(57)【要約】【課題】摩擦接触面の摩耗を減少させて駆動性能を安定化し、低コスト、長寿命であり、高負荷での使用に耐えうる振動波モータとその製造方法を提供する。を提供する。【解決手段】振動波モータ１０は、圧電体１１の励振により、弾性体１２に振動を発生する振動子と、振動子の弾性体１２に加圧接触され、振動により、その振動子との間で相対運動を行う移動体１３等とを備え、振動子の弾性体１２と移動体１３との摩擦接触面を含む部分の少なくとも一方は、窒化クロム系皮膜層であり、他方は、ビッカース硬度が４５０以下のステンレスである。【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、窒化クロム系皮膜層であり、他方は、ビッカース硬度が４５０以下の鉄系材料であること、
を特徴とする振動波モータ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動波モータにおいて、
前記窒化クロム系皮膜層は、前記相対運動部材に設けられていること、
を特徴とする振動波モータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の振動波モータにおいて、
前記鉄系材料は、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４】
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、
前記窒化クロム系皮膜層は、ＣｒＮ及び／又はＣｒ2Ｎであること、
を特徴とする振動波モータ。
【請求項５】
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、
前記窒化クロム系皮膜層は、厚さが１〜２０μｍの範囲であること、
を特徴とする振動波モータ。
【請求項６】
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、
前記窒化クロム系皮膜層は、ビッカース硬度が１５００〜２５００であること、
を特徴とする振動波モータ。
【請求項７】
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、
前記窒化クロム系皮膜層は、その母材が鉄系材料又はアルミニウム系材料であること、
を特徴とする振動波モータ。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、
前記窒化クロム系皮膜層は、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。
【請求項９】
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の製造方法において、
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に、３００°Ｃ以上のＰＶＤ処理によって窒化クロム系皮膜層を形成し、他方に、ビッカース硬度が４５０以下の鉄系材料を配置すること、
を特徴とする振動波モータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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（例えば、特許文献１）。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】
しかし、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、高負荷時に、駆動できなくなる可能性があった。
【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、高負荷時に駆動電圧や周波数が一定の場合、急に回転数が低下してしまうという問題があり、また、アルマイト層とＮｉ層との硬度差が小さいことにより、互いの損傷が著しいという問題もあった。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し、高負荷での回転速度低下率を小さくすることが要請されていた。
【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た。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った。
【０００８】
【特許文献１】特許第２５７８９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、摩擦接触面の摩耗を減少させて駆動性能を安定化し、低コスト、長寿命であり、高負荷での使用に耐えうる振動波モータとその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、電気機械変換素子（１１）の励振により、弾性体（１２）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（１３）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（１３）との摩擦接触面を含む部分の少なくとも一方は、窒化クロム系皮膜層（１７）であり、他方は、ビッカース硬度が４５０以下の鉄系材料であること、を特徴とする振動波モータである。
【００１１】
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、前記窒化クロム系皮膜層（１７）は、前記相対運動部材（１３）に設けられていること、を特徴とする振動波モータである。
【００１２】
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、前記鉄系材料は、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。
【００１３】
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、前記窒化クロム系皮膜層（１７）は、ＣｒＮ及び／又はＣｒ2Ｎであること、を特徴とする振動波モータである。
【００１４】
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、前記窒化クロム系皮膜層（１７）は、厚さが１〜２０μｍの範囲であること、を特徴とする振動波モータである。
【００１５】
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、前記窒化クロム系皮膜層（１７）は、ビッカース硬度が１５００〜２５００であること、を特徴とする振動波モータである。
【００１６】
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、前記窒化クロム系皮膜層（１７）は、その母材が鉄系材料又はアルミニウム系材料であること、を特徴とする振動波モータである。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、前記窒化クロム系皮膜層（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、を特徴とする振動波モータである。
【００１８】
請求項９の発明は、電気機械変換素子（１１）の励振により、弾性体（１２）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（１３）と、を備える振動波モータの製造方法において、前記振動子と前記相対運動部材（１３）との摩擦接触面を含む部分の少なくとも一方に、３００°Ｃ以上のＰＶＤ処理によって窒化クロム系皮膜層（１７）を形成し、他方に、ビッカース硬度が４５０以下の鉄系材料を配置すること、を特徴とする振動波モータの製造方法である。
【発明の効果】
【００１９】
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に窒化クロム系皮膜層を、他方に、ビッカース硬度が４５０以下の鉄系材料を用いたので、摩擦接触面の磨耗が少なくなり、高負荷であっても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、窒化クロム系皮膜層が剥離して、駆動中に接触面の組成が変わっ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。
【００２０】
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・マスク処理が不要となり、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、摩擦接触面の摩耗を減少させて駆動性能を安定化し、高負荷での使用に耐えうる振動波モータを提供するという目的を、移動体の摩擦接触面にＣｒＮ皮膜層を形成し、弾性体にビッカース硬度が４５０以下のステンレスを用いることにより実現した。
【実施例】
【００２２】
図１は、本発明による振動波モータの実施例の外観構成を示す斜視図である。
本実施例による振動波モータ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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
移動体１３は、弾性体１２に圧接され、進行性振動波により摩擦駆動されるものである。
【００２６】
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。
【００２７】
図２は、本実施例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、窒化クロム系（ＣｒxＮy）皮膜層としてのＣｒＮ（ｘ＝１，ｙ＝１）皮膜層１７が設けられている。また、弾性体１２は、鉄系材料、例えば、ステンレス材料で作製され、移動体１３に形成されたＣｒＮ皮膜層１７と接触している。
【００２８】
次に、本実施例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。
また、弾性体１２は、表面がクロム酸化膜に覆われており、このクロム酸化膜は、摺動によって消滅するが、一旦消滅しても、直ちにクロム酸化物が生成されるので、クロム酸化膜は維持される。
【００２９】
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、ＣｒＮ皮膜層１７は、イオンプレーティングなどのＰＶＤ処理を３００°Ｃ以上（基板の加熱温度）で施すことにより、移動体１３の表面に形成されている。ここでのＰＶＤ処理とは、物理的な蒸着方法であり、コーティング物質を蒸発させ、窒素ガス等と反応させて強固な薄膜を形成させる表面処理技術である。
【００３０】
このように、本実施例によれば、ＣｒＮ皮膜層１７は、従来のアルマイト処理と比較して、廃液処理を行わないのでクリーン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・マスク処理を省くことができるので、コストを低減することができる。
また、ＣｒＮ皮膜層１７のビッカース硬度を１５００〜２５００とし、弾性体１２との硬度差を大きくすることにより、移動体１３側は摩耗せず、弾性体１２側は摩耗した場合であっても同じ組成の面が現れ、安定して駆動することがでる。
さらに、移動体１３側にＣｒＮ皮膜層１７を設けたので、移動体１３の摺動面の硬度が弾性体１２の摺動面の硬度よりも高くなり、弾性体１２の櫛歯の角が移動体１３に接触し、移動体１３の摺動面を損傷させてしまうことを防止できる。
【００３１】
以下、具体的な実験例をあげて、本発明をさらに詳しく説明する。
（実験例）
表１〜５は、本発明の実施例による振動波モータの窒化クロム系皮膜層の詳細と、モータ性能や形状の変化を示したものである。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１は、表面処理とトルク定数（ｒｐｍ／ｇｆ・ｃｍ）と入力電流値変化率との関係を示す表である。
この実験では、ＣｒＮ、アルマイト、無電解ニッケル−リンメッキの３種の皮膜層を、図１に示すような振動波モータ１０の移動体１３に形成し、１００〜４００ｇｆ・ｃｍのトルクを加え、その時の回転数を測定してトルク定数を算出し、また、同条件下（皮膜層の厚み５μｍ，ビッカース硬度１８００）で入力電流値変化率を算出した。その結果、表面処理としてＣｒＮを選択した場合に、トルク定数の値と入力電流値変化率とが最も小さくなった。ここで、入力電流値変化率とは、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おり、トルク定数とは、その値が小さいほど、高負荷でのモータ性能が安定していることを示している。
この結果、ＣｒＮ皮膜層が、モータ性能がより安定しており、しかも、高負荷での使用に適した表面処理であることがわかった。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
表２は、ＣｒＮ皮膜層の厚さと性能変化を示した表である。
この実験では、厚さが１、５、１０、２０、２５μｍのＣｒＮ皮膜層を、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、２５μｍ以上では１０％以上、２０μｍ以下では５％以下であった。
この結果、ＣｒＮ皮膜層は、その厚さが１〜２０μｍの範囲であることが好ましいとわかった。
【００３６】
【表３】
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【００３７】
表３は、切削加工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にて研磨を行い、表面粗さを測定したところ、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、ＣｒＮ皮膜層を形成し、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では約１０％、Ｒｙ＝１．２、０．８μｍでは５％以下であった。
この結果、ＣｒＮ皮膜層は、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以下であることが好ましいとわかった。
【００３８】
【表４】
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【００３９】
表４は、ＣｒＮ皮膜層の硬さと性能変化を示した表である。
この実験では、ビッカース硬度が１０００〜３０００のＣｒＮ皮膜層を、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、１５００〜２５００の値では５％以下、それ以外の値では１０％以上であった。
この結果、ＣｒＮ皮膜層は、ビッカース硬度が１５００〜２５００の範囲であることが好ましいとわかった。
【００４０】
【表５】
2005269770.tif 000007
【００４１】
表５は、ＣｒＮ皮膜層におけるＰＶＤ処理の温度と性能変化を示した表である。
この実験では、１００〜７００°ＣのＰＶＤ処理によって形成したＣｒＮ皮膜層を、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、３００〜６００°Ｃでは５％以下、２００°Ｃ以下又は７００°Ｃ以上では１０％以上であった。
この結果、ＣｒＮ皮膜層は、３００〜６００°ＣのＰＶＤ処理によって形成することが好ましいとわかった。
なお、上述した各実験は、窒化クロム系皮膜層としてＣｒＮを用いたが、Ｃｒ2Ｎを用いても同様の結果が得られた。
【００４２】
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）高負荷での駆動による回転数低下が少なく安定した駆動が得られる。
【００４３】
（変形例）
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上述した実施例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）本実施例では、移動体１３側にＣｒＮ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ＣｒＮ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。
【００４４】
（２）本実施例では、窒化クロム系皮膜層に、ＣｒＮを用いたが、Ｃｒ2Ｎ（ｘ＝２，ｙ＝１）等の他の窒化クロム系皮膜層であってもよい。
（３）本実施例では、ＣｒＮ皮膜層１７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。
【００４５】
（４）本実施例では、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。
【００４６】
（５）本実施例では、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）本実施例では、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。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明による振動波モータの実施例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】
【００４８】
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  ＣｒＮ皮膜層
【図１】
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【図２】
2005269770.tif 000009