JPH06261565A

JPH06261565A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH06261565A
Application number: JP5047751A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Shingyouchi; 充新行内; Tatsuya Furukawa; 達也古川
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-03-09
Filing date: 1993-03-09
Publication date: 1994-09-16

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構成で、駆動力が大きくしかも効率の
良い振動アクチュエータを提供する。【構成】両側が固定された両持ち梁２に第１圧電部材
３を有する第１たわみ振動子４と、両持ち梁２に一端が
固定され他端が自由端Ｐとされた片持ち梁状の第２圧電
素子５ａ，５ｂを有する第２たわみ振動子６と、この第
２たわみ振動子６の自由端Ｐに取付けられた接触部材７
と、この接触部材７を介して第２たわみ振動子６の自由
端Ｐを移動体に圧接する圧接手段と、第１たわみ振動子
４及び第２たわみ振動子６により発生する互いに異なる
２方向のたわみ振動を位相をずらして合成させ第２たわ
み振動子６の自由端に楕円振動を作り出す楕円振動作成
手段とより構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＰＰＣ、プリンター、
ファクシミリなどの分野において、紙送り等の駆動機構
として用いられる振動アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電素子を用いた振動アクチュエ
ータとしては、第一の従来例として、特公昭５９−３７
６７２号公報に「超音波振動を利用した回転駆動装置」
なる名称で開示されているものがある。これは、超音波
を発生させる超音波振動子として磁歪型振動子を用い、
コイルに高周波電圧を印加させることによりその超音波
振動子を磁界により伸縮運動させ、この伸縮運動により
その超音波振動子に取付けられた振動板を縦方向に励振
させることによりその先端部に楕円振動を発生させ、こ
れにより、その楕円振動を行う先端部の振動板に回転軸
の振動片を接触させることによって、その振動片と振動
板との摩擦力により回転軸を回転させるというものであ
る。

【０００３】また、第二の従来例として、特開昭５８−
１４８６８２号公報に「超音波振動を利用したモーター
装置」なる名称で開示されているものがある。これは、
筒状の屈曲振動子内に２つの電歪素子（又は磁歪素子）
を組込み、それら２つの電歪素子に接する電極に位相の
異なる高周波電圧を印加して屈曲振動子の全体に縦振動
と横振動とが合成された屈曲振動による回転円振動を作
り出し、これにより、その回転円振動をする屈曲振動子
に回転子を接触させることによって摩擦力によりその回
転子を回転させるというものである。

【０００４】さらに、第三の従来例として、特公平４−
５８２７３号公報に「圧電駆動装置」なる名称で開示さ
れているものがある。これは、弾性を有する棒状の振動
子の少なくとも２面に圧電素子を貼付け、電源装置によ
り隣合う面の圧電素子に互いに位相差を持たせて高周波
電圧を発生させることによって、振動子の先端に円又は
楕円運動を行わせるというものである。

【０００５】また、上述したような４つの従来例の他
に、積層圧電セラミックスを利用したリニアモータ（ト
リケップス、ＷＳ１３２、ｐ．１３０〜１３４）があ
る。これは、ｘ，ｙ２方向の振動から楕円振動を発生さ
せることにより駆動力を得ているものであり、低電圧駆
動が可能であり、駆動制御を容易に行うことができる。
また、この他に楕円振動を得るものとして、音片の直交
する２つの屈曲（横）振動モードを位相をずらして励振
することにより得る屈曲−屈曲モード・音片モータ（ト
リケップス、ＷＳ１３２、ｐ．１４１〜１４３）なるも
のがある。これは、楕円振動に移動体を圧接して駆動力
を得る簡単な機構である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】第一の従来例の場合、
回転軸の回転方向が振動板と接触する振動片の傾き方向
によって決まってしまい、また、振動片の先端部は細
く、摩擦のためにも摩耗が大きく寿命的にも問題があ
る。

【０００７】第二の従来例の場合、回転は正又は逆回転
も可能であるが、常に屈曲振動子全体にエネルギーを与
える必要があり、電歪素子の振動子に粘着された面と反
対の面の振動は吸収してやる必要があり、このためエネ
ルギーロスが大きく、駆動効率の向上に難がある。ま
た、リニアモータの構成には進行波を循環させる措置を
とらなければならず、エネルギーロスが大き過ぎて問題
にならず、その循環方法も極めて難しい。

【０００８】第三の従来例の場合、振動子の節の部分を
支持部としているため振動を妨げることがなく、前述し
た第一及び第二の従来例に比べて、電気エネルギーを効
率良く駆動力に変換させることができる。しかし、一端
が自由端とされた振動子の先端部は円錐状（１次モード
の場合）の振動軌跡を描くため、移動体と接触する部分
はその先端部に限られ、また、両端部が固定された振動
子（一次モードの場合）では、移動体と接触する部分は
振動子の中央部に限られる。この場合、振動子と移動体
との接触面積を小さくしないと、軌跡の小さな部分は駆
動力ではなく逆に負荷になってしまう。しかし、駆動力
を大きくしたり、摩耗を小さくしたり、摩擦面でのすべ
りの安定化すなわち駆動の安定化を図るには接触面積が
大きい方が好ましいが、本例はその条件を満足していな
い。

【０００９】また、積層圧電セラミックスを利用したリ
ニアモータの場合、移動体との接触部の各点で楕円軌跡
の大きさをほぼ一定にすることは可能である。しかし、
積層圧電素子は電気容量が大きく、駆動周波数を高周波
（超音波）領域にするとインピーダンスが小さくなり、
電流が流れ過ぎるため、電源部に負担がかかり、大型
化、コストアップにつながり、圧電素子の発熱も見逃す
ことはできない。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、両側が固定された両持ち梁に第１圧電部材を有する
第１たわみ振動子と、前記両持ち梁に一端が固定され他
端が自由端とされた片持ち梁状の第２圧電素子を有する
第２たわみ振動子と、この第２たわみ振動子の自由端に
取付けられた接触部材と、この接触部材を介して前記第
２たわみ振動子の自由端を移動体に圧接する圧接手段
と、前記第１たわみ振動子及び前記第２たわみ振動子に
より発生する互いに異なる２方向のたわみ振動を位相を
ずらして合成させ前記第２たわみ振動子の自由端に楕円
振動を作り出す楕円振動作成手段とより構成した。

【００１１】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
発明において、第２たわみ振動子の自由端を、弾性を有
する支持体により支持した。

【００１２】請求項３記載の発明では、請求項１又は２
記載の発明において、移動体と接する接触部材の表面に
摩擦係数の大きな高摩擦部材を設けた。

【００１３】

【作用】請求項１記載の発明においては、２方向の振動
変位をたわみ振動により合成することにより楕円軌跡の
振動を作り出すことが可能となり、また、接触部材にお
ける接触部の全体に渡って同じ大きさの楕円運動を行う
ため、その接触部材の移動体との接触面積を広く確保し
て出力を大きくとり、摩擦による摩耗を小さくすること
が可能となる。

【００１４】請求項２記載の発明においては、無理な負
荷からたわみ振動子を保護することができ、圧接手段に
よる圧接力を大きくして出力を上げることが可能とな
る。

【００１５】請求項３記載の発明においては、高摩擦部
材を設けたことにより、簡単な構成で紙送りを行うこと
が可能となる。

【００１６】

【実施例】本発明の第一の実施例を図１に基づいて説明
する。左右両側には基台１ａ，１ｂが設けられ、これら
基台１ａ，１ｂ間には薄板状の両持ち梁２が形成されて
いる。この両持ち梁２の裏面には第１圧電部材としての
圧電セラミックス板３が貼付けられている。これら両持
ち梁２と圧電セラミックス板３とは、第１たわみ振動子
４をなしている。また、前記両持ち梁２の表面の固定部
２ａには第２圧電素子としての２枚の圧電セラミックス
板５ａ，５ｂが貼り合わされた状態でその表面に垂直に
固定されており、これにより圧電セラミックス板５ａ，
５ｂは先端部が自由端Ｐとされた片持ち梁状態となって
いる。この場合、圧電セラミックス板５ａ，５ｂは互い
に分極方向を逆向きにして貼り合わされており、第２た
わみ振動子６を構成している。この片持ち梁状とされた
第２たわみ振動子６の自由端Ｐには接触部材７が取付け
られている。

【００１７】また、ここでは、第１たわみ振動子４及び
第２たわみ振動子６により発生する互いに異なる２方向
のたわみ振動を位相をずらして合成させ第２たわみ振動
子６の自由端に楕円振動を作り出す図示しない楕円振動
作成手段を設けた。

【００１８】このような構成において、楕円振動作成手
段によって本振動アクチュエータに楕円軌跡の振動を発
生させる動作原理について述べる。圧電セラミックス板
３に交流電圧を印加すると、両持ち梁２は上下方向（面
に垂直方向Ｘ）にたわみ振動する。また、圧電セラミッ
クス板５ａ，５ｂに交流電圧を印加すると、片持ち梁状
の圧電セラミックス板５ａ，５ｂは矢印方向Ｙａ，Ｙｂ
に屈曲振動する。

【００１９】この場合、圧電セラミックス板３と圧電セ
ラミックス板５ａ，５ｂとの間で、互いに位相をずらし
た交流電圧を印加することによって、自由端Ｐの接触部
材７は楕円振動する。具体的には、両持ち梁２の上下振
動と、圧電セラミックス板５ａ，５ｂの左右振動との共
振周波数を合わせるように寸法を調整して９０°位相を
ずらした交流電圧で共振駆動することにより、楕円振動
を作り出すことができる。

【００２０】従って、接触部材７の図示しない移動体と
の接触部Ａ（ハッチング領域）は圧電セラミックス板５
ａ，５ｂと同じ大きさの楕円振動をするため、その圧電
セラミックス板５ａ，５ｂの幅Ｗだけ接触面積を広げる
ことができ、これにより、移動体との接触面積を広く確
保し出力を大きくとることができる。

【００２１】次に、本発明の第二の実施例を図２に基づ
いて説明する。本実施例は、前述した第一の実施例の応
用例を示すものである。すなわち、接触部材７の上部に
は、圧接手段としての圧接機構８が設けられている。こ
の圧接機構８は、板バネ８ａと、図示しないベアリング
によって回転自在なローラ８ｂとからなっている。この
圧接機構８は、角柱状の金属棒からなる移動体９を接触
部材７の自由端Ｐ側に圧接している。これにより、本装
置は、移動体９を直線状（Ｙａ，Ｙｂ方向）に駆動する
リニアモータを構成している。なお、移動体９には図示
しないガイド機構が設けられている。

【００２２】このような構成とされたリニアモータにお
いて、圧電セラミックス板３と圧電セラミックス板５
ａ，５ｂとを互いに９０°位相をずらして交流電圧で共
振駆動させることによって、接触部材７に接する移動体
９をＹａ方向（実線）に直線運動させることができる。
また、位相差を逆（−９０°）にすると、移動体９の運
動方向を逆転させＹｂ方向（破線）に直線運動させるこ
とができる。

【００２３】従って、簡単な構成で、小型化、薄型化さ
れたリニアモータを容易に実現することができる。ま
た、接触部材７と移動体９との接触面積を広くとること
ができるため、アクチュエータの大きさの割に高出力化
を図り、駆動効率を高めることができる。さらに、摩擦
面でのすべりが平均化しているため、アクチュエータの
動作も安定し信頼性を向上させることができる。

【００２４】次に、本発明の第三の実施例を図３に基づ
いて説明する。本実施例は、図２の構成と同様に、第一
の実施例の他の応用例を示すものである。すなわち、接
触部材７（ステータ側）の上部には移動体１０（ロータ
側）が配置されている。この移動体１０は、図示しない
ベアリングを介して回転自在に支持されたシャフト１０
ａと、このシャフト１０ａに接合したプーリ１０ｂとか
らなっている。また、基台１ａの下面とベース１１との
間には、圧接手段としてのスプリング１２が設けられて
おり、他方の基台１ｂ側は回転機構１３により回転自在
に支持されている。そして、スプリング１２は基台１ａ
を押し上げることにより、接触部材７を移動体１０側に
圧接した形となっている。これにより、本装置は、プー
リ１０ｂにより回転力を取り出す回転型アクチュエータ
を構成している。

【００２５】このような構成とされた回転型アクチュエ
ータにおいて、図２のリニアモータの場合と同様な原理
により圧電セラミックス板３と圧電セラミックス板５
ａ，５ｂとを駆動することによって、移動体１０のシャ
フト１０ａを良好に回転させることができ、これにより
第二の実施例と同様な効果を得ることができる。

【００２６】次に、本発明の第四の実施例を図４に基づ
いて説明する。本実施例は、前述した図１の基本構成を
もとに、ステータを構成した例について示すものであ
る。接触部材７の両側面には支持体１４ａ，１４ｂが一
体的に取付けられており、それら支持体１４ａ，１４ｂ
の他端側は基台１ａ，１ｂの上部に固定されている。こ
の場合、支持体１４ａ，１４ｂは、適度な弾性を有する
ように、一部が切り取られ薄板状に形成されている。こ
のような支持体１４ａ，１４ｂを設けた理由としては、
振動子（第１たわみ振動子４、第２たわみ振動子６）に
無理な負荷が加わった場合を考慮して振動子の変形量を
制限し、圧電セラミックス板３や圧電セラミックス板５
ａ，５ｂが破損することを防止するためである。また、
これに伴い、屈曲振動する第２たわみ振動子６のねじれ
振動や不必要な振動モードが発生するのを防止すること
もできる。

【００２７】このように構成されたステータを用いて、
前述したリニアモータ（図２参照）や回転型アクチュエ
ータ（図３参照）を構成した場合、不必要な振動モード
の発生を抑えて動作を安定化させることができ、どちら
の装置においても良好な状態で駆動力を取り出すことが
できる。また、このように支持体１４ａ，１４ｂを設け
たことにより、移動体９，１０との圧接力をさらに高め
ることができ出力を向上させることができる。

【００２８】次に、本発明の第五の実施例を図５に基づ
いて説明する。本実施例は、前述した図４のステータを
用いて、直接紙１５をＹａ，Ｙｂ方向に駆動する紙送り
機構を実現した応用例を示すものである。すなわち、接
触部材７の上面には、移動体となる紙１５との摩擦係数
の大きな高摩擦部材（μラバー）７ａがコーティングさ
れている。また、ここでの圧接手段としての圧接機構１
６は、板バネ１６ａと、回転自在に支持されたローラ１
６ｂとからなっている。ローラ１６ｂは比較的弱い力で
接触部材７に圧力をかけている。

【００２９】このような構成において、ステータの圧電
セラミックス板３と圧電セラミックス板５ａ，５ｂとを
駆動することにより、接触部材７は楕円軌跡の振動を発
生して、その楕円振動によりローラ１６ｂは回転する。
そして、その回転するローラ１６ｂと接触部材７との間
に紙１５を直接挿入することにより、紙１５をＹａ方向
（実線）に送り出すことができる。また、逆位相の電圧
を印加することにより紙１５を逆のＹｂ方向（破線）に
送り出すこともできる。この場合、ローラ１６ｂは、紙
１５の移動に伴って連れ回る形となる。

【００３０】上述したように、摩擦係数の大きな高摩擦
部材７ａを設けたことにより、簡単な機構で紙１５を送
ることができ、これにより小型化、薄型化が可能な紙送
り機構を実現することができる。

【００３１】次に、本発明の第六の実施例を図６に基づ
いて説明する。本実施例は、前述した図４のステータの
他の応用例を示すものである。すなわち、両持ち梁２の
上面には、垂直方向（Ｘ方向）に片持ち梁１７が一体化
して形成されている。この片持ち梁１７の両側面には圧
電セラミックス板５ａ，５ｂが貼付けられており、いわ
ゆる、バイモルフをたわみ振動子とした形となってい
る。この場合、片持ち梁１７と、圧電セラミックス板５
ａ，５ｂとは、第２たわみ振動子６をなしている。ま
た、片持ち梁１７の先端部の自由端Ｐには接触部材７が
取付けられ、この接触部材７は弾性を有する支持体１４
ａ，１４ｂを介して基台１ａ，１ｂの上部に固定されて
いる。

【００３２】このように構成されたバイモルフ型のステ
ータを用いて、前述したリニアモータ（図２参照）や回
転型アクチュエータ（図３参照）を構成して駆動するこ
とによって、前述した第二の実施例〜第四の実施例で述
べたような効果を得ることができる。

【００３３】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、両側が固定され
た両持ち梁に第１圧電部材を有する第１たわみ振動子
と、前記両持ち梁に一端が固定され他端が自由端とされ
た片持ち梁状の第２圧電素子を有する第２たわみ振動子
と、この第２たわみ振動子の自由端に取付けられた接触
部材と、この接触部材を介して前記第２たわみ振動子の
自由端を移動体に圧接する圧接手段と、前記第１たわみ
振動子及び前記第２たわみ振動子により発生する互いに
異なる２方向のたわみ振動を位相をずらして合成させ前
記第２たわみ振動子の自由端に楕円振動を作り出す楕円
振動作成手段とより構成したので、２方向の振動変位を
たわみ振動により合成して楕円軌跡の振動を作り出すこ
とにより比較的簡単な構成で振動アクチュエータを実現
することができ、また、接触部材における接触部の全体
に渡って同じ大きさの楕円運動を行うためその接触部材
の移動体との接触面積を広く確保して出力を大きくと
り、摩擦による摩耗を小さくすることができ、さらに、
摩擦面での滑りは平均化されて安定するため駆動力を安
定化して取り出すことができるものである。

【００３４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、第２たわみ振動子の自由端を弾性を有する
支持体により支持したので、不必要な振動モードの発生
を抑えて動作を安定させ無理な負荷からたわみ振動子を
保護することができ、また、圧接手段による圧接力を大
きくして出力を高めることができるものである。

【００３５】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の発明において、移動体と接する接触部材の表面に摩
擦係数の大きな高摩擦部材を設けたので、簡単な構成で
紙送りを行うことができ、これにより紙送り機構の小型
化、薄型化を実現することができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第一の実施例である振動アク
チュエータの基本構成を示す平面図、（ｂ）はその正面
図である。

【図２】本発明の第二の実施例であるリニアモータの構
成を示す正面図である。

【図３】本発明の第三の実施例である回転型アクチュエ
ータを示す正面図である。

【図４】本発明の第四の実施例であるステータを示す斜
視図である。

【図５】本発明の第五の実施例であるステータを用いて
構成される紙送り機構を示す正面図である。

【図６】本発明の第六の実施例である図４のステータの
変形例を示す正面図である。

【符号の説明】

２両持ち梁３第１圧電部材４第１たわみ振動子５ａ，５ｂ第２圧電部材６第２たわみ振動子７接触部材７ａ高摩擦部材８圧接手段９，１０移動体１２圧接手段１４ａ，１４ｂ支持体１５移動体１６圧接手段Ｐ自由端

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両側が固定された両持ち梁に第１圧電部
材を有する第１たわみ振動子と、前記両持ち梁に一端が
固定され他端が自由端とされた片持ち梁状の第２圧電素
子を有する第２たわみ振動子と、この第２たわみ振動子
の自由端に取付けられた接触部材と、この接触部材を介
して前記第２たわみ振動子の自由端を移動体に圧接する
圧接手段と、前記第１たわみ振動子及び前記第２たわみ
振動子により発生する互いに異なる２方向のたわみ振動
を位相をずらして合成させ前記第２たわみ振動子の自由
端に楕円振動を作り出す楕円振動作成手段とよりなるこ
とを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】第２たわみ振動子の自由端を、弾性を有
する支持体により支持したことを特徴とする請求項１記
載の振動アクチュエータ。
【請求項３】移動体と接する接触部材の表面に摩擦係
数の大きな高摩擦部材を設けたことを特徴とする請求項
１又は２記載の振動アクチュエータ。