JP4366933B2

JP4366933B2 - 振動波モータ

Info

Publication number: JP4366933B2
Application number: JP2002371686A
Authority: JP
Inventors: 三奈小林; 亮一菅沼
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: JP2004208352A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気機械変換素子を用いて振動子に振動波を発生させ、この振動波により相対運動部材を摩擦駆動させる振動波モータに関し、特に、摩擦接触面を改良した振動波モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電気機械変換素子を用いて振動子に振動波を発生させ、この振動波により、相対運動部材を駆動させる振動波モータが知られている。この種の振動波モータにおいて、振動子と相対運動部材とは摩擦接触されており、振動子に発生した振動波、例えば、超音波振動は、相対運動部材に伝達され、相対運動部材が摩擦駆動される。従って、振動子は、与えられた超音波振動を効率よく相対運動部材に伝える必要がある。このため、振動子には、高弾性材料、例えば鉄系やステンレス系の金属材料が用いられている。
【０００３】
また、従来の振動子と相対運動部材との摩擦接触面は、様々な試みがなされており、一例として、一方の面にアルマイト層を設け、他方の面にＮｉ層を設けたものが用いられている。ここで、アルマイトとは、アルミニウムを陽極酸化して耐食性酸化皮膜をつけたものである。
【０００４】
このアルマイト層とＮｉ層の摩擦接触面には、潤滑油等は用いられない。従って、この摩擦接触面は、非流体力学的な潤滑、いわゆる境界潤滑が主となる。このため、酸化皮膜が、潤滑油的な役割を果たすこととなり、酸化皮膜は、超音波振動の伝達効率、すなわち振動波モータの機能に大きな影響を与える。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の振動波モータは、長時間にわたって摩擦駆動されると、摩擦接触面の酸化皮膜が劣化し、振動子、相対運動部材の接触面が磨耗するようになる。これにより、振動波モータは、接触面に磨耗粉が発生し、駆動性能が不安定になり、最終的には駆動できなくなる可能性がある。
【０００６】
例えば、従来のアルマイト層とＮｉ層とを摩擦接触面とする振動波モータは、連続耐久試験での寿命が約１３時間程度であった。また、アルマイト層とＮｉ層との硬度差により、アルマイト層が磨耗するという問題があった。そこで、従来以上に摩擦接触面を安定させることにより、駆動状態を安定させ、振動波モータの寿命を延ばすことが要請されている。
【０００７】
一方、従来の無機材料同士を摩擦接触面とする振動波モータは、振動子と相対運動部材の両方に表面処理等を行っているので、マスキングを含めた製作に要する時間の短縮や、コスト等の低減が要請されている。特に、振動子は、電気機械振動子を接着するので、振動子側の接着面に表面処理が行われることを防ぐ必要がある。
【０００８】
本発明の課題は、摩擦接触面の摩耗を少なくし、駆動性能を安定化し、長寿命化を図ることができる振動波モータを提供することである。
【０００９】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、電気機械変換素子の励振により、弾性体に振動を発生する振動子と、前記振動子に加圧接触され、前記振動により、その振動子との間で相対運動を行う相対運動部材とを備える振動波モータにおいて、前記振動子と前記相対運動部材との摩擦接触面を含む部分の少なくとも一方は、マイクロビッカース硬さが４５０〜８５０のニッケル合金被膜層であり、他方は、ビッカース硬度が４５０以下のニッケルを含む鉄系材料でかつ表面がクロム酸化膜であることを特徴とする振動波モータである。
請求項２の発明は、請求項１に記載の振動波モータにおいて、前記クロム酸化膜は、前記振動子の摩擦接触面の表面に形成されていることを特徴とする振動波モータである。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の振動波モータにおいて、前記振動子は支持体に固定された不動体であり、前記相対運動部材は前記支持体に対して相対移動する移動体であることを特徴とする振動波モータである。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、前記鉄系材料は、ビッカース硬度が４５０以下のステンレスであることを特徴とする振動波モータである。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、前記ニッケル合金被膜層は、無電解ニッケル−リン基メッキ処理又は複合無電解ニッケルメッキ処理により形成したことを特徴とする振動波モータである。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、前記ニッケル合金被膜層は、厚さが５〜１００μｍの範囲であることを特徴とする振動波モータである。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、前記ニッケル合金被膜層は、１００〜４００℃で加熱硬化処理されていることを特徴とする振動波モータである。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項７に記載の振動波モータにおいて、前記ニッケル合金被膜層は、熱処理後のマイクロビッカース硬さが４５０〜８５０であることを特徴とする振動波モータである。
【００１５】
請求項９の発明は、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、前記ニッケル合金被膜層は、その母材が鉄系材料又はアルミニウム材料であることを特徴とする振動波モータである。
【００１６】
請求項１０の発明は、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、前記ニッケル合金被膜層は、その母材が切削加工後に研削又は研磨され、表面粗さＲｙが１．２μｍ以下であることを特徴とする振動波モータである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の各実施形態の説明は、振動波モータとして超音波の振動域を利用する振動波モータを例にとって行う。
図１は、本発明による振動波モータの一実施形態の外観構成を示す斜視図である。
この振動波モータ１０は、圧電体１１と、弾性体１２と、移動体１３と、フレキシブルプリント基板１４と、振動吸収材１５と、支持体１６等とから構成されている。
圧電体１１は、電気機械変換素子の１つであって駆動信号の供給により励振されるものであり、フェルト等の振動吸収材１５を介して、カメラのレンズ鏡筒等の支持体１６に固定されている。
弾性体１２は、導電性を有する接着剤等により圧電体１１と接着され、圧電体１１の励振により進行性振動波を発生させるものである。弾性体１２は、ステンレス材料，インバー材料等の鉄合金から形成される。
移動体１３は、弾性体１２に圧接され、前記進行性振動波により摩擦駆動されるものである。
フレキシブルプリント基板１４は、圧電体１１に駆動信号を供給するためのものであり、圧電体１１の所定の電極部と電気的に接続されている。
【００１８】
図２は、本実施形態に係る振動波モータの弾性体１２と移動体１３との摩擦接触面を詳細に示す断面図である。
移動体１３の弾性体１２との接触面上には、無電解ニッケル−リンメッキなどのニッケル合金皮膜層１７が設けられている。すなわち、弾性体１２は、鉄系材料、例えば、ステンレス材料で作製されており、実際には、移動体１３に形成されたニッケル合金皮膜層１７と接触している。
【００１９】
次に、本実施形態の振動波モータをさらに詳細に説明する。
弾性体１２は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）によって作製されている。この弾性体１２の材料は、ビッカース硬度が４５０以下である。そして、弾性体１２の底面に圧電体１１をエポキシ系接着剤で接着した。
この弾性体１２の材料は、ステンレスであり、表面がクロム酸化膜に覆われているので、ニッケルが含まれていても、そのニッケルは露出していない。また、この材料は、ビッカース硬度が４５０以下で柔らかく、摺動によって消滅するが、ただちに膜が生成されるので、移動体３にニッケルが含まれていても、共材による磨耗がしにくい。
移動体３の方は、一瞬、露出して共材となるが、不動体ではないので、削れてくる可能性がある。このため、ニッケル合金皮膜層１７は、熱処理後のマイクロビッカース硬さが４５０〜８５０と硬くすることが好ましい。
【００２０】
一方、移動体１３は、Ａｌ合金（Ａ６０６３）によって作製されている。そして、ニッケル合金皮膜層１７は、無電解ニッケル−リン基メッキ又は複合無電解ニッケルメッキ処理を施すことにより、移動体１３の表面に皮膜が形成されている。
ニッケル合金皮膜層１７は、従来のアルマイト処理と比較して、コストを高くせずに生成することができる。また、無機材料同士での摩擦接触面で従来必要であった弾性体１２への表面処理を省いたことにより、更にコストを低減することができた。
【００２１】
従来は、ステンレス合金に含まれるニッケルと、無電解ニッケル−リンメッキに含まれるニッケルが、共材料による共摺りの現象を発生し、磨耗が著しく進行すると考えられてきた。
しかし、本件発明者が鋭意研究した結果、ステンレス合金表面には、クロム酸化物が生成し、摺動により一旦消滅しても、直ちに、クロム酸化物が生成するため、共摺り現象が発生しないことが明らかになった。
【００２２】
表１〜３は、本発明の実施形態による振動波モータのニッケル合金皮膜の詳細と、モータ性能・形状の変化を示したものである。
【００２３】
【表１】

【００２４】
表１は、無電解ニッケル−リン皮膜の厚さと性能変化を示した表である。
この実験では、厚さ３、５、３０、５０、８０、１００μｍの無電解ニッケル−リンメッキの皮膜層１７を、図１に示すような振動波モータ１０の移動体１３に形成し、連続駆動２０時間後の入力電流値の変化率を調べたところ、３μｍ以下では１０％以上、５μｍ以上ではそれぞれ５％以下であった。ここで、入力電流変化率については、その値が小さいほど、モータ性能が安定していることを示している。
この結果、ニッケル合金皮膜層１７は、その厚さが５〜１００μｍの範囲であることが好ましいことがわかった。なお、１００μｍ以上であっても、性能面では問題ないが、無電解メッキは、時間管理をするので、１００μｍ以上では、膜形成に時間がかかり過ぎて、生産性が悪くなる。
【００２５】
【表２】

【００２６】
表２は、加熱硬化処理（ニッケル合金皮膜の母材：ＳＵＳ３０４の場合）と膜厚の変化を示す表である。
この実験では、無電解ニッケル−リンメッキの皮膜層１７を、図１に示すような振動波モータ１０の移動体１３に形成し、０（処理なし）、１００、３００、４００、４５０°Ｃ加熱処理を行ったのちに、連続駆動４０時間後の皮膜磨耗厚を調べたところ、それぞれ、８、５、５、５、７μｍであった。ここで、皮膜磨耗厚についても、その値が小さいほど、モータ性能が安定していることを示している。
この結果、ニッケル合金皮膜層１７は、１００〜４００°Ｃで加熱硬化処理されていることが好ましいことがわかった。なお、４５０°Ｃを超える加熱硬化処理を行うと、脆くなるので好ましくない。
【００２７】
【表３】

【００２８】
表３は、切削後の処理と性能変化を示す表である。
この実験では、図１に示すような振動波モータ１０の移動体１３の母材を、アルミニウム合金（Ａ６０６３）として、切削後の処理として、処理なし、ＧＣ（グリーンカーボランダム）＃１０００にて研削、ＧＣ＃４０００にて研磨を行ったところ、表面粗さがそれぞれ、Ｒｙ（最大粗さ）＝１．６、１．２、０．８μｍであった。その後、移動体１３の母材に、無電解ニッケル−リンメッキの皮膜層１７を施し、１時間駆動当たりの入力電流変化率を調べたところ、Ｒｙ＝１．６以下では約１０％、Ｒｙ＝１．２、０．８μｍではそれぞれ５％以下であった。
この結果、ニッケル合金皮膜層１７は、その母材が切削加工後に研削又は研磨され、表面粗さＲｙが１．２μｍ以下であることが好ましいことがわかった。
【００２９】
以上の構成からなる振動波モータ１０を駆動させたところ、以下のような、従来の振動波モータと比較して有利な効果が得られた。
（１）弾性体１２の形状が変化しない。
（２）摩擦接触面の磨耗量が極めて少なく、長時間にわたって安定した摩擦駆動ができる。
（３）弾性体１２と移動体１３との加圧によって生じる駆動トルクが大きい。
（４）摩擦駆動時に発生する騒音が少ない。
（５）長時間の駆動により経時劣化が少なく安定した駆動が得られる。
【００３０】
また、連続で摩擦駆動させる耐久試験を実施したところ、本実施形態の振動波モータ１０の寿命は、１２０時間であった。これは、従来の振動波モータの寿命（１３時間）の約９．２倍である。
【００３１】
（変形形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、以下のような種々の変形が可能である。
（１）本実施形態では、移動体１３側にニッケル合金皮膜層１７を形成したが、これとは逆に、弾性体１２をアルミニウム若しくはアルミニウム合金、又は、鉄若しくは鉄系合金によって製作し、弾性体１２側にニッケル合金皮膜層１７を形成し、移動体１３を鉄若しくは鉄系合金によって製作してもよい。
【００３２】
（２）本実施形態では、ニッケル合金皮膜に、無電解ニッケル−リンメッキを用いたが、他のニッケル合金皮膜であってもよい。例えば、無電解ニッケル−リン−ボロン、無電解ニッケル−リン−ＰＴＦＥ等の各種複合無電解ニッケルメッキ、又は、電解ニッケルメッキであってもよい。
（３）本実施形態では、ニッケル合金皮膜の母材に、アルミニウム合金を用いたが、その他の材料（鉄系材料）であってもよい。例えば、各種鉄鋼材料（Ｓ１５Ｃ、Ｓ５５Ｃ、ＳＣｒ４４５、ＳＮＣＭ６３０等）でもよい。
（４）本実施形態では、弾性体として、ステンレスを用いたが、その他の鉄系材料を用いてもよい。例えば、各種鉄鋼材料（Ｓ１５Ｃ、Ｓ５５Ｃ、ＳＣｒ４４５、ＳＮＣＭ６３０等）でもよい。
【００３３】
（５）本実施形態では、回転型の振動波モータ１０に適用したが、リニア駆動型の振動波アクチュエータにも適用することができる。
（６）本実施形態では、進行性振動波によって移動体１３を駆動する振動波モータ１０を示したが、ねじり振動体の振動によって移動体を駆動する振動波モータにも適用することができる。
（７）また、本発明は、超音波領域を用いない電気機械変換アクチュエータにも適用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明によれば、弾性体と相対運動部材との摩擦接触面を含む部分の少なくとも一方がニッケル合金皮膜層（無電解ニッケル−リン基メッキ皮膜層等）を、他方に、ビッカース硬度が４５０以下の鉄系材料を用たので、摩擦接触面の磨耗を少なくし、長時間にわたり安定した駆動を実現することができ、振動波モータの寿命を延ばすことができる。また、皮膜が剥離してしまうことを防止することができる。さらに、真空中の駆動も可能であり、駆動初期の動作も安定する。
【００３５】
また、弾性体と相対運動部材との摩擦接触面を含む部分の少なくとも一方に、ビッカース硬度が４５０以下の鉄系材料を用いたので、表面処理が不要となり、樹脂材等の接着が不要となるため、コストダウンをはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による振動波モータの一実施形態の外観構成を示す斜視図である。
【図２】弾性体１２と移動体１３との摩擦接触面を詳細に示す断面図である。
【符号の説明】
１０振動波モータ
１１圧電体
１２弾性体
１３移動体
１４フレキシブルプリント基板
１５振動吸収材
１６支持体
１７ニッケル合金皮膜層

Claims

電気機械変換素子の励振により、弾性体に振動を発生する振動子と、
前記振動子に加圧接触され、前記振動により、その振動子との間で相対運動を行なう相対運動部材と、
を備える振動波モータにおいて、
前記振動子と前記相対運動部材との摩擦接触面を含む部分の少なくとも一方は、マイクロビッカース硬さが４５０〜８５０のニッケル合金被膜層であり、他方は、ビッカース硬度が４５０以下のニッケルを含む鉄系材料でかつ表面がクロム酸化膜であること
を特徴とする振動波モータ。
請求項１に記載の振動波モータにおいて、
前記クロム酸化膜は、前記振動子の摩擦接触面の表面に形成されていることを特徴とする振動波モータ。
請求項１又は請求項２に記載の振動波モータにおいて、
前記振動子は支持体に固定された不動体であり、前記相対運動部材は前記支持体に対して相対移動する移動体であることを特徴とする振動波モータ。
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、
前記鉄系材料は、ビッカース硬度が４５０以下のステンレスであること
を特徴とする振動波モータ。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、
前記ニッケル合金被膜層は、無電解ニッケル−リン基メッキ処理又は複合無電解ニッケルメッキ処理により形成したこと
を特徴とする振動波モータ。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、
前記ニッケル合金被膜層は、厚さが５〜１００μｍの範囲であること
を特徴とする振動波モータ。
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、
前記ニッケル合金被膜層は、１００〜４００℃で加熱硬化処理されていること
を特徴とする振動波モータ。
請求項７に記載の振動波モータにおいて、
前記ニッケル合金被膜層は、熱処理後のマイクロビッカース硬さが４５０〜８５０であること
を特徴とする振動波モータ。
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、
前記ニッケル合金被膜層は、その母材が鉄系材料又はアルミニウム材料であること
を特徴とする振動波モータ。
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、
前記ニッケル合金被膜層は、その母材が切削加工後に研削又は研磨され、表面粗さＲｙが１．２μｍ以下であること
を特徴とする振動波モータ。