JP6702482B2 - 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

Description

本発明は、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に関する。

圧電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（例えば特許文献１）。この圧電駆動装置の基本的な構成は、補強板の２つの面のそれぞれの上に、４つの圧電素子が２行２列に配置された構成であり、合計で８つの圧電素子が補強板の両側に設けられている。個々の圧電素子は、圧電体をそれぞれ２枚の電極で挟んだユニットであり、補強板は、圧電素子の一方の電極としても利用される。補強板の一端には、被駆動体としてのローターに接してローターを回転させるための突起部が設けられている。４つの圧電素子のうちの対角に配置された２つの圧電素子に交流電圧を印加すると、この２つの圧電素子が伸縮運動を行い、これに応じて補強板の突起部が往復運動又は楕円運動を行う。そして、この補強板の突起部の往復運動又は楕円運動に応じて、被駆動体としてのローターが所定の回転方向に回転する。また、交流電圧を印加する２つの圧電素子を他の２つの圧電素子に切り換えることによって、ローターを逆方向に回転させることができる。

特開２００４−３２０９７９号公報

圧電駆動装置を適用した稼働装置（ロボット等）において、稼働部分の動作を停止した状態では、突起部が被駆動体を押圧したままの状態となり、突起部と被駆動体との間に生じる静止摩擦力が、被駆動体に繋がった稼働部分を静止状態で保持するための保持力または保持トルクとなる。このため、この保持力を超えた外力が稼働部分に加わると、被駆動体の静止状態が保持できなくなって稼働部分が動いてしまう、という特性を有していた。

そして、稼働部分の作動時には、圧電駆動装置は突起部の運動（楕円運動等）による大きな押圧力によって、保持トルクを超えた出力トルクを発生し、これに応じて被駆動体に接続された稼働部分を作動させる。また、稼働部分の移動の減速時には、慣性力によって出力トルクは見かけ上大きくなる。これらの保持トルクよりも大きな出力トルクの発生により、保持トルクよりも大きな負荷トルクで動作させることは可能であるが、この動作を停止した瞬間に、直前までの動作方向とは逆向きに動いてしまい、所望の位置で停止させることができない、という課題があった。

また、稼働部分の作動時において、保持トルクと出力トルクが拮抗した状態の場合に、突起部と被駆動体との間で、一旦僅かな滑りが発生すると、静止摩擦状態から動摩擦状態に変化して摩擦力が減少するため、そのまま滑り続けて停止することができなくなる、という課題もあった。そのため、稼働部分動作開始後、所望の位置で停止させるとともに、その位置での静止状態を保持させるように、圧電駆動装置を動作させることが可能な技術が望まれていた。

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、以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］
被駆動体と接触可能な接触部を有し、圧電体を有する圧電駆動部と、
前記圧電駆動部を駆動する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下を許容出力トルクの範囲とし、前記圧電駆動部の出力トルクを前記許容出力トルクの範囲内に設定して前記圧電駆動部を作動させ、
前記許容最大出力トルクＴｌｉｍは、前記被駆動体の回転中心と前記接触部の接触位置との距離ｒ１、前記被駆動体と前記接触部との動摩擦係数μｋ、前記圧電駆動部の作動を停止した際に前記接触部が前記被駆動体を押圧する押圧力Ｎｓ、１以下の係数ｆｓ、を用いて、下式（１）で表され、前記出力トルクが前記許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下となるように、前記押圧力Ｎｓが設定され、
前記圧電駆動部が駆動されていないときに前記被駆動体に加わる負荷トルクは、前記許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下に制限される
ことを特徴とする圧電駆動装置。
Ｔｌｉｍ＝ｒ１×μｋ×Ｎｓ×ｆｓ ・・・（１）
この形態の圧電駆動装置によれば、圧電駆動装置の出力トルクを許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下の許容出力トルクの範囲内に設定して、圧電駆動部を作動させることができる。この場合、被駆動体に掛かる負荷トルクは、出力トルク以下である。従って、課題で説明したような、保持トルクよりも大きな負荷トルクで作動させることはないので、被駆動体を所望の位置で停止させることができる。また、許容最大出力トルクＴｌｉｍは、被駆動体を静止状態で保持する保持トルク（ｒ１×μｓ×Ｎｓ，μｓは被駆動体と接触部との静止摩擦係数）よりも小さい。従って、課題で説明したような、接触部と被駆動体との間での滑りの発生を抑制することができる。また、圧電駆動部が駆動されていないときに、被駆動体に加わる負荷トルクは、許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下に制限されるので、負荷トルクが加わった被駆動体と接触部との間での滑りの発生を抑制することができる。

（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、被駆動体と接触可能な接触部を有し、圧電体を有する圧電駆動部と；前記圧電駆動部を駆動する駆動回路と；を備える。前記駆動回路は、許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下を許容出力トルクの範囲とし、前記圧電駆動部の出力トルクＴｄを前記許容出力トルクの範囲内に設定して前記圧電駆動部を作動させる。前記許容最大出力トルクＴｌｉｍは下式（１）で表される。
Ｔｌｉｍ＝ｒ１×μｋ×Ｎｓ×ｆｓ ・・・（１）
ここで、ｒ１は前記被駆動体の回転中心と前記接触部の接触位置との距離であり、μｋは前記被駆動体と前記接触部との動摩擦係数であり、Ｎｓは前記圧電駆動部の作動を停止した際に前記接触部が前記被駆動体を押圧する押圧力であり、ｆｓは１以下の係数である。
この形態によれば、圧電駆動装置の出力トルクＴｄを許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下の許容出力トルクの範囲内に設定して、圧電駆動部を作動させることができる。この場合、被駆動体に掛かる負荷トルクは、出力トルクＴｄ以下である。従って、課題で説明したような、保持トルクよりも大きな負荷トルクで作動させることはないので、被駆動体を所望の位置で停止させることができる。また、許容最大出力トルクＴｌｉｍは、被駆動体を静止状態で保持する保持トルク（ｒ１×μｓ×Ｎｓ，μｓは被駆動体と接触部との静止摩擦係数）よりも小さい。従って、課題で説明したような、接触部と被駆動体との間での滑りの発生を抑制することができる。

（２）上記形態の圧電駆動装置において、前記係数ｆｓは１未満の値であるとしてもよい。
この形態によれば、許容出力トルクの範囲の上限側を低く制限することができ、設定可能な出力トルクの上限側を制限することができるので、より確実に、被駆動体を所望の位置で停止させることができ、また、接触部と被駆動体との間での滑りの発生を抑制することができる。

（３）上記形態の圧電駆動装置において、前記被駆動体に加わる負荷トルクは、前記許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下に設定された出力トルク以下に制限されることを特徴とする圧電駆動装置。前記被駆動体に加わる負荷トルクは、前記許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下に制限されることとしてもよい。
この形態によれば、負荷トルクが加わった被駆動体を所望の位置で停止させることができ、また、接触部と被駆動体との間での滑りの発生を抑制することができる。

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、電子部品搬送装置、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。

本発明の一実施形態の圧電駆動装置を備えた双腕ロボットの構造を示す模式正面図である。 圧電駆動装置の一例を示す概略構成図である。 圧電駆動部の概略構成図である。 振動板の平面図である。 圧電駆動部の動作の例を示す説明図である。 圧電駆動部に許容する出力トルクについて示す説明図である。 本発明の他の実施形態としての圧電駆動部の断面図である。 本発明のさらに他の実施形態としての圧電駆動部の平面図である。 圧電駆動装置を利用した単腕ロボットの一例を示す説明図である。 単腕ロボットの手首部分の説明図である。 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である。

Ａ．実施形態の双腕ロボット：
図１は、本発明の一実施形態の圧電駆動装置１３００を備えた双腕ロボット１０００の構造を示す模式正面図である。図１に示すように双腕ロボット１０００は本体部１１９０を備えている。そして、本体部１１９０に接続して一対の腕部１２００が設置されている。各腕部１２００には、肩関節部１２１０、第１リンク部１２２０、肘関節部１２３０、第２リンク部１２４０、手首関節部１２５０、ロボットハンド１２６０が、本体部１１９０側からこの順に設置されている。第１リンク部１２２０の肘関節部１２３０側には、肘関節部１２３０を回動させて、第１リンク部１２２０に対して第２リンク部１２４０を回動させるための圧電駆動装置１３００が設置されている。なお、他の関節部に対しても同様に、関節部を回動させるための圧電駆動装置が設置されているが、いずれの圧電駆動装置の動作も、基本的に、圧電駆動装置１３００と同様であるので、以下では、代表して圧電駆動装置１３００を例に説明する。

図２は、圧電駆動装置１３００の一例を示す概略構成図である。圧電駆動装置１３００は、ギヤトレイン５０に含まれる被駆動体としてのローターＲ１を駆動する圧電駆動部１０と、圧電駆動部１０を駆動する駆動回路３００と、を備えている。

ギヤトレイン５０は、圧電駆動部１０によって駆動（回転）される被駆動体としての第１ローターＲ１と、第１ローターＲ１によって回転される第２ローターＲ２と、第２ローターＲ２によって回転される第３ローターＲ３と、を有している。このギヤトレイン５０は、第１ローターＲ１と第３ローターＲ３のギヤ比（変速比）が１：Ｍ（Ｍ＞１）の減速装置ある。以下、第１ローターＲ１に対する第３ローターのギヤ比Ｍを「減速比Ｍ」とも呼ぶ。第３ローターＲ３は、肘関節部１２３０（図１）の回転軸１２３１と同心で連結されている。従って、圧電駆動部１０によって第１ローターＲ１が回転すると、これに応じて第３ローターＲ３が減速比Ｍで回転する。これにより、第３ローターＲ３の回転に応じて回転軸１２３１を介して肘関節部１２３０が回転（回動）し、肘関節部１２３０の回動に応じて第２リンク部１２４０が第１リンク部１２２０に対して回動する。

図３は、圧電駆動部１０の概略構成図である。図３（Ａ）は、圧電駆動部１０の平面図であり、図３（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。圧電駆動部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。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。Ｓｉ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２（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２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２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２（Ａ））が構成される。５つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅのうちの４つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｄは、第１の対角にある一対の圧電素子１１０ａ，１１０ｄと、第２の対角にある一対の圧電素子１１０ｂ，１１０ｃとに区分され、これらは、圧電振動体１００の長手方向に沿った中央線ＣＸに対して、左右対称の位置関係にある。残りの圧電素子１１０ｅは、一対の圧電素子１１０ａ，１１０ｄと他の一対の圧電素子１１０ｂ，１１０ｃに挟まれて、中央線ＣＸに沿って圧電振動体１００の幅方向の中央位置にある。なお、以下では、一対の圧電素子１１０ａ，１１０ｄを「第１の圧電素子１１０ａ，１１０ｄ」とも呼び、他の一対の圧電素子１１０ｂ，１１０ｃを「第２の圧電素子１１０ｂ，１１０ｃ」とも呼ぶ。また、中央の圧電素子１１０ｅを「第３の圧電素子１１０ｅ」とも呼ぶ。

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、圧電振動体１００（圧電駆動部１０）を十分に小型化することができる。

図４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４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部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３）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、突起部２０（「接触部」や「当接部」、「作用部」とも呼ぶ）が設けられている。突起部２０は、被駆動体と接触して、被駆動体に力を与えるための部材である。突起部２０は、セラミックス（例えばＳｉ，ＳｉＣ，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｚｒ０_２）などの耐久性がある材料で形成することが好ましい。

図２に示すように、圧電駆動部１０の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２の右側にある３つの第２電極１５０ｂ，１５０ｅ，１５０ｄと、第１電極１３０（図３）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、圧電駆動部１０を超音波振動させて、突起部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、突起部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に対して同時に行われる。なお、図２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３では図示が省略されている。

図５は、圧電駆動部１０の動作の例を示す説明図である。圧電駆動部１０の突起部２０は、被駆動体としての第１ローターＲ１の外周に接触している。図５に示す例では、駆動回路３００（図２）は、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、第１の圧電素子１１０ａ，１１０ｄは図４の矢印ｘの方向に伸縮する。これに応じて、圧電駆動部１０の振動体部２１０が圧電振動体部２１０の平面内で屈曲して蛇行形状（Ｓ字形状）に変形し、突起部２０の先端が矢印ｙの向きに往復運動するか、又は、楕円運動する。その結果、第１ローターＲ１は、その中心５１の周りに所定の方向ｚ（図５では時計回り方向）に回転する。図３で説明した振動板２００の３つの接続部２２０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、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、第１ローターＲ１は逆方向に回転する。なお、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、圧電駆動部１０の運動には、中央の第３の圧電素子１１０ｅが長手方向に伸縮する成分が加わるので、突起部２０から第１ローターＲ１に与える力をより大きくすることが可能である。なお、圧電駆動部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６は、圧電駆動部１０に許容する出力トルクについて示す説明図である。圧電駆動部１０が出力可能なトルク（可能出力トルク）の範囲は、０〜出力し得る最大のトルク（以下、「可能最大出力トルク」とも呼ぶ）Ｔｍａｘの範囲であり、基本的には、圧電駆動部１０は可能出力トルクの範囲内の出力トルクＴｄで作動させることができる。

ここで、駆動回路３００による圧電駆動部１０の駆動を停止した場合、圧電駆動部１０は突起部２０が被駆動体としての第１ローターＲ１の外周に接触して押圧した状態でその作動を停止する（図２，５）。この際、突起部２０の第１ローターＲ１との接触面には、第１ローターＲ１を静止状態で保持するための保持力Ｆｓ及び保持トルクＴｓが発生する。
Ｆｓ＝μｓ×Ｎｓ ・・・（２）
Ｔｓ＝Ｆｓ×ｒ１＝［μｓ×Ｎｓ］×ｒ１ ・・・（３）
ここで、Ｎｓは圧電駆動部１０の作動停止時に突起部２０が第１ローターＲ１を押圧する押圧力（以下、「作動停止時押圧力」とも呼ぶ）、μｓは突起部２０と第１ローターＲ１との間の静止摩擦係数、ｒ１は第１ローターＲ１の半径（以下、「ローター半径」とも呼ぶ）である。

この保持トルクＴｓは、上式（３）に示すように、圧電駆動部１０が出力し得る最大のトルク（可能最大出力トルク）Ｔｍａｘ以下の範囲で、静止摩擦係数μｓ及び作動停止時押圧力Ｎｓに応じて変化する。例えば、静止摩擦係数μｓは第１ローターＲ１及び突起部２０の部材に応じて変化するものであり、静止摩擦係数μｓが低い場合には、これに応じて保持トルクＴｓは低くなる。また、作動停止時押圧力Ｎｓは、第１ローターＲ１と圧電駆動部１０の設置状態に応じて変化するものであり、作動停止時押圧力Ｎｓが低くなると、これに応じて保持トルクＴｓは低くなる。このため、肘関節部１２３０から第３ローターＲ３及び第２ローターＲ２を介して第１ローターＲ１に掛かる負荷トルクＴｒがこの保持トルクＴｓ以上であった場合、第１ローターＲ１、すなわち、肘関節部１２３０をそのままの姿勢で静止状態に保持することができなくなる。逆に言えば、第１ローターに掛かる負荷トルクＴｒは、この保持トルクＴｓ未満に制限されることが好ましい。言い換えると、肘関節部１２３０の第２リンク部１２４０側に掛かる負荷による負荷トルクは、保持トルクＴｓに減速比Ｍを乗じた値Ｔｓ・Ｍ未満に制限されることが好ましい。ここで、「減速比Ｍ」とは、圧電駆動部１０の被駆動体としてのローターに対する被駆動体を介して駆動される負荷部の回転軸と同心で連結されたローターのギヤ比である（図２参照）。なお、本例では、被駆動体としてのローターは第１ローターＲ１、負荷部はロボットハンド１２６０、手首関節部１２５０、及び、第２リンク部１２４０が接続された肘関節部１２３０）、負荷部の回転軸は回転軸１２３１である。

ところで、一般に、静止摩擦係数μｓ＞動摩擦係数μｋとなる。そこで、圧電駆動部１０の出力トルクＴｄとして許容する最大出力トルク（許容最大出力トルク）Ｔｌｉｍを、次式で与えることが好ましい。
Ｔｌｉｍ＝［μｋ×Ｎｓ］×ｒ１ ・・・（４）
ここで、μｋは動摩擦係数、Ｎｓは作動停止時押圧力、ｒ１は第１ローター半径ｒ１である。

設定した出力トルクＴｄ以上の負荷トルクの負荷を駆動することはできないので、第１ローターＲ１に掛かる負荷に対応する負荷トルクＴｒは、出力トルクＴｄ以下である。また、設定される出力トルクＴｄの最大値は許容最大出力トルクＴｌｉｍであり、動摩擦係数μｋ＜静止摩擦係数μｓの関係から、許容最大出力トルクＴｌｉｍ＜保持トルクＴｓとなるので、設定した出力トルクＴｄにより駆動できる負荷トルクＴｒは、必ず、保持トルクＴｓよりも低くすることができる。これにより、保持トルクＴｓ以上の出力トルクＴｄで負荷トルクＴｒを駆動しないように制限することができる。この結果、圧電駆動部１０によって肘関節部１２３０を駆動している状態から、圧電駆動部１０の作動を停止して、第１ローターＲ１の回転すなわち肘関節部１２３０の回動を停止した場合に、第１ローターＲ１の回転の位置すなわち肘関節部１２３０の回動の位置を、停止した瞬間に逆方向に動いてしまうことなく、所望の位置で停止させることができる。そして、突起部２０と第１ローターＲ１との間で滑りが発生することなく、保持トルクＴｓによってその停止した位置での静止状態を保持することが可能である。

なお、出力トルクＴｄの設定は、あらかじめ、例えば、装置の出荷調整時において、以下のように実行される。肘関節部１２３０の圧電駆動装置１３００においては、図１に示した第２リンク部１２４０に貼り付けたトルクセンサーＴｓで肘関節部１２３０に掛かる負荷トルクを測定する。但し、把持可能とする最大の負荷をロボットハンド１２６０で把持した状態で測定する。そして、測定した負荷トルクを１／Ｍ（Ｍは減速比）倍した値を第１ローターＲ１に掛かる最大の負荷トルクＴｒとして求めることにより、求めた負荷トルクＴｒに対応する出力トルクＴｄを上記した許容出力トルクの範囲内で設定すればよい。仮に負荷トルクＴｒが、許容最大出力トルクＴｌｉｍより大きい場合には、圧電駆動部１０の突起部２０と第１ローターＲ１との接触状態を調整することにより、作動停止時押圧力Ｎｓを大きくすることにより、負荷トルクＴｒが許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下となるように調整すればよい。

以上の説明では、圧電駆動部１０の出力トルクＴｄを、０以上で許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下の許容出力トルクの範囲内に設定することとし、許容最大出力トルクＴｌｉｍとして上記式（４）を用いた。これに対して、許容最大出力トルクＴｌｉｍとして、下式（５）で表すものとしてもよい。
Ｔｌｉｍ＝［μｋ×Ｎｓ］×ｒ１×ｆｓ ・・・（５）
ここで、ｆｓは１以下の係数であり、安全率を示している。ｆｓ＝１の場合は（５）式は（４）式と同じである。係数ｆｓが小さいほど、許容最大出力トルクＴｌｉｍは小さくなるので、設定された出力トルクＴｄに対応する負荷トルクＴｒも小さくなり、より確実に、圧電駆動部１０によって肘関節部１２３０を駆動している状態から、圧電駆動部１０の作動を停止した場合に、所望の位置で停止させるとともに、その停止した位置での静止状態を保持することが可能である。但し、安全率ｆｓが小さいほど駆動できる負荷が小さくなる。なお、ｆｓとしては、７／１０〜９／１０の範囲に設定されるのが好ましい。例えば、８／１０（＝４／５）に設定されることがより好ましい。

なお、以上の説明では、肘関節部１２３０における圧電駆動装置１３００の圧電駆動部１０の動作条件を例に説明したが、他の関節部等に用いられた圧電駆動装置の圧電駆動部においても同様にして動作条件を設定することができる。また、以上の説明では、圧電駆動部１０の突起部２０を第１ローターＲ１の外周に接触させる構成であるので、式（４）で表した保持トルクＴｓや、式（５），（６）で表した許容最大出力トルクＴｌｉｍでは、第１ローター半径ｒ１が用いられている。但し、突起部２０を第１ローターＲ１の円周面に接触させる場合には、第１ローターＲ１の中心５１から突起部２０の接触位置までの距離がｒ１となる。

Ｂ．圧電駆動部の他の実施形態：
図７は、本発明の他の実施形態としての圧電駆動部１０ａの断面図であり、上記実施形態の図３（Ｂ）に対応する図である。この圧電駆動部１０ａでは、圧電振動体１００が、図３（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。なお、図７においても、図３（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。この圧電駆動部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。

図８（Ａ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動部１０ｂの平面図であり、上記実施形態の図３（Ａ）に対応する図である。図８（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８（Ａ）の圧電駆動部１０ｂでは、一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃが省略されている。この圧電駆動部１０ｂも、図５に示すような１つの方向ｚにローターＲ１を回転させることが可能である。なお、図８（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８（Ｂ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動部１０ｃの平面図である。この圧電駆動部１０ｃでは、図３（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３（Ａ）よりも大きな面積に形成されている。この圧電駆動部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８（Ｃ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動部１０ｄの平面図である。この圧電駆動部１０ｄでは、図３（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。この圧電駆動部１０ｄは、長手方向に伸縮するだけであるが、突起部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３及び図８（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３及び図８（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。

Ｃ．圧電駆動装置を用いた装置の他の実施形態：
上述した圧電駆動装置は、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。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）、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、図１に示した双腕ロボット以外の代表的な他の実施の形態について説明する。

図９は、上述の圧電駆動装置１３００を利用した単腕ロボット２０５０の一例を示す説明図である。単腕ロボット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１３００のうちの圧電駆動部１０が内蔵されており、圧電駆動部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にも圧電駆動部１０が内蔵されており、圧電駆動部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部１０が設けられており、圧電駆動部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。なお、各圧電駆動部１０を制御する駆動回路３００は不図示の制御回路に含まれている。

図１０は、図９に示した単腕ロボット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、圧電駆動部１０を備えており、圧電駆動部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。なお、手首回動部２０２２も、複数の関節部２０２０の一つとみることができ、この場合手首の関節部２０２０はリンク部２０１２の一つとみつことができる。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部１０が搭載されている。このため、圧電駆動部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、実施形態の双腕ロボット（図１）や他の実施形態の単腕ロボットに限らず、腕の数が３以上の多腕ロボットにも圧電駆動部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、圧電駆動部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部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１１は、上述の圧電駆動装置１３００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、圧電駆動部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。なお、駆動回路３００は不図示である。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。圧電駆動部１０の突起部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、圧電駆動部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１３００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。

Ｄ．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。

（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。

（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。

（３）上記各実施形態では、圧電素子として、成膜プロセスにより形成した圧電体を用いるものを例に取り説明したが、圧電体は、バルクの圧電体であってもよい。

（４）上記実施形態では、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によって振動体部２１０を振動可能に支持する構成を例に説明したが、接続部２２０の配置位置や数は、これに限定されるものではなく、種々の配置位置や数を採用することができる。例えば、長手方向に沿った片側のみに接続部を設けて、振動体部２１０を片持ち状態で支持する構造としても良い。また、振動体部２１０の突起部２０とは反対側の短辺に接続部を設けて、振動体部２１０を片持ち状態で支持する構造としても良い。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…圧電駆動部
２０…突起部（接触部、作用部）
５０…ギヤトレイン
５１…中心５１
１００…圧電振動体
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅ…圧電素子
１２０…基板
１２５…絶縁層
１３０…第１電極
１４０…圧電体
１５０，１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄ，１５０ｅ…第２電極
１５１，１５２…配線
２００…振動板
２１０…振動体部
２２０…接続部
２３０…取付部
２４０…ネジ
３００…駆動回路
３１０，３１２，３１４，３２０…配線
１０００…双腕ロボット
１１９０…本体部
１２００…腕部
１２１０…肩関節部
１２２０…第１リンク部
１２３０…肘関節部
１２３１…回転軸
１２４０…第２リンク部
１２５０…手首関節部
１２６０…ロボットハンド
１３００…圧電駆動装置
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
Ｒ１…第１ローター
Ｒ２…第２ローター
Ｒ３…第３ローター

Claims (5)

1. 被駆動体と接触可能な接触部を有し、圧電体を有する圧電駆動部と、
   前記圧電駆動部を駆動する駆動回路と、
   を備え、
   前記駆動回路は、許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下を許容出力トルクの範囲とし、前記圧電駆動部の出力トルクを前記許容出力トルクの範囲内に設定して前記圧電駆動部を作動させ、
   前記許容最大出力トルクＴｌｉｍは、前記被駆動体の回転中心と前記接触部の接触位置との距離ｒ１、前記被駆動体と前記接触部との動摩擦係数μｋ、前記圧電駆動部の作動を停止した際に前記接触部が前記被駆動体を押圧する押圧力Ｎｓ、１以下の係数ｆｓ、を用いて、下式（１）で表され、前記出力トルクが前記許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下となるように、前記押圧力Ｎｓが設定され、
   前記圧電駆動部が駆動されていないときに前記被駆動体に加わる負荷トルクは、前記許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下に制限される
   ことを特徴とする圧電駆動装置。
   Ｔｌｉｍ＝ｒ１×μｋ×Ｎｓ×ｆｓ ・・・（１）
2. 請求項１に記載の圧電駆動装置であって、
   前記係数ｆｓは１未満の値である、圧電駆動装置。
3. 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または請求項２に記載の圧電駆動装置と、
   を備えるロボット。
4. 請求項３に記載のロボットの駆動方法であって
   前記圧電駆動装置を駆動することで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。
5. 被駆動体と接触可能な接触部を有し、圧電体を有する圧電駆動部と、
   前記圧電駆動部を駆動する駆動回路と、
   を備える圧電駆動装置の駆動方法であって、
   前記駆動回路は、許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下を許容出力トルクの範囲とし、前記圧電駆動部の出力トルクを前記許容出力トルクの範囲内に設定して前記圧電駆動部を作動させ、
   前記許容最大出力トルクＴｌｉｍは、前記被駆動体の回転中心と前記接触部の接触位置との距離ｒ１、前記被駆動体と前記接触部との動摩擦係数μｋ、前記圧電駆動部の作動を停止した際に前記接触部が前記被駆動体を押圧する押圧力Ｎｓ、１以下の係数ｆｓ、を用いて、下式（１）で表され、前記出力トルクが前記許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下となるように、前記押圧力Ｎｓが設定され、
   前記圧電駆動部が駆動されていないときに前記被駆動体に加わる負荷トルクは、前記許容最大出力トルクＴｌｉｍ以下に制限される
   ことを特徴とする圧電駆動装置の駆動方法。
   Ｔｌｉｍ＝ｒ１×μｋ×Ｎｓ×ｆｓ ・・・（１）

Images