JP2016143761A - 圧電素子駆動回路、及び、ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力の少ない圧電素子駆動回路、及び、ロボットを提供する。
【解決手段】圧電素子駆動回路は、厚みが０．０５μｍ以上２０μｍ以下の圧電体と、圧電体を挟む２つの電極と、をそれぞれ有するＮ個（Ｎは２以上の整数）の圧電素子１１０が直列に接続された圧電素子列４００と、圧電素子列４００に、交流成分と直流成分とを含む電圧を供給する第１発生回路３４０と、圧電素子列４００のうちの隣接する２つの圧電素子１１０の間の（Ｎ−１）個の接続点のうちのＭ個（Ｍは１以上の整数）の接続点に、直流成分を含む電圧を供給する第２発生回路３５０と、を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、圧電素子駆動回路、及び、圧電素子駆動回路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。

特開２００４−３２０９７９号公報

従来の圧電駆動装置では、対角に配置された２つの圧電素子が並列に接続されているため、静電容量が大きく、駆動に大きな電流が必要である、という問題があった。

また、圧電駆動装置を小さな空間（例えばロボットの関節内）に収容して用いる場合、従来の圧電体を用いた圧電駆動装置では配線スペースが不足する可能性があるため、圧電体を薄くしたいという要望がある。しかし、静電容量は、圧電体を挟む電極間の距離に反比例するため、圧電体を薄くすると静電容量が大きくなってしまい、消費電力が増大するという問題が生じる。

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、圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路が提供される。前記圧電素子駆動回路は、厚みが０．０５μｍ以上２０μｍ以下の圧電体と、前記圧電体を挟む２つの電極と、をそれぞれ有するＮ個（Ｎは２以上の整数）の圧電素子が直列に接続された圧電素子列と；前記圧電素子列に、交流成分と直流成分とを含む電圧を供給する第１発生回路と；前記圧電素子列のうちの隣接する２つの圧電素子の間の（Ｎ−１）個の接続点のうちのＭ個（Ｍは１以上の整数）の接続点に、直流成分を含む電圧を供給する第２発生回路と、を備える。
この圧電素子駆動回路によれば、複数の圧電素子が直列に接続されているので、圧電素子全体の静電容量を低減できる。また、隣接する圧電素子の間の接続点に直流成分を含む電圧を供給するので、直列に接続された圧電素子のうちの一部の圧電素子に過大な電圧が掛かってしまう現象を抑制でき、圧電素子全体の実効的な静電容量を低減して圧電体駆動回路の消費電力を低減できる。

（２）上記圧電素子駆動回路において、前記Ｍは前記（Ｎ−１）に等しく、前記第２発生回路は、前記（Ｎ−１）個の接続点に、異なる電圧値を有する電圧を供給するものとしてもよい。
この構成によれば、（Ｎ−１）個の接続点に互いに異なる電圧値を有する電圧を供給するので、直列に接続された圧電素子のうちの一部の圧電素子に過大な電圧が掛かってしまう現象を更に防止でき、圧電素子全体の実効的な静電容量を低減して圧電体駆動回路の消費電力を低減できる。

（３）上記圧電素子駆動回路において、前記第２発生回路が供給する電圧は直流電圧であるものとしてもよい。
この構成によれば、圧電素子の間の接続点の電圧を安定させることができるので、圧電素子全体の実効的な静電容量を更に低減して消費電力を低減できる。

（４）上記圧電素子駆動回路は、前記第２発生回路と前記Ｍ個の接続点との間に接続されたインダクターを備えるものとしてもよい。
この構成によれば、Ｍ個の接続点を介して駆動回路に逆流する交流成分をインダクターによって低減することができる。

（５）上記圧電素子駆動回路において、前記第２発生回路は、前記第１発生回路が供給する電圧を分圧することによって、前記Ｍ個の接続点に供給する電圧を生成する分圧回路を備えるものとしてもよい。
この構成によれば、Ｍ個の接続点に与える電圧を容易に生成できる。

（６）上記圧電素子駆動回路において、前記分圧回路は、複数の抵抗素子が直列に接続された抵抗素子列を含むものとしてもよい。
この構成によれば、Ｍ個の接続点に与える電圧を容易に生成できる。

（７）上記圧電素子駆動回路において、前記分圧回路は、前記抵抗素子列に直列に接続されたインダクターを含むものとしてもよい。
この構成によれば、抵抗素子列に流れる交流電流を低減できるので、消費電力を更に低減できる。

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、圧電素子駆動回路の他、圧電駆動装置、圧電駆動装置の駆動方法、圧電素子駆動回路又は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実施形態の圧電駆動装置の概略構成を示す平面図及び断面図。 振動板の平面図。 圧電駆動装置と駆動回路の電気的接続状態を示す説明図。 駆動電圧の交流成分の波形の例を示す説明図。 圧電駆動装置の動作の例を示す説明図。 比較例と第１実施形態の圧電素子駆動回路の構成を示す説明図。 第２実施形態の圧電素子駆動回路の構成を示す説明図。 第３実施形態の圧電素子駆動回路の構成を示す説明図。 第４実施形態の圧電素子駆動回路の構成を示す説明図。 他の実施形態の圧電駆動装置の断面図。 圧電駆動装置を利用したロボットの一例を示す説明図。 ロボットの手首部分の説明図。 圧電駆動装置を利用した送液ポンプの一例を示す説明図。

・圧電駆動装置の全体構成：
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。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は、基板１２０と、基板１２０の上に形成された複数の圧電素子１１０ａ１，１１０ａ２，１１０ｂ１，１１０ｂ２，１１０ｃ１，１１０ｃ２，１１０ｄ１，１１０ｄ２，１１０ｅ１，１１０ｅ２，１１０ｅ３，１１０ｅ４と、を備える。これらの個々の圧電素子の構造は同一なので、互いに区別する必要が無い場合には、「圧電素子１１０」と呼ぶ。

圧電素子１１０は、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。圧電素子１１０は、１つの連続的な圧電体と、圧電体を挟持する２つの連続的な導電体層（第１電極、第２電極）とを有する１つの大きな圧電素子を、イオンミリングやドライエッチングなどの物理的、あるいは化学的方法により複数に（複数の圧電素子に）分割することにより形成することが可能である。圧電素子１１０ｅ１〜１１０ｅ４は、略長方形形状に形成されており、基板１２０の幅方向の中央において、基板１２０の長手方向に沿って形成されている。圧電素子１１０ａ１と１１０ａ２は、長手方向に沿って並べられて圧電素子グループ１１０ａを形成している。圧電素子１１０ｂ１と１１０ｂ２，１１０ｃ１と１１０ｃ２，１１０ｄ１と１１０ｄ２についても同様に、それぞれ、圧電素子グループ１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄを形成している。圧電素子グループ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄは、基板１２０の四隅の位置に形成されている。

圧電振動体１００の基板１２０は、第１電極と圧電体と第２電極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，Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２などで形成することができる。Ｓｉ製の基板１２０（「シリコン基板１２０」とも呼ぶ。）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。なお、基板１２０の厚みを５０μｍ以上とすれば、基板１２０をさらに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。

上述したように、分割前の第１電極や第２電極は、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電極や第２電極の材料としては、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と、第２電極１５０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。

分割前の圧電体は、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、薄膜形状を有している。圧電体の材料としては、ＡＢＯ_３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。ＡＢＯ_３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。圧電体の厚みを０．０５μｍ以上とすれば、圧電体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、シリコン、シリコン化合物、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、金属酸化物、またはダイヤモンド等の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０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲とすることができ、幅Ｗは、例えば０．０５ｍｍ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２０μｍ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２０μｍ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Ａｌ_２Ｏ_３）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、駆動電圧発生回路３４０と、素子間電圧発生回路３５０とを含んでいる。駆動電圧発生回路３４０は、交流成分を含む駆動電圧を発生する。また、駆動電圧発生回路３４０は、駆動電圧として、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成分のみからなる交流駆動電圧と、交流成分とＤＣオフセット（直流成分）とを含むオフセット付き駆動電圧と、のうちの少なくとも一方を発生できるように構成されていることが好ましい。この駆動電圧の交流成分は、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。なお、交流成分の波形は、典型的には正弦波であるが、正弦波以外の波形を有していてもよい。直流成分は、厳密に一定である必要はなく、多少変動しても良い。例えば、直流成分は、その平均値の±１０％以内で変動してもよい。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は、駆動電圧の交流成分Ｖａｃの波形の例を示している。図４（Ａ）の交流成分Ｖａｃは、正弦波である。図４（Ｂ），（Ｃ）の交流成分Ｖａｃは、正弦波ではないが、周期的な波形を有している。これらの例からも理解できるように、駆動電圧の交流成分Ｖａｃは周期的であれば良く、その波形としては種々のものを採用することが可能である。

素子間電圧発生回路３５０は、圧電素子列に素子間電圧を供給するものであり、その具体例については後述する。また、駆動電圧発生回路３４０及び素子間電圧発生回路３５０と、圧電素子との接続状態は図３では省略されているが、これらの間の接続関係についても後述する。なお、駆動電圧発生回路３４０を「第１発生回路」又は「第１電圧発生回路」とも呼び、素子間電圧発生回路３５０を「第２発生回路」又は「第２電圧発生回路」とも呼ぶ。

本実施形態では、圧電素子は、それぞれ４つの圧電素子を有する３つのグループに分けられる。第１グループは、圧電素子１１０ｃ１，１１０ｃ２，１１０ｂ１，１１０ｂ２を有する。第２グループは、圧電素子１１０ａ１，１１０ａ２，１１０ｄ１，１１０ｄ２を有する。第３グループは、圧電素子１１０ｅ１，１１０ｅ２，１１０ｅ３，１１０ｅ４を有する。

第１グループの圧電素子１１０ｃ１，１１０ｃ２，１１０ｂ１，１１０ｂ２は、以下のように直列に接続されている。すなわち、駆動回路３００と、第１の圧電素子１１０ｃ１の第１電極１３０とが配線３２０により接続されている。第１の圧電素子１１０ｃ１の第２電極１５０と、第２の圧電素子１１０ｃ２の第１電極１３０とが配線１５５ｃ１により接続されている。第２の圧電素子１１０ｃ２の第２電極１５０と、第３の圧電素子１１０ｂ１の第１電極１３０とが配線１５２により接続されている。第３の圧電素子１１０ｂ１の第２電極１５０と、第４の圧電素子１１０ｂ２の第１電極１３０とが配線１５５ｂ１により接続されている。第４の圧電素子１１０ｂ２の第２電極１５０と、駆動回路３００とが、配線３１０により接続されている。これらの配線により、圧電素子１１０ｃ１，１１０ｃ２，１１０ｂ１，１１０ｂ２が、直列に接続されている。

第２グループの圧電素子１１０ａ１，１１０ａ２，１１０ｄ１，１１０ｄ２も、同様に、以下のように直列に接続されている。駆動回路３００と、第１の圧電素子１１０ａ１の第１電極１３０とが配線３２４により接続されている。第１の圧電素子１１０ａ１の第２電極１５０と、第２の圧電素子１１０ａ２の第１電極１３０とが配線１５５ａ１により接続されている。第２の圧電素子１１０ａ２の第２電極１５０と、第３の圧電素子１１０ｄ１の第１電極１３０とが配線１５１により接続されている。第４の圧電素子１１０ｄ１の第２電極１５０と、第４の圧電素子１１０ｄ２の第１電極１３０とが配線１５５ｄ１により接続されている。第４の圧電素子１１０ｄ２の第２電極１５０と、駆動回路３００とが、配線３１４により接続されている。これらの配線により、圧電素子１１０ａ１，１１０ａ２，１１０ｄ１，１１０ｄ２が、直列に接続されている。

第３グループの圧電素子１１０ｅ１，１１０ｅ２，１１０ｅ３，１１０ｅ４は、以下のように直列に接続されている。駆動回路３００と、第１の圧電素子１１０ｅ１の第１電極１３０とが配線３２２により接続されている。第１の圧電素子１１０ｅ１の第２電極１５０と、第２の圧電素子１１０ｅ２の第１電極１３０とが配線１５５ｅ１により接続されている。第２の圧電素子１１０ｅ２の第２電極１５０と、第３の圧電素子１１０ｅ３の第１電極１３０とが配線１５５ｅ２により接続されている。第３の圧電素子１１０ｅ３の第２電極１５０と、第４の圧電素子１１０ｅ４の第１電極１３０とが配線１５５ｅ３により接続されている。第４の圧電素子１１０ｅ４の第２電極１５０と、駆動回路３００とが、配線３１２により接続されている。これらの配線により、圧電素子１１０ｅ１，１１０ｅ２，１１０ｅ３，１１０ｅ４は、直列に接続される。

これらの配線１５１，１５２、１５５ａ１〜１５５ｅ３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。駆動回路３００は、配線３１４と配線３２４との間に周期的に変化する交流成分を含む駆動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。また、配線３１０と配線３２０との間に交流成分を含む駆動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１５１，１５２，１５５ａ１〜１５５ｅ３，３１０，３１２，３１４，３２０，３２２，３２４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。

本実施形態では、以下の効果により、駆動回路３００から見た圧電駆動装置１０の静電容量が小さくなる。
（１）面積の効果：本実施形態の圧電素子１１０の第１電極１３０、第２電極１５０の面積は、先行技術（特開２００４−３２０９７９号公報）の図７に示されている圧電素子の第１電極、第２電極の面積と比較して、半分である。静電容量は電極の面積に比例するので、圧電素子の静電容量は、１／２となる。

（２）直列接続の効果：一般に、同一の静電容量Ｃを有するＮ個（Ｎは２以上の整数）の容量素子を直列に接続すると、その合計の静電容量は、Ｃ／Ｎとなる。本実施形態では、略同型の圧電素子を直列に４つ接続しているので、合成静電容量は、Ｃ／４となる。一方、同一の静電容量Ｃを有するＮ個（Ｎは２以上の整数）の容量素子を並列に接続すると、その合成静電容量は、Ｎ×Ｃとなる。上記先行技術では、２個の圧電素子が並列に接続されているので、合成静電容量は、２Ｃとなる。この先行技術と比較すれば、本実施形態の圧電素子の合成静電容量は、１／８である。これらの両方の効果により、上記先行技術における圧電素子の合成静電容量を１とすると、直列接続された４つの圧電素子の合成静電容量は、１／１６となる。このように、圧電素子を分割して圧電素子とし、圧電素子を直列に接続することにより、静電容量を小さく出来る。

図５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５に示す例では、駆動回路３００（図３）は、直列接続された４つの圧電素子１１０ａ１，１１０ａ２，１１０ｄ１，１１０ｄ２に交流成分を含む駆動電圧を印加しており、圧電素子１１０ａ１，１１０ａ２，１１０ｄ１，１１０ｄ２は図５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５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４つの圧電素子１１０ｃ１，１１０ｃ２，１１０ｂ１，１１０ｂ２に交流成分を含む駆動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４つの圧電素子１１０ｅ１，１１０ｅ２，１１０ｅ３，１１０ｅ４に、交流成分を含む駆動電圧を印加すれば、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。

・圧電素子駆動回路の各種実施形態：
図６は、比較例と第１実施形態の圧電素子駆動回路の構成を示す説明図である。図６（Ａ）に示す比較例の圧電素子駆動回路は、駆動電圧発生回路３４０と、駆動電圧発生回路３４０に接続された圧電素子列４００で構成されている。駆動電圧発生回路３４０は、交流成分と直流成分Ｖbiasとを含む駆動電圧Ｖｉｎを圧電素子列４００に供給する。圧電素子列４００は、複数の圧電素子１１０の直列接続であり、図６（Ａ）の例では４つの圧電素子１１０で構成されている。但し、圧電素子列４００は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の圧電素子１１０の直列接続として構成することが可能である。前述した図１及び図３との関連で言えば、図６（Ａ）の圧電素子列４００は、例えば、図３において直列に接続されている１グループの圧電素子１１０ａ１，１１０ａ２，１１０ｄ１，１１０ｄ２に対応する。４つの圧電素子１１０は、静電容量Ｃ１〜Ｃ４を有するキャパシターと等価である。なお、これらの静電容量Ｃ１〜Ｃ４は互いに異なる値であっても良いが、互いに等しいことが好ましい。以下では、主として、複数の圧電素子１１０の静電容量Ｃ１〜Ｃ４が互いに等しい場合について説明する。

図６（Ａ）の比較例において、駆動電圧Ｖｉｎの交流成分と直流成分Ｖbiasは、圧電素子列４００を構成する複数の圧電素子１１０によってそれぞれ分圧されることが理想的である。しかし、交流成分は複数の圧電素子１１０によって理想に近い状態に分圧されるが、直流成分Ｖbiasは理想的に分割されない場合がある。例えば、圧電素子列４００を構成する複数の圧電素子１１０のうちの一つの圧電素子１１０に直流成分Ｖbiasのほとんどが掛かってしまう可能性がある。以下で説明する各種の実施形態は、このような不具合を解決又は緩和することを意図している。

図６（Ｂ）に示す第１実施形態の圧電素子駆動回路は、駆動電圧発生回路３４０と圧電素子列４００の他に、素子間電圧発生回路３５０が追加されている。この素子間電圧発生回路３５０は、４つの圧電素子１１０の間の３つの接続点ＣＰ１〜ＣＰ３に、異なる電圧値を有する素子間電圧Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３をそれぞれ供給する。駆動電圧発生回路３４０は、交流成分と直流成分Ｖbiasとを含む駆動電圧Ｖｉｎを圧電素子列４００に供給する。

端子間電圧Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３は、以下のように駆動電圧Ｖｉｎの直流成分Ｖbiasを分圧した値とすることが好ましい。
Ｖｄｃ１＝Ｖbias×１／４ …（１ａ）
Ｖｄｃ２＝Ｖbias×２／４ …（１ｂ）
Ｖｄｃ３＝Ｖbias×３／４ …（１ｃ）

このように素子間電圧Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３を設定すれば、隣接する圧電素子１１０の間の接続点ＣＰ１〜ＣＰ３における電圧が、これらの素子間電圧Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３によって調整されるので、上述した比較例の問題（複数の圧電素子１１０のうちの一つの圧電素子１１０に直流成分Ｖbiasのほとんどが掛かってしまうこと）を解決又は緩和することができる。すなわち、第１実施形態の回路構成によれば、直列に接続された圧電素子１１０のうちの一部の圧電素子１１０に過大な電圧が掛かってしまう現象を防止できるので、圧電素子１１０全体の実効的な静電容量を低減して、その消費電力を低減することが可能である。特に、圧電体１４０の厚みが０．０５μｍ以上２０μｍ以下の薄膜の圧電素子１１０では、厚膜（バルク状）の圧電素子に比べて静電容量が大きいが、素子間電圧発生回路３５０によって駆動回路３００全体の消費電力を低減できる。なお、交流成分と直流成分（ＤＣオフセット）とを含むオフセット付き駆動電圧Ｖｉｎとしては、その電圧値が常にプラスまたはマイナスである脈流電圧を使用することが好ましい。このような脈流電圧を駆動電圧Ｖｉｎとして使用すれば、駆動電流を更に小さくすることが可能である。

ところで、複数の圧電素子１１０の静電容量Ｃ１〜Ｃ４が互いに等しくない場合には、端子間電圧Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３は、個々の圧電素子１１０の両端における電圧差が、複数の圧電素子１１０の静電容量Ｃ１〜Ｃ４に応じて駆動電圧Ｖｉｎの直流成分Ｖbiasを分圧した値となるように設定することが好ましい。これは、複数の圧電素子１１０の静電容量Ｃ１〜Ｃ４が互いに等しい場合にも当てはまる。すなわち、一般には、圧電素子列４００を構成するＮ個（Ｎは２以上の整数）の圧電素子１１０の個々の圧電素子１１０の両端における電圧差が、個々の圧電素子１１０の静電容量に応じて駆動電圧Ｖｉｎの直流成分Ｖbiasを分圧した値となるように、（Ｎ−１）個の接続点に供給する素子間電圧を設定することが好ましい。このとき、各圧電素子の両端の電圧差は、以下の式で与えられる。
ΔＶｊ＝Ｖbias／｛Σ（１／Ｃｉ）×Ｃｊ｝ …（２）
ここで、ΔＶｊはｊ番目（ｊ＝１〜Ｎ）の圧電素子の両端における電圧差、Σ（１／Ｃｉ）はＮ個の圧電端子の静電容量Ｃｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の逆数の和、Ｃｊはｊ番目の圧電素子の静電容量である。

上記（２）式において、Ｎ＝４とし、Ｃｊ（ｊ＝１〜４）がｊに関わらず一定と仮定すると、ΔＶｊはすべてＶbias／４に等しくなる。この結果は、上記（１ａ）〜（１ｃ）式と整合することが理解できる。但し、複数の圧電素子１１０の静電容量Ｃｊが互いに等しくない場合にも、上記（１ａ）〜（１ｃ）式を満たすように素子間電圧を決定してもよい。この場合も、圧電素子１１０の動作を安定させるという意味からは実用上十分である。

なお、素子間電圧Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３で与えられる個々の圧電素子１１０の両端の電圧差ΔＶｊは、必ずしも上記（２）式を満足する必要は無く、これから多少ずれた値を有していても良い。但し、個々の圧電素子１１０の両端の電圧差ΔＶｊは、上記（２）式で与えられる値を１００％としたとき、１００±１０％の範囲の値であることが好ましい。

以上のように、図６（Ｂ）に示す第１実施形態の圧電素子駆動回路では、圧電素子列４００のうちの隣接する２つの圧電素子１１０の間の接続点ＣＰ１〜ＣＰ３に、直流電圧である素子間電圧Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３をそれぞれ印加しているので、直列に接続された圧電素子１１０のうちの一部の圧電素子１１０に過大な電圧が掛かってしまう現象を防止できる。この結果、圧電素子１１０全体の実効的な静電容量を低減して、その消費電力を低減することが可能である。

なお、第１実施形態では、４つの圧電素子１１０の間の３つの接続点ＣＰ１〜ＣＰ３のすべてに素子間電圧Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３をそれぞれ印加しているが、素子間電圧発生回路３５０は、複数の接続点ＣＰ１〜ＣＰ３のうちの少なくとも１つに素子間電圧を供給すれば良い。すなわち、一般には、Ｎ個の圧電素子１１０で構成される圧電素子列４００のうちの隣接する２つの圧電素子１１０の間の（Ｎ−１）個の接続点のうちのＭ個（Ｍは１以上Ｎ未満の整数）の接続点に、直流成分を含む素子間電圧をそれぞれ供給するようにすれば良い。この場合にも、素子間電圧を全く供給しない場合に比べて、駆動電圧Ｖｉｎの直流成分Ｖbiasの複数の圧電素子１１０への分配がより安定するので、直列に接続された圧電素子のうちの一部の圧電素子に過大な電圧が掛かってしまう現象を抑制できる。この点については、後述する他の実施形態でも同様である。

なお、交流成分と直流成分（ＤＣオフセット）とを含むオフセット付き駆動電圧としては、その電圧値が常にプラスまたはマイナスである脈流電圧を使用することが好ましい。このような脈流電圧を使用すれば、駆動電流を更に小さくすることが可能である。

図７は、第２実施形態の圧電素子駆動回路の構成を示す説明図である。第２実施形態の圧電素子駆動回路は、図６（Ｂ）に示した第１実施形態の回路に、インダクターＬ１，Ｌ２，Ｌ３を追加したものである。これらのインダクターＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、素子間電圧発生回路３５０と、隣接する圧電素子１１０の間の接続点ＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３との間にそれぞれ接続されている。なお、以下では、インダクターＬ１，Ｌ２，Ｌ３のインダクタンスも、インダクターと同じ符号Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を用いる。

インダクターＬ１，Ｌ２，Ｌ３を設けている理由は、駆動電圧Ｖｉｎの交流成分が素子間電圧発生回路３５０に逆流する現象を抑制するためである。このような効果を達するためには、インダクターＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、以下の２つの条件のうちの少なくとも一方を満足していることが好ましい。
＜条件１＞
各インダクタンスＬｊのインピーダンス（＝２πｆ・Ｌｊ）が、１ｋΩ以上（ここで、ｆは駆動電圧Ｖｉｎの交流成分の周波数）
＜条件２＞
各インダクタンスＬｊのインピーダンス（＝２πｆ・Ｌｊ）が、圧電素子列４００を構成する複数の圧電素子１１０の静電容量Ｃｉのうちの最小値Ｃminに対応するインピーダンス（＝１／（２πｆ・Ｃmin））の１０倍以上

上記条件１は、駆動電圧Ｖｉｎの交流成分が圧電素子列４００から素子間電圧発生回路３５０に逆流する場合に、その電流値を小さくするための条件である。また、上記条件２は、個々の圧電素子１１０の両端の電圧差の変動に応じて素子間電圧発生回路３５０に電流が逆流することを抑制するための条件である。各インダクタンスＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、これらの条件１，２の少なくとも一方を満足することが好ましいが、これらの両方を満足することが更に好ましい。こうすれば、素子間電圧が供給される接続点ＣＰ１〜ＣＰ３を介して駆動回路に逆流する駆動電圧の交流成分をインダクターＬ１，Ｌ２，Ｌ３によって低減することができる。

図８は、第３実施形態の圧電素子駆動回路の構成を示す説明図である。第３実施形態の圧電素子駆動回路は、素子間電圧発生回路３５０ｂの内部構成例が具体的に記載されている点が図７に示した第２実施形態と異なり、他の構成は第２実施形態と同じである。素子間電圧発生回路３５０ｂは、駆動電圧発生回路３４０の駆動電圧Ｖｉｎの出力端子と接続されており、その内部に駆動電圧Ｖｉｎを分圧する分圧回路３５２ｂを含んでいる。分圧回路３５２ｂは、インダクターＬ１０と複数の抵抗Ｒ１〜Ｒ４との直列接続で構成されている。

複数の抵抗Ｒ１〜Ｒ４の直列接続は、駆動電圧Ｖｉｎに含まれる直流成分Ｖbiasを分圧して、素子間電圧Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３をそれぞれ発生するために設けられている。但し、図８の例では、駆動電圧Ｖｉｎは、直流成分Ｖbiasの他に交流成分を含むので、素子間電圧Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３は直流電圧とはならず、交流成分を含んだものとなる。但し、圧電素子列４００の接続点ＣＰ１〜ＣＰ３に接続されたインダクターＬ１〜Ｌ３が一種の平滑回路を構成するので、素子間電圧Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３に含まれる交流成分がこれらの平滑回路によって平滑化される。従って、この第３実施形態においても、直列に接続された圧電素子１１０のうちの一部の圧電素子１１０に過大な電圧が掛かってしまう現象を更に防止でき、圧電素子全体の実効的な静電容量を低減して圧電体駆動回路の消費電力を低減できる。なお、本明細書において、「直流成分を含む素子間電圧」とは、直流成分のみを含む素子間電圧と、直流成分と交流成分の両方を含む素子間電圧と、の両方を含んでいる。但し、各圧電素子の電極間の電圧を安定させるという意味からは、直流成分のみを含む素子間電圧を使用することが好ましい。

分圧回路３５２ｂ内のインダクターＬ１０は、駆動電圧Ｖｉｎの交流成分が、抵抗Ｒ１〜Ｒ４を介して接地側に流れることを抑制するためである。このインダクターＬ１０のインピーダンス（＝２πｆ・Ｌ１０）は、１ｋΩ以上（ここで、ｆは駆動電圧Ｖｉｎの交流成分の周波数）とすることが好ましい。なお、図８の例では、インダクターＬ１０が複数の抵抗Ｒ１〜Ｒ４の高電圧側に接続されているが、この代わりに、インダクターＬ１０を接地配線側に（すなわち抵抗Ｒ１〜Ｒ４の低電圧側に）接続してもよい。また、インダクターＬ１０を省略してもよい。

図９は、第４実施形態の圧電素子駆動回路の構成を示す説明図である。第４実施形態の圧電素子駆動回路は、図８に示した第３実施形態におけるインダクターＬ１〜Ｌ３，Ｌ１０を省略した点が第３実施形態と異なり、他の構成は第３実施形態と同じである。素子間電圧発生回路３５０ｃは、複数の抵抗Ｒ１〜Ｒ４の直列接続で構成され分圧回路３５２ｃを含んでいる。この構成では、図８でも説明したように、素子間電圧Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３は直流電圧とはならず、交流成分を含んだものとなる。但し、図８に示したインダクターＬ１〜Ｌ３を省略しても、素子間電圧Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３によって圧電素子１１０の間の接続点ＣＰ１〜ＣＰ３の電圧が安定するので、直列に接続された圧電素子１１０のうちの一部の圧電素子１１０に過大な電圧が掛かってしまう現象を更に防止できる。この結果、圧電素子全体の実効的な静電容量を低減して圧電体駆動回路の消費電力を低減できる。

・圧電駆動装置の他の実施形態：
図１０は、本発明の第５の実施形態としての圧電駆動装置１０ｂ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１０ｂ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１５０ｃ１，１５０ｃ２，１５０ｄ１，１５０ｄ２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１０においても、図１（Ｂ）と同様に、第１電極１３０ａ１，１３０ａ２，１３０ｂ１，１３０ｂ２，１３０ｃ１，１３０ｃ２，１３０ｄ１，１３０ｄ２，１３０ｅ１，１３０ｅ２，１３０ｅ３，１３０ｅ４と、第２電極１５０ａ１，１５０ａ２，１５０ｂ１，１５０ｂ２，１５０ｃ１，１５０ｃ２，１５０ｄ１，１５０ｄ２，１５０ｅ１，１５０ｅ２，１５０ｅ３，１５０ｅ４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１０ｂも、第１実施形態と同様な効果を達成することができる。

なお、圧電駆動装置や圧電素子の構成及び配列に関しては、図１，図３，及び図１０に示したもの以外の任意の構成や配列を採用することが可能である。

・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。

図１１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１２は、図１１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１３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。

・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。

・変形例２：
上記実施形態では、振動板２００の両面に圧電振動体１００を設けていたが、振動板２００の一方の面のみに圧電振動体１００を設けるようにしても良い。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…駆動電圧発生回路（第１発生回路）
３５０…素子間電圧発生回路（第２発生回路）
３５２…分圧回路
４００…圧電素子列
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 (8)

1. 圧電素子駆動回路であって、
   厚みが０．０５μｍ以上２０μｍ以下の圧電体と、前記圧電体を挟む２つの電極と、をそれぞれ有するＮ個（Ｎは２以上の整数）の圧電素子が直列に接続された圧電素子列と、
   前記圧電素子列に、交流成分と直流成分とを含む電圧を供給する第１発生回路と、
   前記圧電素子列のうちの隣接する２つの圧電素子の間の（Ｎ−１）個の接続点のうちのＭ個（Ｍは１以上の整数）の接続点に、直流成分を含む電圧を供給する第２発生回路と、
   を備える圧電素子駆動回路。
2. 請求項１に記載の圧電素子駆動回路であって、
   前記Ｍは前記（Ｎ−１）に等しく、
   前記第２発生回路は、前記（Ｎ−１）個の接続点に、異なる電圧値を有する電圧を供給する、圧電素子駆動回路。
3. 請求項１又は２に記載の圧電素子駆動回路であって、
   前記第２発生回路が供給する電圧は直流電圧である、圧電素子駆動回路。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電素子駆動回路であって、
   前記第２発生回路と前記Ｍ個の接続点との間に接続されたインダクターを備える、圧電素子駆動回路。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電素子駆動回路であって、
   前記第２発生回路は、前記第１発生回路が供給する電圧を分圧することによって、前記Ｍ個の接続点に供給する電圧を生成する分圧回路を備える、圧電素子駆動回路。
6. 請求項５に記載の圧電素子駆動回路であって、
   前記分圧回路は、複数の抵抗素子が直列に接続された抵抗素子列を含む、圧電素子駆動回路。
7. 請求項６に記載の圧電素子駆動回路であって、
   前記分圧回路は、前記抵抗素子列に直列に接続されたインダクターを含む、圧電素子駆動回路。
8. 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、
   前記圧電素子を用いて前記複数のリンク部を前記関節部で回動させる請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧電素子駆動回路と、
   を備えるロボット。

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