JPH04347583A - 円環形超音波モータ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電セラミック等の圧
電体を用いて弾性波を励振することにより駆動力を発生
する円環形超音波モータ、詳しくは円環形超音波モータ
の移動体の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧電体を用いて構成した振動体に
弾性振動を励振し、これを駆動力とした超音波モータが
注目されている。

【０００３】以下、図面を参照しながら、円環形超音波
モータの従来技術について説明する。

【０００４】図６は、従来の円環形超音波モータの一部
切り欠き斜視図である。同図において、１は複数個の突
起体１ａを有する円環形の弾性基板２の底面に円環形の
圧電体３を貼合せて構成した円環形の振動体である。さ
らに、４は円環形の弾性体５に耐摩耗性の摩擦材６を結
合した移動体で、円環形の振動体１に加圧接触して設置
されている。

【０００５】上記の円環形超音波モータにおいて、弾性
体５の材質としては、従来は鉄鋼，ステンレス鋼等の金
属が使用されており、この弾性体５に耐摩耗性の摩擦材
６を接着等の方法により結合することにより、超音波モ
ータの移動体４を構成している。

【０００６】圧電体３には２組の駆動電極が構成されて
おり、その駆動電極に所定の位相差を有する２つの交流
電圧をそれぞれ印加すると圧電体３は伸縮振動をし、弾
性基板２は伸縮に対して抵抗するように働くので、バイ
メタルと同様の効果により、撓み振動の進行波が振動体
１に励振される。振動体１の表面の任意の点は撓み振動
の進行波により楕円軌跡を描いて運動する。突起体１ａ
はこの楕円軌跡の横方向（進行波の進行する方向成分）
の変位を拡大する。振動体１の突起体１ａに加圧接触し
て設置された移動体４は拡大された横方向の変位によっ
て摩擦力を介して駆動されて回転する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように超音波モー
タは、圧電体３と弾性基板２とからなる振動体１に数ミ
クロン程度の振幅の撓み振動の進行波を励振し、この進
行波による横方向変位を突起体１ａで拡大して、突起体
１ａの先端に加圧接触して設置された移動体４を駆動す
るモータである。

【０００８】したがって、上記のように、耐摩耗性の摩
擦材６を金属等の弾性体５に結合することにより移動体
４を構成した場合、振動体１による撓み振動の進行波を
効率良く移動体４に伝達するためには、摩擦材６の剛性
は、モータの負荷トルクによって摩擦材６が横方向（進
行波の進行方向）に大きく弾性変形しないだけの剛性が
必要である。

【０００９】また、振動体１と移動体４が加圧状態で相
互に面接触し、振動体１による撓み振動の進行波を効率
良く移動体４に伝達するためには、加圧接触状態での均
一接触を実現する必要があるが、接触面に金属やセラミ
ック等の剛性の大きな材料を用いた場合には、加圧時の
縦方向の弾性変形が小さくなり均一接触を実現すること
が困難であり、騒音の発生を伴いモータ効率の低下をき
たすという課題がある。

【００１０】一方上記のように、耐摩耗性の摩擦材６を
金属等の弾性体５に結合することにより移動体４を構成
した場合においても、摩擦材６の厚みを薄くした際には
、モータの加圧力によっても異なるが、騒音の発生を伴
いモータ効率の低下を起こす場合があった。これは、摩
擦材６の厚みを薄くすることで、移動体４の縦方向の弾
性変形が小さくなり、均一接触が実現できなくなること
と、不要振動に対する減衰が小さくなることに起因する
ものであり、実用上大きな課題となる。

【００１１】本発明は、このような従来の課題を解決す
るもので、振動体と移動体との均一接触を実現し、出力
伝達効率が高く、しかも低速安定性に優れた円環形超音
波モータを提供することを目的とするもので、移動体の
部品点数の削減及び接着工程の省略による製造工程の簡
略化をも可能とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の円環形超音波モータは、移動体を、移動体梁
部と、上記移動体梁部の内外周部から延出した移動体第
一突起部と、振動体との接触面側の移動体梁部から延出
した移動体第二突起部とにより構成する。さらに、移動
体第一突起部を介して振動体と加圧し、かつ移動体第二
突起部を振動体の中心部よりも内周側で接触させる構成
としたものである。

【００１３】

【作用】したがって本発明によれば移動体を移動体梁部
と、その移動体梁部の内外周部からそれぞれ延出した移
動体第一突起部と、振動体との接触面側の移動体梁部か
ら延出した移動体第二突起部とにより構成することによ
り、両端支持条件の梁構造の効果により、振動体と移動
体との接触面のうねりを吸収するための効果（面補正効
果）を持たせ、安定な均一接触を確保することができる
ため、振動体による撓み振動の進行波を効率良く移動体
に伝達することが可能となる。

【００１４】上記作用に加えて、移動体第二突起部を振
動体の中心部よりも内周側で接触させることにより、振
動体の振幅のばらつきが内周側の方が少なく、しかも外
部負荷の変動に対する安定性が良いため、低速安定性に
優れた円環形超音波モータを実現することができる。

【００１５】また、移動体を少なくとも炭素繊維を用い
て強化した炭素繊維強化樹脂複合体で構成することによ
り、この複合体が耐摩耗性に優れると同時に、炭素繊維
を用いたことにより、摩擦接触面に適度の潤滑性を付与
する効果があるため、長時間の駆動においても安定した
モータ特性を維持することが可能となり、長期信頼性に
優れた円環形超音波モータを実現することができる。

【００１６】さらに、移動体を少なくとも炭素繊維を用
いて強化した炭素繊維強化樹脂複合体で構成することに
より、摩擦材を金属弾性体に結合した構成と比較して、
移動体の部品点数を削減し、接着工程を省略することに
より製造工程を簡略化することができると同時に、移動
体の重量を低減することができ、したがって超音波モー
タの軽量化を実現することができる。

【００１７】

【実施例】以下、図面とともに本発明の一実施例につい
て詳細に説明する。

【００１８】図１は本発明の一実施例の円環形超音波モ
ータの構成を説明するための概略図であり、図において
７は、移動体梁部８と、その移動体梁部８の内外周部か
らそれぞれ延出した移動体第一突起部９と、振動体１０
との接触面側の移動体梁部８から延出した移動体第二突
起部１１とにより構成された移動体である。また移動体
１０は、矩形状の突起体１２ａを有する弾性基板１２に
、圧電体１３を結合したものである。さらに移動体第一
突起部９のＡ面から振動体１０と加圧し、移動体第二突
起部１１を振動体１０の中心部よりも内周側で接触させ
ることにより、円環形超音波モータを構成している。

【００１９】上記実施例において、振動体１０により励
振された撓み振動の進行波による横方向変位を複数個の
突起体１２ａで拡大して、加圧接触して設置された移動
体７を駆動する。したがって、振動体１０による撓み振
動の進行波を効率良く移動体７に伝達するためには、振
動体１０と移動体７との接触面のうねりを吸収するため
の効果（面補正効果）を、移動体７に持たせ、移動体７
を振動体１０に追従させると同時に、負荷トルクによっ
てこの移動体７の接触面が横方向（進行波の進行方向）
に大きく弾性変形しないだけの剛性を持たせる必要があ
る。また、低速安定性に優れた超音波モータを実現する
ためには、上記に加えて、円環形振動体の径方向の振幅
が外周側の方がより大きいという、径方向の振幅を考慮
した接触状態を実現する必要がある。

【００２０】本発明では、上記のことに着目して、移動
体７を両端支持条件の梁構造とすることで、移動体梁部
８によって振動体１０と移動体７との接触面のうねりを
吸収するための効果（面補正効果）を持たせるとともに
、移動体第二突起部１１を振動体１０の中心部よりも内
周側で接触させることにより、外部負荷の変動に対する
安定性を向上することが可能となる。

【００２１】また、移動体７を炭素繊維を用いることで
剛性を高めると同時に、樹脂単独成分では不十分な機械
的強度を補うために、炭素繊維強化樹脂複合体で構成し
ている。ここで、炭素繊維を用いる理由としては、炭素
繊維を用いることにより、ガラス繊維等の無機繊維に比
べて同一繊維含有量で移動体７の剛性を向上させる効果
が大きく、したがってより少ない繊維含有量で摩擦接触
面の剛性を高めることが可能であると同時に、移動体７
の機械的強度を向上させることが可能となるためである
。

【００２２】さらに、この移動体７に必要な剛性は、超
音波モータの加圧力によって異なるため、炭素繊維強化
樹脂複合体に含まれる炭素繊維の含有量、または移動体
梁部８の幅および厚みを調整することで、移動体７の剛
性を調整することができる。

【００２３】次に、本発明を具体的実施例によって、更
に詳しく説明する。 （実施例１）図２（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施
例の円環形超音波モータの主要構成部を示すものであり
、図に示すように複数個の矩形状突起体１４ａを有する
ステンレス鋼製の円環形弾性基板１４の底面に円環形圧
電体１５を接着することにより、円環形振動体１６を構
成した。次に、３０重量％の炭素繊維と７０重量％のポ
リフェニレンサルファイド樹脂との混練物を射出成形す
ることにより、円環形状で比重が１．４５である炭素繊
維強化樹脂複合体よりなる円環形移動体１７を得た。 さらに、この円環形移動体１７を円環形振動体１６に皿
ばね（図示省略）を用いて加圧接触して設置することに
より、第１の実施例の円環形超音波モータを構成した。

【００２４】この円環形移動体１７は図２（ｂ）にその
断面を示すように、円環形振動体１６の底面の幅をｗと
すると、ｗ／２の幅を有する円環形移動体梁部１８と、
ｗ／４の幅を有する円環形移動体第一突起部１９と、ｗ
／６の幅を有する円環形移動体第二突起部２０とにより
構成し、その円環形移動体第二突起部２０を円環形振動
体１６の中心部よりも内周側で接触させている。

【００２５】なお、円環形移動体梁部１８の幅は上記寸
法に限定されるものではなく、円環形移動体梁部１８の
最適幅または円環形移動体梁部１８の最適厚み（図面中
ｔ１）および円環形移動体第二突起部２０の最適高さ（
図中ｔ２）は、超音波モータの加圧力によって異なるた
め、円環形移動体梁部１８の幅または厚みおよび円環形
移動体第二突起部２０の高さを調整することで、円環形
移動体１７の剛性を調整することができる。

【００２６】（実施例２）図３（ａ），（ｂ）は本発明
の第２の実施例の円環形超音波モータの主要構成部を示
すものである。なお、以降の実施例において第１の実施
例と同一部分には同一番号を付して説明する。図に示す
ように複数個の矩形状突起体１４ａを有するステンレス
鋼製の円環形弾性基板１４の底面に円環形圧電体１５を
接着することにより、円環形振動体１６を構成した。次
に、３０重量％の炭素繊維と７０重量％のポリエーテル
エーテルケトン樹脂との混練物を射出成形することによ
り、円環形状で比重が１．４４である炭素繊維強化樹脂
複合体よりなる円環形移動体２１を得た。さらに、この
円環形移動体２１を円環形振動体１６に皿ばね（図示省
略）を用いて加圧接触して設置することにより、第２の
実施例の円環形超音波モータを構成した。

【００２７】この円環形移動体２１は図３（ｂ）にその
断面を示すように、円環形振動体１６の底面の幅をｗと
すると、ｗ／２の幅を有する円環形移動体梁部２２と、
ｗ／４の幅を有する円環形移動体第一突起部２３と、ｗ
／６の幅を有する円環形移動体第二突起部２４とにより
構成するとともに、円環形移動体梁部２２の円環形振動
体１６に相対する面側にテーパ２５を設け、円環形移動
体第二突起部２４を円環形振動体１６の中心部よりも内
周側で接触させている。

【００２８】上記のように、円環形移動体梁部２２にテ
ーパ２５を設けることで、移動体接触部の剛性を高める
と同時に面補正効果を増大させることが可能となる。

【００２９】（実施例３）図４（ａ），（ｂ）は本発明
の第３の実施例の円環形超音波モータの主要構成部を示
すものであり、図に示すように、複数個の矩形状突起体
１４ａを有するステンレス鋼製の円環形弾性基板１４の
底面に円環形圧電体１５を接着することにより、円環形
振動体１６を構成した。次に、３０重量％の炭素繊維と
７０重量％のポリエーテルサルホン樹脂との混練物を射
出成形することにより、円環形状で比重が１．４７であ
る炭素繊維強化樹脂複合体よりなる円環形移動体２６を
得た。さらに、この円環形移動体２６を円環形振動体１
６に皿ばね（図示省略）を用いて加圧接触して設置する
ことにより、第３の実施例の円環形超音波モータを構成
した。

【００３０】この円環形移動体２６は図４（ｂ）にその
断面を示すように、円環形振動体１６の底面の幅をｗと
すると、７ｗ／１２の幅を有する円環形移動体梁部２７
と、ｗ／６の幅を有する円環形移動体第一突起部２８と
、ｗ／６の幅を有する円環形移動体第二突起部２９とに
より構成するとともに、この円環形移動体第二突起部２
９を円環形移動体梁部２７の内周側に設け、円環形移動
体第二突起部２９を円環形振動体１６の中心部よりも内
周側で接触させている。

【００３１】具体的には、円環形移動体第二突起部２９
を円環形移動体梁部２７の内周側に設けることで、円環
形移動体２６の外周側に内周側よりもより大きな面補正
効果を持たせることが可能であり、円環形振動体１６の
径方向の振幅が外周側の方がより大きいという、径方向
の振幅を考慮した移動体の設計を行うことができる。

【００３２】（実施例４）図５（ａ），（ｂ）は本発明
の第４の実施例の円環形超音波モータの主要構成部を示
すものであり、図に示すように、複数個の矩形状突起体
１４ａを有するステンレス鋼製の円環形弾性基板１４の
底面に円環形圧電体１５を接着することにより、円環形
振動体１６を構成した。次に、３０重量％の炭素繊維と
７０重量％のポリフェニレンサルファイド樹脂との混練
物を射出成形することにより、円環形状で比重が１．４
５である炭素繊維強化樹脂複合体よりなる円環形移動体
３０を得た。さらに、この円環形移動体３０を円環形振
動体１６に皿ばね（図示省略）を用いて加圧接触して設
置することにより、第４の実施例の円環形超音波モータ
を構成した。

【００３３】この円環形移動体３０は図５（ｂ）にその
断面を示すように、円環形振動体１６の底面の幅をｗと
すると、ｗ／２の幅を有する円環形移動体梁部３１と、
ｗ／４の幅を有する円環形移動体第一突起部３２と、ｗ
／６の幅を有する円環形移動体第二突起部３３とにより
構成するとともに、円環形移動体梁部３１の裏面側にそ
れぞれ角度の異なる外周側のテーパ３４と内周側のテー
パ３５とを設け、円環形移動体第二突起部３３を円環形
振動体１６の中心部よりも内周側で接触させている。

【００３４】具体的には、円環形移動体３０の外周側の
テーパ３４を内周側のテーパ３５よりもその角度を大き
くすることで、円環形移動体３０の外周側に内周側より
もより大きな面補正効果を持たせることが可能であり、
円環形振動体１６の径方向の振幅が外周側の方がより大
きいという、径方向の振幅を考慮した移動体の設計を行
うことができる。

【００３５】上記４つの実施例に示したように、移動体
を少なくとも炭素繊維を用いて強化した炭素繊維強化樹
脂複合体で構成することにより、従来の円環形超音波モ
ータのように、摩擦材を金属弾性体に結合するための接
着工程を必要とせず、しかも射出成形または圧縮成形等
の方法により、金型を用いて容易に成形することが可能
である。さらに、上記構成とすることにより、移動体を
従来の円環形超音波モータのように摩擦材をステンレス
鋼製弾性体に結合して構成した同寸法の移動体に比較し
て、移動体の重量を低減することが可能である。

【００３６】以上具体的実施例について説明してきたが
、上記４つの具体的実施例において、移動体を構成する
炭素繊維強化樹脂複合体に含まれる炭素繊維の含有量は
、超音波モータの加圧力に応じて調整可能であるが、繊
維含有量が５重量％未満の場合には、剛性向上のための
効果が不足するとともに、移動体の摩擦接触面の耐摩耗
性が不足する。繊維含有量が５０重量％を超える場合に
は、成形方法または樹脂の流動性によっても異なるが、
成形が困難となると同時に成形物の機械的強度が脆くな
るため、５重量％以上５０重量％以下の範囲とする必要
がある。移動体に必要とされる材料特性，移動体の成形
性，移動体のコスト等より、総合的に判断すると、１５
重量％以上３５重量％以下であることが望ましい。

【００３７】また、同実施例においては、強化繊維の種
類として、炭素繊維を用いたが、上記炭素繊維に炭素繊
維以外の無機繊維を組み合わせて用いることも同様に可
能であり、さらに移動体の潤滑性を調整するために、上
記繊維にグラファイト粉末，四フッ化エチレン粉末，硫
化モリブデン粉末，フッ化黒鉛粉末等の無機充填材を組
み合わせることも可能である。

【００３８】さらに、上記４つの具体的実施例において
、炭素繊維強化樹脂複合体を構成する樹脂として、ポリ
フェニレンサルファイド樹脂，ポリエーテルエーテルケ
トン樹脂，ポリエーテルサルホン樹脂等の熱可塑性樹脂
を用いたが、これらに限定されるものではない。この炭
素繊維強化樹脂複合体を構成する樹脂を選定する際の目
安としては、耐熱性が１５０℃以上であり、熱変形温度
の高い樹脂を用いることが望ましく、この理由としては
、樹脂の耐熱性が１５０℃以下であり、熱変形温度の低
い樹脂を用いた場合には、移動体の摩擦接触部の摩耗が
促進され、モータ性能の劣化を引き起こす等、長期信頼
性を確保することが困難となる。上記観点より、実施例
に示した樹脂以外に、ポリサルホン樹脂，ポリアリレー
ト樹脂，ポリアミドイミド樹脂，ポリエーテルイミド樹
脂，ポリイミド樹脂，全芳香族ポリエステル樹脂等の熱
可塑性樹脂またはフェノール樹脂，ビスマレイミド・ト
リアジン樹脂，ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用い
ることも同様に可能である。

【００３９】

【発明の効果】上記実施例より明らかなように本発明の
円環形超音波モータは、移動体を両端支持条件の梁構造
とし、この移動体を振動体の中心部よりも内周側で接触
させることにより、出力伝達効率が高く、しかも低速安
定性に優れた円環形超音波モータを実現することができ
ると同時に、移動体の部品点数の削減および接着工程の
省略による製造工程の簡略化を実現することができる。 また、移動体を少なくとも炭素繊維を用いて強化した炭
素繊維強化樹脂複合体にて構成することにより、長期信
頼性に優れた円環形超音波モータを実現することができ
ると同時にモータ重量の軽量化をも実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における円環形超音波モータ
の構成を説明するための概念図

【図２】（ａ）本発明の第１の実施例における円環形超
音波モータの主要構成部を示す部分断面斜視図（ｂ）同
円環形超音波モータの部分拡大断面図

【図３】（ａ）本
発明の第２の実施例における円環形超音波モータの主要
構成部を示す部分断面斜視図（ｂ）同円環形超音波モー
タの部分拡大断面図

【図４】（ａ）本発明の第３の実施
例における円環形超音波モータの主要構成部を示す部分
断面斜視図（ｂ）同円環形超音波モータの部分拡大断面
図

【図５】（ａ）本発明の第３の実施例における円環形
超音波モータの主要構成部を示す部分断面斜視図（ｂ）
同円環形超音波モータの部分拡大断面図

【図６】従来の
円環形超音波モータの主要構成部を示す部分断面分解斜
視図

【符号の説明】

７　　移動体 ８　　移動体梁部 ９　　移動体第一突起部 １０　　振動体 １１　　移動体第二突起部 １２　　弾性基板 １３　　圧電体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弾性基板に圧電体を結合した振動体に移動
   体を加圧接触させ、前記振動体に撓み振動の進行波を励
   振することにより前記振動体と前記移動体との間の摩擦
   力を用いて、前記移動体を移動させる円環形超音波モー
   タであって、移動体梁部と、その移動体梁部の内外周部
   からそれぞれ延出した移動体第一突起部と、前記振動体
   との接触面側の梁部から延出した移動体第二突起部とに
   より前記移動体を構成し、前記移動体第一突起部を介し
   て前記振動体と加圧し、かつ前記移動体第二突起部を前
   記振動体の中心部よりも内周側で接触させた円環形超音
   波モータ。
2. 【請求項２】移動体を少なくとも炭素繊維を用いて強化
   した炭素繊維強化樹脂複合体により構成した請求項１記
   載の円環形超音波モータ。