特開 2024-86055 圧電駆動装置およびロボットシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024086055

(43)【公開日】2024-06-27

(54)【発明の名称】圧電駆動装置およびロボットシステム

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/04 20060101AFI20240620BHJP

   B25J 19/00 20060101ALI20240620BHJP

【ＦＩ】

H02N2/04

B25J19/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022200939

(22)【出願日】2022-12-16

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】梶野 喜一

(72)【発明者】

【氏名】露木 幸一郎

(72)【発明者】

【氏名】岡前 雄大

【テーマコード（参考）】

3C707

5H681

【Ｆターム（参考）】

3C707BS12

3C707BT12

3C707DS01

3C707HS29

5H681AA12

5H681BB02

5H681BB13

5H681BB14

5H681BC08

5H681CC02

5H681DD23

5H681DD55

5H681DD73

5H681EE10

(57)【要約】

【課題】被駆動部への溝の発現を抑制することができる圧電駆動装置およびロボットシステムを提供する。
【解決手段】圧電駆動装置は、圧電素子を備え前記圧電素子への通電により振動する振動部と、前記振動部に配置され、被駆動部に駆動力を伝達する凸部と、を有する振動体と、前記振動体を間に挟み込んで配置され、前記凸部を前記被駆動体に向けて付勢する第１付勢部および第２付勢部と、を有し、前記第１付勢部、前記振動体および前記第２付勢部が重なる方向を厚さ方向としたとき、前記第１付勢部および前記第２付勢部は、それぞれ、前記厚さ方向に重なる複数の板状バネ部を備えている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電素子を備え前記圧電素子への通電により振動する振動部と、前記振動部に配置され、被駆動部に駆動力を伝達する凸部と、を有する振動体と、
前記振動体を間に挟み込んで配置され、前記凸部を前記被駆動体に向けて付勢する第１付勢部および第２付勢部と、を有し、
前記第１付勢部、前記振動体および前記第２付勢部が重なる方向を厚さ方向としたとき、前記第１付勢部および前記第２付勢部は、それぞれ、前記厚さ方向に重なる複数の板状バネ部を備えていることを特徴とする圧電駆動装置。

【請求項2】

前記厚さ方向に隣り合う前記板状バネ部は、離間して配置されている請求項１に記載の圧電駆動装置。

【請求項3】

前記第１付勢部および前記第２付勢部は、それぞれ、前記厚さ方向に重なる２つの前記板状バネ部を備えている請求項１に記載の圧電駆動装置。

【請求項4】

前記第１付勢部および前記第２付勢部は、それぞれ、前記厚さ方向に重なる３つの前記板状バネ部を備えている請求項１に記載の圧電駆動装置。

【請求項5】

前記第１付勢部および前記第２付勢部は、互いに異なる数の前記板状バネ部を備えている請求項１に記載の圧電駆動装置。

【請求項6】

前記第１付勢部および前記第２付勢部は、前記板状バネ部が接続され、前記振動体を支持する支持部を有し、
前記支持部には、溝が形成されている請求項１に記載の圧電駆動装置。

【請求項7】

ロボットアームを備えるロボットと、
前記ロボットアームに装着されている移動ステージと、
前記移動ステージに装着されている工具と、を有し、
前記移動ステージは、請求項１ないし６のいずれか１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システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電駆動装置およびロボットシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に記載された圧電モーターは、フレームと、フレーム内に並んで配置された第１、第２圧電アクチュエーターと、第１、第２圧電アクチュエーターの間に位置し、これらを離間する方向に付勢する一対のばね荷重支持体と、第１圧電アクチュエーターとフレームとの間に位置するローラーと、第２圧電アクチュエーターとフレームとの間に位置するローラーと、第１、第２圧電アクチュエーターを被駆動体に押し付けるばね荷重戻り支持体と、を有する。このような圧電モーターは、第１、第２圧電アクチュエーターを駆動してその先端部に配置された硬質セラミックチップを楕円運動させることにより、被駆動体を押し出して所定方向にスライド移動させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１２６０４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の圧電モーターでは、フレームによって第１、第２圧電アクチュエーターの厚さ方向への変位が規制されているため、硬質セラミックチップは、実質的に被駆動体の駆動方向にのみ振動する。そのため、圧電モーターの駆動を続けると、硬質セラミックチップとの摩擦によって被駆動体の同じ部分が摩耗し続け、被駆動体に駆動方向に沿った溝（轍）が形成される。このような溝が形成されると、溝が抵抗となって駆動力が低下するおそれがある。また、被駆動体の消耗を早め、圧電モーターが短命となるおそれもある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の圧電駆動装置は、圧電素子を備え前記圧電素子への通電により振動する振動部と、前記振動部に配置され、被駆動部に駆動力を伝達する凸部と、を有する振動体と、
前記振動体を間に挟み込んで配置され、前記凸部を前記被駆動体に向けて付勢する第１付勢部および第２付勢部と、を有し、
前記第１付勢部、前記振動体および前記第２付勢部が重なる方向を厚さ方向としたとき、
前記第１付勢部および前記第２付勢部は、それぞれ、前記厚さ方向に重なる複数の板状バネ部を備えている。

【0006】

本発明のロボットシステムは、ロボットアームを備えるロボットと、
前記ロボットアームに装着されている移動ステージと、
前記移動ステージに装着されている工具と、を有し、
前記移動ステージは、上記の圧電駆動装置を備えている。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態に係る圧電モーターを示す平面図である。

【図2】圧電駆動装置の分解斜視図である。

【図3】圧電アクチュエーターの平面図である。

【図4】圧電駆動装置の断面図である。

【図5】圧電アクチュエーターに印加する駆動信号を示す図である。

【図6】圧電アクチュエーターの駆動状態を示す平面図である。

【図7】圧電アクチュエーターの駆動状態を示す平面図である。

【図8】比較対象としての圧電駆動装置の分解斜視図である。

【図9】図８に示す圧電駆動装置の問題点を説明するための断面図である。

【図10】第２実施形態に係る圧電駆動装置の断面図である。

【図11】第３実施形態に係る圧電駆動装置の断面図である。

【図12】第４実施形態に係る圧電駆動装置の分解斜視図である。

【図13】第５実施形態に係るロボットシステムの全体構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本発明の圧電駆動装置およびロボットシステムを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

【0009】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る圧電モーターを示す平面図である。図２は、圧電駆動装置の分解斜視図である。図３は、圧電アクチュエーターの平面図である。図４は、圧電駆動装置の断面図である。図５は、圧電アクチュエーターに印加する駆動信号を示す図である。図６および図７は、それぞれ、圧電アクチュエーターの駆動状態を示す平面図である。図８は、比較対象としての圧電駆動装置の分解斜視図である。図９は、図８に示す圧電駆動装置の問題点を説明するための断面図である。

【0010】

なお、各図に互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を示し、以下では、Ｘ軸に沿う方向をＸ軸方向、Ｙ軸に沿う方向をＹ軸方向、Ｚ軸に沿う方向をＺ軸方向とも言う。また、各軸の矢印側を「プラス側」とも言い、矢印と反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｚ軸方向プラス側を「上」、マイナス側を「下」とも言い、Ｘ軸方向プラス側を「先端」、マイナス側を「基端」とも言う。

【0011】

図１に示すように、圧電モーター１は、Ｙ軸方向に直線移動する被駆動部としてのスライダー２と、スライダー２の側面２１に当接する圧電駆動装置３と、圧電駆動装置３の駆動を制御する制御装置９と、を有する。このような圧電モーター１では、圧電駆動装置３の駆動力がスライダー２に伝わり、スライダー２がＹ軸方向に直線移動する。

【0012】

ただし、圧電モーター１の構成は、特に限定されない。例えば、スライダー２に対して複数の圧電駆動装置３を配置し、複数の圧電駆動装置３の駆動によってスライダー２を直線移動させてもよい。また、圧電駆動装置３は、スライダー２の側面２１ではなく、表面や裏面に当接していてもよい。また、被駆動部は、スライダー２のような直線移動するものではなく、ローターのように回転するものであってもよい。

【0013】

また、図２に示すように、圧電駆動装置３は、振動体である圧電アクチュエーター４と、圧電アクチュエーター４を間に挟み込んで配置された第１付勢部６および第２付勢部７と、を有する。

【0014】

また、図３に示すように、圧電アクチュエーター４は、振動部４１と、振動部４１を支持する支持部４２と、振動部４１と支持部４２とを接続する接続部４３と、振動部４１の先端部に固定され、振動部４１の振動をスライダー２に伝達する凸部４４と、を有する。

【0015】

振動部４１は、Ｚ軸方向を厚さ方向とし、Ｘ軸およびＹ軸を含むＸ－Ｙ平面に広がる板状である。また、振動部４１は、平面視で、伸縮方向であるＸ軸方向を長手とする矩形である。また、振動部４１は、Ｘ軸方向に伸縮しながらＹ軸方向に屈曲することによりＳ字状に屈曲振動する。ただし、振動部４１の形状は、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。

【0016】

また、振動部４１は、振動部４１を屈曲振動させる圧電素子４Ａ～４Ｆを有する。振動部４１の中央部には圧電素子４Ａ、４ＢがＸ軸方向に並んで配置されている。また、圧電素子４Ａ、４ＢのＹ軸方向プラス側には圧電素子４Ｃ、４ＤがＸ軸方向に並んで配置され、Ｙ軸方向マイナス側には圧電素子４Ｅ、４ＦがＸ軸方向に並んで配置されている。これら圧電素子４Ａ～４Ｆは、それぞれ、通電によってＸ軸方向に伸縮する。ただし、駆動用の圧電素子の数や配置は、振動部４１を屈曲振動させることができれば、特に限定されない。

【0017】

図２に示すように、振動部４１は、圧電素子４Ａ～４Ｆを備える圧電素子層４８を一対の基板４９、４９で挟み込んだ構成である。各基板４９は、例えば、シリコン基板である。また、圧電素子４Ａ～４Ｆは、圧電体を一対の電極で挟み込んだ構成である。

【0018】

圧電体の構成材料としては、特に限定されず、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、スカンジウムニオブ酸鉛等の圧電セラミックスを用いることができる。また、圧電体としては、上述した圧電セラミックスの他にも、ポリフッ化ビニリデン、水晶等を用いてもよい。

【0019】

また、圧電体の形成方法としては、特に限定されず、バルク材料から形成してもよいし、ゾル－ゲル法やスパッタリング法を用いて形成してもよい。本実施形態では、圧電体をゾル－ゲル法を用いて形成している。これにより、例えば、バルク材料から形成する場合と比べて薄い圧電体が得られ、圧電アクチュエーター４の薄型化を図ることができる。

【0020】

凸部４４は、振動部４１の先端部に設けられ、振動部４１からＸ軸方向プラス側へ突出している。そして、凸部４４の先端部は、第１、第２付勢部６、７によってスライダー２の側面２１に押し付けられている。そのため、振動部４１の振動は、凸部４４を介してスライダー２に伝達される。凸部４４の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、ジルコニア、アルミナ、チタニア等の各種セラミックスが挙げられる。これにより、耐久性に優れた凸部４４となる。なお、図面では凸部先端が平面に描かれているが、曲面であってもよい。

【0021】

支持部４２は、振動部４１を支持する。図３に示すように、支持部４２は、振動部４１の三方を囲むＵ形状である。また、図２に示すように、支持部４２は、圧電素子層４８とほぼ同じ厚さのスペーサー４７を一対の基板４９、４９で挟み込んだ構成である。ただし、支持部４２の構成は、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。

【0022】

また、図３に示すように、接続部４３は、振動部４１の屈曲振動の節となる部分、具体的にはＸ軸方向の中央部と支持部４２とを接続している。接続部４３は、振動部４１のＹ軸方向プラス側に位置し、振動部４１と支持部４２とを接続する第１接続部４３１と、振動部４１のＹ軸方向マイナス側に位置し、振動部４１と支持部４２とを接続する第２接続部４３２と、を有する。ただし、接続部４３の構成は、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。

【0023】

以上のような圧電アクチュエーター４は、第１、第２付勢部６、７によってスライダー２に向けて付勢され、これにより、凸部４４がスライダー２の側面２１に押し当てられている。図２に示すように、第１付勢部６は、圧電アクチュエーター４の上側に位置し、第２付勢部７は、圧電アクチュエーター４の下側に位置している。

【0024】

第１付勢部６は、互いに同じ構成をなす２枚の板材６Ａ、６Ｂの積層体で構成されている。具体的には、圧電アクチュエーター４の上側に板材６Ａが配置され、板材６Ａの上側に板材６Ｂが配置されている。板材６Ａ、６Ｂは、それぞれ、圧電アクチュエーター４を支持する支持部６１と、圧電駆動装置３をステージＳＴに固定する基台６２と、支持部６１と基台６２とを接続する複数の板状バネ部６３と、を有する。基台６２には、圧電駆動装置３をステージＳＴに固定するためのネジＮを挿通するネジ挿通孔６２１が２つ形成されている。また、複数の板状バネ部６３は、Ｘ軸方向に等間隔に並んで配置されている。

【0025】

そして、図４に示すように、板材６Ａ、６Ｂの支持部６１同士および基台６２同士が接合部材Ｂで接合されている。これにより、板材６Ａ、６Ｂが一体化し、１枚の第１付勢部６となる。なお、板材６Ａ、６Ｂの板状バネ部６３同士は、接合されておらず、これらの間に接合部材Ｂの厚み程度の隙間Ｇが形成されている。このように、板材６Ａ、６Ｂの積層体で第１付勢部６を形成し、さらに板状バネ部６３同士を接合しないことにより、Ｘ軸方向への付勢力を十分に維持しつつ、Ｚ軸方向の剛性を低めることができる。このことについては、後に詳述する。また、板材６Ａ、６Ｂの板状バネ部６３同士の間に隙間Ｇを形成することで、これらの接触が抑制され、板状バネ部６３をスムーズに弾性変形させることができる。

【0026】

板材６Ａ、６Ｂは、それぞれ、シリコン基板であり、支持部６１、基台６２および板状バネ部６３が一体形成されている。これにより、十分な機械的強度および弾性を有する板材６Ａ、６Ｂが得られる。また、シリコンウエハ・プロセスを用いることができ、板材６Ａ、６Ｂを高い加工精度で製造することもできる。また、圧電アクチュエーター４との熱膨張係数の差が小さくなり、熱応力を低減することができ、圧電アクチュエーター４の撓み、歪み等を抑制することができる。ただし、板材６Ａ、６Ｂの構成材料は、特に限定されず、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料、各種ガラス材料、各種セラミック材料等を用いることもできる。

【0027】

第２付勢部７は、前述した第１付勢部６と同様の構成であり、圧電アクチュエーター４に対して第１付勢部６と対称的に配置されている。また、図２に示すように、第２付勢部７は、互いに同じ構成をなす２枚の板材７Ａ、７Ｂの積層体で構成されている。具体的には、圧電アクチュエーター４の下側に板材７Ａが配置され、板材７Ａの下側に板材７Ｂが配置されている。板材７Ａ、７Ｂは、それぞれ、圧電アクチュエーター４を支持する支持部７１と、圧電駆動装置３をステージＳＴに固定する基台７２と、支持部７１と基台７２とを接続する複数の板状バネ部７３と、を有する。基台７２には、圧電駆動装置３をステージＳＴに固定するためのネジＮを挿通するネジ挿通孔７２１が２つ形成されている。また、複数の板状バネ部７３は、Ｘ軸方向に等間隔に並んで配置されている。

【0028】

そして、図４に示すように、板材７Ａ、７Ｂの支持部７１同士および基台７２同士が接合部材Ｂで接合されている。これにより、板材７Ａ、７Ｂが一体化し、１枚の第２付勢部７となる。なお、板材７Ａ、７Ｂの板状バネ部７３同士は、接合されておらず、これらの間に接合部材Ｂの厚み程度の隙間Ｇが形成されている。このように、板材７Ａ、７Ｂの積層体で第２付勢部７を形成し、さらに板状バネ部７３同士を接合しないことにより、Ｘ軸方向への付勢力を十分に維持しつつ、Ｚ軸方向の剛性を低めることができる。このことについては、後に詳述する。また、板材７Ａ、７Ｂの板状バネ部７３同士の間に隙間Ｇを形成することで、これらの接触が抑制され、板状バネ部７３をスムーズに弾性変形させることができる。

【0029】

板材７Ａ、７Ｂは、それぞれ、シリコン基板であり、支持部７１、基台７２および板状バネ部７３が一体形成されている。これにより、十分な機械的強度および弾性を有する板材７Ａ、７Ｂが得られる。また、シリコンウエハ・プロセスを用いることができ、板材７Ａ、７Ｂを高い加工精度で製造することもできる。また、圧電アクチュエーター４との熱膨張係数の差が小さくなり、熱応力を低減することができ、圧電アクチュエーター４の撓み、歪み等を抑制することができる。ただし、板材７Ａ、７Ｂの構成材料は、特に限定されず、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料、各種ガラス材料、各種セラミック材料等を用いることもできる。

【0030】

以上、第１、第２付勢部６、７の構成について説明した。上述したように、本実施形態では、板材６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂが互いに同じ構成であるため、これらを区別なくまとめて製造することができ、製造コストを削減することができる。ただし、これに限定されず、例えば、板材６Ａ、６Ｂで厚さが異なっていてもよいし、板材７Ａ、７Ｂで厚さが異なっていてもよい。

【0031】

第１付勢部６は、板材６Ａの支持部６１の下面において接合部材Ｂを介して圧電アクチュエーター４の支持部４２の上面に接合されている。また、第２付勢部７は、板材７Ａの支持部７１の上面において接合部材Ｂを介して圧電アクチュエーター４の支持部４２の下面に接合されている。また、基台６２、７２の間には、圧電アクチュエーター４とほぼ同じ厚さのスペーサー８が配置されている。

【0032】

図１に示すように、第１、第２付勢部６、７の板状バネ部６３、７３をＸ軸方向に弾性変形させた状態で圧電駆動装置３をステージＳＴに固定することにより、板状バネ部６３、７３の復元力を利用して凸部４４をスライダー２の側面２１に押し付けることができる。

【0033】

制御装置９は、例えば、コンピューターから構成され、情報を処理するプロセッサーと、プロセッサーに通信可能に接続されたメモリーと、外部インターフェースと、を有する。また、メモリーにはプロセッサーにより実行可能なプログラムが保存され、プロセッサーは、メモリーに記憶されたプログラムを読み込んで実行する。このような制御装置９は、図示しないホストコンピューターからの指令を受け、この指令に基づいて圧電アクチュエーター４を駆動する。

【0034】

例えば、図５に示す駆動信号Ｖ１を圧電素子４Ｃ、４Ｆに印加し、駆動信号Ｖ２を圧電素子４Ａ、４Ｂに印加し、駆動信号Ｖ３を圧電素子４Ｄ、４Ｅに印加すると、図６に示すように、振動部４１がＸ軸方向に伸縮振動しつつＹ軸方向に逆Ｓ字状に屈曲振動し、これらの振動が合成されて、凸部４４の先端が矢印で示すように反時計回りに楕円軌道を描くように楕円運動する。これにより、スライダー２が送り出されてＹ軸方向プラス側に直線移動する。

【0035】

また、駆動信号Ｖ１、Ｖ３の波形を切り換えると、図７に示すように、振動部４１がＸ軸方向に伸縮振動しつつＹ軸方向にＳ字状に屈曲振動し、これらの振動が合成されて、凸部４４が矢印で示すように時計回りに楕円運動する。これにより、スライダー２が送り出されてＹ軸方向マイナス側に直線移動する。

【0036】

以上、圧電モーター１の構成について説明した。以下、第１付勢部６を２枚の板材６Ａ、６Ｂの積層体とし、第２付勢部７を２枚の板材７Ａ、７Ｂの積層体とした効果について詳細に説明する。まず、比較対象として、図８に示す圧電駆動装置３０について説明する。圧電駆動装置３０では、第１付勢部６０が１枚の板材からなり、厚さが板材６Ａ、６Ｂの厚さの和（総厚）と等しい。同様に、第２付勢部７０が１枚の板材からなり、厚さが板材７Ａ、７Ｂの厚さの和（総厚）と等しい。言い換えると、第１付勢部６０は、板材６Ａの厚さを２倍にしたもので構成され、第２付勢部７０は、板材７Ａの厚さを２倍にしたもので構成されている。

【0037】

このような圧電駆動装置３０では、第１付勢部６０および第２付勢部７０によって圧電アクチュエーター４を上下からバランスよくかつ大きな力で付勢することができる。また、厚さが厚い分、第１付勢部６０および第２付勢部７０のＺ軸方向の剛性も高く、圧電アクチュエーター４の面外方向つまりＺ軸方向への変位（ランダムなぶれ振動）が抑えられ、圧電アクチュエーター４で発生する駆動力をより効率的にスライダー２に伝えることができる。そのため、高い駆動力を発揮することができる。

【0038】

しかしながら、圧電アクチュエーター４のＺ軸方向への変位を過度に抑えると、図９に示すように、凸部４４との摩擦によって側面２１の同じ部分が摩耗し続け、スライダー２の移動方向に沿った轍状の溝２１０が形成されてしまう。溝２１０が形成されると溝２１０が抵抗となって圧電モーター１の駆動力が低下するおそれがある。また、スライダー２の摩耗を早め、圧電モーター１が短命となるおそれもある。

【0039】

この問題を解消するために、例えば、第１、第２付勢部６０、７０の厚さを薄くすることが容易に考えられる。これにより、第１、第２付勢部６０、７０のＺ軸方向の剛性が下がり、圧電アクチュエーター４がＺ軸方向に変位し易くなる。そのため、凸部４４が側面２１の広い範囲と満遍なく接触して側面２１の摩耗ムラが低減し、溝２１０の発現が抑制される。しかしながら、第１、第２付勢部６０、７０の厚さを薄くする分、板状バネ部６３、７３が柔らかくなりＸ軸方向への付勢力が低下する。そのため、凸部４４をスライダー２の側面２１に押し付ける力が小さくなり、圧電モーター１の駆動力が低下するという別の問題が生じる。

【0040】

このように、第１、第２付勢部６０、７０をそれぞれ１枚の板材から構成した場合、第１、第２付勢部６０、７０のＸ軸方向への付勢力を十分に高く保ちつつ、Ｚ軸方向の剛性を下げることが困難である。そこで、本実施形態では、第１付勢部６０を厚さ方向に２分割した形状の板材６Ａ、６Ｂを準備し、これらの板材６Ａ、６Ｂを接合部材Ｂで接合することにより第１付勢部６としている。同様に、第２付勢部７０を厚さ方向に２分割した形状の板材７Ａ、７Ｂを準備し、これらの板材７Ａ、７Ｂを接合部材Ｂで接合することにより第２付勢部７としている。これにより、第１、第２付勢部６、７のＸ軸方向への付勢力をそのままに、Ｚ軸方向の剛性だけを下げることができる。

【0041】

具体的には、板状バネ部６３のＺ軸方向の剛性をＡとしたとき、板状バネ部６３の厚さをｎ倍にすると、Ｚ軸方向の剛性がＡ×ｎ^３となる。また、板状バネ部６３をＺ軸方向にｎ枚積層すると、Ｚ軸方向の剛性がＡ×ｎとなる。そのため、第１付勢部６０をｎ枚の板材に分割して第１付勢部６とすると、第１付勢部６のＺ軸方向の剛性は、第１付勢部６０のＺ軸方向の剛性の１／ｎ^２となる。つまり、第１付勢部６のＺ軸方向の変位量は、第１付勢部６０のＺ軸方向の変位量の約ｎ^２倍となる。当然、この関係は、第２付勢部７と第２付勢部７０とでも同様である。

【0042】

本実施形態に当てはめれば、第１付勢部６と第１付勢部６０とでは、板状バネ部６３の総厚が同じである。したがって、Ｘ軸方向の付勢力については、両者でほぼ等しい。これに対して、第１付勢部６では、第１付勢部６０を２枚の板材６Ａ、６Ｂに分割しているため、Ｚ軸方向の剛性が第１付勢部６０の１／４となる。そのため、第１付勢部６は、第１付勢部６０に対して４倍程度Ｚ軸方向に変位し易くなる。このことは、第２付勢部７についても同様である。

【0043】

以上から、第１付勢部６を２枚の板材６Ａ、６Ｂの積層体で構成し、第２付勢部７を２枚の板材７Ａ、７Ｂの積層体で構成することにより、Ｘ軸方向の付勢力を維持したまま、Ｚ軸方向の剛性だけを下げることができる。Ｘ軸方向の付勢力を維持することにより、凸部４４を十分に大きな力でスライダー２の側面２１に押し付けることができ、圧電モーター１の駆動力の低下を抑制することができる。さらに、Ｚ軸方向の剛性を低下させることにより、圧電アクチュエーター４がＺ軸方向に変位し易くなり、凸部４４が側面２１の広い範囲と満遍なく接触して側面２１の摩耗ムラが低減するため、溝２１０の発現が抑制される。このように、圧電モーター１では、高い駆動力を発揮しつつ、溝２１０の発現を抑制することができる。

【0044】

また、第１、第２付勢部６、７によれば、板材６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂの厚さを薄くできるため、シリコンウエハ・プロセスによって板材６Ａ、６Ｂをより高い加工精度で製造することもできる。

【0045】

なお、第１付勢部６を構成する板材の数としては、２枚に限定されず、３枚以上であってもよい。ただし、板材の数が増えるほど、接合工程が増えて製造コストが上昇するため、３枚以下であることが好ましい。第２付勢部７についても同様である。これにより、圧電駆動装置３の製造コストを抑えつつ、第１、第２付勢部６、７のＺ軸方向の剛性を十分に下げることができる。

【0046】

以上、圧電モーター１について説明した。このような圧電モーター１が備える圧電駆動装置３は、圧電素子４Ａ～４Ｆを備え圧電素子４Ａ～４Ｆへの通電により振動する振動部４１と、振動部４１に配置され、被駆動部であるスライダー２に駆動力を伝達する凸部４４と、を有する振動体としての圧電アクチュエーター４と、圧電アクチュエーター４を間に挟み込んで配置され、凸部４４をスライダー２に向けて付勢する第１付勢部６および第２付勢部７と、を有する。また、第１付勢部６、圧電アクチュエーター４および第２付勢部７が重なる方向であるＺ軸方向を厚さ方向としたとき、第１付勢部６は、厚さ方向に重なる複数の板状バネ部６３を備え、第２付勢部７は、厚さ方向に重なる複数の板状バネ部７３を備えている。このような構成によれば、凸部４４をスライダー２に押し付ける力を維持したまま、第１、第２付勢部６、７のＺ軸方向の剛性だけを下げることができる。そのため、凸部４４を十分に大きな力でスライダー２の側面２１に押し付けることができ、圧電モーター１の駆動力の低下を抑制することができる。さらに、圧電アクチュエーター４がＺ軸方向に変位し易くなり、凸部４４がスライダー２の広い範囲と満遍なく接触してスライダー２の摩耗ムラが低減するため、溝２１０の発現が抑制される。このように、圧電駆動装置３では、高い駆動力を発揮しつつ、溝２１０の発現を抑制することができる。

【0047】

また、前述したように、厚さ方向に隣り合う板状バネ部６３は、離間して配置されている。また、厚さ方向に隣り合う板状バネ部７３は、離間して配置されている。これにより、これらの接触が抑制され、板状バネ部６３、７３をスムーズに弾性変形させることができる。

【0048】

また、前述したように、第１付勢部６は、厚さ方向に重なる２つの板状バネ部６３を備え、第２付勢部７は、厚さ方向に重なる２つの板状バネ部７３を備えている。これにより、板状バネ部６３、７３の数が適度なものとなり、圧電駆動装置３の製造コストを抑えつつ、第１、第２付勢部６、７のＺ軸方向の剛性を十分に下げることができる。

【0049】

＜第２実施形態＞
図１０は、第２実施形態に係る圧電駆動装置の断面図である。

【0050】

本実施形態は、第１、第２付勢部６、７の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態の図において、前述した実施形態と同様の構成については同一符号を付している。

【0051】

図１０に示すように、第１付勢部６は、３枚の板材６Ａ、６Ｂ、６Ｃの積層体で構成されている。板材６Ａ、６Ｂ、６Ｃの厚さの和（総厚）は、前述した第１実施形態の板材６Ａ、６Ｂの厚さの和（総厚）と等しい。同様に、第２付勢部７は、３枚の板材７Ａ、７Ｂ、７Ｃの積層体で構成されている。板材７Ａ、７Ｂ、７Ｃの厚さの和（総厚）は、前述した第１実施形態の板材７Ａ、７Ｂの厚さの和（総厚）と等しい。

【0052】

このような構成によれば、前述した第１実施形態に対して、Ｘ軸方向の付勢力をそのままに、第１、第２付勢部６、７のＺ軸方向の剛性をさらに下げることができる。そのため、圧電アクチュエーター４がＺ軸方向にさらに変位し易くなり、溝２１０の発現が効果的に抑制される。

【0053】

また、第１付勢部６を３枚の板材６Ａ、６Ｂ、６Ｃで構成することにより、圧電駆動装置３の製造コストを抑えつつ、第１付勢部６のＺ軸方向の剛性を十分に下げることができる。第２付勢部７についても、同様である。

【0054】

以上のように、本実施形態の圧電駆動装置３では、第１付勢部６は、厚さ方向に重なる３つの板状バネ部６３を備え、第２付勢部７は、厚さ方向に重なる３つの板状バネ部７３を備えている。これにより、板状バネ部６３、７３の数が適度なものとなり、圧電駆動装置３の製造コストを抑えつつ、第１、第２付勢部６、７のＺ軸方向の剛性を十分に下げることができる。

【0055】

このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

【0056】

＜第３実施形態＞
図１１は、第３実施形態に係る圧電駆動装置の断面図である。

【0057】

本実施形態は、第２付勢部７の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態の図において、前述した実施形態と同様の構成については同一符号を付している。

【0058】

図１１に示すように、第１付勢部６は、前述した第１実施形態と同様に２枚の板材６Ａ、６Ｂの積層体で構成されている。これに対して、第２付勢部７は、前述した第２実施形態と同様に３枚の板材７Ａ、７Ｂ、７Ｃの積層体で構成されている。つまり、本実施形態の圧電駆動装置３では、第１付勢部６と第２付勢部７とで、これらを構成する板材の数が異なる。このような構成では、第２付勢部７のＺ軸方向の剛性が第１付勢部６のＺ軸方向の剛性よりも低く、圧電アクチュエーター４がＺ軸方向に不安定となる。そのため、圧電アクチュエーター４がＺ軸方向に変位し易くなり、溝２１０の発現がより効果的に抑制される。

【0059】

以上のように、本実施形態の圧電駆動装置３では、第１付勢部６および第２付勢部７は、互いに異なる数の板状バネ部６３、７３を備えている。このような構成では、第１付勢部６と第２付勢部７とでＺ軸方向の剛性が異なり、圧電アクチュエーター４がＺ軸方向に不安定となる。そのため、圧電アクチュエーター４がＺ軸方向に変位し易くなり、溝２１０の発現がより効果的に抑制される。

【0060】

このような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

【0061】

＜第４実施形態＞
図１２は、第４実施形態に係る圧電駆動装置の分解斜視図である。

【0062】

本実施形態は、第１、第２付勢部６、７の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、本実施形態の図において、前述した実施形態と同様の構成については同一符号を付している。

【0063】

図１２に示すように、本実施形態の圧電駆動装置３では、第１付勢部６を構成する各板材６Ａ、６Ｂの支持部６１に複数の溝６５が形成されている。具体的には、支持部６１は、圧電駆動装置３の先端側に位置しＹ軸方向に延在する先端部６１１と、圧電駆動装置３の基端側に位置しＹ軸方向に延在する基端部６１２と、先端部６１１と基端部６１２とを接続し板状バネ部６３の一端が接続された接続部６１３と、を有する。そして、先端部６１１の上面に複数の溝６５が形成されている。また、複数の溝６５は、それぞれ、Ｙ軸方向に延在し、Ｘ軸方向に並んで配置されている。このように、複数の溝６５を形成することにより、支持部６１の先端側の剛性を下げることができ、凸部４４がＺ軸方向に変位し易くなる。

【0064】

なお、各溝６５のサイズとしては、特に限定されず、板材６Ａ、６Ｂのサイズによっても異なるが、例えば、板材６Ａ、６Ｂの厚さが４００μｍ程度の場合、各溝６５の幅を３００μｍ程度、深さを２００μｍ程度とすることができる。また、溝６５の数は、特に限定されず、１本であってもよいし、３本以上であってもよい。また、溝６５の配置は、特に限定されず、例えば、支持部６１の下面に形成されていてもよいし、基端部６１２や接続部６１３に形成されていてもよい。また、板材６Ａ、６Ｂの一方にだけ溝６５が形成されていてもよい。また、複数の溝６５がＸ軸方向沿って形成され、Ｙ軸方向に並んで配置されていてもよい。このことは、後述する溝７５についても同様である。

【0065】

同様に、第２付勢部７を構成する各板材７Ａ、７Ｂの支持部７１に複数の溝７５が形成されている。具体的には、支持部７１は、圧電駆動装置３の先端側に位置しＹ軸方向に延在する先端部７１１と、圧電駆動装置３の基端側に位置しＹ軸方向に延在する基端部７１２と、先端部７１１と基端部７１２とを接続し板状バネ部７３の一端が接続された接続部７１３と、を有する。そして、先端部７１１の下面に複数の溝７５が形成されている。また、複数の溝７５は、それぞれ、Ｙ軸方向に延在し、Ｘ軸方向に並んで配置されている。このように、複数の溝７５を形成することにより、支持部７１の先端側の剛性を下げることができ、特に、圧電アクチュエーター４の先端部に位置する凸部４４がＺ軸方向に変位し易くなる。

【0066】

このような構成によれば、凸部４４がＺ軸方向に変位し易くなるため、溝２１０の発現がさらに効果的に抑制される。

【0067】

以上のように、本実施形態の圧電駆動装置３では、第１付勢部６および第２付勢部７は、板状バネ部６３、７３が接続され、圧電アクチュエーター４を支持する支持部６１、７１を有し、支持部６１、７１には、溝６５、７５が形成されている。これにより、支持部６１、７１の剛性が低下し、凸部４４がＺ軸方向に変位し易くなる。そのため、溝２１０の発現がさらに効果的に抑制される。

【0068】

このような第４実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

【0069】

＜第５実施形態＞
図１３は、第５実施形態に係るロボットシステムの全体構成図である。

【0070】

図１３に示すロボットシステム１０００は、ロボット１１００と、ロボット１１００に装着された移動ステージ１２００と、移動ステージ１２００に装着された工具１３００と、これらの駆動を制御する制御部１４００と、を有し、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。

【0071】

ロボット１１００は、６軸ロボットであり、床や天井に固定されるベース１１１０と、ベース１１１０に連結されたロボットアーム１１２０と、を有する。また、ロボットアーム１１２０は、ベース１１１０に回動自在に連結された第１アーム１１２１と、第１アーム１１２１に回動自在に連結された第２アーム１１２２と、第２アーム１１２２に回動自在に連結された第３アーム１１２３と、第３アーム１１２３に回動自在に連結された第４アーム１１２４と、第４アーム１１２４に回動自在に連結された第５アーム１１２５と、第５アーム１１２５に回動自在に連結された第６アーム１１２６と、を有する。また、第６アーム１１２６にはハンド接続部が設けられ、ハンド接続部には移動ステージ１２００が装着される。

【0072】

また、ロボット１１００は、ベース１１１０と第１アーム１１２１との関節部に配置され、ベース１１１０に対して第１アーム１１２１を回動させる第１アーム回動機構１１３１と、第１アーム１１２１と第２アーム１１２２との関節部に配置され、第１アーム１１２１に対して第２アーム１１２２を回動させる第２アーム回動機構１１３２と、第２アーム１１２２と第３アーム１１２３との関節部に配置され、第２アーム１１２２に対して第３アーム１１２３を回動させる第３アーム回動機構１１３３と、第３アーム１１２３と第４アーム１１２４との関節部に配置され、第３アーム１１２３に対して第４アーム１１２４を回動させる第４アーム回動機構１１３４と、第４アーム１１２４と第５アーム１１２５との関節部に配置され、第４アーム１１２４に対して第５アーム１１２５を回動させる第５アーム回動機構１１３５と、第５アーム１１２５と第６アーム１１２６との関節部に配置され、第５アーム１１２５に対して第６アーム１１２６を回動させる第６アーム回動機構１１３６と、を有する。

【0073】

そして、第１～第６アーム回動機構１１３１～１１３６の一部または全部には、その動力源として圧電モーター１が搭載されており、圧電モーター１の駆動によって対象のアーム１１２１～１１２６が回動する。なお、圧電モーター１には、圧電駆動装置３が組み込まれている。そのため、ロボット１１００は、上述した圧電駆動装置３の効果を享受することができ、高い信頼性を発揮することができる。

【0074】

移動ステージ１２００は、第６アーム１１２６のハンド接続部に接続された基部１２１０と、基部１２１０に対して第１方向Ｕに移動する第１ステージ１２２０と、第１ステージ１２２０に対して第１方向Ｕと直交する第２方向Ｖに移動する第２ステージ１２３０と、基部１２１０に対して第１ステージ１２２０を第１方向Ｕに移動させる第１ステージ移動機構１２４０と、第１ステージ１２２０に対して第２ステージ１２３０を第２方向Ｖに移動させる第２ステージ移動機構１２５０と、を有する。

【0075】

そして、第１、第２ステージ移動機構１２４０、１２５０の一方または両方には、その動力源として圧電モーター１が搭載されており、圧電モーター１の駆動によって対象のステージ１２２０、１２３０が移動する。圧電モーター１には、圧電駆動装置３が組み込まれているため、移動ステージ１２００は、上述した圧電駆動装置３の効果を享受することができ、高い信頼性を発揮することができる。

【0076】

また、第２ステージ１２３０には、工具１３００が装着されている。工具１３００としては、特に限定されず、目的の作業の内容によって異なるが、本実施形態ではインクジェットヘッド１３１０である。ロボットシステム１０００では、インクジェットヘッド１３１０からインクを吐出することにより、対象物Ｑに対して印刷作業を行う。前述したように、ロボット１１００とインクジェットヘッド１３１０との間に移動ステージ１２００が介在している。そのため、例えば、ロボット１１００を停止した状態で、移動ステージ１２００によってインクジェットヘッド１３１０を移動させることができる。これにより、安定した印刷作業を行うことができる。

【0077】

以上のように、本実施形態のロボットシステム１０００は、ロボットアーム１１２０を備えるロボット１１００と、ロボットアーム１１２０に装着されている移動ステージ１２００と、移動ステージ１２００に装着されている工具１３００と、を有し、移動ステージ１２００は、圧電駆動装置３を備えている。このような構成によれば、上述した圧電駆動装置３の効果を享受することができ、高い信頼性を発揮することができるロボットシステム１０００となる。

【0078】

このような第５実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

【0079】

以上、本発明の圧電駆動装置およびロボットシステムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。また、前述した実施形態では、圧電駆動装置をロボットに適用した構成について説明したが、圧電駆動装置は、ロボット以外の、駆動力を必要とする各種電子デバイス、例えば、プリンター、プロジェクター等に適用することもできる。

【符号の説明】

【0080】

１…圧電モーター、２…スライダー、２１…側面、２１０…溝、３…圧電駆動装置、３０…圧電駆動装置、４…圧電アクチュエーター、４Ａ…圧電素子、４Ｂ…圧電素子、４Ｃ…圧電素子、４Ｄ…圧電素子、４Ｅ…圧電素子、４Ｆ…圧電素子、４１…振動部、４２…支持部、４３…接続部、４３１…第１接続部、４３２…第２接続部、４４…凸部、４７…スペーサー、４８…圧電素子層、４９…基板、６…第１付勢部、６Ａ…板材、６Ｂ…板材、６Ｃ…板材、６０…第１付勢部、６１…支持部、６１１…先端部、６１２…基端部、６１３…接続部、６２…基台、６２１…ネジ挿通孔、６３…板状バネ部、６５…溝、７…第２付勢部、７Ａ…板材、７Ｂ…板材、７Ｃ…板材、７０…第２付勢部、７１…支持部、７１１…先端部、７１２…基端部、７１３…接続部、７２…基台、７２１…ネジ挿通孔、７３…板状バネ部、７５…溝、８…スペーサー、９…制御装置、１０００…ロボットシステム、１１００…ロボット、１１１０…ベース、１１２０…ロボットアーム、１１２１…第１アーム、１１２２…第２アーム、１１２３…第３アーム、１１２４…第４アーム、１１２５…第５アーム、１１２６…第６アーム、１１３１…第１アーム回動機構、１１３２…第２アーム回動機構、１１３３…第３アーム回動機構、１１３４…第４アーム回動機構、１１３５…第５アーム回動機構、１１３６…第６アーム回動機構、１２００…移動ステージ、１２１０…基部、１２２０…第１ステージ、１２３０…第２ステージ、１２４０…第１ステージ移動機構、１２５０…第２ステージ移動機構、１３００…工具、１３１０…インクジェットヘッド、１４００…制御部、Ｂ…接合部材、Ｇ…隙間、Ｎ…ネジ、Ｑ…対象物、ＳＴ…ステージ、Ｕ…第１方向、Ｖ…第２方向、Ｖ１…駆動信号、Ｖ２…駆動信号、Ｖ３…駆動信号

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】