DE60222035T2

DE60222035T2 - Vibrationswellenantrieb

Info

Publication number: DE60222035T2
Application number: DE60222035T
Authority: DE
Inventors: Takayuki Tsukimoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2022-01-22
Also published as: CN1265896C; US20020096971A1; EP1225682B1; KR20020062591A; KR100485882B1; JP2002291263A; EP1225682A2; JP3526298B2; US6781283B2; CN1367046A; DE60222035D1; EP1225682A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schwingungswellenantriebsgerät, und insbesondere auf eine Konfiguration eines Schwingungselementes, das bei einem stangenförmigen Schwingungswellenantriebsgerät verwendet wird.
Zugehöriger Stand der Technik
Ein stangenförmiges Schwingungswellenantriebsgerät hat als eine Basisstruktur ein Schwingungselement, das aus elastischen Elementen, die aus Metall oder dergleichen bestehen, und aus einem piezoelektrischen Element als ein elektro/mechanisches Energieumwandlungselement zusammengesetzt ist. Das stangenförmige Schwingungswellenantriebsgerät erzeugt eine Antriebsschwingung wie zum Beispiel eine sich ausbreitende Welle oder dergleichen durch Aufbringung einer Wechselspannung als ein sich wechselndes Signal mit unterschiedlichen Phasen auf das piezoelektrische Element.
Ein Kontaktelement wird in einen Druckkontakt mit einer Reibungsfläche des elastischen Elementes durch eine Druckbeaufschlagungseinrichtung gebracht, und das Kontaktelement wird durch die Antriebsschwingung, die in der Reibungsfläche des elastischen Elementes erzeugt wird, durch Reibung angetrieben, um zu ermöglichen, dass sich das Schwingungselement und das Kontaktelement relativ zueinander bewegen.
Es gibt einen Schwingungswellenmotor als ein Beispiel eines derartigen Schwingungswellenantriebsgerätes, bei dem ein Schwingungselement als ein Stator und ein Kontaktelement als ein Rotor verwendet werden.
Beispiele des Schwingungselementes des Schwingungswellenmotors beinhalten jene mit einer Konfiguration, bei der eine ringförmige piezoelektrische Elementplatte an einer Fläche eines ring- oder scheibenförmigen, elastischen Elementes angebracht ist, und jene einer Bauart, bei der die Drehung des Motors durch eine Abgabewelle abgenommen wird, oder einer Bauart, bei der die Drehung des Rotors direkt abgenommen wird.
Ein derartiger Schwingungswellenmotor wurde bei Produkten angewendet, die zum Antreiben einer Kameralinse und dergleichen verwendet werden. Es gibt ringartige und stangenförmige Schwingungswellenmotoren.
Die 10A zeigt eine Strukturansicht eines Schwingungselementes eines stangenförmigen Schwingungswellenmotors, der zum Antreiben einer Kameralinse verwendet wird. Die 10B zeigt einen Schwingungsmodus (wobei die Z-Achse der axialen Richtung zugewiesen wird und die R-Achse der radialen Richtung zugewiesen wird) in einem Achsenabschnitt des stangenförmigen Schwingungselementes.
Das Bezugszeichen 101 bezeichnet ein erstes elastisches Element; das Bezugszeichen 102 bezeichnet ein zweites elastisches Element; und das Bezugszeichen 103 bezeichnet ein piezoelektrisches Element. Das Bezugszeichen 106 bezeichnet ein Wellenelement, das durch das erste elastische Element 101, das piezoelektrische Element 103 und das zweite elastische Element 102 hindurch tritt. Ein Ende des Wellenelementes 106, das sich an der Seite eines Rotors 110 befindet, ist an einem Anbringungselement 109 befestigt, das an einem Produkt anzubringen ist, und das andere Ende ist an einer Mutter 115 befestigt. Ein Gewindeabschnitt ist in dem anderen Ende des Wellenelementes 106 ausgebildet. Wenn die Mutter 115 befestigt wird, werden das erste elastische Element 101, das piezoelektrische Element 103 und das zweite elastische Element 102, das zwischen einem Flanschabschnitt, der für das Wellenelement 106 vorgesehen ist, und der Mutter 115 angeordnet ist, dazwischen eingeklemmt und befestigt. Das Bezugszeichen 110 bezeichnet den Rotor gemäß der vorstehenden Beschreibung, und das Bezugszeichen 107 bezeichnet ein Reibungselement, das an dem ersten elastischen Element 101 so befestigt ist, dass es mit dem Rotor in Kontakt ist.
Wenn ein Antriebssignal auf das piezoelektrische Element 103 aufgebracht wird, wird eine Biegeschwingung (in der 10B eine primäre Biegeschwingung), die in der 10B angegeben ist, in dem stangenförmigen Schwingungselement angeregt, wodurch das stangenförmige Schwingungselement eine Schwingbewegung im Wesentlichen um die Z-Achse durchführt. Dementsprechend führt das Reibungselement 107 eine runde Bewegung um die Z-Achse durch.
Es scheint, dass das Schwingungselement eines derartigen stangenförmigen Schwingungswellenantriebsgerätes in seiner radialen Richtung eine reduzierte Größe hat, aber es besteht nach wie vor Raum für eine Reduzierung der Größe in seiner axialen Richtung, das heißt in der Länge seiner Achse.
Wenn jedoch das Schwingungselement einfach verkürzt wird, dann tritt ein Problem dahingehend auf, dass sich die Resonanzfrequenz erhöht und die Schwingungsversetzung reduziert, was eine Verschlechterung des Wirkungsgrades des Reibungsantriebes, eine Erhöhung der Kosten eines Antriebsschaltelementes aufgrund der hohen Frequenz oder eine Erhöhung eines Verlustes im Inneren des Elementes verursacht. Wenn des Weiteren das Schwingungselement in einfacher Weise dünner gestaltet wird, um die Resonanzfrequenz abzusenken, werden die Durchmesser eines piezoelektrischen Elementes und einer Reibungsfläche ebenfalls reduziert, und somit verringert sich auch die so erzeugte Kraft des piezoelektrischen Elementes und das Reibungsmoment. Daher ist es denkbar, dass die Abgabe des Motors klein wird.
Als eine Technik zum Lösen der vorstehend geschilderten Probleme und zum Verkürzen der axialen Länge eines stangenförmigen Schwingungswellenantriebsgerätes wurde eine Technik in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift JP-2001-145376 A offenbart, die in der 11 gezeigt ist.
Ein Schwingungsgerät gemäß einer derartigen Druckschrift ist identisch einem herkömmlichen Produkt, wobei ein piezoelektrisches Element 203 zwischen einem ersten elastischen Element 201 und einem zweiten elastischen Element 202 eingeklemmt und befestigt ist. Jedoch unterscheidet sie sich von dem herkömmlichen Produkt darin, dass das erste elastische Element 201 mit einer Reibungsfläche in einen inneren Durchmesserabschnitt und einen äußeren Durchmesserabschnitt geteilt ist, die durch einen dünnen Verbindungsabschnitt 210 miteinander verbunden sind.
Auch falls die axiale Länge des stangenförmigen elastischen Elementes verkürzt ist, kann gemäß diesem Aufbau eine niedrige Resonanzfrequenz erhalten werden, da das erste Schwingungselement eine ausreichend große Masse hat.
Gemäß dieser Technik wird jedoch die in dem piezoelektrischen Element erzeugte Versetzung durch eine weiche Feder des Verbindungsabschnitts 210 absorbiert, wenn der Verbindungsabschnitt 210 dünn gestaltet wird, um eine Absenkung der Resonanzfrequenz zu ermöglichen, und dessen Steifigkeit ist verschlechtert. Folglich ist es schwierig, die Antriebskraft in wirksamer Weise zu einem Rotor zu übertragen. Somit scheint weiterhin Raum für eine weitere Verbesserung vorhanden zu sein.
Ein anderes piezoelektrisches Schwingungswellengerät mit einem elastischen Element ist in der JP-11-146669 A offenbart, das durch eine Schwingung angeregt wird, welche durch ein piezoelektrisches Element erzeugt wird, und dass ein Kontaktelement mittels einer Reibungsfläche antreibt.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt dieser Erfindung sieht ein Schwingungswellenantriebsgerät vor, mit einem elektro/mechanischen Energieumwandlungselement, das zwischen elastischen Elementen eingeklemmt und befestigt ist, wobei ein drittes elastisches Element (scheibenförmiges elastisches Element) zwischen dem elektro/mechanischen Energieumwandlungselement und einem der elastischen Elemente vorgesehen ist. Das dritte elastische Element hat einen Durchmesser, der größer ist als ein Durchmesser des elektro/mechanischen Energieumwandlungselementes. Wenn eine Antriebsschwingung auf das elektro/mechanische Energieumwandlungselement aufgebracht wird, regt ein Schwingungselement eine Biegeschwingung an, und diese Biegeschwingung ermöglicht eine Biegeschwingung außerhalb der Ebene, die bei dem dritten elastischen Element anzuregen ist. Da ein Rotor in einen Kontakt mit dem dritten elastischen Element gebracht wird, das zwischen dem elastischen Element und dem elektro/mechanischen Energieumwandlungselement eingeklemmt ist, kann die Größe des Schwingungswellenantriebsgerätes reduziert werden. Da zusätzlich eine sich ausbreitende Welle, die durch die Biegeschwingungen des Schwingungselementes erzeugt wird, und eine sich ausbreitende Welle, die durch die Biegeschwingungen außerhalb der Ebene des dritten elastischen Elementes erzeugt wird, an der Reibungsfläche des Schwingungselementes erzeugt werden, kann die Abgabe von dem Schwingungswellenantriebsgerät verbessert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Schwingungselementes, und sie zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2A und 2B zeigen jeweils ein Schwingungsmodusdiagramm, das zum Beschreiben eines Antriebsprinzips der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
3A und 3B zeigen jeweils ein Diagramm eines Schwingungsmodus eines Schwingungselementes, und sie zeigen ein Antriebsprinzip der vorliegenden Erfindung.
4A und 4B zeigen jeweils ein Diagramm eines anderen Schwingungsmodus eines Schwingungselementes, und sie zeigen ein Antriebsprinzip der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Schwingungselementes, und sie zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine Querschnittsansicht eines Schwingungselementes, und sie zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
7A und 7B zeigen eine perspektivische Ansicht bzw. eine Querschnittsansicht eines Schwingungselementes, und sie zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine Querschnittsansicht eines Schwingungselementes, und sie zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine Strukturansicht eines Schwingungswellenantriebsgerätes, und sie zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
10A zeigt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen, stangenförmigen Schwingungswellenantriebsgerätes, und 10B zeigt eine Ansicht eines Schwingungsmodus von seinem Schwingungselement.
11 zeigt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Schwingungswellenantriebsgerätes mit einer verkürzten axialen Länge.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Erstes Ausführungsbeispiel
Das Problem der Erfindung, die in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift JP-2001-145376 offenbart ist, wird dadurch verursacht, dass das an einem Ende einer weichen Feder (Verbindungsabschnitt 210) angebrachte Massenelement als eine Reibungsfläche dient. Somit ist es denkbar, dass dieses Problem durch eine Trennung eines Funktionselementes zum Absenken der Resonanzfrequenz und von einem Funktionselement zum Abnehmen einer Antriebskraft gelöst werden kann.
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet ein erstes elastisches Element, das mit einer zylindrischen Form ausgebildet ist, das aus einem Material besteht, dessen Schwingungsdämpfungsverlust klein ist, wie zum Beispiel Messing. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet ein flanschförmiges (scheibenförmiges) elastisches Element, das aus Keramik wie zum Beispiel Aluminiumdioxid besteht.
In der 1 ist die Nähe des Außenumfangs der Fläche des flanschförmigen elastischen Elementes 5, das sich an der entgegengesetzten Seite eines piezoelektrischen Elementes 3 befindet, ein Abschnitt, der in Kontakt mit einem Rotor gelangt, und der so ausgebildet ist, dass er geringfügig dicker als sein mittlerer Abschnitt ist, an dem an das flansch- oder scheibenförmige elastische Element 5 durch das erste elastische Element 1 gestützt und befestigt ist. Dies soll den Flächeninhalt reduzieren, der einem Lappprozess ausgesetzt wird, indem es ermöglicht wird, dass der Bereich zwischen dem mittleren Abschnitt und der Nähe des Außenumfangs ausgespart wird, um dadurch die Verarbeitungszeit zu reduzieren. Wie dies aus der 1 offensichtlich ist, erstreckt sich in diesem Fall die Nähe des Außenumfangs des flanschförmigen elastischen Elementes nach außen jenseits der Außenumfangsabschnitte des ersten elastischen Elementes 1 und des piezoelektrischen Elementes 3, die an dem flanschförmigen elastischen Element 5 angrenzen.
Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Gruppe piezoelektrische Elemente. Als die Gruppe der piezoelektrischen Elemente ist eine gestapelte Bauart angeordnet, die mit einer Vielzahl Elemente ausgebildet ist, welche Elektroden an ihren beiden oberen und unteren Seiten aufweisen, oder mit einer Vielzahl piezoelektrische Dünnfilmelemente, welche Elektroden an ihren beiden oberen und unteren Seiten aufweisen, die gestapelt und durch Wärme gehärtet sind, um einen Körper auszubilden.
Das Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites elastisches Element, das ebenfalls aus einem Material mit einem niedrigen Schwingungsdämpfungsverlust wie im Falle des ersten elastischen Elementes 1 ausgebildet ist.
Das erste elastische Element 1, das zweite elastische Element 2, das flanschförmige elastische Element 5 und das piezoelektrische Element 3 sind kombiniert, um einen Körper auszubilden, und zwar mittels eines Wellenelementes 6 als eine Befestigungseinrichtung. Das Wellenelement 6 mit einem Gewindeabschnitt, der an seinem einen Ende ausgebildet ist, ist von dem Endabschnitt des ersten elastischen Elementes 1 so eingefügt, dass es durch das piezoelektrische Element 3 hindurch tritt, und dann wird der Gewindeabschnitt an einen Innengewindeabschnitt geschraubt, der in dem axial mittleren Abschnitt des zweiten elastischen Elementes 2 ausgebildet ist. Das flanschförmige elastische Element 5 und das piezoelektrische Element 3 sind zwischen dem ersten elastischen Element 1 und dem zweiten elastischen Element 2 angeordnet, und in diesem Zustand kann das ganze durch einen Flanschabschnitt eingeklemmt und befestigt werden, der für das Wellenelement 6 in dessen mittleren Abschnitt vorgesehen ist, und durch den Gewindeabschnitt, der an einem Endabschnitt des Wellenelementes 6 vorgesehen ist. Der andere Endabschnitt des Wellenelementes 6 ist an einem Anbringungselement 9 befestigt und stützt das ganze stangenförmige Schwingungselement. Bei dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ist das Schwingungselement so ausgebildet, dass alle seine Elemente außer des flanschförmigen elastischen Elementes 5 denselben Außendurchmesser aufweisen.
Wenn ein Antriebssignal auf das piezoelektrische Element von einer nicht gezeigten Antriebsschaltung aufgebracht wird, wird eine primäre Biegeschwingung in dem so ausgebildeten stangenförmigen Schwingungselement angeregt, und des Weiteren wird eine primäre Biegeschwingung in Umfangsrichtung außerhalb der Ebene, die keinen Kreis beinhaltet, der ein Knoten der Schwingung ist, in dem flanschförmigen elastischen Element 5 angeregt.
Dabei wird die Position des Wellenbauches der primären Biegeschwingung, die sich in einer radialen Richtung erstreckt und in dem vorstehend erwähnten stangenförmigen Schwingungselement angeregt wird, an einer Position außerhalb der mittleren Fläche des flanschförmigen elastischen Elementes 5 angeordnet. Die hierbei verwendete "radiale Richtung" bezeichnet eine Richtung, die in einer Ebene enthalten ist, die orthogonal zu einer gerade ist, welche durch die jeweiligen Mitten des ersten elastischen Elementes 1, des flanschförmigen elastischen Elementes 5, des piezoelektrischen Elementes 3 und des zweiten elastischen Elementes 2 hindurch tritt.
Wenn die Biegeschwingungen in der Stange erzeugt werden, kann außerdem eine Schwingung höherer Ordnung wie zum Beispiel eine Schwingung zweiter oder dritter Ordnung verwendet werden, ohne dass irgendein Problem verursacht wird. Es ist jedoch in einem derartigen Fall erforderlich, das flanschförmige elastische Element 5 an einer Position anzuordnen, die von der Position des Wellenbauches einer derartigen Schwingung versetzt ist.
Als nächstes widmet sich die folgende Beschreibung dem Antriebsprinzip der vorliegenden Erfindung.
Es ist bekannt, dass eine runde oder elliptische Bewegung an der Fläche der Scheibe erzeugt wird, wenn eine Biegeschwingung außerhalb der Ebene in einer Scheibe angeregt wird und sich ausbreiten kann.
Diesbezüglich ist eine Vorrichtung mit einem Schwingungsmodus, wie er in der 2A gezeigt ist, in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift JP-4-91668 als eine Vorrichtung mit einer Form offenbart, die ähnlich der Form des stangenförmigen Schwingungselementes gemäß dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ist. Im Falle der Konfiguration, bei der die mittlere Fläche 8 des flanschförmigen elastischen Elementes mit der im Wesentlichen mittleren Position A des Wellenbauches der Biegeschwingung einer Stange wie im Falle des in der 2A gezeigten Modus übereinstimmt, bewirkt das flanschförmige elastische Element jedoch nur eine Translationsbewegung in der radialen Richtung durch eine primäre Biegeschwingung.
Wenn im Gegensatz dazu die mittlere Fläche 8 des flanschförmigen elastischen Elementes an einer Position ist, die von der mittleren Position A des Wellenbauches der Biegeschwingung des stangenförmigen Schwingungselementes versetzt ist, dessen Modus in der 2B gezeigt ist, die das gegenwärtige Ausführungsbeispiel zeigt, kann das flanschförmige elastische Element neben der Translationsbewegung in der radialen Richtung eine Rotationsbewegung um eine Achse durchführen, die Senkrecht zu der Achse des stangenförmigen Schwingungselementes ist (die Achse, die orthogonal zu der X-Achse und der Z-Achse in der 2B ist). Da die Versetzung einschließlich einer Komponente in der axialen Richtung und eine Trägheitskraft, die die Versetzung begleitet, in der Nähe des Außenumfangs des flanschförmigen elastischen Elementes wirken, kann das flanschförmige elastische Element somit außerdem eine Schwingung einschließlich der Versetzungskomponente in der axialen Richtung erzeugen, das heißt eine Biegeverformung außerhalb der Ebene. Zusätzlich breitet sich die Trägheitskraft als eine Kraft zum Anregen der Biegeschwingung, die auf das flanschförmige elastische Element wirkt, an dem Umfang des flanschförmigen elastischen Elementes aus, und die Biegeschwingung außerhalb der Ebene des flanschförmigen elastischen Elementes breitet sich dementsprechend auch aus, da die Biegeschwingung, die in dem stangenförmigen Schwingungselement angeregt wird, sich um die Achse dreht.
Es ist ein allgemein bekanntes Phänomen, dass eine elliptische Bewegung an der Fläche des flanschförmigen elastischen Elementes erzeugt wird, wenn eine sich ausbreitende Biegeschwingung außerhalb der Ebene in einem flanschförmigen Objekt erzeugt wird. Wenn die Drehrichtung von dieser elliptischen Bewegung mit der Drehrichtung einer runden oder elliptischen Bewegung übereinstimmen kann, die in dem flanschförmigen elastischen Element durch die Drehung der Biegeschwingung des stangenförmigen Schwingungselementes erzeugt wird, wird somit die Drehzahl eines Rotors erhöht, der durch das flanschförmige elastische Element gedrückt wird, und dadurch wird die Motorfunktion verbessert.
Wenn das flanschförmige elastische Element unter der mittleren Position des Wellenbauches einer Biegeschwingung vorgesehen ist, die auf das flanschförmige elastische Element wirkt, kann der Ort, an dem der Rotor und das Schwingungselement miteinander in Kontakt sind, abgesenkt werden, und dadurch kann die Größe des gesamten Schwingungswellenantriebsgerätes reduziert werden.
Die 3A und 3B zeigen jeweils einen Schwingungsmodus, bei dem eine Biegeschwingung der Stange und eine Biegeschwingung des flanschförmigen elastischen Elementes ohne Kreis, der ein Knoten der Schwingung ist, miteinander verknüpft sind. Die 4A und 4B zeigen jeweils einen Schwingungsmodus, bei dem eine Biegeschwingung der Stange und eine Biegeschwingung des flanschförmigen elastischen Elementes einschließlich eines Kreises, der ein Knoten ist, miteinander gekoppelt sind.
Alle Ordnungen in der Umfangsrichtung sind 1 (1-Welle).
Hinsichtlich der Richtung der kreisförmigen oder elliptischen Bewegung, die durch die sich ausbreitende Biegungswelle des flanschförmigen elastischen Elementes erzeugt wird, sind die Richtungen an Punkten B1 und B2 in den 3A und 3B einander entgegengesetzt, die Richtungen an Punkten B3 und B4 in den 4A und 4B sind einander entgegengesetzt, und darüber hinaus sind die Richtungen an Punkten B3 und B3' und die Richtungen an Punkten B4 und B4' ebenfalls einander entgegengesetzt. Die Beziehung zwischen den Punkten B3 und B3' und die Beziehung zwischen den Punkten B4 und B4' entsprechen jeweils der Beziehung zwischen dem Inneren und dem Äußeren eines Knotenkreises.
Wenn das stangenförmige Schwingungselement angetrieben wird, hängen die Stellungen der Schwingungen stark von der Beziehung zwischen der Eigenbiegeschwingungsfrequenz außerhalb der Ebene des flanschförmigen elastischen Elementes und der Biegeschwingungsfrequenz des stangenförmigen Schwingungselementes ab. Somit wird die Form des flanschförmigen elastischen Elementes so bestimmt, dass eine Erzeugung einer Biegeschwingung außerhalb der Ebene ermöglicht wird, deren Richtung mit der Drehrichtung der elliptischen Bewegung an dem Kontaktabschnitt übereinstimmt, der mit dem Rotor in Kontakt gelangt, was durch die Drehung einer Biegeschwingung des stangenförmigen Schwingungselementes erzeugt wird.
Zweites Ausführungsbeispiel
Die 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei einem Schwingungselement eines Schwingungswellenantriebsgerätes der vorliegenden Erfindung ist ein flanschförmiges elastisches Element 15 einstückig mit einem ersten elastischen Element 11 ausgebildet, ein piezoelektrisches Element 13 ist zwischen dem flanschförmigen elastischen Element 15 und einem zweiten elastischen Element 12 angeordnet, und das piezoelektrische Element 13 ist zwischen dem ersten elastischen Element 11 und dem zweiten elastischen Element 12 durch eine nicht gezeigte Befestigungseinrichtung eingeklemmt und befestigt. Als die Befestigungseinrichtung kann zum Beispiel ein Schraubenelement oder dergleichen verwendet werden, das im Inneren des ersten und des zweiten elastischen Elementes 11 und 12 angeordnet ist, und das durch das piezoelektrische Element 13 hindurch tritt.
Bei dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ist das Schwingungselement so konfiguriert, dass seine oberen und unteren Enden vergrößerte Außendurchmesser aufweisen, und zwar mittels eines Abschnittes 11a, der für das erste elastische Element 11 und das zweite elastische Element 12 vorgesehen ist. Dies ermöglicht es, dass die Eigenschwingungsfrequenz des Schwingungselementes als ganzes reduziert wird, und dadurch wird es ermöglicht, dass das Schwingungselement eine verkürzte axiale Länge aufweist, wenn dies mit jenem Schwingungselement verglichen wird, dessen Eigenschwingungsfrequenz gleich diesem Schwingungselement ist.
Bei dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ist darüber hinaus ein Element 17 mit einem Abrasionswiderstand an einem Reibungsabschnitt angebracht, der einer Reibung mit einem nicht gezeigten Rotor an einer Fläche des Außenumfangsabschnittes des flanschförmigen elastischen Elementes 15 als ein flanschförmiger Vorsprungsabschnitt ausgesetzt ist. Da das Reibungselement 17 angeordnet ist, ist es nicht länger erforderlich, einen Lappprozess hinsichtlich des flanschförmigen elastischen Elementes durchzuführen.
Drittes Ausführungsbeispiel
Die 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Ein Schwingungselement gemäß dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel hat ein erstes elastisches Element 21, ein zweites elastisches Element 22, ein piezoelektrisches Element 23 und ein flanschförmiges elastisches Element 25 und außerdem eine nicht gezeigte Befestigungseinrichtung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Das gegenwärtige Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass ein Vorsprung 25a in dem Außenumfangsabschnitt des flanschförmigen elastischen Elementes 25 ausgebildet ist, und dass eine runde Nut 25b an der Innenumfangsseite hinsichtlich des Vorsprungs 25a vorgesehen ist.
Infolgedessen ist das flanschförmige elastische Element 25 so konfiguriert, dass es ein erhöhtes Gewicht an seinem Außenumfangsendabschnitt und eine geringere Steifigkeit an seiner Innenumfangsseite aufweist. Somit wird eine Versetzung außerhalb der Ebene in dem Außenumfangsabschnitt des Flansches verstärkt, der mit einem Rotor in Kontakt gelangt, und dadurch erhöht sich weiter die Drehzahl des Rotors.
Viertes Ausführungsbeispiel
Die 7A und 7B zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; die 7A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Schwingungselementes und die 7B zeigt eine Querschnittsansicht davon.
Ähnlich wie bei dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel sind ein flanschförmiges elastisches Element 35 und ein piezoelektrisches Element 33 zwischen einem ersten elastischen Element 31 und einem zweiten elastischen Element 32 eingeklemmt und befestigt. Das gegenwärtige Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen darin, dass Umfangsvorsprünge 35a in dem Außenumfangsabschnitt des flanschförmigen elastischen Elementes 35 vorgesehen sind, und dass die Vorsprünge 35a in der Umfangsrichtung von einander getrennt sind.
Folglich wird die Steifigkeit nicht erhöht, wenn das flanschförmige elastische Element 35 einer Biegeverformung außerhalb der Ebene ausgesetzt wird. Somit wird eine beträchtliche Biegeversetzung außerhalb der Ebene erhalten.
Da zusätzlich die Versetzungskomponente in Umfangsrichtung einer elliptischen Bewegung erhöht ist, die durch das Ausbreiten der Biegeverformung außerhalb der Ebene des flanschförmigen elastischen Elementes 35 erzeugt wird, ist es möglich, die Drehzahl eines Rotors, das heißt die Motorabgabe zu erhöhen.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Die 8 zeigt ein Schwingungselement gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Schwingungselement wird durch weitere Verbesserungen erhalten, die bei dem Schwingungselement des dritten Ausführungsbeispieles durchgeführt wurden.
Ein piezoelektrisches Element 43 zum Anregen einer Biegeschwingung außerhalb der Ebene ist an der unteren Seite eines flanschförmigen elastischen Elementes 25 angebracht.
Wenn die Trägheitskraft allein nicht dazu ausreicht, dass sie als eine Kraft zum Anregen der Biegeschwingung außerhalb der Ebene verwendet wird, wird eine Versetzung unter Verwendung einer Dehnkraft in der Umfangsrichtung des piezoelektrischen Elementes verstärkt. Als ein abwechselndes Signal kann eines gemeinsam genutzt werden, das zum Antreiben des stangenförmigen Schwingungselementes verwendet wird, oder es kann ein anderes vorgesehen werden.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Die 9 zeigt eine Strukturansicht eines stangenförmigen Schwingungswellenantriebsgerätes mit dem Schwingungselement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Wie dies in der Figur gezeigt ist, sind bei dem stangenförmigen Schwingungselement gemäß dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ein erstes elastisches Element 51, ein zweites elastisches Element 52, ein piezoelektrisches Element 53 und ein flanschförmiges elastisches Element 55 durch einen Schwingungselementhaltestift/stützstift 56 als ein Befestigungselement befestigt. Zusätzlich ist ein Anbringungsflansch 59, der in einem Produkt anzubringen ist, an einen Abschnitt des Stiftes 56 geschraubt und gefügt, der sich an einer Position gegenüber dem zweiten elastischen Element 52 befindet. Ein Abgabezahnrad 64 ist an dem Anbringungsflansch 59 so angebracht, dass es um die Achse des Schwingungselementes drehbar ist. Ein Rotor 60 ist um das erste elastische Element 51 angeordnet. Der Rotor 60 ist mit einer Kontaktfeder 61 versehen, die durch Pressen ausgebildet ist, wobei sie klebend daran an ihrer Außenumfangsseite gesichert ist, und mit einem Federgehäuse 62, das damit an einer Innenumfangsseite des Rotors 60 im Eingriff ist und gefügt ist. Das Federgehäuse 62 wird durch das Abgabezahnrad 64 durch dessen oberen Endabschnitt reguliert und befestigt, damit es sich nicht relativ zu dem Abgabezahnrad 64 in der radialen Richtung versetzt. Eine Feder 63 zum Aufbringen einer Druckkraft ist zwischen dem unteren Ende des Federgehäuses 62 und dem Abgabezahnrad 64 angeordnet. Durch die Federkraft dieser Feder 63 ist das Federende der Kontaktfeder 61, die an dem Außenumfangsabschnitt des Rotors 60 befestigt ist, mit der oberen Fläche des flanschförmigen elastischen Elementes 55 in einem Druckkontakt. Der Anbringungsflansch 59 hat außerdem eine Funktion einer zusätzlichen Masse, um zu verhindern, dass Schwingungen zur Außenseite aus dem Schwingungselementhaltestift/stützstift 56 austreten.
Bei dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ist das Schwingungselement befestigt, und der Rotor als ein Kontaktelement ist bewegbar vorgesehen, das in einen Druckkontakt mit dem Schwingungselement gebracht wird. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Das Kontaktelement kann befestigt sein, und das Schwingungselement kann bewegbar vorgesehen sein, und das Schwingungselement und das Kontaktelement können relativ zu einander durch die Antriebsschwingungen durch Reibung angetrieben werden, die in dem flanschförmigen elastischen Element erzeugt werden, das mit einer Flanschform von dem Schwingungselement vorsteht.
Ähnlich wie bei dem zweiten bis sechsten Ausführungsbeispiel ist es klar, dass die mittlere Fläche des flanschförmigen elastischen Elementes an einer Position angeordnet ist, die nicht mit der Position des Wellenbauches einer Biegeschwingung des stangenförmigen Schwingungselementes übereinstimmt, auch wenn dies nicht in den Figuren gezeigt ist.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, verwendet das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel die Konfiguration, bei der das flanschförmige elastische Element mit einer Reibungsfläche für ein stangenförmiges Schwingungselement vorgesehen ist, und eine Antriebskraft wird durch die Reibungsfläche hergeleitet, und außerdem die Konfiguration, bei der ein elastisches Element vorgesehen ist, das von dem flanschförmigen elastischen Elementenabschnitt vorsteht, und die Resonanzfrequenz wird durch dieses Feder/Masse-System abgesenkt. Somit kann die Feder äußerst weich gestaltet werden, so dass die Resonanzfrequenz auf ein ausreichend niedriges Niveau verringert wird, das heißt die Resonanzfrequenz kann auf ein ausreichend niedriges Niveau auch dann abgesenkt werden, wenn der Durchmesser des elastischen Elementes stark reduziert wird.
Wenn darüber hinaus der vorstehende elastische Elementenabschnitt aus Metall ausgebildet ist, bleibt die Erhöhung des inneren Verlustes innerhalb eines minimalen Bereiches, auch wenn sich daran eine Störgröße konzentriert, da die Dämpfcharakteristik des metallischen Materials besser ist als bei dem piezoelektrischen Element, und somit kann ein kurzes Schwingungselement mit einem hohen Wirkungsgrad erhalten werden.
Zusätzlich kann zu der Antriebskraft, die durch eine erste sich ausbreitende Welle erzeugt wird, welche um die Achse des stangenförmigen Schwingungselementes erzeugt wird, eine Antriebskraft hinzugefügt werden, die durch eine zweite sich ausbreitende Welle erzeugt wird, die in dem flanschförmigen elastischen Element angeregt wird. Somit kann eine ausreichend hohe Antriebskraft durch bloße Aufbringung eines Antriebssignals erhalten werden, das kleiner ist als das herkömmliche Antriebssignal, und zwar auf ein elektro/mechanisches Energieumwandlungselement.
Da außerdem der Rotor um das vorstehende elastische Element angeordnet werden kann, wird außerdem die Gesamtlänge des Motors reduziert.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schwingungswellenantriebsgerät mit einem elektro/mechanischen Energieumwandlungselement, das zwischen elastischen Elementen eingeklemmt und befestigt ist, bei dem ein flanschförmiges elastisches Element zwischen dem elektro/mechanischen Energieumwandlungselement und einem der elastischen Elemente vorgesehen ist. Wenn eine Antriebsschwingung auf das elektro/mechanische Energieumwandlungselement aufgebracht wird, regt ein Schwingungselement Biegeschwingungen an, und jene Biegeschwingungen ermöglichen, dass Biegeschwingungen außerhalb der Ebene in dem flanschförmigen elastischen Element angeregt werden. Da ein Rotor in Kontakt mit dem dritten elastischen Element gebracht wird, das zwischen dem elastischen Element und dem elektro/mechanischen Energieumwandlungselement eingeklemmt ist, kann die Größe des Schwingungswellenantriebsgerätes reduziert werden. Da zusätzlich eine sich ausbreitende Welle, die durch die Biegeschwingung des Schwingungselementes erzeugt wird, und eine sich ausbreitende Welle, die durch die Biegeschwingung außerhalb der Ebene des dritten elastischen Elementes erzeugt wird, an der Reibungsfläche des Schwingungselementes erzeugt werden, kann die Abgabe von dem Schwingungswellenantriebsgerät verbessert werden.

Claims

Schwingungswellenantriebsgerät mit: einem Schwingungselement mit einem scheibenförmigen, elastischen Element (5, 25, 35, 55) und einem elektro-/mechanischen Energieumwandlungselement (3, 23, 33, 53), das an dem scheibenförmigen, elastischen Element (5, 25, 35, 55) befestigt ist, wobei das scheibenförmige, elastische Element (5, 25, 35, 55) eine Reibungsfläche aufweist, und einem Rotor (60), der mit der Reibungsfläche des scheibenförmigen, elastischen Elementes (5, 28, 35, 55) in Kontakt ist, wobei das elektro-/mechanische Umwandlungselement (3, 23, 33, 53) so angeordnet ist, dass es bei Aufbringung eines Antriebssignals auf sich eine erste sich ausbreitende Welle an der Reibungsfläche des scheibenförmigen, elastischen Elementes (5, 25, 35, 55) anregt, die durch Biegeschwingungen außerhalb einer Ebene des scheibenförmigen, elastischen Elementes (5, 25, 35, 55) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungselement darüber hinaus ein erstes elastisches Element (1, 21, 31, 51) und ein zweites elastisches Element (2, 22, 32, 52) aufweist, wobei das erste elastische Element (1, 21, 31, 51), das scheibenförmige, elastische Element (5, 25, 35, 55) das elektro-/mechanische Energieumwandlungselement (3, 23, 33, 53) und das zweite elastische Element (2, 22, 32, 52) in der genannten Reihenfolge entlang einer axialen Richtung des Schwingungselementes angeordnet sind und so kombiniert und befestigt sind, dass sie einen Körper bilden, dass das scheibenförmige, elastische Element (5, 25, 35, 55) die Reibungsfläche in der Nähe seines Außenumfangs aufweist, und dass der Durchmesser der Reibungsfläche größer ist als die Außendurchmesser des ersten elastischen Elementes (1, 21, 31, 51) und des elektro-/mechanischen Umwandlungselementes (3, 23, 33, 53), wobei das scheibenförmige, elastische Element (5, 28, 35, 55) entlang der axialen Richtung des Schwingungselementes so positioniert ist, dass das elektro-/mechanische Umwandlungselement (2, 23, 33, 53) darüber hinaus eine zweite sich ausbreitende Welle an der Reibungsfläche des scheibenförmigen, elastischen Elementes (5, 25, 35, 55) anregt, die durch Biegeschwingungen des Schwingungselementes in einer Richtung erzeugt werden, die orthogonal zu dessen axialer Richtung ist.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige, elastische Element (5, 25, 35, 55) an einer Position angeordnet ist, die es nicht ermöglicht, dass ein mittlerer Abschnitt des scheibenförmigen, elastischen Elementes (5, 25, 35, 55) in der axialen Richtung des Schwingungselementes mit einer Mitte (A) eines Wellenbauches der Biegeschwingungen übereinstimmt, die in einer Richtung erzeugt werden, die orthogonal zu der axialen Richtung des Schwingungselementes ist.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige, elastische Element (5, 25, 35, 55) seine Reibungsfläche aufweist, die an der Seite angrenzend an dem ersten elastischen Element (1, 21, 31, 51) angeordnet ist.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser eines Endabschnitts des ersten elastischen Elementes (51) so ausgebildet ist, dass er größer als ein Durchmesser des entgegengesetzten Endabschnittes des ersten elastischen Elementes (51) ist, das mit dem scheibenförmigen, elastischen Element (55) in Kontakt ist.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige, elastische Element (25) einen dünnen Abschnitt (25b) an einer Innenumfangsseite hinsichtlich der Reibungsfläche aufweist.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibungsfläche des scheibenförmigen, elastischen Elementes (35) Vorsprünge (35a) aufweist, die in einer Umfangsrichtung voneinander getrennt sind.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige, elastische Element (25) mit einem zusätzlichen elektro-/mechanischen Energieumwandlungselement (43) versehen ist.