JP2017135940A - 圧電駆動装置、モーター、ロボット及びポンプ - Google Patents

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Abstract

【課題】電極の導電性が良好で、かつ、絶縁耐性が良好な、信頼性の高い薄膜圧電素子を備えた圧電駆動装置を提供すること。【解決手段】振動板と、振動板の上方に設けられた第１電極層と、第１電極層の上方に設けられた圧電体層と、圧電体層の上方に設けられた第２電極層と、第１電極層、圧電体層、及び第２電極層の上面を覆うように設けられた絶縁層と、絶縁層の上方に設けられ、第２電極層と導通する配線層と、を備え、第１電極層と圧電体層と第２電極層とが重なり合う部分に能動部が形成され、能動部は、平面視において長手方向と短手方向とを有し、短手方向の両端において、第１電極層の端は、配線層の端と同じ又は端よりも外側に配置され、第２電極層の端は、配線層の端と同じ又は端よりも内側に配置され、第１電極層の端は、第２電極層の端よりも外側に配置された、圧電駆動装置。【選択図】図５

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超音波モーターは、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１参照）。このような超音波モーターには、一般的に、バルク状の圧電体を備えた圧電素子（バルク圧電素子）が利用されている（例えば特許文献２参照）。
一方、圧電素子としては、薄膜状の圧電体を備えたもの（薄膜圧電素子）が知られている。薄膜圧電素子は、主に、インクジェットプリンターのヘッドにおいて、インクの射出を行うために利用されている。
特開２００４−３２０９７９号公報 特開２００８−２２７１２３号公報
上記のような薄膜圧電素子を超音波モーターに用いれば、超音波モーターやこれによって駆動される機器を小型化することができる。しかしながら、薄膜圧電素子は、圧電体層が薄膜であるため、駆動する際に発生する応力により、圧電体層にクラックが生じる場合があった。
また、薄膜圧電素子を超音波モーターに用いる場合、上下電極は貴金属等の薄膜で形成されるため、配線抵抗が大きくなる場合がある。そのため、電極の導電性を補う手法の一つとして、電極と導通する配線を設けることが検討されている。しかし、薄膜圧電素子を用いた超音波モーターにおいて、圧電素子に配線を重ねて配置する場合、配線の端部の位置と圧電素子の電極の端部の位置との関係が、薄膜圧電素子の絶縁耐性に影響することが分かってきた。
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、電極の導電性が良好で、かつ、絶縁耐性が良好な、信頼性の高い薄膜圧電素子を備えた圧電駆動装置を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記圧電駆動装置を含む超音波モーターを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記超音波モーターを含むロボット又は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、
振動板と、
前記振動板の上方に設けられた第１電極層と、
前記第１電極層の上方に設けられた圧電体層と、
前記圧電体層の上方に設けられた第２電極層と、
前記第１電極層、前記圧電体層、及び前記第２電極層の上面を覆うように設けられた絶縁層と、
前記絶縁層の上方に設けられ、前記第２電極層と導通する配線層と、
を備え、
前記第１電極層と前記圧電体層と前記第２電極層とが重なり合う部分に能動部が形成され、
前記能動部は、平面視において長手方向と短手方向とを有し、
前記短手方向の両端において、
前記第１電極層の端は、前記配線層の端と同じ又は端よりも外側に配置され、
前記第２電極層の端は、前記配線層の端と同じ又は端よりも内側に配置され、
前記第１電極層の端は、前記第２電極層の端よりも外側に配置されている。
このような圧電駆動装置は、能動部の短手方向における配線層の端部が、能動部の端部と同じかこれよりも外側に形成されている。そのため、配線層の端部における絶縁破壊が生じにくい。また、配線層により、第２電極層の導電性が補われるため、圧電体層による電気機械変換効率が良好である。
本発明に係る圧電駆動装置において、
前記長手方向の少なくとも一端において、
前記第１電極層の端は、前記配線層の端と同じ又は端よりも外側に配置され、
前記第２電極層の端は、前記配線層の端と同じ又は端よりも内側に配置され、
前記第１電極層の端は、前記第２電極層の端よりも外側に配置されてもよい。
このような圧電駆動装置は、能動部の長手方向における配線層の少なくとも一方の端部が、能動部の端部と同じかこれよりも外側に形成されている。そのため、配線層の端部における絶縁破壊が生じにくく絶縁耐性が良好である。また、配線層により、第２電極層の導電性が補われるため、圧電体層による電気機械変換効率が良好である。
本発明に係る圧電駆動装置において、
前記能動部の前記長手方向の長さは、前記短手方向の長さの、１．００１倍以上１０００倍以下であってもよい。
このような圧電駆動装置は、配線層の端部における絶縁破壊が生じにくく絶縁耐性が良好である。また、配線層により、第２電極層の導電性が補われるため、圧電体層による電気機械変換効率が良好である。
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、本発明に係る圧電駆動装置を含むため、効率がよく、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、本発明に係る圧電駆動装置を含むため、効率がよく、圧電駆動装置が破損しにくく、信頼性が高い。
本発明に係るポンプの一態様は、
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、本発明に係る圧電駆動装置を含むため、効率がよく、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。
また、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、「第１電極層の端は、配線層の端と同じ位置に配置される」という表現は、測定誤差等を考慮し、両者の端の位置のズレが、一方の層の両端間の長さの±１０％以内、好ましくは±５％以内、より好ましくは±１％以内、さらに好ましくは±０．５％以内、特に好ましくは±０．１％以内であることを指す。
実施形態に係る圧電駆動装置の振動板を平面的に示す模式図。 実施形態に係る圧電駆動装置を平面的に示す模式図。 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素子の模式図。 実施形態に係る圧電駆動装置の等価回路を示す説明図。 実施形態に係る圧電駆動装置の動作の例を示す図。 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。 実験例で用いた圧電素子の模式図。 実験例の評価結果を示すグラフ。
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．圧電駆動装置の概要
本実施形態の圧電駆動装置１００は、少なくとも振動板２００と、第１電極層１３０と、圧電体層１４０と、第２電極層１５０と、絶縁層２４０と、配線層２５０と、を備える。そして、第１電極層１３０と圧電体層１４０と第２電極層１５０とが重なり合う部分に能動部１６０が形成される。
図１は、振動板２００を平面的に示す模式図である。図２は、圧電駆動装置１００の概略構成を平面的に示す模式図である。図３は、圧電駆動装置１００の断面の模式図である。図３は、図２の１Ａ−１Ａ断面に相当する。図４は、圧電駆動装置１００の断面の模式図である。図４は、図２の１Ｂ−１Ｂ断面に相当する。また、図２に示す平面図では、図３、図４に示した絶縁層２４０と、配線層２５０とについて、図示が省略されている。本実施形態の圧電駆動装置１００は、第１電極層１３０と、圧電体層１４０と、第２電極層１５０と、により、圧電素子１１０が構成されている。
１．１．振動板
図１に示すように、振動板２００は、振動体２１０と、支持部２２０（固定部２２１と接続部２２２，２２３）と、を備えている。図１では、振動体２１０と支持部２２０とを区別しやすくするために、振動体２１０にハッチングを付し、支持部２２０（固定部２２１と接続部２２２，２２３）には、ハッチングを付していない。
振動体２１０は、第１辺２１１と、第２辺２１２と、第３辺２１３と、第４辺２１４と、の４辺を含む長方形形状を有している。第１辺２１１と、第２辺２１２は互いに対辺であり、第３辺２１３と第４辺２１４は、互いに対辺である。第３辺２１３と第４辺２１４は、ぞれぞれ、第１辺２１１と第２辺２１２との間をつなぎ、第１辺よりも長い。２つの接続部２２２，２２３は、それぞれ固定部２２１の端部に設けられ、振動体２１０の第３辺２１３と第４辺２１４のそれぞれ中央の位置に接続されている。
振動体２１０と、支持部２２０とは、振動体２１０の長辺のおよそ中央で接続されている。支持部２２０のうち、振動体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。なお、第１接続部２２２と第２接続部２２３とを区別しない場合には、「第１接続部２２２」、「第２接続部２２３」を、それぞれ「接続部２２２」、「接続部２２３」とも呼ぶ。
固定部２２１は、第１接続部２２２から第２辺２１２側を回って、第２接続部２２３に至るように、第１辺２１１よりも第２辺２１２に近い側に配置されている。振動体２１０と、支持部２２０は、１枚のシリコン基板から一体形成されている。具体的には、圧電素子１１０が形成されたシリコン基板をエッチングすることにより、個々の振動板２００の形状を形成するとともに、振動体２１０と、支持部２２０との間の隙間２０５を形成する。これにより、振動体２１０と、支持部２２０（固定部２２１と接続部２２２，２２３）とが一体形成される。
振動体２１０の長さＬ（第３辺２１３及び第４辺２１４の長さ）と幅Ｗ（第１辺２１１及び第２辺２１２の長さ）の比は、特に限定されないが、Ｌ：Ｗ＝約９：１〜約６：４程度であり、Ｌ：Ｗ＝約７：２程度とすることが好ましい。この程度の比の値であれば、振動体２１０がその平面に沿って左右に屈曲する超音波振動を行うために好ましい。振動体２１０の長さＬは、例えば０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲とすることができ、幅Ｗは、例えば０．０２ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲とすることができる。なお、小型化という観点から、振動体２１０の長さＬは、５０ｍｍ以下とすることがより好ましい。
振動体２１０の第１辺２１１には、凹部２１６が形成されている。凹部２１６には、被駆動部材と接触可能な接触子２０が嵌め込まれて接合（通常は接着）される。接触子２０は、被駆動部材と接触して、被駆動部材に力を与えるための部材である。接触子２０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）等）などの耐久性がある材質で形成される。
なお、振動板２００は、例えば、シリコン振動板２００と、シリコン振動板２００上に設けられた下地層と、から構成されてもよい。下地層は、例えば、絶縁層である。下地層は、例えば、シリコン振動板２００上に設けられた酸化シリコン層と、酸化シリコン層上に設けられた酸化ジルコニウム層と、の積層体から構成されてもよい。
振動板２００は、平板状の形状を有している。振動板２００の振動体２１０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２００の振動体２１０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。振動体２１０には、後述する圧電素子（第１電極層１３０、圧電体層１４０及び第２電極層１５０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。振動体２１０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、振動体２１０の大きさや厚さも特に限定されない。
振動板２００は、第１電極層１３０と圧電体層１４０と第２電極層１５０を膜形成プロセスで形成するための基板として使用される。また、振動板２００の振動体２１０は機械的な振動を行う振動板としての機能も有する。振動板２００は、シリコンの他、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2などで形成することもできる。シリコン製の振動板２００（「シリコン振動板２００」とも呼ぶ。）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。
振動板２００の厚さは、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲とすることが好ましい。振動板２００の厚さを１０μｍ以上とすれば、振動板２００上の成膜処理の際に振動板２００を比較的容易に取扱うことができる。なお、振動板２００の厚さを５０μｍ以上とすれば、振動板２００をさらに容易に取扱うことができる。また、振動板２００（振動体２１０）の厚さを１００μｍ以下とすれば、薄膜で形成された圧電体層１４０の伸縮に応じて、振動体２１０をより容易に振動させることができる。
振動板２００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２００の厚さは均一である必要はない。例えば、振動板２００の接続部２２２，２２３の厚さは、振動体２１０や支持部２２０の厚さより小さくてもよい。また、振動板２００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２００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。
１．２．圧電素子
図２ないし図４に示すように、圧電素子１１０は、振動板２００の振動体２１０の上方に設けられている。圧電素子１１０は、第１電極層１３０と、第１電極層１３０の上方に形成された圧電体層１４０と、圧電体層１４０の上方に形成された第２電極層１５０と、を備え、第１電極層１３０と第２電極層１５０は、圧電体層１４０を挟持している。
圧電素子１１０は、第１電極層１３０と圧電体層１４０と第２電極層１５０とが重なり合う部分（平面視において重なる部分）を有し、第１電極層１３０と第２電極層１５０とから電界（電圧）が印加されることにより、当該部分において、圧電体層１４０が変形（電気機械変換）する。本明細書では、当該部分を能動部１６０と定義する。
本実施形態では、圧電駆動装置１００は、圧電素子１１０として、５つの圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅを含んでいる。圧電素子１１０ｅは、略長方形形状に形成されており、振動体２１０の幅方向の中央において、振動体２１０の長手方向に沿って形成されている。また、圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄは、振動体２１０の四隅の位置に形成され、略長方形の形状となっている。なお、図２
では、圧電素子１１０が振動体２１０の一方の面に形成されている例を示しているが、圧電素子１１０は、振動体２１０の２つの面に形成されていてもよい。この場合には、例えば、一方の面の圧電素子１１０ａ〜１１０ｅと、他方の面の圧電素子１１０ａ〜１１０ｅとは、振動体２１０を対称面とする対称位置に配置される。
本実施形態では、能動部１６０は、平面視において長手方向と短手方向とを有する。図示の例では、平面視で圧電素子の長方形の長辺に沿う方向が長手方向であり、短辺に沿う方向が短手方向となっている。能動部１６０の長手方向の長さは、短手方向の長さの、１．００１倍以上１０００倍以下、好ましくは１．１倍以上１００倍以下、より好ましくは２倍以上１０倍以下である。能動部１６０が、この範囲内の寸法を有する場合に、絶縁耐性の向上効果がより顕著となる。なお、能動部１６０は、平面視において、正方形であってもよく、この場合には、隣り合う辺に平行な方向を、それぞれ便宜的に長手方向及び短手方向として扱ってもよい。
圧電素子１１０は、第１電極層１３０、圧電体層１４０及び第２電極層１５０の組によって、振動板２００の振動体２１０の上方に構成されるが、係る圧電素子１１０の形状、数、配置等は、振動体２１０が所定の振動を生じ得る限り任意である。そして図３、図４に示されるような配線層２５０等により接続された第１電極層１３０及び／又は第２電極層１５０に、適宜の電圧が印加されることにより、それぞれの圧電素子が駆動され、振動板２００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。
１．２．１．第１電極層
第１電極層１３０は、振動板２００の振動体２１０の上方に設けられる。第１電極層１３０と振動板２００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電極層１３０は、振動体２１０の全面に形成されてもよいし、振動体２１０の一部に形成されてもよい。図２に示す例では、第１電極層１３０は、振動板２００の振動体２１０及び接続部２２２，２２３の上方にほぼ全面的に形成されている。
第１電極層１３０の振動体２１０に設けられた領域の一部又は全部は、第２電極層１５０と対向して配置され、当該部分において、圧電素子１１０の一方の電極として機能する。
第１電極層１３０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電極層１３０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電極層１３０の材質の具体例としては、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（ＳｒＲｕＯx：ＳＲＯ）、ランタンとニッケルの複合酸化物（ＬａＮｉＯx：ＬＮＯ）などを挙げることができる。また、第１電極層１３０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。第１電極層１３０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。
１．２．２．圧電体層
圧電体層１４０は、振動板２００の振動体２１０の上方の第１電極層１３０の上方に設けられる。第１電極層１３０と圧電体層１４０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。
圧電体層１４０は、第１電極層１３０と第２電極層１５０との間に位置する。圧電体層１４０は、第１電極層１３０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、圧電体層１４０は、第１電極層１３０が形成されていない振動板２００の上方に形成されてもよい。図２〜図４に示す例では、圧電体層１４０は、振動板２００の振動体２１０の第１電極層１３０の上方に形成されている。
また、圧電体層１４０は、接続部２２２，２２３の上方に設けられてもよい。この場合、例えば、接続部２２２，２２３に圧電体層が構成されると、振動体２１０の振動を阻害することがあるため、これ考慮して設けることが好ましい。さらに、圧電体層１４０が接続部２２２，２２３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２２２，２２３の剛性が高くなりすぎないように、振動板２００の接続部２２２，２２３の厚さや圧電体層１４０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、圧電体層１４０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。
図示の例では、圧電体層１４０の平面形状は、長方形である。しかし、圧電体層１４０は、パターニングされていなくてもよく、例えば、振動板２００上、あるいは振動体２１０上で、全面的に形成されてもよい。この場合でも、第１電極層１３０と第２電極層１５０との位置関係から、能動部１６０を規定することができる。圧電体層１４０は、第１電極層１３０及び第２電極層１５０に挟まれた部分（能動部１６０）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。
圧電体層１４０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。このように、圧電素子１１０は、薄膜圧電素子である。圧電体層１４０の厚さがこの範囲であれば、圧電駆動装置１００の出力が十分となり、仮に、出力を上げようとして圧電体層１４０への印加電圧を高くしても、圧電体層１４０が絶縁破壊を起こしにくい。また、圧電体層１４０の厚さがこの範囲であれば、圧電体層１４０にクラックを生じにくく、さらに駆動電圧も上昇しにくい。さらに圧電体層１４０の厚さがこの範囲であれば、十分に大きな力を発生することができ、かつ、圧電駆動装置１００を小型化することができる。
圧電体層１４０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。具体的には、圧電体層１４０の材質は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3：ＰＺＴ）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ3：ＰＺＴＮ）、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である。
圧電体層１４０は、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、水晶等を用いて形成してもよい。これらのうち、圧電体層１４０の材質としてＰＺＴ及びＰＺＴＮは、圧電特性が良好であるため特に好適である。圧電体層１４０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。圧電体層１４０は、電気機械変換が可能で、第１電極層１３０及び第２電極層１５０によって電圧（電界）が印加されることにより変形（伸縮）することができる。
１．２．３．第２電極層
第２電極層１５０は、圧電体層１４０の上方に設けられる。第２電極層１５０と圧電体層１４０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、Ｎｉ層、Ｃｒ層、ＮｉＣｒ層や、これらの積層体である。
第２電極層１５０の振動体２１０に設けられた領域の一部又は全部は、第１電極層１３０と対向して配置され、当該部分において、第２電極層１５０は、圧電素子１１０の一方の電極として機能する。
第２電極層１５０は、第１電極層１３０及び圧電体層１４０と組となって、圧電素子１１０を形成できる限り、振動体２１０の全面に形成されてもよい。すなわち、第１電極層１３０がパターニングされていれば、第２電極層１５０が振動体２１０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電極層１３０が複数の圧電素子の共通電極となっており、第２電極層１５０が複数の圧電素子の個別電極となっているが、第２電極層１５０が複数の圧電素子の共通電極となり、第１電極層１３０が複数の圧電素子の個別電極となっていてもよい。
図２〜図４に示すように、第２電極層１５０の平面形状は、長方形である。また、図示の例では、第１電極層１３０は、共通電極となっており、振動板２００の上に全面的に設けられている。したがって、圧電体層１４０に対して電界（電圧）が印加される領域である能動部１６０は、第２電極層１５０の形状により規定されている。また、図示しないが、例えば、第１電極層１３０をパターニングして形成し、第２電極層１５０を共通電極とした場合には、能動部１６０は、第１電極層１３０の形状により規定される。
第２電極層１５０の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上１０μｍ以下である。第２電極層１５０は、例えば、Ｃｕ層、Ａｕ層、Ａｌ層、Ｎｉ層やこれらの積層体である。
１．３．絶縁層
絶縁層２４０は、図３、図４に示すように、圧電素子１１０を覆うように設けられている。絶縁層２４０は、配線層２５０と圧電素子１１０との間に設けられている。図示の例では、絶縁層２４０は、第１電極層１３０の上面、圧電体層１４０の側面、並びに第２電極層１５０の上面および側面に設けられている。絶縁層２４０は、各電極と配線層２５０の間に設けられてもよい。絶縁層２４０は、電極や配線を絶縁する機能を有する。
絶縁層２４０の材質は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯx）、酸化アルミニウム（ＡｌＯx）、酸化タンタル（ＴａＯx）、酸化ハフニウム（ＨｆＯx）、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等であり、これらの材質の層の積層構造であってもよい。また、絶縁層２４０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（コンタクト）を行うことができる。
絶縁層２４０の厚さ（配線層２５０と圧電素子１１０（第２電極層１５０）との間の間隔）は、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下である。この範囲であれば、圧電駆動装置１００の厚さが大きくなりすぎず、絶縁層２４０によって振動体２１０の振動が阻害されにくく、かつ小型化が図れる。
１．４．配線層
配線層２５０は、絶縁層２４０の上方に設けられている。配線層２５０は、コンタクト部２５１を介して、第２電極層１５０と電気的に接続（導通）されている。配線層２５０
は、例えば、チタンタングステン層と、チタンタングステン層上に設けられた銅層と、から構成されている。配線層２５０は、さらに、チタンタングステン層と絶縁層２４０との間に設けられた導電性の密着層を有していてもよい。該密着層のような導電性の層は、配線層２５０とみなすことができる。コンタクト部２５１は、１つの圧電素子１１０に対して複数設けられてもよい。
配線層２５０が、第２電極層１５０と導通することにより、第２電極層１５０の導電性が向上する。すなわち、配線層２５０により、第２電極層１５０の導電性が補われる。そのため、圧電体層１４０による電気機械変換効率が良好となる。配線層２５０は、図示の例では、第２電極層１５０の厚さと同程度となっているが、必要に応じて配線層２５０は、第２電極層１５０よりも厚く形成することができる。配線層２５０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。
配線層２５０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２５０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。
また、図２、図３に示すように、配線層２５０は、第２電極層１５０上方に、第２電極層１５０を覆うように形成されてもよい。図２、図３に示す例では、配線層２５０は、第２電極層１５０に対して、複数のコンタクトホールに形成されたコンタクト部２５１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電極層１５０の導電性を配線層２５０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電極層１５０とともに、配線層２５０が圧電素子の一方の電極として機能することもできる。このようにすれば、配線層２５０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、圧電駆動装置１００の信頼性を高めることができる。
配線層２５０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。配線層２５０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、コンタクト部２５１について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。
さらに、図示はしないが、配線層２５０の上方に、第２の絶縁層が設けられていてもよい。第２の絶縁層の材質は、絶縁層２４０と同じであってもよい。第２の絶縁層の厚さは、絶縁層２４０の厚さよりも大きくてもよい。さらに、図示しないが、第２の絶縁層の上に、第２の配線層が設けられていてもよい。第２の配線層の材質は、配線層２５０と同じであってもよい。第２の絶縁層、第２の配線層等は、配線の設計に応じて適宜に設けることができる。
２．第１電極層、第２電極層、及び、配線層の配置
本実施形態の圧電駆動装置１００の第１電極層１３０、第２電極層１５０、及び、配線層２５０は、以下のように配置（形成）される。図５は、本実施形態の圧電素子１１０を平面的に見た模式図、並びに、その長手方向又は短手方向を切る断面の模式図である。図５において、能動部１６０にはハッチングを付した。
図５（ａ）〜（ｅ）に示す圧電素子１１０は、それぞれ図２における圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅのいずれかの一例を示しており、長手方向及び短手方向の縮尺は適宜に変更できるものとする。図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、本
実施形態の圧電駆動装置１００の圧電素子１１０の能動部１６０は、平面視において長手方向と短手方向とを有している。
発明者らの検討によれば、一般的に、平面視において長手方向と短手方向とを有する能動部１６０が形成された場合、平面視における短手方向の両端において絶縁破壊が生じやすく、長手方向の端部においては生じにくいことが分かってきている。このような知見から、本実施形態の圧電素子１１０の第１電極層１３０、第２電極層１５０、及び、配線層２５０は、以下のように配置（形成）される。
図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、本実施形態の圧電素子１１０の能動部１６０の平面視における短手方向（図における上下方向）の両端において、第１電極層１３０の端は、配線層２５０の端と同じ（（ｃ）参照）又は端よりも外側（（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）参照）に配置され、第２電極層１５０の端は、配線層２５０の端と同じ（（ｂ）参照）又は端よりも内側（（ａ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）参照）に配置され、第１電極層１３０の端は、第２電極層１５０の端よりも外側（（ａ）〜（ｅ）参照）に配置されている。
ここで、本実施形態の圧電素子１１０においては、第１電極層１３０の端は、第２電極層１５０の端よりも外側に配置されており、これにより、圧電体層１４０にクラックが生じにくくなっている。
また、本実施形態の圧電素子１１０では、能動部１６０の平面視における短手方向の両端において、配線層２５０の端が、第１電極層１３０の端及び第２電極層１５０の端のいずれか一方と同じ位置であるか、又は、第１電極層１３０の端及び第２電極層１５０の端の間に位置している。これにより、平面視における能動部１６０の短手方向の両端において絶縁破壊が生じにくくなっている。
一方、平面視における能動部１６０の長手方向の端については、そのような配置をとる必要はない。例えば、図５（ｄ）では、本実施形態の圧電素子１１０の能動部１６０の平面視における長手方向（図における左方向）の端の一方において、第１電極層１３０の端が、配線層２５０の端よりも内側に配置されている。また、図５（ｅ）では、本実施形態の圧電素子１１０の能動部１６０の平面視における長手方向（図における左右方向）の端の両方において、第１電極層１３０の端が、配線層２５０の端よりも内側に配置されている。上述のとおり、長手方向の端における絶縁破壊は生じにくいので、図５（ｄ）及び図５（ｅ）の配置であっても、短手方向の両端における絶縁破壊を抑制する効果を奏することができる。
しかし、図５（ａ）〜（ｃ）で説明した短手方向の配置のように、能動部１６０の長手方向における配置についても、圧電素子１１０の能動部１６０の平面視における長手方向の少なくとも一方の端において、第１電極層１３０の端が、配線層２５０の端と同じ又は端よりも外側に配置され、第２電極層１５０の端が、配線層２５０の端と同じ又は端よりも内側に配置され、第１電極層１３０の端は、第２電極層１５０の端よりも外側に配置されると、配線層２５０の長手方向の端部における絶縁破壊もより生じにくくなるためより好ましい。なお、配線層２５０の上方にさらに第２の配線層を積層する場合には、係る第２の配線層の端部の配置には特に制限はない。
３．作用効果
本実施形態の圧電駆動装置１００は、能動部１６０の短手方向における配線層２５０の端部が、能動部１６０の端部と同じかこれよりも外側に形成されている。そのため、配線層２５０の端部における絶縁破壊が生じにくい。また、配線層２５０により、第２電極層
１５０の導電性が補われるため、圧電体層１４０による電気機械変換効率が良好である。また、圧電駆動装置１００において、能動部１６０の長手方向における配線層２５０の少なくとも一方の端部が、能動部１６０の端部と同じかこれよりも外側に形成される場合には、配線層２５０の端部における絶縁破壊もより生じにくくなるため、絶縁耐性をさらに良好にすることができる。
４．圧電駆動装置の動作及びモーター
図６は、圧電駆動装置１００の等価回路を示す説明図である。図６に示す等価回路は、１つの圧電駆動装置１００を動作するものを例として図示している。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、駆動回路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、駆動回路３００に接続されている。第３グループの圧電素子１１０ｅは、単独で駆動回路３００に接続されている。
駆動回路３００は、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電極層１３０と第２電極層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、圧電駆動装置１００を超音波振動させて、接触子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電極層１３０から第２電極層１５０に向かうよりも第２電極層１５０から第１電極層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電極層１３０と第２電極層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、接触子２０に接触するローター５０を逆方向に回転させることが可能である。
図７は、圧電駆動装置１００の動作の例を示す説明図である。圧電駆動装置１００の接触子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７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７の矢印ｘの方向に伸縮する。これに応じて、圧電駆動装置１００の振動体２１０が振動体２１０の平面内で屈曲して蛇行形状（Ｓ字形状）に変形し、接触子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７では時計回り方向）に回転する。なお、駆動回路３００が、第２グループの２つの圧電素子１１０ｂ，１１０ｃ（図２参照）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、圧電駆動装置１００が長手方向に伸縮するので、接触子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。
なお、図示は省略するが、圧電駆動装置１００は、振動板２００の厚さ方向に複数重ねることができる。圧電駆動装置１００を複数重ねて、それぞれの接触子２０をローター５０に当接させることにより、ローター５０に与える力をより大きくすることができる。また、ローター５０の外周面の周方向に、圧電駆動装置１００を複数配置することもでき、ローター５０に与える力をより大きくすることができる。
５．ロボット
図８は、圧電駆動装置１００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１００が内蔵されており、圧電駆動装置１００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１００が内蔵されており、圧電駆動装置１００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１００が設けられており、圧電駆動装置１００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９は、図８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１００を備えており、圧電駆動装置１００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１００が搭載されている。このため、圧電駆動装置１００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１００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１００を含むため、圧電駆動装置１００が絶縁破壊しにくく、信頼性が高い。
６．ポンプ
図１０は、圧電駆動装置１００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１００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１００の接触子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１００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１００を用いることにより、圧電駆動装置１００が絶縁破壊しにくく、信頼性の高い送液ポンプ２２００を実現できる。
７．実験例
以下に、実験例を示し、本発明をさらに説明するが、本発明はこれらの実験例に限定されるものではない。
上述の本発明に係る圧電素子１１０に相当する試料（第１電極層１３０、第２電極層１５０及び配線層２５０の配置の条件を満たす試料）、及び本発明の圧電素子の条件を満たさない試料を、それぞれ４０個ずつ作成した。いずれの試料も、シリコン基板上に、第１電極層としてＰｔを、圧電体層としてＰＺＴを、第２電極層としてＰｔを、絶縁層としてＡｌ2Ｏ3を、配線層としてＣｕをそれぞれ用い、第２電極層と配線層とをコンタクト部により導通させた。
実験例では、図５（ａ）〜（ｅ）に示す、第１電極層１３０、第２電極層１５０及び配線層２５０の配置の条件を満たす試料と、図１１（ａ）〜（ｆ）に示す第１電極層１３０、第２電極層１５０及び配線層２５０の配置の条件を満たさない試料を作成て評価した。図１１は、実験例に用いた試料を平面的に見た模式図、並びに、その長手方向を切る断面の模式図である。図１１において、能動部１６０にはハッチングを付した。第２電極層及び配線層のパターニングは、図５及び図１１に示した形状で行い、矩形（長方形形状）の能動部を形成した。これらは、半導体製造の定法に従って作成した。
各試料の評価としては、室温にて、正弦波２０ｋＨｚ、振幅１００Ｖ（０〜＋１００Ｖ）の耐久波形を、Ｎ＝４０の試料にそれぞれ３００時間印加し、印加時間に対する（絶縁）破壊発生率の関係を調べた。なお、各試料の圧電素子を圧電駆動装置に適用する場合には、より高い周波数及びより低い電圧で駆動される場合があるが、加速試験を行う意図で、上記のように周波数及び電圧を設定した。
評価基準は、以下のとおりとし、図５及び図１１に評価結果を併記した。
◎：３００時間経過後の絶縁破壊率０〜２％
○：３００時間経過後の絶縁破壊率２〜１０％
△：３００時間経過後の絶縁破壊率１０〜５０％
×：３００時間経過後の絶縁破壊率５０〜１００％
また、絶縁破壊した試料の破壊箇所を光学顕微鏡で観察した。図５（ａ）〜（ｅ）に示す構造を有する試料で、絶縁破壊したものはすべてコンタクト部で破壊が生じていることが分かった。また、図１１（ａ）〜（ｆ）に示す試料は、多くが破壊したが、破壊したものはすべて能動部の短手方向の配線層の端部で破壊が生じていることが分かった。
以上のように、本発明の第１電極層１３０、第２電極層１５０及び配線層２５０の配置の条件を満たす試料では、能動部１６０の短手方向の配線層２５０の端部での破壊が抑制され、絶縁耐性が高いことが判明した。
図１２は、実験例のいくつかの態様の圧電素子の評価結果の一部を示すグラフである。図１２のグラフの縦軸は、絶縁破壊の発生率（４０個中の破壊された試料の個数の割合）であり、横軸はパルス印加時間を示している。
図１２に示すように、本発明の第１電極層１３０、第２電極層１５０及び配線層２５０の配置の条件を満たす試料（グラフにおいて、横軸上にプロットされている試料）（図５
（ａ），（ｄ），（ｅ）との符号が付されている。）では、長期間絶縁破壊が生じず、信頼性が極めて良好であることが判明した。これに対して、本発明の第１電極層１３０、第２電極層１５０及び配線層２５０の配置の条件を満たさない試料（グラフにおいて、図１１（ｂ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）との符号が付されている。）では、長期間絶縁破壊が生じず、信頼性が極めて良好であることが判明した。
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。
２０…接触子、５０…ローター、５１…中心、１００…圧電駆動装置、１１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ…圧電素子、１３０…第１電極層、１４０…圧電体層、１５０…第２電極、２００…振動板、２０５…隙間、２１０…振動体、２１１…第１辺、２１２…第２辺、２１３…第３辺、２１４…第４辺、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…コンタクト部、３００…駆動回路、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、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、２２１３，２２１４，２２１５，２２１６，２２１７，２２１８，２２１９…フィンガー、２２２２…ローター、２２２３…減速伝達機構、２２３０…ケース

Claims (6)

  1. 振動板と、
    前記振動板の上方に設けられた第１電極層と、
    前記第１電極層の上方に設けられた圧電体層と、
    前記圧電体層の上方に設けられた第２電極層と、
    前記第１電極層、前記圧電体層、及び前記第２電極層の上面を覆うように設けられた絶縁層と、
    前記絶縁層の上方に設けられ、前記第２電極層と導通する配線層と、
    を備え、
    前記第１電極層と前記圧電体層と前記第２電極層とが重なり合う部分に能動部が形成され、
    前記能動部は、平面視において長手方向と短手方向とを有し、
    前記短手方向の両端において、
    前記第１電極層の端は、前記配線層の端と同じ又は端よりも外側に配置され、
    前記第２電極層の端は、前記配線層の端と同じ又は端よりも内側に配置され、
    前記第１電極層の端は、前記第２電極層の端よりも外側に配置された、圧電駆動装置。
  2. 請求項１において、
    前記長手方向の少なくとも一端において、
    前記第１電極層の端は、前記配線層の端と同じ又は端よりも外側に配置され、
    前記第２電極層の端は、前記配線層の端と同じ又は端よりも内側に配置され、
    前記第１電極層の端は、前記第２電極層の端よりも外側に配置された、圧電駆動装置。
  3. 請求項１又は請求項２において、
    前記能動部の前記長手方向の長さは、前記短手方向の長さの、１．００１倍以上１０００倍以下である、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。
  5. 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３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。
  6. 請求項１ないし請求項３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。
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