JPH03117384A - 超音波モータの摩擦材 - 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］ 本発明は超音波モータの摩擦駆動面をなす摩擦材に関す
るものである。

［従来の技術］ 従来、超音波モータの摩擦部材の摩擦材料としては、例
えば特開昭６２−１００１７８号がある。この例では振
動子側の摩擦材料としてＷＣ−Ｃｏの膜状材料を用い、
移動体制の摩擦材料として硬質アルマイトを用いている
。その結果、駆動力が大きく、耐久性の高いモータを提
供できたとしている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来例の摩擦材料ではＷＣ−Ｃｏに
しても硬質アルマイトにしても、ぜい竹材料で、その上
制振性能が低いため、摩耗しやすく音も発生しやすい。

この理由は後述するが、確かにＷＣ−Ｃｏはゴルフアイ
アンクラブのフェース面に溶射形成して、バックスピン
がかかりやすくした例の様に、摩擦係数μが大きい事は
知れている。一方、硬質アルマイトもμが大きいことは
公知で、そのためわざわざ二硫化モリブデンをアルマイ
ト膜の穴に含浸させてμを低下させ、すべりを要求する
軸受等の摺動部材に用いた例がある。この様に従来の超
音波モータの摩擦材料はμの大きいものの中から、製品
スペック（仕様）に適合するものを選定してきたのが実
情である。ところで、摩擦材にＷ（ニーＣｏ膜と硬質ア
ルマイト膜の組み合わせで構成した超音波モータは、例
えばカメラの自動焦点のためのレンズ駆動用に使用され
ているもので、耐久寿命は電磁モータの寿命程長い必要
はなく、該摩擦材料の組み合わせでも、摩耗量は充分満
足できる程少ない。さらに、摩擦接触面の平面精度を高
め、表面粗度を小さくすることで、均一な接触状態を保
つ様にして、音発生を極力おさえている。また、該摩擦
材料は多孔質であり、微量の油分が表面に付着する様な
ことがあると、極端に駆動力が低下する虞れがあるが、
該カメラレンズ用超音波モータとしては、完全に封じ込
めて使用されるもので、その点でもさしつかえない。

ところが、超音波モータをさらに別の分野に展開しよう
とすると、該摩擦材料の性能では必ずしも充分とはいえ
ない用途がある。つまり、安定した駆動力伝達、摩耗、
音の点でさらにすぐれた摩擦材の開発が望まれていた。

［課題を解決するための手段及び作用］本発明によれば
、摩擦力の発現機構を比較的軟質の金属材料の中に分散
させた無機の硬質粒子により、相手材を掘りおこす作用
で発生させようとしたものである。

ここで、前述した材料のぜい性、制振性能と摩耗、音と
の関係を示す。まず、ぜい性であるが、材料がもろいと
は直接的には一定の′ａ撃試験によって試験された結果
、破壊時のエネルギー吸収能力が小さいということで、
振動子の振動によってもろい摩擦材表面が打撃力を受は
破壊されやすく、その破壊された粒子は一般に硬質であ
り、研磨材と同様な効果でさらに摩擦摺動部を摩耗させ
る。

一方、制振性能であるが、この性質が小さいとは振動減
衰能が低いという事であり、逆に機械的品質係数Ｑ値が
大きいという事である。もちろん、振動子の材料として
はこの制振性能の低い材料の方が、発生した振動エネル
ギーが材料の内部で熱に変換されにくいため、振動子へ
の入力電力−振動エネルギー変換効率が高くて望ましい
。しかし、音に関しては制振性能が低い場合、摩擦摺動
部の各部に与える打撃力に不均一があると、本来移動体
への駆動力を伝達するのに有効な振動モード以外の可聴
域振動音が生じ、それが減衰しにくいため音が発生しや
すいという事になる。つまり、摩擦材料として有する制
振性能としての理想は、超音波域の振動は減衰しにくく
、可聴域である例えば２０　ｋＨｚ以下の振動数の振動
は、減衰しやすいものという事になるが、現在までその
様な傾向の材料はあるものの、２０　ｋＨ２を境に急激
に制振性能が変化するものは見つかっていない。

さて、ここで材料のなじみという事について述べる。一
般にこの摩擦材料はなじみが良いと言うのは、相手材を
剛体と仮定した場合、該摩擦材料の弾性率と加工硬化係
数が関係していると考えられる。弾性率が小さいと弾性
域内で相手材との平面精度などに起因する当たり不均一
を吸収して、均一な接触に近づける効果があり、加工硬
化係数が大きいと塑性域でその効果が大きいと考えられ
る。摩擦摺動部における均一な接触を維持することは摩
耗をおさえる上にも、音発生をおさえる上にも重要なこ
とであり、その意味でもなじみの良い摩擦材料の開発が
望まれていた。

その結果、本発明ではブレーキライニング材などに用い
られるサーメット系、Ｉｇ擦材料が超音波モータ用の摩
擦材料としても最適であることを見い出した。つまり、
硬質粒子を結合し骨格を形成するなじみの良い金属材料
と、耐摩耗性と摩擦係数の改善に有効な硬質無機材料か
らなるサーメット系摩擦材料を振動波モータの摩擦材と
している。特に摩耗を問題とする用途には第３成分とし
て材料自身と相手材の摩耗を軽減し、摩擦係数の安定化
に貢献する潤滑成分を加えたものを摩擦材としたもので
ある。

サーメット系摩擦材料としては、銅、錫、鉄、アルミニ
ウム、ニッケル、クロム等の基材又はこれらの複合材に
、分散剤であるＡｔ２０３゜ＳｉＣ，Ｓｔ等の無機材料
又はこれらを複合したものを加えている。

また、潤滑成分として黒鉛、潤滑油、グリース等が挙げ
られる。

［実　施　例コ 第１図は本発明による摩擦材料を用いたモータの実施例
の分解斜視図である。

１は先端部のφ１０の小径軸部１ａと後端部のφ１８の
大径軸部１ｂとの間に径が先端部に向は漸減するホーン
形状のホーン部ＩＣを形成した金属丸棒からなる振動体
、２は振動体１の大径軸部１ｂと同径の外径に形成され
軸心にボルト通し孔を有する金属丸棒からなる押え体、
３゜４．５及び６は大径軸部１ｂと同径の外径に形成さ
れた円環形状の圧電素子板、７，８．及び９は電極板で
、振動体１と押え体２との間に、電極板）、８，９を挟
むようにして圧電素子板３〜６を配し、ボルト１０によ
り押え体２を振動体１に固定することにより、圧電素子
板３〜６を撮動体１と押え体２との間に固定して、振動
子Ａを構成、している、その結果、振動子への全長は７
２ｍｍとなった。なお、振動体１と電極板８と押え体２
はすべて電気的導通がとれている。

圧電素子板３〜６は、片面側に分極方向が互いに異なり
、且つ厚み方向に分極された２つの電極（＋電極ａ、−
電極ｂ）が中心軸線位置に形成された絶縁部ｄの両側に
対称に形成されると共に、他面側に十電極ａ、−電極す
の共通電極Ｃが形成されていて、振動子Ａの軸心に対し
て圧電素子板３．４と圧電素子板５．６は互いに位置的
位相が９０°の角度ずれて配置されている。なお、圧電
素子板３の分割電極（＋電極ａ、−電極ｂ）は導通体で
ある振動体１の後端面に接し、また圧電素子板６は導通
体である押え体２の前端面に接している。

そして、電極板７と振動体１との間に交流電圧ｖｌを、
また電極板９と振動体１との間に交流電圧■、を印加す
ることにより、圧電素子板３．４の厚み方向における伸
縮変位による振動と、圧電素子＠５．６の厚み方向にお
ける伸縮変位による撮動との合成により振動子Ａを振動
させる。

なお、本実施例では圧電セラミックを４枚使用して低電
圧化を図ったが、圧電素子３．５の２枚と電極板８を使
用するだけの構成でももちろんかまわない。その場合は
振動体１と押え体２が電気的に非接触状態を保つために
ボルト１０には絶縁ワッシャ（不図示）を設ける。

１１は小径軸部１ａに嵌合されるロータで、このロータ
１１と振動子Ａとにより、モータＭを構成している。

第２図はロータ１１の断面図である。ｌｌａは円筒形状
に形成されたロータハウジング、１２はロータハウジン
グ１ｌａＯ後端部内周面に設けられた摩擦部材であり、
摩擦部材１２のラッパ状開口部Ｅが振動体１のホーン部
ＩＣの摺動部Ｂに圧接される。

交流電圧■１と交流電圧■２とは、３４３図に示すよう
に、振幅及び周波数が共に同じで、時間的、空間的位相
が９０’のずれを有している。

したがって、ＳｗＪ子Ａは、軸心を中心とし、円運動を
行なうことになる。なお、この円運動が生じる原理につ
いては、公知であるので説明は省略する。

本実施例は、振動子Ａにおける振動体１のホーン部ＩＣ
の摺動部已に縄飛び回転運動の腹の位置が（るように振
動子Ａを設計し、その共振周波数で圧電素子板３〜６を
駆動している。

すなわち、振動子Ａは、縄飛び回転運動の３節又はそれ
以上のモードで振動し、少なくとも振動子Ａの両端と摺
動部Ｂとを該振動モードの腹として振動し、振動体１は
第４図（ａ）　、　（ｂ）に示すように、軸１が軸心１
を中心とし、軸１の縄飛び回転運動の腹部Ｈ１の中心点
Ｐが、第４図（ｂ）　に示すように、真円Ｃの円周上を
移動する縄飛び回転運動を行なうことになる。そして、
摺動部Ｂにおける縄飛び回転運動を利用し、ロータ１１
を軸心１を中心として回転させるようにしており、この
摺動部Ｂで得られるトルクは先端部りで得られるトルク
よりも大きいものであった。

第５図に示す様にロータ１１は、振動子Ａの軸心りと同
軸に嵌合し、ロータ１１の内径部の摩擦部材８ｂを摺動
部Ｂに対応する位置まで延出し、摩擦部材８ｂのラッパ
状開口部Ｅをホーン部１ｃの摺動部Ｂに当接させている
。該ホーン部は軸方向の加圧力を受ける事で、摺動部已
において適切な摩擦力を得るために設けられている。そ
して、この摺動部Ｂは振動体１において、縄飛び振動の
腹になっている。

ロータ１１は低摩擦係数の部材１３を介して、振動体１
において縄飛び回転運動の節の位置に接する構造になっ
ており、摺動部Ｂ以外で生じる振動に対して接触して音
を発生するのを防ぐため、ロータ１１には逃げｌｌｂが
設けられている。

ロータ１１に組み込まれた摩擦部材１２は、摺動部Ｂの
外周形状と合致するラッパ形状に開口し、振動体１の縄
飛び回転運動時に摺動部已に面接触する。

ロータ１１は、例えば不図示のスラストベアリングを介
して不図示のバネ等で、前述の適切な径の漸増形状を有
する摺動部により、所定の摩擦力を発生させ、また該ス
ラストベアリングにより軸方向の回転が許容されている
。

すなわち、振動子Ａが摺動部Ｂを該振動モードの腹の位
置とする、例えば３節のモードで振動すると、前述した
ように振動体１は第４図に示すように、軸心ｌを中心と
した縄飛び回転運動を行ない、第６図（ａ）に示すよう
に、摺動部Ｂがロータ１１の摩擦部材１２と摩擦接触し
ながら時計方向又は反時計方向に軸心１に対し所定の半
径ｒの軌跡を描きながら円運動し、ロータ１１を回転さ
せることとなる。なお、第６図（ａ）は摺動部Ｂがロー
タ１１の摩擦部材１２の内周面をこじりながら円運動す
ることを説明するために、摺動部Ｂの外径をロータ１１
の摩擦部材１２の内径よりもかなり小さくしているが、
摺動部Ｂにおける縄飛び回転運動の半径は実際に極僅か
であるので、摺動部Ｂとロータ１１の摩擦部材１２の内
周面とは微小の間隙となっている。

すなわち、振動体１の摺動部の任意の点１ｄに注目する
と、鎖点１ｄは円運動を行ない、その過程でロータ１１
の内周部に接触し、ロータ１１に回転運動を行なわせる
ための摩擦駆動力を与える。

第６図（ｂ）は第６図（ａ）　とは逆に、振動体１は円
筒状で、ロータ１１が該円筒状振動体の中空内側面に接
触摩擦しながら回転する場合を示している。この場合は
振動体の振動回転方向とロータの回転方向は逆向きにな
る。

第１表は実験した種々摩擦部材１２（Ｎｏ、１〜８）の
組成であり、第２表はそれに対応した実験の結果である
。実験で用いた振動体１はマルテンサイト系ステンレス
鋼、　ＪＩＳ　５ｔｌＳ　４２０Ｊ２　ヲ焼入・焼戻し
して硬さＨＲＣ５２に調質したものを用いた。振動体１
にはメツキ等の表面処理は施しておらず、単に最大表面
粗さが２μｍ以下になる様ラップしである。入力端子８
０　Ｖ　ｐ−ｐ、ロータの振動体に対するスラスト方向
圧接力は５００ｇ−ｆとした。３節振動モードの共振周
波数は２５．３ｋ）ｌｘであった。

第 表 なお、各項目の評価は以下の基準による。

トルク評価 最大トルク ３００ｇ−ｆ−０ｍ以上　　　　　　　　　　０２００
ｇ−ｆ−０ｍ以上　３００ｇ・ｆ−ｃｍ未満　　０１０
０ｇ−ｆ−ａｍ以上　２００ｇ−ｆ−ｃｍ未満　　Δ１
００ｇ−ｆ−ｃｍ未満　　　　　　　　　　×摩耗評価
　定格（負荷１５０ｇ−ｆ−ｃｍ）回転時２時間以上　
摩耗粉確認できない ３０分間以上　摩耗粉確認できない １分間以上　摩耗粉確認できない １分以内に摩耗粉が確認できた 昔　評価 定格回転時音発生なし 無負荷回転時音発生なし 無負荷回転時音発生あり モ定性評価 ◎ 総合評価 ◎・・・５点、○・・・３点、Δ・・・１点、×又は評
価できず・・・０点として４評僅の合計点が１６点以上
　　　　　　　　　　　　０１２点以上１６点未満　　
　　　　　Ｏ８点以上１２点未満　　　　　　　　６８
点未満　　　　　　　　　　　　　×その結果、トルク
を発生させるためには金属基材中に硬質粒子が含有され
ていることが望ましく、摩耗減少には潤滑成分が大きく
寄与しており、無機繊維は基材が軟質な場合において摩
耗をおさえる効果があるとわかった。また、音に関して
は摩耗接触面の精度にも影響されるが、一般的には軟質
材の方が発生しにくい傾向がある。さらに安定性におい
て、例えば回転むらを少なくするには、潤滑剤添加が大
きい効果を示した。

なお、本発明の摩擦材は、振動体のロータとの摩擦接触
部が楕円運動を行なうことにより、ロータを駆動させる
原理の超音波モータにおいては、前述した本発明の摩擦
材のトルク発生原理、摩耗形態及び音発生機構から考え
て、すべて適用できる。

［発明の効果］ 以上、説明してきたように、金属基材中に硬質な無機粒
子を配合したサーメット系材料を用いることで、金属単
体では得られないモータトルクを得ることができ、その
上潤滑剤を適宜加えることで、摩耗、音、安定性の点で
すぐれた特性をもフたモータを作製することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を有効に実施できる超音波モータの分解
斜視図、 第２図はそのロータの断面図、 第３図は圧電素子板に印加する交流電源の波形図、 第４図（ａ）　、　（ｂ）は３節の縄飛び回転運動を示
す正面図及び側面図、 第５図はモータの組み付は状態を示す図、第６図（ａ）
　、　（ｂ）は駆動原理を示す図で、（ａ）は軸が縄飛
び回転運動をして、中空部材を回転させる原理図、（ｂ
）は中空振動体が縄飛び回転運動して、軸を回転させる
原理図である。 １：振動体 ４．５，６：圧電素子 ７　。 ８　。 ９　： 電極板 １１：ロータ １２：摩擦部材 他４名 第 図 第 図 第 ４ 図 １ １ ２ ２ ３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　超音波振動子と該超音波振動子に摩擦接触し、回転
   や直線運動等の駆動を行なう移動体を有する超音波モー
   タにおいて、 該摩擦接触面の少なくとも一方に使用される材料として
   、サーメット材料を用いたことを特徴とする超音波モー
   タの摩擦材。 ２　サーメット材料に潤滑成分を含有させて構成したこ
   とを特徴とする請求項１に記載の超音波モータの摩擦材
   。 ３　サーメット材料の骨材となる金属材料として、銅、
   アルミニウム、鉄、錫、ニッケル、クロム及びそれら金
   属の合金のうち少なくとも一種以上を用いていることを
   特徴とする請求項１又は２に記載の超音波モータの摩擦
   材。 ４　サーメット材料の分散材となる無機材料として、ア
   ルミナ、炭化ケイ素、シリコンのうち少なくとも一種以
   上を用いていることを特徴とする請求項１又は２に記載
   の超音波モータの摩擦材。 ５　摩擦接触面の少なくとも一方に使用される材料は、
   粉末冶金的に焼結固化させる方法にて形成されることを
   特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の超音波モー
   タの摩擦材。