(57)【要約】【課題】金属材料で形成する場合に比べて低コスト化と軽量化を図れるとともに、移動速度や駆動力を低下させることなく高剛性の可動子を用いた高性能駆動装置を提供する。【解決手段】電圧が印加されることにより伸縮する圧電素子２と、圧電素子２の伸縮方向一端に固定された駆動軸３と、駆動軸３に摺動可能に摩擦係合する可動子４とを備え、圧電素子２の伸びと縮みの速度または加速度を異ならせて駆動軸３を振動させることにより、可動子４を駆動軸３に沿って移動させる駆動装置１であって、可動子４を炭素繊維を含む液晶ポリマーで形成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、該電気機械変換素子の伸縮方向一端に固定された駆動軸と、該駆動軸に摺動可能に摩擦係合する可動子とを備え、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度または加速度を異ならせて前記駆動軸を振動させることにより、前記可動子を前記駆動軸に沿って移動させる駆動装置であって、前記可動子を炭素繊維を含む液晶ポリマーで形成したことを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記可動子と前記駆動軸との間に潤滑剤を介在させたことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記駆動軸は、炭素繊維を束ねてバインダで固めたカーボンファイバーロッドまたは炭素繊維強化樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記駆動軸は、前記バインダが不飽和ポリエステル樹脂またはエポキシ樹脂またはビニルエステル樹脂であることを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記液晶ポリマーの曲げ弾性係数が２５０００ＭＰａ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。
【請求項６】
前記潤滑剤は、前記駆動軸または前記可動子の相互接触面上に厚さ１０μｍ未満で配置されたフッ素系潤滑剤であることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
【請求項７】
前記フッ素系潤滑剤は、フッ素樹脂とフッ素オイルと溶媒の混合物を塗布して形成されることを特徴とする請求項６に記載の駆動装置。
【請求項８】
前記液晶ポリマーの成分にフッ素系樹脂を含むことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば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し、例えばカメラのレンズ駆動やＸ−Ｙテーブルの精密駆動などに好適に使用される駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子の一例である圧電素子と、前記圧電素子の伸縮方向一端に固定された駆動軸と、前記駆動軸に摺動可能に摩擦係合する可動子とを備え、前記圧電素子の伸びと縮みの速度または加速度を異ならせて前記駆動軸を振動させることにより、前記可動子を前記駆動軸に沿って移動させる駆動装置が知られている。この駆動装置において、例えばレンズを保持した枠体の一部として前記可動子に構成することにより、レンズをリニア駆動できるようになっている。
【０００３】
前記のような従来の駆動装置では、可動子をアルミ、亜鉛、ステンレス等の金属材料で製作していたが、コスト増や可動子の質量増につながっていた。コスト低減や軽量化のために可動子を樹脂材料で形成すると、可動子の移動速度が低下したり、駆動力が低下したりするなどの問題があった。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１４９８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、金属材料で形成する場合に比べて低コスト化と軽量化を図れるとともに、移動速度や駆動力を低下させることなく高剛性の可動子を用いた高性能駆動装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明の駆動装置は、電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、該電気機械変換素子の伸縮方向一端に固定された駆動軸と、該駆動軸に摺動可能に摩擦係合する可動子とを備え、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度または加速度を異ならせて前記駆動軸を振動させることにより、前記可動子を前記駆動軸に沿って移動させる駆動装置であって、前記可動子を炭素繊維を含む液晶ポリマーで形成したことを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の駆動装置において、前記可動子と前記駆動軸との間に潤滑剤を介在させてもよい。
【０００８】
また、本発明の駆動装置において、前記駆動軸は、炭素繊維を束ねてバインダで固めたカーボンファイバーロッドまたは炭素繊維強化樹脂であってもよい。この場合、前記バインダが不飽和ポリエステル樹脂またはエポキシ樹脂またはビニルエステル樹脂であることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の駆動装置において、前記液晶ポリマーの曲げ弾性係数が２５０００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の駆動装置において、前記潤滑剤は、前記駆動軸または前記可動子の相互接触面上に厚さ１０μｍ未満で配置されたフッ素系潤滑剤であってもよい。この場合、前記フッ素系潤滑剤は、フッ素樹脂とフッ素オイルと溶媒の混合物を塗布して形成されてもよい。
【００１１】
さらに、本発明の駆動装置において、前記液晶ポリマーの成分にフッ素系樹脂を含んでもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、可動子を炭素繊維を含む液晶ポリマーで形成することで、金属材料で形成する場合に比べて低コスト化と軽量化を図れるとともに、移動速度や駆動力を低下させることなく高い曲げ弾性係数の可動子を用いた高性能な駆動装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態である駆動装置１の正面図と側面図である。駆動装置１は、電気機械変換素子の一例である圧電素子２を備えている。圧電素子２は、パルス状の駆動電圧が印加されることによって、矢印Ｘ方向に伸縮する性質を有するものである。伸縮の幅および速度は、概ね印加される電圧に比例する。
【００１４】
圧電素子２の伸縮方向の一端には、駆動軸３が接着固定されている。駆動軸３は、直線状に伸びる丸棒の軸体で構成されている。駆動軸３には、可動子４が駆動軸３に沿って摺動可能に摩擦係合されている。可動子４は、可動子本体１０とキャップ５とで構成され、両者が駆動軸３を挟むようにして駆動軸３に係合している。可動子４を駆動軸３に沿って移動可能にすべく、駆動軸３と可動子４間が所定の摩擦力となるように、略コ字状の板バネ６により可動子本体１０とキャップ５を駆動軸３に押し付けている。
【００１５】
なお、駆動軸３は、丸棒の軸体に限らず、例えば変形円横断面を有する軸体で構成されてもよいし、あるいは、多角形横断面を有する軸体で構成されてもよい。また、駆動軸３と可動子４間に所定の摩擦力を発生させるための付勢部材は、板バネに限らず、例えばコイルバネやゴムなどの他の弾性部材であってもよい。
【００１６】
圧電素子２の伸縮方向の他端には、適当な重量のウエイト７が接着固定されている。ウエイト７は、固定部８に接着固定されている。固定部８は、シャーシやベース部材の一部であり、駆動装置１は固定部８に対して可動子４に相対的な動きをさせる機能を持つ。ウエイト７は、固定部８の剛性や共振特性などの影響で駆動装置１の特性が左右されることを防ぐために設けられている。
【００１７】
図２（ａ），（ｂ）は、可動子本体１０の側面図と平面図である。図２に示すように、可動子本体１０は、その上面にＶ字形断面の溝１１が設けられている。溝１１に駆動軸３が嵌り込んで、溝１１の２つの斜面１２，１２が駆動軸３と接触するようになっている。
【００１８】
可動子本体１０の４つの角部には、キャップ５を固定するための突起部１３がそれぞれ設けられている。これらの突起部１３によって、可動子本体１０と組み合わされて使用されるキャップ５が可動子本体１０から外れないように保持されている。
【００１９】
図３（ａ），（ｂ）は、キャップ５の側面図と平面図である。図３に示すように、キャップ５は、その下面にＶ字形断面の溝１６が設けられている。キャップ５が可動子本体１０と組み合わされた場合に、キャップ５の溝１６に嵌り込んで、溝１６の２つの斜面１７，１７が駆動軸３と接触するようになっている。
【００２０】
次に、前記構成からなる駆動装置１の動作について説明する。
電圧印加装置（図示せず）によって圧電素子２に緩やかな立ち上がり部と急激な立ち下がり部を有する鋸歯状波形の駆動パルスを印加すると、駆動パルスの緩やかな立ち上がり部では圧電素子２が緩やかにその厚み方向に伸び変位し、これに伴って圧電素子２に固定されている駆動軸３が軸方向に緩やかに変位する。このとき駆動軸３に摩擦係合した可動子４は摩擦力により駆動軸３と共に移動する。
【００２１】
一方、駆動パルスの急激な立ち下がり部では、圧電素子２は、急速に厚み方向に縮み変位し、これに伴って圧電素子２に固定された駆動軸３も急速に軸方向に変位する。このとき、駆動軸３に摩擦係合した可動子４は慣性力により駆動軸３との摩擦結合力に打ち勝って実質的にその位置に留まり移動しない。圧電素子２に前記鋸歯状波形の駆動パルスを連続的に印加することにより、可動子４を駆動軸３に沿って圧電素子２から離れる方向に移動させることができる。ここで、可動子４が実質的にその位置に留まり移動しないとは、駆動軸３の正方向および負方向の伸縮時のいずれにおいても可動子４と駆動軸３との間で滑りを生じつつ可動子４が移動するが、移動量が対称ではないため、全体としてどちらか任意の方向に可動子４が移動する場合を含む。
【００２２】
これに対し、可動子４を反対方向（すなわち圧電素子２に近づく方向）に移動させるには、圧電素子２に印加する鋸歯状の駆動パルスの波形を急速な立ち上がり部と緩やかな立ち下がり部からなるものに変更すれば、上述したのとは逆の作用によって達成することができる。なお、駆動パルスは、矩形波やその他の波形を適用することもできる。
【００２３】
前記駆動装置１の駆動軸３は、軽量で剛性の高いことが要求される。このため、カーボンファイバを束ねてバインダで固めたカーボンファイバーロッドや炭素繊維強化樹脂が駆動軸３の材料として適している。前記バインダとしては、不飽和ポリエステル樹脂またはエポキシ樹脂またはビニルエステル樹脂などが使用可能である。
【００２４】
従来は可動子４を金属材料で構成していたため、可動子４の移動方向が重力方向か反重力方向かで移動速度の差が大きくなったり、駆動装置１が衝撃を受けた場合に可動子４の慣性により駆動軸３や圧電素子２に過大な力が加わるなどの問題があった。また、部品コストも樹脂材料製と比べると高くなる問題もあった。
【００２５】
そこで、本実施形態の駆動装置１では、可動子４を樹脂材料で製作することとした。可動子４を樹脂材料で構成する場合、可動子４の剛性を高めておくことが、可動子４の移動速度や駆動力の向上に有利である。このため可動子４の樹脂材料として、曲げ弾性係数の高い液晶ポリマーを選択すると有利である。このような樹脂材料を選択しても、可動子４の移動速度は低いため可動子４に炭素繊維すなわちカーボンファイバを添加して、可動子４の剛性をさらに高めることが駆動装置１の性能向上にさらに有利である。カーボンファイバの含有率を高くすれば可動子４の剛性を高めることができるが、可動子４は光学ユニット中でレンズを駆動するなどの実際の用途に用いるため、レンズ保持部などの細部形状を再現性よく高精度で成形できることが必要であり、そのためには３０重量％程度のカーボンファイバを含有させることが好ましい。こうすることで、樹脂材料としての曲げ弾性係数を２５０００ＭＰａ以上にすることが可能であり、可動子４の移動速度や駆動力を高めることができる。
【００２６】
材料の一例としてポリプラスチック社のベクトラＡ２３０というＬＣＰの品種では、カーボンファイバ含有率が３０重量％であり、曲げ弾性係数が厚み３．２ｍｍの材料で２８４００ＭＰａ、厚み１．６ｍｍの材料で２９４００ＭＰａとなり、可動子４の材料として適している。液晶ポリマーは厚みが厚くなるにしたがって曲げ弾性係数が低くなる特性をもっているが、本実施形態の駆動装置１は摩擦を利用する原理から比較的小さい負荷を動かす目的に使用される小型駆動装置であるため、可動子４の部品厚さとしては上記のような３．２ｍｍ程度の厚さ以下で使用可能である。
【００２７】
駆動装置１では、駆動軸３と可動子４の摩擦を利用して可動子４を動かすため、必要な耐久性能によっては駆動軸３と可動子４の摩擦による性能劣化に注意が必要である。特に、６０℃以上の高温環境下で使用される場合は駆動軸３と可動子４の摩耗が早く進む傾向があるため、摩耗への対策が必要である。
【００２８】
摩耗への対策として、摩擦部に潤滑剤を介在させることで、摩擦部の摩耗を減少させることができる。このときに、粘度の高いグリス類の潤滑剤を摩擦部に配置すると、駆動軸３と可動子４の間にグリス層が形成されて耐摩耗性は著しく向上するが、０℃付近の低温ではグリスの高粘度化により可動子４の移動速度の低下が著しくなり、駆動機構の実用性能として問題が生じる。
【００２９】
これを防ぐため、本実施形態の駆動装置１では、摩擦部である駆動軸３または可動子４の相互接触面上にフッ素樹脂とフッ素オイルと溶媒の混合物を塗布することで、摩擦部にフッ素樹脂とフッ素オイルの混合物が潤滑剤として配置されるようにした。前記溶媒は、オゾン層破壊係数がゼロで、地球温暖化係数も低いハイドロフルオロエーテルなどが適している。混合物の塗布後、溶媒は蒸発して摩擦部にはフッ素樹脂とフッ素オイルの混合物が１０μｍ未満で配置され、フッ素系潤滑剤として作用する。このように配置された潤滑剤は、駆動軸３と可動子４間の摩耗を低減させる効果をもち、同時に駆動装置１の動作に必要な駆動軸３と可動子４間の摩擦力も維持できる。可動子４の移動速度の温度特性も０℃から８０℃まで安定していて、駆動機構として良好な性能を示す。
【００３０】
図４に、低温、高湿、高温、常温の４環境下で実施した耐久試験における可動子４の移動速度推移グラフを示す。このグラフは、同一構成の３つの駆動装置１についてのそれぞれの測定結果を、縦に３段に並べて示している。いずれのグラフでも、各環境下でほぼ安定した移動速度を示し、耐久性も確保されていることがわかる。この試験における可動子４はカーボンファイバ含有率３０重量％の液晶ポリマー製、駆動軸３はカーボンファイバーロッドで、潤滑剤としてフッ素樹脂とフッ素オイルとハイドロフルオロエーテルの混合物を駆動軸３に塗布して耐久試験を行ったものである。
【００３１】
なお、駆動軸３と可動子４の摩擦部の摩耗対策としては、摩擦部に潤滑剤を介在させる方法の他に、可動子４の液晶ポリマーにフッ素系樹脂を添加する方法を採用してもよい。この場合も、摩擦部にグリスを配置する場合に比較して、低温での速度低下が少なく駆動機構として良好な性能を維持しながら、耐久性を向上させることができる。
【００３２】
また、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】駆動装置の正面図と側面図。
【図２】可動子本体の側面図と平面図。
【図３】キャップの側面図と平面図。
【図４】駆動装置の環境下耐久速度性能を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３４】
１…駆動装置
２…圧電素子（電気機械変換素子）
３…駆動軸
４…可動子
５…キャップ
６…板バネ
７…ウエイト
８…固定部
１０…可動子本体
１１，１６…溝
１２，１７…斜面
１３…突起部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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