JPH02197272A - 大出力型振動波モータ - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は電気−機械エネルギ変換素子に電界を印加し、
振動体に生ずる振動波によって摺動体及び支持体から成
る移動体を摩擦駆動する犬出力型の摺動波モータに関す
る。

［従来の技術］ 従来振動波モータは特開昭６２−１００１７８号に記載
されている（第４図参照）ように弾性材料にタングステ
ンカーバイド及びコバルトから成る超硬材料を溶射した
振動体２°と、振動体表面に加圧接触され、硬質アルマ
イト処理されたアルミ合金製の移動体３゛とを基本要素
とし、振動体２゛の他面に電気−機械エネルギ変換素子
１を配列固着し、これらに交流電圧を印加することによ
って振動体の周方向に表面波を発生させ、これにより振
動体２°の表面に加圧接触している移動体３°を摩擦駆
動して回転させるように構成している。

［発明が解決しようとしている騨題］ しかしながら前記従来例の超硬材料膜を有する振動体２
°の表面に硬質アルマイト処理膜を有する移動体３゛を
加圧接触させた振動波モータは起動トルクが１　ｋｇｃ
ｍ程度の中出力型であり、起動トルク５　ｋｇｃｍ程度
の大出力を得ようとして振動体２゛と移動体３゛の間の
加圧力を犬にすると移動体３°の硬質アルマイト膜の摩
耗が急速に進み、膜が消耗した時点でトルク性能の低下
が顕著となり、大出力型振勤波モータの寿命がっぎると
いう問題があった。

こうした摺動面の摩耗に対する対策として振動体に対し
、可撓性を有する支持体に薄い合成樹脂の摺動体を固着
して移動体を構成する従来例（特開昭６２−２６２０９
２　）もある。

しかしこの薄い合成樹脂は金属材料とは異なり、−成約
に温度変化に対しその材料特性の変動が顕著である。例
えばトルクが４ｋｇ−ｃｍ、回転数が１００γｐｍ程度
の定格出力を有する大出力型の振動波モータの場合、入
力は１５Ｗ程度で振動体の温度は１００℃にもなるが、
摺動体の摺動面に加圧接触する摺動体の温度も摺動摩擦
に伴う発熱もあって少なくとも１００　ｔ：程度になる
ことが確認されている。

今摺動体材料に結晶性の熱可塑性樹脂の中で汎用エンヂ
ニアリング・プラスチックスに属する６６ボリアミド樹
脂（以下ナイロン６６と称す）を採用するとナイロン６
６の融点は２６０℃と高いが、ガラス転移点が６５℃程
度のため物性の低下が顕著で、例えば１００℃での縦弾
性係数は３０％以下にもなる。

第２図は振動体と摺動体の摺動面接触状態を示すもので
、第２図（ａ）は金属振動体２とナイロン６６摺動体３
ｂの駆動開始時（室温）の接触状態を示しており、振動
体２の波頭に対し摺動体３ｂは一定の加圧力によってや
や沈み込んだ状態にある。

駆動を開始し一定時間を経て振動体の温度が例えば１０
０℃程度の定常状態に達すると、ナイロン６６摺動体の
曲げ弾性率は小さくなる。

第２図（ｂ）は例えば１００℃の定常状態での金属振動
体２とナイロン６６摺動体３ｂの接触状態を示すもので
、ナイロン摺動体３ｂが金属振動体２から受ける応力は
変わらず、ナイロン６６摺勅体３ｂの曲げ弾性率のみが
小さくなるので金属摺動体２に対するナイロン６６摺動
体３ｂの沈み込み量は大になっている。

第２図（ｂ）の接触状態では凝着を切り離すせん断力は
ナイロン６６摺動体３ｂの曲げ弾性率が小さくなるため
やはり小さくなっているが、摺動面面積は顕著に大きく
なっているので金属振動体２とナイロン６６摺動体３ｂ
の間の摩擦係数は大ぎくなっており、結果的に摩擦駆動
力は大きくなる。

第３図はナイロン６６摺動体３ｂを用いた振動波モータ
の振動体２の振幅量を制御回路により一定とし、回転数
も例えば１００γｐｍに固定したときのトルクの時間変
動を示すもので、駆動開始時のトルクが時間の経過と共
に大きくなり（八Ｔ）一定時間後の２０数分後に平衡状
態を示すが、平衡状態の中で突然急激なトルクダウンＤ
を発生することを示している。

コラシタトルク変動或は急激なトルクダウンの現象はナ
イロン６６のようにガラス転移点が摺動３ｂの定常状態
温度（例えば１００℃）以下の熱可塑性樹脂摺動体で見
られ、曲げ弾性率等の材料物性の温度依存性が大きいと
駆動開始時と定常状態でのトルク変動が大きく摺動体材
料として望ましくはない。

又曲げ弾性率がさらに低下し振動体２に対する摺動体３
ｂの沈み込み量が増加して振動体２の波動波の２分の１
に達するまで沈み込むようになると摩擦駆動力は不安定
となり突然急激なトルクダウン現象を発生しモータにと
って致命的な問題となる。このトルクダウンの現象を防
止するために摺動面接触の加圧力を減少することも出来
るが、加圧力を減少すると高トルク領域での回転数の低
下という重要なモータ性能の低下になる。

尚融点力筒００℃以下であると材料の溶融がおこるので
こうした融点か低い材料が摺動体材料として採用出来な
いのは勿論である。

合成樹脂摺動体を振動波千−夕に採用する際の重要視す
る物性としては耐熱性の他に摺動特性、熱伝導性、耐疲
労性及び耐クリープ性等がある。

摺動体材料としての合成樹脂材の摺動特性は摺動面性状
の安定性という点から耐摩耗性が重要であり、又モータ
性能の点て摩擦係数値も重要特性となる。

又摺動体材料としての合成樹脂の熱伝導性は金属よりは
るかに小さいので摺動部の局部的な発熱を放散し、樹脂
材の温度分布を均一にして且つ低下させるよう特性の改
善が必要である。

更に摺動体材料としての合成樹脂の耐疲労性及び耐クリ
ープ性は摺動部材の寿命及び性能の安定化の点で十分考
慮する必要がある。

［課題を解決するための手段コ 本発明は弾性材料の振動体に対し、アルミ合金等のよう
に熱伝導性の良い弾性材料から成る支持体にガラス転移
点が１００　を以上の熱可塑性樹脂に充填材を配合した
複合樹脂から成る摺動体を固着して８動体としたものを
大出力型振勤波モータの基本構成としたものである。

又前記熱可塑性樹脂の複合樹脂が少なくとも重量比で１
０％〜３０％の炭素繊維を充填したもの或はさらに重量
比で５％程度のフッ素樹脂を充填した複合樹脂とし、又
少なくとも重量比で３０％以下の炭素繊維と１０％以下
のチタン酸カリウムウィスカを充填したもの或はさらに
重量比で５％程度のフッ素樹脂を充填した複合樹脂とす
る。又前記複合樹脂が重量比で５％程度のフッ素樹脂を
充填した複合樹脂とし、更に前記複合樹脂をガラス転移
点が１００℃以上の接着材により支持体に固着するもの
である。

先ず大出力型振勤波モータの摺動体としてガラス転移点
が１００℃以上の熱可塑性樹脂を採用することで曲げ弾
性率等の樹脂物性の温度依存性を小さくしモータの摺動
体温度が室温の駆動開始時から例えば１００℃の定常状
態になる時間経過の中て金属振動体と樹脂摺動体の間の
摺動面沈み込み量を一定とし、摩擦係数の変動を小さく
し、モータトルク変動を極力少なくすると共にトルクダ
ウンの現象を防止するものである。

又前記熱可塑性樹脂に炭素繊維を充填して耐摩耗性と複
合樹脂摺動体の熱伝導性の向上を計る。又微細繊維であ
るチタン酸カリウムウィスカを少量付加し、摺動面性状
の安定化を計りモータ性能の面から所定の摩擦係数を得
る。

又必要であるならはＰＴＦＥ等のフッ素樹脂を付加して
摺動面の潤滑性の向上をとろうとする。

上記は摺動材の相手部材が例えば振動体摺動面にタング
ステンカーバイド及びコバルトから成る超硬材料を溶射
した硬質部材であり、例えは熱処理されていない軟質の
ステンレスの場合はガラス転移点が１００℃の熱可塑性
樹脂にフッ素樹脂を充填するものである。

［実施例コ 第１図（ａ）及び（ｂ）は大出力振動波モータの主要部
分の断面図及び正面図で１は薄いリング状の複数個に分
極された電気−機械エネルギ変換素子例えば圧電素子て
、リング状で且っ可撓性を有する例えはステンレスの金
属振動体２に耐熱性のエポキシ系接着剤で同心的に固着
している。

振動体２は図示されていない振動波モータの筐体に中心
部近辺で固定され、圧電素子１が固着された面に対し、
反対の面である摺動面には振動振幅を大きくとるための
クシ歯状の複数個の溝が軸心を中心に向かって放射状に
設けられている。

３ａはアルミ合金等の熱伝導性の高い金属から成るリン
グ状支持体で熱可塑性樹脂の複合材から成るリング状の
摺動体３ｂをガラス転移点が１００℃以上の耐熱性のエ
ポキシ系接着材で同心的に固着して、移動体３を形成し
、振動体２の摺動面に対し摺動体３ｂの摺動面がやはり
図示されていない手段により同心的に例えば９ｋｇの荷
重で加圧接触している。

第１図において交互に厚み方向に分極処理された電極１
ａ及び１ｂに互いに位相が９０・異なる周波電圧を印加
すると振動体２の摺動面周方向に振動波が発生し、この
撮動波により振動体２の表面に加圧接触している移動体
３は振動体２と摺動体３ｂの摺動面の摩擦力により回転
駆動される。

振動体２の材料は特に熱膨張係数の小さい３６％ニッケ
ル合金（インバー）や比較的熱膨張係数が小さく、内部
損失の小さいマルテンサイト系ステンレス等の弾性材料
であり、相手の摺動体が強化された複合樹脂であると摺
動面に例えばタングステンカーバイド及びコバルトから
成る超硬材料を溶射したり或は熱処理を行って摺動面の
硬化処理が行われる。

摺動体３ｂの材料はガラス転移点が１００　’ｅ以上の
熱可塑性樹脂或はその複合樹脂であり具体的にはポリエ
ーテルスルホン（ＰＥＳ）　、ボリアリレート（ＰＡＲ
）　、ポリエーテルイミド（ＰＨ１）　、ポリスルホン
（ＰＳＦ）　、ポリカーボネイト（ｐｃ）及び変性ポリ
フェニレンオキシド（変性ｐｐｏ）等の非品性樹脂とポ
リエーテルエーテルケトン（ＰＥＥに）ポリフェニレン
スルフィド（ｐｐｓ）及び特殊ポリアミド（ＰＡ）等の
結晶性樹脂のナチュラル材とこれに例えばＰＴＦＦ等の
フッ素樹脂を潤滑剤として充填した非強化型の摺動体材
料と上記の非晶性及び結晶性樹脂に炭素繊維及びチタン
酸カリウムウィスカ或はＰＴＦＥを充填した強化型の摺
動体材料とにわかれる。

第１表は大出力型振勤波モータの摺動体材料として検討
した熱可塑性樹脂及びその複合樹脂とその熱特性を示し
たものである。

参考例と実施例１及び２はナチュラル材であり、３は非
品性のポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）に潤滑剤として
フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）を充填した複合樹脂である。

又実施例の４〜９は強化型の複合樹脂で、熱可塑性樹脂
としては非品性のポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）　と
結晶性のポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥに）及び
耐熱性の特殊ポリアミド樹脂の３種類を採用し、これに
強化繊維として炭素繊維及びチタン酸カリウムウィスカ
を又潤滑剤としてフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）を用いた。

強化材の充填は先ず樹脂材の耐摩耗性の向上のためであ
り、そのための充填量は多いほうが望ましい。しかし射
出成形を首尾よく達成せしめるには熱可塑性樹脂に対す
る強化材の充填量は重量比で３０％程度が上限である。

従って実施例４〜９での強化繊維の充填量も単独の繊維
で重量比３０％、炭素繊維とチタン酸カリウムウィスカ
の混合物で４０％とした。

又フッ素樹脂の充填は摺動の潤滑性を向上するためであ
り、充填量を多くする必要はないので重量比で５％とし
この程度で充分である。

第２表は第１表の参考例及び実施例１〜９の熱可塑性樹
脂或はその複合樹脂で第１図で示す厚さ１ｍｍのリング
摺動体を形成し、加圧力を９ｋｇとしたときの大出力型
振勤波モータを撮動振幅量を一定にして駆動したときの
一定時間（２４時間）後の摩耗量とモータ駆動後のトル
クの時間変動とトルクムラ及びトルクダウンを相対比較
したものである。

先ず低負荷（３００ｇ−ｃｍ）での摺動体の摩耗を見る
と実施例１及び２のナチュラル材はいずれも摩耗量が大
きく高負荷でのテストが不可能のため中止した。

又参考例のＰへ８６と実施例３及び９は中程度の摩耗量
を示し、他の実施例の強化型の複合樹脂摺動体ではほと
んど摩耗が見られなかった。

次に高負荷２．５ｋｇ−ｃｍでのトルク変動を調べた。

参考例のＰＡ６６は前述の通り駆動時の時間変動が明ら
かにあり、中程度のトルクムラ（短時間のトルクバラツ
キ）がありトルクダウンの現象も見られた。

実施例３では時間変動、トルクムラが小さくトルクダウ
ンも見られなかったが出力がかなり小さかった。これは
潤滑剤としてＰＴＦＥを充填して耐摩耗性の向上をはか
ったが、摩擦係数が小さく又非強化のため弾性率が小さ
かったためである。

実施例４〜９の強化型の中で非品性の熱可塑性樹脂で耐
クリープ特性が優れているポリエーチルスルホン（ＰＥ
Ｓ）を用いた。実施例３及び７では時間変動、トルクム
ラのいずれもが小さくこれはポリエーテルスルホンのガ
ラス転移点が２２５℃と高く、従って曲げ弾性率や硬度
等の物性の温度依存性が小さいためである。

即ちモータ駆動開始から摺動体温度が例えば１００℃の
定常温度になる時間経過の中で樹脂摺動体３ｂの曲げ弾
性率は低下せず、従って振動体２の振動波に対する摺動
体３ｂの沈み込み量は大きくならず、又硬度の低下もな
いので摩擦係数の変動がなく結果的に大きな温度上昇中
も摩擦駆動力の変動がないことになる。

次に結晶性の熱可塑性樹脂で耐疲労特性が優れているポ
リエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を用いた実施例
４．５及び６では時間変動、トルクムラ共比較的小さく
トルクダウンの現象も見られず、耐熱性樹脂としての効
果が著しかった。充填剤として使われた炭素繊維及びチ
タン酸カリウムウィスカは強度や曲げ弾性率等の物性を
強化し耐摩耗性の面での効果が顕著であった。充填剤と
しての炭素繊維は耐疲労性或は耐クリープ性の改善効果
が期待されているが他に熱伝導性が良いため熱放散の効
果が見られた。

実施例６のチタン酸カリウムウィスカは炭素繊維と同様
に耐疲労性或は耐クリープ性の改善効果が期待される他
に、より微細繊維で配向性が小さいことがら摺動面が平
滑で均一に補強されるため摩擦係数のバラツキも小さい
のでトルクムラが小さいという結果が得られた。

実施例８及び９は特に耐熱性の優れた安価な特殊ポリア
ミド（芳香族ポリアミド）に炭素繊維とチタン酸カリウ
ムウィスカを充填した材料であるがトルクムラ、トルク
ダウンは非常に少なかったが、実施例６にも見らたが起
動時トルクの減少の傾向が見られた。又チタン酸カリウ
ムウィスカを充填した実施例６，８及び９ではモータ部
の発熱が大きく効率が低いという結果になったがこれは
チタン酸カリウムウィスカの熱伝導性が低いためで入力
による発熱及び摺動摩擦熱の熱放散が悪いことが分かり
そこでチタン酸カリウムウィスカは微細繊維のため摩擦
係数のバラツキが小さいという点で有効な充填剤である
ので３０％以下の炭素繊維に少量を混合して用いたり、
或は黒鉛等の熱伝導性の高い潤滑剤を併用すると良い結
果が期待されることがわかった。

尚上記の検討において使用した振動体２はマルテンサイ
ト系ステンレス製で摺動面はタングステンカーバイド及
びコバルトから成る超硬材料を溶射してあり、その摺動
面硬度はヴイカース硬度で１２００程度であり、又その
面粗さは０．４５程度である。

上記のマルテンサイト系ステンレスを熱処理するとヴイ
カース硬度は６００程度となるが、この熱処理したステ
ンレス製振動体を用いれば、第２表の摩耗量は一般的に
減少するはずであり、少なくとも実施例の充填剤を用い
た３〜９の摺動体材料は全て使用可能である。

上記の通りガラス転移点が１００℃以上の熱可塑性樹脂
を用いることで、トルクの時間変動が低減し又トルクダ
ウンの現象も回避された。

又炭素繊維を射出成型が可能な上限の重量比で３０％充
填したことで所期目的以上の耐摩耗性を得ることが可能
となった。

炭素繊維の充填は耐摩耗性の向上、弾性率の向上による
高トルク化或は熱伝導性の向上環のために用いられるが
、別の熱硬化性樹脂で充填量を重量比で３０％から２０
％、１０％と少なくしても摩耗量の増加は微少であるこ
とが確認されている。従って例えば前記の熱処理したス
テンレス製振動体を相手の摺動材とすれば使用可能であ
ることがわかった。

又重量比で３０％以下の炭素繊維とやはり重量比で１０
゛％以下の微細繊維であるチタン酸カリウムウィスカの
混合物を充填した複合樹脂ではやや熱放散の点で問題は
あるがトルクムラの減少或は高トルク領域での性能向上
の点で有効であることがわかった。

さらに重量比で５％程度の微少のフッ素樹脂の付加充填
は相手摺動面にフッ素樹脂のフィルム状膜を形成し潤滑
性の向上が期待出来ることも判明した。

一方熱可塑性樹脂に５％程度のフッ素樹脂を充填した複
合樹脂は高トルク領域での性能低下はあるが、トルクム
ラが小さいことで有効であり、例えばりん青銅材或は非
熱処理のステンレス材のような軟質材をオ目手摺動材に
用いれば使用可能であることもわかった。

［発明の効果］ 以上説明したように摺動体をガラス転位点が１００℃以
上の熱可塑性樹脂の複合樹脂としたことで、振動波モー
タは駆動開始時から摺動体温度が定常状態になる時間経
過の間で、摺動体の曲げ弾性率の低下は無視することが
出来る程度に少ないので振動体の振動波に対する摺動体
の沈み込み量は変らず、摩擦係数の変動もないので、駆
動開始後の摩擦駆動力の変動がなく従フてモータトルク
の時間変動もない。又平衡状態後の急激なトルクダウン
の現象も見られずトルク特性の安定した信頼性のある振
動波モータが得られた。又ガラス転穆点が１００℃以上
の熱可塑性樹脂に炭素繊維或はチタン酸カリウムウィス
カを強化材として単独に或は混合して充填し更にフッ素
樹脂を潤滑剤として付加した複合樹脂の摺動体は耐摩耗
性の面で改善された特性が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）は本発明の大出力型振勤波モー
タの主要部分の断面図と正面図、第２図（ａ）及び（ｂ
）は振動体振動面と摺動体摺動面との間の接触状態を説
明する説明図、第３図は従来例のトルク変動を説明する
トルク特性図、第４図（ａ）及び（ｂ）は従来例の大出
力型振勤波モータの主要部分の断面図と正面図である。 １・・・圧電素子　　　　　２・・・振動体３ａ・・・
支持体　　　　　３ｂ・・・摺動体。 ？ Ｌま　０　乱

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １電気―機械エネルギ変換素子に電界を印加し、電気―
   機械エネルギ変換素子と接合する振動休に生ずる振動波
   によって振動体に加圧接触する摺動体及び該摺動体を固
   着する支持体から成る移動体を摩擦駆動する大出力型振
   勤波モータにおいて、上記摺勤体をガラス転移点が１０
   ０℃以上の熱可塑性樹脂に充填材を配合した複合樹脂で
   形成したことを特徴とする大出力型振動波モータ。 ２前記熱可塑性樹脂の複合樹脂が少なくとも重量比で１
   ０％〜３０％の炭素繊維を充填した複合樹脂であること
   を特徴とする請求項１記載の大出力型振動波モータ。 ３前記熱可塑性樹脂の複合樹脂が少なくとも重量比で３
   ０％以下の炭素繊維と１０％のチタン酸カリウムウイス
   カの混合物を充填した複合樹脂であることを特徴とする
   請求項１記載の大出力型振動波モータ。 ４前記熱可塑性樹脂の複合樹脂が重量比で５％程度のフ
   ッ素樹脂を充填した複合樹脂であることを特徴とする特
   許請求範囲２或は３記載の大出力型振動波モータ。 ５前記熱可塑性樹脂の複合樹脂が重量比で５％程度のフ
   ッ素樹脂を充填した複合樹脂であることを特徴とする請
   求項１記載の大出力型振動波モータ。 ６前記熱可塑性樹脂の複合樹脂をガラス転位点が１００
   ℃以上の接着剤により支持体に固着したことを特徴とす
   る請求項１記載の大出力型振動波モータ。