JP2017070030A - 圧電駆動装置、モーター、ロボット及びポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の振動ユニットが平坦性が良好な状態で積層され、破損等を生じにくい圧電駆動装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る圧電駆動装置は、複数の振動ユニットを含む圧電駆動装置であって、振動ユニットは、固定部と、振動部と、固定部及び振動部を接続する接続部と、を有する振動板と、振動部の上方に設けられた第１電極と、第１電極の上方に設けられた第１圧電体層と、第１圧電体層の上方に設けられた第２電極と、固定部の上方に設けられた第３電極と、第３電極の上方に設けられた第２圧電体層と、第２圧電体層の上方に設けられた第４電極と、を含み、第１電極、第１圧電体層及び第２電極が圧電素子を構成し、振動ユニットが、振動板の板面に垂直な方向に重なるように配置されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、圧電駆動装置、モーター、ロボット及びポンプに関する。

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（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に開示された圧電駆動装置は、板状の部材の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つの圧電素子によって振動を生じさせる構成となっている。係る板状部材の一端には、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。

また、圧電駆動体（圧電振動体）を厚み方向に重ねて出力を大きくするスタック構造の圧電駆動装置が知られている（例えば、特許文献２）。この圧電駆動装置の圧電振動体は、弾性支持体で支持されている。

特開２００４−３２０９７９号公報 特開平０８−２３７９７１号公報

例えばモーターを、圧電駆動装置によって構成して動力を発生させる場合、基本的な要求の一つとして、駆動力（出力）を高めることが挙げられる。一例として上述の特許文献２に開示された装置では、スタック構造によって出力を高める試みが為されている。

しかしながら、板状部材の表面に圧電素子が形成された振動体をスタック（積層）させる場合、板状部材の圧電素子が形成された領域と、圧電素子が形成されない領域とで、厚さの差が生じる。そのため、積層体を製造における圧着等の工程において、板状部材が破損しやすかった。また、板状部材が破損しない場合でも板状部材に残留応力が生じた状態で積層されて、振動特性に不具合を生じることがあった。

また、圧電駆動装置を構造材等に対して固定するために設けられる圧電駆動装置の固定部分（固定部）と、圧電駆動装置の振動する部分（振動部）とで、厚さが異なる場合にも、積層体を形成する場合には、圧着等の工程において圧電駆動装置が折れたり割れたりしやすく、また、残留応力が残りやすかった。そのため、特に固定部と振動部の間の領域（接続部等）における破損のおそれがあった。

本発明の幾つかの態様に係る目的の一つは、複数の振動ユニットが平坦性が良好な状態で積層され、破損等を生じにくい圧電駆動装置、並びに、そのような圧電駆動装置を備えたモーター、ロボット及びポンプを提供することにある。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するために為されたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

本発明に係る圧電駆動装置の一態様は、
複数の振動ユニットを含む圧電駆動装置であって、
前記振動ユニットは、
固定部と、振動部と、前記固定部及び前記振動部を接続する接続部と、を有する振動板と、
前記振動部の上方に設けられた第１電極と、
前記第１電極の上方に設けられた第１圧電体層と、
前記第１圧電体層の上方に設けられた第２電極と、
前記固定部の上方に設けられた第３電極と、
前記第３電極の上方に設けられた第２圧電体層と、
前記第２圧電体層の上方に設けられた第４電極と、
を含み、
前記第１電極、前記第１圧電体層及び前記第２電極が圧電素子を構成し、
前記振動ユニットが、前記振動板の板面に垂直な方向に重なるように配置されている。

このような圧電駆動装置は、振動板の固定部に、圧電素子と類似の構造が形成されており、これにより複数の振動ユニットを重ねる際に厚さ方向に曲げる力が生じにくく、複数の振動ユニットが平坦性が良好な状態で積層され、破損等を生じにくくなっている。これにより、振動ユニットにおける残留応力が小さく、破損等を生じにくく、また、第１圧電体層と第２圧電体層とを同じ工程で形成し得るため、容易に製造することができる。

本発明に係る圧電駆動装置において、
前記振動ユニットは、
前記第２電極及び前記第４電極の上方に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層の上方に設けられた配線層と、
を含み、
前記第２電極及び前記第４電極の少なくとも一つが、前記配線層に電気的に接続されていてもよい。

このような圧電駆動装置は、電極が薄膜で形成された場合でも、配線抵抗を小さくすることができ、効率よく駆動することができる。

本発明に係る圧電駆動装置において、
隣り合って配置された前記振動ユニットの前記配線層が互いに電気的に接続されてインダクターを構成してもよい。

このような圧電駆動装置によれば、インダクターを設置する空間を節約することができる。そのため、外部にインダクターを設ける場合に比べて空間利用効率を高めることができる。

本発明に係る圧電駆動装置において、
前記第３電極、前記第２圧電体層及び前記第４電極が、キャパシターを構成してもよい。

このような圧電駆動装置によれば、キャパシターを設置する空間を節約することができる。そのため、外部にキャパシターを設ける場合に比べて空間利用効率を高めることがで
きる。さらに、キャパシターを構成する第２圧電体層が、圧電素子を構成する第１圧電体層と同様の材質である場合には、キャパシターの温度特性が圧電素子の温度特性と類似することになり、しかも両者が空間的に近い位置に配置されるため、例えば、温度変化に対応するための駆動回路や制御を簡略化することができる。

本発明に係る圧電駆動装置において、
前記キャパシターは、前記振動ユニットの電源からみて、前記圧電素子と電気的に並列に接続されていてもよい。

このような圧電駆動装置によれば、電気素子として見た場合の見かけのインピーダンスを高めることができ、音響素子として見た場合の機械的な出力をさらに高めることができる。

本発明に係る圧電駆動装置において、
前記配線層がインダクターを構成していてもよい。

このような圧電駆動装置は、インダクターを設置する空間を節約することができる。そのため、外部にインダクターを設ける場合に比べて空間利用効率を高めることができる。

本発明に係る圧電駆動装置において、
前記インダクターは、前記振動ユニットの電源からみて、前記圧電素子と電気的に並列に接続されていてもよい。

このような圧電駆動装置によれば、電気素子として見た場合の見かけのインピーダンスを高めることができ、音響素子として見た場合の機械的な出力をさらに高めることができる。

本発明に係るモーターの一態様は、
上述の圧電駆動装置と、
前記圧電駆動装置によって回転されるローターと、
を含む。

このようなモーターは、上述の圧電駆動装置を含むため、圧電駆動装置が破損しにくく、信頼性が高い。

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上述の圧電駆動装置と、
を含む。

このようなロボットは、上述の圧電駆動装置を含むため、圧電駆動装置が破損しにくく、信頼性が高い。

本発明に係るロボットの一態様は、
上述の圧電駆動装置と、
液体を輸送するチューブと、
前記圧電駆動装置の駆動によって前記チューブを閉塞する複数のフィンガーと、
を含む。

このようなポンプは、上述の圧電駆動装置を含むため、圧電駆動装置が破損しにくく、信頼性が高い。

なお、本明細書において、特定の部材Ｘの上方（又は下方）に特定の部材Ｙを配置する（又は形成する）というとき、部材Ｘの上（又は下）に直接部材Ｙが配置される（又は形成される）態様に限定されず、作用効果を阻害しない範囲で、部材Ｘの上（又は下）に、他の部材を介して部材Ｙが配置される（又は形成される）態様を含む。

実施形態に係る振動板を平面的に見た模式図。 実施形態に係る振動ユニットを平面的に見た模式図。 実施形態に係る振動ユニットの断面の模式図。 実施形態に係る振動ユニットの断面の模式図。 実施形態に係る圧電駆動装置の断面の模式図。 実施形態に係る圧電駆動装置の断面の模式図。 実施形態に係る圧電駆動装置の断面の模式図。 実施形態に係る振動ユニットを平面的に見た模式図及び駆動回路の概念図。 実施形態に係る振動ユニットを平面的に見た模式図及び駆動回路の概念図。 実施形態に係る振動ユニットを平面的に見た模式及び駆動回路の概念図。 実施形態に係る振動ユニットを平面的に見た模式図及び駆動回路の概念図。 実施形態に係る圧電駆動装置の模式的な斜視図。 実施形態に係る圧電駆動装置を駆動する回路の概念図の一例を示す図。 実施形態に係るモーターを平面的に見た模式図。 本実施形態に係るロボットを説明するための図。 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。 本実施形態に係るポンプを説明するための図。

以下に本発明の幾つかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。

１．圧電駆動装置
本実施形態の圧電駆動装置１０００は、複数の振動ユニット１００を含む。そして、圧電駆動装置１０００は、振動ユニット１００が重なるように配置されて構成されている。以下、振動ユニット１００について説明した後、振動ユニット１００の厚さ及び配置等について説明する。

１．１．振動ユニット
まず、本実施形態に係る圧電駆動装置の振動ユニットについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る振動ユニット１００の振動板１０を模式的に示す平面図である。図２は、本実施形態に係る振動ユニット１００を模式的に示す平面図である。図３は、本実施形態に係る振動ユニット１００を模式的に示す図２のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図４は、本実施形態に係る振動ユニット１００を模式的に示す図２のＩ−Ｉ線断面図である。

本実施形態の振動ユニット１００は、振動板１０と、第１電極３２と、第１圧電体層３４と、第２電極３６と、第３電極４２と、第２圧電体層４４と、第４電極４６と、を含む
。

１．１．１．振動板
図１は、振動板１０を平面的に見た模式図である。振動板１０は、固定部１２と、振動部１４と、接続部１６と、突起部１８と、を含む。

振動板１０は、平板状の形状を有している。振動板１０の振動部１４は、図１に示すように、長手方向と、長手方向と直交する短手方向と、を有する形状である。図示の例では、振動板１０の振動部１４の平面形状は、長方形である。長手方向は、長辺が延びる方向であり、短手方向は、短辺が延びる方向である。振動部１４には、後述する圧電素子（第１電極３２、第１圧電体層３４及び第２電極３６の積層構造）が設けられ、該圧電素子が駆動することによって変形及び振動することができる。振動部１４の平面的な形状は、図示の例では矩形形状であるが、特に限定されない。また、振動部１４の大きさや厚さも特に限定されない。

振動板１０の長手方向の一方の端には、突起部１８が設けられている。突起部１８は、振動部１４と一体的に設けられてもよいし、別体として形成され、これを接着剤等によって振動部１４に接着して設けられてもよい。突起部１８は、例えば、図示せぬローター（後述）に当接し、突起部１８が平面視において円ないし楕円の軌跡を描いて運動することによって、ローターを回転させることができる。このような突起部１８の運動は、振動部１４が伸縮振動及び屈曲振動することによって実現される。振動部１４の振動の態様は任意であるが、振動部１４に設けられる圧電素子によって実現される。突起部１８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。

一方、図１に示すように、振動板１０は、固定部１２を有している。固定部１２は、振動ユニット１００を他の部材に固定するための部位である。本実施形態の圧電駆動装置１０００は複数の振動ユニット１００を含むが、固定部１２は、各々の振動ユニット１００の振動板１０に設けられる。固定部１２は、振動ユニット１００と他の振動ユニット１００を重ねて固定するするために利用することもできる。

図示の例では、固定部１２は、平面視において、振動部１４の短手方向の両側にそれぞれ設けられている。固定部１２の設けられる位置や数は特に限定されない。固定部１２の大きさも特に限定されず、例えば、振動部１４の振動が阻害されない範囲で、振動部１４よりも大きくても小さくてもよい。

図示の例では、各固定部１２には、ネジ止め等に適するように形成された孔１１がそれぞれ３個ずつ形成されている。孔１１は、振動板１０を貫通する貫通孔である。孔１１は、複数の振動ユニット１００を互いに固定するために用いられてもよいし、孔１１を利用して、圧電駆動装置１０００となった際に振動ユニット１００の組を他の部材に固定するために用いられてもよい。なお、図示の例では、固定部１２に孔１１が形成された態様を例示しているが、他の手段や構成（例えば、狭持部材（クリップ等））により、複数の振動ユニット１００を互いに固定したり、振動ユニット１００の組を他の部材に固定することができるならば、孔１１は必ずしも必要でない。

振動板１０の固定部１２によって、振動ユニット１００が固定されるが、振動板１０が固定されることにより、振動ユニット１００の固定部１２に対応する部分（以下、振動ユニット１００において固定部１１２と符号を付す。）が固定される。また、本実施形態の振動ユニット１００の振動板１０の固定部１２には、第３電極４２と、第２圧電体層４４と、第４電極４６とが形成される。このような構成は、孔１１を避けて形成されてもよい
（図２参照）。また、絶縁性等に配慮しながら孔１１が係る構成を貫通するように配置してもよい。

振動板１０には、固定部１２と振動部１４とを接続する接続部１６が形成されている。接続部１６は、固定部１２が振動部１４を支持するように設けられる。接続部１６は、振動部１４を支持するが、振動部１４の振動（動作）を阻害しないように設けられることが好ましい。例えば、接続部１６は、振動部１４が振動される際の振動の節の近傍に設けられる。また、例えば、図示のように、接続部１６は、振動部１４よりも細く機械的強度が小さくなるように形成される。しかし、振動部１４は、例えば、ローター等に押しつけられるため、接続部１６は、そのような付勢力によって破損しない程度の強度を有するように設計される。

接続部１６は、図示の例では、１つの振動部１４から、２つの固定部１２に対して、それぞれ３本ずつ延びるように形成されている。接続部１６の設けられる位置、個数、形状等は、限定されず、圧電駆動装置１０００の用途に応じて適宜設計され得る。

振動板１０は、例えば、シリコン基板である。振動板１０の材質は、シリコン、金属、酸化物、窒化物等であってもよく、また、それらの積層体や複合材料であってもよい。振動板１０には、導電体（電極等）、誘電体、圧電体、絶縁体等として機能する層が適宜に設けられることができる。またこれらの層は、振動板１０の全面に設けられてもよいし、振動板１０の両面に設けられてもよい。

振動板１０には、導電体（電極等）、誘電体、圧電体、絶縁体等の層が形成される。振動板１０の厚さは均一である必要はない。例えば、振動板１０の接続部１６の厚さは、振動部１４や固定部１２の厚さより小さくてもよい。また、振動板１０の特定の部分が他の部分の厚さと異なってもよい。このような構造は、例えば、振動板１０がシリコン基板で形成される場合には比較的容易に形成することができる。ただし、詳細は後述するが、少なくとも振動ユニット１００が形成された状態で、振動板１０の固定部１２に相当する部分（固定部１１２）の振動ユニット１００の厚さが、振動部１４に相当する部分（以下、振動ユニット１００において振動部１１４と符号を付す。）の振動ユニット１００の厚さと同じであることが好ましい。

なお、本明細書において、「同じ」とは、完全に同じであることを指すのみならず、測定誤差を考慮して同じである場合、及び、機能を損なわない範囲で同じである場合を含むものとする。したがって、「一方の厚さと他方の厚さが同じである」という表現は、測定誤差を考慮し、両者の厚さの差が、一方の厚さの±２０％以内、好ましくは±１５％以内、より好ましくは±１０％以内、さらに好ましくは±５％以内、特に好ましくは±３％以内であることを指す。

１．１．２．第１電極
第１電極３２は、振動板１０の振動部１４の上方に設けられる。第１電極３２と振動板１０との間には、例えば、密着、結晶制御、配向制御、絶縁等の機能を有する層が形成されてもよい。

第１電極３２は、振動部１４の全面に形成されてもよいし、振動部１４の一部に形成されてもよい。図２に示す例では、第１電極３２は、振動板１０の振動部１４及び接続部１６の上方に全面的に形成されている。また、図２に示す例では、第１電極３２は、第３電極４２（後述）と一体的に形成されている。このように、第１電極３２は、第３電極４２と電気的に接続されてもよい。

なお、図２では、第１圧電体層３４及び第２圧電体層４４、並びに、第２電極３６及び第４電極よりも上方に位置する部材は省略して描かれている。

第１電極３２の振動部１４に設けられた領域の一部又は全部は、第２電極３６と対向して配置され、当該部分において、圧電素子の一方の電極として機能する。第１電極３２は、金属、合金、導電性酸化物等の導電性を有する材質で形成される。

第１電極３２の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１μｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、さらに好ましくは５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。

第１電極３２は、例えば、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。この場合には、イリジウム層の厚さは、例えば、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。また白金層の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。

なお、第１電極３２の材質としては、例えば、ニッケル、イリジウム、白金、Ｔｉ、Ｔａ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕなどなどの各種の金属、それらの導電性酸化物（たとえば酸化イリジウムなど）、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物（ＳｒＲｕＯ_x：ＳＲＯ）、ランタンとニッケルの複合酸化物（ＬａＮｉＯ_x：ＬＮＯ）などを例示することができる。第１電極３２は、例示した材料の単層構造でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。また、例示はしないが、第１電極３２は、半導体製造等における定法により、エッチングやパターニングを行うことができる。

１．１．３．第１圧電体層
第１圧電体層３４は、振動板１０の振動部１４の上方の第１電極３２の上方に設けられる。第１電極３２と第１圧電体層３４との間には、例えば、密着、結晶制御、配向制御、絶縁等の機能を有する層が形成されてもよい。ここで密着層を設ける場合の密着層の材質としては、例えば、ＴｉＷ層、Ｔｉ層、Ｃｒ層、ＮｉＣｒ層や、これらの積層体である。第１圧電体層３４は、第１電極３２と第２電極３６との間に位置する。

第１圧電体層３４は、第１電極３２の全面の上方に形成されてもよいし、一部の上方に形成されてもよい。また、第１圧電体層３４は、第１電極３２が形成されていない振動板１０の上方に形成されてもよい。図２〜図４に示すように、振動板１０の振動部１４の第１電極３２の上方に設けられている。また、第１圧電体層３４は、接続部１６の上方に設けられてもよいが、接続部１６に圧電素子が構成される場合には、振動部１４の振動を考慮して設けることが好ましい。さらに、第１圧電体層３４が接続部１６の上方に設けられる場合であって、圧電素子を構成しない場合には、接続部１６の剛性が高くなりすぎないように、振動板１０の接続部１６の厚さや第１圧電体層３４の厚さを考慮して設けることが好ましい。

図２〜図４に示す例では、第１圧電体層３４は、パターニングされており、圧電素子が構成されない部分において、除去されている。第１圧電体層３４は、第２圧電体層４４と同じ工程で形成されることができる。また、図示しないが第１圧電体層３４と第２圧電体層４４とは、一体的に形成されてもよい。

第１圧電体層３４は、第１電極３２及び第２電極３６に挟まれた部分において圧電素子を構成し、両電極から電圧が印加されることによって電気機械変換の作用によって変形することができる。

第１圧電体層３４の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上２０μｍ以下であり、好ましくは、１μｍ以上７μｍ以下である。したがって、第１電極３２、第１圧電体層３４及び第２電極３６が重なって配置されて構成される圧電素子は、薄膜圧電素子である。第１圧電体層３４の厚さがこの範囲であれば、振動ユニット１００の出力を十分に得ることができ、第１圧電体層３４への印加電圧を高くしても絶縁破壊を起こしにくい。また、第１圧電体層３４の厚さがこの範囲であれば、第１圧電体層３４にクラックを生じにくい。

第１圧電体層３４の材質としては、ペロブスカイト型酸化物の圧電材料が挙げられる。より具体的には、第１圧電体層３４の材質は、一般式ＡＢＯ₃で示されるペロブスカイト型酸化物（たとえば、Ａは、Ｐｂを含み、Ｂは、ＺｒおよびＴｉを含む。）が好適である。このような材料の具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）（以下これを「ＰＺＴ」と略記することがある）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ₃）（以下これを「ＰＺＴＮ」と略記することがある。）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）、ニオブ酸カリウムナトリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ₃）などが挙げられる。これらのうち、第１圧電体層３４の材質としてＰＺＴおよびＰＺＴＮは、圧電特性が良好であるため特に好適である。また、例示はしないが、第１圧電体層３４は、半導体製造等における定法によりエッチングやパターニングを行うことができる。

１．１．４．第２電極
第２電極３６は、第１圧電体層３４の上方に設けられる。第２電極３６と第１圧電体層３４との間には、例えば、密着、結晶制御、配向制御、絶縁等の機能を有する層が形成されてもよい。ここで密着層を設ける場合の密着層の材質としては、例えば、ＴｉＷ層、Ｔｉ層、Ｃｒ層、ＮｉＣｒ層や、これらの積層体である。

第２電極３６の振動部１４に設けられた領域の一部又は全部は、第１電極３２と対向して配置され、当該部分において、圧電素子の一方の電極として機能する。

第２電極３６は、第１電極３２及び第１圧電体層３４と組となって、圧電素子を形成できる限り、振動部１４の全面に形成されてもよい。すなわち、第１電極３２がパターニングされていれば、第２電極３６が振動部１４の全面に形成されても所定の圧電素子の組を構成することができる。すなわち、図示の例では、第１電極３２が複数の圧電素子の共通電極となっており、第２電極３６が複数の圧電素子の個別電極となっているが、第２電極３６が複数の圧電素子の共通電極となり、第１電極３２が複数の圧電素子の個別電極となっていてもよい。また、第２電極３６は、第４電極４６と電気的に接続されてもよい。第２電極３６の厚さは、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下である。第２電極３６は、例えば、Ｃｕ層、Ａｕ層、Ａｌ層やこれらの積層体である。

１．１．５．圧電素子
上述のように、第１電極３２、第１圧電体層３４及び第２電極３６の組によって、振動板１０の振動部１４の上方に圧電素子が構成されるが、係る圧電素子の形状、数、配置等は、振動部１４が所定の振動を生じ得る限り任意である。図示の例では、圧電素子は、振動部１４の上方に５つ形成されている。そして図示しない配線により、適宜の電圧がそれぞれの圧電素子の電極に印加されることにより、振動ユニット１００を屈曲振動させたり伸縮振動させたりすることができる。

１．１．６．第３電極
振動ユニット１００は、固定部１１２に第３電極４２を有している。第３電極４２は、振動板１０の固定部１２の上方に設けられる。第３電極４２と振動板１０との間には、例えば、密着、結晶制御、配向制御、絶縁等の機能を有する層が形成されてもよい。

第３電極４２は、固定部１２の全面に形成されてもよいし、固定部１２の一部に形成されてもよい。図２に示す例では、第３電極４２は、振動板１０の固定部１２の上方に形成されている。また、図２に示す例では、第３電極４２は、第１電極３２と一体的に形成されている。このように、第３電極４２は、第１電極３２と電気的に接続されてもよい。

第３電極４２の固定部１２に設けられた領域の一部又は全部は、第４電極４６と対向して配置される。第３電極４２は、当該部分において、キャパシターの一方の電極として機能してもよい。第３電極４２は、金属、合金、導電性酸化物等の導電性を有する材質で形成される。第３電極４２の厚さ及び材質は、例えば、第１電極３２と同様とすることができる。

１．１．７．第２圧電体層
振動ユニット１００は、固定部１１２に第２圧電体層４４を有している。第２圧電体層４４は、振動板１０の固定部１２の上方の第３電極４２の上方に設けられる。第３電極４２と第２圧電体層４４との間には、例えば、密着、結晶制御、配向制御、絶縁等の機能を有する層が形成されてもよい。第２圧電体層４４は、第３電極４２と第４電極４６との間に位置する。

第２圧電体層４４は、第３電極４２の全面の上方に形成されてもよいし、一部の上方に形成されてもよい。また、第２圧電体層４４は、第３電極４２が形成されていない振動板１０の上方に形成されてもよい。図２、図４に示すように、振動板１０の固定部１２の第３電極４２の上方に設けられている。また、第２圧電体層４４は、第１圧電体層３４が接続部１６の上方に設けられている場合には、第１圧電体層３４と一体的であってもよい。

図２、図４に示す例では、第２圧電体層４４は、パターニングされており、キャパシターが構成されない部分において、除去されている。第２圧電体層４４は、第１圧電体層３４と同じ工程で形成されることもできる。

第２圧電体層４４は、第３電極４２及び第４電極４６に挟まれた部分においてキャパシターを構成することができる。なお、第２圧電体層４４は、固定部１２に設けられ、ネジ等の構造材により拘束されるため変形しにくく、付与される電気エネルギーが機械エネルギーに変換されにくいため、良好なキャパシター（コンデンサー）として利用することができる。第２圧電体層４４の厚さ及び材質は、第１圧電体層３４と同様である。

１．１．８．第４電極
振動ユニット１００は、固定部１１２に第４電極４６を有している。第４電極４６は、第２圧電体層４４の上方に設けられる。第４電極４６と第２圧電体層４４との間には、例えば、密着、結晶制御、配向制御、絶縁等の機能を有する層が形成されてもよい。

第４電極４６は、固定部１２の全面に形成されてもよい。例えば、第３電極４２がパターニングされていれば、第４電極４６が固定部１２の全面に形成されても所定のキャパシターを構成することができる。図示の例では、第３電極４２が複数のキャパシターの共通電極となっており、第４電極４６が複数のキャパシターの個別電極となっているが、第４電極４６が複数のキャパシターの共通電極となり、第３電極４２が複数のキャパシターの個別電極となっていてもよい。また、第４電極４６は、第２電極３６と電気的に接続されてもよい。

第４電極４６の固定部１２に設けられた領域の一部又は全部は、第３電極４２と対向して配置され、当該部分において、キャパシターの一方の電極として機能させることができる。第４電極４６の厚さ及び材質は、第２電極３６と同様とすることができる。

１．１．９．その他の構成
本実施形態の振動ユニット１００は、その他の構成を含むことができる。そのような構成として、例えば、配線、配線のための絶縁体の層、複数の振動ユニット１００を積層する接着のための層などを含んでもよい。以下、配線層５０を設けるための絶縁層６０、及び、上述の各電極と電気的に接続する配線層５０について説明する。

１．１．９．１．配線層
本実施形態の振動ユニット１００は、第２電極３６及び第４電極４６の上方に設けられた配線層５０を含む。配線層５０は、絶縁層６０（後述）の上方に設けられる。配線層５０は、下方に位置する絶縁層６０や圧電体層にコンタクトホールを設けることによって、その下方に位置する導電体（電極等）と電気的に接続することができる。

配線層５０は、第２電極３６及び第４電極４６の少なくとも一つと電気的に接続される。また、配線層５０は、第１電極３２、第３電極４２に接続されてもよい。配線層５０は、適宜にパターニングされて配線を構成することができる。例えば、配線層５０は、配線を形成することができ、また、図示しないパッド（外部に接続するための端子）等を形成してもよい。

配線層５０の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上１０μｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以上５μｍ以下、より好ましくは２００ｎｍ以上３μｍ以下であり、この程度の厚さを有すれば、十分な導電性を確保することができる。

さらに、図３に示すように、配線層５０は、個々の第２電極３６上方に、第２電極３６を覆うように形成されてもよい。図３に示す例では、配線層５０は、第２電極３６に対して、複数のコンタクトホールに形成されたビア５２を介して電気的に接続されている。このようにすれば、第２電極３６の導電性を配線層５０によって補うことができる。また、このようにすることにより、第２電極３６とともに、配線層５０が圧電素子の一方の電極として機能することができる。このようにすれば、配線層５０の導電性が良好なため、圧電素子の電気機械変換効率を高めることができ、振動ユニット１００の信頼性を高めることができる。

配線層５０の材質は、特に限定されず、例えば、ニッケル、イリジウム、白金、Ｔｉ、Ｔａ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕなどなどの各種の金属、それらの合金等の導電性の材料により形成される。また、例示はしないが、配線層５０は、半導体製造等における定法により、エッチングやパターニングを行うことができる。また、配線層５０の下方にコンタクトホールを形成し、ビア５２を形成して下方の導電体と電気的に接続すること等も、半導体製造等における定法を利用して行うことができる。

配線層５０は、複数層設けることができ、例えば多層配線を構成してもよい。また、配線層５０を多層配線とするために、下記の絶縁層６０を複数層形成してもよい。

１．１．９．２．絶縁層
絶縁層６０は、少なくとも第２電極３６及び第４電極４６の上方に設けられる。絶縁層６０は、各電極と配線層５０の間に設けられてもよい。さらに、絶縁層６０は、電極や配線を絶縁する機能を有する。また、絶縁層６０は、配線層５０の上方に設けられてもよい。配線層５０の上方に絶縁層６０が形成されると、例えば、隣接する振動ユニット１００の振動板１０が導電性である場合などに、隣接する振動ユニット１００間を絶縁することができる。

絶縁層６０は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム等の酸化物絶縁体であり、半導体製造等における定法を利用して形成することができる。また、絶縁層６０には、所定の位置にコンタクトホールを形成することができ、半導体製造等における定法を利用してビアを形成することにより所定の配線の接続を行うことができる。

１．１．９．３．その他
図２及び図３に示す例では、配線層５０は、１つの振動ユニット１００に対して１層が形成されているが、所定の配線を形成するために複数の配線層５０が形成されてもよい。また、図１ないし図４の例では、振動板１０の片側の主面に圧電素子やキャパシターが設けられているが、振動板１０の両方の主面に上述した構成が設けられてもよい。

１．２．振動ユニットの厚さ及び配置
本実施形態の振動ユニット１００は、振動板１０の固定部１２及び振動部１４において実質的に同じ厚さとなるように形成される。例えば、図４に示すように、振動部１１４において、下方から順に、振動板１０、第１電極３２、第１圧電体層３４、第２電極３６、絶縁層６０、配線層５０、及び絶縁層６０が積層した合計の厚さ（図中、厚さα）は、固定部１１２において、下方から順に、振動板１０、第３電極４２、第２圧電体層４４、第４電極４６、絶縁層６０、配線層５０、及び絶縁層６０が積層した合計の厚さ（図中、厚さβ）と同じになるように形成される。

すなわち、測定誤差を考慮して、厚さαと厚さβの差が、例えば厚さαの±２０％以内、好ましくは±１５％以内、より好ましくは±１０％以内、さらに好ましくは±５％以内、特に好ましくは±３％以内である。なお、振動板１０の両方の面に圧電素子等が形成される場合も同様であり、振動部１１４の合計の厚さαと固定部１１２の合計の厚さβは同じになるように形成される。

また、振動板１０、第１電極３２、第１圧電体層３４、第２電極３６、絶縁層６０、配線層５０、及び絶縁層６０のそれぞれの厚さと、振動板１０、第３電極４２、第２圧電体層４４、第４電極４６、絶縁層６０、配線層５０、及び絶縁層６０のそれぞれの厚さは、互いに対応している必要はない。すなわち、例えば、振動部１１４における第１圧電体層３４の厚さと、固定部１１２における第２圧電体層４４の厚さは異なってもよく、他の構成（例えば、絶縁層６０や振動板１０）の厚さを調節することによって、合計の厚さαと、合計の厚さβとが同じとなればよい。

しかし、本実施形態の振動ユニット１００を製造する際には、振動部１１４と固定部１１２とは、同一の工程で各層を形成することができるので、それぞれの厚さを揃えることにより、容易に合計の厚さα、及び、合計の厚さβを同じとすることができる。

図５及び図６は、本実施形態の圧電駆動装置１０００の断面の模式図である。図５及び図６は、それぞれ図３及び図４に示す振動ユニット１００の断面に対応する位置の断面である。本実施形態の振動ユニット１００は、圧電駆動装置１０００とする際に、図５及び図６に示すように、振動板１０の板面に垂直な方向に、複数個、重なるように配置される。すなわち、振動ユニット１００は、圧電駆動装置１０００とする際に、平面視において、複数個、重なるように配置される。図示の例では、振動ユニット１００が３個、重なるように配置されている。

振動ユニット１００が重ねられる個数は、特に限定されず、圧電駆動装置１０００の駆動力（出力）や、用途に応じて適宜に設定される。振動ユニット１００が重ねて配置される態様についても、特に限定されないが、例えば、図示のように、各振動ユニット１００の固定部１２が互いに重なるように配置されることができる。

振動ユニット１００を重ねて配置する手法は特に限定されず、例えば、振動ユニット１００の孔１１に対して、共通するネジを挿入して機械的に固定する方法、複数の振動ユニット１００間を接着剤等により接着する方法、複数の振動ユニット１００間を熱圧着する方法などを例示できる。さらに、複数の振動ユニット１００間を接着する場合には、少なくとも振動ユニット１００の固定部１１２が接着されれば十分であるが、振動ユニット１００の振動部１１４が接着されてもよい。また、振動ユニット１００の接続部１１６が接着されてもよいが、この場合には振動部１１４の振動を阻害しないようにすることが好ましい。

ここで、振動部１１４の合計の厚さαと、固定部１１２の合計の厚さβとが異なると、複数の振動ユニット１００を互いに圧接させる際に、各振動ユニット１００が振動板１０の面からそれる方向に曲がる応力が発生する。換言すると、振動ユニット１００の振動部１１４及び固定部１１２のうち、より薄い領域が、より厚い領域よりも近づくように重ねられて圧接されると、それらの間に存在する接続部１１６に曲げの応力が発生する。しかも振動ユニット１００の接続部１１６は、振動部１１４及び固定部１１２に比較して構造的に弱く形成される。そのため、上述の応力は、接続部１１６に集中しやすい。また、このような曲げの応力の程度は、重ねられる振動ユニット１００の個数が増加すれば、厚さの差が累積して、より大きくなる。このような応力が生じると、振動ユニット１００の破壊が生じたり、振動ユニット１００が破壊しない場合でも、接続部１１６に応力が残留したまま圧電駆動装置１０００が形成されることになる。

これに対して、本実施形態の振動ユニット１００は、振動部１１４の合計の厚さαと、固定部１１２の合計の厚さβとが同じである。これにより、重ねて配置された際に、曲げの応力を発生しにくく、特に接続部１１６における応力の集中や、破壊を抑制することができる。したがって、重ね合わせる際に、振動ユニット１００の破壊が生じにくく、かつ、接続部１１６に応力が発生しにくい状態で圧電駆動装置１０００を形成することができる。また、このような効果は、振動ユニット１００の個数が増加するほど顕著となる。

なお、振動ユニット１００の振動部１１４及び固定部１１２は、接続部１１６よりも機械的強度が大きい。そのため振動部１１４内及び固定部１１２内においては、振動ユニット１００の厚さは均一でなくても、振動ユニット１００の応力の発生や破損は生じにくい。図７は本実施形態の振動ユニット１００において圧電素子の形状に沿うような絶縁層６０が形成された場合の断面の模式図である。例えば、図７に示すように、振動部１１４に圧電素子の形状に沿うような絶縁層６０が形成された場合、振動部１１４の合計の厚さαが振動部１１４内で均一ではなくなるが、このようにしても、接続部１１６への応力の集中が抑えられるとともに、振動部１１４内で発生する応力は非常に小さい。

１．３．キャパシター
上述のように、第３電極４２、第２圧電体層４４及び第４電極４６の組によって、振動板１０の固定部１２の上方に（振動ユニット１００の固定部１１２に）キャパシターとなり得る構造が形成されるが、係るキャパシターの形状、数、配置等は、任意である。図示の例では、キャパシターとなり得る構造は、２つの固定部１２にそれぞれ２つずつ、合計４つ形成されている。したがって、それぞれの電極が適宜に接続されれば、キャパシタンス（コンデンサー）として機能させることができる。

なお、第３電極４２、第２圧電体層４４及び第４電極４６の組は、キャパシターとして機能することができるが、単に構造材として利用されてもよい。すなわち、本実施形態の振動ユニット１００において、固定部１１２に配置される第３電極４２、第２圧電体層４４及び第４電極４６は、固定部１１２の厚さβを振動部１１４の厚さαと同じにするため
のみに用いられてもよい。換言すると、本実施形態の振動ユニット１００では、固定部１１２の厚さβと振動部１１４の厚さαとを同じにしやすくするために、固定部１１２にも圧電素子と同様の積層構造体を配置しているが、係る積層構造体は、キャパシターとしても利用可能である。

図８は、実施形態に係る振動ユニット１０１を平面的に見た模式図及び駆動回路７０の概念図である。図８では、第２電極３６及び第４電極４６よりも上方に位置する構成は省略され、配線層５０によって形成される配線については、線画によって模式的に描かれている。また、振動ユニット１０１は、上述の振動ユニット１００と同様に突起部１８及び孔１１が形成されてもよいが、図８では説明の便利のために省略されている。

図８に示す振動ユニット１０１は、振動部１１４、固定部１１２及び接続部１１６の全面に圧電体の層が形成され、第１圧電体層３４及び第２圧電体層４４は、第２電極３６及び第４電極４６と、第１電極３２及び第３電極４２と、によって挟まれた領域に存在するものとする。さらに、振動ユニット１０１では、第１電極３２及び第３電極４２は、振動板１０の上方に全面的に設けられておらず、平面視における両者の輪郭は、振動板１０の輪郭よりも小さくなっている。そして、圧電素子を構成する第２電極３６と、キャパシターを構成し得る第４電極４６とが電気的に接続されている。その他の構成については、上述の振動ユニット１００と同様であり、同様の符号を付して説明を省略する。

図８に示すように、振動ユニット１０１では、振動部１１４に設けられた圧電素子と、固定部１１２に設けられたキャパシターとが共通する電極を有している。したがって、駆動回路７０（電源）から見た場合に、圧電素子及びキャパシターが並列に接続されているといえる。このように、第３電極４２、第２圧電体層４４及び第４電極４６によって形成される構造体は、キャパシターとして利用し得る。

駆動回路７０は、少なくとも駆動電圧発生回路７２を有している。図示の例では、互いに接続された第１電極３２及び第３電極４２が接地電位となっており、駆動電圧発生回路７２に、各圧電素子及びキャパシターに適宜に接続されている。駆動回路７０は、所定の電極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、振動ユニットを超音波振動させる。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。

１．４．インダクター
本実施形態の振動ユニット１００は、配線層５０を有する場合、配線層５０を用いてインダクターを構成してもよい。インダクターは、配線層５０の他に、上述の各電極や、他の導電層を形成してこれを構成してもよい。

インダクターは、例えば、コイルである。コイルとしては、特に限定されず、電気伝導体の巻線が挙げられる。巻線の態様についても適宜に設計され得る。本実施形態の振動ユニットでは、配線層５０が単層又は多層で形成されるが、巻線を単一の層で形成する場合には、例えば、平面的な渦巻き状の態様や１回巻のループの態様としてもよい。また、巻線は、配線層５０が複数層形成される場合、ビア等を形成して適宜配線することによって、筒状の形状に導電体を巻き付けたような態様のコイルを形成することができる。さらに、本実施形態の振動ユニット１００が重ねて配置されることを利用し、隣り合って配置された振動ユニットの配線層５０が互いに電気的に接続して、筒状の形状に導電体を巻き付けたような態様のコイルを形成することもできる（図１２参照）。

図９〜図１１は、それぞれ実施形態に係る振動ユニット１０２、振動ユニット１０３、
振動ユニット１０４を平面的に見た模式図及び駆動回路７０の概念図である。図９〜図１１では、第２電極３６及び第４電極４６よりも上方に位置する構成は省略され、配線層５０によって形成される配線については、線画によって模式的に描かれている。また、図９〜図１１の振動ユニット１０２、振動ユニット１０３、振動ユニット１０４は、上述の振動ユニット１００と同様に突起部１８及び孔１１が形成されてもよいが、図９〜図１１では説明の便利のために省略されている。

さらに、図９〜図１１に示す各振動ユニットは、振動部１１４、固定部１１２及び接続部１１６の全面に圧電体の層が形成され、第１圧電体層３４及び第２圧電体層４４は、第２電極３６及び第４電極４６と、第１電極３２及び第３電極４２と、によって挟まれた領域に存在するものとする。さらに、第１電極３２及び第３電極４２は、振動板１０の上方に全面的に設けられておらず、平面視における両者の輪郭は、振動板１０の輪郭よりも小さくなっている。そして、圧電素子を構成する第２電極３６と、キャパシターを構成し得る第４電極４６の一部とが電気的に接続されている。その他の構成については、上述の振動ユニット１００と同様であり、同様の符号を付して説明を省略する。

図９に示す振動ユニット１０２では、配線層５０がパターニングされ、複数のインダクター５４が形成されている。図９の例では、インダクター５４は、渦巻き形状に形成されている。換言すると、図９に示すインダクター５４は、振動ユニット１０２の平面に沿う方向に導電経路を有する巻線となっている。また、詳細は図示しないが、導線の両端が配線（多層配線）や電極に接続されて、回路の一部を構成している。

図９に示す振動ユニット１０２では、インダクター５４は、３つ形成され、いずれも振動部１１４に形成されている。しかし、図１０に示す振動ユニット１０３のように、固定部１１２に形成されてもよい。さらに、図示しないが、インダクター５４は、振動部１１４及び固定部１１２の両方に形成されてもよい。また、形成されるインダクター５４の個数も任意である。

インダクター５４の大きさや形状は、任意であり、所定の回路構成に適するように設計され得る。また、渦巻き形状のインダクター５４は、例えば、第１電極３２が形成される層にも形成され得る。しかし、インダクター５４は、配線抵抗を小さくできるため、配線層５０に形成されることがより好ましい。

図１１に示す振動ユニット１０４では、多層の配線層５０がそれぞれパターニングされ、それらがビアによって接続されてインダクター５６が形成されている。したがって、振動ユニット１０４のインダクター５６では、多層配線となった２つの配線層５０をビアによって接続し、巻線の内側に絶縁層６０が存在する態様となっている。換言すると、図１１に示すインダクター５６は、振動ユニット１０４の平面に沿う方向及び厚さ方向に導電経路を有する巻線となっている。また、図示しないが、インダクター５６において、ビアの代わりに振動ユニット１０４の側面に導電体（導電塗料等）を適宜に設けて多層配線を電気的に接続してもよい。さらに、インダクター５６は、固定部１１２に形成されてもよい。

図１２は、隣り合って配置された振動ユニットの配線層５０が互いに電気的に接続されてインダクター５８を構成している例を概念的に示している。振動ユニット１０５は、配線層５０を適宜に設計してパターニングすることができる。そして、図１２に示すように、隣り合って設けられる振動ユニット１０５の配線層５０をビアによって接続してインダクター５８を構成しており、巻線の内側に振動板１０を含む各構成が存在する態様となっている。換言すると、図１２に示すインダクター５８は、振動ユニット１０５の平面に沿う方向及び厚さ方向に導電経路を有する巻線となっている。また、図示しないが、インダ
クター５８において、ビアの代わりに積層された振動ユニット１０５の側面に導電体（導電塗料等）を適宜に設けて多層配線を電気的に接続してもよい。この場合にもインダクター５８は、固定部１１２及び振動部１１４のいずれに形成されてもよい。

１．５．回路構成
図１３は、本実施形態の圧電駆動装置を駆動する回路の概念図の一例を示す図である。図中、Ｓは電源、Ｒ１は配線抵抗、Ｒ２は抵抗（機械的損失）、Ｃｄは圧電駆動装置、Ｌ１及びＬ２はインダクタンス、Ｃ１及びＣ２はキャパシタンスをそれぞれ示している。図１３に示すように、駆動回路は、電気素子Ｅと音響素子Ａとを接続した回路とみなすことができる。以下、このような考えに基づいて説明する。

圧電駆動装置Ｃｄの機械的出力は、概念的に抵抗Ｒ２（機械的損失）と考えることができる。したがって、電源Ｓから与えられるエネルギーが音響素子Ａに対して多く供給されることにより、圧電駆動装置Ｃｄの機械的出力を大きくすることができる。換言すれば、電気素子Ｅに消費されるエネルギーを小さくすることが好ましい。

電源Ｓから供給される電力は、電気素子Ｅと音響素子Ａとに分配される。したがって、電気素子Ｅの両端のインピーダンスが音響素子Ａの両端のインピーダンスよりも小さいほうがより多くの電力を音響素子Ａに分配することができる。

ここで、電気素子Ｅにおいて、共振（共鳴）を起こさせると、電気素子Ｅの見かけ上のインピーダンスを小さくすることができる。このような共振を発生させるために、インダクタンスＬ１及びキャパシタンスＣ１が配置され、電源Ｓからみて圧電駆動装置Ｃｄと並列に接続され、ＬＣ共振回路が形成されている。一方、音響素子Ａにおいては、ＲＬＣ直列共振回路が構成されている。

また、キャパシタンスＣ１は、回路全体で直流電流が流れないようにするという機能も有している。その理由は、電源Ｓは、圧電駆動装置Ｃｄの分極反転を防止するため、電位が正又は負で、電位が反転しないように、バイアスを有した交流電圧を発生するからである。すなわち、電源Ｓからは、交流電圧にＤＣオフセットを付加した脈流電圧であるからである。

このように、図１３に示す回路では、電気素子Ｅの見かけのインピーダンスを小さくすることにより、音響素子Ａへの電力（エネルギー）の供給量を高め、抵抗Ｒ２（機械的出力）が大きくなるように各構成が機能するように設計されている。

図１３に示す構成のうち、インダクタンスＬ１及びキャパシタンスＣ１は、電源Ｓからみて圧電駆動装置Ｃｄと並列に接続されている。これらは圧電駆動装置Ｃｄとは別体のコイル素子やコンデンサー素子を圧電駆動装置Ｃｄに接続して駆動回路を構成することができるが、上述した本実施形態の圧電駆動装置のように、キャパシターやインダクターを圧電駆動装置に一体的に設けて、これを利用してもよい。

このようにすれば、駆動回路に要するキャパシターやインダクターの少なくとも一部を圧電駆動装置に一体的に設けることができるため、これらを別体に設ける場合よりも全体としての空間利用効率を向上させることができる。また、キャパシターやインダクターの少なくとも一部を圧電駆動装置に一体的に設けることにより、配線の長さを小さくすることができ、配線抵抗によるエネルギーの損失を小さくすることができる。

さらに、上述した圧電駆動装置のように、圧電素子を構成する圧電体と同様の圧電体（誘電体）をスペーサーとするキャパシターを圧電駆動装置に一体に設ける場合には、圧電
駆動装置の圧電素子の温度特性と、キャパシターの温度特性が同様となる。そして、圧電素子とキャパシターが空間的に近い位置に設けられることになる。そのため、圧電駆動装置が置かれた環境の温度の変化に対して、圧電素子及びキャパシターを、電気特性において同様に変化させることができる。これにより、例えば、環境温度の変化により共振周波数が変化した際の、駆動回路による周波数の調節範囲を小さくすることができる。したがって、環境温度の変化に対して安定性が良好で、かつより共振周波数の調節をより容易化することができる。

２．圧電駆動装置を用いた装置
本発明に係る圧電駆動装置は、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、モーター、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できる。以下、代表的な実施の形態について説明する。以下では、本発明に係る圧電駆動装置として、圧電駆動装置１０００を含む装置について説明する。

２．１．モーター
図１４は、上述の圧電駆動装置１０００を用いたモーター１００１を模式的に示す図である。モーター１００１に使用される圧電駆動装置１０００は上で説明したと同様であり、詳細な説明は省略する。図１４においては、圧電駆動装置１０００の詳細な構成は省略して描かれている。なお、図１４に描かれる圧電駆動装置１０００は、振動ユニット１００が厚さ方向（図の奥行き方向）に複数積層されたものであり、突起部１８を含めて全ての構成は重なっている。

モーター１００１では、振動ユニット１００の固定部１１２に対応する圧電駆動装置１０００の部分は、孔１１を貫通するネジ２２によって固定されている。圧電駆動装置１０００は、図１４に示すように、ローター（被駆動体）２と、突起部１８において接触されている。ローター２は、圧電駆動装置１０００によって回転される。ローター２は、円柱形状であり、中心軸Ｒにおいて回転自在に設けられ、側面に圧電駆動装置１０００の複数の突起部１８が付勢されて接触している。

突起部１８は、ローター２に接触し、振動板１０の動きをローター２に伝える部材である。圧電駆動装置１０００に適宜の脈流電圧を印加することにより超音波振動させて、突起部１８に接触するローター（被駆動体）２を所定の回転方向に回転させることができる。また、各圧電素子への脈流電圧の大きさや位相を変化させることにより、突起部１８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。

本実施形態のモーター１００１は、上述した圧電駆動装置１０００を含むため、圧電駆動装置１０００が破損しにくく、信頼性が高い。

２．２．ロボット
図１５は、圧電駆動装置１０００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、圧電駆動装置１０００が内蔵されており、圧電駆動装置１０００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１０００が内蔵されており、圧電駆動装置１０００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１０００が設けられており、圧電駆動装置１０００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１６は、図１５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、圧電駆動装置１０００を備えており、圧電駆動装置１０００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１０００が搭載されている。このため、圧電駆動装置１０００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１０００を適用可能である。

本実施形態のロボット２０５０及びロボットハンド２０００は、上述した圧電駆動装置１０００を含むため、圧電駆動装置１０００が破損しにくく、信頼性が高い。

２．３．ポンプ
図１７は、圧電駆動装置１０００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、圧電駆動装置１０００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１０００の突起部１８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１０００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。

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。以上のように圧電駆動装置１０００を用いることにより、圧電駆動装置１０００が破損しにくく、信頼性の高い送液ポンプ２２００を実現できる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（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
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、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

２…ローター１０…振動板、１１…孔、１２…固定部、１４…振動部、１６…接続部、１８…突起部、２２…ネジ、３２…第１電極、３４…第１圧電体層、３６…第２電極、４２…第３電極、４４…第２圧電体層、４６…第４電極、５０…配線層、５２…ビア、５４，５６，５８…インダクター、６０…絶縁層、７０…駆動回路、７２…駆動電圧発生回路、１００，１０１，１０２，１０３，１０４…振動ユニット、１０００…圧電駆動装置、１００１…モーター、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、Ｒ…中心軸、Ａ…音響素子、Ｅ…電気素子

Claims (10)

1. 複数の振動ユニットを含む圧電駆動装置であって、
   前記振動ユニットは、
   固定部と、振動部と、前記固定部及び前記振動部を接続する接続部と、を有する振動板と、
   前記振動部の上方に設けられた第１電極と、
   前記第１電極の上方に設けられた第１圧電体層と、
   前記第１圧電体層の上方に設けられた第２電極と、
   前記固定部の上方に設けられた第３電極と、
   前記第３電極の上方に設けられた第２圧電体層と、
   前記第２圧電体層の上方に設けられた第４電極と、
   を含み、
   前記第１電極、前記第１圧電体層及び前記第２電極が圧電素子を構成し、
   前記振動ユニットが、前記振動板の板面に垂直な方向に重なるように配置されている、圧電駆動装置。
2. 請求項１において、
   前記振動ユニットは、
   前記第２電極及び前記第４電極の上方に設けられた絶縁層と、
   前記絶縁層の上方に設けられた配線層と、
   を含み、
   前記第２電極及び前記第４電極の少なくとも一つが、前記配線層に電気的に接続されている、圧電駆動装置。
3. 請求項２において、
   隣り合って配置された前記振動ユニットの前記配線層が互いに電気的に接続されてインダクターを構成している、圧電駆動装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
   前記第３電極、前記第２圧電体層及び前記第４電極が、キャパシターを構成している、圧電駆動装置。
5. 請求項４において、
   前記キャパシターは、前記振動ユニットの電源からみて、前記圧電素子と電気的に並列に接続されている、圧電駆動装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
   前記配線層がインダクターを構成している、圧電駆動装置。
7. 請求項６において、
   前記インダクターは、前記振動ユニットの電源からみて、前記圧電素子と電気的に並列に接続されている、圧電駆動装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
   前記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。
9. 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ないし請求項７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
   を含む、ロボット。
10. 請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
    液体を輸送するチューブと、
    前記圧電駆動装置の駆動によって前記チューブを閉塞する複数のフィンガーと、
    を含む、ポンプ。

Images