駆動装置及びロボット装置
【課題】単純な構成とすることができ、小型化が可能であり、低コスト化を実現可能な駆動装置及びロボット装置を提供すること。
【解決手段】所定の駆動方向に駆動される可動子と、互いに反対方向に分極された一対の圧電層が一体化された圧電層対を有し、前記可動子への近接方向に振動すると共に前記可動子の駆動方向に振動するように形成された電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子に対して、前記近接方向の振動と前記駆動方向の振動とを選択的に行わせる制御部とを備える。
【解決手段】所定の駆動方向に駆動される可動子と、互いに反対方向に分極された一対の圧電層が一体化された圧電層対を有し、前記可動子への近接方向に振動すると共に前記可動子の駆動方向に振動するように形成された電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子に対して、前記近接方向の振動と前記駆動方向の振動とを選択的に行わせる制御部とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置及びロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば超音波モータのようなモータ装置として、縦振動モードと捩り振動モードとを組み合わせた複合振動型の超音波モータ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このモータ装置においては、縦振動モード用の圧電素子と、捩り振動モード用の圧電素子とを組み合わせて用いる構成になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−１２１７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のモータ装置のように２種類の振動モードの圧電素子を組み合わせる構成とする場合、構造が複雑になってしまい、小型化が難しいという問題がある。
【０００５】
上記のような事情に鑑み、本発明は、単純な構成とすることができ、小型化が可能な駆動装置及びロボット装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る駆動装置（１）は、所定の駆動方向に駆動される可動子（２）と、互いに反対方向に分極された一対の圧電層（３１）が一体化された圧電層対（３５）を有し、前記可動子への近接方向に振動すると共に前記可動子の駆動方向に振動するように形成された電気機械変換素子（３０）と、前記電気機械変換素子に対して、前記近接方向の振動と前記駆動方向の振動とを選択的に行わせる制御部（ＣＯＮＴ）とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るロボット装置（ＲＢＴ）は、移動部材（１０４ａ）と、前記移動部材を駆動させる駆動装置（ＡＣＴ）とを備え、前記駆動装置として、上記の駆動装置（１）が用いられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明よれば、単純な構成とすることができ、小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る駆動装置の構成を示す概略図。
【図２】本実施形態に係る駆動装置の一部の構成を示す図。
【図３】本実施形態に係る圧電素子の構成を示す図。
【図４】本実施形態に係る圧電素子の一部の構成を示す図。
【図５】本実施形態に係る圧電層対の振動の様子を示す図。
【図６】本実施形態に係る圧電素子の一部の構成を示す図。
【図７】本実施形態に係る圧電素子の動作の一例を示す図。
【図８】本発明の第２実施形態に係る駆動装置の一部の構成を示す概略図。
【図９】本実施形態に係る駆動装置の一部の構成を示す図。
【図１０】本発明の第３実施形態に係るロボット装置の一部の構成を示す図。
【図１１】本発明の実施形態に係る駆動装置の他の構成を示す図。
【図１２】本発明の実施形態に係る駆動装置の他の構成を示す図。
【図１３】本発明の実施形態に係る駆動装置の他の構成を示す図。
【図１４】本発明の実施形態に係る駆動装置の他の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る駆動装置の第１実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。本実施形態では、駆動装置の回転軸方向（及び当該回転軸方向に平行な方向）をＺ軸方向とし、当該Ｚ軸方向に直交する水平面内の所定方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向とする。また、駆動装置の回転方向、すなわち、Ｚ軸まわりの回転方向をθＺ方向とする。
【００１１】
図１は、本実施形態に係る駆動装置１の構成を示す斜視図である。
図１に示すように、駆動装置１は、ロータ２、駆動部３、保持部４及び制御部ＣＯＮＴを有している。駆動装置１は、ロータ２及び駆動部３が保持部４によって保持された構成になっている。
【００１２】
ロータ２は、駆動装置１のＺ方向のほぼ中央に配置されており、平面視で円環状に形成されている。図１においては、駆動装置１の構成を判別しやすくするため、ロータ２を透過させて示している。ロータ２は、本発明における回転子である。
【００１３】
駆動部３は、ロータ２の−Ｚ側に配置されている。駆動部３は、複数の圧電素子３０を有している。圧電素子３０は、駆動装置１の回転方向（θＺ方向）に沿って例えば３つ設けられている。
【００１４】
保持部４は、台座部４１、ロータ側支持部４２、軸部４３及び押圧部４４を有している。台座部４１は、各圧電素子３０を載置させる載置部である。台座部４１は、圧電素子３０を載置させる面（＋Ｚ側の面）が平坦に形成されている。ロータ側支持部４２は、ロータ２を＋Ｚ側から支持する。駆動部側支持部４１及びロータ側支持部４２は、駆動部３及びロータ２を挟む位置に配置されている。
【００１５】
軸部４３は、台座部４１とロータ側支持部４２とを接続するように一体的に形成されている。軸部４３は、ロータ２及び駆動部３のＺ方向視中央部を貫通するように形成されている。軸部４３とロータ２との間には、例えば不図示のベアリング機構が設けられている。
【００１６】
押圧部４４は、ロータ側支持部４２とロータ２との間に配置されている。押圧部４４は、ロータ側支持部４２からロータ２へ−Ｚ方向の力を加える。押圧部４４によってロータ２を−Ｚ側へ押圧することで、駆動部３の駆動力がロータ２に伝達されやすくなっている。
【００１７】
制御部ＣＯＮＴは、図１に示すように、駆動部３の各圧電素子３０に接続されている。制御部ＣＯＮＴは、駆動部３による駆動動作を制御する。
【００１８】
図２は、Ｚ方向に見たときの圧電素子３０の配置を示す図である。
同図に示すように、３つの圧電素子３０は、θＺ方向に例えば１２０°ずつずれた位置に配置されている。図２内に矢印で示した方向は、各圧電素子３０の駆動方向である。圧電素子３０は、それぞれが当該矢印で示した方向にロータ２を駆動するようになっている。各圧電素子３０は、軸部４３から径方向に延在するように配置されている。
【００１９】
図３は、圧電素子３０の構成を示す斜視図である。
圧電素子３０は、圧電層３１、電極３２及び接触子３３を有している。圧電素子３０は、電圧を印加されることで振動する電気機械振動子である。圧電層３１は、例えば矩形の板状に形成されている。本実施形態における圧電層３１は、例えば、ピエゾなどであって、圧電体を含む構成となっている。
【００２０】
電極３２は、圧電層３１に電圧を印加する。電極３２は、制御部ＣＯＮＴに接続されている。圧電素子３０は、圧電層３１と電極３２とが互いに交互に積層された構成（積層構造体３４）を有している。接触子３３は、例えば円筒状に形成されており、積層構造体３４の＋Ｚ側端面上に固定されている。接触子３３は、ロータ２に接触し、圧電素子３０の駆動力をロータ２に直接伝達する部分である。
【００２１】
図４は、本実施形態における圧電層３１の構成を示す図である。
図４（ａ）に示すように、各圧電層３１は、板の厚さ方向に分極されている。圧電層３１に対して分極方向と反対方向に電界を発生させた場合、圧電層３１の分極方向に変位して伸長する振動（ｄ３３モード）や、当該分極方向の垂直方向に変位して伸長する振動（ｄ３１モード）などが生じる。これらの振動モードのうち、本実施形態では、ｄ３１モードの振動を利用する。したがって、圧電層３１は、ｄ３１モードの振動方向である分極方向の垂直方向がロータ２への近接方向となるように配置されている。したがって、本実施形態では、圧電層３１の分極方向の直交方向と、圧電層３１の振動方向と、ロータ２への近接方向とが一致した構成となっている。これらの各方向は、本実施形態におけるＺ方向に該当する。
【００２２】
本実施形態では、このような構成を有する圧電層３１を図４（ｂ）に示すように、圧電層対３５として組み合わせた構成となっている。図４（ｂ）に示すように、圧電層対３５は、２つの圧電層３１が互いの分極方向が対向するように接着されている。２つの圧電層３１の間には電極３２が配置されている。この電極３２は、２つの圧電層３１に挟持されるように設けられている。また、各圧電層３１について対向面とは反対面にもそれぞれ電極３２が形成されている。
【００２３】
以下の説明においては、圧電層対３５を構成する２つの圧電層３１のうち一方（例えば図中左側）を圧電層３１Ａと表記し、他方（例えば図中右側）を圧電層３１Ｂと表記する。また、電極３２については、各圧電層３１Ａ及び３１Ｂの対向面と反対側に形成された電極については、圧電素子の符号と対応するように電極３２Ａ、電極３２Ｂと表記する。また、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂによって挟持される電極を電極３２Ｃと表記する。
【００２４】
図４（ｂ）に示すように、電極３２Ｃを正極とし電極３２Ａ及び電極３２Ｂを負極として圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂに電圧を印加すると、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂは同時に分極方向の垂直方向に伸長する。図示を省略するが、電極Ｃを負極とし電極３２Ａ及び電極３２Ｂを正極として圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂに電圧を印加すると、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂは同時に分極方向の垂直方向に収縮する。
【００２５】
図４（ｃ）に示すように、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂが同時に伸長している状態から、一方の圧電層３１（例えば圧電層３１Ａ）に印加する電圧のみを反転させると、当該圧電層３１Ａのみが収縮方向に振動する。この結果、圧電層対３５は、圧電層３１Ａの収縮に引っ張られ、図中左側へ屈曲する。
【００２６】
図示を省略するが、図４（ｂ）の状態から、圧電層３１Ｂに印加する電圧のみを反転させると、圧電層対３５は、図中右側へ屈曲する。また、２つの圧電層３１が収縮している状態から一方の圧電層３１を伸長させる場合においても同様に、圧電層対３５は収縮している圧電層３１に引っ張られるように屈曲する。このように、２つの圧電層３１について、一方を伸長させ、他方を収縮させるように電圧を印加すると、圧電層対３５は、収縮する圧電層３１側に引っ張られるように屈曲する。
【００２７】
この性質を用いて、本実施形態では、例えば図４（ｄ）に示すように、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂのそれぞれに位相の異なる正弦波電圧を印加するように構成されている。図４（ｄ）では、圧電層３１Ａには電源Ｄ１を用いてサイン波の電圧を印加し、圧電層３１Ｂには電源Ｄ２を用いてコサイン波の電圧を印加するように構成されている。
【００２８】
図５は、図４（ｄ）に示す構成を用いて２つの圧電層３１に電圧を印加したときの圧電層対３５の形状の変化を示す概念図である。図５においては、電源Ｄ１及び電源Ｄ２の電圧波形と圧電層対３５の形状とを対応させて示している。また、図５においては、電極３２Ｃへ電圧を印加する場合を正の電圧として示している。
【００２９】
図５に示すように、時刻０〜π／２の間、電源Ｄ１及び電源Ｄ２が共に正の電圧を印加する。したがって、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂが共に伸長するように電圧が印加されることになる。この場合、圧電層対３５は分極方向の直交方向に伸長することになる。
【００３０】
時刻π／２〜πの間、電源Ｄ１は正の電圧を印加した状態であり、電源Ｄ２は負の電圧を印加した状態である。したがって、圧電層３１Ａが伸長し圧電層３１Ｂが収縮するように電圧が印加されることになる。この場合、圧電層対３５は、収縮する圧電層３１Ｂに引っ張られるように屈曲するため、図５に示すように、図中右側に屈曲することになる。
【００３１】
時刻π〜３π／２の間、電源Ｄ１は負の電圧を印加した状態であり、電源Ｄ２は負の電圧を印加した状態である。したがって、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂが共に収縮するように電圧が印加されることになる。この場合、圧電層対３５は、分極方向の直交方向に収縮することになる。
【００３２】
時刻３π／２〜２πの間、電源Ｄ１は負の電圧を印加した状態であり、電源Ｄ２は正の電圧を印加した状態である。したがって、圧電層３１Ａが収縮し圧電層３１Ｂが伸長するように電圧が印加されることになる。この場合、圧電層対３５は、収縮する圧電層３１Ａに引っ張られるように屈曲するため、図５に示すように、図中左側に屈曲することになる。
【００３３】
このような動作を周期的に繰り返すことにより、圧電層対３５の図中上端は、例えば図中時計回りの方向に回転運動することになる。また、電源Ｄ１及び電源Ｄ２の電圧を正負反転させることにより、圧電層対３５の図中上端を反時計回りの方向に回転運動させることもできる。
【００３４】
図６は、このような圧電層対３５を複数組み合わせた積層構造体３４の構成を示している。
図６に示す積層構造体３４は、一例として、８つの圧電層３１が積層された構成になっている。８つの圧電層３１のうち、図中左側４つの圧電層３１は、上記圧電層３１Ａに対応する圧電素子である。図中右側４つの圧電層３１は、上記圧電層３１Ｂに対応する圧電素子である。
【００３５】
一般に、圧電層３１は積層数を増すことよって電圧対歪量が増す効果がある。これを利用して、本実施形態では、８つの圧電層３１に対して図中左側４つの圧電層３１Ａにサイン波の電圧信号を供給し、図中右側４つの圧電層３１Ｂにコサイン波の電圧信号を供給する構成としている。上記の電圧信号の制御は、例えば制御部ＣＯＮＴにおいて行われるようになっている。
【００３６】
図７は、圧電素子３０の駆動動作を示す図である。
まず、制御部ＣＯＮＴは、図７（ａ）に示すように、積層構造体３４が回転方向の上流側に屈曲した状態となるように電圧信号を供給する。この状態から、制御部ＣＯＮＴは、積層構造体３４をロータ２側へ伸長させるように電圧信号を供給する。この動作により、接触子３３がロータ２側へＺ方向に近づきながら当該ロータ２の回転方向へ移動する。積層構造体３４が最も伸長する状態において、図７（ｂ）に示すように、接触子３３の上面がロータ２に当接する。
【００３７】
この状態から、制御部ＣＯＮＴは、図７（ｃ）に示すように、積層構造体３４が回転方向の下流側に屈曲した状態となるように電圧信号を供給する。この動作により、接触子３３がロータ２の回転方向に移動する。この移動時に、接触子３３とロータ２との間に摩擦が生じ、当該摩擦力によってロータ２が回転する。
【００３８】
このように、本実施形態によれば、互いに反対方向に分極された一対の圧電層３１Ａ及び３１Ｂが一体化された圧電層対３５を用いて圧電素子３０を構成し、制御部ＣＯＮＴによって、当該圧電素子３０をロータ２への近接方向に振動させると共にロータ２の回転方向に振動させることで、ロータ２を回転させることとしたので、縦振動用及び捩り振動用の２種類の振動モードの圧電素子を用いる必要が無くなる。これにより、駆動部３を単純な構成とすることができるため、駆動装置１の小型化が可能であり、低コスト化を実現可能となる。また、本実施形態によれば、小型で高トルクの駆動装置１を実現可能となる。
【００３９】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態では、第１実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付して説明する。本実施形態では、圧電素子の配置及び台座部の形状が第１実施形態とは異なっており、他の部分については第１実施形態とほぼ同一の構成となっている。以下、当該相違点を中心に説明する。本実施形態においては、第１実施形態と共通のＸＹＺ座標系を用いて説明する。
【００４０】
図８は、Ｚ方向に見たときの圧電素子１３０の配置を示す図である。
図８（ａ）に示すように、圧電素子１３０は、ロータの回転方向に沿って延在するように形成されている。圧電素子１３０は、ロータの回転方向に１２０°ずれて配置されており、この点については第１実施形態と同様である。
【００４１】
図８（ｂ）に示すように、各圧電素子１３０は、例えばネジなどの固定部材４８を介して台座部４１の側部に固定されている。本実施形態の圧電素子１３０は、延在方向にロータを回転させる構成になっている。圧電素子１３０は、積層体１３１Ａ及び積層体１３１Ｂを含む圧電層対１３５を有している。積層体１３１Ａ及び積層体１３１Ｂは、ロータの回転方向に隣接して配置されている。
【００４２】
図９は、本実施形態に係る圧電素子１３０の構成を示す図である。図９（ａ）は圧電素子１３０の全体構成を示す模式図であり、図９（ｂ）は圧電素子１３０の断面構成を示す図である。
【００４３】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、圧電素子１３０は、積層体１３１Ａ、積層体１３１Ｂ、電極１３２Ａ、電極１３２Ｂ、電極１３２Ｃを有している。積層体１３１Ａは、ロータの回転方向の直交方向に積層された４層の圧電層１３６Ａ〜１３９Ａを有している。積層体１３１Ｂは、ロータの回転方向の直交方向に積層された４層の圧電層１３６Ｂ〜１３９Ｂを有している。積層体１３１Ａと積層体１３１Ｂとの間は、接着材などによって固定されている。
【００４４】
積層体１３１Ａは、圧電層１３６Ａ及び圧電層１３７Ａの分極方向が対向するように配置されると共に、圧電層１３８Ａ及び圧電層１３９Ａの分極方向が対向するように配置されている。積層体１３１Ｂは、圧電層１３６Ｂ及び圧電層１３７Ｂの分極方向が対向すると共に、圧電層１３８Ｂ及び圧電層１３９Ｂの分極方向が対向するように配置されている。
【００４５】
電極１３２Ａは、圧電層１３６Ａと圧電層１３７Ａとの間に配置される部分と、圧電層１３８Ａと圧電層１３９Ａとの間に配置される部分とを有しており、２つの部分が接続された構成になっている。同様に、電極１３２Ｂは、圧電層１３６Ｂと圧電層１３７Ｂとの間に配置される部分と、圧電層１３８Ｂと圧電層１３９Ｂとの間に配置される部分とを有しており、２つの部分が接続された構成になっている。電極１３２Ａ及び電極１３２Ｂは、例えばサイン波の電圧信号を供給する電源Ｄ１に接続されている。
【００４６】
電極１３２Ｃは、圧電層１３６Ａ〜１３９Ａ、圧電層１３６Ｂ〜圧電層１３９Ｂのうち、電極１３２Ａ及び電極１３２Ｂが設けられていない面に配置されている。電極１３２Ｃは、例えばコサイン波の電圧信号を供給する電源Ｄ２に接続されている。
【００４７】
上記のように構成された圧電素子１３０においても、電源Ｄ１及び電源Ｄ２を用いて積層体１３１Ａ及び積層体１３１Ｂに電圧信号を供給することにより、積層体１３１Ａと積層体１３１Ｂとをそれぞれ図中上下方向に振動させることができる。このため、第１実施形態と同様、一方の圧電素子を伸長させ、他方の圧電素子を収縮させることにより、収縮する圧電素子側に屈曲させることができる。
【００４８】
この動作を用いることにより、圧電素子１３０をロータの回転方向に沿って延在させる場合であっても、当該圧電素子１３０をロータへの近接方向に振動させると共にロータの回転方向に振動させることで、ロータを回転させることができる。本実施形態では、圧電層１３６Ａ〜１３９Ａと、圧電層１３６Ｂ〜１３９Ｂとがそれぞれ圧電層対を成す構成となる。
【００４９】
なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、圧電層１３６Ａ〜１３９Ａ及び圧電層１３６Ｂ〜圧電層１３９Ｂの振動モードとして、当該分極方向の垂直方向について伸長する振動モード（ｄ３１モード）を用いている。また、第１実施形態と同様に、圧電層１３６Ａ〜１３９Ａ及び圧電層１３６Ｂ〜圧電層１３９Ｂの振動方向がロータ２への近接方向となるように積層体１３１Ａ及び積層体１３１Ｂが配置されている。
【００５０】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態を説明する。
図１０は、第１実施形態に記載の駆動装置１を備えるロボット装置ＲＢＴの一部（指部分の先端）の構成を示す図である。
【００５１】
同図に示すように、ロボット装置ＲＢＴは、末節部１０１、中節部１０２及び関節部１０３を有しており、末節部１０１と中節部１０２とが関節部１０３を介して接続された構成になっている。関節部１０３には軸支持部１０３ａ及び軸部１０３ｂが設けられている。軸支持部１０３ａは中節部１０２に固定されている。軸部１０３ｂは、軸支持部１０３ａによって固定された状態で支持されている。
【００５２】
末節部１０１は、接続部１０１ａ及び歯車１０１ｂを有している。接続部１０１ａには、関節部１０３の軸部１０３ｂが貫通した状態になっており、当該軸部１０３ｂを回転軸として末節部１０１が回転可能になっている。この歯車１０１ｂは、接続部１０１ａに固定されたベベルギアである。接続部１０１ａは、歯車１０１ｂと一体的に回転するようになっている。
【００５３】
中節部１０２は、筐体１０２ａ及びモータ装置ＡＣＴを有している。モータ装置ＡＣＴは、上記実施形態に記載の駆動装置１を用いることができる。モータ装置ＡＣＴは、筐体１０２ａ内に設けられている。モータ装置ＡＣＴには、回転軸部材１０４ａが取り付けられている。回転軸部材１０４ａの先端には、歯車１０４ｂが設けられている。この歯車１０４ｂは、回転軸部材１０４ａに固定されたベベルギアである。歯車１０４ｂは、上記の歯車１０１ｂとの間で噛み合った状態になっている。
【００５４】
上記のように構成されたロボット装置ＲＢＴは、モータ装置ＡＣＴの駆動によって回転軸部材１０４ａが回転し、当該回転軸部材１０４ａと一体的に歯車１０４ｂが回転する。歯車１０４ｂの回転は、当該歯車１０４ｂと噛み合った歯車１０１ｂに伝達され、歯車１０１ｂが回転する。当該歯車１０１ｂが回転することで接続部１０１ａも回転し、これにより末節部１０１が軸部１０３ｂを中心に回転する。
【００５５】
このように、本実施形態によれば、低電圧で低速高トルクの回転を出力することができるモータ装置ＡＣＴを搭載することにより、例えば減速器を介することなく直接末節部１０１を回転させることができる。さらに本実施形態では、モータ装置ＡＣＴが非共振に駆動される構成になっているため、樹脂など軽量な材料で大部分を構成することが可能になる。
【００５６】
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
例えば、上記第１実施形態においては、圧電素子３０における圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂの配置について、図６に示すように、図中左側４つの圧電層３１を圧電層３１Ａに対応する圧電素子とし、図中右側４つの圧電層３１を圧電層３１Ｂに対応する圧電素子としたが、これに限られることは無い。
【００５７】
例えば図１１に示すように、８つの圧電層３１のうち中央の４つの圧電素子を圧電層３１Ｂに対応させ、左右２つずつの圧電素子を圧電層３１Ａに対応させる構成としても構わない。この場合、例えば中央の４つの圧電層３１Ｂ層にコサイン波の電圧信号が供給され、図中左側の２つの圧電層３１Ａにサイン波の電圧信号が供給され、図中右側の２つの圧電層３１Ａにはサイン波の電圧信号を正負反転させた信号が供給されるようにする。これにより積層構造体３４の上端を回転運動させることができる。
【００５８】
この場合、制御部ＣＯＮＴは、中央の４つの圧電層３１Ｂにロータ２への近接方向への振動を行わせるようにし、左右２つずつの圧電層３１Ａに屈曲方向の振動を行わせるように電圧信号を制御しても構わない。曲げモーメントは（応力×曲げ中心までの距離）によって与えられる。屈曲用の圧電層３１Ａを積層方向の外側に配置することにより、曲げ中心である積層方向の中央から応力発生部分である圧電層３１Ａまでの距離が大きくなる。このため、大きな曲げを発生することができる。
【００５９】
また、図１２に示すように、図中右側の２つの圧電層３１Ａの分極方向を他の組とは逆方向、すなわち、互いにの分極方向が対向方向とは逆方向となるようにしても構わない。この場合、当該２つの圧電層３１Ａにはサイン波の電圧信号が供給されるようにする。これにより、回路構成を単純にすることができる。
【００６０】
また、上記第１実施形態においては、圧電層３１の積層数を２層、４層、２層の計８層としたが、勿論これに限られることは無く、例えば４層、１０層、４層の計１８層とする場合など、印加電圧と振幅に応じて積層数を増やすようにしても構わない。
【００６１】
また、例えば上記第２実施形態においては、積層体１３１Ａ及び積層体１３１Ｂがロータの回転方向に隣接して配置されている構成としたが、これに限られることは無い。例えば図１３に示すように、ロータの回転方向に沿って２つの積層体１３１Ａと１つの積層体１３１Ｂとを配列し、２つの積層体１３１Ａによって積層体１３１Ｂが挟まれるように接合させる構成としても構わない。この場合、中央に配置される積層体１３１Ｂにロータへの近接方向への振動を行わせるようにし、左右の積層体１３１Ａに屈曲方向の振動を行わせるように電圧信号を制御しても構わない。これにより、上記同様に大きな曲げを発生することができる。
【００６２】
また、上記各実施形態においては、圧電層３１の電界による歪効果によって振動する例を説明したが、これに限られることは無い。例えば圧電層３１に機械的な共振を発生させることによって当該圧電層３１の振動振幅を拡大し、駆動効率を向上させることも可能である。
【００６３】
圧電層３１自体には機械的な縦振動モードと屈曲モードが存在することが知られている。圧電層３１の機械的な形状・寸法を調整し、当該圧電層３１の縦振動モードの周波数と圧電層３１の１次屈曲モード（あるいは２次屈曲モード）の周波数とがほぼ同一になるようにする。
【００６４】
このように形成した圧電層３１を当該周波数で駆動すると、機械共振が発生し、接触子３３の振動振幅が増大する。この結果、小さい電力で大きな回転を得ることができる。また、縦振動モードと屈曲モードの周波数を近づけず、どちらか片方の周波数のみを用いて機械共振を発生させることも可能であるし、機械共振を発生させずに駆動させることも可能である。
【００６５】
また、上記各実施形態では、圧電層に対して分極方向と反対方向に電圧を印加した場合において、当該分極方向の垂直方向について伸長する振動モード（ｄ３１モード）を用いる構成としたが、これに限られることは無い。例えば分極方向と反対方向に電圧を印加した場合に、当該分極方向に伸長する振動モード（ｄ３３モード）を用いる構成としても構わない。
【００６６】
このような構成として、例えば図１４に示す構成とすることができる。
図１４に示す積層構造体３４は、圧電層３１Ａ及び圧電層３１ＢがＺ方向に積層された構成となっている。圧電層３１Ａ側については、１対の圧電層３１Ａが４組積層されており、各組の圧電層３１Ａは、分極方向が対向するように配置されている。同様に、圧電層３１Ｂ側についても、１対の圧電層３１Ｂが４組積層されており、各組の圧電層３１Ｂは、分極方向が対向するように配置されている。
【００６７】
電極３２Ａは、圧電層３１Ａ側において、一対の圧電層３１Ａの間に挟持される部分が各組について設けられており、これらの部分が接続されている。電極３２Ｂは、圧電層３１Ｂ側において、一対の圧電層３１Ｂの間に挟持される部分が各組について設けられており、これらの部分が接続されている。電極３２Ｃは、圧電層３１Ａの各組、圧電層３１Ｂの各組の間に設けられている。
【００６８】
電極３２Ａと電極３２Ｃとの間には電源Ｄ１が接続されている。電源Ｄ１は、電極３２Ａと電極３２Ｃとの間にサイン波の電圧信号を供給可能になっている。電極３２Ｂと電極３２Ｃとの間には電源Ｄ２が接続されている。電源Ｄ２は、電極３２Ｂと電極３２Ｃとの間にコサイン波の電圧信号を供給可能になっている。
【００６９】
このような構成において、電源Ｄ１及び電源Ｄ２から電圧信号を供給することにより、例えば圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂを分極方向（積層方向、Ｚ方向）に伸長振動させることができ、当該振動を用いて積層構造体３４を屈曲させることができるようになっている。このように、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂのどの振動モードを用いる場合であっても、本発明の適用は可能である。
【００７０】
また、上記実施形態においては、駆動装置１を用いてロータを回転させる構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無く、例えば可動子を直進移動させる場合や、曲線移動させる場合など、回転移動以外の移動を行わせる場合であっても、本発明の適用は可能である。
【符号の説明】
【００７１】
ＣＯＮＴ…制御部 １…駆動装置 ２…ロータ（回転子） ３…駆動部 ３０…圧電素子（電気機械振動子） ３１、３１Ａ、３１Ｂ、１３６Ａ〜１３９Ａ、１３６Ｂ〜１３９Ｂ…圧電層 ３４…積層構造体 ３５…圧電層対
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置及びロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば超音波モータのようなモータ装置として、縦振動モードと捩り振動モードとを組み合わせた複合振動型の超音波モータ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このモータ装置においては、縦振動モード用の圧電素子と、捩り振動モード用の圧電素子とを組み合わせて用いる構成になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−１２１７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のモータ装置のように２種類の振動モードの圧電素子を組み合わせる構成とする場合、構造が複雑になってしまい、小型化が難しいという問題がある。
【０００５】
上記のような事情に鑑み、本発明は、単純な構成とすることができ、小型化が可能な駆動装置及びロボット装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る駆動装置（１）は、所定の駆動方向に駆動される可動子（２）と、互いに反対方向に分極された一対の圧電層（３１）が一体化された圧電層対（３５）を有し、前記可動子への近接方向に振動すると共に前記可動子の駆動方向に振動するように形成された電気機械変換素子（３０）と、前記電気機械変換素子に対して、前記近接方向の振動と前記駆動方向の振動とを選択的に行わせる制御部（ＣＯＮＴ）とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るロボット装置（ＲＢＴ）は、移動部材（１０４ａ）と、前記移動部材を駆動させる駆動装置（ＡＣＴ）とを備え、前記駆動装置として、上記の駆動装置（１）が用いられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明よれば、単純な構成とすることができ、小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る駆動装置の構成を示す概略図。
【図２】本実施形態に係る駆動装置の一部の構成を示す図。
【図３】本実施形態に係る圧電素子の構成を示す図。
【図４】本実施形態に係る圧電素子の一部の構成を示す図。
【図５】本実施形態に係る圧電層対の振動の様子を示す図。
【図６】本実施形態に係る圧電素子の一部の構成を示す図。
【図７】本実施形態に係る圧電素子の動作の一例を示す図。
【図８】本発明の第２実施形態に係る駆動装置の一部の構成を示す概略図。
【図９】本実施形態に係る駆動装置の一部の構成を示す図。
【図１０】本発明の第３実施形態に係るロボット装置の一部の構成を示す図。
【図１１】本発明の実施形態に係る駆動装置の他の構成を示す図。
【図１２】本発明の実施形態に係る駆動装置の他の構成を示す図。
【図１３】本発明の実施形態に係る駆動装置の他の構成を示す図。
【図１４】本発明の実施形態に係る駆動装置の他の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る駆動装置の第１実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。本実施形態では、駆動装置の回転軸方向（及び当該回転軸方向に平行な方向）をＺ軸方向とし、当該Ｚ軸方向に直交する水平面内の所定方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向とする。また、駆動装置の回転方向、すなわち、Ｚ軸まわりの回転方向をθＺ方向とする。
【００１１】
図１は、本実施形態に係る駆動装置１の構成を示す斜視図である。
図１に示すように、駆動装置１は、ロータ２、駆動部３、保持部４及び制御部ＣＯＮＴを有している。駆動装置１は、ロータ２及び駆動部３が保持部４によって保持された構成になっている。
【００１２】
ロータ２は、駆動装置１のＺ方向のほぼ中央に配置されており、平面視で円環状に形成されている。図１においては、駆動装置１の構成を判別しやすくするため、ロータ２を透過させて示している。ロータ２は、本発明における回転子である。
【００１３】
駆動部３は、ロータ２の−Ｚ側に配置されている。駆動部３は、複数の圧電素子３０を有している。圧電素子３０は、駆動装置１の回転方向（θＺ方向）に沿って例えば３つ設けられている。
【００１４】
保持部４は、台座部４１、ロータ側支持部４２、軸部４３及び押圧部４４を有している。台座部４１は、各圧電素子３０を載置させる載置部である。台座部４１は、圧電素子３０を載置させる面（＋Ｚ側の面）が平坦に形成されている。ロータ側支持部４２は、ロータ２を＋Ｚ側から支持する。駆動部側支持部４１及びロータ側支持部４２は、駆動部３及びロータ２を挟む位置に配置されている。
【００１５】
軸部４３は、台座部４１とロータ側支持部４２とを接続するように一体的に形成されている。軸部４３は、ロータ２及び駆動部３のＺ方向視中央部を貫通するように形成されている。軸部４３とロータ２との間には、例えば不図示のベアリング機構が設けられている。
【００１６】
押圧部４４は、ロータ側支持部４２とロータ２との間に配置されている。押圧部４４は、ロータ側支持部４２からロータ２へ−Ｚ方向の力を加える。押圧部４４によってロータ２を−Ｚ側へ押圧することで、駆動部３の駆動力がロータ２に伝達されやすくなっている。
【００１７】
制御部ＣＯＮＴは、図１に示すように、駆動部３の各圧電素子３０に接続されている。制御部ＣＯＮＴは、駆動部３による駆動動作を制御する。
【００１８】
図２は、Ｚ方向に見たときの圧電素子３０の配置を示す図である。
同図に示すように、３つの圧電素子３０は、θＺ方向に例えば１２０°ずつずれた位置に配置されている。図２内に矢印で示した方向は、各圧電素子３０の駆動方向である。圧電素子３０は、それぞれが当該矢印で示した方向にロータ２を駆動するようになっている。各圧電素子３０は、軸部４３から径方向に延在するように配置されている。
【００１９】
図３は、圧電素子３０の構成を示す斜視図である。
圧電素子３０は、圧電層３１、電極３２及び接触子３３を有している。圧電素子３０は、電圧を印加されることで振動する電気機械振動子である。圧電層３１は、例えば矩形の板状に形成されている。本実施形態における圧電層３１は、例えば、ピエゾなどであって、圧電体を含む構成となっている。
【００２０】
電極３２は、圧電層３１に電圧を印加する。電極３２は、制御部ＣＯＮＴに接続されている。圧電素子３０は、圧電層３１と電極３２とが互いに交互に積層された構成（積層構造体３４）を有している。接触子３３は、例えば円筒状に形成されており、積層構造体３４の＋Ｚ側端面上に固定されている。接触子３３は、ロータ２に接触し、圧電素子３０の駆動力をロータ２に直接伝達する部分である。
【００２１】
図４は、本実施形態における圧電層３１の構成を示す図である。
図４（ａ）に示すように、各圧電層３１は、板の厚さ方向に分極されている。圧電層３１に対して分極方向と反対方向に電界を発生させた場合、圧電層３１の分極方向に変位して伸長する振動（ｄ３３モード）や、当該分極方向の垂直方向に変位して伸長する振動（ｄ３１モード）などが生じる。これらの振動モードのうち、本実施形態では、ｄ３１モードの振動を利用する。したがって、圧電層３１は、ｄ３１モードの振動方向である分極方向の垂直方向がロータ２への近接方向となるように配置されている。したがって、本実施形態では、圧電層３１の分極方向の直交方向と、圧電層３１の振動方向と、ロータ２への近接方向とが一致した構成となっている。これらの各方向は、本実施形態におけるＺ方向に該当する。
【００２２】
本実施形態では、このような構成を有する圧電層３１を図４（ｂ）に示すように、圧電層対３５として組み合わせた構成となっている。図４（ｂ）に示すように、圧電層対３５は、２つの圧電層３１が互いの分極方向が対向するように接着されている。２つの圧電層３１の間には電極３２が配置されている。この電極３２は、２つの圧電層３１に挟持されるように設けられている。また、各圧電層３１について対向面とは反対面にもそれぞれ電極３２が形成されている。
【００２３】
以下の説明においては、圧電層対３５を構成する２つの圧電層３１のうち一方（例えば図中左側）を圧電層３１Ａと表記し、他方（例えば図中右側）を圧電層３１Ｂと表記する。また、電極３２については、各圧電層３１Ａ及び３１Ｂの対向面と反対側に形成された電極については、圧電素子の符号と対応するように電極３２Ａ、電極３２Ｂと表記する。また、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂによって挟持される電極を電極３２Ｃと表記する。
【００２４】
図４（ｂ）に示すように、電極３２Ｃを正極とし電極３２Ａ及び電極３２Ｂを負極として圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂに電圧を印加すると、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂは同時に分極方向の垂直方向に伸長する。図示を省略するが、電極Ｃを負極とし電極３２Ａ及び電極３２Ｂを正極として圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂに電圧を印加すると、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂは同時に分極方向の垂直方向に収縮する。
【００２５】
図４（ｃ）に示すように、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂが同時に伸長している状態から、一方の圧電層３１（例えば圧電層３１Ａ）に印加する電圧のみを反転させると、当該圧電層３１Ａのみが収縮方向に振動する。この結果、圧電層対３５は、圧電層３１Ａの収縮に引っ張られ、図中左側へ屈曲する。
【００２６】
図示を省略するが、図４（ｂ）の状態から、圧電層３１Ｂに印加する電圧のみを反転させると、圧電層対３５は、図中右側へ屈曲する。また、２つの圧電層３１が収縮している状態から一方の圧電層３１を伸長させる場合においても同様に、圧電層対３５は収縮している圧電層３１に引っ張られるように屈曲する。このように、２つの圧電層３１について、一方を伸長させ、他方を収縮させるように電圧を印加すると、圧電層対３５は、収縮する圧電層３１側に引っ張られるように屈曲する。
【００２７】
この性質を用いて、本実施形態では、例えば図４（ｄ）に示すように、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂのそれぞれに位相の異なる正弦波電圧を印加するように構成されている。図４（ｄ）では、圧電層３１Ａには電源Ｄ１を用いてサイン波の電圧を印加し、圧電層３１Ｂには電源Ｄ２を用いてコサイン波の電圧を印加するように構成されている。
【００２８】
図５は、図４（ｄ）に示す構成を用いて２つの圧電層３１に電圧を印加したときの圧電層対３５の形状の変化を示す概念図である。図５においては、電源Ｄ１及び電源Ｄ２の電圧波形と圧電層対３５の形状とを対応させて示している。また、図５においては、電極３２Ｃへ電圧を印加する場合を正の電圧として示している。
【００２９】
図５に示すように、時刻０〜π／２の間、電源Ｄ１及び電源Ｄ２が共に正の電圧を印加する。したがって、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂが共に伸長するように電圧が印加されることになる。この場合、圧電層対３５は分極方向の直交方向に伸長することになる。
【００３０】
時刻π／２〜πの間、電源Ｄ１は正の電圧を印加した状態であり、電源Ｄ２は負の電圧を印加した状態である。したがって、圧電層３１Ａが伸長し圧電層３１Ｂが収縮するように電圧が印加されることになる。この場合、圧電層対３５は、収縮する圧電層３１Ｂに引っ張られるように屈曲するため、図５に示すように、図中右側に屈曲することになる。
【００３１】
時刻π〜３π／２の間、電源Ｄ１は負の電圧を印加した状態であり、電源Ｄ２は負の電圧を印加した状態である。したがって、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂが共に収縮するように電圧が印加されることになる。この場合、圧電層対３５は、分極方向の直交方向に収縮することになる。
【００３２】
時刻３π／２〜２πの間、電源Ｄ１は負の電圧を印加した状態であり、電源Ｄ２は正の電圧を印加した状態である。したがって、圧電層３１Ａが収縮し圧電層３１Ｂが伸長するように電圧が印加されることになる。この場合、圧電層対３５は、収縮する圧電層３１Ａに引っ張られるように屈曲するため、図５に示すように、図中左側に屈曲することになる。
【００３３】
このような動作を周期的に繰り返すことにより、圧電層対３５の図中上端は、例えば図中時計回りの方向に回転運動することになる。また、電源Ｄ１及び電源Ｄ２の電圧を正負反転させることにより、圧電層対３５の図中上端を反時計回りの方向に回転運動させることもできる。
【００３４】
図６は、このような圧電層対３５を複数組み合わせた積層構造体３４の構成を示している。
図６に示す積層構造体３４は、一例として、８つの圧電層３１が積層された構成になっている。８つの圧電層３１のうち、図中左側４つの圧電層３１は、上記圧電層３１Ａに対応する圧電素子である。図中右側４つの圧電層３１は、上記圧電層３１Ｂに対応する圧電素子である。
【００３５】
一般に、圧電層３１は積層数を増すことよって電圧対歪量が増す効果がある。これを利用して、本実施形態では、８つの圧電層３１に対して図中左側４つの圧電層３１Ａにサイン波の電圧信号を供給し、図中右側４つの圧電層３１Ｂにコサイン波の電圧信号を供給する構成としている。上記の電圧信号の制御は、例えば制御部ＣＯＮＴにおいて行われるようになっている。
【００３６】
図７は、圧電素子３０の駆動動作を示す図である。
まず、制御部ＣＯＮＴは、図７（ａ）に示すように、積層構造体３４が回転方向の上流側に屈曲した状態となるように電圧信号を供給する。この状態から、制御部ＣＯＮＴは、積層構造体３４をロータ２側へ伸長させるように電圧信号を供給する。この動作により、接触子３３がロータ２側へＺ方向に近づきながら当該ロータ２の回転方向へ移動する。積層構造体３４が最も伸長する状態において、図７（ｂ）に示すように、接触子３３の上面がロータ２に当接する。
【００３７】
この状態から、制御部ＣＯＮＴは、図７（ｃ）に示すように、積層構造体３４が回転方向の下流側に屈曲した状態となるように電圧信号を供給する。この動作により、接触子３３がロータ２の回転方向に移動する。この移動時に、接触子３３とロータ２との間に摩擦が生じ、当該摩擦力によってロータ２が回転する。
【００３８】
このように、本実施形態によれば、互いに反対方向に分極された一対の圧電層３１Ａ及び３１Ｂが一体化された圧電層対３５を用いて圧電素子３０を構成し、制御部ＣＯＮＴによって、当該圧電素子３０をロータ２への近接方向に振動させると共にロータ２の回転方向に振動させることで、ロータ２を回転させることとしたので、縦振動用及び捩り振動用の２種類の振動モードの圧電素子を用いる必要が無くなる。これにより、駆動部３を単純な構成とすることができるため、駆動装置１の小型化が可能であり、低コスト化を実現可能となる。また、本実施形態によれば、小型で高トルクの駆動装置１を実現可能となる。
【００３９】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態では、第１実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付して説明する。本実施形態では、圧電素子の配置及び台座部の形状が第１実施形態とは異なっており、他の部分については第１実施形態とほぼ同一の構成となっている。以下、当該相違点を中心に説明する。本実施形態においては、第１実施形態と共通のＸＹＺ座標系を用いて説明する。
【００４０】
図８は、Ｚ方向に見たときの圧電素子１３０の配置を示す図である。
図８（ａ）に示すように、圧電素子１３０は、ロータの回転方向に沿って延在するように形成されている。圧電素子１３０は、ロータの回転方向に１２０°ずれて配置されており、この点については第１実施形態と同様である。
【００４１】
図８（ｂ）に示すように、各圧電素子１３０は、例えばネジなどの固定部材４８を介して台座部４１の側部に固定されている。本実施形態の圧電素子１３０は、延在方向にロータを回転させる構成になっている。圧電素子１３０は、積層体１３１Ａ及び積層体１３１Ｂを含む圧電層対１３５を有している。積層体１３１Ａ及び積層体１３１Ｂは、ロータの回転方向に隣接して配置されている。
【００４２】
図９は、本実施形態に係る圧電素子１３０の構成を示す図である。図９（ａ）は圧電素子１３０の全体構成を示す模式図であり、図９（ｂ）は圧電素子１３０の断面構成を示す図である。
【００４３】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、圧電素子１３０は、積層体１３１Ａ、積層体１３１Ｂ、電極１３２Ａ、電極１３２Ｂ、電極１３２Ｃを有している。積層体１３１Ａは、ロータの回転方向の直交方向に積層された４層の圧電層１３６Ａ〜１３９Ａを有している。積層体１３１Ｂは、ロータの回転方向の直交方向に積層された４層の圧電層１３６Ｂ〜１３９Ｂを有している。積層体１３１Ａと積層体１３１Ｂとの間は、接着材などによって固定されている。
【００４４】
積層体１３１Ａは、圧電層１３６Ａ及び圧電層１３７Ａの分極方向が対向するように配置されると共に、圧電層１３８Ａ及び圧電層１３９Ａの分極方向が対向するように配置されている。積層体１３１Ｂは、圧電層１３６Ｂ及び圧電層１３７Ｂの分極方向が対向すると共に、圧電層１３８Ｂ及び圧電層１３９Ｂの分極方向が対向するように配置されている。
【００４５】
電極１３２Ａは、圧電層１３６Ａと圧電層１３７Ａとの間に配置される部分と、圧電層１３８Ａと圧電層１３９Ａとの間に配置される部分とを有しており、２つの部分が接続された構成になっている。同様に、電極１３２Ｂは、圧電層１３６Ｂと圧電層１３７Ｂとの間に配置される部分と、圧電層１３８Ｂと圧電層１３９Ｂとの間に配置される部分とを有しており、２つの部分が接続された構成になっている。電極１３２Ａ及び電極１３２Ｂは、例えばサイン波の電圧信号を供給する電源Ｄ１に接続されている。
【００４６】
電極１３２Ｃは、圧電層１３６Ａ〜１３９Ａ、圧電層１３６Ｂ〜圧電層１３９Ｂのうち、電極１３２Ａ及び電極１３２Ｂが設けられていない面に配置されている。電極１３２Ｃは、例えばコサイン波の電圧信号を供給する電源Ｄ２に接続されている。
【００４７】
上記のように構成された圧電素子１３０においても、電源Ｄ１及び電源Ｄ２を用いて積層体１３１Ａ及び積層体１３１Ｂに電圧信号を供給することにより、積層体１３１Ａと積層体１３１Ｂとをそれぞれ図中上下方向に振動させることができる。このため、第１実施形態と同様、一方の圧電素子を伸長させ、他方の圧電素子を収縮させることにより、収縮する圧電素子側に屈曲させることができる。
【００４８】
この動作を用いることにより、圧電素子１３０をロータの回転方向に沿って延在させる場合であっても、当該圧電素子１３０をロータへの近接方向に振動させると共にロータの回転方向に振動させることで、ロータを回転させることができる。本実施形態では、圧電層１３６Ａ〜１３９Ａと、圧電層１３６Ｂ〜１３９Ｂとがそれぞれ圧電層対を成す構成となる。
【００４９】
なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、圧電層１３６Ａ〜１３９Ａ及び圧電層１３６Ｂ〜圧電層１３９Ｂの振動モードとして、当該分極方向の垂直方向について伸長する振動モード（ｄ３１モード）を用いている。また、第１実施形態と同様に、圧電層１３６Ａ〜１３９Ａ及び圧電層１３６Ｂ〜圧電層１３９Ｂの振動方向がロータ２への近接方向となるように積層体１３１Ａ及び積層体１３１Ｂが配置されている。
【００５０】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態を説明する。
図１０は、第１実施形態に記載の駆動装置１を備えるロボット装置ＲＢＴの一部（指部分の先端）の構成を示す図である。
【００５１】
同図に示すように、ロボット装置ＲＢＴは、末節部１０１、中節部１０２及び関節部１０３を有しており、末節部１０１と中節部１０２とが関節部１０３を介して接続された構成になっている。関節部１０３には軸支持部１０３ａ及び軸部１０３ｂが設けられている。軸支持部１０３ａは中節部１０２に固定されている。軸部１０３ｂは、軸支持部１０３ａによって固定された状態で支持されている。
【００５２】
末節部１０１は、接続部１０１ａ及び歯車１０１ｂを有している。接続部１０１ａには、関節部１０３の軸部１０３ｂが貫通した状態になっており、当該軸部１０３ｂを回転軸として末節部１０１が回転可能になっている。この歯車１０１ｂは、接続部１０１ａに固定されたベベルギアである。接続部１０１ａは、歯車１０１ｂと一体的に回転するようになっている。
【００５３】
中節部１０２は、筐体１０２ａ及びモータ装置ＡＣＴを有している。モータ装置ＡＣＴは、上記実施形態に記載の駆動装置１を用いることができる。モータ装置ＡＣＴは、筐体１０２ａ内に設けられている。モータ装置ＡＣＴには、回転軸部材１０４ａが取り付けられている。回転軸部材１０４ａの先端には、歯車１０４ｂが設けられている。この歯車１０４ｂは、回転軸部材１０４ａに固定されたベベルギアである。歯車１０４ｂは、上記の歯車１０１ｂとの間で噛み合った状態になっている。
【００５４】
上記のように構成されたロボット装置ＲＢＴは、モータ装置ＡＣＴの駆動によって回転軸部材１０４ａが回転し、当該回転軸部材１０４ａと一体的に歯車１０４ｂが回転する。歯車１０４ｂの回転は、当該歯車１０４ｂと噛み合った歯車１０１ｂに伝達され、歯車１０１ｂが回転する。当該歯車１０１ｂが回転することで接続部１０１ａも回転し、これにより末節部１０１が軸部１０３ｂを中心に回転する。
【００５５】
このように、本実施形態によれば、低電圧で低速高トルクの回転を出力することができるモータ装置ＡＣＴを搭載することにより、例えば減速器を介することなく直接末節部１０１を回転させることができる。さらに本実施形態では、モータ装置ＡＣＴが非共振に駆動される構成になっているため、樹脂など軽量な材料で大部分を構成することが可能になる。
【００５６】
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
例えば、上記第１実施形態においては、圧電素子３０における圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂの配置について、図６に示すように、図中左側４つの圧電層３１を圧電層３１Ａに対応する圧電素子とし、図中右側４つの圧電層３１を圧電層３１Ｂに対応する圧電素子としたが、これに限られることは無い。
【００５７】
例えば図１１に示すように、８つの圧電層３１のうち中央の４つの圧電素子を圧電層３１Ｂに対応させ、左右２つずつの圧電素子を圧電層３１Ａに対応させる構成としても構わない。この場合、例えば中央の４つの圧電層３１Ｂ層にコサイン波の電圧信号が供給され、図中左側の２つの圧電層３１Ａにサイン波の電圧信号が供給され、図中右側の２つの圧電層３１Ａにはサイン波の電圧信号を正負反転させた信号が供給されるようにする。これにより積層構造体３４の上端を回転運動させることができる。
【００５８】
この場合、制御部ＣＯＮＴは、中央の４つの圧電層３１Ｂにロータ２への近接方向への振動を行わせるようにし、左右２つずつの圧電層３１Ａに屈曲方向の振動を行わせるように電圧信号を制御しても構わない。曲げモーメントは（応力×曲げ中心までの距離）によって与えられる。屈曲用の圧電層３１Ａを積層方向の外側に配置することにより、曲げ中心である積層方向の中央から応力発生部分である圧電層３１Ａまでの距離が大きくなる。このため、大きな曲げを発生することができる。
【００５９】
また、図１２に示すように、図中右側の２つの圧電層３１Ａの分極方向を他の組とは逆方向、すなわち、互いにの分極方向が対向方向とは逆方向となるようにしても構わない。この場合、当該２つの圧電層３１Ａにはサイン波の電圧信号が供給されるようにする。これにより、回路構成を単純にすることができる。
【００６０】
また、上記第１実施形態においては、圧電層３１の積層数を２層、４層、２層の計８層としたが、勿論これに限られることは無く、例えば４層、１０層、４層の計１８層とする場合など、印加電圧と振幅に応じて積層数を増やすようにしても構わない。
【００６１】
また、例えば上記第２実施形態においては、積層体１３１Ａ及び積層体１３１Ｂがロータの回転方向に隣接して配置されている構成としたが、これに限られることは無い。例えば図１３に示すように、ロータの回転方向に沿って２つの積層体１３１Ａと１つの積層体１３１Ｂとを配列し、２つの積層体１３１Ａによって積層体１３１Ｂが挟まれるように接合させる構成としても構わない。この場合、中央に配置される積層体１３１Ｂにロータへの近接方向への振動を行わせるようにし、左右の積層体１３１Ａに屈曲方向の振動を行わせるように電圧信号を制御しても構わない。これにより、上記同様に大きな曲げを発生することができる。
【００６２】
また、上記各実施形態においては、圧電層３１の電界による歪効果によって振動する例を説明したが、これに限られることは無い。例えば圧電層３１に機械的な共振を発生させることによって当該圧電層３１の振動振幅を拡大し、駆動効率を向上させることも可能である。
【００６３】
圧電層３１自体には機械的な縦振動モードと屈曲モードが存在することが知られている。圧電層３１の機械的な形状・寸法を調整し、当該圧電層３１の縦振動モードの周波数と圧電層３１の１次屈曲モード（あるいは２次屈曲モード）の周波数とがほぼ同一になるようにする。
【００６４】
このように形成した圧電層３１を当該周波数で駆動すると、機械共振が発生し、接触子３３の振動振幅が増大する。この結果、小さい電力で大きな回転を得ることができる。また、縦振動モードと屈曲モードの周波数を近づけず、どちらか片方の周波数のみを用いて機械共振を発生させることも可能であるし、機械共振を発生させずに駆動させることも可能である。
【００６５】
また、上記各実施形態では、圧電層に対して分極方向と反対方向に電圧を印加した場合において、当該分極方向の垂直方向について伸長する振動モード（ｄ３１モード）を用いる構成としたが、これに限られることは無い。例えば分極方向と反対方向に電圧を印加した場合に、当該分極方向に伸長する振動モード（ｄ３３モード）を用いる構成としても構わない。
【００６６】
このような構成として、例えば図１４に示す構成とすることができる。
図１４に示す積層構造体３４は、圧電層３１Ａ及び圧電層３１ＢがＺ方向に積層された構成となっている。圧電層３１Ａ側については、１対の圧電層３１Ａが４組積層されており、各組の圧電層３１Ａは、分極方向が対向するように配置されている。同様に、圧電層３１Ｂ側についても、１対の圧電層３１Ｂが４組積層されており、各組の圧電層３１Ｂは、分極方向が対向するように配置されている。
【００６７】
電極３２Ａは、圧電層３１Ａ側において、一対の圧電層３１Ａの間に挟持される部分が各組について設けられており、これらの部分が接続されている。電極３２Ｂは、圧電層３１Ｂ側において、一対の圧電層３１Ｂの間に挟持される部分が各組について設けられており、これらの部分が接続されている。電極３２Ｃは、圧電層３１Ａの各組、圧電層３１Ｂの各組の間に設けられている。
【００６８】
電極３２Ａと電極３２Ｃとの間には電源Ｄ１が接続されている。電源Ｄ１は、電極３２Ａと電極３２Ｃとの間にサイン波の電圧信号を供給可能になっている。電極３２Ｂと電極３２Ｃとの間には電源Ｄ２が接続されている。電源Ｄ２は、電極３２Ｂと電極３２Ｃとの間にコサイン波の電圧信号を供給可能になっている。
【００６９】
このような構成において、電源Ｄ１及び電源Ｄ２から電圧信号を供給することにより、例えば圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂを分極方向（積層方向、Ｚ方向）に伸長振動させることができ、当該振動を用いて積層構造体３４を屈曲させることができるようになっている。このように、圧電層３１Ａ及び圧電層３１Ｂのどの振動モードを用いる場合であっても、本発明の適用は可能である。
【００７０】
また、上記実施形態においては、駆動装置１を用いてロータを回転させる構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無く、例えば可動子を直進移動させる場合や、曲線移動させる場合など、回転移動以外の移動を行わせる場合であっても、本発明の適用は可能である。
【符号の説明】
【００７１】
ＣＯＮＴ…制御部 １…駆動装置 ２…ロータ（回転子） ３…駆動部 ３０…圧電素子（電気機械振動子） ３１、３１Ａ、３１Ｂ、１３６Ａ〜１３９Ａ、１３６Ｂ〜１３９Ｂ…圧電層 ３４…積層構造体 ３５…圧電層対
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の駆動方向に駆動される可動子と、
互いに反対方向に分極された一対の圧電層が一体化された圧電層対を有し、前記可動子への近接方向に振動すると共に前記可動子の駆動方向に振動するように形成された電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子に対して、前記近接方向の振動と前記駆動方向の振動とを選択的に行わせる制御部と
を備えることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記電気機械変換素子は、前記圧電層対が複数積層されて形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記制御部は、複数の前記圧電層対のうち一部の前記圧電層対に対しては前記近接方向に振動させ、他の前記圧電層対に対しては前記駆動方向に振動させる
ことを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記制御部は、複数の前記圧電層対のうち積層方向の端部側に配置される圧電層対には前記駆動方向に振動させる
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記電気機械変換素子に対して前記近接方向の振動及び前記駆動方向の振動を交互に繰り返させる
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記電気機械変換素子に対して位相の異なる正弦波信号を供給する
ことを特徴とする請求項５に記載の駆動装置。
【請求項７】
前記可動子と前記電気機械変換素子との間に接触子を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項８】
前記電気機械変換素子は、前記駆動方向に沿って複数配置されている
ことを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項９】
前記駆動方向は、前記可動子を回転させる方向である
ことを特徴とする請求項１から請求項８のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項１０】
前記駆動方向は、前記可動子を直進させる方向である
ことを特徴とする請求項１から請求項９のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項１１】
前記電気機械変換素子は、前記圧電層の分極方向と直交する方向又は該直交する方向と平行な方向に、前記圧電層対が複数積層されて形成されている
ことを特徴とする請求項１から請求項１０のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項１２】
前記近接方向は、前記圧電層の分極方向と直交する方向又は該直交する方向と平行な方向である
ことを特徴とする請求項１から請求項１１のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項１３】
前記電気機械変換素子は、前記圧電層の分極方向又は該分極方向と平行な方向に、前記圧電層対が複数積層されて形成されている
ことを特徴とする請求項１から請求項１０のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項１４】
前記近接方向は、前記圧電層の分極方向又は該分極方向と平行な方向である
ことを特徴とする請求項１から請求項１０、請求項１３のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項１５】
移動部材と、
前記移動部材を駆動させる駆動装置と
を備え、
前記駆動装置として、請求項１から請求項１４のうちいずれか一項に記載の駆動装置が用いられている
ことを特徴とするロボット装置。
【請求項１】
所定の駆動方向に駆動される可動子と、
互いに反対方向に分極された一対の圧電層が一体化された圧電層対を有し、前記可動子への近接方向に振動すると共に前記可動子の駆動方向に振動するように形成された電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子に対して、前記近接方向の振動と前記駆動方向の振動とを選択的に行わせる制御部と
を備えることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記電気機械変換素子は、前記圧電層対が複数積層されて形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記制御部は、複数の前記圧電層対のうち一部の前記圧電層対に対しては前記近接方向に振動させ、他の前記圧電層対に対しては前記駆動方向に振動させる
ことを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記制御部は、複数の前記圧電層対のうち積層方向の端部側に配置される圧電層対には前記駆動方向に振動させる
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記電気機械変換素子に対して前記近接方向の振動及び前記駆動方向の振動を交互に繰り返させる
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記電気機械変換素子に対して位相の異なる正弦波信号を供給する
ことを特徴とする請求項５に記載の駆動装置。
【請求項７】
前記可動子と前記電気機械変換素子との間に接触子を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項８】
前記電気機械変換素子は、前記駆動方向に沿って複数配置されている
ことを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項９】
前記駆動方向は、前記可動子を回転させる方向である
ことを特徴とする請求項１から請求項８のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項１０】
前記駆動方向は、前記可動子を直進させる方向である
ことを特徴とする請求項１から請求項９のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項１１】
前記電気機械変換素子は、前記圧電層の分極方向と直交する方向又は該直交する方向と平行な方向に、前記圧電層対が複数積層されて形成されている
ことを特徴とする請求項１から請求項１０のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項１２】
前記近接方向は、前記圧電層の分極方向と直交する方向又は該直交する方向と平行な方向である
ことを特徴とする請求項１から請求項１１のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項１３】
前記電気機械変換素子は、前記圧電層の分極方向又は該分極方向と平行な方向に、前記圧電層対が複数積層されて形成されている
ことを特徴とする請求項１から請求項１０のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項１４】
前記近接方向は、前記圧電層の分極方向又は該分極方向と平行な方向である
ことを特徴とする請求項１から請求項１０、請求項１３のうちいずれか一項に記載の駆動装置。
【請求項１５】
移動部材と、
前記移動部材を駆動させる駆動装置と
を備え、
前記駆動装置として、請求項１から請求項１４のうちいずれか一項に記載の駆動装置が用いられている
ことを特徴とするロボット装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−２５９１９３（Ｐ２０１０−２５９１９３Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０５２１５（Ｐ２００９−１０５２１５）
【出願日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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