JP3190634B2 - 圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータの駆動方法並びに圧電アクチュエータの駆動方法をコンピュータに実行させるプログラムを格納した、コンピュータが読取可能な記憶媒体 - Google Patents
圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータの駆動方法並びに圧電アクチュエータの駆動方法をコンピュータに実行させるプログラムを格納した、コンピュータが読取可能な記憶媒体Info
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Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
く移動できる圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエ
ータの駆動方法並びに圧電アクチュエータの駆動方法を
コンピュータに実行させるプログラムを格納した、コン
ピュータが読取可能な記憶媒体に関する。
進んでいる。これに伴って、駆動・搬送に用いる動力源
として圧電アクチュエータが注目されている。このよう
な圧電アクチュエータの一例として、圧電素子の伸縮作
用を応用した進行波型の超音波モータが知られている。
見城、指田調「超音波モータ入門」7ページなどに示さ
れているように、リング形状のステータとロータから構
成される。ステータの裏面にはPZTセラミックスから
成る圧電振動体が接着剤等により接合され、一体となっ
て振動するものである。
み波を発生させるために、小さな複数の領域に分割さ
れ、それぞれ交互に反対方向に分極されている(同書1
1ページおよび197ページの図)。また、それらの分
割された領域ごとの圧電体に位相差を付けた正弦波電圧
を与えるため、同様に分割された金属電極膜を形成する
必要がある。さらに、ステータは、多くの場合、変位拡
大のために、径方向に多数の溝を設けるか、突起を設け
ている。以上のような複雑な構造は、直径数cmの超音
波モータでは容易に加工できるため、問題とはならない
が、直径10mm以下のモータを製作しようとすると微
細な寸法精度を要求され、現在の産業において用いられ
る加工技術では著しくその加工が困難となる。
以下の小型圧電型アクチュエータを実現するためには、
振動体および圧電体の構造をユニモルフ構造と呼ばれる
単純な平板構造とし、フォトリソグラフィーおよびエッ
チングなどの量産性に優れた加工技術を用いればよい。
しかしながら、平板の振動体および圧電体を張り合わせ
た単純な構造であるユニモルフ構造では、同書77ペー
ジにおいて述べられているように、超音波モータとして
機能させるために必要なたわみ波を発生させることがで
きないという課題もまた存在する。
決するために本発明では、単純なユニモルフ構造であっ
てもたわみ波を発生できる方法を提供するものである。
来のマイクロ圧電モータ500では、屈曲変位機構部2
2を1次モードで振動させているため、発生するトルク
が不十分であり、回転数も小さいという問題点があっ
た。
たものであって、十分なトルクと大きな回転数とが得ら
れる圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータの駆
動方法並びに圧電アクチュエータの駆動方法をコンピュ
ータに実行させるプログラムを格納した、コンピュータ
が読取可能な記憶媒体を提供することを目的とする。
めに、請求項1に係る圧電アクチュエータは、移動体
と、前記移動体に対向配置され且つ一端が振動体に固定
されて片持ち梁となる支持体と、前記支持体に展着した
圧電体と、前記支持体が2次モード以上で振動するよう
に、前記圧電体に電圧を供給する電源と、を備えたもの
である。
幅は小さくなるが、移動体の横方向の成分が大きくな
る。また、高次モードの振動を発生させるには、それだ
け高い共振周波数が要求されるので、支持体と移動体と
の接触回数が増える。このため、移動体の移動量が増
し、トルクが増加する。
は、移動体と、前記移動体に対向配置され且つ一端が振
動体に固定されて片持ち梁となる支持体と、前記支持体
に展着した圧電体と、前記支持体が3次モードを含む振
動をするように、前記圧電体に電力を供する電源と、を
備えたものである。
電圧を圧電体に供給するのが好ましい。上記の通り、高
次モードの方がよりトルク、移動量とも向上するが、あ
まりにも高次のモードににより振動させるのは、電源そ
の他の構成から困難である。また、2次モードよりも3
次モードの方が、トルク、移動量とも大きい。このた
め、少なくとも3次モードを含むモードで支持体を振動
できるようにする。
は、上記圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体に供
給する電圧の周波数を100kHz〜1MHzとしたも
のである。
おいて、100kHz〜1MHzの周波数を持つ電圧を
印加すれば、高次モードの振動を容易に得ることができ
る。
は、回転移動体と、この回転移動体の内円接線方向に延
出した一端固定他端自由とした支持体と当該支持体毎に
貼設した圧電体とからなる振動体と、前記支持体のサイ
ズおよびヤング率に基づき当該支持体が高次モードで振
動する周波数を特定し、当該特定周波数の電圧を前記圧
電体に供給する電源と、を備えたものである。
る電圧の周波数は支持体のサイズおよびヤング率に基づ
いて決定する。支持体を高次モードで振動させることに
より、回転型の圧電アクチュエータにて、大きなトルク
と回転数を得ることができる。
の駆動方法は、移動体と、前記移動体に対向配置され、
一端が固定されて片持ち梁となり他端が振動時に前記移
動体と接触する支持体と、前記支持体に展着した圧電体
とから圧電アクチュエータを構成し、前記圧電体に駆動
電圧を供給して前記支持体を振動させ、支持体と前記移
動体との接触により当該移動体を駆動する圧電アクチュ
エータの駆動方法において、前記圧電体に供給する電圧
の周波数を、前記支持体が2次モード以上で振動する範
囲に設定したものである。
幅は小さくなるが、移動体の横方向の成分が大きくな
る。また、高次モードの振動を発生させるには、それだ
け高い共振周波数が要求されるので、支持体と移動体と
の接触回数が増える。このため、移動体の移動量が増
し、トルクが増加する。
の駆動方法は、移動体と、前記移動体に対向配置され、
一端が固定されて片持ち梁となり他端が振動時に前記移
動体と接触する支持体と、前記支持体に展着した圧電体
とから圧電アクチュエータを構成し、前記圧電体に駆動
電圧を供給して前記支持体を振動させ、支持体と前記移
動体との接触により当該移動体を駆動する圧電アクチュ
エータの駆動方法において、前記圧電体に供給する電圧
の周波数を、前記支持体が3次モードを含んで振動する
範囲に設定したものである。
前記圧電体に電圧を供給するのが好ましい。上記の通
り、高次モードの方がよりトルク、移動量とも向上する
が、あまりにも高次のモードにより振動させるのは、電
源その他の構成から装置のコストが上昇し,また,駆動
効率が低下する。また、2次モードよりも3次モードの
方が、トルク、移動量とも大きい。このため、少なくと
も3次モードを含むモードで支持体を振動できるように
する。
可能な記憶媒体は、上記いずれかに記載された圧電アク
チュエータの駆動方法を、コンピュータに実行させるプ
ログラムを格納したものである。
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。 (実施の形態1)図1は、この発明の実施の形態1に係
るマイクロ圧電モータを示す組立図である。このマイク
ロ圧電モータ100は、軸突起部11を持つ回転移動体
1と、圧電素子21を展着したL字形状の屈曲変位機構
部22を持つ振動体ブロック2と、軸突起部11を支持
する基盤シャーシ3と、前記圧電素子21に特定周波数
の駆動電圧を印圧する電源4と、電源4の周波数を制御
するコントローラ5とから構成されている。また、回転
移動体1および基盤シャーシ3には磁気吸着力の発生す
る磁石材料を用い、回転移動体1と振動体ブロック2と
を一定加圧下で接触させている。例えば回転移動体1に
はステンレス系、基盤シャーシにはネジウム系の磁石材
料を用いる。この磁石材料によって基盤シャーシ3が回
転移動体側に引き寄せられるので、回転移動体1の摺動
部12と振動体ブロック2の屈曲変位機構部22との間
で安定した密着性が得られる。また、振動体ブロック
2、特に屈曲変位機構部22には、前記磁石材料の磁力
の影響を受けないように非磁性体材料を用いるのが好ま
しい。
ロック2の中空軸穴23にて軸支される。逆に、回転移
動体側に中空軸穴を設け、振動体ブロック側に軸突起部
を設けるようにしてもよい。回転移動体1の摺動部12
には、屈曲変位機構部22との摩擦が生じる部分である
から、摩擦係数が大きいこと、耐磨耗性に優れること、
安定した摩擦係数を維持できることなどの要求を満たす
材料を用いるのが好ましい。例えば回転移動体1の本体
を金属または樹脂系で形成しておき、振動体ブロック2
との摺動部12に酸化皮膜処理を施すようにする。ま
た、前記摺動部12を、セルロース系繊維、カーボン系
繊維、ウィスカとフェノール樹脂との複合材料、ポリイ
ミド樹脂とポリアミド樹脂との複合材料を用いて形成す
るようにしてもよい。
を示す。屈曲変位機構部22は、伸縮運動を発生する圧
電素子21を支持体24に展着した構造であり、L字形
状をしている。このL字形状の短辺端部25は振動体ブ
ロック2の中心部26に固定されている。この屈曲変位
機構部22は、前記摺動部12に内包される円の接線方
向と一致するように配置する。この屈曲変位機構部22
の自由端が描く楕円運動の方向によって、回転移動体1
の回転方向が決まる。ここでは、回転移動体1を軸支し
た構成であるから、屈曲変位機構部22の運動軌跡を回
転移動体1の運動軌跡に一致させれば、屈曲変位機構部
22から回転移動体1への運動転換が効率的なものとな
る。図中では屈曲変位機構部22が時計回りに突設して
あるが、この突設方向を反対にすると、回転移動体1が
反対向きに回転することになる。
の距離と振動体ブロック2に設ける屈曲変位機構部22
の形状および数により、マイクロ圧電モータ100のト
ルクおよび回転速度が決まる。屈曲変位機構部22の位
置、すなわち回転移動体1の回転中心から屈曲変位機構
部22までの距離や、屈曲変位機構部22の形状および
数は、要求されるマイクロ圧電モータの仕様に基づき設
定する。
機能および電圧発生機能を兼ね備えた材料をいう。すな
わち、印加された電圧に応じて応力ないし変位を生じ、
印加電圧の周波数により共振現象を生じさせ、加えられ
た圧力に応じて電圧が発生する特性を示す材料である。
圧電素子21の代表例である圧電セラミックとしては、
チタン酸バリウム、ジルコンチタン酸鉛などが挙げられ
る。また、圧電セラミックスの代わりに、ニオブ酸リチ
ウムなどの結晶材料を用いることもできる。振動体ブロ
ック2には、ステンレス、ベリリウム銅、リン青銅、黄
銅、ジュラルミン、チタンやシリコン材の金属系または
非金属系の弾性材料を用いる。
は、エッチング、電鋳等のフォトファブリケーション技
術を用いるのが好ましい。非機械加工プロセスを用いる
ことで、加工形成時に発生する変形、応力および機械的
ストレスを排除できるからである。また、部品の高精度
化より、各要素部品の組立調整工程を最小限に抑えるこ
とができると共に、機能および再現性が安定するためで
ある。
接着により一体化する。係る接着に要求される条件は、
非常に薄い接着層であること、接着層が非常に硬く且つ
強靱であること、圧電素子21と支持体24との接着後
は共振周波数付近の抵抗値が小さいことである。例えば
前記接着には、ホットメルトおよびエポキシ樹脂に代表
される高分子接着材を用いる。なお、接着剤を用いない
で圧電素子21を直接接合してもよい。また、薄膜形
成、圧膜形成のプロセス手段により圧電素子21を設け
るようにしてもよい。また、屈曲変位機構部22として
は、1枚の圧電素子21で構成されるユニモルフ型、2
枚の圧電素子で構成されるバイモルフ型、または、4枚
以上の圧電素子で構成されるマルチモルフ型があり、い
ずれを用いるようにしても良い。圧電素子21と支持体
24との材料およびこれらの接着方法は、マイクロ圧電
モータ100に要求される屈曲変位機構部22の変位
量、力、応答性および構造的制約条件により設定され
る。
2では、3つの圧電素子21を用いて屈曲変位機構部2
2を構成し、この屈曲変位機構部22を振動体ブロック
2の外周に沿って均等配置する。振動体ブロック2の径
は2mm程度である。軸突起部11の径は0.5mmで
ある。屈曲変位機構部22の支持体24は、オーステナ
イト系ステンレス鋼(SUS304)をエッチングする
ことにより形成する。
薄膜ジルコンチタン酸鉛を用いてある。支持体24と圧
電素子21との間には、直接接合であっても或は接着剤
による接合であっても、接合界面が生じる。この接合界
面は、支持体24と圧電素子21との間の伝搬特性を決
める重要な因子となる。このため、接着剤の特性および
その膜厚管理が重要となる。本例では、エポキシ系の接
着剤を用いて最適膜厚になるようにした。
の有効長、特に固定端から自由端までの長さが縦運動と
楕円運動の変位量と相関関係があることを考慮して設定
する。また、各屈曲変位機構部22の固有振動数は形状
に依存するので、シミュレーションモデルの結果と実験
データとから仕様に合うよう決定する。本例の振動体ブ
ロック2の形状は、所望するマイクロ圧電モータ100
の径寸法と、回転移動体1の負荷条件とを基に定めた。
具体的な屈曲変位機構部22の寸法を図3に示す。支持
体24の自由端の長さは、1.00mm、幅は0.35
mmであり、厚さは0.10mmである。また、圧電素
子21の長さは、1.30mmであり、厚さは0.12
mmである。
ルフ型構成を採用した。変位電圧特性上でヒステリシス
を持ちにくい特性を持つためである。また、バイモルフ
型と比較して変位量は小さいが発生力が大きいこと、回
転移動体1の負荷荷重および加圧力が適当であるためで
ある。なお、マイクロ圧電モータ100の仕様により、
マルチモルフ型を採用し、厚みを一定に維持した上で層
数を増やすことで変位と力とを増加させることもでき
る。また、屈曲変位機構部の固定端から自由端にかけて
テーパーを設け、応答性を向上させることもできる。係
る構成による振動体ブロック2によれば、屈曲変位機構
部22の屈曲変位を極めて安定に励起することができ
る。なお、振動体ブロック2の屈曲変位機構部22の配
置、形状、数量および構成は、図2に示した例に限定さ
れない。
については、上記従来例にて説明した通りであるから、
ここでは説明を省略する(図8参照)。このマイクロ圧
電モータ100が上記従来例のマイクロ圧電モータ50
0と異なるのは、電源の周波数設定である。屈曲変位機
構部22に入力する印加電圧およびその周波数は、屈曲
変位機構部22の寸法、形状、ヤング率に基づいて調整
する。入力信号を共振周波数近傍に設定すれば屈曲変位
機構部22の最大振幅が得られる。
パーソナルコンピュータやワンチップ型マイクロコンピ
ュータなどを用いることができる。このパーソナルコン
ピュータまたはマイクロコンピュータに用いる記憶媒体
には、圧電素子21に入力する印加電圧およびその周波
数を屈曲変位機構部の寸法、形状、ヤング率に基づいて
設定可能なプログラムが格納してある。
部22の挙動を示すグラフ図である。横軸は屈曲変位機
構部先端からの距離を示し、縦軸は屈曲変位機構部22
の変位量を示す。実験の結果、圧電素子21に周波数3
7.1kHzの駆動電圧を印加すると、屈曲変位機構部
22が1次モードで振動しその変位量が最大になること
が判った。さらに実験を続けた結果、圧電素子21に周
波数448kHzの駆動電圧を印加することにより、屈
曲変位機構部22が3次モードで振動し、回転移動体1
の回転数が最大になることが判った。なお、屈曲変位機
構部22の変位量は、レーザドップラー法を用いて測定
した。図5および図6は、印加電圧の周波数とアドミッ
タンスとの関係を示すグラフ図である。アドミッタンス
は、インピーダンスアナライザにより測定する。回転移
動体1がよく動くほど、アドミッタンスが大きくなる。
図5に示すように、周波数37.1kHzのとき、1次
モードの振動が励起され、アドミッタンスのピークが現
れた。また、図6に示すように、周波数448kHzの
とき、2次モードの振動が、922kHzのとき、3次
モードの振動が励起され、アドミッタンスのピークが現
れた。
例であるマイクロ圧電モータについて説明したが、この
技術は、上記回転型に限らず、リニア型の圧電アクチュ
エータにも適用できる。
クチュエータ(請求項1)によれば、移動体と、前記移
動体に対向配置され且つ一端が振動体に固定されて片持
ち梁となる支持体と、前記支持体に展着した圧電体と、
前記支持体が2次モード以上で振動するように、前記圧
電体に電圧を供給する電源とを備えたので、移動体の横
方向の成分が大きくなること、支持体と移動体との接触
回数が増えることから、移動体の移動量が増し、トルク
が増加する。
求項2)によれば、移動体と、前記移動体に対向配置さ
れ且つ一端が振動体に固定されて片持ち梁となる支持体
と、前記支持体に展着した圧電体と、前記支持体が3次
モードを含む振動をするように、前記圧電体に電力を供
する電源とを備えたので、移動体の横方向の成分が大き
くなること、支持体と移動体との接触回数が増えること
から、移動体の移動量が増し、トルクが増加する。ま
た、支持体に少なくとも3次モードの振動を与えること
で、移動量およびトルクの増加を図ることができる。
求項3)によれば、圧電体に供給する電圧の周波数を1
00kHz〜1MHzとしたので、高次モードの振動を
容易に得ることができる。この結果、容易に移動量およ
びトルクを増大できる。
求項4)によれば、回転移動体と、この回転移動体の内
円接線方向に延出した一端固定他端自由とした支持体と
当該支持体毎に貼設した圧電体とからなる振動体と、前
記支持体のサイズおよびヤング率に基づき当該支持体が
高次モードで振動する周波数を特定し、当該特定周波数
の電圧を前記圧電体に供給する電源と、を備えたので、
支持体を高次モードで振動させることにより、回転型の
圧電アクチュエータにて、大きなトルクと回転数を得る
ことができる。
動方法(請求項5)によれば、移動体と、前記移動体に
対向配置され、一端が固定されて片持ち梁となり他端が
振動時に前記移動体と接触する支持体と、前記支持体に
展着した圧電体とから圧電アクチュエータを構成し、前
記圧電体に駆動電圧を供給して前記支持体を振動させ、
支持体と前記移動体との接触により当該移動体を駆動す
る際、前記圧電体に供給する電圧の周波数を、前記支持
体が2次モード以上で振動する範囲に設定したので、移
動体の横方向の成分が大きくなり、支持体と移動体との
接触回数が増えることから、移動体の移動量が増し、ト
ルクが増加する。
動方法(請求項6)によれば、移動体と、前記移動体に
対向配置され、一端が固定されて片持ち梁となり他端が
振動時に前記移動体と接触する支持体と、前記支持体に
展着した圧電体とから圧電アクチュエータを構成し、前
記圧電体に駆動電圧を供給して前記支持体を振動させ、
支持体と前記移動体との接触により当該移動体を駆動す
る際、前記圧電体に供給する電圧の周波数を、前記支持
体が3次モードを含んで振動する範囲に設定したので、
移動体の横方向の成分が大きくなり、支持体と移動体と
の接触回数が増える。このため、移動体の移動量が増
し、トルクが増加する。また、支持体に少なくとも3次
モードの振動を与えることで、移動量およびトルクの増
加を図ることができる。
な記憶媒体(請求項7)では、上記いずれかに記載され
た圧電アクチュエータの駆動方法を、コンピュータに実
行させるプログラムを格納した。このため、係るプログ
ラムをコンピュータにより実行することで、圧電アクチ
ュエータの移動量およびトルクを増大できる。
ータを示す組立図である。
斜視図である。
すグラフ図である。
したグラフ図である。
したグラフ図である。
る。
示す説明図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 回転移動体と、前記回転移動体に対向配
置され、前記回転移動体の内円接線方向に延出した一端
固定他端自由とした片持ち梁を複数持つ支持体と、 前記支持体の複数の片持ち梁毎に貼設した複数の圧電体
とからなる複数の振動体と、 前記複数の圧電体に同一の電圧を供給する電源と、を備
え、 高次モ−ドのたわみ振動(屈曲振動)を前記複数の振動
体において発生させる ことを特徴とする圧電アクチュエ
ータ。 - 【請求項2】 回転移動体と、前記回転移動体に対向配
置され、前記回転移動体の内円接線方向に延出した一端
固定他端自由とした片持ち梁を複数持つ支持体と、前記
支持体の複数の片持ち梁毎に貼設した複数の圧電体とか
らなる複数の振動体と、から圧電アクチュエータを構成
し、前記複数の圧電体に同一の電圧を供給して前記複数
の振動体を振動させ、前記複数の振動体と前記移動体と
の接触により前記移動体を駆動する圧電アクチュエータ
の駆動方法において、 高次モ−ドのたわみ振動(屈曲振動)を前記複数の振動
体において発生させることを特徴とする圧電アクチュエ
ータの駆動方法 。 - 【請求項3】 請求項2に記載された圧電アクチュエー
タの駆動方法を、コンピュータに実行させるプログラム
を格納したことを特徴とするコンピュータが読取可能な
記憶媒体。
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