(57)【要約】【課題】  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を有する振動体１０と、この振動体１０に当接する可動体２０と、を備えており、圧電体１２が発する超音波振動により振動体１０の表面に生じる進行波で可動体２０が駆動される。  この弾性体１１は、亜鉛を主たる合金元素として含有する銅合金で構成され、この銅合金にはＳｉ系金属間化合物，Ｆｅ−Ｔｉ系金属間化合物，及びＮｉ−Ｔｉ系金属間化合物のうち少なくとも１種が分散している。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体が取り付けられた弾性体を有する振動体と、この振動体に当接する可動体と、を備え、前記圧電体が発する超音波振動により前記振動体の表面に生じる進行波で前記可動体が駆動される音波モータにおいて、
前記弾性体は、亜鉛を主たる合金元素として含有する銅合金で構成され、この銅合金にはＳｉ系金属間化合物，Ｆｅ−Ｔｉ系金属間化合物，及びＮｉ−Ｔｉ系金属間化合物のうち少なくとも１種が分散していることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記銅合金は黄銅であり、この黄銅の構成相はβ相又はα＋β相であることを特徴とする請求項１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。
【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、繊維状充填剤を添加して耐摩耗性を向上させたスライダ材は、スライダ材の摩耗による短寿命化は抑制することができるものの、炭素繊維，ガラス繊維等の繊維状充填材は硬質であり、接触相手となるリン青銅製の振動体（弾性体）が軟質であるため、振動体が損傷を受けやすいという問題点を有していた。
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、摩耗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、圧電体が取り付けられた弾性体を有する振動体と、この振動体に当接する可動体と、を備え、前記圧電体が発する超音波振動により前記振動体の表面に生じる進行波で前記可動体が駆動される音波モータにおいて、前記弾性体は、亜鉛を主たる合金元素として含有する銅合金で構成され、この銅合金にはＳｉ系金属間化合物，Ｆｅ−Ｔｉ系金属間化合物，及びＮｉ−Ｔｉ系金属間化合物のうち少なくとも１種が分散していることを特徴とする。
【０００９】
このような銅合金は、硬質なＳｉ系金属間化合物，Ｆｅ−Ｔｉ系金属間化合物，及びＮｉ−Ｔｉ系金属間化合物のうち少なくとも１種が分散しているため、耐摩耗性が優れていることに加えて摩擦係数も安定している。よって、振動体（弾性体）に摩耗が生じにくく超音波モータが長寿命となり、振動体（弾性体）が硬質なスライダ材に接触する場合でも、振動体の摩耗による短寿命化が抑制される。さらに、前記銅合金は、摩擦による温度上昇が生じても材料の特性が変化しにくいので、本発明の超音波モータは長期間にわたって安定した運転を行うことができる。
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、前記銅合金は黄銅であり、この黄銅の構成相はβ相又はα＋β相であることを特徴とする。このような黄銅は、耐摩耗性が特に優れている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の超音波モータは、摩耗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】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
また、ロータ２０は弾性体１１とほぼ同一形状の部材であり、弾性体１１の円筒部の端面１１ｂに対向する端面２０ａには、弾性体１１の端面１１ｂと摺接する円板状のスライダ材２１が取り付けられている。
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にスライダ材２１を介して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。
【００１４】
従来の超音波モータの弾性体にはリン青銅が使用されており、その種類は主にＪＩＳ規格のＣ５１９１材であるが、リン青銅は２５０℃で焼鈍するとＣｕ3 Ｐが析出して強化され弾性率が高くなることから、通常はバネ材として使用される。ヤング率の温度依存性が小さいことから超音波モータの弾性体としても使用されているが、材料自体の耐摩耗性は高くない。また、弾性体はスライダ材と圧接された状態で回転し、摺動面には滑りが発生するので、振動体とスライダ材との摺動面では摩擦発熱し温度が上昇する。リン青銅は、温度が上昇すると、強度低下等の機械的性質の変化が生じやすいので、超音波モータの回転特性が変化したり耐摩耗性が低下する等の問題がある。
【００１５】
本実施形態の超音波モータにおいては、亜鉛を主たる合金元素として含有し、しかも、Ｓｉ系金属間化合物，Ｆｅ−Ｔｉ系金属間化合物，及びＮｉ−Ｔｉ系金属間化合物のうち少なくとも１種が分散している銅合金で、弾性体１１が構成されている。銅合金において合金成分を調整し、さらに、硬質な金属間化合物を分散させているので、優れた耐摩耗性を有する銅合金が得られる。なお、銅合金の種類は、黄銅が好ましい。
【００１６】
金属間化合物は、ＭｎとＳｉが添加されている場合にはＭｎ5 Ｓｉ3 で表されるマンガンシリサイド、特殊な例としてＭｎを含まずＳｉ含有量が多い場合はＣｕ8 Ｚｎ2 Ｓｉ（κ相）やＣｕ8 ＺｎＳｉ（γ相）で表されるシリコン系（Ｓｉ系）の金属間化合物、ＦｅとＴｉ、又は、ＮｉとＴｉが添加されている場合はＦｅ−Ｔｉ系又はＮｉ−Ｔｉ系の金属間化合物が形成され、銅合金にその粒子が分散する。Ｔｉ系の金属間化合物の粒子は、さらにＡｌ，Ｃｕを固溶するため、Ｆｅ（Ｃｕ）・Ｔｉ（Ａｌ）、又は、Ｎｉ（Ｃｕ）・Ｔｉ（Ａｌ）が形成される。
【００１７】
これらマンガンシリサイド，Ｔｉ系の金属間化合物等を析出させた銅合金は、主として自動車のシンクロナイザーリングに使用されている銅合金である。これらの金属間化合物はリン青銅のＣｕ3 Ｐと比較して硬質であるので、これらの金属間化合物を銅合金に分散させると耐摩耗性が向上すると同時に摩擦係数が高い。したがって、スライダ材２１の材料を、従来のフッ素樹脂から繊維で強化し耐摩耗性を向上させた硬質な樹脂材料に変えた場合でも、弾性体１１の耐摩耗性が優れているため長時間にわたって弾性体１１の摩耗が生じにくく、摩擦係数が高いため長時間安定した回転特性を維持することができる。
【００１８】
また、この銅合金は、基本成分が黄銅系の銅合金であるので、温度が上昇した場合においても機械的性質の変化が小さく、特に２００℃まで温度が上昇した場合でも強度の低下や耐摩耗性の低下が小さい。よって、超音波モータの弾性体１１とスライダ材２１の摺動面で発熱が生じても、温度上昇に伴う回転特性の劣化が生じにくい利点がある。
さらに、この銅合金は摺動性も良好で、相手材を損傷させにくい性質を有しているので、炭素繊維やガラス繊維を含有する樹脂材料で構成されたスライダ材との接触においても、スライダ材を摩耗させにくい。
【００１９】
さらに、前述したように、超音波モータのステータとロータとの間には、通常は樹脂製のスライダ材が介在されるが、本発明における銅合金は耐摩耗性や摺動性に優れ且つ高い摩擦係数を有しているので、アルミニウム合金やアルマイト処理したアルミニウム合金で構成されたロータに直接接触しても、ロータを摩耗させにくい。よって、起動時に音が発生するという問題は生じるものの、超音波モータの寿命を支配する樹脂系材料のスライダ材を省略することも可能である。
さらに、本発明における銅合金は硬質な金属間化合物が分散しているが、この金属間化合物がチップブレーカーとなるために、切削性も良好である。よって、弾性体１１は櫛歯状の複雑形状であるが、切削加工により容易に加工できる。以上のような特性を有することから、本発明における銅合金は、超音波モータの弾性体用の材料として良好な特性を有していると言える。
【００２０】
マンガンシリサイド金属間化合物（Ｍｎ5 Ｓｉ3 ）を分散させた銅合金としては、三菱マテリアル株式会社製の銅合金の登録商標であるＭＢＡ２、三宝伸銅株式会社の商品名ＵＨ４，ＵＨ１１, ＵＨ１２，ＵＨ１３、中越合金株式会社の商品名ＣＳＭ３，ＣＧＭ３，ＣＧＭ７が例示できる。また、Ｆｅ−Ｔｉ系，Ｎｉ−Ｔｉ系の金属間化合物を分散させた銅合金としては，三菱マテリアル株式会社製の銅合金の登録商標であるＭＢＡ４及びＭＢＡ５が例示でき、Ｃｕ8 Ｚｎ2 Ｓｉ（κ相）やＣｕ8 ＺｎＳｉ（γ相）で表されるシリコン系金属間化合物を分散させた銅合金としては、三宝伸銅株式会社の商品名エコブラスが例示できる。
【００２１】
なお、本発明における銅合金は、これらの銅合金に限定されるものではなく、亜鉛を主たる合金元素として含有し、しかも、マンガンシリサイド金属間化合物、Ｆｅ−Ｔｉ系やＮｉ−Ｔｉ系の金属間化合物、シリコン系の金属間化合物を分散させた銅合金であれば、どのような銅合金でも好適に使用することができる。
【００２２】
〔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に示すような銅合金で構成された弾性体を用いて、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。弾性体を構成する銅合金は、表１に示すような合金組成を有するものであり、その構成相の種類及び分散している金属間化合物の種類は表２に示す通りである。また、ロータは、アルミニウム合金６０６１に硬質アルマイト処理（登録商標）を施したもので構成されている。さらに、スライダ材は、炭素繊維とポリイミド樹脂とを含有するポリイミド樹脂組成物で構成されている（比較例１のみフッ素樹脂で構成されている）。この炭素繊維は、直径７〜１０μｍ、長さ３〜１０μｍであり、ポリイミド樹脂組成物中の炭素繊維の割合は４０質量％である。
【００２３】
【表１】
2005151761.tif 000003
【００２４】
【表２】
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【００２５】
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８００ｋＰａの面圧力で加圧接触させ、滑り速度０. ２ｍ／ｓで２００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、耐久試験前後の弾性体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。
【００２６】
評価結果を表２に示す。なお、表２の摩耗量の数値は、比較例２（弾性体がリン青銅で構成され、スライダ材が前記ポリイミド樹脂組成物で構成されたもの）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、目視により摩耗が確認されなかった場合は○印、摩耗が確認された場合は×印で示してある。
本発明における銅合金で弾性体が構成された実施例１〜１１は、耐摩耗性が優れているので、従来のリン青銅で弾性体が構成された比較例２と比べて、摩耗量が半分以下であった。また、相手材であるスライダ材の摩耗も認められなかった。
【００２７】
さらに、表１から分かるように、銅合金の構成相の種類によって摩耗量が異なり、β相単相又はα＋β相が構成相である場合は、特に摩耗量が少なかった。したがって、弾性体の摩耗を特に低減させたい場合には、銅合金の構成相をβ相又はα＋β相とすることがより好ましい。
なお、α相は耐摩耗性への寄与が小さい。また、β相は摩耗状態が酸化摩耗となりやすい特性があるため、α相よりも耐摩耗性が優れると考えられている。よって、α＋β相の場合は、α相の割合を少なくすると耐摩耗性が向上する。
【００２８】
従来の超音波モータであり、弾性体がリン青銅、スライダ材がフッ素樹脂で構成されている比較例１は、弾性体及びスライダ材の両方に摩耗が発生していた。弾性体がリン青銅、スライダ材が前述のポリイミド樹脂組成物で構成されている比較例２は、スライダ材の摩耗は生じなかったが、スライダ材が含有する硬質な炭素繊維が弾性体のリン青銅を摩耗させた。金属間化合物が分散されていない高力黄銅で弾性体が構成されている比較例３は、金属間化合物が分散されておらず耐摩耗性が不十分であるため、摩耗量が多かった。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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。
【符号の説明】
【００３０】
１０      ステータ（振動体）
１１      弾性体
１２      圧電体
２０      ロータ（可動体）
２１      スライダ材
【図１】
2005151761.tif 000005
【図２】
2005151761.tif 000006