JP2016040990A - 圧電駆動装置、ロボット、及び、それらの駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電体の厚みを小さくすると、大きな駆動電流が必要になる。
【解決手段】圧電駆動装置は、圧電体と、圧電体に設けられた電極と、電極に駆動電圧を印加する駆動回路と、を備える。圧電体の厚みは０．０５μｍ以上２０μｍ以下である。駆動電圧は、変動する電圧にオフセット電圧を加えた電圧である。
【選択図】図５
【解決手段】圧電駆動装置は、圧電体と、圧電体に設けられた電極と、電極に駆動電圧を印加する駆動回路と、を備える。圧電体の厚みは０．０５μｍ以上２０μｍ以下である。駆動電圧は、変動する電圧にオフセット電圧を加えた電圧である。
【選択図】図５
Description
本発明は、圧電駆動装置、及び、圧電駆動装置を備えるロボットなどの各種の装置に関する。
従来から、圧電素子を用いた圧電アクチュエーター（圧電駆動装置）が知られている（例えば特許文献１）。この圧電駆動装置の基本的な構成は、補強板の２つの面のそれぞれの上に、４つの圧電素子が２行２列に配置された構成であり、合計で８つの圧電素子が補強板の両側に設けられている。個々の圧電素子は、圧電体をそれぞれ２枚の電極で挟んだユニットであり、補強板は、圧電素子の一方の電極としても利用される。補強板の一端には、被駆動体としてのローターに接してローターを回転させるための突起部が設けられている。４つの圧電素子のうちの対角に配置された２つの圧電素子に交流電圧を印加すると、この２つの圧電素子が伸縮運動を行い、これに応じて補強板の突起部が往復運動又は楕円運動を行う。そして、この補強板の突起部の往復運動又は楕円運動に応じて、被駆動体としてのローターが所定の回転方向に回転する。また、交流電圧を印加する２つの圧電素子を他の２つの圧電素子に切り換えることによって、ローターを逆方向に回転させることができる。
従来は、圧電駆動装置に用いられる圧電体として、いわゆるバルク状の圧電体が使用されている。本明細書において、「バルク状の圧電体」とは、厚さが１００μｍ以上の圧電体を意味する。バルク状の圧電体が利用されている理由は、圧電駆動装置から被駆動体に与える力を十分に大きくするために、圧電体の厚みを大きくしたいからである。
ところで、圧電駆動装置を小型化して、小さなスペースに収容可能な小型のアクチュエータとして利用したいという要望がある。しかしながら、圧電駆動装置の小型化のために圧電体の厚みを小さくすると、大きな駆動電流が必要になるという課題が生じる。また、駆動電流が大きくなるにつれ、配線も太くなるので、例えば、圧電駆動装置を小さな空間（例えばロボットの関節内）に配置する場合は、配線スペースが不足する可能性があるという課題が生じる。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、圧電駆動装置であって、圧電体と、前記圧電体に設けられた電極と、前記電極に駆動電圧を印加する駆動回路と、を備える圧電駆動装置が提供される。前記圧電体の厚みは０．０５μｍ以上２０μｍ以下であり、前記駆動電圧は、変動する電圧にオフセット電圧を加えた電圧である。
この圧電駆動装置によれば、変動する電圧にオフセット電圧を加えた電圧を駆動電圧として圧電素子に印加するので、厚みの小さな圧電体を用いた場合にも駆動電流を小さくすることが可能である。
この圧電駆動装置によれば、変動する電圧にオフセット電圧を加えた電圧を駆動電圧として圧電素子に印加するので、厚みの小さな圧電体を用いた場合にも駆動電流を小さくすることが可能である。
（２）上記圧電駆動装置において、前記圧電体の材質はチタン酸ジルコン酸鉛を含み、前記オフセット電圧は２０Ｖ以上であるものとしてもよい。
この構成によれば、駆動電流を十分に小さくすることが可能である。
この構成によれば、駆動電流を十分に小さくすることが可能である。
（３）上記圧電駆動装置において、前記圧電体の厚みは０．０５μｍ以上１０μｍ以下であるものとしてもよい。
この構成によれば、圧電体の厚みが１０μｍを超える場合に比べて、交流電圧にオフセット電圧を加えることによる駆動電流の低減効果がより顕著である。
この構成によれば、圧電体の厚みが１０μｍを超える場合に比べて、交流電圧にオフセット電圧を加えることによる駆動電流の低減効果がより顕著である。
（４）上記圧電駆動装置において、前記圧電体の厚みは０．０５μｍ以上３μｍ以下であるものとしてもよい。
この構成によれば、圧電体の厚みが３μｍを超える場合に比べて、交流電圧にオフセット電圧を加えることによる駆動電流の低減効果が更に顕著である。
この構成によれば、圧電体の厚みが３μｍを超える場合に比べて、交流電圧にオフセット電圧を加えることによる駆動電流の低減効果が更に顕著である。
（５）上記圧電駆動装置において、第１面及び第２面を有する振動板と、前記圧電体及び前記電極を含む圧電振動体と、を備え、前記圧電振動体は、前記振動板の前記第１面及び第２面のうちの少なくとも一方の面に配置されているものとしてもよい。
この構成によれば、振動板と圧電振動体との振動によって力を発生することができる。
この構成によれば、振動板と圧電振動体との振動によって力を発生することができる。
（６）上記圧電駆動装置において、前記圧電振動体は、前記振動板の前記第１面及び第２面に配置されているものとしてもよい。
この構成によれば、振動板の第１面と第２面の両面に圧電振動体が配置されているので、圧電駆動装置の駆動力を大きくできる。
この構成によれば、振動板の第１面と第２面の両面に圧電振動体が配置されているので、圧電駆動装置の駆動力を大きくできる。
（７）上記圧電駆動装置は、前記振動板に設けられ、被駆動体と接触可能な突起部を備えているものとしてもよい。
この構成によれば、突起部を用いて被駆動体を動作させることができる。
この構成によれば、突起部を用いて被駆動体を動作させることができる。
（８）上記圧電駆動装置において、前記電極は、第１電極と、第２電極と、を含み、
前記圧電体は、前記第１電極と前記第２電極との間に位置するものとしてもよい。
前記圧電体は、前記第１電極と前記第２電極との間に位置するものとしてもよい。
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、圧電駆動装置の他、圧電駆動装置の駆動方法、圧電駆動装置の製造方法、圧電駆動装置を搭載するロボットなどの各種の装置及びその駆動方法等、様々な形態で実現することができる。
・第１実施形態：
図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態における圧電駆動装置１０の概略構成を示す平面図であり、図１（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。圧電駆動装置１０は、振動板２００と、振動板２００の両面（第１面２１１と第２面２１２）にそれぞれ配置された２つの圧電振動体１００とを備える。圧電振動体１００は、基板１２０と、基板１２０の上に形成された第１電極１３０と、第１電極１３０の上に形成された圧電体１４０と、圧電体１４０の上に形成された第２電極１５０と、を備えている。第１電極１３０と第２電極１５０は、圧電体１４０を挟持している。２つの圧電振動体１００は、振動板２００を中心として対称に配置されている。２つの圧電振動体１００は同じ構成を有しているので、以下では特に断らない限り、振動板２００の上側にある圧電振動体１００の構成を説明する。
図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態における圧電駆動装置１０の概略構成を示す平面図であり、図１（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。圧電駆動装置１０は、振動板２００と、振動板２００の両面（第１面２１１と第２面２１２）にそれぞれ配置された２つの圧電振動体１００とを備える。圧電振動体１００は、基板１２０と、基板１２０の上に形成された第１電極１３０と、第１電極１３０の上に形成された圧電体１４０と、圧電体１４０の上に形成された第２電極１５０と、を備えている。第１電極１３０と第２電極１５０は、圧電体１４０を挟持している。２つの圧電振動体１００は、振動板２００を中心として対称に配置されている。２つの圧電振動体１００は同じ構成を有しているので、以下では特に断らない限り、振動板２００の上側にある圧電振動体１００の構成を説明する。
圧電振動体１００の基板１２０は、第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０を成膜プロセスで形成するための基板として使用される。また、基板１２０は機械的な振動を行う振動板としての機能も有する。基板１２０は、例えば、Ｓｉ，Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２などで形成することができる。Ｓｉ製の基板１２０として、例えば半導体製造用のＳｉウェハーを利用することが可能である。この実施形態において、基板１２０の平面形状は長方形である。基板１２０の厚みは、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲とすることが好ましい。基板１２０の厚みを１０μｍ以上とすれば、基板１２０上の成膜処理の際に基板１２０を比較的容易に取扱うことができる。また、基板１２０の厚みを１００μｍ以下とすれば、薄膜で形成された圧電体１４０の伸縮に応じて、基板１２０を容易に振動させることができる。
第１電極１３０は、基板１２０上に形成された１つの連続的な導電体層として形成されている。一方、第２電極１５０は、図１（Ａ）に示すように、５つの導電体層１５０ａ〜１５０ｅ（「第２電極１５０ａ〜１５０ｅ」とも呼ぶ）に区分されている。中央にある第２電極１５０ｅは、基板１２０の幅方向の中央において、基板１２０の長手方向のほぼ全体に亘る長方形形状に形成されている。他の４つの第２電極１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄは、同一の平面形状を有しており、基板１２０の四隅の位置に形成されている。図１の例では、第１電極１３０と第２電極１５０は、いずれも長方形の平面形状を有している。第１電極１３０や第２電極１５０は、例えばスパッタリングによって形成される薄膜である。第１電極１３０や第２電極１５０の材料としては、例えばＡｌ（アルミニウム）や、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）などの導電性の高い任意の材料を利用可能である。なお、第１電極１３０を１つの連続的な導電体層とする代わりに、第２電極１５０ａ〜１５０ｅと実質的に同じ平面形状を有する５つの導電体層に区分してもよい。なお、第２電極１５０ａ〜１５０ｅの間の電気的接続のための配線（又は配線層及び絶縁層）と、第１電極１３０及び第２電極１５０ａ〜１５０ｅと駆動回路との間の電気的接続のための配線（又は配線層及び絶縁層）とは、図１では図示が省略されている。
圧電体１４０は、第２電極１５０ａ〜１５０ｅと実質的に同じ平面形状を有する５つの圧電体層として形成されている。この代わりに、圧電体１４０を、第１電極１３０と実質的に同じ平面形状を有する１つの連続的な圧電体層として形成してもよい。第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０ａ〜１５０ｅとの積層構造によって、５つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅ（図１（Ａ））が構成される。
圧電体１４０は、例えばゾル−ゲル法やスパッタリング法によって形成される薄膜である。圧電体１４０の材料としては、ＡＢＯ３型のペロブスカイト構造を採るセラミックスなど、圧電効果を示す任意の材料を利用可能である。ＡＢＯ３型のペロブスカイト構造を採るセラミックスとしては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、酸化亜鉛、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）、メタニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等を用いることが可能である。またセラミック以外の圧電効果を示す材料、例えばポリフッ化ビニリデン、水晶等を用いることも可能である。圧電体１４０の厚みは、例えば５０ｎｍ（０．０５μｍ）以上２０μｍ以下の範囲とすることが好ましい。この範囲の厚みを有する圧電体１４０の薄膜は、成膜プロセスを利用して容易に形成することができる。圧電体１４０の厚みを０．０５μｍ以上とすれば、圧電体１４０の伸縮に応じて十分に大きな力を発生することができる。また、圧電体１４０の厚みを２０μｍ以下とすれば、圧電駆動装置１０を十分に小型化することができる。
図２は、振動板２００の平面図である。振動板２００は、長方形形状の振動体部２１０と、振動体部２１０の左右の長辺からそれぞれ３本ずつ延びる接続部２２０とを有しており、また、左右の３本の接続部２２０にそれぞれ接続された２つの取付部２３０を有している。なお、図２では、図示の便宜上、振動体部２１０にハッチングを付している。取付部２３０は、ネジ２４０によって他の部材に圧電駆動装置１０を取り付けるために用いられる。振動板２００は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅合金、鉄−ニッケル合金などの金属材料で形成することが可能である。
振動体部２１０の上面（第１面）及び下面（第２面）には、圧電振動体１００（図１）がそれぞれ接着剤を用いて接着される。振動体部２１０の長さＬと幅Ｗの比は、Ｌ：Ｗ＝約７：２とすることが好ましい。この比は、振動体部２１０がその平面に沿って左右に屈曲する超音波振動（後述）を行うために好ましい値である。振動体部２１０の長さＬは、例えば３．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲とすることができ、幅Ｗは、例えば１ｍｍ以上８ｍｍ以下の範囲とすることができる。なお、振動体部２１０が超音波振動を行うために、長さＬは５０ｍｍ以下とすることが好ましい。振動体部２１０の厚み（振動板２００の厚み）は、例えば５０μｍ以上７００μｍ以下の範囲とすることができる。振動体部２１０の厚みを５０μｍ以上とすれば、圧電振動体１００を支持するために十分な剛性を有するものとなる。また、振動体部２１０の厚みを７００μｍ以下とすれば、圧電振動体１００の変形に応じて十分に大きな変形を発生することができる。
振動板２００の一方の短辺には、突起部２０（「接触部」又は「作用部」とも呼ぶ）が設けられている。突起部２０は、被駆動体と接触して、被駆動体に力を与えるための部材である。突起部２０は、セラミックス（例えばＡｌ２Ｏ３）などの耐久性がある材料で形成することが好ましい。
図３は、圧電駆動装置１０と駆動回路３００の電気的接続状態を示す説明図である。駆動回路３００は、交流駆動電圧発生回路３４０と、オフセット電圧付加回路３５０とを含んでいる。交流駆動電圧発生回路３４０は、接地電位に対してプラス側とマイナス側に変動する交流駆動電圧を発生する。この交流駆動電圧は、圧電駆動装置１０の機械的な共振周波数に近い周波数の電圧信号であることが好ましい。オフセット電圧付加回路３５０は、交流駆動電圧にオフセット電圧を付加することによって、オフセット付き駆動電圧を生成する。付加されるオフセット電圧は、一定レベルの直流電圧とすることが好ましい。また、オフセット電圧付き駆動電圧は、脈流電圧（電圧レベルが常にプラス側である電圧）であることが好ましいが、電圧レベルが反対極性になる部分があったとしても、圧電体１４０の抗電圧以上であればよい。なぜなら、抗電圧以下になると、圧電体１４０の絶縁破壊が生じる可能性が高くなるからである。また、駆動電圧は、交流電圧のように周期的に変動する必要は無く、非周期的に変動していてもよい。なお、図３の駆動回路３００とは異なる回路構成を用いてオフセット付き駆動電圧を生成しても良い。この場合にも、非周期的に変動する電圧に、オフセット電圧が付加されていることが好ましい。駆動回路３００と圧電駆動装置１０の電極１３０，１５０とは以下のように接続されている。
圧電駆動装置１０の５つの第２電極１５０ａ〜１５０ｅのうちで、対角にある一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄが配線１５１を介して互いに電気的に接続され、他の対角の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃも配線１５２を介して互いに電気的に接続されている。これらの配線１５１，１５２は成膜処理によって形成しても良く、或いは、ワイヤ状の配線によって実現してもよい。図３の右側にある３つの第２電極１５０ｂ，１５０ｅ，１５０ｄと、第１電極１３０（図１）は、配線３１０，３１２，３１４，３２０を介して駆動回路３００に電気的に接続されている。駆動回路３００は、一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄと第１電極１３０との間に周期的に変化する交流電圧又は脈流電圧を印加することにより、圧電駆動装置１０を超音波振動させて、突起部２０に接触するローター（被駆動体）を所定の回転方向に回転させることが可能である。ここで、「脈流電圧」とは、交流電圧にＤＣオフセットを付加した電圧を意味し、その電圧（電界）の向きは、一方の電極から他方の電極に向かう一方向である。また、他の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃと第１電極１３０との間に交流電圧又は脈流電圧を印加することにより、突起部２０に接触するローターを逆方向に回転させることが可能である。このような電圧の印加は、振動板２００の両面に設けられた２つの圧電振動体１００に同時に行われる。なお、図３に示した配線１５１，１５２，３１０，３１２，３１４，３２０を構成する配線（又は配線層及び絶縁層）は、図１では図示が省略されている。
図４は、圧電駆動装置１０の動作の例を示す説明図である。圧電駆動装置１０の突起部２０は、被駆動体としてのローター５０の外周に接触している。図４に示す例では、駆動回路３００（図３）は、一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄと第１電極１３０との間に交流電圧又は脈流電圧を印加しており、圧電素子１１０ａ，１１０ｄは図４の矢印ｘの方向に伸縮する。これに応じて、圧電駆動装置１０の振動体部２１０が圧電振動体部２１０の平面内で屈曲して蛇行形状（Ｓ字形状）に変形し、突起部２０の先端が矢印ｙの向きに往復運動するか、又は、楕円運動する。その結果、ローター５０は、その中心５１の周りに所定の方向ｚ（図４では時計回り方向）に回転する。図２で説明した振動板２００の３つの接続部２２０（図２）は、このような振動体部２１０の振動の節（ふし）の位置に設けられている。なお、駆動回路３００が、他の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃと第１電極１３０との間に交流電圧又は脈流電圧を印加する場合には、ローター５０は逆方向に回転する。なお、中央の第２電極１５０ｅに、一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄ（又は他の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃ）と同じ電圧を印加すれば、圧電駆動装置１０が長手方向に伸縮するので、突起部２０からローター５０に与える力をより大きくすることが可能である。なお、圧電駆動装置１０（又は圧電振動体１００）のこのような動作については、上記先行技術文献１（特開２００４−３２０９７９号公報、又は、対応する米国特許第７２２４１０２号）に記載されており、その開示内容は参照により組み込まれる。
図５は、駆動電圧の例を示すグラフである。図５の横軸は時間であり、縦軸は駆動電圧である。ここでは、交流駆動電圧発生回路３４０が発生する交流駆動電圧Ｓｄの例と、オフセット電圧付加回路３５０が発生するオフセット付き駆動電圧Ｓdoffの例とを示している。駆動電圧の０Ｖは、接地電位に相当する。この例において、交流駆動電圧Ｓｄは、全振幅が約５Ｖの交流信号であり、オフセット電圧Ｖoffsetは２０Ｖの一定値である。従って、この例におけるオフセット付き駆動電圧Ｓdoffは、その電圧値が常にプラスである脈流電圧である。後述するように、オフセット付き駆動電圧Ｓdoffを使用すれば、圧電駆動装置１０の駆動電流を小さくできる点で好ましい。また、最大駆動電流も小さくなるので、駆動回路３００に必要とされる電流容量を小さく抑えることができる。交流駆動電圧Ｓｄの値は、任意の値を採用することが可能であるが、厚みが０．０５μｍ〜２０μｍであるＰＺＴ製の圧電体１４０を用いる場合には、３Ｖ〜１０Ｖの範囲の値とすることができる。オフセット電圧Ｖoffsetの好ましい値については以下で説明する。
図６は、実施形態におけるオフセット電圧と駆動電流及び静電容量の関係を示すグラフである。この例では、圧電体１４０の厚みが３μｍの圧電素子を用いた場合の実験結果を示している。測定条件は、周波数１ｋＨｚで、片振幅が０．５Ｖの交流電圧印加である。この結果によれば、ゼロでないオフセット電圧を加えることによって、圧電素子１１０の静電容量と駆動電流を低下させることができる。また、オフセット電圧を大きくするほど圧電素子１１０の静電容量が低下し、これに応じてその駆動電流も低下する。特に、オフセット電圧を２０Ｖ以上とすれば、オフセット電圧が０の場合に比べて駆動電流を約１／２以下に低減できる点で好ましい。また、オフセット電圧を４０Ｖ以上とすれば、オフセット電圧が０の場合に比べて駆動電流を約１／３以下に低減できる点で更に好ましい。なお、オフセット電圧の上限値は、通常は、圧電体１４０の耐電圧特性、又は、駆動回路３００の電圧供給能力に応じて決定される。
図７は、比較例におけるオフセット電圧と駆動電流及び静電容量の関係を示すグラフである。この例では、圧電体の厚みが１５０μｍである圧電素子を用いた場合の実験結果を示している。この結果によれば、オフセット電圧を大きくしても、圧電素の静電容量はほとんど一定であり、駆動電流も一定である。一般に、厚みが１００μｍ以上のバルク状の圧電体を用いた圧電素子では、このように、オフセット電圧を大きくしても圧電素子の静電容量や駆動電流もほとんど変化しない。
本発明の発明者らは、厚みが２０μｍ以下の圧電体を用いる圧電素子に関して、図６に示したように、オフセット電圧を付加することによって圧電素子の静電容量及び駆動電流を低減できることを見出した。特に、図５に示したように、交流駆動電圧Ｓｄの片振幅よりもオフセット電圧Ｖoffsetを大きくした場合には、オフセット付き駆動電圧Ｓdoffが脈流電圧になり、圧電素子の静電容量及び駆動電流を低減する効果が特に顕著である。また、このような低減効果は圧電体の厚みが小さいほど顕著になる傾向にある。従って、圧電体の厚みが１０μｍ以下の場合にオフセット付き駆動電圧Ｓdoffを利用することが更に好ましく、３μｍ以下の場合に利用することが最も好ましい。なお、図６（Ｂ）と図７（Ｂ）を比較すれば理解できるように、圧電体の厚みが小さくなるほど、圧電素子の静電容量が大きくなり、駆動に多くの電流が必要になる。この観点からは、圧電体の厚みを０．０５μｍ以上とすることが好ましい。
上述した図６及び図７の実験結果は、圧電体材料としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用した場合のものである。但し、他の圧電体材料を用いた場合にも同様の傾向があるものと推定される。
以上のように、本実施形態によれば、オフセット付き駆動電圧を利用して圧電素子１１０を駆動するようにしたので、圧電素子１１０の静電容量を低減して、その駆動電流を低減することが可能である。駆動電流が小さくなれば、駆動電流による発熱も小さくなるので、圧電駆動装置１０の信頼性を向上させることができる。更に、駆動回路３００の出力電流容量を小さくできるので、その回路規模を小さくすることができ、コストを低減できるとともに信頼性も向上させることができる。また、圧電素子１１０の静電容量が小さくなるとそのインピーダンスが大きくなるので、圧電素子１１０の電極や配線層のシート抵抗（寄生抵抗）における電圧降下が小さくなり、駆動回路３００の駆動効率が向上する。更に、シート抵抗における電圧降下が小さくなると、シート抵抗自体を大幅に低減させる必要性が低くなるため、電極や配線層の膜厚を大きくする必要が無く、この結果、圧電素子１１０の圧電効果を十分に発揮できる。
・圧電駆動装置の他の実施形態：
図８は、本発明の他の実施形態としての圧電駆動装置１０ａの断面図であり、第１実施形態の図１（Ｂ）に対応する図である。この圧電駆動装置１０ａでは、圧電振動体１００が、図１（Ｂ）とは上下を逆にした状態で振動板２００に配置されている。すなわち、ここでは、第２電極１５０が振動板２００に近く、基板１２０が振動板２００から最も遠くなるように配置されている。なお、図８においても、図１（Ｂ）と同様に、第２電極１５０ａ〜１５０ｅの間の電気的接続のための配線（又は配線層及び絶縁層）と、第１電極１３０及び第２電極１５０ａ〜１５０ｅと駆動回路との間の電気的接続のための配線（又は配線層及び絶縁層）とは、図示が省略されている。この圧電駆動装置１０ａも、第１実施形態と同様な効果を達成することができる。
図８は、本発明の他の実施形態としての圧電駆動装置１０ａの断面図であり、第１実施形態の図１（Ｂ）に対応する図である。この圧電駆動装置１０ａでは、圧電振動体１００が、図１（Ｂ）とは上下を逆にした状態で振動板２００に配置されている。すなわち、ここでは、第２電極１５０が振動板２００に近く、基板１２０が振動板２００から最も遠くなるように配置されている。なお、図８においても、図１（Ｂ）と同様に、第２電極１５０ａ〜１５０ｅの間の電気的接続のための配線（又は配線層及び絶縁層）と、第１電極１３０及び第２電極１５０ａ〜１５０ｅと駆動回路との間の電気的接続のための配線（又は配線層及び絶縁層）とは、図示が省略されている。この圧電駆動装置１０ａも、第１実施形態と同様な効果を達成することができる。
図９（Ａ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動装置１０ｂの平面図であり、第１実施形態の図１（Ａ）に対応する図である。図９（Ａ）〜（Ｃ）では、図示の便宜上、振動板２００の接続部２２０や取付部２３０は図示が省略されている。図９（Ａ）の圧電駆動装置１０ｂでは、一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃが省略されている。この圧電駆動装置１０ｂも、図４に示すような１つの方向ｚにローター５０を回転させることが可能である。なお、図９（Ａ）の３つの第２電極１５０ａ，１５０ｅ，１５０ｄには同じ電圧が印加されるので、これらの３つの第２電極１５０ａ，１５０ｅ，１５０ｄを、連続する１つの電極層として形成してもよい。
図９（Ｂ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動装置１０ｃの平面図である。この圧電駆動装置１０ｃでは、図１（Ａ）の中央の第２電極１５０ｅが省略されており、他の４つの第２電極１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄが図１（Ａ）よりも大きな面積に形成されている。この圧電駆動装置１０ｃも、第１実施形態とほぼ同様な効果を達成することができる。
図９（Ｃ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動装置１０ｄの平面図である。この圧電駆動装置１０ｄでは、図１（Ａ）の４つの第２電極１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄが省略されており、１つの第２電極１５０ｅが大きな面積で形成されている。この圧電駆動装置１０ｄは、長手方向に伸縮するだけであるが、突起部２０から被駆動体（図示省略）に対して大きな力を与えることが可能である。
図１及び図９（Ａ）〜（Ｃ）から理解できるように、圧電振動体１００の第２電極１５０としては、少なくとも１つの電極層を設けることができる。但し、図１及び図９（Ａ），（Ｂ）に示す実施形態のように、長方形の圧電振動体１００の対角の位置に第２電極１５０を設けるようにすれば、圧電振動体１００及び振動板２００を、その平面内で屈曲する蛇行形状に変形させることが可能である点で好ましい。
・圧電駆動装置を用いた装置の実施形態：
上述した圧電駆動装置１０は、共振を利用することで被駆動体に対して大きな力を与えることができるものであり、各種の装置に適用可能である。圧電駆動装置１０は、例えば、ロボット（電子部品搬送装置（ＩＣハンドラー）も含む）、投薬用ポンプ、時計のカレンダー送り装置、印刷装置（例えば紙送り機構。ただし、ヘッドに利用される圧電駆動装置では、振動板を共振させないので、ヘッドには適用不可である。）等の各種の機器における駆動装置として用いることが出来る。以下、代表的な実施の形態について説明する。
上述した圧電駆動装置１０は、共振を利用することで被駆動体に対して大きな力を与えることができるものであり、各種の装置に適用可能である。圧電駆動装置１０は、例えば、ロボット（電子部品搬送装置（ＩＣハンドラー）も含む）、投薬用ポンプ、時計のカレンダー送り装置、印刷装置（例えば紙送り機構。ただし、ヘッドに利用される圧電駆動装置では、振動板を共振させないので、ヘッドには適用不可である。）等の各種の機器における駆動装置として用いることが出来る。以下、代表的な実施の形態について説明する。
図１０は、上述の圧電駆動装置１０を利用したロボット２０５０の一例を示す説明図である。ロボット２０５０は、複数本のリンク部２０１２（「リンク部材」とも呼ぶ）と、それらリンク部２０１２の間を回動又は屈曲可能な状態で接続する複数の関節部２０２０とを備えたアーム２０１０（「腕部」とも呼ぶ）を有している。それぞれの関節部２０２０には、上述した圧電駆動装置１０が内蔵されており、圧電駆動装置１０を用いて関節部２０２０を任意の角度だけ回動又は屈曲させることが可能である。アーム２０１０の先端には、ロボットハンド２０００が接続されている。ロボットハンド２０００は、一対の把持部２００３を備えている。ロボットハンド２０００にも圧電駆動装置１０が内蔵されており、圧電駆動装置１０を用いて把持部２００３を開閉して物を把持することが可能である。また、ロボットハンド２０００とアーム２０１０との間にも圧電駆動装置１０が設けられており、圧電駆動装置１０を用いてロボットハンド２０００をアーム２０１０に対して回転させることも可能である。
図１１は、図１０に示したロボット２０５０の手首部分の説明図である。手首の関節部２０２０は、手首回動部２０２２を挟持しており、手首回動部２０２２に手首のリンク部２０１２が、手首回動部２０２２の中心軸Ｏ周りに回動可能に取り付けられている。手首回動部２０２２は、圧電駆動装置１０を備えており、圧電駆動装置１０は、手首のリンク部２０１２及びロボットハンド２０００を中心軸Ｏ周りに回動させる。ロボットハンド２０００には、複数の把持部２００３が立設されている。把持部２００３の基端部はロボットハンド２０００内で移動可能となっており、この把持部２００３の根元の部分に圧電駆動装置１０が搭載されている。このため、圧電駆動装置１０を動作させることで、把持部２００３を移動させて対象物を把持することができる。
なお、ロボットとしては、単腕のロボットに限らず、腕の数が２以上の多腕ロボットにも圧電駆動装置１０を適用可能である。ここで、手首の関節部２０２０やロボットハンド２０００の内部には、圧電駆動装置１０の他に、力覚センサーやジャイロセンサー等の各種装置に電力を供給する電力線や、信号を伝達する信号線等が含まれ、非常に多くの配線が必要になる。従って、関節部２０２０やロボットハンド２０００の内部に配線を配置することは非常に困難だった。しかしながら、上述した実施形態の圧電駆動装置１０は、通常の電動モーターや、従来の圧電駆動装置よりも駆動電流を小さくできるので、関節部２０２０（特に、アーム２０１０の先端の関節部）やロボットハンド２０００のような小さな空間でも配線を配置することが可能になる。
図１２は、上述の圧電駆動装置１０を利用した送液ポンプ２２００の一例を示す説明図である。送液ポンプ２２００は、ケース２２３０内に、リザーバー２２１１と、チューブ２２１２と、圧電駆動装置１０と、ローター２２２２と、減速伝達機構２２２３と、カム２２０２と、複数のフィンガー２２１３、２２１４、２２１５、２２１６、２２１７、２２１８、２２１９と、が設けられている。リザーバー２２１１は、輸送対象である液体を収容するための収容部である。チューブ２２１２は、リザーバー２２１１から送り出される液体を輸送するための管である。圧電駆動装置１０の突起部２０は、ローター２２２２の側面に押し付けた状態で設けられており、圧電駆動装置１０がローター２２２２を回転駆動する。ローター２２２２の回転力は減速伝達機構２２２３を介してカム２２０２に伝達される。フィンガー２２１３から２２１９はチューブ２２１２を閉塞させるための部材である。カム２２０２が回転すると、カム２２０２の突起部２２０２Ａによってフィンガー２２１３から２２１９が順番に放射方向外側に押される。フィンガー２２１３から２２１９は、輸送方向上流側（リザーバー２２１１側）から順にチューブ２２１２を閉塞する。これにより、チューブ２２１２内の液体が順に下流側に輸送される。こうすれば、極く僅かな量を精度良く送液可能で、しかも小型な送液ポンプ２２００を実現することができる。なお、各部材の配置は図示されたものには限られない。また、フィンガーなどの部材を備えず、ローター２２２２に設けられたボールなどがチューブ２２１２を閉塞する構成であってもよい。上記のような送液ポンプ２２００は、インシュリンなどの薬液を人体に投与する投薬装置などに活用できる。ここで、上述した実施形態の圧電駆動装置１０を用いることにより、従来の圧電駆動装置よりも駆動電流が小さくなるので、投薬装置の消費電力を抑制することができる。従って、投薬装置を電池駆動する場合は、特に有効である。
・変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
・変形例１：
上記実施形態では、基板１２０の上に第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０とが形成されていたが、基板１２０を省略して、振動板２００の上に第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０とを形成するようにしてもよい。
上記実施形態では、基板１２０の上に第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０とが形成されていたが、基板１２０を省略して、振動板２００の上に第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０とを形成するようにしてもよい。
・変形例２：
上記実施形態では、振動板２００の両面にそれぞれ１つの圧電振動体１００を設けていたが、圧電振動体１００の一方を省略することも可能である。但し、振動板２００の両面にそれぞれ圧電振動体１００を設けるようにすれば、振動板２００をその平面内で屈曲した蛇行形状に変形させることがより容易である点で好ましい。
上記実施形態では、振動板２００の両面にそれぞれ１つの圧電振動体１００を設けていたが、圧電振動体１００の一方を省略することも可能である。但し、振動板２００の両面にそれぞれ圧電振動体１００を設けるようにすれば、振動板２００をその平面内で屈曲した蛇行形状に変形させることがより容易である点で好ましい。
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
１０…圧電駆動装置
２０…突起部
５０…ローター
５１…中心
１００…圧電振動体
１１０…圧電素子
１２０…基板
１３０…第１電極
１４０…圧電体
１５０…第２電極
１５１，１５２…配線
２００…振動板
２１０…振動体部
２１１…第１面
２１２…第２面
２２０…接続部
２３０…取付部
２４０…ネジ
３００…駆動回路
３１０，３１２，３１４，３２０…配線
３４０…交流駆動電圧発生回路
３５０…オフセット電圧付加回路
２０００…ロボットハンド
２００３…把持部
２０１０…アーム
２０１２…リンク部
２０２０…関節部
２０２２…手首回動部
２０５０…ロボット
２２００…送液ポンプ
２２０２…カム
２２０２Ａ…突起部
２２１１…リザーバー
２２１２…チューブ
２２１３…フィンガー
２２２２…ローター
２２２３…減速伝達機構
２２３０…ケース
２０…突起部
５０…ローター
５１…中心
１００…圧電振動体
１１０…圧電素子
１２０…基板
１３０…第１電極
１４０…圧電体
１５０…第２電極
１５１，１５２…配線
２００…振動板
２１０…振動体部
２１１…第１面
２１２…第２面
２２０…接続部
２３０…取付部
２４０…ネジ
３００…駆動回路
３１０，３１２，３１４，３２０…配線
３４０…交流駆動電圧発生回路
３５０…オフセット電圧付加回路
２０００…ロボットハンド
２００３…把持部
２０１０…アーム
２０１２…リンク部
２０２０…関節部
２０２２…手首回動部
２０５０…ロボット
２２００…送液ポンプ
２２０２…カム
２２０２Ａ…突起部
２２１１…リザーバー
２２１２…チューブ
２２１３…フィンガー
２２２２…ローター
２２２３…減速伝達機構
２２３０…ケース
Claims (11)
- 圧電体と、
前記圧電体に設けられた電極と、
前記電極に駆動電圧を印加する駆動回路と、
を備え、
前記圧電体の厚みは０．０５μｍ以上２０μｍ以下であり、
前記駆動電圧は、変動する電圧にオフセット電圧を加えた電圧である、圧電駆動装置。 - 請求項１に記載の圧電駆動装置において、
前記圧電体の材質はチタン酸ジルコン酸鉛を含み、
前記オフセット電圧は２０Ｖ以上である、圧電駆動装置。 - 請求項１又は２に記載の圧電駆動装置において、
前記圧電体の厚みは０．０５μｍ以上１０μｍ以下である、圧電駆動装置。 - 請求項１又は２に記載の圧電駆動装置において、
前記圧電体の厚みは０．０５μｍ以上３μｍ以下である、圧電駆動装置。 - 請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
第１面及び第２面を有する振動板と、
前記圧電体及び前記電極を含む圧電振動体と、を備え、
前記圧電振動体は、前記振動板の前記第１面及び第２面のうちの少なくとも一方の面に配置されている、圧電駆動装置。 - 請求項５に記載の圧電駆動装置において、
前記圧電振動体は、前記振動板の前記第１面及び第２面に配置されている、圧電駆動装置。 - 請求項５又は６に記載の圧電駆動装置において、
前記振動板に設けられ、被駆動体と接触可能な突起部を備えている、圧電駆動装置。 - 請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
前記電極は、第１電極と、第２電極と、を含み、
前記圧電体は、前記第１電極と前記第２電極との間に位置する、圧電駆動装置。 - 複数のリンク部と
前記複数のリンク部を接続する関節部と、
前記複数のリンク部を前記関節部で回動させる請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
を備えるロボット。 - 請求項９に記載のロボットの駆動方法であって
前記圧電駆動装置の駆動回路は、交流電圧にオフセット電圧を加えた電圧を駆動電圧として前記電極に印加することによって、前記複数のリンク部を前記関節部で回動させる、ロボットの駆動方法。 - 請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電駆動装置の駆動方法であって、
交流電圧にオフセット電圧を加えた電圧を駆動電圧として前記電極に印加する、圧電駆動装置の駆動方法。
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- 2015-08-07 CN CN201510483336.2A patent/CN105375816A/zh active Pending
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