JP2022112669A - 圧電駆動装置およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能な圧電駆動装置１とロボットとを提供する。【解決手段】圧電駆動装置１は、圧電素子２ａ～２ｆを有する振動部２１と、振動部２１に配置されており、被駆動部としてのスライダー１００に駆動力を伝達する伝達部２４と、を有する振動体２と、基台６２と、振動体２を保持する保持部６１と、一方の端Ｐ１において基台６２と接続し、他方の端Ｐ２において保持部６１と接続し、伝達部２４をスライダー１００に向けて付勢するばね部６３，６４と、を有する付勢部材６と、基台６２に接続する接続部８２と、被固定部としてのステージ３００に固定するための貫通孔８３と、を有する固定部８と、を備え、固定部８、付勢部材６、振動体２の順に積層され、積層方向からの平面視で、貫通孔８３は、振動体２および付勢部材６に重ならない。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電駆動装置、圧電駆動装置を備えるロボットに関する。

特許文献１の超音波モーター付駆動装置では、超音波モーターが移動テーブルに複数のボルトで固定され、超音波モーター内にはケースに保持された圧電素子とコイルばね等が設置されている構成が開示されている。

特開２００６－２８０１５０号公報

しかしながら、特許文献１では、超音波モーター内に圧電素子とコイルばね等を保持するケースを備えることにより、超音波モーターを小型にすることが難しいという課題がある。

圧電駆動装置は、圧電素子を有する振動部と、前記振動部に配置されており、被駆動部に駆動力を伝達する伝達部と、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、前記伝達部を前記被駆動部に向けて付勢するばね部と、を有する付勢部材と、前記基台に接続する接続部と、被固定部に固定するための貫通孔と、を有する固定部と、を備え、前記固定部、前記付勢部材、前記振動体の順に積層され、積層方向からの平面視で、前記貫通孔は、前記振動体および前記付勢部材に重ならない。

ロボットは、上記に記載の圧電駆動装置を有する。

第１実施形態に係る圧電駆動装置および圧電モーターを示す平面図。 圧電駆動装置を伝達部から見た状態を示す側面図。 図１中のＡ-Ａ線断面図。 圧電駆動装置が有する振動体を示す平面図。 振動体に印加する駆動信号を示す図。 第２実施形態に係る圧電駆動装置を示す平面図。 第３実施形態に係る圧電駆動装置を示す平面図。 図７中のＢ-Ｂ線断面図。 第４実施形態に係る圧電駆動装置を示す平面図。 図９中のＣ-Ｃ線断面図。 第５実施形態に係るアームを備えたロボットの概要図。 ロボットのハンドの拡大図。

１．第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る圧電駆動装置１および圧電モーター１０を示す平面図である。図２は、圧電駆動装置１を伝達部２４から見た状態を示す側面図である。なお、図２では、振動部２１の構成を説明するために、一方の伝達部２４を図示省略している。図３は、図１中のＡ-Ａ線断面図である。図４は、圧電駆動装置１が有する振動体２を示す平面図である。図５は、振動体２に印加する駆動信号を示す図である。なお、以降の各図では、説明の便宜上、必要に応じて各部の寸法を適宜誇張して図示しており、各部の寸法は実際の寸法とは必ずしも一致しない。

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、振動体２のスライダー１００側を「先端側」とも言い、スライダー１００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、各軸の矢印方向を「＋Ｘ軸方向」「＋Ｙ軸方向」「＋Ｚ軸方向」とも言い、矢印と反対方向を「－Ｘ軸方向」「－Ｙ軸方向」「－Ｚ軸方向」とも言う。また、Ｚ軸方向を「厚み方向」とも言い、＋Ｚ軸方向を「上」または「上側」とも言い、－Ｚ軸方向を「下」または「下側」とも言う。

図１に示すように、圧電モーター１０は、Ｘ軸方向に直線移動が可能な被駆動部としてのスライダー１００と、スライダー１００の側面１０１に当接する圧電駆動装置１と、圧電駆動装置１の駆動を制御する制御装置（図示省略）と、を有する。圧電モーター１０では、制御装置の制御により圧電駆動装置１を駆動し、圧電駆動装置１で生じる駆動力がスライダー１００に伝達され、スライダー１００がＸ軸方向に直線移動する。

圧電モーター１０の構成としては、特に限定されない。例えば、スライダー１００の伸びる方向に沿って、図１で示す圧電駆動装置１を複数配置し、複数の圧電駆動装置１の駆動によってスライダー１００を移動させてもよい。また、圧電駆動装置１は、スライダー１００の側面１０１ではなく、スライダー１００の天面１０２に当接していてもよい。

また、被駆動部は、スライダー１００のような直線移動を行うものに限定されず、例えば、回転軸まわりに回転可能なローター等であってもよい。なお、回転可能なローターの平坦面となる天面で、ローターの湾曲する側面の近傍となる位置に当接させることにより、ローターを回転軸周りに回転させることが可能である。

図１に示すように、圧電駆動装置１は、Ｘ軸方向に並ぶ２つの振動体２と、この２つの振動体２を、厚み方向となるＺ軸方向で、間に挟み込んで配置される一対の付勢部材６と、を有する。また、圧電駆動装置１は、図２、図３に示すように、２つの振動体２と、一対の付勢部材６と、を固定する固定部８を有する。振動体２は、いわゆる圧電アクチュエーターとも呼称される。

なお、詳細は後述するが、図２、図３に示すように、Ｘ軸方向に並ぶ２つの振動体２は、Ｚ軸方向に複数積層されている。そして、複数の振動体２を重ね合わせて構成された積層体２００を間に挟み込むようにして、付勢部材６が配設されている。振動体２を重ね合せて積層体２００の構成とすることで、圧電駆動装置１を１層の振動体２で構成することに比べて、駆動力を高めている。

図１、図４に示すように、２つの振動体２は、振動部２１と、振動部２１を支持する支持部２２と、振動部２１と支持部２２とを接続する接続部２３と、振動部２１の先端部に固定され、振動部２１の振動をスライダー１００に伝達する伝達部２４と、をそれぞれ有する。また、２つの振動体２は、Ｙ軸方向に延びる中継部２５を１つ有している。中継部２５は、２つの振動体２の間に配置されている。２つの振動体２は、中継部２５のＸ軸方向の中心線Ｊ１を通るＹ-Ｚ平面に対して対称に構成されている。中心線Ｊ１は、振動体２の対称軸とも言える。

２つの振動体２は、互いに構成が同様であるため、以下では、説明の便宜上、＋Ｘ軸方向に位置する振動体２について説明し、－Ｘ軸方向に位置する振動体２については、＋Ｘ軸方向に位置する振動体２と異なる部分だけを説明する。

図４に示すように、振動部２１は、Ｚ軸方向を厚さ方向とし、Ｘ軸およびＹ軸を含むＸ－Ｙ平面に広がる板状に形成される。また、振動部２１は、＋Ｚ軸方向からの平面視で、Ｘ軸方向を短手、Ｙ軸方向を長手とする長方形に形成されている。振動部２１は、Ｙ軸方向に伸縮しながらＸ軸方向に屈曲することによりＳ字状に屈曲振動を行う。なお、振動部２１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。

振動部２１は、振動部２１を屈曲振動させる駆動用の圧電素子２ａ～２ｆと、振動部２１の振動を検出する検出用の圧電素子２ｇと、を有する。振動部２１のＸ軸方向の中央部には、圧電素子２ｃ，２ｄがＹ軸方向に並んで配置されている。また、圧電素子２ｃ，２ｄの－Ｘ軸方向には、圧電素子２ａ，２ｂがＹ軸方向に並んで配置され、＋Ｘ軸方向には圧電素子２ｅ，２ｆがＹ軸方向に並んで配置されている。これら圧電素子２ａ～２ｆ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２１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２ｇは、圧電素子２ｃ，２ｄの間に配置されている。圧電素子２ｇは、振動部２１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１は、圧電素子２ｇから出力される検出信号に基づいて、振動部２１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２１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、図３に示すように、振動部２１は、圧電素子２ａ～２ｇを備える圧電素子層２７と、圧電素子層２７を挟み込む一対の基板２８とで構成される。各基板２８は、例えば、シリコン基板である。また、圧電素子２ａ～２ｆは、圧電体を一対の電極で挟み込んで構成される。なお、圧電体および電極は、図示省略する。

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、前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、振動体２の薄型化を図ることができる。

図１、図２に示すように、伝達部２４は、振動体２が複数重ねられて積層体２００となった場合に、重ねられた振動部２１の＋Ｙ軸方向の先端部に配置される。伝達部２４は、先端部２４１を有して形成されている。先端部２４１は、振動部２１から＋Ｙ軸方向へ湾曲して凸形状に突出すると共に、Ｚ軸方向に延びて形成される。

先端部２４１は、圧電駆動装置１が後述するロボットなどの被固定部としてのステージ３００に固定された場合、スライダー１００の側面１０１に接触すると共に、付勢部材６によって側面１０１に押し付けられる。そのため、振動部２１の振動は、伝達部２４を介してスライダー１００に伝達される。伝達部２４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、耐久性に優れた伝達部２４となる。

図１、図４に示すように、支持部２２は、振動部２１を支持する機能を有する。支持部２２は、＋Ｚ軸方向からの平面視で、振動部２１のＸ軸方向の両側および基端側を囲むＵ字形状に形成されている。ただし、支持部２２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、図４に示すように、接続部２３は、振動部２１の屈曲振動の節となる部分、具体的には、振動部２１のＹ軸方向の中央部と、支持部２２とを接続している。接続部２３は、振動部２１の＋Ｘ軸方向と－Ｘ軸方向とに位置し、振動部２１と支持部２２とを接続する。

ただし、接続部２３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、本実施形態の接続部２３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。

図２、図３に示すように、振動体２の支持部２２、接続部２３、中継部２５は、層間部２９と、層間部２９を挟み込む一対の基板２８とで構成される。層間部２９は、一対の基板２８の間に位置し、基板２８との間に配置された絶縁性の接着剤（図示省略）を介して基板２８と接合されている。また、層間部２９は、＋Ｚ軸方向からの平面視で、基板２８と実質的に同じ形状および大きさを有している。また、層間部２９は絶縁性を有している。

層間部２９の構成材料としては特に限定されず、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、各種金属材料、シリコン、各種樹脂材料等を用いることができる。これらの中でも、各種セラミックス、各種金属材料、シリコンを用いることが好ましく、これにより、硬質な層間部２９が得られる。ただし、金属材料を用いる場合には、層間部２９に絶縁性を付与するために、例えば、その表面に絶縁処理を施す等の加工が必要となる。また、シリコンを用いることで、シリコンウエハー・プロセスを用いて層間部２９を配置することができるため、振動体２を効率的に製造することができる。なお、圧電素子層２７と層間部２９とは、略同一の厚さに形成されている。

制御装置は、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、外部インターフェイスと、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は、ホストコンピューター（図示省略）からの指令を受け、この指令に基づいて振動体２を駆動する。

例えば、図５に示す駆動信号Ｖ１を圧電素子２ａ，２ｆに印加し、駆動信号Ｖ２を圧電素子２ｃ，２ｄに印加し、駆動信号Ｖ３を圧電素子２ｂ，２ｅに印加すると、振動部２１がＹ軸方向に伸縮振動（図示省略）しつつ、Ｘ軸方向に逆Ｓ字状に屈曲振動（図示省略）する。このＹ軸方向への伸縮振動と、Ｘ軸方向への屈曲振動とが合成されて、伝達部２４の先端部２４１が、反時計回りに楕円軌道（図示省略）を描く楕円運動を行う。これにより、スライダー１００が送り出され、スライダー１００が－Ｘ軸方向に移動する。また、振動部２１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２ｇ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、振動部２１がＹ軸方向に伸縮振動（図示省略）しつつ、Ｘ軸方向にＳ字状に屈曲振動（図示省略）する。このＹ軸方向への伸縮振動と、Ｘ軸方向への屈曲振動とが合成されて、伝達部２４の先端部２４１が、時計回りに楕円軌道（図示省略）を描く楕円運動を行う。これにより、スライダー１００が送り出され、スライダー１００が＋Ｘ軸方向に移動する。また、振動部２１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２ｇから出力される。

なお、－Ｘ軸方向の振動体２は、前述したように、中心線Ｊ１を通るＹ-Ｚ平面に対称に構成されている。ただ、＋Ｘ軸方向の振動体２と異なる構成は、図４に示すように、振動部２１に構成される圧電素子２ａ～２ｇが、＋Ｘ軸方向の振動体２における圧電素子２ａ～２ｇの向きと同様に構成されていることである。

具体的には、－Ｘ軸方向の振動部２１において、振動部２１のＸ軸方向の中央部には、圧電素子２ｃ，２ｄがＹ軸方向に並んで配置されている。また、圧電素子２ｃ，２ｄの－Ｘ軸方向には、圧電素子２ａ，２ｂがＹ軸方向に並んで配置され、＋Ｘ軸方向には圧電素子２ｅ，２ｆがＹ軸方向に並んで配置されている。このように圧電素子２ａ～２ｇが配置されることにより、２つの振動体２の振動部２１における屈曲振動の向きを揃えている。

本実施形態の振動体２は、図１、図４に示すように、＋Ｚ軸方向からの平面視で、Ｘ軸方向に２つ形成される。そして、振動体２は、図２、図３に示すように、この２つの振動体２を１層として、厚さ方向となるＺ軸方向に、同じ向きで、複数層となるように積層されることで、積層体２００を構成している。

なお、振動体２は、１層毎に、圧電素子層２７および層間部２９の上側と下側とを基板２８で挟み込んだ構成となる。また、重なり合う２つの振動体２は、例えば、絶縁性の接着剤（図示省略）で接合されている。そして、複数の振動体２が重なり合って構成された積層体２００を間に挟み込むようにして、一対の付勢部材６が絶縁性の接着剤（図示省略）で接合されている。

本実施形態では、重なり合う２つの振動体２において、一方の振動体２の基板２８と他方の振動体２の基板２８とが重なり合うように配置されているが、例えば、一方の振動体２の基板２８と他方の振動体２の基板２８とを１つの基板で構成してもよい。すなわち、一方の振動体２の基板２８が他方の振動体２の基板２８を兼ねていてもよい。

図１を用いて説明したように、一対の付勢部材６は、振動体２が積層された積層体２００を、Ｚ軸方向の両側から挟み込んでいる。つまり、図１～図３に示すように、積層体２００の＋Ｚ軸方向に一方の付勢部材６が配置され、－Ｚ軸方向に他方の付勢部材６が配置されている。これにより、積層体２００を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、積層体２００の姿勢のばらつき、特にＺ軸方向への傾斜が抑えられ、積層体２００で発生する駆動力をより効率的にスライダー１００に伝えることができる。従って、高い駆動効率を有する圧電駆動装置１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。

Ｚ軸方向の一対の付勢部材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、＋Ｚ軸方向に位置する付勢部材６について代表して説明し、－Ｚ軸方向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、積層体２００をスライダー１００に向けて付勢することで、伝達部２４をスライダー１００の側面１０１に押し当てる機能を有する。なお、以降では、積層体２００を、振動体２に置き替えて説明する。

付勢部材６は、絶縁性の接着剤（図示省略）等の接合部材を介して振動体２の上面に接合される。付勢部材６は、振動体２を保持する保持部６１と、圧電駆動装置１を固定部８の接続部８２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部６３，６４と、を有する。

付勢部材６は、保持部６１、基台６２、ばね部６３，６４を含めて、振動体２の中継部２５のＸ軸方向の中心線Ｊ１を通るＹ-Ｚ平面対して対称に構成されている。中心線Ｊ１は、付勢部材６の対称軸とも言える。従って、付勢部材６は、１つの基台６２に対して、Ｘ軸方向に、２つの保持部６１、２つのばね部６３，６４を有して形成されている。これにより、付勢部材６は、Ｘ軸方向に形成される２つの振動体２に対応して、振動体２の上面を覆う。なお、基台６２は、積層方向となる＋Ｚ軸方向からの平面視で、２つの振動体２の間に配置されている。

付勢部材６は、保持部６１、基台６２、およびばね部６３，６４を含めて、一体に形成されている。保持部６１、基台６２、およびばね部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、付勢部材６の製造には、シリコンウエハー・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、付勢部材６をシリコン基板から形成することにより、振動体２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、振動体２の撓み、歪み等を抑制することができる。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、図１～図３に示すように、振動体２の支持部２２の上面に接合されている。保持部６１の振動部２１と重なる部分には、図２に示すように、下面に開口する凹部６１１が形成されている。この凹部６１１により、保持部６１と振動部２１との間に隙間が形成される。これにより、保持部６１と振動部２１との接触が抑制される。そのため、振動部２１の振動が阻害されず、圧電駆動装置１をより安定して駆動することができる。

基台６２は、Ｘ軸方向の２つの保持部６１に挟まれて、Ｚ軸方向で振動体２の中継部２５の上面に配置されている。基台６２は、図３に示すように、圧電駆動装置１をロボット等のステージ３００に固定するために、固定部８の接続部８２に固定するための部分である。詳細には、下側の付勢部材６の基台６２が、絶縁性の接着剤（図示省略）等の接合部材により、接続部８２に接合されて固定される。

ばね部６３，６４は、＋Ｚ軸方向からの平面視で、保持部６１と基台６２との間に配置されている。また、ばね部６３，６４は、振動体２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、ばね部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、より強い付勢力で振動体２をスライダー１００に向けて付勢することができる。

ばね部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６５を有する。そして、＋Ｘ軸方向に有するばね部６３，６４のばね６５は、－Ｘ軸方向の端である一方の端Ｐ１が基台６２と接続し、＋Ｘ軸方向の端である他方の端Ｐ２が保持部６１に接続されている。また、－Ｘ軸方向に有するばね部６３，６４のばね６５は、＋Ｘ軸方向の端である一方の端Ｐ１が基台６２と接続し、－Ｘ軸方向の端である他方の端Ｐ２が保持部６１に接続されている。

複数のばね６５を、Ｙ軸方向に弾性変形させた状態で圧電駆動装置１をステージ３００に固定することにより、振動体２は、Ｙ軸方向に付勢され、伝達部２４がスライダー１００の側面１０１に押し付けられる。

本実施形態の、固定部８を除く圧電駆動装置１には、圧電駆動装置１をステージ等にネジ固定するための構成部を有していない。従って、従来の圧電駆動装置に比べて小型化を実現できる。これにより、固定部８を除く圧電駆動装置１を製造する際、既定のウエハーの中での部品の取り個数を増やすことができる。また、本実施形態では、２つの振動体２をＸ－Ｙ平面上に並べて形成する２連化を実施している。なお、２連化のみでなく３連化等、多連化を行うことでもよい。これにより、更に取り個数を増やすことができる。

図１～図３に示すように、圧電駆動装置１は、＋Ｚ軸方向に向かって、固定部８、付勢部材６、振動体２の順に積層されている。本実施形態の固定部８は、矩形の板状の固定部本体８１を有している。固定部８は、各種金属材料、シリコン、各種の硬質樹脂材料等を用いることができる。

また、固定部８は、付勢部材６の基台６２に相対して、固定部本体８１の中央部で、＋Ｚ軸方向に突出してＹ軸方向に延びる接続部８２を有している。接続部８２は、その上面に、下側の付勢部材６の基台６２を固定する部位である。

また、固定部８の固定部本体８１は、図１に示すように、積層方向となるＺ軸方向からの平面視で、２つの振動体２を挟むように、２つの貫通孔８３を有している。言い換えると、２つの振動体２は、積層方向からの平面視で、２つの貫通孔８３の間に配置されている。

貫通孔８３は、積層方向からの平面視で、振動体２および付勢部材６に重ならない部位に形成されている。貫通孔８３は、固定部８のＹ軸方向において略中央部に形成される。また、貫通孔８３の中心線Ｊ２（図２）は、積層方向に沿っている。

また、固定部８は、図３に示すように、２つの振動体２の相対する位置に、２つの基準孔８４を有している。基準孔８４は、ロボットのステージ３００に、圧電駆動装置１を設置して固定する場合の基準となる孔である。本実施形態では、基準孔８４に、ステージ３００に設置された基準ピン３０１を挿通させることで、圧電駆動装置１のステージ３００に対する位置決めを行う。

圧電駆動装置１をステージ３００に固定する場合、最初に、圧電駆動装置１を基準ピン３０１に合せて設置した後、固定部８の２つの貫通孔８３に上側から固定ネジＳＣを挿入して螺合することにより固定する。

本実施形態では、固定部８を除く圧電駆動装置１が２つ構成されているが、これには限られず、圧電駆動装置１が１つ構成されていることでもよい。なお、固定部８を除く圧電駆動装置１が２つ構成されることにより、２つの単体の圧電駆動装置を別々に位置決めすることに比べて、位置調整が高精度に、しかも容易に行うことができる。

また、本実施形態では、振動体２が多層の積層構造として４層となる積層構造としているが、これには限られず、１層の構造であってもよい。また、振動体２の積層数は適宜設定することでよい。なお、振動体２が積層されることにより、１層の場合に比べて、高い駆動力を得ることができる。

また、本実施形態では、貫通孔８３は２つ有しているが、これには限られず、貫通孔８３は１つ有していることでもよい。

本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

本実施形態の圧電駆動装置１は、振動体２と付勢部材６と固定部８とを備えている。振動体２は、圧電素子２ａ～２ｆを有する振動部２１と、振動部２１に配置されており、被駆動部としてのスライダー１００に駆動力を伝達する伝達部２４と、を有する。付勢部材６は、基台６２と、振動部２１を保持する保持部６１と、一方の端Ｐ１において基台６２と接続し、他方の端Ｐ２において保持部６１と接続し、伝達部２４を被駆動部に向けて付勢するばね部６３，６４と、を有する。固定部８は、基台６２に接続する接続部８２と、被固定部としてのステージ３００に固定するための貫通孔８３と、を有する。そして、圧電駆動装置１は、固定部８、付勢部材６、振動体２の順に積層される。基台６２は、固定部８の接続部８２に接続される。また、固定部８には、振動体２および付勢部材６に重ならずに、ステージ３００に固定するための貫通孔８３を備えている。
この構成により、圧電駆動装置１は、振動体２や付勢部材６に、貫通孔を設ける必要がなくなる。そのため、振動体２および付勢部材６を小型化することができ、固定部８を介してステージ３００に振動体および付勢部材を固定することができる。また、固定ネジＳＣは、基台６２等に固定されないため、厚さ方向を薄くすることができる。

本実施形態の圧電駆動装置１は、振動体２を２つ有し、基台６２は、積層方向からの平面視で、２つの振動体２の間に配置されている。
この構成によれば、２つの振動体２を１つの基台６２で支持することができる。従って、更に圧電駆動装置１の小型化を図ることができる。

本実施形態の圧電駆動装置１は、貫通孔８３を２つ有し、振動体２は、積層方向からの平面視で、２つの貫通孔８３の間に配置されている。
この構成によれば、振動体２の面内回転のずれを低減することができる。

本実施形態の圧電駆動装置１において、貫通孔８３の中心線Ｊ２は、積層方向に沿っている。
この構成によれば、積層方向から貫通孔８３を確認して確実に固定ネジＳＣで固定することができる。

２．第２実施形態
図６は、第２実施形態に係る圧電駆動装置１Ａを示す平面図である。

本実施形態の圧電駆動装置１Ａは、第１実施形態の圧電駆動装置１と比べて、構成が異なる固定部８Ａを備えていることである。その他の構成は、第１実施形態と同様である。また、本実施形態の圧電モーター１０Ａは、第１実施形態の圧電モーター１０と比べて、構成の異なる圧電駆動装置１Ａを備えていることである。なお、以降の説明は、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６では、第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付記している。

本実施形態の固定部８Ａは、付勢部材６の－Ｙ軸方向に、矩形で板状の固定部本体８１Ａが配置されている。固定部本体８１Ａは、積層方向となる＋Ｚ軸方向からの平面視で、付勢部材６の保持部６１には重ならない。なお、固定部本体８１Ａ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、固定部本体８１Ａの＋Ｙ軸方向の端面のＸ軸方向の中心部からは、＋Ｙ軸方向に板状の接続部８２Ａが延出している。なお、接続部８２Ａは、付勢部材６の基台６２に相対して形成されている。また、接続部８２Ａの上面８２１と、固定部本体８１Ａの上面８１１とは同一平面に形成されている。なお、接続部８２Ａ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。

固定部本体８１Ａは、Ｘ軸方向に２つの貫通孔８３を有している。本実施形態の貫通孔８３は、積層方向からの平面視で、振動部２１に対して伝達部２４とは反対側に配置されている。また、固定部本体８１Ａは、Ｘ軸方向の中心部に、Ｙ軸方向に並ぶ２つの基準孔８４を有している。

本実施形態の圧電駆動装置１Ａは、下側の付勢部材６の基台６２が、固定部８Ａの接続部８２Ａの上面８２１に、絶縁性の接着剤（図示省略）等の接合部材により、接合されて固定される。この状態で、下側の付勢部材６の下側には、固定部８Ａの固定部本体８１Ａは位置しない。そのため、第１実施形態のように、固定部本体８１に段差を設けて接続部８２を形成しなくても、下側の付勢部材６を浮かせることができ、圧電駆動装置１Ａの屈曲振動には影響を与えない。

従って、接続部８２Ａや固定部本体８１Ａの厚さの関係は、圧電駆動装置１Ａの下側の付勢部材６の保持部６１、また、下側の付勢部材６が無い場合には、振動体２の振動部２１、を浮かせることができ、屈曲振動に影響を与えなければ、適宜設定することができる。

圧電駆動装置１Ａをステージ３００に固定する場合、第１実施形態と同様に、最初に、圧電駆動装置１Ａを基準ピン３０１に合せて設置した後、固定部８Ａの２つの貫通孔８３に上側から固定ネジＳＣを挿入して螺合することにより固定する。

本実施形態によれば、第１実施形態での効果に加えて以下の効果を奏することができる。

本実施形態の圧電駆動装置１Ａにおいて、貫通孔８３は、積層方向からの平面視で、振動部２１に対して伝達部２４とは反対側に配置されている。
このような構成によれば、固定部８Ａに有する貫通孔８３の配置に対する自由度を向上させることができる。

本実施形態の圧電駆動装置１Ａは、振動体２と、固定部本体８１Ａとが、積層方向からの平面視で、重ならない構成である。
このような構成によれば、圧電駆動装置１Ａの厚さを薄くすることができることで、圧電駆動装置１Ａの更なる小型化を図ることができる。

３．第３実施形態
図７は、第３実施形態に係る圧電駆動装置１Ｂを示す平面図である。図８は、図７中のＢ-Ｂ線断面図である。

本実施形態の圧電駆動装置１Ｂは、第１実施形態の圧電駆動装置１と比べて、構成が異なる固定部８Ｂを備えていることである。その他の構成は、第１実施形態と同様である。また、本実施形態の圧電モーター１０Ｂは、第１実施形態の圧電モーター１０と比べて、構成の異なる圧電駆動装置１Ｂを備えていることである。なお、以降の説明は、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７、図８では、第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付記している。

本実施形態の固定部８Ｂは、第１実施形態の固定部８と比べた場合、固定部８Ｂをステージ３００Ｂに固定する際の、固定ネジＳＣの向きが異なっている。固定部８Ｂには、図８に示すように、固定部本体８１ＢのＸ軸方向の両端部から、ステージ３００ＢのＸ軸方向の端部に沿って、下側に側壁部８５が延びて形成されている。

そして、この側壁部８５に、圧電駆動装置１Ｂを固定する貫通孔８３が形成されている。従って、図８に示すように、貫通孔８３の中心線Ｊ２は、積層方向となるＺ軸方向に対して交差している。本実施形態では、中心線Ｊ２は、Ｚ軸方向に交差するＸ軸方向に平行である。なお、中心線Ｊ２の交差の方向は、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。

なお、固定部本体８１Ｂには、第１実施形態と同様に、付勢部材６の基台６２と接続する接続部８２が突出して設置されている。また、固定部本体８１Ｂには、第１実施形態と同様に、基準孔８４が設置されている。

本実施形態の固定部８Ｂは、金属材料に対して、エンドミル等を用いて側壁部８５を加工する。また、固定部８Ｂは、硬質な樹脂材料を射出成型してもよい。

ステージ３００Ｂは、第１実施形態では、上面に圧電駆動装置１を固定しているが、本実施形態では、ステージ３００Ｂの上面３０２と側面３０３とに固定する形態となる。また、ステージ３００Ｂの側面３０３で、圧電駆動装置１Ｂの固定部８Ｂとネジ締めされる。

本実施形態によれば、第１実施形態での効果に加えて以下の効果を奏することができる。

本実施形態の圧電駆動装置１Ｂにおいて、貫通孔８３は、積層方向に交差している。
このような構成によれば、ステージ３００Ｂの形状に合わせて固定することができる等、貫通孔８３の設置位置に対する自由度を向上させることができる。

４．第４実施形態
図９は、第４実施形態に係る圧電駆動装置１Ｃを示す平面図である。図１０は、図９中のＣ-Ｃ線断面図である。

本実施形態の圧電駆動装置１Ｃは、第１実施形態の圧電駆動装置１と比べて、構成が異なる固定部８Ｃを備えていることである。その他の構成は、第１実施形態と同様である。また、本実施形態の圧電モーター１０Ｃは、第１実施形態の圧電モーター１０と比べて、構成の異なる圧電駆動装置１Ｃを備えていることである。なお、以降の説明は、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９、図１０では、第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付記している。

本実施形態の固定部８Ｃは、第１実施形態の固定部８と比べた場合、固定部８Ｃをステージ３００Ｃに固定する際の、固定ネジＳＣの位置が異なっている。固定部８Ｃの貫通孔８３は、第１実施形態での固定部８の貫通孔８３に比べて、固定部本体８１の－Ｙ軸方向の端部近くに設置される。なお、その他の接続部８２、基準孔８４は、第１実施形態と同様に構成されている。

本実施形態のステージ３００Ｃは、圧電駆動装置１Ｃの固定部８Ｃを上面に固定するステージ本体３１０を有する。そして、ステージ３００Ｃは、ステージ本体３１０のＸ軸方向の両端部から、＋Ｚ軸方向に立ち上がる側壁部３１１を有する。そして、ステージ３００Ｃは、立ち上がった側壁部３１１を跨ぐように上壁部３１２を有している。従って、本実施形態のステージ３００Ｃは、矩形の筒形状を有している。

なお、ステージ３００Ｃの－Ｙ軸方向の開口部３１５は、図９に示すように、＋Ｚ軸方向からの平面視で、固定部８Ｃの貫通孔８３を露出する矩形の切欠き部３１６を有している。

本実施形態の圧電駆動装置１Ｃは、矩形の筒形状に構成されるステージ３００Ｃにおいて、開口部３１５から狭い空間に圧電駆動装置１Ｃを挿入して固定される。ただし、ステージ３００Ｃは貫通孔８３を露出する切欠き部３１６を有するため、固定部８Ｃの貫通孔８３に＋Ｚ軸方向から固定ネジＳＣを挿通して、ステージ本体３１０に固定することができる。

本実施形態によれば、第１実施形態での効果に加えて以下の効果を奏することができる。

本実施形態の圧電駆動装置１Ｃは、Ｘ軸方向やＺ軸方向を囲まれたステージ３００Ｃであっても、その囲まれたステージ３００Ｃの狭い空間に挿入して固定することができる。

５．第５実施形態
図１１は、第５実施形態に係るアーム５５０を備えたロボット５００の概要図である。図１２は、ロボット５００のハンド５８０の拡大図である。

本実施形態では、第１実施形態での圧電駆動装置１をロボット５００に適用した例を説明する。なお、前述した圧電駆動装置１Ａ～１Ｃをロボット５００に適用することでもよい。

図１１に示すロボット５００は、６軸の垂直多関節ロボットであり、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。

ロボット５００は、基台５１０と、基台５１０に接続されたアーム５５０と、アーム５５０の先端部に設けられた力検出器（図示省略）とハンド５８０と、を有する。また、ロボット５００は、アーム５５０を駆動する動力を発生させる複数の駆動源を有している。

基台５１０は、ロボット５００を任意の設置箇所に取り付けるベース部分である。なお、基台５１０の設置箇所は、特に限定されず、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上等が挙げられる。

アーム５５０は、第１アーム５５１、第２アーム５５２、第３アーム５５３、第４アーム５５４、第５アーム５５５、第６アーム５５６等から構成されており、これらが基台５１０側から先端側に向って、この順に連結されている。

第１アーム５５１は、基台５１０に接続されている。第６アーム５５６の先端には、例えば、各種部品等を把持するハンド５８０が着脱可能に取り付けられている。ハンド５８０は、エンドエフェクターであり、２本の指５８１を備えている。ハンド５８０は、２本の指５８１により、例えば各種部品等を把持することができる。

第５アーム５５５には、第６アーム５５６を駆動する駆動源として第１実施形態の圧電駆動装置１が複数用いられている。また、第１アーム５５１と第２アーム５５２との接合部には関節部（図示省略）が設けられている。関節部には、モーターや、減速機が組込まれている。他のアーム間にも、同様に関節部が設けられている。そして、各駆動源は、制御装置（図示省略）により制御される。

図１２に示すように、複数の圧電駆動装置１は、第５アーム５５５の内周に沿って並び、伝達部２４を第６アーム５５６に向けて配置されている。つまり、複数の圧電駆動装置１は、第５アーム５５５と第６アーム５５６との間の関節部に設けられている。

詳細には、複数の圧電駆動装置１は、第６アーム５５６の平坦面となる天面で、湾曲する側面側に位置して伝達部２４を当接させて駆動力を与える。これにより、第５アーム５５５に対して第６アーム５５６を回動軸Ｊ回りに回動させることができる。

また、圧電駆動装置１は、ハンド５８０にも用いられている。具体的には、ハンド５８０を構成する指５８１毎に設けられている。それぞれの圧電駆動装置１は、対応する指５８１を直線移動させることにより、回動軸Ｊに接近させるか、離間させる方向の駆動力を与える。これにより、２本の指５８１同士を、接近または離間する方向に移動させることができる。

なお、本実施形態のロボット５００は、６軸の垂直多関節ロボットを例示しているが、本発明のロボットはこれに限定されず、例えば、ロボットの関節数は任意である。また、垂直多関節ロボット以外に、水平多関節ロボットにも適用可能である。

本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。

本実施形態のロボット５００は、前述した圧電駆動装置１を有している。
このような構成によれば、ロボット５００が、小型化が可能な圧電駆動装置１を有することにより、ロボット５００の小型化を図ることができる。

１…圧電駆動装置、２…振動体、２ａ～２ｆ…圧電素子、６…付勢部材、８…固定部、１０…圧電モーター、２１振動部、２４…伝達部、６１…保持部、６２…基台、６３，６４…ばね部、８２…接続部、８３…貫通孔、１００…被駆動部としてのスライダー、３００…被固定部としてのステージ、５００…ロボット、Ｊ２…中心線、Ｐ１…一方の端、Ｐ２…他方の端。

Claims (7)

1. 圧電素子を有する振動部と、前記振動部に配置されており、被駆動部に駆動力を伝達する伝達部と、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、前記伝達部を前記被駆動部に向けて付勢するばね部と、を有する付勢部材と、
   前記基台に接続する接続部と、被固定部に固定するための貫通孔と、を有する固定部と、を備え、
   前記固定部、前記付勢部材、前記振動体の順に積層され、
   積層方向からの平面視で、前記貫通孔は、前記振動体および前記付勢部材に重ならないことを特徴とする圧電駆動装置。
2. 請求項１に記載の圧電駆動装置であって、
   前記振動体を２つ有し、前記基台は、前記積層方向からの前記平面視で、２つの前記振動体の間に配置されていることを特徴とする圧電駆動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧電駆動装置であって、
   前記貫通孔を２つ有し、前記振動体は、前記積層方向からの前記平面視で、２つの前記貫通孔の間に配置されていることを特徴とする圧電駆動装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の圧電駆動装置であって、
   前記貫通孔は、前記積層方向からの前記平面視で、前記振動部に対して前記伝達部とは反対側に配置されていることを特徴とする圧電駆動装置。
5. 請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の圧電駆動装置であって、
   前記貫通孔の中心線は、前記積層方向に沿っていることを特徴とする圧電駆動装置。
6. 請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の圧電駆動装置であって、
   前記貫通孔の中心線は、前記積層方向に交差していることを特徴とする圧電駆動装置。
7. 請求項１～請求項６のいずれか一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。

Images