JP3814100B2 - Piezoelectric actuator - Google Patents

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体の往復運動が容易に行え、微小サイズにおいて容易に構成及び機能の実現可能とする圧電アクチュエータの構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
図7は、従来の圧電アクチュエータの一例を示す斜視図である。この圧電アクチュエータ300は、微小距離の移動用XYステージとして用いるものであり、各軸方向の移動を積層型圧電素子により構成したものである。固定台301には金属板をワイヤー放電又は金型工程により抜き加工が施され、その抜き部分302内に可動テーブル303を配置している。この可動テーブル303の4辺には、それぞれ支持バネ304が形成されていると共に当該可動テーブル303の4辺には支持バネ304を介してガイド部305が取り付けられている。また、このガイド部305の端部には積層型圧電素子306が可動テーブル303に対して直角方向に取り付けられている。
【0003】
図8に、支持バネ304の拡大平面図を示す。この支持バネ304は、矩形枠形状となっており、長辺304aの幅が細く短辺304bの幅が大きくなっている。これは支持バネ304を介した可動テーブル303が、長辺304aの幅が細くなる事及び長辺304の長さを長く設定する事で、機械特性上変位量に対する応力が指数関数的又は比例して下がることになり、長辺304a幅方向の図中X軸方向の移動に対する自由度がもてる構造となっている。同様に、図9に示すように、幅aに対する厚さbのアスペクト比(b/a)が1以上に設定されており、可動テーブル303移動時に対してのねじり変位を抑制している。
【0004】
この圧電アクチュエータ300は、X方向に移動する場合は、X方向移動用の積層型圧電素子306に所定の電圧を印加して変位させる。この積層型圧電素子306が厚み方向に変位すると、ガイド部305により繋がっている可動テーブル303が合わせてX方向に変位する。このとき、X方向の辺に形成した支持バネ304は短辺方向に変形する。また、X方向のガイド部305は、可動テーブル303のX方向ガイドの機能を持つ。一方、Y方向の辺に形成した支持バネ304は長辺方向に変形しにくいので、積層型圧電素子306の変位を吸収しにくい。Y方向に移動する場合もこれと同様の作用を奏する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の圧電アクチュエータ300では、一般的には積層型圧電素子306を使用しているため、まず、この仕様に応じた積層型圧電素子306を作成する必要がある。積層型圧電素子306は、一般にグリーンシート法によって製造されるが、この製造プロセスを用いる場合、スラリーからグリーンシートを作成し、このグリーンシートに内部電極用導電ペーストをスクリーン印刷した後、所定枚数のグリーンシートを積層焼成する。この構成から得られる積層型圧電素子の特徴としては、強い発生力が得られるが微小な変位量になる。又作成した積層型圧電素子306をガイド部305と固定台301との間に組み込み、接合及び複雑な調整工程が必要になる。このため、移動用XYステージ及び圧電アクチュエータ300の製造は、複雑で調整困難、また可動テーブル303の移動量を増加させるにはガイド部305と固定台301間に支点を設けて拡大変位機構を設ける必要があった。更に構造的に微小化には対応し難い構成であった。この発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、さらに、新たな観点から工夫を加えたものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る圧電アクチュエータは、平板状で一端自由他端固定とした変位機構部の振動体を形成すると共にこの変位機構部面に圧電素子を設け、且つこの変位機構部に対して、支持バネにより支持されて接触または近接させた移動体を有する構成としたものである。
【0007】
平板状の変位機構部に設けた圧電素子に周波電圧を印加すると、変位機構部が屈曲振動して変位機構部の自由端が移動体に接触する。変位機構部の自由端は、楕円運動を行う為、この横方向成分が移動体の移動を励起する。また、移動体は移動時において、支持バネにより支持され変位機構部と移動体の接触状態を安定に維持されることから、移動体の位置決め及び運動が容易に行われる。
【0008】
また、本発明に係る圧電アクチュエータは、上記圧電アクチュエータにおいて、さらに、移動体面に対向追従するよう振動体を支持するようにしたものである。移動体は、移動時のロールなどによって振動体との接触状態が変化する場合、かかるロールなどに対して前記振動体を移動体面に対向追従させることで、変位機構部の振動を効率的に伝達するようにしている。
【0009】
また、本発明に係る圧電アクチュエータは、上記圧電アクチュエータにおいて、さらに、移動体を支持するバネ部の構造及び構成方法より前記移動体の移動方向を規制するようにし、前記移動体の移動方向を規制するようにしたものである。移動体の移動方向に対してはバネ定数を弱めて自由度を持たせ、その他方向の変位に対してはバネ定数を強くする構造や構成方法を用いることにより、移動体の移動方向や安定した位置決めを行うことができる。
【0010】
また、本発明に係る圧電アクチュエータは、上記圧電アクチュエータにおいて、さらに、前記振動体と移動体とを加圧接触させる与圧手段を設けたものである。与圧手段により振動体と移動体とを加圧することで、より追従性が向上するし、変位機構部との接触状態が良くなる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照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に係る圧電アクチュエータを示す組立図である。この圧電アクチュエータ100は、可動ステージ111を形成した第1基板110と、振動体121を形成した第2基板120とから構成されている。第1基板110は、可動ステージ111を4つの支持バネ112により支持した構造である。支持バネ112は、曲がりくねった蛇状になっており、長辺部分112aの幅を小さく、短辺部分112bの幅を大きく、支持バネ112に連結している第1基板110の外周フレーム部と可動ステージ111までの長さを大きく出来るように形成してある。なお、この支持バネ112の形状は、同図のような蛇状に限定されず、可動ステージ111を無理なく移動できるものであれば、どのような形状であってもよい。また、可動ステージ111は、その移動方向にガイド突起113が形成されている。このガイド突起113はガイド溝114に係合しており、移動体111の移動方向を規制している。なお、支持バネ112の構造によっては、ガイド部113、114なしでも移動体111の移動方向を実質的に規制することもできる。
【0012】
第1基板110には、ステンレス鋼材やアルミニウム材を用いることができる。また、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ことができる。この第1基板110は、フォトファブリケーション技術により加工することができる。非機械加工プロセスを用いることにより、加工成形時に発生する変形、応力および機械的ストレスを排除できるためである。また、部品の高精度化により、各要素部品の組立工程を最小限に押さ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。なお、フォトファブリケーション技術以外にも、ワイヤ放電加工など各種の加工法を用いることができる。なお、支持バネ112のアスペクト比は1以上になっているが、これは公知のネガティブトーン近紫外線レジスト技術などにより形成することが可能である。
【0013】
また、移動体111下面のうち前記振動体121との接触部分には摺動面(図示省略)を設けるようにするのが好ましい。摺動面には、摩擦係数が大きいこと、耐摩耗性に優れること、安定した摩擦係数を維持できることなどの諸条件をみたした材料を用いるもの好ましい。例えば酸化皮膜処理を施すことにより摺動面を構成することができる。また、摺動面をセルロース系繊維、カーボン系繊維、ウイ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るようにしてもい。
【0014】
第2基板120は振動体121を中央に形成した構造であり、この振動体121はX方向軸122を介して枠体123に繋がっている。また、枠体はY方向軸124を介して基板部125に繋がっている。各軸は非常に幅の狭いものであり、そのねじり変形により振動体121をX軸およびY軸を中心として揺動させることができる。また、振動体120のX軸方向(移動体進行方向)に、一端自由他端固定としたL字形状の変位機構部126が2個づつ対向形成されている。変位機構部126の先端には、移動体111との接触部分を特定するための突起127が形成されている。なお、この変位機構部126はL字形状に限らず、片持ち梁形状であってもよい。
【0015】
図2は、図1に示した第2基板の振動体の裏面を示す斜視説明図である。各変位機構部126には所定方向に分極処理した圧電素子128が接合されている。圧電素子128とは、歪発生機能、共振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。本例の圧電素子128には、圧電定数の高い薄膜ジルコンチタン酸鉛を用いてある。また、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウムやジルコンチタン酸鉛などを用いても良い。また、これら圧電セラミックスの代わりに、傾斜機能材料やリチウムナイオベートを用いることもできる。また、圧電素子の電極には、周波電圧を印加するドライバーが接続されている。
【0016】
また、前記変位機構部126と圧電素子128とは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、変位機構部126と圧電素子128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。変位機構部126と圧電素子128との間には、直接接合または接着剤による接合であっても接合界面が存在する。この接合界面は、変位機構部126と圧電素子128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。例えば前記接着剤には、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。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ている。なお、接着剤を用いないで圧電素子128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を設けるようにしてもよい。
【0017】
さらに、圧電素子128には、1枚で構成されるユニモルフ型、2枚で構成されるバイモルフ型、または、4枚以上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128や変位機構部126の材料およびこれらの接着方法は、圧電アクチュエータに要求される変位機構部126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。本例の変位機構部126では、ユニモルフ型構成を採用してある。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、移動体の負荷荷重および加圧力が適当であるためである。なお、圧電アクチュエータの仕様により、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、変位機構部126の固定端部から自由端部にかけてテーパを設け、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121によれば、変位機構部126の屈曲変位を極めて安定に励起することができる。
【0018】
第2基板120もフォトファブリケーション技術により一体的に加工することができる。この第2基板120の材料も第1基板と同じものを用いることができる。なお、上記構成では振動体120をX方向軸122、枠体123およびY方向軸124により支持しているが、この構成に限定されず、振動体120をフレキシブルに支持できればどのような構成であってもよい。例えば図3の(a)に示すように、第2基板120の対角線方向に対ねじり軸1の131、対ねじり軸2の132を設けてもよい。また、同図(b)に示すように、第1基板110に用いたような対ねじり支持バネ133により振動体121を支持するようにしてもよい。この場合、微妙な厚み制御により、対ねじり支持バネ133によって前記振動体121を移動体111に加圧することができる。
【0019】
つぎに、この圧電アクチュエータ100の動作原理について説明する。図4は、この発明の圧電アクチュエータの駆動原理を示す説明図である。電極129に特定電圧を印加すると、圧電素子128が移動体111側に屈曲する。電圧をとりされば、圧電素子128は元の形状に復帰する。圧電素子128が変形すると、これに伴い変位機構部126も屈曲し、変位機構部126の自由端部先端が楕円運動を発生し移動体111に接触する。その為自由端部先端の横方向成分(図中右から左方向)の力が摩擦力を媒介して移動体111に伝達され、当該移動体111が同方向に微小移動する。従って、圧電素子128に電圧を周期的に印加することで前記微小移動が繰り返されるから、移動体111を連続的に移動させることができる。なお、同図では、変位機構部126と移動体111との接触部分を平面的に表したが、必ずしも平面的に接触する必要はなく、点接触であっても構わない。
【0020】
つぎに、この圧電アクチュエータ100の動作について説明する。一方向を向いた変位機構部126の圧電素子128に周波電圧を印加すると、上記説明した原理により、移動体111が移動することになる。移動体111は、支持バネ112により支持されているから、移動体111の移動に伴い支持バネ112が伸縮変形する。また、移動体111はガイド部113、114によりその移動方向を規制され、更に支持バネ112の自由度の高い方向と移動方向を一致させる構成にしているから、確実に所望する直線移動することができる。また、逆方向を向いた変位機構部126の圧電素子128に周波電圧を印加すると、移動体11が逆方向に移動する。
【0021】
また、移動体111を安定して駆動するには、振動体121と移動体111との対向面が均一な接触または間隔を保つことが必要である。振動体121はX方向軸122、枠体123およびY方向軸124によりフレキシブルに支持されているから、ロールやピッチなど微妙に変位する移動体面に追従することが可能である。このため、移動体111を安定して移動制御することができる。さらに、与圧をかけた状態であれば、振動体121と移動体111は安定な接触状態となり安定した駆動が可能になる。
実施の形態2.
図5は、この発明の実施の形態2に係る圧電アクチュエータを示す組立図である。この圧電アクチュエータ200は、振動体に与圧をかけることができる構成にしたものである。この圧電アクチュエータ200は、移動体を形成した第1基板210と、振動体を形成した第2基板220と、与圧をかける与圧部材230と、接触圧を調整する第1スペーサ240と、第1基板〜与圧部材を載せる固定基板250と、与圧部材230の与圧を調整する第2スペーサ260と、第1基板〜与圧部材を保持する保持基板270とから構成されている。
【0022】
第1基板210は中央に移動体211を形成し、この移動体211を支持バネ212によってX方向に自由度を設定支持した構成である。支持バネ212は、矩形枠を長辺部分の中心で連続的に接続した構造である。また、この支持バネ212では、矩形枠の幅を小さくその厚さを大きくすることでアスペクト比を大きくし、ねじり変形を予防するようにしている。この第1基板210では実施の形態1のようなガイド部は設けていない。支持バネ212の構造により実質的にガイド部として十分に機能するからである。第2基板220の構造は実施の形態1と同様であるから説明を省略する。
【0023】
第1スペーサ240は、第2基板220に形成した振動体221と移動体211との接触圧を調整する。すなわち、振動体221の変位機構部と移動体211の摺動面との間隔を調整することにより、変位量を調整し(接触力の横方向成分)、最適な移動制御が可能なようにする。なお、移動体211の動作原理は上記の通りである。
【0024】
与圧部材230は、中央穴231に十字形状の通し梁232を形成した構成であり、この通し梁232の両端近傍には振動体221を加圧する突起233が形成され、その頂部が振動体221の下面に当接する。この突起233の高さと、通し梁232の弾性力により与圧量を調整することができる。与圧部材230の形状は同図に示したものに限定されず、振動体211に適切な与圧をかけることができるものならば、どのような形状であっても構わない。例えば図6の(a)に示すように、中心穴231の両辺から2個づつの梁234を延出し、この梁の先端に突起235を設けて与圧をかけるようにしてもよい。また、同図(b)に示すように、加圧部236を矩形枠形状の支持バネ237で支持するように構成してもよい。
【0025】
第2スペーサ260は、第1基板210と第2基板220との間に配置され、この厚みにより与圧を管理する。第1基板210、第2基板220および与圧部材230は、保持部材270により固定部材250上に保持される。なお、この第1基板210の代わりに実施の形態1第1基板110を用いることもできる。また、変位機構部の数は4個に限定されない。必要な駆動力に応じて決定すればよい。
【0026】
また、図示省略するが、上記実施の形態1および2の変形例として、大小2種類のサイズの変位機構部を設けるようにしてもよい。この構成によれば、大きいサイズの変位機構部により粗動制御し、小さいサイズの変位機構部により微動制御することができる。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の圧電アクチュエータによれば、平板状の変位機構部状に圧電素子を設けるからプロセス加工処理が行え高精度な形状が得られると共に大量低廉化が可能な製造が行える。移動体の形状及び移動距離も所望の仕様によって機能が実現可能となる。また、振動体が移動体に対向追従するから、安定した移動制御が可能になる。
【0028】
つぎに、この発明の圧電アクチュエータによれば、移動体面に対向追従するように振動体を支持するようにしたことより移動体の移動距離及び移動体の姿勢に対応し安定した移動制御が可能になる。
つぎに、この発明の圧電アクチュエータによれば、移動体を支持するバネ部の構造及び構成方法により前記移動体の移動方向を規制するようにしたことにより最小部品な構成で高精度に移動体の移動方向を規制する事が可能になる。
【0029】
つぎに、この発明の圧電アクチュエータによれば、振動体と移動体とを加圧接触させる与圧手段を設けたので、さらに安定した移動制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1に係る圧電アクチュエータを示す組立図である。
【図2】図1に示した第2基板の振動体の裏面を示す斜視説明図である。
【図3】振動体の変形例を示す説明図である。
【図4】この発明の圧電アクチュエータの駆動原理を示す説明図である。
【図5】この発明の実施の形態2に係る圧電アクチュエータを示す組立図である。
【図6】与圧部材の変形例を示す説明図である。
【図7】従来の圧電アクチュエータの一例を示す斜視図である。
【図8】支持バネを示す拡大平面図である。
【図9】支持バネを示す構造説明図である。
【符号の説明】
100 圧電アクチュエータ
110 第1基板
111 可動ステージ
112 支持バネ
113 ガイド突起
114 ガイド溝
120 第2基板
121 振動体
122 X方向軸
123 枠体
124 Y方向軸
125 基板部
126 変位機構部
127 突起
128 圧電素子
129 電極
131 対ねじり軸1
132 対ねじり軸2
133 対ねじり支持バネ
200 圧電アクチュエータ
210 第1基板
211 移動体
220 第2基板
221 振動体
230 与圧部材
231 中央穴
232 通し梁
233 突起
234 梁
235 突起
236 加圧部
237 支持バネ
240 第1スペーサ
250 固定基板
260 第2スペーサ
300 圧電アクチュエータ
301 固定台
302 抜き部分
303 可動テーブル
304 支持バネ
304a 長辺
304b 短辺
305 ガイド部
306 積層型圧電素子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a configuration of a piezoelectric actuator in which a moving body can be easily reciprocated and can easily realize a configuration and functions in a minute size.
[0002]
[Prior art]
FIG. 7 is a perspective view showing an example of a conventional piezoelectric actuator. This piezoelectric actuator 300 is used as an XY stage for movement at a minute distance, and is configured to move in each axial direction by a laminated piezoelectric element. A metal plate is punched into the fixed base 301 by wire discharge or a mold process, and a movable table 303 is disposed in the punched portion 302. Support springs 304 are formed on the four sides of the movable table 303, and guide portions 305 are attached to the four sides of the movable table 303 via the support springs 304. A laminated piezoelectric element 306 is attached to the end of the guide portion 305 in a direction perpendicular to the movable table 303.
[0003]
FIG. 8 shows an enlarged plan view of the support spring 304. The support spring 304 has a rectangular frame shape, with the long side 304a being narrow and the short side 304b being wide. This is because the movable table 303 via the support spring 304 has a longer side 304a having a narrower width and a longer side 304 having a longer length, so that the stress relative to the displacement is exponentially or proportionally due to mechanical characteristics. Therefore, the long side 304a has a structure with a degree of freedom for movement in the X-axis direction in the drawing in the width direction. Similarly, as shown in FIG. 9, the aspect ratio (b / a) of the thickness b to the width a is set to 1 or more, and the torsional displacement when the movable table 303 is moved is suppressed.
[0004]
When the piezoelectric actuator 300 moves in the X direction, the piezoelectric actuator 300 is displaced by applying a predetermined voltage to the stacked piezoelectric element 306 for moving in the X direction. When the laminated piezoelectric element 306 is displaced in the thickness direction, the movable table 303 connected by the guide portion 305 is also displaced in the X direction. At this time, the support spring 304 formed on the side in the X direction is deformed in the short side direction. The X-direction guide unit 305 has a function as an X-direction guide for the movable table 303. On the other hand, the support springs 304 formed on the sides in the Y direction are not easily deformed in the long side direction, so that it is difficult to absorb the displacement of the multilayer piezoelectric element 306. The same effect is obtained when moving in the Y direction.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the conventional piezoelectric actuator 300 generally uses the multilayer piezoelectric element 306, it is necessary to first create the multilayer piezoelectric element 306 according to this specification. The multilayer piezoelectric element 306 is generally manufactured by a green sheet method. When this manufacturing process is used, a green sheet is prepared from a slurry, and a conductive paste for internal electrodes is screen-printed on the green sheet. A green sheet is laminated and fired. As a feature of the multilayer piezoelectric element obtained from this configuration, a strong generated force can be obtained, but a minute displacement amount can be obtained. Further, the laminated piezoelectric element 306 thus prepared is incorporated between the guide portion 305 and the fixed base 301, and joining and a complicated adjustment process are required. For this reason, the manufacture of the moving XY stage and the piezoelectric actuator 300 is complicated and difficult to adjust, and in order to increase the amount of movement of the movable table 303, a fulcrum is provided between the guide unit 305 and the fixed base 301 to provide an expansion displacement mechanism. There was a need. In addition, it is structurally difficult to cope with miniaturization. The present invention has been made to solve the above-described problems, and has been further devised from a new viewpoint.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, a piezoelectric actuator according to the present invention forms a vibration member of a displacement mechanism unit that is flat and has one end fixed at the other end, and is provided with a piezoelectric element on the surface of the displacement mechanism unit. The displacement mechanism is configured to have a moving body that is supported or brought into contact with or supported by a support spring.
[0007]
When a frequency voltage is applied to the piezoelectric element provided in the flat displacement mechanism portion, the displacement mechanism portion bends and vibrates, and the free end of the displacement mechanism portion contacts the moving body. Since the free end of the displacement mechanism part performs an elliptical motion, this lateral component excites the movement of the moving body. In addition, since the moving body is supported by a support spring during the movement and the contact state between the displacement mechanism and the moving body is stably maintained, the moving body can be easily positioned and moved.
[0008]
In addition, the piezoelectric actuator according to the present invention is such that in the above piezoelectric actuator, the vibrating body is supported so as to face and follow the moving body surface. When the moving body changes its contact state with the vibrating body due to the roll during movement, the vibration of the displacement mechanism is efficiently transmitted by causing the vibrating body to follow the moving body surface against the roll. Like to do.
[0009]
In the piezoelectric actuator according to the present invention, the moving direction of the moving body is further restricted by the structure and configuration method of the spring portion that supports the moving body, and the moving direction of the moving body is restricted. It is what you do. By using a structure and construction method that weakens the spring constant for the moving direction of the moving body to give it a degree of freedom and increases the spring constant for displacement in other directions, the moving direction of the moving body and the stable Positioning can be performed.
[0010]
In the piezoelectric actuator according to the present invention, the piezoelectric actuator is further provided with a pressurizing unit that pressurizes and contacts the vibrating body and the moving body. By pressurizing the vibrating body and the moving body by the pressurizing means, the followability is further improved, and the contact state with the displacement mechanism section is improved.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments.
Embodiment 1 FIG.
1 is an assembly view showing a piezoelectric actuator according to Embodiment 1 of the present invention. The piezoelectric actuator 100 includes a first substrate 110 on which a movable stage 111 is formed and a second substrate 120 on which a vibrating body 121 is formed. The first substrate 110 has a structure in which the movable stage 111 is supported by four support springs 112. The support spring 112 has a serpentine shape, and the long side portion 112a has a small width, the short side portion 112b has a wide width, and is movable with the outer peripheral frame portion of the first substrate 110 connected to the support spring 112. The length to the stage 111 can be increased. The shape of the support spring 112 is not limited to a snake shape as shown in the figure, and may be any shape as long as the movable stage 111 can be moved without difficulty. The movable stage 111 has a guide protrusion 113 formed in the moving direction thereof. The guide protrusion 113 is engaged with the guide groove 114 and restricts the moving direction of the moving body 111. Depending on the structure of the support spring 112, the moving direction of the moving body 111 can be substantially restricted without the guide portions 113 and 114.
[0012]
For the first substrate 110, a stainless steel material or an aluminum material can be used. Further, a metallic or non-metallic elastic material such as beryllium copper, phosphor bronze, brass, duralumin, titanium or silicon can be used. The first substrate 110 can be processed by a photofabrication technique. This is because by using a non-machining process, it is possible to eliminate deformation, stress, and mechanical stress that occur during machining. In addition, by increasing the accuracy of the parts, the assembly process of each element part can be minimized, and the function and reproducibility are stabilized. In addition to the photofabrication technique, various processing methods such as wire electric discharge processing can be used. The aspect ratio of the support spring 112 is 1 or more, but this can be formed by a known negative tone near ultraviolet resist technique or the like.
[0013]
Further, it is preferable that a sliding surface (not shown) is provided at a portion of the lower surface of the moving body 111 that contacts the vibrating body 121. It is preferable to use a material that satisfies various conditions such as a large friction coefficient, excellent wear resistance, and a stable friction coefficient for the sliding surface. For example, the sliding surface can be formed by performing an oxide film treatment. The sliding surface may be made of cellulose fiber, carbon fiber, a composite material of whisker and phenol resin, or a composite material of polyimide resin and polyamide resin.
[0014]
The second substrate 120 has a structure in which a vibrating body 121 is formed in the center, and the vibrating body 121 is connected to the frame body 123 via an X-direction axis 122. Further, the frame is connected to the substrate part 125 via the Y-direction axis 124. Each axis is very narrow, and the torsional deformation can cause the vibrating body 121 to swing around the X axis and the Y axis. In addition, two L-shaped displacement mechanism portions 126 each having one end fixed at the other free end are opposed to each other in the X-axis direction (moving body traveling direction) of the vibrating body 120. A protrusion 127 for specifying a contact portion with the moving body 111 is formed at the tip of the displacement mechanism portion 126. The displacement mechanism 126 is not limited to an L shape, and may be a cantilever shape.
[0015]
FIG. 2 is a perspective explanatory view showing the back surface of the vibrating body of the second substrate shown in FIG. Each displacement mechanism 126 is joined with a piezoelectric element 128 that is polarized in a predetermined direction. The piezoelectric element 128 refers to a material having a strain generation function, a resonance function, and a voltage generation function. That is, it is a material that exhibits a characteristic in which stress or displacement is generated according to an applied voltage, a resonance phenomenon is generated according to the frequency of the applied voltage, and a voltage is generated according to an applied pressure. The piezoelectric element 128 of this example uses a thin film lead zirconate titanate having a high piezoelectric constant. Further, barium titanate, lithium niobate, lead zirconate titanate, or the like may be used. Further, functionally gradient materials and lithium niobate can be used instead of these piezoelectric ceramics. A driver for applying a frequency voltage is connected to the electrode of the piezoelectric element.
[0016]
The displacement mechanism 126 and the piezoelectric element 128 are integrated by bonding. The conditions required for such bonding are that the bonding layer is very thin, that the bonding layer is very hard and tough, and that the resistance value near the resonance frequency is after the displacement mechanism 126 and the piezoelectric element 128 are bonded. It is small. There is a bonding interface between the displacement mechanism 126 and the piezoelectric element 128 even when bonding is performed directly or by bonding with an adhesive. This bonding interface is an important factor that determines the propagation characteristics between the displacement mechanism 126 and the piezoelectric element 128. For this reason, the characteristics of the adhesive and the film thickness management are important. For example, a polymer adhesive represented by hot melt and epoxy resin is used as the adhesive. In this example, an optimum film thickness is obtained using an epoxy adhesive. Note that the piezoelectric element 128 may be directly bonded without using an adhesive. Further, the piezoelectric element may be provided by a thin film formation or pressure film formation process means.
[0017]
Further, the piezoelectric element 128 includes a unimorph type composed of one sheet, a bimorph type composed of two sheets, or a multimorph type composed of four or more sheets, and any of them may be used. The material of the piezoelectric element 128 and the displacement mechanism portion 126 and the bonding method thereof are set according to the displacement amount, force, response, and structural constraints of the displacement mechanism portion 126 required for the piezoelectric actuator. The displacement mechanism portion 126 of this example employs a unimorph type configuration. This is because it has a characteristic that it is difficult to have hysteresis in the displacement voltage characteristic. In addition, the displacement is small compared to the bimorph type, but the generated force is large, and the load and pressure applied to the moving body are appropriate. Depending on the specifications of the piezoelectric actuator, the displacement and force can be increased by adopting a multimorph type and increasing the number of layers while keeping the thickness constant. Further, a taper can be provided from the fixed end portion to the free end portion of the displacement mechanism portion 126 to improve the responsiveness. According to the vibrating body 121 having such a configuration, the bending displacement of the displacement mechanism portion 126 can be excited extremely stably.
[0018]
The second substrate 120 can also be integrally processed by photofabrication technology. The material of the second substrate 120 can be the same as that of the first substrate. In the above configuration, the vibrating body 120 is supported by the X-direction shaft 122, the frame body 123, and the Y-direction shaft 124. However, the present invention is not limited to this configuration, and any configuration can be used as long as the vibrating body 120 can be supported flexibly. May be. For example, as shown in FIG. 3A, 131 of the torsion shaft 1 and 132 of the torsion shaft 2 may be provided in the diagonal direction of the second substrate 120. Further, as shown in FIG. 5B, the vibrating body 121 may be supported by a torsion support spring 133 used for the first substrate 110. In this case, the vibrating body 121 can be pressed against the moving body 111 by the anti-torsion support spring 133 by delicate thickness control.
[0019]
Next, the operation principle of the piezoelectric actuator 100 will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the driving principle of the piezoelectric actuator of the present invention. When a specific voltage is applied to the electrode 129, the piezoelectric element 128 is bent toward the moving body 111 side. When voltage is applied, the piezoelectric element 128 returns to its original shape. When the piezoelectric element 128 is deformed, the displacement mechanism portion 126 is bent accordingly, and the free end tip of the displacement mechanism portion 126 generates an elliptical motion and comes into contact with the moving body 111. Therefore, the force of the lateral component at the tip of the free end (from right to left in the figure) is transmitted to the moving body 111 through the frictional force, and the moving body 111 moves slightly in the same direction. Accordingly, since the minute movement is repeated by periodically applying a voltage to the piezoelectric element 128, the moving body 111 can be continuously moved. In the figure, the contact portion between the displacement mechanism 126 and the moving body 111 is shown in a plane, but it is not always necessary to make a plane contact, and a point contact may be used.
[0020]
Next, the operation of the piezoelectric actuator 100 will be described. When a frequency voltage is applied to the piezoelectric element 128 of the displacement mechanism unit 126 facing in one direction, the moving body 111 moves according to the principle described above. Since the moving body 111 is supported by the support spring 112, the support spring 112 expands and contracts as the moving body 111 moves. In addition, since the moving body 111 is configured such that the moving direction thereof is regulated by the guide portions 113 and 114 and the direction in which the support spring 112 has a high degree of freedom coincides with the moving direction, the moving body 111 can reliably move in a desired linear manner. it can. Further, when a frequency voltage is applied to the piezoelectric element 128 of the displacement mechanism unit 126 facing in the reverse direction, the moving body 11 moves in the reverse direction.
[0021]
Further, in order to drive the moving body 111 stably, it is necessary that the facing surfaces of the vibrating body 121 and the moving body 111 maintain a uniform contact or interval. Since the vibrating body 121 is flexibly supported by the X-direction axis 122, the frame body 123, and the Y-direction axis 124, it is possible to follow a moving body surface that is slightly displaced, such as a roll or a pitch. For this reason, the moving body 111 can be stably controlled. Furthermore, if the pressure is applied, the vibrating body 121 and the moving body 111 are in a stable contact state, and stable driving is possible.
Embodiment 2. FIG.
FIG. 5 is an assembly diagram showing a piezoelectric actuator according to Embodiment 2 of the present invention. The piezoelectric actuator 200 is configured to be able to apply pressure to the vibrating body. The piezoelectric actuator 200 includes a first substrate 210 on which a moving body is formed, a second substrate 220 on which a vibrating body is formed, a pressurizing member 230 that applies pressure, a first spacer 240 that adjusts contact pressure, 1 substrate to a fixed substrate 250 on which the pressurizing member is placed, a second spacer 260 for adjusting the pressurization of the pressurizing member 230, and a holding substrate 270 for holding the first substrate to the pressurizing member.
[0022]
The first substrate 210 has a structure in which a moving body 211 is formed in the center, and the moving body 211 is supported by a support spring 212 with a degree of freedom set in the X direction. The support spring 212 has a structure in which rectangular frames are continuously connected at the center of the long side portion. In the support spring 212, the aspect ratio is increased by reducing the width of the rectangular frame and increasing the thickness thereof, thereby preventing torsional deformation. The first substrate 210 is not provided with a guide portion as in the first embodiment. This is because the structure of the support spring 212 substantially functions sufficiently as a guide portion. Since the structure of the second substrate 220 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0023]
The first spacer 240 adjusts the contact pressure between the vibrating body 221 and the moving body 211 formed on the second substrate 220. That is, by adjusting the distance between the displacement mechanism portion of the vibrating body 221 and the sliding surface of the moving body 211, the amount of displacement is adjusted (the lateral component of the contact force) so that optimum movement control can be performed. . The operating principle of the moving body 211 is as described above.
[0024]
The pressurizing member 230 has a configuration in which a cross-shaped through beam 232 is formed in the central hole 231. Protrusions 233 for pressing the vibrating body 221 are formed in the vicinity of both ends of the through beam 232, and the top portion thereof is the vibrating body 221. It contacts the lower surface of the. The amount of pressurization can be adjusted by the height of the protrusion 233 and the elastic force of the through beam 232. The shape of the pressurizing member 230 is not limited to that shown in the figure, and may be any shape as long as an appropriate pressurizing force can be applied to the vibrating body 211. For example, as shown in FIG. 6A, two beams 234 may be extended from both sides of the center hole 231, and a protrusion 235 may be provided at the tip of the beam to apply pressure. Further, as shown in FIG. 5B, the pressurizing unit 236 may be supported by a rectangular frame-shaped support spring 237.
[0025]
The second spacer 260 is disposed between the first substrate 210 and the second substrate 220 and manages the pressurization by this thickness. The first substrate 210, the second substrate 220, and the pressurizing member 230 are held on the fixing member 250 by the holding member 270. The first substrate 110 of the first embodiment can be used instead of the first substrate 210. Moreover, the number of displacement mechanism parts is not limited to four. What is necessary is just to determine according to a required driving force.
[0026]
Although not shown in the drawings, as a modification of the first and second embodiments, a displacement mechanism portion having two sizes of large and small sizes may be provided. According to this configuration, coarse movement control can be performed by a large displacement mechanism unit, and fine movement control can be performed by a small displacement mechanism unit.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the piezoelectric actuator of the present invention, since a piezoelectric element is provided in the shape of a flat plate-like displacement mechanism, process processing can be performed, a highly accurate shape can be obtained, and manufacture capable of mass reduction and cost reduction can be performed. . Functions of the shape and moving distance of the moving body can be realized according to desired specifications. Further, since the vibrating body follows the moving body, stable movement control is possible.
[0028]
Next, according to the piezoelectric actuator of the present invention, since the vibrating body is supported so as to follow and follow the surface of the moving body, stable movement control corresponding to the moving distance and the posture of the moving body is possible. Become.
Next, according to the piezoelectric actuator of the present invention, the moving direction of the moving body is regulated by the structure and the configuration method of the spring portion that supports the moving body, so that the moving body can be accurately detected with the minimum component configuration. It becomes possible to regulate the moving direction.
[0029]
Next, according to the piezoelectric actuator of the present invention, since the pressurizing means for pressurizing and contacting the vibrating body and the moving body is provided, further stable movement control can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an assembly diagram illustrating a piezoelectric actuator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective explanatory view showing a back surface of a vibrating body of a second substrate shown in FIG.
FIG. 3 is an explanatory view showing a modification of a vibrating body.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the driving principle of the piezoelectric actuator of the present invention.
FIG. 5 is an assembly diagram showing a piezoelectric actuator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory view showing a modification of the pressurizing member.
FIG. 7 is a perspective view showing an example of a conventional piezoelectric actuator.
FIG. 8 is an enlarged plan view showing a support spring.
FIG. 9 is a structural explanatory view showing a support spring;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Piezoelectric actuator 110 1st board | substrate 111 Movable stage 112 Support spring 113 Guide protrusion 114 Guide groove 120 2nd board | substrate 121 Vibrating body 122 X direction axis | shaft 123 Frame body 124 Y direction axis 125 Substrate part 126 Displacement mechanism part 127 Protrusion 128 Piezoelectric element 129 Electrode 131 Counter torsion shaft 1
132 Counter torsion shaft 2
133 Anti-torsion support spring 200 Piezoelectric actuator 210 First substrate 211 Moving body 220 Second substrate 221 Vibrating body 230 Pressurizing member 231 Central hole 232 Through beam 233 Protrusion 234 Beam 235 Protrusion 236 Pressing portion 237 Support spring 240 First spacer 250 Fixed substrate 260 Second spacer 300 Piezoelectric actuator 301 Fixed base 302 Extraction portion 303 Movable table 304 Support spring 304a Long side 304b Short side 305 Guide portion 306 Multilayer piezoelectric element

Claims (4)

振動体と、前記振動体内部に設けられ、前記振動体に対し自由に可動する自由端部と前記振動体に固定された固定端部を有する変位機構部と、前記変位機構部の一方の面に接合され、その屈曲により接合された前記自由端部を可動する圧電素子と、前記変位機構部の他方の面に接触する移動体とを備える圧電アクチュエータにおいて、
前記移動体は、該移動体の周囲に形成された第1の枠体に対して支持バネにより支持され、一方、前記振動体は、該振動体の周囲に形成された第 2 の枠体に対して軸状の部材により支持され、その結果、前記移動体と前記振動体とは互いに姿勢が対向して追従するように揺動することを特徴とする圧電アクチュエータ。
A vibrating body, a displacement mechanism provided inside the vibrating body and having a free end that is freely movable with respect to the vibrating body, a fixed end fixed to the vibrating body, and one surface of the displacement mechanism In a piezoelectric actuator comprising: a piezoelectric element that moves the free end joined by bending thereof, and a moving body that contacts the other surface of the displacement mechanism part;
The moving body is supported by a support spring with respect to a first frame formed around the moving body, while the vibrating body is attached to a second frame formed around the vibrating body. On the other hand , the piezoelectric actuator is supported by a shaft-like member, and as a result, the movable body and the vibrating body swing so that their postures face each other and follow each other .
前記移動体と前記支持バネと前記第1の枠体とが一体成形された第1の基板と、前記振動体と前記軸状部材と前記第2の枠体とが一体成形された第2の基板と、からなることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータ。 A second substrate in which the movable body, the support spring, and the first frame body are integrally molded, and the vibration body, the shaft-shaped member, and the second frame body are integrally molded. The piezoelectric actuator according to claim 1, comprising a substrate . 前記移動体はガイド用の突起を有し、また、前記第1の枠体は、前記ガイド用の突起と係合して前記移動体の移動方向を規制するガイド用の溝を有することを特徴とする請求項1または2に記載の圧電アクチュエータ。 The moving body has a guide protrusion, and the first frame body has a guide groove that engages with the guide protrusion and restricts the moving direction of the moving body. The piezoelectric actuator according to claim 1 or 2. さらに、前記振動体の前記移動体と接触する反対側の面から、前記振動体に対して、前記振動体と前記移動体との接触圧力が強化されるように与圧をかける与圧手段を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。Furthermore, pressurizing means for applying a pressure to the vibrating body from the opposite surface of the vibrating body that contacts the moving body so that a contact pressure between the vibrating body and the moving body is enhanced. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric actuator is provided.
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