JPH05219762A - 振動波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 温度が上がりにくく（熱伝導性が良い）、か
つ回転イナーシャが小さく、しかも相手材の摩耗を防
ぎ、回転性能に優れ、寿命の長い振動波モータを提供す
ることを目的とする。 【構成】 振動体１と、移動体２の摺動部の摺動材５，
６の組み合わせを、一方がＳｉを分散複合したアルミ合
金、他方がポリイミドを充填したＰＴＦＥ樹脂を用いる
構成とし、アルミ合金の充填材に不定形Ｓｉを２０〜５
０ｗｔ％使うことで、相手材のポリイミドによる摩耗を
防ぎ、回転性能が優れ、寿命の長い振動波モータを得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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。

【０００２】

【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。全長がある長さλの整
数倍であるような弾性体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二群の複数個の圧電素子を固
着したものを振動体（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、かつ交互に逆の
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列されている。圧
電素子の両群にはそれぞれ電極膜が施されている。いず
れかの一群（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）が弾性体の全周にわたって発生する。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ずれたものになる。両Ａ，Ｂ相に、周
波数が同じで、かつ互いに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
体の各点は楕円運動をする。よって、弾性体の片面に移
動体（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
力を受け回転駆動される。また、前記楕円運動の周方向
成分を増やすために、振動体の圧電素子固着面と反対側
に周方向に複数個の径方向の溝をいれると、振動の中立
面が圧電素子固着面側に移動し、同じ振幅でも回転数が
上がり、モータ効率をも上げる効果が大きいことが確認
されている。また、この溝は摩耗粉除去の効果をもあわ
せ持っている。

【０００３】このような原理に基づき、振動波モータの
長所として １）無通電時、保持トルクを有し、しかも、ハンチング
をおこさない。

【０００４】２）イナーシャが小さく、駆動トルクが大
きいため、回転の立ち上がり、立ち下がりが速い（機械
的時定数が小さい）。

【０００５】３）円周上すべての点が、等しい駆動力を
発生するので、コギングがない。

【０００６】ことなどがあげられる。

【０００７】これらの長所により振動波モータは原理的
に高精度回転や、高精度位置決めに適しているといえる
が、摩擦力や振動の共振を利用するため １）摺動部が摩耗するために、経時的な摩擦面の変化で
モータ性能が変化する。 ２）共振状態、摩擦係数が温度に依存するため、モータ
性能の温度特性が悪い。 ３）体積の割に発熱が大きいため、温度上昇が大きく、
接着層の軟化、損傷（はがれ）を招くことがある。

【０００８】などの短所もあわせ持っている。

【０００９】従って、上記長短所を鑑みて、 １）耐摩耗性があること（モータ性能を経的時に維持す
るため） ２）熱伝導率が高いこと（放熱をよくし、モータ特性の
温度変化、熱によるモータの損傷を防ぐため） ３）弾性体の熱膨張係数が電気−機械変換素子（たとえ
ば圧電素子）のそれに近いこと（温度変化時の接着層の
損傷を防ぐため） ４）移動体が軽量であること（イナーシャを小さくする
ため） などを材料に要求される属性として、アルミ、燐青銅、
ステンレスなどが場合に応じ使われている。温度上昇は
できるだけ避けるため熱伝導性のいい材料、また、小型
軽量、特にモータのイナーシャを小さくするためには、
密度の低い材料がよく、両者を合わせ持つ材料として、
アルミ材が望ましい。

【００１０】また、それに対する相手材として、比較的
摩耗が少ない複合樹脂、樹脂に繊維、ウィスカー、その
他いろいろ強化作用を持つ充填材を添加したり、ポリテ
トラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、二硫化モリブデ
ン、黒鉛などの潤滑作用を持つ充填材を添加した樹脂が
提案されている。

【００１１】ところで、ＰＴＦＥは摩擦係数が無潤滑状
態でも非常に小さいため、摺動材料として一般に多く用
いられている。ＰＴＦＥは分子結合状態により生ずる層
状剥離の作用で、相手側に移着し、ＰＴＦＥ同士の摩擦
になるために、安定した低摩擦係数を得られるとされる
が、同時にＰＴＦＥ自身の摩耗が多く、クリープもしや
すいために、放置後の起動性能が悪いという短所も持
つ。摩耗対策およびクリープ対策として、ガラス繊維、
炭素繊維、芳香族ポリエステル粉末、ポリイミド粉末な
どを充填したものが上市しているが、充填材はある程度
硬い材料が多いため、相手材にも、ある程度表面の硬度
が高いものを選択して摩耗を防ぐ必要があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、一般のＣｕ，
Ｍｇ，Ｓｉ系のアルミ材は上記充填ＰＴＦＥを相手材に
して振動波モータを摺動させると、母材のアルミニウム
が充填材に攻撃されて摩耗し、そのアルミの摩耗粉が摺
動面に介在するために、ＰＴＦＥの移着が起こらず、摩
耗だけが起こる状態となる。したがって、これまでは、
アルミの摺動面にさまざまな硬化処理を施し、金属の摩
耗粉が発生するのを防いでいた。

【００１３】しかし、硬化処理を施すために、前後の表
面処理が必要で、コスト的に不利でしかも歩留まりも悪
かった。

【００１４】本発明の目的は、温度上昇が上がりにくく
（熱伝導性がよい）、かつ回転イナーシャの小さい移動
波モータを得ることを可能にし、また相手材の摩耗を防
ぎ、回転性能が優れ、寿命の長い振動波モータを提供す
ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、振動体と、非
駆動体の摺動部の摺動材の組み合わせを、一方がＳｉを
分散複合したアルミ合金、他方がポリイミドを充填した
ＰＴＦＥ樹脂を用いることで、温度が上がりにくく（熱
伝導性がよい）、かつ、回転イナーシャの小さい振動波
モータを得ることを可能にし、アルミ合金の充填材に不
定形Ｓｉを２０〜５０ｗｔ％使うことで、相手材のポリ
イミドによる摩耗を防ぎ、回転性能が優れ、寿命の長い
振動波モータを得るようにした。

【００１６】

【実施例】図１は本発明による超音波モータの一実施例
を示す。

【００１７】図中、１は可撓性を有する例えばステンレ
ス、リン青銅、アルミ合金からなるリング状の金属弾性
体３の一端面に、前述の如く複数個に分極された２群の
圧電素子４をリング状に形成した圧電素子群を耐熱性の
エポキシ樹脂系接着剤で同心円状に接着し、もう一方の
端面に、エッチング処理をしたポリイミドを充填したＰ
ＴＦＥ樹脂からなる摺動材５を同様に接着した振動体
で、樹脂側の面は、モータ効率を上げるために櫛歯状に
複数の溝が周方向に規則的に形成されている。

【００１８】２はＳｉを分散複合したアルミ合金からな
るリング状の摺動材６をゴムリング７を介して支持体８
に取付けた移動体で支持体８はネジリにより出力軸１２
に固定されている。

【００１９】そして、振動体１の摺動面と移動体２の摺
動面は、加圧用の板ばね１６により、軸方向に例えば１
０ｋｇｆの荷重で加圧接触されている。９はベアリン
グ、１３はカバー、１４，１５は与圧カラー、１７はカ
ラーである。振動体摺動面の径方向の段差は、振動波モ
ータそれぞれの摩耗しろによって異なるが、ＰＴＦＥ複
合樹脂は弾性率が小さいため、振動を効率よく伝達する
ためには、０．５ｍｍ以下が望ましい。

【００２０】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、その周方向に進行性振動波を生じ、振動体１に加圧
接触している移動体２が、振動体１と移動体２の摺動面
の摩擦力によって、回転駆動される。

【００２１】振動体１の摺動材５として、熱硬化性ポリ
イミド２０ｗｔ％充填したＰＴＦＥ樹脂、移動体２の摺
動材６には、不定形Ｓｉ２５％含有したアルミ合金（試
料Ａ）、比較例として、Ｍｇ系アルミ合金であるＡ５０
５６（試料Ｂ）の２つの試料を作り、１００ｒｐｍで２
００時間連続回転を行い、摩耗状況を見た。試料Ａは、
ＰＴＦＥ複合樹脂の摩耗量が、約４μｍで、アルミ合金
についてはむしろ厚み的には増えていた。

【００２２】それに対し、試料Ｂは、ＰＴＦＥ複合樹脂
の摩耗量が７０μｍぐらいと１桁以上増加し、また、ア
ルミ合金の方も１０μｍ以上摩耗し、しかも径方向に非
常に面が粗くなっていた。ＰＴＦＥ複合樹脂上には黒色
の摩耗粉が一面についており、アルミ合金の摩耗粉がＰ
ＴＦＥ複合樹脂に埋まっていることを表している。

【００２３】以上の結果より、熱硬化性ポリイミドがア
ルミ合金Ａ５０５６を攻撃しアルミ合金を摩耗させたと
考えられる。それに対し、母材が同じアルミニウムであ
るにも関わらず、Ｓｉを分散複合したアルミ合金がポリ
イミドによって摩耗しなかったのは、不定形Ｓｉの効果
で表面が流動を起こさず、摩耗の原因となる塑性変形を
しなかったためと推測される。また、試料Ａの振動波モ
ータは終始無音で回転していたのに対し、試料Ｂの振動
波モータは駆動中再々異音を発したことからも、Ｓｉを
分散複合したアルミ合金と熱硬化性ポリイミドを充填し
たＰＴＦＥ樹脂の優位性が認められた。

【００２４】さらに、自身の摩耗は少ないが、相手材へ
の攻撃性が強いとされる全芳香族ポリイミドを２０ｗｔ
％充填したＰＴＦＥ樹脂でも、試料Ａ、試料Ｂとの連続
回転により評価したが、熱硬化性ポリイミドを充填した
ＰＴＦＥ樹脂の場合と同様の結果が得られた。

【００２５】また例えば、平板状の支持部材上に振動体
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な場合は、
平板上の支持部材にＳｉを分散複合したアルミ合金を用
い、振動体には本実施例と同様にポリイミドを充填した
ＰＴＦＥ樹脂を張り付けた構成でもよい。

【００２６】また、振動体をＳｉを分散複合したアルミ
合金でつくり、移動体側にポリイミドを充填したＰＴＦ
Ｅ樹脂を張り付けた構成でも耐摩耗性、熱伝導性に優れ
た振動波モータを得ることができるが、長時間放置した
場合、櫛歯に当たっている箇所のＰＴＦＥ樹脂がクリー
プを起こすので、周方向に段差を生じ、起動しにくくな
ったり、起動直後の回転が安定しない（回転ムラが多
い）などの欠点を有するため、駆動方法に注意が必要で
ある。しかし、長時間連続運転の場合、こちらの構成の
方が摩耗粉の排出は容易になるため、摩耗量や回転精度
の点では有利である。

【００２７】Ｓｉの含有量は、ｗｔ％で２０％のものか
ら５０％のものまで各種上市しているが、その範囲の材
料では、ＰＴＦＥの移着膜の形成が確認され、ポリイミ
ドを充填したＰＴＦＥ樹脂によって摩耗させられるもの
はなかった。

【００２８】また、ポリイミドの含有量も１０ｗｔ％以
下では顕著な効果が得られず、４０ｗｔ％を越えると、
移着膜の形成が起きにくく、班模様となり、摩擦特性が
悪くなるので、モータ性能が安定しなくなる。

【００２９】なお、移動体２の構成として、図２のよう
に、摺動体６ａと支持体６ｂとの２体加工をしてもよい
し、図３のように、軸１２にカラー１７を焼嵌めなどで
装着した形でイナーシャを低減してもよい。

【００３０】

【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振動体と、非駆動体の摺動部
の摺動材の組み合わせを、一方がＳｉを分散複合したア
ルミ合金、他方がポリイミドを充填したＰＴＦＥ樹脂を
用いることで、温度が上がりにくく（熱伝導性がよ
い）、かつ、回転イナーシャの小さい（密度が低い）、
アルミ合金の充填材に不定形Ｓｉを２０〜５０ｗｔ％使
うことで、ポリイミドを充填したＰＴＦＥ樹脂中のポリ
イミド粉末による摩耗を防ぎ、無音で回転性能が優れ、
寿命の長い振動波モータを得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動波モータの一実施例を示す断
面図。

【図２】移動体の他の実施例を示す部分断面図。

【図３】移動体の他の実施例を示す部分断面図。

【符号の説明】

１…振動体 ９…ベアリング ２…移動体 １１…ネジ ３…弾性体 １２…出力軸 ４…圧電素子 １３…カバー ５…摺動材 １４，１５…与
圧カラー ６…摺動材 １６…バネ ７…ゴムリング １７…カラー ８…支持体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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り、該電気−機械エネルギー変換
   素子の固着される弾性体に進行性振動波を形成し、もっ
   て該弾性体と、該弾性体と加圧接触する部材とを摩擦力
   により相対移動させる振動波モータにおいて、該弾性体
   と該弾性体との接触部のいずれか一方の摺動材には、全
   芳香族もしくは熱硬化性ポリイミドを１０〜４０ｗｔ％
   充填したポリテトラフルオロエチレン樹脂を用い、他方
   には不定形Ｓｉを２０〜５０ｗｔ％分散させたアルミニ
   ウム合金を用いることを特徴とする振動波モータ。
2. 【請求項２】 該弾性体の櫛歯状の突起上に全芳香族も
   しくは熱硬化性ポリイミドを１０〜４０ｗｔ％充填した
   ポリテトラフルオロエチレン樹脂からなる摺動部材を固
   着したことを特徴とする請求項１の振動波モータ
3. 【請求項３】 不定形Ｓｉを２０〜５０ｗｔ％分散させ
   たアルミニウム合金を、粉末冶金法で作製したことを特
   徴とする請求項１の振動波モータ