic actuator.

さて、圧電素子10はセラミックや水晶などの脆性材料で構成されるが、この脆性材料の特徴として圧電素子10の圧縮強さは、引張強さと比較して数倍ある。 Now, the piezoelectric element 10 is composed of a brittle material such as ceramic or quartz, compressive strength of the piezoelectric element 10 as a feature of the brittle material is several times as tensile strength and comparison. 超音波アクチュエータを駆動する場合、圧電素子10を共振により振動させることで、圧電素子10の内部には、圧縮応力と引張応力とが同じ値だけ発生する。 When driving an ultrasonic actuator, by vibrating the resonance of the piezoelectric element 10, inside the piezoelectric element 10, the compressive stress and tensile stress is generated by the same value. 超音波アクチュエータへの印加電圧を上げるなどして10mW〜10W程度のハイパワーを入力すると、超音波アクチュエータの変位が大きくなって過度の応力が生じる。 If you enter a high power of about 10mW~10W by such increasing the voltage applied to the ultrasonic actuator, undue stress displacement of the vibration actuator becomes large. そうすると、引張応力により圧電素子10に加えられるひずみが弾性限界を超えてしまい、圧電素子10が破損に至る場合がある。 Then, the strain applied to the piezoelectric element 10 by a tensile stress exceeds the elastic limit, there are cases where the piezoelectric element 10 is to failure.

しかし、本実施形態では、圧電素子10の振動の腹に予め圧縮力が加えられているので、圧電素子10に発生する圧縮応力と比較して引張応力が小さくなり、超音波アクチュエータの変位が大きくなっても、引張応力によるひずみが圧電素子10の弾性限界を超えにくくなり、信頼性が向上する。 However, in the present embodiment, since the pre-compression force to antinodes of vibration of the piezoelectric element 10 is added, the tensile stress compared to the compressive stress generated in the piezoelectric element 10 is reduced, the displacement of the ultrasonic actuator is large even now, the distortion due to the tensile stress is less likely to exceed the elastic limit of the piezoelectric element 10, thereby improving the reliability.

加える圧縮力は、大きいほど信頼性の向上には効果を発揮するが、あまり大きすぎると、屈曲振動を妨げてしまうので、超音波アクチュエータの押圧力の1倍〜10倍程度を加えることが望ましい。 Compressive force applied is to be effective in improving the reliability larger, when too large, since hinders the bending vibration, it is desirable to add 1 time to 10 times the pressing force of the ultrasonic actuator . 押圧力は長さ数mm程度の超音波アクチュエータの場合、通常0.1N〜10N程度であるので、加える圧縮力による圧電素子全体にかかる力は、0.1N〜100N程度になる。 If the pressing force is ultrasonic actuator of several mm length, since it is usually about 0.1N~10N, the force applied to the entire piezoelectric element by the compression force applied is of the order 0.1N~100N. 押圧力は、通常超音波アクチュエータの体積が増えれば、その体積に応じて増加させる。 Pressure is usually the more the volume of the ultrasonic actuator is increased according to the volume.

また、圧電素子10に加える圧縮力は、圧電素子10を挟んで対称となる位置に加えることが好ましい。 The compression force applied to the piezoelectric element 10, it is preferably added in a position to be symmetrical with respect to the piezoelectric element 10. そのことにより、屈曲振動および伸縮振動の対称性が維持されるので、駆動子2の楕円運動が安定し、安定した超音波アクチュエータ特性が得られる。 By them, since the symmetry of the bending vibration and the longitudinal vibration is maintained, elliptical motion of the driver element 2 is stabilized, stable ultrasonic actuator characteristics. 具体的には、長さ方向への伸縮振動の振動方向に対して平行に圧縮力を加える場合は、圧電素子10の幅方向及び厚み方向において対称となるように加えるのが好ましい。 Specifically, when added in parallel to compressive forces with respect to the vibration direction of the stretching vibration of the length direction it is preferably added so as to be symmetrical in the width direction and the thickness direction of the piezoelectric element 10. また、幅方向への屈曲振動の振動方向に対して平行に圧縮力を加える場合は、圧電素子10の長さ方向及び厚み方向において対称となるように圧縮力を加えるのが好ましい。 Also, when adding a parallel compressive force to the vibration direction of the bending vibration in the width direction, preferably apply a compressive force to be symmetrical in the longitudinal direction and the thickness direction of the piezoelectric element 10.

なお、底面支持体8は、圧電素子10の長さ方向中央部の底面に配置したが、上面支持体6と同じく、圧電素子10の長さ方向の底面角部の屈曲振動の腹の位置に配置しても良い。 Incidentally, the bottom side support member 8 is disposed on the bottom surface of the central longitudinal portion of the piezoelectric element 10, the upper surface support 6 also, the position of the antinodes of the bending vibration of the bottom corners of the length direction of the piezoelectric element 10 it may be arranged.

なお、圧縮力を加える部分は、振動の腹の部分のみで説明したが、一部の弾性体は腹の部分を含む広い範囲を支持し、圧縮力を加えてもよい。 The portion to apply a compressive force has been described only in the portion of the belly of the vibration, a portion of the elastic body supporting a wide range including a part of the belly, the compressive force may be added.

また、本発明における別の効果として、超音波アクチュエータの動作特性を安定化させることができるという効果を有する。 As another advantage of the present invention has the effect that it is possible to stabilize the operating characteristics of the ultrasonic actuator.

詳しく説明すると、超音波アクチュエータは、圧電素子10に屈曲振動と伸縮振動とを調和的に誘起させることで駆動子2,2に楕円運動を発生させるが、超音波アクチュエータの特性は、屈曲振動の共振周波数と伸縮振動の共振周波数との相対関係により大きく異なり、屈曲振動の共振周波数と伸縮振動の共振周波数との相対関係が設計値からずれると特性が大きく変わってしまう。 In detail, the ultrasonic actuator is to generate elliptical motion to driver elements 2 by causing harmonically induce the stretching vibration and bending vibration in the piezoelectric element 10, characteristics of the ultrasonic actuator, the bending vibration varies depending on a relative relationship between the resonance frequency of the stretching vibration and the resonance frequency, the relative relationship between the resonance frequency of the stretching vibration and the resonance frequency of the bending vibration will be shifted when the characteristics change significantly from the design value.

本実施形態のように超音波アクチュエータを可動体3に押圧する構成においては、特に屈曲振動は、その振動方向が超音波アクチュエータを可動体3に押圧する方向と同一になるので、超音波アクチュエータにかかる実際の押圧力の反力が駆動子2,2を介して圧電素子10に作用して共振周波数が変化しやすい。 In the configuration for pressing the ultrasonic actuator to the movable body 3 as in the present embodiment, in particular the flexural vibration, since the vibration direction is identical to the direction of pressing the ultrasonic actuator to the movable body 3, the ultrasonic actuator the resonance frequency acts on the piezoelectric element 10 easily changed reaction force of such actual pressing force through the driver elements 2. 外部から加える超音波アクチュエータへの押圧力を一定にした場合においても、超音波アクチュエータによって可動体3を駆動する際に、可動体3の位置が変化したり、各駆動子2と可動体3との接触状態が変化したりするため、超音波アクチュエータに実質的にかかる押圧力が変化し、即ち、圧電素子10に作用する反力が変化し、屈曲振動の共振周波数が変化する。 In the case where the pressing force to the ultrasonic actuator externally applied to the constant, when driving the movable body 3 by ultrasonic actuator, the position of the movable body 3 may change, and the driver elements 2 and the movable body 3 since the contact state or changed, the pressing force is changed according to substantially the ultrasonic actuator, i.e., reaction force acting on the piezoelectric element 10 is changed, the resonance frequency of the bending vibration changes. その結果、伸縮振動と屈曲振動との共振周波数の相対関係が変化し、超音波アクチュエータの特性が不安定になる課題が従来あった。 As a result, the relative relationship between the resonance frequency of the stretching vibration and bending vibration is changed, problems characteristic of the ultrasonic actuator becomes unstable had conventionally.

そこで、本発明の超音波アクチュエータでは、特に屈曲振動の腹の部分にあらかじめ圧縮力を付与している。 Therefore, the ultrasonic actuator of the present invention is particularly applied in advance compressive force to the abdominal portion of the bending vibration. このように、圧電素子10に予め圧縮力を作用させておくことによって、予め圧縮力を作用させていない構成と比較して、可動体3からの反力の変化が圧電素子10の屈曲振動の共振周波数に与える影響が小さくなり、安定した超音波アクチュエータの特性が得られる。 By thus allowed to act in advance compressive force to the piezoelectric element 10, as compared to the configuration that is not allowed to act in advance compressive force, the change of the reaction force from the movable member 3 of the bending vibration of the piezoelectric element 10 It gives the resonant frequency effect is reduced, stable characteristics of the ultrasonic actuator is obtained. 従って、予め加えられる圧縮力による圧電素子10全体にかかる力は、超音波アクチュエータの押圧力より大きいことが望ましい。 Therefore, the force applied to the entire piezoelectric element 10 by a pre-addition is the compressive force is preferably larger than the pressing force of the ultrasonic actuator. こうすることによって、圧電素子10に作用する反力による該圧電素子10の共振周波数への影響を相対的に小さくすることができる。 By doing so, it is possible to relatively reduce the influence on the resonance frequency of the piezoelectric element 10 due to the reaction force acting on the piezoelectric element 10.

本発明のさらに別の効果として、圧電素子10に予め付与する圧縮力の大きさを調整する(具体的には、圧縮力を加える弾性体を調整する)ことにより、伸縮振動と屈曲振動との共振周波数の差(即ち、相対関係)を調整できるという優れた機能がある。 Yet another advantage of the present invention, adjusting the size of the compressive force previously applied to the piezoelectric element 10 by (specifically, adjusting the elastic member to apply a compressive force) that, stretching and bending vibrations and the the difference of the resonant frequency (i.e., the relative relationship) has excellent features that can be adjusted. 即ち、圧電体10の伸縮振動1次モードの共振周波数[Hz]と屈曲振動2次モードの共振周波数[Hz]は、おおよそ以下の式(1)および式(2)で表される。 That is, the resonance frequency [Hz] and the resonance frequency of the bending vibration second order mode of stretching vibration first mode of the piezoelectric 10 [Hz] is approximately expressed by the following equation (1) and (2).

式(1)、(2)で、Lは圧電素子10の伸縮振動の振動方向の長さ[m]、Wは圧電素子10の屈曲振動の振動方向の長さ[m]、Eは圧電素子10のヤング率[Pa]、ρは圧電素子10の密度[kg/m ]である。 In formula (1), (2), L is the length of the vibration direction of the stretching vibration of the piezoelectric element 10 [m], W is the length of the direction of the bending vibration of the piezoelectric element 10 [m], E is the piezoelectric element 10 Young's modulus of [Pa], ρ is the density of the piezoelectric element 10 [kg / m 3]. しかしながら、実際の共振周波数は、製造工程上に起因するばらつきや、圧電素子10上に接着される駆動子の大きさ、接着される位置のばらつき等によって変動してしまう。 However, the actual resonance frequency, variations and due to the manufacturing process, the size of the driver elements to be bonded on the piezoelectric element 10, varies by such variation in the position to be bonded.

そこで、圧電素子10上に圧縮力を加えることで、共振周波数、特に屈曲振動2次モードの共振周波数を変更させ、所望の共振周波数に近づける。 Therefore, by applying a compressive force on the piezoelectric element 10, the resonant frequency, is particularly changing the resonance frequency of the bending vibration second mode, close to the desired resonant frequency.

以下、具体的に周波数調整方法を示す。 Hereinafter, specifically illustrating a frequency adjustment method. 予め圧電素子10上に駆動子2を形成した状態で、圧電素子の伸縮振動の振動方向の両側の端面から素子の中央部に向かって対向する方向に予め決められた標準的な所定の圧縮力を加えて、屈曲振動2次モードの共振周波数f B2と伸縮振動一次モードの共振周波数f L1とを測定する。 Advance on the piezoelectric element 10 in a state of forming the driver elements 2, standard predetermined compressive force predetermined in opposite directions toward the center of the element from the end face on both sides of the vibration direction of stretching vibration of the piezoelectric element It was added to measure the resonance frequency f B2 of bending vibration secondary mode and the resonance frequency f L1 of the stretching vibration primary mode. このとき、設計上は一致している屈曲振動と伸縮振動の共振周波数であるが、物づくり(製造時及び組立時)のばらつきにより、若干差異が生じている場合がある。 At this time, although a resonance frequency of the stretching vibration and bending vibration is the design are matched, the variation in Manufacturing (during manufacturing and assembly), there may be a slight difference occurs.

圧電素子10は、シリコンゴムなどで形成された壁面支持体6A、6Bにより伸縮振動の振動方向と同一方向より圧電素子10の両端面から中心部に向かって対向する方向に圧縮力を加えた状態で実装されるが、このとき壁面支持体6A、6Bの圧縮される方向と垂直方向(即ち、圧電素子10の短手方向、又は図2の上下方向)の寸法が異なる数種類の壁面支持体6A、6Bを用意しておく。 The piezoelectric element 10 is, while applying a compressive force in a direction opposite toward the center portion from both end faces of the vibration direction and the piezoelectric element 10 from the same direction of the stretching vibration silicone rubber, etc. in which is formed a wall support 6A, the 6B in it is mounted, this time wall support 6A, 6B compressed by and vertical (i.e., widthwise direction of the piezoelectric element 10, or the vertical direction in FIG. 2) several wall support 6A to different dimensions of , we are prepared to 6B. そして圧電素子10をケースに実装するときの壁面支持体6A、6Bの寸法を変えることで、圧電素子10に加わる圧縮力を変えることにより、屈曲振動2次モードの共振周波数を変えることができる。 The wall support 6A when mounting the piezoelectric element 10 to the case, by changing the dimensions of 6B, by varying the compressive force applied to the piezoelectric element 10, it is possible to change the resonance frequency of the bending vibration second mode.

図6〜図8は、周波数調整後の超音波アクチュエータの断面図である。 6 to 8 are cross-sectional view of an ultrasonic actuator after frequency adjustment. 圧電素子10は、壁面支持体6A、6Bによって支持されている。 The piezoelectric element 10, the wall support 6A, is supported by 6B.

屈曲振動の共振周波数f B2と伸縮振動の共振周波数f L1との差が僅差(f B2 ≒f L1 )であるときには、図6に示すように、そのまま所定の標準的寸法の壁面支持体6A、6Bにより圧電素子10をケース12に組み込む。 When the difference between the resonance frequency f B2 of bending vibration and the resonance frequency f L1 of the stretching vibration is closely (f B2 ≒ f L1), as shown in FIG. 6, as a predetermined wall support 6A standard dimensions, incorporating piezoelectric element 10 to the case 12 by 6B. 屈曲振動の共振周波数f B2が伸縮振動の共振周波数f L1よりも小さい(f B2 <f L1 )ときには、図7に示すように、前記標準的寸法よりも大きい寸法の壁面支持体6A、6Bにより圧電素子10をケース12に組み込み、圧電素子10に標準状態より大きな圧縮力を加える。 The resonance frequency f B2 of bending vibration is smaller than the resonance frequency f L1 of the stretching vibration (f B2 <f L1) Sometimes, as shown in FIG. 7, the wall support 6A of larger size than the standard size, by 6B It incorporates piezoelectric element 10 to the case 12, apply a greater compressive force than the standard state to the piezoelectric element 10. 屈曲振動の共振周波数f B2が伸縮振動の共振周波数f L1よりも大きい(f B2 >f L1 )ときには、図8に示すように、前記標準的寸法よりも小さい寸法の壁面支持体6A、6Bにより圧電素子10をケース12に組み込み、標準状態より小さい圧縮力を加える。 The resonance frequency f B2 of bending vibration is larger than the resonance frequency f L1 of the stretching vibration (f B2> f L1) Sometimes, as shown in FIG. 8, the wall support 6A of smaller size than the standard size, by 6B It incorporates piezoelectric element 10 to the case 12, adding standard state smaller compressive forces. こうすることにより、物づくり上のばらつきがあっても、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを略一致させることができる。 By doing so, even if there are variations in the manufacturing, and a resonance frequency of the bending vibration and the resonance frequency of the stretching vibration can be substantially matched.

なお、前記方法では、伸縮振動の振動方向からのみ圧縮力を加えた状態で予め共振周波数を測定したが、超音波アクチュエータを可動体3に対して押圧して配置し、駆動子2,2を可動体3に摩擦接触させた状態で、共振周波数を測定した方がより精度が高くなる。 In the above method, the pre-resonant frequency were measured in a state in which only applying a compressive force from the vibration direction of the stretching vibration, and disposed to press the ultrasonic actuator against the movable member 3, the driver elements 2 in a state of being in frictional contact with the movable body 3, who measured the resonance frequency accuracy is increased more.

また、壁面支持体6A、6Bの大きさにより、圧電素子10に加える圧縮力を調整したが、壁面支持体6A、6Bの材質を変更することで圧電素子10にかかる圧縮力を調整したり、ケース12の寸法を変更することで圧電素子10にかかる圧縮力を調整してもよい。 Also, the wall support 6A, the size of 6B, is to adjust the compressive force applied to the piezoelectric element 10, to adjust the compression force applied to the piezoelectric element 10 by changing the wall support 6A, the material of 6B, the compressive force applied to the piezoelectric element 10 by changing the dimensions of the case 12 may be adjusted.

また、伸縮振動の振動方向より圧縮力を加えて周波数の調整を行ったが、屈曲振動の振動方向より圧縮力を加えて、共振周波数の調整を行ってもよい。 Although was adjusted frequency by adding a compressive force from the vibration direction of the stretching vibration, in addition to compressive forces than the direction of the bending vibration may be performed to adjust the resonance frequency. すなわち、上面支持体7A,7B及び/又は底面支持体8の寸法、材質等を変えることによって共振周波数の調整を行ってもよい。 That is, the upper surface support 7A, the size of 7B and / or bottom support 8 may be performed to adjust the resonant frequency by changing the material and the like.

前記方法では、周波数を調整することで、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを略一致させたが、屈曲振動の共振周波数を伸縮振動の共振周波数よりあえて低く調整してもよい。 In the method, by adjusting the frequency, but the resonance frequency of the stretching vibration and the resonance frequency of the bending vibrations were substantially coincide, dare may be adjusted lower than the resonance frequency of the stretching vibration of the resonance frequency of the bending vibration. このような超音波アクチュエータにおいては、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを厳密に一致させることが難しい。 In such an ultrasonic actuator, it is difficult to exactly match the resonant frequency of the stretching vibration and the resonance frequency of the bending vibration. そこで、かかる超音波アクチュエータは、通常、伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数の何れよりも高い駆動周波数で駆動される(即ち、圧電素子10の各給電電極9には伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数よりも高い周波数の交流電圧が印加される)。 Therefore, such an ultrasonic actuator, typically all are driven at a higher driving frequency than the resonant frequency and the bending resonance frequency of the vibration of the stretching vibration (i.e., the resonance frequency of the stretching vibration in the feeding electrodes 9 of the piezoelectric element 10 and an AC voltage of high frequency is applied than the resonance frequency of the bending vibration). そのような場合において、伸縮振動の共振周波数を屈曲振動の共振周波数よりも高く調整すると、伸縮振動の共振周波数の方が屈曲振動の共振周波数よりも駆動周波数に近いため、圧電素子10には伸縮振動の方がより支配的に発生する。 In such a case, when the resonance frequency of the stretching vibration higher adjusted than the resonance frequency of the bending vibration, since towards the resonance frequency of the stretching vibration is close to the driving frequency than the resonance frequency of the bending vibration, the piezoelectric element 10 stretch If the vibration is generated more dominantly. この伸縮振動の振動方向は可動体3の可動方向と一致しているため、伸縮振動は超音波アクチュエータの最高速度に大きな影響を与える。 The vibration direction of the stretching vibration because it matches the movable direction of the movable body 3, the stretching vibration has a significant effect on the maximum speed of the ultrasonic actuator. つまり、伸縮振動の共振周波数を屈曲振動の共振周波数よりも高く設定することによって、雰囲気温度等の変化により圧電素子10の伸縮振動及び屈曲振動の共振周波数が変化したときでも、圧電素子10には伸縮振動が支配的に発生するため、駆動周波数を変更して駆動したときの超音波アクチュエータの最高速度が変化しにくいという利点がある。 That is, by setting higher than the resonance frequency of the bending vibration resonance frequency of the stretching vibration, even when the resonance frequency of the stretching vibration and bending vibration of the piezoelectric element 10 is changed by a change in such ambient temperature, the piezoelectric element 10 since stretching vibration is dominantly generated, the maximum speed of the ultrasonic actuator has an advantage that it is difficult to change when driven by changing the driving frequency.

また、周波数を調整するときに、屈曲振動の共振周波数を伸縮振動の共振周波数よりあえて高く調整してもよい。 Further, when adjusting the frequencies intentionally higher may be adjusted than the resonance frequency of the stretching vibration of the resonance frequency of the bending vibration. 前述の如く、振動方向が異なる2つの振動(伸縮振動と屈曲振動)を発生させる超音波アクチュエータは、通常、伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数の何れよりも高い駆動周波数で駆動される。 As previously described, an ultrasonic actuator which generates vibrations of two vibration directions are different (stretching vibration and bending vibration) is normally either be driven at a higher driving frequency than the resonant frequency and the bending resonance frequency of the vibration of the stretching vibration . 一般に、屈曲振動の帯域幅は狭い。 In general, the bandwidth of the bending vibration is narrow. そのため、屈曲振動の共振周波数を伸縮振動の共振周波数よりも高く調整することによって、屈曲振動の共振周波数が伸縮振動の共振周波数よりも低い場合と比較して、屈曲振動の共振周波数が駆動周波数に近づくため、圧電素子10に屈曲振動を十分に発生させることができる。 Therefore, by increasing adjustment than the resonance frequency of the stretching vibration of the resonance frequency of the bending vibration, as compared with the case the resonance frequency of the bending vibration is lower than the resonance frequency of the stretching vibration, the resonance frequency of the bending vibration drive frequency approach, it is possible to generate sufficiently bending vibration to the piezoelectric element 10. 一方、伸縮振動の帯域幅は屈曲振動の帯域幅よりも広いため、伸縮振動の共振周波数が駆動周波数から離れていても、圧電素子10に伸縮振動を発生させることができる。 On the other hand, the bandwidth of the stretching vibration because wider than the bandwidth of the bending vibration, also the resonance frequency of the stretching vibration is off the driving frequency, it is possible to generate the stretching vibration in the piezoelectric element 10. また、駆動周波数が伸縮振動の共振周波数から離れることになると、駆動周波数を変更して超音波アクチュエータを駆動したときの最高速度の変化は、共振周波数の近傍で駆動周波数を変化させる場合と比較して、緩やかになる。 Further, when the driving frequency is moved away from the resonance frequency of the stretching vibration, the maximum rate of change of when to change the drive frequency to drive the ultrasonic actuator, compared with the case of changing the driving frequency near the resonant frequency Te, it becomes gentle. そのため、超音波アクチュエータを低速域まで安定して動作させることができるという利点がある。 Therefore, there is an advantage that can be operated stably ultrasonic actuator to the low speed range.

また、周波数を調整するときに壁面支持体6A、6Bの両方の大きさを変えたが、片方のみの大きさを変えて、圧電素子10にかかる圧縮力を調整してもよい。 Also, the wall support 6A when adjusting the frequency has changed both the magnitude of 6B, by changing only the size one may adjust the compression force applied to the piezoelectric element 10.

《その他の実施形態》 "Other embodiments"
本発明は、前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。 The present invention is, for the embodiment, may be configured as follows.

すなわち、前記実施形態では、超音波アクチュエータの駆動力が付与されて駆動される可動体3は平板状であるが、これに限られるものではなく、可動体の構成としては任意の構成を採用することができる。 That is, in the embodiment, the movable body 3 to which the driving force of the ultrasonic actuator is driven by being applied is a tabular, not limited thereto, employ any configuration as configuration of the movable body be able to. 例えば、図9に示すように、可動体は所定の軸X回りに回動可能な円板体31であり、超音波アクチュエータの駆動子2,2が該円板体31の側周面31aに当接するように構成されていてもよい。 For example, as shown in FIG. 9, the movable member is a disc member 31 rotatable in a predetermined axis X, driver elements 2 of the ultrasonic actuator on a side peripheral surface 31a of the circular plate member 31 it may be configured to abut. かかる構成の場合、超音波アクチュエータを駆動すると、駆動子2,2の概略楕円運動によって、該円板体31が所定の軸X回りに回動させられる。 For such a configuration, when driving the ultrasonic actuator, the schematic elliptical motion of driver elements 2, the circular plate 31 is rotated to the predetermined axis X direction. また、図10に示すように、可動体は所定の軸X回りに回動可能な円板体32であり、超音波アクチュエータの駆動子2,2が該円板体32の平面部32aに当接するように構成されていてもよい。 Further, as shown in FIG. 10, the movable member is a disc member 32 rotatable in a predetermined axis X, driver elements 2 of the ultrasonic actuator is in the flat portion 32a of the circular plate member 32 equivalents it may be configured to contact. かかる構成の場合、超音波アクチュエータを駆動すると、駆動子2,2の概略楕円運動によって、該円板体32が駆動子2,2と当接部における接線方向に駆動され、結果として該円板体32が所定の軸X回りに回動させられる。 For such a configuration, when driving the ultrasonic actuator, the schematic elliptical motion of driver elements 2, the circular plate member 32 is driven in a tangential direction of the driver elements 2 and the contact portion, resulting circular plate body 32 is pivoted to a predetermined axis X.

また、前記実施形態では、圧電セラミック板の表裏にのみ電極を形成する単板構成で説明したが、圧電セラミック板と内部電極を交互に積層する積層構造でも同様の効果が得られる。 In the above embodiment has been described in the single-plate structure for forming the electrodes only on the front and back of the piezoelectric ceramic plate, the same effect can be obtained a laminated structure laminating a piezoelectric ceramic plate and the internal electrodes alternately.

また、今回は圧電素子10自体が伸縮振動と屈曲振動とを調和的に発生させていたが、金属などの基板に圧電素子10を貼り付けた構成や、金属などで共振器を形成し、圧電素子10を挟み込んだ構成の場合でも同様の効果が得られる。 Moreover, this time the piezoelectric element 10 itself is not harmonically to generate a bending vibration stretching vibration, structure and pasted the piezoelectric element 10 to the substrate such as a metal, to form a resonator like a metal, piezoelectric similar effects even when the structure sandwiched element 10 is obtained. この場合、圧電素子を含んで構成された共振器がアクチュエータ本体を構成し、該共振器をケース内において予め圧縮力を付与した状態に配置する。 In this case, an actuator body cavity configured to include a piezoelectric element, arranged said resonator in a state of pre-applying a compressive force in the case.

また、前記実施形態では、圧電素子10の伸縮振動と屈曲振動との両方の腹の部分に圧縮力を加えているが、圧電素子10の材質及び超音波アクチュエータ駆動時の圧電素子10の変形量等を考慮して、破損する可能性が比較的高い方の振動方向の腹の部分にだけ圧縮力を加えるように構成してもよい。 In the above embodiment, although applying a compressive force to both abdominal portions of the stretching vibration and bending vibration of the piezoelectric element 10, the amount of deformation of the material and the ultrasonic actuator during driving a piezoelectric element 10 of the piezoelectric element 10 etc. into consideration, only it may be configured to apply a compressive force to the portion of the vibration direction of the belly it is more likely to be damaged.

尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。 The above embodiments are mere essentially preferable examples, the present invention, its application, or not intended to limit the scope of its application.

《その他》 "Other"
本明細書中に記載の超音波アクチュエータは、以下のようにも表現できる。 Ultrasonic actuator described herein, can be expressed as follows.

(1)圧電素子で構成され、又は圧電素子を含んで構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を行うアクチュエータ本体と、 (1) is a piezoelectric element, or is configured to include a piezoelectric element, and the actuator body to perform a plurality of different vibration vibration directions to each other,
前記アクチュエータ本体に設けられ、該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで駆動力を出力する駆動子と、 Provided in the actuator body, a driving element for outputting a driving force by operating according to the vibration of the actuator body,
前記アクチュエータ本体を支持する基礎部と、 A base portion for supporting the actuator body,
前記基礎部と前記アクチュエータ本体との間に設けられ、該アクチュエータ本体の振動の非ノード部に対して該アクチュエータ本体に該振動の振動方向に圧縮力を予め付与する予圧手段とを備える超音波アクチュエータ。 Said base portion and disposed between the actuator body, an ultrasonic actuator and a pre-pressurizing section for pre-applying a compressive force to the vibration direction of this vibration to the actuator body with respect to the non-node portion of the vibration of the actuator body .

(2)前記予圧手段は、前記アクチュエータ本体における前記駆動子が設けられた位置とは異なる位置に設けられている(1)記載の超音波アクチュエータ。 (2) the pre-pressurizing section, the disposed position different from the position where the driver element is provided in the actuator body (1) ultrasonic actuator according.

(3)前記予圧手段は、前記アクチュエータ本体における前記振動の腹の位置に設けられている(1)記載の超音波アクチュエータ。 (3) the pre-pressurizing section is provided at a position of the vibration antinodes of the actuator body (1) ultrasonic actuator according.

(4)前記予圧手段は、前記アクチュエータ本体の中心を挟んで両側から該アクチュエータ本体に圧縮力を付与する(1)記載の超音波アクチュエータ。 (4) said preload means imparts a compressive force from opposite sides of the center of the actuator body to said actuator body (1) ultrasonic actuator according.

(5)前記予圧手段は、弾性体を有し、該弾性体の弾性力によって圧縮力を付与する(1)記載の超音波アクチュエータ。 (5) the preload means has an elastic body, to impart a compressive force by the elastic force of the elastic body (1) ultrasonic actuator according.

(6)前記弾性体は、その弾性率が前記圧電素子の弾性率の1/100以下である(5)記載の超音波アクチュエータ。 (6) the elastic body, the elastic modulus is 1/100 or less of the elastic modulus of the piezoelectric element (5) an ultrasonic actuator according.

(7)前記弾性体は、シリコーンゴムである(5)記載の超音波アクチュエータ。 (7) the elastic body is silicone rubber (5) an ultrasonic actuator according.

(8)駆動力を付与する対象となる可動体に対して前記駆動子が押圧された状態で配設され、 (8) the drive element relative to the movable body to be subjected to impart driving force is disposed in a state of being pressed,
前記予圧手段により付与される圧縮力は、前記駆動子を前記可動体に対して押圧する押圧力よりも大きい(1)記載の超音波アクチュエータ。 The compressive forces applied by the preload means is an ultrasonic actuator of the pressing force from the larger (1), wherein for pressing the driving element relative to the movable body.

(9)前記アクチュエータ本体は、2次の屈曲振動と1次の縦振動とを行う(1)記載の超音波アクチュエータ。 (9) said actuator body, make a secondary bending vibration and the first-order and the longitudinal vibration (1) ultrasonic actuator according.

(10)前記アクチュエータ本体は、振動方向が互いに異なる第1の振動と第2の振動とを行うと共に、前記予圧手段の圧縮力によって該第1の振動の共振周波数と該第2の振動の共振周波数とが一致するように構成されている(1)記載の超音波アクチュエータ。 (10) said actuator body, performs a first vibration direction are different from each other vibration and a second vibration, the vibration of the resonant frequency and the second oscillation of the first by compression force of the preload means resonance ultrasonic actuator of configured (1) wherein such that the frequency matches.

(11)前記アクチュエータ本体は、振動方向が互いに異なる第1の振動と第2の振動とを行うと共に、前記予圧手段の圧縮力によって該第2の振動の共振周波数が該第1の振動の共振周波数よりも高くなるように構成されている(1)記載の超音波アクチュエータ。 (11) said actuator body, performs a first vibration vibration direction are different from each other and a second oscillation, the resonance frequency of the vibration of the second by compression force of the preload means of the vibration of the first resonance ultrasonic actuator which from is configured to be higher and (1), wherein the frequency.

(12)前記第1の振動は、前記駆動力の方向と平行な縦振動であり、 (12) said first vibration is parallel to the longitudinal vibration and the direction of the driving force,
前記第2の振動は、屈曲振動である(11)記載の超音波アクチュエータ。 The second vibration is a bending vibration (11) an ultrasonic actuator according.

(13)前記第2の振動は、前記駆動力の方向と平行な縦振動であり、 (13) the second oscillation is parallel to the longitudinal vibration and the direction of the driving force,
前記第1の振動は、屈曲振動である(11)記載の超音波アクチュエータ。 It said first vibration is a bending vibration (11) an ultrasonic actuator according.

本発明の超音波アクチュエータは、予め圧電素子の振動の腹に圧縮力が加えられているので、超音波アクチュエータの作動時に圧電素子に生じる引張応力を小さくすることができ、長さと幅が10mm以下のように小型の超音波アクチュエータであっても、10mW〜10W程度のハイパワーがかかった時において圧電素子が破損しにくいという優れた作用効果を有する。 Ultrasonic actuator of the present invention, previously the compression force to antinodes of vibration of the piezoelectric element is added, it is possible to reduce the tensile stress generated in the piezoelectric elements during operation of the ultrasonic actuator, the length and width of 10mm or less even a small ultrasonic actuator as has an excellent effect that the piezoelectric element is not easily damaged at the time it took the high power of about 10MW~10W. さらに、圧縮力を加える弾性体を調整することにより、各振動の共振周波数を調整することが可能となるため、ばらつきの少ない超音波アクチュエータを提供することができるという効果も有し、特に、小型化が要求される電子機器等に有用である。 Further comprising by adjusting the elastic member to apply a compressive force, since it is possible to adjust the resonance frequency of each vibration, the effect that it is possible to provide a small variation ultrasonic actuator, particularly, small it is useful for electronic devices such reduction is required.

図1は、本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの分解斜視図である。 Figure 1 is an exploded perspective view of an ultrasonic actuator according to the embodiment of the present invention. 図2は、超音波アクチュエータの断面図である。 Figure 2 is a cross-sectional view of the ultrasonic actuator. 図3は、伸縮振動の1次モードの変位図である。 Figure 3 is a displacement diagram of a primary mode of stretching vibration. 図4は、屈曲振動の2次モードの変位図である。 Figure 4 is a displacement diagram of the second-order mode of bending vibration. 図5の(a)〜(d)は、それぞれ圧電素子の動作を説明する概念図である。 (A) ~ (d) of FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating the operation of the piezoelectric elements, respectively. 図6は、標準的寸法の支持部により圧縮力を付与した状態で支持された超音波アクチュエータの断面図である。 Figure 6 is a cross-sectional view of an ultrasonic actuator which is supported while applying a compressive force by the supporting portion of the standard dimension. 図7は、標準的寸法よりも大きな寸法の支持部により周波数を調整した超音波アクチュエータの断面図である。 Figure 7 is a cross-sectional view of an ultrasonic actuator which adjusts the frequency by the support portions of the larger size than the standard size. 図8は、標準的寸法よりも小さな寸法の支持部により周波数を調整した超音波アクチュエータの断面図である。 Figure 8 is a cross-sectional view of an ultrasonic actuator which adjusts the frequency by a support portion of a size smaller than the standard dimensions. 図9は、その他の実施形態に係る超音波アクチュエータの斜視図である。 Figure 9 is a perspective view of an ultrasonic actuator according to another embodiment. 図10は、別のその他の実施形態に係る超音波アクチュエータの斜視図である。 Figure 10 is a perspective view of an ultrasonic actuator according to still another embodiment. 図11は、従来の超音波アクチュエータの圧電素子の斜視図である。 Figure 11 is a perspective view of a piezoelectric element of a conventional ultrasonic actuator. 図12は、従来の超音波アクチュエータの分解斜視図である。 Figure 12 is an exploded perspective view of a conventional ultrasonic actuator.

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1 張出部 2 駆動子 3 可動体 4、4a、4b、4g ワイヤー 5、5a、5b、5c、5d はんだ 6A、6B 壁面支持体 7A、7B 上面支持体 8 底面支持体 9a、9b、9c、9d 給電電極 10 圧電素子 11 開口部 12 ケース 1 projecting portion 2 drive element 3 movable body 4, 4a, 4b, 4g wire 5,5a, 5b, 5c, 5d solder 6A, 6B wall support 7A, 7B top support 8 bottom support 9a, 9b, 9c, 9d feeding electrode 10 piezoelectric element 11 opening 12 casing

Claims (1)

  1. 圧電素子で構成され、又は圧電素子を含んで構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を行うアクチュエータ本体と、 Is composed of a piezoelectric element, or is configured to include a piezoelectric element, and the actuator body to perform a plurality of different vibration vibration directions to each other,
    前記アクチュエータ本体に設けられ、該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで駆動力を出力する駆動子と、 Provided in the actuator body, a driving element for outputting a driving force by operating according to the vibration of the actuator body,
    前記アクチュエータ本体を支持する基礎部と、 A base portion for supporting the actuator body,
    前記基礎部と前記アクチュエータ本体との間に設けられ、該アクチュエータ本体に該振動の振動方向へ圧縮力を予め付与する予圧手段とを備える超音波アクチュエータ。 It said base portion and disposed between the actuator body, an ultrasonic actuator and a pre-pressurizing section for pre-applying a compressive force to the vibration direction of this vibration to the actuator body.
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