JP2007028775A - 電気機械変換素子を用いた駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 往復駆動を繰り返していくにつれて生じる係合部材の経時的な移動速度の低下を概ねなくすとともに、低温環境下においても係合部材の移動速度の上限値の低下を概ねなくすことができる。
【解決手段】 電気機械変換素子１５と、前記電気機械変換素子の伸縮方向一端に固定された駆動摩擦部材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１５に電圧を印加して伸縮させることで、前記駆動摩擦部材１７と前記係合部材１１とを相対移動させる駆動装置であって、前記電気機械変換素子１５に周波数１０kHｚ以上３００kHｚ以下の電圧を印加し、前記駆動摩擦部材１５と前記係合部材１１の係合部分に、基油動粘度が０℃において３００ｍｍ^２／ｓ以下であるグリースを塗布する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、例えば、携帯電話用などのカメラ光学系のレンズ駆動や精密ステージの駆動に用いられる駆動装置に関し、さらに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。

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６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６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に固定されるとともに、他端には棒状の駆動摩擦部材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の固定壁２２、２３に設けられた小孔１８，１９に挿入され支持される。

図７に図６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７（ｂ）に示すような緩やかな立ち上がり部分（Ａ−Ｂ間）と急激な立下り部分（Ｂ−Ｃ間）とを有する鋸歯状波形の駆動電圧を印加すると、まず、図７（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１５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に摩擦係合した係合部材１１は駆動摩擦部材１７とともに移動する。

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１５に摩擦係合されている駆動摩擦部材１７も急速に戻り方向へ変位する。このとき、図７（ａ３）に示すように、係合部材１１は、慣性力により駆動摩擦部材１７との摩擦力に打ち勝って、実質的にその位置に留まり移動しない。結果として、図７（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。

このような摩擦を介して駆動力を発生する駆動装置においては、往復駆動を繰り返していくにつれて、駆動摩擦部材１７と係合部材１１との摩擦係合部が摩耗し係合力が弱くなる結果、係合部材１１の移動速度が徐々に低下するという問題がある。例えば、一般的な駆動装置においては、１万回往復駆動後には係合部材１１の顕著な速度低下がみられる。

上記問題を解決する方法として、グリースを駆動摩擦部材１７及び／又は係合部材１１の摩擦係合部分に塗布し、摩擦係合部の摩耗を防止することが行われている。この方法によれば、グリースが係合部材１１の往復駆動の繰り返しによる摩擦係合部の経時的な摩耗を低減させるので、例えば、１００万回往復駆動後においても、係合部材１１の経時的な移動速度の低下を概ねなくすことができる。
特開平８−７０５８６号公報

しかしながら、グリースは精製鉱油等の基油に金属石鹸等の増ちょう剤を分散させて半固体状にしたもので粘性を有するものであるから、元来係合部材の運動を阻害する場合がある。例えば、周波数１０kHｚ以上の駆動信号により駆動するいわゆる超音波モータにおいては、係合部材１１の移動速度の上限値（最高速度）がグリースを塗布しないときと比べて顕著に低下するという問題があった。特に低温環境下における移動速度の低下は顕著である。これは、係合部分に存在するグリースにより振動伝達が吸収されて伝達効率が低下することが原因であると考えられる。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、往復駆動を繰り返していくにつれて生じる係合部材の経時的な移動速度の低下を概ねなくすとともに、低温環境下においても係合部材の移動速度の上限値の低下を概ねなくすことができる駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成される。

本発明の一つの観点による駆動装置は、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駆動摩擦部材と、前記駆動摩擦部材に摩擦係合する係合部材とを備え、前記電気機械変換素子に周波数１０kHｚ以上の駆動信号を印加して伸縮させることで、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、
前記駆動摩擦部材と前記係合部材の係合部分に、基油動粘度が０℃において３００ｍｍ^２／ｓ以下であるグリースが塗布されていることを特徴とする。

上記のような駆動装置は、設計上、０℃から６０℃の温度環境下でも顕著な性能劣化を生じないことが望まれている。一般的に用いられるグリースは、４０℃環境下における基油動粘度で性能評価されており、これらは、０℃環境下において基油動粘度が３,０００ｍｍ^２／ｓ〜３０,０００ｍｍ^２／ｓである。この発明によれば、グリースの基油動粘度を０℃において３００ｍｍ^２／ｓ以下と、大幅に低くすることにより、往復駆動を繰り返していくにつれて生じる係合部材の経時的な移動速度の低下を概ねなくすとともに、低温環境下においても係合部材の移動速度の上限値の低下を概ねなくすことができる。

本発明の他の観点による駆動装置は、前記グリースの基油動粘度は、６０℃において１０ｍｍ^２／ｓ以上であることを特徴とする。

係合部材と駆動摩擦部材との摩擦係合部の近傍にレンズなどの光学部品を固定する場合には、基油動粘度を低くし過ぎると、基油の発散やにじみ出しが生ずる恐れがある。この発明によれば、グリースの基油動粘度を６０℃において１０ｍｍ^２／ｓ以上とすることにより、基油のにじみ出しを防ぎ、基油の発散の可能性を低減することができる。

本発明の別の観点による駆動装置は、前記グリースが、フッ素オイルを主成分とする基油と、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とする増ちょう剤とを含むフッ素グリースであることを特徴とする。

この発明によれば、グリースの中でも耐摩耗性に優れたフッ素グリースを用いることで、往復駆動を繰り返していくにつれて生じる係合部材の経時的な移動速度の低下を概ねなくすことができる。

本発明によれば、基油動粘度が０℃において３００ｍｍ^２／ｓ以下であるグリースを係合部材と駆動摩擦部材との係合部分に設けることにより、往復駆動を繰り返していくにつれて生じる係合部分の摩耗を抑え、係合部材の経時的な移動速度の低下を概ねなくすとともに、低温環境下においても係合部材の移動速度の上限値の低下を抑えることができる。また、グリースの基油動粘度を６０℃において１０ｍｍ^２／ｓ以上とすることにより、基油のにじみ出しを防ぎ、基油の発散の可能性を低減することができる。さらに、グリースにフッ素グリースを用いることにより、往復駆動を繰り返していくにつれて生じる係合部材の経時的な移動速度の低下を概ねなくすことができる。

以下、本発明の実施形態に係る駆動装置を、図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例に係る駆動装置の基本的な構成は、図６及び図７を用いて説明した駆動装置と略同一であるので、重複する説明は省略する。本実施例の駆動装置は、電気機械変換素子である圧電素子に１０kHｚ以上の駆動周波数を印加することによって駆動するいわゆる超音波モータであり、係合部材１１と駆動摩擦部材１７との間の摩擦係合部に塗布するグリースを特定の基油動粘度のものを用いている。なお、本実施形態にかかる駆動装置は、駆動摩擦部材として、カーボンファイバを樹脂で固着させたものを用いている。

駆動摩擦部材１７及び係合部材１１に塗布されるグリースは、基油に耐熱性（２５０℃以下）、参加安定性、対樹脂特性、耐摩耗性、潤滑性にすぐれたフッ素オイルを用い、不混和ちょう度３００程度の硬さのものが好適に用いられる。不混和ちょう度は、増ちょう剤の種類及び配合量によって調整することができる。具体的には、本実施形態においては、増ちょう剤として、主成分がポリテトラフルオロエチレンの微粒子を用いることが好ましい。また、増ちょう剤の配合比率は、概ね２０〜４０重量％、特に好ましくは３３重量％である。

（実施例）
本発明者は、低温環境下において係合部材１１の移動速度の上限値が顕著に低下する原因が、グリースの基油動粘度にあると考えて、これを解決すべく以下に説明する種々の測定を行った。

図１は、圧電素子を用いた駆動装置の駆動摩擦部材及び係合部材におけるグリースＡ〜Ｆを塗布したもの及びグリースを塗布しなかったものについて、２５℃（常温）環境下における係合部材１１の速度を相対的に示すグラフである。グリースＡ〜Ｆは、それぞれ基油の種類を変えて、基油（ベースオイル）の動粘度を異ならせている。

各グリースＡ〜Ｆの０℃、２５℃、４０℃、１００℃環境下における各基油動粘度は、表１に示すとおりである。なお、表１のグリースＡ〜Ｆの０℃、２５℃及び６０℃における基油動粘度は、４０℃及び１００℃における基油動粘度を測定し、この測定値をもとにJIS-K2283に規定された方法により算出したものである。なお、グリースの基油動粘度の測定には、Lauda社の自動動粘度測定システムＰＶＳ１を使用している。

図１より、係合部材１１と駆動摩擦部材１７との間の摩擦係合部に塗布するグリースＡ〜Ｆ、つまり基油動粘度の違いによって、係合部材１１の移動速度の上限値が変化することがわかる。すなわち、常温においては、グリースＡ〜Ｃまでは最高速度の低下があまりみられない一方、２５℃での基油動粘度が１０６５ｍｍ^２／ｓであるグリースＦでは、顕著な速度低下がみられた。

図２は、２５℃環境下における係合部材１１の移動速度と基油動粘度との関係を示すグラフである。図２より、係合部材１１の移動速度は、基油動粘度が１５０ｍｍ^２／ｓ（２５℃）以下であれば、係合部材１１の移動速度の上限値はそれほど低下していないことがわかる。

一般にグリースの基油動粘度は、４０℃又は１００℃における値を示すものと認知されている。また、表１からも明らかなように、グリースは、一般に温度が下がると基油動粘度が高くなる。しかしながら、表１において、グリースＣとグリースＤの基油動粘度が４０℃環境下においてほぼ同様の値であるのに対して、０℃環境下において顕著な差があることからわかるように、グリースの温度変化による基油動粘度の変化の割合は、グリースの基油成分、つまりの基油の種類により異なる。したがって、０℃から６０℃の温度環境下でも顕著な係合部材１１の移動速度の低下を生じないようにするためには、４０℃における基油動粘度ではなく、０℃における基油動粘度が重要であると考えられる。

図３は、圧電素子を用いた駆動装置の駆動摩擦部材及び係合部材にグリースＡ〜Ｆを塗布したもの及びグリースを塗布しなかったものについて、０℃環境下における係合部材１１の速度を相対的に示すグラフである。図３より、グリースＡあるいはグリースＢを塗布した場合では、係合部材１１の移動速度の低下は概ね同程度であるが、グリースＣ、グリースＤ、グリースＥを塗布した場合には、係合部材１１の移動速度の低下はより顕著になっていくことがわかる。また、グリースＦを塗布した場合においては、係合部材１１の移動速度は０となり、０℃環境下では動かないことがわかる。すなわち、グリースＣ，Ｄを塗布した駆動装置では、温度が低くなるにつれて、係合部材１１の移動速度の上限値の低下が顕著になっていき、例えば、２５℃（常温）環境下での係合部材１１の移動速度に対し、０℃環境下での係合部材１１の移動速度は、グリースを塗布しないものと比較して５割以上低下するなど顕著な速度低下がみられる。

図４は、０℃環境下における係合部材１１の移動速度と基油動粘度との関係を示すグラフである。図４より、係合部材１１の移動速度は、グリースＡ、Ｂを塗布した場合においては、ほとんど変化がないが、グリースＣ〜Ｅを塗布した場合は、顕著に低下していることがわかる。つまり、基油動粘度が０℃において２６６ｍｍ^２／ｓ〜４１７ｍｍ^２／ｓの範囲内において、係合部材１１の移動速度が顕著に低下していくポイントが存在するものと考えられる。

係合部材１１の移動速度の低下を抑えるためには、基油動粘度は低いほどよいと考えられるが、図４より、概ね０℃において３００ｍｍ^２／ｓ程度であれば、０℃から６０℃の温度環境下でも顕著な係合部材１１の移動速度の低下を生じないようにすることができるものと考察される。

図５は、０℃環境下における基油動粘度が３００ｍｍ^２／ｓ以下（２６６ｍｍ^２／ｓ）であるグリースＢを摩擦係合部に塗布した場合における駆動装置の往復駆動回数と係合部材１１の移動速度との関係を示すグラフである。図５により、グリースＢを用いた場合、１００万回往復駆動後においても、係合部材の経時的な顕著な速度低下が見られないことがわかる。

なお、本実施例のグリースには、基油の主成分としてフッ素オイルを用い、増ちょう剤の主成分としてポリテトラフルオロエチレンを用いたフッ素グリースを使用することが好ましい。フッ素グリースは、グリースの中でも耐久性に優れているので、より係合部材１１の速度低下をなくすことができる。

一方、係合部材１１と駆動摩擦部材１７との摩擦係合部の近傍にレンズなどの光学部品を固定する場合には、基油動粘度が低く過ぎると、基油の拡散やにじみ出しが生ずるおそれがある。この観点においては、基油動粘度はできるだけ高い方が好ましい。

そこで、０℃から６０℃の温度環境下で使用する場合に最も基油動粘度が低くなる６０℃環境下で、基油動粘度が異なるグリースを５００時間放置する実験を行った。その結果、基油動粘度が１０ｍｍ^２／ｓ未満のグリースではにじみ出しが確認され、１０ｍｍ^２／ｓ以上のグリースではにじみ出しは確認されなかった。６０℃での基油動粘度が１０ｍｍ^２／ｓ以上であれば、にじみ出しを防止することができると考えられる。なお、６０℃での基油動粘度が１０ｍｍ^２／ｓの値は、粘度指数の一般的な値が３００以下であることから、前記JIS-K2283に規定された方法を用いて４０℃での基油動粘度に換算すると、４０℃環境下における基油動粘度が１５ｍｍ^２／ｓということとなる。

以上のように、本実施形態によれば、従来４０℃において評価されていたグリースの基油動粘度について、電気機械変換素子を用いた駆動装置に用いられる場合については、０℃での値が重要なパラメータであることを見いだし、具体的な数値として０℃での動粘度が３００ｍｍ^２／ｓ以下であれば、顕著な係合部材の速度低下を防止することができる。

したがって、本実施例によれば、０℃における基油動粘度が３００ｍｍ^２／ｓ以下のグリースを用いることによって、往復駆動を繰り返していくにつれて生じる係合部材の経時的な移動速度の低下を概ねなくすとともに、低温環境下（０℃）においても係合部材の移動速度の上限値の低下を抑えることができる。また、グリースの基油動粘度を６０℃において１０ｍｍ^２／ｓ以上とすることにより、基油のにじみ出しを防ぎ、基油の発散の可能性を抑えることができる。さらに、グリースにフッ素グリースを用いることにより、往復駆動を繰り返していくにつれて生じる係合部材の経時的な移動速度の低下を概ねなくすことができる。

２５℃環境下における係合部材の移動速度を相対的に示すグラフである。 ２５℃環境下における係合部材の移動速度と基油動粘度との関係を示すグラフである。 ０℃環境下における係合部材の移動速度を相対的に示すグラフである。 ０℃環境下における係合部材の移動速度と基油動粘度との関係を示すグラフである。 係合部材の移動速度と駆動動作回数との関係を示すグラフである。 駆動装置を示す分解斜視図及び組立図である。 図６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、（ｂ）は圧電素子に印加される駆動パルスの波形図である。

符号の説明

１１ 係合部材
１２ 板バネ
１３ 摩擦部材
１４ スライダー
１５ 圧電素子
１６ フレーム
１７ 駆動摩擦部材
２１、２２、２３ 固定壁

Claims (4)

1. 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駆動摩擦部材と、前記駆動摩擦部材に摩擦係合する係合部材とを備え、前記電気機械変換素子に周波数１０kHｚ以上の駆動信号を印加して伸縮させることで、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、
   前記駆動摩擦部材と前記係合部材の係合部分に、基油動粘度が０℃において３００ｍｍ^２／ｓ以下であるグリースが塗布されていることを特徴とする駆動装置。
2. 前記グリースの基油動粘度は、６０℃において１０ｍｍ^２／ｓ以上であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記グリースは、フッ素オイルを主成分とする基油と、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とする増ちょう剤とを含むフッ素グリースであることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
4. 前記グリースは、前記増ちょう剤を２０〜４０重量％含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の駆動装置。
   

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