JPH09172789A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 弾性体に体して摩擦駆動される相対運動部材
の摺動材の耐久性の向上および温度や湿度等の環境条件
の変化に起因する対候性の向上を図る。 【解決手段】 駆動信号により励振される電気機械変換
素子１ｂと、電気機械変換素子１ｂに接合され励振によ
って駆動面Ｐ１に振動を発生する弾性体１ａとを有する
振動子１と、弾性体１ａの駆動面Ｐ１に加圧接触され振
動によって駆動される相対運動部材２ａと、振動子１と
相対運動部材２との間に配置された摺動材２ｂとを有す
る超音波モータにおいて、弾性体１ａはニッケル鉄合金
で構成され、また摺動材２ｂはフッ素樹脂および無機繊
維とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動子に振動を発
生させて相対運動部材を駆動する超音波モータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の超音波モータを示す斜視
図、図６はその断面図である。ステータ（固定子）１
は、りん青銅，ステンレスまたはインバー等から成る弾
性体１ａに圧電体１ｂを一体的に接着して成る。ステー
タ１には、その弾性体１ａの外周面に位置する中立軸近
傍から径方向にフランジ部１ｄが一体成形され、そのフ
ランジ部１ｄが、環状の支持部材３の上面に接着されて
いる。支持部材３の外縁は、固定筒５（図６）とこの固
定筒５に螺合された押え環４とに挟持されている。

【０００３】一方、ロ−タ２は、ロータ母材２ａにスラ
イダ材２ｂを接着して成り、固定筒５の内部に設置され
る。ロータ母材２ａには、その中立軸近傍から径方向に
フランジ部２ｃが突設され、その外縁に支持部材２０が
一体成形されている。そして、加圧部材６による加圧力
がボ−ルベアリング８を介して支持部材２０、すなわち
ロータ２に伝達され、これによりスライダ材２ｂの下面
が弾性体１ａの駆動面に加圧接触される。ここで、ボ−
ルベアリング８は、押え環８ａと剛球８ｂとから成る。
圧電体１ｂに交流電圧（駆動信号）を印加すると、これ
に屈曲振動が生じて弾性体１ａに進行性振動波が発生
し、この振動波によりロータ２が摩擦駆動される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の超音波モータでは、摺動材は加圧されながら摩擦駆
動されるために、摩擦による摩耗や駆動に体する耐久性
が問題となる。また、摺動材は弾性体に常に一定の加圧
力で接触されているため、長期間駆動せずにおくと摺動
材が温度や湿度等の環境条件により弾性体に固着し、駆
動できなくなるおそれがある。

【０００５】本発明の目的は、弾性体に体して摩擦駆動
される相対運動部材の摺動材の耐久性の向上および温度
や湿度等の環境条件の変化に起因する対候性の向上を図
り、超音波モータの駆動効率を向上させることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題点鑑み、本発明
に係る超音波モータは、弾性体をニッケル鉄合金で構成
し、かつ摺動材をフッ素樹脂と潤滑材と無機繊維とで構
成する。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１〜図３により本発明の一実施
の形態を説明する。なお、図５および図６と同様な箇所
には同一の符号を付して説明する。

【０００８】図１は本発明に係る超音波モータの分解
図、図２その組立図である。ステータ（固定子）１は、
リング状弾性体１ａと、この弾性体１ａの接合面Ｐ２に
接着されたリング状圧電体１ｂとから構成されている。
弾性体１ａの駆動面Ｐ１は、平面研磨加工によりその平
面度の公差が０．５μｍ以下とされている。また弾性体
１ａには、その外周面から径方向にフランジ状の支持部
材３０が切削加工により削り出され一体的に形成されて
いる。この支持部材３０は、弾性体１ａの外周面に連設
される厚さが約０．３ｍｍの薄板部３１と、この薄板部
３１に連設される肉厚部３２とを有し、肉厚部３２の厚
さは、薄板部３１より十分厚くされる。また本実施の形
態では、肉厚部３２の下端面Ｐ３が弾性体１ａの接合面
Ｐ２と同一平面とされる。

【０００９】ここで、弾性体１ａの接合面Ｐ２は、圧電
体１ｂを接着接合したときに、圧電体１ｂのすべての電
極と導通をとるため平面研磨加工により駆動面Ｐ１と同
程度の平面度に仕上げる必要がある。本実施の形態で
は、この接合面Ｐ２と肉厚部３２の下端面Ｐ３とが同一
平面とされているので、接合面Ｐ２を平面研磨する際に
端面Ｐ３も同時に平面研磨できる。また、平面研磨され
た端面Ｐ３が当接される押え環４の面Ｐ５も同様に平面
研磨される。

【００１０】一方、ロータ（移動子）２は、リング状の
ロータ母材２ａと、このロータ母材２ａに接着されるス
ライダ材２ｂとから構成され、ステータ１の振動により
励振され、ステータ１と同周波数の進行波が発生する。
ここで、スライダ材２ｂの組成（重量比）は、例えば、 ポリテトラフルオロエチレン…８０％ ガラス繊維 …１５％ 二硫化モリブデン … ５％ となっている。このスライダ材２ｂの下面Ｐ６は、弾性
体１ａの駆動面Ｐ１と均一に接触するようにロータ母材
２ａに接着された後、この駆動面Ｐ１と同程度の平面度
に研磨加工される。

【００１１】図２に示すように弾性体１ａの接合面Ｐ２
に圧電体１ｂを接着した後、支持部材３０の肉厚部３２
の上下端面Ｐ４，Ｐ３が固定筒５の面Ｐ７および押え環
４の面Ｐ５に挟持されるように押え環４を固定筒５に螺
合する。このとき、肉厚部３２の下端面Ｐ３および押え
環４の面Ｐ５が平面研磨加工されているので、研磨加工
が困難な固定筒５の面Ｐ７を旋盤加工のみとしても、す
なわち面Ｐ７の平面度が高くなくても弾性体１ａの駆動
面Ｐ１の平面度が低下することがない。またロータ母材
２ａにはスライダ材２ｂが接着され、上述した押圧部材
６（図５）によりスライダ材２ｂの下面Ｐ６が弾性体１
ａの駆動面Ｐ１に加圧接触される。

【００１２】この状態で圧電体１ｂに交流電圧（駆動信
号）が印加されると、圧電体１ｂに屈曲振動が生じて弾
性体１ａの駆動面に進行性振動波が発生し、この振動波
によりロータ２が駆動される。このとき支持部材３０お
よび弾性体１ａに作用する振動波の振幅は、図３に示す
ようになっている。すなわち薄板部３１と肉厚部３２の
連接部分では肉厚部３２が固定されているため振幅は殆
ど零であり、弾性体１ａに近づくほど薄板部３１の振幅
は増加する。そして、弾性体１ａの中央部分付近の振幅
が最も大きくなる。したがって、厚さの厚い肉厚部３２
を設けてもロータ２の駆動効率が従来と比べて低下する
ことがない。

【００１３】以上のように、支持部材３０を弾性体１ａ
と一体成形により形成したので従来のように弾性体１ａ
と支持部材が分離することがない。また、支持部材３０
に肉厚部３２を設けたので機械加工時に薄板部３１のそ
りやうねりが防止され、弾性体１ａの駆動面Ｐ１の平面
性を損なうことがない。

【００１４】さらに、弾性体１ａの接合面Ｐ２と肉厚部
３２ａの端面Ｐ３とを同一平面としたので、接合面Ｐ２
を平面研磨する際に端面Ｐ３も同時に平面研磨でき、研
磨作業の効率向上が図れる。すなわち、平面研磨加工
は、予め高い平面度に仕上げられた研磨板上で被加工物
を公転させながら研磨するものであり、面Ｐ２，Ｐ３に
段差をつけて研磨するには段差の低い側の面の作業が困
難かつ非能率的である。本実施の形態によれば、１回の
研磨作業で面Ｐ２，Ｐ３を同時に平面加工できるため、
面Ｐ２，Ｐ３に段差をつけて加工する場合と比較して極
めて能率的であり量産性を期待できる。

【００１５】また図４は、支持部材４０の肉厚部４２を
弾性体１ａの駆動面Ｐ１側にも突出させその上端面Ｐ４
を駆動面Ｐ１と同一平面とした別実施の形態を示してい
る。この場合には、駆動面Ｐ１を平面研磨加工する際に
端面Ｐ４の平面研磨も同時に行なえる。

【００１６】なお、例えば上述の押え環４と固定筒５の
位置を上下逆にしてステータ１を固定する場合には、押
え環４の面Ｐ５と当接される上端面Ｐ４を駆動面Ｐ１と
同一平面とすればよい。また支持部材３０は、肉厚部の
端面Ｐ３，Ｐ４を駆動面Ｐ１あるいは接合面Ｐ２と同一
平面としなくてもよい。すなわち、面Ｐ２とＰ３あるい
はＰ１とＰ４を別々に平面研磨加工するようにしても、
肉厚部を設けただけで薄板部３１のそりやうねりを防止
できる。さらに以上では、回転型超音波モータについて
説明したが、リニア型の超音波モータにも本発明を適用
できる。

【００１７】さらにまた、上述の支持部材を弾性体１ａ
の外周面に形成した例を示したが、この支持部材を内周
面に形成し、弾性体１ａの内側で固定部材により固定保
持するようにしてもよい。

【００１８】ここで、スライダ材２ｂの材質について詳
述する。本出願人は、第１表に示すNo.１〜No.６の６種
類のスライダ材から最適なスライダ材を選択するにあた
って、それぞれについてまず性能試験を行った。

【表１】 その際、ステ−タを構成する弾性体はインバ−材（３６
％Ｎi鉄系合金）を用いた。この性能試験で第２表に示
すように各スライダ材の最高効率（％）が得られ、その
結果からNo.１，No.４〜No.６のスライダ材が効率にお
いてほぼ同程度に優れていることが分かった。

【表２】 そこで本出願人は、これらNo.１，No.４〜No.６のスラ
イダ材について耐久磨耗試験を行い、同表に示すような
結果を得た。そして、磨耗量と耐久回転数からみてNo.
５およびNo.６のスライダ材が優れていることを見出し
た。

【００１９】次に本出願人は、このNo.５およびNo.６の
スライダ材について加速反応試験を行った。すなわち超
音波モータでは、スライダ材を弾性体に常に一定の加圧
力で接触させており、このことから長期間駆動せずにお
くとスライダ材が弾性体に固着して駆動できなくなるお
それがある。そこで本試験は、この固着の有無を確かめ
るために、No.５およびNo.６のスライダ材を一定加圧力
で弾性体に接触させた状態で湿度９０％、温度８０℃の
雰囲気中に放置した。その結果、No.５のスライダ材は
固着反応を示したが、No.６のスライダ材は固着反応を
示さず、実験後も通常通りに駆動することができた。ま
た上記全試験終了後、No.６のスライダ材を用いた場合
の性能（効率）は第２表に示した結果とほとんど同一で
あった。

【００２０】最後にNo.６のスライダ材と、りん青銅製
およびステンレス（ＳＵＳ３０１）製のステータとを組
み合わせた実験を試みた。その結果、No.６のスライダ
材とりん青銅とは確実に固着してしまい、またNo.６の
スライダ材とステンレスとは固着する場合としない場合
とがあった。

【００２１】以上からNo.６、すなわちＰＴＦＥ（８０
重量％）＋ガラス繊維（１５重量％）＋二硫化モリブデ
ン（５重量％）から成る材料がスライダ材として最も適
しているということ、またNo.６のスライダ材と組み合
わせられるステータの材料としては、インバー材を用い
るならば、雰囲気（条件）に関係なく使用できること、
ステンレスを用いるならば、用途の条件を限定する必要
があることがそれぞれ分かった。

【００２２】さらに以上の実験から以下のことが分か
る。まず、スライダの材質がモータの駆動効率に与える
影響については、今のところあまり明確にはできないの
が現状である。ただ、No.１，No.２，No.３のスライダ
材が共にケブラー繊維を含有していて、そのうちのNo.
２，No.３のスライダ材だけが効率が悪いので、原因は
ケブラー繊維にあるのではなくポリエステル樹脂やエポ
キシ樹脂の含有にあるのではないかという推定ができ
る。

【００２３】次に磨耗試験に関しては、低摩擦係数の素
材の使用により結果が良くなっていることがはっきりわ
かる。すなわち、No.１のスライダ材は低摩擦係数の素
材を全く含有していないので磨耗量が一番多い。No.４
のスライダ材はＰＴＦＥという低摩擦係数の素材を含有
するものの、その重量％が３％と少ないため磨耗量は中
程度に留まっているが、通常の使用では充分に耐磨耗性
があると言える。これに対しNo.５のスライダ材はＰＴ
ＦＥを３０重量％、No.６のスライダ材はＰＴＦＥを８
０重量％と共に多く含有しており、これにより磨耗量も
僅少であった。

【００２４】このように、第２表に示される如くスライ
ダ材にＰＴＦＥ等の低摩擦係数の素材を３重量％〜１０
０重量％含有させることで磨耗量を抑えることができ
る。さらにNo.４〜No.６のスライダ材の如く、少なくと
もＰＴＦＥを含有する材料にて構成されていれば、モー
タの駆動効率も高くできるものと推定できる。

【００２５】なお、以上の考察により、上記ＰＴＦＥ以
外にもペルフルオロアルコキシふっ素樹脂（ＰＦＡ）や
エチレン四ふっ化エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）等のふ
っ素樹脂系の代替材料が考えられる。また、その量とし
ては３〜１００重量％の範囲内で特に３０重量％以上が
好適と考えられる。

【００２６】さらに耐久性に関しては、No.６のスライ
ダ材のみが往復８０万回転以上と他のスライダ材に比べ
圧倒的に優れている。これはNo.６のスライダ材がＰＴ
ＦＥという低摩擦係数の素材を８０重量％と極めて多く
含有していることに加えて、二硫化モリブデンという潤
滑性のある素材をも含有していることに起因するものと
考えられる。このように、ＰＴＦＥという低摩擦係数の
素材を５０重量％以上含有する母材に、二硫化モリブデ
ンという潤滑性のある素材を１〜２０重量％程度充填し
てスライダ材を構成すれば、高効率で耐磨耗性が高くか
つ耐久性の高い超音波モータとすることができる。

【００２７】なお耐久性だけに関していうならば、以上
の考察により上記二硫化モリブデン以外にもカーボン等
の潤滑性のある代替材料が考えられる。またその量とし
ては、あくまでもその潤滑性を目的とするため、１〜２
０重量％内で特に１０重量％程度が好適と考えられる。

【００２８】また固着に関しては、各スライダを構成す
る素材とステータの素材とによって理由付けができる。
すなわちNo.６のスライダ材は、ＰＴＦＥというふっ素
樹脂および二硫化モリブデンという潤滑性のある素材
（いずれも固着性のない材料）に加えて、そもそも固着
性のほとんどない素材であるガラス繊維という無機物質
が充填されて構成されている。このようなスライダ材に
対してステータも錆等の化学変化に極めて強いインバー
材が使用されているので、この両者を組合せても固着反
応は起こらなかったのである。

【００２９】インバー材以外のステータ（りん青銅、Ｓ
ＵＳ３０１）とNo.６のスライダ材との組合せで固着も
しくはその傾向があったのは、りん青銅が化学変化に強
くないこと、またＳＵＳ３０１もインバー材ほどは化学
変化に強くないことによるものであろう。次にNo.５の
スライダ材が固着したのは、その含有されるエコノール
Ｅ１０１が固着性を有していたためと考えられる。なお
固着だけに関していうならば、以上の考察により、上記
組成以外にも各種無機物質例えば酸化チタン、チタン酸
カリ等の代替材料が考えられる。

【００３０】以上述べたように、本件発明の実施の形態
によれば、ニッケル鉄系合金から構成されるステータに
より駆動されるロータのスライダ材を、ふっ素樹脂を３
〜１００重量％含有するように構成すれば、第２表に示
される如く高効率でかつ磨耗の少ないモータを提供で
き、特に長時間の使用を要求される製品に適している。
さらにスライダ材を、ふっ素樹脂（５０重量％以上）お
よび潤滑材（１〜２０重量％程度）を含有する材料で構
成すれば、第２表に示される如く高効率、かつ磨耗が少
なく、かつ耐久性が高いモータを提供できる。

【００３１】さらにスライダ材を、ふっ素樹脂（３〜８
０重量％）および潤滑材（１〜２０重量％程度）および
無機材（１〜３０重量％程度）を含有する材料で構成す
れば、第２表に示される如く高効率、かつ磨耗が少な
く、かつ耐久性が高い、かつステータとスライダ材が固
着しないモータを提供でき、特にカメラ等のメインテナ
ンス・フリーの製品に適している。また、カメラ等のメ
インテナンス・フリーの製品に使用される場合には、上
記試験項目の中で特に固着が重要視される。その場合に
はNo.６のスライダ材のように、非固着性の材料のみか
ら構成される材料が適している。

【００３２】以上の実施の形態の構成において、圧電体
が電気機械変換素子を、ステータが振動子を、ロータ母
材が相対運動部材を、スライダ材が摺動材をそれぞれ構
成する。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、弾性体をニッケル鉄合
金で構成し、また摺動材をフッ素樹脂と潤滑材および無
機繊維とで構成することにより、摺動材と弾性体との固
着を防止できる。また摺動材においては、上記構成にす
ることにより摩耗量が少なく且つ駆動に体する耐久性の
高いスライダ材とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る超音波モータの構
成を示す分解図。

【図２】上記超音波モータの組立図。

【図３】弾性体の各部分に作用する振動波の振幅を示す
図。

【図４】支持部材の変形例を示す図。

【図５】超音波モータの構成を示す斜視図

【図６】図５の断面図。

【符号の説明】

１ ステータ １ａ 弾性体 １ｂ 圧電体 ２ ロータ ２ａ ロータ母材 ２ｂ スライダ材 ４ 押え環 ５ 固定筒 ３０ 支持部材 ３１ 薄板部 ３２ 肉厚部 Ｐ１ 駆動面 Ｐ２ 接合面 Ｐ３，Ｐ４ 端面

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動信号により励振される電気機械変換
   素子と、前記電気機械変換素子に接合され前記励振によ
   って駆動面に振動を発生する弾性体とを有する振動子
   と、 前記弾性体の駆動面に加圧接触され前記振動によって駆
   動される相対運動部材と、 前記振動子と前記相対運動部材との間に配置された摺動
   材とを有する超音波モータにおいて、 前記弾性体はニッケル鉄合金で構成され、また前記摺動
   材はフッ素樹脂と無機繊維とを含むことを特徴とする超
   音波モータ。
2. 【請求項２】 前記弾性体はインバー材で構成されるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 【請求項３】 前記摺動材は潤滑材を更に含むことを特
   徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
4. 【請求項４】 前記摺動材はポリテトラフルオロエチレ
   ン（ＰＴＦＥ）と二硫化モリブデンとガラス繊維とを含
   むことを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
5. 【請求項５】 前記摺動材は、８０重量％のＰＴＦＥ
   と、５重量％の二硫化モリブデンと、１５重量％のガラ
   ス繊維とで構成されていることを特徴とする請求項４に
   記載の超音波モータ。