JP2548253B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧電体による超音波振動を利用した超音波モ
ータに関するものである。

従来の技術 一般に超音波モータは、圧電体を固定した振動体と動
体とが加圧接触した構成であり、圧電体への電気入力に
よって、圧電体と振動体に第６図に示すような超音波振
動の進行波を発生させ、その振動体と動体との摩擦力に
よって動体を駆動させて機械エネルギーを得る原理であ
る。第６図において、１は圧電体であり、その表面に振
動体２が接着固定されている。３は動体であり、その表
面に摩擦材４が固定されている。圧電体１に電気入力を
加えることによって振動体２にＡ方向の超音波振動の進
行波が発生する。振動体の各質点はＢのような楕円運動
をしており、その各波頭は進行波の方向に対し、逆向の
横に動く性質がある。進行波の谷の部分は進行波と同じ
方向の横に動く性質がある。したがって、振動体の表面
に置かれた動体は波頭の上部のみに接触して、振動体と
の摩擦力によってＣ方向の横に駆動するという原理であ
る。

このような超音波モータにおいて、振動体および動体
の材質として鉄やステンレスおよびアルミなどの金属が
使用されている。振動体と動体とは加圧接触した構成で
あり、より大きなモータ機械出力を得るためには、加圧
力を強くする方法と、振動体と動体との摩擦係数を大き
くする方法がある。

振動体と動体との接触摩擦面の摩擦を少なくして長期
間安定した機械エネルギーを得るため、また、より大き
な摩擦力を得るために、振動体または動体の接触面に摩
擦材の固定設置が提案され、種々の材料が検討され、ゴ
ムやエンジニアリングプラスチック材製の摩擦材が提案
されている。

発明が解決しようとする問題点 ゴムや複合プラスチック製の摩擦材を用いた場合、大
きなモータ機械出力を得るために振動体と動体との加圧
力を大きくしたときに、振動体に発生する進行波の波頭
と谷のすべての面で動体に構成した摩擦材と接触するこ
とになり、動体が駆動しなくなるという問題。また、プ
ラスチック成分が接触相定面に付着して振動体と動体と
の摩擦力すなわちブレーキトルクが経時時に動大すると
いう問題および、モータの駆動時および停止直前に雑音
が生じるなどの問題点がある。さらに、振動体と動体と
の加圧力の度合によって振動体の共振周波数が大きく変
動するという時題点がある。

問題点を解決するための手段 振動体と動体の少なくとも一方の接触面に固定して、
カーボン成形体よりなる摩擦材を構成する。

作用 摩擦材と摩擦材の接触相手の振動体（又は動体）との
間の摩擦力の経時変化が少なくなり超音波モータの長時
間の駆動において安定したブレーキトルクを得ることが
できる。また、モータの駆動時や停止直前に雑音が発生
しなくなるなどの作用により長期信頼性に優れた超音波
モータを得ることができる。さらに、加圧力を大きくす
ることができるため、大きなトルクを得ることが可能と
なる。

また、振動体との加圧力の変化に対する振動体の共振
周波数の変動が少なくなるためにモータの起動性制御が
容易になる利点がある。

実 施 例 第１図は本発明の超音波モータの主要部構成の断面拡
大図である。１は圧電体であり、その表面に金属製振動
体２が接着固定されている。３は動体であり、動体３に
固定して、カーボン成形体よりなる摩擦材４が構成され
ている。

振動体２と動体３は締結力によって加圧され、振動体
２と摩擦材４は加圧接触されている。圧電体１に共振周
波数の高周波電解を印加することにより圧電体１と振動
体２に超音波たわみ振動の進行波が発生する。振動体表
面と接触している摩擦材４は、振動体との摩擦力によっ
て、動体３と一体となって駆動する。電力が入力されな
いときには、振動体２と摩擦材４との間に働く加圧力と
摩擦係数との積に相当する保持トルクすなわちブレーキ
トルクが生じている。

カーボン成形体としては制限はなく、カーボン粉末の
圧縮成形体，カーボン粉末の圧縮成形焼成体，カーボン
の基材中の気孔に金属や無機化合物又は樹脂を含浸した
カーボン成形体，カーボン繊維とカーボンよりなる焼成
体などが使用できる。

第２図と第３図は本発明の超音波モータの他の実施例
の主要部構成の断面拡大図である。

第２図において、１は圧電体であり、その表面に金属
製振動体２が接着固定されている。４はカーボン成形体
よりなる摩擦材であり、金属製振動体２の表面に固定さ
れている。３は動体であり、動体３の材質としては金
属，セラミック，プラスチックなどが使用できる。カー
ボン成形体製造摩擦材４と動体３は加圧接触した構成で
ある。圧電体１に共振周波数の電界を印加することによ
り、圧電体１と振動体２と摩擦材４とが一体となってた
わみ振動の進行波が生じる。摩擦材表面と接触している
動体３は摩擦材４との摩擦力によって駆動する。

第３図において、１は圧電体であり、その表面に金属
製振動体２が接着固定されている。金属製振動体２の表
面は進行波の振動が励振されやすくする大めに等間隙に
複数個の切り欠きを設けてある。３は動体であり、動体
３に固定してカーボン成形体製の摩擦材４が構成されて
いる。振動体２の突起の表面とカーボン成形体製摩擦材
４の表面とが加圧接触した構成である。圧電体１に共振
周波数の電界を印加することにより、圧電体１と振動体
２が一体となってたわみ振動の進行波が生じる。振動体
突起の表面と接触している摩擦材４は動体と一体となっ
て駆動する。

超音波モータの形状は特に制限はないが、第４図に示
すような円板型超音波モータおよび第５図に示すような
円環型超音波モータが可能である。

次に本発明を具体的実施例によってさらに詳しく説明
する。

表１に示すようなA,B,Cのそれぞれのカーボン成形体
製の摩擦材を用いて、第４図に示すような円板型超音波
モータを構成した。

第４図において、１は圧電体（圧さ0.5mm）であり、
その表面に外径40mm,厚さ5mmのステンレス振動体２がエ
ポキシ樹脂により接着固定されている。振電体２の面は
円周方向に等間隙に3mm深さの切り込みが設けられてい
る。３はステンレス製動体であり、上記カーボン成形体
製の厚さ1mmの摩擦材４が樹脂を用いて接着固定されて
いる。振動体２の突起部と摩擦材４は対面接触し、図示
されていないがバネを介して締付力によって初期のブレ
ーキトルク（すなわち、振動対と摩擦材との周方向の摩
擦力）が1500g−cmになるように調整設定した。円板の
円周方向に４波の進行波が励起されるように圧電体に電
極を配置し、電界80V,所定の共振周波数を印加して動体
を回転させた。

それぞれの摩擦材を構成したそれぞれのモータについ
て所定の時間の駆動後のブレーキトルクの経時変化，モ
ータの駆動時や停止直前の雑音の発生の有無，および電
源を入れたり切ったりしたときのモータの起動性の良否
を測定した。さらに初期の加圧力すなわちブレーキトル
クを変動させたときの共振周波数の変動を測定した。こ
れらの測定結果を表２に示す。

また比較例として炭素繊維（30％）とフエノール樹脂
（70％）とが均一に混合してなる複合プラスチック製摩
擦材Ｄを用いて上記と同じ方法で構成した超音波モータ
について測定した結果を表２に比較して示す。

表２より明らかのように、カーボン成形体製の摩擦材
を摩擦材を使用した場合（実験番号1,2,3）、いずれの
モータについてもブレーキトルクの経時変化は小さく、
また、電源を切ったり入れたりしたとき、モータは安定
して起動し、また駆動した。さらにモータの起動時、駆
動時および停止直前などに雑音の発生は認められなかっ
た。また、振動体と動体との締付力を変化させたときの
（すなわち初期ブレーキトルクを変化させたとき）共振
周波数の変動は少なく、また、2000g−cmのブレーキト
ルクになるように締め付けて加圧した場合においてもモ
ータは安定して回転した。

これに対して、プラスチック複合材系の摩擦材を使用
した場合（実験番号４）、ブレーキトルクの経時変化は
大きく、再起動が不安定であり、雑音の発生が認めら
れ、また、加圧に対する共振周波数の変動が大きく、さ
らに、初期ブレーキトルクが2000g−cmになるように加
圧力を大きくしたときに、起動性が不安定であり、また
900g−cm以上の負荷トルクを得ることができなかった。

発明の効果 カーボン成形体よりなる摩擦材を構成することによ
り、ブレーキトルクの経時変化が少なくなり、長時間安
定したブレーキトルクを得ることができ、またモータの
起動時、駆動中および停止直前に雑音の発生が認められ
なくなり、さらに、長時間の駆動において、再起動性が
安定して得られる等、超音波モータの長期信頼性が著し
く向上する効果がある。

また、振動体と動体との加圧力（すなわちブレーキト
ルク）を大きくすることができるとともに、大きなトル
クを得ることが可能となり、さらに振動体と動体との加
圧力の変化に対する共振周波数の変動が少なくなり、さ
らにそれによりモータの起動成の制御が容易となる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の超音波モータの要部断面図、
第４図，第５図は本発明の一実施例における超音波モー
タの要部外観図、第６図は超音波モータの原理を示すた
めの説明図である。 １……圧電体、２……振動体、３……動体、４……摩擦
材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−155781（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−58887（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−58888（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−196079（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面に進行波を発生する超音波振動体と動
   体とが加圧接触し、その両者間の摩擦力を介して前記振
   動体により前記動体を駆動する超音波モータにおいて、
   前記振動体と前記動体の少なくとも一方の接触面に、
   （１）カーボン粉末の圧縮成形体、（２）カーボン粉末
   の圧縮成形焼成体、（３）カーボンを主成分とする基材
   中の気孔に金属、無機化物または樹脂を含浸した成形
   体、および（４）カーボン繊維とカーボンよりなる焼成
   体から選ばれる少なくとも一つのカーボンを主成分とす
   るカーボン成形体よりなる摩擦材を構成した超音波モー
   タ。