(57)【要約】      （修正有）【課題】生体や環境への適合性が高く、良好な圧電特性を有する圧電駆動装置を提供する。【解決手段】圧電駆動装置１０は、第１電極層４４、第１電極層４４の上方に設けられた圧電体層４６、及び、圧電体層４６の上方に設けられた第２電極層４８を含む圧電素子４１ａ〜４１ｅと、圧電素子４１ａ〜４１ｅが設けられた振動板３０と、を含み、圧電体層３６は、ナトリウム、カリウム、及びニオブを含むペロブスカイト型の結晶構造を有する複合酸化物である。【選択図】図１
2016189372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極層、前記第１電極層の上方に設けられた圧電体層、及び、前記圧電体層の上方に設けられた第２電極層を含む圧電素子と、
前記圧電素子が設けられた振動板と、
を含み、
前記圧電体層は、ナトリウム、カリウム、及びニオブを含むペロブスカイト型の結晶構造を有する複合酸化物である、圧電駆動装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記圧電体層は、１μｍ以上１５μｍ以下の厚さを有する、圧電駆動装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記複合酸化物は、マンガン、リチウム、バリウム、カルシウム、ストロンチウム、ジルコニウム、チタン、ビスマス、タンタル、アンチモン、鉄、コバルト、銀、マグネシウム、亜鉛、銅、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、ケイ素、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、及びユーロピウムから選択される少なくとも１種を含む、圧電駆動装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
前記複合酸化物は、酸素を除く元素のモル数を１００％とした場合に、前記ナトリウム、カリウム、及びニオブの合計の元素のモル数が８５％以上である、圧電駆動装置。
【請求項５】
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ないし請求項４のいずれか一項に記載の圧電駆動装置と、
を含む、ロボット。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか一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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電駆動装置、ロボット及びポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
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で小型化も容易なため、様々な分野で利用されている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の圧電駆動装置は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料を含む圧電素子（振動体）により、回転体を回転させる構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３２０９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電駆動素子は、幅広い分野への応用が期待できるが、圧電材料に鉛等の毒性の大きい金属を含むため、例えば、インプラントの医療機器に用いる場合には適切な設計が必要となる。また、圧電駆動装置を廃棄することを考慮すると、毒性の大きい金属を多く含む場合には廃棄物の規制等を受ける可能性が生じ装置管理がより煩雑となることがある。
【０００５】
一方、ＫＮＮ系（ニオブ酸カリウムナトリウム系）の圧電材料は、鉛を含まないことから毒性の問題を生じにくく生体や環境に適合しやすいと考えられる。しかし、ＫＮＮ系の圧電材料は、ＰＺＴ系をしのぐ程度の十分な圧電特性を発現させることは難しかった。
【０００６】
発明者の検討により、ＫＮＮ系の圧電材料は、駆動モードや素子の構造等の条件を選べば、ＰＺＴ系よりも良好な圧電特性を呈し得ることが分かってきた。特に、超音波モーター等の圧電駆動装置で採用される構造の場合には、ＫＮＮ系の圧電材料はＰＺＴ系よりも良好な特性を引き出し得ることが分かってきた。
【０００７】
本発明の幾つかの態様に係る目的の一つは、生体や環境への適合性が高く、良好な圧電特性を有する圧電駆動装置、ロボット及びポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は前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、以下の態様又は適用例として実現することができる。
【０００９】
［適用例１］本発明に係る圧電駆動装置の一態様は、
第１電極層、前記第１電極層の上方に設けられた圧電体層、及び、前記圧電体層の上方に設けられた第２電極層を含む圧電素子と、
前記圧電素子が設けられた振動板と、
を含み、
前記圧電体層は、ナトリウム、カリウム、及びニオブを含むペロブスカイト型の結晶構造を有する複合酸化物である。
【００１０】
本適用例の圧電駆動装置は、圧電体層がニオブ酸カリウムナトリウム系であるため、生体や環境への適合性が高く、良好な圧電特性を有する。これにより、本適用例の圧電駆動装置は、用途の制限等がより少なく管理がしやすい。
【００１１】
［適用例２］適用例１において、
前記圧電体層は、１μｍ以上１５μｍ以下の厚さを有してもよい。
【００１２】
このような圧電駆動装置は、圧電体層がいわゆる薄膜で、かつ、ニオブ酸カリウムナトリウム系であるため、ＰＺＴの場合に比較して低密度であるため、さらに良好な圧電特性を呈することができる。
【００１３】
［適用例３］適用例１又は適用例２において、
前記複合酸化物は、マンガン、リチウム、バリウム、カルシウム、ストロンチウム、ジルコニウム、チタン、ビスマス、タンタル、アンチモン、鉄、コバルト、銀、マグネシウム、亜鉛、銅、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、ケイ素、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム
、及びユーロピウムから選択される少なくとも１種を含んでもよい。
【００１４】
このような圧電駆動装置は、さらに良好な圧電特性を呈することができる。
【００１５】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれか一例において、
前記複合酸化物は、酸素を除く元素のモル数を１００％とした場合に、前記ナトリウム、カリウム、及びニオブの合計の元素のモル数が８５％以上であってもよい。
【００１６】
このような圧電駆動装置は、さらに良好な圧電特性を呈することができる。
【００１７】
［適用例５］本発明に係るロボットの一態様は、
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適用例１ないし適用例４のいずれか一例に記載の圧電駆動装置と、
を含む。
【００１８】
本適用例に係るロボットは、ニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電体を含む圧電駆動装置を含むため、生体や環境への適合性が高く、良好な動作特性を有する。
【００１９】
［適用例６］本発明に係るポンプの一態様は、
適用例１ないし適用例４のいずれか一例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。
【００２０】
本適用例に係るポンプは、ニオブ酸カリウムナトリウム系の圧電体を含む圧電駆動装置を含むため、生体や環境への適合性が高く、良好な動作特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態に係る圧電駆動装置の概略構成を示す平面図及び断面図。
【図２】振動板の平面図。
【図３】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。
【図４】圧電振動装置の動作の例を示す説明図。
【図５】圧電駆動装置を利用したロボットの一例を示す説明図。
【図６】ロボットの手首部分の説明図。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態について、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。
【００２３】
１．圧電駆動装置
図１（Ａ）は、本実施形態に係る圧電駆動装置１０の概略構成を示す平面図であり、図１（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。
【００２４】
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。
【００２５】
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，Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２などで形成することができる。
【００２６】
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。
【００２７】
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）、導電性酸化物などの導電性の任意の材料を利用可能である。また、第１電極４４及び／又は第２電極４８は、複数の層の積層体であってもよい。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。圧電体４６の材料についての詳細は後述するが、ＡＢＯ３型のペロブスカイト型の結晶構造を採るセラミックスである。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
振動板３０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）を有している。突起部２０は、被駆動体（図４参照）と接触して、被駆動体に力を与えるための部分である。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
また、例えば、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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
１−５．圧電体層
上述の５つの圧電素子４１ａ〜４１ｅ（図１（Ａ））のそれぞれは、第１電極層（第１電極４４）、第１電極層の上方に設けられた圧電体層（圧電体４６）、及び、圧電体層の上方に設けられた第２電極層（第２電極４８）によって構成されているとみなすことができる。そして、各圧電素子４１ａ〜４１ｅ（図１（Ａ））のそれぞれが、振動板３０に設けられて、圧電駆動装置１０が構成されている。
【００４２】
なお、本明細書では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）が存在する」などと用いる場合に、Ａ上に直接Ｂが存在する場合と、Ａ上に他のものを介してＢが存在する場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いる。
【００４３】
圧電体層を構成する圧電体４６は、ＡＢＯ３型のペロブスカイト型の結晶構造を採るセラミックス（複合酸化物）であり、Ａサイト及びＢサイトの金属として、ナトリウム、カリウム、及びニオブを含む。すなわち圧電体４６は、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ３）及びニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）の固溶体（ニオブ酸ナトリウムカリウム（Ｎａ０．５Ｋ０．５ＮｂＯ３））と同じ又は類似の構造を有し、任意にその他の元素がペロブスカイト型の結晶構造のＡサイト及び／又はＢサイトに置換、及び／又は、格子間に介在する複合酸化物である。すなわち、本実施形態の圧電体層の圧電体４６は、いわゆるＫＮＮ（カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ））系の圧電材料である。
【００４４】
本実施形態の圧電体層は、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、ニオブ（Ｎｂ）の他に、マンガン（Ｍｎ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、銅（Ｃｕ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、及びユーロピウム（Ｅｕ）から選択される少なくとも１種を含んでもよい。
【００４５】
これらの元素のうち、例えば、マンガンを含む場合には、リーク電流特性が改善される（リーク電流を低減できる）場合があり、リチウムを含む（例えば、ＬｉＮｂＯ３として添加する。）場合（例えば、０．５％〜６％、好ましくは１％〜５％）には、リチウムが焼結助剤として作用して高密度化されたり圧電体のキュリー温度を高めるという効果が得られることがある。また、ジルコニウムをジルコン酸化合物（ＢａＺｒＯ３、ＡｒＺｒＯ３、ＣａＺｒＯ３等）の形態で含有させる（例えば、５％〜８％、好ましくは６％〜７％）と、菱面体晶／正方晶のモルフォトロピック相境界（Ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃ  Ｐｈａｓｅ  Ｂｏｕｎｄａｒｙ：ＭＰＢ）を形成させることができる場合があり、その場合には圧電定数を高めることができる。さらに、ジルコン酸化合物に加えて（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３を添加（例えば、０．５％〜３％、好ましくは１％〜２％）すると、ＭＰＢを変化させることができ、例えば、温度特性を安定化させることができる場合がある。
【００４６】
また、圧電体層の圧電体４６は、酸素を除く元素のモル数を１００％とした場合に、ナトリウム、カリウム、及びニオブの合計の元素のモル数が７５％以上、好ましくは８０％以上、より好ましくは８５％以上、さらに好ましくは８７％以上、特に好ましくは９０％以上としてもよい。このような範囲であれば、ＫＮＮ系の物性（圧電特性）を引き出すことが容易で、係る性質を良好に保ったまま、その他の性質（例えば電気特性や結晶性など）を付加あるいは向上することができる。
【００４７】
圧電体層の圧電体４６は、圧電体層の全体にわたって均一（均質）であってもよいし、組成の揺らぎ等を有してもよい。例えば、圧電体層をゾル−ゲル法にて作成する場合に、塗布、乾燥、焼成等のプロセスを複数回行って作成すると、圧電体層の厚さ方向に組成の揺らぎ等を生じる場合があるが、少なくとも圧電体層全体として、上記の組成を有すれば、後述する効果を十分に奏することができる。
【００４８】
圧電体層は、第１電極層及び第２電極層の間に配置されており、第１電極層及び第２電極層によって電界が印可されることにより、変形することができる（電気機械変換）。圧電体層の厚さは、所定の電界によって所定の変形量が得られる範囲で特に限定されない。しかし、例えば、圧電体層が第１電極層及び第２電極層のそれぞれに接して設けられる場合、圧電体層の厚さは、３００ｎｍ以上１ｍｍ以下、好ましくは０．５μｍ以上０．５ｍｍ以下、より好ましくは１μｍ以上０．２ｍｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以上１００μｍ以下、特に好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。圧電体層の厚さがこの程度であると、圧電素子（圧電駆動装置１０）をより取り扱い易い大きさにおいて、所定の圧電特性となるように調整しやすい。また、理由は後述するが、圧電体層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下、より好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下程度であると、ＫＮＮ系である圧電体４６の圧電特性をさらに顕著に引き出すことができるため好ましい。
【００４９】
このように本実施形態の圧電駆動装置１０は、圧電体層（圧電体４６）が、鉛を含まない（いわゆる鉛フリー）であるので、生体や環境への適合性が高く、用途の制限等がより少なく、装置の廃棄等における管理がしやすい。しかも、ＫＮＮ系の圧電材料を圧電駆動装置１０に適用しているため、十分な圧電特性を得ることができる。このことについての詳細は次項にて述べる。
【００５０】
１−６．圧電駆動装置における圧電素子の特性
圧電素子は、電気機械変換を行う素子であり、圧電駆動装置を駆動させるための電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換することができる。すなわち、圧電素子に入力され
た電気的エネルギーは、圧電素子により歪エネルギーに変換され、これによって機械的エネルギーとなる。したがって、圧電駆動装置では、電気的エネルギーを圧電素子の歪エネルギーに効率よく変換することが求められる。
【００５１】
さらに、圧電駆動装置には、上述のように、交流電圧又は脈流電圧を印加される。すなわち、時間的に変化する（動的な）電気的エネルギーが入力される。そのため、圧電駆動装置は圧電振動の仕事率が重要であり、すなわち圧電振動の仕事率の大きい圧電駆動装置は、電気機械変換効率の高い圧電駆動装置ということができる。
【００５２】
圧電駆動装置における圧電振動の仕事率は、少なくとも、装置の構造、ばね定数（ｋ）、及び機械的品質係数（Ｑｍ）に依存する。圧電駆動装置の動きを１次のばね振動で近似した場合に、圧電振動の仕事率は、縦振動の仕事率を計算することにより評価することができる。そのため、係るばね運動をする物体における近似的な縦振動の仕事率を、以下、圧電駆動装置の縦振動の仕事率（ＰＤｙｎａｍｉｃ：Ｗ）と称する。
【００５３】
縦振動の仕事率（ＰＤｙｎａｍｉｃ：Ｗ）は、下記式（Ｉ）で表されるように、駆動周波数（ｆｒｅｑ：Ｈｚ）、機械的品質係数の２乗（Ｑｍ２）、合成ばね定数（ｋａｌｌ）ｍ／Ｎ）、及び全体の変位量の２乗（ｕ２：ｍ２）の積に比例する。すなわち、縦振動の仕事率（ＰＤｙｎａｍｉｃ：Ｗ）は、周波数、機械的品質係数の２乗（Ｑｍ２）及び静的歪エネルギーの積で表される。なお上記カッコ内は記号及び単位（次元）を示す。
【００５４】
【数１】
2016189372.tif 000003
【００５５】
そして、図２等に示すような圧電駆動装置１０のように、振動板３０（式中、「Ｓｈｉｍ」と略記される。）が平面視において長方形形状であって長辺がＬ（ｍ）、幅がＷ（ｍ）厚さがｔＳｈｉｍ（ｍ）であり、Ｌ：Ｗ＝７：２であり、厚さｔＰｉｅｚｏ（ｍ）の圧電体４６（圧電体層）を有する場合、印可する電圧をＶ（Ｖ）とすると、下記式（ＩＩ）のように変形できる。
【００５６】
【数２】
2016189372.tif 000004
【００５７】
式（ＩＩ）において、ＥＰｉｅｚｏは、圧電体４６のヤング率（Ｎ／ｍ２）（＝Ｐａ）、ρは、圧電体４６の密度（１０３・ｋｇ／ｍ３）、ｄ３１は、圧電ｄ定数（ｍ／Ｖ）、ＥＳｈｉｍは、振動板３０のヤング率（Ｎ／ｍ２）（＝Ｐａ）である。
【００５８】
上記の式（ＩＩ）は、発明者の検討により、上記説明した圧電駆動装置１０における出力実測値と比例関係にあることが確認されている。すなわち、係る縦振動の仕事率（ＰＤｙｎａｍｉｃ：Ｗ）が大きければ、本実施形態の圧電駆動装置１０における出力値がより良好であることが確認されている。
【００５９】
ここで、式（ＩＩ）をみると、縦振動の仕事率（ＰＤｙｎａｍｉｃ）は、少なくとも、ρ、及び／又はｔＰｉｅｚｏが小さく、ＥＰｉｅｚｏ、Ｑｍ、Ｌ、及び／又はＶが大きいほど、大きくなることがわかる。
【００６０】
ところで、本実施形態の圧電駆動装置１０では、ＫＮＮ系の圧電材料を用いている。ＫＮＮ系の圧電材料の密度は、他の圧電材料に比較して小さい。例えば、ＰＺＴ系の圧電材料の密度は、およそ７．５〜８．５（１０３・ｋｇ／ｍ３）であるのに対して、ＫＮＮ系の圧電材料ではおよそ４．３〜４．６（１０３・ｋｇ／ｍ３）と、半分程度である。
【００６１】
したがって、式（ＩＩ）に表れている他の物性値や寸法値が、ＰＺＴ系とＫＮＮ系と同等程度にある場合には、ＫＮＮ系の圧電材料が電気機械変換効率の高さの点で非常に有利であることが理解される。
【００６２】
また、本実施形態の圧電駆動装置１０で用いるＫＮＮ系の圧電材料のヤング率（弾性率）は、他の圧電材料に比較して大きい。例えば、ＰＺＴ系の圧電材料のヤング率は、およそ５０〜８０（ＧＰａ）であるのに対して、ＫＮＮ系の圧電材料ではおよそ８０〜１２０（ＧＰａ）と大きい。したがって、この点からも式（ＩＩ）に表れている他の物性値や寸法値が、ＰＺＴ系とＫＮＮ系と同等程度にある場合には、ＫＮＮ系の圧電材料が電気機械変換効率の高さの点で有利であることが理解されよう。
【００６３】
一方、機械的品質係数Ｑｍは、圧電体が共振振動を起こした時の共振周波数近傍における機械的な振動変位の鋭さを示す定数である。一般に共振周波数で駆動する用途に圧電体を用いる場合は、高Ｑｍ材料を用いると大きな振動振幅が得られる。しかし、Ｑｍ値が大
きいと、共振を起こす振動数の幅が狭くなり、素子の構造や圧電体の組成のばらつき等による共振周波数変動に対応しにくくなる。
【００６４】
すなわち、Ｑｍ値が大きい場合には、高い圧電特性（電気機械変換効率）を期待できるものの、印可する電圧（電界）の周波数、振幅の調節により高い精度を要求されることになったり、設置環境の温度等の変動による共振周波数の変動に対応しきれずに期待する特性を得ることが難しくなる場合がある。
【００６５】
また、本実施形態の圧電駆動装置のように圧電体層の厚さが比較的小さい場合（薄膜）には、Ｑｍ値の大きい圧電材料であっても、Ｑｍ値をバルク（厚膜）の場合と同程度に大きくなるように設定することは、必ずしも容易ではない。このように本実施形態の圧電駆動装置１０のような構成の場合には、バルクにおける圧電材料のＱｍ値の高さよりも、重視される条件が存在する。
【００６６】
ＫＮＮ系の圧電材料は、ＰＺＴ系の材料に比較すると、バルクにおけるＱｍ値は必ずしも高くない。しかし、本実施形態の圧電駆動装置１０のような構成である場合、上記の通り、高いＱｍ値は装置のチューニングが困難となる場合があるため、Ｑｍ値をバルクの値まで高める必要はなく、装置の圧電特性の高さと調整しやすさとのバランスを考慮すると、Ｑｍ値はむしろ高すぎない方がよい。したがって、本実施形態の圧電駆動装置１０のような構成では、ＫＮＮ系及びＰＺＴ系のいずれでも、扱いやすいＱｍ値の範囲が存在することになる。したがって、ＫＮＮ系及びＰＺＴ系のいずれの材料を用いた場合でも、Ｑｍ値を最大化するよりも、ある程度のＱｍ値となるように設計される。このように、特に本実施形態の圧電駆動装置１０のような構造、構成の場合には、圧電材料の種類にかかわらず、同程度のＱｍ値となるように設計されることがある。
【００６７】
ＫＮＮ系の圧電材料を用いた場合と、ＰＺＴ系の圧電材料を用いた場合とで、Ｑｍ値を同程度に設計すると、上述の式（ＩＩ）に表される通り、密度が小さく、ヤング率が大きい圧電材料を用いることで、高い動的歪みエネルギー相当値が得られることがわかる。
【００６８】
以上のことから、本実施形態の圧電駆動装置１０のような構成では、ＫＮＮ系の圧電材料を用いることが、少なくともＰＺＴ系の材料を用いるよりも、非常に有利であることが理解されよう。
【００６９】
さらに、式（ＩＩ）をみると、圧電体４６の厚さｔＰｉｅｚｏ（ｍ）の項が、分母に存在している。このことから、圧電体４６（圧電体層）の厚さが小さいほど、動的歪みエネルギー相当値の値が高くなることが理解される。そのため、上述の通り、圧電体層の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下、より好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下程度であると、ＫＮＮ系である圧電体４６の圧電特性をさらに顕著に引き出すことができるため好ましい。
【００７０】
なお、本実施形態の圧電駆動装置１０で用いるＫＮＮ系の圧電材料は、他の一般的な圧電材料に比較して、誘電率（ε３３：−）が比較的小さく、キュリー温度（Ｔｃ：℃）が比較的高い。そのため、装置を駆動する際の熱の発生が抑制されるとともに、高温での使用環境に適応しやすいという利点も存在する。
【００７１】
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５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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
このようにＫＮＮ系の圧電材料を用いた圧電駆動装置１０をロボット２０５０の駆動に利用できる。
【００７５】
図６は、図５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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
２−２．ポンプ
図７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。
【００７９】
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。
【００８０】
このようにＫＮＮ系の圧電材料を用いた圧電駆動装置１０を送液ポンプ２２００の駆動に利用できる。
【００８１】
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。
【００８２】
３．実験例
以下、本発明を実験例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実験例に限定されるものではない。
【００８３】
３−１．圧電素子の作成
＜ＫＮＮ系＞
単結晶シリコン基板を準備し、その表面を熱酸化することで二酸化シリコン膜を形成した。得られた二酸化シリコン膜上にスパッタ法にて厚さ２０ｎｍのチタン膜を形成し、これを熱酸化することで酸化チタン膜を形成した。次に、酸化チタン膜上に、スパッタ法により、厚さ１３０ｎｍの白金膜からなる第１電極（第１導電層）を形成した。
【００８４】
その後、スピンコート法によりＫＮＮとＭｎを含むゾル−ゲル溶液を塗布し、圧電体前駆体膜を形成した。ＫＮＮとＭｎとを含むゾルは、組成比をＫ：Ｎａ：Ｎｂ：Ｍｎ＝４０：６０：９５：５（モル比）としたものを用いた。
【００８５】
その後、１８０℃で３分間乾燥工程を行い、次いで３８０℃で３分間脱脂工程を行った後に、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置により酸素ガスを導入しながら７００℃で３分間焼成を行った。
【００８６】
これらの圧電体膜形成工程を１３回繰り返し、圧電体層を得た。係る圧電体層上に、スパッタにて厚さ約５０ｎｍのＩｒを成膜し、フォトリソグラフィーによりパターニングを行って第２電極（第２電極層）を形成し、ＫＮＮ系の圧電材料からなる圧電体層を有する圧電素子を得た。圧電体層の厚さは、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて測定した結果、約１．３μｍであった。以下、係る圧電素子を「ＫＮＮ−１」という。
【００８７】
同様にして、圧電体膜形成工程を３０回、５０回及び１００回繰り返して作成した圧電体層を有する圧電素子をそれぞれ作成した。それぞれの圧電素子の圧電体層の厚さは、約３μｍ、約５μｍ及び約１０μｍであった。以下、係る圧電素子をそれぞれ「ＫＮＮ−３」、「「ＫＮＮ−５」及び「ＫＮＮ−１０」という。
【００８８】
一方、以下の手順で、いわゆるバルクの圧電体からなる圧電体層を備えた圧電素子を作成した。圧電体層を得るための主成分の出発原料として、Ｎａ２ＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３、Ｎｂ２Ｏ５の粉末を用意し、これらの粉末を乾燥させた状態で組成比がＫ：Ｎａ：Ｎｂ：Ｍｎ＝４０：６０：９５：５（モル比）となるように秤量した。その後、純水及びエタノールを添加してボールミルで混合・粉砕して原料混合物とするした。さらに、この原料混合物を乾燥させた後、７００〜１０００℃で合成（仮焼成）することで、Ｋ、Ｎａ及びＮｂを含有する複合酸化物の粉末を形成した。
【００８９】
次に、この粉末中に所定量のバインダを添加して造粒し、金型プレス等によって所定圧力（１０００〜２０００ｋｇ／ｃｍ２）で成形した。そして成形したものを６００〜７００℃の温度で脱脂し、１０００〜１２５０℃の温度で焼結することで、バルクの圧電体を形成した。
【００９０】
その後、この圧電体を厚さ３００μｍとなるまで研磨し、その両面にスクリーン印刷法でＡｇのペーストを塗布し、さらに電気炉で、７００℃３０分の焼成を行うことで、厚さ約２０μｍの第１電極及び第２電極を形成した。以上の工程によって、バルクの圧電体からなる圧電体層を備えた圧電素子を得た。圧電体層の厚さは、ＳＥＭにて測定した結果、約３００μｍであった。以下、係る圧電素子を「ＫＮＮ−３００」という。
【００９１】
＜ＰＺＴ系＞
単結晶シリコン基板上に弾性膜として二酸化シリコン膜を熱酸化にて形成した。この二酸化シリコン膜上に、Ｚｒをスパッタしそれを酸化炉にて酸化処理を施しＺｒＯ２層を形成した。ＺｒＯ２層上にスパッタ法によって白金とイリジウムを全面に積層することにより第１電極（第１電極層）を成膜し、その上に配向制御層としてＴｉ膜を形成した。
【００９２】
その後、スピンコート法によりＰＺＴを含むゾルゲル溶液を塗布し、圧電体前駆体膜を形成した。ＰＺＴを含むゾルは、組成比をＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１８：５２：４８（モル比）としたものを用いた。
【００９３】
その後、１８０℃で３分間乾燥工程を行い、次いで３８０℃で３分間脱脂工程を行った後に、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置により酸素ガスを導入しながら７００℃で３分間焼成を行った。
【００９４】
これらの圧電体膜形成工程を１３回繰り返し、圧電体層を得た。係る圧電体層上に、スパッタにて厚さ約５０ｎｍのＩｒを成膜し、フォトリソグラフィーによりパターニングを行って第２電極（第２電極層）を形成し、ＰＺＴ系の圧電材料の圧電素子を得た。
【００９５】
同様にして、圧電体膜形成工程を３０回、５０回及び１００回繰り返して作成した圧電
体層を有する圧電素子をそれぞれ作成した。それぞれの圧電素子の圧電体層の厚さは、約３μｍ、約５μｍ及び約１０μｍであった。以下、係る圧電素子をそれぞれ「ＰＺＴ−３」、「「ＰＺＴ−５」及び「ＰＺＴ−１０」という。
【００９６】
一方、ＰＺＴ系のバルクの圧電体からなる圧電体層を備えた圧電素子は、圧電体層を得るための主成分の出発原料として、ＰｂＺｒＯ３、ＴｉＺｒＯ３を用い、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１８：５２：４８（モル比）となるようにした以外は、上述のＫＮＮ−３００と同様にしてバルクのＰＺＴ系圧電体からなる圧電体層を備えた圧電素子を得た。圧電体層の厚さは、ＳＥＭにて測定した結果、約３００μｍであった。以下、係る圧電素子を「ＰＺＴ−３００」という。
【００９７】
３−２．評価内容
機械的品質係数Ｑｍは、共振時の動的変位量／非共振時の静的変位量の比により実測し、表１に記載した。圧電体層のヤング率ＥＰｉｅｚｏ（Ｎ／ｍ２）は、共振式弾性測定器により実測し、表１に記載した。圧電体層の圧電ｄ定数ｄ３１（ｐｍ／Ｖ）は、カンチレバー構造での変位測定により実測し、表１に記載した。圧電体層の密度ρ（１０３・ｋｇ／ｍ３）は、Ｘ線反射率測定法により実測し、表１に記載した。圧電体層の比誘電率ε３３／ε及びキュリー温度Ｔｃ（℃）は、誘電率の温度測定により実測し、表１に記載した。また、圧電素子の発生力の指標として、ｄ３１及びＥＰｉｅｚｏの積を計算し、表１に併記した。
【００９８】
そして、各実験例の圧電素子について、上述の式（ＩＩ）を用いて、縦振動の仕事率（ＰＤｙｎａｍｉｃ：Ｗ）を算出して表１及び表２に記載した。また、表２では、縦振動の仕事率（ＰＤｙｎａｍｉｃ：Ｗ）の、ＰＺＴ系の圧電素子に対するＫＮＮ系の圧電素子の比を併記した。
【００９９】
【表１】
2016189372.tif 000005
【０１００】
【表２】
2016189372.tif 000006
【０１０１】
３−３．評価結果
表１をみると、Ｑｍ値が同程度である場合、発生力の指標であるｄ３１及びＥＰｉｅｚｏの積の値は、ＫＮＮ系に圧電素子は、ＰＺＴ系の圧電素子よりも小さい。しかし、ＫＮＮ系は、圧電ｄ定数ｄ３１（ｐｍ／Ｖ）の値がＰＺＴ系の０．６８倍程度と小さいにもかかわらず、動的歪みエネルギー相当値では１．２５倍の値を示すことが判明した。これはＫＮＮ系の小さい密度ρと高いヤング率ＥＰｉｅｚｏとが式（ＩＩ）において主に寄与したものと考えられる。
【０１０２】
このことは、式（ＩＩ）で近似可能な圧電駆動装置の場合には、ＰＺＴ系よりもＫＮＮ系のほうが優れた特性を引き出し得ることを示している。
【０１０３】
また、表２をみると、圧電体層の厚さが薄くなるにつれ、ＫＮＮ系の圧電材料を用いたほうがＰＺＴ系を用いるよりも、より有利になることが分かる。すなわち、圧電体層の厚さが薄くなると、ＰＺＴ系もＫＮＮ系も動的歪みエネルギー相当値自体は高くなるが、ＫＮＮ系のほうが、より圧電体層の厚さが薄くなることによる向上効果を有していることが判明した。
【０１０４】
したがって、ＫＮＮ系の圧電材料は、薄膜形状の圧電素子（例えば、上記実施形態の圧電駆動装置）において、少なくともＰＺＴ系の圧電材料よりも優れた特性を示し得ることが判明した。
【０１０５】
本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。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（機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的およ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。
【符号の説明】
【０１０６】
１０…圧電駆動装置、２０…突起部、３０…振動板、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、８０…ローター、８２…中心、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、Ｏ…中心軸、Ｗ…振動体部の幅
【図１】
2016189372.tif 000007
【図２】
2016189372.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
2016189372.tif 000011
【図６】
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【図７】
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