超音波駆動機構
【課題】動作が安定し、被動部材の抗折強度が高く、かつ被動部材の良好な鏡面が得られ易く、焼成工程における反り等の変形も起きにくい超音波駆動機構を提供する。
【解決手段】超音波モータと、この超音波モータの接触子6と摩擦接触して駆動される被動部材2とを有する超音波駆動機構において、接触子6を部分安定化ジルコニアで形成し、被動部材2の接触子6との接触部をアルミナジルコニアで形成したことを特徴とする。
【解決手段】超音波モータと、この超音波モータの接触子6と摩擦接触して駆動される被動部材2とを有する超音波駆動機構において、接触子6を部分安定化ジルコニアで形成し、被動部材2の接触子6との接触部をアルミナジルコニアで形成したことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は超音波モータを用いた駆動機構、特に前記超音波モータの振動子先端の接触子との摩擦接触で被動部材が駆動される超音波駆動機構に関する。
【背景技術】
【0002】
電子・情報技術の急速な進展に伴い、精密部品の更なる微細化、高集積化が求められており、ナノオーダ(10-9m)での検査や超微細加工に対応する超精密位置決め装置が必要となっている。また、医療やバイオ研究においても、タンパク質や細胞の制御による応用技術開発が進み、より微細な領域での位置決めが可能な顕微鏡用ステージに対するニーズが高まっている。さらに、近年では高精密化への要求と併せて、検査、加工、測定などの対象物が小さくなるに伴い、位置決め装置やその駆動源の小形化、軽量化も求められてきている。
【0003】
このようなナノオーダでの微細領域に対処する駆動装置として、従来の電磁モータに代わって、特許文献1〜3に記載されるような圧電振動子を用いた超音波モータが開発されている。これらの超音波モータはいずれも電磁モータとは全く異なる駆動原理に基づく駆動装置であり、低速、高トルク、無音、停止時の位置保持性など優れた特長を有している。また、前記振動子の構造が単純なことから小形化に有利であり、小型アクチュエータとしても期待されている。
【0004】
超音波モータはこのように種々の優れた特長を有する反面、振動子先端の押付部材(接触子)や、前記接触子と摩擦接触する被動部材の材質、硬度、摩擦特性などについて種々の問題が指摘され、これらの点を解決するために多くの試みがなされている。特許文献1では振動子先端の接触子の材質を、アルミナ含有量が99.5質量%以上でビッカース硬度が15.2GPa以上のアルミナセラミックスまたは単結晶アルミナで形成し、これによって接触子の摩耗を極力抑えるとともに、被動部材との間で適度な摩擦力が確保されるようにしている。
【0005】
また、特許文献2には、超音波モータの振動子先端の接触子および被動部材の当接面をそれぞれ緻密質のセラミックスまたはサーメットにより形成し、かつ双方の当接面のうちいずれか一方に硬質炭素からなる耐摩耗層を設けた超音波駆動装置が開示されている。さらに特許文献3には、略V字形に配置された振動子の先端を結合部材で連結し、この結合部材と摩擦接触する被動部材に突起状の保護部材を設け、かつこの突起部材の長さを該被動部材の移動方向に沿って2mm以下にした超音波モータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2002−27768号公報
【特許文献2】特開平11−136968号公報
【特許文献3】特開2004−304894号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
超音波モータでは動作特性が安定し、かつ振動子と被動部材との間の摩耗が少なく、しかも振動子側の接触子は摩耗によっても接触面積が一定となるようにすることが必要である。上述の特許文献1においては、振動子先端の接触子の材質や表面粗さ、機械的強度など摩耗量低減についての対策はなされているものの、もっぱら接触子側の摩耗や脱粒を防ぐ構成であり、その反面、被動部材側の摩耗が大きくなるという問題がある。
【0008】
また特許文献2では、振動子先端の接触子および被動部材の双方に極めて高い耐摩耗性の硬質炭素からなる耐摩耗層を形成することにより、高速での摩擦駆動において優れた耐摩耗性を確保することとしているものの、接触子、被動部材とも高硬度の材質で形成しているため、動作が安定せず、静止保持性の点で問題があった。また、特許文献3では被動部材の接触部位に半円柱形あるいは半球状ないし柱状の突起部を設けており、摩耗によって接触子との接触面積が増加するため動作特性が変化し、安定した動作が得られないおそれがあった。
【0009】
本発明は、上述の問題を解決し、動作が安定し、被動部材の抗折強度が高く、かつ被動部材の良好な鏡面が得られ易く、焼成時に反り等の変形も起きにくい超音波駆動機構を提供することを目的とする。
【0010】
本発明はまた、振動子先端の接触子の形状により、初期動作状態が持続して安定した速度、推力、安定な共振周波数が保たれ、安定した動作特性が長期にわたって得られる超音波駆動機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するため本発明に係る超音波駆動機構(1)は、超音波モータと、前記超音波モータの接触子と摩擦接触して駆動される被動部材とを有する超音波駆動機構において、前記接触子を部分安定化ジルコニアで形成し、前記被動部材の前記接触子との接触部をアルミナジルコニアで形成したことを特徴とするものである。
【0012】
本発明の1つの形態によれば、上記(1)記載の超音波駆動機構において、前記アルミナジルコニアが、アルミナ粉末90〜97質量%と部分安定化ジルコニア粉末2〜9質量%を混合し、かつこれに焼結助剤0.5〜3質量%を加えて焼成した焼結体である超音波駆動機構(2)が提供される。この形態において、アルミナ粉末94質量%と部分安定化ジルコニア粉末5%を混合し、かつこれに焼結助剤1質量%を加えて焼成した焼結体であるアルミナジルコニアからなる超音波駆動機構(3)が好ましい。
【0013】
また本発明の他の形態によれば、上記(1)〜(3)の超音波駆動機構において、前記焼結助剤が、CaO10〜16質量%、MgO20〜26質量%、SiO260〜65質量%からなる粉末状組成物である超音波駆動機構(4)が提供される。この形態においては、前記焼結助剤がCaO13質量%、MgO24質量%、SiO263質量%からなる粉末状組成物である超音波駆動機構(5)が好ましい。
【0014】
さらに本発明の他の形態によれば、上記(1)〜(5)の超音波駆動機構において、前記超音波モータの接触子は表面粗さRa<0.05の鏡面仕上げとし、前記被動部材の前記接触子との接触面を表面粗さRa<0.04の鏡面仕上げ面とした超音波駆動機構(6)が提供される。
【0015】
さらに本発明の他の形態によれば、上記(1)〜(6)の超音波駆動機構において、前記接触子を該接触子の軸方向に垂直な横断面が軸方向に沿って同じ形状および横断面積に形成した超音波駆動機構(7)が提供される。
【0016】
さらに本発明の他の形態によれば、上記(1)〜(7)の超音波駆動機構において、前記接触子がピン形接触子である超音波駆動機構(8)が提供される。
【発明の効果】
【0017】
本発明では、前記接触子を部分安定化ジルコニアで形成し、前記被動部材をアルミナジルコニアで形成したことにより、前記被動部材の動作が安定し、かつ抗折強度が高く、また前記被動部材側の摩耗が抑制され、さらに焼結助剤添加により反りやゆがみ等がなく前記被動部材製品の歩留まりが高くなり品質も向上する。
【0018】
さらに本発明では、超音波モータの振動子先端の接触子が摩耗しても、被動部材との接触面積が一定となり、動作特性が安定する。また、前記接触子の稜部でのチッピングが起きにくく、前記接触子の毀損が抑制され、寿命の長い超音波駆動機構が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の実施例(被動部材:アルミナジルコニア、接触子:部分安定化ジルコニア)における被動部材の駆動距離に対する移動速度(mm/s)および共振周波数(KHz)の変化を示した図である。
【図2】従来のアルミナを被動部材とし、部分安定化ジルコニアを接触子とした場合の移動速度(mm/s)および共振周波数(KHz)の変化を示した図である。
【図3】接触子および被動部材を部分安定化ジルコニアで形成した場合の駆動距離に対する移動速度(mm/s)および共振周波数(KHz)を示した図である。
【図4】本発明の実施例による被動部材を構成する各種アルミナジルコニアの焼成温度に対する抗折強度を示した図である。
【図5】本発明の実施例による被動部材を構成する各種アルミナジルコニアの焼成温度に対する焼成工程での反り量を示した図である。
【図6】アルミナジルコニアのジルコニア置換量と抗折強度との関係を示した図である。
【図7】アルミナジルコニアのジルコニア置換量と熱伝導率との関係を示した図である。
【図8】本発明の実施例による超音波モータ用振動子の平面図(A)および側面図(B)である。
【図9】図7に示す振動子先端の接触子(ピン形部材)で摩耗が進行していく状態を示す斜視図である。
【図10】本発明の実施例による角柱形のピン形接触子の拡大平面図である。
【図11】本発明が適用される超音波モータの作動原理を模型的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
次に、図面を参照して本発明の実施形態に係る超音波駆動機構について説明する。図11(A),(B)は本発明が適用される超音波駆動機構の作動原理を模型的に示した図である。この超音波駆動機構は振動子1と被動部材2を含み、振動子1は圧電振動素子で構成され、この側面に設けた電極(図示省略)を印加することにより、伸縮動作と屈曲動作が同時にそれぞれ独立して生成され、その組み合せにより、少なくともその一部が、特に被動部材2と摩擦接触する振動子先端の接触子3が楕円運動を行って被動部材2を間欠的に移動動作させる。例えば、図11(A)中のp点(振動子の左端面の中心点)は、(a)〜(d)の4つの状態を経て同図(B)に示す軌跡を描く。図中、xは振動子の長手方向軸線、yは振動子の上下側面1aに垂直な軸線である。
【0021】
振動子1の楕円運動している先端部分には、接触子3が固着(接着)されている。振動子1の楕円運動は接触子3を介して被動部材2に伝達され、被動部材2を動作させる駆動力となる。図11の例では、この楕円運動の反復により被動部材2はガイド4のまわりの回転運動を生じさせることも可能である。また、被動部材2を円環状にすれば、ガイド4のまわりの回転運動を生じさせることも可能である。なお、楕円運動の大きさは前記圧電振動素子1の電極への入力電圧によって制御される。
【0022】
次に、接触子および被動部材の材質として99%アルミナ、酸化イットリウム(Y2O3)を3mol%前後添加してジルコニア(Z2O3)の結晶構造を部分的に安定化させた部分安定化ジルコニア、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)、アルミナの一部を部分安定化ジルコニアで置換したアルミナジルコニアを組み合せて予備実験を行ったときの動作安定性および摩耗量の実験結果を表1に示す。
【0023】
【表1】
【0024】
この予備実験は駆動距離を1000mの連続駆動(合計)として行ったものであり、振動子長さを30mm、接触子を半球形状とし、押付けバネ圧を40N(ただしPPSのみ押付け圧を15Nとした。)で実験した。表中の摩耗量(μm)は接触子の摩耗量である。この予備実験で接触子と被動部材の材質の組み合せのうち、比較的良好と思われるものを3種選び、これらについて駆動距離数100Kmに対して本実験を行った。予備実験での表1の結果から良好と思われるものとして、接触子−被動部材の材質を、(A)部分安定化ジルコニア−アルミナジルコニアとしたもの、(B)部分安定化ジルコニア−99%アルミナとしたもの、および(C)部分安定化ジルコニア−部分安定化ジルコニアとしたもの3種類を選び、それぞれについて本実験を行った。その結果を図1〜図3に示す。
【0025】
本実験の結果、被動部材をアルミナジルコニアで形成し、この被動部材と接触する振動子先端の接触子を部分安定化ジルコニアで形成した場合が最も良い結果が得られた。なお、上述の予備実験でも接触子と被動部材の材質を部分安定化ジルコニア−アルミナジルコニアとした場合に、駆動距離1000mの範囲では接触子の摩耗量は殆ど計測不能な程度に極少であり、動作が最も安定していることが確認できている。図1は本発明による接触子と被動部材の材質を部分安定化ジルコニア−アルミナジルコニアとした場合の実験結果であり、被動部材の移動速度(mm/sec)および共振周波数(KHz)を被動部材の駆動距離について示したものである。図2はアルミナを被動部材とし、接触子を部分安定化ジルコニアとした場合の被動部材の移動速度および共振周波数を示している。また、図3は接触子および被動部材ともに部分安定化ジルコニアで形成した場合の駆動距離に対する移動速度(mm/sec)および共振周波数(KHz)を示した図である。
【0026】
図1の例におけるアルミナジルコニアは、アルミナ粉末94質量%、ジルコニア粉末5質量%、および後述する焼結助剤1質量%を混合して焼成した焼結体であり、前記焼結助剤としては、例えばCaO13質量%、MgO24質量%、SiO263質量%からなる粉末状組成物が、被動部材の反りを防止するのに用いられる。また、部分安定化ジルコニアとしては、ジルコニア(ZrO2)97.4モル%と酸化イットリウム(Y2O3)2.6モル%からなる、比表面積(SA)が7.8m2/g、平均粒径(D50)が0.52μmの市販品(第一稀元素製)を使用した。図1では、被動部材への接触子の押し付ける押付けバネ圧を20N、静止保持力を6Nとし、被動部材の面粗さRaを0.05μmとした。また、この例で用いたアルミナジルコニアは、抗折強度(MPa)が600、ビッカース硬度(Hv)が1552、密度(g/cm3)が4.038である。なお、前記焼結体の焼成において、1550℃での焼成では原料として比表面積(SA)が13.1m2/g、平均粒径(D50)が0.5μmのジルコニア(第一稀元素製)を使用すると、若干強度が向上する傾向が認められる。
【0027】
これに対し、図2の例における従来のアルミナの被動部材では、抗折強度(MPa)、ビッカース硬度(Hv)、および密度(g/cm3)は、それぞれ200、1429、3.785である。また、部分安定化ジルコニアの被動部材では、抗折強度(MPa)は1200、ビッカース硬度(Hv)は1280、密度(g/cm3)は6.099である。なお、本発明では、振動子の長さは30mm、接触子は0.5mm径のピン形(2mm径のピン台付き)とし、静止保持力は6Nであり、繰返し往復動作における合計駆動距離100Km〜300Kmまで試験した。これに対し、図2の従来例の場合は振動子長さ30mm、接触子径0.8mmのピン形(2mm径のピン台付き)、静止保持力は10Nであり、駆動距離200Km〜800Kmまで試験した。図3の例では、振動子長さ、接触子径は図2の場合と同様であるが、押付けバネ力は20N、静止保持力は15N、被動部材の面粗さRaを0.05μmの鏡面とした。
【0028】
図1で駆動開始の立上がり時の速度、共振周波数の変化が急峻であるのは、立上がり時に接触子と被動部材の接触する面と面がなじむ時間が必要なためであり、この問題は製造後にエージングを施すことで解消できる。
【0029】
これらの図を比較しても分かるように、本発明の場合は移動速度、共振周波数とも駆動距離の全域にわたって一定で安定した動きとなるが、図2の従来例では速度のばらつきが見られ、また共振周波数も移動距離1〜300Kmの間で大きなばらつきが見られる。本発明の場合、駆動距離1000Kmでの接触子の摩耗量は5μmであり、従来と比べると極めて微少である。被動部材側の摩耗は、これよりさらに小さく、殆ど測定不可能である。なお、共振周波数はインピーダンスの変化として測定したものであり、摩耗が大きいと値がふらつく。図2の従来例共振周波数のばらつきが大きいのは摩耗が大きいためと推察される。図3の例でも、駆動距離200Km〜1000Kmの範囲で共振周波数の大きなばらつきが見られる。
【0030】
次に、本発明の実施例に係る超音波駆動機構における被動部材を構成するアルミナジルコニアの抗折強度(MPa)および焼成時の反り量(mm)について行った種々の実験結果を、図4および図5を参照して説明する試料として用いたアルミナジルコニアは、
A:アルミナ(Al2O3)95質量%と部分安定化ジルコニア(ZrO2)5質量%の割合で混合して(焼結助剤を使用せず)焼成したもの、
B:アルミナ(Al2O3)94質量%と部分安定化ジルコニア(ZrO2)5質量%の割合で混合し、前記焼結助剤を1質量%として焼成したもの、
C:アルミナ(Al2O3)を92質量%、部分安定化ジルコニア(ZrO2)を5質量%で前記焼結助剤を3質量%としたもの、
D:アルミナ(Al2O3)を90質量%、部分安定化ジルコニア(ZrO2)を5質量%、前記焼結助剤を5質量%としたもの、をそれぞれ用いた。
以上のA〜Dに対して焼成温度を1500℃、1530℃および1580℃としたときの抗折強度(MPa)を測定した。図4に示す測定結果によれば、上記Aの助剤0%および上記Bの助剤1質量%の前記Bのものが抗折強度に優れ、かつ焼成温度1500℃〜1530℃の範囲で良好な値を示した。ただし、助剤0質量%では反りが大きく、実際上、助剤を用いないで焼成することは難しいため、上記Bのものが最も良好である。
【0031】
図5は上述の試料A〜Dについて焼成温度1530〜1560℃で焼成した際の6インチ(15.24cm)当りの最大反り量(mm)を示した図である。この図から、助剤1〜5質量%のB〜Dのものが焼成時の反り量(最大値)が少ないことが分かる。これらの結果から、本発明の被動部材として、上述のBの組成、すなわち94質量%のアルミナと5質量%の部分安定化ジルコニア(ZrO2)の混合物に焼結助剤を1質量%添加したものが抗折強度が高く、かつ焼成時の反り量も小さいことが分かる。したがって本発明では被動部材として上述の助剤を1質量%とした組成Bのアルミナジルコニアを用いるのが最も好ましい。
【0032】
次に、アルミナジルコニアの部分安定化ジルコニアの含有量(部分安定化ジルコニア置換量)を変えた場合の、抗折強度および熱伝導率の変化について図6および図7を参照して説明する。図6はアルミナジルコニアの部分安定化ジルコニア置換量と抗折強度との関係を示した図である。焼成温度は、1550℃の場合である。この測定結果から、部分安定化ジルコニア置換量5質量%以上で抗折強度が約700MPaの一定値を示すことがわかる。また、アルミナジルコニアのジルコニア置換量と熱伝導率との関係については、図7に示すように、比表面積7.8m2/g、平均粒径0.52μmの部分安定化ジルコニアの場合、部分安定化ジルコニア置換量が増加するにつれて熱伝導率が低下する。熱伝導率の評価をしているのは、摩擦熱の放熱性を評価しており、熱ドリフトの小さな駆動装置を提供するためである。以上の結果から、本発明に係るアルミナジルコニアとしては、アルミナ94質量%とジルコニア5質量%を混合し、かつ、これに焼結助剤1質量%を加えて焼成した焼結体とするのがよい。
【0033】
本発明における振動子側の接触子および被動部材の接触部材は鏡面仕上げとなるように研磨される。表面粗さRaが0.3程度の未研磨の状態では振動子先端の接触子の摩耗が激しく、動きが安定しなくなる。したがって、安定した動作を得るために、本発明では前記接触子の表面粗さRaをRa<0.05の鏡面仕上げ研磨とし、被動部材の表面粗さRaをRa<0.04の鏡面仕上げとすることで、被動部材の材質と併せて該被動部材の摩耗を防止している。
【0034】
次に、本発明の実施例に係る超音波駆動機構の超音波モータにおける振動子先端の摩耗状態について図8および図9を参照して説明する。図8、図9の実施例では振動子1の先端に円柱形のピン台5が固着され、ピン台5の先端に被動部材と摩擦接触する円柱形のピン形接触子6が設けられている。このピン形接触子6は横断面が軸方向に沿って同一の外径をなす円柱形に形成されている。本発明では既に述べたように超音波モータの接触子を被動部材(アルミナジルコニア)よりも摩耗性の大きい材料(部分安定化ジルコニア)としており、被動部材よりも接触子の方が摩耗する。被動部材との摩擦接触で接触子6が摩耗して図9に示すように初期状態(a)から(b)、(c)へと摩耗が進んでいっても長さが減少するだけで被動部材との接触面積は変わらず、これにより、初期動作が持続して安定した速度、推力、共振周波数が保たれる。
【0035】
接触子6を固着したピン台5は円柱形に限定されるものではなく、角柱形であってもよい。また、ピン形の接触子6もその横断面が矩形状の角柱であってもよい。図10は角柱形のピン形接触子7の拡大平面図であり、この場合は、角柱の4側部7aがR面取りが施されている。この実施例における角柱の一辺の長さは前述した円柱形のピン形接触子の直径とほぼ同じでよい。また、角柱形の場合もピン長さは2mm以下が好ましい。角柱形の稜部にR面取りがなされない場合は、摩擦接触中に稜部でチッピングが起こり、この部分で摩耗が加速され、初期動作を維持するのが困難になるが、稜部の面取りにより、このような問題の起きる心配はなくなる。
【符号の説明】
【0036】
1 振動子
2 被動部材
3 接触子
4 ガイド
5 ピン台
6 ピン型接触子
7 角柱形のピン形接触子
【技術分野】
【0001】
本発明は超音波モータを用いた駆動機構、特に前記超音波モータの振動子先端の接触子との摩擦接触で被動部材が駆動される超音波駆動機構に関する。
【背景技術】
【0002】
電子・情報技術の急速な進展に伴い、精密部品の更なる微細化、高集積化が求められており、ナノオーダ(10-9m)での検査や超微細加工に対応する超精密位置決め装置が必要となっている。また、医療やバイオ研究においても、タンパク質や細胞の制御による応用技術開発が進み、より微細な領域での位置決めが可能な顕微鏡用ステージに対するニーズが高まっている。さらに、近年では高精密化への要求と併せて、検査、加工、測定などの対象物が小さくなるに伴い、位置決め装置やその駆動源の小形化、軽量化も求められてきている。
【0003】
このようなナノオーダでの微細領域に対処する駆動装置として、従来の電磁モータに代わって、特許文献1〜3に記載されるような圧電振動子を用いた超音波モータが開発されている。これらの超音波モータはいずれも電磁モータとは全く異なる駆動原理に基づく駆動装置であり、低速、高トルク、無音、停止時の位置保持性など優れた特長を有している。また、前記振動子の構造が単純なことから小形化に有利であり、小型アクチュエータとしても期待されている。
【0004】
超音波モータはこのように種々の優れた特長を有する反面、振動子先端の押付部材(接触子)や、前記接触子と摩擦接触する被動部材の材質、硬度、摩擦特性などについて種々の問題が指摘され、これらの点を解決するために多くの試みがなされている。特許文献1では振動子先端の接触子の材質を、アルミナ含有量が99.5質量%以上でビッカース硬度が15.2GPa以上のアルミナセラミックスまたは単結晶アルミナで形成し、これによって接触子の摩耗を極力抑えるとともに、被動部材との間で適度な摩擦力が確保されるようにしている。
【0005】
また、特許文献2には、超音波モータの振動子先端の接触子および被動部材の当接面をそれぞれ緻密質のセラミックスまたはサーメットにより形成し、かつ双方の当接面のうちいずれか一方に硬質炭素からなる耐摩耗層を設けた超音波駆動装置が開示されている。さらに特許文献3には、略V字形に配置された振動子の先端を結合部材で連結し、この結合部材と摩擦接触する被動部材に突起状の保護部材を設け、かつこの突起部材の長さを該被動部材の移動方向に沿って2mm以下にした超音波モータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2002−27768号公報
【特許文献2】特開平11−136968号公報
【特許文献3】特開2004−304894号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
超音波モータでは動作特性が安定し、かつ振動子と被動部材との間の摩耗が少なく、しかも振動子側の接触子は摩耗によっても接触面積が一定となるようにすることが必要である。上述の特許文献1においては、振動子先端の接触子の材質や表面粗さ、機械的強度など摩耗量低減についての対策はなされているものの、もっぱら接触子側の摩耗や脱粒を防ぐ構成であり、その反面、被動部材側の摩耗が大きくなるという問題がある。
【0008】
また特許文献2では、振動子先端の接触子および被動部材の双方に極めて高い耐摩耗性の硬質炭素からなる耐摩耗層を形成することにより、高速での摩擦駆動において優れた耐摩耗性を確保することとしているものの、接触子、被動部材とも高硬度の材質で形成しているため、動作が安定せず、静止保持性の点で問題があった。また、特許文献3では被動部材の接触部位に半円柱形あるいは半球状ないし柱状の突起部を設けており、摩耗によって接触子との接触面積が増加するため動作特性が変化し、安定した動作が得られないおそれがあった。
【0009】
本発明は、上述の問題を解決し、動作が安定し、被動部材の抗折強度が高く、かつ被動部材の良好な鏡面が得られ易く、焼成時に反り等の変形も起きにくい超音波駆動機構を提供することを目的とする。
【0010】
本発明はまた、振動子先端の接触子の形状により、初期動作状態が持続して安定した速度、推力、安定な共振周波数が保たれ、安定した動作特性が長期にわたって得られる超音波駆動機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するため本発明に係る超音波駆動機構(1)は、超音波モータと、前記超音波モータの接触子と摩擦接触して駆動される被動部材とを有する超音波駆動機構において、前記接触子を部分安定化ジルコニアで形成し、前記被動部材の前記接触子との接触部をアルミナジルコニアで形成したことを特徴とするものである。
【0012】
本発明の1つの形態によれば、上記(1)記載の超音波駆動機構において、前記アルミナジルコニアが、アルミナ粉末90〜97質量%と部分安定化ジルコニア粉末2〜9質量%を混合し、かつこれに焼結助剤0.5〜3質量%を加えて焼成した焼結体である超音波駆動機構(2)が提供される。この形態において、アルミナ粉末94質量%と部分安定化ジルコニア粉末5%を混合し、かつこれに焼結助剤1質量%を加えて焼成した焼結体であるアルミナジルコニアからなる超音波駆動機構(3)が好ましい。
【0013】
また本発明の他の形態によれば、上記(1)〜(3)の超音波駆動機構において、前記焼結助剤が、CaO10〜16質量%、MgO20〜26質量%、SiO260〜65質量%からなる粉末状組成物である超音波駆動機構(4)が提供される。この形態においては、前記焼結助剤がCaO13質量%、MgO24質量%、SiO263質量%からなる粉末状組成物である超音波駆動機構(5)が好ましい。
【0014】
さらに本発明の他の形態によれば、上記(1)〜(5)の超音波駆動機構において、前記超音波モータの接触子は表面粗さRa<0.05の鏡面仕上げとし、前記被動部材の前記接触子との接触面を表面粗さRa<0.04の鏡面仕上げ面とした超音波駆動機構(6)が提供される。
【0015】
さらに本発明の他の形態によれば、上記(1)〜(6)の超音波駆動機構において、前記接触子を該接触子の軸方向に垂直な横断面が軸方向に沿って同じ形状および横断面積に形成した超音波駆動機構(7)が提供される。
【0016】
さらに本発明の他の形態によれば、上記(1)〜(7)の超音波駆動機構において、前記接触子がピン形接触子である超音波駆動機構(8)が提供される。
【発明の効果】
【0017】
本発明では、前記接触子を部分安定化ジルコニアで形成し、前記被動部材をアルミナジルコニアで形成したことにより、前記被動部材の動作が安定し、かつ抗折強度が高く、また前記被動部材側の摩耗が抑制され、さらに焼結助剤添加により反りやゆがみ等がなく前記被動部材製品の歩留まりが高くなり品質も向上する。
【0018】
さらに本発明では、超音波モータの振動子先端の接触子が摩耗しても、被動部材との接触面積が一定となり、動作特性が安定する。また、前記接触子の稜部でのチッピングが起きにくく、前記接触子の毀損が抑制され、寿命の長い超音波駆動機構が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の実施例(被動部材:アルミナジルコニア、接触子:部分安定化ジルコニア)における被動部材の駆動距離に対する移動速度(mm/s)および共振周波数(KHz)の変化を示した図である。
【図2】従来のアルミナを被動部材とし、部分安定化ジルコニアを接触子とした場合の移動速度(mm/s)および共振周波数(KHz)の変化を示した図である。
【図3】接触子および被動部材を部分安定化ジルコニアで形成した場合の駆動距離に対する移動速度(mm/s)および共振周波数(KHz)を示した図である。
【図4】本発明の実施例による被動部材を構成する各種アルミナジルコニアの焼成温度に対する抗折強度を示した図である。
【図5】本発明の実施例による被動部材を構成する各種アルミナジルコニアの焼成温度に対する焼成工程での反り量を示した図である。
【図6】アルミナジルコニアのジルコニア置換量と抗折強度との関係を示した図である。
【図7】アルミナジルコニアのジルコニア置換量と熱伝導率との関係を示した図である。
【図8】本発明の実施例による超音波モータ用振動子の平面図(A)および側面図(B)である。
【図9】図7に示す振動子先端の接触子(ピン形部材)で摩耗が進行していく状態を示す斜視図である。
【図10】本発明の実施例による角柱形のピン形接触子の拡大平面図である。
【図11】本発明が適用される超音波モータの作動原理を模型的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
次に、図面を参照して本発明の実施形態に係る超音波駆動機構について説明する。図11(A),(B)は本発明が適用される超音波駆動機構の作動原理を模型的に示した図である。この超音波駆動機構は振動子1と被動部材2を含み、振動子1は圧電振動素子で構成され、この側面に設けた電極(図示省略)を印加することにより、伸縮動作と屈曲動作が同時にそれぞれ独立して生成され、その組み合せにより、少なくともその一部が、特に被動部材2と摩擦接触する振動子先端の接触子3が楕円運動を行って被動部材2を間欠的に移動動作させる。例えば、図11(A)中のp点(振動子の左端面の中心点)は、(a)〜(d)の4つの状態を経て同図(B)に示す軌跡を描く。図中、xは振動子の長手方向軸線、yは振動子の上下側面1aに垂直な軸線である。
【0021】
振動子1の楕円運動している先端部分には、接触子3が固着(接着)されている。振動子1の楕円運動は接触子3を介して被動部材2に伝達され、被動部材2を動作させる駆動力となる。図11の例では、この楕円運動の反復により被動部材2はガイド4のまわりの回転運動を生じさせることも可能である。また、被動部材2を円環状にすれば、ガイド4のまわりの回転運動を生じさせることも可能である。なお、楕円運動の大きさは前記圧電振動素子1の電極への入力電圧によって制御される。
【0022】
次に、接触子および被動部材の材質として99%アルミナ、酸化イットリウム(Y2O3)を3mol%前後添加してジルコニア(Z2O3)の結晶構造を部分的に安定化させた部分安定化ジルコニア、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)、アルミナの一部を部分安定化ジルコニアで置換したアルミナジルコニアを組み合せて予備実験を行ったときの動作安定性および摩耗量の実験結果を表1に示す。
【0023】
【表1】
【0024】
この予備実験は駆動距離を1000mの連続駆動(合計)として行ったものであり、振動子長さを30mm、接触子を半球形状とし、押付けバネ圧を40N(ただしPPSのみ押付け圧を15Nとした。)で実験した。表中の摩耗量(μm)は接触子の摩耗量である。この予備実験で接触子と被動部材の材質の組み合せのうち、比較的良好と思われるものを3種選び、これらについて駆動距離数100Kmに対して本実験を行った。予備実験での表1の結果から良好と思われるものとして、接触子−被動部材の材質を、(A)部分安定化ジルコニア−アルミナジルコニアとしたもの、(B)部分安定化ジルコニア−99%アルミナとしたもの、および(C)部分安定化ジルコニア−部分安定化ジルコニアとしたもの3種類を選び、それぞれについて本実験を行った。その結果を図1〜図3に示す。
【0025】
本実験の結果、被動部材をアルミナジルコニアで形成し、この被動部材と接触する振動子先端の接触子を部分安定化ジルコニアで形成した場合が最も良い結果が得られた。なお、上述の予備実験でも接触子と被動部材の材質を部分安定化ジルコニア−アルミナジルコニアとした場合に、駆動距離1000mの範囲では接触子の摩耗量は殆ど計測不能な程度に極少であり、動作が最も安定していることが確認できている。図1は本発明による接触子と被動部材の材質を部分安定化ジルコニア−アルミナジルコニアとした場合の実験結果であり、被動部材の移動速度(mm/sec)および共振周波数(KHz)を被動部材の駆動距離について示したものである。図2はアルミナを被動部材とし、接触子を部分安定化ジルコニアとした場合の被動部材の移動速度および共振周波数を示している。また、図3は接触子および被動部材ともに部分安定化ジルコニアで形成した場合の駆動距離に対する移動速度(mm/sec)および共振周波数(KHz)を示した図である。
【0026】
図1の例におけるアルミナジルコニアは、アルミナ粉末94質量%、ジルコニア粉末5質量%、および後述する焼結助剤1質量%を混合して焼成した焼結体であり、前記焼結助剤としては、例えばCaO13質量%、MgO24質量%、SiO263質量%からなる粉末状組成物が、被動部材の反りを防止するのに用いられる。また、部分安定化ジルコニアとしては、ジルコニア(ZrO2)97.4モル%と酸化イットリウム(Y2O3)2.6モル%からなる、比表面積(SA)が7.8m2/g、平均粒径(D50)が0.52μmの市販品(第一稀元素製)を使用した。図1では、被動部材への接触子の押し付ける押付けバネ圧を20N、静止保持力を6Nとし、被動部材の面粗さRaを0.05μmとした。また、この例で用いたアルミナジルコニアは、抗折強度(MPa)が600、ビッカース硬度(Hv)が1552、密度(g/cm3)が4.038である。なお、前記焼結体の焼成において、1550℃での焼成では原料として比表面積(SA)が13.1m2/g、平均粒径(D50)が0.5μmのジルコニア(第一稀元素製)を使用すると、若干強度が向上する傾向が認められる。
【0027】
これに対し、図2の例における従来のアルミナの被動部材では、抗折強度(MPa)、ビッカース硬度(Hv)、および密度(g/cm3)は、それぞれ200、1429、3.785である。また、部分安定化ジルコニアの被動部材では、抗折強度(MPa)は1200、ビッカース硬度(Hv)は1280、密度(g/cm3)は6.099である。なお、本発明では、振動子の長さは30mm、接触子は0.5mm径のピン形(2mm径のピン台付き)とし、静止保持力は6Nであり、繰返し往復動作における合計駆動距離100Km〜300Kmまで試験した。これに対し、図2の従来例の場合は振動子長さ30mm、接触子径0.8mmのピン形(2mm径のピン台付き)、静止保持力は10Nであり、駆動距離200Km〜800Kmまで試験した。図3の例では、振動子長さ、接触子径は図2の場合と同様であるが、押付けバネ力は20N、静止保持力は15N、被動部材の面粗さRaを0.05μmの鏡面とした。
【0028】
図1で駆動開始の立上がり時の速度、共振周波数の変化が急峻であるのは、立上がり時に接触子と被動部材の接触する面と面がなじむ時間が必要なためであり、この問題は製造後にエージングを施すことで解消できる。
【0029】
これらの図を比較しても分かるように、本発明の場合は移動速度、共振周波数とも駆動距離の全域にわたって一定で安定した動きとなるが、図2の従来例では速度のばらつきが見られ、また共振周波数も移動距離1〜300Kmの間で大きなばらつきが見られる。本発明の場合、駆動距離1000Kmでの接触子の摩耗量は5μmであり、従来と比べると極めて微少である。被動部材側の摩耗は、これよりさらに小さく、殆ど測定不可能である。なお、共振周波数はインピーダンスの変化として測定したものであり、摩耗が大きいと値がふらつく。図2の従来例共振周波数のばらつきが大きいのは摩耗が大きいためと推察される。図3の例でも、駆動距離200Km〜1000Kmの範囲で共振周波数の大きなばらつきが見られる。
【0030】
次に、本発明の実施例に係る超音波駆動機構における被動部材を構成するアルミナジルコニアの抗折強度(MPa)および焼成時の反り量(mm)について行った種々の実験結果を、図4および図5を参照して説明する試料として用いたアルミナジルコニアは、
A:アルミナ(Al2O3)95質量%と部分安定化ジルコニア(ZrO2)5質量%の割合で混合して(焼結助剤を使用せず)焼成したもの、
B:アルミナ(Al2O3)94質量%と部分安定化ジルコニア(ZrO2)5質量%の割合で混合し、前記焼結助剤を1質量%として焼成したもの、
C:アルミナ(Al2O3)を92質量%、部分安定化ジルコニア(ZrO2)を5質量%で前記焼結助剤を3質量%としたもの、
D:アルミナ(Al2O3)を90質量%、部分安定化ジルコニア(ZrO2)を5質量%、前記焼結助剤を5質量%としたもの、をそれぞれ用いた。
以上のA〜Dに対して焼成温度を1500℃、1530℃および1580℃としたときの抗折強度(MPa)を測定した。図4に示す測定結果によれば、上記Aの助剤0%および上記Bの助剤1質量%の前記Bのものが抗折強度に優れ、かつ焼成温度1500℃〜1530℃の範囲で良好な値を示した。ただし、助剤0質量%では反りが大きく、実際上、助剤を用いないで焼成することは難しいため、上記Bのものが最も良好である。
【0031】
図5は上述の試料A〜Dについて焼成温度1530〜1560℃で焼成した際の6インチ(15.24cm)当りの最大反り量(mm)を示した図である。この図から、助剤1〜5質量%のB〜Dのものが焼成時の反り量(最大値)が少ないことが分かる。これらの結果から、本発明の被動部材として、上述のBの組成、すなわち94質量%のアルミナと5質量%の部分安定化ジルコニア(ZrO2)の混合物に焼結助剤を1質量%添加したものが抗折強度が高く、かつ焼成時の反り量も小さいことが分かる。したがって本発明では被動部材として上述の助剤を1質量%とした組成Bのアルミナジルコニアを用いるのが最も好ましい。
【0032】
次に、アルミナジルコニアの部分安定化ジルコニアの含有量(部分安定化ジルコニア置換量)を変えた場合の、抗折強度および熱伝導率の変化について図6および図7を参照して説明する。図6はアルミナジルコニアの部分安定化ジルコニア置換量と抗折強度との関係を示した図である。焼成温度は、1550℃の場合である。この測定結果から、部分安定化ジルコニア置換量5質量%以上で抗折強度が約700MPaの一定値を示すことがわかる。また、アルミナジルコニアのジルコニア置換量と熱伝導率との関係については、図7に示すように、比表面積7.8m2/g、平均粒径0.52μmの部分安定化ジルコニアの場合、部分安定化ジルコニア置換量が増加するにつれて熱伝導率が低下する。熱伝導率の評価をしているのは、摩擦熱の放熱性を評価しており、熱ドリフトの小さな駆動装置を提供するためである。以上の結果から、本発明に係るアルミナジルコニアとしては、アルミナ94質量%とジルコニア5質量%を混合し、かつ、これに焼結助剤1質量%を加えて焼成した焼結体とするのがよい。
【0033】
本発明における振動子側の接触子および被動部材の接触部材は鏡面仕上げとなるように研磨される。表面粗さRaが0.3程度の未研磨の状態では振動子先端の接触子の摩耗が激しく、動きが安定しなくなる。したがって、安定した動作を得るために、本発明では前記接触子の表面粗さRaをRa<0.05の鏡面仕上げ研磨とし、被動部材の表面粗さRaをRa<0.04の鏡面仕上げとすることで、被動部材の材質と併せて該被動部材の摩耗を防止している。
【0034】
次に、本発明の実施例に係る超音波駆動機構の超音波モータにおける振動子先端の摩耗状態について図8および図9を参照して説明する。図8、図9の実施例では振動子1の先端に円柱形のピン台5が固着され、ピン台5の先端に被動部材と摩擦接触する円柱形のピン形接触子6が設けられている。このピン形接触子6は横断面が軸方向に沿って同一の外径をなす円柱形に形成されている。本発明では既に述べたように超音波モータの接触子を被動部材(アルミナジルコニア)よりも摩耗性の大きい材料(部分安定化ジルコニア)としており、被動部材よりも接触子の方が摩耗する。被動部材との摩擦接触で接触子6が摩耗して図9に示すように初期状態(a)から(b)、(c)へと摩耗が進んでいっても長さが減少するだけで被動部材との接触面積は変わらず、これにより、初期動作が持続して安定した速度、推力、共振周波数が保たれる。
【0035】
接触子6を固着したピン台5は円柱形に限定されるものではなく、角柱形であってもよい。また、ピン形の接触子6もその横断面が矩形状の角柱であってもよい。図10は角柱形のピン形接触子7の拡大平面図であり、この場合は、角柱の4側部7aがR面取りが施されている。この実施例における角柱の一辺の長さは前述した円柱形のピン形接触子の直径とほぼ同じでよい。また、角柱形の場合もピン長さは2mm以下が好ましい。角柱形の稜部にR面取りがなされない場合は、摩擦接触中に稜部でチッピングが起こり、この部分で摩耗が加速され、初期動作を維持するのが困難になるが、稜部の面取りにより、このような問題の起きる心配はなくなる。
【符号の説明】
【0036】
1 振動子
2 被動部材
3 接触子
4 ガイド
5 ピン台
6 ピン型接触子
7 角柱形のピン形接触子
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超音波モータと、前記超音波モータの接触子と摩擦接触して駆動される被動部材とを有する超音波駆動機構において、前記接触子を部分安定化ジルコニアで形成し、前記被動部材の前記接触子との接触部をアルミナジルコニアで形成したことを特徴とする超音波駆動機構。
【請求項2】
前記アルミナジルコニアが、アルミナ粉末90〜97質量%と部分安定化ジルコニア粉末2〜9質量%を混合し、かつこれに焼結助剤0.5〜3質量%を加えて焼成した焼結体である請求項1に記載の超音波駆動機構。
【請求項3】
前記アルミナジルコニアが、アルミナ粉末94質量%と部分安定化ジルコニア粉末5%を混合し、かつこれに焼結助剤1質量%を加えて焼成した焼結体である請求項2に記載の超音波駆動機構。
【請求項4】
前記焼結助剤が、CaO10〜16質量%、MgO20〜26質量%、SiO260〜65質量%からなる粉末状組成物である請求項1〜3のいずれかに記載の超音波駆動機構。
【請求項5】
前記焼結助剤が、CaO13質量%、MgO24質量%、SiO263質量%からなる粉末状組成物である請求項4に記載の超音波駆動機構。
【請求項6】
前記超音波モータの接触子は表面粗さRa<0.05の鏡面仕上げとし、前記被動部材の前記接触子との接触面を表面粗さRa<0.04の鏡面仕上げ面とした請求項1〜5に記載の超音波駆動機構。
【請求項7】
前記接触子を該接触子の軸方向に垂直な横断面が軸方向に沿って同じ形状および横断面積に形成した請求項1〜6のいずれかに記載の超音波駆動機構。
【請求項8】
前記接触子がピン形接触子である請求項1〜7に記載の超音波駆動機構。
【請求項1】
超音波モータと、前記超音波モータの接触子と摩擦接触して駆動される被動部材とを有する超音波駆動機構において、前記接触子を部分安定化ジルコニアで形成し、前記被動部材の前記接触子との接触部をアルミナジルコニアで形成したことを特徴とする超音波駆動機構。
【請求項2】
前記アルミナジルコニアが、アルミナ粉末90〜97質量%と部分安定化ジルコニア粉末2〜9質量%を混合し、かつこれに焼結助剤0.5〜3質量%を加えて焼成した焼結体である請求項1に記載の超音波駆動機構。
【請求項3】
前記アルミナジルコニアが、アルミナ粉末94質量%と部分安定化ジルコニア粉末5%を混合し、かつこれに焼結助剤1質量%を加えて焼成した焼結体である請求項2に記載の超音波駆動機構。
【請求項4】
前記焼結助剤が、CaO10〜16質量%、MgO20〜26質量%、SiO260〜65質量%からなる粉末状組成物である請求項1〜3のいずれかに記載の超音波駆動機構。
【請求項5】
前記焼結助剤が、CaO13質量%、MgO24質量%、SiO263質量%からなる粉末状組成物である請求項4に記載の超音波駆動機構。
【請求項6】
前記超音波モータの接触子は表面粗さRa<0.05の鏡面仕上げとし、前記被動部材の前記接触子との接触面を表面粗さRa<0.04の鏡面仕上げ面とした請求項1〜5に記載の超音波駆動機構。
【請求項7】
前記接触子を該接触子の軸方向に垂直な横断面が軸方向に沿って同じ形状および横断面積に形成した請求項1〜6のいずれかに記載の超音波駆動機構。
【請求項8】
前記接触子がピン形接触子である請求項1〜7に記載の超音波駆動機構。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2012−23936(P2012−23936A)
【公開日】平成24年2月2日(2012.2.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−162128(P2010−162128)
【出願日】平成22年7月16日(2010.7.16)
【出願人】(390010216)ニッコー株式会社 (49)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年2月2日(2012.2.2)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年7月16日(2010.7.16)
【出願人】(390010216)ニッコー株式会社 (49)
【Fターム(参考)】
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