JP2734691B2 - 回転運動発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、例えば小型モータ等に代わる動力発生源と
して利用される超音波アクチュエータを使用した回転運
動発生装置に関する。

［従来技術とその問題点］ 従来、円柱状に形成されたローラ等を回転させて、搬
送力や移動力等を得るようにした装置は、通常、モータ
からの回転力をギア等に介して上記ローラに伝達するよ
うにしている。

しかしながら、上記のようにモータの回転をギア等を
介してローラに伝達する構成のものでは、装置の部品点
数、組立て工数が多くなり、装置の小型化を妨げる問題
がある。

特に、プリンタにおける紙送り装置等では、上記小型
化の問題が顕著である。

［発明の目的］ 本発明は上記課題に鑑みなされたもので、モータによ
るギア等を介した回転手段を利用すること無く、簡単な
構成にして小型化を図ることが可能になる回転運動発生
装置を提供することを目的とする。

［発明の要点］ すなわち本発明に係わる回転運動発生装置は、円柱状
体と、この円柱状体を間欠的に楕円形に変形させる円柱
変形手段と、中空円柱状を成しその内周面に径方向内側
に向かって突起する突起部が形成されると共に回動自在
に支持された回動体と、上記円柱状体の外周面を上記回
動体の突起部に当接させる当接手段とを備え、上記円柱
状体の間欠的楕円変形に伴いその外周面に上記回動体が
接して回転運動するよう構成したものである。

［発明の実施例］ 以下図面により本発明の一実施例について説明する。

第１図は本発明の回転運動発生装置を実施したプリン
タ用紙送り機構の構成を示すもので、このプリンタ用紙
送り機構における回転動力源には、円柱状の超音波アク
チュエータ１が使用される。この超音波アクチュエータ
１は、電源周波数に応じて定められる一定の周期で楕円
変形を繰返し、その外周面上の複数の点において上記回
転動力源としての変位を生じるもので、この超音波アク
チュエータ１は、例えば上記変位点を下に位置させた状
態で、コ字状の基部２に対し、その左右上面側をそれぞ
れゴム等の弾性体3a〜3cを介して支持される。

上記超音波アクチュエータ１は、中空円柱状の紙送り
ローラ４の内部に配置され、その外周面上の変位点を該
紙送りローラ４の内周面に突出形成した鍔状の突起部4a
に当接させて位置させるもので、この場合、超音波アク
チュエータ１は基部２により固定支持され、紙送りロー
ラ４は回動自在に支持される。この紙送りローラ４の用
紙挿入側の外周面には、用紙押えローラ５が当接して配
置され、また、このローラ５と紙送りローラ４との外側
を囲うようにして、プリント用紙６を用紙挿入部からプ
リント部に導く用紙ガイド7a,7bが配設される。

そして、紙送りローラ４と上部の用紙排出部に位置す
るフレーム８には、排出されたプリント用紙６の裏面に
面してプラテン９が設けられ、このプラテン９の対面位
置には、該プラテン９に沿って平行移動するプリントヘ
ッド10が配設される。

第２図は上記プリンタ用紙送り機構における超音波ア
クチュエータ１及び紙送りローラ４のフレーム支持構造
を示すもので、フレーム８に対し紙送りローラ４はボー
ルベアリング21を介して回動自在に支持され、超音波ア
クチュエータ１を保持したコ字状の基部２は、該超音波
アクチュエータ１を下にしてフレーム８との間にばね22
を介在して支持される。つまり、超音波アクチュエータ
１は、その外周変位点が紙送りローラ４の内周面に突出
形成した鍔状の突起部4aに矢印Ｐで示す方向に押圧当接
される状態で固定支持される。

すなわち、上記超音波アクチュエータ１に間欠的な楕
円変形が生じると、その変位点に当接させた紙送りロー
ラ４、そして、用紙押えローラ５が、それぞれ矢印ｂの
方向に回転されるもので、つまり、この紙送りローラ４
と用紙押えローラ５との間にプリント用紙６を挿入する
ことで、該プリント用紙６は矢印Ｈで示す方向に送られ
ることになる。

第３図（Ａ）〜（Ｃ）は何れも上記超音波アクチュエ
ータ１の構成を示すもので、同図（Ａ）は外観図、同図
（Ｂ）はその側面図、同図（Ｃ）はそのＡ−Ａ線断面図
である。

この超音波アクチュエータ１の外形は、例えば外径1
0.35mm,厚さ0.5mmのアルミニウムあるいは真鍮等でなる
振動円筒体11からなり、この振動円筒体11内部の軸方向
中心付近には、棒状の圧電アクチュエータ12A,12Bが円
筒体直径線に沿って設けられる。上記第１の圧電アクチ
ュエータ12Aを垂直方向に対し22.5゜傾斜させた径方向
位置に設け、さらに上記第１の圧電アクチュエータ12A
から45゜傾斜させて第２の圧電アクチュエータ12Bを設
ける。

第４図は上記圧電アクチュエータ12A,12Bの構成を示
すもので、この圧電アクチュエータ12A,12Bは、PZT（ジ
ルコン酸チタン酸鉛）系の圧電素子等からなる微小な圧
電セラミック12a,12b,…を、それぞれ薄い電極13a,13b,
…を介して多数積層してなり、その長手方向の一端及び
他端が上記振動円筒体11の内周面に対し接着固定され
る。この場合、圧電アクチュエータ12A,12Bの各端部と
振動円筒体11との間には、アルミニウム又は真鍮等の座
板が介在されエポキシ樹脂系接着剤等の比較的硬質な接
着剤により接着される。そして、上記圧電アクチュエー
タ12A,12Bの各電極13a,13b,…に対しては、それぞれ隣
接する個々の圧電セラミック12a,12b,…間に逆相の電圧
が加わるよう電源部14から所定の周波数を有する交流電
圧を印加する。そして、第１及び第２の圧電アクチュエ
ータ12A,12Bには、上記電源部14からの交流電圧をさら
に180゜位相を異ならせて印加する。本実施例における
印加電圧は8Vmax、その印加電圧周波数は振動円筒体11
がアルミニウムであれば30kHz、真鍮であれば36kHzに設
定するが、この値は得たい駆動トルク，速度あるいは振
動円筒体11の外径寸法や肉厚等の関係により変更され
る。

次に、上記構成による超音波アクチュエータ１の駆動
力発生動作について説明する。

まず、圧電アクチュエータ12A,12Bにそれぞれ逆位相
にした例えば30kHzの交流電圧を印加すると、この圧電
アクチュエータ12A,12Bには印加電圧周波数に応じた長
手方向の伸縮運動がそれぞれ逆位相で発生する。

第５図は上記圧電アクチュエータ12A,12Bの各伸縮運
動に伴い振動円筒体11に生じる変位状態を示すものであ
る。ここで、以下の説明においては、振動円筒体11の中
心軸の垂直方向上方を０゜とし該振動円筒体11の中心軸
を原点として周方向に沿って時計回りに順次角度を付し
て説明する。この図において、圧電アクチュエータ12A,
12Bはそれぞれ上記振動円筒体11に対し22.5゜202.5゜
及び67.5゜247.5゜方向に設けられたもので、この圧
電アクチュエータ12A,12Bの各逆位相の伸縮運動に応じ
て振動円筒体11には垂直方向（０゜180゜方向）の楕
円変位及び水平方向（90゜270゜方向）の楕円変位が
それぞれ交互に生じるようになる。

つまり、２つの圧電アクチュエータ12A,12Bの固着中
心位置（45゜）に対応する振動円筒体11の円弧位置ｉを
支点にして、例えば22.5゜位置が外方へ伸び67.5゜位置
が内方へ縮む運動と、22.5゜位置が内方へ縮み67.5゜位
置が外方へ伸びる運動とが交互に連続して繰返されるも
ので、これにより第１のアクチュエータ12Aが伸びた状
態では67.5゜位置から22.5゜位置へ上り傾斜となる０゜
位置最大外方変位x1の楕円変位が生じ、また、第２のア
クチュエータ12Bが伸びた状態では、22.5゜位置から67.
5゜位置へ上り傾斜となる90゜位置最大外方変位の楕円
変位y1が生じる。この場合、振動円筒体11の45゜,135
゜,225゜,315゜方向には、上記２つの楕円運動の支点と
なり径方向には全く変位しない静止点が生じる。

一方、０゜及び180゜方向の楕円変位に伴い、０゜あ
るいは180゜に位置する質点ｘが幅x1で径方向に変位す
ると、上記静止点となる45゜,135゜,225゜,315゜の質点
ｊには周方向変位j1が生じ、また、90゜及び270゜方向
の楕円変位に伴い、90゜あるいは270゜に位置する質点
ｙが幅y1で径方向に変位すると、上記各静止点となる質
点ｊには周方向変位j2が生じる。すると、上記径方向変
位量最大点となるｘ及びｙ（０゜,90゜,180゜,270゜）
と周方向変位最大点となるｊ（45゜,135゜,225゜,315
゜）との間の各質点ｋ（例えば22.5゜,67.5゜,112.5゜,
157.5゜,202.5゜,247.5゜,292.5゜,337.5゜）には、そ
の径及び周方向変位が組合わされた変位k1及びk2が生じ
るもので、この径及び周方向の組合わせ変位点ｋに円筒
状の回転子を当接させると、この回転子は該質点ｋが径
方向外方へk1で変位する際の周方向変位j1に一致する方
向に回転するようになる。

第６図（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ上記振動円筒体11
の楕円変位に伴う径方向変位及び周方向変位の分布状態
を示すもので、径方向変位は振動円筒体11の楕円変位に
対応して０゜,90゜,180゜,270゜方向で最大になり、45
゜,135゜,225゜,315゜方向で“0"になるのに対し、周方
向変位は、上記径方向変位が“0"になる振動円筒体11の
45゜,135゜,225゜,315゜方向で最大になり、上記径方向
変位が最大になる０゜,90゜,180゜,270゜方向で“0"に
なる。

すなわち、圧電アクチュエータ12A,12Bにそれぞれ逆
位相の交流電圧を印加して高周期の交互伸縮運動を発生
させ、振動円筒体11に垂直方向に長径を有する楕円変位
と水平方向に長径を有する楕円変位とを真円状態を経て
連続的に生じさせると、０゜〜45゜,45゜〜90゜，…,27
0゜〜315゜,315゜〜０゜それぞれの間の円弧には、何れ
もその中間点を最大にした径方向及び周方向の組合わせ
変位が生じるようになる。

一方、第７図（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ上記振動円筒
体11の全体に生じる楕円変位を拡大して示すもので、圧
電アクチュエータ12を振動円筒体11の長手方向の略中心
に配設した場合、垂直方向（０゜180゜方向）及び水
平方向（90゜270゜方向）の楕円変位共、振動円筒体1
1の両端に近い程大きくなることが実験より得られた。
つまり、上記振動円筒体11では、その両端円弧上の22.5
゜の質点ｋから45゜毎に径及び周方向組合わせの最大変
位が得られることになる。

したがって、第８図に示すように、上記振動円筒体11
の22.5゜位置から45゜毎に、矢印Ｐで示すように回転子
15a,15b,…を押圧当接させることで、それぞれの回転子
15a,15b,…に対し上記径及び周方向の組合わせ変位に対
応する矢印ａ又はｂ方向の回転力を伝達することができ
る。

これにより、上記超音波アクチュエータ１では、例え
ば第９図に示すように、シート状の移動体16を振動円筒
体11の22.5゜位置から45゜毎に存在する径及び周方向変
位点の何れかに対し、矢印Ｐで示すように押圧当接させ
ることで、振動円筒体11が外方変位する際の周方向変位
に対応する方向の直線運動ｉを得ることができる。

第10図は上記超音波アクチュエータ１を動力源とした
紙送りローラ４の回転動作状態を示すもので、すなわ
ち、振動円筒体11の22.5゜＋45゜の位置に対応する外周
変位点を、矢印Ｐで示すように紙送りローラ４の内周突
起部4aに押圧当接させることにより、前期第８図におけ
る回転子15bの動作原理と同様にして紙送りローラ４は
矢印ｂで示す方向に回転するようになる。これにより、
第１図におけるプリント用紙６は、矢印ｂで示す方向に
回転する紙送りローラ４と用紙押えローラ５との間に挾
み込まれて、矢印Ｈで示すプリント部の方向に送られ
る。

したがって、上記構成のプリンタ用紙送り機構によれ
ば、超音波アクチュエータ１の所定の外周変位点を、紙
送りローラ４の内周突起部4aに対し押圧当接させるだけ
で、該紙送りローラ４を回転させてプリント用紙６を送
ることができる。この場合、振動円筒体11と圧電アクチ
ュエータ12A,12Bとにより構成される超音波アクチュエ
ータ１が、直接紙送りローラ４に対して回転力を与える
ので、モータを動力源とした従来のローラ回転手段に較
べて、部品点数及び組立て工数を大幅に削減することが
可能になり、プリンタ等の回転運動を要する装置を小型
化することができる。

尚、上記実施例では、２本の圧電アクチュエータ12A,
12Bを使用して振動円筒体11に楕円変位を生じさせた
が、その本数は何等制限されるものではない。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、円柱状体と、この円柱
状体を間欠的に楕円形に変形させる円柱変形手段と、中
空円柱状を成しその内周面に径方向内側に向かって突起
する突起部が形成されると共に回動自在に支持された回
動体と、上記円柱状体の外周面を上記回動体の突起部に
当接させる当接手段とを備え、上記円柱状体の間欠的楕
円変形に伴いその外周面に上記回動体が接して回転運動
するよう構成したので、モータによるギア等を介した回
転手段を利用すること無く、簡単な構成にして小型化を
図ることが可能になる回転運動発生装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回転運動発生装置の一実施例に係わる
プリンタ用紙送り機構の構成を示す断面図、第２図は上
記プリンタ用紙送り機構における超音波アクチュエータ
及び紙送りローラのフレーム支持構造を示す断面図、第
３図（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ上記用紙送り機構に使用
される超音波アクチュエータを示す外観図及び側面図及
びＡ−Ａ線断面図、第４図は上記超音波アクチュエータ
における圧電アクチュエータを示す構成図、第５図は上
記超音波アクチュエータの振動円筒体に生じる変位状態
を示す図、第６図（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ上記超音
波アクチュエータにおける振動円筒体の楕円変位に伴う
径方向変位及び周方向変位の分布状態を示す図、第７図
（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ上記超音波アクチュエータに
おける振動円筒体の全体に生じる楕円変位を拡大して示
す図、第８図は上記超音波アクチュエータにより得られ
る回転運動を示す図、第９図は上記超音波アクチュエー
タにより得られる直線運動を示す図、第10図は上記超音
波アクチュエータを動力源とした紙送りローラの回転動
作状態を示す図である。 １……超音波アクチュエータ、２……基部、3a〜3c……
弾性部材、４……紙送りローラ、4a……突起部、５……
用紙押えローラ、６……プリント用紙、7a,7b……用紙
ガイド、８……フレーム、９……プラテン、10……プリ
ントヘッド、11……振動円筒体、12A,12B……圧電アク
チュエータ、12a,12b,……圧電セラミック、13a,13b,…
…電極、14……電源部、15a,15b,……回転子、16……シ
ート状移動体、21……ボールベアリング、22……ばね。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円柱状体と、 この円柱状体を間欠的に楕円形に変形させる円柱変形手
   段と、 中空円柱状を成しその内周面に径方向内側に向かって突
   起する突起部が形成されると共に回動自在に支持された
   回動体と、 上記円柱状体の外周面を上記回動体の突起部に当接させ
   る当接手段とを具備し、 上記円柱状体の間欠的楕円変形に伴いその外周面に上記
   回動体が接して回転運動することを特徴とする回転運動
   発生装置。