JP3252539B2 - 超音波アクチュエーター - Google Patents

超音波アクチュエーター

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JP3252539B2
JP3252539B2 JP16433093A JP16433093A JP3252539B2 JP 3252539 B2 JP3252539 B2 JP 3252539B2 JP 16433093 A JP16433093 A JP 16433093A JP 16433093 A JP16433093 A JP 16433093A JP 3252539 B2 JP3252539 B2 JP 3252539B2
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ultrasonic actuator
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隆利 芦沢
大助 佐谷
亮一 菅沼
正典 市川
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超音波アクチュエータ
に関するものであり、とりわけ固定子を形成する材料に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】超音波アクチュエーターの代表例として
進行波型超音波アクチュエーターがある。この進行波型
超音波アクチュエーターは特公平1―17354等で公
知であるが、この進行波型超音波モーターは電気―機械
変換素子である圧電体(以下、圧電体と記述する)の伸
縮を利用して弾性体の駆動面に進行波を発生させ、この
進行波によって駆動面に加圧接触した移動体を駆動させ
ている。
【0003】超音波アクチュエーターの弾性体は、駆動
効率を向上するために櫛歯形状といった複雑な形状をし
ていることから、製作に膨大な費用がかかるといった問
題点があった。 この問題点に対して、粉末冶金により
複雑な形状の弾性体を一発成形することで製作コストを
低下させる方法が特開平4―109878により開示さ
れている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平4―1
09878によると、粉末冶金で製作した弾性体は、相
対密度約95%が上限であり、合金内の空孔が少なくと
も約5%存在していた。この合金内の空孔は、振動を減
衰される作用がある。従って、これにより移動子の駆動
効率が大きく低減していた。この様なことは、電源容量
等が限られる場合等で、高効率が要求された超音波アク
チュエーターの弾性体に適用するに対して大き課題点と
なっていた。
【0005】本発明は、この様な課題点を解決すること
で、製作コストが少なくて、振動減衰が小さい超音波ア
クチュエーターの弾性体を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1の発明では、駆動信号により励振される電
気―機械変換素子と、前記電気―機械変換素子に接合さ
れ前記励振により駆動面に振動波を生ずる弾性体と、前
記弾性体の駆動面に加圧接触する接触部材とから構成さ
れ、前記振動波により接触部材または弾性体が駆動され
る超音波アクチュエーターにおいて、前記弾性体は、
を主成分とし射出成形及び焼結によって得られ、溶性材
に対しての相対密度を95%以上とした焼結体からなる
ように構成した。
【0007】また、請求項2の発明は請求項1の発明
において、弾性体として平均結晶粒経が20μm以下の
ものを使用している。
【0008】
【作用】請求項1の発明によれば、弾性体11は射出成
形及び焼結により得られ、溶性材に対しての相対密度が
95%以上であるので、焼結体内の空孔率が少なくなる
ことで、振動減衰を小さくすることができる。これによ
り、高駆動効率が必要な超音波アクチュエーターの弾性
体にも適用することができる。また、鉄を主成分とし射
出成形にて作製するために、櫛歯形状のような複雑な形
状のものも一発で成形することができ、製作コストを低
減することができる。
【0009】請求項2の発明によれば、弾性体の平均結
晶粒径を20μm以下にすることで、さらに弾性体の振
動減衰を低下させることができる。
【0010】
【実施例】図1は、本発明の第1実施例を示した図であ
る。固定子1は、駆動信号により励振する圧電体12
と、該圧電体に接合され前記励振により駆動面11aに
進行性振動波を生ずる弾性体11とから構成され、弾性
体11の外周面にフランジ13が形成されている。この
フランジ13は、弾性体と連接される薄肉部13aと、
該薄肉部13aの外縁に連接される肉厚部13bとから
なる。肉厚部13bは固定子支持体3に接合され、該固
定子支持体は不図示の超音波アクチュエーターを搭載す
る機器に固定される。
【0011】移動子2は、移動子母材21と、移動子母
材に接合され、摺動面22aで前記弾性体の駆動面11
aに加圧接触されている摺動材22とから構成され、移
動子母材21の外周面にはフランジ21aが形成され、
その外縁部に肉厚部21bが連接されている。該肉厚部
21bには、不図示の加圧部材による加圧力が加えられ
ていて、これにより、摺動面22aと駆動面11aに加
圧接触される。さらに該肉厚部21bは、不図示の移動
目的体にも連接されている。
【0012】この様な構成によると、弾性体11の駆動
力は移動子2に摩擦的に伝達され、さらに、この駆動力
は該肉厚部21bから不図示の移動目的体に伝達され
る。弾性体11は、相対密度95%以上の材料により構
成されている。従来の粉末冶金では相対密度95%位が
上限であったが、金属粉末を射出成形して焼結させるこ
と(メタルインジェクションモールディング)で、相対
密度95%以上の合金を得ることができるようになっ
た。相対密度が大きいと、空孔率が少なくなり振動減衰
が小さくなる。これは、本出願人の実験結果によっても
明らかにすることができる。
【0013】供試材は短冊状に加工したものを用い、こ
れを加振器により振動させてみた。前記供試材は固有周
波数で共振するのであるが、この共振時の周波数(約2
0kHz)の内部摩擦を測定してみた。材料は、超音波
アクチュエーターの弾性体として特開平2−29017
1に開示されているインバー(鉄系Ni合金)を用い
た。
【0014】図2に相対密度と内部摩擦と関係を測定し
た図を示した。内部摩擦Q−1は、次の式で示される。
【0015】
【数1】
【0016】ここでfrは供試材の共振周波数、f1と
f2は共振曲線でfr時の振幅値の21/2 倍になるfr
の下と上の周波数を表している。この図によれば、相対
密度が大きいほど内部摩擦が小さくなっていることがわ
かる。従って、この様な材料を超音波アクチュエーター
の弾性体に使用した場合に、内部摩擦が小さい(相対密
度が大きい)ほどエネルギーの損失が少なくなる。特に
相対密度が95%以上になると、超音波アクチュエータ
ーの弾性体として用いても駆動効率が低下しないで好適
である。
【0017】図3に金属粉末を射出成形して焼結させた
弾性体を用いた超音波アクチュエーターの共振抵抗及び
駆動性能について測定した結果である。弾性体は、イン
バー材の金属粉末を射出成形して焼結させたもので、そ
の相対密度は98.2%である。この弾性体を図1に示
したような超音波アクチュエーターに組立てた。この時
の固定子の共振抵抗値は90(Ω)、移動子を定格駆動
(ある負荷与えた時、ある回転速度を保たせた)させた
時、消費電流は1.05(W)となった。
【0018】この様に、弾性体を射出成形して焼結させ
る方法は、相対密度が95%以上が得られるために、超
音波アクチュエーターとしては好適な結果が得られるこ
とがわかる。本実施例では、図1に示したような構成と
したが、これは一例であり、本発明の範囲が本実施例の
図のみに適用されるものではない。
【0019】次に、第2実施例について説明する。第2
実施例では、弾性体11を相対密度95%以上で結晶粒
径の小さな材料より構成されている。具体的には平均結
晶粒径20μm以下としている。平均結晶粒径20μm
以下といった数値は、次に説明する本発明者の実験によ
る。まず、供試材は短冊状に溶製材のインバー材を加工
したものを用い、これを加振器により振動させてみた。
前記供試材は固有周波数で共振するのであるが、この共
振時の周波数(約20kHz)の内部摩擦を測定してみ
た。
【0020】また、供試材のインバーは二種類を用意
し、一方は再結晶温度を越えた焼き鈍し(1350℃、
1時間)を行い、他方は焼き鈍しを行わなかった。この
二種類の供試材の平均結晶粒径を測定したところ、焼き
鈍しを行わなかった方は20μm、行った方は70μm
であった。実験の結果を図4に示した。20μmと70
μmを比較すると、20μmの方は内部摩擦Qー1が低
くなっている。
【0021】この様に、結晶粒径が小さくなると、一定
体積当たりの結晶粒界の密となり、内部摩擦Qー1が小
さくなることがわかる。この原因として、転位の挙動が
関与しているものと考えられる。弾性体の振動は、弾性
体内にある周期的な応力が生じている状態と考えると、
その応力に応じて材料内に存在する転位が動くことがで
きる。一般的な材料内には、必ず結晶格子の点欠陥であ
る転位が存在し、材料の降伏応力以下でも応力に応じて
動くことができる。この転位が動くということは、エネ
ルギーがそこで消費されるということであり、これが振
動エネルギーの損失の主原因と考えられる。従って、転
位が動きにくい様な工夫を加えれば、振動エネルギーの
損失が抑えられ、振動の減衰性の小さい材料が得られ
る。転位が動きにくい状態とは、複数の方向から動いて
きた転位が障害物により幾つも堆積し、複雑にもつれた
状態が知られている。転位を堆積する障害物には、結晶
粒界がある。つまり、一定体積の中で結晶粒界が多けれ
ば、転位の動きにくい状態が発生されやすく、内部摩擦
が低減すると考えられる。
【0022】本発明では、平均結晶粒径を20μm以下
にすることで、内部摩擦がさらに小さくなり、超音波ア
クチュエーターの弾性体としてさらに好適となった。金
属粉末を射出成形して焼結する方法において、結晶粒径
を小さくする方法としては、金属粉末の粒径を小さくす
る方法、射出成形するときの圧力を高めることで加工硬
化させる方法等とがある。特に、金属粉末を射出成形し
て焼結する方法では、金属粉末の径を数μmという様
に、従来の粉末冶金より粉末の径を極めて小さくできる
ために、結晶粒径を小さくすることに対しては有効であ
る。
【0023】次に、第3実施例について説明する。第
1、2実施例では、本発明の弾性体を円環状の進行波型
超音波アクチュエーターに使用した場合を示したが、本
発明は超音波アクチュエーターの振動子にも適用でき
る。この様な超音波アクチュエーターの駆動原理は、特
開平1−315282等により開示されているために、
ここでは概略的に述べる。
【0024】移動子102は、端面が駆動面121dと
なる互いに平行な駆動部121aと該駆動部を連結する
連結部121bとから成り、駆動部と連結部との結合部
が面取りされた面取り部121cを有し、圧電体122
の励振で駆動面121dに振動波を発する弾性体121
と、前記面取り部121cに設けられ、駆動信号により
励振する圧電体122と、から構成されている。
【0025】固定子101は、前記弾性体の駆動面11
aに加圧接触されているレール材から構成されている。
この様な構成によると、圧電体122の駆動信号により
弾性体121の駆動面121dに振動波が生じ、固定子
101からの反力により移動子102が駆動される。
【0026】弾性体121は、金属粉末を射出成形して
焼結した相対密度95%以上の材料により構成されてい
る。従って、振動減衰が小さくなり、エネルギーの損出
を少なくすることができる。また、一発成形のために切
削工程が省略され、製作費を低減することができる。ま
た他にも、他のリニア型超音波アクチュエーターや定在
波型超音波アクチュエーターも、圧電体の振動を振動子
で励振してその弾性体の振動により駆動力を発生させる
ものならば、相対密度95%以上にすることで、または
/かつ平均結晶粒径20μm以下の材料を弾性体に用い
ることで、内部摩擦が小さくなることから、超音波アク
チュエーターの弾性体として好適となるといった点とに
おいては、本発明の効果が生じる。
【0027】また、本発明の実施例では、電気的エネル
ギーを機械的なエネルギーに変換する電気ー機械変換素
子に圧電素子を用いたが、電歪素子を用いてもよい。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
射出成形して焼結する方法は、鉄を主成分とし相対密度
95%以上にすることができる。従って、焼結体内の空
孔率が少なくなることで、振動減衰を小さくすることが
できる。これにより、超音波アクチュエーターの弾性体
への使用に好適になった。また、射出成形するために、
櫛歯形状のような複雑な形状のものも一発で成形するこ
とができ、製作コストも低減された。また、弾性体の結
晶粒径を20μm以下としているため、共振の先鋭度を
さらに高めることができ、駆動効率を一層高めることが
できた。
【0029】また、弾性体の平均結晶粒経を20μm以
下にすることで、振動減衰をさらに低下させることがで
きるようになり、超音波アクチュエーターの弾性体への
使用にさらに好適になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を説明する概略図である。
【図2】相対密度と損失係数の関係を示した図である。
【図3】第1実施例の弾性体を使用した超音波アクチュ
エーターの性能を測定した結果である。
【図4】平均結晶粒径と損失係数の関係を示した図であ
る。
【図5】本発明の第3実施例を説明する概略図である。
【主要部分の符合の説明】
1 ─固定子 101 ─固定子 2 ─移動子 102 ─移動子 3 ─支持体 11 ─弾性体 121 ─弾性体 11a ─駆動面 121d─駆動面 12 ─圧電体 122 ─圧電体 21 ─移動子母材 22 ─摺動材 22a ─摺動面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−293978(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02N 2/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 駆動信号により励振される電気―機械変
    換素子と、前記電気―機械変換素子に接合され前記励振
    により駆動面に振動波を生ずる弾性体と、前記弾性体の
    駆動面に加圧接触する接触部材とから構成され、前記振
    動波により接触部材または弾性体が駆動される超音波ア
    クチュエーターにおいて、 前記弾性体は、鉄を主成分とし射出成形及び焼結によっ
    て得られ、溶性材に対しての相対密度を95%以上とし
    た焼結体からなることを特徴とする超音波アクチュエー
    ター。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の超音波アクチュエーター
    において、 前記弾性体の結晶粒径を20μm以下としたことを特徴
    とした超音波アクチュエーター。
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