JP2016178737A - 圧電駆動装置、ロボット及びロボットの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被駆動部材のガタツキを小さくする。
【解決手段】この圧電駆動装置は、第１の圧電駆動部と、第２の圧電駆動部と、前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部との間に配置され、互いに対向する第１の面と第２の面を有する被駆動部材と、前記被駆動部材を前記第１の面から前記第２の面に向かう方向に沿って支持する支持部材と、を備え、前記第１の圧電駆動部は、前記第１の面と接触可能であり、前記第２の圧電駆動部は、前記第２の面と接触可能であり、前記第１の面に配置される前記第１の圧電駆動部から前記被駆動部材に掛かる押圧力よりも、前記第２の面に配置される前記第２の圧電駆動部から前記被駆動部材に掛かる押圧力の方が大きい。
【選択図】図７

Description

本発明は、圧電駆動装置、ロボット及びロボットの駆動方法に関する。

特許文献１には、素材の両面に圧電モーターを配置したものが記載されている。

特表２００２−５０９６８８号公報

しかし、特許文献１では、圧電モーターの押圧による素材（被駆動部材）のガタツキについては十分に考慮されていなかった。

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、圧電駆動装置が提供される。この圧電駆動装置は、第１の圧電駆動部と、第２の圧電駆動部と、前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部との間に配置され、互いに対向する第１の面と第２の面を有する被駆動部材と、前記被駆動部材を前記第１の面から前記第２の面に向かう方向に沿って支持する支持部材と、を備え、前記第１の圧電駆動部は、前記第１の面と接触可能であり、前記第２の圧電駆動部は、前記第２の面と接触可能であり、前記第１の面に配置される前記第１の圧電駆動部から前記被駆動部材に掛かる押圧力よりも、前記第２の面に配置される前記第２の圧電駆動部から前記被駆動部材に掛かる押圧力の方が大きい。この形態によれば、第１の面に配置される第１の圧電駆動部から被駆動部材に掛かる押圧力よりも、第２の面に配置される前記第２の圧電駆動部から前記被駆動部材に掛かる押圧力の方が大きくても、被駆動部材を第１の面から支持する支持部材を備えているので、支持部材で被駆動部材を支えることができるので被駆動部材のガタツキを抑制出来る。

（２）上記形態の圧電駆動装置において、前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部とは、前記被駆動部材を挟んで対向していてもよい。この形態によれば、第１の圧電駆動部による押圧力のうちの被駆動部材方向の成分と第２の圧電駆動部による押圧力のうちの被駆動部材方向の成分とが逆向きとなるので、これらの被駆動部材方向の成分を相殺できる。

（３）上記形態の圧電駆動装置において、前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部とは、同じタイミングで前記被駆動部材を押圧してもよい。この形態によれば、第１の圧電振動装置と第２の圧電振動装置とは、同じタイミングで前記被駆動部材を押圧するので、相殺の効果が大きい。

（４）上記形態の圧電駆動装置において、前記第１の圧電駆動部は、圧電駆動部をｍ個（ｍは１以上の整数）備え、前記第２の圧電駆動部は、圧電駆動部をｎ個（ｎはｍより大きな整数）備えてもよい。この形態によれば、第１の圧電駆動部から被駆動部材に掛かる押圧力よりも、第２の圧電駆動部から被駆動部材に掛かる押圧力を大きくし易い。

（５）上記形態の圧電駆動装置において、前記支持部材は、ベアリングまたはリニアガイドを備えてもよい。この形態によれば、支持部材と被駆動部材との間の摩擦を小さく出来る。

（６）上記形態の圧電駆動装置において、前記被駆動部材は、円板形状であってもよい。この形態によれば、被駆動部材を回転させるように駆動できる。

（７）上記形態の圧電駆動装置において、前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部とは、振動板と、前記振動板に設けられた圧電振動体と、前記振動板に設けられ、前記被駆動部材と接触可能な接触部材と、を備えてもよい。圧電振動装置の構成例を示すものである。

（８）本発明の一形態によれば、圧電駆動装置が提供される。この圧電駆動装置は、 第１の圧電駆動部と、第２の圧電駆動部と、前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部との間に配置され、互いに対向する第１の面と第２の面を有する被駆動部材と、前記被駆動部材を前記第１の面から支持する支持部材と、を備え、前記第１の圧電駆動部は、前記第１の面と接触可能であり、かつ、圧電駆動部をｍ個（ｍは１以上の整数）有し、前記第２の圧電駆動部は、前記第２の面と接触可能であり、かつ、圧電駆動部をｎ個（ｎはｍより大きな整数）備える。この形態によれば、第１の圧電駆動部よりも第２の圧電駆動部の方が多いので、被駆動部体の第２の面からの押圧力が強いが、被駆動部材は第１の面から支持部材により支持されるので、押圧力と支持部材による支持力の向きが逆となるため、被駆動部体がカタツキ難い。

（９）本発明の一形態によれば、ロボットが提供される。このロボットは、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、上記形態のいずれかに記載の圧電駆動装置と、を備える。この形態によれば、圧電駆動装置をロボットの駆動に利用できる。

（１０）本発明の一形態によれば、ロボットの駆動方法が提供される。この駆動方法は、前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部とは、振動板と、前記振動板に設けられた圧電振動体と、前記振動板に設けられ、前記被駆動部材と可能な接触部材と、を備えており、前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部の前記圧電振動体に周期的に変化する電圧を印加することで前記圧電駆動装置を駆動し、前記複数のリンク部を前記関節部で回動させる。

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、圧電駆動装置を搭載するロボットの駆動方法等、様々な形態で実現することができる。

圧電駆動部の概略構成を示す平面図及び断面図。 振動板の平面図。 圧電駆動部と駆動回路の電気的接続状態を示す説明図。 圧電駆動部の屈曲振動の例を示す説明図。 第１の実施形態の圧電駆動装置を示す説明図。 第２の実施形態の圧電駆動装置を示す説明図。 第３の実施形態の圧電駆動装置を示す説明図。 第４の実施形態の圧電駆動装置を示す説明図。 第５の実施形態の圧電駆動装置を示す説明図。 第６の実施形態の圧電駆動装置を示す説明図。 本発明の他の実施形態としての圧電駆動部の断面図。 本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動部の平面図。 上述の圧電駆動部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。

・圧電駆動部の構成：
図１（Ａ）は、本発明に用いられる圧電駆動部１０の概略構成を示す平面図であり、図１（Ｂ）は、圧電駆動部１０を図１（Ａ）のＢ−Ｂ切断線で切ったときに、その断面から圧電駆動部１０を見たときの図である。圧電駆動部１０は、振動板２００と、振動板２００の両面（第１面２１１（「表面」とも呼ぶ）と第２面２１２（「裏面」とも呼ぶ））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，Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２などで形成することができる。シリコン（以下「Ｓｉ」とも呼ぶ。）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）、Ｃｕ（銅）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、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、圧電駆動部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部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０．０２ｍｍ以上９ｍｍ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８００μｍ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８００μｍ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、接触部材２０が設けられている。接触部材２０は、被駆動体と接触可能な、被駆動体に力を与えるための部材である。接触部材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、圧電駆動部１０と駆動回路３００の電気的接続状態を示す説明図である。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、圧電駆動部１０を超音波振動させて、接触部材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、接触部材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、圧電駆動部１０の屈曲振動の例を示す説明図である。圧電駆動部１０の接触部材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、第１の対角に配置された一対の第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、圧電駆動部１０の振動体部２１０は、図４（Ａ）に示す蛇行していないまっすぐな形状と、図４（Ｂ）に示す振動体部２１０の平面内で屈曲して蛇行形状（Ｓ字形状）に交互に変形し、接触部材２０の先端が矢印ｙの向きに楕円運動する。その結果、ローター５０は、その中心５１の周りに第１の方向ｚ（図４では時計回り方向）に回転する。本実施形態では、振動体部２１０は、図４（Ａ）に示すような蛇行していないまっすぐな形状と、図４（Ｂ）に示すような振動体部２１０の平面内で屈曲して蛇行形状（Ｓ字形状）と、に交互に変形することを屈曲振動と呼ぶ。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、第１の対角とは異なる第２の対角に配置された他の一対の第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場合には、ローター５０は逆方向（第２の方向あるいは、反時計回り方向）に回転する。なお、屈曲振動では、時計回り時に駆動される２つの圧電素子１１０ａ，１１０ｄは、振動体部２１０（あるいは圧電振動体１００）の中心２０５に対して点対称位置にあり、反時計回り時に駆動される２つの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃは、振動体部２１０（あるいは圧電振動体１００）の中心２０５に対して点対称位置にある。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、圧電駆動部１０が長手方向に伸縮するので、接触部材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、駆動回路３００が屈曲振動時に駆動する圧電素子は、点対称位置になくてもよく、例えば、中心２０５に対して偏った位置にあっても良い。なお、圧電駆動部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。

・第１の実施形態：
図５は、第１の実施形態の圧電駆動装置１０００を示す説明図である。圧電駆動装置１０００は、２つの圧電駆動部１０ｕと１０ｄと、被駆動部材６０と、ベアリング７０と、を備える。被駆動部材６０は、円板部６１と、軸部６２とを備え、軸部６２の中心軸Ｏを中心として回転可能である。円板部６１は、第１の面６１ｄと第２の面６１ｕとを備える。圧電駆動部１０ｄと１０ｕとは、上述した圧電駆動部１０により構成されている。第１の圧電駆動部１０ｄの接触部材２０ｄは、第１の面６１ｄと接触し、第２の圧電駆動部１０ｕの接触部材２０ｕは、第２の面６１ｕと接触している。なお、第１の圧電駆動部１０ｄの接触部材２０ｄと第２の圧電駆動部１０ｕの接触部材２０ｕとは、円板部６１を挟んで対向し、円板部６１を対称面とする面対称位置にある。ベアリング７０は、被駆動部材６０を第１の面６１ｄから支持する支持部材として機能する。またベアリング７０は、支持部材と被駆動部材６０との間の摩擦を小さくする。

本実施形態では、第１の圧電駆動部１０ｄが被駆動部材６０（円板部６１）を押圧する押圧力Ｆ１よりも、第２の圧電駆動部１０ｕが被駆動部材６０（円板部６１）を押圧する押圧力Ｆ２の方が大きい。第１の圧電駆動部１０ｄの押圧力Ｆ１よりも第２の圧電駆動部１０ｄの押圧力Ｆ２を大きくするために、例えば、以下に示す手段が可能である。なお、これら４つの手段は一例であり、第１の圧電駆動部１０ｄの押圧力Ｆ１よりも第２の圧電駆動部１０ｄの押圧力Ｆ２を大きくする手段は、これら４つの手段に限られない。
（１）第１の圧電駆動部１０ｄの大きさよりも第２の圧電駆動部１０ｕの大きさを大きくする。
（２）第１の圧電駆動部１０ｄを駆動するための駆動信号の振幅（電圧）よりも第２の圧電駆動部１０ｕを駆動するための駆動信号の振幅（電圧）を大きくする。
（３）第１の圧電駆動部１０ｄを駆動するための駆動信号の周波数よりも第２の圧電駆動部１０ｕを駆動するための駆動信号の周波数を大きくする。
（４）第１の圧電駆動部１０ｄの数ｍ（ｍは１以上の整数）よりも第２の圧電駆動部１０ｕの数ｎ（ｎはｍより大きな整数）を多くする。
なお（４）の場合、少ない方の第１の圧電駆動部１０ｄが第２の圧電駆動部１０ｕと対向していても良い。また、少なくとも１つの第１の圧電駆動部１０ｄと１つの第２の圧電駆動部１０ｕとが対向する構成であっても良い。さらに、第１の圧電駆動部１０ｄと第２の圧電駆動部１０ｕとが一つも面対称位置になっていない構成であっても良い。

なお、上記（１）から（４）の手段うち２つ以上の手段を組み合わせて、第１の圧電駆動部１０ｄの押圧力Ｆ１よりも第２の圧電駆動部１０ｕの押圧力Ｆ２を大きくしてもよい。また、（１）から（４）のうち少なくとも１つを満たせば、他の手段に示す内容と反対であってもよい。例えば、他の（１）、（３）、（４）のうちの１つ以上の手段を満たす場合、（２）が反対、すなわち、第２の圧電駆動部１０ｕを駆動するための駆動信号の振幅（電圧）よりも第１の圧電駆動部１０ｄを駆動するための駆動信号の振幅（電圧）の方が大きくてもよい。結果として第１の圧電駆動部１０ｄの押圧力Ｆ１よりも第２の圧電駆動部１０ｕの押圧力Ｆ２が大きくなれば良いからである。

第１の実施形態によれば、第１の圧電駆動部１０ｄが被駆動部材６０（円板部６１）を押圧する押圧力Ｆ１よりも第２の圧電駆動部１０ｕが被駆動部材６０（円板部６１）を押圧する押圧力Ｆ２の方が大きいため、被駆動部材６０は、第１の面６１ｄの方に押圧される。ここで、ベアリング７０は、被駆動部材６０を第１の面６１ｄから支持する。そのため、被駆動部材６０は、被駆動部材６０に掛かる押圧力に対して、ベアリング７０による支持力で対抗できるので、被駆動部材６０のガタツキ（例えば中心軸Ｏの揺動）を抑制できる。

第１の実施形態によれば、第１の圧電駆動部１０ｄの接触部材２０ｄと第２の圧電駆動部１０ｕの接触部材２０ｕとは、円板部６１を挟んで面対称位置にあるので、２つの押圧力Ｆ１、Ｆ２の作用線は同一線上にある、その結果、２つの押圧力Ｆ１、Ｆ２によって偶力が発生しないので、被駆動部材６０のガタツキを抑制できる。

第１の実施形態において、第１の圧電駆動部１０ｄと第２の圧電駆動部１０ｕとは、同一のタイミングで被駆動部材６０を押圧してもよい。同一のタイミングであれば、２つの押圧力Ｆ１、Ｆ２の中心軸Ｏと平行な方向の成分は相殺されるので、合計の押圧力が小さくなり、被駆動部材６０のガタツキを抑制できる。なお、第１の圧電駆動部１０ｄと第２の圧電駆動部１０ｕの押圧のタイミングは、第１の圧電駆動部１０ｄの押圧の周期の長さを１００％としたときに、互いに±５％程度の差があってもよい。この程度の差であれば、被駆動部材６０のガタツキを十分に抑制し、小さく出来る。

図５では、中心軸Ｏからベアリング７０までの距離よりも、中心軸Ｏから接触部材２０ｄまたは接触部材２０ｕとの距離が大きいが、中心軸Ｏから接触部材２０ｄまたは接触部材２０ｕとの距離よりも、中心軸Ｏからベアリング７０までの距離を大きくしても良い。第１の圧電駆動部１０ｄと第２の圧電駆動部１０ｕの押圧力Ｆ１、Ｆ２は、被駆動部材６０の中心軸Ｏを揺動させる。中心軸Ｏから接触部材２０ｄまたは接触部材２０ｕとの距離よりも、中心軸Ｏからベアリング７０までの距離を大きくすれば、ベアリング７０による支持力が弱くても、押圧力Ｆ１、Ｆ２に対抗できる。

・第２の実施形態：
図６は、第２の実施形態の圧電駆動装置１０００ｓを示す説明図である。第１の実施形態の圧電駆動装置１０００との違いは、支持部材であるベアリングの位置にある。第１の実施形態の圧電駆動装置１０００では、ベアリング７０が、円板部６１の第１の面６１ｄに配置されている。これに対し、第２の実施形態の圧電駆動装置１０００ｓでは、ベアリング７１が軸部６２の端部に配置されている。

第２の実施形態の圧電駆動装置１０００ｓでは、ベアリング７１は、円板部６１の第１の面６１ｄから被駆動部材６０を支持していないが、軸部６２を第１の面６１ｄから第２の面６２ｕに向かう第１の方向と、軸部６２を第２の面６１ｕから第１の面６２ｄに向かう第２の方向の両方の方向に沿って被駆動部材６０を支持している。この例からわかるように、ベアリング等の支持部材は、少なくとも第１の面６１ｄから第２の面６２ｕに向かう第１の方向に沿って被駆動部材６０を支持するものであることが好ましい。円板部６１と軸部６２とは一体の構造であるので、どちらで支持しても良い。第２の実施形態の圧電駆動装置１０００ｓにおいても、第１の実施形態の圧電駆動装置１０００と同様に、被駆動部材６０のガタツキを抑制できる。

・第３の実施形態：
図７は、第３の実施形態の圧電駆動装置１０００ｔを示す説明図である。図７（Ａ）は、中心軸Ｏを通る平面で切った断面を示し、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の圧電駆動装置１０００ｔを中心軸Ｏに沿った下方から見たときを示している。第３の実施形態の圧電駆動装置１０００ｔは、ｍ個（ｍは１以上の整数であればよく、図７ではｍ＝３）の第１の圧電駆動部１０ｄと、ｎ個（ｎはｍより大きい整数であればよく、図７ではｎ＝４）の第２の圧電駆動部１０ｕと、被駆動部材６０と、ベアリング７０と、を備える。なお、第３の実施形態の圧電駆動装置１０００ｔは、第１の実施形態の説明において説明した、第１の圧電駆動部１０ｄの押圧力Ｆ１よりも第２の圧電駆動部１０ｄの押圧力Ｆ２を大きくする４つの方法のうちの（４）の構成に対応する。第１の圧電駆動部１０ｄは、それぞれＦ１の押圧力で被駆動部材６０を押圧するので、合計の押圧力はｍ×Ｆ１である。第２の圧電駆動部１０ｕは、それぞれＦ２の押圧力で被駆動部材６０を押圧するので、合計の押圧力はｎ×Ｆ２である。第１の圧電駆動部１０ｄの押圧力Ｆ１と、第２の圧電駆動部１０ｕの押圧力Ｆ２が同じ大きさであれば、第１の圧電駆動部１０ｄの合計の押圧力ｍ×Ｆ１よりも、第２の圧電駆動部１０ｕの合計の押圧力ｎ×Ｆ２の方が大きくなる。

第３の実施形態の圧電駆動装置１０００ｔによれば、第１の圧電駆動部１０ｄの合計の押圧力ｍ×Ｆ１よりも、第２の圧電駆動部１０ｕの合計の押圧力ｎ×Ｆ２の方が大きくなるが、ベアリング７０により被駆動部材６０を支持して対抗できるので、被駆動部材６０のガタツキを抑制できる。なお、第３の実施形態において、第２の実施形態と同様に、軸部６２の端部にベアリングを備える構成であっても良い。

・第４の実施形態：
図８は、第４の実施形態の圧電駆動装置１０００ｕを示す説明図である。第４の実施形態の圧電駆動装置１０００ｕは、第１の圧電駆動部１０ｄと、第２の圧電駆動部１０ｕと、被駆動部材６４と、第１のベアリング７２ｄと、第２のベアリング７２ｕとガイド８０と、を備える。被駆動部材６４は、第１の面６４ｄと第２の面６４ｕとを備える、円板形状を有する部材である。第１の圧電駆動部１０ｄの接触部材２０ｄは、被駆動部材６４の第１の面６４ｄと接触し、第２の圧電駆動部１０ｕの接触部材２０ｕは、被駆動部材６４の第２の面６４ｕと接触している。第１のベアリング７２ｄは、被駆動部材６４の第１の面６４ｄの外縁部に配置されており、第２のベアリング７２ｕは、被駆動部材６４の第２の面６４ｕの外縁部に配置されている。第１のベアリング７２ｄと第２のベアリング７２ｕとは、被駆動部材６４の外縁部を挟んで支持している。すなわち、第１のベアリング７２ｄは、第１の面６４ｄから第２の面６４ｕに向かう方向に沿って被駆動部材６４を支持し、第２のベアリング７２ｕは、第２の面６４ｕから第１の面６４ｄに向かう方向に沿って被駆動部材６４を支持していると言える。この例からわかるように、ベアリング等の支持部材は、少なくとも第１の面６４ｄから第２の面６４ｕに向かう第１の方向に沿って被駆動部材６４を支持するものであることが好ましい。ガイド８０は、内面に溝８０ａを有する円筒形の部材であり、ガイド８０の溝８０ａに、第１のベアリング７２ｄと第２のベアリング７２ｕと被駆動部材６４の外縁部が嵌まっている。

第４の実施形態の圧電駆動装置１０００ｕでは、第１のベアリング７２ｄと第２のベアリング７２ｕとが、被駆動部材６４の外縁部を挟んで支持しているので、第１の圧電駆動部１０ｄが被駆動部材６４を押圧する場合、第２のベアリング７２ｕが被駆動部材６４を支持する。一方、第２の圧電駆動部１０ｕが被駆動部材６４を押圧する場合、第１のベアリング７２ｄが被駆動部材６４を支持する。したがって、第１の圧電駆動部１０ｄが被駆動部材６４を押圧する場合、第２の圧電駆動部１０ｕが被駆動部材６４を押圧する場合、いずれの場合においても被駆動部材６４のガタツキを抑制できる。本実施形態では、円板形状を有する被駆動部材６４を用いたが、被駆動部材６４の代わりに第１から第３の実施形態で用いた、円板部６１と軸部６２とを有する被駆動部材６０を用いても良い。この場合、第１のベアリング７２ｄと第２のベアリング７２ｕとは、円板部６１の外縁部に配置される。

第４の実施形態の圧電駆動装置１０００ｕでは、第１の圧電駆動部１０ｄが被駆動部材６４を押圧する場合、第２のベアリング７２ｕで押圧力Ｆ１に対抗し、第２の圧電駆動部１０ｕが被駆動部材６４を押圧する場合、第１のベアリング７２ｄで押圧力Ｆ２に対抗するので、第１の圧電駆動部１０ｄの押圧力Ｆ１と、第２の圧電駆動部１０ｄの押圧力Ｆ２は、どちらが大きくても良い。

・第５の実施形態：
図９は、第５の実施形態の圧電駆動装置１０００ｖを示す説明図である。第１から第４の実施形態の圧電駆動装置では、被駆動部材６０が円板部６１を備えて、中心軸Ｏ周りに回転可能であるのに対し、第５の実施形態の圧電駆動装置１０００ｖでは、被駆動部材６５の平面形状が長方形であり、直線移動する点が異なる。

第５の実施形態の圧電駆動装置１０００ｖは、圧電駆動部１０ｕと１０ｄと、被駆動部材６５と、リニアガイド７５と、を備える。被駆動部材６５は、平面形状が長方形であり、第１の面６５ｄと第２の面６５ｕとを備える。圧電駆動部１０ｄと１０ｕとは、上述した圧電駆動部１０により構成されている。第１の圧電駆動部１０ｄの接触部材２０ｄは、第１の面６５ｄと接触し、第２の圧電駆動部１０ｕの接触部材２０ｕは、第２の面６５ｕと接触している。なお、第１の圧電駆動部１０ｄの数と第２の圧電駆動部１０ｕの数は同じであり、第１の圧電駆動部１０ｄの接触部材２０ｄと第２の圧電駆動部１０ｕの接触部材２０ｕとは、被駆動部材６５を挟んで被駆動部材６５を対称面とする面対称位置にある。第２の圧電駆動部１０ｕの押圧力Ｆ１は、第１の圧電駆動部１０ｄの押圧力Ｆ２よりも大きい。被駆動部材６５は、第１の圧電駆動部１０ｄと第２の圧電駆動部１０ｕとによって、被駆動部材６５の長手方向に移動可能である。

リニアガイド７５は、略直線形状を有しており、被駆動部材６５を第１の面６４ｄから支持する支持部材として機能する。またリニアガイド７５は、支持部材と被駆動部材６５との間の摩擦を小さくする。リニアガイド７５の直線形状として、例えば第１の実施形態で用いたベアリング７０を２つの直線部分を有する角丸長方形形状とし、角丸長方形形状の直線部分を用いても良い。

本実施形態によれば、第１の圧電駆動部１０ｄが被駆動部材６５を押圧する押圧力Ｆ１よりも第２の圧電駆動部１０ｕが被駆動部材６５を押圧する押圧力Ｆ２の方が大きく、リニアガイド７５は、被駆動部材６５を、被駆動部材６５の第１の面６５ｄから支持する。したがって、被駆動部材６５のガタツキを抑制できる。

・第６の実施形態：
図１０は、第６の実施形態の圧電駆動装置１０００ｗを示す説明図である。第５の実施形態の圧電駆動装置１０００ｖでは、第１の圧電駆動部１０ｄと第２の圧電駆動部１０ｕの数は同じであるが、第６の実施形態の圧電駆動装置１０００ｗは、ｍ個（ｍは１以上の整数であればよく、図１０ではｍ＝３）の第１の圧電駆動部１０ｄと、ｎ個（ｎはｍより大きい整数であればよく、図１０ではｎ＝４）の第２の圧電駆動部１０ｕを備える点である。なお、個々の第１の圧電駆動部１０ｄの押圧力Ｆ１と、第２の圧電駆動部１０ｕの押圧力Ｆ２とは、同じ大きさであってもよい。第１の圧電駆動部１０ｄの合計の押圧力ｍＦ１よりも、第２の圧電駆動部１０ｕの合計の押圧力ｎＦ２の方が大きくなる。

本実施形態によれば、第１の圧電駆動部１０ｄが被駆動部材６５を押圧する押圧力の合計ｍ×Ｆ１よりも第２の圧電駆動部１０ｕが被駆動部材６５を押圧する押圧力の合計ｎ×Ｆ２の方が大きく、リニアガイド７５、被駆動部材６５を第１の面６５ｄから支持する。その結果、被駆動部材６５のガタツキを抑制できる。

・圧電駆動装置の他の実施形態：
図１１は、本発明の他の実施形態としての圧電駆動部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。この圧電駆動部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１１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。この圧電駆動部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。第２の実施形態と同様に、圧電振動体１００の基板１２０を振動板２００より突出させても良く、接触部材の形状を第３の実施形態と同様の形状としても良い。

図１２（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動部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１２（Ａ）、（Ｂ）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１２（Ａ）の圧電駆動部１０ｂでは、一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃが省略されている。この圧電駆動部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１２（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１２（Ｂ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動部１０ｃの平面図である。この圧電駆動部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。この圧電駆動部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１及び図１２（Ａ）、（Ｂ）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１２（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：
上述した圧電駆動部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。圧電駆動部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）、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１３は、上述の圧電駆動部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、上述した圧電駆動部１０が内蔵されており、圧電駆動部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にも圧電駆動部１０が内蔵されており、圧電駆動部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部１０が設けられており、圧電駆動部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１４は、図１２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、圧電駆動部１０を備えており、圧電駆動部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部１０が搭載されている。このため、圧電駆動部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部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、圧電駆動部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部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。

・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、１０ａ〜１０ｄ、１０ｕ…圧電駆動部 ２０、２０ｄ、２０ｕ…接触部材
５０…ローター ５１…中心 ６０…被駆動部材 ６１…円板部 ６１ｄ…第１の面 ６１ｕ…第２の面 ６２…軸部 ６４…被駆動部材 ６４ｄ…第１の面 ６４ｕ…第２の面 ６５…被駆動部材 ６５ｄ…第１の面 ６５ｕ…第２の面 ７０、７１、７２ｄ、７２ｕ…ベアリング ７５…リニアガイド ８０…ガイド ８０ａ…溝 １００…圧電振動体 １１０ａ〜１１０ｅ…圧電素子 １２０…基板 １３０…第１電極 １４０…圧電体 １５０、１５０ａ〜１５０ｅ…導電体層（第２電極） １５１、１５２…配線 ２００…振動板
２０５…中心 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…配線 １０００、１０００ｓ〜１０００ｗ…圧電駆動装置 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 Ｆ１、Ｆ２…押圧力 Ｏ…中心軸

Claims (10)

1. 第１の圧電駆動部と、
   第２の圧電駆動部と、
   前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部との間に配置され、互いに対向する第１の面と第２の面を有する被駆動部材と、
   前記被駆動部材を前記第１の面から前記第２の面に向かう方向に沿って支持する支持部材と、
   を備え、
   前記第１の圧電駆動部は、前記第１の面と接触可能であり、
   前記第２の圧電駆動部は、前記第２の面と接触可能であり、
   前記第１の面に配置される前記第１の圧電駆動部から前記被駆動部材に掛かる押圧力よりも、前記第２の面に配置される前記第２の圧電駆動部から前記被駆動部材に掛かる押圧力の方が大きい、圧電駆動装置。
2. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、
   前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部とは、前記被駆動部材を挟んで対向している、圧電駆動装置。
3. 請求項２に記載の圧電駆動装置において、
   前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部とは、同じタイミングで前記被駆動部材を押圧する、圧電駆動装置。
4. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、
   前記第１の圧電駆動部は、圧電駆動部をｍ個（ｍは１以上の整数）備え、
   前記第２の圧電駆動部は、圧電駆動部をｎ個（ｎはｍより大きな整数）備える、圧電駆動装置。
5. 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、
   前記支持部材は、ベアリングまたはリニアガイドを備える、圧電駆動装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
   前記被駆動部材は、円板形状である、圧電駆動装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
   前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部とは、
   振動板と、
   前記振動板に設けられた圧電振動体と、
   前記振動板に設けられ、前記被駆動部材と接触可能な接触部材と、
   を備える、圧電駆動装置。
8. 第１の圧電駆動部と、
   第２の圧電駆動部と、
   前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部との間に配置され、互いに対向する第１の面と第２の面を有する被駆動部材と、
   前記被駆動部材を前記第１の面から支持する支持部材と、
   を備え、
   前記第１の圧電駆動部は、前記第１の面と接触可能であり、かつ、圧電駆動部をｍ個（ｍは１以上の整数）有し、
   前記第２の圧電駆動部は、前記第２の面と接触可能であり、かつ、圧電駆動部をｎ個（ｎはｍより大きな整数）備える、圧電駆動装置。
9. 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。
10. 請求項９に記載のロボットの駆動方法であって、
    前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部とは、
    振動板と、
    前記振動板に設けられた圧電振動体と、
    前記振動板に設けられ、前記被駆動部材と可能な接触部材と、
    を備えており、
    前記第１の圧電駆動部と前記第２の圧電駆動部の前記圧電振動体に周期的に変化する電圧を印加することで前記圧電駆動装置を駆動し、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。

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