JP2005318723A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 別に冷却用のファンを設けることなく、低コストで連続動作中の温度上昇を大幅に抑えて寿命を延長する。
【解決手段】 圧電体７を励振させることにより、振動体６の表面に曲げ振動を発生させて進行波を作り、前記振動体６に可動体４を所定の圧力で加圧接触させることにより、前記可動体４と前記振動体６との間に発生する摩擦力によって該可動体４を駆動する超音波モータにおいて、放射率３０％以上の放熱性被膜１１を有する金属製部材１０を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、超音波モータに関し、特に回転型の超音波モータに関する。

従来のこの種の回転型超音波モータとしては、例えば図１０及び図１１に示すものが知られている。
この回転型超音波モータ１は、外枠２内に回転軸３が図示しない転がり軸受等を介して回転可能に支持されており、回転軸３にはロータ（可動体）４が一体回転可能に取り付けられている。ロータ４の一方の端面には摩擦材５を介してステータ（振動体）６が軸方向に対向配置されている。ステータ６は弾性金属等を積層して形成されており、ステータ６の摩擦材５から離間する側の面には圧電素子７が貼り付けられている。

圧電素子７は、図１１に示すように、セクタ状に＋−の分極が施されており、この圧電素子７に高周波等の交流電圧を印加することにより、圧電素子７がセクタ区域ごとに伸縮運動をして励振する。
そして、この励振によりステータ６の表面に高次の曲げ振動を発生させて進行波を作り、ロータ４を摩擦材５を介してステータ６に所定の圧力で加圧接触させることにより、ロータ４とステータ６との間に発生する摩擦力によって該ロータ４を回転駆動させる。なお、図１０において、符号８はロータ押さえ、９は硬質ゴム材である。

ところで、超音波モータ等のモータは連続動作させると発熱し、モータの性能が劣化する。超音波モータの発熱部位としては、高周波電圧によって励振される圧電素子７や、ロータ４とステータ６との加圧接触による摩擦部位が挙げられるが、特に超音波モータでは、摩擦材料として、駆動効率を上げるため摩擦係数が大きく、且つ耐摩耗性を向上させるため表面被膜を施したステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金（例えば特許文献１参照）や、アルミナセラミックス、ジルコニアセラミックス、炭化珪素セラミックス、窒化珪素セラミックス（例えば特許文献２参照）が用いられているため、このような被膜を施した材料の場合には放熱性が低下し、発生した熱が超音波モータ内部に留まることになって温度上昇が避けられない。

そこで、超音波モータの発熱を抑えるために、例えば、ステータ内の圧電素子に発生する縦振動をロータに伝達して、該縦振動をロータに形成された複数のスリットの存在により捩じり振動に変換することで、ロータを回転駆動させるようにした定在波型の超音波モータを別に設けたファンによって冷却するようにしたものや（例えば特許文献３参照）、他の放熱対策として熱伝導性の高いアルミニウム合金や銅合金などの特殊な合金を用いた超音波モータが提案されている。
特開平１０−１７８７８９号公報 特開平７−２４４１６号公報 特開平９−９９９８６号公報

しかしながら、上記特許文献３のように、超音波モータとは別にファンを設けると高コストになり、また、ファンを設けるための複雑な機構を必要として超音波モータが大型化するという問題がある。
一方、超音波モータに熱伝導性の高い特殊な合金を用いると、母材コストがアップし、用途が限られるという問題がある。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、別に冷却用のファンを設けることなく、低コストで連続動作中の温度上昇を大幅に抑えて寿命を延長することができる超音波モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、圧電体を励振させることにより、振動体の表面に曲げ振動を発生させて進行波を作り、前記振動体に可動体を所定の圧力で加圧接触させることにより、前記可動体と前記振動体との間に発生する摩擦力によって該可動体を駆動する超音波モータにおいて、
放射率３０％以上の被膜を有する金属製部材を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記放射率３０％以上の被膜を有する金属製部材が外枠であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、前記放射率３０％以上の被膜を有する金属製部材を前記振動体又は前記可動体に設けたことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１又は２において、前記放射率３０％以上の被膜を有する金属製部材を前記可動体に設けると共に、該可動体の前記金属製部材が設けられた反対側の面に前記振動体を加圧接触させたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、超音波モータが放射率３０％以上の被膜を有する金属製部材を備えることで、超音波モータ内の熱を効率良く放熱することができるので、別に冷却用のファンを設けることなく、低コストで超音波モータの連続動作中の温度上昇を大幅に抑えることができ、超音波モータの寿命を長くすることができる。
請求項２の発明では、請求項１の発明に加えて、放射率３０％以上の被膜を有する金属製部材が外枠とされているので、超音波モータ内の熱を外側に放熱しやすくすることができる。

請求項３の発明では、請求項１又は２の発明に加えて、放射率３０％以上の被膜を有する金属製部材を超音波モータの発熱部位である圧電体に積層される振動体又は該振動体に加圧接触する可動体に設けることで、発生した熱が超音波モータ内に蓄積され難くなって温度上昇を抑えることができる。
請求項４の発明では、請求項ｌ又は２の発明に加えて、放射率３０％以上の被膜を有する金属製部材を可動体に設けると共に、該可動体の前記金属製部材が設けられた反対側の面に振動体を加圧接触させることで、可動体と振動体との摩擦によって前記被膜が摩耗して放熱性が損なわれるのを回避することができる。

以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の一例である超音波モータが備える放射率３０％以上の放熱性被膜を有する金属板の概略断面図である。
本発明の実施の形態の一例である超音波モータは、図１に示すように、放射率３０％以上の放熱性被膜１１を有する金属板（金属製部材）１０を備えている。超音波モータがこのような放熱性被膜１１を有する金属板１０を備えることで、超音波モータ内の熱が放熱性被膜１１の面から放熱されて超音波モータが自己冷却される。これにより、超音波モータ内の熱を効率良く放熱することができ、別に冷却用のファンを設けることなく、低コストで超音波モータの連続回転動作中の温度上昇を大幅に抑えることができる。

放射率３０％以上の放熱性被膜１１を有する金属板１０は、３〜３０μｍの波長領域における分光放射率が高く、どの温度領域でも高い遠赤外線放射特性を持つため、高い放熱特性を得ることができ、また、加熱による変形に強くクラックなどが生じることがないので使用目的に応じた材料選択が可能である。
従って、超音波モータに放射率３０％以上の放熱性被膜１１を有する金属板１０を用いることで、従来のように、銅合金やアルミニウム合金のような高価な特殊合金を用いることなく、高い放熱性を得ることができ、また、使用目的に応じて加工性、強度等が異なる種々の材料を選択することができる。

また、放射率３０％以上の放熱性被膜１１は、熱が電磁波として伝達されるため、空気中、真空中を問わずに放熱することができるので、空気中と同じ設備で、真空中で空気中と同じ超音波モータの性能を得ることができ、これまでのように、真空中でヒートシンクを突出させるような特殊な冷却構造を別途考慮する必要をなくすことができる。
熱の移動形式には、熱放射、熱伝導、熱伝達があり、ここで言う放熱性とは、中間の気体とは無関係に、熱が電磁波として移動する熱放射のことを指す。図１に示すように、熱放射性能が高い被膜１１を金属板１０に施すと、超音波モータ内部の放射熱を吸収し外気へ熱を放射する能力が、被膜１１を持たない金属板に比べて大きくなる。熱放射の放熱性を示す指標として、放射率という値を用いる。ここで、放射率とは、与えられた熱を全て放出する完全黒体が放出する電磁波に対する比率をいう。

また、熱放射とは原子や分子の熱運動によって放出される電磁波の一種で、温度の低いときは波長の長い赤外線をだし、温度の上昇に伴って波長の短い電磁波を出すようになる。つまり、物体は、常に熱の放射によって熱エネルギーを失う。これに対し、熱伝導や熱伝達は、熱を持つ物体内外の温度差によって熱が移動する現象を指す。真空中では、物体外への熱を移動させる媒体がないため、熱伝導と熱伝達によっては放熱されない。従って、熱伝導や熱伝達によって放熱の機構を作ろうとすると真空中で生じた熱の放出のために、真空中から大気中への熱の逃げ道の経路を作らなければならず、装置が大きくなってしまう。

放射率３０％以上の放熱性被膜１１を有する金属板１０としては、例えば、株式会社神戸製鋼所のコーベホーネツ（登録商標）：放射率８６％、住友金属工業株式会社の住友ハイコート（登録商標）放熱型：放射率９８％、新日本製鋼製の高吸熱性鋼板、あるいは、放熱板の代わりに、上記放熱面にオキツモ株式会社のオキツモクールテック（登録商標）：放射率８０％以上を塗装すること等を例示することができる。

本発明例である実施例１〜実施例６及び比較例１，２の超音波モータを用いて本発明の効果を確認するために、以下の動作試験を行った。なお、この実施例１〜６及び比較例１，２で採用する超音波モータの基本的構造は、既に図１０及び図１１で説明した従来の超音波モータと略同一であるため、重複或いは相当する部材等について各図に同一符号を付して説明する。

（実施例１）
図２に示すように、実施例１では、円環状のステータ６と円環状のロータ４とが摩擦材５を介して加圧接触されており、ロータ４の摩擦材５から離間する側の面には、止め具（ねじ）２０により放熱性被膜１１を有する金属板１０が取り付けられている。放熱性被膜１１を有する金属板１０としては、株式会社神戸製鋼所のコーベホーネツ（登録商標）を用い、被膜１１の膜厚は５μｍ以上とした。
この例では、放射率３０％以上の放熱性被膜１１を有する金属板１０がロータ４に設けられ、該ロータ４の前記金属板１０が設けられた反対側の面にステータ６が加圧接触するため、ロータ４とステータ６との摩擦によって前記被膜１１が摩耗して放熱性が損なわれるのを回避することができると共に、発生した熱が超音波モータ内に蓄積され難くなって温度上昇を抑えることができる。

（実施例２）
図３に示すように、実施例２では、円環状のステータ６と円環状のロータ４とが摩擦材５を介して加圧接触されており、放熱性被膜１１を有する金属板１０が円環状の接合子２１によって圧電素子７を介してステータ６に取り付けられている。放熱性被膜１１を有する金属板１０としては、株式会社神戸製鋼所のコーベホーネツ（登録商標）を用い、被膜１１の膜厚は５μｍ以上とした。
この例では、放射率３０％以上の放熱性被膜１１を有する金属板１０が超音波モータの発熱部位である圧電素子７に面するため、発生した熱が超音波モータ内に蓄積され難くなって温度上昇を抑えることができる。

（実施例３）
図４に示すように、実施例３では、図１０の超音波モータの外枠２に代えて、放熱性被膜１１を有する金属板１０からなる外枠３０を配置しており、放熱性被膜１１を有する金属板１０としては、株式会社神戸製鋼所のコーベホーネツ（登録商標）を用い、被膜の膜厚は５μｍ以上とした。
この例では、放射率３０％以上の放熱性被膜１１を有する金属板１０が超音波モータの外枠３０とされているので、超音波モータ内の熱を外側に放熱しやすくすることができる。

（実施例４）
図５に示すように、実施例４では、円環状のステータ６と円環状のロータ４とが摩擦材５を介して加圧接触されており、ロータ４の摩擦材５から離間する側の面には、止め具（ねじ）２０により膜厚が３μｍに制御された放熱性被膜１１を有する金属板１０が取り付けられている。
この例についても、実施例１と同様に、放射率３０％以上の放熱性被膜１１を有する金属板１０がロータ４に設けられ、該ロータ４の前記金属板１０が設けられた反対側の面にステータ６が加圧接触するため、ロータ４とステータ６との摩擦によって前記被膜１１が摩耗して放熱性が損なわれるのを回避することができると共に、発生した熱が超音波モータ内に蓄積され難くなって温度上昇を抑えることができる。

（実施例５）
図６に示すように、実施例５では、円環状のステータ６と円環状のロータ４とが摩擦材５を介して加圧接触されており、ロータ４の摩擦材５から離間する側の面に、放射率３０％以上の放熱性を持つ被膜１１ａがスプレー塗装により設けられている。この例の場合、ロータ４が本発明の金属製部材を構成する。

（実施例６）
図７に示すように、実施例６では、円環状のステータ６と円環状のロータ４とが摩擦材５を介して加圧接触されており、ロータ４の摩擦材５から離間する側の面に、止め具（ねじ）２０により放射率が３５％となるような陽極酸化処理によって形成された被膜１２を有する金属板１０が取り付けられている。
この例についても、実施例１と同様に、放射率３０％以上の陽極酸化処理被膜１２を有する金属板１０がロータ４に設けられ、該ロータ４の前記金属板１０が設けられた反対側の面にステータ６が加圧接触するため、ロータ４とステータ６との摩擦によって前記被膜１２が摩耗して放熱性が損なわれるのを回避することができると共に、発生した熱が超音波モータ内に蓄積され難くなって温度上昇を抑えることができる。

（比較例１）
図８に示すように、比較例１では、円環状のステータ６と円環状のロータ４とが摩擦材５を介して加圧接触されており、ロータ４の摩擦材５から離間する側の面には、止め具（ねじ）２０により膜厚が２μｍに制御された放熱性被膜１３を有する金属板１０が取り付けられている。

（比較例２）
図９に示すように、比較例２では、放熱性被膜を有する金属をまったく備えていない超音波モータとされている。
上述した実施例１〜実施例６、比較例１、比較例２の超音波モータを回転数３５０ｍｉｎ^-1で１０日間試験を行い、ロータ４の摩擦材５から離間する側の表面の到達温度を大気中と真空中で測定し、表１に試験途中で動作の止まったものを×、試験中動作し続けたものを○で示した。また、実施例１〜実施例６、比較例１の各被膜、及び比較例２のロータ材の１００°Ｃでの放射率を分光放射計にて測定した。

表１から明らかなように、本発明例である実施例１〜６は、比較例１、２と比較して、超音波モータ内部の温度が外部へ逃げ易くなった結果、ロータ４の摩擦材５から離間する側の表面温度が格段に温度が低く、動作も安定することが判る。比較例２の表面状態がロータ材そのままの場合には試験途中で動作が止まってしまったことから、本発明の効果は明らかである。また、実施例６のロータ４に放射率が３５％の陽極酸化処理被膜１２を有する金属板１０を取り付けたものについては、試験中温度上昇はしたが、動作に支障はなかった。

また、比較例１にように、同じ放熱性被膜を有する金属製部材を超音波モータに設けても、被膜の膜厚が２μｍでは十分な放熱性の効果が得られず、試験途中で動作が止まってしまった。放熱性被膜の膜厚が３μｍで放熱性の効果が十分に得られて温度が上がらず、正常に動作したことから、放熱性の被膜の厚さは３μｍ以上であることが望ましい。
尚、ここでは、放熱性被膜として、コーベホーネツ（登録商標）を使用した場合を例示したが、放射率３０％以上の放熱性被膜を有する金属板であれば、いずれも同様の効果が得られる。また、金属板を冷延鋼板、アルミニウム合金板、銅合金板、Ｔｉ合金板、マグネシウム合金板とし、その表面に放熱性被膜を塗装しても同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態の一例である超音波モータが備える放射率３０％以上の放熱性被膜を有する金属板の概略断面図である。 実施例１の超音波モータを説明するための要部断面図である。 実施例２の超音波モータを説明するための要部断面図である。 実施例３の超音波モータを説明するための要部断面図である。 実施例４の超音波モータを説明するための要部断面図である。 実施例５の超音波モータを説明するための要部断面図である。 実施例６の超音波モータを説明するための要部断面図である。 比較例１の超音波モータを説明するための要部断面図である。 比較例２の超音波モータを説明するための要部断面図である。 回転型超音波モータの一例を説明するための概略断面図である。 圧電素子、ステータ及びロータの分解斜視図である。

符号の説明

４ ロータ（可動体）
６ ステータ（振動体）
７ 圧電素子（圧電体）
１０ 金属板（金属製部材）
１１ 放射率３０％以上の放熱性被膜
３０ 外枠

Claims (4)

1. 圧電体を励振させることにより、振動体の表面に曲げ振動を発生させて進行波を作り、前記振動体に可動体を所定の圧力で加圧接触させることにより、前記可動体と前記振動体との間に発生する摩擦力によって該可動体を駆動する超音波モータにおいて、
   放射率３０％以上の被膜を有する金属製部材を備えたことを特徴とする超音波モータ。
2. 前記放射率３０％以上の被膜を有する金属製部材が外枠であることを特徴とする請求項１に記載した超音波モータ。
3. 前記放射率３０％以上の被膜を有する金属製部材を前記振動体又は前記可動体に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載した超音波モータ。
4. 前記放射率３０％以上の被膜を有する金属製部材を前記可動体に設けると共に、該可動体の前記金属製部材が設けられた反対側の面に前記振動体を加圧接触させたことを特徴とする請求項１又は２に記載した超音波モータ。

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