JP2016040991A - 圧電駆動装置、ロボット、及び、それらの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】厚みの小さな圧電体に適した圧電駆動装置の構造を得る。【解決手段】圧電駆動装置１０は、振動板２００と圧電振動体１００とを備える。圧電振動体は、基板１２０と、基板と振動板との間に位置する圧電体１４０と、基板と圧電体との間に位置する第１電極１３０と、圧電体と振動板との間に位置する第２電極１５０と、を有する。圧電駆動装置がその面内方向に振動する際に、その厚み方向に湾曲することによって圧電駆動装置の表面に発生する望ましくない撓みを、基板によって抑制することで、圧電駆動装置の故障や損傷の可能性を低減する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電駆動装置、及び、圧電駆動装置を備えるロボットなどの各種の装置に関する。

従来から、圧電素子を用いた圧電アクチュエーター（圧電駆動装置）が知られている（例えば特許文献１）。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り、合計で８つの圧電素子が補強板の両側に設けられている。個々の圧電素子は、圧電体をそれぞれ２枚の電極で挟んだユニットであり、補強板は、圧電素子の一方の電極としても利用される。補強板の一端には、被駆動体としてのローターに接してローターを回転させるための突起部が設けられている。４つの圧電素子のうちの対角に配置された２つの圧電素子に交流電圧を印加すると、この２つの圧電素子が伸縮運動を行い、これに応じて補強板の突起部が往復運動又は楕円運動を行う。そして、この補強板の突起部の往復運動又は楕円運動に応じて、被駆動体としてのローターが所定の回転方向に回転する。また、交流電圧を印加する２つの圧電素子を他の２つの圧電素子に切り換えることによって、ローターを逆方向に回転させることができる。

従来は、圧電駆動装置に用いられる圧電体として、いわゆるバルク状の圧電体が使用されている。本明細書において、「バルク状の圧電体」とは、厚さが１００μｍ以上の圧電体を意味する。バルク状の圧電体が利用されている理由は、圧電駆動装置から被駆動体に与える力を十分に大きくするために、圧電体の厚みを大きくしたいからである。

特開２００４−３２０９７９号公報

ところで、圧電駆動装置を小さな空間（例えばロボットの関節内）に収容して用いる場合、従来の圧電体を用いた圧電駆動装置では配線スペースが不足する可能性があるため、圧電体を１００μ未満の厚さまで薄くしたいという要望があった。しかしながら、従来は、厚みの小さな圧電体に適した圧電駆動装置の構造については十分に検討がなされていなかった。

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。

（１）本発明の一形態によれば、振動板と、圧電振動体と、を備える圧電駆動装置が提供される。前記圧電振動体は、基板と、前記基板と前記振動板との間に位置する圧電体と、前記基板と前記圧電体との間に位置する第１電極と、前記圧電体と前記振動板との間に位置する第２電極と、を有する。
この圧電駆動装置によれば、圧電駆動装置がその面内方向に振動する際に、その厚み方向に湾曲することによって圧電駆動装置の表面に発生する望ましくない撓み（ひずみ）を、基板によって抑制することができる。この結果、圧電駆動装置の故障や損傷の可能性を低減することが可能である。

（２）上記圧電駆動装置において、前記振動板の厚みは、５０μｍ以上７００μｍ以下であるものとしてもよい。
この構成によれば、振動板の厚みを５０μｍ以上とすれば圧電振動体を支持するために十分な剛性を得ることができ、振動板の厚みを７００μｍ以下とすれば圧電振動体の変形に応じて十分に大きな変形を発生することが可能である。

（３）上記圧電駆動装置において、前記圧電体の厚みは０．０５μｍ以上２０μｍ以下であるものとしてもよい。

（４）上記圧電駆動装置において、前記振動板の両面に前記圧電振動体がそれぞれ設置されているものとしてもよい。
この構成によれば、振動板の両面に圧電振動体が配置されているので、圧電駆動装置の駆動力を大きくできる。

（５）上記圧電駆動装置において、前記基板は、前記基板を厚み方向に貫通する第１貫通導電部を有しており、前記第１貫通導電部は、前記第１電極と接続されているものとしてもよい。
この構成によれば、基板の裏面（圧電素子が形成されていない面）側から第１貫通導電部を介して第１電極に至る電気的配線を容易に設けることができる。

（６）上記圧電駆動装置において、前記第１電極は、平面視で前記圧電体と重ならない部分を有するものとしてもよい。
この構成によれば、第１電極と第１貫通導電部との接続を容易に行うことができる。

（７）上記圧電駆動装置において、前記基板は、前記基板を厚み方向に貫通する第２貫通導電部を有しており、前記第２貫通導電部は、前記第２電極と接続されているものとしてもよい。
この構成によれば、基板の表面側から第２貫通導電部を介して第２電極に至る電気的配線を容易に行うことができる。

（８）上記圧電駆動装置は、更に、前記振動板に設けられ、被駆動体と接触可能な突起部を備えているものとしてもよい。
この構成によれば、突起部を用いて被駆動体を動作させることができる。

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などの各種の装置及びその駆動方法等、様々な形態で実現することができる。

第１実施形態の圧電駆動装置の概略構成を示す平面図及び断面図。 振動板の平面図。 圧電駆動装置と駆動回路の電気的接続状態を示す説明図。 圧電駆動装置の動作の例を示す説明図。 圧電振動体の断面図。 圧電駆動装置の製造フローチャート。 図６のステップＳ１００における圧電振動体の製造プロセスを示す説明図。 基板に貫通導電部を設けるプロセスを示す説明図。 振動板に圧電振動体を接着するプロセスを示す説明図。 他の実施形態の圧電駆動装置の平面図。 圧電駆動装置を利用したロボットの一例を示す説明図。 ロボットの手首部分の説明図。 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。

・第１実施形態：
図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態における圧電駆動装置１０の概略構成を示す平面図であり、図１（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。圧電駆動装置１０は、振動板２００と、振動板２００の両面（第１面２１１と第２面２１２）にそれぞれ配置された２つの圧電振動体１００とを備える。圧電振動体１００は、基板１２０と、基板１２０の上に形成された第１電極１３０と、第１電極１３０の上に形成された圧電体１４０と、圧電体１４０の上に形成された第２電極１５０と、を備えている。第１電極１３０と第２電極１５０は、圧電体１４０を挟持して圧電素子を構成する。２つの圧電振動体１００は、振動板２００を中心として対称に配置されている。また、この実施形態では、基板１２０と振動板２００とが圧電素子（１３０，１４０，１５０）を挟むように、圧電振動体１００が振動板２００上に設置されている。２つの圧電振動体１００は同じ構成を有しているので、以下では特に断らない限り、振動板２００の下側にある圧電振動体１００の構成を説明する。

圧電振動体１００の基板１２０は、第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０を成膜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１２０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１２０は、例えば、Ｓｉ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２などで形成することができる。Ｓｉ製の基板１２０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。この実施形態において、基板１２０の平面形状は長方形である。基板１２０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１２０の厚みを１０μｍ以上とすれば、基板１２０上の成膜処理の際に基板１２０を比較的容易に取扱うことができる。また、基板１２０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、基板１２０を容易に振動させることができる。

第１電極１３０は、基板１２０上に形成された１つの連続的な導電体層として形成されている。一方、第２電極１５０は、図１（Ａ）に示すように、５つの導電体層１５０ａ〜１５０ｅ（「第２電極１５０ａ〜１５０ｅ」とも呼ぶ）に区分されている。中央にある第２電極１５０ｅは、基板１２０の幅方向の中央において、基板１２０の長手方向のほぼ全体に亘る長方形形状に形成されている。他の４つの第２電極１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄは、同一の平面形状を有しており、基板１２０の四隅の位置に形成されている。図１の例では、第１電極１３０と第２電極１５０は、いずれも長方形の平面形状を有している。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）などの導電性の高い任意の材料を利用可能である。なお、第１電極１３０を１つの連続的な導電体層とする代わりに、第２電極１５０ａ〜１５０ｅと実質的に同じ平面形状を有する５つの導電体層に区分してもよい。なお、第２電極１５０ａ〜１５０ｅの間の電気的接続のための配線（又は配線層及び絶縁層）と、第１電極１３０及び第２電極１５０ａ〜１５０ｅと駆動回路との間の電気的接続のための配線（又は配線層及び絶縁層）とは、図１では図示が省略されている。

圧電体１４０は、第２電極１５０ａ〜１５０ｅと実質的に同じ平面形状を有する５つの圧電体層として形成されている。この代わりに、圧電体１４０を、第１電極１３０と実質的に同じ平面形状を有する１つの連続的な圧電体層として形成してもよい。第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０ａ〜１５０ｅとの積層構造によって、５つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅ（図１（Ａ））が構成される。

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る薄膜である。圧電体１４０の材料としては、ＡＢＯ_３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。ＡＢＯ_３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、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、例えばポリフッ化ビニリデン、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、成膜プロセスを利用して容易に形成することができる。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、圧電駆動装置１０を十分に小型化することができる。

図２は、振動板２００の平面図である。振動板２００は、長方形形状の圧電振動体部２１０と、圧電振動体部２１０の左右の長辺からそれぞれ３本ずつ延びる接続部２２０とを有しており、また、左右の３本の接続部２２０にそれぞれ接続された２つの取付部２３０を有している。なお、図２では、図示の便宜上、圧電振動体部２１０にハッチングを付している。取付部２３０は、ネジ２４０によって他の部材に圧電駆動装置１０を取り付けるために用いられる。振動板２００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で形成することが可能である。

振動体部２１０の上面（第１面）及び下面（第２面）には、圧電振動体１００（図１）がそれぞれ接着剤を用いて接着される。振動体部２１０の長さＬと幅Ｗの比は、Ｌ：Ｗ＝約７：２とすることが好ましい。この比は、振動体部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。振動体部２１０の長さＬは、例えば３．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲とすることができ、幅Ｗは、例えば１ｍｍ以上８ｍｍ以下の範囲とすることができる。なお、振動体部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。振動体部２１０の厚み（振動板２００の厚み）は、例えば５０μｍ以上７００μｍ以下の範囲とすることができる。振動体部２１０の厚みを５０μｍ以上とすれば、圧電振動体１００を支持するために十分な剛性を有するものとなる。また、振動体部２１０の厚みを７００μｍ以下とすれば、圧電振動体１００の変形に応じて十分に大きな変形を発生することができる。

振動板２００の一方の短辺には、突起部２０（「接触部」又は「作用部」とも呼ぶ）が設けられている。突起部２０は、被駆動体と接触して、被駆動体に力を与えるための部材である。突起部２０は、セラミックス（例えばＡｌ_２Ｏ_３）などの耐久性がある材料で形成することが好ましい。

図３は、圧電駆動装置１０と駆動回路３００の電気的接続状態を示す説明図である。５つの第２電極１５０ａ〜１５０ｅのうちで、対角にある一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄが配線１５１を介して互いに電気的に接続され、他の対角の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃも配線１５２を介して互いに電気的に接続されている。これらの配線１５１，１５２は成膜処理によって形成しても良く、或いは、ワイヤ状の配線によって実現してもよい。図３の右側にある３つの第２電極１５０ｂ，１５０ｅ，１５０ｄと、第１電極１３０（図１）は、配線３１０，３１２，３１４，３２０を介して駆動回路３００に電気的に接続されている。駆動回路３００は、一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄと第１電極１３０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、圧電駆動装置１０を超音波振動させて、突起部２０に接触するローター（被駆動体）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、他の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃと第１電極１３０との間に交流電圧又は脈流電圧を印加することにより、突起部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。このような電圧の印加は、振動板２００の両面に設けられた２つの圧電振動体１００に同時に行われる。なお、図３に示した配線１５１，１５２，３１０，３１２，３１４，３２０を構成する配線（又は配線層及び絶縁層）は、図１では図示が省略されている。

図４は、圧電駆動装置１０の動作の例を示す説明図である。圧電駆動装置１０の突起部２０は、被駆動体としてのローター５０の外周に接触している。図４（Ａ）に示す例では、駆動回路３００（図３）は、一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄと第１電極１３０との間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４の矢印ｘの方向に伸縮する。これに応じて、圧電駆動装置１０の振動体部２１０が振動体部２１０の平面内で屈曲して蛇行形状（Ｓ字形状）に変形し、突起部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４では時計回り方向）に回転する。図２で説明した振動板２００の３つの接続部２２０（図２）は、このような振動体部２１０の振動の節（ふし）の位置に設けられている。なお、駆動回路３００が、他の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃと第１電極１３０との間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、中央の第２電極１５０ｅに、一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄ（又は他の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃ）と同じ電圧を印加すれば、圧電駆動装置１０が長手方向に伸縮するので、突起部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。なお、圧電駆動装置１０（又は圧電振動体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。

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のように圧電駆動装置１０がその面内方向に振動する際に、その厚み方向にも湾曲する様子を示いている。このような厚み方向の湾曲は、圧電駆動装置１０の表面に撓み（ひずみ）を発生させる点で望ましくない。しかしながら、本実施形態の圧電駆動装置１０では、基板１２０と振動板２００とが圧電素子（１３０，１４０，１５０）を挟むように圧電振動体１００が振動板２００上に設置されているので、このような望ましくない撓み（ひずみ）を基板１２０によって抑制することができる。図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）とは逆に、基板１２０が振動板２００と接するように圧電振動体１００が振動板２００上に設置されている例である。図４（Ｃ）の積層構造では、第２電極１５０の表面において望ましくない撓み（ひずみ）が過度に大きくなる可能性がある。従って、図４（Ｂ）に示すように、基板１２０と振動板２００とが圧電素子（１３０，１４０，１５０）を挟むように、圧電振動体１００を振動板２００上に設置することが好ましい。こうすれば、圧電駆動装置１０の故障や損傷の可能性を低減することが可能である。特に、基板１２０をシリコン製とすれば、撓み（ひずみ）に対して損傷し難いので好ましい。

図５は、図１（Ｂ）に示した圧電振動体１００の断面構造の一例を更に詳細に示した断面図である。圧電振動体１００は、基板１２０と、絶縁層１２５と、第１電極１３０と、圧電体１４０と、第２電極１５０と、絶縁層１６０と、リード電極１７２と、を備える。なお、図５では、複数の第２電極１５０と、複数のリード電極１７２については、図１（Ａ）の圧電素子１１０ｃ，１１０ｄと同じ添え字「ｃ」または「ｄ」を付記して区別している。なお、図５では、図３に示した配線１５１，１５２は図示が省略されている。

絶縁層１２５は、基板１２０上に形成されており、基板１２０と、第１電極１３０との間を絶縁する。第１電極１３０は、絶縁層１２５の上に形成されている。圧電体１４０は、第１電極１３０の上に形成されている。第２電極１５０は、圧電体１４０の上に形成されている。絶縁層１６０は、第２電極１５０の上に形成されている。なお、第１電極１３０は、平面視において、圧電体１４０と重ならない部分（図５では、圧電体１４０の左右にはみ出た部分）を有することが好ましい。この理由は、第１電極１３０を、基板１２０の厚み方向に貫通する貫通導電部と接続し易くするためである。絶縁層１６０は、リード電極１７２が第２電極１５０と接触できるように、その一部に開口（コンタクトホール）を有している。リード電極１７２は、絶縁層１６０の上に形成され、第２電極１５０と接している。なお、図５では、図示の都合上、圧電素子１１０ｃと圧電素子１１０ｄの境界に近い位置にリード電極１７２ｃ、１７２ｄを形成しているが、圧電素子１１０ｃと圧電素子１１０ｄの境界と反対側、及び、振動板２００の長手方向の両端側にそれぞれリード電極１７２ｃ、１７２ｄを形成してもよい。リード電極１７２ｃ、１７２ｄは、その下部に圧電体１４０が存在しない領域まで延びていることが好ましい。この理由は、リード電極１７２ｃ、１７２ｄを、基板１２０の厚み方向に貫通する貫通導電部と接続し易くするためである。

図６は、圧電駆動装置１０の製造フローチャートを示す説明図である。ステップＳ１００では、基板１２０上に圧電素子１１０を形成することによって、圧電振動体１００を形成する。この際、基板１２０としては、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、圧電振動体１００を複数個形成することが可能である。またＳｉは機械的品質係数Ｑｍの値が１０万程度と大きいため、圧電振動体１００や、圧電駆動装置１０の機械的品質係数Ｑｍを大きく出来る。ステップＳ２００では、圧電振動体１００が形成された基板１２０をダイシングして、個々の圧電振動体１００に分割する。なお、基板１２０をダイシングする前に基板１２０の裏面を研磨して、基板１２０を所望の厚さにしても良い。ステップＳ３００では、２つの圧電振動体１００を振動板２００の両面に接着剤で接着する。ステップＳ４００では、圧電振動体１００の配線層と駆動回路とを配線で電気的に接続する。

図７は、図６のステップＳ１００における圧電振動体１００の製造プロセスを示す説明図である。図７では、基板１２０上に、図５の右半分の上部に示した圧電素子１１０ｄを形成するプロセスを示している。ステップＳ１１０では、基板１２０を準備し、基板１２０の表面に絶縁層１２５を形成する。絶縁層１２５としては、例えば、基板１２０の表面を熱酸化して形成されるＳｉＯ_２層を利用することができる。その他に、絶縁層としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、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１２０が絶縁体である場合には、絶縁層１２５を形成する工程は省略可能である。

ステップＳ１２０では、絶縁層１２５の上に第１電極１３０を形成する。第１電極１３０は、例えば、スパッタリングにより形成できる。

ステップＳ１３０では、第１電極１３０の上に圧電体１４０を形成する。具体的には、例えばゾル−ゲル法を用いて圧電体１４０を形成することが可能である。すなわち、圧電体材料のゾルゲル溶液を基板１２０（第１電極１３０）の上に滴下し、基板１２０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層を形成する。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１２０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層を形成した後、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８μｍ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出来る。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。

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。

ステップＳ１４０では、圧電体１４０の上に第２電極１５０を形成する。第２電極１５０の形成は、第１電極と同様に、スパッタリングにより行うことが出来る。

ステップＳ１５０では、第２電極１５０と圧電体１４０をパターニングする。本実施形態では、アルゴンイオンビームを用いたイオンミリングにより、第２電極１５０と圧電体１４０のパターニングを行っている。なお、イオンミリングの時間を制御することにより、第２電極１５０と圧電体１４０のみをパターニングし、第１電極１３０をパターニングしないことが可能である。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。

ステップＳ１６０では、第１電極１３０と第２電極１５０の上に絶縁層１６０を形成する。絶縁層１６０としては、リン含有シリコン酸化膜（ＰＳＧ膜）、ボロン・リン含有シリコン酸化膜（ＢＰＳＧ膜）、ＮＳＧ膜（ボロンやリン等の不純物を含まないシリコン酸化膜）、窒化ケイ素膜（Ｓｉ_３Ｎ_４膜）等を用いることが可能である。絶縁層１６０は、例えばＣＶＤ法により形成できる。絶縁層１６０の形成後には、第２電極１５０の接続用のコンタクトホール１６５を形成するためのパターニングを行う。

ステップＳ１７０では、リード電極用の導電体層を形成し、パターニングを行う。この導電体層は、例えばアルミニウムで形成することができ、スパッタリングにより形成される。その後、導電体層をパターニングすることによって、第２電極１５０と接続されたリード電極１７２を形成する。

図８は、図７の工程に続いて、基板１２０に貫通導電部を設けるプロセスを示す説明図である。図８（Ａ）では、平面視で圧電体１４０よりも外側の位置において、基板１２０に有底のビア４０１，４０２を形成する。第１ビア４０１は第１電極１３０に隣接した位置に設けられ、第２ビアホール４０２は第２電極１５０用のリード電極１７２に隣接した位置に設けられる。これらのビア４０１，４０２は、基板１２０の圧電素子側（図８（Ａ）の上側）から、例えばレーザ加工や、ＣＶＤを利用したドライエッチングを用いて形成される。ＣＶＤを利用したドライエッチングとしては、いわゆるボッシュプロセスを用いることができる。すなわち、ビア４０１，４０２の表面をポリマー膜で保護しながらビア４０１，４０２の底部のみを選択的に除去することによって、高いアスペクト比を有するビア４０１，４０２を形成することが可能である。ビア４０１，４０２のサイズは、例えば直径が２０〜５０μｍ、深さが３０〜１２０μｍとすることができる。

図８（Ｂ）では、積層構造の全面に絶縁膜４１０を形成する。絶縁膜４１０としては、例えばＳｉＯ_２膜を用いることができ、プラズマＣＶＤで作成することが可能である。図８（Ｃ）では、まず、絶縁膜４１０の一部をドライエッチング等で除去することによって、第１電極１３０との接続用の第１コンタクトホール４２１と、リード電極１７２（すなわち第２電極１５０）との接続用の第２コンタクトホール４２２とを形成する。その後、積層構造の全面にＣｕシード層４３０をスパッタリング等により形成する。

図８（Ｄ）では、Ｃｕシード層４３０をメッキ電極として用いて電解メッキを実行することによって、導電層４４０を形成する。このとき、ビア４０１，４０２の内部も導電層４４０で充填される。ビア４０１，４０２内に充填された導電層４４０を「貫通導電部４５１，４５２」とも呼ぶ。図８（Ｅ）では、導電層４４０の不要な部分をＣＭＰ（化学機械研磨）等のプロセスで除去する。この結果、第１電極１３０に接続された第１導電層４４１と、第２電極１５０及びリード電極１７２に接続された第２導電層４４２が分離される。

図８（Ｆ）では、基板１２０の裏面（圧電素子が形成されていない面）を、図８（Ｅ）の一点鎖線の位置まで機械的に研削することによって、貫通導電部４５１，４５２を露出させる。その後、基板１２０の裏面を洗浄して、貫通導電部４５１，４５２の位置に接続用の電極パッド４６１，４６２を形成する。

これらの図８（Ａ）〜（Ｆ）の工程により、第１電極１３０に接続されているとともに基板１２０の厚み方向に貫通する第１貫通導電部４５１と、第２電極１５０に接続されているとともに基板１２０の厚み方向に貫通する第２貫通導電部４５２とを形成することが可能である。

図９は、図６のステップＳ３００において、振動板２００に圧電振動体１００を接着するプロセスを示す説明図である。図９（Ｂ）では、振動板２００の両面に絶縁層２０２を形成する。絶縁層２０２は、例えば、ポリイミドなどの絶縁性樹脂を塗布することによって形成可能である。図９（Ｃ）では、図７及び図８のプロセスにより個々に作成された圧電振動体１００を、接着剤２５０を用いて振動板２００の両面に貼り付ける。この際、圧電振動体１００の基板１２０と、振動板２００との間に、圧電素子（１３０，１４０，１５０）が挟まれるように圧電振動体１００が振動板２００上に設置される。なお、図９では、振動板２００の下面に設置するもう一つの圧電振動体１００の図示は省略されている。

その後、基板１２０の裏面に形成された電極パッド４６１，４６２と、駆動回路３００（図３）とを配線３２０，３１４で接続する。この結果、第１電極１３０は、第１貫通導電部４５１と第１電極パッド４６１と配線３２０とを介して駆動回路３００に接続される。また、第２電極１５０が、第２貫通導電部４５２と第２電極パッド４６２と配線３１４とを介して駆動回路３００に接続される。なお、これまでの説明では、図３の右下にある第２電極１５０ｄを有する圧電素子１１０ｄ（図１）の配線構造について説明したが、他の圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｅの配線構造もほぼ同様である。また、図３の左上の第２電極１５０ａと右下の第２電極１５０ｄとを接続する配線１５１は、図７に示したリード電極１７２の形成工程の際に同時に生成してもよく、或いは、他の工程で生成してもよい。配線１５２についても同様である。また、図３の例では、左上と左下にある２つの第２電極１５０ａ，１５０ｃは、他の第２電極１５０ｄ，１５０ｂに配線１５１，１５２を介して接続されているので、図８（Ｆ）で示したような第２貫通導電部４５２は不要である。

以上のように、第１実施形態の圧電駆動装置１０によれば、基板１２０と振動板２００とが圧電素子（１３０，１４０，１５０）を挟むように、圧電振動体１００が振動板２００上に設置されているので、このような望ましくない撓み（ひずみ）を基板によって抑制することができる。この結果、圧電駆動装置１０の故障や損傷の可能性を低減することが可能である。また、基板１２０を厚み方向に貫通する貫通導電部４５１，４５２を設けたので、これらの貫通導電部４５１，４５２を介して、基板１２０の裏面（圧電素子が形成されていない面）側から第１電極１３０及び第２電極１５０に至る電気的配線を容易に設けることが可能である。

・圧電駆動装置の他の実施形態：
図１０（Ａ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動装置１０ｂ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１０（Ａ）〜（Ｃ）では、図示の便宜上、振動板２００の接続部２２０や取付部２３０は図示が省略されている。図１０（Ａ）の圧電駆動装置１０ｂでは、一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃが省略されている。この圧電駆動装置１０ｂも、図４（Ａ）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１０（Ａ）の３つの第２電極１５０ａ，１５０ｅ，１５０ｄには同じ電圧が印加されるので、これらの３つの第２電極１５０ａ，１５０ｅ，１５０ｄを、連続する１つの電極層として形成してもよい。

図１０（Ｂ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動装置１０ｃの平面図である。この圧電駆動装置１０ｃでは、図１（Ａ）の中央の第２電極１５０ｅが省略されており、他の４つの第２電極１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄが図１（Ａ）よりも大きな面積に形成されている。この圧電駆動装置１０ｃ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。

図１０（Ｃ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電駆動装置１０ｄの平面図である。この圧電駆動装置１０ｄ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。この圧電駆動装置１０ｄは、長手方向に伸縮するだけであるが、突起部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。

図１及び図１０（Ａ）〜（Ｃ）から理解できるように、圧電振動体１００の第２電極１５０としては、少なくとも１つの電極層を設けることができる。但し、図１及び図１０（Ａ），（Ｂ）に示す実施形態のように、長方形の圧電振動体１００の対角の位置に第２電極１５０を設けるようにすれば、圧電振動体１００及び振動板２００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。

・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。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出来る。以下、代表的な実施の形態について説明する。

図１１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。

図１２は、図１１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。

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。従って、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。

図１３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の突起部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、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。従って、投薬装置を電池駆動する場合は、特に有効である。

・変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・変形例１：
上記実施形態では、振動板２００の両面にそれぞれ１つの圧電振動体１００を設けていたが、圧電振動体１００の一方を省略することも可能である。但し、振動板２００の両面にそれぞれ圧電振動体１００を設けるようにすれば、振動板２００をその平面内で屈曲した蛇行形状に変形させることがより容易である点で好ましい。

・変形例２：
上記実施形態で説明した断面構造や配線接続構造は、単なる一例であり、他の断面構造や配線接続構造を採用することが可能である。例えば、配線接続構造に関しては、図３に示した配線１５１，１５２を導電層ではなくリード線で実現してもよく、また、配線３１０，３１２，３１４，３２０の一部を導電層で実現してもよい。また、基板１２０を貫通する貫通導電部４５１，４５２を設ける必要は無く、リード線などの他の配線構造を用いて第１電極１３０と第２電極１５０を駆動回路３００に接続してもよい。

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。

１０…圧電駆動装置
２０…突起部
５０…ローター
５１…中心
１００…圧電振動体
１１０…圧電素子
１２０…基板
１３０…第１電極
１４０…圧電体
１５０…第２電極
１５１，１５２…配線
２００…振動板
２１０…振動体部
２１１…第１面
２１２…第２面
２２０…接続部
２３０…取付部
２４０…ネジ
３００…駆動回路
３１０，３１２，３１４，３２０…配線
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…フィンガー
２２２２…ローター
２２２３…減速伝達機構
２２３０…ケース

Claims (11)

1. 振動板と、
   基板と、前記基板と前記振動板との間に位置する圧電体と、前記基板と前記圧電体との間に位置する第１電極と、前記圧電体と前記振動板との間に位置する第２電極と、を有する圧電振動体と、
   を備える、圧電駆動装置。
2. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、
   前記振動板の厚みは、５０μｍ以上７００μｍ以下である、圧電駆動装置。
3. 請求項１又は２に記載の圧電駆動装置において、
   前記圧電体の厚みは０．０５μｍ以上２０μｍ以下である、圧電駆動装置。
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、
   前記振動板の両面に前記圧電振動体がそれぞれ設置されている、圧電駆動装置。
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、
   前記基板は、前記基板を厚み方向に貫通する第１貫通導電部を有しており、前記第１貫通導電部は、前記第１電極と接続されている、圧電駆動装置。
6. 請求項５に記載の圧電駆動装置において、
   前記第１電極は、平面視で前記圧電体と重ならない部分を有する、圧電駆動装置。
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、
   前記基板は、前記基板を厚み方向に貫通する第２貫通導電部を有しており、前記第２貫通導電部は、前記第２電極と接続されている、圧電駆動装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、更に、
   前記振動板に設けられ、被駆動体と接触可能な突起部を備えている、圧電駆動装置。圧電駆動装置。
9. 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請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
   を備えるロボット。
10. 請求項９に記載のロボットの駆動方法であって
    前記圧電駆動装置の駆動回路は、交流電圧又は交流電圧にオフセット電圧を加えた電圧を駆動電圧として前記第１電極と前記第２電極の間に印加することによって、前記複数のリンク部を前記関節部で回動させる、ロボットの駆動方法。
11. 請求項１〜８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、
    交流電圧又は交流電圧にオフセット電圧を加えた電圧を駆動電圧として前記第１電極と前記第２電極の間に印加する、圧電駆動装置の駆動方法。

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