(57)【要約】【課題】  ＳＩＤＭ方式を採用する駆動装置において、往復駆動を繰り返しても、移動体の速度低下や駆動電圧の上昇といった問題が生じないようにする。【解決手段】  ロッドと移動体との摩擦係合面の初期における表面形状を平滑にすることで、移動体の速度低下という問題を解決した。また、極微小粒子を含む潤滑剤を摩擦係合部に適用することで、駆動電圧が上昇するという問題を解決した。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動パルス発生手段に接続されて伸縮するとともに、伸縮方向一端が固定された駆動用電気機械変換素子と、
駆動用電気機械変換素子の伸縮方向他端に固定された第１端と、その反対側の第２端と、を有するロッドと、
ロッドの周囲に摩擦結合していて、駆動用電気機械変換素子の伸縮によるロッドの振動に起因して、当該ロッドに沿って移動する移動体と、を備えた駆動装置において、
互いに摩擦係合するロッドおよび移動体の各摩擦係合面の表面粗さがＲａ０.８μｍ以下であることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
上記ロッドが円筒形状であって、その円筒度が２μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の駆動装置。
【請求項３】
上記ロッドと移動体との摩擦係合部に、粒径が５０ｎｍ以下の粒子で構成される潤滑剤を用いたことを特徴とする、請求項２記載の駆動装置。
【請求項４】
上記粒子がクラスターダイヤであることを特徴とする、請求項３記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子（ピエゾ素子）等の電気機械変換素子を利用した駆動装置に関する。この駆動装置は、例えば、カメラにおけるレンズ駆動や、精密ステージの駆動に使用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
小型で高出力の駆動装置として、圧電素子を利用したスムーズインパクト駆動方式（ＳＩＤＭ）を採用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−９８８６５号公報
【０００４】
図１および図２は、上記特許文献１に示された、駆動装置の原理を説明する図である。図１(ａ)は駆動装置の分解斜視図を、図１(ｂ)はその組立斜視図を示している。この駆動装置は、台座（固定台）１に対して移動体１０を相対的に移動させることができ、例えば、カメラのレンズ駆動装置として使用できる。すなわち、移動体１０をレンズ玉枠と連結すれば、移動体１０とともにレンズを移動させることができる。
【０００５】
圧電素子４は、多数の圧電板を積層して構成されており、伸縮方向一端４ａが台座１に固定されるとともに他端４ｂがロッド５の第１端５ａに固定される。ロッド５は、台座１に一体的に形成された支持部２および３に摺動可能に支持される。
【０００６】
移動体１０は、本体１１とキャップ１２とでロッド５を挟み込むとともに、押圧バネ１３で本体１１およびキャップ１２に挟み込み方向の付勢力を与えることによって、ロッド５の周囲に摩擦結合される。
【０００７】
圧電素子４には不図示の電圧制御回路（駆動パルス発生手段）が接続されている。圧電素子４およびロッド５から決まる系の共振周波数の約０．７倍の周波数の矩形波電圧を連続的に印加すると、圧電素子４は、図２に示したようなノコギリ歯状の変位をもって振動する。そして、これに伴ってロッド５も、ノコギリ歯状の変位をもってその長さ方向に振動する。すなわち、図２のグラフは、圧電素子４の振動変位を示すとともに、ロッド５の振動変位を示すものでもある。
【０００８】
具体的に説明すると、第１の波形１００の期間Ａにおける緩やかな立上がり傾斜部１０１では、圧電素子４は比較的ゆっくりと伸長し、ロッド５が図１(ｂ)中矢印Ｉ方向へとゆっくりと移動する。次に、期間Ｂにおいて、圧電素子４は急速に縮んで初期長さに戻り(立下がり傾斜部１０２で示される波形部分)、ロッド５が急激に矢印ＩＩ方向へと移動する。
以下同様の移動が繰り返えされ、結果として、ロッド５は、Ｉ方向へのゆっくりとした移動とＩＩ方向への急激な移動とを繰り返して振動する。このようにして、ロッド５は、図２に示したような、緩急のついたノコギリ歯状の振動波形を描きながら振動する。
【０００９】
ここで、図３に示したように、ロッド５がゆっくりと移動する場合には移動体１０が該ロッド５と共に移動し、ロッド５が急激に移動する場合には移動体１０が慣性によってその場に止まる（または、ロッド５よりも少量だけ移動する）ように、移動体１０の押圧バネ１３のバネ力（移動体１０のロッド５に対する摩擦結合力）が調節されている。したがって、ロッド５が振動する間に移動体１０は台座１に対して相対的にＩ方向に移動することとなる。
【００１０】
なお、移動体１０を図１（ｂ）中矢印ＩＩ方向へと移動させる場合には、圧電素子４およびロッド５の振動波形が図２に示したものと逆になるように、すなわち、急激な立上がり部と緩やかな立下がり部を有する波形とすればよい。移動体１０の移動原理は、上記の場合と同様である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、ＳＩＤＭ方式を採用する上記駆動装置は、往復駆動を繰り返していくうちに、次に説明するような２つの問題が生じる。
（１）速度低下の問題
この問題は、「往復駆動を繰り返していくうちに、移動体の移動速度が徐々に低下し、最終的には駆動不能となる。」というものである。
（２）駆動に要する電圧が上昇するという問題
この問題は、「往復駆動回数が少ないうちは、未使用状態が長時間に渡ったとしても、再度使用する場合に所期の駆動電圧で駆動可能であるが、往復駆動回数が増えると、長時間の未使用状態後に再度駆動しようとする場合に、所期の駆動電圧では駆動できなくなる。」というものである。
【００１２】
したがって、本発明は、往復駆動を繰り返しても、速度低下や駆動電圧の上昇といった上記（１）および（２）の問題が発生することなく、長期に渡って使用可能な駆動装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本件発明者は、上記（１）の問題は、摩擦係合面に凹凸が存在することが原因であると考えた。また、（２）の問題は、ＳＩＤＭが摩擦を介して駆動を行なうものであるため、往復駆動を繰り返すうちに摩擦係合面の表面形状が変化するのが原因であると考えた。
そして、係る考察に基き、摩擦係合面の初期における表面粗さをＲａ０.８μｍ以下として、平滑性を高めることで（１）の問題を解決した。また、それに加えて、粒径５０ｎｍ以下の極微小粒子を含む潤滑剤を摩擦係合部に適用し、コロとしてのマイクロベアリングの機能を発揮させることで、駆動の繰返しによる摩擦係合面の経時的な表面形状変化の影響を除去し、これによって（２）の問題を解決した。
なお、本明細書における表面粗さＲａとは、ＪＩＳに規定される算術平均粗さである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、摩擦係合面の初期における表面粗さをＲａ０.８μｍ以下とし、これにより高い平滑性を確保しているため、上記（１）の速度低下の問題が改善され、駆動装置を長期に渡って使用できる。
また、それに加えて、コロのごときマイクロベアリングとして機能し得る粒径５０ｎｍ以下の極小微粒子で構成される潤滑剤を摩擦係合部に適用し、これにより、往復駆動を繰り返した場合の摩擦係合面の経時的な表面形状変化の影響を低減しているので、上記（２）の駆動電圧上昇の問題が改善され、駆動装置を長期に渡って使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。本発明の駆動装置は、基本的な構成において、図１〜図３で説明した従来装置と同一である。本発明においては、ロッド５および移動体１０の摩擦係合面の表面粗さや円筒度を特定の値としている点、および特定の潤滑剤を用いた点において、従来装置と異なっている。
【００１６】
まず、本件発明者は、駆動装置の使用を重ねるにつれて移動体１０の移動速度が低下する原因が、ロッド５および移動体１０の摩擦係合面の表面粗さにあると考えて、これを解決すべく以下に説明する種々の測定を行った。
【実施例１】
【００１７】
図４および図５は、実施例１における測定結果を示している。図４は、駆動装置における「移動体１０の往復回数」と「移動速度」との関係を示すグラフである。図４は、表面粗さがＲａ０.７６μｍのロッド５に対して、２種類の摩擦係合面の表面粗さを有する移動体１０を用いた結果を示している。なお、本明細書における表面粗さＲａとは、ＪＩＳに規定される算術平均粗さである。
【００１８】
一方の移動体１０は、その摩擦係合面の表面粗さがＲａ０.７８μｍで、他方の移動体１０は、その摩擦係合面の表面粗さがＲａ１.２１μｍである。
なお、ロッド５は、カーボン繊維を樹脂成分でバインディングして、表面粗さをＲａ０.７６μｍとしたカーボンロッドである。
【００１９】
移動体１０の摩擦係合面の表面粗さがＲａ０.７８μｍの場合には、図４のグラフから分かるように、往復回数が１０００回となっても、移動速度の低下は殆ど見られない。一方、移動体１０の摩擦係合面の表面粗さがＲａ１.２１μｍである場合には、往復回数が増加するに伴って、移動速度が徐々に低下している。
【００２０】
このように、移動体１０の摩擦係合面の表面粗さを低減することで、往復回数の増大に伴なう駆動速度の低下を防ぐことができる。図５に、「移動体１０の摩擦係合面の表面粗さ」と「速度低下率」との関係を示す。なお、「速度低下率」は次式（１）で表される。
【００２１】
（１）速度低下率＝（１０００回往復後における移動体速度）／（移動体の初期速度）
【００２２】
移動体１０の往復回数の増大に伴なう移動速度の低下を防止するためには、摩擦係合面の表面粗さは、低ければ低い程良い。しかしながら、図５から分かるように、表面粗さがＲａ０.８μｍ以下であれば十分と考える。
【００２３】
以上説明したように、実施例１における測定結果からは、ロッド５の表面粗さが一定の場合、移動体１０の摩擦係合面の表面粗さをＲａ０.８μｍ以下とすれば、移動速度の低下を防止するのに有効であると考える。
【実施例２】
【００２４】
図６および図７は、実施例２における測定結果を示している。図６は、図４と同様に、駆動装置における「移動体１０の往復回数」と「移動速度」との関係を示すグラフである。ただし、実施例２では、実施例１とは逆に、移動体１０の摩擦係合面の表面粗さを一定（Ｒａ０.７８μｍ）として、２種類の表面粗さを有するロッド５を用いて測定を行なっている。
【００２５】
一方のロッド５は、その表面粗さがＲａ０.７６μｍで、他方のロッド５は、その表面粗さがＲａ１.３４μｍである。
なお、移動体１０としては、摩擦係合面の表面粗さがＲａ０.７８μｍの燐青銅を使用した。
【００２６】
ロッド５の表面粗さがＲａ０.７６μｍの場合、図６のグラフから分かるように、往復回数が１０００回となっても、移動体１０の移動速度の低下は殆ど見られない。一方、ロッド５の表面粗さがＲａ１.３４μｍである場合には、往復回数が増加するに伴って、移動体１０の移動速度が徐々に低下している。
【００２７】
このように、ロッド５の表面粗さを低減することによっても、往復回数の増大に伴なう移動体１０の移動速度の低下を防ぐことができる。図７に、「ロッド５の表面粗さ」と「速度低下率」との関係を示す。速度低下率は、上述の式（１）で表される。
【００２８】
移動体１０の往復回数の増大に伴なう移動速度の低下を防止するためには、ロッド５の表面粗さは、低ければ低い程良い。しかしながら、図７のグラフから分かるように、表面粗さがＲａ０.８μｍ以下であれば十分と考える。
【００２９】
以上説明したように、実施例２における測定結果からは、移動体１０の摩擦係合表面の表面粗さが一定である場合、ロッド５の表面粗さをＲａ０.８μｍ以下とすれば、移動速度の低下を防止するのに有効であると考える。
【００３０】
実施例１および２の結果から、「移動体１０の摩擦係合面の表面粗さ」および「ロッド５の表面粗さ」の両方（すなわち、互いに係合する摩擦係合表面の両方）をＲａ０.８μｍ以下とすれば、移動速度の低下を防止するのに十分な効果が得られるものと考えられる。
【実施例３】
【００３１】
また、本件発明者は、ロッド５が円筒形状である場合、ロッド５の円筒度も、移動体１０の移動速度の低下と何らかの関係があると考え、「円筒度が１.７μｍ」と「円筒度が３.３μｍ」との２種類のロッド５について測定を行なった。図８は、「移動体１０の往復回数」と「移動速度」との関係について、測定結果を示すグラフである。
なお、実施例３においては、「移動体１０の摩擦係合面の表面粗さ」および「ロッド５の表面粗さ」の両方をＲａ０.８μｍとしている。
【００３２】
なお、円筒度とは、円筒状物体の表面形状が真円にどれだけ近いかを示す指標となるものであって、例えば、円筒度２μｍという場合、当該円筒状物体の表面が、半径２μｍの差を有する同軸の２つの円筒の間の空間内に収まっていることを意味する。
【００３３】
ロッド５の円筒度が１.７μｍの場合、図８のグラフから分かるように、往復回数が３０万回となっても、移動体１０の移動速度の低下は殆ど見られない。一方、ロッド５の円筒度が３.３μｍである場合には、往復回数が２０万回を超えると、移動速度が急激に低下している。
【００３４】
このように、ロッド５の円筒度を低く（真円に近づける）すれば、表面粗さの低減と相俟って、移動体１０の移動速度の低下防止にさらに効果を発揮することが分かる。図９の表は、上述の式（１）で表される速度低下率を０.９以上に保つのに必要な「円筒度」と「往復駆動回数」との対応関係を示している。
往復回数の増大に伴なう移動速度の低下を防止するためには、ロッド５の円筒度は低ければ低い程良い。しかしながら、図９の表から分かるように、円筒度２.０μｍ以下であれば十分と考える。
【実施例４】
【００３５】
次に、本件発明者は、微小粒子で構成される潤滑剤を用いることで、駆動電圧上昇の問題を解決できるのではないかと考え、クラスターダイヤを潤滑剤として用いて測定を行なった。測定結果を図１０に示している。なお、駆動電圧上昇の問題とは、冒頭でも説明したが、以下のような問題である。
【００３６】
『往復駆動回数の少ない初期においては、停止状態が長時間に及んだとしても、再度使用するときには、所期の駆動電圧で足りる。しかしながら、往復駆動を重ねるにつれ、長時間の停止後に再度駆動しようとすると、所期の駆動電圧では足りない。つまり、駆動電圧が上昇する。』
【００３７】
図１０に示したように、潤滑剤として、粒径が１５ｎｍ程度の粒子で構成されるクラスターダイヤを使用した場合（本発明の場合）、使用開始前（厳密には、使用を始めて間もないころ）に２４時間未使用の期間をおいて、その後に駆動すると、その場合の駆動電圧は１.８Ｖである。そして、１０万回往復駆動後において、同様に２４時間未使用の期間をおいた後で駆動しても、その際に必要な駆動電圧はやはり１.８Ｖであって、不変である。
なお、潤滑剤としてのクラスターダイヤの使用方法として、クラスターダイヤの粉末をそのまま摩擦係合面に適用することや、グリスに混錬して塗布することが可能である。実施例４の測定においては、後者を採用している。
【００３８】
同じく図１０には、比較例として、下に説明する液体潤滑剤（グリス）や固体潤滑剤を使用して、同条件下で測定した結果を示している。比較例では、使用開始前は２４時間未使用後における再駆動電圧が１.８Ｖであり、クラスターダイヤを用いた場合と同じであるが、１０万回往復後における再駆動電圧は２.２Ｖに上昇している。
【００３９】
上で使用したグリス（液体潤滑剤）は、ＨＩ−ＬＵＢＥ：（株）ハーベス製である。一般に用いられる分子系グリスでは、摩擦係合部から潤滑剤が押し出される。その結果、部材間に潤滑剤が存在しない状態となって、接触付着を起こす。これが原因となって、駆動電圧の上昇を引き起こすものと推測できる。
【００４０】
また、固体潤滑剤は、ドライサーフ：（株）ハーベス製である。固体潤滑剤は、一般に粒径が大きく、摩擦係合部間ににおいて、両表面を研削してしまう。さらには、粒子同士が接触により研削されて粒子形状が変化する。その結果、コロのごときマイクロベアリングとしての機能を果たすことができなくなり、接触付着を起こす。これが原因となって、駆動電圧の上昇を引き起こすものと推測される。
【００４１】
これに対して、クラスターダイヤを用いた場合に、駆動電圧の上昇が見られない理由としては、以下のように考えることができる。
（１）クラスターダイヤは、粒子が微小であるが故に好ましい。粒子が大きくなると、駆動中に、粒子自体が研削されて粒形状が変化し、コロのごときマイクロベアリングの役割を果たさなくなる。つまり、粒径が微小であるクラスターダイヤであれば、往復駆動を繰り返したとしても、摩擦係合部間に存在する粒子自体の粒形状が変化することなく、コロのごときマイクロベアリングの機能が維持され、これにより、電圧上昇を防ぐことができる。
（２）クラスターダイヤは、硬度が高いが故に好ましい。硬度が高いと、駆動中に粒子自体が研削されることがなく、したがって、粒形状が変化することはない。その結果、上記（１）の場合と同様に、コロのごときマイクロベアリングの役割を果たし続けることができる。つまり、潤滑剤粒子径は硬度が高いほどよい。
【００４２】
上記考察結果からすると、少なくとも潤滑剤の粒子径が所定値以下であれば、駆動電圧の上昇を防止するのに効果があると考えられるが、粒子径が小さく、かつ粒子硬度が高ければなお良い。この点で、クラスターダイヤは優れた潤滑剤であると考える。
【００４３】
図１１には、種々の粒子径の固体潤滑剤について、駆動電圧を測定した結果を示している。図１１では、１０万回の往復駆動後において、２４時間の未使用期間をおいた後に再駆動する場合に必要な駆動電圧を示している。
再駆動時の駆動電圧の上昇を防止するためには、粒子径は小さければ小さい程良い。しかしながら、図１１のグラフから分かるように、粒子径が５０ｎｍ以下であれば十分と考える。
【００４４】
なお、実施例４の測定では、「移動体１０の摩擦係合面の表面粗さ」および「ロッド５の表面粗さ」の両方をＲａ０.７μｍとし、ロッド５の円筒度を１.７μｍとして、その上で潤滑剤を用いた場合について測定を行なっている。
しかしながら、実施例１〜３の結果を踏まえて考察すると、「移動体１０の摩擦係合面の表面粗さ」および「ロッド５の表面粗さ」の両方をＲａ０.８μｍ以下とし、ロッド５の円筒度を２.０μｍ以下とした上で、上記粒子径（５０ｎｍ以下）の微小粒子を含む潤滑剤を使用すれば、電圧上昇の問題を低減するのに有効と考える。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来の駆動装置を示す分解斜視図および組立図。
【図２】図１の駆動装置における駆動原理を説明する図。
【図３】図１の駆動装置における駆動原理を説明する図。
【図４】実施例１における測定結果を示すグラフ。
【図５】実施例１における測定結果を示すグラフ。
【図６】実施例２における測定結果を示すグラフ。
【図７】実施例２における測定結果を示すグラフ。
【図８】実施例３における測定結果を示すグラフ。
【図９】実施例３における測定結果を示す表。
【図１０】実施例４における測定結果を示すグラフ。
【図１１】実施例４における測定結果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４６】
１  台座
２、３  支持部
４  圧電素子（駆動用）
５  ロッド
１０  移動体
１１  移動体本体
１２  キャップ
１３  押圧バネ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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