CN105375813A - 压电驱动装置及其驱动方法、机器人及其驱动方法 - Google Patents

压电驱动装置及其驱动方法、机器人及其驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供压电驱动装置及其驱动方法、机器人及其驱动方法。本发明减少压电驱动装置的静电容量。压电驱动装置具备压电振动体，该压电振动体具有多个由第一电极、第二电极以及位于上述第一电极与上述第二电极之间的压电体形成的压电元件，并且该压电振动体被配置于上述振动板的上述第一面以及第二面中的至少一面，上述多个压电元件以串联方式被连接。

Description

压电驱动装置及其驱动方法、机器人及其驱动方法
技术领域
本发明涉及压电驱动装置及其驱动方法、机器人及其驱动方法。
背景技术
使压电体振动来驱动被驱动体的压电促动器(压电驱动装置)不需要磁铁、线圈，因此在各种领域中应用(例如专利文献1)。该压电驱动装置的基本结构是在加强板的两个面的各自之上四个压电元件被配置为两行两列的结构，合计八个压电元件被设置于加强板的两侧。各个压电元件是分别通过两个电极夹持着压电体的单元，加强板也作为压电元件的一方的电极被利用。在加强板的一端设置有用于与作为被驱动体的转子接触而使转子旋转的突起部。若对四个压电元件中被配置于对角的两个压电元件施加交流电压，则该两个压电元件进行伸缩运动，与此对应地，加强板的突起部进行往复运动或者椭圆运动。而且，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两个压电元件切换为其他两个压电元件，能够使转子向相反方向旋转。
专利文献1：日本特开2004-320979号公报
在上述压电驱动装置中，被配置于对角的两个压电元件以并联方式连接，因此静电容量较大，从而存在驱动需要较大的电流的问题。在将压电驱动装置收纳于较小的空间(例如机器人的关节内)使用的情况下，在使用了现有的压电体的压电驱动装置中，存在布线空间不足的可能性，因此希望使压电体变薄。但是，静电容量与夹持压电体的电极间的距离成反比，因此若使压电体变薄，则存在静电容量变大的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，能够作为以下方式或者应用例来实现。
(1)根据本发明的一个方式提供压电驱动装置。该压电驱动装置具备压电振动体，该压电振动体具有多个由第一电极、第二电极以及位于上述第一电极与上述第二电极之间的压电体形成的压电元件，并且该压电振动体被配置于上述振动板的上述第一面以及第二面中的至少一面，上述多个压电元件以串联方式被连接。根据该方式，多个压电元件以串联方式被连接，因此能够减少压电元件整体的静电容量。
(2)在上述方式的压电驱动装置中，也可以为上述多个压电元件的大小相同。根据该方式，多个压电元件的静电容量的大小成为相同的大小，因此被施加于各压电元件的电压的大小成为相同的大小，从而能够提高耐久性。
(3)在上述方式的压电驱动装置中，也可以为在对上述多个压电元件施加驱动电压时，上述多个压电元件的极化方向为相同方向。根据该方式，在压电元件的边界部分极化方向没有改变，因此能够提高压电元件的耐久性。
(4)在上述方式的压电驱动装置中，也可以为上述极化方向是从上述第二电极朝向上述第一电极的方向。极化方向为从第二电极朝向第一电极的方向与为从第一电极朝向第二电极的方向相比，耐久性更好。
(5)在上述方式的压电驱动装置中，也可以为上述多个压电元件中的第一压电元件的第二电极与第二压电元件的第二电极形成连续的一个电极。根据该方式，不使用布线、布线层，也能够将压电元件以串联方式连接。
(6)在上述方式的压电驱动装置中，上述压电振动体也可以被配置于上述振动板的上述第一面与上述第二面的两面。根据该方式，在振动板的第一面与第二面的两面配置有压电元件，因此能够使压电驱动装置的驱动力较大。
(7)在上述方式的压电驱动装置中，被配置于上述第一面的压电振动体的压电元件与被配置于上述第二面的压电振动体的压电元件也可以以串联方式被连接。根据该方式，能够进一步减少静电容量。
(8)在上述方式的压电驱动装置中，也可以在上述多个第一电极与上述振动板之间设置有基板。为了从压电元件获取较大的能量，以通过共振状态获得较大的振幅的方式使机械品质因数Qm较大即可。根据该方式，在上述多个第一电极与上述振动板之间设置有基板，因此与没有基板的情况相比，能够使压电驱动装置的机械品质因数Qm的值较大。
(9)在上述方式的压电驱动装置中，上述基板也可以包含硅。相对于压电元件的机械品质因数Qm的值为几千，硅的机械品质因数Qm的值为10万左右。因此，根据该方式，能够使压电驱动装置的机械品质因数Qm的值较大。
(10)在上述方式的压电驱动装置中，上述振动板也可以具备与被驱动体接触的突起部。根据该方式，能够通过突起部按压被驱动体来驱动被驱动体。
(11)根据本发明的一个方式提供机器人。该机器人具备：多个连杆部；关节部，其连接上述多个连杆部；以及上述方式中的任一个所记载的压电驱动装置，其通过上述关节部使上述多个连杆部转动。根据该方式，能够将压电驱动装置用于机器人的驱动。
(12)根据本发明的一个方式提供机器人的驱动方法。该驱动方法通过在上述压电驱动装置的上述第一电极与上述第二电极之间施加周期性变化的电压来驱动上述压电驱动装置，从而通过上述关节部使上述多个连杆部转动。
(13)根据本发明的一个方式提供上述方式的压电驱动装置的驱动方法。该驱动方法在上述压电元件的第一电极与上述第二电极之间施加脉冲电压，该脉冲电压是周期性变化的电压，且施加于上述压电元件的压电体的电场的方向是从上述电极中的一方的电极朝向另一方的电极的单向。根据该方式，被施加于压电元件的压电体的电压仅是一个方向，因此能够提高压电体的耐久性。
本发明能够通过各种方式实现，例如除压电驱动装置之外，还能够通过压电驱动装置的驱动方法、压电驱动装置的制造方法、搭载压电驱动装置的机器人、搭载压电驱动装置的机器人的驱动方法、电子部件输送装置、送液泵、投药泵等各种方式实现。
附图说明
图1是表示第一实施方式的压电驱动装置的简要结构的俯视图以及剖视图。
图2是振动板的俯视图。
图3是表示压电驱动装置与驱动电路的电连接状态的说明图。
图4是表示压电驱动装置的动作的例子的说明图。
图5是进一步详细地示出图1所示的剖面构造的例子的剖视图。
图6是压电驱动装置的制造流程图。
图7是表示图6的步骤S100中的压电振动体的制造工序的说明图。
图8是表示图6的步骤S100中的压电振动体的制造工序的说明图。
图9是表示压电元件的形状配置的变更例的说明图。
图10是表示第一实施方式的变形例的压电驱动装置的说明图。
图11是表示第二实施方式的压电驱动装置的压电振动体的剖面的说明图。
图12是简要地表示第二实施方式的压电驱动装置所使用的压电元件的制造工序的说明图。
图13是作为本发明的第三实施方式的压电驱动装置的剖视图。
图14是表示图13所示的压电驱动装置的制造工序的说明图。
图15是表示利用了压电驱动装置的机器人的一个例子的说明图。
图16是机器人的手腕部分的说明图。
图17是表示利用了压电驱动装置的送液泵的一个例子的说明图。
具体实施方式
·第一实施方式：
图1(A)是表示本发明的第一实施方式的压电驱动装置10的简要结构的俯视图，图1(B)是其B-B剖视图。压电驱动装置10具备振动板200、和分别被配置于振动板200的两面(第一面211与第二面212)的两个压电振动体100。两个压电振动体100以振动板200为中心对称地配置。两个压电振动体100具有相同的结构，因此以下只要没有特别规定，对处于振动板200的上侧的压电振动体100的结构进行说明。
压电振动体100具备基板120、被形成于基板120之上的多个压电元件110a1、110a2、110b1、110b2、110c1、110c2、110d1、110d2、110e1、110e2、110e3、110e4。上述各个压电元件的构造相同，因此在不需要相互区别的情况下，称为“压电元件110”。
压电元件110具备第一电极130、被形成于第一电极130之上的压电体140以及被形成于压电体140之上的第二电极150。第一电极130与第二电极150夹持着压电体140。压电元件110能够通过离子铣削、干式蚀刻等物理的或者化学的方法将具有一个连续的压电体、和夹持压电体的两个连续的导电体层(第一电极、第二电极)的一个大压电元件分割为多个(多个压电元件)来形成。压电元件110e1～110e4大致被形成为长方形形状，在基板120的宽度方向的中央，沿基板120的长边方向形成。压电元件110a1与压电元件110a2沿长边方向并列形成压电元件组110a。压电元件110b1与压电元件110b2、压电元件110c1与压电元件110c2、压电元件110d1与压电元件110d2也同样，分别形成压电元件组110b、110c、110d。压电元件组110a、110b、110c、110d形成于基板120的四角的位置。
压电振动体100的基板120作为用于通过成膜工序形成第一电极、压电体以及第二电极的基板被使用。另外，基板120也具有作为进行机械振动的振动板的功能。基板120例如能够通过Si、Al2O3、ZrO2等形成。作为Si制的基板120(也称为“硅基板120”。)，例如能够利用半导体制造用的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的厚度例如优选为10μm以上100μm以下的范围。若使基板120的厚度为10μm以上，则在基板120上的成膜处理时能够比较容易地操作基板120。此外，若使基板120的厚度为50μm以上，则能够进一步容易地操作基板120。另外，若使基板120的厚度为100μm以下，则能够根据由薄膜形成的压电体的伸缩容易地使基板120振动。
如上述那样，分割前的第一电极、第二电极例如是通过溅射形成的薄膜。作为第一电极、第二电极的材料，例如能够利用Al(铝)、Ni(镍)、Au(金)、Pt(白金)、Ir(铱)等导电性高的任意材料。此外，用于第一电极130、第二电极150与驱动电路之间的电连接的布线(或者布线层以及绝缘层)在图1中被省略图示。
分割前的压电体例如通过溶胶-凝胶法、溅射法形成，具有薄膜形状。作为压电体的材料，能够利用采用ABO3型的钙钛矿构造的陶瓷等表现出压电效果的任意材料。作为采用ABO3型的钙钛矿构造的陶瓷，例如能够使用锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾、铌酸锂、钽酸锂、钨酸钠、氧化锌、钛酸钡锶(BST)、钽酸锶铋(SBT)、偏铌酸铅、铌锌酸铅、铌钪酸铅等。另外，也能够使用除陶瓷以外的表现出压电效果的材料，例如能够使用聚偏二氟乙烯、水晶等。压电体的厚度例如优选为50nm(0.05μm)以上20μm以下的范围。具有该范围的厚度的压电体的薄膜能够利用成膜工序容易地形成。若使压电体的厚度为0.05μm以上，则能够根据压电体的伸缩产生足够大的力。另外，若使压电体的厚度为20μm以下，则能够使压电驱动装置10充分小型化。
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以及从振动体部210的左右长边各延伸出三个的连接部220，另外，还具有分别与左右三个连接部220连接的两个安装部230。此外，在图2中，为了方便图示，在振动体部210画上剖面线。安装部230用于通过螺钉240将压电驱动装置10安装于其他部件。振动板200例如能够由不锈钢、铝、铝合金、钛、钛合金、铜、铜合金等金属材料形成。
在振动体部210的上表面(第一面)以及下表面(第二面)分别使用粘合剂粘合有压电振动体100(图1)。振动体部210的长度L与宽度W之比优选为L:W≈7:2。该比是为了振动体部210沿其平面进行向左右弯曲的超声波振动(后述)而优选的值。振动体部210的长度L例如能够为3.5mm以上30mm以下的范围，宽度W例如能够为1mm以上8mm以下的范围。此外，为了振动体部210进行超声波振动，优选长度L为50mm以下。振动体部210的厚度(振动板200的厚度)例如能够为50μm以上700μm以下的范围。若振动体部210的厚度为50μm以上，则成为为了支承压电振动体100而具有足够刚性的结构。另外，若振动体部210的厚度为700μm以下，则能够根据压电振动体100的变形而产生足够大的变形。
在振动板200的一方的短边设置有突起部20(也称为“接触部”或者“作用部”)。突起部20是用于与被驱动体接触而对被驱动体施力的部件。突起部20优选由陶瓷(例如Al2O3)等具有耐久性的材料形成。
图3是表示压电驱动装置10与驱动电路300的电连接状态的说明图。在本实施方式中，压电元件分成分别具有四个压电元件的三个组。第一组具有压电元件110c1、110c2、110b1、110b2。第二组具有压电元件110a1、110a2、110d1、110d2。第三组具有压电元件110e1、110e2、110e3、110e4。
在第一组中，如以下那样布线。
·驱动电路300与压电元件110c1的第一电极130通过布线320来布线。
·压电元件110c1的第二电极150与压电元件110c2的第一电极130通过布线155c1来布线。
·压电元件110c2的第二电极150与压电元件110b1的第一电极130通过布线152来布线。
·压电元件110b1的第二电极150与压电元件110b2的第一电极130通过布线155b1来布线。
·压电元件110b2的第二电极150与驱动电路300通过布线310来布线。
通过上述布线，压电元件110c1、110c2、110b1、110b2以串联方式连接。
在第二组中，如以下那样布线。
·驱动电路300与压电元件110a1的第一电极130通过布线324来布线。
·压电元件110a1的第二电极150与压电元件110a2的第一电极130通过布线155a1来布线。
·压电元件110a2的第二电极150与压电元件110d1的第一电极130通过布线151来布线。
·压电元件110d1的第二电极150与压电元件110d2的第一电极130通过布线155d1来布线。
·压电元件110d2的第二电极150与驱动电路300通过布线314来布线。
通过上述布线，压电元件110a1、110a2、110d1、110d2以串联方式连接。
在第三组中，如以下那样布线。
·驱动电路300与压电元件110e1的第一电极130通过布线322来布线。
·压电元件110e1的第二电极150与压电元件110e2的第一电极130通过布线155e1来布线。
·压电元件110e2的第二电极150与压电元件110e3的第一电极130通过布线155e2来布线。
·压电元件110e3的第二电极150与压电元件110e4的第一电极130通过布线155e3来布线。
·压电元件110e4的第二电极150与驱动电路300通过布线312来布线。
通过上述布线，压电元件110e1、110e2、110e3、110e4以串联方式连接。
这些布线151、152、155a1～155e3也可以通过成膜处理形成，或者也可以通过线状的布线实现。驱动电路300通过在布线314与324之间施加周期性变化的交流电压或者脉冲电压，使压电驱动装置10超声波振动，从而能够使与突起部20接触的转子(被驱动体)向规定的旋转方向旋转。此处，“脉冲电压”是指对交流电压附加有DC偏移的电压，该电压(电场)的朝向是从一方的电极朝向另一方的电极的单向。另外，通过在布线310与320之间施加交流电压或者脉冲电压，能够使与突起部20接触的转子向相反方向旋转。同时对被设置于振动板200的两面的两个压电振动体100进行这样的电压的施加。此外，构成图3所示的布线151、152、155a1～155e3、310、312、314、320、322、324的布线(或者布线层以及绝缘层)在图1中省略图示。
在本实施方式中，通过以下的效果，从驱动电路300观察的压电驱动装置10的静电容量变小。
(1)面积的效果：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6所示的压电元件的第一电极、第二电极的面积比较，是其面积的一半。静电容量与电极的面积成比例，因此压电元件的静电容量为1/2。
(2)串联连接的效果：一般，若将具有相同的静电容量C的N个(N为2以上的整数)静电容量元件以串联方式连接，则其合计的静电容量为C/N。在本实施方式中，将大致同型的压电元件以串联方式连接有四个，因此合成静电容量成为1/4。另一方面，若将具有相同的静电容量C的M个(M为2以上的整数)静电容量元件以并联的方式连接，则其合成静电容量为M×C。在上述现有技术中，两个压电元件以并联的方式连接，因此合成静电容量为2C。若与该现有技术比较，则本实施方式的压电元件的合成静电容量为1/8。通过上述两方面的效果，若使上述现有技术的压电元件的合成静电容量为1，则串联连接的四个压电元件的合成静电容量为1/16。通过这样分割压电元件来形成为压电元件，并将压电元件以串联方式连接，能够使静电容量变小。
图4是表示压电驱动装置10的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4所示的例子中，驱动电路300(图3)对串联连接的四个压电元件110a1、110a2、110d1、110d2施加交流电压或者脉冲电压，压电元件110a1、110a2、110d1、110d2沿图4的箭头x的方向伸缩。与此对应地，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成蛇行形状(S字形状)，从而突起部20的前端沿箭头y的朝向进行往复运动或者进行椭圆运动。其结果是，转子50绕其中心51向规定的方向z(图4中为顺时针方向)旋转。图2中说明过的振动板200的三个连接部220(图2)被设置于这样的振动体部210的振动的节(关节)的位置。此外，在驱动电路300对其余四个压电元件110c1、110c2、110b1、110b2施加交流电压或者脉冲电压的情况下，转子50向相反方向旋转。此外，若对中央的四个压电元件110e1、110e2、110e3、110e4施加交流电压或者脉冲电压，则压电驱动装置10沿长边方向伸缩，因此能够进一步增大从突起部20施加于转子50的力。此外，对于压电驱动装置10(或者压电振动体100)的这样的动作，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)中有所记载，其公开内容通过参照而被结合于本说明书。
图5是进一步详细地表示图1(B)所示的剖面构造的例子的剖视图。在图5(A)、图5(B)、图5(C)中，图示出压电振动体100的一部分。图5(A)是在通过线状的布线155c1形成压电元件的第一电极与第二电极之间的布线的情况下所使用的结构。图5(B)是在通过成膜处理形成压电元件的第一电极与第二电极之间的布线的情况下所使用的结构。图5(C)是在其他板状部件例如振动板200(图1)形成布线层并且利用该布线层形成压电元件的第一电极与第二电极之间的布线的情况下所使用的结构。其中，在图5(C)所示的结构的情况下，也可以通过线状的布线形成压电元件的第一电极与第二电极之间的布线。
压电振动体100具备基板120、绝缘层125、第一电极130c1、130c2、130d1、压电体140c1、140c2、140d1、第二电极150c1、150c2、150d1、绝缘层160、导线电极173c1、173c2、173d1、174c1、174c2、174d1。在图5(A)、图5(B)、图5(C)的结构中，导线电极173c1、173c2、173d1、174c1、174c2、174d1的形状不同，但其他结构、形状相同。此外，在图5中，由于纸面空间的限制，压电元件110d2(图3)的第一电极130d2、压电体140d2、第二电极150d2、导线电极未图示而省略。
绝缘层125被形成于基板120上，将基板120与第一电极130c1、130c2、130d1之间绝缘。第一电极130c1、130c2、130d1被形成于绝缘层125之上。压电体140c1、140c2、140d1分别被形成于第一电极130c1、130c2、130d1之上。第二电极150c1、150c2、150d1分别被形成于压电体140c1、140c2、140d1之上。绝缘层160被形成于第一电极130c1、130c2、130d1与第二电极150c1、150c2、150d1之上。此外，绝缘层160在其一部分具有开口(接触孔)，以便第一导线电极173c1、173c2、173d1分别能够与第一电极130c1、130c2、130d1接触，第二导线电极174c1、174c2、174d1能够与第二电极150接触。第一导线电极173c1、173c2、173d1被形成于绝缘层160之上，分别与第一电极130c1、130c2、130d1接触。第二导线电极174c1、174c2、174d1被形成于绝缘层160之上，分别与第二电极150c1、150c2、150d1接触。此外，在图5(A)所示的结构中，导线电极173c1、173c2、173d1、174c1、174c2、174d1没有相互直接连接。取而代之，第一导线电极173c2与第二导线电极174c1通过布线155c1来布线。第二导线电极174c1、174c2、174d1也可以延伸至在下部不存在压电体140的区域。若在下部不存在压电体140c1、140c2、140d1的区域中使布线与第二导线电极174c1、174c2、174d1连接，则难以产生由布线155c1的连接引起的压电体140的静电破坏。
图5(B)的压电振动体100与图5(A)的压电振动体100比较在如下方面不同：不具备第一导线电极173c2，第二导线电极174c1延伸至与第一电极130c2接触。在图5(A)所示的压电振动体100中，使用第一导线电极173c2、布线155c1以及第二导线电极174c1，使第一电极130c2与第二电极150c1之间导通。与此相对地，在图5(B)所示的压电振动体中，使用第二导线电极174c1(布线层)，使第一电极130c2与第二电极150c1之间导通。此外，在图5(B)的压电振动体100中，不使第二电极150c2与第一电极130d1导通，因此不使第二导线电极174c2延伸至第一电极130d1，将第一导线电极173d1独立地设置。
图5(C)的压电振动体100与图5(A)的压电振动体100比较，第一导线电极173c1、173c2、173d1、第二导线电极174c1、174c2、174d1的形状不同。在图5(C)所示的压电振动体100中，第一导线电极173c1、173c2、173d1延伸至第二电极150c1、150c2、150d1的上方。从基板120至压电体140c1、140c2、140d1上的第一导线电极173c1、173c2、173d1的高度、与从基板120至第二导线电极174c1、174c2、174d1的高度成为大致相同的高度。因此，在图5(C)所示的例子中，在第一导线电极173c1、173c2、173d1、第二导线电极174c1、174c2、174d1之上配置具有布线层的板状部件，使用板状部件的布线层，例如能够进行第一导线电极173c2与第二导线电极174c1的连接。此外，图5(C)与图5(A)的结构相同，也能够与基于布线155c1的布线对应。此外，在图5(C)中，第二导线电极174c1、174c2、174d1仅形成于压电体140c1、140c2、140d1之上，但也可以与图5(A)的第二导线电极174c1、174c2、174d1同样，延伸至在下部不存在压电体140的区域。难以产生因布线155c1的连接而引起的压电体140的静电破坏。
图6是表示压电驱动装置10的制造流程图的说明图。在步骤S100中，在基板120上形成压电元件110，由此形成压电振动体100。此时，作为基板120，例如能够利用Si晶片。在一片Si晶片上能够形成多个压电振动体100。另外，Si的机械品质因数Qm的值大到10万左右，因此能够使压电振动体100、压电驱动装置10的机械品质因数Qm较大。在步骤S200中，切割形成有压电振动体100的基板120，分割为各个压电振动体100。此外，也可以在切割基板120之前研磨基板120的背面，使基板120成为所希望的厚度。在步骤S300中，在振动板200的两面通过粘合剂粘合两个压电振动体100。在步骤S400中，通过布线将压电振动体100的布线层与驱动电路电连接。
图7、图8是表示图6的步骤S100的压电振动体100的制造工序的说明图。在图7、图8中，示出在基板120上形成图5的右半部分的上部所示的压电元件110c1、110c2、110d1的工序。在图7的步骤S110中，准备基板120，在基板120的表面形成绝缘层125。作为绝缘层125，例如能够利用使基板120的表面热氧化而形成的SiO2层。除此之外，作为绝缘层，能够使用氧化铝(Al2O3)、丙烯酸、聚酰亚胺等有机材料。此外，在基板120为绝缘体的情况下，能够省略形成绝缘层125的工序。
在步骤S120中，在绝缘层125之上形成第一电极130。第一电极130例如能够通过溅射形成。在该阶段，也可以对第一电极130进行图案形成而不分割为多个。
在步骤S130中，在第一电极130之上形成压电体140。具体而言，例如能够使用溶胶-凝胶法形成压电体140。即，使压电体材料的溶胶凝胶溶液滴至基板120(第一电极130)之上，使基板120高速旋转，由此在第一电极130之上形成溶胶凝胶溶液的薄膜。然后，在200～300℃的温度烧成而在第一电极130之上形成压电体材料的第一层。然后，多次反复进行溶胶凝胶溶液的滴下、高速旋转、烧成的循环，由此在第一电极130之上形成压电体层直至为所希望的厚度。此外，通过一个循环形成的压电体的一层的厚度也取决于溶胶凝胶溶液的粘度、基板120的旋转速度，但约为50nm～150nm的厚度。在形成压电体层直至为所希望的厚度后，在600℃～1000℃的温度进行烧结，由此形成压电体140。若使烧结后的压电体140的厚度为50nm(0.05μm)以上20μm以下，则能够实现小型的压电驱动装置10。此外，若使压电体140的厚度为0.05μm以上，则能够根据压电体140的伸缩产生足够大的力。另外，若使压电体140的厚度为20μm以下，则即便使施加于压电体140的电压为600V以下，也能够产生足够大的力。其结果是，能够通过廉价的元件构成用于驱动压电驱动装置10的驱动电路300。此外，也可以使压电体的厚度为400nm以上，在该情况下，能够增大由压电元件产生的力。此外，烧成、烧结的温度、时间是一个例子，能够根据压电体材料适当地选择。
在使用溶胶-凝胶法形成有压电体材料的薄膜后进行烧结的情况下，与将原料粉末混合进行烧结的现有烧结法比较，具有如下优点：(a)容易形成薄膜；(b)使晶格方向一致而容易结晶化；(c)能够提高压电体的耐压。
在步骤S140中，在压电体140之上形成第二电极150。第二电极150的形成与第一电极相同，能够通过溅射进行。
在步骤S150中，对第二电极150与压电体140进行图案形成，形成第二电极150c1、150c2、150d1与压电体140c1、140c2、140d1。在本实施方式中，通过使用了氩离子束的离子铣削，进行第二电极150与压电体140的图案形成。此外，通过控制离子铣削的时间，能够仅对第二电极150与压电体140进行图案形成，而不对第一电极130进行图案形成。此外，也可以取代使用离子铣削进行图案形成，通过其他任意图案形成方法(例如，使用了氯类的气体的干式蚀刻)进行图案形成。
在图8的步骤S160中，对第一电极130进行图案形成，形成第一电极130c1、130c2、130d1。此外，步骤S160中使用的掩膜与步骤S150中使用的掩膜不同，因此在本实施方式中，作为其他步骤记载。
在步骤S170中，在第一电极130c1、130c2、130d1与第二电极150c1、150c2、150d1之上形成绝缘层160。作为绝缘层160，能够使用含磷的氧化硅膜(PSG膜)、含硼·磷的氧化硅膜(BPSG膜)、NSG膜(不包含硼、磷等的杂质的氧化硅膜)、氮化硅膜(Si3N4膜)等。绝缘层160例如能够通过CVD法形成。在形成绝缘层160后，进行用于形成第一电极130c1、130c2、130d1与第二电极150c1、150c2、150d1的接触孔163c1、163c2、163d1、164c1、164c2、164d1的图案形成。
在步骤S180中，形成导线电极用的导电体层170。该导电体层170例如能够由铝形成，例如通过溅射形成。
然后，通过对导电体层170进行图案形成，形成第一导线电极173c1、173c2、173d1与第二导线电极174c1、174c2、174d1。通过用于图案形成的掩膜的形状，也能够与图5(A)、图5(B)、图5(C)的任一个形状对应。
然后，虽未图示，但在第一导线电极171以及第二导线电极172之上形成钝化膜。钝化膜例如能够使用SiN、聚酰亚胺来形成。而且，在钝化膜上形成用于例如将第一导线电极173c1、173c2、173d1以及第二导线电极174c1、174c2、174d1与布线151、152、310、312、314、320、322、324、155c1(图3)等连接的开口部(接触孔)。
以上，根据本实施方式，将四个压电元件以串联方式连接，因此能够使压电驱动装置10的压电元件的合成静电容量减少至1/16。此外，虽然对驱动电压没有说明，但在将四个压电元件以串联方式连接的情况下，若使施加电压成为四倍，则能够使施加于一个压电元件的电压的大小相同。
根据本实施方式，压电元件的大小是大致相同型号的，且具有大致相同的静电容量。因此，被施加于串联连接的情况下的各压电元件的电压的大小大致相同。另外，不存在与其他压电元件相比施加有高电压的压电元件，因此作为整体，能够提高耐久性。
根据本实施方式，在多个第一电极130与振动板200之间设置有基板120，因此与没有基板120的情况相比，能够使压电驱动装置10的机械品质因数Qm的值变大。
另外，若如本实施方式那样将压电元件以串联方式连接，则与使压电元件以并联的方式连接的情况比较，布线数减少，因此能够减少基于布线的电阻。另外，能够减少压电元件的变形的限制、振动能量的泄漏。由此，能够得到稳定的大振幅的振动，从而能够实现高效的压电驱动装置10。
在施加驱动电压时，也可以以多个压电元件110的极化方向为相同方向的方式施加脉冲电压。在动作中，压电振动体100的压电体的极化方向不反转，因此能够提高压电元件110的耐久性。极化的方向也可以是从第二电极朝向第一电极的方向。
另外，如图5(A)、图5(B)、图5(C)所示那样，第一电极130c2与第二电极150c1的连接可以使用线状的布线155c1进行，也可以使用第二导线电极174c1进行。在使用线状的布线进行的情况下，能够比较自由地变更压电元件的第一电极与第二电极的连接。在使用第二导线电极174c1的情况下，难以产生断线。
·第一实施方式的变形例1：
在上述说明中，使用如下例子进行说明，即：将各压电元件组110a、110b、110c、110d的压电元件分别分割为两个，将压电元件组110e的压电元件分割为四个，将四个压电元件以串联方式连接，但是各压电元件组110a、110b、110c、110d的压电元件分割的数量也可以是N个(N为2以上)。在该情况下，压电元件组110e的压电元件分割为2N个即可。在将各压电元件组110a、110b、110c、110d的压电元件分割为N个的情况下，合成静电容量成为1/(2N)2。
·第一实施方式的变形例2：
图9是表示压电元件的形状、配置的变更例的说明图。图9(A)所示的例子在各个压电元件110的平面形状为三角形这一点，与图1所示的第一实施方式不同。然而，即使压电元件110的平面形状不同，若压电元件的两个电极重叠的部分的面积相同，则静电容量也大致相同。因此，在图9(A)所示的例子中，也与第一实施方式相同，能够减少合成静电容量。
对于图9(B)所示的例子，八个压电元件110与图1所示的第一实施方式相比，进一步被较小地分割。另外，在图1所示的第一实施方式中，压电元件110e1～110e4沿长边方向被配置为一直线，但在图9(B)所示的例子中，沿长边方向配置为之字形。即使这样配置，合成静电容量也不变。根据图9(A)、图9(B)可知：若多个压电元件以串联方式连接，则压电元件的平面形状、其配置位置是自由的。
图9(C)所示的例子也可以仅将压电元件组110e的压电元件分割为压电元件110e1、110e2两个，而不分割其他压电元件组110a、110b、110c、110d的压电元件。而且，将压电元件110a与110d以串联方式连接，将压电元件110c与110b以串联方式连接，将压电元件110e1与110e2以串联方式连接。若这样连接，则与现有技术(日本特开2004-320979号公报)比较，能够使合成静电容量成为1/4。
·第一实施方式的变形例3：
图10是表示第一实施方式的变形例的压电驱动装置10的说明图，且是与图1(B)对应的图。图10所示的变形例的压电驱动装置10在振动板200的两面配置压电振动体100，并且将表面的压电振动体100的压电元件110与背面的压电振动体100的压电元件110以串联方式连接。这样的话，能够进一步使压电驱动装置10的静电容量成为一半。
·第二实施方式：
图11是表示第二实施方式的压电驱动装置的压电振动体100b的剖面的说明图。此外，在图11中，关于图1所示的第三组的压电元件110e1～110e4，示出与图1的实施方式不同的层叠构造。在该第二实施方式中，具备三个第一电极130e11～130e13、两个压电体140e11～140e12以及两个第二电极150e11～150e12。通过第一电极130e11、压电体140e11的一部分(与第一电极130e11重叠的部分)以及第二电极150e11的一部分(与第一电极130e11重叠的部分)形成压电元件110e1。通过第一电极130e12的一部分(与第二电极150e11重叠的部分)、压电体140e11的一部分(与第一电极130e12重叠的部分)以及第二电极150e11的一部分(与第一电极130e12重叠的部分)形成压电元件110e2。换言之，第一压电元件110e1的第一电极与第二压电元件110e2的第一电极形成连续的一个第一电极130e11，第二压电元件110e2的第二电极与第三压电元件110e3的第二电极形成连续的一个第二电极150e11。同样，形成压电元件110e3。此外，在图11中，压电体140虽被分割为多个(140e11、140e12)，但压电体140也可以不被分割地连续。
图12是简要地表示用于第二实施方式的压电驱动装置的压电振动体的制造工序的说明图。在图12(C)的状态之前，与图7中说明过的工序相同，因此对其后的工序进行说明。
在步骤S510中，对第一电极130进行图案形成，分割为第一电极130e11、130e12、130e13。该图案形成能够通过使用了氩气的离子铣削、使用了氯基气体的干式蚀刻来进行。
在步骤S520中，形成绝缘层161并且进行图案形成，从而填埋第一电极130e11与130e12的间隙、以及第一电极130e12与130e13的间隙而使表面平坦化。在步骤S530中，在第一电极130e11、130e12、130e13之上形成压电体140，在步骤540中，在压电体140之上形成第二电极150。在步骤S550中，对第二电极150与压电体140进行图案形成。步骤S530、S540、S550能够通过与图7的步骤S130、S140、S150相同的工序执行，因此省略说明。在图7中，之后进行绝缘层160的形成、图案形成、导线电极的形成，但在本实施方式中，也可以同样地进行绝缘层160的形成、图案形成、导线电极的形成。该说明成为反复进行相同的说明，因此在此省略以上的说明。
压电元件110e1的静电容量同第一电极130e11与第二电极150e11的重叠部分的面积成比例。根据第二实施例，第一电极130e11与第二电极150e11的重叠部分的面积比现有技术的第一电极与第二电极的重叠面积小，因此与第一实施方式相同，能够使静电容量较小。并且，压电元件110e1与压电元件110e2通过第二电极150e11以串联方式连接，压电元件110e2与压电元件110e3通过第一电极130e12以串联方式连接。因此，根据串联连接的效果，能够减少合成静电容量。
根据第二实施方式，不使用线状的布线、导线电极，也能够进行压电元件的串联连接。
·第三实施方式：
图13是作为本发明的第三实施方式的压电驱动装置10b的剖视图，且是与第一实施方式的图1(B)对应的图。在该压电驱动装置10b中，压电振动体100以相对于图1(B)上下颠倒的状态被配置于振动板200。即，此处，被配置为第二电极150c1、150c2、150d1、150d2接近振动板200，基板120最远离振动板200。此外，在图13中，也与图1(B)相同，用于第一电极130a1、130a2、130b1、130b2、130c1、130c2、130d1、130d2、130e1、130e2、130e3、130e4、第二电极150a1、150a2、150b1、150b2、150c1、150c2、150d1、150d2、150e1、150e2、150e3、150e4与驱动电路之间的电连接的布线(或者布线层以及绝缘层)被省略图示。该压电驱动装置10b也能够实现与第一实施方式相同的效果。
图14是表示图13所示的压电驱动装置10b的制造工序的说明图。在步骤S610中，准备振动板200，形成绝缘层202。绝缘层202例如能够使用聚酰亚胺等绝缘性树脂形成。在步骤S620中，在绝缘层202之上形成布线层204，并对布线层204进行图案形成。布线层204包括用于将第一电极与第二电极以串联方式连接的布线、用于将压电元件与驱动电路连接的布线。作为布线层204，能够使用铜、铝。在步骤S630中，在布线层204之上形成绝缘层206，并对开口部进行图案形成。绝缘层206例如能够使用阻焊膜形成。
在步骤S640中，将通过图6、图7的工序一个一个制成的压电振动体100(图5(C))粘贴于振动板200的两面。此时，在布线层204与第一导线电极173c1、173c2、第二导线电极174c1、174c2之间配置导电性部件208，经由导电性部件208电接触。若经由导电性部件208，则即使在振动板200的布线层204与压电振动体100的第一导线电极173c1、173c2、第二导线电极174c1、174c2之间稍微存在阶梯差，也能够缓和该阶梯差而电接触。作为导电性部件208，例如能够使用微凸块、导电膏。图14(E)的第一面侧示出粘贴有压电振动体100的状态，第二面侧示出粘贴压电振动体100之前的状态。此外，在图14(E)所示的压电振动体100的上部，形成有上述钝化膜180。钝化膜180保护第一导线电极173c1、173c2、第二导线电极174c1、174c2的周围，并且对第一导线电极173c1、173c2、第二导线电极174c1、174c2与其他部件之间的电短路进行抑制。此外，在本实施方式中，第二导线电极174c1、174c2的形状没有延伸至在下部不存在压电体140的区域。这是因为由于经由导电性部件208与振动板200的布线层204连接所以第二导线电极174c1、174c2不需要延伸至在下部不存在压电体140的区域。其中，也可以使第二导线电极174c1、174c2延伸至在下部不存在压电体140的区域。
然后，通过布线310、312、314、320、322、324连接布线层204与驱动电路300(图8)之间。即，在本实施方式中，不是通过布线310、312、314、320、322、324在第一导线电极173c1、173c2、第二导线电极174c1、174c2直接进行布线，而是经由布线层204进行布线。因此，也可以不在振动的压电振动体100直接地布线，即使压电振动体100振动，布线也难以偏离。在本实施方式中，将压电振动体100粘贴于振动板200后连接了布线310、312、314、320、322、324，但也可以先在压电振动体100连接了布线310、312、314、320、322、324，然后将压电振动体100粘贴于振动板200。
·使用了压电驱动装置的装置的实施方式：
上述压电驱动装置10能够通过利用共振对被驱动体施加较大的力，并且能够在各种装置中应用。压电驱动装置10例如能够用作机器人(也包括电子部件输送装置(IChandler))、投药用泵、表的日历输送装置、印刷装置(例如送纸机构。但是，在打印头所利用的压电驱动装置中，由于不使振动板共振，所以不适用于打印头。)等各种机器的驱动装置。以下，对具有代表性的实施方式进行说明。
图15是表示利用了上述压电驱动装置10的机器人2050的一个例子的说明图。机器人2050具有臂2010(也称为“臂部”)，该臂2010具备多根连杆部2012(也称为“连杆部件”)和将上述连杆部2012之间以能够转动或者弯曲的状态连接的多个关节部2020。在各个关节部2020内置有上述压电驱动装置10，使用压电驱动装置10能够使关节部2020转动或弯曲任意角度。在臂2010的前端连接有机器手2000。机器手2000具备一对把持部2003。在机器手2000也内置有压电驱动装置10，使用压电驱动装置10能够开闭把持部2003把持物品。另外，在机器手2000与臂2010之间也设置有压电驱动装置10，使用压电驱动装置10也能够使机器手2000相对于臂2010旋转。
图16是图15所示的机器人2050的手腕部分的说明图。手腕的关节部2020夹持着手腕转动部2022，在手腕转动部2022以能够绕手腕转动部2022的中心轴O转动的方式安装有手腕的连杆部2012。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以及机器手2000绕中心轴O转动。在机器手2000立设有多个把持部2003。把持部2003的基端部能够在机器手2000内移动，在该把持部2003的根部搭载有压电驱动装置10。因此，能够通过使压电驱动装置10动作，使把持部2003移动来把持对象物。
在图16所示的实施方式中，使用两个压电驱动装置10(振动板)使手腕的连杆部2012以及机器手2000绕中心轴O转动。在该情况下，也可以将两个压电驱动装置10之间以串联方式连接。能够得到电流减少与省略布线的效果。此外，在串联连接的各个压电驱动装置10的内部，多个压电元件也可以以串联、并列的任一种方式连接。
此外，作为机器人，并不限定于单臂机器人，也能够将压电驱动装置10应用于臂的数量为两个以上的多臂机器人。此处，在手腕的关节部2020、机器手2000的内部，除包括压电驱动装置10之外，还包括向力传感器、陀螺仪传感器等各种装置供电的电力线、传递信号的信号线等，需要非常多的布线。因此，在关节部2020、机器手2000的内部配置布线是非常困难的。然而，上述实施方式的压电驱动装置10的驱动电流比通常的电动马达、现有的压电驱动装置小，因此在关节部2020(尤其是臂2010的前端的关节部)、机器手2000那样小的空间也能够配置布线。
图17是表示利用了上述压电驱动装置10的送液泵2200的一个例子的说明图。送液泵2200在壳体2230内设置有储液部2211、管部2212、压电驱动装置10、转子2222、减速传递机构2223、凸轮2202以及多个指部2213、2214、2215、2216、2217、2218、2219。储液部2211是用于收纳作为输送对象的液体的收纳部。管部2212是用于输送从储液部2211送出的液体的管。压电驱动装置10的突起部20以按压于转子2222的侧面的状态被设置，从而压电驱动装置10驱动转子2222旋转。转子2222的旋转力经由减速传递机构2223传递至凸轮2202。指部2213～2219是用于关闭管部2212的部件。若凸轮2202旋转，则通过凸轮2202的突起部2202A依次向放射方向外侧推压指部2213～2219。指部2213～2219从输送方向上游侧(储液部2211侧)开始依次关闭管部2212。由此，将管部2212内的液体依次向下游侧输送。这样一来，能够以较高的精度输送极少量的液体，并且能够实现小型的送液泵2200。此外，各部件的配置并不限定于图示的配置。另外，也可以不具备指部等部件，而是构成为被设置于转子2222的球状体等关闭管部2212。上述送液泵2200能够活用于向人体投放胰岛素等药液的投药装置等。此处，使用上述实施方式的压电驱动装置10，由此驱动电流比现有的压电驱动装置小，因此能够抑制投药装置的耗电。因此，在电池驱动投药装置的情况下，特别有效。
·变形例：
此外，本发明并不限定于上述实施例、实施方式，在不脱离其主旨的范围内，能够在各种方式中实施，例如也能够进行如下变形。
·变形例1：
在上述实施方式中，在基板120之上形成有第一电极130、压电体140以及第二电极150，但也可以省略基板120，在振动板200之上形成第一电极130、压电体140以及第二电极150。
·变形例2：
在上述实施方式中，在振动板200的两面分别设置有一个压电振动体100，但也能够省略压电振动体100的一方。其中，若在振动板200的两面分别设置压电振动体100，则使振动板200在其平面内变形成弯曲的蛇行形状更加容易，因此优选。
以上，根据几个实施例对本发明的实施方式进行了说明，但上述发明的实施方式是为了容易理解本发明，并不限定本发明。当然，能够将本发明不脱离其主旨以及技术方案地进行变更、改进，并且本发明包括其等价物。
附图标记说明：
10、10a、10b...压电驱动装置；20...突起部(接触部、作用部)；50...转子(被驱动体)；51...被驱动体的中心；100、100b...压电振动体；110a、110b、110c、110d、110e...压电元件组；110a1、110a2、110b1、110b2、110c1、110c2、110d1、110d2、110e1～110e4、110e11～110e13...压电元件；120...基板；125...绝缘层；130、130e11、130e12、130e13...第一电极；140、140e11、140e12...压电体；150、150e11、150e12...第二电极；151、152...布线；155a1、155a2、155b1、155b2、155c1、155c2、155d1、155d2、155e1～155e3...布线；160...绝缘层；163c1、163c2、163d1、164c1、164c2、164d1...接触孔；173a1、173a2、173b1、173b2、173c1、173c2、173d1...第一导线电极；174a1、174a2、174b1、174b2、174c1、174c2、174d1...第二导线电极；180...钝化膜；200...振动板；202...绝缘层；204...布线层206...绝缘层；208...导电性部件；210...振动体部；211...第一面；212...第二面；220...连接部；230...安装部；240...螺钉；300...驱动电路；310、312、314、320、322、324...布线；2000...机器手；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...送液泵；2202...凸轮；2202A...突起部；2211...储液部；2212...管部；2213...指部；2222...转子；2223...减速传递机构；2230...箱体。

Claims (13)

1.一种压电驱动装置，其特征在于，具备：
振动板，其具有第一面以及第二面；以及
压电振动体，其具有多个由第一电极、第二电极以及位于所述第一电极与所述第二电极之间的压电体形成的压电元件，并且该压电振动体被配置于所述振动板的所述第一面以及第二面中的至少一面，
所述多个压电元件以串联方式被连接。
2.根据权利要求1所述的压电驱动装置，其特征在于，
所述多个压电元件的大小相同。
3.根据权利要求1或2所述的压电驱动装置，其特征在于，
在对所述多个压电元件施加驱动电压时，所述多个压电元件的极化方向为相同方向。
4.根据权利要求3所述的压电驱动装置，其特征在于，
所述极化方向是从所述第二电极朝向所述第一电极的方向。
5.根据权利要求1或2所述的压电驱动装置，其特征在于，
所述多个压电元件中的第一压电元件的第二电极与第二压电元件的第二电极形成连续的一个电极。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的压电驱动装置，其特征在于，
所述压电振动体被配置于所述振动板的所述第一面与所述第二面的两面。
7.根据权利要求6所述的压电驱动装置，其特征在于，
被配置于所述第一面的压电振动体的压电元件与被配置于所述第二面的压电振动体的压电元件以串联方式被连接。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的压电驱动装置，其特征在于，
在所述多个第一电极与所述振动板之间设置有基板。
9.根据权利要求8所述的压电驱动装置，其特征在于，
所述基板包含硅。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的压电驱动装置，其特征在于，
所述振动板具备与被驱动体接触的突起部。
11.一种机器人，其特征在于，具备：
多个连杆部；
关节部，其连接所述多个连杆部；以及
权利要求1～10中任一项所述的压电驱动装置，其通过所述关节部使所述多个连杆部转动。
12.一种机器人的驱动方法，所述机器人的驱动方法的特征在于，
其是权利要求11所述的机器人的驱动方法，
通过在所述压电驱动装置的所述第一电极与所述第二电极之间施加周期性变化的电压，驱动所述压电驱动装置，从而通过所述关节部使所述多个连杆部转动。
13.一种压电驱动装置的驱动方法，其特征在于，
其是权利要求1～10中任一项所述的压电驱动装置的驱动方法，
在所述压电元件的第一电极与所述第二电极之间施加脉冲电压，该脉冲电压是周期性变化的电压，且施加于所述压电元件的压电体的电场的方向是从所述电极中的一方的电极朝向另一方的电极的单向。
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