CN107404255A - 压电致动器、层叠致动器、压电马达、机器人、手部件以及泵 - Google Patents

压电致动器、层叠致动器、压电马达、机器人、手部件以及泵 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种压电致动器、层叠致动器、压电马达、机器人、手部件以及泵。本发明的课题在于减少支承部的裂缝的产生。压电致动器具备：振动部，其在面内方向上进行弯曲振动；连接部，其在上述振动部的振动方向上与上述振动部连接；支承部，其经由上述连接部支承上述振动部；以及加强部，其在与上述振动部和上述连接部排列的方向相平行的方向上，设置于上述支承部的与上述振动部相反的一侧。

Description

压电致动器、层叠致动器、压电马达、机器人、手部件以及泵
技术领域
本发明涉及压电致动器以及使用了该压电致动器的层叠致动器、压电马达、机器人、手部件以及泵。
背景技术
已知具有粘贴有驱动用压电元件的位移机构部(振动部)、以及支承部的压电致动器(例如专利文献1)。若驱动用压电元件接收到驱动信号的输入，则在驱动用压电元件中产生形变，并使位移机构部相对于支承部振动。
专利文献1：日本特开2001-111128号公报
在上述技术中，存在因振动部的振动而导致在支承部的外侧产生裂缝等损伤的担忧，其中，上述外侧是与振动部相反的一侧。尤其是在支承部由脆性材料形成情况下存在产生裂缝等损伤的担忧。
发明内容
本发明是为了解决上述的课题而完成的，能够作为以下的方式来实现。
(1)根据本发明的一方式，提供一种压电致动器。该压电致动器具备：振动部，其在面内方向上进行弯曲振动；连接部，其在上述振动部的振动方向上与上述振动部连接；支承部，其经由上述连接部支承上述振动部；以及加强部，其在与上述振动部和上述连接部排列的方向相平行的方向上，设置于上述支承部的与上述振动部相反的一侧。
根据该方式，由于具备设置于支承部的与振动部相反的一侧的表面的加强部，所以能够借助加强部进一步减少由振动部的振动而导致支承部的裂缝的产生。
(2)在上述方式中，上述支承部也可以包含脆性材料。
在支承部包含脆性材料的情况下，由于容易产生裂缝，所以基于加强部的减少裂缝的产生的效果较强。
(3)在上述方式中，上述振动部、上述连接部以及上述支承部可以一体形成。
根据该方式，由于振动部、连接部以及支承部一体形成，所以制造容易。
(4)在上述方式中，上述加强部可以包含树脂。
根据该方式，由于加强部包含树脂，所以能够容易地对支承部进行加强。
(5)在上述方式中，上述树脂可以具有通过紫外线进行固化的特性。
根据该方式，由于树脂具有通过紫外线进行固化的特性，所以不需要加热或冷却，能够容易地通过容易地将树脂涂覆至支承部并照射紫外线来进行固化。
(6)在上述方式中，上述加强部可以设置于上述支承部的系杆切断部。
根据该方式，由于支承部的系杆切断部在切断时容易受到损伤，所以优选借助加强部对支承部的系杆切断部进行加强。
(7)根据本发明的一方式，提供一种层叠致动器。该层叠致动器层叠有多个上述方式中的任一项所述的压电致动器。
根据该方式，能够提高驱动力。
本发明能够通过各种方式来实现，例如，除了通过压电驱动装置、压电致动器之外，还能够通过压电马达、具备压电马达的机器人、具备压电马达的手部件、以及具备压电马达的泵等各种方式来实现。
附图说明
图1是表示第一实施方式的压电驱动装置的简要结构的俯视图。
图2是利用压电驱动装置作为压电马达的例子的说明图。
图3是表示在制造工序的中途的阶段形成于基板上的压电驱动装置的俯视图。
图4是表示蚀刻后的基板的说明图。
图5是放大表示图4中的系杆的附近的区域的说明图。
图6是放大表示系杆切断后的系杆切断部的附近的说明图。
图7是表示在系杆切断部设置有加强部的状态的说明图。
图8是表示第二实施方式的压电驱动装置的简要结构的俯视图。
图9是表示第三实施方式的压电驱动装置的简要结构的俯视图。
图10是表示机器人的一个例子的说明图。
图11是机器人的手腕部分的说明图。
图12是表示手指辅助装置的说明图。
图13是表示泵的一个例子的说明图。
具体实施方式
·第一实施方式：
图1是表示第一实施方式的压电驱动装置(压电致动器)10的简要结构的俯视图。压电驱动装置10具备基板200以及压电元件110。为了方便图示，在基板200添加阴影线。基板200具备振动部210、支承部220以及连接部230。振动部210是呈大致长方形的部件，并载置有压电元件110。
在振动部210的两个短边中的一个短边设置有与被驱动部件接触的接触元件20。支承部220在振动部210的与接触元件20相反的一侧，配置为包围振动部210的大约一半。支承部220在振动部210的长边的大致中央，通过连接部230与振动部210连接，从而支承振动部210。在从与振动部210和连接部230排列的方向AR相平行的方向观察支承部220时，在支承部220的与振动部210相反的一侧的表面(侧面)具有系杆切断部240。并且，以覆盖系杆切断部240的方式设置有加强部250。系杆切断部240是将在制造时所使用的系杆切断后的痕迹。针对该点将在后面进行描述。若通过压电元件110的伸缩使振动部210进行振动，则容易在系杆切断部240形成因振动而导致的裂缝，因此设置加强部250来减少裂缝的产生。加强部250优选包含树脂。此处，作为树脂，优选使用紫外线固化树脂。若为紫外线固化树脂，则在使树脂固化、软化中不需要加热、冷却，从而能够减少热的影响。另外，能够通过借助例如浇注来涂覆固化前的树脂并照射紫外线，从而容易地进行固化，因此能够容易地形成加强部250。此外，也可以将加强部250称为“保护膜”。
压电元件110具备第一电极130(由于形成为薄膜状，所以也称为“第一电极膜130”。)、形成于第一电极130的上方的压电体140(由于形成为薄膜状，所以也称为“压电体膜140”。)以及形成于压电体140的上方的第二电极150(由于形成为薄膜状，所以也称为“第二电极膜150”。)，第一电极130与第二电极150夹持压电体140。第一电极130、第二电极150是通过例如溅射形成的薄膜。作为第一电极130、第二电极150的材料，例如能够利用Al(铝)、Ni(镍)、Au(金)、Pt(白金)、Ir(铱)、Cu(铜)等导电性较高的任意的材料。
压电体140通过例如溶胶-凝胶法、溅射法形成，并具有薄膜形状。作为压电体140的材料能够利用采用ABO3型的钙钛矿构造的陶瓷等、显示压电效果的任意的材料。作为采用ABO3型的钙钛矿构造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)、钽铋锶(SBT)、偏铌酸铅、铌锌、钪铌酸铅等。另外，也可以使用除了陶瓷之外的显示压电效果的材料，例如聚偏氟乙烯、水晶等。压电体140的厚度优选为例如50nm(0.05μm)以上20μm以下的范围。具有该范围的厚度的压电体140的薄膜能够利用膜形成工序(也称为“成膜工序”。)容易地形成。若将压电体140的厚度设为0.05μm以上，则能够根据压电体140的伸缩产生充分大的力。另外，若将压电体140的厚度设为20μm以下，则能够将压电驱动装置10充分地小型化。但是，也可以不将压电体140设为薄膜，而设为比上述的厚度大的膜。另外，作为压电体140可以使用块状的压电体。
在第一实施方式中，压电驱动装置10作为压电元件110包括五个压电元件110a、110b、110c、110d、110e。压电元件110e形成为大致长方形形状，并在振动部210的宽度方向的中央，沿着振动部210的长边方向形成。压电元件110a、110b、110c、110d形成于振动部210的四角的位置。此外，在图1中，虽然示出了压电元件110形成于振动部210的一个表面的例子，但是压电元件110也可以形成于振动部210的两个表面。在该情况下，优选一个表面的压电元件110a～110e与另一个表面的压电元件110a～110e配置于以振动部210为对称面的对称位置。
基板200作为用于通过膜形成工序形成第一电极130、压电体140与第二电极150的基板来使用。并且，基板200的振动部210还具有作为进行机械式振动的振动板的功能。基板200例如能够通过作为脆性材料的Si、Al2O3、ZrO2等形成。作为硅(Si)制的基板200(也称为“硅基板200”。)能够利用例如半导体制造用的硅晶片。基板200的厚度优选设为例如10μm以上100μm以下的范围。若将基板200的厚度设为10μm以上，则在基板200上的成膜处理时能够比较容易地对基板200进行操作。此外，若将基板200的厚度设为50μm以上，则能够进一步容易地对基板200进行操作。另外，若将基板200(振动部210)的厚度设为100μm以下，则根据由薄膜形成的压电体140的伸缩，能够容易地使振动部210振动。
图2是表示利用压电驱动装置10作为压电马达11的例子的说明图。压电驱动装置10的接触元件20与作为被驱动部件的转子50的外周接触，从而形成压电马达11。在图2所示的例子中，对两个压电元件110a、110d施加交流电压或脉动电压，压电元件110a、110d沿箭头x的方向伸缩。与此相对应地，压电驱动装置10的振动部210在振动部210的平面内进行弯曲振动而呈曲折形状(S字形状)变形，接触元件20的前端沿箭头y的朝向进行往复运动、或者椭圆运动。其结果，转子50绕其中心51向规定的方向z(在图2中为顺时针方向)旋转。此外，在对两个压电元件110b、110c施加交流电压或者脉动电压的情况下，转子50向相反方向(逆时针方向)旋转。此外，若对中央的压电元件110e施加交流电压或脉动电压，则压电驱动装置10沿长边方向进行伸缩，从而能够进一步增加从接触元件20施加于转子50的力。此外，对于压电驱动装置10的这样的动作，记载于上述现有技术文献1(日本特开2004-320979号公报，或者对应的美国专利第7224102号)，其公开内容通过参照被引入本发明。
图3是表示在制造工序的中途的阶段形成于基板200上的压电驱动装置10的俯视图。针对在基板200上形成压电驱动装置10为止的工序能够利用薄膜制造工序，因此省略说明。在图3中，虽然在基板200上图示出2行3列的合计6个压电驱动装置10，但实际上，在基板200上二维地形成有很多的压电驱动装置10。在图3中，为了方便图示，仅在右上方的压电驱动装置10标记有压电元件110a～110e的附图标记，但各压电驱动装置10都具备压电元件110a～110e。图3所示的虚线的内侧的由阴影线显示的区域表示通过蚀刻被除去的蚀刻区域260。
图4是表示蚀刻后的基板200的说明图。此外，在图4中，仅图示出基板200，而省略压电元件110a～110e的图示。由阴影线表示的区域是通过蚀刻留下的区域。即，若基板200被蚀刻，则剩下振动部210、支承部220、连接部230、系杆242以及框部270，振动部210、支承部220以及连接部230是一体形成的部件。各个压电驱动装置10的支承部220构成为借助4处的系杆242而与框部270连接的构造。在之后的工序中，能够通过切断系杆242来得到单片的压电驱动装置10。此外，在构成后述的层叠致动器的情况下，与将压电驱动装置10单片化之后再进行层叠的方式相比，在单片化之前的状态下进行层叠，然后再进行单片化从而得到各层叠致动器的方式更为有效。
图5是放大表示图4的系杆242的附近的区域5的说明图。系杆242是连接支承部220与框部270的棒状的部分，在第一实施方式中，具有3根系杆242。系杆242的根数只要是1根以上就可以为任意根。在第一实施方式中，在支承部220设置凹部，并通过系杆242连接凹部的底与框部270，但是也可以不设置凹部而通过系杆242连接平坦的支承部220与框部270。
图6是放大表示系杆切断后的系杆切断部240的附近的说明图。系杆242(图5)例如可以以推压并折断棒状的夹具的方式被切断，或者像切片那样借助外周齿进行切断，或通过激光被切断。切断系杆242后形成的痕迹是上述的系杆切断部240。系杆242在被切断时，由于作用有应力，所以系杆切断部240变为容易产生裂缝的状态。并且，对于系杆242的断裂面244而言，表面形状容易变得粗大，若作用有应力，则容易变为裂缝的起点。若在切断系杆242之后的系杆切断部240形成加强部250，则即使受到应力也难以发生变形且难以从起点产生裂缝。
图7是表示在系杆切断部240设置有加强部250的状态的说明图。在第一实施方式中，若振动部210(图1)振动，则如上所述，容易在系杆切断部240产生裂缝，并且存在裂缝扩大的担忧，在第一实施方式中，为了减少裂缝的产生、扩大，在系杆切断部240设置加强部250。即使作用有应力，也能够通过加强部250使变形减小，因此能够减少以系杆切断部240为起点的裂缝的产生。此外，如上所述，优选加强部250包含树脂，作为树脂使用具有紫外线固化特性的树脂。
作为加强部250的材质可以利用除了树脂之外的其他材质。例如，也可以使用通过CVD法形成的硬质绝缘膜作为加强部250。若由绝缘材料形成加强部250，则在提高基板200的绝缘性的点上优选。
以上，根据第一实施方式，由于压电驱动装置10在系杆切断部240具备加强部250，所以能够减少在支承部220产生裂缝、所产生的裂缝扩大的情况。尤其是在支承部220由脆性材料形成的情况下，由于容易产生裂缝，所以有效。
在上述第一实施方式中，利用具有系杆切断部240的例子进行了说明，但是产生裂缝的原因并不取决于系杆切断部240。在第一实施方式中，振动部210在其面内方向(振动部210的形成表面的平行的方向)上进行弯曲振动，支承部220在振动部210的振动方向上经由连接部230与振动部210连接。在该情况下，存在由振动部210的振动产生的应力经由连接部230传递至支承部220，从而在与振动部210和连接部230排列的方向相平行的方向上，在支承部220的与振动部210相反的一侧的表面产生裂缝的情况(即因振动方向引起的)。由此，即使在不具有系杆切断部240的情况下，若加强部250在与振动部210和连接部230排列的方向相平行的方向上，设置于支承部220的与振动部210相反的一侧的表面，则能够减少这样的(因振动方向引起的)裂缝的产生。另外，在具有系杆切断部240并且是上述的振动方向的结构的情况下，加强部250减少裂缝产生的效果更强。
·第二实施方式：
图8是表示第二实施方式的压电驱动装置12的简要结构的俯视图。第一实施方式的压电驱动装置10在系杆切断部240具备加强部250，而第二实施方式的压电驱动装置12在支承部220的外缘侧，即支承部220的与振动部210相反的一侧的表面(侧面)的整体具备加强部250。这样，通过在支承部220的外周的广范围具备加强部250，从而能够进一步减少在支承部220产生裂缝的情况。在第二实施方式中，加强部250也覆盖系杆切断部240。此外，支承部220的外缘侧的侧面中的、与振动部210的短边平行的侧面220s也可以不具备加强部250。这是由于有时在该侧面220s连接后述的布线基板。
·第三实施方式：
图9是表示第三实施方式的层叠致动器13的简要结构的俯视图。层叠致动器13具备层叠多个的(在图9中为5个)压电驱动装置10、以及用于供给各压电驱动装置10的电力的布线基板300。布线基板300例如由软性基板构成。此外，层叠致动器13的加强部250具有沿着压电驱动装置10的层叠方向的形状。在这样的层叠致动器13中，与第一实施方式的压电驱动装置10同样地，在系杆切断部240具备加强部250，由此能够减少在支承部220产生裂缝、所产生的裂缝扩大的情况。此外，代替第一实施方式的压电驱动装置10，可以层叠多个第二实施方式的压电驱动装置12。
·其他实施方式：
上述的压电驱动装置10、12、层叠致动器13(在以下的实施方式中以“压电驱动装置10”的用语为代表来使用。)是通过利用共振从而能够对被驱动部件施加较大的力的装置，作为压电马达能够应用于各种装置。压电驱动装置10例如能够作为机器人(包括电子部件搬运装置(IC处理器))、给药用泵、钟表的日历推送装置、打印装置(例如送纸机构)等各种设备的驱动装置来使用。以下，针对具有代表性的实施方式进行说明。
图10是表示利用了上述的压电驱动装置10的机器人2050的一个例子的说明图。机器人2050具有臂2010(也可以称为“臂部”)，该臂部2010具备多根连杆部2012(也可以称为“连杆部件”)以及以能够转动或者弯曲的状态连接这些连杆部2012之间的多个关节部2020。在各个关节部2020内置有上述的压电驱动装置10，能够利用压电驱动装置10来使关节部2020转动或者弯曲任意的角度。此外，在图10中，为了方便图示，仅图示出一个压电驱动装置10。在臂2010的前端连接有手部件2000。手部件2000具备一对把持部2003。在手部件2000中也内置有压电驱动装置10，能够利用压电驱动装置10来开闭把持部2003从而把持物品。另外，在手部件2000与臂2010之间也设置有压电驱动装置10，能够利用压电驱动装置10来使手部件2000相对于臂2010旋转。
图11是图10所示的机器人2050的手腕部分的说明图。手腕的关节部2020夹持手腕转动部2022，手腕的连杆部2012以能够绕手腕转动部2022的中心轴O转动的方式安装于手腕转动部2022。手腕转动部2022具备压电驱动装置10，压电驱动装置10使手腕的连杆部2012以及手部件2000绕中心轴O转动。在手部件2000立设有多个把持部2003。把持部2003的基端部能够在手部件2000内移动，并在该把持部2003的根部搭载有压电驱动装置10。因此，通过使压电驱动装置10工作，能够使把持部2003移动来保持对象物。
此外，作为机器人并不局限于单臂的机器人，在臂的数量为两个以上的多臂机器人中也可以应用压电驱动装置10。此处，在手腕的关节部2020、手部件2000的内部除了压电驱动装置10之外，还包括向力传感器、陀螺传感器等各种装置供给电力的电力线、传递信号的信号线等，需要非常多的布线。因此，在关节部2020、手部件2000的内部配置布线非常困难。然而，由于上述的实施方式的压电驱动装置10与通常的电动马达、现有的压电驱动装置相比，能够减小驱动电流，所以即使在关节部2020(尤其是臂2010的前端的关节部)、手部件2000那样较小的空间也能够配置布线。
在上述说明中，以具备手部件2000的机器人2050为例进行了说明，但是手部件2000也可以不仅作为机器人2050的部件而作为单独的产品来构成。
图12是表示利用了上述的压电驱动装置10的手指辅助装置1000的说明图。手指辅助装置1000具备第一手指辅助部1001、第二手指辅助部1002、以及基座部件1003，并安装于手指700。第一手指辅助部1001具备压电驱动装置10、减速机501以及手指支承部701。第二手指辅助部1002具备压电驱动装置10、减速机502、手指支承部702以及手部件703。除了手部件703，第一手指辅助部1001与第二手指辅助部1002几乎为相同的结构。手部件703从手指700的腹侧固定第二手指辅助部1002。此外，手部件703也设置于第一手指辅助部1001，但在图12中省略。手指辅助装置1000借助压电驱动装置10来辅助手指700的屈伸。此外，在本实施方式中，对手指辅助装置1000辅助手指700的屈伸的情况进行了说明，但也可以代替手指700地使用机器人的手部件，使手部件与手指辅助装置1000一体形成。在该情况下，手部件由压电驱动装置10驱动进行屈伸。
图13是表示作为利用了上述的压电驱动装置10的泵的送液泵2200的一个例子的说明图。送液泵2200在壳体2230内包含贮存器2211、管2212、压电驱动装置10、转子2222、减速传递机构2223、凸轮2202以及多个指状物2213、2214、2215、2216、2217、2218、2219。贮存器2211是用于收容作为输送对象的液体的收容部。管2212是用于输送从贮存器2211送出的液体的管。压电驱动装置10的接触元件20以推压转子2222的侧面的状态设置，压电驱动装置10旋转驱动转子2222。转子2222的旋转力经由减速传递机构2223传递至凸轮2202。指状物2213～2219是用于封闭管2212的部件。若凸轮2202旋转，则通过凸轮2202的突起部2202A使指状物2213～2219按顺序向放射方向外侧挤压。指状物2213～2219从输送方向上游侧(贮存器2211侧)按顺序封闭管2212。由此，使管2212内的液体按顺序输送至下游侧。这样一来，能够高精度地输送很少的量的液体，并能够实现小型的送液泵2200。此外，各部件的配置不限定于图示的配置。另外，也可以不具备指状物等部件，而是设置于转子2222的球体等来封闭管2212的结构。上述那样的送液泵2200能够活用于将胰岛素等药液注射到人体的给药装置等。此处，通过利用上述的实施方式的压电驱动装置10，能够比现有的压电驱动装置减小驱动电流，因此能够抑制给药装置的消耗电力。因此，在电池驱动给药装置的情况下特别有效。
以上，基于若干实施例对本发明的实施方式进行了说明，但上述的发明的实施方式是为了容易理解本发明而完成的，并不限定本发明。不言而喻本发明能够不脱离其主旨以及权利要求书地进行变更、改进，并且本发明也包含其等价物。
附图标记说明：
5…区域；10…压电驱动装置(压电致动器)；11…压电马达；12…压电驱动装置；13…层叠致动器；20…接触元件；50…转子；51…中心；110…压电元件；110a…压电元件；110b…压电元件；110c…压电元件；110d…压电元件；110e…压电元件；130…第一电极；140…压电体；150…第二电极；200…基板；210…振动部；220…支承部；220s…侧面；230…连接部；240…系杆切断部；242…系杆；244…断裂面；250…加强部；260…蚀刻区域；270…框部；300…布线基板；501…减速机；502…减速机；700…手指；701…手指支承部；702…手指支承部；703…手部件；1000…手指辅助装置；1001…第一手指辅助部；1002…第二手指辅助部；1003…基座部件；2000…手部件；2003…把持部；2010…臂；2012…连杆部；2020…关节部；2022…手腕转动部；2050…机器人；2200…送液泵；2202…凸轮；2202A…突起部；2211…贮存器；2212…管；2213～2219…指状物；2222…转子；2223…减速传递机构；2230…壳体；O…中心轴；x…箭头；y…箭头；z…方向。

Claims (11)

1.一种压电致动器，具备：
振动部，其在面内方向上进行弯曲振动；
连接部，其在所述振动部的振动方向上与所述振动部连接；
支承部，其经由所述连接部支承所述振动部；以及
加强部，其在与所述振动部和所述连接部排列的方向相平行的方向上，设置于所述支承部的与所述振动部相反的一侧。
2.根据权利要求1所述的压电致动器，
所述支承部包含脆性材料。
3.根据权利要求1所述的压电致动器，
所述振动部、所述连接部以及所述支承部一体形成。
4.根据权利要求1所述的压电致动器，
所述加强部包含树脂。
5.根据权利要求4所述的压电致动器，
所述树脂具有通过紫外线进行固化的特性。
6.根据权利要求1所述的压电致动器，
所述加强部设置于所述支承部的系杆切断部。
7.一种层叠致动器，
其层叠有多个权利要求1所述的压电致动器。
8.一种压电马达，
其具备权利要求1所述的压电致动器或者权利要求7所述的层叠致动器。
9.一种机器人，
其具备权利要求8所述的压电马达。
10.一种手部件，
其具备权利要求8所述的压电马达。
11.一种泵，
其具备权利要求8所述的压电马达。
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