JP6828342B2 - 圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、電子部品搬送装置、プリンターおよび圧電アクチュエーターの製造方法 - Google Patents

圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、電子部品搬送装置、プリンターおよび圧電アクチュエーターの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、電子部品搬送装置、プリンターおよび圧電アクチュエーターの製造方法に関するものである。
従来から、圧電アクチュエーターとして、例えば、特許文献1に記載の構成が知られている。特許文献1の圧電アクチュエーターは、振動部と、振動部に配置され、ローター(被駆動部)に駆動力を伝達する伝達部と、を備えている振動子と、振動子をローターに向けて付勢している付勢部と、を有している。さらに、付勢部は、振動子に固定されている基部と、基部に接続されている一対のバネ部と、を有している。
特開2015−186329号公報
しかしながら、特許文献1の圧電アクチュエーターでは、付勢部において、基部と一対のバネ部とが別体で形成されており、一対のバネ部がネジ止めによって基部に固定されている。このように、基部と一対のバネ部とが別体で形成されていると、小型化を図ることが困難となる。
本発明の目的は、小型化を図ることのできる圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、電子部品搬送装置、プリンターおよび圧電アクチュエーターの製造方法を提供することにある。
上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の圧電アクチュエーターは、圧電素子を有している振動部と、前記振動部に配置されており、被駆動部に駆動力を伝達する伝達部と、を備えている振動子と、
前記振動子を前記被駆動部に向けて付勢することができる付勢部と、を有し、
前記付勢部は、前記振動子に接続されている基部と、前記基部と一体である一対のバネ部と、を備えていることを特徴とする。
このように、付勢部において、基部と一対のバネ部とを一体とすることで、従来のように基部と一対のバネ部とが別体でこれらがネジ等の固定部材を用いて固定されている構成と比較して、圧電アクチュエーターの小型化を図ることができる。
本発明の圧電アクチュエーターでは、前記付勢部は、シリコンを含んでいることが好ましい。
これにより、例えば、エッチングによるパターニングを高精度に行うことができるため、付勢部の製造が容易となる。
本発明の圧電アクチュエーターでは、前記付勢部は、エッチング面を有していることが好ましい。
これにより、付勢部を高精度に形成することができる。また、例えば、基部とバネ部との接続部が滑らかとなり、当該部分を起点としたクラックが生じ難くなる。
本発明の圧電アクチュエーターでは、前記振動子は、前記基部と接続して前記振動部を支持している支持部を有していることが好ましい。
これにより、振動子と付勢部との接続が容易となる。
本発明の圧電アクチュエーターでは、前記振動子は、複数の前記付勢部の間に配置されていることが好ましい。
これにより、バランスよく、振動子を被駆動部に向けて付勢することができる。
本発明の圧電アクチュエーターでは、前記付勢部は、前記振動子と前記付勢部とが重なる方向から見た平面視で、前記振動部と重なる領域を有し、前記重なる領域において前記付勢部と前記振動部との間には空隙が設けられていることが好ましい。
これにより、付勢部と振動部との接触を抑制することができ、振動部を効率的に振動させることができる。
本発明の圧電アクチュエーターでは、前記付勢部は、一対のバネ部を介して前記基部と接続されている接続部を有し、
前記接続部は、前記振動子の付勢方向と交差する方向に前記基部と並んで配置されていることが好ましい。
これにより、例えば、接続部において、圧電アクチュエーターを別部材に固定することができる。また、接続部をこのような配置とすることで、より効果的に圧電アクチュエーターを小型化することができる。
本発明の圧電アクチュエーターでは、複数の前記振動子を有し、
複数の前記振動子は、積層されていることが好ましい。
これにより、より大きい駆動力を発生させることができる。
本発明の圧電モーターは、本発明の圧電アクチュエーターを備えていることを特徴とする。
これにより、前述した圧電アクチュエーターの効果を享受することができ、信頼性の高い圧電モーターが得られる。
本発明のロボットは、本発明の圧電アクチュエーターを備えていることを特徴とする。
これにより、前述した圧電アクチュエーターの効果を享受することができ、信頼性の高いロボットが得られる。
本発明の電子部品搬送装置は、本発明の圧電アクチュエーターを備えていることを特徴とする。
これにより、前述した圧電アクチュエーターの効果を享受することができ、信頼性の高い電子部品搬送装置が得られる。
本発明のプリンターは、本発明の圧電アクチュエーターを備えていることを特徴とする。
これにより、前述した圧電アクチュエーターの効果を享受することができ、信頼性の高いプリンターが得られる。
本発明の圧電アクチュエーターの製造方法は、圧電素子を有している振動部を備えている振動子を複数有している振動子基板と、前記振動子に接続される基部と、前記基部と一体である一対のバネ部と、を備えている付勢部を複数有している付勢部基板と、を準備する工程と、
前記振動子基板と前記付勢部基板とを接合して、複数の圧電アクチュエーターを有している圧電アクチュエーター基板を得る工程と、
前記圧電アクチュエーター基板に含まれる複数の前記圧電アクチュエーターを個片化する工程と、を含んでいることを特徴とする。
これにより、小型な圧電アクチュエーターを容易に製造することができる。
本発明の第1実施形態に係る圧電モーターの全体構成を示す平面図である。 図1に示す圧電モーターが有する圧電アクチュエーターを示す斜視図である。 図2に示す圧電アクチュエーターの平面図である。 図3中のA−A線断面図である。 図3中のB−B線断面図である。 図3中のC−C線断面図である。 図2に示す圧電アクチュエーターの基端部を示す斜視図である。 図2中のD−D線断面図である。 図2中のE−E線断面図である。 図1に示す圧電モーターの駆動を説明する概略図である。 図2に示す圧電アクチュエーターの製造方法を示すフローチャートである。 図2に示す圧電アクチュエーターの製造方法を示す側面図(先端側から見た側面図)である。 図2に示す圧電アクチュエーターの製造方法を示す側面図(先端側から見た側面図)である。 図2に示す圧電アクチュエーターの製造方法を示す側面図(先端側から見た側面図)である。 図2に示す圧電アクチュエーターの製造方法を示す側面図(先端側から見た側面図)である。 図2に示す圧電アクチュエーターの製造方法を示す側面図(先端側から見た側面図)である。 本発明の第2実施形態に係る圧電アクチュエーターを示す斜視図である。 本発明の第3実施形態に係る圧電アクチュエーターを示す平面図である。 本発明の第4実施形態に係る圧電アクチュエーターを示す平面図である。 本発明の第5実施形態に係るロボットを示す斜視図である。 本発明の第6実施形態に係る電子部品搬送装置を示す斜視図である。 図21に示す電子部品搬送装置が有する電子部品保持部を示す斜視図である。 本発明の第7実施形態に係るプリンターの全体構成を示す概略図である。
以下、本発明の圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、電子部品搬送装置、プリンターおよび圧電アクチュエーターの製造方法を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
<第1実施形態>
まず、本発明の第1実施形態に係る圧電モーターについて説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る圧電モーターの全体構成を示す平面図である。図2は、図1に示す圧電モーターが有する圧電アクチュエーターを示す斜視図である。図3は、図2に示す圧電アクチュエーターの平面図である。図4は、図3中のA−A線断面図である。図5は、図3中のB−B線断面図である。図6は、図3中のC−C線断面図である。図7は、図2に示す圧電アクチュエーターの基端部を示す斜視図である。図8は、図2中のD−D線断面図である。図9は、図2中のE−E線断面図である。図10は、図1に示す圧電モーターの駆動を説明する概略図である。図11は、図2に示す圧電アクチュエーターの製造方法を示すフローチャートである。図12ないし図16は、それぞれ、図2に示す圧電アクチュエーターの製造方法を示す側面図(先端側から見た側面図)である。なお、以下では、説明の便宜上、図1中の紙面手前側を「上」とも言い、図1中の紙面奥側を「下」とも言う。また、圧電アクチュエーターのローター側を「先端側」とも言い、ローターと反対側を「基端側」とも言う。
図1に示す圧電モーター100(超音波モーター)は、回動軸Oまわりに回転可能な被駆動部(従動部)としてのローター110と、ローター110の外周面111に当接する圧電アクチュエーター1と、を有している。このような圧電モーター100では、圧電アクチュエーター1を駆動(振動)させることで、ローター110を回動軸Oまわりに回転させることができる。なお、圧電モーター100の構成としては図1の構成に限定されない。例えば、本実施形態では、被駆動部として回転移動するローター110を用いているが、被駆動部として直線移動するものを用いてもよい。
また、図1に示すように、圧電アクチュエーター1は、圧電素子5を有している振動部21と、振動部21に配置されており、被駆動部としてのローター110に駆動力を伝達する伝達部23と、を備えている振動子2と、振動子2をローター110に向けて付勢することができる(付勢する機能を有する)付勢部7と、を有している。また、付勢部7は、振動子2に接続(固定)されている基部71と、基部71と一体である一対のバネ部72、73と、を備えている。このように、付勢部7において、基部71と一対のバネ部72、73とを一体化することで、従来のように基部71と一対のバネ部72、73とが別体でこれらがネジ等の固定部材を用いて固定されている構成と比較して、圧電アクチュエーター1の小型化、構造の簡素化(部品点数の削減等)を図ることができる。また、例えば、従来のような構成では、ネジの締め付け具合や経時的な締め付けの緩み等によって、付勢力が個体間でバラついたり、付勢力が経時的に変化したりするが、本実施形態によれば、このような問題が生じないため、設計通りで、より安定した付勢力を得ることができる。以下、このような圧電アクチュエーター1について詳細に説明する。
図2に示すように、圧電アクチュエーター1は、振動子2と、振動子2をローター110に向けて付勢する付勢部7と、を有している。また、振動子2は、対向配置された第1基板3および第2基板4と、これら第1、第2基板3、4の間に位置し、接着剤を介して接合された圧電素子5および第1層間部6と、を有している。
また、図3に示すように、第1基板3は、振動板31と、振動板31を支持する支持板32と、振動板31および支持板32を接続(連結)する一対の接続部33と、を有している。同様に、第2基板4は、振動板41と、振動板41を支持する支持板42と、振動板41および支持板42を接続(連結)する一対の接続部43と、を有している。第1基板3および第2基板4は、実質的に同じ形状および大きさを有しており、圧電素子5を介して振動板31、41が対向配置され、第1層間部6を介して支持板32、42が対向配置され、空隙を介して接続部33、43が対向配置されている。そして、このような振動子2では、振動板31、圧電素子5および振動板41の積層体で振動部21が形成され、支持板32、第1層間部6および支持板42の積層体で支持部22が形成されている。すなわち、振動子2は、振動部21と、振動部21を支持している支持部22と、を有している。
第1基板3および第2基板4としては特に限定されないが、例えば、シリコン基板を用いることができる。第1基板3および第2基板4としてシリコン基板を用いることで、優れた加工精度(パターニング精度)を発揮することができる。また、振動子2の製造にシリコンウエハプロセス(MEMSプロセス)を用いることができ、振動子2を効率的に製造することができる。なお、図示しないが、第1基板3および第2基板4の表面には絶縁層が設けられている。例えば、第1基板3および第2基板4としてシリコン基板を用いる場合、絶縁層は、シリコン基板の表面を熱酸化して形成した酸化シリコンで構成することができる。
次に、振動部21について説明する。振動部21は、振動子2の厚さ方向(振動板31、圧電素子5および振動板41の積層方向)から見た平面視(以下、単に「平面視」とも言う)で、略長方形状(長手形状)をなしている。また、振動部21の長手方向の先端部であって、幅方向の中央部には凸状の伝達部23が設けられている。伝達部23は、振動部21の振動をローター110に伝達する部位であり、振動部21から先端側へ突出していると共に、その先端面がローター110の外周面111に接触している。そのため、振動部21が振動すると、その振動が伝達部23を介してローター110に伝わり、ローター110が回動軸Oまわりに回転する。
なお、振動部21および伝達部23の形状や配置としては、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。
図4ないし図6に示すように、圧電素子5は、振動板31と振動板41との間に位置しており、振動板31との間に配置された絶縁性の接着剤X1を介して振動板31と接合され、振動板41との間に配置された絶縁性の接着剤X1を介して振動板41と接合されている。なお、接着剤X1としては、特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂系、ウレタン樹脂系、ユリア樹脂系、メラミン樹脂系、フェノール樹脂系、エステル樹脂系等の各種熱硬化性樹脂系の接着剤、酢酸ビニル樹脂系、ポリビニルアルコール系、エチレン酢酸ビニル樹脂系、塩化ビニル樹脂系、アクリル樹脂系、ポリアミド系、セルロース系、ポリビニルピロリドン系、ポリスチレン系等の各種熱可塑性樹脂系の接着剤等を用いることができる。
また、圧電素子5は、5つの圧電素子5a、5b、5c、5d、5eを含んでいる。圧電素子5eは、振動部21の幅方向の中央部において、振動部21の長手方向に沿って配置されている。この圧電素子5eに対して振動部21の幅方向の一方側には圧電素子5a、5bが振動部21の長手方向に沿って配置され、他方側には圧電素子5c、5dが振動部21の長手方向に沿って配置されている。
また、5つの圧電素子5a、5b、5c、5d、5eは、それぞれ、圧電体52と、圧電体52の上面(振動板31側の主面)に設けられた第1電極51と、圧電体52の下面(振動板41側の主面)に設けられた第2電極53と、を有している。
第1電極51は、圧電素子5a、5b、5c、5d、5eに共通して設けられた共通電極である。一方、第2電極53は、圧電素子5a、5b、5c、5d、5eごとに個別に設けられた個別電極である。また、圧電体52は、圧電素子5a、5b、5c、5d、5eに共通して一体的に設けられている。なお、圧電体52は、圧電素子5a、5b、5c、5d、5eごとに個別に設けられていてもよい。また、本実施形態とは逆に、第1電極51が圧電素子5a、5b、5c、5d、5eごとに個別に設けられ、第2電極53が圧電素子5a、5b、5c、5d、5eに共通して設けられていてもよい。
圧電体52は、振動部21の厚さ方向に沿った方向の電界が印加されることで振動部21の長手方向に沿った方向に伸縮する。このような圧電体52の構成材料としては、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、スカンジウムニオブ酸鉛等の圧電セラミックスを用いることができる。圧電セラミックスで構成された圧電体52は、例えば、バルク材料から形成してもよいし、ゾル−ゲル法やスパッタリング法を用いて形成してもよいが、バルク材料から形成することが好ましい。これにより、振動子2の製造が容易となる。なお、圧電体52の構成材料としては、上述した圧電セラミックスの他にも、ポリフッ化ビニリデン、水晶等を用いてもよい。
本実施形態では、圧電体52は、バルク材料から形成されている。この場合、圧電体52の厚さとしては、特に限定されないが、例えば、100μm以上、600μm以下とすることが好ましい。
また、第1電極51および第2電極53の構成材料としては、特に限定されず、例えば、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、金(Au)、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、銅(Cu)等の金属材料が用いられる。また、第1電極51および第2電極53は、それぞれ、蒸着、スパッタリング等により形成することができる。
次に、支持部22について説明する。支持部22は、平面視で、振動部21の基端側を囲むU字形状となっている。
また、図7に示すように、第1層間部6は、支持板32と支持板42との間に位置しており、支持板32との間に配置された絶縁性の接着剤X1を介して支持板32と接合され、支持板42との間に配置された絶縁性の接着剤X1を介して支持板42と接合されている。また、第1層間部6は、平面視で、支持板32、42と実質的に同じ形状および大きさを有している。また、第1層間部6は、絶縁性を有している。
このような第1層間部6としては特に限定されず、例えば、ジルコニア、アルミナ、チタニア等の各種セラミックス、各種金属材料、シリコン、各種樹脂材料等を用いることができる。これらの中でも、各種セラミックス、各種金属材料、シリコンを用いることが好ましく、これにより、硬質な第1層間部6が得られる。ただし、金属材料を用いる場合には、第1層間部6に絶縁性を付与するために、例えば、その表面に絶縁処理を施す等の加工が必要となる。また、シリコンを用いることで、シリコンウエハプロセスを用いて第1層間部6を配置することができるため、振動子2を効率的に製造することができる。
なお、支持部22の形状や配置としては、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。例えば、支持部22は、振動部21の幅方向の一方側(一方の接続部33、43と接続されている側)と他方側(他方の接続部33、43と接続されている側)とで2つに分割されていてもよい。また、本実施形態の第1層間部6は、一層で構成されているが、第1層間部6は、複数の層が積層された構成となっていてもよい。また、本実施形態では、第1層間部6が1つのブロックから形成されているが、第1層間部6は、複数のブロックに分割されていてもよい。
ここで、第1層間部6の厚さは、圧電素子5の厚さとほぼ等しいことが好ましい。より具体的には、第1層間部6の厚さは、圧電素子5の厚さと等しいか、または、若干薄いことが好ましく、若干薄いことがより好ましい。このような関係を満足することで、振動子2の製造が容易となり、歩留まりが向上する。後述する製造方法でも説明するが、振動子2は、第1基板3と第2基板4とをこれらの間に接着剤X1、圧電素子5および第1層間部6を挟み込み、押圧して接合することで製造される。そのため、第1層間部6を圧電素子5よりも薄くすることで、第1、第2基板3、4と圧電素子5が、第1、第2基板3、4と第1層間部6よりも優先的に接合され、第1、第2基板3、4と圧電素子5との接合強度を十分に高めることができ、第1、第2基板3、4と圧電素子5とをより確実に貼り合せることができる。その結果、振動部21の駆動不良や故障の可能性が低くなる。
以上、振動子2について説明した。なお、第1基板3の内面(圧電素子5側の面)には圧電素子5の第1電極51と電気的に接続された配線91が設けられており(図4参照)、第2基板4の内面(圧電素子5側の面)には圧電素子5の各第2電極53と電気的に接続された配線92、93、94、95、96が設けられている(図4ないし図6参照)。そして、図7に示すように、これら配線91、92、93、94、95、96は、支持部22の基端側の側面221に端子部90として露出している。そのため、端子部90を介して圧電素子5を外部と電気的に接続することができる。
次に、付勢部7について説明する。付勢部7は、上述した振動子2をローター110へ向けて付勢する機能を有している。図2に示すように、このような付勢部7は、振動子2を挟んで一対設けられている。すなわち、振動子2は、2つ(複数)の付勢部7の間に配置されている。具体的には、付勢部7は、振動子2の厚さ方向の一方側に位置する付勢部7Aと、他方側に位置する付勢部7Bと、を含んでおり、これらで振動子2を挟持するように配置されている。このように、振動子2を挟むようにして付勢部7を一対設けることで、振動子2をバランスよく、具体的には厚さ方向への傾きを抑制しながらローター110に向けて付勢することができる。ただし、付勢部7は、少なくとも1つ設けられていればよく、付勢部7A、7Bのいずれか一方を省略してもよい。
図2に示すように、付勢部7(7A、7B)は、板状をなしており、基部71と、基部71に接続(連結)されている一対のバネ部72、73と、一対のバネ部72、73を介して基部71と接続(連結)されている接続部74と、を有している。そして、図8に示すように、基部71と振動子2の支持部22とが接続(接合)されている。このように、基部71と支持部22とを接続することで、振動子2と付勢部7との接続(接合)が容易となる。なお、基部71と支持部22との接合方法としては、特に限定されず、活性化接合等を用いて基部71と支持部22とを直接接合してもよいし、接着剤を用いて基部71と支持部22とを接合してもよい。なお、本実施形態では、絶縁性の接着剤X2を用いて基部71と支持部22とが接合されている。接着剤X2としては、特に限定されず、例えば、前述した接着剤X1と同様のものを用いることができる。
また、付勢部7A、7Bの少なくとも一部は、平面視(振動部21と付勢部7A、7Bとが重なる方向から見た平面視)で、振動部21と重なる領域を有し、当該重なる領域において付勢部7と振動部21との間には空隙Sが設けられている。より具体的には、図8に示すように、基部71は、平面視で、振動部21と重なる領域を有しており、当該領域には内面(振動子2側の面)に開放する凹部711が形成されている。これにより、基部71と振動部21との間に空隙Sが形成されている。また、図9に示すように、バネ部72も、平面視で、振動部21と重なる領域を有している。バネ部72は、基部71の支持部22と接合されている部分(言い換えると、凹部711が形成されていない部分)よりも薄く構成されており、かつ、付勢部7の外面(振動子2と反対側の面)側に偏在して設けられている。これにより、バネ部72と振動部21との間に空隙Sが形成されている。このように、付勢部7A、7Bと振動部21との間に空隙Sを形成することで、付勢部7A、7Bと振動部21との接触を抑制することができ、振動部21を効率的にかつ所望の軌跡で振動させることができる。
なお、本実施形態では、凹部711の底面711aと、バネ部72の内面72a(振動子2側の主面)は、同一平面上に位置している。このように、凹部711の底面711aとバネ部72の内面72aとを同一平面上に位置させることで、凹部711およびバネ部72を同一のエッチングプロセスによって一括で形成することができる。そのため、付勢部7A、7Bの製造プロセスが短くなる。
バネ部72、73は、平面視で、振動子2の付勢方向(図1中の上下方向:振動部21の長手方向)に対して交差する方向、特に本実施形態では付勢方向に直交する方向(図1中の横方向:振動部21の幅方向)に延在している。そして、図1に示すように、バネ部72、73が弾性変形した状態で圧電アクチュエーター1がステージ120に固定されることで、振動子2に対して図1中上方向への付勢力が発生し、振動子2の伝達部23がローター110の外周面111に押し付けられる。このようなバネ部72、73は、付勢方向に沿って並んで配置されており、バネ部72が基部71の先端部と接続されており、バネ部73が基部71の基端部と接続されている。バネ部72、73をこのように配置することで、振動子2をより安定した状態でローター110に向けて付勢することができる。
接続部74は、バネ部72、73を介して基部71と接続されている。このような接続部74は、圧電アクチュエーター1をステージ120に固定するための固定部としても機能し、本実施形態では、ネジによって圧電アクチュエーター1がステージ120に固定されている。ただし、圧電アクチュエーター1のステージ120への固定方法は、特に限定されない。
図1に示すように、このような接続部74は、振動子2の付勢方向(図1中の上下方向)と交差する方向、特に本実施形態では直交する方向(図1中の横方向:振動部21の幅方向)に基部71と並んで配置されている。これにより、圧電アクチュエーター1の長さ(付勢方向の長さ)が抑えられるため、圧電アクチュエーター1の小型化を図ることができる。また、基部71と接続部74を振動部21の幅方向に並べて配置することで、これらを連結するバネ部72、73を振動部21の幅方向に延びる直線形状とすることができる。そのため、付勢力を効率的に発生させることのできるバネ部72、73をより小さいスペースに配置することができ、圧電アクチュエーター1の小型化に寄与する。また、このような配置とすることで、支持部22の基端側の側面221の周囲に十分な空間を確保することができ、端子部90と外部との電気的な接続を容易に行うこともできる。
なお、接続部74の厚さは、基部71の厚さ(凹部711が形成されていない部分の厚さ)とほぼ等しい。
付勢部7A、7Bの構成材料としては、特に限定されないが、シリコンを含んでいることが好ましい。そのため、付勢部7A、7Bとしては、例えば、シリコン基板を用いることができる。付勢部7A、7Bとしてシリコン基板を用いることで、優れた加工精度(パターニング精度)を発揮することができる。また、圧電アクチュエーター1の製造にシリコンウエハプロセス(MEMSプロセス)を用いることができ、圧電アクチュエーター1を効率的に製造することができる。
また、付勢部7A、7Bは、それぞれ、シリコン基板をエッチングでパターニングすることで形成されている。そのため、付勢部7A、7Bは、エッチング面を有している。具体的には、付勢部7A、7Bの側面がエッチング面となっている。このように、シリコン基板をエッチングして付勢部7A、7Bを形成することで、付勢部7A、7B(特に、バネ部72、73の基部71と対向する側面)を高い寸法精度で形成することができる。そのため、例えば、バネ部72、73の幅や長さを設計通りに形成し易くなり、設計通りの付勢力が得られる。特に、基体71とバネ部72、73が一体化されていることで、エッチングによりパターニングすることの効果をより強力に発揮することができる。
また、特に、エッチングとして、シリコンディープエッチング(所謂「ボッシュ法」)を用いることで、高いアスペクト比にも対応することができ、付勢部7A、7Bの厚みが大きく、基部71とバネ部72、73との隙間が小さい場合であっても、付勢部7A、7Bを精度よく形成することができる。また、エッチングでパターニングすると、特に、基部71とバネ部72、73との接続部や、バネ部72、73と接続部74との接続部が滑らかとなり、当該部分を起点としたクラックが生じ難くなる。そのため、機械的強度の高い圧電アクチュエーター1となる。ただし、付勢部7A、7Bの形成方法としては、エッチングに限定されず、例えば、打ち抜き等で形成してもよい。
ここで、図8および図9に示すように、付勢部7Aの接続部74と付勢部7Bの接続部74との間には第2層間部75が設けられている。第2層間部75は、付勢部7Aの接続部74と付勢部7Bの接続部74との間の隙間を埋めると共に、付勢部7Aの接続部74と付勢部7Bの接続部74とを接続するための部材である。これにより、接続部74の機械的強度が高まり、圧電アクチュエーター1をステージ120に対してより強固に固定することができる。
このような第2層間部75は、一方の接続部74との間に配置された絶縁性の接着剤X2を介してこの接続部74と接合され、他方の接続部74との間に配置された絶縁性の接着剤X2を介してこの接続部74と接合されている。また、第2層間部75は、平面視で、接続部74と実質的に同じ形状および大きさを有している。
また、第2層間部75の厚さは、振動子2の厚さとほぼ等しい。これにより、付勢部7A、7Bの厚さ方向への撓みを抑制することができ、より確実に、振動子2を所望の方向へ付勢することができる。
また、第2層間部75は、第1層751、第2層752および第3層753が接着剤X1を介して付勢部7A側から順に積層した積層体で構成されている。そして、第1層751は、第1基板3と同じ基板から形成され、第2層752は、第1層間部6と同じ基板から形成され、第3層753は、第2基板4と同じ基板から形成されている。すなわち、第2層間部75は、振動子2の支持部22と同じ構成となっている。第2層間部75をこのような構成とすることで、例えば、後述する製造方法によって、振動子2と厚みがほぼ等しい第2層間部75を容易に形成することができる。
なお、前述したように、第1層751は、第1基板3と同じ基板から形成され、第2層752は、第1層間部6と同じ基板から形成され、第3層753は、第2基板4と同じ基板から形成されているため、第1層751、第2層752および第3層753の構成材料は、第1基板3、第1層間部6および第2基板4の構成材料と同じである。
以上、圧電モーター100の構成について説明した。次に、圧電モーター100の作動の一例を説明する。ただし、圧電モーター100の作動方法は、以下の方法に限定されない。所定の周波数の駆動信号(交番電圧)を、圧電素子5a、5dと圧電素子5b、5cとの位相差が180°となり、圧電素子5a、5dと圧電素子5eとの位相差が30°となるように各圧電素子5a、5b、5c、5d、5eに印加すると、図10に示すように、各圧電素子5a、5b、5c、5d、5eがそれぞれ伸縮し、振動部21がS字形状に屈曲変形(長手方向へ伸縮変形すると共に幅方向へ屈曲変形)し、これにより、伝達部23の先端が楕円運動する。その結果、ローター110は、回動軸Oまわりに矢印方向に回転する。なお、圧電素子5a、5dとの位相差が210°となるように圧電素子5eに駆動信号を印加すれば、ローター110を逆回転させることができる。
以上、圧電アクチュエーター1およびこの圧電アクチュエーター1を備えた圧電モーター100について詳細に説明した。圧電モーター100は、圧電アクチュエーター1を備えている。そのため、上述した圧電アクチュエーター1の効果を享受することができるため、優れた信頼性を発揮することができる。
次に、圧電アクチュエーター1の製造方法について説明する。圧電アクチュエーター1の製造方法は、図11に示すように、圧電素子5を有している振動部21を備えている振動子2を複数有している振動子基板20と、振動子2に接続(固定)される基部71と、基部71と一体である一対のバネ部72、73と、を備えている付勢部7を複数有している付勢部基板70と、を準備する準備工程と、振動子基板20と付勢部基板70とを接合して、複数の圧電アクチュエーター1を有している圧電アクチュエーター基板10を得る接合工程と、圧電アクチュエーター基板10に含まれる複数の圧電アクチュエーター1を個片化する個片化工程と、を含んでいる。以下、このような製造方法について具体的に説明する。
[準備工程]
まず、図12に示すように、振動子2に含まれる第1基板3と第2層間部75に含まれる第1層751とが複数並んで配置されている第1シリコン基板30と、振動子2に含まれる第2基板4と第2層間部75に含まれる第3層753とが複数並んで配置されている第2シリコン基板40と、振動子2に含まれる第1層間部6と第2層間部75に含まれる第2層752とが複数並んで配置されている第3シリコン基板60と、圧電素子5と、を準備する。そして、図13に示すように、第1シリコン基板30と第2シリコン基板40とで第3シリコン基板60および圧電素子5を挟み込むようにして、これらを接着剤X1を介して接合する。これにより、振動子2が複数並んで配置されている振動子基板20が得られる。なお、第1シリコン基板30、第2シリコン基板40および第3シリコン基板60は、それぞれ、シリコン基板をエッチング(特に、シリコンディープエッチング)によりパターニングすることで形成されている。これにより、優れた加工精度を有する第1シリコン基板30、第2シリコン基板40および第3シリコン基板60が得られる。
また、振動子基板20とは別に、図14に示すように、付勢部7Aが複数並んで配置されている付勢部基板70Aと、付勢部7Bが複数並んで配置されている付勢部基板70Bと、を準備する。なお、付勢部基板70A、70Bは、それぞれ、シリコン基板をエッチング(特に、シリコンディープエッチング)によりパターニングすることで形成されている。これにより、優れた加工精度を有する付勢部基板70A、70Bが得られる。
[接合工程]
次に、図15に示すように、2つの付勢部基板70A、70Bで振動子基板20を挟み込むようにして、これらを接着剤X2を介して接合する。これにより、圧電アクチュエーター1(ただし、伝達部23が設けられていない状態の圧電アクチュエーター1)が複数並んで配置されている圧電アクチュエーター基板10が得られる。
[個片化工程]
次に、各振動部21に伝達部23を例えば接着剤を介して接合する。その後、図16に示すように、ダイシングブレード等を用いて、不要な部分を切り離すことで、圧電アクチュエーター基板10に含まれている複数の圧電アクチュエーター1を個片化する。これにより、複数の圧電アクチュエーター1が得られる。
このような圧電アクチュエーター1の製造方法によれば、小型な圧電アクチュエーターを容易に製造することができる。なお、本実施形態では、個片化工程に先立って伝達部23を各振動部21に接合しているが、伝達部23を接合するタイミングとしては、特に限定されず、例えば、個片化工程の後であってもよい。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係る圧電アクチュエーターについて説明する。
図17は、本発明の第2実施形態に係る圧電アクチュエーターを示す斜視図である。
本実施形態は、複数の振動子が積層されている以外は、前述した第1実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図17において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図17に示すように、本実施形態の圧電アクチュエーター1は、複数の振動子2を有し、複数の振動子2は、圧電アクチュエーター1の厚さ方向に積層されている。また、各振動子2は、上側が第1基板3、下側が第2基板4となって同じ向きで積層されている。また、重なり合う2つの振動子2は、例えば、図示しない接着剤で接合されている。そして、複数の振動子2が重なり合って構成された積層体200を間に挟み込むようにして、付勢部7A、7Bが設けられている。また、これに対応して、付勢部7Aの接続部74と付勢部7Bの接続部との間には、振動子2の数と同等の数の第2層間部75が積層している。このような構成とすることで、例えば、前述した第1実施形態と比較して、圧電アクチュエーター1の駆動力を高めることができる。
なお、積層される振動子2の数としては、特に限定されず、圧電アクチュエーター1の配置スペース、圧電アクチュエーター1に求められる駆動力等によって適宜設定することができる。また、本実施形態では、重なり合う2つの振動子2において、一方の振動子2の第1基板3と他方の振動子2の第2基板4とが重なり合うように配置されているが、例えば、一方の振動子2の第1基板3と他方の振動子2の第2基板4とを1つの基板で構成してもよい。すなわち、一方の振動子2の第1基板3が他方の振動子2の第2基板4を兼ねていてもよい。
このような第2実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態に係る圧電アクチュエーターについて説明する。
図18は、本発明の第3実施形態に係る圧電アクチュエーターを示す平面図である。
本実施形態は、付勢部の構成が異なること以外は、前述した第1実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図18において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図18に示すように、本実施形態の圧電アクチュエーター1の付勢部7では、一対の接続部74が振動部21の幅方向において基部71を間に挟むようにして配置されている。また、バネ部72、73は、それぞれ、基部71と各接続部74とを接続するように一対設けられている。
このような第3実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態に係る圧電アクチュエーターについて説明する。
図19は、本発明の第4実施形態に係る圧電アクチュエーターを示す平面図である。
本実施形態は、付勢部の構成が異なること以外は、前述した第1実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図19において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図19に示すように、本実施形態の圧電アクチュエーター1の付勢部7では、接続部74がL字状をなしており、振動子2の基端側において、ステージ120にネジ止めされている。このような接続部74は、振動子2の横側に位置し、一対のバネ部72、73と接続されている本体部741と、本体部741から延出し、振動子2の基端側に位置する延在部742と、を有し、延在部742において、ステージ120にネジ止めされている。
このような第4実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第5実施形態>
次に、本発明の第5実施形態に係るロボットについて説明する。
図20は、本発明の第5実施形態に係るロボットを示す斜視図である。
図20に示すロボット1000は、精密機器やこれを構成する部品(対象物)の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。ロボット1000は、6軸ロボットであり、床や天井に固定されるベース1010と、ベース1010に回動自在に連結されたアーム1020と、アーム1020に回動自在に連結されたアーム1030と、アーム1030に回動自在に連結されたアーム1040と、アーム1040に回動自在に連結されたアーム1050と、アーム1050に回動自在に連結されたアーム1060と、アーム1060に回動自在に連結されたアーム1070と、これらアーム1020、1030、1040、1050、1060、1070の駆動を制御するロボット制御部1080と、を有している。また、アーム1070にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にはロボット1000に実行させる作業に応じたエンドエフェクター1090が装着される。また、各関節部のうちの全部または一部には圧電モーター100(圧電アクチュエーター1)が搭載されており、この圧電モーター100の駆動によって各アーム1020、1030、1040、1050、1060、1070が回動する。なお、各圧電モーター100の駆動は、ロボット制御部1080によって制御される。
このようなロボット1000は、圧電モーター100(圧電アクチュエーター1)を備えている。そのため、上述した圧電アクチュエーター1の効果を享受することができ、優れた信頼性を発揮することができる。
<第6実施形態>
次に、本発明の第6実施形態に係る電子部品搬送装置について説明する。
図21は、本発明の第6実施形態に係る電子部品搬送装置を示す斜視図である。図22は、図21に示す電子部品搬送装置が有する電子部品保持部を示す斜視図である。なお、以下では、説明の便宜上、互いに直交する3軸をX軸、Y軸およびZ軸とする。
図21に示す電子部品搬送装置2000は、電子部品検査装置に適用されており、基台2100と、基台2100の側方に配置された支持台2200と、を有している。また、基台2100には、検査対象の電子部品Qが載置されてY軸方向に搬送される上流側ステージ2110と、検査済みの電子部品Qが載置されてY軸方向に搬送される下流側ステージ2120と、上流側ステージ2110と下流側ステージ2120との間に位置し、電子部品Qの電気的特性を検査する検査台2130と、が設けられている。なお、電子部品Qの例として、例えば、半導体、半導体ウェハー、CLDやOLED等の表示デバイス、水晶デバイス、各種センサー、インクジェットヘッド、各種MEMSデバイス等などが挙げられる。
また、支持台2200には、支持台2200に対してY軸方向に移動可能なYステージ2210が設けられており、Yステージ2210には、Yステージ2210に対してX軸方向に移動可能なXステージ2220が設けられており、Xステージ2220には、Xステージ2220に対してZ軸方向に移動可能な電子部品保持部2230が設けられている。また、図22に示すように、電子部品保持部2230は、X軸方向およびY軸方向に移動可能な微調整プレート2231と、微調整プレート2231に対してZ軸まわりに回動可能な回動部2232と、回動部2232に設けられ、電子部品Qを保持する保持部2233と、を有している。また、電子部品保持部2230には、微調整プレート2231をX軸方向に移動させるための圧電アクチュエーター1(1x)と、微調整プレート2231をY軸方向に移動させるための圧電アクチュエーター1(1y)と、回動部2232をZ軸まわりに回動させるための圧電アクチュエーター1(1θ)と、が内蔵されている。
このような電子部品搬送装置2000は、圧電アクチュエーター1を備えている。そのため、上述した圧電アクチュエーター1の効果を享受することができ、優れた信頼性を発揮することができる。
<第7実施形態>
次に、本発明の第7実施形態に係るプリンターについて説明する。
図23は、本発明の第7実施形態に係るプリンターの全体構成を示す概略図である。
図23に示すプリンター3000は、装置本体3010と、装置本体3010の内部に設けられている印刷機構3020、給紙機構3030および制御部3040と、を備えている。
装置本体3010には、記録用紙Pを設置するトレイ3011と、記録用紙Pを排出する排紙口3012と、液晶ディスプレイ等の操作パネル3013とが設けられている。
印刷機構3020は、ヘッドユニット3021と、キャリッジモーター3022と、キャリッジモーター3022の駆動力によりヘッドユニット3021を往復動させる往復動機構3023と、を備えている。
ヘッドユニット3021は、インクジェット式記録ヘッドであるヘッド3021aと、ヘッド3021aにインクを供給するインクカートリッジ3021bと、ヘッド3021aおよびインクカートリッジ3021bを搭載したキャリッジ3021cと、を有している。
往復動機構3023は、キャリッジ3021cを往復移動可能に支持しているキャリッジガイド軸3023aと、キャリッジモーター3022の駆動力によりキャリッジ3021cをキャリッジガイド軸3023a上で移動させるタイミングベルト3023bと、を有している。
給紙機構3030は、互いに圧接している従動ローラー3031および駆動ローラー3032と、駆動ローラー3032を駆動する給紙モーターである圧電モーター100と、を有している。
制御部3040は、例えばパーソナルコンピュータ等のホストコンピュータから入力された印刷データに基づいて、印刷機構3020や給紙機構3030等を制御する。
このようなプリンター3000では、給紙機構3030が記録用紙Pを一枚ずつヘッドユニット3021の下部近傍へ間欠送りする。このとき、ヘッドユニット3021が記録用紙Pの送り方向とほぼ直交する方向に往復移動して、記録用紙Pへの印刷が行なわれる。
このようなプリンター3000は、圧電モーター100(圧電アクチュエーター1)を備えている。そのため、上述した圧電アクチュエーター1の効果を享受することができ、優れた信頼性を発揮することができる。なお、本実施系形態では、圧電モーター100が給紙用の駆動ローラー3032を駆動しているが、この他にも、例えば、キャリッジ3021cを駆動してもよい。
以上、本発明の圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、電子部品搬送装置、プリンターおよび圧電アクチュエーターの製造方法を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
また、前述した実施形態では、圧電アクチュエーターをロボット、電子部品搬送装置およびプリンターに適用した構成について説明したが、圧電アクチュエーターは、これら以外の各種電子デバイスに適用することができ、例えばプロジェクターに適用することができる。
1、1x、1y、1θ…圧電アクチュエーター、10…圧電アクチュエーター基板、2…振動子、20…振動子基板、200…積層体、21…振動部、22…支持部、221…側面、23…伝達部、3…第1基板、30…第1シリコン基板、31…振動板、32…支持板、33…接続部、4…第2基板、40…第2シリコン基板、41…振動板、42…支持板、43…接続部、5、5a、5b、5c、5d、5e…圧電素子、51…第1電極、52…圧電体、53…第2電極、6…第1層間部、60…第3シリコン基板、7、7A、7B…付勢部、70、70A、70B…付勢部基板、71…基部、711…凹部、711a…底面、72…バネ部、72a…内面、73…バネ部、74…接続部、741…本体部、742…延在部、75…第2層間部、751…第1層、752…第2層、753…第3層、90…端子部、91、92、93、94、95、96…配線、100…圧電モーター、110…ローター、111…外周面、120…ステージ、1000…ロボット、1010…ベース、1020、1030、1040、1050、1060、1070…アーム、1080…ロボット制御部、1090…エンドエフェクター、2000…電子部品搬送装置、2100…基台、2110…上流側ステージ、2120…下流側ステージ、2130…検査台、2200…支持台、2210…Yステージ、2220…Xステージ、2230…電子部品保持部、2231…微調整プレート、2232…回動部、2233…保持部、3000…プリンター、3010…装置本体、3011…トレイ、3012…排紙口、3013…操作パネル、3020…印刷機構、3021…ヘッドユニット、3021a…ヘッド、3021b…インクカートリッジ、3021c…キャリッジ、3022…キャリッジモーター、3023…往復動機構、3023a…キャリッジガイド軸、3023b…タイミングベルト、3030…給紙機構、3031…従動ローラー、3032…駆動ローラー、3040…制御部、O…回動軸、P…記録用紙、Q…電子部品、S…空隙、X1…接着剤、X2…接着剤

Claims (13)

  1. 圧電素子を有している振動部と、前記振動部に配置されており、被駆動部に駆動力を伝達する伝達部と、を備えている振動子と、
    前記振動子を前記被駆動部に向けて付勢する付勢部と、を有し、
    前記付勢部は、前記振動子に接続されている基部と、前記基部と一体である一対のバネ部と、を備え
    前記基部は、前記振動子側の面に開放する凹部を備えていることを特徴とする圧電アクチュエーター。
  2. 前記付勢部は、シリコンを含んでいる請求項1に記載の圧電アクチュエーター。
  3. 前記付勢部は、エッチング面を有している請求項1または2に記載の圧電アクチュエーター。
  4. 前記振動子は、前記基部と接続して前記振動部を支持している支持部を有している請求項1ないし3のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーター。
  5. 前記振動子は、複数の前記付勢部の間に配置されている請求項1ないし4のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーター。
  6. 前記付勢部は、前記振動子と前記付勢部とが重なる方向から見た平面視で、前記振動部と重なる領域を有し、前記重なる領域において前記付勢部と前記振動部との間には空隙が設けられている請求項1ないし5のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーター。
  7. 前記付勢部は、一対のバネ部を介して前記基部と接続されている接続部を有し、
    前記接続部は、前記振動子の付勢方向と交差する方向に前記基部と並んで配置されている請求項1ないし6のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーター。
  8. 複数の前記振動子を有し、
    複数の前記振動子は、積層されている請求項1ないし7のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーター。
  9. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターを備えていることを特徴とする圧電モーター。
  10. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターを備えていることを特徴とするロボット。
  11. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターを備えていることを特徴とする電子部品搬送装置。
  12. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の圧電アクチュエーターを備えていることを特徴とするプリンター。
  13. 基板をエッチングして、凹部を有する基部と、前記基部と一体化されている一対のバネ部を備える複数の付勢部を有する付勢部基板を形成する工程と、
    複数の振動子を有している振動子基板と、前記凹部が前記振動子側の面に開放するように前記付勢部基板とを接合する工程と、
    前記接合する工程で得られた接合基板を個片化する工程と、を含むことを特徴とする圧電アクチュエーターの製造方法。
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