JPH05244784A - 振動波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 振動波モータにおける摺動部材からなる摺動
層の形成容易化、摩耗低減化、薄層化に加え、加圧接触
する相手材の機械的特性、振動特性に及ぼす影響を少な
くすることを目的とする。 【構成】 振動波モータのロータの摺動面に形成する摺
動層１を、ポリイミド系樹脂に、潤滑剤としてグラファ
イト、硫化モリブデン、フッ素樹脂の一種もしくは複数
種を添加し、さらに充填材としてチタン酸カリウィスカ
ーを添加した複合材料を塗布法により形成した。

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（移動体）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。

【０００３】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振動体の片面に、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）が振動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、振動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
る上記振動体の多面状の各点は一種の楕円運動をする。
よって、振動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、該移動体は振動体
から周方向の摩擦を受け回転駆動される。

【０００４】また、最近前述のリング状と異なり、圧電
素子を金属ブロック間に挟持させて、該金属ブロックを
振動させこの金属ブロックに接するロータを回転駆動さ
せる棒状振動波モータも提案されている。

【０００５】図２は棒状振動波モータの断面図、図３
は、図２に示す棒状振動波モータを構成する振動子に用
いられている圧電素子板を示している。この圧電素子板
は、図示する表面側において直径部分を境にしてその両
側に分極方向が正、負の分極パターンを夫々形成したも
のであり、これら圧電素子板４の各両分極パターンは振
動体２と、あるいは電極板５と導通され、又非導電部で
ある直径部分を９０度の位相をずらして配置されてい
る。そして、これら圧電素子板４、４に位相ずれを有す
る、例えば９０度の時間的位相ずれを有する交流電界を
印加することにより、振動体２をその軸心を中心として
首振りのような振動である進行性の屈曲モードを励起さ
せるようになっている。振動体２の先端部には移動体で
あるロータ３が回転出力部材９を介してバネ８により押
圧されており、振動体２の先端部に励起された振動によ
り摩擦駆動されて回転する。その際、回転出力部材９も
ロータ３と共に回転し、例えばその外周部に設けられた
ギア部と噛合するギアを回転させる。１０は固定部材
で、バネ８を押圧してボルト６の先端部に形成されてい
る固定軸６ａの廻りに嵌合し、例えば先端部のねじ部に
ナット１１によりナット締めされることにより固定され
る。

【０００６】なお、複数の圧電素子板４と電極板５は振
動体２と押え体７とで、ボルト６により締付けられてい
る。

【０００７】また、振動体２とロータ３との接触する部
分には摺動材１が例えばロータ３のツバ先に設けられて
おり、摺動材の従来例としては例えば特開平１−２８３
０７２に記載されているように摺動材として金属および
無機物質との複合材をメッキした振動体２に接して摺動
材としてアルマイトを使用していた。

【０００８】

【発明が解決しようとしている課題】しかし、この組み
合せの摺動材では、モータのトルクを大きくするために
摺動材間の接触圧力を大きくしたりすると硬質でもろい
アルマイト層の破壊や摩耗が生じやすく、さらにこの破
壊した細かいアルマイトの粒子が摺動部材間で、両摺動
部材をさらに摩耗させ長時間高トルクの条件で回転する
と振動波モータの性能の低下を招くという問題があっ
た。

【０００９】さらに、従来振動波モータの摺動材につい
ては樹脂材または複合樹脂材が多く提案されている。し
かしこれらは一般に潤滑材や無機物質などを添加し耐熱
性の高いエンジニアリングプラスチックを圧縮成形や射
出成形により製造し、機械加工により所定の寸法に仕上
げシート状にし、振動体や移動体に接着、さらに摺動面
表面の研磨加工を行い使用している。このように手間の
かかる製造方法のため製造コストを高いものにしてい
た。

【００１０】また、この方法で作った摺動材は接着剤を
介してはりつけるため厚さ５μ〜１０μｍ以上の接着層
を有しまた、加工上薄くするとさらにコスト高を招くの
でどうしても５０μｍ以上の厚さを有していたそして、
このような厚みを有すると樹脂材または複合樹脂材自身
の機械的特性や振動特性が振動体や移動体へ影響を与
え、振動体や移動体の振動を減衰させたりそれらの接触
部の状態にも変化を与える。

【００１１】このため新たな樹脂又は複合樹脂材を摺動
材として利用する際には、これらの摺動材の機械的特性
や振動特性を充分に把握し、接触部の寸法形状などを改
めて計算するなど設計をやり直す必要もあり、モータの
開発に多大な時間を要していた。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の振動波モータ
は、振動体もしくは振動体と加圧接触した部材の接触部
に、厚さの薄い摺動層を複合樹脂の塗布法により形成し
たもので、摺動部材の摩耗を減らすと共に、接着や機械
加工を省き、摺動部材の製造コストを下げ、さらに厚み
の薄い摺動層の形成が可能であるため、振動体や、該振
動体に加圧接触する部材の機械的特性（剛性、強度）、
振動特性に及ぼす摺動層の影響を少なくすることができ
る。

【００１３】振動波モータの摺動材の特徴は摩擦係数が
大きく、安定していて摩耗の少ないことであるが、今ま
での検討から、摺動層を示す摺動材に樹脂材料を用いた
場合、摺動時（モータ回転時）に発生する熱に対し、強
い耐熱性のある樹脂を用いかつこの摺動材と振動体との
密着力が強いことが必要である。そこで種々検討した結
果、本発明は塗布法により簡単に摺動層を形成でき、耐
熱性ならびに密着力でも優れたポリイミド系樹脂を摺動
層の樹脂材に、選定した。

【００１４】ポリイミド系樹脂では、全芳香族ポリイミ
ド（ピロメリット酸系）では前駆体であるポリアミド酸
をＮ−メチル−２−ピロリドンやジメチルアセトアミ
ド、芳香族炭化水素などの溶媒に溶解したワニスを使用
し、また同系の芳香族ポリアミドイミドやマレイン酸系
ポリイミド、ナジック酸末端系ポリイミド、アセチレン
末端系ポリイミド、全芳香族ビフェニルテトラカルボン
酸系、他ポリアミドイミドなどは、それらの樹脂粉末を
同様の溶媒に溶かし、適度の濃度に調整したワニスを使
用し、適当な塗布法により被処理表面に塗布し、低い温
度で溶媒を乾燥し、２００〜４００℃硬化処理を行い、
樹脂膜を形成することができる。

【００１５】これらの樹脂だけを摺動材として用いた場
合、摩擦係数は約０．４〜０．５程度となり比較的大き
い方であるが、摩耗に対してはかなり弱くて摩耗粉を生
じ、また一部の摩耗粉は再び摺動材表面に付着したりす
るなど、摩擦係数は不安定で使用には耐えられないこと
がわかった。

【００１６】そこで、摩擦係数は小さくするが、耐摩耗
性の向上と摩擦係数の安定化のため、固体潤滑剤とし
て、グラファイト、硫化モリブデンおよびフッ素樹脂、
例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を単独
でもしくは複数種入れ１０〜７０ｗｔ％添加して検討し
てみた。これらの潤滑剤の添加は、前述のワニスと溶剤
との希釈液に混ぜ込み、充分な混合分散を行い、前述と
同様に塗布することで容易に固体潤滑剤を含んだ摺動材
としての樹脂膜を作ることができる。これらの潤滑剤は
添加量が増えるとともに摩擦係数は低下する傾向を示
す。しかし、振動波モータの摺動材として、摩擦係数の
低下は直接モータの性能低下となるため、摩擦係数が約
０．２以上になるように添加量の調整を行った。

【００１７】またこれらの潤滑剤は各々の特徴を有し、
例えば湿度に対する摩耗係数の安定性において、グラフ
ァイトは適切でなく湿度が高くなると摩耗係数が低下し
硫化モリブデン、ＰＴＦＥの方が適しているが、一方、
高加圧時は硫化モリブデン、ＰＴＦＥの方が摩耗係数の
低下が生じる傾向があった。またグラファイトや硫化モ
リブデンは樹脂自体を硬くし、ＰＴＦＥは極薄い膜を形
成し各々耐摩耗性の改善効果を有する。

【００１８】これらの潤滑剤を添加した樹脂では摩擦係
数は低下するのでモータのトルクが下がる。しかし摩擦
係数の安定化とともに摩耗は少なくなったが、長時間の
摺動ではやはり摩耗粉は発生するなど適当でないことが
わかった。

【００１９】そこで耐摩耗性をさらに改良するために塗
布法でも使用可能な無機質ウィスカーの検討を行った。
塗布法で使用できる微細寸法の無機質ウィスカーとして
市販されているものには、ガラス繊維、カーボンウィス
カーや窒化ケイ素ウィスカー炭化ケイ素ウィスカーなど
があるが、これらのウィスカーはウィスカー自体が非常
に硬く、（モース硬度７以上）、相手側の摺動面をひど
く傷つけるため、相手側の摺動材を硬くする必要がある
ことがわかった。さらにこれらのウィスカーはガラス繊
維をのぞき、非常に高価であり、低コスト化には適当で
ない。

【００２０】そこでコスト的に安価なウィスカーで、硬
さも比較的小さいチタン酸カリウィスカーを用いたとこ
ろ、前述の相手側の摺動材を傷つけるような現象はみら
れなくなった。なお、このウィスカーの添加もウィスカ
ー表面をアミノ系シランカップリング剤で処理し前述の
ように樹脂の原液に溶剤とともに希釈し充分な分散混合
を行えば従来の塗布法により樹脂内に均一に分散した状
態を作ることができる。実験の結果では長時間の耐久試
験において、前述の固体潤滑剤だけの場合と比べ摩耗も
少なくなったが、さらに摩擦係数も固体潤滑剤だけの添
加と比べ約０．３〜０．５と大きくなり、モータ性能上
も有利であることもわかった。

【００２１】耐久性が良くなった理由としてウィスカー
添加により樹脂膜自体のの強度、硬さが増したこと、ま
た、ウィスカー自体の熱伝導が樹脂自体の熱伝導よりも
良く、発生する摩擦熱の放散も良くなることも理由と考
えられる。

【００２２】なお、本実験において樹脂の摺動材の相手
材としては鋼、焼入鋼、黄銅、無電解Ｎｉメッキを施し
た黄銅、さらにＳｉＣ粉を添加した無電解Ｎｉメッキを
施した黄銅を用いて実験を行った。

【００２３】塗布法について具体的な方法としては小規
模でははけ塗りやつけ塗り（侵積）でも充分であるが、
大きな生産規模ではその量産性と均一の膜厚の可能なス
プレー方法が適している。

【００２４】また膜厚については例えばスプレー法によ
り行う場合、一回のスプレーにより厚くてもせいぜい４
０〜５０μｍが最大であるが、厚みのばらつきが大きく
なり、均一膜厚となりにくいことや、厚いと摺動により
発生する摩擦熱の放散が悪くなり、摺動材の温度の上昇
が考えられるので薄くした方が良いが、塗膜面の平坦
度、平面度からせいぜい数μ〜３０μｍ程度が望まし
い。

【００２５】

【実施例】図１は本発明による振動波モータの一実施例
を示す図で、（ａ）は縦断面、（ｂ）は底面を示してい
る。

【００２６】この振動波モータは、円環形状に形成され
たもので、リング状の振動体２は底面に圧電素子４が接
着され、また上面の摺動面に摺動層１が塗布法により形
成されている。３は移動体で、その摺動部が振動体２の
摺動層１に加圧接触している。

【００２７】また、摺動層１は、移動体３の摺動面側に
形成しても同様の効果が得られる。 ［実施例１］摺動層１に使用した材料は、全芳香族ポリ
イミドのワニス（東レトレニース^#３０００）１００重
量部に対し、粒径１μｍ以下のグラファイトと硫化モリ
ブデンを各々１０重量部、さらにシランカップリング剤
で処理したチタン酸カリウィスカー（大塚化学ＴＩＳＭ
θ−Ｄ）を２０重量部を加え、そして溶媒Ｎ−メチル−
２−ピロリドンを加え、ワニスの粘度を調整し、充分に
ボールミールを用いて分散混合を行った。できたワニス
をエアースプレー法により溶剤で充分に洗浄したあとの
移動体３の接触部に吹き付け、１２０℃で１５分、２２
０℃で１５分、２８０℃で３０分の熱処理を行い複合樹
脂材の厚さ１５μｍの膜を形成させた。なお、使用した
移動体３はアルミ製である。

【００２８】この移動体３と接触部に無電解ニッケルメ
ッキを施したステンレス鋼よりなる振動体を用い両者間
に７０ｇ／ｎｍ² の圧力を負荷し、周速度１８０ｍｍ／
ｓｅｃ、２００時間回転させたところ、本複合樹脂材の
摩耗は厚み方向で３μｍ相手材である振動体の方の摩耗
は０．５μｍであり、振動波モータの耐久性としては、
従来の摺動材よりも優れた性能を示した。なお、摩耗係
数は約０．３５であった。

【００２９】［実施例２］摺動層１に使用した材料は、
市販のポリイミドであるワニス（ＡＭＯＣＯ ＡＩ−１
０）１００重量部に対し、粒径１μｍ以下の硫化モリブ
デン５重量部とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦ
Ｅ）粉末５重量部、さらに、アミノ系シランカップリン
グ剤処理のチタン酸カリウィスカー（大塚化学ＴＩＳＭ
θ−Ｄ）を３０重量部を加え、そして溶媒Ｎ−メチル−
２−ピロリドンを加えた。そして、充分にモールミール
で分散混合を行った。できたワニスをエアースプレー法
により振動体２の接触部に吹き付け、１５０℃で１０分
乾燥したのち、２６０℃で１５分間の硬化処理を行っ
た。本条件では摩擦係数は約０．４５を示した。なお、
使用した振動体ステンレス鋼であり、移動体３には無電
解ニッケルメッキを施したアルミである。試験は前述と
同様の圧力、周速度、時間で回転させたところ、摺動材
の摩耗は厚み方向で１．５μｍ、相手材の摩耗は１．０
μｍであり、耐久性としても充分であり、さらに摩擦係
数も約０．４５と大きく、モータ性能も良好であった。

【００３０】以上記述した他に、ポリイミド系樹脂とし
てマレイン酸系ポリイミド（日本ポリイミドケルイミ
ド）粉末を溶剤で溶解させたワニスや、アセチレン末端
系ポリイミド（カネボウ・エヌエスシー、サーミッドコ
ーティング剤ＥＬ）粉末やビフェニルテトラカルボン酸
系ポリイミド（宇部興産ユピレックス−Ｒ）粉末なども
溶剤で溶解させたワニスを使用してもほぼ同等の性能を
有した。

【００３１】また固体潤滑剤の種類および混合が比率は
モータの使用環境および条件をもとに前述したように各
々特色を有するのでその種類を選定し摩擦係数が極端に
低く例えば０．１などにならないように調合すべきであ
る。また、チタン酸カリウィスカーは５ｗｔ％程度では
その効果が充分にわからない。ただし６０〜７０ｗｔ％
になるとワニスの粘度が高くなり、塗布がたいへん難し
くなるのでこの範囲内で作業性等も考慮すべきである
が、コスト面を考えるとその比率はモータの製品寿命等
も考慮すべきである。

【００３２】なお、チタン酸カリウイスカー、固体潤滑
剤、上記の３種の他の物質として、アルミナ、ジルコニ
ア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素、酸化チタ
ン、酸化鉛、タルク、マイカ、カオリン、酸化タングス
テン、炭酸カルシウムなどの無機物質ををさらに添加す
ることにより、摩耗が少なくなり摩擦係数も場合によっ
ては大きくなり、モータ性能上、耐久性において良くな
ることもわかった。

【００３３】上記した実施例は、円環形の振動波モータ
に適用した側を示しているが、図２に示す棒状の振動波
モータに同様の方法で摺動層１を形成してもよい。

【００３４】図２の振動波モータは、円柱状の振動体２
と円柱状の押え体７との間に円板状の圧電素子板４，４
を配置すると共に、この圧電素子板４，４間に電極板５
を配置し、ボルト６にて振動体２と押え体７とを締結す
ることにより、一対の圧電素子４，４を挟持固定してい
る。

【００３５】ロータ３は、円柱形状に形成されていて、
バネ性を有する形状に形成されている下部の延出部の先
端部が、振動体２の上面に接触している。

【００３６】９は外周部に歯車部を有すると共に、内周
部にバネ８が設けられたギアで、ロータ３に加圧力を付
与している。ロータ３はこのギア９と、例えば摩擦接触
し、ロータ３の回転をギア９に伝達する。１０は固定部
材で、ボルト６のピン部６ａの先端部に回転不能に嵌合
すると共に、ナット１１により抜け止めされている。そ
して、固定部材１０を例えば機器にビス等により取り付
けることで、モータの取り付けが行なわれる。

【００３７】摺動層１は、ロータ３の摺動部に、上記の
場合と同様に塗布法により形成されているが、振動体２
の摺動面側に形成しても同様の効果が得られる。

【００３８】図４は、図２に示した振動波モータを駆動
源とする機器の概略図である。

【００３９】１３は大歯車１３ａと小歯車１３ｂを有す
るギアで、大歯車１３ａがモータのギア９と噛合してい
る。１４は被駆動部材、例えばレンズ鏡筒で、外周部に
設けられたギア１４ａにギア１３の小歯車１３ｂが噛合
し、モータの駆動力により回転する。

【００４０】一方、ギア１３にはエンコーダスリット板
１５が取り付けられ、ギア１３の回転をフォトカップラ
ー１６により検出し、例えばオートフォーカスのために
モータの回転、停止を制御する。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によればポリ
イミド系樹脂に例えばグラファイト、硫化モリブデン、
フッ素樹脂の固体潤滑剤を添加し、さらにチタン酸カリ
ウムウィスカーを添加した複合樹脂を塗布法により摺動
部に形成させることにより、摺動材としての耐久性を向
上させるとともに摺動材である摺動層の形成を容易に
し、振動波モータのコスト低減が可能となった。さら
に、塗布法により厚さの薄い摺動材が接着や機械加工な
しに形成でき、振動体および移動体の接触部の機械的特
性、振動特性に与える影響を少なくでき、振動波モータ
の設計が容易になる効果を有する。

【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
図。

【図２】本発明による振動波モータの他の実施例を示す
図。

【図３】圧電素子板の平面図。

【図４】図２の振動波モータを駆動源とする機器の概略
図。

【符号の説明】

１…摺動層 ２…振動体 ３…移動体 ４…圧電素子

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年１２月１８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図３】

【図２】

【図４】

Claims (2)

【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形成した摺動層を介して相対
   的に摩擦駆動させるようにした振動波モータにおいて、 該摺動層は、ポリイミド系樹脂に潤滑材としてグラファ
   イト、硫化モリブデン、フッ素樹脂の一種もしくは複数
   種を添加し、さらに充てん材としてチタン酸カリウィス
   カーを添加した複合材料を塗布法により形成したことを
   特徴とする振動波モータ。
2. 【請求項２】 請求項１の振動波モータを駆動源とした
   ことを特徴とする機器。