JP6485118B2 - 圧電駆動装置及びロボット - Google Patents

Description

本発明は、圧電駆動装置、及び、圧電駆動装置を備えるロボットなどの各種の装置に関する。

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）。この圧電駆動装置の基本的な構成は、補強板の２つの面のそれぞれの上に、４つの圧電素子が２行２列に配置された構成であり、合計で８つの圧電素子が補強板の両側に設けられている。個々の圧電素子は、圧電体をそれぞれ２枚の電極で挟んだユニットであり、補強板は、圧電素子の一方の電極としても利用される。補強板の一端には、被駆動体としてのローターに接してローターを回転させるための突起部が設けられている。４つの圧電素子のうちの対角に配置された２つの圧電素子に交流電圧を印加すると、この２つの圧電素子が伸縮運動を行い、これに応じて補強板の突起部が往復運動又は楕円運動を行う。そして、この補強板の突起部の往復運動又は楕円運動に応じて、被駆動体としてのローターが所定の回転方向に回転する。また、交流電圧を印加する２つの圧電素子を他の２つの圧電素子に切り換えることによって、ローターを逆方向に回転させることができる。

特開２００４−３２０９７９号公報

圧電駆動装置の出力Ｐｗは、圧電駆動装置の駆動力Ｆと駆動速度ｖとの積に比例する。ここで、圧電駆動装置の駆動力Ｆは、圧電駆動装置を構成する圧電素子（具体的には、電極で挟持された圧電体）の断面積に比例する。従って、次元解析によれば、圧電素子の寸法を示す長さの次元を［Ｌ］で表すとすると、［Ｌ］^２に比例すると言える。また、圧電駆動装置の駆動速度ｖは圧電素子の長さ［Ｌ］^１に比例し、共振周波数ｆｒは［Ｌ］^−１に比例するので、駆動速度ｖは［Ｌ］に無関係と言える。従って、圧電駆動装置の出力Ｐｗは［Ｌ］^２に比例する、と考えられる。そして、圧電駆動装置の出力Ｐｗを高めることは、単純には、圧電駆動装置を構成する圧電素子の寸法を大きくして圧電素子の体積を大きくすることによって可能である。

しかしながら、圧電駆動装置の重量Ｗｔが圧電素子の体積［Ｌ］^３に比例することから、圧電駆動装置のパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔ（重量Ｗｔに対する出力Ｐｗの比）は、［Ｌ］^−１に比例することになる。従って、単純に圧電素子の寸法を大きくして圧電駆動装置の出力Ｐｗを高めたとしても、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔの低下を招くため合理的ではない、という課題がある。そのため、圧電駆動装置において、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔの低下を抑制しつつ、高出力で軽量な圧電駆動装置を提供することが可能な技術が望まれていた。そのほか、圧電駆動装置においては、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

本発明は、上述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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

（１）発明の一形態によれば、圧電駆動装置が提供される。この圧電駆動装置は、被駆動部と接触可能な接触部を有し、圧電体を有する複数の圧電駆動部を備える。前記複数の圧電駆動部の数量は１０個以上であり；前記複数の圧電駆動部による全体の出力は０．３Ｗ以上であり；前記圧電駆動部の重量は１μｇ以上５ｇ以下である。
この形態によれば、重量が１μｇ以上５ｇ以下の軽量な圧電駆動部を１０個以上用いて圧電駆動装置を構成することより、１つの圧電駆動部によるパワーウェイトレシオと同等のパワーウェイトレシオを維持しつつ、軽量で、かつ、圧電駆動装置の全体の出力を０．３Ｗ以上の高出力とすることが可能な圧電駆動装置を実現することが可能である。

（２）上記形態の圧電駆動装置において、前記圧電駆動部は、下式を満たすようにしてもよい。
ｌｏｇ_１０（Ｐｗ／Ｗｔ）≧−０．３７３・ｌｏｇ_１０（Ｗｔ）＋１．４４８
ここで、Ｗｔは前記圧電駆動部の重量［ｋｇ］であり、Ｐｗは前記圧電駆動部の出力［Ｗ］であり、Ｐｗ／Ｗｔは前記圧電駆動部のパワーウェイトレシオ［Ｗ／ｋｇ］である。
この形態によれば、より高いパワーウェイトレシオを有し、より小型で軽量な圧電駆動部を用いて圧電駆動装置を構成することができるので、パワーウェイトレシオをより高く維持しつつ、軽量で、圧電駆動装置の全体の出力を０．３Ｗ以上の高出力とすることが可能な圧電駆動装置を実現することが可能である。

（３）上記形態の圧電駆動装置において、前記圧電駆動部は、下式を満たすことを特徴とする圧電駆動装置。
ｌｏｇ_１０（Ｐｗ／Ｗｔ）≧−０．４９８・ｌｏｇ_１０（Ｗｔ）＋１．６５３
この形態によれば、さらに高いパワーウェイトレシオを有し、さらに軽量な圧電駆動部を用いて圧電駆動装置を構成することができるので、パワーウェイトレシオをより高く維持しつつ、軽量で、圧電駆動装置の全体の出力を０．３Ｗ以上の高出力とすることが可能な圧電駆動装置を実現することが可能である。

（４）上記形態の圧電駆動装置において、前記圧電駆動部の出力は、０．００１Ｗ以上１Ｗ以下であるとしてもよい。
この形態によれば、出力が０．００１Ｗ以上１Ｗ以下の軽量な圧電駆動部を１０個以上の複数個用いることにより、高いパワーウェイトレシオを有し、小型で軽量な圧電駆動部を用いて圧電駆動装置を構成することができるので、パワーウェイトレシオを高く維持しつつ、軽量で、圧電駆動装置の全体の出力を０．３Ｗ以上の高出力とすることが可能な圧電駆動装置を実現することが可能である。

（５）上記形態の圧電駆動装置において、前記圧電体の厚さは、０．０５μｍ以上２０μｍ以下であることとしてもよい。
この形態においても、圧電体の厚さが０．０５μｍ以上２０μｍ以下と薄く全体として小型化で軽量な圧電駆動部を１０個以上用いることにより、高いパワーウェイトレシオを有し、小型で軽量な圧電駆動部を用いて圧電駆動装置を構成することができるので、パワーウェイトレシオを高く維持しつつ、軽量で、圧電駆動装置の全体の出力を０．３Ｗ以上の高出力とすることが可能な圧電駆動装置を実現することが可能である。

（６）上記形態の圧電駆動装置において、前記圧電駆動部の１個あたりの重量は１μｇ以上１００ｍｇ以下であることとしてもよい。
この形態においても、重量が１μｇ以上１００ｍｇ以下の軽量な圧電駆動部を１０個以上用いることにより、高いパワーウェイトレシオを有し、小型で軽量な圧電駆動部を用いて圧電駆動装置を構成することができるので、パワーウェイトレシオを高く維持しつつ、軽量で、圧電駆動装置の全体の出力を０．３Ｗ以上の高出力とすることが可能な圧電駆動装置を実現することが可能である。

（７）上記形態の圧電駆動装置において、前記複数の圧電駆動部の数量は１００個以上であるとしてもよい。
この形態によれば、高いパワーウェイトレシオを有し、小型で軽量な圧電駆動部を１００個以上用いて圧電駆動装置を構成することにより、１０個の圧電駆動部を用いた場合よりもパワーウェイトレシオを高く維持しつつ、軽量で、圧電駆動装置の全体の出力を３Ｗ以上の高出力とすることが可能な圧電駆動装置を実現することが可能である。

（８）上記形態の圧電駆動装置において、前記複数の圧電駆動部の数量は１０００個以上としてもよい。
この形態によれば、高いパワーウェイトレシオを有し、小型で軽量な圧電駆動部を１０００個以上用いて圧電駆動装置を構成することにより、１００個の圧電駆動部を用いた場合よりもパワーウェイトレシオを高く維持しつつ、軽量で、圧電駆動装置の全体の出力を３０Ｗ以上の高出力とすることが可能な圧電駆動装置を実現することが可能である。

（９）上記形態の圧電駆動装置において、前記圧電振動体は、基板と、前記基板に形成された前記第１電極と、前記第１電極に形成された前記圧電体と、前記圧電体に形成された前記第２電極と、を有するものとしてもよい。
この形態によれば、圧電振動体を小型で軽量に構成することができ、高いパワーウェイトレシオを有し、軽量な圧電駆動部を構成することができるので、パワーウェイトレシオを高く維持しつつ、軽量で、圧電駆動装置の全体の出力を０．３Ｗ以上の高出力とすることが可能な圧電駆動装置を実現することが容易に可能である。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、圧電駆動装置の他、圧電駆動装置の駆動方法、圧電駆動装置の製造方法、圧電駆動装置を搭載するロボット、圧電駆動装置を搭載するロボットの駆動方法、送液ポンプ、投薬ポンプ等、様々な形態で実現することができる。

本発明の一実施形態として１０個の圧電駆動部を用いた圧電駆動装置の一例を示す概略構成図である。 図１に示した圧電駆動部の概略構成図である。 振動板の平面図である。 各圧電駆動部と駆動回路の電気的接続状態を示す説明図である。 圧電駆動装置の動作の例を示す説明図である。 圧電駆動装置の重量とパワーウェイトレシオの関係について示すグラフである。 １００個の圧電駆動部を用いた圧電駆動装置の概略構成の一例を示す側面図である。 圧電駆動部として採用可能な単体圧電駆動装置の例を示す表である。 図８に示した各単体圧電駆動装置の重量とパワーウェイトレシオとの関係を示すグラフである。 図８に示した各単体圧電駆動装置を用いて圧電駆動装置を構成する場合に要する各単体圧電駆動装置の個数例を示す表である。 圧電振動体の薄膜成形プロセスを示す説明図である。 他の実施形態としての圧電駆動装置の概略構成図である。 図１２に示した圧電駆動装置の製造工程の一例の一部を示す説明図である。 図１２に示した圧電駆動装置の製造工程の一例の他の一部を示す説明図である。 図１２に示した圧電駆動装置の製造工程の一例の別の一部を示す説明図である。 さらに他の実施形態としての圧電駆動装置の概略構成を示す側面図である。 上述の圧電駆動装置を利用したロボットの一例を示す説明図である。 図１７に示したロボットの手首部分の説明図である。 上述の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である。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態として１０個の圧電駆動部を用いた圧電駆動装置の一例を示す概略構成図である。図１（Ａ）は、圧電駆動装置１１の平面図であり、図１（Ｂ）はその側面図である。圧電駆動装置１１は、振動板２００と、振動板２００に配列された１０個の圧電駆動部１０と、を備える。圧電駆動部１０が配列された振動板２００は、支持体３０の支持部３１０で支持及び固定される。圧電駆動部１０は、振動板２００の両面にそれぞれ配置された２つの圧電振動体１００を備えている。なお、図１では、図示の便宜上、振動板２００及び支持体３０にハッチングを付して示している。

図２は、図１に示した圧電駆動部１０の概略構成図である。図２（Ａ）は、圧電駆動部１０の平面図であり、図２（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図であり、図２（Ｃ）はそのＣ−Ｃ断面図である。圧電駆動部１０は、上記したように、振動板２００の振動体部２１０と、振動体部２１０の両面（第１面２１１（「表面」或いは「上面」とも呼ぶ）と第２面２１２（「裏面」或いは「下面」とも呼ぶ））にそれぞれ配置された２つの圧電振動体１００と、を備える。圧電振動体１００は、基板１２０と、基板１２０の上に設けられた第１電極１３０と、第１電極１３０の上に設けられた圧電体１４０と、圧電体１４０の上に設けられた第２電極１５０と、を備えている。第１電極１３０と第２電極１５０は、圧電体１４０を挟持している。２つの圧電振動体１００は、振動板２００の振動体部２１０を中心として対称に配置されている。２つの圧電振動体１００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２００の上側にある圧電振動体１００の構成を説明する。

圧電振動体１００の基板１２０は、第１電極１３０と圧電体１４０と第２電極１５０を形成するための基板として使用される。また、基板１２０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１２０は、例えば、Ｓｉ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２，ＳｉＯ_２などで形成することができる。

第１電極１３０は、圧電体１４０の基板１２０側の面に形成された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１５０は、図２（Ａ）に示すように、５つの導電体層１５０ａ〜１５０ｅ（「第２電極１５０ａ〜１５０ｅ」とも呼ぶ）に区分されている。中央にある第２電極１５０ｅは、基板１２０の幅方向の中央において、基板１２０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１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄは、同一の平面形状を有しており、基板１２０の四隅の位置に形成されている。図２の例では、第１電極１３０と第２電極１５０は、いずれも長方形の平面形状を有している。第１電極１３０や第２電極１５０は、例えばスパッタリングや蒸着による成膜処理によって形成される薄膜である。第１電極１３０や第２電極１５０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）、Ｃｕ（銅）などの導電性の高い任意の材料を利用可能である。なお、第１電極１３０を１つの連続的な導電体層とする代わりに、第２電極１５０ａ〜１５０ｅ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１５０ａ〜１５０ｅ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１３０及び第２電極１５０ａ〜１５０ｅ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２では図示が省略されている。

圧電体１４０は、第２電極１５０ａ〜１５０ｅ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区分されるように形成されている。この代わりに、圧電体１４０を、第１電極１３０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１３０と圧電体１４０と第２電極１５０ａ〜１５０ｅとの積層構造によって、５つの圧電素子１１０ａ〜１１０ｅ（図２（Ａ））が構成される。

圧電体１４０は、後述するように、バルク成形プロセスによって形成され、或いは、ゾル−ゲル法やスパッタリング法を用いた成膜プロセスによって形成される。圧電体１４０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。ＡＢＯ_３型のペロブスカイト構造を採るセラミックスとしては、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、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等を用いることが可能である。またセラミック以外の圧電効果を示す材料、例えばポリフッ化ビニリデン、水晶等を用いることも可能である。

図３は、振動板２００の平面図である。振動板２００は、複数の貫通孔２５２により形成された、長方形形状の１０個の振動体部２１０と、振動体部２１０の左右の長辺からそれぞれ３本ずつ延びる接続部２２０と、左右の３本の接続部２２０にそれぞれ接続された２つの固定部２３０を有している。但し、隣接する２つの振動体部２１０のうち、左側の振動体部２１０の右側の接続部２２０と、右側の振動体部２１０の左側の接続部２２０とは、共通する固定部２３０に接続されている。なお、図３では、図示の便宜上、振動体部２１０にハッチングを付している。固定部２３０は、接着剤によって支持体３０に圧電駆動装置１１を固定するために用いられる。振動板２００は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅合金、鉄−ニッケル合金などの金属材料で形成することが可能である。また、ジルコニア、チタニア、アルミナ、酸化亜鉛等の金属酸化物材料で形成することも可能である。また、セラミックス、例えば、Ｓｉ，ＳｉＯ_２，ＳｉＣ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２などで形成することもでき、ダイアモンドで形成することもできる。

振動体部２１０の上面（第１面）及び下面（第２面）には、圧電振動体１００（図２）がそれぞれ接着剤を用いて接着される。振動体部２１０の長さＬと幅Ｗは、通常、圧電振動体１００の長さ及び幅に一致するように形成される。振動体部２１０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、圧電振動体１００によって振動体部２１０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２１０の長さＬは、例えば０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲とすることができ、幅Ｗは、例えば０．０２ｍｍ以上９ｍｍ以下の範囲とすることができる。なお、振動体部２１０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２１０の厚み（振動板２００の厚み）は、例えば２０μｍ以上８００μｍ以下の範囲とすることができる。振動体部２１０の厚みを２０μｍ以上とすれば、圧電振動体１００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２１０の厚みを８００μｍ以下とすれば、圧電振動体１００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。

振動板２００の第１面２１１及び第２面２１２に挟まれた一方の第３面２１３には、各圧電駆動部１０に対応する突起部２０（「接触部」又は「作用部」とも呼ぶ）が一体的に設けられている。突起部２０は、不図示の被駆動体（「被駆動部」とも呼ぶ）と接触して、摺動により被駆動体に力を与えるための部材である。突起部２０は、振動板２００と同じ部材で一体に形成されている。但し、これに限定されるものではなく、別の部材を利用して振動板２００の第３面２１３に接着剤により接着して一体的に設けられていてもよい。また突起部２０は、セラミックス（例えばＳｉ，ＳｉＣ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２）などの耐久性がある材料で形成することが好ましい。

振動板２００の固定部２３０は、図２（ｃ）に示すように、支持体３０の支持部３１０に接着剤を用いて接着されて固定される。これにより、圧電振動体１００が固定された振動体部２１０、すなわち、圧電駆動部１０は、左右の支持部３１０で振動可能に支持される。

図４は、各圧電駆動部１０と駆動回路３００の電気的接続状態を示す説明図である。各圧電駆動部１０では、圧電振動体１００の５つの第２電極１５０ａ〜１５０ｅのうちで、対角にある一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄが配線１５１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１５０ｂ，１５０ｃも配線１５２を介して互いに電気的に接続されている。これらの配線１５１，１５２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４の右側にある各圧電駆動部１０の３つの第２電極１５０ｂ，１５０ｄ，１５０ｅ及び第１電極１３０（図２）は、配線３１０，３１２，３１４，３２０を介して駆動回路３００に電気的に接続されている。駆動回路３００は、各圧電駆動部１０の一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄと第１電極１３０との間に周期的に変化する交流電圧又は脈流電圧を共通に印加することにより、各圧電駆動部１０を同様に超音波振動させて、突起部２０に接触する被駆動体を駆動することができる。例えば、被駆動体がローターである場合には、ローター中心に対して所定の回転方向に回転させることが可能であり、また、被駆動体が所定方向に移動可能な移動体である場合には、所定方向に移動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、各圧電駆動部１０の他の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃと第１電極１３０との間に交流電圧又は脈流電圧を共通に印加することにより、突起部２０に接触する被駆動体としてのローターを逆方向に回転させることが可能であり、また、被駆動体としての移動体を逆方向に移動させることが可能である。また、各圧電駆動部１０の一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄと第１電極１３０との間と、各圧電駆動部１０の他の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃと第１電極１３０との間に、互いに１８０度位相がずれた交流電圧または脈流電圧を印加することも可能である。この場合、各圧電駆動部１０の一つの第２電極１５０ｅと第１電極１３０との間に、上記した互いに１８０度位相がずれた交流電圧または脈流電圧に対して、位相を調整した交流電圧または脈流電圧を印加し、調整した位相に応じて被駆動体の回転方向や移動方向を変えることが可能である。このような電圧の印加は、振動体部２１０の両面に設けられた各圧電振動体１００に同時に行われる。なお、図４に示した配線１５１，１５２，３１０，３１２，３１４，３２０を構成する配線（又は配線層及び絶縁層）は、図２では図示が省略されている。

図５は、圧電駆動装置１１の動作の例を示す説明図である。なお、図５では、振動板２００を省略して示している。各圧電駆動部１０の突起部２０は、被駆動体としてのローター５０の中心５１に垂直な回転面（紙面垂直方向を向く面）５２の外周側に接触している。図５に示す例では、駆動回路３００（図４）は、各圧電駆動部１０の一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄと第１電極１３０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１１０ａ，１１０ｄは図４の矢印ｘの方向に伸縮する。これに応じて、各圧電駆動部１０の振動体部２１０が振動体部２１０の平面内で屈曲して蛇行形状（Ｓ字形状）に変形する。これにより、各圧電駆動部１０の突起部２０の先端２２は、ローター５０の回転面５２に平行な方向の往復運動（以下、「屈曲振動」とも呼ぶ）成分と、回転面５２に垂直な方向の往復運動（以下、「縦振動」とも呼ぶ）成分とに基づいて矢印ｙの方向に楕円運動する。この際、各圧電駆動部１０は、突起部２０が回転面５２に接触している間に、突起部２０から回転面５２に対して与えられる力に基づいて発生する摩擦力に応じて、回転面５２を太い矢印で示した方向へ摺動する。この結果、ローター５０は、各圧電駆動部１０から与えられる力の総和に応じて、その中心５１の周りに所定の方向ｚ（図４では圧電駆動部１０側から見て反時計回り方向）に回転する。なお、図３で説明した振動板２００の３つの接続部２２０は、このような振動体部２１０の振動の節（ふし）の位置に設けられている。なお、駆動回路３００が、他の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃと第１電極１３０との間に交流電圧又は脈流電圧を印加する場合には、突起部２０の先端２２は、逆方向に楕円運動し、ローター５０は逆方向に回転する。なお、中央の第２電極１５０ｅに、一対の第２電極１５０ａ，１５０ｄ（又は他の一対の第２電極１５０ｂ，１５０ｃ）と同じ電圧を印加すれば、圧電駆動部１０が長手方向に伸縮するので、突起部２０からローター５０に与える力をより大きくすることが可能である。なお、圧電駆動部１０（又は圧電振動体１００）のこのような動作については、上記先行技術文献１（特開２００４−３２０９７９号公報、又は、対応する米国特許第７２２４１０２号）に記載されており、その開示内容は参照により組み込まれる。

以上、本実施形態の圧電駆動装置１１では、振動板２００の第１面２１１に１０個の圧電振動体１００が一列に配列されるとともに、第２面２１２に１０個の圧電振動体１００が対をなすように一列に配列され、上下一対の圧電振動体１００から構成される１０個の圧電駆動部１０が、振動板２００に一列に配列された構造を有している。但し、圧電駆動部１０は、これに限定されるものではなく、いずれか一方の振動体部１００のみを備える構成としてもよい。

図６は、圧電駆動装置１１の重量とパワーウェイトレシオの関係を示すグラフであり、横軸を駆動装置の重量Ｗｔ［ｋｇ］とし縦軸をパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔ［Ｗ／ｋｇ］とした両対数グラフを示している。右斜め上向きに傾斜した曲線Ｔｍは、駆動装置として一般に用いられる電磁モーターの重量Ｗｔに対するパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔの代表的な特性を示している。また、右斜め下向きに傾斜した直線Ｔｐは、１つの圧電駆動部を有する圧電駆動装置（圧電アクチュエーター）の重量Ｗｔに対するパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔの設計上の特性を示している。なお、以下では、１つの圧電駆動部を有する圧電駆動装置を、複数の圧電駆動部を有する圧電駆動装置と区別するために、「単体圧電駆動装置」とも呼ぶ。また直線破線で示す各ラインＬ０．０３Ｗ、Ｌ０．３Ｗ、Ｌ３Ｗ、及びＬ３０Ｗは、それぞれ、出力Ｐｗが０．０３Ｗ、０．３Ｗ、３Ｗ、及び３０Ｗに対応するパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔと重量Ｗｔとの理論値を示している。電磁モーターの特性Ｔｍと各ラインＬ０．３Ｗ、Ｌ３Ｗ、及びＬ３０Ｗとの交点Ｍｒ０３、Ｍｒ３、及びＭｒ３０は、それぞれ、電磁モーターの出力Ｐｗが０．３Ｗ、３Ｗ、及び３０ＷにおけるパワーウェイトレシオレＰｗ／Ｗｔ及び重量Ｗｔの位置を示している。

電磁モーターの特性Ｔｍにおいて、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔは寸法の大型化による重量Ｗｔの増加に応じて増加する特性を示す。これに対して、単体圧電駆動装置の特性Ｔｐにおいて、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔは、課題でも説明したように、寸法の大型化による重量Ｗｔの増加に応じて低下する特性を示す。従って、単体圧電駆動装置では、圧電駆動部を構成する圧電振動体の寸法を大きくして出力Ｐｗを高めたとしても、重量Ｗｔが増加することによって、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔが低下してしまう。このため、単体圧電駆動装置では、寸法を大きくして出力Ｐｗを高めることはパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔの観点から合理的ではなく、電磁モーターの特性ＴｍのパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔが圧電駆動装置の特性ＴｐのパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔに比べて高くなる重量Ｗｔ以上の領域においては、電磁モーターに対して優位性を得ることが出来ない、と言える。なお、単体圧電駆動装置や圧電駆動装置が、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔの観点で電磁モーターと同等以上であるためには、少なくとも、単体圧電駆動装置や圧電駆動装置のパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔが図６のハッチングで示した領域（直線Ｔｐ及び曲線Ｔｍの両方以上の領域）内にあることが望ましい。そこで、以下では、単体圧電駆動装置の特性Ｔｐを「圧電駆動装置の境界特性Ｔｐ」とも呼ぶ。

ここで、圧電駆動装置の境界特性Ｔｐを見ればわかるように、圧電駆動装置（単体圧電駆動装置）の重量Ｗｔが低いほどパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔが高くなる。従って、この点に着目すれば、重量Ｗｔが軽く小型な圧電駆動装置を複数個（例えば１０個以上）用いて圧電駆動装置を構成することにより、単純計算上、１個の圧電駆動装置（単体圧電駆動装置）と同じパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔを維持しつつ、高い出力の圧電駆動装置を構成することが可能と考えられる。

図６において、単体圧電駆動装置Ｓ３は、重量Ｗｔが１．１×１０^−５ｋｇ、出力Ｐｗが０．０３Ｗ、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔが２．７２７×１０^３Ｗ／ｋｇであり、これは図１の１個の圧電駆動部１０に相当する。図１に示した圧電駆動装置１１は、１０個の圧電駆動部１０（＝単体圧電駆動装置Ｓ３）を配列して構成している。

この圧電駆動装置１１は、図６に示すように、その重量Ｗｔは単体圧電駆動装置Ｓ３の１０倍の１．１×１０^−４ｋｇで、出力Ｐｗも１０倍の０．３Ｗとなる。すなわち、圧電駆動装置１１は、単純計算上、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔを１つの圧電駆動部１０と同じ２．７２７×１０^３Ｗ／ｋｇを維持したまま、出力Ｐｗを１０倍の０．３Ｗに増大させることができる。従って、圧電駆動装置１１は、出力Ｐｗが０．３Ｗの電磁モーターＭｒ０３よりも、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔが高く、重量Ｗｔが軽量な構成となる。

また、１００個の単体圧電駆動装置Ｓ３を用いれば、図６に示すように、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔを１つの単体圧電駆動装置Ｓ３と同じに維持したまま、出力Ｐｗを１００倍の３Ｗに増大させた圧電駆動装置１１Ａを構成することができる。この圧電駆動装置１１Ａも、出力Ｐｗが３Ｗの電磁モーターＭｒ３よりも、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔが高く、重量Ｗｔが軽量な構成とすることができる。

さらにまた、１０００個の単体圧電駆動装置Ｓ３を用いれば、図６に示すように、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔを１つの単体圧電駆動装置Ｓ３と同じに維持したまま、出力Ｐｗを１０００倍の３０Ｗに増大させた圧電駆動装置１１Ｂを構成することができる。この圧電駆動装置１１Ｂも、出力Ｐｗが３０Ｗの電磁モーターＭｒ３０よりも、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔが高く、重量Ｗｔが軽量な構成とすることができる。

なお、圧電駆動装置１１Ａや圧電駆動装置１１Ｂは、例えば、以下のように構成することができる。

図７は、１００個の圧電駆動部を用いた圧電駆動装置の概略構成の一例を示す側面図である。図７も図１と同様に、図示の便宜上、振動板２００及び支持体３０にハッチングを付して示している。図７に示すように、圧電駆動装置１１（図１参照）を、圧電駆動部１０が配列された面（第１面２１１，第２面）に垂直な方向に沿って１０段積層した構成とすることにより、１００個の圧電駆動部１０を用いた圧電駆動装置１１Ａを構成することができる。すなわち、この圧電駆動装置１１Ａは、複数の圧電振動体１００が配列された振動板２００が、圧電振動体１００の配列された面に垂直な方向に沿って、支持体３０を介して１０段積層された構成を有している。なお、各圧電駆動装置１１は、直下の圧電駆動装置１１の支持体３０に設けられた支持枠３１２上に接着剤で固定されている。

また、図示は省略するが、圧電駆動装置１１Ａと同様に、圧電駆動装置１１を１００段積層した構成とすることにより、１０００個の圧電駆動部１０を用いた圧電駆動装置１１Ｂを構成することができる。

なお、図１に示した圧電駆動装置１１の圧電駆動部１０の配置は一例であって、これに限定されるものではなく、１０個の圧電駆動部１０を用いた構成であれば、その配置に特に限定はない。また、同様に、図７に示した圧電駆動装置１１Ａの圧電駆動部１０の配置も一例であって、これに限定されるものではなく、１００個の圧電駆動部１０を用いた構成であれば、その配置に特に限定はない。さらにまた、同様に、圧電駆動装置１１Ｂの圧電駆動部１０の配置も、１０００個の圧電駆動部１０を用いた構成であれば、その配置に特に限定はない。また、圧電駆動部１０の個数は、１０，１００，１０００に限定されるものではなく、圧電駆動装置に要求される出力を、用いる圧電駆動部１０（単体圧電駆動装置）の出力で除すことにより得られる商を切り上げた値を個数とすればよい。

また、圧電駆動部１０として採用可能な単体圧電駆動装置は、上記した単体圧電駆動装置Ｓ３に限定されるものではなく、図６に示したハッチング領域中にある種々の単体圧電駆動装置を用いることができる。

図８は、圧電駆動部１０として採用可能な単体圧電駆動装置の例を示す表である。図８には、大きさの異なる６種類の単体圧電駆動装置Ｓ１〜Ｓ６が示されている。装置の大きさの違いは、圧電体の寸法（長さＬ×幅Ｗ×厚さ［ｍｍ］）が代表して示されており、一番目の単体圧電駆動装置Ｓ１が最も大きく、以下順に小さくなり、六番目の単体圧電駆動装置Ｓ６が最も小さい。圧電体の厚さＨが１５０μｍ以上である上から４種類の単体圧電駆動装置Ｓ１〜Ｓ４は、後述するバルク成形プロセスによる圧電体を有する圧電振動体を含む単体圧電駆動装置であり、圧電体の厚さＨが１５０μｍ未満の下から２種類の単体圧電駆動装置Ｓ５，Ｓ６は、後述する薄膜成形プロセスによる圧電体を有する圧電振動体を含む単体圧電駆動装置である。

各単体圧電駆動装置Ｓ１〜Ｓ６の圧電体の寸法（長さＬ×幅Ｗ×厚さ［ｍｍ］）、振動板（振動体部２１０に対応）の厚み［ｍｍ］、単体圧電駆動装置の総厚み（２つの圧電振動体及び振動板の厚み）［ｍｍ］、重量Ｗｔ［ｋｇ］、出力Ｐｗ［Ｗ］、印加電圧［Ｖ］、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔ［Ｗ／ｋｇ］は、図８に記載されている通りである。なお、印加電圧は、電極を介して圧電体に印加される電圧である。

図９は、図８に示した各単体圧電駆動装置Ｓ１〜Ｓ６の重量ＷｔとパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔとの関係を示すグラフである。図９は、図６と同様に、横軸を駆動装置の重量Ｗｔ［ｋｇ］とし縦軸をパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔ［Ｗ／ｋｇ］とした両対数グラフで示している。図９に示すように、各単体圧電駆動装置Ｓ１〜Ｓ６は、図６に示したハッチング領域に相当するハッチング領域中にある単体圧電駆動装置である。

１〜３番目の単体圧電駆動装置Ｓ１〜Ｓ３のパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔは、圧電体の小型化に伴う重量Ｗｔの軽量化に従って順に高くなり、１，２番目の単体圧電駆動装置Ｓ１，Ｓ２は圧電駆動装置の境界特性Ｔｐ上の値をとり、３番目の単体圧電駆動装置Ｓ３はその重量Ｗｔに対応する圧電駆動装置の境界特性Ｔｐ上の値よりも少し高い値をとっている。なお、３番目の単体圧電駆動装置Ｓ３が上記した圧電駆動部１０として用いた単体圧電駆動装置である。４番目の単体圧電駆動装置Ｓ４は、３番目の単体圧電駆動装置Ｓ３よりもさらに小型化されて重量Ｗｔが軽量化されたものであり、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔは、軽量化に応じて高くなっている。但し、そのパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔは、３番目の単体圧電駆動装置Ｓ３の場合に比べて、その重量Ｗｔに対応する圧電駆動装置の境界特性Ｔｐ上の値よりもさらに高い値となっている。５，６番目の単体圧電駆動装置Ｓ５，Ｓ６も、圧電体の小型化に伴って重量Ｗｔが軽量化されたものであり、５，６番目の単体圧電駆動装置Ｓ５，Ｓ６のパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔは、それぞれの軽量化に応じて高くなっている。但し、これら２つの単体圧電駆動装置Ｓ５，Ｓ６は、上記したように薄膜成形プロセスにより形成されており、それぞれのパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔは、重量Ｗｔに対応する圧電駆動装置の境界特性Ｔｐ上の値に対して、より高い値となり、薄膜圧電駆動装置の特性Ｔｔｐ上の値となっている。

図１０は、図８に示した各単体圧電駆動装置Ｓ１〜Ｓ６を用いて圧電駆動装置を構成する場合に要する単体圧電駆動装置の個数例を示す表である。図１０に示す個数の単体圧電駆動装置Ｓ１を用いれば、出力Ｐｗが１０Ｗ、３０Ｗ及び１００Ｗの圧電駆動装置を構成することができる。また、図１０に示す個数の単体圧電駆動装置Ｓ２を用いれば、出力Ｐｗが１Ｗ、３Ｗ、１０Ｗ、３０Ｗ及１００Ｗの圧電駆動装置を構成することができる。また、図１０に示す個数の単体圧電駆動装置Ｓ３〜Ｓ６を用いれば、出力０．３Ｗ、１Ｗ、３Ｗ、１０Ｗ、３０Ｗ及び１００Ｗの圧電駆動装置を構成することができる。なお、これらは例示であり、所望の出力Ｐｗに対応する個数を用いることにより種々の出力の圧電駆動装置を構成することができる。なお、各圧電駆動装置の出力値は、例示であって、これに限定されるものではなく、０．３Ｗ以上の任意の出力とすることができる。この場合、圧電駆動装置に要求される出力を、圧電駆動部１０として用いる単体圧電駆動装置の出力で除すことにより得られる商を切り上げた値を個数とすることにより、要求する出力の圧電駆動装置を構成することができる。

なお、バルク成形プロセスによる圧電振動体は、種々の一般的な製造方法により作製される。例えば、粉末状の圧電体材料を加圧成形し焼成することにより圧電体を形成し、形成した圧電体に電極材料をスパッタリングあるいは蒸着する成膜プロセスで電極を形成することにより作製することができる。なお、バルク形成プロセスによる圧電振動体においては、図２に示した基板１２０を省略することも可能である。

また、薄膜成形プロセスによる圧電振動体は、例えば、以下で説明する薄膜成形プロセスにより作製ことができる。

図１１は、圧電振動体の薄膜成形プロセスを示す説明図である。図１１では、基板１２０上に、図２の右半分の上部に示した圧電素子１１０ｄを形成するプロセスを示している。ステップＳ１１０では、基板１２０を準備し、基板１２０の表面に絶縁層１２５を形成する。絶縁層１２５としては、例えば、基板１２０の表面を熱酸化して形成されるＳｉＯ_２層を利用することができる。その他に、絶縁層としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、アクリルやポリイミドなどの有機材料を用いることができる。なお、基板１２０が絶縁体である場合には、絶縁層１２５を形成する工程は省略可能である。

ステップＳ１２０では、絶縁層１２５の上に第１電極１３０を形成する。第１電極１３０は、例えば、スパッタリングにより形成できる。

ステップＳ１３０では、第１電極１３０の上に圧電体１４０を形成する。具体的には、溶液塗布法、例えばゾル−ゲル法を用いて圧電体１４０を形成することが可能である。すなわち、圧電体材料のゾルゲル溶液を基板１２０（第１電極１３０）の上に滴下し、基板１２０を高速回転させることにより、第１電極１３０の上にゾルゲル溶液の薄膜を形成する。その後、２００〜３００℃の温度で仮焼きして第１電極１３０の上に圧電体材料の第１層を形成する。その後、ゾルゲル溶液の滴下、高速回転、仮焼き、のサイクルを複数回繰り返すことによって、第１電極１３０の上に所望の厚さまで圧電体層を形成する。なお、１サイクルで形成される圧電体の一層の厚みは、ゾルゲル溶液の粘度や、基板１２０の回転速度にも依存するが、約５０ｎｍ〜１５０ｎｍの厚さとなる。所望の厚さまで圧電体層を形成した後、６００℃〜１０００℃の温度で焼結することにより、圧電体１４０を形成する。焼結後の圧電体１４０の厚さを、５０ｎｍ（０．０５μｍ）以上２０μｍ以下とすれば、小型の圧電駆動部１０を実現できる。なお、圧電体１４０の厚さを０．０５μｍ以上とすれば、圧電体１４０の伸縮に応じて十分に大きな力を発生することができる。また、圧電体１４０の厚さを２０μｍ以下とすれば、圧電体１４０に印加する電圧を６００Ｖ以下としても十分に大きな力を発生することができる。その結果、圧電駆動部１０を駆動するための駆動回路３００を安価な素子で構成できる。なお、圧電体の厚さを４００ｎｍ以上としてもよく、この場合、圧電素子で発生する力を大きく出来る。なお、仮焼きや焼結の温度、時間は、一例であり、圧電体材料により、適宜選択される。

ゾル−ゲル法を用いて圧電体材料の薄膜を形成した後に焼結した場合には、原料粉末を混合して焼結する従来の焼結法と比較して、（ａ）薄膜を形成しやすい、（ｂ）格子方向を揃えて結晶化し易い、（ｃ）圧電体の耐圧を向上できる、というメリットがある。

ステップＳ１４０では、圧電体１４０の上に第２電極１５０を形成する。第２電極１５０の形成は、第１電極と同様に、スパッタリングにより行うことが出来る。

ステップＳ１５０では、第２電極１５０と圧電体１４０をパターニングする。本実施形態では、アルゴンイオンビームを用いたイオンミリングにより、第２電極１５０と圧電体１４０のパターニングを行っている。なお、イオンミリングの時間を制御することにより、第２電極１５０と圧電体１４０のみをパターニングし、第１電極１３０をパターニングしないことが可能である。なお、イオンミリングを用いてパターニングを行う代わりに、他の任意のパターニング方法（例えば、塩素系のガスを用いたドライエッチング）によりパターニングを行っても良い。

以上説明したように、圧電駆動部として、小型で軽くパワーウェイトレシオの高い圧電駆動装置（単体圧電駆動装置）を、複数個用いて圧電駆動装置を構成することにより、１つの圧電駆動装置と同等のパワーウェイトレシオを維持しつつ、０．３Ｗ以上の高出力が可能な圧電駆動装置を構成することができる。また、同じ出力の電磁モーターに比べて軽量な圧電駆動装置を構成することが可能である。

圧電駆動装置を構成する圧電駆動部１０の数は、１０個以上とすることが好ましく、２０個以上とすることがより好ましく、１００個以上とすることがさらに好ましく、１０００個以上とすることがさらに好ましい。圧電駆動部１０の数を多くすれば、圧電駆動部１０として、より小型で軽くパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔがより高い圧電駆動装置（単体圧電駆動装置）を用いることができるので、より高いパワーウェイトレシオで、高出力および軽量な圧電駆動装置を構成することが可能である。

なお、薄膜成形プロセスの場合、バルク成形プロセスに比べて圧電振動体１００が薄くなるため、圧電駆動部１０を構成する単体圧電駆動装置を軽量とすることができ、パワーウェイトレシオを高くすることができる。また、仮に、圧電体１４０の長さＬ及び幅Ｗを小型化した場合であっても、例えば、図８の単体圧電駆動装置Ｓ３と単体圧電駆動装置Ｓ４とを比較すればわかるように、出力Ｐｗの変化の度合いは小さい。これは、長さＬ及び幅Ｗの小型化により圧電体の共振周波数が高くなることに起因する。従って、長さＬ及び幅Ｗを小型化することによっても、パワーウェイトレシオを、より高めることができる。以上のことから、圧電体１４０の寸法（長さＬＸ幅ＷＸ厚さＨ）を小さくすることにより、パワーウェイトレシオを高くすることができる。従って、圧電駆動部１０として、薄膜成形プロセスによる単体圧電駆動装置を１０個以上の複数個用いるほうが、パワーウェイトレシオを高める点で有利であり、より高いパワーウェイトレシオを維持しつつ、軽量で高出力な圧電駆動装置を構成する点で有利である。

また、上記したように、圧電駆動部１０として用いる単体圧電駆動装置としては、図９に示したハッチング領域内の重量Ｗｔ及びパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔであることが好ましい。ハッチング領域の境界線を示す圧電駆動装置の境界特性ＴｐのパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔ［Ｗ／ｋｇ］と重量Ｗｔ［ｋｇ］との関係は、図８に示した２つの単体圧電駆動装置Ｓ１，Ｓ２に基づいて、下式（１）で表すことができる。
ｌｏｇ_１０（Ｐｗ／Ｗｔ）＝−０．３７３・ｌｏｇ_１０（Ｗｔ）＋１．４４８ ・・・（１）
従って、圧電駆動部１０として用いる単体の圧電駆動装置としては、下式（２）を満たすパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔを有することが好ましい。
ｌｏｇ_１０（Ｐｗ／Ｗｔ）≧−０．３７３・ｌｏｇ_１０（Ｗｔ）＋１．４４８ ・・・（２）
ただし、圧電駆動装置の境界特性Ｔｐと電磁モーターの特性Ｔｍとが交差し、電磁モーターのパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔの方が高くなる重量Ｗｔよりも軽い領域（Ｗｔ＜０．０４ｋｇ）に限られる。

また、図９に示した薄膜圧電駆動装置の特性ＴｔｐのパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔ［Ｗ／ｋｇ］と重量Ｗｔ［ｋｇ］との関係は、図８に示した２つの単体圧電駆動装置Ｓ５，Ｓ６に基づいて、下式（３）で表すことができる。
ｌｏｇ_１０（Ｐｗ／Ｗｔ）＝−０．４９８・ｌｏｇ_１０（Ｗｔ）＋１．６５３ ・・・（３）
従って、圧電駆動部１０として用いる単体の圧電駆動装置が薄膜圧電駆動装置の場合は、下式（４）を満たすパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔを有することが好ましい。
ｌｏｇ_１０（Ｐｗ／Ｗｔ）≧−０．４９８・ｌｏｇ_１０（Ｗｔ）＋１．６５３ ・・・（４）
ただし、同様に、圧電駆動装置の境界特性Ｔｐと電磁モーターの特性Ｔｍとが交差し、電磁モーターのパワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔの方が高くなる重量Ｗｔよりも軽い領域（Ｗｔ＜０．０４ｋｇ）に限られる。

なお、圧電駆動部１０、すなわち、圧電駆動部１０を構成する圧電駆動装置（単体圧電駆動装置）の重量Ｗｔとしては、１μｇ〜５ｇの範囲であることが好ましい（図８参照）。また、パワーウェイトレシオＰｗ／Ｗｔを高くするという観点からは、より小型で軽量な方が好ましく、１μｇ〜１００ｍｇの範囲であることがより好ましい。但し、下限値はこれに限定されるものではなく、さらに小型で軽量なものを用いることも可能である。また、圧電駆動部１０の出力Ｐｗとしては、０．００１Ｗ〜１Ｗの範囲であることが好ましい（図８参照）。但し、下限値はこれに限定されるものではなく、さらに低出力なものを用いることが可能である。上記した薄膜成形プロセスの場合、圧電駆動部１０をさらに小型化、薄型化することが可能であり、より高いパワーウェイトレシオとすることができるからである。

圧電体１４０の長さＬは例えば０．２ｍｍ〜３０ｍｍの範囲とすることができ、幅Ｗは０．０２ｍｍ〜９ｍｍの範囲とすることができ、厚みＨは０．００２ｍｍ（２μｍ）〜１ｍｍの範囲とすることができる。厚みＨが０．１５ｍｍ（１５０μｍ）以上の圧電体１４０はバルク成形プロセスにより作製することができる。また、厚みＨが０．１５ｍｍ未満の圧電体１４０は、薄膜成形プロセスにより作製することができる。

なお、薄膜成形プロセスによる圧電体１４０の厚さＨは、例えば５０ｎｍ（０．０５μｍ）以上２０μｍ以下の範囲とすることが好ましい。この範囲の厚みを有する圧電体１４０の薄膜は、薄膜成形プロセス（成膜プロセス）を利用して容易に形成することができる。圧電体１４０の厚みを０．０５μｍ以上とすれば、圧電体１４０の伸縮に応じて十分に大きな力を発生することができる。また、圧電体１４０の厚みを２０μｍ以下とすれば、圧電振動体１００（圧電駆動部１０）を十分に小型化することができる。また、圧電体１４０の厚さを２０μｍ以下とすれば、圧電体１４０に印加する電圧を６００Ｖ以下としても十分に大きな力を発生することができる。従って、圧電駆動部１０を駆動するための駆動回路３００を安価な素子で構成できる。

圧電体１４０を、ゾル−ゲル法により形成するようにすれば、薄い圧電体を形成しやすい点で好ましい。また、圧電体の結晶の格子方向を揃え易いので、同じ電圧を加えたときの圧電体の形状の変形を大きくすることができ、また、耐圧を大きく出来る点で好ましい。なお、圧電体１４０は、スパッタ法により形成されていても良い。スパッタ法によっても、ゾル−ゲル法と同様の効果を得ることが出来る。

また、本実施形態では、圧電素子（１１０ａ〜１１０ｅ）が、基板１２０として、Ｓｉ製の基板等の機械的品質係数Ｑｍ値の高い基板上に形成されているので、このような基板１２０が無い場合に比べて、圧電駆動部１０の機械的品質係数Ｑｍの値を大きくできる。特に、Ｓｉ製の基板の機械的品質係数Ｑｍ値は１０万程度であるので、Ｓｉ製の基板１２０を用いると、圧電駆動部１０の機械的品質係数Ｑｍの値を大きくできる。

Ｂ．圧電駆動装置の他の実施形態：
上記実施形態では、Ｓｉ製の基板を圧電振動体の基板とするとともに振動板として機能させるように、成膜プロセスを用いて圧電振動体と振動板を一体形成した圧電駆動装置を、支持体３０の支持部３１０に接着して固定した圧電駆動装置１１（図１参照）を示した。これに対して、以下で説明するように、成膜プロセスを用いて、圧電振動体と振動板を一体形成するのに加えて、さらに、支持体を一体形成することもできる。

図１２は、他の実施形態としての圧電駆動装置１１Ｇの概略構成図であり、図１に対応する図面である。図１２（Ａ）は圧電駆動装置１１Ｇの平面図であり、図１２（Ｂ）はその側面図である。なお、図１２は、以下の図示及び説明を容易にするため、振動板２００Ｇに３つの圧電駆動部１０Ｇが配列された構成を例として示しているが、これに限定されるものではなく、種々の個数の圧電駆動部１０Ｇが配列された構成とすることができる。

圧電駆動装置１１Ｇは、振動板２００Ｇの上面（第１面）に圧電駆動部１０Ｇとしての圧電振動体１００Ｇが一体形成されている。また、振動板２００Ｇの下面（第２面）の固定部２３０に対応する位置に、支持体３０Ｇを構成する支持部３１０が一体形成されている。この圧電駆動装置１１Ｇは、成膜プロセスを用いて製造することができる。

図１３〜図１５は、圧電駆動装置１１Ｇの製造工程の一例を示す説明図である。まず、図１３（Ｂ）の側面図に示すように、Ｓｉウェハー１２０Ｗの上面を酸化することにより、振動板２００ＧとなるＳｉＯ_２層１２０Ｇを形成し、その上面に、図１３（Ａ）の平面図に示すように、圧電振動体１００Ｇを形成する。圧電振動体１００Ｇの形成については、実施形態の圧電振動体１００（図２，１１参照）と同様であるので、ここでは説明を省略する。なお、Ｓｉウェハー１２０Ｗの上面に、アルミナなどを形成することにより、振動板２００Ｇを形成するようにしもよい。

次に、図１４（Ａ）の平面図、図１４（Ｂ）のそのＢ−Ｂ断面図、及び、図１４（Ｃ）のそのＣ−Ｃ断面図に示すように、各圧電振動体１００Ｇの周りのＳｉＯ_２層１２０Ｇ（振動板２００Ｇ）の一部をエッチング等で除去することにより、突起部２０、振動体部２１０、接続部２２０、及び、固定部２３０を形成する。

次に、図１５（Ａ）の平面図、図１５（Ｂ）のそのＢ−Ｂ断面図、及び、図１５（Ｃ）のそのＣ−Ｃ断面図断面図に示すように、振動板２００Ｇ（ＳｉＯ_２層１２０Ｇ）の振動体部２１０の長辺方向に沿った固定部２３０に対応するＳｉウェハー１２０Ｗの部分を支持部３１０として残すように、他の部分をエッチングで除去して、支持体３０Ｇを形成する。これにより、支持体３０Ｇが一体形成された圧電駆動装置１１Ｇ（図１２参照）を製造することができる。

なお、図示は省略するが、Ｓｉウェハー１２０Ｗには複数の圧電駆動装置１１Ｇを形成することができるので、これら複数の圧電駆動装置１１Ｇを、レーザーによりダイシングして分離する。これにより、１枚のＳｉウェハー１２０Ｗから一度に複数の圧電駆動装置１１Ｇを製造することができる。
図１６は、さらに他の実施形態としての圧電駆動装置１１Ｈの概略構成を示す側面図であり、図７に対応する図面である。圧電駆動装置１１Ｈは、圧電駆動装置１１Ｇ（図１２参照）を、支持体３０Ｇの支持部３１０を介して他の圧電駆動装置１１Ｇに積層することにより、複数の圧電駆動装置１１Ｇを積層した積層構造の圧電駆動装置である。各圧電駆動装置１１Ｇは、上側の圧電駆動装置１１Ｇの支持部３１０の下面と下側の圧電駆動装置１１Ｇの振動板２００Ｇとの間が接着剤で接合されている。

Ｃ．圧電駆動装置を用いた装置の実施形態：
上述した圧電駆動装置１１，１１Ａ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。圧電駆動装置１１，１１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（例えば紙送り機構。ただし、ヘッドに利用される圧電駆動装置では、振動板を共振させないので、ヘッドには適用不可である。）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。

図１７は、上述の圧電駆動装置１１Ａ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１１Ａが内蔵されており、圧電駆動装置１１Ａ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１１Ａが内蔵されており、圧電駆動装置１１Ａ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１１Ａが設けられており、圧電駆動装置１１Ａ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。

図１８は、図１７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１１Ａを備えており、圧電駆動装置１１Ａ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１１Ａが搭載されている。このため、圧電駆動装置１１Ａ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１１Ａ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１１Ａ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だった。しかしながら、上述した実施形態の圧電駆動装置１１Ａ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。また、圧電駆動装置１１Ａは小型で軽量な構造であるので、同じ出力を得るために要するために複数の従来の圧電駆動装置を用いる場合に比べて、関節部２０２０やロボットハンド２０００に内蔵することがより容易であり、かつ、これらを動作させるために要する出力を発生させることが容易である。

図１９は、上述の圧電駆動装置１１Ａ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１１Ａ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１１Ａの複数の突起部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１１Ａ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。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１１Ａ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。

なお、本実施形態では、圧電駆動装置１１Ａがローター２２２２の円周面を駆動している。本実施形態のように圧電駆動装置がローターの円周面を駆動する場合には、例えば、図２の圧電駆動装置１１においては、図２（Ｃ）の形態のように個別に切断した状態で用いることが好ましい。また、図７の圧電駆動装置１１Ａにおいては、圧電駆動部を積層した状態で、積層方向に個別に切断して用いるこが好ましい。これらの構成によれば、より大きな駆動力を得ることができる。

上記した実施形態の圧電駆動装置１１，１１Ａ，１１Ｇ，１１Ｈは、一つの振動板２００，２００Ｇ上に複数の圧電駆動部１０，１０Ｇが設けられている構成を例に説明したが、これに限定されるものではない。複数の圧電駆動部がばらばらに配置された構成であっってもよく、この場合において、各圧電駆動部がそれぞれ振動板を備えていても、振動板を備えていなくてもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…圧電駆動部
１１，１１Ａ，１１Ｂ…圧電駆動装置
２０…突起部（接触部、作用部）
５０…ローター（被駆動体）
５１…被駆動体の中心
１００…圧電振動体
１１０，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅ…圧電素子
１２０…基板
１３０…第１電極
１４０…圧電体
１５０，１５０ａ，１５０ｂ，１５０ｃ，１５０ｄ，１５０ｅ…第２電極
１５１，１５２…配線
２００，２００Ｅ…振動板
２１０…振動体部
２１１…第１面
２１２…第２面
２１３…第３面
２１４…第４面
２２０…接続部
２３０…固定部
３００…駆動回路
３１０，３１２，３１４，３２０…配線
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
２０２２…手首回動部
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

Claims (10)

1. 被駆動部と接触可能な接触部を有し、圧電体を有する複数の圧電駆動部を備え、
   前記複数の圧電駆動部の数量は１０個以上であり、
   前記複数の圧電駆動部による全体の出力は０．３Ｗ以上であり、
   前記圧電駆動部の重量は１μｇ以上５ｇ以下であり、
   下式を満たすことを特徴とする圧電駆動装置。
   ｌｏｇ _１０ （Ｐｗ／Ｗｔ）≧−０．３７３・ｌｏｇ _１０ （Ｗｔ）＋１．４４８
   ｌｏｇ _１０ （Ｐｗ／Ｗｔ）≧−０．４９８・ｌｏｇ _１０ （Ｗｔ）＋１．６５３
   ここで、Ｗｔは前記圧電駆動部の重量［ｋｇ］であり、Ｐｗは前記圧電駆動部の出力［Ｗ］である。
2. 請求項１に記載の圧電駆動装置であって、
   前記圧電駆動部の出力は、０．００１Ｗ以上１Ｗ以下である、圧電駆動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧電駆動装置であって、
   前記圧電体の厚さは、０．０５μｍ以上２０μｍ以下である、圧電駆動装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の圧電駆動装置であって、
   前記圧電駆動部の重量は１μｇ以上１００ｍｇ以下である、圧電駆動装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の圧電駆動装置であって、
   前記複数の圧電駆動部の数量は１００個以上である、圧電駆動装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の圧電駆動装置であって
   前記複数の圧電駆動部の数量は１０００個以上である、圧電駆動装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の圧電駆動装置において、
   前記圧電駆動部は、前記圧電体を含む圧電振動体と、前記圧電振動体が設けられた振動板と、を有し、
   前記圧電振動体は、基板と、前記基板に形成された第１電極と、前記第１電極に形成された前記圧電体と、前記圧電体に形成された第２電極と、を有する、圧電駆動装置。
8. 複数のリンク部と
   前記複数のリンク部を接続する関節部と、
   前記複数のリンク部を前記関節部で回動させる請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
   を備えるロボット。
9. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の第１の圧電駆動装置と、
   前記第１の圧電駆動装置により開閉して対象物を把持する把持部と、
   を備えるロボット。
10. 前記把持部を回動させる、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の第２の圧電駆動装置を備える請求項９に記載のロボット。

Images