TW201630326A - 壓電元件驅動電路及機器人 - Google Patents

Abstract

本發明之課題係於先前之壓電驅動裝置中，靜電電容較大，而於驅動時需要較大之電流。 本發明之壓電元件驅動電路包含：壓電元件行，其係將分別包含厚度為0.05μm以上20μm以下之壓電體、及夾著壓電體之2個電極之N個(N為2以上之整數)壓電元件串聯連接而成；第1產生電路，其對壓電元件行供給包含交流成分與直流成分之電壓；及第2產生電路，其對壓電元件行中之鄰接之2個壓電元件間之(N-1)個連接點中之M個(M為1以上之整數)連接點，供給包含直流成分之電壓。

Description

壓電元件驅動電路及機器人

本發明係關於壓電元件驅動電路、及包含壓電元件驅動電路之機器人等各種裝置。

先前以來，已知有使用壓電元件之壓電致動器(壓電驅動裝置)(例如專利文獻1)。該壓電驅動裝置之基本構成係於加強板之2個面之各者上，將4個壓電元件2列2行地配置之構成，於加強板之兩側設置有共計8個壓電元件。各個壓電元件係將壓電體分別以2片電極夾著之單元，且加強板亦作為壓電元件之一側之電極利用。於加強板之一端，設置有與作為被驅動體之轉子相接且用於使轉子旋轉之突起部。若對4個壓電元件中之配置於對角之2個壓電元件施加交流電壓，則該2個壓電元件進行伸縮運動，且對應於此，加強板之突起部進行往復運動或橢圓運動。然後，對應於該加強板之突起部之往復運動或橢圓運動，作為被驅動體之轉子向特定之旋轉方向旋轉。又，藉由將施加交流電壓之2個壓電元件切換為其他2個壓電元件，可使轉子向反方向旋轉。

先前，作為於壓電驅動裝置使用之壓電體，使用所謂塊狀之壓電體。於本說明書中，「塊狀之壓電體」意指，厚度為100μm以上之壓電體。利用塊狀之壓電體之原因在於，為了將自壓電驅動裝置賦予被驅動體之力設為較大，而欲加大壓電體之厚度。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2004-320979號公報

於先前之壓電驅動裝置中，存在由於配置於對角之2個壓電元件並聯連接，故靜電電容較大，而於驅動時需要較大之電流之問題。

又，於將壓電驅動裝置收容於較小之空間(例如機器人之關節內)而使用之情形時，由於在使用先前之壓電體之壓電驅動裝置中有配線空間不足之可能性，故有欲將壓電體薄化之需求。但是，由於靜電電容與夾著壓電體之電極間之距離成反比例，故若將壓電體薄化則會產生靜電電容變大、而消耗電力增大之問題。

本發明係為了解決上述問題之至少一部分而完成者，可作為以下形態或應用例而實現。

(1)根據本發明之一形態，可提供一種驅動壓電元件之壓電元件驅動電路。上述壓電元件驅動電路包含：壓電元件行，其係將分別包含厚度為0.05μm以上20μm以下之壓電體、及夾著上述壓電體之2個電極之N個(N為2以上之整數)壓電元件串聯連接者；第1產生電路，其對上述壓電元件行供給包含交流成分與直流成分之電壓；及第2產生電路，其對上述壓電元件行中之鄰接之2個壓電元件間之(N-1)個連接點中之M個(M為1以上之整數)連接點，供給包含直流成分之電壓。

根據該壓電元件驅動電路，因複數個壓電元件串聯連接，故可降低壓電元件整體之靜電電容。又，因對鄰接之壓電元件間之連接點供給包含直流成分之電壓，故可抑制對串聯連接之壓電元件中之一部分壓電元件施加過大電壓之現象，而可降低壓電元件整體之實效靜電 電容、進而降低壓電體驅動電路之消耗電力。

(2)於上述壓電元件驅動電路中，亦可設為上述M等於上述(N-1)，且上述第2產生電路對上述(N-1)個連接點，供給具有不同電壓值之電壓者。

根據該構成，因對(N-1)個連接點供給具有互不相同之電壓值之電壓，故可進一步防止對串聯連接之壓電元件中之一部分壓電元件施加過大電壓之現象，而可降低壓電元件整體之實效靜電電容、進而降低壓電體驅動電路之消耗電力。

(3)於上述壓電元件驅動電路中，亦可設為上述第2產生電路供給之電壓係直流電壓者。

根據該構成，因可使壓電元件間之連接點之電壓穩定，故可進一步降低壓電元件整體之實效靜電電容、進而降低消耗電力。

(4)上述壓電元件驅動電路亦可設為包含連接於上述第2產生電路與上述M個連接點之間之電感器者。

根據該構成，可藉由電感器降低經由M個連接點而逆流至驅動電路之交流成分。

(5)於上述壓電元件驅動電路中，亦可設為上述第2產生電路包含藉由將上述第1產生電路供給之電壓分壓，而產生供給於上述M個連接點之電壓之分壓電路者。

根據該構成，可容易地產生賦予M個連接點之電壓。

(6)於上述壓電元件驅動電路中，亦可設為上述分壓電路包含將複數個電阻元件串聯連接之電阻元件行者。

根據該構成，可容易地產生賦予M個連接點之電壓。

(7)於上述壓電元件驅動電路中，亦可設為上述分壓電路包含串聯連接於上述電阻元件行之電感器者。

根據該構成，因可降低於電阻元件行流通之交流電流，故可進 一步降低消耗電力。

本發明可藉由各種形態實現，例如、除了壓電元件驅動電路之外，可藉由壓電驅動裝置、壓電驅動裝置之驅動方法、搭載壓電元件驅動電路或壓電驅動裝置之機器人等各種裝置及其驅動方法等、各種形態實現。

10‧‧‧壓電驅動裝置

10b‧‧‧壓電驅動裝置

20‧‧‧突起部

50‧‧‧轉子

51‧‧‧中心

100‧‧‧壓電振動體

110‧‧‧壓電元件

110a‧‧‧壓電元件組

110a1‧‧‧壓電元件

110a2‧‧‧壓電元件

110b‧‧‧壓電元件組

110b1‧‧‧壓電元件

110b2‧‧‧壓電元件

110c‧‧‧壓電元件組

110c1‧‧‧壓電元件

110c2‧‧‧壓電元件

110d‧‧‧壓電元件組

110d1‧‧‧壓電元件

110d2‧‧‧壓電元件

110e1‧‧‧壓電元件

110e2‧‧‧壓電元件

110e3‧‧‧壓電元件

110e4‧‧‧壓電元件

120‧‧‧基板

130‧‧‧第1電極

130a1‧‧‧第1電極

130a2‧‧‧第1電極

130b1‧‧‧第1電極

130b2‧‧‧第1電極

130c1‧‧‧第1電極

130c2‧‧‧第1電極

130d1‧‧‧第1電極

130d2‧‧‧第1電極

130e1‧‧‧第1電極

130e2‧‧‧第1電極

130e3‧‧‧第1電極

130e4‧‧‧第1電極

140‧‧‧壓電體

150‧‧‧第2電極

150a1‧‧‧第2電極

150a2‧‧‧第2電極

150b1‧‧‧第2電極

150b2‧‧‧第2電極

150c1‧‧‧第2電極

150c2‧‧‧第2電極

150d1‧‧‧第2電極

150d2‧‧‧第2電極

150e1‧‧‧第2電極

150e2‧‧‧第2電極

150e3‧‧‧第2電極

150e4‧‧‧第2電極

151‧‧‧配線

152‧‧‧配線

155a1‧‧‧配線

155b1‧‧‧配線

155c1‧‧‧配線

155d1‧‧‧配線

155e1‧‧‧配線

155e2‧‧‧配線

155e3‧‧‧配線

200‧‧‧振動板

210‧‧‧振動體部

211‧‧‧第1面

212‧‧‧第2面

220‧‧‧連接部

230‧‧‧安裝部

240‧‧‧螺栓

300‧‧‧驅動電路

310‧‧‧配線

312‧‧‧配線

314‧‧‧配線

320‧‧‧配線

322‧‧‧配線

324‧‧‧配線

340‧‧‧驅動電壓產生電路(第1產生電路)

350‧‧‧元件間電壓產生電路(第2產生電路)

350b‧‧‧元件間電壓產生電路

350c‧‧‧元件間電壓產生電路

352‧‧‧分壓電路

352b‧‧‧分壓電路

352c‧‧‧分壓電路

400‧‧‧壓電元件行

2000‧‧‧機械手

2003‧‧‧握持部

2010‧‧‧臂

2012‧‧‧連桿部

2020‧‧‧關節部

2022‧‧‧手腕轉動部

2050‧‧‧機器人

2200‧‧‧送液泵

2202‧‧‧凸輪

2202A‧‧‧突起部

2211‧‧‧貯液器

2212‧‧‧導管

2213~2219‧‧‧手指

2222‧‧‧轉子

2223‧‧‧減速傳達機構

2230‧‧‧盒體

B-B‧‧‧線

C‧‧‧靜電電容

C1~C4‧‧‧靜電電容

CP1~CP3‧‧‧連接點

L‧‧‧長度

L1~L3‧‧‧電感器/電感

L10‧‧‧電感器

O‧‧‧中心軸

R1~R4‧‧‧電阻

Vac‧‧‧交流成分

Vbias‧‧‧直流成分

Vdc1~Vdc3‧‧‧元件間電壓

Vin‧‧‧驅動電壓

W‧‧‧寬度

x‧‧‧箭頭

y‧‧‧箭頭

z‧‧‧方向

圖1(A)、(B)係顯示第1實施形態之壓電驅動裝置之概略構成之俯視圖及剖視圖。

圖2係振動板之俯視圖。

圖3係顯示壓電驅動裝置與驅動電路之電性連接狀態之說明圖。

圖4(A)~(C)係顯示驅動電壓之交流成分之波形之例之說明圖。

圖5係顯示壓電驅動裝置之動作之例之說明圖。

圖6(A)、(B)係顯示比較例與第1實施形態之壓電元件驅動電路之構成之說明圖。

圖7係顯示第2實施形態之壓電元件驅動電路之構成之說明圖。

圖8係顯示第3實施形態之壓電元件驅動電路之構成之說明圖。

圖9係顯示第4實施形態之壓電元件驅動電路之構成之說明圖。

圖10係其他實施形態之壓電驅動裝置之剖視圖。

圖11係顯示利用壓電驅動裝置之機器人之一例之說明圖。

圖12係機器人之手腕部分之說明圖。

圖13係顯示利用壓電驅動裝置之送液泵之一例之說明圖。

．壓電驅動裝置之整體構成：

圖1(A)係顯示本發明之第1實施形態之壓電驅動裝置10之概略構成之俯視圖，圖1(B)係其B-B剖視圖。壓電驅動裝置10具備：振動板200，及分別配置於振動板200之兩面(第1面211與第2面212)之2個壓 電振動體100。2個壓電振動體100係以振動板200為中心對稱地配置。因2個壓電振動體100具有相同構成，故於以下只要無特別限制，則說明位於振動板200之上側之壓電振動體100之構成。

壓電振動體100具備：基板120，及形成於基板120上之複數個壓電元件110a1、110a2、110b1、110b2、110c1、110c2、110d1、110d2、110e1、110e2、110e3、110e4。因該等各個壓電元件之構造相同，故於無須相互區別之情形時，稱為「壓電元件110」。

壓電元件110具備：第1電極130、形成於第1電極130上之壓電體140、及形成於壓電體140上之第2電極150。第1電極130與第2電極150夾持壓電體140。壓電元件110可藉由將具有1個連續之壓電體、及夾持壓電體之2個連續之導電體層(第1電極、第2電極)之1個較大之壓電元件，利用離子研磨或乾蝕刻等物理或化學方法分割成複數個(複數個壓電元件)而形成。壓電元件100e1~100e4形成為大致長方形形狀，且於基板120之寬度方向之中央，沿基板120之長度方向形成。壓電元件110a1與110a2沿長度方向排列而形成壓電元件組110a。關於壓電元件110b1與110b2、110c1與110c2、110d1與110d2亦同樣，分別形成壓電元件組110b、110c、110d。壓電元件組110a、110b、110c、110d形成於基板120之四角之位置。

壓電振動體100之基板120作為用於在成膜製程形成第1電極及壓電體與第2電極之基板使用。又，基板120亦具有作為進行機械振動之振動板之功能。基板120可以例如Si、Al₂O₃、ZrO₂等形成。作為Si製之基板120(亦稱為「矽基板120」)，可利用例如半導體製造用之Si晶圓。於該實施形態中，基板120之平面形狀係長方形。基板120之厚度較佳設為例如10μm以上100μm以下之範圍。若將基板120之厚度設為10μm以上，則於基板120上之成膜處理時可比較容易地處理基板120。另，若將基板120之厚度設為50μm以上，則可更容易地處理基 板120。又，若將基板120之厚度設為100μm以下，則可對應於以薄膜形成之壓電體之伸縮，而容易地使基板120振動。

如上述，分割前之第1電極或第2電極係藉由例如濺鍍形成之薄膜。作為第1電極或第2電極之材料，可利用例如Al(鋁)、或Ni(鎳)、Au(金)、Pt(鉑)、Ir(銥)等導電性較高之任意材料。另，用於第1電極130、第2電極150、及驅動電路之間之電性連接之配線(或配線層及絕緣層)係於圖1中省略圖示。

分割前之壓電體係以例如溶膠-凝膠法或濺鍍法形成，且具有薄膜形狀。作為壓電體之材料，可利用採用ABO₃型之鈣鈦礦構造之陶瓷等、顯現壓電效果之任意材料。作為採用ABO₃型之鈣鈦礦構造之陶瓷，可使用例如鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋇、鈦酸鉛、鈮酸鉀、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鎢酸鈉、氧化鋅、鈦酸鍶鋇(BST)、鉭酸鍶鉍(SBT)、偏鈮酸鉛、鋅鈮酸鉛、鈧鈮酸鉛等。又，亦可使用陶瓷以外之顯現壓電效果之材料，例如聚偏氟乙烯、水晶等。壓電體之厚度較佳設為例如50nm(0.05μm)以上20μm以下之範圍。具有該範圍之厚度之壓電體之薄膜可利用成膜製程容易地形成。若將壓電體之厚度設為0.05μm以上，則可對應於壓電體之伸縮而產生充分大之力。又，若將壓電體之厚度設為20μm以下，則可將壓電驅動裝置10充分地小型化。

圖2係振動板200之俯視圖。振動板200具有：長方形形狀之振動體部210，及自振動體部210之左右之長邊分別延伸各3條之連接部220，且具有：分別連接於左右3條之連接部220之2個安裝部230。另，於圖2中，為了便於圖示，對振動體部210標註有陰影線。安裝部230係為了藉由螺栓240於其他構件安裝壓電驅動裝置10而使用。振動板200可以例如、矽、矽化合物、不鏽鋼、鋁、鋁合金、鈦、鈦合金、銅、銅合金、鐵-鎳合金等金屬、金屬氧化物、或金剛石等材料形成。

於振動體部210之上表面(第1面)及下表面(第2面)，分別使用接著劑接著有壓電振動體100(圖1)。振動體部210之長度L與寬度W之比較佳設為L：W=約7：2。該比係為了振動體部210進行沿其平面於左右彎曲之超音波振動(後述)而較佳之值。振動體部210之長度L可設為例如0.1mm以上30mm以下之範圍，寬度W可設為例如0.05mm以上8mm以下之範圍。另，為了振動體部210進行超音波振動，長度L較佳設為50mm以下。振動體部210之厚度(振動板200之厚度)可設為例如20μm以上700μm以下之範圍。若將振動體部210之厚度設為20μm以上，則成為具有充分用於支持壓電振動體100之剛性者。又，若將振動體部210之厚度設為700μm以下，則可對應於壓電振動體100之變形而產生充分大之變形。

於振動板200之一側之短邊，設置有突起部20(亦稱為「接觸部」或「作用部」)。突起部20係用於與被驅動體接觸，且對被驅動體賦予力之構件。突起部20較佳為以陶瓷(例如Al₂O₃)等有耐久性之材料形成。

圖3係顯示壓電驅動裝置10與驅動電路300之電性連接狀態之說明圖。驅動電路300包含：驅動電壓產生電路340、與元件間電壓產生電路350。驅動電壓產生電路340產生包含交流成分之驅動電壓。又，驅動電壓產生電路340較佳構成為可產生僅包含相對於接地電位於正側及負側變動之交流成分之交流驅動電壓、與包含交流成分與DC偏移(直流成分)之附偏移之驅動電壓中之至少一者作為驅動電壓。該驅動電壓之交流成分較佳為接近壓電驅動裝置10之機械共振頻率之頻率之電壓信號。另，交流成分之波形雖典型為正弦波，但亦可具有正弦波以外之波形。直流成分不必嚴密固定，亦可略微變動。例如、直流成分亦可於其平均值之±10%以內變動。

圖4(A)~(C)顯示驅動電壓之交流成分Vac之波形之例。圖4(A)之 交流成分Vac為正弦波。圖4(B)、(C)之交流成分Vac雖並非正弦波，但具有週期性之波形。自該等例亦可理解，驅動電壓之交流成分Vac只要為週期性即可，作為其波形可採用多種者。

元件間電壓產生電路350係對壓電元件行供給元件間電壓者，關於其具體例見後述。又，驅動電壓產生電路340及元件間電壓產生電路350、與壓電元件之連接狀態雖於圖3中省略，但對其等間之連接關係亦後述。另，將驅動電壓產生電路340亦稱為「第1產生電路」或「第1電壓產生電路」，將元件間電壓產生電路350亦稱為「第2產生電路」或「第2電壓產生電路」。

於本實施形態中，壓電元件分成分別具有4個壓電元件之3個組。第1組具有壓電元件110c1、110c2、110b1、110b2。第2組具有壓電元件110a1、110a2、110d1、110d2。第3組具有壓電元件110e1、110e2、110e3、110e4。

第1組壓電元件110c1、110c2、110b1、110b2係如以下般串聯連接。即，驅動電路300與第1壓電元件110c1之第1電極130係藉由配線320連接。第1壓電元件110c1之第2電極150與第2壓電元件110c2之第1電極130係藉由配線155c1連接。第2壓電元件110c2之第2電極150與第3壓電元件110b1之第1電極130係藉由配線152連接。第3壓電元件110b1之第2電極150與第4壓電元件110b2之第1電極130係藉由配線155b1連接。第4壓電元件110b2之第2電極150與驅動電路300係藉由配線310連接。藉由該等配線，將壓電元件110c1、110c2、110b1、110b2串聯連接。

第2組壓電元件110a1、110a2、110d1、110d2亦同樣如以下般串聯連接。驅動電路300與第1壓電元件110a1之第1電極130係藉由配線324連接。第1壓電元件110a1之第2電極150與第2壓電元件110a2之第1電極130係藉由配線155a1連接。第2壓電元件110a2之第2電極150與第 3壓電元件110d1之第1電極130係藉由配線151連接。第4壓電元件110d1之第2電極150與第4壓電元件110d2之第1電極130係藉由配線155d1連接。第4壓電元件110d2之第2電極150與驅動電路300係藉由配線314連接。藉由該等配線，將壓電元件110a1、110a2、110d1、110d2串聯連接。

第3組壓電元件110e1、110e2、110e3、110e4係如以下般串聯連接。驅動電路300與第1壓電元件110e1之第1電極130係藉由配線322連接。第1壓電元件110e1之第2電極150與第2壓電元件110e2之第1電極130係藉由配線155e1連接。第2壓電元件110e2之第2電極150與第3壓電元件110e3之第1電極130係藉由配線155e2連接。第3壓電元件110e3之第2電極150與第4壓電元件110e4之第1電極130係藉由配線155e3連接。第4壓電元件110e4之第2電極150與驅動電路300係藉由配線312連接。藉由該等配線，將壓電元件110e1、110e2、110e3、110e4串聯連接。

該等配線151、152、155a1~155e3既可藉由成膜處理形成，或，亦可藉由導線狀之配線實現。驅動電路300可藉由於配線314與配線324之間施加包含週期性變化之交流成分之驅動電壓，而使壓電驅動裝置10超音波振動，進而使接觸於突起部20之轉子(被驅動體)向特定之旋轉方向旋轉。又，藉由於配線310與配線320之間施加包含交流成分之驅動電壓，而可使接觸於突起部20之轉子向反方向旋轉。此種電壓之施加可於設置於振動板200之兩面之2個壓電振動體100同時進行。另，構成圖3所示之配線151、152、155a1~155e3、310、312、314、320、322、324之配線(或配線層及絕緣層)於圖1中省略圖示。

於本實施形態中，藉由以下之效果，自驅動電路300觀察到之壓電驅動裝置10之靜電電容變小。

(1)面積之效果：本實施形態之壓電元件110之第1電極130、第2 電極150之面積與先前技術(日本專利特開2004-320979號公報)之圖7所示之壓電元件之第1電極、第2電極之面積相比，為一半。因靜電電容與電極之面積成正比，故壓電元件之靜電電容成為1/2。

(2)串聯連接之效果：一般，若將具有相同之靜電電容C之N個(N為2以上之整數)電容元件串聯連接，則其合計之靜電電容成為C/N。於本實施形態中，因將大致同型之壓電元件串聯連接4個，故合成靜電電容成為C/4。另一方面，若將具有相同之靜電電容C之N個(N為2以上之整數)電容元件並聯連接，則其合成靜電電容成為N×C。於上述先前技術中，因將2個壓電元件並聯連接，故合成靜電電容成為2C。與該先前技術相比，本實施形態之壓電元件之合成靜電電容為1/8。根據該等兩者之效果，若將上述先前技術之壓電元件之合成靜電電容設為1，則串聯連接之4個壓電元件之合成靜電電容成為1/16。如此，藉由分割壓電元件而作為壓電元件、並將壓電元件串聯連接，可縮小靜電電容。

圖5係顯示壓電驅動裝置10之動作之例之說明圖。壓電驅動裝置10之突起部20接觸於作為被驅動體之轉子50之外周。於圖5所示之例中，驅動電路300(圖3)對串聯連接之4個壓電元件110a1、110a2、110d1、110d2施加包含交流成分之驅動電壓，而壓電元件110a1、110a2、110d1、110d2於圖5之箭頭x之方向上伸縮。對應於此，壓電驅動裝置10之振動體部210於振動體部210之平面內彎曲而變形為蜿蜒形狀(S字形狀)，而突起部20之前端於箭頭y之方向上往復運動、或橢圓運動。其結果，轉子50繞其中心51向特定之方向z(於圖5中為順時針方向)旋轉。於圖2說明之振動板200之3個連接部220(圖2)設置於此種振動體部210之振動節(節點)之位置。另，於驅動電路300對其他4個壓電元件110c1、110c2、110b1、110b2施加包含交流成分之驅動電壓之情形時，轉子50向反方向旋轉。另，因若對中央之4個壓電元件 110e1、110e2、110e3、110e4施加包含交流成分之驅動電壓，則壓電驅動裝置10於長度方向上伸縮，故可更加增大自突起部20賦予轉子50之力。另，對於壓電驅動裝置10(或壓電振動體100)之此種動作，於上述先前技術文獻1(日本專利特開2004-320979號公報、或對應之美國專利第7224102號)中有所記述，其揭示內容以引用之方式併入本文中。

．壓電元件驅動電路之各種實施形態：

圖6係顯示比較例與第1實施形態之壓電元件驅動電路之構成之說明圖。圖6(A)所示之比較例之壓電元件驅動電路係以驅動電壓產生電路340、與連接於驅動電壓產生電路340之壓電元件行400構成。驅動電壓產生電路340對壓電元件行400供給包含交流成分與直流成分Vbias之驅動電壓Vin。壓電元件行400係複數個壓電元件110之串聯連接，於圖6(A)之例中以4個壓電元件110構成。唯，壓電元件行400可作為N個(N為2以上之整數)壓電元件110之串聯連接構成。就與上述之圖1及圖3之關聯而言，圖6(A)之壓電元件行400對應於例如圖3中串聯連接之1組壓電元件110a1、110a2、110d1、110d2。4個壓電元件110等價於具有靜電電容C1~C4之電容器。另，該等靜電電容C1~C4雖亦可為互不相同之值，但較佳為彼此相等。於以下，主要說明複數個壓電元件110之靜電電容C1~C4彼此相等之情形。

於圖6(A)之比較例中，驅動電壓Vin之交流成分與直流成分Vbias較理想為藉由構成壓電元件行400之複數個壓電元件110而分別分壓。但是，雖交流成分可藉由複數個壓電元件110分壓成接近理想之狀態，但直流成分Vbias有無法理想分割之情形。例如、有於構成壓電元件行400之複數個壓電元件110中之一個壓電元件110施加直流成分Vbias之大部分之可能性。於以下說明之各種實施形態意圖解決或緩解此種問題。

圖6(B)所示之第1實施形態之壓電元件驅動電路係除了驅動電壓產生電路340與壓電元件行400之外，追加有元件間電壓產生電路350。該元件間電壓產生電路350對4個壓電元件110間之3個連接點CP1~CP3分別供給具有不同電壓值之元件間電壓Vdc1~Vdc3。驅動電壓產生電路340對壓電元件行400供給包含交流成分與直流成分Vbias之驅動電壓Vin。

端子間電壓Vdc1~Vdc3較佳設為如以下般將驅動電壓Vin之直流成分Vbias分壓之值。

Vdc1=Vbias×1/4…(1a)

Vdc2=Vbias×2/4…(1b)

Vdc3=Vbias×3/4…(1c)

因若如此般設定元件間電壓Vdc1~Vdc3，則鄰接之壓電元件110間之連接點CP1~CP3之電壓係藉由該等元件間電壓Vdc1~Vdc3而調整，故可解決或緩解上述之比較例之問題(對複數個壓電元件110中之一個壓電元件110施加直流成分Vbias之大部分)。即，根據第1實施形態之電路構成，因可防止對串聯連接之壓電元件110中之一部分壓電元件110施加過大電壓之現象，故可降低壓電元件110整體之實效靜電電容，進而降低其消耗電力。尤其是，於壓電體140之厚度為0.05μm以上20μm以下之薄膜之壓電元件110中，雖與厚膜(塊狀)之壓電元件相比靜電電容較大，但可藉由元件間電壓產生電路350降低驅動電路300整體之消耗電力。另，作為包含交流成分與直流成分(DC偏移)之附偏移之驅動電壓Vin，較佳為使用其電壓值恆定為正或負之脈動電壓。若使用此種脈動電壓作為驅動電壓Vin，則可進一步縮小驅動電流。

然而，於複數個壓電元件110之靜電電容C1~C4互不相等之情形時，端子間電壓Vdc1~Vdc3較佳為以各個壓電元件110之兩端之電壓差成為根據複數個壓電元件110之靜電電容C1~C4而將驅動電壓Vin 之直流成分Vbias分壓之值之方式設定。此點亦適合複數個壓電元件110之靜電電容C1~C4彼此相等之情形。即，一般而言，較佳為以構成壓電元件行400之N個(N為2以上之整數)壓電元件110之各個壓電元件110之兩端之電壓差，成為根據各個壓電元件110之靜電電容而將驅動電壓Vin之直流成分Vbias分壓之值之方式，設定供給於(N-1)個連接點之元件間電壓。此時，各壓電元件之兩端之電壓差係根據下式賦予。

△Vj=Vbias/{Σ(1/Ci)×Cj}…(2)此處，△Vj係第j個(j=1~N)壓電元件之兩端之電壓差，Σ(1/Ci)係N個壓電端子之靜電電容Ci(i=1~N)之倒數之和，Cj係第j個壓電元件之靜電電容。

於上述(2)式中，若設為N=4，假設Cj(j=1~4)與j無關而固定，則△Vj全部等於Vbias/4。其結果，可理解為與上述(1a)~(1c)式整合。但是，於複數個壓電元件110之靜電電容Cj互不相等之情形時，亦可以滿足上述(1a)~(1c)式之方式決定元件間電壓。於該情形時，就使壓電元件110之動作穩定之意義而言充分實用。

另，以元件間電壓Vdc1~Vdc3賦予之各個壓電元件110之兩端之電壓差△Vj並非必須滿足上述(2)式，亦可具有與其略有偏差之值。但是，於將根據上述(2)式賦予之值設為100%時，各個壓電元件110之兩端之電壓差△Vj較佳為100±10%之範圍之值。

如以上，於圖6(B)所示之第1實施形態之壓電元件驅動電路中，因於壓電元件行400中之鄰接之2個壓電元件110間之連接點CP1~CP3，分別施加為直流電壓之元件間電壓Vdc1~Vdc3，故可防止對串聯連接之壓電元件110中之一部分壓電元件110施加過大電壓之現象。其結果，可降低壓電元件110整體之實效靜電電容，而降低其消耗電力。

另，於第1實施形態中，雖對4個壓電元件110間之3個連接點CP1~CP3之全部分別施加元件間電壓Vdc1~Vdc3，但元件間電壓產生電路350只要對複數個連接點CP1~CP3中至少1個供給元件間電壓即可。即，一般而言，只要對以N個壓電元件110構成之壓電元件行400中之鄰接之2個壓電元件110間之(N-1)個連接點中之M個(M為1以上且不滿N之整數)連接點，分別供給包含直流成分之元件間電壓即可。因於該情形時，亦與不全部供給元件間電壓之情形時相比，驅動電壓Vin之直流成分Vbias之對複數個壓電元件110之分配更穩定，故可抑制對串聯連接之壓電元件中之一部分壓電元件施加過大電壓之現象。關於此點，在後述之其他實施形態中亦相同。

另，作為包含交流成分與直流成分(DC偏移)之附偏移之驅動電壓，較佳為使用其電壓值恆定為正或負之脈動電壓。若使用此種脈動電壓，則可進一步縮小驅動電流。

圖7係顯示第2實施形態之壓電元件驅動電路之構成之說明圖。第2實施形態之壓電元件驅動電路係於圖6(B)所示之第1實施形態之電路，追加電感器L1、L2、L3者。該等電感器L1、L2、L3分別連接於元件間電壓產生電路350、與鄰接之壓電元件110間之連接點CP1、CP2、CP3之間。另，於以下，電感器L1、L2、L3之電感亦使用與電感器相同之符號L1、L2、L3。

設置電感器L1、L2、L3之原因在於，為了抑制驅動電壓Vin之交流成分逆流至元件間電壓產生電路350之現象。為達成此種效果，電感器L1、L2、L3較佳為滿足以下之2個條件中之至少一者。

<條件1>

各電感Lj之阻抗(=2πf．Lj)為1kΩ以上(此處，f係驅動電壓Vin之交流成分之頻率)

<條件2>

各電感Lj之阻抗(=2πf．Lj)為對應於構成壓電元件行400之複數個壓電元件110之靜電電容Ci中之最小值Cmin之阻抗(=1/(2πf．Cmin)之10倍以上

上述條件1係用於在驅動電壓Vin之交流成分自壓電元件行400逆流至元件間電壓產生電路350之情形時，縮小其電流值之條件。又，上述條件2係用於抑制根據各個壓電元件110之兩端之電壓差之變動而電流逆流至元件間電壓產生電路350之條件。各電感L1、L2、L3較佳為滿足該等條件1、2之至少一者，更佳為滿足該等兩者。若如此，則可藉由電感L1、L2、L3降低經由被供給元件間電壓之連接點CP1~CP3逆流至驅動電路之驅動電壓之交流成分。

圖8係顯示第3實施形態之壓電元件驅動電路之構成之說明圖。第3實施形態之壓電元件驅動電路於具體地記述有元件間電壓產生電路350b之內部構成例之方面與圖7所示之第2實施形態不同，其他構成與第2實施形態相同。元件間電壓產生電路350b與驅動電壓產生電路340之驅動電壓Vin之輸出端子連接，且於其內部包含將驅動電壓Vin分壓之分壓電路352b。分壓電路352b係以電感器L10與複數個電阻R1~R4之串聯連接構成。

複數個電阻R1~R4之串聯連接係為了將驅動電壓Vin所包含之直流成分Vbias分壓，而分別產生元件間電壓Vdc1~Vdc3而設置。但是，於圖8之例中，因驅動電壓Vin係除了直流成分Vbias之外包含交流成分，故元件間電壓Vdc1~Vdc3成為包含交流成分者，而並非直流電壓。但是，因連接於壓電元件行400之連接點CP1~CP3之電感器L1~L3構成一種平滑電路，故元件間電壓Vdc1~Vdc3所包含之交流成分藉由該等平滑電路平滑化。因此，於該第3實施形態中，亦可進一步防止對串聯連接之壓電元件110中之一部分壓電元件110施加過大電壓之現象，而可降低壓電元件整體之實效靜電電容、進而降低壓電 體驅動電路之消耗電力。另，於本說明書中，所謂「包含直流成分之元件間電壓」包含僅包含直流成分之元件間電壓、與包含直流成分與交流成分之兩者之元件間電壓之兩者。但是，就使各壓電元件之電極間之電壓穩定之意義而言，較佳為使用僅包含直流成分之元件間電壓。

分壓電路352b內之電感器L10係用於抑制驅動電壓Vin之交流成分經由電阻R1~R4流向接地側。該電感器L10之阻抗(=2πf．L10)較佳設為1kΩ以上(此處，f係驅動電壓Vin之交流成分之頻率)。另，雖於圖8之例中，電感器L10連接於複數個電阻R1~R4之高電壓側，但亦可替代此，將電感器L10連接於接地配線側(即、電阻R1~R4之低電壓側)。又，亦可省略電感器L10。

圖9係顯示第4實施形態之壓電元件驅動電路之構成之說明圖。第4實施形態之壓電元件驅動電路係於省略圖8所示之第3實施形態之電感器L1~L3、L10之方面與第3實施形態不同，其他構成與第3實施形態相同。元件間電壓產生電路350c以複數個電阻R1~R4之串聯連接所構成，包含分壓電路352c。於該構成中，如於圖8亦說明般，元件間電壓Vdc1~Vdc3成為包含交流成分者，而並非直流電壓。但，即便省略圖8所示之電感器L1~L3，亦因可藉由元件間電壓Vdc1~Vdc3而使壓電元件110間之連接點CP1~CP3之電壓穩定，故可進一步防止對串聯連接之壓電元件110中之一部分壓電元件110施加過大電壓之現象。其結果，可降低壓電元件整體之實效靜電電容而降低壓電體驅動電路之消耗電力。

．壓電驅動裝置之其他實施形態：

圖10係作為本發明之第5實施形態之壓電驅動裝置10b之剖視圖，且係對應於第1實施形態之圖1(B)之圖。於該壓電驅動裝置10b中，壓電振動體100係以與圖1(B)上下相反之狀態配置於振動板200。 即，此處，以第2電極150c1、150c2、150d1、150d2接近振動板200，基板120距振動板200最遠之方式配置。另，於圖10中，亦與圖1(B)同樣，對第1電極130a1、130a2、130b1、130b2、130c1、130c2、130d1、130d2、130e1、130e2、130e3、130e4，第2電極150a1、150a2、150b1、150b2、150c1、150c2、150d1、150d2、150e1、150e2、150e3、150e4，及用於與驅動電路之間電性連接之配線(或配線層及絕緣層)省略圖示。該壓電驅動裝置10b亦可達成與第1實施形態相同之效果。

另，關於壓電驅動裝置或壓電元件之構成及排列，可採用圖1、圖3、及圖10所示者以外之任意之構成或排列。

．使用壓電驅動裝置之裝置之實施形態：

上述之壓電驅動裝置10係可藉由利用共振而對被驅動體賦予較大之力者，可應用於各種裝置。壓電驅動裝置10可作為例如機器人(亦包含電子零件搬送裝置(IC處理機))、投藥用泵、鐘錶之日曆滾送裝置、印刷裝置(例如送紙機構。但是，於利用於列印頭之壓電驅動裝置中，因不使振動板共振，故無法應用於列印頭)等各種機器之驅動裝置使用。以下，針對代表之實施形態進行說明。

圖11係顯示利用上述之壓電驅動裝置10之機器人2050之一例之說明圖。機器人2050具有臂2010(亦稱為「臂部」)，其具有：複數條連桿部2012(亦稱為「連桿構件」)；及以可轉動或彎曲之狀態連接該等連桿部2012間之複數個關節部2020。於各個關節部2020，內置有上述之壓電驅動裝置10，而可使用壓電驅動裝置10使關節部2020轉動或彎曲任意之角度。於臂2010之前端，連接有機械手2000。機械手2000具備一對握持部2003。於機械手2000亦內置有壓電驅動裝置10，而可使用壓電驅動裝置10開合握持部2003而握持物體。又，於機械手2000與臂2010之間亦設置有壓電驅動裝置10，而亦可使用壓電驅動裝置10使 機械手2000相對於臂2010旋轉。

圖12係圖11所示之機器人2050之手腕部分之說明圖。手腕之關節部2020夾持手腕轉動部2022，且於手腕轉動部2022，可圍繞手腕轉動部2022之中心軸O轉動地安裝有手腕之連桿部2012。手腕轉動部2022具備壓電驅動裝置10，且壓電驅動裝置10使手腕之連桿部2012及機械手2000圍繞中心軸O轉動。於機械手2000，直立設置有複數個握持部2003。握持部2003之基端部可於機械手2000內移動，且於該握持部2003之根部之部分搭載有壓電驅動裝置10。因此，可藉由使壓電驅動裝置10動作，而使握持部2003移動且握持對象物。

另，作為機器人，並不限於單臂之機器人，於腕之數量為2以上之多臂機器人亦可應用壓電驅動裝置10。此處，於手腕之關節部2020或機械手2000之內部，包含除了壓電驅動裝置10之外，對力感測器或陀螺感測器等各種裝置供給電力之電力線、或傳達信號之信號線等，需要極多之配線。因此，於關節部2020或機械手2000之內部配置配線極其困難。然而，因上述實施形態之壓電驅動裝置10可較通常之電動馬達、或先前之壓電驅動裝置將驅動電流縮小，故即便於如關節部2020(尤其是、臂2010之前端之關節部)或機械手2000般較小之空間亦可配置配線。

圖13係顯示利用上述之壓電驅動裝置10之送液泵2200之一例之說明圖。送液泵2200係於盒體2230內，設置有貯液器2211、導管2212、壓電驅動裝置10、轉子2222、減速傳達機構2223、凸輪2202、及複數個手指2213、2214、2215、2216、2217、2218、2219。貯液器2211係用於收容作為輸送對象之液體之收容部。導管2212係用於輸送自貯液器2211送出之液體之管。壓電驅動裝置10之突起部20係以壓接於轉子2222之側面之狀態設置，而壓電驅動裝置10旋轉驅動轉子2222。轉子2222之旋轉力經由減速傳達機構2223傳達至凸輪2202。手 指2213至2219係用於使導管2212閉塞之構件。若凸輪2202旋轉，則藉由凸輪2202之突起部2202A而將手指2213至2219依序向放射方向外側按壓。手指2213至2219自輸送方向上游側(貯液器2211側)依序使導管2212閉塞。藉此，導管2212內之液體依序輸送向下游側。如此，可實現可高精度地輸送極少量、且小型之送液泵2200。另，各構件之配置並非限於圖示者。又，亦可為不具備手指等構件，而設置於轉子2222之球等閉塞導管2212之構成。如上述之送液泵2200可活用於將胰島素等藥液投與人體之投藥裝置等。此處，因藉由使用上述實施形態之壓電驅動裝置10，可較先前之壓電驅動裝置使驅動電流變小，故可抑制投藥裝置之消耗電力。因此，於電池驅動投藥裝置之情形時尤其有效。

．變化例：

另，本發明並非限於上述實施例或實施形態者，可在不脫離其主旨之範圍內於各種態樣中實施，例如亦可如下變化。

．變化例1：

雖於上述實施形態中，於基板120上形成有第1電極130、壓電體140、及第2電極150，但亦可設為省略基板120，而於振動板200上形成第1電極130、壓電體140、及第2電極150。

．變化例2：

雖於上述實施形態中，於振動板200之兩面設置有壓電振動體100，但亦可設為僅於振動板200之一側之面設置壓電振動體100。但是，若設為於振動板200之兩面分別設置壓電振動體100，則更易於使振動板200於其平面內變形成彎曲之蜿蜒形狀，於此方面較佳。

以上，雖基於若干實施例對本發明之實施形態加以說明，但上述之發明之實施形態係為了便於本發明之理解者，並非限定本發明者。當然，本發明可不脫離其主旨以及申請專利範圍而進行變更、改 良，且於本發明包含其等價物。

110‧‧‧壓電元件

300‧‧‧驅動電路

340‧‧‧驅動電壓產生電路(第1產生電路)

350‧‧‧元件間電壓產生電路(第2產生電路)

400‧‧‧壓電元件行

C1~C4‧‧‧靜電電容

CP1~CP3‧‧‧連接點

Vbias‧‧‧直流成分

Vdc1~Vdc3‧‧‧元件間電壓

Vin‧‧‧驅動電壓

Claims (8)

1. 一種壓電元件驅動電路，其係包含以下者：壓電元件行，其係將分別包含厚度為0.05μm以上20μm以下之壓電體、及夾著上述壓電體之2個電極之N個(N為2以上之整數)壓電元件串聯連接者；第1產生電路，其對上述壓電元件行供給包含交流成分與直流成分之電壓；及第2產生電路，其對上述壓電元件行中之鄰接之2個壓電元件間之(N-1)個連接點中之M個(M為1以上之整數)連接點，供給包含直流成分之電壓。
2. 如請求項1之壓電元件驅動電路，其中：上述M等於上述(N-1)；上述第2產生電路對上述(N-1)個連接點，供給具有不同電壓值之電壓。
3. 如請求項1之壓電元件驅動電路，其中：上述第2產生電路供給之電壓係直流電壓。
4. 如請求項1之壓電元件驅動電路，其中包含：電感器，其連接於上述第2產生電路與上述M個連接點之間。
5. 如請求項1之壓電元件驅動電路，其中：上述第2產生電路包含：分壓電路，其藉由將上述第1產生電路供給之電壓分壓，而產生供給於上述M個連接點之電壓。
6. 如請求項5之壓電元件驅動電路，其中：上述分壓電路包含將複數個電阻元件串聯連接之電阻元件行。
7. 如請求項6之壓電元件驅動電路，其中： 上述分壓電路包含：電感器，其串聯連接於上述電阻元件行。
8. 一種機器人，其包含：複數個連桿部；關節部，其連接上述複數個連桿部；及如請求項1至7中任一項之壓電元件驅動電路，其使用上述壓電元件而使上述複數個連桿部以上述關節部轉動。