JP2004187465A - 振動型アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】振動型アクチュエータにおいて駆動効率の改善、長寿命化を目的とする。
【解決手段】各相の電極の空間的な配置を、電極の空間周波数の駆動モード成分とその高調波成分との比がほぼ最大となるように配置する。具体的にはλ／８、３λ／８、・・・の分割を１８０°ずらして二枚又は２ｎ枚重ねた構成とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像形成装置の駆動部等に用いられる振動型アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
振動型アクチュエータは振動体に接着又はねじ止めされた圧電素子を振動体の共振周波数付近で駆動し、振動体に圧接された移動体を駆動する。通常圧電素子を適当に分極し、複数の電極を配置し、何組かの電極を適当に組み合わせて（これを相と呼ぶ）時間的な位相をずらして駆動することによって振動体に進行波を起こし移動体を駆動している。従来、この分極及び電極配置として各種方法が提案されていて、例えば特開２００１−４５７７４号公報に開示されるような波長の１／２ごとに分極を施したもの（図１４参照）や、同一方向に分極して１／４波長ごとに電極を配置したもの（図１５参照）などがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−４５７７４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電極の配置の構成では、空間的な駆動モードに対する周波数成分に対して比較的大きな高次モードの空間周波数を含むが、これを小さくする構成がほとんど知られていなかった。特に複数枚の圧電素子を積層するタイプの振動型アクチュエータに関しては、従来例がない。電極の配置に高次の空間周波数成分が多く含まれると、アクチュエータの駆動に寄与しない高次モードの駆動力が発生して、効率の悪化や寄生振動の発生の原因となる恐れがある。したがってこれをできるだけ小さくする方法が本発明の解決しようとしている課題である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために本発明における第１の構成は、互いに９０°の位相差を持つ二相の電気的な振動を動力に変換する電気機械振動変換子を用いて弾性体よりなる振動子に進行波を発生させることによって駆動する振動型アクチュエータにおいて、各相の電極の空間的な配置を、電極の空間周波数の駆動モード成分とその高調波成分との比がほぼ最大となるように配置したことを特徴とする。
【０００６】
本発明における第２の構成は、上記した第１の発明の振動型アクチュエータにおいて、前記電気機械振動変換子はｍ×ｎ枚積層した構成としｍ枚の組の各相の電極の空間的な配置を、電極の空間周波数の駆動モード成分とその高調波成分との比がほぼ最大となるように配置したことを特徴とする。
【０００７】
本発明における第３の構成は、上記した第２の発明において、前記電気機械変換子の組をｍ＝２として第一の層を順に３／８、１／８、３／８、１／８…に電極で分割し、順に第一相の電圧、第二相の電圧、第一相の逆相電圧、第二相の逆相電圧を印加し、また第一の層と同じ空間位相にて第二の層を順に１／８、３／８、１／８、３／８…に電極で分割して、順に第一相の電圧、第二相の電圧、第一相の逆相電圧、第二相の逆相電圧を印加する、この二枚の組を一つ、又は複数組積層したことを特徴とする。
【０００８】
本発明における第４の構成は、上記した第２又は第３の発明において、各層間をスルーホールで結線し、共通電極側はスルーホールを絶縁したことを特徴とする。
【０００９】
本発明における第５の構成は、互いに９０°の位相差を持つ二相の電気的な振動を動力に変換する圧電素子を用いて弾性体よりなる振動子に進行波を発生させることによって駆動する振動型アクチュエータにおいて、前記圧電素子の分極分布の空間的な配置を、分極分布の空間周波数の駆動モード成分とその高調波成分との比がほぼ最大となるように配置したことを特徴とする。
【００１０】
本発明における第６の構成は、上記した第５の発明の振動型アクチュエータにおいて、前記圧電素子はｍ×ｎ枚積層した構成としｍ枚の組の各相の分極分布の空間的な配置を、分極分布の空間周波数の駆動モード成分とその高調波成分との比がほぼ最大となるように配置したことを特徴とする。
【００１１】
本発明における第７の構成は、上記した第６の発明において、前記圧電素子の組をｍ＝２として第一の層を順に駆動波長の１／２おきに分極の方向を変えて、分極パターンに対して１／４と３／４に分割された電極をつけ、それぞれ互いに９０の位相差の電圧を印加し、また第一の層と同じ分極分布を持つ第２層を空間的に駆動波長の１／８だけずらし配置し電極は第一層の１／８波長と同じ位相の場所に３／８波長の長さの電極を、第一層の３／８波長と同じ位相の場所に１／８波長の長さの電極を配置して、第一層と同じ空間位相にある第二相の電極に第一層と同じ電圧を印加し、この二枚の組を一つ、又は複数組積層したことを特徴とする。
【００１２】
本発明における第８の構成は、上記した第６の発明において、前記圧電素子の組をｍ＝２として第一の層を順に駆動波長の１／２おきに分極の方向を変えて、分極パターンに対して１／４と３／４に分割された電極をつけ、それぞれ互いに９０の位相差の電圧を印加し、また第一の層と同じ分極分布を持つ第２層を空間的に駆動波長の１／８だけずらして、第一層と同じ空間位相にある第二相の電極に第一層と同じ電圧を印加する、この二枚の組を一つ、又は複数組積層したことを特徴とする。
【００１３】
本発明における第９の構成は、上記した第６から第８のいずれかの発明において各層間をスルーホールで結線し、共通電極側はスルーホールを絶縁したことを特徴とする。
【００１４】
本発明における第１０の構成は、第１から第９のいずれかの発明におい、て圧電素子が円環状に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本実施の形態における例示が本発明を限定することはない。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１に本発明に係る第１の実施の形態の振動型アクチュエータの一部の一断面を示す。実際のアクチュエータはこの横方向のパターンを繰り返して円環状、又は直線上の構成となる。
【００１７】
１は金属等で構成される弾性体で一定間隔で櫛歯が設けられている。櫛歯による振動の拡大と強度の確保の役割を持つ。２は接着層であり圧電素子３〜８と振動子１を接着している。この構成の場合電極面３が圧電素子の表面に出ているため接着層で絶縁されている必要がある。なお分極されていない圧電素子の層１３を図２のように振動体との間に増設すれば特に絶縁に気を使う必要はない。
【００１８】
図１の４、６は圧電素子であり、図１で垂直方向の電圧を印加すると、伸張するように分極されている（図１ではコモン電極が真中にあるので分極方向は逆になる）。
【００１９】
３、５、８は積層された圧電素子４、６の表面につけられた電極群である。
【００２０】
電極群３、８は空間位相が振動体に発生させようとしている振動の波長λに対して、順に３／８λ、１／８λ、３／８λ、１／８λ・・・のように分割されていて、電極３と８では空間的な位相が１８０度ずれている。すなわち３／８λパターンの真下には１／８λパターン、１／８λパターンの真下には３／８λパターンが来るように配置されている。
【００２１】
また電極５は圧電素子全面をおおう電極である。スルーホール７−１〜７−５は図中の上層の電極３と下層の電極８を垂直に接続していて、中層の電極５に対しては絶縁されている。
【００２２】
下層の電極群は順に各々が９０°の位相差を持った四相の駆動信号（以下相と呼ぶ）に接続されていて、圧電素子４、６及び弾性体１に進行波を励振する。
【００２３】
スルーホール７、６は中層の電極を下層の電極面の表面に導く役割を果たし、電極群８の各電極に対して絶縁された端子を形成している。この端子は、接地又は、各駆動相のコモン端子側に接続される。
【００２４】
以下に本第１の実施の形態の効果を説明する。
【００２５】
図３は本第１の実施の形態の構成の電極の２波長分の空間分布である。ここで電極が存在する場所は１、ない場所は０としている。ただし同時刻に伸縮方向が逆になる部位があるため、これを±で示した。部分は進行波を用いたモータであるが進行波は９０°位相のずれた二相の定在波成分（Ａ相、Ｂ相と呼ぶ）に分解できるため、これらの相に寄与する成分に分けて示した。
【００２６】
なお、図４は従来の波長の１／２で電極を構成したパターンを二枚積層した場合、図５は従来の波長の１／４で電極を構成したパターンを二枚積層した場合の同様の図である。そのままでは見にくいのでたて軸、横軸をＡＢ相で少しずらして表示している。
【００２７】
円環状の振動子の場合、本第１の実施の形態のパターン、λ／２パターン、λ／４パターンはそれぞれ図８、図９、及び図１０のようになる。ただし簡便のため一周一波長とし、各図中では共通電極、絶縁層、スルーホール等は省略してある。
【００２８】
ここで、駆動モードの空間角周波数をｗ、位置ｘでの電極分布をｐ（ｘ）とすると、圧電素子の発生する力のうち駆動モード成分Ｆ（ｗ）は式１で表される式に比例する。
【００２９】
【式１】

【００３０】
また、ｎ倍の高調波成分も同様にして式２で表される式に比例する。
【００３１】
【式２】

【００３２】
これは電極の空間分布のフーリエ変換すなわち空間周波数を求めることに他ならない。
【００３３】
図６に図３から図５の各電極パターンの空間周波数をしめす。また、図７に各電極パターンに存在する高調波駆動成分の主駆動成分比を示す。電極分布は奇関数なので奇数次のみ示す。
【００３４】
本第１の実施の形態のパターンによれば、従来の代表的なパターンと比較して駆動に寄与しない高調波成分が約１／１．８となるため、効率が大幅に改善される。また高調波成分は異常振動の原因となりやすいが、本第１の実施の形態のパターンによれば不要振動を抑制できるため、雑音の発生が少なく、寿命を延ばすことができる。
【００３５】
なお、本第１の実施の形態は共通電極をもつ構成で示したが、圧電素子に所定の方向の電圧がかかるようになっていればよいので共通電極をなくしたフローティング構成とすることも可能である。
【００３６】
（第２の実施の形態）
図１１に本発明に係る第２の実施の形態の一構成を示す。
【００３７】
一枚あたりでは簡便のため一周一波長の場合を示しているが、上記した第１の実施の形態と同様にして、λ／８、３λ／８のパターンを繰り返して一周が整数波長になるようであればよい。なお、絶縁層、スルーホール、共通電極等は図１１中では省略している。また、図１１では円環で示してあるが、直線上に配置された振動子に対しても同様のことが言える。
【００３８】
このパターンは、上記した図８のパターンを基本の組としてｎ組積層したものである。上記した第１の実施の形態と比較してより大きな力を発生させることができる。
【００３９】
なお、図１１中パターン１とパターン２が交互に積層してある。ただし本第２の実施の形態はこれに限定されるものでなく、任意の順番で積層することも可能である。
【００４０】
例えば、パターン１をｎ枚連続して積層し、その下にパターン２をｎ枚連続して積層することも可能である。また、枚数が多い場合、パターン１とパターン２の数が完全に一致している必要はなくほぼ同数であれば良い。さらに、積層間に駆動相に接続されない振動検出用の電極パターンを設けたり、絶縁層を設けたりすることも可能である。
【００４１】
（第３の実施の形態）
図１２に本発明に係る第３の実施の形態を示す。図３は一相分を示したものである。実際にはこれと空間的に１／４波長ずれた位置に別の駆動相を設けるが、図示の相と同等の構成のためここでは省略している。また、本第３の実施の形態の説明と関係ないので上記した図１で図示した振動子も省略している。
【００４２】
図１２で圧電素子１６、１８は図中、垂直方向に電圧が印加されたときに伸縮するように分極されており、駆動波長の１／８、３／８、１／８、３／８・・・の順に分極方向が変えられている。
【００４３】
圧電素子１６、１８では空間的な位相が１８０度ずれている。すなわち、３／８λパターンの真下には１／８λパターン、１／８λパターンの真下には３／８λパターンが来るように配置されている。
【００４４】
なお、コモン電極が中央にある構成なので上下で分極方向が逆になる。１５、１７、１９は電極であり圧電素子１６、１８の表面に一様につけられている。電極１５と１９はスルーホールなどで接続されており同じ電圧がかかるようになっている。また、電極１７はスルーホールなどを介して接地されている。
【００４５】
このパターンでも駆動に寄与しない空間的な高調波成分の発生が少ないので上記した第１の実施の形態と同様にして効率が大幅に改善される。また、高調波成分は異常振動の原因となりやすいが、本第３の実施の形態のパターンによれば不要振動を抑制できるため、雑音の発生が少なく、寿命を延ばすことができる。
【００４６】
また、この分極パターンの組を上記した第２の実施の形態と同様にして複数枚積層して使うことも可能である。
【００４７】
（第４の実施の形態）
上記した第３の実施の形態では２つの駆動相が空間的に偏ってしまうため、発生する進行波にムラが生じる場合がある。図１３に示す第４の実施の形態では電極を分散させてそれを防いでいる。
【００４８】
図１３で２２、２４は圧電素子であり駆動波長の１／２おきに分極方向が変えられている。また、２２と２３では空間位相が１／８波長だけずれている。２１、２３、２５は電極である。電極２１は圧電素子２２の分極パターンに対して１／４と３／４に分割するようにつけられている。また、電極２５も同様に分極パターンに対して１／４、３／４に分割するようにつけられているが電極２１の１／４の電極と同じ空間位相の部分には３／４の部分、電極２１の１／４の部分には３／４の電極がくるように配置されている。これら空間位相が同じ位置にある電極はスルーホールなどを介して電気的に接続されている。また、電極２３は圧電素子２２、２４の表面に一様につけられていてスルーホール等を介して設置されている。時間的に９０°位相のずれた駆動信号は電極２５に接続されていて、二相の信号が交互に電極に接続される。
【００４９】
本第４の実施の形態においても、上記した第１の実施の形態と同じ効果を得ることができる。また、前述したように駆動相が均一に配置できるので、進行波むらの発生を抑えることができる。
【００５０】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、振動型アクチュエータの駆動効率を大幅に改善することができる。また、不要振動を抑制できるため、雑音の発生が少なく、寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態における振動型アクチュエータの一部断面図。
【図２】本発明に係る第１の実施の形態における振動型アクチュエータの一部断面図。
【図３】本発明に係るアクチュエータの電極の空間分布を示す図。
【図４】従来の１／２波長パターンのアクチュエータの電極の空間分布を示す図。
【図５】従来の１／４波長パターンのアクチュエータの電極の空間分布を示す図。
【図６】本発明と従来のパターンのアクチュエータの電極の空間周波数を示す図。
【図７】本発明と従来のパターンのアクチュエータの高調波成分を示す図。
【図８】図３の空間分布をもつパターンの一例。
【図９】図４の空間分布をもつパターンの一例。
【図１０】図５の空間分布をもつパターンの一例。
【図１１】本発明に係る第２の実施の形態を示す図。
【図１２】本発明に係る第３の実施の形態を示す図。
【図１３】本発明に係る第４の実施の形態を示す図。
【図１４】従来例の振動型アクチュエータを示す図。
【図１５】従来例の振動型アクチュエータを示す図。
【符号の説明】
１・・・振動子
２・・・絶縁層
３、５、８、１４、１５、１７、１９、２１、２３、２５・・・電極
４、６、１３、１６、１８・・・圧電素子
７・・・スルーホール
９、１０、１１、１２、２０、２６、２７・・・駆動信号

Claims (10)

1. 互いに９０°の位相差を持つ二相又は四相の電気的な振動を動力に変換する電気機械振動変換子を用いて弾性体よりなる振動子に進行波を発生させることによって駆動する振動型アクチュエータにおいて、各相の電極の空間的な配置を、電極の空間周波数の駆動モード成分とその高調波成分との比がほぼ最大となるように配置したことを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記電気機械振動変換子はｍ×ｎ枚積層した構成とし、ｍ枚の組の各相の電極の空間的な配置を、電極の空間周波数の駆動モード成分とその高調波成分との比がほぼ最大となるように配置したことを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータ。
3. 前記電気機械変換子の組をｍ＝２として第一の層を順に駆動波長の３／８、１／８、３／８、１／８…に電極で分割し、順に第一相の電圧、第二相の電圧、第一相の逆相電圧、第二相の逆相電圧を印加し、また第一の層と同じ空間位相にて第二の層を順に駆動波長の１／８、３／８、１／８、３／８…に電極で分割して、順に第一相の電圧、第二相の電圧、第一相の逆相電圧、第二相の逆相電圧を印加し、この二枚の組を一つ、又は複数組積層したことを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエータ。
4. 各層間をスルーホールで結線し、共通電極側はスルーホールを絶縁したことを特徴とする請求項２又は３に記載の振動型アクチュエータ。
5. 互いに９０°の位相差を持つ二相の電気的な振動を動力に変換する圧電素子を用いて弾性体よりなる振動子に進行波を発生させることによって駆動する振動型アクチュエータにおいて、前記圧電素子の分極分布の空間的な配置を、分極分布の空間周波数の駆動モード成分とその高調波成分との比がほぼ最大となるように配置したことを特徴とする振動型アクチュエータ。
6. 前記圧電素子はｍ×ｎ枚積層した構成とし、ｍ枚の組の各相の分極分布の空間的な配置を、分極分布の空間周波数の駆動モード成分とその高調波成分との比がほぼ最大となるように配置したことを特徴とする請求項５に記載の振動型アクチュエータ。
7. 請求項６において、前記圧電素子の組をｍ＝２として第一の層を順に駆動波長の３／８、１／８、３／８、１／８…に分極の方向を変えて、駆動相の電圧を印加し、また第一の層と同じ空間位相にて第二の層を順に駆動波長の１／８、３／８、１／８、３／８…に分極方向を変えて、第一層と同じ電圧を印加する、この二枚の組を一つ、又は複数組積層したことを特徴とする振動型アクチュエータ。
8. 圧電素子の組をｍ＝２として第一の層を順に駆動波長の１／２おきに分極の方向を変えて、分極パターンに対して１／４と３／４に分割された電極をつけ、それぞれ互いに９０の位相差の電圧を印加し、また第一の層と同じ分極分布を持つ第２層を空間的に駆動波長の１／８だけずらし配置し電極は第一層の１／８波長と同じ位相の場所に３／８波長の長さの電極を、第一層の３／８波長と同じ位相の場所に１／８波長の長さの電極を配置して、第一層と同じ空間位相にある第二相の電極に第一層と同じ電圧を印加し、この二枚の組を一つ、又は複数組積層したことを特徴とする請求項６に記載の振動型アクチュエータ。
9. 各層間をスルーホールで結線し、共通電極側はスルーホールを絶縁したことを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の振動型アクチュエータ。
10. 前記圧電素子が円環状に形成されていることを特徴とする請求項１から９に記載の振動型アクチュエータ。

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