JP3736656B2

JP3736656B2 - 弾性表面波アクチュエータ

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Publication number: JP3736656B2
Application number: JP10501797A
Authority: JP
Inventors: 俊郎樋口; 実黒澤; 治篠浦
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1997-04-22
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2017-04-22
Also published as: JPH10296186A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、弾性表面波アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体の表面に発生するレイリー波は表面波であり、その表面の１点は楕円運動を行うため、上に載せられた物体を移動することが可能である。同様の進行波を用いた超音波モータは既に実用化されているが、駆動周波数は数kHzであり、トルクは大きいが移動速度は小さかった。
【０００３】
特公平1-17353号には、超音波振動子の弾性体表面に楕円振動を形成する進行波を生じさせて動体を摩擦駆動するモータ装置が開示されている。特にループ状弾性体に圧電体を設け、弾性体のコーナー部には表面波が伝搬できるように曲面形状に加工されている。
【０００４】
しかし、一方で、日経エレクトロニクス１９８３年２月２８日号、４４ページに、特公平1-17353号に開示されたものと同様のモータ装置が紹介され、超音波振動子の現実的な振動周波数である３０kHzから計算すると、波長が１０cmと長く、弾性体と動体の接触点が１０cmに１点となってしまうことから、このような表面波モータは実現できないこととされ、表面波ではなく、曲げ振動を用いた超音波モータを考案することにより製品化がなされた旨記載されている。
【０００５】
このように、表面波を用いたモータの実現には多くの困難が伴い、現実に駆動するには問題があった。
【０００６】
一方、超音波振動子に代えて、弾性表面波素子を用いた弾性表面波アクチュエータの研究開発が進められてきた。例えば、本発明者らは、ニオブ酸リチウム基板上に弾性表面波を発生させ、ルビーボールや磁石で荷重をかけたスチールボールを高速で移動できることを見いだし、これを、弾性表面波モータとして、信学技報ＵＳ−９４−７４（１９９４ー１２）３１ページに発表している。
【０００７】
また、特開平7ー231685号公報には、４個の櫛型電極をＸＹ平面に対向配置し、これらの４個の櫛型電極を選択的に励振して、移動子をＸＹ平面上で２次元的に駆動する構成の弾性表面波モータが開示されている。しかし、これらの公知文献にはエネルギー効率の改善手段については、開示がない。
【０００８】
本発明者等は、更に、現実に駆動可能な弾性表面波アクチュエータを提案している。この弾性表面波アクチュエータは、圧電体基板上に櫛形電極を設け、この櫛形電極に高周波電圧を印加することにより弾性表面波を発生させ、移動子を駆動するものであった。しかし発生したある１つの波について見れば、移動子を駆動するのは１回だけであった。すなわち櫛形電極に電圧を印加することにより発生した１つの波は一方向に進み、その進行路の上にある移動子を１回だけ駆動する。そして、波は移動子を通り過ぎて更に進行するが基板端面に到達すると、反射され散乱され、今までとは反対方向に進んでいく。この反射波はアクチュエータとしては好ましくない成分のため、ダンピング物質、例えばシリコングリス等を基板端面に形成し吸収する手法が用いられていた。このため入力したエネルギーに対して実際に移動子を動かすのに使用されるエネルギーは極めて僅かでしかなかった。殆どの入力したエネルギーは、ダンピング物質に吸収され熱エネルギーとして浪費されていた。
【０００９】
特公平1-17353号にも、発明者らが公表した弾性表面波アクチュエータと同様の技術が開示されている。しかし、この公知文献に記載された弾性表面波アクチュエータの場合も、弾性表面波は波の進行に伴い広がっていく。そして進行方向直角にある壁に到達する。すると反射され最初と反対方向に進む。このような反射波により振動全体が大きく乱れてしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、エネルギー効率に優れた弾性表面波アクチュエータを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明に係る弾性表面波アクチュエータは、導波路と、弾性表面波発生部とを含む。前記導波路は、弾性表面波に対し、画定された周回路を構成するように備えられている。前記導波路は、弾性表面波のための画定された周回路を構成するように備えられ、前記弾性表面波の波長をλとしたとき、幅Ｗ０が２λ＜Ｗ０＜１００λを満たしている。前記弾性表面波発生部は、前記周回路中に配置され一方向に弾性表面波を発生させる。
【００１２】
本発明に係る弾性表面波アクチュエータにおいて、導波路は弾性表面波に対する周回路を構成しており、弾性表面波発生部は周回路中に配置され一方向に弾性表面波を発生させるから、弾性表面波発生部で発生した弾性表面波は導波路内を進行し、再び、弾性表面波発生部へと戻ってくる。そして更に導波路内を進む。即ち、弾性表面波発生部で発生した弾性表面波は、周回路（ループ）となっている導波路内を周回することになるから、反射波を生じることがない。しかも、弾性表面波を伝播させるために選択され、かつ、画定された導波路内を周回するので、散乱等を生じることがない。このため、従来の弾性表面波アクチュエータに比べて、はるかに高いエネルギー効率を得ることができる。
【００１３】
前記導波路は、前記弾性表面波の波長をλとしたとき、幅Ｗ０が２λ＜Ｗ０＜１００λを満たすように設定する。導波路１の幅Ｗ０が２λよりも小さくなると、弾性表面波の損失が大きくなる。導波路１の幅Ｗ０が１００λよりも大きくなると、反射波の影響が大きく、またアクチュエータが大型化してしまう。
【００１４】
本発明に係る弾性表面波アクチュエータは、各種の精密位置決め機構を必要とする精密機械、または、磁気ディスクもしくは光ディスク等の高密度記録媒体に情報を書き込み、読み出しを行うヘッドのトラック方向位置決め装置等に用いることができる。この場合、１つの弾性表面波により、その進行路の上にある移動子を１周回毎に１回駆動する。この動作を、駆動周波数に応じて繰り返すことにより、移動子を弾性表面波の進行方向に移動させることができる。この構成によれば、実際に弾性表面波の周回、及び、移動子の駆動が可能であり、高トルクで、高速移動の可能な位置決め精度の優れた位置決め機構を実現することができる。
【００１５】
弾性表面波は信号用途に広く使用されており、弾性波素子技術ハンドブック（学振１５０委員会編、オーム社、１９９１年）２４０ページには、固定ディレイラインとして周回型素子が紹介されており、波面の広がりを防止するためにはガイドを併用する旨の記載がある。しかし、あくまで信号用途であって、アクチュエータを開示するものではなく、アクチュエータとして固有の問題点、及び、その解決手段については何も示唆する記載がない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による弾性表面波アクチュエータの平面図、図２は図１に示した弾性表面波アクチュエータの正面図、図３は図１に示した弾性表面波アクチュエータの底面図、図４は図１の４ー４線に沿った断面図をそれぞれ示している。図示するように、本発明に係る弾性表面波アクチュエータは、導波路１と、弾性表面波発生部２と、支持基体３とを含む。導波路１は、金属リボン型導波路であって、弾性表面波に対する画定された周回路を構成する。弾性表面波発生部２は、周回路中に配置され、矢印ａ方向に進行する弾性表面波を発生させる。支持基体３は、導波路１及び弾性表面波発生部２を支持している。
【００１７】
図示された弾性表面波アクチュエータにおいて、導波路１は、支持基体３によって支持され、支持基体３の表面、一側面、裏面及び他側面を順次に通過する３次元的周回路を構成する。弾性表面波発生部２は、支持基体３の裏面に配置されている。
【００１８】
上述した弾性表面波アクチュエータにおいて、導波路１は弾性表面波に対する周回路を構成しており、弾性表面波発生部２は周回路中に配置され、矢印ａで示す一方向に進行する弾性表面波を発生するから、弾性表面波発生部２で発生した弾性表面波は、導波路１内を、矢印ａで示す方向に進行し、再び、弾性表面波発生部２へと戻ってくる。そして更に導波路１内を進む。上述のように、弾性表面波発生部２で発生した弾性表面波は、周回路となっている導波路１内を周回することになるから、反射波を生じることがない。しかも、弾性表面波を伝播させるために選択され、かつ、画定された導波路１内を周回するので、散乱等を生じることがない。このため、従来の弾性表面波アクチュエータに比べてはるかに高いエネルギー効率を得ることができる。
【００１９】
導波路１の幅Ｗ０は、弾性表面波の波長λに関して、２λ＜Ｗ０＜１００λとなることが重要である。導波路１の幅Ｗ０が２λよりも小さくなると、弾性表面波の損失が大きくなる。導波路１の幅Ｗ０が１００λよりも大きくなると、反射波の影響が大きく、またアクチュエータが大型化してしまう。
【００２０】
支持基体３は、端面において弾性表面波が反射されるのを回避するため、端面を曲面化する。この曲面化加工は通常公知の各種の機械加工により形成可能である。弾性表面波の波長をλとした時に曲率半径ｒ（図４参照）がｒ≧ｎλ（ｎは整数）となるように加工することにより、反射が防止される。また周回するループ長をＬとするとＬ＝ｎλ（ｎは整数）と設定することにより、より一層、効率を高めることが可能である。
【００２１】
従来の超音波モータでは波長λが長かったために、曲率半径ｒが非常に大きくなり、現実的な大きさで、このような周回型アクチュエータを実現することが不可能であった。櫛形電極により発生する弾性表面波モータは、従来の超音波モータと類似しているが、周波数の非常に高い弾性表面波を用いる。これにより、従来、不可能視されていた高効率周回型弾性表面波モータの実現を可能にしたのもであり、その技術的価値はきわめて大きい。
【００２２】
本発明に係る弾性表面波アクチュエータは、導波路を進行する弾性表面波によって、移動子を弾性表面波の進行方向に駆動するアクチュエータとして用いることができる。さらに、例えば外部に設けられた支点を中心に、弧を描く運動に変換することも容易である。この場合には移動子は同一直線上を駆動されない。また、同一面内周回型導波路を用いて、移動子に円周運動をさせるすることも可能である。ここで、移動子は、複数の点接触に近い状態で、弾性表面波駆動面と接触していることが望ましい。
【００２３】
図５は図１〜図４に示した弾性表面波アクチュエータを、各種精密位置決め装置等に用いた場合の動作を説明する図である。弾性表面波発生部２によって発生された１つの弾性表面波により、その進行路の上にある移動子４を１周回毎に１回駆動する。この動作を、駆動周波数に応じて繰り返すことにより、移動子４を弾性表面波の進行方向ａと逆向きｂに移動させることができる。この構成によれば、高トルクで、高速移動の可能な、位置決め精度の優れた位置決め機構を実現することができる。
【００２４】
弾性表面波発生部２は、１MHz〜数十MHzの周波数で駆動することが好ましい。１MHzよりも低い駆動周波数では移動速度が遅く、数十MHzを越える駆動周波数では、機械的な移動追従が困難で、摩擦が大きく、信頼性が低下する。
【００２５】
次に、各部の具体的構成について述べる。まず、弾性表面波発生部２は、櫛型電極を有する構造のものが一般的に採用される。この場合、弾性表面波発生部２は、偶数個ｎの櫛型電極Ａ、Ｂによって構成することが望ましい。そして、偶数個の櫛型電極Ａ、Ｂにより、位相を空間的、時間的に９０度ずらせしたレイリー波をそれぞれ発生させ、それらを合成することにより、一方向の進行波を発生させる。例えば、２個の櫛型電極Ａ、Ｂを用いた場合について説明すると、櫛型電極Ａ、Ｂのそれぞれに対し、時間的に９０度の位相差を持つ駆動電圧を加えた時、その振動はそれぞれ以下の式で示される。
ｙＡ＝ａ・ｓｉｎ（ｋｘ）ｓｉｎ（ｗｔ）
ｙＢ＝ａ・ｃｏｓ（ｋｘ）ｃｏｓ（ｗｔ）
なお、２つの櫛形電極間の空間的距離を５／４λ（つまり櫛形電極Ｂがπ／２だけ進んでいる）としてある。上記２つの式を足し合わせると
ｙ＝ｙＡ＋ｙＢ＝ａ・ｓｉｎ（ｋｘーｗｔ）
となり、一方向の進行波が得られる。また時間的なずらし方を調整することで、櫛形電極に対して左右どちらの方向にも、一方向の進行波を出すことが可能である。
【００２６】
図６は２つの櫛型電極Ａ、Ｂを用いた弾性表面波発生部２の例を示す。図６に示すように、櫛形電極Ａ、Ｂは外部との接続端子となるパッド部２１と交差櫛形電極部２２から構成されている。この櫛形電極Ａ、Ｂは、圧電体２０の上に形成されており、圧電体２０は支持基体３に対し、密着して搭載されている（図４参照）。この櫛型電極Ａのうち最もＢに近い一本の電極と、櫛型電極Ｂのうち最もＡに近い一本の電極との間隔は、弾性表面波の波長λに関して５／４λである。
【００２７】
図７は図６に示した２つの櫛型電極Ａ、Ｂを用いた弾性表面波発生部を駆動する場合の回路構成を示す図であり、高周波電源５より、パッド部２１に電圧を印加することにより、圧電体２０上に弾性表面波を発生させる。弾性表面波が伝搬される部分には導波路１が設けられ、櫛形電極Ａ、Ｂで発生した弾性表面波は導波路１内を進行し、再び最初に発生した櫛形電極Ａ、Ｂへと戻ってくる。そして更に導波路１内を進む。すなわちループとなっている導波路１内を周回する。
【００２８】
移動子４（図５参照）の移動速度は、高周波電源５から櫛形電極Ａ、Ｂに印加される電圧を変えることにより、制御することが可能である。これは印加電圧により、弾性波の振幅が変化する為である。高周波電源５を連続的に供給するのではなく、間欠的に供給し、そのオンとオフの時間を変化することが好ましい。すなわち１つの波が周回するために連続して新たな波を発生する必要がない。周回を重ねるにつれ次第に減衰する分を補うだけの波を新規に発生させる。なおこの減衰損失は０．０２〜０．０６ｄＢ／λ程度である。さらに、弾性表面波アクチュエータに対する移動子４の接触圧力を調整することにより、移動速度を制御することも可能である。
【００２９】
図７に示された弾性表面波発生部において、圧電体２０としては、従来より、ＳＡＷフィルター用材料として知られているLiNbO₃（以下ＬＮ）、LiTaO₃、Bi₁₂GeO₂₀、Bi₁₂SiO₂₀、PZT、ZnO、CdS、Li₂GeO₃、水晶等の単結晶材料を用いることが可能である。さらにZnO、CdS等の圧電薄膜やPbTiO₃-PbZrO₃-In(LiW)O₃系等の圧電焼結セラミックも使用可能である。
【００３０】
支持基体３の全体をバルクの圧電体で形成する、すなわち弾性表面波発生部２、導波路部１分を含む全てを圧電体によって構成することも可能であるが、一般に上記の材料は加工性に乏しいことから、端面を曲面化加工する場合には困難が伴う。このような場合には、櫛型電極部分のみを、圧電体２０とし、その他の部分を、高硬度材料、例えばアルミナ等の基板によって構成し、圧電体２０を支持基体３に対して一体化する。前述した実施例はこのような構成例を示し、圧電体２０と支持基体３とを一体化してある。一体化とは櫛型電極部分で発生した弾性表面波が圧電体２０から支持基体３に伝搬する際に、反射等による損失を最小限にした状態を指す。
【００３１】
具体的には、圧電体２０の表面位置と、支持基体３の表面位置とを一致させると共に、両者２０ー３間の隙間を最小限にする。好ましくは、支持基体３の一部に凹部を設け、凹部内に圧電体２０を埋め込む。圧電体２０と支持基体３との接合には、樹脂接着剤、たとえば熱硬化性エポキシ樹脂等も使用可能であるが、より好ましくは、陽極接合や常温接合等を用いる。陽極接合や常温接合等を用いる場合、圧電体２０及び支持基体３の少なくとも一方の接合面に、金属薄膜を形成し、この金属膜を利用して接合することも可能である。
【００３２】
櫛型電極材料として薄膜金属を用いる場合には、アルミニウム、アルミニウム銅合金、クロム金合金、チタン金合金等が利用できる。この金属薄膜のパターンニングは、フォトリソグラフィ手法によりレジストマスクを形成した後、不要部分をエッチングすることで容易に実行できる。エッチングはウェット、ドライの各種手法が使用可能である。たとえばアルミニウム電極の場合、ウエット法によるエッチャントとしては、リン酸、硝酸、酢酸系のものが、エッチ面を滑らかにできるという理由で好ましい。またドライミリングでは、アルゴンによるイオンビームミリングやプラズマエッチングが使用される。但し、支持基体３に導波路２となるカーボン膜を形成した場合には、エッチングにより該カーボン膜がミリングされないような手法、条件が選択される。その後、剥離液でレジストマスクを剥離することで所望の電極パターンが形成される。また、パラジウム等の導電体ペーストをスクリーン印刷手法を用いて所定の電極パターンとなるように印刷することによっても、形成することができる。
【００３３】
櫛形電極Ａ、Ｂは、従来から知られているＳＡＷフィルターの設計手法により容易に設計できる。例えばＬＮを基板とした１０MHzでの駆動では電極幅１００μm、ピッチ４００μmで電極交差幅が１２．５mmでは電極本数４０本程度が好ましい。すなわち交差幅が２５mmでは電極本数２０本となる。
【００３４】
次に、導波路１は、ＳＡＷフィルタ等で従来より知られている各種の薄膜導波路によって構成できる。具体的には、薄膜リボン型導波路、スロット導波路及びΔｖ／ｖ導波路等がある。さらには、トポグラフィック導波路として、リッジ型導波路及び溝型導波路が使用可能である。薄膜リボン型導波路としては、金薄膜が一般的であり、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ等が特に好ましい。またスロット型との組合せで、導波路部分の外部領域に、アルミナ、イットリア安定化ジルコニア等の高音速誘電体膜を設けることが可能である。さらに、高音速誘電体膜を形成することにより、トポグラフィック導波路としての機能も発揮される。またエキシマレーザーやバイトによる機械加工によるトポグラフィック導波路も好ましい形態の１つである。トポグラフィック導波路の例を図８及び図９に示す。
【００３５】
図８において、導波路１は支持基体３の表面に、互いに間隔Ｗ０を隔てて併設された矩形またはＶ状等の任意の形状を持つ溝３１、３２によって画定されている。導波路１は支持基体３の表面に前述した薄膜を付着させることによって形成されている。図９において、支持基体３の表面に突条３３を設け、突条３３を導波路１として用いている。突条３３の表面に薄膜を形成できることは前述した通りである。
【００３６】
さらに、耐久性改善のために、弾性表面波伝搬面および／または移動子接触面に、従来公知の摺動特性改善薄膜材料、例えば硬度の高いダイヤモンドや、特開平2ー15169号に記載されている様なダイヤモンド．ライク．カーボン膜を用いることがえきる。さらに、移動子４と弾性波伝搬面（固定子）との間の摺動性改善のために、ディプコート法等によりフッ素系潤滑剤を塗布する等、液体潤滑剤を使用することも可能である。但し、弾性波の伝達を阻止しないことが重要である。さらに、高硬度基板及び薄膜上に、さらに、１００Å程度の低硬度膜、例えばアルミニウム、インジウム等を形成することにより、より一層の摺動特性改善が可能である。
【００３７】
移動子４を駆動する場所およびその近傍の導波路１の幅Ｗ２をそれ以外の部分の導波路１の幅Ｗ１に比べて狭くすることが好ましい。図１０にその例を示す。図１０において、移動子４は導波路１のＰ１ーＰ２間を往復で移動する。櫛形電極Ａ、Ｂにおいて発生した弾性表面波は、円弧形状の導波路部分Ｐ０を経由して、Ｐ１ーＰ２間に至り、さらに導波路部分Ｐ３を通り周回する。導波路部分Ｐ１ーＰ２間は直線状であり移動子４は直線駆動される。また導波路部分Ｐ１ーＰ２間およびその近傍の導波路１の幅Ｗ２は、それ以外の部分の導波路１の幅Ｗ１に比べて狭い。このため導波路部分Ｐ１ーＰ２間においては、弾性表面波の振幅が他の部分に比べて高くなり、移動子４の駆動特性が向上する。
【００３８】
移動子４を駆動する場所及びその近傍の導波路１の幅Ｗ２を、それ以外の部分の導波路１の幅Ｗ１に比べて狭くする場合、特に好ましくはＷ１＊０．２＜Ｗ２＜Ｗ１である。前記範囲以下では導波路１の絞り込みによる弾性表面波の減衰が大きい。導波路１の幅が変化する部分で、幅を、幅Ｗ１から幅Ｗ２に徐々に狭くしていくことにより、絞り込みによる弾性表面波の減衰を最小限にできる。これにより、移動子４を駆動する部分において、弾性表面波の振幅が他の部分に比べて大きくなり、駆動特性が向上する。この場合において導波路１の幅の範囲は、広い幅Ｗ１が２λ＜Ｗ１を満たし、狭い幅Ｗ２がＷ２＜１００λを満たす必要がある。
【００３９】
なお本発明においては、櫛形電極を１つの導波路１中に４個以上の偶数個形成し同期させながら駆動することも可能である。
【００４０】
図１１は本発明に係る弾性表面波アクチュエータの別の実施例を示している。この実施例では、支持基体３の片面上に、円弧状の導波路１００、１１０が対向して形成されており、導波路１００、１１０の間に、２つの弾性表面波発生部２１０、２２０が配置されている。弾性表面波発生部２１０において発生した弾性表面波は、導波路１００内を矢印ａ１の方向に進行し、弾性表面波発生部２２０において発生した弾性表面波は、導波路１１０内を矢印ａ２の方向に進行し、弾性表面波は、全体として、導波路１００、１１０内を周回する。弾性表面波発生部２１０、２２０は、櫛型電極（Ａ１、Ｂ１）、（Ａ２、Ｂ２）が弾性表面波の進行方向ａ１、ａ２と直交するように配置する。この実施例の場合には、導波路１の最内周部と最外周部の長さが異なることから、より大きな直径の導波路１００、１１０が好ましい。
【００４１】
この場合、導波路１００、１１０の最内周部と外周部における音速を変化させることができる。具体的には、誘電率が異なるいわゆる特性傾斜膜とすることにより、損失低減が可能である。例えば最外周部と最内周部の長さが３％異なる場合には音速を同様に３％変化する組成とすることになる。なお、導波路長Ｌが最内周部と最外周部で波長に対して実質的に異なる場合には導波路の中央部のＬがＬ＝ｎλを満たすように設計される。この場合には基板端面を曲面化する加工が不要であり、通常の薄膜プロセスのみで製作することが可能となる。また産業上利用価値の高い回転運動が容易に得られる。
【００４２】
図１２は図１１に示した弾性表面波アクチュエータを用いた回転装置を示す図、図１３は図１２に示した回転装置の斜視図である。弾性表面波アクチュエータ６は固定子として用いられ、移動子４は、軸Ｏ１の周りにおいて矢印ｂの方向に回転する回転子として用いられている。移動子４は、小さな振幅の弾性表面波で駆動することから、点接触に近い接触状態を実現する点状突起４１を、弾性表面波アクチュエータ６と接触する部分に点在させることが望ましい。上記の点状突起４１は、ルビー、セラミック、鉄等の硬度の高い材料からなる球体によって構成することが好ましい。
【００４３】
図１４は移動子４の他の実施例を示す平面図、図１５は図１４に示した移動子の底面図である。この実施例では、移動子４の弾性表面波アクチュエータ６と対向する面に、上述した高硬度材料で構成された複数個ｋの球体４１が、集合体として付着されている。このような構造によれば、より大きなトルクを発生することが可能である。即ち、ｋ個の接触点があれば、ｋ倍のトルクが発生する。例えば１０００個の０．１mmφの球体を用いることが可能である。また全ての球体４１が弾性表面波アクチュエータ６の導波路に接触していない場合でも、複数個の球体が接触していれば、移動子４を移動させることができる。
【００４４】
図１６は移動子の他の実施例を示す平面図、図１７は図１６に示した移動子の底面図である。この実施例は、球体と同様の点接触を実現する好ましい手段を開示している。図において、移動子４は、シリコンにより形成された針状の突起４２を有する。このような針状突起４２は、シリコン基板に、フォトリソグラフィ手法により、保護マスクを形成した後、エッチング処理を行うことで得ることができる。
【００４５】
本発明において、針状の突起とは、前述のように点接触に近い接触条件を実現するための手段である。より具体的には、針状突起の頭頂部の面積が１０００μm²以下、特に好ましくは１００μm²以下であれば、概ね良好な駆動が可能となる。前記範囲以上では接触面積が大きく、点接触に近いとは言えず、駆動特性が劣化する。また、突起が設けられている面の全面積の１／１００以下、特に好ましくは１／１０００以下が突起頭頂部の総面積となることが好ましい。凸部の高さは１０００Å以上が好ましい。また、点状の凸部でなく、２次元的な帯状の凸部を有する面でも、弾性表面波進行方向に直角に帯状突起を配置することにより、良好な駆動特性を得ることが可能である。
【００４６】
本発明において、駆動面として圧電体以外の基板を用いる場合には、耐久性向上のために、硬度の高い基板を用いることが好ましい。例えばアルミナ、アルミチタンカーバード等が好ましい。ジュラルミン等の高硬度金属も使用可能である。
【００４７】
さらに耐久性改善のために弾性表面波伝搬面および、または移動子接触面には従来公知の摺動特性改善薄膜材料、例えば硬度の高いダイヤモンドや特開平2ー15169号に記載されている様なダイヤモンド様カーボン膜が用いられる。さらに移動子４と弾性波伝搬面（固定子）間の摺動性改善のためにフッ素系潤滑剤をディプコート法等により塗布する等の液体潤滑剤の使用も可能であるが、弾性波の伝達を阻止しないことが重要である。さらに公知のように高硬度基板、薄膜上にさらに１００Å程度の低硬度膜、例えばアルミニウム、インジウム等を形成することにより、より一層の摺動特性改善が可能である。
【００４８】
次に、実施例および比較例をあげて説明する。
＜アクチュエータＡ：実施例１＞
（弾性表面波発生部）
３インチ径、厚さ１mmのＬＮ基板を用い、この上に蒸着法により、１８００オングストロームの膜厚となるように、アルミニウム膜をＬＮ基板の全面に成膜した。その後、成膜されたアルミニウム膜の上にヘキスト社ポジ型フォトレジスト（ＡＺタイプ）を用いてレジストミリングカバーマスクを形成した。さらにイオンミリング装置により不要部分のアルミニウムを除去した後、レジスト剥離を行い所定の櫛形電極をＬＮ基板上に形成した。櫛型電極のパターンは電極幅１００μm、ピッチ４００μmで電極交差幅が８mmでは電極本数４０本とし、２つの櫛型電極間の距離は（５／４）波長とした。すなわち本アクチュエータは、波長４００μm、駆動周波数１０MHzの設計である。
【００４９】
（導波路）
表面波伝達方向の支持基体の端面に、ｒ＝２mmとなるような曲面加工を施した。そして更にフォトレジストで保護膜を形成した上で、エキシマレーザーを用い、幅２００μm、深さ２００μmの溝型導波路を３次元的に形成した。この溝は弾性波伝達方向に平行に形成した。導波路の幅Ｗは８mm（すなわち２０λ）、長さは５００波長とした。
得られた弾性表面波アクチュエータをアクチュエータＡとする。
【００５０】
＜アクチュエータＢ：比較例１＞
弾性表面波発生部の構成及び形成手段、並びに支持基体端部の曲面加工はアクチュエータＡと同様であるが、導波路を形成しないアクチュエータＢを作製した。導波路を除けば、アクチュエータＡと同じである。得られた弾性表面波アクチュエータをアクチュエータＢとする。
【００５１】
＜アクチュエータＣ：比較例２＞
弾性表面波発生部の構成及び形成手段、並びに、導波路の形成手段は、アクチュエータＡと同様であるが、導波路及び電極交差幅の幅Ｗ０を０．８mm（すなわち２λ）とした弾性表面波アクチュエータを作成した。これをアクチュエータＣとする。
【００５２】
＜アクチュエータＡ〜Ｃの駆動実験＞
アクチュエータＡ〜Ｃを用い、駆動周波数１０MHz、電圧１００Ｖ、電圧オンタイムを１ms一定とし、オフタイムを変化させながら、直径０．５mmのスチールボール１００個を接触面とした移動子を、櫛形電極と反対面の導波路上に配置して駆動した。
【００５３】
アクチュエータＡについては、オフタイムｔを１、３、５、１０msで駆動させた場合の０．１秒間の移動距離は、それぞれ３、１０、１７、３２mmであった。
【００５４】
アクチュエータＢについては、オフタイムｔを１、３、５、１０msで駆動させた場合の０．１秒間の移動距離は、それぞれ０．０１、０．０１、０．００、０．０１mmであった。アクチュエータＡの場合、導波路を施してあるのに対し、アクチュエータＢには、そのような導波路を施していないために、波が拡散し、エネルギー効率が低下し、それが移動距離の違いとして現れたものである。従って、導波路を施すことが必要である。
【００５５】
アクチュエータＣについては、オフタイムｔを１、３、５、１０msで駆動させた場合の０．１秒間の移動距離は、それぞれ０．００、０．０１、０．０２、０．０５mmに過ぎなかった。アクチュエータＡの場合、導波路の幅Ｗ０が、弾性表面波の波長λとしたとき、２λ＜Ｗ０＜１００λの範囲に入る２０λに選定されているのに対し、アクチュエータＣにおいては、導波路の幅Ｗ０が前記範囲外である２λに選定されているため、エネルギー効率が低下し、移動距離が短くなったものである。従って、導波路の幅Ｗ０を、弾性表面波の波長λとしたとき、２λ＜Ｗ０の範囲に入るように選定する必要がある。
【００５６】
＜アクチュエータＤ：実施例２＞
厚さ０．２mmのＬＮ単結晶基板に櫛形電極のみを形成した後に、ジュラルミン板に熱硬化性エポキシ接着剤で張り付けた構造の弾性表面波アクチュエータＤを試作した。ジュラルミン中での波長は０．３mmと変化するが、導波路長の長さは３０８波長と整数倍となるように調整した。導波路はＬＮ基板にはエキシマレーザーを用い、ジュラルミンの支持基体上には機械的バイト加工を用い、上記と同様の形状、寸法で形成した。
【００５７】
駆動実験において、オフタイムｔを１、３、５、１０msで駆動させた場合の０．１秒間の移動距離はそれぞれ０．２、１．０、１．２、３．５mmであった。接着剤部分による波の吸収の為にアクチュエータＡと比べると低い駆動能力となったが、実際に駆動するが確認された。
【００５８】
＜アクチュエータＥ：比較例３＞
弾性表面波発生部の構成及び形成手段、並びに、導波路の構成及び形成手段はアクチュエータＤと同様であるが、導波路の幅Ｗ０を３cm、すなわちＷ＝１００λとしたアクチュエータＥも製作し、アクチュエータＤと同様の手段によって駆動したが、駆動は確認されなかった。
【００５９】
＜アクチュエータＦ：実施例３＞
厚さ１mm、３インチ直径のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）基板上に中心径５７．３mm、幅５mmのドーナツ型導波路を有する弾性表面波アクチュエータＦを作成した。波長λは４００μmであるため、導波路幅Ｗ＝５mmは１２．５λ、導波路の中心長さは４５０λとなる。すなわち、図１１に示したように、１８０度異なる位置に２組の櫛形電極を設け、周波数１０MHzにて駆動した。導波路部分には、高音速材料として、高度の高いアルミナ膜を１０μm厚で成膜し、導波路の内周部と外周部には、機械的なバイト加工により深さ４００μm、幅１mmの溝を設けた。
【００６０】
移動子としては、厚さ０．５mmのシリコン基板をフォトレジストによりパターニングを施した後、水酸化カリウム溶液中でエッチング処理を行い、部分的に２０個／mm²の針状突起を有する状態とした。突起の高さは約５μｍであった。
【００６１】
また、エッチング条件を変化させ、部分的に１００個／mm²の突起を有する状態とした。突起の高さは約２μm、頭頂部は約２μmφの円形であった。頭頂部面積は３．１μm²であり、単位面積当たりの頭頂部総面積割合は０．３１４／１０００である。
【００６２】
このシリコン基板を５mm厚のガラスに接着した後、固定子上に荷重１ｋｇをかけながら密着したところ、駆動電圧を変化させることにより、０．０１〜３０回転／秒の速度にて回転運動することが確認された。なお実際には回転運動ではなく３０度のみの回転の往復運動とし櫛形電極部の損傷がないように駆動した。
【００６３】
＜アクチュエータＧ：比較例４＞
移動子として、アクチュエータＦと同様の工程にて、多数の突起を有するシリコン基板を用いた。但し、エッチング条件を変化させ、部分的に１００個／mm²の針状突起を有していて、突起の高さ約２μm、頭頂部４０μmφの円形としたアクチュエータＧを作製した。頭頂部面積は１２５６μm²であり、単位面積当たりの頭頂部総面積割合は１２５／１０００である。
【００６４】
アクチュエータＧでは、アクチュエータＦとは異なり、移動子を駆動することができなかった。
【００６５】
＜アクチュエータＨ〜Ｋ：実施例５〜８＞
アクチュエータＦと同じ手法にて、２cmの直線部２本と、直径１．５cmの半円状部分とを組み合わせた図１０に示す形状の弾性表面波アクチュエータを作成した。そして、移動子駆動部分およびその近傍の導波路の幅Ｗ２を変え、それ以外の部分の導波路の幅Ｗ１を一定とした数種類の弾性表面波アクチュエータを作成した。すなわち、Ｗ１＝６mm固定とし、Ｗ２＝６mm（アクチュエータＨ）、Ｗ２＝３mm（アクチュエータＩ）、Ｗ２＝１．５mm（アクチュエータＪ）、Ｗ２＝１．０mm（アクチュエータＫ）とした。アクチュエータＦと同じ手法にて形成した多数の針状突起を有する１mm角のシリコン基板を用い、周波数１０MHzにて駆動した。電圧オンタイムを１ms、オフタイム１０msで駆動した場合、０．１秒間の移動距離は、アクチュエータＨ、Ｉ、Ｊ、Ｋでそれぞれ３５、５０、４０、１０mmであった。
【００６６】
この結果から本発明の効果は明確である。
【００６７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、エネルギー効率に優れた弾性表面波アクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る弾性表面波アクチュエータの平面図である。
【図２】図１に示した弾性表面波アクチュエータの正面図である。
【図３】図１に示した弾性表面波アクチュエータの底面図である。
【図４】図１の４ー４線に沿った断面図である。
【図５】図１〜図４に示した弾性表面波アクチュエータを、各種精密位置決め装置等に用いた場合の動作を説明する図である。
【図６】２つの櫛型電極を用いた弾性表面波発生部の例を示す図である。
【図７】図６に示した２つの櫛型電極を用いた弾性表面波発生部を駆動する場合の回路構成を示す図である。
【図８】トポグラフィック導波路の例を示す斜視図である。
【図９】トポグラフィック導波路の別の例を示す斜視図である。
【図１０】本発明に係る弾性表面波アクチュエータの別の例を示す平面図である。
【図１１】本発明に係る弾性表面波アクチュエータの更に別の例を示す平面図である。
【図１２】図１１に示した弾性表面波アクチュエータを用いた回転装置を示す図である。
【図１３】図１２に示した回転装置の斜視図である。
【図１４】移動子の他の例を示す平面図である。
【図１５】図１４に示した移動子の底面図である。
【図１６】移動子の他の実施例を示す平面図である。
【図１７】図１６に示した移動子の底面図である。
【符号の説明】
１導波路
２弾性表面波発生部
３支持基体
４移動子

Claims

少なくとも一つの導波路と、少なくとも１つの弾性表面波発生部と、支持基体とを含む弾性表面波アクチュエータであって、
前記導波路は、弾性表面波のための画定された周回路を構成するように備えられ、前記弾性表面波の波長をλとしたとき、幅Ｗ０が
２λ＜Ｗ０＜１００λ
を満たしており、
前記弾性表面波発生部は、前記周回路中に配置され、前記弾性表面波を一方向に発生させるものであり、
前記支持基体は、前記導波路及び前記弾性表面波発生部を支持している
弾性表面波アクチュエータ。
請求項１に記載された弾性表面波アクチュエータであって、
前記導波路は、前記支持基体の同一平面内に形成されている
弾性表面波アクチュエータ。
請求項１に記載された弾性表面波アクチュエータであって、
前記導波路は、前記支持基体の表面、一側面、裏面及び他側面を順次に通過する３次元的周回路を構成する
弾性表面波アクチュエータ。
請求項２または３の何れかにに記載された弾性表面波アクチュエータであって、
前記支持基体は、圧電体でなり、
前記弾性表面波発生部は、前記支持基体に櫛型電極を形成してなる
請求項２または３の何れかにに記載された弾性表面波アクチュエータであって、
前記支持基体は、圧電体とは異なる部材でなり、
前記弾性表面波発生部は、前記支持基体に取り付けられている
弾性表面波アクチュエータ。
請求項３に記載された弾性表面波アクチュエータであって、
前記支持基板は、前記弾性表面波の進行方向で見た端部が曲面となっている
弾性表面波アクチュエータ。
請求項６に記載された弾性表面波アクチュエータであって、
前記曲面の曲率半径ｒは、ｒ≧ｎλ（ｎは整数）を満たす
弾性表面波アクチュエータ。
請求項６に記載された弾性表面波アクチュエータであって、
前記曲面の曲率半径ｒは、周回ループ長をＬとしたとき、Ｌ＝ｎλ（ｎは整数）を満たす
弾性表面波アクチュエータ。
請求項１に記載された弾性表面波アクチュエータであって、
移動子との組み合わせを含み、
前記導波路は、少なくとも一部が、前記移動子を駆動する駆動部分として用いられる
弾性表面波アクチュエータ。
請求項９に記載された弾性表面波アクチュエータであって、
前記導波路は、前記駆動部分よびその近傍部分の幅Ｗ２が、それ以外の部分の幅Ｗ１よりも狭い
弾性表面波アクチュエータ。
請求項１０に記載された弾性表面波アクチュエータであって、
前記導波路は、前記幅Ｗ１、Ｗ２が、
Ｗ１＊０．２＜Ｗ２＜Ｗ１
を満たす
弾性表面波アクチュエータ。
請求項９に記載された弾性表面波アクチュエータであって、
前記移動子は、前記駆動部分と接触する面に、複数の突起を有しており、
前記突起は、頭頂部の面積が１０００μm²以下である
弾性表面波アクチュエータ。
請求項１２に記載された弾性表面波アクチュエータであって、
前記複数の針状突起は、シリコンによりなる
弾性表面波アクチュエータ。