JPH02285974A - 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］ 本発明は、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部材とを相対運動させる
振動波モータに係り、詳しくは、加圧接触部における摺
動部材の材質に関するものである。

［従来の技術］ 進行性振動波を利用した振動波モータの原理的概要は下
記のようである。

全周長がある長さ先の整数倍であるような弾性材料製の
リング状の振動体の片面に１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のピッチにて且つ交
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置されて
いる。圧電素子の両群には夫々電極膜が施されている。

いずれかの−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、また核層の位置
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）が振動体の全周に亘って発生する。他の一部（
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ずれたものとなる１両Ａ、Ｂ相に、周
波数が同じで且つ互いに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
多面状の各点は一種の楕円運動をする。よって、振動体
の各他面にロータとして、例えばリング状の移動体を加
圧接触させておけば、該移動体は振動体から周方向の摩
擦を受は回転駆動される。

したがって、振動体及び移動体の加圧接触部には摩擦係
数の大きなものを摺動材として設けるのが効率よく出力
を取り出すために望ましく、従来では例えば特開昭６２
−１００７７８号に記載されているように、振動体側の
摺動材として、タングステンカーバイドとコバルトの混
合物（ＷＣ−Ｃ，）、移動体側の摺動材として硬質アル
マイトが使用されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、このような摺動材を用いた場合、振動波モー
タの出力がＩＷ以下では摩耗が少ないが、３〜５Ｗ程度
の出力を得るために振動体と移動体との加圧力を太き（
したり、回転数を上げたりすると、移動体側の摺動材で
ある硬質アルマイト層の摩耗が急速に進み、この層が消
失した時点で振動波モータのトルク性能の低下が顕著と
なり、振動波モータの寿命が尽きるという難点があった
。

この摩耗状態を調べたところ、硬質アルマイト層が脆性
破壊していることがわかった。

そのため、移動体側の摺動材の靭性な上げるために、熱
可塑性樹脂であるナイロン６６（以下Ｐ　Ａ　６６と称
す、摩擦係数；０．８〜ｌ、５）を摺動材とし、振動体
側の摺動材は冑Ｃ”’Ｃｏとして駆動したが、樹脂単体
だと多量の摩耗粉を生じ、摺動面にこの摩耗粉をまきこ
んで安定な回転が得られなかった。

この摩耗の原因を調べたところ、双方の摺動材である樹
脂とＷＣ−Ｃｏの両表面の凝着力による剪断剥離（凝着
摩耗）であることが分かった。

この凝着摩耗を防止するためには、摺動性のある繊維や
粉末を複合するのが有効であり、一般的である。

そこで、充填材として高強度型炭素繊維を１０〜３０重
量％複合したＰＡ６６　（摩擦係数０．４〜０．６）を
移動体側の摺動材として駆動したところ、摩耗は激減し
たが、定速回転中にトルクが急激に落ちる現象（以下ト
ルクダウンと称す）を生じた。そして、駆動後に樹脂摺
動面を観察すると、複合されていた炭素繊維の一部が欠
損していることがわかった。炭素繊維の欠は方と、炭素
繊維の摩擦係数がＰＡ６６よりも低いこと等から判断し
て、炭素−維が振動を受けて脆性破壊し摩耗したものと
推測でき、トルクダウンは摺動面に炭素繊維の摩耗粉を
まきこんだものと推測できる。

また、上記のいずれの場合も時折異常音の発生があった
。

すなわち、以上述べた点を整理すると、（１）：摺動材
に靭性がないと摺動材が脆性破壊して摩耗する。

（２）　：摺動材が樹脂単体であると凝着摩耗を起こす
。

（３）：　　（２）の改善を図るために樹脂へ充填材を
入れると、樹脂の凝着摩耗は減る。

しかし、充填材自身に靭性がないと振動を受けて脆性破
壊し、充填材の摩耗を招く。

という難点があり、振動波モータ性能にトルクムラ、ト
ルクダウン、異常音の発生等の欠点を生じさせていた。

本発明の目的は、トルクムラ、トルクダウン、異常音の
発生等を防ぐことができる摺動材を用いることにより、
効率を向上させることができる振動波モータを提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明者は、このような従来の問題点を整理した結果、
振動波モータの摺動材として、従来は摩擦係数の大きな
ものにとられれていたが、摩擦係数が低くてもむしろ良
摩擦安定性と耐摩耗性を保持することが振動波モータの
性能向上につながるのではないかとの結論に達し、摩擦
係数は低いが摩擦安定性に優れたフッ素樹脂に着目した
。

フッ素樹脂は、樹脂単体で摺動材として使用した場合、
やはり従来の樹脂単体の場合と同様に凝着摩耗が多く、
摩耗改善のために本発明者は耐摩耗性の向上を充填材の
使用により図ることにしたが、従来のように充填材自身
の靭性が低いと、充填材自身が摩耗することから、充填
材として靭性が高いものを種々選択し、充填材として熱
可塑性樹脂又は熱溶融性樹脂をフッ素樹脂に充填したも
のを振動波モータの摺動材として使用した本発明をなす
にいたったものである。

すなわち、本発明の目的を達成するための要旨とすると
ころは、電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印
加することによって、振動体に進行性振動波を生ぜじめ
、以て該振動体と該振動体に加圧接触した部材とをいづ
れか一方の摺動面に固着した摺動材を介して相対的に摩
擦駆動させるようにした振動波モータにおいて、該摺動
材は、フッ素樹脂の母材と、このフッ素樹脂よりも高融
点の熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂の複合樹脂材よりな
ることを特徴とする振動波モータにあり、振動波モータ
の使用初期時において、摺動材の表面層が剥離を起こし
て加圧接触する相手面側にのりうつり、以後安定して摺
動することになる。

本発明によれば、振動波モータの加圧接触面をなす摺動
材と、加圧接触する他の面との摩擦係数が従来よりも小
さく（約０．２程度）なったが安定化が図れ、モータト
ルクの変動を極力少なくすると共に、トルクダウンの防
止を図り、さらに、振動波モータから発することのあっ
た異常音もなくすことができた。

摺動材の母材となるフッ素樹脂としては、ある程度の耐
熱性と、摩擦安定性を有することが必要で、このような
条件を満足するものとして、例えば、ポリテトラフルオ
ロエチレン（ＰＴＦＥ）　、テトラフルオロエチレン−
ヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）　、テトラフルオ
ロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフルオロ
アルキルビニルエーテル（ＥＰＥ）　、テトラフルオロ
エチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦ
Ａ）　、が挙げられ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ
）なと融点の低いフッ素樹脂は摺動特性も悪く使用に不
適である。

また、充填材としては、摺動材の成形時に溶融しなけれ
ばよく、母材となる熱溶融型フッ素樹脂の融点よりも高
い融点を有する熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂が使用可
能で、例えばポリイミド（ＰＩ）、熱可塑性ポリイミド
、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテ
ルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテル
ケトンケトン、ポリエーテルケトンオン。

芳香族ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリ
エチレンテレフタレートが挙げられる。

また上記した充填材の靭性は５従来使用した充填材であ
る炭素繊維や、摺動材であるアルミナよりも高（、最大
のびで比較すると、例えば炭素繊維やアルミナが１％程
度であるのに対し、例えばＰＩは６〜ｌＯ％程度である
。

母材であるフッ素樹脂に対する熱硬化性樹脂又は熱可塑
性樹脂からなる充填材の配合割合は、フッ素樹脂に対し
充填材の添加には限界があり、母材の層状剥離を最低限
に抑え、摺動材の摩耗特性を向上させ、また母材に耐ク
リープ性を与え、長期放置後の起動特性を向上させる目
的で、母材に対する充填材の配合割合は、１０〜４０重
量％の範囲が好ましい。充填材は繊維又は粉末の形態で
母材に充填することができる。

充填材の配合割合が１０％以下では顕著な効果が得られ
ず、また配合割合が４０％を越えると摺動材の表面剥離
性がますます少なくなり、相手材へののりうつつが少な
くなって、摩擦特性及び摩耗特性が悪くなる。

さらに、摺動材は樹脂のみを用いた複合材としているの
で、加圧接触する摺動材の相手側、例えば振動体を構成
する弾性材料の表面をそのまま摺動面として使用しても
摩耗することがない。

〔実施例〕

以下本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明す
る。

第１図（ａ）は本発明による振動波モータの一実施例を
示す断面図、第１図（ｂ）はその正面図である。

図中、１は可撓性を有する例えばステンレスやリン青銅
からなるリング状の金属振動体１ｂの一側面に、前述し
た如く複数個に分極された２群の圧電素子をリング状に
形成した圧電素子群ｌａを耐熱性のエポキシ樹脂系接着
剤で同心的に接着した振動体で、圧電素子群１ａの接着
面と反対の摺動面側は駆動速度を大きくするために櫛歯
状に複数の溝（不図示）が周方向に等間隔で形成され、
また不図示の筐体に中心部近辺で固定されている。

２は例えばアルミ合金等の金属からなるリング状の支持
体２ａの一側面に、リング状の摺動材２ｂをエポキシ系
接着剤で同心的に固着した移動体で、摺動材２ｂの表面
をエツチング処理等にて接着性を持たせ、摺動材２ｂの
接着性を良好にしている。

そして、振動体１の摺動面と移動体２の摺動材２ｂとを
不図示の加圧手段により、軸方向に例えば１０ｋｇｆの
荷重で加圧接触させている。

そして、交互に厚み方向に分極処理された圧電素子から
なる２群の圧電素子に振動体１の固有の周波数の交流電
圧を印加すると、振動体ｌは共振を起こし、その摺動面
周方向に進行性振動波が発生し、振動体１の表面に加圧
接触している移動体２が、振動体１と摺動材２ｂの摺動
面の摩擦力により回転駆動される。

本実施例に用いられている摺動材２ｂは、母材であるＰ
ＴＦＨに、充填材として熱硬化性樹脂である粉体のＰＩ
（粒径５０〜１００μｍ）を、重量比で２０％均一分散
配合したものである。

摺動材２ｂの振動体１の摺動面（ＷＣ−Ｃｏ）に対する
摩擦係数は０．２２で、表１に本実施例と比較例とを示
す。

表１ １００ｒｐ＋＊で駆動したときの一定時間（２４時間）
後における、摩耗量、モータ駆動時のトルクの時間変動
、１回転中のトルクムラ、トルクダウン及び異音の有無
の相対比較を表２に示す。

表２ また、表１に示す比較例１．２及び本実施例の摺動材の
厚みを０．３　ａｍとし、加圧力を６　ｋｇｆとし、振
動体ｌの振幅を一定にして、回転数比較例１のＰＡ６６
単体からなる摺動材の場合は、トルク変動が極めて大き
く、トルク、トルクムラ及びトルクダウンの評価が不可
能であった。また駆動中も摩耗粉の発生が認められ、駆
動後摺動材の摩擦面にはむしりとられたような痕跡が見
られた。

比較例２のＰＡ６６と炭素繊維の複合材からなる摺動材
の場合は、第２図（ｂ）に見られるようなトルクムラが
多く、またトルクダウンも認められた。駆動後摺動材の
摩擦面上の炭素繊維に欠損が認められた。

本実施例によるＰＴＦＥとＰＩの複合材からなろ摺動材
の場合は、第２図（ａ）に見られるようにトルクムラも
なく、経時的なトルク変動もなく。

また比較例１．２で発生した異常音も全く発生せず、駆
動後は振動体側にＰＴＦＨののりうつつが観察され、Ｐ
ＴＦＥＭを介した摺動が行なわれていることがわかった
。

また、摩擦係数が低いため、性能の低下が予想されたが
、最大効率が３０％を越え、実用上問題はなかった。

なお、上記した実施例では振動体は固定され、移動体が
進行性振動波に応じて移動されるが、例えば平板上の支
持部材（不図示）上に振動体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
を移動させるようにしてもよく、また摺動材を逆に振動
体側に設けるようにしても良い。

〔発明の効果］ 以上説明してきたよｐに、本発明によれば、振動波モー
タにおける摩擦駆動面をなす一方の摺動材をフッ素樹脂
を母材とし、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を充填した
複合樹脂材とすることにより、摩擦力の安定や、出力性
能が極めて安定化し、高出力、例えば３〜５Ｗの振動波
モータを得ることができた。

さらに、摩耗についても摺動材が複合樹脂であることが
ら摺動材の摩耗が少なく、耐久性の良い振動波モータが
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による振動波モータの一実施例を示し、
第１図（ａ）は断面図、第１図（ｂ）はその正面図を示
している。第２図（ａ）は重量比でＰＴＦＥを８０％、
　ＰＩを２０％とする摺動材を用いたときのトルクチャ
ート、第２図（ｂ）は重量比でＰＡ６６を８５％、炭素
繊維を１５％とする摺動材を用いたときのトルクチャー
トを示している。 １：振動体 １ａ：圧電素子群 ２：移動体 ２ａ：支持体 ｌｂ：金属振動体 ２ｂ：摺動材。 第１図 （ａ） ｃｂ＞

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 　１．電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加
   することによって、振動体に進行性振動波を生ぜじめ、
   以て該振動体と該振動体に加圧接触した部材とをいづれ
   か一方の摺動面に固着した摺動材を介して相対的に摩擦
   駆動させるようにした振動波モータにおいて、 該摺動材は、フッ素樹脂の母材と、この フッ素樹脂よりも高融点の熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹
   脂の複合樹脂材よりなることを特徴とする振動波モータ
   。
2. 　２．熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂塑性樹脂がフッ素
   樹脂に対し１０〜４０重量％添加されていることを特徴
   とする請求項１に記載の振動波モータ。