JP5028905B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動装置、特に、電気機械変換素子を用いた駆動装置に関する。

錘などの固定体に圧電素子などの電気機械変換素子の一端を接着剤で固定し、電気機械変換素子の他端に駆動軸の一端を接着剤で固定し、駆動軸に移動体を摩擦係合させてなる駆動装置が公知である。また、固定端に駆動軸の一端を固定し、駆動軸の他端に電気機械変換素子を接着剤で固定し、駆動軸に移動体を摩擦係合させてなる駆動装置も公知である。このような駆動装置において、電気機械変換素子の電極に非対称な変動電圧を印加すると、電気機械変換素子が伸長方向と収縮方向とで異なる速度（加速度）で振動し、駆動軸が軸方向に非対称に往復移動する。駆動軸に摩擦係合する移動体は、駆動軸が緩慢に移動すると摩擦係合したまま駆動軸とともに移動するが、駆動軸が急峻に移動すると自身の慣性力によってその場に留まろうとして駆動軸に対して滑り移動する。駆動装置は、このような動作を繰り返すことで、移動体を移動して位置決めする。

従来の駆動装置の製造工程において、固定体と電気機械変換素子との間、および、電気機械変換素子と駆動軸との間の接着剤の厚みは、塗布する接着剤の重量を一定にすることと、固定体と電気機械変換素子とを押圧する押し付け力、および、電気機械変換素子と駆動軸とを押圧する押し付け力の大きさを一定にすることとで、略一定になるように管理していた。

図５は、電気機械変換素子に一定量の接着剤を塗布して、駆動軸を接着剤の上から電気機械変換素子に押し付けた際の、押し付け力による接着層の厚みの変化を示す。実際の製造において、接着剤の塗布量と押し付け力とを厳密に管理することは困難であり、製品の接着層の厚みには大きなバラツキがあった。

電気機械変換素子を用いた駆動装置には、圧電素子と両電極とを積層した層の断面に、固定体や駆動軸を接着するタイプのものがある。このタイプの駆動装置において、特許文献１では、絶縁性の接着剤に粒子径５〜５０μｍのガラス粒子を混入することで、接着層の厚みを確保して、固定体や駆動軸によって両電極が短絡しないようにすることが記載されている。

図６は、接着剤に微粒子を混入したときの、押し付け力による接着層の厚みの変化を示す。図示するように、押し付け力を一定の大きさ（Ｆｓ）以上にすることで、接着層の厚みを混入した微粒子の直径（ｔｄ）に揃えることができる。

このように、接着剤に微粒子を混入することによって電気機械変換素子の短絡を防止できるようになったが、接着層の厚みを大きくすることによって電気機械変換素子の伸縮が接着層の弾性により吸収され、或いは、接着層の弾性が駆動軸への伝動に遅れを生じさせ、駆動効率が悪くなるという問題があった。
特開２００３−６９１００号公報

そこで、前記問題点に鑑みて、本発明は、電気機械変換素子を用いた、駆動効率の高い駆動装置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、本発明による駆動装置は、固定体に接着剤で一端を固定した電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の他端に接着剤で一端を固定した駆動軸と、前記駆動軸に摩擦係合する移動体とからなり、前記電気機械変換素子の前記固定体に対向する面および前記駆動軸に対向する面は、ＰＺＴ粒子が並んで構成されており、前記接着剤は、微粒子が混入されており、前記微粒子は、隣り合う前記ＰＺＴ粒子の間に形成される凹部に配置できるように前記ＰＺＴ粒子と同等以下の大きさであって、前記凹部の中に配置されたときに前記ＰＺＴ粒子よりも突出するような大きさを備え、前記ＰＺＴ粒子と前記固定体の両方、または、前記ＰＺＴ粒子と前記駆動軸の両方に接触することによって、前記ＰＺＴ粒子と前記固定体の間および前記ＰＺＴ粒子と前記駆動軸の間の接触を防止するように前記接着剤の層の厚みを定めるものとする。

この構成によれば、電気機械変換素子を構成するＰＺＴの粒子の隙間からなる表面の凹凸を接着剤で埋めるために必要な接着層の厚みを確保しつつ、接着層の弾性による駆動効率の低下が起きない程度に接着層を薄くすることができる。これによって、本発明の駆動装置は、電気機械変換素子の短絡がなく、駆動効率が高い。

また、本発明の駆動装置において、前記接着剤の厚みをｔ（μｍ）、前記接着剤の縦弾性係数をＥ（ＧＰａ）とすると０．４８≦Ｅ／ｔ≦８を満たしてもよい。

この構成によれば、現在、縦弾性係数が最も高い８ＧＰａ程度のエポキシ系接着剤を用いたとき、接着層の厚みを１μｍ以上にすることになり、接着剤の膜切れを防止して、電気機械変換素子と駆動軸との絶縁を保つことができる。

また、本発明の駆動装置において、前記ＰＺＴ粒子は、３μｍ以上、５μｍ以下の直径を有し、前記微粒子は、１μｍ以上、前記ＰＺＴ粒子の直径以下の直径を有するとよい。

この構成によれば、接着剤に混入した微粒子によって接着層の厚みを所望の厚みに形成することができる。直径が１μｍ以上の微粒子であれば、ＰＺＴの粒子の隙間に完全に埋没することなく、電気機械変換素子の表面に部分的に突出する。これによって、電気機械変換素子と駆動軸または固定体との間に接着剤の層を形成して、電気機械変換素子の両電極が短絡することを防止できる。

以上のように、本発明によれば、電気機械変換素子と駆動軸または固定体との間の接着層の厚みを最適化するので、駆動効率が高い。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の１つの実施形態である駆動装置１を示す。駆動装置１は、錘である固定体２と、固定体２に接着剤３で一端が固定された電気機械変換素子４と、電気機械変換素子４の他端に接着剤５で一端が固定された駆動軸６と、駆動軸に摩擦力によって係合している移動体７とからなる。電気機械変換素子４には、その２つの電極に変動電圧を印加するために、フレキシブル基板８が導電性接着剤９で接続されている。

電気機械変換素子４は、印加された電圧に応じて伸縮し、駆動軸６を軸方向に往復移動させる。駆動軸６の移動速度（加速度）は、電気機械変換素子４に印加される変動電圧の波形に応じて変化し、印加する変動電圧の波形を非対称にすることで、駆動軸６は、移動方向によって異なる速度で移動する。移動体７は、駆動軸６が緩慢に移動するときは、駆動軸６に摩擦係合したまま駆動軸６と共に移動するが、駆動軸６が急峻に移動するときは、自身の慣性によってその場に留まろうとして駆動軸６に対して滑り移動する。移動体７は、このような駆動軸６に対する係合移動と滑り移動とを繰り返すことで軸方向に移動させられる。

図２に、電気機械変換素子４と駆動軸６とを固定する接着剤５の接着層の詳細を示す。電気機械変換素子４は、直径約０．５μｍのＰＺＴの粉末を焼成して形成される直径約３〜５μｍのジャガイモのような形状の多数のＰＺＴ粒子４ａがびっしりと並んで構成されている。電気機械変換素子４は、駆動軸６との接合面に、ＰＺＴ粒子４ａの形状による微細な凹凸が形成される。

接着剤５は、例えば、絶縁性のエポキシ系接着剤が用いられ、例えば直径１μｍのジビニルベンゼン、アクリルなどの樹脂性の、または、シリカなどの無機系の絶縁性の微粒子１０が体積比で例えば１０％混入されている。ここで、接着剤５による接着層の厚みｔは、電気機械変換素子４の表面から駆動軸６の接合面までを言うものとする。

続いて、接着剤５に微粒子１０を混入したことによる作用を説明する。
製造工程において、接着剤５を塗布してから電気機械変換素子４と駆動軸６とを圧接すると、微粒子１０は、ＰＺＴ粒子４ａの隙間に入り込むことで、圧接力から逃れようとする。しかし、微粒子１０は、直径が１μｍ以上あれば、ＰＺＴ粒子４ａの隙間に完全に埋没することはなく、ＰＺＴ粒子４ａよりも突出することになる。このため、電気機械変換素子４と駆動軸６とを、いくら大きな力で押し付けても、図示するように、微粒子１０が電気機械変換素子４と駆動軸６との間の接着層の厚みｔを一定の値以上に保つスペーサとして作用する。これによって、各ＰＺＴ粒子４ａの表面を覆う接着層が途切れず電気機械変換素子４と駆動軸６とを堅固に固定できる。

また接着剤５による接着層が途切れないということは、電気機械変換素子４と駆動軸６とが電気的に絶縁されることを意味し、駆動軸が導電性であっても電気機械変換素子４の短絡を防止できるという効果がある。

さらに、接着剤５の接着層の厚みｔと移動体７の移動速度との関係を、接着剤５の縦弾性係数Ｅ＝２．４ＧＰａの場合を図３に、接着剤５の縦弾性係数Ｅ＝３．６ＧＰａの場合を図４に示す。図３（Ｅ＝２．４ＧＰａ）においては、接着層の厚みｔが約５μｍ以上で、急激に移動体７の移動速度が低下、つまり、電気機械変換素子４の伸縮を駆動軸６にリニアに伝達できなくなっていることが分かる。また、図４（Ｅ＝３．６ＧＰａ）においては、接着層の厚みｔが約７．５μｍ以上で、駆動軸６を効果的に駆動できなくなることが分かる。このような実験データを基に、本願の発明者らは、移動体７の移動速度、つまり、駆動装置１の駆動効率は、Ｅ／ｔ＜０．４８になると低下することを見出したのである。

また、接着剤５として適用できるエポキシ系の接着剤の中には、最大８ＧＰａの縦弾性係数を有するものがあること、および、接着層の厚みｔは、膜切れしない最低限度の１μ以上にすべきことを勘案すると、接着剤５は、８≧Ｅ／ｔ≧０．４８の条件を満たすことが望ましい。

この条件に従うと、例えば、接着剤５の縦弾性係数Ｅが２．４ＧＰａであれば、接着層の厚みｔは４０μｍ以下であればよい。しかし、接着層の厚みを４０μｍにするような大きな微粒子１０を混入して接着剤５の必要量を無用に増加させることは好ましくなく、微粒子１０の直径は大きくてもＰＺＴ粒子４ａと同程度、つまり、最大でも５μｍ程度にすることが好ましい。

また、電気機械変換素子４と固定体２との接着においても、接着層の厚みｔを適正化するために、接着剤３に微粒子１０を混入することが有効であることは言うまでもない。

本発明の実施形態の駆動装置の断面図。 図１の駆動装置の詳細部分断面図。 接着層の厚みと移動体の移動速度の関係を示すグラフ。 異なる接着剤を用いたときの接着層の厚みと移動体の移動速度の関係を示すグラフ。 押し付け力と接着層の厚みとの関係を示すグラフ。 接着剤に微粒子を混入したときの押し付け力と接着層の厚みとの関係を示すグラフ。

符号の説明

１ 駆動装置
２ 固定体
３ 接着剤
４ 電気機械変換素子
５ 接着剤
６ 駆動軸
７ 移動体
１０ 微粒子

Claims (4)

1. 固定体に接着剤で一端を固定した電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の他端に接着剤で一端を固定した駆動軸と、前記駆動軸に摩擦係合する移動体とからなり、
   前記電気機械変換素子の前記固定体に対向する面および前記駆動軸に対向する面は、ＰＺＴ粒子が並んで構成されており、
   前記接着剤は、微粒子が混入されており、
   前記微粒子は、隣り合う前記ＰＺＴ粒子の間に形成される凹部に配置できるように前記ＰＺＴ粒子と同等以下の大きさであって、前記凹部の中に配置されたときに前記ＰＺＴ粒子よりも突出するような大きさを備え、前記ＰＺＴ粒子と前記固定体の両方、または、前記ＰＺＴ粒子と前記駆動軸の両方に接触することによって、前記ＰＺＴ粒子と前記固定体の間および前記ＰＺＴ粒子と前記駆動軸の間の接触を防止するように前記接着剤の層の厚みを定めることを特徴とする駆動装置。
2. 前記ＰＺＴ粒子は、３μｍ以上、５μｍ以下の直径を有し、
   前記微粒子は、１μｍ以上、前記ＰＺＴ粒子の直径以下の直径を有することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記接着剤の厚みをｔ（μｍ）、前記接着剤の縦弾性係数をＥ（ＧＰａ）とすると、
   Ｅ／ｔ≧０．４８
   を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
4. さらに、Ｅ／ｔ≦８を満たすことを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。

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