CN105915108B - 超声波马达和包括该超声波马达的镜头设备 - Google Patents

Abstract

超声波马达和包括该超声波马达的镜头设备。提供一种超声波马达，该超声波马达包括：振动器，该振动器包括待与待驱动的构件接触的接触表面和固定至振动器的压电元件，该振动器被构造成通过压电元件激发的超声波振动来驱动待驱动的构件；以及由固定单元支撑的加压单元，该加压单元被构造成向振动器施力，从而使接触表面压靠待驱动的构件，其中，加压单元包括：加压构件，该加压构件以沿垂直于接触表面的方向移动而被限制沿平行于接触表面的方向移动的方式被固定单元保持；以及弹性构件，该弹性构件经由加压构件沿垂直于接触表面的方向将压力施加至振动器。

Description

超声波马达和包括该超声波马达的镜头设备

本申请是申请日为2012年8月6日、申请号为201210278148.2、发明名称为“超声波马达和包括该超声波马达的镜头设备”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种超声波马达，其通过在受压振动器(impressed vibrator)上产生椭圆振动来驱动待驱动的构件，本发明还涉及一种使用该超声波马达的镜头设备。

背景技术

通过利用其静音操作、从低速到高速的驱动能力以及高扭矩输出，超声波马达已被常规地用作用于驱动例如镜头机构或相机的驱动源。例如，在日本特许第4,652,784号公报中公开的超声波马达包括待驱动的具有转动轴线的环形构件以及多个振动器。每个振动器相对于待驱动的构件处于所谓的加压接触状态，即，振动器在被压靠待驱动的构件的状态下与该待驱动的构件接触。这些振动器以预定的间隔配置在待驱动的环形构件上。当在加压接触状态下的振动器上激发超声波振动时，在振动器上的与待驱动的构件接触的部位处产生椭圆运动，从而待驱动的构件被驱动以围绕待驱动的构件的转动轴线转动。振动器相对于待驱动的构件的加压接触状态通过使用板簧对振动器的与设置在振动器中央附近的振动节点对应的部分施力而获得。板簧的压力通过设置在板簧的固定部分附近的螺钉和调节垫圈来调节。

但是，在日本特许第4,652,784号公报中公开的超声波马达包括由大量部件构成的、用于调节施加到振动器的压力的、复杂的调节机构。此外，调节机构的板簧形成为可以固定在环形形状内的线性的形式，因此板簧具有小的总长度和高的弹簧常数。结果，板簧的少量调节使得压力发生显著的改变，因此需要进行精细调节。

发明内容

考虑到上述情形而做出了本发明，在通过振动器上产生的椭圆振动来驱动待驱动的构件的超声波马达中，可以在不使用用于调节使振动器与待驱动的构件的接触表面发生加压接触的压力的机构的情况下，获得适当的压力，从而在振动器和待驱动的构件之间获得适当的加压接触状态。

根据本发明，提出了一种超声波马达，其包括：振动器，所述振动器包括待与待驱动的构件接触的接触表面和固定至所述振动器的压电元件，所述振动器被构造成通过所述压电元件激发的超声波振动来驱动所述待驱动的构件；以及加压单元，所述加压单元由固定单元支撑，并且所述加压单元被构造成向所述振动器施力，从而使所述接触表面压靠所述待驱动的构件，其中，所述加压单元包括：加压构件，所述加压构件以能沿垂直于所述接触表面的方向移动且被限制沿平行于所述接触表面的方向移动的方式被所述固定单元保持；以及弹性构件，所述弹性构件经由所述加压构件沿垂直于所述接触表面的方向将压力施加至所述振动器。

根据本发明，还提出了一种镜头设备，其包括如上所述的超声波马达。

从以下参照附图对示例性实施方式的描述，将使本发明的其他特征变得明显。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施方式的超声波马达的分解立体图。

图2为用于示出图1中示出的构件的组装状态的立体图。

图3为用于示出振动器和小基座的接合状态的放大立体图。

图4A为用于示出根据第一实施方式的构件的组装状态的放大截面图。

图4B为用于示出根据第一实施方式的构件的组装状态的放大截面图。

图4C为图4B中示出的部位A的细节放大图，用于示出弹性构件的压力的分向量。

图5为用于示出转子和环形基座各自倾斜的情况的放大截面图。

图6为根据本发明的第二实施方式的超声波马达的分解立体图。

图7为用于示出图6中示出的构件的组装状态的放大截面图。

具体实施方式

将根据附图详细描述本发明的优选实施方式。

(第一实施方式)

以下参照附图对本发明的示例性实施方式予以描述。尽管形成一个单元以作为驱动数字式相机的镜筒或类似物用的致动器的、转动驱动类型的马达被描述为根据本实施方式的超声波马达的示例，但是超声波马达的应用并不限于此。

图1为根据本发明的第一实施方式的超声波马达的分解立体图。在附图中，相同的构件用相同的参考标记来表示。如图1中所示，根据第一实施方式的超声波马达包括转子101、振动板102、压电元件103、小基座104、环形基座105、加压构件106和板簧107。转子101为待驱动的构件，转子101包括接触表面101a，接下来要描述的振动器109通过压力与该接触表面101a发生加压接触。振动板102为在涉及压力的加压接触状态下与接触表面101a接触的构件。压电元件103通过粘合剂或类似物紧密粘合至振动板102。在压电元件103紧密粘合至振动板102的状态下向压电元件103施加电压时，产生超声波振动，从而能够在振动板102上产生椭圆运动。振动板102和压电元件103构成振动器109。在这个实施方式中，振动器109设置在三个位置处，由此驱动转子101转动。小基座104为用于保持振动器109的保持构件。环形基座105为用于保持小基座104、加压构件106以及板簧107的固定构件。加压构件106装配在环形基座105的通孔部105b内，并且加压构件106被保持为仅能沿基本垂直于转子101的接触表面101a的方向移动，因此通过来自接下来要描述的板簧107的压力、经由小基座104使振动器109与转子101发生加压接触。板簧107用作弹性构件，其在两端部通过螺钉108固定于环形基座105，并且通过板簧的压力使得振动器与待驱动的构件发生加压接触。加压构件106和板簧107构成了本发明的加压单元。

如上所述，以上构件被组装成一个单元以作为超声波马达。

图2为用于示出图1中所示的构件的组装状态的立体图。在图2中，振动器109周围的构造在三个位置都相同，因此，为了简化附图，仅在附图的前侧标注了参考标记。如图2所示，在环形基座105的三个位置中的每一个位置，通过由两个螺钉108固定的板簧107经由加压构件106和小基座104向振动器109施加压力，由此，振动器109和转子101的接触表面101a彼此发生加压接触。当将超声波马达实际安装在镜筒或类似物上时，转子101联接至调焦机构或变焦机构以用于驱动。

下文中，描述超声波马达的结构化构件的细节。图3为用于示出从转子101侧观察到的、图1和图2中示出的振动板102和小基座104的接合状态的放大立体图。如图3所示，两个突起部102b在振动板102的中央形成于板部102a。这两个突起部102b的上端面，即抵接于转子101的接触表面101a的表面，形成在相同的平面上，并且为了获得与上述接触表面的适当的抵接状态，上端面在制造过程中通过抛光或类似的手段被处理为平滑的表面。

另一方面，压电元件103利用粘合剂或类似物紧密粘合至图3中示出的板部102a的背面侧(与形成两个突起部102b的表面相反的表面侧)。将压电元件103紧密粘合至板部102a的背面的方法不受限制，只要两个部件彼此紧密粘合即可。压电元件103包括被层叠并一体化的多个压电元件膜。将期望的交流(AC)电压施加至通过层叠多个压电元件膜所形成的压电元件103会引起振动，因此在压电元件103紧密粘合到的振动板102上激发两个振动模式。在这时，通过设定两个振动模式的振动相位来获得期望的相位差，在突起部102b上产生如图3所示的箭头表示的椭圆运动。椭圆运动在如图1和图2所示的三个位置处产生于振动器109，并且该椭圆运动传递到转子101的接触表面101a，从而转子101能够被驱动转动。压电元件的上述层叠结构和上述振动模式的细节与日本特开2004-304887号公报中描述的内容基本相同。日本特开2004-304887号公报的全部内容通过引用被包含于此，如同在此呈现了其全部内容。

在振动板102的两端形成用来接合至形成在小基座104的两侧的较高上表面部104a的两个接合部102c。尽管振动板102在接合部102c处通过焊接或粘接接合至小基座104，但是接合振动板102和小基座104的方法不受限制，只要振动板102和小基座104彼此接合即可。两个臂部102d分别形成在两个接合部102c和板部102a之间，并且振动板102和压电元件103经由臂部102d固定至小基座104。如图3所示，臂部102d形成为比板部102a和接合部102c窄的形状以实现这样一种构造：几乎不会将板部102a上产生的振动传递至接合部102c。换句话说，通过接合部102c来实现用于防止板部102a上产生的振动被小基座104(刚性构件)干扰的联接构造。此外，在小基座104的中央附近的平坦部104b和压电元件103的面朝平坦部104b的表面(未示出)之间形成有预定的间隔203。

图4A和图4B为用以示出构件的组装状态的放大截面图，其中仅图2中示出的三个振动器109中的一个振动器的周围区域被以放大的方式示出。其余的两个振动器具有相同的构造，其描述被省略。

图4A是转子101位于上侧的图，其截断面为包含振动板102的两个突起部102b的与转子101的接触表面101a发生接触的各上端面的重心和各上端面的引自各重心的法线的平面。

图4B的截断面为包含图3中所示的振动板102的突起部102b的与接触表面101a发生接触的整个上端面的重心和接触表面101a的法线、并垂直于图4A中所示的附图的平面。整个上端面指的是包括所有两个上端面的面。

在图4A和图4B中，中心线201是穿过振动板102的突起部102b的与接触表面101a发生接触的整个上端面的重心并且包含该接触表面101a的法线的线。

突起部102b的上端面抵接于转子101的接触表面101a，并且被保持在加压接触状态。此外，振动板102两端的接合部102c接合至小基座104的两个上表面部104a处。于是在压电元件103和小基座104的平坦部104b之间形成预定间隔203。

在小基座104的下表面侧设有孔部104c和长孔部104d，形成于环形基座105的两个轴部105a分别嵌合在上述孔中。在小基座104的下部中央设有抵接部104e。抵接部104e形成为半圆筒形，其以图4A中示出的弧形垂直纸面向里(图4B中的左右方向)延伸。加压构件106的上端面106a与抵接部104e发生接触。上端面106a形成为平坦面，因此与抵接部104e的接触为具有沿图4A中的垂直纸面向里方向(图4B中的左右方向)的长度的线接触。尽管抵接部104e在第一实施方式中形成为具有上述弧形的半圆筒形，但是抵接部104e的形状不受限制，只要抵接部104e和加压构件106的上端面106a能够保持直线的线接触即可。

如图1所示，环形基座105在面向板簧107的表面包括通孔部105b，并且加压构件106通过装配在通孔部105b中而与板簧107发生接触，从而与板簧107协动(cooperate)。通孔部105b和加压构件106的中心轴线基本与中心线201一致，即基本与垂直于接触表面101a的轴线方向一致。板簧107变形，以在通过板簧107的弹力使加压构件106对小基座104施力的状态下，与图4A和图4B中的加压构件106的下侧的球面部106b发生接触。

板簧107需要具有减小到一定程度的弹簧常数，从而减少由于变形量的变化而造成的压力波动。因此，期望的是，板簧107尽可能的薄并且板簧107尽可能的长。根据第一实施方式的板簧107使用薄板形成为弧形，从而在环形超声波马达中实现尽可能大的弹簧长度。采用这种结构，即使是在加压构件106的沿施压方向的位移量变化到一定程度的情况下，压力的波动也能够被抑制。因此，与传统的示例不同，用于调节压力的机构不是必要的。采用上述构造，通过板簧107并经由小基座104和加压构件106使振动器109压靠转子101。

以下参照图4A、图4B和图4C对用于传递板簧107的压力的构造予以描述。在接下来的描述中，压力向量在每幅图的截面中均为包含压力的方向和大小的力向量。

如图4A所示，小基座104在抵接部104e处保持与加压构件106接触。小基座104还在两个突起部102b处保持与转子101接触，并且每个接触表面的重心沿转子的驱动方向与中心线201相距相同的距离。另一方面，关于板簧107和加压构件106之间的接触，在第一实施方式中，板簧形成为弧形，因此，位于板簧107的两端的支撑部以及压力的输入点(板簧107和加压构件106之间的接触点)并不在一条直线上。因此，当板簧产生压力时，板簧的截面处于如图4B所示的具有倾斜度的状态。结果，通过板簧107输入至加压构件106的压力向量能够由箭头206a表示。加压构件106和板簧107之间的接触点不在中心线201上，在图4B中，接触点偏移至中心线201右侧的点205。

图4C为图4B中所示的部位A中的点205附近的细节放大图。通过板簧107施加至加压构件106的压力由向量206a表示，该向量206a相对于中心线201倾斜。因此，压力向量206a能够分解为沿平行于中心线201的方向的分向量206b和沿垂直于中心线201的方向的分向量206c。

如图4A和图4B所示，加压构件106被环形基座105保持从而仅在基本平行于中心线201的方向上具有自由度。也就是说，加压构件106被允许在基本垂直于如下平面的方向上运动，而被限制沿平行于该平面的方向运动：突起部102b和转子101的接触表面101a在该平面处彼此发生接触。因此，通过板簧107施加至加压构件106的压力向量206a被以对应于沿中心线201方向的分向量206b的力(向量204a)传递至小基座104。

另一方面，传递至小基座104的压力(向量204a)通过两个突起部102b传递至接触表面101a，并且通过每一个突起部102b压接触表面101a的力为压力向量204a的一半(向量204b)。因此，能够均匀地保持两个突起部102b上的压力。

突起部102b和接触表面101a之间的接触为面接触，因此，实际上，压力均匀地分布在平面上。但是，为了更好的理解，压力被表示为作用在平面的重心位置的力向量。同样地，加压构件106和小基座104的抵接部104e之间的接触为线接触，因此，实际上，压力向量均匀地分布在线上。但是，压力向量也被表示为作用在线的重心位置的力向量。以下，对于面接触和线接触，压力均被表示为在重心位置的力向量。

此外，在加压构件106的侧表面部，通过由板簧107输入至加压构件106的压力向量206a的分向量206c产生摩擦力，该分向量206c沿垂直于中心线201的方向作用。另一方面，在轴部105a的装配部上也产生摩擦力。因为这些摩擦力相对于压力足够小，因此可以忽略不计。实际上，如果侧表面的处理平滑到一定程度，则摩擦力的影响可以被减至可忽略水平。

在第一实施方式中，如上所述，加压构件106以仅沿中心线201的方向具有自由度的状态被基本保持于环形基座105。因此，通过加压构件106施加至小基座104的压力向量204a能够基本与中心线201方向一致。此时，压力向量204a的大小等于板簧的压力向量206a的沿平行于中心线201的方向的分向量206b。这是因为仅压力向量206a的分向量206b充当压力向量204a。压力向量206a的沿垂直于中心线201的方向的分向量206c影响加压构件106的侧表面部的摩擦力。通过表面的平滑处理，在加压构件106的侧表面和通孔部105b的内表面之间产生的摩擦力与压力相比足够小，因此不会影响加压构件106的平滑往复运动。最后，通过一个突起部102b施加至接触表面101a的压力向量为压力向量204b，并且其大小为压力向量204a的一半。这是因为突起部102b如图4A所示存在于两个位置处。采用这种方式，参照图4A和图4B所示的截面图，输入的压力向量206a的荷载点从中心线201偏移，并且压力向量206a的方向不平行于中心线201，但是压力向量204a和204b能够保持适当的压力。

如上所述，在该实施方式中，小基座104没有被板簧107以直接的方式压，而是经由加压构件106被压，该加压构件被保持成：基本上仅在垂直于接触表面101a的方向，即接触表面101a的平面向量的方向上具有自由度。采用这种构造，可以在垂直于接触表面101a的方向上实现对接触表面101a的施压，不论施压时板簧107的变形如何，板簧的施力相对于压力方向上的位移量的波动都小。因此，板簧107也能够形成为弧形，使得板簧107能够被放置在环形超声波马达内。进一步地，能够确保尽可能长的长度并且弹簧常数能够被减小。结果，在施压时，板簧107的变形量能够增大，因此，归因于变形量变化的压力波动能够被减小，与传统技术不一样，其不需要用于调节压力的机构。

另一方面，小基座104经由抵接部104e的线形接触部被压。因此，在图4A中所示的截面图中，小基座104可以为倾斜的，并且即使是在构件由于扰动或制造时的尺寸误差而发生倾斜时，也能够保持适当的加压接触状态。

图5是以与图4A所示相同的截面示出了相同的构件的截面图，其示出了如下情况：相对于图4A中所示的状态，转子101和环形基座105上发生围绕小基座104的抵接部104e的相对转动倾斜。即使在图5中，振动板102的突起部102b仍然追从(follow)转子101的接触表面101a，因此保持了适当的加压接触状态。尽管环形基座105通过孔部104c、长孔部104d以及轴部105a装配于小基座104，但是小基座104和环形基座105能够相对倾斜，因为存在装配间隙，即装配空间。因此，即使是在由于制造时的尺寸误差而在转子101和环形基座105上发生构件倾斜，或是在由于驱动时的振动或扰动而在转子101和环形基座105上发生构件倾斜，接触表面101a也能够在两个突起部102b处适当地受压。

也就是说，在图4A的截面图中，即使在构件之间出现了如图5所示的情况的倾斜，该问题也可以通过使图4A的小基座104的抵接部104e和加压构件106成为点接触并且关于倾斜，保持接触表面之间的追从能力来解决。另一方面，在图4B中示出的截面图中，通过使小基座104的抵接部104e和加压构件106成为直线的线接触，小基座104和加压构件106沿图4B的左右方向彼此没有相对倾斜。

如上所述，在该实施方式中，经由小基座104使振动板102压靠转子101，振动板102在两端接合至小基座104，因此能够在振动板和转子之间产生加压接触，而不受通过压电元件103施加至振动板102的振动的干扰。此外，小基座104上的压力通过来自板簧107的施力经由加压构件106实现，该加压构件106被保持为仅在垂直于接触表面101a的方向上具有自由度，因此不管板簧107的变形状况如何，都可以实现适当的施压。此外，通过在小基座104上设置抵接部104e来实现施压，从而能够保持适当的加压接触状态，而不用考虑由于扰动或制造时的尺寸误差而产生的构件倾斜。

尽管在第一实施方式中，振动器由小基座104保持并经由小基座104被压，但是如果振动节点如现有技术一样位于振动器的中央，则振动器可以在中央附近直接受压而不涉及小基座104。

(第二实施方式)

本发明的第二实施方式为第一实施方式的变型例，其中，分别对应三个加压构件106的三个板簧107被一体化。采用这种构造，板簧107和螺钉108能够被省去，可以达到减少成本的效果。

图6为根据本发明的第二实施方式的超声波马达的分解立体图。在图中，相同的构件由相同的参考标记表示，并且与第一实施方式中的构件相同的构件也由相同的参考标记表示。如图6所示，根据第二实施方式的环形基座301仅包括用于定位小基座104的轴部105a和用于在其中装配加压构件106的通孔部105b。垫圈302被保持与三个加压构件106接触。设置波形垫圈303以压垫圈302。在波形垫圈303的上部设有固定构件(未示出)，并且通过将波形垫圈303夹持于固定构件和垫圈302之间，波形垫圈303的波形被压预定量以产生压力。

图7为用以示出根据第二实施方式的构件的组装状态的放大截面图。如图7所示，波形垫圈303被压预定量，因此压力经由垫圈302被传递至加压构件106。随后的用于传递压力的构造与第一实施方式中的构造相同。

顺便说一下，在第一实施方式中，板簧107固定至环形基座105，因此要根据板簧107的变形量来确定环形基座105在图4A和4B中所示的中心线201的方向上的绝对位置。但是，在第二实施方式中，环形基座301仅仅用来保持小基座104和加压构件106，并且波形垫圈303没有被固定。因此，环形基座301在中心线201的方向上的位置没有确定。因此，当将根据第二实施方式的超声波马达安装至镜筒或类似物时，例如，环形基座301能够采用相对于镜筒中固定筒的期望的绝对位置进行固定，从而环形基座301不会意外地移动。可选地，环形基座301能够取决于构造与固定筒一体化。

因此，在第二实施方式中，单个波形垫圈303作为对三个加压构件106施加压力的弹性构件共用于三个加压构件106，因此不需要板簧和螺钉，由此减少成本。

(第三实施方式)

通过将根据第一或第二实施方式的超声波马达用作用于驱动镜头设备中的聚焦透镜或变焦透镜的驱动单元，可以实现具有本发明效果的镜头装置。

如上所述，在通过振动器上产生的椭圆振动来驱动待驱动的构件的超声波马达中，通过经由构造成沿与振动器和待驱动的构件的接触表面垂直的方向运动的加压构件将压力从弹性构件传递至振动器，能够在接触表面处获得适当的加压接触状态，而不用使用已经在传统技术中使用的用于调节压力的机构。

尽管已经参照示例性实施方式描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的示例性实施方式。所附权利要求书的范围应符合最宽泛的阐释，以包含所有变型、等同结构和功能。

Claims (8)

1.一种振动致动器，其包括：

振动器，所述振动器包括将与第一构件接触的接触表面和固定至所述振动器的压电元件，所述振动器被构造成通过所述压电元件的驱动来引起相对于所述第一构件的相对运动；以及

加压单元，所述加压单元被固定单元的限制部引导从而沿与所述相对运动的方向垂直的方向移动并且不在所述相对运动的方向上移动，其中所述加压单元被构造成向所述振动器施力，从而通过弹性构件使所述接触表面压靠所述第一构件，

其中，所述振动器包括振动板，所述振动板具有设置于如下表面侧的接触面：该表面侧在所述施力的方向上与所述压电元件固定所在的表面相反。

2.根据权利要求1所述的振动致动器，其特征在于，所述加压单元包括接触部，所述接触部与所述弹性构件形成点接触。

3.根据权利要求1所述的振动致动器，其特征在于，所述弹性构件包括弧形板簧。

4.根据权利要求1所述的振动致动器，其特征在于，所述振动器被构造成通过所述压电元件的驱动所产生的超声波振动来引起相对于所述第一构件的运动。

5.一种振动致动器，其包括：

振动器，所述振动器包括将与第一构件接触的接触表面和固定至所述振动器的压电元件，所述振动器被构造成通过所述压电元件的驱动来引起相对于所述第一构件的运动；

固定单元，所述固定单元被构造成具有通孔部，所述通孔部具有垂直于所述接触表面的轴线方向；以及

加压单元，所述加压单元被构造成穿过所述固定单元的所述通孔部并且与连接至所述振动器的第二构件接触，其中所述加压单元被构造成在经由所述固定单元的保持被限制沿与所述接触表面平行的方向移动的同时向所述振动器施力，从而通过弹性构件使所述接触表面压靠所述第一构件，

其中，所述弹性构件共用于所述加压单元的多个加压构件中的至少两个加压构件，并且所述弹性构件经由所述多个加压构件中的该至少两个加压构件沿垂直于所述接触表面的方向向所述振动器施加压力。

6.根据权利要求5所述的振动致动器，其特征在于，所述弹性构件包括波形垫圈。

7.根据权利要求5所述的振动致动器，其特征在于，所述振动器被构造成通过所述压电元件的驱动所产生的超声波振动来引起相对于所述第一构件的运动。

8.一种镜头设备，其包括根据权利要求1-7中任一项所述的振动致动器。