CN101222189A

CN101222189A - 振动型驱动设备

Info

Publication number: CN101222189A
Application number: CNA2008100018616A
Authority: CN
Inventors: 山本新治
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2028-01-11
Also published as: US7687974B2; US20080169727A1; JP5137406B2; JP2008172930A; CN101222189B

Abstract

本发明涉及一种振动型驱动设备，其包括：振动构件，其被构造成同时产生多个驻波振动，以在位于驻波振动的节处的表面上引起椭圆运动；驱动单元，其形成在位于节处的表面上，以进行椭圆运动；以及移动构件，其被构造成接触驱动单元，并被椭圆运动移动。驱动单元从振动构件的表面突出，并且包括形成为沿与表面垂直的方向夹持移动构件的第一驱动单元和第二驱动单元。第一驱动单元和第二驱动单元位于间隔驻波振动的半波长的奇数倍的节的位置，并且位于椭圆运动的方向彼此相反的位置。

Description

振动型驱动设备

技术领域

本发明涉及一种振动型驱动设备。

背景技术

传统地，存在直线驱动被驱动构件的振动型驱动设备的超声波电动机。例如，日本特开平06-311765号公报论述了一种超声波电动机，该超声波电动机以具有两种弯曲模式的驻波来激励板状振动构件，以在振动构件的预定部分产生椭圆振动。超声波电动机通过使移动构件与预定部分接触来驱动移动构件。

而且，日本特开2004-304887号公报论述了一种超声波电动机，该超声波电动机产生具有彼此成直角的两种弯曲模式的驻波，以激励具有凸部的突出部的振动构件。在该构造中，由两种弯曲模式的合成所产生的椭圆运动驱动移动构件。

在上述振动型驱动设备中，仅在一种弯曲模式中实现由振动构件所产生的振动。因此，振动构件可以薄型化。

然而，上述传统的振动型驱动设备存在下述问题。如上所述，仅在一种弯曲模式中实现由振动构件所产生的振动，从而振动构件可以薄型化。另一方面，需要将移动构件压到振动构件上的加压单元或用于调整移动构件的移动方向的引导机构。结果，难以减小振动型驱动设备(或超声波致动器)的尺寸。

此外，为了减小加压单元的尺寸，可以由磁体形成移动构件，并且可以通过磁力将移动构件压到振动构件上。然而，该构造的振动型驱动设备不能利用非磁性，而非磁性正是超声波致动器的特征之一。

另外，日本特开平06-311765号公报论述了不需要引导机构的多种超声波致动器。然而，振动构件或移动构件的形状复杂，从而不能充分减小该超声波致动器的尺寸。此外，不易于制造该超声波致动器。

因此，可通过设置可以以简单的构造将移动构件压到振动构件上、并且可以增大驱动时的推力和不供电时的保持力的振动型驱动设备来进一步改进。而且，可通过设置在不设置特定的引导机构的情况下可以调整移动构件的移动方向的振动型驱动设备来进一步改进，从而可以极大地减小尺寸。

发明内容

本发明旨在提供一种振动型驱动设备。根据本发明的一个方面，振动型驱动设备包括：振动构件，其被构造成同时产生多个驻波振动，以在位于驻波振动的多个节处的表面上引起椭圆运动；驱动单元，其形成在位于节处的表面上，以进行椭圆运动；以及移动构件，其被构造成接触驱动单元，并被椭圆运动移动。驱动单元从振动构件的表面突出，并包括形成为沿与表面垂直的方向夹持移动构件的第一驱动单元和第二驱动单元。第一驱动单元和第二驱动单元形成在间隔驻波振动的半波长的奇数倍的节的位置，并且位于椭圆运动的方向彼此相反的位置。

从以下参照附图对典型实施例的详细说明中，本发明的其它特征和方面将变得明显。

附图说明

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图与说明书一起来图解本发明的典型实施例、特征和方面，用于解释本发明的原理。

图1图解根据本发明的第一典型实施例的超声波直线电动机的构造的立体图。

图2图解当沿图1中的箭头H的方向看时超声波直线电动机的构造的剖视图。

图3图解控制构件的立体图。

图4图解当从弹性构件的相反侧看时压电元件的一侧。

图5A和图5B图解用于驱动超声波直线电动机的两种振动模式。

图6A和图6B图解模式A和模式B的振动节(node)。

图7A、图7B、图7 C和图7D以夸张的形式图解振动构件的中央部的变形。

图8图解当沿图1中的箭头G的方向看时由突出构件和控制构件分别引起的椭圆运动。

图9是其它控制构件的立体图。

图10图解根据本发明的第二典型实施例的超声波直线电动机的构造的立体图。

图11图解根据本发明的第三典型实施例的超声波直线电动机的构造的立体图。

图12图解振动构件中的四维弯曲模式。

图13图解根据本发明的第四典型实施例的超声波直线电动机的构造的立体图。

图14图解当从滑块的移动方向看时根据本发明的第五典型实施例的超声波直线电动机的主视图。

图15图解当从滑块的移动方向看时根据本发明的第六典型实施例的超声波直线电动机的主视图。

图16图解当从滑块的移动方向看时根据本发明的第七典型实施例的超声波直线电动机的主视图。

具体实施方式

下面将参照附图详细说明本发明的多个典型实施例、特征和方面。

根据本发明的典型实施例的振动型驱动设备适用于利用在振动构件中激励的振动来驱动与振动构件接触的移动构件的超声波直线电动机。

第一典型实施例

图1图解根据本发明的第一典型实施例的超声波直线电动机的构造的立体图。图2图解当沿图1中的箭头H的方向看时超声波直线电动机的剖视图。超声波直线电动机包括由矩形平板材料形成的振动构件3和相对于振动构件3移动的滑块4(即，滑动构件)。超声波直线电动机还包括多个驱动单元，在这些驱动单元之间布置滑动构件4，并且驱动单元控制滑块4的移动方向。多个驱动单元包括控制构件6和突出构件5a和5b。

振动构件3具有以下结构：由金属板形成弹性构件1，并且通过粘接将压电元件2(即，机电能量转换元件)固定在弹性构件1。在图2中，阴影部分表示滑块4的横截面。可以通过焊接或粘接将突出构件5a、5b固定到弹性构件1的上表面上，并且将滑块4放置在突出构件5a、5b之上。突出构件5a、5b将振动构件3中产生的力传递到滑块4。

图3图解控制构件6的立体图。控制构件6是曲柄状板构件(或垂直构件)。可以通过焊接或粘接将形成在控制构件6上的接合部6a、6b固定到弹性构件1上。而且，通过焊接或粘接将突出构件7固定在控制构件6的内侧。

滑块4被插入到控制构件6的内侧和弹性构件1之间的空间中，以使滑块4接触突出构件5a、5b和固定在控制构件6的内侧的突出构件7。滑块4的不同侧分别与突出构件5a、5b和突出构件7接触。也就是说，突出构件5a、5b和突出构件7从相反侧接触滑块4，并且用作驱动单元。而且，由于滑块4被插入到控制构件6和弹性构件1之间的空间中，因此，沿与移动方向垂直(即，与振动构件3的表面垂直)的方向压滑块4。从而控制滑块4的运动。

下面说明超声波直线电动机的驱动原理。图4图解当从弹性构件1的相反侧看时压电元件2的一侧。两个电极M1、M2布置在压电元件2的粘接到弹性构件1的一侧的相反侧上。在图4中，“+”代表极化方向，并且两个电极的极化方向是相同的。

图5A和图5B图解用于驱动超声波直线电动机的两种振动模式。本实施例使用沿矩形振动构件3的长边方向的两维弯曲振动模式，将被记作模式A。另外，本实施例使用沿矩形振动构件3的短边方向的一阶弯曲振动模式，将被记作模式B。图5A和图5B中省略了上述突出构件5a、5b和控制构件6。

确定振动构件3的形状，使得模式A和模式B的共振频率几乎相同。当以接近共振频率的相同频率向压电元件2的电极M1和M2施加同相位的交流电压时，产生模式B的驻波振动。而且，当以接近共振频率的相同频率向压电元件2的电极M1和M2施加反相位的交流电压时，产生模式A的驻波振动。在这两种情况下，压电元件2的粘接到弹性构件1的一侧充当地电极。

图6A和图6B图解振动模式A和振动模式B的节。图6A和图6B中的虚线分别表示振动模式A中的节3a、3b、3c和振动模式B中的节3d、3e。振动模式A中的节3a、3b和3c是直线状并且与滑块4的移动方向垂直。也就是说，沿滑块4的移动方向对准多个节。相反地，振动模式B中的节3d和3e是直线状并且与滑块4的移动方向平行。

位置8a、8b和9分别位于模式A的节3a、3c和3b上，并且还与模式B的波腹部分对应。上述突出构件5a、5b分别被固定在振动构件3的位置8a和8b上。此外，控制构件6被固定在振动构件3的位置9上。

突出构件5a、5b和控制构件6分别位于模式A的驻波振动的不同节上。而且，以模式A的驻波振动的半波长的奇数倍的距离布置突出构件5a、5b和控制构件6。此外，当沿滑块4的移动方向对准多个突出构件(在该情况下是两个突出构件5a、5b)时，以模式A的驻波振动的半波长的偶数倍的距离布置多个突出构件。此外，当沿滑块4的移动方向对准多个控制构件(如稍后将说明的第二典型实施例中的两个控制构件15a、15b)时，以模式A的驻波振动的半波长的偶数倍的距离布置多个控制构件。

当向电极M1和M2施加既不是同相位也不是反相位的相位差的交流电压时，在振动构件3中同时产生模式A和模式B的振动。此外，当施加到电极M1和M2的电压的幅值相同时，模式A的振动相对于模式B的振动有90°的相位超前或90°的相位滞后，这将在下面说明。

向电极M1施加交流电压Asin(ωt)，向电极M2施加交流电压Asin(ωt-θ)。因此，向电极M1和M2施加的交流电压之差激励下式(1)所示的模式A的振动：

Asin(ωt)-Asin(ωt-θ)＝2Asin(θ/2)cos(ωt-θ/2)...(1)

此外，向电极M1和M2施加的交流电压之和激励下式(2)所示的模式B的振动：

Asin(ωt)+Asin(ωt-θ)＝2Acos(θ/2)sin(ωt-θ/2)...(2)

当比较上式(1)和(2)时，取决于时间t的部分是模式A中的余弦函数和模式B中的正弦函数。由于角度偏差θ/2是相同的，所以相位差是90°或-90°。因此，模式B的振动相对于模式A的振动是超前还是滞后取决于相位差θ。

而且，根据式(1)和(2)，如果施加到电极M1和M2的交流电压是同相位的，即相位差θ是0°，则仅激励模式B。相反地，如果交流电压是反相位的，即相位差θ是180°，则仅激励模式A。

下面将说明相位差θ是0＜θ＜180°的情况。在该情况下，式(1)和(2)中的不取决于时间t的部分均是正极性。因此，模式A的振动相对于模式B的振动有90°的相位超前。

图7A、图7B、图7C和图7D以夸张的形式图解当从图1所示的方向G和方向H看时振动构件3的中央部的变形。当从方向G看时，模式A的振动可以看作是弯曲变形。当从方向H看时，模式B的振动可以看作是弯曲变形。

振动构件3的变形以从图7A、图7B、图7C、图7D，再回到图7A的顺序推移。图7A图解向电极M1和M2施加相同幅值的电压的状态。另外，图7A图解电极M1是正(+)极性而电极M2是负(-)极性的瞬间。在该条件下，电极M 1侧的压电元件2膨胀，而电极M2侧的压电元件2收缩。从而，通过双压电晶片效应产生弯曲变形。而且，由于施加到电极M1和M2的电压之和是0，所以当从H方向看时，弯曲变形互相抵消。

图7B图解向电极M1和M2施加相同幅值的电压的状态，并图解电极M1和M2均是正(+)极性的瞬间。在该情况下，当从方向G看时，并不产生弯曲变形。然而，由于当从方向H看时压电元件2膨胀，所以在振动构件3中产生向下突出的变形。

类似地，图7C图解向电极M1和M2施加相同幅值的电压的状态，并图解电极M1是负(-)极性和电极M2是正(+)的瞬间。图7D图解向电极M1和M2施加相同幅值的电压的状态，并图解电极M1和M2均是负(-)极性的瞬间。

当振动构件3的变形以从图7A、图7B、图7C到图7D的顺序推移时，设置在振动构件3上的突出构件5a、5b和控制构件6分别沿图7A和7C中的箭头i、j和k的方向变形。结果，当从方向G看时，突出构件5a、5b和控制构件6椭圆运动；当从方向H看时，突出构件5a、5b和控制构件6上下运动。

图8图解当从方向G看时，分别在突出构件5a、5b和控制构件6中产生的椭圆运动。突出构件5a、5b中的椭圆运动的转动方向与控制构件6中的椭圆运动的转动方向相反。也就是说，布置在滑块4的相反侧的突出构件5a、5b和控制构件6同时激励转动方向相反的椭圆运动。

如图2所示，滑块4与突出构件5a、5b的顶部接触。由于当突出构件5a、5b被移位到图8中的最高点时，滑块4经受最大的力，所以滑块4经受方向向右的力。另一方面，滑块4与被固定在控制构件6的内侧的突出构件7接触。由于当控制构件6被移位到图8中的最低点时，滑块4经受最大的力，所以滑块4经受方向向右的力。

因此，滑块4和振动构件3之间各接触点处的椭圆运动的转动方向是不同的。然而，滑块4在各接触点处经受相同方向的力。

在式(1)和(2)中，如果相位差θ是180°＜θ＜360°，并且向电极M1和M2施加交流电压，则各接触点处的椭圆运动的转动方向相反。因此，滑块4在所有接触点处经受图8中的方向向左的力。

如上所述，在根据第一典型实施例的超声波直线电动机中，突出构件5a、5b和控制构件6被简单地构造成夹持(sandwich)滑块4，从而可以使滑块4压靠振动构件3。结果，可以增大驱动超声波直线电动机时产生的推力以及不向超声波直线电动机供电时的保持力。而且，由于不需要用于调整滑块的移动方向的特定的引导机构，所以可以实现紧凑的直线驱动单元。

此外，通过将控制构件6的刚性最优化成适度的弹性，控制构件6还可以用作超声波直线电动机所需的加压机构。图9是与控制构件6不同的控制构件56的立体图。在控制构件56的上表面上形成凹部56c，从而控制构件56向内侧突出。可以通过调整凹部56c的形状来最优化控制构件56的刚性。结果，可以简化加压机构，并且可以进一步减小超声波直线电动机的尺寸。

而且，突出构件5a、5b可以由弹性材料形成，从而可以使突出构件5a、5b具有弹性，来代替使控制构件6具有弹性。

第二典型实施例

图10图解本发明的第二典型实施例的超声波直线电动机的立体图。用相同的附图标记表示与第一典型实施例中的组件相同的组件，并且省略这些组件的说明。

在第一典型实施例中，突出构件5a、5b布置在振动构件3产生的三个节3a、3b和3c中的两侧的节3a和3c上。在第二典型实施例中，控制构件15a、15b布置在两侧的节3a和3c上。突出构件14布置在中间的节3b上。此外，与第一典型实施例中的控制构件6类似，突出构件(未示出)被固定在控制构件15a、15b的内侧。

在根据第二典型实施例的超声波直线电动机中，控制构件15a、15b和突出构件14如第一典型实施例那样进行椭圆运动。控制构件15a、15b与突出构件14的椭圆运动方向不同。被固定在控制构件15a、15b的内侧的突出构件(未示出)与滑块4接触。因此，当控制构件15a、15b朝压电元件2的位移最大时，滑决4经受最大的力。另一方面，由于突出构件14的顶部与滑块4接触，所以当突出构件14朝压电元件2的相反侧的位移最大时，滑块4经受最大力。因此，滑块4在三个接触点处经受相同方向的力。

而且，滑块4的移动方向由布置在振动构件3的两侧的控制构件15a、15b控制。特别地，控制构件15a、15b控制滑块4沿图10中的箭头G的方向的移动。

如上所述，除获得在第一典型实施例中实现的结果外，根据第二典型实施例的超声波直线电动机可以更可靠地控制滑块4的移动方向。

第三典型实施例

图11是根据第三典型实施例的超声波直线电动机的立体图。用相同的附图标记表示与第一典型实施例中的组件相同的组件，并且省略这些组件的说明。

在第一和第二典型实施例中，沿振动构件的长边方向的振动模式是二维弯曲振动模式。第三典型实施例使用振动构件16中的四维弯曲模式，从而在沿长边方向的弯曲模式(模式A)中存在五个节。图12图解振动构件16的四维弯曲模式。

振动构件16的长边的长度比第一和第二典型实施例的长边的长度长。而且，根据第一典型实施例所述的规则、即在振动构件16中出现的五个节处布置控制构件17、18、19和突出构件20、21。因此，第三典型实施例中的超声波直线电动机的滑块4在各节处也经受相同方向的力。

如上所述，除在第一和第二典型实施例中获得的结果外，根据第三典型实施例的超声波直线电动机可以增加滑块4的接触点数量。因此，超声波直线电动机可以增大将在滑块4中产生的力(推力)。

第四典型实施例

图13是根据第四典型实施例的超声波直线电动机的立体图。用相同的附图标记表示与第一典型实施例中的组件相同的组件，并且省略这些组件的说明。

第四典型实施例的控制构件的形状与第二典型实施例不同。在第二典型实施例中，控制构件是与振动构件两侧的两点接合的曲柄状板构件(垂直构件)。相反地，在第四典型实施例中，控制构件25a、25b是仅与振动构件3的一侧接合的倒L状板。

在根据第四典型实施例的超声波直线电动机中，可以容易地改变控制构件25a、25b的弯曲量。因此，可以容易地调整将滑块4压到振动构件3上的压力。而且，在组装超声波直线电动机时，不必从控制构件25a、25b的前开口插入滑块4。相反，可以从控制构件25a、25b的开口(未固定)侧插入滑块4，从而使组装简化。

第五典型实施例

图14是当从滑块的移动方向看时，根据第五典型实施例的超声波直线电动机的主视图。用相同的附图标记表示与第一典型实施例中的组件相同的组件，并且省略这些组件的说明。

与第一典型实施例不同，在第五典型实施例中，滑动构件27a、27b被固定在控制构件6的内侧，以控制滑块4沿横向(或图14中的水平方向)的移动。

结果，在第五典型实施例中，可以更可靠地控制滑块4的移动方向。特别地，可以控制滑块4沿图14中的箭头G的方向的移动。可以布置通过滚动减小摩擦的滚柱(roller)来代替滑动构件27a、27b。

第六典型实施例

图15是当从滑块的移动方向看时，根据第六典型实施例的超声波直线电动机的主视图。用相同的附图标记表示与第一典型实施例中的组件相同的组件，并且省略这些组件的说明。

与第一典型实施例不同，在第六典型实施例中，在滑块24的下表面沿移动方向形成凹部。而且，在突出构件35的上表面形成凸部。在凸部与凹部彼此匹配的情况下，通过使滑块24相对于突出构件35移动来可靠地控制滑块24的移动方向。

第七典型实施例

图16是当从滑块的移动方向看时，根据第七典型实施例的超声波直线电动机的主视图。用相同的附图标记表示与第一典型实施例中的组件相同的组件，并且省略这些组件的说明。

与第一典型实施例不同，在第七典型实施例中，在滑块34的上表面沿移动方向形成凹部。而且，控制构件36是M状板材料(垂直构件)，并且控制构件36的内侧的上表面形成为凸部，从而与滑块34的凹部匹配。

因此，在凸部与凹部彼此匹配的情况下，通过使滑块34相对于控制构件36移动来可靠地控制滑块34的移动方向。

虽然已经参照典型实施例说明了本发明，但应该理解的是，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以覆盖所有的变型、等同结构和功能。

Claims

1.一种振动型驱动设备，其包括：

振动构件，其被构造成同时产生多个驻波振动，以在位于所述驻波振动的多个节处的表面上引起椭圆运动；

驱动单元，其形成在位于所述节处的所述表面上，以进行所述椭圆运动；以及

移动构件，其被构造成接触所述驱动单元，并且被所述椭圆运动移动，

其中，所述驱动单元从所述振动构件的表面突出，并包括形成为沿与所述表面垂直的方向夹持所述移动构件的第一驱动单元和第二驱动单元，以及

其中，所述第一驱动单元和所述第二驱动单元形成在被间隔为所述驻波振动的半波长的奇数倍的所述节的位置、以及形成在所述椭圆运动的方向彼此相反的位置。

2.根据权利要求1所述的振动型驱动设备，其特征在于，多个所述第一驱动单元布置在被间隔为所述驻波振动的半波长的偶数倍的所述节处。

3.根据权利要求1所述的振动型驱动设备，其特征在于，所述第一驱动单元包括突出构件，所述突出构件从所述振动构件的所述表面突出、并且形成为从所述振动的所述表面侧接触所述移动构件，以及

其中，所述第二驱动单元包括垂直构件，所述垂直构件从所述振动构件的表面突出、并且形成为从所述突出构件接触所述振动构件的一侧的相反侧接触所述移动构件。

4.根据权利要求3所述的振动型驱动设备，其特征在于，所述突出构件和所述垂直构件中的至少一个是弹性的，并且在所述突出构件和所述垂直构件之间夹持，并对所述移动构件施压。

5.根据权利要求3所述的振动型驱动设备，其特征在于，所述垂直构件以倒L状或曲柄状形成在所述振动构件的表面上，并且所述移动构件设置在所述倒L状或所述曲柄状垂直构件的内侧。

6.根据权利要求3所述的振动型驱动设备，其特征在于，滑动构件被设置在所述垂直构件上，以沿与所述表面平行的方向夹持所述移动构件。

7.根据权利要求3所述的振动型驱动设备，其特征在于，所述突出构件和所述垂直构件中的至少一个具有与形成在所述移动构件上的凹部匹配的凸部。