JP2017139831A - 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】消費電力を減少できる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、及び送液ポンプを提供する。【解決手段】圧電アクチュエーターは、基板１０と、基板１０に設けられている圧電素子３２と、基板１０に設けられ、圧電素子３２と電気的に接続されているインダクター５４と、を含む。【選択図】図５

Description

本発明は、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、及び送液ポンプに関するものである。

圧電アクチュエーターは交流電圧又は脈流電圧が印加されることで圧電素子が振動する。その時、圧電素子は容量成分が大きく電気回路としてはコンデンサーとして動作する。そのため、インダクターや調整用のキャパシター（合わせて共振用デバイス）を並列や直列につけることで圧電アクチュエーターと電気的に共振させ、消費電流を減らしたり、電圧を調整したりする。

例えば、回路基板を貫通して圧電素子の電極に当接するように延伸し、ハンダ又は導電性接着剤によって接続されて、圧電素子に駆動電圧を印加する電極ピンを有する振動型方式の駆動装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２０７００４号公報

しかしながら、特許文献１では圧電素子とインダクターとの間の距離があるため、圧電素子とインダクターとの間の寄生抵抗が大きくなり消費電流を低減することが困難である。

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。

［適用例１］本適用例に係る圧電アクチュエーターは、基板と、前記基板に設けられている圧電素子と、前記基板に設けられ、前記圧電素子と導電可能に接続されているインダクターと、を有することを特徴とする。

本適用例によれば、圧電素子とインダクターとが同じ基板に設けることができる。これにより、圧電素子とインダクターとの配線距離が短くなるので寄生抵抗を小さくできる。その結果、圧電アクチュエーターの消費電力を減少できる。

［適用例２］上記適用例に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記インダクターは、前記基板の前記圧電素子が設けられている面と、前記基板の前記圧電素子が設けられていない面と、のうち少なくともどちらか一方の面に設けられていることが好ましい。

インダクターに電流を流すと周りに磁場が発生する。生じる磁束は外部に放射され、その分がエネルギーのロスになる。インダクター同士を非常に近傍にするとこの外部に放射された磁束が互いに干渉しあい、所望の特性が得られなくなる。このように、インダクターは外部から放射された磁束に特性が左右され、また近傍の部品に影響を与える可能性がある。

本適用例によれば、インダクター同士の干渉を減らすことができる。

［適用例３］上記適用例に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記基板は、シリコンであって、かつ前記圧電素子との間に絶縁膜を有することが好ましい。

本適用例によれば、圧電素子はシリコン基板に圧電セラミックスが膜状に形成されたものである。そのため、圧電素子に印加する電圧を低下させることができる。また、圧電素子を容易に形成することができる。例えば、１μｍから数μｍの薄膜を形成する場合にはスパッタリング法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法を、１０μｍから数十μｍの厚膜を形成する場合にはスクリーン印刷法を用いることができる。

［適用例４］上記適用例に記載の圧電アクチュエーターにおいて、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、前記インダクターは、前記支持部に設けられていることが好ましい。

本適用例によれば、支持部に実装することで圧電アクチュエーターの駆動への影響を減らすことができる。

［適用例５］上記適用例に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記振動部と前記支持部とに設けられている配線層を有し、前記配線層は、前記圧電素子と前記インダクターとを導電可能に接続していることが好ましい。

本適用例によれば、直接実装することで配線抵抗を最小にできる。

［適用例６］本適用例に係る積層アクチュエーターは、上記のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーターが積層されていることを特徴とする。

本適用例によれば、積層アクチュエーターの駆動力を大きくできる。

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又は積層アクチュエーターを備える圧電モーター、圧電アクチュエ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。

本実施形態の振動ユニットを模式的に示す平面図。 本実施形態の振動ユニットの振動板を模式的に示す平面図。 本実施形態の振動ユニットを模式的に示す図１のIII−III線断面図。 本実施形態の振動ユニットを模式的に示す図１のIV−IV線断面図。 本実施形態の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。 本実施形態の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。 本実施例の電力損失を示す説明図。 本実施形態の圧電駆動装置の断面の模式図。 本実施形態の圧電駆動装置の断面の模式図。 本実施例のインダクターの配置位置を示す説明図。 本実施形態の圧電駆動装置を用いたモーターを模式的に示す図。 本実施形態の圧電駆動装置を利用したロボットを説明するための図。 本実施形態のロボットの手首部分を説明するための図。 本実施形態の圧電駆動装置を利用した送液ポンプの一例を示す説明するための図。

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。

（圧電駆動装置）
本実施形態の圧電駆動装置（積層アクチュエーター）は、複数の振動ユニット（圧電アクチュエーター）を含む。そして、圧電駆動装置は、振動ユニットが重なるように配置されて構成されている。以下、振動ユニットについて説明した後、振動ユニットの厚さ及び配置等について説明する。

（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、本実施形態の振動ユニット１００を模式的に示す平面図である。図２は、本実施形態の振動ユニット１００の振動板（基板）１０を模式的に示す平面図である。
本実施形態の振動ユニット１００は、図１に示すように、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。

（振動板）
振動板１０は、図２に示すように、支持部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、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。振動板１０と圧電素子との間には絶縁膜が設けられている。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、振動板１０は、支持部１２を有している。支持部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は複数の振動ユニット１００を含むが、支持部１２は、各々の振動ユニット１００の振動板１０に設けられる。支持部１２は、振動ユニット１００と他の振動ユニット１００を重ねて固定するために利用することもできる。

図示の例では、支持部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。支持部１２の設けられる位置や数は特に限定されない。支持部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、各支持部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、支持部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したり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の支持部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の支持部１２に対応する部分（以下、振動ユニット１００において支持部１２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の支持部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１参照）。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、支持部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、支持部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、ローター等に押し付けられるため、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つの支持部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。これによれば、圧電素子はシリコン基板に圧電セラミックスが膜状に形成されたものである。そのため、圧電素子に印加する電圧を低下させることができる。また、圧電素子を容易に形成することができる。例えば、１μｍから数μｍの薄膜を形成する場合にはスパッタリング法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法を、１０μｍから数十μｍの厚膜を形成する場合にはスクリーン印刷法を用いることができる。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や支持部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の支持部１２に相当する部分（支持部１２）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１４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。

（第１電極）
図３は、本実施形態の振動ユニット１００を模式的に示す図１のIII−III線断面図である。図４は、本実施形態の振動ユニット１００を模式的に示す図１のIV−IV線断面図である。
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１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１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１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４６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などの各種の金属、それらの導電性酸化物（例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。

（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１、図３、及び図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１、図３、及び図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（例えば、Ａは、Ｐｂを含み、Ｂは、Ｚｒ及び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及び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。

（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。

（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。

（第３電極）
振動ユニット１００は、支持部１２に第３電極４２を有している。第３電極４２は、振動板１０の支持部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、支持部１２の全面に形成されてもよいし、支持部１２の一部に形成されてもよい。図１に示す例では、第３電極４２は、振動板１０の支持部１２の上方に形成されている。また、図１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の支持部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、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。

（第２圧電体層）
振動ユニット１００は、支持部１２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の支持部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１、図４に示すように、振動板１０の支持部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１、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の厚さ及び材質は、第１圧電体層３４と同様である。

（第４電極）
振動ユニット１００は、支持部１２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、支持部１２の全面に形成されてもよい。第４電極４６の支持部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ている。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。

（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は振動部１４と支持部１２とに設けられている。配線層５０は、圧電素子とインダクター５４（後述）とを電気的に接続（導電可能に接続）している。

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。

（インダクター）
図５及び図６は、それぞれ実施形態の振動ユニット１０１及び振動ユニット１０２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５及び図６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５及び図６の振動ユニット１０１及び振動ユニット１０２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５及び図６では説明の便利のために省略されている。

本実施形態のインダクター５４は圧電素子と同一基板に配置されている。振動板１０にはインダクター５４が配置されている。圧電素子とインダクター５４とは配線層５０を介して電気的に繋がっている（導電可能に接続されている）。これによれば、インダクター５４を圧電素子と同一基板に実装することで圧電素子とインダクター５４との間の配線抵抗を最小にできる。

インダクター５４は、振動板１０の振動部１４と、振動板１０の支持部１２と、のうち少なくともどちらか一方に設けられている。インダクター５４は振動板１０の振動部１４に設けられていてもよい。インダクター５４は、振動板１０の支持部１２に設けられていてもよい。これによれば、支持部１２に実装することで振動ユニットの駆動への影響を減らすことができる。

インダクター５４は、振動板１０の圧電素子が設けられている面に設けられていてもよい。インダクター５４は、振動板１０の圧電素子が設けられていない面に設けられていてもよい。インダクター５４は、振動板１０の側面に設けられていてもよい。これによれば、インダクター５４同士の干渉を減らすことができる。

図５に示す振動ユニット１０１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５の例では、インダクター５４は、チップインダクター（チップコイル）である。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５に示す振動ユニット１０１では、インダクター５４は、３つ形成され、いずれも振動部１４に形成されている。しかし、図６に示す振動ユニット１０２のように、支持部１２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１４及び支持部１２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。この場合にもインダクター５４は、支持部１２及び振動部１４のいずれに形成されてもよい。

インダクター５４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５４を構成してもよい。インダクター５４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。

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。

さらに、図５及び図６に示す各振動ユニットは、振動部１４、支持部１２、及び接続部１６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。

（実施例１）
図７は、本実施例の電力損失を示す説明図である。
本実施例では、圧電素子に流れる電流をＩ、圧電素子（からインダクター５４）までの経路抵抗をＲ１、圧電素子の内抵抗をＲ２、とする。各抵抗による電力損失をＷとすると、
Ｗ＝Ｉ²×（Ｒ１＋Ｒ２）＝Ｉ²×Ｒ１＋Ｉ²×Ｒ２となる。
上式から振動板１０上にインダクター５４を置いた場合、経路抵抗Ｒ１をほぼゼロとみなせるので電力損失はＩ²×Ｒ２のみとなる。
例えば、電流Ｉを１Ａ、経路抵抗Ｒ１を２Ω、内抵抗Ｒ２を１Ωとすると、経路抵抗Ｒ１がある場合の電力損失は、図７の「従来」に示すように３Ｗになるが、振動板１０上にインダクター５４を置いた場合の電力損失は、図７の「実施例」に示すように１Ｗに減少させることができる。

（絶縁層）
絶縁層６０は、図３及び図４に示すように、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。

図１、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〜図４の例では、振動板１０の片側の主面に圧電素子やインダク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。

本実施形態によれば、圧電素子とインダクター５４とが同じ振動板１０に設けることができる。これにより、圧電素子とインダクター５４との配線距離が短くなるので寄生抵抗を小さくできる。その結果、振動ユニット１００の消費電力を減少できる。

（圧電駆動装置）
図８、図９は、本実施形態の圧電駆動装置（積層アクチュエーター）１０００の断面の模式図である。図８、図９は、それぞれ図３、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８、図９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。これによれば、圧電駆動装置１０００の駆動力を大きくできる。

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の支持部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の支持部１２が接着されれば十分であるが、振動ユニット１００の振動部１４が接着されてもよい。また、振動ユニット１００の接続部１６が接着されてもよいが、この場合には振動部１４の振動を阻害しないようにすることが好ましい。

図１０は、本実施例のインダクターの配置位置を示す説明図である。
インダクター５４は、図１０の矢印Ａに示すように、振動板１０の支持部１２に設けられていてもよい。インダクター５４は、図１０の矢印Ｂに示すように、振動板１０の側面に設けられていてもよい。

（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。

（モーター）
図１１は、本実施形態の圧電駆動装置１０００を用いたモーター（圧電モーター）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１１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１１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の支持部１２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１１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、消費電力を減少できる。

（ロボット）
図１２は、本実施形態の圧電駆動装置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（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１３は、図１２に示した本実施形態のロボット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、消費電力を減少できる。

（送液ポンプ）
図１４は、本実施形態の圧電駆動装置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２２１３〜２２１９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２２１３〜２２１９が順番に放射方向外側に押される。フィンガー２２１３〜２２１９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、消費電力を減少できる。

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。

（その他の変形例）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、圧電素子は、上述したような薄膜ではなく、バルクとしてもよい。バルクで形成する場合は、出発原料として、炭酸塩又は酸化物を使用する。例えば、Ｋ₂ＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃、及びＮｂ₂Ｏ₅などである。これらの出発原料を、化学量論比と一致するように秤取して、ボールミルを用いてエタノール中で湿式混合する。得られた混合物を乾燥した後、７００℃で３ｈ仮焼する。これら仮焼粉にバインダとしてＰＶＡを適量加えて乳鉢を用いて粉砕混合し、１５０メッシュのふるいを通して粒度調整を行い、得られた粉体を一軸プレス装置で円板状のペレットに成形する。次に、成型したペレットと仮焼粉の残りをるつぼに入れ１１００℃で３ｈ焼成し、円板状の酸化物を得る。次いで、得られた円板状酸化物の両面を研磨して表面を整え、これに銀ペーストを塗布焼付けして銀電極を具備する圧電体を得ることができる。なお、このようなバルクの製造においては、出発原料として、炭酸バリウム、酸化チタン、酸化ビスマス、酸化スズ、酸化鉄、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、炭酸リチウムなどを挙げることができる。

また、上述した実施形態の圧電ユニットでは、インダクターを圧電駆動装置に一体的に設けてが、キャパシターも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。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組合せを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

２…ローター １０…振動板（基板） １１…孔 １２…支持部 １４…振動部 １６…接続部 １８…突起部 ２２…ネジ ３２…第１電極（圧電素子） ３４…第１圧電体層（圧電素子） ３６…第２電極（圧電素子） 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…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…振動ユニット（圧電アクチュエーター） １０００…圧電駆動装置（積層アクチュエーター） １００１…モーター（圧電モーター） ２０００…ロボットハンド（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 Ｒ…中心軸。

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板に設けられている圧電素子と、
   前記基板に設けられ、前記圧電素子と導電可能に接続されているインダクターと、
   を有することを特徴とする圧電アクチュエーター。
2. 前記インダクターは、前記基板の前記圧電素子が設けられている面と、前記基板の前記圧電素子が設けられていない面と、のうち少なくともどちらか一方の面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエーター。
3. 前記基板は、シリコンであって、かつ前記圧電素子との間に絶縁膜を有することを特徴とする請求項１又は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、
   前記インダクターは、前記支持部に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーター。
5. 前記振動部と前記支持部とに設けられている配線層を有し、
   前記配線層は、前記圧電素子と前記インダクターとを導電可能に接続していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーター。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーターが積層されていることを特徴とする積層アクチュエーター。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーター、又は、請求項６に記載の積層アクチュエーターを備えることを特徴とする圧電モーター。
8. 請求項７に記載の圧電アクチュエーターを備えることを特徴とするロボット。
9. 請求項７に記載の圧電アクチュエーターを備えることを特徴とするハンド。
10. 請求項７に記載の圧電アクチュエーターを備えることを特徴とする送液ポンプ。

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