压电元件驱动电路及机器人的制作方法
【专利摘要】本发明涉及压电元件驱动电路，课题在于在现有的压电驱动装置中，静电容量较大从而在驱动时需要较大电流。本发明的解决手段是使压电元件驱动电路具备：压电元件列，其由N个(N为2以上的整数)的压电元件列联连接而成，N个所述压电元件分别具有厚度在0.05μm以上20μm以下的压电体和夹着压电体的2个电极；第一发生电路，其对压电元件列供给包含交流成分和直流成分的电压；以及第二发生电路，其对压电元件列中的相邻的2个压电元件间的(N－1)个连接点中的M个(M为1以上的整数)的连接点供给包含直流成分的电压。
【专利说明】
压电元件驱动电路及机器人
技术领域
[0001]本发明涉及压电元件驱动电路及具备压电元件驱动电路的机器人等的各种装置。
【背景技术】
[0002]现有技术中，使用压电元件的压电致动器(压电驱动装置)被人们所知(例如专利文献I)。该压电驱动装置的基本结构是在加强板的2个表面的每个面上以2行2列配置4个压电元件的结构，共计8个压电元件被设置于加强板的两侧。每个压电元件是用每2片电极夹着压电体的单元，加强板还被用作压电元件的一侧的电极。在加强板的一端设置有与作为被驱动体的转子接触来使转子旋转的突起部。若对4个压电元件中以对角配置的2个压电元件施加交流电压，则该2个压电元件进行伸缩运动，与此相应地，加强板的突起部进行往复运动或者椭圆运动。并且，根据该加强板的突起部的往复运动或者椭圆运动，作为被驱动体的转子向规定的旋转方向旋转。另外，通过将施加交流电压的2个压电元件切换成其他2个压电元件，能够使转子向反方向旋转。
[0003]在现有技术中，作为用于压电驱动装置的压电体，使用所谓块状压电体。在本说明书中，“块状压电体”是指厚度在ΙΟΟμπι以上的压电体。使用块状压电体的原因在于:由于压电驱动装置对被驱动体赋予的力非常大，所以想要增大压电体的厚度。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献I:日本特开2004 — 320979号公报
【发明内容】
[0007]
[0008]在现有的压电驱动装置中，存在如下问题:由于以对角配置的2个压电元件并联连接，所以静电容量较大，驱动时需要较大电流。
[0009]另外，在将压电驱动装置收容在较小的空间(例如机器人的关节内)而使用的情况下，由于在使用现有的压电体的压电驱动装置中布线空间有可能会不足，所以存在想使压电体变薄的需求。然而，由于静电容量与夹着压电体的电极间的距离成反比例，所以若使压电体变薄则静电容量会增大，从而产生电力消耗增大的问题。
[0010]本发明是为了解决上述课题中的至少一部分而提出的，能够以下述方式或者应用例来实现。
[0011](I)根据本发明的一个方式，提供一种驱动压电元件的压电元件驱动电路。上述压电元件驱动电路具备:压电元件列，其串联连接N个(N为2以上的整数)压电元件而成，N个上述压电元件分别具有厚度在0.05μπι以上20μπι以下的压电体和夹着上述压电体的2个电极；第一发生电路，其对上述压电元件列供给包含交流成分和直流成分的电压;第二发生电路，其对上述压电元件列中相邻的2个压电元件间的(N— I)个连接点中的M个(Μ为I以上的整数)连接点供给包含直流成分的电压。
[0012]根据该压电元件驱动电路，由于多个压电元件串联连接，所以能够降低压电元件整体的静电容量。另外，由于对相邻的压电元件间的连接点供给包含直流成分的电压，所以能够抑制使串联连接的压电元件中的一部分压电元件负载过大电压的现象，并能够降低压电元件整体的有效静电容量而降低压电元件驱动电路的电力消耗。
[0013](2)在上述压电元件驱动电路中，上述M可以与上述(N — I)相等，并且上述第二发生电路可以对上述(N — I)个连接点供给具有不同电压值的电压。
[0014]根据该结构，由于对(N— I)个连接点供给具有互不相同的电压值的电压，所以能够进一步防止使串联连接的压电元件中的一部分压电元件负载过大电压的现象，并能够降低压电元件整体的有效静电容量而降低压电体驱动电路的电力消耗。
[0015](3)在上述压电元件驱动电路中，上述第二发生电路供给电压可以是直流电压。
[0016]根据该结构，由于能够使压电元件间的连接点的电压稳定，所以能够进一步降低压电元件整体的有效静电容量而降低电力消耗。
[0017](4)上述压电元件驱动电路可以具备在上述第二发生电路和上述M个连接点之间连接的电感器。
[0018]根据该结构，能够通过电感器降低经由M个连接点向驱动电路逆流的交流成分。
[0019](5)在上述压电元件驱动电路中，上述第二发生电路可以具备分压电路，上述分压电路通过对上述第一发生电路供给的电压进行分压，生成对上述M个连接点供给的电压。
[0020]根据该结构，能够容易生成对M个连接点赋予的电压。
[0021 ] (6)在上述压电元件驱动电路中，上述分压电路可以包括多个电阻元件串联连接而成的电阻元件列。
[0022]根据该结构，能够容易生成对M个连接点赋予的电压。
[0023](7)在上述压电元件驱动电路中，上述分压电路可以包括与上述电阻元件列串联连接的电感器。
[0024 ]根据该结构，由于能够降低流向电阻元件列的交流电流，所以能够进一步降低电力消耗。
[0025]本发明可以以各种方式实现，除了压电元件驱动电路之外，例如可以以压电驱动装置、压电驱动装置的驱动方法、搭载压电元件驱动电路或者压电驱动装置的机器人等各种装置及其驱动方法等多种方式实现。
【附图说明】
[0026]图1是示出第一实施方式的压电驱动装置的示意结构的俯视图和剖视图。
[0027]图2是振动板的俯视图。
[0028]图3是示出压电驱动装置和驱动电路的电气连接状态的说明图。
[0029]图4是示出驱动电压的交流成分的波形的例子的说明图。
[0030]图5是示出压电驱动装置的动作的例子的说明图。
[0031]图6是示出比较例和第一实施方式的压电元件驱动电路的结构的说明图。
[0032]图7是示出第二实施方式的压电元件驱动电路的结构的说明图。
[0033]图8是示出第三实施方式的压电元件驱动电路的结构的说明图。
[0034]图9是示出第四实施方式的压电元件驱动电路的结构的说明图。
[0035]图10是示出另一实施方式的压电驱动装置的剖视图。
[0036]图11是示出利用压电驱动装置的机器人的一例的说明图。
[0037]图12是机器人的手腕部分的说明图。
[0038]图13是示出利用压电驱动装置的送液栗的一例的说明图。
【具体实施方式】
[0039]压电驱动装置的整体结构:
[0040]图1的(A)是示出本发明的第一实施方式中的压电驱动装置10的示意结构的俯视图，图1的(B)是图1的(A)的B — B剖视图。压电驱动装置10具备振动板200和分别配置在振动板200的双面(第一面211和第二面212)的2个压电振动体100。2个压电振动体100以振动板200为中心对称配置。由于2个压电振动体100具有相同结构，所以在下文中若没有特别提及，则对在振动板200的上侧的压电振动体100的结构进行说明。
[0041 ] 压电振动体100具备基板120和在基板120上形成的多个压电元件IlOal、110a2、110bl、110b2、110cl、110c2、110dl、110d2、110el、110e2、110e3、110e4。由于这些每个压电元件的结构相同，所以在无需区分彼此的情况下，称为“压电元件110”。
[0042]压电元件110具备第一电极130、在第一电极130上形成的压电体140、以及在压电体140上形成的第二电极150。第一电极130和第二电极150夹持压电体140。可以通过以离子铣削(1n milling)、干蚀刻等物理方法、或者化学方法将具有I个连续的压电体和夹持压电体的2个连续的导电体层(第一电极、第二电极)的I个大压电元件分割成多个(多个压电元件)来形成压电元件110。压电元件IlOel?110e4以大致长方形形状形成，在基板120的宽度方向的中央沿着基板120的长度方向形成。压电元件IlOal和110a2沿着长度方向排列而形成压电元件组110a。相同地，压电元件IlObl和110b2、IlOcl和110c2、I 1dl和110d2还形成压电元件组110b、110c、IlOcL压电元件组110a、110b、110c、IlOd在基板120的四角位置形成。
[0043]压电振动体100的基板120用作用于由成膜处理形成第一电极130、压电体140和第二电极150的基板。另外，基板120还具有作为进行机械振动的振动板的功能。基板120可以由例如S1、Al203、Zr02等形成。作为Si制的基板120(还称为“娃基板120”。)，例如可以利用半导体制造用Si晶片。在该实施方式中，基板120的平面形状是长方形。基板120的厚度优选在例如ΙΟμπι以上ΙΟΟμπι以下的范围内。若使基板120的厚度在ΙΟμπι以上，则能够在基板120上进行成膜处理时比较容易操作基板120。此外，若使基板120的厚度在50μπι以上，则能够更加容易操作基板120。另外，若使基板120的厚度在ΙΟΟμπι以下，则能够根据由薄膜形成的压电体的伸缩，使基板120容易地振动。
[0044]如上所述，分割前的第一电极、第二电极是通过例如溅射方式形成的薄膜。作为第一电极、第二电极的材料，例如可以利用Al(铝)、Ni(镍)、Au(金)、Pt(白金)、Ir(铱)等导电性高的任意材料。此外，在图1中省略了用于第一电极130、第二电极150、以及驱动电路间的电气连接的布线(或者布线层及绝缘层)的图示。
[0045]分割前的压电体通过例如溶胶凝胶法、溅射法形成，并具有薄膜形状。作为压电体的材料，可以利用采用ABO3型的钙钛矿结构的陶瓷材料等表现出压电效果的任意材料。作为采用ABO3型的钙钛矿结构的陶瓷材料，例如可以使用锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾、铌酸锂、钽酸锂、钨酸钠、氧化锌、钛酸锶钡(BST)、钽酸锶铋(SBT)、偏铌酸铅、锌铌酸铅、钪铌酸铅等。另外，还可以使用除陶瓷之外的表现出压电效应的材料，例如聚偏二氟乙烯、水晶等。压电体的厚度优选在例如50nm(0.05ym)以上20μπι以下的范围内。具有该范围内的厚度的压电体的薄膜可以利用成膜处理而容易形成。若使压电体的厚度在0.05μπι以上，则能够根据压电体的伸缩产生充分大的力。另外，若使压电体的厚度在20μπι以下，则能够使压电驱动装置10充分小型化。
[0046]图2是振动板200的俯视图。振动板200具有长方形形状的振动体部210和从振动体部210的左右长边分别延伸各3个的连接部220，另外还具有与左右的3个连接部220分别连接的2个安装部230。此外，在图2中，为便于图示，振动体部210带有影线。安装部230用于由螺丝240在其他构件处安装压电驱动装置10。振动板200可以由例如硅;硅化合物;不锈钢、招、招合金、钛、钛合金、铜、铜合金、铁一镍合金等金属;金属氧化物;或者金刚石等材料形成。
[0047]在振动体部210的上表面(第一面)及下表面(第二面)，使用粘合剂分别粘合压电振动体100(图1)。振动体部210的长度L和宽度W之比优选为L:W=约7:2。该比值是在用于使振动体部210进行沿着其所在平面向左右弯曲的超音波振动(后述)方面优选的值。振动体部210的长度L可以优选在例如0.1mm以上30mm以下的范围内；宽度W可以优选在例如0.05mm以上8mm以下的范围。此外，为了使振动体部210进行超音波振动，长度L优选在50mm以下。振动体部210的厚度(振动板200的厚度)可以优选在例如20μπι以上700μπι以下的范围内。若使振动体部210的厚度在20μπι以上，则会具有用于支撑压电振动体100的充分的刚性。另外，若使振动体部210的厚度在700μπι以下，则能够根据压电振动体100的变形产生充分大的变形。
[0048]在振动板200—侧的短边设置有突起部20(还称为“接触部”或者“作用部”)。突起部20是用于与被驱动体接触来对被驱动体赋予力的构件。突起部20优选由陶瓷材料(例如Al2O3)等具有耐久性的材料形成。
[0049]图3是示出压电驱动装置10和驱动电路300的电连接状态的说明图。驱动电路300包括驱动电压发生电路340和元件间电压发生电路350。驱动电压发生电路340产生包含交流成分的驱动电压。另外，驱动电压发生电路340优选构成为，产生对接地电位在正侧和负侧变动的仅交流成分构成的交流驱动电压、和包含交流成分和DC偏移(直流成分)的带偏移的驱动电压中的至少一种作为驱动电压。该驱动电压的交流成分优选为与压电驱动装置10的机械谐振频率接近的频率的电压信号。此外，交流成分的波形典型的是正弦波，但也可以具有正弦波以外的波形。直流成分不需要严密地恒定，稍微产生变动也是可以的。例如，直流成分可以在其平均值的± 10%以内变动。
[0050]图4的(A)?(C)示出驱动电压的交流成分Vac的波形的例子。图4的(A)的交流成分Vac是正弦波。图4的(B)、(C)的交流成分Vac虽不是正弦波，但具有周期性的波形。由这些例子也可以理解，驱动电压的交流成分Vac为周期性的即可，作为其波形可以采用多种波形。
[0051]元件间电压发生电路350是对压电元件列供给元件间电压的电路，其具体例子将在下文中描述。另外，在图3中虽然省略了驱动电压发生电路340与压电元件及元件间电压发生电路350与压电元件的连接状态，但将在下文中描述它们之间的连接关系。此外，还将驱动电压发生电路340称为一发生电路”或者“第一电压发生电路”，并且还将元件间电压发生电路350称为“第二发生电路”或者“第二电压发生电路”。
[0052]在本实施方式中，压电元件被分成分别具有4个压电元件的3个组。第一组具有压电元件 110(31、110。2、110131、11(^2。第二组具有压电元件11(^1、11(^2、110(11、110(12。第三组具有压电元件 110el、110e2、110e3、110e4。
[0053]第一组的压电元件110cl、110c2、110bl、110b2以如下方式串联连接，S卩，驱动电路300和第一个压电元件IlOcl的第一电极130通过布线320连接;第一个压电元件IlOcl的第二电极150和第二个压电元件110c2的第一电极130通过布线155cl连接;第二个压电元件110c2的第二电极150和第三个压电元件IlObl的第一电极130通过布线152连接;第三个压电元件IlObl的第二电极150和第四个压电元件110b2的第一电极130通过布线155bl连接；第四个压电元件110b2的第二电极150和驱动电路300通过布线310连接。通过这些布线，压电元件 IlOcl、110c2、IlObl、110b2 串联连接。
[0054]第二组的压电元件110al、l 10a2、I 1dl、110d2也同样地以如下方式串联连接:驱动电路300和第一个压电元件I 1al的第一电极130通过布线324连接；第一个压电元件IlOal的第二电极150和第二个压电元件110a2的第一电极130通过布线155al连接;第二个压电元件110a2的第二电极150和第三个压电元件IlOdl的第一电极130通过布线151连接；第四个压电元件I 1dl的第二电极150和第四个压电元件110d2的第一电极130通过布线155dl连接;第四个压电元件110d2的第二电极150和驱动电路300通过布线314连接。通过这些布线，压电元件IlOal、110a2、IlOdl、110d2串联连接。
[0055]第三组的压电元件11061、11062、11063、11064以如下方式串联连接:驱动电路300和第一个压电元件I 1el的第一电极130通过布线322连接;第一个压电元件I 1el的第二电极150和第二个压电元件110e2的第一电极130通过布线155el连接;第二个压电元件110e2的第二电极150和第三个压电元件110e3的第一电极130通过布线155e2连接;第三个压电元件110e3的第二电极150和第四个压电元件110e4的第一电极130通过布线155e3连接;第四个压电元件110e4的第二电极150和驱动电路300通过布线312连接。通过这些布线，压电元件 110el、110e2、110e3、110e4 串联连接。
[0056]这些布线151、152、155al?155e3可以通过成膜处理形成，或者也可以通过线状布线实现。对于驱动电路300，通过在布线314和布线324之间施加包括周期性变化的交流成分的驱动电压，可以使压电驱动装置10进行超音波振动，从而使与突起部20接触的转子(被驱动体)向规定的旋转方向旋转。另外，通过在布线310和布线320之间施加包括交流成分的驱动电压，可以使与突起部20接触的转子向反方向旋转。对设置于振动板200的双面的2个压电振动体100同时以这种方式进行电压施加。此外，在图1中省略了对于构成图3所示的布线151、152、155&1?15563、310、312、314、320、322、324的布线(或者布线层及绝缘层)的图示。
[0057]在本实施方式中，通过下述效果，从驱动电路300观察到的压电驱动装置10的静电容量变小。
[0058](I)面积效果:本实施方式的压电元件110的第一电极130、第二电极150的面积与现有技术(日本特开2004 — 320979号公报)的图7所示的压电元件的第一电极、第二电极的面积相比，前者为后者的一半。由于静电容量与电极的面积成正比，所以压电元件的静电容量变为I/2。
[0059](2)串联连接效果:一般而言，若将具有相同静电容量C的N个(N为2以上的整数)的容量元件串联连接，则它们共计的静电容量为C/N。在本实施方式中，由于将大致为相同类型的压电元件串联连接了 4个，所以合成静电容量为C/4。另外，若将具有相同静电容量C的N个(N为2以上的整数)的容量元件并联连接，则这些的合成静电容量为NXC。在上述现有技术中，由于将2个压电元件并联连接，所以合成静电容量为2C。与该现有技术相比，本实施方式的压电元件的合成静电容量为该现有技术的1/8。通过这两方面效果，若将上述现有技术中的压电元件的合成静电容量作为I，则串联连接的4个压电元件的合成静电容量为1/16。如上所述，通过分割压电元件而作为压电元件，并将压电元件列联连接，能够减小静电容量。
[0060]图5是示出压电驱动装置10的动作动作的例子的说明图。压电驱动装置10的突起部20与作为被驱动体的转子50的外周接触。在图5所示的例子中，对于驱动电路300(图3)，对串联连接的4个压电元件110al、110a2、110dl、110d2施加包含交流成分的驱动电压，压电元件110al、110a2、110dl、110d2在图5的箭头X的方向上伸缩。与此相应地，压电驱动装置10的振动体部210在振动体部210的平面内弯曲而变形为蛇形形状(S字形状)，突起部20的前端在箭头y的方向上进行往复运动或者椭圆运动。其结果，转子50绕其中心51向规定的方向z(在图5中为顺时针方向)旋转。在图2中说明的振动板200的3个连接部220(图2)设置于这样的振动体部210的振动的节的位置。此外，在驱动电路300对其他4个压电元件I 1cl、110c2、IlObl、110b2施加包含交流成分的驱动电压的情况下，转子50向反方向旋转。此外，若对中央的4个压电元件110el、110e2、110e3、110e4施加包含交流成分的驱动电压，则压电驱动装置10在长度方向上伸缩，因此可以进一步增大突起部20对转子50赋予的力。此外，对于压电驱动装置10(或者压电振动体100)的这种动作，已在上述现有技术文献1(日本特开2004 — 320979号公报或者对应的美国专利第7224102号)中记载，其公开内容以参照方式纳入本文中。
[0061 ]压电元件驱动电路的各种实施方式:
[0062]图6是示出比较例和第一实施方式的压电元件驱动电路的结构的说明图。图6的(A)所示的比较例的压电元件驱动电路由驱动电压发生电路340和与驱动电压发生电路340连接的压电元件列400构成。驱动电压发生电路340对压电元件列400供给包含交流成分和直流成分Vbias的驱动电压Vin。压电元件列400是串联连接多个压电元件110而成的，在图6的(A)的例子中由4个压电元件110结构。其中，压电元件列400可以串联连接N个(N为2以上的整数)的压电元件110而构成。从图6与上述的图1及图3的关联来看，图6的(A)的压电元件列400例如与图3中串联连接的I组压电元件I 1al、110a2、I 1dl、110d2对应。4个压电元件110与具有静电容量Cl?C4的电容器是等效的。此外，这些静电容量Cl?C4也可以具有互不相同的值，但优选是互相相等的。在下文中，主要对多个压电元件110的静电容量Cl?C4互相相等的情况进行说明。
[0063]在图6的(A)的比较例中，理想的是由构成压电元件列400的多个压电元件110分别对驱动电压Vin的交流成分和直流成分Vbias进行分压。然而，存在交流成分被多个压电元件110分压成接近理想状态，然而直流成分Vbias没有被分压成理想状态的情况。例如，存在使构成压电元件列400的多个压电元件110中的一个压电元件110负载几乎全部的直流成分Vbias的可能性。下文中说明的各种实施方式旨在消除或缓和这种不良情况。
[0064]对于图6的(B)所示的第一实施方式的压电元件驱动电路，除了驱动电压发生电路340和压电元件列400之外，还增加了元件间电压发生电路350。该元件间电压发生电路350对4个压电元件110间的3个连接点CPl?CP3分别供给具有不同电压值的元件间电压Vdcl?Vdc3。驱动电压发生电路340对压电元件列400供给包含交流成分和直流成分Vbias的驱动电压Vin。
[0065]元件间电压Vdc I?Vdc3优选具有以如下方式对驱动电压Vin的直流成分Vbias进行分压的值。
[0066]Vdcl =Vbias X 1/4...(Ia)
[0067]Vdc2 = Vbias X 2/4...(lb)
[0068]Vdc3 = Vbias X 3/4...(lc)
[0069]若以该方式设定元件间电压Vdcl?Vdc3，贝Ij由于相邻的压电元件110间的连接点CPl?CP3的电压被这些元件间电压Vdcl?Vdc3调整，所以能够解决或缓和上述的比较例中的问题(使多个压电元件110中的一个压电元件110负载几乎全部的直流成分Vbias)。即，根据第一实施方式的回路结构，能够防止使串联连接的压电元件110中的一部分压电元件110负载过大电压的现象，可以降低压电元件110整体的有效静电容量，并降低压电元件110的电力消耗。尤其在压电体140为厚度在0.05μπι以上20μπι以下的薄膜的压电元件110中，相比厚膜(块状)的压电元件，静电容量较大，但能够通过元件间电压发生电路350降低驱动电路300整体的电力消耗。此外，作为包含交流成分和直流成分(DC偏移)的带偏移的驱动电压Vin，优选使用其电压值总是正或者负的脉动电压。若将这种脉动电压用作驱动电压VinJlJ可以进一步减小驱动电流。
[0070]另外，在多个压电元件110的静电容量Cl?C4相互不相等的情况下，优选将元件间电压Vdcl?Vdc3设定为每个压电元件110的两端的电压差具有按照多个压电元件110的静电容量Cl?C4对驱动电压Vin的直流成分Vbias进行分压的值。这种也适用于多个压电元件110的静电容量Cl?C4互相相等的情况。即，一般而言，优选以构成压电元件列400的N个(N为2以上的整数)的压电元件110的每个压电元件110的两端的电压差具有根据每个压电元件110的静电容量对驱动电压Vin的直流成分Vbias进行分压的值的方式，设定对(N— I)个连接点供给的元件间电压。此时，各压电元件的两端的电压差以如下式赋予。
[0071]AVj=Vbias/{ Σ (1/Ci) XCj}."(2)
[0072]其中，AVj是第j个(j= l?N)压电元件的两端的电压差，2(1/Ci)是N个压电元件的静电容量CKi = I?N)的倒数之和，Cj是第j个压电元件的静电容量。
[0073]在上述(2)式中，若使N= 4，Cj( j = l?4)为与j无关的一定值，则AVj的全部与Vbias/4相等。可以理解，该结果与上述(Ia)?(Ic)式吻合。其中，在多个压电元件110的静电容量Cj互不相同的情况下，也可以以满足上述(Ia)?(Ic)式的方式决定元件间电压。在该情况下，从使压电元件110的动作稳定这一意思出发在实用性上充分。
[0074]此外，由元件间电压Vdcl?Vdc3赋予的每个压电元件110的两端的电压差Δ Vj无需必须满足上述(2)式，也可以具有多少偏离上述(2)式的值。其中，对于每个压电元件110的两端的电压差△ Vj，优选将由上述(2)式算出的值作为100%时，具有100 ± 10 %的范围内的值。
[0075]如上所述，在图6的(B)所示的第一实施方式的压电元件驱动电路中，由于对压电元件列400中的相邻的2个压电元件110间的连接点CPl?CP3分别施加着是直流电压的元件间电压Vdcl?Vdc3，所以能够防止使串联连接的压电元件110中的一部分压电元件110负载过大电压的现象。其结果为，可以降低压电元件110整体的有效静电容量，并降低压电元件110的电力消耗。
[0076]此外，在第一实施方式中，对4个压电元件110间的3个连接点CPl?CP3的每个分别施加元件间电压Vdcl?Vdc3，但元件间电压发生电路350对多个连接点CPl?CP3中的至少一个供给元件间电压即可。即，一般而言，对由N个压电元件110构成的压电元件列400中的相邻的2个压电元件110间的(N— I)个连接点中的M个(M是I以上且小于N的整数)的连接点分别供给包含直流成分的元件间电压即可。在该情况下，与完全不供给元件间电压的情况相比，由于驱动电压Vin的直流成分Vbias向多个压电元件110的分配更加稳定，所以能够抑制使串联连接的压电元件中的一部分压电元件负载过大电压的现象。对于这一点，在下述的其他实施方式中也是相同的。
[0077]此外，作为包含交流成分和直流成分(DC偏移)的带偏移驱动电压，优选使用其电压值一直是正或者负的脉动电压。若使用这种脉动电压，则可以进一步减小驱动电流。
[0078]图7是示出第二实施方式的压电元件驱动电路的结构的说明图。第二实施方式的压电元件驱动电路是在图6的(B)所示的第一实施方式的回路的基础上增加了电感器L1、L2、L3的电路。这些电感器L1、L2、L3分别与元件间电压发生电路350和相邻的压电元件110间的连接点CP1、CP2、CP3之间连接。此外，在下文中，电感器L1、L2、L3的电感也使用与电感器相同的附图标记L1、L2、L3。
[0079]设置电感器L1、L2、L3的理由是为了抑制驱动电压Vin的交流成分向元件间电压发生电路350逆流的现象。为了达到这种效果，电感器L1、L2、L3优选满足下述2个条件中的至少一个。
[0080]< 条件 1>
[0081]各电感Lj的阻抗(=2iif.Lj)在IkQ以上(其中，f是驱动电压Vin的交流成分的频率);
[0082]< 条件 2>
[0083]各电感Lj的阻抗(=2对.Lj)是构成与压电元件列400的多个压电元件110的静电容量Ci中的最小值Cmin对应的阻抗(=1/(2对.Cmin))的10倍以上。
[0084]上述条件I是用于在驱动电压Vin的交流成分从压电元件列400向元件间电压发生电路350逆流的情况下，减小该交流成分的电流值的条件。另外，上述条件2是用于抑制电流根据每个压电元件110的两端的电压差的变动向元件间电压发生电路350逆流的条件。各电感L1、L2、L3优选满足上述条件1、2的至少一个，更优选为两个都满足。这样的话，能够通过电感器L1、L2、L3降低经由供给元件间电压的连接点CPI?CP3向驱动电路逆流的驱动电压的交流成分。
[0085]图8是示出第三实施方式的压电元件驱动电路的结构的说明图。第三实施方式的压电元件驱动电路在元件间电压发生电路350b的内部结构例被具体描述这一点上与图7所示的第二实施方式不同，其他结构与第二实施方式相同。元件间电压发生电路350b与驱动电压发生电路340的驱动电压Vin的输出端子连接，并且在元件间电压发生电路350b的内部包括对驱动电压Vin进行分压的分压电路352b。分压电路352b由电感器LlO和多个电阻Rl?R4串联连接而构成。
[0086]设置多个电阻Rl?R4的串联连接是为了对驱动电压Vin所包含的直流成分Vbias进行分压，从而分别产生元件间电压Vdcl?Vdc3。其中，在图8的例子中，由于驱动电压Vin除了直流成分Vbias之外还包含交流成分，因此元件间电压Vdcl?Vdc3不是直流电压，而是包含交流成分的电压。另外，由于与压电元件列400的连接点CPl?CP3连接的电感器LI?L3构成一种平滑电路，元件间电压Vdcl?Vdc3所包含的交流成分被这些平滑电路平滑化。因此，在该第三实施方式中，也能够进一步防止使串联连接的压电元件110中的一部分压电元件110负载过大电压的现象，能够降低压电元件整体的有效静电容量而降低压电体驱动电路的电力消耗。此外，在本说明书中，“包含直流成分的元件间电压”包括仅包含直流成分的元件间电压和包含直流成分和交流成分这两种的元件间电压这两种电压。其中，从使各压电元件的电极间的电压稳定的观点来看，优选使用仅包含直流成分的元件间电压。
[0087]分压电路352b内的电感器LlO是为了抑制驱动电压Vin的交流成分经由电阻Rl?R4流向接地侧。该电感器LlO的阻抗(=2对.L10)优选在IkQ以上(其中，f是驱动电压Vin的交流成分的频率)。此外，在图8的例子中，电感器LlO与多个电阻Rl?R4的高电压侧连接，但也可以代替这种连接方式，将电感器LlO与接地布线侧(即电阻Rl?R4的低电压侧)连接。另外，也可以省略电感器L10。
[0088]图9是示出第四实施方式的压电元件驱动电路的结构的说明图。第四实施方式的压电元件驱动电路在省略了图8所示的第三实施方式的电感器LI?L3、L10这一点上与第三实施方式不同，其他结构与第三实施方式相同。元件间电压发生电路350c包括串联连接多个电阻Rl?R4而构成的分压电路352c。在该结构中，如在图8中描述过的那样，元件间电压Vdcl?Vdc3不是直流电压，而是包含交流成分的电压。其中，由于即使省略了图8所示的电感器LI?L3，通过元件间电压Vdcl?Vdc3也使压电元件110间的连接点CPl?CP3的电压稳定，所以能够进一步防止使串联连接的压电元件110中的一部分压电元件110负载过大电压的现象。其结果为，能够降低压电元件整体的有效静电容量而降低压电体驱动电路的电力消耗。
[0089]压电驱动装置的他的实施方式:
[0090]图10是作为本发明的第5的实施方式的压电驱动装置1b的剖视图，是对应于第一实施方式的图1的(B)的图。在该压电驱动装置1b中，在压电振动体100与图1的(B)上下相反的状态下将压电振动体100配置于振动板200。即，此时被配置为第二电极150cl、150c2、150dl、150d2离振动板200近，基板120离振动板200最远。此外，在图10中，与图1的(B)相同地，对第一电极130&1、130&2、130131、13(^2、130。1、130。2、130(11、130(12、13061、13062、13063、13064、第二电极150&1、150&2、150131、15(^2、150。1、150。2、150(11、150(12、15061、150e2、150e3、150e4、以及用于驱动电路之间的电气连接的布线(或者布线层及绝缘层)省略了图示。该压电驱动装置1b也能够达到与第一实施方式相同的效果。
[0091]此外，关于压电驱动装置、压电元件的结构及配列，可以采用图1、图3、及图10所示之外的任意结构及配列。
[0092]使用了压电驱动装置的装置的实施方式:
[0093]上述的压电驱动装置10是能够通过利用谐振而对被驱动体赋予较大的力的装置，可以用于各种装置。压电驱动装置10例如可以用作机器人(也包括电子部件搬送装置(IC处理器))、投药用栗、表的送日历装置、印刷装置(例如送纸机构。其中，在用于头部的压电驱动装置中，不使振动板谐振，因此不可以用于头部。)等各种机器的驱动装置。下文中，对代表性的实施方式进行说明。
[0094]图11是示出利用上述压电驱动装置10的机器人2050的一例的说明图。机器人2050具有臂2010(还称为“腕部”)，臂2010具备多个连杆部2012(还称为“连杆构件”)和多个关节部2020，多个关节部2020以可转动或弯曲的状态连接这些连杆部2012之间。每个关节部2020中内藏有上述压电驱动装置10，可以使用压电驱动装置10使关节部2020转动或弯曲任意角度。在臂2010的顶端连接有机器人手2000。机器人手2000具备一对把持部2003。在机器人手2000中也内藏有压电驱动装置10，可以使用压电驱动装置10对把持部2003进行开闭而把持物品。另外，在机器人手2000和臂2010之间也设置有压电驱动装置10，可以使用压电驱动装置10使机器人手2000相对于臂2010旋转。
[0095]图12是图11所示的机器人2050的手腕部分的说明图。手腕的关节部2020夹持手腕转动部2022，手腕的连杆部2012以将手腕转动部2022的中心轴O作为中心轴可转动的方式安装在手腕转动部2022。手腕转动部2022具备压电驱动装置10，压电驱动装置10使手腕的连杆部2012及机器人手2000将中心轴O作为中心轴转动。机器人手2000立设有多个把持部2003。把持部2003的基端部在机器人手2000内可移动，在该把持部2003的根部搭载有压电驱动装置10。因此，通过使压电驱动装置10动作，能够移动把持部2003而使其把持目标。
[0096]此外，作为机器人，不限于单腕的机器人，在腕的个数在2以上的多腕机器人中也可以适用压电驱动装置10。其中，在手腕的关节部2020、机器人手2000的内部，除了压电驱动装置10之外，包含对力传感器、陀螺仪传感器等各种装置供给电力的电源线、传递信号的信号线等，从而需要非常多的布线。因此，在关节部2020、机器人手2000的内部配置布线是非常困难的。然而，在上述实施方式的压电驱动装置10，由于可以相比通常的电动马达、现有的压电驱动装置减小驱动电流，所以在像关节部2020(尤其是臂2010的顶端的关节部)、机器人手2000这种小空间中也可以配置布线。
[0097]图13示出利用了上述的压电驱动装置10的送液栗2200的一例的说明图。在送液栗2200的壳体2230内设置有容器2211、管2212、压电驱动装置10、转子2222、减速传达机构2223、凸轮2202、以及多个指状物 2213、2214、2215、2216、2217、2218、2219。容器 2211 是用于收容作为运输目标的液体的收容部。管2212是用于运输从容器2211送出的液体的管。压电驱动装置10的突起部20以向转子2222的侧面按压的状态设置，压电驱动装置10使转子2222旋转驱动。转子2222的旋转力经由减速传达机构2223向凸轮2202传递。指状物2213至2219是用于封闭管2212的构件。若凸轮2202旋转，则通过凸轮2202的突起部2202A，指状物2213至2219依次被推向放射方向外侧。指状物2213至2219从运输方向上游侧(容器2211侧)开始依次封闭管2212。由此，管2212内的液体依次被运向下游侧。这样的话，可以以高精度运输极少量的液体，而且还能够实现小型送液栗2200。此外，各构件的配置不限于图示中的配置。另外，也可以采用不具备指状物等构件而由设置于转子2222的球等封闭管2212的结构。上述送液栗2200可以用于将胰岛等药液投药给人体的投药装置等。其中，由于通过使用上述实施方式的压电驱动装置10，相比现有的压电驱动装置减小驱动电流，所以能够抑制投药装置的电力消耗。因此，在对投药装置进行电池驱动的情况下尤其有效。
[0098]变形例:
[0099]此外，本发明不限于上述实施例及实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内可实施多种方式，例如可进行如下变形。
[0100]变形例1:
[0101]在上述实施方式中，在基板120上形成有第一电极130、压电体140和第二电极150，但也可以省略基板120，在振动板200上形成第一电极130、压电体140和第二电极150。
[0102]变形例2:
[0103]在上述实施方式中，在振动板200的双面设置有压电振动体100，但也可以仅在振动板200的一侧的面设置压电振动体100。其中，若在振动板200的双面分别设置压电振动体100，则在使振动板200在其平面内更容易以弯曲的蛇形形状变形这一点上是优选的。
[0104]上文中，基于几个实施例对本发明的实施方式进行了说明，但上述的发明实施方式是为了便于理解本发明的，而不是限定本发明。对于本发明，当然可以在不脱离其主旨及权利要求书的范围的情况下，进行变更、改良，并且本发明中包含其等同物。
[0105]附图标记说明
[0106]10…压电驱动装置;20...突起部;50...转子;51...中心；100…压电振动体;110…压电兀件；120…基板；130…第一电极;140…压电体;150…第二电极;151、152…布线；200...振动板;210…振动体部；211…第一面;212…第二面；220…连接部；230…安装部；240...螺丝；300…驱动电路;310、312、314、320…布线；340…驱动电压发生电路(第一发生电路)；350…兀件间电压发生电路(第二发生电路)；352…分压电路;400…压电兀件列；2000…机器人手；2003…把持部；2010…臂；2012...连杆部；2020…关节部；2022…手腕转动部；2050 …机器人；2200...送液栗；2202...凸轮；2202A …突起部；221l...容器；2212..?管；2213...指状物;2222...转子;2223...减速传达机构;2230...壳体。
【主权项】
1.一种压电元件驱动电路，其特征在于，具备: 压电元件列，由N个压电元件串联连接而成，N个所述压电元件分别具有厚度在0.Οδμ??以上20μπι以下的压电体和夹着所述压电体的2个电极，其中，N为2以上的整数； 第一发生电路，对所述压电元件列供给包含交流成分和直流成分的电压；以及第二发生电路，对所述压电元件列中的相邻的2个压电元件间的N— I个连接点中的M个连接点供给包含直流成分的电压，其中，M为I以上的整数。2.根据权利要求1所述的压电元件驱动电路，其特征在于， 所述M与所述N— I相等， 所述第二发生电路对所述N — I个连接点供给不同的电压值。3.根据权利要求1所述的压电元件驱动电路，其特征在于， 所述第二发生电路供给的电压是直流电压。4.根据权利要求1所述的压电元件驱动电路，其特征在于， 具备在所述第二发生电路和所述M个连接点之间连接的电感器。5.根据权利要求1所述的压电元件驱动电路，其特征在于， 所述第二发生电路具备分压电路，所述分压电路通过对所述第一发生电路供给的电压进行分压，从而生成对所述M个连接点供给的电压。6.根据权利要求5所述的压电元件驱动电路，其特征在于， 所述分压电路包括由多个电阻元件串联连接而成的电阻元件列。7.根据权利要求6所述的压电元件驱动电路，其特征在于， 所述分压电路包括与所述电阻元件串联连接的电感器。8.一种机器人，其特征在于，具备: 多个连杆部； 关节部，将所述多个连杆部连接；以及 权利要求1?7中任一项所述的压电元件驱动电路，使用所述压电元件以所述关节部使所述多个连杆部转动。
【文档编号】H02N2/14GK105846717SQ201610064661
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年1月29日
【发明人】梶野喜, 梶野喜一
【申请人】精工爱普生株式会社