圧電アクチュエーター、ロボット及びロボットハンド
【課題】駆動電圧を印加する電極を切り換えずに正転と逆転の切り換えが可能な圧電モーターを実現する。
【解決手段】圧電体層１２０と圧電体層１２０に駆動電圧を印加可能な電極１２１とを含む圧電素子２２と、圧電素子２２と積層される短辺と長辺とを有する長方形の板材であり、かつ長辺方向の一方の端部から平面方向に突出する突出部２３を有する振動板２１と、突出部２３に当接されるローター１００と、を少なくとも備える圧電アクチュエーター１であって、突出部２３は振動板２１の略中心を通り長辺方向に延在する第１の中心線７１からオフセットされた位置に配置されており、振動板２１は、突出部２３が配置された位置の略対角位置にカウンターウェイト２５を備えていることを特徴とする圧電アクチュエーター１。
【解決手段】圧電体層１２０と圧電体層１２０に駆動電圧を印加可能な電極１２１とを含む圧電素子２２と、圧電素子２２と積層される短辺と長辺とを有する長方形の板材であり、かつ長辺方向の一方の端部から平面方向に突出する突出部２３を有する振動板２１と、突出部２３に当接されるローター１００と、を少なくとも備える圧電アクチュエーター１であって、突出部２３は振動板２１の略中心を通り長辺方向に延在する第１の中心線７１からオフセットされた位置に配置されており、振動板２１は、突出部２３が配置された位置の略対角位置にカウンターウェイト２５を備えていることを特徴とする圧電アクチュエーター１。
【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、ロボット及びロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエーターは、高周波の交流電圧等の駆動電圧を機械的振動に変換する圧電素子と、該圧電素子によって駆動される被駆動部材と、を少なくとも有する駆動装置である。圧電モーターは、圧電アクチュエーターの一種である。すなわち圧電モーターは、上述の被駆動部材としてローターを用いた駆動装置であり、圧電素子の振動を回転力として利用可能な駆動装置である。
【０００３】
圧電モーターの用途としては、従来は時計のカレンダー機能等の駆動手段としての用途が知られていた。そして近年、新たな用途として、ロボット（ロボットハンド）の駆動手段としての用途が注目されている。上述のカレンダーの場合、回転の方向は一方向に限定されていたため、圧電モーターの回転方向も一方向（例えば正方向）に固定されていた。一方、ロボットハンドは、複雑な動作が必要であるため、ロボットハンドの駆動手段として用いられる圧電モーターの場合、回転方向が正転（左回転）と逆転（右回転）とが反転可能であることが必要とされる。
【０００４】
圧電モーターの回転方向を変更する手法としては、圧電素子を構成する電極を正転用の電極と逆転用の電極を含む複数の電極で構成して、正転時と逆転時とで駆動電圧を印加する電極を切り換える手法が知られている。また、例えば特許文献１に示すように、１つの圧電素子を、夫々が異なる固有の共振周波数を有する複数の被駆動部と組み合わせる手法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１１１４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし上記の手法のうち、前者の手法は、正転時と逆転時とで夫々専用の電極が必要となり、かつ、駆動電圧を印加する電極を切り換える機構等が別途必要となる。また、後者の手法は、複数個の被駆動部を必要とする。したがってどちらの手法も、圧電アクチュエーターの複雑化及び高コスト化をもたらすという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］本適用例にかかる圧電アクチュエーターは、少なくとも１つの圧電体層と上記圧電体層に駆動電圧を印加可能な電極とを含む圧電素子と、上記圧電素子と積層される短辺と長辺とを有する長方形の板材であり、かつ長辺方向の一方の端部から平面方向に突出する突出部を有する振動板と、上記突出部に当接されるローターと、を少なくとも備える圧電アクチュエーターであって、上記突出部は上記振動板の略中心を通り上記長辺方向に延在する第１の中心線からオフセットされた位置に配置されており、上記振動板は、上記突出部が配置された位置の略対角位置にカウンターウェイトを備えていることを特徴とする。
【０００９】
このような構造の振動板を備える圧電アクチュエーターであれば、縦一次振動の共振点におけるインピーダンスと屈曲二次振動の共振点におけるインピーダンスを、略等しい値に揃えることができる。したがって、２つの共振点における夫々の振動を、上記長辺方向に対して略線対称となる楕円形状とすることができる。そのため、圧電体層に印加する駆動電圧の周波数を切り換えることで、突出部の回転方向の正転と逆転とを切り換えることができる。したがって、構造を複雑化することなく正転と逆転とを切り換え可能な圧電アクチュエーターを実現できる。なお、上述の正転と逆転は、左回転を正転、右回転を逆転と便宜的に定めたものである。
【００１０】
［適用例２］上述の圧電アクチュエーターであって、上記突出部は上記振動板の上記第１の中心線と略平行な第２の中心線を有し、上記ローターの回転軸の中心は上記第２の中心線上に位置していることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【００１１】
このような圧電アクチュエーターであれば、ローターに対して突出部を均等に当接できる。したがって、どちらの方向でも略均等に回転可能な圧電アクチュエーターを実現できる。
【００１２】
［適用例３］上述の圧電アクチュエーターであって、上記圧電素子は単板であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【００１３】
このような圧電アクチュエーターであれば、構成を簡略化でき、低コスト化が可能になる。なお、「単板」とは単一の板状部材であることを示している。
【００１４】
［適用例４］上述の圧電アクチュエーターであって、上記突出部の上記長辺方向の寸法は、上記カウンターウェイトの上記長辺方向の寸法よりも小さいことを特徴とする圧電アクチュエーター。
【００１５】
このような圧電アクチュエーターであれば、圧電素子の長辺方向におけるバランスが向上する。したがって、どちらの方向でも略均等に回転可能な圧電アクチュエーターを実現できる。
【００１６】
［適用例５］上述の圧電アクチュエーターであって、上記振動板の長辺寸法と上記振動板の短辺寸法との比は略７対２であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【００１７】
このような寸法比の振動板であれば、圧電体層に駆動電圧が印加された場合、効率的に振動する。したがって、構造を複雑化することなくどちらの方向でも高いエネルギー変換効率で回転可能な圧電アクチュエーターを実現できる。
【００１８】
［適用例６］本適用例にかかるロボットハンドは、上述の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とする。
【００１９】
このような構成であれば、ワークを把持する指の開閉動作を必要とするロボットハンドを低コストで実現できる。
【００２０】
［適用例７］本適用例にかかるロボットは、上述のロボットハンドを備えたことを特徴とする。
【００２１】
このような構成であれば、ワークを把持する指の開閉動作を必要とするロボットを低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる圧電モーターの概略を示す平面図。
【図２】圧電素子と振動板の積層体及び該積層体を振動可能に支持する支持体等を示す概略斜視図。
【図３】圧電モーターの断面を示す図。
【図４】本実施形態の圧電モーターが備える振動板を、ローターと共に示す平面図。
【図５】振動板のインピーダンス特性を示す図。
【図６】振動板の突出部が描く２種類の軌跡を示す図。
【図７】本実施形態にかかる圧電モーターが備えるローターの回転方向を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態にかかるロボットの概略を示す図。
【図９】本発明の第２の実施形態にかかるロボットハンドの概略を示す図。
【図１０】ロボットハンドが備える第１の指の概略を示す図。
【図１１】変形例の振動板平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態にかかる圧電アクチュエーター、すなわち回転方向を正転／逆転に変換可能な圧電モーター１について、図面を参照しつつ述べる。なお本発明の実施の形態は、以下の各図に示す構造、形状に限定されるものではない。また、以下の各図においては、各構成要素を図面で認識可能な程度の寸法とするため、該構成要素の縮尺を実際とは異ならせてある。
【００２４】
（第１の実施形態）
＜圧電モーター＞
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる圧電アクチュエーターとしての圧電モーター１の概略を示す平面図である。図２は、圧電モーター１の構成要素である圧電素子２２と振動板２１、及び圧電素子２２と振動板２１の積層体を振動可能に支持する支持体３等を示す概略斜視図である。そして図３は、圧電モーター１の図１のＡ−Ａ’線における断面を示す断面図である。
【００２５】
図１に示すように、圧電モーター１は、上述の圧電素子２２と振動板２１との積層体と、該積層体を支持する支持体３と、被駆動部材であるローター１００と、を、少なくとも構成要素として備えている。そして、かかる複数の構成要素は、基台４の一方の面上に配置されている。
【００２６】
図２に示すように、圧電素子２２及び振動板２１は平面視で短辺と長辺とを有する長方形の板材である。そして圧電素子２２は、振動板２１の表裏両面に配置されている。圧電素子２２は、圧電体層１２０と該圧電体層の表裏両面に形成された一対の電極とで構成されている。振動板２１側の電極が第１電極１２１であり、もう一方の電極が第２電極１２２である。なお、双方の電極（１２１，１２２）には、該電極と圧電モーター１を駆動用アクチュエーターとして用いる電子機器の制御回路との間を接続する電極配線が接続されている。本図及び後述する各図では、かかる電極配線の図示を省略している。
【００２７】
圧電体層１２０の材料は特に限定されておらず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種の材料を用いることができる。双方の電極（１２１，１２２）の材料も特に限定されておらず、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）等を用いることができる。電極の形成方法は、めっき、スパッタ、蒸着等の方法を用いることができる。
【００２８】
本実施形態の圧電素子２２は、単板である。単板とは、上述の圧電体層１２０と電極（１２１，１２２）の双方が分割されていないことを示している。すなわち、圧電体層１２０は振動板２１と重なる長方形であり、一対の電極（１２１，１２２）は、該圧電体層の全面に形成されている。そのため、圧電モーター１の動作時には、圧電体層１２０の全域に同一の駆動電圧が印加されている。したがって、圧電体層１２０に局所的に、すなわち領域毎に駆動電圧を印加することができない。本実施形態の圧電モーター１は、振動板２１等の形状等を工夫することで、かかる全面に形成された、すなわち分割されていない電極（１２１，１２２）を有する圧電素子２２を用いて、双方向の回転を可能にしている。
【００２９】
振動板２１には、夫々の長辺から短辺方向の外側に突出する腕部２４が一体的に形成されている。そして夫々の腕部２４の端部には、貫通孔２４１が形成されている。支持体３は、振動板２１が固定される一対の固定部３１と、双方の固定部３１の間に該固定部と一体的に形成されるスライド部３２とを備えている。固定部３１には、腕部２４の貫通孔２４１に対応する位置にねじ部３４が形成されている。このねじ部３４に貫通孔２４１を貫通してねじ２６が螺合されることにより、振動板２１（より具体的には、圧電素子２２と振動板２１の積層体）は固定部３１に固定される。
【００３０】
図３に示すように、スライド部３２は、基台４に凹状に形成されたスライド溝４１に配置されている。また、スライド部３２の幅方向略中央には、ローター１００に対する突出部２３の当接方向に沿って長孔３３が（２箇所）形成されている。長孔３３には、ねじ４２１が貫通している。そして、ねじ４２１は、基台４に形成されたねじ孔４２に螺合されている。かかる構成により、支持体３は、基台４に、長孔３３の長手方向にスライド可能に支持されている。したがって、支持体３の固定部３１に固定される振動板２１（より具体的には、圧電素子２２と振動板２１の積層体）は、ローター１００の中心方向に向かって移動可能である。
【００３１】
ここで、固定部３１とスライド部３２とは、段差を有するように形成されている。したがって、固定部３１を凸部と考えた場合、スライド部３２は凹状部分となる。かかる構成により、振動板２１が固定部３１に取り付けられた時に、圧電素子２２と振動板２１との積層体とスライド部３２との間には間隙が確保される。したがって、圧電素子２２に駆動電圧が印加され上述の積層体が振動しても、スライド部３２を貫通するねじ４２１に干渉しない。
【００３２】
そして、図１及び図３に示すように、支持体３の両側の固定部３１において、ローター１００側とは反対の端部側面には、円柱状に突出したばね取付け部３５がそれぞれ形成されている。このばね取付け部３５には、ばね３６の一端が挿入されている。そしてばね３６の他端は、基台４に設けられた係止片３７に固定されている。そしてばね３６は、その伸縮方向が振動板２１の長辺方向と略平行となるように配置されている。かかるばね３６のばね力により、後述する突出部２３は、ローター１００に好適な付勢力で押しつけられる。
【００３３】
図１、及び図２に示すように、振動板２１のローター１００側の短辺には、突出部（摺動部）２３が、該ローターに当接するように配置されている。振動板２１のもう一方の短辺には、振動板２１の一部を突出させたカウンターウェイト２５が、腕部２４と同様に一体的に形成されている。「一体的」とは、板材をプレス加工等で成型して振動板２１とする際に、腕部２４とカウンターウェイト２５が連続するように形成されていることを示している。かかる一体的に形成（成型）された部材のうち、本実施形態においては、圧電素子２２と重なる平面視で長方形の部分を振動板２１と定義している。なお、突出部２３は、振動板２１と一体的には形成されていない。
【００３４】
ローター１００は直径が略６．０ｍｍであり、ＳＵＳ４４０Ｃ等の硬度の高い材料で形成されており、外周に沿って断面円弧状の凹部９７が形成されている。そしてローター１００は軸４４を有しており、基台４における上述の一方の面に対して垂直方向に形成された軸受ピン４３で回転可能に支持されている。
突出部２３は、かかる凹部９７に当接されている。後述するように、圧電素子２２に駆動電圧が印加されると、該圧電素子及び振動板２１は振動する。その結果、振動板２１から突出した部分である突出部２３は、楕円軌道を描くように振動する。ローター１００は、かかる楕円軌道を描く振動により回転する。
【００３５】
＜振動板＞
図４は、本実施形態の圧電モーター１が備える振動板２１を、ローター１００と共に示す平面図である。なお、凹部９７の図示は省略している。
振動板２１は、厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ３０１からなり、横（Ｘ）方向の寸法が略２．０ｍｍ、縦（Ｙ）方向の寸法が略７．０ｍｍである。したがって、アスペクト比すなわち縦寸法と横寸法の比は、７：２である。
【００３６】
突出部２３とカウンターウェイト２５は、振動板２１の対角線上の角部に、すなわち平面視で互いに対角となる位置に、双方の外側の輪郭線が振動板２１の長辺と連続するように配置（形成）されている。すなわち、突出部２３とカウンターウェイト２５は、振動板２１の長辺方向の中心線である第１の中心線７１からオフセットされた位置に配置（形成）されている。
【００３７】
突出部２３は、厚さが略０．５ｍｍで直径Ｒが略１．０ｍｍのアルミナからなる円形部材を、振動板２１の短辺に半円が突出するように接着して形成されている。したがって、振動板２１の突出部２３は接着されている側の角部は、半円形にくり抜かれている。上記の円形部材のうち、振動板２１の短辺側、すなわち長辺方向の端部から突出する部分が突出部２３である。したがって、突出部２３の長辺方向の寸法は、略０．５ｍｍである。なお、振動板２１と突出部２３とは、エポキシ樹脂等の接着剤で接着されている。
【００３８】
突出部２３は、振動板２１の第１の中心線７１と平行な第２の中心線７２を有しており、該第２の中心線に対してＸ方向で対称の形状を有している。ローター１００の中心は、第２の中心線７２上に位置している。すなわち、支持体３とローター１００は、支持体３で支持される振動板２１とローター１００の中心とが上記の位置関係となるように、基台４上に配置されている。
【００３９】
カウンターウェイト２５の寸法は、短辺方向（Ｘ方向）の寸法Ｗが略０．５ｍｍ、長辺方向（Ｙ方向）の寸法Ｌが略１．０ｍｍであり、短辺寸法と長辺寸法の比が１：２となっている。このよう、カウンターウェイト２５は長辺方向に細長く形成され、先端が振動板２１の中心（重心）から離れた位置に達している。そのため、振動板２１が振動する際に突出部２３とのバランスを効果的に取る（得る）ことができる。
また、カウンターウェイト２５の長辺方向の寸法Ｌ（略１．０ｍｍ）は、突出部２３の長辺方向の寸法（略０．５ｍｍ）よりも大きい。かかる寸法比も、振動板２１が振動する際のバランスの確保に寄与している。
【００４０】
なお、カウンターウェイト２５の横寸法と縦寸法の比は、上述の値に限定されるものではない。横寸法に比べて縦寸法が大きければ、充分に効果を発揮することができる。また、縦寸法が横寸法の２倍を超えても良い。また、縦寸法が横寸法よりも小さくても、カウンターウェイト２５の全体の面積を大きくすることで、突出部２３とのバランスを取ることもできる。
【００４１】
図５は、図４に示す形状の振動板２１のインピーダンス特性（周波数−インピーダンス特性）を示す図である。横軸に駆動周波数（圧電素子２２に印加される駆動電圧すなわち交流電圧の周波数）を示し、縦軸にインピーダンスを示している。
【００４２】
図示するように、駆動周波数に対するインピーダンスが極小である共振点が２点現れている。２点の共振点のうち周波数の低い方が縦一次振動の共振点であり、周波数の高い方が屈曲二次振動の共振点である。そして、双方の共振点におけるインピーダンスは略等しい値となっている。発明者は、振動板２１の形状等、及び該振動板に配置等される突出部２３とカウンターウェイト２５の形状等を工夫することで、上記双方のインピーダンス値を揃えることに成功した。そして、上記２つの振動のうちの一方の振動のみで、突出部２３に好適な楕円軌道を描かせることに成功した。
【００４３】
ここで、縦一次振動とは圧電素子２２が長辺方向に伸縮する振動であり、屈曲二次振動とは圧電素子２２が短辺方向、すなわち長辺方向に略直交する方向に屈曲する振動である。一般の回転駆動する圧電アクチュエーターすなわち圧電モーター１においては、上記双方の振動を合成することで、突出部２３に、楕円軌道を描く振動を発生させている。そのため、駆動周波数として上記双方の共振周波数の略中央の周波数を選択して、縦一次振動と屈曲二次振動を同時に発生させている。
しかし、かかる駆動方法の場合は、楕円軌道の回転方向を逆転させるためには、上述したように圧電素子２２の一方の面に複数の電極を形成する必要がある。本実施形態にかかる圧電モーター１は、どちらか一方の振動のみでローター１００を回転させるため、表裏両面に単一の電極を備える圧電素子２２を用いて、左右両方向の回転を可能としている。
【００４４】
図６は、本実施形態にかかる圧電モーター１が備える振動板２１の突出部２３が描く、２種類の軌跡、すなわち突出部２３の変位を示す図である。１０１が、２７９１４３Ｈｚの駆動電圧を印加して得られる縦一次振動の軌跡であり、１０２が２８３４４３Ｈｚの駆動電圧を印加して得られる屈曲二次振動の軌跡である。
図示するように、横軸すなわち振動板２１の短辺方向に対して略４０度の傾きを有している。したがって、突出部２３をローター１００に当接させた場合、該ローターを好適に回転させることができる。
【００４５】
図７は、本実施形態にかかる圧電モーター１が備えるローター１００の回転方向を示す図である。なお、本図では腕部２４及び貫通孔２４１については、図示を省略している。また、突出部２３及びカウンターウェイト２５の説明は省略する。
図７（ａ）は、振動板２１に縦一次振動が発生している場合を示している。縦一次振動の軌跡１０１が右回りの楕円を描くため、ローター１００は左回りに回転する。すなわち正転する。
図７（ｂ）は、振動板２１に屈曲二次振動が発生している場合を示している。屈曲二次振動の軌跡１０２が左回りの楕円を描くため、ローター１００は右回りに回転する。すなわち逆転する。
【００４６】
ここで、本図及び図６に示すように、縦一次振動の軌跡１０１と屈曲二次振動の軌跡１０２は、第２の中心線７２（図４参照）を中心とする略線対称となっている。したがって、ローター１００は、正転時と逆転時の双方の回転時において、略同等の速度等で回転する。
上述したように、本実施形態の圧電モーター１は、駆動電圧の周波数を切り換えることで、縦一次振動と屈曲二次振動とを切り換えることができる。したがって本実施形態の圧電モーター１は、駆動電圧の周波数の切り換えのみで、回転方向の正転と逆転とを切り換えることができる。
【００４７】
＜本実施形態の効果＞
以上述べたように、本実施形態の圧電モーター１は、正転と逆転の双方向の回転が可能である。そのため、ロボット（ロボットハンド）等の往復動作が必要な電子機器の駆動用アクチュエーターとして用いることができる。上述したように、本実施形態の圧電モーター１は、かかる回転方向の切り換えを、駆動電圧の周波数を切り換えることのみで行うことができる。したがって、圧電素子２２の表裏両面に形成する電極（１２１，１２２）も、単一の物（単板）とすることができ、コストを低減できる。
また、本実施形態の圧電モーター１を用いる電子機器も、電極配線及び駆動電圧を印加する電極配線の切り換え機構等を省くことができ、駆動回路等を簡略化できる。したがって、本実施形態の圧電モーター１を用いることで、往復動作が可能な電子機器を低コストで製造することができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として、第１の実施形態にかかる圧電アクチュエーターとしての圧電モーター１と同様の圧電モーターを備えたロボットハンド、及び該ロボットハンドを備えたロボットについて、図８〜図１０を用いて説明する。
【００４９】
図８は、ロボットハンド（２０１，２０２）を備えた、本発明の第２の実施形態にかかるロボット２００の概略を示す図である。ロボット２００は第１のアーム２４０と第２のアーム２５０を備えており、夫々のアーム（２４０，２５０）の先端には、第１のロボットハンド２０１と第２のロボットハンド２０２が配置されている。第１のロボットハンド２０１と第２のロボットハンド２０２とは、互いに略同一の構成を有している。そこで、以降、第１のロボットハンド２０１についてのみ説明する。
【００５０】
図９は、本発明の第２の実施形態にかかるロボットハンド２０１の概略を示す図である。図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、ロボットハンド２０１は、手のひら２２５と、第１の指２１０と第２の指２２０を備えている。第１の指２１０は第１のリンク２１１と第２のリンク２１２で構成され、第２の指２２０は第１のリンク２２１と第２のリンク２２２で構成されている。そしてロボットハンド２０１は、把持するワークの大小により使用するリンク変更可能である。
【００５１】
図９（ａ）は、ロボットハンド２０１が大型ワーク２３３を把持している状態を示している。大型ワーク２３３は、第１の指２１０の第１のリンク２１１と、第２の指２２０の第１のリンク２２１と、で把持されている。そして、第１の指２１０の第２のリンク２１２は第１のリンク２１１の中に格納され、第２の指２２０の第２のリンク２２２は第１のリンク２２１の中に格納されている。
【００５２】
図９（ｂ）は、ロボットハンド２０１が小型ワーク２３４を把持している状態を示している。小型ワーク２３４は、第１の指２１０の第２のリンク２１２と第２の指２２０の第２のリンク２２２とで把持されている。
このように、ロボットハンド２０１は把持するワークにより使用するリンクを変更することで、夫々のワーク（２３３，２３４）を好適に把持できる。そしてロボットハンド２０１は、ワークの把持及び第２のリンク（２１２，２２２）の格納等のために複数の駆動機構としての圧電モーターを備えている。
【００５３】
図１０（ａ）〜（ｄ）は、ロボットハンド２０１が備える第１の指２１０の概略を示す図である。なお、第２の指２２０も同一の構成を有している。図１０（ａ）は、第２のリンク２１２が、第１のリンク２１１に形成された溝２２６（図１０（ｄ）参照）内に格納された状態を示している。図１０（ｂ）は、第２のリンク２１２が第１のリンク２１１から取り出される途中の状態を示している。図１０（ｃ）は、第２のリンク２１２が第１のリンク２１１から取り出された状態を示している。
【００５４】
かかる動作は第２の関節（回転軸）２１５を中心に行われる。そして第１のリンク２１１の開閉動作は第１の関節（回転軸）２１３を中心に行われる。そして各関節（２１３，２１５）には、駆動用のアクチュエーターとして、上述の第１の実施形態にかかる圧電モーター１と同様の構成を有する第１の圧電モーター２１４及び第２の圧電モーター２１６が配置されている。
上述したように、第２のリンク２１２は、小型ワーク２３４を把持するリンクである。したがって第２の圧電モーター２１６には、第１の圧電モーター２１４に比べて小型かつ低トルクの圧電モーターを用いることができる。
【００５５】
このようにロボットハンド２０１は、把持動作を行うためのアクチュエーターとして駆動電圧の周波数の切り換えのみで回転方向を切り換えることが可能な圧電モーター（２１４，２１６）を用いている。したがって、ロボットハンド２０１は複雑な動作が可能であるにもかかわらず、低コストで実現できる。同様に、かかるロボットハンド２０１を備えるロボットも、複雑な作業を実施可能であるにもかかわらず低コストで実現できる。
【００５６】
なお、ロボットハンド（２０１，２０２）のみではなく、第１のアーム２４０及び第２のアーム２５０を駆動するためのアクチュエーターとしても、第１の実施形態にかかる圧電モーター１と同様の構成を有する圧電モーターを用いることができる。
また、圧電モーターを上述のようにロボットハンドの把持動作を行うためのアクチュエーターとして用いる場合、歯車等の増減速手段を介して用いることが好ましい。一般に、圧電モーターの回転数はかなり速いため、リンク（第１のリンク２１１等）の動きに合せて、回転数の減速を要する場合もあり得る。また一方では、回転数の増速を要する場合もあり得る。かかる場合において、圧電モーターを歯車等の増減速手段を介して用いることで、多様な動作を行うロボットハンドのアクチュエーターとして、圧電モーターを好適に利用できる。
【００５７】
本発明の実施の形態は、上述の各実施形態以外にも様々な変形例が考えられる。以下、変形例を挙げて説明する。
【００５８】
（変形例１）
上述したように、振動板２１の形状は図４に示す形状以外にも、色々考えることができる。図１１は変形例１の振動板１５１の平面形状を示す図である。本変形例の振動板１５１は、全体の形状は上述の振動板２１と略同一であり、突出部２３の形状のみが異なっている。
【００５９】
図示するように、振動板１５１の突出部２３は円形ではなく、先端のみが半円形である長尺状の形状を有している。突出部２３の材質は第１の実施形態と同様にアルミナであり、厚さも略同一である。カウンターウェイト２５の形状が変更可能であることは上述したが、このように突出部２３の形状も色々な型に変更可能である。すなわち、突出部２３とカウンターウェイト２５は、双方のバランスが取れる範囲で、色々な形状のものを用いることができる。
【００６０】
（変形例２）
第１の実施形態の圧電モーター１における圧電素子２２は、表裏両面に振動板２１と重なる平面視で長方形の、単板の電極を有している。しかし圧電素子２２の形態はかかる構成に限定されるものではない。例えば、単板の電極の一部をくり貫くようにパターニングして、振動等の検出用の電極を別途配置しても良い。検出用の電極の面積が極小さい物であれば、駆動には殆んど影響を及ぼさない。したがって、振動等の検出が容易であり、かつ、簡略化された駆動回路等を有する低コストの圧電モーターを実現できる。
【００６１】
（変形例３）
上述の第２の実施形態では、第１の実施形態の圧電モーター１を用いる機器として、ロボットハンド２０１及び該ロボットハンドを用いるロボット２００について述べた。しかし、第１の実施形態の圧電モーター１を用いる機器は、ロボット２００に限定される物ではない。時計、ＩＣハンドラー、印刷装置、投薬ポンプ等の各種の機器が考えられる。特にＩＣハンドラーでは、回転方向の変更を頻繁に行う必要があるため、圧電モーター１の特性を効果的に利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１…圧電アクチュエーターとしての圧電モーター、３…支持体、４…基台、２１…振動板、２２…圧電素子、２３…突出部、２４…腕部、２５…カウンターウェイト、２６…ねじ、３１…固定部、３２…スライド部、３３…長孔、３４…ねじ部、３５…ばね取付け部、３６…ばね、３７…係止片、４１…スライド溝、４２…ねじ孔、４３…軸受ピン、４４…軸、７１…第１の中心線、７２…第２の中心線、９７…凹部、１００…ローター、１０１…縦一次振動の軌跡、１０２…屈曲二次振動の軌跡、１２０…圧電体層、１２１…第１電極、１２２…第２電極、１５１…変形例１の振動板、２００…ロボット、２０１…第１のロボットハンド、２０２…第２のロボットハンド、２１０…第１の指、２１１…第１のリンク、２１２…第２のリンク、２１３…第１の関節、２１４…第１の圧電モーター、２１５…第２の関節、２１６…第２の圧電モーター、２２０…第２の指、２２１…第１のリンク、２２２…第２のリンク、２２５…手のひら、２２６…溝、２３３…大型ワーク、２３４…小型ワーク、２４０…第１のアーム、２４１…貫通孔、２５０…第２のアーム、４２１…ねじ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエーター、ロボット及びロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエーターは、高周波の交流電圧等の駆動電圧を機械的振動に変換する圧電素子と、該圧電素子によって駆動される被駆動部材と、を少なくとも有する駆動装置である。圧電モーターは、圧電アクチュエーターの一種である。すなわち圧電モーターは、上述の被駆動部材としてローターを用いた駆動装置であり、圧電素子の振動を回転力として利用可能な駆動装置である。
【０００３】
圧電モーターの用途としては、従来は時計のカレンダー機能等の駆動手段としての用途が知られていた。そして近年、新たな用途として、ロボット（ロボットハンド）の駆動手段としての用途が注目されている。上述のカレンダーの場合、回転の方向は一方向に限定されていたため、圧電モーターの回転方向も一方向（例えば正方向）に固定されていた。一方、ロボットハンドは、複雑な動作が必要であるため、ロボットハンドの駆動手段として用いられる圧電モーターの場合、回転方向が正転（左回転）と逆転（右回転）とが反転可能であることが必要とされる。
【０００４】
圧電モーターの回転方向を変更する手法としては、圧電素子を構成する電極を正転用の電極と逆転用の電極を含む複数の電極で構成して、正転時と逆転時とで駆動電圧を印加する電極を切り換える手法が知られている。また、例えば特許文献１に示すように、１つの圧電素子を、夫々が異なる固有の共振周波数を有する複数の被駆動部と組み合わせる手法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１１１４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし上記の手法のうち、前者の手法は、正転時と逆転時とで夫々専用の電極が必要となり、かつ、駆動電圧を印加する電極を切り換える機構等が別途必要となる。また、後者の手法は、複数個の被駆動部を必要とする。したがってどちらの手法も、圧電アクチュエーターの複雑化及び高コスト化をもたらすという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］本適用例にかかる圧電アクチュエーターは、少なくとも１つの圧電体層と上記圧電体層に駆動電圧を印加可能な電極とを含む圧電素子と、上記圧電素子と積層される短辺と長辺とを有する長方形の板材であり、かつ長辺方向の一方の端部から平面方向に突出する突出部を有する振動板と、上記突出部に当接されるローターと、を少なくとも備える圧電アクチュエーターであって、上記突出部は上記振動板の略中心を通り上記長辺方向に延在する第１の中心線からオフセットされた位置に配置されており、上記振動板は、上記突出部が配置された位置の略対角位置にカウンターウェイトを備えていることを特徴とする。
【０００９】
このような構造の振動板を備える圧電アクチュエーターであれば、縦一次振動の共振点におけるインピーダンスと屈曲二次振動の共振点におけるインピーダンスを、略等しい値に揃えることができる。したがって、２つの共振点における夫々の振動を、上記長辺方向に対して略線対称となる楕円形状とすることができる。そのため、圧電体層に印加する駆動電圧の周波数を切り換えることで、突出部の回転方向の正転と逆転とを切り換えることができる。したがって、構造を複雑化することなく正転と逆転とを切り換え可能な圧電アクチュエーターを実現できる。なお、上述の正転と逆転は、左回転を正転、右回転を逆転と便宜的に定めたものである。
【００１０】
［適用例２］上述の圧電アクチュエーターであって、上記突出部は上記振動板の上記第１の中心線と略平行な第２の中心線を有し、上記ローターの回転軸の中心は上記第２の中心線上に位置していることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【００１１】
このような圧電アクチュエーターであれば、ローターに対して突出部を均等に当接できる。したがって、どちらの方向でも略均等に回転可能な圧電アクチュエーターを実現できる。
【００１２】
［適用例３］上述の圧電アクチュエーターであって、上記圧電素子は単板であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【００１３】
このような圧電アクチュエーターであれば、構成を簡略化でき、低コスト化が可能になる。なお、「単板」とは単一の板状部材であることを示している。
【００１４】
［適用例４］上述の圧電アクチュエーターであって、上記突出部の上記長辺方向の寸法は、上記カウンターウェイトの上記長辺方向の寸法よりも小さいことを特徴とする圧電アクチュエーター。
【００１５】
このような圧電アクチュエーターであれば、圧電素子の長辺方向におけるバランスが向上する。したがって、どちらの方向でも略均等に回転可能な圧電アクチュエーターを実現できる。
【００１６】
［適用例５］上述の圧電アクチュエーターであって、上記振動板の長辺寸法と上記振動板の短辺寸法との比は略７対２であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【００１７】
このような寸法比の振動板であれば、圧電体層に駆動電圧が印加された場合、効率的に振動する。したがって、構造を複雑化することなくどちらの方向でも高いエネルギー変換効率で回転可能な圧電アクチュエーターを実現できる。
【００１８】
［適用例６］本適用例にかかるロボットハンドは、上述の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とする。
【００１９】
このような構成であれば、ワークを把持する指の開閉動作を必要とするロボットハンドを低コストで実現できる。
【００２０】
［適用例７］本適用例にかかるロボットは、上述のロボットハンドを備えたことを特徴とする。
【００２１】
このような構成であれば、ワークを把持する指の開閉動作を必要とするロボットを低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる圧電モーターの概略を示す平面図。
【図２】圧電素子と振動板の積層体及び該積層体を振動可能に支持する支持体等を示す概略斜視図。
【図３】圧電モーターの断面を示す図。
【図４】本実施形態の圧電モーターが備える振動板を、ローターと共に示す平面図。
【図５】振動板のインピーダンス特性を示す図。
【図６】振動板の突出部が描く２種類の軌跡を示す図。
【図７】本実施形態にかかる圧電モーターが備えるローターの回転方向を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態にかかるロボットの概略を示す図。
【図９】本発明の第２の実施形態にかかるロボットハンドの概略を示す図。
【図１０】ロボットハンドが備える第１の指の概略を示す図。
【図１１】変形例の振動板平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態にかかる圧電アクチュエーター、すなわち回転方向を正転／逆転に変換可能な圧電モーター１について、図面を参照しつつ述べる。なお本発明の実施の形態は、以下の各図に示す構造、形状に限定されるものではない。また、以下の各図においては、各構成要素を図面で認識可能な程度の寸法とするため、該構成要素の縮尺を実際とは異ならせてある。
【００２４】
（第１の実施形態）
＜圧電モーター＞
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる圧電アクチュエーターとしての圧電モーター１の概略を示す平面図である。図２は、圧電モーター１の構成要素である圧電素子２２と振動板２１、及び圧電素子２２と振動板２１の積層体を振動可能に支持する支持体３等を示す概略斜視図である。そして図３は、圧電モーター１の図１のＡ−Ａ’線における断面を示す断面図である。
【００２５】
図１に示すように、圧電モーター１は、上述の圧電素子２２と振動板２１との積層体と、該積層体を支持する支持体３と、被駆動部材であるローター１００と、を、少なくとも構成要素として備えている。そして、かかる複数の構成要素は、基台４の一方の面上に配置されている。
【００２６】
図２に示すように、圧電素子２２及び振動板２１は平面視で短辺と長辺とを有する長方形の板材である。そして圧電素子２２は、振動板２１の表裏両面に配置されている。圧電素子２２は、圧電体層１２０と該圧電体層の表裏両面に形成された一対の電極とで構成されている。振動板２１側の電極が第１電極１２１であり、もう一方の電極が第２電極１２２である。なお、双方の電極（１２１，１２２）には、該電極と圧電モーター１を駆動用アクチュエーターとして用いる電子機器の制御回路との間を接続する電極配線が接続されている。本図及び後述する各図では、かかる電極配線の図示を省略している。
【００２７】
圧電体層１２０の材料は特に限定されておらず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種の材料を用いることができる。双方の電極（１２１，１２２）の材料も特に限定されておらず、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）等を用いることができる。電極の形成方法は、めっき、スパッタ、蒸着等の方法を用いることができる。
【００２８】
本実施形態の圧電素子２２は、単板である。単板とは、上述の圧電体層１２０と電極（１２１，１２２）の双方が分割されていないことを示している。すなわち、圧電体層１２０は振動板２１と重なる長方形であり、一対の電極（１２１，１２２）は、該圧電体層の全面に形成されている。そのため、圧電モーター１の動作時には、圧電体層１２０の全域に同一の駆動電圧が印加されている。したがって、圧電体層１２０に局所的に、すなわち領域毎に駆動電圧を印加することができない。本実施形態の圧電モーター１は、振動板２１等の形状等を工夫することで、かかる全面に形成された、すなわち分割されていない電極（１２１，１２２）を有する圧電素子２２を用いて、双方向の回転を可能にしている。
【００２９】
振動板２１には、夫々の長辺から短辺方向の外側に突出する腕部２４が一体的に形成されている。そして夫々の腕部２４の端部には、貫通孔２４１が形成されている。支持体３は、振動板２１が固定される一対の固定部３１と、双方の固定部３１の間に該固定部と一体的に形成されるスライド部３２とを備えている。固定部３１には、腕部２４の貫通孔２４１に対応する位置にねじ部３４が形成されている。このねじ部３４に貫通孔２４１を貫通してねじ２６が螺合されることにより、振動板２１（より具体的には、圧電素子２２と振動板２１の積層体）は固定部３１に固定される。
【００３０】
図３に示すように、スライド部３２は、基台４に凹状に形成されたスライド溝４１に配置されている。また、スライド部３２の幅方向略中央には、ローター１００に対する突出部２３の当接方向に沿って長孔３３が（２箇所）形成されている。長孔３３には、ねじ４２１が貫通している。そして、ねじ４２１は、基台４に形成されたねじ孔４２に螺合されている。かかる構成により、支持体３は、基台４に、長孔３３の長手方向にスライド可能に支持されている。したがって、支持体３の固定部３１に固定される振動板２１（より具体的には、圧電素子２２と振動板２１の積層体）は、ローター１００の中心方向に向かって移動可能である。
【００３１】
ここで、固定部３１とスライド部３２とは、段差を有するように形成されている。したがって、固定部３１を凸部と考えた場合、スライド部３２は凹状部分となる。かかる構成により、振動板２１が固定部３１に取り付けられた時に、圧電素子２２と振動板２１との積層体とスライド部３２との間には間隙が確保される。したがって、圧電素子２２に駆動電圧が印加され上述の積層体が振動しても、スライド部３２を貫通するねじ４２１に干渉しない。
【００３２】
そして、図１及び図３に示すように、支持体３の両側の固定部３１において、ローター１００側とは反対の端部側面には、円柱状に突出したばね取付け部３５がそれぞれ形成されている。このばね取付け部３５には、ばね３６の一端が挿入されている。そしてばね３６の他端は、基台４に設けられた係止片３７に固定されている。そしてばね３６は、その伸縮方向が振動板２１の長辺方向と略平行となるように配置されている。かかるばね３６のばね力により、後述する突出部２３は、ローター１００に好適な付勢力で押しつけられる。
【００３３】
図１、及び図２に示すように、振動板２１のローター１００側の短辺には、突出部（摺動部）２３が、該ローターに当接するように配置されている。振動板２１のもう一方の短辺には、振動板２１の一部を突出させたカウンターウェイト２５が、腕部２４と同様に一体的に形成されている。「一体的」とは、板材をプレス加工等で成型して振動板２１とする際に、腕部２４とカウンターウェイト２５が連続するように形成されていることを示している。かかる一体的に形成（成型）された部材のうち、本実施形態においては、圧電素子２２と重なる平面視で長方形の部分を振動板２１と定義している。なお、突出部２３は、振動板２１と一体的には形成されていない。
【００３４】
ローター１００は直径が略６．０ｍｍであり、ＳＵＳ４４０Ｃ等の硬度の高い材料で形成されており、外周に沿って断面円弧状の凹部９７が形成されている。そしてローター１００は軸４４を有しており、基台４における上述の一方の面に対して垂直方向に形成された軸受ピン４３で回転可能に支持されている。
突出部２３は、かかる凹部９７に当接されている。後述するように、圧電素子２２に駆動電圧が印加されると、該圧電素子及び振動板２１は振動する。その結果、振動板２１から突出した部分である突出部２３は、楕円軌道を描くように振動する。ローター１００は、かかる楕円軌道を描く振動により回転する。
【００３５】
＜振動板＞
図４は、本実施形態の圧電モーター１が備える振動板２１を、ローター１００と共に示す平面図である。なお、凹部９７の図示は省略している。
振動板２１は、厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ３０１からなり、横（Ｘ）方向の寸法が略２．０ｍｍ、縦（Ｙ）方向の寸法が略７．０ｍｍである。したがって、アスペクト比すなわち縦寸法と横寸法の比は、７：２である。
【００３６】
突出部２３とカウンターウェイト２５は、振動板２１の対角線上の角部に、すなわち平面視で互いに対角となる位置に、双方の外側の輪郭線が振動板２１の長辺と連続するように配置（形成）されている。すなわち、突出部２３とカウンターウェイト２５は、振動板２１の長辺方向の中心線である第１の中心線７１からオフセットされた位置に配置（形成）されている。
【００３７】
突出部２３は、厚さが略０．５ｍｍで直径Ｒが略１．０ｍｍのアルミナからなる円形部材を、振動板２１の短辺に半円が突出するように接着して形成されている。したがって、振動板２１の突出部２３は接着されている側の角部は、半円形にくり抜かれている。上記の円形部材のうち、振動板２１の短辺側、すなわち長辺方向の端部から突出する部分が突出部２３である。したがって、突出部２３の長辺方向の寸法は、略０．５ｍｍである。なお、振動板２１と突出部２３とは、エポキシ樹脂等の接着剤で接着されている。
【００３８】
突出部２３は、振動板２１の第１の中心線７１と平行な第２の中心線７２を有しており、該第２の中心線に対してＸ方向で対称の形状を有している。ローター１００の中心は、第２の中心線７２上に位置している。すなわち、支持体３とローター１００は、支持体３で支持される振動板２１とローター１００の中心とが上記の位置関係となるように、基台４上に配置されている。
【００３９】
カウンターウェイト２５の寸法は、短辺方向（Ｘ方向）の寸法Ｗが略０．５ｍｍ、長辺方向（Ｙ方向）の寸法Ｌが略１．０ｍｍであり、短辺寸法と長辺寸法の比が１：２となっている。このよう、カウンターウェイト２５は長辺方向に細長く形成され、先端が振動板２１の中心（重心）から離れた位置に達している。そのため、振動板２１が振動する際に突出部２３とのバランスを効果的に取る（得る）ことができる。
また、カウンターウェイト２５の長辺方向の寸法Ｌ（略１．０ｍｍ）は、突出部２３の長辺方向の寸法（略０．５ｍｍ）よりも大きい。かかる寸法比も、振動板２１が振動する際のバランスの確保に寄与している。
【００４０】
なお、カウンターウェイト２５の横寸法と縦寸法の比は、上述の値に限定されるものではない。横寸法に比べて縦寸法が大きければ、充分に効果を発揮することができる。また、縦寸法が横寸法の２倍を超えても良い。また、縦寸法が横寸法よりも小さくても、カウンターウェイト２５の全体の面積を大きくすることで、突出部２３とのバランスを取ることもできる。
【００４１】
図５は、図４に示す形状の振動板２１のインピーダンス特性（周波数−インピーダンス特性）を示す図である。横軸に駆動周波数（圧電素子２２に印加される駆動電圧すなわち交流電圧の周波数）を示し、縦軸にインピーダンスを示している。
【００４２】
図示するように、駆動周波数に対するインピーダンスが極小である共振点が２点現れている。２点の共振点のうち周波数の低い方が縦一次振動の共振点であり、周波数の高い方が屈曲二次振動の共振点である。そして、双方の共振点におけるインピーダンスは略等しい値となっている。発明者は、振動板２１の形状等、及び該振動板に配置等される突出部２３とカウンターウェイト２５の形状等を工夫することで、上記双方のインピーダンス値を揃えることに成功した。そして、上記２つの振動のうちの一方の振動のみで、突出部２３に好適な楕円軌道を描かせることに成功した。
【００４３】
ここで、縦一次振動とは圧電素子２２が長辺方向に伸縮する振動であり、屈曲二次振動とは圧電素子２２が短辺方向、すなわち長辺方向に略直交する方向に屈曲する振動である。一般の回転駆動する圧電アクチュエーターすなわち圧電モーター１においては、上記双方の振動を合成することで、突出部２３に、楕円軌道を描く振動を発生させている。そのため、駆動周波数として上記双方の共振周波数の略中央の周波数を選択して、縦一次振動と屈曲二次振動を同時に発生させている。
しかし、かかる駆動方法の場合は、楕円軌道の回転方向を逆転させるためには、上述したように圧電素子２２の一方の面に複数の電極を形成する必要がある。本実施形態にかかる圧電モーター１は、どちらか一方の振動のみでローター１００を回転させるため、表裏両面に単一の電極を備える圧電素子２２を用いて、左右両方向の回転を可能としている。
【００４４】
図６は、本実施形態にかかる圧電モーター１が備える振動板２１の突出部２３が描く、２種類の軌跡、すなわち突出部２３の変位を示す図である。１０１が、２７９１４３Ｈｚの駆動電圧を印加して得られる縦一次振動の軌跡であり、１０２が２８３４４３Ｈｚの駆動電圧を印加して得られる屈曲二次振動の軌跡である。
図示するように、横軸すなわち振動板２１の短辺方向に対して略４０度の傾きを有している。したがって、突出部２３をローター１００に当接させた場合、該ローターを好適に回転させることができる。
【００４５】
図７は、本実施形態にかかる圧電モーター１が備えるローター１００の回転方向を示す図である。なお、本図では腕部２４及び貫通孔２４１については、図示を省略している。また、突出部２３及びカウンターウェイト２５の説明は省略する。
図７（ａ）は、振動板２１に縦一次振動が発生している場合を示している。縦一次振動の軌跡１０１が右回りの楕円を描くため、ローター１００は左回りに回転する。すなわち正転する。
図７（ｂ）は、振動板２１に屈曲二次振動が発生している場合を示している。屈曲二次振動の軌跡１０２が左回りの楕円を描くため、ローター１００は右回りに回転する。すなわち逆転する。
【００４６】
ここで、本図及び図６に示すように、縦一次振動の軌跡１０１と屈曲二次振動の軌跡１０２は、第２の中心線７２（図４参照）を中心とする略線対称となっている。したがって、ローター１００は、正転時と逆転時の双方の回転時において、略同等の速度等で回転する。
上述したように、本実施形態の圧電モーター１は、駆動電圧の周波数を切り換えることで、縦一次振動と屈曲二次振動とを切り換えることができる。したがって本実施形態の圧電モーター１は、駆動電圧の周波数の切り換えのみで、回転方向の正転と逆転とを切り換えることができる。
【００４７】
＜本実施形態の効果＞
以上述べたように、本実施形態の圧電モーター１は、正転と逆転の双方向の回転が可能である。そのため、ロボット（ロボットハンド）等の往復動作が必要な電子機器の駆動用アクチュエーターとして用いることができる。上述したように、本実施形態の圧電モーター１は、かかる回転方向の切り換えを、駆動電圧の周波数を切り換えることのみで行うことができる。したがって、圧電素子２２の表裏両面に形成する電極（１２１，１２２）も、単一の物（単板）とすることができ、コストを低減できる。
また、本実施形態の圧電モーター１を用いる電子機器も、電極配線及び駆動電圧を印加する電極配線の切り換え機構等を省くことができ、駆動回路等を簡略化できる。したがって、本実施形態の圧電モーター１を用いることで、往復動作が可能な電子機器を低コストで製造することができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として、第１の実施形態にかかる圧電アクチュエーターとしての圧電モーター１と同様の圧電モーターを備えたロボットハンド、及び該ロボットハンドを備えたロボットについて、図８〜図１０を用いて説明する。
【００４９】
図８は、ロボットハンド（２０１，２０２）を備えた、本発明の第２の実施形態にかかるロボット２００の概略を示す図である。ロボット２００は第１のアーム２４０と第２のアーム２５０を備えており、夫々のアーム（２４０，２５０）の先端には、第１のロボットハンド２０１と第２のロボットハンド２０２が配置されている。第１のロボットハンド２０１と第２のロボットハンド２０２とは、互いに略同一の構成を有している。そこで、以降、第１のロボットハンド２０１についてのみ説明する。
【００５０】
図９は、本発明の第２の実施形態にかかるロボットハンド２０１の概略を示す図である。図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、ロボットハンド２０１は、手のひら２２５と、第１の指２１０と第２の指２２０を備えている。第１の指２１０は第１のリンク２１１と第２のリンク２１２で構成され、第２の指２２０は第１のリンク２２１と第２のリンク２２２で構成されている。そしてロボットハンド２０１は、把持するワークの大小により使用するリンク変更可能である。
【００５１】
図９（ａ）は、ロボットハンド２０１が大型ワーク２３３を把持している状態を示している。大型ワーク２３３は、第１の指２１０の第１のリンク２１１と、第２の指２２０の第１のリンク２２１と、で把持されている。そして、第１の指２１０の第２のリンク２１２は第１のリンク２１１の中に格納され、第２の指２２０の第２のリンク２２２は第１のリンク２２１の中に格納されている。
【００５２】
図９（ｂ）は、ロボットハンド２０１が小型ワーク２３４を把持している状態を示している。小型ワーク２３４は、第１の指２１０の第２のリンク２１２と第２の指２２０の第２のリンク２２２とで把持されている。
このように、ロボットハンド２０１は把持するワークにより使用するリンクを変更することで、夫々のワーク（２３３，２３４）を好適に把持できる。そしてロボットハンド２０１は、ワークの把持及び第２のリンク（２１２，２２２）の格納等のために複数の駆動機構としての圧電モーターを備えている。
【００５３】
図１０（ａ）〜（ｄ）は、ロボットハンド２０１が備える第１の指２１０の概略を示す図である。なお、第２の指２２０も同一の構成を有している。図１０（ａ）は、第２のリンク２１２が、第１のリンク２１１に形成された溝２２６（図１０（ｄ）参照）内に格納された状態を示している。図１０（ｂ）は、第２のリンク２１２が第１のリンク２１１から取り出される途中の状態を示している。図１０（ｃ）は、第２のリンク２１２が第１のリンク２１１から取り出された状態を示している。
【００５４】
かかる動作は第２の関節（回転軸）２１５を中心に行われる。そして第１のリンク２１１の開閉動作は第１の関節（回転軸）２１３を中心に行われる。そして各関節（２１３，２１５）には、駆動用のアクチュエーターとして、上述の第１の実施形態にかかる圧電モーター１と同様の構成を有する第１の圧電モーター２１４及び第２の圧電モーター２１６が配置されている。
上述したように、第２のリンク２１２は、小型ワーク２３４を把持するリンクである。したがって第２の圧電モーター２１６には、第１の圧電モーター２１４に比べて小型かつ低トルクの圧電モーターを用いることができる。
【００５５】
このようにロボットハンド２０１は、把持動作を行うためのアクチュエーターとして駆動電圧の周波数の切り換えのみで回転方向を切り換えることが可能な圧電モーター（２１４，２１６）を用いている。したがって、ロボットハンド２０１は複雑な動作が可能であるにもかかわらず、低コストで実現できる。同様に、かかるロボットハンド２０１を備えるロボットも、複雑な作業を実施可能であるにもかかわらず低コストで実現できる。
【００５６】
なお、ロボットハンド（２０１，２０２）のみではなく、第１のアーム２４０及び第２のアーム２５０を駆動するためのアクチュエーターとしても、第１の実施形態にかかる圧電モーター１と同様の構成を有する圧電モーターを用いることができる。
また、圧電モーターを上述のようにロボットハンドの把持動作を行うためのアクチュエーターとして用いる場合、歯車等の増減速手段を介して用いることが好ましい。一般に、圧電モーターの回転数はかなり速いため、リンク（第１のリンク２１１等）の動きに合せて、回転数の減速を要する場合もあり得る。また一方では、回転数の増速を要する場合もあり得る。かかる場合において、圧電モーターを歯車等の増減速手段を介して用いることで、多様な動作を行うロボットハンドのアクチュエーターとして、圧電モーターを好適に利用できる。
【００５７】
本発明の実施の形態は、上述の各実施形態以外にも様々な変形例が考えられる。以下、変形例を挙げて説明する。
【００５８】
（変形例１）
上述したように、振動板２１の形状は図４に示す形状以外にも、色々考えることができる。図１１は変形例１の振動板１５１の平面形状を示す図である。本変形例の振動板１５１は、全体の形状は上述の振動板２１と略同一であり、突出部２３の形状のみが異なっている。
【００５９】
図示するように、振動板１５１の突出部２３は円形ではなく、先端のみが半円形である長尺状の形状を有している。突出部２３の材質は第１の実施形態と同様にアルミナであり、厚さも略同一である。カウンターウェイト２５の形状が変更可能であることは上述したが、このように突出部２３の形状も色々な型に変更可能である。すなわち、突出部２３とカウンターウェイト２５は、双方のバランスが取れる範囲で、色々な形状のものを用いることができる。
【００６０】
（変形例２）
第１の実施形態の圧電モーター１における圧電素子２２は、表裏両面に振動板２１と重なる平面視で長方形の、単板の電極を有している。しかし圧電素子２２の形態はかかる構成に限定されるものではない。例えば、単板の電極の一部をくり貫くようにパターニングして、振動等の検出用の電極を別途配置しても良い。検出用の電極の面積が極小さい物であれば、駆動には殆んど影響を及ぼさない。したがって、振動等の検出が容易であり、かつ、簡略化された駆動回路等を有する低コストの圧電モーターを実現できる。
【００６１】
（変形例３）
上述の第２の実施形態では、第１の実施形態の圧電モーター１を用いる機器として、ロボットハンド２０１及び該ロボットハンドを用いるロボット２００について述べた。しかし、第１の実施形態の圧電モーター１を用いる機器は、ロボット２００に限定される物ではない。時計、ＩＣハンドラー、印刷装置、投薬ポンプ等の各種の機器が考えられる。特にＩＣハンドラーでは、回転方向の変更を頻繁に行う必要があるため、圧電モーター１の特性を効果的に利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１…圧電アクチュエーターとしての圧電モーター、３…支持体、４…基台、２１…振動板、２２…圧電素子、２３…突出部、２４…腕部、２５…カウンターウェイト、２６…ねじ、３１…固定部、３２…スライド部、３３…長孔、３４…ねじ部、３５…ばね取付け部、３６…ばね、３７…係止片、４１…スライド溝、４２…ねじ孔、４３…軸受ピン、４４…軸、７１…第１の中心線、７２…第２の中心線、９７…凹部、１００…ローター、１０１…縦一次振動の軌跡、１０２…屈曲二次振動の軌跡、１２０…圧電体層、１２１…第１電極、１２２…第２電極、１５１…変形例１の振動板、２００…ロボット、２０１…第１のロボットハンド、２０２…第２のロボットハンド、２１０…第１の指、２１１…第１のリンク、２１２…第２のリンク、２１３…第１の関節、２１４…第１の圧電モーター、２１５…第２の関節、２１６…第２の圧電モーター、２２０…第２の指、２２１…第１のリンク、２２２…第２のリンク、２２５…手のひら、２２６…溝、２３３…大型ワーク、２３４…小型ワーク、２４０…第１のアーム、２４１…貫通孔、２５０…第２のアーム、４２１…ねじ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体層と前記圧電体層に駆動電圧を印加可能な電極とを含む圧電素子と、前記圧電素子と積層される短辺と長辺とを有する長方形の板材であり、かつ長辺方向の一方の端部から平面方向に突出する突出部を有する振動板と、前記突出部に当接されるローターと、を備える圧電アクチュエーターであって、
前記突出部は前記振動板の略中心を通り前記長辺方向に延在する第１の中心線からオフセットされた位置に配置されており、前記振動板は、前記突出部が配置された位置の略対角位置にカウンターウェイトを備えていることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記突出部は前記振動板の前記第１の中心線と略平行な第２の中心線を有し、前記ローターの回転軸の中心は前記第２の中心線上に位置していることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記圧電素子は単板であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記突出部の前記長辺方向の寸法は、前記カウンターウェイトの前記長辺方向の寸法よりも小さいことを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記振動板の長辺寸法と前記振動板の短辺寸法との比は略７対２であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とするロボットハンド。
【請求項７】
請求項６に記載のロボットハンドを備えたことを特徴とするロボット。
【請求項１】
圧電体層と前記圧電体層に駆動電圧を印加可能な電極とを含む圧電素子と、前記圧電素子と積層される短辺と長辺とを有する長方形の板材であり、かつ長辺方向の一方の端部から平面方向に突出する突出部を有する振動板と、前記突出部に当接されるローターと、を備える圧電アクチュエーターであって、
前記突出部は前記振動板の略中心を通り前記長辺方向に延在する第１の中心線からオフセットされた位置に配置されており、前記振動板は、前記突出部が配置された位置の略対角位置にカウンターウェイトを備えていることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記突出部は前記振動板の前記第１の中心線と略平行な第２の中心線を有し、前記ローターの回転軸の中心は前記第２の中心線上に位置していることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記圧電素子は単板であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記突出部の前記長辺方向の寸法は、前記カウンターウェイトの前記長辺方向の寸法よりも小さいことを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電アクチュエーターであって、
前記振動板の長辺寸法と前記振動板の短辺寸法との比は略７対２であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とするロボットハンド。
【請求項７】
請求項６に記載のロボットハンドを備えたことを特徴とするロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２１００５３（Ｐ２０１２−２１００５３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７３５６０（Ｐ２０１１−７３５６０）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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