(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動手段に付勢する振動板と、を備え、
前記振動板が前記被駆動手段を付勢する方向における前記振動板のヤング率ＥLと、前記付勢する方向に交差する方向における前記振動板のヤング率ＥSと、が異なる、
ことを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項２】
前記振動板は圧延法により形成された板状基材を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエーター。
【請求項３】
前記ヤング率ＥLおよび前記ヤング率ＥSは、
ＥL＞ＥS
である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエーター。
【請求項４】
前記振動板に積層される圧電体と、を備え、
前記圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含む、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーター。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーターと、
前記圧電アクチュエーターを前記被駆動手段に付勢する付勢手段と、を備える、
ことを特徴とするモーター。
【請求項６】
請求項５に記載のモーターを備えるロボットハンド。
【請求項７】
請求項６に記載のロボットハンドを備えるロボット。
【請求項８】
第１の辺、第２の辺、前記第１の辺と前記第２の辺との間をつなぐ第３の辺および第４の辺、を有する振動板と、を備え、
前記振動板は、前記第１の辺から突出し、かつ、被駆動部材と当接する突出部を有し、
前記第１の辺の中心と前記第２の辺の中心とを通る直線方向における前記振動板のヤング率ＥLと、前記第３の辺の中心と前記第４の辺の中心とを通る直線方向における前記振動板のヤング率ＥSと、が異なる、ことを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項９】
前記振動板は圧延法により形成された板状基材を含む、
ことを特徴とする請求項８に記載の圧電アクチュエーター。
【請求項１０】
前記ヤング率ＥLおよび前記ヤング率ＥSは、
ＥL＞ＥS
である、
ことを特徴とする請求項８または９に記載の圧電アクチュエーター。
【請求項１１】
前記振動板に積層される圧電体と、を備え、
前記圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含む、
ことを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーター。
【請求項１２】
請求項８から１１のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーターと、
前記圧電アクチュエーターを前記被駆動手段に付勢する付勢手段と、を備える、
ことを特徴とするモーター。
【請求項１３】
請求項１２に記載のモーターを備えるロボットハンド。
【請求項１４】
請求項１３に記載のロボットハンドを備えるロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエーター、モーター、ロボットハンドおよびロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子の振動によって被駆動体を駆動するモーターとしては、矩形平板状の圧電素子に一体的に形成された突起を有する補強板に積層したアクチュエーターを、補強板の突起を被駆動体に当接させて被駆動体を駆動するモーターが知られている（特許文献１）。この、圧電アクチュエーターを備えるモーターでは、被駆動体に圧電アクチュエーターの補強板に有する突起を付勢手段によって付勢し、圧電素子の屈曲振動が補強板を介して被駆動体を所定の方向に回転させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２８６１６７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、上述の特許文献１であっても圧電素子の屈曲振動自体は小さなものであって、より大きな駆動力、あるいは回転量（回転速度）を得ようとすると、圧電素子を大きくした大型の圧電アクチュエーターとなってしまうと言う課題があった。
【０００５】
そこで、小型の圧電素子（圧電体）であっても、圧電素子の屈曲振動を被駆動体へ伝達する振動体を効率よく振動させる圧電アクチュエーター、および圧電アクチュエーターを用いたモーター、およびそのモーターを備えるロボットハンドおよびロボットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。
【０００７】
〔適用例１〕本適用例による圧電アクチュエーターは、被駆動手段に付勢する突起部を端部に有する振動板と、前記振動板に積層される圧電体と、を少なくとも備え、前記振動板の前記付勢方向におけるヤング率ＥLと、前記付勢方向に交差する交差方向におけるヤング率ＥSと、が異なることを特徴とする。
【０００８】
上述の適用例によれば、圧電アクチュエーターの縦振動に対する屈曲振動との比を調整することができ、圧電アクチュエーターの振動を効率良く被駆動手段を駆動させることができる。
【０００９】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記振動板は圧延法により形成された板状基材より形成されていることを特徴とする。
【００１０】
上述の適用例によれば、圧延法により形成される板状基材は、圧延方向のヤング率より、圧延方向に交差する方向のヤング率を容易に高くすることができるため、振動板を板状基材から切り出す方向を調整することで、ヤング率ＥL，ＥSの差を容易に調整することができる。また、圧延法により板状基材を形成することにより、均一な板圧の基材を大量に製造することができことから安価な基材を容易に入手することができる。
【００１１】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記ヤング率ＥLおよびＥSは、
ＥL＞ＥS
であることを特徴とする。
【００１２】
上述の適用例によれば、圧電アクチュエーターの縦振動に対する屈曲振動との比を向上させることができ、圧電アクチュエーターの振動を効率良く被駆動手段を駆動させることができる。また、低電力駆動が可能となり駆動回路への負荷を低減することができる。すなわち駆動回路の小型化によってロボットなどの装置のシステムの小型化、省電力化を実現することができる。
【００１３】
〔適用例４〕上述の適用例において、前記圧電体がＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）であることを特徴とする。
【００１４】
上述の適用例によれば、振幅の大きい振動を得ることができ、大きい駆動量を得ることができる。また、入手が容易な材料であることから、安価なアクチュエーターを得ることができる。
【００１５】
〔適用例５〕本適用例のモーターは、上述の圧電アクチュエーターと、前記圧電アクチュエーターによって駆動される被駆動手段と、前記圧電アクチュエーターを前記被駆動手段に付勢する付勢手段と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
上述の適用例によれば、小型で高効率のモーターを得ることができる。
【００１７】
〔適用例６〕本適用例のロボットハンドは、上述の適用例のモーターを備える。
【００１８】
本適用例のロボットハンドは、自由度が多く、多数のモーターを備えても、小型、軽量にすることができる。
【００１９】
〔適用例７〕本適用例のロボットは、上述のロボットハンドを備える。
【００２０】
本適用例のロボットは、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係る圧電アクチュエーターを示す、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は組立斜視図。
【図２】圧電アクチュエーターの振動挙動を示す概略平面図。
【図３】（ａ）は、本実施形態に係る振動板２０の原料基材であるステンレス板の成形方法を示す概念図、（ｂ）は基材に対する振動板の配置を示す模式図。
【図４】第２実施形態に係るモーターを示し、（ａ）は組立平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ´部の断面図。
【図５】第３実施形態に係るロボットハンドを示す外観図。
【図６】第４実施形態に係るロボットを示す外観図。
【図７】実施例に係る駆動装置を示す、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図。
【図８】実施例に係る振動板の成形を説明する図。
【図９】実施例に係る圧電アクチュエーターのインピーダンス特性の結果。
【図１０】実施例に係る駆動装置の駆動特性の結果。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１は本実施形態に係る圧電アクチュエーターを示す、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は組立斜視図である。図１（ｂ）に示すように圧電アクチュエーター１００（以下、アクチュエーター１００という）は、板状の振動板２０の一方の面２０ｂとその裏面２０ｃに圧電素子１０が接着剤や合金ろう材などの固着手段によって積層されている。
【００２４】
図１（ａ）に示すように、圧電素子１０は、矩形の圧電体１１の振動板２０に貼り合わされる側には電極１２が形成され、他方の側には電極１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅに分割された電極１３が形成されている。圧電体１１は、圧電性を有する材料、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛＜ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3＞、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）などが挙げられ、特にＰＺＴが好適に用いられる。また、電極１２，１３は、Ａｕ，Ｔｉ，Ａｇなどの導電性金属を蒸着、スッパッタリングなどにより成膜して形成することができる。なお、後述する振動板２０の材料が導電性を有している場合には電極１２は形成しなくても良く、振動板２０を電極として用いればよい。
【００２５】
振動板２０は、ステンレス、ニッケル合金、ゴムメタルなどで形成され、加工性の容易さからステンレスが用いられ、ＳＵＳ３０１Ｈ材が本実施形態に係るアクチュエーター１００には好適に用いられる。振動板２０はほぼ矩形の基体部２０ａと、後述するモーターを構成する場合に、被駆動体に付勢する方向としての基体部２０ａの長手方向（図示、Ｌ方向）の一方の端部に突出させた突起部２０ｄと、を備えている。突起部２０ｄは、先端部が円弧状に形成され、後述する被駆動体に付勢されて当接する。なお、先端部が直線状に形成された突起部２０ｄ´であってもよい。また、後述するモーターを構成する場合に、付勢手段を備える支持体に振動板２０をネジなどの固定部材によって装着するため装着孔２０ｆを有する装着部２０ｅを備えている。
【００２６】
このように形成されるアクチュエーター１００は、次のように動作する。図２（ａ），（ｂ）は、アクチュエーター１００の振動挙動を示す概略平面図である。図２（ａ）に示すように、圧電素子１０に形成された電極１３のうち、電極１３ｃ，１３ｂ，１３ｄと、図示されない電極１２との間に交流電圧を印加することにより、電極１３ｃ，１３ｂ，１３ｄが形成されている圧電体１１の領域部は図示矢印の縦振動が励振される。電極１３ｂの領域ではアクチュエーター１００を長手方向（図１（ａ）に図示するＬ方向）に縦振動を励起し、電極１３ｃ，１３ｄの領域ではアクチュエーター１００に形状Ｍで示す屈曲振動を励起し、振動板２０の突起部２０ｄの先端部は楕円軌道Ｒ１を描いて振動する。
【００２７】
また、図２（ｂ）に示すように、圧電素子１０に形成された電極１３のうち、電極１３ａ，１３ｂ，１３ｅと、図示されない電極１２との間に交流電圧を印加することにより、電極１３ａ，１３ｂ，１３ｅが形成されている圧電体１１の領域部は図示矢印の縦振動が励振される。電極１３ｂの領域ではアクチュエーター１００を長手方向（図１（ａ）に図示するＬ方向）に縦振動を励起し、電極１３ａ，１３ｅの領域ではアクチュエーター１００に形状Ｎで示す屈曲振動を励起し、振動板２０の突起部２０ｄの先端部は楕円軌道Ｒ２を描いて振動する。
【００２８】
上述の通り、アクチュエーター１００において振動板２０は、圧電素子１０の振動を突起部２０ｄにおける楕円軌道Ｒ１，Ｒ２の振動に変換し、その変換効率を高める手段が求められる。そこで振動板２０の振動挙動をより効率よく励起させるために、振動板２０を以下のようにして形成する。
【００２９】
図３（ａ）は、本実施形態に係る振動板２０の原料基材であるステンレス板の成形方法を示す概念図である。図３（ａ）に示すように、振動板２０を形成する基材は、対向配置された圧延ローラー２００のローラー２００ａとローラー２００ｂとの間隙を、図示左方向から板厚ｔ１の材料Ｍを通過圧延し、振動板２０を成形する板厚ｔ２の板状の基材ｍを得る、いわゆる圧延法によって得られる。振動板２０の成形は図示しないが、得られた基材ｍをプレス打抜き、レーザー切断、エッチングなどの公知の手法により行われ、振動板２０を得ることができる。この時、振動板２０の長手方向Ｌは、基材ｍの圧延ロール方向Ｒに対して交差するように配置され、成形される。
【００３０】
上述した振動板２０の成形は、図３（ｂ）にも示すように振動板２０の長手方向Ｌは基材ｍの圧延ロール方向Ｒに交差するように配置される。圧延ロールされた基材ｍにおいては、圧延加工歪により、圧延ロール方向Ｒにおける基材ｍのヤング率（縦弾性係数）ＥSと、圧延ロール方向Ｒに交差、直交する方向、すなわち振動板２０の長手方向Ｌにおける基材ｍのヤング率ＥLとは、
ＥL＞ＥS
となる。すなわち、図２によって説明した振動板２０の屈曲振動の振動方向に、ヤング率のより低い圧延ロール方向Ｒ方向のヤング率ＥＳとなるように、振動板２０の被駆動体に付勢するほうこうと交差する方向としての短手方向を圧延ロール方向Ｒにあわせて配置することにより、より効率的に圧電素子１０の振動を被駆動体へ伝えることができる。
【００３１】
圧延ロール方向Ｒは、図３（ｂ）に示すように筋状のロール痕Ｓが圧延ロール方向Ｒに沿って残る。このロール痕Ｓが振動板２０の表面に残っていることで、振動板２０の成形方向を識別することができる。すなわち、ロール痕Ｓの方向におけるヤング率がＥSであり、ロール痕Ｓに交差する方向のヤング率がＥLとなる。
【００３２】
上述のように、振動板２０の長手方向Ｌを基材ｍの圧延ロール方向Ｒと交差するようにすることによって、圧電体の振動を効率良く振動板に備える突起部の駆動振動にすることができ、小型であっても大きな駆動量、あるいは大きい出力を発生させることができるモーターのアクチュエーターとして使用することができる。
【００３３】
（第２実施形態）
第２実施形態として第１実施形態に係るアクチュエーター１００を備えるモーターを説明する。図４は第２実施形態に係るモーター１０００を示し、（ａ）は組立平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ´部の断面図である。図４（ａ）に示すように、モーター１０００は基台３００と、基台３００に回転可能に固定される被駆動体４００と、基台３００に摺動可能に固定される支持体５００と、支持体５００を被駆動体４００側に付勢する付勢手段としてのコイルばね６００と、支持体５００に固定部材であるねじ７００によって固定されるアクチュエーター１００と、を備えている。
【００３４】
被駆動体４００は、図４（ｂ）に示すように回転軸４１０および軸受け３１０などから構成される回転手段により基台３００に固定される。回転軸の回転力は、回転軸に接続される図示されない減速あるいは増速装置２０００を介して所望の回転数、あるいは出力トルクによって被駆動装置を駆動する。
【００３５】
支持体５００は、ガイド孔５１０を備え、基台３００に備えるガイドピン３２０がガイド孔５１０に挿通され、支持体５００は基台３００に摺動可能に固定される。ガイド孔５１０の形状は、本実施形態ではトラック状の平面形状を成し、アクチュエーター１００の付勢方向に支持体５００が摺動可能となっており、アクチュエーター１００の付勢方向に交差する方向ではガイドピン３２０のガイド部外径よりわずかに大きくし、アクチュエーター１００の付勢方向に交差する方向のガタ量を最小にする形状となっている。
【００３６】
また、支持体５００は付勢手段としてのコイルばね６００の一方の端部が、アクチュエーター１００を装着する固定腕５２０に装着されている。コイルばね６００の他方の端部は基台３００に備えるばね装着部３３０に装着され、支持体５００が被駆動体４００の方向に付勢される。なお、付勢手段としてはコイルばね６００に限定されず、例えば、板ばね、弾性ゴムなどを用いても良い。
【００３７】
また、支持体５００には、アクチュエーター１００の振動板２０の装着部２０ｅを支持体５００の固定腕５２０に載置し、図示しない固定腕５２０に設けたねじ孔にねじ７００によってアクチュエーター１００が固定される。固定されたアクチュエーター１００の突起部２０ｄは、支持体５００を介して被駆動体４００に所定の力で付勢される。
【００３８】
このように構成されるモーター１０００は、図２によって説明したアクチュエーター１００の突起部２０ｄの振動挙動が、アクチュエーター１００の被駆動体４００への付勢力によって被駆動体４００に回転駆動を与える。
【００３９】
上述のように、圧電体の振動を効率良く振動板に備える突起部の駆動振動にすることができる圧電アクチュエーターを用いることにより、小型であっても大きな駆動量、あるいは大きい出力を発生させることができるモーターを得ることができる。
【００４０】
（第３実施形態）
図５は、第２実施形態に係るモーター１０００を備えたロボットハンド３０００を示す外観図である。ロボットハンド３０００は基部３１００と、基部３１００に接続された指部３２００とを備えている。基部３１００と指部３２００との接続部３３００と、指部３２００の関節部３４００とには、モーター１０００が組み込まれている。モーター１０００が駆動することによって、指部３２００が屈曲し、物体を把持することができる。超小型モーターであるモーター１０００を用いることによって、小型でありながら多数のモーターを備えるロボットハンドを実現することができる。
【００４１】
（第４実施形態）
図６は、ロボットハンド３０００を備えるロボット４０００の構成を示す図である。ロボット４０００は、本体部４１００、アーム部４２００およびロボットハンド３０００等から構成されている。本体部４１００は、例えば床、壁、天井、移動可能な台車の上などに固定される。アーム部４２００は、本体部４１００に対して可動に設けられており、本体部４１００にはアーム部４２００を回転させるための動力を発生させる図示しないアクチュエーターや、アクチュエーターを制御する制御部等が内蔵されている。
【００４２】
アーム部４２００は、第１フレーム４２１０、第２フレーム４２２０、第３フレーム４２３０、第４フレーム４２４０および第５フレーム４２５０から構成されている。第１フレーム４２１０は、回転屈折軸を介して、本体部４１００に回転可能または屈折可能に接続されている。第２フレーム４２２０は、回転屈折軸を介して、第１フレーム４２１０および第３フレーム４２３０に接続されている。第３フレーム４２３０は、回転屈折軸を介して、第２フレーム４２２０および第４フレーム４２４０に接続されている。第４フレーム４２４０は、回転屈折軸を介して、第３フレーム４２３０および第５フレーム４２５０に接続されている。第５フレーム４２５０は、回転屈折軸を介して、第４フレーム４２４０に接続されている。アーム部４２００は、制御部の制御によって、各フレーム４２１０〜４２５０が各回転屈折軸を中心に複合的に回転または屈折し動く。
【００４３】
アーム部４２００の第５フレーム４２５０のうち第４フレーム４２４０が設けられた他方には、ロボットハンド接続部４３２０が接続されており、ロボットハンド接続部４３００にロボットハンド３０００が取り付けられている。ロボットハンド接続部４３００にはロボットハンド３０００に回転動作を与えるモーターが内蔵され、ロボットハンド３０００は対象物を把持することができる。小型、軽量のロボットハンド３０００を用いることによって、汎用性が高く、複雑な電子機器の組み立て作業や検査等が可能なロボットを提供することができる。
【実施例】
【００４４】
図７に示す駆動装置１００Ａを用いて、アクチュエーター１００の特性を評価した。図７（ａ）は、駆動装置１００Ａの概略平面図、（ｂ）は駆動装置１００Ａの概略断面図である。図７（ａ）に示すように、駆動装置１００Ａは基台３０Ａに固定された支持体５０Ａに圧電体としてＰＺＴを用いたアクチュエーター１００が固定され、図７（ｂ）に示すように、突起部２０ｄに当接する内周面４０Ａａを有するリング状の被駆動体４０Ａを備えている。被駆動体４０Ａの内周面４０Ａａは直径方向に凹状に形成され手いる。また、被駆動体４０Ａは基台３０Ａとは、ボールベアリング３１Ａなどにより回転可能に固定されている。
【００４５】
また、アクチュエーター１００は、図８に示すように、厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ３０１ＥＨを原料とする基材ｍの圧延ロール方向Ｒに対して長手方向Ｌを交差させてプレス加工によって打抜き成形させた振動板２０を用いたものをアクチュエーター試料Ａ（以下、試料Ａという）、圧延ロール方向Ｒと長手方向Ｌとを合わせて形成させた振動板２１を用いたものをアクチュエーター試料Ｂ（以下、試料Ｂという）、とした。
【００４６】
こうして得られた試料Ａの振動板２０と，試料Ｂの振動板２１の長手方向Ｌのヤング率を計測したところ、試料Ａ（振動板２０）は２２０ＧＰａ、試料Ｂ（振動板２１）は１９０ＧＰａ、であり、圧延ロール方向Ｒに長手方向Ｌを交差させて得られた試料Ａ（振動板２０）の方が高いヤング率を得られた。
【００４７】
（インピーダンス特性）
図９（ａ）に示すインピーダンス曲線を得るため、試料Ａ，Ｂについて測定し、図９（ｂ）の結果を得た。図９（ｂ）の結果から、屈曲共振インピーダンスＺf2は、試料Ａの方が試料Ｂより小さい値を示した。インピーダンスと、アクチュエーター１００の突起部２０ｄの振動軌跡と、は反比例の関係にあることから、屈曲共振において試料Ａの方が試料Ｂより屈曲振動における変位量を大きくすることができる。
【００４８】
（駆動特性）
次に、図７に示す駆動装置１００Ａにおいて、試料Ａと試料Ｂとの駆動特性を確認した。駆動装置１００Ａに対して、駆動電圧として±５Ｖの正弦波電流を投入し、被駆動体４０Ａの回転速度と、突起部２０ｄにおける楕円振動の周波数との関係を測定し、図１０の結果を得た。図１０に示すように、入力電源（駆動電圧として±５Ｖの正弦波電流）に対して試料Ａの方が試料Ｂより早い回転速度を得ることができる。
【００４９】
以上の通り、振動板２０の長手方向Ｌを基材ｍの圧延ロール方向Ｒに交差させて形成する（図３参照）、すなわち振動板２０の長手方向Ｌのヤング率を大きくすることにより駆動効率の高い圧電アクチュエーターを得ることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０…圧電素子、２０…振動板、１００…圧電アクチュエーター。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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