JP2022117611A - 圧電駆動装置およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】駆動力伝達部とは反対方向での小型化が可能な圧電駆動装置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に配置されて被駆動部（ローター１００）に駆動力を伝達する駆動力伝達部２８と、を有する振動体２と、駆動力伝達部２８をローター１００に向けて付勢する圧縮バネ４３，４４を有するバネ部４と、を備え、振動部２１の振動面２０に直交する方向からの平面視で、振動体２とバネ部４とが重なっている。【選択図】図２

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の圧電駆動装置としての圧電マイクロモーターは、付勢部材としての支持体が、駆動力伝達部とは反対側の圧電セラミックの辺に押し付けられることが開示されている。

特開平８－２３７９７１号公報

特許文献１では、支持体が駆動力伝達部とは反対側の圧電セラミックスの辺に押し付けられることにより、駆動力伝達部とは反対方向が大型化しやすくなる。なお、圧電駆動装置を固定部等に固定する場合、固定する位置によっては、駆動力伝達部とは反対方向での小型化が求められる。

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被駆動部に駆動力を伝達する駆動力伝達部と、を有する振動体と、前記駆動力伝達部を前記被駆動部に向けて付勢する圧縮バネを有するバネ部と、を備え、前記振動部の振動面に直交する方向からの平面視で、前記振動体と前記バネ部とが重なっている。

ロボットは、上記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を示す斜視図。 圧電駆動装置の分解斜視図。 圧電駆動装置が有する振動体を示す平面図。 振動部に印加する駆動信号を示す図。 圧電駆動装置が有するバネ部を示す平面図。 圧電駆動装置が有する誘導部を示す平断面図。 図１中のＡ－Ａ線断面図。 図１中のＢ－Ｂ線断面図。 第２実施形態に係る圧電駆動装置のバネ部を示す平面図。 第３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を示す斜視図である。図２は、圧電駆動装置１の分解斜視図である。なお、図２では、各部の貼り合わせる領域を斜線で示している。図３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４は、振動部２１に印加する駆動信号Ｖ１～Ｖ３を示す図である。図５は、圧電駆動装置１が有するバネ部４を示す平面図である。図６は、圧電駆動装置１が有する誘導部５を示す平断面図である。なお、図６では、誘導部５をＺ軸方向の中央部で水平に切断したＸ-Ｙ平面の状態を、＋Ｚ軸方向から見た状態を示している。図７は、図１中のＡ－Ａ線断面図である。図８は、図１中のＢ－Ｂ線断面図である。
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異ならせて図示しており、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中の紙面上側を「上」とも言い、図１中の紙面下側を「下」とも言う。また、振動体２のローター１００（図３）側を「先端側」とも言い、ローター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、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」、「上下方向」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。なお、＋Ｙ軸方向は先端側に対応し、－Ｙ軸方向は基端側に対応する。

圧電駆動装置１は、図１、図３に示すように、被駆動部としてのローター１００の外周面１０１に当接し、制御装置（図示省略）の制御により駆動する。圧電駆動装置１が制御装置の指示を受けて駆動した場合、圧電駆動装置１で生じる駆動力がローター１００に伝達され、ローター１００が回動軸Ｏを中心として回動する。

なお、圧電駆動装置１、ローター１００、制御装置を含めて、圧電モーター１０として構成してもよい。しかし、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、圧電モーター１０は、ローター１００の外周面１０１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の駆動によってローター１００を回転させる構成であってもよい。

圧電駆動装置１は、ローター１００の外周面１０１ではなく、ローター１００の湾曲する外周面１０１の近傍となる天面１０２（図３）に当接させることにより、ローター１００を回転させることが可能である。また、被駆動部は、ローター１００のように回転移動するものには限定されず、例えば、スライダーのような直線移動を行うものであってもよい。

図１に示すように、圧電駆動装置１は、振動体２と、この振動体２を中心として、＋Ｚ方向に、バネ力伝達部３、バネ部４、誘導部５がこの順に配置されて積層構造を成している。また、圧電駆動装置１は、振動体２を中心として、－Ｚ方向に、バネ力伝達部３、バネ部４、誘導部５がこの順に配置されて積層構造を成している。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。

図２、図３に示すように、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、を有している。また、振動体２は、振動部２１の＋Ｘ軸方向に、Ｙ軸方向に延びる固定部２４を有している。また、振動体２は、振動部２１の先端部に、駆動力伝達部２８を有しており、圧電駆動装置１で生じる駆動力がローター１００に伝達される。

図３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８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２５と、圧電素子層２５を挟み込む一対の基板２７とで構成されている。一対の基板２７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ている。なお、圧電体および電極は、図示省略する。ここで、Ｓ字状に屈曲振動を行う振動部２１を構成する基板２７の平面を振動面２０と呼称する。本実施形態では、Ｚ軸方向が、振動面２０に直交する方向に対応する。

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。

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３に示すように、駆動力伝達部２８は、振動部２１の＋Ｙ軸方向の先端部に配置される。駆動力伝達部２８は、先端部２８１を有して形成されている。先端部２８１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２８１は、圧電駆動装置１が後述するロボット等の被固定部としての例えばステージ（図示省略）に固定された場合、ローター１００の外周面１０１に接触すると共に、バネ部４によって外周面１０１に押し付けられる。そのため、振動部２１の振動は、駆動力伝達部２８を介してローター１００に伝達される。駆動力伝達部２８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、耐久性に優れた駆動力伝達部２８となる。

図２、図３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。

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。

固定部２４は、圧電駆動装置１を例えばステージに固定する部位であり、本実施形態では２つの貫通孔２４１を有している。なお、固定部２４は、後述するバネ力伝達部３に有する固定部３２に上下の面を挟まれて、ステージに固定される。

図７、図８に示すように、振動体２の支持部２２、接続部２３、固定部２４は、層間部２６と、層間部２６を挟み込む一対の基板２７とで構成される。層間部２６は、一対の基板２７の間に位置し、基板２７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２７と接合されている。また、層間部２６は、＋Ｚ軸方向からの平面視で、基板２７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２６は絶縁性を有している。

層間部２６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２６が得られる。

ただし、金属材料を用いる場合には、層間部２６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２６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２５と層間部２６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（図示省略）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４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、駆動力伝達部２８の先端部２８１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、ローター１００が送り出され、ローター１００が時計回り方向に回転する。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、駆動力伝達部２８の先端部２８１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、ローター１００が送り出され、ローター１００が反時計回り方向に回転する。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。

バネ力伝達部３は、図１、図２、図７、図８に示すように、振動面２０に直交する方向となるＺ軸方向で、振動体２を挟んで積層される。また、＋Ｚ軸方向のバネ力伝達部３の上側には、バネ部４が積層される。併せて、－Ｚ軸方向のバネ力伝達部３の下側にも、バネ部４が積層される。

バネ力伝達部３は、振動体２とバネ部４とに接続して、バネ部４のバネ力を振動体２に伝える機能を有する。詳細には、バネ力伝達部３は、振動体２の支持部２２と、後述するバネ部４の圧縮バネ４３，４４とに接続して、圧縮バネ４３，４４のバネ力を支持部２２に伝える機能を有する。

最初に、＋Ｚ軸方向のバネ力伝達部３について説明する。
バネ力伝達部３は、図２、図７、図８に示すように、伝達部３１を有する。また、バネ力伝達部３は、伝達部３１の＋Ｘ軸方向に、Ｙ軸方向に延びる固定部３２を有している。バネ力伝達部３は、伝達部３１の－Ｙ軸方向に、固定部３２の－Ｙ軸方向の端部から－Ｘ軸方向に延出する基端部３３を有している。基端部３３は、固定部３２の上面から下側に、固定部３２の厚さより薄い所定の厚さを有して形成されている。

次に、－Ｚ軸方向のバネ力伝達部３について説明する。
－Ｚ軸方向のバネ力伝達部３は、図２、図７、図８に示すように、＋Ｚ軸方向のバネ力伝達部３同様に、伝達部３１を有する。また、－Ｚ軸方向のバネ力伝達部３は、伝達部３１の＋Ｘ軸方向に、Ｙ軸方向に延びる固定部３２を有している。また、バネ力伝達部３は、伝達部３１の－Ｙ軸方向に、固定部３２の－Ｙ軸方向の端部から－Ｘ軸方向に延出する基端部３４を有している。基端部３４は、固定部３２の下面から上側に、固定部３２の厚さより薄い所定の厚さを有して形成されている。

＋Ｚ軸方向および－Ｚ軸方向の伝達部３１は、＋Ｚ軸方向からの平面視で、振動体２の振動部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、伝達部３１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。

＋Ｚ軸方向および－Ｚ軸方向の固定部３２は、圧電駆動装置１を例えばステージに固定する部位であり、本実施形態では２つの貫通孔３２１を有している。なお、固定部３２は、振動体２の固定部２４に対応し、貫通孔３２１は、振動体２の固定部２４の貫通孔２４１に対応している。

バネ力伝達部３は、例えば、シリコン基板で形成される。これにより、例えば、エッチングによる形成を行うことができ、バネ力伝達部３の製造が容易となる。なお、バネ力伝達部３は、シリコン基板の他、各種金属材料、各種の硬質樹脂材料等を用いることができる。

バネ力伝達部３は、図２、図７、図８に斜線で示すように、振動体２の支持部２２と固定部２４との上下の面に、伝達部３１と固定部３２とが接合される。詳細には、＋Ｚ軸方向のバネ力伝達部３は、振動体２の支持部２２と固定部２４との上面に、バネ力伝達部３の伝達部３１と固定部３２との下面が接合される。また、－Ｚ軸方向のバネ力伝達部３は、図２、図７、図８に斜線で示すように、振動体２の支持部２２と固定部２４との下面に、バネ力伝達部３の伝達部３１と固定部３２との上面が接合される。なお、接合には、絶縁性の接着剤Ｇを用いている。

バネ部４は、図１、図２、図７、図８に示すように、振動面２０に直交する方向となるＺ軸方向で、＋Ｚ軸方向のバネ力伝達部３の上側と、－Ｚ軸方向のバネ力伝達部３の下側とに積層される。言い換えると、バネ部４は、上下方向のバネ力伝達部３を上側、下側で挟んで積層される。

バネ部４は、駆動力伝達部２８を被駆動部としてのローター１００に向けて付勢する機能を有する。言い換えると、バネ部４は、振動部２１を付勢方向に付勢する機能を有する。本実施形態における付勢方向とは、駆動力伝達部２８の先端部２８１、または振動部２１が、図３に示すローター１００の回動軸Ｏに向かう方向となる。更に言い換えると、付勢方向とは、駆動力伝達部２８の先端部２８１における＋Ｙ方向とも言える。

バネ部４は、図２、図５、図７、図８に示すように、伝達部４１と、基端部４２と、２つの圧縮バネ４３，４４とを有している。伝達部４１は、先端側でＸ軸方向に延びて形成される。圧縮バネ４３，４４は、図５に示すように、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、圧縮バネ４３，４４は、図５に示すように、Ｚ軸方向からの平面視で、伝達部４１と基端部４２とに挟まれて、Ｓ字状に幾重にも連なって形成されている。

また、圧縮バネ４３，４４は、付勢方向に沿う直線に対して対称形状となっている。言い換えると、図５に示すように、Ｚ軸方向からの平面視で、圧縮バネ４３，４４に対して、Ｘ軸方向の中心を結ぶ直線を中心線Ｌとした場合、その中心線Ｌに対して圧縮バネ４３と圧縮バネ４４とが対称形状に形成されている。なお、この場合、中心線Ｌの＋Ｙ軸方向が付勢方向となり、中心線Ｌが付勢方向に沿う直線となる。

圧縮バネ４３，４４が、付勢方向に沿う直線となる中心線Ｌに対して対称形状となるように形成することで、Ｘ軸方向に傾いたバネ力による付勢とはならず、バネ力を付勢方向に向けて均等に加えることができる。

バネ部４の構成材料としては、特に限定されない。バネ部４としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。バネ部４としてシリコン基板を用いることで、圧縮バネ４３，４４に対して、優れた加工精度を発揮することができる。また、バネ部４の製造にシリコンウエハー プロセスを用いることができ、バネ部４を効率的に製造することができる。

バネ部４は、具体的には、シリコン基板をエッチングすることで形成される。特に、本実施形態の圧縮バネ４３，４４は、最初に、シリコン基板の上下方向の面を所定の寸法でエッチングし、次に、圧縮バネ４３，４４のバネ形状を構成するように側面をエッチングしている。このようにして形成されたバネ部４は、特に、圧縮バネ４３，４４において、高い寸法精度で形成することができる。そのため、例えば、圧縮バネ４３，４４の幅や長さを含むバネ形状を設計通りに形成し易くなり、設計通りの付勢力を得ることができる。

また、前述した加工により、圧縮バネ４３，４４は、図７、図８に示すように、伝達部４１と基端部４２の上下方向の面に対して、所定の寸法だけ内側に入った領域に形成される。これにより、バネ部４が上下方向を、誘導部５とバネ力伝達部３とに接合された場合にも、図７、図８に示すように、圧縮バネ４３，４４は、上下方向の誘導部５とバネ力伝達部３との間に、隙間Ｓを確保することができる。従って、バネ部４が上下方向を、誘導部５とバネ力伝達部３とに接合された場合にも、圧縮バネ４３，４４は、これらの部材に係合することなく、バネの機能を果たすことができる。

＋Ｚ軸方向のバネ部４は、図２、図７、図８に斜線で示すように、下側のバネ力伝達部３の伝達部３１と基端部３３との上面に、バネ部４の伝達部４１と基端部４２との下面が接合される。また、－Ｚ軸方向のバネ部４は、図２、図７、図８に斜線で示すように、上側のバネ力伝達部３の伝達部３１と基端部３４との下面に、バネ部４の伝達部４１と基端部４２との上面が接合される。なお、接合には、絶縁性の接着剤Ｇを用いている。

以上のように、振動体２の上方向および下方向に、バネ力伝達部３およびバネ部４が接合された場合、振動部２１の振動面２０に直交する方向からの平面視で、振動体２とバネ部４とが重なる状態となる。

また、本実施形態では、上述したように、振動面２０に直交する方向にバネ部４を２つ、言い換えると圧縮バネ４３，４４を２つ有しており、振動体２は、２つの圧縮バネ４３，４４の間に配置される状態となる。但し、バネ部４は、この配置には限定されず、振動面２０に直交する方向に少なくとも１つ設けられていればよく、いずれか一方のバネ部４を省略してもよい。

誘導部５は、図１、図２、図７、図８に示すように、振動面２０と直交する方向となるＺ軸方向で、＋Ｚ軸方向のバネ部４の上側と、－Ｚ軸方向のバネ部４の下側とに積層される。言い換えると、誘導部５は、上下方向のバネ部４を上側、下側で挟んで積層される。なお、誘導部５は、振動体２を付勢方向に誘導する機能を有する。

誘導部５は、図２、図６～図８に示すように、誘導部本体５１と、基端部５３と、凸部５２と、凹部５４とを有している。誘導部本体５１は、先端側でＸ軸方向に延びて形成される。基端部５３は、基端側でＸ軸方向に延びて形成される。

ここで、＋Ｚ軸方向の誘導部５について説明する。凸部５２は、図２、図６～図８に示すように、誘導部本体５１の下面から所定の厚さと、Ｘ軸方向の所定の幅とを有して、誘導部本体５１のＸ軸方向の中央から－Ｙ軸方向の基端部５３の中央部まで延出して形成される。凹部５４は、基端部５３の下面から上方向に、凸部５２の厚さを逃げる所定の深さと、凸部５２の幅を逃げるＸ軸方向の所定の幅とを備えて溝形状に形成される。なお、－Ｚ軸方向の誘導部５は、本実施形態では、前述した＋Ｚ軸方向の誘導部５を、Ｙ軸を中心にして反転させた状態となる。

誘導部５は、凸部５２と凹部５４とで誘導機構を構成している。誘導機構は、凹部５４に凸部５２が入り込み、言い換えると、凹部５４と凸部５２とが嵌合し、凸部５２のＸ軸方向のズレを規制することにより、結果として、振動体２を付勢方向に誘導する。また、併せて、バネ部４の動作による凸部５２の－Ｙ軸方向への移動を、凹部５４が許容している。

誘導部５は、本実施形態では、凹部５４と凸部５２とを有して嵌合させる誘導機構を備えている。しかし、誘導機構は、振動体２を付勢方向に誘導する機能を有していれば、その構成には限定されない。

誘導部５は、例えば、シリコン基板で形成される。これにより、例えば、エッチングによる形成を行うことができ、誘導部５の製造が容易となる。なお、誘導部５は、シリコン基板の他、各種金属材料、各種の硬質樹脂材料等を用いることができる。

＋Ｚ軸方向の誘導部５は、図２、図７、図８に斜線で示すように、下側のバネ部４の伝達部４１と基端部４２との上面に、誘導部５の誘導部本体５１と基端部５３との下面が接合される。また、－Ｚ軸方向の誘導部５は、図２、図７、図８に斜線で示すように、上側のバネ部４の伝達部４１と基端部４２との下面に、誘導部５の誘導部本体５１と基端部５３との上面が接合される。なお、接合には、絶縁性の接着剤Ｇを用いている。

以上のように各部材は構成され、それぞれ接合されることにより、図１に示す圧電駆動装置１が完成する。
なお、圧電駆動装置１は、振動体２を中心として、＋Ｚ方向に、バネ力伝達部３、バネ部４、誘導部５がこの順に配置され、－Ｚ方向に、バネ力伝達部３、バネ部４、誘導部５がこの順に配置されていれば、各部材同士の接合の順番は限定されない。

圧電駆動装置１を被固定部としての例えばステージに固定する場合、最初に、圧電駆動装置１を、ステージに設置される基準ピン（図示省略）に合せて設置する。その後、積層された振動体２の固定部２４、及びその上下方向に積層されるバネ力伝達部３の固定部３２に形成されている貫通孔３２１，２４１に、上側から固定ネジ（図示省略）を挿入して、ステージに形成される固定用孔（図示省略）に螺合させることにより固定する。

本実施形態では、下側のバネ力伝達部３の固定部３２の下面と、下側の誘導部５の誘導部本体５１の下面と、に段差を有している。このような場合には、段差分を含めて、固定部３２に対応するステージの領域を突出させることでもよい。また、段差分を含めて、スペーサーを介してステージに固定することでもよい。また、本実施形態では、貫通孔は各固定部に２つ有しているが、これには限定されず、貫通孔は各固定部に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、バネ部４とを備えている。また、振動体２は、圧電素子２ａ～２ｆを有する振動部２１と、振動部２１に配置されて被駆動部としてのローター１００に駆動力を伝達する駆動力伝達部２８と、を有している。バネ部４は、駆動力伝達部２８をローター１００に向けて付勢する圧縮バネ４３，４４を有している。そして、振動部２１の振動面２０に直交する方向からの平面視で、振動体２とバネ部４とが重なっている。
この構成により、圧電駆動装置１をステージ等に固定する場合、駆動力伝達部２８とは反対方向となる－Ｙ軸方向には、圧縮バネ４３，４４が配置されないため、駆動力伝達部２８とは反対方向での圧電駆動装置１の小型化を図ることができる。また、圧縮バネ４３，４４が付勢する方向と直交する振動面２０に沿う方向となるＸ軸方向での圧電駆動装置１の小型化も図ることができる。

本実施形態の圧電駆動装置１において、バネ部４の圧縮バネ４３，４４は、板状である。
この構成により、圧縮バネ４３，４４を薄くすることができる。本実施形態の圧縮バネ４３，４４は、シリコン基板を用いて、シリコンウエハー プロセスにより効率的に形成している。

本実施形態の圧電駆動装置１において、圧縮バネ４３，４４は、付勢方向に沿う直線となる中心線Ｌに対して対称形状である。
この構成により、圧縮バネ４３，４４のバネ力に対して、付勢方向と直交するＸ軸方向への傾斜が抑えられてバランスよく付勢方向に付勢することができる。そのため、被駆動部としてのローター１００の駆動方向を切り替えた場合、どちらの方向にも均等に駆動力を伝えることが可能となる。

本実施形態の圧電駆動装置１は、振動体２の支持部２２と、バネ力伝達部３と、を有している。そして、支持部２２は、振動部２１を支持する。バネ力伝達部３は、振動面２０に直交する方向で、支持部２２と圧縮バネ４３，４４とに接続して圧縮バネ４３，４４のバネ力を支持部２２に伝える。
この構成により、圧縮バネ４３，４４のバネ力を支持部２２に効率的に伝えることができる。従って、支持部２２が支持する振動部２１に、バネ力を効率的に伝えることができる。

本実施形態の圧電駆動装置１は、振動面２０と直交する方向に誘導部５を有している。そして、誘導部５は、凹部５４と凸部５２とを有して嵌合し、振動体２を付勢方向に誘導する。
この構成により、付勢方向と直交するＸ軸方向への動作を規制することができることで、更にバランスよく付勢方向に付勢することができる。

本実施形態の圧電駆動装置１は、振動面２０に直交する方向に圧縮バネ４３，４４を２つ有している。そして、振動体２は、２つの圧縮バネ４３，４４の間に配置される。
この構成により、圧電駆動装置１は、振動体２を厚さ方向の両側から付勢する構成となる。そのため、振動体２の姿勢のばらつき、特にＺ軸方向への傾斜が抑えられてバランスよく付勢することができる。そのため、振動体２で発生する駆動力の伝達ロスが抑制され、駆動力を効率的にローター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。

２．第２実施形態
図９は、第２実施形態に係る圧電駆動装置１Ａのバネ部４Ａ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、バネ部４Ａの構成が異なる。その他の構成は、第１実施形態と同様となる。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。

バネ部４Ａは、第１実施形態と同様に構成される伝達部４１と基端部４２とに加えて、本実施形態の２つの圧縮バネ４６，４７とを有している。２つの圧縮バネ４６，４７は、図９に示すように、Ｚ軸方向からの平面視で、伝達部４１と基端部４２とに挟まれて、コイル状に延びて形成されるコイルバネとなっている。また、圧縮バネ４６，４７は、付勢方向に沿う直線となる、第１実施形態と同様の中心線Ｌに対して対称形状となっている。

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、圧縮バネ４６，４７は、コイルバネで構成されている。これにより、第１実施形態の圧縮バネ４３，４４に対して、コイルバネも用いることができ、圧縮バネの構成の自由度を向上させることができる。

３．第３実施形態
図１０は、第３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１１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をロボット５００に適用することでもよい。

図１０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）およびハンド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１１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、駆動力伝達部２８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駆動力伝達部２８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。
このように、ロボット５００が、駆動力伝達部２８とは反対方向での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、３…バネ力伝達部、４…バネ部、５…誘導部、２０…振動面、２１…振動部、２２…支持部、２８…駆動力伝達部、４３，４４…圧縮バネ、５２…凸部、５４…凹部、１００…被駆動部としてのローター、５００…ロボット、Ｌ…付勢方向に沿う直線としての中心線。

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被駆動部に駆動力を伝達する駆動力伝達部と、を有する振動体と、
   前記駆動力伝達部を前記被駆動部に向けて付勢する圧縮バネを有するバネ部と、を備え、
   前記振動部の振動面に直交する方向からの平面視で、前記振動体と前記バネ部とが重なっている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、
   前記圧縮バネは、板状であ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、
   前記圧縮バネは、付勢方向に沿う直線に対して対称形状であることを特徴とする圧電駆動装置。
4. 請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の圧電駆動装置であって、
   前記振動部を支持する支持部と、
   前記振動面に直交する方向で、前記支持部と前記圧縮バネとに接続して前記圧縮バネのバネ力を前記支持部に伝えるバネ力伝達部と、を有す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、
   前記振動面と直交する方向に誘導部を有し、
   前記誘導部は、凹部と凸部とを有して嵌合し、前記振動体を付勢方向に誘導することを特徴とする圧電駆動装置。
6. 請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の圧電駆動装置であって、
   前記振動面に直交する方向に前記圧縮バネを２つ有し、
   前記振動体は、前記２つの圧縮バネの間に配置され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。

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