JPH07274556A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

圧電アクチュエータ

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JPH07274556A
JPH07274556A JP6099033A JP9903394A JPH07274556A JP H07274556 A JPH07274556 A JP H07274556A JP 6099033 A JP6099033 A JP 6099033A JP 9903394 A JP9903394 A JP 9903394A JP H07274556 A JPH07274556 A JP H07274556A
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JP
Japan
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vibration displacement
projection
protrusion
elastic body
piezoelectric
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Application number
JP6099033A
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English (en)
Inventor
Toshiyuki Matsuoka
俊幸 松岡
Hiroshi Okamoto
弘 岡本
Motomu Asano
求 浅野
Setsuya Mitsuishi
節也 三石
Teruyuki Matsui
照幸 松井
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Meitec Group Holdings Inc
Original Assignee
Meitec Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電素子を用いた圧電アクチュエ
ータにおいて、柱状の弾性体に励振されるの2種類の屈
曲振動により、柱状の弾性体に突設された突起部に、突
起部の突出方向および突起部の突出方向の直角方向に振
動変位を発生させ、機械的出力を相交差する2方向に取
り出す圧電アクチュエータの提供。 【構成】 柱状の弾性体(3)と、弾性体
(3)に固着された圧電素子(2a)(2b)(2c)
(2d)と、機械的出力を取り出す突起部(4)と弾性
体(3)を支持する支持部(5)とからなり、2方向の
機械的出力を取り出すことを可能とした構成。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子の逆圧電効果
により電気的エネルギーを機械的出力に変換するアクチ
ュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】従来のくさび効果を利用した圧電アクチ
ュエータとして、例えば特開昭54−164202に示
された振動モータがある。この振動モータは電気発振器
と、その電気発振器により励起される作用圧電セルと、
その圧電セルの超音波振動を集中させる集中器とより構
成され、この集中器を任意の角度でロータに押しつける
ことにより回転運動を行わせるものである。この振動モ
ータは圧電素子の縦効果を利用しており、集中部はその
突出方向にのみ振動し、ロータは一方向に回転するもの
であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前述の構成の振動モー
タの方式では集中器に励振される振動は一方向であるた
め機械的な出力すなわち回転を行わせる運動は一方向に
しか発生できず、従ってロータを一方向にしか回転させ
られなかった。即ち、従来のくさび効果を利用したモー
タでは一方向の動きしか取り出すことができなかった。
本発明は、前述の欠点を解決するために創案されたもの
で、相交差する2方向の運動を発生させ、各方向のくさ
び効果を利用することにより2方向の回転運動や直線運
動を行わせることが可能な圧電アクチュエータを提供す
ることを目的としている。
【0004】
【問題点を解決するための手段】上記問題点を解決する
ために、本発明の第一の圧電アクチュエータは両端に支
持部を有するとともに平行平面部が形成された柱状の弾
性体と、平行平面部の一方で弾性体の長手方向中心位置
に突設された突起部と、平行平面部の少なくとも一方の
平面部に突起部を中心とする対称位置にそれぞれ設けら
れた圧電素子とから成り、それぞれの圧電素子にそれぞ
れ所望の駆動電圧を印加することにより、突起部に突起
部の突出方向の振動変位と、突起部の突出方向に対し直
角方向の振動変位を発生させるように構成したものであ
る。第二の圧電アクチュエータは、第一の圧電進行アク
チュエータに任意の方向の運動が許容されるように支持
され突起部の振動変位発生部に所定の圧力でかつ一定の
角度で接触する運動体を付加し、振動変位発生部の二種
類の方向の振動変位により運動体の許容される方向の運
動に変換するように構成したものである。第三の圧電ア
クチュエータは、第二の圧電アクチュエータの運動体を
回転自在に支持され外周部が突起部の振動変位発生部に
任意の圧力でかつ一定の角度で接触する回転運動体と
し、振動変位発生部の二種類の方向の振動変位により回
転運動体を回転運動させるように構成したものである。
第四の圧電アクチュエータは、第二の圧電アクチュエー
タの運動体を直線運動自在に支持され外周部が突起部の
振動変位発生部に所定の圧力でかつ一定の角度で接触す
る直線運動体とし、振動変位発生部の二種類の方向の振
動変位により直線運動体を直線運動させるように構成し
たものである。
【0005】
【作用】前述した構成により、第一の圧電アクチュエー
タはそれぞれの圧電素子にそれぞれ所望の駆動電圧を印
加することにより、突起部に突起部の突出方向の振動変
位と、突起部の突出方向に対し直角方向の振動変位を発
生させることができる。すなわち、相交差する2方向の
運動を発生させることができる。第二の圧電アクチュエ
ータは、振動変位発生部の二種類の方向の振動変位によ
るくさび効果により運動体を二種類の許容される方向に
運動させることができる。第三の圧電アクチュエータ
は、振動変位発生部の二種類の方向の振動変位によるく
さび効果により回転運動体を正方向または逆方向の二方
向に回転運動させることができる。第四の圧電アクチュ
エータは、振動変位発生部の二種類の方向の振動変位に
よるくさび効果により直線運動体を正方向または逆方向
の二方向に直線運動させることができる。
【0006】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳述
する。図1は第1の実施例を示す。(1)は圧電アクチ
ュエータを示し、両端に圧電アクチュエータ(1)全体
を支持するための支持部(5a)(5b)が形成される
とともに、平行平面部(3a)(3b)が形成された適
宜の弾性を有する柱状の弾性体(3)と、一方の平行平
面部(3a)で弾性体(3)の長手方向中心位置(P)
に突設された、4角柱状あるいは適宜の形状をした突起
部(4)と、平行平面部(3a)(3b)の突起部
(4)を中心とする対称位置にそれぞれ設けられた、逆
圧電効果または電歪効果例えば横効果(d13効果)を
利用し、交流又は直流電圧印加により任意の変位量だけ
変位を発生する適宣の圧電材料からなる圧電素子(2
a)(2b)(2c)(2d)とから成る。なお、弾性
体(3)は適宣の弾性を有するものであれば、例えば洋
白、燐青銅あるいはコバールなどの金属であってもよい
し、ABS樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネートあ
るいはナイロンなどの樹脂であってもよいし、FRPや
CFRPなどの複合材料であってもよい。また、弾性体
(3)の形状は4角柱状や6角柱状であっても良いし、
平行平面部(3a)(3b)を有するものであれば他の
角柱状であってもよい。また、弾性体(3)は、中空構
造としてもよい。支持部(5a)(5b)はフレームな
ど適宜の支持体に接続されているものである。圧電素子
(2a)(2b)(2c)(2d)は、弾性体(3)の
平行平面部(3a)(3b)に突起部(4)を対称中心
とする位置に適宜の接着剤により固着されている。以上
のような構成の圧電進行アクチュエータ(1)の作用を
以下に述べる。圧電素子(2a)と(2b)、圧電素子
(2c)と(2d)をそれぞれ1組とし適宜の駆動回路
より所望の位相差を有する所望の周波数の交流電圧(V
a)(Vb)を印加することにより弾性体(3)に種々
の屈曲振動を励振させ、突起部(4)の振動変位発生部
(4a)を所望の方向に振動させることができる。例え
ば、突起部(4)を突出方向(X)に振動させ機械的出
力を取り出す場合、弾性体(3)の振動状態を示す図2
において、第1の屈曲振動(10)は、圧電素子(2
a)と(2b)、圧電素子(2c)と(2d)をそれぞ
れ一組として、各組の圧電素子へ適宜の駆動回路から所
定の周波数の交流電圧(Va)(Vb)を同位相で印加
した場合に励振され、その時突出部(4)は突出部
(4)の突出方向(X)に変位し振動するため、機械的
出力を突起部(4)の突出方向(X)に取り出すことが
できる。次に突出部(4)をその突出方向(X)と略直
交する方向(Y)に振動させ突起部(4)の略直交方向
(Y)に機械的出力を取り出す方法を図面により説明す
る。弾性体(3)の振動状態を示す図3において、第2
の屈曲振動(20)は第1の屈曲振動(10)と同様に
圧電素子(2a)と(2b)、圧電素子(2c)と(2
d)をそれぞれ一組として、各組の圧電素子へ適宜の駆
動回路から所定の周波数の交流電圧(Va)(Vb)を
逆位相差で印加した場合に励振され、その時突出部
(4)は突出部(4)と概直交する方向(Y)に振動す
るため、機械的出力を突起部(4)の突出方向と略直交
する方向(Y)に取り出すことができる。以上、本発明
の圧電アクチュエータ(1)は上記2種類の屈曲振動を
弾性体(3)に発生させることにより、2方向の機械的
出力(X)(Y)を取り出すことが可能となる。なお、
圧電素子部(2a)(2b)(2c)(2d)は薄膜技
術等により弾性体(3)に形成してもよいし、傾斜材料
などを用い弾性体(3)と一体に形成してもよい。図4
は第2の実施例を示す。(100)は圧電アクチュエー
タを示し、両端にステータ(101)を支持するための
支持部(105a)(105b)が形成されるととも
に、平行平面部(103a)(103b)が形成された
適宜の弾性を有する柱状の弾性体(103)と、一方の
平行平面部(103a)で弾性体(103)の長手方向
中心位置に突設された、4角柱状あるいは適宜の形状を
した突起部(104)と、平行平面部(103a)(1
03b)の突起部(104)を中心とする対称位置にそ
れぞれ設けられた、逆圧電効果または電歪効果例えば横
効果(d13効果)を利用し、交流又は直流電圧印加に
より任意の変位量だけ変位を発生する適宣の圧電材料か
らなる圧電素子(102a)(102b)(102c)
(102d)とから成る。圧電素子(102a)(10
2b)(102c)(102d)は、弾性体(103)
の平行平面部(103a)(103b)に突起部(10
4)を対称中心とする位置に適宜の接着剤により固着さ
れている。振動変位発生部(104a)には、少なくと
も二種類の方向の運動が許容されるように支持された運
動体例えばボールベアリングなどで回転自在に支持され
た回転運動体(106)がその外周部を振動変位発生部
(104a)に接触するように配置されているれてい
る。ステータ(101)の支持部(105a)(105
b)はフレーム(109)に固定されたバネなどの押圧
機構(107)に接続された支持板(108)に支持さ
れ、回転運動体(106)と振動変位発生部(104
a)とは、押圧機構(107)により任意の圧力でかつ
一定の角度で接触する。なお、弾性体(103)は適宣
の弾性を有するものであれば、例えば洋白、燐青銅ある
いはコバールなどの金属であってもよいし、ABS樹
脂、ポリアセタール、ポリカーボネートあるいはナイロ
ンなどの樹脂であってもよいし、FRPやCFRPなど
の複合材料であってもよい。また、弾性体(103)の
形状は4角柱状や6角柱状であっても良いし、平行平面
部(103a)(103b)を有するものであれば他の
角柱状であってもよい。また、弾性体(103)は、中
空構造でもよい。以上の構成の第2の実施例の圧電アク
チュエータ(100)の作用を以下に述べる。ステータ
(101)は第1の実施例で述べた圧電アクチュエータ
(1)と同一の構成であり、突起部(104)は圧電ア
クチュエータ(1)の突起部(4)と同様の原理により
振動するため、詳述は省くが突起部(104)は図2の
突出部(104)の突出方向(X)および図3の突起部
(104)の突出方向と略直交する方向(Y)に振動変
位を発生させることが可能である。ステータ(103)
に第1の屈曲振動を励振し突出部(104)を突出方向
(X)へ振動させ、さらに、突起部(104)を押圧機
構(107)により回転運動体(106)の外周に対し
て所望の押圧角φ例えば45°で押しつけることによ
り、振動変位発生部(104a)は回転運動体(10
6)の外周を殴打する。この殴打は、振動変位発生部
(104a)に曲げ分力を発生させるため、振動変位発
生部(104a)には直線運動が略回転運動に変換され
るくさび効果が発生し、突出方向(X)の直線運動は回
転運動に変換される。従って、振動変位発生部(104
a)の運動により、回転運動体(106)を正方向(X
r)に回転させることができる。一方、ステータ(10
3)に第2の屈曲振動を励振し突起部(104)を突起
部(104)の突出方向と略直交する方向(Y)に振動
させ、さらに、突起部(104)を押圧機構(107)
により回転運動体(106)に対して所望の押圧角φ例
えば45°で押しつけることにより、振動変位発生部
(104a)は回転運動体(106)の外周を殴打す
る。この殴打により振動変位発生部(104a)には圧
縮分力が発生するため、前述のくさび効果により突出方
向と略直交する方向(Y)の運動は直線運動から略回転
運動に変換される。従って、振動変位発生部(104
a)の運動により、回転運動体(106)を逆方向(Y
r)の方向に回転させることができる。以上述べたよう
に、第2の実施例の圧電アクチュエータ(100)は回
転運動体(106)の2方向の回転運動が可能である。
ただし、押圧機構(107)の押圧方法はバネ機構であ
ってもよいしあらかじめステータ(101)をフレーム
(109)の所望の位置に取り付け回転運動体(10
6)へステータ(101)を押圧してもよい。また、回
転運動体(106)に負荷があり一個のステータ(10
1)では回転運動体(106)の回転運動が困難である
場合には、図5に示すようにステータ(101)を複数
個用いることにより回転運動体(106)を回転させて
もよい。さらに、ステータ(101)を3個以上使用す
ることによりステータ(101)の突出部(104)で
回転運動体(106)を支持することが可能となり、軸
受けが不必要となるので構造の簡素化を図ることができ
る。図6は第3の実施例を示す。(200)は圧電アク
チュエータを示し、両端にステータ(201)を支持す
るための支持部(205a)(205b)が形成される
とともに、平行平面部(203a)(203b)が形成
された適宜の弾性を有する柱状の弾性体(203)と、
一方の平行平面部(203a)で弾性体(203)の長
手方向中心位置に突設された、4角柱状あるいは適宜の
形状をした突起部(204)と、平行平面部(203
a)(203b)の突起部(204)を中心とする対称
位置にそれぞれ設けられた、逆圧電効果または電歪効果
例えば横効果(d13効果)を利用し、交流又は直流電
圧印加により任意の変位量だけ変位を発生する適宣の圧
電材料からなる圧電素子(202a)(202b)(2
02c)(202d)とから成る。圧電素子(202
a)(202b)(202c)(202d)は、弾性体
(203)の平行平面部(203a)(203b)に突
起部(204)を対称中心とする位置に適宜の接着剤に
より固着されている。振動変位発生部(204a)に
は、少なくとも二種類の方向の運動が許容されるように
支持された運動体例えばリニアガイドなどで直線移動自
在に支持された直線運動体(206)がその外周部を振
動変位発生部(204a)に接触するように配置されて
いるれている。ステータ(201)の支持部(205
a)(205b)はフレーム(209)に固定されたバ
ネなどの押圧機構(207)に接続された支持板(20
8)に支持され、直線運動体(206)と振動変位発生
部(204a)とは、押圧機構(207)により任意の
圧力でかつ一定の角度で接触する。なお、弾性体(20
3)は適宣の弾性を有するものであれば、例えば洋白、
燐青銅あるいはコバールなどの金属であってもよいし、
ABS樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネートあるい
はナイロンなどの樹脂であってもよいし、FRPやCF
RPなどの複合材料であってもよい。また、弾性体(2
03)の形状は4角柱状や6角柱状であっても良いし、
平行平面部(203a)(203b)を有するものであ
れば他の角柱状であってもよい。また、弾性体(20
3)は、中空構造でもよい。以上の構成の第3の実施例
の圧電アクチュエータ(200)の作用を以下に述べ
る。ステータ(201)は第1の実施例で述べた圧電ア
クチュエータ(1)と同一の構成であり、突起部(20
4)は圧電アクチュエータ(1)の突起部(4)と同様
の原理により振動するため、詳述は省くが突起部(20
4)は図2の突出部(204)の突出方向(X)および
図3の突起部(204)の突出方向と略直交する方向
(Y)に振動変位を発生させることが可能である。ステ
ータ(203)に第1の屈曲振動を励振し突出部(20
4)を突出方向(X)へ振動させ、さらに、突起部(2
04)を押圧機構(207)により直線運動体(20
6)の外周に対して所望の押圧角φ例えば45°で押し
つけることにより、振動変位発生部(204a)は直線
運動体(206)の外周を殴打する。この殴打により振
動変位発生部(204a)には曲げ分力が発生し、前述
のくさび効果により突出方向(X)の運動は直線運動か
ら略回転運動に変換される。従って、振動変位発生部
(204a)の運動により、直線運動体(206)を正
方向(Xl)に直線移動させることができる。一方、ス
テータ(203)に第2の屈曲振動を励振し突起部(2
04)を突起部(204)の突出方向と略直交する方向
(Y)に振動させ、さらに、突起部(204)を押圧機
構(207)により直線運動体(206)に対して所望
の押圧角φ例えば45°で押しつけることにより、振動
変位発生部(204a)は直線運動体(206)の外周
を殴打する。この殴打により振動変位発生部(204
a)には圧縮分力が発生し、前述のくさび効果により突
出方向と略直交する方向(Y)の運動は直線運動から略
回転運動に変換される。従って、振動変位発生部(20
4a)の運動により、直線運動体(206)を逆方向
(Yl)の方向に直線移動させることができる。以上述
べたように、第2の実施例の圧電アクチュエータ(20
0)は直線運動体(206)の2方向の直線移動が可能
である。ただし、押圧機構(207)の押圧方法はバネ
機構であってもよいしあらかじめステータ(201)を
フレーム(209)の所望の位置に取り付け直線運動体
(206)へステータ(201)を押圧してもよい。ま
た、直線運動体(206)に負荷があり一個のステータ
(201)では直線運動体(206)の直線移動が困難
である場合には、図6に示すようにステータ(201)
を複数個用いることにより直線運動体(201)を直線
移動させてもよい。さらに、ステータ(201)を3個
以上使用することによりステータ(201)の突出部
(204)で直線運動体(206)を支持することが可
能となり軸受けが不必要となるので構造の簡素化を図る
ことができる。
【0007】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の圧電アク
チュエータにより相交差する2方向に機械的出力を取り
出すことが可能となり、さらに、この第1の機械的出力
を第2の機械的出力に変換するように運動体を付加して
圧電アクチュエータを構成することによりに、2方向に
回転可能な圧電アクチュエータおよび2方向に直線移動
可能な圧電アクチュエータを構成することが可能とな
る。さらに、圧電アクチュエータにおいて複数個のステ
ータを使用することにより軸受けを省略でき構造の簡素
化を図ることが可能となり、マイクロ化を図ることが可
能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の圧電アクチュエータを
示す。
【図2】本発明の圧電アクチュエータの第1の屈曲振動
の動作説明図を示す。
【図3】本発明の圧電アクチュエータの第2の屈曲振動
の動作説明図を示す。
【図4】本発明の第2の実施例の圧電アクチュエータを
示す。
【図5】本発明の第2の実施例の応用例を示す。
【図6】本発明の第3の実施例の電アクチュエータを示
す。
【符号の説明】
(1)・・・圧電アクチュエータ (2a)(2b)(2c)(2d)・・・圧電素子 (3)・・・弾性体 (3a)(3b)・・・平行平面部 (P)・・・弾性体の長手方向中心位置 (4)・・・突起部 (5a)(5b)・・・支持部 (X)・・・突出方向 (Y)・・・突出方向の略直交する方向 (10)・・・第1の屈曲振動 (20)・・・第2の屈曲振動 (Va)(Vb)・・・交流電圧 (100)・・・圧電アクチュエータ (101)・・・ステータ (102a)(102b)(102c)(102d)・
・・圧電素子 (103)・・・弾性体 (103a)(103b)・・・平行平面部 (104)・・・突起部 (104a)・・・振動変位発生部 (105a)(105b)・・・支持部 (106)・・・回転運動体 (107)・・・押圧機構 (108)・・・支持板 (109)・・・フレーム (Xr)・・・正方向の回転 (Yr)・・・逆方向の回転 (200)・・・圧電アクチュエータ (201)・・・ステータ (202a)(202b)(202c)(202d)・
・・圧電素子 (203)・・・弾性体 (203a)(203b)・・・平行平面部 (204)・・・突起部 (204a)・・・振動変位発生部 (205a)(205b)・・・支持部 (206)・・・直線運動体 (207)・・・押圧機構 (208)・・・支持板 (209)・・・フレーム (Xl)・・・正方向の直線運動 (Yl)・・・逆方向の直線運動
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三石 節也 愛知県名古屋市西区康生通り2丁目20番1 号 株式会社メイテック内 (72)発明者 松井 照幸 愛知県名古屋市西区康生通り2丁目20番1 号 株式会社メイテック内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】両端に支持部を有するとともに平行平面部
    が形成された柱状の弾性体と、前記平行平面部の一方で
    前記弾性体の長手方向中心位置に突設された突起部と、
    前記平行平面部の少なくとも一方の平面部に前記突起部
    を中心とする対称位置にそれぞれ設けられた圧電素子と
    から成り、それぞれの前記圧電素子にそれぞれ所望の駆
    動電圧を印加することにより、前記突起部に前記突起部
    の突出方向の振動変位と、前記突起部の突出方向に対し
    直角方向の振動変位を発生させるように構成したことを
    特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 【請求項2】両端に支持部を有するとともに平行平面部
    が形成された柱状の弾性体と、前記平行平面部の一方で
    前記弾性体の長手方向中心位置に突設された突起部と、
    前記平行平面部の少なくとも一方の平面部に前記突起部
    を中心とする対称位置にそれぞれ設けられた圧電素子と
    から成り、それぞれの前記圧電素子にそれぞれ所望の駆
    動電圧を印加することにより、前記突起部に前記突起部
    の突出方向の振動変位と、前記突起部の突出方向に対し
    直角方向の振動変位を発生させるように構成するととも
    に、少なくとも二種類の方向の運動が許容されるように
    支持され前記突起部の振動変位発生部に所定の圧力でか
    つ一定の角度で接触する運動体を付加し、前記振動変位
    発生部の二種類の方向の振動変位により前記運動体が二
    種類の許容される方向に運動するように構成したことを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の圧電アクチュエ
    ータ。
  3. 【請求項3】両端に支持部を有するとともに平行平面部
    が形成された柱状の弾性体と、前記平行平面部の一方で
    前記弾性体の長手方向中心位置に突設された突起部と、
    前記平行平面部の少なくとも一方の平面部に前記突起部
    を中心とする対称位置にそれぞれ設けられた圧電素子と
    から成り、それぞれの前記圧電素子にそれぞれ所望の駆
    動電圧を印加することにより、前記突起部に前記突起部
    の突出方向の振動変位と、前記突起部の突出方向に対し
    直角方向の振動変位を発生させるように構成するととも
    に、回転自在に支持され外周部が前記突起部の振動変位
    発生部に所定の圧力でかつ一定の角度で接触する回転運
    動体を付加し、前記振動変位発生部の二種類の方向の振
    動変位により前記回転運動体を正方向または逆方向に回
    転運動させるように構成したことを特徴とする特許請求
    の範囲第2項記載の圧電アクチュエータ。
  4. 【請求項4】両端に支持部を有するとともに平行平面部
    が形成された柱状の弾性体と、前記平行平面部の一方で
    前記弾性体の長手方向中心位置に突設された突起部と、
    前記平行平面部の少なくとも一方の平面部に前記突起部
    を中心とする対称位置にそれぞれ設けられた圧電素子と
    から成り、それぞれの前記圧電素子にそれぞれ所望の駆
    動電圧を印加することにより、前記突起部に前記突起部
    の突出方向の振動変位と、前記突起部の突出方向に対し
    直角方向の振動変位を発生させるように構成するととも
    に、直線運動自在に支持され外周部が前記突起部の振動
    変位発生部に所定の圧力でかつ一定の角度で接触する直
    線運動体を付加し、前記振動変位発生部の二種類の方向
    の振動変位により前記直線運動体を正方向または逆方向
    への直線運動させるように構成したことを特徴とする特
    許請求の範囲第2項記載の圧電アクチュエータ。
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