JP6432369B2 - 圧電駆動装置、ロボット及びロボットの駆動方法 - Google Patents

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。

弾性シム材（振動板）と、圧電体の両方に磁気ヘッド支持部材が接着された圧電アクチュエータが知られている（特許文献１）。

特開平０６−２０３３５１号公報

特許文献１の圧電アクチュエータでは、振動板と圧電体の変形量が異なるため、磁気ヘッド支持部材との接着面において剥離応力が発生して、磁気ヘッド支持部材が脱離する虞がある。また、振動板と圧電体の熱膨張率が異なるため、温度変化によっても、磁気ヘッド支持部材が脱離する虞がある。このような脱離は、被駆動体と接触可能な接触部材を備えた圧電振駆動装置における接触部材についても同様に起こり得る。

本発明は、上述の課題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。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、振動板と、前記振動板の少なくとも一方の面に配置された圧電振動体と、被駆動体と接触可能な接触部材と、を備える。前記圧電振動体に電圧が印加されていない状態において、前記振動板と前記接触部材との第１距離は、前記圧電振動体と前記接触部材との第２距離と異なっており、前記接触部材は、前記第１距離が前記第２距離よりも短く、少なくとも前記振動板に接着されており、前記第１距離と前記第２距離との差は、前記圧電振動体に電圧を印加したときの変位量よりも大きい。この形態によれば、圧電振動体に電圧が印加されて、第１距離と第２距離が変化しても、そのため、接触部材を脱離し難く出来る。

（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、振動板と、前記振動板の少なくとも一方の面に配置された圧電振動体と、被駆動体と接触可能な接触部材と、を備える。前記圧電振動体に電圧が印加されていない状態において、前記振動板と前記接触部材との第１距離は、前記圧電振動体と前記接触部材との第２距離と異なっており、前記接触部材は、前記第１距離が前記第２距離よりも短い場合、少なくとも前記振動板に接着されており、前記第１距離が前記第２距離よりも長い場合、少なくとも前記圧電振動体に接着されている。この形態によれば、第１距離が第２距離より短い場合には、接触部材は、少なくとも振動板に接着されているので、圧電振動体に電圧が印加されて、第１距離と第２距離が変化しても、接触部材が振動板から脱離し難い。逆に、第１距離が第２距離より長い場合には、接触部材は、少なくとも圧電振動体に接着されているので、圧電振動体に電圧が印加されて、第１距離と第２距離が変化しても、接触部材が圧電振動体から脱離し難い。

（２）上記形態の圧電駆動装置において、前記接触部材と対向する前記振動板の面と、前記接触部材と対向する前記圧電振動体の面は、異なる平面上に位置してもよい。この形態によれば、接触部材と対向する振動板の面と、接触部材と対向する圧電振動体の面とが異なる平面上に位置しているので、圧電振動体に電圧が印加されて、第１距離と第２距離が変化しても、接触部材を脱離し難く出来る。

（３）上記形態の圧電駆動装置において、前記第１距離は、前記第２距離よりも短くても良い。圧電駆動装置では、電圧の印加により圧電振動体が伸縮し、圧電振動体の伸縮により振動板が伸縮する。この形態によれば、第１距離は第２距離よりも短いので、接触部材は、少なくとも振動板に接着されている。圧電振動体に電圧が印加されて、第１距離と第２距離が変化しても、そのため、接触部材を脱離し難く出来る。

（４）上記形態の圧電駆動装置において、前記第１距離と前記第２距離との差は、前記圧電振動体に電圧を印加したときの前記圧電振動体の変位量よりも大きい。この形態によれば、圧電振動体が伸縮しても、接触部材を脱離し難く出来る。

（５）上記形態の圧電駆動装置において、前記圧電振動体の厚みは、５０ｎｍ以上２０μｍ以下であってもよい。この形態によれば、圧電素子の厚さを５０ｎｍ（０．０５μｍ）以上２０μｍ以下とするので、小型の圧電駆動装置を実現できる。

（６）上記形態の圧電駆動装置において、前記振動板は、シリコン、シリコン化合物、金属、金属酸化物、またはダイヤモンドで形成されていてもよい。この形態によれば、圧電駆動装置の機械的品質係数Ｑｍの値を大きくできる。

（７）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。

（８）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、前記圧電振動体は、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置する圧電体とを有し、前記第１電極と前記第２電極との間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、送液ポンプ、投薬ポンプ等、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。 圧電駆動装置の屈曲振動の例を示す説明図。 振動板と圧電振動体の一部と、接触部材と、を示す斜視図。 比較例における接触部材の接着を示す説明図。 第１の実施形態における接触部材の接着状態を示す説明図。 第２の実施形態における接触部材の接着状態を示す説明図。 第３の実施形態における接触部材の接着状態を示す説明図。 本発明の他の実施形態としての圧電駆動装置の断面図。 他の実施形態としての圧電駆動装置の平面図。 圧電駆動装置を利用したロボットの一例を示す説明図。 図１２に示した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。

・第１実施形態：
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、圧電駆動装置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装置１０を見たときの図である。圧電駆動装置１０は、振動板２００と、振動板２００の両面（第１面２１１（「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）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、圧電駆動装置１０を十分に小型化することができる。

振動板２００の一方の短辺には、凸部２０１が設けられ、凸部２０１の頂部に接触部材２０が接着されている。本実施形態では、凸部２０１を除けば、振動板２００と、圧電振動体１００とは、面一である。なお、凸部２０１以外の振動板２００が、圧電振動体１００より飛び出ている構成であってもよい。接触部材２０と振動板２００（凸部２０１）との接着については、後述する。

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、接触部材２０を接着するための凸部２０１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。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、圧電駆動装置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、圧電駆動装置１０の屈曲振動の例を示す説明図である。圧電駆動装置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、圧電駆動装置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、圧電駆動装置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。

図５は、振動板２００と圧電振動体１００の一部と、接触部材２０と、を示す斜視図である。接触部材２０は、振動板２００に形成された凸部２０１の上に接着されている。

第１〜第３の実施形態の接触部材の接着を説明する前に、比較例の接触部材の接着について説明する。

図６は、比較例における接触部材２０の接着を示す説明図である。図６（Ａ）は、圧電振動体１００に電圧を印加していない状態を示している。図６（Ｂ）は、圧電振動体１００に電圧を印加し、圧電振動体１００が最も大きく伸張した時の状態を示している。図６（Ｃ）は、圧電振動体１００に電圧を印加し、圧電振動体１００が最も小さく収縮した時の状態を示している。

図６（Ａ）に示すように、振動板２００と圧電振動体１００とは、接着剤２５０によって接着されている。比較例では、振動板２００に凸部２０１が設けられていない。したがって、振動板２００の接触部材２０側の面２００ｓと、圧電振動体１００の接触部材２０側の面１００ｓとは、面一である。また、接触部材２０は、接着剤２５１によって、面２００ｓと面１００ｓとに接着されている。

本実施形態及び比較例において、接触部材２０と振動板２００との間の距離を「第１距離」と呼び、接触部材と圧電振動体１００との間の距離を「第２距離」と呼ぶ。圧電振動体１００に電圧を印加していない状態において、第１距離Ｌ１は接触部材２０と振動板２００の面２００ｓとの間の距離であり、第２距離Ｌ２は接触部材２０と圧電振動体１００の面１００ｓとの間の距離であり、これらは、いずれもほぼゼロである。

図６（Ｂ）に示すように、圧電振動体１００が伸張すると、接触部材２０と振動板２００の面２００ｓとの間の距離である第１距離Ｌ１ａが大きくなる。この場合、接触部材２０と振動板２００との間の接着剤２５１に、接触部材２０を振動板２００から剥離しようとする応力がかかり、接触部材２０が振動板２００から剥離するおそれがある。

図６（Ｃ）に示すように、圧電振動体１００が収縮すると接触部材２０と圧電振動体１００の面１００ｓとの間の距離である第１距離Ｌ２ｂが大きくなる。この場合、接触部材２０と圧電振動体１００との間の接着剤２５１に、接触部材２０を圧電振動体１００から剥離しようとする応力がかかり、接触部材２０が圧電振動体１００から剥離するおそれがある。

ところで、圧電振動装置１０は、図４に示すようにＳ字に屈曲するため、圧電振動体１００が伸縮する場合、例えば、圧電素子１００ａが伸張する場合、圧電素子１００ｃが収縮する。また、圧電素子１００ａが収縮する場合、圧電素子１００ｃは伸張する。すなわち、圧電振動装置１０は、あるタイミングでは、圧電素子１００ａ側が図６（Ｂ）に示す状態となり、圧電素子１００ｃ側が図６（Ｃ）に示す状態となり、別のタイミングでは、圧電素子１００ａ側が図６（Ｃ）に示す状態となり、圧電素子１００ｃ側が図６（Ｂ）に示す状態となる。そして、これらの状態が交互に繰り返される。そのため、比較例では、接触部材２０は、圧電振動体１００、振動板２００のいずれからも剥離し易くなる。接触部材２０が圧電振動体１００、振動板２００のいずれからも剥離すれば、接触部材２０は脱離する。

図７は、第１の実施形態における接触部材２０の接着状態を示す説明図である。図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）は、それぞれ、圧電振動体１００に電圧を印加していない状態、圧電振動体１００が伸張した時の状態、圧電振動体が収縮した時の状態を示している。

図７（Ａ）に示すように、振動板２００と圧電振動体１００とは、接着剤２５０により接着されている。第１の実施形態では、接触部材２０は、接着剤２５１により、振動板２００に形成された凸部２０１の頂部に接着されている。具体的には、接触部材２０と対向する面２０１ｓに、接着されている。接触部材２０は、圧電振動体１００の、接触部材２０と対向する面１００ｓには接着されていない。

圧電振動体１００に電圧を印加していない状態において、第１距離Ｌ１は、接触部材２０と振動板２００の面２０１ｓとの間の距離であり、第１距離Ｌ１は、接着剤２５１の厚みがあるのでゼロではないが、ほぼゼロである。第２距離Ｌ２は、接触部材２０と圧電振動体１００の面１００ｓとの間の距離であり、第１距離Ｌ１よりも大きい。したがって、面２０１ｓと面１００ｓとは、異なる平面上に位置している。なお、凸部２０１を除いた振動板２００と、圧電振動体１００とが面一の場合、第１距離Ｌ１と第２距離Ｌ２との差は、凸部２０１の高さに等しい。また、第１距離Ｌ１と第２距離Ｌ２との差は、圧電振動体１００が最も伸張した時の圧電振動体の大きさと、圧電振動体１００に電圧を印加していない時の圧電振動体の大きさ、との差よりも大きい。

図７（Ｂ）に示すように、圧電振動体１００が伸張すると、接触部材２０と圧電振動体１００との間の距離である第２距離Ｌ２ａは、圧電振動体１００に電圧を印加していないときの第２距離Ｌ２よりも短くなる。しかしながら、本実施形態では、凸部２０１の高さ（電圧を印加していないときの第１距離Ｌ１と第２距離Ｌ２との差に等しい）は、圧電振動体１００が最も伸張した時の圧電振動体の大きさと、圧電振動体１００に電圧を印加していない時の圧電振動体の大きさ、との差よりも大きいので、圧電振動体１００の伸張によって、接触部材２０は振動板２００から剥離せず、脱離しない。

図７（Ｃ）に示すように、圧電振動体１００が収縮すると、接触部材２０と圧電振動体１００との間の距離である第２距離Ｌ２ｂは、圧電振動体１００に電圧を印加していないときの第２距離Ｌ２よりも大きくなる。圧電振動体１００の収縮によって、接触部材２０は振動板２００から脱離しない。

以上のように、第１の実施形態では、圧電振動体１００に電圧が印加されていない状態において、振動板２００と接触部材２０との第１距離Ｌ１は、圧電振動体１００と接触部材２０との第２距離Ｌ２と異なっており、第１距離Ｌ１が第２距離Ｌ２よりも短い。そのため、圧電振動体１００の伸張や収縮によって、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）に示すような状態となっても、接触部材２０が振動板２００から脱離しない。

上記説明では、接触部材２０は、振動板２００と接着剤２５１で接着されていると説明したが、接触部材２０は、圧電振動体１００と、接着剤２５１で接着されていても良い。接触部材２０を強く接着できる。また、接触部材２０は、少なくとも振動体２００に接着されていれば、仮に図７（Ｂ）の状態となって、接触部材２０と圧電振動体１００との間の接着が剥離しても、接触部材２０は脱離しない。

なお、第１距離Ｌ１と第２距離Ｌ２との差は、圧電振動体１００に電圧を印加したときの変位量（｜電圧を印加して最も大きく変化したときの圧電振動体１００の長さ−電圧を印加していないときの圧電振動体１００の長さ｜）よりも大きいことが好ましい。圧電振動体１００の伸張、収縮によって、接触部材２０が振動板２００から脱離しない。ただし、第１距離Ｌ１＜第２距離Ｌ２であれば、第１距離Ｌ１と第２距離Ｌ２との差は、圧電振動体１００に電圧を印加したときの変位量（｜電圧を印加して最も大きく変化したときの圧電振動体１００の長さ−電圧を印加していないときの圧電振動体１００の長さ｜）よりも大きくなくてもよい。第１距離Ｌ１＜第２距離Ｌ２であれば、接触部材２０を振動板２００から脱離させようとする応力は、比較例における接触部材２０を振動板２００から脱離させようとする応力よりも弱くなるので、比較例よりも接触部材２０が脱離し難くなる。

・第２の実施形態：
図８は、第２の実施形態における接触部材２０の接着状態を示す説明図である。図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）は、それぞれ、圧電振動体１００に電圧を印加していない状態、圧電振動体１００が最も大きく伸張した時の状態を示している。第１の実施形態との違いは、第２の実施形態では、振動板２００に凸部２０１が設けられておらず、圧電振動体１００が振動板２００よりも接触部材２０側に突出している点である。そのため、接触部材２０と圧電振動体１００の面１００ｓとの間の距離である第２距離Ｌ２は、接触部材２０と振動板２００の面２００ｓとの間の距離である第１距離Ｌ１よりも短い。面１００ｓと面２００ｓとは異なる平面に位置しており、接触部材２０は、圧電振動体１００の面１００ｓに接着されている。

図８（Ｂ）に示すように、圧電振動体１００が伸張した場合、接触部材２０と振動板２００の面２００ｓとの間の距離である第１距離Ｌ１ａは、電圧を印加していないときの第１距離Ｌ１よりも長い。そのため、圧電振動体１００の伸張によって、接触部材２０が圧電振動体１００から剥離せず、脱離しない。

図８（Ｃ）に示すように、圧電振動体１００収縮した場合、接触部材２０と、振動板２００の面２００ｓとの間の距離である第１距離Ｌ１ｂは０よりも大きい。そのため、圧電振動体１００の収縮によって、接触部材２０は圧電振動体１００から脱離しない。なお、電圧を印加していないときの接触部材２０と振動板２００の面２００ｓとの間の距離である第１距離Ｌ１の大きさによっては、圧電振動体１００に電圧を印加したときの第１距離Ｌ１ｂがゼロよりも小さくなって、接触部材２０を圧電振動体１００から脱離させようとする応力がかかる場合も有り得る。しかし、その応力は、比較例よりも小さいため、比較例に比べて、接触部材２０は、脱離し難い。

第２の実施形態のように、圧電振動体１００の電圧を印加しない状態において、第１距離Ｌ１が第２距離Ｌ２よりも長い場合、接触部材２０は、圧電振動体１００に接着されているので、圧電振動体１００が伸張や収縮しても、しても、接触部材２０を圧電振動体１００から脱離させようとする応力が掛からず、あるいは、仮に応力が掛かっても、その応力の大きさは比較例より小さいので、接触部材２０を脱離し難く出来る。

なお、上記説明で、接触部材２０は、圧電振動体１００の面１００ｓに接着されていると説明したが、接触部材２０は、振動板２００の面２００ｓと接着されていても良い。接触部材２０を強く接着できる。また、接触部材２０は、少なくとも圧電振動体１００に接着されていれば、仮に図８（Ｂ）の状態となって、接触部材２０と振動板２００との間の接着が剥離しても、接触部材２０は脱離しない。

第１の実施形態と同様に、第２の実施形態においても、第１距離Ｌ１と第２距離Ｌ２との差は、圧電振動体１００に電圧を印加したときの変位量（｜電圧を印加して最も大きく変化したときの圧電振動体１００の長さ−電圧を印加していないときの圧電振動体１００の長さ｜）よりも大きくなくてもよい。比較例と比較して、接触部材２０を脱離させようとする応力を小さく出来る。

・第３の実施形態：
図９は、第３の実施形態における接触部材２０の接着状態を示す説明図である。図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）は、それぞれ、圧電振動体１００に電圧を印加していない状態、圧電振動体１００が最も大きく伸張した時の状態を示している。第３の実施形態は、圧電振動体１００、振動板２００の構成は、比較例と同じであるが、接触部材２０の形状が異なっている。具体的には、接触部材２０の振動板２００と対向する部分２１が圧電振動体１００と対向する部分２２よりも振動板側に突出している点が、比較例と異なる。

図９（Ｂ）に示すように、圧電振動体１００が伸張した場合、接触部材２０と圧電振動体１００の面１００ｓとの間の距離である第２距離Ｌ２ａは、電圧を印加していないときの第２距離Ｌ２よりも長い。そのため、圧電振動体１００の伸張によって、接触部材２０は圧電振動体１００から脱離しない。

図９（Ｃ）に示すように、圧電振動体１００が収縮した場合、接触部材２０と圧電振動体１００の面１００ｓとの間の距離である第１距離Ｌ２ｂは、圧電振動体１００に電圧を印加していないときの第２距離Ｌ２よりも大きい。そのため、圧電振動体１００の収縮によって、接触部材２０は圧電振動体１００から脱離しない。

以上、第３の実施形態においても、圧電振動体１００に電圧が印加されていない状態において、振動板２００と接触部材２０との第１距離Ｌ１は、第２距離Ｌ２よりも短いので、圧電振動体１００が伸張や収縮しても、接触部材２０が振動板２００から脱離し難い。

接触部材２０は、圧電振動体１００と、接着剤２５１で接着されていても良いこと、及び、第１距離Ｌ１＜第２距離Ｌ２であれば、第１距離Ｌ１と第２距離Ｌ２との差は、圧電振動体１００に電圧を印加したときの変位量（｜電圧を印加して最も大きく変化したときの圧電振動体１００の長さ−電圧を印加していないときの圧電振動体１００の長さ｜）よりも大きくなくてもよいことについては、第１の実施形態と同様である。

・圧電駆動装置の他の実施形態：
図１０は、本発明の他の実施形態としての圧電駆動装置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。この圧電駆動装置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。振動板２００の端部には、基板１２０よりも突出するように凸部２０１が設けられ、凸部２０１に接触部材２０が接着されている。なお、図１０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。この圧電駆動装置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１１（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動装置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１１（Ａ）〜（Ｃ）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１１（Ａ）の圧電駆動装置１０ｂでは、一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃが省略されている。この圧電駆動装置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１１（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１１（Ｂ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動装置１０ｃの平面図である。この圧電駆動装置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。この圧電駆動装置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１１（Ｃ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動装置１０ｄの平面図である。この圧電駆動装置１０ｄでは、図１（Ａ）の４つの第２電極１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄが省略されており、１つの第２電極１５０ｅが大きな面積で形成されている。この圧電駆動装置１０ｄは、長手方向に伸縮するだけであるが、接触部材２０から被駆動体（図示省略）に対して大きな力を与えることが可能である。

図１及び図１１（Ａ）〜（Ｃ）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１１（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１２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１３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１４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の接触部材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、１０ｂ、１０ｃ…圧電駆動装置 ２０…接触部材 ２１…部分 ２２…部分 ５０…ローター ５１…中心 １００…圧電振動体 １００ｓ…面 １１０ａ〜１１０ｅ…圧電素子 １２０…基板 １２５…絶縁層 １３０…第１電極 １４０…圧電体 １５０、１５０ａ〜１５０ｅ…第２電極（電体層） １５１、１５２…配線 ２００…振動板 ２００ｓ…面 ２０１…凸部 ２０１ｓ…面 ２１０…振動体部 ２１１…第１面 ２１２…第２面 ２２０…接続部 ２３０…取付部 ２４０…ネジ ２５０…接着剤 ２５１…接着剤 ３００…駆動回路 ３１０…配線 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 ｘ…矢印 ｙ…矢印 ｚ…方向 Ｌ１、Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ…第１距離 Ｌ２、Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ…第２距離

Claims (6)

1. 振動板と、
   前記振動板の少なくとも一方の面に配置された圧電振動体と、
   被駆動体と接触可能な接触部材と、
   を備え、
   前記圧電振動体に電圧が印加されていない状態において、前記振動板と前記接触部材との第１距離は、前記圧電振動体と前記接触部材との第２距離と異なっており、
   前記接触部材は、前記第１距離が前記第２距離よりも短く、少なくとも前記振動板に接着されており、
   前記第１距離と前記第２距離との差は、前記圧電振動体に電圧を印加したときの変位量よりも大きい、
   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、
   前記接触部材と対向する前記振動板の面と、前記接触部材と対向する前記圧電振動体の面は、異なる平面上に位置する、圧電駆動装置。
3. 請求項１または２に記載の圧電駆動装置において、
   前記圧電振動体の厚みは、５０ｎｍ以上２０μｍ以下である、圧電駆動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
   前記振動板は、シリコン、シリコン化合物、金属、金属酸化物、またはダイヤモンドで形成されている、圧電駆動装置。
5. 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１〜４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。
6. 請求項５に記載のロボットの駆動方法であって
   前記圧電振動体は、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置する圧電体とを有し、
   前記第１電極と前記第２電極との間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。

Images