JP2017093194A - 圧電アクチュエーター、積層アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、ハンド及び送液ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子が外傷により機能が損なわれることから保護された圧電アクチュエーターを提供する。【解決手段】圧電アクチュエーター１０は、平面視で少なくとも一部が重なって配置されている２つの基板２００と、前記平面視で前記２つの基板が重なっている領域において、前記２つの基板が互いに向かい合う側の面上にそれぞれ配置されている圧電素子１１０ｃ，１１０ｄと、前記２つの圧電素子のそれぞれ少なくとも一部を覆っている被覆部２６０と、を備える。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、圧電アクチュエーター及びこれらを用いた各種の装置に関する。

シム材の両面に圧電体が接着され、その周囲が樹脂で覆われている圧電アクチュエーターが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００６−８０３１８号公報

特許文献１の圧電アクチュエーターは、圧電体が、シム材の両面（外側）にあるため、外傷を受けるおそれがある。とくに圧電体を薄膜とした場合には、圧電体の外傷により、その機能が損なわれる可能性がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態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、圧電アクチュエーターが提供される。この圧電アクチュエーターは、２つの基板と、前記２つの基板の間に配置されている圧電素子と、前記圧電素子の少なくとも一部を覆っている被覆部と、を備える。この形態によれば、圧電素子は、２つの基板と被覆部により保護されるので外傷を受け難い。

（２）本発明の一形態によれば、圧電アクチュエーターが提供される。この圧電アクチュエーターは、平面視で少なくとも一部が重なって配置されている２つの基板と、前記平面視で前記２つの基板が重なっている領域において、前記２つの基板が互いに向かい合う側の面上にそれぞれ配置されている圧電素子と、前記２つの圧電素子のそれぞれ少なくとも一部を覆っている被覆部と、を備える。この形態によれば、圧電素子は、被覆部に覆われていることに加え、少なくとも一部が重なって配置されている２つの基板の互いに向かい合う側の面上にそれぞれ配置されているので、２つの基板によっても保護され、外傷を受け難い。

（３）上記形態において、前記２つの被覆部の間に接着層が配置されていてもよい。この形態によれば、２つの被覆部の間に接着層が配置されていているので、２つの被覆部が剥がれにくく、圧電素子が保護されやすい。

（４）上記形態において、前記基板は、振動部と、前記振動部を支持する支持部と、を有し、前記２つの圧電素子は、前記振動部に設けられていてもよい。この形態によれば、支持部の振動を低減するとともに、基板の強度を上げることが出来る。

（５）上記形態において、前記被覆部は、前記圧電素子の全体を覆っていてもよい。この形態によれば、被覆部は、圧電素子の全体を覆っているので、圧電素子が保護され易い。

（６）上記形態において、前記被覆部は、前記支持部の周囲の少なくとも一部を覆っていてもよい。この形態によれば、前記被覆部は、前記支持部の周囲の少なくとも一部を覆っているので、支持部も保護できる。

（７）上記形態において、前記振動部の先端に、突出している領域を有してもよい。この形態によれば、突出している領域を用いて振動部の振動を他の部材に伝えることが可能となる。

（８）上記形態において、前記振動部と前記支持部とを繋いで配置されている配線層と、前記配線層と電気的に接続され、前記支持部に接続されている回路基板とを備えてもよい。回路基板は支持部に接続されるので、振動部の振動の影響が回路基板に及びにくい。

（９）本発明の一形態によれば、積層アクチュエーターが提供される。この積層アクチュエーターは、上記形態のいずれかに記載の複数の圧電アクチュエーターが積層されている。この形態によれば、積層アクチュエーターの駆動力を大きく出来る。

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、圧電アクチュエーター、積層アクチュエーターの他、圧電アクチュエーターまたは積層アクチュエーターを備える圧電モーター、圧電モーターを備えるロボット、ハンド、送液ポンプ等様々な形態で実現することができる。

圧電アクチュエーターの概略構成を示す平面図。 圧電アクチュエーターの断面図。 圧電アクチュエーターの側面図。 圧電アクチュエーターユニットの上面図。 圧電アクチュエーターユニットの第２接続部における断面図。 圧電アクチュエーターユニットを拡大して示す説明図。 圧電アクチュエーターの製造工程を示すフローチャート。 圧電アクチュエーターユニットの製造工程を示す説明図。 配線電極による配線のパターンを示す説明図。 ２つの圧電アクチュエーターユニットを用いて圧電アクチュエーターを製造する工程を示す説明図。 圧電アクチュエーターにおける回路基板との接続部の説明図。 圧電アクチュエーターと基板とを接続する工程を示す説明図。 圧電アクチュエーターの等価回路を示す説明図。 圧電アクチュエーターの動作の例を示す説明図。 第２の実施形態の圧電アクチュエーターを示す説明図。 第３の実施形態の積層アクチュエーターを示す説明図。 圧電アクチュエーター（圧電モーター）を利用したロボットの一例を示す説明図。 圧電アクチュエーター（圧電モーター）を利用したハンドを示す説明図。 圧電アクチュエーターを利用した指アシスト装置を示す説明図。 圧電アクチュエーター（圧電モーター）を利用した送液ポンプの一例を示す説明図。

・第１の実施形態：
図１Ａは、圧電アクチュエーター１０の概略構成を示す平面図である。圧電アクチュエーター１０は、圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅと、基板２００と、凸部材２０と、を備える。基板２００は、振動部２１０と、振動部２１０を支持する支持部２２０とを有する。振動部２１０は略長方形形状を有しており、圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅを配置している。圧電素子１１０ｅは、略長方形形状に構成されており、振動部２１０の幅方向の中央において、振動部２１０の長手方向に沿って構成されている。圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄは、振動部２１０の四隅の位置に構成されている。支持部２２０は、振動部２１０の約半分を囲うように構成されており、支持部２２０の端部は、振動部２１０と、振動部２１０の長辺の中央で接続されている。支持部２２０のうちの振動部２１０と接続されている端部を「第１接続部２２２」、「第２接続部２２３」と呼び、第１接続部２２２、第２接続部２２３以外の部分を「固定部２２１」と呼ぶ。振動部２１０と支持部２２０との間には、隙間２０５が構成されている。圧電素子１１０ａ〜１１０ｅに電圧を印加すると圧電素子１１０ａ〜１１０ｅが伸縮し、振動部２１０が振動するが、隙間２０５は、この振動によっても振動部２１０が支持部２２０の固定部２２１と接触しない大きさに構成されている。振動部２１０の支持部２２０に囲われていない側の短辺には、凸部材２０が配置されている。すなわち、振動部２１０の先端に突出した形状の領域が配置されている。凸部材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構成することが好ましい。

図１Ｂは、図１Ａの圧電アクチュエーター１０の１Ｂ−１Ｂ断面図である。圧電アクチュエーター１０は、２つの圧電アクチュエーターユニット１００を備える。２つの圧電アクチュエーターユニット１００は、それぞれ、基板２００と、基板２００上に配置された５つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを備える。なお、図１Ｂでは、２つの圧電素子１１０ｃ，１１０ｄが図示され、他の３つの圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｅは図示されていない。圧電素子１１０ａ〜１１０ｅは、平面視（図１Ａ）で２枚の基板２００が重なっている領域（振動部２１０の領域）において、２枚の基板２００が互いに向かい合う側の面上にそれぞれ配置されている。また、同一の符号を付した２つの圧電素子、例えば、２つの圧電素子１１０ａは、２枚の基板２００の平面視で、互いに重なって見える位置にある。他の圧電素子１１０ｂ〜１１０ｅについても同様である。２つの圧電アクチュエーターユニット１００は、基板２００を外側にして、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを２枚の基板２００で挟むようにして配置されている。圧電素子１１０ａ〜１１０ｅは、保護層２６０により覆われている。ここで「保護層２６０」を「被覆部２６０」とも呼ぶ。２つの圧電アクチュエーターユニット１００の被覆部２６０同士が、接着層２７０により接着されることにより、圧電アクチュエーター１０が構成される。図１Ａでは、凸部材２０の形状について説明しなかったが、凸部材２０は、略円柱形状をしており、２つの基板２００に跨がっている。但し、凸部材２０を球形状、楕円体形状として、各基板２００のそれぞれ設ける様にしても良い。

圧電アクチュエーター１０は、図１Ｂに示すように、支持部２２０の上にも、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅと同じような層構造を有する圧電素子構造１１１を備える。ここで、圧電アクチュエーター１０が基板２００支持部２２０の上に圧電素子構造１１１を備えない場合、２つの支持部２２０は、隙間を空けて配置されることになる。一方、振動部２１０では、２枚の基板２００の間に圧電素子１１０ａ〜１１０ｅが配置される。そのため、支持部２２０の上に圧電素子構造１１１を備えない場合、振動部２１０と支持部２２０とで厚さが異なる為、支持部２２０において、圧電アクチュエーターユニット１００同士が接触せず、構造が不安定となる場合がある。支持部２２０の上に、圧電素子構造１１１を備えると、振動部２１０と支持部２２０とで厚さがほぼ一致し、支持部２２０においても、圧電アクチュエーターユニット１００同士が接触するため、構造が安定しやすい。なお、圧電素子構造１１１に電圧が印加されて、伸張、収縮すると支持部２２０が振動するおそれがあるので、圧電素子構造１１１は、その圧電体に電圧が印加されないように、あるいは電圧が印加されても伸張、収縮しないように、構成されていることが好ましい。例えば、圧電素子構造１１１の圧電体を挟む２枚の電極を接地する、あるいは、短絡すればよい。

図１Ｃは、圧電アクチュエーター１０の側面図である。図１Ｃでは、図示の都合上、振動部２１０における側面図を図示し、支持部２２０（図１Ａ，１Ｂ）における側面図を省略している。図１Ｃからわかるように、被覆部２６０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅの側面までも覆っている。

図２Ａは、１つの圧電アクチュエーターユニット１００の上面図である。図２Ａでは、振動部２１０を図示し、支持部２２０は、第１接続部２２２と第２接続部２２３の一部を除き、図示が省略されている。さらに、圧電アクチュエーターユニット１００のそれぞれの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅは、被覆部２６０により覆われている。なお、第１接続部２２２と第２接続部２２３と接する領域では、被覆部２６０が無く、被覆部２６０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅの周囲の少なくとも一部を覆っていると言える。なお、被覆部２６０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅの周囲を全部覆っていても良い。

図２Ｂは、１つの圧電アクチュエーターユニット１００の第２接続部２２３における断面図である。なお、図２Ｂでは、振動部２１０を破線で示している。振動部２１０上の圧電素子１１０ａ〜１１０ｅ及び被覆部２６０は省略している。第２接続部２２３の上に配線２５２、２５３が見えるが、第２接続部２２３の上には、被覆部２６０は配置されていない。図示しないが、同様に、第１接続部２２２の上にも、被覆部２６０は配置されていない。このように、被覆部２６０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅの全部を覆っている必要はなく、それらの周囲の一部（例えば配線２５２、２５３の部分）は覆っていなくてもよい。なお、被覆部２６０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅの周囲を全部覆っていても良い。

図３は、圧電アクチュエーターユニット１００の断面を詳細に示す説明図である。圧電アクチュエーターユニット１００は、基板２００の上に絶縁層２０１、第１電極１３０、圧電体１４０、第２電極１５０、絶縁層２４０、配線層２５０、保護層２６０（被覆部２６０）の順に各部材が配置されている。絶縁層２０１は、基板２００を他の電極（第１電極１３０と第２電極１５０と配線層２５０）から絶縁する。第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを構成する。絶縁層２４０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを覆い絶縁する。但し、絶縁層２４０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅの第１電極１３０と第２電極１５０を、配線層２５０に接触させるためのコンタクトホールを備える。配線層２５０は、第１電極１３０と第２電極１５０に通電するための配線を構成する。保護層２６０（被覆部２６０）は、上述したように、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを保護する。

図４は、圧電アクチュエーターの製造工程を示すフローチャートである。図５は、圧電アクチュエーターユニットの製造工程を示す説明図である。ステップＳ１００では、基板２００上に絶縁層２０１を形成する。基板２００として例えば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、圧電アクチュエーターユニット１００を複数個形成することが可能である。絶縁層２０１としては、例えば、基板２００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。なお、図１Ｂ等では、絶縁層２０１の図示が省略されている。絶縁層２０１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２００が絶縁体である場合には、絶縁層２０１を形成する工程は省略可能である。

ステップＳ１１０では、第１電極１３０を形成し、パターニングする。第１電極１３０の材料としては、Ａｌ（アルミニウム）や、Ｎｉ（ニッケル），Ａｕ（金），Ｐｔ（白金），Ｉｒ（イリジウム），Ｃｕ（銅）などの導電性の高い任意の材料を利用可能である。第１電極１３０は、例えば、スパッタリングにより形成でき、パターニングは、例えば、エッチングにより行うことが出来る。

ステップＳ１２０では、第１電極１３０の上に圧電体１４０を形成し、パターニングする。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の形成は、例えばゾル−ゲル法を用いて行うことが可能である。すなわち、圧電体材料のゾルゲル溶液を基板２００（第１電極１３０）の上に滴下し、基板２００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２００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、小型の圧電アクチュエーター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、圧電アクチュエーター１０を駆動するための駆動回路（図示せず）を安価な素子で構成できる。なお、圧電体の厚さを４００ｎｍ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。

第１の実施形態では、ステップＳ１２０において、アルゴンイオンビームを用いたイオンミリングにより、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Ｓ１３０では、圧電体１４０の上に第２電極１５０を形成し、パターニングする。第２電極１５０の形成及びパターニングは、第１電極１３０と同様に、エッチングにより行うことが出来る。

ステップＳ１４０では、第２電極１５０の上に絶縁層２４０を形成し、パターニングしてコンタクトホールを形成する。ステップＳ１５０では、絶縁層２４０の上に、銅または真鍮を用いて配線層２５０を形成し、配線層２５０をパターニングして配線を形成する。

図６は、配線層２５０による配線のパターンを示す説明図である。配線層２５０は、４つの配線２５１，２５２，２５３，２５４を有している。これらの配線２５１〜２５４は、固定部２２１から接続部２２２，または２２３を通って振動部２１０に渡るように形成されている。すなわち、配線２５１〜２５４は、振動部２１０と支持部２２０とを繋いで配置されている。第１配線２５１は、振動部２１０において、圧電素子１１０ａ，１１０ｄ（図１）の第２電極１５０と接続される。同様に、第２配線２５２は、振動部２１０において、圧電素子１１０ｂ，１１０ｃの第２電極１５０と接続され、第３配線２５３は、振動部２１０において、圧電素子１１０ｅの第２電極１５０と接続され、第４配線２５４は、振動部２１０において、圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅの第１電極１３０と接続される。また、これらの配線２５１〜２５４は、支持部２２０において、回路基板と接続される。なお、配線２５１〜２５４は、固定部２２１の圧電素子構造１１１とは接続されていない。

ステップＳ１６０では、保護層２６０（被覆部２６０）を形成する。被覆部２６０は、例えば、ＪＣＲ（ジャンクション・コーティング・レジン）のようなシリコ−ン樹脂で形成される。なお、ＪＣＲの代わりに、エポキシ、ポリイミドなどの樹脂材料を用いて形成されてもよい。

ステップＳ１７０では、エッチングにより、個々の基板２００の形状を形成すると同時に、振動部２１０と、支持部２２０との間に隙間２０５を形成し、凸部材２０を取り付けるための凹部２１６を形成する。

図７は、２つの圧電アクチュエーターユニット１００を用いて圧電アクチュエーター１０を製造する工程を示す説明図である。ステップＳ１８０では、２つの圧電アクチュエーターユニット１００を、互いに基板２００が外側、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅが内側を向き、同一符号の部材が面対称となるように配置する。その後、接着層２７０を用いて２つの圧電アクチュエーターユニット１００の被覆部２６０同士を接着する。圧電素子１１０ａ〜１１０ｅは、被覆部２６０で覆われると共に、２枚の基板２００に挟まれるので、ゴミなどによる外傷を受け難くなる。ステップＳ１９０では、凹部２１６に凸部材２０を接着剤で接着する。

図８は、圧電アクチュエーター１０と回路基板（図示せず）との接続部の説明図である。圧電アクチュエーター１０は、支持部２２０において、外部の回路基板と接続される。支持部２２０では、支持部２２０（基板２００）の上に絶縁層（図３の絶縁層２０１、図８では図示が省略）が形成され、その上に、圧電素子構造１１１、絶縁層２４０、配線２５２（図８のＢ−Ｂ断面では、配線層２５０の配線２５１〜２５４のうちの第２配線２５２が見えている）、保護層２６０（被覆部２６０）が順次形成されている。なお、なお、図５に示す工程では説明しなかったが、圧電アクチュエーターユニット１００では、エッチングやイオンミリングを用いてパターニングを行っているため、積層方向から見たときの外形が上層ほど小さくなっている。第２配線２５２は、圧電素子構造１１１の上から、支持部２２０の圧電素子構造１１１の形成されていない位置まで、形成されている。２つの第２配線２５２の間には、無電解ニッケルめっき層２８０が形成されている。無電解ニッケルめっき層２８０の上には、金めっき層２９０が形成されている。

図９は、圧電アクチュエーターと回路基板とを接続する工程を示す説明図である。ここでは、第２配線２５２を例にとって説明するが、他の配線２５１、２５３、２５４についても同様である。ステップＳ２００では、第２配線２５２に無電解ニッケルめっき層２８０を形成する。無電解ニッケルめっき層２８０の形成では、先ず、パラジウムイオンを含む触媒溶液に圧電アクチュエーター１０の端部を浸漬する。第２配線２５２は、銅または真鍮で形成されているため、銅の一部がパラジウムで置換されパラジウム金属が第２配線２５２に吸着する。

次に、圧電アクチュエーター１０の端部を無電解ニッケル−リンめっき液に浸漬する。無電解ニッケル−リンめっき液は、ニッケルイオン（Ｎｉ^２＋）と、次亜リン酸イオン（Ｈ_２ＰＯ_２ ⁻）とを含む。ニッケルイオン（Ｎｉ^２＋）と、次亜リン酸イオン（Ｈ_２ＰＯ_２ ⁻）とは、パラジウムを触媒として以下の酸化還元反応を起こし、還元されたニッケルが第２配線２５２上に析出する。ニッケルは、第２配線２５２に沿って析出するため、基板２００（支持部２２０）に沿って、基板２００よりも外縁側に突き出る凸部２８５を有する形状となる。なお、ニッケルは、析出するときに、リンを含んでも良い。
Ｎｉ^２＋ ＋ Ｈ_２ＰＯ_２ ⁻ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｎｉ ＋ Ｈ_２ＰＯ_３ ⁻ ＋ Ｈ_２

ステップＳ２１０では、無電解ニッケルめっき層２８０上に金めっき層２９０を形成する。ステップＳ２２０では、圧電アクチュエーター１０と回路基板３００とを接合する。回路基板３００は、フレキシブル基板上に配線が形成された構造を有する。金めっき層２９０を有する凸部２８５を回路基板３００に押しつけることで、凸部２８５を回路基板３００に食い込ませ、圧電アクチュエーター１０と回路基板３００とを接合し、電気的に接続させる。

図１０は、圧電アクチュエーター１０の等価回路を示す説明図である。なお、圧電アクチュエーター１０は、２つの圧電アクチュエーターユニット１００を有しているが、図１０では、一方の圧電アクチュエーターユニット１００のみを図示している。図１０から分かるように、５つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅの第１電極１３０は、配線２５４に接続され、回路基板３００に接続されている。圧電素子１１０ａ，１１０ｄの第２電極１５０は、配線２５１に接続され、回路基板３００に接続されている。圧電素子１１０ｂ，１１０ｃの第２電極１５０は、配線２５２に接続され、回路基板３００に接続されている。圧電素子１１０ｅの第２電極１５０は、配線２５３に接続され、回路基板３００に接続されている。すなわち、圧電素子１１０は、３つのグループに分けられる。第１グループは、２つの圧電素子１１０ａ，１１０ｄを有する。第２グループは、２つの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃを有する。第３グループは、１つの圧電素子１１０ｅのみを有する。第１グループの圧電素子１１０ａ，１１０ｄは、互いに並列に接続され、回路基板３００に接続されている。第２グループの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃは、互いに並列に接続され、回路基板３００に接続されている。並列接続すると、各圧電素子１１０ａ〜１１０ｄに掛かる電圧を大きく出来る。第３グループの圧電素子１１０ｅは、単独で回路基板３００に接続されている。なお、第１グループの圧電素子１１０ａ，１１０ｄは直列に接続されていても良い。この場合、電圧が印加されたときの圧電素子１１０ａと１１０ｄの分極の向きは同じであることが好ましい。第２グループの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃについても同様に直列に接続されていてもよい。直列接続すると、容量を小さく出来る。

回路基板３００から、５つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅのうちの所定の圧電素子、例えば第１グループの圧電素子１１０ａ，１１０ｄの第１電極１３０と第２電極１５０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、圧電アクチュエーター１０を超音波振動させて、凸部材２０に接触するローター（被駆動体、被駆動部材）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、脈流電圧の電圧（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。電流の向きは、第１電極１３０から第２電極１５０に向かうよりも第２電極１５０から第１電極１３０に向かう方が好ましい。また、第２グループの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃの第１電極１３０と第２電極１５０との間に交流電圧又は脈流電圧を印加することにより、凸部材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。すなわち、圧電アクチュエーター１０は、圧電モーターとして機能する。

図１１は、圧電アクチュエーター１０の動作の例を示す説明図である。支持部２２０については、図示の都合上、省略している。圧電アクチュエーター１０の凸部材２０は、被駆動部材としてのローター５０の外周に接触している。図１１に示す例では、第１グループの２つの圧電素子１１０ａ，１１０ｄ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１１の矢印ｘの方向に伸縮する。これに応じて、圧電アクチュエーター１０の振動部２１０が振動部２１０の平面内で屈曲して蛇行形状（Ｓ字形状）に変形し、凸部材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１１では時計回り方向）に回転する。なお、回路基板３００が、第２グループの２つの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃ（図１０）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、中央の圧電素子１１０ｅに、交流電圧又は脈流電圧を印加すれば、圧電アクチュエーター１０が長手方向に伸縮するので、凸部材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、圧電アクチュエーター１０のこのような動作については、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。

以上、第１の実施形態によれば、圧電アクチュエーター１０は、２枚の基板２００の間に配置されている圧電素子１１０ａ〜１１０ｅと、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅの周囲の少なくとも一部を覆っている被覆部２６０と、を備える。その結果、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅは、２枚の基板２００と被覆部２６０により保護されるので外傷を受け難い。

また、第１の実施形態によれば、圧電アクチュエーター１０は、平面視で少なくとも一部が重なって配置されている２枚の基板２００と、平面視で２枚の基板２００が重なっている領域（振動部２１０の領域）において、２枚の基板２００が互いに向かい合う側の面上にそれぞれ配置されている圧電素子１１０ａ〜１１０ｅと、それぞれの圧電アクチュエーターユニット１００において、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを覆っている被覆部２６０と、を備える。この形態によれば、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅは、被覆部２６０に覆われていることに加え、少なくとも一部が重なって配置されている２枚の基板２００の互いに向かい合う側の面上にそれぞれ配置されているので、２枚の基板２００によっても保護され、外傷を受け難い。

第１の実施形態によれば、各圧電アクチュエーターユニット１００の圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを覆っている被覆部２６０は、互いに接着層２７０で接着されていているので、２つの被覆部２６０が剥がれにくく、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅが保護されやすい。

第１の実施形態によれば、基板２００は、振動部２１０と、支持部２２０と、を有し、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅは、振動部２１０に設けられていているので、支持部２２０の振動を低減するとともに、基板２００の強度を上げることが出来る。

上記形態において、被覆部２６０は、振動部２１０と、支持部２２０との接続部２２１，２２２において圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを覆っていなかったが、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅの全体を覆ってもよい。被覆部２６０は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅの全体を覆っていれば、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅが更に保護され易い。

上記形態において、被覆部２６０が支持部２２０の周囲の少なくとも一部を覆う構成を採用しても良い。被覆部２６０は、支持部２２０の周囲の少なくとも一部を覆っていれば、支持部２２０を保護できる。

・第２の実施形態：
図１２は、第２の実施形態の圧電アクチュエーター１１を示す説明図である。第１の実施形態の圧電アクチュエーター１０は、２つの圧電アクチュエーターユニット１００を備えていたが、第２の実施形態の圧電アクチュエーター１１は、圧電アクチュエーターユニット１００を１つのみ備え、第１の実施形態の２つ目の圧電アクチュエーターユニット１００の代わりに、圧電素子が配置されていない基板２００を備えている。すなわち、第１の圧電アクチュエーターユニット１００の圧電素子１１０ａ〜１１０ｅを、第１の圧電アクチュエーターユニット１００の基板２００と、圧電素子が配置されていない基板２００とで挟んでいる。

第２の実施形態の圧電アクチュエーター１１は、２枚の基板２００と、２枚の基板２００の間に配置されている圧電素子１１０ａ〜１１０ｅと、圧電素子の周囲の少なくとも一部を覆っている被覆部２６０と、を備える。第２の実施形態の圧電アクチュエーター１１によれば、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅは、２枚の基板２００と被覆部２６０により保護される効果が高くなるので、第１の実施形態の圧電アクチュエーター１０と同様に、外傷を受け難い。

・第３の実施形態：
図１３は、第３の実施形態の積層アクチュエーター１２を示す説明図である。第１の実施形態では、圧電アクチュエーター１０について説明した。この圧電アクチュエーター１０を複数個用いて、基板２００の面の法線方向に積層して、積層アクチュエーター１２を構成することが可能である。なお、第２の実施形態の圧電アクチュエーター１１を複数個用いて基板２００の面の法線方向に積層してもよい。

・他の実施形態：
上述した圧電アクチュエーター１０は、共振を利用することで被駆動部材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。圧電アクチュエーター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アクチュエーターでは、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１４は、上述の圧電アクチュエーター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、上述した圧電アクチュエーター１０が内蔵されており、圧電アクチュエーター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、ハンド２０００が接続されている。ハンド２０００は、一対の把持部２００３を備えている。ハンド２０００にも圧電アクチュエーター１０が内蔵されており、圧電アクチュエーター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、ハンド２０００とアーム２０１０との間にも圧電アクチュエーター１０が設けられており、圧電アクチュエーター１０を用いてハンド２０００をアーム２０１０に対して回転させることも可能である。

図１５は、図１４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、圧電アクチュエーター１０を備えており、圧電アクチュエーター１０は、手首のリンク部２０１２及びハンド２０００を中心軸Ｏ周りに回動させる。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アクチュエーター１０が搭載されている。このため、圧電アクチュエーター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アクチュエーター１０を適用可能である。ここで、手首の関節部２０２０やハンド２０００の内部には、圧電アクチュエーター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アクチュエーター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。

上記説明では、ハンド２０００を備えるロボット２０５０を例にとって説明したが、ハンド２０００は、ロボット２０５０の部品としてのみならず、単独の製品として構成されていても良い。

図１６は、上述の圧電アクチュエーター１０を利用した指アシスト装置１０００を示す説明図である。指アシスト装置１０００は、第１の指アシスト部１００１と、第２の指アシスト部１００２と、ベース部材１００３と、を備え、指７００に装着される。第１の指アシスト部１００１は、圧電アクチュエーター１０と、減速機５０１と、指支持部７０１と、を備える。第２の指アシスト部１００２は、圧電アクチュエーター１０と、減速機５０２と、指支持部７０２と、バンド７０３と、を備える。バンド７０３を除き、第１の指アシスト部１００１と第２の指アシスト部１００２とは、ほぼ同じ構成である。バンド７０３は、指７００の腹側から第２の指アシスト部１００２を固定する。なお、バンド７０３は、第１の指アシスト部１００１にも、設けられるが、図１６では省略されている。指アシスト装置１０００は、圧電アクチュエーター１０により、指７００の屈伸をアシストする。なお、本実施形態では、指アシスト装置１０００は、指７００の屈伸をアシストするものとして説明したが、指７００の代わりにロボットのハンドを用い、ハンドと指アシスト装置１０００とを一体化してもよい。この場合、ハンドが、圧電アクチュエーター１０により駆動され、屈伸する。

図１７は、上述の圧電アクチュエーター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、圧電アクチュエーター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。圧電アクチュエーター１０の凸部材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、圧電アクチュエーター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アクチュエーター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。

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。

１０，１１…圧電アクチュエーター、１２…積層アクチュエーター、２０…凸部材、５０…ローター、５１…中心、１００…圧電アクチュエーターユニット、１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅ…圧電素子、１１１…圧電素子構造、１３０…第１電極、１４０…圧電体、１５０…第２電極、２００…基板、２０１…絶縁層、２０５…隙間、２１０…振動部、２１６…凹部、２２０…支持部、２２１…固定部、２２２…第１接続部、２２３…第２接続部、２４０…絶縁層、２５０…配線層、２５１…第１配線、２５２…第２配線、２５３…第３配線、２５４…第４配線、２６０…保護層（被覆部）、２７０…接着層、２８０…無電解ニッケルめっき層、２８５…凸部、２９０…金めっき層、３００…回路基板、５０１，５０２…減速機、７００…指、７０１，７０２…指支持部、７０３…バンド、１０００…指アシスト装置、１００１，１００２…指アシスト部、１００３…ベース部材、２０００…ハンド、２００３…把持部、２０１０…アーム、２０１２…リンク部、２０２０…関節部、２０２２…手首回動部、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

Claims (13)

1. ２つの基板と、
   前記２つの基板の間に配置されている圧電素子と、
   前記圧電素子の少なくとも一部を覆っている被覆部と、
   を備える、圧電アクチュエーター。
2. 平面視で少なくとも一部が重なって配置されている２つの基板と、
   前記平面視で前記２つの基板が重なっている領域において、前記２つの基板が互いに向かい合う側の面上にそれぞれ配置されている圧電素子と、
   前記２つの圧電素子のそれぞれ少なくとも一部を覆っている被覆部と、
   を備える、圧電アクチュエーター。
3. 前記２つの被覆部の間に接着層が配置されている、請求項２に記載の圧電アクチュエーター。
4. 前記基板は、振動部と、前記振動部を支持する支持部と、を有し、
   前記２つの圧電素子は、前記振動部に設けられている、請求項２または３に記載の圧電アクチュエーター。
5. 前記被覆部は、前記圧電素子の全体を覆っている、請求項４に記載の圧電アクチュエーター。
6. 前記被覆部は、前記支持部の周囲の少なくとも一部を覆っている、請求項４または５に記載の圧電アクチュエーター。
7. 前記振動部の先端に、突出している領域を有する、請求項４乃至６のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーター。
8. 前記振動部と前記支持部とを繋いで配置されている配線層と、
   前記配線層と電気的に接続され、前記支持部に接続されている回路基板と、
   を備える、請求項４乃至７のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーター。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の複数の圧電アクチュエーターが積層されている積層アクチュエーター。
10. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーター、または、請求項９に記載の積層アクチュエーターを備える圧電モーター。
11. 請求項１０に記載の圧電モーターを備えるロボット。
12. 請求項１０に記載の圧電モーターを備えるハンド。
13. 請求項１０に記載の圧電モーターを備える送液ポンプ。

Images