JP3450733B2 - 摺動部材、それを用いた振動波駆動装置及び機器 - Google Patents
摺動部材、それを用いた振動波駆動装置及び機器Info
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Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Description
いた振動波駆動装置及び機器に関し、詳しくは振動体に
発生させた進行性振動波により、振動体と該振動体に加
圧接触した移動体とを相対運動させる振動波駆動装置の
加圧接触部における摺動部材、それを用いた振動波駆動
装置及び機器に関するものである。
の代表例である、振動波モータの原理的概要は下記のよ
うである。全長がある長さλの整数倍であるような弾性
体材料製のリング状の弾性体の片面に、周方向に配列さ
れた二群の複数個の圧電素子を固着したものを振動体
(ステータ)とする。これらの圧電素子は各群内ではλ
/2のピッチにて、かつ交互に逆の伸縮極性となるよう
に配列されており、また両群間にはλ/4の奇数倍のず
れがあるように配列されている。圧電素子の両群にはそ
れぞれ電極膜が施されている。いずれかの一群(以下A
相と称す)のみに交流電圧を印加すれば、上記振動体
は、該群の各圧電素子の中央点及びそこからλ/2おき
の点が腹の位置、また該腹の位置間の中央点が節の位置
であるような曲げ振動の定在波(波長λ)が振動体の全
周にわたって発生する。他の一群(以下B相と称す)の
みに交流電圧を印加すれば同様に定在波が生ずるが、そ
の腹及び節の位置はA相による定在波に対して、λ/4
ずれたものになる。
に90°の時間的位相差を有する交流電圧を同時に印加
すると、両者の定在波の合成の結果、振動体には周方向
に振動する曲げ振動の進行波(波長λ)が発生し、この
とき、厚みを有する上記振動体の各点は楕円運動をす
る。よって、振動体の片面に移動体(ロータ)として、
例えばリング状移動体を加圧接触させておけば、該移動
体は振動体から周方向の摩擦力を受け回転駆動される。
また、前記楕円運動の周方向成分を増やすために、振動
体の圧電素子固着面と反対側に周方向に複数個の径方向
の溝をいれると、振動の中立面が圧電素子固着面側に移
動し、同じ振幅でも回転数が上がり、モータ効率をも上
げる効果が大きいことが確認されている。また、この溝
は摩耗粉除去の効果をもあわせ持っている。
長所として 1)無通電時、保持トルクを有し、しかも位置決め動作
時にハンチングをおこさない。 2)イナーシャが小さく、駆動トルクが大きいため、回
転の立ち上がり、立ち下がりが速い(機械的時定数が小
さい)。 3)円周上すべての点が等しい駆動力を発生するので、
コギングがない。ことなどがあげられる。
に高精度回転や、高精度位置決めに適しているといえる
が、摺動部が摩耗するために、経時的な摩擦面の変化で
モータ性能が変化する欠点があり、その欠点を捕完する
ものとして、数々の複合樹脂摩擦材が提案されている。
その中でも、摺動性能の安定性、耐久性を併せ持った材
料として、特開平1−206880号公報、特開平2−
285974号公報、特開平5−184168号公報な
どに開示されているように、各種充填材を充填したポリ
テトラフルオロエチレン(以下、PTFEと記す)樹脂
が提案されている。
波モータに限らず、摺動材料として一般に多く用いられ
ている。PTFE樹脂は摺動すると、分子的に表面エネ
ルギーが小さい材料であるため、層状剥離を起こす。こ
のような層状剥離をする材料は、摩擦係数を低く安定化
する作用があるので、例えば、黒鉛、二硫化モリブデ
ン、マイカのように、摺動材の添加材として良く用いら
れる。その中でも、PTFEを添加材に用いた場合、そ
の低弾性率であるために、相手材を傷つけにくく、しか
も、高分子材料であるため、材料の伸びが大きいので相
手側に移着(transfer)しやすく、摩擦の際に
相手側に移着した(一般に“移着膜(transfer
film)”と称される)PTFEとPTFE同士の
摺動になるので、摩擦係数が低く、安定した摩擦状態を
得ることが出来るとされている。
層状剥離しやすいため摩耗が多く、また低弾性率のた
め、クリープもしやすいという短所も持つ。そこでその
欠点を補うために、2つの手法が取られている。
硬化性、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリ
エーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエ
ーテルサルフォンなど)にPTFEを充填する方法で、
母材樹脂の影響が大きく、往々に、安定した摩擦状態を
得ることが出来ないことがある。実際に、これらの複合
樹脂を摩擦材として振動波モータを構成すると、母材樹
脂の摩耗が多く、摩耗粉が摺動部に挟まったり、こびり
ついたりして、出力が非常に不安定なものになってしま
い、これらの複合樹脂を使いこなすことは困難である。
ープ特性と、耐摩耗性をあげるために、各種充填材を入
れる方法である。例えば、ガラス繊維、炭素繊維、芳香
族ポリエステル粉末、ポリイミド粉末を充填したものが
それぞれ上市されている。しかし、ポリイミド、芳香族
ポリエステルなどのみを充填したPTFE樹脂は、駆動
時間とともに摩擦係数がさがり、振動波モータのトルク
性能が低下してしまう場合があり、また炭素織維、ガラ
ス織維のみを充填した複合樹脂は摩耗が多い場合があ
り、またトルク性能のばらつきや鳴きの発生など、モー
タ性能が不安定になる場合がある、という問題点があっ
た。
みてなされたものであり、PTFE樹脂を母材とし、特
定の充填材の量と割り合いを選択した摺動部材を用い
て、経時的なトルク性能の変化が少なく、摩耗特性に優
れた、寿命の長い振動波駆動装置及びそれを用いた機器
を提供することを目的とするものである。
機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加することによ
り、該電気−機械エネルギー変換素子に固着されている
振動体に進行性振動波を形成し、該振動体と加圧接触し
ている移動体を摩擦力により相対移動させる振動波駆動
装置における振動体と移動体との接触部に用いる摺動部
材において、ポリテトラフルオロエチレンを母材とし、
少なくとも無機繊維状物質とポリイミドまたは全芳香族
ポリエステルとを夫々1種以上含有した複合樹脂からな
り、かつポリテトラフルオロエチレンの含有量が70〜
92vol%であり、無機繊維状物質とポリイミドまた
は全芳香族ポリエステルの合計の含有量が8〜30vo
l%であり、無機繊維状物質の含有量Vf(vol%)
とポリイミドまたは全芳香族ポリエステルの含有量Vr
(vol%)の比が1/3≦Vf/Vr≦3であること
を特徴とする摺動部材である。
好ましい。前記耐熱性樹脂が全芳香族ポリエステルもし
くはポリイミドであるのが好ましい。前記耐熱性樹脂が
全芳香族ポリエステルであるのが好ましい。前記無機繊
維状物質の含有量Vf(vol%)と耐熱性樹脂の含有
量Vr(vol%)の合計が、8≦Vf+Vr≦30の
範囲にあるのが好ましい。摩擦調整剤として二硫化モリ
ブデンを添加してなるのが好ましい。
換素子に交流電圧を印加することにより、該電気−機械
エネルギー変換素子に固着されている振動体に進行性振
動波を形成し、該振動体と加圧接触している移動体を摩
擦力により相対移動させる振動波駆動装置において、該
振動体と移動体との接触部のいずれか一方に上記の摺動
部材を用いたことを特徴とする振動波駆動装置である。
部材を固着してなるのが好ましい。前記振動体と移動体
との接触部の相手材がタングステンカーバイドであるの
が好ましい。
エネルギー変換素子に交流電圧を印加することにより、
該電気−機械エネルギー変換素子に固着されている振動
体に進行性振動波を形成し、該振動体と加圧接触してい
る移動体を摩擦力により相対移動させる振動波駆動装置
における振動体と移動体との接触部に用いる摺動部材に
おいて、ポリテトラフルオロエチレンを母材とし、少な
くとも無機繊維状物質とポリイミドまたは全芳香族ポリ
エステルとを夫々1種以上含有した複合樹脂からなり、
かつポリテトラフルオロエチレンの含有量が70〜92
vol%であり、無機繊維状物質とポリイミドまたは全
芳香族ポリエステルの合計の含有量が8〜30vol%
であり、無機繊維状物質の含有量Vf(vol%)とポ
リイミドまたは全芳香族ポリエステルの含有量Vr(v
ol%)の比が1/3≦Vf/Vr≦3であることを特
徴とする。なお、本発明において、ポリイミドまたは全
芳香族ポリエステルを耐熱性樹脂とも称す。
無機繊維状物質として炭素繊維を、耐熱性樹脂として芳
香族ポリエステル、ポリイミドなどを各々独立に添加し
たものを用いた振動波モータについて検討した結果、モ
ータ性能上不具合を起こした振動波モータの摩擦面を観
察すると、各材料ごとに、移着膜に差が見られた。例え
ば、PTFEに芳香族ポリエステル、ポリイミドなどの
耐熱性樹脂のみを充填したサンプルは、相手材にPTF
E樹脂を主成分とする移着膜が摺動部全面についてお
り、また厚みは0.2〜3μm程度とむらがあった。
プルの場合、相手材には移着膜が斑状についており、そ
の厚みは移着膜がついている部分で0.3μm程度であ
った。ガラス繊維を充填したサンプルの相手材には、移
着膜がやはり斑状についており、その厚みは炭素繊維の
場合にくらべてややばらつきがあり0.3〜0.8μm
であった。
着膜でおおわれている面が多い程、また面が滑らかな
程、摩擦係数は低下し、安定すると考えられる。また、
炭素繊維、ガラス繊維などの繊維状物質は、摺動中、摩
擦面においては相対的に柔らかいPTFEの移着膜に対
し、ひっかかりながら摩擦するので、摩擦係数を上げた
り、もしくは移着膜を削り、また母材樹脂を強化し、P
TFEの層状剥離を抑制すると考えられる。
ながら、PTFEを母材とし、少なくとも無機繊維状物
質と耐熱性樹脂とを夫々1種以上含有した複合樹脂を用
いて、該無機繊維状物質の含有量Vf(vol%)と耐
熱性樹脂の含有量Vr(vol%)の比が1/3≦Vf
/Vr≦3となる様に添加量と割り合いを選ぶことで、
各充填材の長所を最大限にいかし、経時的なトルク性能
の変化が少なく、摩耗特性に優れた、寿命の長い振動波
駆動装置を得ることができたものである。
体との接触部のいずれか一方に上記の摺動部材を用いた
ことを特徴とする。
モータ、紙送り装置、リニアモータ等に用いることがで
きる。また、本発明の振動波駆動装置は、駆動源として
各種の機器に用いることができる。機器の具体例として
は、カメラなどの光学機器、プリンター,複写機等の事
務機器、パワーウインドー,アクティブサスペンション
等の自動車関連機器が挙げられる。
明する。
振動波モータの摩擦接触部を示す概略図である。図1
(a)は概略斜視図で、図1(b)は概略断面図を示
す。図中、1は振動体で構造材の金属なみの弾性率を有
する、例えばステンレス、鋼、真ちゅう、燐青銅、アル
ミ合金などからなるリング状の金属振動体の一端面に、
前述の如く複数個に分極された2群の圧電素子4をリン
グ状に形成した圧電素子群を耐熱性のエポキシ樹脂系接
着剤で同心円状に接着し、もう一方の端面に摺動部材3
として、ナトリウムエッチング処理等で接着可能に処理
したPTFE複合樹脂を同様に接着し、PTFE複合樹
脂側の面は、モータ効率を上げるために櫛歯状に複数の
溝が周方向に規則的に形成されている。
るリング状を呈し、振動体1と相対する面には、摩擦材
5としてタングステンカーバイドが溶射されており、適
度な表面粗さにラップ、研磨などの方法で仕上げられて
いる。
不図示の加圧用の板ばねにより、軸方向に例えば10k
gfの荷重で加圧接触されている。振動体摺動面の径方
向の段差は、振動波モータそれぞれの摩耗しろによって
異なるが、PTFE複合樹脂は弾性率が小さいため、振
動を効率よく伝達するためには、1.0mm以下が望ま
しい。
圧電素子からなる2群の圧電素子4に振動体1の固有の
周波数の交流電圧を印加すると、振動体1は共振を起こ
し、その周方向に進行性振動波を生じ、振動体1に加圧
接触している移動体2が、振動体1と移動体2の摺動面
の摩擦力により回転駆動される。
母材に炭素繊維とポリイミドの充填量を種々変えて含有
する複合樹脂を360〜380℃で焼成したものを使
い、双方の摺動面をラップ加工した後、振動波モータを
構成し、約100rpmで200時間連続回転を行い、
モータ特性と、移着膜のつき方、厚み、また複合樹脂の
摩耗状況を見た。その結果を表1および2に示す。
各充填材の含有量は体積百分率(vol%)で表わさ
れ、該体積百分率は、比重と重量百分率より、(重量百
分率)/(比重)の値に換算して試料を作成した。その
時用いた比重の値は、PTFE=2.2、ポリイミド=
1.4、炭素繊維=1.8(それぞれg/cc)として
算出した。
る。 ○:鳴きの発生なし。 △:経時的にたまに鳴きが発生するようになる。 ×:経時的に常に鳴きが発生するようになる。
関係を見てみると、単一充填材の時と同じく、移着膜が
厚くついている場合では、トルク性能の低下がおこって
おり、移着膜が斑になっている場合では、鳴きやすかっ
たり、トルクが不安定になっている。
繊維の充填量との関係を見ると、移着膜が厚い場合は、
ポリイミドが炭素繊維にくらべて多く充填されている場
合で、ポリイミドが炭素繊維に対して3倍以下だと移着
膜の厚みも0.6μm以下になり、バラツキも少ない。
また、斑になっている場合は、全体の充填物が少なくて
摩耗が多い場合と、炭素繊維がポリイミドにくらべて多
く充填されている場合で、その量的比率は、炭素繊維が
ポリイミドに対して3倍以上の量充填されている時であ
る。
でも、移着膜の厚みが炭素繊維の量によって変化し、ま
た、炭素繊維の量が同じでも移着膜の厚みがポリイミド
の量によって変化することが分かる。以上から、ポリイ
ミドは移着膜の形成を促進するが炭素繊維は移着膜の形
成を抑制していることがわかる。
ドの充填率が10%以上、30%以下の時が少なく、炭
素繊維、ポリイミド双方が充填されていないと、摩耗が
多くなる結果が出た。
強度を大きくする効果があると以前から実験的に言われ
ているが、そのメカニズムは今後の研究に委ねられてい
る。今回の実験でも、ポリイミドの多く充填された材料
は、移着膜が粘り強い感触が得られた。これは、摺動面
に広がる移着膜の伸びの様子からそのように判断したも
のである。逆に、炭素繊維を多く充填すると、同様の観
点から、移着膜は脆くなるように感じられた。この理由
は定かでないが、炭素繊維の摺動によって生ずるごく微
細な摩耗粉がPTFEに含有されたためと考えられる。
また、炭素繊維そのものが移着膜を物理的に削る作用も
移着膜の厚みを抑える作用があると考えられる。
よって、経時的にも鳴きにくく、性能の安定した振動波
モータを得ることができる。移着膜の促進には、ポリイ
ミドに加え、一般に移着膜の形成促進作用を持つとされ
る酸化鉛、金属モリブデンなどの添加も有効と考えられ
る。耐熱性樹脂としては、芳香族ポリエステルもポリイ
ミドほど移着膜の促進作用はないが、相手材への損傷が
少ないことから、ポリイミドの代わりに用いることがで
きる。
よる摩耗や、クリープによる摩耗を防ぐため、無機繊維
状物質としては、炭素繊維の代わりにガラス繊維や、チ
タン酸カリウムウィスカーなどの繊維状物質を炭素繊維
の代わりに用いることもできるが、熱伝導率の点で炭素
繊維の方が優れている。
のものを使用したが、等方性黒鉛化グレードのもの、ピ
ッチ系、PAN系のものを問わず、今回と同様の結果が
得られる。また、摩擦調整剤として、二硫化モリブデン
を1vol%添加したサンプルも同様の傾向を示し、ト
ルク性能の安定の効果も見られた。
を有する振動波モータでももちろん使用可能だが、その
ような場合、PTFE樹脂はクリープ特性にやや劣るた
め、長期間停止状態を保つと、櫛歯形状がPTFE樹脂
に転写してしまい、摺動面が段差になり、モータ特性が
劣化する場合がある。そのため、櫛歯の上に樹脂を張り
つけ、ロータ側を対樹脂の摩擦材料にする方が優れてい
る。
を移動体として加圧接触させ、振動体上に発生した進行
性振動波により振動体自身を移動させるような場合は、
平板上の摩擦材を用い、振動体には本実施例と同種のP
TFE複合樹脂を張り付けた構成で自走構成をとること
も可能である。
TFEの量は70〜92vol%、好ましくは73〜8
7vol%であり、無機繊維状物質と耐熱性樹脂の含有
量は両者の合計で8〜30vol%、好ましくは13〜
27vol%の範囲にあるのが望ましい。
l%)と耐熱性樹脂の含有量Vr(vol%)の比は1
/3≦Vf/Vr≦3、好ましくは0.6≦Vf/Vr
≦1.6の範囲にあるのが望ましい。
として振動波モータの一例を示す断面図である。図中、
1は振動体でステンレス鋼からなるリング状の金属弾性
体9の一端面に、前述の様にリング状で複数個に分極さ
れた2群の圧電素子4を耐熱性のエボキシ樹脂系接着剤
で接着し、金属弾性体9のもう一方の端面には摺動部材
3が同様に接着して形成されている。
なるリング状の接触体の摩擦摺動面には摩擦材5を設け
てある。接触体はゴムリング7を介して支持体8に取付
けてあり、支持体8はネジ11により出力軸12に固定
されている。そして、振動体1の摺動部材3と移動体2
の摩擦材5は接触して摩擦摺動面を形成し、加圧用の板
バネ16により、軸方向に例えば総圧で5kgfの荷重
で加圧されている。19はベアリング、13はカバー、
14、15は与圧カラー、17はカラーでネジ11aに
より出力軸12に固定されている。
2群の圧電素子4に振動体1に固有の周波数の交流電圧
を印加すると、振動体1は共振を起こし、その周方向に
進行性振動波を生じ、摺動部材3を介して摩擦材5に摩
擦力が作用し、移動体2は回転駆動する。
体のうち一方の摩擦接触部が、ポリテトラフルオロエチ
レンを母材とし、少なくとも無機繊維状物質と耐熱性樹
脂とを夫々1種以上含有し、かつ無機繊維状物質の含有
量Vf(vol%)と耐熱性樹脂の含有量Vr(vol
%)の比が1/3≦Vf/Vr≦3である複合樹脂で形
成されているので、振動モータの摩擦接触面の摩耗を抑
制する事ができる。
円盤状の振動波モータに適用した例を示したが、その他
に棒状の振動波モータに同様の方法で、上記の摩擦材を
設けた摩擦接触面を形成してもよい。
を駆動源とする機器の概略図である。23は大歯車23
aと小歯車23bを有するギアで、大歯車23aが振動
波モータ側のギア20と噛合している。24は被駆動部
材、例えばレンズ鏡筒で、外周部に設けられたギア24
aにギア23の小歯車23bが噛合し、モータの駆動力
により回転する。一方、ギア23にはエンコーダスリッ
ト板25が取り付けられ、ギア23の回転をフォトカッ
プラー26により検出し、例えばオートフォーカスのた
めにモータの回転、停止を制御する。
動波駆動装置における摺動部材として、ポリテトラフル
オロエチレン(PTFE)を母材とし、無機繊維状物質
と耐熱性樹脂とを夫々1種以上含有した複合樹脂を用い
て、それら無機繊維状物質と耐熱性樹脂の含有量を適宜
選択することによって、摩耗を防ぎ、無音で回転性能が
優れ、寿命の長い振動波駆動装置を得ることができた。
タの摩擦接触部を示す概略図である。
る。
の概略図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 電気−機械エネルギー変換素子に交流電
圧を印加することにより、該電気−機械エネルギー変換
素子に固着されている振動体に進行性振動波を形成し、
該振動体と加圧接触している移動体を摩擦力により相対
移動させる振動波駆動装置における振動体と移動体との
接触部に用いる摺動部材において、ポリテトラフルオロ
エチレンを母材とし、少なくとも無機繊維状物質とポリ
イミドまたは全芳香族ポリエステルとを夫々1種以上含
有した複合樹脂からなり、かつポリテトラフルオロエチ
レンの含有量が70〜92vol%であり、無機繊維状
物質とポリイミドまたは全芳香族ポリエステルの合計の
含有量が8〜30vol%であり、無機繊維状物質の含
有量Vf(vol%)とポリイミドまたは全芳香族ポリ
エステルの含有量Vr(vol%)の比が1/3≦Vf
/Vr≦3であることを特徴とする摺動部材。 - 【請求項2】 前記無機繊維状物質が炭素繊維であるこ
とを特徴とする請求項1に記載の摺動部材。 - 【請求項3】 摩擦調整剤として二硫化モリブデンが添
加されていることを特徴とする請求項1または2に記載
の摺動部材。 - 【請求項4】 電気−機械エネルギー変換素子に交流電
圧を印加することにより、該電気−機械エネルギー変換
素子に固着されている振動体に進行性振動波を形成し、
該振動体と加圧接触している移動体を摩擦力により相対
移動させる振動波駆動装置において、該振動体と移動体
との接触部のいずれか一方に請求項1乃至3のいずれか
に記載の摺動部材を用いたことを特徴とする振動波駆動
装置。 - 【請求項5】 前記振動体と移動体との接触部の相手材
がタングステンカーバイドであることを特徴とする請求
項4に記載の振動波駆動装置。
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