JP2004297921A

JP2004297921A - 電気機械変換素子を用いた駆動装置

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Publication number: JP2004297921A
Application number: JP2003087847A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Araya; 聡新家; Koji Katsuragi; 廣治葛城
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】駆動摩擦部材と係合部材との間の固着の問題を簡単な構成で解消することができる駆動装置を提供する。
【解決手段】電圧が印加されると伸縮する電気機械変換素子１５と、前記電気機械変換素子１５の伸縮方向一端に固定された高分子材料を含む駆動摩擦部材１７と、前記駆動摩擦部材に摩擦力で係合する係合部材１１とを備え、前記電気機械変換素子を伸縮させることで、前記駆動摩擦部材と前記係合部材とを相対移動させる駆動装置である。当該駆動装置に用いられている前記駆動摩擦部材１７は、繊維束を高分子材料３１でバインディングした構成を有しており、前記係合部材１１の接触面に前記高分子材料３１が接触しないように、高分子材料３１を除去している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動装置に関し、詳しくは、圧電素子などの電気機械変換素子を用いた駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電素子の伸縮を利用し、移動体を移動させる駆動装置が存在している。図４に圧電素子を固定したタイプの圧電素子を用いたリニア型の駆動装置の例を示す。図４に示した駆動装置は、圧電素子１５の伸縮方向一端がフレーム１６の固定壁２１に固定され、他端に駆動摩擦部材１７が固定される。駆動摩擦部材１７には、係合部材１１が摩擦係合されており、係合部材１１は、駆動摩擦部材１７に沿って移動することができる。係合部材１１はスライダー１４と、駆動摩擦部材１７との摩擦を起こさせる摩擦部材１３と、摩擦部材１３をスライダー１４に押し付ける板バネ１２とから構成される。駆動摩擦部材１７は、その軸方向に移動することができるように、フレーム１６に設けられた小孔１８，１９に挿入され支持される。
【０００３】
図５に図４の駆動装置の駆動原理を示す。この駆動装置１０の圧電素子１５に、例えば、図１（ｂ）に示すような緩やかな立ち上がり（Ａ−Ｂ間）と急激な立下り部分（Ｂ−Ｃ間）を有する鋸歯状波形の駆動電圧を印加すると、まず、図５（ａ２）に示すように、圧電素子１５が緩やかにその厚み方向に伸び変位し、圧電素子に固定されている駆動摩擦部材１７が操出方向に移動する。これに伴って、駆動摩擦部材１７に摩擦結合した係合部材１１は駆動摩擦部材１７とともに移動する。
【０００４】
一方、駆動パルスの急激な立下り部分（Ｂ−Ｃ間）では、圧電素子１５は急速に厚み方向に縮み変位し、圧電素子に結合する駆動摩擦部材１７も急速に戻り方向へ変位する。このとき、図５（ａ３）に示すように、係合部材１１は駆動摩擦部材１７との摩擦に打ち勝って実質的にその位置に留まり移動しない。結果として、（ａ１）に示す初期状態よりも伸びと縮みとの移動量の差分だけ係合部材１１が右方向へ移動する。
【０００５】
このような摩擦を介して駆動力を発生する駆動装置の駆動摩擦部材は、高い縦弾性率と軽さが求められ、通常カーボン繊維を樹脂分でバインディングしたカーボンロッドが用いられている。この駆動摩擦部材を、特に高温環境下に長期間放置すると、駆動摩擦部材と係合部材との接触部分が固着する現象が発生する。この固着の問題を解決するために、種々の技術が開示されている。
【０００６】
例えば、特開平１０−１９１６６４号公報（特許文献１）には、固着現象が湿度変動に起因して発生することから、ケーシング内に吸湿手段を設けて湿気による影響を受けないようにして固着現象を防止しようとする回転型の駆動装置が開示されている。しかし、この吸湿手段を設けると駆動装置のコストアップ及び大型化につながるという問題がある。また吸湿手段を所定期間ごとに交換する必要があり、管理作業に手間を要する。
【０００７】
また、特開平１１−３１８０９１号公報（特許文献２）には、振動体及び接触体が所定位置関係にあるときに、これら振動体及び接触体の圧接力を振動体及び接触体の圧接力を、振動体及び接触体が所定位置関係以外の位置関係にあるときの圧接力よりも小さくしたり解除したりすることにより、固着現象の発生を回避あるいは軽減することができる回転型の駆動装置が開示されている。
【０００８】
しかし、この駆動装置は、接触体が所定の角度に位置したときに、振動体に対して移動体を持ち上げる方向に板バネを用いて接触体を付勢することにより圧接力を軽減するものである。この装置は、振動体に接触する回転型の駆動装置独自の構成を利用したものであるので、圧接力を軽減するための機構を別途設ける必要があり構成が複雑になる。また、駆動摩擦部材に所定の圧力で摩擦係合している係合部材を駆動摩擦部材に沿って移動させるリニア型の駆動装置には直接用いることができない。
【０００９】
さらに、特開平９−１９１６６６号公報（特許文献３）には、固着の原因が、Ｓｉ含有物が固定子と回転子との間の物理的吸着を助長する原因であるとし、両者の摺動面を研磨してＳｉ含有物の発生を排除することにより、固着を防止する方法が開示されている。しかし、この装置は、上記リニア型の駆動装置に用いられるカーボンロッド製の駆動摩擦部材には、Ｓｉ系含有物は含まれておらず、この技術により固着を防止することは困難であった。また、駆動摩擦装置を旋造、研削などの一般的な方法で製造すると、カーボン軸の表面には、カーボン繊維と樹脂成分が同一面に露出する。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１０−１９１６６４号公報
【特許文献２】
特開平１１−３１８０９１号公報
【特許文献３】
特開平９−１９１６６６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、駆動摩擦部材と係合部材との間の固着の問題を簡単な構成で解消することができる駆動装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の駆動装置を提供する。
【００１３】
駆動装置は、電圧が印加されると伸縮する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の伸縮方向一端に固定された高分子材料を含む駆動摩擦部材と、前記駆動摩擦部材に摩擦力で係合する係合部材とを備え、前記電気機械変換素子を伸縮させることで、前記駆動摩擦部材と前記係合部材とを相対移動させるものである。そして、当該駆動摩擦部材は、前記係合部材の接触面に前記高分子材料が接触しないように構成されている。
【００１４】
上記構成において、本出願人は、係合部材と駆動摩擦部材との間の固着の問題は、係合部材に押圧され、高圧に晒された駆動摩擦部材の樹脂分が変質変形し、一時的に摩擦係数が上昇することが、その原因であるということを見出し、上記構成にかかる発明に至ったものである。
【００１５】
したがって、上記構成において、駆動摩擦部材は、固着の原因である高分子材料が係合部材の接触面と接触しないように構成することにより、駆動摩擦部材と係合部材との間の固着を生じさせないようにしたものである。すなわち、駆動摩擦部材に含まれる高分子成分が、係合部材と係合する表面に露出しないように駆動摩擦部材を構成する。本構成において高分子材料とは、主に有機高分子材料をいい、具体的には、駆動摩擦部材を構成するバインダや、有機高分子系のグリスなどの潤滑材などが該当する。
【００１６】
本発明の駆動摩擦部材は、具体的には以下のように種々の態様で構成することができる。
【００１７】
好ましくは、前記駆動摩擦部材は、繊維束を高分子材料で固着した複合材料で構成されており、前記係合部材が接する表面に前記繊維束が露出するように構成されている。
【００１８】
上記構成において、駆動摩擦部材の表面に繊維束が露出するように構成することにより、係合部材の接触面に前記高分子材料が接触しないようにすることができる。繊維としては、上記の駆動摩擦部材として必要な特性を確保する目的から引っ張り弾性率が５０ＭＰａ以上１０００ＧＰａ以下のものを用いることが好ましい。
【００１９】
駆動摩擦部材の係合部材が接する表面に繊維束を露出させるためには、例えば、繊維束をバインディングしている高分子材料の表面を微細な砥粒を含んだ研磨剤などを用いて繊維束の方向に磨いて高分子材料を除去する等の方法が挙げられる。
【００２０】
また、高分子材料は、前記繊維の平均直径をＤとした場合、前記駆動摩擦部材の前記係合部材と接触する表面から０．５Ｄ未満の深さにおける前記繊維に対する前記高分子材料の体積比率をＶ、０．５Ｄ以上の深さにおける前記繊維に対する前記高分子材料の体積比率をＶ’とすると、Ｖ／Ｖ’で表される値が０．４以下となる程度に表面から除去されることが好ましい。高分子材料を除去して繊維束を露出させる場合において、高分子材料の除去の程度は、上記構成程度であれば、十分に固着の発生を予防することができる。
【００２１】
上記構成によれば、固着防止の原因と考えられる高分子材料をその係合部材と接触することを防止することができ、固着の発生を防止することができる。
【００２２】
好ましくは、前記駆動摩擦部材は、前記係合部材と接触する表面に、非有機系材料による皮膜が形成されている。
【００２３】
上記構成において、非有機系材料としては、ダイヤモンドライクカーボンや金属材料などを例示できる。これらの非有機系材料の皮膜を表面に付すことによって、高分子材料と係合部材とが接触しないようにし、駆動摩擦部材と係合部材との間の固着を防止することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態に係る駆動装置について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１は、本発明にかかる第１実施形態の駆動装置の駆動摩擦部材の拡大断面図である。本実施形態の駆動装置は、図４に示すような従来の駆動装置と基本的構造を共通にするものである。すなわち、圧電素子に駆動パルスを印加することにより、圧電素子を伸縮させ、当該圧電素子に固定されている駆動摩擦部材１７を振動させることによって、当該駆動摩擦部材に摩擦係合している係合部材を駆動摩擦部材に沿って移動させる。
【００２６】
駆動摩擦部材１７は、上述したように、高い縦弾性率と軽さが求められ、図１（ｂ）に示すように、カーボン繊維３２を樹脂３１でバインディングした円筒形のカーボンロッドが用いられている。カーボン繊維の直径Ｄは約５μｍ程度であり、駆動摩擦部材の軸方向に配向されている。樹脂３１は、カーボン繊維を束ねるバインダーであり、例えば、ポリスチレンやアクリルなどの高分子材料が使用されている。
【００２７】
本実施形態にかかる駆動摩擦部材の表面は、図１（ａ）に示すように、バインダー成分除去前の表面３０には、カーボン繊維３２のみが露出するような構成を有している。
【００２８】
バインダー成分である樹脂の除去深さについては、カーボン繊維の径より深くすると、駆動摩擦部材の表面からカーボン繊維が脱落し、浅すぎると、長期間動作後カーボン繊維が磨耗した場合、樹脂分が摩擦面に露出することとなる。このため、カーボン繊維３２の径をＤとした場合、除去深さは、概ね０．１Ｄ以上０．６Ｄ以下となるようにすることが適当である。
【００２９】
あるいは、駆動摩擦部材のカーボン繊維と樹脂分との比率は一般的に６：４から７：３程度であるが、駆動摩擦部材１７の表面３０からカーボン繊維系Ｄの半分程度の深さにおけるカーボン繊維と樹脂分との比率を１０：０〜８：２となる程度の深さに樹脂分を除去すると、駆動摩擦部材と係合部材との間の固着防止に十分な効果を発揮する。具体的には、バインダー成分を除去する深さとして概ね２μｍ程度であれば十分であり、カーボン繊維３２の径に応じてその深さは適宜調整することができる。
【００３０】
図１（ａ）に示す本発明にかかる駆動装置の駆動摩擦部材１７は、図１（ｂ）に示す駆動摩擦部材１７ｘから製造される。駆動摩擦部材１７ｘは、従来から使用されているカーボン繊維とバインダー成分とから構成される駆動摩擦部材とほとんど共通した構成の部材である。図１（ａ）に示す本実施形態にかかる駆動摩擦部材１７は、従来の製造方法で作成された図１（ｂ）に示す処理前の駆動摩擦部材１７ｘの表面３０ｘから選択的にバインダー成分を除去する工程を加えることによって製造される。
【００３１】
バインダー成分を除去する方法としては、微細な砥粒を含んだ研磨剤で駆動摩擦部材の軸方向に研磨する。砥粒の種類は、炭化珪素やアルミナなど、一般的なものでよく、砥粒径は、駆動摩擦部材に含まれるカーボン繊維の平均径の約３０％以下であることが望ましい。したがって、駆動摩擦部材１７ｘは、研磨する分だけ、駆動摩擦部材１７として所望する径よりもわずかにその径が大きく構成されていることが好ましい。
【００３２】
また、バインダー成分を除去する他の方法としては、エキシマレーザーを使用して除去することができる。エネルギー密度１０^４〜１０^６Ｗ／ｃｍ^２のエキシマレーザーを駆動摩擦部材の表面に照射することで、樹脂成分を選択的に除去することができる。
【００３３】
その他の方法としては、樹脂は退行するがカーボン繊維には影響を与えない温度でアニール処理を行う方法や、ＴＨＸ、ヘキサン等の有機溶剤によって樹脂成分を溶出させる方法などによっても同様にバインダー成分を除去することができる。
【００３４】
図２に本発明にかかる第２実施形態の駆動装置の駆動摩擦部材の拡大断面図である。本実施形態にかかる駆動装置の駆動摩擦部材１７ｂは図１（ｂ）に示すカーボン繊維３２を樹脂３１でバインディングしたカーボンロッドの表面に、コート皮膜３３を付したような構成である。
【００３５】
図２においては、説明のためにコート皮膜３３の厚みを拡大して図示している。コート皮膜の材料となるコート材は、非有機系材料で構成されており、当該コート皮膜によって係合部材と駆動摩擦部材に用いられているバインダー成分とが接触しなくなるため、樹脂駆動摩擦部材と係合部材間との固着を防止する。
【００３６】
コート皮膜としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜を約０．１μｍの厚みで形成している。また、コート材としては、窒化アルミニウムのほか、ニッケル、タングステンカーバイト、アルミニウムなどの金属系材料や、ダイヤモンドライクカーボン等の無機系材料等も好適に用いることができる。
【００３７】
また、コート皮膜としてアルミニウムなどの金属材料を使用した場合は、金属で構成されている係合部材との接触によって駆動摩擦部材の表面の磨耗が激しいので、潤滑剤としてグリスを介在させることが望ましい。この場合も上述のように高分子成分が高温高湿環境で変質し、固着の原因となるため、グリスの増ちょう剤成分としては、高分子材料の含有率が１０Ｗｔ％以下のものを用いることが望ましい。不適なグリスの例としては、フッ素系、シリコン系、ウレア系等が挙げられる。好適なグリスの増ちょう剤成分としては、モリブデン系、リチウム系、カルシウム系などが挙げられる。
【００３８】
（実施例）
図１（ａ）に示した第１実施形態にかかる駆動摩擦部材を製造し、駆動摩擦部材と係合部材との最低起動電圧を測定し、固着の状態を検討した。一般的に、固着現象が発生して静止摩擦力が上昇すると、駆動装置の最低起動電圧が上昇することからこれを測定することにより固着状態の程度を確認することができる。具体的には、図１（ａ）にかかる駆動摩擦部材（実施例）と従来の駆動摩擦部材（比較例）をそれぞれ用いて駆動装置を作成し、係合部材と駆動摩擦部材との押しつけ圧などの諸条件を同一として、初期状態の最低起動電圧を測定した。その後、温度５０℃湿度９０％の高温高湿環境に１０００時間放置した後の最低起動電圧を同様に測定した。放置前後における最低起動電圧の変化を図３のグラフに示す。
【００３９】
図３に示すように、駆動摩擦部材の表面の高分子材料を除去し、カーボン繊維を表面に露出した場合は、放置前後において最低起動電圧にほとんど変化が見られなかった。よって、本実施形態にかかる駆動摩擦部材を用いた場合は、放置による固着現象を原因とする静止摩擦力の上昇を抑えることができることが判明した。これにより、固着は、駆動摩擦部材の表面に露出した樹脂成分の係合部材との金属間で発生していると考えられることから、駆動摩擦部材の表面から樹脂成分を取り除くことで係合部材と樹脂成分とが接触しなくなり、固着現象を回避することができる。
【００４０】
また、同様にカーボンロッドの表面に窒化アルミニウム膜を約０．１μｍの厚さで形成した第２実施形態にかかる駆動摩擦部材を作成し、この駆動摩擦部材を用いた駆動装置について、同様に最低起動電圧を測定したところ、同様の効果が得られた。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態にかかる駆動装置は、駆動摩擦部材の表面に高分子系材料が露出しないような処理を行うことにより、駆動摩擦部材と係合部材との間の固着の問題を簡単な構成で解消することができる。
【００４２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【００４３】
例えば、上記実施形態においては、駆動摩擦部材の表面に金属材料が露出している場合のみに高分子材料の含有率が１０Ｗｔ％以下のグリスを用いているが、表面にカーボン繊維が露出している第１実施形態にかかる駆動摩擦部材１７や、コート皮膜として、例えば、無機系材料を用いた駆動摩擦部材１７ｂなどにおいても上記の高分子材料の含有率が１０Ｗｔ％以下のグリスを使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる駆動装置に使用される第１実施形態の駆動摩擦部材の断面図である。（ａ）は、処理後の構成を示し、（ｂ）は処理前の構成を示す。
【図２】本発明にかかる駆動装置に使用される第２実施形態の駆動摩擦部材の断面図である。
【図３】第１実施形態の駆動摩擦部材を用いた駆動装置と従来の駆動装置との固着の状態を示すグラフである。
【図４】従来の圧電素子を固定したタイプの圧電素子を用いたリニア型の駆動装置の一例を示す図である。
【図５】図４の駆動装置の駆動原理を示す図であり、（ａ）は駆動装置の動きを説明する図であり、（ｂ）は圧電素子に印加される駆動パルスの波形の例である。
【符号の説明】
１０駆動装置
１７駆動摩擦部材
３０表面
３１樹脂バインダー
３２カーボン繊維
３３コート皮膜

Claims

電圧が印加されると伸縮する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の伸縮方向一端に固定された高分子材料を含む駆動摩擦部材と、前記駆動摩擦部材に摩擦力で係合する係合部材とを備え、前記電気機械変換素子を伸縮させることで、前記駆動摩擦部材と前記係合部材とを相対移動させる駆動装置であって、
前記駆動摩擦部材は、前記係合部材の接触面に前記高分子材料が接触しないように構成されていることを特徴とする駆動装置。
前記駆動摩擦部材は、繊維束を高分子材料で固着した複合材料で構成されており、前記係合部材が接する表面に前記繊維束が露出するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の駆動装置。
前記繊維の平均直径をＤとした場合、前記駆動摩擦部材の前記係合部材と接触する表面から０．５Ｄ未満の深さにおける前記繊維に対する前記高分子材料の体積比率をＶ、０．５Ｄ以上の深さにおける前記繊維に対する前記高分子材料の体積比率をＶ’とすると、Ｖ／Ｖ’で表される値が０．４以下となることを特徴とする、請求項２に記載の駆動装置。
前記駆動摩擦部材は、前記係合部材と接触する表面に、非有機系材料による皮膜が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の駆動装置。