JP2016082825A - Piezoelectrically-actuated device, robot and driving method for piezoelectrically-actuated device and robot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電駆動装置、及び、圧電駆動装置を備えるロボットなどの各種の装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric drive device and various devices such as a robot including the piezoelectric drive device.
従来から、圧電素子を有する振動体を振動させて被駆動体(例えば、ローター)を駆動する圧電アクチュエーターが知られている(例えば、特許文献1)。圧電素子は高周波の交流電圧等の駆動電圧を機械的振動に変換する素子であり、圧電アクチュエーターは、圧電素子の振動に応じた振動体(以下、「圧電振動体ユニット」とも呼ぶ)の振動によって、振動体に当接する被駆動体を駆動する駆動装置(以下、「圧電駆動装置」とも呼ぶ)である。特許文献1に記載の圧電アクチュエーターの振動体は、短手方向両外側に向かって延設された一対の腕部(固定部)を有し、その腕部に設けられた貫通孔を挿通させたネジを介して、振動体が保持部材に固定されている。 Conventionally, a piezoelectric actuator that drives a driven body (for example, a rotor) by vibrating a vibrating body having a piezoelectric element is known (for example, Patent Document 1). Piezoelectric elements are elements that convert drive voltage such as high-frequency AC voltage into mechanical vibrations. Piezoelectric actuators are driven by vibrations of vibrating bodies (hereinafter also referred to as “piezoelectric vibrating body units”) in response to vibrations of piezoelectric elements. A driving device that drives a driven body that comes into contact with the vibrating body (hereinafter also referred to as “piezoelectric driving device”). The vibration body of the piezoelectric actuator described in Patent Literature 1 has a pair of arm portions (fixed portions) extending toward both outer sides in the short direction, and has a through hole provided in the arm portion inserted therethrough. The vibrating body is fixed to the holding member via a screw.
しかし、特許文献1に記載の振動体の固定構造では、圧電アクチュエーターの駆動特性に悪影響を与えるおそれがある。具体的には、振動体の振動が腕部に伝わり、腕部に意図しない振動(「スプリアス振動」とも呼ばれる)を誘発することがある。そして、その意図しない振動が振動体の本来の振動を妨害することにより、被駆動体との当接位置における振動体の動きが乱れることがある。これにより、振動体が被駆動体に当接する強さや、当接する範囲等の当接の態様が変化するおそれがある。その結果、振動体が、被駆動体に適切な駆動力を伝えることができなくなり、被駆動体を駆動する駆動効率や、被駆動体の位置決め精度等の圧電アクチュエーターの駆動特性が低下してしまう。このため、意図しない振動を抑制して、圧電アクチュエーターの駆動特性を安定させることが望まれていた。 However, the vibrating body fixing structure described in Patent Document 1 may adversely affect the drive characteristics of the piezoelectric actuator. Specifically, the vibration of the vibrating body is transmitted to the arm portion, and an unintended vibration (also referred to as “spurious vibration”) may be induced in the arm portion. Then, the unintended vibration disturbs the original vibration of the vibrating body, which may disturb the movement of the vibrating body at the contact position with the driven body. Thereby, there exists a possibility that the contact aspects, such as the intensity | strength which a vibrating body contact | abuts to a to-be-driven body, and the range to contact | abut, may change. As a result, the vibrating body cannot transmit an appropriate driving force to the driven body, and driving efficiency of the piezoelectric actuator such as driving efficiency for driving the driven body and positioning accuracy of the driven body is deteriorated. . For this reason, it has been desired to suppress unintended vibrations and stabilize the drive characteristics of the piezoelectric actuator.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1)本発明の一形態によれば圧電駆動装置が提供される。この圧電駆動装置は、第1部材と;第2部材と;前記第1部材と前記第2部材との間に位置し、圧電素子が設けられた振動板と;前記振動板と前記第1部材との間に位置し、前記振動板の機械的品質係数よりも小さい機械的品質係数を有する第3部材と;を備える。
この形態の圧電駆動装置によれば、第1部材と振動板との間に位置する第3部材によって振動板の振動を吸収することができるので、意図しない振動(スプリアス振動)の発生を抑制して、圧電駆動装置の駆動特性を安定させることが可能である。
(1) According to one aspect of the present invention, a piezoelectric driving device is provided. The piezoelectric drive device includes: a first member; a second member; a diaphragm provided between the first member and the second member and provided with a piezoelectric element; the diaphragm and the first member And a third member having a mechanical quality factor smaller than the mechanical quality factor of the diaphragm.
According to the piezoelectric drive device of this aspect, since the vibration of the diaphragm can be absorbed by the third member located between the first member and the diaphragm, the occurrence of unintended vibration (spurious vibration) is suppressed. Thus, the drive characteristics of the piezoelectric drive device can be stabilized.
(2)上記形態の圧電駆動装置において、前記振動板と前記第2部材との間に位置し、前記振動板の機械的品質係数よりも小さい機械的品質係数を有する第4部材を備えるようにしてもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、第1部材と振動板との間に位置する第3部材、及び、第2部材と振動板との間に位置する第4部材の両方によって振動板の振動を吸収することができるので、スプリアス振動の発生をさらに効果的に抑制して、圧電駆動装置の駆動特性をさらに安定させることが可能である。
(2) The piezoelectric driving device according to the above aspect may include a fourth member that is located between the diaphragm and the second member and has a mechanical quality factor smaller than the mechanical quality factor of the diaphragm. May be.
According to the piezoelectric drive device of this aspect, the vibration of the diaphragm is caused by both the third member located between the first member and the diaphragm and the fourth member located between the second member and the diaphragm. Therefore, it is possible to further effectively suppress the occurrence of spurious vibrations and further stabilize the driving characteristics of the piezoelectric driving device.
(3)上記形態の圧電駆動装置において、前記第3部材は絶縁性を有するようにしてもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、第1部材を接地電位に設定しつつ、振動板の電位を接地電位とは異なる電位に設定することができる。
(3) In the piezoelectric drive device according to the above aspect, the third member may have an insulating property.
According to the piezoelectric drive device of this aspect, the potential of the diaphragm can be set to a potential different from the ground potential while the first member is set to the ground potential.
(4)上記形態の圧電駆動装置において、前記第3部材及び前記第4部材は絶縁性を有するようにしてもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、第1部材及び第2部材を接地電位に設定しつつ、振動板の電位を接地電位とは異なる電位に設定することができる。
(4) In the piezoelectric driving device according to the above aspect, the third member and the fourth member may have insulating properties.
According to the piezoelectric driving device of this aspect, the potential of the diaphragm can be set to a potential different from the ground potential while setting the first member and the second member to the ground potential.
(5)上記形態の圧電駆動装置において、前記圧電素子は、圧電体と、前記圧電体に駆動電圧を印加する第1電極及び第2電極と、を有し、前記振動板を介して前記第1電極に接地電位とは異なる電位の電圧を印加するとともに、前記第2電極に前記接地電位とは異なる電位の電圧を印加することにより、前記圧電体に駆動電圧を印加するようにしてもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、第1電極に印加する電圧及び第2電極に印加する電圧を小さくしつつ、駆動電圧の大きくすることが可能である。
(5) In the piezoelectric driving device according to the above aspect, the piezoelectric element includes a piezoelectric body, and a first electrode and a second electrode that apply a driving voltage to the piezoelectric body, and the first element is interposed through the diaphragm. A driving voltage may be applied to the piezoelectric body by applying a voltage having a potential different from the ground potential to one electrode and applying a voltage having a potential different from the ground potential to the second electrode. .
According to the piezoelectric drive device of this aspect, it is possible to increase the drive voltage while reducing the voltage applied to the first electrode and the voltage applied to the second electrode.
(6)上記形態の圧電駆動装置において、基台と;前記第1部材、前記第2部材および前記基台を連結する第1の弾性体および第2の弾性体と;前記第1の弾性体が固定される前記第1部材の位置と前記基台の位置との少なくとも一方に配置され、前記第1の弾性体の機械的品質係数よりも小さい機械的品質係数を有する第5部材と;前記第2の弾性体が固定される前記第1部材の位置と前記基台の位置との少なくとも一方に配置され、前記第2の弾性体の機械的品質係数よりも小さい機械的品質係数を有する第6部材と;を備えるようにしてもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、第5部材及び第6部材によって第1部材に伝播してくる振動板の振動を吸収することができるので、スプリアス振動の発生を抑制して、圧電駆動装置の駆動特性を安定させることが可能である。
(6) In the piezoelectric drive device according to the above aspect, a base; the first elastic body and the second elastic body connecting the first member, the second member, and the base; and the first elastic body A fifth member having a mechanical quality factor smaller than a mechanical quality factor of the first elastic body, disposed at least one of the position of the first member and the position of the base, The second elastic body is disposed at at least one of the position of the first member and the position of the base, and has a mechanical quality factor smaller than the mechanical quality factor of the second elastic body. 6 members may be provided.
According to the piezoelectric driving device of this aspect, the vibration of the diaphragm propagating to the first member can be absorbed by the fifth member and the sixth member, so that the generation of spurious vibrations is suppressed and the piezoelectric driving device is suppressed. It is possible to stabilize the drive characteristics.
(7)上記形態の圧電駆動装置において、前記第5部材及び前記第6部材は絶縁性を有するようにしてもよい。
この形態の圧電駆動装置によれば、基台を接地電位に設定しつつ、振動板の電位を接地電位とは異なる電位に設定することができる。
(7) In the piezoelectric driving device according to the above aspect, the fifth member and the sixth member may have insulating properties.
According to this type of piezoelectric driving device, the potential of the diaphragm can be set to a potential different from the ground potential while the base is set to the ground potential.
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、圧電駆動装置の他、圧電駆動装置の駆動方法、圧電駆動装置の製造方法、圧電駆動装置を搭載するロボット、送液ポンプ、投薬ポンプ、圧電駆動装置を搭載するロボットの駆動方法、等の様々な形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms. For example, in addition to a piezoelectric driving device, a driving method of the piezoelectric driving device, a manufacturing method of the piezoelectric driving device, a robot equipped with the piezoelectric driving device, a liquid feed pump, It can be realized in various forms such as a medication pump and a driving method of a robot equipped with a piezoelectric driving device.
A.圧電アクチュエーターの第1実施形態:
A1.圧電アクチュエーターの構成:
図1は、圧電アクチュエーターの第1実施形態を示す斜視図である。図2は、圧電アクチュエーター1を構成する圧電振動体モジュール10の分解斜視図である。図3は、圧電振動体モジュール10を図1とは異なる他の方向から見た斜視図である。図4は、圧電振動体モジュール10を図1及び図3とは異なる他の方向から見た斜視図である。図5は、圧電振動体モジュール10の概略断面図(図1のA−A線での断面図)である。
A. First embodiment of piezoelectric actuator:
A1. Piezoelectric actuator configuration:
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of a piezoelectric actuator. FIG. 2 is an exploded perspective view of the piezoelectric vibrating
以下では、説明の都合上、図1及び図5中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」とする。また、以下で説明する図には、互いに直交する3つの軸として、X軸,Y軸,Z軸が示されている。X軸に平行な方向を「X軸方向」、Y軸に平行な方向を「Y軸方向」、Z軸に平行な方向を「Z軸方向」という。また、X軸とY軸で規定される平面を「XY平面」と言い、Y軸とZ軸で規定される平面を「YZ平面」と言い、Z軸とX軸で規定される平面を「XZ平面」と言う。また、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向において、矢印先端側を「+(正)側」、矢印基端側を「−(負)側」とする。 In the following, for convenience of explanation, the upper side in FIGS. 1 and 5 is “upper” or “upper”, and the lower side is “lower” or “lower”. In the drawings described below, an X axis, a Y axis, and a Z axis are shown as three axes orthogonal to each other. The direction parallel to the X axis is referred to as “X axis direction”, the direction parallel to the Y axis is referred to as “Y axis direction”, and the direction parallel to the Z axis is referred to as “Z axis direction”. A plane defined by the X axis and the Y axis is referred to as an “XY plane”, a plane defined by the Y axis and the Z axis is referred to as a “YZ plane”, and a plane defined by the Z axis and the X axis is represented by “ XZ plane ". Further, in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction, the arrow tip side is defined as “+ (positive) side” and the arrow base end side is defined as “− (negative) side”.
図1に示すように、圧電アクチュエーター(圧電駆動装置)1は、電圧の印加により振動する圧電振動体ユニット2を有する圧電振動体モジュール10と、回転可能(変位可能)な円盤状のローター(被駆動体)5と、圧電振動体モジュール10とローター5とを支持する支持体(不図示)とを有している。圧電アクチュエーター1は、圧電振動体ユニット2が振動することにより、ローター5に動力(駆動力)を伝達して回転(駆動)させる装置である。なお、圧電振動体モジュール10を圧電アクチュエーターと呼ぶ場合もある。
As shown in FIG. 1, a piezoelectric actuator (piezoelectric drive device) 1 includes a
圧電振動体モジュール10は、図1〜図5に示すように、圧電振動体ユニット2と、圧電振動体ユニット2(振動板23)を振動可能に保持する保持部(保持機構)3とを備えている。また、圧電振動体モジュール10は、基台4と、保持部3と基台4とを連結し、保持部3を介して圧電振動体ユニット2の後述する突起部26をローター5に向けて付勢する付勢部である一対の板バネ(弾性体)71,72と、一対の絶縁性の介挿部材75,76とを備えている。
As shown in FIGS. 1 to 5, the piezoelectric vibrating
圧電振動体ユニット2は、長方形の板状をなし、図1及び図5の上側から4つの第2電極21a〜21dと、板状の圧電体22と、第1電極291と、補強板である振動板(シム)23と、第1電極292と、板状の圧電体24と、4つの第2電極25a〜25dとが、この順に積層されて構成されている(図1〜図5参照)。振動板23は、一方の面(図5の上側の面)に圧電体22が設けられ、他方の面(図5の下側の面)に圧電体24が設けられた本体部20と、突起部(接触部)26と、2つの連結部27,28とを有している。なお、各図の圧電振動体ユニット2は、厚さ方向を誇張して示している。
The piezoelectric vibrating
第2電極21a〜21dと圧電体22と第1電極291とが振動板23の図5中上側に設けられた圧電振動体を構成し、各第2電極21a〜21dに対応する圧電振動体の部分がそれぞれの圧電素子を構成する。同様に、第2電極25a〜25dと圧電体24と第1電極292とが振動板23の図5中下側に設けられた圧電振動体を構成し、各第2電極25a〜25dに対応する圧電振動体の部分がそれぞれの圧電素子を構成する。なお、各第2電極21a〜21dに対応するそれぞれの圧電素子を「圧電素子210a〜210d」とも呼び、各第2電極25a〜25dに対応するそれぞれの圧電素子を「圧電素子250a〜250d」とも呼ぶ。
The
この圧電振動体ユニット2は、電圧の印加により圧電体22及び24が変形することにより振動して、突起部26を介してローター5に動力を伝達して、ローター5を回転させる。第1電極291,292は、それぞれ、圧電体22,24に対応する長方形状をなし、振動板23の本体部20の両面にそれぞれ設置(固着)されている。また、圧電体22,24は、それぞれ、長方形状をなし、第1電極291,292上にそれぞれ設置されている。
The piezoelectric vibrating
これらの圧電体22,24は、電圧を印加することにより、その長手方向に伸長または収縮し、電圧の印加を中止することにより、元の形状に戻る。圧電体22,24の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、チタン酸ジルコニウム酸鉛(PZT)、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、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の各種のものを用いることができる。
These
圧電体22の上面には、この上面を4つの長方形の領域にほぼ等しく分割し、分割された各領域に、それぞれ、長方形状をなす第2電極21a〜21dが設置されている。同様に、圧電体24の下面には、この下面を4つの長方形の領域にほぼ等しく分割し、分割された各領域に、それぞれ、長方形状をなす第2電極25a〜25dが設置されている。なお、第2電極21aと第2電極25a、第2電極21bと第2電極25b、第2電極21cと第2電極25c、及び、第2電極21dと第2電極25dは、それぞれ、圧電振動体ユニット2の厚さ方向(Z軸方向)に対向して配置されている(図1及び図5参照)。
On the upper surface of the
また、4つの第2電極21a〜21dのうち、一方の対角線上の第2電極21a,21cは、電気的に接続され、他方の対角線上の第2電極21b,21dは、電気的に接続されている(図1〜図3参照)。同様に、4つの第2電極25a〜25dのうち、一方の対角線上の第2電極25a,25cは、電気的に接続され、他方の対角線上の第2電極25b,25dは、電気的に接続されている(図4参照)。そして、第2電極21a,21cに電気的に接続された配線7210、第2電極21b,21dに電気的に接続された配線7220、第2電極25a,25cに電気的に接続された配線7230,第2電極25b,25dに電気的に接続された配線7240が、それぞれ、設けられている。
Of the four
振動板23は、圧電振動体ユニット2の全体を補強する機能を有しており、圧電振動体ユニット2が過振幅、外力等によって損傷するのを防止する。振動板23の構成材料としては、特に限定されないが、例えばステンレス鋼、アルミニウムまたはアルミニウム合金、チタンまたはチタン合金、銅または銅系合金、42アロイ等の各種金属材料であるのが好ましい。振動板23の本体部20は、圧電体22及び24よりも厚さが薄い(小さい)ものであることが好ましい。これにより、圧電振動体ユニット2を高い効率で振動させることができる。
The
振動板23の後述する固定部283には電気的に接続された配線7250が設けられており、第1電極291,292が振動板23を介して配線7250に電気的に接続されている(図2及ぶ図5参照)。これにより、圧電体22には、第2電極21a〜21dのうちの所定の第2電極と第1電極291とによって電圧が印加され、圧電体24には、第2電極25a〜25dのうちの所定の電極と第1電極292とによって電圧が印加される。なお、第1電極291,292を省略し、振動板23を、圧電体22,24に対する共通の第1電極として利用してもよい。
An electrically connected
振動板23の本体部20は、長方形状をなしている。この本体部20の長手方向(X軸方向)の一端部(ローター5側の端部)には、突起部26が一体的に形成されている。突起部26は、圧電振動体ユニット2の幅方向(Y軸方向)中央に位置しており、本実施形態では、先端側が細い円錐台形状または角錐台形状をなしている。なお、突起部26の形状や位置は、これに限定されず、種々の形状とすることができる。この突起部26は、圧電振動体ユニット2が振動することによりローター5に当接したり、ローター5から離間したりする。
The
振動板23の本体部20の幅方向(Y軸方向)の両端部、すなわち、本体部20のY軸方向に対向する一対の辺には、それぞれ、圧電振動体ユニット2を振動可能な状態で、振動板23を保持部3に連結する連結部27,28が、本体部20と一体的に形成されている(特に、図2参照)。各連結部27,28は、本体部20の図2中上側と下側とに、互いに線対称となるように配置されている。なお、本体部20と連結部27,28とは複数の部材を一体的に構成するのではなく、1部材で構成されることが好ましい。
The
連結部27は、後述する保持部3に固定され(取り付けられ)、長方形状をなす固定部273と、固定部273の長手方向の両端部に形成され、本体部20と固定部273とを連結し、圧電振動体ユニット2(振動板23)を振動可能に支持する連結支持部271,272と、を有している。同様に、連結部28は、連結部27の固定部273及び連結支持部271,272と線対称となるように配置された固定部283及び連結支持部281,282を有している。
The connecting
連結支持部271,272,281,282は、圧電振動体ユニット2(振動板23)の本体部20の後述する屈曲振動の節の位置に配置されている。振動板23の一端側の屈曲振動の節の位置に2つの連結支持部271,272を設け、他端側屈の曲振動の節の位置に2つの連結支持部281,282を設けることにより、圧電振動体ユニット2が振動した際に、圧電振動体ユニット2のブレやバタツキを抑制する。また、圧電振動体ユニット2が振動した際に、連結支持部271,272,281,282がその屈曲振動を阻害してしまうことを抑制する。
The
固定部273の長手方向の両端部には、保持部3へのネジ止めによる固定のためのネジを挿通する孔274,275が形成され、また、固定部283の長手方向の両端部にも、同様の孔284,285が形成されている。
At both ends in the longitudinal direction of the fixing
なお、突起部26は、それぞれ、本体部20と別体として設けられていてもよい。
The
介挿部材75,76(図2及び図5参照)は、それぞれ、長方形の板状をなしている。介挿部材75は、保持部3の後述する第1部材31の当接面311と、圧電振動体ユニット2の固定部273との間に配置されている。介挿部材76は、同様に、保持部3の後述する第1部材31の当接面312と、圧電振動体ユニット2の固定部283との間に配置されている。これにより、第1部材31と振動板23とが絶縁されており、第1部材31の電位を接地電位に設定しつつ、振動板23(第1電極291,292)に接地電位とは異なる電位を印加して圧電振動体ユニット2(振動板23)を振動させることができる。
The
介挿部材75の長手方向の両端部には、圧電振動体ユニット2(振動板23)の保持部3へのネジ止めによる固定のためのネジを挿通する孔751,752が形成されている。また、介挿部材76の長手方向の両端部にも、同様の孔761,762が形成されている。
At both ends in the longitudinal direction of the
介挿部材75,76の構成材料としては、それぞれ、絶縁性を有する各種樹脂材料、各種セラミック材料等を用いることができる。ただし、その機械的品質係数(「機械的Q」あるいは単に「Qm」とも言う)が、振動板23(より、具体的には、固定部273,283)の機械的品質係数よりも小さい材料に限定される。なお、この限定については後で詳述する。
As a constituent material of the
保持部3(図1〜図4参照)は、圧電振動体ユニット2の振動を阻害しないように構成され、圧電振動体ユニット2を振動可能に保持している。保持部3は、第1部材31と第2部材32とを有し、これら第1部材31と第2部材32とで圧電振動体ユニット2の固定部273,283を挟持している。
The holding unit 3 (see FIGS. 1 to 4) is configured so as not to inhibit the vibration of the piezoelectric vibrating
第1部材31は、圧電振動体ユニット2の図1中上側、すなわち、第2電極21a〜21dの図1中上側に配置されている。第1部材31の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、振動板23の厚さ方向(Z軸方向)から見たとき、長方形状をなしている(図3参照)。この第1部材31は、圧電振動体ユニット2側に、振動板23の固定部273に対向する当接面311と、固定部283に対向する当接面312とを有している。当接面311,312は、それぞれ、固定部273,283に応じた長方形状の平面をなしている。また、第1部材31の中央部には、圧電振動体ユニット2(圧電体22,24)に対向する位置に配置された開口313を有している。この開口313により、軽量化や、熱の放熱、第2電極21a〜21dに接続される配線の状態の確認、等が可能である。また、第1部材31の4つの角部には、圧電振動体ユニット2(振動板23)を保持部3へ固定するためのネジを挿通する孔314〜317が形成されている(図1〜図3参照)。また、第1部材31の図2中下側の両端部には、後述する板バネ71,72を第1部材31へ固定するためのネジを螺号する雌ネジ318,319が形成されている。
The
第2部材32は、圧電振動体ユニット2の図1中下側、すなわち、第2電極25a〜25dの図1中下側に配置されている。第2部材32の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、振動板23の厚さ方向(Z軸方向)から見たとき、長方形状をなしている(図4参照)。この第2部材32は、圧電振動体ユニット2側に、振動板23の固定部273に対向する当接面321と、固定部283に対向する当接面322とを有している。当接面321,322は、それぞれ、固定部273,283に応じた長方形状の平面をなしている。また、第2部材32の中央部には、圧電振動体ユニット2(圧電体22,24)に対向する位置に配置された開口323を有している。この開口323により、軽量化や、熱の放熱、第2電極25a〜25dに接続される配線の状態の確認、等が可能である。また、第2部材32の4つの角部には、圧電振動体ユニット2を保持部3へ固定のためのネジを螺合する雌ネジ324〜327が形成されている(図2参照)。
The
また、第2部材32の開口323の図2中上側には、孔328が形成されている。配線7210〜7240は、孔328を挿通し、保持部3の外部に引き出されている。これにより、圧電振動体モジュール10の小型化を図ることができる。なお、孔328は、第2部材32に代えて、第1部材31に形成されていてもよく、また、第1部材31と第2部材32の両方に形成されていてもよい。
A
圧電振動体ユニット2は、第1部材31の当接面311,312と、第2部材32の当接面321,322とで、介挿部材75,76を介して、圧電振動体ユニット2の固定部273,283を挟んだ状態で、4つのネジ115〜117がそれぞれ対応する雌ネジ324〜327に螺合されることにより、保持部3にネジ止め(固定)されている。なお、4つのネジ115〜117には、振動板23と第1部材31との絶縁性及び第1部材31と第2部材32との絶縁性を確保するため、絶縁性を有する各種樹脂部材、各種セラミック部材等で構成されたネジや、絶縁コーティングされたネジが用いられる。
The piezoelectric vibrating
以上のように、固定部273,283が第1部材31と第2部材32とで挟まれているので、固定部273,283を第1部材31及び第2部材32にネジ止め(固定)する際、連結支持部271,272,281,282がネジで曲げられたり、捩じられたりして、連結支持部271,272,281,282に歪みが生じることを抑制することができる。これにより、振動が安定し、十分な振動特性が得られる。また、連結支持部271,272,281,282を太くする必要がないので、振動効率を高くすることができる。
As described above, since the fixing
また、固定部273,283がそれぞれ2つの連結支持部271,272,281,282により本体部20に連結されていると、本体部20の振動が固定部273,283に伝播して、スプリアス振動が発生する虞がある。しかしながら、固定部273,283は保持部3の第1部材31と第2部材32とで挟まれて固定されているので、基本的は、そのスプリアス振動を抑制することができ、振動を安定させることが可能である。
Further, when the fixing
第1部材31及び第2部材32の寸法は、それぞれ、特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものである。但し、図5に示すように、振動板23の厚さ方向(Z軸方向)において、第1部材31の厚さをL1、第2部材32の厚さをL2、固定部273,283の厚さをL3としたとき、L1及びL2は、それぞれ、L3よりも大きいことが好ましい。これにより、第1部材31及び第2部材32により固定部273,283をより確実に挟むことができ、振動をより安定させることができる。
The dimension of the
また、振動板23の厚さが0.1mmのとき、L1は、0.15mm以上3mm以下であることが好ましく、0.5mm以上2mm以下であることがより好ましい。また、L2は、0.15mm以上3mm以下であることが好ましく、0.5mm以上2mm以下であることがより好ましい。L1、L2が、前記下限値よりも小さいと、他の条件にもよるが、前記振動を安定させる効果が低減する虞がある。また、L1、L2が前記上限値よりも大きいと、圧電振動体モジュール10(圧電アクチュエーター1)が大型化する。
Moreover, when the thickness of the
また、振動板23の厚さが0.1mmのとき、L3は、0.02mm以上2mm以下であることが好ましく、0.1mm以上0.5mm以下であることがより好ましい。L3が、前記下限値よりも小さいと、振動板23に印加する電圧や材料抵抗等他の条件にもよるが、絶縁効果を確保できず、安定した電圧を与えられない恐れがあるので、振動板23の振動を安定させる効果が低減する恐れがある。また、L3が前記上限値よりも大きいと、圧電振動体モジュール10が大型化する。
Moreover, when the thickness of the
第1部材31及び第2部材32の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、各種金属材料、各種樹脂材料、各種セラミック材料等を用いることができる。
The constituent materials of the
基台4(図1〜図3参照)は、圧電振動体ユニット2を保持した保持部3を、一対の板バネ71,72を介して支持し、図示しない支持体に固定されている。基台4の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、X軸方向に長い長手形状をなしている。また、基台4の長手方向(X軸方向)の両端部には、一対の板バネ71,72を固定するためのネジを螺号する雌ネジ41,42が形成されている(図2参照)。
The base 4 (see FIGS. 1 to 3) supports the holding
また、一対の板バネ71,72(図1〜図3参照)は、それぞれ、長手形状をなしている。各板バネ71,72は、互いにX軸方向に離間して平行に配置されており、保持部3の全体を挟んだ状態で、その保持部3(第1部材31)と基台4とを連結している。各板バネ71,72の構成材料としては、特に限定されず、ステンレス鋼等の種々のバネ用の鋼材を用いることができる。
Further, each of the pair of
図2に示すように、板バネ71の長手方向(Y軸方向)の両端部には、ネジを挿通する孔711,712が形成され、孔711と孔712との間には、孔711,712よりも長い孔713が形成されている。板バネ72の長手方向(Y軸方向)の両端部にも、同様に、ネジを挿通する孔721,722が形成され、孔721と孔722との間には、孔721,722よりも長い孔723が形成されている。X軸方向から見たとき、孔713,723は、それぞれ、圧電振動体ユニット2のうちの連結部27,28を除く部位よりも大きい。
As shown in FIG. 2, holes 711 and 712 through which screws are inserted are formed at both ends in the longitudinal direction (Y-axis direction) of the
2つのネジ111,112が、それぞれ、対応する板バネ71の孔711,712を介して対応する雌ネジ318,41に螺合されて、板バネ71の一方(図2中上側)の端部が基台4の一方((図2中左側)の端部に固定され、板バネ71の他方(図2中下側)の端部が保持部3(第1部材31)の一方(図2中左側)の端部に固定されている。同様に、2つのネジ113,114が、それぞれ、対応する板バネ72の孔721,722を介して対応する雌ネジ319,42に螺合されて、板バネ72の一方(図2中上側)の端部が基台4の他方((図2中右側)の端部に固定され、板バネ72の他方(図2中下側)の端部が保持部3の他方(図2中右側)の端部に固定されている。
The two
板バネ71,72は、それぞれ、弾性変形し、圧電振動体ユニット2を保持している保持部3をローター5に向けて付勢している。すなわち、板バネ71,72は、それぞれ、保持部3を介して圧電振動体ユニット2の突起部26をローター5に向けて付勢している。これにより、圧電振動体ユニット2によるローター5への動力伝達を効率良く行うことができる。
Each of the
また、板バネ71の孔713から圧電振動体ユニット2の突起部26が突出している。これにより、圧電振動体モジュール10(圧電アクチュエーター1)の小型化を図ることができる。また、圧電振動体モジュール10が駆動して突起部26が後述する楕円運動を行ったとき、孔713により、突起部26が板バネ71と干渉してしまうことを防止することができる。
Further, the protruding
このような構成の圧電振体ユニット10のX軸方向前方には、図1に示すように、ローター5が配置されている。ローター5は、図示しない支持体に立設された棒状の軸部51を回転中心として、正方向(時計回り)及びその逆方向である負方向(反時計回り)に回転可能に保持されている。このローター5は、その外周面52に圧電振動体ユニット2の振動に応じて突起部26が繰り返し当接することによって、軸部51を中心に回転する。
As shown in FIG. 1, the rotor 5 is disposed in front of the
以上説明した構成を有する圧電アクチュエーター1は、以下で説明するように、圧電振動体モジュール10が被駆動体であるローター5を駆動する。
In the piezoelectric actuator 1 having the above-described configuration, the piezoelectric vibrating
A2.圧電アクチュエーターの動作:
図5に示すように、圧電振動体ユニット2において、振動板23の本体部20の上側の、一対の第2電極21a,21c(図5中不図示)と、他の一対の第2電極21b(図5中不図示),21dと、第1電極291とは、それぞれ、対応する配線7210,7220,7250を介して駆動回路90に電気的に接続されている。また、同様に、本体部20の下側の、一対の第2電極25a,25d(図5中不図示)と、他の一対の第2電極25b(図5中不図示),25cと、第1電極292とは、それぞれ、対応する配線7230,7240,7250を介して駆動回路90に電気的に接続されている。
A2. Operation of the piezoelectric actuator:
As shown in FIG. 5, in the piezoelectric vibrating
駆動回路90は、例えば、図5中上側の一対の第2電極21a,21cと第1電極291との間に周期的に変化する交流電圧又は脈流電圧を印加することにより、圧電振動体ユニット2(振動板23)を超音波振動させて、突起部26に接触するローター(被駆動体)5を所定の回転方向に回転させることが可能である。ここで、「脈流電圧」とは、交流電圧にDCオフセットを付加した駆動電圧を意味し、その電圧(電界)の向きは、一方の電極から他方の電極に向かう一方向である。また、図5中上側の他の一対の第2電極21b,21dと第1電極291との間に交流電圧又は脈流電圧を印加することにより、突起部26に接触するローター5を逆方向に回転させることが可能である。このような電圧の印加は、図5中下側の一対の第2電極25a,25cと第1電極292に対して、及び、図5中下側の一対の第2電極25b,25dと第1電極292に対して、同時に行われる。
For example, the
図6は、圧電振動体ユニット2の動作の例を示す説明図である。圧電振動体ユニット2の突起部26は、被駆動体としてのローター5の外周面52に接触している。図6に示す例は、駆動回路90(図5参照)は、図5中上側の一対の第2電極21a,21cと第1電極291との間及び図5中下側の一対の第2電極25a,25cと第1電極292との間に、交流電圧又は脈流電圧を印加した状態を示しており、これら第2電極に対応する圧電体22,24の領域が図6の矢印pの方向に伸縮する。これに応じて、振動板23の本体部20が屈曲して蛇行形状(S字形状)に変形し、突起部26の先端が矢印DL1(図面上で時計回り)で示した楕円軌道を描くように振動(楕円運動)するか、又は、図6中XY平面内で一定方向の直線起動を描くように振動(往復運動)する。その結果、ローター5は、図6矢印SRで示すように反時計回りに回転する。なお、上述した連結部27,28の連結支持部271,272,281,282(図2参照)は、このような振動板23の本体部20の屈曲振動の節の位置に設けられている。また、駆動回路90が、図5中上側の他の一対の第2電極21b,21cと第1電極291との間及び図5中下側の他の一対の第2電極25b,25cと第1電極292との間に交流電圧又は脈流電圧を印加する場合には、ローター5は逆方向に回転する。なお、圧電振動体ユニット2のこのような動作については、特開2004−320979号公報、又は、対応する米国特許第7224102号に記載されており、その開示内容は参照により組み込まれる。
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of the operation of the
A3.介挿部材の効果:
上記したように、介挿部材75,76の機械的品質係数は、それぞれ、振動板23(固定部273,283)の機械的品質係数よりも小さい、ことが条件とされている。「機械的品質係数」は、その部材の振動による弾性損失を表す係数の逆数で示される係数である。従って、機械的品質係数が小さい部材ほど、振動を抑制する効果が大きい部材と言える。
A3. Effect of insertion member:
As described above, the mechanical quality factors of the
ここで、上記した圧電振動体モジュール10(図2及び図5参照)では、振動板23の固定部273,283が保持部3の第1部材31と第2部材32とで挟まれて固定されている。このため、上記したように、基本的には、本体部20の振動が固定部273,283に伝播して発生する虞のあるスプリアス振動を抑制して、振動を安定させることが可能である。
Here, in the piezoelectric vibrating body module 10 (see FIGS. 2 and 5), the fixing
しかしながら、固定部273,283を第1部材31と第2部材32とで挟み込んで固定したとしても、例えば、振動の大きさ、第1部材31、第2部材32及び振動板23の構成材料や厚さ、等の種々の条件の組み合わせによっては、スプリアス振動を抑制して、振動板23(圧電振動体ユニット2)の振動を安定させる効果が低減する虞がある。
However, even if the fixing
これに対して、振動板23(固定部273,283)の機械的品質係数よりも小さい機械的品質係数を有する介挿部材75,76を、第1部材31の当接面311,312と固定部273,283との間に配置した場合、介挿部材75,76は本体部20からの振動を吸収することができるので、その振動が第1部材31へ伝播することを抑制することができる。これにより、本体部20の振動が固定部273,283を介して保持部3の第1部材31や板バネ71,72に伝播してスプリアス振動が発生することを抑制でき、圧電振動体ユニット2(振動板23)の振動を安定させる効果を高めることが可能である。この結果、圧電振動体モジュール10(圧電アクチュエーター1)を安定に駆動する効果を高めることができる。
On the other hand, the
なお、スプリアス振動を抑制する効果を高めるためには、介挿部材75,76の機械的品質係数は、振動板23の機会的品質係数と比べて、より小さい方が好ましく、例えば、1/10以下であることがより好ましい。例えば、振動板23の好ましい構成材料として例示したステンレス鋼や42アロイ等の各種金属材料の機械的品質係数は1000以上である。従って、介挿部材75,76としては、機械的品質係数が1000よりも小さい絶縁性材料を選択して用いることが好ましく、100以下の絶縁性材料を選択して用いることがより好ましい。例えば、介挿部材75,76の構成材料として例示した各種樹脂材料、各種セラミック材料等のうち、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン、二トリルゴム等の機械的品質係数は、通常、100以下であるので、これらの材料を用いれば、上記要求を満たすことが可能である。
In order to enhance the effect of suppressing spurious vibrations, the mechanical quality factor of the
A4.第1実施形態の変形例:
図7は、第1実施形態の圧電振動体モジュール10の変形例を示す概略断面図である。図7は、図5に示した圧電振動体モジュール10と同様のA−A線での断面図である。この圧電振動体モジュール10Bは、上記実施形態の圧電振動体モジュール10における介挿部材75,76の配置に加えて、保持部3の第2部材32の当接面321,322と、圧電振動体ユニット2の固定部273,283との間に絶縁性の介挿部材77,78を配置している。介挿部材77,78は介挿部材75,76と同じ構成材料により形成することができる。
A4. Modification of the first embodiment:
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a modification of the piezoelectric vibrating
介挿部材75,76によるスプリアス振動の抑制に加えて、本体部20の振動が固定部273,283を介して第2部材32へ伝播することを介挿部材77,78によって吸収することができるので、本体部20の振動が固定部273,283を介して保持部3の第2部材32に伝播して、スプリアス振動が発生することを抑制することもできる。これにより、スプリアス振動の抑制効果をより高めることができるので、圧電振動体ユニット2(振動板23)の振動を安定させる効果をより高めることが可能であり、圧電振動体モジュール10(圧電アクチュエーター1)を安定に駆動する効果をより高めることができる。なお、この場合、第1部材31と同様に、振動板23(第1電極291,292)に接地電位とは異なる電位を印加しつつ、第1部材31及び第2部材32の両方の電位を接地電位に設定することができる。
In addition to suppression of spurious vibrations by the
なお、以上説明からわかるように、介挿部材75,76が本発明の第3部材に相当し、介挿部材77,78が本発明の第4部材に相当する。
As can be seen from the above description, the
また、図示は省略するが、介挿部材75,76に代えて、保持部3の第2部材32の当接面321,322と、圧電振動体ユニット2の固定部273,283との間に介挿部材77,78を配置する構成としてもよい。この場合にも、本体部20の振動が固定部273,283を介して保持部3の第2部材32に伝播して、スプリアス振動の発生を抑制することもできる。これにより、スプリアス振動の抑制効果を高めることができるので、圧電振動体ユニット2(振動板23)の振動を安定させる効果を高めることが可能であり、圧電振動体モジュール10(圧電アクチュエーター1)を安定に駆動する効果を高めることができる。なお、この場合、振動板23に接地電位とは異なる電位を印加しつつ、第2部材32の電位を接地電位に設定することができる。
Although not shown, instead of the
なお、上記実施形態及び変形例では、振動板23に接地電位とは異なる電位を印加するものとして説明した。これは、圧電体を挟む第2電極及び第1電極のそれぞれに印加する電圧を低くしつつ、圧電体に印加する電位差(電圧)を大きくするための構成である。しかしながら、これに限定されるものではなく、振動板23に印加する電位、すなわち、第1電極に印加する電位も接地電位として、第2電極に印加する電位を圧電体に印加する電位差(電圧)とする構成としてもよい。この構成の場合、介挿部材75,76及び介挿部材77,78の構成材料は、絶縁性の材料に限定される必要はなく、導電性を有する材料であってもよい。
In the embodiment and the modification described above, the
なお、以上説明した実施形態及び変形例では、被駆動体としてのローターを、圧電アクチュエーターの構成要素として説明したが、これに限定されるものではなく、被駆動体を圧電アクチュエーターの構成要素に含まないものとしてもよい。そこで、以下の説明において、圧電振動体モジュール10を「圧電アクチュエーター10」と呼ぶ場合もある。
In the embodiment and the modification described above, the rotor as the driven body has been described as a constituent element of the piezoelectric actuator. However, the present invention is not limited to this, and the driven body is included in the constituent elements of the piezoelectric actuator. It may not be. Therefore, in the following description, the piezoelectric vibrating
B.圧電アクチュエーターの第2実施形態:
B1.圧電振動体モジュールの構成:
図8は、圧電アクチュエーターを構成する圧電振動体モジュールの第2実施形態を示す平面図である。この圧電振動体モジュール10Cは、圧電振動体ユニット2と、保持部(保持機構)3と、基台4と、一対の板バネ71,72と、一対の介挿部材75,76とを備えている点で、第1実施形態の圧電振動体モジュール10(図1〜4参照)と基本的には同様の構成であるが、以下の点で相違した構成を有している。
B. Second embodiment of the piezoelectric actuator:
B1. Piezoelectric vibrator module configuration:
FIG. 8 is a plan view showing a second embodiment of the piezoelectric vibrating body module constituting the piezoelectric actuator. The piezoelectric vibrating
図8中下側の板バネ71の端部(図2の孔711を含む領域)を一対の介挿部材81,82で挟んで第1部材31にネジ111で固定するとともに、図8中上側の板バネ71の端部(図2の孔712を含む領域)を一対の介挿部材83,84で挟んで基台4にネジ112で固定している。また、図8中下側の板バネ72の端部(図2の孔721を含む領域)を一対の介挿部材85,86で挟んで第1部材31にネジ113で固定するとともに、図8中上側の板バネ72の端部(図2の孔722を含む領域)を挟んで基台4にネジ114で固定している。介挿部材81〜84は、板バネ71の機械的品質係数よりも小さい機械的品質係数の構成材料、例えば、第1実施形態における介挿部材75〜78と同様に、各種樹脂材料、各種セラミック材料等を用いることができる。また、介挿部材85〜88も、同様に、板バネ72の機械的品質係数よりも小さい機械的品質係数の構成材料を用いることができる。介挿部材81〜88は、全て同じ機械的品質係数の構成材料であっても、それぞれ、異なっていてもよい。
8 is fixed to the
B2.介挿部材の効果:
介挿部材81〜84により、第1部材31から板バネ71への振動の伝播を抑制することができ、板バネ71に発生するスプリアス振動を抑制することができる。また、介挿部材85〜88により、第1部材31から板バネ72への振動の伝播を抑制することができ、板バネ72に発生するスプリアス振動を抑制することができる。これにより、圧電振動体ユニット2(振動板23)の振動を安定させる効果をさらに高めることが可能であり、圧電振動体モジュール10(圧電アクチュエーター1)を安定に駆動する効果をさらに高めることができる。
B2. Effect of insertion member:
The
なお、スプリアス振動を抑制する効果を高めるためには、第1実施形態の介挿部材75〜78と同様に、介挿部材81〜88の機械的品質係数は、板バネ71,72の機会的品質係数と比べて、より小さい方が好ましく、例えば、1/10以下であることがより好ましい。板バネ71,72の構成材料として例示したステンレス鋼(例えば、SUS301等)の機械的品質係数は1000以上である。従って、介挿部材81〜88としては、機械的品質係数が1000よりも小さい絶縁性材料を選択して用いることが好ましく、100以下の絶縁性材料を選択して用いることがより好ましい。例えば、介挿部材81〜88の構成材料として例示した各種樹脂材料、各種セラミック材料等のうち、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン、二トリルゴム等の機械的品質係数は、通常、100以下であるので、これらの材料を用いれば、上記要求を満たすことが可能である。
In order to enhance the effect of suppressing spurious vibrations, the mechanical quality factor of the
以上説明からわかるように、板バネ71が第1の弾性体に相当し、板バネ72が第2の弾性体に相当し、介挿部材81〜84が本発明の第5部材に相当し、介挿部材85〜88が本発明の第6部材に相当する。
As can be seen from the above description, the
B3.第2実施形態の変形例:
以上説明した本実施形態では、例えば、一対の介挿部材81,82で板バネ71を挟む構成としているが、これに限定されるものではなく、少なくとも、第1部材31と板バネ71,72との間、及び、基台4と板バネ71,72との間に介挿部材81,83,85,87が配置されている構成であってもよい。この場合においても、板バネ71、72への振動の伝播を抑制することができ、板バネ71,72に発生するスプリアス振動を抑制することができる。これにより、圧電振動体ユニット2(振動板23)の振動を安定させる効果をさらに高めることが可能であり、圧電振動体モジュール10(圧電アクチュエーター1)を安定に駆動する効果をさらに高めることができる。
B3. Modification of the second embodiment:
In the present embodiment described above, for example, the
また、上記実施形態及び変形例では、各板バネ71,72の第1部材31側及び基台4側の両側に介挿部材を配置した構成を説明したが、これに限定されるものではなく、各板バネ71,72に対して、第1部材31側あるいは基台4側のいずれかに介挿部材を配置する構成としてもよい。この場合において、板バネ71と板バネ72のうち、一方の板バネに対して第1部材31側に介挿部材を配置し、他方の板バネに対して基台4側に介挿部材を配置してもよく、両方の板バネに対して第1部材31側あるいは基台4側に介挿部材を配置してもよい。この場合においても、板バネ71、72への振動の伝播を抑制することができ、板バネ71,72に発生するスプリアス振動を抑制することができる。これにより、圧電振動体ユニット2(振動板23)の振動を安定させる効果をさらに高めることが可能であり、圧電振動体モジュール10(圧電アクチュエーター1)を安定に駆動する効果をさらに高めることができる。
Moreover, although the said embodiment and modification demonstrated the structure which has arrange | positioned the insertion member in the both sides of the
なお、本実施形態の圧電振動体モジュール10Cは、第1実施形態の圧電振体ユニット10と同様に、振動体23と保持部3の第1部材31との間に介挿部材75,76を有する構成を例に説明したが、介挿部材75,76を有さない構成の場合に、介挿部材81〜88を適用するようにしてもよい。この場合においても、板バネ71、72への振動の伝播を抑制することができ、板バネ71,72に発生するスプリアス振動を抑制することができる。これにより、圧電振動体ユニット2(振動板23)の振動を安定させる効果をさらに高めることが可能であり、圧電振動体モジュール10(圧電アクチュエーター1)を安定に駆動する効果をさらに高めることができる。
Note that, in the piezoelectric vibrating
但し、この構成の場合、介挿部材81〜88の構成部材は絶縁性を有する材料を用いることが好ましく、4つのネジ111〜114には、基台4と第1部材31及び第2部材32との絶縁性を確保するために、各種樹脂部材、各種セラミック部材等の絶縁性材料で構成されたネジや、絶縁コーティングされたネジを用いることが好ましい。これにより、第1部材31、第2部材32及び振動板23が基台4に対して絶縁することができるので、振動板23(第1電極291,292)に接地電位とは異なる電位を印加することができる。これにより、圧電素子を挟む第2電極及び第1電極のそれぞれに印加する電圧を低くしつつ、圧電素子に印加する電位差(電圧)を大きくすることができる。
However, in this configuration, it is preferable to use an insulating material for the constituent members of the
C.圧電振動体ユニットの他の実施形態:
上記実施形態の圧電振動体モジュール10,10B,10Cは、圧電振動体ユニット2(図2〜5,7参照)を用いた構成を例に説明したが、これに限定されるものではなく、種々の構造の圧電振動体ユニットを用いることができる。なお、以下では、上記した実施形態で用いられた圧電振動体ユニット2との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
C. Other embodiments of the piezoelectric vibrator unit:
The
図9は、他の圧電振動体ユニットを示す平面図である。この圧電振動体ユニット2aは、圧電振動体ユニット2(図2参照)の振動板23において、連結部27の2つの連結支持部271,272の中間の屈曲振動の節の位置に連結支持部276を有するとともに、連結部28の連結支持部281,282の中間の屈曲振動の節の位置に連結支持部286を有している。圧電振動体ユニット2aは圧電振動体ユニット2に比べて安定な屈曲振動が可能である。
FIG. 9 is a plan view showing another piezoelectric vibrator unit. The piezoelectric vibrating
なお、連結支持部の数は、圧電振動体ユニット2の2つや、圧電振動体ユニット2aの3つに限定されず、例えば、1つ、2つ、3つ、または、5つ以上でもよい。ただし、上記したように、連結支持部は、圧電振動体ユニット(振動板)の屈曲振動の節の位置に配置されていることが好ましい。また、圧電振動体ユニット2,2aの連結部は、本体部20の両側に設けられているが、これに限らず、例えば、本体部20の一端側のみに設けられていてもよい。
Note that the number of connection support portions is not limited to two of the
図10は、さらに別の圧電振動体ユニットを示す平面図である。この圧電振動体ユニット2bは、圧電振動体ユニット2の振動板23において、連結部27に代えて、互いに離間するように配置された一対の連結部27a,27bが設けられ、連結部28に代えて、互いに離間するように配置された一対の連結部28a,28bが設けられている。連結部27aは、固定部273aと、本体部20と固定部273aとを連結する連結支持部271とを有している。また、連結部27bは、固定部273bと、本体部20と固定部273bとを連結する連結支持部272とを有している。また、連結部28aは、固定部283aと、本体部20と固定部283aとを連結する連結支持部281とを有している。また、連結部28bは、固定部283bと、本体部20と固定部283bとを連結する連結支持部282とを有している。
FIG. 10 is a plan view showing still another piezoelectric vibrating body unit. The piezoelectric vibrating
図11は、さらに別の圧電振動体ユニットを示す平面図である。この圧電振動体ユニット2cは、圧電振動体ユニット2の振動板23において、連結部27,28に代えて、本体部20の幅方向の一方の端部のみに、連結部27cが設けられている。連結部27cは、固定部273cと、本体部20と固定部273cとを連結する連結支持部276とを有しており、連結支持部276は、本体部20の長手方向の中央部の屈曲振動の節の位置に配置されている。また、固定部273cには、ネジが挿入される孔277が形成されている。
FIG. 11 is a plan view showing still another piezoelectric vibrating body unit. In the piezoelectric vibrating
図12(A)は、さらに別の圧電振動体ユニットを示す平面図である。図12(A)〜(C)では、図示の便宜上、振動板23の連結部27,28の図示が省略されている。図12(A)の圧電振動体ユニット2dでは、本体部20の長手方向に沿って配置された一対の第2電極21a,21b(25a,25b)と、他の一対の第2電極21c,21d(25c,25d)との間の幅方向の中央に、長手方向に沿って延びた一つの第2電極21e(25e)が形成されている。なお、かっこ内の第2電極25a〜25eは、第2電極21a〜21eに対向して本体部20の反対側の面に設けられている電極を示している。中央の第2電極21eに、一対の第2電極21a,21d(又は他の一対の第2電極21b,21c)と同じ電圧を印加すれば、圧電振動体ユニット2dが長手方向に伸縮するので、突起部26から被駆動体に与える力をより大きくすることが可能である。反対側の第2電極25a〜25eも同様である。
FIG. 12A is a plan view showing still another piezoelectric vibrating body unit. 12A to 12C, for convenience of illustration, illustration of the connecting
図12(B)は、さらに別の圧電振動体ユニットを示す平面図である。この圧電振動体ユニット2eでは、図12(A)の圧電振動体ユニット2dから一対の第2電極21b,21c(25b,25c)が省略されている。この圧電振動体ユニット2eを用いた圧電振動体モジュールも、図6に示すような矢印SRの方向にローター5を回転させることが可能である。なお、図12(B)の3つの第2電極21a,21e,21d(25a,25e,25d)には同じ電圧が印加されるので、これらの3つの第2電極21a,21e,21d(25a,25e,25d)を、連続する1つの電極層として形成してもよい。
FIG. 12B is a plan view showing still another piezoelectric vibrating body unit. In the piezoelectric vibrating
図12(C)は、さらに別の圧電振動体ユニットを示す平面図である。この圧電振動体ユニット2fでは、図12(A)の4つの第2電極21a〜21d(25a〜25d)が省略されており、1つの第2電極21e(25e)が大きな面積で形成されている。この圧電振動体ユニット2fは、長手方向に伸縮するだけであるが、突起部260から被駆動体(図示省略)に対して大きな力を与えることが可能である。
FIG. 12C is a plan view showing still another piezoelectric vibrating body unit. In the piezoelectric vibrating
図2及び図12(A)〜(C)から理解できるように、圧電振動体の第2電極としては、少なくとも1つの電極層を設けることができる。但し、図2及び図12(A),(B)に示すように、長方形の圧電振動体の対角の位置に第2電極を設けるようにすれば、圧電振動体及び振動板を、その平面内で屈曲する蛇行形状に変形させることが可能である点で好ましい。 As can be understood from FIGS. 2 and 12A to 12C, at least one electrode layer can be provided as the second electrode of the piezoelectric vibrating body. However, as shown in FIG. 2 and FIGS. 12A and 12B, if the second electrode is provided at a diagonal position of the rectangular piezoelectric vibrator, the piezoelectric vibrator and the diaphragm are flat. It is preferable in that it can be deformed into a meandering shape that bends inside.
D.圧電駆動装置を用いた装置の実施形態:
上述した圧電アクチュエーター(圧電駆動装置)は、共振を利用することで被駆動体に対して大きな力を与えることができるものであり、各種の装置に適用可能である。圧電アクチュエーターは、例えば、ロボット(電子部品搬送装置(ICハンドラー)も含む)、投薬用ポンプ、時計のカレンダー送り装置、印刷装置(例えば紙送り機構。ただし、ヘッドに利用される圧電駆動装置では、振動板を共振させないので、ヘッドには適用不可である。)等の各種の機器における駆動装置として用いることが出来る。以下、代表的な実施の形態について説明する。
D. Embodiments of a device using a piezoelectric drive:
The piezoelectric actuator (piezoelectric drive device) described above can apply a large force to the driven body by utilizing resonance, and can be applied to various devices. Piezoelectric actuators include, for example, robots (including electronic component transfer devices (IC handlers)), medication pumps, timepiece calendar feeding devices, printing devices (for example, paper feeding mechanisms. However, in piezoelectric driving devices used for heads, Since the diaphragm does not resonate, it cannot be applied to the head. Hereinafter, representative embodiments will be described.
図13は、上述の圧電アクチュエーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。ロボット2050は、複数本のリンク部2012(「リンク部材」とも呼ぶ)と、それらリンク部2012の間を回動又は屈曲可能な状態で接続する複数の関節部2020とを備えたアーム2010(「腕部」とも呼ぶ)を有している。それぞれの関節部2020には、上述した圧電アクチュエーター(圧電振動体モジュール)10が内蔵されており、圧電アクチュエーター10を用いて関節部2020を任意の角度だけ回動又は屈曲させることが可能である。アーム2010の先端には、ロボットハンド2000が接続されている。ロボットハンド2000は、一対の把持部2003を備えている。ロボットハンド2000にも圧電アクチュエーター10が内蔵されており、圧電アクチュエーター10を用いて把持部2003を開閉して物を把持することが可能である。また、ロボットハンド2000とアーム2010との間にも圧電アクチュエーター10が設けられており、圧電アクチュエーター10を用いてロボットハンド2000をアーム2010に対して回転させることも可能である。
FIG. 13 is an explanatory diagram showing an example of a robot using the above-described piezoelectric actuator. The
図14は、図13に示したロボット2050の手首部分の説明図である。手首の関節部2020は、手首回動部2022を挟持しており、手首回動部2022に手首のリンク部2012が、手首回動部2022の中心軸O周りに回動可能に取り付けられている。手首回動部2022は、圧電アクチュエーター10を備えており、圧電アクチュエーター10は、手首のリンク部2012及びロボットハンド2000を中心軸O周りに回動させる。リンク部2012が被駆動体としてのローター5(図1)に対応する。ロボットハンド2000には、一対の把持部2003が立設されている。把持部2003の基端部はロボットハンド2000内で移動可能となっており、この把持部2003の根元の部分に圧電アクチュエーター10が搭載されている。このため、圧電アクチュエーター10を動作させることで、把持部2003を移動させて対象物を把持することができる。
FIG. 14 is an explanatory diagram of the wrist portion of the
なお、ロボットとしては、単腕のロボットに限らず、腕の数が2以上の多腕ロボットにも圧電アクチュエーター10を適用可能である。ここで、手首の関節部2020やロボットハンド2000の内部には、圧電アクチュエーター10の他に、力覚センサーやジャイロセンサー等の各種装置に電力を供給する電力線や、信号を伝達する信号線等が含まれ、非常に多くの配線が必要になる。従って、関節部2020やロボットハンド2000の内部に配線を配置することは非常に困難だった。しかしながら、上述した実施形態の圧電アクチュエーター10は、通常の電動モーターよりも駆動電流を小さくできるので、関節部2020(特に、アーム2010の先端の関節部)やロボットハンド2000のような小さな空間でも配線を配置することが可能になる。
Note that the robot is not limited to a single-arm robot, and the
図15は、圧電アクチュエーターを利用した送液ポンプの一例を示す説明図である。送液ポンプ2200は、ケース2230内に、リザーバー2211と、チューブ2212と、圧電アクチュエーター10と、被駆動体としてのローター2222と、減速伝達機構2223と、カム2202と、複数のフィンガー2213、2214、2215、2216、2217、2218、2219と、が設けられている。リザーバー2211は、輸送対象である液体を収容するための収容部である。チューブ2212は、リザーバー2211から送り出される液体を輸送するための管である。圧電アクチュエーター10の突起部26は、ローター2222の側面に押し付けた状態で設けられており、圧電アクチュエーター10がローター2222を回転駆動する。ローター2222の回転力は減速伝達機構2223を介してカム2202に伝達される。フィンガー2213から2219はチューブ2212を閉塞させるための部材である。カム2202が回転すると、カム2202の突起部2202Aによってフィンガー2213から2219が順番に放射方向外側に押される。フィンガー2213から2219は、輸送方向上流側(リザーバー2211側)から順にチューブ2212を閉塞する。これにより、チューブ2212内の液体が順に下流側に輸送される。こうすれば、極く僅かな量を精度良く送液可能で、しかも小型な送液ポンプ2200を実現することができる。なお、各部材の配置は図示されたものには限られない。また、フィンガーなどの部材を備えず、ローター2222に設けられたボールなどがチューブ2212を閉塞する構成であってもよい。上記のような送液ポンプ2200は、インシュリンなどの薬液を人体に投与する投薬装置などに活用できる。
FIG. 15 is an explanatory diagram showing an example of a liquid feed pump using a piezoelectric actuator. In the
E.変形例:
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態や変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
E. Variations:
The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are intended to solve part or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
上記実施形態では、被駆動体として、回転可能に設置されたローターや、ロボットハンドの把持部のように所定方向に移動可能に設置された被駆動体を例として説明したが、被駆動体は、これに限定されず、種々の被駆動体に適用可能である。また、回転可能な被駆動体としては、その形状は、円形に限定されず、例えば、20角形等の多角形等が挙げられる。また、移動可能な被駆動体としては、その形状は、例えば、直線状または湾曲した棒状等が挙げられる。また、被駆動体は、剛体であってもよく、また、可撓性を有していてもよい。 In the above embodiment, the driven body has been described as an example of a driven body that is installed so as to be able to move in a predetermined direction, such as a rotor installed rotatably or a gripping part of a robot hand. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to various driven bodies. Further, the shape of the rotatable driven body is not limited to a circle, and examples thereof include a polygon such as a decagon. Moreover, as a movable to-be-driven body, the shape is linear or curved rod shape etc., for example. Further, the driven body may be a rigid body or may have flexibility.
また、本発明の圧電アクチュエーター(圧電駆動装置)の用途は、上記したロボットの関節の駆動や、ロボットハンドの把持部の駆動、送液ポンプの駆動だけでなく、各種の装置の所定の部位の駆動に用いることができる。 The application of the piezoelectric actuator (piezoelectric drive device) of the present invention is not limited to the above-described robot joint drive, robot hand gripping unit drive, and liquid feed pump drive. It can be used for driving.
1…圧電アクチュエーター
10…圧電振動体モジュール
2…圧電振動体ユニット
20…本体部
21a〜21d…第2電極
210a〜210d…圧電素子
22,24…圧電体
23…振動板
25a〜25d…第2電極
250a〜250d…圧電素子
26…突起部
27,27a,27b,27c,28,28a,28b…連結部
271,272,276,281,282…連結支持部
273,273a,273b,273c,283,283a,283b…固定部
274,275,277,284,285…孔
291,292…第1電極
3…保持部
31…第1部材
311,312…当接面
313…開口
314〜317…孔
318,319…雌ネジ
32…第2部材
321,322…当接面
323…開口
324〜318…孔
4…基台
41,42…雌ネジ
5…ローター
51…軸部
52…外周面
71,72…板バネ
711〜713…孔
721〜723…孔
7210〜7250…配線
75,76…介挿部材
751,752,761,762…孔
111〜118…ネジ
81〜88…介挿部材
90…駆動回路
2000…ロボットハンド
2003…把持部
2010…アーム
2012…リンク部
2020…関節部
2050…ロボット
2200…送液ポンプ
2202…カム
2202A…突起部
2211…リザーバー
2212…チューブ
2213…フィンガー
2222…ローター
2223…減速伝達機構
2230…ケース
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (10)
第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との間に位置し、圧電素子が設けられた振動板と、
前記振動板と前記第1部材との間に位置し、前記振動板の機械的品質係数よりも小さい機械的品質係数を有する第3部材と、
を備える、圧電駆動装置。 A first member;
A second member;
A diaphragm provided between the first member and the second member and provided with a piezoelectric element;
A third member located between the diaphragm and the first member and having a mechanical quality factor smaller than the mechanical quality factor of the diaphragm;
A piezoelectric drive device comprising:
前記振動板と前記第2部材との間に位置し、前記振動板の機械的品質係数よりも小さい機械的品質係数を有する第4部材
を備える、圧電駆動装置。 The piezoelectric drive device according to claim 1,
A piezoelectric driving device comprising: a fourth member positioned between the diaphragm and the second member and having a mechanical quality factor smaller than a mechanical quality factor of the diaphragm.
前記第3部材は絶縁性を有する、圧電駆動装置。 The piezoelectric drive device according to claim 1,
The piezoelectric driving device, wherein the third member has an insulating property.
前記第3部材及び前記第4部材は絶縁性を有する、圧電駆動装置。 The piezoelectric drive device according to claim 2,
The piezoelectric drive device, wherein the third member and the fourth member have insulating properties.
前記圧電素子は、圧電体と、前記圧電体に駆動電圧を印加する第1電極及び第2電極と、を有し、
前記振動板を介して前記第1電極に接地電位とは異なる電位の電圧を印加し、前記第2電極に前記接地電位とは異なる電位の電圧を印加することにより、前記圧電体に駆動電圧を印加する、圧電駆動装置。 In the piezoelectric drive device according to claim 3 or 4,
The piezoelectric element includes a piezoelectric body, and a first electrode and a second electrode that apply a driving voltage to the piezoelectric body,
A voltage having a potential different from the ground potential is applied to the first electrode through the diaphragm, and a voltage having a potential different from the ground potential is applied to the second electrode, whereby a driving voltage is applied to the piezoelectric body. Applied piezoelectric drive device.
基台と、
前記第1部材、前記第2部材および前記基台を連結する第1の弾性体および第2の弾性体と、
前記第1の弾性体が固定される前記第1部材の位置と前記基台の位置との少なくとも一方に配置され、前記第1の弾性体の機械的品質係数よりも小さい機械的品質係数を有する第5部材と、
前記第2の弾性体が固定される前記第1部材の位置と前記基台の位置との少なくとも一方に配置され、前記第2の弾性体の機械的品質係数よりも小さい機械的品質係数を有する第6部材と、
を備える、圧電駆動装置。 In the piezoelectric drive device according to any one of claims 1 to 5,
The base,
A first elastic body and a second elastic body connecting the first member, the second member and the base;
The first elastic body is disposed at at least one of the position of the first member and the position of the base, and has a mechanical quality factor smaller than the mechanical quality factor of the first elastic body. A fifth member;
The second elastic body is disposed at least one of the position of the first member and the position of the base, and has a mechanical quality factor smaller than the mechanical quality factor of the second elastic body. A sixth member;
A piezoelectric drive device comprising:
前記第5部材及び前記第6部材は絶縁性を有する、圧電駆動装置。 The piezoelectric drive device according to claim 6.
The piezoelectric drive device, wherein the fifth member and the sixth member have insulating properties.
前記複数のリンク部を接続する関節部と、
前記複数のリンク部を前記関節部で回動させる請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
を備える、ロボット。 A plurality of link parts;
A joint part connecting the plurality of link parts;
The piezoelectric drive device according to any one of claims 1 to 7, wherein the plurality of link portions are rotated by the joint portions.
A robot comprising:
前記圧電駆動装置の前記圧電素子に交流又は脈流電圧を印加することで前記圧電駆動装置を駆動し、前記複数のリンク部を前記関節部で回動させる、ロボットの駆動方法。 The robot driving method according to claim 8, wherein the piezoelectric driving device is driven by applying an alternating current or a pulsating voltage to the piezoelectric element of the piezoelectric driving device, and the plurality of link portions are connected by the joint portions. A robot drive method to rotate.
前記圧電素子に、交流又は脈流電圧を印加する圧電駆動装置の駆動方法。 A method for driving a piezoelectric driving device according to any one of claims 1 to 7,
A driving method of a piezoelectric driving device in which an alternating current or a pulsating voltage is applied to the piezoelectric element.
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