JP6503940B2 - 圧電駆動装置、ロボット及び圧電駆動装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電駆動装置、ロボット及び圧電駆動装置の駆動方法に関する。

圧電体を振動させて被駆動体を駆動する圧電アクチュエーター（圧電駆動装置）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）。この圧電駆動装置の基本的な構成は、補強板の２つの面のそれぞれの上に、４つの圧電素子が２行２列に配置された構成であり、バネにより筐体に連結されている。

特開平８−２３７９７１号公報

圧電駆動装置を駆動する場合には、圧電体に周期的な電圧が印加されるので、圧電体が発熱し、圧電駆動装置が熱くなる。しかしながら、従来の圧電駆動装置では、放熱について十分に考慮されていなかった。

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。本発明の一形態によれば、圧電駆動装置が提供される。この圧電駆動装置は、振動体と、前記振動体に配置された圧電素子、および前記振動体を支持する支持部と、を有する圧電振動部と、前記振動体を被駆動部材に押圧する弾性部材と、前記弾性部材と面接触状態を保ちつつ相互の位置関係を変更可能である熱伝導部材と、を備える。この形態によれば、弾性部材と面接触状態を保ちつつ相互の位置関係を変更可能である熱伝導部材を用いて圧電駆動装置（圧電振動部）の熱を容易に放熱できる。

（１）本発明の一形態によれば、圧電駆動装置が提供される。この圧電駆動装置は、振動体と、前記振動体の少なくとも一方の面に配置された圧電素子と、前記振動体を支持する支持部と、を備える圧電振動部と、前記振動体を被駆動部材に押圧する弾性部材と、前記弾性部材と面接触状態を保ちつつ相互の位置関係を変更可能に配置された熱伝導部材と、を備える。この形態によれば、弾性部材と面接触状態を保ちつつ相互の位置関係を変更可能に配置された熱伝導部材を用いて圧電駆動装置（圧電振動部）の熱を容易に放熱できる。

（２）上記形態の圧電駆動装置において、前記振動体と前記弾性部材との間に位置し、前記支持部と接触し前記振動体に配置された前記圧電素子と接触しない中間部材を備えてもよい。この形態によれば、中間部材を介して圧電駆動装置（圧電振動部）の熱を容易に放熱できる。

（３）上記形態の圧電駆動装置において、前記弾性部材は、前記支持部と接触し、前記振動体の上の前記圧電素子と接触しなくてもよい。この形態によれば、弾性部材を介して圧電駆動装置（圧電振動部）の熱を容易に放熱できる。

（４）上記形態の圧電駆動装置において、前記弾性部材は、前記圧電振動部と接触する面と反対側の面で前記熱伝導部材と接触しても良い。この形態によれば、弾性部材は、圧電素子または振動体の少なくとも一方と接触する面から反対側の面へ熱を容易に移動できる。

（５）上記形態の圧電駆動装置において、前記振動体と、前記圧電素子と、前記支持部と、前記弾性部材とを収納する筐体を備え、前記熱伝導部材は、前記筐体の一部を構成してもよい。この形態によれば、別個の放熱構造は不要である。

（６）上記形態の圧電駆動装置において、前記熱伝導部材の熱伝導率は、０．１Ｗ／ｍＫ以上であってもよい。この形態によれば、熱伝導部材として、コストの安い樹脂を利用できる。

（７）上記形態の圧電駆動装置において、前記熱伝導部材の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫ以上であってもよい。この形態によれば、熱伝導部材として、熱伝導率の高いステンレス鋼等の金属材料を用いることが出来る。

（８）上記形態の圧電駆動装置において、前記熱伝導部材はシリコンで形成されていてもよい。シリコンの熱伝導率は約１７０Ｗ／ｍＫであり、より熱を移動し放熱できる。

（９）上記形態の圧電駆動装置において、前記振動体と前記支持部とは、同一の材料で一体に形成されていてもよい。この形態によれば、振動体と支持部とが同一の材料で一体に形成されているので、振動体から支持部へ容易に熱を移動することができる。

（１０）本発明の一形態によれば、ロボットが提供される。このロボットは、複数のリンク部と、前記複数のリンク部を接続する関節部と、前記複数のリンク部を前記関節部で回動させる上記形態のいずれかに記載の圧電駆動装置と、を備える。この形態によれば、圧電駆動装置をロボットの駆動に利用できる。

（１１）本発明の一形態によれば、上記形態の圧電駆動装置の駆動方法が提供される。この駆動方法は、前記圧電素子に、周期的に変化する電圧であって、前記圧電素子の圧電体に印加する電界の方向が一方向である脈流電圧を印加する。この形態によれば、圧電素子の圧電体に印加される電圧は一方向だけなので、圧電体の耐久性を向上できる。

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、圧電駆動装置の他、圧電駆動装置の駆動方法、圧電駆動装置の製造方法、圧電駆動装置を搭載するロボット、圧電駆動装置を搭載するロボットの駆動方法、電子部品搬送装置、送液ポンプ、投薬ポンプ等、様々な形態で実現することができる。

圧電駆動装置の斜視図。 圧電駆動装置の分解斜視図。 圧電振動部の概略構成を示す説明図。 基板と基板上に形成された配線パターンを示す平面図。 圧電駆動装置の等価回路を示す説明図。 圧電振動部の動作の例を示す説明図。 圧電振動部の製造工程で実行される膜形成プロセスを示すフローチャートを示す説明図。 圧電振動部の製造工程を図示した説明図。 配線電極のパターンを示す説明図。 複数の圧電振動部を積層した構成例を示す説明図。 外枠の構成を示す説明図。 中間部材の構成を示す説明図。 内枠の構成を示す説明図。 板バネの構成を示す説明図。 固定枠の構成を示す説明図。 フタの構成を示す説明図。 圧電振動部における熱の移動を示す説明図。 圧電駆動装置における熱の移動を示す説明図。 他の実施形態としての圧電振動部を示す説明図。 ロボットの一例を示す説明図。 ロボットの手首部分の説明図。 送液ポンプの一例を示す説明図。

図１は、圧電駆動装置１０の斜視図である。図２は、圧電駆動装置１０の分解斜視図である。圧電駆動装置１０は、複数の圧電振動部１００と、外枠３０と、内枠４０と、板バネ５０と、中間部材６０と、固定枠７０と、フタ８０と、フレキシブル基板９０と、を備える。各部材は、以下のように配置されている。複数の圧電振動部１００は、ｚ方向に積層されている。中間部材６０は２枚あり、図２に示す様に、複数の圧電振動部１００を上下方向（ｚ方向）から挟んでいる。なお、中間部材６０は、圧電振動部１００の表面の一部分のみを挟んでいる。この点は後で説明する。固定枠７０は、圧電振動部１００と中間部材６０とをｘ方向及びｙ方向から囲んでいる。２枚の板バネ５０は、中間部材６０と圧電振動部１００と固定枠７０とを上下方向（ｚ方向）から挟んでいる。内枠４０は、３つの側面部４２，４３，４４を有し、これらの側面部４２，４３，４４は、板バネ５０を貫通し、圧電振動部１００と固定枠７０との間に挿入されている。外枠３０は、固定枠７０を囲んでいる。フタ８０は、上側の板バネ５０の上方（ｚ方向）に配置されている。フレキシブル基板９０は、フタ８０、板バネ５０を貫通し、圧電振動部１００に接続されている。以下、各部材の構造について説明する。

図３は、圧電振動部１００の概略構成を示す説明図であり、図３（Ａ）は、平面図であり、図３（Ｂ）は、その３Ｂ−３Ｂ断面図である。図３（Ａ）に示す平面図では、図３（Ｂ）に示した絶縁層２４０と、配線電極２５０と、保護膜２６０と、については、図示が省略されている。

圧電振動部１００は、基板２００と、圧電素子１１０と、絶縁層２４０と、配線電極２５０と、保護膜２６０と、を備える。基板２００は、振動体２１０と、支持部２２０とを備える。振動体２１０と、支持部２２０とは、振動体２１０の長辺の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。基板２００の上には、圧電素子１１０が形成されている。圧電素子１１０の上には、絶縁層２４０と、配線電極２５０と、保護膜２６０とが形成されている。

圧電素子１１０は、第１電極１３０（膜状に形成されているため「第１電極膜１３０」とも呼ぶ。）と、第１電極１３０の上に形成された圧電体１４０（膜状に形成されているため「圧電体膜１４０」とも呼ぶ。）と、圧電体１４０の上に形成された第２電極１５０（膜状に形成されているため「第２電極膜１５０」とも呼ぶ。）と、を備え、第１電極１３０と第２電極１５０は、圧電体１４０を挟持している。第１電極１３０や第２電極１５０は、例えばスパッタリングによって形成される薄膜である。第１電極１３０や第２電極１５０の材料としては、例えば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。

圧電体１４０は、例えばゾル−ゲル法やスパッタリング法によって形成され、薄膜形状を有している。圧電体１４０の材料としては、ＡＢＯ３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。ＡＢＯ３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の厚みは、例えば５０ｎｍ（０．０５μｍ）以上２０μｍ以下の範囲とすることが好ましい。この範囲の厚みを有する圧電体１４０の薄膜は、膜形成プロセス（「成膜プロセス」とも呼ぶ。）を利用して容易に形成することができる。圧電体１４０の厚みを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の厚みを２０μｍ以下とすれば、圧電振動部１００を十分に小型化することができる。

本実施形態では、圧電振動部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。圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄは、振動体２１０の四隅の位置に形成されている。なお、図３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、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ことが好ましい。

基板２００は、第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極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、基板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。基板２００は、例えば、Ｓｉ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２などで形成することができる。Ｓｉ製の基板２００（「シリコン基板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。基板２００の厚みは、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲とすることが好ましい。基板２００の厚みを１０μｍ以上とすれば、基板２００上の成膜処理の際に基板２００を比較的容易に取扱うことができる。なお、基板２００の厚みを５０μｍ以上とすれば、基板２００をさらに容易に取扱うことができる。また、基板２００（振動体２１０）の厚みを１００μｍ以下とすれば、薄膜で形成された圧電体１４０の伸縮に応じて、振動体２１０を容易に振動させることができる。

本実施形態では、支持部２２０の上にも、第１電極１３０と、圧電体１４０と、第２電極１５０と、絶縁層２４０と、配線電極２５０と、保護膜２６０と、が形成されている。その結果、振動体２１０における圧電振動部１００の厚さと支持部２２０における圧電振動部１００の厚さをほぼ同じにする（例えば厚さの差を６μｍ以下、あるいは３μｍ以下にする）ことができる。これにより複数の圧電振動部１００を重ねて圧電駆動装置１０を構成する場合、振動体２１０における隣接する２つの圧電振動部１００の間の隙間と、支持部２２０における隣接する２つの圧電振動部１００の間の隙間とをほぼ同じにできるので、圧電振動部１００間のガタツキが発生し難い。なお、固定部２２１の上の第１電極１３０と、圧電体１４０と、第２電極１５０とは、動作可能な圧電素子を構成していないことが好ましい。動作可能な圧電素子を構成していなければ、圧電体１４０が変形しないので、固定部２２１を他の部材と固定しやすい。本実施形態では、後述するように、配線電極２５０を介して振動板２１０上の第１電極１３０と、第２電極１５０に電圧を印加する。動作可能な圧電素子を構成しないようにするには、（ｉ）固定部２２１の上の第１電極１３０と、第２電極１５０を、振動板２１０上の第１電極１３０と、第２電極１５０に電圧を印加するための配線電極２５０と接続しない、あるいは、（ｉｉ）固定部２２１の上の第１電極１３０と、固定部２２１の上の第２電極１５０とを互いに接続する、の少なくとも一方を行えば良い。なお、固定部２２１の上の電極１３０，１５０と、振動体２１０の上の電極１３０，１５０とは、互いに接続されておらず、分離されている。上記説明では、第１電極１３０と、圧電体１４０と、第２電極１５０とは、支持部２２０（固定部２２１と接続部２２２、２２３）の上に形成されているとしたが、支持部２２０のうち、接続部２２２、２２３の上には第１電極１３０と、圧電体１４０と、第２電極１５０が形成されない構成であってもよい。

図４は、基板２００を示す平面図である。基板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４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。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、個々の基板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、Ｌ：Ｗ＝約７：２とすることが好ましい。この比は、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（後述）を行うために好ましい値である。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、振動体２１０が超音波振動を行うために、長さＬは５０ｍｍ以下とすることが好ましい。

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、セラミックス（例えばＡｌ２Ｏ３）などの耐久性がある材料で形成することが好ましい。

図５は、圧電駆動装置１０の等価回路を示す説明図である。図５では、図示の都合上、駆動回路３００と、１つの圧電振動部１００とを記載している。圧電駆動装置１０が複数の圧電振動部１００を備える場合には、複数の圧電振動部１００を駆動回路３００に対して並列に接続することができる。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、圧電振動部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、接触子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。

図６は、圧電振動部１００の動作の例を示す説明図である。圧電振動部１００の接触子２０は、被駆動部材としてのローター９５の外周に接触している。図６に示す例では、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６の矢印ｘの方向に伸縮する。これに応じて、圧電振動部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９５は、その中心９６の周りに所定の方向ｚ（図６では時計回り方向）に回転する。なお、駆動回路３００が、２つの圧電素子１１０ｂ、１１０ｃに交流電圧又は脈流電圧を印加する場合には、ローター９５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１０が長手方向に伸縮するので、接触子２０からローター９５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１０（又は圧電振動部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。

図７は、圧電振動部１００の製造工程で実行される膜形成プロセスを示すフローチャートを示す説明図である。図８は、圧電振動部１００の製造工程を図示した説明図である。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、圧電振動部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３では、絶縁層２０１の図示が省略されている。その他、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、エッチングにより行うことができる。

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を形成は、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、小型の圧電駆動装置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、圧電駆動装置１０を駆動するための駆動回路３００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。

本実施形態では、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、スパッタリングと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を形成する。ステップＳ１５０では、絶縁層２４０の上に配線電極２５０を形成する。

図９は、配線電極２５０のパターンを示す説明図である。配線電極２５０は、４つの配線パターン２５１，２５２，２５３，２５４を有している。これらの配線パターン２５１〜２５４は、固定部２２１の上から接続部２２２，２２３の上を通って振動体２１０上に至るように形成されている。第１配線パターン２５１は、振動体２１０上で、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配線パターン２５２は、振動体２１０上で、圧電素子１１０ｂ，１１０ｃの第２電極１５０と接続され、第３配線パターン２５３は、振動体２１０上で、圧電素子１１０ｅの第２電極１５０と接続され、第４配線パターン２５４は、振動体２１０上で、圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅの第１電極１３０と接続される。また、これらの配線パターン２５１〜２５４は、支持部２２０上（接続部２３０上を除く）で、フレキシブル基板９０（図１、２）の配線と接続される。フレキシブル基板９０の配線は、駆動回路３００（図５）に接続される。なお、配線パターン２５１〜２５４は、固定部２２１上の第１電極１３０及び第２電極１５０とは接続されていない。

ステップＳ１６０では、保護膜２６０を形成し、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、振動体２１０と、支持部２２０との間に隙間２０５を形成し、第１辺２１１に凹部２１６を形成する。凹部２１６には、接触子２０が接着剤で接着される。

図１０は、複数の圧電振動部１００を積層した構成例を示す説明図である。本実施形態の圧電駆動装置１０では、複数の圧電振動部１００を基板２００の法線方向に積層して用いている。図１０（Ａ）に示す圧電駆動装置１０ａは、４つの圧電振動部１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄを備えている。各圧電振動部１００ａ〜１００ｄは、上述した圧電振動部１００と同様に、振動体２１０と支持部２２０とを備えている。第２圧電振動部１００ｂの支持部を「第２支持部」と呼ぶ。以下、第３圧電振動部１００ｃ、第４圧電振動部１００ｄについても同様である。この例では、第２圧電振動部１００ｂは、第１圧電振動部１００ａの振動体２１０と、第１圧電振動部１００ａに隣接する第２圧電振動部１００ｂの圧電素子１１０（第２圧電素子）とが接着剤層２７０により接着されている。

図１０（Ｂ）に示す圧電駆動装置１０ｂも、同様に４つの圧電振動部１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄを備えている。但し、図１０（Ｂ）では、第１圧電振動部１００ａの振動体２１０と、第１圧電振動部１００ａに隣接する第２圧電振動部１００ｂの振動体２１０（「第２振動体２１０」とも呼ぶ。）と、が接着剤層２７０により接着され、第２圧電振動部１００ｂの圧電素子１１０と第２圧電振動部１００ｂに隣接する第３圧電振動部１００ｃの圧電素子１１０とが接着剤層２７０により接着されている。

図１０（Ｃ）に示す圧電駆動装置１０ｃは、２つの圧電振動部１００ｅ、１００ｆを備えており、これらに圧電振動部１００ｅ、１００ｆは、いずれも振動体２１０の両面に圧電素子１１０を備える構成である。第１圧電振動部１００ｅの圧電素子１１０と、第１圧電振動部１００ｅに隣接する第２圧電振動部１００ｆの圧電素子１１０とが接着剤層２７０により接着されている。

以下、圧電駆動装置１０を構成する各部材について説明する。

図１１は、外枠３０の構成を示す説明図である。外枠３０は、樹脂や金属で構成されており、圧電駆動装置１０の筐体として機能する。外枠３０は、底面部３１と側面部３２、３３とを備える。底面部３１は、平板形状を有し、ほぼ中央部に開口部３４を備える。側面部３２、３３は、底面部３１のｙ方向の２つの端部にそれぞれ設けられ、底面部３１と垂直である。図１１に示す構成では、底面部３１のｘ方向の端部には、側面部が設けられていないが、底面部３１のｘ方向の一方の端部に側面部を備える構成であってもよい。なお、底面部３１のｘ方向の他方の端部は、圧電振動部１００の振動体２１０が突き出るため、側面部は不要である。

図１２は、中間部材６０の構成を示す説明図である。中間部材６０は、例えば、ステンレス鋼（熱伝導率約１７〜２０Ｗ／ｍＫ）やシリコン（熱伝導率約１７０Ｗ／ｍＫ）で構成された、平板形状をした部材であり、平板部６１と、突起部６２とを備える。突起部６２は、平板部６１の一方の面の外縁であって、中間部材６０のｙ方向の両端部とｘ方向の一端部に設けられており、中央からｘ方向の他方の端部にかけては設けられていない。また、突起部６２は、平板部６１の他方の面には設けられていない。別の表現をすれば、中間部材６０は平板の一方の面に、平板の中央から一つの辺に向かって凹部を形成した構造である。この構造により、中間部材６０は、支持部２２０、あるいは支持部２２０上の圧電素子１１０と接触するが、振動体２１０、あるいは振動体２１０上の圧電素子１１０と接触しない。そのため、振動体２１０の振動を抑制しない。図２に示すように各部材を積層して圧電駆動装置１０を構成する場合、中間部材６０は、突起部６２が圧電振動部１００側に位置するように配置される。その結果、突起部６２が圧電振動部１００の支持部２２０と接触し、平板部６１が板バネ５０と面接触する。この構造の場合、圧電振動部１００から発生した熱は、突起部６２から中間部材６０に移動し、平板部６１から板バネ５０に移動できる。

図１３は、内枠４０の構成を示す説明図である。内枠４０は、樹脂または金属で形成されており、平板である底面部４１と、３つの側面部４２、４３、４４を備える。側面部４２は、底面部４１のｘ方向の一方の端部に設けられ、底面部４１と垂直である。側面部４３、４４は、底面部４１のｙ方向の２つの端部にそれぞれ設けられ、底面部４１と垂直である。側面部４３，４４は、底面部４１との境界に、フランジ４５を備える。内枠４０を外枠３０に配置したとき、外枠３０の開口部３４（図１１）に内枠４０の底面部４１が嵌まる。フランジ４５は、内枠４０が外枠３０のｚ方向に落ちないように支える。内枠４０の底面部４１と、３つの側面部４２、４３、４４に囲われた略直方体の領域４６には、圧電振動部１００の半分と、その両側に配置された中間部材６０が収納される。

図１４は、板バネ５０の構成を示す説明図である。板バネ５０は、金属で形成された板状の弾性部材であり、外枠部５１と、中央部５２と、バネ部５３、５４と、３つの開口部５５、５６、５７を備える。外枠部５１は、板バネ５０の外縁にある額縁形状をした部分である。中央部５２は、板バネ５０の中央に設けられた長方形形状をした部分である。中央部５２は、中間部材６０の大きさとほぼ同じ大きさを有している。また、中央部５２は、中間部材６０と板バネ５０とを重ねたときに、中間部材６０と面接触する位置にある。板バネ５０は、圧電素子１１０または振動体２１０の少なくとも一方と接触する面から反対側の面（フタ８０（図２）側の面）へ熱を容易に移動できる。

バネ部５３、５４は、中央部５２と外枠部５１とを繋ぐ細長い部分であり、屈曲構造を有している。圧電振動部１００が駆動すると、振動体２１０が伸縮する。振動体２１０が伸びると、支持部２２０が凹部２１６と反対方向に移動するため、中間部材６０、板バネ５０の中央部５２も同方向に移動する。その結果、中央部５２と外枠部５１との相対的位置が変わり、バネ部５３、５４に歪みが生じる。歪んだバネ部５３、５４はバネ（弾性体）として機能し、振動体２１０を被駆動部材９５（図６）に押圧する。

３つの開口部５５、５６、５７は、それぞれ、内枠４０の３つの側面部４２、４３、４４に対応した位置にあり、各部材を積層して圧電駆動装置１０を構成したときに、内枠４０の３つの側面部４２、４３、４４は、それぞれ開口部５５、５６、５７を貫通する。

図１５は、固定枠７０の構成を示す説明図である。固定枠７０は、樹脂や金属により構成されている。固定枠７０は、略額縁形状を有する部材であるが、額縁形状の１辺の中央には、開口部７１が設けられている。固定枠７０の内部には、内枠４０と、圧電振動部１００と、中間部材６０とが収納される。なお、圧電振動部１００の振動体２１０の一部は、開口部７１から外に突出する。圧電駆動装置１０を構成したとき、図２に示す様に、固定枠７０の上下には、板バネ５０が配置される。

図１６は、フタ８０の構成を示す説明図である。フタ８０は、熱伝導率０．１Ｗ／ｍＫ以上の材料、例えば樹脂や金属で形成されている。フタ８０は、外枠３０の上部において圧電駆動装置１０の筐体の一部として蓋をする機能を有するとともに、熱を放熱する板状の熱伝導部材としての機能を有する。熱伝導率０．１Ｗ／ｍＫ以上の材料であれば、十分な放熱ができるとともに、材料としてコストの安い樹脂を用いることができる。なお、フタ８０は、熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ以上の材料、例えばステンレス鋼（熱伝導率約１６〜２０Ｗ／ｍＫ）で形成されていてもよい。放熱性をより高めることができる。フタ８０の材料をシリコンとしてもよい。シリコンの熱伝導率は、約１７０Ｗ／ｍＫであり、放熱性をさらに高めることができる。フタ８０の熱伝導率は、板バネ５０や、中間部材６０の熱伝導率と同等以上であってもよい。フタの方が板バネ５０や中間部材６０よりも熱伝導率が大きいので、圧電駆動装置１０の内部に熱が籠もりにくい。フタ８０は、３つの開口部８１、８２、８３を備えている。開口部８１は、内枠４０の側面部４２と、フレキシブル基板９０と、が貫通する孔である。開口部８２、８３は、それぞれ内枠の側面部４３、４４が貫通する孔である。３つの開口部８１、８２、８３に囲まれた中央部８４は、板バネ５０の中央部５２と面接触している。そのため、板バネ５０の熱を速やかにフタ８０に移動させることが出来る。

図１７は、圧電振動部１００における熱の移動を示す説明図である。熱は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅで発生する。熱は、圧電素子１１０ａ〜１１０ｅから振動体２１０に移動し、矢印Ｈ１で示す様に、振動体２１０から接続部２２２、２２３を経由して固定部２２１に移動し、さらに矢印Ｈ２で示す様に、固定部２２１に拡散する。本実施形態では、振動体２１０と、支持部２２０とは、同一の材料（例えばシリコン）で一体に形成されているので、支持部２２０（固定部２２１）への熱の移動は、容易である。また、振動体２１０と支持部２２０とがシリコンで形成されていると、シリコンは熱伝導率が約１７０Ｗ／ｍＫと極めて大きいので、熱の移動が容易である。

図１８は、圧電駆動装置１０における熱の移動を示す説明図である。固定部２２１に移動した熱は、矢印Ｈ３のように、中間部材６０の突起部６２を通って中間部材６０の平板部６１に移動する。熱は、さらに、矢印Ｈ４に示す様に平板部６１に拡散する。中間部材６０の平板部６１と板バネ５０の中央部５２とは、面接触しているので、熱は、矢印Ｈ５に示す様に、板バネ５０に移動する。板バネ５０の中央部５２とフタ８０の中央部８４とは面接触しているので、熱は、矢印Ｈ６で示す様に、フタ８０に移動し、フタ８０から外気に放熱される。

以上、本実施形態によれば、振動体２１０と、振動体２１０の少なくとも一方の面に配置された圧電素子１１０と、振動体２１０を支持する支持部２２０（支持部）と、振動体２１０を被駆動部材に押圧する弾性部材である板バネ５０と、板バネ５０と面接触状態を保ちつつ相互の位置関係を変更可能に配置された熱伝導部材であるフタ８０とを備えるので、圧電駆動装置１０の熱を容易に放熱できる。

本実施形態では、中間部材６０を設けて、板バネ５０を圧電素子１１０または振動体２１０の少なくとも一方と間接的に接触させたが、中間部材６０を備えずに板バネ５０を圧電素子１１０または振動体２１０の少なくとも一方と直接的に接触させてもよい。中間部材６０を備えないので、板バネ５０に熱を移動させやすい。この場合、中間部材６０が振動体２１０上の圧電素子１１０と接触していない構造を有していたのと同様に、板バネ５０と振動体２１０上の圧電素子１１０とが接触しないように、支持部２２０における圧電振動部１００の厚さを振動体２１０における圧電振動部１００の厚さよりも厚くする、あるいは、板バネ５０の圧電振動部１００側の外枠５１を厚くすることが好ましい。

変形例：
図１９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、本発明の他の実施形態としての圧電振動部１００ｂの平面図であり、本実施形態の図３（Ａ）に対応する図である。図１９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）では、図示の便宜上、振動体２１０のみを図示し、支持部２２０や接続部２３０は、図示が省略されている。図１９（Ａ）の圧電振動部１００ｇでは、一対の圧電素子１１０ｂ，１１０ｃが省略されている。この圧電振動部１００ｇも、図４に示すような１つの方向ｚにローター９５を回転させることが可能である。なお、図１９（Ａ）の３つの圧電素子１１０ａ，１１０ｅ，１１０ｄには同じ電圧が印加されるので、これらの３つの３つの圧電素子１１０ａ，１１０ｅ，１１０ｄの第２電極（１５０ａ，１５０ｅ，１５０ｄ）を、連続する１つの電極層として形成してもよい。

図１９（Ｂ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電振動部１００ｈの平面図である。この圧電振動部１００ｈでは、図３（Ａ）の中央の圧電素子１１０ｅが省略されており、他の４つの圧電素子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄが図１（Ａ）よりも大きな面積に形成されている。この圧電振動部１００ｃも、第１実施形態とほぼ同様な効果を達成することができる。

図１９（Ｃ）は、本発明の更に他の実施形態としての圧電振動部１００ｊの平面図である。この圧電振動部１００ｊでは、図３（Ａ）の４つの第２電極１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄが省略されており、１つの第２電極１５０ｅが大きな面積で形成されている。この圧電振動部１００ｄは、長手方向に伸縮するだけであるが、接触子２０から被駆動体（図示省略）に対して大きな力を与えることが可能である。

図３及び図１９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）から理解できるように、圧電振動部１００の第２電極１５０としては、少なくとも１つの電極層を設けることができる。但し、図３及び図１９（Ａ），（Ｂ）に示す実施形態のように、長方形の振動体２１０の対角の位置に圧電素子１１０（第２電極１５０）を設けるようにすれば、振動体２１０を、その平面内で屈曲する蛇行形状に変形させることが可能である点で好ましい。

・圧電駆動装置を用いた装置の実施形態：
上述した圧電駆動装置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。圧電駆動装置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駆動装置では、振動体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２０は、上述の圧電駆動装置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、上述した圧電駆動装置１０が内蔵されており、圧電駆動装置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、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１０が内蔵されており、圧電駆動装置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、ロボットハンド２０００とアーム２０１０との間にも圧電駆動装置１０が設けられており、圧電駆動装置１０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２１は、図２０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、圧電駆動装置１０を備えており、圧電駆動装置１０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１０が搭載されている。このため、圧電駆動装置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駆動装置１０を適用可能である。ここで、手首の関節部２０２０やロボットハンド２０００の内部には、圧電駆動装置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やロボットハンド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駆動装置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）やロボットハンド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。

図２２は、上述の圧電駆動装置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、圧電駆動装置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。圧電駆動装置１０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駆動装置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、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…圧電駆動装置 ２０…接触子 ３０…外枠 ３１…底面部 ３２、３３…側面部 ３４…開口部 ４０…内枠 ４１…底面部 ４２、４３、４４…側面部 ４５…フランジ ４６…領域 ５０…板バネ ９５…ローター ９６…中心 ５１…外枠部 ５２…中央部 ５３、５４…バネ部 ５５…開口部 ６０…中間部材 ６１…平板部 ６２…突起部 ７０…固定枠 ７１…開口部 ８０…フタ ８１、８２、８３…開口部 ８４…中央部 ９０…フレキシブル基板 １００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｈ、１００ｊ…圧電振動部 １１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ…圧電素子 １３０…第１電極 １４０…圧電体 １５０、１５０ａ、１５０ｄ、１５０ｅ…第２電極 ２００…基板 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…配線電極 ２５１…第１配線パターン ２５２…第２配線パターン ２５３…第３配線パターン ２５４…第４配線パターン ２６０…絶縁層 ２７０…接着剤層 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…フィンガー ２２２２…ローター ２２２３…減速伝達機構

Claims (11)

1. 振動体と、前記振動体に配置された圧電素子、および前記振動体を支持する支持部と、を有する圧電振動部と、
   前記振動体を被駆動部材に押圧する弾性部材と、
   前記弾性部材と面接触状態を保ちつつ相互の位置関係を変更可能である熱伝導部材と、
   を備える、圧電駆動装置。
2. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、
   前記振動体と前記弾性部材との間に位置し、前記支持部と接触し前記振動体に配置された前記圧電素子と接触しない中間部材を備える、圧電駆動装置。
3. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、
   前記弾性部材は、前記支持部と接触し、前記圧電素子と接触しない、圧電駆動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
   前記弾性部材は、前記圧電振動部に接触する面とは反対側の面で前記熱伝導部材と接触する、圧電駆動装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
   前記振動体と、前記圧電素子と、前記支持部と、前記弾性部材とを収納する筐体を備え、
   前記熱伝導部材は、前記筐体の一部を構成する、圧電駆動装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
   前記熱伝導部材の熱伝導率は、０．１Ｗ／ｍＫ以上である、圧電駆動装置。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
   前記熱伝導部材の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫ以上である、圧電駆動装置。
8. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
   前記熱伝導部材はシリコンで形成されている、圧電駆動装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
   前記振動体と前記支持部とは、同一の材料で一体に形成されている、圧電駆動装置。
10. 複数のリンク部と、
    前記複数のリンク部を接続する関節部と、
    前記リンク部を前記関節部において回動させる請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
    を備えるロボット。
11. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧電駆動装置の駆動方法であって、
    前記圧電素子に、周期的に変化する電圧であって、前記圧電素子の圧電体に印加する電界の方向が一方向である脈流電圧を印加する圧電駆動装置の駆動方法。

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