(57)【要約】【課題】低コスト、高効率で信頼性の高い振動波駆動装置を提供する。【解決手段】振動波駆動装置を構成する振動弾性体または移動体を単一のステンレスで製作し、窒化処理をした。これにより、振動減衰の原因となる接合部がなくなり、部品点数も削減でき、さらに、接合部の剥離から生じる故障もなくなった。また、切削面に窒化皮膜を形成しただけで摩擦面となるので、ラップ加工などが困難な面も摩擦面とすることができた。それにより、振動波駆動装置の設計の自由度が増大した。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気−機械エネルギー変換素子と摩擦面を有する弾性体からなる振動子の振動変位を、該弾性体に加圧接触する摩擦面を有する移動体に伝達して外部に摩擦駆動力を取り出す振動波駆動装置において、前記弾性体は単一のステンレス部材に窒化処理したことを特徴とする振動波駆動装置。
【請求項２】
前記移動体は単一のステンレス部材に窒化処理したことを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置。
【請求項３】
前記弾性体又は移動体は単一のステンレス部材を切削加工した後窒化処理したことを特徴とする請求項１または２に記載の振動波駆動装置。
【請求項４】
前記摩擦面は窒化処理後平滑化処理しないことを特徴とする請求項３に記載の振動波駆動装置
【請求項５】
前記弾性体側の摩擦面又は移動体側の摩擦面は摩擦面以外の切削面に比べて、その表面粗さが小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気−機械エネルギー変換素子と弾性部材からなる振動子と、それによって発生する振動エネルギーを摩擦駆動力に変換するための移動体とで構成される振動波駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の振動波駆動装置については、特開平５−２１１７８５号公報に開示された例がある。この例では、金属製の弾性部材の全体にニッケルメッキが施されており、該メッキ部が摩擦材の機能を果たしている。
【０００３】
また、図９に示すような扁平状の振動波駆動装置もある。この例では、鉄の粉末焼結で作製された円環状の弾性部材（ステ−タ）１０１の下面に圧電素子１０３が接着されており、上面には該弾性部材とは別部材である樹脂製の摩擦材１０２が接着されている。これは図１０からわかるように、前記摩擦材１０２は弾性部材１０１の各くし歯に一つ一つ接着されている。一方、アルミニウム合金製の移動体１０４の摩擦面にはプラズマ溶射により超硬合金製摩擦材１０５が被覆されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
まず、メッキの例について以下に述べる。
【０００５】
摩擦材となるメッキ用材料は弾性部材の表面に堆積するのであって、均一な厚さには付着しない。そのことにより剛性のムラを生じ、結果的には不均一な振動になるので、それを修正するためメッキ膜の一部を後で除去加工する必要があった。さらに、メッキ膜の剥離の心配もある。その場合はメッキ膜と母材である弾性部材との界面が振動減衰の原因になってしまう。
【０００６】
一方、摩擦材として別部材を結合する例では、結合部を完全に一体化させることが難しく不要な振動を発生しやすい。また、接着剤を用いて結合する場合では、接着剤自身が高い振動減衰能を持っているため、振動子の効率が低下する。
【０００７】
以上のような問題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、単一のステンレスから製作された弾性部材の表面に窒化処理を施した。窒化処理は浸炭処理やイオン注入処理と同様、母材となる金属の表面から他の元素を拡散させる処理である。そのため、メッキや蒸着などの付着手段とは異なり母材と完全な一体化が可能であり、処理条件を適切にすれば、元の母材の寸法や表面粗さもほとんど変化させることなく処理できる。
【０００９】
この処理により、振動波駆動装置として適切な摩擦部を有する単一の振動用弾性部材が出来る。該弾性部材には接合部がないので信頼性が向上し、振動損失が増加することもない。また、製造コストも低下する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）
図１は第１の実施例を示す振動波駆動装置の断面図である。この実施例では、ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４の粉末焼結で作製されたステ−タ（弾性部材）１の表面にイオン窒化（プラズマ窒化）が施してある。窒化膜の厚さは約５０μで、その硬さは１２００Ｈｖ程度であった。ステンレス中のクロムが、窒素と結合して極めて硬いクロム窒化物を形成するからである。なお、クロムなどのような窒化物形成元素を含有しない鉄では、その窒化膜の硬さはせいぜい５００Ｈｖ程度であって、摩擦材としての耐摩耗性が不十分である。
【００１１】
本実施例では、窒化処理後に摩擦面はラップ加工により平滑化処理をした。一方、移動体はその移動体本体４とバネ性を有する皿バネ状の摩擦材５から構成されている。該摩擦材はマルテンサイト系ステンレス板をプレス加工し、その摩擦面を予めラップ加工してから前記本体部に電気抵抗溶接により接合した。
【００１２】
前記摩擦部はプレス加工と同時にプロジェクションと呼ばれる突起部を形成してある。この部分の詳細は図２に示す。突起部はリング状であり、内外周に同軸上２本設けてあり、その外周の突起部を溶接してある。摩擦材のバネ剛性を一定にするためのものである。
【００１３】
該バネはステ−タ側から押し上げる時のみ、その剛性が一定であればよいので、
内周の突起部は本体部と溶融結合している必要もない。予め、外周の突起部の高さを内周の突起部の高さより高くしてあるので、電気抵抗溶接時に両側から電極で圧接した時点では、内周の突起部は本体部と接触しない。溶接が進み、内周の突起部と本体部が接触した時点で、接触部の電気抵抗値が低下して、内周部の突起部はほとんど溶け込むことなく、溶接が終了する。溶接部をバネの支持部となるようにすると、溶接時に形成される溶融部であるいわゆるナゲットの大小で、バネ剛性が一定しないこともある。もっとも、溶接条件を充分管理してやれば、一定の大きさのナゲットを形成できるが、本実施例のようにナゲットのない内周の突起部をバネの支持部として設けた方が、本実施例の場合はバネ剛性値が安定する。
【００１４】
（第２の実施例）
図３は第２の実施例を示す断面図である。第１の実施例との差は、移動体の構造にある。本実施例では、快削ステンレスＪＩＳ規格ＳＵＳ３０３の丸棒を切削加工することにより移動体全体を一体に製作した。移動体本体と移動体側摩擦材には接合部がなく一体であるので、摩擦部のバネ剛性は個々の製作品で一定しており、また周方向でもバラツキが少ない。
【００１５】
駆動装置の全高を低く抑えるため、該移動体はその中心部付近が凹んだ形状になっている。弾性体１の中央部の空間を有効に利用した構成である。この省スペ−ス設計のため、移動体の摩擦面は該移動体の最端部にはない。よって、摩擦面の平滑化処理は困難である。ここでいう平滑化処理とは、固定砥石を用いる研削加工または遊離砥石を用いるラップ加工のことで、表面粗さなど材料表面の状態と同時に平面性をも変化させる処理のことをいう。
【００１６】
このような加工は、研削盤または研磨盤といった一定の面に対して、相手の材料の面を倣わせる加工ともいえる。よって、単に表面の汚れ、スケ−ルあるいはバリを除去するために行なうショットブラスト処理やバレル研磨処理は含まない。
また、化学研磨処理や電解研磨処理も含まない。
【００１７】
さらに、前記した一定の面を有する盤などを用いない研磨処理も含まない。もちろん、油分などを除去するための洗浄処理も含まない。ところで、該移動体は切削加工で作製してあるので、その平面度や表面粗さは上記各加工方法によるものと比較すると劣るものの、窒化処理と組み合わせるならば、摩擦面として充分使用出来る精度である。この理由については後述する。
【００１８】
なお、切削加工において上記各精度を向上させるために、次の処理を施すことが望ましい。第一に、素材であるステンレス丸棒は残留応力を除去するため、焼きならしあるいは焼きなまし処理をしておくとよい。切削により残留応力が解放し、摩擦面の平面度が悪化する恐れがあるからである。
【００１９】
残留応力除去のための熱処理温度は、次工程のイオン窒化処理時に移動体が昇温する温度より３０℃程度高い６００℃前後でよいとも考えられるが、この温度はオ−ステナイト系ステンレスの鋭敏化温度であるので、錆発生を考慮して避けることが望ましい。
【００２０】
第二に、摩擦面を切削加工する時は、他の部分を切削加工する時よりも、その条件を変えることが望ましい。すなわち、摩擦面を切削するときは切削バイトや切削チィップの先端部半径の大きいものを使用し、送り速度を小さくすることもよい。また、先端が平坦な切削バイト等を摩擦面に当てて、切り込み方向に送る方法でもよい。さらに、表面をつぶすように加工するいわゆるバ−ニッシュ（ｂｕｒｎｉｓｈｉｎｇ）加工を加えてもよい。
【００２１】
以上、移動体の摩擦面の精度を保つ処置を施してから、次にイオン（プラズマ）
窒化処理をした。ここで、クロムを含有した鉄系材料の窒化皮膜が振動波駆動装置の摩擦材として適切であることを説明する。特にステンレスに窒化したものは最適であった。その理由として、次に上げる４点があると思う。第一に、ビッカ−ス硬さで１０００以上の硬い膜が形成されることが上げられる。
これは、窒素と結合しやすいクロムが極めて硬いクロム窒化物を形成するからである。
【００２２】
その上、このクロム窒化物があるおかげで、金属の焼き付きを防止しているとみられる。いわゆる、とも材（とも金）と呼ばれるように、同種の材料同士を摩擦接触させると、一般的には焼き付き（互いの相対位置が固定される状態）を生じやすい。固体拡散が盛んに起こるからである。
【００２３】
同じ材料ではなくても、一般には全率固溶体となる金属同士や互いに固溶範囲の広い金属同士を摩擦接触させた場合も、やはりとも材の時のように焼き付きを生じやすい。焼き付きを生じるより一段階軽い状態がいわゆるシビア摩耗の状態と言われている。換言すると、シビア摩耗の状態とは部分的に焼き付きを生じるのではあるが、焼き付き部をせん断するための力が摩擦力より小さく、固着状態には至らないで、互いの摩擦面の分離が維持される状態と考えている。
【００２４】
シビア摩耗の状態では激しい摩耗をおこすだけでなく、摩擦面も凹凸が大きくなって、安定した摩擦接触をしなくなる。しかし、以上のことは一般的現象であって、表面に安定な酸化膜が存在していれば、金属同士の直接接触が避けられ、焼き付きを起こさずマイルド摩耗を維持できる。だから、実際ステンレス同士の摩擦接触であっても、極めて安定してかつ摩耗量も少ない状態がある。
【００２５】
さらに、クロム窒化物が一定量存在した場合は、該窒化物自身が極めて硬いという理由からだけでなく、金属結合よりも安定した結合（例えばイオン結合や共有結合）をして母相とは別の相になっているので、焼き付きも生じにくいと考えられる。
【００２６】
第二に、クロムを含有した鉄系材料の窒化膜は耐熱性が高いことが上げられる。
摩擦表面は数百度の高温になっていると思われる。摩擦しゅう動した面には実際ブル−イングと呼ばれる、干渉色である赤青色の膜が見られるからである。この膜は鉄系材料が数百度に熱せられた時生じる酸化皮膜である。そのような高温においても摩擦面の硬さ低下がないか、あるいは少ないことが望ましいのである。高温でも高い変形抵抗を維持することで、摩擦しゅう動面の変形が抑えられる。第三に、必要な耐食性が得られることである。
【００２７】
振動波駆動装置の摩擦材料として使用する以上、錆の発生は好ましくないのだが、ステンレスであれば日常の耐食性は得られる。ステンレスというと鉄に１３重量％以上のクロムを含んだ合金である。マルテンサイト系ステンレスであるＪＩＳ規格ＳＵＳ４２０ｊ２は１３％重量％クロムを含むが、このステンレスに窒化処理したものは若干耐食性不足になる場合がある。
【００２８】
但し、この場合であっても処理温度を低くするなど、窒化処理の条件を考慮すれば補うことも可能である。また、さらに高い耐食性を求めるなら、前述したようにニッケルやモリブデンを含有するステンレス、クロム含有量で１７％以上のステンレス、鋭敏化を防止するために炭素含有量が特に少ないＪＩＳ規格のＬ記号がついたステンレス、アルミニウムを含有したステンレスあるいは耐熱鋼に属する材料などを用いることが望ましい。
【００２９】
第四の理由は初期摩耗により摩擦面になじみを与えやすい点にある。その原因は窒化膜の厚さ方向の組成分布、相分布によると考えられる。窒化膜は鉄中のクロムあるいは鉄と窒化物を形成した化合物部分と、鉄格子中に窒素が侵入しているだけの拡散部分から構成されているわけである。化合物部分は、クロムと窒素の割合が異なる各種クロム窒化物と、鉄と窒素の割合が異なる各種窒化鉄から構成されていると思われる。そして、表面ほど化合物が多くなっていて、内部にいくに従って拡散部分が増加している。その結果、硬さも表面ほど大きい。すなわち、一種の傾斜材料になっているのである。
【００３０】
ところで、振動波駆動装置の摩擦面は、初期の段階で摩擦面の中で部分的に負担が大きくなる個所がある。いわゆる、摩擦面同士がなじむまでは極めて面圧が高くなる個所がある。そのような個所は、シビア摩耗のきっかけとなり、その後は摩擦面全体でその状態になってしまうことがある。その点、表面ほど化合物が多いので都合がよい。なぜなら、化合物が多いと化学的な摩耗が先行して、摩耗量自体は決して小さいわけではないが、滑らかな摩耗状態を維持しやすいからである。そして、摩耗が進むにつれ摩擦面の形状的なじみが起こり、拡散部分の鉄が酸化膜を形成して、かつなじみが生じているため、表面の微小部分において応力が大きい所もなくなっていくので、酸化皮膜を破壊することもなく、その後は摩耗量が低下すると考えられる。
【００３１】
化合物が多く存在する層では、酸化膜を形成する硬い鉄より化学的摩耗が顕著であるが、焼き付きは発生しにくいと考えている。そのため、ステンレスのようにクロムが一定量含有している材料が適当である。なお、一般には化合物層とか拡散層というが、実際は化合物が多い層、鉄系材料の母格子が保たれた部分の多い層ということなので、ここでは前者の用語は避けた。
【００３２】
以上説明したように、加工性も比較的良好で、日常の耐食性もあり、硬い窒化膜が形成されるステンレスは摩擦材として最適である。特に、本実施例においてラップ加工などしていない切削面に窒化する場合は、前述した最後の理由が本発明における効果を与えていると思う。つまり、初期摩耗の段階で、相手の平面に倣った良好な平面度であって、かつ平滑な摩擦面が形成される。そのため、ラップ加工などを廃止できる。反対に、ラップ加工しないことで、表層付近の化合物の多い層が除去されないので、摩擦面における初期のなじみが早期に起こって都合よい。
【００３３】
なお、窒化処理には本実施例によるイオン窒化のほか、塩浴中の窒化処理やアンモニア分解ガス中でのガス窒化がある。しかし、振動波駆動装置の摩擦材としては、イオン窒化が適していると思う。その理由は次の２点である。
【００３４】
第一に、短時間に厚い窒化皮膜が形成されやすいことである。クロムを含有した鉄系材料は、その表面には通常緻密なクロム不動態皮膜が形成されている。そのため、窒素が表面から拡散しにくいのである。その点、イオン窒化処理ではエネルギー状態の高いプラズマが、常に材料の表面の不動態皮膜を除去して活性化していくからである。
【００３５】
第二に、表面の肌荒れが少ないことである。理由はよくわからないが、ガス窒化したものはその表面が元の切削面とは別の荒れた面に変化してしまった。化合物層の形成が関係していると考えられる。
【００３６】
（第三の実施例）
図４は第３の実施例における振動波駆動装置の断面図を示す。弾性体１は快削ステンレスを切削加工した後、窒化処理した。本実施例の場合、摩擦部をラップ加工することは極めて困難であって、切削加工面をそのまま窒化処理して摩擦面として供している。その後、２つの弾性体の間に圧電素子３、フレキシブルプリント基板１４及び支持板１５を挟んで、電気抵抗溶接により締結した。該振動子の２つの弾性体にはそれぞれ２つのくびれ部がある。中央付近にある摩擦部の振動方向とその振幅を調整するためである。移動体４はマルテンサイト系ステンレス板をプレス絞り加工により成形した。該移動体は摩擦部及び加圧バネ７を収容する部分も一体になっている。
【００３７】
成形後、焼入れ・焼戻し処理により硬化させて、６００Ｈｖ以上の硬さに調質した。出力軸１０に圧入したブッシュ８はリング状のゴム６と密着させ、また該ゴムの反対面は移動体４の上面に密着している。そのため、移動体の回転力は出力軸に伝達される。また、この振動波駆動装置の構成は加圧バネ７とゴム６が並列に配置されている。従来、移動体側摩擦材は振動子の振動変位を受け変形して、その振動が移動体本体の振動にならないように、移動体自身はある程度の質量を持っていた。
【００３８】
しかし、本実施例では上記したように、バネとダンパ−が並列構造になっているので、出力軸自身が質量の役目を果たし、また両側の移動体が互いに出力軸を引合うので、移動体の姿勢が安定している。振動子内軸受け２０はポリアセタ−ルシ−トをリング状にプレス抜きしたものである。該軸受けは弾性部材１の内径部に、接着などせず単に挿入配置されているだけだが、前記移動体４との間にあるので抜け落ちることもない。
【００３９】
図５には摩擦部近傍の拡大図を示す。振動変位は軸心に対して約４５°の傾きを持っていて、移動体の摩擦部もその振動変位方向と一致した変形方向になるように、ラッパ状に開口した形状をしている。
【００４０】
（第４の実施例）
図６は第４の実施例を示す。
【００４１】
この振動波駆動装置ではその摩擦部が振動子の両端部付近にあるが、摩擦面がラッパ状になっているため、ラップ加工などは困難である。量産上このような摩擦面は切削加工で仕上げることが好ましい。本実施例の場合も、一体の弾性部材１を切削加工した後窒化処理した。また、図７の拡大図からもわかるように、移動体４も一体的に切削加工で製作した後、やはり窒化処理した。このようなテ−パ面同士を全体的に接触させることは通常困難である。しかし、前述したように適切に窒化処理した窒化皮膜面は、初期のなじみがすみやかに、かつ滑らかに起きる。
【００４２】
特に、本実施例のように振動子側の摩擦部とともに移動体側も窒化処理すればなおさらである。そのため、高度な研削加工やラップ加工などせずに、切削表面のまま使用できる。
【００４３】
（第５の実施例）
図８は第５の実施例を示す。この振動波駆動装置は振動子の構成は実施例４と同じであるが、棒状の移動体４及び移動体側摩擦材５は直線状であって、その駆動も直線方向である。振動子はその振動の節部近傍のくびれ部に波板状の加圧バネ７を設けて、それにより生じる力を前記移動体４及び移動体側摩擦材５にとの圧接力としている。振動子側の摩擦面は円柱状の側面になっており、この場合もラップ加工などするには手間のかかる形状である。
【００４４】
そのため、この実施例でも切削面に窒化処理したまま摩擦面として供した。
【００４５】
【発明の効果】
一体のステンレス部材に窒化処理した弾性部材を使用することにより、高効率、長寿命、低騒音かつ安価な振動波駆動装置が出来た。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例を示す振動波駆動装置の断面図
【図２】第１の実施例における摩擦部の拡大断面図
【図３】第２の実施例を示す振動波発生装置の断面図
【図４】第３の実施例を示す振動波発生装置の断面図
【図５】第３の実施例における摩擦部の拡大断面図
【図６】第４の実施例を示す振動波発生装置の断面図
【図７】第４の実施例における摩擦部の拡大断面図
【図８】第５の実施例を示す振動波駆動装置の正面図
【図９】従来例の振動波駆動装置の断面図
【図１０】従来例の振動波駆動装置に使用されている弾性部材を示す斜視図
【符号の説明】
１、１０１　　　　　弾性部材（ステータ）
１０２　　　　　　　弾性体側摩擦材
３、１０３　　　　　電気−機械エネルギー変換素子（圧電素子）
４、１０４　　　　　移動体または移動体本体
５、１０５　　　　　移動体側摩擦材
６、１０６　　　　　ゴム
７、１０７　　　　　皿バネ
８、１０８　　　　　ブッシュ
９、１０９　　　　　ナット
１０、１１０　　　　出力軸
１１、１１１　　　　スラストベアリング
１２、１１２　　　　ベース
１３、１１３　　　　止めネジ
１４　　　　　　　フレキシブルプリント基板
１５　　　　　　　支持板
１６　　　　　　　中空ボルト
１７　　　　　　　上ケース
１８　　　　　　　下ケース
１９　　　　　　　ピボットローラ
２０　　　　　　　振動子内軸受け
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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