JPH11196590A - 超音波モータのロータ及び超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 異音の発生を低減することができる超音波モ
ータを提供する。 【解決手段】 圧電素子１２に電圧を付加されて発生す
る振動がステータ１０に伝搬され、そのステータ１０の
表面に一方向の進行波が発生される。ロータ１５は、ロ
ータ１５のステータ接触面１５ｄに設けられた摩擦材１
６を介してステータ１０の表面に圧接されている。 摩擦
材１６は曲げ弾性係数が４０×１０⁴ 〜６０×１０⁴ Ｎ
／ｃｍ² の範囲にある耐摩耗性材料にて形成され、 摩擦
材１６の軸方向厚さｔが０．３ｍｍ以下に設定されてい
る。 また、ステータ１０に対するロータ１５の加圧力ｆ
はロータ１５を加圧する加圧弾性部材１８によって調節
され、 ２００〜４００Ｎの範囲内に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波モータのロー
タに係り、詳しくは超音波モータ起動時においてステー
タとロータに形成された摩擦材との摩擦によって発生す
る異音を低減するものに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般、超音波モータとは、超音波楕円振
動をするステータに圧接されたロータが摩擦力を介して
受けるトルクを利用したモータであると定義されてい
る。言い換えれば、超音波モータは電気ー機械変換子の
振動エネルギーを摺動面の摩擦力を介して出力側に伝達
するものである。この摺動面の摩擦問題は、モータの出
力特性を左右する極めて重要な問題であり、効率の高い
超音波モータを実現するためには、摩擦係数が大きく、
かつ耐摩耗性に優れ、安定した摩擦係数を維持する摩擦
材が使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
超音波モータは、起動時つまり拘束トルク付近において
ステータと摩擦材との摩擦によって大きな異音が発生し
ていた。この異音の発生は、超音波モータの消音化を図
る上で問題となっていた。

【０００４】本発明は、上記問題点を解消するためにな
されたものであって、その目的は異音の発生を低減する
ことができる超音波モータを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、請求項１に記載の発明は、圧電素子の駆動力により
振動するステータに摺動可能に圧接され、そのステータ
の振動に基づいて回転し、ステータと当接するように加
圧弾性部材により加圧される超音波モータのロータであ
って、前記ロータのステータ接触面に設けられた摩擦材
の軸方向厚さを０．３ｍｍ以下に設定したことを要旨と
する。

【０００６】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の超音波モータのロータにおいて、前記摩擦材は曲げ弾
性係数が４０×１０⁴ 〜６０×１０⁴ Ｎ／ｃｍ² の範囲
にある耐摩耗性材料を使用したことを要旨とする。

【０００７】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
に記載の超音波モータのロータを備えたことを要旨とす
る。請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の超音波
モータにおいて、前記ロータがステータと当接するよう
に加圧弾性部材により加圧される加圧力を２８０±２０
Ｎに設定したことを要旨とする。

【０００８】（作用）従って、請求項１及び２に記載の
発明によれば、摩擦材が薄くなると摩擦材の周方向への
よじれが少なくなり、そのよじれから復帰する際の復帰
量が少なくなる。その結果、ロータが駆動するときの異
音は低減される。

【０００９】請求項３及び４に記載の発明によれば、超
音波モータ起動時に発生する異音が低減される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を車両のテレスコピ
ック装置用超音波モータに具体化した一実施形態を図１
〜図８に従って説明する。

【００１１】図１に示すように、本実施形態の超音波モ
ータ１のハウジング２は基台３とカバー４とから構成さ
れている。前記基台３は金属板のバーリング加工により
形成され、ボールベアリングよりなる軸受５を保持する
ための軸受保持部３ａと、その軸受保持部３ａの内側開
口端から内側に延出形成された膨出部３ｂと、回転軸６
を挿通するための貫通孔３ｃとを備えている。前記膨出
部３ｂには後記するステータ１０を固定するためのネジ
孔３ｄが設けられている。

【００１２】前記カバー４は金属板のプレス加工により
形成され、その上部には軸受７を保持するための軸受保
持部４ａが形成されている。そして、回転軸６は前記軸
受保持部３ａ，４ａよりそれぞれ保持された軸受５，７
を介してハウジング２に対して回転可能に支持されてい
る。

【００１３】また、前記基台３の膨出部３ｂの上面には
円環状のプレート８が配置されている。プレート８には
前記膨出部３ｂのネジ孔３ｄと対応する位置に貫通孔８
ａが設けられている。そして、前記プレート８の上には
金属基板９をロウ付けしたステータ１０が載置されてい
る。

【００１４】前記ステータ１０は、圧延鋼板例えば冷間
圧延鋼板（ＳＰＣＣ）よりなり、中央には回転軸６を挿
通するための貫通孔１０ａが形成されている。また、ス
テータ１０において、前記基台３の膨出部３ｂと対応す
る部分を固定部１０ｂとし、その固定部１０ｂにおける
前記膨出部３ｂのネジ孔３ｄと対応する位置には貫通孔
１０ｃが設けられている。また、ステータ１０の外周部
はクランク状に屈曲形成され、上方に屈曲した部分を延
出部１０ｄとし、該延出部１０ｄの先端から外側に水平
に延びた部分を振動板部１０ｅとしている。さらに、ス
テータ１０において、前記延出部１０ｄを介してその振
動板部１０ｅと前記固定部１０ｂとを連結する水平部分
を振動減衰部１０ｆとしている。また、前記延出部１０
ｄにおけるステータ１０の外周部下面にはベースリング
１１がロウ付けにて接合され、ベースリング１１の下面
には環状に形成された圧電素子１２を接着剤にて接着し
ている。

【００１５】また、前記金属基板９は、円盤状を呈し、
ロウ付けにて前記ステータ１０の固定部１０ｂの下面に
固着されている。その基板９の中央には回転軸６を挿通
するための貫通孔９ａが形成され、ステータ１０の貫通
孔１０ｃと対応する位置には貫通孔９ｂが設けられてい
る。

【００１６】そして、前記ステータ１０及びプレート８
はそれぞれ設けられたネジ貫通孔１０ｃ，９ｂ，８ｂに
ネジ１３をワッシャ１４を介して貫挿して、前記基台３
の膨出部３ｂに設けられたネジ孔３ｄに螺合することに
よって、前記基台３に固定される。

【００１７】前記ステータ１０の上面には、アルミ合金
よりなるロータ１５が配置されている。図１及び図２に
示すように、ロータ１５は円盤状をなし、本実施形態で
はその外径ｄを５８ｍｍに設定している。ロータ１５の
中央には前記回転軸６を貫挿する貫通孔１５ａが形成さ
れ、その貫通孔１５ａの内周には図２に示すように、嵌
合凹部１５ｂが形成されている。また、ロータ１５の外
周には前記振動板部１０ｅに対応するステータ接触部１
５ｃが形成され、図４に示すように該ステータ接触部１
５ｃの下面１５ｄには摩擦材１６が接着剤にて接着され
ている。つまり、前記ロータ１５はステータ１０と当接
するとき、摩擦材１６を介してステータ１０の振動板部
１０ｅの上面と当接するようになっている。

【００１８】摩擦材１６は、図２〜図４に示すように、
円環状をなし、本実施形態では曲げ弾性係数４９×１０
⁴ Ｎ／ｃｍ² のポリイミド系樹脂（商品名ベスペルＳＰ
２２）にて形成されている。また、本実施形態では、摩
擦材１６の縦断面形状は長方形状をなし、摩擦材１６の
半径方向幅（以下は幅という）ｗは２ｍｍに設定されて
いる。さらに、本実施形態では、摩擦材１６の軸方向厚
さ（以下は厚さという）ｔは０．１５ｍｍに設定されて
いる。

【００１９】また、ロータ１５の嵌合凹部１５ｂにはカ
ラー１７が嵌着されている。前記カラー１７の内周面１
７ａには２面取り形状嵌合部が形成されている。そし
て、前記回転軸６はカラー１７に対して回転不能にその
２面取り形状嵌合部と嵌合連結されている。

【００２０】図１に示すように、前記カラー１７の上面
は加圧弾性部材１８により同加圧弾性部材１８に対して
回転不能に圧接されている。加圧弾性部材１８は、皿バ
ネ１８ａとプレート１８ｂとからなり、サークリップ１
９により前記回転軸６に対してそれ以上上動不能に回転
軸６と連結されている。即ち、前記ロータ１５が回転す
れば、カラー１７及び加圧弾性部材１８がともに回転
し、回転軸６は連動して回転される。このとき、前記ロ
ータ１５が摩擦材１６を介してステータ１０と当接する
ように加圧弾性部材１８により加圧される加圧力ｆは、
前記加圧弾性部材１８つまりバネ１８ａとプレート１８
ｂにより調節されることができるようになっている。そ
の加圧力ｆの望ましい範囲は２００〜４００Ｎである。
本実施形態ではその加圧力ｆは２８０±２０Ｎに設定さ
れている。

【００２１】上記のように構成された超音波モータ１
は、そのハウジング２の基台３が図示しない車両のステ
アリング装置のブラケットに固設されることによって、
車両に載置固定される。超音波モータ１は、その超音波
モータ１と離間して車体フレームに固設された駆動制御
装置により駆動制御される。

【００２２】そして、公知の方法にて圧電素子１２に高
周波電圧を印加することにより、圧電素子１２を振動さ
せる。本実施形態では圧電素子１２に印加する電圧ｖの
値は２１０±２０Ｖに設定されている。圧電素子１２の
振動は前記金属基板９を介して延出部１０ｄに伝わり、
該延出部１０ｄに伝わった振動は振動板部１０ｅに伝わ
り、その振動板部１０ｅの上面に一方向の進行波が発生
する。前記ロータ１５は摩擦材１６とステータ１０との
摩擦を介してその進行波により駆動回転される。

【００２３】図５は上記のように構成された超音波モー
タ１の出力特性（Ｎ−Ｔ曲線）を示す説明図である。横
軸は超音波モータ１のトルクを示し、縦軸は超音波モー
タ１の回転数を示している。このとき、摩擦材１６の厚
さｔは０．１５ｍｍに設定されている。図５に示すよう
に、超音波モータ１の起動時、つまり、回転開始直前に
おいて、トルク（拘束トルク）は最大の２．０（Ｎ・
ｍ）となっている。そして、この起動時、即ち拘束トル
ク付近において、ステータ１０と摩擦材１６との摩擦に
よる異音が発生しなかった。これは、摩擦材１６の厚さ
ｔが本実施形態では０．１５ｍｍと薄いため、異音が発
生しなかったと考えられる。つまり、摩擦材１６自体が
ステータ１０と擦れることによって振動し、この振動が
異音の原因と考えられる。しかし、摩擦材１６は厚さｔ
が０．１５ｍｍと薄いため摩擦材１６自体が振動しなく
なり異音が発生しないと考えられる。そこで、摩擦材１
６の厚さｔを種種変更して厚さｔと異音との関係を調べ
た。

【００２４】（比較例）次に、上記とほぼ同様な設定条
件を設定し、即ち、摩擦材１６は曲げ弾性係数４９×１
０⁴ Ｎ／ｃｍ² のポリイミド系樹脂を使用し、摩擦材１
６の半径方向幅ｗを２ｍｍに設定し、また、ロータ１５
の外径ｄを５８ｍｍに設定し、ロータ１５の加圧力ｆを
２８０±２０Ｎに設定し、圧電素子１２に付加した電圧
ｖを２１０±２０Ｖに設定した上で、摩擦材１６の厚さ
ｔをそれぞれ０．３ｍｍ、０．４ｍｍに変更設定して、
それらの厚さｔに対応する超音波モータ１の出力特性
（Ｎ−Ｔ特性）及び異音発生状況を調べた比較例を示
す。図６は厚さｔが０．３ｍｍ、図７は厚さｔが０．４
ｍｍのときの出力特性を示す説明図である。

【００２５】図６及び図７に示すように、摩擦材１６の
厚さｔの変化による超音波モータ１の出力特性（Ｎ−Ｔ
特性）の変化はほとんど見られないが、厚さｔが０．３
ｍｍのとき、超音波モータ１起動時（又は拘束時）にお
いてステータ１０と摩擦材１６との摩擦によって若干異
音が発生し、厚さｔが０．４ｍｍのとき、超音波モータ
１起動時（又は拘束時）においてステータ１０と摩擦材
１６との摩擦によって大きな異音が発生した。つまり、
摩擦材１６の厚さｔが０．３ｍｍを超えるとステータ１
０と摩擦材１６との摩擦によって異音が発生し、しか
も、その厚さｔが増すほど発生する異音が大きくなる傾
向がある。反対に厚さｔが０．３ｍｍ以下でその厚さｔ
を薄くするほど異音が小さくなる。

【００２６】また、超音波モータ１の作動時間（作動寿
命）と摩擦材１６の摩耗量との関係を調べた。図８に示
すように、摩擦材１６の摩耗量は超音波モータ１の作動
時間ｈと比例している。即ち、超音波モータ１の作動に
つれて摩擦材１６は図８に示すような勾配にてだんだん
摩耗されていく。摩擦材１６の摩耗量はそれぞれ０．１
５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍに達するとき、超音波
モータ１の作動時間（又は作動寿命）ｈはそれぞれ１３
０時間、２７０時間、３６０時間に達している。つま
り、本実施形態の厚さｔが０．１５ｍｍの摩擦材１６を
使用した場合には、１３０時間使用できることを意味
し、本実施形態のテレスコピック装置に使用される超音
波モータ１に要求される耐用時間（約１００時間）を十
分に満足する。

【００２７】また、加圧力ｆと異音との関係を調べた。
そして、上記加圧力ｆが２８０±２０Ｎを最良として、
加圧力ｆを変更して試験した結果、超音波モータ１を駆
動させるのに支障をきたさない加圧力ｆが２００〜４０
０Ｎの範囲においては、厚さｔが０．３ｍｍ以下で異音
が小さくなり、薄くするほど異音がさらに小さくなる傾
向が見られた。

【００２８】さらに、摩擦材１６の曲げ弾性係数と異音
との関係を調べた。そして、上記摩擦材１６の曲げ弾性
係数が４９×１０⁴ Ｎ／ｃｍ² を最良として、摩擦材１
６の曲げ弾性係数を変更して試験した結果、超音波モー
タ１を駆動させるのに支障をきたさない摩擦材１６の曲
げ弾性係数が４０×１０⁴ 〜６０×１０⁴ Ｎ／ｃｍ²の
範囲においては、厚さｔが０．３ｍｍ以下で異音が小さ
くなり、薄くするほど異音がさらに小さくなる傾向が見
られた。

【００２９】さらにまた、摩擦材１６の半径方向幅ｗと
異音との関係を調べた。そして、上記摩擦材１６の半径
方向幅ｗが２ｍｍを最良として、摩擦材１６の半径方向
幅ｗを変更して試験した結果、超音波モータ１を駆動さ
せるのに支障をきたさない摩擦材１６の半径方向幅ｗが
１〜２ｍｍの範囲においては、厚さｔが０．３ｍｍ以下
で異音が小さくなり、薄くするほど異音がさらに小さく
なる傾向が見られた。

【００３０】次に、上記のように構成された超音波モー
タ１の特徴を説明する。 （１）本実施形態では、ロータ１５に設けられた摩擦材
１６の厚さｔを０．３ｍｍ以下の０．１５ｍｍ薄い厚さ
に設定した。従って、超音波モータ１起動時（拘束トル
ク付近）において、摩擦材１６とステータ１０との摩擦
による異音の発生を防止することができる。しかも、テ
レスコピック装置用超音波モータに要求されている作動
時間（作動寿命）を満足することができる。

【００３１】（２）本実施形態では、ロータ１５に設け
られた摩擦材１６の厚さｔを０．３ｍｍ以下の０．１５
ｍｍ薄い厚さに設定するとともに、摩擦材１６をベスト
曲げ弾性係数が４９×１０⁴ Ｎ／ｃｍ² となるポリイミ
ド系樹脂を使用し、且つ、摩擦材１６の半径方向幅ｗを
２ｍｍに設定した。その結果、超音波モータ１の出力特
性（Ｎ−Ｔ特性）を確保することができ、超音波モータ
１起動時（拘束トルク付近）において、摩擦材１６とス
テータ１０との摩擦による異音の発生を確実に防止する
ことができるとともに、テレスコピック装置用超音波モ
ータに要求されている作動時間（作動寿命）を満足する
ことができる。

【００３２】（３）本実施形態では、ロータ１５に設け
られた摩擦材１６の厚さｔを０．３ｍｍ以下の０．１５
ｍｍ薄い厚さに設定するとともに、ロータ１５がステー
タ１０と当接するように加圧弾性部材１８により加圧さ
れる加圧力ｆをベストの２８０±２０Ｎに調整設定し
た。従って、超音波モータ１起動時（拘束トルク付近）
において、摩擦材１６とステータ１０との摩擦による異
音の発生を確実に防止することができる。

【００３３】尚、本発明の実施形態は、上記実施形態に
限定されるものではなく、以下のように実施してもよ
い。 ○上記実施形態では、ロータ１５に設けられた摩擦材１
６の厚さｔを０．１５ｍｍに設定して実施したが、その
厚さｔを０．３ｍｍ以下（例えば０．２ｍｍ）に設定し
て実施してもよい。この場合、超音波モータ１の作動寿
命を考慮して実施すれば上記と同様な効果を得ることが
できる。

【００３４】○上記実施形態では、ロータ１５に設けら
れた摩擦材１６の縦断面形状が長方形状にて実施した
が、図９及び図１０に示すような長方形状以外の形状に
て実施してもよい。このとき、摩擦材１６の厚さｔの測
定方法として、ステータ１０と接触している部分からロ
ータ１５本体までの軸方向への最も長い距離を測定す
る。この場合、上記実施形態と同様な効果を得ることが
できる。

【００３５】○上記実施形態では、摩擦材１６は曲げ弾
性係数４９×１０⁴ Ｎ／ｃｍ² のポリイミド系樹脂にて
形成したが、曲げ弾性係数が４０×１０⁴ 〜６０×１０
⁴ Ｎ／ｃｍ² の範囲内にある他系の樹脂例えばポリエス
テル系樹脂、プロピレン系樹脂にて実施してもよい。
又、曲げ弾性係数が４０×１０⁴ 〜６０×１０⁴ Ｎ／ｃ
ｍ² の範囲内にある耐磨耗性及び振動の伝達性を有する
ものならば樹脂でなくても例えば複合材料（石綿入りゴ
ム等）にて形成してもよい。この場合、上記実施形態と
ほぼ同様な効果を得ることができる。

【００３６】○上記実施形態では、ロータ１５の外径ｄ
を５８ｍｍに設定したが、ロータ１５の外径ｄを特に限
定せずに設定してもよい。この場合、上記実施形態とほ
ぼ同様な効果を得ることができる。

【００３７】○上記実施形態では、摩擦材１６の半径方
向幅ｗを２ｍｍに設定したが、その幅ｗを１〜２ｍｍの
間に設定して実施してもよい。この場合、上記実施形態
と同様な効果を得ることができる。

【００３８】○上記実施形態では、本発明を車両のテレ
スコピック装置用超音波モータに具体化して実施した
が、車両のチルト装置用超音波モータや車両用超音波モ
ータ以外の超音波モータに実施してもよい。この場合、
上記実施形態と同様な効果を得ることができる。

【００３９】上記実施形態から把握できる請求項以外の
技術的思想について、以下に効果とともに記載する。 ○電圧を付加されて振動が発生する圧電素子と、その振
動を伝搬し且つ表面に一方向の進行波が発生するステー
タと、ロータのステータ接触面に設けられ且つステータ
の表面に圧接する摩擦材と、ロータが摩擦材を介してス
テータに圧接するように加圧する加圧弾性部材とを備
え、ステータの振動がステータと摩擦材との摩擦を介し
てロータに伝搬されることによって作動された超音波モ
ータにおいて、前記ロータに設けられた摩擦材の厚さｔ
を０．３ｍｍ以下に設定し、摩擦材は曲げ弾性係数が４
０×１０⁴ 〜６０×１０⁴ Ｎ／ｃｍ² の範囲内にある耐
摩耗性材料を使用し、前記圧電素子に付加した電圧ｖを
２１０±２０Ｖに設定し、そして、前記ロータがステー
タと当接するように加圧弾性部材により加圧される加圧
力ｆを２００〜４００Ｎに設定したことを特徴とする超
音波モータ。

【００４０】従って、超音波モータ起動時（拘束トルク
付近）における異音の発生を低減することができる。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜４に記
載の発明によれば、超音波モータ起動時の異音発生を低
減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の超音波モータの断面図。

【図２】同じく超音波モータのロータの底面図。

【図３】同じく超音波モータのロータの断面図。

【図４】同じく超音波モータのロータの要部拡大断面
図。

【図５】本実施形態の摩擦材の厚さｔを０．１５ｍｍに
設定したときの超音波モータの出力特性（Ｎ−Ｔ特性）
を示す説明図。

【図６】本実施形態の摩擦材の厚さｔを０．３ｍｍに設
定したときの超音波モータの出力特性（Ｎ−Ｔ特性）を
示す説明図。

【図７】本実施形態の摩擦材の厚さｔを０．４ｍｍに設
定したときの超音波モータの出力特性（Ｎ−Ｔ特性）を
示す説明図。

【図８】本実施形態の摩擦材の摩耗量と超音波モータの
作動時間ｈとの関係を示す説明図。

【図９】別例の超音波モータのロータの要部拡大断面
図。

【図１０】別例の超音波モータのロータの要部拡大断面
図。

【符号の説明】

１…超音波モータ、６…回転軸、１０…ステータ、１２
…圧電素子、１５…ロータ、１６…摩擦材、１８…加圧
弾性部材、ｔ…摩擦材の軸方向厚さ、ｗ…摩擦材の半径
方向の幅。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子（１２）の駆動力により振動す
   るステータ（１０）に摺動可能に圧接され、そのステー
   タ（１０）の振動に基づいて回転し、ステータ（１０）
   と当接するように加圧弾性部材（１８）により加圧され
   る超音波モータのロータ（１５）であって、 前記ロータ（１５）のステータ接触面（１５ｄ）に設け
   られた摩擦材（１６）の軸方向厚さ（ｔ）を０．３ｍｍ
   以下に設定したことを特徴とする超音波モータのロー
   タ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の超音波モータのロータ
   において、 前記摩擦材（１６）は曲げ弾性係数が４０×１０⁴ 〜６
   ０×１０⁴ Ｎ／ｃｍ²の範囲にある耐摩耗性材料を使用
   したことを特徴とする超音波モータのロータ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の超音波モータの
   ロータ（１５）を備えた超音波モータ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の超音波モータにおい
   て、 前記ロータ（１５）がステータ（１０）と当接するよう
   に加圧弾性部材（１８）により加圧される加圧力（ｆ）
   を２８０±２０Ｎに設定したことを特徴とする超音波モ
   ータ。