JPH0632572B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、圧電体の超音波振動を利用した超音波モータ
に関するものである。

（従来の技術） 一般に、超音波モータは圧電体に固定した振動体と動体
とが加圧接触した構造で、圧電体への電力を印加するこ
とによって圧電体とこれに固定した振動体に超音波振動
の進行波を発生させ、摩擦力によって動体を駆動し、機
械エネルギーを得るものである。この種の超音波モータ
について第４図により説明する。同図において、圧電体
１の表面に振動体２が接着固定され、その上面に、表面
に摩擦材３が固着された動体４が重ねられている。圧電
体１に電力を印加すると、振動体２に矢印Ａ方向の超音
波振動の進行波が発生する。振動体２の各質点は、矢印
Ｂのような楕円運動をしており、その各波頭は進行波の
方向に対し、水平に逆方向に動き、進行波の谷の部分は
進行波と同方向に水平に動く性質がある。したがって、
振動体２の表面に載せられた動体４は、波頭の上部のみ
に接触していて、振動体２との摩擦力によって矢印Ｃの
方向に水平に駆動される。

超音波モータの振動体２および動体４には、鉄，ステン
レス鋼，アルミニウムなどの金属が使用されている。ま
た、超音波モータは振動体２と動体４が加圧接触した構
造なので、大きなモータ出力を得るには加圧力を強くす
るか、あるいは振動体２と動体４間の摩擦係数を大きく
することが必要である。

従来の超音波モータは、振動体２と動体４の摩耗を少な
くして長期間安定した機械エネルギーを得、しかも大き
な摩擦力を得るために、振動体２または動体４の接触面
に、ゴムやエンジニアリングプラスチック材製の摩擦材
が固着されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記の構成では、ゴムなどの摩擦係数の
大きい摩擦材３を用いた場合、摩擦材３の摩耗が多く、
摩耗粉が振動体２や動体４の接触面に付着して、両者間
の摩擦力、すなわちブレーキトルクが経時的に変動する
という問題があった。また、耐摩耗性を向上したアスベ
スト繊維や無機粉末を充填したエンジニアリングプラス
チックを摩擦材３として用いた場合、振動体２の表面に
引っかき傷が多く発生し、ブレーキトルクが経時的に変
動するという問題があった。さらに、振動体２に付着し
た摩耗粉の影響で、振動体２の共振周波数が経時的に変
動し、安定した起動性が得られないという問題もあっ
た。

本発明は上記の問題点を解決するもので、安定した性能
を有する、信頼性の高い超音波モータを提供することを
目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 上記の問題点を解決するため、本発明は、少なくとも炭
素繊維とフルオロカーボン樹脂粉末とマトリックス樹脂
とからなる複合プラスチック材を摩擦材として使用する
ものである。

（作用） 上記の構成により、大きい摩擦係数を得ることができる
と同時に、摩擦材自身の摩耗と接触相手の鉄やステンレ
ス鋼製の振動体の摩耗が少なくなり、したがって、摩擦
係数の経時変化が少なくなる。その結果、超音波モータ
は長時間にわたり安定したブレーキトルクを得ることが
でき、また、振動体の共振周波数の経時変化も少なくな
り、起動性が得られ、長期信頼性に優れた超音波モータ
となる。

（実施例） 第１図は、本発明による超音波モータの主要部を示す要
部拡大断面図である。圧電体１の表面に金属製の振動体
２が接着固定されている。動体４の接触面には、少なく
とも炭素繊維とフルオロカーボン樹脂粉末とマトリック
スとを含有する複合プラスチック材よりなる摩擦材３が
固着されている。上記の振動体２と摩擦材３とは、締結
力によって加圧された状態で接触している。圧電体１に
共振周波数の高周波電界を印加することにより、振動体
２に超音波振動の進行波が発生する。振動体２の表面と
接触している摩擦材３は、振動体２との摩擦力によって
動体４を駆動する。電力が入力されないときは、振動体
２と摩擦材３との間に働く加圧力と摩擦係数との積に相
当する保持トルクがブレーキトルクとして働く。炭素繊
維とフルオロカーボン樹脂粉末とを含有する複合プラス
チック材からなる摩擦材３の設置により、超音波モータ
は長時間にわたって安定したブレーキトルクを得ること
ができるとともに、振動体の共振周波数の経時変化も少
なく、再現性良く起動し、安定した駆動力が得られるよ
うになる。

炭素繊維には特別の制限がなく、短繊維，長繊維，パル
プ状繊維，フェルト状繊維および織布状繊維などが使用
できる。

フルオロカーボン樹脂粉末には、四フッ化エチレンおよ
び六フッ化エチレンなどのポリマー、共重合体およびゴ
ムなどの粉末が使用できる。

マトリックス樹脂にも特別の制限がなく、ポリイミド，
フェノール樹脂，エポキシ樹脂，エンジニアリングプラ
スチック，液晶性ポリマーなど、通常のプラスチックが
使用できる。

炭素繊維およびフルオロカーボン樹脂粉末の含有割合
は、それぞれ５重量パーセント以上を同時に含有するこ
とがより望ましい。

なお、炭素繊維およびフルオロカーボン樹脂粉末に加え
て、他の有機や無機の微粉末を添加含有することも可能
である。

超音波モータの形状は特別の制限がなく、第２図に示す
ような円板形および第３図に示すような円環形の超音波
モータが可能である。

次に、本発明を具体的実施例によってさらに詳しく説明
する。

実施例１ 表１に示すように、６種類の炭素繊維と５種類のフルオ
ロカーボン樹脂粉末と４種類のマトリックス樹脂を用
い、本発明による実施番号ＡないしＥの組成の異なる５
種類の配合を用いた、炭素繊維が均一に分散した厚さ１
mmの複合プラスチック摩擦材シートと、従来と同じ組成
による比較例ＦないしＨの、フルオロカーボン樹脂粉末
または炭素繊維を含有しない３種類の厚さ１mmの摩擦材
シートを作り、これを直径40mm，厚さ１mmのステンレス
鋼円板に接着し、試験片とした。

動摩擦測定実験は、上記の試験片を回転速度30rpmで回
転し、中心から15mmの位置で。直径３mmのステンレス鋼
球を荷重200gで接触させ、動摩擦係数の経時変化を測定
した。その実験結果を表２に示す。

表１および表２から明らかなように、炭素繊維とフルオ
ロカーボン樹脂粉末とマトリックス樹脂とよりなる複合
プラスチック摩擦材は、いずれも摩擦係数が0.2以上の
大きな摩擦係数を有し、しかも摩擦係数の経時変化もほ
とんど認められなかった。

これに対し、比較例ＦおよびＧのようにフルオロカーボ
ン樹脂粉末を含まない摩擦材は、いずれも経時時に摩擦
係数が大きく変動した。また、比較例Ｈのように炭素繊
維を含まない摩擦材は、摩擦係数の経時変化はほとんど
認められないが、摩擦係数は極めて小さかった。

実施例２ 実施例１で用いた実施番号ＡないしＥおよび比較例Ｆな
いしＨの摩擦材３を用いて、第２図に示すような円板形
超音波モータを試作した。試作した円板形超音波モータ
は、圧電体１の表面にはステンレス鋼製の振動体２を接
着固定し、ステンレス鋼製の動体４の接触面には実施例
１で試作した複合プラスチック摩擦材シートをそれぞれ
摩擦材３として固定した。振動体２と動体４とはばねに
よって加圧し、初期のブレーキトルクが500g・cmになる
ように調整した。円板の円周方向に４波の進行波が励起
されるように圧電体１に電極を配置し、約70ＫHzの共振
周波数の電界を印加して、動体４を無荷回転数500rpmで
駆動させた。

それぞれの試作モータについて、所定の時間の駆動後、
電源を断接したときの再起動の有無、電源切断後のブレ
ーキトルクおよび共振周波数を測定した結果を表３に示
す。

表３より明らかなように、炭素繊維とフルオロカーボン
樹脂粉末とマトリックス樹脂とからなる摩擦材を使用し
た実験番号ＡないしＥの超音波モータは、いずれもブレ
ーキトルクの経時変化は小さく、また、共振周波数の経
時変化も少なく、再起動性にも問題が生じなかった。さ
らに、これに接触するステンレス鋼製の振動体２の傷つ
き摩耗もほとんど認められなかった。

これに対し、フルオロカーボン樹脂粉末を含まない摩擦
材を使用した実験番号ＦおよびＧの超音波モータは、ブ
レーキトルクが大きく変動し、また、共振周波数も変動
して、動体４が再起動しなくなることもあった。

また、表３にない炭素繊維を含まない摩擦材を使用した
実験番号Ｈの超音波モータは、摩擦係数が小さすぎて動
体４が回転しなかった。

実施例３ 表４に示すように、パルプ状ＰＡＮ系の炭素繊維と、フ
ルオロカーボン樹脂粉末として平均粒径３μｍの四フッ
化エチレン樹脂粉末と、マトリックス樹脂としてポリイ
ミドを用い、含有割合を変えて表に実験番号ＩないしＮ
で示した６種類の炭素繊維が均一に分散した厚さ１mmの
複合プラスチック摩擦材シートを作り、これを使用して
実施例２と同じ円板形超音波モータを試作し、実施例２
と同じ実験方法で共振周波数電界を印加して超音波モー
タを駆動した。

それぞれの試作超音波モータについて、所定の時間の駆
動後、電源を断接したときの再起動性の良否、電源切断
後のブレーキトルクおよび共振周波数を測定した結果を
表４に示す。

表４より明らかなように、炭素繊維の含有量が５重量％
以上、およびフルオロカーボン樹脂粉末の含有量が５重
量％以上の組成の摩擦材３を使用した実験番号Ｋ，Ｌ，
Ｍの超音波モータは、いずれもブレーキトルクの経時変
化が小さく、また、共振周波数の経時変化も少なく、再
起動性にも問題を生じなかった。

これに対し、フルオロカーボン樹脂粉末の含有量が２重
量％以下の実験番号Ｉ，Ｊの超音波モータは、ブレーキ
トルクの経時変化が大きく、また、共振周波数も大きく
変化して再起動しないことがあった。炭素繊維を含まな
いでフルオロカーボン樹脂粉末だけを含有する実験番号
Ｎの超音波モータは、ブレーキトルクが200g・cmより大
きい加圧を加えると回転しなくなり、大きな出力が得ら
れず、また、摩擦材３の摩耗が大きかった。

実施例４ フェルトに、炭素繊維とフルオロカーボン樹脂粉末を均
一に分散させたフェノール樹脂溶液を含浸し、予備乾燥
後、圧縮成形して厚さ１mmの複合プラスチック摩擦材シ
ートを得た。これを摩擦材３として用いて、実施例２と
同じ方法で第２図に示すような円板形超音波モータを試
作した。

実施例５ 積層した炭素繊維の平織織布に、平均粒径１μｍのフル
オロカーボン樹脂粉末を均一に分散したポリイミド溶液
を含浸し、予備乾燥後、圧縮成形により厚さ１mmの複合
プラスチック摩擦材シートを得た。これを摩擦材３とし
て用いて、実施例２と同じ方法で第２図に示すような円
板形超音波モータを試作した。

実施例４および実施例５のいずれも超音波モータも、ブ
レーキトルクが初期500g・cmから５時間後530g・cmの間
にあり、しかもその経時変化は小さかった。また、共振
周波数もそれぞれ70.8ＫHz，70.6ＫHzであり、初期と５
時間後においてもほとんど変化がなく、再起動性にも問
題がなかった。また、接触相手材のステンレス鋼製の振
動体２は傷もつかず、摩耗もほとんど認められなかっ
た。

（発明の効果） 以上説明したように、少なくとも炭素繊維とフルオロカ
ーボン樹脂粉末とマトリックス樹脂とを含有する複合プ
ラスチック材からなる摩擦材を、振動体あるいは動体の
一方の接触面に固定することによって、摩耗が少なく、
また、ブレーキトルクの経時変動が少なく、さらに、振
動体の共振周波数の経時変化も少ない安定した起動性を
有し、極めて信頼性が高い超音波モータが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波モータの構成を示す要部拡
大断面図、第２図および第３図はそれぞれ本発明による
超音波モータの斜視断面図、第４図は超音波モータの原
理を示す要部拡大断面図である。 １……圧電体、２……振動体、３……摩擦材、４……動
体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電体の振動により進行波を発生する振動
   体に、動体を加圧接触し、前記振動体と前記動体との間
   の摩擦力を介して、前記動体を駆動する超音波モータに
   おいて、少なくとも５重量％以上の炭素繊維と、少なく
   とも５重量％以上のフルオロカーボン樹脂と、マトリッ
   クス樹脂とを含有する複合プラスチック材からなる摩擦
   材を、前記振動体または前記動体の接触面に固定したこ
   とを特徴とする超音波モータ。