JPH04347584A - 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
する超音波モータ、詳しくは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超音波モータの
従来技術について説明する。図８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、振動体１に加圧接触し
て設置されている。

【０００４】上記の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。

【０００５】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。

【０００６】

【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。

【０００７】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、超音波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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】本発明は、このような従来の課題を解決す
るものであり、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、しかも信頼性の高い超音波モータ
を提供することを目的とするもので、移動体の部品点数
の削減およ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。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の超音波モータは、移動体を、移動体梁部とそ
の移動体梁部の両端部から延出した移動体突起部とによ
り、または移動体梁部と、その移動体梁部の両端部から
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、移動体突起部または移動体第一突起部を介
して振動体と加圧し、かつ移動体梁部または移動体第二
突起部で振動体と接触させる構成としたものである。

【００１２】

【作用】したがって本発明によれば、移動体を移動体梁
部と、その移動体梁部の両端部から延出した移動体突起
部とにより構成し、移動体突起部を介して振動体と加圧
し、かつ移動体梁部で振動体と接触させることにより、
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。

【００１３】また、移動体を移動体梁部と、その移動体
梁部の両端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、接触面の面補正効果とともに
、接触幅を限定することが可能となる。

【００１４】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
優れた超音波モータを実現することができる。

【００１５】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。

【００１６】

【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。

【００１７】図１は本発明の一実施例の超音波モータの
主要部構成図である。図において、７は移動体梁部８と
、その移動体８の両端部から延出した移動体突起部９と
により構成された移動体である。また１０は台形形状の
突起体１１ａを有する弾性基板１１に圧電体１２を結合
した振動体である。さらに移動体突起部９のＡ面にて振
動体１０と加圧し、移動体梁部８で移動体１０と接触さ
せることにより、超音波モータを構成している。

【００１８】図２は本発明の他の実施例の超音波モータ
の主要構成図であり、図において１３は移動体梁部１４
と、その移動体梁部１４の両端部から延出した移動体第
１突起部１５と、振動体１６との接触面側の移動体梁部
１４から延出した移動体第２突起部１７とにより構成さ
れた移動体である。また１６は矩形形状の突起体１８ａ
を有する弾性基板１８に圧電体１９を結合した振動体で
ある。さらに移動体第一突起部１５のＢ面にて振動体１
６と加圧し、移動体第２突起部１７で振動体１６と接触
させることにより、超音波モータを構成している。

【００１９】上記２つの実施例において、振動体１０，
１６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１１ａ，１８ａで拡大して、加圧接
触して設置された移動体７，１３を駆動する。したがっ
て、振動体１０，１６による撓み振動の進行波を効率良
く移動体７，１３に伝達するためには、振動体１０，１
６と移動体７，１３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７，１３に持たせ、移動
体７，１３を振動体１０，１６に追従させると同時に、
負荷トルクによってこの移動体７，１３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。

【００２０】本発明では、上記のことに着目して、移動
体７，１３を両端支持条件の梁構造とすることで、移動
体梁部８，１４によって振動体１０，１６と移動体７，
１３との接触面のうねりを吸収するための効果（面補正
効果）を持たせることが可能となる。

【００２１】また、移動体７，１３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７，１３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
量にて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７，１３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７，１３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８，１４の幅および厚みを調整することで、
移動体７，１３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、さ
らに詳しく説明する。 （実施例１）図３（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施
例の円環形の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、複数個の台形状突起体２０ａを有
するステンレス鋼製の円環形弾性基板２０の底面に円環
形圧電体２１を接着することにより、円環形振動体２２
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２３を得た
。さらに、この円環形移動体２３を円環形振動体２２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２３は図３（ｂ）にその
断面を示すように、円環形振動体２２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２４とｗ
／４の幅を有する円環形移動体突起部２５とにより構成
し、ｗ／４の幅で円環形振動体２２と接触させている。

【００２５】なお、円環形移動体梁部２４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２４の
最適幅および円環形移動体梁部２４の最適厚み（図面中
ｔ）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２４の幅および厚みを調整することで、
円環形移動体２３の剛性を調整することができる。

【００２６】（実施例２）図４（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、複数個の台形状突起体２０ａを有するステンレス
鋼製の円環形弾性基板２０の底面に円環形圧電体２１を
接着することにより、円環形振動体２２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２３を得た。さらに、この
円環形移動体２３を円環形振動体２２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２３は図４（ｂ）にその
断面を示すように、円環形振動体２２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２４とｗ
／４の幅を有する円環形移動体突起部２５とにより構成
するとともに、円環形移動体梁部２４の円環形振動体２
２に相対する面側にテーパ２６を設け、ｗ／４の幅で円
環形振動体２２と接触させている。

【００２８】上記のように、円環形移動体梁部２４にテ
ーパ２６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５（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台形状突起２０
を有するステンレス鋼製の円環形弾性基板２０の底面に
円環形圧電体２１を接触することにより、円環形振動体
２２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２３を得た。 さらに、この円環形移動体２３を振動体２２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２３は図５（ｂ）にその
断面を示すように、円環形振動体２２の底面の幅をｗと
すると、２ｗ／３の幅を有する円環形移動体梁部２４と
ｗ／６の幅を有する円環形移動体突起部２５とにより構
成するとともに、円環形移動体梁部２４の裏面側にそれ
ぞれ角度の異なる外周側のテーパ２７と内周側のテーパ
２８とを設け、ｗ／４の幅で円環形振動体２２と接触さ
せている。

【００３１】具体的には、円環形移動体２３の外周側の
テーパ２７の角度を内周側のテーパ２８の角度よりも大
きくすることで、円環形移動体２３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２２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円環形移動体２
３の設計を行うことができる。

【００３２】（実施例４）図６（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
２８ａを有するステンレス鋼製の円環形弾性基板２８の
底面に円環形圧電体２９を接着することにより、円環形
振動体３０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
３１を得た。さらに、この円環形移動体３１を円環形振
動体３０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３１は図６（ｂ）にその
断面を示すように、円環形振動体３０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３２と、
ｗ／４の幅を有する円環形移動体第１突起部３３と、ｗ
／６の幅を有する移動体第二突起部３４により構成し、
ｗ／６の幅で円環形振動体３０と接触させている。

【００３４】なお、円環形移動体梁部３２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３２の
最適幅または円環形移動体梁部３２の最適厚み（図面中
ｔ１）および円環形移動体第２突起部３４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３２の幅または厚みおよび円環形
移動体第二突起部３４の高さを調整することで、円環形
移動体３１の剛性を調整することができる。

【００３５】（実施例５）図７（ａ），（ｂ）は本発明
の第５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、図に示ように、複数個の矩形状突起体２
８ａを有するステンレス鋼製の円環形弾性基板２８の底
面に円環形圧電体２９を接着することにより、円環形振
動体３０を構成した。次に、３０重量％の炭素繊維と７
０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３１を得
た。さらに、この円環形移動体３１を円環形振動体３０
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５の実施例の円環形超音波モータを構成し
た。

【００３６】この円環形移動体３１は図（ｂ）にその断
面を示すように、円環形振動体３０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３２と、ｗ
／４の幅を有する円環形移動体第一突起部３３と、ｗ／
６の幅を有する円環形移動体第二突起部３４とにより構
成するとともに、円環形移動体第二突起部３４を円環形
移動体梁部３２の内周側に設け、ｗ／６の幅で円環形移
動体３０と接触させている。

【００３７】具体的には、円環形移動体第２突起部３４
を円環形移動体梁部３２の内周側に設けることで、円環
形移動体３１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３０の
径方向の振幅が外周側の方が大きいという、径方向の振
幅を考慮した円環形移動体３１の設計を行うことができ
る。

【００３８】上記５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。

【００３９】以上具体的実施例について説明してきたが
、上記５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。

【００４０】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。

【００４１】さらに、上記５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樹脂を用いるこ
とも同様に可能である。

【００４２】

【発明の効果】上記実施例より明らかなように本発明の
超音波モータは、移動体を両端支持条件の梁構造とする
ことにより、出力伝達効率の高い超音波モータを実現で
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超音波モータの主要
構成部を示す部分断面斜視図

【図２】本発明の他の実施例における超音波モータの主
要構成部を示す部分断面斜視図

【図３】（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４】（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】（ａ）本発明の第４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７】（ａ）
本発明の第５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８】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　　移動体突起部 １０　　振動体 １１　　弾性基板

Claims (3)

【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超音波モータであ
   って、移動体梁部と、その移動体梁部の両端部からそれ
   ぞれ延出した移動体突起部とにより前記移動体を構成し
   、前記移動体突起部を介して前記振動体と加圧し、かつ
   前記移動体梁部で前記振動体と接触させた超音波モータ
   。
2. 【請求項２】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超音波モータであ
   って、移動体梁部と、その移動体梁部の両端部から延出
   した移動体第一突起部と、前記振動体との接触面側の前
   記移動体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で前記振動
   体と接触させた超音波モータ。
3. 【請求項３】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ま
   たは２記載の超音波モータ。