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技術 振動アクチュエータ

出願人 株式会社リコー
発明者 新行内充古川達也
出願日 1993年3月9日 (27年2ヶ月経過) 出願番号 1993-047751
公開日 1994年9月16日 (25年7ヶ月経過) 公開番号 1994-261565
状態 未査定
技術分野 ベルト、ローラ以外の手段による供給 超音波モータ、圧電モータ、静電モータ
主要キーワード モーター装置 積層圧電セラミックス 左右振動 振動軌跡 一次モード 圧電駆動装置 楕円軌跡 圧接機構
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1994年9月16日)のものです。
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図面 (7)

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。

概要

背景

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59−37672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、コイル高周波電圧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縦方向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。

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。

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。

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、楕円振動に移動体圧接して駆動力を得る簡単な機構である。

概要

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。

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。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

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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。

技術分野

0001

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。

背景技術

0002

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59−37672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、コイル高周波電圧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縦方向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、楕円振動に移動体圧接して駆動力を得る簡単な機構である。

発明が解決しようとする課題

0006

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、積層圧電素子電気容量が大きく、駆動周波数高周波(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、コストアップつながり、圧電素子の発熱も見逃すことはできない。

課題を解決するための手段

0010

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

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

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5a,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5a,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10a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5a,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5a,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16は、板バネ16aと、回転自在に支持されたローラ16b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5a,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14a,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。

発明の効果

0033

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

0036

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。

--

0037

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

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