(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と、前記第１面の裏面側にあって凹部が形成された第２面とを有する振動体と、
前記第１面に設けられた圧電素子と、
前記振動体と前記圧電素子とを含む第１圧電振動部及び第２圧電振動部と、を含み、
前記凹部は、円柱状の形状であり、第２面から第１面へ貫通せず、
前記凹部と前記圧電素子とは、前記第２面の法線方向から見て、重なる部分を有し、
前記第１圧電振動部の前記第２面と前記第２圧電振動部の前記第２面とが接着されていることを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電駆動装置において、
前記第２面の法線方向から見て、
前記振動体は、第１線に対して対称な形状であり、
前記凹部は、前記第１線に対して対称に配置されていることを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電駆動装置において、
前記第２面の法線方向から見て、
前記振動体は、第１線に対して対称な形状であり、
前記凹部は、前記第１線に対して非対称に配置されていることを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
前記第１面は、平坦であることを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
前記圧電素子は、第１電極、第２電極、及び前記第１電極と前記第２電極との間に位置する圧電体を有し、
前記圧電体の厚さは、５０ｎｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
前記振動体は、シリコンを含むことを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
前記振動体に接続されている支持部を含むことを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項８】
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、
前記リンク部を前記関節部で回動させる請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
を有することを特徴とするロボット。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置の駆動方法であって、
前記圧電駆動装置は、第１電極、第２電極、及び前記第１電極と前記第２電極との間に位置する圧電体を有し、
前記第１電極と前記第２電極との間に、周期的に変化する電圧を印加することを特徴とする圧電駆動装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電駆動装置、ロボット、及び圧電駆動装置の駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電体を振動させて被駆動体（被駆動部材）を駆動する圧電アクチュエーター（圧電駆動装置）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（例えば、特許文献１参照）。この圧電駆動装置の基本的な構成は、補強板の２つの面のそれぞれの上に、４つの圧電素子が２行２列に配置された構成である。圧電体は支持部材である振動体を変形させて駆動している。
【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】
しかしながら、特許文献１では、圧電体が支持部材である振動体を変形させて駆動しているため、振動体の剛性により効率が低下するという課題がある。特に薄膜ピエゾの場合、ピエゾの膜厚に対して振動体の厚さが大きくなるため、課題が顕著となる。
【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】
［適用例１］本適用例に係る圧電駆動装置は、第１面と、凹部が形成された第２面とを有する振動体と、前記第１面に設けられた圧電素子と、を含み、前記凹部と前記圧電素子とは、前記第２面の法線方向から見て、重なる部分を有することを特徴とする。
【０００７】
本適用例によれば、振動体を使った圧電駆動装置において、振動体に凹部を作り、振動体の剛性を低くすることにより効率が向上する。また、素子変位拡大、最適化による効率向上が見込める。
【０００８】
［適用例２］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記凹部は、溝状又は穴状の形状の少なくとも一つを有することが好ましい。
【０００９】
本適用例によれば、凹部を容易に形成することができる。
【００１０】
［適用例３］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記振動体は、第１線に対して対称な形状であり、前記凹部は、前記第１線に対して対称に配置されていることが好ましい。
【００１１】
本適用例によれば、凹部の配置によって振動体の剛性に等方性を持たせ、圧電駆動装置の先端が描く軌道の分布が方向に依存しないようにコントロールすることができる。
【００１２】
［適用例４］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記振動体は、第１線に対して対称な形状であり、前記凹部は、前記第１線に対して非対称に配置されていることが好ましい。
【００１３】
本適用例によれば、凹部の配置によって振動体の剛性に異方性を持たせ、圧電駆動装置の先端が描く軌道をコントロールすることができる。
【００１４】
［適用例５］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記第１面は、平坦であることが好ましい。
【００１５】
本適用例によれば、圧電素子の薄膜は、膜形成プロセスを利用して容易に形成することができる。
【００１６】
［適用例６］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記圧電素子は、第１電極、第２電極、及び前記第１電極と前記第２電極との間に位置する圧電体と、を有し、前記圧電体の厚さは、５０ｎｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
本適用例によれば、圧電体の厚みを０．０５μｍ以上とすれば、圧電体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、圧電体の厚みを２０μｍ以下とすれば、圧電振動部を十分に小型化することができる。
【００１８】
［適用例７］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記振動体は、シリコンを含むことが好ましい。
【００１９】
本適用例によれば、圧電駆動装置を、半導体製造装置や半導体製造プロセスを応用して製造可能なので、圧電駆動装置を小型、高精度に製造できる。
【００２０】
［適用例８］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記振動体と前記圧電素子と、を含む第１圧電振動部及び第２圧電振動部を有することが好ましい。
【００２１】
本適用例によれば、第１圧電振動部と第２圧電振動部との２つの圧電振動部を備えるので、高い動力を得ることができる。
【００２２】
［適用例９］上記適用例に記載の圧電駆動装置において、前記第１圧電振動部の上に前記第２圧電振動部が積層されていることが好ましい。
【００２３】
本適用例によれば、第１圧電振動部の上に第２圧電振動部を積層することにより、高い動力を得ることができる。また、素子を多層に重ねる場合、振動体の表面の凹部が接着材の逃げの役割を果たし、接着材のはみ出しを防ぐことができる。
【００２４】
［適用例１０］本適用例に係るロボットは、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、前記複数のリンク部を前記関節部で回動させる上記のいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、を有することを特徴とする。
【００２５】
本適用例によれば、圧電駆動装置をロボットの駆動に利用できる。
【００２６】
［適用例１１］本適用例に係る圧電駆動装置の駆動方法は、上記のいずれか一項に記載の圧電駆動装置の駆動方法であって、前記圧電駆動装置は、第１電極、第２電極、及び前記第１電極と前記第２電極との間に位置する圧電体、を有し、前記第１電極と前記第２電極との間に、周期的に変化する電圧を印加することを特徴とする。
【００２７】
本適用例によれば、圧電素子の圧電体に印加される電圧は一方向だけなので、圧電体の耐久性を向上できる。
【００２８】
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、圧電駆動装置の他、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、圧電駆動装置を搭載するロボットの駆動方法、電子部品搬送装置、送液ポンプ、及び投薬ポンプ等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態に係る圧電振動部の概略構成を示す説明図、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ断面図。
【図２】本実施形態に係る基板を示す平面図。
【図３】本実施形態に係る振動体の剛性を示す図。
【図４】従来の振動体の剛性を示す図。
【図５】圧電駆動装置の等価回路を示す説明図。
【図６】圧電振動部の動作の例を示す説明図。
【図７】本実施形態に係る圧電振動部の製造工程で実行される膜形成プロセスを示すフローチャートを示す説明図。
【図８】本実施形態に係る圧電振動部の製造工程を図示した説明図。
【図９】配線電極のパターンを示す説明図。
【図１０】圧電駆動装置の構成例を示す説明図、（Ａ）及び（Ｂ）は４つの圧電振動部を備えている図、（Ｃ）は２つの圧電振動部を備えている図。
【図１１】他の実施形態としての圧電振動部の平面図、（Ａ）は３つの圧電素子が形成されている図、（Ｂ）は４つの圧電素子が形成されている図、（Ｃ）は１つの第２電極が形成されている図。
【図１２】圧電振動部の別の構成を示す説明図。
【図１３】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１４】ロボットの手首部分の説明図。
【図１５】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】
【００３０】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大又は縮小して表示している。
【００３１】
図１は、本実施形態に係る圧電振動部の概略構成を示す説明図である。図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ断面図である。図１（Ａ）に示す平面図では、図１（Ｂ）に示した絶縁膜２４０と、配線電極２５０と、保護膜２６０と、については、図示が省略されている。始めに、圧電駆動装置１０と圧電振動部１００との関係を説明する。圧電駆動装置１０は、１以上の圧電振動部１００を備えるものである。したがって、圧電振動部１００が１つしかない場合、圧電駆動装置１０と圧電振動部１００とは同じものである。
【００３２】
圧電振動部１００は、基板２００と、圧電素子１１０と、絶縁膜２４０と、配線電極２５０と、保護膜２６０と、を備える。基板２００は、振動体２１０と、支持部２２０とを備える。振動体２１０と、支持部２２０とは、振動体２１０の長辺の中央で接続されている。支持部２２０のうち、振動体２１０と接続されている端部を「第１接続部２２２」及び「第２接続部２２３」と呼び、第１接続部２２２及び第２接続部２２３以外の部分を「固定部２２１」と呼ぶ。なお、第１接続部２２２と第２接続部２２３とを区別しない場合には、「第１接続部２２２」及び「第２接続部２２３」を、それぞれ「接続部２２２」及び「接続部２２３」とも呼ぶ。振動体２１０は、第１面２１７と、凹部１２が形成された第２面２１８とを備えている。基板２００の上には、圧電素子１１０が形成されている。圧電素子１１０は、基板２００の第１面２１７に形成されている。凹部１２と圧電素子１１０とは、第２面２１８の法線方向から見て、重なる部分を有している。圧電素子１１０の上には、絶縁膜２４０と、配線電極２５０と、保護膜２６０とが形成されている。基板２００の第１面２１７は、平坦であってもよい。これによれば、圧電素子１１０の薄膜は、膜形成プロセスを利用して容易に形成することができる。
【００３３】
圧電素子１１０は、第１電極１３０（膜状に形成されているため「第１電極膜１３０」とも呼ぶ。）と、第１電極１３０の上に形成された圧電体１４０（膜状に形成されているため「圧電体膜１４０」とも呼ぶ。）と、圧電体１４０の上に形成された第２電極１５０（膜状に形成されているため「第２電極膜１５０」とも呼ぶ。）と、を備え、第１電極１３０と第２電極１５０とは、圧電体１４０を挟持している。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），及びＣｕ（銅）などの導電性の高い任意の材料を利用可能である。
【００３４】
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、薄膜形状を有している。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，及び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は、例えばポリフッ化ビニリデン及び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、膜形成プロセス（「成膜プロセス」とも呼ぶ。）を利用して容易に形成することができる。これによれば、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、圧電振動部１００を十分に小型化することができる。
【００３５】
本実施形態では、圧電振動部１００は、圧電素子１１０として、５つの圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅを含んでいる。圧電素子１１０ｅは、ほぼ長方形形状に形成されており、振動体２１０の幅方向の中央において、振動体２１０の長手方向に沿って形成されている。圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄは、振動体２１０の四隅の位置に形成されている。なお、図１では、圧電素子１１０が振動体２１０の一方の面に形成されている例を示しているが、圧電素子１１０は、振動体２１０の２つの面に形成されていてもよい。この場合、一方の面の圧電素子１１０ａ〜１１０ｅと、他方の面の圧電素子１１０ａ〜１１０ｅとは、振動体２１０を対称面とする対称位置に配置されることが好ましい。
【００３６】
基板２００は、第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０とを膜形成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２００の振動体２１０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２００は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ2Ｏ3、及びＺｒＯ2などで形成することができる。Ｓｉ製の基板２００（「シリコン基板２００」とも呼ぶ。）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。これによれば、圧電駆動装置１０を、半導体製造装置や半導体製造プロセスを応用して製造可能なので、圧電駆動装置１０を小型、高精度に製造できる。基板２００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２００の厚みを１０μｍ以上とすれば、基板２００上の成膜処理の際に基板２００を比較的容易に取り扱うことができる。なお、基板２００の厚みを５０μｍ以上とすれば、基板２００をさらに容易に取り扱うことができる。また、基板２００（振動体２１０）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、振動体２１０を容易に振動させることができる。
【００３７】
本実施形態では、支持部２２０の上にも、第１電極１３０と、圧電体１４０と、第２電極１５０と、絶縁膜２４０と、配線電極２５０と、保護膜２６０と、が形成されている。その結果、振動体２１０における圧電振動部１００の厚さと支持部２２０における圧電振動部１００の厚さとをほぼ同じにする（例えば厚さの差を６μｍ以下、あるいは３μｍ以下にする）ことができる。これにより複数の圧電振動部１００を重ねて圧電駆動装置１０を構成する場合、振動体２１０における隣接する２つの圧電振動部１００の間の隙間と、支持部２２０における隣接する２つの圧電振動部１００の間の隙間とをほぼ同じにできるので、圧電振動部１００間のガタツキが発生し難い。なお、固定部２２１の上の第１電極１３０と、圧電体１４０と、第２電極１５０とは、動作可能な圧電素子を構成していないことが好ましい。動作可能な圧電素子を構成していなければ、圧電体１４０が変形しないので、固定部２２１を他の部材と固定しやすい。本実施形態では、後述するように、配線電極２５０を介して振動体２１０上の第１電極１３０と、第２電極１５０とに電圧を印加する。動作可能な圧電素子を構成しないようにするには、（ｉ）固定部２２１の上の第１電極１３０と、第２電極１５０とを、振動体２１０上の第１電極１３０と、第２電極１５０とに電圧を印加するための配線電極２５０と接続しない、あるいは、（ｉｉ）固定部２２１の上の第１電極１３０と、固定部２２１の上の第２電極１５０とを互いに接続する、の少なくとも一方を行えば良い。なお、固定部２２１の上の電極１３０，１５０と、振動体２１０の上の電極１３０，１５０とは、互いに接続されておらず、分離されている。上記説明では、第１電極１３０と、圧電体１４０と、第２電極１５０とは、支持部２２０（固定部２２１と接続部２２２，２２３）の上に形成されているとしたが、支持部２２０のうち、接続部２２２，２２３の上には第１電極１３０と、圧電体１４０と、第２電極１５０とが形成されない構成であってもよい。
【００３８】
図２は、本実施形態に係る基板２００を示す平面図である。基板２００は、振動体２１０と、支持部２２０（固定部２２１と接続部２２２，２２３）と、を備えている。図２では、振動体２１０と支持部２２０とを区別しやすくするために、振動体２１０にハッチングを付し、支持部２２０（固定部２２１と接続部２２２，２２３）には、ハッチングを付していない。振動体２１０は、第１辺２１１と、第２辺２１２と、第３辺２１３と、第４辺２１４と、の４辺を含む長方形形状を有している。第１辺２１１と、第２辺２１２とは互いに対辺であり、第３辺２１３と第４辺２１４とは、互いに対辺である。第３辺２１３と第４辺２１４とは、ぞれぞれ、第１辺２１１と第２辺２１２との間をつなぎ、第１辺２１１よりも長い。
【００３９】
振動体２１０は、第１面２１７と、凹部１２が形成された第２面２１８とを備えている。振動体２１０は少なくとも一つの凹部１２を備えている。凹部１２は穴状の形状を有している。凹部１２は溝状であってもよい。これによれば、凹部１２を容易に形成することができる。凹部１２の形状は特に限定されず、例えば、円柱状であってもよい。凹部１２の内周はテーパー形状に形成されていてもよい。凹部１２は平面形状が矩形又は円形に形成されていてもよい。凹部１２は千鳥状に配列されていてもよい。
【００４０】
振動体２１０は、第１線に対して対称な形状である。ここで、第１線は任意の線であり、本実施形態では、第１線は、第１辺２１１の中点と第２辺２１２の中点とを結んだ線とも言えるし、第３辺２１３の中点と第４辺２１４の中点とを結んだ線とも言える。
凹部１２は、上記第１線に対して対称に配置されてもよい。これによれば、凹部１２の配置によって振動体２１０の剛性に等方性を持たせ、圧電駆動装置１０の先端が描く軌道の分布が方向に依存しないようにコントロールすることができる。
凹部１２は、上記第１線に対して非対称に配置されてもよい。これによれば、凹部１２の配置によって振動体２１０の剛性に異方性を持たせ、圧電駆動装置１０の先端が描く軌道をコントロールすることができる。
【００４１】
２つの接続部２２２，２２３は、それぞれ固定部２２１の端部に設けられ、振動体２１０の第３辺２１３と第４辺２１４とのそれぞれ中央の位置に接続されている。固定部２２１は、第１接続部２２２から第２辺２１２側を回って、第２接続部２２３に至るように、第１辺２１１よりも第２辺２１２に近い側に配置されている。振動体２１０と、支持部２２０とは、１枚のシリコン基板から一体形成されている。具体的には、圧電素子１１０が形成されたシリコン基板をエッチングすることにより、個々の基板２００の形状を形成するとともに、振動体２１０と、支持部２２０との間の隙間２０５を形成する。これにより、振動体２１０と、支持部２２０（固定部２２１と接続部２２２，２２３）とが一体形成される。
【００４２】
振動体２１０の長さＬ（第３辺２１３及び第４辺２１４の長さ）と幅Ｗ（第１辺２１１及び第２辺２１２の長さ）との比は、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。
【００４３】
図３は、本実施形態に係る振動体２１０の剛性を示す図である。図４は、従来の振動体の剛性を示す図である。
上述の実施形態の効果を確認するために振動体２１０の剛性のシミュレーションを行った。振動体２１０の大きさは、縦が３．５ｍｍで、横が１．００ｍｍで、厚さが０．２ｍｍ（０．１ｍｍを２枚）である。各接続部２２２，２２３の大きさは、横が０．２５ｍｍで、縦が０．３ｍｍである。凹部１２の大きさは、Φが０．１ｍｍで、深さが０．０５ｍｍである。その配列は、縦が０．１５ｍｍで、横が０．２ｍｍのピッチで片側２３×５＝１１５穴（両面に凹部１２あり）である。
【００４４】
シミュレーション結果を図３及び図４に示す。それぞれ同じ力で素子長辺方向に力を加えた時の各領域の変位（量）を求めており、変位が大きければ振動体２１０の剛性が低いということになる。図３のように振動体２１０に凹部１２をパターン化して作った形状にすることで、図４の凹部のない形状に比べて変位（１Ｎ引張時の変位）が５４ｎｍ（凹部なし）→７０ｎｍ（凹部１２あり）で約１．３倍になっている。つまり、圧電素子１１０へ同じ電力を加えた場合、変位が約１．３倍になる。変位が増えた分、出力が増加すると予測できる。同じ電力で出力が増加すれば、効率は向上する。
【００４５】
振動体２１０の第１辺２１１には、凹部２１６が形成されている。凹部２１６には、被駆動部材と接触可能な接触子２０が嵌め込まれて接合（通常は接着）される。接触子２０は、被駆動部材と接触して、被駆動部材に力を与えるための部材である。接触子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。
【００４６】
図５は、圧電駆動装置１０の等価回路を示す説明図である。図５に示す等価回路は、１つの圧電振動部１００を動作するものを例として図示している。圧電素子１１０は、３つのグループに分けられる。第１グループは、２つの圧電素子１１０ａ，１１０ｄを有する。第２グループは、２つの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃを有する。第３グループは、１つの圧電素子１１０ｅのみを有する。第１グループの圧電素子１１０ａ，１１０ｄは、互いに並列に接続され、駆動回路３００に接続されている。第２グループの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃは、互いに並列に接続され、駆動回路３００に接続されている。第３グループの圧電素子１１０ｅは、単独で駆動回路３００に接続されている。
【００４７】
駆動回路３００は、５つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅのうちの所定の圧電素子、例えば第１グループの圧電素子１１０ａ，１１０ｄの第１電極１３０と第２電極１５０との間に周期的に変化する交流電圧又は脈流電圧を印加することにより、圧電振動部１００を超音波振動させて、接触子２０に接触するローター（被駆動体、被駆動部材）を所定の回転方向に回転させることが可能である。ここで、「脈流電圧」とは、交流電圧にＤＣオフセットを付加した電圧を意味し、脈流電圧の電圧（電界）の向きは、一方の電極から他方の電極に向かう一方向である。電流の向きは、第１電極１３０から第２電極１５０に向かうよりも第２電極１５０から第１電極１３０に向かう方が好ましい。また、第２グループの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃの第１電極１３０と第２電極１５０との間に交流電圧又は脈流電圧を印加することにより、接触子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。
【００４８】
駆動回路３００は、圧電素子１１０の共振周波数と同じ周波数の交流電圧又は脈流電圧を印加させてもよい。こうすることで、圧電素子１１０を滑らかに屈曲振動又は縦振動させることができる。本実施形態の圧電駆動装置１０は、振動体２１０に凹部１２を設けることにより、圧電素子１１０の共振周波数が下がる。また、縦共振と屈曲共振との差も変わるので、凹部１２の個数や形状によって共振周波数の調整が可能である。さらに、凹部１２の形状の分布や形状により、振動体２１０の剛性に異方性を持たせることができる。これにより、ローターと接する接触子２０が描く軌跡の変位をコントロールでき、効率のよい駆動が実現できる。
【００４９】
図６は、圧電振動部１００の動作の例を示す説明図である。圧電振動部１００の接触子２０は、被駆動部材としてのローター５０の外周に接触している。図６に示す例では、第１グループの２つの圧電素子１１０ａ，１１０ｄに交流電圧又は脈流電圧を印加しており、圧電素子１１０ａ，１１０ｄは図６の矢印ｘの方向に伸縮する。これに応じて、圧電振動部１００の振動体２１０が振動体２１０の平面内で屈曲して蛇行形状（Ｓ字形状）に変形し、接触子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６では時計回り方向）に回転する。なお、駆動回路３００が、第２グループの２つの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃ（図１）に交流電圧又は脈流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。なお、中央の圧電素子１１０ｅに、交流電圧又は脈流電圧を印加すれば、圧電駆動装置１０が長手方向に伸縮するので、接触子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。これによれば、圧電素子１１０ａ，１１０ｄの圧電体１４０に印加される電圧は一方向だけなので、圧電体１４０の耐久性を向上できる。なお、圧電駆動装置１０（又は圧電振動部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。
【００５０】
図７は、本実施形態に係る圧電振動部１００の製造工程で実行される膜形成プロセスを示すフローチャートを示す説明図である。図８は、本実施形態に係る圧電振動部１００の製造工程を図示した説明図である。ステップＳ１００では、基板２００上に絶縁膜２０１を形成する。基板２００として例えばＳｉウェハーを利用することができる。１枚のＳｉウェハー上には、圧電振動部１００を複数個形成することが可能である。絶縁膜２０１としては、例えば、基板２００の表面を熱酸化して形成されるＳｉＯ2膜を利用することができる。なお、図１では、絶縁膜２０１の図示が省略されている。その他、絶縁膜２０１としてアルミナ（Ａｌ2Ｏ3），アクリルやポリイミドなどの有機材料を用いることができる。なお、基板２００が絶縁体である場合には、絶縁膜２０１を形成する工程は省略可能である。
【００５１】
ステップＳ１１０では、第１電極１３０を形成し、パターニングする。第１電極１３０は、例えば、スパッタリングにより形成でき、パターニングは、エッチングにより行うことができる。
【００５２】
ステップＳ１２０では、第１電極１３０の上に圧電体１４０を形成し、パターニングする。圧電体１４０を形成は、例えばゾル−ゲル法を用いて行うことが可能である。すなわち、圧電体材料のゾルゲル溶液を基板２００（第１電極１３０）の上に滴下し、基板２００を高速回転させることにより、第１電極１３０の上にゾルゲル溶液の薄膜を形成する。その後、２００〜３００℃の温度で仮焼きして第１電極１３０の上に圧電体材料の第１層を形成する。その後、ゾルゲル溶液の滴下、高速回転、仮焼き、のサイクルを複数回繰り返すことによって、第１電極１３０の上に所望の厚さまで圧電体膜を形成する。なお、１サイクルで形成される圧電体の一層の厚みは、ゾルゲル溶液の粘度や、基板２００の回転速度にも依存するが、約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの厚さとなる。所望の厚さまで圧電体膜を形成した後、６００℃〜１０００℃の温度で焼結することにより、圧電体１４０を形成する。焼結後の圧電体１４０の厚さを、５０ｎｍ（０．０５μｍ）以上２０μｍ以下とすれば、小型の圧電駆動装置１０を実現できる。なお、圧電体１４０の厚さを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の厚さを２０μｍ以下とすれば、圧電体１４０に印加する電圧を６００Ｖ以下としても十分に大きな力を発生することができる。その結果、圧電駆動装置１０を駆動するための駆動回路３００を安価な素子で構成できる。なお、圧電体の厚さを４００ｎｍ以上としてもよく、この場合、圧電素子で発生する力を大きくできる。なお、仮焼きや焼結の温度、時間は、一例であり、圧電体材料により、適宜選択される。
【００５３】
ゾル−ゲル法を用いて圧電体材料の薄膜を形成した後に焼結した場合には、原料粉末を混合して焼結する従来の焼結法と比較して、（ａ）薄膜を形成しやすい、（ｂ）格子方向を揃えて結晶化し易い、（ｃ）圧電体の耐圧を向上できる、というメリットがある。
【００５４】
本実施形態では、ステップＳ１２０において、アルゴンイオンビームを用いたイオンミリングにより、圧電体１４０のパターニングを行っている。なお、イオンミリングを用いてパターニングを行う代わりに、他の任意のパターニング方法（例えば、塩素系のガスを用いたドライエッチング）によりパターニングを行っても良い。
【００５５】
ステップＳ１３０では、圧電体１４０の上に第２電極１５０を形成し、パターニングする。第２電極１５０の形成及びパターニングは、第１電極１３０と同様に、スパッタリングとエッチングにより行うことができる。
【００５６】
ステップＳ１４０では、第２電極１５０の上に絶縁膜２４０を形成する。ステップＳ１５０では、絶縁膜２４０の上に配線電極２５０を形成する。
【００５７】
図９は、配線電極２５０のパターンを示す説明図である。配線電極２５０は、４つの配線パターン２５１，２５２，２５３，２５４を有している。これらの配線パターン２５１〜２５４は、固定部２２１の上から接続部２２２，２２３の上を通って振動体２１０上に至るように形成されている。第１配線パターン２５１は、振動体２１０上で、圧電素子１１０ａ，１１０ｄ（図１）の第２電極１５０と接続される。同様に、第２配線パターン２５２は、振動体２１０上で、圧電素子１１０ｂ，１１０ｃの第２電極１５０と接続され、第３配線パターン２５３は、振動体２１０上で、圧電素子１１０ｅの第２電極１５０と接続され、第４配線パターン２５４は、振動体２１０上で、圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅの第１電極１３０と接続される。また、これらの配線パターン２５１〜２５４は、支持部２２０上（接続部２２２，２２３上を除く）で、駆動回路３００からの配線と接続されている。なお、配線パターン２５１〜２５４は、固定部２２１上の第１電極１３０及び第２電極１５０とは接続されていない。
【００５８】
ステップＳ１６０では、保護膜２６０を形成し、ステップＳ１７０では、エッチングにより、個々の基板２００の形状を形成すると同時に、振動体２１０と、支持部２２０との間に隙間２０５を形成し、第１辺２１１に凹部２１６を形成する。凹部２１６には、接触子２０が接着剤で接着される。また、振動体２１０の第２面２１８に凹部１２を形成する。
【００５９】
以上、本実施形態によれば、振動体２１０と支持部２２０（固定部２２１と接続部２２２，２２３）とが一体成形されており、振動体２１０の少なくとも一方の面に第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０とで一体に形成された圧電素子１１０を備える。したがって、振動体２１０と圧電素子１１０との間に接着剤膜がなく、駆動力の伝達ロスが発生し難い。
【００６０】
図１０は、圧電駆動装置の構成例を示す説明図である。図１０（Ａ）及び（Ｂ）は４つの圧電振動部１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄを備えている図であり、図１０（Ｃ）は２つの圧電振動部１００ｅ，１００ｆを備えている図である。
図１０（Ａ）に示す圧電駆動装置１０ａは、４つの圧電振動部１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄを備えている。各圧電振動部１００ａ〜１００ｄは、上述した圧電振動部１００と同様に、振動体２１０と支持部２２０とを備えている。第２圧電振動部１００ｂの支持部や固定部を「第２支持部」及び「第２固定部」と呼ぶ。以下、第３圧電振動部１００ｃ、第４圧電振動部１００ｄについても同様である。この例では、第２圧電振動部１００ｂは、第１圧電振動部１００ａの振動体２１０と、第１圧電振動部１００ａに隣接する第２圧電振動部１００ｂの圧電素子１１０（第２圧電素子）とが接着剤膜２７０により接着されている。これによれば、振動体２１０表面の凹部１２形状が接着剤膜２７０の逃げの役割を果たし、接着剤膜２７０のはみ出しを防ぐことができる。
【００６１】
図１０（Ｂ）に示す圧電駆動装置１０ｂも、同様に４つの圧電振動部１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄを備えている。ただし、図１０（Ｂ）では、第１圧電振動部１００ａの振動体２１０と、第１圧電振動部１００ａに隣接する第２圧電振動部１００ｂの振動体２１０（「第２振動体２１０」とも呼ぶ。）と、が接着剤膜２７０により接着され、第２圧電振動部１００ｂの圧電素子１１０と、第２圧電振動部１００ｂに隣接する第３圧電振動部１００ｃの圧電素子１１０と、が接着剤膜２７０により接着されている。これによれば、振動体２１０表面の凹部１２形状が接着剤膜２７０の逃げの役割を果たし、接着剤膜２７０のはみ出しを防ぐことができる。
【００６２】
なお、第１圧電振動部１００ａの振動体２１０と、第１圧電振動部１００ａに隣接する第２圧電振動部１００ｂの振動体２１０（「第２振動体２１０」とも呼ぶ。）とは、接着剤膜２７０の有無にかかわらず、凹部１２同士をずらして（図面上左右）嵌合してもよい。
【００６３】
図１０（Ｃ）に示す圧電駆動装置１０ｃは、２つの圧電振動部１００ｅ，１００ｆを備えており、これらの圧電振動部１００ｅ，１００ｆは、いずれも振動体２１０の両面に圧電素子１１０を備える構成である。第１圧電振動部１００ｅの圧電素子１１０と、第１圧電振動部１００ｅに隣接する第２圧電振動部１００ｆの圧電素子１１０とが接着剤膜２７０により接着されている。
【００６４】
このように、圧電駆動装置１０は、２以上の圧電振動部１００を振動体２１０の法線方向に積層した構成を備えていても良い。これにより、駆動力を大きくできる。なお、本実施形態では、圧電駆動装置１０は、２以上の圧電振動部１００を振動体２１０の法線方向に積層した構成を備えているが、２以上の圧電振動部１００を振動体２１０の平面に沿って配置しても良い。これによれば、２以上の圧電振動部１００を振動体２１０の法線方向に積層した構成と比較して、圧電駆動装置１０を薄型化することができる。
【００６５】
図１１は、他の実施形態としての圧電振動部の平面図であり、第１実施形態の図１（Ａ）に対応する図である。図１１（Ａ）は３つの圧電素子１１０ａ，１１０ｅ，１１０ｄが形成されている図であり、図１１（Ｂ）は４つの圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄが形成されている図であり、図１１（Ｃ）は１つの第２電極１５０ｅが形成されている図である。図１１（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）では、図示の便宜上、振動体２１０のみを図示し、支持部２２０や接続部２２２，２２３は、図示が省略されている。図１１（Ａ）の圧電振動部１００ｇでは、一対の圧電素子１１０ｂ，１１０ｃが省略されている。この圧電振動部１００ｇも、図６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１１（Ａ）の３つの圧電素子１１０ａ，１１０ｅ，１１０ｄには同じ電圧が印加されるので、これらの３つの圧電素子１１０ａ，１１０ｅ，１１０ｄの第２電極（１５０ａ，１５０ｅ，１５０ｄ）を、連続する１つの電極膜として形成してもよい。
【００６６】
図１１（Ｂ）は、本発明のさらに他の実施形態としての圧電振動部１００ｈの平面図である。この圧電振動部１００ｈでは、図１（Ａ）の中央の圧電素子１１０ｅが省略されており、他の４つの圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄが図１（Ａ）よりも大きな面積に形成されている。この圧電振動部１００ｃ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。
【００６７】
図１１（Ｃ）は、本発明のさらに他の実施形態としての圧電振動部１００ｊの平面図である。この圧電振動部１００ｊ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。この圧電振動部１００ｄは、長手方向に伸縮するだけであるが、接触子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。
【００６８】
図１及び図１１（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）から理解できるように、圧電振動部１００の第２電極１５０としては、少なくとも１つの電極膜を設けることができる。ただし、図１及び図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示す実施形態のように、長方形の振動体２１０の対角の位置に圧電素子１１０（第２電極１５０）を設けるようにすれば、振動体２１０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。
【００６９】
図１２は、圧電振動部１００の別の構成を示す説明図である。圧電振動部１００ｋは、図１に示す圧電振動部１００と比較すると、以下の点が異なっている。図１に示す圧電振動部１００では、基板２００の上に圧電素子１１０が形成され、その上に絶縁膜２４０と配線電極２５０と保護膜２６０とが形成されている。図１２に示す圧電振動部１００ｋでは、基板２００の上に絶縁膜２４０と配線電極２５０と絶縁膜２６５とが形成され、絶縁膜２６５の上に圧電素子１１０が配置されている。すなわち、圧電体１４０よりも基板２００側に配線電極２５０が形成される。このような構成であっても良い。この構成の場合、配線電極２５０の下層に圧電体１４０がなく、圧電体１４０の厚さの影響を受けないので、配線電極２５０が断線しにくいという効果がある。
【００７０】
（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部材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できる。以下、代表的な実施の形態について説明する。
【００７１】
図１３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を開閉してもの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。
【００７２】
図１４は、図１３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。
【００７３】
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。したがって、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。
【００７４】
図１５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の接触子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２２１３〜２２１９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２２１３〜２２１９が順番に放射方向外側に押される。フィンガー２２１３〜２２１９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。したがって、投薬装置を電池駆動する場合は、特に有効である。
【００７５】
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】
【００７６】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…圧電駆動装置  １２…凹部  ２０…接触子  ５０…ローター  ５１…中心  １００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆ，１００ｇ，１００ｈ，１００ｊ，１００ｋ…圧電振動部  １１０，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅ…圧電素子  １３０…第１電極（第１電極膜）  １４０…圧電体（圧電体膜）  １５０，１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄ，１５０ｅ…第２電極（第２電極膜）  ２００…基板  ２０１…絶縁膜  ２０５…隙間  ２１０…振動体  ２１１…第１辺  ２１２…第２辺  ２１３…第３辺  ２１４…第４辺  ２１６…凹部  ２１７…第１面  ２１８…第２面  ２２０…支持部  ２２１…固定部  ２２２…第１接続部  ２２３…第２接続部  ２４０…絶縁膜  ２５０…配線電極  ２５１，２５２，２５３，２５４…配線パターン  ２６０…保護膜  ２６５…絶縁膜  ２７０…接着剤膜  ３００…駆動回路  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…突起部  ２２１１…リザーバー  ２２１２…チューブ  ２２１３〜２２１９…フィンガー  ２２２２…ローター  ２２２３…減速伝達機構  ２２３０…ケース。
【図１】
0006766328.tif 000002
【図２】
0006766328.tif 000003
【図３】
0006766328.tif 000004
【図４】
0006766328.tif 000005
【図５】
0006766328.tif 000006
【図６】
0006766328.tif 000007
【図７】
0006766328.tif 000008
【図８】
0006766328.tif 000009
【図９】
0006766328.tif 000010
【図１０】
0006766328.tif 000011
【図１１】
0006766328.tif 000012
【図１２】
0006766328.tif 000013
【図１３】
0006766328.tif 000014
【図１４】
0006766328.tif 000015
【図１５】
0006766328.tif 000016