JP2017034782A - 圧電駆動装置、ロボット、ポンプ、及び圧電駆動装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的の１つは、被駆動体に接触する部分が振動板に対して高い接合強度を有する圧電駆動装置及びそのような圧電駆動装置の製造方法を提供することにある。
【解決手段】本発明に係る圧電駆動装置は、圧電体を含む圧電素子と、圧電素子を配置する板状の振動板３０と、を含む。振動板３０は、被駆動体に接触する部分を含み、第１金属酸化物の焼結体を含む第１領域２０ａと、第１金属酸化物とは異なる第２金属酸化物の焼結体を含む第２領域３０ａと、第１領域２０ａと第２領域３０ａとの間に設けられ、第１金属酸化物と第２金属酸化物との固溶体を含む接合部３０ｂと、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電駆動装置、ロボット、ポンプ、及び圧電駆動装置の製造方法に関する。

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１参照）。このような圧電駆動装置には、一般的に、バルク状の圧電体を備えた圧電素子が利用されている（例えば特許文献２参照）。

一方、圧電素子としては、薄膜状の圧電体を備えたもの（薄膜圧電素子）が知られている。薄膜圧電素子は、主に、インクジェットプリンターのヘッドにおいて、インクの射出を行うために利用されている。

特開２００４−３２０９７９号公報 特開２００８−２２７１２３号公報

上記のような薄膜圧電素子を圧電駆動装置に用いれば、圧電駆動装置やこれによって駆動される機器を小型化することができる可能性が高い。このような圧電駆動装置の振動板（補強板）は、靱性に優れることが要求される振動体部（補強板本体）と、ローターとの接触における耐摩耗性が要求される突起部と、を有している。そのため、振動体部と突起部とを異なる材質で別々に製造し、両者を接着剤で固定している。

しかしながら、薄膜圧電素子では、振動板も薄型化され、振動体部と突起部との接着領域も薄くなり、両者の接着強度が不足する傾向がある。

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、被駆動体に接触する部分が振動板に対して高い接合強度を有する圧電駆動装置及びそのような圧電駆動装置の製造方法を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記圧電駆動装置を含むロボットまたはポンプを提供することにある。

本発明は上記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、以下の態様又は適用例として実現することができる。

［適用例１］
本適用例に係る圧電駆動装置は、
圧電体を含む圧電素子と、
前記圧電素子を配置する板状の振動板と、
を含む圧電駆動装置であって、
前記振動板は、
被駆動体に接触する部分を含み、第１金属酸化物の焼結体を含む第１領域と、
前記第１金属酸化物とは異なる第２金属酸化物の焼結体を含む第２領域と、
前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１金属酸化物と前記第２金属
酸化物との固溶体を含む接合部と、を有することを特徴とする。

本適用例に係る圧電駆動装置によれば、被駆動体に接触する部分を含む第１領域と第２領域とが固溶体を含む接合部によって接合されているので、高い接合強度を有する。

［適用例２］
本適用例に係る圧電駆動装置において、
前記第１金属酸化物は、酸化アルミニウムであり、
前記第２金属酸化物は、二酸化ジルコニウムであり、
前記接合部は、酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムとの固溶体を含むことができる。

本適用例に係る圧電駆動装置によれば、被駆動体に接触する部分が耐摩耗性に優れる酸化アルミニウムを用いることで耐久性を得られ、第２領域に靱性に優れる二酸化ジルコニウムを用いることで圧電素子による屈曲変形または伸縮変形に対する耐久性を得ることができる。

［適用例３］
本適用例に係る圧電駆動装置において、
前記振動板は、長方形の板材である振動体部を有し、
前記被駆動体に接触する部分は、前記振動体部の短辺から突出する突起部であり、
前記接合部は、前記振動体部に形成することができる。

本適用例に係る圧電駆動装置によれば、突起部と振動体部とを強固に接合することができる。また、本適用例に係る圧電駆動装置によれば、接合部を振動体部に設けることで、接合部の幅を長くとることができ、第１領域と第２領域との接合強度を高くすることができる。

［適用例４］
本適用例に係る圧電駆動装置において、
前記振動板は、前記振動体部を挟んで前記突起部と対向する位置にカウンターウェイトを備えることができる。

本適用例に係る圧電駆動装置によれば、振動板の突起部側に重心が偏ることが無く、適切な振動板の重量バランスを得ることができる。

［適用例５］
本適用例に係る圧電駆動装置において、
前記第１領域は、前記振動体部を長辺に沿った方向で４分割したうちの１つを超えない範囲に形成することができる。

本適用例に係る圧電駆動装置によれば、第１領域を振動体部の４分の１以内に抑えることで、圧電素子による振動板の屈曲変形または伸縮変形を阻害しない。

［適用例６］
本適用例に係るロボットは、
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前記適用例に記載の圧電駆動装置と、
を含むことを特徴とする。

本適用例に係るロボットによれば、第１領域と第２領域とが高い接合強度を有する圧電駆動装置をロボットの駆動に利用できる。

［適用例７］
本適用例に係るポンプは、
前記本適用例に係る圧電駆動装置と、
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、
を含むことを特徴とする。

本適用例に係る圧電駆動装置によれば、第１領域と第２領域とが高い接合強度を有する圧電駆動装置をポンプの駆動に利用できる。

［適用例８］
本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法は、
第１金属酸化物の粒子を含む第１前駆体層が形成された第１金属酸化物帯と、前記第１金属酸化物とは異なる第２金属酸化物の粒子を含む第２前駆体層が形成された第２金属酸化物帯と、が設けられたシートを準備し、
前記第１金属酸化物帯と前記第２金属酸化物帯とを含むように前記シートを切断して、予備成形体を成形し、
前記予備成形体を焼成して、
被駆動体に接触する部分を含み、前記第１金属酸化物の焼結体を含む第１領域と、
前記第２金属酸化物の焼結体を含む第２領域と、
前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１金属酸化物と前記第２金属酸化物との固溶体を含む接合部と、
を有する振動板を形成し、
前記振動板上に圧電体を含む圧電素子を配置することを特徴とする。

本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法によれば、被駆動体に接触する部分を含む第１領域と第２領域とが固溶体を含む接合部によって接合されているので、高い接合強度を有する。また、本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法によれば、振動板に焼成する工程で固溶体を含む接合部を形成するので、前記背景技術に比べて接合のための工程が簡略化でき、コストダウンとなる。

［適用例９］
本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法において、
前記シートには、前記第１金属酸化物帯と前記第２金属酸化物帯とが隣接して設けられ、
前記接合部は、前記第１金属酸化物帯と前記第２金属酸化物帯との境界部を含んで形成されても良い。

本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法によれば、第１金属酸化物帯と第２金属酸化物帯との境界部を利用して接合部を形成することができる。

［適用例１０］
本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法において、
前記シートには、前記第１金属酸化物帯の端部と前記第２金属酸化物帯の端部とが重なるように設けられ、
前記接合部は、前記第１シートと前記第２シートとが重なった部分に形成されても良い
。

本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法によれば、第１金属酸化物帯と第２金属酸化物帯とが重なった部分（重複領域）を利用して接合部を形成することができる。

［適用例１１］
本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法において、
前記第１金属酸化物は、酸化アルミニウムであり、
前記第２金属酸化物は、二酸化ジルコニウムであっても良い。

本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法によれば、被駆動体に接触する部分に耐摩耗性に優れる酸化アルミニウムを用いることで耐久性を有することができる。また、本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法によれば、第２領域に靱性に優れる二酸化ジルコニウムを用いることで圧電素子による屈曲変形または伸縮変形に対する耐久性を有することができる。

［適用例１２］
本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法において、
前処理が行われる前の状態で比較した場合に、前記第１金属酸化物の粒子と前記第２金属酸化物の粒子のうち、一方の金属酸化物の粒子の焼結温度Ｔ１が他方の金属酸化物の粒子の焼結温度Ｔ２よりも高いとき、前記第１前駆体及び前記第２前駆体のうち、前記一方の金属酸化物の粒子を含む前駆体に前記前処理が行われ、
前記シートを準備する際に、前記前処理が行われた前駆体を用いて前記第１前駆体層または前記第２前駆体層が形成され、
前記予備成形体を焼成する際に、前記焼結温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ３で焼成を行っても良い。

本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法によれば、より低い温度での焼成が可能となるため、金属酸化物が脆くなることを防止することができる。

［適用例１３］
本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法において、
前記予備成形体を成形する際に、１枚の前記シートから複数の前記予備成形体を抜き取っても良い。

本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法によれば、１枚のシートから複数の予備成形体を抜き取ることができるので、生産効率が向上する。

［適用例１４］
本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法において、
前記予備成形体を成形する際に、前記第１シートと前記第２シートとを部分的に重ねた状態でプレス加工して仮接合すると共に前記シートから抜き取っても良い。

本適用例に係る圧電駆動装置の製造方法によれば、プレス加工することで第１シートと第２シートが重なる部分の仮接合と、抜き取りとを行うことができ、生産効率が向上する。

第１実施形態の圧電駆動装置の概略構成を示す平面図及び断面図。 振動板の平面図。 圧電振動装置と駆動回路の電気的接続状態を示す説明図。 圧電振動装置の動作の例を示す説明図。 （Ａ）は予備成形体７０を成形するためのシートの平面図であり、（Ｂ）は焼成前の予備成形体７０と焼成後の予備成形体７０との関係を説明するための図である。 圧電駆動装置を利用した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。 圧電駆動装置を利用した送液ポンプの一例を示す説明図。 予備成形体７０を成形するためのシートの平面図である。 第３実施形態における振動板３００の平面図である。 第３実施形態における振動板３００の変形例である振動板３０２の平面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．第１実施形態
図１の（Ａ）は、本発明の第１実施形態における圧電駆動装置１０の概略構成を示す平面図であり、図１の（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。圧電駆動装置１０は、圧電体４６を含む圧電素子４１ａ〜４１ｅと、圧電素子４１ａ〜４１ｅを配置する板状の振動板３０と、を含む。圧電素子４１ａ〜４１ｅは、振動板３０の両面（第１面３１ａと第２面３１ｂ）にそれぞれ配置された２つの圧電振動体４０の一部を構成する。

１−１．圧電振動体
圧電振動体４０は、基板４２と、基板４２の上に形成された第１電極４４と、第１電極４４の上に形成された圧電体４６と、圧電体４６の上に形成された第２電極４８と、を備える。第１電極４４と第２電極４８は、圧電体４６を挟持して圧電素子４１ａ〜４１ｅを構成する。２つの圧電振動体４０は、振動板３０を中心として対称に配置されている。また、この実施形態では、基板４２と振動板３０とが圧電素子（４４，４６，４８）を挟むように、圧電振動体４０が振動板３０上に設置されている。２つの圧電振動体４０は同じ構成を有しているので、以下では特に断らない限り、振動板３０の下側にある圧電振動体４０の構成を説明する。

圧電振動体４０の基板４２は、第１電極４４と圧電体４６と第２電極４８を成膜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４２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４２は、例えば、Ｓｉ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２などで形成することができる。

第１電極４４は、基板４２上に形成された１つの連続的な導電体層として形成されている。一方、第２電極４８は、図１の（Ａ）に示すように、５つの導電体層４８ａ〜４８ｅ（「第２電極４８ａ〜４８ｅ」とも呼ぶ）に区分されている。中央にある第２電極４８ｅは、基板４２の幅方向の中央において、基板４２の長手方向のほぼ全体に亘る長方形形状に形成されている。他の４つの第２電極４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｄは、同一の平面形状を有しており、基板４２の四隅の位置に形成されている。図１の例では、第１電極４４と第２電極４８は、いずれも長方形の平面形状を有している。

第１電極４４や第２電極４８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４４や第２電極４８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）などの導電性の高い任意の材料を利用可能である。

また、第１電極４４を１つの連続的な導電体層とする代わりに、第２電極４８ａ〜４８ｅと実質的に同じ平面形状を有する５つの導電体層に区分してもよい。なお、第２電極４８ａ〜４８ｅの間の電気的接続のための配線（又は配線層及び絶縁層）と、第１電極４４及び第２電極４８ａ〜４８ｅと駆動回路との間の電気的接続のための配線（又は配線層及び絶縁層）とは、図１では図示が省略されている。

圧電体４６は、第２電極４８ａ〜４８ｅと実質的に同じ平面形状を有する５つの圧電体層として形成されている。この代わりに、圧電体４６を、第１電極４４と実質的に同じ平面形状を有する１つの連続的な圧電体層として形成してもよい。第１電極４４と圧電体４６と第２電極４８ａ〜４８ｅとの積層構造によって、５つの圧電素子４１ａ〜４１ｅ（図１（Ａ））が構成される。

圧電体４６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る薄膜である。圧電体４６の材料としては、ＡＢＯ_３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。

１−２．振動板
図２は、振動板３０の平面図である。振動板３０は、長方形の板材である振動体部３１と、振動体部３１の左右の長辺からそれぞれ３本ずつ延びる接続部３２と、左右の３本の接続部３２にそれぞれ接続された２つの取付部３３を有している。なお、取付部３３は、ネジ３４によって他の部材に圧電駆動装置１０を取り付けるために用いられる。

振動体部３１の上面（第１面３１ａ）及び下面（第２面３１ｂ）には、圧電振動体４０（図１）がそれぞれ接着剤を用いて接着される。

振動体部３１の長さＬと幅Ｗの比は、Ｌ：Ｗ＝約７：２とすることが好ましい。この比は、振動体部３１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。振動体部３１の長さＬは、例えば３．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲とすることができ、幅Ｗは、例えば１ｍｍ以上８ｍｍ以下の範囲とすることができる。なお、振動体部３１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。

振動体部３１の厚み（振動板３０の厚み）は、例えば５０μｍ以上７００μｍ以下の範囲とすることができる。振動体部３１の厚みを５０μｍ以上とすれば、圧電振動体４０を支持するために十分な剛性を有するものとなる。また、振動体部３１の厚みを７００μｍ以下とすれば、圧電振動体４０の変形に応じて十分に大きな変形を発生することができる。

被駆動体に接触する部分は、振動板３０の一方の短辺から突出する突起部２０（「接触部」又は「作用部」とも呼ぶ）が設けられている。突起部２０は、被駆動体と接触して、被駆動体に力を与えるための部分である。

振動板３０は、図２にハッチングで示す第１金属酸化物で形成される第１領域２０ａと、第１金属酸化物とは異なる第２金属酸化物で形成される第２領域３０ａと、第１領域２０ａと第２領域３０ａとを接合する接合部３０ｂと、を有する。第１領域２０ａは、被駆動体に接触する部分（本実施形態では突起部２０）を含む。被駆動体に接触する部分の形状は、突起部２０に限らず、被駆動体と接触することができれば他の形状を採用すること
ができる。第１領域２０ａは、振動体部３１の一方の短辺側の端部の一部を含むように形成され、図２では振動体部３１の短辺の幅Ｗに渡って形成される。

接合部３０ｂは、第１領域２０ａを形成する第１金属酸化物と第２領域３０ａを形成する第２金属酸化物との固溶体を含む。接合部３０ｂの固溶体は、第１金属酸化物と第２金属酸化物以外の物質を含んでもよい。第１領域２０ａと第２領域３０ａとは、固溶体を含む接合部３０ｂによって接合されているので、高い接合強度を有する。すなわち、従来の圧電駆動装置に比べて、高い接合強度で振動体部３１に対して突起部２０を強固に接合することができる。

接合部３０ｂは、振動体部３１に形成する。接合部３０ｂを振動体部３１に設けることで、接合部３０ｂの幅（図２では振動体部３１の幅Ｗと同じ）を長くとることができ、第１領域２０ａと第２領域３０ａとの接合強度を高くすることができる。なお、特に断らない限り、「幅」は振動体部３１の長手方向に直交する方向の長さであり、「長さ」は振動体部３１の長手方向に沿った長さである。

第１領域２０ａは、振動体部３１を長辺に沿った方向で４分割したうちの１つを超えない範囲に形成する。したがって、第１領域２０ａの振動体部３１における長さＬ１は、第２領域３０ａの長さＬ２より短く、振動体部３１の長さＬの４分の１より短い。第１領域２０ａ及び固溶体を含む接合部３０ｂが振動体部３１に形成されることで振動体部３１の靱性が低下するが、第１領域２０ａを振動体部３１の４分の１以内に抑えることで、圧電素子４１ａ〜４１ｅによる振動板３０の屈曲変形または伸縮変形を阻害しない。

第１領域２０ａを形成する第１金属酸化物は、被駆動体に接触する部分であるため耐久性が求められ、高い機械的強度を有すると共に耐摩耗性に優れる材料であることが好ましい。第１金属酸化物は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコンなどを採用することができる。特に、第１金属酸化物は、耐摩耗性に優れる酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３，アルミナ）が好ましい。

第２領域３０ａを形成する第２金属酸化物は、圧電素子４１ａ〜４１ｅ（図１）による振動板３０の屈曲変形または伸縮変形の耐久性が求められ、靱性に優れる材料であることが好ましい。第２金属酸化物は、靱性に優れる二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２，ジルコニア）が好ましく、特にイットリウムを添加したイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が好ましい。

接合部３０ｂは、酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムとの固溶体を含む。

１−３．電気的接続状態
図３は、圧電駆動装置１０と駆動回路６０の電気的接続状態を示す説明図である。５つの第２電極４８ａ〜４８ｅのうちで、対角にある一対の第２電極４８ａ，４８ｄが配線５０を介して互いに電気的に接続され、他の対角の一対の第２電極４８ｂ，４８ｃが配線５２を介して互いに電気的に接続されている。これらの配線５０，５２は成膜処理によって形成しても良く、或いは、ワイヤ状の配線によって実現してもよい。図３の右側にある３つの第２電極４８ｂ，４８ｅ，４８ｄと、第１電極４４（図１）とは、配線６１，６２，６３，６４を介して駆動回路６０に電気的に接続されている。

駆動回路６０は、一対の第２電極４８ａ，４８ｄと第１電極４４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、圧電駆動装置１０を超音波振動させて、突起部２０に接触するローター（被駆動体）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
、その電圧（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。

また、他の一対の第２電極４８ｂ，４８ｃと第１電極４４との間に交流電圧又は脈流電圧を印加することにより、突起部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。このような電圧の印加は、振動板３０の両面に設けられた２つの圧電振動体４０に同時に行われる。なお、図３に示した配線５０，５２，６１，６２，６３，６４を構成する配線（又は配線層及び絶縁層）は、図１では図示が省略されている。

１−４．動作
図４は、圧電駆動装置１０の動作の例を示す説明図である。圧電駆動装置１０の突起部２０は、被駆動体としてのローター８０の外周に接触している。図４に示す例では、駆動回路６０（図３）は、一対の第２電極４８ａ，４８ｄと第１電極４４との間に交流電圧又は脈流電圧を印加しており、圧電素子４１ａ，４１ｄは図４の矢印ｘの方向に伸縮する。これに応じて、圧電駆動装置１０の振動体部３１が振動体部３１の平面内で屈曲して蛇行形状（Ｓ字形状）に変形し、突起部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８０は、その中心８２の周りに所定の方向ｚ（図４では時計回り方向）に回転する。

図２で説明した振動板３０の３つの接続部３２（図２）は、このような振動体部３１の振動の節（ふし）の位置に設けられている。なお、駆動回路６０が、他の一対の第２電極４８ｂ，４８ｃと第１電極４４との間に交流電圧又は脈流電圧を印加する場合には、ローター８０は逆方向に回転する。なお、中央の第２電極４８ｅに、一対の第２電極４８ａ，４８ｄ（又は他の一対の第２電極４８ｂ，４８ｃ）と同じ電圧を印加すれば、圧電駆動装置１０が長手方向に伸縮するので、突起部２０からローター８０に与える力をより大きくすることが可能である。

１−５．振動板の製造方法
第１実施形態に係る圧電駆動装置１０の製造方法は、シート９０を切断して予備成形体７０を成形する工程と、予備成形体７０を加熱して、板状の振動板３０に焼成する工程と、振動板３０に圧電体４６を含む圧電素子（４４，４６，４８）を配置する工程と、を含む。

まず、予備成形体７０を成形する工程について説明する。図５（Ａ）は、予備成形体７０を成形するためのシート９０の平面図である。図５（Ｂ）は、焼成前の予備成形体７０と焼成後の予備成形体７０との関係を説明するための図である。

シート９０は、第１金属酸化物帯９２と、第２金属酸化物帯９４と、を含む。第１金属酸化物帯９２には、第１金属酸化物の粒子を含む第１前駆体層が形成されている。第２金属酸化物帯９４には、第１金属酸化物とは異なる第２金属酸化物の粒子を含む第２前駆体層が形成されている。シート９０には、第１金属酸化物帯９２と第２金属酸化物帯９４とが隣接して設けられるように形成される。第１金属酸化物帯９２と第２金属酸化物帯９４とは境界部９６を挟んで隣接している。

シート９０は、第１金属酸化物帯９２と第２金属酸化物帯９４とが設けられたグリーンシートである。シート９０の長手方向（図の左右方向）に沿って、第１金属酸化物帯９２と第２金属酸化物帯９４とが所定の幅で延在する。図５（Ａ）では、シート９０の幅方向（図の上下方向）に第１金属酸化物帯９２と第２金属酸化物帯９４とが交互に３列ずつ配置されている。

第１金属酸化物帯９２と第２金属酸化物帯９４は、合成樹脂製のシートの表面に、第１
金属酸化物を含む前駆体と第２金属酸化物を含む前駆体とを、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、刷毛塗り法、スプレー法、ディッピング法などにより塗布することによって、形成される。ドクターブレード法では、粒子状の第１金属酸化物と有機バインダー等とを含むスラリーと、粒子状の第２金属酸化物と有機バインダー等とを含むスラリーとを合成樹脂製のシート表面に所望の厚さ及び所望の幅で塗布することによって、シート９０が得られる。

シート９０を図５（Ａ）に破線で示す予備成形体７０の形状に沿って切断し、予備成形体７０を成形する。シート９０から予備成形体７０を切り出す際には、被駆動体に接触する部分（本実施形態では突起部２０となる部分）が第１領域７２に含まれるようにシート９０を切断する。より具体的には、振動板３０の接合部３０ｂとなる部分が境界部９６上になるように複数の予備成形体７０をシート９０の長手方向に沿って並ぶように切り出す。

こうしてシート９０から切り出された予備成形体７０は、第１金属酸化物帯９２を含む第１領域７２と第２金属酸化物帯９４を含む第２領域７４とを有する。

図５に示すように、シート９０の長手方向に沿って第１金属酸化物帯９２と第２金属酸化物帯９４とを隣接して配置することにより、１枚のシート９０から複数の予備成形体７０を抜き取ることができる。このように、１枚のシート９０から複数の予備成形体７０を抜き取ることができるため、予備成形体７０の生産効率が向上する。

次に、予備成形体７０を所定の焼成温度で加熱する。予備成形体７０を焼成することで、有機バインダーなどの有機成分が除去されると共に、粒子状の第１金属酸化物及び粒子状の第２金属酸化物が焼結し、所望の強度を有する焼結体の振動板３０が成形される。このとき、図５（Ｂ）に示すように、第１領域７２と第２領域７４との境界、すなわち第１領域７２と第２領域７４とが隣接する部分（境界部）９６の付近で、第１金属酸化物と第２金属酸化物とが固溶体を形成する。この固溶体によって、接合部３０ｂが形成される。すなわち、接合部３０ｂは、第１領域７１と第２領域７４との境界部９６を含んで形成される。

焼成して得られた振動板３０は、突起部２０を含む第１領域２０ａと第２領域３０ａとが固溶体を含む接合部３０ｂによって接合されているので、高い接合強度を有する。また、振動板３０に焼成する工程で固溶体を含む接合部３０ｂを形成するので、従来に比べて接合のための工程が簡略化でき、コストダウンとなる。

第１金属酸化物の粒子を含む第１前駆体層と第２金属酸化物の粒子を含む第２前駆体層のうち、一方に対して前処理を行うことによって、予備成形体７０を加熱する際に、第１金属酸化物と第２金属酸化物とをより低い温度で焼結させることが可能となる。原料粒子の状態で比較した場合や、同じ粒子径で比較した場合において、第１金属酸化物の粒子が焼結する温度と第２金属酸化物の粒子が焼結する温度とは異なることが多い。このとき、これらの粒子を同じ焼成温度で焼結させようとすると、焼結温度が高い方の金属酸化物が焼結する温度で焼成しなければならず、焼結温度が低い方の金属酸化物が脆くなってしまう可能性がある。焼結温度が高い方の金属酸化物粒子を含む前駆体に前処理を行うことによって、当該金属酸化物の焼結温度を、焼結温度が低い方の金属酸化物の焼結温度に近づければ、より低い温度で焼成を行うことができるため、このような問題を防止することができる。焼成の工程には、その金属酸化物の所望の性能を得ることができる適切な昇温工程、最高温度保持工程、降温工程が含まれ、「焼成温度」はこれらの工程における最高温度のことである。最高温度が適切な温度より低いと金属酸化物の粒子同士が十分に結合せず、脆くなる。

前処理としては、次のような処理が挙げられる。たとえば、前処理を行う前の状態で比較した場合に、第１金属酸化物の粒子の焼結温度Ｔ１の方が第２金属酸化物の粒子の焼結温度Ｔ２よりも高い場合、グリーンシートに塗布する第１金属酸化物の粒子を砕くなどしてより小さいサイズにしてから第１前駆体を調製する。あるいは、第１前駆体を調製する際に、第１金属酸化物の粒子に、当該第１金属酸化物よりも融点が低い金属酸化物の粒子を混ぜる。シート９０を準備する際に、このような前処理を行った第１前駆体を用いて、第１前駆体層を形成する。すると、予備成形体７０を焼成する際に、本来の焼結温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ３（Ｔ２≦Ｔ３＜Ｔ１）で焼成しても、所望の強度や耐摩耗性を有する焼結体を得ることができる。前処理を行う前の状態で比較した場合に、第２金属酸化物の焼結温度の方が高い場合（第２金属酸化物の焼結温度がＴ１で、第１金属酸化物の焼結温度がＴ２である場合）には、第２前駆体に対してこのような前処理を施せば良い。

振動板３０に圧電体４６を含む圧電素子（４４，４６，４８）を配置する工程は、図１の（Ｂ）に示すように、あらかじめ基板４２上に圧電素子（４４，４６，４８）を積層して圧電振動体４０を成形し、圧電振動体４０を、接着剤を用いて振動板３０の両面に貼り付ける。この際、圧電振動体４０の基板４２と振動板３０との間に圧電素子（４４，４６，４８）が挟まれるように配置する。

２．圧電駆動装置を用いた装置の実施形態
２−１．ロボット
図６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。

このように、振動板３０の第１領域２０ａと第２領域３０ａとが高い接合強度を有する圧電駆動装置１０をロボット２０５０の駆動に利用できる。

図７は、図６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であった。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。

２−２．ポンプ
図８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の突起部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。

このように、振動板３０の第１領域２０ａと第２領域３０ａとが高い接合強度を有する圧電駆動装置１０を送液ポンプ２２００の駆動に利用できる。

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。

３．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る圧電駆動装置１０の製造方法について説明する。図９は、第２実施形態における予備成形体７０を成形するためのシート１００の平面図である。第２実施形態は、予備成形体７０を成形する工程におけるシート１００の作成方法が第１実施形態と異なる。そのシート１００を用いて後の工程を第１実施形態と同様に成形すれば、振動板３０を得ることができる。以下の説明では、シート１００の作成方法について説明し、第１実施形態と重複する部分については省略する。

シート１００は、第１金属酸化物の粒子を含む第１前駆体層が形成された第１シート１０２と、第２金属酸化物の粒子を含む第２前駆体層が形成された第２シート１０４と、を部分的に重ねて作成される。図９において、第１シート１０２はハッチングで示し、第１
前駆体層が形成された第１シート１０２と第２前駆体層が形成された第２シート１０４とが重なった部分を重複領域１０６としてクロスハッチングで示している。切断前に、第１シート１０２と第２シート１０４とは重複領域１０６で仮接合することが好ましい。第１シート１０２に対する第２シート１０４の位置が後の工程でずれることを防止するためである。

第１シート１０２と第２シート１０４との仮接合は、接着剤で行ってもよいし、重複領域１０６を加熱して第１、第２シート１０２，１０４に塗布されたバインダーを溶かして接合してもよいし、プレス加工で行ってもよい。

プレス加工は、第１シート１０２と第２シート１０４とを部分的に重ねた状態で行う。プレス加工により重複領域１０６を圧着して仮接合することができる。また、このプレス加工により仮接合すると共に、仮接合されたシート１００から予備成形体７０を抜き取ることができる。このように、プレス加工することで仮接合と抜き取りを行うことで、予備成形体７０の生産効率が向上する。

予備成形体７０を焼成して得られる振動板３０における接合部３０ｂは、第１シート１０２と第２シート１０４とが重なった部分、すなわち第１前駆体層と第２前駆体層とが重なった部分である重複領域１０６に形成される。つまり、予備成形体７０を焼成する際に、重複領域１０６を利用して接合部３０ｂを形成することができる。重複領域１０６は第１金属酸化物と第２金属酸化物とを含むため、予備成形体７０を焼成することで、第１金属酸化物と第２金属酸化物の固溶体を含む接合部３０ｂを形成することができる。

なお、第１シート１０２と第２シート１０４とを重ねて重複領域１０６を形成する代わりに、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示したシート９０において、第１金属酸化物帯９２の端部と第２金属酸化物帯９４の端部とが重なるように、第１金属酸化物帯９２と第２金属酸化物帯９４とを配置することによって、重複領域１０６を形成するようにしても良い。

４．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る圧電駆動装置１０について説明する。図１０は、第３実施形態における振動板３００の平面図である。第３実施形態は、振動板３００が第１実施形態の振動板３０と異なる。以下の説明では、振動板３００について説明し、第１実施形態と重複する部分については省略する。

振動板３００は、振動体部３１を挟んで突起部２０と対向する位置にカウンターウェイト２００を備える。カウンターウェイト２００は、突起部２０と同じ形状及び同じ重さに形成されている。カウンターウェイト２００を設けることで、振動板３００の突起部２０側に重心が偏ることが無く、振動板３００の重量バランスを適切に調整することができる。

カウンターウェイト２００の形状は、突起部２０の形状に限定されることなく、重量バランスが調整できれば、他の形状でもよい。

図１１は、第３実施形態における振動板３００の変形例である振動板３０２の平面図である。図１０に示した振動板３００はその中心軸線３０１上に突起部２０及びカウンターウェイト２００を配置しているが、振動板３０２は、その中心軸線３０１からオフセットされた位置に突起部２０が配置されている。そして、振動板３０２は、平面視で、突起部２０が配置された位置の略対角位置にカウンターウェイト２０２が配置されている。カウンターウェイト２０２を突起部２０の対角位置に設けることで、振動板３００の重量バランスを適切に調整することができる。

上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態及び各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０…圧電駆動装置、２０…突起部、２０ａ…第１領域、３０…振動板、３０ａ…第２領域、３０ｂ…接合部、３１…振動体部、３１ａ…第１面、３１ｂ…第２面、３２…接続部、３３…取付部、３４…ネジ、４０…圧電振動体、４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ…圧電素子、４２…基板、４４…第１電極、４６…圧電体、４８，４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｄ，４８ｅ…第２電極、５０，５２…接続配線、６０…駆動回路、６１，６２，６３，６４…配線、７０…予備成形体、７２…第１領域、７４…第２領域、８０…ローター、８２…中心、９０…シート、９２…第１金属酸化物帯、９４…第２金属酸化物帯、９６…境界部、１００…シート、１０２…第１シート、１０４…第２シート、１０６…重複領域、２００，２０２…カウンターウェイト、３００，３０２…振動板、３０１…中心軸線、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、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、２２３０…ケース、ｘ，ｙ，ｚ…方向、Ｌ…振動体部の長さ、Ｌ１…第１領域の長さ、Ｌ２…第２領域の長さ、Ｏ…中心軸、Ｗ…振動体部の幅

Claims (14)

1. 圧電体を含む圧電素子と、
   前記圧電素子を配置する板状の振動板と、
   を含む圧電駆動装置であって、
   前記振動板は、
   被駆動体に接触する部分を含み、第１金属酸化物の焼結体を含む第１領域と、
   前記第１金属酸化物とは異なる第２金属酸化物の焼結体を含む第２領域と、
   前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１金属酸化物と前記第２金属酸化物との固溶体を含む接合部と、を有する、圧電駆動装置。
2. 請求項１において、
   前記第１金属酸化物は、酸化アルミニウムであり、
   前記第２金属酸化物は、二酸化ジルコニウムであり、
   前記接合部は、酸化アルミニウムと二酸化ジルコニウムとの固溶体を含む、圧電駆動装置。
3. 請求項１または２において、
   前記振動板は、長方形の板材である振動体部を有し、
   前記被駆動体に接触する部分は、前記振動体部の短辺から突出する突起部であり、
   前記接合部は、前記振動体部に形成される、圧電駆動装置。
4. 請求項３において、
   前記振動板は、前記振動体部を挟んで前記突起部と対向する位置にカウンターウェイトを備える、圧電駆動装置。
5. 請求項３または４において、
   前記第１領域は、前記振動体部を長辺に沿った方向で４分割したうちの１つを超えない範囲に形成される、圧電駆動装置。
6. 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１〜５のいずれか１項に記載の圧電駆動装置と、
   を含む、ロボット。
7. 請求項１〜５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、ポンプ。
8. 第１金属酸化物の粒子を含む第１前駆体層が形成された第１金属酸化物帯と、前記第１金属酸化物とは異なる第２金属酸化物の粒子を含む第２前駆体層が形成された第２金属酸化物帯と、が設けられたシートを準備し、
   前記第１金属酸化物帯と前記第２金属酸化物帯とを含むように前記シートを切断して、予備成形体を成形し、
   前記予備成形体を焼成して、
   被駆動体に接触する部分を含み、前記第１金属酸化物の焼結体を含む第１領域と、
   前記第２金属酸化物の焼結体を含む第２領域と、
   前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１金属酸化物と前記第２金属
   酸化物との固溶体を含む接合部と、
   を有する振動板を形成し、
   前記振動板上に圧電体を含む圧電素子を配置する、圧電駆動装置の製造方法。
9. 請求項８において、
   前記シートには、前記第１金属酸化物帯と前記第２金属酸化物帯とが隣接して設けられ、
   前記接合部は、前記第１金属酸化物帯と前記第２金属酸化物帯との境界部を含んで形成される、圧電駆動装置の製造方法。
10. 請求項８において、
    前記シートには、前記第１金属酸化物帯の端部と前記第２金属酸化物帯の端部とが重なるように設けられ、
    前記接合部は、前記第１金属酸化物帯と前記金属酸化物帯とが重なった部分に形成される、圧電駆動装置の製造方法。
11. 請求項８ないし１０のいずれか１項において、
    前記第１金属酸化物は、酸化アルミニウムであり、
    前記第２金属酸化物は、二酸化ジルコニウムである、圧電駆動装置の製造方法。
12. 請求項８ないし１１のいずれか１項において、
    前処理が行われる前の状態で比較した場合に、前記第１金属酸化物の粒子と前記第２金属酸化物の粒子のうち、一方の金属酸化物の粒子の焼結温度Ｔ１が他方の金属酸化物の粒子の焼結温度Ｔ２よりも高いとき、前記第１前駆体及び前記第２前駆体のうち、前記一方の金属酸化物の粒子を含む前駆体に前記前処理が行われ、
    前記シートを準備する際に、前記前処理が行われた前駆体を用いて前記第１前駆体層または前記第２前駆体層が形成され、
    前記予備成形体を焼成する際に、前記焼結温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ３で焼成を行う、圧電駆動装置の製造方法。
13. 請求項８ないし１２のいずれか１項において、
    前記予備成形体を成形する際に、１枚の前記シートから複数の前記予備成形体を抜き取る、圧電駆動装置の製造方法。
14. 請求項９において、
    前記予備成形体を成形する際に、前記第１シートと前記第２シートとを部分的に重ねた状態でプレス加工して仮接合すると共に前記シートから抜き取る、圧電駆動装置の製造方法。

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