JP6960348B2 - Piezoelectric actuator, self-propelled device, fluid transport device - Google Patents
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Description
本発明は圧電アクチュエーター、圧電アクチュエーターを用いた自走装置および流体輸送装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator, a self-propelled device using the piezoelectric actuator, and a fluid transport device.
圧電素子を用いたアクチュエーター(以下、圧電アクチュエーターとも言う)には、進行波を利用するものがある。例えば、以下の特許文献1には、矩形平板状の圧電素子の面内に外周を周回する進行波を発生させて、圧電素子の先端部を送り動作に使用可能な楕円軌道に変換することができる圧電アクチュエーターについて記載されている。また、進行波の発生が可能な圧電アクチュエーターを利用した装置としては、周知の超音波モーターがある。
Some actuators using piezoelectric elements (hereinafter, also referred to as piezoelectric actuators) utilize traveling waves. For example, in
進行波を発生させる従来の圧電アクチュエーターに用いられる圧電素子は、一つの圧電体に分極方向が異なる複数の分極領域が設けられている。そのため、圧電素子の構造が複雑になり、圧電アクチュエーターの製造コストが増大する。また、一つの圧電体に複数の分極領域を設ける必要があるため、圧電アクチュエーターを小型にしようとすると、各分極領域の面積が小さくなり、大きな振幅を得ることが難しくなる。 The piezoelectric element used in the conventional piezoelectric actuator that generates a traveling wave is provided with a plurality of polarization regions having different polarization directions in one piezoelectric body. Therefore, the structure of the piezoelectric element becomes complicated, and the manufacturing cost of the piezoelectric actuator increases. Further, since it is necessary to provide a plurality of polarization regions in one piezoelectric body, if the piezoelectric actuator is to be miniaturized, the area of each polarization region becomes small, and it becomes difficult to obtain a large amplitude.
そこで本発明は、簡素な構造でも大きな振幅で進行波を発生させることが可能な圧電アクチュエーターと、その圧電アクチュエーターを用いた自走装置および流体輸送装置を提供することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator capable of generating a traveling wave with a large amplitude even with a simple structure, and a self-propelled device and a fluid transport device using the piezoelectric actuator.
上記目的を達成するための本発明の一態様は、長辺の延長方向を前後方向とし、短辺の延長方向を左右方向とした矩形平面状の振動板の一主面に第1圧電素子と第2圧電素子が貼着されてなり、
前記第1圧電素子および前記第2圧電素子は、矩形平板状の圧電体の表裏両面に電極板が配置されてなり、
前記第1圧電素子と前記第2圧電素子は、前記振動板の前後方向に離間して配置され、
前記振動板は、第1の共振周波数において第1の振動モードで振動するとともに、第2の共振周波数において第2の振動モードによって振動し、
第1の振動モードでは、前記振動板に、前後両端を自由端として、前後方向に2波長分の定在波が発生し、
第2の振動モードでは、前後両端を自由端として、前後方向に1.5波長分の定在波が発生するとともに、当該1.5波長分の定在波の腹の位置では、前記振動板の左右両端を自由端として、左右方向に1/2波長分の定在波が発生し、
前記第1振動モードでの励振領域は、前後で隣接する二つの節の間の領域であり、
前記第1圧電素子は、前記第1振動モードの前後一方の前記励振領域内の左右中央に配置され、
前記第2の振動モードでの励振領域は、左右中央に対して左方あるいは右方の領域と、前後方向の定在波において前後で隣接する節の間の領域との重複領域であり、
前記第2圧電素子は、前記振動板の左端または右端に沿いつつ、前記第2の振動モードにおける前後他方の前記励振領域内に配置されているとともに、左右方向の幅が前記振動板の左右幅の1/2以下である、
ことを特徴とする圧電アクチュエーターとしている。
One aspect of the present invention for achieving the above object is to use a first piezoelectric element on one main surface of a rectangular planar vibrating plate in which the extension direction of the long side is the front-rear direction and the extension direction of the short side is the left-right direction. The second piezoelectric element is attached,
The first piezoelectric element and the second piezoelectric element are formed by arranging electrode plates on both the front and back surfaces of a rectangular flat plate-shaped piezoelectric body.
The first piezoelectric element and the second piezoelectric element are arranged so as to be separated from each other in the front-rear direction of the diaphragm.
The diaphragm vibrates in the first vibration mode at the first resonance frequency and vibrates in the second vibration mode at the second resonance frequency.
In the first vibration mode, standing waves of two wavelengths are generated in the front-rear direction on the diaphragm with both front and rear ends as free ends.
In the second vibration mode, a standing wave for 1.5 wavelengths is generated in the front-rear direction with both front and rear ends as free ends, and at the position of the antinode of the standing wave for 1.5 wavelengths, the vibration plate With the left and right ends of the free end, standing waves of 1/2 wavelength are generated in the left and right direction.
The excitation region in the first vibration mode is a region between two adjacent nodes in the front-rear direction.
The first piezoelectric element is arranged at the center of the left and right in the excitation region on one of the front and rear of the first vibration mode.
The excitation region in the second vibration mode is an overlapping region between the region to the left or right with respect to the center of the left and right and the region between the nodes adjacent to each other in the front-rear direction in the standing wave in the front-rear direction.
The second piezoelectric element is arranged along the left end or the right end of the diaphragm and in the excitation region of the other front and rear in the second vibration mode, and the width in the left-right direction is the left-right width of the diaphragm. Is less than 1/2 of
It is a piezoelectric actuator characterized by this.
上記圧電アクチュエーターは、前記第1圧電素子の左右幅が、前記振動板の左右幅の1/2以上であることとしてもよい。 In the piezoelectric actuator, the left-right width of the first piezoelectric element may be ½ or more of the left-right width of the diaphragm.
本発明のその他の態様は、上記圧電アクチュエーターを二つ用いて構成される自走装置であって、当該自走装置は、
二つの前記圧電アクチュエーターは、前記振動板の前記一主面側を上面として、左右に並列に配置された状態で連結され、
左方の前記圧電アクチュエーターにおける前記振動板の下面の左端に沿う領域と、右方の前記圧電アクチュエーターにおける前記振動板の下面の右端に沿う領域とに推進部が形成され、
前記第1圧電素子と前記第2圧電素子は、90゜の位相差を有する駆動信号が印加されて前記振動板の面内に進行波を発生させ、
前記推進部は、摩擦力によって前記進行波を載置面に伝達する、
ことを特徴としている。
Another aspect of the present invention is a self-propelled device configured by using the two piezoelectric actuators, wherein the self-propelled device is a self-propelled device.
The two piezoelectric actuators are connected in a state of being arranged in parallel on the left and right sides with the one main surface side of the diaphragm as the upper surface.
Propulsion portions are formed in a region along the left end of the lower surface of the diaphragm in the piezoelectric actuator on the left side and a region along the right end of the lower surface of the diaphragm in the piezoelectric actuator on the right side.
A driving signal having a phase difference of 90 ° is applied to the first piezoelectric element and the second piezoelectric element to generate a traveling wave in the plane of the diaphragm.
The propulsion unit transmits the traveling wave to the mounting surface by frictional force.
It is characterized by that.
本発明の範囲には、上記圧電アクチュエーターを二つ用いて構成される流体輸送装置も含まれており、当該流体輸送装置は、
二つの前記圧電アクチュエーターは、上下方向に積層されてなり、
上方の前記圧電アクチュエーターは、前記一主面を上面とし、
下方の前記圧電アクチュエーターは、前記一主面を下面とし、
上方と下方の前記圧電アクチュエーターの層間において、左右中央の領域と、少なくとも左右一方の縁端に沿う領域とに、前端から後端にわたる隔壁が形成され、
前記隔壁により、前後両端に開口する流体輸送路が前記層間に形成され、
前記第1圧電素子と前記第2圧電素子は、90゜の位相差を有する駆動信号が印加されて、上方と下方の前記圧電アクチュエーターの前記振動板に同方向に周回する進行波を発生させる、
ことを特徴としている。
The scope of the present invention also includes a fluid transport device configured by using the two piezoelectric actuators.
The two piezoelectric actuators are laminated in the vertical direction.
The upper piezoelectric actuator has the one main surface as the upper surface.
The lower piezoelectric actuator has the one main surface as the lower surface.
Between the upper and lower layers of the piezoelectric actuator, a partition wall extending from the front end to the rear end is formed in a region in the center of the left and right and a region along at least one of the left and right edges.
A fluid transport path that opens at both front and rear ends is formed between the layers by the partition wall.
A drive signal having a phase difference of 90 ° is applied to the first piezoelectric element and the second piezoelectric element to generate a traveling wave that orbits in the same direction on the diaphragm of the piezoelectric actuator above and below.
It is characterized by that.
本発明によれば、簡素な構造を備えるとともに、振幅が大きな進行波を発生させることができる圧電アクチュエーターが提供される。また、その圧電アクチュエーターを用いることで、簡素な構造を有する自走装置および流体輸送装置が提供される。なお、その他の効果については、以下の記載で明らかにする。 According to the present invention, there is provided a piezoelectric actuator having a simple structure and capable of generating a traveling wave having a large amplitude. Further, by using the piezoelectric actuator, a self-propelled device and a fluid transport device having a simple structure are provided. Other effects will be clarified in the following description.
本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一又は類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。図面によっては説明に際して不要な符号を省略することもある。 Examples of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the drawings used in the following description, the same or similar parts may be designated by the same reference numerals and duplicate description may be omitted. Depending on the drawing, unnecessary reference numerals may be omitted in the description.
===圧電アクチュエーターの構造===
図1は、本発明の実施例に係る圧電アクチュエーター1の構造を示す図である。ステンレスなどからなる矩形平板状の振動板2の一主面21に二つの圧電素子(3a、3b)が前後方向に離間して貼着されている。例示した振動板2は、長さLと幅Wの比L:Wが、5:2である。二つの圧電素子(3a、3b)は、矩形平面形状を有する平板状の圧電体の表裏両面に、電極板が配置された構造を有している。ここで、一主面21を上面として上下の各方向を規定し、長さL方向を前後方向、幅W方向を左右方向とする。そして、図1に示したように、前後の各方向と左右の各方向を規定すると、前方の圧電素子(以下、第1圧電素子とも言う)は、前後長L1、幅W1の矩形平板状であり、振動板2の前端22から後端23に向かって距離D1の位置の左右中央に配置されている。後方の圧電素子(以下、第2圧電素子3bとも言う)は、前後長L2、幅W2の矩形平板状であり、振動板2の前端22から後端23に向かって距離D2の位置において左方の縁端(以下、左端24とも言う)に沿って配置されている。なお、第2圧電素子3bは、右方の縁端(以下、右端25とも言う)に沿って配置されていてもよい。
=== Piezoelectric actuator structure ===
FIG. 1 is a diagram showing a structure of a
二つの圧電素子(3a、3b)は、矩形平板状の圧電体の上面に駆動信号が印加される信号電極が形成され、下面に接地電極が形成されてなる。信号電極は、例えば、銀ペーストなどを焼き付けたものである。また、例示した圧電アクチュエーター1では、圧電体の下面が、導体からなる振動板2に貼着されており、この振動板2が接地電極を兼ねている。すなわち、圧電素子(3a、3b)は、振動板2を共通の接地電極として、上面の信号電極に駆動信号が印加される。そして、本実施例では、二つの圧電素子(3a、3b)は、上下方向を分極方向として、上下方向の電界に対して前後方向に伸縮する。
The two piezoelectric elements (3a, 3b) have a signal electrode to which a drive signal is applied formed on the upper surface of a rectangular flat plate-shaped piezoelectric body, and a ground electrode formed on the lower surface thereof. The signal electrode is, for example, a baked silver paste or the like. Further, in the exemplified
図2に、圧電アクチュエーター1に駆動回路30を接続したときの図を示した。図2では、圧電アクチュエーター1を右方から見た状態を示している。第1圧電素子3aと第2圧電素子3bは、圧電体31の上面に信号電極32が形成され、圧電体31の下面が、例えば、導電性接着剤などによって振動板2に貼着されている。駆動回路30の接地側は、振動板2に接続されており、第1圧電素子3aと第2圧電素子3bのそれぞれの信号電極32に個別に信号を印加できるように構成されている。
FIG. 2 shows a diagram when the
===振動板の振動モード===
振動板2は、異なる二つの共振周波数のそれぞれに特有の振動モードで振動する。すなわち、二つの共振周波数の一方と他方とで、異なる振動モードで振動する。図1に示した実施例に係る圧電アクチュエーター1では、第1圧電素子3aによって、二つの振動モードの一方の振動モード(以下、第1振動モードとも言う)を振動板2に発現させ、第2圧電素子3bによって他方の振動モード(以下、第2振動モードとも言う)を発現させる。
=== Vibration mode of diaphragm ===
The
周知のごとく、構造物が持つ固有の共振周波数が固有振動数であり、固有振動数は、形状、材料のヤング率、密度によって異なる。すなわち、同じ形状を有する構造物は、共振周波数が材料の物性に応じて異なるだけで、共振周波数で振動させると、振動状態が同じになる。そして、構造物の振動状態は、有限要素法を用いたシミュレーションによって忠実に再現することができる。図3と図4は、そのシミュレーションによる解析結果を示している。具体的には、固有振動数と、その周波数での振動形状を調べるモーダル解析(固有値解析)の結果を示している。 As is well known, the natural resonance frequency of a structure is the natural frequency, and the natural frequency varies depending on the shape, Young's modulus of the material, and density. That is, the structures having the same shape differ only in the resonance frequency according to the physical properties of the material, and when vibrated at the resonance frequency, the vibration state becomes the same. Then, the vibration state of the structure can be faithfully reproduced by the simulation using the finite element method. 3 and 4 show the analysis results by the simulation. Specifically, the results of modal analysis (eigenvalue analysis) for investigating the natural frequency and the vibration shape at that frequency are shown.
図3は、132.3kHzの共振周波数における第1振動モードでの振動板2の振動状態を示しており、図3(A)は、共振状態にある振動板2の振動状態を示す斜視図であり、図3(B)は、共振状態にある振動板2を右方から見たときの波形を示す図である。図3(A)に示したように、振動板2は、132.3kHzの共振周波数において、前後方向に波打つように振動する。具体的には、図3(B)に示したように、前端22と後端23とを自由端とした2波長分の定在波を発生させる。したがって、振動板2において、図3(A)に楕円で示した領域41、図3(B)に両矢印で示した前後方向の領域41、すなわち前後方向で隣接する二つの節(P1a、P1a)の間の半波長分の領域41が励振可能な領域(以下、励振領域41とも言う)となる。そして、この励振領域41に圧電素子を貼着すれば、振動板2を図3に示した振動状態(以下、第1振動モードとも言う)で共振させることができる。また、図1における圧電素子3aの前後長L1は、この励振領域41の前後長以下である必要がある。さらに、励振領域41では、第1圧電素子3aの前後中央位置が、腹P2aの位置やその近傍となるようにすることが望ましい。
FIG. 3 shows the vibration state of the vibrating
図4は、134.3kHzの共振周波数における第2振動モードでの振動板2の振動状態を示している。図4(A)は、134.3kHzにおいて共振状態にある振動板2の振動モードを示す斜視図であり、図4(B)は、共振状態にある振動板2を右方から見たときの波形を示す図である。そして、図4(C)と図4(D)は、ある瞬間における振動板2の変形状態を前方から見たときの図である。
FIG. 4 shows the vibration state of the
図4(A)に示したように、第2振動モードでは、振動板2は、134.3kHzの共振周波数において、前後方向に波打ちつつ、左右方向で互いに反転するように振動する。具体的には、図4(B)に示したように、振動板2には、前端22と後端23を自由端とした1.5波長分の定在波が発生する。そして、前後方向の定在波における腹の位置P2bでは、図4(C)と図4(D)とに示したように、左右中央に節P3を有して左端24と右端25を自由端とした半波長分の定在波が発生する。したがって、振動板2において、図4(A)において楕円で示した領域42が励振領域42となる。具体的には、励振領域42は、図3(B)において、両矢印で示した前後方向の半波長分の領域42aと、図3(C)、(D)において両矢印で示した左右方向の1/4波長分の領域42bとが重複する領域である。そして、励振領域42のいずれかに第2圧電素子3bを貼着すれば、振動板2を図4に示した第2振動モードで共振させることができる。また、図1における第2圧電素子3bの前後長L2は、この励振領域42の前後長以下である必要がある。さらに、励振領域42では、圧電素子の前後中央位置が、腹P2bの位置やその近傍となるようにすることが望ましい。
As shown in FIG. 4A, in the second vibration mode, the
===圧電素子の配置===
上述したように、振動板2は、132.3kHz、および134.3kHzの二つの共振周波数において、互いに異なる第1振動モード、および第2振動モードで共振する。そして、第1振動モードにおける励振領域41、および第2振動モードにおける励振領域42に、それぞれ、第1圧電素子3a、および第2圧電素子3bを配置するとともに、これらの圧電素子(3a、3b)を二つの共振周波数から僅かにずらした周波数で駆動すれば、振動板2の面内には第1振動モードと第2振動モードの二つの振動モードが合成された振動が発生する。図5に、第1振動モードにおける振動板2の振動状態と、第2振動モードにおける振動板2の振動状態とを重ねて示した。図5では、第1振動モードによる振動波形、および定常波における節P1aと腹P2aの位置を実線で示し、第2振動モードによる振動波形、および定常波における節P1bと腹P2bの位置を鎖線で示した。以下に、図5と、先に示した図1、図3、図4とを参照しつつ、第1圧電素子3aと第2圧電素子3bの配置について説明する。
=== Arrangement of piezoelectric elements ===
As described above, the
図1に示した本発明の実施例に係る圧電アクチュエーター1では、図3に示した第1振動モードにおける励振領域41の範囲内に第1圧電素子3aが配置される。さらに、最も振幅が大きくなる腹P1bの位置に第1圧電素子3aの平面領域の中心を一致させることで、より大きな振幅が得られる。
In the
また、図4に示した第2振動モードにおける励振領域42の範囲内に第2圧電素子3bが配置される。さらに、最も振幅が大きくなる腹P2bの位置に第2圧電素子3bの平面領域の中心を一致させることで、より大きな振幅が得られる。しかし、第2振動モードでは、振動板2の左端24あるいは右端25に腹P2bが形成されるため、この腹P2bの位置と第2圧電素子3bの平面領域の中心とを一致させると、第2圧電素子3bが振動板2の左方あるいは右方からはみ出してしまう。そのため、第2圧電素子3bは、振動板2の左端24あるいは右端25に沿って配置されることになる。
Further, the second
そして、第1圧電素子3aと第2圧電素子3bとは、双方の振動が互いに打ち消し合わないように、一方の圧電素子(3aまたは3b)が配置される励振領域(41または42)と、他方の圧電素子(3bまたは3a)が配置される励振領域(42または41)とが重複しないようにする必要がある。そのため、図1に示した実施例に係る圧電アクチュエーター1では、図5に示したように、振動板2を右方から見たときに、第1圧電素子3aの平面領域の中心が、第1振動モードにおける最も前方の励振領域41における腹P10の近傍に配置されている。具体的には、第1圧電素子3aは、D1=L/4となる位置の左右中央に配置されている。なお、第1振動モードにおける励振領域41は、振動板2を左右方向に横断するように形成されることから、第1圧電素子3aの左右幅W1は、W/2以上であることが望ましい。
The first
第2圧電素子3bについては、その平面領域において、前後中央位置が、第2振動モードにおける最も後方の励振領域42の腹P20の位置の近傍となるようにしつつ、第2圧電素子3bの左端24、あるいは右端25が、振動板2の左端24、あるいは右端25に沿うように配置されている。具体的には、D2=0.7L(≒2L/3)となる位置の左端24に沿って配置されている。なお、第2振動モードにおける励振領域42は、振動板2の左端24または右端25から左右中央までの領域であることから、第2圧電素子3bの左右幅W2は、W/2以下にする必要がある。
Regarding the second
===圧電アクチュエーターの動作===
本実施例の圧電アクチュエーター1では、第1圧電素子3aおよび第2圧電素子3bが、130kHzの周波数で駆動され、二つの圧電素子(3a、3b)に印加する駆動信号の位相差が90゜であるときに振動板2の面内に進行波が発生する。また、駆動信号の位相差が0゜あるいは180゜であるときには定在波が発生する。図6と図7は、圧電アクチュエーター1を作動させたときの振動板2の変形状態の遷移を示している。図6は、振動板2の面内に進行波が発生しているときの状態を示している。ここでは、第1圧電素子3aに印加する駆動信号の位相に対し、第2圧電素子3bに印加する駆動信号の位相を90゜進めている。なお、以下では、第1圧電素子3aに印加する駆動信号の位相に対して第2圧電素子3bに印加する駆動信号の位相が進んでいる場合には、位相差の角度の符号を「+」とし、位相が遅れている場合には「−」とする。すなわち、図6では、駆動信号の位相差を+90゜としている。
=== Operation of piezoelectric actuator ===
In the
図6に示したように、第1圧電素子3aと第2圧電素子3bとに+90゜の位相差の駆動信号を印加すると、進行波の発生に伴って、図中黒丸で示した山の位置が、図6(A)、図6(B)、図6(C)、および図6(D)の順に移動していく。すなわち、振動板2には、図中太線矢印で示したように、上方から見て、時計回りの進行波が発生する。なお、位相差を−90゜にすれば、振動板2には、上方から見て、反時計回りの進行波が発生する。
As shown in FIG. 6, when a drive signal having a phase difference of + 90 ° is applied to the first
一方、第1圧電素子3aと第2圧電素子3bを同相(位相差0゜)で駆動すると、図7に示したように、図中白丸で示した位置では、定在波の節のようにほとんど振動せず、上下方向の振幅が極めて小さくなる。なお、図中黒丸で示した位置では、定在波の腹のように、上下方向に大きな振幅で振動する。第1圧電素子3aと第2圧電素子3bの位相差を180゜にすると、図中黒丸の位置が節となり、図中白丸の位置が腹となる。
On the other hand, when the first
このように、本実施例の圧電アクチュエーター1は、長さLと幅Wとが所定の比(例えば、L:W=5:2)の矩形平板状の振動板2の上面21に、第1圧電素子3aと第2圧電素子3bの二つの圧電素子を貼着しただけの簡素な構造である。また、二つの圧電素子(3a、3b)は、単一の分極領域を有したものであり、一つの圧電体31に分極方向が異なる複数の領域を設ける必要がない。また、振動板2の第1振動モードにおける励振領域41と第2振動モードにおける励振領域42とに、それぞれ第1圧電素子3aと第2圧電素子3bが貼着され、これらの圧電素子(3a、3b)を、所定の周波数(例えば、130kHz)で振動させたときに、上述した第1振動モードと第2振動モードの二つの振動モードでの振動が合成された振動が発生するように構成されている。そして、第1圧電素子3aと第2圧電素子3bに印加する駆動信号の位相差を90゜にすることで、振動板2に、面内を周回する進行波を発生させることができる。
As described above, in the
なお、長さL=5cm、幅=2cmの平面領域を有する所定の厚さ(例えば、1mm)のステンレス板からなる振動板2を用いて、図1に示した、本実施例に係る圧電アクチュエーター1を実際に作製してみたところ、約1μmの振幅で、シミュレーションと同様の振動状態が得られることが確認された。
The piezoelectric actuator according to the present embodiment shown in FIG. 1 is used by using a
===応用例===
本発明の実施例に係る圧電アクチュエーター1は、様々な装置に応用することが可能である。図8〜図11に、それぞれ、実施例に係る圧電アクチュエーター1を用いた各種装置を示した。
=== Application example ===
The
<モーター>
圧電アクチュエーター1の第1の応用例として、モーターを示す。図8は、そのモーター10を示す図である。第1の応用例であるモーター10は、先に図1に示した本発明の実施例に係る圧電アクチュエーター(以下、基本ユニット1とも言う)を一つ用いる。基本ユニット1の振動板2の右後方の角には、弾性体からなる突起部11が後方に突出するように形成されている。また、回転軸12に軸支されて振動板2の板面と平行な面を有する円板状のローター13を備えている。そして、突起部4の先端がローター6の円周に接している。
<Motor>
A motor is shown as a first application example of the
図8に示したモーター10は、第1圧電素子3aと第2圧電素子3bとに位相差+90゜の駆動信号を印加すると、図中太線矢印で示したように、振動板2に、上方から見て時計回りの進行波が発生し、図中白抜き矢印で示したように、突起部11の先端には左方から右方に向かう進行波が発生する。それによってローター13は反時計回りに回転する。第1圧電素子3aと第2圧電素子3bに印加する駆動信号の位相差を−90゜にすると、ローター13は時計回りに回転する。
When a drive signal having a phase difference of + 90 ° is applied to the first
<自走装置>
基本ユニット1は、振動板2の面内に進行波を発生させることができるものの、その進行波を推進力として利用することが難しい。そこで、第2の応用例として、2基の基本ユニット1を用いて推進力を取り出せる自走装置を挙げる。図9に第2の応用例である自走装置110を示した。自走装置110は、2基の基本ユニット(1L、1R)を、平板状の部材6を介して左右方向に連結した構造を有しており、左方の基本ユニット1Lの下面左端側と、右方の基本ユニット1Rの下面右端側とに櫛歯状の推進部(7L、7R)が設けられている。推進部(7L、7R)は、櫛歯の先端側を載置面に接触させることで、載置面に対して摩擦力を発生させる。左右の基本ユニット(1L、1R)の振動板2の下面において、推進部(7L、7R)が設けられていない領域は、載置面に接触しておらず、載置面に対して摩擦力を発生させることがない。それによって、左右の基本ユニット(1L、1R)に、上方から見て互いに反対方向の進行波を発生させると、前方、あるいは後方に推進力が発生する。図9に示した例では、図中に太線矢印で示したように、上方から見て、左方の基本ユニット1Lに反時計回りの進行波を発生させ、右方の基本ユニット1Rに時計回りの進行波を発生させている。それによって、推進部(7L、7R)における櫛歯の先端には、載置面に対して相対的に後方から前方に向かう進行波が発生する。すなわち、自走装置110は、後方に自走する。このときの各圧電素子(3aL、3bL、3aR、3bR)への駆動信号の印加状態としては、左方の基本ユニット1Lについては、第1圧電素子3aLと第2圧電素子3bLの位相差が−90゜であり、右方の基本ユニット1Rについては、第1圧電素子3aRと第2圧電素子3bRの位相差が+90゜となる。すなわち、左方の基本ユニット1Lの第1圧電素子3aLと右方の基本ユニット1Rの第2圧電素子3bRとを第1組とし、左方の基本ユニット1Lの第2圧電素子3bLと右方の基本ユニット1Rの第1圧電素子3aRとを第2組とすると、同じ組に属する圧電素子(3aL−3bR、3bL−3aR)を同相で駆動するとともに、第1組の圧電素子(3aL、3bR)の位相に対して第2組の圧電素子(3bL、3aR)の位相を90゜進めると、自走装置110は後方に自走する。そして、第1組の圧電素子(3aL、3bR)の位相に対して第2組の圧電素子(3bL、3aR)の位相を90゜遅らせると、自走装置110は前方に自走する。
<Self-propelled device>
Although the
また、左方と右方の基本ユニット(1L、1R)の第1圧電素子(3aL、3aR)を同相で駆動し、左方と右方の基本ユニット(1L、1R)の第2圧電素子(3bL、3bR)の位相を第1圧電素子(3aL、3aR)に対して90゜進めると、二つの基本ユニット(1L、1R)の振動板2には、上方から見て、時計回りの進行波が発生する。それによって、自走装置110は、上方から見ると、その場で反時計回りに旋回する。左方と右方の基本ユニット(1L、1R)の第1圧電素子(3aL、3aR)を同相で駆動し、左方と右方の基本ユニット(1L、1R)の第2圧電素子(3bL、3bR)を第1圧電素子(3aL、3aR)に対して90゜遅らせれば、自走装置110は、上方から見ると、その場で時計回りに旋回する。
Further, the first piezoelectric element (3aL, 3aR) of the left and right basic units (1L, 1R) is driven in phase, and the second piezoelectric element (1L, 1R) of the left and right basic units (1L, 1R) is driven. When the phase of 3bL, 3bR) is advanced by 90 ° with respect to the first piezoelectric element (3aL, 3aR), the
このように、第2の応用例である自走装置110は、左方の基本ユニット1Lにおける二つの圧電素子(3aL、3bL)、および右方の基本ユニット1Rにおける二つの圧電素子(3aR、3bR)のそれぞれに印加する駆動信号の位相を、適宜に切り替え可能にしておくことで、無限軌道を備えた車両などと同様に、前進、後進、および旋回が可能なものとなる。なお、ここに示した自走装置110の用途としては、例えば、生産現場における部品の搬送装置、玩具などがある。もちろん、ここに示した自走装置110の用途は、これらに限定されない。
As described above, the self-propelled
<流体輸送装置>
第3の応用例として、ポンプなど、流体輸送装置を挙げる。図10は、その流体輸送装置210の一例を示す図である。図10に示したように、流体輸送装置210は、二つの基本ユニット(1U、1D)を上下に積層した構造を有している。なお、下方の基本ユニット1Dは、上方の基本ユニット1Uに対し、上下の面を反転させており、振動板2の下面に図示しない二つの圧電素子が貼着されている。
<Fluid transport device>
A third application example is a fluid transport device such as a pump. FIG. 10 is a diagram showing an example of the
図10に示した流体輸送装置210は、流体を前後一方向に輸送するための構成を備えており、二つの基本ユニット(1U、1D)の層間の左右中央と右端とに、前端から後端にわたる隔壁(8C、8R)が形成されている。それによって、二つの基本ユニット(1U、1D)は、微少な間隙を有して対面し、左右中央と右端とに形成された隔壁(8C、8R)によって、二つの基本ユニット(1U、1D)の層間の右端側に、前後に連絡する流体輸送経路9Rが形成されている。そして、上方の基本ユニット1Uと下方の基本ユニット1Dのそれぞれに、上下対称となる進行波、すなわち、上方から見て同方向に周回する進行波を発生させると、流体輸送経路9Rの前後一方の開口に供給された流体が前後他方の開口に向かって輸送される。
The
図10に示した例では、図中に太線矢印で示したように、上方から見て、二つの基本ユニット(1U、1D)の振動板2に時計回りの進行波を発生させ、図中白抜き矢印で示したように、流体輸送経路9Rの後端側から供給された流体を前端側に向かって輸送させ、当該流体輸送経路9Rの前方の開口から流体を吐出させている。もちろん、進行波の方向を逆転させれば、前方から後方に向かって流体を輸送することができる。なお、隔壁(8C、8R)は、進行波の振幅を減衰させないように、変形し易い素材、例えば、ゴムのような弾性体などで形成することが望ましい。
In the example shown in FIG. 10, as shown by the thick arrow in the figure, a clockwise traveling wave is generated on the
図10に示した流体輸送装置210は、流体輸送経路9Rを一つ備えて、流体を前後一方向に輸送するように構成されていたが、図11に示した流体輸送装置310のように、上下二つの基本ユニット(1U、1D)の層間の左端にも隔壁8Lを設け、層間の左端側と右端側にそれぞれ流体輸送経路(9L、9R)を形成してもよい。それによって、一方の流体輸送経路(9L、9R)によって、流体を前後一方向に輸送しつつ、他方の流体輸送経路(9R、9L)によって、流体を前後他方向に輸送させることができる。そして、例えば、左右両側の流体輸送経路(9R、9L)の前後それぞれの開口にチューブなどを接続させておけば、左右一方の流体輸送経路(9L、9R)によって後方から前方に向かって流体を輸送しつつ、左右他方の流体輸送経路(9R、9L)によって前方から後方に向かって流体を輸送することができる。
The
図11に示した例では、図中に太線矢印で示したように、上方から見て、二つの基本ユニット(1U、1D)の振動板2に時計回りの進行波を発生させ、図中白抜き矢印で示したように、右方の流体輸送経路9Rによって、流体を後方から前方に向かって輸送させ、左方の流体輸送経路9Lによって、流体を前方から後方に向かって輸送させている。
In the example shown in FIG. 11, as shown by the thick arrow in the figure, a clockwise traveling wave is generated on the
===その他の実施例===
図1に示した実施例に係る圧電アクチュエーター1の振動板2は、第1振動モードと第2振動モードの双方の振動モードでの振動が、ある周波数(例えば、130kHz)で発生し易いように、長さLと幅Wの比L:Wを5:2としていた。もちろん、振動板2の長さLと幅Wの比は厳密に5:2である必要はない。例えば、L:W=5:25とすると、振動板2は、67.8kHzにおいて、第1振動モードに相当する、前後方向に屈曲する振動モードでの定在波を発生させ、70.2kHzにおいて、第2振動モードに相当する、左右方向で位相が180゜ずれた定在波を発生させる。しかし、67.8kHzでの定在波は、振動板2の前端22と後端23を自由端とした1.5波長分で形成されたものであり、70.2kHzでの長さ方向の定在波は、振動板2の前端22と後端23を自由端とした1波長分で形成されたものであった。そして、このL:W=5:25の振動板2を用いた圧電アクチュエーターでは、70kHzの周波数で進行波が発生するものの、第1振動モードの励振領域と第2振動モードの励振領域とが一部で重なり、双方の領域で圧電素子の面積を十分に確保することができず、振幅が小さくなってしまった。すなわち、効率良く進行波を発生させることができなかった。そのため、例えば、この圧電アクチュエーターを用いて自走装置を構成した場合では、十分な推進力が得られない可能性がある。いずれにしても、図3に示した第1振動モードと図4に示した第2振動モードとで共振可能な振動板2を用いて圧電アクチュエーターを構成する必要がある。
=== Other Examples ===
The
図1と図2とに示したように、基本ユニット1の振動板2は、導電性を有するステンレス板で構成されて、振動板2が圧電素子(3a、3b)の下面側の電極を兼ねていた。もちろん、振動板2を絶縁体で構成することもできる。そして、振動板2の上面に導体パターンを印刷などによって形成し、圧電体31の下面と導体パターンの上面とを導電性接着剤などを用いて貼着すれば、導体パターンが圧電素子(3a、3b)の下面側の電極となる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
第2の応用例として示した自走装置110は、左右の基本ユニット(1L、1R)が同じであり、第2圧電素子3aがともに振動板2の左端24に沿って配置されていた。もちろん、左右一方の基本ユニット1の第2圧電素子は、振動板2の右端25に沿って配置されていてもよい。あるいは、同じ二つの基本ユニット1Lを用いつつ、左右一方の基本ユニット(1L、1R)に対し、左右他方の基本ユニット(1R、1L)の前後方向を反転させて自走装置を構成してもよい。いずれにしても、振動板2の左右中央に配置された第1圧電素子3aと、左右一方の縁端に沿って配置された第2圧電素子3bとに印加する駆動信号の位相を適宜に設定することで自走装置110の進行方向や回転方向を制御することができる。
In the self-propelled
1,1L,1R,1U,1D 圧電アクチュエーター(基本ユニット)、2 振動板、3a、3aL、3aR 第1圧電素子、3b、3bL、3bR 第2圧電素子、10 モーター、22 振動板の前端、23 振動板の後端、24 振動板の左端、25 振動板の右端、30 駆動回路、31 圧電体、32 信号電極、41、42 励振領域、110 自走装置、210,310 流体輸送装置
1,1L, 1R, 1U, 1D Piezoelectric actuator (basic unit), 2 Vibrating plate, 3a, 3aL, 3aR 1st piezo element, 3b, 3bL, 3bR 2nd piezo element, 10 motor, 22 Front end of vibrating plate, 23 Rear end of vibrating plate, 24 left end of vibrating plate, 25 right end of vibrating plate, 30 drive circuit, 31 piezoelectric body, 32 signal electrode, 41, 42 excitation region, 110 self-propelled device, 210, 310 fluid transport device
Claims (4)
前記第1圧電素子および前記第2圧電素子は、矩形平板状の圧電体の表裏両面に電極板が配置されてなり、
前記第1圧電素子と前記第2圧電素子は、前記振動板の前後方向に離間して配置され、
前記振動板は、第1の共振周波数において第1の振動モードで振動するとともに、第2の共振周波数において第2の振動モードによって振動し、
第1の振動モードでは、前記振動板に、前後両端を自由端として、前後方向に2波長分の定在波が発生し、
第2の振動モードでは、前後両端を自由端として、前後方向に1.5波長分の定在波が発生するとともに、当該1.5波長分の定在波の腹の位置では、前記振動板の左右両端を自由端として、左右方向に1/2波長分の定在波が発生し、
前記第1振動モードでの励振領域は、前後で隣接する二つの節の間の領域であり、
前記第1圧電素子は、前記第1振動モードの前後一方の前記励振領域内の左右中央に配置され、
前記第2の振動モードでの励振領域は、左右中央に対して左方あるいは右方の領域と、前後方向の定在波において前後で隣接する節の間の領域との重複領域であり、
前記第2圧電素子は、前記振動板の左縁辺または右縁辺に沿いつつ、前記第2の振動モードにおける前後他方の前記励振領域内に配置されているとともに、左右方向の幅が前記振動板の左右幅の1/2以下である、
ことを特徴とする圧電アクチュエーター。 The first piezoelectric element and the second piezoelectric element are attached to one main surface of a rectangular planar vibrating plate in which the extension direction of the long side is the front-rear direction and the extension direction of the short side is the left-right direction.
The first piezoelectric element and the second piezoelectric element are formed by arranging electrode plates on both the front and back surfaces of a rectangular flat plate-shaped piezoelectric body.
The first piezoelectric element and the second piezoelectric element are arranged so as to be separated from each other in the front-rear direction of the diaphragm.
The diaphragm vibrates in the first vibration mode at the first resonance frequency and vibrates in the second vibration mode at the second resonance frequency.
In the first vibration mode, standing waves of two wavelengths are generated in the front-rear direction on the diaphragm with both front and rear ends as free ends.
In the second vibration mode, a standing wave for 1.5 wavelengths is generated in the front-rear direction with both front and rear ends as free ends, and at the position of the antinode of the standing wave for 1.5 wavelengths, the vibration plate With the left and right ends of the free end, standing waves of 1/2 wavelength are generated in the left and right direction.
The excitation region in the first vibration mode is a region between two adjacent nodes in the front-rear direction.
The first piezoelectric element is arranged at the center of the left and right in the excitation region on one of the front and rear of the first vibration mode.
The excitation region in the second vibration mode is an overlapping region between the region to the left or right with respect to the center of the left and right and the region between the nodes adjacent to each other in the front-rear direction in the standing wave in the front-rear direction.
The second piezoelectric element is arranged along the left or right edge of the diaphragm, in the front and rear other excitation regions in the second vibration mode, and has a width in the left-right direction of the diaphragm. It is less than 1/2 of the left and right width,
Piezoelectric actuator characterized by that.
二つの前記圧電アクチュエーターは、前記振動板の前記一主面側を上面として、左右に並列に配置された状態で連結され、
左方の前記圧電アクチュエーターにおける前記振動板の下面の左縁辺に沿う領域と、右方の前記圧電アクチュエーターにおける前記振動板の下面の右縁辺に沿う領域とに推進部が形成され、
前記第1圧電素子と前記第2圧電素子は、90゜の位相差を有する駆動信号が印加されて前記振動板の面内に進行波を発生させ、
前記推進部は、摩擦力によって前記進行波を載置面に伝達する、
ことを特徴とする自走装置。 A self-propelled device configured by using two piezoelectric actuators according to claim 1 or 2.
The two piezoelectric actuators are connected in a state of being arranged in parallel on the left and right sides with the one main surface side of the diaphragm as the upper surface.
Propulsion portions are formed in a region along the left edge of the lower surface of the diaphragm in the piezoelectric actuator on the left and a region along the right edge of the lower surface of the diaphragm in the piezoelectric actuator on the right.
A driving signal having a phase difference of 90 ° is applied to the first piezoelectric element and the second piezoelectric element to generate a traveling wave in the plane of the diaphragm.
The propulsion unit transmits the traveling wave to the mounting surface by frictional force.
A self-propelled device characterized by that.
二つの前記圧電アクチュエーターは、上下方向に積層されてなり、
上方の前記圧電アクチュエーターは、前記一主面を上面とし、
下方の前記圧電アクチュエーターは、前記一主面を下面とし、
上方と下方の前記圧電アクチュエーターの層間において、左右中央の領域と、少なくとも左右一方の縁辺に沿う領域とに、前端から後端にわたる隔壁が形成され、
前記隔壁により、前後両端に開口する流体輸送路が前記層間に形成され、
前記第1圧電素子と前記第2圧電素子は、90゜の位相差を有する駆動信号が印加されて、上方と下方の前記圧電アクチュエーターの前記振動板に同方向に周回する進行波を発生させる、
ことを特徴とする流体輸送装置。 A fluid transport device configured by using two piezoelectric actuators according to claim 1 or 2.
The two piezoelectric actuators are laminated in the vertical direction.
The upper piezoelectric actuator has the one main surface as the upper surface.
The lower piezoelectric actuator has the one main surface as the lower surface.
Between the upper and lower layers of the piezoelectric actuator, a partition wall extending from the front end to the rear end is formed in a region in the center of the left and right and a region along at least one of the left and right edges.
A fluid transport path that opens at both front and rear ends is formed between the layers by the partition wall.
A drive signal having a phase difference of 90 ° is applied to the first piezoelectric element and the second piezoelectric element to generate a traveling wave that orbits in the same direction on the diaphragm of the piezoelectric actuator above and below.
A fluid transport device characterized by that.
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