(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
４つ以上の圧電素子を有する圧電素子群と、
複数の前記圧電素子間で電荷を移送する配線と、
複数の前記圧電素子が前記配線を介して、電気的に接続している状態と、遮断している
状態と、を切替えるスイッチと、
前記スイッチを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、第１の圧電素子の電位が電源電圧と同位になり、第２の圧電素子の電位がＧＮＤと同位になり、さらにその他の圧電素子の電位が前記電源電圧と前記ＧＮＤとの間になるように、前記スイッチを制御することを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項２】
前記圧電素子群が４ｎ個の前記圧電素子を有し、ｎは自然数であることを特徴とする請求項１に記載の圧電駆動装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記スイッチの機能時間を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電駆動装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記第１の圧電素子の電位が前記電源電圧、前記第２の圧電素子の電位
が前記ＧＮＤである第１状態から、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが、前記第１の圧
電素子からの電荷を受けて、互いの電位が前記電源電圧と前記ＧＮＤとの間にある第２状
態になるように、前記スイッチを切り替えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記第１状態と前記第２状態の時間が揃うように、前記スイッチの機能
時間を制御することを特徴とする請求項４に記載の圧電駆動装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記圧電素子の共振周波数をｆとしたとき、前記第２状態の時間が１／
（４×ｎ×ｆ）となるように前記スイッチの機能時間を制御することを特徴とする請求項
４または５に記載の圧電駆動装置。
【請求項７】
前記圧電素子の振動を受けて変位する突起部を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項８】
回転軸を有し、前記第２の圧電素子が前記回転軸に対して前記第１の圧電素子とは反対
側に配置されている請求項１ないし７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置を備えていることを特徴とするモーター。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置を備えていることを特徴とするロボット。
【請求項１０】
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置を備えていることを特徴とする送液ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電駆動装置、モーター、ロボット、および送液ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体を振動させて被駆動体を移動させる圧電駆動装置（圧電アクチュエーター）は、磁石やコイルが不要のため、様々な分野で利用されている。この圧電駆動装置は、突起部が設けられている圧電駆動部内の圧電素子に交流電圧を印加すると、圧電素子が伸縮運動し、これに応じて圧電駆動部の突起部が往復運動又は楕円運動を行う。そして、この圧電駆動部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を所定の回転方向に回転させる。しかし、圧電素子を用いた圧電駆動装置の駆動力を大きくするためには、圧電素子に大きな電圧を印加させねばならず、消費電力が大きくなるという問題があった。
【０００３】
そこで、特許文献１では、複数の圧電素子を駆動する駆動回路において、複数の圧電素子をインダクタを介して接続する転送パスを制御し、第１の圧電素子のグループから第２の圧電素子のグループへ電荷を転送することで、複数の圧電素子間でエネルギーを再利用し、省電力化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２０４６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の圧電駆動装置では、共振型圧電アクチュエーターのような正弦波型駆動においてエネルギーの再利用を行うことが難しい。そのため、共振型圧電アクチュエーターの消費電力を低下することができないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る圧電駆動装置は、４つ以上の圧電素子を有する圧電素子群と、前記圧電素子群の一部であって複数の前記圧電素子間で電荷を移送するための配線と、複数の前記圧電素子が前記配線を介して、電気的に接続している状態と、遮断している状態と、を切替えるスイッチと、前記スイッチを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、第１の圧電素子の電位を電源電圧とし、第２の圧電素子の電位をＧＮＤとし、その他の圧電素子の電位を前記電源電圧と前記ＧＮＤとの間になるように、前記スイッチを制御することを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、圧電素子群における各圧電素子の電位を制御部よりスイッチを制御して順次切り替え、第１の圧電素子の電位を電源電圧とし、第２の圧電素子の電位をＧＮＤとした時に、その他の圧電素子同士を接続することで、その他の圧電素子の電位を電源電圧とＧＮＤとの間となるようにすることができる。そのため、電源から供給する電力が、従来のＧＮＤから電源電圧の電位への上昇ではなく、電源電圧とＧＮＤとの間の電位から電源電圧の電位までの上昇となるため、電源から供給する電力を低減することができる。従って、圧電素子を駆動するための消費電力を低減することができ、低消費電力の圧電駆動装置を得ることができる。
【０００９】
［適用例２］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記圧電素子群が４ｎ個の前記圧電素子を有し、ｎは整数であることが好ましい。
【００１０】
本適用例によれば、圧電素子が４個で各素子の静電容量をＣｐとした場合、第１の圧電素子の電位をＶｃｃとし、第２の圧電素子の電位をＧＮＤとした時に、第３の圧電素子と第４の圧電素子とを接続することで、第３の圧電素子と第４の圧電素子との電位をＶｃｃとＧＮＤとの間の電位であるＶｃｃ／２とすることができる。そのため、Ｖｃｃ／２の電位の圧電素子をＶｃｃの電位とするには、Ｃｐ×（Ｖｃｃ／２）の電荷を供給することで達成できる。従って、電源から圧電素子に供給する電荷を１／２とすることができる。また、圧電素子が８個の場合には、素子間の接続を順次変更することで、第１の圧電素子と第２の圧電素子を除く各圧電素子の電位をそれぞれＶｃｃ／４、Ｖｃｃ／２、３Ｖｃｃ／４とすることができる。そのため、３Ｖｃｃ／４の電位の圧電素子をＶｃｃの電位とするには、Ｃｐ×（Ｖｃｃ／４）の電荷を供給すれば良いので、電源から圧電素子に供給する電荷を１／４とすることができる。従って、圧電素子群が４×ｎ個の圧電素子を有している場合には、電源から圧電素子に供給する電荷を１／（ｎ×２）に低減することができる。更に、圧電素子群を４×ｎ個の圧電素子で構成することで、圧電素子群を正弦波状により近い状態で駆動することができる。
【００１１】
［適用例３］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記制御部は、前記スイッチの機能時間を制御することが好ましい。
【００１２】
本適用例によれば、スイッチの機能時間を制御することにより、圧電素子がＶｃｃ未満の電位である状態を連続的に維持させる時間を調整することができる。そのため、圧電素子を安定して駆動することができる。
【００１３】
［適用例４］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記制御部は、前記第１の圧電素子の電位が前記電源電圧、前記第２の圧電素子の電位が前記ＧＮＤである第１状態から、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが、前記第１の圧電素子からの電荷を受けて、互いの電位が前記電源電圧と前記ＧＮＤとの間にある第２状態になるように、前記スイッチを切り替えることが好ましい。
【００１４】
本適用例によれば、第１の圧電素子の電位が電源電圧で、第２の圧電素子の電位がＧＮＤである第１状態から、スイッチを切り替え第１の圧電素子と第２の圧電素子とを接続することにより、第１の圧電素子に充電されていた電荷が第２の圧電素子に転送される。そのため、第１の圧電素子と第２の圧電素子の電位は電源電圧とＧＮＤとの間の電位（Ｖｃｃ／２）である第２状態とすることができる。
【００１５】
［適用例５］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記制御部は、前記第１状態と前記第２状態の時間が揃うように、前記スイッチの機能時間を制御することが好ましい。
【００１６】
本適用例によれば、第１状態と第２状態の時間が揃うように、スイッチの機能時間を制御することにより、第２状態で、第１の圧電素子の電位と第２の圧電素子の電位をＶｃｃ／２とする時間を十分に取ることができ、駆動波形をなめらかにすることができる。
【００１７】
［適用例６］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記制御部は、前記圧電素子の共振周波数をｆとしたとき、前記第２状態の時間が１／（４×ｎ×ｆ）となるように前記スイッチの機能時間を制御することが好ましい。
【００１８】
本適用例によれば、第２状態の時間を１／（４×ｎ×ｆ）となるようにスイッチの機能時間を制御することにより、圧電素子の共振周波数ｆに同期して、圧電素子群を正弦波状に近づけて駆動することができる。
【００１９】
［適用例７］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記圧電素子の振動を受けて変位する突起部を有することが好ましい。
【００２０】
本適用例によれば、圧電素子の振動を受けて変位する突起部を有しているので、圧電素子の振動による伸縮運動に応じて、突起部を往復運動又は楕円運動させることができる。そのため、突起部を被駆動体と接触させることにより、被駆動体を移動させたり、回転させたりすることができる。
【００２１】
［適用例８］本適用例に係るモーターは、回転軸を有し、前記第２の圧電素子が前記回転軸に対して前記第１の圧電素子とは反対側に配置されている上記適用例に記載の圧電駆動装置を備えていることを特徴とする。
【００２２】
本適用例によれば、第２の圧電素子が回転軸に対して第１の圧電素子とは反対側に配置されていることにより、回転軸に垂直なローターに対して、第１の圧電素子に接続している突起部と第２の圧電素子に接続している突起部とが交互にローターに接触するため、ローターを回動動作させることができ、低消費電力で駆動するモーターを得ることができる。
【００２３】
［適用例９］本適用例に係るロボットは、上記適用例に記載の圧電駆動装置を備えていることを特徴とする。
【００２４】
本適用例によれば、駆動効率に優れ、低消費電力の圧電駆動装置を備えているため、高性能のロボットを得ることができる。
【００２５】
［適用例１０］本適用例に係る送液ポンプは、上記適用例に記載の圧電駆動装置を備えていることを特徴とする。
【００２６】
本適用例によれば、駆動効率に優れ、低消費電力の圧電駆動装置を備えているため、高性能の送液ポンプを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧電駆動装置の構成を示す概略図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る圧電駆動装置のタイミングｉ＝１の動作を説明する概略図。
【図３】本発明の第１実施形態に係る圧電駆動装置のタイミングｉ＝２の動作を説明する概略図。
【図４】本発明の第１実施形態に係る圧電駆動装置のタイミングｉ＝３の動作を説明する概略図。
【図５】本発明の第１実施形態に係る圧電駆動装置のタイミングｉ＝４の動作を説明する概略図。
【図６】本発明の第１実施形態に係る圧電駆動装置のタイミングと圧電素子の電位との関係を示す図。
【図７】本発明の第２実施形態に係る圧電駆動装置の構成を示す概略図。
【図８】本発明の第３実施形態に係るモーターの構造を示す概略斜視図。
【図９】本発明の第４実施形態に係るロボットの構造を示す概略斜視図。
【図１０】図９に示したロボットの手首部分の構造を示す概略断面図。
【図１１】本発明の第５実施形態に係る送液ポンプの構成を示す概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す各図においては、各構成要素を図面上で認識され得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際の構成要素とは適宜に異ならせて記載する場合がある。
【００２９】
＜第１実施形態＞
［圧電駆動装置］
先ず、本発明の実施形態に係る圧電駆動装置１００の一例として、４個の圧電素子を備えた圧電素子群１４を有する圧電駆動装置を挙げ、その概略構成について、図１を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電駆動装置の構成を示す概略図である。
【００３０】
本実施形態の圧電駆動装置１００は、図１に示すように、４個の圧電素子１０を有する圧電素子群１４と、圧電素子群１４の一部であって４個の圧電素子１０と電気的に接続する配線１２と、配線１２と電気的に接続されている４個のスイッチ２０と、４個のスイッチ２０を制御する制御部２２と、スイッチ２０を介して圧電素子１０に電力を供給する電源２４と、を備えている。
【００３１】
圧電素子１０は、圧電駆動部１６の内部に配置され、突起部１８と連結されている。圧電素子１０に電源２４からスイッチ２０を介して交流電圧が印加されると、圧電素子１０は振動し伸縮運動する。この伸縮運動に応じて、突起部１８を往復運動又は楕円運動させることにより、この突起部１８を被駆動体に接触させると、被駆動体との間に摩擦が生じ被駆動体を移動させたり、回転させたりすることができる。
【００３２】
スイッチ２０は、電源２４とＧＮＤに電気的に接続されており、制御部２２により機能時間、例えば、電源２４と圧電素子１０間、ＧＮＤと圧電素子１０間、および各圧電素子１０間、を接続している保持時間や切断する時間などが制御される。
【００３３】
制御部２２は、スイッチ２０の機能時間、例えば、電源２４と圧電素子１０間およびＧＮＤと圧電素子１０間を接続している保持時間や切断する時間などを制御し、圧電素子１０と電源２４とを接続して圧電素子１０に電荷を供給させたり、圧電素子１０とＧＮＤとを接続して圧電素子１０の電荷を放電させたりする。
なお、圧電素子の駆動を停止した時、全ての素子は互いに切り離された状態となるためＧＮＤに接続されている素子以外は、電荷を保持したままとなる。次回の駆動開始時は、停止時の各素子の接続状況を制御部２２が有するメモリー等にバックアップしておき、再駆動時はそれを参照して、接続状態を復元してスタートすることにより、駆動を素早く再開することが可能となる。
【００３４】
次に、本実施形態に係る圧電駆動装置１００の動作について、図２〜図６を参照して説明する。図２〜図５は、本発明の第１実施形態に係る圧電駆動装置の動作を説明する概略図であり、図２はタイミングｉ＝１の時、図３はタイミングｉ＝２の時、図４はタイミングｉ＝３の時、図５はタイミングｉ＝４の時、である。図６は、本発明の第１実施形態に係る圧電駆動装置のタイミングと圧電素子の電位との関係を示す図である。なお、全ての圧電素子の静電容量は等しく、タイミングｉ＝１〜４を１周期として繰り返し駆動を行い、各素子は定常状態になっているものとして説明する。
【００３５】
図２〜図５において、第１の圧電素子１０ａ、第２の圧電素子１０ｂ、第３の圧電素子１０ｃ、および第４の圧電素子１０ｄは、第１のスイッチ２０ａの端子１、第２のスイッチ２０ｂの端子２、第３のスイッチ２０ｃの端子３、および第４のスイッチ２０ｄの端子４と、それぞれ配線１２を介して電気的に接続されている。
【００３６】
第１のスイッチ２０ａの内部には、第１の圧電素子１０ａに接続している端子１と、第２の圧電素子１０ｂに端子２ｂを介して接続している端子２と、第３の圧電素子１０ｃに端子３ｃを介して接続している端子３と、第４の圧電素子１０ｄに端子４ｄを介して接続している端子４と、電源２４に接続している端子５と、ＧＮＤに接続している端子６と、を有している。また、第２のスイッチ２０ｂ、第３のスイッチ２０ｃ、および第４のスイッチ２０ｄについても、第１のスイッチ２０ａと同様に、内部に端子１、端子２、端子３、端子４、端子５、および端子６を有している。なお、各圧電素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄと接続している各端子１ａ、２ｂ、３ｃ、４ｄは、各スイッチ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄと接続している各端子１ａ、２ｂ、３ｃ、４ｄと配線１２を介して接続されているが、図示を省略している。
【００３７】
タイミングｉ＝１である第１状態では、図２に示すように、第１のスイッチ２０ａにおいて、第１の圧電素子１０ａに接続している端子１と電源２４に接続している端子５とが接続され、第１の圧電素子１０ａの電位は電源電圧Ｖｃｃとなる。第２のスイッチ２０ｂにおいて、第２の圧電素子１０ｂに接続している端子２とＧＮＤに接続している端子６とが接続され、第２の圧電素子１０ｂの電位はＧＮＤとなる。第３のスイッチ２０ｃにおいて、第３の圧電素子１０ｃに接続している端子３と第４の圧電素子１０ｄに接続している端子４とが接続され、第３の圧電素子１０ｃの電位はＶｃｃ／２となる。第４のスイッチ２０ｄにおいて、第４の圧電素子１０ｄに接続している端子４と第３の圧電素子１０ｃに接続している端子３とが接続され、第４の圧電素子１０ｄの電位はＶｃｃ／２となる。
【００３８】
タイミングｉ＝２である第２状態では、図３に示すように、第１のスイッチ２０ａにおいて、第１の圧電素子１０ａに接続している端子１と第２の圧電素子１０ｂに接続している端子２とが接続され、第１状態でＶｃｃの電位である第１の圧電素子１０ａから第１状態でＧＮＤの電位である第２の圧電素子１０ｂへＶｃｃ／２の電位に相当する電荷が転送される。そのため、第１の圧電素子１０ａの電位はＶｃｃとＧＮＤとの間であるＶｃｃ／２となる。
第２のスイッチ２０ｂにおいて、第２の圧電素子１０ｂに接続している端子２と第１の圧電素子１０ａに接続している端子１とが接続され、第１状態でＶｃｃの電位である第１の圧電素子１０ａのＶｃｃ／２の電位に相当する電荷が第１状態でＧＮＤの電位である第２の圧電素子１０ｂに転送され、第２の圧電素子１０ｂの電位はＶｃｃとＧＮＤとの間であるＶｃｃ／２となる。
【００３９】
第３のスイッチ２０ｃにおいて、第３の圧電素子１０ｃに接続している端子３と電源２４に接続している端子５とが接続され、第１状態でＶｃｃ／２の電位であった第３の圧電素子１０ｃの電位は、電源２４からＶｃｃ／２の電位に相当する電荷が給電されＶｃｃとなる。
第４のスイッチ２０ｄにおいて、第４の圧電素子１０ｄに接続している端子４とＧＮＤに接続している端子６とが接続され、第１状態でＶｃｃ／２の電位であった第４の圧電素子１０ｄの電位は、電荷がＧＮＤに放電されＧＮＤとなる。
【００４０】
タイミングｉ＝３である第３状態では、図４に示すように、第１のスイッチ２０ａにおいて、第１の圧電素子１０ａに接続している端子１とＧＮＤに接続している端子６とが接続され、第２状態でＶｃｃ／２の電位であった第１の圧電素子１０ａの電位は、電荷がＧＮＤに放電されＧＮＤとなる。
第２のスイッチ２０ｂにおいて、第２の圧電素子１０ｂに接続している端子２と電源２４に接続している端子５とが接続され、第２状態でＶｃｃ／２の電位であった第２の圧電素子１０ｂの電位は、電源２４からＶｃｃ／２の電位に相当する電荷が給電されＶｃｃとなる。
【００４１】
第３のスイッチ２０ｃにおいて、第３の圧電素子１０ｃに接続している端子３と第４の圧電素子１０ｄに接続している端子４とが接続され、第２状態でＶｃｃの電位であった第３の圧電素子１０ｃの電位は、Ｖｃｃ／２の電位に相当する電荷が第２状態でＧＮＤの電位である第４の圧電素子１０ｄに転送されるためＶｃｃ／２となる。
第４のスイッチ２０ｄにおいて、第４の圧電素子１０ｄに接続している端子４と第３の圧電素子１０ｃに接続している端子３とが接続され、第２状態でＧＮＤの電位であった第４の圧電素子１０ｄの電位は、第２状態でＶｃｃの電位の第３の圧電素子１０ｃからＶｃｃ／２の電位に相当する電荷が転送されるためＶｃｃ／２となる。
【００４２】
タイミングｉ＝４である第４状態では、図５に示すように、第１のスイッチ２０ａにおいて、第１の圧電素子１０ａに接続している端子１と第２の圧電素子１０ｂに接続している端子２とが接続され、第３状態でＧＮＤの電位であった第１の圧電素子１０ａの電位は、第３状態でＶｃｃの電位の第２の圧電素子１０ｂからＶｃｃ／２の電位に相当する電荷が転送されるためＶｃｃ／２となる。
第２のスイッチ２０ｂにおいて、第２の圧電素子１０ｂに接続している端子２と第１の圧電素子１０ａに接続している端子１とが接続され、第３状態でＶｃｃの電位であった第２の圧電素子１０ｂの電位は、Ｖｃｃ／２の電位に相当する電荷が第３状態でＧＮＤの電位である第１の圧電素子１０ａに転送されるためＶｃｃ／２となる。
第３のスイッチ２０ｃにおいて、第３の圧電素子１０ｃに接続している端子３とＧＮＤに接続している端子６とが接続され、第３状態でＶｃｃ／２の電位であった第３の圧電素子１０ｃの電位は、電荷がＧＮＤに放電されＧＮＤとなる。
第４のスイッチ２０ｄにおいて、第４の圧電素子１０ｄに接続している端子４と電源２４に接続している端子５とが接続され、第３状態でＶｃｃ／２の電位であった第４の圧電素子１０ｄの電位は、電源２４からＶｃｃ／２に相当する電荷が給電されＶｃｃとなる。
【００４３】
以上で述べたように、タイミングｉ＝１〜４を順に繰り返して行い、各圧電素子１０の電位がＶｃｃ、Ｖｃｃ／２、ＧＮＤとなるように、制御部２２によって各スイッチ２０が制御されている。
【００４４】
ここで、各タイミングｉにおける第１の圧電素子１０ａの電位に着目すると、タイミングｉ＝１である第１状態では、電源２４に接続されているため第１の圧電素子１０ａの電位はＶｃｃである。タイミングｉ＝２である第２状態では、第２の圧電素子１０ｂと接続されて、第１の圧電素子１０ａの電位はＶｃｃ／２となっている。これは、タイミングｉ＝１である第１状態で第２の圧電素子１０ｂはＧＮＤに接続され電位がＧＮＤ、つまり、電位が０の状態である。そのため、Ｖｃｃの電位を有する第１の圧電素子１０ａと０の電位である第２の圧電素子１０ｂとが接続されることにより、第１の圧電素子１０ａの電荷の半分が第２の圧電素子１０ｂに転送され、第１の圧電素子１０ａの電位と第２の圧電素子１０ｂの電位は共にＶｃｃ／２となるためである。
【００４５】
次に、タイミングｉ＝３である第３状態では、ＧＮＤに接続されるため、Ｖｃｃ／２の電位を有する第１の圧電素子１０ａの電荷が放電され、電位が０であるＧＮＤの電位となる。タイミングｉ＝４である第４状態では、第２の圧電素子１０ｂと接続されて、第１の圧電素子１０ａの電位はＶｃｃ／２となる。これは、タイミングｉ＝３である第３状態で第２の圧電素子１０ｂが電源２４に接続されＶｃｃの電位である。そのため、ＧＮＤの電位を有する第１の圧電素子１０ａとＶｃｃの電位である第２の圧電素子１０ｂとが接続されることにより、Ｖｃｃの電位である第２の圧電素子１０ｂの電荷の半分がＧＮＤの電位である第１の圧電素子１０ａに転送され、第１の圧電素子１０ａの電位と第２の圧電素子１０ｂの電位は共にＶｃｃ／２となるためである。
【００４６】
その後、再びタイミングｉ＝１である第１状態に戻ると、第１の圧電素子１０ａは電源２４に接続されＶｃｃの電位となる。このとき、タイミングｉ＝４である第４状態で第１の圧電素子１０ａの電位はＶｃｃ／２であったため、第１の圧電素子１０ａをＶｃｃの電位とするためには、電源２４からＶｃｃ／２の電位に相当する電荷を給電することで達成することができる。これは、他の圧電素子１０ｂ、１０ｃ、１０ｄについても同様となるので、電源２４の供給すべき電荷量を１／２に半減することができる。従って、圧電素子１０を駆動する消費電力を低減することができ、低消費電力の圧電駆動装置１００を得ることができる。
【００４７】
次に、制御部２２による圧電素子１０の電位を変えるタイミングｉについて、図６を参照して説明する。
図６は、本発明の第１実施形態に係る圧電駆動装置のタイミングと圧電素子の電位との関係を示す図である。横軸は、制御部２２によりスイッチ２０を切り替えるタイミングｉを示し、縦軸は、各圧電素子１０の電位の状態を示している。
【００４８】
上述したように、タイミングｉ＝１〜４が１周期であり、制御部２２は、タイミングｉ＝１である第１状態の時間と、タイミングｉ＝２である第２状態の時間と、タイミングｉ＝３である第３状態の時間と、タイミングｉ＝４である第４状態の時間と、が全て揃うようにスイッチ２０を制御している。
【００４９】
また、タイミングｉ＝１である第１状態から、タイミングｉ＝２である第２状態へ切り替える時間は、圧電素子１０の共振周波数ｆとすると、１／（４×ｆ）となるように、制御部２２でスイッチ２０を制御している。そのため、切り替わり時間が１／（４×ｆ）の間隔でタイミングｉ＝１〜４の各状態が切り替わっている。
タイミングｉに沿って、図６に示すように、各圧電素子１０の電位が変化する。第１の圧電素子１０ａの電位は、Ｖｃｃ、Ｖｃｃ／２、ＧＮＤ、Ｖｃｃ／２の順に電位が変化している。また、第３の圧電素子１０ｃの電位は、Ｖｃｃ／２、Ｖｃｃ、Ｖｃｃ／２、ＧＮＤの順に、第２の圧電素子１０ｂの電位は、ＧＮＤ、Ｖｃｃ／２、Ｖｃｃ、Ｖｃｃ／２の順に、第４の圧電素子１０ｄの電位は、Ｖｃｃ／２、ＧＮＤ、Ｖｃｃ／２、Ｖｃｃの順に、それぞれ位相が異なって電位が変化している。そのため、４個の圧電素子１０で構成される圧電素子群１４を正弦波状に近づけて駆動させることができる。なお、ｎを整数とし、圧電素子群１４が４のｎ倍個の圧電素子１０で構成されていることにより、１周期における切り替えの時間と電位変化のステップがより小さくなるため、正弦波状により近い状態で圧電素子群１４を駆動させることができ、被駆動体をよりスムースに移動させたり、回転させたりすることができる。
【００５０】
以上で述べたように、本実施形態の圧電駆動装置１００は、圧電素子群１４における各圧電素子１０の電位を制御部２２より各スイッチ２０を制御して順次切り替え、第１の圧電素子１０ａの電位を電源電圧Ｖｃｃとし、第２の圧電素子１０ｂの電位をＧＮＤとした時に、その他の圧電素子である第３の圧電素子１０ｃと第４の圧電素子１０ｄとを接続することで、第３の圧電素子１０ｃと第４の圧電素子１０ｄとの電位をＶｃｃとＧＮＤとの間であるＶｃｃ／２となるようにすることができる。そのため、電源２４から供給する電力が、従来のＧＮＤからＶｃｃの電位への上昇ではなく、ＶｃｃとＧＮＤとの間であるＶｃｃ／２の電位からＶｃｃの電位への上昇となるため、電源２４の電源電圧Ｖｃｃは１／２へと低減することができる。従って、圧電素子１０を駆動する消費電力を低減することができ、低消費電力の圧電駆動装置１００を得ることができる。
【００５１】
また、圧電素子１０が４×ｎ個の圧電素子群１４とすることで、電源２４から各圧電素子１０に供給する電源電圧Ｖｃｃを１／（ｎ×２）に低減することができ、大幅に消費電力を低減し圧電駆動装置１００を得ることができる。また、圧電素子群１４をより正弦波状に近づけて駆動することができるので、被駆動体をよりスムースに移動させたり、回転させたりすることができる。
【００５２】
また、スイッチ２０の機能時間を制御することにより、圧電素子１０がＶｃｃ未満の電位である状態を連続的に維持させる時間を調整することができる。そのため、圧電素子１０を安定して駆動することができる。
【００５３】
また、第１の圧電素子１０ａの電位がＶｃｃで、第２の圧電素子１０ｂの電位がＧＮＤである第１状態から、スイッチ２０を切り替え第１の圧電素子１０ａと第２の圧電素子１０ｂとを接続することにより、第１の圧電素子１０ａに充電されていた電荷が第２の圧電素子１０ｂに転送される。そのため、第１の圧電素子１０ａと第２の圧電素子１０ｂの電位はＶｃｃとＧＮＤとの間の電位であるＶｃｃ／２となる第２状態とすることができる。
【００５４】
また、第１状態と第２状態の時間が揃うように、スイッチ２０の機能時間を制御することにより、第２状態で、第１の圧電素子１０ａの電位と第２の圧電素子１０ｂの電位とをＶｃｃ／２とする時間を十分に取ることができ、駆動波形をなめらかにする事ができる。
【００５５】
また、第２状態の時間を１／（４×ｆ）となるようにスイッチ２０の機能時間を制御することにより、圧電素子１０の共振周波数ｆに同期して、圧電素子群１４を正弦波状に近づくように駆動することができる。なお、圧電素子群１４が４のｎ倍個の圧電素子１０で構成されている場合には、第２状態の時間を１／（４×ｎ×ｆ）となるようにスイッチ２０の機能時間を制御することにより、より正弦波状により近い状態で圧電素子群１４を駆動することができる。
【００５６】
また、圧電素子１０の振動を受けて変位する突起部１８を有しているので、圧電素子１０の振動による伸縮運動に応じて、突起部１８を往復運動又は楕円運動させることができる。そのため、突起部１８を被駆動体と接触させることにより、被駆動体を移動させたり、回転させたりすることができる。
【００５７】
＜第２実施形態＞
［圧電駆動装置］
次に、本発明の第２実施形態に係る圧電駆動装置２００について、図７を参照して説明する。
図７は、本発明の第２実施形態に係る圧電駆動装置の構成を示す概略図である。
以下、第２実施形態に係る圧電駆動装置２００について、前述した第１実施形態の圧電駆動装置１００との相違点を中心に説明する。また、同様の構成には、同一符号を付してあり、同様の事項については、その説明を省略する。
【００５８】
第２実施形態に係る圧電駆動装置２００は、図７に示すように、圧電素子１０の個数が増え、４個の圧電素子１０により構成される圧電素子群１４を有する第１実施形態の圧電駆動装置１００の２倍の８個の圧電素子１０により構成される圧電素子群１４ａを有している。
【００５９】
制御部２２は、８個の圧電素子１０と、電源２４、ＧＮＤ、および各圧電素子１０との接続をスイッチ２０を介して制御している。また、スイッチ２０の切り替えのタイミングは、ｎ値が２であるため、圧電素子１０の共振周波数をｆとすると、１／（４×ｎ×ｆ）から１／（８×ｆ）であり、１周期で８回切り替わる。
【００６０】
先ず、タイミングｉ＝１である第１状態では、第１のスイッチ２０ａにおいて、第１の圧電素子１０ａに電源２４が接続され、第１の圧電素子１０ａの電位は電源電圧Ｖｃｃとなる。第２のスイッチ２０ｂにおいて、第２の圧電素子１０ｂと第８の圧電素子１０ｈが接続され、第２の圧電素子１０ｂの電位は３Ｖｃｃ／４となる。第３のスイッチ２０ｃにおいて、第３の圧電素子１０ｃに第７の圧電素子１０ｇが接続され、第３の圧電素子１０ｃの電位はＶｃｃ／２となる。第４のスイッチ２０ｄにおいて、第４の圧電素子１０ｄに第６の圧電素子１０ｆが接続され、第４の圧電素子１０ｄの電位はＶｃｃ／４となる。
【００６１】
第５のスイッチ２０ｅにおいて、第５の圧電素子１０ｅにＧＮＤが接続され、第５の圧電素子１０ｅの電位はＧＮＤとなる。第６のスイッチ２０ｆにおいて、第６の圧電素子１０ｆに第４の圧電素子１０ｄが接続され、第６の圧電素子１０ｆの電位はＶｃｃ／４となる。第７のスイッチ２０ｇにおいて、第７の圧電素子１０ｇに第３の圧電素子１０ｃが接続され、第７の圧電素子１０ｇの電位はＶｃｃ／２となる。第８のスイッチ２０ｈにおいて、第８の圧電素子１０ｈに第２の圧電素子１０ｂが接続され、第８の圧電素子１０ｈの電位は３Ｖｃｃ／４となる。
【００６２】
次に、タイミングｉ＝２である第２状態では、第１のスイッチ２０ａにおいて、第１の圧電素子１０ａに第３の圧電素子１０ｃが接続され、第１状態でＶｃｃの電位である第１の圧電素子１０ａから第１状態でＶｃｃ／２の電位である第３の圧電素子１０ｃへＶｃｃ／４の電荷が転送される。そのため、第１の圧電素子１０ａの電位は３Ｖｃｃ／４となる。
第２のスイッチ２０ｂにおいて、第２の圧電素子１０ｂに電源２４が接続され、第１状態で３Ｖｃｃ／４の電位である第２の圧電素子１０ｂに電源２４からＶｃｃ／４の電位に相当する電荷が給電され、第２の圧電素子１０ｂの電位はＶｃｃとなる。
【００６３】
第３のスイッチ２０ｃにおいて、第３の圧電素子１０ｃに第１の圧電素子１０ａが接続され、第１状態でＶｃｃ／２の電位である第３の圧電素子１０ｃに第１の圧電素子１０ａからＶｃｃ／４の電位に相当する電荷が給電され、第３の圧電素子１０ｃの電位は３Ｖｃｃ／４となる。
第４のスイッチ２０ｄにおいて、第４の圧電素子１０ｄに第８の圧電素子１０ｈが接続され、第１状態でＶｃｃ／４の電位である第４の圧電素子１０ｄに第１状態で３Ｖｃｃ／４の電位である第８の圧電素子１０ｈからＶｃｃ／４の電位に相当する電荷が転送され、第４の圧電素子１０ｄの電位はＶｃｃ／２となる。
【００６４】
第５のスイッチ２０ｅにおいて、第５の圧電素子１０ｅに第７の圧電素子１０ｇが接続され、第１状態でＧＮＤの電位である第５の圧電素子１０ｅに第１状態でＶｃｃ／２の電位である第７の圧電素子１０ｇからＶｃｃ／４の電位に相当する電荷が転送され、第５の圧電素子１０ｅの電位はＶｃｃ／４となる。
第６のスイッチ２０ｆにおいて、第６の圧電素子１０ｆにＧＮＤが接続され、第１状態でＶｃｃ／４の電位である第６の圧電素子１０ｆからＶｃｃ／４の電位に相当する電荷がＧＮＤに放電され、第６の圧電素子１０ｆの電位はＧＮＤとなる。
【００６５】
第７のスイッチ２０ｇにおいて、第７の圧電素子１０ｇに第５の圧電素子１０ｅが接続され、第１状態でＶｃｃ／２の電位である第７の圧電素子１０ｇのＶｃｃ／４の電位に相当する電荷が第５の圧電素子１０ｅに転送され、第７の圧電素子１０ｇの電位はＶｃｃ／４となる。
第８のスイッチ２０ｈにおいて、第８の圧電素子１０ｈに第４の圧電素子１０ｄが接続され、第１状態で３Ｖｃｃ／４の電位である第８の圧電素子１０ｈから第１状態でＶｃｃ／４の電位である第４の圧電素子１０ｄへＶｃｃ／４の電位に相当する電荷が転送され、第８の圧電素子１０ｈの電位はＶｃｃ／２となる。
【００６６】
その後、第１の圧電素子１０ａに着目すると、タイミングｉ＝３の第３状態では、第５の圧電素子１０ｅと接続され、電位が低下しＶｃｃ／２の電位となる。タイミングｉ＝４の第４状態では、第７の圧電素子１０ｇと接続され、電位が低下しＶｃｃ／４の電位となる。タイミングｉ＝５の第５状態では、ＧＮＤと接続され、電位が更に低下しＧＮＤの電位となる。タイミングｉ＝６の第６状態では、第３の圧電素子１０ｃと接続され、電位が上昇しＶｃｃ／４の電位となる。タイミングｉ＝７の第７状態では、第５の圧電素子１０ｅと接続され、電位が上昇しＶｃｃ／２の電位となる。タイミングｉ＝８の第８状態では、第７の圧電素子１０ｇと接続され、電位が更に上昇し３Ｖｃｃ／４の電位となる。
【００６７】
以上述べたように、圧電素子１０が８個の場合には、電源２４との接続、ＧＮＤとの接続、および各圧電素子１０間の接続、をタイミング時間１／（４×ｆ）で順次切り替えることで、各圧電素子１０の電位をＧＮＤ、Ｖｃｃ／４、Ｖｃｃ／２、３Ｖｃｃ／４、Ｖｃｃとすることができる。ここで、各素子の電位をＶｃｃへと上昇させるためには、電源２４と接続し電荷を給電することで、また、電位をＧＮＤにするためには、ＧＮＤと接続し電荷を放電することで可能となる。また、中間電位であるＶｃｃ／４、Ｖｃｃ／２、３Ｖｃｃ／４は、各圧電素子１０を相互に接続して電荷を転送することで可能となる。定常状態では、電源２４に接続される直前の各圧電素子１０の電位は３Ｖｃｃ／４であるため、各圧電素子１０にはＶｃｃ／４の電位に相当する電荷を電源２４から供給することとなり、電源２４の供給電荷量を１／４とする、より低消費電力の圧電駆動装置２００を得ることができる。
【００６８】
従って、圧電素子群１４が４×ｎ個の圧電素子１０を有し、ｎが整数の場合には、電源２４から各圧電素子１０に供給する電荷量を１／（ｎ×２）に低減することができる。そのため、更に消費電力の小さい圧電駆動装置を得ることができる。
【００６９】
＜第３実施形態＞
［モーター］
次に、本実施形態に係る圧電駆動装置１００を搭載したモーター２０００について、図８を参照して説明する。
図８は、本発明の第３実施形態に係るモーターの構造を示す概略斜視図である。
モーター２０００は、リンク部２００２と、回転駆動するローター２００４と、圧電駆動装置１００と、を含み構成されている。リンク部２００２に設けられ、回転軸Ｘ１周りに回動するローター２００４は、円環形状を有している。圧電駆動装置１００の４個の圧電駆動部１６は、回転軸Ｘ１に垂直なローター２００４の円環面上の点対称な位置で、それぞれ、圧電駆動部１６の突起部１８が当接されるように配置されている。
【００７０】
点対称な位置で配置されている４個の圧電駆動部１６において、第２の圧電素子１０ｂが回転軸Ｘ１に対して第１の圧電素子１０ａとは反対側に配置されている。そのため、回転軸Ｘ１に垂直なローター２００４に対して、第１の圧電素子１０ａに接続している突起部１８と第２の圧電素子１０ｂに接続している突起部１８とが交互にローター２００４に接触し、ローター２００４を回転軸Ｘ１周りに安定して回動動作させることができる。
従って、駆動効率に優れ、低消費電力の圧電駆動装置１００を備えているため、低消費電力で駆動するモーター２０００を得ることができる。
【００７１】
＜第４実施形態＞
［ロボット］
上述した圧電駆動装置１００は、圧電素子１０の振動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１００は、上述したモーター２０００以外に、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。）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。
【００７２】
本発明の実施形態に係る圧電駆動装置１００を利用したロボット２１００を一例として挙げ、図９および図１０を参照して説明する。
図９は、本発明の第４実施形態に係るロボットの構造を示す概略斜視図である。図１０は、図９に示したロボットの手首部分の構造を示す概略断面図である。
ロボット２１００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。
【００７３】
それぞれの関節部２０２０には、上述した圧電駆動装置１００が内蔵されており、圧電駆動装置１００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２０１１が接続されている。ロボットハンド２０１１は、一対の把持部２０１３を備えている。ロボットハンド２０１１にも圧電駆動装置１００が内蔵されており、圧電駆動装置１００を用いて把持部２０１３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２０１１とアーム２０１０との間にも圧電駆動装置１００が設けられており、圧電駆動装置１００を用いてロボットハンド２０１１をアーム２０１０に対して回転させることも可能である。
【００７４】
図１０は、図９に示したロボット２１００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Ｘ２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１００を備えており、圧電駆動装置１００は、手首のリンク部２０１２及びロボットハンド２０１１を中心軸Ｘ２周りに回動させる。ロボットハンド２０１１には、複数の把持部２０１３が立設されている。把持部２０１３の基端部はロボットハンド２０１１内で移動可能となっており、この把持部２０１３の根元の部分に圧電駆動装置１００が搭載されている。このため、圧電駆動装置１００を動作させることで、把持部２０１３を移動させて対象物を把持することができる。
【００７５】
なお、ロボット２１００としては、単腕のロボット２１００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１００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２０１１の内部には、圧電駆動装置１００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。従来、関節部２０２０やロボットハンド２０１１の内部に配線を配置することは非常に困難だった。
【００７６】
しかしながら、上述した実施形態の圧電駆動装置１００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２０１１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。また、圧電駆動装置１００は小型で軽量な構造であるので、同じ出力を得るために要するために複数の従来の圧電駆動装置を用いる場合に比べて、関節部２０２０やロボットハンド２０１１に内蔵することがより容易であり、かつ、これらを動作させるために要する出力を発生させることが容易である。
従って、駆動効率に優れ、低消費電力の圧電駆動装置１００を備えているため、低消費電力で駆動するロボット２１００を得ることができる。
【００７７】
＜第５実施形態＞
［送液ポンプ］
次に、本発明の実施形態に係る圧電駆動装置１００を利用した送液ポンプ２２００を一例として挙げ、図１１を参照して説明する。
図１１は、本発明の第５実施形態に係る送液ポンプの構成を示す概略断面図である。
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１００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。
【００７８】
圧電駆動装置１００の複数の圧電駆動部１６の先端部に設けられた突起部１８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１００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。
【００７９】
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１００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。
【００８０】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１，１ａ，２，２ｂ，３，３ｃ，４，４ｄ，５，６…端子、１０…圧電素子、１０ａ…第１の圧電素子、１０ｂ…第２の圧電素子、１０ｃ…第３の圧電素子、１０ｄ…第４の圧電素子、１２…配線、１４…圧電素子群、１６…圧電駆動部、１８…突起部、２０…スイッチ、２０ａ…第１のスイッチ、２０ｂ…第２のスイッチ、２０ｃ…第３のスイッチ、２０ｄ…第４のスイッチ、２２…制御部、２４…電源、１００，２００…圧電駆動装置、２０００…モーター、２１００…ロボット、２２００…送液ポンプ。
【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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【図１１】
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