JP2022011405A - 圧電駆動装置、圧電モーターおよびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】被駆動部の駆動を精度よく制御することができる圧電駆動装置、圧電モーターおよびロボットを提供する。【解決手段】圧電駆動装置は、圧電素子を備えて縦振動と屈曲振動とを行う振動部と、振動部に配置されて楕円運動を行う凸部と、を有する振動体と、基台と、振動体を保持する保持部と、一方の端において基台と接続し、他方の端において保持部と接続し、凸部を被駆動部に向けて付勢するばね部と、を備える付勢部材と、を有し、縦振動の方向に沿った一方の端と凸部との離間距離をｄ１とし、他方の端と凸部との離間距離をｄ２としたとき、付勢部材によって振動体が付勢されていない自然状態では、ｄ１＞ｄ２であり、付勢部材によって振動体が被駆動部に向けて付勢されている付勢状態における｜ｄ１－ｄ２｜は、自然状態における｜ｄ１－ｄ２｜よりも小さい。【選択図】図１０

Description

本発明は、圧電駆動装置、圧電モーターおよびロボットに関する。

例えば、特許文献１に記載されている圧電モーターは、被駆動部であるローターと、圧電素子の伸縮により振動する振動体と、振動体をローターに向けて付勢し、振動体をローターに押し当てるばねと、を有する。

特開２０１５－１８６３２９号公報

しかしながら、特許文献１の圧電モーターでは、ばねは、自然状態において振動体の縦振動方向に対して直交する方向に延びるため、振動体を付勢した付勢状態では振動体の縦振動方向に直交する方向に対して傾斜する。そのため、ローターの回転方向、つまり巡回転の場合と逆回転の場合とでローターの移動量や移動速度に差が生じ、ローターの回転を精度よく制御することが難しいという課題がある。

本発明の圧電駆動装置は、圧電素子を備えて縦振動と屈曲振動とを行う振動部と、前記振動部に配置されて楕円運動を行う凸部と、を有する振動体と、
基台と、前記振動体を保持する保持部と、一方の端において前記基台と接続し、他方の端において前記保持部と接続し、前記凸部を被駆動部に向けて付勢するばね部と、を備える付勢部材と、を有し、
前記一方の端と前記凸部との前記縦振動の方向に沿った離間距離をｄ１とし、
前記他方の端と前記凸部との前記縦振動の方向に沿った離間距離をｄ２としたとき、
前記振動体が前記付勢部材によって付勢されていない自然状態では、ｄ１＞ｄ２であり、
前記振動体が前記付勢部材によって前記被駆動部に向けて付勢されている付勢状態における｜ｄ１－ｄ２｜は、前記自然状態における｜ｄ１－ｄ２｜よりも小さい。

本発明の第１実施形態に係る圧電モーターを示す平面図である。 圧電モーターが有する圧電駆動装置を示す斜視図である。 圧電駆動装置が有する圧電アクチュエーターを示す平面図である。 圧電アクチュエーターに印加する駆動信号を示す図である。 圧電アクチュエーターの駆動状態を示す平面図である。 圧電アクチュエーターの駆動状態を示す平面図である。 自然状態の付勢部材を示す平面図である。 付勢状態の付勢部材を示す平面図である。 従来の付勢部材に生じる問題を説明するための平面図である。 従来の付勢部材に生じる問題を説明するための平面図である。 従来の付勢部材による制御ばらつきを示すグラフである。 本実施形態の付勢部材による制御ばらつきを示すグラフである。 付勢部材の変形例を示す平面図である。 本発明の第２実施形態に係る付勢部材を示す平面図である。 図１４に示す付勢部材の変形例を示す平面図である。 本発明の第３実施形態に係る付勢部材の自然状態を示す平面図である。 図１６に示す付勢部材の付勢状態を示す平面図である。 本発明の第４実施形態に係るロボットを示す斜視図である。

以下、本発明の圧電駆動装置、圧電モーターおよびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電モーターを示す平面図である。図２は、圧電モーターが有する圧電駆動装置を示す斜視図である。図３は、圧電駆動装置が有する圧電アクチュエーターを示す平面図である。図４は、圧電アクチュエーターに印加する駆動信号を示す図である。図５および図６は、圧電アクチュエーターの駆動状態を示す平面図である。図７は、自然状態の付勢部材を示す平面図である。図８は、付勢状態の付勢部材を示す平面図である。図９および図１０は、従来の付勢部材に生じる問題を説明するための平面図である。図１１は、従来の付勢部材による制御ばらつきを示すグラフである。図１２は、本実施形態の付勢部材による制御ばらつきを示すグラフである。図１３は、付勢部材の変形例を示す平面図である。

なお、以下では、説明の便宜上、図１中の紙面手前側を「上」とも言い、図１中の紙面奥側を「下」とも言う。また、圧電アクチュエーターのローター側を「先端側」とも言い、ローターと反対側を「基端側」とも言う。また、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸とし、Ｘ軸に沿う方向をＸ軸方向、Ｙ軸に沿う方向をＹ軸方向、Ｚ軸に沿う方向をＺ軸方向とも言う。また、各軸の矢印側を「プラス側」とも言い、矢印と反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｘ軸方向プラス側を「上」または「上側」とも言い、Ｘ軸方向マイナス側を「下」または「下側」とも言う。

図１に示すように、圧電モーター１は、回転軸Ｏまわりに回転可能な被駆動部としてのローター２と、ローター２の外周面２１に当接する圧電駆動装置３と、圧電駆動装置３の駆動を制御する制御装置７と、を有する。このような圧電モーター１では、制御装置７の制御によって圧電駆動装置３を駆動することにより、圧電駆動装置３で生じる駆動力がローター２に伝わり、ローター２が回転軸Ｏまわりに回転する。

ただし、圧電モーター１の構成としては、特に限定されない。例えば、ローター２の周方向に沿って複数の圧電駆動装置３を配置し、複数の圧電駆動装置３の駆動によってローター２を回転させてもよい。また、圧電駆動装置３は、ローター２の外周面２１ではなく、ローター２の主面２２に当接していてもよい。また、被駆動部は、ローター２のような回転体に限定されず、例えば、直線移動するスライダーであってもよい。

また、図２に示すように、圧電駆動装置３は、振動体である圧電アクチュエーター４と、圧電アクチュエーター４を間に挟み込んで配置された一対の付勢部材６、６と、を有する。また、図３に示すように、圧電アクチュエーター４は、振動部４１と、振動部４１を支持する支持部４２と、振動部４１と支持部４２とを接続する接続部４３と、振動部４１の先端部に固定され、振動部４１の振動をローター２に伝達する凸部４４と、を有する。

振動部４１は、Ｘ軸方向を厚さ方向とし、Ｙ軸およびＺ軸を含むＹ－Ｚ平面に広がる板状である。また、振動部４１は、Ｙ軸方向に伸縮しながらＺ軸方向に屈曲することによりＳ字状に屈曲振動する。また、振動部４１は、平面視で、伸縮方向であるＹ軸方向を長手とする長手形状、特に本実施形態では長方形である。ただし、振動部４１の形状は、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。

また、振動部４１は、振動部４１を屈曲振動させる駆動用の圧電素子４Ａ～４Ｆと、振動部４１の振動を検出する検出用の圧電素子４Ｇと、を有する。振動部４１の中央部には、圧電素子４Ｃ、４ＤがＹ軸方向に並んで配置されている。また、圧電素子４Ｃ、４ＤのＺ軸方向プラス側には圧電素子４Ａ、４ＢがＹ軸方向に並んで配置され、Ｚ軸方向マイナス側には圧電素子４Ｅ、４ＦがＹ軸方向に並んで配置されている。これら圧電素子４Ａ～４Ｆは、それぞれ、通電によってＹ軸方向に伸縮する。ただし、駆動用の圧電素子の数や配置は、振動部４１を屈曲振動させることができれば、特に限定されない。

圧電素子４Ｇは、圧電素子４Ｃ、４Ｄの間に配置されている。圧電素子４Ｇは、振動部４１の屈曲振動に応じた外力を受け、受けた外力に応じた検出信号を出力する。そのため、圧電駆動装置３は、圧電素子４Ｇから出力される検出信号に基づいて、振動部４１の振動状態を検知することができる。なお、検出用の圧電素子の数や配置は、振動部４１の振動を検出することができれば、特に限定されない。また、検出用の圧電素子は、省略してもよい。

図２に示すように、振動部４１は、圧電素子４Ａ～４Ｇを備える圧電素子層４８を一対の基板４９、４９で挟み込んだ構成である。各基板４９は、例えば、シリコン基板である。また、圧電素子４Ａ～４Ｆは、圧電体を一対の電極で挟み込んだ構成である。なお、圧電体の構成材料としては、特に限定されず、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、スカンジウムニオブ酸鉛等の圧電セラミックスを用いることができる。また、圧電体としては、上述した圧電セラミックスの他にも、ポリフッ化ビニリデン、水晶等を用いてもよい。

また、圧電体の形成方法としては、特に限定されず、バルク材料から形成してもよいし、ゾル－ゲル法やスパッタリング法を用いて形成してもよい。本実施形態では、圧電体をゾル－ゲル法を用いて形成している。これにより、例えば、バルク材料から形成する場合と比べて薄い圧電体が得られ、圧電アクチュエーター４の薄型化を図ることができる。

図２に示すように、凸部４４は、振動部４１の先端部に設けられ、振動部４１からＹ軸方向プラス側へ突出している。そして、凸部４４の先端部がローター２の外周面２１と接触し、付勢部材６によって押し付けられている。そのため、振動部４１の振動は、凸部４４を介してローター２に伝達される。凸部４４の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、ジルコニア、アルミナ、チタニア等の各種セラミックスが挙げられる。これにより、耐久性に優れた凸部４４となる。

支持部４２は、振動部４１を支持する機能を有する。支持部４２は、平面視で、振動部４１の両側方および基端側を囲むＵ形状である。ただし、支持部４２の構成は、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。

また、接続部４３は、振動部４１の屈曲振動の節となる部分、具体的にはＹ軸方向の中央部と支持部４２とを接続している。接続部４３は、振動部４１のＺ軸方向プラス側に位置し、振動部４１と支持部４２とを接続する第１接続部４３１と、振動部４１のＺ軸方向マイナス側に位置し、振動部４１と支持部４２とを接続する第２接続部４３２と、を有する。

ただし、接続部４３の構成は、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。例えば、本実施形態の第１、第２接続部４３１、４３２は、それぞれ、一本の梁で構成されているが、複数の梁で構成されていてもよい。また、本実施形態の第１、第２接続部４３１、４３２は、それぞれ、Ｚ軸方向にまっすぐ伸びた形状であるが、その途中で屈曲または湾曲していてもよいし、その途中で幅や厚みが変化していてもよい。

制御装置７は、例えば、コンピューターから構成され、情報を処理するプロセッサーと、プロセッサーに通信可能に接続されたメモリーと、外部インターフェースと、を有する。また、メモリーにはプロセッサーにより実行可能なプログラムが保存され、プロセッサーは、メモリーに記憶されたプログラムを読み込んで実行する。このような制御装置７は、図示しないホストコンピューターからの指令を受け、この指令に基づいて圧電アクチュエーター４を駆動する。

例えば、図４に示す駆動信号Ｖ１を圧電素子４Ａ、４Ｆに印加し、駆動信号Ｖ２を圧電素子４Ｃ、４Ｄに印加し、駆動信号Ｖ３を圧電素子４Ｂ、４Ｅに印加すると、図５に示すように、振動部４１がＹ軸方向に伸縮振動しつつＺ軸方向に逆Ｓ字状に屈曲振動し、これらの振動が合成されて、凸部４４の先端が矢印Ａ１で示すように反時計回りに楕円軌道を描く楕円運動する。これにより、ローター２が送り出され、ローター２が矢印Ｂ１で示すように時計回りに回転する。また、振動部４１の屈曲振動に含まれるＹ軸方向の伸縮振動に応じた検出信号Ｖｐｕが圧電素子４Ｇから出力される。

また、駆動信号Ｖ１、Ｖ３の波形を切り換えると、図６に示すように、振動部４１がＹ軸方向に伸縮振動しつつＺ軸方向にＳ字状に屈曲振動し、これらの振動が合成されて、凸部４４が矢印Ａ２で示すように時計回りに楕円運動する。これにより、ローター２が送り出され、ローター２が矢印Ｂ２で示すように反時計回りに回転する。また、振動部４１の屈曲振動に含まれるＹ軸方向の伸縮振動に応じた検出信号Ｖｐｕが圧電素子４Ｇから出力される。

なお、以下では、振動部４１のＹ軸方向への伸縮振動を「縦振動」とも言う。

前述したように、一対の付勢部材６、６は、圧電アクチュエーター４をＸ軸方向の両側から挟み込んでいる。つまり、圧電アクチュエーター４のＸ軸方向プラス側に一方の付勢部材６が配置され、Ｘ軸方向マイナス側に他方の付勢部材６が配置されている。これにより、圧電アクチュエーター４をその厚さ方向の両側からバランスよく付勢することができる。そのため、圧電アクチュエーター４の姿勢のばらつき、特にＸ軸方向への傾斜が抑えられ、圧電アクチュエーター４で発生する駆動力をより効率的にローター２に伝えることができる。したがって、高い駆動効率を有する圧電駆動装置３となる。ただし、これに限定されず、いずれか一方の付勢部材６を省略してもよい。

一対の付勢部材６、６は、互いに構成が同様であるため、以下では、説明の便宜上、圧電アクチュエーター４に対してＸ軸方向プラス側に位置する付勢部材６について代表して説明し、Ｘ軸方向マイナス側に位置する付勢部材６については、その説明を省略する。

付勢部材６は、圧電アクチュエーター４をローター２に向けて付勢し、凸部４４をローター２の外周面２１に押し当てる機能を有する。図７および図８に示すように、付勢部材６は、図示しない接合部材を介して圧電アクチュエーター４の上面に接合され、圧電アクチュエーター４を保持する保持部６１と、圧電駆動装置３をステージＳＴに固定する基台６２と、保持部６１と基台６２とを接続する一対のばね群６３、６４と、を有する。

これら保持部６１、基台６２およびばね群６３、６４は、一体である。これにより、例えば、各部が別体で形成されたものを接続するよりも高い機械的強度を有し、さらには形成が容易な付勢部材６となる。保持部６１、基台６２およびばね群６３、６４は、例えば、シリコン基板から一体形成することができる。これにより、十分な機械的強度および弾性を有する付勢部材６が得られる。また、シリコンウエハ・プロセスを用いることができ、付勢部材６を高い加工精度で製造することもできる。また、圧電アクチュエーター４との熱膨張係数の差を小さくすることができるため熱応力の発生を低減することができ、圧電アクチュエーター４の撓み、歪み等を抑制することができる。

ただし、保持部６１、基台６２およびばね群６３、６４は、別体で形成されていてもよい。また、付勢部材６の構成材料は、特に限定されず、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料、各種ガラス材料、各種セラミック材料等を用いることもできる。

保持部６１は、圧電アクチュエーター４の支持部４２の上面に接合されている。保持部６１の振動部４１と重なる部分には、振動部４１との接触を抑制するために、下面に開口する凹部が形成されている。これにより、保持部６１と振動部４１との接触が抑制される。これにより、振動部４１の振動が阻害されず、圧電駆動装置３をより安定して駆動することができる。

基台６２は、保持部６１のＺ軸方向プラス側に位置している。基台６２は、圧電駆動装置３をステージＳＴに固定するための部分である。本実施形態では、基台６２にネジの挿通孔６２１が２つ形成されており、図８に示すように、これら挿通孔６２１に挿通されたネジＳによって基台６２がステージＳＴに固定されている。ただし、基台６２とステージＳＴとの固定方法は、特に限定されない。

ばね群６３、６４は、保持部６１と基台６２との間に配置されている。また、ばね群６３、６４は、圧電アクチュエーター４の付勢方向であるＹ軸方向に並んで配置されている。このように、ばね群６３、６４をＹ軸方向に並んで配置することにより、より安定して、かつ、より強い付勢力で圧電アクチュエーター４をローター２に向けて付勢することができる。

ばね群６３、６４は、それぞれ、Ｙ軸方向に等ピッチで並んだ複数のばね部６５を有する。また、複数のばね部６５は、それぞれ、Ｚ軸方向プラス側の端である第１端Ｐ１が基台６２に接続され、Ｚ軸方向マイナス側の端である第２端Ｐ２が保持部６１に接続されている。複数のばね部６５をＹ軸方向に弾性変形させた状態で圧電駆動装置３をステージＳＴに固定することにより、圧電アクチュエーター４がＹ軸方向に付勢され、凸部４４がローター２の外周面２１に押し付けられる。

なお、ばね部６５は、保持部６１および基台６２よりも厚さが薄く、上側に偏って配置されている。そのため、ばね部６５と振動部４１との間に、これらの接触、干渉を抑制するための空隙が形成されている。これにより、ばね部６５の変形や振動部４１の振動が阻害されず、圧電駆動装置３をより安定して駆動することができる。

次に、複数のばね部６５の構成について詳細に説明するが、これらは互いに同様の構成であるため、以下では、説明の便宜上、１つのばね部６５について説明し、他のばね部６５については、その説明を省略する。

まず、ばね部６５の説明に先立って、従来のばね部６５０の問題点について簡単に説明する。従来のばね部６５０は、圧電アクチュエーター４を付勢した状態では、Ｘ軸方向からの平面視で、振動部４１の縦振動の方向であるＹ軸方向に直交するＺ軸方向に対して傾斜した方向に沿って延在している。そのため、ローター２が矢印Ｂ１方向に回転する場合には図９に示す力がばね部６５０に加わり、逆向きの矢印Ｂ２方向に回転する場合には図１０に示す力がばね部６５０に加わる。なお、図９および図１０に示す力Ｆ０は、ローター２が停止しているときの付勢力であり、力Ｆ１は、凸部４４とローター２との間に生じる摩擦力がばね部６５０に与える力であり、力Ｆ３は、力Ｆ１に対して生じるばねの反力であり、力Ｆ２と力Ｆ４は、力Ｆ３を分解した力であり、力Ｆ１と力Ｆ２がつり合うように力Ｆ３が生じる。

同図から分かるように、ローター２が矢印Ｂ１方向に回転する場合には、力Ｆ０にこれとは反対向きの力Ｆ４が合成されて実際の付勢力がＦ０よりも小さくなる。一方、ローター２が矢印Ｂ２方向に回転する場合には、力Ｆ０にこれと同じ向きの力Ｆ４が合成されて、実際の付勢力がＦ０よりも大きくなる。そのため、ローター２の回転方向によってローター２の移動量や移動速度に差が生じ、ローター２の回転を精度よく制御することが難しいという課題がある。実際に、発明者が従来のばね部６５０で実験した結果、図１１に示すように、矢印Ｂ１方向の回転数と矢印Ｂ２方向の回転数とに差が生じていることが分かった。また、図示しないが、矢印Ｂ１方向のトルクと矢印Ｂ２方向のトルクとの間にも、回転数と同様の差が生じていることが分かった。

そこで、本実施形態では、付勢状態でのばね部６５のＺ軸方向に対する傾きがより小さくなるように、ばね部６５の構成を工夫している。図７に示すように、付勢部材６が圧電アクチュエーター４を付勢しておらず、付勢部材６に外力が実質的に加わっていない自然状態では、ばね部６５は、Ｘ軸方向からの平面視で、振動部４１の縦振動の方向であるＹ軸方向に直交するＺ軸に対して傾いた方向に沿って延在している。そのため、ばね部６５の第１端Ｐ１と凸部４４の先端部との振動部４１の縦振動の方向であるＹ軸方向に沿った離間距離をｄ１とし、ばね部６５の第２端Ｐ２と凸部４４の先端部との振動部４１の縦振動の方向であるＹ軸方向に沿った離間距離をｄ２としたとき、自然状態では、ｄ１＞ｄ２である。

そして、図８に示すように、付勢部材６が圧電アクチュエーター４を付勢し、凸部４４をローター２に押し付けている付勢状態では、ばね部６５のＺ軸方向に対する傾きθが自然状態よりも小さくなり、ばね部６５がＺ軸に対して略平行となる。つまり、自然状態での｜ｄ１－ｄ２｜をＤ１とし、付勢状態での｜ｄ１－ｄ２｜をＤ２としたとき、Ｄ１＞Ｄ２である。これにより、付勢状態でのばね部６５のＺ軸に対する傾きθが小さくなり、前述した力Ｆ３をより小さく抑えることができる。そのため、上述した従来のばね部６５０で生じる問題が低減される。その結果、ローター２の矢印Ｂ１方向への回転と矢印Ｂ２方向への回転とでローター２の移動量や移動速度に差が生じ難く、ローター２の回転を精度よく制御することができる。なお、傾きθは、第１端Ｐ１と第２端Ｐ２とを結ぶ線分とＺ軸とのなす角を意味する。

実際に、発明者が本実施形態のばね部６５で実験した結果、図１２に示すように、矢印Ｂ１方向の回転数と矢印Ｂ２方向の回転数との差が従来と比べて低減されていることが分かった。同様に、図示しないが、矢印Ｂ１方向のトルクと矢印Ｂ２方向のトルクとの差についても、従来と比べて低減されていることが分かった。したがって、上述した効果が発揮されることが明らかである。

なお、Ｄ１＞Ｄ２であれば、特に限定されないが、例えば、Ｄ２／Ｄ１≦０．５であることが好ましく、Ｄ２／Ｄ１≦０．３であることがより好ましく、Ｄ２／Ｄ１≦０．１であることがさらに好ましい。また、付勢状態での傾きθは、特に限定されないが、例えば、１０°以下であることが好ましく、５°以下であることがより好ましく、１°以下であることがさらに好ましい。これにより、付勢状態において、ばね部６５をＺ軸に対してより平行に近づけることができる。そのため、上述の効果がより顕著となる。

特に、本実施形態では、図８に示すように、付勢部材６が目標の付勢力で凸部４４をローター２に押し付けた状態では、Ｄ２＝０つまりｄ１＝ｄ２であり、ばね部６５がＺ軸と平行となる。これにより、上述の効果がより顕著となり、ローター２の矢印Ｂ１方向への回転と矢印Ｂ２方向への回転とでローター２の移動量や移動速度に実質的に差が無くなり、ローター２の回転をさらに精度よく制御することができる。

また、付勢部材６は、基台６２と保持部６１との相対的位置関係に基づいて｜ｄ１－ｄ２｜の大きさを示す表示部としての表示機構６６を有する。これにより、ばね部６５の傾きθを簡単に視認することができ、ばね部６５を目標の傾きθ、好ましくは０°つまりＺ軸に平行とすることが容易となる。特に、本実施形態の表示機構６６は、保持部６１の基端部６１０と基台６２の基端部６２０との相対的位置関係に基づいて｜ｄ１－ｄ２｜の大きさを示すようになっており、図８に示すように、基端部６１０、６２０同士がＺ軸方向に揃った状態でＤ２＝０つまりｄ１＝ｄ２となる。そのため、基端部６１０、６２０同士がＺ軸方向に揃うように基台６２をステージＳＴに固定するだけで、容易にばね部６５の傾きθを０°とすることができる。これにより、圧電駆動装置３の設置が容易となる。

ただし、表示機構６６の構成としては、これに限定されず、例えば、図１３に示すように、保持部６１および基台６２に｜ｄ１－ｄ２｜の大きさを示す目盛６６１を配置し、この目盛６６１を合わせることにより、｜ｄ１－ｄ２｜が所望の大きさとなるように構成されていてもよい。

以上、圧電モーター１について説明した。このような圧電モーター１に含まれる圧電駆動装置３は、前述したように、圧電素子４Ａ～４Ｆを備えて縦振動と屈曲振動とを行う振動部４１と、振動部４１に配置されて楕円運動を行う凸部４４と、を有する振動体としての圧電アクチュエーター４と、基台６２と、圧電アクチュエーター４を保持する保持部６１と、一方の端である第１端Ｐ１において基台６２と接続し、他方の端である第２端Ｐ２において保持部６１と接続し、凸部４４を被駆動部であるローター２に向けて付勢するばね部６５と、を備える付勢部材６と、を有する。そして、第１端Ｐ１と凸部４４との縦振動の方向であるＹ軸方向に沿った離間距離をｄ１とし、第２端Ｐ２と凸部４４との縦振動の方向であるＹ軸方向に沿った離間距離をｄ２としたとき、圧電アクチュエーター４が付勢部材６によって付勢されていない自然状態では、ｄ１＞ｄ２であり、圧電アクチュエーター４が付勢部材６によってローター２に向けて付勢されている付勢状態における｜ｄ１－ｄ２｜は、自然状態における｜ｄ１－ｄ２｜よりも小さい。このような構成によれば、付勢状態のときのばね部６５のＺ軸に対する傾きθを小さくすることができる。そのため、ローター２の矢印Ｂ１方向への回転と矢印Ｂ２方向への回転とでローター２の移動量や移動速度に差が生じ難く、ローター２の回転を精度よく制御することができる。

また、前述したように、付勢状態では、ｄ１＝ｄ２である。これにより、付勢状態では、ばね部６５が縦振動の方向であるＹ軸方向に直交するＺ軸と平行となるため、ローター２の矢印Ｂ１方向への回転と矢印Ｂ２方向への回転とでローター２の移動量や移動速度に差がより生じ難く、ローター２の回転をより精度よく制御することができる。

また、前述したように、基台６２、保持部６１およびばね部６５は、一体である。これにより、各部が別体で形成されたものを接続するよりも高い機械的強度を有し、さらには形成が容易な付勢部材６となる。

また、前述したように、ばね部６５は、平面視で、縦振動に沿うＹ軸方向に直交するＺ軸方向に対して傾斜した方向に延在している。これにより、簡単な構成で、自然状態においてｄ１＞ｄ２とすることができる。

また、前述したように、付勢部材６は、基台６２と保持部６１との相対的位置関係に基づいて｜ｄ１－ｄ２｜の大きさを示す表示部としての表示機構６６を有する。これにより、ばね部６５の傾きθを簡単に視認することができ、ばね部６５を目標の傾きθ、好ましくは０°とすることが容易となる。

また、前述したように、表示機構６６は、保持部６１の凸部４４と反対側の端部である基端部６１０と、基台６２の凸部４４と反対側の端部である基端部６２０と、が縦振動に沿うＹ軸方向に直交するＺ軸方向に揃ったときにｄ１＝ｄ２であることを示す。そのため、基端部６１０、６２０同士がＺ軸方向に揃うように基台６２をステージＳＴに固定するだけで、容易にばね部の傾きθを０°とすることができる。これにより、圧電駆動装置３の設置が容易となる。

また、前述したように、圧電モーター１は、圧電駆動装置３と、圧電アクチュエーター４の振動によって駆動する被駆動部としてのローター２と、を有する。これにより、圧電モーター１は、上述した圧電駆動装置３の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。

＜第２実施形態＞
図１４は、本発明の第２実施形態に係る付勢部材を示す平面図である。図１５は、図１４に示す付勢部材の変形例を示す平面図である。

本実施形態は、ばね部６５の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１４および図１５において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。なお、複数のばね部６５は、互いに同様の構成であるため、以下では、説明の便宜上、１つのばね部６５について代表して説明し、他のばね部６５については、その説明を省略する。

図１４に示すように、本実施形態のばね部６５は、延在方向の途中でＳ字状に湾曲した構成となっている。具体的には、ばね部６５の両端部は、Ｚ軸方向に沿って延在しており、かつ、保持部６１側の端部が基台６２側の端部よりも凸部側すなわちＹ軸方向プラス側に位置している。また、ばね部６５の中央部は、その両側に位置する端部同士を接続するようにＳ字状に湾曲している。これにより、簡単な構成で、自然状態においてｄ１＞ｄ２とすることができる。ただし、ばね部６５の形状は、これに限定されず、例えば、図１５に示すように、延在方向の途中でＳ字状に屈曲していてもよい。このような構成によっても本実施形態と同様の効果が得られる。

以上のように、本実施形態のばね部６５は、湾曲または屈曲している部分を有する。これにより、簡単な構成で、自然状態においてｄ１＞ｄ２とすることができる。

このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第３実施形態＞
図１６は、本発明の第３実施形態に係る付勢部材の自然状態を示す斜視図である。図１７は、図１６に示す付勢部材の付勢状態を示す平面図である。

本実施形態は、ばね部６５の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１６および図１７において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

図１６に示すように、複数のばね部６５には、自然状態の傾きθがθ１である複数の第１ばね部６５１と、自然状態の傾きθがθ１よりも大きいθ２である複数の第２ばね部６５２とが含まれている。特に、本実施形態では、ばね群６３を構成する複数のばね部６５が第２ばね部６５２で構成され、ばね群６４を構成する複数のばね部６５が第１ばね部６５１で構成されている。

これら第１ばね部６５１および第２ばね部６５２は、自然状態ではＺ軸に対して同じ方向に傾斜しているが、付勢状態では、図１７に示すように、Ｚ軸に対して異なる方向に傾斜している。そのため、第１ばね部６５１がｄ１－ｄ２＜０となり、第２ばね部６５２がｄ１－ｄ２＞０となる。これにより、各第１ばね部６５１に発生する力Ｆ４と、各第２ばね部６５２に発生する力Ｆ４とが互いに逆向きとなって少なくとも一部が打ち消し合う。そのため、付勢力に作用する力Ｆ４を低減することができ、ローター２の矢印Ｂ１方向への回転と矢印Ｂ２方向への回転とでローター２の移動量や移動速度に差が生じ難く、ローター２の回転を精度よく制御することができる。

なお、全ての第１ばね部６５１によって生じる力Ｆ４の大きさと、全ての第２ばね部６５２によって生じる力Ｆ４の大きさとの差がなるべく小さくなるように、好ましくは差がゼロとなるように、第１ばね部６５１および第２ばね部６５２の配置数、自然状態の傾きθ、付勢状態での｜ｄ１－ｄ２｜の値等を適宜設定することが好ましい。これにより、上述の効果がより顕著となる。

以上のように、本実施形態のばね部６５は、付勢状態においてｄ１－ｄ２＜０となる第１ばね部６５１と、付勢状態においてｄ１－ｄ２＞０となる第２ばね部６５２と、を有する。これにより、第１ばね部６５１に発生する力Ｆ４と、第２ばね部６５２に発生する力Ｆ４とが互いに逆向きとなって打ち消し合う。そのため、付勢力に作用する力Ｆ４を低減することができ、ローター２の矢印Ｂ１方向への回転と矢印Ｂ２方向への回転とでローター２の移動量や移動速度に差が生じ難く、ローター２の回転を精度よく制御することができる。

このような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

ただし、ばね部６５の構成としては、特に限定されない。例えば、本実施形態では、ばね群６３を構成する複数のばね部６５が第２ばね部６５２で構成され、ばね群６４を構成する複数のばね部６５が第１ばね部６５１で構成されているが、これに限定されず、ばね群６３を構成する複数のばね部６５およびばね群６４を構成する複数のばね部６５のそれぞれに、第１ばね部６５１および第２ばね部６５２が含まれていてもよい。また、例えば、一方の付勢部材６に含まれる全てのばね部６５を第１ばね部６５１で構成し、他方の付勢部材６に含まれる全てのばね部６５を第２ばね部６５２で構成してもよい。

＜第４実施形態＞
図１８は、本発明の第４実施形態に係るロボットを示す斜視図である。

図１８に示すロボット１０００は、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。このようなロボット１０００は、６軸ロボットであり、床や天井に固定されるベース１１００と、ベース１１００に回動自在に連結された第１アーム１２１０と、第１アーム１２１０に回動自在に連結された第２アーム１２２０と、第２アーム１２２０に回動自在に連結された第３アーム１２３０と、第３アーム１２３０に回動自在に連結された第４アーム１２４０と、第４アーム１２４０に回動自在に連結された第５アーム１２５０と、第５アーム１２５０に回動自在に連結された第６アーム１２６０と、を有する。また、第６アーム１２６０にはハンド接続部が設けられ、ハンド接続部にはロボット１０００に実行させる作業に応じたエンドエフェクター１５００が装着される。

また、ロボット１０００は、ベース１１００と第１アーム１２１０との関節部に配置され、ベース１１００に対して第１アーム１２１０を回動させる第１アーム回動機構１３１０と、第１アーム１２１０と第２アーム１２２０との関節部に配置され、第１アーム１２１０に対して第２アーム１２２０を回動させる第２アーム回動機構１３２０と、第２アーム１２２０と第３アーム１２３０との関節部に配置され、第２アーム１２２０に対して第３アーム１２３０を回動させる第３アーム回動機構１３３０と、第３アーム１２３０と第４アーム１２４０との関節部に配置され、第３アーム１２３０に対して第４アーム１２４０を回動させる第４アーム回動機構１３４０と、第４アーム１２４０と第５アーム１２５０との関節部に配置され、第４アーム１２４０に対して第５アーム１２５０を回動させる第５アーム回動機構１３５０と、第５アーム１２５０と第６アーム１２６０との関節部に配置され、第５アーム１２５０に対して第６アーム１２６０を回動させる第６アーム回動機構１３６０と、を有する。また、ロボット１０００は、これら第１～第６アーム回動機構１３１０～１３６０の駆動を制御するロボット制御部１４００を有する。

そして、第１～第６アーム回動機構１３１０～１３６０の一部または全部には、その動力源として圧電モーター１が搭載されており、圧電モーター１の駆動によって対象のアーム１２１０～１２６０が回動する。なお、圧電モーター１には、圧電駆動装置３が組み込まれている。そのため、ロボット１０００は、上述した圧電駆動装置３の効果を享受することができ、高い信頼性を発揮することができる。

以上のように、ロボット１０００は、圧電駆動装置３を有する。そのため、上述した圧電駆動装置３の効果を享受することができ、優れた信頼性を発揮することができる。

このような第４実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

以上、本発明の圧電駆動装置、圧電モーターおよびロボットを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。また、前述した実施形態では、圧電駆動装置をロボットに適用した構成について説明したが、圧電駆動装置は、ロボット以外の、駆動力を必要とする各種電子デバイス、例えば、プリンター、プロジェクター等に適用することもできる。

１…圧電モーター、２…ローター、３…圧電駆動装置、４…圧電アクチュエーター、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆ、４Ｇ…圧電素子、６…付勢部材、７…制御装置、２１…外周面、２２…主面、４１…振動部、４２…支持部、４３…接続部、４４…凸部、４８…圧電素子層、４９…基板、６１…保持部、６２…基台、６３、６４…ばね群、６５…ばね部、６６…表示機構、４３１…第１接続部、４３２…第２接続部、６１０…基端部、６６１…目盛、６２０…基端部、６２１…挿通孔、６５０…ばね部、６５１…第１ばね部、６５２…第２ばね部、１０００…ロボット、１１００…ベース、１２１０…第１アーム、１２２０…第２アーム、１２３０…第３アーム、１２４０…第４アーム、１２５０…第５アーム、１２６０…第６アーム、１３１０…第１アーム回動機構、１３２０…第２アーム回動機構、１３３０…第３アーム回動機構、１３４０…第４アーム回動機構、１３５０…第５アーム回動機構、１３６０…第６アーム回動機構、１４００…ロボット制御部、１５００…エンドエフェクター、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２…矢印、ｄ１、ｄ２…離間距離、Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４…力、Ｏ…回転軸、Ｐ１…第１端、Ｐ２…第２端、Ｓ…ネジ、ＳＴ…ステージ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３…駆動信号、Ｖｐｕ…検出信号、θ、θ１、θ２…傾き

Claims (10)

1. 圧電素子を備えて縦振動と屈曲振動とを行う振動部と、前記振動部に配置されて楕円運動を行う凸部と、を有する振動体と、
   基台と、前記振動体を保持する保持部と、一方の端において前記基台と接続し、他方の端において前記保持部と接続し、前記凸部を被駆動部に向けて付勢するばね部と、を備える付勢部材と、を有し、
   前記一方の端と前記凸部との前記縦振動の方向に沿った離間距離をｄ１とし、
   前記他方の端と前記凸部との前記縦振動の方向に沿った離間距離をｄ２としたとき、
   前記振動体が前記付勢部材によって付勢されていない自然状態では、ｄ１＞ｄ２であり、
   前記振動体が前記付勢部材によって前記被駆動部に向けて付勢されている付勢状態における｜ｄ１－ｄ２｜は、前記自然状態における｜ｄ１－ｄ２｜よりも小さいことを特徴とする圧電駆動装置。
2. 前記付勢状態では、ｄ１＝ｄ２である請求項１に記載の圧電駆動装置。
3. 前記基台、前記保持部および前記ばね部は、一体である請求項１または２に記載の圧電駆動装置。
4. 前記ばね部は、平面視で、前記縦振動に沿う方向に直交する方向に対して傾斜した方向に延在している請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電駆動装置。
5. 前記ばね部は、湾曲または屈曲している部分を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電駆動装置。
6. 前記ばね部は、前記付勢状態においてｄ１－ｄ２＜０となる第１ばね部と、前記付勢状態においてｄ１－ｄ２＞０となる第２ばね部と、を有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧電駆動装置。
7. 前記付勢部材は、前記基台と前記保持部との相対的位置関係に基づいて｜ｄ１－ｄ２｜の大きさを示す表示部を有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の圧電駆動装置。
8. 前記表示部は、前記保持部の前記凸部と反対側の端部と、前記基台の前記凸部と反対側の端部と、が前記縦振動に沿う方向に直交する方向に揃ったときにｄ１＝ｄ２であることを示す請求項７に記載の圧電駆動装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の圧電駆動装置と、
   前記振動体の振動によって駆動する被駆動部と、を有することを特徴とする圧電モーター。
10. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の圧電駆動装置を有することを特徴とするロボット。

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