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JP4532175B2 - Piezoelectric actuator and drive device - Google Patents

Piezoelectric actuator and drive device Download PDF

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JP4532175B2
JP4532175B2 JP2004179191A JP2004179191A JP4532175B2 JP 4532175 B2 JP4532175 B2 JP 4532175B2 JP 2004179191 A JP2004179191 A JP 2004179191A JP 2004179191 A JP2004179191 A JP 2004179191A JP 4532175 B2 JP4532175 B2 JP 4532175B2
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contraction
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雅幸 渡邉
昇 宮田
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Taiheiyo Cement Corp
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

本発明は、送り装置等に用いられる、圧電体の剪断変位および厚み変位を利用した圧電アクチュエータおよび駆動装置に関する。   The present invention relates to a piezoelectric actuator and a drive device that use shear displacement and thickness displacement of a piezoelectric body, which are used in a feeding device or the like.

従来から、電圧をかけることにより剪断変位を生じる圧電素子および厚み変位を生じる圧電素子を連結した圧電アクチュエータが知られている(たとえば、特許文献1)。特許文献1の圧電アクチュエータは、水平なステージを支える駆動脚の一方が、圧電体を上下に連結したものであり、一方の圧電体は伸縮方向に変形するように、上下方向に分極されている。他方の圧電体は剪断変位を行なうように、水平方向に分極されている。この圧電アクチュエータは、分極方向の異なる圧電体を挟むように3枚の電極を設け、電極間に電圧を印加することによりそれぞれの圧電体に伸縮あるいは剪断の変位を生じさせることができるように構成されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a piezoelectric actuator that connects a piezoelectric element that generates a shear displacement by applying a voltage and a piezoelectric element that generates a thickness displacement is known (for example, Patent Document 1). In the piezoelectric actuator of Patent Document 1, one of the drive legs that support the horizontal stage is obtained by connecting the piezoelectric bodies up and down, and one of the piezoelectric bodies is polarized in the vertical direction so as to be deformed in the expansion and contraction direction. . The other piezoelectric body is polarized in the horizontal direction so as to perform shear displacement. This piezoelectric actuator is configured so that three electrodes are provided so as to sandwich piezoelectric materials having different polarization directions, and by applying a voltage between the electrodes, each piezoelectric material can be expanded or contracted or sheared. Has been.

また、圧電アクチュエータの中には、その形状を整えることにより、変位方向に垂直な方向の振れを小さくするものが知られている(たとえば、特許文献2)。特許文献2に記載されている圧電アクチュエータは、積層型圧電素子の側面を研削し、その面を基準として残りの面をそれぞれ直角になるように形状を整え、積層方向の伸び量ΔLに対し、積層方向に垂直な振れ量ΔRの比を10%以下としている。
特公平3−81119号公報 特開2003−46155号公報
Also, some piezoelectric actuators are known that reduce the shake in the direction perpendicular to the displacement direction by adjusting the shape thereof (for example, Patent Document 2). The piezoelectric actuator described in Patent Document 2 grinds the side surface of the multilayer piezoelectric element, adjusts the shape so that the remaining surfaces are perpendicular to the surface, and the amount of elongation ΔL in the stacking direction is The ratio of the shake amount ΔR perpendicular to the stacking direction is 10% or less.
Japanese Examined Patent Publication No. 3-81119 JP 2003-46155 A

上記のように、ステージ等の被駆動体を移動させる際にストロークを大きくとるために分極方向の異なる圧電体を連結した圧電アクチュエータが提案されている。また、さらに被駆動体の移動を高速化させるためには、高周波数で圧電アクチュエータを制御し、ステージ送りを高速化するという方法がある。   As described above, there has been proposed a piezoelectric actuator in which piezoelectric bodies having different polarization directions are connected to increase a stroke when a driven body such as a stage is moved. In order to further speed up the movement of the driven body, there is a method of controlling the piezoelectric actuator at a high frequency to speed up the stage feed.

しかしながら、振動の周波数を高くすると、圧電アクチュエータの形状に起因して送り方向に垂直な方向に圧電アクチュエータの先端が振れる共振が生じ、被駆動体が送り方向に垂直な方向にわずかにずれてしまったり、本来の送り方向の変位を確保できなかったりすることがあり、駆動が安定しない。そこで、高周波数による圧電アクチュエータの制御を実現するためには、送り方向に垂直なぶれ方向の共振周波数を高周波数側にシフトさせ、非共振領域を高周波数側に拡大させる必要がある。   However, when the vibration frequency is increased, resonance occurs in which the tip of the piezoelectric actuator swings in the direction perpendicular to the feed direction due to the shape of the piezoelectric actuator, and the driven body is slightly displaced in the direction perpendicular to the feed direction. In some cases, the displacement in the original feeding direction may not be ensured, and the drive is not stable. Therefore, in order to realize the control of the piezoelectric actuator at a high frequency, it is necessary to shift the resonance frequency in the shake direction perpendicular to the feed direction to the high frequency side and expand the non-resonance region to the high frequency side.

本発明は、ぶれ方向の共振周波数を高くすることを可能とした圧電アクチュエータおよび駆動装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator and a driving device that can increase the resonance frequency in the shake direction.

(1)上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、矩形の伸縮変位部および前記伸縮変位部の伸縮変位方向に連結された矩形の剪断変位部を備える圧電アクチュエータであって、伸縮変位方向の長さをH、剪断変位方向の長さをL、前記伸縮変位方向と前記剪断変位方向とに垂直な方向の長さをW、密度をρ、そしてヤング率をYとしたとき、前記H、L、W、ρ、そしてYが、H≦10mm、L/W≦2.5、ρ≦8×10−3kg/m、かつ65GPa≦Y、なる関係式を満たすことを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator comprising a rectangular expansion / contraction displacement portion and a rectangular shear displacement portion coupled in the expansion / contraction displacement direction of the expansion / contraction displacement portion. When the length in the displacement direction is H, the length in the shear displacement direction is L, the length in the direction perpendicular to the expansion / contraction displacement direction and the shear displacement direction is W, the density is ρ, and the Young's modulus is Y, H, L, W, ρ, and Y satisfy the following relational expression: H ≦ 10 mm, L / W ≦ 2.5, ρ ≦ 8 × 10 −3 kg / m 3 , and 65 GPa ≦ Y. It is said.

これにより、圧電アクチュエータの伸縮変位方向と剪断変位方向とに垂直な方向の振動の共振周波数が、12kHz以上となり、非共振周波数領域を拡大することができるため、伸縮変位方向と剪断変位方向とに垂直な方向の振動を抑制しつつ、10kHz以上の周波数で圧電アクチュエータを振動させることができる。その結果、例えば振幅100Vの正弦波の駆動電圧を印加したときの剪断変位方向の変位が0.6μmの単振動となる圧電アクチュエータを、ステージ送り装置に用い、上記印加電圧でステージを駆動させた場合、剪断変位方向について20mm/s以上のステージ速度で安定してステージ駆動をコントロールできる。したがって、通常の送り方向の振動速度において、被駆動体が送り方向に垂直な方向へずれるのを防ぎ、本来の送り方向へのストロークを確保することができ、振動を安定させることができる。   As a result, the resonance frequency of the vibration in the direction perpendicular to the expansion / contraction displacement direction and the shear displacement direction of the piezoelectric actuator becomes 12 kHz or more, and the non-resonance frequency region can be expanded. The piezoelectric actuator can be vibrated at a frequency of 10 kHz or more while suppressing the vibration in the vertical direction. As a result, for example, a piezoelectric actuator having a single vibration with a displacement in the shear displacement direction of 0.6 μm when a sinusoidal drive voltage with an amplitude of 100 V is applied is used for the stage feed device, and the stage is driven with the applied voltage. In this case, the stage drive can be stably controlled at a stage speed of 20 mm / s or more in the shear displacement direction. Therefore, it is possible to prevent the driven body from shifting in a direction perpendicular to the feed direction at a vibration speed in the normal feed direction, to ensure a stroke in the original feed direction, and to stabilize the vibration.

(2)また、本発明の駆動装置は、矩形の伸縮変位部および前記伸縮変位部の伸縮変位方向に連結された矩形の剪断変位部を備える、6個の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータが固定される台座と、を備える駆動装置であって、前記圧電アクチュエータは、前記剪断変位方向に沿って2列に、前記伸縮変位方向と前記剪断変位方向とに垂直な方向に沿って3列に互いに接触しないように、台座上に配置されていることを特徴としている。   (2) Further, in the driving device of the present invention, six piezoelectric actuators each including a rectangular expansion / contraction displacement section and a rectangular shear displacement section coupled in the expansion / contraction displacement direction of the expansion / contraction displacement section, and the piezoelectric actuator are fixed The piezoelectric actuators are arranged in two rows along the shear displacement direction and in three rows along a direction perpendicular to the expansion / contraction displacement direction and the shear displacement direction. It is characterized by being arranged on a pedestal so as not to contact.

これにより、隣り合う圧電アクチュエータを楕円運動の1/2周期ごとに交互に被駆動体に当てて、被駆動体を3点支持により安定して駆動させることができる。   Accordingly, the adjacent piezoelectric actuators can be alternately applied to the driven body every half cycle of the elliptical motion, and the driven body can be stably driven by the three-point support.

(3)また、本発明の駆動装置は、前記圧電アクチュエータは、伸縮変位方向の長さをH、剪断変位方向の長さをL、前記伸縮変位方向と前記剪断変位方向とに垂直な方向の長さをW、密度をρ、そしてヤング率をYとしたとき、前記H、L、W、ρ、そしてYがH≦10mm、L/W≦2.5、ρ≦8×10−3kg/m、かつ65GPa≦Y、
なる関係式を満たすことを特徴としている。
(3) In the driving device according to the present invention, the piezoelectric actuator has a length in the expansion / contraction displacement direction H, a length in the shear displacement direction L, and a direction perpendicular to the expansion / contraction displacement direction and the shear displacement direction. When length is W, density is ρ, and Young's modulus is Y, H, L, W, ρ, and Y are H ≦ 10 mm, L / W ≦ 2.5, ρ ≦ 8 × 10 −3 kg. / M 3 and 65 GPa ≦ Y,
It is characterized by satisfying the following relational expression.

これにより、被駆動体を圧電アクチュエータの3点支持により安定して駆動させることができる。さらに、通常の送り方向の振動速度において、被駆動体が送り方向に垂直な方向へずれるのを防ぎ、本来の送り方向へのストロークを確保することができ、圧電アクチュエータの振動を安定させることができる。   As a result, the driven body can be stably driven by the three-point support of the piezoelectric actuator. Furthermore, at the vibration speed in the normal feed direction, the driven body can be prevented from shifting in the direction perpendicular to the feed direction, the stroke in the original feed direction can be secured, and the vibration of the piezoelectric actuator can be stabilized. it can.

本発明に係る圧電アクチュエータによれば、圧電アクチュエータの伸縮変位方向と剪断変位方向とに垂直な方向の振動の共振周波数が、12kHz以上となり、非共振周波数領域を拡大することができるため、伸縮変位方向と剪断変位方向とに垂直な方向の振動を抑制しつつ、10kHz以上の周波数で圧電アクチュエータを振動させることができる。その結果、例えば振幅100Vの正弦波の駆動電圧を印加したときの剪断変位方向の変位が0.6μmの単振動となる圧電アクチュエータを、ステージ送り装置に用い、上記印加電圧でステージを駆動させた場合、剪断変位方向について20mm/s以上のステージ速度で安定してステージ駆動をコントロールできる。したがって、通常の送り方向の振動速度において、被駆動体が送り方向に垂直な方向へずれるのを防ぎ、本来の送り方向へのストロークを確保することができ、振動を安定させることができる。   According to the piezoelectric actuator according to the present invention, the resonance frequency of vibration in the direction perpendicular to the expansion / contraction displacement direction and the shear displacement direction of the piezoelectric actuator is 12 kHz or more, and the non-resonance frequency region can be expanded. The piezoelectric actuator can be vibrated at a frequency of 10 kHz or more while suppressing vibration in a direction perpendicular to the direction and the shear displacement direction. As a result, for example, a piezoelectric actuator having a single vibration with a displacement in the shear displacement direction of 0.6 μm when a sinusoidal drive voltage with an amplitude of 100 V is applied is used for the stage feed device, and the stage is driven with the applied voltage. In this case, the stage drive can be stably controlled at a stage speed of 20 mm / s or more in the shear displacement direction. Therefore, it is possible to prevent the driven body from shifting in a direction perpendicular to the feed direction at a vibration speed in the normal feed direction, to ensure a stroke in the original feed direction, and to stabilize the vibration.

また、本発明に係る駆動装置によれば、隣り合う圧電アクチュエータを楕円運動の1/2周期ごとに交互に被駆動体に当てて、被駆動体を3点支持により安定して駆動させることができる。   Further, according to the driving device of the present invention, the adjacent piezoelectric actuators are alternately applied to the driven body every half cycle of the elliptical motion, and the driven body can be stably driven by the three-point support. it can.

また、本発明に係る駆動装置によれば、被駆動体を圧電アクチュエータの3点支持により安定して駆動させることができる。さらに、通常の送り方向の振動速度において、被駆動体が送り方向に垂直な方向へずれるのを防ぎ、本来の送り方向へのストロークを確保することができ、圧電アクチュエータの振動を安定させることができる。   Further, according to the drive device according to the present invention, the driven body can be stably driven by the three-point support of the piezoelectric actuator. Furthermore, at the vibration speed in the normal feed direction, the driven body can be prevented from shifting in the direction perpendicular to the feed direction, the stroke in the original feed direction can be secured, and the vibration of the piezoelectric actuator can be stabilized. it can.

以下に、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。ただし、これは一実施形態であって、この実施形態に限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, this is one embodiment, and the present invention is not limited to this embodiment.

(実施形態1)
図1は、圧電アクチュエータ1の斜視図である。圧電アクチュエータ1は、本体部2およびシム部3aおよび3bから構成されている。本体部2の形状は矩形であり、中央の平面電極4を介して伸縮変位部5に剪断変位部6が連結され、形成されている。伸縮変位方向とは、圧電アクチュエータの固定端からの高さ方向である。剪断変位方向とは、圧電アクチュエータのたわみ1次振動方向であり、圧電アクチュエータをステージ送りに用いるときには送り方向となる。また、伸縮変位方向と剪断変位方向とに垂直な方向とは、たわみ1次振動に対するぶれ方向である。図1に示すように、圧電アクチュエータ1の伸縮変位方向の長さはH、剪断変位方向の長さはL、伸縮変位方向と剪断変位方向とに垂直な方向の長さはWである。伸縮変位部5は圧電体7aと平面電極8aが交互に積層されており、剪断変位部6は圧電体7bと平面電極8bが交互に積層されている。圧電体7aは伸縮変位方向に分極されており、圧電体7bは、剪断変位方向に分極されている。圧電体7aおよび圧電体7bの材料は、PZT等の圧電セラミックスである。また、平面電極の材料は、銀、パラジウム等の導体である。たとえば、圧電アクチュエータ1の形状および材料は、Hが10mm、Lが6mm、Wが2.4mmであり、密度は、8×10−3kg/mで、ヤング率は、65GPaである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view of the piezoelectric actuator 1. The piezoelectric actuator 1 includes a main body 2 and shim portions 3a and 3b. The shape of the main body 2 is rectangular, and a shear displacement portion 6 is connected to the expansion / contraction displacement portion 5 via a central plane electrode 4. The expansion / contraction displacement direction is the height direction from the fixed end of the piezoelectric actuator. The shear displacement direction is the deflection primary vibration direction of the piezoelectric actuator, and is the feed direction when the piezoelectric actuator is used for stage feed. The direction perpendicular to the expansion / contraction displacement direction and the shear displacement direction is a shake direction with respect to the deflection primary vibration. As shown in FIG. 1, the length of the piezoelectric actuator 1 in the expansion / contraction displacement direction is H, the length in the shear displacement direction is L, and the length in the direction perpendicular to the expansion / contraction displacement direction and the shear displacement direction is W. The expansion / contraction displacement part 5 has the piezoelectric bodies 7a and the planar electrodes 8a alternately stacked, and the shear displacement part 6 has the piezoelectric bodies 7b and the planar electrodes 8b alternately stacked. The piezoelectric body 7a is polarized in the expansion / contraction displacement direction, and the piezoelectric body 7b is polarized in the shear displacement direction. The material of the piezoelectric body 7a and the piezoelectric body 7b is a piezoelectric ceramic such as PZT. The material of the planar electrode is a conductor such as silver or palladium. For example, as for the shape and material of the piezoelectric actuator 1, H is 10 mm, L is 6 mm, W is 2.4 mm, the density is 8 × 10 −3 kg / m 3 , and the Young's modulus is 65 GPa.

このような形状をとることにより、圧電アクチュエータ1の伸縮変位方向と剪断変位方向とに垂直な方向の振動の共振周波数が、12kHz以上となり、非共振周波数領域を拡大することができるため、伸縮変位方向と剪断変位方向とに垂直な方向の振動を抑制しつつ、10kHz以上の周波数で圧電アクチュエータ1を振動させることができる。その結果、例えば圧電アクチュエータ1が振幅100Vの正弦波の駆動電圧を印加したときの剪断変位方向の変位が0.6μmの単振動となる変位能を有していて、この圧電アクチュエータ1をステージ送り装置に用い、上記印加電圧でステージを駆動させた場合、剪断変位方向について20mm/s以上のステージ速度で安定してステージ駆動をコントロールできる。したがって、通常の送り方向の振動速度において、被駆動体が送り方向に垂直な方向へずれるのを防ぎ、本来の送り方向へのストロークを確保することができ、振動を安定させることができる。   By adopting such a shape, the resonance frequency of vibration in the direction perpendicular to the expansion / contraction displacement direction and the shear displacement direction of the piezoelectric actuator 1 becomes 12 kHz or more, and the non-resonance frequency region can be expanded. The piezoelectric actuator 1 can be vibrated at a frequency of 10 kHz or more while suppressing vibration in a direction perpendicular to the direction and the shear displacement direction. As a result, for example, when the piezoelectric actuator 1 applies a sinusoidal drive voltage with an amplitude of 100 V, the displacement in the shear displacement direction is a single vibration of 0.6 μm, and this piezoelectric actuator 1 is fed to the stage. When the stage is driven by the above-mentioned applied voltage used in the apparatus, the stage drive can be stably controlled at a stage speed of 20 mm / s or more in the shear displacement direction. Therefore, it is possible to prevent the driven body from shifting in a direction perpendicular to the feed direction at a vibration speed in the normal feed direction, to ensure a stroke in the original feed direction, and to stabilize the vibration.

シム部3aおよび3bは、本体部2の伸縮変位方向の両端に連結して設けられ、剪断変位部6の端面に設けられているシム部3bの形状は突起を有する板の形状であり、伸縮変位部5の端面に設けられているシム部3aの形状は板状である。図示するようなシム部3bの突起を有する板の形状は、一例であり、蒲鉾型の形状等であってもよい。シム部3aおよび3bの材料は、絶縁材料であり、特に限定されない。   The shim portions 3a and 3b are provided to be connected to both ends of the main body portion 2 in the expansion / contraction displacement direction, and the shape of the shim portion 3b provided on the end surface of the shear displacement portion 6 is the shape of a plate having protrusions. The shape of the shim portion 3a provided on the end surface of the displacement portion 5 is a plate shape. The shape of the plate having the protrusions of the shim portion 3b as shown in the drawing is an example, and may be a bowl shape or the like. The material of the shim portions 3a and 3b is an insulating material and is not particularly limited.

圧電体7aおよび圧電体7bの側面には、GND用の取り出し電極21と、伸縮変位部用取り出し電極22と、剪断変位部用取り出し電極23とが設けられている。GND用の取り出し電極21は、1枚おきに平面電極8aおよび平面電極8bと接続し、中央の平面電極4とも接続している。伸縮変位部用取り出し電極22は、1枚おきに平面電極8aと接続している。剪断変位部用取り出し電極23は、1枚おきに平面電極8bと接続している。これらの取り出し電極の材料の一例としては、銀、パラジウム、銅等の導体がある。また、GND用の取り出し電極21はリード線21aを介し接地され、伸縮変位部用取り出し電極22はリード線22aを介し交流電源に接続され、剪断変位部用取り出し電極23はリード線23aを介し上記交流電源に対して位相差が90°の交流電源に接続されている。これにより、シム部3bの突起が楕円軌道を描くように圧電アクチュエータ1を振動させることができる。上記の位相差は、90°近傍であれば上記のシム部3bの突起に楕円軌道で運動させることができる。また、入力電圧による位相差を各圧電部に設定することによりいずれ側の方向にも楕円運動をさせることができる。   On the side surfaces of the piezoelectric body 7a and the piezoelectric body 7b, a GND extraction electrode 21, an extension / displacement portion extraction electrode 22, and a shear displacement portion extraction electrode 23 are provided. Every other GND take-out electrode 21 is connected to the planar electrode 8a and the planar electrode 8b, and is also connected to the central planar electrode 4. The take-out electrodes 22 for the expansion / contraction displacement part are connected to the planar electrode 8a every other sheet. Every other shear displacement portion take-out electrode 23 is connected to the planar electrode 8b. As an example of the material of these extraction electrodes, there are conductors such as silver, palladium, and copper. The GND take-out electrode 21 is grounded via a lead wire 21a, the expansion / contraction displacement portion take-out electrode 22 is connected to an AC power source via the lead wire 22a, and the shear displacement portion take-out electrode 23 is connected via the lead wire 23a. The AC power source is connected to an AC power source having a phase difference of 90 °. Thereby, the piezoelectric actuator 1 can be vibrated so that the protrusion of the shim portion 3b draws an elliptical orbit. If the phase difference is in the vicinity of 90 °, the projection of the shim portion 3b can be moved in an elliptical orbit. In addition, by setting the phase difference due to the input voltage to each piezoelectric portion, it is possible to cause elliptical motion in either direction.

図2は、圧電体7aおよび圧電体7bの分極方向を示した圧電アクチュエータ1の模式的な側面図である。図2に示すように、伸縮変位部5を形成する圧電体7aは平面電極8aの表面に垂直な向きPまたはPに分極しており、剪断変位部6を形成する圧電体7bは平面電極8bに平行で、矩形の一辺に平行な向きQまたはQに分極している。図2に示すように、ここでは伸縮変位部5の圧電体7aは4層積層しており、剪断変位部6の圧電体7bも4層積層している。ただし、積層数は任意であり、伸縮変位部5と剪断変位部6の積層数の比が異なっていてもよい。また、それぞれが積層構造でなく、単層構造であってもよい。なお、伸縮変位部5については、平面電極8aを生の圧電体7aに埋め込み一体焼成により、電極を内層部分に形成してあってもよい。 FIG. 2 is a schematic side view of the piezoelectric actuator 1 showing the polarization directions of the piezoelectric body 7a and the piezoelectric body 7b. As shown in FIG. 2, telescopic piezoelectric 7a forming the displacement portion 5 is polarized perpendicular to the direction P 1 or P 2 on the surface of the planar electrode 8a, the piezoelectric 7b is a plan for forming the shearing displacement portion 6 parallel to the electrode 8b, polarized in the direction parallel to Q 1 or Q 2 to one side of the rectangle. As shown in FIG. 2, four layers of the piezoelectric bodies 7a of the expansion / contraction displacement portion 5 are laminated here, and four layers of the piezoelectric bodies 7b of the shear displacement portion 6 are also laminated. However, the number of laminations is arbitrary, and the ratio of the number of laminations of the expansion / contraction displacement part 5 and the shear displacement part 6 may be different. Further, each may have a single layer structure instead of a laminated structure. In addition, about the expansion-contraction displacement part 5, the electrode may be formed in the inner-layer part by embedding the planar electrode 8a in the raw piezoelectric material 7a, and integrally baking.

圧電アクチュエータ1の作製方法を以下に示す。まず、予め圧電アクチュエータの設計を行なう。たとえば、得ようとする圧電アクチュエータの伸縮変位方向長さHを10mm、剪断変位方向長さLを6mm、ぶれ方向長さWを2.4mmとする。PZT系の圧電セラミックス粉末をバインダーおよび有機溶媒と混合しスラリーを作製する。   A method for manufacturing the piezoelectric actuator 1 will be described below. First, a piezoelectric actuator is designed in advance. For example, the length H of the piezoelectric actuator to be obtained is 10 mm, the length L of the shear displacement direction is 6 mm, and the length W of the shake direction is 2.4 mm. A PZT-based piezoelectric ceramic powder is mixed with a binder and an organic solvent to prepare a slurry.

次に、混合して得られたスラリーを用い、得ようとする圧電アクチュエータの高さおよび積層枚数を考慮して、設計された厚さでドクターブレードにより生シートを作製する。それぞれ伸縮変位部用、剪断変位部用に電極印刷のために設計したスクリーンにより、得られた生シートの表面に平面電極8aを印刷する。伸縮変位部用の生シートを重ねて、圧着し一体焼成し、設計された形状に加工する。一方、剪断変位部用の生シートは単板として焼成した後、設計された形状に加工する。   Next, using the slurry obtained by mixing, taking into consideration the height of the piezoelectric actuator to be obtained and the number of laminated layers, a raw sheet is produced with a doctor blade with a designed thickness. The flat electrode 8a is printed on the surface of the obtained raw sheet by a screen designed for electrode printing for the expansion / contraction displacement part and the shear displacement part, respectively. The raw sheets for the expansion / contraction displacement part are stacked, pressure-bonded, integrally fired, and processed into the designed shape. On the other hand, the raw sheet for the shear displacement portion is fired as a single plate and then processed into the designed shape.

次に、一体焼成された伸縮変位部5の圧電体について積層方向に分極処理を行ない、伸縮変位部5を作製する。一方、剪断変位部用に単板で焼成したプレートは重ねたときに所定の平面方向に分極方向がそろうように各々分極処理し、電極を挟んで積層するように接着剤で接着する。このようにして作製された剪断変位部6を、りん青銅からなる中央の平面電極4を挟んで伸縮変位部5に重ねて接着し、シム部3aおよび3bを接着して、圧電アクチュエータを作製する。なお、接着は種々の樹脂接着剤を用いる。なお、ここでは伸縮変位部5は一体焼成により作製しているが、単板焼成し接着して積層してもよい。   Next, the piezoelectric body of the expansion / contraction displacement portion 5 that is integrally fired is subjected to polarization processing in the stacking direction to produce the expansion / contraction displacement portion 5. On the other hand, the plates fired with a single plate for the shear displacement portion are each polarized so that the polarization direction is aligned with a predetermined plane direction when they are stacked, and are bonded with an adhesive so as to be laminated with electrodes sandwiched therebetween. The shear displacement portion 6 produced in this way is bonded to the expansion / contraction displacement portion 5 with the central plane electrode 4 made of phosphor bronze interposed therebetween, and the shim portions 3a and 3b are adhered to produce a piezoelectric actuator. . For the bonding, various resin adhesives are used. Here, the expansion / contraction displacement part 5 is produced by integral firing, but may be laminated by bonding and firing a single plate.

以下に、圧電アクチュエータ1に交流電圧を印加したときの動作を説明する。圧電アクチュエータ1を振動させたとき、シム部3bの突起は1周期にわたり、図3に示すような軌道を描く。図4は、1/4周期ごとの圧電アクチュエータ1の形状および突起の軌道を示した図である。圧電アクチュエータ1は、台座30の上に固定されている。圧電アクチュエータ1に対して、伸縮変位部用取り出し電極22には正弦波の電圧が印加され、剪断変位部用取り出し電極23にはその正弦波の位相を90°ずらした電圧が印加されている。このような電圧の入力方法により、伸縮変位部は伸縮変位の単振動をし、剪断変位部6は、伸縮変位部5の伸縮変位と90°位相のずれた剪断変位の単振動をする。こうして、図3に示すように、シム部3bの突起は、A→B→C→Dという軌跡の楕円軌道を描く。なお、上記突起の軌道は必ずしも楕円軌道である必要はなく、電源の制御により矩形の軌道としてもよい。また、上記の印加電圧の位相差は、90°近傍であれば上記のシム部3bの突起に楕円軌道で運動させることができる。また、入力電圧による位相差を各圧電部に設定することにより、圧電アクチュエータにいずれ側の方向にも楕円運動をさせることができる。   The operation when an AC voltage is applied to the piezoelectric actuator 1 will be described below. When the piezoelectric actuator 1 is vibrated, the protrusions of the shim portion 3b draw a trajectory as shown in FIG. 3 over one period. FIG. 4 is a diagram showing the shape of the piezoelectric actuator 1 and the trajectory of the protrusion every quarter cycle. The piezoelectric actuator 1 is fixed on the pedestal 30. With respect to the piezoelectric actuator 1, a sine wave voltage is applied to the extraction electrode 22 for the expansion / contraction displacement portion, and a voltage whose phase of the sine wave is shifted by 90 ° is applied to the extraction electrode 23 for the shear displacement portion. By such a voltage input method, the expansion / contraction displacement section performs simple vibration of expansion / contraction displacement, and the shear displacement section 6 performs single vibration of shear displacement that is 90 ° out of phase with the expansion / contraction displacement of the expansion / contraction displacement section 5. Thus, as shown in FIG. 3, the protrusion of the shim portion 3b draws an elliptical trajectory of a path of A → B → C → D. Note that the trajectory of the protrusion is not necessarily an elliptical trajectory, and may be a rectangular trajectory by controlling the power source. If the phase difference of the applied voltage is in the vicinity of 90 °, the protrusion of the shim portion 3b can be moved along an elliptical orbit. Further, by setting the phase difference due to the input voltage in each piezoelectric portion, the piezoelectric actuator can be caused to make an elliptical motion in either direction.

たとえば、ステージを送るのに圧電アクチュエータ1を用いるとき、圧電アクチュエータ1は1周期にわたり、図4に示すような動作をする。図4は、1/4周期ごとの圧電アクチュエータ1の状態を示している。図4に示すように、圧電アクチュエータ1の伸縮変位部5側のシム部3aは台座30に固定されており、剪断変位部6側のシム部3bの突起がステージ31に接触することにより、ステージ31が駆動される。以下に、このときの圧電アクチュエータ1の動作を説明する。   For example, when the piezoelectric actuator 1 is used to feed the stage, the piezoelectric actuator 1 operates as shown in FIG. 4 over one period. FIG. 4 shows the state of the piezoelectric actuator 1 every quarter cycle. As shown in FIG. 4, the shim portion 3 a on the expansion / contraction displacement portion 5 side of the piezoelectric actuator 1 is fixed to the pedestal 30, and the projection of the shim portion 3 b on the shear displacement portion 6 side contacts the stage 31, thereby 31 is driven. The operation of the piezoelectric actuator 1 at this time will be described below.

図4(a)は、伸縮変位部5が伸びきっており、剪断変位部6は突起を有するシム部3bを左方向に送るように剪断変位し、その剪断変位速度が最大である状態を示している。シム部3bの突起はステージ31の表面に当たっている。図4(b)は、伸縮変位部5の縮む速度が最大になっており、剪断変位部が突起を有するシム部3bを最も左の位置まで送った状態を示している。シム部3bの突起は、ステージ31の表面から離れている。図4(c)は、伸縮変位部5が最も縮んでおり、剪断変位部6が突起を有するシム部3bを右方向に送るように剪断変位し、その剪断変位速度が最大である状態を示している。シム部3bの突起はステージ31の表面から離れている。図4(d)は、伸縮変位部5の伸びる速度が最大になっており、剪断変位部が突起を有するシム部3bを最も右の位置まで送った状態を示している。シム部3bの突起は、ステージ31の表面から離れている。   FIG. 4A shows a state in which the expansion / contraction displacement portion 5 is fully extended, the shear displacement portion 6 is shear-displaced so as to send the shim portion 3b having the protrusion in the left direction, and the shear displacement speed is maximum. ing. The protrusion of the shim portion 3b hits the surface of the stage 31. FIG. 4B shows a state in which the contraction speed of the expansion / contraction displacement portion 5 is maximized, and the shear displacement portion has sent the shim portion 3b having a protrusion to the leftmost position. The protrusion of the shim portion 3b is separated from the surface of the stage 31. FIG. 4C shows a state in which the expansion / contraction displacement portion 5 is most contracted and the shear displacement portion 6 is sheared so as to send the shim portion 3b having a protrusion to the right, and the shear displacement speed is maximum. ing. The protrusion of the shim portion 3b is separated from the surface of the stage 31. FIG. 4D shows a state in which the extension speed of the expansion / contraction displacement portion 5 is maximized and the shear displacement portion has sent the shim portion 3b having a protrusion to the rightmost position. The protrusion of the shim portion 3b is separated from the surface of the stage 31.

(実施形態2)
実施形態1では、圧電アクチュエータ1について説明したが、このような圧電アクチュエータを台座上に3×2の配置で固定して駆動装置としてもよい。図5は、圧電アクチュエータを備える駆動装置40の斜視図である。圧電アクチュエータ41〜46は、実施形態1で説明した矩形の伸縮変位部と矩形の剪断変位部とを備える圧電アクチュエータである。台座50は、矩形で、密度7.93×10−3kg/m、ヤング率210GPaのSUS製である。台座50の形状は、たとえば高さ10mm、幅14mm、長さ28mmである。ただし、台座50の形状および材料は、圧電アクチュエータの振動により変形や共振の生じないものであれば十分であり、上記のものに限定されない。たとえば、台座50をセラミックス製としてもよい。図5に示すように、圧電アクチュエータ41〜46は、振動したときに互いに接触しない程度の間隔をあけて、そのぶれ方向に2列、送り方向に3列に配置され、台座50に固定されている。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the piezoelectric actuator 1 has been described. However, such a piezoelectric actuator may be fixed in a 3 × 2 arrangement on a pedestal to serve as a driving device. FIG. 5 is a perspective view of a driving device 40 including a piezoelectric actuator. The piezoelectric actuators 41 to 46 are piezoelectric actuators including the rectangular expansion / contraction displacement portion and the rectangular shear displacement portion described in the first embodiment. The pedestal 50 is made of SUS having a rectangular shape, a density of 7.93 × 10 −3 kg / m 3 , and a Young's modulus of 210 GPa. The shape of the base 50 is, for example, 10 mm high, 14 mm wide, and 28 mm long. However, the shape and material of the pedestal 50 are sufficient as long as they do not cause deformation or resonance due to vibration of the piezoelectric actuator, and are not limited to the above. For example, the pedestal 50 may be made of ceramics. As shown in FIG. 5, the piezoelectric actuators 41 to 46 are arranged in two rows in the shaking direction and in three rows in the feeding direction at intervals that do not contact each other when vibrated, and are fixed to the pedestal 50. Yes.

次に、駆動装置40の動作を説明する。駆動装置40の各圧電アクチュエータには、互いに隣り合うもの同士に1/2周期だけ位相の異なる交流電圧を印加して、駆動装置40を動作させる。たとえば、図5に示す圧電アクチュエータ41、43および45を同期させて同一の位相θで振動させるとき、圧電アクチュエータ42、44および46も、同期させて同一の位相θ+180°で振動させる。図6の(a)および(b)は、それぞれ1/2周期異なる時点における駆動装置40の平面図であり、斜線がかかっている圧電アクチュエータは、被駆動体であるステージに当たっている圧電アクチュエータを示している。したがって、駆動装置40は隣り合わない3つの圧電アクチュエータを交互にステージに当てて、ステージを駆動させる。これにより、隣り合う圧電アクチュエータを楕円運動の1/2周期ごとに交互に被駆動体に接触させて、ステージを3点支持により安定して送ることができる。   Next, the operation of the driving device 40 will be described. To each piezoelectric actuator of the driving device 40, an AC voltage having a phase difference of ½ cycle is applied to adjacent piezoelectric actuators to operate the driving device 40. For example, when the piezoelectric actuators 41, 43, and 45 shown in FIG. 5 are synchronized and vibrated at the same phase θ, the piezoelectric actuators 42, 44, and 46 are also synchronized and vibrated at the same phase θ + 180 °. 6 (a) and 6 (b) are plan views of the driving device 40 at a time point different from each other by a half cycle, and the piezo-electric actuators with diagonal lines indicate the piezo-electric actuators that are in contact with the stage that is the driven body. ing. Therefore, the driving device 40 drives the stage by alternately applying three piezoelectric actuators that are not adjacent to the stage. Thereby, adjacent piezoelectric actuators can be brought into contact with the driven body alternately every half cycle of the elliptical motion, and the stage can be stably fed by supporting three points.

図7は、上記のような動作を行なう駆動装置40の略側面図である。図7の(a)〜(d)は、駆動装置40を動作させたときの1/4周期ごとの状態をそれぞれ示している。隣り合って設置された圧電アクチュエータを1/2周期だけ位相を変えて振動させ、各圧電アクチュエータの楕円軌道が繰り返されることにより、圧電アクチュエータの剪断変位方向の一方に被駆動体であるステージ51を移動させる。図中の矢印は、各部分の速度を模式的に表したものである。なお、図7において圧電アクチュエータ42、43、45、46は省略している。   FIG. 7 is a schematic side view of the driving device 40 that performs the above-described operation. (A)-(d) of FIG. 7 has each shown the state for every 1/4 period when the drive device 40 is operated. The piezoelectric actuators installed adjacent to each other are vibrated while changing the phase by a half cycle, and the elliptical orbit of each piezoelectric actuator is repeated, whereby the stage 51 as a driven body is placed in one of the shear displacement directions of the piezoelectric actuator. Move. The arrows in the figure schematically represent the speed of each part. In FIG. 7, the piezoelectric actuators 42, 43, 45, 46 are omitted.

本発明者らは、圧電アクチュエータの形状により、圧電アクチュエータのぶれ方向の共振振動数が変動することを見出した。したがって、適当な形状の圧電アクチュエータを形成することにより、ぶれ方向の共振周波数を高周波側にシフトさせることが可能である。共振周波数を高周波側にシフトさせた場合には、図8に示すように、ピークの裾野となる被共振領域を拡大することができる。たとえば、ぶれ方向の振動を無視できる最大駆動周波数をXからXに大きくし、XからXまでの周波数で振動させたときにぶれ方向の振動を回避することができる。共振周波数と、非共振領域として使用できる最大周波数との差は、例えば2kHz程度とするのが好ましい。 The present inventors have found that the resonance frequency in the shake direction of the piezoelectric actuator varies depending on the shape of the piezoelectric actuator. Therefore, by forming a piezoelectric actuator having an appropriate shape, the resonance frequency in the shake direction can be shifted to the high frequency side. When the resonance frequency is shifted to the high frequency side, as shown in FIG. 8, it is possible to enlarge the resonance region that becomes the base of the peak. For example, it is possible to a maximum driving frequency negligible vibrations shake directions increasing from X 1 to X 2, avoiding the vibration direction of blur when caused to vibrate at frequencies of X 1 to X 2. The difference between the resonance frequency and the maximum frequency that can be used as the non-resonance region is preferably about 2 kHz, for example.

このような原理に基づき、ぶれ方向の共振を回避すべく、圧電アクチュエータについて、コンピュータにより有限要素法シミュレーションを行なった。シミュレーションのプログラムには、MARC/MENTAT2004(エムエスシーソフトウェア社)を用いた。   Based on this principle, a finite element method simulation was performed on a piezoelectric actuator by a computer in order to avoid resonance in the shake direction. MARC / MENTAT 2004 (MS Software Co., Ltd.) was used as a simulation program.

シミュレーションの際には、駆動装置40と同様な構成の駆動装置の形状および材料のデータを入力し、共振周波数を調べた。圧電セラミックスとしては密度7.6×10−3kg/m、ヤング率65GPaのPZT系セラミックスを用いているとして物性値を入力し、圧電アクチュエータは、密度8.0×10−3kg/m、ヤング率65GPaで、伸縮変位方向長さHを4〜10mm、剪断変位方向長さLを6〜12mm、ぶれ方向長さWを2〜12mmとなるように値を入力した。台座は、密度7.93×10−3kg/m、ヤング率210GPaのSUS製であるとして、伸縮変位方向長さを10mm、剪断変位方向長さを28mm、ぶれ方向長さを14mmとして入力した。台座の形状および材料は、圧電アクチュエータへの影響を無視できる限り特に限定されない。 At the time of simulation, the shape and material data of the drive device having the same configuration as that of the drive device 40 were input, and the resonance frequency was examined. As a piezoelectric ceramic, a physical property value is input assuming that a PZT ceramic having a density of 7.6 × 10 −3 kg / m 3 and a Young's modulus of 65 GPa is used, and the piezoelectric actuator has a density of 8.0 × 10 −3 kg / m. 3. The values were input so that the Young's modulus was 65 GPa, the stretch displacement direction length H was 4 to 10 mm, the shear displacement direction length L was 6 to 12 mm, and the blur direction length W was 2 to 12 mm. Assuming that the pedestal is made of SUS having a density of 7.93 × 10 −3 kg / m 3 and a Young's modulus of 210 GPa, the length in the expansion / contraction displacement direction is 10 mm, the shear displacement direction length is 28 mm, and the blur direction length is 14 mm. did. The shape and material of the base are not particularly limited as long as the influence on the piezoelectric actuator can be ignored.

図9は、圧電アクチュエータの形状と、最も低い共振周波数の関係を示す図である。図9に示すように、L/Wが小さいほど共振周波数は大きくなる傾向があり、Hが小さいほど共振周波数は大きくなる傾向がある。また、材料の密度は小さくなるほど、共振周波数が大きくなり、ヤング率は大きくなるほど、共振周波数が大きくなる。   FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the shape of the piezoelectric actuator and the lowest resonance frequency. As shown in FIG. 9, the resonance frequency tends to increase as L / W decreases, and the resonance frequency tends to increase as H decreases. Further, the resonance frequency increases as the material density decreases, and the resonance frequency increases as the Young's modulus increases.

一方、ステージ送り装置が、実際に使用される工程においてステージ送りの機能を十分に果たすためには、一般的に送り速度20mm/sが望まれている。上記のような圧電アクチュエータを用いた駆動装置においては、送り速度20mm/sを出すためには、振幅100Vの正弦波の駆動電圧を印加したときの変位能が0.6μmである圧電アクチュエータの場合、振動数は10kHz以上必要である。そのためには、ピークから裾野までの幅も考慮すると最小の共振周波数が、12kHz以上でなければならない。   On the other hand, a feed rate of 20 mm / s is generally desired in order for the stage feed device to sufficiently perform the function of stage feed in a process that is actually used. In the drive device using the piezoelectric actuator as described above, in order to obtain a feed rate of 20 mm / s, the displacement capacity when a sinusoidal drive voltage with an amplitude of 100 V is applied is 0.6 μm. The frequency needs to be 10 kHz or more. For this purpose, the minimum resonance frequency must be 12 kHz or more in consideration of the width from the peak to the base.

上記のシミュレーションの結果から、L/W≦2.5、H≦10mm、ρ≦8.0×10−3kg/m、かつ65GPa≦Yの特性を有する圧電アクチュエータであれば、最小の共振周波数が、12kHz以上となり、駆動装置40を横振動の共振を生じることなく10kHz以上で振動させることができる。したがって、この圧電アクチュエータ用いたステージ送り装置は、送り速度20mm/sを実現することができ、実際の工程において必要とされるステージ送りの機能を十分に果たすことができることが実証された。 From the result of the above simulation, if the piezoelectric actuator has the characteristics of L / W ≦ 2.5, H ≦ 10 mm, ρ ≦ 8.0 × 10 −3 kg / m 3 and 65 GPa ≦ Y, the minimum resonance The frequency becomes 12 kHz or more, and the drive device 40 can be vibrated at 10 kHz or more without causing resonance of lateral vibration. Therefore, it was proved that the stage feeding apparatus using this piezoelectric actuator can realize a feeding speed of 20 mm / s and can sufficiently perform the stage feeding function required in the actual process.

また、同様に上記のシミュレーションの結果から、L/W≦2、H≦10mm、ρ≦8.0×10−3kg/m、かつ65GPa≦Yの特性を有する圧電アクチュエータであれば、最小の共振周波数が、14kHz以上となり、駆動装置40を横振動の共振を生じることなく12kHz以上で振動させることができる。したがって、この圧電アクチュエータ用いたステージ送り装置は、送り速度25mm/sを実現することができ、実際の工程において必要とされるステージ送りの機能を余裕を持って果たすことができることが実証された。 Similarly, from the above simulation results, if the piezoelectric actuator has the characteristics of L / W ≦ 2, H ≦ 10 mm, ρ ≦ 8.0 × 10 −3 kg / m 3 and 65 GPa ≦ Y, the minimum The resonance frequency of the drive device 40 becomes 14 kHz or more, and the drive device 40 can be vibrated at 12 kHz or more without causing resonance of lateral vibration. Therefore, it has been proved that the stage feed device using this piezoelectric actuator can realize a feed speed of 25 mm / s and can perform the stage feed function required in the actual process with a margin.

本発明に係る圧電アクチュエータの斜視図である。1 is a perspective view of a piezoelectric actuator according to the present invention. 本発明に係る圧電アクチュエータの略側面図である。1 is a schematic side view of a piezoelectric actuator according to the present invention. 本発明に係る圧電アクチュエータの動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the piezoelectric actuator which concerns on this invention. 本発明に係る圧電アクチュエータの動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the piezoelectric actuator which concerns on this invention. 本発明に係る駆動装置の斜視図である。It is a perspective view of the drive device concerning the present invention. 本発明に係る駆動装置の平面図である。It is a top view of the drive device concerning the present invention. 本発明に係る駆動装置の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the drive device which concerns on this invention. 圧電アクチュエータの駆動周波数に対するぶれ方向の振動速度を示す図である。It is a figure which shows the vibration speed of the shake direction with respect to the drive frequency of a piezoelectric actuator. シミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of simulation.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電アクチュエータ
4 平面電極
5 伸縮変位部
6 剪断変位部
30 台座
40 駆動装置
41〜46 圧電アクチュエータ
50 台座

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric actuator 4 Planar electrode 5 Expansion / contraction displacement part 6 Shear displacement part 30 Base 40 Drive apparatus 41-46 Piezoelectric actuator 50 Base

Claims (2)

矩形の伸縮変位部および前記伸縮変位部の伸縮変位方向に連結された矩形の剪断変位部を備える圧電アクチュエータであって、
伸縮変位方向の長さをH、剪断変位方向の長さをL、前記伸縮変位方向と前記剪断変位方向とに垂直な方向の長さをW、密度をρ、そしてヤング率をYとしたとき、
前記H、L、W、ρ、そしてYが、
H≦10mm、
L/W≦2.5、
ρ≦8×10−3kg/m、かつ
65GPa≦Y、
なる関係式を満たすことで、
送り方向に垂直なぶれ方向の共振周波数を高周波側にシフトさせることを特徴とする圧電アクチュエータ。
A piezoelectric actuator comprising a rectangular expansion / contraction displacement portion and a rectangular shear displacement portion coupled in the expansion / contraction displacement direction of the expansion / contraction displacement portion,
When the length in the elastic displacement direction is H, the length in the shear displacement direction is L, the length in the direction perpendicular to the elastic displacement direction and the shear displacement direction is W, the density is ρ, and the Young's modulus is Y ,
Said H, L, W, ρ and Y are
H ≦ 10 mm,
L / W ≦ 2.5,
ρ ≦ 8 × 10 −3 kg / m 3 and 65 GPa ≦ Y,
By satisfying the relational expression,
A piezoelectric actuator characterized by shifting a resonance frequency in a shake direction perpendicular to a feed direction to a high frequency side .
矩形の伸縮変位部および前記伸縮変位部の伸縮変位方向に連結された矩形の剪断変位部を備える、6個の請求項1記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータが固定される台座と、を備える駆動装置であって、
前記圧電アクチュエータは、前記剪断変位方向に沿って2列に、前記伸縮変位方向と前記剪断変位方向とに垂直な方向に沿って3列に互いに接触しないように、台座上に配置されていることを特徴とする駆動装置。
6. The piezoelectric actuator according to claim 1 , comprising: a rectangular expansion / contraction displacement portion and a rectangular shear displacement portion coupled in the expansion / contraction displacement direction of the expansion / contraction displacement portion;
A pedestal on which the piezoelectric actuator is fixed;
The piezoelectric actuators are arranged on a pedestal so as not to contact each other in two rows along the shear displacement direction and in three rows along a direction perpendicular to the expansion / contraction displacement direction and the shear displacement direction. A drive device characterized by the above.
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