JP3450524B2 - 振動アクチュエータ - Google Patents
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Description
させた振動によって、該振動子に圧接した接触体を相対
的に移動させる振動アクチュエータに関するものであ
る。
1785号公報より棒状超音波モータの断面図を図10
に示してある。圧電素子3に印加された交流電圧により
振動子1が首ふり振動を起こし、その摺動部Bの表面粒
子は楕円運動を生じる。一方、移動体2は摺動部Bに加
圧接触させることで、振動子より摩擦駆動力を与えられ
る。ところでこの時振動子側の摩擦層1a’はNi−P
−SiC複合メッキであり、振動子部材1の全体にほど
こされている。
来例では摩擦層として必要な機能を前記複合メッキで与
えているわけであるが、このメッキの大部分は前記機能
とは無関係な所にほどこさなければならない結果になっ
ている。それでもメッキそのものが全体的に均一かつな
めらかに付着されれば、単に無駄な処理ということで済
んでしまうが、メッキ厚の不均一性やその表面粗さ、う
ねりにより、メッキ処理後の後加工の必要性が生じてく
る。第1の例として、振動子の摺動面1a′は圧電素子
の微小な変位を有効に受けとめなければならないため、
切削や研削で得られる程度の面精度に仕上げる必要があ
る。そこで、実際メッキ処理後に前記摺動面はラップし
ている。このことは圧電素子を振動子に接着するタイプ
のものでも同様である。第2の例として、摩擦駆動に用
いられる振動モードの共振周波数はある一定の範囲にお
さめる必要性から、メッキ部を後加工で除去しなければ
ならないことが上げられる。すなわち、図10の従来例
で言えば、振動子1のくびれている部分1d′に付着し
ているメッキを部分的に除去して、所定の周波数に調整
する必要が生じることである。この件については特開平
5−300768号公報に詳しく記載されてあるので、
ここではその詳細は省略する。
試みがある。しかし、この方法であると樹脂やゴムの剛
性が小さいため、それらの材料による成形品が一定の形
を保てず、振動子と結合させようとしても高い位置精度
を維持することが困難になる。逆に前記成形品を厚肉に
して剛性を高めたものを振動子に結合させると、樹脂や
ゴムの振動減衰が大きいため、モータのエネルギー損失
が大きくなってしまう。
記した従来の問題点を解決することを目的とする。本発
明の目的を実現する手段は、振動体の摺動部分を振動体
に結合した別部材とするとともに、接触体の振動体の摺
動部分と接触する部分を、摺動部分よりも摩耗量の多い
ステンレス製とし、斜めに形成したことである。
提となる振動波アクチュエータとしての超音波モータを
示している。図1はモータ全体の縦断面図である。
ー用圧電素子(電気−機械又は機械−電気エネルギー変
換素子)3と電極板4を挾持用の上部振動子構成体1と
下部振動子構成体5の間にはさんだ上、ボルト6により
締結して構成している。また上部振動子構成体1とボル
ト6を電気的に絶縁するために、絶縁シート7が介装さ
れている。振動子の摺動面1bに生じる振動変位の大き
さはくびれ部1dの太さにより調整される。この摺動面
1bには接触体としての移動体2の摺動面2bがコイル
バネ8の伸びようとする力で圧接される。振動子の摺動
面1bに生じた変位は、摩擦により移動体2に伝えら
れ、ギヤ9を介して外部に出力される。
(a)は上部振動子構成体1に別部材としての摺動用部
材10−1を圧入して結合して構成した例である。従来
は上部振動子構造体1には全面にNi−P−SiCメッ
キが施されていたが、本実施例ではJIS規格C360
4の黄銅が表面処理せずそのまま使われている。又摺動
用部材10−1は析出硬化系ステンレス鋼板をプレス加
工でリング状に打抜いた後、バレル処理により、かえり
部、だれ部及びバリを除去した。この様な形状はプレス
加工により容易に作製出来るので、切削などの加工法に
比べて大巾に工程を短縮出来る。この時ステンレス鋼の
硬さはビッカース硬さで480程度であったが、この後
475℃という低温で時効処理することで580程度ま
で上昇した。この様に析出硬化系の材料を使えば、加工
する時比較的軟質で加工しやすく、又摺動摩耗量を低減
するための硬化処理が残留歪の余り生じない低温で行わ
れるため、変形やスケールも生じにくい。
を使用しても良いし、又、オーステナイト系ステンレス
鋼に冷間圧延を施し、加工誘起マルテンサイト組織を生
じさせて使っても良い。さらに、耐食性の高いオーステ
ナイト系ステンレス鋼JIS規格SUS316を用い
て、表面を窒化処理して使っても良い。一方、移動体は
JIS規格アルミ合金A5056H34に硬質アルマイ
ト処理をしたものである。
起を設けたものである。この摺動部材10−2は切削加
工、焼結成形加工、プレス加工などで該突起部も含めて
成形出来る。プレス加工の場合は突起部の反対側の面を
押し込むことで容易に突起部を成形出来る。
イトエッヂが振動子側の摺動面と接触しないので摩耗耐
久性が向上する。この突起部は上部振動子構成体1の端
部よりさらに外側に位置しているので、結合後この摺動
面をラップ処理(回転している平らな円板を試料に当て
て、試料の平面度や表面粗度を向上させる処理で、試料
の最外側面しか円板面が接触しないので、凹んだところ
はラップ処理出来ない)出来る。
入しても良いし、冷しばめ、焼ばめでも良い。又接着剤
による接着力を併用しても良い。本実施例では結合面は
モータ軸と平行な面1fと垂直な面1eになるが、間に
空隙部11−1を設けて、上記2面が交わらない構造に
なっている。結合面1fは摺動部材10−2のモータ軸
心に対する同軸度を良好に保つものであり、結合面1e
は摺動部材10−2のモータ軸方向位置精度を保つため
のものである。この2つの役割は前述した図2(a)に
おいても共通のものであるが、図2(b)ではさらに空
隙部11−1を設けることで、結合面1eでの結合(接
触)を確実にし、摺動部材10−2のモータ軸方向の位
置精度をより高めている。結合面1eは台形部の真下に
あっても良い。図2(c)は摺動部材10−3の外周側
を振動子構成体1に結合した例を示している。摺動部材
がアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロン、窒
化アルミなどのセラミック又はアルミ合金にアルマイト
処理をした材料又は炭素材料(グラファイト)やガラス
などの無機材料の他、超硬(カーバイド)をはじめとし
たサーメットは硬いものが多く良好な摩擦材となるが、
圧縮による破壊応力が引張りによるそれより比較的大き
いので、外周側を結合面の1つとした。以上述べたよう
な材料では、摺動部材としては高い摩擦力を得ながら耐
摩耗性も高いので、超音波モータ用の摩擦部材として高
い機能を発揮する上、ゴムや樹脂材料と違って振動減衰
も小さいので振動のさまたげにならない。しかし、この
様な材料は加工性が金属などと比べて劣るため、振動子
構成体全体をそれらの材料で作るのは実用的でない。本
実施例では、加工性の劣る材料を簡単なリング形状にす
れば良い。
を予めラップ処理しておいてから、振動子構成体1と結
合した。移動体2との圧接位置は図で下の方になってい
る。これは、振動子の摺動面粒子の振動方向を変えた所
で摩擦駆動させようとした例である。
底面の幅をもった部材、すなわち薄肉パイプを輪切りに
した様な摺動部材10−5を振動子構成体1に圧入した
ものである。摺動部材10−5と振動子構成体1との結
合を確実にするため空隙部11−2を設けている。又、
結合部1fを圧接するため振動子構成体1に溝部12を
設けて支持部1gにバネ復元力をもたせて、しっかり結
合させている。図2(f)はモータ軸心を含む平面によ
る切断面形状がL字形をしているリング部材を圧入した
例である。前述のバネ復元力を摺動部材10に溝10a
(図2(g)参照)を設けることで与えるようにした。
摺動面はL字形断面の陵線近傍で形成される。なお、該
切断面形状はL字形の他円弧の一部、曲線の一部、多角
形の一部あるいは曲線と直線を組合わせた形状などでも
良い。この形状のねらいは図2(b)の所で説明したこ
と以外に、モータの起動性を改良することである。すな
わち、摺動部を多角形の陵線や曲面の一部という狭い幅
にすることで、モータの起動性能を向上させることがで
きる。すなわち、高湿度下では移動体側摺動面と振動子
側摺動面の間の狭いすきまに水分が凝縮し、互いを密着
させてしまう。この時、この摺動面が広いと上述の密着
力も増大するのである。
部材10−7を圧入して、その板厚に相当する面を摺動
面としている。
ータを示すもので、振動子構成体1の摺動面近傍に溝1
hを設けて、振動子側の摺動面にも剛性的柔さをもたせ
ている。こうすることで移動体2には簡単な形状の溝2
cで移動体の設計が可能になり、この様な形状の移動体
のツバ部2dには図1の様にアンダーカット部がないの
で、プレス加工で成形することも可能になる。
(a)は摺動部近傍の拡大図で、別に成形された摺動部
材10−8を振動子構成体1に圧入している。
材10−9を振動子構成体1にプロジェクション1iで
溶接している。溶接によると確実な金属結合が出来るた
め振動を阻害しない。溝部1jは前述摺動面における剛
性的軟さの程度を安定させるために設けたものである。
より結合させたもので、ネジによる結合で最も確実な結
合を期待出来る。突起10bは図2(b)で説明した突
起をプレス加工で成形した例である。移動体2の方も図
の様に2部品に分けると摺動部材として最適なものを加
工上の実用性を阻害せず選択できる。この実施例では部
材2dがステンレス鋼で、摺動部材10−10はアルミ
合金にアルマイト処理したものである。
1において、移動体側と摺動する面10bの中に凹み部
を設けた例である。こうすることで、前述した起動性の
改良がなされる。又、逆に凸部10cを摺動部として用
いても同等の効果がある。凹みのかわりに孔でも良い
し、凹み部は内外周まで及んでもかまわない。
材10−12に付与するためにスリット10dを付与し
た例である。この場合、移動体2との摺動面は10bに
なる。断面形状は図ではL字形になっているが直線でも
かまわない。
(a)は今まで説明してきた例が片持ちバリによる剛性
的軟さの付与に対して、両端支持または両端固定の例で
ある。変位の方向がモータの軸心方向に近いのでこの方
向への振動変位が必要な時有効となる。又、摺動部材1
0−13の凹み部10fは移動体が偏心して回転しない
よう設けている。
なり、摺動部材10−14の外周側で振動子構成体に対
して結合している。これも図5(a)の例と同じく、振
動変位の方向によって選択される例である。摺動面10
bはプレス加工によりカーリング成形が施されている。
効果は図2(b)で述べたことと同じである。
構成体1に対して1kをつぶしてかしめることで結合し
ている。振動子構成体1に用いられる材料の延性が高い
時は簡単な割には確実な結合方法となる。本例では摺動
部材10−15はリン青銅よりなり、その表面にはNi
−Pメッキが施されている。本例では摺動部材10−1
5を成形してからメッキなどの表面処理あるいは表面コ
ーティングをしている。
り予め素材に表面処理、表面コーティングをしておいた
ものをプレス加工などにより打ち抜いて摺動部材10−
16としている。こうすることで、1つ1つの部品に処
理する必要がないので表面処理、表面コーティングの工
程を大巾に短縮出来る。例えば、純アルミ又はアルミ合
金板をプレス順送加工により摺動部材10−16の形状
を作製しておく。但し、多数の部材をバラバラにせず、
さんでつなげておいたままにする。これをアルマイト処
理した後、個々の部材としてさんから切り離して摺動部
材とする。表面処理はアルマイトの他に、摺動部材の素
材として鉄合金、銅合金などを選んで、Cr、Ni合
金、Coなどのメッキをする他、ステンレス鋼に窒化し
たものでも良い。表面コーティングとしては樹脂コーテ
ィング、溶射などでも良い。又、本例では図(c)の例
とは逆に凹部を移動体側との摺動面に用いている。この
理由は前述した偏心をおさえるためだけでなく、次の効
果もある。例えば樹脂コーティングや溶射コーティング
する時の例の様に、コーティング直後に溶融状態の膜は
その表面張力により図の様に凹み部は平坦部に比べて厚
くなる。摩擦摺動材として使用される所だけの膜が厚く
なって、モータの耐久性能が長くなるのである。
レス加工で突起10hを設けたものである。移動体側の
摺動部との接触はこの突起部10hのみでおこなわれ
る。接触が3か所であり、これにより面を決定できるの
で、この突起部はラップ加工することなく、移動体側摺
動面と均一な接触が可能になる。この突起は図の様な線
状のものに限らず点状でも良い。又、線状であってもこ
の部材の直径方向と角度をもっても良い。つまり放射状
以外でも良い。
(a)は移動体2において、摺動面での剛性を低くする
ために設けたツバ部2dを斜めにして、図2(f)と同
等の変形方向を達成した例を示している。この例では移
動体側のツバ部材2dには時効硬化型ステンレス鋼を用
い、振動子側摺動部材10−18には超硬材料を用い
た。超硬材料に比べてステンレス鋼の方が摩耗量が多い
のだが、ツバ部2dの先端が摩耗していくと、超硬材料
方はその外周寄りにツバ部先端との接触位置が移動して
いき、両方の材料ともまんべんなく摩耗していき、モー
タの耐久性が向上した。図6(b)は振動子側、移動体
側ともにばね性をもたせた構造のものである。ツバ部2
dの先端の摩耗が進んでもモータとしての機能が保たれ
る。モータの耐久性をより向上されるにはツバ部2dの
軸方向長さを長くしておくと良い。この構造の場合、振
動子側摺動部材10−19にはツバ部2dの部材より耐
摩耗性の高い材料を使用することが望ましい。図6
(c)は図6(b)と全く配置が逆の例を示している。
振動子側摺動部材10−18〜10−20の材料として
数多くをテストした結果、図7に示す組み合わせが耐摩
耗性の点で良好な結果を示した。
モータを示しており、その駆動原理など詳細は昭60−
210175号公報などに記載されている。この種の超
音波モータは圧電素子3が振動体1に接着されて振動子
を構成している。2は移動体である。ここで、振動体に
は多数の溝1iが設けられており、この溝1iにより振
動変位を拡大している。従来、この溝1iの加工は切削
又は研削加工に頼らざるをえなかったので多大な工程を
必要とした。第4実施例ではこれを図9(a)のよう
に、複数の孔20dをプレス加工やエッチング加工で作
製した板20−1を(b)の様にプレス成形して、振動
子構成体1に接着や溶接で強固に結合した。この様にし
て振動子を構成することで、振動子構成体1に生じた曲
げ振動変形を確実に該プレス成形品に伝達することが出
来る上、摺動部材20−1には切削や研削加工が困難な
材料でも採用可能になり、大巾な工程短縮が達成出来
た。
た構造を示している。振動子側摺動部材20−2に直接
圧電素子3を貼りつけている。図9(d)はそのプレス
用ブランクで、リング状部材に孔20dがあけてある。
工で成形する時の金型構造を示している。
動金型30を図において下方に押下げることにより部材
20−2は図9(c)の形状にプレス加工される。
ので、略リング状の摺動用部材10−21はその内周面
(A)で振動子構成体1と嵌合していると共にその外周
面(B)でも同じ振動子構成体1と嵌合している。次に
この様に内外周面に両嵌合にすることによる利点につい
て説明する。
る材料の摺動用部材を振動子構成体にはめこむと、振動
子構成体と摺動用部材の材料(熱膨張係数)は異なる事
になる。
ってはめ合い状態に変化が生じ、摺動用部材と振動子構
成体との間にすき間ができた場合には、振動などの影響
も加わってモーター回転時に摺動用部材が加圧接触され
ている移動体と共に、まわってしまう可能性がある。
子構成体1を黄銅(BS)摺動用部材2をステンレス鋼
JIS規格SUS440Cにした場合、ステンレス鋼よ
りも黄銅の方が熱膨張係数が大きい為、内径のみ嵌合の
場合では低温(−20℃)環境下で、又外径のみ嵌合の
場合高温(45℃)環境下で振動子構成体と摺動用部材
の間にすき間が出来てしまい(図13(a),図14
(b))、摺動用部材2が回転してしまう危険性が大き
くなる。
は、逆にすき間がなくなる方向に変化することになる。
のSUS440Cから成る摺動用部材において温度が4
5℃から−20℃に変化する事により、BS母材から成
る振動子構成体との間に計算上おおよそ4μm程度のす
き間が生じる事になる。
によって固定する方法も考えられるが、接着剤塗布位置
が振動子と移動体の接触部近傍であることなどを考えた
場合、接着箇所、接着量の管理をきびしく行わなければ
ならずトータル的なコストupにつながってしまう。
10−21は、その内径面(A)で振動子構成体1と嵌
合していると共にその外径面(B)でも同じ振動子構成
体1と嵌合させている。この様にすると環境の変化によ
り(A)の部分にすき間ができてもその時は、必ず
(B)の部分は、すき間がつまる事になる(逆も同
じ)。
嵌合にする事により環境(温度)が変化しても必ずどち
らか一方のすき間がつまる方向に働く為、接着剤等を用
いなくても摺動部材10−21が振動子構成体1に対し
て回転する事がない。
体に対する嵌合を逆にしたもので効果は図11と全く同
じである。なお、図11,12で摺動用部材のリング状
断面はL型であるが内外両嵌合であれば形状は問わない
ことはむろんである。
例7は略リング状の摺動用部材10−22と振動子構成
1のはめこみ底面部に傾斜を設けくさび状にして挿入し
たものである。
にすき間が出来る環境の時、(B)部はより密着する方
向に働き、又(B)部にすき間が出来る環境の時は
(A)部は密着する方向に働く為、摺動用部材の回転を
防止する事ができる。実施例7は図15,16で示す様
に移動体2からの加圧力が成分a,bに分けられ、成分
aができたすき間をうめる様な働きを示す。
る。図19のような構造では、移動体2の加圧力はすき
間をうめる働きはしないが、図20のように摺動用部材
をくさび状にして挿入することにより成分aは温度変化
で生じたすき間をうめるように摺動用部材を移動させ
る。
10−22を移動体2によって常に加圧しているかぎ
り、すき間がなくなる方向に動くので、よりシンプルな
はめあい構造を得る事ができる。
例を示すもので、振動子構成体と摺動用部材の内径面と
外径面の関係をそれぞれ逆にしたものである。
例11は摺動用部材10−23の内周に突起101を設
けて硬度の低い振動子構成体に圧入する様に結合させ
て、突起101を噛み合せて強固に固定したものであ
る。突起形状は山型,凹凸型,丸型などどのような形状
でもよい。又突起の数は軸方向,円周方向共適宜の数と
する。
動用部材10−23の外周面に突起101を設けたもの
である。
0−23の周方向の摩擦力が大きくなり、環境の変化に
よっても摺動用部材10−23の回転を防止できる。
モータを示すもので、略リング状の摺動部材20−3は
図9で示す実施例と同様にプレス加工により形成されて
いる。実施例13では振動子構造体1に凹みを形成し
て、摺動部材20−3の内径面及び外径面の両方で嵌合
するようにしている。この構造により、図24(a)で
示す常温時では摺動部材20−3は振動子構造体1に対
して、内径面(A)及び外径面(B)で嵌合する。例え
ば、上述の実施例のように振動子構成体1を黄銅(B
S)で形成し、摺動部材20−3をステンレス鋼(SU
S)で形成したとしても、図24(b)で示す高温時で
は内周面(A)は強く嵌合しており、又、図24(c)
で示す低温時では外周面(B)は強く嵌合している。し
たがって、温度変化に基づく熱膨張係数の差があっても
摺動部材20−3は振動子構成体1と強く結合してお
り、摺動部材20−3が振動子構成体1に対して回転し
たり、外れたりすることはなくなる。
時に振動子構成体の方が摺動部材より膨張する例を示し
たが、逆の関係であっても同様な効果を得ることができ
るものである。
定とし、移動体を移動させるようにしたが、これは移動
体(接触体)を固定とし、振動体を移動させることもで
きる。本発明は振動体に発生させた振動によって振動体
と接触体とが相対移動すればよい。
耐久性が高く、効率が高くかつ起動性がすぐれた振動ア
クチュエータを容易な加工手段で振動体又は接触体を提
供できる。
図。
図。
図。
Claims (2)
- 【請求項1】 電気信号を印加することにより、駆動部
に振動を発生させる振動体と、該振動体の摺動部分と接
触し、該振動体の振動によって該振動体と相対移動する
接触体とから構成される振動アクチュエータにおいて、 前記振動体の前記摺動部分を該振動体に結合した別部材
とし、前記接触体の該摺動部分と接触する部分を該摺動
部分よりも摩耗量の多いステンレスを用いて、斜めに形
成したことを特徴とする振動アクチュエータ。 - 【請求項2】 前記振動体の前記摺動部分をプレス加工
によって成形したことを特徴とする請求項1に記載の振
動アクチュエータ。
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