JPH03178577A - 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−機械エネルギー変換素子に電圧王 を印加し、振動体に生ずる振動波によって振動体と、該
振動体に圧接される部材とを摩擦關動する振動波モータ
に係り、詳しくは該部材の振動体と当接する当接面に設
けた摩擦材としての機能を有する摺動材に関するもので
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λの整数倍であるような弾性材料製の
リング状の弾性体の片面に、周方向に配列された１群の
複数個の圧電素子を固着したものをステータ（振動体）
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
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）が弾性体の全周に亘って発生する。

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ずれたものとなる。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、弾性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
記弾性体の多面状の各点は一種の楕円運動をする。よっ
て、弾性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、該移動体は弾性体から
周方向の摩擦を受は回転開動される。

したがって、弾性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、また、輛動材の摩耗が、そ
のままモータの寿命につながるため摩耗の少ない材料が
望ましい。

そのため、従来は、摩擦係数を大きくするために、無機
系材料の組合わせたものや、摩耗を減らすために短繊維
や長繊維などを充填した繊維複合樹脂などからなる摺動
材が提案されていた。

［発明が解決しようとしている課題］ ところで、振動波モータの出力は摩擦力に依存している
ので、ステータとロータとの接触部の摩擦係数の変化が
そのまま出力の変化につながる。

そこで、振動波モータの高精度化（例えば、一定回転制
御など）をはかるためには、摩擦係数の安定した摺動材
を選択することが必要となった。しかし、前記無機材料
のような摩擦係数の大きいものは、もともと摩擦係数の
ムラが大きい特性を有していた。

また、繊維複合樹脂、例えば芳香族ポリイミドに平均長
３１ｍの炭素繊維のチョツプドファイバーを２０％充填
したものなどは、１回転あたりの回転ムラが大きく、２
５万回転能動後廓動面を観察したところ、初期状態に較
べ、面粗度の劣化が見られた。

本発明の目的は、このような従来の問題を解決し、摩擦
力の安定した摺動材を用いることにより、出力性能が安
定し、耐久性に優れた振動波モータを提供するものであ
る。

［課題を解決するための手段及び作用コ本発明は振動体
あるいは該振動体と当接する部材のいずれか一方の当接
面に、炭素繊維を充填材とした複合樹脂からなる摺動材
を固着したもので。

摺動材を構成する充填材である炭素繊維は、アスペクト
比（長さ／径）を平均で１０〜１５０　（径７μｍのも
のでは長さ７０μＩ１１〜１０５０μｌ１１）とし、ま
た、含有率は、体積比で５％〜３５％としている。母材
となる樹脂は、ポリイミド、エポキシ、ポリウレタン、
フェノールなどの熱硬化性樹脂または、ポリアミド、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オン、ポリフェニレ
ンサルファイド、変性ポリフェニレンオキシドなどの機
械的強度が高く、耐熱性のある熱可塑性樹脂または。

それらのポリマーアロイであり、圧縮、押し出し、射出
、トランスファー成形などでつくられた。炭素繊維複合
樹脂である。

炭素繊維は、機械的強度を上げて摩耗を減らし、また１
弾性率を上げて、振動波モータの効率を上げる効果があ
る。さらには、熱伝導率が高いので、放熱を促進し、樹
脂表面の軟化を減じ、効率低下を妨げる効果、！ｉ！擦
係微係数化を防止する効果がある。

炭素繊維は、直径７μｍ−１５μｍあり、摺動面を均一
にする方法として、炭素繊維の織物をつくり、それに、
樹脂を含浸硬化させる方法もあるが、振動波モータの摺
動材がリング状であるときは、中心部、周辺部が無駄に
なるため、コスト的に不利である。従って、炭素繊維を
樹脂の中に分散させるのが製造上有利になるが、炭素繊
維が短すぎると複合効果が得られず、母材からの脱落を
起こす。

また、長ずざると均一に分散せず、面粗度が悪くなり、
摩擦ムラの原因となる。しかも、成形時にそりやすいと
いう欠点もある。

一般に、短繊維の複合効果は、引張強度（δ）として表
わすと、 δ　＝　α（δｆＶｆ＋δ□Ｖ、）／Ｖである。

充填量が同じで強度を最大にするには、Ｑ　７ｃｄ　ｒ
／２（剪断強さ）＝　（ｄ／２）”πｄ、（引張強さ）
の関係を満せばよいことになる。

したがって、α／ｄ　　＝　　ｄ、／２τという繊維が
抜ける力と、繊維が切れる力が等しい時で材料が決まれ
ば、アスペクト比（Ｑ／ｄ）で決まることになる。

但し、α：密着性などの定数 δ、：繊維強度　　　ｄ：繊維径 δ４：母材の強度　　　＋２＝繊維長 ｖ、：繊維の体積 ■１：母材の体積 Ｖ：全体の体積 ［実　施　例］ 以下本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細１こ説明
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弾性体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１ａ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ｍ動面側は開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ある。

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１は共振を起こし、その溜動面
周方向に進行性振動波が発生し、振動体ｌ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。

摺動材２ｂは、母材として芳香族系ポリイミドに充填材
として平均長３ｏμｍ、１００μｍ。

３００　μｍ、　　ｌ　ＯＯＯｐｒｏ、　　３０００　
ｐｍのＰＡＮ系の炭素ｗｔ維（平均径７μｍ）を体積比
で２〜３５％分散配合分圧縮成型して得られた１ｍ厚の
複合樹脂２８種類を試料とし、夫々、回転ムラ、回転変
動、摩耗量を測定した。

また、回転ムラを発生させる要因として、大体以下のよ
うなことが経験的に判明している。

（１）「面粗さ」は定常的な回転ムラを起こす。

（２）「面うねり」は周期的な回転ムラを起こす。

（３）「摩耗粉」は摺動面にまきこんで突発的な回転ム
ラを起こす。

なお、表１に示すデータは振動体１の振幅を一定にして
、１５ｏ〜２０Ｑ　ｒ、ｐ、ｍ、で２４時間駆動し、 １回転中の回転ムラ、 突発的な回転変動の有 無、及び廓動後の摩耗量を測定した値である。

表 工 摩耗量側横棒線は、摩耗が検出できなかったことを示す
。

評価は、突発的な回転変動の有無と回転ムラで総合評価
した。

比較例１〜３の平均長３ｏμｍ（アスペクト比４）の試
料は、回転ムラは小さがったが、駆動面を観察すると、
炭素繊維の脱落が目立ち（母材との密着性が悪い）、若
干の摩耗が観測された。また、摩耗粉が原因と思われる
回転数の変動も観測された。

比較例４〜５の充填率２体積比のものは、母材が摩耗し
、摩耗粉が肉眼でも観察された（複合強化の効果が充分
でない）。

比較例６〜８の平均長３０００μｍのものは、成型後の
そりが大きく、顕微鏡にょるｉ察では、炭素繊維が均一
に分散していないことが確認された（炭素繊維が長すぎ
るため、樹脂内に均等に分散せず、＠度に疎密ができた
）。

充填量が比較的多めのものでは、面のうねりが多きく、
あたりが均一でない。

それに対し、本実施例１〜２０では、制御しにくい突発
的な回転変動もなく回転ムラも小さく、摩耗も殆んど認
められなかった。

また、充填量を多くしていくと、面のそりが大きくなり
、また、均一分散もしなくなり、４０％の試料は製作が
困難であった。

本実施例では、充填材として、ＰＡＮ系炭素繊維をもち
いたが、当然ピッチ系のものや金属繊維、ＳｉＣウィス
カーなども同様に使用することができる。また、２種類
以上の繊維を同時に用いてもよい。

また、出力が小さい場合（ＩＷ以下程度）は、もともと
発熱が小さいので、グラスファイバや有機ファイバー、
チタン酸カリウムウィスカーなどの熱伝導率の比較的小
さいものも使用できる。

また、さらに摩擦係数の安定性を上げるために、固体潤
滑材（ポリテトラフルオロエチレン、二硫化モリブデン
、グラファイト、マイカ、タルクなどの粉末の添加も有
効である。

また、本実施例では、金属の支持体に複合樹脂を接着剤
で固着しているが、炭素繊維で強化されているので、移
動体すべてを炭素繊維複合樹脂でつくることもできる。

なお、上記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白身を
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よい。

［発明の効果］ 以上説明してきたように本発明によれば、振動波モータ
における摩擦祁動面をなす一方の摺動材を、アスペクト
比１０〜１５０程度の炭素繊維を充填した複合樹脂材と
することにより、摩擦力が安定し、出力性能の安定した
、例えば、振動制御だけで回転ムラ０．２％程度のモー
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か
ら、摺動材の摩耗も少なく、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】

第工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。 １・・・振動体　　　　　１ａ“・・圧電体素子群１ｂ
・・・金属弾性体　　２・・・移動体２ａ・・・支持体
　　　　２ｂ・・・摺動材（他４名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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
   、平均アスペクト比が１０〜１５０の炭素繊維を樹脂に
   充填した複合樹脂であることを特徴とする振動波モータ
   。 ２　前記複合樹脂は炭素繊維を体積比率で５〜３５％充
   填したことを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ
   。