(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体と被駆動体を備える振動型駆動装置であって、
前記振動体は、
主成分が電気的に絶縁性、誘電性または半導電性の材料からなり、前記被駆動体と接触する弾性体と、
前記弾性体と接合される電気−機械エネルギ変換素子と、を有し、
前記電気−機械エネルギ変換素子は、
圧電体と、
前記圧電体において前記弾性体と接合される面に設けられ開ループ構造を有する第１の電極と、
前記圧電体を介して前記第１の電極と対向するように設けられた少なくとも２つの第２の電極と、
前記圧電体を介して前記第１の電極と対向するように設けられた少なくとも１つの第４の電極と、
前記第１の電極と前記少なくとも１つの第４の電極とを電気的に接続する少なくとも１つの第１の導通路と、を有し、
前記第１の電極は第１の間隙部を備え、
前記少なくとも２つの第２の電極の間に第２の間隙部が設けられ、
前記振動体が前記被駆動体に対して押圧される方向から見たときに、前記第１の間隙部の幅は前記第２の間隙部の幅よりも狭いことを特徴とする振動型駆動装置。
【請求項２】
前記被駆動体は、電気的に絶縁性、誘電性または半導電性の材料からなることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
【請求項３】
前記圧電体において前記弾性体と接合される面に設けられた第３の電極を有し、
前記第３の電極は前記第１の間隙部に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型駆動装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの第４の電極は前記圧電体を介して前記第３の電極と対向するように設けられ、
前記第３の電極と前記少なくとも１つの第４の電極が第２の導通路によって電気的に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の振動型駆動装置。
【請求項５】
前記第３の電極と電気的に接続された前記少なくとも１つの第４の電極はＧＮＤ電位に接続されることを特徴とする請求項４に記載の振動型駆動装置。
【請求項６】
前記第３の電極は、前記第２の間隙部と対向する位置、または、前記第１の電極と電気的に接続された前記少なくとも１つの第４の電極と対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
【請求項７】
前記第１の電極は、少なくとも２つの前記第１の導通路によって、前記少なくとも１つの第４の電極のうち２つの第４の電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
【請求項８】
前記第１の電極と電気的に接続された前記少なくとも１つの第４の電極はＧＮＤ電位に接続されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
【請求項９】
前記圧電体において前記少なくとも２つの第２の電極が設けられている面に、前記弾性体の歪みの大きさに応じた電位を示す振動検出用の電極が設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
【請求項１０】
前記圧電体において前記少なくとも２つの第２の電極が設けられている面は、電圧を印加するための配線を有するフレキシブル基板によって覆われていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
【請求項１１】
前記第１の導通路は、前記圧電体を貫通するように形成された貫通孔の内部に導電体が配置され、または、前記圧電体の側面に形成された溝部に導電体が固着されることにより形成されていることによって形成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
【請求項１２】
前記圧電体は、円環状の形状を有し、
前記第１の導通路は、前記圧電体の内外径の中心円の内側に設けられることを特徴とする請求項１１に記載の振動型駆動装置。
【請求項１３】
前記弾性体は、電気的に絶縁性の材料からなることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の振動型駆動装置と、
被検者に対して診断または手術を行う多関節ロボットと、を備える医用システムであって、
前記多関節ロボットは、複数の関節部を有し、
前記振動型駆動装置は、前記関節部に組み込まれて前記関節部での回転運動を行うことを特徴とする医用システム。
【請求項１５】
磁場を発生する磁場発生手段を有し、
前記磁場発生手段が発生した磁場の内部に前記多関節ロボットが配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の医用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体と被駆動体とを加圧接触させて振動体に振動を励振させることによって振動体と被駆動体とを相対的に移動させる振動型駆動装置と、振動型駆動装置を備える医用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁気共鳴イメージング診断装置（以下「ＭＲＩ診断装置」という）を用いて被検者（患者）の診断画像を取得しながら、被検者に対して医療行為を行うための医療支援ロボットの研究開発が盛んに行われている。また、開口部の大きなガントリーやガントリーの中央部に広い空間を持つ開放型のＭＲＩ診断装置が普及し、医療支援ロボットや医師によるＭＲＩ診断内部への介入の可能性が大きく広がりつつある。
【０００３】
ＭＲＩ診断装置で発生させる静磁場の大きさは１．５［Ｔ］〜３．０［Ｔ］程度と非常に強い。そして、ＭＲＩ診断装置では、被検者の診断画像を取得する際の３次元位置情報を高精度に決定するために、磁場精度を非常に高精度に管理して、３軸方向に時間的に変動する傾斜磁場を発生させている。したがって、ＭＲＩ診断装置のガントリー近傍又は内部に持ち込む医療支援ロボットやその他の医療器具に閉ループを形成する導電性材料を用いる際には、変動磁場により発生するローレンツ力や変動磁場に対する影響をなくすことが求められる。
【０００４】
高精度に管理される変動磁場環境において用いられるアクチュエータとして、圧電セラミックス等に代表される電気−機械エネルギ変換素子を用いた振動型駆動装置がある。振動型駆動装置は、電磁モ−タとは異なり、振動体に励振させた振動によって被駆動体を摩擦駆動する。そのため、振動型駆動装置は、低速域において高い推力又はトルクを発生し、応答性が高く、ギヤやベルト等の機械的伝達手段を用いることなく直接に被駆動体を駆動することができるという特徴を有する。また、振動型駆動装置は、電源の非投入時においては、振動体と被駆動体との間には摩擦による保持力又は保持トルクが発生するため、ブレ−キ等の制動手段を用いる必要がないという利点もある。
【０００５】
振動型駆動装置として、金属等からなる弾性体に圧電素子を接合して振動体を形成し、圧電素子に位相の異なる交流電圧を印加することによって振動体にある特定の振動モードを励振するものがある。このような振動型駆動装置では、弾性体における被駆動体との接触面に楕円運動を生じさせることによって、振動体と被駆動体とを相対的に回転移動させ或いは直進移動させている。
【０００６】
一例として、特許文献１には、円環状の振動体を用いた振動型駆動装置が開示されており、共振先鋭度が大きな金属材料（例えば、ステンレス等の鉄鋼材）からなる弾性体を用いた円環状の振動体が開示されている。圧電素子に曲げ振動等の撓み振動を発生させるためには、圧電素子を構成する圧電体（圧電セラミックス）に電位差を生じさせる必要がある。そのため、特許文献１では、圧電素子のＧＮＤ部（グランド部（接地部））と弾性体とを、ハンダ等の導電性材料からなる導電接合部によって電気的に接続して弾性体を接地することで、弾性体の導電性を利用して圧電素子のＧＮＤ電位への接続を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１５９２１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に記載されているような共振先鋭度の大きな金属材料を用いてなる振動体を備える振動型駆動装置を、ＭＲＩ診断装置のガントリー内又はその近傍に設置した場合には、例えば、次のような３つの問題が生じる。
【０００９】
第１点は、ＭＲＩ診断装置の高精度に管理された磁場に乱れが生じるおそれがあることである。即ち、導電性材料から成る部材が環状で閉ループ部を有する場合には、この閉ループを貫く磁束の時間変動に起因し発生する誘導起電力によって、この閉ループ部内を流れる変動電流が新たな変動磁場を生成する。したがって、導電性材料から成る閉ループ部を有する部材は、ＭＲＩ診断装置の空間座標のエンコードに必要な、高精度に管理された磁場を乱す可能性がある。
【００１０】
２点目は、診断画像にノイズが乗るおそれがあることである。即ち、マックスウェル−アンペールの法則により、導電性材料から成る部材が閉ループ部を有する場合、この閉ループを貫く全磁束の時間変動に起因して誘導起電力が発生する。こうして発生した誘導起電力によって、閉ループ部を流れる変動電流に起因した電磁波が発生し、この電磁波が電磁ノイズとなって各種信号に重畳するおそれがある。したがって、導電性材料から成る閉ループ部を有する部材は、ＭＲＩ診断装置とその周辺機器に対するノイズの発生源となり得る。
【００１１】
３点目は、不要な機械振動が発生するおそれがあることである。即ち、導電性材料から成る部材が閉ループ部を有する場合に、この閉ループを貫く磁束が時間的に変動すると、上述した誘導起電力により、時間的に変動する電流が閉ループ部内を流れる。これにより、閉ループ部には、電流ベクトルをＩ、磁束ベクトルをＢとすると、時間的に変動するローレンツ力Ｆが、ベクトル積Ｉ×Ｂの方向にかかることで、不要な機械振動を引き起こすおそれがある。したがって、導電性材料から成る閉ループ部を有する部材は、振動型駆動装置及び医療支援ロボットの性能に影響を与える可能性がある。
【００１２】
このような問題を回避するため、振動型駆動装置の被駆動体や弾性体等の構成部材に、エンジニアリングセラミックス、エンジニアリングプラスチック又は複合材料（例えば、ＦＲＰ）等の、非磁性で誘電性（絶縁性）の材料を用いることが考えられる。しかし、例えば、弾性体が誘電性である場合には、特許文献１に記載されているように、弾性体を介して圧電素子のＧＮＤ部を接地することはできない。
【００１３】
本発明は、磁場環境下での使用に適した振動型駆動装置と、この振動型駆動装置を備える医用システム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】
【００１４】
本発明の一態様は、振動体と被駆動体を備える振動型駆動装置であって、前記振動体は、主成分が電気的に絶縁性、誘電性または半導電性の材料からなり、前記被駆動体と接触する弾性体と、前記弾性体と接合される電気−機械エネルギ変換素子と、を有し、前記電気−機械エネルギ変換素子は、圧電体と、前記圧電体において前記弾性体と接合される面に設けられ開ループ構造を有する第１の電極と、前記圧電体を介して前記第１の電極と対向するように設けられた少なくとも２つの第２の電極と、前記圧電体を介して前記第１の電極と対向するように設けられた少なくとも１つの第４の電極と、前記第１の電極と前記少なくとも１つの第４の電極とを電気的に接続する少なくとも１つの第１の導通路と、を有し、前記第１の電極は第１の間隙部を備え、前記少なくとも２つの第２の電極の間に第２の間隙部が設けられ、前記振動体が前記被駆動体に対して押圧される方向から見たときに、前記第１の間隙部の幅は前記第２の間隙部の幅よりも狭いことを特徴とする振動型駆動装置、である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、変動磁場環境に適した振動型駆動装置を実現することができる。例えば、振動型駆動装置を備えるマニピュレータをＭＲＩ診断装置のガントリー近傍又は内部に設置しても、ＭＲＩ診断装置とその周辺機器へのノイズや振動の影響を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る振動型駆動装置の概略構成を示す断面図、部分拡大図、振動型駆動装置を構成する弾性体の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す振動型駆動装置が備える圧電素子の第１の構成例と第２の構成例を示す平面図である。
【図３】図１に示す振動型駆動装置が備える圧電素子の第３の構成例を示す平面図である。
【図４】図２及び図３に示す圧電素子に対して印加される交流電圧の一例と、電極間の電位差の一例を示す図である。
【図５】図１に示す振動型駆動装置が備える圧電素子の第１の電極構造を示す部分断面図である。
【図６】図１に示す振動型駆動装置が備える圧電素子の第２の電極構造を示す部分断面図である。
【図７】図１に示す振動型駆動装置が備える圧電素子の第３の電極構造を示す部分断面図である。
【図８】図１に示す振動型駆動装置が備える圧電素子の第４の電極構造を示す部分断面図である。
【図９】図１に示す振動型駆動装置が備える圧電素子の第５の電極構造及びその変形例に係る部分断面図である。
【図１０】図１に示す振動型駆動装置が備える圧電素子の第６の電極構造及びその変形例に係る部分断面図である。
【図１１】図１に示す振動型駆動装置を有するマニピュレータを備えるＭＲＩ診断装置の概略構成を示す斜視図と、マニピュレータの概略構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る振動型駆動装置１の概略構成を示す断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）中に破線で示す領域Ｃの拡大断面図である。図１（ｃ）は、振動型駆動装置１を構成する弾性体２の概略構成を示す斜視図である。振動型駆動装置１の構成について、便宜上、互いに直交するｘ方向、ｙ方向及びｚ方向を図１（ａ）に示す通りに定める。
【００１９】
振動型駆動装置１は、弾性体２、被駆動体３、防振ゴム４、回り止め部材５、ハウジング６、支持部材７、フランジ８、出力軸９、予圧部材１０、押圧部材１１、コイルバネ１２、転がり軸受１３Ｍ，１３Ｎ、締結部材１４、不織布１６及び圧電素子３０を備える。
【００２０】
２つの転がり軸受１３Ｍ，１３Ｎはそれぞれ、内輪１３ａと、外輪１３ｂと、内輪１３ａと外輪１３ｂに圧接して挟持されるボール１３ｃとを有しており、外輪１３ｂは筒状のハウジング６の内周側に嵌合されており、内輪１３ａは出力軸９に嵌合されている。出力軸９の軸受１３Ｎ側の側面には雄ネジ部が設けられ、この雄ネジ部が環状の予圧部材１０の内孔に設けられた雌ネジ部と螺合することにより螺合部Ｓ２が形成されている。予圧部材１０は、転がり軸受１３Ｍ，１３Ｎの内輪１３ａを互いにｚ方向に引き寄せるように予圧を与えている。こうして、２つの転がり軸受１３Ｍ，１３Ｎのボール１３ｃの転がりによって、ハウジング６と出力軸９とは、一点鎖線で示す回転中心として、ガタなく滑らかに、相対的に移動させることができる。本実施形態では、支持部材７（又はハウジング６）は不図示の支持部材に固定され、出力軸９がハウジング６に対して回転移動するものとする。
【００２１】
出力軸９の一端には、ネジやボルト等の締結部材１４によってフランジ８が取り付けられている。フランジ８には環状の防振ゴム４が貼り付けられており、防振ゴム４は、出力軸９に嵌合された円板環状の被駆動体３と摩擦接触している。防振ゴム４の摩擦係数は大きいため、被駆動体３とフランジ８とは、防振ゴム４を介して滑ることなく一体的に回転することができ、一方で、防振ゴム４によって被駆動体３からフランジ８への不要な振動の伝達を抑制することができる。
【００２２】
ハウジング６を囲むように、環状の弾性体２と環状の圧電素子３０とからなる振動体が配置されている。ハウジング６の外周に回り止め部材５が固定されており、回り止め部材５の側面においてラジアル方向に突出した爪部５ａが弾性体２に設けられた溝２ａに挿入されることによって、弾性体２の周方向での回転が規制されている。
【００２３】
弾性体２の裏面２ｂには電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子３０が接着剤によって接合されており、弾性体２と圧電素子３０により振動体が形成されている。圧電素子３０には、圧電素子３０に電圧を供給するフレキシブル基板１５が接着剤によって貼り付けられている。
【００２４】
振動体を被駆動体３に対してｚ方向に押圧し、弾性体２と被駆動体３とを加圧接触させるための環状の押圧部材１１は、ハウジング６の側面に配置された環状の支持部材７に支持されている。支持部材７の内周側面には雌ネジ部が設けられ、この雌ネジ部がハウジング６の外周側面に設けられた雄ネジ部と螺合して螺合部Ｓ１が形成されることにより、支持部材７はｚ方向で位置決めされ、ハウジング６に固定される。
【００２５】
押圧部材１１には、ｚ方向に延出する複数の棒状の突起部１１ｂが周方向に等間隔に設けられている。また、支持部材７には、突起部１１ｂが挿入される孔部７ｂが設けられている。突起部１１ｂと孔部７ｂは、押圧部材１１をｚ方向にガイドするガイドの役割を担う。複数の突起部１１ｂにはそれぞれコイルバネ１２が挿入されており、支持部材７のｚ方向位置を調節することによっコイルバネ１２の圧縮長を調整することができ、これにより被駆動体３に対する弾性体２の押圧力を調節することができる。押圧部材１１とフレキシブル基板１５との間には、緩衝材としての不織布１６が配置されている。
【００２６】
なお、被駆動体３に対して弾性体２を押し付ける手段として、ここではコイルバネ１２を用いているが、これに限定されず、バネ性を有する種々の部品、例えば、皿バネ、ウェーブワッシャ、バネ座金、板バネ等を用いることもできる。
【００２７】
次に、振動型駆動装置１の各構成部品に適用される材料について説明する。弾性体２の主成分となる材料としては、金属のような良導体ではなく、電気的に絶縁性、誘電性又は半導電性である材料、具体的には、高靭性セラミックス、エンジニアリングプラスチック、半導体等が挙げられる。本実施形態において、部材Ａの主成分とは、その部材Ａを構成している物質のうち、半分以上を占める材料を指し、単物質でなくてもよい。したがって、弾性体２の主成分が電気的に絶縁性、誘電性又は半導電性の材料である、とは、弾性体２を構成する材料のうち半分以上が、電気的に絶縁性、誘電性又は半導電性の材料のいずれか１つ又は複数であればよいことを意味する。また、電気的に絶縁性、誘電性又は半導電性の材料からなる、とは、不純物として他の物質を含有する場合を含む。
【００２８】
高靭性セラミックスの一例として、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）がある。エンジニアリングプラスチックの一例として、３０重量％程度の炭素繊維を含有するポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ−ＣＦ３０）等の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）がある。半導体の一例として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）が挙げられる。
【００２９】
さらに、弾性体２が、電気的に絶縁性、誘電性、または半導電性の材料からなる場合、弾性体２を用いたＦＰＣの電極との導通がより困難となるため、本願発明の効果はより顕著となる。ここで、電気的に絶縁性、誘電性、または半導電性の材料からなる、とは、不純物として他の物質を含有する場合を含む。
【００３０】
被駆動体３は、弾性体２との摩擦摺動において安定した摺動特性と耐摩耗特性を有することが望ましい。被駆動体３には、例えば、アルミナ（酸化アルミニウム）や窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等のエンジニアリングセラミックス、上述したＰＥＥＫ−ＣＦ３０等のエンジニアリングプラスチックや部分安定化ジルコニア等が用いられる。なお、弾性体２と被駆動体３との間の摩擦状態を良好とするために、別途、不図示の摩擦部材を弾性体２と被駆動体３の少なくとも一方の摺動面上に設けてもよい。
【００３１】
防振ゴム４には、例えば、ブチルゴムが用いられる。不織布１６は、羊毛等のフェルトやグラスウール等からなるものを用いることができる。フレキシブル基板１５は、ポリイミド（ＰＩ）フィルムベースに、銅箔によって電気回路を形成したものであり、電気回路の露出部位は、酸化抑制のためにメッキ処理（例えば、金メッキ）されていることが望ましい。コイルバネ１２は、一般的なバネ鋼材からなるものを用いることができるが、部分安定化ジルコニアや窒化ケイ素等のエンジニアリングセラミックスからなるものを用いることもできる。なお、その他の構成要素には、金属や樹脂、セラミックス等から選択された材料が、適宜、用いられるが、金属の適用にあたっては、導電性の閉ループを形成しないよう設計するのが望ましい。
【００３２】
次に、圧電素子３０の構成例について説明する。圧電素子３０は、圧電体の対向する一対の面（例えば、表裏面）に電極が形成された構造を有し、ここでは、圧電体は圧電セラミックスであるとして説明する。但し、圧電体は、圧電セラミックスに限定されるものではない。
【００３３】
図２（ａ），（ｂ）は、圧電素子３０の第１の構成例を示す平面図であり、図２（ｃ），（ｄ）は、圧電素子３０の第２の構成例を示す平面図である。図３（ａ），（ｂ）は、圧電素子３０の第３の構成例を示す平面図である。ここでは、圧電素子３０として、弾性体２の周方向に７波長（７λ）分の正弦波状の波を形成する面外変形モードの振動を励振させる構成を取り上げる。図４（ａ）〜（ｃ）は、図２及び図３に示す圧電素子に対して印加される交流電圧の例を示す図であり、図４（ｄ）は、圧電素子の電極間に生じる電位差の例を示す図である。
【００３４】
最初に、図２（ａ），（ｂ）に示す第１の構成例に係る圧電素子３０Ａの構成について説明する。圧電素子３０Ａは、平板環状の圧電セラミックスの表面と裏面のそれぞれに電極が形成された構造を有する。圧電セラミックスには、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等が用いられる。圧電素子３０Ａにおいて、圧電セラミックスの裏面には、間隙部３９を挟んで電極３１（第１の電極），３１Ａ（第３の電極）が形成され、圧電セラミックスの表面には、間隙部５５を挟んで電極３２，３３，３４，３５，３６，３７（第２の電極）が形成されている。これらの電極３１，３１Ａ，３２，３３，３４，３５，３６，３７は、金属薄膜であって、圧電セラミックスに、銀（Ａｇ）やニッケル（Ｎｉ）等の金属を蒸着や印刷する等の周知の技術を用いて形成することができる。
【００３５】
ここでは、電極３１として、間隙部３９（電極３１の一端と別の一端との間の隙間となる領域）により開ループ構造を有するものを示している。また、図２（ｃ）を参照して後述するように、１つの間隙部３９を設けることにより電極３１，３１Ａを導通させて、Ｃ型の開ループ構造が形成されるようにしてもよい。本実施形態において、部材Ａが開ループ構造を有するとは、部材Ａが環構造を有さないことを意味する。また、この場合の環構造とは、円環状に限定されず、形状内で始点から一方向に移動した結果、再び始点を通過するような構造であれば、どのような形状でもあってもよい。
【００３６】
電極３２，３３，３４，３５，３６，３７は、隙間である間隙部５５を挟んで、独立して形成されている。電極３２，３３は、間隙部５５を含めて半波長（λ／２）に相当する弧長を有し、電極３４，３５，３６，３７は、間隙部５５を含めて４分の１波長（λ／４）に相当する弧長を有する。圧電素子３０Ａの圧電セラミックスにおいて電極３２，３４，３６に対応する領域は、ｚ方向の正方向（電極３２，３４，３６から電極３１へ向かう方向）に分極されている。また、圧電素子３０Ａの圧電セラミックスにおいて電極３３，３５，３７に対応する領域は、ｚ方向の負方向（電極３１から電極３３，３５，３７へ向かう方向）に分極されている。
【００３７】
圧電素子３０Ａには、圧電セラミックスの表裏面に形成された電極を電気的に接続するために、圧電セラミックスを貫通するように３カ所に貫通孔３８が設けられている。貫通孔３８は、圧電素子３０Ａにおいて相対的に歪みが小さい内径側に設けることが好ましく、例えば、圧電素子３０Ａの内外径の中心円Ｄの内側に設けられる。但し、中心円Ｄの外部に設けることも可能である。
【００３８】
貫通孔３８は、可能な限り小さく形成されることが好ましく、具体的には、機械加工によって貫通孔３８を設ける場合には、圧電セラミックスの厚さが０．５［ｍｍ］程度であれば、直径を１［ｍｍ］以下（例えば、直径が０．５［ｍｍ］）とすることが望ましい。
【００３９】
３つの貫通孔３８のうちの１つは、電極３７と電極３１Ａに対して設けられており、残りの２つはそれぞれ、電極３４，３６と電極３１に対して設けられている。電極３１と電極３４，３６とは、共通電極１０９及び非駆動電極１１０に置き換えて図５を参照して後述する通り、貫通孔３８に充填された導電体１１２を利用して電気的に接続される。同様に、電極３７と電極３１Ａもまた、貫通孔３８に充填された導電体１１２を利用して電気的に接続される。なお、貫通孔３８を、円筒状の穴として圧電セラミックスの外形に対して精度良く形成することにより、貫通孔３８を圧電セラミックスの表裏に設ける電極、間隙部５５及び間隙部３９の相対的な位置決め手段として用いることができる。
【００４０】
例えば、電極３１と接続された電極３４，３６のいずれか１つと、電極３１Ａと接続された電極３７をＤＣ基準電位又はＧＮＤ電位とする。そして、図４（ａ）に示すＡ相交流電圧１７を電極３２に印加し、Ａ相交流電圧１７に対して位相がπ／２［ｒａｄ］だけ遅れたＢ相交流電圧１８を電極３３に印加する。これにより、弾性体２に進行波が形成され、弾性体２の先端部（被駆動体３との接触面）に楕円運動が生じることにより、被駆動体３を摩擦駆動して回転させることができる。また、Ａ相交流電圧１７を電極３３に印加し、Ｂ相交流電圧１８を電極３２に印加することにより、被駆動体３の回転方向を反転させることができる。
【００４１】
電極３５は、振動検出用の電極として用いられる。振動体の歪みの大きさに比例して発生する電極３１と電極３５との電位差を、電極３１と接続された電極３４，３６のいずれかとの電位差として取得することにより、振動体の振動状態を検出することができる。
【００４２】
続いて、図２（ｃ），（ｄ）に示す第２の構成例に係る圧電素子３０Ｂの構成について説明する。第２の構成例に係る圧電素子３０Ｂは、上述した第１の構成例に係る圧電素子３０Ａとは、電極パターンのみが異なるため、この相違点についてのみ説明し、共通する説明を省略する。
【００４３】
圧電素子３０Ｂにおいて、圧電セラミックスの裏面には、１つの間隙部３９が設けられることによって、Ｃ型の開ループ構造を有する電極３１（第１の電極）が形成されている。また、圧電セラミックスの表面には、間隙部５５を挟んで、電極４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８（第２の電極）が形成されている。電極４１〜４８は、間隙部５５を含めて、４分の１波長（λ／４）に相当する弧長を有する。圧電素子３０Ｂの圧電セラミックスにおいて電極４１〜４８に対応する領域は、ｚ方向の正方向に分極されているが、ｚ方向の負方向に分極されていてもよい。
【００４４】
圧電素子３０Ｂの内外径の中心円Ｄの内側において、電極４５，４８には貫通孔３８が設けられている。電極３１と電極４５，４８とは、共通電極１０９及び非駆動電極１１０に置き換えて後述する通り、貫通孔３８に充填された導電体１１２を利用して電気的に接続される。圧電素子３０Ｂでは、電極３１を共通電極とし、図４（ｂ）に示されるＡ（＋）相交流電圧１９を電極４１に印加し、Ａ（＋）相交流電圧１９に対して位相がπ／２［ｒａｄ］だけ遅れたＢ（＋）相交流電圧２０を電極４２に印加する。また、Ｂ（＋）相交流電圧２０に対して位相がπ／２［ｒａｄ］だけ遅れたＡ（−）相交流電圧２１を電極４３に、Ａ（−）相交流電圧２１に対して位相がπ／２［ｒａｄ］だけ遅れたＢ（−）相交流電圧２２を電極４４に印加する。これにより、弾性体２に進行波が形成され、弾性体２の先端部（被駆動体３との接触面）に楕円運動が生じることにより、被駆動体３を摩擦駆動して回転させることができる。なお、Ａ（＋）相交流電圧１９とＡ（−）相交流電圧２１とを印加する電極を入れ替えることにより、被駆動体３の回転方向を反転させることができる。
【００４５】
電極４６，４７は、振動検出用電極として用いられる。振動体の歪みの大きさに比例して発生する電極３１と電極４６，４７との電位差を電極３１と接続された電極４５，４８のいずれかの電極との電位差として取得することにより、振動体の振動状態を検出することができる。電極４６，４７は、互いに空間的に４分の１波長（λ／４）分だけシフトしているため、電極３１をＤＣ基準電位又はＧＮＤ電位に接続することで２つの電極４６，４７間の電位を取得することができ、こうして、振動体のより詳細な振動情報を得ることができる。
【００４６】
なお、圧電素子３０Ｂでは、電極４１〜４８の全てについての領域で圧電セラミックスを同一方向に分極する構成について説明した。しかし、これに限られず、圧電セラミックスにおいて電極４１，４２，４５，４６に対応する領域と電極４３，４４，４７，４８に対応する領域とで、分極方向を逆にしてもよい。この場合、電極４１，４３には図４（ａ）に示すＡ相交流電圧１７を、電極４２，４４には図４（ａ）に示すＢ相交流電圧１８をそれぞれ印加することで、同様の進行波を形成することができる。また、圧電素子３０Ｂでは、共通電極である電極３１と接続された電極４５，４８のいずれかを不図示の電圧発生手段のＧＮＤ電位に接続することが好ましい。これにより、電極３１の電位を安定させ、振動検出用の電極４６，４７からの信号の精度を高めることができる。また、弾性体２が僅かに導電性を有する材料からなる場合でも、弾性体２とこれに接触する部位にＧＮＤ電位に対する電位差の発生を抑制することができる。
【００４７】
続いて、図３（ａ），（ｂ）に示す第３の構成例に係る圧電素子３０Ｃの構成について説明する。圧電素子３０Ｃは、扇形状を有する圧電セラミックスの裏面に共通電極としての電極３１（第１の電極）が形成され、圧電セラミックスの表面に間隙部５５を挟んで、電極４１，４２，４３，４４，４９，５０，５１（第２の電極）が形成された構造を有する。電極４１〜４４，５０は、間隙部５５を含めて、４分の１波長（λ／４）に相当する弧長を有する。電極４９，５１は、間隙部５５を含めて、８分の１波長（λ／８）に相当する弧長を有する。
【００４８】
圧電素子３０Ｃの圧電セラミックスにおいて電極４１〜４４，４９〜５１に対応する領域は、ｚ方向の正方向に分極されているが、ｚ方向の負方向に分極されていてもよい。圧電素子３０Ｃの内外径の中心円Ｄの内側において、電極４９，５１には貫通孔３８が設けられている。電極３１と電極４９，５１とは、貫通孔３８を利用して互いに電気的に接続され、ＧＮＤ電位に接続される。圧電素子３０Ｃへの交流電圧の印加方法は、圧電素子３０Ｂの場合と同じであるので、ここでの説明を省略する。
【００４９】
電極５０は、振動検出用電極である。振動体の歪みの大きさに比例する電位を取得することで、振動体の振動状態を検出することができる。圧電素子３０Ｃは、圧電素子３０Ｂと比較して、駆動に用いる電極４１〜４４の面積が６分の１となっている。そのため、Ａ（＋）相交流電圧１９、Ｂ（＋）相交流電圧２０、Ａ（−）相交流電圧２１及びＢ（−）相交流電圧２２の電位振幅を、適宜、大きく設定することが好ましい。また、複数の圧電素子３０Ｃを弾性体２に接着することによって振動体を構成してもよい。更に、圧電セラミックスにおいて電極４１，４２に対応する領域と電極４３，４４に対応する領域とで、分極方向を逆にしてもよい。その場合には、電極４１，４３にＡ相交流電圧１７を印加し、電極４２，４４にＢ相交流電圧１８を印加することにより、同様の進行波を形成することができる。
【００５０】
ところで、上記説明では、圧電素子３０Ａについて、図４（ａ）に示されるＡ相交流電圧１７を電極３２に、Ｂ相交流電圧１８を電極３３にそれぞれ印加し、電極３１，３１Ａ，３４，３６，３７をＧＮＤ電位（又は、ＤＣ基準電位）に接続するとした。しかし、これに限定されるものではなく、電極３１，３１Ａ，３４，３６，３７に駆動電圧として交流電圧を印加してもよい。
【００５１】
また、圧電素子３０Ａは、図４（ｃ）に示すＡ相交流電圧２３、Ａ相交流電圧に対し位相がπ［ｒａｄ］だけ遅れたＢ相交流電圧２４、Ａ相交流電圧に対し位相がπ／２［ｒａｄ］だけ進んだＣ相交流電圧２５によって駆動することもできる。この場合、電極３２にＡ相交流電圧２３を、電極３３にＢ相交流電圧２４を、電極３４，３６，３７にＣ相交流電圧２５をそれぞれ印加してもよい。この場合、電極３４，３６，３７と導通している電極３１，３１Ａは、電極３２，３３間の共通電極であると同時に、Ｃ相交流電圧２５を印加するための駆動電極となる。この方法では、電極３１，３２間の電位差は図４（ｄ）に示すＡ−Ｃ相交流電圧２６で示され、電極３１，３３間に与えられる電位差は、図４（ｄ）に示すＢ−Ｃ相交流電圧２７で示される。こうして、Ａ−Ｃ相交流電圧２６とＢ−Ｃ相交流電圧２７との位相差をπ／２［ｒａｄ］とすることで、弾性体に進行波を形成することができる。
【００５２】
Ａ相交流電圧２３，Ｂ相交流電圧２４，Ｃ相交流電圧２５の中心電位と振幅が等しいときには、図４（ｄ）に示すように、Ａ相交流電圧２３の振幅に対してＡ−Ｃ相交流電圧２６とＢ−Ｃ相交流電圧２７の振幅は、理論上、Ａ相交流電圧２３の２１／２倍となる。これにより、入力電圧に制限がある場合であっても、入力電圧を大きくすることなく、圧電素子３０Ａに生じる電位差を大きくして、振動振幅を大きくすることが可能となる。なお、Ａ−Ｃ相交流電圧２６とＢ−Ｃ相交流電圧２７の位相差が９０度となる正弦波の設定方法はこれに限定されず、Ａ相交流電圧２３、Ｂ相交流電圧２４及びＣ相交流電圧２５に複数の周波数成分を重畳させた任意波形を設定する方法を用いることもできる。
【００５３】
また、圧電素子３０Ｂ，３０Ｃにおいて、電極３１は電極４５，４８を介してＧＮＤ電位に接続されるとしたが、これに限定されず、電極３１は電極４５，４８を介して時間変動のないＤＣ基準電位に接続してもよい。更に、電極３１にその他の任意の波形形状を有する交流電位に接続することも可能であり、その際、電極３１は電極４１，４３間及び電極４２，４４間の共通電極として機能する。
【００５４】
貫通孔３８の形状は、開口面形状が円形である必要はなく、電極３１とそれに対向する電極に通じる導通路が形成されていればよい。例えば、圧電素子３０Ａ〜３０Ｃのそれぞれの内周面や外周面に、Ｕ字状、Ｖ字状或いは矩形状に切り欠いた溝部を設け、この溝部に導電体を固着させることによって導電路を形成することもできる。
【００５５】
次に、圧電素子３０Ａ〜３０Ｃにおける電極構造について、図５乃至図１０を参照して説明する。なお、図５乃至図１０の説明では、圧電素子３０Ａ〜３０Ｃを総称して、圧電素子３０として説明する。そのため、圧電素子３０Ａ〜３０Ｃにおいて、圧電セラミックスの裏面に設けられた電極（図２（ａ），（ｃ）及び図３（ａ）に示す電極）については、以下に説明する通りに「共通電極」と言い換えることとする。また、圧電セラミックスの表面に設けられた電極（図２（ｂ），（ｄ）及び図３（ｂ）に示す電極）については、以下に説明する通りに、「非駆動電極」及び「駆動電極」と言い換えることとする。
【００５６】
図５（ａ）は、圧電素子３０の第１の電極構造を示す部分断面図である。圧電素子３０は、圧電セラミックス等の圧電体３０ｐの表裏面にそれぞれ電極が形成された構造を有する。圧電素子３０において、不図示の弾性体２と接合される面（裏面）には、共通電極１０９が設けられており、不図示のフレキシブル基板１５が接合される面（表面）には、非駆動電極１１０及び駆動電極１１１が設けられている。
【００５７】
共通電極１０９は、圧電素子３０Ａ〜３０Ｃが備える電極３１に相当する。非駆動電極１１０は、圧電素子３０Ａ〜３０Ｃが備える電極３４，３６，３７，４５，４８，４９，５１に相当し、ＧＮＤ電位への接続に用いられる。駆動電極１１１は、圧電素子３０Ａ〜３０Ｃが備える電極３２，３３，３５，４１，４２，４３，４４，４６，４７，５０に相当し、励振用又は振動検出用の電極として用いられる。共通電極１０９、非駆動電極１１０及び駆動電極１１１と圧電素子３０Ａ〜３０Ｃが備える各電極との間のこのような関係は、図６乃至図１０を参照して説明する電極構造でも同様である。
【００５８】
共通電極１０９は、周方向に均一に形成された金属膜であるが、円周方向の一部は間隙部１４１によって切り欠かれている。間隙部１４１は、図２（ｃ）に示す電極３１を周方向に分断する間隙部３９に対応する絶縁部である。間隙部１４１は、共通電極１０９を形成する際に予め所定の領域をマスクしておくことにより形成してもよいし、共通電極１０９をループ状に形成した後にその一部を研磨等の機械加工によって除去することによって形成してもよい。
【００５９】
間隙部１４１の一方の端Ｈは、ある駆動電極１１１の端Ｊよりもｘ方向の正方向に位置し、間隙部１４１の他方の端Ｉは、端Ｊとｘ方向で対向する駆動電極１１１の端Ｋよりもｘ方向の負方向に位置することが望ましい。つまり、間隙部１４１の幅寸法Ｗｃと間隙部５５の幅寸法Ｗｅとに“Ｗｃ≦Ｗｅ”の関係が成立し、且つ、ｚ方向で見たときに間隙部１４１全体が間隙部５５に収まることが望ましい。
【００６０】
間隙部１４１は、圧電素子３０において電界形成に寄与しない部位である。よって、間隙部１４１をｚ方向において間隙部５５と対向する位置に設けると共に、間隙部１４１の幅寸法Ｗｃを間隙部５５の幅寸法Ｗｅよりも狭くすることにより、間隙部１４１による電界分布の変化を低減し、励振性能の低下を最小限に抑えることができる。
【００６１】
貫通孔３８は、共通電極１０９と非駆動電極１１０とを結ぶように１カ所に設けられており、非駆動電極１１０間に２つの駆動電極１１１が設けられている。貫通孔３８の内部は、銀（Ａｇ）を含有するペースト材等の導電体１１２によって充填されており、導電体１１２によって共通電極１０９と非駆動電極１１０とは電気的に接続されている。圧電素子３０を弾性体２に接合する際に圧電素子３０に亀裂等が入らないように、導電体１１２は、共通電極１０９よりもｚ方向の正方向に盛り上がらないように充填されていることが望ましい。
【００６２】
フレキシブル基板１５によって非駆動電極１１０をＧＮＤ電位に接続することにより、貫通孔３８に充填された導電体１１２を介して共通電極１０９はＧＮＤ電位に接続される。したがって、弾性体２が、例えば、絶縁体や半導体、絶縁体又は半導体に導電性材料を含有させた複合材料のいずれかで形成されているために電気抵抗が大きく導電体として機能しない場合でも、共通電極１０９をＧＮＤ電位に容易に接続することができる。
【００６３】
なお、共通電極１０９と非駆動電極１１０とを導電体１１２により電気的に接続した後に、露出した導電体１１２の剥がれ落ち等を防止するために、共通電極１０９側を速やかに弾性体２との接合を行うか又はポリイミドシート等によって被覆することが望ましい。また、非駆動電極１１０側には、速やかにフレキシブル基板１５を接合することが望ましい。このことは、図６乃至図１０を参照して説明する電極構造でも同様である。
【００６４】
図５（ａ）の電極構造では、共通電極１０９に対して間隙部１４１を設けることにより、圧電素子３０がループ状に形成されている場合において、共通電極１０９を開ループ構造とすることができる。これにより、共通電極１０９に円電流が流れて磁場が発生することを防止することができ、よって、変動磁場環境内に配置された場合でも、変動磁場環境に影響を与えることを回避することができる。即ち、変動磁場環境で使用されたときの信頼性を向上させることができる。この効果は、同様の間隙部を有する後述の図６乃至図１０を参照して説明する電極構造であっても、同様に得ることができる。
【００６５】
間隙部１４１と貫通孔３８とを併用することにより、貫通孔３８を基準として間隙部１４１と間隙部５５との相対的な位置合わせを行うことができ、例えば、高精度の円形状の貫通孔３８を形成することにより、より精密な位置決めを行うことができる。即ち、図２（ａ）の構成のように、貫通孔３８を設けた後に、貫通孔３８を基準として共通電極１０９を形成し、これと同様に、貫通孔３８を基準として間隙部５５が配置されるように非駆動電極１１０と駆動電極１１１を形成する。
【００６６】
間隙部１４１の位置と幅は、図５に示した形態に限定されない。即ち、ｚ方向で見たときに間隙部１４１と間隙部５５とが一部で重なる形態又は全く重ならない形態や、間隙部１４１の幅寸法Ｗｃと間隙部５５の幅寸法Ｗｅとの関係が“Ｗｃ＞Ｗｅ”となっていても、貫通孔３８の機能には影響が及ばない。
【００６７】
貫通孔３８を共通電極１０９と非駆動電極１１０とを電気的に接続する導通路として用いるための構成は、貫通孔３８の内部全体に導電体１１２が充填された構成に限定されない。図５（ｂ），（ｃ）は、図５（ａ）中の領域Ｆの拡大図に相当し、貫通孔３８を導通路として用いることができる別の構成を示している。
【００６８】
図５（ｂ）には、貫通孔３８の内壁にのみ導電体１１２を形成して、共通電極１０９と非駆動電極１１０とを電気的に接続する構成が示されている。このとき、管状の形状を有する導電体１１２の内部は、空洞であってもよいし、誘電性（絶縁性）材料の一例である接着剤等の樹脂が充填されていてもよい。
【００６９】
図５（ｃ）には、貫通孔３８の内部に棒材又は線材からなる固体導体１１４が挿入されており、固体導体１１４を用いて共通電極１０９と非駆動電極１１０とを電気的に接続する構成が示されている。この場合、固体導体１１４と貫通孔３８の内壁との間に接着剤等の樹脂又は銀ペースト等を、導電体であるか非導電体であるかを問わずに充填することによって、固体導体１１４を固定することが望ましい。例えば、圧電体３０ｐに貫通孔３８を形成した後に共通電極１０９を形成し、続いて、共通電極１０９が形成面の反対側の面から固体導体１１４を貫通孔３８に挿入して固定する。その後、非駆動電極１１０を形成することによって、図５（ｃ）の構造を実現することができる。
【００７０】
図６は、圧電素子３０の第２の電極構造を示す部分断面図である。図６の電極構造は、図５（ａ）の電極構造とは、共通電極１０９に対して２つの貫通孔３８が設けられ、且つ、それぞれの貫通孔３８に導電体１１２が充填されることによって、共通電極１０９と２つの非駆動電極１１０とが電気的に接続されている点で異なる。図６の電極構造は、その他の点では図５（ａ）の電極構造と同じであるため、以下、この相違点についてのみ説明する。
【００７１】
２つの非駆動電極１１０のそれぞれに貫通孔３８が設けられ、それぞれの貫通孔３８の内部に導電体１１２が充填されている。こうして、貫通孔３８に充填された導電体１１２を介して、共通電極１０９と２つの非駆動電極１１０とが電気的に接続される。これにより、圧電素子３０が弾性体２へ接着されて共通電極１０９が被覆された後でも、２つの非駆動電極１１０にテスタのプローブを直接当てることで、共通電極１０９と非駆動電極１１０との間の導通検査と電気抵抗の確認を容易に行うことができる。また、共通電極１０９と非駆動電極１１０との間の導通検査後に２つの導電体１１２の一方で導通不良が発生しても、他方の導電体１１２によって共通電極１０９を非駆動電極１１０を介してＧＮＤ電位に接続することができる。これにより、圧電素子３０（振動体）の信頼性を向上させることができる。この効果は、後述する図９及び図１０に示す電極構造でも、同様に得ることができる。更に、被駆動体３を駆動するために振動体に振動を励振する際には、閉ループを大きな円電流が流れることはなく、よって圧電素子３０が変動磁場環境内に配置されていても、変動磁場環境に与える影響及びノイズ等を軽減することができる。
【００７２】
なお、導電体１１２が充填されて、共通電極１０９と非駆動電極１１０とを電気的に接続する貫通孔３８は、２カ所以上設けられていればよく、２カ所に限定されない。また、図６には、貫通孔３８が設けられた２つの非駆動電極１１０の間に２つの駆動電極１１１が設けられた形態が示されているが、駆動電極１１１の数に制限はなく、更に、貫通孔３８が設けられた非駆動電極１１０は間隙部５５を介して隣接していてもよい。図６に示す圧電素子３０の第２の電極構造は、図５（ａ）を参照して説明した第１の電極構造と同じ効果を奏することは明らかである。
【００７３】
図７は、圧電素子３０の第３の電極構造を示す部分断面図である。図７の電極構造は、図５（ａ）の電極構造における共通電極１０９に対して設けられた間隙部１４１が、２つの間隙部１７２，１７３の間に電極１７１が設けられた構成に変更されている点で図５（ａ）の電極構造と異なっているが、その他の構成は同じである。よって、以下、この相違点についてのみ説明する。
【００７４】
共通電極１０９は、間隙部１７２，１７３及び電極１７１を除いて、円環状の圧電体３０ｐの全周に亘って形成されている。間隙部１７２，１７３は、上述した間隙部１４１と同様の方法で形成することができ、電極１７１は共通電極１０９と同時に形成することができる。電極１７１は、換言すれば、共通電極１０９を間隙部１７２，１７３により分断した後の電極の１つである。
【００７５】
間隙部１７２の共通電極１０９側の端Ｈは、ある駆動電極１１１の端Ｊよりもｘ方向の正方向に存在し、間隙部１７３の共通電極１０９側の端Ｉは、端Ｊと対向する駆動電極１１１の端Ｋよりもｘ方向の負方向に位置することが望ましい。つまり、間隙部１７２，１７３と電極１７１を含めた領域の幅寸法Ｗｃと間隙部５５の幅寸法Ｗｅとに“Ｗｃ≦Ｗｅ”の関係が成立し、且つ、ｚ方向で見たときに間隙部１７２，１７３と電極１７１を含めた領域が間隙部５５に収まっていることが望ましい。
【００７６】
図７に示す電極構造が、図５（ａ）の電極構造と同じ効果を奏することは明らかである。加えて、２つの間隙部１７２，１７３を設けることにより、共通電極１０９が開ループを形成しているかを判別するための検査を容易に行うことができる。つまり、２つの間隙部１７２，１７３と電極１７１の領域の幅寸法Ｗｃは間隙部５５の幅寸法Ｗｅよりも短いことが望ましいため、幅寸法Ｗｅが短くなるにしたがって間隙部１７２，１７３の幅は狭くなる。このとき、２つの間隙部１７２，１７３を形成する際の形成精度によっては、共通電極１０９が電極１７１を介して接続することにより閉ループを形成してしまうおそれがある。これに対して、共通電極１０９と電極１７１にテスタのプローブを直接当てることで、共通電極１０９が開ループを形成しているかを否か（導電ループが確実に電気的に切断されているか否か）を容易に検査することができる。
【００７７】
間隙部１７２，１７３間にある電極１７１の電位は不定となるため、突発的な放電を避ける等の安全面から、電極１７１の全面を弾性体２によって被覆するか、貫通孔３８を用いない方法でＧＮＤ電位に接続することが望ましい。電極１７１を貫通孔３８を用いずにＧＮＤ電位に接地する方法としては、例えば、電極１７１と弾性体２との間に薄膜状の金属を挟み、この薄膜状の金属をＧＮＤ電位に接続する方法がある。また、電極１７１と電気的に接続可能な導通路を弾性体２に局所的に設ける方法を用いることもできる。
【００７８】
共通電極１０９が開ループを形成していることが確認された後には、確実に共通電極１０９と電極１７１とを絶縁している間隙部１７２，１７３の一方を残して、他方にペースト状の導電材料等を塗布することにより、間隙部を１つだけとしてもよい。これによって、電極１７１が電位不定となる状況をなくすことができる。この方法は、後述する図９（ａ），（ｂ）に示す構成についても、同様に適用することができる。
【００７９】
図８は、圧電素子３０の第４の電極構造を示す部分断面図である。図８の電極構造が図５（ａ）の電極構造と異なる第１の点は、図５に示す電極構造において共通電極１０９に対して設けられた間隙部１４１が、図８では絶縁部である２つの間隙部１８２，１８３の間に電極１８１が設けられた構成に変更されている点である。また、図８の電極構造が図５（ａ）の電極構造と異なる第２の点は、間隙部１８２，１８３の間に設けられた電極１８１が、貫通孔３８に充填された導電体１１２によって非駆動電極１１０と電気的に接続されている点である。図８の電極構造は、その他の点では図５（ａ）の電極構造と同じであるため、以下、この相違点についてのみ説明する。
【００８０】
共通電極１０９は、間隙部１８２，１８３及び電極１８１を除いて、円環状の圧電体３０ｐの全周に亘って形成されている。間隙部１８２，１８３は、図５を参照して説明した間隙部１４１と同様に形成することができ、電極１８１は、共通電極１０９と同時に形成することができる。一方の間隙部１８２の端Ｈは、ｚ方向で対向する駆動電極１１１の端Ｊよりもｘ方向の正方向にあることが望ましく、他方の間隙部１８３の共通電極１０９側の端Ｉは、端Ｊと対向する駆動電極１１１の端Ｋよりもｘ方向の負方向に存在することが望ましい。そして、間隙部１８２，１８３及び電極１８１は、励振のための電界形成に寄与しない非駆動電極１１０及び間隙部５５が形成されている領域とｚ方向において対向する領域に設けられることが望ましい。
【００８１】
２つの間隙部１８２，１８３の間に電極１８１を設ける構成は、図７を参照して説明した２つの間隙部１７２，１７３の間に電極１７１を設ける構成と同様の機能を有している。よって、図８に示す第４の電極構造もまた、図７に示す第３の電極構造と同じ効果を奏する。また、図８の電極１８１は非駆動電極１１０と電気的に接続されてＧＮＤ電位に維持されるため、不定電位の電極を排除することができる。電位不定電極では、圧電素子３０の内部応力の変化に伴って電位が変動することによる逆圧電効果によって、見掛け上の剛性が変化する。部分的な剛性の変化は、振動体に生じる進行波を形成する２つの振動モードの共振周波数を異ならしめるため、振動型駆動装置の性能低下に繋がるため、電極１８１をＧＮＤ電位に維持することで、この問題を回避することができる。この効果は、電極１７１よりも幅の広い電極１８１についてより顕著に得ることができる。
【００８２】
図９（ａ）は、圧電素子３０の第５の電極構造を示す部分断面図である。図９（ａ）の電極構造は、図６の電極構造と図７の電極構造を組み合わせた構造を有する。即ち、図９（ａ）の電極構造は、図５（ａ）の電極構造とは、共通電極１０９に対して設けられた間隙部１４１が２つの間隙部１７２，１７３の間に電極１７１が設けられた構成に変更されている点で異なっている。また、図９（ａ）の電極構造は、図５（ａ）の電極構造とは、導電体１１２が充填された２つの貫通孔３８が共通電極１０９に対して設けられ、共通電極１０９と２つの非駆動電極１１０とが導電体１１２によって電気的に接続されている点で異なっている。
【００８３】
これらの相違点については既に説明済みであるため、ここでの説明を省略する。また、図９（ａ）の電極構造によって、図６の電極構造が奏する効果と図７の電極構造が奏する効果の両方の効果が得られることは明らかである。
【００８４】
図９（ａ）の電極構造は、図９（ｂ）に示す電極構造に変形することができる。即ち、間隙部１７２，１７３及び電極１７１の領域を非駆動電極１１０とｚ方向において対向する位置に設け、且つ、この非駆動電極１１０を貫通孔３８に充填された導電体１１２によって共通電極１０９と電気的に接続した構成としてもよい。
【００８５】
この場合、非駆動電極１１０の幅寸法Ｗｇと間隙部５５の幅寸法Ｗｅとの和（＝Ｗｅ＋Ｗｇ）で示される領域とｚ方向で対向する範囲内に間隙部１７２，１７３及び電極１７１を形成すればよい。つまり、間隙部１７２，１７３及び電極１７１を含む領域を、励振用又は振動検出用に用いる駆動電極１１１に対向する位置を避けるように配置する。これにより、間隙部１７２，１７３を形成する際の寸法精度における誤差許容値を拡大させることができ、また、間隙部１７２，１７３及び電極１７１を含む領域が、駆動のための電界形成に寄与しないことによる励振性能の低下を最小限に抑えることができる。
【００８６】
図１０（ａ）は、圧電素子３０の第６の電極構造を示す部分断面図である。図１０（ａ）の電極構造は、図６の電極構造と図８の電極構造を組み合わせた構造を有しており、以下の３つの点で、図５（ａ）の電極構造と異なる。１点目は、共通電極１０９に対して導電体１１２が充填された３つの貫通孔３８が設けられ、共通電極１０９と３つの非駆動電極１１０とが導電体１１２を介して電気的に接続されている点である。２点目は、共通電極１０９に設けられた間隙部１４１が、２つの間隙部１８２，１８３の間に電極１８１が設けられた構造に変更されている点である。３点目は、電極１８１は、貫通孔３８に充填された導電体１１２よって非駆動電極１１０と電気的に接続されている点である。
【００８７】
これらの相違点については既に説明済みであるため、ここでの説明を省略する。また、図１０（ａ）の電極構造によって、図６の電極構造が奏する効果と図８の電極構造が奏する効果の両方の効果が得られることは明らかである。更に、導電体１１２が充填された３つの貫通孔３８による導通路を備えることにより、導通路の導通検査と、共通電極１０９のループが切断されていることの検査の両方が可能となる。
【００８８】
図１０（ａ）の電極構造は、図１０（ｂ）に示す電極構造に変形することができる。具体的には、１つの非駆動電極１１０を、電気的に独立した幅の狭い２つの非駆動電極１８０へ変更する。更に、２つの非駆動電極１８０のうち、一方を貫通孔３８に充填された導電体１１２を介して共通電極１０９と電気的に接続すると共に、他方を貫通孔３８に充填された導電体１１２を介して電極１８１と電気的に接続する。その際、間隙部１８２の幅と間隙部１８３の幅とを変えて、図１０（ｂ）では、間隙部１８２の端Ｈが駆動電極１１１の端Ｊよりもｘ方向の正方向に位置するようにしている。
【００８９】
図１０（ｂ）の電極構造では、図１０（ａ）の電極構造と同じ効果が得られるだけでなく、図１０（ａ）の電極構造と比べて、電界形成に寄与しない領域を減らすことができる。したがって、励振用又は振動検出用の電極に割り当てる領域の面積を拡大させて、駆動性能や制御性能を高めることが可能になる。
【００９０】
次に、上述した振動型駆動装置１を備える医用システムについて説明する。ここでは、振動型駆動装置１を備える医療用のマニピュレータを、磁場空間を用いて診断や測定、医療処置等を行うＭＲＩ診断装置に適用した医用システムを取り上げることとする。
【００９１】
図１１（ａ）は、マニピュレータ８０を備えるＭＲＩ診断装置７０の概略構成を示す斜視図である。図１１（ｂ）は、マニピュレータ８０の概略構成を示す斜視図である。ＭＲＩ診断装置７０として、ここでは、磁場発生手段である２つの超伝導磁石をダブルドーナッツ型に組み合わせた開放型のＭＲＩ診断装置を示している。ＭＲＩ診断装置７０は、円筒形磁石７１ａ，７１ｂ、患者を横たわらせるための処置台７２、マニピュレータ８０を設置するためのマニピュレータ設置台７４を有する。ＭＲＩ診断装置７０では、円筒形磁石７１ａ、７１ｂの間に多関節ロボットの一例であるマニピュレータ８０を設置しており、被検者の画像情報を取得しながらマニピュレータ８０による医療処置を可能としている。
【００９２】
マニピュレータ８０は、それぞれが回転１自由度を持つ第１関節部９１、第２関節部９２、第３関節部９３及び第４関節部９４を介して、第１アーム８３、第２アーム８４、第３アーム８５及び第４アーム８６が接続された４軸垂直多関節アーム構造を有する。第１関節部９１は、基台８２に取り付けられている。
【００９３】
第１関節部９１には振動型駆動装置８１ａが、第２関節部９２には振動型駆動装置８１ｂ，８１ｃが、第３関節部９３には振動型駆動装置８１ｄ，８１ｅが、第４関節部９４には振動型駆動装置８１ｆ，８１ｇがそれぞれ組み込まれている。これらの振動型駆動装置８１ａ〜８１ｇとして図１を参照して説明した振動型駆動装置１が用いられており、且つ、振動型駆動装置８１ａ〜８１ｇには、図５乃至図１０を参照して説明した圧電素子３０が用いられている。振動型駆動装置８１ａ〜８１ｇの駆動によって、各関節部は回転運動を行うことができる。
【００９４】
第４アーム８６の先端には、穿刺や焼灼、把持等の任意の医療処置を行うエンドエフェクタ８７が装着されている。エンドエフェクタ８７は、例えば、メス、鉗子、ニードル、プローブ、診断用の器具等が挙げられ、特に限定されるものではなく、医療処置には、手術等の治療だけでなく、診断等も含まれる。
【００９５】
振動型駆動装置８１ａ〜８１ｇはそれぞれ、図１を参照して説明した支持部材７及びフランジ８を備える。振動型駆動装置８１ａの支持部材７は基台８２に固定され、振動型駆動装置８１ａのフランジ８は第１アーム８３に固定されることで、振動型駆動装置８１ａは第１関節部９１回りの回転トルクを第１アーム８３に付与する。振動型駆動装置８１ｂ，８１ｃの支持部材７は共に第１アーム８３に固定され、振動型駆動装置８１ｂ，８１ｃのフランジ８は共に第２アーム８４に固定されることで、振動型駆動装置８１ｂ，８１ｃは第２関節部９２回り回転トルクを第２アーム８４に付与する。振動型駆動装置８１ｄ，８１ｅの支持部材７は共に第２アーム８４に固定され、振動型駆動装置８１ｄ，８１ｅのフランジ８は共に第３アーム８５に固定されることで、振動型駆動装置８１ｄ，８１ｅは第３関節部９３回り回転トルクを第３アーム８５に付与する。振動型駆動装置８１ｆ，８１ｇの支持部材７は共に第３アーム８５に固定され、振動型駆動装置８１ｆ，８１ｇのフランジ８は共に第４アーム８６に固定されることで、振動型駆動装置８１ｆ，８１ｇは第４関節部９４回り回転トルクを第４アーム８６に付与する。
【００９６】
このように、各関節部に振動型駆動装置を配置することにより、歯車やベルト等の動力伝達機構を省略することが可能となることにより、マニピュレータ８０の応答性を高めることができる。また、関節部に複数の振動型駆動装置を配置することにより、大きな回転トルクと保持トルクを得ることができる。なお、１つの振動型駆動装置で十分な回転トルクと保持トルクが得られる場合には、複数の振動型駆動装置で関節部を構成する必要はない。
【００９７】
マニピュレータ８０を構成する振動型駆動装置８１ａ〜８１ｇには、圧電素子３０への電圧印加を行うためのフレキシブル基板１５における配線材料と圧電素子３０の電極材料を除く全ての構成部材において、非磁性材料を用いることが望ましい。そのため、基台８２、第１アーム８３、第２アーム８４、第３アーム８５及び第４アーム８６は、非磁性材料で構成されている。
【００９８】
また、振動型駆動装置８１ａ〜８１ｇの構成部材には、閉ループが存在しないように構成されていることが好ましい。例えば、環状の被駆動体３に金属材料を用いると、必然的に閉ループが構成されてしまうが、被駆動体３に樹脂やセラミックス等の誘電体を用いることで、閉ループが存在しない構成を実現することができる。また、図５乃至図１０を参照して説明したように、振動型駆動装置８１ａ〜８１ｇのそれぞれに用いられている圧電素子３０の電極構造は開ループ構造となっている。そのため、マニピュレータ８０をＭＲＩ診断装置７０の円筒形磁石７１ａ，７１ｂの近傍に設置しても、マニピュレータ８０によるＭＲＩ診断装置７０の磁場への影響を最小限に抑えることができる。これにより、ＭＲＩ診断装置７０で取得する画像のアーチファクトやノイズを低減させることができる。
【００９９】
マニピュレータ８０をＭＲＩ診断装置７０の内部に配置した場合には、ＭＲＩ診断装置７０の変動磁場が振動型駆動装置８１ａ〜８１ｇの面（図１のＸ−Ｙ面）内を貫く可能性がある。しかし、振動型駆動装置８１ａ〜８１ｇの円環状の圧電素子３０には導電性の閉ループが形成されていないため、誘導起電力発生に伴って形成される磁場がＭＲＩ診断装置７０の高精度に管理された磁場を乱すリスクを軽減することができる。また、閉ループを変動磁場が貫くと閉ループを貫く全磁束の時間変動に起因する電磁波が生じるが、開ループとすることでこのような電磁波の発生を抑制し、ＭＲＩ診断装置７０及びその他の周辺機器に対するノイズを軽減させることができる。更に、閉ループを変動磁場が貫くと閉ループを貫く全磁束の時間変動に起因するローレンツ力によってその周囲に機械振動が生じるが、開ループとすることでマニピュレータ８０における機械振動の発生を軽減させることができる。
【０１００】
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。更に、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。
【０１０１】
例えば、上記の実施形態では、圧電素子３０について、貫通孔３８により裏面側の共通電極１０９を表面側の電極と導通させる場合に、共通電極１０９をＧＮＤ電位に配線する形態について説明した。しかし、これに限られず、共通電極１０９をＤＣ基準電位に配線してもよいし、図４（ｃ）に示したＣ相交流電圧２５やその他の任意の波形を有する駆動電圧に配線してもよい。また、圧電素子３０では、非駆動電極１１０，１８０をＧＮＤ電位に接続し、駆動電極１１１の容量やアドミタンスをインピーダンスアナライザ等により計測することにより、共通電極１０９と非駆動電極１１０との間の導通を間接的に検査することができる。
【０１０２】
更に、上記実施形態では、ＭＲＩ診断装置７０として、ダブルドーナッツ型且つ開放型のものの内部にマニピュレータ８０を設置した例を取り上げたが、これに限らず、その他の構造のものであっても構わない。例えば、マニピュレータ８０の適用が可能なＭＲＩ診断装置としては、ハンバーガ型且つ開放型のものや、トンネル型のものであってもよい。そして、上記実施形態では、マニピュレータ８０として、４軸垂直多関節型構造を有するものを取り上げたが、これに限らず、水平多関節型や平行リンク機構型のものであってもよく、回転自由度や振動型駆動装置の設置場所、個数に制限はない。
【０１０３】
また、マニピュレータ８０では、回転駆動型の振動型駆動装置１を関節部に直接配置した構成としたが、振動型駆動装置としては、直動駆動型や面内駆動型、球状駆動型のものを用いてもよい。更に、動力伝達機構を用いて関節部へ駆動トルクを付与してもよい。更には、マニピュレータ８０の駆動源の全部又は一部を基台８２の内部に設け、動力伝達機構を介して各関節部にトルクを付与する構成としてもよい。これにより、マニピュレータ８０の可動部を軽量化し、応答性を高めることができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１    振動型駆動装置
２    弾性体
３    被駆動体
３０    圧電素子
３８    貫通孔
３９，５５，１４１    間隙部
７０    磁気共鳴イメージング診断装置（ＭＲＩ診断装置）
８０    マニピュレータ
１０９    共通電極
１１０    非駆動電極
１１１    駆動電極
１１２    導電体
【図１】
0006541449.tif 000002
【図２】
0006541449.tif 000003
【図３】
0006541449.tif 000004
【図４】
0006541449.tif 000005
【図５】
0006541449.tif 000006
【図６】
0006541449.tif 000007
【図７】
0006541449.tif 000008
【図８】
0006541449.tif 000009
【図９】
0006541449.tif 000010
【図１０】
0006541449.tif 000011
【図１１】
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