(57)【要約】【課題】耐久寿命が長く、安定した動作をなし、比較的低コストな振動モータ用摩擦材及び機器を提供する。【解決手段】振動を発生する振動体と、この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いて、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、この振動モータ用摩擦材は少なくともその摩擦接触面に耐熱性の表面層を有し、かつこの振動モータ用摩擦材の母材はビッカース硬度で５００Ｈｖ以上の硬度の金属もしくは無機材料である構成となっている。【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、該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いて、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、
該振動モータ用摩擦材は少なくともその摩擦接触面に耐熱性の表面層を有し、かつ該振動モータ用摩擦材の母材はビッカース硬度で５００Ｈｖ以上の硬度の金属もしくは無機材料であることを特徴とする振動モータ用摩擦材。
【請求項２】
前記耐熱性の表面層は、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮ、Ｎ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、Ｃ、およびＣｒのうち少なくとも１つを前記振動モータ用摩擦材の母材よりも多く含有す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】
該振動モータ用摩擦材の母材は、鉄合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の振動モータ用摩擦材。
【請求項４】
該振動モータ用摩擦材の摩擦接触面の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下である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】
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振動モータを駆動源として備えたことを特徴とする機器。
【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用摩擦材及び機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に振動モータは、振動体の表面粒子に円運動または楕円運動を励起せしめ、これに加圧接触した接触体と、該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とりだすために望ましい。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ため、摩耗の少ない材料が望ましい。
【０００３】
そのため、従来から振動モータ用摩擦材として種々の材料や複合材料が提案されてきた。中でもコストが比較的低くく、且つ耐摩耗性に優れたものとして、摩擦材の接触面に耐摩耗性を高めるための膜を形成した物が多数提案されている。例えば特開平２−２３０７５号公報においては、加圧接触する面に、酸化物、窒化物、炭化物または、それらの混合薄膜もしくは積層薄膜からなる硬化薄膜層を設け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、振動モータ用摩擦材の母材について、鉄やステンレスが例示されているのみで、その硬度等については何ら言及されていない。振動モータ用摩擦材の母材の硬度が低い場合、硬化薄膜層の耐摩耗性や硬度がいくら高くても摺動により母材が変形して硬化薄膜層が破壊されシビアな摩耗が発生する。この様なシビアな摩耗が発生した場合、振動モータの寿命が急激に短くなると同時に、発生した摩耗紛により、振動モータの安定した回転が得られない場合があった。同時に摩擦材の接触面の表面粗さが大きすぎる場合も、前述したようなシビアな摩耗が発生する場合があった。
【０００５】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたもので、耐久寿命が長く、安定した動作をなし、比較的低コストな振動モータ用摩擦材及び機器を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するため、本出願に係る振動モータの第１の解決手段は、請求項１に記載のように、振動を発生する振動体と、該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いて、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、該振動モータ用摩擦材は少なくともその摩擦接触面に耐熱性の表面層を有し、かつ該振動モータ用摩擦材の母材はビッカース硬度で５００Ｈｖ以上の硬度の金属もしくは無機材料であることを特徴とする振動モータ用摩擦材にある。
【０００７】
この解決手段では、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摩擦材は、少なくともその相手材との接触面（摩擦接触面）に耐熱性の表面層を有する。従って、振動モータを駆動した場合に摺動部に発生する摩擦熱により、摩擦材と相手材との間に焼きつき等が起こり難い。同時に、該摩擦材の母材の硬度がビッカース硬度で５００Ｈｖ以上であるため、摺動により母材が変形して前記耐熱性の表面層が破壊することが起こり難い。
【０００８】
ここで振動モータの場合、図６に示すように振動体と接触体は、それぞれの接触領域内で作用する摩擦力の方向が異なる。即ち、ＡとＣの部分で図に示す様に左側に摩擦力が作用するとするとＢの部分では右側に作用することになる。この様な場合、摩擦材の表面層に加えて、母材の硬度が高いことが表面層を破壊しないために特に重要であり、母材の硬度をビッカース硬度で５００Ｈｖ以上とすることにより耐摩耗性が高く、安定した振動モータ用摩擦材が得られる。同時に、長寿命で安定した振動モータが得られる。
【０００９】
本出願に係る第２の解決手段は、請求項２に記載のように前記耐熱性の表面層は、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮ、Ｎ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、Ｃ、およびＣｒのうち少なくとも１つを前記振動モータ用摩擦材の母材よりも多く含有す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にある。
【００１０】
この解決手段では、前記耐熱性の表面層は、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮ、Ｎ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、Ｃ、Ｃｒのうち少なくとも１つを母材より豊富に含むため、母材に他種の表面層を設けた場合より接触面の耐熱性がさらに高まり、さらに耐摩耗性が高く、安定した振動モータ用摩擦材が得られる。
【００１１】
本出願に係る第３の解決手段は、請求項３に記載のように該振動モータ用摩擦材の母材は、鉄合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の振動モータ用摩擦材にある。この解決手段では該振動モータ用摩擦材の母材は、鉄合金であるため、焼き入れ等を実施することにより、他種の金属または無機材料を用いた場合よりもさらに低コストで容易にＨｖ５００以上の振動モータ用摩擦材の母材を提供することが出来る。同時に第２の解決手段にて示した１４種類の耐熱性の表面層を比較的容易に母材の表面に形成することができる。
【００１２】
本出願に係る第４の解決手段は、請求項４に記載のように該振動モータ用摩擦材の摩擦接触面の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下である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にある。この解決手段では、該振動モータ用摩擦材の摩擦接触面の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下であるため、振動モータの駆動の初期に摺動面に発生する摩耗紛の量が少なく、それにより急激な初期摩耗が発生することがない。従って、より安定した振動モータ用摩擦材がえられる。
【００１３】
さらに、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振動モータを駆動源として備えたことを特徴とする機器を構成することも望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態による摩擦材を用いた振動モータの断面図である。１ａは振動体１に結合された摩擦材である。２ａは接触体としての移動体２に結合された摩擦材である。本実験では、これらの摩擦材は母材が黄銅また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も良い。また、これら摩擦材の振動体及び移動体への結合方法は本実験では接着で行ったが、圧入もしくは溶着によるものであっても良い。
【００１５】
なお、この振動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。実施形態での３は電気−機械エネルギー変換素子であり、不図示の駆動回路よ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。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り５は出力ギアである。本検討では前記振動モータを使用し、摩擦材を変えて、摩擦材の組み合わせをいくつか設定した。使用した材料の一覧及び、それらをモータに組んで耐久試験した後の摩耗量等を図３に示す。なお、図３の耐久試験では、モータの駆動トルクが０．０２Ｎ・ｍ程度発生するように面圧を調整したうえで調べている。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）で接しており、摩擦面の中心直径は８．６ｍｍであることから接触面積は２．７ｍｍ２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、この力は前述調整の結果６〜１０Ｎとなった。従って面圧は２．２〜３．７Ｎ／ｍｍ２となっている。また、本試験では、回転速度は０．２４ｍ／ｓで一定とし０．００５Ｎ・ｍの負荷にて試験を行った。なお、本実施形態では、振動体１と摩擦材１ａを別部材としたが両者を一体化することも可能であり、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。
【００１６】
ここで図３について説明する。図３の「表面層」と「母材」は摩擦材１ａの表面層と母材であり、摩擦材２ａには表面層は存在せず母材はＳＵＳ４４０Ｃに固定してある。次に「母材硬度」は、摩擦材１ａの断面部分のサンプルを作製し、ビッカース硬度計にて母材部の硬度を測定した値である。母材がマルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ４２０Ｊ２や合金工具鋼ＳＫＤ１１の場合は７００Ｈｖの硬度となっており、同じくマルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ４４０Ｃの場合は、焼き戻しの温度を真空中にて１５０℃と８００℃の２種類行うことにより、それぞれ７５０Ｈｖと３００Ｈｖの硬度とした。なお、摩擦材２ａの母材の硬度は７５０Ｈｖに固定した。
【００１７】
また、図３の「Ｒａ」は摩擦材１ａの移動体との接触面の算術平均粗さを表面形状測定器にて測定した値を示している。Ｒａが０．０１３〜０．０２３μｍの場合は、前記摺動面を粒径０．５μｍの固定砥粒のペーパーラップにてハンドラップすることにより加工した。Ｒａが０．０３９〜０．０４１μｍの場合は、前記摺動面を粒径７．０μｍの固定砥粒のペーパーラップにてハンドラップすることにより加工した。なお、摩擦材２ａの摺動面のＲａは０．０１５μｍ程度に固定してある。
【００１８】
次に、図３の「表面層加工方法」は、前記した摩擦材１ａの表面層を形成するための加工方法を示した。ここで高温酸化処理とある場合の手順は、摩擦材１ａ（試料Ｎｏ．１〜３、１６）の接触面に前述したラップを実施した後に、通常のヒータに入れて５００℃まで加熱し５時間放置した。その後ヒータから取り出した所、接触面に赤青色の皮膜が認められた。この皮膜をＸ線光電子分光法にて分析した所、母材がＳＵＳ４４０Ｃの場合はＦｅ２Ｏ３とＣｒ２Ｏ３が検出され、母材が４２０Ｊ２の場合はＦｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４とＣｒ２Ｏ３が検出された。従って、摺動面にそれぞれの表面層が形成されたことが確認された。次の窒化処理については、シアン酸ソーダを４０％含む混合塩を用い、塩浴中に摩擦材１ａ（試料Ｎｏ．４〜６）を浸漬して１時間処理し窒素を含む表面層を形成した。前述したラップはその後に実施した。これら以外の表面層についてもそれぞれ公知の方法（例えば機械設計第４４巻第５号参照）により加工し、その後にラップした。ここで、図３の摩耗量は、摩擦材同士の相対移動距離５０Ｋｍ当たりの摩耗深さ（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当たりの摩耗量は、５Ｋｍ時点での摩耗量を１０倍して表示した。また、図３の判定は、アルマイト膜厚やニッケル膜厚に相当する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１１μｍ〜３０μｍの範囲にあるものを△とし、４μｍ〜１０μｍの範囲にあるものを○、３μｍ以下を◎、そして３０μｍより大きいものを×とした。
【００１９】
次に、試験の結果について述べる。図３の試料Ｎｏ．１〜１５に示す様に表面層が、Ｆｅ２Ｏ３＋Ｃｒ２Ｏ３、Ｎ、Ｃｒ、ＴｉＮ、ＴｉＣの５種類の場合において、母材硬度とＲａの組み合わせのうち、母材硬度が７５０Ｈｖと硬く、Ｒａが０．０１５μｍ程度と滑らかな組み合わせであるＮｏ．１，４，７，１０，１３のみが摩耗量が少なく良好な結果となった。
【００２０】
これに対して、母材硬度が３００Ｈｖと軟らかいＮｏ．３，６，９，１２，１５の場合は激しい摩耗が生じた。後者のサンプルの摩擦材１ａの摺動面を顕微鏡にて観察した所、摩擦により表面層が全て破壊されているのが確認された。同時に表面層の下の母材に凹凸が発生し変形していることが確認された。これらは摩擦により母材が変形して表面層が破れ、それにより母材金属が直接相手材と接触することになって、激しい摩耗が発生したことを表していると考えられる。また、摺動面のＲａが０．０４μｍ程度と粗れているＮｏ．２，５，８，１１，１４の場合も激しい摩耗が生じた。この場合は、耐久試験の初期の段階で摺動面に多量の摩耗紛が発生し、相対移動距離５Ｋｍ〜１０Ｋｍの段階で全てモータが停止してしまった。
【００２１】
これは、摩擦材１ａの摺動面が粗れていることにより、摺動により初期の摩耗紛が多量に発生したためと考えられる。さらに、図３の試料Ｎｏ．１６〜２３では、図示した８種類の表面層に対して、母材硬度が７００Ｈｖ〜７５０Ｈｖと硬く、Ｒａが０．０１２μｍ〜０．０２３μｍと比較的滑らかな組み合わせを示したが、判定は、△〜○と比較的良好であった。図３には示していないが、試料Ｎｏ．１６〜２３と同一の表面層にて、母材硬度が３００Ｈｖと軟らかいサンプルと、Ｒａが０．０４０μｍ程度と粗いサンプルも作製し耐久試験を実施した。結果は全て相対移動距離５０Ｋｍ当たり１００μｍ以上の激しい摩耗となった。さらに試料Ｎｏ．１と同一の仕様にて、表面層を移動体側の摩擦材２ａの摺動面にのみ設けたサンプルの耐久試験を実施したが、判定はＮｏ．１と同じく◎であった。
【００２２】
最後に、図３の試料Ｎｏ．２４〜２６は比較例であり、Ｎｏ．２４により母材硬度が高くＲａが小さい場合であっても、表面層が無い場合は摩耗が激しいことがわかる。また、Ｎｏ．２５とＮｏ．２６により表面層の種類が請求の範囲と異なる場合や、母材硬度が低い場合は、やはり摩耗が激しいことがわかる。
（第２実施形態）
次に摩擦材の母材硬度と摺動面の算術平均粗さＲａが、良好な耐摩耗性を与える範囲を調べるために行った試験について図４及び図５に示す。図４は母材硬度について行った試験結果である。この試験では振動体と移動体の圧接力などの試験条件とサンプルの仕様は、母材硬度を除き図３の試料Ｎｏ．１、４、７、１０、１３と同一であり、それぞれ５種類の表面層が図４中の各グラフ線に対応している。なお、摩耗量は、振動体側と移動体側双方の平均値としている。
【００２３】
ここで摩擦材１ａの母材のＳＵＳ４４０Ｃに対して焼き戻し温度を真空中にて１５０℃〜８００℃にて振って行うことにより、それぞれ母材硬度７５０Ｈｖ〜３００Ｈｖのサンプルを６種類作製し前述した耐久試験を実施した。結果は図４に示す様に、母材硬度５００Ｈｖ以上で全ての場合に摩耗量３０μｍ以下の良好な結果が得られた。従って母材硬度５００Ｈｖ以上では、前述したモータ駆動時の母材の変形が起こらず耐摩耗性が大幅に向上することが確認された。
【００２４】
図５は摺動面のＲａについて行った試験結果である。この試験では振動体と移動体の圧接力などの試験条件とサンプルの仕様は、Ｒａを除き図３の試料Ｎｏ．２、５、８、１１、１４と同一であり、それぞれ５種類の表面層が図４中の各グラフ線に対応している。なお、摩耗量は、図４と同様に振動体側と移動体側双方の平均値としている。ここで摩擦材１ａの摺動面に０．５μｍ〜７．０μｍの固定砥粒で振ったハンドラップを行うことにより、それぞれＲａ０．０１５μｍ〜０．０４０μｍのサンプルを６種類作製し前述した耐久試験を実施した。結果は図５に示す様に、Ｒａ０．０３μｍ以下で全ての場合に摩耗量３０μｍ以下の良好な結果が得られた。従ってＲａ０．０３μｍ以下では、前述したモータ駆動時の初期摩耗紛の多量発生が起こらず耐摩耗性が大幅に向上することが確認された。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本願各発明によれば、振動モータの振動体または、接触体の少なくとも一方の摩擦接触面に設けられる振動モータ用摩擦材は、少なくとも相手材との接触面には予め耐熱性の表面層が存在し、かつ該振動モータ用摩擦材の母材はビッカース硬度で５００Ｈｖ以上の硬さを有する金属または、無機材料であるため、耐摩耗性が高く、安定した振動モータ用摩擦材が得られる。同時に、長寿命で安定した振動モータが得られる。
【００２６】
また、前記耐熱性の表面層は、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮ、Ｎ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、Ｃ、Ｃｒのうち少なくとも１つを振動モータ用摩擦材の母材よりも多く含有するため、さらに耐摩耗性が高く、安定した振動モータ用摩擦材が得られる。
【００２７】
また、振動モータ用摩擦材の母材は、鉄合金であるため、焼き入れ等を実施することにより、さらに低コストで容易にＨｖ５００以上の振動モータ用摩擦材の母材を提供することが出来る。また、振動モータ用摩擦材の接触面の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下であるため、より耐摩耗性が高く、安定した振動モータ用摩擦材がえられる。
【００２８】
また、本発明は、上記の摩擦材が設けられた耐久寿命が長く、低コストで安定性が優れた振動モータを用いた機器を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の検討に用いた振動モータの断面図。
【図２】摩擦材近傍の拡大図。
【図３】本検討に用いた摩擦材の一覧と判定を示す図。
【図４】摩擦材の母材硬度と摩耗量の関係を示す図。
【図５】摩擦材の摺動面のＲａと摩耗量の関係を示す図。
【図６】振動モータの接触領域内の摩擦力の方向を表す図。
【符号の説明】
１　振動体
１ａ　振動体側摩擦材
２　移動体
２ｂ　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　出力ギア
【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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