(57)【要約】【課題】高出力化を図ることができるモーター用圧電駆動装置を提供する。【解決手段】本発明に係るモーター用圧電駆動装置１００は、固定部４２と、圧電素子５０が設けられ定部４２に支持された振動体部４６と、を有する振動板４０と、被駆動体２に接触し、振動板４０の動きを被駆動体２に伝える接触部６０と、を含み、振動板４０の主面４０ａに平行かつ互いに直交する２つの方向をＸ方向およびＹ方向とし、振動板４０の主面４０ａに垂直な方向をＺ方向としたとき、固定部４２と、振動体部４６と、接触部６０とは、この順に、Ｘ方向に沿って設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、圧電素子が設けられ前記固定部に支持された振動体部と、を有する振動板と、
被駆動体に接触し、前記振動板の動きを前記被駆動体に伝える接触部と、
を含み、
前記振動板の主面に平行かつ互いに直交する２つの方向をＸ方向およびＹ方向とし、前記振動板の主面に垂直な方向をＺ方向としたとき、
前記Ｙ方向からみて、前記固定部と、前記振動体部と、前記接触部とは、この順に、前記Ｘ方向に沿って設けられている、モーター用圧電駆動装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記固定部には、前記圧電素子の電極と電気的に接続された端子が設けられている、モーター用圧電駆動装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記振動体部には、前記Ｘ方向において縦振動を、前記Ｙ方向において屈曲振動を発生させるように、複数の前記圧電素子が設けられている、モーター用圧電駆動装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記振動板は、前記Ｚ方向に複数積層されている、モーター用圧電駆動装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記振動板は、シリコン基板からなる、モーター用圧電駆動装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のモーター用圧電駆動装置と、
前記モーター用圧電駆動装置によって回転されるローターと、
を含む、モーター。
【請求項７】
複数のリンク部と、
複数の前記リンク部を接続する関節部と、
複数の前記リンク部を前記関節部で回動させる請求項１ないし５のいずれか１項に記載のモーター用圧電駆動装置と、
を含む、ロボット。
【請求項８】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のモーター用圧電駆動装置と、
液体を輸送するチューブと、
前記モーター用圧電駆動装置の駆動によって前記チューブを閉鎖する複数のフィンガーと、
を含む、ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モーター用圧電駆動装置、モーター、ロボット、およびポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体を振動させて被駆動体を駆動する圧電アクチュエーター（モーター用圧電駆動装置）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。
【０００３】
例えば特許文献１には、片方の端部を固定し他方の端部を自由にした弾性板の長手方向縦振動一次モードの共振振動と、長手方向の屈曲振動高次モードの共振振動を使用し、弾性板に接して配置されたローターを回転させる超音波モーターが記載されている。
【０００４】
また、例えば特許文献２には、圧電素子を備えた振動板と、振動板を支持する腕部と、腕部を介して振動板を振動可能に支持する固定板と、を含む駆動装置において、腕部は、振動板の長手方向略中央を両側から２つの支点で支持していること（中央支持構造）が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２８４７７５８号公報
【特許文献２】特開２００４−１４０９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された圧電駆動装置では、振動板の主面（振動板の上面）に接してローターが配置されている。したがって、特許文献１に記載された圧電駆動装置では、振動板を、振動板の主面の垂線方向に押圧するため、例えば、振動板の固定部（振動板の治具に挟まれた部分）と振動する部分との境界に応力が集中し、振動板が破壊する可能性があった。そのため、振動板を押圧する力を大きくすることができず、出力を高くすることができない場合があった。
【０００７】
また、特許文献２に記載された圧電駆動装置では、振動板を支持する腕部は、振動板の振動を阻害しないように細長部材であり、例えば、このような細長部材に応力（せん断応力）が加わって、腕部が破壊する可能性があった。そのため、振動板を押圧する力を大きくすることができず、出力を高くすることができない場合があった。
【０００８】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、高出力化を図ることができるモーター用圧電駆動装置を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記のモーター用圧電駆動装置を含むモーター、ロボット、およびポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、以下の態様又は適用例として実現することができる。
【００１０】
［適用例１］
本発明に係るモーター用圧電駆動装置の一態様は、
固定部と、圧電素子が設けられ前記固定部に支持された振動体部と、を有する振動板と
、
被駆動体に接触し、前記振動板の動きを前記被駆動体に伝える接触部と、
を含み、
前記振動板の主面に平行かつ互いに直交する２つの方向をＸ方向およびＹ方向とし、前記振動板の主面に垂直な方向をＺ方向としたとき、
前記Ｙ方向からみて、前記固定部と、前記振動体部と、前記接触部とは、この順に、前記Ｘ方向に沿って設けられている。
【００１１】
このようなモーター用圧電駆動装置では、振動板を被駆動体に押圧する力（押し付ける力）を大きくすることができ、高出力化を図ることができる。
【００１２】
［適用例２］
適用例１において、
前記固定部には、前記圧電素子の電極と電気的に接続された端子が設けられていてもよい。
【００１３】
このようなモーター用圧電駆動装置では、端子に接続される配線（具体的には、モーター用圧電駆動装置を駆動させるための駆動回路に接続された配線）が振動体本部の振動に与える影響を小さくすることができる。また、振動体本部の振動によって配線と端子との接続が切断される可能性を小さくすることができる。
【００１４】
［適用例３］
適用例１または２において、
前記振動体部には、前記Ｘ方向において縦振動を、前記Ｙ方向において屈曲振動を発生させるように、複数の前記圧電素子が設けられていてもよい。
【００１５】
このようなモーター用圧電駆動装置では、例えば振動体部がＸ方向において縦振動をしない場合に比べて、接触部から被駆動体に与える力を大きくすることができる。
【００１６】
［適用例４］
適用例１ないし３のいずれか１例において、
前記振動板は、前記Ｚ方向に複数積層されていてもよい。
【００１７】
このようなモーター用圧電駆動装置では、より高出力化を図ることができる。
【００１８】
［適用例５］
適用例１ないし４のいずれか１例において、
前記振動板は、シリコン基板からなってもよい。
【００１９】
このようなモーター用圧電駆動装置では、振動板を半導体製造プロセス（例えばフォトリソグラフィーおよびエッチング技術）を用いて加工することができる。
【００２０】
［適用例６］
本発明に係るモーターの一態様は、
適用例１ないし５のいずれか１例に記載のモーター用圧電駆動装置と、
前記モーター用圧電駆動装置によって回転されるローターと、
を含む。
【００２１】
このようなモーターは、本発明に係るモーター用圧電駆動装置を含むため、高出力化を図ることができる。
【００２２】
［適用例７］
本発明に係るロボットの一態様は、
複数のリンク部と、
複数の前記リンク部を接続する関節部と、
複数の前記リンク部を前記関節部で回動させる適用例１ないし５のいずれか１例に記載のモーター用圧電駆動装置と、
を含む。
【００２３】
このようなロボットでは、本発明に係るモーター用圧電駆動装置を含むことができる。
【００２４】
［適用例８］
本発明に係るポンプの一態様は、
適用例１ないし５のいずれか１例に記載のモーター用圧電駆動装置と、
液体を輸送するチューブと、
前記モーター用圧電駆動装置の駆動によって前記チューブを閉鎖する複数のフィンガーと、
を含む。
【００２５】
このようなポンプでは、本発明に係るモーター用圧電駆動装置を含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施形態に係るモーター用圧電駆動装置を模式的に示す断面図。
【図２】本実施形態に係るモーター用圧電駆動装置を模式的に示す平面図。
【図３】本実施形態に係るモーター用圧電駆動装置を模式的に示す断面図。
【図４】本実施形態に係るモーター用圧電駆動装置を模式的に示す平面図。
【図５】本実施形態に係るモーター用圧電駆動装置と駆動回路との電気的接続状態を説明するための図。
【図６】本実施形態に係るモーター用圧電駆動装置の動作を説明するための図。
【図７】シミュレーションに用いたモデルを説明するための図。
【図８】シミュレーションに用いたモデルを説明するための図。
【図９】振動板に生じる最大応力を示す表。
【図１０】本実施形態の変形例に係るモーター用圧電駆動装置を模式的に示す断面図。
【図１１】本実施形態に係るロボットを説明するための図。
【図１２】本実施形態に係るロボットの手首部分を説明するための図。
【図１３】本実施形態に係るポンプを説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２８】
１．  モーター用圧電駆動装置
まず、本実施形態に係るモーター用圧電駆動装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るモーター用圧電駆動装置１００を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係るモーター用圧電駆動装置１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ線断面図である。また、図１，２および後述する図３〜８，１０は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。
【００２９】
モーター用圧電駆動装置１００は、図１および図２に示すように、基板１０と、固定板２０と、バネ３０と、振動板４０と、圧電素子５０と、接触部（突起部）６０と、を含む。モーター用圧電駆動装置１００と、ローター（被駆動体）２とは、モーター１０１を構成している。ローター２は、モーター用圧電駆動装置１００によって回転される。なお、便宜上、図２では、基板１０、固定板２０、バネ３０を省略し、圧電素子５０を簡略化して図示している。
【００３０】
基板１０には、図１に示すように、固定板２０およびローター２が載置されている。図示の例では、基板１０は、＋Ｚ軸方向側に突出した凸部１２を有している。基板１０の材質は、特に限定されず、例えば、金属材料、樹脂材料、セラミックス材料、半導体材料である。
【００３１】
固定板（固定部材）２０は、基板１０上に設けられている。固定板２０には、振動板４０の固定部４２が固定されている。固定板２０は、基板１０に対して変位（図示の例ではＸ軸方向に変位）可能である。固定板２０の材質は、例えば、ステンレス鋼である。
【００３２】
バネ３０は、基板１０の凸部１２と、固定板２０と、を接続している。図示の例では、バネ３０は、固定板２０を、＋Ｘ軸方向側に付勢している。これにより、接触部６０をローター２に押圧する（押し付ける）ことができる。
【００３３】
振動板４０は、固定板２０上に設けられている。振動板４０は、例えば、半導体基板（具体的にはシリコン基板）からなる。なお、振動板４０の材質は、例えば、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材料やアルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料であってもよい。図示の例では、振動板４０は、例えば、Ｘ軸方向が長手方向となる形状を有している。振動板４０は、固定部４２と、接続部４４と、振動体部４６と、を有している。
【００３４】
固定部４２は、固定板２０に固定されている。固定部４２は、Ｚ軸方向からみて（平面視において）、振動板４０の、固定板２０と重なっている部分である。固定部４２は、例えば、接着剤（図示せず）を介して固定板２０に接続されていてもよい。図１に示すように、振動板４０は、片持ち梁状に固定板２０に支持されている。
【００３５】
接続部４４は、固定部４２と振動体部４６とを接続している。接続部４４は、固定板２０と離間して設けられている。図示の例では、接続部４４のＹ軸方向の大きさ（幅）は、固定部４２の幅および振動体部４６の幅よりも小さい。なお、図示はしないが、接続部４４の幅は、固定部４２の幅と同じであってもよいし、接続部４４は、幅が、固定部４２と同じ部分と、固定部４２よりも小さい部分と、を有していてもよい。また、接続部４４は、設けられておらず、固定部４２と振動体部４６とは、互いに接続されていてもよい。
【００３６】
振動体部４６は、接続部４４を介して固定部４２に支持されている。振動体部４６は、固定板２０と離間して設けられている。振動体部４６には、圧電素子５０が設けられている。図示の例では、振動体部４６のＹ軸方向の大きさは、固定部４２のＹ軸方向の大きさと同じである。振動体部４６は、圧電素子５０の変形に応じて、変形することができる。振動体部４６の厚さは、例えば、７００μｍ以下である。これにより、振動体部４６は、圧電素子５０の変形に応じて十分に変形することができる。
【００３７】
圧電素子５０は、振動体部４６上に設けられている。図示の例では、圧電素子５０は、振動板４０の主面４０ａに設けられている。主面４０ａは、Ｘ方向（Ｘ軸方向）およびＹ方向（Ｙ軸方向）に平行な面（ＸＹ平面に平行な面）であり、Ｚ方向（Ｚ軸方向）に垂直
な面（垂線がＺ軸方向である面）である。図示の例では、主面４０ａは、＋Ｚ軸方向を向く面である。ここで、図３は、モーター用圧電駆動装置１００を模式的に示す断面図である。図４は、モーター用圧電駆動装置１００を模式的に示す平面図である。なお、図３は、図４のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。また、便宜上、図３および図４では、基板１０、固定板２０、およびバネ３０を省略して図示している。
【００３８】
圧電素子５０は、図４に示すように、複数設けられている。図４に示す例では、圧電素子５０は、３つ設けられている。圧電素子５０ａは、圧電素子５０ｂと圧電素子５０ｃとの間に設けられている。圧電素子５０ｂは、圧電素子５０ａよりも−Ｙ軸方向側に設けられている。圧電素子５０ｃは、圧電素子５０ａよりも＋Ｙ軸方向側に設けられている。圧電素子５０は、図３に示すように、第１電極層５２と、圧電体層５４と、第２電極層５６と、を有している。
【００３９】
第１電極層５２は、振動体部４６上に設けられている。第１電極層５２は、振動体部４６上に設けられたイリジウム層と、イリジウム層上に設けられた白金層と、によって構成されていてもよい。イリジウム層の厚さは、例えば、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。白金層の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。なお、第１電極層５２は、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕなどからなる金属層、またはこれらの２種以上を混合または積層したものであってもよい。
【００４０】
第１電極層５２は、圧電体層５４に電圧を印加するための一方の電極である。図示の例では、３つの圧電素子５０ａ，５０ｂ，５０ｃの第１電極層５２は、互いに接続されて１つの電極層として設けられている（共通の電極層を構成している）。
【００４１】
第１電極層５２は、図４に示すように、配線４を介して、端子５と電気的に接続されている。図示の例では、端子５のＹ軸方向の大きさは、配線４のＹ軸方向の大きさよりも大きい。端子５は、固定部４２上に設けられている。端子５は、接地されていてもよい。なお、便宜上、図１および図２では、配線４および端子５の図示を省略している。
【００４２】
圧電体層５４は、第１電極層５２上に設けられている。圧電体層５４の厚さは、例えば、０．０５μｍ以上２０μｍ以下であり、好ましくは、１μｍ以上７μｍ以下である。このように、圧電素子５０は、薄膜圧電素子である。圧電体層５４の厚さが０．０５μｍより小さいと、モーター用圧電駆動装置１００の出力が小さくなる場合がある。具体的には、出力を上げようとして圧電体層５４への印加電圧を高くすると、圧電体層５４が絶縁破壊を起こす場合がある。圧電体層５４の厚さが２０μｍより大きいと、圧電体層５４にクラックが生じる場合がある。さらに、圧電体層５４の厚さが２０μｍより大きいと、圧電素子５０の質量が大きくなり、振動板４０は、片持ち梁状の構造を有することができない場合がある。図示の例では、３つの圧電素子５０ａ，５０ｂ，５０ｃの圧電体層５４は、互いに離間して設けられている。
【００４３】
圧電体層５４としては、ペロブスカイト型酸化物の圧電材料を用いる。具体的には、圧電体層５４の材質は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３：ＰＺＴＮ）である。
【００４４】
第２電極層５６は、圧電体層５４上に設けられている。第２電極層５６は、圧電体層５４上に設けられた密着層と、密着層上に設けられた導電層と、によって構成されていてもよい。密着層の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。密着層は、例えば、ＴｉＷ層、Ｔｉ層、Ｃｒ層、ＮｉＣｒ層や、これらの積層体である。導電層の厚さは、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下である。導電層は、例えば、Ｃｕ層、Ａｕ層、Ａｌ層や
これらの積層体である。
【００４５】
第２電極層５６は、圧電体層５４に電圧を印加するための他方の電極である。図示の例では、３つの圧電素子５０ａ，５０ｂ，５０ｃの第２電極層５６は、互いに離間して設けられている。
【００４６】
第２電極層５６は、図４に示すように、配線６ａ，６ｂ，６ｃを介して、端子７ａ，７ｂ，７ｃと電気的に接続されている。具体的には、圧電素子５０ａの第２電極層５６は、端子７ａと電気的に接続され、圧電素子５０ｂの第２電極層５６は、端子７ｂと電気的に接続され、圧電素子５０ｃの第２電極層５６は、端子７ｃと電気的に接続されている。図示の例では、端子７ａ，７ｂ，７ｃのＹ軸方向の大きさは、配線６ａ，６ｂ，６ｃのＹ軸方向の大きさよりも大きい。端子７ａ，７ｂ，７ｃは、固定部４２上に設けられている。配線６ａ，６ｂ，６ｃは、配線４および第１電極層５２と接触しないように設けられている。なお、便宜上、図１および図２では、配線６ａ，６ｂ，６ｃおよび端子７ａ，７ｂ，７ｃの図示を省略している。
【００４７】
なお、図示はしないが、３つの圧電素子５０ａ，５０ｂ，５０ｃの第１電極層５２は、互いに離間して設けられ、３つの圧電素子５０ａ，５０ｂ，５０ｃの第２電極層５６は、互いに接続されて１つの電極層として設けられていてもよい。また、３つの圧電素子５０ａ，５０ｂ，５０ｃの圧電体層５４は、互いに接続されて１つの圧電体層として設けられていてもよい。また、圧電素子５０は、振動体部４６の主面（上面）４０ａと反対を向く下面にも設けられていてもよい。
【００４８】
接触部６０は、振動体部４６の先端（図示の例では＋Ｘ軸方向側の端）に設けられている。接触部６０は、ローター２に接触し、振動板４０の動きを（振動を）ローター２に伝える部材である。接触部６０は、振動板４０と別部材として設けられていてもよいし、振動板４０と一体的に設けられていてもよい。接触部６０は、接着剤（図示せず）を介して振動板４０に設けられていてもよい。接触部６０の材質は、例えば、セラミックス（具体的にはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ）など）である。
【００４９】
図１に示すようにＹ軸方向からみて、固定部４２と、接続部４４と、振動体部４６と、接触部６０とは、この順に、Ｘ軸方向に沿って設けられている。Ｙ軸方向からみて、固定部４２と、接続部４４と、振動体部４６と、接触部６０とは、この順に、Ｘ軸に平行な仮想直線（図示せず）に沿って設けられている。図示の例では、固定部４２と、接続部４４と、振動体部４６と、接触部６０と、ローター２とは、この順に、Ｘ軸方向に沿って設けられている。
【００５０】
ここで、図５は、モーター用圧電駆動装置１００と駆動回路７０との電気的接続状態を説明するための図である。端子５，７ａ，７ｂ，７ｃは、図５に示すように、それぞれ配線８０，８２，８４，８６を介して、駆動回路７０と電気的に接続されている。
【００５１】
駆動回路７０は、端子５と端子７ａとの間、および端子５と端子７ｂとの間に周期的に変化する交流電圧または脈流電圧を印加することにより、モーター用圧電駆動装置１００を超音波振動させて、接触部６０に接触するローター２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、その電圧（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。また、駆動回路７０は、端子５と端子７ｃとの間、および端子５と端子７ａとの間に交流電圧または脈流電圧を印加することにより、接触部６０に接触するローター２を逆方向に回転させることが可能である。
【００５２】
図６は、モーター用圧電駆動装置１００の動作を説明するための図である。モーター用圧電駆動装置１００の接触部６０は、図６に示すように、ローター２の外周に接触している。駆動回路７０は、端子５と端子７ｂとの間に交流電圧または脈流電圧を印加する。これにより、圧電素子５０ｂの圧電体層５４は、図６の矢印Ａの方向に伸縮する。これに応じて、振動体部４６は、Ｙ軸方向において（ＸＹ平面と平行な面内において）屈曲振動を行う。さらに、駆動回路７０は、端子５と端子７ａとの間に交流電圧または脈流電圧を印加する。これにより、圧電素子５０ｃの圧電体層５４は、図６の矢印Ｂの方向に伸縮する。これに応じて、振動体部４６は、Ｘ軸方向において縦振動（伸縮）を行う。振動体部４６の屈曲振動および縦振動によって、接触部６０は、楕円運動を行い、ローター２は、その中心２ａを軸として方向Ｒ（図６では時計周り方向）に回転する。
【００５３】
なお、駆動回路７０が、端子５と端子７ｃとの間、および端子５と端子７ａとの間に交流電圧または脈流電圧を印加する場合には、ローター２は、方向Ｒとは反対方向（反時計回り方向）に回転する。
【００５４】
以上のように、振動体部４６には、Ｘ軸方向において縦振動を、Ｙ軸方向において屈曲振動を発生させるように、複数の圧電素子５０が設けられている。具体的には、圧電素子５０ａは、振動板４０にＸ軸方向において縦振動を発生させるための圧電素子であり、圧電素子５０ｂ，５０ｃは、振動板４０にＹ軸方向において屈曲振動を発生させるための圧電素子である。
【００５５】
モーター用圧電駆動装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００５６】
モーター用圧電駆動装置１００では、Ｙ軸方向からみて、固定部４２と、接続部４４と、振動体部４６と、接触部６０とは、この順に、Ｘ軸方向に沿って設けられている。そのため、モーター用圧電駆動装置１００では、振動板４０をローター２に押圧する力を大きくすることができ、高出力化を図ることができる。さらに、モーター用圧電駆動装置１００では、例えば、外部からの衝撃などに対して壊れ難く、高い信頼性を有することができる。
【００５７】
例えば、振動板の主面に接してローターが配置されている場合（振動板の主面に接触部が設けられている場合）は、振動板を、振動板の主面の垂線方向に押圧するため、振動板の固定部と接続部との境界に応力が集中して振動板が破壊する可能性があり、振動板を押圧する力を大きくすることができない場合がある（詳細は後述する実験例参照）。また、振動板の固定部と接続部との境界が破壊しやすく、信頼性が低い場合がある。
【００５８】
また、例えば、細長部材である腕部によって、振動板の長手方向略中央を両側から２つの支点で支持している場合（中央支持構造）は、振動板と腕部との境界に応力（せん断応力）が集中して振動板が破壊する可能性があり、振動板を押圧する力を大きくすることができない場合がある（詳細は後述する実験例参照）。また、振動板と腕部との境界が破壊しやすく、信頼性が低い場合がある。
【００５９】
さらに、モーター用圧電駆動装置１００では、振動板４０は、片持ち梁構造であるため、例えば細長部材である腕部によって振動板を支持している中央支持構造の場合に比べて、端子５，７ａ，７ｂ，７ｃと圧電素子５０とを電気的に接続する配線４，６ａ，６ｂ，６ｃの幅（Ｙ軸方向の大きさ）を大きくすることができる。したがって、配線４，６ａ，６ｂ，６ｃの抵抗を低くすることができ、効率よく圧電素子５０に電圧を印加することができる。さらに、配線４，６ａ，６ｂ，６ｃにおける発熱を抑えることができる。
【００６０】
さらに、モーター用圧電駆動装置１００では、例えば、中央支持構造の場合に比べて、振動板４０のＸ軸方向の大きさを小さくしても高出力化を図ることができる。すなわち、モーター用圧電駆動装置１００では、中央支持構造の場合に比べて、小型化を図りつつ、高出力化を図ることができる。そのため、例えば１枚のシリコンウェハーにおける振動板４０の取り数を増加させることができる。また、振動板４０の容量を小さくすることができる。
【００６１】
モーター用圧電駆動装置１００では、固定部４２には、前記圧電素子５０の電極層５２，５６と電気的に接続された端子５，７ａ，７ｂ，７ｃが設けられている。そのため、配線８０，８２，８４，８６が振動体部４６の振動に与える影響を小さくすることができる。また、振動体部４６の振動によって端子５，７ａ，７ｂ，７ｃと配線８０，８２，８４，８６との接続が切断される可能性を小さくすることができる。
【００６２】
モーター用圧電駆動装置１００では、振動体部４６には、Ｘ軸方向において縦振動を、Ｙ軸方向において屈曲振動を発生させるように、複数の圧電素子５０が設けられている。そのため、モーター用圧電駆動装置１００では、例えば振動体部がＸ軸方向において縦振動をしない場合に比べて、接触部６０からローター２に与える力を大きくすることができる。
【００６３】
モーター用圧電駆動装置１００では、振動板４０は、シリコン基板からなる。そのため、モーター用圧電駆動装置１００では、振動板４０を半導体製造プロセス（例えばフォトリソグラフィーおよびエッチング技術）を用いて加工することができる。
【００６４】
２．  モーター用圧電駆動装置の製造方法
次に、本実施形態に係るモーター用圧電駆動装置１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００６５】
図２に示すように、振動板４０を形成する。振動板４０は、例えば、シリコンウェハー（図示せず）を、フォトリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングすることにより形成される。
【００６６】
図３に示すように、振動板４０の振動体部４６上に、第１電極層５２、圧電体層５４、第２電極層５６をこの順で形成する。電極層５２，５６は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、めっき法により導電層を成膜し、該導電層を、フォトリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングすることにより形成される。圧電体層５４は、例えば、ゾルゲル法、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により絶縁層を成膜し、該絶縁層を、フォトリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングすることにより形成される。本工程により、圧電素子５０を形成することができる。
【００６７】
なお、第１電極層５２を形成する工程において、配線４および端子５を形成することができる。また、第２電極層５６を形成する工程において、配線６ａ，６ｂ，６ｃおよび端子７ａ，７ｂ，７ｃを形成することができる。
【００６８】
次に、接触部６０を振動体部４６に接続させる。接触部６０と振動体部４６との接続は、例えば、接着剤を用いて行われる。
【００６９】
次に、圧電素子５０および接触部６０が設けられている振動板４０を、固定板２０に固定する。固定板２０と振動板４０との接続は、例えば、接着剤を用いて行われる。
【００７０】
以上の工程により、モーター用圧電駆動装置１００を製造することができる。
【００７１】
次に、モーター用圧電駆動装置１００の端子５，７ａ，７ｂ，７ｃを、それぞれ配線８０，８２，８４，８６を介して駆動回路７０に接続させる。
【００７２】
３．  実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。
【００７３】
３．１．  シミュレーションに用いたモデル
モデルＭ１，Ｍ２を用いて、有限要素法によりシミュレーションを行った。図７は、シミュレーションに用いたモデルＭ１を説明するための図であり、図８は、シミュレーションに用いたモデルＭ２を説明するための図である。
【００７４】
モデルＭ１では、図７に示すように、振動板１４０は、片持ち梁状に支持されている（片持ち梁構造）。振動板１４０の−Ｘ軸方向側の端部は、固定部１２０に固定されている。振動板１４０の形状は、直方体である。振動板１４０の＋Ｘ軸方向側の端には、突起部１６０が設けられている。振動板１４０の、固定部１２０に固定されていない部分の長さ（Ｘ軸方向の大きさ）は、２．５ｍｍである。振動板１４０の幅（Ｙ軸方向の大きさ）は、１ｍｍである。突起部１６０の長さは、０．２ｍｍである。突起部１６０の幅は、０．４ｍｍである。振動板１４０および突起部１６０の厚さは、０．２ｍｍである。振動板１４０および突起部１６０の材質は、シリコンである。
【００７５】
モデルＭ２では、図８に示すように、振動板２４０は、振動板２４０のＸ軸方向の中央を、Ｙ軸方向側から支持部２２０によって支持されている（中央支持構造）。振動板２４０の形状は、直方体である。振動板２４０の＋Ｘ軸方向側の端には、突起部２６０が設けられている。振動板２４０の長さは、５ｍｍである。振動板２４０の幅は、１ｍｍである。支持部２２０の長さおよび幅は、０．２ｍｍである。突起部２６０の長さおよび幅は、それぞれ突起部１６０の長さおよび幅と同じである。支持部２２０、振動体２４０、および突起部２６０厚さは、０．２ｍｍである。支持部２２０、振動体２４０、および突起部２６０材質は、シリコンである。
【００７６】
３．２．  シミュレーション結果
上記のようなモデルＭ１，Ｍ２において、突起部１６０，２６０に１．０Ｎの力を加えて（押し付けて）振動板１４０，２４０に生じる最大応力を計算した。突起部１６０に加える力の方向（押圧方向）は、（ａ）−Ｘ軸方向、（ｂ）＋Ｙ軸方向、（ｃ）−Ｚ軸方向とし、突起部２６０に加える力の方向は、（ｄ）−Ｘ軸方向、（ｅ）＋Ｙ軸方向、（ｆ）−Ｚ軸方向とした。図９は、振動板１４０，２４０に生じる最大応力を示す表である。
【００７７】
図９により、モデルＭ１の片持ち梁構造において、（ａ）−Ｘ軸方向に力を加えた場合は、（ｂ）＋Ｙ軸方向や（ｃ）−Ｚ軸方向に力を加えた場合に比べて、振動板に生じる最大応力が小さいことがわかった。したがって、（ａ）の場合は、（ｂ）や（ｃ）の場合に比べて、大きな力を加えても振動板が破壊する可能性が低いことがわかった。
【００７８】
さらに、図９により、−Ｘ軸方向に力を加えた場合において、（ａ）モデルＭ１の片持ち梁構造の場合は、（ｄ）モデルＭ２の中央支持構造の場合に比べて、振動板に生じる最大応力が小さいことがわかった。したがって、（ａ）の場合は、（ｄ）の場合に比べて、大きな力を加えても振動板が破壊する可能性が低いことがわかった。
【００７９】
ここで、モーターの出力は、発生力と、ローターの回転速度と、の積に比例する。モー
ター用圧電駆動装置は、振動板の振動を、摩擦力を用いてローターに伝えるので、発生力は、突起部をローターに押し付ける力Ｆに比例する。具体的には、発生力は、力Ｆと、突起部とローターとの間の摩擦係数μと、の積で表される。したがって、大きな出力を得るためには、突起部に（振動板に）大きな力を加える必要がある。
【００８０】
上記のように、図９の（ａ）の場合は、（ｂ）〜（ｆ）の場合に比べて、振動板に生じる最大応力が小さく、突起部に大きな力を加えても振動板が破壊する可能性が低い。そのため、図９の（ａ）の場合は、高出力化を図ることができる。よって、固定部４２と、接続部４４と、振動体部４６と、接触部６０とがこの順にＸ軸方向に沿って設けられているモーター用圧電駆動装置１００は、高出力化を図ることができる。
【００８１】
４．  モーター用圧電駆動装置の変形例
次に、本実施形態の変形例に係るモーター用圧電駆動装置について、図面を参照しながら説明する。図１０は、本実施形態の変形例に係るモーター用圧電駆動装置２００を模式的に示す断面図である。なお、便宜上、図１０では、圧電素子５０を簡略化し、配線４，６ａ，６ｂ，６ｃおよび端子５，７ａ，７ｂ，７ｃの図示を省略している。
【００８２】
以下、本実施形態の変形例に係るモーター用圧電駆動装置２００において、本実施形態に係るモーター用圧電駆動装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００８３】
上述したモーター用圧電駆動装置１００では、図１に示すように、固定板２０は、１つ設けられていた。これに対し、モーター用圧電駆動装置２００では、図１０に示すように、固定板２０は、２つ設けられている。２つの固定板２０は、Ｚ軸方向において、振動板４０の固定部４２を挟むように設けられている。
【００８４】
図示の例では、固定部４２の−Ｚ軸方向側に固定板２０ａが設けられ、固定部４２の＋Ｚ軸方向側に固定板２０ｂが設けられている。例えば、固定板２０ｂの下面（−Ｚ軸方向を向く面）には、複数の配線（図示せず）が設けられ、該複数の配線は、それぞれ端子５，７ａ，７ｂ，７ｃと接続されていてもよい。そして、該複数の配線は、固定板２０ｂに設けられた貫通孔（図示せず）を通って固定板２０ｂの上面に至り、それぞれ配線８０，８２，８４，８６と接続されていてもよい。
【００８５】
モーター用圧電駆動装置２００では、２つの固定板２０は、Ｚ軸方向において、振動板４０の固定部４２を挟むように設けられている。そのため、モーター用圧電駆動装置２００では、例えばモーター用圧電駆動装置１００に比べて、固定板２０の変形が小さくなり、接触部６０は大きく振動するため、より効率良くローターを回転させることができる。
【００８６】
なお、図示はしないが、本発明に係るモーター用圧電駆動装置では、振動板の−Ｘ軸方向を向く側面（端面）が固定板に固定（接続）されていてもよい。
【００８７】
５．  モーター用圧電駆動装置を用いた装置
本発明に係るモーター用圧電駆動装置は、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。本発明に係る圧電駆動装置は、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、印刷装置の紙送り機構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。以下では、本発明に係るモーター用圧電駆動装置として、モーター用圧電駆動装置１００を含む装置について説明する。
【００８８】
５．１．  ロボット
図１１は、モーター用圧電駆動装置１００を利用したロボット２０５０を説明するための図である。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の間を回動また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。
【００８９】
それぞれの関節部２０２０には、モーター用圧電駆動装置１００が内蔵されており、モーター用圧電駆動装置１００を用いて関節部２０２０を任意の角度だけ回動また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にもモーター用圧電駆動装置１００が内蔵されており、モーター用圧電駆動装置１００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との間にもモーター用圧電駆動装置１００が設けられており、モーター用圧電駆動装置１００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。
【００９０】
図１２は、図１１に示したロボット２０５０の手首部分を説明するための図である。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、モーター用圧電駆動装置１００を備えており、モーター用圧電駆動装置１００は、手首のリンク部２０１２およびロボットハンド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の根元の部分にモーター用圧電駆動装置１００が搭載されている。このため、モーター用圧電駆動装置１００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。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モーター用圧電駆動装置１００を適用可能である。
【００９１】
ここで、手首の関節部２０２０やロボットハンド２０００の内部には、モーター用圧電駆動装置１００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、モーター用圧電駆動装置１００は、通常の電動モーター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。
【００９２】
５．２．  ポンプ
図１３は、モーター用圧電駆動装置１００を利用した送液ポンプ２２００の一例を示す説明するための図である。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、モーター用圧電駆動装置１００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。
【００９３】
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。モーター用圧電駆動装置１００の接触部６０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５００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の突起部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、ご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。
【００９４】
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、モーター用圧電駆動装置１００を用いることにより、通常の電動モーターよりも駆動電流を小さくできるので、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。
【００９５】
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
【００９６】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００９７】
２…ローター、２ａ…中心、４…配線、５…端子、６ａ，６ｂ，６ｃ…配線、７…端子、１０…基板、１２…凸部、２０，２０ａ，２０ｂ…固定板、３０…バネ、４０…振動板、４０ａ…主面、４２…固定部、４４…接続部、４６…振動体部、５０，５０ａ，５０ｂ，５０ｃ…圧電素子、５２…第１電極層、５４…圧電体層、５６…第２電極層、６０…接触部、７０…駆動回路、８０，８２，８４，８６…配線、１００…モーター用圧電駆動装置、１０１…モーター、１２０…固定板、１４０…振動体、１６０…接触部、２００…モーター用圧電駆動装置、２２０…支持部、２４０…振動板、２６０…接触部、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、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、２２１３，２２１４，２２１５，２２１６，２２１７，２２１８，２２１９…フィンガー、２２２２…ローター、２２２３…減速伝達機構、２２３０…ケース
【図１】
2017005924.tif 000003
【図２】
2017005924.tif 000004
【図３】
2017005924.tif 000005
【図４】
2017005924.tif 000006
【図５】
2017005924.tif 000007
【図６】
2017005924.tif 000008
【図７】
2017005924.tif 000009
【図８】
2017005924.tif 000010
【図９】
2017005924.tif 000011
【図１０】
2017005924.tif 000012
【図１１】
2017005924.tif 000013
【図１２】
2017005924.tif 000014
【図１３】
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