JP2008092748A

JP2008092748A - 超音波モータ

Info

Publication number: JP2008092748A
Application number: JP2006273541A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Kurosawa; 裕一黒澤
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2006-10-05
Publication date: 2008-04-17
Also published as: US20080297003A1; US7705518B2; DE102007047656A1

Abstract

【課題】回転特性を向上した低コストな超音波モータを提供する。
【解決手段】圧電体１３及び円周方向に配列した多数の櫛歯１２１を備える櫛歯体１２で構成されるステータ１と、櫛歯体１２の表面１２ａに圧接される圧接面２１ａを有する回転可能なロータ２とを備える超音波モータであって、ロータ２の圧接面２１ａには、鉛筆硬度Ｆ以上の硬度を有し、固体潤滑剤を含むフェノールエポキン樹脂又はポリアミドイド樹脂からなる樹脂膜４が形成される。櫛歯体１２とロータ２の圧接面２１ａとが樹脂膜４を介して密接状態となり、回転効率の高い超音波モータが構成でき、特に負荷状態での回転数を高め、かつ立ち上がり特性を改善し、回転音が抑制される。さらに、樹脂膜４の磨耗が抑制され、耐久性が向上する。スライダは不要となり、樹脂膜４はロータ２の圧接面２１ａに塗布によって形成することができるので低コストになる。
【選択図】図２

Description

本発明は超音波モータに関し、特に回転特性及び耐久性の向上と低コスト化を図った超音波モータに関するものである。

超音波モータは、複数に分極した圧電体を円周配置したステータと、このステータに所定の圧力で当接した回転可能な円板状あるいは円環状のロータとで構成され、ステータの圧電体に高周波電圧を印加して圧電体を振動させ、この振動を圧電体と一体的に設けた櫛歯体によって円周方向に拡大させて櫛歯体を円周方向に向けて進行波動作させることで、圧電体に摩擦係合しているロータを軸回り方向に回転動作させるものである。ステータの櫛歯体は振幅を拡大する機能を有しているが、通常振幅は１〜３μｍなのでロータの回転効率（ステータの振動エネルギに対するロータの回転エネルギ）を高めるためには、ステータの櫛歯体に対してロータを円周方向及び径方向に偏りなく密接させることが必要である。従来では、櫛歯体とロータの接触面の面精度と平面度は数μｍ以内の加工精度が要求されるとともに、櫛歯体とロータの接触面の組立平行度も同程度の精度が要求されている。

このような要求を満たすために、ロータの櫛歯体に対する接触面に平面度や面精度の加工調整が容易な高分子樹脂からなるスライダを形成する技術が提案されている。例えば、特許文献１ではロータの表面に高分子樹脂からなるスライダを接着する技術が提案されている。また、特許文献１ではスライダに発生する静電気によってスライダの磨耗が進むことを防止し、静電気により付着した埃等によってロータの回転効率が低下することを防止するためにスライダを導電性有機材料で形成し、あるいはスライダの表面に導電性有機材料を塗布する技術も提案されている。
特開平９−９８５８７号公報

特許文献１の技術では、ロータとは別部品のスライダを超音波モータの構成部品とするために、超音波モータの部品点数が増えるとともに、スライダをロータに組み立てる工程が必要になり、超音波モータのコスト高の要因になる。特に、スライダの表面に導電性有機材料を塗布する場合には、さらに塗布工程が必要になり、さらなるコスト高をまねくことになる。また、スライダの厚さや塗布膜の厚さ等について検討されていないため、耐久性、負荷を加えたときの回転数、回転音の発生、立ち上がり特性等の超音波モータに要求される回転特性が改善されているか否かは明確ではない。

本発明の目的は、ロータの回転特性を向上する一方で低コスト化を図った超音波モータを提供するものである。

本発明は、圧電体及び円周方向に配列した多数の櫛歯を有する櫛歯体を備えるステータと、櫛歯体の表面に圧接される圧接面を有する回転可能なロータとを備える超音波モータであって、ロータの圧接面には、鉛筆硬度「Ｆ」以上の硬度を有し、固体潤滑剤を含むフェノールエポキン樹脂又はポリアミドイド樹脂からなる樹脂膜が形成されていることを特徴とする。固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、フッ素、グラファイトの少なくとも１つである。また、フッ素は、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）、ＰＦＡ（四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体）のいずれか、又はこれらの混合物であることが好ましい。さらに、樹脂膜はロータの圧接面に塗布されている。樹脂膜の膜厚は１〜１００μｍ、好ましくは３０〜４０μｍである。

本発明によれば、ロータの表面に固体潤滑剤を含むフェノールエポキン樹脂又はポリアミドイド樹脂からなる樹脂膜を備えているので、ステータの櫛歯体とロータの圧接面とが樹脂膜によって密接状態となり、回転効率の高い超音波モータが構成でき、特に固体潤滑剤によって安定した静止摩擦、動摩擦が得られるので負荷状態での回転数を高め、かつ立ち上がり特性を改善する。また、固体潤滑剤によって櫛歯体とロータとの潤滑性が高められ徐々に樹脂膜の磨耗が進み常に新しい面状態が更新されることで回転性能を維持することができる。また、回転音が抑制される。一方、樹脂膜の鉛筆硬度は「Ｆ」以上であるので樹脂膜の磨耗が抑制される。樹脂膜の磨耗が進行される場合でも樹脂膜の膜厚を所定の範囲の膜厚とすることで超音波モータに要求される耐久性を確保することができる。その一方で、特許文献１のようなスライダは不要であり、しかも樹脂膜はロータの圧接面に塗布によって形成することが容易であるので低コストに構成できる。

次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例１の超音波モータの外観斜視図、図２はその縦断面図である。また、図３は部分分解斜視図である。これらの図において、モータ取付用の取付穴１１１を有する円板状の台座１１の下側に円周方向に複数の櫛歯１２１を配列した短円筒容器状の櫛歯体１２が一体に設けられており、この櫛歯体１２の上面には前記櫛歯１２１に対応して円周方向に複数に分極された円形薄板状の圧電体１３が一体的に搭載され、これら圧電体１３と櫛歯体１２とでステータ１が構成される。また、圧電体１３にはフレキシブル基板１４を介して高周波電圧が印加されるようになっている。前記台座１１の中心には軸穴１１２が開口され、内周面に円筒状の軸受筒１５が固定されている。また、この軸受筒１５内には玉軸受１７が内装され、この玉軸受１７によって回転軸３が軸支され、ワッシャ３１により抜け止めされる。この回転軸３の下端部にはロータ２が取着されている。ロータ２は周壁部２１の上端面、すなわち圧接面２１ａには後述する樹脂膜４が形成されており、この樹脂膜４が前記櫛歯体１２の表面、換言すれば櫛歯１２１の表面１２ａに当接すべく短円筒状に形成されている。また、軸受筒１５の下端部と前記球軸受１７との軸方向の間に圧縮コイルスプリング１６が介挿されており、この圧縮コイルスプリング１６の軸方向の弾性力によって玉軸受１７及びこれを支持している回転軸３を上方向に付勢し、ロータ２の周壁部２１の圧接面２１ａをステータ１の櫛歯体１２の表面１２ａに向けて付勢している。

図４は前記櫛歯体１２の表面１２ａとロータ２の周壁部２１の圧接面２１ａに設けた樹脂膜４とが圧接している部分の拡大断面図である。前記ロータ２の円環状をした圧接面２１ａの径方向の幅寸法Ｗ２はステータ１の櫛歯体１２の表面１２ａの径方向の幅寸法Ｗ１よりも小さくされている。ここで、前記ロータ２はアルミニウムで形成され、ステータ１はリン青銅で形成されている。また、ロータ２の圧接面２１ａには前述した所要の膜厚をした樹脂膜４が一体に形成されている。この樹脂膜４は、フェノールエポキシ樹脂又はポリアミドイミド樹脂で構成される。これに、二硫化モリブデン（ＭｏＳ₂）、フッ素、グラファイトからなる固体潤滑剤が１つ以上含まれている。前記フッ素としては、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）、ＰＦＡ（四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体）があり、これらのいずれか又は混合物が使用可能である。実施例１では前記樹脂膜４はロータ２の圧接面２１ａに塗布されて均一な膜として形成されており、その膜厚は１〜１００μｍの範囲、ここでは３０〜４０μｍの範囲に設定されている。また、前記樹脂膜４は鉛筆硬度測定器で測定した場合の表面の硬度が鉛筆硬度「Ｆ」以上となる硬度に設定されている。鉛筆硬度測定器は、鉛筆で塗装膜の表面を引っ掻いて傷が付く限界の鉛筆に定められた硬度、例えば「ＨＢ」，「Ｂ」等の硬度として表すものである。この測定を行うために鉛筆測定器では鉛筆の角度や荷重を一定にするための構成を備えているが、ここでは詳細な説明は省略する。

この実施例１の超音波モータでは、フレキシブル基板１４を通して圧電体１３に高周波電圧を印加すると、圧電体１３が振動し、これと一体の櫛歯体１２が振動し、円周方向に配列されている複数の櫛歯１２１が円周方向に変位される。圧縮コイルスプリング１６の付勢力によってロータ２の圧接面２１ａは樹脂膜４を介して櫛歯体１２の表面１２ａに圧接されているため、この圧接によってロータ２の樹脂膜４の表面と櫛歯体１２の表面１２ａに生じる摩擦力によって樹脂膜４、すなわちこれと一体のロータ２が円周方向に移動され、ロータ２及びこれを支持している回転軸３が回転される。回転軸３の回転力は回転軸３に取着された図には表れない歯車を介して外部に伝達される。

このとき、ロータ２の圧接面２１ａはステータ１の櫛歯体１２の表面１２ａには直接圧接されておらず樹脂膜４が介在されているため、ロータ２とステータ１の金属同士が直接接触することがなく回転騒音が抑制され、静粛な回転動作が行われる。また、樹脂膜４は前記したようにフェノールエポキシ樹脂又はポリアミドイミド樹脂で形成され、内部に固体潤滑剤が含有されているので、ロータ２とステータ１とは緩衝された状態での接触となり、かつ潤滑性に優れた接触となるので、櫛歯１２の表面１２ａとロータ２の圧接面２１ａ、すなわち樹脂膜４の表面とが円周方向及び径方向にわたって偏りのない良好な密接状態となり、ロータ２の回転効率に優れたものが得られる。その一方で、樹脂膜４の鉛筆硬度は「Ｆ」以上であるので、回転動作に伴う樹脂膜４の磨耗が抑制され、超音波モータが適用される機器に要求される寿命を確保することができる。

図５は樹脂膜４を構成している樹脂種、固体潤滑剤、鉛筆硬度を相違させた場合の超音波モータにおける耐久回転数と、共振周波数における所定負荷での回転数、回転音、超音波モータの立ち上がり特性の測定値である。ここで、耐久回転数はＣＷ２回転，ＣＣＷ２回転を１回とした耐久回数であり、樹脂膜４が磨耗して実用的ではない状態になるまでの回数である。共振周波数における所定負荷での回転数は、超音波モータの回転軸３に所定負荷（ここでは３０〔ｇｆ・ｃｍ〕の負荷を加えたときの回転数〔ｒｐｍ〕である。共振周波数における回転音は超音波モータを共振周波数で回転したときに超音波モータから所定レベル以上の回転音が生じるか否かであり、所定レベル以下の回転音の場合には回転音が無しとしている。立ち上がり特性は超音波モータを始動したときに瞬時に所定の回転速度に達するものと良としている。ここでは本発明にかかる超音波モータとして、樹脂種にポリアミドイミド樹脂を用い、固体潤滑剤を相違させた鉛筆硬度「Ｆ」の超音波モータ（ｄ），（ｅ）を用意した。なお、比較のために樹脂膜４を形成していない超音波モータ（ａ）と、ステータ１の櫛歯体１２の表面１２ａに樹脂膜４を形成した超音波モータ（ｂ）と、樹脂膜４の鉛筆硬度が要件を満たしていない鉛筆硬度「Ｂ」の超音波モータ（ｃ）についても同様の特性の測定値を示している。

この測定結果から、本願発明の前記要件を満たしている樹脂膜４を備える超音波モータ（ｄ），（ｅ）では、いずれの測定値についても基準を満たしており、静粛で特性に優れた超音波モータが得られている。樹脂膜４を有していない超音波モータ（ａ）では回転音が高く、また立ち上がり特性が基準を満たしていない。樹脂膜４を櫛歯体１２の表面１２ａに形成した超音波モータ（ｂ）では、回転駆動の経過に伴って樹脂膜４のロータ２の圧接面２１ａに圧接している箇所が他の箇所に比較して磨耗が進むため、耐久回数が極めて低く、機器に要求される寿命を満たしていない。鉛筆硬度が「Ｂ」の超音波モータ（ｃ）では、駆動音、立ち上がり特性は基準を満足するが、樹脂膜が軟らかいため、耐久回数が低下されるとともに、共振周波数における所定負荷での回転数が低く、この点で基準を満たしていない。

ここで、前記樹脂膜４は超音波モータが適用される機器に要求される耐久回転数、負荷回転数、回転音等の特性によって適切な膜厚に設定される。すなわち、超音波モータの回転数の増加に伴って樹脂膜４が磨耗されて膜厚が低下されてしまうため、通常では一般的な機器に要求される耐久性から１〜１００μｍの範囲に設定される。１μｍよりも薄いと耐久回転数が極めて小さなものになり、１００μｍよりも厚くすると樹脂膜４の磨耗に対しては十分であるが、超音波モータを構成する玉軸受やその他の構成部品との耐久性との関係から膜厚を増大する意味がなくなり、また樹脂膜自体の剥離が起こり易くなる。また、負荷回転数を増大する見地からは櫛歯体１２とロータ２との間にあまり厚い樹脂膜が存在しない方が好ましく、膜厚は薄い方が良い。回転音を低減する見地からは櫛歯体１２とロータ２との間の緩衝膜として膜厚は厚い方が好ましい。本発明者の種々の測定によれば、樹脂膜４の膜厚を３０〜４０μｍにすることにより、要求される負荷回転数を満たすとともに回転音を殆ど無くすことが両立できることが判明している。

本発明における樹脂膜は、図５に示した測定時の試料で示した樹脂膜に限られるものではなく、異なる樹脂種のもの、あるいは樹脂種と固体潤滑剤の組み合わせが異なる任意の樹脂膜であってもよいことは言うまでもない。また、樹脂膜の鉛筆硬度も図５の「Ｆ」にかぎられるものではなく、「Ｈ」，「ＨＢ」程度の硬度であってもよいことは言うまでもない。

実施例１の超音波モータの外観斜視図である。図１の超音波モータの軸方向の断面図である。図１の超音波モータの部分分解斜視図である。櫛歯体とロータの圧接部分の拡大断面図である。樹脂膜を相違させた超音波モータの回転特性の測定結果を示す図である。

符号の説明

１ステータ
２ロータ
３回転軸
４樹脂膜
１１台座
１２櫛歯体
１２ａ櫛歯体表面
１３圧電体
１４フレキシブル基板
１５軸受筒
１６圧縮コイルスプリング
１７玉軸受
２１周壁部
２１ａ圧接面

Claims

圧電体及び円周方向に配列した多数の櫛歯を有する櫛歯体を備えるステータと、前記櫛歯体の表面に圧接される圧接面を有する回転可能なロータとを備える超音波モータであって、前記ロータの圧接面には、鉛筆硬度「Ｆ」以上の硬度を有し、固体潤滑剤を含むフェノールエポキン樹脂又はポリアミドイド樹脂からなる樹脂膜が形成されていることを特徴とする超音波モータ。
前記固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、フッ素、グラファイトの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
前記フッ素は、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）、ＰＦＡ（四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体）のいずれか、又はこれらの混合物であることを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
前記樹脂膜は前記ロータの圧接面に塗布されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の超音波モータ。
前記樹脂膜の膜厚は１〜１００μｍ、好ましくは３０〜４０μｍであることを特徴とする請求項４に記載の超音波モータ。
前記ロータの圧接面の径方向の寸法は前記櫛歯体の表面の径方向の寸法よりも短いことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の超音波モータ。
前記ロータと前記ステータはそれぞれ金属で形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の超音波モータ。