JP4769037B2 - 弾性表面波アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、弾性表面波アクチュエータに関する。

弾性表面波アクチュエータは、小型で高速、高推力な駆動並びに精密な位置決めが可能であり、小型リニアアクチュエータとしての実現が期待されている。

このような弾性表面波アクチュエータとしては、圧電基板を備えるとともに該圧電基板の表面の両端部に形成されて圧電基板に弾性表面波を発生させるＩＤＴ（Interdigital Transducer）を励振手段として備える固定子と、圧電基板の表面に所定の圧力で接触されて前記弾性表面波により移動させられる移動子とを具備し、固定子に接触される移動子の面に耐摩耗性に優れた硬質膜を設けたものが従来から提供されている（特許文献１）。
特開２００３−２３５２７５号公報（第２図）

このような弾性表面波アクチュエータを動作させた際には、ＩＤＴから発生した弾性表面波により移動子に推力が与えられ、移動子は弾性表面波を発生しているＩＤＴ側へと移動する。そのため、移動子が移動範囲を越えて移動したり、移動子が長尺状のものであったりすると、移動子の端部がＩＤＴに衝突して、ＩＤＴが破損してしまうおそれがあった。このような問題は、ＩＤＴを移動子の移動領域から十分に離間させて配置すればある程度防止することができていたが、このように離間させた際には、固定子が大型化してしまうという問題が新たに生じていた。

本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的は、励振手段の破損を防止でき、しかも固定子の耐久力を向上できる弾性表面波アクチュエータを提供することである。

上記の課題を解決するために、請求項１の弾性表面波アクチュエータの発明では、圧電基板と該圧電基板の表面に形成されて圧電基板に弾性表面波を発生させる励振手段となる電極とを備える固定子と、前記電極が形成される励振用部位を除く圧電基板の表面部位に所定の圧力で接触されて前記弾性表面波により移動させられる移動子とを具備し、少なくとも前記表面部位において移動子を接触移動させる移動用部位には、圧電基板よりも高い硬度を有する硬質膜が形成され、前記移動子は、移動方向において前記固定子の前記移動用部位よりも小さな寸法に形成されており、前記硬質膜は、移動子と前記電極とが干渉しないように前記電極の厚みよりも厚い膜厚を有し、圧電基板の前記表面部位において移動子の移動方向に略交差する方向における縁部に形成されていることを特徴とする。

請求項２の弾性表面波アクチュエータの発明では、請求項１の構成に加えて、硬質膜は、移動子との間の摩擦係数が、圧電基板と移動子との間の摩擦係数よりも大きい部位を有したことを特徴とする。

請求項３の弾性表面波アクチュエータの発明では、請求項２の構成に加えて、硬質膜は、移動子との間の摩擦係数が、圧電基板と移動子との間の摩擦係数よりも小さい部位を有したことを特徴とする。

請求項４の弾性表面波アクチュエータの発明では、請求項１又は２の構成に加えて、硬質膜の表面粗さは、圧電基板の表面粗さよりも小さいことを特徴とする。

請求項５の弾性表面波アクチュエータの発明では、請求項１〜４のいずれか１項の構成に加えて、硬質膜の膜厚は、圧電基板の一面の面方向における弾性表面波の振幅以下であることを特徴とする。

請求項６の弾性表面波アクチュエータの発明では、請求項１〜５のいずれか１項の構成に加えて、硬質膜は、複数の膜が積層された多層膜からなり、前記複数の膜のうち圧電基板に接する膜の硬度を最も低く設定したことを特徴とする。

請求項７の弾性表面波アクチュエータの発明では、請求項１〜６のいずれか１項の構成に加えて、少なくとも圧電基板に接する硬質膜の部位を、導電性を有する材料から形成したことを特徴とする。

このような構成の弾性表面波アクチュエータは、圧電基板の表面に圧電基板よりも高い硬度を有する硬質膜を形成して、この硬質膜に移動子が接触するようにしているので、移動子の反復移動による固定子の摩耗を抑えて固定子の耐久力を向上することができるという効果があり、しかも、硬質膜の膜厚を、移動子と励振手段とが干渉しないような厚みに設定しているので、移動子が励振手段に衝突することがなくなり、励振手段が破損することを防止できるという効果がある。

以下に、本発明の実施形態について図１〜図５を用いて説明する。

（実施形態１）
本発明の弾性表面波アクチュエータとしては、例えば弾性表面波リニアモータ（以下、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）リニアモータと略す）があり、このようなＳＡＷリニアモータは、図１（ａ）に示すように、圧電基板２と該圧電基板２の表面（図１（ａ）における上面）に形成されて圧電基板２に弾性表面波を発生させる励振手段となる電極３ａ，３ｂとを備える固定子１と、電極３ａ，３ｂが形成される励振用部位Ｐ１を除く圧電基板２の表面部位Ｐ２に所定の圧力で接触されて弾性表面波により移動させられる移動子４とを具備し、移動子４を接触移動させる移動用部位Ｐ３を含む圧電基板２の表面部位Ｐ２には、圧電基板２よりも高い硬度を有する硬質膜５が形成され、硬質膜５は、図１（ｂ）に示すように移動子４と電極３ａ，３ｂとが干渉しない程度の膜厚を有している。

固定子１は、上記の圧電基板２と、電極３ａ，３ｂと、硬質膜５とで構成されている。ここで、圧電基板２は、固定子１の下地材となるものであり、例えばＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）単結晶等の電気機械結合係数が高い圧電材料を用いて形成された矩形状の圧電結晶板である。また、図１（ａ）に示すように、圧電基板２の表面の長手方向両端側は、電極３ａ，３ｂを形成するための励振用部位Ｐ１，Ｐ１となっており、これら励振用部位Ｐ１，Ｐ１を除く圧電基板２の表面部位Ｐ２の一部は、移動子４を接触移動させる移動用部位Ｐ３となっている。尚、圧電基板２としては非圧電材料の基板の表面に、ＺｎＯ等の圧電薄膜を形成したものを用いてもよい。

電極３ａ，３ｂは、プラス極とマイナス極が交互に列設された所謂交差指電極（櫛歯状電極、Interdigital Transducer:ＩＤＴともいう）であり、図１（ａ）に示すように圧電基板２の表面の励振用部位Ｐ１，Ｐ１に形成されている。また電極３ａ，３ｂには、それぞれ高周波電源ＡＣ１，ＡＣ２が接続されており、高周波電源ＡＣ１，ＡＣ２により高周波電圧を供給すると、これら電極３ａ，３ｂは、圧電基板２の長手方向に弾性表面波を発生させる。

硬質膜５は、例えばＳｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）等の耐摩耗性に優れるとともに、圧電基板２の材料（本実施形態ではＬｉＮｂＯ_３）よりも硬度が高い材料を用いており、圧電基板２の表面部位Ｐ２の全面を覆うように形成されている。また、硬質膜５の膜厚は、移動子４と電極３ａ，３ｂとが干渉しないように、例えば電極３ａ，３ｂの厚みよりも厚く設定してあり、これにより、硬質膜５の表面位置が電極３ａ，３ｂの表面位置よりも上方に位置するようにしている。

このとき、硬質膜５の膜厚を厚くしすぎると、図２（ｂ）に示すように、硬質膜５によって弾性表面波の振幅が減衰してしまい、移動子４に所望の推進力を与えることができなくなる場合がある。そこで、硬質膜５の膜厚に対する弾性表面波の減衰率を調べた結果、図２（ｃ）に示すグラフが得られた。図２（ｃ）を参照すれば明らかなように、硬質膜５の膜厚が弾性表面波の振幅以下であれば減衰率が略０となるため、硬質膜５の膜厚は、弾性表面波の振幅以下とすることが好ましい。このように硬質膜５の膜厚を設定すれば、図２（ａ）に示すように、硬質膜５による弾性表面波の振幅の減衰を極めて小さくすることができ、これによりＳＡＷリニアモータの動作効率が悪化することを抑制できる。

このような硬質膜５は、硬質膜５の形成位置のみが開口したマスクを圧電基板２の表面の所定位置に配置した状態で、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法や、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等を用いることで形成でき、ＰＶＤ法の１つであるスパッタ法を用いるのが簡便で好ましい。また、硬質膜５を単層膜ではなく、複数種の材料からなる多層膜としてもよく、さらに形成する部位毎に異なる材料を用いるようにしてもよい。また、硬質膜５の表面を研削加工、研磨加工することによって、硬質膜５の表面粗さを小さくするようにすれば、硬質膜５と移動子４とを均一に接触させることができるので、弾性表面波による推力を効率良く移動子４に伝達することが可能になり、これによりＳＡＷリニアモータの動作効率を向上できる。

移動子４は、例えば略直方体状に形成された本体４ａと、固定子１からの駆動力を得やすくするために固定子１と対向する本体４ａの面（本実施形態では下面）に突設された複数の突起４ｂとで構成されている。本実施形態では、移動子４の材料としてシリコンを用いており、シリコンを用いれば、半導体用の加工プロセス（ドライエッチング等）を適用できるので加工を容易に行うことができる。尚、移動子４の材料は上記のシリコンに限られるものではなく、半導体用の加工プロセスを用いることができるものであれば、加工を容易に行える点で好ましい。

そして、移動子４は、図示しない予圧手段から圧力を受けるとともに固定子１の硬質膜５の表面に複数の突起４ｂを接触させた状態で、圧電基板２の移動用部位Ｐ３に対応する硬質膜５上に配置され、これにより本実施形態のＳＡＷリニアモータが構成されている。

次に、本実施形態のＳＡＷリニアモータの動作について説明する。まず、高周波電源ＡＣ１をオンして励振用電極３ａのみに高周波電圧を印加した際には、電極３ａによって圧電基板２に歪が生じ、これにより弾性表面波であるレイリー波が発生する。このレイリー波は、圧電基板２の表面（上面）及び硬質膜５を介して、電極３ａから固定子１の長手方向両側（図１（ａ）の左右）へ伝播する。そして、移動子４は、このレイリー波の伝播に伴なう固定子１の微小振動から推力を得て、電極３ａ側へ移動していく。

一方、高周波電源ＡＣ１をオフし、高周波電源ＡＣ２をオンして電極３ｂのみに高周波電圧を印加した際には、同様に電極３ｂによって圧電基板２に歪が生じ、これによりレイリー波が発生し、このレイリー波は、圧電基板２の表面（上面）及び硬質膜５を介して、電極３ｂから固定子１の長手方向両側（図１（ａ）の左右）へ伝播する。そして、移動子４は、このレイリー波の伝播に伴なう固定子１の微小振動から推力を得て、硬質膜５上を電極３ｂ側へ移動していく。

この後に、高周波電源ＡＣ２をオフし、高周波電源ＡＣ１をオンすると、励振用電極３ａにより励振されたレイリー波によって再び移動子４が硬質膜５上を励振用電極３ａ側へ移動する。

すなわち、本実施形態のＳＡＷリニアモータでは、高周波電源ＡＣ１，ＡＣ２のオンオフの切り換えによって、移動子４が固定子１の長手方向（左右方向）に反復移動することになる。ここで、反復移動時に、移動子４の端部が移動用部位Ｐ３から励振用部位Ｐ１へはみ出たとしても、硬質膜５の表面位置が電極３ａ，３ｂの表面位置よりも上方に位置しているので、移動子４が電極３ａ，３ｂに衝突することがない。

したがって、本実施形態のＳＡＷリニアモータによれば、圧電基板２の表面に圧電基板２よりも高い硬度を有する硬質膜５を形成して、この硬質膜５に移動子４が接触するようにしているので、移動子４の反復移動による固定子１の摩耗を抑えて固定子１の耐久力を向上することができる。しかも、硬質膜５の膜厚を電極３ａ，３ｂの厚みよりも厚く設定して、移動子４と電極３ａ，３ｂとが干渉しないようにしているので、移動子４が電極３ａ，３ｂに衝突することがなくなり、電極３ａ，３ｂが破損することを防止できる。

一方、硬質膜５の材料として例えばＳｉＣやＴｉＮ等の他の部材との摩擦係数が比較的高くなる材料を用いることで、硬質膜５と移動子４との間の摩擦係数が圧電基板２と移動子４との間の摩擦係数よりも大きくなるようにすることができる。このようにすれば、硬質膜５を備えていない固定子１と移動子４との間の摩擦係数よりも、硬質膜５を備える固定子１と移動子４との間の摩擦係数が大きくなるので、弾性表面波による推力（駆動力）を効率良く移動子４に伝達することが可能になり、これによりＳＡＷリニアモータの動作効率を向上できる。

ところで、上記の例では、図３（ａ）に示すように、硬質膜５を励振用部位Ｐ１，Ｐ１を除いた圧電基板２の表面部位Ｐ２の全面に設けているが、本実施形態のＳＡＷリニアモータは上記の例に限られるものではなく、図３（ｂ）に示すように、表面部位Ｐ２において移動子４を接触移動させる移動用部位Ｐ３にのみ硬質膜５を形成するようにしてもよい。このように移動用部位Ｐ３のみに硬質膜５を形成した場合でも上記と同様の効果を得ることができ、しかも、硬質膜５を形成するために必要な材料コストを減らすことができるので、製造コストの低減を図ることができる。つまり、このような硬質膜５は、少なくとも表面部位Ｐ２において移動子４を接触移動させる移動用部位Ｐ３に形成されていればよい。

また、硬質膜５の材料として良好な導電性を有する金属材料等を用いることができ、金属材料を用いた際には、硬質膜５を導電路として用いることが可能になる。この場合、硬質膜５のすべてを導電性を有する材料とする必要はなく、少なくとも圧電基板に接する硬質膜の部位が、導電性を有する材料から形成されていればよい。一方、硬質膜５として、複数の膜、例えばそれぞれ硬度の異なる膜を積層してなる多層膜を用いることができ、この場合は、圧電基板２に接する膜の硬度を最も低く設定することで、急激な硬度の変化を抑えて、弾性表面波による微小振動を効率良く移動子４に伝達することが可能になる。

尚、本実施形態は、上記のＳＡＷリニアモータの例に限られるものではなく、さらに複数の励振用電極を備えるＳＡＷリニアモータとしてもよい。また、本実施形態では弾性表面波アクチュエータの例として、上記のようなＳＡＷリニアモータを挙げているが、本発明の弾性表面波アクチュエータは、ＳＡＷリニアモータに限られるものではなく、移動子４の形状も上記の例に限られるものではない。

（実施形態２）
本実施形態のＳＡＷリニアモータは、硬質膜の構成に特徴があり、その他の構成を上記実施形態１と同様であるから、同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

すなわち、本実施形態の硬質膜６は、図４（ａ）に示すように、圧電基板２の移動用部位Ｐ３において、移動子４の移動方向に略交差する方向（圧電基板２の短手方向）の両縁部にそれぞれ形成されている。尚、硬質膜６の膜厚は実施形態１と同様に電極３ａ，３ｂの厚さより厚く設定している。

そして移動子４は、図４には簡略化のため図示しないが、例えば一方の硬質膜６上に配置されて上記実施形態１と同様に反復移動するように設けられている。尚、移動子４を両硬質膜６，６間に架設するように配置してもよい。

このように硬質膜６を形成することにより、電極３ａ，３ｂから圧電基板２の短手方向周縁部へ伝播して熱となっていた弾性表面波Ｌを、図４（ｂ）に示すように硬質膜６，６で短手方向の中央部側へ反射する（言い換えれば硬質膜６，６により弾性表面波を閉じ込める）ことができるので、硬質膜６，６がない場合に比べて、移動用部位Ｐ３における弾性表面波の振幅（振動）を大きくすることができる。

したがって、本実施形態のＳＡＷリニアモータによれば、上記実施形態１の利点に加えて、従来は熱になることで無駄になっていた弾性表面波を利用できるようになるので、上記実施形態１よりも移動用部位Ｐ３における弾性表面波の振幅（振動）を大きくすることができ、そのためより大きな推力を移動子４に伝達することができ、結果としてＳＡＷリニアモータの動作効率を向上できる。

尚、本実施形態の硬質膜６の構成は上記のものに限られるものではなく、状況に応じて移動用部位Ｐ３の好適な位置に設けるようにすればよい。

（実施形態３）
本実施形態のＳＡＷリニアモータは、硬質膜の構成に特徴があり、その他の構成を上記実施形態１と同様であるから、同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

すなわち、本実施形態の硬質膜６０は、図５（ａ）に示すように、圧電基板２の移動用部位Ｐ３を覆うように形成される第１の膜６１と、第１の膜６１上において、移動子４の移動方向に略交差する方向（圧電基板２の短手方向）の両縁部にそれぞれ形成される第２の膜６２，６２とで構成された多層膜としている。ここで、第１の膜６１としてはＳｉＣを用い、第２の膜６２としてはＴｉＮを用いている。尚、第１の膜６１の膜厚は実施形態１と同様に電極３ａ，３ｂの厚さより厚く設定している。

そして移動子４は、図５（ｂ）に示すように、第２の膜６２，６２間の第１の膜６１の上面部位に配置されて上記実施形態１と同様に反復移動するように設けられている。

このように硬質膜６０を形成することにより、電極３ａ，３ｂから圧電基板２の短手方向周縁部へ伝播して熱となっていた弾性表面波Ｌを、図５（ｂ）に示すように第２の膜６２，６２で短手方向の中央部側へ反射する（言い換えれば第２の膜６２，６２により弾性表面波を閉じ込める）ことができるので、移動用部位Ｐ３、特に第１の膜６１での弾性表面波の振幅（振動）を大きくすることができる。

したがって、本実施形態のＳＡＷリニアモータによれば、上記実施形態１の利点に加えて、従来は熱になることで無駄になっていた弾性表面波を利用できるようになるので、上記実施形態１よりも移動用部位Ｐ３における弾性表面波の振幅（振動）を大きくすることができ、そのためより大きな推力を移動子４に伝達することができ、結果としてＳＡＷリニアモータの動作効率を向上できる。

尚、本実施形態の硬質膜６０の構成は上記のものに限られるものではなく、状況に応じて移動用部位Ｐ３の好適な位置に設けるようにすればよい。

（実施形態４）
本実施形態のＳＡＷリニアモータは、硬質膜の構成に特徴があり、その他の構成を上記実施形態１と同様であるから、同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

すなわち、本実施形態の硬質膜７は、図６に示すように、移動子４との間の摩擦係数が圧電基板２と移動子４との間の摩擦係数よりも小さい部位である第１の膜７ａと、移動子４との間の摩擦係数が圧電基板２と移動子４との間の摩擦係数よりも大きい部位である第２の膜７ｂとを有している。

第１の膜７ａは、例えばＴｉＣやＤＬＣ等の他の部材との間の摩擦係数が比較的小さくなる材料を用いて形成されており、移動用部位Ｐ３の略中央部に形成されている。一方、第２の膜７ｂは、例えばＳｉＣやＴｉＮ等の他の部材との間の摩擦係数が比較的大きくなる材料を用いて形成されており、第１硬質膜７ａを圧電基板２の短手方向の両側から挟むようにして移動用部位Ｐ３に形成されている。ここで、第１の膜７ａの膜厚を第２の膜７ｂの膜厚よりも厚く形成するとともに、これら膜７ａ，７ｂの膜厚の差が第２の膜７ｂを伝搬する弾性表面波の振幅よりも小さくなるように設定している。また移動子４と各膜７ａ，７ｂとの接触面積や、移動子４と各膜７ａ，７ｂとの間の摩擦係数は、最も効率良く移動子４を移動させることができるような値に設定してある。

そして移動子４は、図６には簡略化のため図示しないが、硬質膜７の第１の膜７ａ上に配置されるとともに、その進行方向に直交する方向の両端部が第１の膜７ａから突出して第２の膜７ｂの上方に位置するようにして配置されて、上記実施形態１と同様に反復移動するように設けられている。

このように構成された硬質膜７によれば、第１の膜７ａの膜厚が第２の膜７ｂの膜厚よりも厚くなっているので、弾性表面波を励振していない状態では移動子４は第１の膜７ａにのみ接触している。一方、第１の膜７ａと第２の膜７ｂの膜厚の差を第２の膜７ｂを伝搬する弾性表面波の振幅よりも小さくなるように設定しているので、電極３ａ又は電極３ｂで弾性表面波を励振した際には、弾性表面波の振幅が最も高く、進行方向の速度が最も大きくなっている第２の膜７ｂの部位のみが移動子４に接触することになる。つまり、移動子４は、第１の膜７ａから突出した部分において、移動子４との摩擦力が大きい第２の膜７ｂから大きい推力（駆動力）を得て、移動子４との間の摩擦力が小さい第１の膜７ａ上を移動していくのである。そのため、このような硬質膜７を用いることで、移動子４の速度を大きくすることができ、しかも動摩擦力による影響を小さくできるから、移動子４を効率良く移動させることが可能になる。したがって、本実施形態のＳＡＷリニアモータによれば、上記実施形態１の利点に加えて、上記実施形態１よりもＳＡＷリニアモータの動作効率を向上できる。

尚、本実施形態の硬質膜７の構成は上記のものに限られるものではなく、状況に応じて好適な構成とすればよい。

（ａ）は、本発明の実施形態１の弾性表面波アクチュエータの概略上面図であり、（ｂ）は、概略側面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態１の弾性表面波アクチュエータの説明図であり、（ｂ）は、比較例の説明図であり、（ｃ）は、硬質膜の膜厚に対する弾性表面波の減衰率を示すグラフである。 （ａ）は、本発明の実施形態１の弾性表面波アクチュエータの概略斜視図であり、（ｂ）は、他の例を示す概略斜視図である。 （ａ）は、本発明の実施形態２の弾性表面波アクチュエータの概略斜視図であり、（ｂ）は、説明図である。 （ａ）は、本発明の実施形態３の弾性表面波アクチュエータの概略斜視図であり、（ｂ）は、説明図である。 本発明の実施形態４の弾性表面波アクチュエータの概略斜視図である。

符号の説明

１ 固定子
２ 圧電基板
３ａ，３ｂ 電極
４ 移動子
５ 硬質膜
Ｐ１ 励振用部位
Ｐ２ 表面部位
Ｐ３ 移動用部位

Claims (7)

1. 圧電基板と該圧電基板の表面に形成されて圧電基板に弾性表面波を発生させる励振手段となる電極とを備える固定子と、前記電極が形成される励振用部位を除く圧電基板の表面部位に所定の圧力で接触されて前記弾性表面波により移動させられる移動子とを具備し、少なくとも前記表面部位において移動子を接触移動させる移動用部位には、圧電基板よりも高い硬度を有する硬質膜が形成され、前記移動子は、移動方向において前記固定子の前記移動用部位よりも小さな寸法に形成されており、前記硬質膜は、移動子と前記電極とが干渉しないように前記電極の厚みよりも厚い膜厚を有し、圧電基板の前記表面部位において移動子の移動方向に略交差する方向における縁部に形成されていることを特徴とする弾性表面波アクチュエータ。
2. 硬質膜は、移動子との間の摩擦係数が、圧電基板と移動子との間の摩擦係数よりも大きい部位を有したことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波アクチュエータ。
3. 硬質膜は、移動子との間の摩擦係数が、圧電基板と移動子との間の摩擦係数よりも小さい部位を有したことを特徴とする請求項２に記載の弾性表面波アクチュエータ。
4. 硬質膜の表面粗さは、圧電基板の表面粗さよりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の弾性表面波アクチュエータ。
5. 硬質膜の膜厚は、圧電基板の一面の面方向における弾性表面波の振幅以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の弾性表面波アクチュエータ。
6. 硬質膜は、複数の膜が積層された多層膜からなり、前記複数の膜のうち圧電基板に接する膜の硬度を最も低く設定したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の弾性表面波アクチュエータ。
7. 少なくとも圧電基板に接する硬質膜の部位を、導電性を有する材料から形成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性表面波アクチュエータ。

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