JP5776269B2 - Piezoelectric actuator, robot and robot hand - Google Patents

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本発明は、圧電アクチュエーター、ロボット及びロボットハンドに関する。   The present invention relates to a piezoelectric actuator, a robot, and a robot hand.

圧電アクチュエーターは、高周波の交流電圧等の駆動電圧を機械的振動に変換する圧電素子と、該圧電素子によって駆動される被駆動部と、を少なくとも有する駆動装置である。圧電モーターは、圧電アクチュエーターの一種である。圧電モーターは、上述の被駆動部としてローターを用いた駆動装置であり、圧電素子の振動を回転力として利用可能な駆動装置である。一般的に圧電素子は、圧電素子を補強し該圧電素子と共に振動する振動板と積層されて用いられる。そして圧電素子は、他の部材により振動可能に保持、すなわち固定されることが一般的である。例えば特許文献1では、圧電素子を該圧電素子に付加された支持部により支持台に固定する手法が提案されている。   The piezoelectric actuator is a driving device having at least a piezoelectric element that converts a driving voltage such as a high-frequency AC voltage into mechanical vibration and a driven portion that is driven by the piezoelectric element. A piezoelectric motor is a type of piezoelectric actuator. The piezoelectric motor is a driving device that uses a rotor as the above-mentioned driven portion, and is a driving device that can use the vibration of the piezoelectric element as a rotational force. Generally, a piezoelectric element is used by being laminated with a diaphragm that reinforces the piezoelectric element and vibrates together with the piezoelectric element. In general, the piezoelectric element is held or fixed so as to be vibrated by another member. For example, Patent Document 1 proposes a method of fixing a piezoelectric element to a support base by a support portion added to the piezoelectric element.

特開2008−122381号公報JP 2008-122381 A

しかし、上述の圧電アクチュエーターは、支持部が圧電素子及び振動板の動作すなわち振動を阻害しかねないとう課題がある。支持部は振動板を固定すると共に、該振動板と共に振動もする部材である。したがって、形状あるいは材質によっては、振動板の振動を阻害して圧電アクチュエーターの性能を低下の原因となってしまうという課題がある。   However, the above-described piezoelectric actuator has a problem that the support portion may hinder the operation of the piezoelectric element and the diaphragm, that is, vibration. The support portion is a member that fixes the vibration plate and also vibrates with the vibration plate. Therefore, depending on the shape or material, there is a problem that the vibration of the diaphragm is hindered and the performance of the piezoelectric actuator is reduced.

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、以下の形態または適用例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 or application examples.

[適用例1]本適用例の圧電アクチュエーターは、圧電素子及び短辺と長辺とを有する平面視で長方形の振動板を積層した積層体と、上記振動板の長辺から該長辺に略直交する方向に延在する支持部と、を含む圧電アクチュエーターであって、上記支持部における上記長辺に沿った方向の寸法である幅と上記支持部の上記長辺から突出する方向の寸法である長さとの比が略1:1〜略1:4の範囲内であることを特徴とする。   [Application Example 1] A piezoelectric actuator of this application example includes a laminated body in which rectangular diaphragms are stacked in a plan view having a piezoelectric element and short sides and long sides, and a long side from the long side of the diaphragm to the long side. A piezoelectric actuator including a support portion extending in a direction orthogonal to each other, wherein the support portion has a width in a direction along the long side and a size in a direction protruding from the long side of the support portion. The ratio with a certain length is in the range of about 1: 1 to about 1: 4.

このような構成であれば、圧電素子の振動を効率的に駆動力に変換できる。したがって、小型化かつ軽量化されており、消費電力も低減された圧電アクチュエーターを得ることができる。   With such a configuration, the vibration of the piezoelectric element can be efficiently converted into a driving force. Therefore, it is possible to obtain a piezoelectric actuator that is reduced in size and weight and has reduced power consumption.

[適用例2]上述の圧電アクチュエーターであって、上記比が略1:1であることを特徴とする圧電アクチュエーター。   Application Example 2 A piezoelectric actuator according to the above-described piezoelectric actuator, wherein the ratio is approximately 1: 1.

このような構成であれば、圧電素子の振動をより一層効率的に駆動力に変換できる。したがって、より一層小型化かつ軽量化されており、消費電力もより一層低減された圧電アクチュエーターを得ることができる。   With such a configuration, the vibration of the piezoelectric element can be converted into driving force more efficiently. Therefore, it is possible to obtain a piezoelectric actuator that is further reduced in size and weight and further reduced in power consumption.

[適用例3]上述の圧電アクチュエーターであって、上記比が略1:3〜略1:4の範囲内であることを特徴とする圧電アクチュエーター。   Application Example 3 The piezoelectric actuator described above, wherein the ratio is in a range of about 1: 3 to about 1: 4.

このような構成であれば、圧電素子の振動をより一層効率的に駆動力に変換できる。したがって、より一層小型化かつ軽量化されており、消費電力もより一層低減された圧電アクチュエーターを得ることができる。   With such a configuration, the vibration of the piezoelectric element can be converted into driving force more efficiently. Therefore, it is possible to obtain a piezoelectric actuator that is further reduced in size and weight and further reduced in power consumption.

[適用例4]上述の圧電アクチュエーターであって、上記振動板は、上記長辺の寸法が略7.0mmであり上記短辺の寸法が略2.0mmであることを特徴とする圧電アクチュエーター。   Application Example 4 In the piezoelectric actuator described above, the diaphragm has a long side dimension of approximately 7.0 mm and a short side dimension of approximately 2.0 mm.

このような寸法の振動板を備える圧電アクチュエーターは、圧電素子の振動をより一層効率的に駆動力に変換できる。したがって、より一層小型化かつ軽量化されており、消費電力もより一層低減された圧電アクチュエーターを得ることができる。   A piezoelectric actuator provided with a diaphragm having such dimensions can convert the vibration of the piezoelectric element into driving force more efficiently. Therefore, it is possible to obtain a piezoelectric actuator that is further reduced in size and weight and further reduced in power consumption.

[適用例5]上述の圧電アクチュエーターであって、上記振動板は、上記長辺の寸法が略21.0mmであり上記短辺の寸法が略5.6mmであることを特徴とする圧電アクチュエーター。   Application Example 5 In the piezoelectric actuator described above, the diaphragm has a long side dimension of approximately 21.0 mm and a short side dimension of approximately 5.6 mm.

このような寸法の振動板を備える圧電アクチュエーターは、圧電素子の振動をより一層効率的に駆動力に変換できる。したがって、より一層小型化かつ軽量化されており、消費電力もより一層低減された圧電アクチュエーターを得ることができる。   A piezoelectric actuator provided with a diaphragm having such dimensions can convert the vibration of the piezoelectric element into driving force more efficiently. Therefore, it is possible to obtain a piezoelectric actuator that is further reduced in size and weight and further reduced in power consumption.

[適用例6]上述の圧電アクチュエーターであって、上記振動板及び上記支持部はSUS301又はFe−42Ni合金からなることを特徴とする圧電アクチュエーター。   Application Example 6 In the piezoelectric actuator described above, the diaphragm and the support portion are made of SUS301 or Fe-42Ni alloy.

このような材料で形成された振動板を備える圧電アクチュエーターは、圧電素子の振動をより一層効率的に駆動力に変換できる。したがって、より一層小型化かつ軽量化されており、消費電力もより一層低減された圧電アクチュエーターを得ることができる。   A piezoelectric actuator including a diaphragm formed of such a material can convert the vibration of the piezoelectric element into a driving force more efficiently. Therefore, it is possible to obtain a piezoelectric actuator that is further reduced in size and weight and further reduced in power consumption.

[適用例7]上述の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とするロボットハンド。   Application Example 7 A robot hand including the piezoelectric actuator described above.

このような構成であれば、ロボットハンドを、同一の作業の用いられる他のロボットハンドに比べて小型化そして軽量化することが可能となる。   With such a configuration, the robot hand can be made smaller and lighter than other robot hands that use the same work.

[適用例8]上述のロボットハンドを備えたことを特徴とするロボット。   Application Example 8 A robot including the above-described robot hand.

このような構成であれば、ロボットを、同一の作業の用いられる他のロボットに比べて小型化そして軽量化することが可能となる。そしてこのような構成のロボットであれば、同一の作業を他のロボットに比べて低い消費電力で実施できる。   With such a configuration, the robot can be reduced in size and weight as compared with other robots that use the same work. And if it is a robot of such a structure, the same operation | work can be implemented with low power consumption compared with another robot.

第1の実施形態にかかる圧電モーターの分解斜視図。1 is an exploded perspective view of a piezoelectric motor according to a first embodiment. 圧電素子の第2電極の区分を突出部と共に示す平面図。The top view which shows the division of the 2nd electrode of a piezoelectric element with a protrusion part. 第1の実施形態の圧電モーターが備える振動体を示す平面図。The top view which shows the vibrating body with which the piezoelectric motor of 1st Embodiment is provided. 縦共振周波数と支持部長さとの関係を、固定時と非固定時の双方で求めた結果を示す図。The figure which shows the result of having calculated | required the relationship between a longitudinal resonance frequency and a support part length in both the time of fixation and non-fixation. 屈曲共振周波数と支持部長さとの関係を、固定時と非固定時の双方で求めた結果を示す図。The figure which shows the result of having calculated | required the relationship between a bending resonant frequency and support part length in both the time of fixation and non-fixation. 固定時の縦共振周波数と非固定時の縦共振周波数との差を求めた結果を示す図。The figure which shows the result of having calculated | required the difference of the longitudinal resonance frequency at the time of fixation, and the longitudinal resonance frequency at the time of non-fixation. 固定時の屈曲共振周波数と非固定時の屈曲共振周波数との差を求めた結果を示す図。The figure which shows the result of having calculated | required the difference of the bending resonance frequency at the time of fixation, and the bending resonance frequency at the time of non-fixing. 第1の実施形態の振動体に屈曲共振周波数の駆動電圧を印加した場合における振動を求めた結果を示す図。The figure which shows the result of having calculated | required the vibration at the time of applying the drive voltage of a bending resonance frequency to the vibrating body of 1st Embodiment. 第2の実施形態にかかる振動体に、屈曲共振周波数の駆動電圧を印加した場合における振動を求めた結果を示す図。The figure which shows the result of having calculated | required the vibration at the time of applying the drive voltage of a bending resonance frequency to the vibrating body concerning 2nd Embodiment. 実施例1の振動体を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating a vibrating body according to the first embodiment. 実施例1の振動板の厚さが略0.5mmである場合の縦共振周波数を、固定時と非固定時の双方について示す図。The figure which shows the longitudinal resonance frequency in case the thickness of the diaphragm of Example 1 is about 0.5 mm about both the time of fixation and non-fixation. 実施例1の振動板の厚さが略1.0mmである場合の縦共振周波数を、固定時と非固定時の双方について示す図。The figure which shows the longitudinal resonance frequency in case the thickness of the diaphragm of Example 1 is about 1.0 mm about both the time of fixation and non-fixation. 実施例1の振動板の厚さが略0.5mmである場合の屈曲共振周波数を、固定時と非固定時の双方について示す図。The figure which shows the bending resonance frequency in case the thickness of the diaphragm of Example 1 is about 0.5 mm about both the time of fixation and non-fixation. 実施例1の振動板の厚さが略1.0mmである場合の屈曲共振周波数を、固定時と非固定時の双方について示す図。The figure which shows the bending resonance frequency in case the thickness of the diaphragm of Example 1 is about 1.0 mm about both the time of fixation and non-fixation. 実施例1の振動板の厚さが略0.5mmである場合における固定時の共振周波数と非固定時の共振周波数の差を、縦共振周波数及び屈曲共振周波数の双方について示す図。The figure which shows the difference of the resonance frequency at the time of fixation and the resonance frequency at the time of non-fixation in the case where the thickness of the diaphragm of Example 1 is about 0.5 mm about both a longitudinal resonance frequency and a bending resonance frequency. 実施例1の振動板の厚さが略1.0mmである場合における固定時の共振周波数と非固定時の共振周波数の差を、縦共振周波数及び屈曲共振周波数の双方について示す図。The figure which shows the difference of the resonance frequency at the time of fixation and the resonance frequency at the time of non-fixation in the case where the thickness of the diaphragm of Example 1 is about 1.0 mm about both a longitudinal resonance frequency and a bending resonance frequency. 材質が異なる複数種の振動体において、該振動体を固定した場合の縦共振周波数と屈曲共振周波数を求めた結果を示す図。The figure which shows the result of having calculated | required the longitudinal resonant frequency and bending | flexion resonant frequency at the time of fixing this vibrating body in the multiple types of vibrating body from which material differs. 材質が異なる複数種の振動体において、該振動体を固定しない場合の縦共振周波数と屈曲共振周波数を求めた結果を示す図。The figure which shows the result of having calculated | required the longitudinal resonant frequency and bending | flexion resonant frequency when not fixing this vibrating body in the multiple types of vibrating body from which material differs. 材質が異なる複数種の振動体において、固定時の縦共振周波数と非固定時の縦共振周波数との差、及び、固定時の屈曲共振周波数と非固定時の屈曲共振周波数との差を求めた結果を示す図。For multiple types of vibrators with different materials, the difference between the longitudinal resonant frequency when fixed and the longitudinal resonant frequency when not fixed, and the difference between the flexural resonant frequency when fixed and the flexural resonant frequency when not fixed were determined. The figure which shows a result. 第3の実施形態にかかるロボットの概略を示す図。The figure which shows the outline of the robot concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態にかかるロボットハンドの概略を示す図。The figure which shows the outline of the robot hand concerning 3rd Embodiment. ロボットハンドが備える第1の指の概略を示す図。The figure which shows the outline of the 1st finger | toe with which a robot hand is provided. 第2の実施形態にかかる振動体を示す平面図。The top view which shows the vibrating body concerning 2nd Embodiment.

以下、本発明の実施形態にかかる圧電アクチュエーターについて、図面を参照しつつ述べる。なお本発明の実施の形態は、以下の各図に示す構造、形状に限定されるものではない。また、以下の各図においては、各構成要素を図面で認識可能な程度の寸法とするため、該構成要素の縮尺を実際とは異ならせてある。   Hereinafter, a piezoelectric actuator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment of the present invention is not limited to the structure and shape shown in the following drawings. In each of the following drawings, the scale of each component is different from the actual scale so that each component can be recognized in the drawing.

(第1の実施形態)
本実施形態、及び後述する各実施形態の圧電アクチュエーターとしての圧電モーターは、振動体11の一部である支持部31の形状に特徴を有している。そこで、まず圧電モーター1の概略について説明した後、支持部31について説明する。
(First embodiment)
The piezoelectric motor as a piezoelectric actuator of this embodiment and each embodiment described later is characterized by the shape of the support portion 31 that is a part of the vibrating body 11. Therefore, first, the outline of the piezoelectric motor 1 will be described, and then the support portion 31 will be described.

<圧電モーター>
図1は、本発明の第1の実施形態にかかる圧電モーター1の分解斜視図である。図示するように、圧電モーター1は、基台2、被駆動部としてのローター(回転体)3、圧電素子30と振動板21の積層体を含む振動体11、振動体11を固定する付勢手段80、等から構成されている。ローター3は、基台2の一方の面に対して略垂直方向の回転軸rを有している。
<Piezoelectric motor>
FIG. 1 is an exploded perspective view of the piezoelectric motor 1 according to the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, a piezoelectric motor 1 includes a base 2, a rotor (rotating body) 3 as a driven part, a vibrating body 11 including a laminate of a piezoelectric element 30 and a diaphragm 21, and an urging force for fixing the vibrating body 11. Means 80 and the like. The rotor 3 has a rotation axis r substantially perpendicular to the one surface of the base 2.

図示するように、振動体11は、振動板21と該振動板の両面に配置された圧電素子30等で構成されている。圧電素子30は後述するように駆動電圧としての交流電圧の印加により振動する圧電体層40を含む部材であり、平面視で矩形である。振動板21は厚さ略0.5mmのSUS301からなる板状部材であり、圧電素子30と略同一の平面形状を有している。振動板21は、圧電素子30を補強する機能も果たしている。そして振動板21自体は振動しないが、圧電素子30と積層されているため、圧電素子30が振動すると振動板21も略同等に振動する。   As shown in the figure, the vibrating body 11 includes a vibration plate 21 and piezoelectric elements 30 disposed on both surfaces of the vibration plate. As will be described later, the piezoelectric element 30 is a member including a piezoelectric layer 40 that vibrates by application of an alternating voltage as a driving voltage, and is rectangular in plan view. The diaphragm 21 is a plate-like member made of SUS301 having a thickness of about 0.5 mm, and has the same planar shape as the piezoelectric element 30. The diaphragm 21 also functions to reinforce the piezoelectric element 30. Although the vibration plate 21 itself does not vibrate, since it is laminated with the piezoelectric element 30, the vibration plate 21 vibrates substantially equally when the piezoelectric element 30 vibrates.

振動体11は、支持部31と突出部(摺動部)25とをさらに備えている。支持部31は、振動板21の双方の長辺から突き出している部材である。支持部31は、該長辺に略直交する方向に延在する腕状の部分と該腕状の部分の先端に位置する略円形に広がった部分とを有している。そして上述の略円形の部分には、貫通孔27が形成されている。振動板21と支持部31は、上述のSUS301の板材から一体的に成型されている。一方、突出部25はアルミナからなり、振動板21の長辺方向の一方の端部に、該端部から突出するように接着されている。なお、突出部25は、支持部31と同様に振動板と一体的に形成することもできる。   The vibrating body 11 further includes a support portion 31 and a protruding portion (sliding portion) 25. The support portion 31 is a member protruding from both long sides of the diaphragm 21. The support portion 31 has an arm-shaped portion extending in a direction substantially orthogonal to the long side and a portion that extends in a substantially circular shape located at the tip of the arm-shaped portion. And the through-hole 27 is formed in the above-mentioned substantially circular part. The diaphragm 21 and the support part 31 are integrally molded from the above-described SUS301 plate material. On the other hand, the protruding portion 25 is made of alumina, and is bonded to one end portion in the long side direction of the diaphragm 21 so as to protrude from the end portion. Note that the protruding portion 25 can be formed integrally with the diaphragm in the same manner as the support portion 31.

振動体11は、突出部25がローター3に所定の圧力で当接するように支持部31を(正確には貫通孔27)介して、後述する付勢手段80に固定されている。駆動電圧の印加により圧電素子30が振動すると、圧電素子30に積層された部材である振動板21、及び該振動板を含む振動体11全体が振動する。そして後述するように、振動板21の端部から突出する突出部25は、楕円軌道を描くように振動する。ローター3が、かかる楕円軌道を描く振動が伝導されて所定の速度で回転することで、圧電モーター1としての機能を果たす。   The vibrating body 11 is fixed to a biasing means 80 (described later) via the support portion 31 (more precisely, the through hole 27) so that the protruding portion 25 contacts the rotor 3 with a predetermined pressure. When the piezoelectric element 30 vibrates due to the application of the drive voltage, the diaphragm 21 that is a member laminated on the piezoelectric element 30 and the entire vibrator 11 including the diaphragm vibrate. As will be described later, the protruding portion 25 protruding from the end of the diaphragm 21 vibrates so as to draw an elliptical orbit. The rotor 3 fulfills the function as the piezoelectric motor 1 by being transmitted at a predetermined speed by the vibration drawing the elliptical orbit.

ここで圧電素子30について説明する。図示するように、圧電素子30は、圧電体層40と、圧電体層40の振動板21側に設けられた第1電極50と、圧電体層40の第1電極50とは反対側に設けられた第2電極60と、を含んでいる。第1電極50は、圧電体層40の振動板21側の略全面に亘って形成されている。一方、第2電極60は、第1の溝部71及び第2の溝部72によって、互いに電気的に隔離された5つの電極(第2電極60a〜60e)に分割されている。そして第1電極50は、かかる複数に分割された第2電極60(60a〜60e)に対する共通電極として機能している。なお、第2電極60(60a〜60e)及び溝部(71,72)については後述する。   Here, the piezoelectric element 30 will be described. As shown in the figure, the piezoelectric element 30 is provided on the opposite side of the piezoelectric layer 40, the first electrode 50 provided on the diaphragm 21 side of the piezoelectric layer 40, and the first electrode 50 of the piezoelectric layer 40. Second electrode 60 formed. The first electrode 50 is formed over substantially the entire surface of the piezoelectric layer 40 on the vibration plate 21 side. On the other hand, the second electrode 60 is divided into five electrodes (second electrodes 60 a to 60 e) that are electrically isolated from each other by the first groove portion 71 and the second groove portion 72. The first electrode 50 functions as a common electrode for the plurality of divided second electrodes 60 (60a to 60e). The second electrode 60 (60a to 60e) and the groove portions (71, 72) will be described later.

圧電体層40は、電気機械変換作用を示す圧電材料、特に圧電材料の中でも一般式ABO3で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物からなる。圧電体層40としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、ジルコニウム酸鉛(PbZrO3)、チタン酸鉛ランタン((Pb,La),TiO3)、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O3)又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)(Mg,Nb)O3)等を用いることができる。 The piezoelectric layer 40 is made of a piezoelectric material having an electromechanical conversion action, particularly a metal oxide having a perovskite structure represented by the general formula ABO 3 among piezoelectric materials. As the piezoelectric layer 40, for example, a ferroelectric material such as lead zirconate titanate (PZT) or a material obtained by adding a metal oxide such as niobium oxide, nickel oxide, or magnesium oxide to the ferroelectric material is suitable. Specifically, lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), lead lanthanum titanate ((Pb, La), TiO 3 ) ), Lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ) or lead magnesium titanate zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) (Mg, Nb) O 3 ), etc. Can do.

図2は、圧電素子30の第2電極60の区分を突出部25と共に示す平面図である。第2電極60は、第1の溝部71により短辺方向に略三等に分割されている。そして短辺方向における両側の2つの電極は、第2の溝部72によって、さらに長辺方向に略二等に分割されている。したがって第2電極60は、第2電極60a〜60eの計5つの電極に分割されている。   FIG. 2 is a plan view showing a section of the second electrode 60 of the piezoelectric element 30 together with the protruding portion 25. The second electrode 60 is divided into approximately third grades in the short side direction by the first groove 71. Then, the two electrodes on both sides in the short side direction are further divided into approximately two equal parts in the long side direction by the second groove portion 72. Therefore, the second electrode 60 is divided into a total of five electrodes, the second electrodes 60a to 60e.

第2電極60a、第2電極60e、及び第2電極60cのみに選択的に駆動電圧を印加すると、圧電素子30には、主に第2電極60cによって圧電素子30の長辺方向の略中心を中心に伸縮する縦一次振動が励振される。また、主に第2電極60aと第2電極60eによって、圧電素子30の面内で縦一次振動と直交する方向、つまり圧電素子30の短軸方向に沿って屈曲する屈曲二次振動が励振される。   When a drive voltage is selectively applied only to the second electrode 60a, the second electrode 60e, and the second electrode 60c, the piezoelectric element 30 is mainly centered in the long side direction of the piezoelectric element 30 by the second electrode 60c. A longitudinal primary vibration that expands and contracts in the center is excited. In addition, the second electrode 60a and the second electrode 60e mainly excite a bending secondary vibration that bends in the direction orthogonal to the longitudinal primary vibration in the plane of the piezoelectric element 30, that is, along the minor axis direction of the piezoelectric element 30. The

上記双方の振動の程度、すなわち圧電素子30の振幅は、駆動電圧の周波数によって変動する。振幅の逆数を振動体11のインピーダンスとした場合、駆動周波数に対してインピーダンスが極小となる周波数、すなわち振幅がピークとなる周波数が、上記双方の振動毎に現れる。かかる周波数が共振周波数(共振点)である。縦一次振動がピークとなる周波数が縦共振周波数(fr1)であり、屈曲二次振動がピークとなる周波数が屈曲共振周波数(fr2)である。そして、縦共振周波数の方が屈曲共振周波数よりも低い値(周波数)となる。双方の共振周波数の略中間の周波数で圧電アクチュエーターを駆動することで、圧電素子30に縦一次振動と屈曲二次振動の双方を励振させることができる。
そして、かかる縦一次振動と屈曲二次振動とを組み合せることで、圧電素子30に、図2における二点鎖線で示されるように伸縮しながら屈曲する振動を励振させることができる。その結果、突出部25は、かかる2つの振動を組み合わせた楕円軌道Rを描いて振動する。
The degree of both vibrations, that is, the amplitude of the piezoelectric element 30 varies depending on the frequency of the drive voltage. When the reciprocal of the amplitude is the impedance of the vibrating body 11, the frequency at which the impedance is minimum with respect to the driving frequency, that is, the frequency at which the amplitude reaches a peak appears for each of both vibrations. Such a frequency is a resonance frequency (resonance point). The frequency at which the longitudinal primary vibration peaks is the longitudinal resonance frequency (fr1), and the frequency at which the bending secondary vibration peaks is the bending resonance frequency (fr2). The longitudinal resonance frequency is a lower value (frequency) than the bending resonance frequency. By driving the piezoelectric actuator at a frequency approximately in the middle between both resonance frequencies, the piezoelectric element 30 can be excited with both longitudinal primary vibration and bending secondary vibration.
Then, by combining the longitudinal primary vibration and the bending secondary vibration, the piezoelectric element 30 can be excited to bend and vibrate while expanding and contracting as indicated by a two-dot chain line in FIG. As a result, the projecting portion 25 vibrates while drawing an elliptical orbit R combining the two vibrations.

突出部25を反対方向に回転させる場合には、圧電素子30において駆動電圧を印加する第2電極60を、振動体11の長辺方向に沿った中心線を軸として線対称に切り替えればよい。すなわち、複数に分割された第2電極60のうち、第2電極60b、第2電極60d及び第2電極60cのみに選択的に駆動電圧を印加することにより得られる縦一次振動と、第2電極60bと第2電極60dによって得られる屈曲二次振動とを組み合せることで、図示する回転(振動)方向(右回り方向)とは反対の方向に回転する楕円振動を得ることができる。   When the protrusion 25 is rotated in the opposite direction, the second electrode 60 to which the drive voltage is applied in the piezoelectric element 30 may be switched symmetrically about the center line along the long side direction of the vibrator 11. That is, a longitudinal primary vibration obtained by selectively applying a driving voltage only to the second electrode 60b, the second electrode 60d, and the second electrode 60c among the plurality of divided second electrodes 60, and the second electrode By combining the bending secondary vibration obtained by 60b and the second electrode 60d, it is possible to obtain an elliptical vibration that rotates in a direction opposite to the illustrated rotation (vibration) direction (clockwise direction).

ここで図1に戻り、付勢手段80について説明する。付勢手段80は、振動体11を保持する保持部材81と、保持部材81に一端が固定されたコイルばね等のばね部材82と、ばね部材82の他端に当接すると共に基台2に固定された支持ピン83と、を少なくとも備えている。   Here, returning to FIG. 1, the biasing means 80 will be described. The biasing means 80 is in contact with the holding member 81 that holds the vibrating body 11, a spring member 82 such as a coil spring having one end fixed to the holding member 81, and the other end of the spring member 82 and is fixed to the base 2. And at least a support pin 83.

保持部材81は、振動体11の支持部31が固定される一対の固定部84と、固定部84の間に一体的に設けられて基台2に対してスライド移動可能に支持されるスライド部85とを備えている。固定部84には、支持部31の貫通孔27に対応して、ねじ部材86が螺合される雌ねじ部87が形成されている。この雌ねじ部87に支持部31の後述する貫通孔27を挿通したねじ部材86を螺合させることで、振動体11は保持部材81に対して固定される。   The holding member 81 includes a pair of fixed portions 84 to which the support portion 31 of the vibrating body 11 is fixed, and a slide portion that is integrally provided between the fixed portions 84 and is slidably supported with respect to the base 2. 85. In the fixing portion 84, a female screw portion 87 to which the screw member 86 is screwed is formed corresponding to the through hole 27 of the support portion 31. The vibrating body 11 is fixed to the holding member 81 by screwing a screw member 86 inserted through a through hole 27 described later of the support portion 31 into the female screw portion 87.

スライド部85には、厚さ方向に貫通し、且つスライド方向に延設された長孔である2つのスライド孔88が設けられている。そして、各スライド孔88に挿通されて基台2に固定されたスライドピン89によって、スライド部85は基台2に対してスライド移動可能に支持されている。   The slide portion 85 is provided with two slide holes 88 that are long holes penetrating in the thickness direction and extending in the slide direction. The slide portion 85 is supported so as to be slidable with respect to the base 2 by slide pins 89 inserted into the slide holes 88 and fixed to the base 2.

ばね部材82は、スライド部85のスライド方向に沿って配置されたコイルばねである。ばね部材82は、固定部84に一端が固定されると共に、基台2に固定された支持ピン83の側面に他端が当接するように配置されている。ばね部材82は、振動体11が備える突出部25をローター3に向かって付勢、すなわち押圧する。かかる状態で圧電素子30に楕円軌道を描く振動を発生させることで、ローター3を回転駆動することができる。上述したように、圧電素子30は任意の方向の楕円振動を発生させることができる。したがって、本実施形態の圧電モーター1は、右回り(正転)と左回り(逆転)とのどちらの方向にも回転可能である。   The spring member 82 is a coil spring disposed along the slide direction of the slide portion 85. The spring member 82 is arranged such that one end is fixed to the fixing portion 84 and the other end is in contact with the side surface of the support pin 83 fixed to the base 2. The spring member 82 urges, that is, presses, the protrusion 25 included in the vibrating body 11 toward the rotor 3. In this state, the rotor 3 can be rotationally driven by generating a vibration that draws an elliptical orbit in the piezoelectric element 30. As described above, the piezoelectric element 30 can generate elliptical vibrations in an arbitrary direction. Therefore, the piezoelectric motor 1 of the present embodiment can rotate in either the clockwise direction (forward rotation) or the counterclockwise direction (reverse rotation).

上述したように、圧電素子30は駆動電圧の印加により振動する。そして、圧電素子30と積層されている振動板21、及び圧電素子30と振動板21の積層体を含む振動体11も同様に振動する。すなわち、圧電素子30及び該圧電素子を構成要素とする圧電モーター1は、電気エネルギーを運動エネルギーに変換している。   As described above, the piezoelectric element 30 vibrates when a driving voltage is applied. The vibrating plate 21 laminated with the piezoelectric element 30 and the vibrating body 11 including the laminated body of the piezoelectric element 30 and the vibrating plate 21 vibrate in the same manner. That is, the piezoelectric element 30 and the piezoelectric motor 1 having the piezoelectric element as a constituent element convert electric energy into kinetic energy.

振動体11は支持部31を介して保持部材81の固定部84に固定されている。圧電素子30と振動板21の積層体は、支持部31により保持部材81に固定された状態で振動する。支持部31は、上述の振動をできる限り妨げず、かつ振動体11を保持部材81(の固定部84)に対して固定する機能を果たしている。したがって、支持部31の態様は、電気エネルギーを運動エネルギーに変換する効率であるエネルギー変換効率に大きく影響する。
本実施形態の圧電モーター1は、支持部31の形状(平面形状)を工夫することで、上述のエネルギー変換効率を向上させている。以下、本実施形態の圧電モーター1が備える支持部31について説明する。
The vibrating body 11 is fixed to the fixing portion 84 of the holding member 81 via the support portion 31. The laminated body of the piezoelectric element 30 and the diaphragm 21 vibrates while being fixed to the holding member 81 by the support portion 31. The support portion 31 has a function of preventing the above-described vibration as much as possible and fixing the vibrating body 11 to the holding member 81 (the fixing portion 84 thereof). Therefore, the aspect of the support portion 31 greatly affects the energy conversion efficiency, which is the efficiency of converting electrical energy into kinetic energy.
The piezoelectric motor 1 of the present embodiment improves the above-described energy conversion efficiency by devising the shape (planar shape) of the support portion 31. Hereinafter, the support part 31 with which the piezoelectric motor 1 of this embodiment is provided is demonstrated.

<支持部>
図3は、本実施形態の圧電モーター1が備える振動体11を示す平面図である。なお、本図では、圧電素子30の図示を省略している。振動板21及び支持部31は、好適例として厚さ略0.5mmのSUS301を成型して一体的に形成されている。振動板21の寸法は、長辺aが略7.0mm、短辺bが略2.0mmである。
<Supporting part>
FIG. 3 is a plan view showing the vibrating body 11 provided in the piezoelectric motor 1 of the present embodiment. In addition, illustration of the piezoelectric element 30 is abbreviate | omitted in this figure. The diaphragm 21 and the support portion 31 are integrally formed by molding SUS301 having a thickness of about 0.5 mm as a preferred example. The diaphragm 21 has a long side a of about 7.0 mm and a short side b of about 2.0 mm.

支持部31は、振動板21の長辺方向における略中央から突き出るように形成されている。そして支持部31は、上述したように腕状の部分とその端部の円形の部分とを有している。そして該円形の部分には貫通孔27が形成されている。
ここで、支持部31の腕状の部分における、振動板21の長辺に沿った方向の寸法である幅を、支持部幅Bと定義する。そして、支持部31の腕状の部分における、振動板21の長辺から突出する方向の寸法である長さ、すなわち支持部31の延在する方向の寸法を、支持部長さLと定義する。
The support portion 31 is formed so as to protrude from the approximate center in the long side direction of the diaphragm 21. And the support part 31 has an arm-shaped part and the circular part of the edge part as mentioned above. A through hole 27 is formed in the circular portion.
Here, the width that is the dimension in the direction along the long side of the diaphragm 21 in the arm-shaped portion of the support portion 31 is defined as the support portion width B. The length of the arm-shaped portion of the support portion 31 that is a dimension in a direction protruding from the long side of the diaphragm 21, that is, the dimension in the direction in which the support portion 31 extends is defined as a support portion length L.

好適例における本実施形態の支持部31は、支持部幅Bが略0.6mmであり支持部長さLが略2.0mmである。したがって、支持部幅Bと支持部長さLの比が、略1:3.3である。本実施形態の支持部31は、支持部幅Bと支持部長さLとの比をかかる値とすることで、振動体11を、該振動体の振動を大きく妨げることなく、付勢手段80に固定することを可能としている。すなわち本実施形態の圧電モーター1は、支持部31を上述の形状とすることで、高いエネルギー変換効率を得ている。以下の記載において、支持部幅Bと支持部長さLとの比が、振動体11の振動に及ぼす影響について説明する。   The support part 31 of this embodiment in a preferred example has a support part width B of approximately 0.6 mm and a support part length L of approximately 2.0 mm. Therefore, the ratio of the support part width B to the support part length L is approximately 1: 3.3. The support part 31 of this embodiment sets the ratio of the support part width B and the support part length L to such a value, so that the vibrating body 11 can be applied to the biasing means 80 without greatly disturbing the vibration of the vibrating body. It is possible to fix. That is, the piezoelectric motor 1 of the present embodiment obtains high energy conversion efficiency by making the support portion 31 have the shape described above. In the following description, the influence of the ratio of the support portion width B and the support portion length L on the vibration of the vibrating body 11 will be described.

図4〜図7は、本実施形態の振動体11、及び振動体11と類似する形態であって、支持部幅Bは0.6mmであり支持部長さLの寸法のみを変化させた複数の振動体の共振周波数等を、該振動体を固定した場合と固定しない場合に分けてシミュレーションした結果を示す図である。
なお、振動体11を振動させるためには、支持部31を介して固定する必要がある。しかし、支持部31の形状を好適なものとするためには、支持部31の形状が振動に及ぼす影響を確認する必要がある。そこで上記図4〜図7では、振動体11を固定した場合と振動体11を固定しない場合、言い換えると振動に影響を及ぼさない理想的な支持部31を介して固定して振動させた場合の双方を、シミュレーションで求めている。
4 to 7 are forms similar to the vibrating body 11 and the vibrating body 11 of the present embodiment, in which the support part width B is 0.6 mm, and only a plurality of support part length L dimensions are changed. It is a figure which shows the result of having simulated the resonant frequency etc. of the vibrating body into the case where this vibrating body is fixed, and the case where it is not fixed.
In order to vibrate the vibrating body 11, it is necessary to fix the vibrating body 11 via the support portion 31. However, in order to make the shape of the support portion 31 suitable, it is necessary to confirm the influence of the shape of the support portion 31 on the vibration. Therefore, in FIGS. 4 to 7, when the vibrating body 11 is fixed and when the vibrating body 11 is not fixed, in other words, when the vibrating body 11 is fixed and vibrated via the ideal support portion 31 that does not affect the vibration. Both are sought by simulation.

図4は、縦共振周波数fr1と支持部長さLとの関係を、振動体11の支持部31を固定部84に固定した場合、すなわち振動体11の固定時と、振動体11の非固定時、すなわち振動体11が固定されずに言わば宙に浮いた状態、の双方で求めた結果を示す図である。図示するように、支持部長さLが0.4mm〜2.4mmの範囲、すなわち支持部幅Bと支持部長さLの比が略1:0.66〜略1:4.0の範囲において、固定時の縦共振周波数fr1と非固定時の縦共振周波数fr1は、大きくは乖離していない。すなわち、かかる範囲の支持部31を用いた場合、振動体11を固定部84に固定した場合であっても、非固定時と略同等の縦一次振動が得られると推定される。   4 shows the relationship between the longitudinal resonance frequency fr1 and the support portion length L when the support portion 31 of the vibrating body 11 is fixed to the fixing portion 84, that is, when the vibrating body 11 is fixed and when the vibrating body 11 is not fixed. That is, it is a figure which shows the result calculated | required in both the state which floated in the air, ie, the vibrating body 11 is not fixed. As shown in the figure, the support portion length L is in the range of 0.4 mm to 2.4 mm, that is, the ratio of the support portion width B to the support portion length L is approximately 1: 0.66 to approximately 1: 4.0. The longitudinal resonance frequency fr1 when fixed and the longitudinal resonance frequency fr1 when not fixed are not significantly different from each other. That is, when the support portion 31 in such a range is used, it is estimated that even when the vibrating body 11 is fixed to the fixing portion 84, longitudinal primary vibration substantially equivalent to that when not fixed is obtained.

図5は、屈曲共振周波数fr2と支持部長さLとの関係を、固定時と、非固定時の双方で求めた結果を示す図である。図示するように、支持部長さLが1.5mm〜3.0mmの範囲、すなわち支持部幅Bと支持部長さLの比が略1:2.5〜略1:5.0の範囲において、固定時の屈曲共振周波数fr2と非固定時の屈曲共振周波数fr2は、大きくは乖離していない。   FIG. 5 is a diagram illustrating a result of obtaining the relationship between the bending resonance frequency fr2 and the support portion length L in both the fixed state and the non-fixed state. As shown in the figure, the support portion length L is in the range of 1.5 mm to 3.0 mm, that is, the ratio of the support portion width B to the support portion length L is in the range of approximately 1: 2.5 to approximately 1: 5.0. The flexural resonance frequency fr2 when fixed and the flexural resonance frequency fr2 when not fixed are not significantly different.

しかし、支持部長さLが略1.1mmの近辺、すなわち上述のBとLの比が略1:1.8の近辺では、双方の屈曲共振周波数fr2は極端に大きく乖離している。また、支持部長さLが0.1mm〜0.6mmの範囲、すなわち上述のBとLの比が略1:0.17〜略1:1.7の範囲においても、双方の屈曲共振周波数fr2は略13kHz、すなわち略4.5%乖離している。   However, in the vicinity of the support portion length L of approximately 1.1 mm, that is, in the vicinity of the above-described ratio of B to L of approximately 1: 1.8, both the bending resonance frequencies fr2 are extremely different. Further, even when the support portion length L is in the range of 0.1 mm to 0.6 mm, that is, the ratio of B to L is approximately 1: 0.17 to approximately 1: 1.7, both the bending resonance frequencies fr2 are satisfied. Is approximately 13 kHz, that is, approximately 4.5% apart.

図6は、固定時の縦共振周波数fr1と非固定時の縦共振周波数fr1との差を求めた結果を示す図である。図示するように、支持部長さLが0.4mm〜2.4mmの範囲、すなわちBとLの比が略1:0.66〜略1:4の範囲において、双方の縦共振周波数fr1の差は略1kHz以内に収まっている。
図7は、固定時の屈曲共振周波数fr2と非固定時の屈曲共振周波数fr2との差を求めた結果を示す図である。支持部長さLが1.8mm〜3.0mmの範囲、すなわちBとLの比が略1:3〜略1:5の範囲において、上述の差は略2kHz以内に収まっている。
FIG. 6 is a diagram illustrating a result of obtaining a difference between the longitudinal resonance frequency fr1 when fixed and the longitudinal resonance frequency fr1 when not fixed. As shown in the figure, when the support portion length L is in the range of 0.4 mm to 2.4 mm, that is, the ratio of B and L is in the range of about 1: 0.66 to about 1: 4, the difference between the two longitudinal resonance frequencies fr1. Is within about 1 kHz.
FIG. 7 is a diagram illustrating a result of obtaining a difference between the flexural resonance frequency fr2 when fixed and the flexural resonance frequency fr2 when not fixed. In the range where the support portion length L is 1.8 mm to 3.0 mm, that is, the ratio of B to L is approximately 1: 3 to approximately 1: 5, the above-described difference is within approximately 2 kHz.

以上述べたように、支持部幅Bが略0.6mmの支持部31を備える振動体11について、固定時と非固定時の双方における縦共振周波数fr1をシミュレーションで求めた結果、支持部長さLが0.4mm〜2.4mmの範囲において、双方の縦共振周波数fr1の差が少ないことが判る。
同様に、上述の振動体11について、固定時と非固定時の双方における屈曲共振周波数fr2をシミュレーションで求めた結果、支持部長さLが1.8mm〜3.0mmの範囲において、双方の屈曲共振周波数fr2の差が少ないことが判る。
したがって、支持部長さLが1.8mm〜2.4mmの場合、すなわちBとLの比が略1:3.3〜略1:4の範囲において、振動体11の固定時と非固定時における共振周波数の差が、縦共振周波数fr1と屈曲共振周波数fr2の双方とも少ないことが判明する。
As described above, with respect to the vibrating body 11 including the support portion 31 having the support portion width B of approximately 0.6 mm, the longitudinal resonance frequency fr1 in both the fixed state and the non-fixed state is obtained by simulation. In the range of 0.4 mm to 2.4 mm, it can be seen that there is little difference between the longitudinal resonance frequencies fr1.
Similarly, as a result of obtaining the bending resonance frequency fr2 in both the fixed state and the non-fixed state for the above-mentioned vibrating body 11 by simulation, both bending resonances were obtained when the support portion length L was in the range of 1.8 mm to 3.0 mm. It can be seen that the difference in the frequency fr2 is small.
Therefore, when the support portion length L is 1.8 mm to 2.4 mm, that is, when the ratio of B and L is in the range of about 1: 3.3 to about 1: 4, the vibrating body 11 is fixed and unfixed. It turns out that the difference between the resonance frequencies is small in both the longitudinal resonance frequency fr1 and the bending resonance frequency fr2.

固定時の共振周波数と非固定時の共振周波数との差が少ないということは、振動体11が固定されることが振動体11の振動に及ぼす影響が少ないものと推定される。すなわち、振動体11が、支持部長さLが上記の範囲の支持部31で保持部材81(の固定部84)に固定された場合は、エネルギー変換効率の低下が少ないものと推定される。   The fact that the difference between the resonance frequency at the time of fixation and the resonance frequency at the time of non-fixation is small means that the influence of fixing the vibration body 11 on the vibration of the vibration body 11 is small. That is, when the vibrating body 11 is fixed to the holding member 81 (the fixing portion 84 thereof) with the support portion 31 having the support portion length L in the above range, it is estimated that the energy conversion efficiency is less decreased.

上述したように、本実施形態の振動体11が備える支持部31における上述の比は略1:3.3であり、上述の略1:3〜略1:4の範囲内に収まっている。したがって、本実施形態の圧電モーター1は、振動体11が支持部31を介して保持部材81に固定されているにもかかわらず、圧電素子30に印加される電気エネルギーを高い変換効率でローター3の回転運動に変換できる。   As described above, the above-described ratio in the support portion 31 included in the vibrating body 11 of the present embodiment is approximately 1: 3.3, which is within the above-described range of approximately 1: 3 to approximately 1: 4. Therefore, in the piezoelectric motor 1 of the present embodiment, the electric energy applied to the piezoelectric element 30 is converted to the rotor 3 with high conversion efficiency even though the vibrating body 11 is fixed to the holding member 81 via the support portion 31. Can be converted into a rotational motion.

図8は、本実施形態の圧電モーター1における振動体11に屈曲共振周波数fr2の駆動電圧を印加した場合における振動(変形)を、シミュレーションにより求めた結果を示す図である。図8(a)は振動体11が固定されている場合の振動を示す図であり、図8(b)は振動体11が固定されていない場合の振動を示す図である。なお、振動体11が固定されるとは、上述したように、振動体11の支持部31がねじ部材86により保持部材81に対して固定されるということである。すなわち、振動体11が固定されるということは、支持部31が固定されるということである。   FIG. 8 is a diagram illustrating a result of obtaining vibration (deformation) by simulation when the driving voltage having the bending resonance frequency fr2 is applied to the vibrating body 11 in the piezoelectric motor 1 of the present embodiment. FIG. 8A is a diagram illustrating vibration when the vibrating body 11 is fixed, and FIG. 8B is a diagram illustrating vibration when the vibrating body 11 is not fixed. The vibration body 11 being fixed means that the support portion 31 of the vibration body 11 is fixed to the holding member 81 by the screw member 86 as described above. That is, that the vibrating body 11 is fixed means that the support portion 31 is fixed.

図8に示すように、本実施形態の圧電モーター1が備える振動体11、すなわち支持部幅Bと支持部長さLの比が略1:3.3である支持部31を備える振動体は、固定されたときの振動と固定されていないときの振動との差が非常に少ない。これは、支持部31のBとLの比が略1:3.3の場合、支持部31、及び振動板21における該支持部に連なる部分が振動の節となるためであると考えられる。   As shown in FIG. 8, the vibrating body 11 included in the piezoelectric motor 1 of the present embodiment, that is, the vibrating body including the support portion 31 in which the ratio of the support portion width B to the support portion length L is approximately 1: 3.3 is as follows. The difference between the vibration when fixed and the vibration when not fixed is very small. This is considered to be because when the ratio of B to L of the support portion 31 is approximately 1: 3.3, the support portion 31 and the portion of the diaphragm 21 that are connected to the support portion serve as vibration nodes.

長尺状の部材が屈曲振動する場合、一般的に「腹」と「節」が出現する。「腹」は振幅が極大となる部分であり、「節」は腹と腹の中間に位置する振幅が極小となる部分である。節の部分は、非固定時も振動しない。したがって、振動板21の支持部31に連なる部分が振動の節となる場合、固定時の振動と非固定時の振動とにあまり差が生じないこととなる。そして、固定時の振動と非固定時の振動との差が少ないということは、振動体11が固定されている場合であっても、非固定時に類似する振動、すなわち略理想的な振動が得られているということである。   When a long member bends and vibrates, generally, “belly” and “node” appear. The “antinode” is a portion where the amplitude is maximum, and the “node” is a portion where the amplitude located between the antinode and the antinode is minimum. The knot portion does not vibrate even when not fixed. Therefore, when the portion connected to the support portion 31 of the diaphragm 21 becomes a vibration node, there is little difference between the vibration at the time of fixation and the vibration at the time of non-fixation. The fact that the difference between the vibration at the time of fixation and the vibration at the time of non-fixation is small means that even when the vibrating body 11 is fixed, a similar vibration at the time of non-fixation, that is, a substantially ideal vibration is obtained. It is that.

<本実施形態の効果>
以上述べたように、本実施形態にかかる圧電モーター1、すなわち上述の支持部31を備える圧電モーター1は、振動体11を固定しているにもかかわらず、略理想的な振動が得られている。したがって、圧電素子30に印加される電気エネルギーを効率的にローター3の回転に変換できる。すなわち、高いエネルギー変換効率を有しており、省エネルギー化を実現できている。
<Effect of this embodiment>
As described above, the piezoelectric motor 1 according to the present embodiment, that is, the piezoelectric motor 1 including the support portion 31 described above, can obtain substantially ideal vibration even though the vibrating body 11 is fixed. Yes. Therefore, the electric energy applied to the piezoelectric element 30 can be efficiently converted into the rotation of the rotor 3. That is, it has high energy conversion efficiency, and energy saving can be realized.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態の圧電モーターについて説明する。本実施形態の圧電モーターは、第1の実施形態の圧電モーター1と略同一の構成を有しており、支持部31の支持部幅Bと支持部長さLの比のみが異なっている。そこで、本実施形態においては圧電モーターの図示及び説明の記載は省略して、振動体等についてのみ説明する。なお、以下の記載において、「本(第2の)実施形態の圧電モーターが備える振動体12」を「本(第2の)実施形態の振動体12」と称する。他の構成要素についても同様とする。
(Second Embodiment)
Next, a piezoelectric motor according to a second embodiment will be described. The piezoelectric motor of this embodiment has substantially the same configuration as the piezoelectric motor 1 of the first embodiment, and only the ratio of the support portion width B and the support portion length L of the support portion 31 is different. Therefore, in the present embodiment, illustration and description of the piezoelectric motor are omitted, and only the vibrating body and the like will be described. In the following description, “the vibrating body 12 included in the piezoelectric motor of the present (second) embodiment” is referred to as “the vibrating body 12 of the present (second) embodiment”. The same applies to other components.

図23は、本実施形態の振動体12を示す図である。振動体12は、振動板22と支持部32と突出部25と貫通孔27を含んでいる。なお、上記図3と同様に、圧電素子30の図示は省略している。本実施形態の振動板22は、上述の第1の実施形態の振動板21と略同一である。すなわち厚さ略0.5mmのSUS301材で形成され、長辺aが略7.0mm、短辺bが略2.0mmの矩形である。そして本実施形態の支持部32は、第1の実施形態の支持部31と支持部長さLのみが異なっている。すなわち本実施形態の支持部32は、支持部幅Bが略0.6mmで支持部長さLが略0.6mmである。したがって、支持部幅Bと支持部長さLの比が略1:1である。   FIG. 23 is a diagram illustrating the vibrating body 12 according to the present embodiment. The vibrating body 12 includes a diaphragm 22, a support portion 32, a protruding portion 25, and a through hole 27. Note that illustration of the piezoelectric element 30 is omitted as in FIG. The diaphragm 22 of this embodiment is substantially the same as the diaphragm 21 of the first embodiment described above. That is, it is formed of a SUS301 material having a thickness of approximately 0.5 mm, and is a rectangle having a long side a of approximately 7.0 mm and a short side b of approximately 2.0 mm. And the support part 32 of this embodiment differs only in the support part 31 and the support part length L of 1st Embodiment. That is, the support part 32 of this embodiment has a support part width B of approximately 0.6 mm and a support part length L of approximately 0.6 mm. Therefore, the ratio of the support part width B to the support part length L is approximately 1: 1.

上述したように、そして図4及び図6に示すように、固定時の縦共振周波数fr1と非固定時の縦共振周波数fr1は、支持部幅Bと支持部長さLの比が略1:0.66〜略1:4.0の範囲において大きくは乖離していない。すなわち、上記の比が略1:1の場合においても、縦共振周波数fr1については、固定時と非固定時の差が少ない。
また、図5及び図7に示すように支持部長さLが略0.6mmの場合、固定時の屈曲共振周波数fr2と非固定時の屈曲共振周波数fr2の差は略13kHz、比率にして略4.5%であり、極端に大きな差は無い。そして、支持部長さLが1.1mmの近辺の場合のような(屈曲共振周波数の)急激な変化も見られない。
As described above and as shown in FIGS. 4 and 6, the longitudinal resonance frequency fr1 at the time of fixation and the longitudinal resonance frequency fr1 at the time of non-fixation have a ratio of the support portion width B to the support portion length L of about 1: 0. In the range of .66 to approximately 1: 4.0, there is no significant deviation. That is, even when the ratio is approximately 1: 1, the longitudinal resonance frequency fr1 has a small difference between when it is fixed and when it is not fixed.
5 and 7, when the support portion length L is approximately 0.6 mm, the difference between the flexural resonance frequency fr2 when fixed and the flexural resonance frequency fr2 when not fixed is approximately 13 kHz, and the ratio is approximately 4 .5%, which is not significantly different. And the sudden change (bending resonance frequency) like the case where the support part length L is 1.1 mm vicinity is not seen.

このように、本実施形態の支持部32を用いた場合、上記第1の実施形態の支持部31を用いた場合と同様に、縦共振周波数fr1と屈曲共振周波数fr2の双方は、振動体12の固定時と非固定時とであまり大きくは変動しない。したがって、本実施形態の振動体12は、支持部32で保持部材81の固定部84(図1参照)に固定された場合であっても、エネルギー変換効率の低下が少ないものと推定される。   As described above, when the support portion 32 of the present embodiment is used, both the longitudinal resonance frequency fr1 and the bending resonance frequency fr2 are the same as in the case of using the support portion 31 of the first embodiment. It does not fluctuate so much between when fixed and when not fixed. Therefore, even if the vibrating body 12 of the present embodiment is fixed to the fixing portion 84 (see FIG. 1) of the holding member 81 by the support portion 32, it is estimated that the decrease in energy conversion efficiency is small.

図9は、第1の実施形態における図8に相当する図である。すなわち図9は、振動体12に屈曲共振周波数fr2の駆動電圧を印加した場合における振動を、シミュレーションにより求めた結果を示す図である。図9(a)は、振動体12が固定されている場合の振動を示す図である。図9(b)は、振動体12が固定されていない場合の振動を示す図である。   FIG. 9 is a diagram corresponding to FIG. 8 in the first embodiment. That is, FIG. 9 is a diagram illustrating a result of a vibration obtained by applying a drive voltage having a bending resonance frequency fr2 to the vibrating body 12 by simulation. FIG. 9A is a diagram illustrating vibration when the vibrating body 12 is fixed. FIG. 9B is a diagram illustrating vibration when the vibrating body 12 is not fixed.

図示するように、本実施形態の振動体12、すなわち支持部幅Bと支持部長さLの比が略1:1である支持部32を備える振動体12は、固定されたときの振動と固定されていないときの振動との差が少ない。これは、第1の実施形態の振動体11と同様に、支持部32、及び振動板22における該支持部に連なる部分が、振動の節となるためであると考えられる。したがって、本実施形態の支持部32を備える振動体12は、固定されている場合であっても、非固定時の振動に類似する振動、すなわち略理想的な振動を得ることができる。   As shown in the figure, the vibrating body 12 according to the present embodiment, that is, the vibrating body 12 including the support portion 32 having a ratio of the support portion width B to the support portion length L of approximately 1: 1, is fixed and vibrated. There is little difference with vibration when not done. This is considered to be because the portion of the support portion 32 and the diaphragm 22 connected to the support portion becomes a vibration node, similarly to the vibrating body 11 of the first embodiment. Therefore, even if the vibrating body 12 including the support portion 32 of the present embodiment is fixed, it can obtain vibration similar to the vibration at the time of non-fixing, that is, substantially ideal vibration.

<本実施形態の効果>
以上述べたように、本実施形態にかかる支持部32を備える圧電モーターは、振動体12を固定しているにもかかわらず、略理想的な振動が得られる。したがって、圧電素子30に印加される電気エネルギーを効率的にローター3の回転に変換でき、省エネルギー化を実現できる。
<Effect of this embodiment>
As described above, the piezoelectric motor including the support portion 32 according to the present embodiment can obtain substantially ideal vibration even though the vibrating body 12 is fixed. Therefore, the electric energy applied to the piezoelectric element 30 can be efficiently converted into the rotation of the rotor 3, and energy saving can be realized.

また、本実施形態の振動体12は、第1の実施形態の振動体11に比べて支持部長さLが短い。したがって、本実施形態の振動体12を用いた場合、圧電モーターを小型化できるという利点がある。本実施形態の振動板22は、第1の実施形態の振動板21と同一の大きさである。したがって、該振動板に積層される圧電素子30の大きさも変わらない。したがって、本実施形態の振動体12が発揮する駆動力は、第1の実施形態の振動体11が発揮する駆動力と殆んど変わらない。すなわち、実施形態の振動体12を備える圧電モーターは、駆動力に対する外形寸法を相対的に縮小できる。そのため、本実施形態の振動体12を用いることで、省エネルギー化され、かつ小型化された圧電モーターを実現できる。   Further, the vibrating body 12 of the present embodiment has a shorter support portion length L than the vibrating body 11 of the first embodiment. Therefore, when the vibrating body 12 of the present embodiment is used, there is an advantage that the piezoelectric motor can be reduced in size. The diaphragm 22 of the present embodiment is the same size as the diaphragm 21 of the first embodiment. Therefore, the size of the piezoelectric element 30 laminated on the diaphragm is not changed. Therefore, the driving force exhibited by the vibrating body 12 of the present embodiment is almost the same as the driving force exhibited by the vibrating body 11 of the first embodiment. In other words, the piezoelectric motor including the vibrating body 12 according to the embodiment can relatively reduce the outer dimension with respect to the driving force. Therefore, by using the vibrating body 12 of the present embodiment, a piezoelectric motor that is energy-saving and miniaturized can be realized.

次に、振動体等の寸法及び該振動体が備える振動板の厚さ等が変動した場合について、実施例として説明する。   Next, a case where the dimensions of the vibrating body and the thickness of the diaphragm included in the vibrating body vary will be described as an example.

(実施例1)
まず、実施例1として、振動体及び振動体を構成する各要素の寸法を、上記の各実施形態における該寸法に比べて拡大させた場合の共振周波数等を示す。図10は、実施例1の振動体13を示す図である。振動体13は、振動板23、支持部33(33a,33b)、突出部25を含んでいる。なお上記の図3及び図23と同様に圧電素子30の図示は省略する。
Example 1
First, as Example 1, the resonance frequency and the like in the case where the dimensions of the vibrating body and each element constituting the vibrating body are enlarged as compared with the dimensions in each of the above embodiments are shown. FIG. 10 is a diagram illustrating the vibrating body 13 according to the first embodiment. The vibrating body 13 includes a diaphragm 23, support portions 33 (33 a and 33 b), and a protruding portion 25. Note that illustration of the piezoelectric element 30 is omitted as in FIGS. 3 and 23 described above.

図10(a)は、振動板23と該振動板と一体的に形成される支持部33aを含む振動体13を示す図である。図10(b)は、振動板23と該振動板と一体的に形成される支持部33bを含む振動体13を示す図である。振動板23は、長辺aの寸法が略21mm、短辺bの寸法が略5.6mmの平面視で矩形の板状部材である。したがって、長辺aと短辺bの(寸法の)比は、上述の第1の実施形態及び第2の実施形態の振動板(21,22)における比と類似している。
振動板23の材質はSUS301材であり、厚さは略0.5mm又は略1.0mmである。したがって、振動板23と一体的に形成される支持部33(a,b)の厚さも略0.5mm又は略1.0mmの2種類が存在する。
FIG. 10A is a diagram illustrating the vibrating body 13 including the diaphragm 23 and a support portion 33a formed integrally with the diaphragm. FIG. 10B is a diagram illustrating the vibrating body 13 including the diaphragm 23 and a support portion 33b formed integrally with the diaphragm. The diaphragm 23 is a rectangular plate-like member having a long side a having a dimension of approximately 21 mm and a short side b having a dimension of approximately 5.6 mm in plan view. Therefore, the ratio of the long side a and the short side b (size) is similar to the ratio in the diaphragms (21, 22) of the first and second embodiments described above.
The material of the diaphragm 23 is SUS301, and the thickness is approximately 0.5 mm or approximately 1.0 mm. Accordingly, there are two types of thicknesses of the support portion 33 (a, b) formed integrally with the vibration plate 23, approximately 0.5 mm or approximately 1.0 mm.

支持部33aと支持部33bとは、支持部幅Bと支持部長さLの比が異なっている。支持部33aは、支持部幅Bが略2.0mmで支持部長さLが略2.0mmである。したがって、支持部幅Bと支持部長さLの比は略1:1である。支持部33bは、支持部幅Bが略2.0mmで支持部長さLが略7.0mmである。したがって、支持部幅Bと支持部長さLの比は略1:3.5であり略1:3〜略1:4の範囲内に含まれている。   The support portion 33a and the support portion 33b are different in the ratio of the support portion width B and the support portion length L. The support part 33a has a support part width B of approximately 2.0 mm and a support part length L of approximately 2.0 mm. Therefore, the ratio of the support part width B to the support part length L is approximately 1: 1. The support part 33b has a support part width B of approximately 2.0 mm and a support part length L of approximately 7.0 mm. Therefore, the ratio of the support portion width B to the support portion length L is approximately 1: 3.5, and is included in the range of approximately 1: 3 to approximately 1: 4.

図11〜図16は、実施例1の振動板23に、支持部幅Bが略2.0mmであり支持部長さLが略0.4〜略8.0mmである各種の支持部を組み合せた場合の共振周波数等を、振動体13の固定時と非固定時の双方について示す図である。すなわち、振動板23に本実施例の支持部33(a,b)を含む、各種の支持部を組み合せた場合の、共振周波数等を示す図である。   11 to 16, various types of support portions having a support portion width B of approximately 2.0 mm and a support portion length L of approximately 0.4 to approximately 8.0 mm are combined with the diaphragm 23 of the first embodiment. It is a figure which shows the resonant frequency etc. in the case about both the time of fixation of the vibrating body 13, and the time of non-fixation. That is, it is a diagram showing the resonance frequency and the like when various support parts including the support part 33 (a, b) of the present embodiment are combined with the diaphragm 23.

図11は、振動板23の厚さが略0.5mmである場合の縦共振周波数を、固定時と非固定時の双方について示す図である。図12は、振動板23の厚さが略1.0mmである場合の縦共振周波数を、固定時と非固定時の双方について示す図である。図13は、振動板23の厚さが略0.5mmである場合の屈曲共振周波数を、固定時と非固定時の双方について示す図である。図14は、振動板23の厚さが略1.0mmである場合の屈曲共振周波数を、固定時と非固定時の双方について示す図である。図15は、振動板23の厚さが略0.5mmである場合における固定時の共振周波数と非固定時の共振周波数の差を、縦共振周波数及び屈曲共振周波数の双方について示す図である。図16は、振動板23の厚さが略1.0mmである場合における固定時の共振周波数と非固定時の共振周波数の差を、縦共振周波数及び屈曲共振周波数の双方について示す図である。   FIG. 11 is a diagram illustrating the longitudinal resonance frequency in the case where the thickness of the diaphragm 23 is approximately 0.5 mm, both when fixed and when not fixed. FIG. 12 is a diagram illustrating the longitudinal resonance frequency in the case where the thickness of the diaphragm 23 is approximately 1.0 mm, both when fixed and when not fixed. FIG. 13 is a diagram illustrating the bending resonance frequency when the thickness of the diaphragm 23 is approximately 0.5 mm, both when the diaphragm 23 is fixed and when it is not fixed. FIG. 14 is a diagram illustrating the flexural resonance frequency when the thickness of the diaphragm 23 is approximately 1.0 mm, both when fixed and when not fixed. FIG. 15 is a diagram illustrating the difference between the resonance frequency when the diaphragm 23 is fixed and the resonance frequency when the diaphragm 23 is not fixed, for both the longitudinal resonance frequency and the bending resonance frequency. FIG. 16 is a diagram illustrating the difference between the resonance frequency when the diaphragm 23 is fixed and the resonance frequency when the diaphragm 23 is not fixed, for both the longitudinal resonance frequency and the bending resonance frequency.

上述したように、実施例1の振動板23及び支持部33(a,b)は、平面視で第1の実施形態の振動板21及び支持部31の略3倍の寸法を有している。かかる場合において、図11〜図16に示すように、共振周波数等は第1の実施形態における共振周波数等と類似する傾向を示している。特に屈曲共振周波数については顕著に類似している。すなわち、支持部幅Bと支持部長さLの比が略1:1である場合、あるいは略1:3〜略1:4の範囲内に含まれる場合、固定時と非固定時の共振周波数の差は低下している。したがって、支持部幅Bと支持部長さLの比が上述の値(あるいは範囲)である限り、振動板及び支持体の寸法(大きさ)が変動した場合であっても、駆動電圧をローター3の回転に変換する変換効率を向上できる。   As described above, the diaphragm 23 and the support portion 33 (a, b) of Example 1 have dimensions approximately three times that of the diaphragm 21 and the support portion 31 of the first embodiment in plan view. . In such a case, as shown in FIGS. 11 to 16, the resonance frequency and the like tend to be similar to the resonance frequency and the like in the first embodiment. In particular, the bending resonance frequency is remarkably similar. That is, when the ratio of the support part width B to the support part length L is approximately 1: 1, or when the ratio is within the range of approximately 1: 3 to approximately 1: 4, the resonance frequency of the fixed state and the non-fixed state The difference is declining. Therefore, as long as the ratio of the support part width B to the support part length L is the above-described value (or range), even if the dimensions (sizes) of the diaphragm and the support body fluctuate, the drive voltage is set to the rotor 3. It is possible to improve the conversion efficiency for converting to the rotation of.

また、図11と図13と図15の3図と、図12と図14と図16の3図と、を比較すると判るように、振動板23及び支持部(33a,33b)の厚さは、固定時の共振周波数と非固定時の共振周波数の差等にあまり影響しない。すなわち、支持部幅Bと支持部長さLの比が略1:1である場合、あるいは略1:3〜略1:4の範囲内に含まれる場合、振動板23等の厚さにかかわらず上述のエネルギー変換効率の向上効果を得ることができる。したがって、必要とされる駆動力の増加に合せて振動板等の厚さを増加させることも容易になる。   11, 13, and 15, and FIGS. 12, 14, and 16, the thicknesses of the diaphragm 23 and the support portions (33 a and 33 b) are as follows. The difference between the resonance frequency when fixed and the resonance frequency when not fixed is not so much affected. That is, when the ratio of the support portion width B to the support portion length L is approximately 1: 1, or when the ratio is within a range of approximately 1: 3 to approximately 1: 4, regardless of the thickness of the diaphragm 23 and the like. The effect of improving the energy conversion efficiency described above can be obtained. Accordingly, it is easy to increase the thickness of the diaphragm and the like in accordance with the increase in required driving force.

以上述べたように、上記の6図に示す実施例1の結果、及び第1〜第2の実施形態の結果を利用することで、支持部の形状等の設定が容易となり、圧電モーターの支持部の製造条件を簡便化できる。すなわち、必要とされる駆動力等にかかわらず、エネルギー変換効率の高い圧電モーター、すなわち省エネルギー化された圧電モーターを実現することが可能となる。   As described above, by using the result of Example 1 shown in FIG. 6 and the results of the first and second embodiments, it becomes easy to set the shape and the like of the support portion, and support the piezoelectric motor. The manufacturing conditions of the part can be simplified. That is, it becomes possible to realize a piezoelectric motor with high energy conversion efficiency, that is, an energy-saving piezoelectric motor, regardless of the required driving force or the like.

(実施例2)
次に、実施例2として、振動板及び支持部の材質を変更した場合について説明する。本実施例2の振動板及び支持部は、上述の実施例1の振動板23及び支持部33の類似するものである。すなわち、長辺aが略21mm、短辺bが略5.6mmで、支持部幅Bが略2.0mmである。振動板及び支持部の厚さは略0.5mmの一種類である。実施例1との違いは、振動板及び支持部の形成材料である。実施例2の振動板及び支持部は、異方性のSUS301、異方性の42Ni(ニッケル略42%、鉄略56%の合金)、等方性の42Ni、の計3種類の材料が用いられている。そこで、振動板23及び支持部33の形状を示す図は省略し、共振周波数等を示す図のみを用いて説明する。また、符号の付与も省略する。
(Example 2)
Next, as Example 2, a case where the materials of the diaphragm and the support portion are changed will be described. The diaphragm and the support part of the second embodiment are similar to the diaphragm 23 and the support part 33 of the first embodiment. That is, the long side a is about 21 mm, the short side b is about 5.6 mm, and the support width B is about 2.0 mm. The thickness of the diaphragm and the support part is one kind of about 0.5 mm. The difference from the first embodiment is the material for forming the diaphragm and the support portion. The diaphragm and the support part of Example 2 are made of three kinds of materials: anisotropic SUS301, anisotropic 42Ni (alloy of approximately 42% nickel and approximately 56% iron), and isotropic 42Ni. It has been. Therefore, illustrations of the shapes of the diaphragm 23 and the support portion 33 are omitted, and description will be made using only diagrams showing the resonance frequency and the like. Also, the provision of symbols is omitted.

図17〜図19は、上述の各材料を用いて形成された振動板及び支持部を用いた場合の共振周波数等を、シミュレーションにより求めた結果を示す図である。   FIG. 17 to FIG. 19 are diagrams showing results obtained by simulation of the resonance frequency and the like in the case of using the diaphragm and the support portion formed using the above-described materials.

図17(a)〜17(c)は、固定時、すなわち振動体を固定した場合の縦共振周波数と屈曲共振周波数を、支持部長さLを略0.4mm〜略8.0mmの間で変化させて求めた結果を示す図である。図17(a)は、振動板の材質として異方性SUS301を用いた場合の結果を示す図である。図17(b)は、振動板の材質として異方性42Niを用いた場合の結果を示す図である。図17(c)は、振動板の材質として等方性42Niを用いた場合の結果を示す図である。   17 (a) to 17 (c) show the longitudinal resonance frequency and the bending resonance frequency when fixed, that is, when the vibrating body is fixed, and the support portion length L is changed between about 0.4 mm and about 8.0 mm. It is a figure which shows the result calculated | required. FIG. 17A is a diagram illustrating a result when anisotropic SUS301 is used as the material of the diaphragm. FIG. 17B is a diagram showing the results when anisotropic 42Ni is used as the material of the diaphragm. FIG. 17C is a diagram showing a result when isotropic 42Ni is used as the material of the diaphragm.

縦共振周波数と屈曲共振周波数とが逆転する時点の支持部長さLは、異方性材料(異方性SUS301及び異方性42Ni)では略4.5mmであり、等方性材料(等方性42Ni)では略5.5mmである。すなわち、材料により若干の差はあるものの、全体としては略類似する傾向を有しており、異方性材料と等方性材料の差、及びSUS301と42Niの差は、支持部幅Bと支持部長さLの比に比べて共振周波数に大きくは影響しないと言える。   The support portion length L when the longitudinal resonance frequency and the bending resonance frequency are reversed is approximately 4.5 mm for anisotropic materials (anisotropic SUS301 and anisotropic 42Ni), and isotropic materials (isotropic). 42Ni) is approximately 5.5 mm. That is, although there is a slight difference depending on the material, the whole tends to be substantially similar. The difference between the anisotropic material and the isotropic material, and the difference between SUS301 and 42Ni are the same as the support width B and the support. It can be said that the resonance frequency is not greatly affected as compared with the ratio of the part length L.

図18(a)〜18(c)は、非固定時、すなわち振動体を固定しない場合の縦共振周波数と屈曲共振周波数を、支持部長さLを略0.4mm〜略8.0mmの間で変化させて求めた結果を示す図である。図18(a)は、振動板の材質として異方性SUS301を用いた場合の結果を示す図である。図18(b)は、振動板の材質として異方性42Niを用いた場合の結果を示す図である。図18(c)は、振動板の材質として等方性42Niを用いた場合の結果を示す図である。   18 (a) to 18 (c) show the longitudinal resonance frequency and the bending resonance frequency when not fixed, that is, when the vibrating body is not fixed, and when the support portion length L is between approximately 0.4 mm and approximately 8.0 mm. It is a figure which shows the result calculated | required by changing. FIG. 18A is a diagram illustrating a result when anisotropic SUS301 is used as the material of the diaphragm. FIG. 18B is a diagram showing a result when anisotropic 42Ni is used as the material of the diaphragm. FIG. 18C is a diagram showing the results when isotropic 42Ni is used as the material of the diaphragm.

縦共振周波数と屈曲共振周波数とが逆転する時点の支持部長さLは、異方性材料(異方性SUS301及び異方性42Ni)では略5.7mmであり、等方性材料(等方性42Ni)では略6.5mmである。材料により若干の差はあるものの、全体としては類似する傾向を有している。したがって、固定時と同様に、異方性材料と等方性材料の差は、及びSUS301と42Niの差は、支持部幅Bと支持部長さLの比に比べて共振周波数に大きくは影響しないと言える。   The support portion length L when the longitudinal resonance frequency and the bending resonance frequency are reversed is approximately 5.7 mm for anisotropic materials (anisotropic SUS301 and anisotropic 42Ni), and isotropic materials (isotropic). 42Ni) is approximately 6.5 mm. Although there is a slight difference depending on the material, the whole tends to be similar. Therefore, as in the case of fixing, the difference between the anisotropic material and the isotropic material, and the difference between SUS301 and 42Ni do not greatly affect the resonance frequency compared to the ratio of the support width B and the support length L. It can be said.

図19(a)〜19(c)は、(振動体の)固定時の縦共振周波数と非固定時の縦共振周波数との差、及び、固定時の屈曲共振周波数と非固定時の屈曲共振周波数との差を、支持部長さLを略0.4mm〜略8.0mmの間で変動させて求めた結果を示す図である。図19(a)は、振動板の材質として異方性SUS301を用いた場合の結果を示す図である。図19(b)は、振動板の材質として異方性42Niを用いた場合の結果を示す図である。図19(c)は、振動板の材質として等方性42Niを用いた場合の結果を示す図である。   19 (a) to 19 (c) show the difference between the longitudinal resonance frequency when the (vibrating body) is fixed and the longitudinal resonance frequency when not fixed, and the bending resonance frequency when fixed and the bending resonance when not fixed. It is a figure which shows the result of having calculated | required the difference with a frequency by fluctuating support part length L between about 0.4 mm-about 8.0 mm. FIG. 19A is a diagram showing a result when anisotropic SUS301 is used as the material of the diaphragm. FIG. 19B is a diagram showing the results when anisotropic 42Ni is used as the material of the diaphragm. FIG. 19C is a diagram showing a result when isotropic 42Ni is used as the material of the diaphragm.

図示するように、縦共振周波数と屈曲共振周波数とでは、支持部長さLの変動の影響が大きく異なっている。上記3種類の材料における縦共振周波数の固定時と非固定時との差は、支持部長さLが略0.4mm〜略8.0mmまで変動する間で、略2kHz以内に収まっている。一方、上記3種類の材料における屈曲共振周波数の固定時と非固定時との差は、支持部長さLが4.0mm以上の範囲であれば略2kHz以内に収まっているが、2.0mm〜4.0mmの範囲では大きく変動している。そして、0.4mm〜2.0mmの範囲でも最大で10kHz近く変動している。   As shown in the figure, the influence of fluctuations in the support portion length L is greatly different between the longitudinal resonance frequency and the bending resonance frequency. The difference between when the longitudinal resonance frequency is fixed and when the three types of materials are not fixed is within approximately 2 kHz while the support portion length L varies from approximately 0.4 mm to approximately 8.0 mm. On the other hand, the difference between when the bending resonance frequency is fixed and when the bending resonance frequency is not fixed in the above three types of materials is within about 2 kHz if the support portion length L is in the range of 4.0 mm or more, but 2.0 mm to In the range of 4.0 mm, it fluctuates greatly. Even within the range of 0.4 mm to 2.0 mm, the maximum fluctuates nearly 10 kHz.

しかし、縦共振周波数と屈曲共振周波数の双方共に、材料の差は少ない。上記3種類の材料で、類似した結果を示している。したがって、固定時の共振周波数と非固定時の共振周波数という観点からも、異方性材料と等方性材料の差は、及びSUS301と42Niの差は、支持部幅Bと支持部長さLの比に比べて共振周波数に大きくは影響しないと言える。   However, the material difference is small for both the longitudinal resonance frequency and the bending resonance frequency. Similar results are shown for the above three materials. Therefore, from the viewpoint of the resonance frequency at the time of fixation and the resonance frequency at the time of non-fixation, the difference between the anisotropic material and the isotropic material and the difference between SUS301 and 42Ni are It can be said that the resonance frequency is not greatly affected compared to the ratio.

以上、図17〜図19を用いて説明したように、材料の差は、支持部幅(B)と支持部長さ(L)に比に比べると、振動体の共振周波数に与える影響は少ない。したがって、第1の実施形態の振動体11における上述の比(略1:3〜略1:4)、あるいは第2の実施形態の振動体12における上述の比(1:1)を保つ限り、振動板及び該振動板と一体的に形成される支持部の形成材料は、圧電モーターの使用条件に合せて広い範囲から選択することができる。したがって、使用環境を含めた広い条件下で使用される圧電モーターにおいて、エネルギー変換効率の高い圧電モーター、すなわち省エネルギー化された圧電モーターを実現することが可能となる。   As described above with reference to FIGS. 17 to 19, the difference in material has less influence on the resonance frequency of the vibrating body than the ratio of the support width (B) and the support length (L). Therefore, as long as the above-described ratio (approximately 1: 3 to approximately 1: 4) in the vibrating body 11 of the first embodiment or the above-described ratio (1: 1) in the vibrating body 12 of the second embodiment is maintained. The material for forming the diaphragm and the support portion formed integrally with the diaphragm can be selected from a wide range according to the usage conditions of the piezoelectric motor. Therefore, it is possible to realize a piezoelectric motor with high energy conversion efficiency, that is, a piezoelectric motor with reduced energy consumption, in a piezoelectric motor used under a wide range of conditions including the usage environment.

(第3の実施形態)
次に第3の実施形態として、第1の実施形態にかかる圧電モーター1、あるいは第2の実施形態等に記載した振動体、振動板、及び支持部を備える圧電モーターのいずれかと同様の構成の圧電モーターを備えたロボットハンド、及び該ロボットハンドを備えたロボットについて、図20〜図22を用いて説明する。
(Third embodiment)
Next, as a third embodiment, the piezoelectric motor 1 according to the first embodiment or the piezoelectric motor including the vibrating body, the diaphragm, and the support described in the second embodiment is configured. A robot hand including a piezoelectric motor and a robot including the robot hand will be described with reference to FIGS.

図20は、ロボットハンド(201,202)を備えた、本発明の第3の実施形態にかかるロボット200の概略を示す図である。ロボット200は第1のアーム240と第2のアーム250を備えており、夫々のアーム(240,250)の先端には、第1のロボットハンド201と第2のロボットハンド202が配置されている。第1のロボットハンド201と第2のロボットハンド202とは、互いに略同一の構成を有している。そこで、以降、第1のロボットハンド201(以下、単に「ロボットハンド201」と称する。)についてのみ説明する。   FIG. 20 is a diagram showing an outline of a robot 200 according to the third embodiment of the present invention provided with robot hands (201, 202). The robot 200 includes a first arm 240 and a second arm 250, and a first robot hand 201 and a second robot hand 202 are disposed at the tips of the respective arms (240, 250). . The first robot hand 201 and the second robot hand 202 have substantially the same configuration. Therefore, only the first robot hand 201 (hereinafter simply referred to as “robot hand 201”) will be described below.

図21は、本発明の第3の実施形態にかかるロボットハンド201の概略を示す図である。図21(a)、図21(b)に示すように、ロボットハンド201は、手のひら225と、第1の指210と第2の指220を備えている。第1の指210は第1のリンク211と第2のリンク212で構成され、第2の指220は第1のリンク221と第2のリンク222で構成されている。そしてロボットハンド201は、把持するワークの大小により使用するリンク変更可能である。   FIG. 21 is a diagram showing an outline of a robot hand 201 according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 21A and 21B, the robot hand 201 includes a palm 225, a first finger 210, and a second finger 220. The first finger 210 is composed of a first link 211 and a second link 212, and the second finger 220 is composed of a first link 221 and a second link 222. The robot hand 201 can change the link used depending on the size of the workpiece to be gripped.

図21(a)は、ロボットハンド201が大型ワーク233を把持している状態を示している。大型ワーク233は、第1の指210の第1のリンク211と、第2の指220の第1のリンク221と、で把持されている。そして、第1の指210の第2のリンク212は第1のリンク211の中に格納され、第2の指220の第2のリンク222は第1のリンク221の中に格納されている。   FIG. 21A shows a state where the robot hand 201 is holding a large workpiece 233. The large workpiece 233 is held by the first link 211 of the first finger 210 and the first link 221 of the second finger 220. The second link 212 of the first finger 210 is stored in the first link 211, and the second link 222 of the second finger 220 is stored in the first link 221.

図21(b)は、ロボットハンド201が小型ワーク234を把持している状態を示している。小型ワーク234は、第1の指210の第2のリンク212と第2の指220の第2のリンク222とで把持されている。
このように、ロボットハンド201は把持するワークにより使用するリンクを変更することで、夫々のワーク(233,234)を好適に把持できる。そしてロボットハンド201は、ワークの把持及び第2のリンク(212,222)の格納等のために複数の駆動機構としての圧電モーターを備えている。
FIG. 21B shows a state where the robot hand 201 is holding the small work 234. The small work 234 is held by the second link 212 of the first finger 210 and the second link 222 of the second finger 220.
As described above, the robot hand 201 can preferably grip each work (233, 234) by changing the link to be used depending on the work to be gripped. The robot hand 201 includes a plurality of piezoelectric motors as drive mechanisms for gripping the workpiece and storing the second links (212, 222).

図22(a)〜(d)は、ロボットハンド201が備える第1の指210の概略を示す図である。なお、第2の指220も同一の構成を有している。図22(a)は、第2のリンク212が、第1のリンク211に形成された溝226(図22(d)参照)内に格納された状態を示している。図22(b)は、第2のリンク212が第1のリンク211から取り出される途中の状態を示している。図22(c)は、第2のリンク212が第1のリンク211から取り出された状態を示している。   22A to 22D are diagrams showing an outline of the first finger 210 provided in the robot hand 201. FIG. The second finger 220 has the same configuration. FIG. 22A shows a state in which the second link 212 is stored in the groove 226 formed in the first link 211 (see FIG. 22D). FIG. 22B shows a state where the second link 212 is being taken out from the first link 211. FIG. 22C shows a state where the second link 212 is taken out from the first link 211.

かかる動作は第2の関節(回転軸)215を中心に行われる。そして第1のリンク211の開閉動作は第1の関節(回転軸)213を中心に行われる。そして各関節(213,215)には、駆動用のアクチュエーターとして、上述の第1の実施形態にかかる圧電モーター1と同様の構成を有する第2の圧電モーター214及び第3の圧電モーター216が配置されている。
上述したように、第2のリンク212は、小型ワーク234を把持するリンクである。したがって第3の圧電モーター216には、第2の圧電モーター214に比べて小型かつ低駆動力の圧電モーターを用いることができる。
Such an operation is performed around the second joint (rotating shaft) 215. The opening / closing operation of the first link 211 is performed around the first joint (rotating shaft) 213. In each joint (213, 215), a second piezoelectric motor 214 and a third piezoelectric motor 216 having the same configuration as the piezoelectric motor 1 according to the first embodiment described above are disposed as driving actuators. Has been.
As described above, the second link 212 is a link that grips the small work 234. Therefore, the third piezoelectric motor 216 can be a piezoelectric motor that is smaller and has a lower driving force than the second piezoelectric motor 214.

このようにロボットハンド201は、把持動作を行うためのアクチュエーターとして、第1の実施形態の圧電モーター1に類似する構成の圧電モーター(214,216)を用いている。上述したように、第1の実施形態の圧電モーター1は、エネルギー変換効率が向上しているため、同一の作業の実施に要する電力を節減できる。また、エネルギー変換効率が高いということは、同一のトルク等を発揮する圧電モーターを小型化できるということである。したがって、本実施形態のロボットハンド201、及び該ロボットハンドを備えるロボット200は、小型化、軽量化され、かつ低コスト化されている。そしてロボット200は、同一の作業を、他のロボットに比べて低電力すなわち低コストで実施できる。   As described above, the robot hand 201 uses the piezoelectric motors (214, 216) having a configuration similar to the piezoelectric motor 1 of the first embodiment as an actuator for performing a gripping operation. As described above, since the energy conversion efficiency of the piezoelectric motor 1 according to the first embodiment is improved, it is possible to reduce the electric power required for performing the same work. Further, high energy conversion efficiency means that a piezoelectric motor that exhibits the same torque or the like can be miniaturized. Therefore, the robot hand 201 of this embodiment and the robot 200 including the robot hand are reduced in size, weight, and cost. The robot 200 can perform the same work with lower power, that is, at lower cost than other robots.

なお、ロボットハンド(201,202)のみではなく、第1のアーム240及び第2のアーム250を駆動するためのアクチュエーターとしても、第1の実施形態にかかる圧電モーター1と同様の構成を有する圧電モーターを用いることができる。
また、圧電モーターを上述のようにロボットハンドの把持動作を行うためのアクチュエーターとして用いる場合、歯車等の増減速手段を介して用いることが好ましい。一般に、圧電モーターの回転数はかなり速いため、リンク(第1のリンク211等)の動きに合せて、回転数の減速を要する場合もあり得る。また一方では、回転数の増速を要する場合もあり得る。かかる場合において、圧電モーターを歯車等の増減速手段を介して用いることで、多様な動作を行うロボットハンドのアクチュエーターとして、圧電モーターを好適に利用できる。
Note that not only the robot hand (201, 202) but also an actuator for driving the first arm 240 and the second arm 250 is a piezoelectric having the same configuration as the piezoelectric motor 1 according to the first embodiment. A motor can be used.
Further, when the piezoelectric motor is used as an actuator for performing the gripping operation of the robot hand as described above, it is preferable to use it through an acceleration / deceleration means such as a gear. In general, since the rotation speed of the piezoelectric motor is quite fast, it may be necessary to reduce the rotation speed in accordance with the movement of the link (the first link 211 or the like). On the other hand, it may be necessary to increase the rotational speed. In such a case, the piezoelectric motor can be suitably used as an actuator of a robot hand that performs various operations by using the piezoelectric motor via speed increasing / decreasing means such as a gear.

本発明の実施の形態は、上述の各実施形態以外にも、様々な変形例が考えられる。以下、変形例を挙げて説明する。   Various modifications of the embodiment of the present invention are possible in addition to the above-described embodiments. Hereinafter, a modification will be described.

(変形例)
上述の第3の実施形態では、上述の第1の実施形態等にかかる圧電モーター(1等)を用いる機器として、ロボットハンド201及び該ロボットハンドを用いるロボット200について述べた。しかし、上述の圧電モーター(1等)を用いる機器は、ロボット200に限定される物ではない。時計のカレンダー送り装置、ICハンドラー、印刷装置、投薬ポンプ等の各種の機器におけるアクチュエーターとして用いることができる。
(Modification)
In the third embodiment described above, the robot hand 201 and the robot 200 using the robot hand have been described as devices using the piezoelectric motor (1 etc.) according to the first embodiment described above. However, a device using the above-described piezoelectric motor (1 or the like) is not limited to the robot 200. It can be used as an actuator in various devices such as a clock feeding device for a clock, an IC handler, a printing device, and a medication pump.

1…圧電アクチュエーターとしての圧電モーター、2…基台、3…被駆動部としてのローター、11…第1の実施形態の振動体、12…第2の実施形態の振動体、13…実施例1の振動体、21…第1の実施形態の振動板、22…第2の実施形態の振動板、23…実施例1の振動板、25…突出部、27…貫通孔、30…圧電素子、31…第1の実施形態の支持部、32…第2の実施形態の支持部、33…実施例1の支持部、40…圧電体層、50…第1電極、60…第2電極、71…第1の溝部、72…第2の溝部、80…付勢手段、81…保持部材、82…ばね部材、83…支持ピン、84…固定部、85…スライド部、86…ねじ部材、87…雌ねじ部、88…スライド孔、89…スライドピン、200…ロボット、201…第1のロボットハンド、202…第2のロボットハンド、210…第1の指、211…第1のリンク、212…第2のリンク、213…第1の関節、214…第2の圧電モーター、215…第2の関節、216…第3の圧電モーター、220…第2の指、221…第1のリンク、222…第2のリンク、225…手のひら、226…溝、233…大型ワーク、234…小型ワーク、240…第1のアーム、250…第2のアーム。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric motor as a piezoelectric actuator, 2 ... Base, 3 ... Rotor as driven part, 11 ... Vibrating body of 1st Embodiment, 12 ... Vibrating body of 2nd Embodiment, 13 ... Example 1 21 ... the diaphragm of the first embodiment, 22 ... the diaphragm of the second embodiment, 23 ... the diaphragm of Example 1, 25 ... the protrusion, 27 ... the through hole, 30 ... the piezoelectric element, DESCRIPTION OF SYMBOLS 31 ... Support part of 1st Embodiment, 32 ... Support part of 2nd Embodiment, 33 ... Support part of Example 1, 40 ... Piezoelectric layer, 50 ... 1st electrode, 60 ... 2nd electrode, 71 ... 1st groove part, 72 ... 2nd groove part, 80 ... Energizing means, 81 ... Holding member, 82 ... Spring member, 83 ... Supporting pin, 84 ... Fixing part, 85 ... Slide part, 86 ... Screw member, 87 ... Female thread part, 88 ... Slide hole, 89 ... Slide pin, 200 ... Robot, 201 ... First b 202 ... second robot hand 210 ... first finger 211 ... first link 212 ... second link 213 ... first joint 214 ... second piezoelectric motor 215 ... second 216 ... third piezoelectric motor, 220 ... second finger, 221 ... first link, 222 ... second link, 225 ... palm, 226 ... groove, 233 ... large work, 234 ... small work, 240 ... 1st arm, 250 ... 2nd arm.

Claims (13)

基台と、
第1の辺、第2の辺、前記第1の辺と前記第2の辺との間をつなぐ第3の辺および第4の辺、を有する振動板と、
前記基台に固定され、前記第1の辺から前記第1の辺に略直交する方向に設けられた第1の支持部と、
前記基台に固定され、前記第3の辺から前記第3の辺に略直交する方向に設けられた第2の支持部と、
被駆動部と接触可能な接触部と、を備え、
前記第1の辺に沿った方向の前記第1の支持部の第1長さと、前記第1の辺から突出する方向の前記第1の支持部の第2長さとの比が略1:0.66〜略1:4であり、
前記第3の辺に沿った方向の前記第2の支持部の長さは、前記第1長さと略等しく、
前記第3の辺から突出する方向の前記第2の支持部の長さは、前記第2長さと略等しいことを特徴とする圧電アクチュエーター。
The base,
A diaphragm having a first side, a second side, a third side and a fourth side connecting between the first side and the second side;
A first support portion fixed to the base and provided in a direction substantially perpendicular to the first side from the first side;
A second support portion fixed to the base and provided in a direction substantially perpendicular to the third side from the third side;
A contact portion capable of contacting the driven portion ,
Wherein a first length of the first support portion in a direction along the first side, the ratio of the second length of the first support portion in a direction protruding from the first side is substantially 1: 0 .66 - approximately 1: are four der,
The length of the second support portion in the direction along the third side is substantially equal to the first length,
The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a length of the second support portion in a direction protruding from the third side is substantially equal to the second length .
請求項1に記載の圧電アクチュエーターであって、The piezoelectric actuator according to claim 1,
前記第1長さと前記第2長さとの比が略1:1〜略1:4であることを特徴とする圧電アクチュエーター。  The ratio between the first length and the second length is approximately 1: 1 to approximately 1: 4.
請求項1または2に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記第1の辺および前記第2の辺は、前記第3の辺および前記第4の辺よりも長いことを特徴とする圧電アクチュエーター。
The piezoelectric actuator according to claim 1 or 2 ,
The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the first side and the second side are longer than the third side and the fourth side.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記第1の辺の長さと前記第2の辺の長さは略等しく、
前記第3の辺の長さと前記第4の辺の長さは略等しいことを特徴とする圧電アクチュエーター。
The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 3 ,
The length of the first side and the length of the second side are substantially equal,
The piezoelectric actuator characterized in that the length of the third side and the length of the fourth side are substantially equal.
請求項1〜のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターであって、前記比が略1:1であることを特徴とする圧電アクチュエーター。 The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4 , wherein the ratio is approximately 1: 1. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターであって、前記比が略1:3〜略1:4の範囲内であることを特徴とする圧電アクチュエーター。   5. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the ratio is in a range of approximately 1: 3 to approximately 1: 4. 6. 請求項1〜のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記振動板は、前記第1の辺の長さが略7.0mmであり前記第3の辺の長さが略2.0mmであることを特徴とする圧電アクチュエーター。
The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 6 , wherein
The piezoelectric actuator is characterized in that the first side has a length of about 7.0 mm and the third side has a length of about 2.0 mm.
請求項1〜のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記振動板は、前記第1の辺の長さが略21.0mmであり前記第3の辺の長さが略5.6mmであることを特徴とする圧電アクチュエーター。
The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 7 ,
The piezoelectric actuator is characterized in that the first side has a length of about 21.0 mm and the third side has a length of about 5.6 mm.
請求項1〜のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記振動板前記第1の支持部及び前記第2の支持部は一体形成されていることを特徴とする圧電アクチュエーター。
The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 8 ,
The piezoelectric actuator , wherein the diaphragm , the first support portion, and the second support portion are integrally formed.
請求項に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記振動板前記第1の支持部及び前記第2の支持部はSUS301又はFe−42Ni合金を含むことを特徴とする圧電アクチュエーター。
The piezoelectric actuator according to claim 9 , wherein
The piezoelectric actuator , wherein the diaphragm , the first support portion, and the second support portion include SUS301 or an Fe-42Ni alloy.
請求項1〜10のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターであって、  The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 10,
前記振動板は、異方性材料を含むことを特徴とする圧電アクチュエーター。  The piezoelectric actuator, wherein the diaphragm includes an anisotropic material.
請求項1〜11のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とするロボットハンド。 A robot hand comprising the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 11 . 請求項1〜12のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とするロボット。 A robot comprising the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 12 .
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