JP2759804B2 - Vibrator type actuator - Google Patents
Vibrator type actuatorInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、銀行カードなどのカードを読み取る機械に
おいて該カードを移送したりするのに用いて好適なアク
チュエータに関し、特に電気機械変換素子として圧電振
動子を用いる振動子型アクチュエータに関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an actuator suitable for transporting a card such as a bank card in a machine for reading the card, and more particularly to a piezoelectric actuator as an electromechanical transducer. The present invention relates to a vibrator-type actuator using a vibrator.
(従来の技術と課題) 電気エネルギを機械エネルギに変換する電気機械変換
手段として圧電振動子を用いる振動子型アクチュエータ
のうちでは超音波モータがよく知られている。超音波モ
ータには、電磁力で回転する電磁モータより回転速度が
低く、トルクが大きいという特徴があるから、精密機械
のアクチュエータとして用途は広い、 ところが従来から知られている超音波モータは、圧電
振動子等の機械構造や圧電振動子を励振する電気回路が
複雑であり、小型化がむずかしく、また高価であった。(Prior art and problems) Among vibrator-type actuators using a piezoelectric vibrator as electromechanical conversion means for converting electric energy into mechanical energy, an ultrasonic motor is well known. Ultrasonic motors are characterized by lower rotational speed and higher torque than electromagnetic motors that rotate by electromagnetic force, so they are widely used as actuators for precision machinery. The mechanical structure of the vibrator and the like and the electric circuit for exciting the piezoelectric vibrator are complicated, difficult to miniaturize, and expensive.
小型化が容易で安価に製造できる振動子型アクチュエ
ータとしては、本願発明者と同一人により発明され特許
出願された「振動子型アクチュエータ」(特願昭63−12
9122号、63−157506号)がある。これら既出願の振動子
型アクチュエータで用いる圧電振動子は円柱型である
が、用途によっては直方形圧電振動子の方が実装し易く
て便利な場合も多い。A vibrator-type actuator that can be easily miniaturized and can be manufactured at low cost is the “vibrator-type actuator” invented and patented by the same inventor of the present invention (Japanese Patent Application No. 63-12)
9122, 63-157506). The piezoelectric vibrator used in the vibrator-type actuators of these patent applications is a columnar type, but a rectangular piezoelectric vibrator is often easier and more convenient for some applications.
圧電振動子が直方形(角板形や角柱形)であって、現
在までに発表されている超音波モータには次のものがあ
る。The piezoelectric vibrator has a rectangular shape (square plate or prism shape), and the following ultrasonic motors have been published so far.
正方形板の、同形縮退された面内屈曲振動モード
(Flexural−Flexuralmode)を利用したもの(富川
他:“面内振動の多重モード振動子利用による超音波モ
ータ”、US87−32(1987))。Using the in-plane flexural vibration mode (Flexural-Flexuralmode) of a square plate with the same shape and degeneracy (Bucheon)
Others: “Ultrasonic motor using in-plane vibration multimode transducer”, US87-32 (1987)).
正方形状圧電セラミックスの、2つの垂直振動(Be
nding−Bendingmode)により、楕円運動を得るタイプの
もの(富川 他:“超音波モータの構成とその一応
用”、US87−5(1987))。Two vertical vibrations (Be
nding-Bendingmode) to obtain an elliptical motion (Tomikawa et al .: “Ultrasonic motor configuration and its application”, US87-5 (1987)).
これら2種類については、特性結果は報告されていな
い。No characteristic results have been reported for these two types.
圧電セラミックス単体の角柱(角棒)にストリップ
状の電極を形成し、その電極で分極と励振を行う、同形
縮退型2重モード屈曲振動子を用いる超音波リニアモー
タ(谷口、清水:“圧電セラミックス音片型超音波リニ
アモータ”、音講論集、62.10)。An ultrasonic linear motor (Taniguchi, Shimizu: “Piezoelectric ceramics”) that uses strips of electrodes on a prism (square bar) of a single piezoelectric ceramic and uses the same degenerate dual-mode flexural vibrator to polarize and excite the electrodes. "Sound-piece type ultrasonic linear motor", Sound Lectures, 62.10).
楕円運動駆動の場合:入力141V,0.89W、f=21.7kHzの
とき最大速度16cm/s、最大推力60gw 直線運動駆動の場合:入力283V,0.93W、f=22.3kHzの
とき最大速度7.6cm/s、最大推力75gw 第4図は上記の超音波モータを説明する図であり、
同図(a)は圧電振動子の斜視図、同図(b)は圧電振
動子における分極および励振の方向を示す概念図、同図
(c)はその圧電振動子における振動モードを示す概念
図、同図(d)および(e)はそれぞれその超音波モー
タの平面図および側面図である。Elliptical motion drive: Max. Speed 16cm / s, maximum thrust 60gw when input 141V, 0.89W, f = 21.7kHz Linear motion drive: Max. Speed 7.6cm / when input 283V, 0.93W, f = 22.3kHz s, maximum thrust 75 gw FIG. 4 is a view for explaining the above ultrasonic motor,
FIG. 1A is a perspective view of a piezoelectric vibrator, FIG. 2B is a conceptual diagram showing directions of polarization and excitation in the piezoelectric vibrator, and FIG. 1C is a conceptual diagram showing a vibration mode in the piezoelectric vibrator. (D) and (e) are a plan view and a side view of the ultrasonic motor, respectively.
ところが、上記〜の超音波モータでは圧電振動子
等の機械構造や圧電振動子を励振する電気回路が複雑で
あり、小型化や価格に難点がある。However, in the above ultrasonic motors, the mechanical structure such as the piezoelectric vibrator and the electric circuit for exciting the piezoelectric vibrator are complicated, and there are difficulties in downsizing and cost reduction.
そこで、本発明の目的は、構造が簡単で、小型化が容
易で、安価に製作でき、圧電振動子が直方形である振動
子型アクチュエータの提供にある。Therefore, an object of the present invention is to provide a vibrator-type actuator that has a simple structure, can be easily miniaturized, can be manufactured at low cost, and has a rectangular piezoelectric vibrator.
(課題を解決するための手段) 前述の課題を解決するために本発明が提供する手段
は、圧電振動子と、前記圧電振動子が交流電圧を印加さ
れることにより生ずる振動変位に基づき動作する移動子
を備える振動子型アクチュエータであって、前記圧電振
動子は、縦、横および高さのうちの少なくとも2つがほ
ぼ等しい直方形に成形されたセラミック圧電体と、この
セラミック圧電体の分極軸に垂直な2つの端面に固着さ
れている一対の電極から成り、前記一対の電極のうちの
一方は電気的に互いに絶縁された電極Aおよび電極Bか
ら成り、前記圧電振動子は、前記圧電振動子の共振周波
数のうちの1つとほぼ等しい周波数を有する前記交流電
圧を前記一対の電極のうちのもう一方と、前記電極Aま
たは前記電極Bとの間に印加されることにより、前記分
極軸と平行な1つの方向またはそれと逆転するもう1つ
の方向に、前記移動子の動力源となる前記振動変位を生
じ、前記移動子は前記セラミック圧電体の前記分極軸に
平行な4つの側面のうちの少なくとも1つに接触してい
ることを特徴とする。(Means for Solving the Problems) Means provided by the present invention for solving the problems described above operate on the basis of a piezoelectric vibrator and a vibration displacement caused by applying an AC voltage to the piezoelectric vibrator. A vibrator-type actuator including a mover, wherein the piezoelectric vibrator has a rectangular parallelepiped ceramic piezoelectric body having at least two of length, width, and height substantially equal to each other, and a polarization axis of the ceramic piezoelectric body. A pair of electrodes fixed to two end surfaces perpendicular to the first electrode, one of the pair of electrodes is composed of an electrode A and an electrode B electrically insulated from each other, and the piezoelectric vibrator is The AC voltage having a frequency substantially equal to one of the resonance frequencies of the first and second electrodes is applied between the other of the pair of electrodes and the electrode A or the electrode B. In one direction parallel to the polarization axis or in the other direction opposite to the polarization axis, the vibration displacement serving as a power source of the movable element is generated, and the movable element is connected to the ceramic piezoelectric body in a direction parallel to the polarization axis. Contacting at least one of the side surfaces.
(実施例) 次に実施例を挙げ本発明を詳しく説明する。(Example) Next, the present invention will be described in detail with reference to examples.
第1図は本発明の一実施例を示す斜視図である。この
実施例は圧電振動子1と、ロータ2と、ロータ2を圧電
振動子1に押し付ける圧接手段(図示せず)とからなっ
ている。そして、圧電振動子1はセラミックの圧電体11
と、電極12,13a,13bとからなっており、ロータ2には回
転軸21が設けてある。電極13aと13bとは互いに絶縁され
ている。本実施例では、一対の電極のうち、片方の電極
が13aと13bとに分割されている。圧電体11の形状は一辺
が5mmの立方体である。ヤング率をY33 E(N/m2)、密度
をρ(kg/m3)、ポアソン比をσとすると、圧電体11の
材料定数はY33 E=7.7×1010、ρ=7.6×103、σ=0.28
である。圧電体17の分極軸は電極12,13a,13bに垂直な方
向にある。FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of the present invention. This embodiment includes a piezoelectric vibrator 1, a rotor 2, and pressure contact means (not shown) for pressing the rotor 2 against the piezoelectric vibrator 1. The piezoelectric vibrator 1 is made of a ceramic piezoelectric body 11.
And electrodes 12, 13a, 13b, and the rotor 2 is provided with a rotating shaft 21. The electrodes 13a and 13b are insulated from each other. In this embodiment, one of the pair of electrodes is divided into 13a and 13b. The shape of the piezoelectric body 11 is a cube having a side of 5 mm. When the Young's modulus is Y 33 E (N / m 2 ), the density is ρ (kg / m 3 ), and the Poisson's ratio is σ, the material constants of the piezoelectric body 11 are Y 33 E = 7.7 × 10 10 and ρ = 7.6 × 10 3 , σ = 0.28
It is. The polarization axis of the piezoelectric body 17 is in a direction perpendicular to the electrodes 12, 13a, 13b.
第2図は、周波数fが233.2kHZの交流電圧を第1図実
施例の電極12と13aとの間に印加したときに、その実施
例の圧電体11の表面に生じる振動変位を矢印で示す概念
図である。X軸とZ軸の方向の振動変位は、交流電圧を
電極12と13bとの間に印加すると、第2図とは逆の方向
に生ずる。但し、Y軸方向の振動変位は電圧を印加する
電極を13aから13bに変えても、第2図と同じ方向であ
る。FIG. 2, when the frequency f is applied an AC voltage of 233.2KH Z between the electrode 12 and the 13a of FIG. 1 embodiment, the vibration displacement generated on the surface of the piezoelectric member 11 of the embodiment by the arrow FIG. The vibration displacement in the directions of the X axis and the Z axis occurs in the direction opposite to that in FIG. 2 when an AC voltage is applied between the electrodes 12 and 13b. However, the vibration displacement in the Y-axis direction is the same as that in FIG. 2 even if the electrode to which the voltage is applied is changed from 13a to 13b.
第3図は、第1図実施例における圧電振動子1に200
〜600kHzの交流電圧を印加したときに、その圧電振動子
が示すアドミッタンスの周波数特性図である。本図から
明らかなように、この圧電振動子1は周波数f1,f2,f3に
おいて共振しており、これら周波数において大きな振動
変位が現われる。そのf1が233.2kHZであり、この周波数
で圧電振動子1を励振すると、前に述べたように第2図
に矢印で示す如くに振動変位が起こる。FIG. 3 shows the piezoelectric vibrator 1 in the embodiment of FIG.
FIG. 9 is a frequency characteristic diagram of admittance indicated by the piezoelectric vibrator when an AC voltage of up to 600 kHz is applied. As is clear from this figure, the piezoelectric vibrator 1 resonates at the frequencies f 1 , f 2 and f 3 , and large vibration displacement appears at these frequencies. Part f 1 is 233.2KH Z, when exciting the piezoelectric vibrator 1 at this frequency, the vibration displacement occurs as shown by the arrow in Figure 2 as previously described.
第1図実施例は第2図の振動変位を回転力として取り
出すアクチュエータであり、ロータ2は回転軸21の回り
に第1図の矢印の向きに回転する。もちろん、ロータ2
の回転は、励振用の交流電圧を電極13aから13bに切り換
えて印加することにより、第1図の矢印とは逆の向きに
変えることができる。The embodiment shown in FIG. 1 is an actuator for extracting the vibration displacement shown in FIG. 2 as a rotational force, and the rotor 2 rotates around a rotation shaft 21 in the direction of the arrow in FIG. Of course, rotor 2
Can be changed in the direction opposite to the arrow in FIG. 1 by switching and applying an alternating voltage for excitation to the electrodes 13a to 13b.
なお、第1図には、ロータ2を圧電体11に安定に接触
させる手段は示されていないが、例えば、回転軸21の軸
受けをスプリングで圧電体11の方向に押し付ければよ
く、常套手段なので、詳しい説明は省略する。FIG. 1 does not show a means for stably bringing the rotor 2 into contact with the piezoelectric body 11, but for example, the bearing of the rotating shaft 21 may be pressed in the direction of the piezoelectric body 11 by a spring. Therefore, detailed description is omitted.
第1図実施例のロータ2をカードに接触させる構造を
採用することにより、銀行の金銭自動引き出し機などに
本実施例は利用できる。なお、ロータ2には硬質プラス
チックや金属などの如く硬い材料が適しており、カード
に直接に触れてはカードに損傷を与えることがあり得
る。そのようなおそれを除くには、ゴム等でなる第2の
ロータを設け、ロータ2の回転をその第2のロータに伝
え、第2のロータをカードに接触させればよい。By adopting the structure in which the rotor 2 of FIG. 1 is brought into contact with a card, the present embodiment can be used for an automatic cash withdrawal machine of a bank. It is to be noted that a hard material such as hard plastic or metal is suitable for the rotor 2, and direct contact with the card may damage the card. In order to eliminate such a risk, a second rotor made of rubber or the like may be provided, the rotation of the rotor 2 may be transmitted to the second rotor, and the second rotor may be brought into contact with the card.
第1の実施例では、励振交流電圧は単相のままで、印
加する電極を13aと13bとに切り換えるだけで、ロータ2
の回転方向を任意変更できるから、圧電振動子の励振回
路が簡単である。In the first embodiment, the excitation AC voltage is kept single-phase, and only the electrodes to be applied are switched between 13a and 13b.
Since the rotation direction of the piezoelectric vibrator can be arbitrarily changed, the excitation circuit of the piezoelectric vibrator is simple.
(発明の効果) 以上に実施例を挙げて詳しく説明したように、本発明
では圧電振動子の形が直方形で機器に実装し易く、構造
が簡単であり、しかも小形(実施例は一辺5mmの立方体
とそれより更に小さいロータでなる)である。したがっ
て、本発明のアクチュエータは安価に製造できる。ま
た、移動子の移動方向が圧電振動子励振用の単相交流で
電圧の印加電極を切り替えるだけで任意に変更できるの
で、圧電振動子励振回路の構成を簡単にできる。(Effects of the Invention) As described above in detail with reference to the embodiments, in the present invention, the shape of the piezoelectric vibrator is a rectangular shape, which is easy to mount on a device, the structure is simple, and the piezoelectric vibrator is small (the example is 5 mm on a side). And a smaller rotor). Therefore, the actuator of the present invention can be manufactured at low cost. In addition, since the moving direction of the movable element can be arbitrarily changed only by switching the voltage application electrode with the single-phase AC for exciting the piezoelectric vibrator, the configuration of the piezoelectric vibrator exciting circuit can be simplified.
第1図は本発明の一実施例を示す斜視図、第2図は第1
図実施例における圧電振動子1に現れる振動変位を示す
概念図、第3図は第1図実施例における圧電振動子1の
周波数−アドミッタンス関係を示す特性図、第4図は従
来の振動子型アクチュエータの一種である超音波モータ
を説明する図である。 1……圧電振動子、2……ロータ、11……セラミック圧
電体、12,13a,13b……電極、21……ロータの回転軸。FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a vibration displacement appearing in the piezoelectric vibrator 1 in the embodiment of the present invention, FIG. 3 is a characteristic diagram showing a frequency-admittance relationship of the piezoelectric vibrator 1 in the embodiment of FIG. 1, and FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating an ultrasonic motor that is a type of actuator. Reference numeral 1 denotes a piezoelectric vibrator, 2 denotes a rotor, 11 denotes a ceramic piezoelectric body, 12, 13a, 13b denotes an electrode, and 21 denotes a rotating shaft of the rotor.
Claims (1)
を印加されることにより生ずる振動変位に基づき動作す
る移動子を備える振動子型アクチュエータにおいて、 前記圧電振動子は、縦、横および高さのうちの少なくと
も2つがほぼ等しい直方形に成形されたセラミック圧電
体と、このセラミック圧電体の分極軸に垂直な2つの端
面に固着されている一対の電極から成り、 前記一対の電極のうちの一方は、電気的に互いに絶縁さ
れた電極Aおよび電極Bから成り、 前記圧電振動子は、前記圧電振動子の共振周波数のうち
の1つとほぼ等しい周波数を有する前記交流電圧を、前
記一対の電極のうちのもう一方と、前記電極Aまたは前
記電極Bとの間に印加されることにより、前記分極軸と
平行な1つの方向またはそれと逆転するもう1つの方向
に、前記移動子の動力源となる前記振動変位を生じ、 前記移動子は、前記セラミック圧電体の前記分極軸に平
行な4つの側面のうちの少なくとも1つに接触している
ことを特徴とする振動子型アクチュエータ。1. A vibrator-type actuator comprising: a piezoelectric vibrator; and a moving element that operates based on a vibration displacement generated by applying an AC voltage to the piezoelectric vibrator; A ceramic piezoelectric body formed into a rectangular shape having at least two of the heights substantially equal to each other, and a pair of electrodes fixed to two end surfaces perpendicular to the polarization axis of the ceramic piezoelectric body, One of the electrodes includes an electrode A and an electrode B electrically insulated from each other, and the piezoelectric vibrator applies the AC voltage having a frequency substantially equal to one of the resonance frequencies of the piezoelectric vibrator to the pair of AC voltages. Is applied between the other one of the electrodes and the electrode A or the electrode B, so that one direction parallel to the polarization axis or another direction reverse thereto. The vibration displacement acting as a power source of the moving element is generated, wherein the moving element is in contact with at least one of four side surfaces of the ceramic piezoelectric body parallel to the polarization axis. A vibrator-type actuator.
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Publications (2)
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1988
- 1988-09-16 JP JP63231726A patent/JP2759804B2/en not_active Expired - Fee Related
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