JP2005192277A - 振動型アクチュエータ及び振動型アクチュエータを用いた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気信号により振動が励起される振動子と、該振動子に対して相対移動を行う移動子とを有する振動型アクチュエータにおいて、前記振動子と前記移動子との摩擦によって発生する摩耗粉を静電気によって収集する摩耗粉収集手段を設けたことを特徴とする振動型アクチュエータを提供する。
【解決手段】 電気信号により振動が励起される振動子Ｓと、該振動子Ｓに対して相対移動を行う移動子１０との摩擦によって発生する摩耗粉を静電気によって収集する静電気発生装置２６を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動型アクチュエータ及び振動型アクチュエータを用いた装置に関する。

振動型モータ（振動型アクチュエータ）は、弾性体に圧電素子若しくは電歪素子等の電気−機械エネルギー変換素子（以下、圧電素子と記述する）を接着等により固定して成る振動子と、該振動子に対して摩擦駆動により相対移動を行う移動子とを有し、前記圧電素子に交番電圧を印加することにより高周波振動を発生させ、前記弾性体の前記圧電素子とは反対の端面に楕円運動を発生させる。そして、この圧電素子の端面にバネ部材等により前記移動子を押圧接触させ、この接触による摩擦力によって駆動させるように構成したものである。

よって、摩擦部は、振動子側と移動子側との双方に存在し、出力性能の向上、出力性能の安定性の向上及び耐摩耗性向上の観点から、様々な材料及び組み合わせが提案されている。

特に、耐摩耗性向上のために、振動子側或いは移動子側に樹脂材を固定したものは数多く見られる。特に、フッ素樹脂を主材とする樹脂材は、相手側の摩擦材面に移着することで、耐摩耗性に効果があるといわれている。

しかし、耐摩耗性を向上させた材料でも、摩擦部は必然的に摩耗を生じて摩耗粉が発生する。この摩耗粉が摩擦部に介在したり、或いは摩擦部の周囲に堆積することにより、振動型モータの性能に支障をきたすことがある。また、飛散した摩耗粉は、摩擦部近傍にあるベアリング等の回転部に入り込み、性能の劣化を引き起こす原因にもなる。

このような摩耗粉による不具合を除去するために、ステータのエッジ形状部を摩擦部に押し当てることにより、摩耗粉（付着物）を除去するようにした手段が提案されている（例えば、特許文献1参照）。

また、摩耗粉による不具合を除去するために、磁力を利用して飛散した摩耗粉を吸着するようにした手段が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開昭５９−２０４４８０号公報 特開２０００−３２７８２号公報

しかしながら、上記特開昭５９−２０４４８０号公報に記載された手段では、摩擦部に付着物除去手段を直接当接させる構造であるため、モータ性能に影響の大きい駆動力伝達部での振動を阻害する可能性がある。同時に摩擦面が軟質の樹脂材等の場合には、かえって摩擦面に損傷を与えてしまう虞があり、上記フッ素樹脂のような耐摩耗性向上のために固定した摩擦面を剥離してしまう虞もある。

一方、特開２０００−３２７８２号公報に記載された手段では、磁力を利用するために、摩耗粉に少なくとも磁性材が含まれている必要があり、磁性材が含まれていない材料、例えば、樹脂系材料を基材とする場合には不向きである。

そこで、本発明は、上述のような従来技術の有する欠点に鑑みてなされたものであり、特に、磁性材が含まれていない材料、例えば、樹脂系材料を基材に含んだ摩擦材の摩耗粉を有効に除去することができ、性能劣化のない振動型アクチュエータを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、電気信号により振動が励起される振動子と、該振動子に対して相対移動を行う移動子とを有する振動型アクチュエータにおいて、前記振動子と前記移動子との摩擦によって発生する摩耗粉を静電気によって収集する摩耗粉収集手段を設けたことを特徴とする振動型アクチュエータを提供する。

また、上記目的を達成するために、本発明は、振動型アクチュエータを駆動源として用いた装置を提供する。

本発明によれば、摩擦部の変動要因を低減し、良好な摩擦駆動面の長時間にわたる保持が可能で、しかも、アクチュエータ性能の高精度及び高耐久化を実現することができる。

また、本発明によれば、高精度回転及び高精度位置決めが要求される装置を実現することができる。

本発明の振動型アクチュエータ及び振動型アクチュエータを用いた装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係る振動型モータ（振動型アクチュエータ）の構成を示す断面図、図２は、本実施形態に係る振動型モータにおける振動子及び帯電電極部の構成を示す斜視断面図、図３は、本実施形態に係る振動型モータにおける帯電電極部の構成を示す分解斜視断面図である。

図１において、Ｍは振動型モータ（振動型アクチュエータ）で、リング状の金属等から成り且つ櫛歯形状を持つ弾性体１を有し、この弾性体１の一端面には、両端面に電極が配された圧電素子（電気機械エネルギー変換素子）２が、絶縁性熱硬化性接着剤を用いて加圧された状態で所定の温度下で接着固定される。

圧電素子２には、弾性体１の他端面上に貼り合わせた樹脂等から成るスライダ３の表面に進行波を生じるように分極処理が施されている。圧電素子２の弾性体１と反対側の面には、フレキシブル基板４が接着固定されている。このフレキシブル基板４は、不図示のコントローラ及び後述するモータドライバ２５からの駆動信号や、圧電素子２に設けられた弾性体１の振動状態を検知するセンサからの信号を取り出すためのものである。

弾性体１、圧電素子２、スライダ３及びフレキシブル基板４により振動子Ｓが構成されている。

５はベースで、このベース５には、弾性体１の支持部１ａがネジ６によって固定されている。また、ベース５には、２個のベアリング７，８を介してシャフト９が回転自在に支持されている。１０は移動子（ロータ）で、表面硬化処理が施されている。移動子１０は、絶縁性の防振ゴム１１を介して、板バネ１２によってスライダ３に対して圧接力が付与されている。１３はディスクフランジで、このディスクフランジ１３には、板バネ１２の内径部が回転方向ズレの無いように固定されている。また、ディスクフランジ１３は、シャフト９に対して、締まり嵌合により軸方向ズレ及び回転方向ズレの無いように固定されている。

ベース５の一端には、エンコーダベース１４が固定されている。また、ベース５の一端には、２個のエンコーダ１５が互いに１８０度対向させて実装されたフレキシブル基板１６が固定されている。また、ベース５の一端には、エンコーダコードホイール１７がハブ１８に接着剤或いは両面テープ等により接着固定されている。エンコーダコードホイール１７は、反射率の大きい鏡面に複数のスリットを形成して構成されている。ハブ１８は、シャフト９に対して歯付き止め輪１９と接着材とによって固定されている。

エンコーダ１５を２個互いに対向させて配置した理由は、シャフト９の偏芯をエンコーダ信号上でキャンセルさせて、制御時に回転ムラを低減させるためである。

ケース２０によりモータ部及びエンコーダ部がケーシングされている。

なお、このモータ部は、ベース５とケース２０及びベース５とシャフト９との間でシール２１，２２が施され、更に、内部に乾燥剤２３が封入されていることにより、内部が乾燥状態に保たれている。

このように、内部を乾燥状態に保つ理由は、内部に湿気があると、振動子Ｓと移動子１０との間に水分が介在し、両者が固着してしまうのを防ぐためである。

モータ部及びエンコーダ部の駆動信号は、フレキシブル基板４、エンコーダ用フレキシブル基板１６及びコネクタ２４を介して、振動型モータＭの外部のドライバ２５に接続される。

静電気発生装置（摩耗粉収集手段）２６は、振動型モータＭの外部に設けられ且つ振動型モータＭの駆動信号と同様にコネクタ２４及びフレキシブル基板４から分岐した分岐部４ａを介して、振動型モータＭの内部に設けられた帯電電極部２７に通電される。

図２に示すように、帯電電極部２７は、静電気発生装置２６により帯電した極性が異なる２つの帯電電極板２７ａ，２７bを含み、これらの帯電電極板２７ａ，２７bの外周は、それぞれ弾性体１の各櫛歯間に入り込む形状をしている。

帯電電極板２７ａ，２７ｂは、弾性体１の櫛歯部及び移動子１０には接触しない程度の隙間を保持して取り付けられ、この部分での振動子Ｓの振動性能や、移動子１０のトルク損失が生じないようにしてある。

振動子Ｓのスライダ３や移動子１０の摩擦面付近に帯電電極部２７を近づけることで、前記摩擦面から飛散した摩耗粉を確実に収集できると共に、スライダ３と移動子１０との摩擦部の周囲に生じる摩耗粉の堆積物の除去が容易に行える。

一方、帯電電極板２７ａ，２７ｂの内径部上下端面には、図３に示すように、絶縁板２７ｃ，２７ｄ，２７ｅが取り付けられている。帯電電極板２７ａ，２７ｂは、ネジ６によって弾性体１と共にベース５に固定されている。絶縁板２７ｃ，２７ｄ，２７ｅにより、各帯電電極板２７ａ，２７ｂ相互間及び弾性体１、ネジ６及びベース５に対して電気的に絶縁されている。また、帯電電極板２７ａ，２７ｂを弾性体１の支持部１ａの近傍で固定することにより、振動子Ｓの振動性能の低下を防ぐことが可能となる。

スライダ３は、接着剤や弾性体１に施してある酸化皮膜等により、弾性体１に対して電気的に絶縁されている。また、移動子１０は、防振ゴム１１によりバネ１２やシャフト９に対して電気的に絶縁されている。このため、摩擦駆動により、スライダ３及び移動子１０が摩擦帯電することで、摩耗粉にも帯電する。帯電した摩耗粉は、スライダ３と移動子１０の摩擦部の周囲に堆積し、その一部は飛散する。

そこで、静電気発生装置２６に接続された帯電電極部２７を、摩耗粉が発生する摩擦面付近に設置することで、摩耗粉を吸着収集することができる。また、飛散した摩耗粉を帯電電極板２７ａ，２７ｂにより吸着収集させることにより、ベアリング７，８等の回転部材に摩耗粉が噛み込まれるのを低減することができる。

一般に、スライダ３は複合材料で構成されることが多く、帯電した摩耗粉の電荷極性も摩耗粉によって異なる。摩耗粉の電荷極性及び電荷量は、材料の組み合わせによって変化し、更に、帯電量は表面形状によっても変化する。

そこで、図３に示すように帯電電極板２７ａ，２７ｂの一方を静電気発生装置２６によりプラス帯電させ、他方をマイナス帯電させることで、摩耗粉の極性を問わずに、摩耗粉を吸着収集することが可能となる。

なお、吸着収集した摩耗粉が帯電電極板２７ａ，２７ｂによって電荷を失って帯電電極板２７ａ，２７ｂから落下するのを避けるため、帯電電極板２７ａ，２７ｂの一部に粘着材等を塗布し、落下した摩耗粉を保持するような構成にしても良い。

以上のような静電気発生装置２６によって摩耗粉を吸着収集して除去することにより、性能劣化のない振動型モータＭを実現することが可能となる。

本実施形態によれば、スライダ３と移動子１０との摩擦部から発生し且つ摩擦駆動に関与しない摩擦面近傍に付着した摩耗粉を静電気により吸着収集して除去することにより、前記摩擦部の変動要因を低減し、良好な摩擦駆動面の長時間にわたる保持が可能となる。また、振動型モータＭの内部に飛散した摩耗粉を収集することにより、ベアリング７，８等の他の回転部材への摩耗粉の噛み込みを低減できるため、振動型モータＭの性能の高精度化及び高耐久化を実現することできる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態を図4及び図５に基づき説明する。

図４は、本実施形態に係る振動型モータ（振動型アクチュエータ）の構成を示す断面図、図５は、本実施形態に係る振動型モータにおける帯電電極部の構成を示す斜視図である。

なお、本実施形態に係る振動型モータの基本的な構成は、上述した第１の実施形態の図１と同一であり、その共通部分については、図面の同一部分に同一符号を付して説明に代えると同時に、第１の実施形態と異なる部分の構成についてのみ説明する。

実施形態では、弾性体１に取り付けられたスライダ３は、フッ素系樹脂等の体積抵抗率が大きい帯電性物質を基材として構成されている。

一方、移動子１０側の摩擦面は、鉄系材料（本実施形態では、例えば、ＷＣ／Ｃｏ合金）で構成されている。

摩擦によって生じるスライダ３及び移動子１０の摩耗粉は、両者の電荷量が略等しい割合で存在すれば、それぞれの摩耗粉間で電荷が移動し、帯電量は低くなる。しかし、スライダ３及び移動子１０のどちらか一方の摩擦部が主に摩耗する場合、摩耗粉は、摩耗した材料に帯電した電荷極性を持ち、電荷量も多くなる。

ここで、摩擦接触される材料によって、電荷極性及び帯電量の大きさが異なり、その性質を示すものとして、摩擦帯電列が知られている。

本実施形態における両者の摩擦帯電列の関係は、フッ素樹脂がマイナス側に帯電し易いため、スライダ３と移動子１０との間での摩擦駆動により摩擦帯電し、電荷極性は、スライダ３側がマイナス、移動子１０側がプラスに帯電する。

また、本実施形態では、移動子１０の摩耗量に対し、スライダ３の摩耗量が多くなるような材料の組み合わせとしているため、摩耗粉の多くはマイナス帯電している。

よって、図４に示すように静電気発生装置２６及び帯電電極部２８をプラス側にのみ帯電することで、帯電した摩耗粉を吸着収集することができる。即ち、マイナス側に帯電させる帯電電極を設けずに済むため、図５に示すように、帯電電極板２８ａ及び絶縁板２８ｂ，２８ｃの部材で構成することが可能となり、低コスト化が図れる。

なお、本実施形態では、スライダ３の基材としてフッ素系樹脂を用いたが、これに限られるものではなく、摩擦帯電列のプラス側に帯電し易いナイロン等を用いて、静電気発生装置２６及び帯電電極部２８をマイナス側に帯電させても良い。この際、添加剤として、ガラスや雲母等、移動子１０の摩擦部材料に対して、いずれもプラス側の摩擦帯電列を持つ材料で構成し、摩耗粉の帯電量を増やすことで、摩耗粉の吸着収集効果を高めることができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態を図６〜図８に基づき説明する。

図６は、本実施形態に係る振動型モータ（振動型アクチュエータ）における弾性体及び帯電電極部の斜視断面図、図７は、本実施形態に係る振動型モータにおける弾性体及び帯電電極部の拡大断面図、図８は、本実施形態に係る振動型モータにおける帯電電極部の斜視断面図である。

本実施形態では、上述した第１及び第２実施形態における静電気発生装置２６の代わりに、帯電電極部２９及び絶縁シート３０により摩耗粉収集手段を構成したものである。

帯電電極部２９は、弾性体１との摩擦部を有した帯電性材料から成る帯電部２９ａと、前述した第１及び第２の実施形態と同様に、摩擦部近傍に位置し且つ帯電している摩耗粉を吸着する吸着部２９ｂと、弾性体１の内径側で固定される固定部２９ｃとに分けられる。

本実施形態では、帯電部２９ａと吸着部２９ｂと固定部２９ｃとを１つの部材で構成しているが、２つ以上の部材で構成しても良い。

帯電部２９ａに摩擦接触する弾性体１の面は、絶縁シート３０によって帯電電極部２９に対して電気的に絶縁されている。

振動型モータＭの駆動中には、その径方向に対して図７に示すように、弾性体１が支持部１ａを固定端とした１次モードの変形を生じるため、帯電電極部２９の帯電部２９ａと弾性体１とが摩擦することにより、帯電電極部２９に帯電する。

なお、本実施形態では、上述した第１及び第２の実施形態と同様に、スライダ３にフッ素系樹脂を使用しており、移動子１０との摩擦接触により、摩耗粉がマイナス側に帯電しているため、帯電電極部２９として摩擦帯電列においてプラス側に帯電し易い材料、例えば、ナイロン等の樹脂を使用することで、摩耗粉の吸着収集効果を高めている。

また、振動子Ｓの振動減衰部である弾性体１の薄肉部の振動を利用して帯電電極部２９に帯電し、また、図８に示すように、帯電電極部２９の周方向に切欠部２９ｄを設けて、接触部の周方向剛性を弱めることで、振動型モータＭの駆動性能に与える影響が少なくて済む。

本実施形態によれば、上述した第１〜第２の実施形態のような静電気発生装置２６を設けなくても摩耗粉を吸着収集して除去することができ、大幅な構成の簡略化及び低コスト化が実現できる上に、性能劣化を抑制することが可能となる。

なお、本実施形態では、帯電部２９ａを振動子Ｓ側に設けたが、これに限られるものではなく、帯電部２９ａを移動子１０側に設け、移動子１０の回転摺動により帯電させるようにしても良い。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態を、図９に基づき説明する。

本実施形態では、振動型モータ（振動型アクチュエータ）を記録シートの搬送を行う部位の駆動源として用いた装置である複写機を示す。

図９は、本実施形態に係る振動型モータ（振動型アクチュエータ）を駆動源として用いた装置である複写機の一部の構成を示す断面図であり、同図において、上述した第１の実施形態の図１と同一部分には、同一符号が付してある。

振動型モータＭは、側板２５に取り付けられたモータ取付台３１に、ネジ等により固定される。振動型モータＭのシャフト９が一方向に延出している。このシャフト９は、側板３２，３３に固定されている軸受３４，３５に挿入されて、回転自在に支持されている。

記録シートの搬送用や、感光ドラム用に表面が処理されたローラ３６の中をシャフト９が貫通している。ローラ３６の端面にあるローラ保持部材３６ａが、その一方をシャフト９の段差部９ａに、他方をバネ部材３７を介して軸受３５により軸方向に位置決めされる。また、シャフト９に別体で設けられたキー３８に回転保持部材３６ａの切欠部が嵌挿されることで、ローラ３６が回転拘束される。

以上のように、ローラ３６の回転軸と振動型モータＭの回転軸とが同一軸で構成されることで、高精度回転及び高精度位置決めが可能な振動型モータＭの特徴を最大限に引き出し、ローラ３６の外周上での高精度回転及び高精度位置決めを長時間にわたり要求される装置に対応することができる。

［その他の実施形態］
以上が本発明の実施形態の説明であるが、本発明は、これら実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲で示した機能、または実施形態の構成が持つ機能を達成できる構成であれば、どのようなものであっても適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る振動型モータ（振動型アクチュエータ）の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る振動型モータにおける振動子及び帯電電極部の構成を示す斜視断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る振動型モータにおける帯電電極部の構成を示す分解斜視断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る振動型モータ（振動型アクチュエータ）の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る振動型モータにおける帯電電極部の構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る振動型モータ（振動型アクチュエータ）における弾性体及び帯電電極部の構成を示す斜視断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る振動型モータにおける弾性体及び帯電電極部の構成を示す拡大断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る振動型モータにおける帯電電極部の構成を示す斜視断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る振動型モータ（振動型アクチュエータ）を駆動源として用いた装置である複写機の一部の構成を示す断面図であり

符号の説明

Ｍ 振動型モータ（振動型アクチュエータ）
Ｓ 振動子
１ 弾性体
１ａ 支持部
２ 圧電素子（電気機械エネルギー変換素子）
３ スライダ
４ フレキシブル基板
４ａ 分岐部
５ ベース
６ ネジ
７ ベアリング
８ ベアリング
９ シャフト
９ａ 段差部
１０ 移動子（ロータ）
１１ 絶縁性の防振ゴム
１２ 板バネ
１３ ディスクフランジ
１４ エンコーダベース
１５ エンコーダ
１６ フレキシブル基板
１７ エンコーダコードホイール
１８ ハブ
１９ 歯付き止め輪
２０ ケース
２１ シール
２２ シール
２３ 乾燥剤
２４ コネクタ
２５ ドライバ
２６ 静電気発生装置（摩耗粉収集手段）
２７ 帯電電極部
２７ａ 帯電電極板
２７b 帯電電極板
２７ｃ 絶縁板
２７ｄ 絶縁板
２７ｅ 絶縁板
２８ 帯電電極部
２８ａ 帯電電極板
２８ｂ 絶縁板
２８ｃ 絶縁板
２９ 帯電電極部（摩耗粉収集手段）
２９ａ 帯電部
２９ｂ 摩耗粉を吸着する部分
２９ｃ 弾性体１の内径側で固定される部分
３０ 絶縁シート（摩耗粉収集手段）
３１ モータ取付台
３２ 側板
３３ 側板
３４ 軸受
３５ 軸受
３６ ローラ
３６ａ ローラ保持部材
３７ バネ部材
３８ キー

Claims (8)

1. 電気信号により振動が励起される振動子と、該振動子に対して相対移動を行う移動子とを有する振動型アクチュエータにおいて、
   前記振動子と前記移動子との摩擦によって発生する摩耗粉を静電気によって収集する摩耗粉収集手段を設けたことを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の振動型アクチュエータにおいて、前記振動子と前記移動子の摩擦部は、摩耗粉の帯電電荷極性が一方に定まる材質で構成して成り、前記摩耗粉収集手段は、摩耗粉の帯電電荷極性と反対の極性に帯電させて、摩耗粉を収集することを特徴とする振動型アクチュエータ。
3. 請求項２に記載の振動型アクチュエータにおいて、前記振動子と前記移動子の摩擦部は、両者の摩耗粉発生量が互いに異なる材料により構成されることを特徴とする振動型アクチュエータ。
4. 請求項２に記載の振動型アクチュエータにおいて、前記振動子の摩擦部を形成する全ての材料の摩擦帯電列極性は、前記移動子の摩擦部を形成する全ての材料の摩擦帯電列極性より、プラス側またはマイナス側のどちらかに位置する材料により構成されることを特徴とする振動型アクチュエータ。
5. 請求項３または請求項４に記載の振動型アクチュエータにおいて、前記振動子と前記移動子の摩擦材は、いずれか一方がフッ素系樹脂により、他方が鉄系金属により構成されていることを特徴とする振動型アクチュエータ。
6. 請求項２に記載の振動型アクチュエータにおいて、前記摩耗粉収集手段は、前記振動子または前記移動子に接触しており、その接触部において、摩耗粉に帯電した電荷の極性とは逆の極性に静電気を帯電させることを特徴とする振動型アクチュエータ。
7. 請求項５または請求項６に記載の振動型アクチュエータにおいて、前記摩耗粉収集手段は、ナイロン系樹脂を主とした材料により構成されることを特徴とする振動型アクチュエータ。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の振動型アクチュエータを駆動源として用いたことを特徴とする装置。

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