JPH04261374A - 振動子型アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複写機やファクシミリ
等の給紙機構や、ローラ、ドラムの駆動機構として用い
られる振動子型アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、超小型の駆動機構として、圧電素
子を用いた超音波モータが注目されている。この場合、
その駆動方法としては、定在波を利用した場合と進行波
を利用した場合とが一般に知られている。まず、定在波
を利用した平板状の超音波モータとしては、例えば、図
３の超音波振動素子（振動部材）１に示すように、屈曲
振動８次共振モード２、図４の超音波振動素子（振動部
材）３に示す縦振動１次共振モード４を利用したものが
ある。これら２つのモード２，４を利用することにより
、それら両端部１ａ，１ｂ、３ａ，３ｂに同方向の楕円
運動を形成することができるため、図示しないローラで
両端部１ａ，１ｂ、３ａ，３ｂを加圧接触し、そのロー
ラと基板間に物体を挿入することにより、その物体を移
動させることができる。このような楕円運動の方向は正
弦波電圧の位相を変えることによって反転することがで
きるため、物体の移動方向を容易に反転させることがで
きる。一方、進行波を利用した超音波モータとしては、
屈曲振動により進行波を発生させて生じる圧電隊表面の
同一方向の楕円運動を利用している。ここで、進行波は
位置的、時間的に９０°の位相を変えた２つの正弦波の
組合せによって得ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したような駆動源
として圧電素子を用いた超音波モータでは、その圧電素
子を薄くすると変位量が小さくなるため、おのずと超小
型化（数ｍｍ以下）、低コスト化には限界がある。また
、一般に、超小型のアクチュエータにおいては、単位体
積当たりの表面積が大きくなるため「電磁力」による駆
動は望ましくない。そこで、「静電力」による超小型ア
クチュエータの開発が行われてきている。例えば、空気
層や誘電体或いは液晶層を介して対向する共通電極と各
個別電極との間に電圧を印加させ、これにより発生する
静電力で共通電極に一体化して固定された振動部材に振
動を発生させ、その振動部材の振動を楕円運動に変換し
、その楕円運動発生部に移動部材を接触させることによ
って、その移動部材に駆動力を与えるものがある。しか
し、この場合、空気層を介した場合はその変位量が１〜
２μｍであり、この変位量を大きくしたり或いは駆動力
を高めるために高誘電体層を設けると作製プロセスが複
雑化することになる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に一部
が固定された多数本の梁を備えたくし歯状の可動電極を
設け、この可動電極の各梁と対向させて固定電極を配設
し、この固定電極と可動電極との間に静電力を発生させ
ることにより可動電極に共振モードの変位を起こさせる
屈曲振動発生手段を設けた。

【０００５】

【作用】本発明においては、屈曲振動発生手段により固
定電極と可動電極との間に静電力を発生させ、その可動
電極に共振モードの変位を起こさせることによって大き
な駆動力を得ることができるため、超小型な構成とする
ことができるにもかかわらず変位量を大きくとることが
可能となる。

【０００６】

【実施例】本発明の一実施例を図１及び図２に基づいて
説明する。まず、図１に基づいてくし歯状をした振動子
型アクチュエータの電極ユニットの基本構成を示すもの
である。基板５上にはくし歯状の可動電極６が設けられ
ている。この可動電極６には、直線状をした共通電極６
ａが形成され、この共通電極６ａから突出した形で多数
本の梁６ｂが形成されている。また、可動電極６の各梁
６ｂに対向した形で個別的に固定電極７が配設されてい
る。さらに、固定電極７と可動電極６との間に静電力を
発生させる図示しない屈曲振動発生手段が設けられてい
る。この屈曲振動発生手段によって可動電極６に共振モ
ード（図３及び図４参照）の変位を起こさせることがで
きる。従って、振動子型アクチュエータは、基板５上に
形成された多数本の梁６ｂを有する可動電極６と、これ
と対向配置された固定電極７とにより構成される。なお
、基板５としては、Ｐ（リン）やＢ（ボロン）を高濃度
にドーピングしたｐｏｌｙ−Ｓｉ、或いは、Ｃ−Ｓｉ（
クリスタルシリコン）を使用することができる。

【０００７】次に、図２は、上述した振動子型アクチュ
エータの電極ユニットの基本構成をもとに８次共振モー
ドに対応した８個の梁６ｂを備えた可動電極６からなる
電極ユニットの構成を示すものである。但し、ここでは
便宜上、電極ユニットを１個のくし歯で示しているが、
当然複数のくし歯から構成してもよい。前述した図３及
び図４から明らかなように、超音波振動素子１，３の中
央部Ｐは節となっている。そこで、本実施例では、Ｃ−
Ｓｉの基板５からなる振動子型アクチュエータの８次共
振モードの節Ｐとなる中央部でＰｙｒｅｘ基板８に固定
されている。また、Ｐｙｒｅｘ基板８は固定電極７にも
固定されており、各固定電極７には配線パターン９が接
続されている。

【０００８】ここで、図２に示した構成の節Ｐでの具体
的な固定方法を陽極接合法を例にとってその概略につい
て説明する。すなわち、予めＣ−Ｓｉの厚み分だけエッ
チングされたＰｙｒｅｘ基板８に、固定電極７間が一部
分離しているＳｉウェハを４００°Ｃ、５００Ｖの条件
で陽極接合する。次に、ＫＯＨ異方性エッチングを行い
個々の固定電極７間の分離、及び、共通電極６ａ間の分
離を行う。次に、固相ドーピングでＰ又はＢをドープし
てＣ−Ｓｉの領域の低抵抗化を行う。このようにして節
ＰでのＰｙｒｅｘ基板８との固定を行うことができる。

【０００９】この場合、屈曲振動発生手段による駆動電
圧をＶｄ、くし歯方向をＸ軸方向とすると、そのＸ軸方
向の変位ΔＸは、

【００１０】

【数１】 となる。なお、ＦｘはＸ軸方向の力、ｋは振動部材のば
ね定数、Ｃはくし歯電極間の容量である。

【００１１】従って、可動電極６のくし歯の長さと幅を
最適化することにより、この容量を大きくし、Ｘ軸方向
の変位、及び、力を大きくすることができる。例として
、１電極ユニットの固定電極７の数を１０個、可動電極
６の各梁６ｂの幅を４μｍ、長さを１５０μｍ、電極間
のギャップを３μｍとしたとき、２０Ｖの印加により約
５μｍの変位を得ることができた。この場合、変位量は
電圧値に比例するので、４０Ｖで１０μｍの変位が可能
である。この時、１次共振周波数は３０ＫＨｚであり、
これにより通常の超音波モータとほぼ同程度の振動数を
実現することができる。さらに、この場合、屈曲振動発
生手段によって、各電極ユニットに図３の屈曲振動８次
共振モードを可能とする電位と、図４の縦振動１次共振
モードを可能とする電位とを重畳して与えることにより
、共通電極６ａを有する可動電極６（振動部材）に楕円
運動を発生させることができる。

【００１２】なお、本実施例では、８個の梁６ｂを備え
た可動電極６からなる電極ユニットで構成したが、この
他に１６個の梁６ｂ、さらには、３２個の梁６ｂを備え
た電極ユニットで構成することによって、一段とスムー
ズな楕円運動を起こさせることが可能となる。

【００１３】

【発明の効果】本発明は、基板上に一部が固定された多
数本の梁を備えたくし歯状の可動電極を設け、この可動
電極の各梁と対向させて固定電極を配設し、この固定電
極と可動電極との間に静電力を発生させることにより可
動電極に共振モードの変位を起こさせる屈曲振動発生手
段を設けたので、その屈曲振動発生手段により固定電極
と可動電極との間に静電力を発生させ、その可動電極に
共振モードの変位を起こさせることによって大きな駆動
力を得ることが可能となり、これにより、超小型な構成
とすることができるにもかかわらず変位量を大きくとる
ことができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である電極ユニットの基本構
成を示す平面図である。

【図２】本発明の一実施例である８個の梁６ｂが形成さ
れた可動電極を有する電極ユニットの構成を示す平面図
である。

【図３】振動部材に発生する屈曲振動８次共振モードの
様子を示す説明図である。

【図４】振動部材に発生する縦振動１次共振モードの様
子を示す説明図である。

【符号の説明】

５　　　　　　基板 ６　　　　　　可動電極 ６ｂ　　　　梁 ７　　　　　　固定電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　基板上に一部が固定された多数本の梁
   を備えたくし歯状の可動電極を設け、この可動電極の各
   梁と対向させて固定電極を配設し、この固定電極と前記
   可動電極との間に静電力を発生させることにより前記可
   動電極に共振モードの変位を起こさせる屈曲振動発生手
   段を設けたことを特徴とする振動子型アクチュエータ。