JPH04105575A

JPH04105575A - 摩擦材の製造方法及びその摩擦材を使用した超音波モータ

Info

Publication number: JPH04105575A
Application number: JP2223601A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1990-08-24
Filing date: 1990-08-24
Publication date: 1992-04-07
Anticipated expiration: 2013-06-18
Also published as: US5166572A; JP2766387B2

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、超音波モータの摩擦材に関するものである。

〔従来の技術〕

この種の超音波モータとしては、例えば第１図のような
超音波リニアモータか知られている。

つまり、この超音波リニアモータは、ドライ／＜Ｄによ
り駆動される圧電素子ｌと、一対の圧電素子ｌが固定さ
れ、これら圧電素子１において発生した振動に共振して
該振動を増幅させる振動体２と、この振動体２の各端部
に設けられた摩擦材３と、この摩擦材３に対して相対移
動可能に設けられたレール４（被駆動体）とから構成さ
れたものである。

そして、圧電素子ｌにおいて発生した振動は、前記振動
体２及び摩擦材３を介してレール４に伝達され、これに
より走行体１０（圧電素子１、振動体２、摩擦材３によ
り構成される）を、レール４に対して矢印（イ）−（ロ
）方向に相対移動させることができるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に、上記のような超音波においては、レール４に対
して摺動しかつ相対移動するように設けられた摩擦材３
の性能として、次のようなことが要求される。

すなわち、超音波モータの走行に対して優れた耐摩耗性
を有すること、相手材であるレール４に対して傷を付け
ないこと、あるいは自己に対して傷か付かないこと、レ
ール４に対してこベリつき（ステック現象）かないこと
等が要求される。

そして、現在において上記のような超音波モータの摩擦
材３としては、ポリイミド系の調合材料か用いられてい
るか、このようなプラスチ／り材料であると、温度か上
昇すると硬度か下かり、レール４に対してさらにこべつ
つきやすくなり、また、その摩耗量も大きいという欠点
かある。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって
、優れた耐摩耗性とこへりつき（ステック現象）を無く
する超音波モータの摩擦材を提供することを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、第１の発明では、圧電素子か設けられた振動体と、該振
動体に設けられて被駆動体に接触する摩擦材とを有し、
前記振動体に伝達された圧電素子の振動を、摩擦材を介
して被駆動体に伝達し、該被駆動体を摩擦材に対して相
対移動させる超音波モータにおいて、前記摩擦材を、炭
素材料と機械強度増強材とからなる複合材により構成す
るようにしている。

第２の発明では、第１の発明に示す複合材を、炭素材料
を含む多孔性焼結体中に金属を機械強度増強材として含
浸させることにより構成するようにしている。

第３の発明では、第１の発明に示す複合材を、炭素材料
を含む多孔性焼結体中に、合成樹脂を機械強度増強材と
して含浸させることにより構成するようにしている。

第４の発明では、第１の発明に示す複合材を、炭素材料
を含む多孔性焼結体中に、非金属無機化合物を機械強度
増強材として含浸させることにより構成するようにして
いる第５の発明では、第１の発明に示す複合材を、炭素材料
と機械強度増強材とからなる混合物をホットプレスする
ことにより作製するようにしている。

第６の発明では、第１の発明に示す機械強度増強材を、
金属結合材とその金属結合材よりも融点の低い金属含浸
材とから構成し、また、複合材を、炭素材料と前記金属
結合材とから作られた多孔性焼結体中に金属含浸材を含
浸させることにより構成するようにしている。

〔作用〕

第１〜第６の発明によれば、超音波モータの摩擦材が、
自己潤滑性に優れた炭素材料と、該炭素材料の機械的強
度を増強させる機械強度増強材とから構成されているの
で、前記摩擦材か相手材である被駆動体に対して相対移
動して摩擦した場合であっても、該摩擦材が摩耗するこ
とかなく、同時に該摩擦材か被駆動体に対してこベリつ
くことがない。

また、第２〜第４の発明によれば、炭素材料を含む多孔
性焼結体に、金属、合成樹脂、非金属無機化合物等の機
械強度増強材を含浸させて摩擦材を作製するようにした
ので、該摩擦材の表面を平坦にすることができ、これに
より該摩擦材と被駆動体との摺動性を向上させ、またそ
の耐摩耗性を向上させることができる。

また、第５の発明によれば、炭素材料と機械強度増強材
とからなる混合物をホットプレスすることにより摩擦材
を構成したので、炭素材料あるいは機械強度増強材の充
填密度が高い、緻密構造な摩擦材を得ることができる。

また、第６の発明によれば、摩擦材を、炭素材料と金属
結合材（機械強度増強材）とから作られた多孔性焼結体
中に、該金属結合材よりも融点の低い金属含浸材（機械
強度増強材）を含浸させることにより構成したので、炭
素材料を金属成分により補強し、かつ金属成分により表
面を平坦にすることかできる。

〔実施例〕

次に、本発明に示す超音波モータの摩擦材を、第１図に
示す超音波リニアモータの摩擦材３に適用した場合の実
施例について説明する。

本実施例に示す超音波モータは、摩擦材３の構成材料に
、炭素材料と機械強度増強材との複合体を用いた点に特
徴を有している。

まず、炭素材料について説明する。この炭素材料として
は具体的に天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛質もの、石炭コ
ークス、石油コークス、カーボンブラック、石炭粉等の
炭素質のものが使用されてているが、炭素質または黒鉛
質のいずれか、あるいは炭素質と黒鉛質の混合物であっ
ても良い。

これら炭素材料は自己潤滑性に優れているが、機械的強
度が十分でない。そのために摩擦材３には、炭素材料と
、該炭素材料の機械的強度を増強させるための機械強度
増強材との複合材が使用される。

次に、機械強度増強材について説明する。

この機械強度増強材には結合材と含浸材とがあり、それ
ぞれを単独で用いてもよいし、あるいは結合材と含浸材
を併用することもできる。

前記結合材としては、樹脂結合材、ピッチコークス結合
材あるいは金属結合材などが用いられる。

樹脂結合材としては、例えばフエ／−ル樹脂、ジビニル
ベンゼン樹脂、フラン系樹脂、エホキシ樹脂などの各種
熱硬化性樹脂、あるいは例えばフ。

素樹脂やポリアセタール樹脂などの各種熱可塑性樹脂が
用いられる。この樹脂結合材は結着後に不活性雰囲気中
で熱処理して、それの一部を炭素化、黒鉛化することも
できる。

前記ピッチコークス結合材は、石炭ピッチあるいは石油
ピッチを結合材とし、結着後にこれを焼結してピッチコ
ークス化したものである。

前記金属結合材としては、例えば銅、二、ケル、鉄、マ
ンガン、クロム、コバルト、チタン、モリブデン、タン
グステンなどの単独あるいはそれらの合金が用いられる
。炭素材料と金属結合材とを所定の割合で混合し、これ
を加圧成形したのち焼結するか、あるいは加圧成形と焼
結とを同時に行なうことができる。

炭素材料と結合材との複合材は、結合材の種類あるいは
複合材の製法などによって複合材の表面部や内部に微細
な空隙が形成される場合がある。

このように微細な空隙が形成されても状態によってはそ
のまま使用することが可能であるが、空隙の形成で複合
材の機械的強度が低下することになり好ましくない。

前記空隙を充填して複合材に機械的強度を増すとともに
、該複合材に対して表面平坦性をもたせるために含浸材
（機械強度増強材）が使用される。

この含浸材としては、合成樹脂などの有機化合物、金属
あるいは非金属系無機化合物などがある。

前記有機化合物含浸材としては、例えばフェノール樹脂
、ジビニルベンゼン樹脂、エボ牛シ樹脂、フラン樹脂、
フッ素樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、
ポリアミド樹脂などが用いられる。また、前記金属含浸
材としては、スス、アンチモン、銅、亜鉛、銀、鉛、ア
ルミニウム、マグネシウム、カドミウムなどの単独ある
いはそれらの合金が用いられる。

なお、前記金属含浸材は、それの融点より約５０〜１０
０℃高い温度で、炭素材料と結合材との複合材に形成さ
れる微細な空隙に含浸される。

そのため、前記機械強度増強材に、金属結合材と金属含
浸材とである場合に、前記金属結合材は金属含浸材に対
して融点か１５０℃以上高いものを使用することが好ま
しい。

前記非金属系無機化合物の含浸材としては、例えばホウ
ケイ酸ガラスなどが用いられる。

次に、本発明の摩擦材として挙げた複合材の炭素材料と
機械強度増強材との成分比について説明する。

複合材における炭素材料の含有率は約５０〜９５体積％
で、炭素含有率がそれより低い場合は、相手材であるレ
ール４かまたは自己（摩擦材３自身）に傷が発生したり
、または機械強度増強材との間でこべりつき（スラック
現象）が発生する。

一方、複合材における炭素材料の含有率が約９５体積％
を越すと機械的強度か弱くなって、摩耗量が大きくなり
結果的に粉塵などの悪影響が発生することになる。

本発明による炭素材料と機械強度増強材との複合材を、
先の図の超音波モータの摩擦材３として実際に使用した
場合に、該摩擦材３の摩耗量は、走行時間１０００時間
当りで１０μｍ以下であり、相手材であるレール４や自
己に傷やこへりつきかはとんとないことか確認されてい
る。

以下に、上記超音波モータの摩擦材３の具体的構成とそ
の製法について（１）〜（４）に示す。

（１）所定の粒度以下に整粒した微粉状の炭素材料に、
結合材（機械強度増強材）として少量のピッチを添加し
、これらをよく攪拌・混合した後所定の形状に加圧成形
する。

次に、この加圧成形体を窒素雰囲気中において、約１１
００’ｃで焼結し、次にこの焼結体をオートクレーブ中
に入れて減圧することにより焼結体中の気体を除去し、
しかる後に溶融した金属含浸材（機械強度増強材）（例
えば、アンチモン−スズ）を焼結体に加圧含浸させるこ
とにより、摩擦材３を作成する。

このようにして得られた摩擦材３における炭素材料の含
有率は約８５体積％、金属含浸材の含有率は約１５体積
％であり、摩擦材３のかさ比重は約２　、７　ｇ／ｃｍ
３であった。

（２）前記（１）の金属含浸材の代りにンビニルベンセ
ン樹脂を用いて焼結体中に含浸せしめて、所定形状の摩
擦材３を得る。この摩擦材３中における炭素材料の含有
率は約８５体積％、有機化合物含浸材の含有率は約１５
体積％である。

（３）　　３２５メツシユ以下の微粉状黒鉛７０体積％
と、３２５メツシユ以下の微粉軟銅３０体積％とをよく
混合し、これを銅の融点以上の温度でホットプレスする
ことにより摩擦材３をつくる。

このように炭素材料も金属結合材も微粉状のものを用い
れば充填密度が高く、緻密構造の摩擦材３が得られる。

（４）前記（１）の金属含浸材の代りにホウケイ酸ガラ
スを用いて焼結体中に含浸せしめて、所定形状の摩擦材
３を得る。この摩擦材３中における炭素材料の含有率は
約９０体積％、非金属系無機化合物含浸材の含有率は約
１０体積％である。

（５）微粉状の炭素材料と微粉状の金属（例えば銅、ニ
ッケルあるいは両者の金など）とを混合し、金属結合材
の融点以上の温度でホットプレスすることにより焼結体
をつくる。しかるのちこの焼結体をオートクレーブ中に
入れて減圧し、焼結体中の気体を除去したのち、フッ素
樹脂の液状体（ティスパージョンあるいは溶液）を含浸
する。この摩擦材３中における炭素材料の含有率は約６
０体積％である。

なお、本実施例に示す摩擦材３は超音波リニアモータ（
第１図を参照）に適用したものであるか、これに限定さ
れず、特開昭６２−１１８７７９号公報（公報（１））
、特開昭６２−２４４２８４号公報（公報（２））、特
開昭６２−１１４４８１号公報（公報（３））にそれぞ
れ示す進行波型の超音波モータに適用しても良い。

これら公報（１）〜（３）で示す進行波型の超音波モー
タは、第２図に示すように圧電素子１１と振動体１２と
を有するステータ１３と、該ステータ１３に対して一定
の圧力で接触し、かっ／ナフト１４を中心に回転目在に
設けられたロータ１５とを備えたものであって、このよ
うな構成において、前記ステータ１３と前記ロータ１５
とのいずれか一方に、前述した炭素材料と機械強度増強
材とがらなる摩擦材１６（３）を設けるようにしても良
い。

なお、この第２図において、符号１７で示すものは／ヤ
フト１４を装置本体１８に対して回転自在に支持するベ
アリング、符号１９て示すものはロータ１５をステータ
１３に対して一定の予圧で接触させる皿ばね、符号２０
で示すものはアブソーバ、符号２１で示すものはアブソ
ーバ２０上の圧電素子１１を、皿ばね１９を介して装置
本体１８上に取り付けるための取付台である。また、特
にこれら公報（１）〜（３）の中で、公報（２）で示す
進行波型の超音波モータは、第３図に示すように交流信
号電圧が印加される第１の圧電素子１１Ａと、信号を外
部より印加せず、第１の圧電素子ＩＩＡにおいて励起さ
れた第１の定在波により、位相のずれた第２の定在波が
励起される第２の圧電素子１１Ｂとを有するものであり
、このような構成により駆動回路の簡素化が図られるも
のである。

一方、本実施例に示す摩擦材３は前述した公報（１）〜
（３）に適用されるほか、本出願人が平成２年７月１６
日に出願した超音波モータ、平成２年８月１６日に出願
した圧電アクチュエータ（特許願（３））、平成２年８
月２４日に出願した超音波モータにも適用できる。

なお、前記本出願人か平成２年７月１６日に出願した超
音波モータ、平成２年８月１６日に出願した圧電アクチ
ュエータ（特許願（３））は、第４図に示すように、円
柱状振動子３０・３０の間に、電極３１と圧電素子３２
とが交互に積層されて、かつ一端側が固定され、他端側
に軸方向に変位する縦変位型圧電素子３３が設けられた
ステータ３４と、ステータ３４の縦変位型圧電素子３３
に接触するように設けられたロータ３５と、該ロータ３
５をステータ３４に対して一定のばね力で接触させる締
結手段３６とを有し、前記ステータ３４の圧電素子３２
と縦変位型圧電素子３３とに共振周波数の交流電圧を印
加して共振駆動させる駆動手段（図示路）が設けられる
ものである。

そして、この場合、前記ロータ３５とステータ３４との
いずれか一方に、前記縦変位型圧電素子３３に代えて、
前述した摩擦材３を設けるようにしても良い。

また、平成２年８月２４日に出願した超音波モータは、
第５図に示すように、大径の円柱状振動子４０・４０の
間に小径の積層圧電体４１が配置されて、全体形状がダ
ンベル状に形成されたステータ４２と、このステータ４
２の上面に回転可能に設けられたロータ４３と、該ロー
タ４３をステータ４２に対して一定のばね力で締結する
締結手段４４とを有し、第６図に示すように、前記積層
圧電体４１を、特定の半径方向に沿う方向に分極処理さ
れた圧電素子４１Ａ〜４１Ｄを分極方向Ｐｒをずらせて
複数層設けることにより構成したものである。そして、
このような構成により、圧電素子４１の厚み滑り効果に
よってステータ４２が第７図に示すようなたわみ振動を
励振し、これによって進行波を発生させて該ステータ４
２に接触するロータ４３を一方向に連続回転できるもの
である。そして、このような構成の超音波モータにおい
て、前記ロータ４３とステータ４２とのいずれか一方の
接触面を、前述した摩擦材３により形成しても良い。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、第１の発明によれば、超音波モータの摩擦材が、自己潤
滑性に優れた炭素材料と、該炭素材料の機械的強度を増
強させる機械強度増強材とから構成されているので、前
記摩擦材が相手材である被駆動体に対して相対移動して
摩擦した場合であっても、該摩擦材が摩耗することがな
く、同時に該摩擦材が被駆動体に対してこベリつくこと
（ステック現象）が防止される効果か得られる。

また、第２〜第４の発明によれば、炭素材料を含む多孔
性焼結体に、金属、合成樹脂、非金属無機化合物等の機
械強度増強材を含浸させて摩擦材を作製するようにした
ので、該摩擦材の表面を平坦にすることができ、これに
より第１の発明の効果に加えて該摩擦材と被駆動体との
摺動性を向上させることができ、また、該摩擦材の耐摩
耗性を向上させてその機械的強度を向上させることがで
きる効果が得られる。

また、第５の発明によれば、炭素材料と機械強度増強材
とからなる混合物をホノトフレスすることにより摩擦材
を構成したので、第１の発明の効果に加えて、炭素材料
あるいは機械強度増強材の充填密度が高い、緻密構造な
摩擦材、つまり機械的な特性の良い摩擦材を得ることか
できる効果か得られる。

また、第６の発明によれば、摩擦材を、炭素材料と金属
結合材（機械強度増強材）とから作られた多孔性焼結体
中に、該金属結合材よりも融点の低い金属含浸材（機械
強度増強材）を含浸させることにより構成したので、炭
素材料を金属成分により補強し、かつ金属成分により表
面を平坦にすることができ、第１の発明の効果に加えて
機械的特性の良い摩擦材を得ることができる効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に適用される超音波リニアモータを示す
概略構成図、第２図〜第３図、第４図、第５図〜第７図
は本発明を他の形式の超音波モータに適用した場合の例
を示す図である。１・・・・圧電素子、２・・振動体、３・　摩擦材、４
・・・レール（被駆動体）、１１　・・圧電素子、１２
　・・振動体、１６・・・・摩擦材、１５・・・・ロー
タ（被駆動体）、３２・・・圧電素子、３０・・・・・
円柱状振動子（振動体）、４０　・・−円柱状振動子（
振動体）、４１・積層圧電体（４１Ａ〜４１Ｄ　　圧電
素子）、４３・・・　ロータ（被駆動体）。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）圧電素子が設けられた振動体と、該振動体に設け
られて被駆動体に接触する摩擦材とを有し、前記振動体
に伝達された圧電素子の振動を、摩擦材を介して被駆動
体に伝達し、該被駆動体を摩擦材に対して相対移動させ
る超音波モータにおいて、前記摩擦材は、炭素材料と機
械強度増強材とからなる複合材により構成されているこ
とを特徴とする超音波モータ。
（２）前記複合材は、炭素材料を含む多孔性焼結体中に
、金属が機械強度増強材として含浸されたものであるこ
とを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
（３）前記複合材は、炭素材料を含む多孔性焼結体中に
、合成樹脂が機械強度増強材として含浸されたものであ
ることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
（４）前記複合材は、炭素材料を含む多孔性焼結体中に
、非金属無機化合物か機械強度増強材として含浸された
ものであることを特徴とする請求項１記載の超音波モー
タ。
（５）前記複合材は、炭素材料と機械強度増強材とから
なる混合物をホットプレスしたものであることを特徴と
する請求項１記載の超音波モータ。
（６）前記機械強度増強材は、金属結合材とその金属結
合材よりも融点の低い金属含浸材とからなり、また、前
記複合材は、炭素材料と前記金属結合材とから作られた
多孔性焼結体中に、前記金属含浸材が含浸されたもので
あることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。