JPH01248975A

JPH01248975A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH01248975A
Application number: JP63075450A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Komeno; 米野　寛; Yoshinobu Imasaka; 喜信今坂; Masanori Sumihara; 正則住原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-03-29
Filing date: 1988-03-29
Publication date: 1989-10-04

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は圧電体による超音波振動を利用した超音波モー
タに関するものである。

従来の技術一般に超音波モータは、圧電体を固定した振動体と移動
体とが加圧接触した構成であシ、圧電体への電気入力に
よって、圧電体と振動体に第５図に示すような超音波振
動の進行波を発生させ、その振動体と移動体との摩擦力
によって移動体を駆動させて機械エネルギーを得る原理
である。第５図において、１は圧電体であり、その表面
に振動体２が接着固定されている。３は移動体であり、
その表面に摩擦材４が固定されている。圧電体１に電気
入力を加えることによって振動体２に入方向の超音波振
動の進行波が発生する。振動体２の各質点はＢのような
楕円運動をしておシ、その各波頭は進行波の方向に対し
、逆向きの横に動く性質がある。進行波の谷の部分は進
行波と同じ方向の横に動く性質がある。したがって、振
動体２の表面に置かれた移動体３は波頭の上部のみに接
触して、振動体２との摩擦力によってＣ方向の横に駆動
するという原理である。

このような超音波モータにおいて、振動体２および移動
体３の材質として鉄やステンレスおよびアルミなどの金
属が提案されている。振動体２と移動体３とは加圧接触
した構成であり、より大きなモータ機械出力を得るため
、また、その摩擦接触面の磨耗を少なくして長期間シ′
定した機械エネルギーを得るために、移動体３の接触面
に摩擦材４の固定設置が提案され、ゴムやエンジニアリ
ングプラスチック材製の摩擦材が提案されている。

発明が解決しようとする課題しかし、ゴムなどの摩擦係数の大きい摩擦材を用いた場
合、摩擦材の磨耗が多く発生し、その磨耗粉が振動体や
移動体の接触面に付着する結果、両者間の摩擦力すなわ
ちブレーキトルクが経時的に変動するという問題がある
。

また、フッ素樹脂単独成分の摩擦材や、通常のシリカや
炭酸カルシウム粉末などの球状や不定形状の粉末を充填
したフッ素樹脂よりなる摩擦材は、大きなトルクが得ら
れなく、また、磨耗が太きいという問題がある。

さらに、無機充填材を含有するエンジニアリングプラス
チックのような硬い摩擦材を使用した場合、雑音が発生
したり、振動体と移動体との加圧力の変動に対して振動
体の共振周波数が大きく変動するためにモータの駆動が
不安定になり、また接触相手の振動体表面に引っかき傷
を多く発生さセ、ブレーキトルクが経時的に変動すると
いう問題がある。

本発明は、これらの問題点に鑑み、振動体および移動体
の摩擦接触部の両方の磨耗が少なく、またＸ摩擦実子な
わちブレーキトルクの経時変化が少なく、さらに雑音の
発生がなく、同時に大きいトルク出力が可能で、安定し
た起動が得られる超音波モータを提供することを目的と
するものである。

課題を解決するだめの手段上記の目的を達成するために、本発明は、振動体と移動
体の互いに向かい合う面の移動体の少なくとも接触部に
フッ素樹脂を主成分とし、ウィスカー形状粉末が均一に
分散し充填してなる摩擦材または、フッ素樹脂金主成分
とし、複数個のウィスカー状突起を有する粉末が均一に
分散し充填してなる摩擦材を装備したものである。

また他の手段は、フッ素樹脂を主成分とし、ウィスカー
形状粉末または複数個のウィスカー状突起を有する粉末
と、硫化モリブデン粉末またはカーボン粉末または７ノ
化炭素粉末とが均一に分散充填してなる摩擦材を装備し
たものである。

作用上記の構成によれば、（１）ｍ棒材の磨耗が少なく同時
に接触相手の金属振動体の傷つきや磨耗も少なくなる。

したがって、モータの長時間の駆動において安定した摩
擦力（すなわちブレーキトルク）を得ることが出来、ま
た、長時間安定した出力性能が可能となる。（謁モータ
の駆動中および停止直前の雑音が発生しなくなる。この
作用理由は明らかではないが、振動体から伝わる振動共
鳴を、ウィスカー形状粉末と適度の柔かさを有するフッ
素樹脂との相互作用によって振動減衰し、共鳴振動を抑
制する作用があるものと思われる。（３）フッ素樹脂単
独組成の摩擦材と比べて摩擦係数が大きくなる。また、
圧縮弾性率も大きくなるために加圧力に対するＩｇ擦棒
材圧縮変形歪も小さくなる。したがって、振動体と移動
体との間に大きな加圧力を加えても振動体に発生する進
行波の谷の部分への摩擦材の接触がなくなり、その結果
、より大きな駆動トルクを得ることが可能となる。（４
）撮動体と移動体との加圧力の変動に対する振動体の共
振周波数の変化量が少なくなる。したがって、外部から
の圧力変動に対して、モータの駆動が安定になる。本発
明は上記（１）〜（４）の作用を同時に得ることが出来
る。

特に、複数個のつ（メカ−形状突起を有する粉末を分散
充填したフッ素樹脂よりなる摩擦材の使用により、摩擦
材の磨耗が非常に少なく、モータの長時間の駆動におい
て、長時間安定したモータ出力性能が可能となる。

さらに、ウィスカー形状粉末に加えて、硫化モリブデン
粉末またはカーボン粉末またはフッ化炭素粉末を添加し
た摩擦材の使用にょシ、摩擦材の磨耗がよシー層少なく
なシ、長時間安定したブレーキトルクとモータ出力を得
ることができる。

実施例本発明の超音波モータの主要部構成の一構成例、すなわ
ち、振動部と移動部の各成層構造および配直門係の一例
は第１図に示すとおりである。振動部は圧電体１０表面
に金属などの弾性体製の撮動体２を接着固定したもので
ある。移動部は移動体３の動作面にウィスカー形、状粉
末を充填したフッ素樹脂よりなる摩擦材４を固定し、こ
の摩擦材４０表面と前記振動体２の表面とを加圧接触さ
せた構成である。圧電体１に共振周波数の高周波電界を
印加することにより、圧電体１および振動体２には前述
したとおりの超音波振動の進行波が発生する。このとき
、振動体の進行波波頭部において接触している摩擦材４
は移動体と一体となって、振動体との摩擦力によって駆
動さｎる。電力が入力されないときには、振動体２と摩
擦材４との間に働く加圧力と摩擦係数との積に相当する
摩擦力すなわちブレーキトルクが生じている。

ここで摩擦材４は、ウィスカー形状粉末全均一に分散充
填するフッ素樹脂よりなる摩擦材または複数個のウィス
カー形状突起を有する粉末を均一に分散充填するフッ素
ｍ脂より摩擦材を＄成しであるため、振動体人血および
摩擦材の磨耗が少なく、モータの長時間の駆動において
安定したブレーキトルクおよび出力性能を得ることがで
き、大きいトルクを得ることが可能で、さらに雑音の発
生が生じなくなるなどの効果がある。

ウィスカー形状粉末としては、特に制限はないが、チタ
ン酸カリウム、窒化珪素、炭化珪素などを主成分とする
直径が６μｍ以下、アスペクト比が６以上の針状粉末が
望ましく、また、フッ素樹脂１ｏＯ重量部に対し、ウィ
スカー形状粉末２〜１００重量部の組成の摩擦材が望ま
しい。

複数個のウィスカー形状突起を有する粉末としては特に
制限はないが、第２図に示すような３本以上の直径１０
μｍ以下、アスペクト比２以上のウィスカー形状の突起
を有する粉末が望ましく、また、フッ素樹脂１００重量
部に対し、複数個のウィスカー形状突起を有する粉末２
〜１００重量部の組成の摩擦材が望ましい。

フッ素樹脂としては特に制限はないが、ポリ四フフ化エ
チレン樹脂、またはフッ化エチレン基を含有する共重合
樹脂が使用できる。

前記ウィスカー形状粉末または複数個のウィスカー形状
突起を有する粉末とフッ素樹脂粉末と全均一に混合し、
圧縮成形後、該フッ素勧脂の熔融温度で焼成する成形に
よって、粉末が均一に分散充填された摩擦材が成形され
る。

さらに、前記ウィスカー形状粉末または複数個のウィス
カー形状突起を有する粉末に加えて、硫化モリブデン粉
末、カーボン粉末、フッ化炭素粉末、その他の無機粉末
、有機粉末、金属粉末などを添加含有したフッ素樹脂よ
りなる摩擦材も使用できる。

次に本発明を具体的実施例により、さらに詳しく説明す
る。

第３図に示すような直径６０１ｍ１１．厚さ８ｍの円板
型超音波モータを構成した。第３図において、超音波モ
ータの振動部は電極が配置された円板型圧電体１ａの表
面に、はぼ同一直径でろって表面に多数の突起セグメン
ト１２＆の円周配列を有するステンレス製振動体２ａの
裏面を接着固定したものである。突起セグメント１２ａ
は振動体部を機械的に振動しやすくし１振幅を大きくす
るために設けられる。対応する移動部を構成する円板型
ステンレス［移動体３ａには、ウィスカー形状粉末を均
一に分散充填したフン素樹脂成形体よりなる厚さ０．１
〜２ｍｍの摩擦材４＆が接着固定されている。振動体２
ａ及び移動体３ａは図示しないが適宜のバネとネジの締
め付は手段によって互いに加圧され、振動体２＋Ｌの突
起１２ａ面と摩擦材４ａとが接触しているＯ摩擦材としては、以下に示すようにして製造したＡ−Ｇ
Ｏ摩擦材を使用した０摩擦材ムの製造法：炭化珪素のウィスカー形状粉末（タ
テホ化学工業社製−品名ＳａＷ　、直径０．０６〜１．
６μ！ＩＩＩ長さ５〜２００／ｌｊｍ、アスペクト比２
０〜２００）１０重量部と四フッ化エチレン樹脂粉末（
ダイキン工業社製ポリフロンＭ−１２）９０重量部全均
一に混合後、ｅｓｏｏｋｇ／ｃ１Ａの加圧下で圧縮成形
後、３６０℃２時間の焼成全行なってウィスカー形状粉
末が均一【′Ｉｌ：分散充填された厚さ１ｇフッ素情脂
成形体金得た０これを厚さ０　、５　ｍｍに研磨して摩
擦付人を得た。

摩擦材Ｂの製造法：窒化珪素のウィスカー形状粉末（タ
テホ化学工業社製二品名ＳＨＹ、直径０．１〜１．６μ
ｍ　、畏さ５〜２００μｍ、アスペクト比２０〜２００
）１５重量部と四フッ化エチレン樹脂粉末（ダイキン工
業社製Ｍ−２１）８５重量部とを均一に混合後、５００
ｋｇ／ｄで圧縮成形後、３６０℃２時間の焼成を行って
、厚さ２瓢の成形体を得た。これを厚さ１ｒｒｍに研磨
して摩擦材Ｂを得た。

摩擦材Ｃの製造法：チタン酸カリウムウィスカー粉末（
チタン工業社製二品名Ｉ、５−２０．直径０．３〜０．
７　μｍ　、長さ６〜３０μＩｏ）３０重量部と四フッ
化エチレンー六フフ化プロピレン共重合樹脂粉末（ダイ
キン工業社製、ネオフロンＦＥＰ）７０重量部とを均一
に混合後、２００ｋｇ／ｄの加圧下、３８０”Ｃの加熱
下で圧縮成形を行ない、厚さ１１の成形体を得た。これ
を厚さ０．５圏に研磨して摩擦材Ｃを得た。

摩擦材りの製造法二酸化亜鉛の複数個（３〜５個）のウ
ィスカー形状突起を有する粉末（松下産業機器社製Ｚｎ
Ｏテトラポット形状ウィスカー・太さ１〜３　ｐｍ　、
長さ２０〜１００μＩＩＩ）２０重量部と四フッ化エチ
レン樹脂粉末（ダイキン工業社製ポリフロンＭ−１２）
８０重量部とを均一に混合後、ｓｏｏｋｇ／ｄで圧縮成
形し、３６０℃、２時間の焼成を行って、厚さ１．５ｍ
＋の成形体を得たＯこれを厚さ１鴇に研磨して摩擦材り
を得た。

摩擦材Ｅの製造法二酸化亜鉛の複数個（３〜６個）のウ
ィスカー形状突起を有する粉末（松下産業機器社製Ｚｎ
Ｏテトラポット状ウィスカー、太さ１〜３μｍ、長さ２
０〜１００μｍ）２０重量部と、硫化モリブデン粉末（
日本モリブデン社製Ｍ５パウダー、平均粒径ｏ、６μｍ
）ｓ重量部と、四フッ化エチレン樹脂粉末（ダイキン工
業社製ポリフロンＭ−１２）７５重量部とを均一に混合
しｓｏｏｋｇ／ｄで圧縮成形後、３６０’Ｃ，２時間の
焼成を行って、厚さ１．６圏の成形体を得た０これを厚
さ１■に研磨して摩擦材Ｒを得た。

摩擦材Ｆの製造法：炭化珪素のウィスカー形状粉末（タ
テホ化学社製二品名ＳａＷ　、直径０．０６〜１．６μ
ｍ、長さ６〜２００μｍ、アスペクト比２０〜２００　
）１０重量部とカーボン粉末（粒径１μｍ以下）３重量
部と四フフ化エチレン樹脂粉末（ダイキン工業社製Ｍ−
２１）８６重量部とを均一に混合し、ｓｏｏｋｇ／Ｃｎ
ｆ圧縮成形後、３６０゛Ｃ１２時間の焼成を行って、厚
さ１．６圏の成形体全得た。これを厚さ１Ｍに研磨して
摩擦材Ｆを得た０摩擦材Ｇの製造法：チタン酸カリウムウィスカー粉末（
チタン工業社製ＬＳ−２０．直径０．３〜０．７μｍ、
長さ５〜３０μｍ）２５重量部とフッ化炭素粉末（日本
カーボン社製、平均粒径１μｍ）６重量部と四フッ化エ
チレン樹脂粉末（ダイキン工業社製Ｍ−１２）７０重量
部とを均一に混合し５００ｋｇ／Ｃ，ｄで圧縮成形後、
３６０’Ｃ，２時間焼成して厚さ１．６慎の成形体を得
た。これを厚さ１日に研磨して１イ擦材Ｇを得た０上記それぞれの摩擦材の圧縮弾性性および摩擦係数を測
定した結果全第１表に示す０ただし、摩擦係数の測定は
、ステンレス３０３製の直径３鵡の圧子を５０　Ｏｒｐ
ｍで回転する摩擦材の表面に半径１０１ｍの位置に２０
０ｇの荷重を加えたときの摩擦抵抗を測定し、摩擦係数
を算出した０それぞれの摩擦材ム〜Ｇｉ使用して第３図
に示すような超音波モータを構成し、円板の円周方向に
４波の進行波が励起されるように電極を配置し所定の加
圧力に設定した。加圧力はブレーキトルクの測定によっ
て行った。

それぞれの摩擦材？用いたモータについて、ブレーキト
ルク５００〜１ｓｏｏｇｆ１の変動に対する共振周波数
を測定した。また、ブレーキトルク１ｏｏｏｇｆ偶、電
圧８０ｖ、共振周波数近傍の入力を印加してモータを駆
動させた場合について、無負荷回転数、超勤トルクおよ
び所定時間の駆動後のブレーキトルク、摩擦材の磨耗深
さ、振動体表面の傷つきの有無及び雑音の発生の有無を
測定した結果を第１表に示す。

さらに比較例として、フッ素樹脂単独成分の厚さ１罵の
摩擦材（試料番号ｈ）および、フェノール樹脂とアスベ
スト繊維とよりなるエンジニアリングプラスチック製の
厚さ１瓢の摩擦材（試料番号Ｉ）？ｃ−使用したときの
測定結果を第１表に示す。

（以下余　白）第１表より明らかなように、ウィスカー形状粉末を充填
したフッ素伯脂よりなる摩擦材を使用した超音波モータ
（実験番号１．２．３）、複数個のウィスカー形状突起
を有する粉末を充填したフッ素餉脂よりなる摩擦材を使
用した超音波モータ（実験萱号４）、ウィスカー形状粉
末に加えて、さらに硫化モリブデン粉末またはカーボン
粉末またはフッ化炭素粉末を添加したフッ素樹脂よシな
る摩擦材を使用した超音波モータ（実験番号６゜６．７
）のそれぞれの場合、いずれも、加圧力を変化させたと
き（ブレーキトルクを６００〜１６００ｇ−ｃｍに変化
させたとき）、共振周波数の変化量は１〜２　ＫＨｚ程
度で小さく、またブレーキトルクの経時変化量も少ない
。さらに、摩擦材の磨耗および接触相手の振動体の傷つ
きも少な匹し之がって、長時間の安定した出力性能を維
持し、また安定した再起動性を示し、さらに報音の発生
なども認められなかった。また、起動トルクは６３０〜
６２０ｇ−Ｃｍ會得ることが、２４時間後の駆動におい
ても、殆んど変動がなかった。

これに対し、フッ素樹脂単独組成の摩擦材を使用した超
音波モータ（実験番号８）の場合、１ｏｏｏｇ−ｃｍの
ブレーキトルクに加圧力を設定すると回転不可能であり
、３００ｇ−αまで加圧力を弱くすることによって回転
するが、起動トルクは小さく、２３０ｇ−ｆｆｉであっ
た。さらに、磨耗量も多く、２４時間駆動後の再起動性
も不安定であった。

また、エンジニアリングプラスチック製の摩擦材を使用
した超音波モータ（実験番号９）の場合、加圧力変化に
対しての共脹周波数の変動が大きく、またブレーキトル
クの経時変化も大きく、モータの再起動性も不安定であ
った。さらに、起動トルクは２４時間後には初期の約４
０％に低下し、雑音の発生も認められた。

第４図は本発明の他の実施例の円環型超音波モータであ
る。第４図において、振動部は電極が配置された円環型
圧電体１ｂの表面に、はぼ同一幅の表面に多数の突起セ
グメン）１２ｂの円周配列を有する鉄製振動体２ｂの裏
面を接着固定したものである。対応する移動部を構成す
る円環型永久磁石製移動体３ｂには、ウィスカー形状粉
末を均一に分散充填するフッ素樹脂よりなる厚さ０．６
〜１ｍの摩擦材４ｂが接着固定されている。振動体２ｂ
と移動体３ｂは永久磁石製移動体の磁気吸引力によって
加圧され、振動体２ｂの突起１２ｂ面と摩擦材４ｂとが
接触している０円環の円周方向に７波の進行波が励起さ
れるように電極配置し、共振周波数の電界を印加するこ
とにより移動体３ｂが円周方向に回転する。

発明の効果以上の説明から明らかなように本発明は、摩擦手段とし
て少なくともウィスカー形状粉末または複数個のウィス
カー形状突起を有する粉末が均一に分散して充填された
フッ素樹脂よりなる摩擦材を構成することにより、（１）摩擦材の磨耗が少なく、同時に液域相手の振動体
表面の傷つきが少なく、また、ブレーキトルクの経時変
化も少なく、長時間安定したモータ出力を得ることがで
きる。

（２）雑音が発生しなくなる０（３）　　より大きな起動トルクを得ることが可能とな
る０（４）振動体と移動体との加圧力変化に対する共振周波
数の変化量が少なくなり、モータの再起動性が安定にな
る。

などの効果を同時に得ることが可能となり、出力性能お
よび長期信頼性に優れた超音波モータを提供できるもの
である０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波モータの主要部構成の断面拡大
図、第２図は本発明を構成する複数個のウィスカー形状
突起を有する粉末の拡大図、第３図と第４図は本発明の
一実施例を説明する斜視図、第６図は従来の超音波モー
タの原理を示す動作説明図である。１、１　ａ　、　１　ｂ−・−・・圧電体、２，２ａ、
２ｂ・・・・・・振動体、３．３＆、３ｂ・・・・・・
移動体、４，４２Ｌ。４ｂ・・・・・・摩擦材、１２＆　、　１２ｂ・・・・
・・振動体の突起セグメント。４−・−／１攬材第２図１ａ−一圧電体２１１−・−１辰　　１力　体第４図　　　　　　　　１ｂ・・−圧電体２ｂ・−ｔｉ
　　１体３ｂ−・−様動体ｚｂ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　表面に進行波を発生する超音波振動体と移動体
とが加圧接触し、その両者間の摩擦力を介して前記振動
体により前記移動体を駆動する超音波モータにおいて、
前記振動体及び前記移動体の互いに向かい合う面の前記
移動体の少なくとも接触部に、フッ素樹脂を主成分とし
、ウィスカー形状粉末が均一に分散充填してなる摩擦材
を装備したことを特徴とする超音波モータ。
（２）　表面に進行波を発生する超音波振動体と移動体
とが加圧接触し、その両者間の摩擦力を介して前記振動
体により前記移動体を駆動する超音波モータにおいて、
前記振動体および前記移動体の互いに向かい合う面の前
記移動体の少なくとも接触面に、フッ素樹脂を主成分と
し、複数個のウィスカー状突起を有する粉末が均一に分
散し充填してなる摩擦材を装備したことを特徴とする超
音波モータ。
（３）　表面に進行波を発生する超音波振動体と移動体
とが加圧接触し、その両者の摩擦力を介して前記振動体
により前記移動体を駆動する超音波モータにおいて、前
記振動体および前記移動体の互いに向かい合う面の前記
移動体の少なくとも接触面に、フッ素樹脂を主成分とし
、ウィスカー形状粉末または複数個のウィスカー形状突
起を有する粉末と、硫化モリブデン粉末またはカーボン
粉末またはフッ化炭素粉末とが均一に分散充填してなる
摩擦材を装備したことを特徴とする超音波モータ。