JP6324117B2 - 振動型駆動装置、ロボット、及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動型駆動装置に関し、特に、振動体に振動を発生させ、その振動エネルギーを利用して駆動力を与える振動型駆動装置における振動吸収部材を備えた構造に関するものである。

一般的に、振動型駆動装置（例えば超音波モータ）は、駆動振動が形成される振動体と、振動体に加圧接触する被駆動体とを有し、振動体と被駆動体とを駆動振動により相対的に移動させる。

このような振動型駆動装置における、いわゆる円環型の振動型駆動装置のものについて、以下に図１０、図１１を用いて説明する。

図１０は、円環型モータの全体構成を示す断面図である。被駆動体２は、加圧ばね３によって振動体１に加圧接触され摩擦力を生じる。６は基台である。

そして、この摩擦力が駆動力となり被駆動体２は駆動され、被駆動体２の回転トルクは加圧ばね３およびディスク４を介してシャフト５に伝えられる。

図１１は、円環型振動体の斜視図である。振動体１は、弾性体１０１、前記弾性体１０１の一方の面に固着された圧電素子１０２、前記弾性体の他方面に設けられた摩擦部材で構成される。そして、弾性体１０１の摩擦部材側に、複数の突起１ａが鋸歯状に配列されている。

前記圧電素子１０２には不図示の電極パターンと給電手段が設けられており、本電極パターンに交番信号を印加することにより前記振動体１に面外方向の曲げ振動を発生させ、振動体側の摩擦接触面に高周波の微小送り運動を形成し被駆動体２を駆動する。

振動体１は、弾性体１０１の面外曲げ振動の中立面近傍から内径側に延伸する支持部１０４を有する。支持部１０４は、基台６に載置されカシメ加工によって固定される。

このような円環型の振動型駆動装置において、特許文献１ではつぎのように駆動体と吸収部材との間の摩擦によるエネルギーの損失を減少させ、モーターの効率を向上させるようにした図１２に示す振動波モータが提案されている。

この図１２は円環型の振動体の断面図であって、弾性体１０１の外周側に支持部１０４を有し、その下面を吸収材７で支持している。

吸収材７で振動体１を支持することにより、振動体１が発生する駆動振動の外部機器への固体伝搬を絶縁するとともに、吸収材７の減衰効果によって駆動振動以外の不要な振動を抑制することができる。

また、図１２の場合は、支持部１０４が弾性体の面外方向曲げ振動の中立面近傍から延伸しているので、吸収材７との間の摩擦によるエネルギー損失を低減し、駆動振動発生効率への影響を少なくすることができる。

特公平８−２１８６号公報

ところで、上記従来例の振動波モータにおいて、上記のような吸収材７の機能と効果を安定して得るためには、吸収材に適切な圧縮力を加え、十分な歪を発生させた状態で保持する必要がある。しかし、上記従来例のものでは十分な圧縮力を得る上で、必ずしも満足の得られるものではなかった。

例えば、図１０に示すような構成のもとで、上記吸収材のような構成を用いても加圧ばね３が発生するモータ加圧力と基台６のカシメ部の挟持力では、不十分な圧縮力しか得ることができない。

また、カシメ加工は固定強度のバラつきや位置によるムラが大きいため、安定した生産が困難であった。

一方、本発明の一様態は、振動体の支持部と基台の間に、振動体が励振する振動の外部機器への固体伝搬と不要振動との少なくとも一方の発生を抑制する振動吸収材を備えるように構成した際、該振動吸収材をより一層安定して機能させ、駆動効率の向上を図ることが可能となる振動型駆動装置に関する。

本発明一様態は、電気−機械エネルギー変換素子を有する円環型の振動体と、前記振動体と接触するよう配置された被駆動体と、前記振動体の内径側に延在する支持部と、前記支持部を介して前記振動体を固定する基台と、前記支持部と前記基台との間に配置された振動吸収材と、前記支持部と前記基台との間の前記振動吸収材に対する圧縮力を調整可能な圧縮力調整手段と、前記基台に形成されており、前記支持部の基台側の面と直接接している段差部、又は、前記基台と前記支持部との間に、前記基台及び前記支持部の前記基台側の面と接するように配置されている、前記振動吸収材より剛性が大きい部材と、を有し、前記支持部は、前記振動吸収材を介して前記圧縮力調整手段により前記基台に固定されており、また、前記圧縮力調整手段により前記振動吸収材に対する圧縮力が調整される際、前記支持部の基台側の面と前記段差部又は前記部材とが当接することにより前記振動吸収材の変形量は規制され、更に、前記段差部又は前記部材は、前記支持部が前記圧縮力調整手段により前記基台に固定されている位置よりも、前記振動体の内径側に設けられている振動型駆動装置に関する。

本発明によれば、振動体の支持部と基台の間に、振動体が励振する振動の外部機器への固体伝搬と不要振動との少なくとも一方の発生を抑制する振動吸収材を備えるように構成した際、
該振動吸収材をより一層安定して機能させ、駆動効率の向上を図ることが可能となる振動型駆動装置を実現することができる。

振動型駆動装置の構成例について説明する図。 振動型駆動装置の固定部近傍拡大図。 振動型駆動装置の駆動振動である面外振動モードの一例を説明する図。 振動型駆動装置の駆動振動以外である面内振動モードの一例を説明する図。 振動型駆動装置の吸収材の有無による面外振動モードの周波数応答曲線の変化を説明する図。 振動型駆動装置の吸収材の有無による面外振動モードと面内振動モードの周波数応答曲線の変化を説明する図。 振動型駆動装置の吸収材のひずみによる面内振動モードの周波数応答曲線の変化を説明する図。 振動型駆動装置の固定部近傍拡大図。 振動型駆動装置の駆動面外振動モードによる振動体支持部の面外方向振幅分布。 円環型振動型駆動装置を説明する断面図。 円環型振動型駆動装置を説明する斜視図。 円環型振動体の断面図。 振動型駆動装置の搭載装置である産業用ロボットの一例の斜視図。 振動型駆動装置の搭載装置であるカラー画像形成装置の一例の概略図。 振動型駆動装置の適用例を説明する図。 振動型駆動装置の適用例を説明する図。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した振動型駆動装置の構成例について説明する。

本実施例の振動型駆動装置は、電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体と、前記振動体と加圧接触する被駆動体を備える。

そして、この電気−機械エネルギー変換素子への交番信号の印加により、前記振動体に励起される振動波によって前記被駆動体を摩擦駆動し、前記被駆動体を前記振動体に対して相対移動させるように構成されている。つまり、振動型駆動装置は、電気−機械エネルギー変換素子への交番信号の印加により、前記振動体に励起される振動波によって、前記被駆動体と前記振動体との相対位置が変化するように構成されている。

具体的には、本実施例の振動型駆動装置は、前述した図１０のような円環型の振動型駆動装置の場合を例に採り説明する。

図１において、被駆動体２は、加圧部材である加圧ばね３によって振動体１に加圧接触され摩擦力を生じる。

そして、この摩擦力が駆動力となり被駆動体２は駆動される。

振動体１は、弾性体１０１の面外曲げ振動の中立面近傍から内径側に延伸する支持部１０４を有する。

振動体１は基台６に載置され、弾性体１０１の内周側で複数の固定ビス８によって固定される。

図２は、図１の固定部近傍を拡大した図である。

支持部１０４のうち、ビスで固定されている少し肉厚になっている部分を振動体固定部１０５とする。

固定部１０５と基台６の間には弾性を有する振動吸収材７を有し、振動体固定部１０５と振動吸収材７を共通の固定ビス８で軸方向に共締めする構成である。ビス締結により、振動吸収材７は軸方向の圧縮応力を受けて変形する。

このとき、振動吸収材７が受ける圧縮力は、固定ビス８の締付トルク、数、使用するビスの種類やネジ部の仕様および締結部品の材質などによって決まることは一般的によく知られている。

本実施例の構成では、上記した固定ビス８は、軸方向圧縮力が調整可能に構成されており、固定ビス８の締付トルクや増し締め回数、および使用する締めつけ工具などから条件を定めて、固定ビス８によって振動吸収材７の圧縮力をコントロール可能とされている。

すなわち、圧縮力の調整可能な固定手段である固定ビス８により、支持部と基台との間の振動吸収材に対する軸方向の圧縮力を調整し、振動吸収材７の変形量をコントロールすることで、この固定ビス８が圧縮力調整手段としての機能を果たしている。

なお、振動体固定部１０５の内径側側面は、基台６に対し嵌合関係にある。

圧縮応力下での振動吸収材７の変形量は、複数のビスの締結順序や振動吸収材７の厚み誤差、寄りなどによって周方向にムラが生じやすい。

この嵌合関係は、吸収材の変形ムラに対して振動体が水平、すなわち基台に対して平行になるように設定した。

ここで、本発明において振動吸収材７を配置する理由について、実験的知見を交えて以下説明を進める。

まず、本実施例の振動体１は、図３に示すような面外方向（または軸方向）へ主に振幅を発生する面外振動モードによって駆動される。

図３は、例として振動体１の弾性体１０１が周方向に同時に５個の山を有する曲げ振動、すなわち面外５次振動を表している。

一方、駆動に用いられず、かつ駆動中に励振されないことが望ましい振動モードの一例として図４が挙げられる。

こちらは、弾性体１０１が面内方向（または径方向）へ主に振幅を発生する面内振動モードである。

振動体の突起１ａの先端側からみると周方向に５個の山を有している面内５次振動を表している。

図３および図４において、振動体１の支持部１０４は弾性体１０１の面外振動の中立面近傍から内径側に延出している。

このとき、両振動モードにおける支持部１０４の振動発生状況を比較する。

図３の面外振動では、支持部１０４のうち弾性体に近い外径側で部分的に振幅が大きくなる。そして、固定部１０５の付近ではほとんど振動しない。

一方、図４の面内振動では、弾性体に近い部分で振幅が大きくなるのは図３と同じであるが、固定部１０５の付近でも振幅が比較的大きくなる。

このとき、固定部１０５を基台６に振動吸収材７を介して取り付けると、吸収材の減衰性によってこれらの振動発生状況が変化する。

図５および図６は、その変化を実験的に捉えたグラフであり、いずれも振動体の電気的な周波数応答特性を表している。横軸は電気―機械エネルギー変換素子に入力される交番信号の周波数で、縦軸はアドミッタンスである。

図５は面外振動の応答曲線であるが、これによると吸収材の有る場合であっても振動体１の機械品質係数Ｑ値はほぼ変化しないことがわかる。理由は、減衰材として作用する振動吸収材が接している固定部１０５の振動振幅が十分小さいからである。
一方、図６は面外振動と面内振動の応答曲線の変化の違いを見るため、広い周波数レンジで測定したものである。グラフ右半分にあるアドミッタンスが大きいピークは面外振動である。

振動吸収材無しの場合にグラフ左半分にある小さいピークは面内振動であり、振動吸収材があると電気的な応答としてほとんど現れなくなった。

そして、振動吸収材が有る場合のグラフを面内振動のピーク付近の狭い周波数範囲で見たものが図７である。

ここではさらに、振動吸収材のひずみを３種類振って比較している。

吸収材のひずみ量は、振動体を固定する固定ビスの締め付けトルクで調整した。これによると、振動吸収材のひずみが大きいほど振動吸収材の減衰効果が上がり、アドミッタンスが小さく、応答曲線の形状もよりなだらかな起伏になった。

以上より、振動体１の内径側であって特に最内周側の固定部１０５で振動吸収材を介して基台に固定すると、駆動で使用する面外振動モードには大きな影響はなく、それ以外の面内振動などを抑制する効果がある。

さらに、振動吸収材のひずみが小さいとその効果は少なく、固定ビスの締め付けトルクを上げて圧縮力を増すと、十分な減衰効果を得ることができる。

具体的には、固定ビスによる圧縮ひずみを０．１以上、つまり振動吸収材の厚さの１０％以上の変形量にすることが望ましい。これにより振動吸収材の機能と効果をより十分に得ることができる。

次に、振動吸収材７の材質についてであるが、振動型駆動装置は、駆動条件や設置環境によって広範囲の温度条件で使用されることを想定しなければならない。

本実施例では、広い温度範囲で機械的な物性が安定しているという理由からシリコーンゴムを採用している。特に、コンシューマ機器などでよく使われる−２０℃〜８０℃の環境において損失係数の変化が小さく、安定して駆動振動以外の振動モードを減衰させる。

また、シリコーンゴムは圧縮永久歪率が小さい。１００℃以上の高温側と−４０℃以下の低温側では次第に圧縮永久歪率が大きくなるものの、他の有機系ゴムと比べてはるかに広い温度範囲で変化が小さい。

さらに、振動型駆動装置は駆動、停止といった駆動条件によるモータ温度の変化が激しいため、耐熱性、耐寒性に優れ、各種機械的物性の温度依存性が極めて小さいシリコーンゴムは他のゴムに対して大きな優位性を有する。つまり、振動吸収剤としては、振動体が励振する振動の外部機器への固体伝搬と、不要振動の発生との少なくとも一方を抑制することができるような弾性を有する部材を用いる。

本実施例の以上の構成によれば、必要な圧縮力を振動吸収材に安定供給し、振動体と吸収材との間の摩擦によるエネルギー損失を低減し、駆動振動発生効率への影響を少なくすることができる。

すなわち、振動体が励振する振動の外部機器への固体伝搬と、不要振動の発生との少なくとも一方を抑制することができる。したがって、振動型駆動装置の駆動時の損失を低減し、効率を向上させることができる。

また、特殊な設計を必要とせず外部機器に取り付け使用することができる。そのため、専門知識に詳しくないユーザであっても、安心して振動型駆動装置を設置することができる。

［実施例２］
図８は、本発明の実施例２を説明する断面図である。

支持部１０４のうち、ビスで固定されている少し肉厚になっている部分を固定部１０５とする。

固定部１０５と基台６の間には振動吸収材７を有し、振動体固定部１０５と振動吸収材７を共通のビスで軸方向に共締めする構成である。

ビス締結により、振動吸収材７は軸方向の圧縮応力を受けて変形する。

そして、固定ビス８の締付トルクを上げると振動体の固定部１０５は基台６側に近づき、固定部１０５の基台側の面が基台段差６０１に当接する。

このように、圧縮力調整手段である固定ビスで振動吸収材７に軸方向の圧縮応力を与えるとともに、この振動体位置決め手段である段差６０１に突き当てて固定部１０５の軸方向位置を決める。

振動体１の軸方向位置を決めることによって、振動吸収材７の変形量を規制することができる。

段差６０１が振動体位置決め手段として機能を果たす変形例としては、段差を作るための部品を別途用意してもよい。その際、段差部品の材質は、軸方向の圧縮に対する変形量が振動吸収材７の変形量よりも小さい、すなわち軸剛性が振動吸収材７よりも大きければよい。したがって、金属以外にテフロン（登録商標）などの樹脂材、さらには軸剛性の高いゴムリングなどの部材で形成しても同じ機能を果たす。

次に、基台段差部６０１の位置について説明を進める。

まず、上記実施例２の構成で、実施例１同様の減衰性を振動吸収材７に発揮させることが可能である。

しかし一方、本実施例では、固定ビス８のほか基台段差部６０１によっても駆動振動が外部機器へ固体伝搬する。

図９は、面外振動モードである駆動振動による振動体支持部１０４の面外方向振幅分布である。

横軸は、振動体の半径である。これによると、支持部１０４は、弾性体１０１のリング部最外周を先端とし、内径側の固定部付近に支点を有する略片持ち梁状の曲げ振動が発生している。

弾性体部は面外方向に大きな振幅で振動し、この振幅で被駆動体を突き上げる。支持部１０４の薄肉部分で次第に面外振動振幅は小さくなり、固定部付近の振幅はほぼ０である。ゆえに、振動体位置決め部の当接面で固体伝搬が起こらないよう、基台段差部６０１を固定部１０５であって、さらに最内径付近の位置に配置している。

また、固定ビス８で締結する径方向位置では基台との間に振動吸収材７が介在していることもあって、ビスによる固体伝搬はほとんど起こらない。

これに対して、基台段差部６０１は吸収材が介在しておらず、ビス位置よりも顕著に固体伝搬が起こる。そのため、振動体位置決め部は圧縮力調整手段であるビスよりも内径側、すなわち振動発生部である電機−機械エネルギー変換素子からより離れた位置に配置することが好適である。

なお、固定部１０５の内径側面の基台６との嵌合部に関しては、固体伝搬の観点ではほとんど影響しない。

理由は、支持部１０４は弾性体１０１の面外曲げ振動の中立面を支えているため、駆動振動の面内方向成分はほとんど固定部１０５に伝搬されていないからである。
なお、上記説明において、厳密には支持部の内周端であっても極微小な振動が面外方向および面内方向に残存している。

このような極微小振動が固体伝搬により外部機器へ振動が漏れること等については、別途に対処すればよい。

［実施例３］
本実施例では、振動型駆動装置を装置の例について図１３乃至図１６を用いて説明する。以下の図１３乃至図１６を用いて説明する装置において、振動型駆動装置としては、例えば実施例１または２で説明した振動型駆動装置を用いることができる。

図１３は、振動型駆動装置を搭載するロボットの斜視図であって、産業用ロボットの一種である水平多関節ロボット１０を一例として示している。

振動型駆動装置は、図１０において、アーム関節部１１やハンド部１２に内蔵される。アーム関節部１１は、アーム２０の間に設けられ、前記アームに接続される。ハンド部１２は、把持部２１、及び把持部２１とアーム２０との間に設けられるハンド関節部２２を有し、ハンド関節部２２は、前記把持部２１及びアーム２０に接続される。アーム関節部やハンド関節部に振動型駆動装置を用いることができる。一般に、ロボットのアーム関節部の曲げやハンド部の把持動作には、低回転数かつ高トルクのモータ出力が求められるため振動型駆動装置が好適である。

図１４は、振動型駆動装置を搭載するカラー画像形成装置の内部構成を示す側断面図であって、４つの画像形成手段Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄが設けられる画像処理装置２００を一例として示している。

各画像形成手段Ｐａ〜Ｐｄは実質的に同一の構成を有し、回転駆動される像担持体である感光体ドラム２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄを有している。

各感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄの周辺には、各感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄをそれぞれ一様に帯電する帯電器２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄが設けられている。また、感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄの周辺には、感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄ上に形成された静電潜像を現像する現像器２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ，２０３ｄ、現像された顕画像を転写材２３０へ転写する転写用の帯電器２０４ａ，２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄ、感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄ上に残存するトナーを除去するクリーニング器２０５，２０５ｂ，２０５ｃ，２０５ｄが感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄの回転方向に順次配設されている。また、各感光体ドラム２０１ａ〜２０１ｄの上方には、露光装置２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃ，２０６ｄが設けられている。

また、搬送ベルト２２５は、駆動ローラ２２３によって図１に示す矢印Ａ方向に駆動され、給送手段２１０を通じて送給される転写材２３０を担持し、各画像形成手段Ｐａ〜Ｐｄへと順次搬送する搬送手段を構成している。

振動型駆動装置は、本図において、感光ドラム２０１ａ〜２０１ｄを回転させるための駆動モータとして用いられる。また、搬送ベルト２２５を駆動するための駆動ローラ２２３を回転させるための駆動モータとしても振動型駆動装置が用いられている。

図１５は、感光ドラム駆動用として振動波駆動装置を搭載するときの構成である。感光体ドラム１５の駆動軸１４に振動型駆動装置１３をダイレクトに接続することができる。これにより、従来必要であったギア等の減速手段を用いなくても済むために、色ずれの低減が実現でき、印刷品位を向上させることができる。

図１６は、搬送ベルト駆動用として振動型駆動装置を搭載するときの構成である。図１６において、駆動ローラ１７の駆動軸１４に振動型駆動装置１３をダイレクトに接続することができる。これにより、搬送ベルト１６の駆動においても感光ドラムと同じように印刷品位を向上させることが可能となっている。

１ 振動体
２ 被駆動体
３ 加圧ばね
６ 基台
７ 振動吸収材
８ 固定ビス（圧縮力の調整可能な固定手段、圧縮力調整手段）
１０１ 弾性体
１０２ 圧電素子
１０４ 支持部
１０５ 固定部

Claims (13)

1. 電気−機械エネルギー変換素子を有する円環型の振動体と、
   前記振動体と接触するよう配置された被駆動体と、
   前記振動体の内径側に延在する支持部と、
   前記支持部を介して前記振動体を固定する基台と、
   前記支持部と前記基台との間に配置された振動吸収材と、
   前記支持部と前記基台との間の前記振動吸収材に対する圧縮力を調整可能な圧縮力調整手段と、
   前記基台に形成されており、前記支持部の基台側の面と直接接している段差部、又は、前記基台と前記支持部との間に、前記基台及び前記支持部の前記基台側の面と接するように配置されている、前記振動吸収材より剛性が大きい部材と、を有し、
   前記支持部は、前記振動吸収材を介して前記圧縮力調整手段により前記基台に固定されており、また、前記圧縮力調整手段により前記振動吸収材に対する圧縮力が調整される際、前記支持部の基台側の面と前記段差部又は前記部材とが当接することにより前記振動吸収材の変形量は規制され、更に、前記段差部又は前記部材は、前記支持部が前記圧縮力調整手段により前記基台に固定されている位置よりも、前記振動体の内径側に設けられていることを特徴とする振動型駆動装置。
2. 前記振動吸収材は、前記振動体が励振する振動の外部機器への固体伝搬と不要振動との少なくとも一方の発生を抑制可能な弾性を有することを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
3. 前記支持部の内周側の部分が、前記振動吸収材を介して前記圧縮力調整手段により前記基台に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
4. 前記段差部は、前記振動吸収材よりも剛性の大きい材質の部材により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
5. 前記支持部と前記振動吸収材とは、直接接していることを特徴とする請求項１から４に記載のいずれか一項に記載の振動型駆動装置。
6. 前記振動吸収材は、シリコーンゴムであることを特徴とする請求項１から５に記載の振動型駆動装置。
7. 前記振動吸収材の変形量は、厚さの１０％以上であることを特徴とする請求項１から６に記載の振動型駆動装置。
8. 前記電気−機械エネルギー変換素子への交番信号の印加により、前記振動体に励起される振動波によって、前記被駆動体と前記振動体との相対位置が変化するよう構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の振動型駆動装置。
9. 前記振動体と前記被駆動体との間に加圧力を付与する加圧部材を更に有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の振動型駆動装置。
10. アームと、前記アームに接続された関節部を有し、
    前記関節部は請求項１から９のいずれか一項に記載の振動型駆動装置を有することを特徴とするロボット。
11. 前記関節部は、更に把持部にも接続されていることを特徴とする請求項１０に記載のロボット。
12. 像担持体と、
    像担持体に対向して設けられた搬送ベルトと、
    前記像担持体を回転駆動する請求項１から９のいずれか一項に記載の振動型駆動装置と、を有することを特徴とする画像形成装置。
13. 像担持体と、
    像担持体に対向して設けられた搬送ベルトと、
    前記搬送ベルトを駆動する請求項１から９のいずれか一項に記載の振動型駆動装置と、を有することを特徴とする画像形成装置。