JPH0984367A - Vibration actuator - Google Patents

Vibration actuator

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JPH0984367A
JPH0984367A JP7239603A JP23960395A JPH0984367A JP H0984367 A JPH0984367 A JP H0984367A JP 7239603 A JP7239603 A JP 7239603A JP 23960395 A JP23960395 A JP 23960395A JP H0984367 A JPH0984367 A JP H0984367A
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vibration
piezoelectric element
torsional vibration
vibrator
longitudinal
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Takatoshi Ashizawa
隆利 芦沢
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特願平6−275022号により提案されて
いる振動アクチュエータでは、振動子1の部品点数が増
加し、接着の際の組立工程が煩雑化して作業工数が増加
する。 【解決手段】 いわゆる異形モード縮退型振動子10を
用いる振動アクチュエータにおいて、電気機械変換素子
を、縦振動発生用電気機械変換素子13と捩り振動発生
用電気機械変換素子12とから構成し、縦振動発生用電
気機械変換素子13は縦振動の節を含む位置に、捩り振
動発生用電気機械変換素子12は捩り振動の節を含む位
置に、互いに略同一平面上に位置するように配置され
る。
In the vibration actuator proposed by Japanese Patent Application No. 6-275022, the number of parts of the vibrator 1 increases, the assembly process at the time of bonding becomes complicated, and the work man-hour increases. . In a vibration actuator using a so-called deformed mode degenerate oscillator 10, an electromechanical conversion element is composed of an electromechanical conversion element 13 for generating longitudinal vibration and an electromechanical conversion element 12 for generating torsional vibration. The electromechanical conversion element for generation 13 is arranged in a position including a node of longitudinal vibration, and the electromechanical conversion element 12 for generation of torsional vibration is arranged in a position including a node of torsional vibration so as to be located on substantially the same plane.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電気機械変換素子
を接合されて複数の振動モードを発生する振動子と,こ
の振動子に加圧接触される相対運動部材とを備える、い
わゆる異形モード縮退型の振動アクチュエータに関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a so-called irregular mode degeneracy, which includes an oscillator to which an electromechanical conversion element is joined to generate a plurality of oscillation modes, and a relative motion member which is brought into pressure contact with the oscillator. Type vibration actuator.

【0002】[0002]

【従来の技術】図6は、従来の縦振動−捩り振動型の振
動アクチュエータの一例を示す斜視図である。
2. Description of the Related Art FIG. 6 is a perspective view showing an example of a conventional longitudinal-torsion vibration type vibration actuator.

【0003】従来、この種の振動アクチュエータでは、
ステータ(固定子)101は、2つの円柱型の振動子1
02,103間に捩り振動用の圧電素子104が配置さ
れるとともに、振動子103の上側に縦振動用の圧電素
子105が配置される。捩り振動用の圧電素子104は
周方向に分極され、一方、縦振動用の圧電素子105は
厚み方向に分極される。さらに、ロータ(移動子)10
6は、縦振動用の圧電素子105の上側に配置される。
Conventionally, in this type of vibration actuator,
The stator (stator) 101 includes two cylindrical vibrators 1.
A piezoelectric element 104 for torsional vibration is arranged between 02 and 103, and a piezoelectric element 105 for longitudinal vibration is arranged above the vibrator 103. The piezoelectric element 104 for torsional vibration is polarized in the circumferential direction, while the piezoelectric element 105 for longitudinal vibration is polarized in the thickness direction. Furthermore, the rotor (moving element) 10
6 is arranged above the piezoelectric element 105 for longitudinal vibration.

【0004】ステータ101を構成する振動子102,
103及び圧電素子104,105は、シャフト107
のねじ部に螺合されて固定され、ロータ106は、ボー
ルベアリング108を介してシャフト107に回転可能
に設けられる。シャフト107の先端にはばね109を
介してナット110が螺合し、ロータ106をステータ
101に加圧力Fで加圧接触させる。
A vibrator 102 constituting a stator 101,
103 and the piezoelectric elements 104 and 105
The rotor 106 is rotatably provided on the shaft 107 via a ball bearing 108 by being screwed and fixed to the threaded portion of the. A nut 110 is screwed onto the tip of the shaft 107 via a spring 109 to bring the rotor 106 into pressure contact with the stator 101 with a pressing force F.

【0005】捩り振動用の圧電素子104と縦振動用の
圧電素子105とは、発振器111から発振される同一
周波数の電圧を、移相器112により位相制御して駆動
される。
The piezoelectric element 104 for torsional vibration and the piezoelectric element 105 for longitudinal vibration are driven by phase-shifting a voltage of the same frequency oscillated from an oscillator 111 by a phase shifter 112.

【0006】捩り振動用の圧電素子104は、ロータ1
06が回転するための機械的変位を与え、一方、縦振動
用の圧電素子105はステータ101とロータ106と
の間に働く摩擦力を、圧電素子104による捩り振動の
周期に同期させて周期的に変動させることにより、振動
を一方向への運動に変換するクラッチ的役割を果たして
いる。
The piezoelectric element 104 for torsional vibration is the rotor 1
06 provides a mechanical displacement for rotation, while the piezoelectric element 105 for longitudinal vibration periodically synchronizes the frictional force acting between the stator 101 and the rotor 106 with the cycle of torsional vibration by the piezoelectric element 104. By virtue of this, it plays the role of a clutch that converts vibration into movement in one direction.

【0007】図7は、この従来の振動アクチュエータの
ステータを展開して示した斜視図である。捩り振動用の
圧電素子104は、周方向に分極する必要があるため、
圧電材料を図7に示すように、6〜8個程度の扇形の小
片に一旦分割し、各小片を分極した後に再度環状に組み
合わせていた。なお、符号104aは電極である。
FIG. 7 is an exploded perspective view showing a stator of this conventional vibration actuator. Since the piezoelectric element 104 for torsional vibration needs to be polarized in the circumferential direction,
As shown in FIG. 7, the piezoelectric material was once divided into about 6 to 8 fan-shaped small pieces, and each small piece was polarized and then recombined into an annular shape. Reference numeral 104a is an electrode.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
の振動アクチュエータでは、捩り振動用の圧電素子10
4を環状に組み合わせる時に、形状精度を出すことが難
しかった。
However, in the conventional vibration actuator described above, the piezoelectric element 10 for torsional vibration is used.
When combining 4 in a ring shape, it was difficult to obtain shape accuracy.

【0009】一方、縦振動用の圧電素子105,及び捩
り振動用の圧電素子104それぞれの面積は、ともに、
ステータ106の断面積と略等しいか、又は、ステータ
106の断面積よりも小さかった。また、シャフト10
7を貫通させるために縦振動用の圧電素子105,及び
捩り振動用の圧電素子104それぞれの中央部に孔を開
ける必要もあり、そのために、縦振動用の圧電素子10
5,及び捩り振動用の圧電素子104それぞれの面積は
さらに小さくなり、振動アクチュエータの高トルク化及
び高回転化をともに図ることが難しかった。
On the other hand, the areas of the piezoelectric element 105 for longitudinal vibration and the piezoelectric element 104 for torsional vibration are both
It was substantially equal to or smaller than the cross-sectional area of the stator 106. Also, the shaft 10
It is also necessary to make a hole in the central portion of each of the piezoelectric element 105 for longitudinal vibration and the piezoelectric element 104 for torsional vibration in order to penetrate the piezoelectric element 7. Therefore, the piezoelectric element 10 for longitudinal vibration is provided.
5, the area of each of the piezoelectric elements 104 for torsional vibration is further reduced, and it has been difficult to achieve both high torque and high rotation of the vibration actuator.

【0010】このような不具合を解決するために、本出
願人は、既に特願平6−275022号により、高トル
ク及び高回転で駆動することができ、しかも、構造及び
製造がともに容易な、1次の縦振動と1次の捩り振動と
を発生するいわゆる異形モード縮退型の振動子を用いた
振動アクチュエータを提案した。
In order to solve such a problem, the applicant of the present invention has already been able to drive with high torque and high rotation according to Japanese Patent Application No. 6-275022, and the structure and the manufacturing are easy. We proposed a vibration actuator that uses a so-called odd-mode degenerate oscillator that generates first-order longitudinal vibration and first-order torsional vibration.

【0011】図8は、この振動子に縦振動と捩り振動と
を組み合わせて駆動面に楕円運動を発生する振動アクチ
ュエータの駆動原理を説明する図であり、図8(A)は
上面図,図8(B)は側面図,図8(C)は振動子に発
生する縦振動モード及び捩り振動モードの波形を示す説
明図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining the driving principle of a vibration actuator which combines this vibrator with longitudinal vibration and torsional vibration to generate an elliptical motion on the driving surface. FIG. 8 (A) is a top view and FIG. 8B is a side view, and FIG. 8C is an explanatory diagram showing waveforms of a longitudinal vibration mode and a torsional vibration mode generated in the vibrator.

【0012】振動子1は、中空の円柱型弾性体を回転軸
を含む平面で縦に2分割した2つの半円柱型弾性体2
a,2bを組み合わせて構成される。2つの半円柱型弾
性体2a,2bの間には、電気機械変換素子である圧電
素子4,5が2枚ずつ合計4枚接合されており、駆動信
号により圧電素子4,4及び5,5が励振されると、図
8(C)に示すように、振動子1には1次の捩り振動と
1次の縦振動とがそれぞれ発生する。
The vibrator 1 includes two semi-cylindrical elastic bodies 2 obtained by vertically dividing a hollow cylindrical elastic body in a plane including the rotation axis.
a and 2b are combined. Between the two semi-cylindrical elastic bodies 2a and 2b, two piezoelectric elements 4 and 5, which are electromechanical conversion elements, are bonded in total, and a total of four piezoelectric elements 4, 4 and 5, 5 are connected by a drive signal. Is excited, a first-order torsional vibration and a first-order longitudinal vibration are generated in the vibrator 1, respectively, as shown in FIG. 8 (C).

【0013】振動子1に発生する縦振動及び捩り振動そ
れぞれの共振周波数が略一致すると、振動子1には縦振
動及び捩り振動が同時に発生し(以下、このような状態
を「縮退」という。)、振動子1の一方の端面である駆
動面6には定点が楕円状に振幅する楕円運動を発生す
る。
When the resonance frequencies of the longitudinal vibration and the torsional vibration generated in the vibrator 1 substantially coincide with each other, the vibrator 1 simultaneously generates the longitudinal vibration and the torsional vibration (hereinafter, such a state is referred to as "degenerate"). ), An elliptic motion in which a fixed point oscillates in an elliptical shape is generated on the driving surface 6 which is one end surface of the vibrator 1.

【0014】発生した楕円運動は、駆動面6に加圧接触
される相対運動部材である移動子7を回転駆動すること
により移動子7を駆動する。図9は、この振動子1の構
造を詳細に示す説明図であって、図9(A)は上面図,
図9(B)は側面図である。
The generated elliptical movement drives the moving element 7 by rotationally driving the moving element 7 which is a relative moving member that is brought into pressure contact with the driving surface 6. FIG. 9 is an explanatory view showing the structure of the vibrator 1 in detail. FIG. 9 (A) is a top view,
FIG. 9B is a side view.

【0015】振動子1は、中空の円柱体を縦に2分割し
た半円柱型弾性体2a,2bを組み合わせたものであっ
て、分割面には、圧電素子4及び圧電素子5と電極板
7,8,9を図示するように積層した状態で挟み込んで
保持する。
The vibrator 1 is a combination of semi-cylindrical elastic bodies 2a and 2b obtained by vertically dividing a hollow cylindrical body into two parts, and the divided surfaces have piezoelectric elements 4 and 5, and an electrode plate 7. , 8 and 9 are sandwiched and held in a laminated state as shown in the drawing.

【0016】圧電素子4及び圧電素子5は2群からなっ
ており、各群はそれぞれ4層から形成される。4層の圧
電素子のうち2層(捩り振動用圧電素子5)は圧電定数
15が大きい圧電体から、残り2層(縦振動用圧電素子
4)が圧電定数d31が大きい圧電体から、それぞれ構成
される。圧電定数d15が大きい捩り振動用圧電素子5
は、振動子1の長手方向に対して剪断変位を発生する。
The piezoelectric element 4 and the piezoelectric element 5 are composed of two groups, and each group is composed of four layers. Of the four layers of piezoelectric elements, two layers (piezoelectric element 5 for torsional vibration) have a large piezoelectric constant d 15 , and the remaining two layers (piezoelectric element 4 for longitudinal vibration) have a large piezoelectric constant d 31 . Each is composed. Piezoelectric element 5 for torsional vibration having a large piezoelectric constant d 15.
Generates shear displacement in the longitudinal direction of the vibrator 1.

【0017】このような圧電定数d15の大きい捩り振動
用圧電素子5に電圧を印加すると振動子1には捩り変位
が発生し、圧電定数d31が大きい縦振動用圧電素子4に
電圧を印加すると振動子1には縦変位が発生する。
When a voltage is applied to the torsional vibration piezoelectric element 5 having a large piezoelectric constant d 15, a torsional displacement occurs in the vibrator 1, and a voltage is applied to the longitudinal vibration piezoelectric element 4 having a large piezoelectric constant d 31. Then, the vibrator 1 is vertically displaced.

【0018】このように、捩り振動用圧電素子5に正弦
波電圧を入力することにより振動子1にはこれに応じて
捩り運動が発生し、縦振動用圧電体4に正弦波電圧を入
力することにより振動子1にはこれに応じて伸縮運動
(縦運動)が発生する。図10は、このような異形モー
ド縮退型の振動子を用いた振動アクチュエータの動作を
経時的に示す説明図である。
As described above, by inputting the sinusoidal voltage to the piezoelectric element 5 for torsional vibration, a torsional motion is generated in the vibrator 1 accordingly, and the sinusoidal voltage is input to the piezoelectric body 4 for longitudinal vibration. As a result, a stretching motion (longitudinal motion) is generated in the vibrator 1 accordingly. FIG. 10 is an explanatory diagram showing the operation of a vibration actuator using such a variant mode degenerate oscillator over time.

【0019】図10に示すように、捩り振動Tの周期
と,縦振動Lの周期との位相差を(1/4)λ(λ:波
長)ずらすと、駆動面6上の定点には楕円運動が発生す
る。t=(6/4)πの時点では、捩り振動Tの変位は
左側に最大であり、一方、縦振動Tの変位は零である。
この状態では、移動子7は図示しない加圧部材によって
振動子1の駆動面6に加圧接触する。
As shown in FIG. 10, when the phase difference between the period of the torsional vibration T and the period of the longitudinal vibration L is shifted by (1/4) λ (λ: wavelength), the fixed point on the driving surface 6 is elliptical. Exercise occurs. At time t = (6/4) π, the displacement of the torsional vibration T is maximum on the left side, while the displacement of the longitudinal vibration T is zero.
In this state, the mover 7 is brought into pressure contact with the drive surface 6 of the vibrator 1 by a pressure member (not shown).

【0020】この状態から、t=(7/4)π〜0〜
(2/4)πまでは、捩り振動Tは、左側の最大から右
側の最大まで変位し、一方、縦振動Lは、零から上側の
最大に変位し再び零に戻る。したがって、振動子1の駆
動面6の定点は、移動子7を押しながら右方向に回転
し、移動子7は駆動される。
From this state, t = (7/4) π˜0
Up to (2/4) π, the torsional vibration T is displaced from the left maximum to the right maximum, while the longitudinal vibration L is displaced from zero to the upper maximum and returns to zero again. Therefore, the fixed point of the drive surface 6 of the vibrator 1 rotates to the right while pushing the mover 7, and the mover 7 is driven.

【0021】次に、t=(2/4)π〜(6/4)πま
では、捩り振動Tは、右側の最大から左側の最大まで変
位し、一方、縦振動Lは、零から下側の最大に変位し再
び零に戻る。したがって、移動子7の駆動面6の定点
は、移動子7から離れながら左方向に回転するため、移
動子7は駆動されない。このときに、移動子7は図示し
ない加圧部材により加圧されていても加圧部材の固有振
動数が駆動周波数よりも小さいために、振動子1の縮み
に追従しない。
Next, from t = (2/4) π to (6/4) π, the torsional vibration T is displaced from the maximum on the right side to the maximum on the left side, while the longitudinal vibration L is from zero to below. It shifts to the maximum on the side and returns to zero again. Therefore, the fixed point of the drive surface 6 of the moving element 7 rotates to the left while moving away from the moving element 7, so that the moving element 7 is not driven. At this time, the moving element 7 does not follow the contraction of the vibrator 1 even if it is pressed by a pressing member (not shown), because the natural frequency of the pressing member is smaller than the driving frequency.

【0022】縦振動用圧電素子4及び捩り振動用圧電体
5に正弦波電圧を入力することにより、振動子1にはこ
れに応じて捩り振動Tが発生するが、この際、振動子1
に発生する各振動の節に圧電素子4及び5をそれぞれ配
置すると効率的に振動が励振される。
By inputting a sine wave voltage to the piezoelectric element 4 for longitudinal vibration and the piezoelectric body 5 for torsional vibration, torsional vibration T is generated in the vibrator 1 in response to this, and at this time, the vibrator 1
By arranging the piezoelectric elements 4 and 5 at the nodes of the respective vibrations that occur, the vibrations are efficiently excited.

【0023】ところで、前述した特願平6−27502
2号により提案されている振動アクチュエータは、1次
の縦振動と1次の捩り振動とを組み合わせて駆動面6に
楕円運動を発生する。そのため、近接したそれぞれの振
動の節部を跨ぐように圧電素子を配置するには、縦振動
用圧電体4と捩り振動用圧電体5とを積層した状態で重
ね合わせて振動子1の分割面に配置する必要があった。
By the way, the above-mentioned Japanese Patent Application No. 6-27502.
The vibration actuator proposed by No. 2 generates an elliptic motion on the drive surface 6 by combining the primary longitudinal vibration and the primary torsional vibration. Therefore, in order to dispose the piezoelectric element so as to straddle the nodes of the respective vibrations that are close to each other, the piezoelectric element 4 for longitudinal vibration and the piezoelectric element 5 for torsional vibration are stacked in a stacked state, and the divided surface of the vibrator 1 is overlapped. Had to be placed in.

【0024】そのため、振動子1は、2つの分割された
半円柱状弾性体2a,2bと、2層の縦振動用圧電体4
と、2層の捩り振動用圧電体5と、3層の電極7,8,
9とを、例えば接着により積層して組み立てる必要があ
った。そのため、振動子1の部品点数が増加し、接着の
際の組立工程が煩雑化して作業工数が増加するといった
課題があった。
Therefore, the vibrator 1 includes two divided semi-cylindrical elastic bodies 2a and 2b and a two-layer piezoelectric body 4 for longitudinal vibration.
And two layers of piezoelectric element 5 for torsional vibration and three layers of electrodes 7, 8,
9 and 9 had to be assembled by laminating, for example, by adhesion. Therefore, there is a problem in that the number of parts of the vibrator 1 increases, the assembly process at the time of bonding becomes complicated, and the number of work steps increases.

【0025】また、特願平6−275022号により提
案されている振動アクチュエータは、振動子1の構成部
品を接着により接合しており、接着箇所が多いため、長
時間にわたる連続駆動時における信頼性や、耐湿性さら
には耐温性等の信頼性も低下するといった課題があっ
た。
Further, in the vibration actuator proposed in Japanese Patent Application No. 6-275022, the components of the vibrator 1 are bonded by adhesion, and since there are many bonding points, the reliability during continuous driving for a long time is improved. In addition, there is a problem that reliability such as humidity resistance and temperature resistance is lowered.

【0026】また、特願平6−275022号により提
案されている振動アクチュエータの振動子1に縦振動及
び捩り振動を発生させる場合、捩り振動のほうが縦振動
よりも励振され易いという特徴がある。このため、捩り
振動用圧電素子5の大きさを縦振動用圧電素子4の大き
さより小さくしても、充分に捩り振動を励振することが
可能である。すなわち、捩り振動用圧電素子5を小さく
すればその分静電容量を小さくすることができ、入力エ
ネルギ−を小さくすることができるため、駆動効率を向
上させることができる。
Further, when the vibrator 1 of the vibration actuator proposed in Japanese Patent Application No. 6-275022 generates longitudinal vibration and torsional vibration, the torsional vibration is more likely to be excited than the longitudinal vibration. Therefore, even if the size of the piezoelectric element 5 for torsional vibration is smaller than that of the piezoelectric element 4 for longitudinal vibration, it is possible to sufficiently excite the torsional vibration. That is, if the piezoelectric element 5 for torsional vibration is made smaller, the electrostatic capacity can be made smaller and the input energy can be made smaller, so that the driving efficiency can be improved.

【0027】しかし、特願平6−275022号により
提案されている振動アクチュエータにおいては、捩り振
動用圧電素子と縦振動用圧電素子とを積層する構造であ
るために、捩り振動用圧電素子5の大きさ,縦振動用圧
電素子4の大きさを変更することは困難であるといった
課題があった。
However, in the vibration actuator proposed in Japanese Patent Application No. 6-275022, since the piezoelectric element for torsional vibration and the piezoelectric element for longitudinal vibration are laminated, the piezoelectric element for torsional vibration 5 is formed. There is a problem that it is difficult to change the size and the size of the piezoelectric element 4 for longitudinal vibration.

【0028】さらに、図8に示すように振動子1に移動
子7を加圧接触させた場合、縦振動方向と同一方向に移
動子7を加圧する必要がある。このため、移動子7の加
圧により振動子1の縦振動が減衰されることがあった。
Furthermore, when the moving element 7 is brought into pressure contact with the vibrator 1 as shown in FIG. 8, it is necessary to press the moving element 7 in the same direction as the longitudinal vibration direction. Therefore, the vertical vibration of the vibrator 1 may be attenuated by the pressure applied to the moving element 7.

【0029】このような移動子7の加圧による縦振動の
減衰をできるだけ小さくするためには、縦振動用圧電素
子4の大きさよりも捩り振動用圧電素子5の大きさを大
きくする必要がある。しかし、特願平6−275022
号により提案されている振動アクチュエータの振動子1
においては、捩り振動用圧電素子5,縦振動用圧電素子
4それぞれの大きさを変更することは、同様の理由によ
り困難であるという課題があった。
In order to reduce the attenuation of the longitudinal vibration due to the pressurization of the moving element 7 as much as possible, it is necessary to make the size of the piezoelectric element 5 for torsional vibration larger than that of the piezoelectric element 4 for longitudinal vibration. . However, Japanese Patent Application No. 6-275022
Of the vibration actuator proposed by No. 1
However, there is a problem that it is difficult to change the sizes of the torsional vibration piezoelectric element 5 and the longitudinal vibration piezoelectric element 4 for the same reason.

【0030】[0030]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、2つ
の弾性体と2つの前記弾性体の間に配置されて駆動信号
により励振される電気機械変換素子とを有する振動子
と,前記振動子に加圧接触される相対運動部材とを備
え、前記電気機械変換素子の励振により、前記振動子
に、前記電気機械変換素子と前記弾性体との接合面に対
して略平行方向に変位が発生する縦振動と,前記縦振動
の変位方向と略同一方向に回転軸を有する捩り振動とを
発生させることにより、前記捩り振動の前記回転軸と略
直角方向に形成された駆動面に駆動力を発生する振動ア
クチュエータであって、前記電気機械変換素子は、縦振
動発生用電気機械変換素子と捩り振動発生用電気機械変
換素子とからなり、前記縦振動発生用電気機械変換素子
は前記縦振動の節を含む位置に、前記捩り振動発生用電
気機械変換素子は前記捩り振動の節を含む位置に、互い
に略同一平面上に位置するようにそれぞれ配置されるこ
とを特徴とする振動アクチュエータである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a vibrator having two elastic bodies and an electromechanical conversion element which is arranged between the two elastic bodies and which is excited by a drive signal. A relative movement member that is brought into pressure contact with the vibrator, and is displaced in the vibrator in a direction substantially parallel to a joint surface between the electromechanical conversion element and the elastic body by excitation of the electromechanical conversion element. Driving the driving surface formed in a direction substantially perpendicular to the rotation axis of the torsional vibration by generating a longitudinal vibration that causes the vibration and a torsional vibration having a rotation axis in a direction substantially the same as the displacement direction of the longitudinal vibration. A vibration actuator that generates force, wherein the electromechanical conversion element includes a longitudinal vibration generation electromechanical conversion element and a torsional vibration generation electromechanical conversion element, and the vertical vibration generation electromechanical conversion element is the longitudinal vibration generation electromechanical conversion element. Includes vibration node The location, the torsional vibration generating electromechanical transducer is a position including the section of the torsional vibration, a vibration actuator, characterized in that it is arranged so as to be positioned on substantially the same plane.

【0031】請求項2の発明は、請求項1に記載された
振動アクチュエータにおいて、前記捩り振動発生用電気
機械変換素子と前記弾性体との接合面積は、前記縦振動
発生用電気機械変換素子と前記弾性体との接合面積より
も小さいことを特徴とするものである。
According to a second aspect of the present invention, in the vibration actuator according to the first aspect, the joint area between the electromechanical conversion element for generating torsional vibration and the elastic body is the same as the electromechanical conversion element for generating longitudinal vibration. It is characterized in that it is smaller than the joint area with the elastic body.

【0032】[0032]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

(第1実施形態)以下、本発明にかかる振動アクチュエ
ータの実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明
する。
(First Embodiment) Hereinafter, an embodiment of a vibration actuator according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

【0033】図1は、本発明の第1実施形態にかかる振
動アクチュエータ10の構造を説明する断面図である。
振動子11には、駆動信号により励振される電気機械変
換素子である圧電素子12,13と、これらの圧電素子
12,13が接合されており、これらの圧電素子12,
13の励振により、1次の縦振動と2次の捩り振動とが
発生することによって、駆動面11cに駆動力が発生す
る。
FIG. 1 is a sectional view for explaining the structure of a vibration actuator 10 according to the first embodiment of the present invention.
Piezoelectric elements 12 and 13, which are electromechanical conversion elements excited by a drive signal, and these piezoelectric elements 12 and 13 are joined to the vibrator 11.
The excitation of 13 generates a first-order longitudinal vibration and a second-order torsional vibration to generate a driving force on the driving surface 11c.

【0034】振動子11は、鉄鋼,ステンレス鋼又はリ
ン青銅等の金属材料から構成されており、4つの大径部
14A,14B,14C及び14Dと3つの小径部14
a,14b及び14cとを有した厚肉の円筒を、縦に2
つに分割した中空の半円柱状弾性体11a,11bを組
み合わせて構成される。半円柱状弾性体11a,11b
の間には、2層の圧電体12,13と電極15とが挟み
込まれた状態で保持される。
The vibrator 11 is made of a metal material such as steel, stainless steel or phosphor bronze, and has four large diameter portions 14A, 14B, 14C and 14D and three small diameter portions 14
a thick cylinder with a, 14b and 14c
It is configured by combining hollow semi-cylindrical elastic bodies 11a and 11b which are divided into two. Semi-cylindrical elastic bodies 11a, 11b
The two layers of the piezoelectric bodies 12 and 13 and the electrode 15 are sandwiched and held between them.

【0035】小径部14a,14b及び14cは、2次
の捩り振動の節部を含む位置に形成される。捩り振動用
圧電素子12は発生する捩り振動の節部を含む位置に配
置されており、一方、縦振動用圧電素子13は1次の縦
振動の節部を含む位置に配置される。振動子11を、四
つの大径部14A〜14Dと三つの小径部14a〜14
cとを有する形状としたのは、1次の縦振動の共振周波
数と2次の捩り振動の共振周波数とを略一致させて縮退
を生じさせるためである。なお、捩り振動用圧電素子1
2及び縦振動用圧電素子13はともに図1においては図
示されていないが、後述する図2を用いて詳細に説明す
る。
The small diameter portions 14a, 14b and 14c are formed at positions including the nodes of the secondary torsional vibration. The piezoelectric element 12 for torsional vibration is arranged at a position including a node portion of the torsional vibration to be generated, while the piezoelectric element 13 for longitudinal vibration is arranged at a position including a node portion of primary longitudinal vibration. The vibrator 11 includes four large diameter portions 14A to 14D and three small diameter portions 14a to 14D.
The shape having c is to cause degeneracy by causing the resonance frequency of the primary longitudinal vibration and the resonance frequency of the secondary torsional vibration to substantially match. The piezoelectric element for torsional vibration 1
Although not shown in FIG. 1, neither the piezoelectric element 2 for vertical vibration nor the piezoelectric element 13 for longitudinal vibration will be described in detail with reference to FIG. 2 described later.

【0036】振動子11は、その長手方向の略中心に、
捩り振動用圧電素子12及び縦振動用圧電素子13それ
ぞれの積層方向と平行方向に貫通孔16a,16bが形
成される。
The vibrator 11 has a substantially center in the longitudinal direction,
Through holes 16a and 16b are formed in a direction parallel to the stacking direction of each of the piezoelectric element 12 for torsional vibration and the piezoelectric element 13 for longitudinal vibration.

【0037】半円柱状弾性体11a,11bは、形成さ
れた貫通孔16a,16bにボルト17a,17bを挿
入してナット18によって固定することにより、捩り振
動用圧電素子12及び縦振動用圧電素子13を挟み込
む。
In the semi-cylindrical elastic bodies 11a and 11b, the bolts 17a and 17b are inserted into the formed through holes 16a and 16b and fixed by the nut 18, so that the torsional vibration piezoelectric element 12 and the longitudinal vibration piezoelectric element are formed. Insert 13

【0038】また、振動子11は、長手方向の略中央部
に中心側に向けた円環状のフランジ部19が設けられて
おり、このフランジ部19を上下方向から、互いに螺合
する円柱状の上固定軸20b及び下固定軸20aが挟み
こむことにより、振動子11が内部を挿入する円柱状の
固定軸20により固定される。
Further, the vibrator 11 is provided with an annular flange portion 19 directed toward the center side at a substantially central portion in the longitudinal direction, and the flange portion 19 has a columnar shape which is screwed with each other in the vertical direction. When the upper fixed shaft 20b and the lower fixed shaft 20a are sandwiched, the vibrator 11 is fixed by the cylindrical fixed shaft 20 into which the inside is inserted.

【0039】相対運動部材である厚肉円環状の移動子2
1は、ステンレス鋼やアルミニウム合金等からなる移動
子母材21aと,振動子11の駆動面11cに接触する
高分子材料等を主成分とする摺動材21bとから構成さ
れ、内周部に嵌合されたベアリング等による位置決め部
材22により固定軸20に対して位置決めされる。移動
子母材21aの外周面には、出力取り出し用の歯車23
が設けられており、その出力は図示しない被駆動体の歯
車へ伝達される。
Thick annular mover 2 which is a relative motion member
Reference numeral 1 is composed of a moving element base material 21a made of stainless steel, aluminum alloy or the like, and a sliding material 21b mainly made of a polymer material or the like which comes into contact with the driving surface 11c of the vibrator 11, and has an inner peripheral portion. It is positioned with respect to the fixed shaft 20 by a positioning member 22 such as a fitted bearing. On the outer peripheral surface of the mover base material 21a, a gear 23 for extracting output is provided.
Is provided, and its output is transmitted to a gear of a driven body (not shown).

【0040】また、移動子21は、皿バネやスプリング
バネさらには板バネ等の加圧部材24により、振動子1
1の駆動面11aに加圧接触される。円柱状の固定軸2
0は、振動子11の長手方向(軸方向)に形成された中
空部を貫通しており、振動子11のフランジ部19を挟
み込んで固定するととともに、移動子21の半径方向に
ついての位置決めを行う。
Further, the moving element 21 is provided with a vibrating element 1 by a pressing member 24 such as a disc spring, a spring spring, and a leaf spring.
The first driving surface 11a is brought into pressure contact. Cylindrical fixed shaft 2
Reference numeral 0 penetrates through a hollow portion formed in the longitudinal direction (axial direction) of the vibrator 11, sandwiches and fixes the flange portion 19 of the vibrator 11, and positions the mover 21 in the radial direction. .

【0041】この固定軸20は、上固定軸20b側にネ
ジ部20cが形成されており、加圧部材24の加圧量を
調整するナットなどの調整部材25が螺着される。
The fixed shaft 20 has a screw portion 20c formed on the upper fixed shaft 20b side, and an adjusting member 25 such as a nut for adjusting the amount of pressure applied by the pressure member 24 is screwed onto the fixed shaft 20.

【0042】図2は、振動子11における圧電素子の配
置を示す説明図である。振動子11は、四つの大径部1
4A〜14Dと三つ小径部14a〜14cとを有する厚
肉中空の円筒体を縦に2分割した形状の部材であり、そ
の分割面に2層の捩り振動用圧電素子12及び縦振動用
圧電素子13と電極15とが挟み込まれている。
FIG. 2 is an explanatory view showing the arrangement of piezoelectric elements in the vibrator 11. The vibrator 11 has four large diameter parts 1
4A to 14D and three small-diameter portions 14a to 14c, which are members having a shape of a thick hollow cylinder vertically divided into two parts. The element 13 and the electrode 15 are sandwiched.

【0043】小径部14a〜14cは捩り振動の節部に
配置される。すなわち、捩り振動用圧電素子12は発生
する捩り振動の節部に配置されており、縦振動用圧電素
子13は発生する縦振動の節部を跨ぐように、それぞれ
配置される。
The small diameter portions 14a to 14c are arranged at the nodes of torsional vibration. That is, the piezoelectric element 12 for torsional vibration is arranged at the node of the torsional vibration that occurs, and the piezoelectric element 13 for longitudinal vibration is arranged so as to straddle the node of the longitudinal vibration that occurs.

【0044】捩り振動圧電素子12は、圧電定数d15
大きい圧電体から構成され、周波電圧が印加されると電
圧の方向に応じた剪断変形を発生し、これにより捩り振
動が発生する。
The torsional vibration piezoelectric element 12 is composed of a piezoelectric material having a large piezoelectric constant d 15, and when a frequency voltage is applied, shear deformation occurs in accordance with the direction of the voltage, which causes torsional vibration.

【0045】捩り振動圧電素子群は、図面上手前側2枚
の捩り振動用圧電素子12aと図面上奥側2枚の捩り振
動用圧電素子12bとから構成され、手前側の捩り振動
用圧電素子12a,及び奥側の捩り振動用圧電素子12
bそれぞれの剪断変形が、同じ方向の電圧が印加された
場合に反対方向になるように配置すると、振動子11に
はある方向への捩り変位が発生する。
The torsional vibration piezoelectric element group is composed of two torsional vibration piezoelectric elements 12a on the front side in the drawing and two torsional vibration piezoelectric elements 12b on the back side in the drawing, and the torsional vibration piezoelectric element 12a on the front side. , And the piezoelectric element 12 for torsional vibration on the back side
When the shear deformations of the respective b are arranged so as to be opposite to each other when a voltage in the same direction is applied, a torsional displacement in a certain direction is generated in the vibrator 11.

【0046】例えば、図2に示すように、手前側の捩り
振動用圧電素子12a及び奥側の捩り振動用圧電素子1
2bが剪断変形すると、駆動面11aは図2中で矢印で
示す方向に捩じれる。また、反対方向の電圧を印加する
と、逆向きの剪断変形が発生するため、駆動面11aは
図2と反対方向へ捩じれる。
For example, as shown in FIG. 2, the torsional vibration piezoelectric element 12a on the front side and the torsional vibration piezoelectric element 1 on the back side are provided.
When 2b is sheared and deformed, the drive surface 11a is twisted in the direction indicated by the arrow in FIG. Further, when a voltage in the opposite direction is applied, shear deformation in the opposite direction occurs, so that the drive surface 11a is twisted in the direction opposite to that in FIG.

【0047】一方、縦振動用圧電素子13は、圧電定数
31が大きい圧電体から構成され、周波電圧を印加する
と電圧の方向に応じた伸縮変形を発生し、それにより縦
振動が発生する。
On the other hand, the longitudinal vibration piezoelectric element 13 is composed of a piezoelectric material having a large piezoelectric constant d 31 , and when a frequency voltage is applied, expansion / contraction deformation occurs in accordance with the direction of the voltage, which causes longitudinal vibration.

【0048】縦振動用圧電素子13は、図面上手前側2
枚の縦振動用圧電素子13aと図面上奥側2枚の縦振動
用圧電素子13bとから構成され、同じ方向の電圧を印
加された場合にそれぞれ同一方向に縦変形するように配
置する。
The piezoelectric element 13 for longitudinal vibration is the front side 2 in the drawing.
It is composed of one piezoelectric element for vertical vibration 13a and two piezoelectric elements for vertical vibration 13b on the back side in the drawing, and they are arranged so that they are vertically deformed in the same direction when voltages in the same direction are applied.

【0049】このように縦振動用圧電素子13a,13
bを配置することにより、縦振動用圧電素子群に同じ周
波電圧を印加すると、1次の縦振動モードが励起され易
くなる。
In this way, the longitudinal vibration piezoelectric elements 13a, 13
By arranging b, when the same frequency voltage is applied to the piezoelectric element group for longitudinal vibration, the primary longitudinal vibration mode is easily excited.

【0050】また、本実施形態では、捩り振動用圧電素
子12の大きさを縦振動用圧電素子13よりも小さく
し、捩り振動用圧電素子12の表面積が縦振動用圧電素
子13の表面積よりも小さくなるようにする。
In this embodiment, the size of the piezoelectric element 12 for torsional vibration is smaller than that of the piezoelectric element 13 for longitudinal vibration, and the surface area of the piezoelectric element 12 for torsional vibration is smaller than the surface area of the piezoelectric element 13 for longitudinal vibration. Make it smaller.

【0051】図3は、本実施形態の振動子11を構成す
る半円柱状弾性体11a及び11b,縦振動用圧電素子
13a及び13b,捩り振動用圧電素子12a及び12
b,縦振動検出用圧電素子26a及び26b,捩り振動
検出用圧電素子27a及び27b及び電極15−1,1
5−2,15−3,15−4の配置を示す分解図であ
る。なお、図3においては、図示されている部分のみ符
号を付し、隠れている部分(符号bが付される。)につ
いては、振動子1が軸を中心に対称であることから符号
を付すことを省略する。
FIG. 3 shows semi-cylindrical elastic bodies 11a and 11b, piezoelectric elements 13a and 13b for longitudinal vibration, and piezoelectric elements 12a and 12 for torsional vibration, which constitute the vibrator 11 of this embodiment.
b, longitudinal vibration detecting piezoelectric elements 26a and 26b, torsional vibration detecting piezoelectric elements 27a and 27b, and electrodes 15-1, 1
It is an exploded view showing arrangement of 5-2, 15-3, and 15-4. Note that, in FIG. 3, reference numerals are given only to the illustrated portions, and hidden portions (denoted by reference numeral b) are given since the vibrator 1 is symmetric about the axis. Omitted.

【0052】2つの分割された半円柱状弾性体11a,
11bの間に縦振動用圧電素子13a及び13bと捩り
振動用圧電素子12a及び12bと,縦振動検出用圧電
素子26a及び26bと,捩り振動検出用圧電素子27
a及び26bと,捩り振動用圧電素子12a及び12b
と縦振動用圧電素子13a及び13bとに駆動電圧を印
加するための電極15−1a及び15−1b,15−2
a及び15−2bと,縦振動検出用圧電素子26及び捩
り振動検出用圧電素子27それぞれに電圧を印加するた
めの電極15−3a及び15−3b,15−4a及び1
5−4bとが挟まれた状態で保持される。半円柱状弾性
体11a及び11b,縦振動用圧電素子13,捩り振動
用圧電素子12,及び電極15は、接着剤により接合さ
れる。
Two divided semi-cylindrical elastic bodies 11a,
Piezoelectric elements 13a and 13b for longitudinal vibration, piezoelectric elements 12a and 12b for torsional vibration, piezoelectric elements 26a and 26b for longitudinal vibration detection, and a piezoelectric element 27 for torsional vibration detection between 11b.
a and 26b, and piezoelectric elements 12a and 12b for torsional vibration
15-1a and 15-1b, 15-2 for applying a driving voltage to the piezoelectric elements 13a and 13b for longitudinal vibration
a and 15-2b, electrodes 15-3a and 15-3b, 15-4a and 1 for applying a voltage to the piezoelectric element 26 for detecting longitudinal vibration and the piezoelectric element 27 for detecting torsional vibration, respectively.
5-4b is held in a sandwiched state. The semi-cylindrical elastic bodies 11a and 11b, the longitudinal vibration piezoelectric element 13, the torsional vibration piezoelectric element 12, and the electrode 15 are bonded by an adhesive.

【0053】また、捩り振動用圧電素子12a,12b
よりも振動子11の駆動面11c側に捩り振動検出用圧
電素子27a,27bが配置されるとともに、縦振動用
圧電素子13a,13bよりも反駆動面側に縦振動検出
用圧電素子26a,26bが配置される。電極15−1
a及び15−1b,15−2a及び15−2bは、2層
の縦振動用圧電素子13及び2層の捩り振動用圧電素子
12へ同時に駆動信号を印加できるように配置される。
Further, the piezoelectric elements for torsional vibration 12a, 12b
The piezoelectric elements 27a and 27b for detecting torsional vibration are arranged on the drive surface 11c side of the vibrator 11, and the longitudinal vibration detection piezoelectric elements 26a and 26b are located on the opposite drive surface side of the longitudinal vibration piezoelectric elements 13a and 13b. Are placed. Electrode 15-1
a and 15-1b, 15-2a and 15-2b are arranged so that a drive signal can be simultaneously applied to the two layers of the longitudinal vibration piezoelectric element 13 and the two layers of the torsion vibration piezoelectric element 12.

【0054】このような構成の振動アクチュエータ10
に2つの1/4λ位相差のある駆動信号を、縦振動用圧
電素子13と捩り振動用圧電素子12とにそれぞれ入力
すると、縦振動及び捩り振動それぞれの振動の位相が9
0゜ずれ、これらの振動を合成した楕円運動が振動子1
1の駆動面11cに生じる。
Vibration actuator 10 having such a configuration
When two drive signals having a 1 / 4λ phase difference are input to the longitudinal vibration piezoelectric element 13 and the torsional vibration piezoelectric element 12, respectively, the phases of the longitudinal vibration and the torsional vibration are 9
The elliptical motion, which is a combination of these vibrations, is shifted by 0 ° and the oscillator 1
No. 1 drive surface 11c.

【0055】図4は、本実施形態の振動子11に発生す
る縦振動と捩り振動とを組み合わせて駆動面11cに楕
円運動を発生させることを示す説明図である。このよう
に、捩り運動の周期と伸縮運動の周期との間の位相差を
1/4λ(波長)ずらすと、振動子11の駆動面11c
上には捩り運動及び伸縮運動の合成振動である楕円運動
が発生する。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing that the longitudinal vibration and the torsional vibration generated in the vibrator 11 of the present embodiment are combined to generate an elliptic motion on the drive surface 11c. In this way, when the phase difference between the period of the torsional motion and the period of the expansion / contraction motion is shifted by ¼λ (wavelength), the driving surface 11c of the vibrator 11 is
An elliptic motion, which is a combined vibration of the twisting motion and the stretching motion, is generated above.

【0056】t=6/4πの時点では、捩り運動の変位
は左側に最大であり、縦振動の変位は零である。この状
態では移動子21は加圧部材24によって振動子11の
駆動面11cに接触している。
At the time of t = 6 / 4π, the displacement of the torsional motion is maximum on the left side, and the displacement of the longitudinal vibration is zero. In this state, the mover 21 is in contact with the drive surface 11c of the vibrator 11 by the pressing member 24.

【0057】この状態から、t=7/4π〜0〜2/4
πまでは、捩り運動は左側の最大から右側の最大まで変
位し、一方、縦振動は零から上側の最大に変位し、再び
零に戻る。したがって、振動子11の駆動面11cは移
動子21を押しながら、右方向に回転して移動子21は
駆動される。
From this state, t = 7 / 4π to 0 to 2/4
Up to π, the torsional movement is displaced from the maximum on the left side to the maximum on the right side, while the longitudinal vibration is displaced from zero to the maximum on the upper side and returns to zero again. Therefore, the driving surface 11c of the vibrator 11 rotates in the right direction while pushing the mover 21, and the mover 21 is driven.

【0058】次に、t=2/4π〜6/4πまでは、捩
り運動は右側の最大から左側の最大まで変位し、一方、
縦振動は零から下側の最大へ変位し再び零に戻る。した
がって、振動子11の駆動面11cは移動子21から離
れながら左方向に回転するため、移動子21は駆動され
ない。このときに、移動子21は、加圧部材24により
加圧されていても、加圧部材24の固有振動数が超音波
振動域よりも低いために振動子11の縮みに追従するこ
とができない。
Next, from t = 2 / 4π to 6 / 4π, the torsional movement is displaced from the maximum on the right side to the maximum on the left side, while
The longitudinal vibration is displaced from zero to the maximum on the lower side and returns to zero again. Therefore, the driving surface 11c of the vibrator 11 rotates to the left while moving away from the moving element 21, so that the moving element 21 is not driven. At this time, the moving element 21 cannot follow the contraction of the vibrator 11 even if it is pressed by the pressing member 24 because the natural frequency of the pressing member 24 is lower than the ultrasonic vibration range. .

【0059】本実施形態では、振動子11に、1次の縦
振動と,1次よりも大きな次数である2次の捩り振動と
が発生するように、縦振動及び捩り振動それぞれの次数
を異ならせたため、縦振動及び捩り振動それぞれの節の
位置を積極的に異ならせることができる。
In the present embodiment, if the order of the longitudinal vibration and the order of the torsional vibration are different so that the vibrator 11 generates the first-order longitudinal vibration and the second-order torsional vibration which is an order larger than the first-order. Therefore, the positions of the nodes of the longitudinal vibration and the torsional vibration can be positively changed.

【0060】本実施形態は、従来の振動アクチュエータ
と同様に、捩り振動用圧電素子12及び縦振動用圧電素
子13を2つの弾性体により挟み込むように構成される
ものの、従来の振動アクチュエータのように、捩り振動
用圧電素子12及び縦振動用圧電素子13を積層させる
必要がなくなり、圧電素子層を4層から2層へ低減する
ことができるとともに電極を3層から1層へ減らすこと
ができる。
Like the conventional vibration actuator, this embodiment has a structure in which the torsional vibration piezoelectric element 12 and the longitudinal vibration piezoelectric element 13 are sandwiched by two elastic bodies, but like the conventional vibration actuator. It is not necessary to stack the piezoelectric element 12 for torsional vibration and the piezoelectric element 13 for longitudinal vibration, and the number of piezoelectric element layers can be reduced from four layers to two layers and the number of electrodes can be reduced from three layers to one layer.

【0061】このように、本実施形態の振動アクチュエ
ータ10は、従来の振動アクチュエータに比較して、部
品点数を低減することができ、組立工程も簡略化され
る。また、半円柱状弾性体11a及び11b,縦振動用
圧電素子13,捩り振動用圧電素子12と,電極15と
の間の接着層を、従来の8層から4層へと低減すること
ができる。
As described above, the vibration actuator 10 of the present embodiment can reduce the number of parts as compared with the conventional vibration actuator, and the assembly process can be simplified. In addition, the number of adhesive layers between the semi-cylindrical elastic bodies 11a and 11b, the piezoelectric element 13 for longitudinal vibration, the piezoelectric element 12 for torsional vibration, and the electrode 15 can be reduced from the conventional eight layers to four layers. .

【0062】例えば、半円柱状弾性体11a及び11b
と縦振動用圧電素子13,捩り振動用圧電素子12とを
接着により接合すると、振幅の大きな振動等が振動子1
1に発生すると、機械的な強度が最も弱い部分である接
着層が剥離してしまうことがある。したがって、接着部
分が少なければ少ない程剥離する可能性が低くなり、長
時間にわたる連続駆動の際の信頼性が向上する。
For example, the semi-cylindrical elastic bodies 11a and 11b
When the piezoelectric element 13 for longitudinal vibration and the piezoelectric element 12 for torsional vibration are bonded to each other by adhesion, vibration with a large amplitude or the like is generated in the vibrator 1.
When it occurs in No. 1, the adhesive layer, which is the weakest part of mechanical strength, may peel off. Therefore, the smaller the number of bonded portions, the lower the possibility of peeling, and the higher the reliability during continuous driving over a long period of time.

【0063】また、接着層は温度や湿度等の環境要因の
影響を受け易いものもあることから、本実施形態の振動
アクチュエータ10のように、接着層が低減されればさ
れるほど、耐湿性や耐温性等の振動アクチュエータ10
の信頼性を向上することができる。
Since some adhesive layers are easily affected by environmental factors such as temperature and humidity, the more adhesive layers are reduced as in the vibration actuator 10 of the present embodiment, the more the moisture resistance becomes. Actuator 10 with heat resistance and heat resistance
The reliability of can be improved.

【0064】また、本実施形態では、振動子11に、1
次の縦振動と1次よりも大きな次数である2次の捩り振
動とが発生するように構成したため、捩り振動の励振の
ために必要な捩り振動用圧電素子12の配置範囲を小さ
くすることができる。そのため、捩り振動用圧電素子1
2の大きさをより小さくできる。これにより、駆動効率
を向上することができる。なお、捩り振動用圧電素子1
2を捩り振動の腹部に配置すると、出力に無関係な入力
だけが増えてしまう。
In this embodiment, the vibrator 11 has
Since the following longitudinal vibration and the second-order torsional vibration, which is an order larger than the first-order, are generated, it is possible to reduce the arrangement range of the torsional vibration piezoelectric element 12 necessary for exciting the torsional vibration. it can. Therefore, the piezoelectric element for torsional vibration 1
The size of 2 can be made smaller. Thereby, the driving efficiency can be improved. The piezoelectric element for torsional vibration 1
If 2 is placed in the abdomen of the torsional vibration, only the inputs unrelated to the outputs increase.

【0065】なお、駆動域(反共振点)における振動ア
クチュエータに入力される電流は、振動アクチュエータ
の等価回路を考えると、下記の近似式により示され
る。 入力電流I=V・R・Cd2 ・ω2 ・・・・・・・
The current input to the vibration actuator in the drive range (anti-resonance point) is given by the following approximate expression when the equivalent circuit of the vibration actuator is considered. Input current I = V ・ R ・ Cd 2・ ω 2

【0066】ただし、 Cd:振動アクチュエータの圧電素子の静電容量 V:印加電圧 R:振動アクチュエータの抵抗成分 ω:周波電圧の角速度Where Cd is the capacitance of the piezoelectric element of the vibration actuator, V is the applied voltage, R is the resistance component of the vibration actuator, and ω is the angular velocity of the frequency voltage.

【0067】したがって、振動にあまり寄与しない部分
に圧電素子を設置しないで圧電素子静電容量を減らすこ
とにより、入力電流Iを低減することができる。また、
本実施形態では、振動子11に、1次の縦振動と1次よ
りも大きな次数である2次の捩り振動とが発生するよう
にしたことにより、捩り振動用圧電素子12の大きさを
小さくすることができた。このようにして、捩り振動用
圧電素子12の大きさを小さくした分だけ、捩り振動と
比較した場合に励振され難い縦振動圧電素子13の大き
さを大きくすることができ、縦振動の振動変位の大きさ
も向上することができる。
Therefore, the input current I can be reduced by reducing the capacitance of the piezoelectric element without installing the piezoelectric element in a portion that does not contribute much to vibration. Also,
In the present embodiment, since the vibrator 11 is caused to generate the first-order longitudinal vibration and the second-order torsional vibration that is an order larger than the first-order, the size of the torsional vibration piezoelectric element 12 is reduced. We were able to. In this way, the size of the longitudinal vibration piezoelectric element 13, which is less likely to be excited when compared with the torsional vibration, can be increased by the amount by which the size of the torsional vibration piezoelectric element 12 is reduced. The size of can also be improved.

【0068】また、本実施形態のような、いわゆる異形
モ−ド縮退型の振動アクチュエータでは、振動子11の
駆動面11cにおける楕円運動の運動成分のうちで駆動
方向と垂直方向の運動成分は、振動子11と移動子21
との間のクラッチの役目(動力伝達)をなしている。し
たがって、楕円運動の運動成分のうちで駆動方向と垂直
方向の運動成分が小さくなると、このようなクラッチの
役目が不完全になってしまい、駆動力が低下したり、駆
動効率が劣化するおそれがある。
Further, in the so-called modified mode degenerate type vibration actuator as in the present embodiment, among the motion components of the elliptic motion on the drive surface 11c of the vibrator 11, the motion components in the drive direction and the vertical direction are Transducer 11 and mover 21
Serves as a clutch (power transmission) between and. Therefore, if the motion component in the direction perpendicular to the driving direction becomes smaller among the motion components of the elliptical motion, the function of such a clutch becomes incomplete, and the driving force may decrease or the driving efficiency may deteriorate. is there.

【0069】しかし、本実施形態の振動アクチュエータ
のように、縦振動用圧電素子13を大きくして縦振動変
位を大きくすれば、移動子21の加圧による縦振動の減
衰を小さくすることができる。これにより、駆動力や駆
動効率の低下を低減することができる。
However, like the vibration actuator of this embodiment, if the longitudinal vibration piezoelectric element 13 is enlarged to increase the longitudinal vibration displacement, the damping of the longitudinal vibration due to the pressurization of the moving element 21 can be reduced. . As a result, it is possible to reduce a decrease in driving force and driving efficiency.

【0070】(第2実施形態)図5は、本発明にかかる
振動アクチュエータの第2実施形態の構成を示す説明図
である。
(Second Embodiment) FIG. 5 is an explanatory view showing the configuration of a second embodiment of the vibration actuator according to the present invention.

【0071】なお、以降の第2実施形態の説明では、第
1実施形態と相違する部分のみを説明し、同一の部分に
ついては同一の図中符号を付すことにより、適宜説明を
省略する。
In the following description of the second embodiment, only the parts different from the first embodiment will be described, and the same parts are designated by the same reference numerals in the drawings, and the description thereof will be omitted as appropriate.

【0072】第1実施形態では、縦振動検出用圧電素子
26a及び26b,捩り振動検出用圧電素子27a及び
27bを、振動子11の駆動面11c側やこれと対向す
る面側に配置したが、本実施形態では、縦振動検出用圧
電素子26a及び26b,捩り振動検出用圧電素子27
a及び27bを弾性体11の外径側に、電極15−1,
15−2,15−3及び15−4を内径側に配置した。
In the first embodiment, the longitudinal vibration detecting piezoelectric elements 26a and 26b and the torsional vibration detecting piezoelectric elements 27a and 27b are arranged on the driving surface 11c side of the vibrator 11 or on the surface side opposite thereto. In this embodiment, the longitudinal vibration detecting piezoelectric elements 26 a and 26 b, and the torsional vibration detecting piezoelectric element 27.
a and 27b on the outer diameter side of the elastic body 11, the electrodes 15-1,
15-2, 15-3 and 15-4 were arranged on the inner diameter side.

【0073】縦振動検出用圧電素子26及び捩り振動検
出用圧電素子27以外の構成、すなわち振動子11,固
定軸20,移動子21等の構成や配置は、第1実施形態
と全く同様であるため、これ以上の説明は省略する。
The configuration other than the longitudinal vibration detection piezoelectric element 26 and the torsional vibration detection piezoelectric element 27, that is, the configuration and arrangement of the vibrator 11, the fixed shaft 20, the mover 21, etc., is exactly the same as that of the first embodiment. Therefore, further description is omitted.

【0074】本実施形態の振動アクチュエータに用いる
振動子11−1のように、縦振動検出用圧電素子26及
び捩り振動検出用圧電素子27と電極15とを長手方向
に関して組み合わせて構成することにより、縦振動検出
用圧電素子26及び捩り振動検出用圧電素子27を長手
方向について延長できた分だけ、捩り振動用圧電素子1
2の長さと縦振動用圧電素子13の長さをより大きく異
ならせて設定することができる。
Like the vibrator 11-1 used in the vibration actuator of the present embodiment, the longitudinal vibration detecting piezoelectric element 26, the torsional vibration detecting piezoelectric element 27, and the electrode 15 are combined in the longitudinal direction. Piezoelectric element for torsional vibration 1 by the amount that the piezoelectric element for longitudinal vibration detection 26 and the piezoelectric element for torsional vibration detection 27 can be extended in the longitudinal direction.
The length of 2 and the length of the piezoelectric element 13 for longitudinal vibration can be set to be greatly different from each other.

【0075】また、本実施形態では、一枚の同一の圧電
素子12a及び12b,13a及び13bを用いて、駆
動と検出とを併せて行うようにした。振動検出用電極と
駆動信号印加用電極とを別のものとすることにより、検
出作用及び励振作用を分けることができる。このように
することにより、捩り振動用圧電素子12,縦振動用圧
電素子13,捩り振動検出用圧電素子27,縦振動検出
用圧電素子26の4枚の圧電素子を、捩り振動用圧電素
子12及び縦振動用圧電素子13の2枚にすることがで
き、部品点数をより低減することができる。
Further, in this embodiment, the same piezoelectric element 12a and 12b, 13a and 13b is used to perform both driving and detection. By making the vibration detection electrode and the drive signal application electrode separate, the detection action and the excitation action can be separated. By doing so, the four piezoelectric elements, that is, the piezoelectric element 12 for torsional vibration, the piezoelectric element 13 for longitudinal vibration, the piezoelectric element 27 for detecting torsional vibration, and the piezoelectric element 26 for longitudinal vibration detection are replaced by the piezoelectric element for torsional vibration 12 Also, the number of piezoelectric elements 13 for vertical vibration can be two, and the number of parts can be further reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1実施形態にかかる振動アクチュエ
ータの構造を説明する断面図である。
FIG. 1 is a sectional view illustrating a structure of a vibration actuator according to a first embodiment of the present invention.

【図2】第1実施形態にかかる振動アクチュエータの振
動子11における圧電素子の配置を示す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an arrangement of piezoelectric elements in the vibrator 11 of the vibration actuator according to the first embodiment.

【図3】第1実施形態の振動子を構成する半円柱状弾性
体,縦振動用圧電素子,捩り振動用圧電素子,縦振動検
出用圧電素子,捩り振動検出用圧電素子及び電極の配置
を示す分解図である。
FIG. 3 shows an arrangement of a semi-cylindrical elastic body, a piezoelectric element for longitudinal vibration, a piezoelectric element for torsional vibration, a piezoelectric element for longitudinal vibration detection, a piezoelectric element for torsional vibration detection, and electrodes that constitute the vibrator of the first embodiment. It is an exploded view shown.

【図4】第1実施形態の振動子に発生する縦振動と捩り
振動とを組み合わせて駆動面に楕円運動を発生させるこ
とを示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing that the longitudinal vibration and the torsional vibration generated in the vibrator of the first embodiment are combined to generate an elliptic motion on the drive surface.

【図5】第2実施形態の振動子を構成する半円柱状弾性
体,縦振動用圧電素子,捩り振動用圧電素子,縦振動検
出用圧電素子,捩り振動検出用圧電素子及び電極の配置
を示す分解図である。
FIG. 5 shows an arrangement of a semi-cylindrical elastic body, a piezoelectric element for longitudinal vibration, a piezoelectric element for torsional vibration, a piezoelectric element for longitudinal vibration detection, a piezoelectric element for torsional vibration detection, and electrodes that constitute the vibrator of the second embodiment. It is an exploded view shown.

【図6】従来の縦振動−捩り振動型の振動アクチュエー
タの一例の構造を示す斜視図である。
FIG. 6 is a perspective view showing a structure of an example of a conventional longitudinal vibration-torsional vibration type vibration actuator.

【図7】従来の振動アクチュエータのステータを展開し
て示した斜視図である。
FIG. 7 is an exploded perspective view showing a stator of a conventional vibration actuator.

【図8】特願平6−275022号により提案した振動
アクチュエータの振動子に縦振動と捩り振動とを組み合
わせて駆動面に楕円運動を発生する振動アクチュエータ
の駆動原理を説明する図であり、図8(A)は上面図,
図8(B)は側面図,図8(C)は振動子に発生する縦
振動モード及び捩り振動モードを示す説明図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining a driving principle of a vibration actuator that generates an elliptic motion on a driving surface by combining a vibrator of the vibration actuator proposed in Japanese Patent Application No. 6-275022 with longitudinal vibration and torsional vibration; 8 (A) is a top view,
8B is a side view, and FIG. 8C is an explanatory diagram showing a longitudinal vibration mode and a torsional vibration mode generated in the vibrator.

【図9】特願平6−275022号により提案した振動
アクチュエータの振動子1の構造を詳細に示す説明図で
あって、図9(A)は上面図,図9(B)は側面図であ
る。
9A and 9B are explanatory views showing in detail the structure of the vibrator 1 of the vibration actuator proposed in Japanese Patent Application No. 6-275022, wherein FIG. 9A is a top view and FIG. 9B is a side view. is there.

【図10】特願平6−275022号により提案した振
動アクチュエータの動作を経時的に示す説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the operation of the vibration actuator proposed in Japanese Patent Application No. 6-275022 over time.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 振動アクチュエータ 11 振動子 11a 駆動面 12 捩り振動用圧電素子 13 縦振動用圧電素子 14A〜14D 大径部 14a〜14c 小径部 15 電極 16 貫通孔 17 ボルト 18 ナット 19 フランジ 20 固定軸 21 移動子(相対運動部材) 22 位置決め部材(ベアリング) 23 歯車 24 加圧部材 25 ナット 26,27 振動検出用圧電素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Vibration actuator 11 Vibrator 11a Drive surface 12 Piezoelectric element for torsional vibration 13 Piezoelectric element for longitudinal vibration 14A to 14D Large diameter part 14a to 14c Small diameter part 15 Electrode 16 Through hole 17 Bolt 18 Nut 19 Flange 20 Fixed shaft 21 Mover ( Relative motion member) 22 Positioning member (bearing) 23 Gear 24 Pressing member 25 Nuts 26, 27 Vibration detecting piezoelectric element

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 2つの弾性体と2つの前記弾性体の間に
配置されて駆動信号により励振される電気機械変換素子
とを有する振動子と,前記振動子に加圧接触される相対
運動部材とを備え、 前記電気機械変換素子の励振により、前記振動子に、前
記電気機械変換素子と前記弾性体との接合面に対して略
平行方向に変位が発生する縦振動と,前記縦振動の変位
方向と略同一方向に回転軸を有する捩り振動とを発生さ
せることにより、前記捩り振動の前記回転軸と略直角方
向に形成された駆動面に駆動力を発生する振動アクチュ
エータであって、 前記電気機械変換素子は、縦振動発生用電気機械変換素
子と捩り振動発生用電気機械変換素子とからなり、 前記縦振動発生用電気機械変換素子は前記縦振動の節を
含む位置に、前記捩り振動発生用電気機械変換素子は前
記捩り振動の節を含む位置に、互いに略同一平面上に位
置するようにそれぞれ配置されることを特徴とする振動
アクチュエータ。
1. A vibrator having two elastic bodies and an electromechanical conversion element disposed between the two elastic bodies and excited by a drive signal, and a relative motion member which is brought into pressure contact with the vibrator. And a longitudinal vibration in which a displacement occurs in the vibrator in a direction substantially parallel to a joint surface between the electromechanical conversion element and the elastic body by excitation of the electromechanical conversion element, and A vibration actuator that generates a driving force on a driving surface formed in a direction substantially perpendicular to the rotation axis of the torsional vibration by generating a torsional vibration having a rotation axis substantially in the same direction as the displacement direction, The electromechanical conversion element includes an electromechanical conversion element for generating longitudinal vibration and an electromechanical conversion element for generating torsional vibration, and the electromechanical conversion element for generating longitudinal vibration is provided with the torsional vibration at a position including the node of the longitudinal vibration. Electric machine for generation The vibration actuator, wherein the mechanical conversion elements are arranged at positions including the nodes of the torsional vibration so as to be located on substantially the same plane with each other.
【請求項2】 請求項1に記載された振動アクチュエー
タにおいて、 前記捩り振動発生用電気機械変換素子と前記弾性体との
接合面積は、前記縦振動発生用電気機械変換素子と前記
弾性体との接合面積よりも小さいことを特徴とする振動
アクチュエータ。
2. The vibration actuator according to claim 1, wherein the joint area between the electromechanical conversion element for generating torsional vibration and the elastic body is equal to that of the electromechanical conversion element for generating longitudinal vibration and the elastic body. A vibration actuator characterized by being smaller than the joint area.
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