WO2012120872A1 - 振動アクチュエータ - Google Patents

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WO2012120872A1
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contact
stator
vibration
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誠 中積
正章 田辺
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株式会社ニコン
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    • H02N2/163—Motors with ring stator

Definitions

  • the present invention relates to a vibration actuator.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-287246
  • an object of one aspect of the present invention is to provide a vibration actuator that can solve the above-described problems. This object is achieved by a combination of features described in the independent claims.
  • the dependent claims define further advantageous embodiments of the invention.
  • an electromechanical conversion unit that converts electric power into mechanical vibration
  • a transmission unit that transmits vibration from the electromechanical conversion unit as a driving force
  • a transmission unit that is in contact with the transmission unit by the driving force
  • a vibration actuator having a pore area occupancy of 2% or more in either the transmission part or the contact part on the contact surface of the transmission part and the contact part.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a vibration actuator 100.
  • FIG. 4 is a perspective view of an electromechanical conversion unit 122.
  • FIG. FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the vibration actuator 100.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the vibration actuator 100.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the vibration actuator 100.
  • It is a graph which shows the concept of a torque damping rate.
  • 3 is a graph showing characteristics of the vibration actuator 100.
  • 3 is a graph showing characteristics of the vibration actuator 100.
  • 2 is a schematic cross-sectional view of a camera 200.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an optical apparatus 300 including a vibration actuator 101.
  • FIG. 3 is a perspective view of an electromechanical conversion unit 122 and a transmission unit 131.
  • FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the operation of the vibration actuator 101.
  • FIG. 3 is a side view of the vibration actuator 102.
  • FIG. 3 is a perspective view of an electromechanical conversion unit 122 and a transmission unit 131.
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the operation of the vibration actuator 102.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the vibration actuator 100.
  • the direction of each element is described with the upper side in the figure as “up” and the lower side in the figure as “down”. However, these descriptions do not mean that the vibration actuator 100 is used only in the illustrated direction.
  • the vibration actuator 100 includes a base plate 110, a piezoelectric laminate 120, a stator 130, a rotor 140, an output gear 160, and a top plate 180, which are sequentially laminated coaxially. These members are passed through the center by the shaft 190.
  • the lower end of the shaft part 190 is coupled to the base plate 110. Further, the top plate 180 is tightened downward by the nut 192 along the axial direction of the shaft portion 190.
  • the piezoelectric laminate 120, the stator 130, the rotor 140, and the output gear 160 are sandwiched between the base plate 110 and the top plate 180 and pressed against each other in the axial direction of the shaft portion 190.
  • the piezoelectric laminate 120 includes a plurality of electromechanical transducers 122 that are laminated together in the thickness direction, and is supported from below by the base plate 110.
  • a stator 130 is overlaid on the upper surface of the piezoelectric laminate 120. As a result, the stator 130 is supported from below by the piezoelectric laminate 120.
  • the upper surface of the stator 130 forms a contact surface with the rotor 140.
  • the stator 130 is coupled to the lower end of the vibrating body 132 arranged coaxially with the shaft portion 190. Thereby, when the stator 130 swings, the vibrating body 132 also swings integrally. When the swing of the stator 130 is regarded as vibration, the vibrating body 132 forms a single vibration system together with the stator 130. Therefore, the natural frequency of the stator 130 can be adjusted by changing the size and mass of the vibrating body 132.
  • the rotor 140 is in contact with the upper surface of the stator 130 via the contact portion 142.
  • the contact portion 142 is fixed to the rotor 140, and rotates together with the rotor 140 when the rotor 140 rotates around the shaft portion 190.
  • the contact portion 142 is formed of a member having elasticity. Thereby, even when the stator 130 vibrates in the axial direction of the shaft portion 190, the contact is maintained following the contact surface.
  • the upper end of the rotor 140 is engaged with the lower part of the output gear 160 in the rotation direction with the shaft portion 190 as the rotation axis.
  • the output gear 160 rotates accordingly.
  • the output gear 160 is pivotally supported from the shaft portion 190 via the bearing portion 170. As a result, even when a load is applied to the output gear 160, the output gear 160 rotates smoothly around the shaft portion 190. A pinion gear is cut around the outer periphery of the output gear 160 so that the rotation of the output gear 160 can be transmitted to the outside.
  • the pressurizing unit 150 is, for example, a coil spring urged in the extending direction, and one end is brought into contact with the lower surface of the output gear 160.
  • the lower end of the pressurizing portion 150 abuts on a step formed upward on the inner surface of the rotor 140.
  • the output gear 160 abuts the step formed upward on the inner surface on the bearing 170, and the upper surface of the bearing 170 abuts on the top plate 180. Therefore, the output gear 160 is not displaced upward. In other words, the pressurizing unit 150 urges the rotor 140 toward the stator 130.
  • FIG. 2 is a perspective view of the electromechanical transducer 122 that forms the piezoelectric laminate 120.
  • Each of the electromechanical conversion units 122 includes a piezoelectric material plate 124, drive electrodes 121, 123, 125, 127 and a common electrode 126.
  • the piezoelectric material plate 124 is a disk-shaped member made of a piezoelectric material such as PZT.
  • the lower surface of the piezoelectric material plate 124 is covered with the common electrode 126.
  • On the upper surface of the piezoelectric material plate 124 a plurality of drive electrodes 121, 123, 125, and 127 divided in the circumferential direction are arranged.
  • the drive electrodes 121, 123, 125, 127 and the common electrode 126 can be formed by directly attaching an electrode material such as nickel or gold to the surface of the piezoelectric material by a method such as plating, vapor deposition, or thick film printing.
  • the region is limited to the region of the drive electrodes 121, 123, 125, and 127.
  • the thickness of the piezoelectric material plate 124 changes.
  • the piezoelectric laminate 120 is formed by laminating a plurality of electromechanical transducers 122 as described above via an insulating layer. In the plurality of electromechanical transducers 122 of the piezoelectric laminate 120, the same drive voltage is applied to the drive electrodes 121, 123, 125, and 127 at the same position at the same timing.
  • FIG. 3 4, 5, and 6 are diagrams for explaining the operation of the piezoelectric laminate 120 in the vibration actuator 100. Elements common to these figures and FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.
  • the piezoelectric laminate 120 when a driving voltage is selectively applied to any of the plurality of driving electrodes 121, 123, 125, 127 of the electromechanical conversion unit 122, the positions of the driving electrodes 121, 123, 125, 127 are In FIG. 2, the change in the thickness of the piezoelectric material plate 124 is superimposed. Thereby, the inclination of the stator 130 with respect to the base plate 110 changes.
  • the driving electrodes 121, 123, 125, and 127 to which the voltage is applied are sequentially switched clockwise to change the direction in which the stator 130 is inclined as shown in FIGS. Can be rotated clockwise. Note that when the order in which the voltages are applied is reversed, the rotation direction of the inclination of the stator 130 is reversed.
  • the rotor 140 is biased by the pressurizing portion 150, so that the contact portion 142 is constantly pressed against the stator 130. For this reason, the rotor 140 rotates by obtaining a friction driving force from the stator 130 that swings while rotating in the tilt direction.
  • the rotor 140 rotates in the direction opposite to the rotation of the stator 130 in the tilt direction. Therefore, when the vibration actuator 100 is looked down from above, when the tilt direction of the stator 130 is rotated clockwise as described above, the rotation direction of the rotor 140 is counterclockwise. Thus, the vibration actuator 100 in which the rotor 140 rotates when the drive voltage is supplied to the piezoelectric laminate 120 is formed.
  • the frequency of the drive voltage of the vibration actuator 100 is preferably close to the natural frequency of a portion that vibrates when the vibration actuator 100 operates, such as the piezoelectric laminate 120, the stator 130, the vibration body 132, and the shaft portion 190. Thereby, a driving force can be efficiently generated with respect to the input electric power.
  • the rotational driving force generated by the vibration actuator 100 is generated by the frictional force between the stator 130 and the rotor 140.
  • F (friction force) ⁇ (friction coefficient) ⁇ N (load load)
  • the relationship of friction force F ⁇ friction coefficient ⁇ is established if the load N is constant. Therefore, in the vibration actuator 100, by increasing the friction between the stator 130 and the rotor 140, the driving efficiency can be improved and the output torque can be increased.
  • ceramics sintered using powders of metal oxide, metal nitride, metal carbide, etc. as raw materials can be used. More specifically, examples include aluminum oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, silicon oxide, titanium nitride, silicon carbide, and silicon nitride, or materials containing two or more thereof.
  • Ceramics are used as a material with little deformation and high wear resistance, but inevitably contain voids because they are produced by solid-phase reaction of raw material powder. For this reason, holes called pores also appear on the surface of the stator 130 formed of ceramics. It has been found that the difference in the surface properties of the stator 130 due to the pores affects the output characteristics of the vibration actuator 100. Therefore, as samples 1 to 7, a plurality of ceramic stators 130 having different pore area occupation ratios (%) on the surface were prepared, and the influence on the characteristics of the vibration actuator 100 was examined.
  • the pore area occupancy and the pore average area can be adjusted by selecting the particle size of the raw material powder to be used. For example, when raw material powder having a smaller particle size is sintered, the ceramic structure becomes dense, and the pore area occupancy and the average pore area on the surface become small. When a raw material powder having a larger particle size is fired, the pore area occupancy and the average pore area on the surface increase.
  • the pore area occupancy and the pore average area can be adjusted more finely by mixing raw material powders having different particle sizes and changing the particle size distribution.
  • the pore area occupancy and the pore average area can be adjusted by changing sintering conditions such as sintering time, sintering temperature, and sintering pressure.
  • the method for adjusting the pore area occupancy and the pore average area as described above can be applied not only to the case where the stator 130 is a ceramic, but also to a sintered alloy stator 130 manufactured by a powder metallurgy technique.
  • surface properties having a target pore area occupancy and an average pore area can be formed by etching with an etchant corresponding to the material.
  • the pore area occupancy is a value obtained by observing the surface of the stator 130 with a 1000 ⁇ optical microscope and dividing the total pore area obtained by observation by the total area of the stator 130 surface. However, it takes a lot of time to observe the surface of the stator 130 at a magnification of 1000 times.
  • pores existing in the range of 300 ⁇ m ⁇ 220 ⁇ m were extracted.
  • the total area of the pores was divided by the visual field area to obtain the pore area occupancy.
  • the pore area occupancy was measured at three randomly selected points, and the average value was obtained.
  • the pores of the sample were quantified by the following procedure.
  • a digital microscope (VHX-900 type, Keyence Corporation) was used for observation of the sample. This digital microscope is composed of a zoom lens equipped with a coaxial epi-illumination system and a CCD camera, and can perform bright field observation at a maximum magnification of 1000 times.
  • the CCD camera uses a 1 / 1.8 type 2.11 million pixel image sensor, and the effective pixel is 1600 ⁇ 1200.
  • the zoom lens magnification is set to 1000 times, the electronic shutter mode (shutter speed) and the white balance are set to AUTO, the aperture is opened, and the frame rate is 15 F / S, and the 300 ⁇ m ⁇ 220 ⁇ m area of the stator surface is 1600 ⁇ 1200 dots. Obtained as image data.
  • This data was imported into image processing software (Image-J), converted into 8-bit gray scale (0 to 255), and then binarized to extract only the pore region.
  • the binarization threshold was manually adjusted while viewing the converted image, and was set so that only the pore region was extracted. In this evaluation, the binarization threshold was 70 for samples 4 and 6 and 95 for the other samples.
  • the pore area occupancy was obtained by calculating the total number and the total area of the pores using the function of the image processing software. Moreover, the pore average area was obtained by dividing the total pore area by the total number of pores.
  • Table 1 shows the pore area occupation ratio and the average pore area of each stator 130. Table 1 also shows the material of each stator 130.
  • Torque decay rate damping speed (rpm) / load torque (N ⁇ mm) Formula 1
  • FIG. 7 is a graph showing the concept of the torque attenuation rate of the vibration actuator 100.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 7 is the load torque, and the vertical axis is the rotational speed.
  • the rotation speed (rpm) of the vibration actuator 100 gradually decreases.
  • the torque attenuation rate indicates the ratio of the rotational speed of the vibration actuator that decreases as the load torque increases, that is, the slope of the graph in FIG.
  • the vibration actuator 100 with a low torque damping rate has a small decrease in the rotational speed even when the load increases. Therefore, a high rotational speed can be maintained even with a large load torque.
  • the torque attenuation rate was measured and calculated for the vibration actuator 100 having stable characteristics after a certain operating time. Further, the torque attenuation rate is calculated in a region where the rotational speed is linearly attenuated with respect to the load torque, and is specifically a value measured in a range where the load torque is 6 mN ⁇ m or less.
  • the iron adhesion amount (au (arbitrary unit: arbitrary unit)) is determined by the contact portion 142 sliding in the vibration actuator 100 including the ceramic stator 130 and the stainless contact portion 142. Means the amount of iron adhering to the stator 130. The amount of iron adhering is determined by the energy dispersive X-ray analysis attached to the scanning electron microscope for each of the sliding trace where the contact portion 142 slides and the region where the contact portion 142 does not slide. The amount of iron adhesion was detected by the apparatus, and the difference between the detected iron adhesion amounts was obtained.
  • FIG. 8 is a graph in which a part of the measurement results shown in Table 1 and Table 2 is plotted.
  • FIG. 8 shows the relationship between the pore area occupancy ratio of the contact surface in the stator 130 and the torque attenuation rate (rpm / mN ⁇ m) of the vibration actuator 100, and the relationship between the pore area occupancy ratio and the amount of iron adhering to the stator 130. Is also shown.
  • FIG. 8 shows that such an effect can be similarly obtained at least in a region having a pore area occupation ratio of ⁇ 15%.
  • the larger the pore area occupancy the more the Fe derived from the stainless material adheres, and the ultrasonic motor can be driven even with a high load torque.
  • a ceramic material having a high pore area occupancy high torque and efficiency can be obtained.
  • the pore area occupation ratio on the surface of the stator 130 may be 15% or less, and may be 10% or less.
  • FIG. 9 is a graph in which a part of the measurement results shown in Table 1 and Table 2 is plotted.
  • FIG. 9 shows the relationship between the average pore area ( ⁇ m 2 ) of the contact surface in the stator 130 and the torque attenuation rate (rpm / mN ⁇ m) of the vibration actuator 100, and the adhesion of iron to the stator 130 and the average area ( ⁇ m 2 ). The quantity relationship is also shown.
  • the iron adhesion amount to the stator 130 also increases when the pore average area is 3 ⁇ m 2 or more.
  • the torque attenuation rate of the vibration actuator 100 decreases as the iron adhesion amount increases. Therefore, from the viewpoint of increasing the torque, the pore average area can be 3 ⁇ m 2 or more.
  • the pore area occupancy and the average pore area were substantially uniform over the entire contact surface of the stator 130 with the rotor 140.
  • the desired effect can be obtained if at least the average value of the entire contact surface with the rotor 140 satisfies the above range.
  • the vibration actuator 100 includes the ceramic stator 130 and the stainless contact portion 142.
  • the vibration actuator 100 including the stator 130 formed of a metal such as stainless steel and the ceramic contact portion 142 by managing the pore area occupancy ratio on the contact surface of the contact portion 142, The driving torque output from the vibration actuator 100 can be improved.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the camera 200 provided with the vibration actuator 100.
  • the camera 200 includes a lens unit 202 and a camera body 201.
  • the lens unit 202 is detachably attached to the camera body 201 via the mount system 203.
  • the lens unit 202 includes an optical system 280, a lens barrel 270 that houses the optical system 280, and a vibration actuator 100 that is provided inside the lens barrel 270 and drives the optical system 280.
  • the optical system 280 includes a front sphere 282, a variable power lens 284, a focusing lens 286, and a main lens 288, which are sequentially arranged from the incident end corresponding to the left side in the drawing.
  • a diaphragm device 290 is disposed between the focusing lens 286 and the main lens 288.
  • the vibration actuator 100 is disposed below the focusing lens 286 having a relatively small diameter in the middle of the lens barrel 270 in the optical axis direction. Accordingly, the vibration actuator 100 is accommodated in the lens barrel 270 without increasing the diameter of the lens barrel 270.
  • the vibration actuator 100 moves the focusing lens 286 forward or backward in the direction of the optical axis X via, for example, a train wheel.
  • the camera body 201 accommodates the finder 240, the control unit 250, and the primary mirror 262.
  • the primary mirror 262 has an oblique position that is inclined on the optical path of the subject luminous flux incident through the optical system 280 of the lens unit 202, and a retracted position that rises while avoiding the subject luminous flux (indicated by a dotted line in the figure). ).
  • the primary mirror 262 in the oblique position guides most of the subject luminous flux to the focusing plate 266 disposed above.
  • the focus plate 266 is in an optically conjugate position with the image sensor 220, and the subject image formed on the focus plate 266 is observed as an erect image from the viewfinder 240 through the pentaprism 248. Further, a part of the subject luminous flux is guided to the photometry unit 252 by the pentaprism 248.
  • the photometry unit 252 measures the intensity and distribution of the subject luminous flux according to the subject brightness.
  • the finder 240 includes an eyepiece 242, a finder display 244 and a half mirror 246.
  • the finder display unit 244 generates a display image representing information such as the shooting conditions set in the camera 200.
  • the half mirror 246 superimposes the display image generated on the finder display unit 244 on the image on the focusing screen. Accordingly, the user can observe the subject image formed on the focusing screen 266 and the display image formed on the finder display unit 244 together from the eyepiece unit 242.
  • the primary mirror 262 has a secondary mirror 264 on the back surface.
  • the secondary mirror 264 guides a part of the subject light flux that has passed through the primary mirror 262 to the focusing unit 254 disposed below. Thereby, when the main mirror 262 is in the oblique position, the in-focus position of the in-focus lens 286 is detected. When the primary mirror 262 moves to the retracted position, the secondary mirror 264 also retracts from the subject light beam.
  • a shutter 230, an optical filter 222, and an image sensor 220 are sequentially arranged behind the primary mirror 262 with respect to the lens unit 202.
  • the shutter 230 is opened, the main mirror 262 moves to the retracted position immediately before that, so that the subject luminous flux goes straight and enters the image sensor 220.
  • the image formed by the incident light is converted into an electrical signal in the image sensor 220.
  • the lens unit 202 is also electrically coupled to the camera body 201. Accordingly, the lens unit 202 receives supply of power from the camera body 201 and operates in cooperation with the camera body 201 under the control of the control unit 250 of the camera body 201. Therefore, for example, the autofocus mechanism can be formed by controlling the rotation amount and the rotation direction of the vibration actuator 100 based on the information on the distance to the subject detected by the focusing unit 254 on the camera body 201 side.
  • the vibration actuator 100 may drive the opening / closing of the aperture device 290, the movement of the variator lens in the variable power lens 284, and the like. Also in this case, the vibration actuator 100 contributes to automation of exposure, execution of a scene mode, execution of bracket photography, and the like by referring to information with the photometric unit 252 and the finder display unit 244 via an electrical signal. .
  • the vibration actuator 100 can be used for applications other than optical systems such as a photographing machine and binoculars.
  • a precision stage more specifically, an electron beam drawing apparatus, various stages for an inspection apparatus, a moving mechanism of a cell injector for biotechnology, a power source such as a moving bed of a nuclear magnetic resonance apparatus, and the like can be exemplified.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of the optical device 300 including the vibration actuator 101.
  • the optical apparatus 300 includes an optical component 302, a holding frame 304, a guide shaft 306, and the vibration actuator 101.
  • the holding frame 304 holds an optical component 302 such as a lens.
  • the holding frame 304 is slidably supported by being inserted through the pair of guide shafts 306.
  • the guide shafts 306 are arranged in parallel to each other in the optical axis direction of the optical component 302.
  • the holding frame 304 has a cylindrical shape as a whole, but has a flat contact surface 143 in the lower part of the side peripheral surface in the figure.
  • the contact surface 143 is formed in parallel with the axial direction of the guide shaft 306 and forms a part of the vibration actuator 101.
  • the contact surface 143 may be formed by processing a part of the holding frame 304 or may be formed by adding another member to the side peripheral surface of the holding frame 304.
  • the vibration actuator 101 further includes an electromechanical conversion unit 122 and a transmission unit 131.
  • the electromechanical conversion unit 122 and the transmission unit 131 are arranged on the lower side in the figure with respect to the holding frame 304 and abut on a contact surface 143 located on the side peripheral surface of the holding frame 304.
  • the electromechanical conversion unit 122 and the transmission unit 131 transmit driving force to the contact surface 143 of the holding frame 304 in a state where the relative position with respect to the guide shaft 306 is fixed.
  • the optical component 302 moves in the optical axis direction along the guide shaft 306 together with the holding frame 304.
  • the characteristics of the optical system including the optical component 302 change.
  • FIG. 12 is a perspective view of an assembly in which the electromechanical conversion unit 122 and the transmission unit 131 are integrated.
  • the transmission part 131 has a rectangular plate shape, and has an electromechanical conversion part 122 on the lower surface in the drawing.
  • a pair of protrusions 133 are provided on the upper surface of the transmission part 131 so as to be spaced apart in the longitudinal direction and protrude upward in the figure.
  • the tip of the protrusion 133 contacts the side surface of the holding frame 304.
  • the electromechanical conversion unit 122 includes a pair of piezoelectric blocks formed of a piezoelectric material.
  • the piezoelectric blocks are spaced apart from each other in the longitudinal direction of the transmission unit 131.
  • the pair of piezoelectric blocks are insulated from each other, and a driving voltage can be applied individually. As a result, the transmission unit 131 can be deformed in a state of being in contact with the contact surface 143 of the holding frame 304.
  • FIG. 13 is a schematic diagram for explaining the operation of the vibration actuator 101.
  • column (A) shows changes in effective values of the two-phase drive voltages A and B applied to the pair of piezoelectric blocks as time elapses from timing t1 to timing t9.
  • the drive voltages A and B periodically change in a state where the phases are shifted from each other by 90 degrees.
  • column (B) shows temporal changes in lateral vibration generated in the transmission unit 131 by the electromechanical conversion unit 122 to which the drive voltages A and B are applied.
  • the lateral vibration means vibration that causes displacement in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the transmission unit 131 when the transmission unit 131 is bent and deformed by the electromechanical conversion unit 122 expanding and contracting with a phase difference.
  • the transmission unit 131 has a fourth-order transverse vibration mode with respect to the fluctuation cycle of the drive voltages A and B.
  • column (C) shows temporal changes in longitudinal vibration generated in the transmission unit 131 by the electromechanical conversion unit 122 to which the drive voltages A and B are applied.
  • the longitudinal vibration means vibration that causes displacement in the longitudinal direction of the transmission unit 131 when the transmission unit 131 expands and contracts as the electromechanical conversion unit 122 expands and contracts.
  • the transmission unit 131 has a primary longitudinal vibration mode with respect to the fluctuation cycle of the drive voltages A and B.
  • column (D) shows temporal changes in the elliptical motion generated at the tip of the projection 133 of the transmission unit 131 by the combination of the lateral vibration and the longitudinal vibration.
  • the protrusion 133 is disposed at the antinode position of the fourth vibration mode of the transmission unit 131.
  • the transmission part 131 is fixed relatively to the guide shaft 306, for example, in the center in the longitudinal direction.
  • the tip of the projection 133 generates a driving force that pushes the contact surface 143 of the holding frame 304 in the longitudinal direction of the guide shaft 306.
  • the holding frame 304 moves along the longitudinal direction of the guide shaft 306.
  • either one of the contact surface 143 and the protrusion 133 is formed of a metal material, and pores are formed on the other surface at an appropriate ratio, so that the vibration actuator 101 The output torque can be improved.
  • the contact surface 143 formed on the surface of the holding frame 304 is formed of a ceramic material having pores on the surface, and the transmission portion 131 integrated with the protrusion 133 is formed of a metal material. May be.
  • FIG. 14 is a side view of the vibration actuator 102.
  • the vibration actuator 102 includes a base plate 110, a pressurizing unit 150, a pressurizing plate 151, an electromechanical conversion unit 122, a transmission unit 131, a rotor 140, a buffer plate 163, and an output unit 161 that are sequentially stacked from the lower side in the drawing.
  • the pressurizing part 150 is fixed to the base plate 110 at the lower end in the figure. Further, the pressurizing unit 150 exerts an urging force that pushes the pressure plate 151 upward.
  • the pressure plate 151 presses the electromechanical conversion unit 122 and the transmission unit 131 that are integrated with each other toward the upper rotor 140. Thereby, the transmission part 131 is pressed against the contact part 142 formed on the lower surface of the rotor 140 in the drawing.
  • the rotor 140 is arranged to be rotatable with respect to the base plate 110.
  • the rotor 140 is coupled to the output unit 161 with the buffer plate 163 interposed therebetween.
  • the rotational motion is transmitted to the output unit 161, and the rotor 140 and the output unit 161 rotate integrally around the rotation axis parallel to the paper surface.
  • the vibration in the height direction generated in the rotor 140 is absorbed by the buffer plate 163.
  • the output part 161 can transmit a rotational motion to the exterior efficiently.
  • FIG. 15 is a perspective view of the assembly of the electromechanical conversion unit 122 and the transmission unit 131 of the vibration actuator 102 and the contact unit 142 of the rotor 140.
  • FIG. Elements that are the same as those in FIG. 14 are given the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted.
  • the electromechanical conversion unit 122 includes a plurality of piezoelectric blocks arranged on the lower surface of the annular transmission unit 131 in the drawing.
  • the plurality of piezoelectric blocks are spaced apart from each other in the circumferential direction of the transmission unit 131.
  • the pair of piezoelectric blocks are insulated from each other, and a driving voltage can be applied individually.
  • the transmission unit 131 can be partially deformed in a state of being in contact with the contact surface 143 of the holding frame 304.
  • the transmission part 131 has a plurality of grooves 135 formed in the radial direction on the upper surface in the drawing. Thereby, the bending rigidity of the transmission part 131 becomes low, and the deformation
  • the rotor 140 has an annular shape as a whole and has a contact portion 142 having a narrow radial width at the lower end. Thereby, the contact part 142 is strongly pressed against the transmission part 131.
  • FIG. 16 is a development view for explaining the operation of the vibration actuator 102. As described with reference to FIG. 13, by applying a drive voltage that periodically varies with a phase difference to the plurality of piezoelectric blocks arranged in the longitudinal direction of the transmission unit 131, Lateral vibration and longitudinal vibration can be generated.
  • the transmission part 131 is annular
  • a traveling wave traveling in the circumferential direction is generated in the transmission part 131 by sequentially moving the position where the lateral vibration occurs. Therefore, the circumferential driving force is transmitted to the annular contact portion 142 that contacts the transmission portion 131, and the rotor 140 rotates.
  • the output torque of the vibration actuator 102 can be improved by forming pores at an appropriate ratio on the surface of either the contact portion 142 or the transmission portion 131. More specifically, for example, the contact portion 142 that is not deformed when the vibration actuator 102 is operated is formed of a ceramic material having pores on the surface, and the transmission portion 131 that is deformed along with the generation of traveling waves is a metal-based material. May be formed.

Abstract

　振動アクチュエータであって、電力を機械的振動に変換する電気機械変換部と、電気機械変換部から振動を駆動力として伝達する伝達部と、伝達部に当接して駆動力により伝達部に対して相対的に移動する当接部とを備え、伝達部および当接部の接触表面において、伝達部および当接部のいずれか一方におけるポア面積占有率が２％以上である。上記振動アクチュエータにおいて、ポアの平均面積が３μｍ２以上であってもよい。また、伝達部および当接部の他方において、一方に対する接触面が鉄を含有してもよい。

Description

振動アクチュエータ
　本発明は、振動アクチュエータに関する。
　軸部の中心軸に対してそれぞれ直交する２つの曲げ振動を生じる振動子と、振動子に摩擦駆動されて軸部の周りを回転するロータとを備えた振動アクチュエータがある（特許文献１参照）。
　特許文献１　特開２００５－２８７２４６号公報
　振動アクチュエータにおいて、振動子およびロータが接触相互に接触する部位を、耐磨耗性を有する硬質材料で形成した場合、高い駆動トルクが得られない。
　そこで本発明の１つの側面においては、上記の課題を解決することのできる振動アクチュエータを提供することを目的とする。この目的は請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
　本発明の一態様として、電力を機械的振動に変換する電気機械変換部と、電気機械変換部から振動を駆動力として伝達する伝達部と、伝達部に当接して駆動力により伝達部に対して相対的に移動する当接部とを備え、伝達部および当接部の接触表面において、伝達部および当接部のいずれか一方におけるポア面積占有率が２％以上である振動アクチュエータが提供される。
　なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。
振動アクチュエータ１００の模式的断面図である。 電気機械変換部１２２の斜視図である。 振動アクチュエータ１００の動作を説明する図である。 振動アクチュエータ１００の動作を説明する図である。 振動アクチュエータ１００の動作を説明する図である。 振動アクチュエータ１００の動作を説明する図である。 トルク減衰率の概念を示すグラフである。 振動アクチュエータ１００の特性を示すグラフである。 振動アクチュエータ１００の特性を示すグラフである。 カメラ２００の模式的断面図である。 振動アクチュエータ１０１を含む光学機器３００の模式図である。 電気機械変換部１２２および伝達部１３１の斜視図である。 振動アクチュエータ１０１の動作を説明する模式図である。 振動アクチュエータ１０２の側面図である。 電気機械変換部１２２および伝達部１３１の斜視図である。 振動アクチュエータ１０２の動作を説明する模式図である。
　以下、発明の実施の形態を通じて本発明の一側面を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
　図１は、振動アクチュエータ１００の模式的断面図である。なお、下記の説明においては、図中上側を「上」、図中下側を「下」として各要素の方向を記載する。しかしながら、これらの記載は、振動アクチュエータ１００が図示された方向に限って使用されることを意味するものではない。
　振動アクチュエータ１００は、同軸状に順次積層されたベースプレート１１０、圧電積層体１２０、ステータ１３０、ロータ１４０、出力歯車１６０およびトッププレート１８０を備える。これらの部材は、軸部１９０により中心を貫通される。
　軸部１９０の下端は、ベースプレート１１０に結合される。また、トッププレート１８０は、ナット１９２により、軸部１９０の軸方向に沿って下方に向かって締め込まれる。圧電積層体１２０、ステータ１３０、ロータ１４０および出力歯車１６０は、ベースプレート１１０およびトッププレート１８０の間に挟まれて、軸部１９０の軸方向に相互に押し付けられる。
　圧電積層体１２０は、厚さ方向に互いに積層された複数の電気機械変換部１２２を含み、ベースプレート１１０により下方から支持される。圧電積層体１２０の上面には、ステータ１３０が重ねられる。これにより、ステータ１３０は、圧電積層体１２０により下方から支持される。ステータ１３０の上面は、ロータ１４０に対する接触表面をなす。
　ステータ１３０は、軸部１９０と同軸に配された振動体１３２の下端に結合される。これにより、ステータ１３０が揺動する場合は振動体１３２も一体的に揺動する。ステータ１３０の揺動を振動と見做した場合、振動体１３２はステータ１３０と共にひとつの振動の系をなす。よって、振動体１３２の寸法および質量を変化させることにより、ステータ１３０の固有振動数を調節できる。
　ロータ１４０は、当接部１４２を介して、ステータ１３０の上面に当接する。当接部１４２は、ロータ１４０に対して固定され、ロータ１４０が軸部１９０の周りを回転する場合は、ロータ１４０と共に回転する。また、当接部１４２は、弾性を有する部材により形成される。これにより、ステータ１３０が軸部１９０の軸方向に振動した場合も、当接表面に追従して接触を維持する。
　ロータ１４０の上端は、軸部１９０を回転軸とする回転方向について、出力歯車１６０の下部と係合する。これにより、ロータ１４０が軸部１９０を回転軸として回転した場合は、出力歯車１６０も連れ従って回転する。
　出力歯車１６０は、軸受け部１７０を介して軸部１９０から軸支される。これにより、出力歯車１６０に負荷がかかっている場合であっても、出力歯車１６０は、軸部１９０の周りを円滑に回転する。出力歯車１６０の外周にはピニオンギアが切られており、出力歯車１６０の回転を外部に伝達できる。
　与圧部１５０は、例えば、伸長方向に付勢されたコイルバネであり、出力歯車１６０の下面に一端を当接させる。与圧部１５０の下端は、ロータ１４０の内面に上向きに形成された段差に当接する。
　出力歯車１６０は、内面に上向きに形成された段差を軸受け部１７０に当接させ、軸受け部１７０の上面はトッププレート１８０に当接する。よって、出力歯車１６０が上方に変位することはない。換言すれば、与圧部１５０は、ロータ１４０を、ステータ１３０に向かって付勢する。
　図２は、圧電積層体１２０を形成する電気機械変換部１２２の斜視図である。電気機械変換部１２２の各々は、圧電材料板１２４、駆動電極１２１、１２３、１２５、１２７および共通電極１２６を有する。
　圧電材料板１２４は、ＰＺＴ等の圧電材料により形成された円板状の部材である。圧電材料板１２４の下面は、共通電極１２６により一面に覆われる。圧電材料板１２４の上面は、周方向に分割して配された複数の駆動電極１２１、１２３、１２５、１２７が配される。駆動電極１２１、１２３、１２５、１２７および共通電極１２６は、ニッケル、金等の電極材料を、鍍金、蒸着、厚膜印刷等の方法で、圧電材料の表面に直接に付着させて形成できる。
　これにより、例えば、共通電極１２６を接地電位に固定し、駆動電極１２１、１２３、１２５、１２７のいずれかに駆動電圧を印加した場合、当該駆動電極１２１、１２３、１２５、１２７の領域に限って圧電材料板１２４の厚さが変化する。
　圧電積層体１２０は、上記のような電気機械変換部１２２を、絶縁層を介して複数積層して形成される。また、圧電積層体１２０の複数の電気機械変換部１２２において、同じ位置にある駆動電極１２１、１２３、１２５、１２７には、同じ駆動電圧が、同じタイミングで印加される。
　図３、図４、図５および図６は、振動アクチュエータ１００における圧電積層体１２０の動作を説明する図である。これらの図と図１で共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
　圧電積層体１２０において、電気機械変換部１２２の複数の駆動電極１２１、１２３、１２５、１２７のいずれかに対して選択的に駆動電圧を印加すると、当該駆動電極１２１、１２３、１２５、１２７の位置において圧電材料板１２４の厚さの変化が重畳される。これにより、ベースプレート１１０に対するステータ１３０の傾きが変化する。
　図３に示す状態では、紙面手前側の駆動電極１２７に圧電体を伸長させる電圧を印加し、紙面奥側の駆動電極１２３に圧電体を収縮させる電圧を印加している。これにより、当初はベースプレート１１０に対して平行であったステータ１３０が、図示のように紙面後方に向かって傾斜する。
　次いで、ステータ１３０を上から見た場合に時計周りに、電圧を印加する駆動電極１２１、１２３、１２５、１２７を順次切り替えることにより、図４～図６に示すように、ステータ１３０の傾く方向を時計周りに回転させることができる。なお、電圧を印加する順序を逆にした場合は、ステータ１３０の傾きの回転方向が反転する。
　再び図１を参照すると、振動アクチュエータ１００において、ロータ１４０は与圧部１５０に付勢されるので、当接部１４２がステータ１３０に対して定常的に押し付けられる。このため、ロータ１４０は、傾斜方向を回転させつつ揺動するステータ１３０から摩擦駆動力を得て回転する。
　このとき、ロータ１４０は、ステータ１３０の傾斜方向の回転と逆に回転する。よって、振動アクチュエータ１００を上から見下ろした場合に、上記のようにステータ１３０の傾き方向が時計周りに回転した場合は、ロータ１４０の回転方向は反時計周りになる。こうして、圧電積層体１２０に駆動電圧を供給された場合にロータ１４０が回転運動する振動アクチュエータ１００が形成される。
　なお、振動アクチュエータ１００の駆動電圧の周波数は、圧電積層体１２０、ステータ１３０、振動体１３２および軸部１９０等、振動アクチュエータ１００が動作する場合に振動する部分の固有振動数に近いことが好ましい。これにより、投入した電力に対して効率よく駆動力を発生させることができる。
　また、振動アクチュエータ１００が発生する回転駆動力は、ステータ１３０とロータ１４０との摩擦力によって生じる。ここで、「Ｆ（摩擦力）＝μ（摩擦係数）×Ｎ（負荷荷重）」という原理に従い、負荷荷重Ｎが一定ならば摩擦力Ｆ∝摩擦係数μという関係が成り立つ。よって、振動アクチュエータ１００においては、ステータ１３０およびロータ１４０の摩擦を大きくすることにより、駆動効率を向上させて出力トルクを増加させ得る。
　上記のような振動アクチュエータ１００において、ロータ１４０の当接部１４２の材料としては、焼きを入れて弾性材料として使用できるＳＵＳ４２０Ｊ２等の他、ＳＵＳ４３１、４０３、４１０、４２０、４４０等のマルテンサイト系ステンレス鋼を使用できる。更に、振動アクチュエータ１００の仕様に応じて、ＳＵＳ３０４のようなオーステナイト系ステンレス鋼等の他のステンレス鋼、鉄系合金等を材料とすることもできる。
　ステータ１３０の材料としては、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物等の粉末を原料として焼結したセラミックスを使用できる。より具体的には、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、窒化チタン、炭化ケイ素および窒化ケイ素のいずれか、または、これらを二種以上含有する材料を例示できる。
　セラミックスは、変形が少なく、耐磨耗性の高い材料として使用されるが、原料粉末の固相反応により製造するので不可避に空孔を含む。このため、セラミックスにより形成されたステータ１３０の表面にもポアと呼ばれる空孔が現れる。このポアによるステータ１３０の表面性状の違いが、振動アクチュエータ１００の出力特性に影響を及ぼすことが判った。そこで、試料１～７として、表面におけるポア面積占有率（％）が異なる複数のセラミックス製ステータ１３０を用意して、振動アクチュエータ１００の特性に及ぼす影響を調べた。
　セラミックスによりステータ１３０を製造する場合には、使用する原料粉末の粒度を選ぶことにより、ポア面積占有率およびポア平均面積を調節できる。例えば、粒径がより小さな原料粉末を焼結するとセラミックスの組織は緻密になり、表面のポア面積占有率およびポア平均面積は小さくなる。粒径がより大きな原料粉末を焼成すると、表面のポア面積占有率およびポア平均面積が大きくなる。
　更に、粒径の異なる原料粉末を混合して、粒度分布を変化させることによりポア面積占有率およびポア平均面積を、より細かく調節することもできる。粒径の大小に加えて、またはこれに代えて、焼結時間、焼結温度、焼結圧力等の焼結条件を変更することによりポア面積占有率およびポア平均面積を調節することもできる。
　上記のようなポア面積占有率およびポア平均面積の調節方法は、ステータ１３０がセラミックスの場合の他、粉末冶金の手法で製造される焼結合金のステータ１３０に対しても適用できる。また、焼結以外の方法で製造されたステータ１３０においても、材料に応じたエッチャントでエッチングすることにより、目的とするポア面積占有率およびポア平均面積を有する表面性状を形成できる。
　なお、ポア面積占有率とは、ステータ１３０の表面を１０００倍の光学顕微鏡で観察して、観察により得られたポア面積の合計を、ステータ１３０表面の全体面積で除した値である。ただし、１０００倍の倍率でステータ１３０の表面を隈なく観察するには多大な時間を要する。
　そこで、光学顕微鏡を用いて１０００倍にて観察する場合に、３００μｍ×２２０μｍの範囲内に存在するポアを抽出した。このポアの面積を合計し、視野面積で除したものをポア面積占有率とした。ポア面積占有率はランダムに選択した３点について測定し、それらの平均値を求めた。
　より具体的には、下記の手順で試料のポアを定量した。試料の観察にはデジタルマイクロスコープ（ＶＨＸ－９００型、株式会社キーエンス）を使用した。このデジタルマイクロスコープは同軸落射照明系を備えたズームレンズとＣＣＤカメラとから構成され、最大１０００倍での明視野観察を行うことができる。
　ＣＣＤカメラは１／１．８型２１１万画素イメージセンサを使用しており、実効画素は１６００ｘ１２００である。実際の観察はズームレンズ倍率を１０００倍とし、電子シャッターモード（シャッタ速度）及びホワイトバランスをＡＵＴＯ、絞り開放、フレームレート１５Ｆ／Ｓに設定して、ステータ表面の３００μｍ×２２０μｍの領域を１６００ｘ１２００ドットの画像データとして取得した。
　このデータを画像処理ソフトウェア（Ｉｍａｇｅ－Ｊ）に取り込み、一旦８ビットグレースケール（０～２５５）に変換した後、二値化してポア領域のみを抽出した。この際、二値化の閾値は変換画像を見ながら手動で調整し、ポア領域のみが抽出されるように設定した。今回の評価における二値化の閾値は、試料４及び６については７０、他の試料については９５とした。
　このようにしてポア領域を抽出した後、画像処理ソフトウェアの機能を利用してポアの総数及び総面積を算出してポア面積占有率を得た。また、ポアの総面積をポアの総数で除してポア平均面積を得た。
　こうして、ポア面積占有率が互いに異なる７つのステータ１３０を用意した。各ステータ１３０のポア面積占有率およびポア平均面積を表１に示す。また、各ステータ１３０の材料も併せて表１に示す。

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記７種のステータ１３０を備えた振動アクチュエータ１００について、トルク減衰率（ｒｐｍ／ｍＮ・ｍ）および鉄分付着量を測定した。測定結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示したトルク減衰率は、下記の式１に従って算出した。
　トルク減衰率＝減衰回転数（ｒｐｍ）／負荷トルク（Ｎ・ｍｍ）・・・式１
　図７は、振動アクチュエータ１００のトルク減衰率の概念を示すグラフである。図７のグラフの横軸は負荷トルクであり、縦軸が回転数である。図示のように、振動アクチュエータ１００を回転させながら負荷トルクを０（Ｎ・ｍｍ）から上昇させていった場合、振動アクチュエータ１００の回転数（ｒｐｍ）は徐々に減少する。トルク減衰率は、このように負荷トルクの上昇に従って減少した振動アクチュエータの回転数の割合、すなわち、図７におけるグラフの傾きを示す。トルク減衰率が低い振動アクチュエータ１００は、負荷が大きくなっても回転数の低下が少ない。よって、大きな負荷トルクに対しても高い回転数を維持できる。
　なお、トルク減衰率は、ある程度の稼働時間を経て特性が安定した振動アクチュエータ１００について測定および算出した。また、トルク減衰率は、回転数が負荷トルクに対して直線的に減衰する領域において算出したものであり、具体的には負荷トルクが６ｍＮ・ｍ以下の範囲において測定された値である。
　鉄分付着量（ａ．ｕ．（ａｒｂｉｔｒａｒｙ　ｕｎｉｔ：任意単位））は、セラミックス製のステータ１３０と、ステンレス製の当接部１４２とを備えた振動アクチュエータ１００において、当接部１４２が摺動したことによるステータ１３０への鉄分の付着量を意味する。鉄分付着量は、当接部１４２が摺動した領域である摺動跡と、当接部１４２が摺動しなかった領域とのそれぞれについて、走査型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型Ｘ線分析装置により鉄分付着量を検出し、それら検出した鉄分付着量の差分として求めた。
　図８は、表１および表２に示した測定結果の一部をプロットしたグラフである。図８には、ステータ１３０における接触面のポア面積占有率と振動アクチュエータ１００のトルク減衰率（ｒｐｍ／ｍＮ・ｍ）の関係、および、同ポア面積占有率とステータ１３０に対する鉄分付着量との関係が併せて示される。
　図８に示す通り、ステータ１３０の表面におけるポア面積占有率が２%以上になると、鉄分の付着が顕著になることが判る。また、鉄分の付着量が増すに連れて、振動アクチュエータ１００のトルク減衰率が低くなることが判る。よって、ステータ１３０表面のポア面積占有率を２%以上とすることにより、振動アクチュエータ１００の出力トルクを向上させられることが判る。
　また、ポア面積占有率を４％以上とすることにより、振動アクチュエータ１００のトルク減衰率がさらに低くなり、出力トルクをより向上させられることが判る。図８によれば、このような効果は、少なくともポア面積占有率が～１５％の領域において同様に得られることが示される。
　このように、各材料のポア面積占有率に着目すると、ポア面積占有率が大きいものほど、ステンレス材料に由来するＦｅの付着が起こり、高い負荷トルクでも駆動することが出来る超音波モータとなる。ポア面積占有率の高いセラミックス材料を用いることによって、高いトルクと効率が得られる。
　ただし、図８に示す通り、ポア面積占有率が１０％を越えても、鉄分の付着量は増えなくなる。また、ポア面積占有率が過大になると、ステータ１３０の表面に欠陥が増加して劣化しやすくなることも予想される。よって、ステータ１３０の表面におけるポア面積占有率は１５％以下としてもよく、更に、１０％以下としてもよい。
　図９は、表１および表２に示した測定結果の一部をプロットしたグラフである。図９には、ステータ１３０における接触面のポア平均面積（μｍ２）と振動アクチュエータ１００のトルク減衰率（ｒｐｍ／ｍＮ・ｍ）の関係、および、平均面積（μｍ２）とステータ１３０に対する鉄分付着量の関係が併せて示される。
　また、図９から判るように、ポア平均面積が３μｍ２以上になった場合も、ステータ１３０への鉄分付着量が増加する。また、鉄分付着量増加に伴って振動アクチュエータ１００のトルク減衰率も低下する。よって、高トルク化という観点からは、ポア平均面積を３μｍ２以上とすることができる。
　なお、上記の例では、ステータ１３０におけるロータ１４０への接触面全体において、ポア面積占有率およびポア平均面積が実質的に均一であった。しかしながら、仮に、ポア面積占有率およびポア平均面積が不均一に分布していたとしても、少なくともロータ１４０との接触面全体の平均値として上記の範囲を満たせば、所期の作用が得られる。
　また、上記の例では、振動アクチュエータ１００は、セラミックス製のステータ１３０とステンレス製の当接部１４２とを備えていた。しかしながら、例えば、ステンレス等の金属により形成されたステータ１３０とセラミックス製の当接部１４２とを備えた振動アクチュエータ１００においても、当接部１４２の接触面におけるポア面積占有率を管理することにより、振動アクチュエータ１００が出力する駆動トルクを向上できる。
　図１０は、振動アクチュエータ１００を備えたカメラ２００の模式的断面図である。カメラ２００は、レンズユニット２０２およびカメラボディ２０１を含む。
　レンズユニット２０２は、マウントシステム２０３を介して、カメラボディ２０１に対して着脱自在に装着される。レンズユニット２０２は、光学系２８０、光学系２８０を収容する鏡筒２７０、および、鏡筒２７０の内部に設けられて光学系２８０を駆動する振動アクチュエータ１００を備える。
　光学系２８０は、図中で左側にあたる入射端から順次配列された、前球２８２、変倍レンズ２８４、合焦レンズ２８６および主レンズ２８８を含む。合焦レンズ２８６および主レンズ２８８の間には、絞り装置２９０が配置される。
　振動アクチュエータ１００は、光軸方向について鏡筒２７０の中程にあって相対的に小径な合焦レンズ２８６の下方に配置される。これにより、鏡筒２７０の径を拡大することなく、振動アクチュエータ１００は鏡筒２７０内に収容される。振動アクチュエータ１００は、例えば輪列を介して合焦レンズ２８６を光軸Ｘの方向に前進または後退させる。
　カメラボディ２０１は、ファインダ２４０、制御部２５０、主鏡２６２を収容する。主鏡２６２は、レンズユニット２０２の光学系２８０を介して入射した被写体光束の光路上に傾斜して配置される斜設位置と、被写体光束を避けて上昇する退避位置（図中に点線で示す）との間を移動する。
　斜設位置にある主鏡２６２は、被写体光束の大半を、上方に配置されたピント板２６６に導く。ピント板２６６は撮像素子２２０と光学的に共役な位置にあり、ピント板２６６に形成された被写体像は、ペンタプリズム２４８を通じてファインダ２４０から，正立正像として観察される。また、被写体光束の一部は、ペンタプリズム２４８により測光部２５２に導かれる。測光部２５２は、被写体輝度に応じた被写体光束の強度およびその分布を測定する。
　ファインダ２４０は、接眼部２４２、ファインダ用表示部２４４およびハーフミラー２４６を含む。ファインダ用表示部２４４は、カメラ２００に設定された撮影条件等の情報を表す表示画像を生成する。ハーフミラー２４６は、ファインダ用表示部２４４に生成された表示画像を、フォーカシングスクリーンの映像に重畳する。これにより、ユーザは、ピント板２６６に形成された被写体像とファインダ用表示部２４４に形成された表示画像とを、接眼部２４２から併せて観察できる。
　また、主鏡２６２は、裏面に副鏡２６４を有する。副鏡２６４は、主鏡２６２を透過した被写体光束の一部を、下方に配置された合焦部２５４に導く。これにより、主鏡２６２が斜設位置にある場合は、合焦レンズ２８６の合焦位置を検出する。なお、主鏡２６２が退避位置に移動した場合は、副鏡２６４も被写体光束から退避する。
　カメラボディ２０１において、レンズユニット２０２に対して主鏡２６２の後方には、シャッタ２３０、光学フィルタ２２２および撮像素子２２０が順次配置される。シャッタ２３０が開放される場合は、その直前に主鏡２６２が退避位置に移動するので、被写体光束は直進して撮像素子２２０に入射される。これにより、入射光の形成する画像が撮像素子２２０において電気信号に変換される。
　カメラ２００において、レンズユニット２０２はカメラボディ２０１に対して電気的にも結合されている。これにより、レンズユニット２０２は、カメラボディ２０１から電力の供給を受けると共に、カメラボディ２０１の制御部２５０の制御の下に、カメラボディ２０１と連携して動作する。よって、例えば、カメラボディ２０１側の合焦部２５４が検出した被写体までの距離の情報に基づいて振動アクチュエータ１００の回転量および回転方向を制御することによりオートフォーカス機構を形成できる。
　なお、振動アクチュエータ１００により合焦レンズ２８６を移動させる場合について例示したが、絞り装置２９０の開閉、変倍レンズ２８４におけるバリエータレンズの移動等を振動アクチュエータ１００で駆動してもよい。この場合も、電気信号を介して測光部２５２、ファインダ用表示部２４４等と情報を参照し合うことにより、振動アクチュエータ１００は、露出の自動化、シーンモードの実行、ブラケット撮影の実行等に寄与する。
　また、振動アクチュエータ１００は、撮影機、双眼鏡等の光学系以外の用途にも使用できる。例えば、精密ステージ、より具体的には電子ビーム描画装置、検査装置用各種ステージ、バイオテクノロジ用セルインジェクタの移動機構、核磁気共鳴装置の移動ベッド等の動力源等を例示できる。
　図１１は、振動アクチュエータ１０１を含む光学機器３００の模式図である。光学機器３００は、光学部品３０２、保持枠３０４および案内軸３０６と、振動アクチュエータ１０１とを備える。
　保持枠３０４は、レンズ等の光学部品３０２を保持する。また、保持枠３０４は、一対の案内軸３０６を挿通されて摺動可能に支持される。案内軸３０６は、光学部品３０２の光軸方向に互いに平行に配される。
　保持枠３０４は、全体として円筒形をなすが、側周面の図中下部には平坦な当接面１４３を有する。当接面１４３は、案内軸３０６の軸方向に平行に形成され、振動アクチュエータ１０１の一部をなす。当接面１４３は、保持枠３０４の一部を加工して形成してもよいし、保持枠３０４の側周面に他の部材を付加して形成してもよい。
　振動アクチュエータ１０１は更に、電気機械変換部１２２および伝達部１３１を含む。電気機械変換部１２２および伝達部１３１は、保持枠３０４に対して、図中下側に配され、保持枠３０４の側周面に位置する当接面１４３に当接する。
　振動アクチュエータ１０１においては、電気機械変換部１２２および伝達部１３１が、案内軸３０６に対して相対位置を固定された状態で、保持枠３０４の当接面１４３に駆動力を伝達する。これにより、光学部品３０２は、保持枠３０４と共に、案内軸３０６に沿って光軸方向に移動する。これにより、光学部品３０２を含む光学系の特性が変化する。
　図１２は、電気機械変換部１２２および伝達部１３１が一体となった組立体の斜視図である。伝達部１３１は矩形板状の形状を有し、図中下面に電気機械変換部１２２を有する。伝達部１３１の上面には、長手方向に離間して図中上方に突出する一対の突起部１３３が設けられる。光学機器３００においては、突起部１３３の先端が、保持枠３０４の側面に当接する。
　電気機械変換部１２２は、圧電材料により形成された一対の圧電ブロックを含む。圧電ブロックは、伝達部１３１の長手方向に離間して配置される。一対の圧電ブロックは相互に絶縁され、個別に駆動電圧を印加できる。これにより、保持枠３０４の当接面１４３に当接させた状態で、伝達部１３１を変形させることができる。
　図１３は、振動アクチュエータ１０１の動作を説明する模式図である。図１３において、（Ａ）列は、一対の圧電ブロックに印加される２相の駆動電圧Ａ、Ｂの実効値の変化を、タイミングｔ１からタイミングｔ９に至る時間の経過に従って示す。駆動電圧Ａ、Ｂは、相互に位相が９０度ずれた状態で周期的に変化する。
　図１３において、（Ｂ）列は、上記駆動電圧Ａ、Ｂを印加された電気機械変換部１２２により伝達部１３１に生じる横振動の時間的変化を示す。ここで、横振動とは、電気機械変換部１２２が位相差をもって伸縮することにより伝達部１３１が屈曲変形した場合に、伝達部１３１の長手方向と直交する方向に変位を生じる振動を意味する。伝達部１３１は、駆動電圧Ａ、Ｂの変動周期に対して４次の横振動モードを有する。
　図１３において、（Ｃ）列は、上記駆動電圧Ａ、Ｂを印加された電気機械変換部１２２により伝達部１３１に生じる縦振動の時間的変化を示す。ここで、縦振動とは、電気機械変換部１２２の伸縮に伴って伝達部１３１が伸縮することにより、伝達部１３１の長手方向に変位を生じる振動を意味する。伝達部１３１は、駆動電圧Ａ、Ｂの変動周期に対して１次の縦振動モードを有する。
　図１３において、（Ｄ）列は、上記横振動および上記縦振動の合成により、伝達部１３１の突起部１３３先端に生じる楕円運動の時間的変化を示す。突起部１３３は、伝達部１３１の４次振動モードの腹の位置に配される。また、伝達部１３１は、例えば、長手方向中央において、案内軸３０６に対して相対的に固定される。これにより、突起部１３３の先端は、保持枠３０４の当接面１４３を、案内軸３０６の長手方向に突き動かす駆動力を生じる。これにより保持枠３０４は案内軸３０６の長手方向に沿って移動する。
　上記のような振動アクチュエータ１０１においても、当接面１４３および突起部１３３のいずれか一方を金属系材料により形成すると共に、他方の表面に適切な割合でポアを形成することにより、振動アクチュエータ１０１の出力トルクを向上させることができる。より具体的には、例えば、保持枠３０４の表面に形成される当接面１４３を、表面にポアを有するセラミックス材料等により形成し、突起部１３３と一体的な伝達部１３１を金属材料により形成してもよい。
　図１４は、振動アクチュエータ１０２の側面図である。振動アクチュエータ１０２は、図中下側から順次積層された、ベースプレート１１０、与圧部１５０、加圧板１５１、電気機械変換部１２２、伝達部１３１、ロータ１４０、緩衝板１６３および出力部１６１を有する。
　与圧部１５０は、図中下端をベースプレート１１０に固定される。また与圧部１５０は、加圧板１５１を上方向に押し上げる付勢力を発揮する。加圧板１５１は、互いに一体をなす電気機械変換部１２２および伝達部１３１を、更に上方のロータ１４０に向かって押し付ける。これにより、伝達部１３１は、ロータ１４０の図中下面に形成された当接部１４２に押し当てられる。
　ロータ１４０は、ベースプレート１１０に対して回転可能に配される。また、ロータ１４０は、緩衝板１６３を挟んで出力部１６１に結合される。これにより、ロータ１４０に生じた運動のうち、回転運動が出力部１６１に伝えられ、紙面と平行な回転軸の回りに、ロータ１４０および出力部１６１が一体的に回転する。また、ロータ１４０に生じた高さ方向の振動は、緩衝板１６３に吸収される。これにより、出力部１６１は、回転運動を効率よく外部に伝達できる。
　図１５は、振動アクチュエータ１０２の電気機械変換部１２２および伝達部１３１の組立体と、ロータ１４０の当接部１４２との斜視図である。図１４と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
　振動アクチュエータ１０２において、電気機械変換部１２２は、環状の伝達部１３１の図中下面に配された複数の圧電ブロックを含む。複数の圧電ブロックは、伝達部１３１の周方向に離間して配置される。一対の圧電ブロックは相互に絶縁され、個別に駆動電圧を印加できる。これにより、保持枠３０４の当接面１４３に当接させた状態で、伝達部１３１を部分的に変形させることができる。
　また、伝達部１３１は、径方向に形成された複数の溝１３５を図中上面に有する。これにより、伝達部１３１の曲げ剛性が低くなり、電気機械変換部１２２による伝達部１３１の変形が容易になる。
　ロータ１４０は全体として環状をなし、径方向の幅が狭い当接部１４２を下端に有する。これにより、当接部１４２は、伝達部１３１に対して強く押し付けられる。
　図１６は、振動アクチュエータ１０２の動作を説明する展開図である。図１３を参照して説明したように、伝達部１３１の長手方向に配置された複数の圧電ブロックに、位相差を有して周期的に変動する駆動電圧を印加することにより、伝達部１３１に横振動および縦振動を生じさせることができる。
　振動アクチュエータ１０２においては、伝達部１３１が環状なので、横振動が生じる位置を順次移動させることにより、周方向に進行する進行波が伝達部１３１に生じる。よって、伝達部１３１に当接する環状の当接部１４２には周方向の駆動力が伝達され、ロータ１４０が回転する。
　上記のような振動アクチュエータ１０２においても、当接部１４２および伝達部１３１のいずれか一方の表面に適切な割合でポアを形成することにより、振動アクチュエータ１０２の出力トルクを向上させることができる。より具体的には、例えば、振動アクチュエータ１０２が動作する場合に変形しない当接部１４２を、表面にポアを有するセラミックス材料により形成し、進行波の発生と共に変形する伝達部１３１を金属系の材料により形成してもよい。
　以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、請求の範囲の記載から明らかである。
１００、１０１、１０２　振動アクチュエータ、１１０　ベースプレート、１２０　圧電積層体、１２１、１２３、１２５、１２７　電極、１２２　電気機械変換部、１２４　圧電材料板、１２６　共通電極、１３０　ステータ、１３１　伝達部、１３２　振動体、１３３　突起部、１３５　溝、１４０　ロータ、１４２　当接部、１４３　当接面、１５０　与圧部、１５１　加圧板、１６０　出力歯車、１６１　出力部、１６３　緩衝板、１７０　軸受け部、１８０　トッププレート、１９０　軸部、１９２　ナット、２００　カメラ、２０１　カメラボディ、２０２　レンズユニット、２０３　マウントシステム、２２０　撮像素子、２２２　光学フィルタ、２３０　シャッタ、２４０　ファインダ、２４２　接眼部、２４４　ファインダ用表示部、２４６　ハーフミラー、２４８　ペンタプリズム、２５０　制御部、２５２　測光部、２５４　合焦部、２６２　主鏡、２６４　副鏡、２６６　ピント板、２７０　鏡筒、２８０　光学系、２８２　前球、２８４　変倍レンズ、２８６　合焦レンズ、２８８　主レンズ、２９０　絞り装置、３００　光学機器、３０２　光学部品、３０４　保持枠、３０６　案内軸

Claims (12)

  1. 　電力を機械的振動に変換する電気機械変換部と、
    　前記電気機械変換部から振動を駆動力として伝達する伝達部と、
    　前記伝達部に当接して前記駆動力により前記伝達部に対して相対的に移動する当接部と
    を備え、
    　前記伝達部および前記当接部の接触表面において、前記伝達部および前記当接部のいずれか一方におけるポア面積占有率が２％以上である振動アクチュエータ。
  2. 　前記ポアの平均面積が３μｍ２以上である請求項１に記載の振動アクチュエータ。
  3. 　前記伝達部および前記当接部の他方において、前記一方に対する接触面が鉄を含有する請求項１または請求項２に記載の振動アクチュエータ。
  4. 　前記他方が、前記一方に対する接触面にマルテンサイト系ステンレス鋼を含む請求項３に記載の振動アクチュエータ。
  5. 　前記伝達部および前記当接部の少なくとも一方は、焼結体を含む請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
  6. 　前記伝達部および前記当接部の少なくとも一方は、金属酸化物、金属窒化物および金属炭化物のうちの少なくともひとつを含む請求項１または請求項２に記載の振動アクチュエータ。
  7. 　前記伝達部および前記当接部の一方における他方との接触表面はアルミナにより形成され、前記他方の接触表面はステンレス鋼により形成される請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の振動アクチュエータ。
  8. 　前記伝達部はステータを含み、
    　前記電気機械変換部は前記ステータを傾けつつ、傾けた方向を回転させ、
    　前記当接部は、前記ステータと接触して前記ステータの変位を受けて回転するロータを含む請求項１から７のいずれか１項に記載の振動アクチュエータ。
  9. 　前記伝達部は板状の本体部および前記本体部から突出した突起部を有し、
    　前記電気機械変換部は互いに位相の異なる振動を与えることにより前記突起部を楕円運動させ、
    　前記当接部は前記突起部に当接して、前記突起部の楕円運動の駆動力を受けることにより前記伝達部に対して一方向に移動する請求項１から７のいずれか１項に記載の振動アクチュエータ。
  10. 　前記伝達部は環状の本体部および前記本体部に配された複数の溝を有し、
    　前記電気機械変換部は、互いに位相の異なる振動を与えることにより前記本体部に周方向に進行する進行波を発生させ、
    　前記当接部は、前記本体部に接触して前記周方向の進行波を受けることにより回転する環状のロータを含む請求項１から７のいずれか１項に記載の振動アクチュエータ。
  11. 　請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の振動アクチュエータと、
    　前記振動アクチュエータにより光軸方向に移動する光学部品と
    　を備えたレンズユニット。
  12. 　請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の振動アクチュエータと、
    　前記振動アクチュエータにより光軸方向に移動する光学部品と、
    　前記光学部品により結像された被写体像を撮像する撮像素子と
    を備えた撮像装置。
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