CN107068850B - 压电驱动装置、马达、机器人以及泵 - Google Patents
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Abstract
本发明提供具备电极的导电性良好且耐绝缘性良好、可靠性高的薄膜压电元件的压电驱动装置，具备：振动板；第一电极层，设置于振动板上方；压电体层，设置于第一电极层上方；第二电极层，设置于压电体层上方；绝缘层，设置成覆盖第一电极层、压电体层及第二电极层的上表面；布线层，设置于绝缘层上方并与第二电极层导通，在第一电极层、压电体层及第二电极层重叠的部分形成有源部，有源部在俯视时具有长边方向和短边方向，在短边方向的两端，第一电极层的端被配置在与布线层的端相同或者比布线层的端靠外侧的位置，第二电极层的端被配置在与布线层的端相同或者比布线层的端靠内侧的位置，第一电极层的端被配置在比第二电极层的端靠外侧的位置。
Description
技术领域
本发明涉及压电驱动装置、马达、机器人以及泵。
背景技术
使压电体振动来驱动被驱动体的超声波马达因不需要磁铁、线圈而在各种领域中利用(例如参照专利文献1)。在这样的超声波马达中，通常利用具备块状的压电体的压电元件(块状压电元件)(例如参照专利文献2)。
另一方面，作为压电元件，已知有具备薄膜状的压电体的压电元件(薄膜压电元件)。薄膜压电元件主要在喷墨打印机的头部为了进行油墨的射出而利用。
专利文献1：日本特开2004-320979号公报
专利文献2：日本特开2008-227123号公报
若将上述那样的薄膜压电元件应用于超声波马达中，则能够使超声波马达、被其驱动的机器小型化。然而，对于薄膜压电元件而言，由于压电体层为薄膜，因此存在因驱动时产生的应力而在压电体层产生裂纹的情况。
另外，在将薄膜压电元件应用于超声波马达的情况下，上下电极由贵金属等薄膜形成，因而存在布线电阻变大的情况。因此，作为补偿电极的导电性的方法之一，研究设置与电极导通的布线。但是已知在使用了薄膜压电元件的超声波马达中，在压电元件重叠配置布线的情况下，布线的端部的位置与压电元件的电极的端部的位置之间的关系影响薄膜压电元件的耐绝缘性。
发明内容
本发明的几个方式所涉及的目的之一在于提供一种具备电极的导电性良好且耐绝缘性良好的可靠性高的薄膜压电元件的压电驱动装置。另外，本发明的几个方式所涉及的目的之一在于提供一种包括上述压电驱动装置的超声波马达。另外，本发明的几个方式所涉及的目的之一在于提供一种包括上述超声波马达的机器人或者泵。
本发明是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，能够作为以下的方式或者应用例来实现。
本发明所涉及的压电驱动装置的一方式，具备：
振动板；
第一电极层，被设置于上述振动板的上方；
压电体层，被设置于上述第一电极层的上方；
第二电极层，被设置于上述压电体层的上方；
绝缘层，被设置成覆盖上述第一电极层、上述压电体层以及上述第二电极层的上表面；以及
布线层，被设置于上述绝缘层的上方，并与上述第二电极层导通，
在上述第一电极层、上述压电体层以及上述第二电极层重叠的部分形成有源部，
上述有源部在俯视时具有长边方向和短边方向，
在上述短边方向的两端，
上述第一电极层的端被配置在与上述布线层的端相同或者比上述布线层的端靠外侧的位置，
上述第二电极层的端被配置在与上述布线层的端相同或者比上述布线层的端靠内侧的位置，
上述第一电极层的端被配置在比上述第二电极层的端靠外侧的位置。
在这样的压电驱动装置中，有源部的短边方向上的布线层的端部形成在与有源部的端部相同或者比其靠外侧的位置。因此，难以产生布线层的端部中的绝缘破坏。另外，通过布线层能够补偿第二电极层的导电性，因此基于压电体层的机电转换效率良好。
在本发明所涉及的压电驱动装置中，也可以：
在上述长边方向的至少一端，
上述第一电极层的端被配置在与上述布线层的端相同或者比上述布线层的端靠外侧的位置，
上述第二电极层的端被配置在与上述布线层的端相同或者比上述布线层的端靠内侧的位置，
上述第一电极层的端被配置在比上述第二电极层的端靠外侧的位置。
在这样的压电驱动装置中，有源部的长边方向上的布线层的至少一个端部形成在与有源部的端部相同或者比其靠外侧的位置。因此，难以产生布线层的端部中的绝缘破坏，耐绝缘性良好。另外，通过布线层能够补偿第二电极层的导电性，因此基于压电体层的机电转换效率良好。
在本发明所涉及的压电驱动装置中，也可以：
上述有源部的上述长边方向的长度为上述短边方向的长度的1.001倍以上1000倍以下。
在这样的压电驱动装置中，难以产生布线层的端部中的绝缘破坏，耐绝缘性良好。另外，通过布线层能够补偿第二电极层的导电性，因此基于压电体层的机电转换效率良好。
本发明所涉及的马达的一方式，包括：
上述压电驱动装置；以及
借助于上述压电驱动装置来旋转的转子。
这样的马达包括本发明所涉及的压电驱动装置，因此效率良好，压电驱动装置难以破损，可靠性高。
本发明所涉及的机器人的一方式，包括：
多个连杆部；
关节部，连接多个上述连杆部；以及
上述压电驱动装置，使多个上述连杆部在上述关节部转动。
这样的机器人包括本发明所涉及的压电驱动装置，因此效率良好，压电驱动装置难以破损，可靠性高。
本发明所涉及的泵的一方式，包括：
上述压电驱动装置；
管，输送液体；以及
多个指部，通过上述压电驱动装置的驱动来封闭上述管。
这样的泵包括本发明所涉及的压电驱动装置，因此效率良好，压电驱动装置难以破损，可靠性高。
此外，在本说明书中，在特定的部件X的上方(或者下方)配置(或者形成)特定的部件Y时，不限定于在部件X的上方(或者下方)直接配置(或者形成)部件Y的方式，在不阻碍作用效果的范围内，包括在部件X的上方(或者下方)经由其他部件配置(或者形成)部件Y的方式。
另外，在本说明书中，“相同”不仅指完全相同，也包括考虑测定误差而相同的情况以及在不损害功能的范围内相同的情况。因此，“第一电极层的端被配置在与布线层的端相同的位置”之类的表述是指：考虑到测定误差等，两者的端的位置的偏差为一方层的两端之间的长度的±10％以内，优选为±5％以内，更加优选为±1％以内，进一步优选为±0.5％以内，特别优选为±0.1％以内。
附图说明
图1是俯视性的示出实施方式所涉及的压电驱动装置的振动板的示意图。
图2是俯视性的示出实施方式所涉及的压电驱动装置的示意图。
图3是实施方式所涉及的压电驱动装置的剖面的示意图。
图4是实施方式所涉及的压电驱动装置的剖面的示意图。
图5是实施方式所涉及的压电元件的示意图。
图6是示出实施方式所涉及的压电驱动装置的等效电路的说明图。
图7是示出实施方式所涉及的压电驱动装置的动作的例子的图。
图8是用于对本实施方式所涉及的机器人进行说明的图。
图9是用于对本实施方式所涉及的机器人的手腕部分进行说明的图。
图10是用于对本实施方式所涉及的泵进行说明的图。
图11是在实验例中所使用的压电元件的示意图。
图12是示出实验例的评价结果的坐标图。
具体实施方式
以下对本发明的几个实施方式进行说明。以下说明的实施方式是说明本发明的例子的实施方式。本发明不受以下实施方式任何限定，也包括在不变更本发明的主旨的范围内实施的各种变形方式。此外，未必以下说明的结构全部是本发明的必要结构。
1.压电驱动装置的概要
本实施方式的压电驱动装置100至少具备振动板200、第一电极层130、压电体层140、第二电极层150、绝缘层240以及布线层250。而且，在第一电极层130、压电体层140以及第二电极层150重叠的部分形成有源部160。
图1是俯视性的示出振动板200的示意图。图2是俯视性的示出压电驱动装置100的简要结构的示意图。图3是压电驱动装置100的剖面的示意图。图3相当于图2的1A-1A剖面。图4是压电驱动装置100的剖面的示意图。图4相当于图2的1B-1B剖面。并且，在图2所示的俯视图中，关于图3、图4所示的绝缘层240、布线层250，省略图示。本实施方式的压电驱动装置100由第一电极层130、压电体层140以及第二电极层150构成压电元件110。
1.1.振动板
如图1所示，振动板200具备振动体210和支承部220(固定部221和连接部222、223)。在图1中，为了容易区分振动体210与支承部220，对振动体210标注了阴影线，而未对支承部220(固定部221和连接部222、223)标注阴影线。
振动体210具有包含第一边211、第二边212、第三边213以及第四边214四条边的长方形形状。第一边211与第二边212互为对边，第三边213与第四边214互为对边。第三边213和第四边214分别连结第一边211与第二边212之间，比第一边长。两个连接部222、223分别被设置于固定部221的端部，并与振动体210的第三边213和第四边214各自的中央的位置连接。
振动体210与支承部220在振动体210的长边的大致中央连接。将支承部220中的与振动体210连接的端部称为“第一连接部222”、“第二连接部223”、将第一连接部222、第二连接部223以外的部分称为“固定部221”。此外，在不区分第一连接部222与第二连接部223的情况下，也将“第一连接部222”、“第二连接部223”分别称为“连接部222”、“连接部223”。
固定部221以从第一连接部222绕第二边212侧到达第二连接部223的方式被配置于比第一边211接近第二边212的侧。振动体210和支承部220由1片硅基板一体形成。具体而言，通过对形成有压电元件110的硅基板进行蚀刻，形成各个振动板200的形状，并形成振动体210与支承部220之间的间隙205。由此，振动体210和支承部220(固定部221和连接部222、223)一体形成。
振动体210的长度L(第三边213以及第四边214的长度)与宽度W(第一边211以及第二边212的长度)之比虽不特别限定，但L:W＝约9:1～约6:4左右，优选L:W＝约7：2左右。若为该程度的比的值，则振动体210进行沿其平面向左右弯曲的超声波振动，因而优选。振动体210的长度L例如能够为0.1mm以上30mm以下的范围，宽度W例如能够为0.02mm以上9mm以下的范围。此外，从小型化的观点出发，更优选振动体210的长度L为50mm以下。
在振动体210的第一边211上形成有凹部216。在凹部216中嵌入并接合(通常为粘合)能够与被驱动部件接触的接触件20。接触件20是用于与被驱动部件接触来对被驱动部件施加力的部件。接触件20例如由陶瓷(具体而言为氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氮化硅(Si3N)等)等具有耐久性的材质形成。
此外，振动板200例如可以由硅振动板200和设置于硅振动板200上的基底层构成。基底层例如为绝缘层。基底层例如可以由设置于硅振动板200上的氧化硅层与设置于氧化硅层上的氧化锆层的层叠体构成。
振动板200具有平板状的形状。如图1所示，振动板200的振动体210是具有长边方向和与长边方向正交的短边方向的形状。在图示的例子中，振动板200的振动体210的俯视形状为长方形。长边方向是长边延伸的方向，短边方向是短边延伸的方向。在振动体210设置有后述的压电元件(第一电极层130、压电体层140以及第二电极层150的层叠结构)，该压电元件能够因驱动而变形以及振动。振动体210的俯视的形状在图示的例子中为矩形形状，但不特别限定。另外，振动体210的大小、厚度也不特别限定。
振动板200作为用于通过膜形成工艺形成第一电极层130、压电体层140以及第二电极层150的基板来使用。并且，振动板200的振动体210还具有作为进行机械式振动的振动板的功能。振动板200除了硅之外，也可以由Al2O3、ZrO2等形成。作为硅制的振动板200(也称为“硅振动板200”。)，例如能够利用半导体制造用的硅晶圆。
振动板200的厚度例如优选为10μm以上100μm以下的范围。若振动板200的厚度为10μm以上，则在振动板200上的成膜处理时能够比较容易地对振动板200进行处理。此外，若振动板200的厚度为50μm以上，则能够更加容易地对振动板200进行处理。另外，若振动板200(振动体210)的厚度为100μm以下，则能够根据由薄膜形成的压电体层140的伸缩，更加容易地使振动体210振动。
在振动板200形成有导电体(电极等)、电介质、压电体、绝缘体等的层。振动板200的厚度无需均匀。例如，振动板200的连接部222、223的厚度可以小于振动体210、支承部220的厚度。另外，也可以振动板200的特定部分与其他部分的厚度不同。这样的构造例如在振动板200由硅基板形成的情况下能够比较容易地形成。
1.2.压电元件
如图2～图4所示，压电元件110被设置于振动板200的振动体210的上方。压电元件110具备第一电极层130、形成于第一电极层130的上方的压电体层140以及形成于压电体层140的上方的第二电极层150，第一电极层130与第二电极层150夹持压电体层140。
压电元件110具有第一电极层130、压电体层140以及第二电极层150重叠的部分(俯视时重叠的部分)，通过从第一电极层130以及第二电极层150施加电场(电压)，在该部分中，压电体层140变形(机电转换)。在本说明书中，将该部分定义为有源部160。
在本实施方式中，压电驱动装置100包括5个压电元件110a、110b、110c、110d、110e作为压电元件110。压电元件110e形成为大致长方形形状，在振动体210的宽度方向的中央，沿着振动体210的长边方向形成。并且，压电元件110a、110b、110c、110d形成于振动体210的四个角的位置，呈大致长方形的形状。此外，虽然在图2中示出了压电元件110形成于振动体210的一个表面的例子，但是压电元件110也可以形成于振动体210的两个表面。在该情况下，例如一个表面的压电元件110a～110e与另一个表面的压电元件110a～110e被配置于以振动体210为对称面的对称位置。
在本实施方式中，有源部160在俯视时具有长边方向和短边方向。在图示的例子中，在俯视时沿着压电元件的长方形的长边的方向为长边方向，沿着短边的方向为短边方向。有源部160的长边方向的长度为短边方向的长度的1.001倍以上1000倍以下，优选为1.1倍以上100倍以下，更加优选为2倍以上10倍以下。在有源部160具有该范围内的尺寸的情况下，耐绝缘性的提高效果更为显著。此外，有源部160也可以在俯视时呈正方形，在该情况下，方便起见，也可以将与相邻的边平行的方向分别作为长边方向以及短边方向来处理。
压电元件110通过第一电极层130、压电体层140以及第二电极层150的组而构成于振动板200的振动体210的上方，只要振动体210能够产生规定的振动，所涉及的压电元件110的形状、数量、配置等任意。而且，通过对由图3、图4所示那样的布线层250等连接的第一电极层130以及/或者第二电极层150施加适当的电压，各个压电元件被驱动，从而能够使振动板200弯曲振动或伸缩振动。
1.2.1.第一电极层
第一电极层130被设置于振动板200的振动体210的上方。在第一电极层130与振动板200之间，例如也可以形成具有紧贴、结晶控制、取向控制、绝缘等功能的层。
第一电极层130可以形成于振动体210的整个面，也可以形成于振动体210的一部分。在图2所示的例子中，第一电极层130在振动板200的振动体210以及连接部222、223的上方几乎整个面地形成。
第一电极层130的设置于振动体210的区域的一部分或者全部与第二电极层150对置配置，在该部分中，作为压电元件110的一个电极来发挥作用。
第一电极层130的厚度例如为10nm以上1μm以下，优选为20nm以上800nm以下，更加优选为30nm以上500nm以下，进一步优选为50nm以上300nm以下。
第一电极层130由金属、合金、导电性氧化物等具有导电性的材质形成。作为第一电极层130的材质的具体例子，可以列举出镍、铱、白金、Ti、Ta、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Cu等各种金属、它们的导电性氧化物(例如氧化铱等)、锶与钌的复合氧化物(SrRuOx：SRO)、镧与镍的复合氧化物(LaNiOx：LNO)等。另外，第一电极层130可以是例示的材料的单层构造，也可以是层叠有多种材料的构造。第一电极层130能够通过半导体制造等中的通用方法来进行蚀刻、图案化。
1.2.2.压电体层
压电体层140被设置于振动板200的振动体210的上方的第一电极层130的上方。在第一电极层130与压电体层140之间，例如可以形成具有紧贴、结晶控制、取向控制、绝缘等功能的层。在此，作为设置紧贴层的情况下的紧贴层的材质，例如为TiW层、Ti层、Cr层、NiCr层或它们的层叠体。
压电体层140位于第一电极层130与第二电极层150之间。压电体层140可以形成于第一电极层130的整个面的上方，也可以形成于一部分的上方。另外，压电体层140也可以形成于未形成有第一电极层130的振动板200的上方。在图2～图4所示的例子中，压电体层140形成于振动板200的振动体210的第一电极层130的上方。
另外，压电体层140也可以被设置于连接部222、223的上方。在该情况下，例如，若在连接部222、223构成压电体层，则存在阻碍振动体210的振动的情况，因此优选考虑这种情况来设置。而且，在压电体层140设置于连接部222、223的上方的情况且不构成压电元件的情况下，优选考虑振动板200的连接部222、223的厚度或压电体层140的厚度来设置，以使连接部222、223的刚性不过高。在图2～图4所示的例子中，压电体层140被图案化，不构成压电元件的部分被除去。
在图示的例子中，压电体层140的俯视形状为长方形。但是，压电体层140也可以不被图案化，例如，也可以在振动板200上或者振动体210上整个面地形成。即便在该情况下，也能够根据第一电极层130与第二电极层150的位置关系来规定有源部160。对于压电体层140而言，在被第一电极层130以及第二电极层150夹持的部分(有源部160)构成压电元件，能够通过从两电极施加电压根据机电转换的作用而变形。
压电体层140的厚度例如为50nm以上20μm以下，优选为1μm以上7μm以下。像这样，压电元件110为薄膜压电元件。若压电体层140的厚度在该范围内，则压电驱动装置100的输出充分，即便欲提高输出而提高对压电体层140的施加电压，压电体层140也难以引起绝缘破坏。另外，若压电体层140的厚度在该范围内，则在压电体层140难以产生裂纹，而且驱动电压也难以上升。而且，若压电体层140的厚度在该范围内，则能够产生充分大的力，并且能够使压电驱动装置100小型化。
作为压电体层140的材质，可以举出钙钛矿型氧化物的压电材料。具体而言，压电体层140的材质例如为锆钛酸铅(Pb(Zr、Ti)O3：PZT)、铌酸钛酸锆酸铅(Pb(Zr、Ti、Nb)O3：PZTN)、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。
压电体层140也可以使用陶瓷之外的呈现压电效果的材料、例如聚偏氟乙烯、水晶等来形成。它们之中，作为压电体层140的材质，PZT以及PZTN因压电特性良好而特别优选。压电体层140能够通过半导体制造等中的通用方法来进行蚀刻、图案化。压电体层140能够进行机电转换，能够通过由第一电极层130以及第二电极层150施加电压(电场)来变形(伸缩)。
1.2.3.第二电极层
第二电极层150被设置于压电体层140的上方。在第二电极层150与压电体层140之间例如可以形成具有紧贴、结晶控制、取向控制、绝缘等功能的层。在此，作为在设置紧贴层的情况下的紧贴层的材质，例如为TiW层、Ti层、Ni层、Cr层、NiCr层或它们的层叠体。
第二电极层150的设置于振动体210的区域的一部分或者全部与第一电极层130对置配置，在该部分中，第二电极层150作为压电元件110的一个电极来发挥作用。
第二电极层150与第一电极层130以及压电体层140构成组，只要能够形成压电元件110，也可以形成于振动体210的整个面。即，若第一电极层130被图案化，则即便第二电极层150形成于振动体210的整个面，也能够构成规定的压电元件的组。即，在图示的例子中，第一电极层130为多个压电元件的共用电极，第二电极层150为多个压电元件的独立电极，但也可以构成为第二电极层150为多个压电元件的共用电极，第一电极层130为多个压电元件的独立电极。
如图2～图4所示，第二电极层150的俯视形状为长方形。并且，在图示的例子中，第一电极层130为共用电极，在振动板200的上方整个面地设置。因此，对压电体层140施加电场(电压)的区域即有源部160，由第二电极层150的形状来规定。另外，虽然未图示，例如在对第一电极层130图案化来形成并使第二电极层150为共用电极的情况下，有源部160由第一电极层130的形状来规定。
第二电极层150的厚度例如为50nm以上10μm以下。第二电极层150例如为Cu层、Au层、Al层、Ni层或者它们的层叠体。
1.3.绝缘层
如图3、图4所示，绝缘层240被设置为覆盖压电元件110。绝缘层240被设置于布线层250与压电元件110之间。在图示的例子中，绝缘层240被设置于第一电极层130的上表面、压电体层140的侧面以及第二电极层150的上表面及侧面。绝缘层240也可以被设置于各电极与布线层250之间。绝缘层240具有对电极、布线进行绝缘的功能。
绝缘层240的材质例如为氧化硅(SiOx)、氧化铝(AlOx)、氧化钽(TaOx)、氧化铪(HfOx)、环氧树脂、丙烯酸树脂等，也可以是上述材质的层的层叠结构。另外，在绝缘层240中，能够在规定的位置形成接触孔，能够通过利用半导体制造等中的通用方法形成导通孔来进行规定的布线的连接(接触)。
绝缘层240的厚度(布线层250与压电元件110(第二电极层150)之间的间隔)例如为1μm以上10μm以下。若在该范围内，则压电驱动装置100的厚度不会过大，振动体210的振动难以被绝缘层240阻碍，并且能够实现小型化。
1.4.布线层
布线层250被设置于绝缘层240的上方。布线层250经由接触部251与第二电极层150电连接(导通)。布线层250例如由钛钨层以及设置于钛钨层上的铜层构成。布线层250也可以还具有设置于钛钨层与绝缘层240之间的导电性的紧贴层。该紧贴层那样的导电性的层能够视为布线层250。接触部251也可以相对于一个压电元件110设置有多个。
布线层250与第二电极层150导通，从而第二电极层150的导电性提高。即，利用布线层250来补偿第二电极层150的导电性。因此，基于压电体层140的机电转换效率良好。在图示的例子中，布线层250与第二电极层150的厚度为相同程度，但根据需要，布线层250能够形成得比第二电极层150厚。布线层250的厚度例如为50nm以上10μm以下，优选为100nm以上5μm以下，更加优选为200nm以上3μm以下，若具有该程度的厚度，则能够确保充分的导电性。
布线层250能够被适当地图案化而构成布线。例如，布线层250能够形成布线，另外，也可以形成未图示的焊盘(用于与外部连接的端子)等。
另外，如图2、图3所示，布线层250可以以覆盖第二电极层150的方式形成于第二电极层150上方。在图2、图3所示的例子中，布线层250与第二电极层150经由多个形成于接触孔的接触部251电连接。这样一来，能够通过布线层250来补偿第二电极层150的导电性。另外，据此，布线层250还能够与第二电极层150一同作为压电元件的一个电极来发挥作用。这样一来，布线层250的导电性良好，因此能够提高压电元件的机电转换效率，并能够提高压电驱动装置100的可靠性。
布线层250的材质不特别限定，例如由镍、铱、白金、Ti、Ta、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Cu等各种金属、它们的合金等导电性的材料形成。对于布线层250而言，能够通过半导体制造等中的通用方法来进行蚀刻、图案化。另外，针对接触部251，也能够利用半导体制造等中的通用方法来进行。
而且，虽然未图示，但也可以在布线层250的上方设置有第二绝缘层。第二绝缘层的材质可以与绝缘层240相同。第二绝缘层的厚度可以大于绝缘层240的厚度。而且，虽然未图示，但也可以在第二绝缘层之上设置有第二布线层。第二布线层的材质可以与布线层250相同。第二绝缘层、第二布线层等能够根据布线的设计适当地设置。
2.第一电极层、第二电极层以及布线层的配置
本实施方式的压电驱动装置100的第一电极层130、第二电极层150以及布线层250按照以下的方式配置(形成)。图5是俯视观察本实施方式的压电元件110的示意图以及剖切其长边方向或者短边方向的剖面的示意图。在图5中，对有源部160标注了阴影线。
图5的(a)～(e)所示的压电元件110分别表示图2中的压电元件110a、110b、110c、110d、110e中的任意一个的一个例子，长边方向以及短边方向的比例尺能够适当地改变。如图5的(a)～(e)所示，本实施方式的压电驱动装置100的压电元件110的有源部160在俯视时具有长边方向和短边方向。
根据发明人们的研究可知：通常在形成了在俯视时具有长边方向和短边方向的有源部160的情况下，在俯视时的短边方向的两端容易产生绝缘破坏，而在长边方向的端部难以产生绝缘破坏。根据这种见解，本实施方式的压电元件110的第一电极层130、第二电极层150以及布线层250按照以下的方式配置(形成)。
如图5的(a)～(e)所示，在本实施方式的压电元件110的有源部160的俯视时的短边方向(图中的上下方向)的两端，第一电极层130的端被配置在与布线层250的端相同(参照(c))或者比布线层250的端靠外侧(参照(a)、(b)、(d)、(e))的位置，第二电极层150的端被配置在与布线层250的端相同(参照(b))或者比布线层250的端靠内侧(参照(a)、(c)、(d)、(e))的位置，第一电极层130的端被配置在比第二电极层150的端靠外侧(参照(a)～(e))的位置。
在此，在本实施方式的压电元件110中，第一电极层130的端被配置在比第二电极层150的端靠外侧的位置，由此，在压电体层140中难以产生裂纹。
另外，在本实施方式的压电元件110中，在有源部160的俯视时的短边方向的两端，布线层250的端位于与第一电极层130的端以及第二电极层150的端的任意一方相同的位置，另外，位于第一电极层130的端与第二电极层150的端之间。由此，在俯视时的有源部160的短边方向的两端难以产生绝缘破坏。
另一方面，对于俯视时的有源部160的长边方向的端，无需采取上述那样的配置。例如，在图5的(d)中，在本实施方式的压电元件110的有源部160的俯视时的长边方向的一端(图中的左方)，第一电极层130的端被配置在比布线层250的端靠内侧的位置。并且，在图5的(e)中，在本实施方式的压电元件110的有源部160的俯视时的长边方向的两端(图中的左右方向)，第一电极层130的端被配置在比布线层250的端靠内侧的位置。如上所述，难以产生长边方向的端中的绝缘破坏，因此即便为图5的(d)以及图5的(e)的配置，也能够起到抑制短边方向的两端中的绝缘破坏的效果。
但是，若关于有源部160的长边方向上的配置，也像在图5的(a)～(c)中说明过的短边方向的配置那样，在压电元件110的有源部160的俯视时的长边方向的至少一端，第一电极层130的端被配置在与布线层250的端相同或者比布线层250的端靠外侧的位置，第二电极层150的端被配置在与布线层250的端相同或者比布线层250的端靠内侧的位置，第一电极层130的端被配置在比第二电极层150的端靠外侧的位置，则布线层250的长边方向的端部中的绝缘破坏也更加难以产生，因而更加优选。此外，在布线层250的上方进一步层叠第二布线层的情况下，所述的第二布线层的端部的配置不特别限制。
3.作用效果
对于本实施方式的压电驱动装置100而言，有源部160的短边方向上的布线层250的端部形成在与有源部160的端部相同或比其靠外侧的位置。因此，难以产生布线层250的端部中的绝缘破坏。另外，通过布线层250能够补偿第二电极层150的导电性，因此基于压电体层140的机电转换效率良好。另外，在压电驱动装置100中，在有源部160的长边方向上的布线层250的至少一方的端部形成在与有源部160的端部相同或比其靠外侧的位置的情况下，布线层250的端部中的绝缘破坏也更加难以产生，因此能够进一步使耐绝缘性良好。
4.压电驱动装置的动作以及马达
图6是表示压电驱动装置100的等效电路的说明图。图6所示的等效电路以使一个压电驱动装置100动作的电路为例进行图示。压电元件110分为三组。第一组具有两个压电元件110a、110d。第二组具有两个压电元件110b、110c。第三组仅具有一个压电元件110e。第一组的压电元件110a、110d相互并联连接，并与驱动电路300连接。第二组的压电元件110b、110c相互并联连接，并与驱动电路300连接。第三组的压电元件110e单独与驱动电路300连接。
驱动电路300能够通过对5个压电元件110a～110e中的规定的压电元件、例如第一组的压电元件110a、110d的第一电极层130与第二电极层150之间施加周期性变化的交流电压或者脉动电压，使压电驱动装置100超声波振动，从而使与接触件20接触的转子(被驱动体、被驱动部件)向规定的旋转方向旋转。在此，“脉动电压”是指对交流电压施加了DC偏移的电压，脉动电压的电压(电场)的方向是从一个电极朝向另一个电极的单方向。与从第一电极层130朝向第二电极层150相比，电流的方向优选为从第二电极层150朝向第一电极层130。另外，能够通过对第二组的压电元件110b、110c的第一电极层130与第二电极层150之间施加交流电压或者脉动电压，使与接触件20接触的转子50向相反方向旋转。
图7是表示压电驱动装置100的动作的例子的说明图。压电驱动装置100的接触件20与作为被驱动部件的转子50的外周接触。在图7所示的例子中，对第一组的两个压电元件110a、110d施加交流电压或者脉动电压，压电元件110a、110d沿图7的箭头x的方向伸缩。据此，压电驱动装置100的振动体210在振动体210的平面内弯曲并变形为蜿蜒形状(S字形状)，接触件20的前端沿箭头y的方向进行往复运动，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(在图7中为顺时针方向)旋转。此外，在驱动电路300对第二组的两个压电元件110b、110c(参照图2)施加交流电压或者脉动电压的情况下，转子50向相反方向旋转。此外，若对中间的压电元件110e施加交流电压或者脉动电压，则压电驱动装置100沿长边方向伸缩，因而能够进一步增大从接触件20对转子50施加的力。此外，针对压电驱动装置100的这样的动作，记载于上述现有技术文献1(日本特开2004-320979号公报或者对应的美国专利第7224102号)中，其公开内容通过参照而引入。
此外，虽然省略图示，压电驱动装置100能够在振动板200的厚度方向上重叠多个。通过重叠多个压电驱动装置100，并使各自的接触件20与转子50抵接，从而能够进一步增大对转子50施加的力。另外，也能够在转子50的外周面的周向上配置多个压电驱动装置100，从而能够进一步增大对转子50施加的力。
5.机器人
图8是用于对利用了压电驱动装置100的机器人2050进行说明的图。机器人2050具有具备多根连杆部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的臂2010(也称为“臂部”)。
在各个关节部2020中内置有压电驱动装置100，能够使用压电驱动装置100来使关节部2020转动或者弯曲任意的角度。在臂2010的前端连接有机器人手部2000。机器人手部2000具备一对把持部2003。在机器人手部2000中也内置有压电驱动装置100，能够使用压电驱动装置100开闭把持部2003来把持物品。另外，在机器人手部2000与臂2010之间也设置有压电驱动装置100，能够使用压电驱动装置100来使机器人手部2000相对于臂2010旋转。
图9是用于对图8所示的机器人2050的手腕部分进行说明的图。手腕的关节部2020夹持手腕转动部2022，手腕的连杆部2012以能够绕手腕转动部2022的中心轴O转动的方式安装于手腕转动部2022。手腕转动部2022具备压电驱动装置100，压电驱动装置100使手腕的连杆部2012以及机器人手部2000绕中心轴O转动。在机器人手部2000竖立设置有多个把持部2003。把持部2003的基端部能够在机器人手部2000内移动，在该把持部2003的根部搭载有压电驱动装置100。因此，通过使压电驱动装置100动作，能够使把持部2003移动从而把持对象物。此外，作为机器人，并不局限于单臂机器人，也能够将电驱动装置100应用于臂的数量为两个以上的多臂机器人。
本实施方式的机器人2050以及机器人手部2000包括上述的压电驱动装置100，因此压电驱动装置100难以产生绝缘破坏，可靠性提高。
6.泵
图10是用于对利用了压电驱动装置100的输液泵2200的一个例子进行说明的图。输液泵2200在外壳2230内设置有贮存器2211、管2212、压电驱动装置100、转子2222、减速传动机构2223、凸轮2202以及多个指部2213、2214、2215、2216、2217、2218、2219。
贮存器2211是用于收纳作为输送对象的液体的收纳部。管2212是用于输送从贮存器2211送出的液体的管。压电驱动装置100的接触件20以按压于转子2222的侧面的状态设置，压电驱动装置100旋转驱动转子2222。转子2222的旋转力经由减速传动机构2223传递至凸轮2202。指部2213～2219是用于封闭管2212的部件。若凸轮2202旋转，则指部2213～2219依次被凸轮2202的突起部2202A向辐射方向外侧按压。指部2213～2219从输送方向上游侧(贮存器2211侧)起依次封闭管2212。由此，管2212内的液体依次向下游侧输送。这样一来，能够精度良好地输送极少量的液体，并且能够实现小型的输液泵2200。
此外，各部件的配置并不局限于图示的配置。另外，也可以不具备指部等部件，而是设置于转子2222的球体等封闭管2212的结构。上述那样的输液泵2200能够应用于将胰岛素等药液向人体给药的给药装置等。如上所述，通过使用压电驱动装置100，压电驱动装置100难以产生绝缘破坏，从而能够实现可靠性高的输液泵2200。
7.实验例
以下，示出实验例，对本发明进一步进行说明，但本发明并不限定于这些实验例。
分别各制作了40个相当于上述的本发明所涉及的压电元件110的试样(满足第一电极层130、第二电极层150以及布线层250的配置条件的试样)以及不满足本发明的压电元件的条件的试样。对于任一个试样，均分别在硅基板上使用Pt作为第一电极层、使用PZT作为压电体层、使用Pt作为第二电极层、使用Al2O3作为绝缘层、使用Cu作为布线层，并利用接触部使第二电极层与布线层导通。
在实验例中，制作图5的(a)～(e)所示的满足第一电极层130、第二电极层150以及布线层250的配置条件的试样和图11的(a)～(f)所示的不满足第一电极层130、第二电极层150以及布线层250的配置条件的试样来进行了评价。图11是俯视观察实验例所使用的试样的示意图以及剖切其长边方向的剖面的示意图。在图11中，对有源部160标注了阴影线。第二电极层以及布线层的图案化以图5以及图11所示的形状进行，形成了矩形(长方形形状)的有源部。它们是根据半导体制造的通用方法而制作的。
作为各试样的评价，在室温下对N＝40的试样分别施加正弦波20kHz、振幅100V(0～+100V)的耐久波形300小时，调查了(绝缘)破坏产生率相对于施加时间的关系。此外，在将各试样的压电元件应用于压电驱动装置的情况下，存在以较高的频率以及较低的电压来驱动的情况，但在进行加速试验的意图下，像上述那样设定频率以及电压。
评价基准如下，在图5以及图11中一并记载了评价结果。
◎：经过300小时后的绝缘破坏率为0～2％
○：经过300小时后的绝缘破坏率为2～10％
Δ：经过300小时后的绝缘破坏率为10～50％
×：经过300小时后的绝缘破坏率为50～100％
另外，利用光学显微镜对产生了绝缘破坏的试样的破坏位置进行了观察。可知：在具有图5的(a)～(e)所示的结构的试样中，产生了绝缘破坏的试样全部在接触部产生破坏。另外，可知：图11的(a)～(f)所示的试样虽然大多产生了破坏，但是产生破坏的试样全部在有源部的短边方向的布线层的端部产生破坏。
如上所述，明确了在满足本发明的第一电极层130、第二电极层150以及布线层250的配置条件的试样中，有源部160的短边方向的布线层250的端部处的破坏被抑制，耐绝缘性高。
图12是表示实验例的几个方式的压电元件的评价结果的一部分的坐标图。图12的坐标图的纵轴是绝缘破坏的产生率(40个中破坏的试样的个数的比例)，横轴表示脉冲施加时间。
如图12所示，明确了在满足本发明的第一电极层130、第二电极层150以及布线层250的配置条件的试样(在坐标图中，在横轴上绘制的试样)(标注有图5的(a)、(d)、(e)的附图标记)中，长期不会产生绝缘破坏，可靠性极其良好。与此相对，明确了在不满足本发明的第一电极层130、第二电极层150以及布线层250的配置条件的试样(在坐标图中，标注有图11的(b)、(d)、(e)、(f)的附图标记)中，长期则产生绝缘破坏，可靠性不好。
本发明并不限定于上述的实施方式，还能够进行各种变形。例如，本发明包括与实施方式中说明过的结构实质为相同结构(功能、方法以及结果相同的结构，或者目的以及效果相同的结构)。另外，本发明包括置换了实施方式中说明过的结构的非本质的部分的结构。另外，本发明包括能够起到与实施方式中说明过的结构相同的作用效果的结构或者实现相同的目的的结构。另外，本发明包括对实施方式中说明过的结构附加公知技术的结构。
附图标记说明：20…接触件；50…转子；51…中心；100…压电驱动装置；110、110a、110b、110c、110d、110e…压电元件；130…第一电极层；140…压电体层；150…第二电极层；200…振动板；205…间隙；210…振动体；211…第一边；212…第二边；213…第三边；214…第四边；216…凹部；220…支承部；221…固定部；222…第一连接部；223…第二连接部；240…绝缘层；250…布线层；251…接触部；300…驱动电路；2000…机器人手部；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…输液泵；2202…凸轮；2202A…突起部；2211…贮存器；2212…管；2213、2214、2215、2216、2217、2218、2219…指部；2222…转子；2223…减速传动机构；2230…外壳。
Claims (5)
1.一种压电驱动装置，其特征在于，具备：
振动板；
第一电极层，被设置于所述振动板的上方；
压电体层，被设置于所述第一电极层的上方；
第二电极层，被设置于所述压电体层的上方；
绝缘层，被设置成覆盖所述第一电极层、所述压电体层以及所述第二电极层的上表面；以及
布线层，被设置于所述绝缘层的上方，并与所述第二电极层导通，
在所述第一电极层、所述压电体层以及所述第二电极层重叠的部分形成有源部，
所述有源部在俯视时具有长边方向和短边方向，
在所述短边方向的两端，
所述第一电极层的端被配置在与所述布线层的端相同或者比所述布线层的端靠外侧的位置，
所述第二电极层的端被配置在与所述布线层的端相同或者比所述布线层的端靠内侧的位置，
所述第一电极层的端被配置在比所述第二电极层的端靠外侧的位置，
其中，在所述长边方向的至少一端，
所述第一电极层的端被配置在与所述布线层的端相同或者比所述布线层的端靠外侧的位置，
所述第二电极层的端被配置在与所述布线层的端相同或者比所述布线层的端靠内侧的位置，
所述第一电极层的端被配置在比所述第二电极层的端靠外侧的位置。
2.根据权利要求1所述的压电驱动装置，其特征在于，
所述有源部的所述长边方向的长度为所述短边方向的长度的1.001倍以上1000倍以下。
3.一种马达，其特征在于，包括：
权利要求1所述的压电驱动装置；以及
借助于所述压电驱动装置来旋转的转子。
4.一种机器人，其特征在于，包括：
多个连杆部；
关节部，连接多个所述连杆部；以及
权利要求1所述的压电驱动装置，使多个所述连杆部在所述关节部转动。
5.一种泵，其特征在于，包括：
权利要求1所述的压电驱动装置；
管，输送液体；以及
多个指部，通过所述压电驱动装置的驱动来封闭所述管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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