JP2005218191A - Ultrasonic motor - Google Patents
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Description
本発明は超音波モータに関する。 The present invention relates to an ultrasonic motor.
従来、種々の超音波モータが知られており、例えば特許文献1には、圧電体に接合された振動体に生じる進行性振動波により、摩擦面を介して振動体に接触している移動体を摩擦駆動する超音波モータが開示されている。圧電体に高周波電圧を印加すると圧電体が超音波振動を発し、この超音波振動によって励振されて振動体が固有振動数で振動する。この振動波が振動体を連続的に進行させるため、振動体に加圧接触されている移動体は、波が物体を運ぶように推力を受けて回転する。
Conventionally, various ultrasonic motors are known. For example,
このような進行波方式による超音波モータは、振動体に圧電体を装着してなる超音波振動体(振動体)と移動体とが加圧接触された構成とされており、移動体と振動体との摩擦力によって移動体が駆動されるようになっている。このような機構を有する超音波モータにおいては、移動体の駆動力を向上させるためには、移動体と振動体との摩擦力が大きいこと、及び、加圧接触力が大きいことが必要となる。 Such a traveling wave type ultrasonic motor has a configuration in which an ultrasonic vibrating body (vibrating body) in which a piezoelectric body is mounted on a vibrating body and a moving body are in pressure contact with each other. The moving body is driven by the frictional force with the body. In the ultrasonic motor having such a mechanism, in order to improve the driving force of the moving body, it is necessary that the frictional force between the moving body and the vibrating body is large and the pressure contact force is large. .
ただし、加圧接触力が大きすぎると振動が抑圧され、かえって駆動力が低下することになる。また、移動体が加圧接触力により変形して、振動体から伝わる振動波の周期がずれると、駆動力は大幅に低下してしまう。よって、加圧接触力をあまり大きくすることは適当ではないので、駆動力の向上のためには、移動体及び振動体の材料の組み合わせを大きな摩擦力が発生するものとする必要がある。ところが、一般には、摩擦係数の大きな材料同士を摩擦させると摩耗量が大きくなるので、摩擦係数の大きな材料で移動体及び振動体を構成すると、超音波モータの寿命が非常に短くなってしまう。 However, if the pressure contact force is too large, the vibration is suppressed and the driving force is reduced. In addition, when the moving body is deformed by the pressing contact force and the period of the vibration wave transmitted from the vibrating body is shifted, the driving force is greatly reduced. Therefore, since it is not appropriate to increase the pressure contact force, it is necessary to generate a large frictional force for the combination of the moving body and the vibrating body material in order to improve the driving force. However, generally, when materials having a large friction coefficient are rubbed with each other, the amount of wear increases. Therefore, if the moving body and the vibrating body are made of a material having a large friction coefficient, the life of the ultrasonic motor becomes very short.
このようなことから、移動体及び振動体には、高摩擦面を有し大きな駆動力を発生させるとともに、耐久性に優れ長寿命であることが要求される。この要求を満たすため、前述した特許文献1の超音波モータは、移動体及び振動体のいずれか一方の摩擦面には陽極酸化法による硬質アルマイト処理(登録商標)が施され、他方の摩擦面は炭化ホウ素,ホウ化チタニウム,窒化ホウ素のうち1種以上を含有するニッケルリン基合金からなる超硬材料で構成されている。
しかしながら、特許文献1の超音波モータにおいては、前記超硬材料はアルマイト被膜よりも硬質であるので、母材であるアルミニウム合金の組成により変化するアルマイト被膜の特性によっては、アルマイト被膜が摩耗するおそれがあった。
そこで、本発明は、前述のような従来の超音波モータが有する問題点を解決し、駆動力が大きいことに加えて摩耗が生じにくく長寿命な超音波モータを提供することを課題とする。
However, in the ultrasonic motor of
Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems of the conventional ultrasonic motor as described above, and to provide an ultrasonic motor that has a long driving life in addition to a large driving force and is less prone to wear.
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項1の超音波モータは、圧電体が発する超音波振動により表面に進行波が生じる振動体と、該振動体に当接し前記進行波により駆動される可動体と、を備えた超音波モータにおいて、前記可動体を、ケイ素の含有量が2質量%未満であるアルミニウム合金で構成し、その表面のうち前記振動体との当接部分に陽極酸化処理による酸化アルミニウム被膜を設けたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. That is, an ultrasonic motor according to
アルミニウム合金中のケイ素の含有量を2質量%未満とすれば、陽極酸化処理により、厚く均一な膜厚の酸化アルミニウム被膜を形成することができる。
また、本発明に係る請求項2の超音波モータは、請求項1に記載の超音波モータにおいて、前記アルミニウム合金中のマグネシウムの含有量を0.02質量%以上2質量%以下としたことを特徴とする。
アルミニウム合金中のマグネシウムの含有量を0.02質量%以上2質量%以下とすれば、陽極酸化処理により、硬い酸化アルミニウム被膜を形成することができる。
When the silicon content in the aluminum alloy is less than 2% by mass, an aluminum oxide film having a thick and uniform film thickness can be formed by anodizing treatment.
The ultrasonic motor according to
If the magnesium content in the aluminum alloy is 0.02 mass% or more and 2 mass% or less, a hard aluminum oxide film can be formed by anodizing treatment.
本発明の超音波モータは、駆動力が大きいことに加えて摩耗が生じにくく長寿命である。 The ultrasonic motor according to the present invention has a long driving life in addition to a large driving force, and is less prone to wear.
本発明に係る超音波モータの実施の形態を、図1を参照しながら詳細に説明する。
図1の超音波モータは、複数の圧電体1が接合された振動体2と、この振動体2に摩擦面を介して接触している可動体3と、を備えている。振動体2及び可動体3は、ほぼ同一形状の環状部材で、周方向に垂直な断面が長方形をなしており、それぞれが有する平行な2つの平面のうち一方を摩擦面として対向させ接触させている。そして、振動体2が有する平行な2つの平面のうち摩擦面ではない平面に、複数の圧電体1が周方向にわたってほぼ等配に取り付けられている。
An embodiment of an ultrasonic motor according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
The ultrasonic motor of FIG. 1 includes a vibrating
圧電体1に高周波電圧を印加すると圧電体1が超音波振動を発し、この超音波振動により振動体2の表面(摩擦面)に固有振動数の進行性振動波(進行波)が生じる。この進行波が振動体2を連続的に進行させるため、振動体2に加圧接触されている可動体3は、波が物体を運ぶように推力を受けて回転する。
この可動体3は、ケイ素の含有量が2質量%未満であり且つマグネシウムの含有量が0.02質量%以上2質量%以下であるアルミニウム合金で構成されており、その表面のうち少なくとも摩擦面には、図示しない陽極酸化処理による酸化アルミニウム被膜(例えば硬質陽極酸化処理による硬質酸化アルミニウム被膜)が設けられている。ケイ素の含有量が前記条件を満たしていると、陽極酸化処理により、アルミニウム合金の表面に厚く均一な膜厚の酸化アルミニウム被膜が形成される。また、マグネシウムの含有量が前記条件を満たしていると、陽極酸化処理により、アルミニウム合金の表面に硬い酸化アルミニウム被膜が形成される。
When a high frequency voltage is applied to the
The
ここで、陽極酸化処理について説明する。陽極酸化処理とは、アルミニウムの表面に電気的に酸化被膜を形成する処理である。具体的には、アルミニウムを陽極として希硫酸やシュウ酸水溶液中で電気分解を行うと、下記式にしたがってアルミニウムの表面に酸化アルミニウム被膜が形成される。このような処理により、アルミニウムの表面が硬質化し、耐摩耗性が向上する。
2Al+3H2 O → Al2 O3 +6H+ +6e-
ところが、アルミニウム合金には、特性の違いにより1000系から7000系まで種々の種類が存在し、合金成分(元素)の種類(Si,Cu,Mg等)や含有量が大きく異なっている。そして、合金成分の種類によっては、陽極酸化処理による酸化アルミニウム被膜の形成に影響がある。
Here, the anodizing treatment will be described. Anodizing treatment is a treatment for electrically forming an oxide film on the surface of aluminum. Specifically, when electrolysis is performed in an aqueous solution of dilute sulfuric acid or oxalic acid using aluminum as an anode, an aluminum oxide film is formed on the surface of the aluminum according to the following formula. By such treatment, the surface of aluminum is hardened and wear resistance is improved.
2Al + 3H 2 O → Al 2 O 3 + 6H + + 6e −
However, there are various types of aluminum alloys from 1000 series to 7000 series due to the difference in characteristics, and the types (Si, Cu, Mg, etc.) and contents of alloy components (elements) are greatly different. Depending on the type of alloy component, there is an influence on the formation of an aluminum oxide film by anodizing.
ケイ素は酸化を抑制する作用を有しているので、アルミニウム合金にケイ素が多量に含まれていると、陽極酸化処理において酸化アルミニウム被膜の形成が抑制されてしまう。さらに、ケイ素はアルミニウム合金中でケイ素単体として粒子状で分散しているため、ケイ素粒子の近傍では酸化アルミニウム被膜の形成が抑制されて、膜厚が不均一になりやすい。このような理由により、ケイ素を多量に含有するアルミニウム合金は、陽極酸化処理を施しても十分な膜厚の酸化アルミニウム被膜が形成されにくいので、耐摩耗性が不十分となる。よって、ケイ素を多量に含有するアルミニウム合金で可動体を構成すると、高摩擦で振動体と接触した場合に、酸化アルミニウム被膜が短時間で摩耗して短寿命となるおそれがある。 Since silicon has an action of suppressing oxidation, when an aluminum alloy contains a large amount of silicon, formation of an aluminum oxide film is suppressed in anodizing treatment. Furthermore, since silicon is dispersed in the form of silicon as particles in the aluminum alloy, the formation of an aluminum oxide film is suppressed in the vicinity of the silicon particles, and the film thickness tends to be nonuniform. For these reasons, an aluminum alloy containing a large amount of silicon has an insufficient wear resistance because an aluminum oxide film having a sufficient film thickness is difficult to be formed even when anodizing is performed. Therefore, when the movable body is composed of an aluminum alloy containing a large amount of silicon, the aluminum oxide coating may be worn in a short time and have a short life when contacting the vibrating body with high friction.
一方、酸化アルミニウム被膜の耐摩耗性を向上させるためには、酸化アルミニウム被膜の硬さを向上させることも効果的である。マグネシウムを含有するアルミニウム合金は、陽極酸化処理により硬い酸化アルミニウム被膜が形成されるので、そのようなアルミニウム合金で可動体を構成すれば、優れた耐久性を有する可動体を得ることができる。
これらのことから、ケイ素の含有量が抑制され且つマグネシウムを含有するアルミニウム合金で、可動体を構成することが好ましい。そうすれば、厚くて硬い酸化アルミニウム被膜が得られるので、可動体の耐久性が向上し、超音波モータが長寿命となる。
On the other hand, in order to improve the wear resistance of the aluminum oxide film, it is also effective to improve the hardness of the aluminum oxide film. Since an aluminum alloy containing magnesium forms a hard aluminum oxide film by anodizing treatment, a movable body having excellent durability can be obtained by forming the movable body with such an aluminum alloy.
For these reasons, it is preferable that the movable body is made of an aluminum alloy in which the silicon content is suppressed and magnesium is contained. Then, a thick and hard aluminum oxide film can be obtained, so that the durability of the movable body is improved and the ultrasonic motor has a long life.
〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
表1に示すようなアルミニウム合金で構成された可動体を用いて、前述した図1の超音波モータと同様の構成の超音波モータを製造した。そして、可動体と振動体とを70kPaの圧力で加圧接触させて、回転速度350min-1で回転させ、回転不能となるまでの時間(寿命)を測定した。
〔Example〕
The present invention will be described more specifically with reference to the following examples.
Using a movable body made of an aluminum alloy as shown in Table 1, an ultrasonic motor having the same configuration as the ultrasonic motor of FIG. 1 described above was manufactured. Then, the movable body and the vibrator were brought into pressure contact with each other at a pressure of 70 kPa, rotated at a rotational speed of 350 min −1 , and the time (life) until the rotation became impossible was measured.
寿命の測定結果を表1に示す。表1中の寿命の数値は、比較例4の寿命を1とした場合の相対値で示してある。また、表1に、酸化アルミニウム被膜の膜厚及びビッカース硬さも併せて示す。この膜厚は、陽極酸化処理を施したアルミニウム合金を切断し、断面の組織観察により測定したものであり、表1においては比較例4の膜厚を1とした場合の相対値で示してある。 Table 1 shows the measurement results of the lifetime. The numerical value of the lifetime in Table 1 is shown as a relative value when the lifetime of Comparative Example 4 is 1. Table 1 also shows the film thickness and Vickers hardness of the aluminum oxide coating. This film thickness was measured by cutting the anodized aluminum alloy and observing the structure of the cross section. In Table 1, the film thickness of Comparative Example 4 is shown as a relative value. .
表1から分かるように、実施例1〜13は、比較例1〜4と比べて酸化アルミニウム被膜の膜厚が厚いため、寿命が格段に優れていた。そして、実施例1〜13の中でもアルミニウム合金にマグネシウムが含有されているものは、酸化アルミニウム被膜のビッカース硬さが高いため、寿命がより優れていた。
ここで、表1に記載のデータをグラフ化し、アルミニウム合金中のケイ素の含有量と酸化アルミニウム被膜の膜厚との相関性を調べた。そのグラフを図2に示す。前述したように、ケイ素の含有量が多いと酸化アルミニウム被膜の形成が抑制されるので、図2のグラフから分かるように、ケイ素の含有量が2質量%以上であると膜厚が不十分となっている。また、ケイ素の含有量が2質量%以上であると膜厚が不均一となりやすい。これらの理由から、アルミニウム合金中のケイ素の含有量は2質量%未満である必要があり、1.2質量%以下であることがより好ましい。
As can be seen from Table 1, in Examples 1 to 13, since the film thickness of the aluminum oxide coating was thicker than those in Comparative Examples 1 to 4, the lifetime was remarkably excellent. And in Examples 1-13, what contained magnesium in the aluminum alloy had a longer life because the Vickers hardness of the aluminum oxide film was high.
Here, the data shown in Table 1 was graphed, and the correlation between the silicon content in the aluminum alloy and the film thickness of the aluminum oxide film was examined. The graph is shown in FIG. As described above, since the formation of the aluminum oxide film is suppressed when the silicon content is large, the film thickness is insufficient when the silicon content is 2% by mass or more, as can be seen from the graph of FIG. It has become. Further, if the silicon content is 2% by mass or more, the film thickness tends to be non-uniform. For these reasons, the silicon content in the aluminum alloy needs to be less than 2% by mass, and more preferably 1.2% by mass or less.
次に、表1に記載のデータをグラフ化し、アルミニウム合金中のマグネシウムの含有量と酸化アルミニウム被膜のビッカース硬さとの相関性を調べた。そのグラフを図3に示す。前述したように、マグネシウムを含有するアルミニウム合金の表面には硬い酸化アルミニウム被膜が形成されるので、図3のグラフから分かるように、マグネシウムの含有量が0.02質量%以上であるとビッカース硬さが高くなっている。よって、アルミニウム合金中のマグネシウムの含有量は0.02質量%以上であることが好ましい。 Next, the data shown in Table 1 was graphed, and the correlation between the magnesium content in the aluminum alloy and the Vickers hardness of the aluminum oxide film was examined. The graph is shown in FIG. As described above, since a hard aluminum oxide film is formed on the surface of the aluminum alloy containing magnesium, as can be seen from the graph of FIG. 3, when the magnesium content is 0.02 mass% or more, the Vickers hardness is Is getting higher. Therefore, the magnesium content in the aluminum alloy is preferably 0.02% by mass or more.
ただし、図3のグラフから分かるように、マグネシウムの含有量が2質量%を超えるとビッカース硬さが逆に低下する傾向がある。さらに、コスト面からも、マグネシウムの含有量の上限値は2質量%とすることが好ましい。よって、アルミニウム合金中のマグネシウムの含有量は、0.02質量%以上2質量%以下とすることが好ましい
比較例1〜4は、アルミニウム合金中のケイ素の含有量が2質量%を超えており、酸化アルミニウム被膜の膜厚が不十分であるため、短寿命であった。比較例3のようにマグネシウムを含有させビッカース硬さを高くしても、酸化アルミニウム被膜の膜厚が不十分で、しかも不均一であるため、短寿命であった。
However, as can be seen from the graph of FIG. 3, when the magnesium content exceeds 2% by mass, the Vickers hardness tends to decrease. Furthermore, from the viewpoint of cost, the upper limit of the magnesium content is preferably 2% by mass. Therefore, it is preferable that the magnesium content in the aluminum alloy is 0.02 mass% or more and 2 mass% or less. In Comparative Examples 1 to 4, the silicon content in the aluminum alloy exceeds 2 mass%. Since the film thickness of the aluminum oxide film was insufficient, the life was short. Even when magnesium was included and the Vickers hardness was increased as in Comparative Example 3, the film thickness of the aluminum oxide film was insufficient and non-uniform, so that the life was short.
1 圧電体
2 振動体
3 可動体
1
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JP2004019933A JP2005218191A (en) | 2004-01-28 | 2004-01-28 | Ultrasonic motor |
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Cited By (2)
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US7732981B2 (en) * | 2008-08-05 | 2010-06-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Ultrasonic motor having lightweight vibrating element |
CN108964513A (en) * | 2018-07-09 | 2018-12-07 | 南京航空航天大学 | A method of improving ultrasound electric machine rotor CONTACT WITH FRICTION performance |
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2004
- 2004-01-28 JP JP2004019933A patent/JP2005218191A/en active Pending
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KR101531268B1 (en) * | 2008-08-05 | 2015-06-26 | 삼성전자주식회사 | Ultrasonic motor having lightweight vibrating element |
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