JP6693120B2 - 圧電駆動装置およびその製造方法、モーター、ロボット、ならびにポンプ - Google Patents
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
本発明に係る圧電駆動装置の一態様は、
複数の振動ユニットを含む圧電駆動装置であって、
前記振動ユニットは、
振動板と、
前記振動板上に設けられた第1電極と、
前記第1電極上に設けられた圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられた第2電極と、
前記圧電体層の前記第2電極が設けられていない位置に、前記第1電極の上面まで貫通するように設けられたコンタクトホールと、
前記コンタクトホールを介して前記第1電極または第2電極と電気的に接続された配線層と、
を含み、
複数の前記振動ユニットは、前記振動板の厚さ方向に重なるように配置されている。
適用例1において、
前記圧電体層は、
前記第1電極と前記第2電極とに挟まれた能動部と、
前記能動部と連続し、前記第1電極と前記第2電極とに挟まれていない非能動部と、
を有し、
前記コンタクトホールは、前記非能動部に設けられていてもよい。
適用例1または2において、
前記第2電極の上面および側面、前記圧電体層の上面、ならびに前記コンタクトホールの内面を覆うように設けられた保護層を含み、
前記保護層は、無機絶縁層であってもよい。
本発明に係る圧電駆動装置の製造方法の一態様は、
複数の振動ユニットを含む圧電駆動装置の製造方法であって、
振動板上に第1電極を形成する工程と、
前記第1電極上に圧電体層を成膜する工程と、
前記圧電体層上に第2電極を形成する工程と、
前記圧電体層の前記第2電極が形成されていない位置に、前記第1電極の上面まで貫通するように、コンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールを介して前記第1電極または第2電極と電気的に接続される配線層を形成する工程と、
を含んで、複数の前記振動ユニットを形成し、
複数の前記振動ユニットを、前記振動板の厚さ方向に重なるように配置する。
適用例4において、
前記圧電体層は、
前記第1電極と前記第2電極とに挟まれた能動部と、
前記能動部と連続し、前記第1電極と前記第2電極とに挟まれていない非能動部と、
を有するように形成され、
前記コンタクトホールは、前記非能動部に形成されてもよい。
適用例4または5において、
前記第2電極の上面および側面、前記圧電体層の上面、ならびに前記コンタクトホールの内面を覆うように保護層を形成する工程を含み、
前記保護層の材質は、無機絶縁層であってもよい。
本発明に係るモーターの一態様は、
適用例1ないし3のいずれか1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。
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適用例1ないし3のいずれか1項に記載の圧電駆動装置と、
を含む。
本発明に係るポンプの一態様は、
適用例1ないし3のいずれか1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鎖する複数のフィンガーと、
を含む。
まず、本実施形態に係る圧電駆動装置について、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係る圧電駆動装置100を模式的に示す平面図である。図2は、本実施形態に係る圧電駆動装置100を模式的に示す図1のII−II線断面図である。
ことができる。
電素子である。圧電体層34の厚さが50nmより小さいと、圧電駆動装置100の出力が小さくなる場合がある。具体的には、出力を上げようとして圧電体層34への印加電圧を高くすると、圧電体層34が絶縁破壊を起こす場合がある。圧電体層34の厚さが20μmより大きいと、圧電体層34にクラックが生じる場合があり、さらに駆動電圧が高くなる場合がある。
の四隅に設けられている。
1電極32の上面32aまで貫通するように設けられた第1コンタクトホール60を含む。したがって、圧電駆動装置100では、圧電体層34は、第2電極36の直下以外にも設けられている。そのため、圧電駆動装置100では、圧電体層34が第2電極36の直下にのみ設けられている場合に比べて、振動ユニット102の接合面101aの平坦性を向上させることができる。これにより、圧電駆動装置100では、隣り合う振動ユニット102間において接合面積を増加させることができ、隣り合う振動ユニット102間の接合強度を高くすることができる。
次に、本実施形態に係る圧電駆動装置100の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図11は、本実施形態に係る圧電駆動装置100の製造方法を説明するためのフローチャートである。図12〜図15は、本実施形態に係る圧電駆動装置100の製造工程を模式的に示す断面図である。
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。
3.1.1. サンプル
図16〜図19に示すようなサンプルA,B,C、Dを用いて実験を行った。
,Dにおいて、無機絶縁層140の材質を酸化タンタル、無機絶縁層140の厚さを90nmとした。
上記のようなサンプルA〜Dにおいて、室温(25℃)にて、正弦波20kHz、振幅100V(0〜100V)の波形を、各々40個(N=40)のサンプルに印加した。具体的には、上記の波形を、第1電極132をグラントとして第2電極136に印加した。そして、印加時間に対する破壊発生率の関係について調査した。図20は、パルス印加時間と破壊発生率との関係を示す表である。図21は、パルス印加時間と破壊発生率との関係を示すグラフである。なお、「破壊」とは、第1電極と第2電極とが短絡した状態をいう。
3.2.1. サンプル
図22および図23に示すようなサンプルE,Fを用いて実験を行った。なお、以下の実験例において、上述したサンプルA〜Dと同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
上記のようなサンプルE,Fにおいて、電極132,136間に100Vの電圧を印加した後、金属顕微鏡によって、圧電体層34のクラックの確認を行った。図24および図25は、電極132,136間に100Vの電圧を印加した後の金属顕微鏡写真であり、図24はサンプルEの結果であり、図25はサンプルFの結果である。
3.2.1. サンプル
図26〜図30に示すようなサンプルG,H,I,J,Kを用いて実験を行った。
上記のようなサンプルG〜Kは、上記のような積層体がウェハーに一面に繰り返し形成されている。図31に示すように、ウェハー6の積層体が形成されている面にダイアモンドカッターにて、1mm間隔で6×6本の切り傷8をつけ、サンプルG〜Kの各々を、5×5=25個に分割した。分割された25個のサンプルG〜Kの各々は、それぞれ図26〜図30に示したような構造を有している。切り傷8は、基板111にまで到達している。分割された25個のサンプルにセロテープ(登録商標)を強く圧着させ、テープの端を水平方向に対して45°傾け、一気に剥がした。そして、25個中剥がれた個数、および剥がれた界面の位置を確認した。図32は、サンプルG〜Kにおいて、25個中剥がれた個数、および剥がれが生じた界面の位置を示す表である。
本発明に係る電駆動装置は、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、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出来る。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100を含む装置について説明する。
図33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の間を回動また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。
図35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、を含む。
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。
Claims (7)
- 二つの振動ユニットを含む圧電駆動装置であって、
前記二つの振動ユニットは、
振動板と、
構造体と、を有し、
前記構造体は、
前記振動板上に設けられた第1電極と、
前記第1電極上に設けられた圧電体層と、
前記圧電体層上に設けられた第2電極と、
前記圧電体層の前記第2電極が設けられていない位置に、前記第1電極の上面まで貫通するように設けられた第1コンタクトホールと、
前記第2電極の上面および側面、前記圧電体層の上面、ならびに前記第1コンタクトホールの内面を覆うように設けられた保護層と、
前記保護層の前記第1コンタクトホールに位置する部分に設けられ、前記第1電極の上面まで貫通するように設けられた第2コンタクトホールと、
前記第2コンタクトホールを介して前記第1電極と電気的に接続された配線層と、
を含み、
前記二つの振動ユニットは、前記振動板の厚さ方向に重なるように配置され、
前記二つの振動ユニットのうち、一方の振動ユニットは、他の振動ユニットと接合された接合面を有し、
前記保護層は、無機絶縁層であり、
前記配線層は、前記圧電体層と離間している、圧電駆動装置。 - 請求項1において、
前記圧電体層は、
前記第1電極と前記第2電極との間に位置する能動部と、
前記能動部と連続し、前記第1電極と前記第2電極との間に位置しない非能動部と、
を有し、
前記第1コンタクトホールは、前記非能動部に設けられている、圧電駆動装置。 - 二つの振動ユニットを含む圧電駆動装置の製造方法であって、
振動板上に構造体を配置して前記振動ユニットを形成する工程を含み、
前記形成する工程は、
前記振動板上に第1電極を形成するステップと、
前記第1電極上に圧電体層を成膜するステップと、
前記圧電体層上に第2電極を形成するステップと、
前記圧電体層の前記第2電極が形成されていない位置に、前記第1電極の上面まで貫通するように、第1コンタクトホールを形成するステップと、
前記第2電極の上面および側面、前記圧電体層の上面、ならびに前記第1コンタクトホールの内面を覆うように保護層を形成するステップと、
前記保護層の前記第1コンタクトホールに位置する部分に、前記第1電極の上面まで貫通するように、第2コンタクトホールを形成するステップと、
前記第2コンタクトホールを介して前記第1電極と電気的に接続される配線層を形成するステップと、を含み、
二つの前記振動ユニットを、前記振動板の厚さ方向に重なるように配置し、
二つの前記振動ユニットのうち、一方の前記振動ユニットは、他の前記振動ユニットと接合された接合面を有するように形成され、
前記保護層は、無機絶縁層であり、
前記配線層は、前記圧電体層と離間するように形成される、圧電駆動装置の製造方法。 - 請求項3において、
前記圧電体層は、
前記第1電極と前記第2電極との間にある能動部と、
前記能動部と連続し、前記第1電極と前記第2電極との間に位置しない非能動部と、
を有するように形成され、
前記第1コンタクトホールは、前記非能動部に形成される、圧電駆動装置の製造方法。 - 請求項1または2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。 - 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または2に記載の圧電駆動装置と、
を含む、ロボット。 - 請求項1または2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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