JPH01206880A - 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移動
体とが加圧接触した構成であり、圧電体への電気入力に
よって、圧電体と振動体に第４図に示すような超音波振
動の進行波を発生させ、その振動体と移動体との摩擦力
によって移動体を駆動させて機械エネルギーを得る原理
である。第４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は移動体であり、
その表面に摩擦材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に入方向の超音波振
動の進行波が発生する。通常、この進行波の振幅は１〜
１０μｍ程度である。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方向に対し、逆
向きの横に動く性質がある。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
の表面に置かれた移動体は波頭の上部のみに接触して、
振動体との摩擦力によってＣ方向の横に駆動する。

このような超音波モータにおいて、振動体および移動体
の材質として鉄やステンレス診よびアルミなどの金属が
提案されている。振動体と移動体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、振動体と移動体との摩擦係数
を大きくする方法が提案されている。

振動体と移動体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だめ、また、より大き
な摩擦力を得るだめに、振動体または移動体の接触面に
摩擦材の固定設置が提案され、種々の材料が検討され、
ゴムやエンジニアリングプラスチック材製の摩擦材が提
案されている。

発明が解決しようとする課題 しかし、ゴムなどの摩擦係数の大きい摩心材を用いた場
合、摩擦材の磨耗が多く発生し、その磨耗粉が振動体や
移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、無充填のフッ素樹脂のような摩擦係数の小さい摩擦
材を用いた場合、大きなトルりを得られないという問題
がある。

また、エンジニアリングプラスチックのような硬い摩擦
材を使用した場合、雑音が発生したり振動体と移動体と
の加圧力の変動に対し振動体の共振周波数がより犬きく
変動するためにモータの駆動が不安定になるという問題
がある。まだ、無機充填材を含有するエンジニアリング
プラスチックを用いた場合、接触相手の振動体表面に引
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。

本発明は、これらの問題点に鑑み、振動体および移動体
の摩擦接触部の両方の磨耗が少なく、またブレーキ）　
／ｌ／りの経時変化が少なく、さらに雑音の発生がなく
、同時に、安定した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。

課題を解決するための手段 上記の目的を達成するために、本発明は振動体と移動体
の互いに向かい合う面の前記移動体の少なくとも接触部
に有機高分子材とフッ素樹脂との複合物の成形体よりな
る摩擦材を設けたものである。

そして特に摩擦材としては、有機高分子材の粉末とフッ
素樹脂粉末の混合物を加熱圧縮成形して得られる複合成
形体よりなる摩擦材、または、３００℃以上の軟化温度
を有する有機高分子材とフッ素樹脂との複合成形体より
なる摩擦材を用いるものである。

作　　用 上記の構成によれば、■フッ素樹脂に有機高分子材を複
合化した摩擦材の使用によシ、フッ素樹脂単独組成の摩
擦材と比べて摩擦係数も大きくなる。また圧縮弾性率も
大きくなるために加圧力に対する摩擦材の圧縮変形歪も
小さくなる。したがって、振動体と移動体との間に大き
な加圧力を加えても振動体に発生する進行波の谷の部分
に摩擦材が接触することがなくなり、その結果、より大
きな駆動トルクを得ることが可能となる。■振動体と移
動体との加圧力の変動に対する振動体の共振周波数の変
化量が少なくなる。したがって、外部からの圧力変動に
対して、モータの駆動が安定になる。■摩擦材自体の磨
耗が少なく、同時に接触相手の金属製振動体の傷つきや
磨耗も少なくなる。しだがって、モータの長時間の、駆
動において安定した摩擦抵抗（すなわちブレーキトルク
）を得ることが出来、また、長時間安定した出力性能が
可能となる。■モータの駆動中および停止直前の雑音の
発生が生じなくなる。この作用理由は明らかではないが
、振動体から伝わる振動共鳴を、有機高分子材と適度の
柔かさを有するフッ素樹脂との相互作用によって振動減
衰し、共鳴振動を抑制する作用があるものと考えられる
。

実施例 本発明の超音波モータの主要部の一構成例、すなわち、
振動部と移動部の各成層構造、及び配置関係の一例は、
第１図に示すとおりである。振動部は圧電体１の表面に
金属などの弾性体製の振動体２を接着・固定したもので
ある。前記振動体２には第２図に示す如く振動体部を機
械的に振動しやすくし、振幅を大きくするために突起セ
グメント１２ａが設けられている。移動部は本体として
の移動体３の動作面に有機高分子材とフッ素樹脂との複
合成形体よりなる摩擦材４を固定し、この摩擦材４の表
面と前記振動体２の表面とを加圧接触させた構成である
。圧電体１に共振周波数の高周波電界を印加することに
より、圧電体１及び撮動体２には前述したとおりの超音
波振動の進行波が発生する。このとき、振動体２の進行
波頭部において接触している摩擦材４は移動体３と一体
となって、振動体との摩擦力によって駆動される。

電源が入力されないときには、振動体２と摩擦材４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り
すなわちブレーキ）／レフが生じている。

ここで、摩擦材４は、有機高分子材とフッ素樹脂よりな
る複合成形体にて構成しであるだめ、移動体の１駆動性
は良好であり、大きなトルクを得ることが可能となり摩
擦材及び接触相手の振動体の両方の磨耗が少なく、また
ブレーキ）／レフの経時変化が小さく、長時間安定した
駆動が得られ、さらに雑音の発生が生じなくなるなどの
利点がある。

前記有機高分子材粉末としては、特に制限はないがポリ
イミド樹脂粉末、芳香族ポリアミド樹脂粉末、芳香族ポ
リエステル樹脂粉末、ベンゾグアナミン樹脂粉末、ポリ
エーテルエーテルケトン樹脂粉末、フェノ−ｌｖｍ脂、
エポキシ樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂および、これ
らの樹脂に無機充填材を含有する有機高分子粉末などが
使用できる。

前記フッ素樹脂としては、特に制限はないが、四フッ化
エチレン樹脂、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン
共重合樹脂、三フッ化塩化エチレン樹脂、パーフルオロ
アルコキシ樹脂などが使用できる。

なお、本発明において、前記有機高分子材およびフッ素
樹脂に加えて、他の繊維や粉末などの充填材を添加含有
することも可能である。

以下に、具体的な実施例によって、本発明をさらに詳し
く説明する。

第２図に示すような直径６０叫、厚さ８叫の円板型超音
波モータを構成した。第２図において、超音波モータの
振動部は電極が配置された円板型圧電体１ａの表面に、
はソ同−直径であって表面に多数の突起セグメン）１２
ａの円周配列を有するステンレス製振動体２ａの裏面を
接着固定したものである。突起セグメン）１２ａは振動
体部を機械的に振動しやすくし、振幅を大きくするため
に設けられる。対応する移動部を構成する円板型ステン
レス製移動体３ａには、有機高分子材とフッ素樹脂との
複合成形物の成形体よシなる厚さ０．１〜２ｍｍの摩擦
材４ａが接着固定されている。

振動体２ａ及び移動体３ａは図示しないが適宜のバネと
ネジの締め付は手段によって互いに加圧され、振動体２
ａの突起１２ａ面と摩擦材４ａとが接触している。

摩擦材としては、以下に示すようにして製造した八〜Ｅ
の摩擦材を使用した。

摩擦材Ａの製造法：芳香族ポリエステル樹脂（住友化学
社製商品名エコノール、軟化温度３ｏＱ℃以上）を粉砕
して得だ平均粒径５μｍの有機高分子材粉末３ｏ重量部
と四フフ化エチレン樹脂粉末（ダイキン工業社製ポリフ
ロン１ｖｉ−１２，平均粒径２０μｍ）７０重量部を均
一に混合後、５００Ｋｐ／ｌｒｉの圧力下で３８０’Ｃ
，２時間の圧縮加熱を行って焼成成形し、厚さ１聴の複
合体成形物を得た。これを厚さ０．５胴に研磨して摩擦
材Ａを得た。

摩擦材Ｂの製造法：ポリイミド樹脂（デュポン社製商品
名ベスベル、軟化温度３ｏ○°Ｃ以上）を粉砕して得た
平均粒径１６μｍの有機高分子材粉末５０重量部と四フ
ッ化エチレン樹脂粉末（ダイキン工業社製ポリフロンＭ
−１２）５０重量部を均一に混合後、５００醪／ｃｄの
加圧下で３６０℃。

１時間の圧縮加熱成形を行なって、厚さ２咽の複合成形
体を得た。これを厚さ１．６ｍに研磨して摩擦材Ｂを得
た。

摩擦材Ｃの製造法：芳香族ポリアミド樹脂（今人社製、
軟化温度３００℃以上）を粉砕して得た平均粒径１０μ
ｍの有機高分子材粉末４ｏ重量部と四フッ化エチレン樹
脂水性懸濁液（ダイキン工業社製ポリフロンＤ−１，四
フッ化エチレン樹脂粉末含有量８０％）１００重量部と
を均一に混合後、６０℃の温度中で真空乾燥を行なって
水分を蒸発し、残った固形物を粉砕し、得た粉末を５０
０Ｋｐ／ｃｒｌの加圧下で３６０℃・１時間の圧縮成形
を行って厚さ１欄の複合成形体を得だ。これを厚さ０．
７瓢に研磨して摩擦材Ｃを得た。

摩擦材りの製造法：ベンゾグアナミン樹脂（日本触媒化
学展、硬質）を粉砕して得た平均粒径２μｍの有機高分
子材粉末２０重量部とグラファイト粉末（平均粒径１μ
ｍ以下）５重量部と四フフ化エチレン樹脂粉末（Ｍ−１
２）７５重量部を均一に混合後、６００　Ｋｐ　／ｃＪ
　（Ｄ加圧下で、３６０℃、１時間の圧縮成形を行って
厚さ１間の複合成形体を得た。これを厚さ０．３ｒｙｍ
に研磨して摩擦材りを得た。

比較摩擦材Ｅの製造法：比較として、四７ツ化エチレン
樹脂（ダイキン工業社製ポリフロンＭ−１２）を５００
　Ｋｐ／ｃＭ圧力下で、３６０℃、２時間の加熱圧縮成
形を行なってフッ素樹脂単独成分の摩擦材Ｅ（厚さ１　
ｍｍ　）を得た。

上記それぞれの摩擦材の圧縮弾性率および摩擦係数を測
定した結果を第１表に示す。ただし摩擦係数の測定はス
テンレス３０３製の直径３−の圧子を５００ｒｐｍで回
転する摩擦材の表面の半径１０ｍ＋ｎの位置に２ｏｏｇ
の荷重を加えたときの摩擦抵抗を測定し、摩擦係数を算
出した。

それぞれの摩擦材Ａ−Ｅを使用して第２図に示すような
超音波モータを構成し、円板の円周方向に４波の進行波
が励起されるように電極を配置し、所定の加圧力に設定
した。加圧力はブレーキトルクの測定により行なった。

それぞれの摩擦材を用いたモータについて、加圧力すな
わちブレーキトルり５００〜１ｅｓｏｏｇｆ−ｃｍの変
、動に対する共振周波数を測定した。また、ブレーキト
ルり１０００ｇｆ−エ電圧８０Ｖ、共振周波数近傍の入
力を印加してモータを駆動させた場合について、起動ト
ルク、無負荷回転数、所定時間の駆動後のブレーキトル
り、振動体表面の傷つき磨耗の有無、摩擦材の磨耗深さ
、及び雑音の発生の有無を測定した。

それぞれの測定結果を第１表に示す。

さらに比較例として、ポリアミドイミド樹脂と無機充填
材との複合樹脂よりなる摩擦材（厚さ１胴）の測定結果
を第１表に示す。

第１表より明らかのように、耐熱性有機高分子材とフッ
素樹脂とよりなる複合成形体の摩擦材（Ａ、Ｄ　）はフ
ッ素樹脂単独成分の摩擦材（Ｅ）と比べて、いずれも摩
擦係数は大きく、また圧縮弾性率も３倍以上大きい。し
たがって振動体と移動体との加圧力をブレーキトルク１
ｏ００ｇｆ−αに設定したとき、圧縮弾性率の大きい耐
熱性有機高分子材とフッ素樹脂とよりなる摩擦材を使用
しだモータは５２０〜θ８０ｇｆ−ｃｍの起動トルりを
得ることができる。これに対しフッ素樹脂単独摩擦材を
使用しだモータは１０００ｐｆ−αのブレーキトルりの
強い加圧力下では回転不可能であり、３００　ｊｉｆ−
ｃｒａまで加圧力を弱くすることによって回転するが、
起動トルクは２３０ｇｆ−ｃｍ程度であり小さい。

本発明の摩擦材（Ａ、Ｄ　）を構成したモータの、加圧
力（ブレーキトルり）を５ｏｏ〜１ｓｏｏ、！ｉ’ｆ−
儂に変化したときの共振周波数の変化量は１．５〜２．
６ＫＨｚ程度で小さく、また、プレーキトＩＶりの経時
的変化量も少ない。さらに摩擦材自体の磨耗および接触
相手の振動体の磨耗も少ない。したがって、圧力変動に
対して安定した１駆動性と、長時間の安定した再起動特
性を有する。これに対し、エンジニアリングプラスチッ
ク製の摩擦材（Ｆ）を使用したモータの場合、加圧力の
変動（ブレーキトルク５００９ｆ−ｃｍから１ｏｏｏｇ
ｆ−ｃｍの変動）に対し、共振周波数の変化量は８．５
ＫＨｚで大きく、また、モータの長時間の駆動において
、ブレーキトルクの変化量も大きく、さらに、振動体表
面を磨耗させるなどの欠点があり、長時間の駆動後のモ
ータの再起動性も不安定になる。

さらに、本発明の摩擦材（Ａ−Ｄ）を構成したモータは
、雑音の発生が認められなかった。これに対し、フッ素
樹脂単独摩擦材（Ｅ）およびエンジニアリングプラスチ
ックｎＭ　１Ｍ材（Ｆ）を使用したモータの場合、いず
れも長時間の、駆動において雑音の発生が認められた。

第３図は本発明の実施例の他の形状の円環型超音波モー
タである。第３図において、振動部は電極が配置された
円環型圧電体１ｂの表面に、はマ同−幅の表面に多数の
突起セグメンｌ−１２ｂの円周配列を有する鉄製振動体
２ｂの裏面を接着固定したものである。対応する移動部
を構成する円環型永久磁石製移動体３ｂには、有機高分
子材とフッ素樹脂とよりなる厚さ０．５〜１聴の摩擦材
４ｂが接着固定されている。振動体２ｂと移動体３ｂは
永久磁石製移動体の磁気吸引力によって加圧され、振動
体２ｂの突起１２ｂ面とＲ振材４ｂとが接触している。

円環の円周方向に７波の進行波が励起されるように宵極
配置し、共振周波数の電界を印加することにより移動体
３ｂが円周方向に回転する。

発明の効果 以上の説明から明らかなように本発明は、摩擦材として
少なくとも有機高分子材とフッ素樹脂との複合物の成形
体より構成したので、■振動体と移動体との加圧力を大
きくすることが可能で、より大きな駆動トルりを得るこ
とができる。■加圧力変動に対する共振周波数の変動が
少なく、また振動体表面と摩擦材表面の磨耗が少なくな
るため、モータの長期間の１駆動において、１駆動が安
定になり、さらにブレーキ）／ｌ／夕の変化が少なくな
る等長期間、安定した出力性能が可能になる。■雑音の
発生がない。などの効果を同時に有することが可能とな
り、出力性能および長期信頼性に優れたモータを提供す
るものである。

第２図と第３図は本発明の実施例を示す超音波モータの
一部切欠斜視図、第４図は従来の超音波モータの原理を
示す動作説明図である。

１、１ａ　、　１ｂ−−−−−−圧電体、２　、２ａ　
、　２ｂ−・・・振動体、３．３ａ、３ｂ・・・・・・
移動体、４　、４ａ。

４ｂ・・・・・・摩擦材。

Claims (4)

【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移動体
   とが加圧接触し、その両者間の摩擦力を介して前記振動
   体の振動により前記移動体を駆動する超音波モータにお
   いて、前記振動体及び前記移動体の互いに向かい合う面
   の前記移動体の少なくとも接続部に、少なくとも有機高
   分子材とフッ素樹脂との複合物の成形体よりなる摩擦材
   を設けたことを特徴とする超音波モータ。
2. （２）　前記摩擦材が有機高分子材の粉末とフッ素樹脂
   粉末との混合物を加熱圧縮成形して得られる複合成形体
   よりな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）　前記摩擦材が３００℃以上の軟化温度を有する
   有機高分子材とフッ素樹脂との複合物成形体よりなるこ
   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。
4. （４）　前記有機高分子材が、フッ素樹脂よりも硬い材
   料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。