JP5654795B2 - Ultrasonic drive mechanism - Google Patents
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Description
本発明は超音波モータを用いた駆動機構、特に前記超音波モータの振動子先端の接触子との摩擦接触で被動部材が駆動される超音波駆動機構に関する。 The present invention relates to a drive mechanism using an ultrasonic motor, and more particularly to an ultrasonic drive mechanism in which a driven member is driven by frictional contact with a contact at the tip of a vibrator of the ultrasonic motor.
電子・情報技術の急速な進展に伴い、精密部品の更なる微細化、高集積化が求められており、ナノオーダ(10-9m)での検査や超微細加工に対応する超精密位置決め装置が必要となっている。また、医療やバイオ研究においても、タンパク質や細胞の制御による応用技術開発が進み、より微細な領域での位置決めが可能な顕微鏡用ステージに対するニーズが高まっている。さらに、近年では高精密化への要求と併せて、検査、加工、測定などの対象物が小さくなるに伴い、位置決め装置やその駆動源の小形化、軽量化も求められてきている。 With the rapid development of electronic and information technology, there is a need for further miniaturization and higher integration of precision parts, and an ultra-precision positioning device that supports nano-order (10 -9 m) inspection and ultra-fine processing. It is necessary. In medical and biological research, the development of applied technology by controlling proteins and cells is progressing, and the need for a microscope stage that can be positioned in a finer region is increasing. Further, in recent years, along with the demand for higher precision, as the objects for inspection, processing, measurement, etc. become smaller, the positioning device and its drive source are also required to be smaller and lighter.
このようなナノオーダでの微細領域に対処する駆動装置として、従来の電磁モータに代わって、特許文献1〜3に記載されるような圧電振動子を用いた超音波モータが開発されている。これらの超音波モータはいずれも電磁モータとは全く異なる駆動原理に基づく駆動装置であり、低速、高トルク、無音、停止時の位置保持性など優れた特長を有している。また、前記振動子の構造が単純なことから小形化に有利であり、小型アクチュエータとしても期待されている。
As a driving device for dealing with such a fine region in the nano-order, an ultrasonic motor using a piezoelectric vibrator as described in
超音波モータはこのように種々の優れた特長を有する反面、振動子先端の押付部材(接触子)や、前記接触子と摩擦接触する被動部材の材質、硬度、摩擦特性などについて種々の問題が指摘され、これらの点を解決するために多くの試みがなされている。特許文献1では振動子先端の接触子の材質を、アルミナ含有量が99.5質量%以上でビッカース硬度が15.2GPa以上のアルミナセラミックスまたは単結晶アルミナで形成し、これによって接触子の摩耗を極力抑えるとともに、被動部材との間で適度な摩擦力が確保されるようにしている。
While the ultrasonic motor has various excellent features as described above, there are various problems regarding the material, hardness, friction characteristics, etc. of the pressing member (contactor) at the tip of the vibrator and the driven member that is in frictional contact with the contactor. It has been pointed out that many attempts have been made to solve these points. In
また、特許文献2には、超音波モータの振動子先端の接触子および被動部材の当接面をそれぞれ緻密質のセラミックスまたはサーメットにより形成し、かつ双方の当接面のうちいずれか一方に硬質炭素からなる耐摩耗層を設けた超音波駆動装置が開示されている。さらに特許文献3には、略V字形に配置された振動子の先端を結合部材で連結し、この結合部材と摩擦接触する被動部材に突起状の保護部材を設け、かつこの突起部材の長さを該被動部材の移動方向に沿って2mm以下にした超音波モータが開示されている。
Also, in
超音波モータでは動作特性が安定し、かつ振動子と被動部材との間の摩耗が少なく、しかも振動子側の接触子は摩耗によっても接触面積が一定となるようにすることが必要である。上述の特許文献1においては、振動子先端の接触子の材質や表面粗さ、機械的強度など摩耗量低減についての対策はなされているものの、もっぱら接触子側の摩耗や脱粒を防ぐ構成であり、その反面、被動部材側の摩耗が大きくなるという問題がある。
In an ultrasonic motor, it is necessary that the operation characteristics are stable, the wear between the vibrator and the driven member is small, and the contact area on the vibrator side should be constant even when worn. In the above-mentioned
また特許文献2では、振動子先端の接触子および被動部材の双方に極めて高い耐摩耗性の硬質炭素からなる耐摩耗層を形成することにより、高速での摩擦駆動において優れた耐摩耗性を確保することとしているものの、接触子、被動部材とも高硬度の材質で形成しているため、動作が安定せず、静止保持性の点で問題があった。また、特許文献3では被動部材の接触部位に半円柱形あるいは半球状ないし柱状の突起部を設けており、摩耗によって接触子との接触面積が増加するため動作特性が変化し、安定した動作が得られないおそれがあった。
In
本発明は、上述の問題を解決し、動作が安定し、被動部材の抗折強度が高く、かつ被動部材の良好な鏡面が得られ易く、焼成時に反り等の変形も起きにくい超音波駆動機構を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, provides an ultrasonic drive mechanism that is stable in operation, has a high bending strength of the driven member, easily obtains a good mirror surface of the driven member, and is less likely to be warped or deformed during firing. The purpose is to provide.
本発明はまた、振動子先端の接触子の形状により、初期動作状態が持続して安定した速度、推力、安定な共振周波数が保たれ、安定した動作特性が長期にわたって得られる超音波駆動機構を提供することを目的とする。 The present invention also provides an ultrasonic drive mechanism that maintains a stable speed, thrust, and stable resonance frequency by maintaining the initial operating state by the shape of the contact at the tip of the vibrator, and that provides stable operating characteristics over a long period of time. The purpose is to provide.
上記目的を達成するため本発明に係る超音波駆動機構(1)は、超音波モータと、前記超音波モータの接触子と摩擦接触して駆動される被動部材とを有する超音波駆動機構において、前記接触子を部分安定化ジルコニアで形成し、前記被動部材の前記接触子との接触部をアルミナジルコニアで形成したことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, an ultrasonic drive mechanism (1) according to the present invention includes an ultrasonic motor and a driven member that is driven in frictional contact with a contact of the ultrasonic motor. The contact is formed of partially stabilized zirconia, and the contact portion of the driven member with the contact is formed of alumina zirconia.
本発明の1つの形態によれば、上記(1)記載の超音波駆動機構において、前記アルミナジルコニアが、アルミナ粉末90〜97質量%と部分安定化ジルコニア粉末2〜9質量%を混合し、かつこれに焼結助剤0.5〜3質量%を加えて焼成した焼結体である超音波駆動機構(2)が提供される。この形態において、アルミナ粉末94質量%と部分安定化ジルコニア粉末5%を混合し、かつこれに焼結助剤1質量%を加えて焼成した焼結体であるアルミナジルコニアからなる超音波駆動機構(3)が好ましい。 According to one aspect of the present invention, in the ultrasonic drive mechanism described in (1) above, the alumina zirconia is mixed with 90 to 97% by mass of alumina powder and 2 to 9% by mass of partially stabilized zirconia powder, and An ultrasonic drive mechanism (2) which is a sintered body obtained by adding 0.5 to 3% by mass of a sintering aid to the sintered body is provided. In this embodiment, an ultrasonic drive mechanism (alumina zirconia, which is a sintered body in which 94% by mass of alumina powder and 5% of partially stabilized zirconia powder are mixed and 1% by mass of a sintering aid is added thereto and fired) 3) is preferred.
また本発明の他の形態によれば、上記(1)〜(3)の超音波駆動機構において、前記焼結助剤が、CaO10〜16質量%、MgO20〜26質量%、SiO260〜65質量%からなる粉末状組成物である超音波駆動機構(4)が提供される。この形態においては、前記焼結助剤がCaO13質量%、MgO24質量%、SiO263質量%からなる粉末状組成物である超音波駆動機構(5)が好ましい。
According to another aspect of the present invention, the ultrasonic drive mechanism (1) to (3), wherein the sintering aid, CaO10~16 mass%, MgO20~26 wt%,
さらに本発明の他の形態によれば、上記(1)〜(5)の超音波駆動機構において、前記超音波モータの接触子は表面粗さRa<0.05の鏡面仕上げとし、前記被動部材の前記接触子との接触面を表面粗さRa<0.04の鏡面仕上げ面とした超音波駆動機構(6)が提供される。 Furthermore, according to another aspect of the present invention, in the ultrasonic driving mechanism of the above (1) to (5), the contact of the ultrasonic motor has a mirror finish with a surface roughness Ra <0.05, and the driven member An ultrasonic drive mechanism (6) is provided in which the contact surface with the contact is a mirror-finished surface with a surface roughness Ra <0.04.
さらに本発明の他の形態によれば、上記(1)〜(6)の超音波駆動機構において、前記接触子を該接触子の軸方向に垂直な横断面が軸方向に沿って同じ形状および横断面積に形成した超音波駆動機構(7)が提供される。 Furthermore, according to the other form of this invention, in the ultrasonic drive mechanism of said (1)-(6), the cross section perpendicular | vertical to the axial direction of this contactor has the same shape and the same shape along the axial direction. An ultrasonic drive mechanism (7) formed in the cross-sectional area is provided.
さらに本発明の他の形態によれば、上記(1)〜(7)の超音波駆動機構において、前記接触子がピン形接触子である超音波駆動機構(8)が提供される。 Furthermore, according to the other form of this invention, in the ultrasonic drive mechanism of said (1)-(7), the ultrasonic drive mechanism (8) whose said contactor is a pin-shaped contactor is provided.
本発明では、前記接触子を部分安定化ジルコニアで形成し、前記被動部材をアルミナジルコニアで形成したことにより、前記被動部材の動作が安定し、かつ抗折強度が高く、また前記被動部材側の摩耗が抑制され、さらに焼結助剤添加により反りやゆがみ等がなく前記被動部材製品の歩留まりが高くなり品質も向上する。 In the present invention, the contact is formed of partially stabilized zirconia, and the driven member is formed of alumina zirconia, so that the operation of the driven member is stable and the bending strength is high, and the driven member side Abrasion is suppressed, and the yield of the driven member product is increased and the quality is improved without warping or distortion due to the addition of a sintering aid.
さらに本発明では、超音波モータの振動子先端の接触子が摩耗しても、被動部材との接触面積が一定となり、動作特性が安定する。また、前記接触子の稜部でのチッピングが起きにくく、前記接触子の毀損が抑制され、寿命の長い超音波駆動機構が実現できる。 Further, in the present invention, even if the contact at the tip of the vibrator of the ultrasonic motor is worn, the contact area with the driven member is constant, and the operation characteristics are stabilized. Further, chipping at the ridge portion of the contact is unlikely to occur, damage to the contact is suppressed, and an ultrasonic drive mechanism having a long life can be realized.
次に、図面を参照して本発明の実施形態に係る超音波駆動機構について説明する。図11(A),(B)は本発明が適用される超音波駆動機構の作動原理を模型的に示した図である。この超音波駆動機構は振動子1と被動部材2を含み、振動子1は圧電振動素子で構成され、この側面に設けた電極(図示省略)を印加することにより、伸縮動作と屈曲動作が同時にそれぞれ独立して生成され、その組み合せにより、少なくともその一部が、特に被動部材2と摩擦接触する振動子先端の接触子3が楕円運動を行って被動部材2を間欠的に移動動作させる。例えば、図11(A)中のp点(振動子の左端面の中心点)は、(a)〜(d)の4つの状態を経て同図(B)に示す軌跡を描く。図中、xは振動子の長手方向軸線、yは振動子の上下側面1aに垂直な軸線である。
Next, an ultrasonic drive mechanism according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIGS. 11A and 11B are diagrams schematically showing the operating principle of an ultrasonic drive mechanism to which the present invention is applied. The ultrasonic drive mechanism includes a
振動子1の楕円運動している先端部分には、接触子3が固着(接着)されている。振動子1の楕円運動は接触子3を介して被動部材2に伝達され、被動部材2を動作させる駆動力となる。図11の例では、この楕円運動の反復により被動部材2はガイド4のまわりの回転運動を生じさせることも可能である。また、被動部材2を円環状にすれば、ガイド4のまわりの回転運動を生じさせることも可能である。なお、楕円運動の大きさは前記圧電振動素子1の電極への入力電圧によって制御される。
A contact 3 is fixed (adhered) to the tip of the
次に、接触子および被動部材の材質として99%アルミナ、酸化イットリウム(Y2O3)を3mol%前後添加してジルコニア(Z2O3)の結晶構造を部分的に安定化させた部分安定化ジルコニア、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)、アルミナの一部を部分安定化ジルコニアで置換したアルミナジルコニアを組み合せて予備実験を行ったときの動作安定性および摩耗量の実験結果を表1に示す。 Next, 99% alumina and yttrium oxide (Y 2 O 3 ) were added in the order of 3 mol% as materials of the contactor and the driven member, and the crystal structure of zirconia (Z 2 O 3 ) was partially stabilized. Table 1 shows the experimental results of the operational stability and the amount of wear when a preliminary experiment was performed by combining zirconia fluoride, polyphenylene sulfide resin (PPS), and alumina zirconia in which a part of alumina was replaced with partially stabilized zirconia.
この予備実験は駆動距離を1000mの連続駆動(合計)として行ったものであり、振動子長さを30mm、接触子を半球形状とし、押付けバネ圧を40N(ただしPPSのみ押付け圧を15Nとした。)で実験した。表中の摩耗量(μm)は接触子の摩耗量である。この予備実験で接触子と被動部材の材質の組み合せのうち、比較的良好と思われるものを3種選び、これらについて駆動距離数100Kmに対して本実験を行った。予備実験での表1の結果から良好と思われるものとして、接触子−被動部材の材質を、(A)部分安定化ジルコニア−アルミナジルコニアとしたもの、(B)部分安定化ジルコニア−99%アルミナとしたもの、および(C)部分安定化ジルコニア−部分安定化ジルコニアとしたもの3種類を選び、それぞれについて本実験を行った。その結果を図1〜図3に示す。 This preliminary experiment was performed with a driving distance of 1000 m and continuous driving (total). The vibrator length was 30 mm, the contact was hemispherical, the pressing spring pressure was 40 N (however, the pressing pressure for PPS was 15 N only). )). The wear amount (μm) in the table is the wear amount of the contact. In this preliminary experiment, among the combinations of materials of the contactor and the driven member, three kinds that are considered to be relatively good were selected, and this experiment was performed for a driving distance of 100 km. From the results of Table 1 in the preliminary experiment, it is considered that the contactor-driven member is made of (A) partially stabilized zirconia-alumina zirconia, and (B) partially stabilized zirconia-99% alumina. And (C) Partially Stabilized Zirconia-Partially Stabilized Zirconia were selected, and this experiment was performed for each. The results are shown in FIGS.
本実験の結果、被動部材をアルミナジルコニアで形成し、この被動部材と接触する振動子先端の接触子を部分安定化ジルコニアで形成した場合が最も良い結果が得られた。なお、上述の予備実験でも接触子と被動部材の材質を部分安定化ジルコニア−アルミナジルコニアとした場合に、駆動距離1000mの範囲では接触子の摩耗量は殆ど計測不能な程度に極少であり、動作が最も安定していることが確認できている。図1は本発明による接触子と被動部材の材質を部分安定化ジルコニア−アルミナジルコニアとした場合の実験結果であり、被動部材の移動速度(mm/sec)および共振周波数(KHz)を被動部材の駆動距離について示したものである。図2はアルミナを被動部材とし、接触子を部分安定化ジルコニアとした場合の被動部材の移動速度および共振周波数を示している。また、図3は接触子および被動部材ともに部分安定化ジルコニアで形成した場合の駆動距離に対する移動速度(mm/sec)および共振周波数(KHz)を示した図である。 As a result of this experiment, the best result was obtained when the driven member was formed of alumina zirconia and the contact at the tip of the vibrator contacting the driven member was formed of partially stabilized zirconia. In the above preliminary experiment, when the material of the contactor and the driven member is partially stabilized zirconia-alumina zirconia, the wear amount of the contactor is extremely small so that it cannot be measured in the range of the driving distance of 1000 m. Has been confirmed to be the most stable. FIG. 1 shows the experimental results when the material of the contact and the driven member according to the present invention is partially stabilized zirconia-alumina zirconia. This shows the driving distance. FIG. 2 shows the moving speed and resonance frequency of the driven member when alumina is used as the driven member and the contact is made of partially stabilized zirconia. FIG. 3 is a diagram showing the moving speed (mm / sec) and the resonance frequency (KHz) with respect to the driving distance when both the contactor and the driven member are made of partially stabilized zirconia.
図1の例におけるアルミナジルコニアは、アルミナ粉末94質量%、ジルコニア粉末5質量%、および後述する焼結助剤1質量%を混合して焼成した焼結体であり、前記焼結助剤としては、例えばCaO13質量%、MgO24質量%、SiO263質量%からなる粉末状組成物が、被動部材の反りを防止するのに用いられる。また、部分安定化ジルコニアとしては、ジルコニア(ZrO2)97.4モル%と酸化イットリウム(Y2O3)2.6モル%からなる、比表面積(SA)が7.8m2/g、平均粒径(D50)が0.52μmの市販品(第一稀元素製)を使用した。図1では、被動部材への接触子の押し付ける押付けバネ圧を20N、静止保持力を6Nとし、被動部材の面粗さRaを0.05μmとした。また、この例で用いたアルミナジルコニアは、抗折強度(MPa)が600、ビッカース硬度(Hv)が1552、密度(g/cm3)が4.038である。なお、前記焼結体の焼成において、1550℃での焼成では原料として比表面積(SA)が13.1m2/g、平均粒径(D50)が0.5μmのジルコニア(第一稀元素製)を使用すると、若干強度が向上する傾向が認められる。 The alumina zirconia in the example of FIG. 1 is a sintered body obtained by mixing and firing 94% by mass of alumina powder, 5% by mass of zirconia powder, and 1% by mass of a sintering aid to be described later. For example, a powdery composition composed of 13% by mass of CaO, 24% by mass of MgO, and 63% by mass of SiO 2 is used for preventing warpage of the driven member. Further, as the partially stabilized zirconia, the specific surface area (SA) consisting of 97.4 mol% of zirconia (ZrO 2 ) and 2.6 mol% of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) has an average of 7.8 m 2 / g. A commercial product (manufactured by Daiichi Rare Elements) having a particle size (D 50 ) of 0.52 μm was used. In FIG. 1, the pressing spring pressure that presses the contact against the driven member is 20 N, the stationary holding force is 6 N, and the surface roughness Ra of the driven member is 0.05 μm. The alumina zirconia used in this example has a bending strength (MPa) of 600, a Vickers hardness (Hv) of 1552, and a density (g / cm 3 ) of 4.038. In the firing of the sintered body, zirconia (made of the first rare element) having a specific surface area (SA) of 13.1 m 2 / g and an average particle diameter (D 50 ) of 0.5 μm as a raw material in firing at 1550 ° C. ), A tendency to slightly improve the strength is recognized.
これに対し、図2の例における従来のアルミナの被動部材では、抗折強度(MPa)、ビッカース硬度(Hv)、および密度(g/cm3)は、それぞれ200、1429、3.785である。また、部分安定化ジルコニアの被動部材では、抗折強度(MPa)は1200、ビッカース硬度(Hv)は1280、密度(g/cm3)は6.099である。なお、本発明では、振動子の長さは30mm、接触子は0.5mm径のピン形(2mm径のピン台付き)とし、静止保持力は6Nであり、繰返し往復動作における合計駆動距離100Km〜300Kmまで試験した。これに対し、図2の従来例の場合は振動子長さ30mm、接触子径0.8mmのピン形(2mm径のピン台付き)、静止保持力は10Nであり、駆動距離200Km〜800Kmまで試験した。図3の例では、振動子長さ、接触子径は図2の場合と同様であるが、押付けバネ力は20N、静止保持力は15N、被動部材の面粗さRaを0.05μmの鏡面とした。 On the other hand, in the conventional alumina driven member in the example of FIG. 2, the bending strength (MPa), Vickers hardness (Hv), and density (g / cm 3 ) are 200, 1429, and 3.785, respectively. . The partially stabilized zirconia driven member has a bending strength (MPa) of 1200, a Vickers hardness (Hv) of 1280, and a density (g / cm 3 ) of 6.099. In the present invention, the length of the vibrator is 30 mm, the contact is a pin shape of 0.5 mm diameter (with a 2 mm diameter pin base), the stationary holding force is 6 N, and the total driving distance in repeated reciprocating operations is 100 km. Tested to ~ 300Km. On the other hand, in the case of the conventional example shown in FIG. 2, the vibrator has a length of 30 mm, a contact diameter of 0.8 mm (with a 2 mm diameter pin base), a static holding force of 10 N, and a driving distance of 200 km to 800 km. Tested. In the example of FIG. 3, the length of the vibrator and the contact diameter are the same as in FIG. 2, but the pressing spring force is 20 N, the stationary holding force is 15 N, and the surface roughness Ra of the driven member is 0.05 μm. It was.
図1で駆動開始の立上がり時の速度、共振周波数の変化が急峻であるのは、立上がり時に接触子と被動部材の接触する面と面がなじむ時間が必要なためであり、この問題は製造後にエージングを施すことで解消できる。 In FIG. 1, the change in the speed and resonance frequency at the start of drive start is steep because it takes time for the contact surface and the surface of the driven member to contact each other at the time of start-up. It can be resolved by aging.
これらの図を比較しても分かるように、本発明の場合は移動速度、共振周波数とも駆動距離の全域にわたって一定で安定した動きとなるが、図2の従来例では速度のばらつきが見られ、また共振周波数も移動距離1〜300Kmの間で大きなばらつきが見られる。本発明の場合、駆動距離1000Kmでの接触子の摩耗量は5μmであり、従来と比べると極めて微少である。被動部材側の摩耗は、これよりさらに小さく、殆ど測定不可能である。なお、共振周波数はインピーダンスの変化として測定したものであり、摩耗が大きいと値がふらつく。図2の従来例共振周波数のばらつきが大きいのは摩耗が大きいためと推察される。図3の例でも、駆動距離200Km〜1000Kmの範囲で共振周波数の大きなばらつきが見られる。 As can be seen from comparison of these figures, in the case of the present invention, both the moving speed and the resonance frequency are constant and stable movement over the entire driving distance, but in the conventional example of FIG. Further, the resonance frequency also shows a large variation between the moving distances of 1 to 300 km. In the case of the present invention, the amount of wear of the contact at a driving distance of 1000 km is 5 μm, which is extremely small compared to the conventional case. Wear on the driven member side is even smaller than this, and is hardly measurable. The resonance frequency is measured as a change in impedance, and the value fluctuates when the wear is large. It is assumed that the variation in the resonance frequency of the conventional example shown in FIG. 2 is large because of wear. In the example of FIG. 3 as well, a large variation in resonance frequency can be seen in the driving distance range of 200 km to 1000 km.
次に、本発明の実施例に係る超音波駆動機構における被動部材を構成するアルミナジルコニアの抗折強度(MPa)および焼成時の反り量(mm)について行った種々の実験結果を、図4および図5を参照して説明する試料として用いたアルミナジルコニアは、
A:アルミナ(Al2O3)95質量%と部分安定化ジルコニア(ZrO2)5質量%の割合で混合して(焼結助剤を使用せず)焼成したもの、
B:アルミナ(Al2O3)94質量%と部分安定化ジルコニア(ZrO2)5質量%の割合で混合し、前記焼結助剤を1質量%として焼成したもの、
C:アルミナ(Al2O3)を92質量%、部分安定化ジルコニア(ZrO2)を5質量%で前記焼結助剤を3質量%としたもの、
D:アルミナ(Al2O3)を90質量%、部分安定化ジルコニア(ZrO2)を5質量%、前記焼結助剤を5質量%としたもの、をそれぞれ用いた。
以上のA〜Dに対して焼成温度を1500℃、1530℃および1580℃としたときの抗折強度(MPa)を測定した。図4に示す測定結果によれば、上記Aの助剤0%および上記Bの助剤1質量%の前記Bのものが抗折強度に優れ、かつ焼成温度1500℃〜1530℃の範囲で良好な値を示した。ただし、助剤0質量%では反りが大きく、実際上、助剤を用いないで焼成することは難しいため、上記Bのものが最も良好である。
Next, the results of various experiments conducted on the bending strength (MPa) and the warping amount (mm) of alumina zirconia constituting the driven member in the ultrasonic driving mechanism according to the example of the present invention are shown in FIG. The alumina zirconia used as a sample described with reference to FIG.
A: A mixture of 95% by mass of alumina (Al 2 O 3 ) and 5% by mass of partially stabilized zirconia (ZrO 2 ) and calcined (without using a sintering aid),
B: A mixture of 94% by mass of alumina (Al 2 O 3 ) and 5% by mass of partially stabilized zirconia (ZrO 2 ), and fired with the sintering aid as 1% by mass,
C: 92% by mass of alumina (Al 2 O 3 ), 5% by mass of partially stabilized zirconia (ZrO 2 ), and 3% by mass of the sintering aid,
D: 90% by mass of alumina (Al 2 O 3 ), 5% by mass of partially stabilized zirconia (ZrO 2 ), and 5% by mass of the sintering aid were used.
The bending strength (MPa) when the firing temperature was 1500 ° C., 1530 ° C., and 1580 ° C. was measured for the above A to D. According to the measurement results shown in FIG. 4, the above-mentioned B having 0% of the auxiliary A and 1% by mass of the auxiliary B is excellent in bending strength, and good in the firing temperature range of 1500 ° C to 1530 ° C. Showed a good value. However, since the warpage is large at 0% by mass of the auxiliary agent and it is practically difficult to fire without using the auxiliary agent, the above-mentioned B type is the best.
図5は上述の試料A〜Dについて焼成温度1530〜1560℃で焼成した際の6インチ(15.24cm)当りの最大反り量(mm)を示した図である。この図から、助剤1〜5質量%のB〜Dのものが焼成時の反り量(最大値)が少ないことが分かる。これらの結果から、本発明の被動部材として、上述のBの組成、すなわち94質量%のアルミナと5質量%の部分安定化ジルコニア(ZrO2)の混合物に焼結助剤を1質量%添加したものが抗折強度が高く、かつ焼成時の反り量も小さいことが分かる。したがって本発明では被動部材として上述の助剤を1質量%とした組成Bのアルミナジルコニアを用いるのが最も好ましい。 FIG. 5 is a diagram showing the maximum amount of warp (mm) per 6 inches (15.24 cm) when the samples A to D are fired at a firing temperature of 1530 to 1560 ° C. FIG. From this figure, it can be seen that B to D having 1 to 5 mass% of auxiliary agent have a small amount of warping (maximum value) during firing. From these results, as a driven member of the present invention, 1% by mass of a sintering aid was added to the above-mentioned composition of B, that is, a mixture of 94% by mass of alumina and 5% by mass of partially stabilized zirconia (ZrO 2 ). It can be seen that the product has a high bending strength and a small amount of warpage upon firing. Therefore, in the present invention, it is most preferable to use alumina zirconia having the composition B in which the above-mentioned auxiliary agent is 1% by mass as the driven member.
次に、アルミナジルコニアの部分安定化ジルコニアの含有量(部分安定化ジルコニア置換量)を変えた場合の、抗折強度および熱伝導率の変化について図6および図7を参照して説明する。図6はアルミナジルコニアの部分安定化ジルコニア置換量と抗折強度との関係を示した図である。焼成温度は、1550℃の場合である。この測定結果から、部分安定化ジルコニア置換量5質量%以上で抗折強度が約700MPaの一定値を示すことがわかる。また、アルミナジルコニアのジルコニア置換量と熱伝導率との関係については、図7に示すように、比表面積7.8m2/g、平均粒径0.52μmの部分安定化ジルコニアの場合、部分安定化ジルコニア置換量が増加するにつれて熱伝導率が低下する。熱伝導率の評価をしているのは、摩擦熱の放熱性を評価しており、熱ドリフトの小さな駆動装置を提供するためである。以上の結果から、本発明に係るアルミナジルコニアとしては、アルミナ94質量%とジルコニア5質量%を混合し、かつ、これに焼結助剤1質量%を加えて焼成した焼結体とするのがよい。 Next, changes in bending strength and thermal conductivity when the content of partially stabilized zirconia in alumina zirconia (partially stabilized zirconia substitution amount) is changed will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the partially stabilized zirconia substitution amount of alumina zirconia and the bending strength. The firing temperature is 1550 ° C. From this measurement result, it is understood that the bending strength shows a constant value of about 700 MPa when the partially stabilized zirconia substitution amount is 5% by mass or more. As for the relationship between the amount of zirconia substitution of alumina zirconia and the thermal conductivity, as shown in FIG. 7, in the case of partially stabilized zirconia having a specific surface area of 7.8 m 2 / g and an average particle size of 0.52 μm, it is partially stable. As the zirconia fluoride substitution amount increases, the thermal conductivity decreases. The reason why the thermal conductivity is evaluated is to evaluate the heat dissipation of frictional heat and to provide a driving device with a small thermal drift. From the above results, the alumina zirconia according to the present invention is a sintered body in which 94% by mass of alumina and 5% by mass of zirconia are mixed, and 1% by mass of a sintering aid is added thereto, followed by firing. Good.
本発明における振動子側の接触子および被動部材の接触部材は鏡面仕上げとなるように研磨される。表面粗さRaが0.3程度の未研磨の状態では振動子先端の接触子の摩耗が激しく、動きが安定しなくなる。したがって、安定した動作を得るために、本発明では前記接触子の表面粗さRaをRa<0.05の鏡面仕上げ研磨とし、被動部材の表面粗さRaをRa<0.04の鏡面仕上げとすることで、被動部材の材質と併せて該被動部材の摩耗を防止している。 In the present invention, the contact on the vibrator side and the contact member of the driven member are polished so as to have a mirror finish. In an unpolished state with a surface roughness Ra of about 0.3, the contact of the contact at the tip of the vibrator is severely worn and the movement becomes unstable. Therefore, in order to obtain a stable operation, in the present invention, the surface roughness Ra of the contactor is mirror-finished polishing with Ra <0.05, and the surface roughness Ra of the driven member is mirror-finished with Ra <0.04. By doing so, wear of the driven member is prevented together with the material of the driven member.
次に、本発明の実施例に係る超音波駆動機構の超音波モータにおける振動子先端の摩耗状態について図8および図9を参照して説明する。図8、図9の実施例では振動子1の先端に円柱形のピン台5が固着され、ピン台5の先端に被動部材と摩擦接触する円柱形のピン形接触子6が設けられている。このピン形接触子6は横断面が軸方向に沿って同一の外径をなす円柱形に形成されている。本発明では既に述べたように超音波モータの接触子を被動部材(アルミナジルコニア)よりも摩耗性の大きい材料(部分安定化ジルコニア)としており、被動部材よりも接触子の方が摩耗する。被動部材との摩擦接触で接触子6が摩耗して図9に示すように初期状態(a)から(b)、(c)へと摩耗が進んでいっても長さが減少するだけで被動部材との接触面積は変わらず、これにより、初期動作が持続して安定した速度、推力、共振周波数が保たれる。
Next, the state of wear of the transducer tip in the ultrasonic motor of the ultrasonic drive mechanism according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9, a
接触子6を固着したピン台5は円柱形に限定されるものではなく、角柱形であってもよい。また、ピン形の接触子6もその横断面が矩形状の角柱であってもよい。図10は角柱形のピン形接触子7の拡大平面図であり、この場合は、角柱の4側部7aがR面取りが施されている。この実施例における角柱の一辺の長さは前述した円柱形のピン形接触子の直径とほぼ同じでよい。また、角柱形の場合もピン長さは2mm以下が好ましい。角柱形の稜部にR面取りがなされない場合は、摩擦接触中に稜部でチッピングが起こり、この部分で摩耗が加速され、初期動作を維持するのが困難になるが、稜部の面取りにより、このような問題の起きる心配はなくなる。
The
1 振動子
2 被動部材
3 接触子
4 ガイド
5 ピン台
6 ピン型接触子
7 角柱形のピン形接触子
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