JP3403100B2 - 振動波モータに用いる摩擦材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動波モータの摩
擦材及びその製造方法、さらにそれを用いた振動波モー
タ並びに機器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に振動波モータは、振動体の表面上
の各点に円又は楕円運動を起こさせ、これに押圧された
接触体を摩擦駆動するものである。

【０００３】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
倍であるような金属等の弾性体材料でリング状に形成さ
れた弾性体の片面に、周方向に配列された二群の複数個
の圧電素子を接着したものを振動体（ステータ）とす
る。

【０００４】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。

【０００５】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、前記Ａ相の各圧
電素子の中央点及びそこからλ／２おきの点が腹の位
置、また前記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。

【０００６】また、他の一群（以下Ｂ相と称す）のみに
交流電圧を印加すると、同様に定在波が発生するが、そ
の腹及び節の位置はＡ相による定在波に対して、位置的
にλ／４ずれた位相になる。

【０００７】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番信号を同時に印加
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表面の各点は楕円運動
をする。

【０００８】よって、振動体の片面に接触体（例えば移
動体としてのロータ）として、例えばリング状の接触体
を直接加圧接触させておけば、前記接触体は振動体から
の周方向の摩擦力を受け回転駆動される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】振動波モータ用の摩擦
材については従来から多種多様の材料が提案されている
が、上述の特徴を有するものとして、例えば、特開平１
−１２９７８１号公報、特開平１−２０６８８０号公報
などのようにフッ素樹脂と強化繊維や高分子材料などの
複合材料が耐摩耗性が良く長期の耐久寿命と摩擦係数の
安定性から振動波モータ用の摩擦材に適した材料として
開示されている。

【００１０】このようなフッ素樹脂複合材料を製造する
方法としては、一般に圧縮成形法（プレス成形法）を利
用する方法が知られている。これはフッ素樹脂粉末と他
の材料粉末などを均一に混合し、金型に充填し、プレス
により成形して作る圧縮成形法であり、その後この成形
体をフッ素樹脂の融点以上で焼成し固めて焼成体である
フッ素樹脂複合材料とする。

【００１１】しかしながら、上述のようにして作成し
た、炭素繊維を添加した棒状のフッ素樹脂複合材料を切
断（スライス）して厚さ０．５ｍｍ程度の丸形状のシー
トを作り、振動波モータ用の摩擦材として使用し摩耗の
仕方を観察したところ、振動波モータの駆動中に摩擦材
が摩擦面全面が徐々に摩耗するにつれ繊維状の炭素が繊
維の状態のまま抜け落ち、摩擦材の摩耗が急速に増大し
ていくことがわかった。

【００１２】また、このような棒材を切断して作成した
摩擦材は、大体の炭素繊維が切断面（スライス面）に対
して平行すなわち横になって寝ている様な状態の配向性
を有することも観察の結果わかった。このスライスした
材料を摩擦材として利用する場合、リング状の金属部品
に接着するために、振動体と接触体との摩擦接触部すな
わち摩擦面は丸棒の切断面（スライス面）と一致する。
その結果フッ素樹脂中の炭素繊維は寝た様な状態に配向
し前述のように繊維のまま簡単に抜け落ちやすく、摩耗
が増えることが認められた。

【００１３】また、元来フッ素樹脂は他の材料と反応し
て接着する性質が少なく炭素繊維はいわばフッ素樹脂の
中に機械的に埋め込まれたような状態であり、たとえば
顕著な例として球状の炭素であるとか、長さの極く短い
炭素繊維は丸棒から切断しただけでも容易に抜け落ちる
ことがあり、さらにフッ素樹脂がポーラスであるとか比
重が小さいとかの場合は特に顕著であることもわかって
きた。

【００１４】本発明の目的は上述の急速な多量の摩耗の
問題の解決を計るもので、圧縮成形法によって作ったフ
ッ素樹脂複合材料を振動波モータ用の摩擦材として利用
することにより、耐摩耗性に優れ、信頼性の高い摩擦材
を大量にかつ安価に提供するものである。

【００１５】

【００１６】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、振動波
モータの振動を形成する振動体と、該振動体に加圧され
て接触し振動によって振動体と相対移動する接触体との
摩擦接触面に用いる摩擦材の製造方法において、フッ素
樹脂粉末と繊維状の材料を圧縮成形して得られたフッ素
樹脂を主成分とする成形体を焼成してフッ素樹脂複合材
を生成した後、切削加工によりフッ素樹脂複合材を外周
部からシート状に削り出して成形することを特徴とする
ものである。

【００１７】また、フッ素樹脂複合材の比重が理論比重
の８０％以上となるように圧縮成形を行うことが好まし
い。また、フッ素樹脂複合材が円筒または柱状であり、
その外周部を切削加工によりシート状に削り出すのが好
ましい。また、繊維状の材料は長さが５０μｍ〜３５０
μｍの炭素繊維であることが好ましい。また、前記シー
ト状に削り出して成形した摩擦材に含有されている繊維
状の材料が、摩擦接触面に対しておよそ垂直に配向して
いることが好ましい。

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明は、振動波モータの振動を
形成する振動体と、振動体に加圧されて接触し振動によ
って振動体と相対移動する接触体との摩擦接触面に用い
る摩擦材の製造方法において、フッ素樹脂粉末と繊維状
の材料を圧縮成形して得られたフッ素樹脂を主成分とす
る成形体を焼成してフッ素樹脂複合材を生成した後、切
削加工によりフッ素樹脂複合材を外周部からシート状に
削り出して成形することを特徴とするものであり、この
摩擦材の使用により多量の摩耗の発生をなくすことがで
きる。

【００２２】

【００２３】また、本発明の摩擦材は、フッ素樹脂を主
成分とし繊維状の材料が添加されて構成され、該繊維が
摩擦接触面（摩擦面）に対しおおよそ垂直に配向されて
おり、理論比重に対し８０％以上の比重を有する摩擦材
であり、該摩擦材の使用により多量の摩耗の発生をなく
すことができ、さらに該繊維として長さ５０μｍ〜３５
０μｍ、直径数μｍ〜２０μｍの炭素繊維を用いれば、
その摩耗防止効果は大きく振動波モータ用の摩擦材とし
て安定して少ない摩耗になる。

【００２４】以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の振動波モータの一実施の形態を示す断面
図である。図中、１は振動体でステンレス鋼からなるリ
ング状の金属弾性体３の一端面に、前述の様にリング状
で複数個に分極された２群の圧電素子４を耐熱性のエボ
キシ樹脂系接着剤で接着し、金属弾性体３のもう一方の
端面には摩擦材５を同様に接着して形成した。

【００２５】一方、移動体２側のアルミニウム合金から
なるリング状の接触体６の摩擦摺動面には摩擦材６ａを
設けてある。接触体６はゴムリング７を介して支持体８
に取付けてあり、支持体８はネジ１１により出力軸１２
に固定されている。そして、振動体１の摩擦材５と接触
体６の摩擦材６ａは接触して摩擦摺動面を形成し、加圧
用の板バネ１６により、軸方向に総圧で５ｋｇｆの荷重
で加圧されている。９はベアリング、１３は振動体を固
定するプレート、１４、１５は与圧カラー、１７はカラ
ーでネジ１１ａにより出力軸１２に固定されている。１
８はカバーである。

【００２６】シート状の摩擦材５には、円周状の段差５
ａを機械加工により設けている。また、図１の摩擦材５
と６ａの接触部（摩擦面）の幅ａは０．８ｍｍ、接触部
（摺動面）の直径ｂは３０ｍｍである。

【００２７】そして、交互に厚み方向に分極処理された
２群の圧電素子４に振動体１に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、摩擦材５を介して摩擦材６ａに摩
擦力が作用し、移動体２は回転駆動する。

【００２８】本発明の摩擦材は、摩擦材５および６ａの
両方に使用してもよく、またいずれか一方に使用しても
よい。一方に本発明の摩擦材を使用した場合には、もう
一方には通常の摩擦材を使用することができる。通常の
摩擦材としては、硬質でじん性があり、摩耗のほとんど
ないアルミ−シリコン合金、焼入鋼、セラミックス、超
硬合金等が挙げられるが、本実施例ではフッ素樹脂複合
材料を摩擦材５に、摩擦材６ａはセラミックス（アルミ
ナ）を用いた。

【００２９】

【実施例】以下実施例について、従来例と比較しながら
説明し、本発明の詳細を明らかにする。

【００３０】実施例１ 摩擦材は以下のようにして作成した。フッ素樹脂粉末
（ポリテトラフルオロエチレン：ＰＴＦＥ、ダイキン工
業社製、商品名 ポリフロン Ｍ１２）８０重量％に炭
素繊維（短繊維：チップファイバー、直径約１３μｍ、
長さ約１１０μｍ、大阪ガス社製、商品名 ＳＧ−２４
９）２０重量％をヘキシェルミキサーにより均一に混合
した後に、円筒形の金型に充填し、圧力５００ｋｇ／ｃ
ｍ² にて均一にプレスにて加圧し、圧縮成形し、外径２
０ｃｍ、内径５ｃｍ、長さ１２ｃｍの円筒状の成形体を
作成した。その後、温度３８０℃で３時間焼成し焼成体
を得た。

【００３１】その後、図２に示すように、旋盤で焼成体
３０を回転させながら焼成体の外周面に幅１５ｃｍの超
硬製の切削刃３１を当て厚さ０．５ｍｍになるように、
焼成体の回転と刃の焼成体の中心方向への移動を同期さ
せた装置を用いて切削を行い、焼成体の外周面から切削
刃であたかも皮をむくようにシート３２を削り出した。
シート３２は切削加工による応力と熱でカール（曲が
り）を生じながら帯状になった。

【００３２】次に、シート３２をトムソン刃を埋め込ん
だ抜き型とプレスを用いて、図１の摩擦材５を得るため
にシート３２をリング状に打抜いて金属弾性体３に接着
して、摩擦材５の凸部５ａを機械加工により形成した。
その摩擦材５を設けた振動波モータを実際に駆動させ、
負荷３００ｇ・ｃｍ、回転数３００ｒｐｍでで評価し
た。１０台の振動波モータでの１００時間当りの摩擦材
５の摩耗量は５〜８μｍ／１００Ｈであった。

【００３３】なお、摩耗量はあらかじめ凸部５ａの高さ
を測定しておき、評価後再測定しその差を摩耗量とし
た。また、摩擦材６ａは摩耗はほとんどなかった。

【００３４】比較例１ 実施例１と同じ原料で同じように均一混合した後に、円
筒状の実施例１とは異なる金型に充填し、圧力５００ｋ
ｇ／ｃｍ² で均一に加圧し圧縮成形を行い、直径６０ｍ
ｍ、内径１０ｍｍ、長さ１２ｃｍの丸棒の成形体を作
り、その後、実施例１と同条件で焼成し焼成体を得た。

【００３５】そして、得られた丸棒を旋盤に取り付け回
転させながら超硬製のナイフ状の刃で半径方向に突切り
ながら丸棒を切断（スライス）して厚さ０．５ｍｍの薄
い円盤状の材料を得た後、実施例１と同様の抜き型とプ
レスで、摩擦材５を得るためにリング状に打抜いて接着
し、実施例１と同様に摩擦材５の凸部５ａを削り出し
た。その摩擦材５を設けた振動波モータで同条件で評価
した。１０台の振動波モータの１００時間当りの摩擦材
５の摩耗量は２２〜３５μｍ／１００Ｈであった。

【００３６】上記の実施例１と比較例１について説明す
る。実施例１と比較例１の摩耗量の相違は、前述のよう
にフッ素樹脂複合材に含まれる炭素繊維の配向が摩耗面
に対して異なることに起因していると思われる。実際、
評価中に時間を追って摩擦面の炭素繊維の挙動を顕微鏡
で調べたところ、実施例１では炭素繊維は摩擦面に対し
てほぼ大体半数程度垂直に配向しており、摩擦による炭
素繊維抜けや移動は極少数の欠けたり、長さの短いもの
に限られるのに対し、比較例１では炭素繊維は摩擦面に
対してほぼ大体半数程度が摩擦面と平行であり、比較的
長い数１０μｍ〜１００μｍ程度の炭素繊維も接触体
（ロータ）の移動方向に押し流されるように移動してお
り、ひどいものは炭素繊維が完全に抜け落ちていること
も確認できた。両者とも成形、焼成は同条件であり、比
重も同じ２．０程度であることから、材料のち密度は同
じであり炭素繊維の移動は炭素繊維の配向性によること
は明らかと思われる。

【００３７】ここでより詳しく炭素繊維の配向性の生じ
る理由について図３および図４を用いて説明する。図３
において、フッ素樹脂粉末に炭素繊維を混合した混合粉
末３３を円筒形状の金型３４内に入れ、２つのパンチ３
５ａ、３５ｂで上下（両軸）（単軸プレスでも良いが成
形体を均一密度により近づけるため）から加圧し圧縮成
形を行う。（図３（ａ）参照）ここで金型３４には芯金
３６が設けられている。加圧して得られた成形体３７は
中空円筒形状となる。（図３（ｂ）参照）

【００３８】通常、フッ素樹脂粉末はかさ密度が低いの
で、圧縮成形により得られた成形体３７の高さｂは金型
に充填した混合粉の高さａに比べて１／３〜１／５にな
ってしまう。つまり圧縮過程において、フッ素樹脂粉末
が徐々に軸方向に大きく圧縮される過程において、炭素
繊維も移動と回転を行いつつ、最終的に圧縮されるまで
に位置的により安定な状態、すなわちプレスの圧縮方向
に対し垂直な向きに並ぶ。

【００３９】図４は成形体３７を焼成した焼成体３０を
示す概略図である。図３（ｂ）の成形体３７を焼成した
焼成体３０の内部のある面３８においては炭素繊維３９
のほとんどが面３８と平行、つまり寝た様な状態にある
ことになる（ただし繊維の軸方向の向きはランダムであ
る）。そして、焼成体３０の外周面を切削しシート３２
を削り出すと、炭素繊維３９の一本一本の軸方向は丁度
シート３２の厚さ方向Ｘと平行な関係にあるものが、理
論上は約半数（厳密にはシート３２の厚さ方向に対し±
４５ の範囲に入るものが半数近くあると言える）ある
ことになる。（図４（ａ）参照）こうして作成したシー
ト３２から図５のように摩擦材５を打抜き加工により取
り出す。（図４（ｂ）参照）

【００４０】この結果、摩擦材５には、最終的に摩擦材
５の摩擦面（シート３２の表面に平行）に対して、ほぼ
垂直方向に配列した炭素繊維３９がほぼ半数存在（配向
性を有する）ことになる。実際上は、炭素繊維はプレス
の圧縮方向に対し垂直な面に角度を有しているものも多
少存在すると思われるが、摩擦材５の摩擦面に対し見た
目では炭素繊維は立ったように見えるものが７〜８割程
度みられる。

【００４１】実施例２ 実施例１とは炭素繊維の平均長さだけを２０μｍ、５０
μｍ、１８０μｍ、３５０μｍ、４５０μｍと支えて実
施例１と同条件で摩擦材５を作り、振動波モータで同様
に評価したところ、図５の炭素繊維の長さと摩擦量の関
係を示すようになった。

【００４２】炭素繊維の長さ４５０μｍではフッ素樹脂
部に空隙の多い摩擦材となってしまった。これは炭素繊
維が長いためフッ素樹脂粉末と炭素繊維との混合がうま
くいかず、炭素繊維が均一分散できないためであり、そ
の比重は１．６であった。ただし、フッ素樹脂粉末と炭
素繊維との混合物の理論比重は２．０７（後述）であ
る。

【００４３】一方、炭素繊維の長さ３５０μｍ、長さ１
８０μｍでは摩擦材５の摩耗も実施例１と比べやや劣っ
た結果を示しているが、ほぼ良好で比重は１．９であっ
た。

【００４４】この結果から耐摩耗性を良くするためには
炭素繊維の長さを余り長くすることは適当でない。逆に
比重は２．０ではあるが、長さ２０μｍの炭素繊維では
抜け易いことから摩耗量は多く、同じく比重２．０では
あるがまた長さ５０μｍの炭素繊維の抜けが起こり易く
なることから摩耗量は多少多くなった。以上の結果から
見て適当な長さは５０μｍ〜３５０μｍ程度が好まし
い。

【００４５】なお、この例では繊維の太さは１３μｍで
あるが、太さは数μｍ〜２０μｍ程度であってもこの結
果とのちがいはないことを確認した。

【００４６】実施例３ 実施例１において、金型充填後の圧力だけを変え、その
他の条件は同一にして、シート材から摩擦材を作り評価
を行った。圧縮成形時の圧力を変えることでフッ素樹脂
複合材の比重を変えることができ、図６にその比重と評
価による摩擦材の摩耗量の関係を示した。

【００４７】この関係からわかるように理論比重に対し
８０％以下であると摩耗量は多く摩擦材として適当でな
いと思われる。また、この結果から前述の炭素繊維の配
向性だけでなく、摩擦材の耐摩耗性は比重とも関係があ
り炭素繊維がフッ素樹脂にいかに緻密に取り囲まれてい
て炭素繊維が抜けにくいかによることを示しているもの
と思われる。

【００４８】なお、理論比重の計算は以下のように行っ
た。フッ素樹脂粉末の真比重（２．１８）、炭素繊維の
真比重（１．６４）で、混合比は８０：２０であるか
ら、理論比重＝（２．１８×８０＋１．６４×２０）／
１００＝２．０７［ｇ／ｃｍ³］となる。

【００４９】以上の例では、繊維材料として炭素繊維の
例を示したが、その他の繊維状の材料、例えば高分子材
料ではケブラー繊維、無機材料ではアルミナ繊維などで
も配向性に関して同様の効果がみられるが、最も摩耗量
の少なく摩擦係数も安定していて振動波モータにとって
良好なのは炭素繊維である。

【００５０】さらに、実施例ではフッ素樹脂粉末と炭素
繊維を混合したフッ素樹脂複合材について述べたが、さ
らに他の粉末を添加しても良い。例えば入手がし易くて
耐摩耗性の向上が期待できる高耐熱性を有するポリイミ
ド粉末や真空中や高温度下でも潤滑性を有する硫化モリ
ブデン粉末なども摩耗材料としての性質を良好にするこ
とが可能である。

【００５１】また、本発明において、フッ素樹脂粉末と
繊維状の材料の配合割合は、フッ素樹脂粉末は６０〜９
８重量％、好ましくは７０〜９５重量％であり、繊維状
の材料は２〜４０重量％、好ましくは５〜３０重量％の
範囲が好ましい。この範囲において、実施例１の評価条
件において摩耗量は２０μｍ以下になったので好まし
い。

【００５２】また本発明は、上記の摩擦材を設けた振動
波モータを駆動源として図７のように各種の機器に用い
ることができる。

【００５３】また、図７は、図１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。２３は大歯車２３
ａと小歯車２３ｂを有するギアで、大歯車２３ａが振動
波モータ側のギア２０と噛合している。２４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２４
ａにギア２３の小歯車２３ｂが噛合し、モータの駆動力
により回転する。一方、ギア２３にはエンコーダスリッ
ト板２５が取り付けられ、ギア２３の回転をフォトカッ
プラー２６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。

【００５４】機器の具体例としてはカメラなどの光学機
器、プリンター、複写機等の事務機器、パワーウインド
ー、アクティブサスペンション等の自動車関連機器が挙
げられる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればフ
ッ素樹脂を主成分とし、繊維状の材料を圧縮成形し成形
体とし、焼成して焼成体とした理論比重の８０％以上の
比重を有するフッ素樹脂複合材を円筒状または柱状の外
周部から切削加工によりシート状に削り出して振動波モ
ータの摩擦材として用いることにより、耐摩耗性の優れ
た摩擦材を非常に安価にそして大量に得ることができ
る。

【００５６】さらに、本発明によれば各種の繊維状の材
料や他の添加物などをかなり自由に選ぶことが可能であ
り、多種多様の用途に用いられる振動波モータに適した
摩擦材が容易に製造できる特色を有して、振動波モータ
の実用化や用途開発にとって有益な製造方法である。

【００５７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動波モータの実施形態を示す断面図
である。

【図２】本発明の摩擦材の製造方法を示す説明図であ
る。

【図３】本発明におけるフッ素樹脂と繊維状材料を圧縮
成形する方法を示す説明図である。

【図４】本発明における繊維状材料の配向性の生ずる原
理を示す説明図である。

【図５】本発明による炭素繊維の長さと摩耗量の関係を
示す図である。

【図６】本発明による比重と摩耗量の関係を示す図であ
る。

【図７】本発明の振動波モータの応用例としての機器を
示す概略図である。

【符号の説明】

１ 振動体 ３ 金属弾性体 ５ 摩擦材 ３０ 焼成体 ３１ 切削刃 ３２ シート ３３ 混合粉末 ３４ 円筒形状の金型 ３５ａ、３５ｂ パンチ ３６ 芯金 ３７ 成形体 ３８ 面 ３９ 炭素繊維

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−327183（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−146176（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−23687（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−209236（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−195391（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00 B29D 31/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動波モータの振動を形成する振動体
   と、該振動体に加圧されて接触し前記振動によって前記
   振動体と相対移動する接触体との摩擦接触面に用いる摩
   擦材の製造方法において、フッ素樹脂粉末と繊維状の材
   料を圧縮成形して得られたフッ素樹脂を主成分とする成
   形体を焼成してフッ素樹脂複合材を生成した後、切削加
   工により前記フッ素樹脂複合材を外周部からシート状に
   削り出して成形することを特徴とする摩擦材の製造方
   法。
2. 【請求項２】 前記フッ素樹脂複合材の比重が理論比
   重の８０％以上となるように前記圧縮成形を行うことを
   特徴とする請求項１に記載の摩擦材の製造方法。
3. 【請求項３】 前記フッ素樹脂複合材が円筒状または
   柱状であり、その外周部を切削加工によりシート状に削
   り出すことを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦
   材の製造方法。
4. 【請求項４】 前記繊維状の材料は長さが５０μｍ〜
   ３５０μｍの炭素繊維であることを特徴とする請求項１
   から３のいずれかの項に記載の摩擦材の製造方法。
5. 【請求項５】 前記シート状に削り出して成形した摩
   擦材に含有されている繊維状の材料が、摩擦接触面に対
   しておよそ垂直に配向している請求項１から４のいずれ
   かの項に記載の摩擦材の製造方法。