JP2980554B2 - 振動駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は駆動ローラを回転駆
動する振動駆動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動駆動装置の振動子としては、
例えば特開昭６３−２１４３８１号公報がある。この振
動子を図１０乃至図１４に示す。

【０００３】この振動子１２５を構成する円板形状の電
歪素子１１４は、分割部１１０を境として二分割された
電極１１１と１１２が一面に形成され、共通電極１１３
が他面に形成されていて、電極１１１と１１２毎に分極
方向が反転（素子部１１４ａと１１４ｂ）されている。
振動子１２５は、このような電歪素子１１４を２枚用意
し、分割部１１０を一致させると共に、残留分極の方向
を対向させ（素子部１１４ａと１１４ａとを向かい合わ
せ、同様に素子部１１４ｂと１１４ｂとを向かい合わせ
る）、図１２に示すＵ字形状の２枚の電極板１１５と１
１６を間にして互いに向かい合った両電歪素子１１４の
電極１１１と１１２を重ね合わせ、中心部に絶縁筒１１
７を配置挿通する。そして、一方の電歪素子１１４の他
面に形成された共通電極１１３の面には、出力端部１１
８を細く形成すると共に、エクスポーネンシャル段部を
有する金属材１１９が接合され、他方の電歪素子１１４
の共通電極１１３の面には共通電極板１２０が接合さ
れ、この共通電極板１２０には金属材１２１を接合させ
て締着具としてのボルト１２２によりこれらを一体的に
固定している。

【０００４】また、電極１１１と電極１１２および共通
電極１１３とには、電極板１１５と電極板１１６及び共
通電極板１２０とを介在させて不図示の駆動制御回路が
接続されている。

【０００５】このような構成において、共通電極板１２
０に対して電極板１１５と１１６に位相を制御できる駆
動電源を接続してその駆動周波数をたわみ共振周波数に
調節する。その位相差を零として駆動したときには、励
振電圧は電歪素子１１４の両素子部１１４ａと１１４ｂ
とに同一に印加されるので、一方の素子部が伸びた時に
は他方の素子部が縮み、これを交互に繰り返すことによ
りたわみ共振振動が行われ、その出力端部１１８は、図
１０の（ｄ）に示すように、軸に直角方向の運動が行わ
れる。

【０００６】ここで、一方の電極板１１５に対し、他方
の電極板１１６に印加する駆動電圧の位相を進ませる
と、図１０の（ｃ）に示すようなたわみ方向に長い反時
計方向の楕円運動を行い、その進相度をさらに増して行
くと、図１０の（ｂ）（ａ）のごとく、たわみ方向に短
く、軸方向に長い楕円形状に変化する。同様に、その位
相を遅らせると、楕円振動方向は時計方向に反転し、ま
た位相差の増大に伴って、図１０の（ｅ）（ｆ）（ｇ）
のごとくその振動姿態が変化する。

【０００７】さらに、電極板１１５と１１６に印加する
夫々の励振電圧の相対位相を零として、その相対振幅を
変化させると、出力端部１１８の振動姿態は図１０の
（ｈ）（ｉ）（ｋ）（ｌ）のように、たわみ方向に対し
て傾斜した直線で振動する。なお、印加電圧が同振幅の
場合には、図１０の（ｊ）のように軸と直角方向に共振
振動する。

【０００８】次に、駆動周波数を軸方向共振周波数に設
定し、１８０度位相の異なる駆動電圧を夫々の電極板１
１５と１１６に印加すると、素子部１１４ａと１１４ｂ
は同時に伸びたり縮んだりして通常の縦形振動子と同様
に、図１０の（ｐ）に示すように、軸方向に共振振動す
る。

【０００９】ここで、各電極板１１５と１１６に印加す
る駆動電圧の位相差を１８０度を基準として進相あるい
は遅相とすると、その度合いに応じて図１０の（ｍ）〜
（ｏ），（ｑ）〜（ｓ）のように回転方向と楕円率が変
化した楕円運動が行われることになる。また、位相差を
１８０度として相対振幅を変化させると、同様にその大
小と極性とによって図１０の（ｔ）（ｕ）（ｗ）（ｘ）
に示すようにその傾斜を変えて直線振動がおこなわれ
る。

【００１０】なお、電歪素子としては、図１３のよう
に、電極１２７と共通電極１２９を有する半円弧状の素
子部１２６ａと、電極１２８と共通電極１２９を有する
半円弧状の素子部１２６ｂとの２分割構造のものを一定
の間隔を有して配置することで、電歪素子１１４に変え
て使用できる。

【００１１】図１４はこのような振動子をモータとして
用いたもので、支軸１３０が中心に形成された円板状の
ロータ１３１の面１３２に振動子１２５の出力端部１１
８を圧接し、出力端部１１８の振動を例えば図１０の
（ｓ）の状態とすると、ロータ１３１は矢印の方向に回
転する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
振動モータを駆動源とした機器は種々考えられるが、小
型化、構造の簡易化の工夫が求められている。

【００１３】本出願に係る第１の発明の目的は、小型化
でき、構造を簡易化できる振動駆動装置を提供すること
にある。

【００１４】本出願に係る第２の発明の目的は、プリン
タの小型化を図れる振動駆動装置を提供することにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本出願に係る第１の発明
の目的を実現する構成は、２つの金属棒の間に電気−機
械エネルギー変換素子を挟持し、前記変換素子の厚み方
向の伸縮変位によって、一方の金属棒体の作用部が軸回
りに回転運動する略棒状の振動体と、前記振動体によっ
て回転駆動されるものであって、被搬送体を搬送させる
中空状の駆動ローラとを有し、前記振動体を前記駆動ロ
ーラの回転中心軸位置に軸線が一致するように配置し、
かつ該駆動ローラの中空内部に少なくとも一部を挿入
し、前記一方の金属棒体の作用部は前記駆動ローラに内
装され且つ前記駆動ローラに固定された別部材となるロ
ータの摺動部を摩擦駆動して前記駆動ローラを回転駆動
することを特徴とする振動駆動装置にある。

【００１６】本出願に係る第２の発明の目的を実現する
構成は、上記した構成における前記駆動ローラは、プリ
ンターのプラテンローラであることを特徴とする振動駆
動装置にある。

【００１７】

【発明の実施の形態】（発明の前提となる技術１） 図５乃至図９は本発明の前提となる技術１を示し、図５
はモータの分解斜視図である。

【００１８】１は先端部の小径軸部１ａと後端部の大径
軸部１ｂとの間に径が先端部に漸減するホーン形状のホ
ーン部１ｃを形成した金属丸棒からなる振動体、２は振
動体１の大径軸部１ｂと同径の外径に形成された金属丸
棒からなる押え体、３及び４は大径軸部１ｂと同径の外
径に形成された電気−機械エネルギー変換素子としての
円環形状の圧電素子板、５は圧電素子板３，４の共通の
電極板で、振動体１と押え体２との間に、電極板５を挾
むようにして圧電素子板３，４を配し、ボルト６により
押え板２を振動体１に固定することにより、圧電素子板
３，４を振動体１と押え体２との間に固定して、振動子
Ａを構成している。ボルト６は、その頭部が円環状の絶
縁体７を介して押え体２に接し、且つ軸部が圧電素子板
３，４及び電極板５と非接触状態に保持されている。

【００１９】圧電素子板３，４は、片面側に分極方向が
互いに異なり、且つ厚み方向に分極された２つの電極領
域（＋電極ａ、−電極ｂ）が中心軸線位置に形成された
絶縁部ｄの両側に対称に形成されると共に、他面側に＋
電極ａ、−電極ｂの共通電極ｃが形成されていて、振動
子Ａの軸線に対して互いに位置的位相が９０°の角度を
ずらして配置され、圧電素子板３の共通電極ｃと圧電素
子板４の分割電極側が電極板５の表裏両面に接するよう
に配置されている。なお、圧電素子板３の分割電極（＋
電極ａ、−電極ｂ）は導電体である振動体１の後端面に
接し、また圧電素子板４は導電体である押え体２の前端
面に接している。

【００２０】そして、電極板５と振動体１との間に交流
電圧Ｖ１ を、また電極板５と押え体２との間に交流電
圧Ｖ２ を印加することにより、圧電素子板３の厚み方
向における伸縮変位による振動と、圧電素子板４の厚み
方向における伸縮変位による振動との合成により振動子
Ａを振動させる。

【００２１】交流電圧Ｖ１ と交流電圧Ｖ２ とは、図
６に示すように、振幅及び周波数が共に同じで、時間
的、空間的位相が９０°のずれを有している。

【００２２】したがって、振動子Ａは、軸心を中心と
し、円運動を行うことになる。なお、この円運動が生じ
る原理については、公知であるので説明は省略する。

【００２３】ここで振動子Ａの両端を自由端とした場
合、振動の腹の位置は振動子Ａの両端に形成されること
になり、振動子Ａの形状から振動体１の先端における円
運動の径は押え体２の後端よりもはるかに大きいが、前
述したように、振動体１の先端の円運動におけるトルク
は小さい。

【００２４】本例では、振動子Ａにおける振動体１のホ
ーン部１ｃの先端部（以下摺動部と称す）Ｂに振動の腹
の位置がくるように振動子Ａに対する共振周波数を設定
し、その周波数で圧電素子板３，４を駆動している。

【００２５】すなわち、振動子Ａは、３節又はそれ以上
のモードで振動し、少なくとも振動子Ａの両端と摺動部
Ｂとを腹として振動し、振動体１は図７（ａ），（ｂ）
に示すように、ホーン部１ｃ及び小径部１ａが軸心Ｌを
中心とし、小径部１ａの先端中心点Ｐが、図７に示すよ
うに、真円ｃの円周上を移動する首振り運動を行なうこ
とになる。

【００２６】そして、摺動部Ｂにおける首振り運動を利
用し、後記するロータ８を軸心Ｌを中心として回転させ
るようにしており、この摺動部Ｂで得られるトルクは小
径部１ａの先端で得られるトルクよりもはるかに大きい
ものであった。

【００２７】ロータ８は、振動子Ａの軸心Ｌと同軸に小
径部１ａに嵌合し、ロータ８の内径部８ａの後端部（以
下摩擦接触部と称す）８ｂを摺動部Ｂに対応する位置ま
で延出し、摩擦接触部８ｂの後端部をホーン部１ｃに当
接させている。ロータ８の内径部８ａの内径は、図８に
示すように、振動子Ａの小径部１ａの外径よりも極僅か
大径に形成されて小径部１ａの首振り運動を許容できる
ようにしており、内径部８ａの長さ方向中央部８ｃはさ
らに径の大きい内径部に形成されて小径部１ａと接触す
るのを防いでいる。

【００２８】ロータ８の摩擦接触部８ｂは、摺動部Ｂの
外周形状と合致するラッパ形状に拡開し、振動体１の首
振り運動時に摺動部Ｂと線接触する。

【００２９】ロータ８は、例えば不図示のスラストベア
リングを介して不図示のバネ等により、図４中の矢印方
向に押され、摩擦接触部８ｂと摺動部Ｂとの接触部に所
定の摩擦力を発生させ、また該スラストベアリングによ
り軸回り方向の回転が許容されている。

【００３０】すなわち、振動子Ａが摺動部Ｂを腹の位置
とする、例えば３節のモードで振動すると、前述したよ
うに振動体１は図７に示すように、軸心Ｌを中心とした
首振り運動を行ない、図９に示すように、摺動部Ｂがロ
ータ８の摩擦接触部８ｂと摩擦接触しながら時計方向又
は反時計方向に軸心Ｌに対し所定の半径ｒの軌跡を描き
ながら円運動し、ロータ８を回転させることとなる。

【００３１】なお、図９は摺動部Ｂがロータ８の摩擦接
触部８ｂの内周面をこじりながら円運動することを説明
するために、摺動部Ｂの外径をロータ８の摩擦接触部８
ｂの内径よりもかなり小さくしているが、摺動部Ｂにお
ける首振り運動の半径は実際に極僅かであるので、摺動
部Ｂとロータ８の摩擦接触部８ｂの内周面とは微小の間
隙となっている。

【００３２】ところで、振動子Ａは振動体１のみが振動
するのではなく、全体が振動することから、このモータ
Ｍを機器等に取り付けする際、振動子Ａの機器等に対す
る支持方法が問題となる。

【００３３】この場合、振動の節の位置で振動子Ａを支
持することが振幅が少ないことから一見最適に思える
が、振動子Ａは振動の節位置を起点とする首振り運動を
行なっているので、この振動の節位置における軸心Ｌに
対する垂直平面は、軸心Ｌ方向に沿って揺動することに
なる。

【００３４】このため、振動子Ａにおいて、振動の節位
置となる個所、例えば振動体１または押え体２の外周面
にモータ取り付け用のフランジを延出したとすると、こ
のフランジは軸方向に揺動し、機器等との取付部が最悪
の場合には振動により破壊したりする虞れがあり、振動
の節位置では振動子Ａの支持を行なうのに不適である。

【００３５】そこで、振動子Ａの振動状態につき種々検
討したところ、振動子Ａの支持位置として一見不適と思
われる振動の腹の位置が適していることを見出した。

【００３６】すなわち、振動の腹の位置は振幅が大きい
が、径方向のみしか変位しないので、上述のような揺動
運動による弊害が生じない。また、支持位置となる振動
の腹位置は、モータＭの構造から当然摺動部Ｂよりも軸
方向後方側に設けられることになり、３節モードにより
振動子Ａを振動させる場合には振動子Ａの後端が支持位
置となり、また４節モードでは振動子Ａの後端位置又は
振動子Ａの後端と摺動部Ｂとの間とが振動子Ａの支持位
置となる。

【００３７】一方、振動子Ａにおける振動の振幅は非常
に小さく、これらの支持位置となる腹位置の振幅はロー
タ８の振動を行なう摺動部Ｂにおける振幅よりもさらに
小さいので、径方向変位は殆ど無視することができ、振
動の腹位置を振動子Ａの支持位置とすることで、振動子
Ａを安定に機器等に支持させることが可能となる。

【００３８】なお、振動子Ａの後端を支持位置とする場
合、該後端を機器等の固定部材に対し、固定すると振動
子Ａが両端を節位置とする振動モードになり、摺動部Ｂ
に振動の腹を形成することができなくなるので、径方向
における変位を許容できるように支持することが必要で
ある。 （発明の前提となる技術２） 図２は本発明の前提となる技術２の断面図を示してい
る。

【００３９】本前提となる技術２は、円筒状のロータ２
０の両側に振動子Ａを配置し、２つの振動子Ａによりロ
ーラ状のロータ２０を回転駆動するようにしたもので、
各振動子Ａの後端から後方に支軸２１を延出し、これら
の支軸２１を取付部材２２の取付孔２３に嵌合させると
共にバネ２４を図示の如く弾装し、ロータ２０の軸孔２
５の端部２６を振動子Ａのホーン部１ｃとなる摺動部Ｂ
に圧接させている。ロータ２０の軸孔２５の端部２６
は、前提となる技術１に示すロータ８の摩擦接触部８ｂ
と同様に形成され、振動子Ａの摺動部Ｂと対応し、また
ロータ２０は両端部外周位置で軸受部材２７により回転
自在に支持されて振動子Ａの首振り運動に対し径方向に
移動するのを防ぎ、振動子Ａの首振り運動を回転力に変
換可能としている。

【００４０】一方、支軸２１は取付孔２３に対し固定さ
れていると、前述した如く振動モードが変わるので、本
前提となる技術２でも支軸２１の径方向における自由度
を確保するために、取付孔２３の開口周縁部２８をテー
パ形状にしている。

【００４１】なお、本前提となる技術２はこのまま本発
明の実施の形態のようなプリンターのプラテンローラと
してロータ２０を使用することも可能である。 （本発明の前提となる技術３） 図３は本発明の前提となる技術３の断面図を示してい
る。

【００４２】上記した本発明の前提となる技術２では、
ローラ２０の両端部に振動子Ａを夫々配置し、各振動子
Ａの摺動部Ｂとローラ２０の軸孔２５の端部との摩擦接
触により該摺動部Ｂの首振り運動をロータ２０の回転に
変換しているが、本前提となる技術３は各振動子Ａの小
径部１ａを夫々長くして先端部を固結し一体としたもの
である。

【００４３】すなわち、このような構成のモータにおい
て、上記した各前提技術と同様に各振動子Ａに、例えば
３節モードの振動を形成するように駆動すると、小径部
１ａの固結により実質上一本の振動体となる軸部３０は
長さ方向中央を腹とし、また摺動部Ｂも腹とする振動を
行ない、該軸部３０の長さ方向中央に着目した場合には
軸心Ｌを中心とする所定の半径で円運動を行なうことに
なり、軸部３０を全体として着目した場合には、例えば
向かい合う人間が一本の縄を回した時と同じような運
動、所謂縄飛び運動を行なう。

【００４４】本前提技術３は、軸部３０の長さ方向中央
部３１に形成される振動の腹を利用し、縄飛び運動に伴
う該中央部３１とローラ２０の軸孔２５の内周壁面との
摩擦接触によりローラ２０を回転させるようにしてい
る。

【００４５】この場合、上記した前提技術２のように振
動子Ａの摺動部Ｂをロータ２０を回転させるために利用
していないが、２つの振動子Ａにより駆動を行なってい
るので、軸部３０の中央部３１における摩擦駆動のトル
クは大きく、充分にロータ２０を回転させることがで
き、また必要に応じて摺動部Ｂにおける首振り運動を利
用することも可能である。 （本発明の前提となる技術３の変形例） 図４は本発明の前提となる技術３の変形例を示す断面図
で、ロータ２０の軸孔２５内に２つの振動体１，１を夫
々後端面を合わせるようにし、その間に圧電素子板３，
４を挟んで固定して全体として１つの振動子としてお
り、各振動体１，１の小径部１ａは取付部材２２の軸孔
２３に挿入されている。

【００４６】すなわち、圧電素子板の挟持位置を振動の
腹とした縄飛び運動により、振動体１の大径部１ｂとロ
ータ２０の軸孔２５との摩擦接触でロータ２０を回転さ
せる。この場合、振動体１の大径部１ｂをロータ２０内
に収容するので、省スペース化を図れる。

【００４７】（実施の形態） 図１は本発明の実施の形態の断面図を示している。

【００４８】本実施の形態は、プリンターのプラテンロ
ーラを駆動する駆動源に、図５に示すモータＭ（ロータ
８の形状が異なる点及びモータＭの支持機構を図示した
点を除き同構造）を使用したもので、プラテンローラ１
０の一端部側の内部に振動子Ａ及びロータ８からなるモ
ータＭを収容し、このモータＭによりプラテンローラ１
０の一端側の支軸を兼用している。

【００４９】モータＭは、振動子Ａの押え体２の後端を
支持するようにしており、押え体２の後端に取り付け用
のフランジ部２ａを設け、プリンターの取付フレーム１
１にテフロン等の低摩擦材からなる低摩擦シート１２を
挟んで該フランジ部２ａを取り付けるようにしており、
フランジ部２ａに穿設された孔部（不図示）に、該孔部
の内径よりも小径の軸部を有する螺子１３を通し、この
螺子１３を取付フレーム１１に螺着することで、軸方向
におけるモータＭの移動は規制するがフランジ部２ａの
径方向における伸縮を許容している。

【００５０】プラテンローラ１０は、内装されるモータ
Ｍのロータ８と回転不能に嵌合し、直接ロータ８の回転
力が伝達されるようになっており、他端側に固定した支
軸１４が軸受部材１５を介してプリンターの取付フレー
ム１６に回転自在且つ軸方向移動可能に軸支されてい
る。支軸１４にはバネ１７が弾装され、バネ１７の一端
はスラストベアリング１８に当接し、またバネ１７の他
端は軸受１５に当接して、バネ１７のバネ力によりロー
タ８を振動子Ａに圧接すると共にローラ１０を回転可能
としている。

【００５１】

【発明の効果】本出願に係る請求項１、２に係る発明に
よれば、中空状の駆動ローラを振動体により直接回転駆
動させずに、駆動ローラに内装され、且つ固定されたロ
ータを摩擦駆動するようにしたので、駆動ローラの外径
もしくは内径にそれほど影響されずに振動体の金属棒体
の大きさを自由に設定することができ、特に大径な駆動
ローラの回転駆動を可能とするものである。

【００５２】また、駆動ローラの中空内部に同軸な振動
体の少なくとも一部を挿入したので、装置の小型化が図
れ、例えばプリンター等の駆動ローラを有する装置の小
型化に寄与することができる。

【００５３】さらに、略棒状の振動体を駆動ローラと同
軸とし、かつ振動体の作用部を軸回りに回転運動させて
駆動ローラを駆動するようにしたので、駆動ローラの駆
動時の偏心が生じにくい。

【００５４】特に、請求項２に係る発明では、プラテン
ローラを有するプリンターの小型化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の断面図。

【図２】本発明の前提となる技術２の断面図。

【図３】本発明の前提となる技術３の断面図。

【図４】本発明の前提となる技術３の変形例を示す断面
図。

【図５】本発明の前提となる技術１を示すモータの分解
斜視図。

【図６】図５の圧電素子板に印加する交流電源の波形
図。

【図７】（ａ），（ｂ）は図５のモータの振動子の首振
り運動を示す側面図及び正面図。

【図８】図５のモータの組み付け状態を示す図。

【図９】図５のモータの駆動状態を説明する図。

【図１０】従来の振動子を示す断面図。

【図１１】図１０の振動子の電歪素子を示す斜視図。

【図１２】図１０の振動子の電極板を示す斜視図。

【図１３】図１０の振動子の他の電歪素子を示す斜視
図。

【図１４】図１０の振動子を用いたモータ。

【符号の説明】

Ｍ：モータ Ａ：振動子 Ｂ：摺動部 １：振動体 ２：押え体 ３，４：圧電素子板 ５：電極板 ６：ボルト ７：絶縁状 ８：ロータ １０：ローラ １１：取付部材 １２：低摩擦シート ２０：ロータ ２４：バネ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの金属棒の間に電気−機械エネルギ
   ー変換素子を挟持し、前記変換素子の厚み方向の伸縮変
   位によって、一方の金属棒体の作用部が軸回りに回転運
   動する略棒状の振動体と、 前記振動体によって回転駆動されるものであって、被搬
   送体を搬送させる中空状の駆動ローラとを有し、 前記振動体を前記駆動ローラの回転中心軸位置に軸線が
   一致するように配置し、かつ該駆動ローラの中空内部に
   少なくとも一部を挿入し、前記一方の金属棒体の作用部
   は前記駆動ローラに内装され且つ前記駆動ローラに固定
   された別部材となるロータの摺動部を摩擦駆動して前記
   駆動ローラを回転駆動することを特徴とする振動駆動装
   置。
2. 【請求項２】 前記駆動ローラは、プリンターのプラテ
   ンローラであることを特徴とする請求項１に記載の振動
   駆動装置。