压电驱动装置、机器人以及它们的驱动方法_2

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)。处于中央的第2电极150e在基板120的宽度方向的中央,形成为遍及基板120的长边方向的几乎全体的长方形形状。其它4个第2电极150a、150b、150c、150d具有相同的平面形状,并形成在基板120的四角的位置。在图1的例子中,第1电极130和第2电极150均具有长方形的平面形状。第1电极130、第2电极150是例如通过溅射所形成的薄膜。作为第1电极130、第2电极150的材料,能够利用例如A1 (铝)、Ni (镍)、Au (金)、Pt (白金)、Ir(铱)等导电性高的任意的材料。此外,也可以代替使第1电极130成为一个连续的导电体层,而划分为具有与第2电极150a?150e实际相同的平面形状的5个导电体层。此外,用于第2电极150a?150e间的电连接的配线(或者配线层以及绝缘层)、和用于第1电极130以及第2电极150a?150e与驱动电路之间的电连接的配线(或者配线层以及绝缘层)在图1中省略图示。
[0060]压电体140形成为具有与第2电极150a?150e实际相同的平面形状的5个压电体层。也可以取而代之,将压电体140形成为具有与第1电极130实际相同的平面形状的一个连续的压电体层。通过第1电极130、压电体140、和第2电极150a?150e的层叠结构来构成5个压电元件110a?110e (图1⑷)。
[0061 ] 压电体140是例如通过溶胶凝胶法或溅射法形成的薄膜。作为压电体140的材料,能够利用采用ΑΒ03型的钙钛矿结构的陶瓷等显现压电效果的任意材料。作为采用ΑΒ0 3型的钙钛矿结构的陶瓷,能够使用例如锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾、铌酸锂、钽酸锂、钨酸钠、氧化锌,钛酸锶钡(BST)、钽酸锶铋(SBT)、偏铌酸铅、锌铌酸铅、钪铌酸铅等。也可以使用陶瓷以外的显现压电效果的材料,例如聚偏氟乙烯、水晶等。压电体140的厚度优选例如50nm(0.05 μπι)以上20 μπι以下的范围。具有该范围的厚度的压电体140的薄膜能够利用成膜工序,容易地形成。如果将压电体140的厚度设为0.05 μπι以上,则能够根据压电体140的伸缩而产生充分大的力。另外,如果将压电体140的厚度设为20 μπι以下,则能够使压电驱动装置10充分小型化。
[0062]图2是振动板200的俯视图。振动板200具有长方形形状的振动体部210、和从振动体部210的左右的长边分别各延伸3条的连接部220,另外,并具有分别与左右3条连接部220连接的2个安装部230。此外,图2中,为了便于图示,在振动体部210附加影线。安装部230用于利用螺丝240在其它部件安装压电驱动装置10。振动板200例如能够由不锈钢、铝、铝合金、钛、钛合金、铜、铜合金、铁一镍合金等金属材料形成。
[0063]在振动体部210的上表面(第1面211)以及下表面(第2面212),分别使用粘合剂粘合压电振动体100 (图1)。振动体部210的长度L与宽度W之比优选L:W =约7:2。该比是为了振动体部210进行沿着其平面左右折曲的超声波振动(后述)而优选的值。振动体部210的长度L例如能够为3.5mm以上30mm以下的范围,宽度W例如能够为1mm以上8mm以下的范围。此外,振动体部210为了进行超声波振动,长度L优选为50mm以下。振动体部210的厚度(振动板200的厚度)例如能够为50 μπι以上700 μπι以下的范围。如果将振动体部210的厚度设为50 μπι以上,则为了支承压电振动体100而具有充足的刚性。另外,若将振动体部210的厚度设为700 μπι以下,则能够根据压电振动体100的变形而产生充分大的变形。
[0064]在振动板200的一个短边设置有突起部20 (也称为“接触部”或者“作用部”)。突起部20是用于与被驱动体接触来对被驱动体赋予力的部件。突起部20优选由陶瓷(例如Α1203)等有耐久性的材料形成。
[0065]图3是表示压电驱动装置10和驱动电路300的电连接状态的说明图。5个第2电极150a?150e中处于对角的一对第2电极150a、150d经由配线151相互电连接,其它的对角的一对第2电极150b、150c也经由配线152相互电连接。这些配线151、152可以通过成膜处理形成,或者可以通过线状的配线来实现。处于图3的右侧的3个第2电极150b、150e、150d、和第1电极130 (图1)经由配线310、312、314、320与驱动电路300电连接。驱动电路300通过对一对第2电极150a、150d与第1电极130之间施加周期性地变化的交流电压或者脉动电压,能够使压电驱动装置10进行超声波振动,使与突起部20接触的转子(被驱动体)沿着规定的旋转方向旋转。此处,“脉动电压”意味着对交流电压附加了 DC偏置的电压,该电压(电场)的方向是从一个电极朝向另一个电极的一方向。另外,通过对其它的一对第2电极150b、150c与第1电极130之间施加交流电压或者脉动电压,能够使与突起部20接触的转子向反方向旋转。在设置在振动板200的两面的2个压电振动体100同时进行这样的电压的施加。此外,图3所示的构成配线151、152、310、312、314、320的配线(或者配线层以及绝缘层)在图1中省略图示。
[0066]在图3所示的实施方式中,5个压电元件110a?110e被划分成以下的3组的压电元件组。
[0067](1)第1压电元件组PG1:压电元件110a、110d
[0068](2)第2压电元件组PG2:压电元件110b、110c
[0069](3)第3压电元件组PG3:压电元件110e
[0070]各压电元件组所包含的压电元件110始终同时被驱动。另外,第1压电元件组PG1包括2个压电元件110a、110d,所以这些压电元件110a、110d的第2电极150a、150d彼此经由连接配线151直接连接。第2压电元件组PG2也相同。此外,作为其它实施方式,也能够由3个以上的压电元件110构成1组的压电元件组,一般能够将多个压电元件划分为N组(N为2以上的整数)的压电元件组。在这种情况下,在相同的压电元件组包括2个以上的压电元件110时,它们的第2电极150彼此经由连接配线直接连接。此处,“经由连接配线直接连接”这样的意思意味在连接配线的中途不包括无源元件(电阻、线圈、电容器等)、有源元件。另外,在本实施方式中,作为第1电极130,使用5个压电元件110a?110e共用的一个导电层,但在按照各个压电元件的每个使第1电极130分离的情况下,优选属于相同的压电元件组的2个以上的压电元件的第1电极彼此也经由连接配线直接连接。
[0071]图4是表示压电驱动装置10的动作的例子的说明图。压电驱动装置10的突起部20与作为被驱动体的转子50的外周接触。在图4 (A)所示的例子中,驱动电路300 (图3)对一对第2电极150a、150d与第1电极130之间施加交流电压或者脉动电压,压电元件110a、110d在图4的箭头X的方向上伸缩。与此对应,压电驱动装置10的振动体部210在振动体部210的平面内折曲而变形为弯曲形状(S字形状),突起部20的前端在箭头y的方向上进行往复运动,或者进行椭圆运动。结果转子50绕着其中心51沿着规定的方向z (图4中顺时针方向)旋转。图2说明的振动板200的3个连接部220 (图2)被设置在这样的振动体部210的振动的关节的位置上。此外,在驱动电路300对其它一对第2电极150b、150c与第1电极130之间施加交流电压或者脉动电压的情况洗,转子50向反方向旋转。此外,如果对中央的第2电极150e施加与一对第2电极150a、150d(或者其它一对第2电极150b、150c)相同的电压,则压电驱动装置10在长边方向上伸缩,所以能够使从突起部20赋予给转子50的力更大。此外,压电驱动装置10 (或者压电振动体100)的这种动作在上述先行技术文献1(日本特开2004 - 320979号公报,或者,对应的美国专利第7224102号)中记载,其公开内容通过参照引用。
[0072]图4(B)示出如图4㈧那样压电驱动装置10在其面内方向振动时,在其厚度方向上也弯曲的样子。这样的厚度方向的弯曲在使压电驱动装置10的表面产生挠曲(变形)的这一点考虑不理想。然而,在本实施方式的压电驱动装置10中,由于以基板120和振动板200夹着压电元件(130、140、150)的方式将压电振动体100设置在振动板200上,所以能够通过基板120抑制这样的不理想的挠曲(变形)。图4(C)与图4(B)相反,是以基板120与振动板200接触的方式将压电振动体100设置在振动板200上的例子。在图4(C)的层叠结构中,在第2电极150的表面上,不理想的挠曲(变形)有可能过度变大。因此,如图4⑶所示,优选以基板120和振动板200夹着压电元件(130、140、150)的方式将压电振动体100设置在振动板200上。这样,能够降低压电驱动装置10的故障、损伤的可能性。特别是,如果使基板120为硅制,则对于挠曲(变形),难以损伤,所以优选。
[0073]图5是更详细地示出图1⑶所示的压电振动体100的剖面结构的一个例子的剖视图。压电振动体100具备基板120、绝缘层125、第1电极130、压电体140、第2电极150、绝缘层160、和层叠导电部172。此外,在图5中,对多个第2电极150和多个层叠导电部172附注下标“C”或者“d”来区分。此外,在图5中,图3所示的配线151、152省略图示。在本说明书中,“层叠导电部”这个语句意味着通过蒸镀(vapor deposit1n)、派射、离子镀、电镀等成膜工序(层叠工序)所形成的导电体。
[0074]绝缘层125形成在基板120上,使基板120与第1电极130之间绝缘。第1电极130形成在绝缘层125上。压电体140形成在第1电极130上。第2电极150形成在压电体140上。绝缘层160形成在第2电极150上。此外,第1电极130优选俯视时具有不与压电体140重叠的部分(图5中,在压电体140的左右伸出的部分)。其理由是为了容易使第1电极130与形成在振动板200上的配线图案(后述)连接。层叠导电部172与第1电极130连接。绝缘层160以层叠导电部172能够与第2电极150接触的方式在其一部分具有开口(接触孔)。此外,优选在绝缘层160形成多个接触孔。对于该点,进一步后述。
[0075]图6是表示压电驱动装置10的制造流程图的说明图。在步骤S100中,通过在基板120上形成压电元件110来形成压电振动体100。此时,作为基板120,能够利用例如Si晶片。在1枚Si晶片上能够形成多个压电振动体100。另外,Si的机械品质因数Qm的值大到10万左右,所以能够增大压电振动体100、压电驱动装置10的机械品质因数Qm。在步骤S200中,切割形成有压电振动体100的基板120,分割成各个压电振动体100。此外,也可以在切割基板120前研磨基板120的背面,使基板120成为所希望的厚度。在步骤S300中,在振动板200的两面利用粘合剂粘合2个压电振动体100。在步骤S400中,通过配线使压电振动体100的配线层和驱动电路电连接。
[0076]图7是表示图6
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