(57)【要約】【課題】耐久性に優れ、安定した駆動を行うことができる振動型モータを提供する。【解決手段】駆動信号の入力を受けて振動を発生する振動体と、振動体に接触する接触体とを有し、振動体および接触体が相対的に移動可能な振動型駆動装置であって、振動体および接触体のうち一方の摺動部が、第１の無機材（８、７）と第１の無機材よりも硬度の高い硬質粒子（６）とで構成されているとともに、他方の摺動部が、第１の無機材および硬質粒子よりも硬度の低い第２の無機材（２ａ）で構成されている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動信号の入力を受けて振動を発生する振動体と、この振動体に接触する接触体とを有し、前記振動体および前記接触体が相対的に移動可能な振動型駆動装置であって、
前記振動体および前記接触体のうち一方の摺動部が、第１の無機材と該第１の無機材よりも硬度の高い硬質粒子とで構成されているとともに、他方の摺動部が、前記第１の無機材および前記硬質粒子よりも硬度の低い第２の無機材で構成されていることを特徴とする振動型駆動装置。
【請求項２】
前記硬質粒子が、前記一方の摺動部の表面から突出していることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
【請求項３】
前記一方の摺動部の表面に、耐熱層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型駆動装置。
【請求項４】
前記第１の無機材が鉄又は鉄合金で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
【請求項５】
前記耐熱層が、窒化層又は浸炭層であることを特徴とする請求項３に記載の振動型駆動装置。
【請求項６】
前記硬質粒子は、アルミナ、窒化アルミ、炭化チタン、酸化チタニウム、窒化チタン、窒化クロム、炭化クロムおよび窒化ケイ素のうち少なくとも１つの材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型駆動装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の振動型駆動装置を有することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動型駆動装置のうち振動体および接触体の摺動部分に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
振動型モータは、振動体の表面粒子に円運動又は楕円運動を励起させて、振動体と、この振動体に加圧接触した接触体とを摩擦駆動により相対的に移動させるものである。
【０００３】
従って、振動体及び接触体の接触部分に摩擦係数の大きなものを摺動材として設けるほうが、振動型モータの出力を効率良くとりだすことができる。また、摺動材の摩耗が振動型モータの耐久寿命につながるため、摺動材には摩耗の少ない材料を用いたほうが望ましい。
【０００４】
このため、従来、摺動材として種々の材料や複合材料が提案されている。なかでも、コストが比較的低く、かつ耐摩耗性に優れたものとして、無機材料に耐摩耗性を高めるための添加物を分散したものが幾つか提案されている。
【０００５】
例えば、摺動材としてサーメットを用い、その母材金属として、鉄、銅、アルミニウムなどを用い、その分散材としてアルミナ、炭化ケイ素、シリコンを用いたものがある（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−１１７３８４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術のように摺動材としてサーメットを用い、母材として鉄等を用い、分散材としてアルミナ等を用いた場合では、相手材の種類により、摩耗量が安定せず短時間のうちに摺動部分が摩耗してしまう問題がある。
【０００８】
また、湿度の高い雰囲気中にて振動型モータを駆動する場合、摺動部分に存在する水分によって摩擦係数が低下し、振動型モータの駆動効率や起動トルクが低下するという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、上述した問題点を解決するものであり、耐久寿命が長く、湿度の高い雰囲気中でも安定した動作を行うことのできる振動型モータを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、駆動信号の入力を受けて振動を発生する振動体と、この振動体に接触する接触体とを有し、振動体および接触体が相対的に移動可能な振動型駆動装置であって、振動体および接触体のうち一方の摺動部が、第１の無機材（無機材料で形成されたもの）と該第１の無機材よりも硬度の高い硬質粒子とで構成されているとともに、他方の摺動部が、第１の無機材および硬質粒子よりも硬度の低い第２の無機材で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
第２の無機材の硬度を第１の無機材および硬質粒子の硬度よりも低くすることにより、振動型駆動装置の駆動時に発生する摩耗粉の多くが最も軟質（第２の無機材）の摩耗粉となるため、この摩耗粉によって摺動部に激しい摩耗が生じることがなくなる。これにより、振動型駆動装置の耐久寿命を向上させることができる。
【００１２】
また、硬質粒子の硬度を第１の無機材よりも高くすることで、振動型駆動装置を駆動したときに硬質粒子および第１の無機材の硬度差に応じて硬質粒子が一方の摺動部から突出するようになる。これにより、高湿度の環境下（２つの摺動部の間に水分が存在する場合）においても、硬質粒子および他方の摺動部の接触状態を維持することができるため、高い摩擦係数を維持することができ、振動型駆動装置の駆動効率や起動トルクの低下を抑制することができる。
【００１３】
しかも、本発明では、２つの摺動部を有機材（有機材料で形成されたもの）よりも強度の点で優れた無機材で構成しているため、摺動部を有機材で構成したときのように硬質粒子に応力が集中しないといった不都合がなくなり、振動型駆動装置の駆動効率や起動トルクの低下を防止することができる。
【００１４】
一方、硬質粒子を一方の摺動部の表面から予め突出させておいてもよい。
【００１５】
また、一方の摺動部の表面に耐熱層を形成すれば、振動型駆動装置を駆動したときの摩擦熱によりミクロな焼き付きを抑制することができ、摺動部における摩耗量を軽減することができる。ここで、第１の無機材を製造コストの低い鉄又は鉄合金で形成した場合には、耐熱層を窒化層や浸炭層とすることができる。
【００１６】
さらに、硬質粒子としては、アルミナ、窒化アルミ、炭化チタン、酸化チタニウム、窒化チタン、窒化クロム、炭化クロムおよび窒化ケイ素のうち少なくとも１つの材料で形成することができる。
【００１７】
なお、本発明の振動型駆動装置は、レンズ装置や画像形成装置に設けられた感光ドラムなど（電子機器）を駆動するためのアクチュエータとして用いることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本実施形態の振動型モータについて、図１および図２を用いて説明する。ここで、図１は振動型モータの断面図であり、図２には振動型モータの断面のうち一部を示す。
【００１９】
これらの図において、１、１’は金属等で構成される弾性体である。３は積層圧電素子（電気−機械エネルギ変換素子）であり、弾性体１、１’によって挟持されている。この弾性体１、１’および積層圧電素子３により振動体が構成される。
【００２０】
積層圧電素子３は、駆動回路からの交番電圧を受けることで弾性体１に進行性の振動波を発生させる。この振動波を発生させる詳細な原理については、公知の技術（例えば、上記の特許文献１で説明されている）であるため説明を省略する。
【００２１】
弾性体１の端面には、摩擦材（一方の摺動部）１ａが接着（圧入や溶着でもよい）によって取り付けられている。この摩擦材１ａは、図３に示すように無機材料で形成された無機層（第１の無機材）８と、この無機層８の上面に形成された耐熱性の表面層（耐熱層）７とで構成されており、無機層８および表面層７には、複数の硬質粒子６が含有されている。ここで、複数の硬質粒子６のうち一部の硬質粒子６は、表面層７から突出している。
【００２２】
なお、表面層７を省いて、摩擦材１ａを無機層８と該無機層８に含有される硬質粒子６とで構成してもよい。また、本実施形態では、摩擦材１ａおよび弾性体１を別部材としているが、これらの部材を一体的に形成してもよい。
【００２３】
２は接触体であり、摩擦材（他方の摺動部）２ａが接着等によって取り付けられている。摩擦材２ａは、無機材料だけで形成されており、摩擦材１ａと接触する。なお、本実施形態では、摩擦材２ａおよび接触体２を別部材としているが、これらを一体的に形成してもよい。
【００２４】
４は接触体２（摩擦材２ａ）を弾性体１（摩擦材１ａ）に圧接させるためのコイルスプリングである。５は出力ギアであり、接触体２に対して一体的に取り付けられている。この出力ギア５は、不図示の動力伝達機構を介して駆動対象（例えば、カメラのレンズ鏡筒や複写機における感光ドラム）に連結されている。
【００２５】
上記の構成において、弾性体１に振動を発生させると、弾性体１（摩擦材１ａ）および接触体２（摩擦材２ａ）間の摩擦によって接触体２が軸Ｌ周りに回転する。そして、この回転力は動力伝達機構を介して駆動対象に伝達され、駆動対象の駆動を行うことができる。
【００２６】
本実施形態において、摩擦材２ａ、硬質粒子６および表面層７（表面層７を形成しない場合には無機層８）の硬度は、以下の（１）式に示す関係となるように設定されている。
【００２７】
硬質粒子６の硬度＞表面層７（無機層８）の硬度＞摩擦材２ａの硬度・・・・（１）
本実施形態の振動型モータを駆動すると、表面層７（無機層８）から突出した硬質粒子６と摩擦材２ａとの摩擦作用によって接触体２が回転することになる。このとき、硬質粒子６および摩擦材２ａの摩擦によって硬質粒子６よりも硬度の低い摩擦材２ａの摩耗粉が発生することになるが、この摩耗粉は表面層７の硬度よりも低いため、摩耗粉により表面層７が大きく摩耗することはない。これにより、振動型モータの耐久寿命を長くすることができる。
【００２８】
また、高湿度環境下では、振動型モータの摺動面に水分が介在することで、接触体２および弾性体１間で滑りが発生する恐れがあるが、本実施形態のように硬質粒子６を突出させることにより、硬質粒子６および摩擦材２ａを確実に接触させることができ、比較的高い摩擦係数を維持することができる。これにより、高湿度環境下での振動型モータの駆動効率や起動トルクの低下を抑制することができ、安定した駆動を行うことができる。
【００２９】
本実施形態では、一部の硬質粒子６を表面層７から突出させているが、硬質粒子６を突出させずに、一部の硬質粒子６を表面層７の表面近傍に位置させるようにしてもよい。
【００３０】
この場合、硬質粒子６の硬度を表面層７（無機層８）の硬度よりも高くすると、振動型モータの起動時に、上記硬度差によって硬質粒子６が表面層から突出することになる。すなわち、表面層７および摩擦材２ａの摩擦によって表面層７が多少削られることで、表面層７よりも硬度の高い硬質粒子６が突出することになる。これにより、上述した効果と同様に、振動型モータの耐久寿命を長くすることができるとともに、高湿度環境下でも安定した駆動を行うことができる。
【００３１】
一方、本実施形態のように摩擦材１ａ、２ａを無機材料で形成することにより、摩擦材１ａ、２ａを有機材料で形成する場合に比べて、振動型モータの駆動効率や起動トルクを向上させることができる。
【００３２】
すなわち、摩擦材１ａを有機材料で形成すると、強度不足のために硬質粒子が有機材料中に埋まってしまったり、相手材（摩擦材２ａ）に有機材料が移着したりすることで、硬質粒子に応力が集中しなくなり、振動型モータの駆動効率等が悪化してしまう。また、摩擦材２ａを有機材料で形成すると、相手材（摩擦材１ａ）の硬質粒子が有機材料中に潜り込んでしまい、上述したのと同様に硬質粒子に応力が集中しなくなる。
【００３３】
一方、摩擦材１ａ、２ａを無機材料で形成すれば、強度の点で有機材料よりも優れているため、上述したような問題は発生しない。
【００３４】
また、本実施形態のように摩擦材１ａに耐熱性の表面層７を形成することにより、振動型モータの駆動時においてミクロな焼き付きが起こり難くなるため、摩擦材１ａ、２ａでの摩耗量を少なくすることができ、振動型モータの耐久寿命を向上させることができる。
【００３５】
ここで、摩擦材１ａを構成する無機材料としては、鉄や鉄合金を用いることができる。これにより、低コストで摩擦材１ａの加工を行うことができる。また、表面層７を、窒化層や浸炭層とすることができる。すなわち、鉄や鉄合金を用い、この表面に窒化処理や浸炭処理を施すことにより、窒化層や浸炭層を形成することができ、低コストで摩擦材１ａを得ることができる。
【００３６】
一方、硬質粒子としては、アルミナ、窒化アルミ、炭化チタン、酸化チタニウム、窒化チタン、窒化クロム、炭化クロムおよび窒化ケイ素のうち少なくとも１つを用いることができる。
【００３７】
なお、本実施形態では、摩擦材２ａを無機材料だけで形成し、摩擦材１ａを表面層７、無機層８および硬質粒子６で形成していたが、この構成を逆にしてもよい。すなわち、接触体側の摩擦材を表面層、無機層および硬質粒子で形成し、振動体側の摩擦材を無機材料だけで形成してもよい。また、本実施形態では、いわゆるペンシル型の振動型モータについて説明したが、他のタイプ（例えば、円環型や円盤型）の振動型モータにも本発明を適用することができる。
【００３８】
【実施例】
上記の実施形態で説明した振動型モータの具体的な実施例について説明する。本実施例では、摩擦材１ａ、２ａおよび硬質粒子６の材料を変えて、これらの組み合わせをいくつか設定したものに対して、摩耗量や起動トルクの試験を行った。ここで、振動型モータの回転速度は、０．２４ｍ／ｓで一定とし、０．００５Ｎ・ｍの負荷にて試験を行った。
【００３９】
図４に、本実施例で実験した種々の摩擦材１ａ、２ａの組成を示す。なお、試料１から試料７は上述した実施形態に対応するものであり、試料８、９は従来例に対応するものである。
【００４０】
ここで、試料１〜９の摩擦材１ａはそれぞれ、図４に示した組成の無機材料Ａと硬質粒子（試料９については硬質粒子なし）を用いて粉末焼結にて作製し、その後、試料１、２、４、５、９については、窒化処理又は浸炭処理を公知の方法（例えば、機械設計、第４４巻  第５号参照）により実施した。
【００４１】
その後、全試料の摩擦材１ａの摺動面を粒径０．５μｍの固定砥粒のペーパーラップにてラップし、摺動面の算術平均粗さＲａを０．１μｍ以下とした。    このとき、摩擦材１ａの摺動面を顕微鏡および表面形状測定器により観察したところ、図３に示す様に硬質粒子６が摩擦材１ａの表面９から１μｍ程度突出しているのが確認された。
【００４２】
一方、摩擦材２ａについては、この材質を全てＳＵＳ４２０Ｊ２とし、プレス加工により作製した。
【００４３】
図４の（  ）内は、重量％やビッカース硬度を示す。ここで、ビッカース硬度の値の測定方法について述べると、摩擦材１ａ（硬質粒子を除く）や摩擦材２ａの値については、摩擦材１ａ、２ａの断面サンプルを作製しビッカース硬度計にて測定した。硬質粒子の値については、カタログデータを採用した。
【００４４】
図５に、各試料に対応した実験結果を示す。図５に示す摩耗量は、摩擦材１ａ、２ａの相対移動距離５０Ｋｍ当たりの摩耗深さ（振動体側）及び摩耗高さ（接触体側）として示している。なお、相対移動距離が５Ｋｍの時点での摩耗量を測定し、この時点で摩耗が進んでおり、このまま正比例で摩耗が進行したとすれば５０Ｋｍの時点でモータの寿命を超えると判断した場合には、５０Ｋｍ当たりの摩耗量として、５Ｋｍ時点での摩耗量を１０倍して得られた値を用いた。
【００４５】
図５の起動トルクは、常温常湿（２０℃、６０％）及び高温高湿（４０℃、９０％）の雰囲気中にて振動型モータの駆動を開始して得られた値である。
【００４６】
ここで、摩擦材１ａ、２ａの摩耗量を見ると試料１から試料７では、全ての摩擦材２ａの値が摩擦材１ａの値よりも３倍以上大きく、摩耗紛も摩擦材２ａのものがかなり多いことが分かった。
【００４７】
また、硬質粒子は上述したように、駆動開始の時点では１μｍ程度突出していたが、試料１から試料７については、上記の摩耗量の実験を行った後の観察でも１μｍ程度突出していた。
【００４８】
一方、試料１〜７について、常温常湿と高温高湿の雰囲気中における起動トルクの差は、図５に示すようにゼロ又は極めて小さいものであった。また、上記の摩耗量の実験を行った後に、起動トルクの再測定を行った場合にも、常温常湿と高温高湿の雰囲気中における起動トルクの差は小さいものであった。
【００４９】
試料１〜７のうち窒化処理を行った試料２、５については、摩耗量が少なく、起動トルクも常温常湿と高温高湿とで変化しなかった。このため、窒化処理を行うことが振動型モータの耐久性、駆動効率や起動トルクを向上させる点で最も好ましいことが分かる。
【００５０】
一方、従来例の試料８は、試料１〜７に比べて摩耗量が極端に大きかった。これは、摩擦材２ａよりも摩擦材１ａの方が硬度が低いため、硬質粒子および摩擦材２ａの摩擦で発生した摩擦材２ａの摩耗紛が摩擦材１ａ（無機材料Ａ）を激しく摩耗させたためと考えられる。
【００５１】
また、従来例の試料９では、摩擦材１ａ側に硬質粒子を含有させていないため、高温高湿中での起動トルクが試料１〜７に比べて極めて低いものとなった。これは、摺動面に水分が存在する場合には、硬質粒子に対して応力の集中が起こらず、摩擦係数が低下したためと考えられる。
【００５２】
なお、硬質粒子として、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＣｒＣ（炭化クロム）を用いて上記と同様の実験を行ったところ、試料１〜７と同程度の効果が得られた。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、第２の無機材の硬度を第１の無機材および硬質粒子の硬度よりも低くすることにより、振動型駆動装置の駆動時に発生する摩耗粉の多くが最も軟質（第２の無機材）の摩耗粉となるため、この摩耗粉によって摺動部に激しい摩耗が生じることがなくなる。これにより、振動型駆動装置の耐久寿命を向上させることができる。
【００５４】
しかも、硬質粒子の硬度を第１の無機材よりも高くすることで、振動型駆動装置を駆動したときに硬質粒子および第１の無機材の硬度差に応じて硬質粒子が一方の摺動部から突出するようになる。これにより、高湿度の環境下（２つの摺動部の間に水分が存在する場合）においても、硬質粒子および他方の摺動部の接触状態を維持することができるため、高い摩擦係数を維持することができ、振動型駆動装置の駆動効率や起動トルクの低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】振動型モータの断面図である。
【図２】振動型モータの一部（摺動部分）の拡大図である。
【図３】振動型モータの摺動部近傍の拡大図である。
【図４】摩擦材の組成等を示す図である。
【図５】摩擦材の耐久試験結果を示す図である。
【符号の説明】
１：弾性体
１ａ：摩擦材
２：接触体
２ａ：摩擦材
３：積層圧電素子
４：コイルスプリング
５：出力ギア
６：硬質粒子
７：表面層
８：無機層
【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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