JPH0670450B2 - 超音波モータ用の円板状摩擦体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は回転運動を摩擦力により伝達、停止、起動する
際にその接触面に配置することのできる超音波モータ用
の円板状摩擦体に関するものである。

従来の技術 超音波モータを安定に駆動するには、移動体と弾性体の
加圧接触状態を、接触面全域において十分に均一にする
ことが要求される。

例えば移動体と振動体とは、加圧接触面全域において、
ムラなく一様、均一に押圧接触されていなければならな
いことは勿論、加圧接触面全域の各部を微視的にみた場
合において、各部における移動体と振動体の摩擦係数等
が大きなばらつき無く一様であることが要求される。

そして、この均一で安定した加圧接触状態が得られない
ならば、移動体が受ける摩擦駆動力も安定せずに、超音
波モータの安定駆動は不可能となる。

例えば、移動体と摩擦体の摩擦係数が、加圧接触面内に
おいて微視的にみて一様でない場合には、移動体に接触
する各波形頂部の間で摩擦力がばらつくこととなり、安
定した動作が行えないこととなる。

以上の通り、超音波モータを安定に駆動するために、移
動体と振動体との均一な加圧接触状態を維持せねばなら
ない点は、超音波モータの動作原理に基づくものであ
る。

さて、超音波モータは、振動体に加圧接触された移動体
を摩擦駆動するものであるから、その加圧接触面におけ
る摩耗が原理的に避けられない。

通常は、移動体も振動体も金属材料で形成される。この
場合、移動体と振動体を直接に加圧接触させると、金属
材料同士を直接に摩擦させることとなり、移動体、振動
体とも、加圧接触面における摩耗が著しく進行する。

超音波モータは、高々１μｍ前後の振幅の弾性波によっ
て移動体を駆動するものであるから、この加圧接触面の
摩耗によって、移動体と振動体の均一な加圧接触状態が
損なわれ、その結果、超音波モータの動作は極めて不安
定でまた騒音の発生も著しいものとなり、その安定した
運転は不可能となる。

そこで、超音波モータの構成としては、移動体と振動体
とを直接に加圧接触させずに、耐摩耗性に優れた摩擦体
を介して加圧接触なさしめることが行われている。通常
は、摩擦体は、移動体に接着等で固定される。

摩擦体を用いる場合において、摩擦体に要求される条件
は、移動体との摩擦による摩耗が少ないことは勿論、摩
擦体と移動体の均一な加圧接触状態を維持するために、
摩擦体の摩耗が、移動体との接触面の全域において一様
に生じることである。

もし、摩擦体に偏摩耗が生じた場合には、移動体と摩擦
体との均一な加圧接触状態を維持することはできず、超
音波モータの安定駆動は実現できない。

従来から摩擦体としてはアスベスト繊維などの長さ数mm
の短繊維充填物をロープ状に成型し、これにフェノール
樹脂などの熱硬化性樹脂ワニスを含浸乾燥させてからこ
の樹脂含浸ロープを螺旋状に巻いて加熱加圧成型するこ
とにより、短繊維が有機結合材中に分散しているシート
状摩擦体がよく知られている。また、連続繊維を直線状
に一方向に配向させた後、熱硬化性樹脂を含浸させ、そ
れを積層するとともに加熱加圧成型することによりシー
ト状成型物を作成しそれを切削加工することにより、第
２図(a)に示すような連続繊維が一方向に配向した円板
状摩擦体がある。連続繊維を編むことにより織布状に
し、一方向配向の場合と同様の方法で作成された円板状
摩擦体〔第２図(b)〕も知られている。

発明が解決しようとする問題点 このような従来例においては、いずれの摩擦体において
も、実際の使用において偏摩耗が発生し、その結果、振
動体と摩擦体との一様な加圧接触状態を維持できず、超
音波モータを長期にわたり安定に駆動することができな
い、と言う課題を有していた。

第１の従来例である、長さ数mmの短繊維充填物をロープ
状に成型し、これを螺旋状に巻いて形成した摩擦体にあ
っては、充填物である短繊維の繊維方向を一定方向に揃
えて充填することは困難であり、短繊維は全くランダム
な状態で、つまりある短繊維は、その繊維の配向方向が
ロープの長手方向に向き、他の物は、その繊維方向が、
ロープ状の長手方向と直角方向に向く等して、全くラン
ダムな状態でロープ状の成型体に充填される。

その結果、得られる摩擦体では、各部を微視的に見た場
合、短繊維が移動体の移動方向に直交する方向に配列し
た部分と、移動体の移動方向に平行な方向に配列した部
分、あるいは短繊維が摩擦体の厚み方向に配列した部分
等が、全くランダムに形成されていることとなる。

従って、この様な摩擦体では、その各部において短繊維
の配列方向が種々に異なっており、そのために振動体と
の摩擦係数や耐摩耗性も各部において異なることとな
る。

従って、この様な摩擦体を超音波モータとして用いた場
合、短繊維の配列方向の差異に基づいて、摩擦係数や摩
耗量が摩擦体の各部において異なることとなり、振動体
と摩擦体との一様、均一な加圧接触状態が維持できず、
その結果、超音波モータの安定した運転も維持できなく
なる。特に摩耗量が摩擦体の各部において異なり、その
結果、偏摩耗が発生する点は、弾性振動の振幅が微小で
あることから致命的である。

また、短繊維を充填した摩擦体では、短繊維の体積含有
率が50％を越えることが難しく、そえゆえ耐摩耗性自体
も、連続繊維を用いた場合よりも劣る。

一方、第２の従来例である、連続繊維を直線状に一方向
に配列させたものは、第２図(a)において点Ａでは摩擦
する相手材は繊維と垂直方向で摩擦し、点Ｂでは繊維と
平行方向に摩擦する。このように接触回転面に異方性が
あり、点ＡとＢとでは動摩擦係数および比摩耗量なども
異なり、均一な摩擦現象が起こらず問題であった。特
に、摩耗においては点ＡとＢでは長時間摩擦回転させた
場合に２倍以上の異方性が見られた。連続繊維を編むこ
とにより織布にしたものを摩擦体として用いると、摩耗
量などの異方性は一方向に連続繊維を配向させた場合よ
り少なくなるが、繊維が縦と横に交差している部分はそ
の分だけ繊維が盛り上がることになる。一般的に用いら
れている織布として平織を用いて、熱硬化性樹脂に含浸
させた成型物は摩擦接触面において繊維が表面に出てい
る部分と樹脂が表面に出ている部分が格子状に配列して
おり、回転摩擦することにより先ず樹脂が摩耗され、そ
の結果摩擦面が凹凸となり、初期の状態とは異なった摩
擦係数を示すことになり問題であった。また、相手材の
表面状態や形状により、その凸凹に引っ掛かることが起
こり、円滑な作動が望めなかった。また、超音波モータ
用の摩擦体として用いた際に摺動による騒音が起こるこ
とも問題であった。

以上、従来の課題を要約すると、従来の摩擦体にあって
は、移動体との摩擦によって偏摩耗が生じ、あるいは移
動体との摩擦係数が摩擦体の各部において異なるため
に、超音波モータを長期にわたり安定して駆動できず、
また騒音を発生すると言う課題を有していた。

本発明はこのような問題点を解決するもので、摩耗量が
極めて少なくかつ均質な摩擦現象が生じて摩耗量が均等
になり、円滑な作動が行なえ、摺動による騒音を少なく
することができるように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 この問題点を解決するために本発明は、有機結合材と繊
維とを必須の成分としてなる超音波モータ用の円板状摩
擦体であって、前記繊維が連続繊維を含みかつ連続繊維
が円板状摩擦体の円周方向に配向されてなるものであ
る。

作用 この構成により、連続繊維を用いているから、繊維の体
積含有率は充分大きくできるので充分な耐摩耗性が得ら
れ、円板状摩擦体自体の機械的強度も短繊維を分散させ
た場合と比較して充分大きくなる。さらに、円周方向に
繊維を配向しているので、回転運動による摩擦に対して
微視的に見ても常に同じ摩擦状態が得られる。その結
果、均一な摩耗が起こり、摺動面における摩耗厚は長時
間摩擦回転させても常に均一に摩耗してゆくことにな
る。また、摩擦係数もその接触面の均質性のため極端な
変化は起こらなく、摺動による騒音も従来に比較して少
なくなる。

実施例 以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明す
る。

＜実施例１＞炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させてなる
一方向プレプリグを１層づつ金属芯に巻き付けた。プレ
プリグの幅は約1mmとした。この巻き付けたものを円板
状の上下に10kg／cm²の圧力を保ちつつ130℃で２時間放
置することにより樹脂を完全硬化させ、これにより繊維
体積含有率75％、厚さ1mmの円周方向に連続繊維１が配
向した円板状摩擦体〔第１図(a)参照〕を得た。第１図
(a)の白色部分は有機結合材２を示し、この実施例の場
合にはエポキシ樹脂である。これを、円筒端面間対ステ
ンレス連続すべり試験を行なった結果、比摩耗量は、3.
0×10^-9cm²／kg・ｍとなった。これは、炭素繊維の短繊
維を体積含有率にて30％エポキシ樹脂中に分散させたサ
ンプルの比摩耗量4.5×10^-7cm²／kg・ｍと比べて100倍
以上の優れた耐摩耗性を示した。また、一方向プレプリ
グや織布を用いてシート状に成型し円板形状に切削加工
したサンプルと比べて、摺動による騒音が全くなかっ
た。長時間の試験に対しても表面の状態には変化なく、
すべり摩耗試験測定中の摩擦抵抗は10％以内の範囲で安
定しており、また摩耗状態も均一であった。それに対し
て第２図(a)に示すサンプルは点Ａの方が点Ｂより摩耗
し易く、摩擦抵抗は試験開始から50％の範囲で変動し、
また第２図(b)に示すサンプルは約１時間にわたり摩擦
抵抗の値が徐々に1/3まで低下し、その摩耗表面は繊維
部分が残った凸凹状であった。

＜実施例２＞芳香族ポリアミド繊維を金属芯に巻き付け
た後、熱硬化性樹脂ワニスとしてビスマレイミド−トリ
アジン樹脂と可撓性賦与剤を添加してなる溶液に含浸さ
せ、その後150℃で数分乾燥させた後、円板状の上下に1
00kg／cm²の圧力を保ちつつ200℃にて２時間放置するこ
とにより、円周方向に繊維が螺旋状に巻かれている繊維
体積含有率70％の円板状摩擦体〔第１図(b)参照〕を得
た。これを実施例１と同様に円筒端面間対ステンレス連
続すべり試験を行なった結果、比摩耗量は5.0×10^-9cm²
／kg・ｍとなった。これは、芳香族ポリアミド繊維のパ
ルプ状の短繊維を体積含有率にて10％同様の樹脂にて分
散させたサンプルの比摩耗量1.8×10^-7cm²／kg・ｍと比
べて約40倍優れた耐摩耗性を示した。また、一方向プレ
プリグや織布を用いた場合には、実施例１と同様に円滑
な摩擦現象が起こらず、摩擦抵抗が変動したり摩耗が部
分的に起こったりしたのに対して、本発明の円板状摩擦
体は円滑な摩擦が起こり、摩耗も接触面に対して均一で
あった。なお、第１図(b)において１は連続繊維、２は
有機結合材である。

以上、代表的な２つの実施例について述べたが、連続繊
維として前述の炭素繊維や芳香族ポリアミド繊維の他、
炭化珪素繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維、ポリエステ
ル繊維、ポリアミド繊維などの少なくとも１つを用いた
場合も同様の傾向を示した。樹脂としては、フェノール
樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエス
テル樹脂などの熱硬化性樹脂を主成分とし、各種の用途
に応じた改質材を混合したものが適していた。また、硫
酸バリウム、シリカ、炭酸カルシウム、グラファイトな
どの無機質充填物や銅粉などの金属粉を加えても、円板
状の円周方向に連続繊維が配向している摩擦体は、短繊
維分散の場合に比べ摩耗も少なく、回転運動に対する摩
擦抵抗も安定し、良好な結果が得られた。

本発明においては、連続繊維を一方向に配向あるいは織
布状のものを基材としてシート状成型物を得、適した円
板形状に切削加工する必要がなく、任意の円板形状に加
圧加熱することにより作成できるという特徴もある。さ
らに、その円板状摩擦体の機械的強度は連続繊維を用い
ているので、短繊維分散の場合よりはるかに大きく、薄
膜化が可能である。接触面を微視的に見ても、短繊維分
散の場合や織布に樹脂を含浸させた場合と比較して、円
板状の円周方向に連続繊維を配列された場合は接触表面
の均質性があり、要求される超音波モータの接触面など
に用いることにより、より安定した回転が可能になると
考えられる。

発明の効果 以上のように本発明によれば、有機結合材と繊維とを必
須の成分とする円板状摩擦体において、連続繊維を円板
状の円周方向に配向させることにより、その摩擦体が回
転運動をしている接触面に配置され摩擦力を受ける際に
均質な摩擦現象が起こり、摩耗量も均等になる。

従って、本発明の摩擦体を超音波モータの摩擦体に用い
ることにより、超音波モータの動作原理に基づく固有の
課題を解決でき、超音波モータの円滑な作動ができ、摺
動による騒音も少なくすることができる。また連続繊維
を用いているので、摩擦体の機械的強度も充分に有し、
摩耗量も極めて少ない超音波モータ用の円板状摩擦体が
得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図(a)および(b)は本発明の実施例を示し、第１図
(a)は円板状摩擦体のプレプリグを積層した場合の繊維
の配列状態を示す平面図、第１図(b)は円板状摩擦体の
繊維を螺旋状に巻いた場合の繊維の配列状態を示す平面
図、第２図(a)および(b)はそれぞれ異なった従来例を示
す平面図である。 １…連続繊維、２…有機結合材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米野 寛 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭53−13048（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−74462（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−40124（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円周内において連続した長さをもち、円周
   方向に配列された繊維と、その繊維を保持する有機結合
   材を有する超音波モータ用の円板状摩擦体。
2. 【請求項２】繊維が炭素繊維、炭化珪素繊維、アルミナ
   繊維、ガラス繊維、芳香族ポリアミド繊維、ポリエステ
   ル繊維、ポリアミド繊維からなる群の少なくとも１つか
   らなる特許請求の範囲第１項記載の超音波モータ用の円
   板状摩擦体。