WO2012169392A1 - アクチュエータ - Google Patents

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吉昭 野村
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株式会社村田製作所
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/005—Mechanical details, e.g. housings
    • H02N2/0065—Friction interface
    • H02N2/007—Materials
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
    • H02N2/025—Inertial sliding motors

Definitions

  • the present invention relates to an actuator.
  • Patent Document 1 discloses an electromechanical conversion element that expands and contracts when a voltage is applied, a drive member that is attached to one end in the expansion and contraction direction of the electromechanical conversion element, and friction between the drive member and the drive member.
  • An actuator is described that includes a driven member that is engaged and slidably displaced.
  • the present invention has been made in view of such a point, and an object thereof is to provide an actuator that operates smoothly and stably.
  • the actuator according to the present invention includes a driving member and a driven member.
  • the drive member is displaced along one direction.
  • the driven member is frictionally engaged with the driving member.
  • the driven member is provided to be slidable with respect to the driving member.
  • a coating film is formed on one surface of the driving member and the driven member.
  • the coating film includes a base material and particles.
  • the base material has a lower hardness than the other of the driving member and the driven member.
  • the particles are dispersed in the base material.
  • the particles have a hardness different from that of the base material.
  • the particles have a higher hardness than the base material.
  • the particles have a lower hardness than the base material.
  • the base material is made of resin or metal.
  • the content of particles in the coating film is in the range of 5 volume% to 50 volume%.
  • the thickness of the coating film is 1 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • an actuator that operates smoothly and stably can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an actuator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an actuator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view enlarging the III portion of FIG. 2.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an actuator according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the actuator according to the present embodiment.
  • the actuator 1 includes a displacement member 10, a driving member 13, and a driven member 14.
  • the displacement member 10 is a member that displaces the drive member 13 along the z direction.
  • the displacement member 10 is not particularly limited as long as it can displace the drive member 13.
  • the displacement member 10 uses a piezoelectric element 11 which is a kind of electromechanical conversion element. More specifically, the displacement member 10 includes a piezoelectric element 11 and a conversion element 12.
  • the piezoelectric element 11 has a piezoelectric body and a pair of electrodes for applying a voltage to the piezoelectric body. As shown in FIG. 2, the piezoelectric element 11 expands and contracts in the x direction when a voltage is applied.
  • the conversion element 12 is an element that converts the expansion / contraction force of the piezoelectric element 11 in the x direction into a force that displaces the driving member 13 along the z direction perpendicular to the x direction. Specifically, the conversion element 12 is provided such that the top portion 12a is displaced in the z direction when the piezoelectric element 11 expands and contracts in the x direction. Thereby, the drive member 13 connected to the top part 12a is displaced along the z direction.
  • the drive member 13 has a rod shape.
  • the driving member 13 is frictionally engaged with the driven member 14.
  • the driven member 14 can be slidably displaced with respect to the driving member 13.
  • the drive member 13 preferably has a Young's modulus of 70 GPa or more.
  • the drive member 13 can be comprised, for example with metals, such as stainless steel.
  • the driven member 14 preferably has a Vickers hardness of 300 Hv or higher.
  • the drive member 13 vibrates along the z direction as the piezoelectric element 11 expands and contracts along the x direction. That is, the drive member 13 repeatedly performs displacement from one side to the other side in the z direction and displacement from the other side to the one side.
  • the driven member is more than the frictional force generated between the drive member 13 and the driven member 14. The inertial force acting on 14 is greater. For this reason, the driven member 13 is driven by increasing the displacement speed from one side to the other side in the z direction above a predetermined speed and decreasing the displacement speed from the other side to the one side below a predetermined speed.
  • the member 14 can be displaced relatively to the other side in the z direction with respect to the drive member 13. Conversely, the driven member 13 is driven by making the displacement speed from one side to the other side in the z direction slower than a predetermined speed and making the displacement speed from the other side to one side faster than the predetermined speed.
  • the member 14 can be relatively displaced with respect to the driving member 13 to one side in the z direction.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view in which a portion III in FIG. 2 is enlarged.
  • a coating film 20 is formed on one of the surface 13 a of the driving member 13 and the inner surface 14 a of the driven member 14. Specifically, in the present embodiment, the coating film 20 is formed on the surface 13 a of the driving member 13.
  • the thickness of the coating film 20 is preferably about 1 ⁇ m to 15 ⁇ m, for example. If the coating film 20 is too thick, vibration transmission efficiency may decrease. If the coating film 20 is too thin, it may be worn away immediately.
  • the coating film 20 includes a base material 21 and a plurality of particles 22.
  • the base material 21 is not particularly limited as long as it has a lower hardness than the driven member 14.
  • the base material 21 can be made of, for example, resin or metal.
  • the base material 21 can be made of a metal such as nickel or a resin such as urethane.
  • the base material 21 may contain an additive such as a filler.
  • the plurality of particles 22 are dispersed in the base material 21.
  • the particles 22 have a hardness different from that of the base material 21.
  • the particles 22 can be made of a resin such as polytetrafluoroethylene, high-density polyethylene, boron, or carbon.
  • the base material 21 is made of urethane and the particles 22 are made of carbon, the particles 22 have higher hardness than the base material 21.
  • the particles 22 When the base material 21 is made of urethane and the particles 22 are made of high-density polyethylene, or when the base material 21 is made of nickel and the particles 22 are made of polytetrafluoroethylene, the particles 22 have a lower hardness than the base material 21. Have.
  • the coating film 20 in which the particles 22 having a hardness different from that of the base material 21 is dispersed in the base material 21 having a hardness lower than that of the driven member 14 is formed on the driving member 13. It is formed on the surface 13a. Therefore, as the driven member 14 is driven by the vibration of the driving member 13, the base material 21 of the coating film 20 is scraped by friction with the driven member 14 and the particles 22 are exposed. For this reason, the exposed particles 22 are interposed between the driving member 13 and the driven member 14, and the driving member 13 and the driven member 14 are maintained while maintaining a small gap between the driving member 13 and the driven member 14. The frictional force between the two can be set to a desired magnitude. Therefore, the driven member 14 can be driven smoothly and stably. Therefore, the actuator 1 can be operated smoothly and stably.
  • the particles 22 have a higher hardness than the base material 21, so the high hardness particles 22 have low adhesion to the driving member 13, so the base material 21 increases the adhesion of the coating film 20 to the driving member 13. be able to.
  • the particles 22 have a lower hardness than the base material 21
  • the particles 22 having a low hardness are worn in a relatively short time due to the frictional force between the driving member 13 and the driven member 14.
  • the wear of the particles 22 can be protected to some extent by 21 and the life of the particles 22 can be extended.
  • the content of the particles 22 in the coating film 20 is preferably in the range of 5% by volume to 50% by volume.
  • the content rate of the particles 22 is too low, the amount of the particles 22 interposed between the driving member 13 and the driven member 14 is reduced, and the frictional force between the driving member 13 and the driven member 14 is increased to a desired magnitude. It may not be possible. If the content ratio of the particles 22 is too high, the base material 21 is scraped in a short time, and the life of the coating film 20 may be shortened.
  • the coating film is formed on the surface of the driving member and is not formed on the surface of the driven member.
  • the present invention is not limited to this configuration.
  • the coating film is formed on the surface of the driven member, and may not be formed on the surface of the driving member.
  • the base material of the coating film needs to have a lower hardness than the driving member.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

　スムーズに安定的に動作するアクチュエータを提供する。　アクチュエータ１は、駆動部材１３と、被駆動部材１４とを備えている。駆動部材１３は、一の方向ｚに沿って変位する。被駆動部材１４は、駆動部材１３と摩擦係合している。被駆動部材１４は、駆動部材１３に対して摺動変位可能に設けられている。駆動部材１３及び被駆動部材１４の一方の表面の上には、コーティング膜２０が形成されている。コーティング膜２０は、母材２１と粒子２２とを含む。母材２１は、駆動部材１３及び被駆動部材１４の他方よりも低い硬度を有する。粒子２２は、母材２１中に分散している。粒子２２は、母材２１と異なる硬度を有する。

Description

アクチュエータ
　本発明は、アクチュエータに関する。
　従来、小型のアクチュエータとして、圧電素子を用いたアクチュエータが知られている。この圧電素子を用いたアクチュエータの一例が、下記の特許文献１に記載されている。
　具体的には、特許文献１には、電圧が印加された際に伸縮する電気機械変換素子と、電気機械変換素子の伸縮方向の一方側端部に取り付けられた駆動部材と、駆動部材と摩擦係合し、摺動変位可能な被駆動部材とを備えるアクチュエータが記載されている。
特開２００７－７４８８９号公報
　特許文献１に記載のような被駆動部材が駆動部材と摩擦係合し、摺動変位可能とされているアクチュエータにおいては、駆動部材と被駆動部材との摩擦力の大きさが重要である。駆動部材と被駆動部材との摩擦力が大きすぎると、得られる駆動力が小さくなるばかりか、安定的に駆動させることができなくなる。一方、駆動部材と被駆動部材との摩擦力が小さすぎると、エネルギー効率が低くなり、またスムーズに安定的に動作させることができなくなる。
　本発明は、斯かる点に鑑みて成されたものであり、その目的は、スムーズに安定的に動作するアクチュエータを提供することにある。
　本発明に係るアクチュエータは、駆動部材と、被駆動部材とを備えている。駆動部材は、一の方向に沿って変位する。被駆動部材は、駆動部材と摩擦係合している。被駆動部材は、駆動部材に対して摺動変位可能に設けられている。駆動部材及び被駆動部材の一方の表面の上には、コーティング膜が形成されている。コーティング膜は、母材と粒子とを含む。母材は、駆動部材及び被駆動部材の他方よりも低い硬度を有する。粒子は、母材中に分散している。粒子は、母材と異なる硬度を有する。
　本発明に係るアクチュエータのある特定の局面では、粒子は母材よりも高い硬度を有する。
　本発明に係るアクチュエータの別の特定の局面では、粒子は母材よりも低い硬度を有する。
　本発明に係るアクチュエータの他の特定の局面では、母材は、樹脂または金属からなる。
　本発明に係るアクチュエータのさらに別の特定の局面では、コーティング膜における粒子の含有率は、５体積％～５０体積％の範囲内にある。
　本発明に係るアクチュエータのさらに他の特定の局面では、コーティング膜の膜厚が１μｍ～１５μｍである。
　本発明によれば、スムーズに安定的に動作するアクチュエータを提供することができる。
図１は、本発明を実施した一実施形態に係るアクチュエータの略図的斜視図である。 図２は、本発明を実施した一実施形態に係るアクチュエータの略図的断面図である。 図３は、図２のＩＩＩ部分を拡大した略図的断面図である。
　以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
　また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
　図１は、本実施形態に係るアクチュエータの略図的斜視図である。図２は、本実施形態に係るアクチュエータの略図的断面図である。
　図１及び図２に示すように、アクチュエータ１は、変位部材１０と、駆動部材１３と、被駆動部材１４とを備えている。
　変位部材１０は、駆動部材１３をｚ方向に沿って変位させる部材である。変位部材１０は、駆動部材１３を変位させることができるものである限りにおいて特に限定されない。本実施形態では、具体的には、変位部材１０は、電気機械変換素子の一種である圧電素子１１を用いたものである。より具体的には、変位部材１０は、圧電素子１１と、変換素子１２とを有する。
　圧電素子１１は、圧電体と、圧電体に電圧を印加する一対の電極とを有する。図２に示すように、圧電素子１１は、電圧が印加されると、ｘ方向に伸縮する。
　変換素子１２は、圧電素子１１のｘ方向の伸縮力を、駆動部材１３をｘ方向に対して垂直なｚ方向に沿って変位させる力に変換する素子である。具体的には、変換素子１２は、圧電素子１１がｘ方向に伸縮した際に頂部１２ａがｚ方向に変位するように設けられている。これにより、頂部１２ａに接続されている駆動部材１３がｚ方向に沿って変位する。
　駆動部材１３は、棒状である。駆動部材１３は、被駆動部材１４と摩擦係合している。被駆動部材１４は、駆動部材１３に対して摺動変位可能である。
　駆動部材１３は、ヤング率が７０ＧＰａ以上であるものであることが好ましい。駆動部材１３は、例えばステンレス等の金属により構成することができる。被駆動部材１４は、ビッカース硬度が３００Ｈｖ以上であるものであることが好ましい。
　アクチュエータ１では、圧電素子１１のｘ方向に沿った伸縮に伴って、駆動部材１３がｚ方向に沿って振動する。すなわち、駆動部材１３は、ｚ方向の一方側から他方側への変位と、他方側から一方側への変位とを繰り返し行う。ここで、例えば、駆動部材１３のｚ方向の一方側から他方側への変位速度が所定の速度よりも速ければ、駆動部材１３と被駆動部材１４との間に生じる摩擦力よりも被駆動部材１４に働く慣性力の方が大きくなる。このため、駆動部材１３のｚ方向の一方側から他方側への変位速度を所定の速度よりも速くし、他方側から一方側への変位速度を所定の速度よりも遅くすることによって、被駆動部材１４を駆動部材１３に対して、ｚ方向の他方側へと相対的に変位させることができる。逆に、駆動部材１３のｚ方向の一方側から他方側への変位速度を所定の速度よりも遅くし、他方側から一方側への変位速度を所定の速度よりも速くすることによって、被駆動部材１４を駆動部材１３に対して、ｚ方向の一方側へと相対的に変位させることができる。
　図３は、図２のＩＩＩ部分を拡大した略図的断面図である。駆動部材１３の表面１３ａと、被駆動部材１４の内表面１４ａとの一方の上には、コーティング膜２０が形成されている。具体的には、本実施形態では、駆動部材１３の表面１３ａの上にコーティング膜２０が形成されている。
　コーティング膜２０の厚みは、例えば、１μｍ～１５μｍ程度であることが好ましい。コーティング膜２０が厚すぎると、振動の伝達効率が下がる場合がある。コーティング膜２０が薄すぎると、すぐに摩滅する場合がある。
　コーティング膜２０は、母材２１と、複数の粒子２２とを含む。母材２１は、被駆動部材１４よりも低い硬度を有するものである限りにおいて特に限定されない。母材２１は、例えば樹脂または金属からなるものとすることができる。具体的には、例えば被駆動部材１４がステンレスからなる場合は、母材２１は、ニッケルなどの金属や、ウレタンなどの樹脂により構成することができる。なお、母材２１は、フィラー等の添加物を含んでいてもよい。
　複数の粒子２２は、母材２１中に分散している。粒子２２は、母材２１と異なる硬度を有する。例えば母材２１がニッケルなどの金属やウレタンなどの樹脂からなる場合は、粒子２２は、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂や、高密度ポリエチレン、ホウ素、カーボンなどからなるものとすることができる。母材２１がウレタンからなり、粒子２２がカーボンからなる場合、粒子２２は母材２１よりも高い硬度を有する。母材２１がウレタンからなり、粒子２２が高密度ポリエチレンからなる場合や、母材２１がニッケルからなり、粒子２２がポリテトラフルオロエチレンからなる場合、粒子２２は、母材２１よりも低い硬度を有する。
　以上説明したように、本実施形態では、被駆動部材１４よりも低い硬度を有する母材２１中に母材２１と異なる硬度を有する粒子２２が分散してなるコーティング膜２０が、駆動部材１３の表面１３ａの上に形成されている。このため、駆動部材１３の振動により被駆動部材１４が駆動されるに伴い、コーティング膜２０の母材２１が被駆動部材１４との摩擦により削れ、粒子２２が露出する。このため、露出した粒子２２が駆動部材１３と被駆動部材１４との間に介在することなり、駆動部材１３と被駆動部材１４との間の間隔を狭く保ちつつ駆動部材１３と被駆動部材１４との間の摩擦力を所望の大きさにすることができる。よって、被駆動部材１４をスムーズかつ安定的に駆動させることができる。従って、アクチュエータ１をスムーズ且つ安定的に動作させることができる。
　粒子２２が母材２１よりも高い硬度を有する場合、高い硬度を有する粒子２２は駆動部材１３との密着性が低いため、母材２１によりコーティング膜２０の駆動部材１３との密着性を高くすることができる。
　粒子２２が母材２１よりも低い硬度を有する場合、低い硬度を有する粒子２２は駆動部材１３と被駆動部材１４との間の摩擦力により比較的短い時間で摩耗することになるため、母材２１により粒子２２の摩耗をある程度保護し、粒子２２の寿命を長くすることができる。
　コーティング膜２０における粒子２２の含有率は、５体積％～５０体積％の範囲内であることが好ましい。粒子２２の含有率が低すぎると、駆動部材１３と被駆動部材１４との間に介在する粒子２２の量が少なくなり、駆動部材１３と被駆動部材１４との間の摩擦力を所望の大きさにすることができない場合がある。粒子２２の含有率が高すぎると、母材２１が短時間で削られてしまい、コーティング膜２０の寿命が短くなる場合がある。
　上記実施形態では、コーティング膜が駆動部材の表面の上に形成されており、被駆動部材の表面の上には形成されていない例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。コーティング膜は、被駆動部材の表面の上に形成されており、駆動部材の表面の上には形成されていなくてもよい。この場合は、コーティング膜の母材を、駆動部材よりも低い硬度を有するものとする必要がある。
１…アクチュエータ
１０…変位部材
１１…圧電素子
１２…変換素子
１２ａ…頂部
１３…駆動部材
１３ａ…表面
１４…被駆動部材
２０…コーティング膜
２１…母材
２２…粒子

Claims (6)

  1. 　一の方向に沿って変位する駆動部材と、
    　前記駆動部材と摩擦係合し、前記駆動部材に対して摺動変位可能に設けられた被駆動部材と、
    を備え、
    　前記駆動部材及び前記被駆動部材の一方の表面の上には、前記駆動部材及び前記被駆動部材の他方よりも低い硬度を有する母材と、前記母材中に分散しており、前記母材と異なる硬度を有する粒子とを含むコーティング膜が形成されている、アクチュエータ。
  2. 　前記粒子は前記母材よりも高い硬度を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
  3. 　前記粒子は前記母材よりも低い硬度を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
  4. 　前記母材は、樹脂または金属からなる、請求項１～３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
  5. 　前記コーティング膜における前記粒子の含有率は、５体積％～５０体積％の範囲内にある、請求項１～４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
  6. 　前記コーティング膜の膜厚が１μｍ～１５μｍである、請求項１～５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
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