KR20160094856A

KR20160094856A - 압전 소자 구동 회로 및, 로봇

Info

Publication number: KR20160094856A
Application number: KR1020160009109A
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: US20160226403A1; CN105846718B; CN105846718A; US9712087B2; EP3051687B1; JP2016143755A; EP3051687A1; TW201630327A; JP6503764B2

Abstract

(과제) 압전체의 두께가 100㎛ 미만의 박막의 압전 소자를 이용한 액추에이터에서는, 압전 소자의 정전 용량이 크기 때문에 흐르는 전류도 크고, 종래의 기술에서는 충분히 소비 전류를 저감할 수 없다.
(해결 수단) 압전 소자 구동 회로는, 두께가 0.05㎛ 이상 20㎛ 이하의 압전체와, 상기 압전체를 사이에 끼우는 2개의 전극을 갖는 압전 소자와, 상기 압전 소자와 병렬로 접속되어 있는 인덕터와, 상기 압전 소자와 상기 인덕터에, 교류 성분을 포함하는 구동 전압을 인가하는 구동 전압 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 중 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.

또한, 압전 소자를 이용한 압전 구동 장치에 있어서, 소비 전력을 적게 하기 위해 압전 소자에 대하여 유도성 소자를 병렬로 접속하는 기술이 알려져 있다(특허문헌 2).

일본공개특허공보 2004-320979호 일본공개특허공보 평7-231683호

그런데, 압전 구동 장치를 소형화하여, 작은 스페이스에 수용 가능한 소형의 액추에이터로서 이용하고자 하는 요망이 있다. 그러나, 압전체의 두께가 100㎛ 미만의 박막의 압전 소자를 이용한 액추에이터에서는, 압전 소자의 정전 용량이 크기 때문에 흐르는 전류도 크고, 종래의 기술로는 충분히 소비 전류를 저감할 수 없다는 문제가 있었다.

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 갖는 압전 소자와; 상기 압전 소자와 병렬로 접속되어 있는 인덕터와; 상기 압전 소자와 상기 인덕터에, 교류 성분을 포함하는 구동 전압을 인가하는 구동 전압 발생 회로를 구비한다.

이 압전 소자 구동 회로에 의하면, 인덕터에 의해 박막의 압전체를 갖는 압전 소자에 흐르는 전류를 저감할 수 있기 때문에, 압전 소자 구동 회로의 소비 전력을 저감할 수 있다.

(2) 상기 압전 소자 구동 회로에 있어서, 상기 인덕터에 직렬 접속되는 커패시터를 구비하고, 상기 구동 전압은, 교류 성분에 직류 성분을 더한 전압인 것으로 해도 좋다.

이 구성에 의하면, 인덕터에 흐르는 직류 전류 성분을 커패시터에 의해 저지할 수 있기 때문에, 압전 소자 구동 회로의 소비 전력을 더욱 저감할 수 있다.

(3) 상기 압전 소자 구동 회로에 있어서, 상기 인덕터의 인덕턴스는, 상기 압전 소자와 병렬 공진을 구성하는 제1 인덕턴스와, 상기 커패시터와 직렬 공진을 구성하는 제2 인덕턴스와의 합이며, 상기 병렬 공진의 공진 주파수와 상기 직렬 공진의 공진 주파수가 일치하도록 설정되어 있는 것으로 해도 좋다.

이 구성에 의하면, 직류 전류 성분을 저지하면서 공진을 달성할 수 있기 때문에, 압전 소자 구동 회로의 소비 전력을 더욱 저감할 수 있다.

(4) 상기 압전 소자 구동 회로에 있어서, 상기 인덕터는, 복수의 상기 압전 소자에 병렬로 접속되어 있으며, 상기 압전 소자 구동 회로는, 병렬로 접속된 상기 복수의 압전 소자에 상기 구동 전압을 공통으로 공급하는 것으로 해도 좋다.

이 구성에 의하면, 병렬로 접속된 복수의 압전 소자의 정전 용량은 커지지만, 이들 복수의 압전 소자에 병렬로 접속된 인덕터에 의해, 압전 소자 구동 회로의 소비 전력을 저감할 수 있다.

본 발명은, 여러 가지의 형태로 실현하는 것이 가능하고, 예를 들면, 압전 소자 구동 회로 외에, 압전 구동 장치, 압전 구동 장치의 구동 방법, 압전 구동 장치의 제조 방법, 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 다른 실시 형태의 압전 구동 장치의 단면도이다.
도 10은 다른 실시 형태의 압전 구동 장치의 평면도이다.
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 그의 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. 압전 진동체(100)는, 기판(120)과, 기판(120)의 위에 형성된 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. 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)의 기판(120)은, 제1 전극(130)과 압전체(140)와 제2 전극(150)을 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)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 100㎛ 이하로 하면, 박막으로 형성된 압전체(140)의 신축에 따라서, 기판(120)을 용이하게 진동시킬 수 있다.

제1 전극(130)은, 기판(120) 상에 형성된 1개의 연속적인 도전체층으로서 형성되어 있다. 한편, 제2 전극(150)은, 도 1(A)에 나타내는 바와 같이, 5개의 도전체층(150a∼150e)(「제2 전극(150a∼150e)」이라고도 함)으로 구분되어 있다. 중앙에 있는 제2 전극(150e)은, 기판(120)의 폭방향의 중앙에 있어서, 기판(120)의 길이 방향의 거의 전체에 걸친 장방형 형상으로 형성되어 있다. 다른 4개의 제2 전극(150a, 150b, 150c, 150d)은, 동일한 평면 형상을 갖고 있으며, 기판(120)의 네 모퉁이의 위치에 형성되어 있다. 도 1의 예에서는, 제1 전극(130)과 제2 전극(150)은, 모두 장방형의 평면 형상을 갖고 있다. 제1 전극(130)이나 제2 전극(150)은, 예를 들면 스퍼터링에 의해 형성되는 박막이다. 제1 전극(130)이나 제2 전극(150)의 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)을 1개의 연속적인 도전체층으로 하는 대신에, 제2 전극(150a∼150e)과 실질적으로 동일한 평면 형상을 갖는 5개의 도전체층으로 구분해도 좋다. 또한, 제2 전극(150a∼150e)의 사이의 전기적 접속을 위한 배선(또는 배선층 및 절연층)과, 제1 전극(130) 및 제2 전극(150a∼150e)과 구동 회로와의 사이의 전기적 접속을 위한 배선(또는 배선층 및 절연층)은, 도 1에서는 도시가 생략되어 있다.

압전체(140)는, 제2 전극(150a∼150e)과 실질적으로 동일한 평면 형상을 갖는 5개의 압전체층으로서 형성되어 있다. 이 대신에, 압전체(140)를, 제1 전극(130)과 실질적으로 동일한 평면 형상을 갖는 1개의 연속적인 압전체층으로서 형성해도 좋다. 제1 전극(130)과 압전체(140)와 제2 전극(150a∼150e)과의 적층 구조에 의해, 5개의 압전 소자(110a∼110e)(도 1(A))가 구성된다.

압전체(140)는, 예를 들면 졸-겔법이나 스퍼터링법에 의해 형성되는 박막이다. 압전체(140)의 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, 아연 니오브산 납, 스칸듐니오브산 납 등을 이용하는 것이 가능하다. 또한 세라믹 이외의 압전 효과를 나타내는 재료, 예를 들면 폴리불화 비닐리덴, 수정 등을 이용하는 것도 가능하다. 압전체(140)의 두께는, 예를 들면 50㎚(0.05㎛) 이상 20㎛ 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이 범위의 두께를 갖는 압전체(140)의 박막은, 성막 프로세스를 이용하여 용이하게 형성할 수 있다. 압전체(140)의 두께를 0.05㎛ 이상으로 하면, 압전체(140)의 신축에 따라서 충분히 큰 힘을 발생할 수 있다. 또한, 압전체(140)의 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, 스테인리스 강, 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, 공진 소자(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 중 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 가지 것을 채용하는 것이 가능하다.

도 3에 나타내는 구동 회로(300)와 압전 구동 장치(10)의 전극(130, 150)은 이하와 같이 접속되어 있다. 압전 구동 장치(10)의 5개의 제2 전극(150a∼150e) 중에서, 대각에 있는 한 쌍의 제2 전극(150a, 150d)이 배선(151)을 통하여 서로 전기적으로 접속되고, 다른 대각의 한 쌍의 제2 전극(150b, 150c)도 배선(152)을 통하여 서로 전기적으로 접속되어 있다. 이들 배선(151, 152)은 성막 처리에 의해 형성해도 좋고, 혹은, 와이어 형상의 배선에 의해 실현해도 좋다. 도 3의 우측에 있는 3개의 제2 전극(150b, 150e, 150d)과, 제1 전극(130)(도 1)은, 배선(310, 312, 314, 320)을 통하여 구동 전압 발생 회로(340)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 도 3의 예에서는, 배선(320)은 접지되어 있다. 또한, 공진 소자(350)는, 접지 배선(320)과 다른 배선(310, 312, 314)과의 사이에, 구동 전압 발생 회로(340)와 병렬로 접속되어 있다.

구동 전압 발생 회로(340)는, 한 쌍의 제2 전극(150a, 150d)과 제1 전극(130)과의 사이에 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, 다른 한 쌍의 제2 전극(150b, 150c)과 제1 전극(130)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, 310, 312, 314, 320)을 구성하는 배선(또는 배선층 및 절연층)은, 도 1에서는 도시가 생략되어 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, 한 쌍의 제2 전극(150a, 150d)과 제1 전극(130)과의 사이에 구동 전압을 인가하고 있으며, 압전 소자(110a, 110d)는 도 5의 화살표 x의 방향으로 신축한다. 이에 따라서, 압전 구동 장치(10)의 진동체부(210)가 압전 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 주위에 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 전압 발생 회로(340)가, 다른 한 쌍의 제2 전극(150b, 150c)과 제1 전극(130)과의 사이에 구동 전압을 인가하는 경우에는, 로터(50)는 반대 방향으로 회전한다. 또한, 중앙의 제2 전극(150e)에, 한 쌍의 제2 전극(150a, 150d)(또는 다른 한 쌍의 제2 전극(150b, 150c))과 동일한 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 소자(110)로 구성되어 있으며, 공진 소자(350)를 갖고 있지 않다. 압전 소자(110)는, 정전 용량 Cpz를 갖는 커패시터와 등가이다. 도 6(B)에 나타내는 제1 실시 형태의 압전 소자 구동 회로는, 구동 전압 발생 회로(340)와, 구동 전압 발생 회로(340)에 접속된 압전 소자(110)와, 압전 소자(110)에 병렬로 접속된 공진 소자(350)로 구성되어 있다. 이 공진 소자(350)는, 인덕터(352)로 구성되어 있다. 인덕터(352)는, 예를 들면, 도 3의 압전 소자(110e)에 대응하여 설치된 것이다. 다른 압전 소자(110b, 110d)에 대해서도, 동일하게 인덕터를 각각 설치하는 것이 바람직하다. 구동 전압 발생 회로(340)는, 교류 성분만을 포함하는 구동 전압 Vin을 압전 소자(110)에 공급한다.

도 6에 있어서의 인덕터(352)의 인덕턴스 Ls는, 이하의 식을 만족하도록 설정되는 것이 바람직하다.

f_vin＝1/{2π√(Ls·Cpz)}　　　…(1)

여기에서, f_vin은 구동 전압 Vin의 교류 성분의 주파수, Ls는 인덕터(352)의 인덕턴스, Cpz는 압전 소자(110)의 정전 용량이며, Ls 및 Cpz는 구동 전압 Vin의 주파수 및 피크 전압에 대한 값이다.

상기 (1)식을 만족하는 경우에는, 압전 소자(110)와 인덕터(352)가 병렬 공진 회로를 구성하고, 또한, 그 공진 주파수가 구동 전압 Vin의 교류 성분의 주파수와 일치한다. 따라서, 인덕터(352)에 의해 압전 소자(110)에 흐르는 전류를 저감할 수 있기 때문에, 압전 소자 구동 회로의 소비 전력을 저감할 수 있다. 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, 인덕터(352)에 의해 압전 소자 구동 회로의 소비 전력을 저감할 수 있다.

또한, 인덕터(352)의 인덕턴스 Ls는, 반드시 상기 (1)식을 만족할 필요는 없고, 이로부터 다소 벗어난 값을 갖고 있어도 좋다. 즉, 인덕터(352)는, 엄밀한 의미에서의 공진 소자가 아니라도 좋다. 단, 인덕터(352)의 인덕턴스 Ls는, 상기 (1)식에서 부여되는 값을 100％로 했을 때, 100±10％의 범위의 값인 것이 바람직하다. 혹은, 상기 (1)식의 우변의 값이, 구동 전압 Vin의 교류 성분의 주파수 f_vin의 ±5％의 범위에 있는 것이 바람직하다.

도 7은, 제2 실시 형태의 압전 소자 구동 회로의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 7(A)에 나타내는 바와 같이, 제2 실시 형태의 압전 소자 구동 회로는, 구동 전압 발생 회로(340)와, 구동 전압 발생 회로(340)에 접속된 압전 소자(110)와, 압전 소자(110)에 병렬로 접속된 공진 소자(350a)로 구성되어 있다. 이 공진 소자(350a)는, 인덕터(352)와 커패시터(354)의 직렬 접속으로 구성되어 있다. 인덕터(352)는 인덕턴스 Ls를 갖고, 커패시터(354)는 정전 용량 Cs를 갖고 있다. 구동 전압 발생 회로(340)는, DC 바이어스(직류 성분)와 교류 성분을 포함하는 구동 전압 Vin을 공급한다. 커패시터(354)를 설치하고 있는 이유는, 구동 전압 Vin이 직류 성분을 갖고 있는 경우에, 인덕터(352)에 흐르는 직류 전류 성분을 커패시터(354)에 의해 저지하기 위함이다.

도 7(B)은, 도 7(A)의 등가 회로이다. 여기에서는, 인덕터(352)가, 제1 인덕턴스 Lsa를 갖는 제1 인덕터(352a)와, 제2 인덕턴스 Lsb를 갖는 제2 인덕터(352b)로 분할되어 있다. 이들 인덕턴스 Lsa, Lsb의 합은, 인덕터(352)의 인덕턴스 Ls에 동일하다. 인덕터(352)의 인덕턴스 Ls(＝Lsa＋Lsb)는, 이하의 식을 만족하도록 설정되는 것이 바람직하다.

f_vin＝1/{2π√(Lsa·Cpz)}　　　…(2a)

f_vin＝1/{2π√(Lsb·Cs)}　　　　…(2b)

여기에서, f_vin은 구동 전압 Vin의 교류 성분의 주파수, Lsa, Lsb는 인덕터(352a, 352b)의 인덕턴스, Cpz는 압전 소자(110)의 정전 용량, Cs는 커패시터(354)의 정전 용량이며, Lsa, Lsb, Cpz, Cs는 구동 전압 Vin의 주파수 및 피크 전압에 대한 값이다.

상기 (2a)식 및 (2b)식을 만족하는 경우에는, 압전 소자(110)와 제1 인덕터(352a)가 병렬 공진 회로를 구성함과 함께, 제2 인덕터(352b)와 커패시터(354)가 직렬 공진 회로를 구성한다. 또한, 그들 공진 주파수가 구동 전압 Vin의 교류 성분의 주파수와 일치한다. 따라서, 인덕터(352)와 커패시터(354)에 의해 압전 소자(110)에 흐르는 전류를 저감할 수 있기 때문에, 압전 소자 구동 회로의 소비 전력을 저감할 수 있다. 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, 인덕터(352)와 커패시터(354)에 의해 압전 소자 구동 회로의 소비 전력을 저감할 수 있다. 또한, 제2 실시 형태에서는, 구동 전압 Vin이 직류 성분을 갖고 있는 경우에, 인덕터(352)에 흐르는 직류 전류 성분을 커패시터(354)에 의해 저지하는 것이 가능하다.

또한, 인덕턴스 Lsa는, 반드시 상기 (2a)식을 만족할 필요는 없고, 이로부터 다소 벗어난 값을 갖고 있어도 좋다. (2b)식의 인덕턴스 Lsb나 정전 용량 Cs도 동일하다. 즉, 인덕터(352)와 정전 용량(354)은, 엄밀한 의미에서의 공진 소자가 아니라도 좋다. 단, 상기 (2a)식 및 (2b)의 우변의 각각의 값이, 구동 전압 Vin의 교류 성분의 주파수 f_vin의 ±5％의 범위에 있는 것이 바람직하다.

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 구동 전압으로서 사용하면, 압전 구동 장치(10)의 구동 전류를 더욱 작게 하는 것이 가능하다.

도 8은, 제3 실시 형태의 압전 소자 구동 회로의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 8(A)에 나타내는 제3 실시 형태의 압전 소자 구동 회로는, 구동 전압 발생 회로(340)에 대하여 복수의 압전 소자(110)가 병렬로 접속되어 있는 점이 도 7(A)의 제2 실시 형태와 상이하며, 다른 구성은 제2 실시 형태와 동일하다. 이 예에서는, 2개의 압전 소자(110)가 구동 전압 발생 회로(340)에 대하여 접속되어 있다. 각각의 압전 소자(110)는, 정전 용량 Cpz1, Cpz2를 갖는 것으로 가정하고 있다. 여기에서, 정전 용량 Cpz1, Cpz2는 동일해도 좋고, 상이한 값이라도 좋다.

도 8(B)는, 도 8(A)의 등가 회로이다. 여기에서는, 복수의 압전 소자(110)가 1개의 합성 정전 용량 Cpz로 대표되고 있다. 또한, 도 7(B)와 동일하게, 인덕터(352)가 2개의 인덕터(352a, 352b)로 분할되어 있다. 정전 용량 Cpz와 인덕턴스 Ls(＝Lsa＋Lsb)는, 전술한 (2a)식 및 (2b)식을 만족하도록 설정되는 것이 바람직하다. 이 제3 실시 형태도, 제2 실시 형태와 동일하게, 압전 소자 구동 회로의 소비 전력을 저감할 수 있다. 또한, 압전 소자(110)의 개수는 2개로 한정되지 않고, 3개 이상 병렬로 접속되어 있어도 좋다. 예를 들면, 서로 병렬로 접속된 10개 이상의 다수의 압전 소자(110)를 동시에 구동하는 경우에는, 도 8(B)의 합성 정전 용량 Cpz가 큰 값이 된다. 구체적으로는, 합성 정전 용량 Cpz가 100nF 이상의 큰 값이 될 수 있다. 이 경우에도, 도 8(A)와 같이 인덕터(352)와 커패시터(354)를 설치함으로써, 전류를 충분히 저감하는 것이 가능하다. 또한, 합성 정전 용량 Cpz가 큰 값이 되는 경우에는, 상기 (2a)식의 인덕턴스 Lsa가 작아지기 때문에, 인덕터(352)의 사이즈도 작아지는 점에서 바람직하다. 또한, 구동 전압 Vin이 직류 성분을 포함하지 않는 경우에는, 도 8(A)의 구성에 있어서, 커패시터(354)를 생략해도 좋다.

·압전 구동 장치의 다른 실시 형태:

도 9는, 본 발명의 다른 실시 형태로서의 압전 구동 장치(10a)의 단면도이고, 제1 실시 형태의 도 1(B)에 대응하는 도면이다. 이 압전 구동 장치(10a)에서는, 압전 진동체(100)가, 도 1(B)와는 상하를 반대로 한 상태에서 진동판(200)에 배치되어 있다. 즉, 여기에서는, 제2 전극(150)이 진동판(200)에 가깝고, 기판(120)이 진동판(200)으로부터 가장 멀어지도록 배치되어 있다. 또한, 도 9에 있어서도, 도 1(B)와 동일하게, 제2 전극(150a∼150e)의 사이의 전기적 접속을 위한 배선(또는 배선층 및 절연층)과, 제1 전극(130) 및 제2 전극(150a∼150e)과 구동 회로와의 사이의 전기적 접속을 위한 배선(또는 배선층 및 절연층)은, 도시가 생략되어 있다. 이 압전 구동 장치(10a)도, 제1 실시 형태와 동일한 효과를 달성할 수 있다.

도 10(A)는, 본 발명의 추가로 다른 실시 형태로서의 압전 구동 장치(10b)의 평면도이며, 제1 실시 형태의 도 1(A)에 대응하는 도면이다. 도 10(A)∼도 10(C)에서는, 도시의 편의상, 진동판(200)의 접속부(220)나 부착부(230)는 도시가 생략되어 있다. 도 10(A)의 압전 구동 장치(10b)에서는, 한 쌍의 제2 전극(150b, 150c)이 생략되어 있다. 이 압전 구동 장치(10b)도, 도 5에 나타내는 바와 같은 1개의 방향 z로 로터(50)를 회전시키는 것이 가능하다. 또한, 도 10(A)의 3개의 제2 전극(150a, 150e, 150d)에는 동일한 전압이 인가되기 때문에, 이들 3개의 제2 전극(150a, 150e, 150d)을, 연속되는 1개의 전극층으로서 형성해도 좋다.

도 10(B)는, 본 발명의 추가로 다른 실시 형태로서의 압전 구동 장치(10c)의 평면도이다. 이 압전 구동 장치(10c)에서는, 도 1(A)의 중앙의 제2 전극(150e)이 생략되어 있으며, 다른 4개의 제2 전극(150a, 150b, 150c, 150d)이 도 1(A)보다도 큰 면적에 형성되어 있다. 이 압전 구동 장치(10c)도, 제1 실시 형태와 거의 동일한 효과를 달성할 수 있다.

도 10(C)는, 본 발명의 추가로 다른 실시 형태로서의 압전 구동 장치(10d)의 평면도이다. 이 압전 구동 장치(10d)에서는, 도 1(A)의 4개의 제2 전극(150a, 150b, 150c, 150d)이 생략되어 있으며, 1개의 제2 전극(150e)이 큰 면적에서 형성되어 있다. 이 압전 구동 장치(10d)는, 길이 방향으로 신축할 뿐이지만, 돌기부(20)로부터 피구동체(도시 생략)에 대하여 큰 힘을 부여하는 것이 가능하다.

도 1 및 도 10(A)∼도 10(C)로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 압전 진동체(100)의 제2 전극(150)으로서는, 적어도 1개의 전극층을 형성할 수 있다. 단, 도 1 및 도 10(A), 도 10(B)에 나타내는 실시 형태와 같이, 장방형의 압전 진동체(100)의 대각의 위치에 제2 전극(150)을 형성하도록 하면, 압전 진동체(100) 및 진동판(200)을, 그 평면 내에서 굴곡지는 사행 형상으로 변형시키는 것이 가능한 점에서 바람직하다.

·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) 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 같이 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 개재하여 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 각각 1개의 압전 진동체(100)을 설치하고 있었지만, 압전 진동체(100)의 한쪽을 생략하는 것도 가능하다. 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
350 : 공진 소자
352 : 인덕터
354 : 커패시터
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 갖는 압전 소자와,
상기 압전 소자와 병렬로 접속되어 있는 인덕터와,
상기 압전 소자와 상기 인덕터에, 교류 성분을 포함하는 구동 전압을 인가하는 구동 전압 발생 회로
를 구비하는 압전 소자 구동 회로.
제1항에 있어서,
상기 인덕터에 직렬 접속되는 커패시터를 구비하고,
상기 구동 전압은, 상기 교류 성분에 직류 성분을 더한 전압인 압전 소자 구동 회로.
제2항에 있어서,
상기 인덕터의 인덕턴스는, 상기 압전 소자와 병렬 공진을 구성하는 제1 인덕턴스와, 상기 커패시터와 직렬 공진을 구성하는 제2 인덕턴스와의 합이며, 상기 병렬 공진의 공진 주파수와 상기 직렬 공진의 공진 주파수가 일치하도록 설정되어 있는 압전 소자 구동 회로.
제1항에 있어서,
상기 인덕터는, 복수의 상기 압전 소자에 병렬로 접속되어 있으며,
상기 구동 전압 발생 회로는, 병렬로 접속된 상기 복수의 압전 소자에 상기 구동 전압을 공통으로 공급하는 압전 소자 구동 회로.
복수의 링크부와
상기 복수의 링크부를 접속하는 관절부와,
상기 압전 소자를 이용하여 상기 복수의 링크부를 상기 관절부에서 회전운동시키는 제1항에 기재된 압전 소자 구동 회로
를 구비하는 로봇.