振动型致动器、电子装置和用于检查摩擦材料的方法与流程

本发明涉及一种用于使振动体和接触体相对移动的振动型致动器、电子装置和用于检查摩擦材料的方法。

背景技术：

已知一种振动型致动器，用于通过使包括机电能量转换元件的振动体与接触体接触并通过在振动体中激发的预定振动摩擦地驱动接触体来相对地移动振动体和接触体(被驱动体)。这种振动型致动器利用振动体和接触体之间的摩擦力，因此具有实现大的保持转矩或保持力的特征。这使得即使在接收外力时也能够维持振动体和接触体之间的位置关系，而不需要特定的机构或能量(施加电流)来维持振动体和接触体之间的位置关系。

然而，通常认为在振动型致动器经受高湿度环境或者振动型致动器长时间闲置时保持力趋于减小。因此，日本特开专利公报(kokai)no.2017-225333提出了一种使用浸渍有树脂的烧结不锈钢体作为接触体的摩擦材料以改善振动体和接触体之间的保持力的技术。

在日本特开专利公报(kokai)no.2017-225333中描述的摩擦材料中，并非摩擦滑动面中的所有孔都填充有树脂。这是因为烧结的不锈钢体包括未被树脂浸渍的封闭孔，使得未浸渍树脂的孔由于在树脂浸渍处理后进行的抛光处理而暴露于表面，或者树脂由于抛光处理而与孔分离。

同时，为了维持保持力，烧结不锈钢体的摩擦滑动面中的孔(空的孔)需要浸渍预定量以上的树脂。因此，为了确保振动型致动器的性能，需要检查摩擦滑动面中的孔是否浸渍有预定量以上的树脂。然而，通常，孔较小且树脂具有透明性，由此即使通过使用金相显微镜等观察也难以区分浸渍有树脂的孔和未浸渍树脂的孔。

此外，在用树脂浸渍烧结不锈钢体的过程中，进行提高加工温度以降低粘度等的操作，由此容易用树脂浸渍孔。然而，不存在用于以非破坏性方式测量树脂浸渍深度的单元，并且迄今为止，浸渍深度是通过在浸渍处理之后从烧结不锈钢体中提取用于检查的样品、切割样品、并且观察样品的剖面来测量的。然而，通过上述方法不能在生产过程中进行全面检查，因此需要一种用于以非破坏性方式测量浸渍深度的单元。

技术实现要素：

本发明提供了一种使用摩擦材料的振动型致动器，其中可以以非破坏性方式容易地测量树脂浸渍深度。

因此，本发明提供了一种振动型致动器，包括：振动体，所述振动体包括机电能量转换元件和弹性体；和接触体，所述接触体构造成与振动体接触，其中，振动型致动器具有这样的结构：其中接触体的与振动体接触的摩擦部分和振动体的与接触体接触的摩擦部分中的至少一者具有金属部分，所述金属部分包括用含有荧光材料的树脂浸渍的孔。

根据本发明，可以以非破坏性的方式容易地测量在振动型致动器中使用的摩擦材料的树脂浸渍深度。

参考附图，根据对示例性实施例的以下描述，本发明的其他特征将变得显而易见。

附图说明

图1是示出了根据本发明的振动型致动器的示意性结构的视图。

图2a至2c是用于描述在振动体中激发的振动的示意图。

图3a至3c是各个示出了接触体的径向剖面以描述接触体的结构和用于制造接触体的方法的视图。

图4a和4b是通过在硬化环氧树脂的处理之后拍摄烧结体的剖面的一部分而获得的图片。

图5a和5b是通过在硬化环氧树脂的处理之后拍摄烧结体的倾斜面的一部分表面而获得的图片。

图6a和6b是通过拍摄接触体的摩擦滑动面而获得的图片。

图7a和7b是用于描述包括振动型致动器的图像拾取设备的构造的视图。

图8是示出了包括振动型致动器的机器人的示意性结构的透视图。

具体实施方式

现在将在下文中参考示出了本发明的实施例的附图详细地描述本发明。

图1是用于说明振动型致动器1的示意性结构的视图。振动型致动器1包括振动体2和环形接触体6，环形接触体6是被振动体2摩擦地驱动的被驱动体。

振动体2包括平板状弹性体3、作为粘附到弹性体3的一个面上的机电能量转换元件的压电元件4、以及布置在弹性体3的另一面上的两个突起5。作为弹性体3，例如，可以使用薄的不锈钢板。突起5可以通过对弹性体3压力加工等与弹性体3一体地形成，或者可以通过使用诸如焊接或粘合的结合方法而结合至弹性体3。

图2a是示意性地示出了振动体2的透视图。压电元件4构造成例如在位于弹性体3侧的一个面上形成公共电极(全表面电极)(未示出)，并且在长度方向上分成两半的驱动电极(未示出)形成在弹性体3的另一面上。

图2b是用于说明关于在振动体2中激发的振动的两个挠曲振动模式的第一振动模式(下文中，称为“模式a”)的视图。模式a是在振动体2的纵向方向(x方向)上的二阶挠曲振动，并且具有与振动体2的横向方向(y方向(宽度方向))大致平行的三条节点线。通过向压电元件4的驱动电极以预定频率施加相位偏移180°的交流电压，可以在振动体2中激发模式a。每个突起5设置在与模式a的振动的节点相对应的位置附近，振动体2中的模式a的振动的激发使得突起5沿着x方向往复运动。

图2c是用于说明关于振动体2中激发的振动的两种挠曲振动模式的第二振动模式(下文中，称为“模式b”)的视图。模式b是在振动体2的横向方向(y方向)上的一阶挠曲振动，并且具有与振动体2的纵向方向(x方向)大致平行的两条节点线。可以通过以预定频率将相位相同的交流电压施加至压电元件4的驱动电极而在振动体2中激发模式b的振动。每个突起5设置在与模式b的振动的波腹相对应的位置附近，并且振动体2中的模式b的振动的激发使突起5沿着突起5的轴向方向(z方向)往复移动。

振动体2构造成使得模式a中的节点线和模式b中的节点线在x-y平面中彼此大致正交。另外，柔性基板(未示出)粘附至压电元件4，并且交流电流通过柔性基板提供给压电元件4，这使得可以同时在振动体2中激发模式a的振动和模式b的振动。因此，以预定的相位差激发模式a的振动和模式b的振动使得可以在z-x平面中产生突起5的顶端的椭圆运动。

在振动型致动器1中，三个振动体2中的每一个被布置成使得连接两个突起5的直线变为环形接触体6的切线，并且与接触体6接触。结果，当在图1中所示的箭头指代的旋转方向上可旋转地支撑接触体6且同时在振动体2中激发模式a的振动和模式b的振动时，接触体6被突起5摩擦地驱动并沿接触体的周向方向旋转。应当注意，在图1中省略了可旋转地支撑接触体6的支撑构件、保持振动体2的保持构件、用于使振动体2与接触体6接触的按压单元等。在本实施例中，描述了振动体2被固定而接触体6可旋转，但是接触体6可以被固定而三个振动体2可以与保持构件一起旋转。

图3a至3c是接触体6的径向剖视图，用于解释接触体6的结构和用于制造接触体6的方法，在图中左侧指向接触体6的内圆周，而右侧指向接触体6的外圆周。根据本实施例，烧结体6a(图3a)用于接触体6，烧结体6a由对应于sus420j2的马氏体不锈钢制成。其中混合有流动性优异的sus410l粉末和碳粉末的原料粉末用于烧结体6a。考虑到抗锈蚀性或机械强度，优选的是碳的含量处于0.3wt％至0.9wt％的范围内。在本实施例中，碳的含量为0.5wt％。另外，使用具有其中粒径等于或小于约150μm且平均粒径为约75μm的粒径分布的非球形粉末作为sus410l粉末。

烧结体6a由通过维持原料粉末的成型体的预定温度等于或小于熔点而使粉末颗粒彼此结合的处理(烧结工艺)来生产。在本实施例中，必须确保其中要由含有荧光材料的环氧树脂浸渍的孔(空的孔)，如下所述。因此，调节烧结体6a的生产条件，使得所得的烧结体6a的密度为约6.2-6.7g/cm³，每个孔的尺寸为约几微米至100μm，并且摩擦滑动面6d(见图3c)的孔隙率为约5％-20％。

当使用烧结体6a作为接触体6时，为了提高摩擦滑动面的耐磨性，将烧结体6a的维氏硬度设定为等于或大于550hv0.2。作为提高硬度的方法，已知对烧结体6a进行淬火的方法。然而，在本实施例中，通过调节烧结的冷却条件而基本上在烧结处理中进行淬火，而不单独进行淬火处理，由此使烧结体6a对应于sus420j2。通过激光等仅对摩擦滑动部分进行淬火的方法可以用作改善接触体6的摩擦滑动部分的硬度的方法。在这种情况下，由于仅仅烧结体的一部分被淬火，因此可以抑制烧结体的变形。此外，在仅仅摩擦滑动部分被淬火的情况下，当通过切割加工调节烧结体的内径或外径以提高尺寸精度时，切割加工的目标部分不被淬火并且因此目标部分的硬度不增加，这使得加工容易。代替sus420j2的是，连同设置有由于离子渗氮而具有高硬度的氮化物层从而具有改善的耐磨性的材料，奥氏体不锈钢sus316可以用于烧结体6a。

接下来，由含有荧光材料的液态环氧树脂浸渍烧结体6a。应当注意，除非另有说明，否则以下描述中的“环氧树脂”表示“含有荧光材料的环氧树脂”。在本实施例中，荧光材料表示具有通过吸收具有特定波长的光(激发光)从基态转变为激发态并且在从激发态返回到基态时释放能量作为光(荧光)的性质的材料。荧光材料的示例可以包括荧光染料、荧光颜料等。在本实施例中，使用荧光染料“c.i.溶剂黄(邻氨基偶氮甲苯)”，但是可用的荧光材料不限于此。

如图3b所示，通过使用分配器将环氧树脂6c施加在烧结体6a的内周侧的表面(上平面)上，并且通过使用烤炉等使烧结体6a保持在80℃以降低环氧树脂6c的粘度，由此促进环氧树脂6c浸渍在烧结体6a的孔中。应当注意，烧结体6a被成形为使得其内圆周比其外圆周厚，并且内周侧的上部面构成抵靠振动体2的摩擦滑动面6d。结果环氧树脂6c从烧结体6a的表面浸渍具有预定距离(深度)的区域。浸渍有环氧树脂6c的区域被定义为树脂浸渍部分6b。树脂浸渍部分6b是形成接触体6的摩擦滑动面6d的部分(摩擦部分)。

在用环氧树脂6c浸渍烧结体6a之后，将烧结体6a在80℃下保持预定时间，由此使环氧树脂硬化。图3c示意性地示出了树脂浸渍部分6b的区域。然而，实际上，与图3c所示的相反，烧结体6a中的树脂浸渍部分6b与未浸渍环氧树脂的区域之间的边界并不清楚。

在通过加热施加在烧结体6a上的环氧树脂6c来降低环氧树脂6c的粘度时，与施加时相比环氧树脂6c沿着径向方向进一步扩散，使得烧结体6a的孔容易被环氧树脂6c浸渍。此时，在施加的环氧树脂6c的量过小的情况下，即使浸渍全部施加的环氧树脂，环氧树脂也可能不会浸渍到所需的深度，因此树脂浸渍部分6b可能不会生成到所需的深度。为了防止上述这种问题，调节施加的环氧树脂的量，使得在硬化处理之后预定量的环氧树脂保留在烧结体6a上。此时，优选考虑环氧树脂6c的粘度随时间的变化、施加的环氧树脂的不规则量、加热处理设备的温度控制性能、烧结体6a的不规则孔隙率等。

通过使用由绿碳化硅(gc)#320形成的砂纸去除在烧结体6a的表面上硬化而未浸渍烧结体6a的环氧树脂，以露出树脂浸渍部分6b(摩擦滑动面)。应当注意，用于去除在烧结体6a的表面上硬化的环氧树脂的方法不受限制，并且可以通过使用金刚石磨石、gc磨石、游离磨粒颗粒等来进行。

接下来，研磨(抛光)树脂浸渍部分6b的表面以使其平滑，从而图3c中所示的摩擦滑动面6d由树脂浸渍部分6b形成。已知的研磨设备可以用于研磨。在本实施例中，通过在旋转其上施加有多晶金刚石(3μm)的铜表面板的同时将树脂浸渍部分6b的表面压在铜表面板上来进行研磨。应当注意，通过在研磨的间歇中或在研磨完成之后用碳酸氢钠水等洗涤树脂浸渍部分6b(碱洗)来进行防锈蚀处理。这样，获得了其中摩擦滑动面6d由树脂浸渍部分6b形成的摩擦材料。在本实施例中，由此产生的摩擦材料用作接触体6。

这里，将描述接触体6的形状。如图3c所示，摩擦滑动面6d的内径大致与烧结体6a的内径一致。但是，摩擦滑动面6d的外径小于烧结体6a的外径。即，摩擦滑动面6d在径向方向上的宽度小于烧结体6a在径向方向上的宽度。这是为了减少在用环氧树脂6c进行浸渍处理之后去除不需要的环氧树脂的处理或研磨处理所需的负荷。摩擦滑动面6d在径向方向上的宽度可以考虑尺寸公差或装配误差来设定，以确保相对于振动体2的突起5摩擦滑动的区域。在本实施例中，摩擦滑动面6d设置在烧结体6a的内周侧，并且振动体2设置在振动型致动器1的中心侧，从而促进节省空间。然而，本发明不限于此，摩擦滑动面6d也可以设置在烧结体6a的外周侧或中心侧。

接触体6具有倾斜面6e，所述倾斜面6e形成为从摩擦滑动面6d的外周侧的一端朝向接触体的外周倾斜，使得接触体的内周比外周厚。倾斜面6e相对于摩擦滑动面6d具有小于90度的坡度角，例如介于30°至60°的范围内的坡度角。在本实施例中，从倾斜面6e的位于接触体6的外周侧处的一端到接触体6的外周的区域对应于与摩擦滑动面大致平行地形成的平面6f。然而，本发明不限于此，平面6f也可以形成为具有与倾斜面6e的坡度相反的坡度的倾斜面(收集平面)。

接下来，将描述确认环氧树脂浸渍深度、即从摩擦滑动面6d开始的树脂浸渍部分6b的深度的结果。如上参照图3a至3c所述，必须将用环氧树脂浸渍烧结体6a至预定深度，使得摩擦滑动面6d通过研磨树脂浸渍部分6b而形成。

图4a和4b是通过在硬化环氧树脂的处理之后拍摄烧结体6a的径向剖面的一部分而获得的图片。这里，共用的镜头用于金相显微镜和荧光显微镜但光源和滤光器改变，从而拍摄相同位置的图片。图4a是由金相显微镜拍摄的图片，图4b是通过由荧光显微镜拍摄与图4a相同的位置并经过灰度化获得的图片。一般的金相显微镜使用钨灯、卤素灯等作为光源来进行观察。同时，荧光显微镜使用能够照射与荧光材料的激发波长相对应的光的超高压汞灯、氙灯、紫外发光二极管(led)、激光等作为光源来进行观察。由于这种差异，在使用金相显微镜观察时烧结体6a的金属部分显示为白色而孔显示为黑色，在使用荧光显微镜观察时孔内的树脂中包含的荧光材料显示为与荧光材料相对应的荧光颜色。在本实施例中，荧光颜色是黄绿色。

如图4b所示，确认了未浸渍烧结体6a而保留的环氧树脂6c，但没有观察到环氧树脂在倾斜面6e上的附着。同时，应当理解，除了沿着烧结体6a的孔的深度方向之外，施加的环氧树脂6c甚至沿着径向方向渗透，并且到达倾斜面6e。因此，烧结体6a具有从其上部面延伸到其侧面的多个孔。结果，可以认为从烧结体6a的上部面浸渍烧结体6a的环氧树脂渗透到侧面处的孔表面附近。如上所述，通过使用荧光显微镜进行观察，可以确认浸渍烧结体6a的内部的环氧树脂。

通过使用荧光显微镜进行观察可以测量用环氧树脂浸渍的深度，并且除了烧结体6a的深度方向之外，环氧树脂甚至沿着径向方向渗透烧结体6a并到达倾斜面6e，这使得能够以非破坏性的方式确认树脂浸渍部分6b的深度。即，基于在紫外线等从倾斜面6e的一侧(外侧)照射在倾斜面6e上时浸渍烧结体6a的孔的环氧树脂发出荧光颜色(黄绿色)的事实，可以以非破坏性的方式测量浸渍深度。在下文中，将详细描述用于检查接触体6的方法。

图5a是通过使用金相显微镜在聚焦于倾斜面6e上时从外部拍摄的图片。倾斜面6e在烧结后不经过精整或切割加工，因此具有孔。精整是将烧结体再次放入模具中并施加压力以提高尺寸精度的加工。在进行精整时，烧结体的侧面(表面)与模具摩擦，从而产生塑性流动，因此容易堵塞孔。另外，同样在切割加工中，在表面上产生塑性流动，使得孔容易变形。在本实施例中，不执行精整、切割加工等，从而维持了倾斜面6e中的孔。

图5b是通过用荧光显微镜拍摄与图5a的位置相同的位置并经过灰度化而获得的图片。应当理解，基于在使用荧光显微镜观察倾斜面6e时浸渍孔部分的环氧树脂显示为荧光颜色(黄绿色)的事实，可以确认用环氧树脂浸渍的深度。因此，以非破坏性方式检查的接触体6可以用作如振动型致动器1中的接触体6。应当注意，在某些情况下环氧树脂6c到达平面6f(或收集平面)，并且在这种情况下，可以通过用荧光显微镜观察平面6f来确认用环氧树脂浸渍的深度。

图6a是通过用金相显微镜拍摄接触体6的摩擦滑动面6d而获得的图片，图6b是通过用荧光显微镜拍摄与图6a相同的位置获得的图片。应当注意，金相显微镜和荧光显微镜这两者的拍摄放大率为200倍。在图6a所示的观察中，不锈钢显示为白色，孔显示为黑色。存在用环氧树脂浸渍的孔和未用环氧树脂浸渍的孔。例如，基于图6a的图片，可以容易地确定图6a中所示的圆圈中的孔是否浸渍有树脂。同时，在观察图6b中所示的相同位置时，与图6a中所示的圆圈相对应的圆圈中的部分未显示为荧光颜色(黄绿色)，这意味着图6a和6b中所示的圆圈中的孔未填充环氧树脂。

通过对使用金相显微镜所获得的观察图片进行二值化，可以获得摩擦滑动面6d的孔隙率(表面孔隙率)。另外，通过将表示使用荧光显微镜所获得的观察图片中的孔的区域二值化，可以获得摩擦滑动面6d中的孔由环氧树脂浸渍的浸渍率(树脂浸渍率)。另外，可以基于表面孔隙率和树脂浸渍率来确认树脂填充率(表示孔由树脂填充的程度的值)。

如上所述，根据本实施例，通过使用荧光显微镜进行观察，可以容易地确认用环氧树脂浸渍的状态。另外，通过将使用金相显微镜获得的观察结果与使用荧光显微镜获得的观察结果组合，可以更详细地确认用环氧树脂浸渍的状态。

接下来，作为使用振动型致动器1的电子装置的示例，将描述图像拾取设备和工业机器人。图7a是示出了图像拾取设备200的示意性构造的顶视图。图像拾取设备200包括其中安装有图像拾取装置210和电源按钮220的照相机主体230。此外，图像拾取设备200包括具有镜头组(未示出)和振动型致动器的镜筒240。镜头组的驱动通过振动型致动器执行。镜筒240可作为可更换镜头从照相机主体230拆卸，并且适合于拍摄目标的镜筒240可以附接至照相机主体230。上面参照图1描述的振动型致动器1可以用作本振动型执行器。

认为通过振动型致动器驱动镜头适合于驱动自动聚焦镜头，但不限于此。通过相同的构造驱动变焦镜头也是可行的。另外，振动型致动器还可以用于驱动用于图像稳定或图像拾取装置的镜头。

图7b是其中安装有振动型致动器1的镜筒的剖视图。接触体6在光轴l的方向上与振动体2的突起接触。转子橡胶(防振橡胶)8安装在接触体6的与接触振动体2的面相反的面上，并且输出传递构件9安装成与转子橡胶8接触。振动体2由保持基座20保持以使得在振动体2中激发的振动不受干扰，并且通过板簧10朝向接触体6按压保持基座20。板簧10被夹在控制板簧10的弯曲量的按压环18与保持基座20之间，以产生压缩板簧10的力来朝向接触体6按压保持基座20。

在与光轴l正交的方向上突出的凸缘16a设置在筒体16中。可围绕光轴l旋转的手动环15设置在凸缘16a的振动型致动器1侧处的凸缘16a面上，以执行手动聚焦。通过从手动环15或振动型致动器1传递力而可旋转的辊环19设置在手动环15和振动型致动器1之间。沿着径向方向延伸的多个辊轴13设置在辊环19上，辊14以能够围绕辊轴13旋转的方式附接至辊轴13。辊14与输出传递构件9和手动环15接触。此外，输出键17附接至辊环19。输出键17与保持自动聚焦镜头(未示出)的凸轮环(未示出)等接合。按压环18通过螺钉或卡口结构在其内周处与筒体16接合。调节按压环18在光轴l的方向上的位置以压缩板簧10，以便以预定的压力夹紧位于保持基座20与手动环15之间的构件。

当在振动体2的突起中激发椭圆运动时，与突起接触的接触体6被摩擦地驱动而旋转。当接触体6旋转时，与接触体6接触的转子橡胶8和与转子橡胶8接触的输出传递构件9与接触体6一起绕光轴l旋转。然后，与输出传递构件9接触的辊14在手动环15上滚动的同时与辊环19一起绕光轴l旋转，并且安装在辊环19上的输出键17使凸轮环(未示出)等旋转。结果，由凸轮环(未示出)保持的自动聚焦镜头在光轴方向上移动以执行自动聚焦操作。

图8是示出了其中安装有振动型致动器的机器人300的示意性构造的透视图，并且机器人300是作为工业机器人之一的水平多关节机器人的示例。用于机器人的臂关节部处的弯曲运动或手部处的抓握运动的马达需要具有低rpm下高转矩的t-n特性(表示负载转矩与每分钟转数(rpm)之间的关系的下降特性)。因此，认为振动型致动器适合于上述用途。

振动型致动器1嵌入在臂关节部311或手部312中。臂关节部311将两个臂320彼此连接，使得两个臂之间的角度可以改变。手部312包括臂320、附接至臂320的一端的抓握部321、以及将臂320和抓握部321彼此连接的手关节部322。振动型致动器1嵌入在臂关节部311中以改变臂320之间的角度，并嵌入在手关节部322中以使抓握部321旋转预定角度。

尽管已经基于上文的优选实施例详细描述了本发明，但是本发明不限于特定的实施例，并且不脱离本发明的主旨的各种实施例也包括在本发明中。例如，在上述实施例中已经描述了被旋转地驱动并包括环形接触体6的振动型致动器1。然而，上述包括树脂浸渍部分的烧结不锈钢体也可以应用于被线性地驱动的振动型致动器的接触体。另外，虽然在上述实施例中已经描述了用环氧树脂浸渍烧结不锈钢体的构造，但是本发明不限于此，也可以使用其中振动体的突起的摩擦滑动面由含有荧光材料的树脂浸渍的烧结不锈钢体。换言之，可以使用其中振动体的摩擦滑动面和接触体的摩擦滑动面中的至少一者由含有荧光材料的树脂浸渍的烧结体。

尽管在上述实施例中已经将环氧树脂描述为浸渍烧结不锈钢体的树脂，但是本发明不限于此，并且烧结不锈钢体可以用含有荧光材料的其它树脂浸渍。另外，在上述实施例中烧结不锈钢体用树脂浸渍，但是可以用树脂填充其中通过激光等设置孔的不锈钢锭材料。作为浸渍烧结体的树脂，可以使用尺寸为#1000至#8000的陶瓷粉末(例如gc)的混合物，这可以改善摩擦滑动面的耐磨性。

在以上描述中，尽管作为使用振动型致动器1的电子装置的示例已经描述了图像拾取设备和工业机器人，但是本发明不限于此，并且可以使用包括由振动型致动器1驱动的部件的各种装置。

其他实施例

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以便涵盖所有这些修改和等同的结构及功能。

本申请要求于2018年4月11日提交的日本专利申请no.2018-076278的权益，该日本专利申请的全部内容通过引用并入本文中。