JP2006005998A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】磨耗や騒音を低減して製品の長寿命化を図れるとともに、駆動条件の変化にかかわらず安定した駆動性能を得ることができるリニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】リニアアクチュエータ１０は、圧電素子１４と、圧電素子１４の振動を伝達するロッド１６と、ロッド１６と摩擦接合し、ロッド１６と相対移動するスライダ２４およびキャップ２６とを備え、スライダ２４およびキャップ２６において、最大高さＲｚ＞１μｍで、かつ、負荷曲線の高さの中点での負荷長さ率が３０％より大きい表面粗さであることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばカメラの手ぶれ補正機構やオートフォーカス機構等の駆動部として用いられるリニアアクチュエータに関する。

従来、下記特許文献１には、駆動力を出力する出力部とその駆動力によって移動する被駆動体との接触部に凹凸を設けることで、両者の接触状態を安定にして動力伝達効率を高めるとともに、磨耗粉の溜まりを防止することができるようにした超音波リニアモータが開示されている。

特開平９−２４７９６４号公報

しかしながら、駆動力を出力する部材とその駆動力を受けて移動する部材との接触状態をより具体的に規定しないと、最適な駆動ができないだけでなく、逆に焼き付きなどにより両部材間に固着が発生しやすくなる場合がある。

そこで、本発明は、アクチュエータ駆動時の磨耗や騒音を低減して製品の長寿命化を図れるとともに、駆動条件の変化にかかわらず安定した駆動性能を得ることができるリニアアクチュエータを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明のリニアアクチュエータは、圧電素子と、前記圧電素子の振動を伝達する伝達部材と、前記伝達部材と摩擦接合し、前記伝達部材と相対移動する移動部材とを備え、
前記伝達部材および前記移動部材の少なくとも１つにおいて、最大高さＲｚ＞１μｍで、かつ、負荷曲線の高さの中点での負荷長さ率が３０％より大きい表面粗さであることを特徴とするものである。

本発明のリニアアクチュエータでは、前記伝達部材がロッドからなり、前記移動部材が前記ロッドを挟持するように構成されたスライダおよびキャップであってもよい。

また、本発明のリニアアクチュエータでは、前記伝達部材と前記移動部材との接合面に潤滑剤が塗布されてもよい。

さらに、本発明のリニアアクチュエータでは、前記ロッドがカーボン製であってもよいし、前記スライダおよびキャップが金属製であってもよい。

本発明のリニアアクチュエータによれば、伝達部材と移動部材との摩擦接合部の接触状態を表面粗さに関する最適な具体的条件で規定することで、アクチュエータ駆動時の磨耗や騒音を低減して製品の長寿命化を図れるとともに、駆動条件の変化にかかわらず安定した駆動性能を得ることができる。

以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるリニアアクチュエータ１０の全体斜視図である。リニアアクチュエータ１０は、直方体状の錘１２と、この錘１２に一端が接着連結された円柱状の圧電素子１４と、この圧電素子１４の他端に接着連結された円柱状のロッド（伝達部材）１６とを含む。

錘１２は、図示しないベース部材上に立設した２つの錘支持腕１８に、弾性接着剤２０によって接着固定されている。

圧電素子１４は、例えばＰＺＴからなり、電圧が印加されることによって軸方向に伸縮するようになっている。

ロッド１６は、例えばカーボン製のものであり、前記ベース部材上に立設した２つのロッド支持板２２にそれぞれ形成された貫通穴を貫通して延在しており、この状態でロッド１６はロッド支持板２２に対して摺動可能に嵌合している。

２つのロッド支持板２２の間において、ロッド１６は、リニアアクチュエータ１０によって駆動される移動主負荷であるスライダ（移動部材）２４と、キャップ（移動部材）２６とによって挟持されている。その挟持力は、スライダ２４とキャップ２６との間にロッド１６を挟んで両側に掛けられた２つのスプリング２８によって発生する。これにより、スライダ２４およびキャップ２６は、ロッド１６に対して摩擦接合されている。

ロッド１６との径方向位置がずれないように、スライダ２４のロッド当接部にはＶ字溝２５が形成されており、キャップ２６は側面がＶ字状をなすように折り曲げられている。また、ロッド１６とスライダ２４およびキャップ２６との間には、潤滑剤である例えばグリスが塗布されている。

スライダ２４およびキャップ２６は、例えば金属製のものである。より具体的には、スライダ２４は、ロッド１６に対する移動時の負荷を軽減するためにアルマイト処理を施したアルミニウムからなり、キャップ２６はステンレス板からなる。

スプリング２８のばね力は、ロッド１６に対するスライダ２４およびキャップ２６の負荷と、スライダ２４等の移動速度と、スライダ２４等とロッド１６との摩擦係数とに基づいて決定されるが、スライダ２４およびキャップ２６とロッド１６との接触部における抗力は磨耗を考慮して所定範囲内（例えば５Ｎ以下）になるように調整されている。

ロッド１６に接触するスライダ２４およびキャップ２６の各表面は、最大高さＲｚ＞１μｍで、かつ、負荷曲線の高さの中点での負荷長さ率が３０％より大きい表面粗さになるように形成されている。ここで、「最大高さＲｚ」は、粗さ曲線における最も高い山頂部の高さのことである。また、「負荷長さ率」とは、図２に示すように、粗さ曲線から、その平均線の方向に評価長さｌだけ抜き取り、この抜き取り部分の粗さ曲線を山頂線に平行な切断レベルで切断したときに得られる切断長さの和の評価長さに対する比を百分率で表したものである。さらに、「負荷曲線」は、負荷長さ率を横軸にとるとともに、粗さ曲線の山頂部から最深部までの高さの百分率を縦軸にとってその関係を表したものであり、「高さの中点」とは５０％の高さ位置を意味する。

ここで、表面粗さの形状の具体例を図３に示す。図３（ａ）は、Ｒｚが１μｍで、負荷曲線の高さの中点での負荷長さ率が３０％の場合である。この場合には、表面の突起の山頂部が鋭角に尖っており、突起間の最深部が丸みを帯びた形状になっている。このような表面をもつ部材がロッド１６に対して移動しようとするときには、突起の山頂部がひっかかりとなって始動しづらいという現象が発生し易い。図３（ｂ）は、Ｒｚが２μｍで負荷曲線の高さの中点での負荷長さ率が５０％の場合である。この場合は、微小突起が三角形状をなし、各突起の間隔が比較的広くなっている。また、図３（ｃ）は、Ｒｚが３μｍで負荷曲線の高さの中点での負荷長さ率が７０％の場合である。この場合には、突起の山頂部が丸みを帯びていて、突起間の最深部が鋭角に切れ込んでいる。これら図３（ａ），（ｂ）の場合には、上述したような始動しづらいという現象は発生しない。

なお、本実施形態では、スライダ２４およびキャップ２６の表面粗さの条件を上記のように設定したが、ロッド１６の表面粗さも同様に設定してもよいし、ロッド１６の表面粗さだけを上記のように設定してもよい。

続いて、前記構成からなるアクチュエータ１０の動作について説明する。
駆動電圧が三角波の場合、駆動電圧が圧電素子１４に印加されると、駆動電圧の緩やかな立ち上がり部で圧電素子１４が比較的ゆっくりと伸びて、駆動電圧の急激な立下り部で圧電素子１４が急速に縮む。このような伸縮が繰り返されて、その振動がロッド１６に伝達される。一方、駆動電圧が矩形波の場合には、電圧の周波数（フーリエ展開成分）がアクチュエータ１０の振動特性に応じて位相がずれることによって、ロッド１６の伸縮速度が変化する。

圧電素子１４が伸びるときにロッド１６も共に移動し、これに伴ってスライダ２４およびキャップ２６も移動する。一方、圧電素子１４が急速に縮むときには、ロッド１６もまた急速に移動する。このとき、スライダ２４およびキャップ２６の慣性力が静止摩擦力に打ち勝つことにより、スライダ２４およびキャップ２６がロッド１６に対して滑ってその位置にとどまる。このようなロッド１６の伸縮による位置移動が繰り返されることにより、スライダ２４およびキャップ２６がロッド１６に対して相対移動する。

一方、圧電素子１４が急速な縮みと比較的緩やかな伸びを繰り返すと、上述したのとは逆の動作でスライダ２４およびキャップ２６がロッド１６に対して逆方向に相対移動する。

駆動電圧をリニアアクチュエータ１０の共振周波数の５０〜７０％程度の周波数にすると、圧電素子１４は共振周波数に近い周波数であるために通常の駆動電圧以上に伸縮し、これによりスライダ２４およびキャップ２６が移動する。このときの移動速度を一定にする場合には関係ないが、サーボ機器などで必要となる速度制御は方式によって異なる。矩形波駆動電圧の場合は固定電圧でデューティを３０〜５０％にしたり、固定デューティ（３０％程度）で電圧を変化させたりして速度を制御する。一方、三角波駆動電圧の場合は電圧変化速度を制御したり、電圧自体を変化させたりして速度を制御する。いずれの制御においても、ロッド１６の伸び縮みの速度差を利用してスライダ２４およびキャップ２６をロッド１６に対して相対移動させる。

このようなリニアアクチュエータ１０において問題となる現象は、始動しづらい現象と、焼き付きに似た現象と、磨耗である。実験したところ、始動しづらい現象は表面粗さが粗い（突起が疎でざらざらした）状態で発生し易かった。具体的には、Ｒｚ＞１μｍで、かつ、負荷曲線の高さの中点での負荷長さ率が３０％以下の場合であった。この始動しづらい現象は、鋭角に尖った山頂部をもつ突起がひっかかりとなるために発生するものと考えられる。この場合には、矩形波駆動でデューティ５０％近傍において高周波の騒音が発生した。また、制御された駆動条件によってはスライダ２４が動かない場合も発生した。さらに、スライダ２４の磨耗も激しく、サーボ動作の追従性が早期に悪くなった。なお、図４は、高さの中点での負荷長さ率が３０％以下となる負荷曲線の例を示す。

一方、焼き付きに似た現象は、Ｒｚ≦１μｍで負荷曲線の高さの中点での負荷長さ率が５０％以上の場合に発生し易かった。これは、スライダ２４およびキャップ２６の各表面が完全な平面状態に近いものになることで、ロッド１６との間で油膜切れが生じることが原因と考えられる。この場合には、しばらく駆動している間にスライダ２４の速度が低下した。また、環境温度と制限された駆動条件によっては、スライダ２４が動かなくなる場合もあった。

これに対し、ロッド１６に接触するスライダ２４およびキャップ２６の各表面について表面粗さがＲｚ＞１μｍで、かつ、負荷曲線の高さの中点での負荷長さ率が３０％より大きくなるように形成されている本実施形態のリニアアクチュエータ１０では、上記のような始動しづらい現象、焼き付きに似た現象および磨耗といった不都合を実用上問題のない程度に低減できることが確認できた。なお、図５は、ヘアライン処理した金属表面の負荷曲線の例を示す。この負荷曲線では、高さの中点での負荷長さ率が５０％となるため、ヘアライン処理はスライダ２４およびキャップ２６の表面処理に好適に用いることが可能である。また、図６は、上述した不都合な現象を低減するのに理想的な逆Ｓ字状の負荷曲線を示し、この場合の負荷曲線の高さの中点での負荷長さ率は約５０％である。

このように、本実施形態のリニアアクチュエータ１０によれば、ロッド１６とスライダ２４およびキャップ２６との摩擦接合部の接触状態を表面粗さに関する最適な具体的条件で規定することで、アクチュエータ駆動時の磨耗や騒音を低減して製品の長寿命化を図れるとともに、駆動条件の変化にかかわらず安定した駆動性能を得ることができる。

本発明にかかるリニアアクチュエータは、カメラに限らず、種々の技術分野において利用可能である。

リニアアクチュエータの全体斜視図。 粗さ曲線と負荷曲線を示す図。 表面粗さの具体例を示す図。 始動しづらい現象が発生し易い負荷曲線を示す図。 ヘアライン処理した金属表面の負荷曲線を示す図。 理想的な負荷曲線を示す図。

符号の説明

１０…リニアアクチュエータ
１２…錘
１４…圧電素子
１６…ロッド（伝達部材）
１８…錘支持腕
２０…弾性接着剤
２２…ロッド支持板
２４…スライダ（移動部材）
２６…キャップ（移動部材）
２８…スプリング

Claims (5)

1. 圧電素子と、
   前記圧電素子の振動を伝達する伝達部材と、
   前記伝達部材と摩擦接合し、前記伝達部材と相対移動する移動部材とを備え、
   前記伝達部材および前記移動部材の少なくとも１つにおいて、最大高さＲｚ＞１μｍで、かつ、負荷曲線の高さの中点での負荷長さ率が３０％より大きい表面粗さであることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記伝達部材はロッドからなり、前記移動部材は前記ロッドを挟持するように構成されたスライダおよびキャップであることを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
3. 前記伝達部材と前記移動部材との接合面には潤滑剤が塗布されていることを特徴とする請求項１または２に記載のリニアアクチュエータ。
4. 前記ロッドはカーボン製であることを特徴とする請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記スライダおよびキャップは金属製であることを特徴とする請求項２に記載のリニアアクチュエータ。

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