(57)【要約】【課題】振動モータの摩擦材として、耐摩耗性が良くて摩擦係数が高く、かつ安定した摩擦材を提供する。【解決手段】振動を発生する振動体と、振動体に接触する接触体とが相対移動する振動モータにおける振動体及び接触体のうち少なくとも一方の摩擦接触部分に設けられる振動モータ用摩擦材であって、振動モータ用摩擦材の少なくとも相手材との接触面に、酸化鉄とクロム酸化物を含む酸化皮膜を形成した。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動を発生する振動体と、前記振動体に接触する接触体とが相対移動する振動モータにおける前記振動体及び前記接触体のうち少なくとも一方の摩擦接触部分に設けられる振動モータ用摩擦材であって、
前記振動モータ用摩擦材の少なくとも相手材との接触面に、酸化鉄とクロム酸化物を含む酸化皮膜を形成したことを特徴とする振動モータ用摩擦材。
【請求項２】
摩擦材本体が、鉄又は鉄合金で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動モータ用摩擦材。
【請求項３】
前記鉄合金は、マルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項２に記載の振動モータ用摩擦材。
【請求項４】
前記摩擦材の少なくとも相手材との接触面の算術平均粗さを、０．０３μｍ以下としたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動モータ用摩擦材。
【請求項５】
振動を発生する振動体と、前記振動体に接触する接触体が相対移動する振動モータにおける前記振動体及び前記接触体のうち少なくとも一方の摩擦接触部分に設けられる振動モータ用摩擦材であって、
前記摩擦材の相手材との接触面は、固定砥粒によるラップ又は固定砥粒による研削により加工されていることを特徴とする振動モータ用摩擦材。
【請求項６】
振動を発生する振動体と、前記振動体に接触する接触体が相対移動する振動モータにおける前記振動体及び前記接触体の少なくとも一方の摩擦接触部分に設けられる振動モータ用摩擦材の製造方法であって、
前記摩擦材の少なくとも相手材との接触面に、酸化鉄とクロム酸化物を含む酸化皮膜を形成し、４００℃以上で１１００℃以下の大気中にさらす高温酸化法にて振動モータ用摩擦材を形成することを特徴とする振動モータ用摩擦材の製造方法。
【請求項７】
振動を発生する振動体と、前記振動体に接触する接触体が相対移動する振動モータにおける前記振動体及び前記接触体のうち少なくとも一方の摩擦接触部分に設けられる摩擦材の製造方法であって、
前記摩擦材の少なくとも相手材との接触面に、酸化鉄とクロム酸化物を含む酸化皮膜を形成し、前記振動モータを駆動することにより振動モータ用摩擦材を形成することを特徴とする振動モータ用摩擦材の製造方法。
【請求項８】
請求項１から４のいずれかに記載の振動モータ用摩擦材を有することを特徴とする振動モータ。
【請求項９】
請求項８に記載の振動モータを有することを特徴とする電気機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動モータに係り、特にその摩擦材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に超音波モータ等の振動モータは、振動体の表面粒子に円又は楕円運動を励起せしめ、これに加圧接触した接触体と、振動体とを摩擦駆動により相対移動するものである。従って、振動体及び接触体の加圧接触部に摩擦係数の大きなものを摩擦材として設ける方が効率よく振動モータの出力を取り出す為に望ましく、また摩擦材の摩耗がそのままモータの耐久寿命につながる為、摩耗の少ない材料が望ましい。その為、従来から摩擦材として種々の有機材料、無機材料及び金属材料が提案されてきた。
【０００３】
中でも金属材料は、低コストで加工性が良く、かつ有機材料に比較して起動性が良い事で知られている。具体的には、特開平８−２７５５５７号公報により、上記の特性に加えて、さらに耐摩耗性を向上させ、経時変化を少なくする為に、摩擦材として鉄合金を用い、かつ接触部分に予め酸化皮膜を形成したものが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、酸化皮膜について特定がなく、酸化皮膜の種類によっては、耐摩耗性が悪化したり、摩擦係数が小さい事により効率が低いなどの問題があった。
【０００５】
同時に、接触部に酸化皮膜を形成する方法として、酸化溶液に侵漬する手段と熱処理による手段が挙げられているが、前者については、安定した酸化皮膜が得られず、かつコストが高いという問題があった。後者には、熱処理の条件が不明確であるという問題があった。また、接触部に酸化皮膜を形成した場合であっても、接触部の状態によって耐摩耗性が大きく変化するという問題があった。
【０００６】
本発明は、この様な従来技術の問題点を解決する為になされたものであり、長寿命で効率が高く、安定した動作をなし、起動性の良い振動モータを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成する為、本発明は、請求項１に記載の様に振動を発生する振動体と振動体に接触する接触体とが相対移動する振動モータにおける振動体及び接触体のうち少なくとも一方の摩擦接触部分に設けられる振動モータ用摩擦材であり、振動モータ用摩擦材の少なくとも相手材との接触面に、酸化鉄とクロム酸化物を含む酸化皮膜を形成した事を特徴とする。
【０００８】
この発明では、振動モータ用摩擦材の接触面に形成される酸化皮膜には酸化鉄が含まれている為、耐摩耗性が向上し、かつ他の鉄酸化物と比較して摩擦係数が高くなる。
【０００９】
しかも、酸化皮膜に、クロム酸化物が含まれている為、耐酸化性が向上し、安定した酸化皮膜が得られる。従って、効率が高く、長寿命で安定した振動モータ用摩擦材および振動モータが得られる。
【００１０】
本願請求項２に記載の発明は、摩擦材本体が、鉄又は鉄合金で構成されていることを特徴とする。本発明では、前述の作用効果に加え、摩擦材本体が鉄又は鉄合金である為、相手材との接触面に酸化鉄を含む酸化皮膜を形成する場合に、鉄を外部から入れる必要がなく、熱処理等により容易に酸化鉄を含む酸化皮膜が得られる。
【００１１】
本願請求項３に記載の発明は、鉄合金が、マルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする。本発明では、鉄合金がマルテンサイト系ステンレス鋼である為、相手材との接触面に酸化鉄とクロム酸化物を含む酸化皮膜を形成する場合に、鉄やクロムを外部から入れる必要がなく、熱処理等により容易に、かつ短時間で酸化皮膜が得られる。しかも、マルテンサイト系ステンレス鋼は、高温での機械強度が、他の一般的な鉄合金と比較して強い為、振動モータを駆動する際に発生する摩擦熱により機械強度が下がる程度が小さい。従って摩擦材の耐摩耗性がさらに向上し、長寿命の振動モータが得られる。
【００１２】
本願請求項４に記載の発明は、摩擦材の少なくとも相手材との接触面の算術平均粗さを、０．０３μｍ以下としたことを特徴とする。本発明では、前述の作用効果に加え、摩擦材の相手材との接触面の算術平均粗さＲａが、０．０３μｍ以下である為、振動モータ駆動の初期の時点で、振動体と接触体の接触部分に多量の摩耗粉が発生する事が無く、それにより、急激な初期摩耗が発生する事がない。従って、より安定な駆動をなす振動モータが得られる。
【００１３】
本願請求項５に記載の発明は、振動を発生する振動体と、振動体に接触する接触体が相対移動する振動モータにおける振動体及び接触体のうち少なくとも一方の摩擦接触部分に設けられる振動モータ用摩擦材であって、摩擦材の相手材との接触面は、固定砥粒によるラップ又は固定砥粒による研削により加工されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明では、摩擦材の相手材との接触面の算術平均粗さＲａを０．０３μｍ以下に加工する方法として、固定砥粒によるラップ又は固定砥粒による研削を実施した為、遊離砥粒によるラップや切削等の加工による場合よりも、加工面に微小なバリが発生しにくい。従って、振動モータ駆動の初期の時点に発生する耐摩耗性に有害な摩耗粉の発生がさらにおさえられて、急激な初期摩耗の発生する確率がさらに低下する。従ってさらに安定な駆動をなす振動モータが得られる。
【００１５】
本願請求項６に記載の発明は、振動を発生する振動体と、振動体に接触する接触体が相対移動する振動モータにおける振動体及び接触体の少なくとも一方の摩擦接触部分に設けられる振動モータ用摩擦材の製造方法であって、摩擦材の少なくとも相手材との接触面に、酸化鉄とクロム酸化物を含む酸化皮膜を形成し、４００℃以上で１１００℃以下の大気中にさらす高温酸化法にて振動モータ用摩擦材を形成することを特徴とする。
【００１６】
本発明では、摩擦材の相手材との接触面に形成された酸化皮膜は、摩擦材を４００℃以上で１１００℃以下の大気中にさらす高温酸化法にて形成される為、従来例の様に摩擦材を水蒸気中で熱処理したり、酸化性を有する溶液に濡らす手段を用いるよりも、確実に酸化皮膜が形成され、かつ工程やコストの低減を図る事が出来る。
【００１７】
本願請求項７に記載の発明は、振動を発生する振動体と、振動体に接触する接触体が相対移動する振動モータにおける振動体及び接触体のうち少なくとも一方の摩擦接触部分に設けられる摩擦材の製造方法であって、摩擦材の少なくとも相手材との接触面に、酸化鉄とクロム酸化物を含む酸化皮膜を形成し、振動モータを駆動することにより振動モータ用摩擦材を形成することを特徴とする。
【００１８】
本発明では、酸化皮膜は振動モータを駆動する事により形成される為、さらに工程やコストの低減を図る事が出来る。
【００１９】
なお、上述した摩擦材を備えた振動モータは、電気機器に用いることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）
図１は、本実施例による摩擦材料を用いた振動モータとしての超音波モータの断面図である。
【００２１】
１ａは振動体１に結合された接触部としての摩擦材である。２ａは接触体としての移動体２に結合された接触部としての摩擦材である。本実施例では、これらの摩擦材は母材が黄銅又はアルミ合金のものは切削加工で、鉄合金のものはプレス加工により作製したが、摩擦材１ａの場合はエッチング加工でも良い。摩擦材２ａの場合はパイプを切断して作製しても良い。
【００２２】
又、これら摩擦材の振動体及び移動体への結合方法は本実施例では圧入で行ったが、接着でも溶着でも良い。
【００２３】
なお、この超音波モータの駆動原理等詳細は、特開平３−１１７３８４号公報に記載されているので、ここでは説明を省略する。なお、実施例での３は電気−機械エネルギー変換素子であり、交番電圧を受けて振動体１に進行波振動を発生させる。
【００２４】
４は移動体２を振動体１に圧接するためのコイルスプリングである。なお、実施例では振動体１を固定して移動体２を回転させたが、接触体２を固定して振動体１を回転させてもよい。５は被駆動部材の出力ギヤであり、出力ギヤ５を含めるとシステムになる。本実施例では、超音波モータを使用し、摩擦材料を変えて、摩擦材料の組み合わせをいくつか設定した。
【００２５】
使用した材料の一覧は図３に示した。又、それらを組み合わせて摩耗量を調べた結果が図４，５である。
【００２６】
図４は面圧が低い条件で、モータの駆動トルクが０．０１Ｎ・ｍ程度発生するように面圧を調整して調べた結果である。図５はより超音波モータの特長を発揮するように、図４で判定△以上の条件に対して面圧を３倍にして、起動トルクで約０．０３Ｎ・ｍ発生するようにした上で、摩耗量を調べた結果である。
【００２７】
図２は摩擦部の部分拡大図である。振動体側の摩擦材１ａと、移動体側の摩擦材２ａは２ａの幅（０．１ｍｍ）で接している。又、摩擦面の中心直径は８．６ｍｍであり、接触面積は２．７ｍｍ＾２になる。一方、移動体側の摩擦材２ａはコイルスプリング４により振動体側摩擦材１ａに圧接しており、この力は前述した調整の結果、図４の条件で４〜６Ｎ、図５の条件で１８Ｎである。
【００２８】
従って面圧は１．５〜２．２Ｎ／ｍｍ＾２及び６．７Ｎ／ｍｍ＾２となっている。
【００２９】
又、本実施例では、振動体１と摩擦材１ａを別部材としたが一体化する事も可能である。さらに移動体２と摩擦材２ａについても一体化が可能である。尚、本実施例では、回転速度は、０．２４ｍ／ｓで一定とし、無負荷にて実験を行った。
【００３０】
ここで、図３の「ラップ方法」は、遊離砥粒とある条件では、ケメット社製ラッピングマシンを使用し、摩擦材１ａ又は摩擦材２ａの互いの接触面を、加圧０．０２Ｎ／ｍｍ＾２にてラッピングマシンのラップ台に押圧し、粒径３μｍの研磨用ダイアを噴霧してラップした事を示す。これに対して固定砥粒とある条件では、前述した遊離砥粒によるラップを実施した後に、固定砥粒である３μｍ（試料Ｎｏ．１１）又は０．５μｍ（それ以外の試料）のペーパーラップを用いてハンドラップを実施した事を示す。
【００３１】
又、図３の「Ｒａ」は、前述したラップを実施した後に、摩擦材１ａ又は摩擦材２ａの互いの接触面の算術平均粗さＲａを表面形状測定器にて測定した値を表示したものである。図３の「酸化皮膜の有無」は、試験を実施する前に、摩擦材１ａ又は摩擦材２ａの少なくとも互いの接触面に予め酸化皮膜を形成したか否かを示すものであり、鉄系の摩擦材の一部に予め皮膜が形成されている。
【００３２】
図３の「膜付け温度」は、前述した「酸化皮膜の有無」で酸化皮膜を形成した場合に、酸化皮膜を形成する手段として、高温大気中に放置した時の温度を示している（但し、試料Ｎｏ．１０と１４のみ例外で超音波モータを駆動する事により皮膜を形成した）。
【００３３】
手順としては、摩擦材１ａ又は摩擦材２ａの互いの接触面に前述したラップを実施した後、通常のヒーターに入れて所定の温度まで加熱し、１時間放置した。その後ヒーターから取り出した所、全ての条件の摩擦接触面に青色〜赤色の皮膜が認められた。
【００３４】
この皮膜をＸ線光電子分光法にて分析した所、Ｆｅ２Ｏ３及びクロム酸化物が検出された。従ってこれらの酸化皮膜を有する条件では、摩擦材１ａと摩擦材２ａは、互いに酸化皮膜を介して接触している事になる。
【００３５】
又、試料Ｎｏ．１０と１４は、正規の耐久試験にかける前に、圧接力３Ｎにて２４Ｈｒほど慣らし駆動を実施した。実施後、摩擦材１ａと摩擦材２ａの互いの接触面を観察した所、やはり青色の皮膜が認められた。これを、同様にＸ線光電子分光法にて分析した所、同様にＦｅ２Ｏ３及びクロム酸化物が検出された。
【００３６】
これは、慣らし駆動による摩擦熱により、接触面が熱せられ、皮膜が形成されたと考えられる。
【００３７】
図４、５、６の摩耗量は、摩擦材同士の相対移動距離５０ｋｍ当りの摩耗深さ（振動体側）及び摩耗高さ（移動体側）として示してあるが、５ｋｍの時点で全条件の摩耗量を測定しており、この時点で摩耗が進んでいて、このまま正比例で摩耗が進行すれば５０ｋｍの寿命はないと判断された条件では５０ｋｍ当りの摩耗量は、５ｋｍ時点での摩耗量を１０倍して表示した。
【００３８】
図４，５の判定は、アルマイト膜厚やニッケルリン膜圧に相当する３０μｍを基準とし、摩擦材１ａと摩擦材２ａのいずれか大きい方の摩耗量が、３０μｍ〜５μｍの範囲にあるものを「△」とし、５μｍ〜１μｍの範囲にあるものを「○」、１μｍ未満を「◎」、そして３０μｍ以上を「×」とした。
【００３９】
次に実験の結果について述べる。図４のＬ１，Ｌ４等と図５のＨ２，Ｈ８の様に、鉄系材質中でもマルテンサイト系ステンレス鋼同士の組合せの場合に、良好な結果が得られた。
【００４０】
これとは逆にＬ１０，Ｌ１６，Ｌ１７など、両方あるいは一方の摩擦材に鉄系以外の材質が用いられている場合には、図４の面圧が低い条件であっても判定は全て「×」であった。
【００４１】
ところで、実施例後に各条件の振動体と移動体の接触部分を観察すると、初期に酸化皮膜を形成していないＬ１やＬ１１を含めた判定△以上の鉄系摩擦材の接触部分全てに青色〜赤色をした酸化皮膜が確認された。これは鉄系摩擦材で接触部分がマイルドで良好な摩耗形態を示す為には、酸化皮膜が必要である事を示している。
【００４２】
この酸化皮膜を前述した方法により分析した所、やはりＦｅ２Ｏ３及びクロム酸化物が検出された。一般に酸化物の生成は、その種類によらず摩耗を抑制する働きが有るとされている。又、本実験で形成された酸化皮膜中の鉄酸化物が摩擦係数μ≒０．７程度のＦｅ２Ｏ３であり、μ≒０．２〜０．３程度のＦｅ３Ｏ４やＦｅＯではない事も振動モータ用摩擦材として好適である。
【００４３】
さらに、面圧が低い実験結果の図４で見ると、Ｌ４とＬ１１は、条件項目のうち材質、Ｒａ、ラップ方法が共通であり、摩擦材１ａ及び２ａの接触面の「酸化皮膜の有無」のみが異なるが判定は共に「◎」である。
【００４４】
これに対して、面圧が高い実験結果の図５で見ると、前述の各条件と対応するのはＨ２とＨ５であるが、こちらの場合は、初期の両方の接触面に酸化皮膜を形成したＨ２のみが「◎」であり、形成しないＨ５は「×」の判定になっている。この事は、初期の接触面に酸化皮膜を形成しない場合は、面圧の低い実験では駆動中に酸化皮膜を形成し、マイルドで良好な摩耗となるのに対し、面圧の高い実験では、酸化皮膜が形成出来ずシビア摩耗となる事を示している。
【００４５】
同時に、振動体側か、移動体側のいずれか一方にのみ初期に酸化皮膜を形成したＨ１とＨ６は共に判定が「△」となっており、両方に酸化皮膜が形成された場合より摩耗が激しい事を示している。この事は、モータ駆動により初期の両方の接触面に、酸化皮膜を形成したＨ８の判定が「◎」である事でも分かる。
【００４６】
又、Ｌ３，Ｌ４及びＨ２，Ｈ９の結果より、鉄系材質でＲａが０．０３０μｍを超える場合は、耐摩耗性が劣化する事が分かる。
【００４７】
Ｌ３とＬ１５を比較すると振動体側摩擦材のＲａの値は、０．０３８μｍで同一であるが、ラップ方法のみが異なっており、固定砥粒によるラップの方が遊離砥粒によるそれよりも耐久性が有利である事を示している。この原因調査の為、固定砥粒と遊離砥粒による摩擦材のラップ面を電子顕微鏡により観察した所、固定砥粒の場合はラップ面は比較的滑らかであったが、遊離砥粒の場合は、微小なバリが無数に存在していた。
【００４８】
このバリが特に摩耗の初期の段階で摩耗粉となり、接触面での酸化皮膜の形成を妨げ、耐摩耗性が劣るものと考えられる。
【００４９】
又、Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ９及びＨ４，Ｈ６，Ｈ９の結果を見ると、膜付け温度は３００℃より高く、１２００℃より低い範囲が耐摩耗性が良好そうであるが、これをさらに明確にする為に実施した実験の結果を図６に示す。尚、この実験では、振動体と移動体の圧接力（１８Ｎ）などの実験条件と判定方法は図５の場合と同一とし、摩擦材１ａと２ａのＪＩＳ規格は、摩擦材１ａが４４０Ｃ、２ａが４２０Ｊ２、ラップ方法は、「固定砥粒」、Ｒａは０．０１５μｍ〜０．０１７μｍで一定として、摩擦材の膜付け温度を１ａ，２ａ同一温度で３００℃〜１２００℃の間で変化させ、膜付け時間は１時間として実験した。
【００５０】
結果は図６に示す様に、膜付け温度が４００℃〜１１００℃の範囲で耐摩耗性向上に効果の有る結果となっている。
【００５１】
これ以外の範囲で効果のない理由は、膜付け温度４００℃未満では、形成される酸化皮膜の膜厚が薄い為、駆動時に酸化皮膜が破れてしまい、耐久性の向上につながらない為である。又、１１００℃を超える膜付け温度で耐久性が下がるのは、固定砥粒によるラップによって摩擦材の接触面のＲａが０．０１５μｍ〜０．０１７μｍの値になった後に、１１００℃を超える温度に放置し酸化皮膜を形成する段階で、酸化が進み過ぎて面が錆状にあれてしまう為である。
【００５２】
膜付け温度１１５０℃で１時間放置した後のサンプル（条件Ｔ９）の摩擦接触面を測定した所、Ｒａは０．０５μｍ程度に大きくなっていた。
【００５３】
（第２実施例）
図７の第２実施例はリング状の振動モータとしてのリング状超音波モータに上述した実施例の摩擦材を用いた例である。その駆動原理の詳細は特開昭５９−２０１６８５号公報などによりすでに公知である。
【００５４】
なお、実施例において、１１は振動体であり、多数の突起が形成されていて、その突起の先端、すなわち接触部は上述した摩擦材１ａと同じ材質の摩擦材１１ａが固着されている。１２は接触体としての移動体であり、接触部は上述した摩擦材２ａと同じ材質の摩擦材１２ａが固着されている。
【００５５】
１３は振動体１１に固着された電気−機械エネルギー変換素子であり、交番電圧を受けて振動体１１の突起部に進行性振動波を発生させる。無論、第２実施例においても、振動体１１を固定すれば接触体１２が回転し、接触体１２を固定すれば振動体１１が回転することになる。
【００５６】
リング状超音波モータを用いて、第１の実施例と同等の実験を行った所、やはり第１の実施例と略同等の結果を得た。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、振動モータの振動体又は接触体の少なくとも一方の摩擦接触部分に設けられる摩擦材は、少なくとも相手材との接触面にはあらかじめ酸化鉄とクロム酸化物を含む酸化皮膜が形成されている為、耐摩耗性が良くて、摩擦係数が高く、かつ耐酸化性が強い。従って長寿命で効率が良くかつ安定した振動モータが得られる。
【００５８】
又、摩擦材本体をマルテンサイト系ステンレス鋼とすれば、熱処理等により、容易にかつ短時間で酸化皮膜が得られる。摩擦材の相手材との接触面のＲａを０．０３μｍ以下とし、さらに加工法を、固定砥粒によるラップ又は固定砥粒による研削とする事により、摩擦材の耐摩耗性をさらに向上させる事が出来る。
【００５９】
又、摩擦材の酸化皮膜を４００℃以上１１００℃以下の大気中にさらす高温酸化法にて形成する事により、確実にかつ低コストにて、酸化皮膜を得る事が出来る。摩擦材の酸化皮膜を振動モータを駆動する方法により形成する事により、さらにコストの低減を図る事が出来る。
【００６０】
本発明によれば、上記の摩擦材が設けられた、耐久寿命と効率が良くて、かつ安定性が優れた振動モータを用いた電気機器を提供する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に用いた超音波モータの断面図。
【図２】摩擦材近傍の拡大図。
【図３】本実施例に用いた摩擦材料の一覧を示す図。
【図４】軽圧接力条件下での各摩擦材の摩耗量と判定を示す図。
【図５】重圧接力条件下での各摩擦材の摩耗量と判定を示す図。
【図６】各膜付け温度条件下での摩擦材の摩耗量と判定を示す図。
【図７】第２実施例で用いたリング状超音波モータの説明図（ａ〜ｃ）。
【符号の説明】
１　振動体
１ａ　振動体側摩擦材
２　移動体
２ａ　移動体側摩擦材
３　電気−機械エネルギー変換素子
４　コイルスプリング
５　被駆動物の出力ギヤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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