CN102195515B - 振动型驱动设备中的振动器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种构成振动型驱动设备的振动装置的振动器及其制造方法，所述振动型驱动设备包括振动装置，振动装置结合到电机械能量转换元件上并且包括其上具有一或多个突出部的振动器，其中，振动装置构造成能够通过给电机械能量转换元件施加交变电场而在振动器的突出部产生椭圆运动，并且通过椭圆运动使与振动器的突出部接触的被驱动体沿与振动器的宽度方向交叉的方向移动，其中，振动器包括基座和一或多个突出部，突出部由至少两个壁部和接触部形成，壁部沿基座的平面外方向延伸，接触部具有与被驱动体接触的接触面，并且接触面使壁部彼此连接，在基座和相应壁部之间的分界部的位置设置成在基座主表面上的法线方向上的位移方向相同。
Description
技术领域
本发明涉及振动型驱动设备中的振动器及其制造方法。更特别地，本发明涉及线性超声波电机(振动型驱动设备)中的振动器及其制造方法。
背景技术
通常，作为线性驱动被驱动体的线性超声波电机，已经提出了如美国专利7,109,639中公开的振动型驱动设备。
这里，将参考附图对这种线性超声波电机(振动型驱动设备)的驱动原理进行描述。
如图8A(其是显示了线性超声波电机的外观的透视图)所示，线性超声波电机510由振动装置501、滑动件506和用于将振动装置压向滑动件的加压构件(未显示)组成。
振动装置501由例如压电元件等的电机械能量转换元件505和整体结合到电机械能量转换元件505的一个表面上的振动器组成。这里，振动器包括矩形基座502和凸起地形成在基座顶面上的两个突出部503、504。
在超声波电机中，如果给压电元件施加指定频率的电压(也称作交变电场)的话，会激励产生多个希望的振动模式，随后被激励的振动模式叠加，从而产生用于驱动的振动。
图8A所示线性超声波电机使振动装置501执行分别如图8B-1和8B-2所示两个弯曲振动模式的激励。两个弯曲振动模式都是板式振动装置501的平面外弯曲振动模式。
更准确地说，两个平面外弯曲振动模式中的一个是沿振动装置501的纵向方向的二次弯曲振动模式(模式-A：进给模式)，两个平面外弯曲振动模式中的另一个是沿振动装置501的宽度方向的一次弯曲振动模式(模式-B：上冲模式)。
振动装置501的形状设计成使两个平面外弯曲振动模式的谐振频率彼此一致或彼此接近。
每个突出部503、504布置在作为模式-A(进给模式)的振动中的振动节点的位置附近。随后，突出部的每个顶表面503-1和504-1利用作为支点的振动节点通过模式-A的振动进行摆动，因此，顶表面沿X方向(进给方向)进行往复运动。
进一步地，每个突出部503、504布置在作为模式-B(上冲模式)的振动的反节点(或腹点)的位置附近。因此，突出部的顶表面503-1和504-1通过模式-B的振动沿Z方向(上冲方向或者法线方向)进行往复运动。
这两个振动模式(模式-A和模式-B)同时激励，使得这两个模式之间的振动相位差接近±π/2，这两个模式随后叠加，因此，在每个顶表面503-1和504-1处产生沿X-Z平面的椭圆运动。
因此，可以通过相关的椭圆运动沿一个方向驱动已经加压并接触振动装置的滑动件506。这时，振动装置501的突出部503、504和滑动件506以振动装置501的驱动频率(几十千赫或以上)反复接触和脱离。为此，如果这些元件之一不具有适当的弹簧特性，则不能获得令人满意的接触状态。
另一方面，如上所述，每个突出部503和504都具有沿X方向放大振动的作用。
为了满足上述两个作用，美国专利申请公开US2009/167111提出了实现静音驱动的振动型致动器(线性超声波电机)。也就是说，在该振动型致动器中，如图9A到9C所示，每个突出部都具有弹性，并且每个突出部都设计成具有适当的形状。
更准确地说，在该振动型致动器中，都具有弹性的突出部609和610形成为附加构件，并且结合到基座602上，从而形成振动装置601。
然而，在美国专利申请公开US2009/167111中描述的振动型致动器中，对电机的加速具有限制，如稍后描述的那样。这里，作为以高速驱动电机的一种措施，存在沿进给方向(X方向)增大振动装置的突出部的振幅的方法。
进一步地，作为沿进给方向(X方向)增大突出部振幅的方法之一，存在增加突出部高度的方法。
然而，在美国专利7,109,639描述的振动型驱动设备中，尽管可以在增加突出部高度的情况下实现加速，但不可避免地增加了制造过程中的成本。
在美国专利申请公开US2009/167111描述的振动型致动器中，如果增加振动装置的突出部的高度，突出部沿进给方向的刚度降低，从而降低了驱动效率。此外，难以在进给模式下将突出部顶点的振动角设定为期望值。因此，沿Z方向产生不必要的振幅，从而存在突出部和滑动件之间的接触变得不稳定的担心。
在考虑上述问题的情况下完成本发明，本发明的目的是提供振动型驱动设备中的振动器和该振动器的制造方法，其中，能够以低成本制造能实现加速的振动器。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种构成振动型驱动设备的振动装置的振动器，所述振动型驱动设备包括所述振动装置，所述振动装置结合到电机械能量转换元件上并且包括其上具有一或多个突出部的所述振动器，其中，所述振动装置构造成能够通过给电机械能量转换元件施加交变电场而在振动器的突出部产生椭圆运动，并且通过所述椭圆运动使与振动器的突出部接触的被驱动体沿与振动器的宽度方向交叉的方向移动，其中，所述振动器包括基座和所述一或多个突出部，所述突出部由至少两个壁部和接触部形成，所述壁部沿所述基座的平面外方向延伸，所述接触部具有与被驱动体接触的接触面，并且所述接触面使所述壁部彼此连接，在所述基座和相应壁部之间的分界部的位置设置成在基座主表面上的法线方向上的位移方向相同。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造构成振动型驱动设备的振动装置的振动器的方法，所述制造方法包括：制备一个整体地形成突出部和振动器的构件，并且在所述构件的部分区域中形成多个狭缝或凹口；和通过弯曲工艺或冲压成形工艺利用位于所述狭缝或凹口之间部位的一部分形成所述突出部。
根据本发明，可以获得振动型驱动设备中的振动器和该振动器的制造方法，其中，能够以低成本制造能实现加速的振动器。
在参考附图阅读对示例性实施例的下列描述的情况下，本发明的更多特征将变得显而易见。
附图说明
图1是用于描述根据本发明第一实施例的振动型驱动设备(线性超声波电机)的振动器的透视图。
图2是用于描述根据本发明第一实施例的振动型驱动设备的振动器的视图。
图3A和3B是用于描述根据本发明第二实施例的振动型驱动设备的振动器的视图。
图4A和4B是用于描述根据本发明第三实施例的振动型驱动设备的振动器的视图。
图5A和5B是用于显示根据本发明第四实施例的三次上冲模式的视图。
图6A和6B是用于描述根据本发明第五实施例的振动型驱动设备的振动器的视图。
图7A和7B是用于描述根据本发明第一实施例的振动器的一次弯曲模式(上冲模式)的横截面视图，其中，图7A是用于描述突出部和基座之间的分界面设定在一次弯曲模式沿Y方向的振动节点之间的情况的视图，图7B是用于描述分界面设定在一次弯曲模式的相应振动节点以外的情况的视图。
图8A、8B-1和8B-2是用于描述传统的振动型驱动设备(线性超声波电机)的视图，其中，图8A是显示了美国专利7,109,639所述线性超声波电机的外观的透视图，图8B-1和8B-2是显示振动模式(利用该模式，振动由相关的线性超声波电机的振动装置激励)的视图。
图9A、9B和9C是用于描述美国专利申请公开US2009/167111中所述传统的振动型致动器(线性超声波电机)的视图，其中，图9A是振动装置的透视图，图9B是突出部的放大图，图9C是突出部的横截面视图。
具体实施方式
下面将对本发明的示例性实施例进行描述。
[第一实施例]
作为第一实施例，将参考图1和2描述用于构成应用本发明的振动型驱动设备的振动装置的振动器的构造实例。
本实施例中的振动装置(其结合到电机械能量转换元件上)具有其上形成有一或多个突出部的振动器。
本振动装置的特征在于，振动器的突出部以这样的状态移动，其中，通过给电机械能量转换元件施加交变电场，根据沿振动器的宽度方向的一次弯曲振动模式的振动和沿与振动器的宽度方向垂直的方向的二次弯曲振动模式的振动的合成，沿X-Z平面内的椭圆形轨道运动。
因此，与振动器的突出部接触的被驱动体可以通过摩擦驱动沿与宽度方向交叉(典型地，垂直交叉)的方向移动。
更准确地说，本实施例的振动装置111由压电元件107和振动器101组成，所述压电元件作为形成为矩形薄板形状的电机械能量转换元件，所述振动器整体地结合到压电元件107的一个端面上，如图1和2所示。
与作为被驱动体的滑动件(未显示)接触的两个突出部109和110设置在振动器101上，并且滑动件通过突出部109和110与振动器101压缩接触。
当给压电元件107施加交变电场时，在振动装置111上激励由两个弯曲振动模式组成的振动，在突出部109和110上的接触面上激励椭圆运动的振动。
因此，与突出部109和110压缩接触的滑动件接收摩擦驱动力并且沿X方向(进给方向)被驱动。
这里，将参考图2描述组成上述振动装置111的振动器101的构成。
振动器101由基座102和突出部109、110组成。这些突出部109和110形成在二次弯曲模式(进给模式)的节点附近，与相关背景技术中的图8B-1所示情况类似。
这里，每个突出部109和110由两个壁部14a、14b和用于使两个壁部彼此连接的接触部16组成。在本实施例中，尽管设置有两个壁部，但根据需要可以增加壁部。例如，每个壁部14a和14b可以通过在其间设置狭缝等划分成多个部分。
与滑动件压缩接触的接触面形成在接触部16的表面上。
设置在基座102上的两个壁部14a和14b处于同一Z-Y平面上。壁部以这样的状态形成，即沿上述基座的平面外方向延伸，典型地沿相对于基座竖直的方向延伸。然而，不总是要求沿竖直方向延伸，而是可以根据需要构造成具有特定倾斜角。这里，人们注意到，“平面外方向”是指不与上述基座的主表面(其上形成有上述突出部的表面)平行的方向。
也就是说，突出部109和110具有沿着平行于与进给方向(X方向)交叉(典型地，垂直交叉)的方向(Y方向)的方向并行设置的两个基座根部。在本发明中，“平行”是指严格平行或者允许在不给振动性能造成实际问题的范围内以及设计误差的情况下偏离平行的情况。例如，即使与平行偏离10度，这种倾斜在能够获得所希望振动的情况下也是容许的。
壁部形成为具有预定宽度和厚度。在本实施例中，每个壁部由宽度大于厚度的板构件形成，并且它形成为使板构件的厚度方向面向振动器的宽度方向并且板构件的宽度方向面向与振动器的宽度方向垂直的方向。
通过采用这种的构造，壁部14a和14b的厚度方向为Y方向，并且由于壁部14a和14b沿X方向的宽度较大，突出部109和110保证了沿X方向的预定刚度。
图7A是在振动器结合到压电元件上的状态下，执行FEM(有限元法)分析所获得的一次弯曲模式的剖视图，图7B是进行同样分析所获得的二次弯曲模式的剖视图。
就本实施例的一次弯曲模式来说，如图7A所示，人们希望突出部的壁部和振动器的基座102之间的分界部18a、18b沿Y方向位于一次弯曲模式(上冲模式)的振动节点13a和13b之间。
也就是说，人们希望突出部和基座之间的分界部18a和18b位于这样的地方(位置)，其中，在基座主表面上沿Z方向(上冲方向/法线方向)的位移方向在一次弯曲模式(上冲模式)中成为彼此相同的方向。就本实施例而言，突出部和基座之间的分界部18a和18b位于这样的地方(位置)，其中，位移方向还成为与基座中心部的Z方向相同的方向。在本发明中，上述“位移方向成为彼此相同方向的位置”是指这样的位置，其在振动器振动时抽取的任意时刻处于沿相同方向移动的状态。也就是说，这些位置是在同一时刻处于沿相同方向移动的状态的位置。典型地，相邻节点之间的位移是相同方向的位移。相反地，在节点按A、B和C的顺序定位的情况下，节点A和B之间的位移方向与节点B和C之间的位移方向相反。
在本发明中，在基座主表面上沿Z方向(上冲方向/法线方向)位移的事实是指允许基座主表面上的Z方向(上冲方向/法线方向)分量包括在该位移部分的位移方向之内。
同样，在本发明中，分界部18a和18b可以设置在如图7B所示一阶弯曲模式的振动节点13a和13b之外。在这种情况下，由于同图7A所示情况相比，基座中心部的变形方向与突出部接触面的中心部的变形方向相反，尽管有时候存在当突出部接触面与滑动件接触时沿Z方向的作用力传递效率相对地减小，但不存在实际问题。重要的是能够提高突出部和基座之间分界部的设计灵活性。然而，同样在这种情况下，要求突出部和基座之间的分界部位于这样的地方(位置)，其中，基座主表面上的Z方向(上冲方向/法线方向)的位移方向成为彼此相同的方向。如果突出部和基座之间的分界部位于这样的地方(位置)，基座主表面上的Z方向(上冲方向/法线方向)的位移方向变成彼此不同(相反)的方向，则当突出部接触面与滑动件接触时，沿Z方向的作用力传递变得不稳定，从而不能获得稳定的驱动。作为具体实例，情况是突出部和基座之间的分界部设定为与图7A中的节点13b相交的状态。
在图2所示结构中，通过额外地使滑动件具有弹性可以实现振动装置111和滑动件之间更好的接触状态。在不使滑动件具有弹性的情况下，通过使接触部具有弹性还可以实现稳定的接触状态。以这种方式，通过使滑动件或接触部中的至少一个具有弹性，可以良好地保持振动装置和滑动件每个的接触状态。另外，即使为加速驱动的目的增大突出部109和110的高度，由于通过壁部14a和14b保持突出部109和110沿X方向(其等于滑动件的驱动方向)的刚度，振动装置111的驱动力可以有效地传递给滑动件。
另外，同图8A所示具有突出部503和504的振动器501相比，突出部形成为由基座、两个壁部以及在两个壁部之间连接一个壁部与另一个壁部的接触部所围绕的中空结构。
因此，由于在接触部下面具有空间，上冲模式下的抗弯刚度会减小，并且可以提高电能效率。
应当注意到，壁部14a和14b的宽度可以不等于接触部16沿X方向的宽度。
同样，不要求壁部14a的宽度和壁部14b的宽度沿着Z方向相同。
例如，当壁部14a和14b接近基座102的宽度变宽，壁部14a和14b接近接触部16的宽度变窄，并且壁部14a和14b的平均宽度变宽时，壁部14a和14b沿X方向的刚度增大。
作为根据本实施例的振动器的制造方法，振动器可以通过下列工艺制造而成，例如，突出部109和110一次形成，随后这些突出部109和110通过例如激光焊接或粘接的结合方法形成在基座102上。
[第二实施例]
作为第二实施例，将参考图3A和3B描述振动器的构成实例，其中，通过在基座上设置多个狭缝或凹口之后进行冲压成形工艺，突出部与基座整体地形成。
在本实施例中，如图3A所示，通孔21设置在基座202的部分区域上，位于振动器201的接触部26的下面，与第一实施例的情况不同。
因此，如图3B所示，狭缝22设置在进行冲压成形工艺的部分的两个侧面上。随后，通过执行冲压成形工艺，能够以低成本整体地形成包括突出部的振动器201。
通过在基座202的部分区域上设置通孔21，足以用小能量产生上冲振动。因此，可以提高驱动效率。
[第三实施例]
作为第三实施例，将参考图4A和4B对模式不同于上述各实施例的模式的振动型驱动设备中的振动器的构成实例进行描述。
在本实施例中，通孔31设置在振动器301的接触部36的下面，同时设置狭缝32，使得当移除突出部时基座32分离成两个部件，与上述各实施例的情况不同。
根据这种构成，包括突出部的振动器可以通过弯曲工艺整体地形成。
通过在基座302的部分区域上设置通孔31和狭缝32，足以用小能量产生上冲振动。因此，可以提高驱动效率。
在本实施例中，使用不锈钢尤其是耐磨性出众的SUS420J2或SUS440C作为振动器的材料。
准备其尺寸L4长于所要制造的振动器301的总长度L5(即，沿Y方向的尺寸)的板，随后形成凹口部或狭缝，如图4B所示。
通过在加工振动器之前调节长度L1和L2可以将每个突出部的高度任意设置为希望的长度。
凹口部通过蚀刻、冲压切割等形成，随后，可以通过弯曲工艺模制突出部109和110。
制造之后获得的形状如图4A所示，凹口部分的一部分变成狭缝。如刚刚描述的那样，可以在制造前后几乎不改变突出部109和110的厚度的情况下，通过弯曲工艺制造突出部。
因此，与要求所用板具有高延展系数的冲压成形工艺或锻造工艺的情况不同，可以减少对可制造的突出部的高度或形状的限制。
另外，与冲压成形工艺相比，可以模制具有高刚度的壁部34，并且突出部的厚度几乎没有减小。
[第四实施例]
作为第四实施例，将参考图5A和5B对模式不同于上述实施例的模式的振动型驱动设备中的振动器的构成实例进行描述。
在本实施例中，基座和突出部的壁部之间的分界部设置在与上冲模式中的中心部的相位相同的位置处。
作为上冲模式，不仅可以使用一次弯曲模式，而且可以使用二次或三次弯曲模式。
例如，在图5A中，基座和压电元件处于三次弯曲模式，基座和突出部的壁部之间的分界部位于相位相同的地方(位置)，该相位包括上冲模式中的中心部。也就是说，突出部和基座之间的分界部位于这样的地方(位置)，其中，基座的Z方向(上冲方向/法线方向)的位移方向变得相同。
根据这种构成，如第一实施例所述，突出部的两个壁部的相位和突出部的接触面的中心部的相位变得相同，从而可以获得稳定的驱动。如图5B所示，基座和突出部的壁部之间的两个分界部可以关于基座中心非对称地设置。
[第五实施例]
作为第五实施例，将参考图6A和6B对模式不同于上述实施例的模式的振动型驱动设备中的振动器的构成实例进行描述。
在图6A中，沿Z方向的刚度减小的连接部59a、59b、59c和59d设置在接触部56和壁部54a、54b之间，从而即使在滑动件不具有弹性的情况下也能实现稳定的接触。
接触部56的顶面与连接部59a、59b、59c和59d的顶面位置相比设置在更高的位置，构造成使滑动件不与连接部59a、59b、59c和59d接触。
在这种形式下，由于壁部54a、54b的宽度和接触部56的宽度可以独立地设定，从而可以通过增加壁部的宽度进一步提高沿驱动方向的刚度。
图6B所示情况与上述情况类似，沿Z方向的刚度减小的连接部59a和59b设置在接触部56和壁部54a、54b之间，从而即使在滑动件不具有弹性的情况下也能实现稳定的接触。
接触部56的顶面与连接部59a和59b的顶面位置相比设置在更高的位置，构造成使滑动件不与连接部59a和59b接触。
在这种形式下，由于壁部54a、54b的宽度和接触部56的宽度可以独立地设定，从而可以通过增加壁部的宽度进一步提高沿驱动方向的刚度。
尽管已经参考示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明不局限于所公开的示例性实施例。下列权利要求的范围与最广义的解释一致，从而涵盖所有这类改进、等效结构和功能。
Claims (6)
1.一种振动装置，包括：
电机械能量转换元件；以及
振动器，所述振动器结合到电机械能量转换元件上并且所述振动器上具有至少一个突出部，其中，所述振动装置构造成能够通过给电机械能量转换元件施加交变电场而在振动器的突出部产生椭圆运动，并且通过所述椭圆运动使与振动器的突出部接触的被驱动体沿与振动器的宽度方向交叉的方向移动，
所述椭圆运动在包括被驱动体的驱动方向和平面外方向的平面内，
通过施加所述交变电场以激励两个弯曲模式来产生所述椭圆运动，
其中，所述振动器包括基座和所述至少一个突出部；
所述至少一个突出部包括：
至少两个基座根部，所述至少两个基座根部的方向平行于与振动器的驱动方向交叉的方向；
至少两个壁部，所述至少两个壁部从所述至少两个基座根部沿所述基座的平面外方向延伸；
接触部，所述接触部具有与被驱动体接触的接触面，并且所述接触面使所述壁部彼此连接，和
在所述基座和相应壁部之间的分界部，所述分界部的位置设置成分界部在基座主表面上的法线方向上的位移方向相同，
其中所述突出部具有由所述基座、所述至少两个壁部和所述接触部环绕的中空结构，
所述基座和所述突出部通过加工同一部件而一起一体地成形。
2.如权利要求1所述的振动装置，其中，所述接触部具有弹性。
3.如权利要求1所述的振动装置，其中，
每个壁部由具有预定宽度和预定厚度的板构件形成，所述预定宽度大于所述预定厚度，和
所述板构件形成为使板构件的厚度方向朝向振动器的宽度方向，所述板构件的宽度方向朝向与振动器的宽度方向交叉的方向。
4.如权利要求1所述的振动装置，其中，
在基座位于所述至少一个突出部和电机械能量转换元件之间的部分区域中形成通孔。
5.如权利要求1所述的振动装置，其中，所述至少一个突出部由构成一个基座的构件、通过形成在所述构件上的多个狭缝或凹口与基座整体地形成。
6.如权利要求1所述的振动装置，其中，所述基座中心部沿法线方向的位移方向与分界部的位移方向相同。
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