JP2017135936A - Piezoelectric actuator, piezoelectric motor, robot, hand, feeding pump, and adjustment method of piezoelectric actuator - Google Patents

Piezoelectric actuator, piezoelectric motor, robot, hand, feeding pump, and adjustment method of piezoelectric actuator Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric actuator which achieves improvement of work efficiency for adjusting a resonance frequency and achieves improvement of costs.SOLUTION: A piezoelectric actuator (10) includes: a housing (30, 70, 80) having an opening (71); and a vibrator (102) having protruding parts (20) and housed in the housing (30, 70, 80). Mass adjustment parts (24) for adjusting a mass of the vibrator (102) are disposed in the vibrator (102).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、ハンド、送液ポンプ及び圧電アクチュエーターの調整方法に関する。   The present invention relates to a piezoelectric actuator, a piezoelectric motor, a robot, a hand, a liquid feed pump, and a method for adjusting a piezoelectric actuator.

特許文献1には、圧電デバイスとしての超音波モーター(圧電モーター)に用いられる振動体の共振周波数の調整を、振動体の平面(主面)上に付加質量部もしくは質量除去部を設けて振動体の重さ(質量)を調整することで行うことが記載されている。また、調整前の振動体の共振周波数の測定を、構成部材を組み込んで超音波モーターの形にユニット化し、移動体に対して振動体が摩擦部材を介して加圧された状態で行うことが記載されている。   In Patent Document 1, the resonance frequency of a vibrating body used in an ultrasonic motor (piezoelectric motor) as a piezoelectric device is adjusted, and an additional mass portion or a mass removing portion is provided on the plane (main surface) of the vibrating body to vibrate. It describes that it is performed by adjusting the weight (mass) of the body. Further, the resonance frequency of the vibrating body before adjustment can be measured in a state in which the structural member is incorporated into a unit of an ultrasonic motor and the moving body is pressed against the moving body via the friction member. Have been described.

特開2006−296042号公報JP 2006-296042 A

しかし、調整前の共振周波数の測定後に共振周波数の調整を行なうためには、超音波モーターを分解して振動体を取り出す必要があり、作業効率が悪く、コストが高くなる、という問題があった。   However, in order to adjust the resonance frequency after measuring the resonance frequency before adjustment, it is necessary to disassemble the ultrasonic motor and take out the vibrating body, which has a problem that work efficiency is low and cost is high. .

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、圧電アクチュエーターが提供される。この圧電アクチュエーターは、開口部を有している筐体と、凸部を有し、前記筐体に収容されている振動体と、を備える。前記振動体に前記振動体の質量を調整する質量調整部が配置されている。
この形態によれば、振動体を収容している筐体に開口部を有しているので、振動体が組み込まれた圧電アクチュエーターの状態のままでも、筐体の開口部を介して振動体の質量が調整され、振動体の共振周波数の調整が可能である。従って、作業効率の改善が図られ、コストの改善が図られた圧電アクチュエーターを提供することが可能である。
(1) According to one aspect of the present invention, a piezoelectric actuator is provided. The piezoelectric actuator includes a housing having an opening and a vibrating body having a convex portion and housed in the housing. A mass adjusting unit for adjusting the mass of the vibrating body is disposed on the vibrating body.
According to this aspect, since the housing that accommodates the vibrating body has the opening, the state of the vibrating body through the opening of the housing can be maintained even in the state of the piezoelectric actuator in which the vibrating body is incorporated. The mass is adjusted, and the resonance frequency of the vibrating body can be adjusted. Therefore, it is possible to provide a piezoelectric actuator with improved work efficiency and improved cost.

(2)上記形態の圧電アクチュエーターにおいて、前記振動体が積層されていてもよい。この形態によれば、振動体が積層されているので、振動力を大きくできる。 (2) In the piezoelectric actuator of the above aspect, the vibrating body may be stacked. According to this aspect, since the vibrating body is laminated, the vibration force can be increased.

(3)上記形態の圧電アクチュエーターにおいて、前記凸部が突出する方向に前記振動体を付勢する付勢部を有するとしてもよい。この形態によれば、付勢部により振動体が付勢される状態となるので、圧電アクチュエーターを実際の使用状態に近づけた状態で質量調整部を配置して共振周波数を調整することができる。 (3) The piezoelectric actuator of the above aspect may include a biasing portion that biases the vibrating body in a direction in which the convex portion protrudes. According to this aspect, since the vibrating body is biased by the biasing portion, the resonance frequency can be adjusted by arranging the mass adjusting portion in a state where the piezoelectric actuator is brought close to the actual use state.

(4)上記形態の圧電アクチュエーターにおいて、前記質量調整部は前記凸部が突出する方向に交差する前記振動体の面上に配置されているとしてもよい。この形態によれば、凸部を有する振動体の面上に質量調整部が配置されるので、効率良く振動体の質量を調整して、共振周波数を調整することができるとともに、振動体の振動の方向と交差する方向の不要な振動の発生を低減することができる。 (4) In the piezoelectric actuator of the above aspect, the mass adjusting unit may be disposed on a surface of the vibrating body that intersects a direction in which the convex portion protrudes. According to this aspect, since the mass adjusting unit is disposed on the surface of the vibrating body having the convex portion, the mass of the vibrating body can be adjusted efficiently, the resonance frequency can be adjusted, and the vibration of the vibrating body can be adjusted. It is possible to reduce the occurrence of unnecessary vibration in the direction intersecting with the direction.

(5)上記形態の圧電アクチュエーターにおいて、前記凸部が突出する方向からの平面視で、前記開口部の中に前記質量調整部の少なくとも一部が配置されているとしてもよい。この形態によれば、凸部が突出する方向からの平面視で、開口部の中に質量調整部の少なくとも一部が配置されているので、振動体が組み込まれた圧電アクチュエーターの状態のままでも、筐体の開口部を介して振動体の質量が調整され、振動体の共振周波数の調整が可能である。従って、作業効率の改善が図られ、コストの改善が図られた圧電アクチュエーターを提供することが可能である。 (5) In the piezoelectric actuator according to the above aspect, at least a part of the mass adjusting unit may be disposed in the opening in a plan view from a direction in which the convex portion protrudes. According to this aspect, since at least a part of the mass adjusting unit is disposed in the opening in a plan view from the direction in which the convex part protrudes, even in a state of the piezoelectric actuator in which the vibrating body is incorporated, The mass of the vibrating body is adjusted through the opening of the housing, and the resonance frequency of the vibrating body can be adjusted. Therefore, it is possible to provide a piezoelectric actuator with improved work efficiency and improved cost.

(6)上記形態の圧電アクチュエーターにおいて、前記振動体の駆動信号を伝達するための配線基板を有するとしてもよい。 (6) The piezoelectric actuator of the above aspect may include a wiring board for transmitting a driving signal for the vibrating body.

(7)本発明の他の一形態によれば、上記いずれかの圧電アクチュエーターを備える圧電モーターが提供される。 (7) According to another aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric motor including any one of the above piezoelectric actuators.

(8)本発明の他の一形態によれば、上記いずれかの圧電アクチュエーターを備えるロボットが提供される。 (8) According to another aspect of the present invention, a robot including any one of the above piezoelectric actuators is provided.

(9)本発明の他の一形態によれば、上記いずれかの圧電アクチュエーターを備えるハンドが提供される。 (9) According to another aspect of the present invention, a hand including any one of the above piezoelectric actuators is provided.

(10)本発明の他の一形態によれば、上記いずれかの圧電アクチュエーターを備える送液ポンプが提供される。 (10) According to another aspect of the present invention, a liquid feed pump including any one of the above piezoelectric actuators is provided.

(11)本発明の他の一形態によれば、圧電アクチュエーターの共振周波数調整方法が提供される。この圧電アクチュエーターの共振周波数調整方法は、(a)突出している形状の凸部を有する振動体と、前記凸部が突出する方向に前記振動体を付勢する付勢部と、が筐体に収容されている圧電アクチュエーターを準備する工程と、(b)前記振動体の共振周波数を測定する工程と、(c)前記工程(b)で測定した共振周波数が許容範囲から外れている場合において、前記振動体の質量を調整する工程と、を含む。
この形態によれば、効率良く振動体の質量を調整して、振動体の共振周波数を調整することができる。
(11) According to another aspect of the present invention, a method for adjusting a resonance frequency of a piezoelectric actuator is provided. In this method of adjusting the resonance frequency of the piezoelectric actuator, (a) a vibrating body having a protruding convex portion and a biasing portion that biases the vibrating body in a direction in which the convex portion protrudes In the step of preparing the accommodated piezoelectric actuator, (b) the step of measuring the resonance frequency of the vibrating body, and (c) the resonance frequency measured in the step (b) is out of the allowable range, Adjusting the mass of the vibrating body.
According to this aspect, the resonance frequency of the vibrating body can be adjusted by efficiently adjusting the mass of the vibrating body.

(12)上記圧電アクチュエーターの共振周波数調整方法において、前記工程(c)は、調整後の前記振動体の共振周波数を測定するステップを含むとしてもよい。この形態によれば、質量調整後の共振周波数が許容範囲内に収まっていることを確認することができる。 (12) In the method for adjusting the resonance frequency of the piezoelectric actuator, the step (c) may include a step of measuring the resonance frequency of the vibrating body after adjustment. According to this aspect, it can be confirmed that the resonance frequency after mass adjustment is within the allowable range.

(13)上記圧電アクチュエーターの共振周波数調整方法において、前記工程(b)及び前記工程(c)を繰り返すとしてもよい。この形態によれば、共振周波数を測定しつつ、質量を調整して、共振周波数を調整することができる。 (13) In the method for adjusting the resonance frequency of the piezoelectric actuator, the step (b) and the step (c) may be repeated. According to this aspect, the resonance frequency can be adjusted by adjusting the mass while measuring the resonance frequency.

(14)上記圧電アクチュエーターの共振周波数調整方法において、前記工程(c)は錘を付加して質量を調整するとしてもよい。 (14) In the resonance frequency adjusting method of the piezoelectric actuator, the step (c) may be performed by adding a weight to adjust the mass.

(15)上記圧電アクチュエーターの共振周波数調整方法において、前記工程(c)は前記振動体またはあらかじめ付加された錘の一部を除去して前記質量を調整するとしてもよい。 (15) In the method for adjusting the resonance frequency of the piezoelectric actuator, the step (c) may adjust the mass by removing a part of the vibrating body or a previously added weight.

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、圧電アクチュエーターの他、圧電アクチュエーターの共振周波数調整方法、圧電アクチュエーターを搭載する圧電モーター、圧電アクチュエーターを搭載するロボット、圧電アクチュエーターを搭載するハンド、圧電アクチュエーターを搭載する送液ポンプ、圧電アクチュエーターを搭載する電子部品搬送装置、圧電アクチュエーターを搭載する投薬ポンプ等、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 actuator, a resonance frequency adjusting method for a piezoelectric actuator, a piezoelectric motor equipped with a piezoelectric actuator, a robot equipped with a piezoelectric actuator, and a piezoelectric actuator. It can be realized in various forms such as a hand to be used, a liquid feed pump equipped with a piezoelectric actuator, an electronic component conveying device equipped with a piezoelectric actuator, a medication pump equipped with a piezoelectric actuator.

圧電アクチュエーターの斜視図である。It is a perspective view of a piezoelectric actuator. 圧電アクチュエーターの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a piezoelectric actuator. 圧電振動体の概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of a piezoelectric vibrating body. 図3Aの圧電振動体の3B−3B断面図である。It is 3B-3B sectional drawing of the piezoelectric vibrating body of FIG. 3A. 配線層による配線のパターンの例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the pattern of the wiring by a wiring layer. 圧電振動部の等価回路を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the equivalent circuit of a piezoelectric vibration part. 圧電振動体の縦振動の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the longitudinal vibration of a piezoelectric vibrating body. 圧電振動体の屈曲振動の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the bending vibration of a piezoelectric vibrating body. 圧電アクチュエーターの共振周波数の調整手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the adjustment procedure of the resonant frequency of a piezoelectric actuator. 圧電アクチュエーターの共振周波数の測定回路の一例について示す説明図である。It is explanatory drawing shown about an example of the measurement circuit of the resonant frequency of a piezoelectric actuator. 圧電振動部のインピーダンス特性の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the impedance characteristic of a piezoelectric vibration part. 質量調整部の配置位置の例を拡大して示す斜視図である。It is a perspective view which expands and shows the example of the arrangement position of a mass adjustment part. 質量調整部の配置位置の例を拡大して示す斜視図である。It is a perspective view which expands and shows the example of the arrangement position of a mass adjustment part. 質量調整部の配置位置の例を拡大して示す斜視図である。It is a perspective view which expands and shows the example of the arrangement position of a mass adjustment part. 第1の対称位置における質量調整部の質量変化に対する共振周波数変化を示すグラフである。It is a graph which shows the resonant frequency change with respect to the mass change of the mass adjustment part in a 1st symmetrical position. 第2の対称位置における質量調整部の質量変化に対する共振周波数変化を示すグラフである。It is a graph which shows the resonant frequency change with respect to the mass change of the mass adjustment part in a 2nd symmetrical position. 第3の対称位置における質量調整部の質量変化に対する共振周波数変化を示すグラフである。It is a graph which shows the resonant frequency change with respect to the mass change of the mass adjustment part in the 3rd symmetrical position. 各位置における質量調整部の質量変化に対する屈曲振動と縦振動の共振周波数の差分変化を示すグラフである。It is a graph which shows the difference change of the resonant frequency of a bending vibration and a longitudinal vibration with respect to the mass change of the mass adjustment part in each position. 質量調整部の配置の変形例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the modification of arrangement | positioning of a mass adjustment part. 質量調整部の配置の変形例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the modification of arrangement | positioning of a mass adjustment part. 質量調整部の配置の他の変形例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the other modification of arrangement | positioning of a mass adjustment part. 変形例の圧電振動体の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the piezoelectric vibrating body of a modification. 変形例の圧電振動体ユニットの概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of the piezoelectric vibrating body unit of a modification. 変形例の圧電振動体ユニットの概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of the piezoelectric vibrating body unit of a modification. 変形例の圧電振動体ユニットの概略構成を示す平面図である。It is a top view which shows schematic structure of the piezoelectric vibrating body unit of a modification. 圧電モーターの例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of a piezoelectric motor. ロボットの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of a robot. ロボットの手首部分の説明図である。It is explanatory drawing of the wrist part of a robot. 指アシスト装置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a finger assistance apparatus. 送液ポンプの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of a liquid feeding pump.

A.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10の斜視図である。図2は、圧電アクチュエーター10の分解斜視図である。圧電アクチュエーター10は、複数の圧電振動部100と、質量調整部24と、外枠30と、内枠40と、板バネ50と、中間部材60と、固定枠70と、フタ80と、フレキシブル基板90と、を備える。外枠30と固定枠70とフタ80は、筐体を構成している。なお、図2は、図示の便宜上、質量調整部24を省略している。
A. Piezoelectric actuator configuration:
FIG. 1 is a perspective view of the piezoelectric actuator 10. FIG. 2 is an exploded perspective view of the piezoelectric actuator 10. The piezoelectric actuator 10 includes a plurality of piezoelectric vibration units 100, a mass adjustment unit 24, an outer frame 30, an inner frame 40, a leaf spring 50, an intermediate member 60, a fixed frame 70, a lid 80, and a flexible substrate. 90. The outer frame 30, the fixed frame 70, and the lid 80 constitute a casing. In FIG. 2, the mass adjustment unit 24 is omitted for convenience of illustration.

各部材は、以下のように配置されている。圧電振動部100は、接着剤で互いに貼り合わされることによりz方向に積層された複数の圧電振動体101で構成されている。中間部材60は2枚あり、図2に示すように、圧電振動部100を上下方向(z方向)から挟んでいる。なお、中間部材60は、圧電振動部100の表面の一部分のみを挟んでいる。この点は後で説明する。固定枠70は、圧電振動部100と中間部材60とをx方向及びy方向から囲んでいる。2枚の板バネ50は、中間部材60と圧電振動部100と固定枠70とを中央部52で上下方向(z方向)から挟む。内枠40は、3つの側面部42,43,44を有し、これらの側面部42,43,44は、板バネ50を貫通し、圧電振動部100と固定枠70との間に挿入されている。外枠30は、固定枠70を囲んでいる。フタ80は、上側の板バネ50の上方(z方向)に配置されている。フレキシブル基板90は、フタ80、板バネ50を貫通し、圧電振動部100に接続されている。圧電振動部100のうち、各圧電振動体101に凸部20が設けられている側面は、固定枠70の開口部71を介してx方向に向けて外部に露出している。   Each member is arranged as follows. The piezoelectric vibration unit 100 is composed of a plurality of piezoelectric vibration bodies 101 stacked in the z direction by being bonded to each other with an adhesive. There are two intermediate members 60, and as shown in FIG. 2, the piezoelectric vibrating portion 100 is sandwiched from the vertical direction (z direction). Note that the intermediate member 60 sandwiches only a part of the surface of the piezoelectric vibrating portion 100. This point will be described later. The fixed frame 70 surrounds the piezoelectric vibrating portion 100 and the intermediate member 60 from the x direction and the y direction. The two leaf springs 50 sandwich the intermediate member 60, the piezoelectric vibrating portion 100, and the fixed frame 70 from the vertical direction (z direction) at the central portion 52. The inner frame 40 has three side portions 42, 43, 44, and these side portions 42, 43, 44 pass through the leaf spring 50 and are inserted between the piezoelectric vibrating portion 100 and the fixed frame 70. ing. The outer frame 30 surrounds the fixed frame 70. The lid 80 is disposed above (in the z direction) the upper leaf spring 50. The flexible substrate 90 passes through the lid 80 and the leaf spring 50 and is connected to the piezoelectric vibration unit 100. Among the piezoelectric vibrating portions 100, the side surface of each piezoelectric vibrating body 101 on which the convex portion 20 is provided is exposed to the outside through the opening 71 of the fixed frame 70 in the x direction.

質量調整部24は、開口部71を介して外部に露出している圧電振動部100の側面上に配置されて、圧電振動部100の共振周波数を調整している。なお、質量調整部24の配置位置については後述する。   The mass adjusting unit 24 is disposed on the side surface of the piezoelectric vibrating unit 100 exposed to the outside through the opening 71 and adjusts the resonance frequency of the piezoelectric vibrating unit 100. The arrangement position of the mass adjusting unit 24 will be described later.

図3Aは、圧電振動部100の圧電振動体101の概略構成を示す平面図である。圧電振動体101は、圧電素子110a,110b,110c,110d,110eと、基板200と、凸部20と、を備える。基板200は、振動部210と、支持部220とを有する。振動部210は略長方形形状を有しており、圧電素子110a〜110eを配置している。圧電素子110eは、略長方形形状に構成されており、振動部210の短手方向(「短辺方向」あるいは「幅方向」とも呼ぶ)の中央において、振動部210の長手方向(中心軸CXに沿った方向)に沿って配置されている。圧電素子110a〜110dは、振動部210の四隅の位置に配置されている。支持部220は、振動部210の約半分を囲うように配置されており、支持部220の端部は、振動部210と、振動部210の長辺の中央で接続されている。支持部220のうちの振動部210と接続されている端部を「第1接続部222」、「第2接続部223」と呼び、第1接続部222、第2接続部223以外の部分を「固定部221」と呼ぶ。振動部210と支持部220との間には、隙間205が配置されている。圧電素子110a〜110eに電圧を印加すると圧電素子110a〜110eが伸縮し、振動部210が振動するが、隙間205は、この振動によっても振動部210が支持部220の固定部221と接触しない大きさに構成されている。凸部20は、振動部210の支持部220に囲われていない側の短辺を含む側面214の中央位置(平面視における中心軸CX上の位置)の凹部216に配置されている。凸部20は、セラミックス(例えばAl)などの耐久性がある材料で構成することが好ましい。 FIG. 3A is a plan view illustrating a schematic configuration of the piezoelectric vibrating body 101 of the piezoelectric vibrating unit 100. The piezoelectric vibrating body 101 includes piezoelectric elements 110a, 110b, 110c, 110d, and 110e, a substrate 200, and a convex portion 20. The substrate 200 includes a vibration part 210 and a support part 220. The vibration part 210 has a substantially rectangular shape, and the piezoelectric elements 110a to 110e are arranged. The piezoelectric element 110e is configured in a substantially rectangular shape, and in the center in the short direction (also referred to as “short side direction” or “width direction”) of the vibration unit 210, the longitudinal direction of the vibration unit 210 (on the central axis CX). (Direction along). The piezoelectric elements 110 a to 110 d are arranged at the four corner positions of the vibration unit 210. The support part 220 is disposed so as to surround approximately half of the vibration part 210, and the end part of the support part 220 is connected to the vibration part 210 at the center of the long side of the vibration part 210. Of the support part 220, the end part connected to the vibration part 210 is referred to as a “first connection part 222” and a “second connection part 223”, and parts other than the first connection part 222 and the second connection part 223 are referred to. This is referred to as “fixed portion 221”. A gap 205 is disposed between the vibration part 210 and the support part 220. When a voltage is applied to the piezoelectric elements 110a to 110e, the piezoelectric elements 110a to 110e expand and contract, and the vibration unit 210 vibrates. However, the gap 205 does not contact the fixing unit 221 of the support unit 220 due to this vibration. Is configured. The convex portion 20 is disposed in the concave portion 216 at the center position (position on the central axis CX in plan view) of the side surface 214 including the short side of the vibrating portion 210 that is not surrounded by the support portion 220. The convex portion 20 is preferably made of a durable material such as ceramics (for example, Al 2 O 3 ).

図3Bは、図3Aの圧電振動体101の3B−3B断面図である。なお、図3Bでは、図示の便宜上、上下方向の寸法を誇張して描いている。圧電振動体101は、2つの圧電振動体ユニット102を備える。2つの圧電振動体ユニット102は、それぞれ、基板200と、基板200上に配置された5つの圧電素子110a〜110eを備える。なお、図3Bでは、2つの圧電素子110c,110dが図示され、他の3つの圧電素子110a,110b,110eは図示されていない。圧電素子110a〜110eは、平面視(図3A)で2枚の基板200が重なっている領域(振動部210の領域)において、2枚の基板200が互いに向かい合う側の平面(圧電振動部100の平面、すなわち主面、に沿った平面)上にそれぞれ配置されている。また、同一の符号を付した2つの圧電素子、例えば、2つの圧電素子110aは、2枚の基板200の平面視で、互いに重なって見える位置にある。他の圧電素子110b〜110eについても同様である。   3B is a 3B-3B cross-sectional view of the piezoelectric vibrating body 101 of FIG. 3A. In FIG. 3B, the vertical dimension is exaggerated for convenience of illustration. The piezoelectric vibrator 101 includes two piezoelectric vibrator units 102. The two piezoelectric vibrator units 102 each include a substrate 200 and five piezoelectric elements 110 a to 110 e disposed on the substrate 200. In FIG. 3B, two piezoelectric elements 110c and 110d are illustrated, and the other three piezoelectric elements 110a, 110b, and 110e are not illustrated. Piezoelectric elements 110a to 110e are planar surfaces (regions of the vibration unit 210) where the two substrates 200 overlap each other in a plan view (FIG. 3A) (the region of the vibration unit 210). On the plane, that is, the plane along the main surface). Further, two piezoelectric elements having the same reference numerals, for example, two piezoelectric elements 110a, are in positions where they can be seen to overlap each other in plan view of the two substrates 200. The same applies to the other piezoelectric elements 110b to 110e.

2つの圧電振動体ユニット102は、基板200を外側にして、それぞれの圧電素子110a〜110eを2枚の基板200で挟むようにして配置されている。すなわち、圧電振動体101は、2つの圧電振動体ユニット102が、基板200上に圧電素子110a〜110eが配置される方向に沿って配置(積層)されている。圧電素子110a〜110eは、保護層260により覆われている。ここで「保護層260」を「被覆部260」とも呼ぶ。2つの圧電振動体ユニット102の被覆部260同士が、接着層270により接着されることにより、圧電振動体101が構成される。凸部20は、図3A及び図3Bに示すように、略直方体形状をしており、2つの基板200に跨って取り付けられている。但し、凸部20を略円柱形状、球体形状、楕円体形状としてもよく、また、各基板200のそれぞれに設けるようにしてもよい。なお、圧電振動体ユニット102が一つの「振動体」に相当し、圧電振動部100が複数の「振動体」が積層された構造に相当する。   The two piezoelectric vibrating body units 102 are disposed so that the substrate 200 faces outside and the piezoelectric elements 110 a to 110 e are sandwiched between the two substrates 200. That is, in the piezoelectric vibrating body 101, two piezoelectric vibrating body units 102 are arranged (laminated) along the direction in which the piezoelectric elements 110 a to 110 e are arranged on the substrate 200. The piezoelectric elements 110a to 110e are covered with a protective layer 260. Here, “protective layer 260” is also referred to as “covering portion 260”. The piezoelectric vibrators 101 are configured by bonding the covering portions 260 of the two piezoelectric vibrator units 102 with the adhesive layer 270. As shown in FIGS. 3A and 3B, the convex portion 20 has a substantially rectangular parallelepiped shape, and is attached across the two substrates 200. However, the convex portion 20 may have a substantially cylindrical shape, a sphere shape, or an ellipsoid shape, or may be provided on each substrate 200. The piezoelectric vibrating body unit 102 corresponds to one “vibrating body”, and the piezoelectric vibrating portion 100 corresponds to a structure in which a plurality of “vibrating bodies” are stacked.

圧電振動体101は、図3Bに示すように、支持部220の上にも、圧電素子構造111を備える。ここで、圧電振動体101が基板200の支持部220の上に圧電素子構造111を備えない場合、2つの支持部220は、隙間を空けて配置されることになる。一方、振動部210では、2枚の基板200の間に圧電素子110a〜110eが配置される。そのため、支持部220の上に圧電素子構造111を備えない場合、振動部210と支持部220とで厚さが異なる為、支持部220において、圧電振動体ユニット102同士が接触せず、構造が不安定となる場合がある。支持部220の上に、圧電素子構造111を備えると、振動部210と支持部220とで厚さがほぼ一致し、支持部220においても、圧電振動体ユニット102同士が接触するため、構造が安定しやすい。なお、圧電素子構造111に電圧が印加されて、伸張、収縮すると支持部220が振動するおそれがあるので、圧電素子構造111は、その圧電体に電圧が印加されないように、あるいは電圧が印加されても伸張、収縮しないように、構成されていることが好ましい。例えば、圧電素子構造111の圧電体を挟む2枚の電極を接地する、あるいは、短絡すればよい。   As illustrated in FIG. 3B, the piezoelectric vibrating body 101 includes a piezoelectric element structure 111 on the support portion 220. Here, when the piezoelectric vibrating body 101 does not include the piezoelectric element structure 111 on the support portion 220 of the substrate 200, the two support portions 220 are arranged with a gap therebetween. On the other hand, in the vibration unit 210, the piezoelectric elements 110 a to 110 e are disposed between the two substrates 200. Therefore, when the piezoelectric element structure 111 is not provided on the support part 220, the vibration part 210 and the support part 220 have different thicknesses. Therefore, in the support part 220, the piezoelectric vibrator units 102 do not contact each other, and the structure is May become unstable. When the piezoelectric element structure 111 is provided on the support portion 220, the thicknesses of the vibrating portion 210 and the support portion 220 are substantially the same, and the piezoelectric vibrating body units 102 are also in contact with each other in the support portion 220. Easy to stabilize. Note that, if a voltage is applied to the piezoelectric element structure 111 and the support part 220 may vibrate when it expands or contracts, the piezoelectric element structure 111 is not applied with a voltage or applied with a voltage. However, it is preferable that it is configured not to stretch or contract. For example, the two electrodes sandwiching the piezoelectric body of the piezoelectric element structure 111 may be grounded or short-circuited.

圧電振動体ユニット102は、基板200の上に絶縁層201、第1電極130、圧電体140、第2電極150、絶縁層240、配線層250、保護層260(被覆部260)の順に各部材が配置されている。絶縁層201は、基板200を他の電極(第1電極130と第2電極150と配線層250)から絶縁する。第1電極130と圧電体140と第2電極150は、圧電素子110a〜110eを構成する。絶縁層240は、圧電素子110a〜110eを覆い絶縁する。但し、絶縁層240は、圧電素子110a〜110eの第1電極130と第2電極150を、配線層250に接触させるためのコンタクトホールを備える。配線層250は、第1電極130と第2電極150に通電するための配線を配置する。保護層260は、上述したように、圧電素子110a〜110eを保護する。   The piezoelectric vibrator unit 102 includes each member in the order of an insulating layer 201, a first electrode 130, a piezoelectric body 140, a second electrode 150, an insulating layer 240, a wiring layer 250, and a protective layer 260 (covering portion 260) on the substrate 200. Is arranged. The insulating layer 201 insulates the substrate 200 from other electrodes (the first electrode 130, the second electrode 150, and the wiring layer 250). The first electrode 130, the piezoelectric body 140, and the second electrode 150 constitute the piezoelectric elements 110a to 110e. The insulating layer 240 covers and insulates the piezoelectric elements 110a to 110e. However, the insulating layer 240 includes a contact hole for bringing the first electrode 130 and the second electrode 150 of the piezoelectric elements 110 a to 110 e into contact with the wiring layer 250. In the wiring layer 250, wiring for energizing the first electrode 130 and the second electrode 150 is disposed. As described above, the protective layer 260 protects the piezoelectric elements 110a to 110e.

圧電振動体ユニット102は、例えば、成膜プロセスを利用して作製可能である。概略すると、以下の通りである。基板200としてのSiウェハー上に、絶縁層201、第1電極130、圧電体140、第2電極150、絶縁層240、配線層250、保護層(被覆部)260を順に形成する。そして、エッチングにより、個々の基板200の形状を形成すると同時に、振動部210と、支持部220との間の隙間205を形成し、凸部20を取り付けるための凹部216(図3A)を形成する。これにより、1枚のSiウェハー上に、複数の圧電振動体ユニット102を形成することができる。そして、2つの圧電振動体ユニット102を、互いに基板200が外側、圧電素子110a〜110eが内側を向き、同一符号の部材が面対称となるように配置し、接着層270を用いて2つの圧電振動体ユニット102の被覆部260同士を接着し、2つの基板200の凹部216に跨って凸部20を接着剤で接着する。これにより、圧電振動体101を作製することができる。   The piezoelectric vibrator unit 102 can be manufactured using, for example, a film forming process. The outline is as follows. On a Si wafer as the substrate 200, an insulating layer 201, a first electrode 130, a piezoelectric body 140, a second electrode 150, an insulating layer 240, a wiring layer 250, and a protective layer (covering portion) 260 are sequentially formed. Then, the shape of each substrate 200 is formed by etching, and at the same time, a gap 205 between the vibrating portion 210 and the support portion 220 is formed, and a concave portion 216 (FIG. 3A) for attaching the convex portion 20 is formed. . Thereby, a plurality of piezoelectric vibrator units 102 can be formed on one Si wafer. The two piezoelectric vibrator units 102 are arranged so that the substrate 200 faces the outside, the piezoelectric elements 110a to 110e face the inside, and the members having the same reference numerals are plane-symmetric. The covering portions 260 of the vibrator unit 102 are bonded to each other, and the convex portion 20 is bonded to the concave portions 216 of the two substrates 200 with an adhesive. Thereby, the piezoelectric vibrating body 101 can be manufactured.

なお、絶縁層201,240としては、例えば、基板200の表面を熱酸化して形成されるSiO層を利用することができる。また、絶縁層201としてアルミナ(Al)、アクリルやポリイミドなどの有機材料を用いることもできる。基板200が絶縁体である場合には、絶縁層201を形成する工程は省略可能である。 As the insulating layers 201 and 240, for example, an SiO 2 layer formed by thermally oxidizing the surface of the substrate 200 can be used. Alternatively, the insulating layer 201 can be formed using an organic material such as alumina (Al 2 O 3 ), acrylic, or polyimide. When the substrate 200 is an insulator, the step of forming the insulating layer 201 can be omitted.

また、電極130,150の材料としては、Al(アルミニウム)や、Ni(ニッケル),Au(金),Pt(白金),Ir(イリジウム),Cu(銅)などの導電性の高い任意の材料を利用可能である。電極130,150は、例えば、スパッタリングにより形成でき、パターニングは、例えば、エッチングにより行うことができる。   Moreover, as materials for the electrodes 130 and 150, any material having high conductivity such as Al (aluminum), Ni (nickel), Au (gold), Pt (platinum), Ir (iridium), Cu (copper), or the like. Is available. The electrodes 130 and 150 can be formed by sputtering, for example, and the patterning can be performed by etching, for example.

また、圧電体140の材料としては、ABO型のペロブスカイト構造を採るセラミックスなど、圧電効果を示す任意の材料を利用可能である。ABO型のペロブスカイト構造を採るセラミックスとしては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT),チタン酸バリウム,チタン酸鉛,ニオブ酸カリウム,ニオブ酸リチウム,タンタル酸リチウム,タングステン酸ナトリウム,酸化亜鉛,チタン酸バリウムストロンチウム(BST),タンタル酸ストロンチウムビスマス(SBT),メタニオブ酸鉛,亜鉛ニオブ酸鉛,スカンジウムニオブ酸鉛等を用いることが可能である。またセラミック以外の圧電効果を示す材料、例えばポリフッ化ビニリデン,水晶等を用いることも可能である。 In addition, as a material of the piezoelectric body 140, any material exhibiting a piezoelectric effect such as ceramics having an ABO 3 type perovskite structure can be used. Examples of ceramics having an ABO 3 type perovskite structure include lead zirconate titanate (PZT), barium titanate, lead titanate, potassium niobate, lithium niobate, lithium tantalate, sodium tungstate, zinc oxide, titanium Barium strontium oxide (BST), strontium bismuth tantalate (SBT), lead metaniobate, lead zinc niobate, lead scandium niobate, and the like can be used. It is also possible to use a material exhibiting a piezoelectric effect other than ceramic, such as polyvinylidene fluoride and quartz.

圧電体140の形成は、例えばゾル−ゲル法を用いて行うことが可能である。すなわち、圧電体材料のゾルゲル溶液を基板200(第1電極130)の上に滴下し、基板200を高速回転させることにより、第1電極130の上にゾルゲル溶液の薄膜を形成する。その後、200℃〜300℃の温度で仮焼きして第1電極130の上に圧電体材料の第1層を形成する。その後、ゾルゲル溶液の滴下、高速回転、仮焼き、のサイクルを複数回繰り返すことによって、第1電極130の上に所望の厚さまで圧電体層を形成する。なお、1サイクルで形成される圧電体の一層の厚みは、ゾルゲル溶液の粘度や、基板200の回転速度にも依存するが、約50nm〜150nmの厚さとなる。所望の厚さまで圧電体層を形成した後、600℃〜1000℃の温度で焼結することにより、圧電体140を形成する。焼結後の圧電体140の厚さを、50nm(0.05μm)以上20μm以下とすれば、小型の圧電アクチュエーター10を実現できる。なお、圧電体140の厚さを0.05μm以上とすれば、圧電体140の伸縮に応じて十分に大きな力を発生することができる。また、圧電体140の厚さを20μm以下とすれば、圧電体140に印加する電圧を600V以下としても十分に大きな力を発生することができる。その結果、圧電アクチュエーター10を駆動するための駆動回路(図示せず)を安価な素子で構成できる。なお、圧電体の厚さを400nm以上としてもよく、この場合、圧電素子で発生する力を大きくできる。なお、仮焼きや焼結の温度、時間は、一例であり、圧電体材料により、適宜選択される。   The formation of the piezoelectric body 140 can be performed using, for example, a sol-gel method. That is, a sol-gel solution of a piezoelectric material is dropped on the substrate 200 (first electrode 130), and the substrate 200 is rotated at a high speed to form a thin film of the sol-gel solution on the first electrode 130. Thereafter, the first layer of the piezoelectric material is formed on the first electrode 130 by calcining at a temperature of 200 ° C. to 300 ° C. Thereafter, the piezoelectric layer is formed on the first electrode 130 to a desired thickness by repeating the sol-gel solution dripping, high-speed rotation, and calcination cycles a plurality of times. Note that the thickness of one layer of the piezoelectric body formed in one cycle is approximately 50 nm to 150 nm, although it depends on the viscosity of the sol-gel solution and the rotation speed of the substrate 200. After the piezoelectric layer is formed to a desired thickness, the piezoelectric body 140 is formed by sintering at a temperature of 600 ° C. to 1000 ° C. If the thickness of the sintered piezoelectric body 140 is set to 50 nm (0.05 μm) or more and 20 μm or less, a small piezoelectric actuator 10 can be realized. If the thickness of the piezoelectric body 140 is 0.05 μm or more, a sufficiently large force can be generated according to the expansion and contraction of the piezoelectric body 140. If the thickness of the piezoelectric body 140 is 20 μm or less, a sufficiently large force can be generated even if the voltage applied to the piezoelectric body 140 is 600 V or less. As a result, a drive circuit (not shown) for driving the piezoelectric actuator 10 can be configured with an inexpensive element. The thickness of the piezoelectric body may be 400 nm or more. In this case, the force generated by the piezoelectric element can be increased. The temperature and time for calcining and sintering are examples, and are appropriately selected depending on the piezoelectric material.

ゾル−ゲル法を用いて圧電体材料の薄膜を形成した後に焼結した場合には、原料粉末を混合して焼結する従来の焼結法と比較して、(a)薄膜を形成しやすい、(b)格子方向を揃えて結晶化し易い、(c)圧電体の耐圧を向上できる、というメリットがある。   In the case of sintering after forming a thin film of piezoelectric material using the sol-gel method, (a) it is easier to form a thin film as compared with a conventional sintering method in which raw material powders are mixed and sintered. (B) It is easy to crystallize by aligning the lattice direction, and (c) it is possible to improve the breakdown voltage of the piezoelectric body.

圧電体140のパターニングは、アルゴンイオンビームを用いたイオンミリングにより行うことができる、なお、イオンミリングを用いてパターニングを行う代わりに、他の任意のパターニング方法(例えば、塩素系のガスを用いたドライエッチング)によりパターニングを行っても良い。   The patterning of the piezoelectric body 140 can be performed by ion milling using an argon ion beam. Note that instead of patterning using ion milling, any other patterning method (for example, using chlorine-based gas) Patterning may be performed by dry etching.

配線層250は、銅または真鍮を用いて形成することができる。配線層250は、例えば、スパッタリングにより形成でき、配線層250には、パターニングにより配線を形成することができる。配線のパターニングは、例えば、エッチングにより行うことができる。   The wiring layer 250 can be formed using copper or brass. The wiring layer 250 can be formed by sputtering, for example, and wiring can be formed in the wiring layer 250 by patterning. The patterning of the wiring can be performed by etching, for example.

図4は、配線層250による配線のパターンの例を示す説明図である。配線層250は、4つの配線251,252,253,254を有している。これらの配線251〜254は、固定部221の上から接続部222,223の上を通って振動部210に渡るように形成されている。第1配線251は、振動部210上で、圧電素子110a,110d(図1A,図1B)の第2電極150と接続される。同様に、第2配線252は、振動部210上で、圧電素子110b,110cの第2電極150と接続され、第3配線253は、振動部210上で、圧電素子110eの第2電極150と接続され、第4配線254は、振動部210上で、圧電素子110a〜110eの第1電極130と接続される。また、これらの配線251〜254は、支持部220上で、配線基板と接続される。なお、配線251〜254は、固定部221上の圧電素子構造111とは接続されていない。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a wiring pattern by the wiring layer 250. The wiring layer 250 has four wirings 251, 252, 253, and 254. These wirings 251 to 254 are formed so as to cross over the connection parts 222 and 223 from the top of the fixed part 221 to the vibration part 210. The first wiring 251 is connected to the second electrode 150 of the piezoelectric elements 110 a and 110 d (FIGS. 1A and 1B) on the vibration unit 210. Similarly, the second wiring 252 is connected to the second electrode 150 of the piezoelectric elements 110b and 110c on the vibration unit 210, and the third wiring 253 is connected to the second electrode 150 of the piezoelectric element 110e on the vibration unit 210. The fourth wiring 254 is connected to the first electrode 130 of the piezoelectric elements 110 a to 110 e on the vibration unit 210. In addition, these wirings 251 to 254 are connected to the wiring board on the support portion 220. Note that the wirings 251 to 254 are not connected to the piezoelectric element structure 111 on the fixed portion 221.

保護層260(図1B)は、例えば、JCR(ジャンクション・コーティング・レジン)のようなシリコ−ン樹脂で形成される。なお、JCRの代わりに、エポキシ、ポリイミドなどの樹脂材料を用いて形成されてもよい。   The protective layer 260 (FIG. 1B) is made of, for example, a silicone resin such as JCR (junction coating resin). Note that a resin material such as epoxy or polyimide may be used instead of JCR.

圧電アクチュエーター10の圧電振動部100は、基板200の支持部220(図4)において、配線層250の配線251〜254の端部に形成された接続端子(不図示)にフレキシブル基板90(図1,2)が接続され、フレキシブル基板90を介して、外部の駆動回路(不図示)に電気的に接続される。   The piezoelectric vibration unit 100 of the piezoelectric actuator 10 is connected to the connection terminals (not shown) formed at the ends of the wirings 251 to 254 of the wiring layer 250 in the support unit 220 (FIG. 4) of the substrate 200. , 2) are connected and electrically connected to an external drive circuit (not shown) via the flexible substrate 90.

図5は、圧電振動部100の等価回路を示す説明図である。なお、圧電振動部100は複数の圧電振動体101を有し、複数の圧電振動体101はそれぞれ2つの圧電振動体ユニット102を有しているが、図5では、図示の便宜上、一つの圧電振動体ユニット102のみを図示している。図5から分かるように、5つの圧電素子110a〜110eの第1電極130は、第4配線254に接続され、駆動回路400に接続される。圧電素子110a,110dの第2電極150は、第1配線251に接続され、駆動回路400に接続される。圧電素子110b,110cの第2電極150は、第2配線252に接続され、駆動回路400に接続される。圧電素子110eの第2電極150は、第3配線253に接続され、駆動回路400に接続される。すなわち、圧電素子110は、3つのグループに分けられる。第1グループは、2つの圧電素子110a,110dを有する。第2グループは、2つの圧電素子110b,110cを有する。第3グループは、1つの圧電素子110eのみを有する。第1グループの圧電素子110a,110dは、互いに並列に接続され、駆動回路400に接続される。第2グループの圧電素子110b,110cは、互いに並列に接続され、駆動回路400に接続される。並列接続すると、各圧電素子110a〜110dに掛かる電圧を大きくできる。第3グループの圧電素子110eは、単独で駆動回路400に接続される。なお、第1グループの圧電素子110a,110dは直列に接続されていても良い。この場合、電圧が印加されたときの圧電素子110aと110dの分極の向きは同じであることが好ましい。第2グループの圧電素子110b,110cについても同様に直列に接続されていてもよい。直列接続すると、容量を小さくできる。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing an equivalent circuit of the piezoelectric vibration unit 100. Note that the piezoelectric vibrating unit 100 includes a plurality of piezoelectric vibrating bodies 101, and each of the plurality of piezoelectric vibrating bodies 101 includes two piezoelectric vibrating body units 102. However, in FIG. Only the vibrating body unit 102 is illustrated. As can be seen from FIG. 5, the first electrodes 130 of the five piezoelectric elements 110 a to 110 e are connected to the fourth wiring 254 and connected to the drive circuit 400. The second electrodes 150 of the piezoelectric elements 110 a and 110 d are connected to the first wiring 251 and connected to the drive circuit 400. The second electrodes 150 of the piezoelectric elements 110 b and 110 c are connected to the second wiring 252 and connected to the drive circuit 400. The second electrode 150 of the piezoelectric element 110 e is connected to the third wiring 253 and connected to the drive circuit 400. That is, the piezoelectric elements 110 are divided into three groups. The first group has two piezoelectric elements 110a and 110d. The second group has two piezoelectric elements 110b and 110c. The third group has only one piezoelectric element 110e. The first group of piezoelectric elements 110 a and 110 d are connected in parallel to each other and connected to the drive circuit 400. The second group of piezoelectric elements 110 b and 110 c are connected in parallel to each other and connected to the drive circuit 400. When connected in parallel, the voltage applied to each of the piezoelectric elements 110a to 110d can be increased. The third group of piezoelectric elements 110e are independently connected to the drive circuit 400. The first group of piezoelectric elements 110a and 110d may be connected in series. In this case, the polarization directions of the piezoelectric elements 110a and 110d when a voltage is applied are preferably the same. Similarly, the second group of piezoelectric elements 110b and 110c may be connected in series. When connected in series, the capacity can be reduced.

駆動回路400から、5つの圧電素子110a〜110eのうちの所定の圧電素子、例えば第1グループの圧電素子110a,110dの第1電極130と第2電極150との間に、周期的に変化する交流電圧又は脈流電圧を駆動信号として印加することにより、圧電振動部100を縦振動あるいは屈曲振動の超音波振動で動作させることができる。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電圧を意味し、脈流電圧の電圧(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。電流の向きは、第1電極130から第2電極150に向かうよりも第2電極150から第1電極130に向かう方が好ましい。   From the drive circuit 400, a predetermined piezoelectric element among the five piezoelectric elements 110a to 110e, for example, periodically changes between the first electrode 130 and the second electrode 150 of the first group of piezoelectric elements 110a and 110d. By applying an AC voltage or a pulsating voltage as a drive signal, the piezoelectric vibrating portion 100 can be operated by ultrasonic vibration such as longitudinal vibration or bending vibration. Here, the “pulsating voltage” means a voltage obtained by adding a DC offset to an AC voltage, and the direction of the voltage (electric field) of the pulsating voltage is one direction from one electrode to the other electrode. The direction of the current is preferably from the second electrode 150 to the first electrode 130 rather than from the first electrode 130 to the second electrode 150.

図6Aは、圧電振動体101の縦振動の例を示す説明図である。支持部220については、図示の都合上、省略している。図6Aに示す例では、第3グループの1つの圧電素子110eに交流電圧又は脈流電圧を印加しており、圧電素子110eは図6Aの矢印xの方向に伸縮するように振動(縦振動)する。この振動が、基板200の振動部210に伝えられ、振動部210も図6Aの矢印xの方向に伸縮するように振動(縦振動)する。そして、凸部20が圧電振動体101の平面内でx方向の向きに往復運動し、圧電振動体101は、振動部210の長手方向に縦振動することで往復運動する。   FIG. 6A is an explanatory diagram illustrating an example of longitudinal vibration of the piezoelectric vibrating body 101. The support portion 220 is omitted for convenience of illustration. In the example shown in FIG. 6A, an AC voltage or a pulsating voltage is applied to one piezoelectric element 110e of the third group, and the piezoelectric element 110e vibrates so as to expand and contract in the direction of arrow x in FIG. 6A (longitudinal vibration). To do. This vibration is transmitted to the vibration part 210 of the substrate 200, and the vibration part 210 also vibrates (longitudinal vibration) so as to expand and contract in the direction of the arrow x in FIG. 6A. The convex portion 20 reciprocates in the x direction in the plane of the piezoelectric vibrating body 101, and the piezoelectric vibrating body 101 reciprocates by longitudinally vibrating in the longitudinal direction of the vibrating portion 210.

図6Bは、圧電振動体101の屈曲振動の例を示す説明図である。図6Aと同様に支持部220を省略している。図6Bに示す例では、第1グループの2つの圧電素子110a,110dに交流電圧または脈流電圧を印加しており、第1グループの2つの圧電素子110a,110dは図6Bの矢印xの方向に伸縮する。この振動が、基板200の振動部210に伝えられ、振動部210が振動部210の平面内で屈曲して蛇行形状(S字形状)に変形するように振動(屈曲振動)する。そして、凸部20が圧電振動体101の平面内で矢印yの向き(振動部210の幅方向)に往復運動したり、又は、楕円運動をする。なお、駆動回路400が、第2グループの2つの圧電素子110b,110c(図5)に交流電圧又は脈流電圧を印加する場合にも、伸縮する振動部210の位置は異なるが、同様に、屈曲振動の超音波振動を発生する。   FIG. 6B is an explanatory diagram illustrating an example of bending vibration of the piezoelectric vibrating body 101. The support part 220 is omitted as in FIG. 6A. In the example shown in FIG. 6B, an AC voltage or a pulsating voltage is applied to the two piezoelectric elements 110a and 110d in the first group, and the two piezoelectric elements 110a and 110d in the first group are in the direction of the arrow x in FIG. 6B. Extends and contracts. This vibration is transmitted to the vibration part 210 of the substrate 200, and the vibration part 210 vibrates (bends and vibrates) so as to bend in the plane of the vibration part 210 and deform into a meandering shape (S-shape). And the convex part 20 reciprocates in the direction of the arrow y (width direction of the vibration part 210) in the plane of the piezoelectric vibrating body 101, or makes an elliptical movement. In addition, when the drive circuit 400 applies an AC voltage or a pulsating current voltage to the two piezoelectric elements 110b and 110c (FIG. 5) of the second group, the position of the vibrating part 210 that expands and contracts is different. Generates ultrasonic vibration of bending vibration.

なお、第1グループの2つの圧電素子110a,110d及び第2グループの2つの圧電素子110b,110cの第1電極130及び第2電極150が、「屈曲振動電極」に相当し、第3グループの1つの圧電素子110eの第1電極130及び第2電極150が、「縦振動電極」に相当する。また、振動部210の長手方向あるいは幅方向に沿った方向が圧電振動体101あるいは圧電素子110の「第1の面に沿う方向(面内方向)」に対応する。また、縦振動あるいは屈曲振動の動作のいずれか一方が「第1の振動モード」、他方が「第2の振動モード」に相当する。本例では、縦振動が「第1の振動モード」であり、屈曲振動が「第2の振動モード」である。   In addition, the first electrode 130 and the second electrode 150 of the two piezoelectric elements 110a and 110d of the first group and the two piezoelectric elements 110b and 110c of the second group correspond to “flexural vibration electrodes”, and The first electrode 130 and the second electrode 150 of one piezoelectric element 110e correspond to “longitudinal vibration electrodes”. The direction along the longitudinal direction or the width direction of the vibration unit 210 corresponds to the “direction along the first surface (in-plane direction)” of the piezoelectric vibrating body 101 or the piezoelectric element 110. In addition, either the longitudinal vibration or the bending vibration corresponds to the “first vibration mode” and the other corresponds to the “second vibration mode”. In this example, the longitudinal vibration is the “first vibration mode” and the bending vibration is the “second vibration mode”.

圧電振動体101は、縦振動による伸縮運動、および、屈曲振動による往復運動あるいは楕円運動により発生する振動力(駆動力)を、凸部20を介して被駆動体に伝えることにより、被駆動体を駆動することができる。そして、圧電振動部100は、複数の圧電振動体101を有しており、複数の圧電振動体101を同時に縦振動させることで大きな縦振動の振動力を得ることができ、また、複数の圧電振動体101を同時に屈曲振動させることで大きな屈曲振動の振動力を得ることができ、大きな駆動力で被駆動体を駆動することができる。   The piezoelectric vibrating body 101 transmits a stretching force due to longitudinal vibration and a vibration force (driving force) generated by a reciprocating motion or elliptical motion due to bending vibration to the driven body via the convex portion 20. Can be driven. The piezoelectric vibrating unit 100 includes a plurality of piezoelectric vibrating bodies 101. A large longitudinal vibration force can be obtained by simultaneously vibrating the plurality of piezoelectric vibrating bodies 101, and a plurality of piezoelectric vibrating bodies 101 can be obtained. By simultaneously bending and vibrating the vibrating body 101, a vibration force of a large bending vibration can be obtained, and the driven body can be driven with a large driving force.

なお、圧電素子110(110a〜110e)に印加する電圧の周期は、圧電振動体101の振動を効率良く利用して、圧電アクチュエーター10としての出力特性を高めるために、あらかじめ、圧電振動部100の共振周波数、すなわち、複数の圧電振動体101の各共振周波数が合成された共振周波数、あるいは、その近傍の周波数の周期に設定されることが好ましい。   Note that the period of the voltage applied to the piezoelectric element 110 (110a to 110e) is set in advance in the piezoelectric vibration unit 100 in order to efficiently use the vibration of the piezoelectric vibrating body 101 and enhance output characteristics as the piezoelectric actuator 10. It is preferable to set the resonance frequency, that is, the resonance frequency obtained by synthesizing the resonance frequencies of the plurality of piezoelectric vibrating bodies 101, or the period of the frequency in the vicinity thereof.

上述した圧電アクチュエーター10の構造の説明において(図1,図2)、中間部材60は圧電振動部100の表面の一部分のみを挟んでいる、と説明した。これは、各圧電振動体101の振動部210(図3A)の振動を抑制しないためであり、中間部材60によって挟まれる圧電振動部100の表面の一部分は、上端および下端の圧電振動体101の基板200の支持部220に相当する。   In the description of the structure of the piezoelectric actuator 10 described above (FIGS. 1 and 2), it has been described that the intermediate member 60 sandwiches only a part of the surface of the piezoelectric vibration unit 100. This is because the vibration of the vibrating portion 210 (FIG. 3A) of each piezoelectric vibrating body 101 is not suppressed, and part of the surface of the piezoelectric vibrating portion 100 sandwiched between the intermediate members 60 is the upper and lower ends of the piezoelectric vibrating body 101. It corresponds to the support part 220 of the substrate 200.

また、固定枠70(図2)は、略額縁形状を有する部材であるが、額縁形状の1辺の中央には、開口部71が設けられている。固定枠70の内部には、上述したように、内枠40と、圧電振動部100と、中間部材60とが収納(収容)される。上述したように、各圧電振動体101に凸部20が設けられている側面の側の圧電振動部100の一部が、固定枠70の開口部71から外に露出する。なお、開口部71が「筐体の開口部」に相当する。   The fixed frame 70 (FIG. 2) is a member having a substantially frame shape, and an opening 71 is provided at the center of one side of the frame shape. As described above, the inner frame 40, the piezoelectric vibrating portion 100, and the intermediate member 60 are accommodated (accommodated) inside the fixed frame 70. As described above, a part of the piezoelectric vibrating portion 100 on the side surface where the convex portion 20 is provided on each piezoelectric vibrating body 101 is exposed to the outside from the opening 71 of the fixed frame 70. The opening 71 corresponds to the “opening of the housing”.

また、圧電アクチュエーター10を構成したとき、図2に示すように、固定枠70の上下には、板バネ50が配置される。2枚の板バネ50のバネ部53,54は、中央部52と外枠部51とを繋ぐ細長い部分であり、屈曲構造を有している。圧電振動部100が駆動されると、各圧電振動体101の振動部210(図3A)が伸縮する。振動部210が伸びると、支持部220が凹部216と反対方向に移動するため、中間部材60、板バネ50の中央部52も同方向に移動する。その結果、中央部52と外枠部51との相対的位置が変わり、バネ部53,54に歪みが生じる。歪んだバネ部53,54はバネ(弾性体)として機能し、圧電振動部100が被駆動体(不図示)を押圧するように、圧電振動部100を凸部20が突出する方向に付勢する「付勢部」(加圧する「加圧部」ともいえる)として機能する。   When the piezoelectric actuator 10 is configured, the leaf springs 50 are disposed above and below the fixed frame 70 as shown in FIG. The spring portions 53 and 54 of the two leaf springs 50 are elongated portions that connect the central portion 52 and the outer frame portion 51, and have a bent structure. When the piezoelectric vibrating portion 100 is driven, the vibrating portion 210 (FIG. 3A) of each piezoelectric vibrating body 101 expands and contracts. When the vibration part 210 extends, the support part 220 moves in the direction opposite to the concave part 216, so that the intermediate member 60 and the central part 52 of the leaf spring 50 also move in the same direction. As a result, the relative position between the central portion 52 and the outer frame portion 51 changes, and the spring portions 53 and 54 are distorted. The distorted spring portions 53 and 54 function as springs (elastic bodies) and bias the piezoelectric vibrating portion 100 in the direction in which the convex portion 20 protrudes so that the piezoelectric vibrating portion 100 presses a driven body (not shown). It functions as a “biasing part” (which can also be referred to as a “pressurizing part” for applying pressure).

ところで、圧電振動部100の共振周波数(縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数)は、圧電振動体ユニット102及び圧電振動体101の製造時の寸法ばらつき等によって変動する。また、圧電アクチュエーター10として組み込まれることによっても変動する。このため、圧電アクチュエーター10に組み込まれた状態の圧電振動部100に対して質量の付加や除去を行なうことによって、その共振周波数を所望の値に調整しておくことが好ましい。   By the way, the resonance frequency (resonance frequency of longitudinal vibration and resonance frequency of bending vibration) of the piezoelectric vibration unit 100 varies due to dimensional variations during the manufacture of the piezoelectric vibration unit 102 and the piezoelectric vibration body 101. Moreover, it fluctuates also by incorporating as the piezoelectric actuator 10. For this reason, it is preferable to adjust the resonance frequency to a desired value by adding or removing mass to the piezoelectric vibration unit 100 in a state incorporated in the piezoelectric actuator 10.

上記圧電アクチュエーター10では、図1Aに示すように、開口部71から外部に露出している圧電振動部100の側面(凸部20が突出する方向に交差する側面)上に質量調整部24が配置されている。このため、圧電アクチュエーター10として圧電振動部100が組み込まれた状態で圧電振動部100の共振周波数の調整が可能である。また、組み込まれた状態の圧電振動部100は、付勢部として機能するバネ部53,54によって、凸部20が突出する方向(x方向)に付勢される状態となるので、圧電アクチュエーターが被駆動体(不図示)を押圧する状態に近づけて、共振周波数の調整が可能である。従って、作業効率の改善が図られ、コストの改善が図られた圧電アクチュエーターを提供することが可能である。なお、質量調整部24による共振周波数の調整は、以下で説明するように、質量調整部24の配置位置及び質量調整部24による質量の付与あるいは除去によって行われる。   In the piezoelectric actuator 10, as shown in FIG. 1A, the mass adjusting unit 24 is disposed on the side surface of the piezoelectric vibration unit 100 exposed to the outside from the opening 71 (the side surface intersecting the direction in which the convex portion 20 protrudes). Has been. For this reason, the resonance frequency of the piezoelectric vibrating part 100 can be adjusted in a state where the piezoelectric vibrating part 100 is incorporated as the piezoelectric actuator 10. In addition, the piezoelectric vibration unit 100 in the assembled state is urged in the direction in which the convex portion 20 protrudes (x direction) by the spring portions 53 and 54 functioning as the urging portion. The resonance frequency can be adjusted by bringing the driven body (not shown) close to a pressing state. Therefore, it is possible to provide a piezoelectric actuator with improved work efficiency and improved cost. The resonance frequency adjustment by the mass adjusting unit 24 is performed by the arrangement position of the mass adjusting unit 24 and the addition or removal of mass by the mass adjusting unit 24 as described below.

B.共振周波数の調整:
図7は、圧電アクチュエーターの共振周波数の調整手順を示す説明図である。まず、ステップS110では、調整前の圧電アクチュエーター10(図1A,図1B)を準備する。そして、ステップS120では、準備した調整前の圧電アクチュエーター10の共振周波数の測定を実行する。
B. Resonance frequency adjustment:
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a procedure for adjusting the resonance frequency of the piezoelectric actuator. First, in step S110, the piezoelectric actuator 10 (FIGS. 1A and 1B) before adjustment is prepared. In step S120, the resonance frequency of the prepared piezoelectric actuator 10 before adjustment is measured.

図8は、圧電アクチュエーター10の共振周波数の測定回路の一例について示す説明図である。図8では、図示の便宜上、圧電アクチュエーター10の圧電振動部100に含まれる一つの圧電振動体ユニット102のみを図示している。   FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating an example of a measurement circuit for the resonance frequency of the piezoelectric actuator 10. In FIG. 8, for convenience of illustration, only one piezoelectric vibrating body unit 102 included in the piezoelectric vibrating unit 100 of the piezoelectric actuator 10 is illustrated.

圧電アクチュエーター10、すなわち、圧電振動部100の共振周波数は、複数の圧電振動体ユニット102のそれぞれのインピーダンス特性が合成された圧電振動部100のインピーダンス特性に基づいて求めることができる。圧電振動部100のインピーダンス特性はインピーダンス測定回路500を用いて測定することができる。インピーダンス測定回路500としては、インピーダンスアナライザーやインピーダンスメーター等が用いられる。そして、圧電振動部100の共振周波数は、インピーダンス測定回路500に対して測定対象の圧電振動部100の複数の圧電振動体ユニット102のそれぞれに含まれる5つの圧電素子110a,110b,110c,110d,110eの全てを並列に接続してインピーダンス特性を測定し、測定結果を解析することによって求めることができる。   The resonance frequency of the piezoelectric actuator 10, that is, the piezoelectric vibrating unit 100 can be obtained based on the impedance characteristics of the piezoelectric vibrating unit 100 in which the impedance characteristics of the plurality of piezoelectric vibrating body units 102 are combined. The impedance characteristic of the piezoelectric vibration unit 100 can be measured using the impedance measurement circuit 500. As the impedance measurement circuit 500, an impedance analyzer, an impedance meter, or the like is used. Then, the resonance frequency of the piezoelectric vibration unit 100 is determined based on the five piezoelectric elements 110a, 110b, 110c, 110d included in each of the plurality of piezoelectric vibration unit units 102 of the piezoelectric vibration unit 100 to be measured with respect to the impedance measurement circuit 500. 110e can be obtained by connecting all of 110e in parallel to measure impedance characteristics and analyzing the measurement results.

図9は、圧電振動部100のインピーダンス特性の一例を示す説明図である。図9は、縦振動の共振周波数fvと屈曲振動の共振周波数fbとがずれた場合のインピーダンス特性を示している。なお、これらの共振周波数としては、例えば、インピーダンスが極小となる周波数が用いられる。   FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating an example of the impedance characteristic of the piezoelectric vibration unit 100. FIG. 9 shows impedance characteristics when the resonance frequency fv of longitudinal vibration and the resonance frequency fb of bending vibration are shifted. As these resonance frequencies, for example, frequencies at which the impedance is minimized are used.

図7のステップS130では、測定した調整前の共振周波数が許容範囲内に有るか否か確認する。調整前の共振周波数が許容範囲内に有る場合は、共振周波数の調整を行なう必要はないので、そのまま、共振周波数の調整を終了する。一方、調整前の共振周波数が許容範囲内に無い場合には、ステップS140において、質量調整部24の配置による質量の調整を行なって共振周波数が許容範囲内に収まるように調整する。なお、許容範囲は所望する精度に応じて設定される。   In step S130 of FIG. 7, it is confirmed whether or not the measured resonance frequency before adjustment is within an allowable range. When the resonance frequency before adjustment is within the allowable range, it is not necessary to adjust the resonance frequency, and the adjustment of the resonance frequency is finished as it is. On the other hand, if the resonance frequency before adjustment is not within the allowable range, in step S140, the mass is adjusted by the arrangement of the mass adjusting unit 24 so that the resonance frequency is adjusted to be within the allowable range. The allowable range is set according to the desired accuracy.

図10A,図10B,図10Cは、質量調整部24の配置位置の例を拡大して示す斜視図である。図10Aは、凸部20が設けられている圧電振動体101の側面で構成される圧電振動部100の側面上において、第1の対称位置PAに質量調整部24が配置された状態を示している。この第1の対称位置PAは、z方向及びy方向の中央位置(中心軸CX上)にある凸部20から最も遠いy方向の両側の端部位置である。図10Bは、中央位置から最も近い第3の対称位置PCに質量調整部24が配置された状態を示している。図10Cは、第1の対称位置PAと第3の対称位置PCの中間の第2の対称位置PBに質量調整部24が配置された状態を示している。   10A, 10B, and 10C are perspective views showing enlarged examples of arrangement positions of the mass adjusting unit 24. FIG. FIG. 10A shows a state in which the mass adjusting unit 24 is arranged at the first symmetric position PA on the side surface of the piezoelectric vibrating unit 100 configured by the side surface of the piezoelectric vibrating body 101 provided with the convex portion 20. Yes. The first symmetrical position PA is an end position on both sides in the y direction farthest from the convex portion 20 at the center position (on the central axis CX) in the z direction and the y direction. FIG. 10B shows a state in which the mass adjusting unit 24 is arranged at the third symmetrical position PC closest to the center position. FIG. 10C shows a state in which the mass adjusting unit 24 is arranged at the second symmetric position PB intermediate the first symmetric position PA and the third symmetric position PC.

図11Aは第1の対称位置PAにおける質量調整部24の質量変化に対する共振周波数変化を示すグラフであり、図11Bは第2の対称位置PBにおける質量調整部24の質量変化に対する共振周波数変化を示すグラフであり、図11Cは第3の対称位置PCにおける質量調整部24の質量変化に対する共振周波数変化を示すグラフである。また、図11Dは、各対称位置PA,PB,PCにおける質量調整部24の質量変化に対する屈曲振動と縦振動の共振周波数の差分変化を示すグラフである。なお、各グラフの縦軸は、縦振動の共振周波数fvと屈曲振動の共振周波数fbとを一致(縮退)させた状態を「縮退周波数がゼロ」の状態として、その縮退周波数からの周波数を示している。また、各グラフの横軸は、質量調整部24の質量を示している。そして、図11A〜図11Cの各グラフには、縮退時の質量W3と、質量W3よりも軽い(小さい)質量W1およびW2(>W1)と、質量W3よりも重い(大きい)質量W4およびW5(>W4)の5つの質量における縦振動の共振周波数fvおよび屈曲振動の共振周波数fb、が示されている。また、図11Dのグラフには、対称位置PA,PB,PCのそれぞれについて、5つの質量W1〜W5における屈曲振動の共振周波数fbと縦振動の共振周波数fvの差分Δf[PA](=fb−fv),Δf[PB](=fb−fv),Δf[PC](=fb−fv)が示されている。   FIG. 11A is a graph showing the resonance frequency change with respect to the mass change of the mass adjusting unit 24 at the first symmetric position PA, and FIG. 11B shows the resonance frequency change with respect to the mass change of the mass adjusting unit 24 at the second symmetric position PB. FIG. 11C is a graph showing a change in resonance frequency with respect to a change in mass of the mass adjusting unit 24 at the third symmetrical position PC. FIG. 11D is a graph showing a change in the difference between the resonance frequencies of the bending vibration and the longitudinal vibration with respect to the mass change of the mass adjusting unit 24 at each of the symmetrical positions PA, PB, and PC. Note that the vertical axis of each graph indicates the frequency from the degenerate frequency when the resonance frequency fv of the longitudinal vibration and the resonance frequency fb of the bending vibration match (degenerate) as a state where the “degenerate frequency is zero”. ing. In addition, the horizontal axis of each graph indicates the mass of the mass adjustment unit 24. 11A to 11C, the mass W3 at the time of degeneration, the masses W1 and W2 (> W1) lighter (smaller) than the mass W3, and the masses W4 and W5 heavier (larger) than the mass W3 are shown. The resonance frequency fv of longitudinal vibration and the resonance frequency fb of bending vibration in five masses (> W4) are shown. In the graph of FIG. 11D, the difference Δf [PA] (= fb−) between the resonance frequency fb of the bending vibration and the resonance frequency fv of the longitudinal vibration at the five masses W1 to W5 for each of the symmetrical positions PA, PB, and PC. fv), Δf [PB] (= fb−fv), Δf [PC] (= fb−fv).

図11A〜図11Cに示すように、質量調整部24の質量が縮退時の質量W3よりも軽い(小さい)程、共振周波数fv,fbは縮退周波数より高くなり、重い(大きい)程低くなる。但し、縦振動の共振周波数fvは、質量調整部24の配置位置に関係なく、その質量変化に応じた周波数変化は同一である。これに対して、屈曲振動の共振周波数fbは、質量調整部24の配置位置が中央位置に近い程質量変化に対する周波数変化が小さくなり、中央位置から遠い程大きくなっている。このため、図11Dに示すように、質量変化に応じた屈曲振動の共振周波数fbと縦振動の共振周波数fvとの差分Δfの変化は、中央位置から最も遠い第1の対称位置PAでは非常に大きくなり(Δf[PA])、中央位置に最も近い第3の対称位置PCでは非常に小さく(Δf[PC])、中間の第2の対称位置PBでは中間の大きさとなっている(Δf[PB])。すなわち、質量調整部24の質量の変化に応じた屈曲振動の共振周波数fbと縦振動の共振周波数fvとの差分Δfの変化は、質量調整部24の配置位置が中央位置に近い程小さく、中央位置から遠い程大きくなる。つまり、質量調整部24の配置位置が中央位置に近い程、質量変化に対する周波数変化の感度が低く、中央位置から遠い程、質量変化に対する周波数変化の感度が高くなる。   As shown in FIGS. 11A to 11C, the resonance frequencies fv and fb are higher than the degeneracy frequency and lower as the mass (larger) is higher as the mass of the mass adjusting unit 24 is lighter (smaller) than the mass W3 during degeneration. However, the resonance frequency fv of the longitudinal vibration has the same frequency change according to the mass change regardless of the arrangement position of the mass adjusting unit 24. On the other hand, the resonance frequency fb of the bending vibration is such that the frequency change with respect to the mass change decreases as the arrangement position of the mass adjusting unit 24 is closer to the center position, and increases as the position is farther from the center position. For this reason, as shown in FIG. 11D, the change in the difference Δf between the resonance frequency fb of the bending vibration and the resonance frequency fv of the longitudinal vibration according to the mass change is very high at the first symmetrical position PA farthest from the center position. It becomes large (Δf [PA]), very small at the third symmetrical position PC closest to the central position (Δf [PC]), and has an intermediate size at the second intermediate symmetrical position PB (Δf [PA]). PB]). That is, the change in the difference Δf between the resonance frequency fb of the bending vibration and the resonance frequency fv of the longitudinal vibration according to the change in the mass of the mass adjustment unit 24 is smaller as the arrangement position of the mass adjustment unit 24 is closer to the center position. The farther from the position, the larger it will be. That is, the closer the arrangement position of the mass adjusting unit 24 is to the center position, the lower the sensitivity of the frequency change to the mass change, and the farther from the center position, the higher the sensitivity of the frequency change to the mass change.

従って、目標の共振周波数からのズレや縦振動と屈曲振動との共振周波数の差に応じて、質量調整部24の配置位置を決めて、その配置位置に配置した質量調整部24の質量(錘の重さ)を調整することにより、圧電アクチュエーター10の共振周波数を調整することができる。例えば、図11Aに示すように、ある基準質量の質量調整部24を設けた圧電アクチュエーター10のサンプルSpの調整前の共振周波数fv,fbが、縮退周波数に比べて高い周波数fvp,fbpを示している場合には、その基準質量に周波数の調整幅に対応する質量(W3−Wp)を追加することにより、共振周波数fv,fbを低下させて縮退周波数に近付くように調整することができる。逆に、調整前の共振周波数fvp,fbpが縮退周波数に比べて低い場合には、基準質量から周波数の調整幅に対応する質量を除去することにより、共振周波数fv,fbを上昇させて縮退周波数に近付くように調整することができる。なお、質量調整部24の質量の付与は、例えば、樹脂材料をディップすることによって実行される。また、質量の除去は、例えば、基準質量として付与されている樹脂材料をレーザーによって除去することによって実行される。また、圧電振動部100の基板200をレーザーによって除去することによって実行されるようにしてもよい。なお、中央位置から遠い外側の配置位置ほど単位質量当たりの周波数変化が大きいので粗調整が可能であり、中央位置から近い内側の配置位置ほど単位質量当たりの周波数変化が小さいので微調整が可能である。   Therefore, the arrangement position of the mass adjustment unit 24 is determined according to the deviation from the target resonance frequency and the difference between the resonance frequencies of the longitudinal vibration and the bending vibration, and the mass (weight) of the mass adjustment unit 24 arranged at the arrangement position is determined. The resonance frequency of the piezoelectric actuator 10 can be adjusted. For example, as shown in FIG. 11A, the resonance frequencies fv and fb before adjustment of the sample Sp of the piezoelectric actuator 10 provided with the mass adjustment unit 24 of a certain reference mass indicate frequencies fvp and fbp that are higher than the degenerate frequency. If it is, the mass (W3−Wp) corresponding to the frequency adjustment range is added to the reference mass, so that the resonance frequencies fv and fb can be lowered so as to approach the degenerate frequency. On the other hand, when the resonance frequencies fvp and fbp before adjustment are lower than the degenerate frequency, the resonance frequency fv and fb are raised by removing the mass corresponding to the frequency adjustment range from the reference mass, thereby reducing the degenerate frequency. Can be adjusted to approach. In addition, provision of the mass of the mass adjustment part 24 is performed by dipping a resin material, for example. Moreover, the removal of mass is performed by removing the resin material provided as reference | standard mass with a laser, for example. Moreover, you may make it perform by removing the board | substrate 200 of the piezoelectric vibration part 100 with a laser. In addition, since the frequency change per unit mass is larger at the outer arrangement position farther from the center position, coarse adjustment is possible, and the frequency change per unit mass is smaller at the inner arrangement position closer to the center position, so fine adjustment is possible. is there.

以上のように、ステップS140(図7)における質量の調整を行なった後は、ステップS150において調整後の共振周波数の測定を行い、ステップS130において圧電アクチュエーター10の共振周波数が許容範囲内に収まっていることを確認して、共振周波数の調整処理を終了する。   As described above, after adjusting the mass in step S140 (FIG. 7), the adjusted resonance frequency is measured in step S150, and in step S130, the resonance frequency of the piezoelectric actuator 10 falls within the allowable range. Confirming that the resonance frequency is adjusted, the resonance frequency adjustment processing is terminated.

ここで、調整後の共振周波数を確認したが、許容範囲内に収まっていなかった場合には、ステップS130〜ステップS150の処理を、共振周波数が許容範囲内に収まるまで繰り返し実行すればよい。また、上記の調整処理では、図11Aで説明したように、あらかじめ、質量調整部24の質量変化に対する共振周波数変化を示すグラフから推定される質量の付与あるいは除去による質量の調整を行なった後、共振周波数が許容範囲内に収まっていることを確認する手順を例に説明した。これに対して、質量の付与あるいは除去を徐々に行いつつ、質量の変化に伴って発生するインピーダンス特性の変化を測定することにより共振周波数の変化を測定し、共振周波数が許容範囲内に収まるまで、質量調整を繰り返し行うようにしてもよい。   Here, the adjusted resonance frequency is confirmed, but if it is not within the allowable range, the processing of step S130 to step S150 may be repeatedly executed until the resonance frequency falls within the allowable range. Further, in the above adjustment process, as described with reference to FIG. 11A, after performing mass adjustment by applying or removing mass estimated in advance from a graph indicating the resonance frequency change with respect to the mass change of the mass adjustment unit 24, The procedure for confirming that the resonance frequency is within the allowable range has been described as an example. On the other hand, while gradually adding or removing mass, the change in the resonance frequency is measured by measuring the change in impedance characteristics caused by the change in mass until the resonance frequency falls within the allowable range. The mass adjustment may be repeated.

以上、上記圧電アクチュエーター10は、開口部71から露出した圧電振動部100の部分のうちの凸部20が配置された側面上、すなわち、筐体の開口部に対応する振動体の部分に、質量調整部24を配置して、共振周波数の調整を行なうことが可能である。従って、振動体が組み込まれた圧電アクチュエーターの状態のままで、振動体の質量を調整して、振動体の共振周波数の調整を行なうことができるので、作業効率の改善が図られ、コストの改善が図られた圧電アクチュエーターを提供することが可能である。   As described above, the piezoelectric actuator 10 has a mass on the side surface where the convex portion 20 of the portion of the piezoelectric vibrating portion 100 exposed from the opening 71 is disposed, that is, on the portion of the vibrating body corresponding to the opening of the housing. It is possible to adjust the resonance frequency by arranging the adjusting unit 24. Therefore, it is possible to adjust the resonance frequency of the vibrating body by adjusting the mass of the vibrating body while maintaining the state of the piezoelectric actuator in which the vibrating body is incorporated, thereby improving the working efficiency and improving the cost. Can be provided.

C.質量調整部の変形例:
図12A及び図12Bは、質量調整部24の配置の変形例を示す斜視図であり、図10Aに対応する図である。前述した図10Aは、z方向及びy方向の中央位置(中心軸CX上)における凸部20からy方向の両側の端部の対称位置に質量調整部24が配置されている例を示したが、図12Aは、y方向の両側の端部の対称位置に、z方向に沿って圧電振動部100の全体に亘って質量調整部24を配置した例を示している。但し、この配置例では、図10Aの場合に比べて質量変化に対する共振周波数の変化大きくなり、調整分解能は低くなる。図12Bは、中心軸CXを中心とする対角線上の4つの端部の対称位置に質量調整部24を配置した例を示している。この場合には、図10Aと同様に、対角線上の内側の4つの対称位置に質量調整部24を配置することにより、調整分解能を高めることができる。
C. Modification of the mass adjustment unit:
12A and 12B are perspective views showing a modification example of the arrangement of the mass adjusting unit 24 and corresponding to FIG. 10A. FIG. 10A described above shows an example in which the mass adjusting unit 24 is arranged at the symmetrical positions of the end portions on both sides in the y direction from the convex portion 20 at the center position (on the central axis CX) in the z direction and the y direction. FIG. 12A shows an example in which the mass adjusting unit 24 is arranged over the entire piezoelectric vibrating unit 100 along the z direction at symmetrical positions on both ends in the y direction. However, in this arrangement example, the change in the resonance frequency with respect to the mass change becomes larger than in the case of FIG. 10A, and the adjustment resolution becomes lower. FIG. 12B shows an example in which the mass adjusting unit 24 is arranged at the symmetrical positions of the four end portions on the diagonal line with the central axis CX as the center. In this case, similarly to FIG. 10A, the adjustment resolution can be increased by arranging the mass adjusting units 24 at the four inner symmetrical positions on the diagonal line.

なお、図12A及び図12Bの配置に対しても、図10B,図10Cと同様に配置位置をずらすことにより調整感度を変化させることができる。また、図12A及び図12Bは、質量(錘)が付与される質量調整部24を例として示したが、質量が除去される質量調整部であってもよい。この場合の質量調整部は、上述したように、レーザーによって圧電振動部100の基板200が除去されることによって配置される。また、あらかじめ付与されている錘の部分をレーザーによって除去することによっても構成されることも可能である。   12A and 12B, the adjustment sensitivity can be changed by shifting the arrangement position in the same manner as in FIGS. 10B and 10C. Moreover, although FIG. 12A and FIG. 12B showed as an example the mass adjustment part 24 to which mass (weight) is provided, the mass adjustment part from which mass is removed may be sufficient. In this case, as described above, the mass adjusting unit is arranged by removing the substrate 200 of the piezoelectric vibrating unit 100 with a laser. Moreover, it is also possible to be constituted by removing a preliminarily provided weight portion with a laser.

図12Cは、質量調整部24の配置の他の変形例を示す斜視図である。図12Cは、圧電振動部100の凸部20が配置された側面上ではなく、開口部71から露出している圧電振動部100の上表面(xy平面に平行な表面)上に質量調整部24が配置されている例を示している。この場合にも、同様に振動体の質量を調整し、共振周波数を調整することが可能である。なお、この配置の場合にも、質量が付与される質量調整部24ではなく、質量が除去される構成の質量調整部とすることも可能である。但し、圧電振動部100の上表面に質量調整部24が配置される場合、圧電振動部100の縦振動および屈曲振動(以下、「面内振動」とも呼ぶ)の方向(以下、「面内方向」とも呼ぶ)に交わる面外方向への不要な振動が発生しやすくなる。これに対して、図10A〜10C,図12A,図12Bのように、凸部20が配置されている圧電振動部100の側面上に質量調整部24が配置されている場合、面外方向への不要な振動の発生を低減しつつ、共振周波数の調整を行なうことができる点で有利である。圧電体140の厚みが0.05μm〜20μmの薄膜であるとより効果が高い。   FIG. 12C is a perspective view showing another modification of the arrangement of the mass adjusting unit 24. 12C shows the mass adjustment unit 24 on the upper surface (surface parallel to the xy plane) exposed from the opening 71, not on the side surface where the convex portion 20 of the piezoelectric vibration unit 100 is disposed. Shows an example in which is arranged. Also in this case, it is possible to adjust the resonance frequency by adjusting the mass of the vibrating body. Even in this arrangement, it is possible to use a mass adjusting unit having a configuration in which mass is removed instead of the mass adjusting unit 24 to which mass is applied. However, in the case where the mass adjusting unit 24 is disposed on the upper surface of the piezoelectric vibration unit 100, the longitudinal vibration and bending vibration (hereinafter also referred to as “in-plane vibration”) of the piezoelectric vibration unit 100 (hereinafter referred to as “in-plane direction”). It is easy to generate unnecessary vibrations in the out-of-plane direction intersecting with each other. On the other hand, as shown in FIGS. 10A to 10C, FIGS. 12A, and 12B, when the mass adjusting unit 24 is arranged on the side surface of the piezoelectric vibrating unit 100 where the convex portion 20 is arranged, the direction is out of plane. This is advantageous in that the resonance frequency can be adjusted while reducing the occurrence of unnecessary vibration. The effect is higher when the thickness of the piezoelectric body 140 is a thin film of 0.05 μm to 20 μm.

質量調整部24は、開口部71から露出した圧電振動部100の側面上(図10A〜10C,図12A,図12B)や、開口部71から露出した圧電振動部100の上表面上(図12C)等の、筐体の開口部に対応する圧電振動部100のいずれかの部分に配置されて、圧電振動部100の質量が調整可能であれば、その配置位置や形状に特に限定はない。すなわち、開口部71から露出した圧電振動部100の中に質量調整部24の少なくとも一部が配置されていてればよい。但し、図10A〜10C,図12A〜12Cに示したように、対称な位置に配置される方が、バランス良く質量を調整して共振周波数の調整が可能である。また、凸部20を有する圧電振動部100の側面が露出する開口部71ではなく、筐体に別の開口部を設けて、その開口部に対応する圧電振動部100の部分に質量調整部24が配置されるようにしてもよい。   The mass adjusting unit 24 is formed on the side surface of the piezoelectric vibrating unit 100 exposed from the opening 71 (FIGS. 10A to 10C, FIGS. 12A and 12B) or on the upper surface of the piezoelectric vibrating unit 100 exposed from the opening 71 (FIG. 12C If the mass of the piezoelectric vibration part 100 is adjustable in any part of the piezoelectric vibration part 100 corresponding to the opening of the housing, the position and shape of the piezoelectric vibration part 100 are not particularly limited. That is, it is only necessary that at least a part of the mass adjusting unit 24 is disposed in the piezoelectric vibrating unit 100 exposed from the opening 71. However, as shown in FIGS. 10A to 10C and FIGS. 12A to 12C, the resonance frequency can be adjusted by adjusting the mass in a balanced manner when arranged at symmetrical positions. In addition, instead of the opening 71 where the side surface of the piezoelectric vibration unit 100 having the convex portion 20 is exposed, another opening is provided in the housing, and the mass adjustment unit 24 is provided in the portion of the piezoelectric vibration unit 100 corresponding to the opening. May be arranged.

D.圧電振動部及び圧電振動体の変形例:
図13は、変形例の圧電振動体101Bの概略構成を示す断面図である。上記圧電アクチュエーター10の圧電振動部100(図1,図2)を構成する圧電振動体101(図3B)は、2つの圧電振動体ユニット102が貼り合わされて積層されている。これに対して、変形例の圧電振動体101Bは、圧電振動体ユニット102を1つのみ備え、2つ目の圧電振動体ユニット102の代わりに、圧電素子が配置されていない基板200を備えている。すなわち、第1の圧電振動体ユニット102の圧電素子110a〜110eを、第1の圧電振動体ユニット102の基板200と、圧電素子が配置されていない基板200とで挟んでいる。圧電素子が配置されていない基板200は、不図示の接着層によって圧電振動体ユニット102に貼り合わされている。この変形例の圧電振動体101Bを複数積層した圧電振動部を用いて圧電アクチュエーターを構成するようにしてもよい。なお、圧電素子が配置されていない基板200については省略してもよい。また、複数の圧電振動体ユニット102を積層し、上端の圧電振動体ユニット102の上にのみ圧電素子が配置されていない基板200を備える構成としてもよい。
D. Modified examples of the piezoelectric vibrating part and the piezoelectric vibrating body:
FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a piezoelectric vibrating body 101B according to a modification. The piezoelectric vibrating body 101 (FIG. 3B) constituting the piezoelectric vibrating portion 100 (FIGS. 1 and 2) of the piezoelectric actuator 10 is formed by laminating two piezoelectric vibrating body units 102 together. On the other hand, the piezoelectric vibrating body 101B of the modification includes only one piezoelectric vibrating body unit 102, and includes a substrate 200 on which no piezoelectric element is arranged instead of the second piezoelectric vibrating body unit 102. Yes. That is, the piezoelectric elements 110a to 110e of the first piezoelectric vibrating body unit 102 are sandwiched between the substrate 200 of the first piezoelectric vibrating body unit 102 and the substrate 200 on which no piezoelectric element is disposed. The substrate 200 on which the piezoelectric element is not disposed is bonded to the piezoelectric vibrator unit 102 by an adhesive layer (not shown). A piezoelectric actuator may be configured by using a piezoelectric vibrating portion in which a plurality of piezoelectric vibrating bodies 101B of this modification are stacked. In addition, you may abbreviate | omit about the board | substrate 200 in which the piezoelectric element is not arrange | positioned. Alternatively, a plurality of piezoelectric vibrator units 102 may be stacked and a substrate 200 may be provided in which no piezoelectric element is disposed only on the uppermost piezoelectric vibrator unit 102.

また、上記実施形態では、複数の圧電振動体が積層された圧電振動部を用いて圧電アクチュエーターを構成する場合を例に説明したが、1つの圧電振動体を用いて圧電アクチュエーターを構成するようにしてもよい。   Further, in the above-described embodiment, the case where the piezoelectric actuator is configured by using the piezoelectric vibrating section in which a plurality of piezoelectric vibrating bodies is stacked has been described as an example. However, the piezoelectric actuator is configured by using one piezoelectric vibrating body. May be.

E.圧電振動体ユニットの他の実施形態:
図14A,図14B,図14Cは、圧電振動体を構成する圧電振動体ユニットの変形例としての圧電振動体ユニット102J,102K,102Lの概略構成を示す平面図である。図14A〜図14Cでは、図示の便宜上、基板200の固定部221や接続部222,223は図示が省略されている。
E. Other embodiments of the piezoelectric vibrator unit:
14A, 14B, and 14C are plan views showing a schematic configuration of piezoelectric vibrator units 102J, 102K, and 102L as modifications of the piezoelectric vibrator unit constituting the piezoelectric vibrator. 14A to 14C, for convenience of illustration, the fixing part 221 and the connection parts 222 and 223 of the substrate 200 are not shown.

図14Aの圧電振動体ユニット102Jは、図3Aの第2グループの一対の圧電素子110b,110cが省略されている例を示している。図14Bの圧電振動体ユニット102Kは、図3Aの第3グループの圧電素子110eが省略されており、他のグループの4つの圧電素子110a,110b,110c,110dが図3Aよりも大きな面積に配置されている例を示している。図14Cの圧電振動体ユニット102Lは、図3Aの第1及び第2グループの4つの圧電素子110a,110b,110c,110dが省略されており、第3グル―プの一つの圧電素子110eが大きな面積で配置されている例を示している。   The piezoelectric vibrating body unit 102J in FIG. 14A shows an example in which the pair of piezoelectric elements 110b and 110c in the second group in FIG. 3A is omitted. In the piezoelectric vibrating body unit 102K in FIG. 14B, the third group of piezoelectric elements 110e in FIG. 3A is omitted, and the four other piezoelectric elements 110a, 110b, 110c, and 110d are arranged in a larger area than in FIG. 3A. An example is shown. In the piezoelectric vibrating body unit 102L of FIG. 14C, the four piezoelectric elements 110a, 110b, 110c, and 110d of the first and second groups of FIG. 3A are omitted, and one piezoelectric element 110e of the third group is large. An example in which areas are arranged is shown.

これらの圧電振動体ユニット102J,102K,102Lで構成された圧電振動体を用いて圧電アクチュエーターを構成するようにしてもよい。   You may make it comprise a piezoelectric actuator using the piezoelectric vibrating body comprised by these piezoelectric vibrating body units 102J, 102K, and 102L.

F.圧電アクチュエーターを用いた圧電モーター:
図15は、圧電アクチュエーター10を用いた圧電モーターの例を示す説明図である。支持部220については、図示の都合上、省略している。圧電アクチュエーター10の凸部20は、被駆動部材(被駆動体)としてのローター95の外周に接触している。図15に示す例では、図6Bを用いて説明したように、第1グループの2つの圧電素子110a,110dの矢印xの方向への伸縮に応じて、振動部210が振動部210の平面内で屈曲振動し、これに応じて、凸部20の先端が矢印yの向きに往復運動するか、又は、楕円運動する。その結果、ローター95は、その中心96の周りに所定の方向z(図15では時計回り方向)に回転する。なお、第2グループの2つの圧電素子110b,110c(図3A)に交流電圧又は脈流電圧を印加する場合には、ローター95は逆方向に回転する。なお、図6Aを用いて説明したように、中央の第3グループの圧電素子110eの伸縮に応じて、圧電アクチュエーター10が長手方向に伸縮するので、凸部20からローター95に与える力をより大きくすることが可能である。以上のように、圧電アクチュエーター10を、圧電デバイスの一つである圧電モーターとして用いることが可能である。なお、圧電アクチュエーター10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。
F. Piezoelectric motor using a piezoelectric actuator:
FIG. 15 is an explanatory diagram showing an example of a piezoelectric motor using the piezoelectric actuator 10. The support portion 220 is omitted for convenience of illustration. The convex portion 20 of the piezoelectric actuator 10 is in contact with the outer periphery of a rotor 95 as a driven member (driven body). In the example illustrated in FIG. 15, as described with reference to FIG. 6B, the vibration unit 210 is in the plane of the vibration unit 210 according to the expansion and contraction of the two piezoelectric elements 110 a and 110 d in the first group in the direction of the arrow x. In response to this, the tip of the convex portion 20 reciprocates in the direction of the arrow y or moves elliptically. As a result, the rotor 95 rotates around the center 96 in a predetermined direction z (clockwise direction in FIG. 15). When an AC voltage or a pulsating voltage is applied to the two piezoelectric elements 110b and 110c (FIG. 3A) of the second group, the rotor 95 rotates in the reverse direction. As described with reference to FIG. 6A, the piezoelectric actuator 10 expands and contracts in the longitudinal direction in accordance with the expansion and contraction of the third group of piezoelectric elements 110e in the center, so that the force applied from the convex portion 20 to the rotor 95 is increased. Is possible. As described above, the piezoelectric actuator 10 can be used as a piezoelectric motor that is one of piezoelectric devices. Such an operation of the piezoelectric actuator 10 is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-320979 (or corresponding US Pat. No. 7,224,102), the disclosure of which is incorporated by reference.

G.圧電アクチュエーターを搭載した装置の実施形態:
上述した圧電アクチュエーターは、共振を利用することで被駆動部材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10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)、ハンド(指アシスト装置を含む)、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アクチュエーターでは、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できる。以下、代表的な実施の形態について説明する。
G. Embodiments of a device equipped with a piezoelectric actuator:
The piezoelectric actuator described above can apply a large force to the driven member by utilizing resonance, and can be applied to various devices. The piezoelectric actuator 10 is, for example, a robot (including an electronic component transport device (IC handler)), a hand (including a finger assist device), a medication pump, a clock calendar feeding device, and a printing device (for example, a paper feeding mechanism. The piezoelectric actuator used in the head is not applicable to the head because it does not resonate the diaphragm, and can be used as a driving device in various devices. Hereinafter, representative embodiments will be described.

図16は、上述の圧電アクチュエーター10を圧電モーターとして利用したロボット2050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、ハンド2000が接続されている。ハンド2000は、一対の把持部2003を備えている。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、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. 16 is an explanatory diagram showing an example of a robot 2050 that uses the above-described piezoelectric actuator 10 as a piezoelectric motor. The robot 2050 includes a plurality of link portions 2012 (also referred to as “link members”) and an arm 2010 (“a” that includes a plurality of joint portions 2020 that connect the link portions 2012 in a rotatable or bendable state. It is also called “arm”. Each joint part 2020 incorporates the piezoelectric actuator 10 described above, and the joint part 2020 can be rotated or bent by an arbitrary angle using the piezoelectric actuator 10. A hand 2000 is connected to the tip of the arm 2010. The hand 2000 includes a pair of grip portions 2003. The hand 2000 also incorporates the piezoelectric actuator 10, and the piezoelectric actuator 10 can be used to open and close the gripping part 2003 to grip an object. The piezoelectric actuator 10 is also provided between the hand 2000 and the arm 2010, and the hand 2000 can be rotated with respect to the arm 2010 by using the piezoelectric actuator 10.

図17は、図16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およびハンド2000を中心軸O周りに回動させる。ハンド2000には、複数の把持部2003が立設されている。把持部2003の基端部はハンド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. 17 is an explanatory diagram of a wrist portion of the robot 2050 shown in FIG. The wrist joint portion 2020 sandwiches the wrist rotating portion 2022, and the wrist link portion 2012 is attached to the wrist rotating portion 2022 so as to be rotatable around the central axis O of the wrist rotating portion 2022. . The wrist rotation unit 2022 includes the piezoelectric actuator 10, and the piezoelectric actuator 10 rotates the wrist link unit 2012 and the hand 2000 around the central axis O. The hand 2000 is provided with a plurality of grips 2003. The proximal end portion of the grip portion 2003 is movable in the hand 2000, and the piezoelectric actuator 10 is mounted on the base portion of the grip portion 2003. For this reason, by operating the piezoelectric actuator 10, it is possible to move the gripping part 2003 and grip the object.

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や、従来の圧電駆動装置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 piezoelectric actuator 10 can be applied to a multi-arm robot having two or more arms. Here, the wrist joint 2020 and the hand 2000 include, in addition to the piezoelectric actuator 10, a power line for supplying power to various devices such as a force sensor and a gyro sensor, a signal line for transmitting a signal, and the like. Therefore, a great deal of wiring is required. Therefore, it is very difficult to arrange wiring inside the joint portion 2020 and the hand 2000. However, since the piezoelectric actuator 10 of the above-described embodiment can reduce the drive current as compared with a normal electric motor or a conventional piezoelectric drive device, the joint portion 2020 (particularly, the joint portion at the tip of the arm 2010) or the hand 2000 is used. Wiring can be arranged even in such a small space.

上記説明では、ハンド2000を備えるロボット2050を例にとって説明したが、ハンド2000は、ロボット2050の部品としてのみならず、単独の製品として構成されていても良い。   In the above description, the robot 2050 including the hand 2000 has been described as an example. However, the hand 2000 may be configured not only as a part of the robot 2050 but also as a single product.

図18は、上述の圧電アクチュエーター10を利用した指アシスト装置1000を示す説明図である。指アシスト装置1000は、第1の指アシスト部1001と、第2の指アシスト部1002と、ベース部材1003と、を備え、指700に装着される。第1の指アシスト部1001は、圧電アクチュエーター10と、減速機501と、指支持部701と、を備える。第2の指アシスト部1002は、圧電アクチュエーター10と、減速機502と、指支持部702と、バンド703と、を備える。バンド703を除き、第1の指アシスト部1001と第2の指アシスト部1002とは、ほぼ同じ構成である。バンド703は、指700の腹側から第2の指アシスト部1002を固定する。なお、バンド703は、第1の指アシスト部1001にも、設けられるが、図18では省略されている。指アシスト装置1000は、圧電アクチュエーター10により、指700の屈伸をアシストする。なお、本実施形態では、指アシスト装置1000は、指700の屈伸をアシストするものとして説明したが、指700の代わりにロボットのハンドを用い、ハンドと指アシスト装置1000とを一体化してもよい。この場合、ハンドが、圧電アクチュエーター10により駆動され、屈伸する。   FIG. 18 is an explanatory diagram showing a finger assist device 1000 that uses the piezoelectric actuator 10 described above. The finger assist device 1000 includes a first finger assist unit 1001, a second finger assist unit 1002, and a base member 1003, and is attached to the finger 700. The first finger assist unit 1001 includes the piezoelectric actuator 10, a speed reducer 501, and a finger support unit 701. The second finger assist unit 1002 includes the piezoelectric actuator 10, a speed reducer 502, a finger support unit 702, and a band 703. Except for the band 703, the first finger assist unit 1001 and the second finger assist unit 1002 have substantially the same configuration. The band 703 fixes the second finger assist unit 1002 from the ventral side of the finger 700. Note that the band 703 is also provided in the first finger assist unit 1001, but is omitted in FIG. 18. The finger assist device 1000 assists bending and stretching of the finger 700 by the piezoelectric actuator 10. In the present embodiment, the finger assist device 1000 has been described as assisting the bending and stretching of the finger 700, but a robot hand may be used instead of the finger 700, and the hand and the finger assist device 1000 may be integrated. . In this case, the hand is driven by the piezoelectric actuator 10 to bend and stretch.

図19は、上述の圧電アクチュエーター10を利用した送液ポンプ2200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、ローター(被駆動体)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の凸部20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。ここで、上述した実施形態の圧電アクチュエーター10を用いることにより、従来の圧電駆動装置よりも駆動電流が小さくなるので、投薬装置の消費電力を抑制することができる。従って、投薬装置を電池駆動する場合は、特に有効である。   FIG. 19 is an explanatory diagram showing an example of a liquid feed pump 2200 that uses the piezoelectric actuator 10 described above. A liquid feed pump 2200 includes a reservoir 2211, a tube 2212, a piezoelectric actuator 10, a rotor (driven body) 2222, a deceleration transmission mechanism 2223, a cam 2202, a plurality of fingers 2213 and 2214, and a case 2230. 2215, 2216, 2217, 2218, and 2219 are provided. The reservoir 2211 is a storage unit for storing a liquid to be transported. The tube 2212 is a tube for transporting the liquid sent out from the reservoir 2211. The convex portion 20 of the piezoelectric actuator 10 is provided so as to be pressed against the side surface of the rotor 2222, and the piezoelectric actuator 10 rotationally drives the rotor 2222. The rotational force of the rotor 2222 is transmitted to the cam 2202 via the deceleration transmission mechanism 2223. Fingers 2213 to 2219 are members for closing the tube 2212. When the cam 2202 rotates, the fingers 2213 to 2219 are sequentially pushed outward in the radial direction by the protrusion 2202A of the cam 2202. The fingers 2213 to 2219 close the tube 2212 in order from the upstream side in the transport direction (reservoir 2211 side). Thereby, the liquid in the tube 2212 is transported to the downstream side in order. In this way, it is possible to realize a small liquid feed pump 2200 that can deliver an extremely small amount with high accuracy and that is small. In addition, arrangement | positioning of each member is not restricted to what was illustrated. Further, a member such as a finger may not be provided, and a ball or the like provided on the rotor 2222 may close the tube 2212. The liquid feed pump 2200 as described above can be used for a medication device that administers a drug solution such as insulin to the human body. Here, by using the piezoelectric actuator 10 of the above-described embodiment, the driving current is smaller than that of the conventional piezoelectric driving device, so that the power consumption of the dispensing device can be suppressed. Therefore, it is particularly effective when the medication apparatus is battery-driven.

本発明は、上述の実施形態や実施例、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、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above-described 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.

10…圧電アクチュエーター、20…凸部、24…質量調整部、30…外枠、40…内枠、42,43,44…側面部、50…板バネ、51…外枠部、52…中央部、53,54…バネ部、60…中間部材、70…固定枠、71…開口部、80…フタ、90…フレキシブル基板、95…ローター(被駆動体)96…中心、100…圧電振動部、101,101B…圧電振動体、102,102J〜102L…圧電振動体ユニット(振動体)、110,110a〜110e…圧電素子、111…圧電素子構造、130…第1電極、140…圧電体、150…第2電極、200…基板、201…絶縁層、205…隙間、210…振動部、214…側面、216…凹部、220…支持部、221…固定部、222…接続部(第1接続部)、223…接続部(第2接続部)、240…絶縁層、250…配線層、251…第1配線、252…第2配線、253…第3配線、254…第4配線、260…被覆部(保護層)、270…接着層、400…駆動回路、500…インピーダンス測定回路、501,502…減速機、700…指、701,702…指支持部、703…バンド、1000…指アシスト装置、1001,1002…指アシスト部、1003…ベース部材、2000…ハンド、2003…把持部、2010…アーム、2012…リンク部、2020…関節部、2022…手首回動部、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、2213〜2219…フィンガー、2222…ローター、2223…減速伝達機構、2230…ケース   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Piezoelectric actuator, 20 ... Convex part, 24 ... Mass adjustment part, 30 ... Outer frame, 40 ... Inner frame, 42, 43, 44 ... Side part, 50 ... Leaf spring, 51 ... Outer frame part, 52 ... Center part 53, 54 ... Spring part, 60 ... Intermediate member, 70 ... Fixed frame, 71 ... Opening part, 80 ... Cover, 90 ... Flexible substrate, 95 ... Rotor (driven body) 96 ... Center, 100 ... Piezoelectric vibration part, DESCRIPTION OF SYMBOLS 101,101B ... Piezoelectric vibrator, 102, 102J-102L ... Piezoelectric vibrator unit (vibrator), 110, 110a-110e ... Piezoelectric element, 111 ... Piezoelectric element structure, 130 ... First electrode, 140 ... Piezoelectric body, 150 ... Second electrode, 200 ... Substrate, 201 ... Insulating layer, 205 ... Gap, 210 ... Vibrating part, 214 ... Side, 216 ... Recess, 220 ... Supporting part, 221 ... Fixing part, 222 ... Connecting part (first connecting part) 223 ... Connection part (second connection part), 240 ... insulating layer, 250 ... wiring layer, 251 ... first wiring, 252 ... second wiring, 253 ... third wiring, 254 ... fourth wiring, 260 ... covering part (protective layer) 270 ... Adhesive layer 400 ... Drive circuit 500 ... Impedance measurement circuit 501,502 ... Speed reducer 700 ... Finger 701,702 ... Finger support part 703 ... Band 1000 ... Finger assist device 1001,1002 ... finger assist part, 1003 ... base member, 2000 ... hand, 2003 ... grip part, 2010 ... arm, 2012 ... link part, 2020 ... joint part, 2022 ... wrist rotation part, 2050 ... robot, 2200 ... liquid feed pump, 2202 ... Cam, 2202A ... Projection, 2211 ... Reservoir, 2212 ... Tube, 2213-2219 ... Finger, 2222 ... Rotor, 2 23 ... the reduction-transmission mechanism, 2230 ... case

Claims (15)

開口部を有している筐体と、
凸部を有し、前記筐体に収容されている振動体と、
を備え、
前記振動体に前記振動体の質量を調整する質量調整部が配置されている、圧電アクチュエーター。
A housing having an opening;
A vibrating body having a convex portion and housed in the housing;
With
A piezoelectric actuator, wherein a mass adjusting unit that adjusts the mass of the vibrating body is arranged on the vibrating body.
前記振動体が積層されている請求項1に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the vibrating body is laminated. 前記凸部が突出する方向に前記振動体を付勢する付勢部を有する請求項1または請求項2に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to claim 1, further comprising an urging portion that urges the vibrating body in a direction in which the convex portion protrudes. 前記質量調整部は前記凸部が突出する方向に交差する前記振動体の面上に配置されている請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 3, wherein the mass adjusting unit is disposed on a surface of the vibrating body that intersects a direction in which the convex portion protrudes. 前記凸部が突出する方向からの平面視で、前記開口部の中に前記質量調整部の少なくとも一部が配置されている請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーター。   5. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein at least a part of the mass adjusting portion is disposed in the opening in a plan view from a direction in which the convex portion protrudes. 前記振動体の駆動信号を伝達するための配線基板を有する請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 5, further comprising a wiring board for transmitting a driving signal of the vibrating body. 請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーターを備える圧電モーター。   A piezoelectric motor provided with the piezoelectric actuator as described in any one of Claims 1 thru | or 6. 請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーターを備えるロボット。   A robot comprising the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 6. 請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーターを備えるハンド。   A hand comprising the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 6. 請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーターを備える送液ポンプ。   A liquid feed pump comprising the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 6. (a)突出している形状の凸部を有する振動体と、前記凸部が突出する方向に前記振動体を付勢する付勢部と、が筐体に収容されている圧電アクチュエーターを準備する工程と、
(b)前記振動体の共振周波数を測定する工程と、
(c)前記工程(b)で測定した共振周波数が許容範囲から外れている場合において、前記振動体の質量を調整する工程と、
を含む圧電アクチュエーターの共振周波数調整方法。
(A) A step of preparing a piezoelectric actuator in which a vibrating body having a protruding convex portion and a biasing portion that biases the vibrating body in a direction in which the convex portion protrudes are accommodated in a housing. When,
(B) measuring a resonance frequency of the vibrating body;
(C) adjusting the mass of the vibrating body when the resonance frequency measured in the step (b) is out of an allowable range;
A method for adjusting the resonance frequency of a piezoelectric actuator including:
前記工程(c)は、調整後の前記振動体の共振周波数を測定するステップを含む請求項11に記載の圧電アクチュエーターの共振周波数調整方法。   The method of adjusting a resonance frequency of a piezoelectric actuator according to claim 11, wherein the step (c) includes a step of measuring a resonance frequency of the vibrating body after adjustment. 前記工程(b)及び前記工程(c)を繰り返す請求項11に記載の圧電アクチュエーターの共振周波数調整方法。   The method for adjusting a resonance frequency of a piezoelectric actuator according to claim 11, wherein the step (b) and the step (c) are repeated. 前記工程(c)は錘を付加して質量を調整する請求項11乃至請求項13のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーターの共振周波数調整方法。   The method for adjusting a resonance frequency of a piezoelectric actuator according to claim 11, wherein the step (c) adjusts the mass by adding a weight. 前記工程(c)は前記振動体またはあらかじめ付加された錘の一部を除去して前記質量を調整する請求項11乃至請求項13のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーターの共振周波数調整方法。   The method for adjusting a resonance frequency of a piezoelectric actuator according to any one of claims 11 to 13, wherein the step (c) adjusts the mass by removing a part of the vibrating body or a weight added in advance.
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