JP2016052188A - ロータ型超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂で形成されているにも拘わらず、屈曲振動（楕円運動）伝達性に優れるロータ型超音波モータを提供する。【解決手段】中空円板状電気機械変換素子２と、この電気機械変換素子２の一方の面に固定され、かつ複数の凸部が周方向に間隔をおいて形成されたリング状櫛歯部を有するリング状弾性体３と、この櫛歯部と接触し、かつ前記電気機械変換素子によって前記弾性体に励起される進行波に伴う表面の楕円運動によって回転する回転体５とを備えたロータ型超音波モータ１において、前記リング状弾性体を、熱可塑性樹脂で形成し、前記櫛歯部を構成する各凸部の高さを１．５〜１０ｍｍに調整する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子などの電気機械変換素子による超音波振動を利用したロータ型超音波モータに関する。

電気機械変換素子である圧電素子などの超音波振動体による超音波振動を利用した超音波モータは、電磁モータに比べて、巻き線が不要で構造が簡単である上に、低速高トルクで応答性及び制御性に優れ、微小で精密な駆動が可能であるため、カメラやＤＶＤなどの光学機器装置などに汎用されている。超音波モータには、リニア型やロータ型があり、振動体からの超音波振動を直線運動や回転運動に変換している。

図１は、ロータ型超音波モータの概略側面図であり、図２は、図１のロータ型超音波モータを構成する弾性体の概略斜視図である。この超音波モータ１は、中空円板状（又はリング状）の圧電素子２の上に、この圧電素子２の外径と同一の外径を有し、かつ外周に沿って複数の凸部３ａが等間隔で櫛歯状に形成された櫛歯部を有するリング状弾性体（櫛歯状弾性体）３が固定されたステータ４と、前記弾性体３に加圧接触させて配設され、かつ前記弾性体の外径と同一の外径を有する円板状（又はリング状）ロータ（回転体又は移動体）５とを備えている。超音波モータ１では、圧電素子（ピエゾ素子）２と櫛歯状弾性体３とで構成されているステータ４は固定された部材であるのに対して、ロータ５は回転可能に配設されており、圧電素子２で発生させた超音波振動が、櫛歯状弾性体３を介してロータ５の回転運動に変換される。詳しくは、圧電素子２は、電圧が負荷されると歪みを生じる圧電セラミックスで形成されており、交流電圧（周波電圧）が印加されると、規則的に歪みと回復（伸縮運動）を繰り返すことにより超音波振動する。これに対して、圧電素子に固定された櫛歯状弾性体３では、圧電素子からの超音波振動に伴って、弾性体の表面に沿って伝わる表面進行波（縦波と横波とが合成されたレイリー波）が発生する。その結果、弾性体の表面で楕円運動が起こり、弾性体に加圧接触されたロータ５が回転する。このような屈曲振動を利用する場合、曲げ方向についての複素弾性率が重要であり、このような観点から、材料が選択される。

従来から、弾性体としては、圧電素子からの超音波振動を吸収することなく、表面進行波を発生できる点から、金属材料が使用されていた。しかし、金属で形成された弾性体は、比重が重く、硬質であるため、自身の振動性が低い点、成形性が低く、小型化が困難であり、櫛歯などの複雑な形状では生産性が低下する点、錆により劣化する点、添加剤の配合などによる特性の改良が困難である点、絶縁性が確保できない点などの欠点も有している。そこで、金属に代わる弾性体として、プラスチックで形成された弾性体が提案されている。

ＷＯ２０１４／０８４１８４号パンフレット（特許文献１）には、回転体と接触させて用いられ、圧電素子の伸縮により屈曲振動し、回転体を回転させるためのロータ型超音波モータであって、圧電素子と、この圧電素子に固定され、かつ回転体と接触させて用いられる弾性体とを備えるとともに、前記弾性体が、結晶性樹脂を含み、かつ圧電素子と固定された側の反対側に、回転体と接触するための複数の凸部を有する超音波モータが開示されている。この文献には、前記弾性体が櫛歯部を有する形状であることが記載されている。前櫛歯部の高さとしては、０．１〜３０ｍｍの範囲が記載され、実施例では、高さ（スリット深さ）１ｍｍの櫛歯部を有する櫛歯付きロータ型弾性体が製造されている。詳しくは、実施例の櫛歯付きロータ型弾性体において、リング状櫛歯部における隣接する凸部同士の周期（外周側と内周側との平均）は１．５７ｍｍであり、リング状櫛歯部における各凸部の周方向の幅は１．０７ｍｍであり、隣接する凸部間の隙間（スリット幅）は０．５ｍｍである。また、実施例において、この櫛歯付きロータ型弾性体と貼り合わせたリング状圧電素子の径方向の幅は２ｍｍである。さらに、前記回転体としては、金属や樹脂などで形成でき、通常、金属で形成されていると記載されており、実施例では、アルミニウムでロータが形成されている。

この超音波モータでは、ポリフェニレンスルフィド系樹脂などで弾性体を形成することにより、樹脂で形成されているにも拘わらず、屈曲振動（楕円運動）伝達性を向上できるが、用途によっては、屈曲振動伝達性が十分でなく、例えば、ロータ型超音波モータを高速で回転させることは困難であった。なお、従来から、超音波モータの弾性体は金属で形成されていたためか、薄肉の弾性体が使用されており、櫛歯部の凸部の高さを大きくすることは検討されておらず、高さなどの凸部の形状と屈曲振動伝達性との関係を予測するのは困難であった。

ＷＯ２０１４／０８４１８４号パンフレット（請求の範囲、段落［０１１８］［０１６４］、実施例、図１及び２）

従って、本発明の目的は、樹脂で形成されているにも拘わらず、屈曲振動（楕円運動）伝達性に優れるロータ型超音波モータを提供することにある。

本発明の他の目的は、回転体を高速に回転できるロータ型超音波モータを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、成形性や軽量性に優れ、電気絶縁性及び耐蝕性にも優れるロータ型超音波モータを提供することにある。

本発明者らは、前記課題を達成するため鋭意検討した結果、ロータ型超音波モータにおいて、リング状櫛歯部を有するリング状弾性体を、熱可塑性樹脂で形成し、前記リング状櫛歯部を構成する各凸部の高さを１．５〜１０ｍｍに調整することにより、樹脂で形成されているにも拘わらず、屈曲振動伝達性を向上でき、回転体を高速に回転できることを見いだし、本発明を完成した。

すなわち、本発明の超音波モータは、中空円板状電気機械変換素子と、この電気機械変換素子の一方の面に固定され、かつ複数の凸部が周方向に間隔をおいて形成されたリング状櫛歯部を有するリング状弾性体と、このリング状櫛歯部と接触し、かつ前記電気機械変換素子によって前記弾性体に励起される進行波に伴う表面の楕円運動によって回転する回転体とを備えたロータ型超音波モータであって、前記リング状弾性体が、熱可塑性樹脂を含み、かつ前記リング状櫛歯部を構成する各凸部の高さが１．５〜１０ｍｍである。前記リング状櫛歯部における各凸部の回転体と接触する部分は略四角形の平面形状であってもよい。前記リング状櫛歯部における隣接する凸部同士の周期と、電気機械変換素子の径方向の幅との割合は、前者／後者＝３／１〜１／１０程度であってもよい。前記リング状櫛歯部における各凸部の周方向の幅は１０ｍｍ以下であってもよい。前記リング状櫛歯部における各凸部の周方向の幅と、隣接する凸部間の隙間との割合は、前者／後者＝１０／１〜１／２程度であってもよい。前記リング状弾性体の熱可塑性樹脂は結晶性樹脂（特にポリフェニレンスルフィド樹脂）であってもよい。前記リング状弾性体はさらに繊維状充填剤を含んでいてもよい。前記回転体は熱可塑性樹脂（特にポリフェニレンスルフィド樹脂などの結晶性樹脂）で形成されていてもよい。

本発明では、ロータ型超音波モータにおいて、リング状櫛歯部を有するリング状弾性体が、熱可塑性樹脂で形成され、前記リング状櫛歯部を構成する各凸部の高さが１．５〜１０ｍｍに調整されているため、樹脂で形成されているにも拘わらず、屈曲振動伝達性を向上でき、回転体を高速に回転できる。さらに、弾性体が樹脂で形成されているため、成形性や軽量性に優れ、電気絶縁性及び耐蝕性も向上できる。

図１は、ロータ型超音波モータの概略側面図である。 図２は、図１のロータ型超音波モータを構成する弾性体の概略斜視図である。 図３は、１／４波長の間隔をおいて２つの電極群を配置した圧電素子の電極パターンと電極端子との関係を示す概略図である。 図４は、実施例で用いた圧電素子の電極パターン図である。 図５は、実施例で作製したロータ型超音波モータの角速度の測定結果を示すグラフである。

本発明のロータ型超音波モータは、中空円板状電気機械変換素子と、この電気機械変換素子の一方の面に固定され、かつ複数の凸部が周方向に間隔をおいて形成されたリング状櫛歯部を有するリング状弾性体と、このリング状櫛歯部と接触し、かつ前記電気機械変換素子によって前記弾性体に励起される進行波に伴う表面の楕円運動によって回転する回転体（ロータ）とを備えており、前記電気機械変換素子とリング状弾性体とが組み合わされてステータを構成し、リング状櫛歯部と回転体との摩擦力により、回転体を回転運動させる。

［中空円板状電気機械変換素子］
中空円板状電気機械変換素子は、電歪素子（又は磁歪素子）であってもよいが、振動伝達性に優れる点から、交流電圧の印加により面方向に伸縮する圧電素子が好ましい。圧電素子は、回転運動の変位を更に向上させるため、積層型圧電素子であってもよい。

圧電（ピエゾ）素子は、超音波振動を発生できれば特に限定されないが、圧電高分子膜（ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−三フッ化エチレン共重合体などのフッ素樹脂など）、圧電金属薄膜（酸化亜鉛の蒸着膜など）であってもよいが、通常、圧電セラミックス層である。圧電セラミックス層は、圧電性を示すセラミックス、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどのＡＢＯ_３型ペロブスカイト酸化物などを含んでいる。これらのセラミックスは、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。

中空円板状圧電素子は、通常、位相の異なる交流電圧を複数の電極又は電極群に印加することにより、弾性体を円運動させる。圧電素子の電極パターンは、慣用のパターンを利用でき、例えば、厚み方向に分極させた電極を等分割した電極パターン、１／４波長の間隔をおいて２つの電極群を配置した電極パターンのいずれであってもよい。これらの電極パターンのうち、検出端子の結線数を容易に減少でき、簡便な構造を有する超音波モータを得ることができる点から、１／４波長の間隔をおいて２つの電極群を配置した電極パターンが好ましい。

図３は、１／４波長の間隔をおいて２つの電極群を配置した電極パターンと電極端子との関係を示す概略図である。この図において、＋及び−の表示は、高周波電圧の印加状態ではなく、分極状態を示す。分極ピッチは進行波の波長の１／２であり、それぞれ＋−＋−の分極状態で表される電極群Ａと電極群Ｂとを１／４波長ずらしている。このような電極パターンを有する圧電素子に対して、９０°位相のずれた２回路の高周波電圧をそれぞれの電極端子ａ及び電極端子ｂに印加すると、弾性体の表面に進行波が形成される。詳しくは、電圧を印加して圧電素子が励振されることにより、リング状弾性体に振動が発生し、横波と縦波とが合成された表面進行波を弾性体の表面に形成する。このような電極パターンは、例えば、特公平１−１７３５４号公報、特公平６−８１５２３号公報に記載の電極パターンなどであってもよい。

中空円板状電気機械変換素子は、板状のリング形状（リング板状）であり、その径方向の幅（周方向に垂直な方向の長さ）は１０ｍｍ以下であってもよく、例えば０．５〜１０ｍｍ、好ましくは１〜８ｍｍ、さらに好ましくは１．５〜６ｍｍ（特に２〜５ｍｍ）程度である。

中空円板状電気機械変換素子の厚みは、例えば０．０５〜５ｍｍ、好ましく０．１〜３ｍｍ、さらに好ましくは０．２〜２ｍｍ（特に０．５〜１．５ｍｍ）程度である。

［リング状弾性体］
リング状弾性体は、複数の凸部が周方向に間隔をおいて形成されたリング状櫛歯部を有しており、熱可塑性樹脂を含む。そのため、ロータ型超音波モータの特性を向上できる。

（リング状弾性体の形状）
リング状弾性体は、中空円板状電気機械変換素子（特に圧電素子）と固定された側の反対側に、複数の凸部が周方向に間隔をおいて形成されたリング状櫛歯部が形成されており、前記リング状櫛歯部を構成する各凸部（各歯部）の高さが１．５〜１０ｍｍであり、好ましくは１．６〜５ｍｍ（例えば１．７〜３ｍｍ）、さらに好ましくは１．８〜２．５ｍｍ（特に１．９〜２．２ｍｍ）程度である。本発明では、凸部の高さが１．５ｍｍ未満であると、屈曲振動伝達性が低下し、回転体を高速に回転させるのが困難となり、大きすぎても、屈曲振動伝達性が低下する。

複数の凸部は、目的に応じて、周方向に沿って異なる間隔で形成してもよく、等間隔で形成してもよいが、通常、生産性などの点から、周方向に沿って等間隔に形成する場合が多い。

凸部の数は、弾性体の屈曲振動で移動体を駆動するために、複数であればよいが、屈曲振動伝達性を向上できる点から、例えば１０以上（例えば１０〜１００個）、好ましくは１５〜８０個、さらに好ましくは２０〜５０個（特に２５〜４０個）程度である。

各凸部の形状は略四角柱状である。各凸部の平面形状（回転体との接触面の形状）は略四角形状であり、例えば、略正方形状、略長方形状などであってもよいが、周方向に沿って等間隔で形成する場合、通常、リング状弾性の内側に向かって径小となる略台形状（略扇形状）である。略台形状における台形側部の角度は、凸部の数に応じて選択でき、例えば、１〜２０°、好ましくは２〜１５°、さらに好ましくは５〜１２°程度である。なお、隣接する凸部間の隙間（スリット）の平面形状も凸部の平面形状で例示された形状などであってもよく、通常、略長方形状、略台形状などであるが、生産性などの点から、略長方形状である。スリットの平面形状が略長方形状である場合、各凸部の平面形状は略台形状であってもよい。

櫛歯の周期（ピッチ）、すなわちリング状櫛歯部における隣接する凸部同士の周期（隣接する凸部の中央部間の距離）は、中空円板状電気機械変換素子の径方向の幅（周方向に垂直な方向の長さ）に対して３倍以下であってもよく、例えば、前記凸部同士の周期と前記電気機械変換素子の幅との割合は、前者／後者＝３／１〜１０／１、好ましくは２／１〜１／５、さらに好ましくは１／１〜１／３（特に１／１．３〜１／２）程度である。電気機械変換素子の幅に対して櫛歯の周期が大きすぎると、屈曲振動伝達性が低下する虞がある。

各凸部の周方向の幅（台形状の場合、外周側と内周側との平均）は１０ｍｍ以下であってもよく、例えば０．５〜１０ｍｍ、好ましくは０．８〜５ｍｍ、さらに好ましくは１〜３ｍｍ（特に１．１〜２ｍｍ）程度である。

隣接する凸部間の隙間（ギャップ又はスリットの幅）（台形状の場合、外周側と内周側との平均）は、例えば０．１〜５ｍｍ、好ましくは０．２〜３ｍｍ、さらに好ましくは０．３〜２ｍｍ（特に０．５〜２ｍｍ）程度である。

各凸部の周方向の幅（長さ）は、隣接する凸部間の隙間に対して１０倍以下であってもよく、例えば、各凸部の周方向の幅と隣接する凸部間の隙間との割合は、前者／後者＝１０／１〜１／２、好ましくは８／１〜１／２、さらに好ましくは４／１〜１／１．５（特に２／１〜１／１）程度である。隣接する凸部間の隙間に対して各凸部の周方向の幅が大きすぎると、屈曲振動伝達性が低下する虞がある。

なお、本発明では、前記幅や周期（又は隙間）は、異なる幅や周期が混在している場合、平均値で表す。

リング状櫛歯部の径方向の幅（周方向に垂直な方向の長さ又は各凸部の径方向の幅）は１０ｍｍ以下であってもよく、例えば０．５〜１０ｍｍ、好ましくは１〜８ｍｍ、さらに好ましくは１．５〜６ｍｍ（特に２〜５ｍｍ）程度である。

リング状弾性体は、リング状櫛歯部を有していれば、特に限定されず、リング状櫛歯部のみで形成されていてもよく、リング状櫛歯部の凸部以外の領域（リング状基底部）の内周において、内側に延出する薄肉（例えば０．１〜５ｍｍ、好ましくは０．２〜３ｍｍ程度）の中空内縁部を備えていてもよい。中空内縁部を備えたリング状弾性体は、中空内縁部に回転軸を貫通させるとともに、中空内縁部を利用してリング状弾性体を回転軸に固定することにより、超音波モータを回転軸に固定してもよい。

リング状弾性の総厚みは、例えば、２〜５０ｍｍ、好ましくは２．５〜３０ｍｍ、さらに好ましくは３〜１０ｍｍ（特に４〜８ｍｍ）程度である。リング状弾性体の総厚みは、電気機械変換素子の厚みに対して、例えば１〜２０倍、好ましくは１．５〜１０倍、さらに好ましくは２〜８倍（特に３〜６倍）程度である。

凸部の高さは、リング状弾性体の総厚みに対して、例えば０．１〜０．８倍、好ましくは０．２〜０．６倍、さらに好ましくは０．３〜０．５倍程度である。

リング状弾性体は、慣用の方法で成形でき、例えば、ＷＯ２０１４／０８４１８３号パンフレット、ＷＯ２０１４／０８４１８４号パンフレットに記載の方法などで成形できる。

（熱可塑性樹脂）
リング状弾性体を構成する熱可塑性樹脂は、振動伝達性に優れていれば、特に限定されないが、振動エネルギーの減衰及び損失を抑制でき、耐熱性や耐摩耗性に優れる点から、硬質樹脂が好ましい。硬質樹脂としては、例えば、オレフィン系樹脂、スチレン系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、ポリアリールケトン樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリオキシベンゾイルエステル系樹脂、ポリベンズイミダゾール系樹脂、液晶ポリマー、フッ素樹脂などが挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。

これらの熱可塑性樹脂のうち、振動伝達性が高い点から、結晶性樹脂が好ましい。結晶性樹脂としては、例えば、オレフィン系樹脂（エチレン−ノルボルネン共重合体などの環状オレフィン系樹脂など）、スチレン系樹脂（シンジオタクチックポリスチレンなど）、ポリアセタール系樹脂（ポリオキシメチレンなど）、ポリエステル系樹脂（ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリアルキレンアリレート、ポリグリコール酸系樹脂、液晶ポリエステルなど）、ポリアミド系樹脂（脂肪族ポリアミド、芳香族ポリアミドなど）、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリアリールケトン系樹脂（ポリエーテルエーテルケトンなど）、フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレンなど）などが挙げられる。これらの結晶性樹脂は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。

これらの結晶性樹脂のうち、振動エネルギーの減衰及び損失を抑制でき、耐熱性や耐摩耗性に優れる点から、エンジニアリングプラスチック、例えば、シンジオタクチックポリスチレン樹脂、ナイロンＭＸＤ６などの芳香族ポリアミド系樹脂、ポリアリールケトン樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリグリコール酸系樹脂、液晶ポリエステルなどが汎用され、ポリアリールケトン樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂が好ましく、屈曲振動伝達性に優れる点から、ポリフェニレンスルフィド樹脂が特に好ましい。

ポリフェニレンスルフィド樹脂（ポリフェニレンチオエーテル系樹脂）は、例えば、ＷＯ２０１４／０８４１８３号パンフレット、ＷＯ２０１４／０８４１８４号パンフレットに記載のポリフェニレンスルフィド系樹脂であってもよい。

なお、リング状弾性体は、熱可塑性樹脂を主成分として含み、熱可塑性樹脂の割合は、リング状弾性体全体に対して、通常５０重量％以上（例えば５０〜１００重量％）、好ましくは６０重量％以上（例えば６０〜９９重量％）、さらに好ましくは７０重量％以上（例えば７０〜９５重量％）である。

（充填材）
本発明の弾性体は、屈曲振動の伝達性の向上に加えて、耐衝撃性、寸法安定性、剛性などの機械的特性も改良するため、前記熱可塑性樹脂に加えて充填材を含んでいてもよい。充填材は、有機系充填材であってもよく、無機系充填材であってもよい。充填材の形状も、特に限定されず、繊維状充填材であってもよく、粒状又は板状充填材であってもよい。

充填材としても、慣用の充填材を利用でき、例えば、ＷＯ２０１４／０８４１８３号パンフレット、ＷＯ２０１４／０８４１８４号パンフレットに記載の充填材などを利用できる。

慣用の充填材のうち、配向状態を調整して屈曲振動の伝達性を向上できる点から、繊維状充填材が好ましく、なかでもガラス繊維や炭素繊維などの無機系繊維、アラミド繊維などの有機系繊維が汎用され、耐熱性が高く、振動伝達性及び機械的特性を向上できる点から、無機系繊維が好ましく、軽量性及び柔軟性にも優れる点から、炭素繊維が特に好ましい。繊維状充填材は、弾性体中で少なくとも一部が配向していればよく、長繊維だけでなく、ウイスカーなどの短繊維も含む。

繊維状充填材の平均繊維径は、例えば、０．１〜５０μｍ、好ましくは１〜３０μｍ、さらに好ましくは２〜２０μｍ程度である。繊維状充填材の平均繊維長は、例えば、１μｍ〜２ｍｍ、好ましくは１０μｍ〜１．５ｍｍ、さらに好ましくは１００μｍ〜１ｍｍ程度である。繊維状充填材の平均アスペクト比は、例えば、３〜５００、好ましくは５〜１００、さらに好ましくは１０〜５０程度である。

本明細書では、繊維状充填材の平均繊維径は、目視や、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの各種観察装置で計測できるが、光学顕微鏡を用いて任意の１０カ所以上の平均値として求めるのが好適である。

平均繊維長は、弾性体の任意の位置から無作為に約５ｇの試料を切出し、６５０℃で灰化して繊維を取り出した繊維の一部（約５００本）から前記観察装置を用いて求めた。

本発明では、繊維状充填材は、屈曲振動伝達性を向上させる点から、弾性体中において、一定の方向に配向されているのが好ましく、電気機械変換素子（特に圧電素子）と弾性体との接触面の面方向に対して平行（圧電素子の振動方向に対して平行）に配向されているのが特に好ましい。本発明の弾性体は、複数の層を積層してもよいが、各層の繊維状充填材の配向方向は同一の方向であるのが好ましく、通常、単層の弾性体中で繊維状充填材が一定の方向に配向されている。

電気機械変換素子（特に圧電素子）の伸縮方向（振動方向）は、円周方向であってもよく、生産性に優れる点から、電気機械変換素子と弾性体との接触面に対して垂直な方向であってもよい。

充填材（特に繊維状充填材）の割合は、熱可塑性樹脂１００重量部に対して、例えば、５〜１００重量部、好ましくは１０〜６０重量部、さらに好ましくは１５〜５０重量部（特に２０〜４０重量部）程度である。充填材の割合が多すぎると、耐衝撃性や耐久性が低下する。

なお、リング状弾性体は、実質的に熱可塑性樹脂単独、又は熱可塑性樹脂と充填材との組み合わせで形成されており、熱可塑性樹脂及び充填材の総量は、弾性体全体に対して、通常８０重量％以上（例えば、８０〜１００重量％）、好ましくは９０重量％以上（例えば、９０〜９９重量％）、さらに好ましくは９５重量％以上（特に９９重量％以上）であり、熱可塑性樹脂のみで形成されていてもよく、熱可塑性樹脂及び充填材のみで形成されていてもよい。

（他の添加剤）
リング状弾性体は、熱可塑性樹脂で形成されているため、慣用の樹脂用添加剤を配合して、機械的特性や意匠性などを容易に改良できる。樹脂用添加剤としては、例えば、着色剤（染顔料）、滑剤、安定剤（酸化防止剤、紫外線吸収剤、熱安定剤、耐光安定剤など）、帯電防止剤、難燃剤、難燃助剤、アンチブロッキング剤、可塑剤、防腐剤などが挙げられる。これらの添加剤は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。

［回転体］
回転体（ロータ）は、前記弾性体のリング状櫛歯部と接触として組み合わされ、リング状櫛歯部との摩擦力により、ステータの屈曲振動が回転体に伝達される。回転体は、加圧して前記リング状櫛歯部と接触されていてもよい。

回転体は、前記リング状弾性体のリング状櫛歯部と接触可能な形状であれば特に限定されないが、通常、リング状弾性体の外周と同一サイズの円板形状であり、超音波モータを回転軸に固定する場合、回転軸を貫通可能な中空円板形状であってもよい。

回転体の材質は、特に限定されず、慣用の金属材料や樹脂などで形成でき、通常、ステンレス、アルミニウム、真鍮などの金属で形成されている。これらのうち、屈曲振動伝達性（特に高いトルクでの屈曲振動伝達性）に優れる点から、熱可塑性樹脂が好ましい。

熱可塑性樹脂としては、リング状弾性体の項で例示された熱可塑性樹脂などが挙げられる。これらの熱可塑性樹脂のうち、屈曲振動伝達性に優れる点から、結晶性樹脂が好ましく、ポリフェニレンスルフィド系樹脂が特に好ましい。回転体を構成する熱可塑性樹脂は、リング状弾性体を構成する熱可塑性樹脂と異なっていてもよいが、同種又は同一の熱可塑性樹脂であるのが好ましく、屈曲振動伝達性の点から、同一の結晶性樹脂同士を組み合わせるのが好ましい。結晶性樹脂としても、リング状弾性体の項で例示された結晶性樹脂を利用でき、ポリフェニレンスルフィド系樹脂が特に好ましい。

さらに、回転体の表面には、リング状弾性体との摺動性を向上させるために、シリコーンやフッ素樹脂などで構成された被膜が形成されていてもよい。

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。実施例及び比較例で使用した材料の略号は下記の通りであり、実施例及び比較例で得られたアクチュエータの角速度は以下の方法で測定した。

［材料の略号］
ＰＰＳ：ポリフェニレンスルフィド、日本エクストロン（株）製「丸棒ＰＰＳ Ｎ」、密度１．３５ｇ／ｃｍ^３、引張弾性率３．４５ＧＰａ、ポアソン比０．３６、線膨脹係数２．６、ガラス転移温度（Ｔｇ）９０℃
アルミニウム：合金規格番号Ａ５０５２
ステンレス：合金規格番号ＳＵＳ３０４
ＰＺＴ：（株）富士セラミックス製「Ｃ−２１６」。

［回転試験］
図１及び２に記載のロータ型超音波モータを用いて、回転特性を評価した。ロータの一部に印を付けて回転させ、その印の単位時間内の回転数を用いて回転特性（角速度）とした。弾性体と圧電素子とは、接着剤（ハンツマン・ジャパン（株）製「Ａｒａｌｄｉｔｅ スタンダード」）を用いて貼り合わせた。回転試験は、トルクを負荷せずに測定した後、トルクを１００μＮｍまで負荷して測定した。トルクの負荷は、軸に通した圧縮ばねの長さを調整することで、押圧調整をした。電源の周波数はそれぞれの材質で最も振動する値に合わせた。

なお、圧電素子は、図４に示す電極パターンを有する圧電素子（ＰＺＴ製、内径２２ｍｍ、外径２８ｍｍ、厚み１ｍｍ）を用いた。詳しくは、ファンクションジェネレータ（ＮＦ回路設計ブロック社製「ＷＡＶＥ ＦＡＣＴＯＲＹ １９４６」）で発生させた交流電圧を、アンプ（ＮＦ回路設計ブロック社製「ＨＳＡ４１０１Ｔ」）にて昇圧した電圧を印加した。この電極パターンでは、２つの電極群［各電極群：２波長（２λ＝７２°）の電極群］が、１／４波長（１８°）及び３／４波長（５４°）の間隔をおいて形成されている。

また、弾性体及び３種類の回転体のサイズは、以下の通りである。

弾性体：内径２２ｍｍ、外径２８ｍｍ、厚み５ｍｍ
回転体：内径８ｍｍ、外径２８ｍｍ、厚み３ｍｍ。

実施例１
ＰＰＳを用いて切削加工し、凸部の高さ２ｍｍ、櫛歯の周期２．１８ｍｍ、各凸部の周方向の幅１．１８ｍｍ、隣接する凸部間の隙間（スリット幅）１ｍｍ、リング状櫛歯部の幅３ｍｍ、櫛歯数３６個の櫛歯構造を有する弾性体を作製するとともに、ＰＰＳを用いて切削加工し、回転体を作製し、超音波モータを得た。

実施例２
アルミニウムを用いて回転体を作製する以外は実施例１と同様にして超音波モータを得た。

実施例３
ステンレスを用いて回転体を作製する以外は実施例１と同様にして超音波モータを得た。

比較例１
ＰＰＳを用いて、凸部の高さ１ｍｍ、櫛歯の周期２．１８ｍｍ、各凸部の周方向の幅１．１８ｍｍ、隣接する凸部間の隙間（スリット幅）１ｍｍ、櫛歯数３６個の櫛歯構造を有する弾性体を作製する以外は実施例１と同様にして超音波モータを得た。

実施例及び比較例で得られた超音波モータについて回転試験を行なった。トルクを負荷していない回転速度（角速度）の結果を表１に示し、１００μＮｍまでトルクを負荷した回転速度の結果を図５に示す。

表１及び図５の結果から、実施例（特に実施例１）の超音波モータは、比較例に比べて高い回転特性を示した。

本発明のロータ型超音波モータは、各種の電気機器、計測機、光学機器などのアクチュエータとして利用できる。

１…ロータ型超音波モータ
２…中空円板状電気機械変換素子（圧電素子）
３…リング状弾性体
５…回転体

Claims (11)

1. 中空円板状電気機械変換素子と、この電気機械変換素子の一方の面に固定され、かつ複数の凸部が周方向に間隔をおいて形成されたリング状櫛歯部を有するリング状弾性体と、このリング状櫛歯部と接触し、かつ前記電気機械変換素子によって前記弾性体に励起される進行波に伴う表面の楕円運動によって回転する回転体とを備えたロータ型超音波モータであって、前記リング状弾性体が、熱可塑性樹脂を含み、かつ前記リング状櫛歯部を構成する各凸部の高さが１．５〜１０ｍｍであるロータ型超音波モータ。
2. リング状櫛歯部における各凸部の回転体と接触する部分が、略四角形の平面形状である請求項１記載のロータ型超音波モータ。
3. リング状櫛歯部における隣接する凸部同士の周期と、電気機械変換素子の径方向の幅との割合が、前者／後者＝３／１〜１／１０である請求項１又は２記載のロータ型超音波モータ。
4. リング状櫛歯部における各凸部の周方向の幅が１０ｍｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載のロータ型超音波モータ。
5. リング状櫛歯部における各凸部の周方向の幅と、隣接する凸部間の隙間との割合が、前者／後者＝１０／１〜１／２である請求項１〜４のいずれかに記載のロータ型超音波モータ。
6. リング状弾性体の熱可塑性樹脂が結晶性樹脂である請求項１〜５のいずれかに記載のロータ型超音波モータ。
7. 結晶性樹脂がポリフェニレンスルフィド樹脂である請求項６記載のロータ型超音波モータ。
8. リング状弾性体がさらに繊維状充填剤を含む請求項１〜７のいずれかに記載のロータ型超音波モータ。
9. 回転体が熱可塑性樹脂で形成されている請求項１〜８のいずれかに記載のロータ型超音波モータ。
10. 熱可塑性樹脂が結晶性樹脂である請求項９記載のロータ型超音波モータ。
11. 結晶性樹脂がポリフェニレンスルフィド樹脂である請求項１０記載のロータ型超音波モータ。

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