JP6467809B2 - 圧電駆動装置及びその駆動方法、ロボット及びその駆動方法 - Google Patents
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Description
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)はそのB−B断面図である。圧電駆動装置10は、振動板200と、振動板200の両面(第1面211と第2面212)にそれぞれ配置された2つの圧電振動体100とを備える。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。
・駆動回路300と、圧電素子110c1の第1電極130とが配線320により配線されている。
・圧電素子110c1の第2電極150と、圧電素子110c2の第1電極130とが配線155c1により配線されている。
・圧電素子110c2の第2電極150と、圧電素子110b1の第1電極130とが配線152により配線されている。
・圧電素子110b1の第2電極150と、圧電素子110b2の第1電極130とが配線155b1により配線されている。
・圧電素子110b2の第2電極150と、駆動回路300とが、配線310により配線されている。
この配線により、圧電素子110c1,110c2,110b1,110b2は、直列に接続される。
・駆動回路300と、圧電素子110a1の第1電極130とが配線324により配線されている。
・圧電素子110a1の第2電極150と、圧電素子110a2の第1電極130とが配線155a1により配線されている。
・圧電素子110a2の第2電極150と、圧電素子110d1の第1電極130とが配線151により配線されている。
・圧電素子110d1の第2電極150と、圧電素子110d2の第1電極130とが配線155d1により配線されている。
・圧電素子110d2の第2電極150と、駆動回路300とが、配線314により配線されている。
この配線により、圧電素子110a1,110a2,110d1,110d2は、直列に接続される。
・駆動回路300と、圧電素子110e1の第1電極130とが配線322により配線されている。
・圧電素子110e1の第2電極150と、圧電素子110e2の第1電極130とが配線155e1により配線されている。
・圧電素子110e2の第2電極150と、圧電素子110e3の第1電極130とが配線155e2により配線されている。
・圧電素子110e3の第2電極150と、圧電素子110e4の第1電極130とが配線155e3により配線されている。
・圧電素子110e4の第2電極150と、駆動回路300とが、配線312により配線されている。
この配線により、圧電素子110e1,110e2,110e3,110e4は、直列に接続される。
(1)面積の効果:本実施形態の圧電素子110の第1電極130、第2電極150の面積は、先行技術(特開2004−320979号公報)の図6に示されている圧電素子の第1電極、第2電極の面積と比較して、半分である。静電容量は電極の面積に比例するので、圧電素子の静電容量は、1/2となる。
上記説明では、各圧電素子グループ110a,110b,110c,110dの圧電素子をそれぞれ2個に分割し、圧電素子グループ110eの圧電素子を4個に分割し、4個の圧電素子を直列に接続した例を用いて説明したが、各圧電素子グループ110a,110b,110c,110dの圧電素子分割の数N個(Nは2以上)であってもよい。この場合、圧電素子グループ110eの圧電素子は、2N個に分割すれば良い。各圧電素子グループ110a,110b,110c,110dの圧電素子をN個に分割した場合、合成静電容量は、1/(2N)2となる。
図9は、圧電素子の形状、配置のバリエーション例を示す説明図である。図9(A)に示す例は、個々の圧電素子110の平面形状が三角形である点で、図1に示した第1の実施形態と異なる。しかしながら、圧電素子110の平面形状が異なっても、圧電素子の2枚の電極が重なる部分の面積が同じであれば、静電容量もほぼ同じになる。したがって、図9(A)に示す例においても、第1の実施形態と同様に合成静電容量を低減できる。
図10は、第1の実施形態の変形例にかかる圧電駆動装置10を示す説明図であり、図1(B)に対応する図である。図10に示す変形例の圧電駆動装置10は、振動板200の両面に圧電振動体100を配置し、表面の圧電振動体100の圧電素子110と、裏面の圧電振動体100の圧電素子110とを、さらに直列に接続している。このようにすれば、圧電駆動装置10の静電容量をさらに半分にできる。
図11は、第2の実施形態にかかる圧電駆動装置の圧電振動体100bの断面を示す説明図である。なお、図11では、図1に示した第3グループの圧電素子110e1〜110e4に関して、図1の実施形態と異なる積層構造を示している。この第2の実施形態では、3個の第1電極130e11〜130e13と、2個の圧電体140e11〜140e12と、2個の第2電極150e11〜150e12を備えている。第1電極130e11と、圧電体140e11の一部(第1電極130e11と重なる部分)と第2電極150e11の一部(第1電極130e11と重なる部分)で圧電素子110e1が形成されている。第1電極130e12の一部(第2電極150e11と重なる部分)と圧電体140e11の一部(第1電極130e12と重なる部分)と第2電極150e11の一部(第1電極130e12と重なる部分)で圧電素子110e2が形成されている。言い換えれば、第1の圧電素子110e1の第1電極と第2の圧電素子110e2の第1電極とは連続した1つの第1の電極130e11を形成し、第2の圧電素子110e2の第2電極と第3の圧電素子110e3の第2電極とは連続した1つの第2の電極150e11を形成している。同様に、圧電素子110e3が形成されている。なお、図11では、圧電体140が複数に分割(140e11、140e12、)されているが、圧電体140は、分割されずに連続していても良い。
図13は、本発明の第3の実施形態としての圧電駆動装置10b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10b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150c1,150c2,150d1,150d2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9においても、図1(B)と同様に、第1電極130a1,130a2,130b1,130b2,130c1,130c2,130d1,130d2,130e1,130e2,130e3,130e4と、第2電極150a1,150a2,150b1,150b2,150c1,150c2,150d1,150d2,150e1,150e2,150e3,150e4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10bも、第1実施形態と同様な効果を達成することができる。
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。
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。
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。
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。
20…突起部(接触部、作用部)
50…ローター(被駆動体)
51…被駆動体の中心
100、100b…圧電振動体
110a、110b、110c、110d、110e…圧電素子グループ
110a1、110a2、110b1、110b2、110c1、110c2、110d1、110d2、110e1〜110e4、110e11〜110e13…圧電素子
120…基板
125…絶縁層
130、130e11、130e12、130e13…第1電極
140、140e11、140e12…圧電体
150、150e11、150e12…第2電極
151、152…配線
155a1、155a2、155b1、155b2、155c1、155c2、155d1、155d2、155e1〜155e3…配線
160…絶縁層
163c1,163c2,163d1,164c1,164c2,164d1…コンタクトホール
173a1、173a2、173b1、173b2、173c1,173c2、173d1、…第1リード電極
174a1、174a2、174b1、174b2、174c1,174c2、174d1…第2リード電極
180…パッシベーション膜
200…振動板
202…絶縁層
204…配線層
206…絶縁層
208…導電性部材
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、312、314、320、322、324…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
2230…ケース
Claims (14)
- 被駆動体を駆動させる圧電駆動装置であって、
第1面及び第2面を有する振動板と、
第1電極、第2電極、および前記第1電極と前記第2電極との間に位置する圧電体、を備える圧電素子を複数有し、前記振動板の前記第1面及び第2面のうちの少なくとも一方の面に配置された圧電振動体と、
を備え、
前記複数の圧電素子は、前記被駆動体を駆動させる方向に応じて複数の圧電素子を含む複数のグループに分類されており、
前記複数のグループに含まれる複数の圧電素子は、直列に接続され、
前記複数の圧電素子のうちの第1の圧電素子の第2電極と第2の圧電素子の第2電極とは連続した1つの電極を形成している、圧電駆動装置。 - 請求項1に記載の圧電駆動装置において、
前記複数の圧電素子の大きさが同一である、圧電駆動装置。 - 請求項1または2に記載の圧電駆動装置において、
前記圧電振動体は、前記振動板の前記第1面と前記第2面の両面に配置されている、圧電駆動装置。 - 請求項3に記載の圧電駆動装置において、
前記第1面に配置された圧電振動体の圧電素子と、前記第2面に配置された圧電振動体の圧電素子とは、直列に接続されている、圧電駆動装置。 - 被駆動体を駆動させる圧電駆動装置であって、
第1面及び第2面を有する振動板と、
第1電極、第2電極、および前記第1電極と前記第2電極との間に位置する圧電体、を備える圧電素子を複数有し、前記振動板の前記第1面及び第2面のうちの少なくとも一方の面に配置された圧電振動体と、
を備え、
前記複数の圧電素子は、前記被駆動体を駆動させる方向に応じて複数の圧電素子を含む複数のグループに分類されており、
前記複数のグループに含まれる複数の圧電素子は、直列に接続され、
前記圧電振動体は、前記振動板の前記第1面と前記第2面の両面に配置され、
前記第1面に配置された圧電振動体の圧電素子と、前記第2面に配置された圧電振動体の圧電素子とは、直列に接続されている、圧電駆動装置。 - 請求項5に記載の圧電駆動装置において、
前記複数の圧電素子の大きさが同一である、圧電駆動装置。 - 請求項5または6に記載の圧電駆動装置において、
前記複数の圧電素子に駆動電圧を印加したときに、前記複数の圧電素子の分極の方向が同一方向である、圧電駆動装置。 - 請求項7に記載の圧電駆動装置において、
前記分極の方向は、前記第2電極から前記第1電極に向かう向きである、圧電駆動装置。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
前記複数の第1電極と前記振動板との間に基板が設けられている、圧電駆動装置。 - 請求項9に記載の圧電駆動装置において、
前記基板は、シリコンを含む、圧電駆動装置。 - 請求項1〜10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、前記被駆動体に接触する突起部を備える、圧電駆動装置。 - 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1〜11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。 - 請求項12に記載のロボットの駆動方法であって
前記圧電駆動装置の前記第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。 - 請求項1〜11のいずれか一項に記載の圧電駆動装置の駆動方法であって、
前記圧電素子の前記第1電極と前記第2電極との間に、周期的に変化する電圧であって、前記圧電素子の圧電体に印加する電界の方向が前記第1電極と前記第2電極のうちの一方の電極から他方の電極に向かう一方向である脈流電圧を印加する圧電駆動装置の駆動方法。
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