(57)【要約】【課題】高摩擦特性を維持しつつ、摩擦時に基板面に対して平行方向にかかる荷重によるカーボンナノチューブの剥離や基板面に対して垂直方向にかかる荷重によるカーボンナノチューブ自体の過度な変形を抑制し得る摩擦材、摩擦材の製造方法、並びにその摩擦材を適用したブレーキ部材、クラッチ部材及び駆動装置を提供すること。【解決手段】摩擦材は、基板と、該基板上に配設された接着層と、該基板上に配設された複数のカーボンナノチューブとを有する。複数のカーボンナノチューブは、一端部が上記接着層に埋設され、該接着層の表面に対してほぼ直立した状態で固定され、他端部が該接着層から突出し、曲成されて該接着層の表面にほぼ沿った状態で配向している。【選択図】図１
2010106128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板上に配設された接着層と、
上記基板上に配設された複数のカーボンナノチューブと、
を有し、
上記複数のカーボンナノチューブは、一端部が上記接着層に埋設され、該接着層の表面に対してほぼ直立した状態で固定され、他端部が該接着層から突出し、曲成されて該接着層の表面にほぼ沿った状態で配向している、ことを特徴とする摩擦材。
【請求項２】
上記複数のカーボンナノチューブは、屈曲構造を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の摩擦材。
【請求項３】
上記複数のカーボンナノチューブは、上記一端部が閉塞端を有し、上記他端部が開放端を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦材。
【請求項４】
上記複数のカーボンナノチューブは、基板成長型カーボンナノチューブである、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の摩擦材。
【請求項５】
上記基板成長型カーボンナノチューブは、熱化学気相成長法により合成されたカーボンナノチューブである、ことを特徴とする請求項４に記載の摩擦材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の摩擦材を適用して成ることを特徴とするブレーキ部材。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の摩擦材を適用して成ることを特徴とするクラッチ部材。
【請求項８】
所定の方向に移動可能な被駆動部材と、
上記所定の方向に対して垂直方向の押付け力により上記被駆動部材と摩擦係合する駆動部材と、
上記駆動部材に当接し、該駆動部材を上記所定の方向に往復運動させる駆動力を該駆動部材に入力する駆動源と、を備え、
上記被駆動部材及び上記駆動部材のうち少なくとも一方に、請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の摩擦材を適用して成ることを特徴とする駆動装置。
【請求項９】
基板上に接着層形成用材料を塗布する塗布工程と、
上記塗布された接着層形成用材料を乾燥する乾燥工程と、
複数のカーボンナノチューブの一端部が接着層の表面に対してほぼ直立した状態で固定されるように、上記乾燥させた接着層形成用材料に該複数のカーボンナノチューブの一端部を埋設する埋設工程と、
上記乾燥させた接着層形成用材料を固化する固化工程と、
複数のカーボンナノチューブの他端部が接着層の表面にほぼ沿った状態で配向するように、該複数のカーボンナノチューブの他端部に力を加えて曲成する曲成工程と、
を含むことを特徴とする摩擦材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦材、摩擦材の製造方法、ブレーキ部材、クラッチ部材及び駆動装置に係り、更に詳細には、カーボンナノチューブが所定の状態で配設された摩擦材、摩擦材の製造方法、並びにその摩擦材を適用したブレーキ部材、クラッチ部材及び駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、２物体間に相対すべりが生じる場合の摩擦力Ｆは、式（１）で示される。
【０００３】
Ｆ＝Ｆａ＋Ｆｐ＋Ｆｅ…（１）
（式中、Ｆａは凝着項を、Ｆｐは掘り起こし項を、Ｆｅは弾性ヒステリシス損失項を示す。）
【０００４】
Ｂｏｗｄｅｎ−Ｔａｂｏｒによる固体摩擦の基本原理によれば、通常の材料では、式（１）右辺の掘り起こし項Ｆｐ及び弾性ヒステリシス損失項Ｆｅはゼロとみなすことができ、摩擦力Ｆは凝着項Ｆａで表される。即ち、摩擦係数や耐摩耗性は、材料の凝着のし易さにより決定される。
【０００５】
従って、例えば、材料に耐摩耗性を付与する場合には、材料の降伏強度を増加させることが有効となり、高硬度の材料が必要になる。また、摩擦係数は凝着項Ｆａの大きな材料やその組み合わせが必要となる。例えば、自動車のブレーキやフリクションドライブシステムなどを考えた場合、高摩擦と耐摩耗性を両立する必要がある。
【０００６】
しかしながら、一般に凝着による摩擦摩耗の原理の場合、高摩擦を示す材料は凝着しやすく、材料は摩耗するため、高摩擦と耐摩耗性を両立することは困難である。
【０００７】
このような問題を解決するための方策として、式（１）における弾性ヒステリシス損失を積極的に利用することが考えられる。
【０００８】
従来、摺動する２物体の表面のいずれか一方又は双方に、物体の表面に対して垂直方向と物体の表面に対して平行な方向との弾性率が異なる薄層を形成し、その薄層に弾性ヒステリシスを発生させる構造が提案されており、薄層として、多数の棒状体（カーボンナノチューブ）を基板の垂直方向に配向させた構造が開示されている（特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２３１２１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このような構成において、カーボンナノチューブと基板との界面強度を維持しつつ、摩擦時に基板に対して平行方向にかかる荷重によって剥離が生じないようにすることが困難であるという問題点があった。
そこで、本発明者らが、このような課題に対して、鋭意検討を重ねたところ、接着層が所定の状態で配設された構成とすることにより、このような課題が解決できることを見出した。
【００１１】
しかし、このように接着層が所定の状態で配設された構成においては、高摩擦特性を維持しつつ、摩擦時にカーボンナノチューブの長手方向にかかる荷重によってカーボンナノチューブ自体に過度な変形が生じることがあるという新たな問題点があった。
【００１２】
本発明は、このような従来技術の有する課題、及びその課題に対する検討の結果新たに生じた課題に基づいてなされたものであり、その目的とするところは、高摩擦特性を維持しつつ、摩擦時に基板面に対して平行方向にかかる荷重によるカーボンナノチューブの剥離や基板面に対して垂直方向にかかる荷重によるカーボンナノチューブ自体の過度な変形を抑制し得る摩擦材、摩擦材の製造方法、並びにその摩擦材を適用したブレーキ部材、クラッチ部材及び駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。
その結果、基板と、該基板上に配設された接着層と、該基板上に配設された複数のカーボンナノチューブを有し、該複数のカーボンナノチューブが所定の状態で配設された構成とすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち、本発明の摩擦材は、基板と、該基板上に配設された接着層と、該基板上に配設された複数のカーボンナノチューブとを有するものである。
そして、かかる複数のカーボンナノチューブは、一端部が上記接着層に埋設され、該接着層の表面に対してほぼ直立した状態で固定され、他端部が該接着層から突出し、曲成されて該接着層の表面にほぼ沿った状態で配向している。
【００１５】
また、本発明のブレーキ部材は、上記本発明の摩擦材を適用して成るものである。
【００１６】
更に、本発明のクラッチ部材は、上記本発明の摩擦材を適用して成るものである。
【００１７】
また、本発明の駆動装置は、所定の方向に移動可能な被駆動部材と、該所定の方向に対して垂直方向の押付け力により該被駆動部材と摩擦係合する駆動部材と、該駆動部材に当接し、該駆動部材を該所定の方向に往復運動させる駆動力を該駆動部材に入力する駆動源とを備えるものである。
そして、かかる被駆動部材及び駆動部材のうち少なくとも一方は、上記本発明の摩擦材を適用して成るものである。
【００１８】
更にまた、本発明の摩擦材の製造方法は、基板上に接着層形成用材料を塗布する塗布工程と、該塗布された接着層形成用材料を乾燥する乾燥工程と、複数のカーボンナノチューブの一端部が接着層の表面に対してほぼ直立した状態で固定されるように、該乾燥させた接着層形成用材料に該複数のカーボンナノチューブの一端部を埋設する埋設工程と、該乾燥させた接着層形成用材料を固化する固化工程と、複数のカーボンナノチューブの他端部が接着層の表面にほぼ沿った状態で配向するように、該複数のカーボンナノチューブの他端部に力を加えて曲成する曲成工程とを含む。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、基板と、該基板上に配設された接着層と、該基板上に配設された複数のカーボンナノチューブを有し、該複数のカーボンナノチューブの一端部が該接着層に埋設され、該接着層の表面に対してほぼ直立した状態で固定され、他端部が該接着層から突出し、曲成されて該接着層の表面にほぼ沿った状態で配向している構成とすることとしたため、高摩擦特性を維持しつつ、摩擦時に基板面に対して平行方向にかかる荷重によるカーボンナノチューブの剥離や基板面に対して垂直方向にかかる荷重によるカーボンナノチューブ自体の過度な変形を抑制し得る摩擦材、摩擦材の製造方法、並びにその摩擦材を適用したブレーキ部材、クラッチ部材及び駆動装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の摩擦材、摩擦材の製造方法、ブレーキ部材、クラッチ部材、及び駆動装置について詳細に説明する。
なお、本明細書及び特許請求の範囲において、「接着層の表面に対してほぼ直立した状態」とは、接着層に対する垂直方向と、カーボンナノチューブの他端部の突出位置側におけるカーボンナノチューブの長手方向とが厳密に一致する場合の他、摩擦時に基板面に対して垂直方向にかかる荷重に対してカーボンナノチューブの他端部の突出位置側におけるカーボンナノチューブ自体が高摩擦特性を奏する限りにおいて、若干傾斜する場合も含まれると理解されなければならない。
また、「接着層の表面にほぼ沿った状態で配向している」とは、接着層に対する平行方向と、カーボンナノチューブの他端部の突出位置側と反対側におけるカーボンナノチューブの長手方向とが厳密に一致する場合の他、摩擦時に基板面に対して垂直方向にかかる加重に対してカーボンナノチューブの他端部の突出位置側と反対側におけるカーボンナノチューブ同士が集合層を形成し、カーボンナノチューブの他端部の突出位置側と比べて剛性向上特性を奏する限りにおいて、若干傾斜する場合も含まれると理解されなければならない。
【００２１】
まず、本発明の一実施形態に係る摩擦材について詳細に説明する。
【００２２】
本実施形態に係る摩擦材は、基板と、基板上に配設された接着層と、基板上に配設された複数のカーボンナノチューブとを有するものである。
そして、複数のカーボンナノチューブは、一端部が接着層に埋設され、接着層の表面に対してほぼ直立した状態で固定され、他端部が接着層から突出し、曲成されて接着層の表面にほぼ沿った状態で配向している。
【００２３】
このような構成とすることにより、高摩擦特性を維持しつつ、摩擦時に基板面に対して平行方向にかかる荷重によるカーボンナノチューブの剥離や基板面に対して垂直方向にかかる荷重によるカーボンナノチューブ自体の過度な変形を抑制する効果を発揮することができる。
【００２４】
図面を用いて更に詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る摩擦材の構造の一例を示す模式的な断面図である。
同図に示すように、摩擦材１０は、基板１１と、基板１１上に配設された接着層１２と、基板１１上に配設された複数のカーボンナノチューブ１３とを有するものである。
そして、かかる複数のカーボンナノチューブ１３は、一端部１３ａが接着層１２に埋設され、接着層１２の表面１２ａに対してほぼ直立した状態で固定され、他端部１３ｂが接着層１２から突出し、曲成されて接着層１２の表面１２ａにほぼ沿った状態で配向している。
また、かかる複数のカーボンナノチューブ１３は、換言すれば、他端部１３ｂの突出位置側が基板上に林立した状態となっており、他端部１３ｂの突出位置側と反対側が基板に対して平行方向に配向している。
【００２５】
ここで、本発明に用いられるカーボンナノチューブの種類としては、例えば単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブを挙げることができる。多層カーボンナノチューブの層間に働く分子間力を利用でき、単層カーボンナノチューブを用いた場合と比較して、更なる高摩擦化が可能になるという観点からは、多層カーボンナノチューブを用いることが望ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００２６】
また、本発明に用いられるカーボンナノチューブの大きさとしては、特に限定されるものではないが、例えば長さが１００〜３００μｍ、直径が２０〜２００ｎｍのものを用いることが好ましい。
【００２７】
更に、本発明に用いられるカーボンナノチューブ自体の形状としては、特に限定されるものではないが、例えば長さ方向にわたって折れ線状構造や波打った構造を有するもの、具体的には、例えば屈曲構造を有するものや湾曲構造を有するものなどを用いることが望ましい。
屈曲構造や湾曲構造などの折れ線状構造や波打った構造を有するカーボンナノチューブは、接着層に埋設された一端部において、カーボンナノチューブ自体の凹凸形状に接着層構成成分が侵入してアンカー効果を発揮することができるため、摩擦時の基板面の平行方向にかかる荷重によるカーボンナノチューブの剥離をより抑制することができる。
また、屈曲構造や湾曲構造などの折れ線状構造や波打った構造を有するカーボンナノチューブは、接着層から突出し、曲成された他端部において、カーボンナノチューブ同士が絡まり合いなどの物理的相互作用により、高密度化した状態を維持しやすく、より剛性向上特性を奏することができる。
更に、屈曲構造や湾曲構造などの折れ線状構造や波打った構造を有するカーボンナノチューブは、接着層から突出し、曲成された他端部において、基板面に対して垂直方向や平行方向にかかる荷重によって変形して、カーボンナノチューブ同士で擦れることができるため、より高摩擦特性を奏することができる。
【００２８】
また、本発明に用いられるカーボンナノチューブ自体の形状としては、特に限定されるものではないが、例えば一端部が閉塞端を有し、他端部が開放端を有するものを用いることが望ましい。
このようなカーボンナノチューブは、後述する製造方法により、カーボンナノチューブを成長させた成長基板からカーボンナノチューブを転写させることによって得られる。なお、このように基板に成長させたカーボンナノチューブは、一般に、基板成長型カーボンナノチューブと呼ばれる。
【００２９】
基板成長型カーボンナノチューブは、例えば熱化学気相成長法（熱ＣＶＤ法）により合成することが望ましい。この方法では、触媒を成長基板に担持させた後、触媒と炭素源とを反応させることによりカーボン堆積を行ってカーボンナノチューブを成長させる。その後、合成されたカーボンナノチューブを成長基板から剥離すると、成長基板に接合していた部分は開放端となる。一方、伸長していた部分は閉塞端となる。
成長基板上に合成されたカーボンナノチューブは、通常、このまま接着層が配設された基板に転写されるため、成長基板上での上下の方向が反対になり、閉塞端が接着層に埋設され、開放端が接着層から突出した構造になる。
熱ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを合成する場合には、触媒の配置などの反応条件を適宜調整することにより、後の工程で曲成させやすいカーボンナノチューブを合成することができる。
【００３０】
更に、本発明に用いられるカーボンナノチューブの物性としては、特に限定されるものではないが、ラマン分光分析法で測定されるＩＤ／ＩＧ値が０．０１〜１．５であることが好ましい。
一般的に、カーボンナノチューブ自体の強度は、グラファイトの結晶性化度に比例するとされており、グラファイトの結晶性化度の指標であるＩＤ／ＩＧ値が低いほど、欠陥が少なく結晶性が良い。結晶性が良いと濡れ性が低くなる傾向があるため、ＩＤ／ＩＧ値が１．５を超えるカーボンナノチューブを用いる場合に比べて、接着層形成用材料が毛管現象によってカーボンナノチューブに吸い上げられることをより抑制し得る。これにより、接着層が所定の状態で配設された構成とすることが容易となる。
【００３１】
本発明に用いられる基板は、カーボンナノチューブを接着する接着層と接着することができる板材であれば、特に限定されるものではない。例えばセラミック、金属、半導体などの板材を用いることができる。
【００３２】
また、本発明に用いられる接着層は、カーボンナノチューブと基板とを強固に接着することができる材料であれば、特に限定されるものではない。例えばカーボンナノチューブとの濡れ性が良く、より高い接合強度を得ることができるという観点から、エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂を含むものを好適に用いることができる。
【００３３】
エポキシ系樹脂とは、１分子中に２個以上のエポキシ基を持つ化合物を意味する。具体的には、グリシジル型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂などを挙げることができる。なお、これらは、硬化剤として脂肪族・芳香族の多価の第１級・第２級アミンやポリアミド、酸無水物、多価フェノール類やフェノール樹脂を用いる重付加型エポキシ樹脂、酸又は第３級アミン触媒によりエポキシ基の開環反応による架橋、硬化を行う付加重合型エポキシ樹脂のいずれであってもよく、加熱によって硬化する１液型エポキシ樹脂、混合後自然に硬化する２液型エポキシ樹脂のいずれであってもよい。
アクリル系樹脂とは、主としてアクリル酸、メタクリル酸及びこれらの誘導体（例えばアクリル酸エステル化合物）を含む化合物を意味する。具体的には、これらの単独重合体や共重合体、又はアクリロニトリルやスチレンなどとの共重合体を挙げることができる。なお、これらは溶剤型アクリル樹脂、エマルション型アクリル樹脂のいずれであってもよい。
【００３４】
本発明の摩擦材の用途としては、車両のブレーキやクラッチ、フリクションドライブシステムなどが挙げられる。
【００３５】
次に、本発明の一実施形態に係る摩擦材の製造方法について詳細に説明する。
本実施形態に係る摩擦材の製造方法は、下記工程（１）〜（５）を含む。
（１）基板上に接着層形成用材料を塗布する塗布工程
（２）上記塗布された接着層形成用材料を乾燥する乾燥工程
（３）複数のカーボンナノチューブの一端部が接着層の表面に対してほぼ直立した状態で固定されるように、上記乾燥させた接着層形成用材料に該複数のカーボンナノチューブの一端部を埋設する埋設工程
（４）上記乾燥させた接着層形成用材料を固化する固化工程
（５）複数のカーボンナノチューブの他端部が接着層の表面にほぼ沿った状態で配向するように、該複数のカーボンナノチューブの他端部に力を加えて曲成する曲成工程
【００３６】
図面を用いて更に詳細に説明する。
図２は、本実施形態に係る摩擦材の製造方法の手順の一例を示す模式的な断面図である。同図（ａ）〜（ｆ）の順に説明する。
【００３７】
（ａ）まず、Ｓｉ基板などの基板１１を準備し、エポキシ系樹脂などの接着層形成用材料１２’を該基板１１上に滴下する。
【００３８】
（ｂ）次に、図示しない回転装置を用い、スピンコートによって接着層形成用材料１２’の層の厚みを所定値に調整する。このときの厚みは、２０〜５５μｍであることが好ましい。２０μｍ未満の場合には、カーボンナノチューブの固定が十分にできない可能性がある。また、５５μｍを超えると、接着層とカーボンナノチューブを所定の状態で配設できないおそれがある。
【００３９】
（ｃ）次に、この接着層形成用材料１２’の複素粘度が６００〜３００００Ｐａ・ｓ、好ましくは７２００〜２５０００Ｐａ・ｓとなるように乾燥し、接着層形成用材料１２’の粘性体１２”の層を得る。
なお、「複素粘度」とは、動的粘弾性測定（ずりモード）によって測定された粘度のことをいう。
【００４０】
（ｄ）下記の製造方法により得られた成長基板上に合成された複数のカーボンナノチューブ１３を、成長基板２０から基板１１に転写するように、複数のカーボンナノチューブ１３の一端部１３ａを粘性体１２”の層に埋設する。
成長基板上に合成された複数のカーボンナノチューブの製造方法としては、具体的には、例えば成長基板上でエチレン（Ｃ２Ｈ２）を用いた熱ＣＶＤ法により、カーボンナノチューブを合成する製造方法を挙げることができる。なお、カーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの成長基板に対してほぼ直立した状態で林立した構造となっている。
【００４１】
（ｅ）更に、粘性体１２”の層を完全に固化し、その後、成長基板２０を剥離する。
【００４２】
（ｆ）しかる後、複数のカーボンナノチューブ１３の他端部１３ｂが接着層１２の表面１２ａにほぼ沿った状態で配向するように、かかる複数のカーボンナノチューブ１３の他端部１３ａに牽引力や押圧力などの力を加えて曲成することにより、本実施形態の摩擦材を得ることができる。
カーボンナノチューブを曲成する方法としては、例えば、（図示しない）錘を布置し一方向に移動させる方法を挙げることができるが、これに限定されるものではない。また、カーボンナノチューブを曲成するに当たって、カーボンナノチューブの他端部は、接着層にほぼ沿った状態で配向していれば、その方向については特に限定されるものではなく、摩擦材が適用される用途に応じて、適宜調整することができる。
【００４３】
次に、本発明の一実施形態に係るブレーキ部材について詳細に説明する。
本実施形態に係るブレーキ部材は、上述した摩擦材を適用して成るものであって、具体的には、例えば制動装置におけるブレーキパッドを挙げることができる。
このような構成とすることにより、従来の摩擦材を適用して成るブレーキ部材と比較して、制動距離を低減することができる。
なお、本発明の一実施形態に係るブレーキ部材は、従来公知の制動装置に適宜組み込むことが可能である。
【００４４】
次に、本発明の一実施形態に係るクラッチ部材について詳細に説明する。
本実施形態に係るクラッチ部材は、上述した摩擦材を適用して成るものであって、具体的には、例えばトルクコンバーターにおける締結用摩擦材やスリップ用摩擦材などを挙げることができる。
このような構成とすることにより、従来の摩擦材を適用して成るクラッチ部材と比較して、位置決め精度を向上させることができる。
なお、本発明の一実施形態に係るクラッチ部材は、従来公知のトルクコンバーターに適宜組み込むことが可能である。
【００４５】
次に、本発明の一実施形態に係る駆動装置について詳細に説明する。
本実施形態に係る駆動装置は、所定の方向に移動可能な被駆動部材と、該所定の方向に対して垂直方向の押付け力により該被駆動部材と摩擦係合する駆動部材と、該駆動部材に当接し、該駆動部材を該所定の方向に往復運動させる駆動力を該駆動部材に入力する駆動源と、を備え、被駆動部材及び駆動部材のうち少なくとも一方に、上述した摩擦材を適用して成るものであって、具体的には、車両などのフリクションドライブシステムを挙げることができる。
このような構成とすることにより、従来の摩擦材を適用して成る駆動装置と比較して、高出力・高トルク化を図ることができる。
【００４６】
＜第１実施形態＞
図３は、第１実施形態に係る駆動装置１００の側面図である。
図３を参照して説明すると、本実施形態の駆動装置１００は、所定の方向に移動可能な被駆動部材１４０と、所定の方向に対して垂直方向の押し付け力により被駆動部材１４０と摩擦係合する駆動部材１１０と、駆動部材１１０を所定の方向に往復運動させるための駆動力を駆動部材１１０に入力する駆動源と、を備え、駆動部材１１０が、上述の摩擦材１０を備え、摩擦材１０を介して被駆動部材１４０及び駆動部材１１０が係合しているものである。
【００４７】
本実施形態では、駆動部材１１０が摩擦材１０を有するが、被駆動部材１４０が摩擦材１０を有してもよく、また、駆動部材１１０及び被駆動部材１４０の両方が摩擦材１０を有してもよい。
【００４８】
駆動装置１００は、正弦波電圧を駆動源に供給する制御部１７０を有する。正弦波電圧は、指令値に応じた振幅及び周波数を有する。
【００４９】
駆動源は圧電素子１５０である。圧電素子１５０は、その伸縮方向（図３左右方向）の一面が固定部材１６０に固定され、他面には駆動部材１１０が取り付けられている。この圧電素子１５０には、制御部１７０を経由して図外の電源から電力が供給される。
【００５０】
圧電素子１５０は、電圧を上昇させることにより伸長し、電圧を下げることにより収縮する特性を有する。圧電素子１５０は、面積当たりに発生する力が大きいため、小さな寸法で必要な力を得ることができ、装置を小型化できる。また、矩形波や三角波などに対して正弦波電圧は、電流の最大値が小さいため、制御部１７０を含む電気回路の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００５１】
図４は、第１実施形態における駆動部材の往復運動周波数と被駆動部材の速度との関係の一例を示す図である。
図４を参照して更に説明すると、ある周波数近傍において駆動部材１１０と被駆動部材１４０との共振現象が起き、被駆動部材１４０の速度が、急激に増加している。よって、制御部１７０が、この条件を満たす電圧波形を圧電素子１５０に与えることにより、被駆動部材１４０を高速に移動させることができる。なお、図４の横軸及び縦軸は任意の単位である。
【００５２】
駆動部材１１０は、圧電素子１５０の伸縮運動と平行な面で、摩擦材１０を介して被駆動部材１４０と摩擦係合する。駆動部材１１０は、圧電素子１５０に取り付けられた第１部材１２０と、被駆動部材１４０に接触する第２部材１３０とから構成されている。
【００５３】
第１部材１２０及び第２部材１３０は、第２部材１３０と被駆動部材１４０との接触面に対して角度α（０＜α＜９０°）を有する第１カム面１２３，１３３と、第２部材１３０と被駆動部材１４０との接触面に対して垂直な第２カム面１２６，１３６と、を有する。
【００５４】
第１部材１２０が駆動方向（図３左方向）へ移動し、第１部材１２０の第１カム面１２３及び第２部材１３０の第１カム面１３３が互いに当接すると、第１部材１２０は、第２部材１３０の第１カム面１３３を押す。このとき、第２部材１３０の第１カム面１３３にカム発生力が生じる。カム発生力の垂直方向の成分が、第２部材１３０と被駆動部材１４０との接触面に与えられる押し付け力となる。
【００５５】
一方、第１部材１２０は反駆動方向（図３右方向）へ移動し、第１部材１２０の第１カム面１２３及び第２部材１３０の第１カム面１３３が離間すると、垂直方向の押し付け力が発生しないため、第２部材１３０と被駆動部材１４０との間に摩擦力が生じない。また、第１部材１２０の第２カム面１２６が、第２部材１３０の第２カム面１３６に当接したとき、第２カム面１２６，１３６が被駆動部材１２０に対して垂直であるため、押し付け力が発生せず、摩擦力が生じない。
【００５６】
駆動部材１１０の第１部材１２０は、圧電素子１５０の伸縮により往復運動する。一方、被駆動部材１４０は、ほぼ一定の速度で運動している。
【００５７】
したがって、被駆動部材１４０に対する第１部材１２０の相対速度が駆動方向に正のとき、第１部材１２０が第２部材１３０の第１カム面１３３に当接して、駆動力の一部が垂直方向の押し付け力に変換される。ここで、被駆動部材１４０に対する第１部材１２０の相対速度が駆動方向に正のときは、被駆動部材１４０に対する駆動部材１１０の相対速度が正のときを意味する。
【００５８】
一方、被駆動部材１４０に対する第１部材１２０の相対速度が駆動方向に正でないとき、即ち被駆動部材１４０に対する駆動部材１１０の相対速度がゼロ又は負のとき、第１部材１２０は第２部材１３０の第１カム面１３３に当接しないため、駆動力を垂直方向の押し付け力に変換しない。押し付け力が発生しないため、摩擦力が、被駆動部材１４０の運動方向に対して逆方向に生じない。
【００５９】
このように、被駆動部材１４０の運動方向に対して逆方向に摩擦力が生じないように、押し付け力の有無を切り替えているため、動力損失を抑えることができる。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態の駆動装置１００は、大掛かりな装置を使うことなく、第１カム面により駆動力を押し付け力に変換している。また、本実施形態の駆動装置１００は、被駆動部材１４０に対する駆動部材１１０の相対速度に応じて、押し付け力の有無を切り替えている。したがって、本実施形態の駆動装置１００は、コストアップやサイズアップを伴うことなく、動力損失を抑制して安定した駆動性能を発揮することができる。
【００６１】
また、駆動部材１１０及び被駆動部材１４０が、摩擦材１０を介して摩擦係合しているため、部材の摩耗が抑制される。更に、摩擦材１０を介さずに駆動部材１１０及び被駆動部材１４０が摩擦係合される場合に比べ、押し付け力が小さくても大きな摩擦力を生じさせることができる。したがって、高い効率で駆動することができる。
【００６２】
＜実施形態２＞
図５は、第２実施形態に係る駆動装置２００の側面図である。なお、図３に示す部材と共通する部材には同一符号を使用し、説明は省略する。
【００６３】
第２実施形態に係る駆動装置２００は、駆動方向と反駆動方向とを切り替えることができる。
【００６４】
図５を参照して説明すると、駆動部材２１０は、固定部材１６０に支持された２つの第１，第２圧電素子２５０，２５５により挟まれている。駆動部材２１０は、第１部材２２０及び第２部材２３０により構成されている。ここで、第１部材２２０には左右第１カム面２２６，２２８と左右第２カム面２２２，２２４とが形成され、第２部材２３０には、左右第１カム面２３６，２３８と左右第２カム面２３２，２３４とが形成されている。
【００６５】
第１部材２２０の左右第２カム面２２２，２２４と第２部材２３０の左右第２カム面２３２，２３４との間には、伸縮可能な左右切り替え素子２８０，２８５が介装されている。左切り替え素子２８０は、駆動方向が左方向のとき縮退し、右方向のとき伸長するように制御される。右切り替え素子２８５は、駆動方向が左方向のとき伸長し、右方向のとき縮退するように制御される。
【００６６】
左切り替え素子２８０を伸長させて右切り替え素子２８５を縮退させた場合には、右第１カム面同士が接触するとともに、左第２カム面同士が左切り替え素子２８０を介して連結する。
【００６７】
逆に、左切り替え素子２８０を縮退させて右切り替え素子２８５を伸長させた場合には、左第１カム面同士が接触するとともに、右第２カム面同士が右切り替え素子２８５を介して連結する。
【００６８】
本実施形態の駆動装置２００は、右切り替え素子２８５を伸ばして左第１カム面同士を接触させ、右第２カム面同士を連結する。それとともに、左切り替え素子２８０を縮めて右第１カム面同士及び左第２カム面同士は接触させず隙間を空けることにより、実施形態１の駆動装置１００と同じ駆動方向とすることができる。この状態で、左右圧電素子２５０，２５５を互いに反対の位相で伸縮させることにより、実施形態１と同様に、左方向の摩擦力だけが被駆動部材１４０に伝わり、高い効率で駆動できる。
【００６９】
一方、左切り替え素子２８０を伸ばして右第１カム面同士を接触させ、左第２カム面同士を連結する。それとともに、右切り替え素子２８５を縮めて左第１カム面同士及び右第２カム面同士は接触させず隙間を空けることにより、右方向の摩擦力だけが被駆動部材１４０に伝わり、高い効率で駆動できる。
【００７０】
以上説明したように、実施形態２に係る駆動装置２００は、駆動方向と反駆動方向とを切り替えることができるため、実施形態１の駆動装置１００の効果に加え、被駆動部材１４０の運動方向を選択的に決定することが可能であり、適用範囲の拡大を図ることができる。
【００７１】
＜実施形態３＞
図６は、第３実施形態に係る駆動装置３００の側面図、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。なお、図３、図５に示す部材と共通する部材には同一符号を使用し、説明は省略する。
【００７２】
図６を参照して説明すると、本実施形態の駆動装置３００は、実施形態１の駆動装置２つが駆動部材１１０を間にして対向する構造を有する。駆動部材１１０と駆動部材１１０との間には、押し付け力発生手段としてバネ３９０が配置され、このバネ３９０は２つの駆動部材１１０を連結している。
【００７３】
図７を参照して説明すると、本実施形態の駆動装置３００は、２つの被駆動部材１４０が、連結部３４５により断面コ字状に連結されている。
【００７４】
実施形態１の駆動装置１００は、駆動部材１１０が、押し付け力の反力を被駆動部材１４０から受ける。このため、軸受け等を介して駆動部材１１０を固定物に支持する必要がある。同様に、押しつけ力を受ける被駆動部材１４０も支持する必要がある。したがって、駆動部材１１０と支持部（図示せず）との間、及び被駆動部材１４０と支持部（図示せず）との間で、摩擦損失が発生する。
【００７５】
これに対して、実施形態３の駆動装置３００は、押し付け力に対する反力が、同じ大きさで逆方向に、それぞれの駆動部材１１０に作用する。したがって、押し付け力に対する反力は、駆動部材１１０の間に配置したバネ３９０を介して相殺され、別途支持部を設ける必要がない。
【００７６】
同様に、２つの被駆動部材１４０には、同じ大きさで逆方向の押し付け力が作用するが、連結部３４５を介して押し付け力が相殺されるため、別途支持部を設ける必要がない。
【００７７】
したがって、駆動部材１１０と支持部との間、及び被駆動部材１４０と支持部との間で発生する摩擦損失を抑制することができる。
【００７８】
第１部材１２０及び第２部材１３０は、第１カム面１２３，１３３又は第２カム面１２６，１３６で接触する。寸法誤差等がある場合、接触時に、隙間がこれら接触面の間に生じる。このような隙間が生じると、圧電素子１５０及び駆動部材１１０の移動量に対して、隙間がガタとなることにより、被駆動部材１４０の移動量が小さくなり、駆動装置３００として得られる速度が小さくなる。
【００７９】
本実施形態の駆動装置３００は、駆動部材１１０が、バネ３９０により被駆動部材１４０に対して押し付けられるため、寸法誤差等により生じる隙間を小さくすることができる。
【００８０】
以上説明したように、実施形態３に係る駆動装置３００は、駆動部材１１０に働く押し付け力の反力及び被駆動部材１４０に働く押し付け力を相殺することができる。したがって、駆動部材１１０及び被駆動部材１４０を支持する支持部が必要なく、実施形態３に係る駆動装置３００は、実施形態１の駆動装置１００の効果に加え、支持部での摺動による摩擦損失をなくすことができる。
【００８１】
更に、実施形態３に係る駆動装置３００は、バネ３９０により第１部材１２０を第２部材１３０に対して押し付けているため、寸法誤差等により生じる第１部材１２０と第２部材１３０との間の隙間を小さくすることができる。
【００８２】
＜実施形態４＞
図８は、第４実施形態に係る駆動装置４００の側面図である。なお、図３、図５〜７に示す部材と共通する部材には同一符号を使用し、説明は省略する。
【００８３】
図８を参照して説明すると、実施形態４に係る駆動装置４００は、被駆動部材４４０が、回転体であり、所定の回動中心４４５回りに回動可能である。駆動部材２１０の往復運動の方向は、被駆動部材４４０の回転運動における接線方向である。
【００８４】
本実施形態の被駆動部材４４０は、円筒形状であり、実施形態２の駆動部材２１０が９０°ピッチで外周面に接して４つ配置されている。
【００８５】
このように配置することにより、被駆動部材４４０を回転させ、回転出力を得ることができる。したがって、駆動装置４００は、直動アクチュエータだけでなく回転アクチュエータとしての用途にも適用することができる。
【００８６】
したがって、実施形態４に係る駆動装置４００は、実施形態１及び実施形態２の効果に加え、新たな機構の追加なしに回転出力を得ることができるという効果を発揮することができる。
【実施例】
【００８７】
以下、本発明を実施例及び比較例により詳細に説明する。
具体的には、各例に記載したような操作により、摩擦材を作製し、その性能を評価した。
【００８８】
（実施例１）
まず、摩擦材の基板となるＳｉ基板に、エポキシ樹脂（３Ｍ社製、ＤＰ４６０）を滴下した。
次いで、スピンコートによってエポキシ樹脂層の厚みを約３０μｍに調整してエポキシ樹脂を塗布した。
次いで、エポキシ樹脂を複素粘度が２５０００Ｐａ・ｓとなるまで乾燥した。
次いで、Ｃ２Ｈ２を用いた熱ＣＶＤ法により合成された多層カーボンナノチューブ（直径：２０ｎｍ、長さ：１００μｍ）の先端（閉塞端）を接着層に埋設した。
更に、エポキシ樹脂を完全に硬化させて固化し、カーボンナノチューブの成長基板を剥離した。
しかる後、カーボンナノチューブ上に１００ｇの錘を布置し、一方向に移動させて、本例の摩擦材を得た。
【００８９】
なお、複素粘度、即ち動的粘弾性率の測定には、非共振強制伸張振動法と呼ばれる測定手法を用いた。この測定手法は、試験片に定常的な正弦波変位（ひずみ）を強制的に与えた際、その応答としての荷重（応力）及び位相のずれを検出することにより、粘弾性体の力学的特性を評価する手法である。
また、用いた多層カーボンナノチューブのＩＤ／ＩＧ値は１．２であった。
【００９０】
図９（ａ）は、実施例１の摩擦材を基板平面に対して垂直方向に切断した断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、観察した像の写真、（ｂ）は（ａ）の赤色破線で囲った部分の拡大像の写真である。図９（ａ）及び（ｂ）より、本例の摩擦材が、図１で示すような構造であることが確認された。
【００９１】
（比較例１）
実施例１において、曲成工程を行わなかったこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返し、本例の摩擦材を得た。
【００９２】
図１０は、比較例１の摩擦材を基板平面に対して垂直方向に切断した断面を、ＳＥＭを用いて、観察した像の写真である。
【００９３】
［性能評価］
（摩擦特性評価）
得られた摩擦材に対し、Ｈｙｓｉｔｒｏｎ  Ｉｎｃ．製  Ｈｉｇｈ  Ｌｏａｄ  ｔｒｉｂｏ  Ｉｎｄｅｎｔｅｒを用い、先端半径８４．５μｍのダイヤモンド製球形圧子を用いたスクラッチ試験（単一引っ掻き測定）を実施し、摩擦特性を評価した。
【００９４】
その結果、実施例１の摩擦材の摩擦係数は３．９であり、比較例１の摩擦材の摩擦係数は４．８であった。実施例１の摩擦材は、摩擦係数が１を超えており、比較例１の摩擦材と同程度の高摩擦特性（＊）を維持していることが分かる。
（＊）摩擦材として一般的な商品に、ブレーキパッドがあるが、普通車、スポーツ車に使用されるブレーキパッドの摩擦係数はそれぞれ０．３５〜０．４、０．４〜０．５程度であり、摩擦係数が１を超えている摩擦材は、高摩擦特性を有していると言える。
【００９５】
（変形抑制特性評価）
得られた摩擦材に対し、Ｈｙｓｉｔｒｏｎ  Ｉｎｃ．製  Ｈｉｇｈ  Ｌｏａｄ  ｔｒｉｂｏ  Ｉｎｄｅｎｔｅｒを用い、先端半径８４．５μｍのダイヤモンド製球形圧子を用いたインデンテーション試験を実施し、変形抑制特性を評価した。
具体的には、得られた摩擦材に対し、Ｓｉ基板平面に対して垂直方向から約０．３ｍＮの荷重を付与し、除荷した。図１１に得られた結果を示す。
【００９６】
図１１より、本発明外の比較例１の摩擦材では、最終変形量（Ｘ軸との交点）が約７．２μｍであるのに対して、本発明に属する実施例１の摩擦材では、約３μｍであり、基板面に対して垂直方向の変形量が抑制されたことが確認できた。
【００９７】
以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【００９８】
例えば、上述した実施形態及び実施例では、基板としてＳｉ基板を適用したものを説明したが、基板に関して特に制限されるものではなく、例えばＦｅやＡｌなどの金属及びそれらを主成分とする合金を基板としたものについても、本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本実施形態に係る摩擦材の構造の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】本実施形態に係る摩擦材の製造方法の手順の一例を示す模式的な断面図である。
【図３】第１実施形態に係る駆動装置の側面図である。
【図４】第１実施形態における駆動部材の往復運動周波数と被駆動部材の速度との関係の一例を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る駆動装置の側面図である。
【図６】第３実施形態に係る駆動装置の側面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。
【図８】第４実施形態に係る駆動装置の側面図である。
【図９】実施例１の摩擦材を基板平面に対して垂直方向に切断した断面を、ＳＥＭを用いて、観察した像の写真（ａ）、（ａ）の赤色破線で囲った部分拡大像の写真（ｂ）である。
【図１０】比較例１の摩擦材を基板平面に対して垂直方向に切断した断面を、ＳＥＭを用いて、観察した像の写真である。
【図１１】実施例１及び比較例１のインデンテーション試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１００】
１０  摩擦材
１１  基板
１２  接着層
１３  カーボンナノチューブ
【図１】
2010106128.tif 000003
【図２】
2010106128.tif 000004
【図３】
2010106128.tif 000005
【図４】
2010106128.tif 000006
【図５】
2010106128.tif 000007
【図６】
2010106128.tif 000008
【図７】
2010106128.tif 000009
【図８】
2010106128.tif 000010
【図９】
2010106128.tif 000011
【図１０】
2010106128.tif 000012
【図１１】
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