CN106877733A - 压电驱动装置、马达、机器人、以及泵 - Google Patents

压电驱动装置、马达、机器人、以及泵 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种压电驱动装置、马达、机器人、以及泵，该压电驱动装置，能够通过确定由于按压而产生的接触部的变形量来实现输出特性的稳定化。压电驱动装置包括：基板，其具有固定部以及设置有压电元件且被固定部支承的振动体部(12)；以及接触部(20)，其与被驱动体(4)接触并将振动体部的动作传递至被驱动体(4)，接触部设置于振动体部的长边方向上的端部(12a)，接触部(20)未被被驱动体按压时的端部(12a)与接触部的前端(20a)之间的距离(LX0)、和接触部被被驱动体按压时的端部(12a)与前端(20a)之间的距离(LX1)之差(δx)小于振动体部(12)被驱动的情况下的长边方向的全振幅(X0)。

Description

压电驱动装置、马达、机器人、以及泵
技术领域
本发明涉及压电驱动装置、马达、机器人、以及泵。
背景技术
通过压电元件使振动体振动来驱动被驱动体的压电致动器(压电驱动装置)不需要磁铁、线圈，所以被利用于各种领域。
记载了在这样的压电驱动装置中，以防止过度的振动、防止超声波振子与被驱动体部件的点接触、以及提高功率效率等为目的，在压电驱动装置的与被驱动体的接触部附近设置弹簧区域(例如参照专利文献1～3)。
专利文献1：日本特开2008－295234号公报
专利文献2：日本特开平6－22565号公报
专利文献3：日本特开2015－80329号公报
然而，专利文献1～3中只记载了存在弹簧区域这样的定性的事项，并未提及具体的弹簧区域的弹簧常数、由于按压而产生的接触部的变形量等。
发明内容
本发明是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，能够以以下的方式或者应用例来实现。
应用例1本发明所涉及的压电驱动装置的一方式包括：基板，其具有固定部以及振动体部，该振动体部设置有压电元件且被上述固定部支承；以及接触部，其与被驱动体接触，并将上述振动体部的动作传递至上述被驱动体，上述接触部设置于上述振动体部的长边方向上的端部，上述接触部未被上述被驱动体按压时的上述端部与上述接触部的前端之间的距离、和上述接触部被上述被驱动体按压时的上述端部与上述前端之间的距离之差小于上述振动体部被驱动的情况下的上述长边方向的全振幅。
在这样的压电驱动装置中，在振动体部的(压电驱动装置的)驱动中，接触部能够反复进行与被驱动体的接触以及分离。结果，在这样的压电驱动装置中，能够实现输出特性的稳定化。
应用例2在应用例1中，若将上述全振幅设为X0，将上述被驱动体朝向上述接触部的按压力设为F0，则上述接触部的上述长边方向上的弹簧常数K也可以满足下述关系：K＞F0/X0。
在这样的压电驱动装置中，能够使接触部未被被驱动体按压时的振动体部的端部与接触部的前端之间的距离、和接触部被被驱动体按压时的振动体部的端部与接触部的前端之间的距离之差小于振动体部被驱动的情况下的长边方向的全振幅。
应用例3在应用例2中，上述接触部也可以具有构成上述前端的前端部以及设置于上述前端部与上述振动体部之间的粘合剂部，若将上述前端部的上述长边方向的长度设为Ls，将上述前端部与上述粘合剂部的接触面的与上述长边方向正交的宽度方向的长度设为Ws，将上述接触面的与上述长边方向以及上述宽度方向正交的方向的长度设为Ts，将上述前端部的杨氏模量设为Es，将上述粘合剂部的杨氏模量设为Ea，则上述粘合剂部的上述长边方向的长度La满足下述关系：La＜(X0/F0)×Ea×Ws×Ts－(Ls×Ea)/Es。
在这样的压电驱动装置中，能够使接触部未被被驱动体按压时的振动体部的端部与接触部的前端之间的距离、和接触部被被驱动体按压时的振动体部的端部与接触部的前端之间的距离之差小于振动体部被驱动的情况下的长边方向的全振幅。
应用例4本发明所涉及的马达的一方式包括：应用例1～3的任一例所述的压电驱动装置；以及通过上述压电驱动装置旋转的转子。
在这样的马达中，能够包括本发明所涉及的压电驱动装置。
应用例5本发明所涉及的机器人的一方式包括：多个连杆部；关节部，其连接上述多个连杆部；以及应用例1～3的任一例所述的压电驱动装置，其使上述多个连杆部在上述关节部转动。
在这样的机器人中，能够包括本发明所涉及的压电驱动装置。
应用例6本发明所涉及的泵的一方式包括：应用例1～3的任一例所述的压电驱动装置；管，其输送液体；以及多个指状物，其通过上述压电驱动装置的驱动来封闭上述管。
在这样的泵中，能够包括本发明所涉及的压电驱动装置。
应用例7本发明所涉及的压电驱动装置的一方式包括：基板，其具有固定部以及振动体部，该振动体部设置有压电元件且被上述固定部支承；以及接触部，其与被驱动体接触，并将上述振动体部的动作传递至上述被驱动体，上述接触部设置于与上述振动体部的弯曲方向正交的方向上的端部，若将上述接触部的上述弯曲方向上的弹簧常数设为KT，将上述接触部的上述弯曲方向上的最大位移量设为XTmax，将上述接触部与上述被驱动体之间的静摩擦力设为FS，则满足下述关系：KT×XTmax＜FS。
在这样的压电驱动装置中，接触部能够不滑动地与被驱动体接触。由此，在这样的压电驱动装置中，能够抑制接触部的磨损。
应用例8在应用例7中，上述接触部也可以具有前端部以及设置于上述前端部与上述振动体部之间的粘合剂部，上述振动体部具有向上述前端部侧突出且与上述前端部接触的突出部。
在这样的压电驱动装置中，能够独立地调整接触部的弯曲方向的弹簧常数以及接触部的与弯曲方向正交的方向的弹簧常数。
应用例9在应用例7中，上述接触部也可以具有前端部以及设置于上述前端部与上述振动体部之间的粘合剂部，上述前端部具有向上述振动体部侧突出且与上述振动体部接触的突出部。
在这样的压电驱动装置中，能够独立地调整接触部的弯曲方向的弹簧常数以及接触部的与弯曲方向正交的方向的弹簧常数。
应用例10本发明所涉及的马达的一方式包括：应用例7～9的任一例所述的压电驱动装置；以及通过上述压电驱动装置旋转的转子。
在这样的马达中，能够包括本发明所涉及的压电驱动装置。
应用例11本发明所涉及的机器人的一方式包括：多个连杆部；关节部，其连接上述多个连杆部；以及应用例7～9的任一例所述的压电驱动装置，其使上述多个连杆部在上述关节部转动。
在这样的机器人中，能够包括本发明所涉及的压电驱动装置。
应用例12本发明所涉及的泵的一方式包括：应用例7～9的任一例所述的压电驱动装置；管，其输送液体；以及多个指状物，其通过上述压电驱动装置的驱动来封闭上述管。
在这样的泵中，能够包括本发明所涉及的压电驱动装置。
附图说明
图1是示意性地表示第一实施方式所涉及的压电驱动装置的俯视图。
图2是示意性地表示第一实施方式所涉及的压电驱动装置的剖视图。
图3是示意性地表示第一实施方式所涉及的压电驱动装置的俯视图。
图4是示意性地表示第一实施方式所涉及的压电驱动装置的俯视图。
图5是示意性地表示第一实施方式所涉及的压电驱动装置的立体图。
图6是表示用于说明第一实施方式所涉及的压电驱动装置的等效电路的图。
图7是用于说明第一实施方式所涉及的压电驱动装置的动作的图。
图8是示意性地表示第一实施方式的变形例所涉及的压电驱动装置的俯视图。
图9是示意性地表示第二实施方式所涉及的压电驱动装置的立体图。
图10是用于说明第二实施方式所涉及的压电驱动装置的动作的图。
图11是示意性地表示第二实施方式的第一变形例所涉及的压电驱动装置的俯视图。
图12是示意性地表示第二实施方式的第一变形例所涉及的压电驱动装置的俯视图。
图13是示意性地表示第二实施方式的第一变形例所涉及的压电驱动装置的俯视图。
图14是示意性地表示第二实施方式的第二变形例所涉及的压电驱动装置的俯视图。
图15是示意性地表示第二实施方式的第二变形例所涉及的压电驱动装置的俯视图。
图16是用于说明本实施方式所涉及的机器人的图。
图17是用于说明本实施方式所涉及的机器人的手腕部分的图。
图18是用于说明本实施方式所涉及的泵的图。
具体实施方式
以下，使用附图详细地对本发明的优选的实施方式进行说明。此外，以下说明的实施方式并不会不恰当地限定权利要求书所记载的本发明的内容。另外，以下所说明的构成不一定全部是本发明的必要构成要件。
第一实施方式
1.压电驱动装置
首先，参照附图对本实施方式所涉及的压电驱动装置进行说明。
图1是示意性地表示本实施方式所涉及的压电驱动装置100的俯视图。图2是示意性地表示本实施方式所涉及的压电驱动装置100的图1的II－II线剖视图。图3以及图4是示意性地表示本实施方式所涉及的压电驱动装置100的接触部20附近的俯视图。图5是示意性地表示本实施方式所涉及的压电驱动装置100的接触部20附近的立体图。
如图1～图5所示，压电驱动装置100包括基板10、接触部20、以及压电元件30。
基板10例如由硅基板、设置在硅基板上的氧化硅层、以及设置在氧化硅层上的氧化锆层的层叠体构成。
如图1所示，基板10具有振动体部12、固定部14、第一连接部16、以及第二连接部18。在图示的例子中，振动体部12的平面形状(从基板10的厚度方向观察的形状)是长方形。在振动体部12上设置有压电元件30，振动体部12能够通过压电元件30的变形而振动。固定部14经由连接部16、18支承振动体部12。固定部14例如被固定于外部部件(未图示)。在图示的例子中，连接部16、18从振动体部12的长边方向上的中央部向与该长边方向正交的方向延伸，并与固定部14连接。
接触部20设置于振动体部12的长边方向(以下，也简称为“长边方向”)上的端部12a。在俯视时(从基板10的厚度方向观察)，端部12a由振动体部12的短边构成。接触部20是从端部12a突出的突出部。在图示的例子中，接触部20的形状是长方体。接触部20具有前端20a，接触部20是在前端20a处与被驱动部件(被驱动体)(具体而言，图3以及图4所示的转子4)接触，并将振动体部12的动作传递至被驱动部件的部件。转子4的形状例如是圆柱状、球状。前端20a是和接触部20的与端部12a接触的面相反的一侧的面。
接触部20具有构成前端20a的前端部22以及设置于前端部22与振动体部12之间的粘合剂部24。前端部22的材质例如是陶瓷(具体而言为氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氮化硅(Si3N)、或者它们的混合物等)。粘合剂部24由使前端部22和振动体部12粘合的粘合剂构成。在图示的例子中，前端部22以及粘合剂部24的形状是长方体。
在此，接触部20未被转子4按压时(未被按压时)的端部12a与前端20a之间的距离LX0(参照图3)、和接触部20被转子4按压时(被按压时)的端部12a与前端20a之间的距离LX1(参照图4)之差δx小于振动体部12被驱动的情况下的振动体部12的长边方向的全振幅X0。振动体部12的与接触部20的边界部(连接部)通过压电元件30的驱动而以描绘椭圆的方式驱动。全振幅X0例如是振动体部12的边界部描绘的椭圆的、振动体部12的长边方向成分的长度。在图示的例子中，全振幅X0是振动体部12的边界部所描绘的椭圆的短轴的长度。
若将振动体部12被驱动的情况下的振动体部12的长边方向的全振幅设为X0，将转子4朝向接触部20的按压力(长边方向上的按压力)设为F0，则接触部20的长边方向上的弹簧常数K满足下述式子(1)的关系。
K＞F0/X0···(1)
此外，接触部20具有被转子4按压时以一定程度变形这样的弹簧常数。
如图5所示，若将前端部22的长边方向的长度设为Ls，将前端部22与粘合剂部24的接触面23的与长边方向正交的宽度方向的长度设为Ws，将接触面23的与长边方向以及宽度方向正交的方向的长度设为Ts，将前端部22的杨氏模量设为Es，将粘合剂部24的杨氏模量设为Ea，则粘合剂部24的长边方向的长度La满足下述式子(2)的关系。并且，优选长度La满足下述式子(3)的关系。
La＜(X0/F0)×Ea×Ws×Ts－(Ls×Ea)/Es···(2)
La＜(1/2)×(X0/F0)×Ea×Ws×Ts－(1/2)×(Ls×Ea)/Es···(3)
长度Ws例如是0.1mm以上0.5mm以下。长度Ls例如是0.1mm以上0.5mm以下。长度Ts例如是0.1mm以上0.5mm以下。全振幅X0例如是0.1μm以上5μm以下。更具体而言，Ws＝0.2mm，Ts＝0.2mm，Ls＝0.1mm，X0＝1μm。
如图2所示，压电元件30设置在基板10上。具体而言，压电元件30设置在振动体部12上。压电元件30具有第一电极32、压电体层34、以及第二电极36。
第一电极32设置在振动体部12上。在图1所示的例子中，第一电极32的平面形状是长方形。第一电极32也可以由设置在振动体部12上的铱层以及设置在铱层上的白金层构成。铱层的厚度例如是5nm以上100nm以下。白金层的厚度例如是50nm以上300nm以下。此外，第一电极32也可以是由Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Cu等构成的金属层，或者是混合或者层叠这些金属中的2种以上而成的。第一电极32是用于对压电体层34施加电压的一侧电极。
压电体层34设置在第一电极32上。在图示的例子中，压电体层34的平面形状是长方形。压电体层34的厚度例如是50nm以上20μm以下，优选是1μm以上7μm以下。这样，压电元件30是薄膜压电元件。若压电体层34的厚度小于50nm，则存在压电驱动装置100的输出变小的情况。具体而言，若想要提高输出而提高对压电体层34的施加电压，则存在压电体层34发生绝缘击穿的情况。若压电体层34的厚度大于20μm，则存在压电体层34产生裂纹的情况。
作为压电体层34使用钙钛矿型氧化物的压电材料。具体而言，压电体层34的材质例如是锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3：PZT)、铌锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti，Nb)O3：PZTN)。压电体层34能够通过由电极32、36施加电压而变形(伸缩)。
第二电极36设置在压电体层34上。在图示的例子中，第二电极36的平面形状是长方形。第二电极36也可以由设置在压电体层34上的紧贴层以及设置在紧贴层上的导电层构成。紧贴层的厚度例如是10nm以上100nm以下。紧贴层例如是TiW层、Ti层、Cr层、NiCr层、或它们的层叠体。导电层的厚度例如是1μm以上10μm以下。导电层例如是Cu层、Au层、Al层、或它们的层叠体。第二电极36是用于对压电体层34施加电压的另一侧电极。
压电元件30设置有多个。在图1所示的例子中，压电元件30设置有5个(压电元件30a、30b、30c、30d、30e)。在俯视时，例如，压电元件30a～30d的面积相同，压电元件30e具有大于压电元件30a～30d的面积。压电元件30e在振动体部12的短边方向的中央部沿着振动体部12的长边方向设置。压电元件30a、30b、30c、30d设置于振动体部12的四角。在图示的例子中，在压电元件30a～30e中，第一电极32被设置为一个连续的导电层。
此外，虽然没有图示，但压电驱动装置100也可以具有以覆盖压电元件30的方式设置的绝缘层、与第一电极32电连接的第一布线层、以及与第二电极36电连接的第二布线层。
图6是表示用于说明压电驱动装置100的等效电路的图。压电元件30被分成3组。第一组具有2个压电元件30a、30d。第二组具有2个压电元件30b、30c。第三组仅具有一个压电元件30e。如图6所示，第一组的压电元件30a、30d相互以并联的方式连接而与驱动电路110连接。第二组的压电元件30b、30c相互以并联的方式连接而与驱动电路110连接。第三组的压电元件30e单独地与驱动电路110连接。
驱动电路110对于5个压电元件30a、30b、30c、30d、30e中的规定的压电元件，例如，压电元件30a、30d、30e的第一电极32与第二电极36之间施加周期性变化的交流电压或者脉动电压。由此，压电驱动装置100能够使振动体部12发生超声波振动，从而使与接触部20接触的转子(被驱动部件)向规定的旋转方向旋转。在此，“脉动电压”是指在交流电压上附加了DC偏移的电压，脉动电压的电压(电场)的方向是从一侧电极朝向另一侧电极的单向。
此外，与从第一电极32朝向第二电极36相比，优选电场的方向为从第二电极36朝向第一电极32。另外，通过对压电元件30b、30c、30e的电极32、36之间施加交流电压或者脉动电压，能够使与接触部20接触的转子向相反方向旋转。
图7是用于说明压电驱动装置100的振动体部12的动作的图。如图7所示，压电驱动装置100的接触部20与作为被驱动部件的转子4的外周接触。驱动电路110对压电元件30a、30d的电极32、36之间施加交流电压或者脉动电压。由此，压电元件30a、30d在箭头x的方向伸缩。与此对应，振动体部12在振动体部12的平面内弯曲振动而以蛇行状(S字形状)变形。并且，驱动电路110对压电元件30e的电极32、36之间施加交流电压或者脉动电压。由此，压电元件30e在箭头y的方向伸缩。由此，振动体部12在振动体部12的平面内纵向振动。通过如上述那样的振动体部12的弯曲振动以及纵向振动，振动体部12的与接触部20的边界部像箭头z那样进行椭圆运动。结果，转子4绕其中心4a向规定的方向R(在图示的例子中为顺时针方向)旋转。
此外，在驱动电路110对压电元件30b、30c、30e的电极32、36之间施加交流电压或者脉动电压的情况下，转子4向与方向R相反的方向(逆时针方向)旋转。
另外，优选振动体部12的弯曲振动的共振频率和纵向振动的共振频率相同。由此，压电驱动装置100能够使转子4高效地旋转。
如图7所示，本实施方式所涉及的马达120包括本发明所涉及的压电驱动装置(在图示的例子中为压电驱动装置100)、以及通过压电驱动装置100旋转的转子4。转子4的材质例如是陶瓷。在图示的例子中，转子4的形状是圆柱状。
压电驱动装置100例如具有以下的特征。
在压电驱动装置100中，接触部20未被转子4按压时的端部12a与前端20a之间的距离LX0、和接触部20被转子4按压时的端部12a与前端20a之间的距离LX1之差δx小于振动体部12被驱动的情况下的长边方向的全振幅X0。因此，在压电驱动装置100中，在振动体部12的(压电驱动装置100的)驱动中，接触部20能够反复进行与转子4的接触以及分离。结果，在压电驱动装置100中，能够实现输出特性的稳定化。
例如，若为差δx是全振幅X0以上的情况，则在振动体部12的驱动中，接触部20总是与转子4接触，存在无法使转子4旋转的情况。因此，存在输出特性变得不稳定的情况。
在压电驱动装置100中，满足式子(1)。由此，在压电驱动装置100中，能够使差δx小于全振幅X0(详细内容参照后述的“3.实验例”)。
在压电驱动装置100中，满足式子(2)。由此，在压电驱动装置100中，能够使差δx小于全振幅X0(详细内容参照后述的“3.实验例”)。例如在压电驱动装置100中，能够通过基于式子(2)调整粘合剂部24的长度La，使差δx小于全振幅X0。
在此，由于压电驱动装置100例如用于小型的机器人，所以对于压电驱动装置100也要求小型化并且输出特性稳定的装置。因此，存在无法增大全振幅X0、长度Ws、Ls、Ts的情况。并且，前端部22为了确保耐久性，除了大小以外还限定了材质。并且，粘合剂部24为了确保前端部22与振动体部12的粘合性，限定了材质。即，全振幅X0、长度Ws、Ts、Ls、以及杨氏模量Es、Ea的参数能够变更的范围较窄(自由度较低)。因此，存在变更这些参数来实现使差δx小于全振幅X0较难的情况。因此，存在如上述那样基于式子(2)调整粘合剂部24的长度La来使差δx小于全振幅X0有效的情况。
在压电驱动装置100中，满足式子(3)。因此，在压电驱动装置100中，能够在振动体部12被驱动的情况下的长边方向的全振幅X0的上半部(转子4侧的一半)中，使接触部20与转子4接触，在全振幅X0的下半部(与转子4相反的一侧的一半)中，使接触部20从转子4分离(详细内容参照后述的“3.实验例”)。由此，在压电驱动装置100中，接触部20能够将振动体部12的动作高效地传递至转子4。此外，差δx也可以是全振幅X0的一半以下。
2.压电驱动装置的制造方法
接下来，参照附图对本实施方式所涉及的压电驱动装置的制造方法进行说明。
如图1以及图2所示，在基板10的振动体部12上形成第一电极32。第一电极32例如通过利用溅射法、CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)法、真空蒸镀法等进行的成膜、以及图案化(通过光刻以及蚀刻进行的图案化)而形成。
接下来，在第一电极32上形成压电体层34。压电体层34例如在反复进行了利用液相法的前驱体层的形成和该前驱体层的结晶化之后，进行图案化而形成。所谓液相法是使用包括薄膜(压电体层)的构成材料的原料液而使薄膜材料成膜的方法，具体而言，是溶胶-凝胶法、MOD(Metal Organic Deposition：有机金属沉积)法等。结晶化在氧气氛中例如通过700℃～800℃的热处理来进行。
接下来，在压电体层34处形成第二电极36。第二电极36例如由与第一电极32相同的方法形成。此外，虽然未图示，但第二电极36的图案化和压电体层34的图案化也可以作为同一工序来进行。
通过以上的工序，能够在基板10的振动体部12上形成压电元件30。
接下来，经由粘合剂部24使前端部22与振动体部12的端部12a粘合。由此，能够在端部12a设置接触部20。
通过以上的工序，能够制造压电驱动装置100。
3.实验例
以下示出实验例并更具体地对本发明进行说明。此外，本发明并不被以下的实验例以任何的方式限定。
3.1.式子(1)的计算
如图4所示，若将用力(按压力)F0将转子压到接触部的情况下的接触部的变形量设为δx，则接触部的长边方向的弹簧常数K为下述式子(4)，且能够展开式子(4)得到下述式子(5)。
K＝F0/δx···(4)
δx＝F0/K···(5)
另一方面，变形与振动体部的全振幅X0相同的量(长度)的情况下的接触部的长边方向的弹簧常数K0为下述式子(6)，能够展开式子(6)得到下述式子(7)。
K0＝F0/X0···(6)
X0＝F0/K0···(7)
为了使变形量δx小于全振幅X0，则会成立δx＜X0，因此通过式子(5)以及式子(7)得到下述式子(8)，并且，能够展开式子(8)得到下述式子(9)。而且，能够通过式子(6)以及式子(9)得到式子(1)。
F0/K＜F0/K0···(8)
K＞K0···(9)
K＞F0/X0···(1)
3.2.式子(2)的计算
接触部的前端部的弹簧常数Ks为下述式子(10)。另外，接触部的粘合剂部的弹簧常数Ka为下述式子(11)。
Ks＝Es×(Ws×Ts)/Ls···(10)
Ka＝Es×(Ws×Ts)/La···(11)
如果满足下述式子(12)，则接触部20能够在振动体部12的驱动中反复进行与转子4的接触以及分离。
1/((1/Ka)+(1/Ks))＞F0/X0···(12)
能够展开式子(12)得到下述式子(13)以及式子(14)，能够通过式子(10)、式子(11)、以及式子(14)得到下述式子(15)。而且，能够展开式子(15)得到式子(2)。
1/Ka+1/Ks＜X0/F0···(13)
1/Ka＜X0/F0－1/Ks···(14)
La/(Ea×Ws×Ts)＜X0/F0－Ls/(Es×Ws×Ts)···(15)
La＜(X0/F0)×Ea×Ws×Ts－(Ls×Ea)/Es···(2)
例如在使用氧化铝作为前端部，且使用3M公司制的弹性粘合剂590作为粘合剂层，并如以下那样设定各参数的情况下，通过式子(2)得到La＜1.5×10－6m。
F0＝0.4N
X0＝5×10－7m
Es＝3.7×1011Pa
Ws＝2×10－4m
Ls＝1×10－4m
Ts＝2×10－4m
Ea＝3×107Pa
并且，作为下述式子(16)，能够通过进行与上述相同的计算来得到上述式子(3)。式子(16)是接触部变形相当于全振幅X0的一半的量(长度)的条件。因此，通过满足式子(3)，能够在全振幅X0的一半中，使接触部与转子接触，在全振幅X0的另一半中，使接触部从转子4分离。
δx＝(1/2)×X0···(16)
La＜(1/2)×(X0/F0)×Ea×Ws×Ts－(1/2)×(Ls×Ea)/Es···(3)
4.压电驱动装置的变形例
接下来，参照附图对本实施方式的变形例所涉及的压电驱动装置进行说明。图8是示意性地表示本实施方式的变形例所涉及的压电驱动装置200的俯视图。以下，在本实施方式的变形例所涉及的压电驱动装置200中，对具有与本实施方式所涉及的压电驱动装置100的构成部件相同的功能的部件标注相同的附图标记，并省略其详细的说明。
在上述的压电驱动装置100中，如图3所示，粘合剂部24仅设置于前端部22与振动体部12之间。与此相对，在压电驱动装置200中，如图8所示，粘合剂部24还设置于前端部22侧。
在压电驱动装置200中，能够与压电驱动装置100相同地实现输出特性的稳定化。并且，在压电驱动装置200中，与粘合剂部24仅设置于前端部22与振动体部12之间的情况相比，能够增大前端部22与振动体部12的粘合强度。
此外，压电驱动装置200也能够应用“3.实验例”中的计算。该情况下，前端部22与粘合剂部24的接触面23为不是前端部22的侧面的面(在图示的例子中是与端部12a平行的面)。
(第二实施方式)
5.压电驱动装置
图9是示意性地表示本实施方式所涉及的压电驱动装置300的接触部20附近的立体图。
本实施方式的压电驱动装置300在振动体部12的端部12a形成向接触部20的前端部22侧突出的突出部12b这一点上与第一实施方式不同。以下，对与第一实施方式相同的构成部件标注相同附图标记，并在在此省略或者简化它们的说明。
如图9所示，本实施方式的压电驱动装置300与第一实施方式相同地包括基板10、接触部20、以及压电元件30。
接触部20设置于振动体部12的长边方向(以下，也简称为“长边方向”)上的端部12a。长边方向是与振动体部12的弯曲方向正交的方向。在图9所示的例子中，振动体部12在端部12a处具有向接触部20的前端部22侧突出的突出部12b。接触部20例如与突出部12b嵌合而设置。在图示的例子中，突出部12b与前端部22分离。此外，为了方便，在图1以及图7中，省略突出部12b的图示。
接触部20具有前端20a，接触部20是在前端20a处与被驱动部件(图7所示的转子4)接触，并将振动体部12的动作传递至被驱动部件的部件。转子4的形状例如是圆柱状、球状。
在图9所示的例子中，将接触部20的前端部22以及粘合剂部24的与长边方向正交的宽度方向的长度设为Ws，将前端部22以及粘合剂部24的与长边方向以及宽度方向正交的方向的长度设为Ts，将前端部22的长边方向的长度设为Ls，将粘合剂部24的长边方向的长度设为La。
长度Ws例如是0.1mm以上0.5mm以下。长度Ts例如是0.1mm以上0.5mm以下。长度Ls例如是0.1mm以上0.5mm以下。长度La例如是0.5μm以上15μm以下。更具体而言，Ws＝0.2mm，Ts＝0.2mm，Ls＝0.1mm，La＝3μm。
图10是用于更详细地说明压电驱动装置300的振动体部12的动作的图。如图10所示，振动体部12从状态(A)到状态(F)依次变形，并再次返回到状态(A)。在压电驱动装置300进行驱动的期间(对压电元件30施加着电压的期间)反复进行该动作。此外，在图10中，由虚线表示的长方形示出压电驱动装置300未驱动的状态下的振动体部12(具体而言，为了方便，未设置有突出部12b的振动体部12)。
在图10中，由z示出振动体部12的与接触部20的边界部(例如突出部12b)描绘的椭圆。突出部12b顺时针旋转。转子4逆时针旋转。转子4的旋转速度大致恒定。转子4表面的移动速度与突出部12b的弯曲方向速度的平均(压电驱动装置300被驱动从而接触部20的前端20a与转子4接触的期间的平均)大致相同。
状态(A)是振动体部12在纵方向(长边方向)最收缩的状态，接触部20和转子4分离。在状态(A)中，突出部12b的向第一方向(朝向图10的左侧的方向)的移动速度最大(在压电驱动装置300进行驱动的期间内最大)。
经过状态(B)后在状态(C)中，接触部20与转子4接触。在状态(C)中，在图示的例子中，接触部20的前端20a整个面与转子4接触。在状态(C)中，突出部12b向第二方向(朝向图10的右侧的方向)移动。但是，由于突出部12b的移动速度小于转子4的旋转速度，所以粘合剂部24发生变形，突出部12b成为比前端部22慢的状态。粘合剂部24例如具有比前端部22的杨氏模量小的杨氏模量。
在状态(D)中，振动体部12是在纵方向最伸展的状态，突出部12b的向第二方向的移动速度最大。因此，在状态(E)中，粘合剂部24变形，突出部12b成为比前端部22快的状态。在状态(E)中，接触部20的前端20a整个面与转子4接触。
然后，在状态(F)中，接触部20与转子4分离，再次返回到状态(A)。
在此，在压电驱动装置300中，若将接触部20的弯曲方向上的弹簧常数设为KT，将接触部20的弯曲方向上的最大位移量设为XTmax，将接触部20与转子4之间的静摩擦力设为FS，则满足下述式子(17)。
KT×XTmax＜FS···(17)
因此，在压电驱动装置300中，在状态(C)～状态(E)中，接触部20能够不滑动地与转子4接触。状态(C)以及状态(E)中的前端部22速度与转子4的速度之差例如能够通过粘合剂部24的变形(弹性变形)吸收。
此外，接触部20的弯曲方向上的最大位移量XTmax是指以振动体部12不在弯曲方向变形的状态为基准(例如状态(D))的弯曲方向(第一方向、第二方向)上的突出部12b的位移量。具体而言，最大位移量XTmax是突出部12b所描绘的椭圆z的弯曲方向成分的长度的一半。在图示的例子中，最大位移量XTmax与长轴的长度的一半相同。
压电驱动装置300例如具有以下的特征。
在压电驱动装置300中，满足式子(17)。因此，接触部20能够不滑动地与转子4接触。由此，在压电驱动装置300中，能够抑制接触部20的磨损。结果，在压电驱动装置300中，能够实现接触部20的长寿命化。例如，在接触部较大的情况下，即使接触部稍稍磨损，压电驱动装置的特性也没有较大的变化，但本实施方式所涉及的压电驱动装置300的接触部20例如为Ws＝0.2mm、Ts＝0.2mm、Ls＝0.1mm、La＝3μm这样的小型，存在接触部20稍稍磨损就导致压电驱动装置300的特性变化的情况。因此，在小型的接触部20中，抑制磨损变得重要。
并且，在压电驱动装置300中，接触部20不相对于转子4滑动，因此能够不减少由于振动体部12的变形而产生的恢复力就高效地将该恢复力传递至转子4。并且，在压电驱动装置300中，接触部20的与转子4接触的部分在状态(C)～状态(E)中不相对于转子4产生位移，所以能够减小转子4的旋转速度、转矩的变动，从而能够稳定地驱动。
在压电驱动装置300中，例如，能够在突出部12b所描绘的椭圆z的上半部侧(转子4侧的一半侧)中，使接触部20与转子4接触，在椭圆z的下半部侧(与转子4相反的一侧的一半侧)中，使接触部20与转子分离。由此，压电驱动装置300能够将由于振动体部12的变形所产生的恢复力高效地传递至转子4。
6.压电驱动装置的变形例
6.1.第一变形例
接下来，参照附图对本实施方式的第一变形例所涉及的压电驱动装置进行说明。图11是示意性地表示本实施方式的第一变形例所涉及的压电驱动装置400的俯视图。
以下，在本实施方式的第一变形例所涉及的压电驱动装置400中，对具有与本实施方式所涉及的压电驱动装置300的构成部件相同的功能的部件标注相同的附图标记，并省略其详细的说明。该情况在以下所示的本实施方式的第二变形例所涉及的压电驱动装置中也相同。
在上述的压电驱动装置300中，如图9所示，在振动体部12的端部12a设置有突出部12b。与此相对，在压电驱动装置400中，如图11所示，端部12a未设置有突出部12b。
在压电驱动装置400中，能够与压电驱动装置300相同地抑制接触部20的磨损。
此外，在图11所示的例子中，前端部22的形状是长方体，但前端部22的形状可以像图12所示的那样是半球状，也可以像图13所示的那样是球状。在图13所示的例子中，在振动体部12的端部12a设置有切口13，切口13中填充有粘合剂部24。
6.2.第二变形例
接下来，参照附图对本实施方式的第二变形例所涉及的压电驱动装置进行说明。图14是示意性地表示本实施方式的第二变形例所涉及的压电驱动装置500的俯视图。
在上述的压电驱动装置300中，如图9所示，振动体部12在端部12a具有突出部12b，突出部12b与前端部22分离。与此相对，如图14所示，在压电驱动装置500中，振动体部12具有向前端部22侧突出且与前端部22接触的突出部12b。突出部12b设置于端部12a的短边方向上的中央部。在与长边方向以及宽度方向正交的方向的长度上，突出部12b和粘合剂部24是相同的长度。在图14所示的例子中，将突出部12b的宽度方向的长度设为Wt。长度Wt例如是1μm以上50μm以下，更具体而言是20μm。
在压电驱动装置500中，能够与压电驱动装置300相同地抑制接触部20的磨损。并且，在压电驱动装置500中，能够通过突出部12b独立地调整接触部20的长边方向的弹簧常数和接触部20的弯曲方向的弹簧常数(详细内容参照后述的“7.实验例”)。
此外，如图15所示，也可以是振动体部12不具有突出部12b，而前端部22具有向振动体部12侧突出且与振动体部12接触的突出部12b。
7.实验例
以下示出实验例并更具体地对本发明进行说明。此外，本发明并不被以下的实验例以任何的方式限定。
7.1.有关弹簧常数的计算
将接触部与转子之间的静摩擦系数设为μs，将接触部与转子之间的静摩擦力设为FS，将接触部的弯曲方向上的最大位移量设为XTmax，将向纵向按压(按压)接触部的前端的按压力设为FPr，将接触部的弯曲方向的弹簧常数设为KT。即使是接触部最大地位移时也不相对于转子滑动的条件为下述式子(18)。因此，在静摩擦系数μs＝0.5、最大位移量XTmax＝1μm、按压力FPr＝0.5N的情况下，如果满足下述式子(19)，则即使在接触部向弯曲方向最大地位移时接触部也不相对于转子滑动。
FS＝μs×FPr＞KT×XTmax···(18)
KT＜(μs×FPr)/XTmax＝2.5×105N/m···(19)
7.2.有关弹簧常数的模拟
7.2.1.如图11所示的模型中的模拟
将如上述的图11所示的接触部作为模型，通过利用有限元法的模拟求出了对接触部的前端在长边方向施加了1N时的接触部的变形量。然后，根据求出的变形量计算出弹簧常数。作为接触部的前端部，假定了氧化铝。各尺寸以及杨氏模量如下所述。
前端部的杨氏模量：3.7×1011N/m2
前端部以及粘合剂部的长度Ws：200μm
前端部以及粘合剂部的长度Ts：200μm
前端部的长度Ls：100μm
粘合剂部的杨氏模量：3×107N/m2
粘合剂部的长度La：3μm
下述表1示出利用模拟求出的位移量与弹簧常数的关系。通过表1可知，在上述那样的条件中，能够使弯曲方向的弹簧常数小于通过上述的“7.1.”的计算求出的2.5×105N/m。
【表1】
7.2.2.如图14所示的模型中的模拟
接下来，将如上述的图14所示的接触部作为模型，进行了与上述的“7.2.1.”相同的模拟。除了下述所示的条件以外，以与上述的“7.2.1.”相同的条件进行了模拟。作为振动体部，假定了硅。
粘合剂部的长度La：10μm
振动体部的(突出部的)杨氏模量：1.59×1011N/m2
突出部的长度Wt：20μm
下述表2示出利用模拟求出的位移量与弹簧常数的关系。通过表2可知，能够使弯曲方向的弹簧常数小于2.5×105N/m，并且使长边方向的弹簧常数成为与图11所示的模型不同的值。即，可知通过设置突出部，能够独立地调整接触部的长边方向的弹簧常数和弯曲方向的弹簧常数。
【表2】
8.使用了压电驱动装置的装置
本发明所涉及的压电驱动装置能够通过利用共振而对于被驱动体施加较大的力，能够应用于各种装置。本发明所涉及的压电驱动装置例如能够作为机器人(也包括电子部件搬运装置(IC处理器))、给药用泵、时钟的日历供给装置、打印装置的送纸机构等各种设备中的驱动装置使用。以下，对具有代表性的实施方式进行说明。以下，作为本发明所涉及的压电驱动装置，对包括压电驱动装置100(300)的装置进行说明。
8.1.机器人
图16是用于说明利用了压电驱动装置100(300)的机器人2050的图。机器人2050具有臂2010(也称为“臂部”)，该臂2010具备多根连杆部2012(也称为“连杆部件”)和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。
各个关节部2020内置有压电驱动装置100(300)，能够使用压电驱动装置100(300)来使关节部2020转动或者弯曲任意的角度。在臂2010的前端连接有机器手2000。机器手2000具备一对把持部2003。在机器手2000也内置有压电驱动装置100(300)，能够使用压电驱动装置100(300)开闭把持部2003来把持物件。另外，在机器手2000与臂2010之间也设置有压电驱动装置100(300)，也能够使用压电驱动装置100(300)使机器手2000相对于臂2010旋转。
图17是用于说明图16所示的机器人2050的手腕部分的图。手腕的关节部2020夹持手腕转动部2022，在手腕转动部2022以能够绕手腕转动部2022的中心轴O转动的方式安装有手腕的连杆部2012。手腕转动部2022具备压电驱动装置100(300)，压电驱动装置100(300)使手腕的连杆部2012以及机器手2000绕中心轴O转动。在机器手2000竖立设置有多个把持部2003。把持部2003的基端部能够在机器手2000内移动，在该把持部2003的根部分搭载有压电驱动装置100(300)。因此，能够通过使压电驱动装置100(300)工作，使把持部2003移动从而把持对象物。此外，作为机器人，并不局限于单臂的机器人，也能够将压电驱动装置100(300)应用于臂的数量是2以上的多臂机器人。
在此，在手腕的关节部2020的内部、机器手2000的内部除了压电驱动装置100(300)以外，还包含有对力传感器、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的内部、机器手2000的内部配置布线非常困难。然而，压电驱动装置100(300)与通常的电动马达相比能够减小驱动电流，因此即使是关节部2020(尤其臂2010的前端的关节部)、机器手2000这样的较小的空间中也能够配置布线。
8.2.泵
图18是用于说明表示利用了压电驱动装置100(300)的送液泵2200的一个例子的图。送液泵2200在壳体2230内包括贮液器2211、管2212、压电驱动装置100(300)、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。
贮液器2211是用于收容作为输送对象的液体的收容部。管2212是用于输送从贮液器2211送出的液体的管。压电驱动装置100(300)的接触部20以按压在转子2222的侧面的状态设置，压电驱动装置100(300)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是用于使管2212封闭(闭锁)的部件。若凸轮2202旋转，则通过凸轮2202的突起部2202A，指状物2213～2219依次向放射方向外侧按压。指状物2213～2219从输送方向上游侧(贮液器2211侧)依次封闭管2212。由此，管2212内的液体依次输送至下游侧。这样一来，能够高精度地输送极少的量，并且能够实现小型的送液泵2200。
此外，各部件的配置并不局限于图示的配置。另外，也可以不具备指状物等部件，而是由设置于转子2222的球等封闭管2212的构成。上述那样的送液泵2200能够应用于将胰岛素等药液注射至人体的给药装置等。在此，通过使用压电驱动装置100(300)，能够使驱动电流比通常的电动马达小，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。
本发明也可以在具有本申请所记载的特征、效果的范围内省略一部分的构成，或者组合各实施方式、变形例。
本发明包括与实施方式中说明的构成实际相同的构成(例如，功能、方法、以及结果相同的构成，或者目的以及效果相同的构成)。另外，本发明包括置换了不是实施方式中说明的构成的本质的部分的构成。另外，本发明包括能够起到与实施方式中说明的构成相同的作用效果的构成或者达成相同的目的的构成。另外，本发明包括对实施方式中说明的构成附加了公知技术的构成。
附图标记说明
4…转子(被驱动体)；4a…中心；10…基板；12…振动体部；12a…端部；12b…突出部；13…切口；14…固定部；16…第一连接部；18…第二连接部；20…接触部；20a…前端；22…前端部；23…接触面；24…粘合剂部；30、30a、30b、30c、30d、30e…压电元件；32…第一电极；34…压电体层；36…第二电极；100…压电驱动装置；110…驱动电路；120…马达；200、300、400、500…压电驱动装置；2000…机器手；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…贮液器；2212…管；2213、2214、2215、2216、2217、2218、2219…指状物；2222…转子；2223…减速传递机构；2230…壳体。

Claims (6)

1.一种压电驱动装置，其特征在于，包括：
基板，其具有固定部以及振动体部，该振动体部设置有压电元件且被所述固定部支承；以及
接触部，其与被驱动体接触，并将所述振动体部的动作传递至所述被驱动体，
所述接触部设置于所述振动体部的长边方向上的端部，
所述接触部未被所述被驱动体按压时的所述端部与所述接触部的前端之间的距离、和所述接触部被所述被驱动体按压时的所述端部与所述前端之间的距离之差小于所述振动体部被驱动的情况下的所述长边方向的全振幅。
2.根据权利要求1所述的压电驱动装置，其特征在于，
若将所述全振幅设为X0，将所述被驱动体朝向所述接触部的按压力设为F0，则所述接触部的所述长边方向上的弹簧常数K满足下述关系：
K＞F0/X0。
3.根据权利要求2所述的压电驱动装置，其特征在于，
所述接触部具有构成所述前端的前端部以及设置于所述前端部与所述振动体部之间的粘合剂部，
若将所述前端部的所述长边方向的长度设为Ls，将所述前端部与所述粘合剂部的接触面的与所述长边方向正交的宽度方向的长度设为Ws，将所述接触面的与所述长边方向以及所述宽度方向正交的方向的长度设为Ts，将所述前端部的杨氏模量设为Es，将所述粘合剂部的杨氏模量设为Ea，则所述粘合剂部的所述长边方向的长度La满足下述关系：
La＜(X0/F0)×Ea×Ws×Ts－(Ls×Ea)/Es。
4.一种马达，其特征在于，包括：
权利要求1～3中的任一项所述的压电驱动装置；以及
通过所述压电驱动装置旋转的转子。
5.一种机器人，其特征在于，包括：
多个连杆部；
关节部，其连接所述多个连杆部；以及
权利要求1～3中的任一项所述的压电驱动装置，其使所述多个连杆部在所述关节部转动。
6.一种泵，其特征在于，包括：
权利要求1～3中的任一项所述的压电驱动装置；
管，其输送液体；以及
多个指状物，其通过所述压电驱动装置的驱动来封闭所述管。
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