JP2766387B2

JP2766387B2 - 摩擦材の製造方法及びその摩擦材を使用した超音波モータ

Info

Publication number: JP2766387B2
Application number: JP2223601A
Authority: JP
Inventors: 一正大西
Original assignee: ARUPUSU DENKI KK
Current assignee: ARUPUSU DENKI KK
Priority date: 1990-08-24
Filing date: 1990-08-24
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2013-06-18
Also published as: JPH04105575A; US5166572A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、超音波モータの摩擦材の製造方法及びその
摩擦材を使用した超音波モータに関するものである。

〔従来の技術〕

この種の超音波モータとしては、例えば第１図のよう
な超音波リニアモータが知られている。

つまり、この超音波リニアモータは、ドライバＤによ
り駆動される圧電素子１と、一対の圧電素子１が固定さ
れ、これら圧電素子１において発生した振動に共振して
該振動を増幅させる振動体２と、この振動体２の各端部
に設けられた摩擦材３と、この摩擦材３に対して相対移
動可能に設けられたレール４（被駆動体）とから構成さ
れたものである。

そして、圧電素子１において発生した振動は、前記振
動体２及び摩擦材３を介してレール４に伝達され、これ
により走行体10（圧電素子１、振動体２、摩擦材３によ
り構成される）を、レール４に対して矢印（イ）−
（ロ）方向に相対移動させることができるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に、上記のような超音波においては、レール４に
対して摺動しかつ相対移動するように設けられた摩擦材
３の性能として、次のようなことが要求される。

すなわち、超音波モータの走行に対して優れた耐摩耗
性を有すること、相手材であるレール４に対して傷を付
けないこと、あるいは自己に対して傷が付かないこと、
レール４に対してこべりつき（ステック現象）がないこ
と等が要求される。

そして、現在において上記のような超音波モータの摩
擦材３としては、ポリイミド系の複合材料が用いられて
いるが、このようなプラスチック材料であると、温度が
上昇すると硬度が下がり、レール４に対してさらにこべ
りつきやすくなり、また、その摩耗量も大きいという欠
点がある。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであっ
て、優れた耐摩耗性とこべりつき（ステック現象）を無
くする超音波モータの摩擦材を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

請求項１の発明では、微粉状の炭素材料に結合材を添
加し、所定の形状に加圧成形し、この加圧成形体を焼結
させた後に、該焼結体に含浸材を加圧含浸させることを
特徴としている摩擦材の製造方法を上記課題の解決手段
としている。

請求項２の発明では、前記結合材は、樹脂結合材、ピ
ッチコークス結合材あるいは金属結合材の中から少なく
もとも１種以上選ばれたものであることを特徴とする請
求項１記載の摩擦材の製造方法を上記課題の解決手段と
している。

請求項３の発明では、前記含浸材は、有機化合物、金
属あるいは非金属系無機化合物の中から少なくとも１種
以上選ばれたものであることを特徴とする請求項１記載
の摩擦材の製造方法を上記課題の解決手段としている。

請求項４の発明では、圧電素子が設けられた振動体
と、該振動体に設けられて被駆動体に接触する摩擦材と
を有し、前記振動体に伝達された圧電素子の振動を、摩
擦材を介して被駆動体に伝達し、該被駆動体を摩擦材に
対して相対移動させる超音波モータにおいて、前記摩擦材は、炭素材料と、機械強度増強材とからな
る複合材により構成され、該機械強度増強材は結合材と
含浸材とからなるものであることを特徴とする超音波モ
ータを上記課題の解決手段としている。

請求項５の発明では、前記機械強度増強材は、金属結
合材とその金属結合材よりも融点の低い金属含浸材とか
らなり、また、前記複合材は、炭素材料と前記金属結合
材とから作られた多孔性焼結体中に、前記金属含浸材が
含浸されたものであることを特徴とする請求項４記載の
超音波モータを上記課題の解決手段としている。

〔作用〕

請求項１〜３の発明によれば、これにより製造された
超音波モータの摩擦材が、自己潤滑性に優れた炭素材料
と、該炭素材料の機械的強度を増強させる機械強度増強
材とから構成されているので、前記摩擦材が相手材であ
る被駆動体に対して相対移動して摩擦した場合であって
も、該摩擦材が摩耗することがなく、同時に該摩擦材が
被駆動体に比べてこべりつくことがない。

また、請求項１〜３の発明によれば、炭素材料と結合
材料からなる複合体あるいは多孔性焼結体に、金属、合
成樹脂、非金属無機化合物等の含浸材を含浸させて摩擦
材を作製するようにしたので、該摩擦材の表面を平坦に
することができ、これにより該摩擦材と被駆動体との摺
動性を向上させ、またその耐摩耗性を向上させることが
できる。

また、請求項１の発明によれば、微粉状の炭素材料に
結合材を添加し、所定の形状に加圧成形することによ
り、炭素材料あるいは機械強度増強材の充填密度が高
い、緻密構造な摩擦材を得ることができる。また、本発
明の請求項４〜５の超音波モータにあっては、摩擦材が
自己潤滑性に優れた炭素材料と、該炭素材料の機械的強
度を増強させる機械強度増強材とからなる複合材により
構成されたものであるので、上記摩擦材が相手方である
被駆動体に対して相対移動して摩擦した場合であって
も、該摩擦材が摩耗することがなく、同時に該摩擦材が
被駆動体に対してこべりつくことが防止される。さら
に、本発明の請求項４〜５の超音波モータにあっては、
機械強度増強材として結合材以外に含浸材が用いられた
ことにより、炭素材料と結合材からなる複合材あるいは
多孔性焼結体の空隙が含浸材で埋められて、摩擦材の表
面を平坦にすることができる。また、請求項５の発明に
よれば、摩擦材を、炭素材料と金属結合材（機械強度増
強材）とから作られた多孔性焼結体中に、該金属結合材
よりも融点の低い金属含浸材（機械強度増強材）を含浸
させることにより構成したので、炭素材料を金属成分に
より補強し、かつ金属成分により表面を平坦にすること
ができる。

〔実施例〕

次に、本発明に示す超音波モータの摩擦材を、第１図
に示す超音波リニアモータの摩擦材３に適用した場合の
実施例について説明する。

本実施例に示す超音波モータは、摩擦材３の構成材料
に、炭素材料と機械強度増強材との複合体を用いた点に
特徴を有している。

まず、炭素材料について説明する。この炭素材料とし
ては具体的に天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛質もの、石炭
コークス、石油コークス、カーボンブラック、石炭粉等
の炭素質のものが使用されているが、炭素質または黒鉛
質のいずれか、あるいは炭素質と黒鉛質の混合物であっ
ても良い。

これら炭素材料は自己潤滑性に優れているが、機械的
強度が十分でない。そのために摩擦材３には、炭素材料
と、該炭素材料の機械的強度を増強させるための機械強
度増強材との複合材が使用される。

次に、機械強度増強材について説明する。

この機械強度増強材には結合材と含浸材とがあり、こ
れら結合材と含浸材を併用することができる。

前記結合材としては、樹脂結合材、ピッチコークス結
合材あるいは金属結合材などが用いられる。樹脂結合材
としては、例えばフエノール樹脂、ジビニルベンゼン樹
脂、フラン系樹脂、エポキシ樹脂などの各種熱硬化性樹
脂、あるいは例えばフッ素樹脂やポリアセタール樹脂な
どの各種熱可塑性樹脂が用いられる。この樹脂結合材は
結着後に不活性雰囲気中で熱処理して、それの一部を炭
素化、黒鉛化することもできる。

前記ピッチコークス結合材は、石炭ピッチあるいは石
油ピッチを結合材とし、結着後にこれを焼結してピッチ
コークス化したものである。

前記金属結合材としては、例えば銅、ニッケル、鉄、
マンガン、クロム、コバルト、チタン、モリブデン、タ
ングステンなどの単独あるいはそれらの合金が用いられ
る。炭素材料と金属結合材とを所定の割合で混合し、こ
れを加圧成形したのち焼結するか、あるいは加圧成形と
焼結とを同時に行なうことができる。

炭素材料と結合材との複合材は、結合材の種類あるい
は複合材の製法などによって複合材の表面部や内部に微
細な空隙が形成される場合がある。このように微細な空
隙が形成されても状態によってはそのまま使用すること
が可能であるが、空隙の形成で複合材の機械的強度が低
下することになり好ましくない。

前記空隙を充填して複合材に機械的強度を増すととも
に、該複合材に対して表面平坦性をもたせるために含浸
材（機械強度増強材）が使用される。

この含浸材としては、合成樹脂などの有機化合物、金
属あるいは非金属系無機化合物などがある。

前記有機化合物含浸材としては、例えばフェノール樹
脂、ジビニルベンゼン樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹
脂、フッ素樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹
脂、ポリアミド樹脂などが用いられる。また、前記金属
含浸材としては、スズ、アンチモン、銅、亜鉛、銀、
鉛、アルミニウム、マグネシウム、カドミウムなどの単
独あるいはそれらの合金が用いられる。

なお、前記金属含浸材は、それの融点より約50〜100
℃高い温度で、炭素材料と結合材との複合材に形成され
る微細な空隙に含浸される。

そのため、前記機械強度増強材に、金属結合材と金属
含浸材とである場合に、前記金属結合材は金属含浸材に
対して融点が150℃以上高いものを使用することが好ま
しい。

前記非金属系無機化合物の含浸材としては、例えばオ
ウケイ酸ガラスなどが用いられる。

次に、本発明の摩擦材として挙げた複合材の炭素材料
と機械強度増強材との成分比について説明する。

複合材における炭素材料の含有率は約50〜95体積％
で、炭素含有率がそれより低い場合は、相手材であるレ
ール４かまたは自己（摩擦材３自身）に傷が発生した
り、または機械強度増強材との間でこべりつき（スラッ
ク現象）が発生する。

一方、複合材における炭素材料の含有率が約95体積％
を越すと機械的強度が弱くなって、摩耗量が大きくなり
結果的に粉塵などの悪影響が発生することになる。

本発明による炭素材料と機械強度増強材との複合材
を、先の図の超音波モータの摩擦材３として実際に使用
した場合に、該摩擦材３の摩耗量は、走行時間1000時間
当りで10μｍ以下であり、相手材であるレール４や自己
に傷やこべりつきがほとんどないことが確認されてい
る。

以下に、上記超音波モータの摩擦材３の具体的構成と
その製法について（１）〜（４）に示す。

（１）所定の粒度以下に整粒した微粉状の炭素材料
に、結合材（機械強度増強材）として少量のピッチを添
加し、これらをよく撹拌・混合した後所定の形状に加圧
成形する。

次に、この加圧成形体を窒素雰囲気中において、約11
00℃で焼結し、次にこの焼結体をオートクレープ中に入
れて減圧することにより焼結体中の気体を除去し、しか
る後に溶融した金属含浸材（機械強度増強材）（例え
ば、アンチモン−スズ）を焼結体に加圧含浸させること
により、摩擦材３を作成する。

このようにして得られた摩擦材３における炭素材料の
含有率は約85体積％、金属含浸材の含有率は約15体積％
であり、摩擦材３のかさ比重は約2.7g/cm³であった。

（２）前記（１）の金属含浸材の代りにジビニルベン
ゼン樹脂を用いて焼結体中に含浸せしめて、所定形状の
摩擦材３を得る。この摩擦材３中における炭素材料の含
有率は約85体積％、有機化合物含浸材の含有率は約15体
積％である。

（３） 352メッシュ以下の微粉状黒鉛70体積％と、325
メッシュ以下の微粉状銅30体積％とをよく混合し、これ
を銅の融点以上の温度でホットプレスすることにより摩
擦材３をつくる。

このように炭素材料も金属結合材も微粉状のものを用
いれば充填密度が高く、緻密構造の摩擦材３が得られ
る。

（４）前記（１）の金属含浸材の代りにホウケイ酸ガ
ラスを用いて焼結体中に含浸せしめて、所定形状の摩擦
材３を得る。この摩擦材３中における炭素材料の含有率
は約90体積％、非金属系無機化合物含浸材の含有率は約
10体積％である。

（５）微粉状の炭素材料と微粉状の金属（例えば銅、
ニッケルあるいは両者の金など）とを混合し、金属結合
材の融点以上の温度でホットプレスすることにより焼結
体をつくる。しかるのちこの焼結体をオートクレープ中
に入れて減圧し、焼結体中の気体を除去したのち、フッ
素樹脂の液状体（ディスパージョンあるいは溶液）を含
浸する。この摩擦材３中における炭素材料の含有率は約
60体積％である。

なお、本実施例に示す摩擦材３は超音波リニアモータ
（第１図を参照）に適用したものであるが、これに限定
されず、特開昭62−118779号公報（公報（１））、特開
昭62−244284号公報（公報（２））、特開昭62−114481
号公報（公報（３））にそれぞれ示す進行波型の超音波
モータに適用しても良い。

これら公報（１）〜（３）で示す進行波型の超音波モ
ータは、第２図に示すように圧電素子11と振動体12とを
有するステータ13と、該ステータ13に対して一定の圧力
で接触し、かつシャフト14を中心に回転自在に設けられ
たロータ15とを備えたものであって、このような構成に
おいて、前記ステータ13と前記ロータ15とのいずれか一
方に、前述した炭素材料と機械強度増強材とからなる摩
擦材16（３）を設けるようにしても良い。

なお、この第２図において、符号17で示すものはシャ
フト14を装置本体18に対して回転自在に支持するベアリ
ング、符号19で示すものはロータ15をステータ13に対し
て一定の予圧で接触させる皿ばね、符号20で示すものは
アブソーバ、符号21で示すものはアブソーバ20上の圧電
素子11を、皿ばね19を介して装置本体18上に取り付ける
ための取付台である。また、特にこれら公報（１）〜
（３）の中で、公報（２）で示す進行波型の超音波モー
タは、第３図に示すように交流信号電圧が印加される第
１の圧電素子11Aと、信号を外部より印加せず、第１の
圧電素子11Aにおいて励起された第１の定在波により、
位相のずれた第２の定在波が励起される第２の圧電素子
11Bとを有するものであり、このような構成により駆動
回路の簡素化が図られるものである。

一方、本実施例に示す摩擦材３は前述した公報（１）
〜（３）に適用されるほか、本出願人が平成２年７月16
日に出願した超音波モータ、平成２年８月16日に出願し
た圧電アクチュエータ（特許願（３））、平成２年８月
24日に出願した超音波モータにも適用できる。

なお、前記本出願人が平成２年７月16日に出願した超
音波モータ、平成２年８月16日に出願した圧電アクチュ
エータ（特許願（３））は、第４図に示すように、円柱
状振動子30・30の間に、電極31と圧電素子32とが交互に
積層されて、かつ一端側が固定され、他端側に軸方向に
変位する縦変位型圧電素子33が設けられたステータ34
と、ステータ34の縦変位型圧電素子33に接触するように
設けられたロータ35と、該ロータ35をステータ34に対し
て一定のばね力で接触させる締結手段36とを有し、前記
ステータ34の圧電素子32と縦変位型圧電素子33とに共振
周波数の交流電圧を印加して共振駆動させる駆動手段
（図示略）が設けられるものである。

そして、この場合、前記ロータ35とステータ34とのい
ずれか一方に、前記縦変位型圧電素子33に代えて、前述
した摩擦材３を設けるようにしても良い。

また、平成２年８月24日に出願した超音波モータは、
第５図に示すように、大径の円柱状振動子40・40の間に
小径の積層圧電体41が配置されて、全体形状がダンベル
状に形成されたステータ42と、このステータ42の上面に
回転可能に設けられたロータ43と、該ロータ43をステー
タ42に対して一定のばね力で締結する締結手段44とを有
し、第６図に示すように、前記積層圧電体41を、特定の
半径方向に沿う方向に分極処理された圧電素子41A〜41D
を分極方向Prをずらせて複数層設けることにより構成し
たものである。そして、このような構成により、圧電素
子41の厚み滑り効果によってステータ42が第７図に示す
ようなたわみ振動を励振し、これによって進行波を発生
させて該ステータ42に接触するロータ43を一方向に連続
回転できるものである。そして、このような構成の超音
波モータにおいて、前記ロータ43とステータ42とのいず
れか一方の接触面を、前述した摩擦材３により形成して
も良い。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、請求項１〜３の発明によれば、これにより製造された
超音波モータの摩擦材が、自己潤滑性に優れた炭素材料
と、該炭素材料の機械的強度を増強させる機械強度増強
材とから構成されているので、前記摩擦材が相手材であ
る被駆動体に対して相対移動して摩擦した場合であって
も、該摩擦材が摩耗することがなく、同時に該摩擦材が
被駆動体に対してこべりつくこと（ステップ現象）が防
止される効果が得られる。

また、請求項１〜３の発明によれば、炭素材料と結合
材からなる複合体あるいは多孔性焼結体に、金属、合成
樹脂、非金属無機化合物等の含浸材を含浸させて摩擦材
を作製するようにしたので、該摩擦材の表面を平坦にす
ることができ、これにより上記の効果に加えて該摩擦材
と被駆動体との摺動性を向上させることができ、また、
該摩擦材の耐摩耗性を向上させてその機械的強度を向上
させることができる効果が得られる。

また、請求項１の発明によれば、微粉状の炭素材料に
結合材を添加し、所定の形状に加圧成形することによ
り、上記の効果に加えて、炭素材料あるいは機械強度増
強材の充填密度が高い、緻密構造な摩擦材、つまり機械
的な特性の良い摩擦材を得ることができる効果が得られ
る。また、本発明の請求項４〜５の超音波モータにあっ
ては、摩擦材が自己潤滑性に優れた炭素材料と、該炭素
材料の機械的強度を増強させる機械強度増強材とからな
る複合材により構成されたものであるので、上記摩擦材
が相手方である被駆動体に対して相対移動して摩擦した
場合であっても、該摩擦材が摩耗することがなく、同時
に該摩擦材が被駆動体に対してこべりつくことが防止さ
れる効果が得られる。さらに、本発明の請求項４〜５の
超音波モータにあっては、機械強度増強材として結合材
以外に含浸材が用いられたことにより、炭素材料と結合
材からなる複合材あるいは多孔性焼結体の空隙が含浸材
で埋められて、摩擦材の表面を平坦にすることができ、
これにより摩擦材と被駆動体との摺動性を向上させるこ
とができる。また、請求項５の発明によれば、摩擦材
を、炭素材料と金属結合材（機械強度増強材）とから作
られた多孔性焼結体中に、該金属結合材よりも融点の低
い金属含浸材（機械強度増強材）を含浸させることによ
り構成したので、炭素材料を金属成分により補強し、か
つ金属成分により表面を平坦にすることができ、上記の
効果に加えて機械的特性の良い摩擦材を得ることができ
る効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に適用される超音波リニアモータを示す
概略構成図、第２図〜第３図、第４図、第５図〜第７図
は本発明を他の形式の超音波モータに適用した場合の例
を示す図である。１……圧電素子、２……振動体、３……摩擦材、４……
レール（被駆動体）、11……圧電素子、12……振動体、
16……摩擦材、15……ロータ（被駆動体）、32……圧電
素子、30……円柱状振動子（振動体）、40……円柱状振
動子（振動体）、41……積層圧電体（41A〜41D……圧電
素子）、43……ロータ（被駆動体）。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】微粉状の炭素材料に結合材を添加し、所定
の形状に加圧成形し、この加圧成形体を焼結させた後
に、該焼結体に含浸材を加圧含浸させることを特徴とす
る摩擦材の製造方法。
【請求項２】前記結合材は、樹脂結合材、ピッチコーク
ス結合材あるいは金属結合材の中から少なくとも１種以
上選ばれたものであることを特徴とする請求項１記載の
摩擦材の製造方法。
【請求項３】前記含浸材は、有機化合物、金属あるいは
非金属系無機化合物の中から少なくとも１種以上選ばれ
たものであることを特徴とする請求項１記載の摩擦材の
製造方法。
【請求項４】圧電素子が設けられた振動体と、該振動体
に設けられて被駆動体に接触する摩擦材とを有し、前記
振動体に伝達された圧電素子の振動を、摩擦材を介して
被駆動体に伝達し、該被駆動体を摩擦材に対して相対移
動させる超音波モータにおいて、前記摩擦材は、炭素材料と、機械強度増強材とからなる
複合材により構成され、該機械強度増強材は結合材と含
浸材とからなるものであることを特徴とする超音波モー
タ。
【請求項５】前記機械強度増強材は、金属結合材とその
金属結合材よりも融点の低い金属含浸材とからなり、ま
た、前記複合材は、炭素材料と前記金属結合材とから作
られた多孔性焼結体中に、前記金属含浸材が含浸された
ものであることを特徴とする請求項４記載の超音波モー
タ。