JP6662007B2 - 圧電駆動装置、モーター、ロボット、およびポンプ - Google Patents

Description

本発明は、圧電駆動装置、モーター、ロボット、およびポンプに関する。

圧電素子により振動体を振動させて被駆動体を駆動する圧電アクチュエーター（圧電駆動装置）は、磁石やコイルが不要のため、様々な分野で利用されている。

このような圧電駆動装置において、過渡的な振動の防止、超音波振動子と被駆動体部材との点接触の防止、および電力効率の向上などを目的として、圧電駆動装置の被駆動体との接触部近傍にバネ領域を設けることが記載されている（例えば特許文献１〜３参照）。

特開２００８−２９５２３４号公報 特開平０６−２２５６５号公報 特開２０１５−８０３２９号公報

しかしながら、特許文献１〜３には、バネ領域があるという定性的なことしか記載されておらず、具体的なバネ領域のバネ定数や押圧による接触部の変形量などについては、言及されていない。

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、押圧による接触部の変形量を特定することにより、出力特性の安定化を図ることができる圧電駆動装置を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記の圧電駆動装置を含むモーター、ロボット、またはポンプを提供することにある。

本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

［適用例１］
本発明に係る圧電駆動装置の一態様は、
固定部、および圧電素子が設けられ前記固定部に支持された振動体部を有する基板と、
被駆動体に接触し、前記振動体部の動きを前記被駆動体に伝える接触部と、
を含み、
前記接触部は、前記振動体部の長手方向における端部に設けられ、
前記被駆動体に前記接触部が押し当てられていないときの前記端部と前記接触部の先端との間の距離と、前記被駆動体に前記接触部が押し当てられたときの前記端部と前記先端との間の距離と、の差は、前記振動体部が駆動された場合の前記長手方向の振幅より小さい。

このような圧電駆動装置では、振動体部の（圧電駆動装置の）駆動中に、接触部は、被駆動体と接触および離間を繰り返すことができる。その結果、このような圧電駆動装置では、出力特性の安定化を図ることができる。

［適用例２］
適用例１において、
前記振幅をＸ_０、前記被駆動体の前記接触部への押圧力をＦ_０とすると、前記接触部の前記長手方向におけるバネ定数Ｋは、
Ｋ＞Ｆ_０／Ｘ_０
の関係を満たしてもよい。

このような圧電駆動装置では、被駆動体に接触部が押し当てられていないときの振動体部の端部と接触部の先端との間の距離と、被駆動体に接触部が押し当てられたときの振動体部の端部と接触部の先端との間の距離と、の差を、振動体部が駆動された場合の長手方向の振幅より小さくすることができる。

［適用例３］
適用例２において、
前記接触部は、前記先端を構成する先端部と、前記先端部と前記振動体部との間に設けられた接着剤部と、を有し、
前記先端部の前記長手方向の長さをＬｓ、前記先端部と前記接着剤部との接触面の前記長手方向と直交する幅方向の長さをＷｓ、前記接触面の前記長手方向および前記幅方向と直交する方向の長さをＴｓ、前記先端部のヤング率をＥｓ、前記接着剤部のヤング率をＥａとすると、前記接着剤部の前記長手方向の長さＬａは、
Ｌａ＜（Ｘ_０／Ｆ_０）×Ｅａ×Ｗｓ×Ｔｓ−（Ｌｓ×Ｅａ）／Ｅｓ
の関係を満たしてもよい。

このような圧電駆動装置では、被駆動体に接触部が押し当てられていないときの振動体部の端部と接触部の先端との間の距離と、被駆動体に接触部が押し当てられたときの振動体部の端部と接触部の先端との間の距離と、の差を、振動体部が駆動された場合の長手方向の振幅より小さくすることができる。

［適用例４］
本発明に係るモーターの一態様は、
適用例１ないし３のいずれか１例に記載の圧電駆動装置と、
前記圧電駆動装置によって回転されるローターと、
を含む。

このようなモーターでは、本発明に係る圧電駆動装置を含むことができる。

［適用例５］
本発明に係るロボットの一態様は、
複数のリンク部と、
複数の前記リンク部を接続する関節部と、
複数の前記リンク部を前記関節部で回動させる適用例１ないし３のいずれか１例に記載の圧電駆動装置と、
を含む。

このようなロボットでは、本発明に係る圧電駆動装置を含むことができる。

［適用例６］
本発明に係るポンプの一態様は、
適用例１ないし３のいずれか１例に記載の圧電駆動装置と、
液体を輸送するチューブと、
前記圧電駆動装置の駆動によって前記チューブを閉鎖する複数のフィンガーと、
を含む。

このようなポンプでは、本発明に係る圧電駆動装置を含むことができる。

本実施形態に係る圧電駆動装置を模式的に示す平面図。 本実施形態に係る圧電駆動装置を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る圧電駆動装置を模式的に示す平面図。 本実施形態に係る圧電駆動装置を模式的に示す平面図。 本実施形態に係る圧電駆動装置を模式的に示す斜視図。 本実施形態に係る圧電駆動装置を説明するための等価回路を示す図。 本実施形態に係る圧電駆動装置の動作を説明するための図。 本実施形態の変形例に係る圧電駆動装置を模式的に示す平面図。 本実施形態に係るロボットを説明するための図。 本実施形態に係るロボットの手首部分を説明するための図。 本実施形態に係るポンプを説明するための図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 圧電駆動装置
まず、本実施形態に係る圧電駆動装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る圧電駆動装置１００を模式的に示す平面図である。図２は、本実施形態に係る圧電駆動装置１００を模式的に示す図１のＩＩ−ＩＩ線断面である。図３および図４は、本実施形態に係る圧電駆動装置１００の接触部２０近傍を模式的に示す平面図である。図５は、本実施形態に係る圧電駆動装置１００の接触部２０近傍を模式的に示す斜視図である。
圧電駆動装置１００は、図１〜図５に示すように、基板１０と、接触部２０と、圧電素子３０と、を含む。

基板１０は、例えば、シリコン基板と、シリコン基板上に設けられた酸化シリコン層と、酸化シリコン層上に設けられた酸化ジルコニウム層と、の積層体から構成されている。

基板１０は、図１に示すように、振動体部１２と、固定部１４と、第１接続部１６と、第２接続部１８と、を有している。図示の例では、振動体部１２の平面形状（基板１０の厚さ方向からみた形状）は、長方形である。振動体部１２上には、圧電素子３０が設けられ、振動体部１２は、圧電素子３０の変形により振動することができる。固定部１４は、接続部１６，１８を介して、振動体部１２を支持している。固定部１４は、例えば、外部部材（図示せず）に固定されている。図示の例では、接続部１６，１８は、振動体部１２の長手方向における中央部から、該長手方向と直交する方向に延出し、固定部１４に接続されている。

接触部２０は、振動体部１２の長手方向（以下、単に「長手方向」ともいう）における端部１２ａに設けられている。端部１２ａは、平面視において（基板１０の厚さ方向からみて）、振動体部１２の短辺によって構成されている。接触部２０は、端部１２ａから突出している突出部である。図示の例では、接触部２０の形状は、直方体である。接触部２
０は、先端２０ａを有し、接触部２０は、先端２０ａにおいて被駆動部材（具体的には、図３および図４に示すローター４）と接触して、振動体部１２の動きを被駆動部材に伝える部材である。ローター４の形状は、例えば、円柱状、球状である。先端２０ａは、接触部２０の端部１２ａと接する面と反対の面である。

接触部２０は、先端２０ａを構成する先端部２２と、先端部２２と振動体部１２との間に設けられた接着剤部２４と、を有している。先端部２２の材質は、例えば、セラミックス（具体的にはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ）、またはこれらの混合物など）である。接着剤部２４は、先端部２２と振動体部１２とを接着させる接着剤によって構成されている。図示の例では、先端部２２および接着剤部２４の形状は、直方体である。

ここで、ローター４に接触部２０が押し当てられていないとき（押圧されていないとき）の端部１２ａと先端２０ａとの間の距離Ｌ_Ｘ０（図３参照）と、ローター４に接触部２０が押し当てられたとき（押圧されたとき）の端部１２ａと先端２０ａとの間の距離Ｌ_Ｘ１（図４参照）と、の差δｘは、振動体部１２が駆動された場合の振動体部１２の長手方向の振幅Ｘ_０より小さい。振動体部１２の接触部２０との境界部（接続部）は、圧電素子３０の駆動によって、楕円を描くように駆動する。振幅Ｘ_０は、例えば、振動体部１２の境界部が描く楕円の振動体部１２の長手方向成分の長さである。図示の例では、振幅Ｘ_０は、振動体部１２の境界部が描く楕円の短軸の長さである。

振動体部１２が駆動された場合の振動体部１２の長手方向の振幅Ｘ_０、ローター４の接触部２０への押圧力（長手方向における押圧力）をＦ_０とすると、接触部２０の長手方向におけるバネ定数Ｋは、下記式（１）の関係を満たす。

Ｋ＞Ｆ_０／Ｘ_０ ・・・ （１）

なお、接触部２０は、ローター４が押し当てられたときに、ある程度変形するようなバネ定数を有している。

図５に示すように、先端部２２の長手方向の長さをＬｓ、先端部２２と接着剤部２４との接触面２３の長手方向と直交する幅方向の長さをＷｓ、接触面２３の長手方向および幅方向と直交する方向の長さをＴｓ、先端部２２のヤング率をＥｓ、接着剤部２４のヤング率をＥａとすると、接着剤部２４の長手方向の長さＬａは、下記式（２）の関係を満たす。さらに、長さＬａは、下記式（３）の関係を満たすことが好ましい。

Ｌａ＜（Ｘ_０／Ｆ_０）×Ｅａ×Ｗｓ×Ｔｓ−（Ｌｓ×Ｅａ）／Ｅｓ ・・・ （２）
Ｌａ＜（１／２）×（Ｘ_０／Ｆ_０）×Ｅａ×Ｗｓ×Ｔｓ−（１／２）×（Ｌｓ×Ｅａ）／Ｅｓ ・・・ （３）

長さＷｓは、例えば、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。長さＬｓは、例えば、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。長さＴｓは、例えば、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。振幅Ｘ_０は、例えば、０．１μｍ以上５μｍ以下である。より具体的には、Ｗｓ＝０．２ｍｍ、Ｔｓ＝０．２ｍｍｍ、Ｌｓ＝０．１ｍｍ、Ｘ_０＝１μｍである。

圧電素子３０は、図２に示すように、基板１０上に設けられている。具体的には、圧電素子３０は、振動体部１２上に設けられている。圧電素子３０は、第１電極３２と、圧電体層３４と、第２電極３６と、を有している。

第１電極３２は、振動体部１２上に設けられている。図１に示す例では、第１電極３２
の平面形状は、長方形である。第１電極３２は、振動体部１２上に設けられたイリジウム層と、イリジウム層上に設けられた白金層と、によって構成されていてもよい。イリジウム層の厚さは、例えば、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。白金層の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。なお、第１電極３２は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕなどからなる金属層、またはこれらの２種以上を混合または積層したものであってもよい。第１電極３２は、圧電体層３４に電圧を印加するための一方の電極である。

圧電体層３４は、第１電極３２上に設けられている。図示の例では、圧電体層３４の平面形状は、長方形である。圧電体層３４の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上２０μｍ以下であり、好ましくは、１μｍ以上７μｍ以下である。このように、圧電素子３０は、薄膜圧電素子である。圧電体層３４の厚さが５０ｎｍより小さいと、圧電駆動装置１００の出力が小さくなる場合がある。具体的には、出力を上げようとして圧電体層３４への印加電圧を高くすると、圧電体層３４が絶縁破壊を起こす場合がある。圧電体層３４の厚さが２０μｍより大きいと、圧電体層３４にクラックが生じる場合がある。

圧電体層３４としては、ペロブスカイト型酸化物の圧電材料を用いる。具体的には、圧電体層３４の材質は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：ＰＺＴ）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３：ＰＺＴＮ）である。圧電体層３４は、電極３２，３６によって電圧が印加されることにより、変形（伸縮）することができる。

第２電極３６は、圧電体層３４上に設けられている。図示の例では、第２電極３６の平面形状は、長方形である。第２電極３６は、圧電体層３４上に設けられた密着層と、密着層上に設けられた導電層と、によって構成されていてもよい。密着層の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。密着層は、例えば、ＴｉＷ層、Ｔｉ層、Ｃｒ層、ＮｉＣｒ層や、これらの積層体である。導電層の厚さは、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下である。導電層は、例えば、Ｃｕ層、Ａｕ層、Ａｌ層やこれらの積層体である。第２電極３６は、圧電体層３４に電圧を印加するための他方の電極である。

圧電素子３０は、複数設けられている。図１に示す例では、圧電素子３０は、５つ設けられている（圧電素子３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ）。平面視において、例えば、圧電素子３０ａ〜３０ｄの面積は同じであり、圧電素子３０ｅは、圧電素子３０ａ〜３０ｄよりも大きな面積を有している。圧電素子３０ｅは、振動体部１２の短手方向の中央部において、振動体部１２の長手方向に沿って設けられている。圧電素子３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、振動体部１２の四隅に設けられている。図示の例では、圧電素子３０ａ〜３０ｅにおいて、第１電極３２は、１つの連続的な導電層として設けられている。

なお、図示はしないが、圧電駆動装置１００は、圧電素子３０を覆うように設けられた絶縁層や、第１電極３２と電気的に接続された第１配線層、および第２電極３６と電気的に接続された第２配線層を有していてもよい。

図６は、圧電駆動装置１００を説明するための等価回路を示す図である。圧電素子３０は、３つのグループに分けられる。第１グループは、２つの圧電素子３０ａ，３０ｄを有する。第２グループは、２つの圧電素子３０ｂ，３０ｃを有する。第３グループは、１つの圧電素子３０ｅのみを有する。図６に示すように、第１グループの圧電素子３０ａ，３０ｄは、互いに並列に接続され、駆動回路１１０に接続されている。第２グループの圧電素子３０ｂ，３０ｃは、互いに並列に接続され、駆動回路１１０に接続されている。第３グループの圧電素子３０ｅは、単独で駆動回路１１０に接続されている。

駆動回路１１０は、５つの圧電素子３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅのうちの所定の圧電素子、例えば、圧電素子３０ａ，３０ｄ，３０ｅの第１電極３２と第２電極３６との間に周期的に変化する交流電圧または脈流電圧を印加する。これにより、圧電駆動装置１００は、振動体部１２を超音波振動させて、接触部２０に接触するローター（被駆動部材）を所定の回転方向に回転させることができる。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、脈流電圧の電圧（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。

なお、電界の向きは、第１電極３２から第２電極３６に向かうよりも第２電極３６から第１電極３２に向かう方が好ましい。また、圧電素子３０ｂ，３０ｃ，３０ｅの電極３２，３６間に交流電圧または脈流電圧を印加することにより、接触部２０に接触するローターを逆方向に回転させることができる。

図７は、圧電駆動装置１００の振動体部１２の動作を説明するための図である。圧電駆動装置１００の接触部２０は、図７に示すように、被駆動部材としてのローター４の外周に接触している。駆動回路１１０は、圧電素子３０ａ，３０ｄの電極３２，３６間に交流電圧または脈流電圧を印加する。これにより、圧電素子３０ａ，３０ｄは、矢印ｘの方向に伸縮する。これに応じて、振動体部１２は、振動体部１２の平面内で屈曲振動して蛇行形状（Ｓ字形状）に変形する。さらに、駆動回路１１０は、圧電素子３０ｅの電極３２，３６間に交流電圧または脈流電圧を印加する。これにより、圧電素子３０ｅは、矢印ｙの方向に伸縮する。これにより、振動体部１２は、振動体部１２の平面内で縦振動する。上記のような振動体部１２の屈曲振動および縦振動によって、振動体部１２の接触部２０との境界部は、矢印ｚのように楕円運動する。その結果、ローター４は、その中心４ａの周りに所定の方向Ｒ（図示の例では時計回り方向）に回転する。

なお、駆動回路１１０が、圧電素子３０ｂ，３０ｃ，３０ｅの電極３２，３６間に交流電圧または脈流電圧を印加する場合には、ローター４は、方向Ｒとは反対方向（反時計回り方向）に回転する。

また、振動体部１２の屈曲振動の共振周波数と縦振動の共振周波数とは、同じであることが好ましい。これにより、圧電駆動装置１００は、効率よくローター４を回転させることができる。

図７に示すように、本実施形態に係るモーター１２０は、本発明に係る圧電駆動装置（図示の例では圧電駆動装置１００）と、圧電駆動装置１００によって回転されるローター４と、を含む。ローター４の材質は、例えば、セラミックスである。図示の例では、ローター４の形状は、円柱状である。

圧電駆動装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。

圧電駆動装置１００では、ローター４に接触部２０が押し当てられていないときの端部１２ａと先端２０ａとの間の距離Ｌ_Ｘ０と、ローター４に接触部２０が押し当てられたときの端部１２ａと先端２０ａとの間の距離Ｌ_Ｘ１と、の差δｘは、振動体部１２が駆動された場合の長手方向の振幅Ｘ_０より小さい。そのため、圧電駆動装置１００では、振動体部１２の（圧電駆動装置１００の）駆動中に、接触部２０は、ローター４と接触および離間を繰り返すことができる。その結果、圧電駆動装置１００では、出力特性の安定化を図ることができる。

例えば、差δｘが振幅Ｘ_０以上の場合だと、振動体部１２の駆動中に、接触部２０はロ
ーター４と常に接触することになり、ローター４を回転することができない場合がある。そのため、出力特性が不安定になる場合がある。

圧電駆動装置１００では、式（１）を満たす。これにより、圧電駆動装置１００では、差δｘを振幅Ｘ_０より小さくすることができる（詳細は後述する「３． 実験例」参照）。

圧電駆動装置１００では、式（２）を満たす。これにより、圧電駆動装置１００では、差δｘを振幅Ｘ_０より小さくすることができる（詳細は後述する「３． 実験例」参照）。例えば圧電駆動装置１００では、式（２）に基づいて、接着剤部２４の長さＬａを調整することにより、差δｘを振幅Ｘ_０より小さくすることができる。

ここで、圧電駆動装置１００は、例えば、小型なロボットに用いられるため、圧電駆動装置１００についても小型化で、かつ出力特性の安定したものが求められている。そのため、振幅Ｘ_０や、長さＷｓ，Ｌｓ，Ｔｓを大きくすることができない場合がある。さらに、先端部２２は、耐久性の確保のため、大きさの他に材質が限定される。さらに、接着剤部２４は、先端部２２と振動体部１２との接着性の確保のため、材質が限定される。すなわち、振幅Ｘ_０、長さＷｓ，Ｔｓ，Ｌｓ、およびヤング率Ｅｓ，Ｅａのパラメーターは、変更可能な範囲が狭い（自由度が低い）。したがって、これらのパラメーターを変更させて、差δｘを振幅Ｘ_０より小さくすることを実現することは、難しい場合がある。そこで、上述のように、式（２）に基づいて、接着剤部２４の長さＬａを調整して、差δｘを振幅Ｘ_０より小さくすることが有効となる場合がある。

圧電駆動装置１００では、式（３）を満たす。そのため、圧電駆動装置１００では、振動体部１２が駆動された場合の長手方向の振幅Ｘ_０の上半分（ローター４側の半分）において、接触部２０をローター４に接触させ、振幅Ｘ_０の下半分（ローター４とは反対側の半分）において、接触部２０をローター４から離間させることができる（詳細は後述する「３． 実験例」参照）。これにより、圧電駆動装置１００では、接触部２０は、振動体部１２の動きを、効率よくローター４に伝えることができる。なお、差δｘは、振幅Ｘ_０の半分以下であってもよい。

２． 圧電駆動装置の製造方法
次に、本実施形態に係る圧電駆動装置の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

図１および図２に示すように、基板１０の振動体部１２上に第１電極３２を形成する。第１電極３２は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法などによる成膜、およびパターニング（フォトリソグラフィーおよびエッチングによるパターニング）により形成される。

次に、第１電極３２上に圧電体層３４を形成する。圧電体層３４、例えば、液相法による前駆体層の形成と該前駆体層の結晶化とを繰り返した後、パターニングすることによって形成される。液相法とは、薄膜（圧電体層）の構成材料を含む原料液を用いて薄膜材料を成膜する方法であり、具体的には、ゾルゲル法やＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などである。結晶化は、酸素雰囲気において、例えば、７００℃〜８００℃の熱処理により行われる。

次に、圧電体層３４に第２電極３６を形成する。第２電極３６は、例えば、第１電極３２と同じ方法で形成される。なお、図示はしないが、第２電極３６のパターニングと圧電体層３４のパターニングとは、同一の工程として行われてもよい。

以上の工程により、基板１０の振動体部１２上に、圧電素子３０を形成することができる。

次に、接着剤部２４を介して、先端部２２を振動体部１２の端部１２ａに接着させる。これにより、端部１２ａに接触部２０を設けることができる。

以上の工程により、圧電駆動装置１００を製造することができる。

３． 実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。

３．１． 式（１）の算出
図４に示すように、接触部にローターを力（押圧力）Ｆ_０で押し付けた場合の、接触部の変形量をδｘとすると、接触部の長手方向のバネ定数Ｋは、下記式（４）となり、式（４）を展開して下記式（５）を得ることができる。

Ｋ＝Ｆ_０／δｘ ・・・ （４）
δｘ＝Ｆ_０／Ｋ ・・・ （５）

一方、振動体部の振幅Ｘ_０と同じ量（長さ）だけ変形した場合の接触部の長手方向のバネ定数Ｋ_０は、下記式（６）となり、式（６）を展開して下記式（７）を得ることができる。

Ｋ_０＝Ｆ_０／Ｘ_０ ・・・ （６）
Ｘ_０＝Ｆ_０／Ｋ_０ ・・・ （７）

変形量δｘが振幅Ｘ_０より小さくなるためには、δｘ＜Ｘ_０なので、式（５）および式（７）より、下記式（８）を得ることができ、さらに、式（８）を展開して下記式（９）を得ることができる。そして、式（６）および式（９）より、式（１）を得ることができる。

Ｆ_０／Ｋ＜Ｆ_０／Ｋ_０ ・・・ （８）
Ｋ＞Ｋ_０ ・・・ （９）
Ｋ＞Ｆ_０／Ｘ_０ ・・・ （１）

３．２． 式（２）の算出
接触部の先端部のバネ定数Ｋｓは、下記式（１０）となる。また、接触部の接着剤部のバネ定数Ｋａは、下記式（１１）となる。

Ｋｓ＝Ｅｓ×（Ｗｓ×Ｔｓ）／Ｌｓ ・・・ （１０）
Ｋａ＝Ｅｓ×（Ｗｓ×Ｔｓ）／Ｌａ ・・・ （１１）

下記式（１２）を満たせば、振動体部１２の駆動中に、接触部２０は、ローター４と接触および離間を繰り返すことができる。

１／（（１／Ｋａ）＋（１／Ｋｓ））＞Ｆ_０／Ｘ_０ ・・・ （１２）

式（１２）を展開して下記式（１３），（１４）を得ることができ、式（１０），（１
１），（１４）より下記式（１５）を得ることができる。そして、式（１５）を展開して、式（２）を得ることができる。

１／Ｋａ＋１／Ｋｓ＜Ｘ_０／Ｆ_０ ・・・ （１３）
１／Ｋａ＜Ｘ_０／Ｆ_０−１／Ｋｓ ・・・ （１４）
Ｌａ／（Ｅａ×Ｗｓ×Ｔｓ）＜Ｘ_０／Ｆ_０−Ｌｓ／（Ｅｓ×Ｗｓ×Ｔｓ） ・・・ （１５）
Ｌａ＜（Ｘ_０／Ｆ_０）×Ｅａ×Ｗｓ×Ｔｓ−（Ｌｓ×Ｅａ）／Ｅｓ ・・・ （２）

例えば先端部としてアルミナを用い、接着剤層として３Ｍ社製の弾性接着剤５９０を用い、各パラメーターを以下のように設定した場合、式（２）より、Ｌａ＜１．５×１０^−６ｍとなる。

Ｆ_０＝０．４Ｎ
Ｘ_０＝５×１０^−７ｍ
Ｅｓ＝３．７×１０^１１Ｐａ
Ｗｓ＝２×１０^−４ｍ
Ｌｓ＝１×１０^−４ｍ
Ｔｓ＝２×１０^−４ｍ
Ｅａ＝３×１０^７Ｐａ

さらに、下記式（１６）として、上述と同様の計算を行うことにより、上記式（３）を得ることができる。式（１６）は、振幅Ｘ_０の半分に相当する量（長さ）だけ、接触部が変形する条件である。したがって、式（３）を満たすことにより、振幅Ｘ_０の半分において、接触部をローターに接触させ、振幅Ｘ_０の他の半分において、接触部をローター４から離間させることができる。

δｘ＝（１／２）×Ｘ_０ ・・・ （１６）
Ｌａ＜（１／２）×（Ｘ_０／Ｆ_０）×Ｅａ×Ｗｓ×Ｔｓ−（１／２）×（Ｌｓ×Ｅａ）／Ｅｓ ・・・ （３）

４． 圧電駆動装置の変形例
次に、本実施形態の変形例に係る圧電駆動装置について、図面を参照しながら説明する。図８は、本実施形態の変形例に係る圧電駆動装置２００を模式的に示す平面図である。以下、本実施形態の変形例に係る圧電駆動装置２００において、本実施形態に係る圧電駆動装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した圧電駆動装置１００では、図３に示すように、接着剤部２４は、先端部２２と振動体部１２との間にのみ設けられていた。これに対し、圧電駆動装置２００では、図８に示すように、接着剤部２４は、先端部２２の側方にも設けられている。

圧電駆動装置２００では、圧電駆動装置１００と同様に、出力特性の安定化を図ることができる。さらに、圧電駆動装置２００では、接着剤部２４が先端部２２と振動体部１２との間にのみ設けられている場合に比べて、先端部２２と振動体部１２との接着強度を大きくすることができる。

なお、圧電駆動装置２００についても、「３． 実験例」の計算を適用することができる。この場合、先端部２２と接着剤部２４と接触面２３は、先端部２２の側面ではない面（図示の例では端部１２ａと平行な面）となる。

５． 圧電駆動装置を用いた装置
本発明に係る圧電駆動装置は、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。本発明に係る圧電駆動装置は、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、印刷装置の紙送り機構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。以下では、本発明に係る圧電駆動装置として、圧電駆動装置１００を含む装置について説明する。

５．１． ロボット
図９は、圧電駆動装置１００を利用したロボット２０５０を説明するための図である。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の間を回動また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、圧電駆動装置１００が内蔵されており、圧電駆動装置１００を用いて関節部２０２０を任意の角度だけ回動また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１００が内蔵されており、圧電駆動装置１００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１００が設けられており、圧電駆動装置１００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１０は、図９に示したロボット２０５０の手首部分を説明するための図である。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１００を備えており、圧電駆動装置１００は、手首のリンク部２０１２およびロボットハンド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１００が搭載されている。このため、圧電駆動装置１００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１００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１００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。したがって、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、圧電駆動装置１００は、通常の電動モーター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。

５．２． ポンプ
図１１は、圧電駆動装置１００を利用した送液ポンプ２２００の一例を示す説明するための図である。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１００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、を含む。

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１００の接触部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１００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、ご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、圧電駆動装置１００を用いることにより、通常の電動モーターよりも駆動電流を小さくできるので、投薬装置の消費電力を抑制することができる。したがって、投薬装置を電池駆動する場合は、特に有効である。

本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

４…ローター、４ａ…中心、１０…基板、１２…振動体部、１２ａ…端部、１４…固定部、１６…第１接続部、１８…第２接続部、２０…接触部材、２０ａ…先端、２２…先端部、２３…接触面、２４…接着剤部、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ…圧電素子、３２…第１電極、３４…圧電体層、３６…第２電極、１００…圧電駆動装置、１１０…駆動回路、１２０…モーター、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、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、２２１３，２２１４，２２１５，２２１６，２２１７，２２１８，２２１９…フィンガー、２２２２…ローター、２２２３…減速伝達機構、２２３０…ケース

Claims (6)

1. 圧電素子が設けられ、振動体部を有する基板と、
   被駆動体に接触し、前記振動体部の動きを前記被駆動体に伝える接触部と、
   を含み、
   前記接触部は、前記振動体部の長手方向における端部に設けられ、
   前記被駆動体に前記接触部が押し当てられていないときの前記端部と前記接触部の先端との間の距離と、前記被駆動体に前記接触部が押し当てられたときの前記端部と前記先端との間の距離と、の差は、前記振動体部が駆動された場合の前記長手方向の振幅より小さく、
   前記接触部は、
   前記長手方向に沿った側面を有し、前記先端を構成する先端部と、
   前記先端部と前記振動体部との間、および前記側面に設けられた接着剤部と、
   を有し、
   前記接着剤部の一部は、前記側面の中心よりも前記先端側に位置している、圧電駆動装置。
2. 請求項１において、
   前記振幅をＸ_０、前記被駆動体の前記接触部への押圧力をＦ_０とすると、前記接触部の前記長手方向におけるバネ定数Ｋは、
   Ｋ＞Ｆ_０／Ｘ_０
   の関係を満たす、圧電駆動装置。
3. 請求項２において、
   前記先端部の前記長手方向の長さをＬｓ、前記先端部と前記接着剤部との接触面の前記長手方向と直交する幅方向の長さをＷｓ、前記接触面の前記長手方向および前記幅方向と直交する方向の長さをＴｓ、前記先端部のヤング率をＥｓ、前記接着剤部のヤング率をＥａとすると、前記接着剤部の前記長手方向の長さＬａは、
   Ｌａ＜（Ｘ_０／Ｆ_０）×Ｅａ×Ｗｓ×Ｔｓ−（Ｌｓ×Ｅａ）／Ｅｓ
   の関係を満たす、圧電駆動装置。
4. 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と、
   前記圧電駆動装置によって回転されるローターと、
   を含む、モーター。
5. 複数のリンク部と、
   複数の前記リンク部を接続する関節部と、
   複数の前記リンク部を前記関節部で回動させる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電駆動装置と、
   を含む、ロボット。
6. 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と、
   液体を輸送するチューブと、
   前記圧電駆動装置の駆動によって前記チューブを閉塞する複数のフィンガーと、
   を含む、ポンプ。

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