專利名稱：振動元件和振動波驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種振動波驅(qū)動裝置，更具體地說，涉及一種用在一種條形振動波驅(qū)動裝置中的振動元件的結(jié)構(gòu)。
一個接觸件通過一個加壓機構(gòu)與彈性件的一個驅(qū)動部分壓力接觸，同時該接觸件受到驅(qū)動振動的摩擦驅(qū)動，從而使得振動元件和接觸件彼此相對運動，其中該驅(qū)動振動是在彈性件的驅(qū)動部分中產(chǎn)生的振動。
此處將一個振動波電機作為一個振動波驅(qū)動裝置的例子，在該振動波驅(qū)動裝置中，一個振動元件被用作一個定子，一個接觸件被用作一個轉(zhuǎn)子。
振動波電機的振動元件的例子包括那些具有這樣一種結(jié)構(gòu)的振動元件，在該結(jié)構(gòu)中，一個環(huán)形壓電元件盤被安裝到一個環(huán)形或盤形彈性件的一個表面上；和那些具有那樣一種類型的振動元件，在該類型中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動通過一個輸出軸被輸出，或者，在該類型中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動被直接輸出。
這樣的一種振動波電機已經(jīng)被應(yīng)用到產(chǎn)品中，這些產(chǎn)品被用于驅(qū)動一個相機的鏡頭，等等?，F(xiàn)在有環(huán)狀類型的和條狀類型的振動波電機。


圖11A是一個條形振動波電機的一個條形振動元件的結(jié)構(gòu)視圖，該條形振動波電機用于驅(qū)動一個相機的鏡頭。圖11B表示了該條形振動元件的一個軸線部分中的一個振動模態(tài)(用z-軸表示軸線方向，用r-軸表示徑向方向)。
標號101表示一個第一彈性件；標號102表示一個第二彈性件；標號103表示一個壓電元件。標號106表示一個軸件，該軸件穿過第一彈性件101、壓電元件103和第二彈性件102。軸件106位于一個轉(zhuǎn)子108側(cè)的一端被固定在一個配合件107上，該配合件107將被安裝到一個產(chǎn)品上，而軸件106的另一端被固定在一個螺母115上。一個螺紋部分被加工在軸件106的另一端上。隨著螺母115的變緊，被放置在一個凸緣部分和螺母115之間的第一彈性件101、壓電元件103和第二彈性件102被夾緊和固定在該凸緣部分和該螺母115之間，其中該凸緣部分是被加工用于固定軸件106的。標號108表示如上所述的轉(zhuǎn)子，標號116表示一個摩擦件，該摩擦件被固定到第一彈性件101上，并將與該轉(zhuǎn)子接觸。
當一個驅(qū)動信號被施加到壓電元件103上時，圖11B所表示的彎曲振動就在該條形振動元件中被激發(fā)，因此該條形振動元件大體上關(guān)于z-軸作擺動運動。相應(yīng)地，摩擦件116繞z-軸作旋轉(zhuǎn)運動。
看起來似乎這樣一種條形振動波驅(qū)動裝置的振動元件在尺寸上已沿其徑向方向被減小，但沿其推進的方向，即其軸線的長度方向，在尺寸上仍留有縮小的余地。
然而，當該振動元件被簡單地縮短時，會引起以下問題諧振頻率增加；振動位移被減小，將導致摩擦驅(qū)動效率的降低、由于高頻引起的驅(qū)動電路元件的價格的增加或該元件內(nèi)部損失的增加。
因此，日本專利申請No.4-91668提出了一種振動波電機，在該振動波電機中，一個振動元件具有一個直徑較小的部分，以減小諧振頻率。然而，根據(jù)這一建議，當該振動元件被簡單變薄，以降低諧振頻率時，一個壓電元件的直徑和一個摩擦表面也同時被減小，從而降低該壓電元件的產(chǎn)生力和摩擦轉(zhuǎn)矩。
作為一種用于縮短一個條形振動波驅(qū)動裝置的軸線、以解決上述問題的技術(shù)，在日本專利申請No.2001-145376中公開了這樣一種技術(shù)，具體如圖12所示。
在該文獻中的一個振動裝置與一個傳統(tǒng)產(chǎn)品的相同之處在于，一個壓電元件203被夾緊和固定在一個第一彈性件201和一個第二彈性件202之間。然而，該裝置與傳統(tǒng)產(chǎn)品的不同之處在于，具有一個摩擦表面的第一彈性件201被分成兩個區(qū)域，這兩個區(qū)域包括一個內(nèi)圓周部分和一個外圓周部分，這兩個部分通過一個薄的連接部分210被彼此連接到一起。
根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，即使該條形彈性件的軸線被縮短，由于第一彈性件具有足夠大的質(zhì)量，所以也能夠得到一個低的諧振頻率。
然而，根據(jù)這一技術(shù)，當連接部分210被變薄，以使諧振頻率被降低，從而其剛性被破壞時，產(chǎn)生于壓電元件中的位移被該連接部分210的一個軟彈簧吸收。因此，難以有效地將驅(qū)動力傳遞到一個轉(zhuǎn)子上。反之，當連接部分210被加厚時，諧振頻率就不能被有效地降低。因此，似乎還存在進一步改進的余地。
對附圖的簡要說明圖1A是一個振動波電機的剖視圖，該電機表示了本發(fā)明的第一實施例，圖1B和1C分別表示了該電機的振動元件的振動模態(tài)；
圖2A是一個振動波電機的剖視圖，該電機表示了本發(fā)明的第二實施例，圖2B和2C分別表示了該電機的振動元件的振動模態(tài)；圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的一個振動元件的剖視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的一個振動波電機的剖視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的一個振動波電機的一個振動元件的剖視圖；圖6是圖5所示的一個凸緣形彈性件的俯視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明第六實施例的一個振動波電機的一個振動元件的剖視圖；圖8是一個振動波電機的一個振動元件的剖視圖，該圖被示出以解釋“變形”；圖9是一個圖表，示出了表示圖8所示的振動元件變形的曲線；圖10是根據(jù)本發(fā)明第七實施例的一個振動波電機的剖視圖；圖11A是一個傳統(tǒng)振動波電機的剖視圖；圖11B表示了該電機的振動元件的振動模態(tài)；圖12是一個傳統(tǒng)振動波電機的剖視圖；和圖13是一個表示一個振動元件的視圖，該振動元件的上和下部分大體上彼此關(guān)于一個凸緣形彈性件對稱，該彈性件被插入在該振動元件的上和下部分之間。
對推薦實施例的詳細說明第一實施例因為被安裝在一個軟彈簧(連接部分210)的一個端上的質(zhì)量件作為一個摩擦表面，所以造成日本專利申請No.2001-145376中描述的發(fā)明的問題。因此，可以想象通過一個用于降低諧振頻率的功能件和一個用于輸出驅(qū)動力的功能件的彼此分離，就能夠解決這一問題。
圖1A至圖1C表示了本發(fā)明的一個第一實施例；圖1A是一個振動波電機的剖視圖，圖1B和1C分別表示了該電機的振動元件的彎曲振動模態(tài)。
標號1表示一個第一彈性件，該彈性件具有一個中空的圓柱形狀，并由一種具有低振阻尼損失特性的材料，例如，黃銅制成。標號2表示一個第二彈性件，該彈性件具有一個圓柱形狀，也由一種具有低振阻尼損失特性的材料制成，與第一彈性件1相同。標號5表示一個凸緣形(盤形)彈性件，該凸緣形彈性件沿與振動元件的軸線方向正交的方向延伸。第一彈性件1、第二彈性件2和凸緣形彈性件5通過一個軸6被固定在一起，該軸6包括螺紋部分6a和6b。由具有較高耐磨性的材料制成的凸緣形彈性件5通過其一個表面的外圓周附近的一個部分與一個轉(zhuǎn)子8接觸，同時該彈性件5轉(zhuǎn)動，并驅(qū)動該轉(zhuǎn)子8。從圖1A中可以明顯看出，凸緣形彈性件5與軸8相接觸的一個摩擦表面被相對于第一彈性件1和壓電元件3放置在外側(cè)，其中第一彈性件1和壓電元件3與凸緣形彈性件5相鄰。軸6被固定到一個質(zhì)量件7上，并將通過自身的一個端部被連接到一個未示出的設(shè)備上，同時作為一個支撐銷支撐振動元件。該軸未被放置在第二彈性件2、壓電元件3和凸緣形彈性件5內(nèi)的部分被加工得足夠薄。因此，該軸被加工成形，從而能夠吸收振動元件產(chǎn)生的振動，防止振動向一個將被驅(qū)動的設(shè)備或類似設(shè)備的傳遞。
標號8表示如上所述的轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子受到一個盤簧4產(chǎn)生的壓力作用，因此與凸緣形彈性件5外側(cè)圓周部分的附近區(qū)域壓力接觸。該轉(zhuǎn)子8能夠被放置在彈性件1的外圓周上，從而有利于減小軸的長度，并相應(yīng)減小電機尺寸。標號9表示一個輸出齒輪，該齒輪與轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，并向?qū)⒈或?qū)動的設(shè)備輸出功率，標號10表示一個球軸承，該軸承用于支撐該輸出齒輪。
為方便起見，在第一實施例的描述以及將在下文進行說明的第二至第十實施例中，轉(zhuǎn)子和第一彈性件被放置的一側(cè)和第二彈性件被沿振動元件軸線方向放置的一側(cè)被分別稱作“上側(cè)”和“下側(cè)”，將凸緣形彈性件作為這二者之間的一個界限。
在本實施例中，凸緣形彈性件5被當作上和下側(cè)之間的一個界限，位于上側(cè)的第一彈性件1具有一個較小的直徑，而位于下側(cè)的壓電元件3和第二彈性件2均具有較大的直徑。因此，該振動元件被這樣構(gòu)成，即凸緣形彈性件5被當作上和下側(cè)之間的一個界限，該振動元件安裝有位于下側(cè)的第二彈性件2的一個部分(一個下側(cè)部分)的抗振剛性高于該振動元件安裝有位于上側(cè)的第一彈性件1的一個部分(一個上側(cè)部分)的抗振剛性，從而這兩個關(guān)于凸緣形彈性件5布置的上和下側(cè)部分在動態(tài)剛性上相差相當大，其中該凸緣形彈性件5被當作上和下側(cè)之間的一個界限。
如上所述，當通過使沿軸線方向布置的上和下側(cè)部分彼此具有不同外徑，將帶有這兩個上和下側(cè)部分的振動元件加工成關(guān)于凸緣形彈性件5非對稱時，能夠得到兩種主要的彎曲振動模態(tài)，例如在一個平行于紙面的平面上，如圖1B和1C所示的振動模態(tài)簡圖所示(該簡圖表示了徑向位移在軸線部分的分布)。具體而言，由于凸緣形彈性件5被插入在該振動元件的上和下側(cè)部分之間，該下側(cè)部分在圖1B所示的振動模態(tài)的情況下被移動得相當大，而該上側(cè)部分在圖1C所示的振動模態(tài)的情況下被移動得相當大。換句話說，即使當在同一位移方向上產(chǎn)生兩種彎曲振動時，也可能在振動元件的各自端部的位移中激發(fā)兩種在相關(guān)比率上完全不同的振動模態(tài)。
圖1C中所示的振動模態(tài)的固有頻率值小于圖1B中所示的振動模態(tài)的固有頻率值，并且圖1B和圖1C所示的振動模態(tài)的固有頻率彼此差異相當大。這是因為圖1B所示的振動模態(tài)主要針對具有一個較大的外徑的第二彈性件2調(diào)整，而圖1C所示的振動模態(tài)主要針對具有一個較小的外徑的第一彈性件1調(diào)整。
第二彈性件2外徑的增加使得，即使當?shù)诙椥约?被沿軸向縮短時，該第二彈性件2也保證有足夠大的質(zhì)量。換言之，第二彈性件2外徑的增加使得第二彈性件2能夠被沿軸向縮短，從而構(gòu)成一個具有低固有頻率的振動元件。
從圖1B中可以看出，當上和下側(cè)部分被制成在動態(tài)剛性上彼此相差相當大時，在凸緣形彈性件5附近區(qū)域中產(chǎn)生的彎曲振動所引起的位移是小的，其中該上和下側(cè)部分被沿軸向布置，并且凸緣形彈性件5被插入在這兩部分之間。因此，當壓電元件3被放置在凸緣形彈性件5附近時，壓電元件3的變形能被抑制到一個低的水平，從而能夠提供一種條形振動元件，該條形振動元件具有一個小的內(nèi)部損失和高的能量效率。
例如，圖11A和圖12所示的未安裝有凸緣形彈性件5的條形振動元件不產(chǎn)生兩種不同的彎曲振動模態(tài)，該凸緣形彈性件5與和它相鄰的數(shù)個元件相比具有一個較大的外徑。此外，如圖13所示，即使該結(jié)構(gòu)具有一個凸緣形彈性件305，當位于上側(cè)的包括一個第一彈性件301的一個部分與位于下側(cè)的包括一個第二彈性件302和一個壓電元件303的一個部分被分別布置在該凸緣形彈性件305的兩側(cè)，即該凸緣形彈性件305被插入在這兩個部分之間，且這兩個部分被加工成相同或相似的形狀時，就不可能激發(fā)兩種在振動元件的各自端部的位移之間相關(guān)比率完全不同的振動模態(tài)。
對于由圖1A所示的條形振動元件得到的效果，圖13所示的條形振動元件在轉(zhuǎn)子308被放置在彈性件301的外圓周上時同樣也能夠提供。然而，圖13所示的條形振動元件僅能生成彎曲振動模態(tài)或兩種彼此差別很小的彎曲振動模態(tài)，因此產(chǎn)生一種在壓電元件303和凸緣形彈性件305附近區(qū)域的位移中引起大變化的彎曲振動模態(tài)。其結(jié)果是，在壓電元件303中引起過度變形，從而壓電元件303中的內(nèi)部損失就不能被抑制。因此，導致一種具有低能量效率的振動元件。
相反，根據(jù)本發(fā)明，在圖1A所示的振動元件的情況下，由于轉(zhuǎn)子8被圍繞第一彈性件1放置，所以振動型驅(qū)動裝置的尺寸被縮小，并且能夠提供一個具有高驅(qū)效率的振動元件，且該振動元件內(nèi)部的能量損失被抑制得較小。
此外，如果該伸出的凸緣形彈性件5由一種金屬制成，即使當變形集中在該伸出的凸緣形彈性件5上的情況下，因為金屬材料的阻尼特性比壓電元件的阻尼特性好，所以內(nèi)部損失的增加仍停留在一個最小范圍內(nèi)，從而能夠得到一個具有高效率的短振動元件。
當振動元件被構(gòu)成具有一個較大尺寸時，有可能增大振動位移。因此，在這種情況下，雖然振動元件內(nèi)部的振動能量損失可能變得有點大，但是可以相對容易地產(chǎn)生所需的用于驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩。然而，當振動元件被構(gòu)成具有一個較小尺寸時，振動位移就不能被增大太多。所以，用于確保足夠高驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的一個重要方式是將振動元件內(nèi)部的振動能量損失抑制得較小。
通過分別針對壓電元件3有選擇性地應(yīng)用大體與圖1B和1C所示的振動模態(tài)的固有頻率相符的交流信號，有可能選擇性地產(chǎn)生圖1B和1C所示的振動模態(tài)。因此，如果位于凸緣形彈性件上側(cè)的第一彈性件1由一種導致較小內(nèi)部阻尼的金屬或類似材料制成，則當產(chǎn)生圖1C所示的振動模態(tài)時，能夠得到一個導致較小振動阻尼的高效振動元件，在該振動模態(tài)中，第一彈性件1的振動位移較大。
此外，圖1C所示的振動模態(tài)的固有頻率受到第一彈性件1的動態(tài)剛性相當大的影響。因此，當?shù)谝粡椥约?被加工得相當薄時，驅(qū)動頻率能夠被降低，并且即使當軸的長度縮短時，該驅(qū)動頻率也不會增加。
此外，當凸緣形彈性件的外徑，也就是該凸緣形彈性件與轉(zhuǎn)子相接觸的表面的直徑，被根據(jù)驅(qū)動力增加時，即使振動元件的軸的長度被縮短，該驅(qū)動轉(zhuǎn)矩也能夠被增加，其中該驅(qū)動力能夠由放置在凸緣形彈性件下側(cè)的壓電元件3產(chǎn)生。
在本實施例中，第一和第二彈性件1和2彼此被加工成不同的外徑，從而得到這樣的振動元件，即該振動元件的上和下側(cè)部分在動態(tài)剛性上彼此不同，且該上和下側(cè)部分被這樣布置，即凸緣形彈性件5被插入在這兩部分之間。然而，該振動元件可以被這構(gòu)成，即具有由不同材料制成的第一和第二彈性件1和2。當?shù)诙椥约?由一種剛性比第一彈性件1的剛性高的材料制成時，能夠得到與圖1B和1C所示的振動模態(tài)相似的振動模態(tài)。第二實施例圖2A至2C表示了本發(fā)明的一個第二實施例；圖2A是一個振動元件的剖視圖，圖2B和2C分別表示了該振動元件的彎曲振動模態(tài)。
下文的描述將集中在與圖1A所示的振動元件相比不同的方面。
標號11表示一個第一彈性件，該第一彈性件被與一個凸緣形(盤形)彈性件15加工成一整體，凸緣形彈性件15沿與振動元件的軸線方向正交的方向延伸。標號12表示一個第二彈性件，該第二彈性件穿過一個壓電元件13和第一彈性件11的中心部分，同時也作為一個軸件支撐該振動元件。第二彈性件12位于上側(cè)的端部分被固定在一個質(zhì)量件17上，并且加工在軸部分上的一個螺紋部分12b被與第一彈性件11螺紋連接。因此，壓電元件13被夾在第一彈性件11和第二彈性件12之間，并被與這二者固定。
在圖2A所示的振動元件中，第一彈性件11的一個上端部分的外徑和第二彈性件12的一個下端部分12a的外徑均被增加，因此具有較高彎曲振動位移的自由端的質(zhì)量就被增加，所以該振動元件的固有頻率被減小。由于固有頻率被減小，所以提供了這樣一種的振動元件，即當具有與上述振動元件固有頻率相同的固有頻率時，這種振動元件的尺寸較小。
同樣，在本實施例中，第二彈性件12位于凸緣形彈性件15下面的一個部分的外徑也被設(shè)置得比第一彈性件11位于凸緣形彈性件15上面的一個部分的外徑大，因此上述兩個部分被制成在動態(tài)剛性上彼此相差相當大，從而能夠激發(fā)兩種不同的彎曲振動模態(tài)。
雖然一個轉(zhuǎn)子在圖中未被示出，但它被放置在第一彈性件11外圓周側(cè)上。在本實施例中，一個具有耐磨性的摩擦件51被安裝在凸緣形彈性件15的表面上，該表面與轉(zhuǎn)子相接觸。在圖1A所示的振動元件中，由于凸緣形彈性件5與轉(zhuǎn)子8相接觸，所以凸緣形彈性件5的表面需要使用一種研磨工具或類似工具進行表面處理。然而，在本實施例中，由于安裝了摩擦件51，就無需再對盤形彈性部分15進行表面處理了。第三實施例圖3是一個振動波電機的一個振動元件的剖視圖，表示了一個第三實施例。
同樣，在本實施例中，描述也將集中在與圖1A所示的振動元件的不同之處。
標號21表示一個第一彈性件，標號22表示一個第二彈性件，標號23表示一個壓電元件，標號25表示一個凸緣形(盤形)彈性件，該凸緣形彈性件沿與振動元件的軸線方向正交的方向延伸。第一彈性件21包括一個軸部分、壓電元件23和凸緣形彈性件25，其中該軸部分穿過第二彈性件22。該軸部分的端部被固定在第二彈性件22下面的一個質(zhì)量件27上。因此，第一彈性件21支撐整個振動元件。該軸部分包括一個螺紋部分21b和一個凸緣部分21c。第二彈性件22被與螺紋部分21b螺紋連接，從而凸緣形彈性件25和壓電元件23被夾緊和固定在第二彈性件22和凸緣部分21c之間。
雖然一個轉(zhuǎn)子在圖中未被示出，但它被放置在第一彈性件21的凸緣部分21c和一個端部分21a的外圓周側(cè)上。
同樣，在本實施例中，位于凸緣形彈性件25上側(cè)的第一彈性件21被加工有一個部分，該部分具有一個比位于凸緣形彈性件25下側(cè)的第二彈性件22的外徑小的外徑，從而這兩個彈性件被制成具有不同的動態(tài)剛性，其中這兩個彈性件將凸緣形彈性件25夾在它們之間。因此，與圖1A和2A中所示的振動元件相同，兩種不同的彎曲振動模態(tài)也能夠被激發(fā)，雖然在圖中未示出這兩種彎曲振動模態(tài)。
第一彈性件21包括端部分21a，該端部分21a與圖2A中所示的振動元件中的端部分相同，也具有一個增加的外徑，從而使得該振動元件的固有頻率被減小。
凸緣形彈性件25通過使用一種材料被制成，該材料具有耐磨性和一個由內(nèi)部變形引起的低振動阻尼損失，例如，陶瓷或淬火不銹鋼。在凸緣形彈性件25中，一個摩擦表面25a以及表面25b和25c被加工得略微突出，使得利用一個研磨工具進行表面處理所需的時間階段被縮短，其中，摩擦表面25a與轉(zhuǎn)子相接觸，凸緣形彈性件25通過表面25b和25c被夾住。摩擦表面25a和用于夾持的表面25c在一個平面上，從而能夠被同時研磨。第四實施例圖4是一個振動波電機的剖視圖，表示了一個第四實施例。
標號31表示一個第一彈性件，標號32表示一個第二彈性件，標號33表示一個壓電元件，標號35表示一個凸緣形彈性件，該凸緣形彈性件沿與振動元件的軸線方向正交的方向延伸。
標號36表示一個軸，該軸包括一個螺紋36a和一個連接螺紋36c，其中，用于夾住和支撐振動元件的螺紋36a被加工在該軸的下面部分上，將被與一個質(zhì)量件37相連接的連接螺紋36c該軸的上面部分上。一個接觸式彈簧38a通過粘結(jié)或類似方式被固定在一個轉(zhuǎn)子38的外圓周上，一個彈簧箱38b與該轉(zhuǎn)子38的內(nèi)圓周部分相連接。標號39表示一個輸出齒輪，該齒輪與彈簧箱38b相配合連接，從而防止該齒輪沿徑向方向相對于彈簧箱38b被移動。標號34表示一個盤簧，該盤簧用于施加壓力。一個連接部分40被構(gòu)成作為一個滑動軸承，質(zhì)量件37和齒輪39在該連接部分40處被連接到一起。標號44表示一個彈性襯板，該襯板用于向壓電元件33供電。
用于施加壓力的盤簧34被放置在彈簧箱38b的下端部分和輸出齒輪39之間，并且通過該該彈簧34的彈性力，被固定在轉(zhuǎn)子38的外圓周部分上的接觸式彈簧38a的彈簧端與凸緣形彈性件35的上表面壓力接觸。質(zhì)量件37防止振動從軸36向外泄露。
第一彈性件31被制成具有一個比第二彈性件32的外徑小的外徑。同樣，在本實施例中，與圖1A和2A中所示的振動元件相同，兩種不同的彎曲振動模態(tài)也能夠被激發(fā)。
一個驅(qū)動信號被從一個圖中未示出的驅(qū)動電路提供到該彈性襯板44上。該驅(qū)動電路選擇一種驅(qū)動振動，用于激發(fā)兩種不同彎曲振動模態(tài)當中的彎曲振動模態(tài)，并將該驅(qū)動振動提供給彈性襯板44。
在本實施例中，振動元件被固定，而轉(zhuǎn)子作為一個接觸件被可動式安裝，該轉(zhuǎn)子與該振動元件壓力接觸。然而，本發(fā)明不僅只局限于此。該接觸件可被固定，而振動元件被可動式安裝，同時，通過在振動元件的盤形彈性件中生成的驅(qū)動振動，該接觸件和該振動元件被相對于彼此摩擦驅(qū)動，其中該盤形彈性件以一個凸緣形式伸出。第五實施例圖5是一個振動波驅(qū)動電機的一個振動元件的剖視圖表示了一個第五實施例。
標號61表示一個第一彈性件，該彈性件具有一個中空的圓柱形狀，并由一種具有低振阻尼損失特性的材料，例如，黃銅制成。標號62表示一個第二彈性件，該彈性件具有一個圓柱形狀，也由一種具有低振阻尼損失特性的材料制成，與第一彈性件61相同。標號65表示一個凸緣形(盤形)彈性件，該凸緣形彈性件沿與振動元件的軸線方向正交的方向延伸，標號66表示一個軸。該軸66在其一端加工有一個螺紋部分。第二彈性件62被與軸66的螺紋部分螺紋連接，從而第一彈性件61、凸緣形彈性件65和一個疊式壓電元件63被夾在軸66的凸緣部分和第二彈性件62之間，并被與軸66的凸緣部分和第二彈性件62固定在一起。凸緣形彈性件65由一種具有耐磨性的材料制成，并通過其外圓周附近的表面部分與一個未示出的轉(zhuǎn)子相接觸，同時驅(qū)動該轉(zhuǎn)子。凸緣形彈性件65與轉(zhuǎn)子相接觸的摩擦表面相對于第一彈性件61和壓電元件63位于外側(cè)，其中第一彈性件61和壓電元件63與凸緣形彈性件65相鄰。
在本實施例中，凸緣形彈性件65被當作上和下側(cè)之間的一個界限，位于上側(cè)的第一彈性件61被加工成具有一個較小的直徑，而位于下側(cè)的壓電元件63和第二彈性件62均被加工成具有較大的直徑。因此，該振動元件被這樣構(gòu)成，即凸緣形彈性件65被當作上和下側(cè)之間的一個界限，該振動元件位于上側(cè)的一個部分(上側(cè)部分)的抗彎曲振動剛性高于該振動元件位于下側(cè)的一個部分(下側(cè)部分)的抗彎曲振動剛性，從而上和下側(cè)部分在動態(tài)剛性上相差相當大。因此，即使當在同一位移方向上產(chǎn)生兩種彎曲振動時，也可能在振動元件的兩端之間激發(fā)兩種振動模態(tài)，這兩種振動模態(tài)在相對位移的比率上完全不同。
同樣，在本實施例的振動元件中，上和下側(cè)部分被制成在動態(tài)剛性上彼此相差相當大，從而在凸緣形彈性件65附近區(qū)域中產(chǎn)生的彎曲振動所引起的位移被減小，其中該上和下側(cè)部分被沿軸向布置，并且凸緣形彈性件65被插入在這兩部分之間。因此，當壓電元件63被放置在凸緣形彈性件65附近時，壓電元件63的變形能被抑制到一個低的水平，從而能夠提供一個條形振動元件，該條形振動元件具有一個小的內(nèi)部損失和高的能量效率。
此外，由于一個轉(zhuǎn)子被圍繞第一彈性件61放置，所以振動型驅(qū)動裝置的尺寸能夠被縮小，該振動型驅(qū)動裝置包括本發(fā)明的振動元件。如果第一彈性件61由一種金屬制成，即使當變形集中在該伸出的凸緣形彈性件65上的情況下，因為金屬材料的阻尼特性比壓電元件的阻尼特性好，所以內(nèi)部損失的增加仍停留在一個最小范圍內(nèi)，從而能夠得到一個具有高效率的短振動元件。
在本實施例中，振動元件被加工有數(shù)個凹槽65a，這些凹槽65a用于增加在凸緣形彈性件65的摩擦表面上的位移，該摩擦表面與轉(zhuǎn)子相接觸，同時增加在與該摩擦表面相反的表面上的位移，從而進一步增加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。加工在該摩擦表面?zhèn)鹊陌疾?5a被相對于摩擦部分加工在內(nèi)圓周側(cè)，該摩擦部分與轉(zhuǎn)子相接觸。在本實施例中，在凸緣形彈性件65的兩個表面上均加工有相同的凹槽65a。
圖6是圖5所示的一個凸緣形彈性件的一個視圖，即從該凸緣形彈性件頂部看到的一個視圖。在該圖6中，凹槽65a被加工成與凸緣形彈性件同中心的圓形形狀。凹槽65a增加由振動引起的超平面位移，該振動在凸緣形彈性件65的外側(cè)部分中產(chǎn)生。圖6所示的凹槽65a具有一個圓形形狀。然而，凹槽的形狀并不僅局限于此，可以考慮凸緣形彈性件65的固有頻率進行設(shè)計。
此外，有必要通過研磨工序或類似工序?qū)φ駝釉哪Σ帘砻孢M行表面處理，轉(zhuǎn)子在該摩擦表面上摩擦滑動。雖然在凸緣形彈性件65的摩擦表面上加工有凹槽65a，但是將經(jīng)受研磨工序的面積卻被減小了，研磨工序的時間階段也相應(yīng)被減小。第六實施例圖7是一個振動波驅(qū)動電機的一個振動元件的剖視圖，表示了一個第六實施例。
標號71表示一個第一彈性件，標號72表示一個第二彈性件，標號73表示一個疊式壓電元件，標號75表示一個凸緣形(盤形)彈性件。在該凸緣形彈性件75中刻有圓形凹槽75a。
該振動元件被加工成關(guān)于凸緣形彈性件75非對稱。因此，當一個驅(qū)動信號被施加在該振動元件時，變形的絕對值的分布是非對稱的，其中這些變形是在沿凸緣形彈性件75的厚度方向設(shè)置的各個表面上產(chǎn)生的變形。
為了最大程度地在凸緣形彈性件75的外圓周部分上增加超平面位移，凹槽75a被加工在這些地方，即用于驅(qū)動的振動模態(tài)被激發(fā)時，在這些地方發(fā)生相當大的變形。在根據(jù)本實施例的振動元件中，由于用于驅(qū)動的振動模態(tài)被激發(fā)時，在該振動元件的上和下表面上所引起的變形彼此非對稱發(fā)生，所以加工在該振動元件的上和下表面上的凹槽75a彼此也不對稱。
這些凹槽75a也起增加凸緣形彈性件75的外圓周部分的超平面位移的作用，并能夠縮短用于處理凸緣形彈性件75的研磨過程的時間。
圖8所示的一個振動元件基本上與圖5所示的振動元件相同，但與圖5所示的振動元件不同之處在于，一個凸緣形彈性件85未被加工用于增加外圓周部分的超平面位移的凹槽。圖9表示了當用于驅(qū)動的振動模態(tài)被激發(fā)時，在圖8所示的振動元件中引起的凸緣形彈性件85的變形的絕對值的分布曲線。
圖9所示的變形的絕對值的分布曲線是那些凸緣形彈性件85的上表面上的點A和B之間以及凸緣形彈性件85的下表面上的點C和D之間的分布曲線?？蓮膱D9中明顯看出，在被加工成具有上和下部分的振動元件中，在凸緣形彈性件85的上和下表面發(fā)生最大變形的地方是彼此不同的，其中該振動元件的上和下部分被沿軸線方向彼此成非對稱布置，且將該凸緣形彈性件85作為這兩個部分之間的一個界限。變形的絕對值的分布曲線的變化取決于該振動元件的形狀。因此，為了最大程度地增加凸緣形彈性件的摩擦表面的振動位移，需要適當?shù)卦诿總€振動元件的一個凸緣形彈性件上的發(fā)生最大變形的數(shù)個位置處加工凹槽。
圖10是根據(jù)本發(fā)明第七實施例的一個振動波電機的剖視圖。
標號91表示一個第一彈性件，標號92表示一個第二彈性件，標號93表示一個壓電元件，標號95表示一個凸緣形(盤形)彈性件，該凸緣形彈性件沿與振動元件的軸線方向正交的方向延伸。
標號96表示一個軸。第一彈性件91、凸緣形彈性件95和一個壓電元件93被夾緊和固定在第二彈性件92和加工在軸96的中間部分的一個凸緣部分之間。標號98表示一個轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有一個外圓周部分和一個內(nèi)圓周部分，一個接觸式彈簧98a通過粘結(jié)或類似方式被固定在該外圓周部分上，一個彈簧箱98b與該轉(zhuǎn)子98的內(nèi)圓周部分相連接。標號99表示一個輸出齒輪，該齒輪與彈簧箱98b相配合連接，從而防止該齒輪沿徑向方向相對于彈簧箱98b被移動。標號94表示一個盤簧，該盤簧用于施加壓力。用于施加壓力的盤簧94被放置在輸出齒輪99和彈簧箱98b的下端部分之間。通過該彈簧94的彈性力，被固定在轉(zhuǎn)子98的外圓周部分上的接觸式彈簧98a的彈簧端與盤形彈性件95的上表面壓力接觸。標號100表示一個凸緣，用于固定電機的該凸緣被固定在軸96和軸96的一個凸緣部分之間，并通過一個螺栓與該軸96和該凸緣部分螺紋連接。一個連接部分被構(gòu)成作為一個滑動軸承，齒輪99和用于固定一個電機的凸緣100在該連接部分處被連接到一起。標號97表示一個彈性襯板，該襯板用于向壓電元件93供電。
第一彈性件91被加工成具有一個比第二彈性件92的外徑小的外徑。同樣，與圖1A和2A中所示的振動元件中的情況相同，兩種不同的彎曲振動模態(tài)也能夠被激發(fā)。圓形凹槽95a被分別加工在凸緣形彈性件95的上和下表面上，并且增加在凸緣形彈性件95外圓周的附近區(qū)域中引起的振動位移。
一個未示出的驅(qū)動電路被連接到彈性襯板97上。當具有一個π/2時間相位差的交流電壓被從該驅(qū)動電路施加到壓電元件93上時，該振動元件在兩個彼此正交的方向上激發(fā)兩種類型的彎曲振動。這些振動的組合使得能夠向凸緣形彈性件95外圓周部分的上表面提供一種圓周運動，轉(zhuǎn)子通過該圓周運動與該上表面相接觸，從而該轉(zhuǎn)子98被摩擦驅(qū)動，該轉(zhuǎn)子98受到具有耐磨性的凸緣形彈性件95擠壓。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以構(gòu)造一種振動元件，該振動元件沿軸線方向具有一個較短的長度，并且在其內(nèi)部具有一個低的振動能量損失，因此能夠提供一種具有低能量損失的小振動波驅(qū)動裝置。
由于振動元件和轉(zhuǎn)子彼此相接觸的位置部分的直徑能夠被設(shè)置得大一些，就能夠容易地體現(xiàn)一種低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩振動波驅(qū)動裝置的輸出特性。此外，由于壓電元件無需具有一個大的尺寸，且壓電元件在上述元件中相對較貴，所以成本能夠被降低。
此外，由于轉(zhuǎn)子能夠被放置在伸出的彈性件的外圓周上，振動波驅(qū)動裝置的整體尺寸也能夠被減小。
此外，當在凸緣形彈性件的兩個表面上都加工有凹槽，且在凸緣形彈性件外圓周的附近區(qū)域中的超平面位移被增加時，振動波電機的輸出可以被增加，該電機的尺寸已沿軸線方向被縮短。特別是，當凹槽75a被加工在這些地方，即用于驅(qū)動的振動模態(tài)在這些地方引起相當大的變形時，可以更有效地增加輸出。
在不背離本發(fā)明的思想和本質(zhì)特征的條件下，能夠以其它形式實施本發(fā)明。本申請中所公開的實施例從各方面考慮都應(yīng)是說明性的，而非限定性的。本發(fā)明的范圍將由所附的權(quán)利要求表明，而不是由前面的說明部分表明，并且在權(quán)利要求的等同的意義和范圍之內(nèi)出現(xiàn)的所有改變都已被包含其中。
權(quán)利要求
1.一種振動波驅(qū)動裝置的振動元件，該振動元件包括一個第一彈性件和一個第二彈性件；和一個電能-機械能轉(zhuǎn)換元件，該電能-機械能轉(zhuǎn)換元件被放置在一個第一彈性件和一個第二彈性件之間，其特征在于，該振動元件具有數(shù)種振動模態(tài)的振動，這些振動模態(tài)在振動元件的各自端部的位移之間相關(guān)比率不同。
2.如權(quán)利要求1所述的振動元件，該振動元件還包括一個第三彈性件，該第三彈性件被放置在第一彈性件和電能-機械能轉(zhuǎn)換元件之間，且沿一個與振動元件的軸線方向正交的方向延伸，同時該第三彈性件具有一個比電能-機械能轉(zhuǎn)換元件的外徑大的外徑。
3.一種振動波驅(qū)動裝置振動元件，該振動元件包括一個第一彈性件和一個第二彈性件；一個電能-機械能轉(zhuǎn)換元件，該電能-機械能轉(zhuǎn)換元件被放置在一個第一彈性件和一個第二彈性件之間；和一個第三彈性件，該第三彈性件被放置在第一彈性件和電能-機械能轉(zhuǎn)換元件之間，且沿一個與振動元件的軸線方向正交的方向延伸，同時該第三彈性件具有一個比電能-機械能轉(zhuǎn)換元件的外徑大的外徑，其特征在于，該振動元件具有兩個部分，這兩個部分在動態(tài)剛性上是不同的，且沿被軸線方向布置，同時將該第三彈性件作為這兩個部分之間的一個界限。
4.如權(quán)利要求2所述的振動元件，其特征在于，第一彈性件具有一個部分，該部分具有比第二彈性件的外徑小的外徑。
5.如權(quán)利要求3所述的振動元件，其特征在于，第一彈性件具有一個部分，該部分具有比第二彈性件的外徑小的外徑。
6.如權(quán)利要求2所述的振動元件，其特征在于，第二彈性件由一種材料制成，該材料具有比第一彈性件的剛性高的剛性。
7.如權(quán)利要求3所述的振動元件，其特征在于，第二彈性件由一種材料制成，該材料具有比第一彈性件的剛性高的剛性。
8.一種振動波驅(qū)動裝置，該振動波驅(qū)動裝置包括一個振動元件，該振動元件包括一個電能-機械能轉(zhuǎn)換元件，該電能-機械能轉(zhuǎn)換元件被放置在一個第一彈性件和一個第二彈性件之間；和一個轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子與該振動元件的一個摩擦表面接觸，其特征在于，該振動元件具有數(shù)種振動模態(tài)的振動，這些振動模態(tài)在振動元件的各自端部分的位移之間相關(guān)比率不同。
9.如權(quán)利要求8所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，振動元件包括一個第三彈性件，該第三彈性件被放置在第一彈性件和電能-機械能轉(zhuǎn)換元件之間，且沿一個與振動元件的軸線方向正交的方向延伸，同時該第三彈性件具有一個比電能-機械能轉(zhuǎn)換元件的外徑大的外徑，并被加工有摩擦表面。
10.一種振動波驅(qū)動裝置，該振動波驅(qū)動裝置包括一個振動元件，該振動元件包括一個電能-機械能轉(zhuǎn)換元件和一個第三彈性件，該電能-機械能轉(zhuǎn)換元件和該第三彈性件被放置在一個第一彈性件和一個第二彈性件之間，該第三彈性件沿一個與振動元件的軸線方向正交的方向延伸，同時該第三彈性件具有一個比電能-機械能轉(zhuǎn)換元件的外徑大的外徑；和一個轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子與該第三彈性件的一個摩擦表面接觸，其特征在于，該振動元件具有兩個部分，這兩個部分在動態(tài)剛性上是不同的，且沿被軸線方向布置，同時將該第三彈性件作為這兩個部分之間的一個界限。
11.如權(quán)利要求10所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，振動元件具有兩個部分，其中一部分位于摩擦表面一側(cè)，另一部分位于未加工有摩擦表面的一側(cè)，同時將該第三彈性件作為這兩個部分之間的一個界限，位于摩擦表面?zhèn)鹊牟糠志哂斜任挥谖醇庸び心Σ帘砻鎮(zhèn)鹊牟糠值膭討B(tài)剛性低的動態(tài)剛性。
12.如權(quán)利要求9所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第一彈性件被放置在第三彈性件的摩擦表面一側(cè)，第二彈性件被放置在第三彈性件的未加工有摩擦表面的一側(cè)，并且第一彈性件具有一個部分，該部分具有比第二彈性件的外徑小的外徑。
13.如權(quán)利要求11所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第一彈性件被放置在第三彈性件的摩擦表面一側(cè)，第二彈性件被放置在第三彈性件的未加工有摩擦表面的一側(cè)，并且第一彈性件具有一個部分，該部分具有比第二彈性件的外徑小的外徑。
14.如權(quán)利要求9所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第一彈性件被放置在第三彈性件的摩擦表面一側(cè)，第二彈性件被放置在第三彈性件的未加工有摩擦表面的一側(cè)，并且第二彈性件由一種材料制成，該材料具有比第一彈性件的剛性高的剛性。
15.如權(quán)利要求11所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第一彈性件被放置在第三彈性件的摩擦表面一側(cè)，第二彈性件被放置在第三彈性件的未加工有摩擦表面的一側(cè)，并且第二彈性件由一種材料制成，該材料具有比第一彈性件的剛性高的剛性。
16.如權(quán)利要求9所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第三彈性件的摩擦表面被加工在相對于電能-機械能轉(zhuǎn)換元件的一個外圓周部分的一個外側(cè)部分上。
17.如權(quán)利要求10所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第三彈性件的摩擦表面被加工在相對于電能-機械能轉(zhuǎn)換元件的一個外圓周部分的一個外側(cè)部分上。
18.如權(quán)利要求8所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，振動元件在軸線方向上的至少一個端部分具有一個增加的外徑。
19.如權(quán)利要求10所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，振動元件在軸線方向上的至少一個端部分具有一個增加的外徑。
20.如權(quán)利要求9所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第一彈性件和第三彈性件被加工成一整體。
21.如權(quán)利要求10所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第一彈性件和第三彈性件被加工成一整體。
22.如權(quán)利要求9所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第三彈性件由一種材料加工而成，該材料具有耐磨性。
23.如權(quán)利要求10所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第三彈性件由一種材料加工而成，該材料具有耐磨性。
24.如權(quán)利要求9所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第三彈性件的摩擦表面上安裝有一個件，該件具有耐磨性。
25.如權(quán)利要求10所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第三彈性件的摩擦表面上安裝有一個件，該件具有耐磨性。
26.如權(quán)利要求9所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第三彈性件具有數(shù)個用于增加振動位移的凹槽，這些凹槽被分別加工在該第三彈性件的兩個表面上，并被沿該振動元件的軸線方向布置。
27.如權(quán)利要求10所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第三彈性件具有數(shù)個用于增加振動位移的凹槽，這些凹槽被分別加工在該第三彈性件的兩個表面上，并被沿該振動元件的軸線方向布置。
28.如權(quán)利要求8所述的振動波驅(qū)動裝置，該振動波驅(qū)動裝置還包括一個驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路用于選擇一種驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號用于激發(fā)數(shù)種振動模態(tài)中的一種振動模態(tài)，并將該驅(qū)動信號施加到電能-機械能轉(zhuǎn)換元件上。
29.如權(quán)利要求8所述的振動波驅(qū)動裝置，該振動波驅(qū)動裝置還包括一個驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路用于將一個驅(qū)動信號施加到電能-機械能轉(zhuǎn)換元件上，該驅(qū)動信號產(chǎn)生一種振動模態(tài)，該振動模態(tài)引起電能-機械能轉(zhuǎn)換元件的一個較小變形，并且該振動模態(tài)是從數(shù)種振動模態(tài)中選擇的。
30.一種振動波驅(qū)動裝置，該振動波驅(qū)動裝置包括一個振動元件，該振動元件包括一個電能-機械能轉(zhuǎn)換元件和一個第三彈性件，該電能-機械能轉(zhuǎn)換元件和該第三彈性件被放置在一個第一彈性件和一個第二彈性件之間，該第三彈性件沿一個與振動元件的軸線方向正交的方向延伸，同時該第三彈性件具有一個比電能-機械能轉(zhuǎn)換元件的外徑大的外徑；和一個轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子與該第三彈性件的一個摩擦表面接觸，其特征在于，第三彈性件具有數(shù)個用于增加振動位移的凹槽，這些凹槽被分別加工在該第三彈性件的兩個表面上，并被沿該振動元件的軸線方向布置。
31.如權(quán)利要求30所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，數(shù)個凹槽被相對于第三彈性件的摩擦表面加工在一個內(nèi)圓周側(cè)。
32.如權(quán)利要求30所述的振動波驅(qū)動裝置，其特征在于，第三彈性件在振動元件的軸線方向上的兩個表面彼此是不對稱的。
全文摘要
一種振動波驅(qū)動裝置,其振動元件具有一個電能－機械能轉(zhuǎn)換元件,該電能－機械能轉(zhuǎn)換元件被放置在一個第一彈性件和一個第二彈性件之間,其特征在于,該振動元件能夠具有數(shù)種振動模態(tài)的振動,這些振動模態(tài)在振動元件的各自端部的位移之間相關(guān)比率不同。具體而言,一個第三彈性件被放置在第一彈性件和第二彈性件之間,該振動元件被允許具有兩個部分,這兩個部分彼此在動態(tài)剛性上是不同的,且沿被該振動元件的軸線方向布置,同時將該第三彈性件插入到這兩個部分之間。根據(jù)這種結(jié)構(gòu),振動波驅(qū)動裝置沿軸線方向的長度能夠被縮減,同時振動能量的內(nèi)部損失也能被抑制得較小。
文檔編號H02N2/12GK1367047SQ02102458
公開日2002年9月4日 申請日期2002年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月22日
發(fā)明者月本貴之, 丸山裕, 日塔潔 申請人:佳能株式會社