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JP6405785B2 - 圧電駆動装置、ロボット、及び、それらの駆動方法 - Google Patents

圧電駆動装置、ロボット、及び、それらの駆動方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧電駆動装置、及び、圧電駆動装置を備えるロボットなどの各種の装置に関する。
従来から、圧電素子を用いた圧電アクチュエーター（圧電駆動装置）が知られている（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
しかし、本願の発明者らは、従来の圧電駆動装置において、突起部が被駆動体に接触する接触点において摩耗が集中してしまい、突起部が過度に消耗してしまうという問題を見出した。このような問題は、圧電駆動装置を小型化するために薄膜の圧電素子（圧電体）を利用する場合に特に顕著であった。
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、第１面及び第２面を有する振動板と、第１圧電素子を有し前記振動板の第１面に配置された第１圧電振動体と、第２圧電素子を有し前記振動板の第２面に配置された第２圧電振動体と、前記振動板に設けられて被駆動体に接する突起部と、を備える圧電駆動装置が提供される。前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体は、前記振動板に対して互いに非対称である非対称性を有する。
この圧電駆動装置によれば、第１圧電振動体と第２圧電振動体が振動板に対して互いに非対称な非対称性を有しているので、突起部が被駆動体に接触する接触点の位置が変化し、この結果、突起部の摩耗の集中を緩和することができる。
（２）上記圧電駆動装置において、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体は、第１方向を長手方向とし、前記第１方向と直交する第２方向を短手方向としたとき、前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の前記非対称性は、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体とで構成される積層構造の積層方向である第３方向から前記積層構造を見たときに、前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体が前記第１方向と前記第２方向とのうちの少なくとも１つの方向において互いにずれた位置に配置されていることを含むものとしてもよい。
この構成によれば、第１圧電振動体と第２圧電振動体が互いにずれていることによって、突起部の摩耗の集中を緩和することができる。
（３）上記圧電駆動装置において、前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の前記非対称性は、前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体が前記第１方向に５μｍ〜３０μｍ互いにずれた位置に配置されていることを含むものとしてもよい。
この構成によれば、第１圧電振動体と第２圧電振動体が、長手方向である第１方向にずれた位置に配置されているので、このずれによって第３方向（積層方向）における変形量を大きくすることができ、突起部の摩耗の集中を緩和することができる。また、ずれ量を５μｍ〜３０μｍの範囲に収めることによって、摩耗の集中を十分に緩和できるとともに、ずれによる過度の変形を抑制できる。
（４）上記圧電駆動装置において、前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の前記非対称性は、前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体が前記第２方向に５μｍ〜３０μｍ互いにずれた位置に配置されていることを含むものとしてもよい。
この構成によれば、第１圧電振動体と第２圧電振動体が、短手方向である第２方向にずれた位置に配置されているので、第１方向と第２方向を含む面上における圧電駆動装置の振動の節の位置がこのずれによって影響を受けないので、ずれによる振動低下の影響を緩和することができる。また、ずれ量を５μｍ〜３０μｍの範囲に収めることによって、摩耗の集中を十分に緩和できるとともに、ずれによる過度の変形を抑制できる。
（５）上記圧電駆動装置において、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体は、第１方向を長手方向とし、前記第１方向と直交する第２方向を短手方向としたとき、前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の前記非対称性は、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体とで構成される積層構造の積層方向である第３方向から前記積層構造を見たときに、前記第１圧電素子と前記第２圧電素子が前記第１方向と前記第２方向とのうちの少なくとも１つの方向において互いにずれた位置に配置されていることを含むものとしてもよい。
この構成によれば、第１圧電素子と第２圧電素子が互いにずれていることによって、突起部の摩耗の集中を緩和することができる。
（６）上記圧電駆動装置において、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体は、第１方向を長手方向とし、前記第１方向と直交する第２方向を短手方向としたとき、
前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の前記非対称性は、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体とで構成される積層構造の積層方向である第３方向から前記積層構造を見たときに、前記第１圧電素子と前記第２圧電素子が前記第１方向と前記第２方向とのうちの少なくとも１つの方向において互いに長さが異なることを含むものとしてもよい。
この構成によれば、第１圧電素子と第２圧電素子の長さが互いに異なることによって、突起部の摩耗の集中を緩和することができる。
（７）上記圧電駆動装置において、前記第１圧電振動体は、第１基板と、前記第１基板の上に形成された前記第１圧電素子と、を有し、前記第２圧電振動体は、第２基板と、前記第２基板の上に形成された前記第２圧電素子と、を有し、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体は、第１方向を長手方向とし、前記第１方向と直交する第２方向を短手方向としたとき、前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の前記非対称性は、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体とで構成される積層構造の積層方向である第３方向から前記積層構造を見たときに、前記第１基板と前記第２基板が前記第１方向と前記第２方向とのうちの少なくとも１つの方向において互いにずれた位置に配置されていることを含むものとしてもよい。
この構成によれば、第１基板と第２基板が互いにずれていることによって、突起部の摩耗の集中を緩和することができる。
（８）上記圧電駆動装置において、前記第１圧電振動体は、第１基板と、前記第１基板の上に形成された前記第１圧電素子と、を有し、前記第２圧電振動体は、第２基板と、前記第２基板の上に形成された前記第２圧電素子と、を有し、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体は、第１方向を長手方向とし、前記第１方向と直交する第２方向を短手方向としたとき、前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の前記非対称性は、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体とで構成される積層構造の積層方向である第３方向から前記積層構造を見たときに、前記第１基板と前記第２基板が前記第１方向と前記第２方向とのうちの少なくとも１つの方向において互いに長さが異なることを含むものとしてもよい。
この構成によれば、第１基板と第２基板の長さが互いに異なることによって、突起部の摩耗の集中を緩和することができる。
（９）上記圧電駆動装置において、前記圧電体の厚みは０．５μｍ以上２０μｍ以下であるものとしてもよい。
この構成によれば、圧電体の厚みが０．５μｍ以上２０μｍ以下の範囲の薄膜の場合に突起部の摩耗の集中が顕著なので、その緩和効果がより顕著である。
（１０）上記圧電駆動装置において、前記圧電体の厚みは０．５μｍ以上３μｍ以下であるものとしてもよい。
この構成によれば、圧電体の厚みが３μｍを超える場合に比べて、突起部の摩耗の集中の緩和効果がより顕著である。
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などの各種の装置及びその駆動方法等、様々な形態で実現することができる。
第１実施形態の圧電駆動装置の概略構成を示す平面図及び断面図。 圧電振動体の非対称性の一例を示す説明図。 振動板の平面図。 圧電駆動装置と駆動回路の電気的接続状態を示す説明図。 圧電駆動装置の動作の例を示す説明図。 ずれによる非対称性の例を示す説明図。 寸法差による非対称性の例を示す説明図。 他の実施形態の圧電駆動装置の断面図。 他の実施形態の圧電駆動装置の平面図。 圧電駆動装置を利用したロボットの一例を示す説明図。 ロボットの手首部分の説明図。 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。
・第１実施形態：
図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態における圧電駆動装置１０の概略構成を示す平面図であり、図１（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。圧電駆動装置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１００ａ，１００ｂとを備える。圧電振動体１００ａ，１００ｂのそれぞれは、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１００ａ，１００ｂは、振動板２００に対して非対称である非対称性を有する。この非対称性については更に後述する。但し、図１（Ｂ）では、図示の便宜上、２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂが同一の構造及び配置を有するものとして描かれている。２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂ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の上側にある第１圧電振動体１００ａの構成を説明する。なお、２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂを区別する必要が無い場合には、「圧電振動体１００」と総称する。また、図１及び後述するいくつかの図において、振動板２００や圧電振動体１００の長手方向（第１方向）をＸ方向とし、短手方向（第２方向）をＹ方向とし、それらの積層構造における積層方向（第３方向）をＺ方向として図示している。これらの３つの方向Ｘ，Ｙ，Ｚは互いに直交する方向である。
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，Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２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１（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１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１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１（Ａ））が構成される。
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、ＡＢＯ３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。ＡＢＯ３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、圧電駆動装置１０を十分に小型化することができる。
図２は、２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂの非対象性の一例を示す説明図である。この例では、２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂがＸ方向にずれ量ΔＬだけ互いにずれている点が両者の非対称性に相当する。ずれ量ΔＬとしては、例えば５μｍ以上３０μｍ以下とすることが好ましく、１０μｍ以上３０μｍ以下とすることが更に好ましい。このようなずれ量ΔＬだけＸ方向（長手方向）にずれていることにより、振動板２００の上下で力のアンバランスが生じ、振動板２００の厚み方向の振動が生じて、振動板２００の端部に設けられた突起部２０が被駆動体に接触する接触点の位置が変化するため、突起部２０の摩耗の集中を低減することができる。なお、２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂの構造や寸法は両者で同一である。本明細書において、「両者の寸法が同一」という語句は、両者の差が５μｍ未満であることを意味する。
図３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３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装置１０を取り付けるために用いられる。振動板２００は、例えば、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１００ａ，１００ｂ（図１）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３．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲とすることができ、幅Ｗは、例えば１ｍｍ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５０μｍ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５０μｍ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」又は「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Ａｌ２Ｏ３）などの耐久性がある材料で形成することが好ましい。
図４は、圧電駆動装置１０と駆動回路３００の電気的接続状態を示す説明図である。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４の右側にある３つの第２電極１５０ｂ，１５０ｅ，１５０ｄと、第１電極１３０（図１）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、圧電駆動装置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に同時に行われる。なお、図４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１では図示が省略されている。
図５（Ａ）は、圧電駆動装置１０の動作の例を示す説明図である。圧電駆動装置１０の突起部２０は、被駆動体としてのローター５０の外周に接触している。図５（Ａ）に示す例では、駆動回路３００（図４）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、圧電素子１１０ａ，１１０ｄは図５の矢印ｘの方向に伸縮する。これに応じて、圧電駆動装置１０の振動体部２１０が振動体部２１０のＸＹ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、ローター５０は、その中心５１の周りに所定の方向ｚ（図５（Ａ）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（図３）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、ローター５０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、圧電駆動装置１０が長手方向に伸縮するので、突起部２０からローター５０に与える力をより大きくすることが可能である。なお、圧電駆動装置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５（Ｂ）は、２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂの間に図２に示したようなズレが無い場合における圧電駆動装置１０とローター５０との関係を示している。この例では、圧電駆動装置１０がＸＹ平面に対して若干傾いており、突起部２０もやや傾いた状態でローター５０に接している。但し、圧電駆動装置１０の傾きはやや誇張して描いている。２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂの間にズレが無い場合には、ローター５０に接する突起部２０の接触点がほとんど変化しないため、突起部２０に摩耗の集中が生じやすい。また、ローター５０に対して突起部２０が傾いていない場合にも、同様に、突起部２０に摩耗の集中が生じ得る。
図５（Ｃ）は、２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂの間に図２に示したようなズレが有る場合における圧電駆動装置１０とローター５０との関係を示している。この例では、２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂがＸ方向（長手方向）にずれ量ΔＬだけ互いにずれているので、振動板２００の上下で力のアンバランスが生じ、振動板２００が厚み方向に湾曲する。図５（Ｃ）の例では振動板２００が上に凸に湾曲しているが、実際には、上に凸の状態と下に凸の状態とが交互に現れるように振動板２００が振動する。この結果、振動板２００の端部に設けられた突起部２０が被駆動体に接触する接触点の位置が変化するため、突起部２０の摩耗の集中を低減することができる。従って、突起部２０及び圧電駆動装置１０の耐久性や信頼性も向上する。
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、ズレによる非対称性の例を示す説明図である。図６（Ａ）は、２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂがＸ方向（長手方向）にずれ量ΔＬだけ互いにずれている例であり、図２及び図５（Ｃ）に示したものと同じである。図６（Ｂ）は、２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂがＹ方向（短手方向）にずれ量ΔＷだけ互いにずれている例である。この場合は、振動板２００の湾曲方向が図５（Ｃ）とは９０度異なるが、Ｘ方向にずれている場合と同様に、突起部２０の接触点の位置が変化するので、突起部２０の摩耗の集中を低減することができる。また、Ｙ方向にずれている場合には、図５（Ａ）に示したＸＹ平面内における振動の節が変わらないので、振動板２００の左右に３本ずつ延びた接続部２２０（図１（Ａ））によって振動の節をきちんと支持することができる。従って、２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂ相互のずれによる振動損失がほとんど発生せず高効率である点で、Ｘ方向にずれている場合（図６（Ａ））よりも好ましい。一方、Ｘ方向にずれている場合は、Ｙ方向にずれている場合に比べて、振動板２００の湾曲が大きくなるので、突起部２０の摩耗の集中を更に低減できる点で好ましい。図６（Ｃ）は、Ｘ方向とＹ方向の両方にずれている例である。なお、図６（Ａ）〜（Ｃ）のいずれも例においても、Ｘ方向のずれ量ΔＬとＹ方向のずれ量ΔＷは、それぞれ５μｍ〜３０μｍの範囲に収めることが好ましく、１０μｍ〜３０μｍの範囲に収めることが更に好ましい。ずれ量ΔＬ，ΔＷをこの範囲に収めることによって、突起部２０の摩耗の集中を十分に緩和できるとともに、ずれによる過度の変形を抑制できる。
図７（Ａ）〜（Ｃ）は、寸法差による非対称性の例を示す説明図である。図７（Ａ）は、２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂがＸ方向（長手方向）の寸法差（ΔＬ１＋ΔＬ２）を有する例である。この例では、第２圧電振動体１００ｂの両端が、第１圧電振動体１００ａの両端よりも差ΔＬ１，ΔＬ２だけ内側に存在しており、両者の寸法差が（ΔＬ１＋ΔＬ２）となっている。図７（Ａ）の場合も、図６（Ａ）の場合と同様に、突起部２０の接触点の位置が変化するので、突起部２０の摩耗の集中を低減することができる。図７（Ｂ）は、２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂがＹ方向（短手方向）の寸法差（ΔＷ１＋ΔＷ２）を有する例である。この場合も、図６（Ｂ）の場合と同様に、突起部２０の接触点の位置が変化するので、突起部２０の摩耗の集中を低減することができる。図７（Ｃ）は、Ｘ方向とＹ方向の両方に寸法差（ΔＬ１＋ΔＬ２），（ΔＷ１＋ΔＷ２）がある例である。なお、Ｘ方向の寸法差（ΔＬ１＋ΔＬ２）とＹ方向の寸法差（ΔＷ１＋ΔＷ２）の値は、図６に示したずれ量ΔＬ，ΔＷの値の１／２とすることが好ましい。すなわち、寸法差（ΔＬ１＋ΔＬ２），（ΔＷ１＋ΔＷ２）は、いずれも１０μｍ〜６０μｍの範囲に収めることが好ましく、２０μｍ〜６０μｍの範囲に収めることが更に好ましい。こうすれば、図６に示したずれによる非対称性の場合と同様に、突起部２０の摩耗の集中を十分に緩和できるとともに、寸法差による過度の変形を抑制できる。また、Ｘ方向の両端部の寸法差ΔＬ１，ΔＬ２の比は任意であるが、いずれも０以上の値であることが好ましい。Ｙ方向両端部の寸法差ΔＷ１，ΔＷ２も同様である。
２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂの間の非対称性としては、図６及び図７に示した例を含めて以下のようなものを例示することができる。
＜例１＞第１圧電振動体１００ａと第２圧電振動体１００ｂが、Ｘ方向（長手方向）とＹ方向（短手方向）とのうちの少なくとも１つの方向において互いにずれた位置に配置されていること（図６（Ａ）〜（Ｃ））。
＜例２＞第１圧電振動体１００ａと第２圧電振動体１００ｂが、Ｘ方向（長手方向）とＹ方向（短手方向）とのうちの少なくとも１つの方向において互いに長さが異なること（図７（Ａ）〜（Ｃ））。
＜例３＞第１圧電振動体１００ａの圧電素子１１０と第２圧電振動体１００ｂの圧電素子１１０がＸ方向（長手方向）とＹ方向（短手方向）とのうちの少なくとも１つの方向において互いにずれた位置に配置されていること（図示省略）。
＜例４＞第１圧電振動体１００ａの圧電素子１１０と第２圧電振動体１００ｂの圧電素子１１０がＸ方向（長手方向）とＹ方向（短手方向）とのうちの少なくとも１つの方向において互いに長さが異なること（図示省略）。
＜例５＞第１圧電振動体１００ａの基板１２０と第２圧電振動体１００ｂの基板１２０がＸ方向（長手方向）とＹ方向（短手方向）とのうちの少なくとも１つの方向において互いにずれた位置に配置されていること（図示省略）。
＜例６＞第１圧電振動体１００ａの基板１２０と第２圧電振動体１００ｂの基板１２０がＸ方向（長手方向）とＹ方向（短手方向）とのうちの少なくとも１つの方向において互いに長さが異なること（図示省略）。
２つの圧電振動体１００ａ，１００ｂがこれらの例１〜６のような非対称性を有するようにすれば、図５〜図７で説明したものと同様の理由により、突起部２０の摩耗の集中を十分に緩和することが可能である。なお、例１，例３，例５では、Ｘ方向のずれ量とＹ方向のずれ量を、それぞれ５μｍ〜３０μｍの範囲に収めることが好ましく、１０μｍ〜３０μｍの範囲に収めることが更に好ましい。また、例２，例４，例６では、Ｘ方向の寸法差とＹ方向の寸法差を、いずれも１０μｍ〜６０μｍの範囲に収めることが好ましく、２０μｍ〜６０μｍの範囲に収めることが更に好ましい。これらのずれ量や寸法差の値は、いずれも室温（２０℃）で測定した値である。
以上のように、本実施形態によれば、第１圧電振動体１００ａと第２圧電振動体１００ｂが振動板２００に対して互いに非対称である非対称性を有しているので、突起部２０が被駆動体（ローター５０）に接触する接触点の位置が変化する。この結果、突起部２０の摩耗の集中を緩和することが可能である。
・圧電駆動装置の他の実施形態：
図８は、本発明の他の実施形態としての圧電駆動装置１０ａの断面図であり、第１実施形態の図１（Ｂ）に対応する図である。この圧電駆動装置１０ａでは、圧電振動体１００が、図１（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８においても、図１（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。この圧電駆動装置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９（Ａ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動装置１０ｂの平面図であり、第１実施形態の図１（Ａ）に対応する図である。図９（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９（Ａ）の圧電駆動装置１０ｂでは、一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃが省略されている。この圧電駆動装置１０ｂも、図５に示すような１つの方向ｚにローター５０を回転させることが可能である。なお、図９（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９（Ｂ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動装置１０ｃの平面図である。この圧電駆動装置１０ｃでは、図１（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１（Ａ）よりも大きな面積に形成されている。この圧電駆動装置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９（Ｃ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動装置１０ｄの平面図である。この圧電駆動装置１０ｄでは、図１（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。この圧電駆動装置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１及び図９（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１及び図９（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。
・圧電駆動装置を用いた装置の実施形態：
上述した圧電駆動装置１０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１０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（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、代表的な実施の形態について説明する。
図１０は、上述の圧電駆動装置１０を利用したロボット２０５０の一例を示す説明図である。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１０が内蔵されており、圧電駆動装置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にも圧電駆動装置１０が内蔵されており、圧電駆動装置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装置１０が設けられており、圧電駆動装置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。
図１１は、図１０に示したロボット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、圧電駆動装置１０を備えており、圧電駆動装置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。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１０が搭載されている。このため、圧電駆動装置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、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、圧電駆動装置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装置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１２は、上述の圧電駆動装置１０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、圧電駆動装置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。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、圧電駆動装置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１０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。
・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。
・変形例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。
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
１０…圧電駆動装置
２０…突起部
５０…ローター
５１…中心
１００，１００ａ，１００ｂ…圧電振動体
１１０…圧電素子
１２０…基板
１３０…第１電極
１４０…圧電体
１５０…第２電極
１５１，１５２…配線
２００…振動板
２１０…振動体部
２１１…第１面
２１２…第２面
２２０…接続部
２３０…取付部
２４０…ネジ
３００…駆動回路
３１０，３１２，３１４，３２０…配線
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

Claims (12)

  1. 第１面及び第２面を有する振動板と、
    第１圧電素子を有し前記振動板の第１面に配置された第１圧電振動体と、
    第２圧電素子を有し前記振動板の第２面に配置された第２圧電振動体と、
    前記振動板に設けられて被駆動体に接する突起部と、
    を備え、
    前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体は、前記振動板に対して互いに非対称である非対称性を有し、
    前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体は、第１方向を長手方向とし、前記第１方向と直交する第２方向を短手方向としたとき、
    前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の前記非対称性は、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体とで構成される積層構造の積層方向である第３方向から前記積層構造を見たときに、前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体が前記第１方向と前記第２方向とのうちの少なくとも１つの方向において互いにずれた位置に配置されていることを含む、圧電駆動装置。
  2. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、
    前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の前記非対称性は、前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体が前記第１方向に５μｍ〜３０μｍ互いにずれた位置に配置されていることを含む、圧電駆動装置。
  3. 請求項１又は２に記載の圧電駆動装置において、
    前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の前記非対称性は、前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体が前記第２方向に５μｍ〜３０μｍ互いにずれた位置に配置されていることを含む、圧電駆動装置。
  4. 第１面及び第２面を有する振動板と、
    第１圧電素子を有し前記振動板の第１面に配置された第１圧電振動体と、
    第２圧電素子を有し前記振動板の第２面に配置された第２圧電振動体と、
    前記振動板に設けられて被駆動体に接する突起部と、
    を備え、
    前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体は、前記振動板に対して互いに非対称である非対称性を有し、
    前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体は、第１方向を長手方向とし、前記第１方向と直交する第２方向を短手方向としたとき、
    前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の前記非対称性は、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体とで構成される積層構造の積層方向である第３方向から前記積層構造を見たときに、前記第１圧電素子と前記第２圧電素子が前記第１方向と前記第２方向とのうちの少なくとも１つの方向において互いにずれた位置に配置されていることを含む、圧電駆動装置。
  5. 第１面及び第２面を有する振動板と、
    第１圧電素子を有し前記振動板の第１面に配置された第１圧電振動体と、
    第２圧電素子を有し前記振動板の第２面に配置された第２圧電振動体と、
    前記振動板に設けられて被駆動体に接する突起部と、
    を備え、
    前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体は、前記振動板に対して互いに非対称である非対称性を有し、
    前記第１圧電振動体は、第１基板と、前記第１基板の上に形成された前記第１圧電素子と、を有し、
    前記第２圧電振動体は、第２基板と、前記第２基板の上に形成された前記第２圧電素子と、を有し、
    前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体は、第１方向を長手方向とし、前記第１方向と直交する第２方向を短手方向としたとき、
    前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の前記非対称性は、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体とで構成される積層構造の積層方向である第３方向から前記積層構造を見たときに、前記第１基板と前記第２基板が前記第１方向と前記第２方向とのうちの少なくとも１つの方向において互いにずれた位置に配置されていることを含む、圧電駆動装置。
  6. 第１面及び第２面を有する振動板と、
    第１圧電素子を有し前記振動板の第１面に配置された第１圧電振動体と、
    第２圧電素子を有し前記振動板の第２面に配置された第２圧電振動体と、
    前記振動板に設けられて被駆動体に接する突起部と、
    を備え、
    前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体は、前記振動板に対して互いに非対称である非対称性を有し、
    前記第１圧電振動体は、第１基板と、前記第１基板の上に形成された前記第１圧電素子と、を有し、
    前記第２圧電振動体は、第２基板と、前記第２基板の上に形成された前記第２圧電素子と、を有し、
    前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体は、第１方向を長手方向とし、前記第１方向と直交する第２方向を短手方向としたとき、
    前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の前記非対称性は、前記第１圧電振動体と前記振動板と前記第２圧電振動体とで構成される積層構造の積層方向である第３方向から前記積層構造を見たときに、前記第１基板と前記第２基板が前記第１方向と前記第２方向とのうちの少なくとも１つの方向において互いに長さが異なることを含む、圧電駆動装置。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
    前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の圧電体の厚みは０．５μｍ以上２０μｍ以下である、圧電駆動装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
    前記第１圧電振動体と前記第２圧電振動体の圧電体の厚みは０．５μｍ以上３μｍ以下である、圧電駆動装置。
  9. 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屈曲させる請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
    を備えるロボット。
  10. 請求項９に記載のロボットの駆動方法であって
    前記圧電駆動装置の駆動回路は、交流電圧又は交流電圧にオフセット電圧を加えた電圧を駆動電圧として前記圧電駆動装置の前記第１圧電素子及び前記第２圧電素子に印加することによって、前記複数のリンク部を前記関節部で屈曲させる、ロボットの駆動方法。
  11. 電子部品搬送装置であって、
    電子部品を把持する把持装置と、
    前記把持装置を移動させるための少なくとも１つのステージと、
    前記ステージを移動させる請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
    を備える、電子部品搬送装置。
  12. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電駆動装置の駆動方法であって、
    交流電圧又は交流電圧にオフセット電圧を加えた電圧を駆動電圧として前記圧電駆動装置の前記第１圧電素子及び前記第２圧電素子に印加する、圧電駆動装置の駆動方法。
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