JP2011010424A - 振動アクチュエータ、光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動性能の良好な振動アクチュエータ及びこれを備える光学機器を提供することである。
【解決手段】振動アクチュエータ（１０，２０）は、振動を発生する振動子（１３，２３）と、振動子（１３，２３）と加圧接触され、その振動により、振動子（１３，２３）に対して相対移動する相対移動部材（１５，２５）と、振動子（１３，２３）の相対移動部材（１５，２５）に対する接触面と相対移動部材（１５，２５）の振動子（１３，２３）に対する接触面との少なくとも一方に設けられたフラーレンを含有する熱硬化性樹脂を含む膜（１８，３１）と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、振動アクチュエータ及びこれを備える光学機器に関するものである。

従来、振動アクチュエータとして、振動子と相対移動部材とが加圧接触され、振動子に発生した超音波振動の振動波が相対移動部材に伝達されることにより、相対移動部材が駆動される振動波モータが知られている。
このような振動波モータでは、振動子は、振動を効率よく相対移動部材に伝達する必要がある。このため、振動子には、高弾性材料、例えば、ステンレス系の材料等が用いられている。
振動子と相対移動部材とが接触する接触面に対しては、振動波を効率よく相対移動部材に伝えるために、所定の摩擦係数を有する摩擦材や低摩耗で安定駆動が可能な摩擦材等が選択され、用いられている。
例えば、特許文献１には、ポリイミド粉末を添加したエポキシ樹脂の溶液を、移動体の振動体との接触部に塗布して摩擦材を形成した振動波モータが開示されている。

特開平７−１９４１５２号公報

しかし、特許文献１のような摩擦材では、強度が弱く、耐久性に欠けるという問題があった。そのため、振動波モータとして、長時間の安定した駆動が行えない等、所望する駆動性能が得られないという問題があった。

本発明の課題は、駆動性能の良好な振動アクチュエータ及びこれを備える光学機器を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。
請求項１の発明は、振動を発生する振動子（１３，２３）と、前記振動子と加圧接触され、前記振動により、前記振動子に対して相対移動する相対移動部材（１５，２５）と、前記振動子の前記相対移動部材に対する接触面と前記相対移動部材の前記振動子に対する接触面との少なくとも一方に設けられたフラーレンを含有する熱硬化性樹脂を含む膜（１８，３１）と、を備える振動アクチュエータ（１０，２０）である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、前記膜（１８，３１）は、前記振動子（１３，２３）と前記相対移動部材（１５，２５）との少なくとも一方の接触面に、直接形成されていること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０，２０）である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の振動アクチュエータにおいて、前記膜（１８，３１）は、厚さが３〜１００μｍであること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０，２０）である。
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記フラーレンは、前記膜（１８，３１）内において、粒子間距離の平均偏差を平均粒子間距離で割った値が、０〜０．５となるように、分散していること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０，２０）である。
請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記フラーレンは、単層フラーレン及び多層フラーレンの少なくとも１つであること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０，２０）である。
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記フラーレンは金属内包であること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０，２０）である。
請求項７の発明は、請求項６に記載の振動アクチュエータにおいて、前記金属は、カルシウム、スカンジウム、イットリウム及びランタノイドの少なくとも一つであること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０，２０）である。
請求項８の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記熱硬化性樹脂膜（１８，３１）は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドイミド樹脂及びポリイミド樹脂の少なくとも１つであること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０，２０）である。
請求項９の発明は、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記膜（１８，３１）はフッ素樹脂を含むこと、を特徴とする振動アクチュエータ（１０，２０）である。
請求項１０の発明は、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記膜（１８，３１）は、熱硬化性樹脂及びフッ素樹脂を含み、前記フッ素樹脂は、前記熱硬化性樹脂１００重量部に対し、５〜３５重量部配合されていること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０，２０）である。
請求項１１の発明は、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備える光学機器（３）である。
なお、本発明をわかりやすく説明するために、実施形態を示す図面の符号に対応付けて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、後述の実施形態の構成を適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成物に代替させてもよい。さらに、その配置について特に限定のない構成要件は、実施形態で開示した配置に限らず、その機能を達成できる位置に配置することができる。

本発明によれば、駆動性能の良好な振動アクチュエータ及びこれを備える光学機器を提供することができるという効果を奏することができる。

第１実施形態のカメラを示す図である。 第１実施形態の超音波モータを示す図である。 第１実施形態の超音波モータの弾性体と移動体との接触部分を拡大した図である。 第１実施形態の樹脂膜の製造工程を示す図である。 第２実施形態の超音波モータを示す図である。

以下、図面等を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明による振動アクチュエータの実施形態として、超音波領域の振動を利用する超音波モータを例に挙げて説明する。
なお、図１を含め以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張している。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のカメラ１を示す図である。
本実施形態のカメラ１は、撮像素子６を有するカメラボディ２と、レンズ鏡筒３とを備える。レンズ鏡筒３は、カメラボディ２に着脱可能な交換レンズである。なお、本実施形態のカメラ１は、レンズ鏡筒３が交換レンズである例を示すが、これに限らず、例えば、カメラボディと一体型のレンズ鏡筒であってもよい。

レンズ鏡筒３は、レンズ４、カム筒５、超音波モータ１０等を備える。本実施形態では、超音波モータ１０は、略円環形状であり、その円環中心軸方向が光軸方向（図１中の矢印Ａ方向）と略一致するようにレンズ鏡筒３内に配置されている。この超音波モータ１０は、カメラ１のフォーカス動作時にレンズ４を駆動する駆動源として用いられている。超音波モータ１０から得られた駆動力は、カム筒５に伝えられる。レンズ４のレンズ枠４ａは、カム筒５とカム係合しており、超音波モータ１０の駆動力によってカム筒５が光軸回りに回転すると、レンズ４は、光軸方向へ移動して焦点調節が行なわれる。
図１において、レンズ鏡筒３内に設けられた不図示のレンズ群（レンズ４を含む）によって、撮像素子６の撮像面に被写体像が結像される。撮像素子６によって、結像された被写体像が電気信号に変換され、その信号をＡ／Ｄ変換することによって、画像データが得られる。

図２は、本実施形態の超音波モータ１０を示す図である。
本実施形態の超音波モータ１０は、圧電体１１及び弾性体１２を備える振動子１３と、移動体１５と、フレキシブルプリント基板１４と、振動吸収材１６と、支持体１７等とを備えている。

圧電体１１は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有する。本実施形態では、圧電体１１として圧電素子を用いているが、電歪素子を用いてもよい。この圧電体１１は、フェルト等の振動吸収材１６を介して、レンズ鏡筒３に設けられた支持体１７に固定されている。
圧電体１１は、不図示の電極部が形成されている。圧電体１１は、この電極部と電気的に接続されたフレキシブルプリント基板１４から供給される駆動信号により伸縮し、弾性体１２を励振する。

弾性体１２は、圧電体１１の励振により進行波を発生する部材である。弾性体１２は、高弾性率を有するステンレス鋼、インバー鋼等の鉄合金により形成される。本実施形態の弾性体１２は、ＳＵＳ３０３により形成されている。
弾性体１２は、略円環形状の部材であり、一方の面には導電性を有する接着剤等により圧電体１１が接着され、他方の面には複数の溝１２ｂを切って形成された櫛歯部１２ａが設けられている。

櫛歯部１２ａの先端面は、後述する移動体１５と加圧接触する接触面であり、この面に発生する進行性振動波によって移動体１５が回転駆動される。この櫛歯部１２ａの先端面には、熱硬化性樹脂により形成された樹脂膜１８（図３参照）が形成されている。この樹脂膜１８の詳細については後述する。

移動体１５は、アルミニウム等の軽金属によって形成された略円環形状の部材である。本実施形態の移動体１５は、アルミニウム合金により形成されている。移動体１５は、振動子１３（弾性体１２）と加圧接触し、進行波により摩擦駆動される。この移動体１５の振動子１３に対する接触面には、アルマイト皮膜層１９（図３参照）が形成されている。

フレキシブルプリント基板１４は、圧電体１１の所定の電極部と電気的に接続されており、圧電体１１に駆動信号を供給する部材である。
また、フレキシブルプリント基板１４には、カメラ１の制御を行う制御装置１０１が接続されている。制御装置１０１には、温度センサ１０２が接続されている。この制御装置１０１は、温度センサ１０２の検知結果に応じて、超音波モータ１０の回転数が一定となるように、圧電体１１に供給する駆動信号の周波数を調整している。

図３は、本実施形態の超音波モータ１０の弾性体１２と移動体１５との接触部分の拡大図である。なお、図３では、超音波モータ１０の周方向の断面の一部を拡大して示している。

上述のように、弾性体１２の移動体１５との接触面（櫛歯部１２ａの先端面）には、樹脂膜１８が設けられている。移動体１５の弾性体１２との接触面には、アルマイト皮膜層１９が設けられている。従って、振動子１３と移動体１５とが接触する面は、樹脂膜１８とアルマイト皮膜層１９とが接触する形態となっている。

本実施形態の樹脂膜１８は、フラーレンと、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）と、硬化剤としてフェノール樹脂とを配合したエポキシ樹脂を用いて形成されている。また、樹脂膜１８の表面の高さ粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１）は、０．５μｍであり、膜厚は、３０μｍである。

本実施形態では、フラーレンとしては直径１ｎｍであるが、数μｍ〜３０μｍの凝集体として存在している単層フラーレンＣ_６０を用いる。しかし、直径２００ｎｍ以下、凝集体が５０μｍ以下のものであれば、適宜選択して用いてよい。
フラーレンの配合量は、エポキシ樹脂１００重量部に対してフラーレン５重量部（すなわち、エポキシ樹脂の重量に対して５重量％）である。
本実施形態のフラーレンは、樹脂膜１８内において、フラーレンの粒子間距離の平均偏差を平均粒子間距離で割った値が０．５となるように分散している。
また、本実施形態のＰＴＦＥの配合量は、エポキシ樹脂１００重量部に対して２０重量部（すなわち、エポキシ樹脂の重量に対して２０重量％）である。

樹脂膜１８は、以下のような工程を経て形成される。
図４は、本実施形態の樹脂膜１８の製造工程を示す図である。図４では、弾性体１２の周方向における断面を拡大して示している。

まず、弾性体１２の櫛歯部１２ａの先端面に、スプレー等によりプライマーを塗布して乾燥させる（図４（ａ）参照）。次に、エポキシ樹脂に、ＰＴＦＥ及びフラーレンと、硬化剤であるフェノール樹脂と、界面活性剤やシンナー等の溶剤とを混合した溶液を作る。このとき、フラーレンが溶液中に略均一に分散するように、アニオン系界面活性剤（ＳＤＢＳ：sodium dodecylbenzene sulfonate：ＣＨ_３（ＣＨ_２）_９（Ｃ_６Ｈ_４）ＳＯ_３Ｎ）等を用いて表面処理を行ったフラーレンを用いたり、超音波による分散を行ったり等してもよい。

そして、この溶液を、プライマーを塗布した弾性体１２の櫛歯部１２ａの先端面に塗布し（図４（ｂ）参照）、１８５度程度の高温下に６０分間放置して、乾燥及び硬化させる。硬化後、その塗膜の表面をグリーンカーボランダム等を用いて研磨して平面性を向上させることにより（図４（ｃ），（ｄ）参照）、樹脂膜１８が形成される。樹脂膜１８が形成された弾性体１２に圧電体１１が接合され、振動子１３が形成される（図４（ｅ）参照）。

一方、移動体１５は、アルミニウム合金（Ａ６０６１）によって形成されており、その表面に陽極酸化処理を施すことにより、移動体１５の表面にアルマイト皮膜層１９が形成される。
上述のように形成された振動子１３と移動体１５とを、樹脂膜１８とアルマイト皮膜層１９とが接触するように配置し、各部材を組み立てる。これらの工程を経て、超音波モータ１０が作製される（図４（ｆ）参照）。

振動子と移動体との接触面が超音波モータの駆動性能に与える影響は大きいため、振動子と移動体との接触面に対する様々な工夫をしてもよい。例えば、一方の接触面にＮｉ（ニッケル）層を設け、他方の面アルマイト層を設けることが挙げられる。

また、振動子と移動体との両方に表面処理等を行ってもよく、弾性体と圧電体との接着面にも表面処理を行ってもよい。
さらに、振動子又は移動体のいずれかの接触面に、プラスチック等の樹脂の成形加工品等を設けることにより、駆動時の異音の低減や耐磨耗性等を改善してもよい。

ここで、プラスチック等の樹脂を振動子や移動体の接触面に用いた場合には、弾性率や摩擦係数が低くなり、保持トルクや高負荷時の駆動性能が低下する場合がある。そこで、振動子と移動体との接触面の摩擦係数を上げるために、一般的な炭素繊維（微細な黒鉛結晶構造を有する繊維状の炭素物質）等を樹脂に配合する場合がある。

しかし、一般的な炭素繊維を配合した樹脂を成形加工する場合には、寸法精度を上げるために切削加工を行う必要があり、切削工具の刃に著しい損傷が生じる。そのため、切削加工に長時間を要する上に、所望する寸法精度が得られないおそれがある。

さらに、樹脂を主剤とする塗料を振動子や移動体の接触面に塗布する等の方法もある。しかし、摩擦係数を上げるために一般的な炭素繊維を塗料に配合すると、炭素繊維の寸法（径約１０μｍ、長さ約４０μｍ）が、所望する塗膜の膜厚（約１００μｍ）に対して大きすぎるために、膜厚の制御や、均一に分散しないおそれがある。
また、高湿雰囲気では、樹脂膜と移動体が固着して離れなくなる恐れがある。

以上のことから、本実施形態では、ＰＴＦＥとフラーレンとを配合したエポキシ樹脂を、振動子１３の移動体１５に対する接触面に塗布することにより樹脂膜１８を形成するものとした。

フラーレンが樹脂膜１８に含まれることにより、樹脂膜１８の強度や耐久性の向上等の効果が期待できる。また、摩擦係数を向上し、保持トルクや高負荷時の駆動性能向上等が期待できる。
また、ＰＴＦＥが樹脂膜１８に含まれることにより、樹脂膜１８とアルマイト皮膜層１９との摩擦係数を低下させ、超音波モータの低速での起動性の向上が期待できる。

さらに、樹脂膜１８は、硬化剤としてフェノール樹脂を配合したエポキシ樹脂を主剤として用いているので、硬化剤として他の樹脂を配合した場合に比べて、樹脂膜としての硬さ、弾性体１２に対する密着性や剥離強度、耐磨耗性等が優れている。従って、樹脂膜１８の強度や耐久性が向上し、磨耗粉を低減して異音の発生を低減できる。

また、フェノール樹脂を硬化剤として配合したエポキシ樹脂は、硬化剤として他の樹脂を配合した場合に比べて、耐熱性、耐薬品性、耐久性等が優れているので、超音波モータ１０の駆動時に発生する摩擦熱による樹脂膜１８の変質や、アルマイト皮膜層１９に含まれる微量の硫酸による樹脂膜１８の化学的な変質によって生じる樹脂膜１８の劣化等を防止できる。

さらに、フェノール樹脂を硬化剤として配合したエポキシ樹脂は、他の硬化剤を配合した場合に比べて、疎水性が優れているので、空気中の水分を吸収することによる樹脂膜１８の寸法変化や振動子１３と移動体１５との固着の発生等も防止できる。

ここで、樹脂膜１８を形成するエポキシ樹脂に配合されたＰＴＦＥ及びフラーレンの量や樹脂膜１８の膜厚等が、超音波モータの駆動性能に与える影響を調べた。

以下の明細書中では、特に断りが無い場合、エポキシ樹脂１００重量部に対してフラーレン等が例えば１０重量部配合されている場合、単に１０重量部と記載する。また、特に断りが無い場合、樹脂膜は、フェノール樹脂を硬化剤として配合したエポキシ樹脂を主剤として用いて形成されているものとする。

表１は、硬化剤としてフェノール樹脂を配合したエポキシ樹脂に配合されるフラーレンの添加量と圧縮強度との関係を示す表である。
ＰＴＦＥの配合量は一定（１０重量部）であるが、フラーレンの配合量が異なる（０重量部、１重量部、５重量部、１０重量部）エポキシ樹脂（硬化剤はフェノール樹脂を使用）を用いて作製された５ｍｍ角の立方体を用意し、各立方体の圧縮強度を測定した。
表１では、フラーレンを含まないエポキシ樹脂を用いて作製された立方体の圧縮強度を規定値（１．０）とし、フラーレンを含むエポキシ樹脂を用いて作製された各立方体の圧縮強度を規定値に対する比で示している。

表１に示すように、フラーレンを含むエポキシ樹脂製の立方体は、フラーレンの配合量に依らず、フラーレンを含まない立方体に比べて、圧縮強度が著しく向上した。
よって、フラーレンを含有する樹脂膜１８を形成することにより、超音波モータ１０の接触面（樹脂膜１８の表面）の強度を向上させることができ、磨耗粉の低減や耐久性の向上等の効果を得ることができる。

表２は、フラーレンの配合量が、入力電流値変化率に与える影響を示す表である。本測定では、膜厚（２０μｍ）及びＰＴＦＥの配合量は一定（１０重量部）であるが、フラーレンの配合量が異なる（０重量部、１重量部、５重量部、１０重量部）樹脂膜を有する超音波モータをそれぞれ用意し、各超音波モータを同一の条件下で２００００回転させ、回転前と２００００回転後の入力電流値の変化率を調べた。２００００回転時の負荷トルクは、１９．６Ｎ・ｍｍ（２００ｇｆ・ｃｍ）であり、回転数は６０ｒｐｍである。

ここで、入力電流値とは、負荷トルクがかかった状態で、超音波モータが回転し始めるときの電流値である。本測定での入力電流値変化率とは、２００００回転する前と回転した後での入力電流値が変化した割合である。通常、長時間の駆動等によって、振動子と移動体との接触面が荒れるため、長時間駆動後の入力電流値の変化率は大きくなる。また、入力電流値変化率は、負荷トルクが大きいほど、大きくなる傾向を有する。
従って、入力電流値変化率が小さいほど、超音波モータの耐久性が良好であることを示している。

表２に示すように、フラーレンを含有しない樹脂膜を有する超音波モータでは、入力電流値変化率が１２％であった。これに対して、フラーレンが配合された樹脂膜を有する超音波モータでは、フラーレンの配合量に依らず、入力電流値変化率が２〜３％程度であり、フラーレンを含有しない樹脂膜を有する超音波モータに比べて小さかった。
よって、フラーレンを含有する樹脂膜を備えることにより、超音波モータの耐久性を向上できる。

表３は、樹脂膜のフラーレンの含有量と、最大負荷トルクとの関係を示す表である。
本測定では、膜厚（２０μｍ）及びＰＴＦＥの配合量は一定（１０重量部）であるが、フラーレンの配合量が異なる（０重量部、１重量部、５重量部、１０重量部）樹脂膜を有する超音波モータをそれぞれ用意し、その最大負荷トルクを調べた。

ここで、最大負荷トルクとは、所定の回転数で超音波モータを駆動しているときにかけることができる負荷トルクの最大値である。この最大負荷トルクが大きいということは、超音波モータとしての出力が大きいということを示している。本測定では、回転数を６０ｒｐｍとした。

表３では、フラーレンを含有しない樹脂膜を備える超音波モータの負荷トルクを規定値（１．０）とし、フラーレンを含有する樹脂膜を備える各超音波モータの最大負荷トルクを、規定値に対する比で示している。
表３に示すように、フラーレンを含有する樹脂膜を備える超音波モータは、いずれも、最大負荷トルクが規定値に対して１．４〜１．６倍であり、フラーレンを含有しない樹脂膜を有する超音波モータと比べて、最大負荷トルクが向上した。
よって、フラーレンを含有した樹脂膜を備えることにより、超音波モータの最大負荷トルクが大きくなり、出力を増大することができる。

表４は、樹脂膜の成膜時の膜厚と成膜不良率とを示す表である。
成膜時の膜厚とは、塗布されて硬化した状態、すなわち、研磨等を行う前の状態での膜厚である。

ここでは、フェノール樹脂を硬化剤として配合したエポキシ樹脂に対してＰＴＦＥを１０重量部、フラーレンを５重量部配合した溶液を用いて、異なる膜厚の塗膜を複数形成し、その成膜不良率を調べた。

表４に示す成膜不良率とは、成膜時の樹脂膜の表面状態を目視で判定し、不良であった割合を評価したものである。成膜時の樹脂膜の状態としては、表面が滑らかであり、ユズ肌（気泡等によって表面に生じるによる凹み）等が生じないことが好ましい。そこで、まず、ユズ肌が表面に生じているか否かを目視で判断し、ユズ肌等が生じていないものを成膜状態が良好であるとし、ユズ肌等が生じたものを不良であるとして評価する。そして、成膜状態が不良であるものの割合が全体の１．０％以上である場合には不可として×で示し、１．０％未満である場合には、良好であるとして○で示している。

表４に示すように、成膜後の厚さが１００μｍ以下である場合には、ユズ肌が生じることなく、成膜状態は良好であり、成膜不良率が小さく、良好であった。

これに対して、成膜後の厚さが１００μｍを超えるような樹脂膜は、ユズ肌が発生し、成膜状態は不良となるものが多く、成膜不良率が上昇し、不可となった。ユズ肌が発生していると、樹脂膜内部にすが立つ、すなわち、気泡による微小な空間等が発生しているため、たとえ研磨等を行ったとしても、ユズ肌が消えなかったり、新たなユズ肌が発生したり、研磨によってかかる圧力によって樹脂膜が破損しやすくなる等の問題が生じる。そのため、成膜不良率が大きいと、樹脂膜の品質が個体毎にばらつき、安定した品質の製品を提供することが困難であり、生産コストも増大する。また、樹脂膜を厚くしすぎると、樹脂膜が乾燥しにくくなり、超音波モータの短時間での製造の妨げとなる。
よって、表４に示すように、樹脂膜は、成膜後の厚さが１００μｍ以下であることが好ましい。

また、樹脂膜は、表面の平面性を向上させる等の目的で、塗布によって成膜した後に、表面を研磨する。そのため、成膜時の樹脂膜が薄すぎると、研磨によって弾性体１２の地金が露出したり、研磨作業を慎重に行う必要が生じる等して製造が困難になったりする。そこで、樹脂膜は、成膜時の研磨作業の前における厚さが５μｍ以上あることが好ましい。

研磨後の樹脂膜の厚さは、３μｍ程度あれば、所望する耐久性等の効果が得られる。従って、研磨後の樹脂膜の厚さ、すなわち、超音波モータの完成品における樹脂膜の膜厚は、３〜１００μｍの範囲内であることが好ましい。

表５は、ＰＴＦＥの配合量と超音波モータの低温環境下での最低回転数との関係を示す表である。
ここでは、膜厚（２０μｍ）及びフラーレンの配合量は一定である（５重量部）が、ＰＴＦＥの配合量が異なる（０重量部、５重量部、１０重量部、２０重量部、３０重量部、３５重量部、４０重量部）超音波モータをそれぞれ用意し、温度−２０度、負荷トルク１９．６Ｎ・ｍｍ（２００ｇｆ・ｃｍ）で駆動した場合の最低回転数を調べた。

最低回転数とは、超音波モータを駆動可能な最低の回転数であり、この値が小さいほど、低速での駆動が可能であり、起動特性が良好であるといえる。従来の、超音波モータの起動特性は、低温になるほど悪くなる傾向を示すため、本測定では、温度−２０度で測定した。

表５に示すように、ＰＴＦＥを含有しない樹脂膜を備える超音波モータでは、最低回転数の規定値を１０とすると、ＰＴＦＥを含有する樹脂膜を備える超音波モータでは、最低回転数の規定値に対して２〜４となり、樹脂膜がＰＴＦＥを含有していないものに比べて、最低回転数が小さくなった。また、ＰＴＦＥの配合量が増加するにつれて、最低回転数がより小さくなった。
よって、ＰＴＦＥを配合した樹脂膜を備えることにより、超音波モータの起動特性を向上できる。

表６は、樹脂膜中のＰＴＦＥの含有量と最大負荷トルクとの関係を示す図である。
ここでは、膜厚（２０μｍ）及びフラーレンの配合量は一定である（５重量部）が、ＰＴＦＥの配合量が異なる（０重量部、５重量部、１０重量部、２０重量部、３０重量部、３５重量部、４０重量部）超音波モータをそれぞれ用意し、回転数を６０ｒｐｍでの最大負荷トルクを測定した。
表６では、ＰＴＦＥが配合されていない樹脂膜を備える超音波モータの最大負荷トルクを規定値（１．０）とし、ＰＴＦＥが配合された樹脂膜を備える各超音波モータの最大負荷トルクを規定値に対する比で示している。

表６に示すように、ＰＴＦＥの添加量が増加するにつれて、最大負荷トルクが減少していた。超音波モータの駆動性能としては、最大負荷トルクが規定値の０．７倍以上（すなわち、表６に示す数値が０．７以上）であることが好ましい。従って、所望する最大負荷トルクを得るためには、ＰＴＦＥの配合量を０〜３５重量部とすることが好ましいことがわかった。

また、表５及び表６に示す結果から、超音波モータとして好ましい最大負荷トルクと起動特性の向上とを両立するために、ＰＴＦＥは、エポキシ樹脂１００重量部に対して５〜３５重量部配合されることが好ましいことがわかった。

表７は、所定の負荷トルク及び回転数で一定時間回転させた場合の温度上昇を示す表である。
本測定では、膜厚（２０μｍ）及びＰＴＦＥの配合量は一定（１０重量部）であるが、フラーレンの配合量が異なる（０重量部、１重量部、５重量部、１０重量部）樹脂膜が形成された超音波モータをそれぞれ用意し、負荷トルク１９．６Ｎ・ｍｍ（２００ｇｆ・ｃｍ）、回転数６０ｒｐｍで、１時間駆動した場合の、振動子と移動体との摩擦接触面近傍での温度上昇を測定した。

表７では、フラーレンを含有していない超音波モータでの温度上昇の大きさを規定値（１．０）とし、その温度上昇の大きさに対して、フラーレンを含有する各超音波モータの温度上昇の大きさを比で示している。

超音波モータの駆動時には、振動子及び移動体の接触面が摩擦摺動されているため、温度が上昇しやすい。この接触面の温度上昇が大きいと、超音波モータの駆動が不安定になりやすく、消費電力も増大する等の不具合が生じやすい。また、振動子や移動体の少なくとも一方の接触面が樹脂を用いて形成されている場合には、このような温度上昇によって接触面が荒れる等するため、更なる超音波モータの性能の低下が生じやすい。

表７に示すように、フラーレンを含有する樹脂膜を備える超音波モータは、フラーレンの配合量に依らず、フラーレンを含有しない樹脂膜を備える超音波モータに比べて温度上昇が小さいことがわかった。
よって、フラーレンを含有する樹脂膜を備えることにより、超音波モータの駆動時の振動子と移動体との接触面の温度上昇を抑え、安定した駆動や駆動効率の向上等を得ることができる。

表８は、フラーレンの樹脂内における分散度と超音波モータの回転ムラとの関係を示す表である。
この分散度とは、粒子間距離の平均偏差を平均粒子間距離で割った値である。粒子間距離の平均偏差は、フラーレンが均一に分散している場合には、その値が０となる。従って、粒子間距離の平均偏差を平均粒子間距離で割った値、すなわち分散度が小さい方が、より均一に分散しているといえる。

ここでは、膜厚（２０μｍ）及びＰＴＦＥの配合量は一定（１０重量部）であるが、樹脂膜内におけるフラーレンの分散度がそれぞれ、０．３、０．５、０．６である超音波モータを用意し、それぞれの回転ムラを評価した。

超音波モータの回転ムラは、駆動が不安定になったり、消費電力が増大して駆動効率が低下したりする原因となる。従って、回転ムラが小さいことが、安定した駆動や行動効率の向上の観点から好ましい。

回転ムラの評価方法は、定格回転数で超音波モータを駆動した場合に、実際に超音波モータが回転した回転数の定格回転数に対する振れ幅を用いて評価した。表８では、フラーレンの分散度が０．５である樹脂膜を備えた超音波モータの回転数の振れ幅を規定値（１．０）とし、各超音波モータの回転数の振れ幅を規定値に対する比で、回転ムラの大きさを示している。表８に示す数値が小さい方が、回転ムラが少ないことを意味する。

表８に示すように、分散度が０．６を超える超音波モータでは、回転ムラが規定値の１．３倍となった。これに対して、分散度が０．５以下の超音波モータでは、分散度の値が小さくなるにつれて、超音波モータの回転ムラが低減していた。

よって、フラーレンは、樹脂膜内において、その粒子間距離の平均偏差を平均粒子間距離で割った値が０〜０．５の範囲内であれば、安定した駆動を行え、駆動効率を向上できる。

表１〜表８に示した結果より、樹脂膜は、フラーレンを含有すること、フラーレンの樹脂膜内における分散度（粒子間距離の平均偏差を平均粒子間距離で割）が０〜０．５であること、ＰＴＦＥはエポキシ樹脂１００重量部に対して５〜３５重量部配合されていること、成膜時の膜厚が５〜１００μｍであって研磨等を行った後の実装時の膜厚が３〜１００μｍであることが、良好な駆動性能を得る観点から好ましいことがわかった。

本実施形態の超音波モータ１０の樹脂膜１８は、フェノール樹脂を硬化剤として配合したエポキシ樹脂１００重量部に、単層フラーレンを５重量部、ＰＴＦＥを１０重量部配合したものを用いて形成されており、その厚さは３０μｍであり、フラーレンの樹脂膜内における分散度が０．２である。よって、本実施形態は、上述した良好な駆動特性を得るための条件を満たしているので、良好な駆動性能を発揮できる。

上述の結果より、本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）フラーレンを含有する樹脂膜とすることにより、圧縮強度が向上する。これにより、摩擦摺動に対する樹脂膜の強度が向上し、耐久性も向上するので、接触面の摩擦摺動に対する強度が向上し、磨耗量を低減することができる。従って、磨耗粉の発生を抑えることができ、従って、異音の発生を低減できる。

（２）フラーレンを含有する樹脂膜とすることにより、最大負荷トルクが向上し、大きな出力が得られる。

（３）フラーレンを含有する樹脂膜とすることにより、２００００回転後の入力電流値変化率が低減し、また、温度上昇率も低下する。これにより、耐久性が向上し、長時間にわたって安定した駆動を行うことができる。また、高負荷であっても、安定した駆動を行うことができる。

（４）ＰＴＦＥの配合量が５〜３５重量部である樹脂膜とすることにより、超音波モータとして適当な最大負荷トルクを維持しながら、低速での起動特性が良好となる。また、低温環境下においても優れた起動特性を得ることができる。

（５）フラーレンは、樹脂膜１８内において、粒子間距離の平均偏差を平均粒子間距離で割った値が０〜０．５となっており、略均一に分散しているので、超音波モータの回転ムラを抑えることができ、安定した駆動及び駆動効率の向上を得ることができる。

（６）樹脂膜１８は、研磨後の厚さが３〜１００μｍ、成膜後の膜厚が５〜１００μｍであるので、個々の樹脂膜１８の品質が安定し、製造時間を短縮することができる。

（７）樹脂膜１８は、エポキシ樹脂を主剤とする溶液を、弾性体１２の接触面に直接塗布することにより形成できる。そのため、例えば、めっき処理の際に行うような複雑なマスキング処理工程が必要ない。また、樹脂成形品を接着するための接着工程も不要である。さらに、表面処理液等の廃液処分等も不要である。よって、作業工程及び作業時間の短縮や、生産コストの低減等を図ることができる。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の超音波モータ２０を示す図である。
第２実施形態の超音波モータ２０は、第１実施形態の超音波モータ１０と同様のカメラ１のレンズ鏡筒３に設けられ、フォーカス動作を行なう際のレンズ４を駆動する駆動源として用いられている。この超音波モータ２０は、不図示のギアを介して駆動力を不図示のカム筒に伝え、このカム筒に保持されるレンズ４を駆動する形態となっている点が第１実施形態とは異なる。

第２実施形態の超音波モータ２０は、振動子２３、移動体２５、出力軸２８、加圧部２９等を備えている。
振動子２３は、弾性体２２と、弾性体２２に接合された圧電体２１等を有する略円環形状の部材である。この振動子２３は、圧電体２１の伸縮により進行波が発生する。

弾性体２２は、ステンレス鋼により形成された略円環形状の部材であり、一方の面には圧電体２１が接合され、もう一方の面には周方向に複数の溝を切って形成された櫛歯部２２ａが設けられている。この櫛歯部２２ａの先端面は、移動体２５に加圧接触される接触面であり、この面に接する移動体２５を進行波によって駆動する。

振動子２３の移動体２５との接触面には、第１実施形態に示した振動子１３と同様に、樹脂膜３１が形成されている。樹脂膜３１の膜厚は３０μｍであり、表面の高さ粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１）は、０．５μｍである。

本実施形態の樹脂膜３１は、フェノール樹脂を硬化剤として配合したエポキシ樹脂１００重量部に対して、ＰＴＦＥを２０重量部、フラーレンを５重量部配合した溶液を塗布して形成されている。また、フラーレンは、樹脂膜３１内において、粒子間距離の平均偏差を平均粒子間距離で割った値が０．２であり、略均一に分散している。フラーレンはＣａ（カルシウム）を内包しているものを使用した。金属内包フラーレンとしては、これに限らず、第３族のスカンジウム、イットリウム及びランタノイド金属原子などを内包したものが合成・単離されており、これらの金属内包フラーレンを用いても良い。一般的には、１〜４個の金属原子がフラーレンに内包される。
弾性体２２は、その内周側の径方向に伸ばして形成された鍔状のフランジ部２２ｂを有し、このフランジ部２２ｂにより支持体２６に支持されている。

圧電体２１は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有する。本実施形態では、第１実施形態と同様に、圧電体２１として、圧電素子を用いているが、電歪素子を用いてもよい。この圧電体２１は、圧電体２１に形成された所定の電極部と電気的に接続されたフレキシブルプリント基板２４から供給される駆動信号により伸縮し、弾性体２２に振動を生じさせる。

フレキシブルプリント基板２４には、超音波モータ２０を備えられるカメラの制御を行う制御装置２０１が接続されている。本実施形態において、制御装置２０１には温度センサ２０２が接続されており、温度センサ２０２の検知結果に応じて、回転数が一定となるように、圧電体２１に供給する駆動信号の周波数を調整している。

移動体２５は、振動子２３と加圧接触し、振動子２３の接触面（櫛歯部２２ａの先端面）に生じた進行波による楕円運動によって回転駆動される。
移動体２５は、アルミニウム等の軽金属により形成された部材である。移動体２５は、出力軸２８に嵌合している。本実施形態の移動体２５は、アルミニウム合金によって形成され、移動体２５の振動子２３との接触面にアルマイト皮膜層３２が形成されている。
従って、移動体２５と振動子２３とが摩擦接触する面は、アルマイト皮膜層３２と樹脂膜３１とが接する形態となっている。

出力軸２８は、略円筒形状をしており、一方の端部はゴム部材３０を介して移動体２５と嵌合し、もう一方の端部は、ベアリング２７を介して支持体２６に回転自在に取り付けられている。この出力軸２８は、移動体２５と一体に回転して移動体２５の回転運動を不図示のギア等の被駆動部材に伝達する。

加圧部２９は、振動子２３と移動体２５とを加圧する機構である。加圧部２９は、加圧力を発生するバネ２９ａと、ベアリング２７に接して配置され、バネ２９ａの一端を押さえる押さえリング２９ｂと、バネ２９ａの他端を押さえる押さえリング２９ｃと、出力軸２８に形成された溝に挿入され、押さえリング２９ｃの位置を規制するＥリング２９ｄとを備えている。

本実施形態で示すような超音波モータ２０においても、樹脂膜３１を振動子２３の摩擦接触面に形成することにより、磨耗粉や異音の低減、耐久性の向上、最大負荷トルクの向上、低温環境下での低速起動特性の向上、長時間駆動時における駆動性能の安定化等の効果を奏することができる。
また、本実施形態によれば、めっき処理により接触面にＮｉ層を形成する場合等に比べて、表面処理液の廃棄の処理等も不要である。

さらに、本実施形態に示した超音波モータ２０は、第１実施形態に示した超音波モータに比べて径が小さい小型の超音波モータとして作製される場合が多いため、マスキング等の処理を行うことが困難である。しかし、本実施形態によれば、樹脂膜３１は、弾性体２２に塗布して容易に形成することができるので、作業工程を短縮でき、安価で容易に製造することができる。

表９は、フラーレン中に金属原子（カルシウム）を内包した場合と、内包しない場合とにおける圧縮強度との関係を示す表である。表に示すように、本実施形態においては、フラーレン中に金属原子（カルシウム）を内包した為、内包しない場合に比べて圧縮強度が向上した。これは、金属原子を含有することにより、膜の剛性が向上したためと思われる。

（第３実施形態）
第１・第２実施形態に示した振動子１３と同様に、樹脂膜３１が形成されている。樹脂膜３１の膜厚は３０μｍであり、表面の高さ粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１）は、０．５μｍである。
本実施形態の樹脂膜３１は、ウレタン樹脂を硬化剤として配合したエポキシ樹脂１００重量部に対して、ＰＴＦＥを０〜１５重量部、フラーレンを５重量部配合した溶液のを塗布して形成されている。また、フラーレンは、樹脂膜３１内において、粒子間距離の平均偏差を平均粒子間距離で割った値が０．２であり、略均一に分散している。フラーレンはカルシウムを内包しているものを使用した。

表１０は、カルシウム内包フラーレンの配合量と高温高湿保存後の固着発生状況を示す表である。
高温高湿７０℃９５％の環境下に１００時間保存した場合の固着の発生を調べた。移動体と振動子の摩擦接触面に固着（樹脂膜と相対する面が貼りつくこと）が生じると、振動波モータが駆動しなかったり、駆動に大きな電流を必要としたりする等、駆動性能が劣化する要因となる。そのため、高温多湿の環境化に長時間置かれた場合でも、摩擦接触面に固着が発生しないことが望まれる。

表１０に示すようにフラーレンがカルシウム原子を内包している場合、ＰＴＦＥの含有有無に関わらず固着が起きない。これは、空気中の水がルイス塩基としてカルシウムイオンに反応し、カルシウムは、乾燥剤として働く為と思われる。

（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能である。
（１）各実施形態では、フラーレンとして、単層フラーレンを用いたが、これに限らず、例えば、多層フラーレンを用いてもよいし、これらを適宜選択して組み合わせて用いてもよい。

（２）各実施形態では、エポキシ樹脂を主剤として樹脂膜１８，３１を形成する例を示したが、これに限らず、例えば、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等の他の熱硬化性樹脂を用いてもよい。
また、各実施形態では、エポキシ樹脂に配合する硬化剤としてフェノール樹脂を配合する例を示したが、これに限らず、例えば、メタアクリル樹脂を硬化剤として配合してもよいし、イソシアネート系硬化剤を配合してもよい。また、エポキシ樹脂は、１液型のものを用いてもよい。

（３）各実施形態では、振動子１３，２３の接触面（櫛歯部１２ａ，２２ａの先端面）に樹脂膜１８，３１を形成する例を示したが、これに限らず、移動体１５，２５の接触面に樹脂膜を形成してもよい。また、振動子１３，２３の接触面と移動体１５，２５の接触面との双方に樹脂膜を形成してもよい。
さらに、弾性体を使用せずに、圧電体と移動体とが摩擦接触する形態の振動アクチュエータに適用してもよい。この場合、圧電体の移動体に対する接触面、移動体の圧電体に対する接触面の少なくとも一方に樹脂膜を形成すればよい。

（４）各実施形態では、樹脂膜１８，３１は、塗布によって形成される例を示したが、塗布の方法は、刷毛等を用いてもよいし、スプレーを用いて塗布してもよい。また、電気泳動等を用いて樹脂膜を形成してもよい。

（５）各実施形態では、弾性体１２，２２を形成する材料として、ステンレス鋼を用いたが、その他の鉄系材料を用いてもよい。例えば、Ｓ１５Ｃ、Ｓ５５Ｃ、ＳＣｒ４４５、ＳＮＣＭ６３０等の各種鉄鋼材料を用いてもよいし、リン青銅、アルミニウム系合金を用いてもよい。

（６）各実施形態では、移動体１５，２５は、アルミニウム合金によって形成される例を示したが、これに限らず、鉄系材料等を用いてもよい。例えば、Ｓ１５Ｃ、Ｓ５５Ｃ、ＳＣｒ４４５、ＳＮＣＭ６３０等の各種鉄鋼材料を用いてもよい。また、ポリイミド樹脂や、ＰＥＥＫ（polyetheretherketone）樹脂等の耐熱性の高い樹脂や無機材料を用いてもよい。

（７）各実施形態では、フッ素樹脂としてＰＴＦＥを用いる例を示したが、これに限らず、適当なフッ素樹脂を適宜選択して使用してよい。例えば、ＰＦＡ（Tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl
ether Copolymer）、ＦＥＰ（Tetrafluroethylene-hexafluoropropylene
Copolymer）、ＰＣＴＦＥ（Polychloro-Trifluoroethylene
Copolymer）、ＥＴＦＥ（Ethylene Tetrafluoroethylene
Copolymer）、ＥＣＴＦＥ（Ethylene
Chlorotrifluoroethylene Copolymer）、ＰＶＤＦ（Polyvinylidene Fluoride）、ＰＶＦ（Polyvinyl fluoride）等が挙げられる。

（８）各実施形態では、移動体１５，２５が回転駆動される超音波モータを示したが、これに限らず、移動体が直線方向に駆動されるリニア駆動型の振動アクチュエータとしてもよい。なお、各実施形態では、移動体１５，２５が回転駆動される回転型（円環型）の超音波モータを例としてあげたが、これは、この型の超音波モータでは固着が問題になることが多く、本発明を適用することにより大きな効果が得られるからである。

（９）各実施形態では、超音波領域の振動を用いる超音波モータを例に挙げて説明したが、これに限らず、例えば、超音波領域以外の振動を用いる電気機械変換アクチュエータに適用してもよい。

（１０）各実施形態では、超音波モータ１０，２０は、カメラのレンズ鏡筒のフォーカス動作を行う駆動源として用いられる例を示したが、これに限らず、例えば、レンズ鏡筒のズーム動作を行う駆動源に用いてもよい。また、超音波モータ１０，２０を、複写機等の駆動源や、自動車のハンドルチルト装置やヘッドレストの駆動部等に用いてもよい。
なお、実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した実施形態によって限定されることはない。

１：カメラ、３：レンズ鏡筒、１０，２０：超音波モータ、１３，２３：振動子、１５，２５：移動体、１８，３１：樹脂膜

Claims (11)

1. 振動を発生する振動子と、
   前記振動子と加圧接触され、前記振動により、前記振動子に対して相対移動する相対移動部材と、
   前記振動子の前記相対移動部材に対する接触面と前記相対移動部材の前記振動子に対する接触面との少なくとも一方に設けられたフラーレンを含有する熱硬化性樹脂を含む膜と、
   を備える振動アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記膜は、前記振動子と前記相対移動部材との少なくとも一方の接触面に、直接形成されていること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記膜は、厚さが３〜１００μｍであること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記フラーレンは、前記膜内において、粒子間距離の平均偏差を平均粒子間距離で割った値が、０〜０．５となるように、分散していること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記フラーレンは、単層フラーレン及び多層フラーレンの少なくとも１つであること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記フラーレンは、金属内包であること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
7. 請求項６に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記金属は、カルシウム、スカンジウム、イットリウム及びランタノイドの少なくとも一つであること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドイミド樹脂及びポリイミド樹脂の少なくとも１つであること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
9. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記膜はフッ素樹脂を含むこと、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
10. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
    前記膜は、熱硬化性樹脂及びフッ素樹脂を含み、
    前記フッ素樹脂は、前記熱硬化性樹脂１００重量部に対し、５〜３５重量部配合されていること、
    を特徴とする振動アクチュエータ。
11. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備える光学機器。

Images