KR20160094855A

KR20160094855A - 압전 소자 구동 회로 및, 로봇

Info

Publication number: KR20160094855A
Application number: KR1020160009107A
Authority: KR
Inventors: 키이치 가지노
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2016-08-10
Also published as: CN105846717B; JP2016143761A; US20160226404A1; US10181806B2; CN105846717A; EP3051599B1; JP6519207B2; TW201630326A; EP3051599A1

Abstract

(과제) 종래의 압전 구동 장치에서는, 정전 용량이 크고, 구동에 큰 전류가 필요했다.
(해결 수단) 압전 소자 구동 회로는, 두께가 0.05㎛ 이상 20㎛ 이하의 압전체와, 압전체를 사이에 끼우는 2개의 전극을 각각 갖는 N개(N은 2 이상의 정수)의 압전 소자가 직렬로 접속된 압전 소자열과, 압전 소자열에, 교류 성분과 직류 성분을 포함하는 전압을 공급하는 제1 발생 회로와, 압전 소자열 중의 인접하는 2개의 압전 소자의 사이의 (N-1)개의 접속점 중의 M개(M은 1 이상의 정수)의 접속점에, 직류 성분을 포함하는 전압을 공급하는 제2 발생 회로를 구비한다.

Description

압전 소자 구동 회로 및, 로봇{PIEZOELECTRIC ELEMENT DRIVE CIRCUIT AND ROBOT}

본 발명은, 압전 소자 구동 회로 및, 압전 소자 구동 회로를 구비하는 로봇 등의 각종의 장치에 관한 것이다.

종래부터, 압전 소자를 이용한 압전 액추에이터(압전 구동 장치)가 알려져 있다(예를 들면 특허문헌 1). 이 압전 구동 장치의 기본적인 구성은, 보강판의 2개의 면의 각각의 위에, 4개의 압전 소자가 2행 2열로 배치된 구성이며, 합계로 8개의 압전 소자가 보강판의 양측에 형성되어 있다. 개개의 압전 소자는, 압전체를 각각 2매의 전극으로 사이에 끼운 유닛이며, 보강판은, 압전 소자의 한쪽의 전극으로서도 이용된다. 보강판의 일단에는, 피구동체로서의 로터에 접하여 로터를 회전시키기 위한 돌기부가 형성되어 있다. 4개의 압전 소자 중의 대각으로 배치된 2개의 압전 소자에 교류 전압을 인가하면, 이 2개의 압전 소자가 신축 운동을 행하고, 이에 따라서 보강판의 돌기부가 왕복 운동 또는 타원 운동을 행한다. 그리고, 이 보강판의 돌기부의 왕복 운동 또는 타원 운동에 따라서, 피구동체로서의 로터가 소정의 회전 방향으로 회전한다. 또한, 교류 전압을 인가하는 2개의 압전 소자를 다른 2개의 압전 소자로 전환함으로써, 로터를 반대 방향으로 회전시킬 수 있다.

종래는, 압전 구동 장치에 이용되는 압전체로서, 소위 벌크 형상의 압전체가 사용되고 있다. 본 명세서에 있어서, 「벌크 형상의 압전체」란, 두께가 100㎛ 이상의 압전체를 의미한다. 벌크 형상의 압전체가 이용되고 있는 이유는, 압전 구동 장치로부터 피구동체에 부여하는 힘을 충분히 크게 하기 위해, 압전체의 두께를 크게 하고자 하기 때문이다.

일본공개특허공보 2004-320979호

종래의 압전 구동 장치에서는, 대각으로 배치된 2개의 압전 소자가 병렬로 접속되어 있기 때문에, 정전 용량이 크고, 구동에 큰 전류가 필요하다는 문제가 있었다.

또한, 압전 구동 장치를 작은 공간(예를 들면 로봇의 관절 내)에 수용하여 이용하는 경우, 종래의 압전체를 이용한 압전 구동 장치에서는 배선 스페이스가 부족할 가능성이 있기 때문에, 압전체를 얇게 하고자 하는 요망이 있다. 그러나, 정전 용량은, 압전체를 사이에 끼우는 전극 간의 거리에 반비례하기 때문에, 압전체를 얇게 하면 정전 용량이 커져 버려, 소비 전력이 증대한다는 문제가 발생한다.

본 발명은, 전술한 과제 중 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 이하의 형태 또는 적용예로서 실현하는 것이 가능하다.

(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 압전 소자를 구동하는 압전 소자 구동 회로가 제공된다. 상기 압전 소자 구동 회로는, 두께가 0.05㎛ 이상 20㎛ 이하의 압전체와, 상기 압전체를 사이에 끼우는 2개의 전극을 각각 갖는 N개(N은 2 이상의 정수)의 압전 소자가 직렬로 접속된 압전 소자열과; 상기 압전 소자열에, 교류 성분과 직류 성분을 포함하는 전압을 공급하는 제1 발생 회로와; 상기 압전 소자열 중의 인접하는 2개의 압전 소자의 사이의 (N-1)개의 접속점 중의 M개(M은 1 이상의 정수)의 접속점에, 직류 성분을 포함하는 전압을 공급하는 제2 발생 회로를 구비한다.

이 압전 소자 구동 회로에 의하면, 복수의 압전 소자가 직렬로 접속되어 있기 때문에, 압전 소자 전체의 정전 용량을 저감할 수 있다. 또한, 인접하는 압전 소자의 사이의 접속점에 직류 성분을 포함하는 전압을 공급하기 때문에, 직렬로 접속된 압전 소자 중의 일부의 압전 소자에 과대한 전압이 가해져 버리는 현상을 억제할 수 있어, 압전 소자 전체의 실효적인 정전 용량을 저감하여 압전체 구동 회로의 소비 전력을 저감할 수 있다.

(2) 상기 압전 소자 구동 회로에 있어서, 상기 M은 상기 (N-1)에 동일하고, 상기 제2 발생 회로는, 상기 (N-1)개의 접속점에, 상이한 전압값을 갖는 전압을 공급하는 것으로 해도 좋다.

이 구성에 의하면, (N-1)개의 접속점에 서로 상이한 전압값을 갖는 전압을 공급하기 때문에, 직렬로 접속된 압전 소자 중의 일부의 압전 소자에 과대한 전압이 가해져 버리는 현상을 더욱 방지할 수 있어, 압전 소자 전체의 실효적인 정전 용량을 저감하여 압전체 구동 회로의 소비 전력을 저감할 수 있다.

(3) 상기 압전 소자 구동 회로에 있어서, 상기 제2 발생 회로가 공급하는 전압은 직류 전압인 것으로 해도 좋다.

이 구성에 의하면, 압전 소자의 사이의 접속점의 전압을 안정시킬 수 있기 때문에, 압전 소자 전체의 실효적인 정전 용량을 더욱 저감하여 소비 전력을 저감할 수 있다.

(4) 상기 압전 소자 구동 회로는, 상기 제2 발생 회로와 상기 M개의 접속점과의 사이에 접속된 인덕터를 구비하는 것으로 해도 좋다.

이 구성에 의하면, M개의 접속점을 개재하여 구동 회로에 역류하는 교류 성분을 인덕터에 의해 저감할 수 있다.

(5) 상기 압전 소자 구동 회로에 있어서, 상기 제2 발생 회로는, 상기 제1 발생 회로가 공급하는 전압을 분압함으로써, 상기 M개의 접속점에 공급하는 전압을 생성하는 분압 회로를 구비하는 것으로 해도 좋다.

이 구성에 의하면, M개의 접속점에 부여하는 전압을 용이하게 생성할 수 있다.

(6) 상기 압전 소자 구동 회로에 있어서, 상기 분압 회로는, 복수의 저항 소자가 직렬로 접속된 저항 소자열을 포함하는 것으로 해도 좋다.

(7) 상기 압전 소자 구동 회로에 있어서, 상기 분압 회로는, 상기 저항 소자열에 직렬로 접속된 인덕터를 포함하는 것으로 해도 좋다.

이 구성에 의하면, 저항 소자열에 흐르는 교류 전류를 저감할 수 있기 때문에, 소비 전력을 더욱 저감할 수 있다.

본 발명은, 여러 가지의 형태로 실현하는 것이 가능하고, 예를 들면, 압전 소자 구동 회로의 외에, 압전 구동 장치, 압전 구동 장치의 구동 방법, 압전 소자 구동 회로 또는 압전 구동 장치를 탑재하는 로봇 등의 각종의 장치 및 그의 구동 방법 등, 여러 가지 형태로 실현할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태의 압전 구동 장치의 개략 구성을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 2는 진동판의 평면도이다.
도 3은 압전 구동 장치와 구동 회로의 전기적 접속 상태를 나타내는 설명도이다.
도 4는 구동 전압의 교류 성분의 파형의 예를 나타내는 설명도이다.
도 5는 압전 구동 장치의 동작의 예를 나타내는 설명도이다.
도 6은 비교예와 제1 실시 형태의 압전 소자 구동 회로의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 7은 제2 실시 형태의 압전 소자 구동 회로의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 8은 제3 실시 형태의 압전 소자 구동 회로의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 9는 제4 실시 형태의 압전 소자 구동 회로의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 10은 다른 실시 형태의 압전 구동 장치의 단면도이다.
도 11은 압전 구동 장치를 이용한 로봇의 일 예를 나타내는 설명도이다.
도 12는 로봇의 손목 부분의 설명도이다.
도 13은 압전 구동 장치를 이용한 송액 펌프의 일 예를 나타내는 설명도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

·압전 구동 장치의 전체 구성:

도 1(A)는, 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 압전 구동 장치(10)의 개략 구성을 나타내는 평면도이며, 도 1(B)는 그 B-B 단면도이다. 압전 구동 장치(10)는, 진동판(200)과, 진동판(200)의 양면(제1면(211)과 제2면(212))에 각각 배치된 2개의 압전 진동체(100)를 구비한다. 2개의 압전 진동체(100)는, 진동판(200)을 중심으로 하여 대칭으로 배치되어 있다. 2개의 압전 진동체(100)는 동일한 구성을 갖고 있기 때문에, 이하에서는 특별히 언급하지 않는 한, 진동판(200)의 상측에 있는 압전 진동체(100)의 구성을 설명한다.

압전 진동체(100)는, 기판(120)과, 기판(120)의 위에 형성된 복수의 압전 소자(110a1, 110a2, 110b1, 110b2, 110c1, 110c2, 110d1, 110d2, 110e1, 110e2, 110e3, 110e4)를 구비한다. 이들 개개의 압전 소자의 구조는 동일하기 때문에, 서로 구별할 필요가 없는 경우에는, 「압전 소자(110)」라고 부른다.

압전 소자(110)는, 제1 전극(130)과, 제1 전극(130)의 위에 형성된 압전체(140)와, 압전체(140)의 위에 형성된 제2 전극(150)을 구비하고 있다. 제1 전극(130)과 제2 전극(150)은, 압전체(140)를 협지하고 있다. 압전 소자(110)는, 1개의 연속적인 압전체와, 압전체를 협지하는 2개의 연속적인 도전체층(제1 전극, 제2 전극)을 갖는 1개의 큰 압전 소자를, 이온 밀링이나 드라이 에칭 등의 물리적, 혹은 화학적 방법에 의해 복수로(복수의 압전 소자로) 분할함으로써 형성하는 것이 가능하다. 압전 소자(110e1∼110e4)는, 대략 장방형 형상으로 형성되어 있고, 기판(120)의 폭방향의 중앙에 있어서, 기판(120)의 길이 방향을 따라 형성되어 있다. 압전 소자(110a1과 110a2)는, 길이 방향을 따라 나열되어 압전 소자 그룹(110a)을 형성하고 있다. 압전 소자(110b1과 110b2, 110c1과 110c2, 110d1과 110d2)에 대해서도 동일하게, 각각, 압전 소자 그룹(110b, 110c, 110d)을 형성하고 있다. 압전 소자 그룹(110a, 110b, 110c, 110d)은, 기판(120)의 네 모퉁이의 위치에 형성되어 있다.

압전 진동체(100)의 기판(120)은, 제1 전극과 압전체와 제2 전극을 성막 프로세스로 형성하기 위한 기판으로서 사용된다. 또한, 기판(120)은 기계적인 진동을 행하는 진동판으로서의 기능도 갖는다. 기판(120)은, 예를 들면, Si, Al₂O₃, ZrO₂ 등으로 형성할 수 있다. Si제의 기판(120)(「실리콘 기판(120)」이라고도 함)으로서, 예를 들면 반도체 제조용의 Si 웨이퍼를 이용하는 것이 가능하다. 이 실시 형태에 있어서, 기판(120)의 평면 형상은 장방형이다. 기판(120)의 두께는, 예를 들면 10㎛ 이상 100㎛ 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다. 기판(120)의 두께를 10㎛ 이상으로 하면, 기판(120) 상의 성막 처리시에 기판(120)을 비교적 용이하게 취급할 수 있다. 또한, 기판(120)의 두께를 50㎛ 이상으로 하면, 기판(120)을 더욱 용이하게 취급할 수 있다. 또한, 기판(120)의 두께를 100㎛ 이하로 하면, 박막으로 형성된 압전체의 신축에 따라서, 기판(120)을 용이하게 진동시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 분할 전의 제1 전극이나 제2 전극은, 예를 들면 스퍼터링에 의해 형성되는 박막이다. 제1 전극이나 제2 전극의 재료로서는, 예를 들면 Al(알루미늄)이나, Ni(니켈), Au(금), Pt(백금), Ir(이리듐) 등의 도전성이 높은 임의의 재료를 이용 가능하다. 또한, 제1 전극(130)과, 제2 전극(150)과, 구동 회로와의 사이의 전기적 접속을 위한 배선(또는 배선층 및 절연층)은, 도 1에서는 도시가 생략되어 있다.

분할 전의 압전체는, 예를 들면 졸-겔법이나 스퍼터링법에 의해 형성되고, 박막 형상을 갖고 있다. 압전체의 재료로서는, ABO₃형의 페로브스카이트 구조를 채용하는 세라믹스 등, 압전 효과를 나타내는 임의의 재료를 이용 가능하다. ABO₃형의 페로브스카이트 구조를 채용하는 세라믹스로서는, 예를 들면 티탄산 지르콘산 납(PZT), 티탄산 바륨, 티탄산 납, 니오브산 칼륨, 니오브산 리튬, 탄탈산 리튬, 텅스텐산 나트륨, 산화 아연, 티탄산 바륨스트론튬(BST), 탄탈산 스트론튬비스무트(SBT), 메타니오브산 납, 아연니오브산 납, 스칸듐니오브산 납 등을 이용하는 것이 가능하다. 또한 세라믹 이외의 압전 효과를 나타내는 재료, 예를 들면 폴리불화 비닐리덴, 수정 등을 이용하는 것도 가능하다. 압전체의 두께는, 예를 들면 50 ㎚(0.05㎛) 이상 20㎛ 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이 범위의 두께를 갖는 압전체의 박막은, 성막 프로세스를 이용하여 용이하게 형성할 수 있다. 압전체의 두께를 0.05㎛ 이상으로 하면, 압전체의 신축에 따라서 충분히 큰 힘을 발생할 수 있다. 또한, 압전체의 두께를 20㎛ 이하로 하면, 압전 구동 장치(10)를 충분히 소형화할 수 있다.

도 2는, 진동판(200)의 평면도이다. 진동판(200)은, 장방형 형상의 진동체부(210)와, 진동체부(210)의 좌우의 장변으로부터 각각 3개씩 연장되는 접속부(220)를 갖고 있고, 또한, 좌우의 3개의 접속부(220)에 각각 접속된 2개의 부착부(230)를 갖고 있다. 또한, 도 2에서는, 도시의 편의상, 진동체부(210)에 해칭을 부여하고 있다. 부착부(230)는, 나사(240)에 의해 다른 부재에 압전 구동 장치(10)를 부착하기 위해 이용된다. 진동판(200)은, 예를 들면, 실리콘, 실리콘 화합물, 스테인리스강, 알루미늄, 알루미늄 합금, 티탄, 티탄 합금, 구리, 구리 합금, 철-니켈 합금 등의 금속, 금속 산화물, 또는 다이아몬드 등의 재료로 형성하는 것이 가능하다.

진동체부(210)의 상면(제1면) 및 하면(제2면)에는, 압전 진동체(100)(도 1)가 각각 접착제를 이용하여 접착된다. 진동체부(210)의 길이 L과 폭 W의 비는, L:W＝약 7:2로 하는 것이 바람직하다. 이 비는, 진동체부(210)가 그 평면을 따라 좌우로 굴곡지는 초음파 진동(후술)을 행하기 위해 바람직한 값이다. 진동체부(210)의 길이 L은, 예를 들면 0.1㎜ 이상 30㎜ 이하의 범위로 할 수 있고, 폭 W는, 예를 들면 0.05㎜ 이상 8㎜ 이하의 범위로 할 수 있다. 또한, 진동체부(210)가 초음파 진동을 행하기 위해, 길이 L은 50㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 진동체부(210)의 두께(진동판(200)의 두께)는, 예를 들면 20㎛ 이상 700㎛ 이하의 범위로 할 수 있다. 진동체부(210)의 두께를 20㎛ 이상으로 하면, 압전 진동체(100)를 지지하기 위해 충분한 강성을 갖는 것이 된다. 또한, 진동체부(210)의 두께를 700㎛ 이하로 하면, 압전 진동체(100)의 변형에 따라서 충분히 큰 변형을 발생할 수 있다.

진동판(200)의 한쪽의 단변에는, 돌기부(20)(「접촉부」 또는 「작용부」라고도 함)가 형성되어 있다. 돌기부(20)는, 피구동체와 접촉하여, 피구동체에 힘을 부여하기 위한 부재이다. 돌기부(20)는, 세라믹스(예를 들면 Al₂O₃) 등의 내구성이 있는 재료로 형성하는 것이 바람직하다.

도 3은, 압전 구동 장치(10)와 구동 회로(300)의 전기적 접속 상태를 나타내는 설명도이다. 구동 회로(300)는, 구동 전압 발생 회로(340)와, 소자 간 전압 발생 회로(350)를 포함하고 있다. 구동 전압 발생 회로(340)는, 교류 성분을 포함하는 구동 전압을 발생한다. 또한, 구동 전압 발생 회로(340)는, 구동 전압으로서, 접지 전위에 대하여 플러스측과 마이너스측으로 변동하는 교류 성분만으로 이루어지는 교류 구동 전압과, 교류 성분과 DC 오프셋(직류 성분)을 포함하는 오프셋 부여 구동 전압 중의 적어도 한쪽을 발생할 수 있도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이 구동 전압의 교류 성분은, 압전 구동 장치(10)의 기계적인 공진 주파수에 가까운 주파수의 전압 신호인 것이 바람직하다. 또한, 교류 성분의 파형은, 전형적으로는 정현파이지만, 정현파 이외의 파형을 갖고 있어도 좋다. 직류 성분은, 엄밀하게 일정할 필요는 없고, 다소 변동해도 좋다. 예를 들면, 직류 성분은, 그 평균값의 ±10％ 이내에서 변동해도 좋다.

도 4(A)∼도 4(C)는, 구동 전압의 교류 성분 Vac의 파형의 예를 나타내고 있다. 도 4(A)의 교류 성분 Vac는, 정현파이다. 도 4(B), 도 4(C)의 교류 성분 Vac는, 정현파는 아니지만, 주기적인 파형을 갖고 있다. 이들 예로부터도 이해할 수 있는 바와 같이, 구동 전압의 교류 성분 Vac는 주기적이면 좋고, 그 파형으로서는 여러 가지의 것을 채용하는 것이 가능하다.

소자 간 전압 발생 회로(350)는, 압전 소자열에 소자 간 전압을 공급하는 것이고, 그 구체예에 대해서는 후술한다. 또한, 구동 전압 발생 회로(340) 및 소자 간 전압 발생 회로(350)와, 압전 소자와의 접속 상태는 도 3에서는 생략되어 있지만, 이들 사이의 접속 관계에 대해서도 후술한다. 또한, 구동 전압 발생 회로(340)를 「제1 발생 회로」 또는 「제1 전압 발생 회로」라고도 하고, 소자 간 전압 발생 회로(350)를 「제2 발생 회로」 또는 「제2 전압 발생 회로」라고도 한다.

본 실시 형태에서는, 압전 소자는, 각각 4개의 압전 소자를 갖는 3개의 그룹으로 나누어진다. 제1 그룹은, 압전 소자(110c1, 110c2, 110b1, 110b2)를 갖는다. 제2 그룹은, 압전 소자(110a1, 110a2, 110d1, 110d2)를 갖는다. 제3 그룹은, 압전 소자(110e1, 110e2, 110e3, 110e4)를 갖는다.

제1 그룹의 압전 소자(110c1, 110c2, 110b1, 110b2)는, 이하와 같이 직렬로 접속되어 있다. 즉, 구동 회로(300)와, 제1 압전 소자(110c1)의 제1 전극(130)이 배선(320)에 의해 접속되어 있다. 제1 압전 소자(110c1)의 제2 전극(150)과, 제2 압전 소자(110c2)의 제1 전극(130)이 배선(155c1)에 의해 접속되어 있다. 제2 압전 소자(110c2)의 제2 전극(150)과, 제3 압전 소자(110b1)의 제1 전극(130)이 배선(152)에 의해 접속되어 있다. 제3 압전 소자(110b1)의 제2 전극(150)과, 제4 압전 소자(110b2)의 제1 전극(130)이 배선(155b1)에 의해 접속되어 있다. 제4 압전 소자(110b2)의 제2 전극(150)과, 구동 회로(300)가, 배선(310)에 의해 접속되어 있다. 이들 배선에 의해, 압전 소자(110c1, 110c2, 110b1, 110b2)가, 직렬로 접속되어 있다.

제2 그룹의 압전 소자(110a1, 110a2, 110d1, 110d2)도, 동일하게, 이하와 같이 직렬로 접속되어 있다. 구동 회로(300)와, 제1 압전 소자(110a1)의 제1 전극(130)이 배선(324)에 의해 접속되어 있다. 제1 압전 소자(110a1)의 제2 전극(150)과, 제2 압전 소자(110a2)의 제1 전극(130)이 배선(155a1)에 의해 접속되어 있다. 제2 압전 소자(110a2)의 제2 전극(150)과, 제3 압전 소자(110d1)의 제1 전극(130)이 배선(151)에 의해 접속되어 있다. 제4 압전 소자(110d1)의 제2 전극(150)과, 제4 압전 소자(110d2)의 제1 전극(130)이 배선(155d1)에 의해 접속되어 있다. 제4 압전 소자(110d2)의 제2 전극(150)과, 구동 회로(300)가, 배선(314)에 의해 접속되어 있다. 이들 배선에 의해, 압전 소자(110a1, 110a2, 110d1, 110d2)가, 직렬로 접속되어 있다.

제3 그룹의 압전 소자(110e1, 110e2, 110e3, 110e4)는, 이하와 같이 직렬로 접속되어 있다. 구동 회로(300)와, 제1 압전 소자(110e1)의 제1 전극(130)이 배선(322)에 의해 접속되어 있다. 제1 압전 소자(110e1)의 제2 전극(150)과, 제2 압전 소자(110e2)의 제1 전극(130)이 배선(155e1)에 의해 접속되어 있다. 제2 압전 소자(110e2)의 제2 전극(150)과, 제3 압전 소자(110e3)의 제1 전극(130)이 배선(155e2)에 의해 접속되어 있다. 제3 압전 소자(110e3)의 제2 전극(150)과, 제4 압전 소자(110e4)의 제1 전극(130)이 배선(155e3)에 의해 접속되어 있다. 제4 압전 소자(110e4)의 제2 전극(150)과, 구동 회로(300)가, 배선(312)에 의해 접속되어 있다. 이들 배선에 의해, 압전 소자(110e1, 110e2, 110e3, 110e4)는, 직렬로 접속된다.

이들 배선(151, 152, 155a1∼155e3)은, 성막 처리에 의해 형성해도 좋고, 혹은, 와이어 형상의 배선에 의해 실현해도 좋다. 구동 회로(300)는, 배선(314)과 배선(324)과의 사이에 주기적으로 변화하는 교류 성분을 포함하는 구동 전압을 인가함으로써, 압전 구동 장치(10)를 초음파 진동시키고, 돌기부(20)에 접촉하는 로터(피구동체)를 소정의 회전 방향으로 회전시키는 것이 가능하다. 또한, 배선(310)과 배선(320)과의 사이에 교류 성분을 포함하는 구동 전압을 인가함으로써, 돌기부(20)에 접촉하는 로터를 반대 방향으로 회전시키는 것이 가능하다. 이러한 전압의 인가는, 진동판(200)의 양면에 설치된 2개의 압전 진동체(100)에 동시에 행해진다. 또한, 도 3에 나타낸 배선(151, 152, 155a1∼155e3, 310, 312, 314, 320, 322, 324)을 구성하는 배선(또는 배선층 및 절연층)은, 도 1에서는 도시가 생략되어 있다.

본 실시 형태에서는, 이하의 효과에 의해, 구동 회로(300)로부터 본 압전 구동 장치(10)의 정전 용량이 작아진다.

(1) 면적의 효과: 본 실시 형태의 압전 소자(110)의 제1 전극(130), 제2 전극(150)의 면적은, 선행 기술(일본공개특허공보 2004-320979호)의 도 7에 나타나 있는 압전 소자의 제1 전극, 제2 전극의 면적과 비교하여, 절반이다. 정전 용량은 전극의 면적에 비례하기 때문에, 압전 소자의 정전 용량은, 1/2이 된다.

(2) 직렬 접속의 효과: 일반적으로, 동일한 정전 용량 C를 갖는 N개(N은 2 이상의 정수)의 용량 소자를 직렬로 접속하면, 그 합계의 정전 용량은, C/N가 된다. 본 실시 형태에서는, 대략 동일한 형태의 압전 소자를 직렬로 4개 접속하고 있기 때문에, 합성 정전 용량은, C/4가 된다. 한편, 동일한 정전 용량 C를 갖는 N개(N은 2 이상의 정수)의 용량 소자를 병렬로 접속하면, 그 합성 정전 용량은, N×C가 된다. 상기 선행 기술에서는, 2개의 압전 소자가 병렬로 접속되어 있기 때문에, 합성 정전 용량은, 2C가 된다. 이 선행 기술과 비교하면, 본 실시 형태의 압전 소자의 합성 정전 용량은, 1/8이다. 이들 양쪽의 효과에 의해, 상기 선행 기술에 있어서의 압전 소자의 합성 정전 용량을 1로 하면, 직렬 접속된 4개의 압전 소자의 합성 정전 용량은, 1/16이 된다. 이와 같이, 압전 소자를 분할하여 압전 소자로 하고, 압전 소자를 직렬로 접속함으로써, 정전 용량을 작게 할 수 있다.

도 5는, 압전 구동 장치(10)의 동작의 예를 나타내는 설명도이다. 압전 구동 장치(10)의 돌기부(20)는, 피구동체로서의 로터(50)의 외주에 접촉하고 있다. 도 5에 나타내는 예에서는, 구동 회로(300)(도 3)는, 직렬 접속된 4개의 압전 소자(110a1, 110a2, 110d1, 110d2)에 교류 성분을 포함하는 구동 전압을 인가하고 있고, 압전 소자(110a1, 110a2, 110d1, 110d2)는 도 5의 화살표 x의 방향으로 신축한다. 이에 따라서, 압전 구동 장치(10)의 진동체부(210)가 진동체부(210)의 평면 내에서 굴곡지고 사행 형상(S자 형상)으로 변형하여, 돌기부(20)의 선단이 화살표 y의 방향으로 왕복 운동하거나, 또는, 타원 운동한다. 그 결과, 로터(50)는, 그 중심(51)의 주위로 소정의 방향 z(도 5에서는 시계 회전 방향)로 회전한다. 도 2에서 설명한 진동판(200)의 3개의 접속부(220)(도 2)는, 이러한 진동체부(210)의 진동의 절(마디)의 위치에 형성되어 있다. 또한, 구동 회로(300)가, 다른 4개의 압전 소자(110c1, 110c2, 110b1, 110b2)에 교류 성분을 포함하는 구동 전압을 인가하는 경우에는, 로터(50)는 반대 방향으로 회전한다. 또한, 중앙의 4개의 압전 소자(110e1, 110e2, 110e3, 110e4)에, 교류 성분을 포함하는 구동 전압을 인가하면, 압전 구동 장치(10)가 길이 방향으로 신축하기 때문에, 돌기부(20)로부터 로터(50)에 부여하는 힘을 보다 크게 하는 것이 가능하다. 또한, 압전 구동 장치(10)(또는 압전 진동체(100))의 이러한 동작에 대해서는, 상기 선행 기술 문헌 1(일본공개특허공보 2004-320979호, 또는, 대응하는 미국특허 제7224102호)에 기재되어 있으며, 그 개시 내용은 참조에 의해 조입된다.

·압전 소자 구동 회로의 각종 실시 형태:

도 6은, 비교예와 제1 실시 형태의 압전 소자 구동 회로의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 6(A)에 나타내는 비교예의 압전 소자 구동 회로는, 구동 전압 발생 회로(340)와, 구동 전압 발생 회로(340)에 접속된 압전 소자열(400)로 구성되어 있다. 구동 전압 발생 회로(340)는, 교류 성분과 직류 성분 Vbias를 포함하는 구동 전압 Vin을 압전 소자열(400)에 공급한다. 압전 소자열(400)은, 복수의 압전 소자(110)의 직렬 접속이며, 도 6(A)의 예에서는 4개의 압전 소자(110)로 구성되어 있다. 단, 압전 소자열(400)은, N개(N은 2 이상의 정수)의 압전 소자(110)의 직렬 접속으로서 구성하는 것이 가능하다. 전술한 도 1 및 도 3과의 관련으로 말하면, 도 6(A)의 압전 소자열(400)은, 예를 들면, 도 3에 있어서 직렬로 접속되어 있는 1그룹의 압전 소자(110a1, 110a2, 110d1, 110d2)에 대응한다. 4개의 압전 소자(110)는, 정전 용량 C1∼C4를 갖는 커패시터와 등가이다.

또한, 이들 정전 용량 C1∼C4는 서로 상이한 값이라도 좋지만, 서로 동일한 것이 바람직하다. 이하에서는, 주로, 복수의 압전 소자(110)의 정전 용량 C1∼C4가 서로 동일한 경우에 대해서 설명한다.

도 6(A)의 비교예에 있어서, 구동 전압 Vin의 교류 성분과 직류 성분 Vbias는, 압전 소자열(400)을 구성하는 복수의 압전 소자(110)에 의해 각각 분압되는 것이 이상적이다. 그러나, 교류 성분은 복수의 압전 소자(110)에 의해 이상에 가까운 상태로 분압되지만, 직류 성분 Vbias는 이상적으로 분할되지 않는 경우가 있다. 예를 들면, 압전 소자열(400)을 구성하는 복수의 압전 소자(110) 중의 하나의 압전 소자(110)에 직류 성분 Vbias의 대부분이 가해져 버릴 가능성이 있다. 이하에서 설명하는 각종의 실시 형태는, 이러한 문제를 해결 또는 완화하는 것을 의도하고 있다.

도 6(B)에 나타내는 제1 실시 형태의 압전 소자 구동 회로는, 구동 전압 발생 회로(340)와 압전 소자열(400)의 외에, 소자 간 전압 발생 회로(350)가 추가되어 있다. 이 소자 간 전압 발생 회로(350)는, 4개의 압전 소자(110)의 사이의 3개의 접속점(CP1∼CP3)에, 상이한 전압값을 갖는 소자 간 전압(Vdc1∼Vdc3)을 각각 공급한다. 구동 전압 발생 회로(340)는, 교류 성분과 직류 성분 Vbias를 포함하는 구동 전압 Vin을 압전 소자열(400)에 공급한다.

단자 간 전압(Vdc1∼Vdc3)은, 이하와 같이 구동 전압 Vin의 직류 성분 Vbias를 분압한 값으로 하는 것이 바람직하다.

Vdc1＝Vbias×1/4　　　…(1a)

Vdc2＝Vbias×2/4　　　…(1b)

Vdc3＝Vbias×3/4　　　…(1c)

이와 같이 소자 간 전압(Vdc1∼Vdc3)을 설정하면, 인접하는 압전 소자(110)의 사이의 접속점(CP1∼CP3)에 있어서의 전압이, 이들 소자 간 전압(Vdc1∼Vdc3)에 의해 조정되기 때문에, 전술한 비교예의 문제(복수의 압전 소자(110) 중의 하나의 압전 소자(110)에 직류 성분 Vbias의 대부분이 가해져 버리는 것)를 해결 또는 완화할 수 있다. 즉, 제1 실시 형태의 회로 구성에 의하면, 직렬로 접속된 압전 소자(110) 중의 일부의 압전 소자(110)에 과대한 전압이 가해져 버리는 현상을 방지할 수 있기 때문에, 압전 소자(110) 전체의 실효적인 정전 용량을 저감하여, 그 소비 전력을 저감하는 것이 가능하다. 특히, 압전체(140)의 두께가 0.05㎛ 이상 20㎛ 이하의 박막의 압전 소자(110)에서는, 후막(벌크 형상)의 압전 소자에 비하여 정전 용량이 크지만, 소자 간 전압 발생 회로(350)에 의해 구동 회로(300) 전체의 소비 전력을 저감할 수 있다. 또한, 교류 성분과 직류 성분(DC 오프셋)을 포함하는 오프셋 부여 구동 전압 Vin으로서는, 그 전압값이 항상 플러스 또는 마이너스인 맥류 전압을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 맥류 전압을 구동 전압 Vin으로서 사용하면, 구동 전류를 더욱 작게 하는 것이 가능하다.

그런데, 복수의 압전 소자(110)의 정전 용량 C1∼C4가 서로 동일하지 않은 경우에는, 단자 간 전압(Vdc1∼Vdc3)은, 개개의 압전 소자(110)의 양단에 있어서의 전압차가, 복수의 압전 소자(110)의 정전 용량 C1∼C4에 따라서 구동 전압 Vin의 직류 성분 Vbias를 분압한 값이 되도록 설정하는 것이 바람직하다. 이것은, 복수의 압전 소자(110)의 정전 용량 C1∼C4가 서로 동일한 경우에도 적합하다. 즉, 일반적으로는, 압전 소자열(400)을 구성하는 N개(N은 2 이상의 정수)의 압전 소자(110)의 개개의 압전 소자(110)의 양단에 있어서의 전압차가, 개개의 압전 소자(110)의 정전 용량에 따라서 구동 전압 Vin의 직류 성분 Vbias를 분압한 값이 되도록, (N-1)개의 접속점에 공급하는 소자 간 전압을 설정하는 것이 바람직하다. 이때, 각 압전 소자의 양단의 전압차는, 이하의 식에서 부여된다.

ΔVj＝Vbias/{Σ(1/Ci)×Cj}　　　…(2)

여기에서, ΔVj는 j번째(j＝1∼N)의 압전 소자의 양단에 있어서의 전압차, Σ(1/Ci)는 N개의 압전 단자의 정전 용량 Ci(i＝1∼N)의 역수의 합, Cj는 j번째의 압전 소자의 정전 용량이다.

상기 (2)식에 있어서, N＝4로 하고, Cj(j＝1∼4)가 j에 관계없이 일정하다고 가정하면, ΔVj는 모두 Vbias/4로 동일해진다. 이 결과는, 상기 (1a)∼(1c)식과 정합하는 것을 이해할 수 있다. 단, 복수의 압전 소자(110)의 정전 용량 Cj가 서로 동일하지 않는 경우에도, 상기 (1a)∼(1c)식을 충족하도록 소자 간 전압을 결정해도 좋다. 이 경우도, 압전 소자(110)의 동작을 안정시킨다는 의미로부터는 실용상 충분하다.

또한, 소자 간 전압(Vdc1∼Vdc3)에서 부여되는 개개의 압전 소자(110)의 양단의 전압차 ΔVj는, 반드시 상기 (2)식을 만족할 필요는 없고, 이로부터 다소 벗어난 값을 갖고 있어도 좋다. 단, 개개의 압전 소자(110)의 양단의 전압차 ΔVj는, 상기 (2)식에서 부여되는 값을 100％로 했을 때, 100±10％의 범위의 값인 것이 바람직하다.

이상과 같이, 도 6(B)에 나타내는 제1 실시 형태의 압전 소자 구동 회로에서는, 압전 소자열(400) 중의 인접하는 2개의 압전 소자(110)의 사이의 접속점(CP1∼CP3)에, 직류 전압인 소자 간 전압(Vdc1∼Vdc3)을 각각 인가하고 있기 때문에, 직렬로 접속된 압전 소자(110) 중의 일부의 압전 소자(110)에 과대한 전압이 가해져 버리는 현상을 방지할 수 있다. 이 결과, 압전 소자(110) 전체의 실효적인 정전 용량을 저감하여, 그 소비 전력을 저감하는 것이 가능하다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 4개의 압전 소자(110)의 사이의 3개의 접속점(CP1∼CP3) 모두에 소자 간 전압(Vdc1∼Vdc3)을 각각 인가하고 있지만, 소자 간 전압 발생 회로(350)는, 복수의 접속점(CP1∼CP3) 중의 적어도 1개에 소자 간 전압을 공급하면 좋다. 즉, 일반적으로는, N개의 압전 소자(110)로 구성되는 압전 소자열(400) 중의 인접하는 2개의 압전 소자(110)의 사이의 (N-1)개의 접속점 중의 M개(M은 1 이상 N 미만의 정수)의 접속점에, 직류 성분을 포함하는 소자 간 전압을 각각 공급하도록 하면 좋다. 이 경우에도, 소자 간 전압을 전혀 공급하지 않는 경우에 비하여, 구동 전압 Vin의 직류 성분 Vbias의 복수의 압전 소자(110)로의 분배가 보다 안정되기 때문에, 직렬로 접속된 압전 소자 중의 일부의 압전 소자에 과대한 전압이 가해져 버리는 현상을 억제할 수 있다. 이 점에 대해서는, 후술하는 다른 실시 형태에서도 동일하다.

또한, 교류 성분과 직류 성분(DC 오프셋)을 포함하는 오프셋 부여 구동 전압으로서는, 그 전압값이 항상 플러스 또는 마이너스인 맥류 전압을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 맥류 전압을 사용하면, 구동 전류를 더욱 작게 하는 것이 가능하다.

도 7은, 제2 실시 형태의 압전 소자 구동 회로의 구성을 나타내는 설명도이다. 제2 실시 형태의 압전 소자 구동 회로는, 도 6(B)에 나타낸 제1 실시 형태의 회로에, 인덕터(L1, L2, L3)를 추가한 것이다. 이들 인덕터(L1, L2, L3)는, 소자 간 전압 발생 회로(350)와, 인접하는 압전 소자(110)의 사이의 접속점(CP1, CP2, CP3)과의 사이에 각각 접속되어 있다. 또한, 이하에서는, 인덕터(L1, L2, L3)의 인덕턴스도, 인덕터와 동일한 부호 L1, L2, L3을 이용한다.

인덕터(L1, L2, L3)를 설치하고 있는 이유는, 구동 전압 Vin의 교류 성분이 소자 간 전압 발생 회로(350)에 역류하는 현상을 억제하기 위함이다. 이러한 효과를 달성하기 위해서는, 인덕터(L1, L2, L3)는, 이하의 2개의 조건 중의 적어도 한쪽을 만족하고 있는 것이 바람직하다.

＜조건 1＞

각 인덕턴스 Lj의 임피던스(＝2πf·Lj)가, 1kΩ 이상(여기에서, f는 구동 전압 Vin의 교류 성분의 주파수)

＜조건 2＞

각 인덕턴스 Lj의 임피던스(＝2πf·Lj)가, 압전 소자열(400)을 구성하는 복수의 압전 소자(110)의 정전 용량 Ci 중의 최소값 Cmin에 대응하는 임피던스(＝1/(2πf·Cmin))의 10배 이상

상기 조건 1은, 구동 전압 Vin의 교류 성분이 압전 소자열(400)로부터 소자 간 전압 발생 회로(350)로 역류하는 경우에, 그 전류값을 작게 하기 위한 조건이다. 또한, 상기 조건 2는, 개개의 압전 소자(110)의 양단의 전압차의 변동에 따라서 소자 간 전압 발생 회로(350)로 전류가 역류하는 것을 억제하기 위한 조건이다. 각 인덕턴스(L1, L2, L3)는, 이들 조건 1, 2 중 적어도 한쪽을 만족하는 것이 바람직하지만, 이들 양쪽을 만족하는 것이 더욱 바람직하다. 이렇게 하면, 소자 간 전압이 공급되는 접속점(CP1∼CP3)을 통하여 구동 회로로 역류하는 구동 전압의 교류 성분을 인덕터(L1, L2, L3)에 의해 저감할 수 있다.

도 8은, 제3 실시 형태의 압전 소자 구동 회로의 구성을 나타내는 설명도이다. 제3 실시 형태의 압전 소자 구동 회로는, 소자 간 전압 발생 회로(350b)의 내부 구성예가 구체적으로 기재되어 있는 점이 도 7에 나타낸 제2 실시 형태와 상이하고, 다른 구성은 제2 실시 형태와 동일하다. 소자 간 전압 발생 회로(350b)는, 구동 전압 발생 회로(340)의 구동 전압 Vin의 출력 단자와 접속되어 있고, 그 내부에 구동 전압 Vin을 분압하는 분압 회로(352b)를 포함하고 있다. 분압 회로(352b)는, 인덕터(L10)와 복수의 저항(R1∼R4)과의 직렬 접속으로 구성되어 있다.

복수의 저항(R1∼R4)의 직렬 접속은, 구동 전압 Vin에 포함되는 직류 성분 Vbias를 분압하고, 소자 간 전압(Vdc1∼Vdc3)을 각각 발생하기 위해 형성되어 있다. 단, 도 8의 예에서는, 구동 전압 Vin은, 직류 성분 Vbias의 외에 교류 성분을 포함하기 때문에, 소자 간 전압(Vdc1∼Vdc3)은 직류 전압은 되지 않고, 교류 성분을 포함한 것이 된다. 단, 압전 소자열(400)의 접속점(CP1∼CP3)에 접속된 인덕터(L1∼L3)가 일종의 평활 회로를 구성하기 때문에, 소자 간 전압(Vdc1∼Vdc3)에 포함되는 교류 성분이 이들 평활 회로에 의해 평활화된다. 따라서, 이 제3 실시 형태에 있어서도, 직렬로 접속된 압전 소자(110) 중의 일부의 압전 소자(110)에 과대한 전압이 가해져 버리는 현상을 더욱 방지할 수 있어, 압전 소자 전체의 실효적인 정전 용량을 저감하여 압전체 구동 회로의 소비 전력을 저감할 수 있다. 또한, 본 명세서에 있어서, 「직류 성분을 포함하는 소자 간 전압」이란, 직류 성분만을 포함하는 소자 간 전압과, 직류 성분과 교류 성분의 양쪽을 포함하는 소자 간 전압의 양쪽을 포함하고 있다. 단, 각 압전 소자의 전극 간의 전압을 안정시킨다는 의미로부터는, 직류 성분만을 포함하는 소자 간 전압을 사용하는 것이 바람직하다.

분압 회로(352b) 내의 인덕터(L10)는, 구동 전압 Vin의 교류 성분이, 저항(R1∼R4)을 통하여 접지측에 흐르는 것을 억제하기 위함이다. 이 인덕터(L10)의 임피던스(＝2πf·L10)는, 1kΩ 이상(여기에서, f는 구동 전압 Vin의 교류 성분의 주파수)으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 도 8의 예에서는, 인덕터(L10)가 복수의 저항(R1∼R4)의 고전압측에 접속되어 있지만, 이 대신에, 인덕터(L10)를 접지 배선측에(즉 저항(R1∼R4)의 저전압측에) 접속해도 좋다. 또한, 인덕터(L10)를 생략해도 좋다.

도 9는, 제4 실시 형태의 압전 소자 구동 회로의 구성을 나타내는 설명도이다. 제4 실시 형태의 압전 소자 구동 회로는, 도 8에 나타낸 제3 실시 형태에 있어서의 인덕터(L1∼L3, L10)를 생략한 점이 제3 실시 형태와 상이하고, 다른 구성은 제3 실시 형태와 동일하다. 소자 간 전압 발생 회로(350c)는, 복수의 저항(R1∼R4)의 직렬 접속으로 구성되며 분압 회로(352c)를 포함하고 있다. 이 구성에서는, 도 8에서도 설명한 바와 같이, 소자 간 전압(Vdc1∼Vdc3)은 직류 전압은 되지 않고, 교류 성분을 포함한 것이 된다. 단, 도 8에 나타낸 인덕터(L1∼L3)를 생략해도, 소자 간 전압(Vdc1∼Vdc3)에 의해 압전 소자(110)의 사이의 접속점(CP1∼CP3)의 전압이 안정되기 때문에, 직렬로 접속된 압전 소자(110) 중의 일부의 압전 소자(110)에 과대한 전압이 가해져 버리는 현상을 더욱 방지할 수 있다. 이 결과, 압전 소자 전체의 실효적인 정전 용량을 저감하여 압전체 구동 회로의 소비 전력을 저감할 수 있다.

·압전 구동 장치의 다른 실시 형태:

도 10은, 본 발명의 제5 실시 형태로서의 압전 구동 장치(10b)의 단면도이며, 제1 실시 형태의 도 1(B)에 대응하는 도면이다. 이 압전 구동 장치(10b)에서는, 압전 진동체(100)가, 도 1(B)와는 상하를 반대로 한 상태에서 진동판(200)에 배치되어 있다. 즉, 여기에서는, 제2 전극(150c1, 150c2, 150d1, 150d2)이 진동판(200)에 가깝게, 기판(120)이 진동판(200)으로부터 가장 멀어지도록 배치되어 있다. 또한, 도 10에 있어서도, 도 1(B)와 동일하게, 제1 전극(130a1, 130a2, 130b1, 130b2, 130c1, 130c2, 130d1, 130d2, 130e1, 130e2, 130e3, 130e4)과, 제2 전극(150a1, 150a2, 150b1, 150b2, 150c1, 150c2, 150d1, 150d2, 150e1, 150e2, 150e3, 150e4)과, 구동 회로와의 사이의 전기적 접속을 위한 배선(또는 배선층 및 절연층)은, 도시가 생략되어 있다. 이 압전 구동 장치(10b)도, 제1 실시 형태와 동일한 효과를 달성할 수 있다.

또한, 압전 구동 장치나 압전 소자의 구성 및 배열에 관해서는, 도 1, 도 3, 및 도 10에 나타낸 것 이외의 임의의 구성이나 배열을 채용하는 것이 가능하다.

·압전 구동 장치를 이용한 장치의 실시 형태:

전술한 압전 구동 장치(10)는, 공진을 이용함으로써 피구동체에 대하여 큰 힘을 부여할 수 있는 것이며, 각종의 장치에 적용 가능하다. 압전 구동 장치(10)는, 예를 들면, 로봇(전자 부품 반송 장치(IC 핸들러)도 포함함), 투약용 펌프, 시계의 캘린더 넘김 장치, 인쇄 장치(예를 들면 종이 이송 기구. 단, 헤드에 이용되는 압전 구동 장치에서는, 진동판을 공진시키지 않기 때문에, 헤드에는 적용 불가함) 등의 각종의 기기에 있어서의 구동 장치로서 이용할 수 있다. 이하, 대표적인 실시 형태에 대해서 설명한다.

도 11은, 전술한 압전 구동 장치(10)를 이용한 로봇(2050)의 일 예를 나타내는 설명도이다. 로봇(2050)은, 복수개의 링크부(2012)(「링크 부재」라고도 함)와, 그들 링크부(2012)의 사이를 회전운동 또는 굴곡 가능한 상태에서 접속하는 복수의 관절부(2020)를 구비한 아암(2010)(「아암부」라고도 함)을 갖고 있다. 각각의 관절부(2020)에는, 전술한 압전 구동 장치(10)가 내장되어 있고, 압전 구동 장치(10)를 이용하여 관절부(2020)를 임의의 각도만큼 회전운동 또는 굴곡시키는 것이 가능하다. 아암(2010)의 선단에는, 로봇 핸드(2000)가 접속되어 있다. 로봇 핸드(2000)는, 한 쌍의 파지부(2003)를 구비하고 있다. 로봇 핸드(2000)에도 압전 구동 장치(10)가 내장되어 있고, 압전 구동 장치(10)를 이용하여 파지부(2003)를 개폐하여 물건을 파지하는 것이 가능하다. 또한, 로봇 핸드(2000)와 아암(2010)과의 사이에도 압전 구동 장치(10)가 설치되어 있고, 압전 구동 장치(10)를 이용하여 로봇 핸드(2000)를 아암(2010)에 대하여 회전시키는 것도 가능하다.

도 12는, 도 11에 나타낸 로봇(2050)의 손목 부분의 설명도이다. 손목의 관절부(2020)는, 손목 회전운동부(2022)를 협지하고 있고, 손목 회전운동부(2022)에 손목의 링크부(2012)가, 손목 회전운동부(2022)의 중심축 O주위로 회전운동 가능하게 부착되어 있다. 손목 회전운동부(2022)는, 압전 구동 장치(10)를 구비하고 있고, 압전 구동 장치(10)는, 손목의 링크부(2012) 및 로봇 핸드(2000)를 중심축 O주위로 회전운동시킨다. 로봇 핸드(2000)에는, 복수의 파지부(2003)가 세워 설치되어 있다. 파지부(2003)의 기단부는 로봇 핸드(2000) 내에서 이동 가능하게 되어 있고, 이 파지부(2003)의 근원의 부분에 압전 구동 장치(10)가 탑재되어 있다. 이 때문에, 압전 구동 장치(10)를 동작시킴으로써, 파지부(2003)를 이동시켜 대상물을 파지할 수 있다.

또한, 로봇으로서는, 단완(單腕)의 로봇에 한정하지 않고, 아암의 수가 2 이상인 다완(多腕) 로봇에도 압전 구동 장치(10)를 적용 가능하다. 여기에서, 손목의 관절부(2020)나 로봇 핸드(2000)의 내부에는, 압전 구동 장치(10)의 외에, 역각 센서나 자이로 센서 등의 각종 장치에 전력을 공급하는 전력선이나, 신호를 전달하는 신호선 등이 포함되어, 매우 많은 배선이 필요해진다. 따라서, 관절부(2020)나 로봇 핸드(2000)의 내부에 배선을 배치하는 것은 매우 곤란했다. 그러나, 전술한 실시 형태의 압전 구동 장치(10)는, 통상의 전동 모터나, 종래의 압전 구동 장치보다도 구동 전류를 작게 할 수 있기 때문에, 관절부(2020)(특히, 아암(2010)의 선단의 관절부)나 로봇 핸드(2000)와 같은 작은 공간에서도 배선을 배치하는 것이 가능해진다.

도 13은, 전술한 압전 구동 장치(10)를 이용한 송액 펌프(2200)의 일 예를 나타내는 설명도이다. 송액 펌프(2200)는, 케이스(2230) 내에, 리저버(2211)와, 튜브(2212)와, 압전 구동 장치(10)와, 로터(2222)와, 감속 전달 기구(2223)와, 캠(2202)과, 복수의 핑거(2213, 2214, 2215, 2216, 2217, 2218, 2219)가 설치되어 있다. 리저버(2211)는, 수송 대상인 액체를 수용하기 위한 수용부이다. 튜브(2212)는, 리저버(2211)로부터 송출되는 액체를 수송하기 위한 관이다. 압전 구동 장치(10)의 돌기부(20)는, 로터(2222)의 측면에 밀어붙인 상태로 형성되어 있고, 압전 구동 장치(10)가 로터(2222)를 회전 구동한다. 로터(2222)의 회전력은 감속 전달 기구(2223)를 통하여 캠(2202)에 전달된다. 핑거(2213 내지 2219)는 튜브(2212)를 폐색시키기 위한 부재이다. 캠(2202)이 회전하면, 캠(2202)의 돌기부(2202A)에 의해 핑거(2213 내지 2219)가 순서대로 방사 방향 외측으로 밀린다. 핑거(2213 내지 2219)는, 수송 방향 상류측(리저버(2211)측)으로부터 순서대로 튜브(2212)를 폐색한다. 이에 따라, 튜브(2212) 내의 액체가 순서대로 하류측에 수송된다. 이렇게 하면, 매우 근소한 양을 정밀도 좋게 송액 가능하고, 게다가 소형인 송액 펌프(2200)를 실현할 수 있다. 또한, 각 부재의 배치는 도시된 것에는 한정되지 않는다. 또한, 핑거 등의 부재를 구비하지 않고, 로터(2222)에 형성된 볼 등이 튜브(2212)를 폐색하는 구성이라도 좋다. 상기와 같은 송액 펌프(2200)는, 인슐린 등의 약액을 인체에 투여하는 투약 장치 등에 활용할 수 있다. 여기에서, 전술한 실시 형태의 압전 구동 장치(10)를 이용함으로써, 종래의 압전 구동 장치보다도 구동 전류가 작아지기 때문에, 투약 장치의 소비 전력을 억제할 수 있다. 따라서, 투약 장치를 전지 구동하는 경우는, 특히 유효하다.

·변형예:

또한, 본 발명은 상기의 실시예나 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지의 실시 형태에 있어서 실시하는 것이 가능하고, 예를 들면 다음과 같은 변형도 가능하다.

·변형예 1:

상기 실시 형태에서는, 기판(120)의 위에 제1 전극(130)과 압전체(140)와 제2 전극(150)이 형성되어 있었지만, 기판(120)을 생략하고, 진동판(200)의 위에 제1 전극(130)과 압전체(140)와 제2 전극(150)을 형성하도록 해도 좋다.

·변형예 2:

상기 실시 형태에서는, 진동판(200)의 양면에 압전 진동체(100)를 설치하고 있었지만, 진동판(200)의 한쪽의 면에만 압전 진동체(100)를 설치하도록 해도 좋다. 단, 진동판(200)의 양면에 각각 압전 진동체(100)를 설치하도록 하면, 진동판(200)을 그 평면 내에서 굴곡진 사행 형상으로 변형시키는 것이 보다 용이한 점에서 바람직하다.

이상, 몇 가지의 실시예에 기초하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명해 왔지만, 상기한 발명의 실시 형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은, 그 취지 그리고 특허 청구의 범위를 일탈하는 일 없이, 변경, 개량될 수 있음과 함께, 본 발명에는 그 등가물이 포함되는 것은 물론이다.

10 : 압전 구동 장치
20 : 돌기부
50 : 로터
51 : 중심
100 : 압전 진동체
110 : 압전 소자
120 : 기판
130 : 제1 전극
140 : 압전체
150 : 제2 전극
151, 152 : 배선
200 : 진동판
210 : 진동체부
211 : 제1면
212 : 제2면
220 : 접속부
230 : 부착부
240 : 나사
300 : 구동 회로
310, 312, 314, 320 : 배선
340 : 구동 전압 발생 회로(제1 발생 회로)
350 : 소자 간 전압 발생 회로(제2 발생 회로)
352 : 분압 회로
400 : 압전 소자열
2000 : 로봇 핸드
2003 : 파지부
2010 : 아암
2012 : 링크부
2020 : 관절부
2022 : 손목 회전운동부
2050 : 로봇
2200 : 송액 펌프
2202 : 캠
2202A : 돌기부
2211 : 리저버
2212 : 튜브
2213 : 핑거
2222 : 로터
2223 : 감속 전달 기구
2230 : 케이스

Claims

압전 소자 구동 회로로서,
두께가 0.05㎛ 이상 20㎛ 이하의 압전체와, 상기 압전체를 사이에 끼우는 2개의 전극을 각각 갖는 N개(N은 2 이상의 정수)의 압전 소자가 직렬로 접속된 압전 소자열과,
상기 압전 소자열에, 교류 성분과 직류 성분을 포함하는 전압을 공급하는 제1 발생 회로와,
상기 압전 소자열 중의 인접하는 2개의 압전 소자의 사이의 (N-1)개의 접속점 중의 M개(M은 1 이상의 정수)의 접속점에, 직류 성분을 포함하는 전압을 공급하는 제2 발생 회로를 구비하는 압전 소자 구동 회로.
제1항에 있어서,
상기 M은 상기 (N-1)에 동일하고,
상기 제2 발생 회로는, 상기 (N-1)개의 접속점에, 상이한 전압값을 갖는 전압을 공급하는 압전 소자 구동 회로.
제1항에 있어서,
상기 제2 발생 회로가 공급하는 전압은 직류 전압인 압전 소자 구동 회로.
제1항에 있어서,
상기 제2 발생 회로와 상기 M개의 접속점과의 사이에 접속된 인덕터를 구비하는 압전 소자 구동 회로.
제1항에 있어서,
상기 제2 발생 회로는, 상기 제1 발생 회로가 공급하는 전압을 분압함으로써, 상기 M개의 접속점에 공급하는 전압을 생성하는 분압 회로를 구비하는 압전 소자 구동 회로.
제5항에 있어서,
상기 분압 회로는, 복수의 저항 소자가 직렬로 접속된 저항 소자열을 포함하는 압전 소자 구동 회로.
제6항에 있어서,
상기 분압 회로는, 상기 저항 소자열에 직렬로 접속된 인덕터를 포함하는 압전 소자 구동 회로.
복수의 링크부와
상기 복수의 링크부를 접속하는 관절부와,
상기 압전 소자를 이용하여 상기 복수의 링크부를 상기 관절부에서 회전운동시키는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 압전 소자 구동 회로를 구비하는 로봇.