JP6948772B2 - 圧電素子、圧電アクチュエーター、圧電モーター、ロボット、電子部品搬送装置およびプリンター - Google Patents
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Description
本発明の圧電素子は、基板と、
前記基板上に配置されている第1電極と、
前記第1電極上に配置され、圧電体材料を含んで構成されている複数層を有し、前記複数層の厚さの合計が1.6μm以上10μm以下の範囲内にある圧電体層と、
前記圧電体層の層間に配置され、チタンを含んで構成されている中間層と、を備えることを特徴とする。
このような圧電アクチュエーターによれば、圧電素子の駆動力を大きくすることができる。
このような圧電モーターによれば、圧電素子の駆動力を大きくすることができる。
このようなロボットによれば、圧電素子の駆動力を大きくすることができる。
このような電子部品搬送装置によれば、圧電素子の駆動力を大きくすることができる。
このようなプリンターによれば、圧電素子の駆動力を大きくすることができる。
まず、本発明の圧電アクチュエーターの実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る圧電アクチュエーターを示す平面図である。図2は、図1中のA−A線断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図2中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
以下、圧電素子15の層構成について詳述する。
(第1、2電極)
前述したように、第1電極151は、基板14側から、チタン層2、イリジウム層3、白金層4、チタン層5がこの順に積層されて構成されている。
前述したように、圧電体層152は、前述した第1電極151と第2電極153との間に介挿されている。そして、圧電体層152は、第1電極151側から第2電極153側へ、第1圧電体層6、中間層7、第2圧電体層8がこの順で積層されて構成されている。
第1、第2圧電体層6、8は、圧電体層152を複数回の成膜および熱処理に分けて形成することにより得られる層である。このように、圧電体層152を複数回の成膜および熱処理に分けて形成することで、第1電極151の電極成分が圧電体層152へ拡散するのを低減することができる。本実施形態では、第2圧電体層8は、3つの層81、82、83が積層されて構成されている。これにより、第2圧電体層8の厚膜化が容易となる。また、第1電極151の電極成分が圧電体層152へ拡散するのを低減することにも効果的に寄与する。なお、第2圧電体層8を構成する層の数は、図示のものに限定されず、2層または4層以上であってもよい。また、第1圧電体層6も複数層で構成されていてもよい。
中間層7は、前述した第1圧電体層6と第2圧電体層8との層間に介挿されている。中間層7は、チタン(Ti)を含んで構成されている。この中間層7は、前述したように圧電体層152を第1圧電体層6および第2圧電体層8の2層に分けることと相まって、第1電極151の電極成分が圧電体層152へ拡散するのを低減する機能、より具体的には、第1電極151の電極成分が第1圧電体層6から第2圧電体層8へ移動するのを阻止する機能(「拡散防止層」としての機能)を有する。
図4は、中間層がある場合と無い場合とのそれぞれについて圧電体層への第1電極成分(Ir)の拡散状態を二次イオン質量分析法により分析した結果を示すグラフである。図5は、中間層がある場合と無い場合とのそれぞれについて圧電体層への第1電極成分(Pt)の拡散状態を二次イオン質量分析法により分析した結果を示すグラフである。
図6は、図3に示す層構成の圧電素子の圧電体層の厚さと配向率との関係を示すグラフである。
図7は、中間層がある場合と無い場合とのそれぞれについて圧電素子に印加した電圧と電流との関係を示すグラフである。
図8は、図3に示す層構成の圧電素子の圧電体層の厚さごとの電界と誘電分極との関係(ヒステリシス角形性)を示すグラフである。
μmの場合6層、2.1μmの場合10層、3.1μmの場合14層である。
図9は、図3に示す層構成の圧電素子の圧電体層の厚さごとの電界と圧電応力定数(e31)との関係を示すグラフである。
以下、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10に示すように、[1]基板準備工程S10と、[2]第1電極形成工程S20と、[3]第1圧電体層形成工程S30と、[4]中間層形成工程S40と、[5]第2圧電体層形成工程S50と、[6]第2電極形成工程S60と、[7]パターニング工程S70と、を有する。以下、各工程を順次簡単に説明する。
図11は、図10に示す基板準備工程を説明する図である。
図12は、図10に示す第1電極形成工程を説明する図である。
図13は、図10に示す第1圧電体層形成工程を説明する図である。
図14は、図10に示す中間層形成工程を説明する図である。
図15は、図10に示す第2圧電体層形成工程を説明する図である。
図16は、図10に示す第2電極形成工程を説明する図である。
図17は、図10に示すパターニング工程を説明する図である。
以上により、圧電素子15を得ることができる。
次に、本発明の圧電モーターの実施形態について説明する。
図18に示す圧電モーター100は、回動軸Oまわりに回転可能な被駆動部であるローター50と、ローター50の外周面に沿って並んで配置されている複数の圧電アクチュエーター1と、を有する。
図19は、本発明のロボットの実施形態を示す斜視図である。
図19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、制御部1080によって制御される。
図20は、本発明の電子部品搬送装置の実施形態を示す斜視図である。図21は、図20に示す電子部品搬送装置が有する電子部品保持部の斜視図である。
図22は、本発明のプリンターの実施形態を示す図である。
図22に示すプリンター3000は、インクジェット記録方式のプリンターである。このプリンター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。
Claims (9)
- 基板と、
前記基板上に配置されている第1電極と、
前記第1電極上に配置され、圧電体材料を含んで構成されている複数層を有し、前記複数層の厚さの合計が1.6μm以上10μm以下の範囲内にある圧電体層と、
前記圧電体層の層間に配置され、チタンを含んで構成されている中間層と、を備え、
前記圧電体層は、前記中間層よりも前記第1電極と反対側に位置し、前記圧電体材料を含んで構成されている層を複数有し、
前記中間層は、前記圧電体層の前記複数層が有する層間のうち最も前記第1電極側に位置している層間に配置されており、
前記複数層のうち最も前記第1電極側に位置している層の厚さは、前記複数層のうち前記中間層よりも前記第1電極と反対側に位置している層のうちのいずれの層の厚さよりも薄く、
前記複数層のうち最も前記第1電極側に位置している層の厚さは、前記複数層のうち前記中間層よりも前記第1電極と反対側に位置しているすべての層の厚さの合計の0.01倍以上0.7倍以下の範囲内にあることを特徴とする圧電素子。 - 前記中間層の厚さが2nm以上6nm以下の範囲内にある請求項1に記載の圧電素子。
- 前記圧電体層の前記複数層のうち最も前記第1電極側に位置している層の厚さが60nm以上160nm以下の範囲内にある請求項1または2に記載の圧電素子。
- 前記圧電体材料は、チタン酸ジルコン酸鉛である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の圧電素子。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の圧電素子を備えることを特徴とする圧電アクチュエーター。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の圧電素子を備えることを特徴とする圧電モーター。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の圧電素子を備えることを特徴とするロボット。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の圧電素子を備えることを特徴とする電子部品搬送装置。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の圧電素子を備えることを特徴とするプリンター。
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