JP2005218192A - Ultrasonic motor - Google Patents
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Abstract
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。 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.
ところが、従来の超音波モータは、高トルクを得るために移動体と振動体を比較的高圧接触となるように圧接しているので、移動体と振動体の摩擦面は過酷な環境下におかれることとなり、摩擦面の摩耗が大きく、長寿命化の障害となっている。摩耗が生じると超音波モータの駆動条件が大幅に変化するためモータ特性が劣化し、移動体の回転が停止する場合もある。 However, since the conventional ultrasonic motor presses the moving body and the vibrating body in a relatively high pressure contact in order to obtain a high torque, the friction surface between the moving body and the vibrating body is in a harsh environment. As a result, wear on the friction surface is large, which is an obstacle to extending the service life. When wear occurs, the driving conditions of the ultrasonic motor change significantly, so that the motor characteristics deteriorate and the rotation of the moving body may stop.
摩耗を皆無とすることは現状では困難であるので、実用に耐え得る長寿命の超音波モータを実現するためには、移動体及び振動体を構成する材料の組み合わせを摩耗量が少なくなるようにし、且つ、摩擦面の粗さを最適化する必要がある。
また、電磁モータはロータとステータが非接触であるのに対して、超音波モータは移動体と振動体が高い圧接力で接触している。そのため、起動トルクが大きいという特徴と、摺動による発熱で移動体と振動体の摺動部分の劣化が生じ摩耗が増加するという問題点とを有している。
Since it is difficult to eliminate wear at present, in order to realize a long-life ultrasonic motor that can withstand practical use, a combination of materials constituting the moving body and the vibrating body should be made to reduce the amount of wear. In addition, it is necessary to optimize the roughness of the friction surface.
In the electromagnetic motor, the rotor and the stator are not in contact with each other, whereas in the ultrasonic motor, the moving body and the vibrating body are in contact with each other with a high pressure contact force. For this reason, it has the characteristics that the starting torque is large and the problem that the sliding portion between the moving body and the vibrating body deteriorates due to the heat generated by sliding, resulting in increased wear.
このような問題を解決するため、例えば特許文献２に記載の超音波モータは、アルミニウム合金からなる振動体及び移動体のいずれか一方の摺動面に、アルマイト処理が施された上に硬質非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）が形成されている。また、特許文献３に記載の超音波モータは、振動体及び移動体のいずれか一方の接触面に、底部まで水和物で充填された多数の微細孔を有するアルマイト被膜が形成されている。
しかしながら、前述の特許文献３の例では、アルミニウム合金の表面に形成されたアルマイト被膜が多孔質であるため封孔処理を施さなければならないが、封孔処理を施してアルマイト被膜の摩耗特性を向上させてもアルマイト被膜全体の硬さは低く、そのため摩耗量が多い。また、アルマイト被膜と母材との密着性が弱いため、アルマイト被膜が剥離するおそれがあり、寿命低下への影響が大きかった。特に、アルマイト被膜の硬さはビッカース硬さＨｖ７００が上限であるため、耐摩耗性の向上には、より硬い被膜の形成が必要であった。
However, in the example of
また、前述の特許文献２の例では、ＤＬＣ膜の硬さはＨｖ８００〜１０００で耐摩耗性は高いが、摩擦係数が低いため振動体と移動体の間に滑りが生じ、振動体の振動にロスを生じさせてしまう。そして、前記振動のロスはエネルギー効率を低下させたり、トルクを低下させるという問題を生じさせる。
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、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。
In the example of
Therefore, 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 does not easily wear and has a long life.
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、ビッカース硬さＨｖ８００以上の表面硬さを有する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
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、前記酸化アルミニウム被膜はα−Ａｌ2 Ｏ3 及びβ−Ａｌ2 Ｏ3 の少なくとも一方で構成されていることを特徴とする。
このような酸化アルミニウム被膜は非常に硬く耐摩耗性が優れているので、可動体の耐久性が優れており、その結果、超音波モータは長寿命となる。
The ultrasonic motor according to
Since such an aluminum oxide film is very hard and has excellent wear resistance, the durability of the movable body is excellent. As a result, the ultrasonic motor has a long life.
本発明の超音波モータは、摩耗が生じにくく長寿命である。 The ultrasonic motor of the present invention has a long life with little 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、アルミニウム合金で構成されている。そして、その表面のうち少なくとも摩擦面には、陽極酸化処理による酸化アルミニウム被膜（図示せず）が設けられており、この酸化アルミニウム被膜の表面硬さはビッカース硬さＨｖ８００以上である。陽極酸化処理としては、例えばマイクロアークオキシデーション（Micro Arc Oxidation 。以降はＭＡＯ処理と記す）が好ましい。
When a high frequency voltage is applied to the
The
ＭＡＯ処理による酸化アルミニウム被膜は、一般的な陽極酸化処理（以降はアルマイト処理と記す）による酸化アルミニウム被膜（以降はアルマイト被膜と記す）よりも硬いので、耐摩耗性が優れている。また、ＭＡＯ処理による酸化アルミニウム被膜は高密度であるため、高強度である。さらに、母材であるアルミニウム合金との密着性が良好であるので、剥離が生じにくい。このような酸化アルミニウム被膜が可動体３に設けられているので、高い接触圧力で振動体２と接触しても、可動体３は耐久性が優れている。よって、超音波モータは長寿命となる。
The aluminum oxide coating by MAO treatment is harder than the aluminum oxide coating (hereinafter alumite coating) by a general anodizing treatment (hereinafter alumite treatment), and therefore has excellent wear resistance. Moreover, since the aluminum oxide film by MAO process is high-density, it is high intensity | strength. Furthermore, since the adhesiveness with the aluminum alloy which is a base material is good, peeling is hardly caused. Since such an aluminum oxide film is provided on the
ここで、ＭＡＯ処理について説明する。ＭＡＯ処理は陽極酸化処理の１種であるが、給電も電解質もアルマイト処理とは異なる。弱塩基性の水溶液中で水酸化物と酸化物の層が連続的に誘電破壊することにより、マイクロアークが被処理物の表面全体に生成する。被処理物と対極との間の印加電圧方法，電流密度，及び電解質の選び方により、２〜１０μｍ／ｍｉｎの大きい速度で酸化層を成長させることができる。 Here, the MAO process will be described. The MAO treatment is one type of anodizing treatment, but the power supply and the electrolyte are different from the alumite treatment. A micro-arc is generated on the entire surface of the object to be processed by the dielectric breakdown of the hydroxide and oxide layers continuously in the weakly basic aqueous solution. The oxide layer can be grown at a large rate of 2 to 10 μm / min depending on the method of applying voltage between the workpiece and the counter electrode, the current density, and the way of selecting the electrolyte.
ＭＡＯ処理による酸化アルミニウム被膜は結晶性であり、膜厚を数百μｍに成長させることができ、アルマイト被膜よりも厚く形成できるという特徴がある。このような処理技術の特徴があるため、ＭＡＯ処理による酸化アルミニウム被膜の表面硬さは、セラミックスのそれに等しく、アルマイト被膜に比べて耐摩耗性，耐食性，耐熱性が特段に優れている。 The aluminum oxide film formed by the MAO treatment is crystalline, and can be grown to a thickness of several hundreds μm, and can be formed thicker than the alumite film. Due to the characteristics of such treatment technology, the surface hardness of the aluminum oxide film by MAO treatment is equal to that of ceramics, and the wear resistance, corrosion resistance, and heat resistance are particularly excellent as compared with the alumite film.
次に、ＭＡＯ処理の具体的な方法の一例を、処理装置の概略図である図２を参照しながら説明する。ステンレス容器１１に満たされたアルカリ性の電解液１２中に、アルミニウム合金製の被処理物１３を浸漬する。被処理物１３を陽極、ステンレス容器１１を対極として、両者１１，１３をリード線１４で接続するとともに、両者１１，１３の間に電流計１５及び電力供給装置１６を直列に設置し、電圧計１７を並列に設置する。そして、電力供給装置１６により陽極と対極との間に電流を流し、電解処理を行う。電解条件は、電圧が約６００Ｖで、電流密度が約７０Ａ／ｄｍ2 である。
Next, an example of a specific method of MAO processing will be described with reference to FIG. 2 which is a schematic diagram of the processing apparatus. An
特に、電解法は直流法，定電流法，定電圧法ではなく、不完全整流法，ＰＲ法（periodic reverse electroplating ），又はパルス法であって、高い電解効率が得られるものである。
この不完全整流法とは、整流波形の一部に非整流波形を加えた電流を用いて陽極酸化処理を行う方法であり、非対称な整流波形が電流密度を大きくする。また、ＰＲ法及びパルス法とは、周期的に電流又は電圧の極性を反転させるパルス波形を用いた電解方法であって、電流回復現象によって高い電流密度で電解が可能であることが特徴である。
In particular, the electrolysis method is not a direct current method, a constant current method, or a constant voltage method, but is an incomplete rectification method, a PR method (periodic reverse electroplating), or a pulse method, and high electrolysis efficiency can be obtained.
The incomplete rectification method is a method of performing anodization using a current obtained by adding a non-rectified waveform to a part of the rectified waveform, and the asymmetric rectified waveform increases the current density. The PR method and the pulse method are electrolysis methods using a pulse waveform that periodically inverts the polarity of current or voltage, and are characterized in that electrolysis can be performed at a high current density by a current recovery phenomenon. .
ＭＡＯ処理における電解液は、ｐＨ８〜１２のアルカリ電解液である。すなわち、シュウ酸水溶液，硫酸，クロム酸，リン酸，又はそれらの混酸を用いて陽極酸化処理を行うアルマイト処理とは全く異なり、ケイ素，アルミニウム等の水酸化物を混合した水溶液を用いる。このことにより、電解効率が向上する。また、アルカリ性の電解液の使用は、高電圧，高電流密度，及びパルス電解のような特殊な電解法と組み合わせることにより可能となるもので、これらの条件が全て揃うことにより、高硬度の酸化アルミニウム被膜が形成される。 The electrolyte in the MAO treatment is an alkaline electrolyte having a pH of 8-12. That is, unlike an alumite treatment in which an anodic oxidation treatment is performed using an oxalic acid aqueous solution, sulfuric acid, chromic acid, phosphoric acid, or a mixed acid thereof, an aqueous solution in which a hydroxide such as silicon or aluminum is mixed is used. This improves the electrolytic efficiency. Alkaline electrolytes can be used in combination with special electrolysis methods such as high voltage, high current density, and pulse electrolysis. An aluminum coating is formed.
アルマイト処理は、印加電圧が数Ｖで電流密度が数Ａ／ｄｍ2 という電解条件で、直流電流により陽極酸化処理を行うものがほとんどであった。特に、シュウ酸水溶液，硫酸水溶液，クロム酸水溶液等の電解液中での処理が一般的であるが、このような陽極酸化処理により得られた酸化アルミニウム被膜は、多数の微細孔を有するとともに完全な結晶性ではなく、表面硬さはＨｖ５００〜７００が上限であった。
これに対して、ＭＡＯ処理は、被処理物と対極との間の印加電圧方法，電流密度，及び電解質の選び方により、結晶性の酸化アルミニウム被膜を、２〜１０μｍ／ｍｉｎの大きい速度で成長させることができ、しかも数百μｍの厚さに成長させることができる。
Most of the anodizing treatment is anodization treatment by direct current under an electrolytic condition in which the applied voltage is several volts and the current density is several A / dm 2 . In particular, treatment in an electrolytic solution such as an oxalic acid aqueous solution, a sulfuric acid aqueous solution, or a chromic acid aqueous solution is common, but the aluminum oxide film obtained by such anodizing treatment has many fine pores and is completely The upper limit of the surface hardness was Hv 500 to 700.
On the other hand, in the MAO treatment, a crystalline aluminum oxide film is grown at a large rate of 2 to 10 μm / min depending on the method of applied voltage between the workpiece and the counter electrode, the current density, and the way of selecting the electrolyte. Moreover, it can be grown to a thickness of several hundred μm.
また、ＭＡＯ処理によって生じる酸化アルミニウム被膜は、α−Ａｌ2 Ｏ3 及びβ−Ａｌ2 Ｏ3 の少なくとも一方からなる結晶性物質で形成されている。そして、その組成をパルス電流及び電解液の条件によって制御できるので、硬質なα−Ａｌ2 Ｏ3 を主成分とする酸化アルミニウム被膜を形成可能である。よって、ＭＡＯ処理によって得られる酸化アルミニウム被膜はアルマイト被膜よりも硬く、セラミックに相当する硬さ（Ｈｖ８００〜１２００）を有し、耐摩耗性，耐食性，耐熱性が格段に優れている。さらに、酸化アルミニウムは耐摩耗性に優れ摩擦係数が高いので、ＭＡＯ処理による酸化アルミニウム被膜を形成した可動体を用いれば、超音波モータのエネルギー効率やトルクを低下させることなく、超音波モータの寿命を向上させることができる。 In addition, the aluminum oxide film generated by the MAO treatment is formed of a crystalline material composed of at least one of α-Al 2 O 3 and β-Al 2 O 3 . And since the composition can be controlled by the conditions of the pulse current and the electrolytic solution, it is possible to form an aluminum oxide film mainly composed of hard α-Al 2 O 3 . Therefore, the aluminum oxide film obtained by the MAO treatment is harder than the alumite film, has a hardness (Hv 800 to 1200) equivalent to ceramic, and has excellent wear resistance, corrosion resistance, and heat resistance. Furthermore, since aluminum oxide has excellent wear resistance and a high coefficient of friction, the life of an ultrasonic motor can be reduced without reducing the energy efficiency and torque of the ultrasonic motor by using a movable body on which an aluminum oxide film is formed by MAO treatment. Can be improved.
なお、ＭＡＯ処理において陽極として使用し得る合金は、アルミニウム合金，チタン合金，マグネシウム合金等であるが、使用可能なアルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｍｎ系（３０００系），Ａｌ−Ｓｉ系（４０００系) ，Ａｌ−Ｍｇ系（５０００系) ，Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（６０００系) ，Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系（７０００系) 等が好適である。ただし、Ａｌ−Ｃｕ系（２０００系) ，純アルミニウム（１０００系) 等も、電解質中にマンガン，ケイ素，マグネシウム等を添加すれば、使用可能である。 Alloys that can be used as an anode in the MAO treatment are aluminum alloys, titanium alloys, magnesium alloys, and the like, but usable aluminum alloys are Al-Mn (3000), Al-Si (4000). ), Al-Mg-based (5000-based), Al-Mg-Si-based (6000-based), Al-Zn-Mg-based (7000-based), and the like are suitable. However, Al-Cu (2000 series), pure aluminum (1000 series), etc. can also be used if manganese, silicon, magnesium or the like is added to the electrolyte.
〔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且つ陽極酸化処理による酸化アルミニウム被膜を表面に形成した可動体を用いて、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。
〔Example〕
The present invention will be described more specifically with reference to the following examples.
An ultrasonic motor having the same configuration as the ultrasonic motor of FIG. 1 described above was manufactured using a movable body made of an aluminum alloy as shown in Table 1 and having an anodized aluminum oxide film formed on the surface thereof.
実施例１〜５の場合の陽極酸化処理は、図２の処理装置を用いた前述のＭＡＯ処理である。電解液は、ケイ素，アルミニウム等の水酸化物の水溶液とメタリン酸とを混合して、ｐＨ１０〜１１に調整したアルカリ溶液であり、液温は５０℃に保持した。そして、電圧４００Ｖ、電流密度５０Ａ／ｄｍ2 という電解条件のパルス電解法で、４０分間（実施例２のみ１０分間）電解処理を行い、表面に厚さ２０μｍの酸化アルミニウム被膜を形成させた。 The anodic oxidation process in Examples 1 to 5 is the above-described MAO process using the processing apparatus of FIG. The electrolytic solution was an alkaline solution adjusted to pH 10-11 by mixing an aqueous solution of hydroxide such as silicon and aluminum and metaphosphoric acid, and the liquid temperature was kept at 50 ° C. Then, an electrolytic treatment was performed for 40 minutes (10 minutes only in Example 2) by a pulse electrolysis method with a voltage of 400 V and a current density of 50 A / dm 2 to form an aluminum oxide film having a thickness of 20 μm on the surface.
比較例１〜４の場合の陽極酸化処理は、アルマイト処理である（処理装置は図２のものを用いた）。電解液は、ｐＨ１〜２に調整したシュウ酸溶液である。そして、電圧３０Ｖ、電流密度５Ａ／ｄｍ2 という電解条件の直流電解法で、４０分間電解処理を行い、表面にアルマイト被膜を形成させた。
このようにして製造した超音波モータの耐摩耗性を調査するため、可動体と振動体とを７０ｋＰａの圧力で加圧接触させ回転速度３５０ｍｉｎ-1で２時間回転させる回転試験を行った。そして、回転試験前後の可動体の質量変化を測定することにより摩耗量を評価するとともに、回転試験後の酸化アルミニウム被膜の剥離状態を目視により観察した。
The anodizing treatment in Comparative Examples 1 to 4 is an alumite treatment (the treatment apparatus shown in FIG. 2 was used). The electrolytic solution is an oxalic acid solution adjusted to pH 1-2. Then, electrolytic treatment was performed for 40 minutes by a direct current electrolysis method under an electrolysis condition of a voltage of 30 V and a current density of 5 A / dm 2 to form an alumite film on the surface.
In order to investigate the wear resistance of the ultrasonic motor thus manufactured, a rotation test was performed in which the movable body and the vibrating body were brought into pressure contact with a pressure of 70 kPa and rotated at a rotation speed of 350 min −1 for 2 hours. And while measuring the mass change of the movable body before and behind a rotation test, while evaluating the amount of wear, the peeling state of the aluminum oxide film after a rotation test was observed visually.
結果を表１に併せて示す。表１の摩耗量の数値は、比較例１の摩耗量を１とした場合の相対値で示してある。また、酸化アルミニウム被膜の剥離状態は、目視により剥離が確認されなかった場合は○印、剥離が確認された場合は×印で示してある。なお、酸化アルミニウム被膜の表面硬さを微少硬度計で測定した結果も、表１に併せて示す。
表１から分かるように、実施例１〜５は、ＭＡＯ処理による酸化アルミニウム被膜のビッカース硬さがＨｖ８００以上であるので、ビッカース硬さがＨｖ８００に満たないアルマイト被膜を有する比較例１〜４と比べて、摩耗量が格段に少なかった。そして、ビッカース硬さが高いほど、摩耗量が少ないという傾向があった。また、実施例１〜５は酸化アルミニウム被膜の剥離が認められなかったが、比較例１〜４はアルマイト被膜の脱落による剥離が生じた。
The results are also shown in Table 1. The numerical values of the wear amount in Table 1 are shown as relative values when the wear amount of Comparative Example 1 is 1. Further, the peeled state of the aluminum oxide film is indicated by a mark “◯” when the peel is not visually confirmed, and a mark “x” when the peel is confirmed. The results of measuring the surface hardness of the aluminum oxide film with a microhardness meter are also shown in Table 1.
As can be seen from Table 1, in Examples 1 to 5, since the Vickers hardness of the aluminum oxide film by MAO treatment is Hv800 or higher, compared with Comparative Examples 1 to 4 having an alumite film whose Vickers hardness is less than Hv800. Therefore, the amount of wear was much less. And there was a tendency that the higher the Vickers hardness, the less the amount of wear. In Examples 1 to 5, peeling of the aluminum oxide film was not observed, but in Comparative Examples 1 to 4, peeling occurred due to dropping of the alumite film.
１ 圧電体
２ 振動体
３ 可動体
1
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