(57)【要約】【課題】  落下等の衝撃によっても電気機械変換素子の破損や該素子と構成部材との固定結合部の剥離などの破損が生じにくい摩擦駆動装置及び電気機械変換素子を提供する。【解決手段】  電気機械変換素子１０は、両面に電極を形成したＰＺＴなど圧電材料のシートを中軸に巻付けて焼成し、中軸を除いた後の空間に合成樹脂を充填して構成される。摩擦駆動装置２０は、電気機械変換素子１０の伸縮方向の一方の端部に駆動摩擦部材２１が、他方の端部に重錘２２が接着剤で固定結合され、駆動摩擦部材２１にはテーブル等の被駆動部材が結合された移動体２３が摩擦結合している。電気機械変換素子１０の電極間に駆動パルスを印加して速度の異なる往復振動を発生させ駆動摩擦部材２１に伝達すると、駆動摩擦部材２１に摩擦結合した移動体２３は駆動摩擦部材２１の往復振動の非対称性により速度の遅い振動方向に移動する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械変換素子に速度の異なる伸縮変位を発生させて前記電気機械変換素子の一方の端部に固定結合された駆動摩擦部材を往復振動させ、前記駆動摩擦部材に摩擦結合した移動体を所定方向に移動させる摩擦駆動装置において、
前記電気機械変換素子は、シート状の圧電材料により形成された筒状体の内部に合成樹脂が充填されて構成されていること
を特徴とする摩擦駆動装置。
【請求項２】
シート状の圧電材料により形成された筒状体の内部に合成樹脂が充填されている電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子の一方の端部に固定結合された駆動摩擦部材と、
前記電気機械変換素子の他方の端部に固定結合された重錘と、
前記駆動摩擦部材に摩擦結合している移動体とを備え、
前記電気機械変換素子に駆動パルスを印加して速度の異なる伸縮変位を発生させて前記電気機械変換素子の一方の端部に固定結合された駆動摩擦部材を往復振動させ、前記駆動摩擦部材に摩擦結合した移動体を所定方向に移動させること
を特徴とする摩擦駆動装置。
【請求項３】
電極が形成されたシート状の圧電材料を筒状体に形成し、筒状体の内部に合成樹脂を充填して構成されていること
を特徴とする電気機械変換素子。
【請求項４】
前記圧電材料はＰＺＴを主成分とする圧電セラミックスであること
ことを特徴とする請求項３に記載の電気機械変換素子。
【請求項５】
前記合成樹脂は、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、アラミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、シアノアクリレート系樹脂、ゴム系樹脂などから選択された１種又は２種以上の合成樹脂であること
を特徴とする請求項３又は４に記載の電気機械変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気機械変換素子を使用した摩擦駆動装置及びそれに使用される電気機械変換素子に関するもので、特にカメラやＤＶＤ、ＣＤ、ＭＤ、内視鏡などの内部に配置された光学部品を移動させる摩擦駆動装置と、その摩擦駆動装置に使用される電気機械変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械変換素子を使用した摩擦駆動装置は、供給される電気エネルギを駆動力に変換する変換効率が高く、小型軽量でありながら発生する駆動力が大きく、また、駆動力を容易に制御できるため、カメラ、計測機器、その他の精密機械の被駆動部材の駆動や位置決めに利用されるようになってきた。
【０００３】
このような摩擦駆動装置で使用される駆動源である電気機械変換素子には、単位の圧電素子を複数枚積層して構成したものがある。これは、単位の圧電素子に発生する厚み方向の変位をできるだけ大きくして取り出すためである。
【０００４】
単位の圧電素子を複数枚積層して構成した電気機械変換素子は、単位素子それぞれの表面に電極を設ける工程、積層して接着する工程、各層の電極を結線する工程という繁雑な作業を経て製造されるので、コストの高いものであった。
【０００５】
その他の形状の電気機械変換素子としては、単層の中空円筒状に形成した電気機械変換素子がある。中空円筒状の電気機械変換素子は、比較的機械的強度が高いという特徴があるにしても、発生する変位を大きくするには電界強度を高める必要がある。従って、電気機械変換素子に印加する電圧に制約がある場合には、電気機械変換素子の厚みを薄くして電界強度を高めなければならない。即ち、発生する変位を大きくしようとすると電気機械変換素子の機械的強度が低下するという不都合があった。
【０００６】
このため、電極が形成された２枚の薄板状の圧電素子を積層した積層体を中空筒状に巻き、熱処理の際に生じる電気機械変換素子の変形を防止するため、２枚の薄板状の圧電素子積層体をセラミックなどの高い融点材料で構成した中軸の回りに巻き付けた構成が提案されているが（特許文献１参照）、中軸のある構成では、電気機械変換素子に発生する変位が中軸により阻害され、十分な変位を発生させることができないという不都合があることが明らかになった。
【０００７】
この対策として、熱処理の後、上記中軸を取り除くようにした構成が提案された。すなわち、セラミックなどの高い融点材料で構成した円筒又は円柱部材を適当なサイズに切断して複数のセグメントを形成し、これを電気機械変換素子の焼成温度以下で熱分解する接着剤で接着して中軸を構成し、この中軸を使用して圧電素子積層体を巻き付け、焼成後にセグメントに分解された中軸を取り除き、中空円筒状の電気機械変換素子を得るものである（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−０７７７３７号公報。
【特許文献２】特開２０００−１７４３５２号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した構成の中空円筒状の電気機械変換素子を使用し、電気機械変換素子の伸縮方向の一方の端部に駆動摩擦部材を接着により固定結合し、電気機械変換素子の他方の端部に重錘を接着により固定結合し、前記駆動摩擦部材に移動部材を弾性部材により圧接して摩擦結合させた摩擦駆動装置について、落下衝撃試験を行ったところ、摩擦駆動装置が破損した。
【０００９】
破損には、以下の３種の破壊モードが認められた。第１の破壊モードは電気機械変換素子の破損、第２の破壊モードは電気機械変換素子の端部と重錘との間の固定結合部の剥離、第３の破壊モードは電気機械変換素子の端部と駆動摩擦部材との間の固定結合部の剥離である。
【００１０】
このような破損を回避するには、電気機械変換素子自体の強度の向上、固定結合部の接着強度の向上が求められるが、特に、電気機械変換素子の端部と重錘との間の接着剤による固定結合や、電気機械変換素子の端部と駆動摩擦部材との間の接着剤による固定結合では、接着作業の際に、電気機械変換素子の中空円筒状部の空気が接着剤に侵入して気泡が発生し、接着による固定結合力を弱めているものと判断された。
【００１１】
即ち、図５は、従来の摩擦駆動装置１００の要部の固定結合構造を説明する図で、電気機械変換素子１０１の伸縮方向の一方の端部には駆動摩擦部材１０２が接着剤１０２ａにより固定結合され、電気機械変換素子１０１の他方の端部には重錘１０３が接着剤１０３ａにより固定結合されている。
【００１２】
図５（ａ）は、電気機械変換素子１０１に駆動摩擦部材１０２と重錘１０３とを同時に接着した場合を示しており、この場合は、電気機械変換素子１０１の中空円筒状部１０１ａの両端が同時に塞がれるから、中空円筒状部１０１ａの内部の空気圧が上昇して接着剤１０２ａ及び接着剤１０３ａに空気が侵入して気泡が発生し、接着による固定結合力を弱めてしまう。
【００１３】
また、図５（ｂ）は、先に電気機械変換素子１０１と駆動摩擦部材１０２とを接着剤１０２ａで接着し、後から電気機械変換素子１０１と重錘１０３とを接着剤１０３ａで接着した場合を示しており、この場合は、先に接着剤１０２ａで接着した部分は中空円筒状部１０１ａの空気圧の影響を受けないので接着剤１０２ａに空気が侵入して気泡が発生することはないが、後から接着剤１０３ａで接着した部分は中空円筒状部１０１ａの両端が塞がれて中空円筒状部１０１ａの空気圧が上昇するから、接着剤１０３ａに空気が侵入して気泡が発生し、重錘１０３の接着による固定結合力を弱めてしまう。
【００１４】
また、図５（ｃ）は、先に電気機械変換素子１０１と重錘１０３とを接着剤１０３ａで接着し、後から電気機械変換素子１０１と駆動摩擦部材１０２とを接着剤１０２ａで接着した場合であるが、この場合は、先に接着剤１０３ａで接着した部分は中空円筒状部１０１ａの空気圧の影響を受けないので接着剤１０３ａに空気が侵入して気泡が発生することはないが、後から接着剤１０２ａで接着した部分は中空円筒状部１０１ａの両端が塞がれて中空円筒状部１０１ａの空気圧が上昇するから、接着剤１０２ａに空気が侵入して気泡が発生し、駆動摩擦部材１０２の接着による固定結合力を弱めてしまう。
【００１５】
この発明は、上記課題の解決を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この発明は、上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、電気機械変換素子に速度の異なる伸縮変位を発生させて前記電気機械変換素子の一方の端部に固定結合された駆動摩擦部材を往復振動させ、前記駆動摩擦部材に摩擦結合した移動体を所定方向に移動させる摩擦駆動装置において、前記電気機械変換素子は、シート状の圧電材料により形成された筒状体の内部に合成樹脂が充填されて構成されていることを特徴とする摩擦駆動装置である。
【００１７】
請求項２の発明は、シート状の圧電材料により形成された筒状体の内部に合成樹脂が充填されている電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の一方の端部に固定結合された駆動摩擦部材と、前記電気機械変換素子の他方の端部に固定結合された重錘と、前記駆動摩擦部材に摩擦結合している移動体とを備え、前記電気機械変換素子に駆動パルスを印加して速度の異なる伸縮変位を発生させて前記電気機械変換素子の一方の端部に固定結合された駆動摩擦部材を往復振動させ、前記駆動摩擦部材に摩擦結合した移動体を所定方向に移動させることを特徴とする摩擦駆動装置である。
【００１８】
請求項３の発明は、電極が形成されたシート状の圧電材料を筒状体に形成し、筒状体の内部に合成樹脂を充填して構成されていること
を特徴とする電気機械変換素子である。
【００１９】
そして、前記圧電材料はＰＺＴを主成分とする圧電セラミックスであってもよい。
【００２０】
そして、前記合成樹脂は、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、アラミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、シアノアクリレート系樹脂、ゴム系樹脂などから選択された１種又は２種以上の合成樹脂である。
【発明の効果】
【００２１】
以上詳細に説明したとおり、請求項１及び請求項２の発明に係る摩擦駆動装置では、使用される電気機械変換素子が、シート状の圧電材料により形成された筒状体の内部に合成樹脂が充填されて構成されているから、従来のセラミックなどで構成した中軸がある構成よりも電気機械変換素子に駆動パルスを印加したときの変位量を大きくすることができ、また、耐衝撃性など強度も十分に高く維持することができる。
【００２２】
また、請求項３の発明に係る電気機械変換素子では、シート状の圧電材料により形成された筒状体の内部に合成樹脂が充填されて構成されているから、従来のセラミックなどで構成した中軸がある構成よりも電気機械変換素子に駆動パルスを印加したときの変位量を大きくすることができ、また、耐衝撃性など強度も十分に高く維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
まず、電気機械変換素子の構成及び製造過程を説明する。図１は電気機械変換素子の外観を示す斜視図、図２は図１に示す電気機械変換素子の断面図、図３はその製造過程にある電気機械変換素子の斜視図である。
【００２５】
図１及び図２に示すように、電気機械変換素子１０は、表面に電極１２が形成され、裏面に電極１３が形成された薄板状の圧電素子１１を、略中央部１１ｃで２つ折りして積層し、この積層体を後述する中軸１４の回りに巻き付けて円筒状に構成したものである。
【００２６】
圧電素子１１を略中央部で２つ折りするとき、２つ折りした端部を僅かにずらして２つ折りすることで、中軸１４の回りに巻き付けて円筒状に構成したとき、円筒の表面に電極１２及び電極１３を露出させることができ、電極の接続が容易になる。
【００２７】
なお、ここでは、薄板状の圧電素子１１の表面に電極１２を、裏面に電極１３が形成されたものを略中央部１１ｃで２つ折りして積層した構成を例示したが、表面に電極が形成された２枚の圧電素子を、電極面が重ならないように配置して積層して円筒状に構成することもできる。
【００２８】
次に、その製造工程を説明する。まず、圧電素子１１の材料としては、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ3 ・ＰｂＴｉＯ3 ）を主成分とする圧電セラミックスを使用する。このセラミックス粉体を溶剤、分散剤、バインダ、可塑剤等と混合し、ブレード等を使用して均一な平面に作成して一定の厚さ、例えば２０〜１００μｍの厚さに引き伸ばす。溶剤を蒸発させて乾燥すると、グリーンシートと呼ばれる柔軟性のあるシートを得ることができる。なお、ＰＺＴには、Ｓｒ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｎ等の改質用の元素を少量添加することができる。また、このほかの圧電セラミックスの使用も可能であうことは言うまでもない。
【００２９】
次に、このグリーンシートの表面及び裏面に、スクリーン印刷等の手段で、ペースト状の電極材料、例えばＰｔ系、Ａｇ−Ｐｄ系の電極材料を１〜数μｍの厚さに印刷し、電極１２及び１３を形成する。
【００３０】
次に、積層されたシート状の圧電素子１１を中軸１４に巻き付けて筒状体に形成するのであるが、ここで、中軸１４について説明する。
【００３１】
図３は中軸１４の構造を説明する断面図で、中軸１４はセグメント構造となっている。中軸１４は、例えば、ＰＺＴを主成分とする圧電セラミックスの円筒を焼成し、これを、図３に示すように軸方向に平行に、即ち電気機械変換素子の変位方向に沿つて複数個（この例では８個）のセグメント１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈにダイシングソーなどで切断する。次に、これ等のセグメント１４ａ〜１４ｈを、例えばシアノアクリレート系の接着剤などで接着して再び円筒状に形成する。
【００３２】
このほか、中軸１４は、円柱材を複数の円板に切断してシアノアクリレート系の接着剤で接着して形成したものなど、適宜の手段で構成することができる。
【００３３】
前記した中軸１４に、先に積層されたシート状の圧電素子１１を巻き付けて筒状体に形成し、これを所定の温度条件で焼成し、電極１２及び１３にリード線を接続して所定の直流高電圧を印加して分極させると、電気機械変換素子１０が完成する。この後、所望の長さ、例えば５ｍｍ程度の長さに切断して、摩擦駆動装置に使用する電気機械変換素子が完成する。
【００３４】
焼成する温度条件は、例えば、５時間程度かけて５００℃まで序々に温度を高め、５００℃で一定時間焼成した後、最初から９時間後に１２００℃まで序々に温度を高める。さらに、１２００℃で約０．３時間焼成した後、６時間程度かけて常温まで冷却する。
【００３５】
分極の方向は圧電素子１１の厚み方向とし、例えば、６０℃の環境において、電極１２及び１３の間に１．５ｋＶ／ｍｍの電圧を２０分間印加して分極させる。分極させることで、電気機械変換素子１０に円筒軸の方向の変位を発生させることができる。
【００３６】
中軸１４にシート状の圧電素子１１を巻き付けて焼成すると、中軸１４を構成するセグメント１４ａ〜１４ｈを相互に接着していた接着剤は焼成過程で熱分解し、セグメント１４ａ〜１４ｈは、ばらばらに分離した状態になっているから、電気機械変換素子１０の内部から中軸１４を容易に取り外すことができる。
【００３７】
なお、上記した中軸１４は、圧電セラミックスの円筒に限られるものではなく、他のセラミックスの円筒でもよく、また、炭素やモリブデン、タングステンなどその他の高融点材料の円筒を使用することもできる。また、形状も円筒に限られるものではなく、円柱状その他適宜の筒状或いは柱状であってもよい。
【００３８】
次に、中軸１４を取り除いた後にできる電気機械変換素子１０の中央の空間に、合成樹脂１５を充填し、電気機械変換素子１０が完成する。充填する合成樹脂としては、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、アラミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、シアノアクリレート系樹脂、ゴム系樹脂などから選択された１種又は２種以上の合成樹脂とする。
【００３９】
先に、従来技術の説明において、電極が形成された薄板状の圧電素子をセラミックなどの高い融点材料で構成した中軸の回りに巻き付けた構成を説明したが、焼成して完成した電気機械変換素子の中心に中軸があると、駆動パルスを印加したときの変位が中軸により阻害される。特に、セラミックは変形しにくいから、中軸のある電気機械変換素子に駆動パルスを印加したとき、セラミック製の中軸では変位量が小さくなる。このため、従来は焼成後に中軸を除去していたが、除去すると耐衝撃性など強度が低下する。
【００４０】
これに対し、中軸を除去した後に合成樹脂を充填したものでは、合成樹脂はセラミックよりも圧倒的に弾性係数が小さいので、中軸による変位の阻害が小さく、電気機械変換素子に駆動パルスを印加したときの変位量を大きくすることができ、耐衝撃性などの強度も良好に維持することができる。
【００４１】
図４は、摩擦駆動装置２０の構成を説明する図である。摩擦駆動装置２０は、先に説明した電気機械変換素子１０の伸縮方向の一方の端部に駆動摩擦部材２１が接着剤２１ａにより接着されて固定結合され、電気機械変換素子１０の他方の端部に重錘２２が接着剤２２ａにより接着されて固定結合されている。また、駆動摩擦部材２１は、駆動摩擦部材２１の軸方向（矢印ａ方向）の移動を妨げないように、支持部材２７、２８により軸方向には移動自在に保持されているものとする。
【００４２】
駆動摩擦部材２１には、移動体２３が適当な摩擦力で摩擦結合している。移動体２３には駆動摩擦部材２１が貫通しており、移動体２３の駆動摩擦部材２１が貫通している下部には、開口部２３ａが形成され、駆動摩擦部材２１の下半分が露出している。また、この開口部２３ａには駆動摩擦部材２１の下半分に当接するパツド２４が嵌挿され、パツド２４は板ばね２５により押し上げられていて、駆動摩擦部材２１と移動体２３及びパツド２４は板ばね２５の付勢力Ｆにより圧接され、適当な摩擦力で摩擦結合している。また、移動体２３には、図示しないテーブル等の被駆動部材が結合されているものとする。
【００４３】
次にその動作を説明する。電気機械変換素子１０の電極１２と１３を駆動パルス発生回路３０に接続し、電極１２と１３との間に数１０ｋＨｚの鋸歯状波駆動パルスを印加すると、電気機械変換素子１０には軸方向に伸縮変位が生じるので、電気機械変換素子１０に結合した駆動摩擦部材２１には軸方向に速度の異なる往復振動が発生する。
【００４４】
このとき、電気機械変換素子１０の重錘２２が固定結合されている端部は、重錘２２の慣性力により実質的に移動しないから、電気機械変換素子１０に発生する速度の異なる往復振動は駆動摩擦部材２１に伝達され、駆動摩擦部材２１に速度の異なる往復振動が発生する。
【００４５】
駆動摩擦部材２１に発生する速度の異なる往復振動により、駆動摩擦部材２１に摩擦結合した移動体２３は、駆動摩擦部材２１上を滑りながら駆動摩擦部材の往復振動の非対称性により速度の遅い振動方向に移動するから、移動体２３に結合されたテーブル等の被駆動部材を移動させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
電気機械変換素子を使用した摩擦駆動装置及びそれに使用される電気機械変換素子であって、落下などの衝撃によっても、電気機械変換素子の破損や、摩擦駆動装置を構成する電気機械変換素子と構成部材との間の固定結合部の剥離などの破損が生じにくい電気機械変換素子を使用した摩擦駆動装置及びそれに使用される電気機械変換素子である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】電気機械変換素子の外観を示す斜視図。
【図２】図１に示す電気機械変換素子の断面図。
【図３】中軸のセグメント構造を説明する断面図。
【図４】摩擦駆動装置の構成を説明する図。
【図５】従来の摩擦駆動装置の要部の固定結合構造を説明する図。
【符号の説明】
【００４８】
１０  電気機械変換素子
１１  圧電素子
１１ｃ  略中央部（圧電素子を２つ折する折曲部）
１２、１３  電極
１４  中軸
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ  セグメント
１５  合成樹脂
２０  摩擦駆動装置
２１  駆動摩擦部材
２１ａ  接着剤
２２  重錘
２２ａ  接着剤
２３  移動体
２３ａ  開口部
２４  パツド
２５  板ばね
２７、２８  支持部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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