JP4484502B2 - 圧電アクチュエータおよび駆動装置 - Google Patents
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Description
40<a×L1 b×L2 c
なる関係式を満たすことを特徴としている。
f=a×hb×wc
なるモデル式で直線近似フィッティングをして導出された定数をa、bおよびcとしたとき、L1およびL2が、
40<a×L1 b×L2 c
なる関係式を満たすことを特徴としている。
40<150×L1 −1.0×L2 0.25
なる関係式を満たすことを特徴としている。
本発明の圧電アクチュエータ1の作製方法を以下に示す。
以下に、本発明の圧電アクチュエータ1に交流電圧を印加したときの動作を説明する。
図6に示すように、片持ち梁の矩形の弾性体については、その弾性体のヤング率をY、密度をρ、固定端からの高さをh、振動方向の長さをwとしたとき、たわみ1次振動の共振周波数は、以下の数式1により表されることが知られている。図中の矢印は、たわみ1次振動を表している。
h≒w
または
h<w
のような形状の弾性体に対して成り立つモデル式
f=a×hb×wc
を仮定した。ここで、a、bおよびcは定数である。なお、圧電アクチュエータの形状はh≒w
であってもよいが、
h<w
であることが好ましい。
f=a×hb×wc
の両辺の対数をとると
logf=loga+b×logh+c×logw
と表される。図9は、wが一定である実施例3〜5の圧電アクチュエータについてloghに対するlogfmをプロットしたグラフ、およびそのプロットに最小二乗法によりフィッティングして得た直線を表す図である。周波数fの単位はkHz、hおよびwの単位はmmである(以下も同様)。図9で、フィッティングにより得られた直線の傾きbは−1.0であった。
fcal=150×L1 −1.0×L2 0.25kHz
で表されることが確認された。fcalは、フィッティングにより得られた定数および実測された圧電アクチュエータの長さをモデル式に代入したときのfの計算値を表わすこととする。図11は、実施例1〜5および比較例1の圧電アクチュエータのfmおよびfcalを示す図である。図11に示すように、fmとfcalの1kHz以内の誤差で十分に合致することが確認された。
40<150×L1 −1.0×L2 0.25
の関係を満たせば、たわみ1次振動の共振周波数を従来の圧電アクチュエータの共振周波数に比べて高周波数側にシフトさせることができ、印加する交流電圧の周波数を非共振の周波数領域で大きくとることができる。その結果、圧電アクチュエータの最大駆動速度を、従来の圧電アクチュエータより大きくすることができる。
f=a×hb×wc
中の定数a、bおよびcに反映されていると仮定することができるが、特に定数aに大きく反映されると考えられる。本実施例に用いられる圧電体の材料より、ヤング率が大きく、密度が小さい材料については、定数aは大きくなると推定される。したがって、そのような材料の圧電アクチュエータについても
40<150×L1 −1.0×L2 0.25
の関係を満たせば、たわみ1次振動の共振周波数が従来の圧電アクチュエータの共振周波数より大きいと考えてよい。その結果、ヤング率(Y33)が6.5×1010N/m2以上で、密度が7.8×103kg/m3以下の材料を用いる上式を満たす圧電アクチュエータについては、従来の圧電アクチュエータより、印加する交流電圧の周波数を非共振の周波数領域で大きくとることができ、圧電アクチュエータの最大駆動速度を大きくすることができる。
f=a×hb×wc
なるモデル式で直線近似フィッティングをして導出された定数をa、bおよびcとしたとき、L1およびL2が、
40<a×L1 b×L2 c
なる関係式を満たせば、共振周波数が従来の圧電アクチュエータの共振周波数より大きくなると推定できる。したがって、この関係から材料が異なっていても、矩形の圧電アクチュエータについて、その形状によって定まる固有の共振周波数を高周波数側にシフトさせることができ、印加する交流電圧の周波数を非共振の周波数領域で大きくとることができる。その結果、圧電アクチュエータの最大駆動速度を、従来の圧電アクチュエータより大きくすることができる。
40<116×L1 −1.0×L2 0.25
の関係を満たせば、たわみ1次振動の共振周波数が従来の圧電アクチュエータの共振周波数より大きいと推定できる。
2 本体部
3a シム部
3b シム部
4 平面電極
5 伸縮変位部
6 剪断変位部
7a 圧電体
7b 圧電体
8a 平面電極
8b 平面電極
21 GND用の取り出し電極
21L リード線
22 伸縮変位部用取り出し電極
22L リード線
23 剪断変位部用取り出し電極
23L リード線
30 固定板
31 ステージ
fcal 計算値
fm 実測値
Claims (5)
- 第1の圧電体と第1の平面電極とが交互に積層され、前記第1の圧電体は前記第1の平面電極の表面に垂直な第1の方向に分極した伸縮変位部と、
前記第1の方向に前記伸縮変位部に連結され、第2の圧電体と第2の平面電極とが交互に積層され、前記第2の圧電体は前記第2の平面電極に平行な第2の方向に分極した剪断変位部と、を備え、
前記第1の方向に平行な辺および前記第2の方向に平行な辺を各々1辺として有する矩形状の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電アクチュエータの前記第1の方向の長さをL1mm、前記第2の方向の長さをL2mmとし、
前記圧電アクチュエータと同一材料の矩形の圧電アクチュエータについて実測されたその長さと共振周波数に基づいて導出された定数をa、bおよびcとしたとき、
L1およびL2が、
40<a×L1 b×L2 c
2.85≦L 1 ≦5.65
11≦L 2 ≦17
なる関係式を満たすことで、共振周波数を高周波数側にシフトさせ、非共振の周波数領域を拡張していることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 第1の圧電体と第1の平面電極とが交互に積層され、前記第1の圧電体は前記第1の平面電極の表面に垂直な第1の方向に分極した伸縮変位部と、
前記第1の方向に前記伸縮変位部に連結され、第2の圧電体と第2の平面電極とが交互に積層され、前記第2の圧電体は前記第2の平面電極に平行な第2の方向に分極した剪断変位部と、を備え、
前記第1の方向に平行な辺および前記第2の方向に平行な辺を各々1辺として有する矩形状の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電アクチュエータの前記第1の方向の長さをL1mm、前記第2の方向の長さをL2mmとし、
前記圧電アクチュエータとは材料が同一で矩形状である複数の圧電アクチュエータのたわみ1次振動について、各々の高さhmm、振動方向の長さwmm、および特定の測定方法により実測されたその共振周波数fkHzのプロットから、最小二乗法により
f=a×hb×wc
なるモデル式で直線近似フィッティングをして導出された定数をa、bおよびcとしたとき、
L1およびL2が、
40<a×L1 b×L2 c
2.85≦L 1 ≦5.65
11≦L 2 ≦17
なる関係式を満たすことで、共振周波数を高周波数側にシフトさせ、非共振の周波数領域を拡張していることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 第1の圧電体と第1の平面電極とが交互に積層され、前記第1の圧電体は前記第1の平面電極の表面に垂直な第1の方向に分極した伸縮変位部と、
前記第1の方向に前記伸縮変位部に連結され、第2の圧電体と第2の平面電極とが交互に積層され、前記第2の圧電体は前記第2の平面電極に平行な第2の方向に分極した剪断変位部と、を備え、
前記第1の方向に平行な辺および前記第2の方向に平行な辺を各々1辺として有する矩形状の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電アクチュエータのヤング率(Y33)は6.5×1010N/m2以上、前記圧電アクチュエータの密度は7.8×103kg/m3以下であって、
前記第1の方向の長さをL1mm、前記第2の方向の長さをL2mmとしたとき、
L1およびL2が、
40<150×L1 −1.0×L2 0.25
2.85≦L 1 ≦5.65
11≦L 2 ≦17
なる関係式を満たすことで、共振周波数を高周波数側にシフトさせ、非共振の周波数領域を拡張していることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記第2の方向に沿って連設された請求項1から請求項3のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備え、各々の前記圧電アクチュエータが楕円または多角形の軌道の運動を行なうことにより、被駆動体を前記第2の方向に送ることを特徴とする駆動装置。
- 第1の圧電体と第1の平面電極とが交互に積層され、前記第1の圧電体は前記第1の平面電極の表面に垂直な第1の方向に分極した伸縮変位部と、
前記第1の方向に前記伸縮変位部に連結され、第2の圧電体と第2の平面電極とが交互に積層され、前記第2の圧電体は前記第2の平面電極に平行な第2の方向に分極した剪断変位部と、を備え、
前記第1の方向に平行な辺および前記第2の方向に平行な辺を各々1辺として有する矩形状の圧電アクチュエータの製造方法において、
前記圧電アクチュエータの前記第1の方向の長さをL 1 mm、前記第2の方向の長さをL 2 mmとし、
前記圧電アクチュエータと同一材料の矩形の圧電アクチュエータについて実測されたその長さと共振周波数に基づいて導出された定数をa、bおよびcとしたとき、
L 1 およびL 2 が、
40<a×L 1 b ×L 2 c
2.85≦L 1 ≦5.65
11≦L 2 ≦17
なる関係式を満たす寸法に設計することで、前記設計された圧電アクチュエータの共振周波数を高周波数側にシフトさせ、非共振の周波数領域を拡張していることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
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