JPH0515174A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】円盤状の弾性体１の端面に隙間なく設けられ弾
性体を励振する円環状の圧電素子２をもつステータ３
と、弾性体の端面１ａに対向して設けられたロータ４
と、ロータ４を弾性体１に押しつける円盤状のばね５
と、ステータとロータの中心軸に設けられロータと共に
回転する出力軸６と、出力軸を支持する軸受８と、ステ
ータ，ロータ及び軸受を囲むケース７とを含む超音波モ
ータにおいて、圧電素子とケースとの間に両者と密着し
て設けられた放熱部材１０を設ける。 【効果】弾性体とロータとの摺動による摩擦熱の放熱を
効果的に行えるため、摺動面の温度上昇を抑えることが
でき、摺動部の摩擦特性の変化を小さくでき、安定した
超音波モータの特性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子により弾性体
を励振し、弾性体表面に進行波を発生させ、この弾性体
表面にロータを押しつけ、弾性体表面とロータ表面の間
に生じる摩擦力によりロータを回転させる進行波型超音
波モータに係り、特に、弾性体表面とロータ表面の摺動
により発生する摩擦熱の放熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波モータは、図３に示すよう
に、円盤状の弾性体１の一端面に隙間なく設けらた圧電
素子２により弾性体１の表面１ａに進行波を励起し、弾
性体１に振動吸収用部材９を介してばね５を用いてロー
タ４を押しつけ、弾性体１の表面１ａとロータ４との間
に生じる摩擦力によりロータ４を進行波の進行方向と反
対方向に回転させ、出力軸６を回転させていた。このよ
うな進行波型の超音波モータは、特開平2−261077 号公
報に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、弾性
体１の表面１ａに効率よく進行波を発生させるために、
ステータ３の内周部３ａを薄肉化してある。また、ロー
タ４をばね５により弾性体１へ押しつける時、不要な反
力が生じないよう、ロータ４の内周部は、出力軸６との
隙間ｇを保って嵌合されている。弾性体１とロータ４と
の摩擦力により生じる摩擦熱は、 (1) ステータ３の内周部の薄肉部３ａを通りケース７へ
熱伝導される。

【０００４】(2) 振動吸収用部材９とばね５を通りシャ
フト６へ熱伝導される。

【０００５】(3) 仕様環境が気体中の場合、気体を通り
ケース７へ熱伝達される。

【０００６】(4) 輻射によりケース７へ伝えられる。

【０００７】の四つの経路で放熱される。しかし、(1)
の熱伝導による放熱経路は、ステータ３の薄肉部３ａの
ために熱抵抗が大きく放熱量は小さい。(2) の熱伝導に
よる放熱経路も、振動吸収用部材として一般的に使用さ
れている熱伝導率の小さいゴムや薄肉のばねのため熱抵
抗が大きく放熱量が小さい。(3) の熱伝達による経路
は、熱伝導に比べ放熱量が小さい。仕様環境が真空の場
合、熱伝達による放熱は期待できない。(4) の輻射によ
る経路は、摺動部とケース７の温度差により決まるが、
温度差は最大でも６０℃程度であり放熱量は小さい。こ
のように、摺動部に発生する摩擦熱は、十分に放熱され
ず弾性体１やロータ４に蓄積され温度上昇する。このた
め、安定した摩擦力を発生するためにロータ４に設けら
れた摺動材スライダ４ａの摩擦特性が温度上昇により変
化し、発生トルクの低下や、回転数の低下，回転数の変
動など超音波モータの安定した特性を維持できない。ま
た、温度上昇により、スライダ４ａの摩耗量が増加す
る。さらに、温度上昇により、圧電素子のキュリー温度
を越え圧電素子の特性が失われる恐れがある。従って、
従来の超音波モータは、連続した運転を行うような用途
への利用が困難であった。また、真空や窒素雰囲気な
ど、摺動材の特性が大気中と大きく異なる環境下で超音
波モータを使用した場合、摺動材の摩耗が大きかった。

【０００８】本発明の目的は、圧電素子により進行波を
発生させる超音波モータにおいて、摺動部の摩擦熱を放
熱する手段をもつ安定した特性の超音波モータを提供す
ることにある。また、温度上昇や真空環境での使用に対
し摺動材の摩耗を低減し超音波モータの寿命を増加させ
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は円盤状の弾性体の一端面に隙間なく設けら
れた円環状の圧電素子の端面とケースとの隙間に冷却部
材を設けたものである。冷却部材は、二重円筒状の金属
ベローズを設け、金属ベローズ内部に液体を封入したも
のである。また、二重円筒状の金属ベローズ内部の液体
の供給排出手段を設けたものである。さらに、冷却部材
は、液体を封入した二重円筒状の金属ベローズと金属ベ
ローズの端面接して熱電素子を設けたものである。

【００１０】摺動部の摩擦熱を放熱するために、弾性体
とロータの押しつけ力は弾性体をばねにより押すことに
より付与し、ロータを厚肉化しかつロータと出力軸を一
体化したものである。摺動材の摩耗を低減するために、
出力軸に軸シール手段を設けたものである。

【００１１】

【作用】弾性体の一端面に隙間なく設けられた円環状の
圧電素子の端面とケースとの間に液体を封入した二重円
筒状の金属ベローズを設けることにより、弾性体からケ
ースへの熱抵抗が低減し、弾性体とロータの摺動により
発生した摩擦熱は、金属ベローズ及び液体を通りケース
へ熱伝達され、放熱が促進される。また、二重円筒状の
金属ベローズ内部の液体の供給排出手段を設けることに
より、金属ベローズ内部へ冷却された液体を供給するこ
とができ摺動部に生じた摩擦熱の放熱量を増加できる。
さらに、液体を封入した二重円筒状の金属ベローズと金
属ベローズの端面接して熱電素子を設けることにより、
金属ベローズを冷却することができ、放熱をより促進で
きる。

【００１２】弾性体とロータの押しつけ力は弾性体をば
ねにより押すことにより付与し、ロータを厚肉化しかつ
ロータと出力軸を一体化することにより、ロータから出
力軸への熱抵抗が低減し、摺動部の摩擦熱の出力軸への
放熱量が増加する。

【００１３】出力軸に軸シール手段を設けることによ
り、超音波モータの使用環境によらず超音波モータ内部
は大気雰囲気に保たれるため、摺動部材の摩擦特性を安
定化できる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の第一の実施例を図１を用いて
説明する。円盤状の弾性体１の一端面には圧電素子２が
隙間なく接着されている。弾性体１の圧電素子２の接着
面と反対の端面１ａには櫛歯状の溝１ｂが形成されてい
る。弾性体１と圧電素子２からなる円盤状のステータ３
は弾性体１の剛性を低下させるために内周部が薄肉３ａ
になっている。圧電素子２は弾性体１を励振し、弾性体
１の端面１ａに進行波を発生させる。弾性体１の端面１
ａに対向してロータ４が設けられている。ロータ４は円
形のダイヤフラム状のばね５により弾性体１に押しつけ
られている。ロータ４の弾性体との接触面には摺動材の
スライダ４ａが接着されている。ロータ４とばね５の間
には振動吸収用ゴム９がある。ロータ４とステータ３の
中心軸には出力軸６があり、軸受８ａ，８ｂで支持され
ている。ばね５の他端は出力軸に設けられたカラーで止
められており、ばね５の反力はスラスト軸受８ｂで受け
ている。ステータ３，ロータ４を囲んでケース７が設け
られており、ステータ３の内周部と接続されている。圧
電素子２とケース７との隙間には両端を密封された二重
円筒状の金属ベローズ１０が一端を圧電素子と他端をケ
ース７と隙間なく接するように設けられている。金属ベ
ローズ１０の内部には熱伝導率の大きい液体１１が封入
されている。金属ベローズ１０のばね定数は弾性体１の
剛性よりも十分に低く、また内部に封入した液体１１に
より金属ベローズ１０のばね定数が上昇しないように、
液体１１は適当な空間をもって金属ベローズ１０内封入
されている。このように構成することにより弾性体１と
ロータ４との摺動により生じる摩擦熱は、液体１１入り
の金属ベローズ１０を熱伝達によりケース７へ放熱され
る。従って、本実施例によれば、弾性体１とロータ４と
の摺動による摩擦熱の放熱を大きくできるため、弾性体
１やロータ４，圧電素子２の温度上昇を抑えることがで
きるため、スライダ４ａの安定した摩擦特性がえられる
と共に、スライダ４ａの摩耗を低減できる。

【００１５】本発明の第二の実施例を図２を用いて説明
する。圧電素子２とケース７との間の隙間に設けられて
いる二重円筒状の金属ベローズ１０のケース側端面の円
周方向には、一つ以上の液体１１供給用のパイプ１２と
液体排出用のパイプ１３が設けられている。このように
することにより、金属ベローズ１０内に液体１１が満た
されるため、弾性体１とロータ４との摺動により生じる
摩擦熱は、液体１１入りの金属ベローズ１０を熱伝達に
よりケース７へ放熱される。また、液体供給用パイプ１
２から冷却された液体１１ａを流入させ金属ベローズ１
０内で温度上昇した液体１１ｂを排出パイプ１３から流
出させ、液体１１を循環させることにより、放熱量を第
一の実施例よりも増加させることができる。また、液体
１１の循環量を弾性体１の摺動面１ａの温度により調整
することにより、摺動部の温度を概略一定に保つことも
可能である。従って、本実施例によれば、第一の実施例
と同様、弾性体１とロータ４との摺動による摩擦熱の放
熱を大きくできるため、弾性体１やロータ４，圧電素子
２の温度上昇を抑えることができるため、スライダ４ａ
の安定した摩擦特性がえられると共に、スライダ４ａの
摩耗を低減できる。

【００１６】本発明の第三の実施例を図３を用いて説明
する。圧電素子２とケース７との間の隙間に設けられて
いる液体１１を封入した二重円筒状の金属ベローズ１０
のケース側端面には熱電素子１４の片面が接着されてお
り、熱電素子１４のもう一方の面はケース７に密着して
いる。熱電素子１４は、金属ベローズ側が低温側になる
ように取り付けられている。このように構成することに
より、弾性体１を冷却することができるため、摺動部
（弾性体表面１ａとスライダ４ａ）の温度上昇を抑える
ことができる。摺動部の温度を熱電素子１４のコントロ
ーラにフィードバックすることにより、摺動部にとって
最適な温度での運転が可能となる。このため、超音波モ
ータを安定した最高の特性で運転することができ、弾性
体１とスライダ４ａの摩耗を低減でき、超音波モータの
長寿命化と信頼性の向上が図れる。

【００１７】本発明の第四の実施例を図４を用いて説明
する。円盤状の弾性体１の一断面には圧電素子２が隙間
なく接着されている。弾性体１と圧電素子２からなる円
盤状のステータ３は弾性体１の剛性を低下させるために
内周部が薄肉３ａになっている。圧電素子２は弾性体１
を励振し、弾性体１の端面１ａに進行波を発生させる。
弾性体１の端面１ａに対向してロータ４が設けられてい
る。ステータ３は円形のダイヤフラム状のばね１５によ
りロータ４に押しつけられている。ロータ４の弾性体と
の接触面には摺動材のスライダ４ａが接着されている。
ロータ４は厚肉の円盤４ｂをもっておりで出力軸６と一
体化されている。ばね１５の反力は軸受８ｂで受けてい
る。このように構成することにより、ロータ４から出力
軸６への熱抵抗を小さくすることができるため、弾性体
１とロータ４との摺動により発生した摺動熱を熱伝導に
より出力軸６へ導き、出力軸６に接続された機器に放熱
することができる。本実施例の場合、ロータ４と出力軸
６の材質には、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の良い
ものを選ぶことはもちろんである。本実施例によれば、
弾性体１とロータ４の摺動部の温度を下げることができ
るため、スライダ４ａと弾性体４の表面４ａの摺動特性
が安定するため、超音波モータの特性を安定化できると
ともに、スライダ４ａの摩耗を減少することができ
る。。

【００１８】本発明の第五の実施例を図５を用いて説明
する。出力軸６には軸シール１５が設けられている。軸
シールとしては、例えば、磁性流体シールやゴム製のＯ
リングなどが使用可能である。ケース７ａとケース７ｂ
の接合部には固定用ガスケット１７が設けられている。
ケース７には電流導入端子１６が取り付けられており、
圧電素子２の駆動電力供給用電線２ａは電流導入端子１
６を介して圧電素子２と接続されている。この構成にす
ることにより、超音波モータの内部１８は超音波モータ
の外部と完全に隔離することができる。このため、超音
波モータの使用環境が真空，液中，大気以外のガス雰囲
気中などの場合にも大気中と同様に使用できる。また、
超音波モータ内は大気に保たれるため、弾性体１とロー
タ４の材料を超音波モータの使用環境に適したものに変
更する必要がない。さらに、超音波モータが完全に外部
と隔離されているため，超音波モータ内で発生した摩耗
粉が超音波モータ外部に飛散することがない。本発明に
よれば、各種の環境下で超音波モータを使用する場合、
超音波モータの構成部材を使用環境用に変更する必要が
なく、大気中と同様の特性を得ることができる。また、
外部への摩耗粉の飛散がないためクリーン度を要求され
る用途への適用が行える。なお、本実施例の説明では省
略したが、本実施例でも、第一から第四の実施例と同様
弾性体２とロータ４の冷却部材を設けることにより、超
音波モータの特性の安定化と超寿命化を図れることはも
ちろんである。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、弾性体とロータとの摺
動による摩擦熱の放熱を効大気中と全く同様の超音波モ
ータの特性果的に行えるため、摺動面の温度上昇を抑え
ることができ、摺動部の摩擦特性の変化を小さくするこ
とができ、安定した超音波モータの特性が得られる。ま
た、摺動部の摩耗が低減できるため、長寿命化が図れ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波モータの第一の実施例を示す断
面図。

【図２】本発明の第二の実施例を示す断面図。

【図３】本発明の第三の実施例を示す部分断面図。

【図４】本発明の第四の実施例を示す断面図。

【図５】本発明の第五の実施例を示す断面図。

【図６】従来の超音波モータを示す断面図である。

【符号の説明】

１…弾性体、２…圧電素子、３…ステータ、４…ロー
タ、６…出力軸、７…ケース、８…軸受、１０…ベロー
ズ、１１…液体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】円盤状の弾性体と、前記弾性体の一端面に
   隙間なく設けられ前記弾性体を励振する円環状の圧電素
   子とを含むステータと、前記弾性体の他端面に対向して
   設けられたロータと、前記ロータの反ステータ側に設け
   られ前記ロータを前記弾性体に押しつける円盤状のばね
   部材と、前記ステータと前記ロータの中心軸に設けられ
   前記ロータと共に回転する出力軸と、前記出力軸を支持
   する軸受と、前記ステータ，前記ロータ，前記出力軸及
   び前記軸受を囲むケースとを含む超音波モータにおい
   て、前記圧電素子の反弾性体面及びケースと接するよう
   に設けられた放熱部材を設けたことを特徴とする超音波
   モータ。