JP3397627B2

JP3397627B2 - 振動型駆動装置およびこれを用いた装置

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Publication number: JP3397627B2
Application number: JP08962797A
Authority: JP
Inventors: 淳玉井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 2003-04-21
Anticipated expiration: 2017-04-08
Also published as: JPH10285961A; US6107725A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は振動発生用電気−機
械エネルギー変換素子からの振動を受けて振動する振動
体と、この振動体に圧接した接触体とを相対的に移動さ
せる振動型駆動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】上記のような振動型駆動装置（振動型モ
ータ）としては、例えば特開平５−２５２７６７号公報
にて提案されているものがある。このモータは、図６に
示すように、圧電素子１２ａ，１２ｃにより生じる屈曲
振動と積層圧電素子１３により生じる伸縮振動とを合成
することで、摩擦部材５に楕円運動を発生させ、これに
接触する被駆動体（接触体）６を移動させる機構になっ
ている。そして、摩擦部材５には鋼材を用い、被駆動部
材６にはアルミナ等のセラミックを用いている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記モータでは摩擦部
材５は常に同じ場所が接触し衝撃を受けるものの、被駆
動部材６は接触位置が絶えず変化するので、じん性が低
く、疲労強度の低いセラミックが使用できる。しかしな
がら、このセラミックを、摺動部が繰り返し衝撃を受け
る進行波型の振動型モータに適用すると、アルミナ系で
は破壊が発生し易く、他のセラミックでは摩耗が著しく
大きいという問題がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
め、本発明では、電気−機械エネルギー変換により振動
が励起される振動体と、この振動体に接触する接触体と
を摺動させる振動型駆動装置において、振動体の摺動部
および接触体の摺動部のうち一方を、炭化チタンを１重
量パーセント以上含有するアルミナセラミックにより形
成し、他方を鉄系材料により形成しており、両摺動部の
摺動によって一方の摺動部の表面にアルミナセラミック
より軟質な膜を形成している。また、電気−機械エネル
ギー変換により振動が励起される振動体と、この振動体
に接触する接触体とを摺動させる振動型駆動装置におい
て、振動体の摺動部および接触体の摺動部のうち一方
を、炭化ケイ素を１重量パーセント以上含有するアルミ
ナセラミックにより形成し、他方を鉄系材料により形成
しており、両摺動部の摺動によって一方の摺動部の表面
にアルミナセラミックより軟質な膜を形成している。

【０００５】ここで、摺動の相手材をステンレスおよび
ニッケル系耐熱材料等として、酸化物系セラミック、窒
化物系セラミック、炭化物系セラミック、ホウ化物系セ
ラミックおよび超硬等の硬質材料を中心に摺動部の材料
として用いた場合、硬質材料側の摩耗形態が２種類に分
けられることが分かった。

【０００６】その１つが炭化ケイ素等に見られた化学的
摩耗であり、ビッカース硬さが２０００以上もある炭化
ケイ素が摩耗した。しかも、滑らかに摩耗した。この時
の相手材のステンレスはほとんど摩耗していない。比摩
耗量さえ小さければ、常に滑らかな面が摺動面に露出し
ていて、アクチュエータとしての性能（発生トルク）が
安定して望しいのだが、このままでは長寿命のアクチュ
エータはできない。

【０００７】この摩耗は、ビッカース硬さが１０００以
上もあるシリコンウェハーを、それよりも硬さの低いＢ
ａＣＯ₃，ＣａＣＯ₃およびＦｅ₃Ｏ₄などで研磨でき
る原理（メカノケミカル効果）で説明できる。炭化ケイ
素の表面が摩擦熱等によってＳｉＯ₂に変化し、これが
除去されると考えられる。この効果は、Ｍｏ₂Ｃ，Ｗ
Ｃ，ＴｉＢ₂，ＴａＣ，ＴｉＣなどＳｉを含まない物質
においても確認されている。

【０００８】一方、アルミナでは上記のような摩耗形態
はほとんど認められず、長時間の摩擦駆動後、表面に穴
が形成され、その後は比較的早期に破壊が進行した。こ
の破壊を生じるまでの時間は高強度のアルミナほど長く
なった。もともとアルミナ中に気孔が存在している（密
度が小さい）ものは早期に破壊に至る。これはじん性不
足による疲労破壊の発生と考えられる。

【０００９】以上のことから、本発明では、一方の摩擦
材料に、アルミナセラミックを用い、このアルミナセラ
ミックに化学的摩耗を促進し、応力集中を防ぐ作用のあ
る物質である炭化チタン又は炭化ケイ素を重量で１％以
上添加している。若干化学的摩耗を生じる添加物（炭化
チタン又は炭化ケイ素）をアルミナ中に含有させること
で、その表面にアルミナ母材より軟質な膜を形成させる
ことができ、こうすることで実際の接触部分（真実接触
面）を増大させ、応力集中を防ぎ、アルミナの破壊を防
止することが可能となる。炭化チタン又は炭化ケイ素
は、少量で化学的摩耗を生じるためである。多量に加え
ないと効果のないものは、それ自身の占める体積が増え
るので好ましくない。そして、これら添加物自身はアル
ミナより強度が劣るものが多く又強度が低下しないまで
もアルミナとの相境界強度が低いため、添加物を含有し
たアルミナの強度が純粋なアルミナより低下する。よっ
て、少量添加で効果のある上記各添加物が望ましい。

【００１０】また、炭化ケイ素をアルミナセラミックに
含有させる場合、炭化ケイ素をウィスカー状にして含有
させることにより、アルミナの強度とじん性を向上さ
せ、アルミナの破壊的摩耗を防止して寿命の長い振動型
駆動装置を供給するのが望ましい。

【００１１】さらに、相手材として硬質ステンレス、例
えばビッカース硬さが５００以上のマルテンサイト系ス
テンレス又は析出硬化型ステンレスを用いて、摩耗をほ
とんど生じさせないのが望ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）図１には、本発明の第１実施形態であ
る棒状振動型モータ（振動型駆動装置）を示している。
１は振動体であり、この振動体１の下端面１ｃには積層
圧電素子３が接触している。積層圧電素子３はリング部
材５を介してシャフト６の締め付け力により振動体１の
下端面１ｃに押圧されている。振動体１の上端には、硬
質摩擦材１ａが設けられている。

【００１３】２はシャフト６を中心に回転自在な移動体
（接触体）であり、移動体２の下部には金属摩擦材２ａ
が設けられている。金属摩擦材２ａの下端部は、図２に
詳しく示すように、上記締め付け力により硬質摩擦材１
ａに圧接する。移動体２にはこれと一体回転可能に出力
部材９が係合しており、この出力部材９のギヤ部は複写
機等の駆動力伝達機構１０のギヤに噛み合っている。こ
の棒状振動型モータの作動原理は、特開平５−２１１７
８５号公報等にて説明されているので、ここではその説
明は省略するが、要するに、圧電素子３に高周波電気信
号を印加して振動体１に振動を励起し、硬質摩擦材１ａ
と金属摩擦材２ａとの間の摩擦により移動体２を回転駆
動するものである。

【００１４】ここで、硬質摩擦材１ａとして、図３に示
すような種類のものを用意した。これらは円筒研削、平
面研削、ワイヤーカット、レーザ切断等の加工法により
リング状に仕上げ、振動体１にエポキシ接着剤やろう付
け等で接合される。一方、金属摩擦材２ａとしては、図
４に示すものを用意した。これは金属薄板をしぼりおよ
びしごき成形（プレス加工）により段付きの筒状に仕上
げたものであり、摺動部に当たる部分の肉厚はしごき成
形により他の部分より薄くなっている。これは、この部
分の動剛性を高めることに大きく寄与しており、移動体
２の振動体１への追従性を向上させて、いわゆる鳴きの
発生を防止している。

【００１５】そして、図３と図４に示す摩擦材を図５に
示すように組み合わせて、下記の試験を行い、各摩擦材
の優劣を評価した。試験は、図１に示す棒状振動型モー
タを用いて行なわれ、摩擦面に垂直に加わる面圧を４Ｍ
Ｐａに設定し、移動体２の回転数を毎分９００回転に設
定した。これは摩擦材料１ａ，２ａ間の相対速度にして
０．４ｍ／秒に相当する。負荷トルクは２×１０^-3Ｎ・
ｍ（摩擦面に加わる接線力で０．５Ｎ）に設定した。

【００１６】評価はモータを１００時間（摺動距離にし
て１４４ｋｍ）回転させた時に振動体１側の摩擦材１ａ
又は移動体２側の摩擦材２ａが１０μｍ以上摩耗したも
のを図５に×で、移動体２側の摩擦材２ａの摩耗が１０
μｍ以下で、振動体１側の摩擦材１ａの摩耗が１〜１０
μｍのものを△で、移動体２側の摩擦材２ａの摩耗が１
０μｍ以下でかつ振動体１側の摩擦材１ａの摩耗が１μ
ｍ以下のものを◎で示した。なお、振動体１側の摩擦材
１ａの摩耗量に厳しい数値を求める理由は、ここにわだ
ちが形成され、このわだちが深くなるとモータの性能も
低下する傾向にあるためである。

【００１７】図５に示すように、テストＮｏ．１〜１０
では、振動体１側の摩擦材１ａに化学的摩耗を生じた。
これらはすべて破壊することなく、滑らかに摩耗が進行
した。しかも、これらに共通することは、摩耗粉の発生
がきわめて少なかったことである。従来のＮｉ−Ｐ−Ｓ
ｉＣと陽極酸化皮膜（商標名：アルマイト）の組み合わ
せでは、Ｎｉ−Ｐ−ＳｉＣが１０μｍも摩耗すれば、黒
い摩耗粉が多量に発生し、これが摩擦面の間に介在して
モータのトルクを減少させ、回転ムラを生じてしまって
いた。なお、炭化ケイ素では５０〜６０μｍも摩耗した
のに、摩耗粉は確認できない程であった。

【００１８】また、テストＮｏ．１１〜１３では、振動
体１側の摩擦材１ａとして市販のアルミナを使用した
が、Ｎｏ．１１ではアルミナの気孔率が高いために、孔
の角からアルミナが破壊していった。Ｎｏ．１２ではア
ルミナの気孔率は小さいにもかかわらず、やはりアルミ
ナの表面が破壊していった。Ｎｏ．１３ではアルミナが
破壊に至らなかったが、これは、単にテスト時間に依存
しただけと考えられる。つまり、Ｎｏ．１３でもさらに
耐久テストを続けると、１５０時間位で破壊してしまっ
た。そして、一端破壊すると後は急激に摩耗が進むこと
も分かった。なお、これはアルミナの疲労破壊が生じた
結果と予測できる。よって、負荷トルクを減少させれ
ば、この破壊が生じるまでの時間は大幅に増大すると思
われるが、このモータは高トルクであることが最大の特
長になっているので、それではモータの魅力は激減して
しまうことになるので好ましくない。そこで、摩擦接触
するアルミナにおいて、その破壊強度を向上させる方法
として次の２つが適当な手段して挙げられる。

【００１９】１．アルミナのようなぜい性材料に属する
ものでは、応力集中を起こさせないことがきわめて重要
であるが、金属のようにすべり変形を生じて応力を緩和
させる機構を期待できないので、アルミナの表面にアル
ミナ母材より延性が高く軟質な物質をコーティングする
ことが考えられる。しかし、後処理でコーティングした
ものでは、その膜が摩耗してしまえば、その後、例えば
Ｎｏ．１３で使用したアルミナでも１５０時間程度の寿
命しか期待できない。

【００２０】そこで、アルミナに軟質な膜を生じる成分
を含有させることが考えられる。これによれば、いわゆ
る自生作用で次々に軟質な膜を再生できるからである。
軟質な膜はヤング率が小さいか変形抵抗が小さいので、
真実接触面積を増大させ、応力集中を防ぐという効果が
ある。

【００２１】２．アルミナ自身のじん性を向上させて、
疲労強度を増大させる。これには、ウイスカー状の繊維
を含有させることが考えられる。また、ウイスカー材料
そのものが、上記１の効果を与えるものであればさらに
望しい。高強度の繊維によって、クラックの進展が防止
されるわけである。

【００２２】テストＮｏ．１４〜１８では、上記１の考
案の効果が表れていると考えられる。また、テストＮ
ｏ．１９〜２２では、上記２の考案の効果が表れている
と考えられる。

【００２３】テストＮｏ．２３では、超硬を振動子１側
の摩擦材１ａとして使ったものである。超硬はビッカー
ス硬さで２０００以上もある多角形状の炭化タングステ
ンとそれを結合するための軟質なコバルトとの２相組織
になっている。この超硬については、ステンレスを相手
にステンレス以上に摩耗が進行してしまった。しかも、
摩耗面はあたかもラップ加工したかのように滑らかであ
った。走査型電子顕微鏡でその表面を観察すると、硬質
なＷＣ相と軟質なＣｏ相の間に段差がほとんど認められ
ず、しかも、摩耗粉は上記各相に比べて細かく、丸みを
帯びた形状をしており、それらが凝集していた。以上の
ことは、超硬が破砕されて摩耗したのではなく、化学的
な作用で摩耗した結果と考えられる。

【００２４】テストＮｏ．２４では、ステンレス相手に
摩耗の少ない良好な結果を示した高純度アルミナを用い
た。但し、この場合、相手材としてはニッケル基耐熱合
金であるインコネル７５０を選んだ。耐熱材料の特長と
しては、一般に高温での強度（クリープ強度等）が高
く、酸化進行性のスケールが生じないので、摩擦摺動面
が高温になる場合の摩擦材料としては最適と考えたから
である。しかし、結果はインコネル側が著しく摩耗し
た。

【００２５】酸化膜の性質は母材によって異なる。例え
ば、図４の試料Ｎｏ．５のＳＫ４（高炭素鋼）では、通
常赤さび（Ｆｅ₂Ｏ₃→ヘマタイト）を生じる。この膜
中では鉄の拡散係数が大きいので、膜は成長しやすく母
材を腐食させて厚くなる。一方、ステンレスではクロム
が含有されているため、母材に最も近い所に非常に薄い
（１０ナノメートル以下）クロム酸化膜が形成される。
この膜は不動態膜と言われており、鉄原子の拡散が起こ
りにくい。よって、赤さびは成長しにくく、通常表面の
酸化膜は薄い状態に保たれる。上記耐熱材料の場合は、
薄い状態が高温まで保持される。つまり、摩擦状態では
膜の厚さが炭素鋼＞ステンレス＞耐熱材料の順になって
いたと思われる。また、膜自体の密着性も炭素鋼よりス
テンレスの方が強い。以上より耐熱材料では金属凝着が
生じやすく、摩耗が激しく進行し、炭素鋼ではスケール
の成長と脱落をくり返し、テストＮｏ．２８のようにや
や摩耗が大きかったと思われる。ステンレスは適当な厚
さの酸化膜が常に生じていたとみられる。但し、テスト
Ｎｏ．３１のように相手材として焼なましたＳＵＳ４２
０Ｊ２を用いると、硬質のＳＵＳ４２０ｊ２を用いた時
よりそれ自身の摩耗量が増加した。これには母材の塑性
変形抵抗も若干関係していると考えられる。以上の実験
結果から、硬質摩擦材１ａとしてアルミナセラミックに
１重量パーセント以上のケイ素、炭化ケイ素、ジルコニ
ア、炭化チタン、チタン酸カリウム、酸化イットリウ
ム、酸化チタニウムおよびホウ酸アルミニウムを添加し
たものを使用し、金属摩擦材２ａとしてビッカース硬さ
５００以上のマルテンサイト系ステンレス（ＳＵＳ４２
０ｊ２）、析出硬化型ステンレス（ＳＵＳ６３１）又は
高炭素鋼（ＳＫ４）を用いるのが、最も適切と考えられ
る。

【００２６】（第２実施形態）図２には、本発明の第２
実施形態であるリング型の振動型モータを示している。
この振動型モータの駆動原理等は、特開昭５９−２０１
６８５号公報等により既に公知であるためここでは簡単
に説明する。図２において、１１は振動体であり、周方
向所定間隔で多数の突起が形成されている。各突起の先
端、すなわち摺動部には摩擦材１１ａが接合されてい
る。本実施形態では、この摩擦材１１ａに図３に示した
試料Ｎｏ．１９が用いられている。試料Ｎｏ．１９は、
ＳｉＣウイスカーを含有したアルミナセラミックであ
り、この材料を先端面の形状に合わせてレーザ切断し
て、エポキシ接着剤で接着したりハンダ等によるろう付
けで突起に接合する。なお、摩擦材１１ａを、ドクター
ブレート成形で作られたシート成形体をプレス打抜きし
て焼成製作してもよい。

【００２７】振動体１１の各突起には第１実施形態にて
説明したものと同様の移動体（接触体）が接触する。こ
の移動体には摩擦材１２ａとしてステンレスが接合され
ている。１３は振動体１に接合された電気−機械エネル
ギー変換素子であり、交番電圧を受けて振動体１の突起
部に進行性振動波を発生させる。また、移動体２は振動
体１に不図示の加圧手段の加圧力を受けて加圧接触して
いる。その結果、移動体１２が摩擦駆動力を受けて回転
することになるが、この動きは摩擦力を介して生じる相
対的なもので、振動体１１を固定すれば移動体１２が回
転し、反対に移動体１２を固定すれば振動体１１が回転
する。

【００２８】なお、本実施形態においては、振動体１１
側の摩擦材１１ａとしてＳｉＣウイスカー含有のアルミ
ナを用い、移動体側の摩擦材１２ａとしてステンレスを
用いたが、第１実施形態の図５にて評価が◎であったも
のであればいずれを用いてもよい。但し、このタイプの
モータでは、セラミック小片の稜線に移動体側の摩擦材
１２ａが接触するので、第１実施形態の場合より欠け等
の不安が少ないじん性の高いアルミナを用いるのが望し
い。

【００２９】また、上記各実施形態では、硬質摩擦材を
振動体側に設け、金属摩擦材を移動体側に設けた場合に
ついて説明したが、本発明は、硬質摩擦材を移動体側に
設け、金属摩擦材を振動体側に設けた場合にも適用でき
る。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、振動
体と接触体のうち一方の摺動部の材料として、アルミナ
セラミックを用い、このアルミナセラミックに化学的摩
耗を促進して応力集中を防ぐ作用のある添加物である炭
化チタン又は炭化ケイ素を添加しているため、表面にア
ルミナ母材より軟質な膜を形成させることができ、実際
の接触部分（真実接触面）を増大させて応力集中を防
ぎ、アルミナの破壊を防止することができ、振動型駆動
装置の長寿命化を図ることができる。

【００３１】また、本発明では、含有量があまり多くな
らずに上記効果を得られる添加物を選択しているので、
添加物の体積増加を抑え、アルミナ自体の強度低下を抑
えることができる。

【００３２】また、添加物をウィスカー状にして含有さ
れば、アルミナの強度とじん性を向上させ、アルミナの
破壊的摩耗を防止して振動型駆動装置のより長寿命化を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態である棒状振動型モータ
の側面図および部分拡大図である。

【図２】本発明の第２実施形態であるリング状振動型モ
ータの説明図である。

【図３】上記各実施形態における振動体側の摩擦材の一
覧図である。

【図４】上記各実施形態における移動体側の摩擦材の一
覧図である。

【図５】上記摩擦材の評価結果を示す一覧図である。

【図６】従来の振動型モータを示す斜視図である。

【符号の説明】

１，１１振動体１ａ，１１ａ（振動体側の）摩擦材２移動体（接触体）２ａ，１２ａ（移動体側の）摩擦材３，１３圧電素子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電気−機械エネルギー変換により振動が
励起される振動体と、この振動体に接触する接触体とを
摺動させる振動型駆動装置において、前記振動体の摺動部および前記接触体の摺動部のうち一
方が炭化チタンを１重量パーセント以上含有するアルミ
ナセラミックにより形成され、他方が鉄系材料により形
成されており、両摺動部の摺動によって前記一方の摺動部の表面に前記
アルミナセラミックより軟質な膜が形成されることを特
徴とする振動型駆動装置。
【請求項２】電気−機械エネルギー変換により振動が
励起される振動体と、この振動体に接触する接触体とを
摺動させる振動型駆動装置において、前記振動体の摺動部および前記接触体の摺動部のうち一
方が炭化ケイ素を１重量パーセント以上含有するアルミ
ナセラミックにより形成され、他方が鉄系材料により形
成されており、両摺動部の摺動によって前記一方の摺動部の表面に前記
アルミナセラミックより軟質な膜が形成されることを特
徴とする振動型駆動装置。
【請求項３】前記鉄系材料は、ビッカース硬さが５０
０以上のマルテンサイト系ステンレス又は析出硬化型ス
テンレスであ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。