JPH04193081A - 超音波モーターのステーター部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は電気機械変換効率に優れた。駆動効率の高い
超音波モータの部品であるステーター部材とその製造方
法に関するものである。

「従来の技術」 超音波モーターは、交流電圧を負荷して発生させた圧電
素子の機械的振動により弾性体に振動を励起し１弾性体
の表面に発生する質点の楕円運動を進行波として回転運
動を得るアクチュエーターである。圧電素子によって発
生した振動はステーター（振動体）に存在する多数の溝
によって増幅され、その表面に加圧接触するローター（
移動体）に伝達されて回転玉ふルギーとなる。その場合
に振動エネルギーの一部はステーター内部や圧電素子と
の接着面での減衰によって熱エネルギーとなって熱伝導
によって放散される。従ってステーター材料として要求
される特性は次ぎの通りである。

（１）内部摩擦が低く圧電素子が発生した振動がすくに
減衰しないこと （２）発生した熱が速やかに伝導して温度上昇が抑制さ
れるように熱伝導性に優れていること（３）多数の溝を
加工により削り出すことから機械加工性に優れた材料で
あること 以上の観点からステーター材料として現在は銅合金が使
用されている。しかしながら溝を形成するためには精密
な機械加工を必要とするのでコストが増加し、量産上の
問題となっている。

一方１機械加工を避けるために、粉末冶金法による焼結
部品を使用することが検討されたが、微細な溝の成形が
できないため疎密な溝しか得られない。また寸法精度を
維持するために焼結時の寸法収縮を抑制すると密度が充
分高くできず残留空孔が減衰特性を劣化させるなどの問
題点があり。

さらに焼結後の密度がばらつくために共振周波数のばら
つきの原因となり量産時に均一な製品が得られないとい
う問題があった。結局、経済性と寸法精度、物理特性な
どを総合的に満足させるステーター材料とその製造方法
はないというのが現状である。

「発明が解決しようとする課題」 前記のように従来の材料及び製造方法では減衰特性、熱
伝導性が悪く、且つ機械加工コストが高いという課題が
あった。

本発明者らは上記の問題点を解消することを目的として
、Ｗ（タングステン）あるいはＭｏ　　（モリブデン）
を主体とした金属粉末を原料として用いることによって
物理特性を改善し、且つ原料粉末を樹脂バインダーと混
合して射出成型により成形体を造り、バインダー除去、
焼結する方法を用いて精度の高い焼結部品をつくること
によって加工コストを低減する方法を発明して特願平２
−９４７４０号として特許出願した。該発明はある程度
従来のステーターの物理特性を改善し且つ機械加工のコ
スト高の欠点を解消するものであるが。

材料として高価なＷ、Ｍｏの粉末を用いるため。

材料費が高（なるという課題があった。

「課題を解決するための手段」 本発明者等は減衰特性、熱伝導性等の物理特性に優れ、
溶解鋳造法では製造できない優れた特性を有し、安価な
金属粉末を原料とし、且つその合金材料を粉末冶金で従
来の方法では得られないような形状および精度に成形、
焼結し、残留空孔がゼロの焼結を実現することによって
前記従来の課題を解決せんとした。

本発明者らは前記の点を鑑み、安価なＦｅを主成分とす
る合金粉末を射出成型することによってこさらの問題が
解決できることを見出した。

すなわち、この発明は炭素を重量％で０．４〜１．０％
含有し、残部が実質的Ｓこ鉄からなり１その密度が理論
密度比で９４％以上の材料からなることを特徴とする超
音波モーターのステーター部材であり、この部材を鉄を
主体とする合金または混合粉末を有機系バインダーと混
合し、所定のステーター形状に射出成型した後５有機系
バインダーを除去するとともに焼結して精度の高い焼結
素材とした後、僅かな機械加工或いは塑性加工によって
製造する製造方法である。

さらに部材の表面にＦｅ５０　ａの酸化膜を形成すると
耐食性の向上に宥効であり、また該酸化膜の形成を水蒸
気処理で行うと有利である。

「作用」 超音波モーターのステーターの材料として鉄を主体とす
る合金粉末を用いると安価な材料を使用することができ
る。

超音波モーターのステーターはセラミックの圧電素子と
樹脂を介して張り合わせる。圧電素子で発生した振動は
ステーターに伝えられ９表面の楕円運動を進行波として
ローターに伝えられて回転の運動エネルギーとなるが、
そのエネルギーの一部はステーター内部及び圧電素子と
の接着界面で減衰し熱工ぶルギーとなってしまう。

鉄の内部摩擦は少量の炭素を添加すると急激に低下する
。そして炭素含有量が０．６〜０．８％で極小値に達し
、はぼ現在使用されている銅合金と同じレベルに達する
。一方熱伝導性は炭素含有量の増加と共に低下するがそ
の程度は比較的小さい。

すなわち、第１図に示すように、鉄の振動に対する固有
減衰係数（すなわち内部摩擦の大きさを示す値）は炭素
添加量に大きく依存し、０．６〜０．８　ｗｔ％で極小
値になる。従って炭素量が０．４ｗｔ％以下あるいは１
．０ｉｖｔ％以上では内部摩擦が著しく増加してモータ
ーの効率の低下９発熱の増加による温度上昇を招くので
好ましくない。

本発明のステーター部材としては理論密度比が９４％以
上が望ましい。それは内部に存在する空孔は内部摩擦を
増加させるばかりでなく、熱伝導率をも低下させるから
であり、できれば９６％以上の密度とすることが望まし
い。

鉄を主成分とする微粉末を主原料とする単一もしくは混
合粉末を樹脂バインダーと予め混合して射出成型するこ
とによって精度の優れた成形体を得ることができる。こ
の成形体を加熱することによってバインダーを除去する
とともに焼結すると理論密度比９４％以上の焼結体を容
易に得ることができる。とくに原料粉末として微粉末を
使用することによって寸法精度の高い固相焼結による高
密度化が可能となる。射出成型で得られた成形体は密度
分布が一様であるため、焼結時に均一な収縮が得られる
ので、焼結緻密化した部品は良好な寸法精度を有しおり
３削り代の小さい切削や研磨にような僅かな機械加工或
いは簡単な塑性加工（例えばサイジング）で精密なステ
ーター部材とすることができる。

鉄系の焼結材料の部品は耐食性が悪い。これを表面処理
を施すと耐食性を向上させることができる。その方法と
しては鉄系焼結機械部品でしばしば行われている水蒸気
処理によって表面にＦｅ５０゜の酸化皮膜を形成するの
が適当である。この水蒸気処理によっては内部摩擦を大
きくすることはなく、又部品を大量に処理することがで
きて量産性にも優れているからである。水１気処理によ
って形成するＦｅ３０＝の酸化皮膜の厚さは５μｒｒｌ
〜５００μＩとするのが適当である。それは５μｍ未満
では耐食性の改善が望めず、５００ｕｍ以上二こ厚くし
てもその溜めの処理コストの増加に見合う耐食性の改善
が得られない。

「実施例」 実施例１゜ 平均粒径５μ謡、最大粒径１２μ−〇カーボニル鉄粉末
をワックス系樹脂をバインダーとして混練して１００ｘ
ｌＯｘ　１　ｔｍの板状の成形体とリング状で表面に中
心角１０度刻みに幅１ｍＩＩ＋、深さ２ｍｍの溝をもう
けた外形６０■のステーター形状の成形体を射出成型に
より造った。これらの成形体を水素雰囲気中で３００〜
４００°Ｃで加熱してバインダーを除去した後、減圧下
で雰囲気中のＣＯ／ＣＯｚ比を焼結後の残留カーボンが
約０．７％になるように調整しつつ１１２０〜１３５０
℃の温度範囲で焼結して、焼結後の密度が理論密度比で
８６．９１．９４．９６．９８％の焼結体を得た。板状
焼結素材から内部摩擦測定用試験片と熱伝導度測定用試
験片を削り出した。

内部摩擦測定用試験片を用いて横型振動法で一次共振の
位置で試験片を吊り下げ、共振振動をさせた後、自由振
動としその減衰挙動から内部摩擦を求めた。熱伝導度測
定用試験片を用いてレーザーフラッシュ法により熱伝導
度を測定した。

ステーター形状の焼結素材は寸法精度が良好であったの
で仕上げ機械加工の後、圧電素子を張りつけて超音波モ
ーターに組み込んだ。この超音波モーターを駆動してそ
の特性（モーター効率）を測定した。

比較のため従来超音波モーターのステーターとして用い
られているリン青銅合金（ＪＩＳ　Ｃ５１，９１Ｂ　−
Ｈ）について同形の試験片を造り同様の測定を行った。

その結果は表１の通りであった。

表１ すなわちカーボンを０．７％含み密度比が９４％以上の
焼結材を用いたステーターは、従来品と殆ど変わらない
性能を示すことが分かる。

実施例２゜ 実施例１で用いたカーボニル鉄粉末をワックス系樹脂を
バインダーとして混練して、　　１００　Ｘ　１０　Ｘ
１Ｍの板状の成形体とリング状で表面に中心角１０度刻
みに輻１＋ｍ、深さ２−の溝をもうけた外形６０閣のス
テーター形状の成形体を射出成型により造った。これら
の成形体を水素雰囲気中で３００〜４００°Ｃで加熱し
てバインダーを除去した後、減圧下で雰囲気中のＣＯ／
ＣＯ２比を調整しつつ１２５０°Ｃの温度で焼結を行い
、焼結後の残留カーボンが約０．２．０．４．０．６．
０．８．１．０％の焼結体を造った。

それらの焼結体の密度は理論密度比で約９６％で一定で
あった。

実施例１と同様に板状焼結素材から内部摩擦測定用試験
片と熱伝導度測定用試験片を削り出して。

同じ方法で内部摩擦と熱伝導度を測定した。またステー
ター形状の焼結素材を機械加工の後、圧電素子を張りつ
けて超音波モーターに組み込み。

超音波モーターを駆動してその特性（モーター効率）を
測定した。

その結果は表２の通りであった。

表２ 以上の結果から本発明品より良好なモーター効率を得る
ことができることが分かった。

実施例３゜ 実施例２で作製した炭素量約０．８％のステーターに水
蒸気処理を施し１表面に膜厚約２００μｌのＦｅ３０ｓ
酸化膜を形成させた。そしてそのステーターを超音波モ
ーターに組み込み、性能を評価した。その結果はモータ
ー効率２８％を示し、良好であった。

「発明の効果」 以上に詳しく説明したように１本発明は良好な特性の超
音波モーターのステーターを安価な材料でコスト安で大
量に量産できるものであり、超音波モーターのステータ
ーの部材及びその製造方法として非常に有効なものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は鉄系材料の内部摩擦と炭素含有量の関係を示す
グラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．炭素を重量％で０．４〜１．０％含有し，残部が実
   質的に鉄からなり，密度が理論密度比で９４％以上であ
   ることを特徴とする超音波モーターのステーター部材 ２．鉄粉末を焼結した材料であることを特徴とする請求
   項１記載の超音波モーターのステーター部材 ３．表面に５μｍ以上５００μｍ未満のＦｅ＿３Ｏ＿４
   の酸化膜を形成したことを特徴とする請求項１もしくは
   ２記載の超音波モーターのステーター部材４．合金また
   は混合粉末を有機系バインダーと混合し所定のステータ
   ー形状に射出成型した後，有機バインダーを加熱除去す
   るとともに焼結した素形材を機械加工或いは塑性加工に
   よって寸法矯正して製造することを特徴とする超音波モ
   ーターのステーター部材の製造方法 ５．焼結体または寸法矯正を行った部材に水蒸気処理を
   行って表面に酸化皮膜を形成することを特徴とする請求
   項４記載の超音波モーターのステーター部材の製造方法 ６．原料粉末としてカーボニル鉄粉末を使用し，焼結中
   の雰囲気のＣＯ／ＣＯ＿２比を調整して焼結体の炭素含
   有量を調整することを特徴とする請求項４もしくは５記
   載の超音波モーターのステーター部材の製造方法