JPH01138977A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
とが加圧接触した楕成であり、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、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、振動体２に対
向する表面に摩擦材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ａ方向に対
し、逆方向の横に動く性質があり、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２の表面に摩擦材４を介して置かれた動体３は波
頭の上部のみに接触して、振動体２との摩擦力によって
Ｃ方向に駆動され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２および動体
３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。この振動体２と動体３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２と動体３との
摩擦係数を大きくする方法がある。

振動体２と動体３との接触摩擦面の摩耗を少なくして長
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２または動体３の接触
面に摩擦材を固定することが提案され、種々の材料が検
討されている。これには、たとえばゴムやエンジニアリ
ングプラスチック材よりなる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 ゴムなどの摩擦係数の大きい摩擦材を用いた場合、摩擦
材の摩耗が多く発生し、その摩耗粉が振動体や動体の接
触面に付着して、両者間の摩擦力すなわちブレーキトル
クが経時的に変動するという問題がある。また、耐摩耗
性の向上したアスベスト繊維や無機粉末を充填したエン
ジニアリングプラスチック製摩擦材を用いた場合、振動
体表面に引っかき傷を多く発生させ、ブレーキトルクが
経時的に変動するという問題点がある。さらに、振動体
に付着した摩耗粉の影響で、振動体部の共振周波数が経
時的に変動し、安定したモータの起動が得られないとい
う問題がある。

本発明は上記問題点を解決するもので、長期信頼性に優
れ、安定したモータ起動が得られる超音波モータを提供
することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために、本発明は、振動体と動体
の少なくとも一方の接触面に、摩擦材として、少なくと
も動体の移動方向に対し同じ方向に連続して配向する耐
摩耗性繊維を用いたものである。

作用 上記構成により、少なくとも動体は耐摩耗性繊維の配向
する方向に接して移動することになり。

摩擦材自身の摩耗と、その摩擦材の接触相手の振動体ま
たは動体の摩耗も少なくなり、さらに、その両者間の摩
擦係数の経時変化が少なくなる。その結果、超音波モー
タの長時間の駆動において、安定した摩擦力すなわちブ
レーキトルクを得ることができる。また振動体の共振周
波数の経時変化も少なくなり、モータの安定な起動が容
易となるなど、長期信頼性に優れたモータを得ることが
できる。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例の超音波モータの主要部構成
を示す断面拡大図である。１１は圧電体であり、その表
面に金属製振動体１２が接着固定されている。　１３は
動体であり、振動体１２に対向する表面に少なくとも動
体１３の移動方向に対し同じ方向に配向した耐摩耗性繊
維１４ａとマトリックス樹脂１４ｂとよりなる摩擦材１
４が固定されている。振動体１２と動体１３は締結力に
よって加圧され、振動体１２と摩擦材１４は加圧接触し
ている。この圧電体１１に共振周波数の高周波電界を印
加することにより、振動体１２に超音波振動の進行波が
発生する。振動体１２の表面に接触している摩擦材１４
は、振動体１２との摩擦力によって、動体１３と一体と
なって駆動される。電力が入力されないときには、振動
体１２と摩擦材１４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。

第２図は振動体表面と接触する摩擦材表面の拡大図を示
す。第２図（ａ）は耐摩耗性繊維１４ａが動体の移動方
向（Ｃ方向）に対し同じ方向に連続して配向した摩擦材
１４を示している。第２図（ｂ）は耐摩耗性繊維１４ａ
が動体の移動方向（Ｃ方向）に対し同じ方向に連続して
配向し、さらに、このＣ方向と直交するとともにその断
面が表面に露出した構成の摩擦材１４を示している。第
２図（ｃ）は耐摩耗性繊維１４ａが動体の移動方向（Ｃ
方向）に対し同じ方向に連続して配向し、さらに、この
Ｃ方向と直交するとともに表面に平行に配列した構成の
摩擦材１４を示している。そして、これら第２図（ａ）
〜（Ｃ）において、耐摩耗性繊維１４ａはマトリックス
樹脂１４ｂによって互いに結合保持されている。

耐摩耗性繊維１４ａとしては特に制限はなく、炭素繊維
、芳香族ポリアミド繊維、セラミック繊維、高密度ポリ
エチレン繊維、ガラス繊維などが使用可能であるが、特
に炭素繊維や芳香族ポリアミド繊維が望ましい。

次にその具体的実施例について、さらに詳しく説明する
。

（実施例１−１） 耐摩耗性繊維１４ａとして炭素繊維を用い、この炭素繊
維の一方面テープ（日本カーボン社製カーボロンテープ
Ｎｏ６１０２、繊維直径６μ■、目付２３ｇ／ボ）とフ
ェノール樹脂とよりなるプリプレグを円筒状に巻いて積
層し、加熱硬化して内径１０■■、外径３０ｍｍの円筒
状成形体を得た。次に、これを輪切り状に切断して、厚
さ１ｍ＋ｓのリング状摩擦材Ａを得た。このリング摩擦
材Ａは第３図（ａ）にその断面を示すように、炭素繊維
が円周方向に連続して配向した構成である。

（実施例１−２） 耐摩耗性繊維１４ａとして炭素繊維を用い、この炭素繊
維の織布（東邦レーヨン製ベスファイトＷ−１１０３、
平織、目付１２５　ｇ　／イ）とポリイミド樹脂とより
なるプリプレグを円筒状に巻いて積層し。

加熱硬化して内径１０ｍｍ、外径３０ｍｍの円筒状成形
体を得た０次に、これを厚さ［１切断して第３図（ｂ）
に示すような炭素繊維が円周方向に連続して配向し、さ
らに表面に炭素繊維の断面が現われる構成の摩擦材Ｂを
得た。

（実施例１−３） 耐摩耗性繊維１４ａとして芳香族ポリアミド繊維を用い
１．この芳香族ポリアミド繊維フィラメントヤーン（帝
人社製テクノーラＴ・２４０）を円筒状に巻き、これに
ポリイミド樹脂を含浸して後、加熱硬化して円筒状成形
体を得た０次に、これを厚さ１■の軸切り状に切断して
第３図（ａ）に示すような芳香族ポリアミド繊維が円周
方向に連続して配向した構成の摩擦材Ｃを得た。

（実施例１−４） 耐摩耗性繊維１４ａとして芳香族ポリアミド繊維を用い
、芳香族ポリアミド繊維の織布（デュポン社製ケブラー
率［Ｋ−２８１、目付１７０　ｇ　／　ｒｒｒ）　ニフ
ェノール樹脂、を含浸したプリプレグを円筒状に巻いて
積層し、加熱硬化して内径１０ｍｍ、外径３０諧謄の円
筒状成形体を得た。次に、これを厚さｌｌｌ１１の輪切
り状に切断して第３図（ｂ）に示すような芳香族ポリア
ミドｍ樽が円周方向く連続して配向し、さらに表面に芳
香族ポリアミド繊維の断面が現われる構成の摩擦材りを
得た。

（実施例１−５） 耐摩耗性繊維１４ａとして炭素繊維および芳香族ポリア
ミド繊維を用い、この炭素繊維を横糸に、芳香族ポリア
ミド繊維を縦糸にして織ったハイブリッド織布（鐘紡社
製カーボン・ケブラハイブリッドクロスＣＫ３１０１、
目付１８０ｇ／イ、平織）とポリイミド樹脂とよりなる
プリプレグを円筒状に巻いて積層し、加熱硬化して内径
１０ｍｍ、外径３０ｍｍの円筒状成形体を得た。次に、
これを厚さＩＩＩＩＩｌｌの軸切り状に切断して第３図
（ｂ）に示すような芳香族ポリアミド繊維が円周方向に
連続して配向し、さらに１表面に炭素繊維の断面が現わ
れる構成の摩擦材Ｅを得た。

（実施例２） 実施例１−１〜実施例１−５のようにして得た各摩擦材
Ａ−Ｅを、直径４０ｍｍ、厚さ５ｍｍのステンレス円板
に接着して、摩擦材表面の円周方向の摩擦係数の経時変
化を測定した。摩擦係数の測定は、上記摩擦材を接着し
た円板を３Ｏｒｐｍの回転速度で回転し、中心から１０
ｍｍの位置に直径が３ｍｍのステンレス球を接触し、そ
のステンレス球に２００　ｇの荷重を加えたときの摩擦
材表面゛とステンレス球との間の摩擦抵抗を測定して摩
擦係数を算出した。

それぞ九の摩擦材Ａ−Ｅを使用したときの摩擦係数の経
時変化を第１表に示す。

また、繊維が無差別の方向に向いた摩擦材、すなわち炭
素繊維の４ｍｍカット繊維（４０重量部）とフェノール
樹脂（６０重量部）とよりなる混棟ペレットを圧縮成形
して得た摩擦材Ｆ（厚さ１　ａｍ）および芳香族ポリア
ミド繊維の２１１Ｉ１１カツト繊維とポリイミド樹脂と
よりなる混線ペレットを圧縮成形して得た摩擦材Ｇ（厚
さ１ｍ＋ｓ）の摩擦係数をも比較のために第１表に示す
。

第１表 第１表から明らかのように、ステンレス球と摩擦材との
摩擦において、摩擦材Ａ−Ｅでは、繊維の配列方向と同
じ方向に摩擦されるときの摩擦係数の経時変化は実験番
号１〜５のように非常に少ないことがわかる。これに対
し、繊維が配向していない摩擦材Ｆ、Ｇを使用した場合
、実験番号６゜７のように、いずれも経時的に摩擦係数
が大きく変動した。

（実施例３） 実施例１−１〜実施例１−５のようにして得たＡ−Ｈの
摩擦材Ａ−Ｅ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、２１は圧電体で
あり、その表面にステンレス製振動体２２が接着固定さ
れている。２３はステンレス製動体であり、Ａ−Ｅのそ
れぞれの摩擦材２４が固定されている。振動体２２と動
体２３はばねの加圧によって初期のブレーキトルクが５
００ｇ−ｃｍになるように調整設定されている１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２１
に電極を配置し、電界４０Ｖ、共振周波数約７０ＫＨｚ
を印加して動体２３を回転させた。

それぞれの摩擦材Ａ−Ｇを取付けたモータについて、所
定時間の駆動後、電源を切ったり入れたりしたときの再
起動の有無、電源切断後のブレーキトルクおよび共振周
波数を測定した結果を第２表に示す。

第２表より明らかのように、動体の回転方向に対し同じ
方向に繊維を連続して配列した摩擦材Ａ。

Ｃを取付けた超音波モータの場合、実験番号８゜１０の
ように、いずれのモータについてもブレーキトルクの経
時変化は小さい、また共振周波数の経時変化も少なく、
再起動性にも問題が生じなかった。さらに、摩擦材の摩
耗も少なく、接触相手の傷つき摩耗も殆んど認められな
かった。また動体の回転方向に対し同じ方向に繊維を連
続して配列するとともに繊維の断面が表面に現われる摩
擦材Ｂ、Ｄ、Ｅを取付けた場合、実験番号９．１１．１
２のように、振動体表面にわずかに傷が発生するが、摩
擦材の摩耗は少なく、ブレーキトルクの経時変動も小さ
い、また共振周波数の経時変化も少なく、再起動性にも
問題が生じなかった。

これに対し、繊維が無差別方向に分散含有してなる摩擦
材Ｆ、Ｇを取付けた場合、実験番号１３゜１４のように
、ブレーキトルクは大きく変動し、また共振周波数も変
動して、動体が再起動′しなくなることがあった。さら
に、振動体表面の傷つき摩耗も大きく認められ、摩擦材
の摩耗も大きい。

（実施例４） 第５図は本発明の他の実施例の円環型超音波モータを示
す。３１は圧電体であり、その表面に鉄製振動体３２が
接着固定されている。３３はフェライト磁石製動体であ
り、実施例１−１〜実施例１−５で得た摩擦材３４が固
定される。振動体３２と摩擦材３４は磁石製動体３３の
吸着力によって加圧接触されている。円環の円周方向に
進行波が励起されるように圧電体３１に電極を配置し、
共振周波数の電界の印加により、動体３３が円周方向に
回転する。

発明の効果 以上本発明によれば、振動体と動体の少なくとも一方の
接触面に、少なくとも動体の移動方向に対し同じ方向に
連続して配向する耐摩耗性繊維よりなる摩擦材を固定し
たことにより、摩擦材および振動体または動体の摩擦接
触部の摩耗が少なく。

またブレーキトルクの経時変化が少なくなり、さらに振
動体の共振周波数の経時変化も少なくなり。

モータの安定な起動が可能となるなど、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。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の超音波モータの主要部構成
を示す断面拡大図、第２図（、）〜（ｃ）および第３図
（ａ）　（ｂ）はそれぞれ同超音波モータの摩擦材の一
例を示す構成拡大図、第４図および第５図はそれぞれの
超音波モータの一例を示す構成図。 第６図は超音波モータの原理を示す主要部構成図である
。 １１、２１．３１・・・圧電体、１２．２２．３２・・
・振動体、１３゜２３．３３−・・動体、１４．２４．
３４−・・摩擦材、１４　ａ　−耐摩耗性繊維、１４ｂ
・・・マトリックス樹脂。 代理人　　　森　　本　　義　　弘 第１図 １１−舌＠住 Ｉ２−据り伴 １３−・−ｈＳ、ｔ １４ｋ・・マトリックス樹脂岳 第２図 ／ＩＪ 第３図 ＧＯ （ｂ） 第４［７ 第う図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．表面に進行波を発生する超音波振動体と動体とを加
   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、摩擦材と
   して、前記振動体と前記動体の少なくとも一方の接触面
   に、少なくとも動体の移動方向に対し同じ方向に連続し
   て配向する耐摩耗性繊維を用いた超音波モータ。
2. ２．耐摩耗性繊維は炭素繊維または芳香族ポリアミド繊
   維であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   超音波モータ。
3. ３．耐摩耗性繊維よりなる摩擦材はマトリックス樹脂で
   前記耐摩耗性繊維を結合した複合樹脂であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の超音波モータ。