(57)【要約】【課題】比重が大きく，十分な強度および接着力を有して，アクチュエータの固定部材に適した重りおよび重りの製造方法と，その重りを用いた電気−機械変換アクチュエータを提供すること。【解決手段】本発明の重りは，電気−機械変換素子に取り付けられて使用される重りであって，タングステンを９５〜９７．５重量％の範囲内で含み，残部が銅とニッケルとのうち１種または２種を含むバインダーである基合金と，基合金の表面に付着されたニッケルメッキ層とを有するものである。この重りを圧電素子１１の一端部に接着して，固定部材１３として使用する。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気−機械変換素子に取り付けられて使用される重りにおいて，
タングステンを９５〜９７．５重量％の範囲内で含み，残部が銅とニッケルとのうち１種または２種を含むバインダーである基合金と，
前記基合金の表面に付着されたニッケルメッキ層とを有することを特徴とする重り。
【請求項２】
電気−機械変換素子に取り付けられて使用される重りの製造方法において，
タングステン粉末と，銅とニッケルとのうち１種または２種を含むバインダーとを，タングステン粉末の配合比が９５〜９７．５重量％の範囲内となるように混合して焼結し，
焼結後の材料の表面にニッケルメッキ層を形成することを特徴とする重りの製造方法。
【請求項３】
電気−機械変換素子と重りとを有する電気−機械変換アクチュエータにおいて，
前記重りは，
タングステンを９５〜９７．５重量％の範囲内で含み，残部が銅とニッケルとのうち１種または２種を含むバインダーである基合金と，
前記基合金の表面に付着されたニッケルメッキ層とを有し，
前記重りのニッケルメッキ層上に前記電機−機械変換素子が接着されていることを特徴とする電気−機械変換アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，アクチュエータの駆動源に取り付けられる重りおよび重りの製造方法と，その重りを用いた電気−機械変換アクチュエータに関する。さらに詳細には，圧電素子，電歪素子，磁歪素子等の電気−機械変換素子により駆動されるアクチュエータの重りおよび重りの製造方法と，電気−機械変換アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カメラ，ＤＶＤプレーヤ，ＣＤプレーヤ，ＭＤプレーヤ，内視鏡等の精密機器においては，圧電素子，電歪素子，磁歪素子等の電気−機械変換素子を使用したアクチュエータが用いられている。例えば，図１に示すように，圧電素子１１と駆動軸１２とが接続され，圧電素子１１の一端が固定部材１３に固定されたアクチュエータ１０がある。移動体１４は，摩擦力によって駆動軸１２に結合された状態にされている。このアクチュエータ１０では，圧電素子１１をゆっくり伸縮させた場合には，移動体１４は摩擦力によって駆動軸１２に結合されたまま一緒に移動される。一方，圧電素子１１を急速に伸縮させた場合には，移動体１４の慣性力が摩擦力にうち勝って，移動体１４はそのままの位置に留まろうとする。
【０００３】
このアクチュエータ１０によれば，例えば，初めの状態（図１（Ａ））から圧電素子１１をゆっくり伸ばせば，移動体１４は摩擦力によって駆動軸１２とともに軸方向に移動される（図１（Ｂ））。次に，圧電素子１１を急速に縮めると，慣性力が摩擦力にうち勝ち，移動体１４はその位置に留まって，駆動軸１２のみが移動する（図１（Ｃ））。これにより，図１（Ａ）〜（Ｃ）の動作で，移動体１４は移動量ｍだけ移動したことになる。この動作を繰り返すことで，移動体１４を必要な移動量だけ移動させることができる。例えば，特許文献１には，このようなアクチュエータ１０において，駆動軸１２を軽量・高弾性の繊維強化樹脂複合体で構成することにより，さらに高速に駆動させることができるものが提案されている。
【０００４】
このようなアクチュエータ１０では，圧電素子１１の一端と固定部材１３との固定，あるいは固定部材１３自体の固定が非常に重要となる。特に，ごく小型・軽量のアクチュエータ１０では，固定部材１３として比較的重量の大きい重り部材を利用することにより，固定部材１３自体の固定を実現している。例えば，鉄，ステンレス，銅，リン青銅，鉛等の材料が用いられてきた。また，圧電素子１１の一端と固定部材１３とは接着によって固定されている。
【０００５】
しかしながら，前記した従来のアクチュエータ１０に用いられている重り部材の材料は，比重が８〜１２程度であり，十分な重さとするための大きさがある程度大きいものとなる。これに対し，純タングステンは，比重が約１９．３であり，これを重り材料とすればより小型化することができる。しかし，タングステンは常温で酸化しやすく，酸化によって圧電素子１１との接着状態を悪化させるという問題点があった。これに対し，タングステン材料の酸化対策として，例えば，タングステンの表面に炭化タングステン層（浸炭層）を形成したり，さらにその外面にニッケルメッキ層を形成したタングステン接点材料が提案されている（例えば，特許文献２参照。）。あるいは，オルゴール等において，タングステン粉末を配合した樹脂を振動板のウェイトに利用する技術も提案されている（例えば，特許文献３参照。）。
【特許文献１】特許３１８０５５７号公報
【特許文献２】特開平３−５０１１号公報
【特許文献３】特開２００２−１１６７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら，前記した従来のタングステン材料の酸化対策はいずれも，アクチュエータ１０には有効とは言えない。タングステンの表面に浸炭層やさらにニッケルメッキ層を形成する方法では，接点抵抗はともかくとして，浸炭層やニッケルメッキ層の剥離強度が接着力を左右することとなり，いずれも十分な接着力を得られないという問題点があった。また，タングステン粉末を配合した樹脂材料は，樹脂材料全体としての強度や比重が十分でなく，アクチュエータ１０の重り材料としては適当でないという問題点があった。
【０００７】
本発明は，前記した従来の重り材料が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，比重が大きく，十分な強度および接着力を有して，アクチュエータの固定部材に適した重りおよび重りの製造方法と，その重りを用いた電気−機械変換アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題の解決を目的としてなされた本発明の重りは，電気−機械変換素子に取り付けられて使用される重りであって，タングステンを９５〜９７．５重量％の範囲内で含み，残部が銅とニッケルとのうち１種または２種を含むバインダーである基合金と，基合金の表面に付着されたニッケルメッキ層とを有するものである。
【０００９】
本発明の重りによれば，基合金は比重約１９．３のタングステンを９５〜９７．５重量％の範囲内で含むので，比重１５以上の基合金が得られる。また，この基合金の表面にニッケルメッキ層が付着されているので，基合金に含まれているタングステンの酸化が防止されている。さらに，ニッケルメッキ層は基合金のバインダーである銅あるいはニッケルとの親和性がよいので，メッキ層の強度および接着力は十分大きい。従って，比重が大きく，十分な強度および接着力を有して，アクチュエータの固定部材に適した重りとなっている。
ここで，タングステンが９５重量％より少ないと，比重が小さくなるので好ましくない。また，タングステンが９７．５重量％を超えて多くなると，その分バインダーが少なくなるので基合金として一体化させた時の強度が小さくなり，またニッケルメッキ層との親和性が悪化するので好ましくない。
【００１０】
さらに本発明は，電気−機械変換素子に取り付けられて使用される重りの製造方法であって，タングステン粉末と，銅とニッケルとのうち１種または２種を含むバインダーとを，タングステン粉末の配合比が９５〜９７．５重量％の範囲内となるように混合して焼結し，焼結後の材料の表面にニッケルメッキ層を形成する重りの製造方法にも及ぶ。
【００１１】
さらに本発明は，電気−機械変換素子と重りとを有する電気−機械変換アクチュエータであって，重りは，タングステンを９５〜９７．５重量％の範囲内で含み，残部が銅とニッケルとのうち１種または２種を含むバインダーである基合金と，基合金の表面に付着されたニッケルメッキ層とを有し，重りのニッケルメッキ層上に電機−機械変換素子が接着されている電気−機械変換アクチュエータにも及ぶ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の重りおよび重りの製造方法と，その重りを用いた電気−機械変換アクチュエータによれば，比重が大きく，十分な強度および接着力を有して，アクチュエータの固定部材に適したものとなっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，図１に示した従来のアクチュエータ１０の固定部材１３として利用できる重りである。
【００１４】
本形態の重り材料は，タングステン粉末を９５〜９７．５重量％含有し，ニッケルや銅をバインダーとして焼結したタングステン合金に，ニッケルメッキを施したものである。すなわち，まず粉末冶金法によってタングステン・ニッケル合金材料，タングステン・銅合金材料，あるいはタングステン・ニッケル・銅合金材料のいずれかを製造する。その結果，比重１５以上のタングステン合金が得られる。
【００１５】
このとき，タングステン粉末をニッケル粉末や銅粉末と混合し，押し固めて成型したものを焼結する。これにより，ニッケルや銅がいったん溶けて，タングステン粉末とともに一体化して硬化し，所望の形のタングステン合金ができる。ここで，タングステンのみの焼結には約３０００℃の高温が必要となるが，バインダーを用いることで，焼結温度を１３００℃程度とすることができる。
【００１６】
さらに，そのタングステン合金の表面にニッケルメッキ層を形成する。ここでは，電解メッキ法によって２回のニッケルメッキを行った。このメッキ層により，合金中のタングステン成分の酸化腐食が防止される。また，合金中のニッケルや銅とメッキ層との親和性が高いので，高い密着強度を得ることができる。従って，メッキ層が合金から剥離することはない。ここでのメッキ方法としては，電解メッキ法に限らず，無電解メッキ法等でもよい。
【００１７】
次に，このようにして製造した本形態の重りを比較例と比較実験した結果を示す。複数種の材料で，図１に示したような固定部材１３を製造し，これと圧電素子１１との接着強度を実験により評価した。ここでは，上記の方法で製造した本形態（１）に対し，純タングステン（２），タングステン＋浸炭処理（３），ニッケルメッキをしないタングステン合金（４），タングステン＋ニッケルメッキ（５）による比較例を用意した。それぞれの材料でφ２．５×０．６ｍｍの固定部材１３を製造し，これとφ１．２×２．２ｍｍのセラミックス製の圧電素子１１とを，エポキシ系接着剤で接着した。
【００１８】
接着剤が乾燥・硬化した後，所定の環境中に所定時間放置し，図２に示すように，接着部がはがれて破壊されたときのせん断応力を測定した。すなわち，固定部材１３を保持具１５で保持し，固定部材１３の先端から約２ｍｍの位置において，圧電素子１１を軸に垂直方向にロードセルで加圧した。加圧速度は１ｍｍ／ｓであり，ロードセル値でせん断強度を評価した。放置環境は，気温６０℃湿度９０％環境と，気温８５℃湿度８５％環境とで行った。各放置時間毎に１０例ずつ作成し，それらのせん断強度の平均値をグラフ化したものを，図３と図４とに示す。なお，このせん断強度試験は，かなりバラツキの大きいものであり，各平均値は±５Ｎ近くの誤差幅を見込んだ値である。
【００１９】
図３に示したのは，気温６０℃湿度９０％環境での放置試験結果である。放置開始から０時間後，２５０時間後，５００時間後，７５０時間後，１０００時間後のそれぞれに評価試験を実施した。本形態（１）の試験結果がグラフＬ１であり，比較例（２）の結果がグラフＬ２，比較例（３）の結果がグラフＬ３となった。各グラフＬ１〜Ｌ３はいずれも，放置開始直後に比較して，２５０時間後にはせん断強度が５Ｎ程度低下した。これは，接着剤の吸湿による強度低下であり，接着剤を使用している以上は避けられないものである。
【００２０】
この図から分かるように，グラフＬ１は，２５０時間後から後は時間が経過してもせん断強度にさほどの変化はなく，平均値が２０Ｎを下回ることはなかった。一方，グラフＬ２およびグラフＬ３では，放置前からグラフＬ１よりかなり低い水準であり，放置によってさらにせん断強度が低下するため，１０００時間後には約１０Ｎとなってしまった。従って，本形態（１）は，比較例（２），（３）に比べて，放置後においても接着強度が十分に大きいといえる。
【００２１】
また，図４に示したのは，気温８５℃湿度８５％環境での放置試験結果である。放置開始から０時間後，２５時間後，５０時間後，１００時間後，１３３時間後，１５０時間後，２００時間後のそれぞれに評価試験を実施した。本形態（１）の結果がグラフＬ１であり，比較例（２）〜比較例（５）の結果がそれぞれグラフＬ２〜Ｌ５となった。この環境においてもまず接着剤の吸湿による強度低下により，図３の場合と同様に，放置開始直後から５０時間後までは，どのグラフも混然となってせん断強度が低下した。
【００２２】
しかし，図４から分かるように，１００時間経過後以降は，グラフＬ１と他のグラフＬ２〜Ｌ５との差がはっきりしてきた。そして，２００時間経過後には，本形態のグラフＬ１は約１７Ｎであるのに対し，他のグラフＬ２〜Ｌ５はいずれも約１０Ｎとなった。従って，本形態（１）は，比較例（２）〜（５）に比べて，放置後の接着強度が十分に大きいといえる。
【００２３】
以上詳細に説明したように，本形態の重りは，比重約１５と比較的大きいので，比重の小さい材料に比べて，より小さい固定部材１３が形成できる。さらに，本形態の重りによる固定部材１３は，高温多湿環境に放置された場合においても，接着剤の接着強度が大きく低下することはなく，アクチュエータ１０の固定部材１３として十分な強度を有している。従って，比重が大きく，十分な強度および接着力を有して，アクチュエータ１０の固定部材１３に適した重りとなっている。
【００２４】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の重りを用いたアクチュエータの駆動方法を示す説明図である。
【図２】本形態の評価方法を示す説明図である。
【図３】本形態の評価結果を示すグラフである。
【図４】本形態の評価結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１０  アクチュエータ（電気−機械変換アクチュエータ）
１１  圧電素子（電気−機械変換素子）
１３  固定部材（重り）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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