(57)【要約】【課題】被駆動体に接触する接触部材が円もしくは楕円に従って動作するので、被駆動体に付与される駆動力や動作速度が一定ではなく、被駆動体の駆動効率も低い。【解決手段】圧電素子駆動回路は、第１面及び第２面を有する振動板と、振動板の第１面及び第２面のうちの少なくとも一方に配置された圧電振動体と、被駆動体と接触可能な接触部材と、圧電素子に交流成分を含む駆動電圧を印加する駆動回路と、を備える。駆動電圧の交流成分は、基本周波数を有する基本交流成分と、基本周波数の奇数倍の周波数を有する高調波成分とが重畳された波形を有する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面及び第２面を有する振動板と、
前記振動板の前記第１面及び第２面のうちの少なくとも一方に配置されて前記振動板を前記振動板の面内で屈曲させる圧電素子を有する圧電振動体と、
前記振動板と前記圧電振動体のいずれかに設けられ、被駆動体と接触可能な接触部材と、
前記圧電素子に交流成分を含む駆動電圧を印加する駆動回路と、
を備え、
前記駆動電圧の交流成分は、基本周波数を有する基本交流成分と、前記基本周波数の奇数倍の周波数を有する高調波成分とが重畳された波形を有する、圧電素子駆動回路。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電素子駆動回路であって、
前記高調波成分は、前記基本周波数の３倍の周波数を有する、圧電素子駆動回路。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電素子駆動回路であって、
前記高調波成分の振幅は、前記基本周波数の振幅の１／３である、圧電素子駆動回路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電素子駆動回路であって、
前記圧電振動体は、協調して前記振動板を屈曲させる複数の前記圧電素子を有し、
前記複数の圧電素子の各圧電素子の２つ電極のうち、第１の電極は各圧電素子に個別に設けられた個別電極であり、第２の電極は前記複数の圧電素子によって共有される共通電極であり、
前記駆動回路は、前記個別電極に前記基本交流成分を印加するとともに、前記共通電極に前記高調波成分を印加する、圧電素子駆動回路。
【請求項５】
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、
前記圧電素子を用いて前記複数のリンク部を前記関節部で回動させる請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電素子駆動回路と、
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、圧電素子駆動回路、及び、圧電素子駆動回路を備えるロボットなどの各種の装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。この圧電アクチュエーターでは、その接触部材をローター等の被駆動体に接触させた状態で圧電アクチュエーターを振動させることによって、被駆動体を動作させる。この場合に、通常は圧電素子に正弦波状の駆動波形を入力するので、圧電アクチュエーターの接触部材が円もしくは楕円を描くように動作し、被駆動体をこするように動作する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３２０９７９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、被駆動体に接触する接触部材は円もしくは楕円に従って動作するので、被駆動体の動作方向と、被駆動体に加わる力の方向と、の２つの方向が一致している時間は少なく、両者が異なる方向となっている時間がほとんどを占める。そのため、被駆動体に付与される駆動力や動作速度が一定ではなく、また、被駆動体の駆動効率も低いという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、圧電素子を駆動する圧電素子駆動回路が提供される。前記圧電素子駆動回路は、第１面及び第２面を有する振動板と；前記振動板の前記第１面及び第２面のうちの少なくとも一方に配置されて前記振動板を前記振動板の面内で屈曲させる圧電素子を有する圧電振動体と；前記振動板と前記圧電振動体のいずれかに設けられ、被駆動体と接触可能な接触部材と；前記圧電素子に交流成分を含む駆動電圧を印加する駆動回路と；を備える。また、前記駆動電圧の交流成分は、基本周波数を有する基本交流成分と、前記基本周波数の奇数倍の周波数を有する高調波成分とが重畳された波形を有する。
この圧電素子駆動回路によれば、圧電振動体による接触部材の動作の軌跡を、被駆動体の駆動方向に近い方向にできるので、被駆動体の駆動効率を向上できる。
【０００７】
（２）上記圧電素子駆動回路において、前記高調波成分は、前記基本周波数の３倍の周波数を有するものとしてもよい。
この構成によれば、被駆動体の駆動効率を更に向上できる。
【０００８】
（３）上記圧電素子駆動回路において、前記高調波成分の振幅は、前記基本周波数の振幅の１／３であるものとしてもよい。
この構成によれば、被駆動体の駆動効率を更に向上できる。
【０００９】
（４）上記圧電素子駆動回路において、前記圧電振動体は、協調して前記振動板を屈曲させる複数の前記圧電素子を有し、前記複数の圧電素子の各圧電素子の２つ電極のうち、第１の電極は各圧電素子に個別に設けられた個別電極であり、第２の電極は前記複数の圧電素子によって共有される共通電極であり、前記駆動回路は、前記個別電極に前記基本交流成分を印加するとともに、前記共通電極に前記高調波成分を印加するものとしてもよい。
この構成によれば、複数の圧電素子に同じ高調波成分を容易に印加することができる。
【００１０】
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、圧電素子駆動回路の他、圧電駆動装置、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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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。
【図２】振動板の平面図。
【図３】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。
【図４】圧電駆動装置の動作の例を示す説明図。
【図５】比較例の圧電素子駆動回路の構成と動作を示す説明図。
【図６】第１実施形態における圧電素子駆動回路の動作を示す説明図。
【図７】第２実施形態における圧電素子駆動回路の動作を示す説明図。
【図８】第２実施形態で利用される駆動電圧波形を示す説明図。
【図９】他の実施形態の圧電駆動装置の断面図。
【図１０】他の実施形態の圧電駆動装置の平面図。
【図１１】圧電駆動装置を利用したロボットの一例を示す説明図。
【図１２】ロボットの手首部分の説明図。
【図１３】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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
・圧電駆動装置の全体構成：
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１００とを備える。圧電振動体１００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１００は、振動板２００を中心として対称に配置されている。２つの圧電振動体１００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の上側にある圧電振動体１００の構成を説明する。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
図２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２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、シリコン、シリコン化合物、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、金属酸化物、またはダイヤモンド等の材料で形成することが可能である。
【００１８】
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１００（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０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲とすることができ、幅Ｗは、例えば０．０２ｍｍ以上９ｍｍ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２０μｍ以上８００μｍ以下の範囲とすることができる。振動体部２１０の厚みを２０μｍ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８００μｍ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。
【００１９】
振動板２００の一方の短辺には、接触部材２０（「突起部」又は「作用部」とも呼ぶ）が設けられている。接触部材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。接触部材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。
【００２０】
図３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。駆動回路３００は、交流成分を含む駆動電圧を発生する。また、駆動回路３００は、駆動電圧として、接地電位に対してプラス側とマイナス側に変動する交流成分のみからなる交流駆動電圧と、交流成分とＤＣオフセット（直流成分）とを含むオフセット付き駆動電圧と、のうちの少なくとも一方を発生できるように構成されていることが好ましい。この駆動電圧の交流成分は、圧電駆動装置１０の機械的な共振周波数に近い周波数の電圧信号であることが好ましい。なお、交流成分の波形は、典型的には正弦波であるが、正弦波以外の波形を有していてもよい。直流成分は、厳密に一定である必要はなく、多少変動しても良い。例えば、直流成分は、その平均値の±１０％以内で変動してもよい。駆動回路３００と圧電駆動装置１０の電極１３０，１５０とは以下のように接続されている。
【００２１】
圧電駆動装置１０の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３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。なお、図３の例では、配線３２０は接地されている。また、共振素子３５０は、接地配線３２０と他の配線３１０，３１２，３１４との間に、駆動回路３００と並列に接続されている。
【００２２】
駆動回路３００は、一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄと第１電極１３０との間に交流成分を含む駆動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、接触部材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。また、他の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃと第１電極１３０との間に交流成分を含む駆動電圧を印加することにより、接触部材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３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。
【００２３】
図４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の接触部材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４に示す例では、駆動回路３００（図３）は、一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄと第１電極１３０との間に駆動電圧を印加しており、圧電素子１１０ａ，１１０ｄは図４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が圧電振動体部２１０の平面内で屈曲して蛇行形状（Ｓ字形状）に変形し、接触部材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４では時計回り方向）に回転する。すなわち、２つの圧電素子１１０ａ，１１０ｄは、協調して振動板２００を屈曲させる。図２で説明した振動板２００の３つの接続部２２０（図２）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、駆動発生回路３００が、他の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃ（図３）と第１電極１３０との間に駆動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。この場合には、２つの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃが協調して振動板２００を屈曲させる。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、接触部材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。
【００２４】
・圧電素子駆動回路の各種実施形態：
図５は、比較例の圧電素子駆動回路の構成と動作を示す説明図である。図５（Ａ）に示す比較例の圧電素子駆動回路は、圧電駆動装置１０と駆動回路３００とで構成されており、圧電駆動装置１０の圧電素子に、駆動装置３００から正弦波状の駆動電圧Ｖｉｎ（θ）が印加されている。図５において、破線で描かれた配線や圧電素子は駆動電圧Ｖｉｎが印加されていないものを示し、実線で描かれた配線や圧電素子は駆動電圧Ｖｉｎが印加されているものを示している。また、図５では、図示の便宜上、接触部材２０が実際よりも大きく描かれている。
【００２５】
正弦波状の駆動電圧Ｖｉｎ（θ）は、例えば以下の式で表される。
Ｖｉｎ（θ）＝Ａ・ｓｉｎθ
＝Ａ・ｓｉｎ（２πｆvinｔ）      …（１）
ここで、Ａはゼロでない正の係数、θは位相、ｆvinは駆動電圧Ｖｉｎ（θ）の交流成分の周波数、ｔは時間である。交流成分の周波数ｆvinは、圧電駆動装置１０の機械的な共振周波数に近い値であり、圧電駆動装置１０による駆動動作が有効に行われるように実験的に予め決定される。
【００２６】
図５（Ｂ）は、ローター５０と圧電駆動装置１０の接触部材２０との接触部分を拡大して示す説明図である。ここでは、接触部材２０の運動の様子が破線で描かれている。また、接触部材２０の先端部分の軌跡ＴＲ２０と、接触部材２０からローター５０に与えられる押力のベクトルＶＦ（太い黒矢印）とが描かれている。ここでは、図４の場合と同様に、圧電素子１１０ａの第１電極１５０ａに上述した駆動電圧Ｖｉｎ（θ）が供給されている状態を示している。このとき、接触部材２０の先端部分の軌跡ＴＲ２０は楕円又は円に近い形状となり、接触部材２０がローター５０の表面を擦るように動作する。なお、接触部材２０の先端部分の軌跡ＴＲ２０のうち、ローター５０の内部側に存在する部分は破線で描いている。接触部材２０からローター５０に与えられる押力ベクトルＶＦ（黒い矢印）は、ほとんどの場合に、ローター５０の動作方向ＭＤ（白い矢印）と異なっている。すなわち、被駆動体であるローター５０の動作方向ＭＤと、ローター５０に加わる力の方向ＶＦと、の２つの方向が一致している時間は少なく、両者が互いに異なっている時間がほとんどを占めている。そのため、この比較例では、ローター５０の動作速度が一定ではなく、駆動効率も低いという問題がある。
【００２７】
図６は、第１実施形態における圧電素子駆動回路の動作を示す説明図である。ここでは、圧電素子１１０ａの第１電極１５０ａに下記（２）式で表される駆動電圧Ｖｉｎ（θ＋３θ）が供給されている。
Ｖｉｎ（θ＋３θ）＝Ａ・ｓｉｎθ＋Ｂ・ｓｉｎ３θ
＝Ａ・ｓｉｎ（２πｆvinｔ）＋Ｂ・ｓｉｎ（３×２πｆvinｔ）
…（２）
ここで、Ａ，Ｂはゼロでない正の係数、θは位相、ｆvinは駆動電圧Ｖｉｎ（θ）の基本交流成分の周波数、ｔは時間である。基本交流成分の周波数ｆvinは、圧電駆動装置１０の機械的な共振周波数に近い値であり、圧電駆動装置１０による駆動動作が有効に行われるように実験的に予め決定される。なお、（２）式の右辺第２項を「高調波成分」とも呼ぶ。
【００２８】
図６には、図５（Ｂ）と同様に、接触部材２０の先端部分の軌跡ＴＲ２０と、接触部材２０からローター５０に与えられる押力のベクトルＶＦとが描かれている。図６と図５（Ｂ）を比較すれば理解できるように、第１実施形態（図６）では、接触部材２０の先端部分の軌跡ＴＲ２０が、比較例（図５（Ｂ））よりも矩形に近い形状になっている。この結果、接触部材２０からローター５０に与えられる押力ベクトルＶＦ（黒い矢印）が、ローター５０の動作方向ＭＤ（白い矢印）の方向に近い方向を向く場合が多くなっている。換言すれば、第１実施形態では、比較例に比べて、圧電振動体１００（図１）による接触部材２０の動作の軌跡ＴＲ２０を、被駆動体であるローター５０の駆動方向により近い方向にできる。この結果、被駆動体であるローター５０の駆動効率を向上することが可能である。
【００２９】
第１実施形態における上述の効果は、駆動電圧Ｖｉｎの波形を、正弦波（図５（Ｂ））よりも矩形波に近い形状に変更したことによって得られているものと推定される。一般に、矩形波Ｆsqのフーリエ級数展開は、次式で与えられることが知られている。
Ｆsq＝ΣＡ・ｓｉｎ｛（２ｎ−１）θ｝／（２ｎ−１）
＝Ａ｛ｓｉｎθ＋（ｓｉｎ３θ）／３＋（ｓｉｎ５θ）／５＋…｝    …（３）
ここで、ｎは１以上の整数、Ａは係数である。但し、（３）式の２行目ではｎ＝４以上の項を省略している。この（３）式の右辺第１項は基本周波数成分であり、第２項目以降は高調波成分である。
【００３０】
図６に示す第１実施形態で使用した駆動電圧Ｖｉｎ（θ＋３θ）は、上記（３）式の右辺第２項までを採用したものであることが理解できる。このとき、上記（２）式において、高調波成分の振幅Ｂが、基本周波数成分の振幅Ａの１／３であることが好ましいことが理解できる。こうすれば、駆動電圧Ｖｉｎの波形がより矩形波に近づくので、被駆動体であるローター５０の駆動効率を更に向上できる。ここで、「高調波成分の振幅Ｂが、基本周波数成分Ａの１／３である」とは、高調波成分の振幅Ｂが、基本周波数成分の振幅Ａの１／３±１０％の範囲（すなわち、０．３０〜０．３７の範囲）のものを包含する。この理由は、高調波成分の振幅Ｂをこのような範囲に収めれば、基本周波数成分の振幅Ａの１／３に厳密に一致させた場合と同様の効果が得られるからである。
【００３１】
なお、上記（３）式から理解できるように、駆動電圧Ｖｉｎとしては、（３）式の右辺第３項以降の高調波成分（ｎが３以上の項）を含んでいてもよい。また、（３）式の右辺第２項（ｎ＝２の項）を含まず、右辺第３項以降の高調波成分（ｎが３以上の項）のみを含んでいても良い。但し、（３）式の右辺第２項（ｎ＝２の項）は、高調波成分の中で正弦波ｓｉｎθを矩形波Ｆsqに近づけるためにもっとも有効なので、この項を含むことが好ましい。
【００３２】
また、駆動電圧Ｖｉｎとしては、交流成分と直流成分（ＤＣオフセット）とを含むオフセット付き駆動電圧を利用してもよい。この場合にも、その交流成分が、基本交流成分（Ａ・ｓｉｎθ）の他に、上述した（２）式や（３）式で示される高調波成分を含んでいることが好ましい。なお、オフセット付き駆動電圧としては、その電圧値が常にプラスまたはマイナスである脈流電圧を使用することが好ましい。このような脈流電圧を駆動電圧として使用すれば、圧電駆動装置１０の駆動電流を更に小さくすることが可能である。これらの点は、以下で説明する第２実施形態も同様である。
【００３３】
図７は、第２実施形態における圧電素子駆動回路の動作を示す説明図である。ここでは、圧電素子１１０ａの第１電極１５０ａに、基本交流成分の電圧Ｖｉｎ（θ）が供給されており、第２電極１３０に高調波成分の電圧Ｖｉｎ（−３θ）が供給されている。
Ｖｉｎ（θ）    ＝Ａ・ｓｉｎθ
＝Ａ・ｓｉｎ（２πｆvinｔ）            …（４ａ）
Ｖｉｎ（−３θ）＝−Ｂ・ｓｉｎ３θ
＝−Ｂ・ｓｉｎ（３×２πｆvinｔ）      …（４ｂ）
ここで、各符号Ａ，Ｂ，θ，ｆvin，ｔの定義は上記（２）式と同じである。
【００３４】
図８は、図７に示した第２実施形態において、第１電極１５０ａに印加される基本交流成分Ｖｉｎ（θ）と、第２電極１３０に印加される高調波成分Ｖｉｎ（−３θ）の波形をそれぞれ示している。なお、図１でも説明したように、第１電極１５０ａは各圧電素子１１０に個別に設けられた個別電極であり、第２電極１３０は複数の圧電素子１１０に共有される共通電極である。圧電素子１１０ａに印加される駆動電圧は、第１電極１５０ａに印加される基本交流成分Ｖｉｎ（θ）と、第２電極１３０に印加される高調波成分Ｖｉｎ（−３θ）との差分（＝Ｖｉｎ（θ）−Ｖｉｎ（−３θ））になる。従って、第２実施形態においても、圧電素子１１０ａに印加される駆動電圧Ｖｉｎは、上記（２）式で与えられたものとなる。
【００３５】
このように、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、基本周波数を有する基本交流成分と基本周波数の奇数倍の周波数を有する高調波成分とが重畳された交流成分波形を有する駆動電圧が圧電素子に印加されるので、圧電振動体による接触部材の動作の軌跡を、被駆動体の駆動方向に近い方向にでき、また、被駆動体の駆動効率を向上できる。特に、第２実施形態では、共通電極である第２電極１３０に高調波成分を印加するので、複数の圧電素子１１０に対して、上記（２）式や（３）式で表される波形を有する駆動電圧を容易に印加することが可能である。
【００３６】
・圧電駆動装置の他の実施形態：
図９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９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。
【００３７】
図１０（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１０（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１０（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４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１０（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。
【００３８】
図１０（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。
【００３９】
図１０（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、接触部材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。
【００４０】
図１及び図１０（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１０（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。
【００４１】
・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。
【００４２】
図１１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。
【００４３】
図１２は、図１１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。
【００４４】
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。
【００４５】
図１３図１３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の接触部材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の接触部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。
【００４６】
・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。
【００４７】
・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。
【００４８】
・変形例２：
上記実施形態では、振動板２００の両面にそれぞれ１つの圧電振動体１００を設けていたが、圧電振動体１００の一方を省略することも可能である。但し、振動板２００の両面にそれぞれ圧電振動体１００を設けるようにすれば、振動板２００をその平面内で屈曲した蛇行形状に変形させることがより容易である点で好ましい。
【００４９】
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。
【符号の説明】
【００５０】
１０…圧電駆動装置
２０…接触部材（突起部）
５０…ローター
５１…中心
１００…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…接触部（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
【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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【図１２】
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【図１３】
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