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 PDFInfo
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Abstract
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.
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.
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
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
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
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Al2O3)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
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
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
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
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
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
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SiO2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(Al2O3)、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
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
また、圧電体140の材料としては、ABO3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。ABO3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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (15)
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.
(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:
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