(57)【要約】【課題】  回転効率が高いことに加えて、摩耗や損傷が生じにくく長寿命な超音波モータを提供する。【解決手段】  超音波モータは、圧電体１２が取り付けられた弾性体１１を有するステータ１０と、このステータ１０に当接するロータ２０と、を備えており、圧電体１２が発する超音波振動によりステータ１０の表面に生じる進行波でロータ２０が駆動される。  このロータ２０はアルミニウム合金で構成されており、その表面のうちステータ１０との当接部分には、ビッカース硬さＨｖ５００以下の表面硬さを有し、且つ、ケイ素の含有量が１５質量％以上６３質量％以下のアルミニウムを主成分とする溶射被膜２１が設けられている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体が発する超音波振動により表面に進行波が生じる振動体と、該振動体に当接し前記進行波により駆動されるアルミニウム合金製の可動体と、を備えた超音波モータにおいて、
前記可動体の表面のうち前記振動体との当接部分に、ビッカース硬さＨｖ５００以下の表面硬さを有し、且つ、アルミニウムを主成分とする溶射被膜を設けたことを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記溶射被膜は、ケイ素の含有量が１５質量％以上６３質量％以下のアルミニウム合金で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記溶射被膜は、銅及びマグネシウムの含有量がそれぞれ５質量％以下のアルミニウム合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記溶射被膜の厚さは８０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＯＡ機器，ＡＶ機器等においては、より小さなスペースで回転動力を伝達する必要があるため、回転駆動源として、従来の電磁モータに換えて超音波モータを採用することが試みられている（例えば、特許文献１，２を参照）。
この超音波モータは、基本的には、圧電体と金属製の弾性体と可動体（ロータ）との三要素で構成されている。圧電体は弾性体に接着されており、圧電体と弾性体を合わせて振動体（ステータ）とされている。一般的に、圧電体には、ピエゾ素子に代表される圧電セラミックスが使用され、弾性体はリン青銅、可動体はアルミ合金で構成される。
【０００３】
圧電体に高周波電圧を印加すると圧電体が超音波振動を発し、この超音波振動によって励振されて振動体が固有振動数で振動する。この振動波が振動体（弾性体）を連続的に進行させるため、振動体に加圧接触されている可動体は、波が物体を運ぶように推力を受けて回転する。
このような進行波方式による超音波モータは、弾性体に圧電体を装着してなる振動体と可動体とが加圧接触された構成とされており、可動体と振動体との摩擦力によって可動体が駆動されるようになっている。このような機構を有する超音波モータにおいては、可動体の駆動力を向上させるためには、可動体と振動体との摩擦力が大きいこと、及び、加圧接触力が大きいことが必要となる。
【０００４】
従来の超音波モータは、高トルクを得るために、バネ等を使用して可動体を振動体に高圧接力で圧接しているので、可動体と振動体の摺動面は過酷な環境下におかれることとなり、摺動面の摩耗が大きく、長寿命化の障害となっている。摩耗が生じると超音波モータの駆動条件が大幅に変化するためモータ特性が劣化し、可動体の回転が停止する場合もある。ただし、摩耗を皆無とすることは現状では困難であるので、実用に耐え得る長寿命の超音波モータを実現するためには、可動体及び振動体を構成する材料の組み合わせを摩耗量が少なくなるようにし、且つ、摺動面の粗さを最適化する必要がある。
【０００５】
また、電磁モータはロータとステータが非接触であるのに対して、超音波モータは可動体と振動体とが高い圧接力で接触している。そのため、起動トルクが大きいという特徴がある反面、摺動による発熱で可動体と振動体との摺動部分に劣化が生じ、摩耗が増加して短寿命化するという問題点を有している。したがって、現在は、摩擦係数を大きくするとともに安定させ、さらに耐摩耗性を得るために、可動体と振動体との間にはフッ素樹脂等の樹脂製のスライダ材が介在されることが多い。
【０００６】
しかしながら、前述のフッ素樹脂製のスライダ材を用いた場合には、スライダ材自体の耐摩耗性が不十分であるため連続運転が難しく、断続的な回転で、回転距離が短い用途にしか適用することができなかった。例えば、カメラのオートフォーカス駆動用モータにおいては、スライダ材に用いられるフッ素樹脂が摩耗することを前提に設計されている。
このため、長時間にわたる連続回転を可能にするため、スライダ材を改良した事例が提案されている。例えば、特許文献３には、炭素繊維を添加した樹脂組成物で構成されたスライダ材が開示されており、特許文献４には、芳香族ポリアミド繊維又は炭素繊維を添加したポリイミド系樹脂で構成されたスライダ材が開示されている。これらの事例は、繊維状充填剤を添加することによりスライダ材の耐摩耗性を向上させ、スライダ材の摩耗による短寿命化を抑制するというものである。そして、相手材である移動体は、通常はアルミニウム合金で構成されており、耐摩耗性を向上させるために硬質アルマイト処理（登録商標）が施されている。
【特許文献１】特開昭６０−２１０１７２号公報
【特許文献２】特開平４−３４０３８２号公報
【特許文献３】特開昭６２−５８８８７号公報
【特許文献４】特開昭６３−１２１４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、硬質アルマイト処理により形成されるアルマイト被膜には、その形成過程において微小な穴が形成されるため、超音波モータのように高接触圧力下で回転し大きな剪断力が作用する場合には、ポーラスなアルマイト被膜では強度が不十分となり剥離等の損傷が生じるおそれがあった（すなわち耐久性に問題があった）。
また、耐摩耗性を向上させるには、ＴｉＣ，ＴｉＮ等のセラミックコーテイングが有効であるが、これらの被膜は摩擦係数が小さいため、超音波モータの回転効率が低下するおそれがあった。
そこで、本発明は、前述のような従来の超音波モータが有する問題点を解決し、回転効率が高いことに加えて、摩耗や損傷が生じにくく長寿命な超音波モータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の超音波モータは、圧電体が発する超音波振動により表面に進行波が生じる振動体と、該振動体に当接し前記進行波により駆動されるアルミニウム合金製の可動体と、を備えた超音波モータにおいて、前記可動体の表面のうち前記振動体との当接部分に、ビッカース硬さＨｖ５００以下の表面硬さを有し、且つ、アルミニウムを主成分とする溶射被膜を設けたことを特徴とする。
【０００９】
このような溶射被膜は緻密な膜構造を有しており、また、溶射被膜と母材（可動体を構成するアルミニウム合金）との物性の差異が小さいので、高接触圧力下で使用され大きな剪断力が作用する場合でも剥離等の損傷が生じにくい。また、硬さが低いので、可動体（溶射被膜）と当接するスライダ材等の相手材が損傷を受けにくい。
また、本発明に係る請求項２の超音波モータは、請求項１に記載の超音波モータにおいて、前記溶射被膜は、ケイ素の含有量が１５質量％以上６３質量％以下のアルミニウム合金で構成されていることを特徴とする。
【００１０】
このような高ケイ素組成のアルミニウム合金からなる溶射被膜は、摩擦係数が大きく、耐摩耗性も優れているので、本発明の超音波モータは回転効率が高いことに加えて、摩耗や損傷が生じにくく長寿命である。ケイ素の含有量が１５質量％未満であると、溶射被膜の表面硬さが低下し耐摩耗性が不十分となる。また、６３質量％超過であると、溶射被膜の表面硬さが高くなりすぎて、可動体と当接するスライダ材等の相手材が損傷を受けやすい。
【００１１】
さらに、本発明に係る請求項３の超音波モータは、請求項１又は請求項２に記載の超音波モータにおいて、前記溶射被膜は、銅及びマグネシウムの含有量がそれぞれ５質量％以下のアルミニウム合金で構成されていることを特徴とする。
銅（Ｃｕ），マグネシウム（Ｍｇ）はアルミニウム合金中に固溶し、溶射被膜の硬さを向上させるので、溶射被膜の硬さを向上させたい場合には、これらの固溶元素をアルミニウム合金中に添加するとよい。ただし、添加量が多いと溶射被膜の硬さが高くなりすぎるので、各添加量の上限は５質量％とすることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明に係る請求項４の超音波モータは、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波モータにおいて、前記溶射被膜の厚さは８０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする。
溶射被膜の性能が安定的に発揮されるためには、厚さは８０μｍ以上とすることが好ましい。ただし、厚すぎると溶射被膜の形成に時間やコストを要するので、５００μｍ以下とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の超音波モータは、回転効率が高いことに加えて、摩耗や損傷が生じにくく長寿命である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係る超音波モータの実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態の超音波モータを、一部を破断して示した斜視図であり、図２は図１の部分断面図である。
この超音波モータは、弾性体１１及び圧電体１２で構成されたステータ（振動体）１０と、ステータ１０に当接するロータ（可動体）２０と、ステータ１０及びロータ２０の中心を貫通する軸３０と、を備えている。
【００１５】
弾性体１１は、円板の外縁から板面に対して垂直方向に円筒部が延びた形状の部材であり、円筒部の両端面のうち一方の端面１１ａ（図１においては下方の端面）に、円板状の圧電体１２が取り付けられている。そして、他方の端面１１ｂ（図１においては上方の端面）には、端面１１ｂに対して垂直方向に延びる凹部が円周に沿って多数形成されており、端面１１ｂは櫛歯状となっている。なお、この端面１１ｂに、フッ素樹脂や繊維強化樹脂組成物（例えば炭素繊維強化ポリイミド樹脂組成物）で構成され、ロータ２０に摺接する円板状のスライダ材を取り付けてもよい。その場合には、端面１１ｂは櫛歯状でなくてもよい。
【００１６】
また、ロータ２０はアルミニウム合金製の部材であり、弾性体１１とほぼ同一形状をなしている。そして、弾性体１１の円筒部の端面１１ｂに対向する端面２０ａ、すなわちステータ１０との当接部分には、アルミニウム合金で構成された溶射被膜２１が形成されており、該溶射被膜２１の表面硬さはビッカース硬さＨｖ５００以下である。この溶射被膜２１を構成するアルミニウム合金は、ケイ素の含有量が１５質量％以上６３質量％以下で、銅及びマグネシウムの含有量がそれぞれ５質量％以下である。また、その厚さは８０μｍ以上５００μｍ以下である。
【００１７】
図示しない高周波電源から圧電体１２に高周波電圧を印加すると圧電体１２が超音波振動を発し、この超音波振動によりステータ１０の表面（弾性体１１の端面１１ｂ）に固有振動数の進行性振動波（進行波）が生じる。この進行波がステータ１０（弾性体１１）を連続的に進行させるため、ステータ１０に加圧接触されているロータ２０は、波が物体を運ぶように推力を受けて軸３０を中心に回転する。
【００１８】
通常、超音波モータのロータはアルミニウム合金で構成され、前述したように、耐摩耗性の改善のためにアルマイト処理が施される。アルマイト処理で形成されたアルマイト被膜は、ビッカース硬さＨｖが５００〜７５０程度と硬質であるもののポーラスであるため、高面圧での摺動によって被膜が剥離，脱落するおそれがあった。また、陽極酸化処理による被膜の形成では、被膜の厚さは工業的には２０〜１００μｍであり、これ以上の厚さにするには長時間を有する。
これに対して、溶射による被膜はポーラスな構造ではなく緻密な構造を有しているので、被膜の強度も十分となり剥離等の損傷が生じにくい（耐久性に優れている）。また、被膜の形成速度が速いので、セラミックコーティングやアルマイト処理に比べて被膜厚さを大きくすることが可能である。
【００１９】
溶射被膜を構成するアルミニウム合金の組成については、母材のアルミニウム合金（ロータを構成するアルミニウム合金）と溶射被膜との密着性を考慮して決定することが好ましい。母材のアルミニウム合金のヤング率と溶射被膜のヤング率とが大きく異なると、応力が負荷された際に母材と溶射被膜の弾性変形量が異なることとなるので、両者の界面において剥離が生じやすくなる。また、ロータの摩擦摺動面は、高接触圧力で回転するために温度が上昇するが、母材と溶射被膜の線膨張係数が異なると、熱サイクルによって界面において剥離が生じやすくなる。
【００２０】
したがって、溶射被膜を構成する金属としては、ステンレス等の鋼やＡｌ，Ｎｉ，Ｍｏ等の種々の金属を用いることが可能であるが、前述のような理由により、ロータを構成する母材と同じアルミニウム合金とすることが好ましい。
溶射被膜を構成するアルミニウム合金中の合金元素については、アルミニウム合金の耐摩耗性を向上させるため、高ケイ素化が有効である。ケイ素を多量に添加したアルミニウム合金としては、展伸材では４０００系のアルミニウム合金やＡＣ３Ａに代表される鋳造用合金がある。これらの高ケイ素含有アルミニウム合金は、マトリックス中にケイ素粒子が分散しており、このケイ素粒子は硬さがＨｖ１０００程度で非常に硬質であるため、アルミニウム合金の耐摩耗性が改善される。
【００２１】
ところが、ケイ素はアルミニウム合金の切削加工性を著しく低下させ、特にケイ素の含有量が１５質量％以上になると切削加工の効率が大きく低下するので、複雑形状を有するロータをケイ素の含有量が１５質量％以上のアルミニウム合金で構成することは難しい。また、溶製材では、ケイ素含有量の増加に伴い、分散するケイ素粒子が粗大化したり分散が不均一になるため、実用のアルミニウム合金ではケイ素の含有量は２４質量％が上限である。
【００２２】
ロータの耐摩耗性を改善するには、摺動部となるロータの表面のみを高ケイ素組成のアルミニウム合金で構成すればよいから、高ケイ素組成とすることができる溶射被膜をロータの表面のみに形成すればよい。溶射被膜であれば、通常アルミニウム合金に添加できるケイ素含有量よりも高ケイ素組成とすることができる。また、溶射被膜であれば、ロータの母材には任意の組成のアルミニウム合金を使用することができるので、切削加工上の制約を受けることなく複雑形状のロータを製造することができる。
【００２３】
ロータは、ステータ又はスライダ材と高接触圧力下に摺接しながら回転するため、耐摩耗性が必要であると同時に、摩擦摺動面で滑りが発生すると回転効率が低下してしまうため、高い摩擦係数を有する必要がある。前述した高ケイ素組成のアルミニウム合金からなる溶射被膜は、耐摩耗性に優れるとともに摩擦係数が高いという特性があるので、ロータの表面にこのような溶射被膜を設ければ、ロータの摩耗が抑制されると同時に回転効率が優れたものとなる。特に、繊維強化樹脂組成物で構成されたスライダ材に摺接する場合でも、摩耗が生じにくく耐久性に優れている。
【００２４】
溶射被膜を構成するアルミニウム合金に含有されるケイ素以外の合金元素として銅，マグネシウムがあるが、これらはアルミニウム合金中に固溶し溶射被膜の硬さを増大させるので、溶射被膜の硬さを向上させたい場合には、それぞれ５質量％を上限としてこれらの固溶元素を用いてもよい。
また、前述した高ケイ素組成のアルミニウム合金からなる溶射被膜の硬さは、ケイ素の含有量によってはＨｖ５００以下とすることができ、硬質アルマイト被膜よりも低くなる。これは、回転時の相手材となるステータ又はスライダ材への攻撃性が小さいことを意味しており、超音波モータの長寿命化を図ることができる。
さらに、溶射被膜は、アルマイト被膜に比べて厚く形成することが可能であり、その性能を安定的に発揮させるためには、膜厚を８０μｍ以上５００μｍ以下とすることが好ましい。
【００２５】
〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
表１に示すようなアルミニウム合金で構成されるとともに表１に示すような被膜が表面に形成されたロータを用いて、前述した図１の超音波モータと同様の構成の超音波モータを製造した。なお、これらの超音波モータは、フッ素樹脂で構成されたスライダ材がステータに取り付けられており、超音波モータを回転させた際には、スライダ材とロータの被膜とが摺動するようになっている。また、弾性体は、リン青銅（Ｃ５１９１）で構成されている
【００２６】
【表１】
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【００２７】
被膜の厚さは、いずれの場合も１００〜３００μｍである。また、溶射被膜は、プラズマ溶射により形成した。ロータを構成する母材であるアルミニウム合金に含有されているケイ素量は、６０６１が０．６質量％、２０１７が０．５質量％、高ケイ素アルミニウム合金である４０３２及びＡＣ３Ａが１２質量％である。
また、表１には、各被膜の表面硬さＨｖと摩擦係数とを併せて示した。この摩擦係数は、ピンオンディスク試験により測定したものである。試験条件は以下の通りである。
面圧    ：５００ＭＰａ
滑り速度：０．３ｍ／ｓ
滑り距離：１０００ｍ
潤滑条件：ドライ
ピン材質：ＳＵＪ２（焼入れ，焼戻しを施したもの）
【００２８】
次に、これらの超音波モータの耐摩耗性を調査するため、ロータとステータ（径は６０ｍｍ）とを８００ＭＰａの面圧力で加圧接触させ、滑り速度０. ２ｍ／ｓで３００時間回転させる耐久試験を、大気中、室温下で行った。そして、耐久試験前後のロータの質量変化を測定することにより摩耗量を評価するとともに、相手部材であるスライダ材の耐久試験後の摩耗状態を目視により観察した。
【００２９】
評価結果を表１に示す。なお、表１の摩耗量の数値は、比較例５（ロータにアルマイト被膜が形成されたもの）の摩耗量を１とした場合の相対値で示してある。また、スライダ材の摩耗状態は、目視により摩耗が全く確認されなかった場合は◎印、摩耗が確認されたものの摩耗の程度が軽微である場合は○印、大きな摩耗が確認された場合は×印で示してある。
【００３０】
ケイ素の含有量が好適なアルミニウム合金で構成された溶射被膜を有する実施例１〜８は、耐摩耗性が優れているので、従来のアルマイト被膜を有する比較例４，５と比べて摩耗量が少なかった。また、被膜の硬さが従来のアルマイト被膜よりも低いため、回転時に相手材となるフッ素樹脂製のスライダ材の損傷もないか又は小さかった。
図３は、実施例１〜８及び比較例１〜６において、被膜を構成するアルミニウム合金のケイ素の含有量と被膜の表面硬さとの関係をグラフ化したものである。ただし、比較例４，５の場合は、ロータを構成する母材であるアルミニウム合金のケイ素の含有量とアルマイト被膜の硬さとの関係をグラフ化しており、比較例３，６の場合は、ロータを構成する母材であるアルミニウム合金のケイ素の含有量と該アルミニウム合金の硬さとの関係をグラフ化している。
【００３１】
グラフから分かるように、●印でプロットした実施例１〜８は、摩擦係数が約０．２〜０．５と非常に高く、超音波モータの回転効率の向上には有効である。しかし、ケイ素の含有量が多くなりすぎると硬さが高くなり、従来のアルマイト被膜に近い硬さとなるため、比較例１のように相手材であるスライダ材に損傷を与えることとなる。したがって、摩擦係数が高いことに加えて、硬さが高くなりすぎないようにする必要がある。スライダ材の損傷を抑えるためには、ビッカース硬さをＨｖ５００以下とし、溶射被膜を構成するアルミニウム合金中のケイ素の含有量を６３質量％以下とすることが好ましい。
【００３２】
比較例２のようにケイ素の含有量が１５質量％未満であると、溶射被膜のビッカース硬さがＨｖ１５０未満となり、耐摩耗性が不十分となる。よって、溶射被膜を構成するアルミニウム合金中のケイ素の含有量は、１５質量％以上とすることが好ましい。
比較例４，５は従来のアルマイト被膜を有する場合であり、被膜の硬さは高いものの摩耗量が多い。これは、アルマイト被膜がポーラス状であり、脱落しやすいためである。また、アルマイト被膜は硬いために、相手材であるスライダ材に損傷を与えやすい。
比較例３は鋳造用の高ケイ素アルミニウム合金、比較例６は高ケイ素の展伸材を用いた場合であるが、ケイ素の含有量が低いため耐摩耗性に劣っていた。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る超音波モータの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の超音波モータの部分断面図である。
【図３】被膜を構成するアルミニウム合金のケイ素の含有量と被膜の表面硬さとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１０      ステータ（振動体）
１１      弾性体
１２      圧電体
２０      ロータ（可動体）
２１      溶射被膜
【図１】
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【図２】
2005160164.tif 000005
【図３】
2005160164.tif 000006